JP2006507511A - 複合センサメンブレン - Google Patents
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Abstract
センサは、表面応力の変化に応じて撓むメンブレンを有しうるもので、このメンブレン上の層が、1つ以上のプローブ分子を当該メンブレンに結合している。この1つ以上のプローブ分子にターゲット分子が反応すると、このメンブレンが撓むようになっている。
Description
関連出願に関する相互参照
本出願は、2002年11月15日に出願した発明の名称を“MULTIPLEXED BIOMOLECULAR ANALYSIS”とする米国仮特許出願第60/426,851号及び2003年4月21日に出願した発明の名称を“COMPOSITE SENSOR MEMBRANE"とする米国特許出願第10/420,661号に基づく優先権を主張するものである。これらは参考のため本明細書中に組み入れてある。
本出願は、2002年11月15日に出願した発明の名称を“MULTIPLEXED BIOMOLECULAR ANALYSIS”とする米国仮特許出願第60/426,851号及び2003年4月21日に出願した発明の名称を“COMPOSITE SENSOR MEMBRANE"とする米国特許出願第10/420,661号に基づく優先権を主張するものである。これらは参考のため本明細書中に組み入れてある。
米国政府の支援による研究
本発明は、米国政府の支援により、米国保健研究所/米国癌研究所により認められた認可(契約)No.R21 CA86132-01 及び米国エネルギー省により認められた契約No.DE-FG03-98ER14870の下で行われたものである。米国政府は、本発明に関し所定の権利を有する。
本発明は、米国政府の支援により、米国保健研究所/米国癌研究所により認められた認可(契約)No.R21 CA86132-01 及び米国エネルギー省により認められた契約No.DE-FG03-98ER14870の下で行われたものである。米国政府は、本発明に関し所定の権利を有する。
技術分野
本発明の開示は、物理的、化学的及び生物学的センサのようなセンサに関するものである。
本発明の開示は、物理的、化学的及び生物学的センサのようなセンサに関するものである。
背景技術
マイクロ−エレクトロメカニカル(MEMS)センサでは、マイクロカンチレバーを用いて物理的、化学的及び生物学的相互反応を検出することができる。マイクロカンチレバーは、一方の端部を固定し且つ他方の端部を遊端とした構造体である。MEMS用に製造されるマイクロカンチレバーは、シリコンを主成分とする材料を用いて製造することができる。
マイクロ−エレクトロメカニカル(MEMS)センサでは、マイクロカンチレバーを用いて物理的、化学的及び生物学的相互反応を検出することができる。マイクロカンチレバーは、一方の端部を固定し且つ他方の端部を遊端とした構造体である。MEMS用に製造されるマイクロカンチレバーは、シリコンを主成分とする材料を用いて製造することができる。
例えば、マイクロカンチレバーセンサを用いて以下のように生体分子の相互反応を検出することができる。特定の生体分子(ターゲット分子と称する)を同定するためには、マイクロカンチレバーの表面を特定のプローブ分子で機能化させることができ、ここでプローブ分子は、ターゲット分子と反応するようになる。例えば、特定のDNA材料を検出するために、短い一本鎖DNA(ssDNA)配列を、相補ssDNAに対するプローブ分子として用いることができる。同様に、特定の抗原を検出するために、適切な抗体をプローブ分子として用いることができる。
図1A及び1Bは、マイクロカンチレバーを用いた生物学的な検出操作を示すものである。図1Aを参照するに、カンチレバー100は、第1端部110において基板190に固定されており、第2端部120において自由に動くようになっている。このカンチレバー100の領域130は、ターゲット分子を検出するための1つ以上のプローブ分子140を有する。図1Aは、撓みのない状態のカンチレバーを示す。
