JP2006527856A - 高スループットマイクロカンチレバー検出器 - Google Patents

Abstract

未コーティングマイクロカンチレバー検出器であり、サンプルサイトは別の基板の上に置かれ、マイクロカンチレバー部材は、マイクロカンチレバー部材に印加された交流電圧信号と振動検出器によって検出された信号との間の位相角差、又はマイクロカンチレバー部材の振動の周波数と振幅を検知することによって、サイトの化学的相互作用又はハイブリッド形成の前後の変化を検出し測定する。本発明のもう一つの実施態様においては、多数のサンプルサイトがサンプルアレイ上にあり、マイクロカンチレバー部材アレイが、サンプルサイトの化学的相互作用又はハイブリッド形成の前後の変化を検出し測定する。

Description

本発明は、改善されたマイクロカンチレバー検出器とマイクロカンチレバーアレイに関し、より詳しくは、特にハイブリッド形成相互作用と他の化学的及び生化学的相互作用を検出するために、高スループット検出応用において使用される未コーティングマイクロカンチレバー検出器に関する。

マイクロカンチレバーは極めて敏感な化学的及び生化学的センサーであることが実証されている。マイクロカンチレバー共振周波数は、吸着誘導質量荷重が原因で変化する。カンチレバーはまた、吸着が一つの表面に限定されるならば、吸着誘導表面応力変動が原因で曲げられる。マイクロカンチレバーの優れた感度は、その極めて小さい質量のためである。特許文献１の中で、ワフター（Wachter ）とサンダー（Thundat ）は吸着質量変化に基づくマイクロカンチレバーセンサーを説明している。
米国特許5,445,008

マイクロカンチレバーセンサーの一つの重要な欠点は、異なる化学種を区別する能力がないことである。この欠点は、水晶微量天秤（ＱＣＭ）、表面弾性波装置（ＳＡＷ）、板波共振器、及びラム波ラブ波センサーなどの他の質量センサーにもある。

化学的選択性欠如の欠点を克服するために、カンチレバーはしばしば化学的選択層でコーティングされる。しかしながら、この化学的選択層は、抗体抗原相互作用又はＤＮＡハイブリッド形成に基づくバイオセンサーの場合を除き、絶対的な化学的選択性を提供しない。この欠点は、パターン認識と、固有信号を供給する特定の化学的選択コーティングでアレイ内の各部材がコーティングされた直交アレイとを用いることによって克服できる。

マイクロカンチレバーセンサーの一つの重要な利点は、マイクロカンチレバーが非常に小さく、多数のセンサー部材を一つのチップ上に微細加工できるので、一つのチップを用いて多数の検体の検出のためにアレイ状に配置可能なことである。しかしながら、マイクロカンチレバー技術の主要な欠点の一つは、アレイ方式において、アレイ内のどの部材も、異なる化学種により変更されなければならないことである。このことは、カンチレバーの表面積が非常に小さいために、非常に難しい課題である。更に、多数の検体がある場合、検体を特定するためにパターン認識技術を使うことが必要である。

しかしながら、「イエス」又は「ノー」回答だけが必要とされる場合、マイクロカンチレバーを化学的選択解析ツールとして使うことは冗長であり高価である。まず第１に、アレイ内の個々のマイクロカンチレバーを別々の化学的選択層で変更することは著しく困難であり時間がかかる。第２に、堆積膜の品質を保証することができない。第３に、多数のセンサー部材からの信号処理は極めて高価であり、基準信号を含む複数入力を扱うことができるアルゴリズムの開発を必要とする。例えば、カンチレバー応答（曲げと周波数変化）は、圧力、温度、流量、ｐＨ、溶液内のイオンの存在、及び他のパラメータなどの物理的パラメータによって変化する。相対湿度は、マイクロカンチレバーが空気中で使用される場合主要な役割を果たす。

これまでは、マイクロカンチレバー検出器概念の使用、特にアレイ応用における使用は、高価であり厄介であった。近年、アレイ技術が大きく進歩した。例えば、アフィメトリ
ックス（Affimetrix）チップなどの多くの市場で入手可能なアレイチップがある。ＤＮＡチップなどの従来のチップにおいては、５μｍ×５μｍといった小さな領域は、一定の配列の一本鎖ＤＮＡで変更される。これらの領域は明確なアレイを形成する。目標配列が導入された場合、それらは特定領域において相補配列でハイブリッド形成される。一般に、目標は、適切な波長に曝されたときに特定の色を生じる蛍光マーカーで印が付けられる。この技術は広く使用されているけれども、読み取りにおいて、複数段階を必要とするために、簡単さに欠ける欠点がある。

更なる研究に対する必要性に応えて、改善されたマイクロカンチレバー装置、マイクロカンチレバーアレイ、及び使用方法が開発された。本書に開示された装置、アレイ、及び方法は、高スループット動作のために極めて有用である。

そこで、本発明の目的は、改善された未コーティングマイクロカンチレバー検出器のための、詳しくは、サンプルサイトが別の半導電性又は導電性基板の上に置かれ、マイクロカンチレバーが、サイトの化学的／生化学的相互作用又はハイブリッド形成の前後の変化を測定する、未コーティングマイクロカンチレバー検出器とマイクロカンチレバー検出器アレイのための装置と方法を含む。本発明の更なる他の目的は本書に含まれた記述から明らかとなる。

