JP2006512564A - Dynamic bio-NEMS sensor and array of bio-NEMS sensors immersed in fluid - Google Patents
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- G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
- G01N33/54373—Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
Abstract
バイオNEMS装置は、カンチレバーを支持体に連結する可撓性レッグを有しかつ先端に生物機能化部分を有するピエゾ抵抗カンチレバーを備えている。そのレッグに加えられるバイアス電流は、生物機能化された先端における許容可能な最高温度上昇によって制限される。カンチレバーの長さは、バックグランドのジョンソンノイズを最小にするように選択された大きさである。装置上の触媒された受容体は、結合速度係数が高められたリガンドに結合する。その触媒は受容体-リガンド結合の活性化エネルギーを低下させ、優先的にリガンドと結合するように強制進化(forced evolution)によって設計される。キャリヤ信号は、キャリヤ信号源に電磁気で結合されたカンチレバーに配置された磁気薄膜で注入される。複数の、NEMSの流体で結合されている変換器が、総合出力信号が誘導される複数の出力信号を、アバレージング(averaging)又はスレッショルディング(threshoiding)によって発する。NEMS装置は微小流体流動チャネル内に配置されて膜内に製造される。結合性分子が変換器の先端に結合されそしてフラフボールが結合性分子に結合されて減衰を増大する。The bio-NEMS device includes a piezoresistive cantilever having a flexible leg that connects the cantilever to a support and having a biofunctionalized portion at the tip. The bias current applied to the leg is limited by the maximum allowable temperature rise at the biofunctionalized tip. The length of the cantilever is a size selected to minimize background Johnson noise. The catalyzed receptor on the device binds to a ligand with an increased binding rate coefficient. The catalyst is designed by forced evolution to reduce the activation energy of receptor-ligand binding and preferentially bind to the ligand. The carrier signal is injected with a magnetic thin film disposed on a cantilever that is electromagnetically coupled to a carrier signal source. A plurality of NEMS fluid coupled transducers generate a plurality of output signals from which the total output signal is derived, either by averaging or threshoiding. NEMS devices are placed in a microfluidic flow channel and manufactured in a membrane. A binding molecule is attached to the tip of the transducer and a fluff ball is attached to the binding molecule to increase attenuation.
Description
1.発明の技術分野
本発明は、純流体バイオNEMS装置(fluidic bioNEMS device)及びその装置の操作方法の技術分野に関する。
1. TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the technical field of a pure fluid bioNEMS device and a method for operating the device.
関連出願
本願は、2002年5月7日付けで出願された米国仮特許願第60/379,710号、同第60/379,660号、同第60/379,645号、同第60/379,552号、同第60/379,711号、同第60/379,543号、同第60/379,643号、同第60/379,708号及び同第60/379,681号に関連している。なおこれらの出願は本願に援用しかつその優先権を米国特許法35 USC 119に基づいて主張するものである。
Related Applications This application is a U.S. provisional patent application Nos. 60 / 379,710, 60 / 379,660, 60 / 379,645, 60 / 379,552, 60, filed May 7, 2002. / 379,711, 60 / 379,543, 60 / 379,643, 60 / 379,708 and 60 / 379,681. These applications are hereby incorporated by reference and claim their priority under 35 USC 119.
同時係属出願の援用
本願は、同時に出願された米国特許願(PAU.34)(発明の名称:An Apparatus And Method For Vacuum-Based Nanomechanical Energy,Force,And Mass Sensors)及び米国特許願(PAU.35)(発明の名称:A Method And Apparatus For Providing Signal Analysis Of A Bionems Resonator)をこれらがすべて記載されているように援用するものであることを特に理解されたい。さらに本願には、2002年5月3日付けで出願された米国特許願第10/138,538号(発明の名称:An Apparatus and Method For Ultrasensitive Nanoelectrochemical Mass Detection)及び2001年8月9日付けで出願された米国特許願第09/927,779号(発明の名称:Active NEMS Arrays for Biochemical Analyses)をこれらがすべて記載されているように援用するものである。
Incorporation of co-pending applications This application includes US patent application (PAU.34) filed at the same time (invention name: An Apparatus And Method For Vacuum-Based Nanomechanical Energy, Force, And Mass Sensors) and US patent application (PAU.35). ) (Title of Invention: A Method And Apparatus For Providing Signal Analysis Of A Bionems Resonator) is specifically understood to incorporate all of these as described. In addition, the present application is filed with US Patent Application No. 10 / 138,538 (Title of Invention: An Apparatus and Method For Ultrasensitive Nanoelectrochemical Mass Detection) filed on May 3, 2002 and August 9, 2001. US patent application Ser. No. 09 / 927,779 (invention name: Active NEMS Arrays for Biochemical Analyzes) is incorporated by reference in its entirety.
2.従来技術の説明
近年、NEMSと化学力顕微鏡検査法(chemical force microscopy)(CFM)に多くの進歩がみられる。NEMSの研究によって、高周波数でかつ高いQ値にて共振できる長さが短くかつ厚さが薄い一群のカンチレバーが得られている。これらのNEMS装置は、理想的な条件(低いTと減圧の条件)で作動させると無類の感度を示す。いくつものグループが、水素結合と抗体-抗原相互作用から共有結合までの範囲の単一分子間の相互作用が発揮する力を分析するのに装置の大きさが非常に大きい方法(AFM,CFM)の研究を行っている。生物分子で修飾されて、修飾された表面又は修飾された磁気ビーズと相互に作用するAFMカンチレバーは抗原-抗体相互作用に対して100pN程度の力を示しそして共有結合に対し約1-10nNの力を示す。これらの画期的な実験は、確率限界で化学現象を測定する可能性を示しているが、小型で携帯可能でかつ堅牢な装置によってこの可能性を実現することが困難である証拠も示している。
2. Description of Prior Art In recent years, there have been many advances in NEMS and chemical force microscopy (CFM). NEMS research has yielded a group of cantilevers that have a short length and a small thickness that can resonate at high frequencies and high Q values. These NEMS devices exhibit unmatched sensitivity when operated under ideal conditions (low T and reduced pressure conditions). Several groups have used very large instruments (AFM, CFM) to analyze the forces exerted by single molecule interactions ranging from hydrogen bonding and antibody-antigen interactions to covalent bonds. Is conducting research. AFM cantilevers that are modified with biomolecules and interact with modified surfaces or modified magnetic beads exhibit forces on the order of 100 pN for antigen-antibody interactions and about 1-10 nN for covalent bonds Indicates. These groundbreaking experiments show the possibility of measuring chemical phenomena at the probability limit, but also show evidence that it is difficult to realize this possibility with a small, portable and rugged device. Yes.
本発明で必要なことは、カンチレバーの大きさをNEMSの寸法まで小さくして、必要な時間的応答、小さい容積及び単細胞の性能を有する装置を構築するために必要な単一分子に対する感度を付与する何らかの方法である。NEMSカンチレバーを溶液中に室温で入れるには、勿論、CFM又はNEMSに通常採用されている検出戦略を改変することが必要であろう。流体は、NEMSカンチレバーを減衰させて(damp)共振を測定不可能にしそしてその溶液のエネルギーがカンチレバーに衝撃を与える。 What is needed in the present invention is to reduce the size of the cantilever to the size of the NEMS, giving the single molecule sensitivity necessary to build a device with the required temporal response, small volume and single cell performance. Is some way to do. In order to place the NEMS cantilever into the solution at room temperature, it will of course be necessary to modify the detection strategy normally employed for CFM or NEMS. The fluid damps the NEMS cantilever, making resonance unmeasurable and the energy of the solution impacts the cantilever.
必要なことは、これら流体をこの検定法の構成要素として、起こりうる障害に対して活用することである。 What is needed is to make use of these fluids as a component of this assay for possible obstacles.
従来のCFMとは対照的に、本発明で必要なことは、単一の(少数の)化学結合の力をカンチレバーの曲がりを記録することで測定しようとしない方法である。 In contrast to conventional CFM, what is needed in the present invention is a method that does not attempt to measure the force of a single (small number) chemical bond by recording the bending of the cantilever.
必要なことは、一体のセンサを使って、他の方式で熱によって駆動されるカンチレバーの大きな運動に、化学結合が起こす制限によって化学結合の存在を検出できるNEMSカンチレバーの一タイプの設計である。 What is needed is a type of NEMS cantilever design that uses an integrated sensor to detect the presence of chemical bonds due to the limitations caused by the chemical bond to the large movement of the cantilever that is otherwise driven by heat.
本発明でさらに必要なことは、濃度に対し高い信頼性とともに高い感度も提供する体系的に異なる化学的修飾がなされたバイオNEMSカンチレバーのアレーを使用する手段である。 What is further needed in the present invention is a means of using an array of bio-NEMS cantilevers with systematically different chemical modifications that provide high sensitivity as well as high sensitivity to concentration.
さらに、本発明で必要なことは、揺動の「ノイズ」を信号と解釈するなんらかの方法と生体内で有用で堅牢な検定法を組み立てて利用する機会である。 Furthermore, what is needed in the present invention is the opportunity to assemble and use some method of interpreting the “noise” of rocking as a signal and an in vivo useful and robust assay.
最近、マイクロアレー法によって、遺伝子発現の状態の分析のみならずタンパク質受容体とそのリガンドの分析が大きく進歩している。例えば、数千種類の標的のマイクロアレーが、医薬発見産業の使う主要技術になっている。これらのマイクロアレーは、フォトリソグラフィー、マイクロスタンピング法又はマイクロドッティング法で製造され、基板上にスポットのアレー(20-100□m)が形成される。このアレーは一般に、蛍光標識を付けた被検体をアレー上に注ぎ次いでアレーをマイクロ蛍光計で走査して結合量を測定することによって読み取られる。これらの方法はますます普及しているが、読取装置の大きさが大きいことと採用される蛍光分析法固有の制約のため、携帯できることと堅牢性の両方が必要な用途には全く不適当な方法になっている。さらに、それらは使い捨ての装置であるから連続監視を必要とする用途には容易に適応できない。結局これら装置は、かなりの容積の被検体に依存しているので、コンビナトリアル化学によって提供される医薬発見の最も強力な新しい進歩又は遺伝子発現の最も高い感度の検定法に対し不適当なものになっている。 Recently, not only analysis of gene expression status but also analysis of protein receptors and their ligands have been greatly advanced by the microarray method. For example, thousands of targeted microarrays have become the primary technology used by the drug discovery industry. These microarrays are manufactured by photolithography, microstamping, or microdotting, and a spot array (20-100 □ m) is formed on the substrate. This array is generally read by pouring analytes with fluorescent labels onto the array and then scanning the array with a microfluorimeter to determine the amount of binding. Although these methods are increasingly popular, they are quite unsuitable for applications that require both portability and robustness due to the large size of the reader and the limitations inherent in the fluorescence analysis employed. It has become a way. Furthermore, because they are disposable devices, they cannot be easily adapted to applications that require continuous monitoring. Eventually, these devices rely on significant volumes of analytes, making them unsuitable for the most powerful new advances in drug discovery offered by combinatorial chemistry or the most sensitive assays for gene expression. ing.