図1Bを参照するに、ターゲット分子150は、1つ以上のプローブ分子140と相互に反応して、カンチレバー100の表面応力を変化させ、カンチレバー100を湾曲させうる。カンチレバー100の湾曲量は、一般に、プローブ分子140と相互に反応するターゲット分子150の数に応じたものとなる。従って、この湾曲量により、ターゲット分子150の濃度を測定することができる。このカンチレバーの湾曲は、例えば光学的技術又はピエゾ抵抗技術を用いて検出することができる。
本発明の概要
一般的に、ある観点において、センサは、表面応力の変化に応じて撓みうるメンブレンを有しうる。このメンブレン上に層を設けて1つ以上のプローブ分子を当該メンブレンに結合させることができる。このメンブレンは、ターゲット分子が1つ以上のプローブ分子と反応すると撓みうる。このメンブレンは、第1部分及びこれと異なる第2部分で基板に対して固定させることができ、基板中のウェルを橋絡するようにしうる。
一般的に、ある観点において、センサは、表面応力の変化に応じて撓みうるメンブレンを有しうる。このメンブレン上に層を設けて1つ以上のプローブ分子を当該メンブレンに結合させることができる。このメンブレンは、ターゲット分子が1つ以上のプローブ分子と反応すると撓みうる。このメンブレンは、第1部分及びこれと異なる第2部分で基板に対して固定させることができ、基板中のウェルを橋絡するようにしうる。
このメンブレンは、ポリマのような可撓性材料を含みうるものである。ポリイミドやパリレン又はその他のポリマーを使用することができる。前述した層は、プローブ分子をメンブレンに結合させるための材料を含みうる。例えば、この層には金を含ませることができる。この層は、メンブレンの一方の側の部分を被覆するようにしうる。この部分は、約5%〜約90%又は約10%〜約70%の範囲とすることができる。
装置は、基板と、この基板に結合した1つ以上のメンブレンとを有しうる。例えば、この装置は、ウェルを橋絡するメンブレンを有するものとすることができ、この部分において当該メンブレンに、プローブ分子をこのメンブレンに結合させる層を設けることができる。このシステムは、他のウェルを橋絡する他のメンブレンをも有しうるもので、この部分において当該他のメンブレンに、プローブ分子をこの他のメンブレンに結合させる層を設ける。この装置は、前述したウェル及び他のウェルを包囲するカバーを有するものとしうる。この装置は、流体をメンブレンに供給するチャネルを有するものとしうる。
一般的に、他の観点において、検出方法は、メンブレンに近い領域に流体を導入する処理を有するものとしうる。この流体には、1つ以上の検出すべき分子が含まれるようにする。ターゲット分子の少なくとも一部は、プローブ分子と相互に反応してメンブレンを撓ませうる。この方法は、メンブレンの撓みを測定する処理を有するものとしる。撓みは、光学的検出法及び電気的検出法の双方又は一方を用いて測定することができる。
以下の詳細な説明及び添付の図面において1つ以上の実施例を詳細に説明する。本発明のその他の特徴及び利点は、詳細な説明及び図面並びに特許請求の範囲から明らかなものとなるであろう。
各種図面において同じ参照符号は、同様の素子を示している。
各種図面において同じ参照符号は、同様の素子を示している。
詳細な説明
以下の説明は、物理的、化学的若しくは生物学的又はこれらの任意の組み合わせのセンサとして、マイクロカンチレバーではなく、メンブレン構造体を用いるシステム及び技術を開示するものである。
以下の説明は、物理的、化学的若しくは生物学的又はこれらの任意の組み合わせのセンサとして、マイクロカンチレバーではなく、メンブレン構造体を用いるシステム及び技術を開示するものである。
メンブレンは、一般にマイクロカンチレバーを製造するのに用いられるシリコンを主成分とする材料より弾性率の低い材料を用いて製造することができる。例えば、数種の金属、セラミック、ポリマー又はその他の材料を使用することができる。これら材料の弾性率は、マイクロカンチレバーを製造するのに通常用いられる材料の弾性率より、明らかに低いものとしうる。例えば、パリレンの弾性率は、約3.2GPaであるのに対して、窒化シリコン(一般的なカンチレバーの材料)の弾性率は、約110GPaであり、その大きさはほぼ2桁違っている。
メンブレンの材料は、センサの予定される動作環境に適合するように選択することもできる。例えば、生物学的適合性のあるメンブレン材料(例えばパリレン)を用いて、生物学的検出を行うことができ、また、化学的又は物理的検出のために好適な適合性のある材料を選択することもできる。