本発明の一つの側面によれば、前述及び他の目的は、少なくとも第１未コーティングマイクロカンチレバー部材であって、導電性材料と半導電性材料からなるグループから選択された材料で構成されたマイクロカンチレバーと、前記第１マイクロカンチレバー部材に対してその間の既知の大きさに制御された間隙を有して配置された基板であって、導電性材料と半導電性材料からなるグループから選択された材料で構成され、前記マイクロカンチレバー部材に近接した当該基板の上に少なくとも一つのサンプルを取り付けるための手段を更に備えた基板と、前記第１マイクロカンチレバー部材の振動を検出し振動データを供給するための振動検出手段と、前記第１マイクロカンチレバー部材に関して前記基板に交流電圧電気信号をかけて前記第１マイクロカンチレバー部材に振動を誘導するために配置され接続された交流電圧手段と、前記振動データを受け取って前記第１マイクロカンチレバー部材の振動の周波数と振幅を検出するためと、前記第１マイクロカンチレバー部材に関して前記基板に印加された前記交流電圧電気信号検知し計量するためと、前記交流電圧手段によって印加された信号と前記振動検出手段によって生成された信号との間の位相角差を検出し計量するために、配置され前記第１マイクロカンチレバー部材と通信する計測手段とを備え、前記第１マイクロカンチレバー部材、前記基板、前記振動検出手段、前記交流電圧手段、及び前記計測手段は、試験液を前記第１マイクロカンチレバー部材と前記基板の間に通すことによって、前記試験液の成分と前記サンプルの成分との間に化学的相互作用が生じ得るように構成された未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置によって達成される。

本発明の第２の側面によれば、液体テストサンプルの中の、化学的相互作用又はハイブリッド形成が可能な成分を検出するための方法は、少なくとも一つのマイクロカンチレバー部材であって、コーティングされておらず、導電性材料と半導電性材料からなるグループから選択された材料で構成されたマイクロカンチレバー部材と、前記マイクロカンチレバー部材に隣接して置かれ、前記マイクロカンチレバー部材に対してその間の既知の大きさに制御された間隙を有して配置された基板であって、導電性材料と半導電性材料からなるグループから選択された材料で構成され、前記マイクロカンチレバー部材に近接した当該基板の上に少なくとも一つのサンプルを取り付けるための手段を更に備えた基板と、前記マイクロカンチレバー部材の振動を検出し振動データを供給するための振動検出手段と、前記マイクロカンチレバー部材に関して前記基板に交流電圧電気信号をかけて前記マイ
クロカンチレバー部材に振動を誘導するために配置され接続された交流電圧手段と、振動データを受け取って前記マイクロカンチレバー部材の振動の周波数と振幅を検出するためと、前記マイクロカンチレバー部材に関して前記基板に印加された前記交流電圧電気信号を検知し計量するためと、前記交流電圧手段によって印加された信号と前記振動検出手段によって生成された信号との間の位相角差を検出し計量するために、配置され接続された計測手段とを備え、前記マイクロカンチレバー部材、前記基板、前記振動検出手段、前記交流電圧手段、及び前記計測手段は、試験液を前記前記マイクロカンチレバー部材と前記基板の間に通すことによって、前記試験液の成分と前記サンプルの成分との間に化学反応又はハイブリッド形成が生じ得るように構成された未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置を提供するステップと、前記マイクロカンチレバー部材と前記基板の間に前記試験液を通して化学的相互作用又はハイブリッド形成を生じさせるステップと、前記マイクロカンチレバー部材の振動の周波数と振幅を決定し、前記交流電圧手段によって印加された前記交流電圧信号と前記振動検出手段によって生成された信号との間の位相角差を計量して、化学的相互作用又はハイブリッド形成が生じたかどうかと、前記試験液の成分と前記サンプルの成分との間に生じた可能性のある化学的相互作用又はハイブリッド形成の程度を判定するステップとを備えている。

本発明のより良い理解のために、本発明の他の更なる目的、利点、及び可能性と共に、以下の開示と特許請求の範囲が添付図面に関連して参照される。

本発明においては、従来のアレイとマイクロカンチレバーセンサーが、装置と方法を簡単にするやり方で組み合わされる。最初に、アレイが、従来技術において用いられるものと同じ方法で作られる。しかしながら、蛍光色素で目標にしるしをつける必要性はない。本発明は、アレイ上かサンプルサイトを有する基板上の一定の制御距離に置かれた未コーティングマイクロカンチレバーを備え、この未コーティングマイクロカンチレバーは、コンピュータハードドライブの磁気読み取りヘッドのそれと同様の方法で、センサーとして働く。このマイクロカンチレバーの動き又は曲げは、マイクロカンチレバーの先端に焦点が合わされるレーザーダイオードを用いて、レーザーが位置検知型光検出器へ反射されるとき、監視することができる。あるいは、マイクロカンチレバーの動きは、圧電抵抗手段又は圧電手段を用いて測定することもできる。

図1 ａに示す本発明の実施態様においては、光反射面を有する一つのマイクロカンチレバー１が基板２の上に隣接して置かれており、その間に一定の制御ギャップが存在する。図1 ａは接地されているマイクロカンチレバー１を示す。基板２はその表面にサンプルサイト７を有しており、そのサンプルサイトの上にサンプルが取り付けられている。基板２は、導電性又は半導電性の材料からなっている。図1 ａは更に、基板２に交流電圧電気信号を印加するために使用することができる交流電圧手段５を示しており、この交流電圧手段は、そのことによって、基板２とマイクロカンチレバー１の間に交流電圧電気信号をかけ、これがマイクロカンチレバー１を振動させる。基板のすぐ近くに置かれたカンチレバーを、基板に交流電圧を印加することによって励振することができる。基板に印加する交流電圧の周波数を調節することによって、マイクロカンチレバー１を共振させることが可能である。レーザー光源３はマイクロカンチレバー１の表面に焦点が合わされるので、レーザー光ビームの反射が位置検知型光検出器４に突き当たる。光検出器４は受け取った光を電気信号に変換する。一つ又はそれ以上の鏡又はプリズム８を使って、レーザー光ビームを位置検知型光検出器４に投射する。