提案されている研究のもう一つの目的は、単一の生物分子のそれらの受容体との結合を検出できるナノスケールのバイオチップ(BioNEMS(バイオNEMS))の新しい技術を開発することである。増大している化学力顕微鏡検査法(CFM)に関する文献は、AFMを改変して、単一の水素結合及び単一の受容体-リガンドの相互作用から単一の共有結合に至る範囲の相互作用の結合力を測定するようにできることを示している。これら力の範囲はAFM装置の検出性能の範囲内に十分入っているが、溶液中のAFMカンチレバーには、生物リガンドとその受容体の結合と分離(unbinding)を高い信頼性で追跡できるようになるのに必要な時間的応答の特性がない。恐らく一層重要なことは、AFM/CFMを実行し空気で運ばれる振動及び表面の振動に対するAFMの周知の感度を得るためにかなりの大きさの装置が必要なことである。 Another goal of the proposed research is to develop a new technology for nanoscale biochips (BioNEMS) that can detect the binding of single biomolecules to their receptors. The literature on growing chemical force microscopy (CFM) modifies AFM to range from single hydrogen bonds and single receptor-ligand interactions to single covalent bonds It shows that the binding force can be measured. Although these force ranges are well within the detection performance of the AFM instrument, AFM cantilevers in solution can reliably track the binding and unbinding of biological ligands and their receptors. It lacks the time response characteristics necessary to become. Perhaps even more importantly, a fairly large device is required to perform AFM / CFM and obtain the well-known sensitivity of AFM to airborne and surface vibrations.
必要なことは、単一分子の相互作用の力を検出する際にCFMと同様に成功するが、NEMSの規模まで縮小して前記結合と分離の事象を追跡するのに十分迅速に応答できるようにするある種の技術である。化学力の大きさを考慮すると、バイオNEMSが作動する最も強力なモードは、結合の力を直接測定しないモードである。本発明で必要なことは、NEMSカンチレバーのポジション(position)の進行中の揺動を利用し一体のセンサを使って追跡してAFMで使用されている支持装置の必要性を除いたある種の手段である。 What is needed is to be as successful as CFM in detecting the interaction force of a single molecule, but to be able to respond quickly enough to scale down to the NEMS scale and track the binding and separation events. It is a kind of technology. Considering the magnitude of chemical force, the most powerful mode in which bio-NEMS operates is the mode that does not directly measure the binding force. What is needed in the present invention is that there is some kind of support that is used in AFM to track with an integral sensor using the ongoing swing of the NEMS cantilever position. Means.
本発明によって、NEMSカンチレバーの運動を利用して結合と分離の事象が追跡される。基本的な考えは、その先端にリガンド-受容体の対が結合していないカンチレバーがその状態で、リガンド-受容体の対で制限されているカンチレバーより一層劇的に揺動するという考えである。強いリガンド-受容体結合は、カンチレバーの運動を一部分、かなりの時間(リガンド-受容体の対に対し約ton)阻止することができ、弱い相互作用でさえもカンチレバーの運動の統計値を変化させる。 With the present invention, the movement of the NEMS cantilever is used to track the binding and separation events. The basic idea is that a cantilever that does not have a ligand-receptor pair attached to its tip will swing more dramatically than a cantilever that is restricted by a ligand-receptor pair. . Strong ligand-receptor binding can block cantilever movement in part and for a significant amount of time (about t on for ligand-receptor pairs), changing cantilever movement statistics even with weak interactions Let
大きさが小さいNEMS装置まで小さくするといくつもの利点がもたらされる。用語「NEMS」は本明細書で使用する場合、1ミクロン又は1ミクロン未満の寸法を少なくとも一つ有する装置を意味する。「NEMS」装置は1ミクロンを超える他の寸法を1又は2以上有する場合も有りうる。さらに大きさが1ミクロン以下の装置と1ミクロンを超える装置とを特徴付ける明確な境界線がないことが多いことは分かるであろう。用語「NEMS」のより重要な意味は、問題の装置が、サブミクロンの装置又は作動に独特の特性を、サブミクロンの大きさまで縮小した類似の装置と共有していることである。すでに述べたようにNEMS装置は、その大きさが小さいことから結合と分離の動力学に対して劇的に一層良好に応答できる。この高い周波数応答は、受容体-リガンドの相互作用の確率的性質を追跡するのに重要であり、大部分の受容体-リガンドの対は、劇的に相互に作用し、結合し、数マイクロ秒~数秒の範囲内の時間(厳密な受容体-リガンドの対によって)結合したままであり次いで分離する。高い周波数応答(〜MHz)は、検定法が生物分子の相互作用を追跡しなければならないときに重要である。個々の膜チャネルの開閉を分析するパッチクランプ(ギガオームシール)法の性能によって、ニューロンの機能の根底にある物理生化学に関する我々の理解が劇的に変化し、その結果パッチクランプ法だけが膜チャネルの巨大集団を記録することから分子の機序の解読を試みることができたのである。生物分子の分析法は現在、大量の必要物質を必要とするとともに最も高感度の検定法でさえ固有の期間のスミアリング(smearing)によって制約されていて全く同じ状態であると我々は考えている。こうしてバイオNEMSは、本発明によって平衡を保持され、我々の生物分子分析法を正確に確率限界まで進ませる。 There are a number of advantages to reducing the size of a small NEMS device. The term “NEMS” as used herein means a device having at least one dimension of 1 micron or less than 1 micron. The “NEMS” device may have one or more other dimensions greater than 1 micron. It will also be appreciated that there are often no clear boundaries characterizing devices that are less than 1 micron in size and devices greater than 1 micron. A more important meaning of the term “NEMS” is that the device in question shares sub-micron devices or similar characteristics of operation with similar devices reduced to sub-micron dimensions. As already mentioned, NEMS devices can respond dramatically better to binding and separation kinetics due to their small size. This high frequency response is important in tracking the stochastic nature of receptor-ligand interactions, with most receptor-ligand pairs interacting and binding dramatically, It remains bound (by the exact receptor-ligand pair) for a time in the range of seconds to a few seconds and then separates. A high frequency response (˜MHz) is important when the assay must track biomolecular interactions. The ability of the patch clamp (gigaohm seal) method to analyze the opening and closing of individual membrane channels has dramatically changed our understanding of the physical biochemistry underlying neuronal function, so that only the patch clamp method is the membrane It was possible to decipher the molecular mechanism by recording a large group of channels. We believe that the analysis of biomolecules currently requires a large amount of required substances and even the most sensitive assays are bound by smearing for a specific period and are in exactly the same state . The bio-NEMS is thus balanced by the present invention and advances our biomolecular analysis method to the probability limit accurately.
この方法の能力の一つは、この方法が、通常はAFMの主な制約であるカンチレバーの熱運動を駆動力として活用することである。さらに、カンチレバー運動のノイズは、カンチレバーの大きさが小さくなるにつれて低下する。その上、NEMS装置は、大きさが小さいから検出器のアレー(>500カンチレバー)を、小さい有効容積(active volume)(<100pL)で構築できる。この後者の利点は、単細胞中に存在するRNA、タンパク質及び第二メッセンジャーのレベルを検出する技術の将来の可能性を提供するので非常に重要である。 One of the capabilities of this method is that it uses the thermal motion of the cantilever, which is usually the main constraint of AFM, as the driving force. Furthermore, the noise of cantilever motion decreases as the size of the cantilever decreases. Moreover, because the NEMS device is small in size, an array of detectors ( > 500 cantilevers) can be constructed with a small active volume ( < 100 pL). This latter advantage is very important because it provides the future potential of technology to detect the levels of RNA, proteins and second messengers present in a single cell.
本発明のバイオNEMS法は、AFM/CFMと比較して、大きさを著しく小さくしてしかも装置が作動するのに必要な性質を提供する。カンチレバーの運動のセンサはNEMSカンチレバーと一体になっているので、AFMに使われているカンチレバー運動の光学的検出法によって課される大きさと密度の制約が無くなる。その結果、バイオNEMSカンチレバーは、AFMで実用されているものよりはるかに小さくしかつ劇的により緊密にパックすることができる。 The bio-NEMS method of the present invention is significantly smaller in size than AFM / CFM and provides the properties necessary for the device to operate. The cantilever motion sensor is integrated with the NEMS cantilever, eliminating the size and density constraints imposed by the optical detection method of cantilever motion used in AFM. As a result, bio-NEMS cantilevers can be much smaller and dramatically more closely packed than those used in AFM.
NEMS検出法について下記章で述べるように、ピエゾ抵抗変換器(piezoresistive transducer)を組み込むと、液状水中でNEMSカンチレバーの運動を記録するのに必要な感度よりはるかに大きい感度を提供する。その結果、適正に組み込むことによって、カンチレバーの運動を追跡するのに必要な検出器、その運動を解釈するのに必要な論理、及び得られた結果を伝達するのに必要な回路を一つの装置に装填することができる。現在の「DNA Chip」又は「Proteomics Chip]法は、その評判とは対称的に、化学種の結合を解釈するため、長さと幅が数cmのセンサ容器に対し嵩高で重い読取り器を必要とする。ここで述べるバイオNEMS法は、用語「チップ]と一致するパッケージサイズ(ほぼDIPの寸法)を約束するので、他の方法では不可能か又は実用できない各種の用途を提供する。 As described in the following section on NEMS detection methods, the incorporation of a piezoresistive transducer provides sensitivity much greater than that required to record NEMS cantilever motion in liquid water. As a result, by incorporating it properly, one device with the detector necessary to track the movement of the cantilever, the logic necessary to interpret the movement, and the circuitry necessary to communicate the results obtained. Can be loaded. The current "DNA Chip" or "Proteomics Chip" method, in contrast to its reputation, requires bulky and heavy readers for sensor containers that are several centimeters long and wide to interpret chemical binding. The bio-NEMS method described here promises a package size (approximately DIP dimensions) consistent with the term “chip”, thus providing various applications that are not possible or practical with other methods.