図2A及び2Bを参照するに、センサ200は、メンブレン210を有する。このメンブレン210は、基板230に固定されており、表面応力の変化を反映して、その変化に起因するメンブレン210の撓みを生ぜしめることができる。
例えば、メンブレン210は、図2A及び2Bに示すように方形にすることができる。図2Aを参照するに、メンブレン210は、第1側部232、第2側部234、第3側部236及び第4側部238において基板230に固定することができる。図2Bを参照するに、メンブレン210は、第1側部232及び第2側部234においてのみ基板230に固定することもできる。
メンブレン210には、物理的、化学的又は生物学的に変性させた領域240を設けることができる。例えば、この領域240は、1つ以上のターゲット分子を検出するための1つ以上のプローブ分子により機能化させることができる。この領域240には、金層、二酸化シリコン層又はその他の層のような中間層を設けてメンブレンにプローブ分子を結合させることができる。適切な中間層を用いることにより、プローブ分子を、例えば中間のチオール又はシステアミン基を介してメンブレン表面に結合させることができる。ある実施例では、中間層を不要なものとしうる。
メンブレン210は、領域240を化学反応に応じた表面応力の変化を受けるように構成した場合には化学的センサとして作用しうる。例えば、この領域240は、薄肉の酸化物又はポリマー被膜を有することができる。或いは又、メンブレン210が、金又はパラジウムのような金属を有するようにして、例えば水素又は水銀を含む材料を検出しうるようにする。
メンブレン210の一方の側における表面応力の正味の変化は、そのメンブレンの面外撓みにより得られる。得られた可撓性メンブレンの撓み又は回転は、光学的技術、圧電技術、ピエゾ抵抗技術又はその他の技術を用いて測定することができる。光学的技術としては、干渉法又は光ビーム偏向があげられる。
図3を参照するに、光ビーム偏向を用いてメンブレン撓みを検出することができる。光は、レーザ370により供給され、メンブレン310の表面315に反射される。反射された光は、電荷結合素子(CCD)検出器又は光センサアレイ検出器(例えばCMOSアレイ検出器)のような検出器380を用いて検出する。
メンブレン310が撓んでいない場合には、反射された光は検出器380の領域Aにおいて受光される。メンブレン310が撓んでいる場合には、反射された光は検出器380の領域Bにおいて受光される。これらの領域A及びBの相対的な位置によりメンブレンの撓みを測定する。
図4A及び4Bを参照するに、メンブレンの撓みを検出するのに干渉法を用いることもできる。基準面450が、レーザ470からの光を反射し、反射された光は検出器480において受光される。メンブレン410のセンサ面415もレーザ470からの光を反射し、この反射された光も検出器480において受光される。メンブレンが撓んでいない場合には第1の干渉パターンが発生する。メンブレン410が撓むとこの干渉パターンが移動する。この干渉パターンの変化を利用して、メンブレン410の撓みの大きさを判定することができる。
図4Aには、ファブリペロー干渉計が示されている。ガラスプレート455の基準面450が、レーザ470からの光を検出器480に向けて反射する。センサ面415もレーザ470からの光を検出器480に向けて反射するため、干渉パターンが発生する。この干渉パターンを用いて、メンブレン410がその平衡位置から撓んだ高さhを決定することができる。
図4Bには、マイケルソン干渉計が示されている。基準面450は、ビームスプリッタ475を介してレーザ470からの光を受け、その光を検出器480に向けて反射する。メンブレン410の基準面415もビームスプリッタ475を介して光を受け、これを検出器480に向けて反射する。干渉パターンが発生し、これを用いてメンブレン410がその平衡位置から撓んだ高さhを決定することができる。
感度を向上させるためには、センサ素子が大きく撓む/回転するようにするのが望ましい。シリコン材料では、弾性率が高いため最適な撓みよりも小さくなるおそれがある。パリレン、ポリイミドなどのポリマーを用いるのがより良い選択となりうる。