印加交流電圧周波数がマイクロカンチレバーの共振周波数と一致したとき、振動振幅は共振に対応する最大値まで増加する。マイクロカンチレバーの動きは、位置検知型検出器４からの信号を使って監視される。印加交流電圧と位置検知型光検出器４から得られた交
流電圧信号との間には位相差が存在する。この位相差は、基板に取りつけられたサンプル成分が、マイクロカンチレバー１と基板２の間のギャップに存在する試験液の成分と結合したところの、ハイブリッド形成された材料又は化学的に相互作用した他の材料の存在が原因で変化する。それ故、ハイブリッド形成又は他の化学／生化学的相互作用の前後で位相ずれの顕著な差が生じる。従って、リアルタイムのハイブリッド形成又は化学的／生化学的相互作用を本発明を用いて監視することができる。

化学的／生化学的相互作用には、ＤＮＡハイブリッド形成と、蛋白質と蛋白質の相互作用、配位子と蛋白質の相互作用、抗体と抗原の相互作用などの化学的／生化学的相互作用とが含まれる。計測装置６は、マイクロカンチレバー１の振動周波数と振幅を検出、計量し、それから、印加交流電圧電気信号と位置検知型光検出器４によって生成された信号との間の位相角差を比較、計量する。図1 ｂは、基板２に印加された印加交流電圧信号の電圧−時間曲線を示す。図1 ｃは、図1 ｂに示す基板に印加された印加交流電圧信号によって駆動された結果としてのマイクロカンチレバーの応答である。図1 ｂと図1 ｃの電圧−時間曲線の比較により、位相差が明らかとなる。

サンダー（Thundat ）らは、２０００年１月２５日に発行された米国特許6,016,686 の中で、マイクロカンチレバーの生物学的応用を述べており、これは参照の形で本書に含まれている。フリッツ（Fritz ）らによる論文「生体分子認識をナノ力学に変換（Translating Biomolecular Recognition into Nanomechanics ）」（サイエンス、２０００年４月１４日）は、ＤＮＡハイブリッド形成検出のための一次元カンチレバーアレイを述べており、これも参照の形で本書に含まれている。最後に、ハンセン（Hansen）らによる論文「ＤＮＡ単一ヌクレチオドの識別のためのカンチレバーベース光偏向分析（Cantilever-Based Optical Deflection Assay for Discrimination of DNA Single-Nucleotide ）」（Anal. Chem., 2001 73(7), 1567-1571）は、カンチレバーセンサーを使用した単一ヌクレチオド多型現象の検出を述べており、これも参照の形で本書に含まれている。これらの場合のすべてにおいて、カンチレバー又はカンチレバーアレイは、カンチレバーの片側上に生物学的特定分子を固定することによって変更された。

図２に示す実施態様においては、基板２は多数のサンプルサイトを有している。そして、図１ａにおけるように、交流電圧電気信号が基板２に印加され、基板２とマイクロカンチレバー１の間にその交流電圧電気信号がかけられ、これがマイクロカンチレバー１を振動させる。基板をマイクロカンチレバー１に対して動かして、サンプルサイト７内のサンプルの存在を検出することができる。マイクロカンチレバー１と基板２の間の距離は、マイクロカンチレバー１と基板２の間の電界がマイクロカンチレバー１の動きに影響を及ぼすほど十分大きくなるように調節される。交流電圧電気信号が基板２に印加されると、マイクロカンチレバー１は振動する。マイクロカンチレバー１又はマイクロカンチレバーアレイは、マイクロカンチレバー１と基板２から発する電界との間の静電気相互作用のために、振動モードに入る。印加周波数がマイクロカンチレバー１の共振周波数と一致した場合、振動振幅は共振に対応する最大値まで増加する。マイクロカンチレバー１の曲げ又は動きは、例えばレーザー偏向技術を使って監視することができる。印加交流電圧周波数と光検出器４から得られた交流信号との間には位相角差が存在する。この位相角差は、マイクロカンチレバー１と基板２の間のギャップの中に存在する物質が原因である。それ故、ハイブリッド形成又は化学的／生化学的相互作用の前後で位相ずれの測定可能な差が生じる。

一つの実施態様が図２に示されているように、基板２は、ステッパーモータなどのモータ機構を使って、軸に関して回転できるように、あるいは、直交移動できるように、形成することができる。その形状は、円盤、ドラム、又は他の機構などの、多数のサンプル領域又はサイトを可能にする形状であれば何でもよい。その機構は、可変周波数交流電圧源
５である交流電圧手段に可動基板２が電気的に接触するように電気的に構成される。交流電圧手段５の周波数は、それがマイクロカンチレバーの共振周波数と一致するように変更される。交流電圧手段５は直流オフセット電圧を含むことができる。共振状態は、マイクロカンチレバー１の振動振幅を使って監視することができる。共振時に振幅は最大値に達する。基板２は、異なる変更サンプル領域又は不変更サンプル領域が順に検知マイクロカンチレバー１の下にくるように動かされる。そして基板２は、マイクロカンチレバー１の位相と振幅を決定するのに十分長い時間、所定位置に保たれる。いくつかの実施態様においては、検知マイクロカンチレバー１を移動させて、同様な又は異なる方法で変更された付加領域からの信号を検知することもできる。