提案されている研究の目的は、カンチレバーの熱で駆動される運動を活用してその運動を受容体-リガンドの相互作用で変調することである。溶液中のNEMSカンチレバーの物理学及び確率論的生化学の知識を利用してカンチレバーの運動を解釈する。したがって、このクラスの実用的なバイオNEMSを構築するには、NEMSの組立てを担当している研究者、装置表面の生化学的修飾を担当している生物学者、NEMS装置の流体力学に参画している物理学者及びアレーからデータを引き出して分析することに優れている情報科学者の緊密な協力が必要である。 The purpose of the proposed research is to take advantage of the heat-driven motion of the cantilever and modulate that motion with receptor-ligand interactions. Interpret cantilever motion using knowledge of physics and stochastic biochemistry of NEMS cantilevers in solution. Therefore, in order to construct a practical bio-NEMS of this class, we participate in the fluid mechanics of researchers who are in charge of NEMS assembly, biologists in charge of biochemical modification of the device surface, and NEMS devices. Close cooperation of scientists and information scientists who are good at extracting and analyzing data from arrays is needed.
ここで述べるバイオNEMS研究の努力には基礎科学から応用科学までの分野にわたっていくつもの目標があり、新しいナノスケールの純流体技術の開発を目指している。我々の目標は、バイオNEMS構築の技術を開発し解釈し次いで改良しそしてその新規な用途を示すことである。 The bio-NEMS research effort described here has a number of goals in the fields from basic science to applied science, and aims to develop new nanoscale pure fluid technology. Our goal is to develop, interpret and then improve the technology of bio-NEMS construction and show its new uses.
用途の例としは下記のものがある。
・溶液中のNEMSの性能に関する基礎試験。
・単一分子化学に関する基礎試験。
Examples of applications include:
・ Basic tests on the performance of NEMS in solution.
・ Basic tests on single molecule chemistry.
・ホルモン、成長因子及び第二メッセンジャーに関する細胞試験。細胞からの成長因子の放出は、一般に、伝統的な方法で直接分析するには濃度が低すぎかつ容積が小さすぎる。
・医薬発見のための試験のコンビナトリアル化学合成の出力に対するセンサとしてのバイオNEMSの使用。
Cell tests for hormones, growth factors and second messengers. Release of growth factors from cells is generally too low and too small in volume to be analyzed directly by traditional methods.
Use of bio-NEMS as a sensor for the output of combinatorial chemical synthesis of tests for drug discovery.
・DNA配列検出用の高感度「遺伝子チップ」又は生物学的危険のセンサとしての使用。
・環境毒素の濃度のモニタとしての使用。
Use as a highly sensitive “gene chip” or biological hazard sensor for DNA sequence detection.
-Use as a monitor for the concentration of environmental toxins.
本発明は、支持体及びその支持体に結合されてその支持体から延びる長さがlで幅がwでありかつ先端を有するピエゾ抵抗カンチレバーであって、幅が狭くした幅bで長さがl1の制限部分及び前記先端もしくは先端の近くに生物機能化(biofunctionalized)部分を有するピエゾ抵抗カンチレバーを備えてなるサブミクロンのバイオNEMS装置と定義される。その制限部分は、狭くした幅bを有し支持体に結合された複数のレッグで構成されている。好ましくは、二つのレッグが設置されw−2bの距離をおいて互いに分離されている。 The present invention is a piezoresistive cantilever having a length l, a width w, and a tip coupled to the support and extending from the support, the width b having a narrow width and a length. l Defined as a sub-micron bio-NEMS device comprising a piezoresistive cantilever with one limiting part and a biofunctionalized part at or near the tip. The limiting portion is composed of a plurality of legs having a narrowed width b and coupled to the support. Preferably, two legs are installed and separated from each other at a distance of w-2b.
このバイオNEMS装置は、さらにカンチレバーの制限部分に加えられるバイアス電流の電源を備えており、そのバイアス電流の大きさは、前記生物機能化先端において許容可能な最大の温度上昇によって制限される。 The bio-NEMS device further comprises a bias current source applied to the cantilever limiting portion, the magnitude of the bias current being limited by the maximum temperature rise allowable at the biofunctionalization tip.
また本発明は、長さがlでありかつピエゾ抵抗バイオNEMS装置が発する信号強度に関連するバックグランドのジョンソンノイズを最小化するように選択された大きさの振動カンチレバーを少なくとも一つ有する流体内に浸漬されるピエゾ抵抗バイオNEMS装置の改良に関する。一実施態様で、その信号強度は、流体中のピエゾ抵抗バイオNEMS装置の熱機械的ノイズのレベルに基づいている。このピエゾ抵抗カンチレバーは、幅がwでありかつ狭くした幅bを有する制限部分を有し、その狭くした幅bは、ピエゾ抵抗バイオNEMS装置が発する信号強度に関連するジョンソンノイズを減らすように選択されている。 The present invention also provides an in-fluid having at least one vibrating cantilever of length l and of a size selected to minimize background Johnson noise associated with the signal intensity emitted by the piezoresistive bio-NEMS device. The present invention relates to improvement of a piezoresistive bio-NEMS device immersed in the water. In one embodiment, the signal strength is based on the level of thermomechanical noise of the piezoresistive bio NEMS device in the fluid. This piezoresistive cantilever has a limiting portion with a width w and a narrowed width b, which is selected to reduce Johnson noise related to the signal intensity emitted by the piezoresistive bio NEMS device Has been.
本発明はさらに、流体に浸漬される生物機能化バイオNEMS装置の改良を特徴とするものであり、そのバイオNEMS装置上には、対象のリガンドと結合する受容体、及びその受容体とともに、その受容体と対象のリガンドとの結合速度係数を高める触媒が配置されている。その触媒は受容体-リガンドの結合の活性化エネルギーを低下させる。一実施態様で、受容体は、対象のリガンドと優先的に結合するように強制進化(forced evolution)によって設計される。 The present invention is further characterized by an improvement of a biofunctionalized bio-NEMS device immersed in a fluid, on the bio-NEMS device, a receptor that binds to a target ligand, and its receptor, A catalyst is placed that increases the binding rate coefficient between the receptor and the ligand of interest. The catalyst reduces the activation energy of receptor-ligand binding. In one embodiment, the receptor is designed by forced evolution to bind preferentially to the ligand of interest.
また本発明は、キャリヤ信号源、支持体、その支持体に結合されてその支持体から延びるピエゾ抵抗カンチレバー及びそのカンチレバーが前記信号源からのキャリヤ信号によって駆動されるようにカンチレバー上に配置されかつ前記信号源に電磁気で結合されているエレメントを備えてなるサブミクロン装置と定義される。そのエレメントはカンチレバー上に配置された磁気膜で構成され、そして前記キャリヤ信号源は前記磁気膜に結合される電磁信号を発する。 The invention also includes a carrier signal source, a support, a piezoresistive cantilever coupled to and extending from the support, and the cantilever disposed on the cantilever such that the cantilever is driven by a carrier signal from the signal source and Defined as a submicron device comprising an element that is electromagnetically coupled to the signal source. The element is composed of a magnetic film disposed on a cantilever, and the carrier signal source emits an electromagnetic signal coupled to the magnetic film.
さらに本発明は、複数のNEMS共振器すなわちNEMS変換器(これら変換器は各々出力信号を発する)及び複数の前記NEMS変換器からの複数の対応する出力信号を処理して総合出力信号(collective output signal)を得る手段すなわち回路を備えた装置である。この手段は、前記総合出力信号が平均値になるように前記複数の出力信号を平均する。この手段は、これら複数の出力信号の予め定められた画分(fraction)が予め定められた時間内に閾値を超えるかどうかを確認する。これら複数のNEMS変換器は生物機能化されているので、前記手段はNEMS変換器一つだけと比べてリガンド捕獲速度の増大を指示する総合出力信号だけを発するだけで、リガンド捕獲速度を効率的に増大する。 Furthermore, the present invention processes a plurality of NEMS resonators or NEMS converters (each of which generates an output signal) and a plurality of corresponding output signals from the plurality of NEMS converters to process a collective output signal. signal) is a device with means or circuit. This means averages the plurality of output signals so that the total output signal has an average value. This means checks whether a predetermined fraction of the plurality of output signals exceeds a threshold value within a predetermined time. Since these multiple NEMS transducers are biologically functional, the means can efficiently increase the ligand capture rate by only issuing a comprehensive output signal that indicates an increase in ligand capture rate compared to a single NEMS transducer. To increase.
隣接する変換器のアレーを形成する、流体中に浸漬される複数のNEMS変換器を備えた流体中で作動する装置であって、そのNEMS変換器が各々出力信号を発し、二つの隣接するNEMS変換器の運動が各々、隣接するNEMSが浸漬されている流体を通じて結合される装置として、本発明を説明する。二つの隣接するNEMS変換器で構成された第一及び第二のNEMS変換器の運動の相互相関:C12=<x1(0)x2(t)>が下記式:
(式中、kBはボルツマン定数であり、Tは流体の温度であり、tは時間でありそしてX12は第一変換器に作用する力F1に対する第二変換器の変位x2(t)を示すサスセプティビリティー(susceptibility)である)で定義され、その結果第二変換器のポジションの総合平均(ensemble average)が下記式:
で定義される)で定義される。
A device operating in a fluid with a plurality of NEMS transducers immersed in a fluid forming an array of adjacent transducers, each NEMS transducer emitting an output signal, and two adjacent NEMS The present invention will be described as a device in which the motion of the transducers are each coupled through a fluid in which adjacent NEMS are immersed. Cross correlation of motion of first and second NEMS transducers composed of two adjacent NEMS transducers: C 12 = <x 1 (0) x 2 (t)>
(Where k B is the Boltzmann constant, T is the temperature of the fluid, t is the time, and X 12 is the displacement x 2 (t of the second transducer relative to the force F 1 acting on the first transducer) ), Which results in the ensemble average of the second transducer position:
Defined in).
本発明は、流体の流れを運ぶ微小流体の流動チャネル及びその流体流動チャネル内に配置された少なくとも一つのNEMS変換器を備え、その流体の特性をそのNEMS変換器で検出する、流体内で作動する装置である。そのNEMS変換器は生物機能化されており、そしてNEMS変換器が検出する流体の特性は、そのNEMS変換器が生物機能化されているリガンドが流体内に存在しているか又は存在していないかという特性である。 The present invention comprises a microfluidic flow channel carrying a fluid flow and at least one NEMS transducer disposed in the fluid flow channel, wherein the fluid property is detected by the NEMS transducer and operates in a fluid. It is a device to do. The NEMS transducer is biofunctionalized, and the characteristics of the fluid that the NEMS transducer detects are whether the ligand that the NEMS transducer is biofunctionalized is present or absent in the fluid. It is a characteristic.
本発明の装置はさらに複数のNEMS変換器を備えそれら変換器は各々前記流動チャネル内に共通に配置されている。本発明の装置はさらに、複数のNEMS変換器が分布されている複数の流動チャネルを備えている。その複数のNEMS変換器は表面が形成されているか(surface fabricated)又は膜が形成されている。 The apparatus of the present invention further comprises a plurality of NEMS transducers, each of which is commonly arranged in the flow channel. The apparatus of the present invention further comprises a plurality of flow channels in which a plurality of NEMS transducers are distributed. The plurality of NEMS transducers are surface fabricated or filmed.