図5を参照するに、メンブレン510(例えばパリレンメンブレン)は、第1端部512及び第2端部514において基板500に固定されている。基板500内のウェル520によりメンブレン510が撓みうるようになっている。流体が1つ以上のターゲット分子を含んでいるか否かを判定するために、このメンブレンは流体に向けて露出させる。その後、メンブレン510の表面上のプローブ分子に結合したターゲット分子によりこのメンブレン510が撓む。
メンブレン510の表面領域上に層530を設ける。例えば、この層530は、メンブレン510の表面にプローブ分子を取付けるためにチオールの化学的性質に適合性のある金層にすることができる。他の層材料も使用することができる。例えば、層530は二酸化シリコン層とすることができる。
図6A〜6Eは、中間層を具えたメンブレンを有するセンサであって、この中間層によりメンブレンに1以上のプローブ分子を結合する当該センサを製造するのに使用することができる処理工程を示す。図6A〜6Eのそれぞれに、断面図(断面として切断する場合のラインをA−Aとして示す)及び頂面図を示す。
図6Aを参照するに、シリコン基板のような基板600を準備する。図6Bを参照するに、この基板600上に、パリレンのようなメンブレン材料の層610を形成する。例えば、パリレンの層は、常温化学気相堆積(CVD)技術を用いて基板600上に形成することができる。
図6Cを参照するに、層610をパターン化して、基板領域605により画定されたメンブレン構造体615を規定する。例えば、ホトリソグラフ処理を用いて層610上にホトレジスト層をパターン化することができ、その後酸素プラズマエッチング処理を用いてそのパターンを層610に転写することができる。図6Dを参照するに、このメンブレン構造体615上に(例えば金の)材料層620を形成する。
図6Eを参照するに、基板の領域605から基板材料をエッチング除去して、メンブレン構造体615の下方に空所を形成する。例えば、基板600がシリコンを含み、且つ層610がパリレンを含む場合には、この空所を形成するのに、パリレンに対してシリコンに選択的な異方性エッチング処理を利用することができる。例えば、ドライプラズマエッチング処理又はウェットエッチング処理を用いることができる。メンブレン構造体615は、残りの層610から分離されているものではなく、空所を橋絡し且つウェル近傍において基板に固定されている層の部分を意味するものであることに注意されたい。
図7A及び7Bを参照するに、複数のセンサを具える生物学的検出処理用の装置を示す。図7Bを参照するに、図6A〜6Eを参照して説明したように基板700内には、第1センサ710A及び第2センサ710Bを形成することができる。この基板700には、ガラス又は他の材料から製造しうるカバー730を結合し、領域760A及び760Bを形成する。これらの第1センサ710A及び第2センサ710Bは、これらの領域760A及び760Bにおいて撓みうるようになっている。
例えば基板700又はカバー730中に形成することができるチャネル(図示せず)を用いて、センサ710A及び第2センサ710B近傍の領域に流体を供給し、又は当該領域から流体を取り除き、或いはこれらの双方を行うことができる。流体をセンサ710A及び第2センサ710Bに供給して機能化させることができる。即ち、ターゲット分子を検出するためのプローブ分子を供給することができる。これら第1センサ710A及び第2センサ710Bは、互い異なるターゲット分子を検出するように機能化させることもできるし、同じターゲット分子を検出するように機能化させることもできる。或いは又、これら第1センサ710A及び第2センサ710Bの少なくとも一方を、同相分除去のために用いることができ、機能化させないことができる。
同相分除去に関しては、基準センサの撓みを観察することができる。基準センサの撓みは、例えば温度ドリフトにより時間とともに変化しうる。この基準センサ近傍の他のセンサにおいても同じ温度ドリフトが発生するおそれがあり、測定値にノイズが入るおそれがあるため、他のセンサからノイズを除去するのに基準センサの撓みの変化を利用することができる。
センサ710A及び第2センサ710Bの双方又はいずれか一方に流体を供給し、この流体(即ちガス又は液体)が1つ以上のターゲット分子を有するか否かを判定することができる。これら第1センサ710A及び第2センサ710Bには、同じ流体を供給することもできるし、又は異なる流体を供給することもできる。