位相角に加えて、化学反応領域又はハイブリッド作成領域がマイクロカンチレバー１の下に存在し、交流電圧バイアスを基板に印加することによってマイクロカンチレバー１を共振させた場合、マイクロカンチレバー１の振動振幅が変化する。

もう一つの実施態様においては、マイクロカンチレバー応答検出システムは、圧電抵抗手段又は圧電手段である。化学的相互作用と生化学的相互作用の同時検出のために一次元又は二次元のマイクロカンチレバーアレイを使用することは可能である。

もう一つの実施態様においては、マイクロカンチレバーの振動応答は、基板に印加された周波数の倍音時に監視される。
これらすべての場合において、マイクロカンチレバー１は電気的に接地される。マイクロカンチレバー１の振動振幅の大きさは、基板２とマイクロカンチレバー１の間の距離によって決まる。それ故、振幅が化学的相互作用信号又はハイブリッド形成検出信号として使用される場合、マイクロカンチレバー１と基板２の間の距離を測定する方法が必要である。化学的相互作用のための検出信号として振幅を使用するこの実施態様においては、図２に示すように、この測定は、近接制御手段によって基板２に近づけられる第２マイクロカンチレバー１' を備えた近接検知手段を用いて行われる。この近接検知手段は第２マイクロカンチレバー１' に接続される。この実施態様においては、検知用に使用されるマイクロカンチレバーは検知マイクロカンチレバー１と呼ばれ、距離の監視用に使用されるマイクロカンチレバー１' は位置監視マイクロカンチレバーである。位置監視マイクロカンチレバー１' は、マイクロカンチレバー１' とサンプルを含む基板２との間の距離を一定に保つ。最初、マイクロカンチレバー１' は一つの平面内にある。マイクロカンチレバー１' は、電圧手段３５を使用することによって振動させられる小さな圧電素子３３によって共振させられる。この位置監視マイクロカンチレバー１' は、その自由端に、尖ったチップ又はバンプ３４を有している。このチップ３４はその曲げ軸に垂直であるので、マイクロカンチレバー１' と基板２の間の距離が減少したとき、チップ３４は、マイクロカンチレバー１' の前に基板２と接触するか、ほとんど接触する。このことは、装置を環境空気の中で操作した場合に、マイクロカンチレバー１' が基板２にくっつくのを防止する。近接制御手段を用いて位置監視マイクロカンチレバー１' を基板２に接触させる。位置監視マイクロカンチレバー１' に接続された近接制御手段は圧電変換器５０を備え、この圧電変換器の移動は電圧手段５１によって印加される電圧によって制御される。近接制御手段は更に、位置監視マイクロカンチレバー１' に固定された圧電素子３３を備えている。圧電素子３３はマイクロカンチレバー１' を共振させるように構成されている。圧電変換器５０を用いてこのマイクロカンチレバー１' を基板２の表面に近づけたとき、マイクロカンチレバーの振動振幅は変化し、この変化は、光学手段、圧電抵抗手段、又は圧電手段（図２に示さず）を用いて検知される。マイクロカンチレバー１' の振動振幅は、マイクロカンチレバー１' と基板２の間の近接の度合いである。また、マイクロカンチレバー１' の鉛直変位は、圧電変換器５０に印加される電圧の関数である。マイクロカンチレバー１' を検知マイクロカンチレバーとして使用することも可能である。この場合、検知マイクロカンチレバー及び位置監視マイクロカンチレバーは同じものである。

他の実施態様においては、（圧電素子３３又は電圧手段３５を使用しない）非振動マイクロカンチレバーを含む、当業者にとって周知の他の方法を用いて、基板表面に対するマイクロカンチレバーの位置を監視することができる。そのような非振動マイクロカンチレバーが基板表面に接触した場合、マイクロカンチレバーの曲げは激変する。この場合、位置検知マイクロカンチレバー１' と基板２の間の距離はマイクロカンチレバー１' の曲げに比例する。

図３に示すもう一つの実施態様においては、多数のサンプルが基板２上のサンプルサイト７の上に置かれ、多数のマイクロカンチレバーのアレイ７０が基板上に配置され、アレイ７０の各マイクロカンチレバー１は基板２上のサンプルサイト７の上に位置づけられ、各マイクロカンチレバー１とそれぞれのサンプルサイト７の間に一定の制御ギャップが存在する。図３において、マイクロカンチレバー１は光学的に読み取られるが、アレイ７０は、圧電読み出しを有する図４に示すようなマイクロカンチレバー８０などの圧電手段を有するマイクロカンチレバーか、圧電抵抗読み出しを有する図５に示すようなマイクロカンチレバー３１などの圧電抵抗手段を有するマイクロカンチレバーで構成することもできる。

図３の場合において、アレイ７０の各マイクロカンチレバー部材の動きは、例えば圧電抵抗手段又は圧電手段を用いて、別々に監視される。すべてのマイクロカンチレバー応答は、アレイ７０内に置かれたマルチプレクサーと、表示ユニット７１を使って同時に読み出される。信号変換機構は圧電又は圧電抵抗とすることができる。

マイクロカンチレバーアレイにおいて、すべてのマイクロカンチレバーは同じ読み出し方法を有している。光学読み出しは、単一カンチレバーに対して、又は限られた数のマイクロカンチレバーを有する直線アレイに対して用いられる。圧電抵抗手段又は圧電手段は、図３におけるような二次元アレイに対して用いられる。