本発明には、ウェーハ層、そのウェーハ層の上のエッチング停止層、そのエッチング停止層の上のNEMS装置層及びそのNEMS装置層の上のピエゾ抵抗層を含むヘテロ構造体を提供するステップを含む膜からバイオNEMS装置を製造する方法が含まれている。ウェーハ層を通ってエッチング停止層までトレンチエッチングを行い、NEMS装置が画成される膜になる領域を画成する。
エッチング停止層を、トレンチの底部から装置層まで除いて膜を製造する。導電性接点を、電子ビームリソグラフィーによって、前記膜のピエゾ抵抗層上に選択的に製造する。前記膜のピエゾ抵抗層上の生物機能化されることになる領域を電子ビームリソグラフィーで選択的に形成させる。NEMS装置は、前記生物機能化されることになる領域を含む前記膜のピエゾ抵抗層上に、電子ビームリソグラフィーによって選択的に形成される。この膜を、選択的にプラズマエッチングしてマスクされていない部分を除いて懸架NEMS装置を画成する。この膜の回りに配置されたエラストマー層中に、流動チャネルを選択的に成形する。そのNEMS装置上の選択された領域を生物機能化する。
The present invention includes providing a heterostructure including a wafer layer, an etch stop layer over the wafer layer, a NEMS device layer over the etch stop layer, and a piezoresistive layer over the NEMS device layer. A method of manufacturing a bio-NEMS device from a membrane is included. Trench etching is performed through the wafer layer to the etch stop layer to define the region that will be the film from which the NEMS device is defined.
The etch stop layer is removed from the bottom of the trench to the device layer to produce a film. Conductive contacts are selectively fabricated on the piezoresistive layer of the film by electron beam lithography. A region to be biofunctionalized on the piezoresistive layer of the film is selectively formed by electron beam lithography. The NEMS device is selectively formed by electron beam lithography on the piezoresistive layer of the film including the region to be biofunctionalized. This film is selectively plasma etched to define a suspended NEMS device, except for unmasked portions. A flow channel is selectively formed in an elastomeric layer disposed around the membrane. The selected area on the NEMS device is biofunctionalized.
ヘテロ構造体を提供するステップはさらに、ウェーハ層を、エラストマー層との接着性を促進するため研磨して薄くするステップを含んでいる。膜を選択的にプラズマエッチングしマスクされていない部分を除いて懸架NEMS装置を画成するステップは、NEMS装置層のマスクされていない部分を選択的に垂直にプラズマエッチングして除くステップを含んでいる。膜の回りに配置されたエラストマー層に流動チャネルを選択的に成形するステップは、流動チャネルを画成するためのフォトレジスト層を選択的に配置し、その選択的に配置されたフォトレジスト層上にエラストマー層を配置し次いでそのフォトレジスト層を除いて流動チャネルを画成するステップを含んでいる。 Providing the heterostructure further includes polishing and thinning the wafer layer to promote adhesion with the elastomeric layer. The step of selectively plasma etching the film to define the suspended NEMS device except for the unmasked portion includes selectively removing the unmasked portion of the NEMS device layer by plasma etching vertically. Yes. The step of selectively shaping the flow channel in an elastomeric layer disposed around the membrane selectively disposes a photoresist layer for defining the flow channel and on the selectively disposed photoresist layer. Placing an elastomer layer on the substrate and then removing the photoresist layer to define a flow channel.
本発明は、流体中に浸漬される先端を有する共振膜、その先端に結合された結合性分子、及びその結合性分子に結合されて流体から膜に加えられるノイズを消散させる減衰力を提供するフラフボールを備えてなる流体中で作動するNEMS装置を開示する。 The present invention provides a resonant membrane having a tip immersed in a fluid, a binding molecule attached to the tip, and a damping force that is attached to the binding molecule and dissipates noise applied to the membrane from the fluid. A NEMS device operating in a fluid comprising a fluff ball is disclosed.
また本発明には、上記NEMS装置を作動させる方法が含まれている。 The present invention also includes a method of operating the NEMS device.
本発明の装置と方法は、文法的な流暢さのために作用面からの説明でもって記述してきたし、また記載していくが、請求の範囲は、米国特許法第112条でことさらに規定されていない限り、いかなる形でも「手段」又は「ステップ」の限定解釈により必然的に限定して解釈されるべきでないこと、請求の範囲により規定される定義の意味及び均等の全範囲が司法上の均等論の下に与えられるべきであること、そして請求の範囲が米国特許法第112条の下で明言的に規定されている場合は、米国特許法第112条の下で全法定均等物が与えられるべきであることを、まさにその旨理解されたい。ここで図面に移ることにより、この発明はよりよく思い描くことができ、そこでは同じ要素は同じ番号で参照されている。 The apparatus and method of the present invention have been and will be described in terms of action for grammatical fluency, but the claims are further defined in Section 112 of the US Patent Act. Unless otherwise stated, the limited interpretation of “means” or “step” should not necessarily be construed as limiting, the meaning of the definition provided by the claims and the full scope of equivalents judicially. All legal equivalents under 35 U.S.C. 112 if the claims are to be given explicitly under 35 U.S.C. 112 It should be understood that this should be given. Turning now to the drawings, the present invention can be better envisioned, where like elements are referred to by like numbers.
次に、請求の範囲に定義されるこの発明の具体的な祥解例として提示する好適な実施態様についての以下の詳細な説明に移ることにより、この発明及びその種々の実施態様をよりよく理解することができよう。請求の範囲によって定義される発明は、以下に記述する具体的に祥解された実施態様よりも範囲が広いこともあり得ると、ここでは正にそのように理解している。 The invention and its various embodiments will now be better understood by moving to the following detailed description of a preferred embodiment presented as a concrete example of the invention as defined in the claims. I can do it. It is hereby understood that the invention defined by the claims may be broader than the specifically claimed embodiments described below.
例示実施態様は、流体中のピエゾ抵抗バイオNEMS装置に印加できる電流バイアスのレベルに対する制約に関する実施態様である。達成できる力感度は、応答度がバイアス電流に比例すする場合すなわちR=IGであれば、明らかに、耐えられる最大レベルの電流バイアスによって決まる。バイアス電流の最大の実用的レベルは、許容できるとみなされるバイオNEMSの最大の温度上昇によって決まる。
顕微鏡写真の図12aの斜視図と図12bの上面図に例示を目的として示すバイオNEMSの変換器すなわちカンチレバー10は、「そのベースにカットオフを有する飛込み板」の形態を有するものとして類比できると考えるべきである。しかし、変換器10の形態は全く一般的なものであって、あらゆるタイプのカンチレバー、二重にクランプされたビーム、パドル又は他のあらゆるサブミクロンの振動構造体を含んでいると特に解すべきである。装置10の形態によって、図12bに示すように幅がbのレッグ20を1又は2以上有しそして長さlと幅wに依存しているカンチレバー16の流体による減衰特性(fluidic damping characteristic)を制限することなくカンチレバー16の曲げ剛性を高めるか又は可変式に設計できる制限領域12内に最大化が起こる。またカンチレバー16には通常の電極(図示せず)が設置され、その電極によって、バイアス電流を提供する通常の外部測定回路(図示せず)が、レッグ20の曲がったときのそのレッグのピエゾ抵抗の変化を測定できると解すべきである。さらに外部駆動力は、用途と設計上の選択によって、カンチレバー16に通常の方式で加えても加えなくてもよい。
An exemplary embodiment is an embodiment relating to constraints on the level of current bias that can be applied to a piezoresistive bio-NEMS device in fluid. The force sensitivity that can be achieved is clearly determined by the maximum level of current bias that can be tolerated if the response is proportional to the bias current, ie R = IG. The maximum practical level of bias current depends on the maximum temperature rise of the bio-NEMS that is considered acceptable.
The bio-NEMS transducer or
好ましい実施態様にはレッグ20が二つある。我々は、長さがl幅がw及び厚さがtで、減圧下の共振周波数がω0/2TTそして力定数がKであるカンチレバー16の生物機能化先端14において1K程度の温度上昇に耐えられると想定している。
The preferred embodiment has two
我々は、この問題を、一次元の問題として、ビーム16の長さがl1で断面積がAの制限領域、支持末端17にて支持基板18に流入する熱で処理する。例示実施態様では、カンチレバー16はシリコンで製造されそして水中に浸漬されると想定されるが、いかなるナノ機械加工可能な材料も使用できるしいかなる周囲流体も考慮できる。カンチレバー16の支持体に対する接続部17からカンチレバー先端14の方への距離xを測定する。x>l1の場合、装置10が浸漬されている水又は流体に対する熱損失の概略推定値は、関係式
(式中、Pはビーム16の断面積Aの周長である)で得ることができる。
及び
(式中、kSi=1.48x102W/mKはシリコンの熱伝導率であり、kH2O=0.607W/mKは水の熱伝導率である)を推定する。消散領域x<l1では、我々は
を持っている。温度は熱フラックス(heat flux)であるからl1にて連続しているので、x>l1の場合、温度は単調に低下するにちがいないという境界条件を我々は持っている。
We deal with this problem as a one-dimensional problem with the heat flowing into the
(Where P is the circumference of the cross-sectional area A of the beam 16).
as well as
(Where k Si = 1.48 × 10 2 W / mK is the thermal conductivity of silicon and kH 2 O = 0.607 W / mK is the thermal conductivity of water). In the dissipation region x <l 1 , we
have. Since the temperature is a heat flux and is continuous at l 1 , we have the boundary condition that if x> l 1 the temperature must decrease monotonically.