以下の表1は、以降の解析に用いたパラメータのリストを記載したものである。
以下の計算は、金層を有するパリレンメンブレンのような複合メンブレンを用いることで得られる利点を説明するものである。まず、表面応力の変化により得られるメンブレンの金被覆部分の湾曲の変化を評価する。計算を容易にするために、図8A及び8Bに示すように、メンブレンの金被覆部分のモデルとして、金から形成した等価なメンブレンを用いた。
図8Bを参照するに、以下の数式1を用いて
の位置を位置を決定することができる。この中立軸に対する複合メンブレンの最頂部(y+)及び最低部(y-)ファイバのy座標は、数式2及び数式3により与えられる。頂部ファイバにおける歪みは、数式4により与えられ、単位長さ当りの表面エネルギは、数式5により与えられる。
の位置を位置を決定することができる。この中立軸に対する複合メンブレンの最頂部(y+)及び最低部(y-)ファイバのy座標は、数式2及び数式3により与えられる。頂部ファイバにおける歪みは、数式4により与えられ、単位長さ当りの表面エネルギは、数式5により与えられる。
湾曲によるメンブレンの単位長さ当りの弾性歪みエネルギは、数式6により与えられる。yの関数としてのメンブレンの幅は、数式7A及び数式7Bにより与えられる。曲率Kは、数式8において与えられる系の全エネルギを最小にすることにより、数式9に示されるようにして得られる。
メンブレンの中央の縦撓みは、エネルギの最小化及び重合せ法を用いて求められる。図9A〜9Dを参照するに、メンブレン910は、その両端で基板900に固定されている。このメンブレン910は、その中央を通る軸線940を中心に対称に形成された金層920を有する。
図9Bを参照するに、正味の縦変形を測定するために、表面応力の変化による縦変形を決定する。この場合、端部に対するメンブレンの中央の変形は、以下の数式10により与えられ、遊端における角度は以下の数式11により与えられる。
図9Cを参照するに、メンブレン端部における境界部分が固定状態にあるため、その端部における変形及び傾斜はゼロになる。従って、端部においては傾斜をゼロにする(測定すべき)モーメントMが存在する。負荷のみであるモーメントMによるメンブレンの中央の変形は、数式12により与えられ、それに対応する遊端における角度は、数式13により与えられる。
代表的な複合メンブレンの材料特性及び寸法を以下の表2に示す。メンブレンの中央の変形は、メンブレンの長さ及び金被覆部分の長さの関数となる。
図10は、表2のパラメータを有するメンブレンの面外撓みを、メンブレンの長さ及び金被覆部分の割合の関数として示すグラフである。メンブレンの長さが長い場合より短い場合の方が、最大撓みが得られる金被覆部分の割合は小さくなる。メンブレンの長さが約600μmで且つ金被覆部分の割合が65%である場合に、撓みは20nmになり、約1mJ/m2 の表面応力の変化があったものと考えられる。この撓みは上述した光学検出技術を用いて測定することができる。
複数の実施例を説明してきたが、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく種々の変形をなし得ることを理解されたい。例えば、メンブレンには種々の材料を使用することができる。メンブレンの上には種々の材料の層を設けることができる。更に、プローブ分子を設けるのに種々の方法を利用することもできる。
方形のメンブレンについて説明してきたが、他の形状のものも使用することができる。例えば円形のメンブレンを使用することができる。メンブレンの形状は一定のものとする必要なく、また対称にする必要もない。即ち、表面応力の変化に応じて撓むメンブレン形状を用いることができる。メンブレン上の層の配置を対称にする必要はない。更に、メンブレンを、図示したのと異なり1つ以上の支持構造体(例えば基板)に取付けることができる。従って、他の例も本発明の特許請求の範囲内にある。
Claims (27)
- 表面応力の変化に応じて撓むメンブレンと、
このメンブレン上にあり、1つ以上のプローブ分子を当該メンブレンに結合させるための層と
を有するセンサ。 - 請求項1に記載のセンサにおいて、
当該センサが、更に、前記メンブレンに結合した1つ以上のプローブ分子を有するセンサ。 - 請求項1に記載のセンサにおいて、