図４はマイクロカンチレバー検知部材８０を示し、信号変換手段は圧電手段であり、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの圧電素子６２が電極６０と電極６３の間に挟まれている。マイクロカンチレバー８０の振動は圧電素子６２の中に電荷を生じ、これは電荷増幅器６４によって測定される。

もう一つの実施態様においては、振動検出手段は、（図５に示す）検知マイクロカンチレバー３１の圧電抵抗特性によって提供することができる。この実施態様においては、当業者にとって既知のホイートストンブリッジ又は他の電気回路９（図５）を使って、マイクロカンチレバー３１に対する振動データを提供する。解析されるサンプルは、マイクロカンチレバー３１に近接し、一定の制御ギャップだけマイクロカンチレバー３１から離れた、基板２上のサンプルサイト７（図５には示さず、図１を参照）に取り付けられる。図１において、マイクロカンチレバー１は図５の装置と取り替えることができる。マイクロカンチレバー３１は、交流電圧手段５によって基板に印加された交流電圧電気信号によって振動させられる。これには、基板２とマイクロカンチレバー３１又はマイクロカンチレバーアレイが導電性又は半導電性材料から作られることが必要である。

図５は検知マイクロカンチレバー３１を示し、信号変換手段は圧電抵抗手段であり、ホウ素の薄膜は、マイクロカンチレバー３１内に埋め込まれたチャンネル５５を備えている。マイクロカンチレバー３１が曲がると、埋め込みホウ素チャンネルの抵抗は変化し、ホイートストンブリッジ９によって監視される。

基板２が、図１ａ又は図２におけるような、その軸の周りに回転することができる円盤
形状のディスクに作られた、前に述べた実施態様においては、周辺近くの基板２の選択領域又はサイトは、検出されるべきサンプルを取り付けることによって変更される。例えば、あるＤＮＡ配列のハイブリッド形成を検出するために、ディスクは、ＤＮＡプローブと呼ばれる相補ＤＮＡ配列のすべての可能な変化によって小さなスポット又はサンプルサイト７において変更される。配列が決定されるべきＤＮＡ（目標ＤＮＡと呼ぶ）の溶液にこの円盤が曝されると、プローブＤＮＡと目標ＤＮＡが一致したときのみハイブリッド形成が起こる。ハイブリッド形成プロセスは一本鎖ＤＮＡを二本鎖ＤＮＡに変換する。緩衝溶液を使ってディスクを洗うことによって、すべてのハイブリッド形成されたＤＮＡ鎖が取り除かれる。この場合、基板ディスク上のすべてのスポット又はサンプルサイトは、ハイブリッド形成が生じたものを除き、変更されないままで残る。ハイブリッド形成領域上のすべてのＤＮＡ鎖は二本鎖となるが、残りのサイトは一本鎖プローブとなる。

一例においては、前記基板を準備するために、金の薄層（４０〜５０ｎｍ）が、導電性又は半導電性基板の上に堆積される。金堆積の前に、クロムの薄層（５ｎｍ）が金のための粘着層として堆積される。エンドチオールグループを有する異なる配列の一本鎖ＤＮＡが、小さなスポット又はサイトにおいて金基板上に堆積される。各サイトは異なる配列の一本鎖ＤＮＡを有する。しかしながら、各サイト内において、各ＤＮＡ分子の配列はそのサイト内の他のＤＮＡ分子の配列と同じである。

この方法は、抗原を検出するためにも使用できる。この場合、各スポット又はサンプルサイトは、チオール結合又は共有結合によって基板に取り付けられた抗体を含む。基板を露出することによって抗体抗原結合を生じる。抗体抗原相互作用は非常に独特であるので、正しい抗体を有するスポット又はサンプルサイトだけが抗原を有する。この方法を拡張して、種々の蛋白質、酵素、又は他の有機エージェントを検出することができる。本発明の方法は、前に述べたように、ハイブリッド形成を含む化学的相互作用及び他の生化学的相互作用が可能な成分又は化学種を検出する。成分は、サンプルサイトに取り付けられたその相補物又は同等物と相互作用が可能な試験液の中に存在することができる相補ＤＮＡ断片、抗原、抗体、蛋白質、酵素、又は他の有機エージェントとして定義される。

蛋白質とＤＮＡの付着は、シラン共有性固定化結合を用いて達成することもできる。この場合、基板上の金層は必要ない。
これらすべての場合において、基板は検出目的のために必要に応じて予め製作される。これらのディスクを製作し、必要になるまで保管することができる。この方法と装置は溶液の中で機能することが実証されている。それ故、リアルタイムハイブリッド形成をこの技術を用いて監視することができる。基板は、ちょうどドライブの場合におけるように、円盤形状のディスクに形成することができる。マイクロカンチレバーを基板上で走査することができるか、基板をマイクロカンチレバーの下で走査するか回転させることができる。基板は、回転軸のまわりに円弧パターン又は円形パターンで配置された多数のサンプルを有するディスクの形に構成することもできる。このディスクは、回転せずに静止したままのサンプルアレイとすることができ、移動可能な一つのマイクロカンチレバーを検出用に使用するか、マイクロカンチレバーアレイを検出用に使用することができる。基板が、回転軸のまわりに、あるパターンで配置された多数のサンプルを有するディスクである場合、一つのマイクロカンチレバー部材を、そのディスク上に多数のパターンで配置されたサンプルを検知するために、そのディスクに関して放射状に移動させることができる。更に、サンプルを基板上に直線パターンで置くことができ、例えば、連続テープ監視カセットを基板として使用することができる。