我々は表1に示す三つの例示装置10を検討する。第一のカンチレバー16の場合、その単純な熱伝導率による計算は、生物機能化先端14の1Kの温度上昇は定常バイアス電流I=250μAで得られこのとき約10,670μA Wの電力消費があることを示している。12Kという最大の温度上昇が、制限領域内の基板18の端縁から約2.3μm離れた制限領域12内に起こる。第一の装置は、このバイアス電流に対して約8μV/nmという応答度R=IGを生じる。
We consider three
表1の第二カンチレバー16の場合、我々は制限領域12で同じ12Kの最大温度上昇を得ることができるが、これは末端14の0.04Kという温度上昇と一致し、75μAの電流に対して起こる。この装置10の場合、我々はゲージ率がG=5.2 x109Ω/mと予想している。したがって、予想応答度は390μV/nmである。
In the case of the
最後に、表1の第三のカンチレバーの場合、制限領域12の12Kの最大温度上昇と先端14の0.04Kの最大温度上昇を利用して我々は22μAの電流を得ることができる。この装置の場合、我々はG=5.3x1010Ω/mと予想している。したがって予想応答度は1.2mV/nmである。
Finally, in the case of the third cantilever in Table 1, we can obtain a current of 22 μA using the 12 K maximum temperature rise in the
バイオNEMSにおける流体による結合のスケーリング
装置10が、浸漬されている流体内の流体に結合された熱機械的ノイズによって駆動される用途の場合、この信号が、装置10のバックググランドのジョンソンノイズに対して最大化されることは有利である。これら二つの熱ノイズ源の相対強度は、カンチレバー16の寸法で決まる。これらの寸法は、力ドメインの流体結合熱機械的ノイズのスペクトル密度を決定する流体による減衰の大きさ並びにカンチレバー16の(減衰、有効質量、ゲージ率、ばね定数及び先端における同じ発熱量に対して起こりうる電流による)応答関数の両方に関与している。
In applications where the fluid
厚さtが固定している場合、信号強度の実質的な改良は、カンチレバーのレッグ20の幅を小さくすることによって達成することができ、このことは、装置10の信号強度の測定値(nV/Hz1/2)を、幅がb=0.4μm及びb=0.1μmの装置の熱機械的ノイズとジョンソンノイズの周波数に対してグラフ化した図1のグラフに示してある。カンチレバー16の全長lと幅wを大きくすると流体への結合が増大し、流体による減衰と冷却効率の両者が増大し、S/N比も改善される。
If the thickness t is fixed, a substantial improvement in the signal strength can be achieved by reducing the width of the
カンチレバー16の長さlを増大したときの効果を、各実施例でb=0.1μm、t=130nm及びw=5μmと共通にしておいて挿入表に示したように長さlが異なるカンチレバー16について図2のグラフに示した。周囲流体はジエチレングリコールであった。図2は流体によって減衰する熱機械的ノイズのグラフであり、カンチレバーの長さが増大するにつれてバックグランドのジョンソンノイズに対して減衰が増大することを示している。長さが35μmの場合、流体によって減衰する熱機械的ノイズのピークの大きさはバックグランドのジョンソンノイズより大きい。カンチレバーの各長さに対して、バイアス電流は、先端14の推定温度上昇が1℃を超えないようにかつレッグ20の最高温度が50℃を超えないように選択した。利用したバイアス電流と推定温度上昇は表2に示してある。
The effect when the length l of the
流体結合熱機械的ノイズの大きさは、カンチレバーの寸法に依存していることに加えて流体の粘度に依存していることに注意しなければならない。図3は、異なる粘度を有する流体の水、ジエチレングリコール、グリセリン及びエチレングリコールに対する、バイアス電流250μA におけるb=0.6μm、t=130nm、w=2.5μm、l=15μm及びl1=0.6μmのカンチレバー16のジョンソンノイズと熱機械的ノイズの電圧ドメインの予想信号を示す。
It should be noted that the magnitude of fluid-coupled thermomechanical noise depends on the viscosity of the fluid in addition to depending on the dimensions of the cantilever. FIG. 3 shows
受容体-リガンド反応の確率の増大
一実施態様で、図4に線図で示すようにカンチレバー16の先端14又はその近傍に生物受容体分子24を結合させて装置10を生物機能化する。NEMS装置10の基本的特徴の一つは、弾性カンチレバー16の「機能化」領域に結合させた生物受容体分子24を使うことであるから、受容体-リガンド結合反応の対象の標的リガンド22に対する速度定数(反応の確率)が可能な最高の価であることが重要である。しかし、進化はこの特性を選択しないので、生物学的に発現される受容体分子24は一般にその標的リガンドに対し最高の可能な速度定数を持っていないことは広く知られている。したがって、NEMS装置10の用途で対象の受容体24に対する結合速度定数を高める各種の方法を試験することは有効である。
Increasing the probability of a receptor-ligand reaction In one embodiment, the
一つの可能な方法は、特定の種の受容体24と密接に会合させるとその受容体-リガンドの結合の活性化エネルギーを低下させる特異的分子を見つけることによって触媒反応の同等物を使用する方法である。速度定数したがって反応の確率は活性化エネルギーに対し非常に鋭敏で例えば幾何級数的に依存しているので、このエネルギーの低下が比較的少なくても結合定数は大きく増大する。したがって、このアイデアは、第一にこれら「触媒」分子26の層を、カンチレバー16の小さな機能化領域28に結合させ次いで対象の標的リガンド22に特異的な受容体24を結合させるアイデアである。この方法の基本的概念は図4に示してある。与えられた例での触媒の選択は、周知の原理に従ってリガンド-受容体の対によって指示される。
One possible method is to use catalytic equivalents by finding specific molecules that, when closely associated with a particular species of
第二の実行可能な方法は、その結合速度定数が対象の特異的リガンド22に対して最大化された受容体分子24を設計する方法である。用語「設計」は、この場合、遺伝子を複数ラウンド「進化(evolution)」させながら、選択されたリガンド22に対しますます高い結合親和力を有する所望の受容体24を発現する遺伝子を選択する強制進化の生化学的方法を意味すると解される。これは通常、細菌がその細胞表面に対象の受容体24を発現するように、その特定の細菌のゲノムに対象受容体の遺伝子の複数のコピーを挿入することによって達成される。
A second feasible method is to design a
次いでその第一世代の細菌について結合親和力の検定を実施し、そして最高の親和力を有する細菌だけを「進化」サイクルの次のラウンドに使うために保管する。次のサイクルを開始する前に、各種の受容体遺伝子を、点変異法又はより効率的に「DNAシャッフリング法(DNA-shuffling)」によってつくる。次に、結合親和力がそれ以上増大する可能性のないことが明らかになるまで前記サイクルを繰り返す。この方法を利用することによって、特定の受容体-リガンドの結合速度定数を少なくとも一桁増大できると予想できる。 A binding affinity assay is then performed on the first generation of bacteria, and only the bacteria with the highest affinity are stored for use in the next round of the “evolution” cycle. Before starting the next cycle, various receptor genes are created by point mutation methods or more efficiently by “DNA-shuffling”. The cycle is then repeated until it becomes clear that there is no possibility of further increasing the binding affinity. By utilizing this method, it can be expected that the binding rate constant for a particular receptor-ligand can be increased by at least an order of magnitude.
非特異的リガンド結合の作用
図5は、NEMSカンチレバー16の応答に対する「バックグランド」の非特異的結合の起こりうる作用の一例を示す。曲線30は標的リガンド22による機能化部位28の分画専有性(fractional occupancy)を示し、一方曲線32は標的22とバックグランドのリガンド分子32の両者による分画専有性を示す。利用される条件は、(1)1000個の標的分子22;(2)100個の受容体分子24;及び(3)標的リガンド分子22の1/200の非特異的結合親和力を有する10,000個のバックグランドリガンド分子32である。受容体24に対する非特異的結合の競合の作用は図5に示す装置10の場合、有意である。
Effects of Nonspecific Ligand Binding FIG. 5 shows an example of the possible effects of “background” nonspecific binding on the response of
バイオNEMSで信号を発生させるための複数カンチレバーの使用
生物分子の検出に利用する単一の駆動されない(undriven)カンチレバーの場合は、発明の名称が「A METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING SIGNAL ANALYSIS OF A BIONEMS RESONATOR」で出願番号(CIT.PAU.35)にて本願と同時に出願された同時係属中の特許願に詳細に分析されている。なおこの特許願は本願に援用するものである。そこで我々は、二つの駆動される(driven)カンチレバーのシステムのいくつかについて予想される検出性能を分析した。例示の実施態様で我々はバイオNEMS装置10に複数のカンチレバーを使用することに関連するいくつもの一般的な問題を探求する。我々はこの分析を信号「設計」の観点から始め、すなわち検出性能に対し最適の信号を生成する装置の配置構成を探しているのである。このような信号は下記式:
(式中、Aは周波数ω0で発信する信号の振幅であり、そしてn(t)は分散がσ2 nであるゼロミーンガウスノイズプロセス(zero-mean Gaussian noise process)である)で表わされる。ここでAとω0の両者が決定的であればすなわち搖動しないならば、その最適検出器はいわゆる「位相検波器」又は「ロックイン増幅器」として知られており、そのブロック図を図6に示してある。通信理論では、このような検出器を相関受信機と呼ぶ。したがって、我々は、周波数がω0の「キャリヤ」信号を注入できて、その結果、標的リガンドの結合事象がこのキャリヤを「変調」しすなわちAの価を修正する装置の配置構成を探す。図6に示す相関検出器は、その入力r(t)を装置10からとる狭帯域フィルタ34を備えている。発信機36からの参照信号を、ミクサ38を使ってフィルタ34の出力と混合する。そのフィルタされ混合された信号を低域フィルタ40中に入力し次に閾値決定回路(thresholding and decision circuit)42に結合し、その回路は第一に前記信号を有効信号すなわち情報保有信号とみなされるかどうかを決定し、次にそのようにみなされたならば決定アルゴリズムを実行して装置10が対象のリガンド-受容体相互作用を検出したか又は検出しなかったかを決定する。これらの回路は、従来の設計選択肢によって案出されるハードウェア設計、ファームウェア又はソフトウェアによって制御されるアナログ信号又はディジタル信号のプロセッサ又はコンピュータ内で実現できる。
Using multiple cantilevers to generate a signal in bio-NEMS In the case of a single undriven cantilever used to detect biomolecules, the name of the invention is `` A METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING SIGNAL ANALYSIS OF A BIONEMS RESONATOR ”Is analyzed in detail in a co-pending patent application filed simultaneously with the present application under the application number (CIT.PAU.35). This patent application is incorporated herein by reference. So we analyzed the expected detection performance for some of the two driven cantilever systems. In the illustrated embodiment, we explore a number of common issues associated with using multiple cantilevers in the