前記メンブレンが、基板の領域に固定される第1部分と、基板の前記領域と異なる領域に固定される第2部分とを有するセンサ。 - 請求項1に記載のセンサにおいて、
前記メンブレンがポリマを含んでいるセンサ。 - 請求項4に記載のセンサにおいて、
前記ポリマが、ポリイミド及びパリレンからなる群から選択したものであるセンサ。 - 請求項1に記載のセンサにおいて、
前記メンブレンの殆ど全ての周囲領域が、1つ以上の構造体に固定されるようになっているセンサ。 - 請求項1に記載のセンサにおいて、
前記層が、金及び二酸化シリコンからなる群から選択した材料を含んでいるセンサ。 - 請求項1に記載のセンサにおいて、
前記メンブレンの一方の側の部分が、前記層により被覆されているセンサ。 - 請求項8に記載のセンサにおいて、
前記部分が、約5%〜約90%であるセンサ。 - 請求項8に記載のセンサにおいて、
前記部分が、約10%〜約70%であるセンサ。 - 基板と、
この基板に結合され、この基板中のウェルを橋絡しているメンブレンと、
このメンブレン上にあり、1つ以上のプローブ分子を当該メンブレンに結合する層と、
前記基板に結合され、この基板中の他のウェルを橋絡している他のメンブレンと、
この他のメンブレン上にあり、1つ以上のプローブ分子を当該他のメンブレンに結合する層と、
前記ウェル及び前記他のウェルを包囲するカバーと、
前記メンブレンに流体を供給するチャネルと、
前記他のメンブレンに流体を供給する他のチャネルと
を有する装置。 - 請求項11に記載の装置において、
前記チャネルが、前記基板中に形成されている装置。 - 請求項11に記載の装置において、
前記チャネルが、前記カバー中に形成されている装置。 - 請求項11に記載の装置において、
前記カバーが、前記メンブレンの撓み検出する光を透過するようになっている装置。 - 請求項11に記載の装置において、
前記メンブレンが、ポリマを含んでいる装置。 - 請求項15に記載の装置において、
前記ポリマが、パリレン及びポリイミドからなる群から選択したものである装置。 - 請求項11に記載の装置において、
前記メンブレン上の層が、金及び二酸化シリコンからなる群から選択した材料を含んでいる装置。 - 請求項11に記載の装置において、
当該装置が更に、前記メンブレンに結合された1つ以上のプローブ分子を有する装置。 - 請求項18に記載の装置において、
当該装置が、更に、前記他のメンブレンに結合された1つ以上の異なるプローブ分子を有する装置。 - 検出すべき1つ以上のターゲット分子を含む流体を、メンブレンに近接する領域に導入し、その後、前記1つ以上のターゲット分子の少なくともある量が、前記メンブレン上の層に結合した1つ以上のプローブ分子と相互に反応することにより、当該メンブレンを撓ませる処理と、
このメンブレンの前記撓みを測定する処理と
を有する方法。 - 請求項20に記載の方法において、
当該方法が、更に、
検出すべき1つ以上の異なるターゲット分子を含む他の流体を、異なるメンブレンに近接する他の領域に導入し、その後、前記1つ以上の異なるターゲット分子の少なくともある量が、前記異なるメンブレン上の層に結合した1つ以上の異なるプローブ分子と相互に反応することにより、前記異なるメンブレンを撓ませる処理と、
この異なるメンブレンの撓みを測定する処理と
を有する方法。 - 請求項20に記載の方法において、
メンブレンの撓みを測定する処理が、電気的検出法を用いる処理を有する方法。 - 請求項22に記載の方法において、
前記電気的検出法が、圧電検出法及びピエゾ抵抗検出法からなる群から選択したものである方法。 - 請求項20に記載の方法において、
メンブレンの撓みを測定する処理が、メンブレンに光を反射させる処理を有する方法。 - 請求項24に記載の方法において、
メンブレンの撓みを測定する処理が、更に基準面に光を反射させる処理を有する方法。 - 請求項20に記載の方法において、
メンブレンの撓みを測定する処理がファブリペロー干渉計を用いる処理を有する方法。 - 請求項20に記載の方法において、
メンブレンの撓みを測定する処理が、マイケルソン干渉計を用いる処理を有する方法。
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