好ましい実施態様においては、異なる配列のアレイをシリコンウェハー上に作ることができる。それらを、上面にガラスなどの絶縁材料の薄い又は厚い層を有する金属表面又は半導体表面上に作ることもできる。

電磁波でハイブリッド形成領域を光学的に励振することによって位相差を増すことも可能である。この場合、サンプル内の遊離基の作成が誘電率を変化させる。
図６ａは本発明のもう一つの実施態様を示す。ここで、基板４０は、その表面にＮｘＭ個のサンプルサイト４２を有する長方形アレイであり、サンプルはサンプルサイトに取り付けられる。Ｎはアレイのｘ方向におけるサンプル数であり、Ｍはアレイのｙ方向におけるサンプル数である。図６ｂはＮｘＭ個のマイクロカンチレバー４６からなる長方形のマイクロカンチレバーアレイ４４を示し、Ｎはアレイのｘ方向におけるマイクロカンチレバー数であり、Ｍはアレイのｙ方向におけるマイクロカンチレバー数である。それから、図６ｃはサンプルアレイとマイクロカンチレバーアレイの相対的位置を示し、マイクロカンチレバーアレイ４４は、各マイクロカンチレバー部材４６がサンプルサイト上にあり、基板サンプルアレイ４０とマイクロカンチレバーアレイ４４の間に数十ナノメートルの制御分離距離があるように、基板アレイ表面４０上に置かれる。アレイ内のいくつかのマイクロカンチレバーは、マイクロカンチレバーアレイと基板サンプルアレイの間の距離を測定するための基準マイクロカンチレバーとして機能することができる。

マイクロカンチレバーアレイは任意の数のマイクロカンチレバーを有することができる。マイクロカンチレバーアレイは、反対方向に走査をする一次元アレイか、一括で走査する小さな二次元アレイであることができる。また、何千個ものサンプルスポットを有するＤＮＡサンプルアレイ又はＤＮＡチップもある。アレイにおいては、すべてのマイクロカンチレバーは同じ読み出し方法を持つべきである。光学的読み出しは、単一カンチレバー、又は限られた数のカンチレバーを有する直線アレイに適している。圧電読み出し又は圧電抵抗読み出しは、二次元マイクロカンチレバーアレイに非常に有用である。

図７は、一本鎖ＤＮＡ（ｓｓＤＮＡ）、二本鎖ＤＮＡ（ｄｓＤＮＡ）、及び（ハイブリッド形成後の）内部不整合を有する二本鎖ＤＮＡからの位相差信号を示す。二本鎖ＤＮＡは、第１の一本鎖ＤＮＡと相補一本鎖ＤＮＡとのハイブリッド形成の結果である。この図は、小さな分離距離に対してのみ位相差が生じることを示している。最適分離距離は動作周波数によって決まる。

上記実施態様においては、これらのマイクロカンチレバー検出器装置の動作方法は、ハイブリッド形成又は化学的相互作用を生じさせるように、十分な時間、マイクロカンチレバー部材と基板の間に試験液を通過させるための液体流のための手段を使用する。具体的には、マイクロカンチレバー検出器装置の動作は液体下で行われる。表面に取り付けられたサンプルを有する種々のサンプルサイトを有して作られた基板は、ハイブリッド形成又は化学的／生化学的相互作用が生じるために緩衝溶液下に置かれる。それから、マイクロカンチレバーアレイはサンプル基板アレイの上面に置かれ、装置は依然として液体下にある。

本発明の好ましい実施態様であると現在考えられているものを示し説明したが、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなしに種々の変更をその中に備えることができることは当業者にとって明らかであろう。

一つのマイクロカンチレバー検出器を備えた装置の斜視図。 基板に印加された交流電圧信号の電圧−時間曲線。 図１ｂに示す基板に印加された印加交流電圧信号によって駆動された結果としてのマイクロカンチレバーの電圧−時間応答を示し、図１ｃと図１ｂの比較により位相差を示す電圧−時間曲線。 多数のサンプルサイトを有する円形ディスク基板と二つの未コーティングマイクロカンチレバーの斜視図。 多数のサンプルサイトを有する円形ディスク基板と、その基板の上に配置された多数のマイクロカンチレバーのアレイとを示す斜視図。 酸化亜鉛などの圧電素子が二つの電極の間に挟持され、圧電手段を有するマイクロカンチレバー検知部材の斜視図。 圧電抵抗手段を有する検知マイクロカンチレバーの斜視図。 表面にＮｘＭ個のサンプルの長方形アレイがある基板の斜視図。 ＮｘＭ個のマイクロカンチレバーからなる長方形のマイクロカンチレバーアレイの斜視図。 サンプルアレイとマイクロカンチレバーアレイの相対的位置を示す斜視図。 一本鎖ＤＮＡ、（ハイブリッド形成後の）二本鎖ＤＮＡ、及び（ハイブリッド形成後の）内部不整合を有する二本鎖ＤＮＡに対してマイクロカンチレバーによって測定された位相差を示すグラフ。

Claims (33)