(Where A is the amplitude of the signal transmitted at frequency ω 0 and n (t) is the zero-mean Gaussian noise process with variance σ 2 n ) . If both A and ω 0 are deterministic, i.e., do not perturb, the optimal detector is known as a so-called “phase detector” or “lock-in amplifier” and its block diagram is shown in FIG. It is shown. In communication theory, such a detector is called a correlation receiver. We can therefore inject a “carrier” signal of frequency ω 0 , so that the binding event of the target ligand “modulates” this carrier, ie looks for an arrangement of devices that corrects the value of A. The correlation detector shown in FIG. 6 includes a
しかし我々は、信号の振幅A又は位相θが有意な無作為揺動を受けると厳しい性能の損失があるという比較的厳しい制約条件を処理しなければならない。この性能の損失は図7に示してあり、図7において、ケースAは「無作為揺動無し」のケースであり、ケースBは無作為の振幅揺動があるケースであり、そしてケースCは無作為揺動による位相情報の損失があるケースである。標識された「Chopper」の場合は、上記の援用し参照した同時係属中の出願に開示したような複数試料の合計で行う確率検出を利用する単一の駆動されないカンチレバー16の性能である。したがって、キャリヤ信号を注入し次いでその信号をリガンド-受容体結合事象に「結合」する方法は有意な測定結果を得るために検討すべき重要な問題になる。
However, we must handle the relatively strict constraint that there is a severe performance loss when the signal amplitude A or phase θ is subjected to significant random fluctuations. This performance loss is shown in FIG. 7, in which case A is a “no random swing” case, case B is a case with random amplitude swing, and case C is This is a case where there is a loss of phase information due to random oscillation. In the case of labeled “Chopper”, it is the performance of a single
図8a-8cは式1の形態の信号を発生できる二つの可能な実施態様を示す。図8aでは、キャリヤの注入が、受容体なしの未機能化カンチレバー16aを固定周波数ω0と固定振幅で機械的に駆動することによって達成される。機能化カンチレバー16bは、装置10が浸漬されている流体の流体動的結合によって励振器(driver)16aに応答する。駆動されるカンチレバー16bはピエゾ抵抗部分46を有している。カンチレバー16aと16bはともに支持体48に接続され、その支持体は順に基板44又は50に接続される。
Figures 8a-8c show two possible embodiments that can generate a signal of the form of
図8a-8cにおいて、「信号無し」のケースは、カンチレバー16bが、それを基板44に「タッキング」することによって有意に移動しないように制限されているケースであり、「自由な」標的リガンド22が存在すると競合結合によってこの状態を破壊する。図8aに示す並列の配置は好ましい配置構成ではないことに留意すべきである。実際問題として、向かい合ったすなわち先端同士が向かい合った二つのカンチレバーを有する方が良い。図8cは、図8aと8bの僅かに異なる変形であり、この場合、信号なしの状態がリガンド-受容体の結合配列によって機械的に結合された二つのカンチレバー16と34を有している。やはり、自由な標的リガンドが存在すると競合結合によってこの状態を破壊してコヒーレント信号の損失が起こる。
In FIGS. 8a-8c, the “no signal” case is a case where the
我々は複数のカンチレバー16aと16bを考察しているが、我々は、小領域28に磁気薄膜をめっきされた単一のカンチレバー16を使って非常に効率的なキャリヤ注入を達成することができそして外部キャリヤ信号源36が駆動信号を発しかつカンチレバーに磁気で結合されてカンチレバービーム16の「一定」振幅で一定位相の振動が得られることを指摘しなければならない。事実、この方法は、パラメータの搖動の制限を他の方法より十分に満たすことができる。またこの結合は、ダイポール薄膜又は常誘電薄膜を使って静電結合まで広げることもできる。
Although we have considered
複数のカンチレバー16の異なる使用法は、N同一の(N identical)駆動されないカンチレバーのアレーを平均化(averaging)モード又は一致(coincidence)モードで利用する方法である。平均化モードで、我々は単にN出力を使用し分散の我々の推定を改善することができる。一致モードで、我々はN出力の画分を、「信号プレゼント(signal present)」事象において、考慮すべき期間内に閾値を超えねばならないという制限を利用する。両方のケースで、複数のカンチレバーを使用する方法は、利用可能な受容体24の数を増やすことによってリガンド捕獲速度を改善することを目的としている。
A different use of the plurality of
流体が誘発する相関揺動の低下
流体中の単一カンチレバーの研究は全く十分に発展しているが、カンチレバー16のアレーの流体による結合については全く注意が払われていない。振動中のカンチレバー16が生成する流体の乱れは、長期間、カンチレバー16の間の間隔のインバースパワー(inverse power)としてのみ低下する(fall off)。一方のカンチレバー16が移動すると、その粘性ドラグ又はこれら二つのカンチレバー間の流体による結合によって他方のカンチレバー16に運動を起こす。対応してカンチレバー16の確率運動の相関があるが、これは一方のカンチレバー16に対する分子衝突が原因の確率力が上記結合によって第二カンチレバー16の運動を誘発するからである。
Although the study of single cantilevers in fluids is quite well developed, no attention has been paid to the fluid coupling of the array of
この接続は、揺動消散理論によって定量的に行われる。流体によって誘発される相関揺動は、カンチレバー16の間につながれている分子が誘発する相関関係を不明確にする傾向があるので、この方法を使って行う生物分子の検出と特性決定を一層難しくする。したがって、生物分子不在時に流体が誘発する相関関係を理解してその相関関係を最小限にする形態とプロトコルを設計することが大切である。
This connection is made quantitatively by the oscillation dissipation theory. Correlation fluctuations induced by fluid tend to obscure the correlations induced by molecules tethered between
レーザピンセットで制御される球形ビーズに関するMeinersとQuakeの最近の実験は予想される試験結果をはじめて示している(J.C.Meiners et al.,Direct Measurement Of Hydrodynamic Cross Correlations Between Two Particle In An External Potential,Phys.Rev.Lett.,82,2211(1999)参照)。これら2名の著者は、約3-10μmの間隔を置いた1μmの二つのラテックスビーズの流体による相互作用が誘発する相関関係を研究した。彼らは、これら球体の強い反相関関係(anticorrelation)を発見し、その最大の反相関関係は、彼らが研究した最も近い距離(3直径)の単一球体の変位の平均平方に近いものであった。このことは推定することが困難な強い流体による結合があることを示唆している。しかし、長いカンチレバー16の回りの流れは球体のまわりの流れと全く異なる特性を有しているので、これは流体による相関関係を最小限にする戦略を示唆している。
Recent experiments by Meiners and Quake on spherical beads controlled by laser tweezers show for the first time expected results (JC Meiners et al., Direct Measurement Of Hydrodynamic Cross Correlations Between Two Particle In An External Potential, Phys. Rev. Lett., 82, 2211 (1999)). These two authors studied the correlation induced by the fluid interaction of two 1 μm latex beads spaced approximately 3-10 μm apart. They found a strong anticorrelation of these spheres, whose maximum anticorrelation was close to the mean square of the displacement of the single sphere at the closest distance (3 diameters) they studied. It was. This suggests that there is a strong fluid coupling that is difficult to estimate. However, since the flow around the
移動する球体のまわりの低レイノズル数の流れは、どこでも球体の運動と同相であり、1/rに比例して減少する。我々のカンチレバー16の単純モデルは、カンチレバーを半径に比べて長い円柱として近似するモデルである。この場合、無限円柱のまわりの流れに対してストークスの試験結果を使用できる。振動中の円柱のまわりの流れは球体の場合より複雑である。事実、レイノズル数の価が小さい場合レイノズル数と無関係な解決策はなく、そして数倍の距離の規模でaR-1/2を変える、流体の速度と円柱の速度の間の自明の周波数と距離に依存する位相の関係がある。なおaは我々がカンチレバーの幅とした円柱の半径でありそしてR=ωa2/4νはレイノズル数(式中、ωは周波数でありそしてνは流体の動粘性率である)である。
The flow of low ray nozzles around a moving sphere is in phase with the movement of the sphere everywhere and decreases in proportion to 1 / r. Our simple model of
バイオNEMSカンチレバー16の場合、Rは一般に約1である。この速度領域は第二円柱の運動の原因であるから第一円柱に対する力で誘発される第二円柱の運動に対する距離と周波数の依存性がある。システム内に存在する搖動がシステム内の減衰に比例することを明記する搖動-消散の一般原理を通じて、これは我々にそのノイズ相関に対する距離と周波数の依存性を示す。図9に示す円柱の軸線からの距離r/aの関数としての速度領域のプロットは、速度領域の異なる直角位相が異なる距離でヌルポイントを有していることを実際に示しているが、これは、流体が誘発する相関ノイズの一方の又は他方の位相のヌルポイントに対応するパラメータ(円柱の距離/半径及び周波数)を見つけることができることを示唆している。図9は、レイノズル数R=1の場合の、カンチレバーの幅aの単位の距離rの関数としての振動中カンチレバー16の速度に平行の流体の速度の成分を示す。自明でない位相の関係は、実数(同相)と虚数の直角位相の成分及び異なる直角位相の成分のヌルポイントで与えられることに留意すべきである。
For
設計を最適化できる相関の計算は、下記のようにして行う。二つのカンチレバーの変位の間の相互相関C12=<x1(0)x2(t)>とカンチレバー間の決定論的な流体による結合との間の正確な関係は下記式:
(式中、X12は第一カンチレバー16に作用する力F1に対する第二カンチレバー16の変位x2(t)を示す「サスセプティビリティー」である)並びに下記式:
で表わされる。
The calculation of the correlation that can optimize the design is performed as follows. The exact relationship between the cross-correlation C 12 = <x 1 (0) x 2 (t)> between two cantilever displacements and the deterministic fluid coupling between the cantilevers is:
(Where X 12 is “susceptibility” indicating the displacement x 2 (t) of the
It is represented by
上記角括弧は総合平均を意味し、決定論的推定、計算又は実験によって確率運動が定量できるようになることを強調している。サスセプティビリティーX12は図9にプロットしたストークスの速度領域から計算することができるので、ここには示していないがノイズの相関関係を示すことができる。 The above square brackets mean the overall mean and emphasize that the stochastic motion can be quantified by deterministic estimation, calculation or experiment. Since the susceptibility X 12 can be calculated from the Stokes velocity region plotted in FIG. 9, although not shown here, the correlation of noise can be shown.