1. ａ）導電性材料及び半導電性材料からなるグループから選択された材料で構成された少なくとも第１未コーティングマイクロカンチレバー部材と、
   ｂ）導電性材料及び半導電性材料からなるグループから選択された材料で構成された基板であって、前記第１マイクロカンチレバー部材と当該基板との間に試験液を通過させるために既知の大きさに制御された間隙を有するように前記第１マイクロカンチレバー部材に対して配置された基板と、前記第１マイクロカンチレバー部材に近接した前記基板の上に少なくとも一つのサンプルを、前記試験液の成分と前記サンプルの成分との間に化学的又は生化学的相互作用が生じるように取り付けるための手段と、
   ｃ）前記第１マイクロカンチレバー部材に関して前記基板に交流電圧信号をかけて前記第１マイクロカンチレバー部材に振動を誘導するために配置され接続された交流電圧手段と、
   ｄ）前記第１マイクロカンチレバー部材の振動を検出し振動データを供給するための振動検出手段と、
   ｅ）前記基板に印加された前記交流電圧信号と前記振動データを検知し計量するために前記第１マイクロカンチレバー部材と通信するように配置された計測手段であって、前記基板に印加された前記交流電圧信号と前記振動検出手段によって検出された信号との間の位相角差を計量する計測手段と
   を備えたことを特徴とする未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
2. 前記第１マイクロカンチレバー部材は一つの光反射面を有し、前記振動検出手段は、
   ａ）前記第１マイクロカンチレバー部材の前記光反射面にレーザー光を投射するように配置され焦点が合わされたレーザー光源と、
   ｂ）位置検知型光検出器であって、前記第１マイクロカンチレバー部材から反射されたレーザー光が当該光検出器の検知部材に当たるように配置され、前記計測手段に前記振動データを供給するように構成され接続された光検出器と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
3. 前記第１マイクロカンチレバー部材は絶縁圧電抵抗マイクロカンチレバーであり、前記振動検出手段は、
   ａ）マイクロカンチレバー抵抗の変化を測定するように構成され接続されたホイートストンブリッジと、
   ｂ）前記計測手段に振動データを供給するように構成され接続された電気回路と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
4. 前記第１マイクロカンチレバー部材は絶縁圧電抵抗マイクロカンチレバーであり、前記振動検出手段は、前記計測手段に振動データを供給するように構成された前記マイクロカンチレバー部材の振動が原因で生成された電荷を測定するように構成され接続された電気回路を備えたことを特徴とする請求項１に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
5. 前記計測手段は前記第１マイクロカンチレバー部材の振動振幅を検出することを特徴とする請求項１に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
6. 前記基板は更に、多数のサンプルを取り付けるための手段を備え、前記第１マイクロカンチレバー部材と前記基板は、前記第１マイクロカンチレバー部材と前記サンプルのうちのいずれかとが互いに連続して適切な近傍に位置し、印加バイアスと前記第１マイクロカン
   チレバー部材の振動のそれとの間の位相角を決定するのに十分な時間、適当な近くに休止するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
7. 前記基板は直線パターンで構成されたことを特徴とする請求項６に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
8. 前記基板は連続テープ監視カセットであることを特徴とする請求項７に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
9. 前記基板は円盤に形成され、多数のサンプルが、前記円盤の回転軸の周りに、円弧パターンと円形パターンからなるグループから選択された少なくとも一つのパターンで配置されたことを特徴とする請求項６に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
10. 前記第１マイクロカンチレバー部材は、前記円盤の上に多数のパターンで配置されたサンプルを検知するために、前記円盤に関して放射状に移動させられることを特徴とする請求項９に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
11. 前記第１マイクロカンチレバー部材と前記基板との間の距離を検知するための近接検知手段を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
12. 前記近接検知手段は、近接制御手段によって前記基板の密接して配備される第２マイクロカンチレバー部材を備え、該第２マイクロカンチレバー部材に接続されたことを特徴とする請求項１１に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
13. 前記近接制御手段は圧電変換器と圧電素子を備え、前記圧電変換器は前記圧電素子に電気的に接続され、前記圧電素子は前記第２マイクロカンチレバー部材に固定されると共に、前記第２マイクロカンチレバー部材を前記基板に近づけるように構成され、前記圧電変換器を作動させることによって前記第２マイクロカンチレバー部材を振動させることができ、前記第２マイクロカンチレバーの振動振幅は前記第２マイクロカンチレバー部材と前記基板の間の近接の度合いであり、前記第２マイクロカンチレバー部材の変位は前記圧電素子に印加される電圧の関数であることを特徴とする請求項１２に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
14. 前記第２マイクロカンチレバー部材の近接は前記第２マイクロカンチレバー部材の振動振幅によって示されることを特徴とする請求項１３に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
15. 前記基板への前記第２マイクロカンチレバー部材の接近は、前記第２マイクロカンチレバー部材と前記基板の間の接触のために、前記第２マイクロカンチレバーの撓みによって示されることを特徴とする請求項１３に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
16. 位相角差と振動振幅差からなるグループから選択されるパラメータであって、前記サンプルの化学種を特定するための前記第１マイクロカンチレバーに近接して置かれた前記サンプルによって特定されるパラメータを比較し記録するための記録手段を更に備えたことを特徴とする請求項６に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
17. マイクロカンチレバー部材アレイを備え、前記基板は、前記マイクロカンチレバー部材ア
    レイに隣接して置かれると共に、その間の既知の大きさに制御された間隙を有するように前記マイクロカンチレバー部材アレイに対して配置されたサンプル部材アレイであることを特徴とする請求項６に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