NEMSと微小流体工学の融合
図10は微小流体流動チャネル52に結合されたカンチレバー16を備えた装置10の概略断面図である。ウェーハ54を通ってエッチングされた領域が最終の流動チャネルの部分を形成する。カンチレバー16の全アレーを単一の流動チャネル52内につくることができる。所望の用途に対応して、異なるチャネル52内に異なる装置10を有する複数のチャネル52を設けることもできる。流動チャネル52をシリコンの表面に直接つくることも可能である。このことは図11a-11cのアレー56に概略を示してある。なおこれらの図は徐々に拡大した三つの斜視図であり、入口と出口の流動チャネル52と連通している単一の流動チャンバー58内に、平行の支持体48で支持され平行のカンチレバー16の列を形成する複数のカンチレバー16を示している。
Fusion of NEMS and Microfluidics FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of an
バイオNEMS膜ベースの装置の製造
図13a-13gは、膜ベースのバイオNEMS装置10を製造するのに含まれるステップの概略を描いた流れ図である。これら装置の製造は、例えば675μmのSi層154の上に375nmのSiO2層152などのような絶縁ウェーハ152、154の上のシリコン装置層148を示す側断面図の図13aで始まる。埋め込まれる酸化物層152は、ウェーハ154の背面を通じて行われるエッチングステップの停止層として働くため十分に厚くなくてはならない。Si装置層148は、検討中の大部分の装置の場合、厚さが20nmと100nmの間であるシリコンカンチレバーのドープされない部分として所望の厚さでなければならない。例示実施態様では、80nmのSi層148が、30nmの多量にドープされたSi層150の下側に配置されている。層148の抵抗率は、成長させる多量ドープ層150と比べて高くなければならない(10Ωcmで十分である)。
Fabrication of Bio-NEMS Membrane Based Device FIGS. 13a-13g are flow diagrams outlining the steps involved in fabricating the membrane based
ウェーハ154の背面は研磨する。この研磨は、その背面に弾性エラストマー材料を接着するのに必要であり、そのエラストマー材料中に、以下に述べるように微細流動チャネル52を画成させる。ウェーハ154は、流動チャネル52の最終容積を減らしかつ後のエッチングステップでエッチングしなければならない必要な厚さを減らすのに役立てるため同時に薄くしてもよい。ウェーハの最終の厚さは、不必要な材料を減らしながらウェーハ154の構造の完全性を維持するのに300μmが妥当である。
The back surface of the
次に、ホウ素を多量にドープされたシリコン層150を、層148の頂面にエピタキシャル成長させる。層150は、NEMS装置10の一部を形成するピエゾ抵抗器の導電層を形成する。大部分の装置10の場合、この層150の厚さは7nmと30nmの間である。層150の抵抗率はその下の層148と比べて小さくしなければならない。4x1019cm-3のドーピングレベルが一般的である。
Next, a
次のステップは、図13bの側断面図に示すようにウェーハ154の背面を通ってエッチングすることによって膜を製造するステップである。このステップはボッシュのディープ反応性イオンエッチング法(Bosch deep reactive ion etch)(DRIE)を利用して実施し層154を貫通してトレンチ158を作製できる。このステップの場合、図13bに示すように約6ミクロンのフォトレジスト又は酸化物のマスク156を使用すれば十分である。50μm2の膜を使用しているがこれは任意的なものであり使用する寸法はその用途によって決まる。次にシリコン膜148の直下の酸化物層152を、図13cに示すようにフッ化水素酸でトレンチ158の底部から除去して膜162になる領域を画成する。
The next step is to manufacture the film by etching through the backside of the
次に、層150の上の装置10の頂面に、膜162に整合させてフォトリソグラフィーと金属堆積を実施して図13dの平面図に示すようにコンタクトパッド160を作製する。なお図13dは同時に形成された複数のダイを示している。30nmのクロム(接着層として)続いて250nmのAuをボンドパッド160の所望のパターンで堆積させて、オーミックコンタクトを、ホウ素ドープシリコン層150上に形成させる。
Next, photolithography and metal deposition are performed on the top surface of
次に窒化ケイ素層174(300nm)を前記Auの上に堆積させ続いて200nmのニ酸化ケイ素層175を堆積させて図13eの平面図に示すように装置10を保護し、続いて図13fの平面図に示すようにクロムの層176を堆積させて製造工程中二酸化ケイ素175を保護しかつ図13gに示すようにこれら保護層で形成された段階的高さを通じて通電性が与えられる。
A silicon nitride layer 174 (300 nm) is then deposited over the Au, followed by a 200 nm silicon dioxide layer 175 to protect the
次いで電子ビームリソグラフィーを利用して、まず、カンチレバー16が生物機能化される先端14に金のパッド(図面には示していない)をパターン化し、次にカンチレバー16をパターン化し(PMMA上に)続いて図13iの斜視図に示すようにクロムの30nmの層178の蒸着とリフトオフを行う。製造工程のこの部分には二つのステップが含まれている。第一に、アライメントマーク(図面には示していない)にそって生物機能化させるのに使うカンチレバー16の先端14に金の正方形部分180(図面には示していない)を配置するステップがある。第二のステップは、クロム層178(図示せず)を有するカンチレバー16を含む領域をマスクするために実施するリソグラフィーのステップである。
Then, using electron beam lithography, first pattern the gold pad (not shown) on the
垂直プラズマエッチング法(NF3、Cl2、Ar)によって、層150と148に画成された膜のマスクされていない部分を除いて、図13i及び上面図の図13jに示すようにカンチレバー16を形成させて、装置10を懸架させる。次いでウエットエッチング法を利用してクロムのマスク178(図示せず)を除き次に試料をクリティカルポイント乾燥機で乾燥する。そのウェーハを上面図の図13kに示すようにダイシングする。
Except for the unmasked portion of the film defined in
次に微小流動チャネル52を、型としてパターン化されたフォトレジストを使ってシリコーンエラストマーから製造する。この場合、次にフォトレジストをエッチングして図13iに示すように成形されたエラストマーの包封体182内に画成された実際の流動チャネルをつくる。その流動チャネル52は、85℃のオーブン内に24時間入れると、装置10のシリコンと自己封着する。次に、装置10すなわち金のパッド180を、例えば金のパッド180に優先的に結合する受容体分子を運ぶ流体を流動チャネル52を通じて流すことによって図13mに示すように通常の手段で生物機能化する。
The
フラフボール(fluff ball)による減衰
大きい散逸分子に過ぎないフラフボール60には結合性受容体分子62が付随している。その結合性分子62つきフラフボール60は液体中を自由に浮遊している。結合性分子62は対象のリガンドに結合するように構成されている。また先端14は、対象のリガンドに結合するように構成された受容体で生物機能化される。結合している受容体62とフラフボール60、で対象のリガンドを先端14の受容体が捕獲すると、先端14の減衰係数が劇的に増大する。
Attenuation by fluff ball A
図14は、ばねとして扱われている分子62によって先端1にフラフボール60を連結されている質量Mのカンチレバー16の数学モデルである。フラフボール60は、散逸を最大にするようにしたがってノイズも最大にするように工夫されていてスターデンドリマー(star dendrimer)で構成されている。分子62はアルカン又はリガンドの連鎖で構成されている。図14に示すシステムの式は下記式:
(式中、Mはカンチレバー16の質量であり、Yはカンチレバー16の流体による減衰係数であり、kはカンチレバー16のばね定数であり、xはカンチレバー先端14の変位であり、kmは分子62の有効ばね定数でありそしてxdはフラフボール60の変位であり、Ydはフラフボール60の流体による減衰係数でありそしてFはカンチレバー16に加えられる外力である)である。
FIG. 14 is a mathematical model of a
(Where M is the mass of the
このシステムの運動式は、システムの有効減衰定数と有効ばね定数があることを示すように書き直して下記式:
で表わすことができる。フラフボール60は、散逸を最大にするためしたがってノイズも最大にするため減衰係数をできるだけ大きくするように下記式:
のように選択される。
The equation of motion for this system has been rewritten to show that there is an effective damping constant and effective spring constant for the system:
It can be expressed as The
Is selected.
生物分子つきフラフボールの散逸とノイズに対する分画散逸効果(fractional dissipative effect)は下記式:
の程度である。
The fractional dissipative effect on the dissipation and noise of fluffballs with biomolecules is:
It is the degree.
多くの変更や修正が、この発明の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によってなし得るであろう。したがって、ここに具体的に詳述した実施態様は、単に例示を目的として記載されたものであり、前掲の特許請求の範囲により定義される発明を制限するものと受け取ってはいけないと理解されなければならない。例えば、ある請求項の複数要素が特定の組合わせで記載されているという事実に拘わらず、この発明は、より少ない要素、より多い要素、又は異なる要素での他の組合わせも、たとえそのような組合わせが当初請求されていなくとも、上記に開示されているものは含むものであるということを篤と理解しなければならない。 Many alterations and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, it should be understood that the embodiments specifically described herein are set forth by way of illustration only and should not be taken as limiting the invention as defined by the appended claims. I must. For example, despite the fact that multiple elements of a claim are described in a particular combination, the invention may be applied to fewer elements, more elements, or other combinations of different elements. It must be seriously understood that any combination disclosed above is intended to be included even if such combinations are not initially claimed.
この発明及びその各種実施態様を記述するためにこの明細書で使用された語は、その一般的に定義された意味においてだけでなく、この明細書における特別の定義により、その一般的に定義されている意味の範囲を超えた構造、材料又は働きを含むと理解すべきである。したがって、ある要素がこの明細書の文脈の中で二つ以上の意味を包含すると理解できる場合には、特許請求の範囲でのその使用は、この明細書及びその語自体によって裏付けられるすべての可能な意味について包括的であると理解しなければならない。 The terms used in this specification to describe the invention and its various embodiments are defined not only in their generally defined meanings, but also by their special definitions in this specification. It should be understood to include structures, materials or functions beyond the meaning of the meaning. Thus, if an element can be understood to encompass more than one meaning within the context of this specification, its use in the claims is intended to be all that is supported by this specification and the term itself. Must be understood to be inclusive.
したがって、前掲の特許請求の範囲の語及び要素の定義は、この明細書において、文言どおりに記載された要素の組合わせだけでなく、実質的に同一の要領で実質的に同一の作用をして実質的に同一の結果を得るすべての均等な構造、材料又は働きを包含するものとして、定義されている。したがって、この意味で、前掲の特許請求の範囲におけるどの一つの要素を二つ以上の要素で等価的に置換してもよいこと、又は特許請求の範囲における二つ以上の要素を単一の要素で置き換えてもよいことを、筆者は意図している。複数の要素が特定の組合わせで働くように上述され、そのように当初請求されているかも知れないが、請求された組合わせからの一つ又は複数の要素は、場合によっては、その組合わせから外すことができ、また請求された組合わせは部分的組合わせに又は部分的組合わせの変形に向けてもよいことを、篤と理解されたい。 Accordingly, the definitions of the words and elements in the appended claims do not only have the literal combinations of elements described in the specification, but also operate in substantially the same manner. Defined as encompassing all equivalent structures, materials or functions that achieve substantially the same result. Thus, in this sense, any one element in the above claims may be equivalently replaced by two or more elements, or two or more elements in a claim may be replaced by a single element. The author intends that it can be replaced with. Although more than one element may have been described above and may be originally claimed to work in a particular combination, one or more elements from the claimed combination may, in some cases, be included in that combination. It should be understood that the claimed combinations may be directed to partial combinations or variations of partial combinations.
当業者から見て、請求された主題からの非実質的な変更は、現在知られているものでも今後工夫されるものでも、特許請求の範囲内の均等物であると意識的に意図している。したがって、当業者にとって現在知られているか又は今後知られる自明な置換は、定義された要素の範囲内であると定義される。 From the perspective of those skilled in the art, it is intentionally intended that insubstantial changes from the claimed subject matter, whether currently known or devised in the future, are equivalent within the scope of the claims. Yes. Thus, obvious substitutions now known or later known to those skilled in the art are defined to be within the scope of the defined elements.
したがって、特許請求の範囲は、上記に具体的に図解及び記述されたもの、概念的に均等なもの、自明に置き換えできるもの、及びこの発明の必須の思想を本質的に取り込んでいるものをも包含していると理解されるべきである。 Therefore, the scope of the claims includes what has been specifically illustrated and described above, what is conceptually equivalent, what can be clearly replaced, and what essentially incorporates the essential idea of the present invention. It should be understood as including.
Claims (34)
支持体に結合されてその支持体から延びる長さがlで幅がwでありかつ先端を有するピエゾ抵抗カンチレバーであって、そして幅が狭くした幅bで長さがl1の制限部分及び前記先端もしくはその近傍に生物機能化部分を有するピエゾ抵抗カンチレバー、
を備えてなるサブミクロンバイオNEMS装置。 A support, and a piezoresistive cantilever having a length l, a width w and a tip coupled to and extending from the support, and having a narrow width b and a length l 1 A piezoresistive cantilever having a limiting portion and a biofunctionalized portion at or near the tip,
A sub-micron bio NEMS device.
支持体、
その支持体に結合されその支持体から延びるピエゾ抵抗カンチレバー、及び
そのカンチレバーが前記キャリヤ信号源からのキャリヤ信号で駆動されるように、カンチレバー上に配置されかつ前記キャリヤ信号源に電磁気で結合されているエレメント、
を備えてなるサブミクロン装置。 Carrier signal source,
Support,
A piezoresistive cantilever coupled to and extending from the support, and disposed on the cantilever and electromagnetically coupled to the carrier signal source such that the cantilever is driven by a carrier signal from the carrier signal source; Elements,
Submicron device comprising:
その複数のNEMS変換器からの対応する複数の出力信号を処理して総合出力信号を得る手段、
を備えてなる装置。 A plurality of NEMS converters each emitting an output signal, and means for processing a plurality of corresponding output signals from the plurality of NEMS converters to obtain a total output signal;
A device comprising:
(式中、kBはボルツマン定数であり、Tは流体の温度であり、tは時間でありそしてX12は第一変換器に作用する力F1に対する第二変換器の変位x2(t)を示す「サスセプティビリティー」である)で定義され、その結果、第二変換器のポジションの総合平均が、下記式:
で定義される請求項19に記載の装置。 Cross-correlation of motion of first and second NEMS transducers composed of two adjacent NEMS transducers: C 12 = <x 1 (0) x 2 (t)>
(Where k B is the Boltzmann constant, T is the temperature of the fluid, t is the time, and X 12 is the displacement x 2 (t of the second transducer relative to the force F 1 acting on the first transducer) As a result, the overall average position of the second converter is expressed by the following formula:
The apparatus of claim 19, defined by
流体の特性をNEMS変換器で検出するように、微少流体の流動チャネル内に配置された少なくとも一つのNEMS変換器、
を備えてなる流体内に浸漬される装置。 A microfluidic flow channel carrying the fluid flow, and at least one NEMS transducer disposed in the microfluidic flow channel so as to detect the characteristics of the fluid with the NEMS transducer;
A device immersed in a fluid comprising:
前記ウェーハ層を通ってエッチング停止層までトレンチエッチングを行い、NEMS装置が画成される膜になる領域を画成し、
トレンチの底部のエッチング停止層を装置層まで除いて膜を形成させ、
その膜のピエゾ抵抗層上に導電性接点を電子ビームリソグラフィーで選択的に形成させ、
生物機能化されるようになる領域を、膜のピエゾ抵抗層上に、電子ビームリソグラフィーで選択的に形成させ、
生物機能化されるようになる領域を含む前記膜のピエゾ抵抗層上にNEMS装置を電子ビームリソグラフィーで選択的に形成させ、
その膜を選択的にプラズマエッチングしてマスクされていない部分を除いて懸架NEMS装置を画成し、
前記膜の回りに配置されたエラストマー層内に流動チャネルを選択的に成形し、次いで
NEMS装置の選択された領域を生物機能化させる、
ステップを含んでなる膜からバイオNEMS装置を製造する方法。 Providing a heterostructure having a wafer layer, an etch stop layer on the wafer layer, a NEMS device layer on the etch stop layer, and a piezoresistive layer on the NEMS device layer;
Perform trench etching through the wafer layer to the etch stop layer, and define a region that becomes a film in which the NEMS device is defined,
Form the film by removing the etching stop layer at the bottom of the trench up to the device layer,
A conductive contact is selectively formed by electron beam lithography on the piezoresistive layer of the film,
A region to be biofunctionalized is selectively formed by electron beam lithography on the piezoresistive layer of the film,
A NEMS device is selectively formed by electron beam lithography on the piezoresistive layer of the membrane including the region to be biofunctionalized;
The membrane is selectively plasma etched to define a suspended NEMS device, except for the unmasked part,
Selectively shaping flow channels in an elastomeric layer disposed around the membrane;
Make selected areas of the NEMS device biologically functional,
A method of manufacturing a bio-NEMS device from a membrane comprising steps.
流体中に配置されている結合性分子、及び
減衰力を提供するため流体中に配置されているフラフボール、
を備えてなり、その結合性分子によるリガンドの捕獲とその結合性分子によるフラフボールの捕獲によって、リガンドが前記部材の生物機能化された先端に結合したときに前記部材の減衰が増大する、リガンドを検出するため流体中に浸漬されるNEMS装置。 A resonant member having a tip that is biofunctionalized for the ligand and immersed in the fluid;
A binding molecule disposed in the fluid, and a fluff ball disposed in the fluid to provide damping force,
Wherein the capture of the ligand by the binding molecule and the capture of the fluff ball by the binding molecule increases the attenuation of the member when the ligand is bound to the biofunctionalized tip of the member. NEMS device immersed in fluid for detection.
結合性分子を流体中にいれ、
フラフボールを流体中に入れ、
その結合性分子によってリガンドを捕獲し、
その結合性分子によってフラフボールを捕獲し、次いで
リガンドを、共振部材の生物機能化された先端に結合させて共振部材の減衰を増大させる、
ステップを含むNEMS装置によって流体中のリガンドを検出する方法。
Dip the tip of the resonant member that is biofunctionalized with respect to the ligand in the fluid,
Put the binding molecule in the fluid,
Put the fluff ball in the fluid,
Capture the ligand by its binding molecule,
Capture the fluff ball by the binding molecule, and then bind the ligand to the biofunctionalized tip of the resonant member to increase the damping of the resonant member;
A method for detecting a ligand in a fluid by means of a NEMS device including a step.
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WO (1) | WO2003095616A2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007120967A (en) * | 2005-10-25 | 2007-05-17 | Seiko Instruments Inc | Microforce measuring instrument and biomolecule observation method |
Families Citing this family (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7260980B2 (en) | 2003-03-11 | 2007-08-28 | Adams Jesse D | Liquid cell and passivated probe for atomic force microscopy and chemical sensing |
US7302856B2 (en) | 2003-05-07 | 2007-12-04 | California Institute Of Technology | Strain sensors based on nanowire piezoresistor wires and arrays |
US7434476B2 (en) | 2003-05-07 | 2008-10-14 | Califronia Institute Of Technology | Metallic thin film piezoresistive transduction in micromechanical and nanomechanical devices and its application in self-sensing SPM probes |
US7552645B2 (en) | 2003-05-07 | 2009-06-30 | California Institute Of Technology | Detection of resonator motion using piezoresistive signal downmixing |
US20060257286A1 (en) * | 2003-10-17 | 2006-11-16 | Adams Jesse D | Self-sensing array of microcantilevers for chemical detection |
WO2006073426A2 (en) | 2004-04-20 | 2006-07-13 | California Institute Of Technology | Microscale calorimeters |
WO2005117554A2 (en) | 2004-06-01 | 2005-12-15 | California Institute Of Technology | Microfabricated neural probes and methods of making same |
GB2437753B8 (en) | 2004-10-01 | 2009-05-20 | Nevada System Of Higher Education | Cantilevered probe detector with piezoelectric element |
US7409851B2 (en) * | 2005-03-29 | 2008-08-12 | Cornell Research Foundation, Inc. | Detection of small bound mass |
WO2007016113A2 (en) | 2005-07-27 | 2007-02-08 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Nanoelectromechanical and microelectromechanical sensors and analyzers |
WO2008091294A2 (en) * | 2006-07-28 | 2008-07-31 | California Institute Of Technology | Polymer nems for cell physiology and microfabricated cell positioning system for micro-biocalorimeter |
US7884324B2 (en) | 2007-06-03 | 2011-02-08 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Nanopillar arrays for electron emission |
DE102011053684B4 (en) | 2010-09-17 | 2019-03-28 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Method for carrying out jet impact activated dissociation in the already existing ion injection path of a mass spectrometer |
US8857275B2 (en) | 2011-05-02 | 2014-10-14 | California Institute Of Technology | NEMS sensors for cell force application and measurement |
US8507845B2 (en) | 2011-06-02 | 2013-08-13 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Membrane detector for time-of-flight mass spectrometry |
CN105841718B (en) * | 2015-01-29 | 2020-08-04 | 万渡江 | Fall sensor |
DE102019204464A1 (en) * | 2019-03-29 | 2020-10-01 | Airbus Operations Gmbh | SMOKE AND FIRE DETECTION SYSTEM, FIRE PROTECTION SYSTEM FOR AIRCRAFT AND METHOD FOR DETECTING SMOKE AND FIRE SOURCES |
CN113091993B (en) * | 2021-03-23 | 2022-05-17 | 北京航空航天大学 | Multistage cantilever beam structure and bionic differential pressure sensor thereof |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5581082A (en) * | 1995-03-28 | 1996-12-03 | The Regents Of The University Of California | Combined scanning probe and scanning energy microscope |
US6559474B1 (en) * | 2000-09-18 | 2003-05-06 | Cornell Research Foundation, Inc, | Method for topographical patterning of materials |
-
2003
- 2003-05-07 CN CN03814701.7A patent/CN1663014A/en active Pending
- 2003-05-07 JP JP2004503610A patent/JP2006512564A/en not_active Withdrawn
- 2003-05-07 EP EP03731110A patent/EP1502279A2/en not_active Withdrawn
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- 2003-05-07 WO PCT/US2003/014284 patent/WO2003095616A2/en not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007120967A (en) * | 2005-10-25 | 2007-05-17 | Seiko Instruments Inc | Microforce measuring instrument and biomolecule observation method |
JP4540065B2 (en) * | 2005-10-25 | 2010-09-08 | セイコーインスツル株式会社 | Micro force measuring device and biomolecule observation method |
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