18. 前記マイクロカンチレバー部材アレイは更にマイクロカンチレバー読み出し手段を備えたことを特徴とする請求項１７に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
19. 前記アレイの前記マイクロカンチレバー部材は絶縁圧電抵抗マイクロカンチレバーであり、前記振動検出手段は、
    ａ）マイクロカンチレバー抵抗の変化を測定するように構成され接続されたホイートストンブリッジと、
    ｂ）前記計測手段に振動データを供給するように構成され接続された電気回路と
    を備えたことを特徴とする請求項１７に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
20. 前記アレイの前記マイクロカンチレバー部材は絶縁圧電抵抗マイクロカンチレバーであり、前記振動検出手段は、前記計測手段に振動データを供給するように構成された前記マイクロカンチレバー部材の振動が原因で生成された電荷を測定するように構成され接続された電気回路を備えたことを特徴とする請求項１７に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
21. 前記第１マイクロカンチレバー部材の応答は、前記基板に印加された前記印加交流電圧の周波数で監視されるか、前記基板についての前記印加交流電圧の倍音で監視されることを特徴とする請求項１に記載の未コーティングマイクロカンチレバー検出器装置。
22. 化学相互作用又はハイブリッド形成が可能な成分を検出するための方法であって、
    ａ）少なくとも一つのマイクロカンチレバー部材と、前記第１マイクロカンチレバー部材と基板との間に試験液を通すために既知の大きさに制御された間隙を有するように前記マイクロカンチレバー部材に対して配置された当該基板と、化学的又は生化学的相互作用が前記試験液の成分と少なくとも一つのサンプルの成分との間に生じるように前記第１マイクロカンチレバー部材に近接した前記基板の上に当該サンプルを取り付けるための手段と、前記マイクロカンチレバー部材に関して前記基板に交流電圧信号をかけて前記マイクロカンチレバー部材に振動を誘導するために接続された交流電圧手段と、前記マイクロカンチレバー部材の振動を検出し振動データを供給するための振動検出手段と、前記振動データを受け取り、前記マイクロカンチレバー部材の振動の周波数及び振幅と、前記基板に印加された前記交流電圧信号と前記振動検出手段によって検出された信号との間の位相角差の少なくとも一方を決定するために配置され接続された計測手段とを提供するステップと、
    ｂ）前記マイクロカンチレバー部材と前記基板の間に前記試験液を通して前記化学的相互作用又は前記ハイブリッド形成を生じさせるステップと、
    ｃ）前記マイクロカンチレバー部材の振動の周波数及び振幅と、前記基板に印加された前記交流電圧信号と前記振動検出手段によって生成された信号との間の位相角差の少なくとも一方を決定するステップであって、前記化学的相互作用又は前記ハイブリッド形成が生じたか否かと、前記試験液の前記成分と前記サンプルの前記成分との間に生じた可能性のある化学的相互作用又はハイブリッド形成の程度を判定するステップと
    を備えたことを特徴とする方法。
23. 前記マイクロカンチレバー部材は一つの光反射面を有し、前記振動検出手段は、
    ａ）前記マイクロカンチレバー部材の前記光反射面にレーザー光を投射するように配置され焦点が合わされたレーザー光源と、
    ｂ）位置検知型光検出器であって、前記マイクロカンチレバー部材から反射されたレーザー光が当該光検出器の検知要素に当たるように配置され、前記計測手段に前記振動データを供給するように構成され接続された光検出器と
    を備えたことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 前記マイクロカンチレバー部材は絶縁圧電抵抗マイクロカンチレバーであり、前記振動検出手段は、
    ａ）マイクロカンチレバー抵抗の変化を測定するように構成され接続されたホイートストンブリッジと、
    ｂ）前記計測手段に振動データを供給するように構成され接続された電気回路と
    を備えたことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
25. 前記基板は更に、多数のサンプルを取り付けるための手段を備え、前記マイクロカンチレバー部材と前記基板は、前記マイクロカンチレバー部材と前記サンプルのいずれかが互いに連続して適切な近傍に位置し、印加バイアスと前記第１マイクロカンチレバー部材の振動のそれとの間の位相角を決定するのに十分な時間、適当な近くに休止するように構成されたことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
26. 前記基板は円盤に形成され、多数のサンプルが、前記円盤の回転軸の周りに、円弧パターンと円形パターンからなるグループから選択された少なくとも一つのパターンで配置されたことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
27. 前記基板は直線パターンで構成されたことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
28. 前記装置は前記マイクロカンチレバー部材と前記基板との間の距離を検知するための近接検知手段を更に備えたことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
29. 前記近接検知手段は、近接制御手段によって前記基板に密接して配備される第２マイクロカンチレバー部材を備え、該第２マイクロカンチレバー部材に接続されたことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
30. 前記近接制御手段は圧電変換器と圧電素子を備え、前記圧電変換器は前記圧電素子に電気的に接続され、前記圧電素子は前記第２マイクロカンチレバー部材に固定されると共に、前記第２マイクロカンチレバー部材を前記基板に近づけるように構成され、前記圧電変換器を作動させることによって前記第２マイクロカンチレバー部材を振動させることができ、前記第２マイクロカンチレバーの振動振幅は前記第２マイクロカンチレバー部材と前記基板の間の近接の度合いであり、前記第２マイクロカンチレバー部材の変位は前記圧電素子に印加される電圧の関数であることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
31. 前記第２マイクロカンチレバー部材の近接は前記第２マイクロカンチレバー部材の振動振幅によって示されることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
32. 前記基板への前記第２マイクロカンチレバー部材の接近は、前記第２マイクロカンチレバー部材と前記基板の間の接触のために、前記第２マイクロカンチレバーの撓みによって示されることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
33. 前記マイクロカンチレバー部材の応答は、前記基板に印加された前記印加交流電圧の周波数で監視されるか、前記基板についての前記印加交流電圧の倍音で監視されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。

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