JP2007526480A - 応力に基づく化学反応の静電測定 - Google Patents

Abstract

高い感度でもって化学的若しくは生物学的分析物又は化学的相互作用を検出するために、静電容量測定を用いる。ダイアフラムは、対象とする分析物と選択的に相互作用し得る材料でコーティングされており、分析物とコーティングとの相互作用によってダイアフラム表面の接線方向に応力が発生する。これらの応力によってダイアフラムが変位し、それを静電容量の変化として検出する。
【選択図】なし

Description

この出願は、２００４年３月２日付けの米国出願第１０／７９１，１０８号に優先権を主張するものであり、参照することで、その開示内容の全てをここに取り入れることとする。

本発明は、測定機器に関し、詳細には、結合している分析物並びに化学反応の進度を測定するための機器に関する。

分析物の存在や濃度並びに化学反応の進度や効率は、典型的に、例えば反応が観察可能な吸光特性の変化をもたらす場合には光学モニタリングによって直接的に、又は例えば質量や体積の変化によって間接的に、測定される。一般に用いられる方法の多くは、好感度な検出を可能とする特性（即ち、蛍光性、放射性、化学発光若しくは吸収性）を有する標識化合物の付加を必要とする。しかしながら、これらの方法では、標識剤の開発、検出プロセスのステップ数増大、並びに分析物の変性が必要となる。標識化合物のない場合には、従来の測定はグロススケールに基づいて行われるため、相当の量の分析物が必要となる。

最近、微細機械加工された小さなカンチレバーと曲げ板波（ＦＰＷ）センサを用いることで感度の向上が達成されており、それによって、微視的なスケールにおいて化学反応や相互作用をモニタリングすることが容易になっている。このカンチレバーにおいては、反応は機械的応力へと変換される。これらの応力は、高い感度でもって検出される。しかしながら、カンチレバー装置は、その突出部の寸法の小ささ及び脆さに起因して製造や操作が困難であり、また、読み出し機構から分析物を分離する必要がある。カンチレバーは壊れやすいため、選択性コーティングを適用することは困難である。読み出し電子素子から分析物を分離するために、通常、反射を利用する光学的な読み出しが採用されている。カンチレバーに基づく方法は、主に、当該機器を精密に操作するよう訓練された人手を有する専門の研究所において成功を収めてきた。

ＦＰＷシステムは、互いに組み合わされた突出部により音響学的に活性化されるダイアフラムを利用して、定常波パターンを確立することができる。ダイアフラムは、選択性材料にてコーティングされており、当該コーティングと分析物との相互作用によりダイアフラムの有効厚さが増し、それによって定常波の周波数に影響が及ぼされ、相互作用の度合を示すことができる。これらの素子は導電性の機械的圧電性の層から構成されており、バイメタル効果によって望ましくない温度感応性がもたらされる。熱歪みを減じるため、ＦＰＷセンサは、典型的に、高い共鳴周波数にて運転される。不運にも、高い運転周波数自体によって感度が制限される（幾らか複雑な電子素子が必要となることに加えて）。

本発明は、静電容量測定を利用してこれらの問題を解決し、高い感度でもって化学的若しくは生物学的分析物又は化学的相互作用を検出する。ダイアフラムは、対象とする分析物と選択的に相互作用し得る材料でコーティングされており、そして当該コーティングと分析物との相互作用によって、ダイアフラム表面の接線方向に応力が発現する。これらの応力によってダイアフラムの変位が生じ、それはダイアフラム間の静電容量の変化として検出される。ダイアフラムは、導電性材料を含むか又はそれから成るため、電極として機能し、ダイアフラムの向かいには対向電極が配置されている。ダイアフラムは、好ましくは、ホウ素ドープドシリコンなどの単一材料から成り、それによって熱による反りを軽減若しくは排除することができる。結合によって、ダイアフラムを歪ませ且つダイアフラムと対向電極との間の間隙サイズを変化させるところの応力が生じる。

コーティングとしては、例えば、ポリペプチド（例えば、抗体）、核酸、又は対象とする遊離分析物と相互作用する他の生体分子を挙げることができる。しかしながら後述するように、本発明は、より一般的に、捕捉され結合しやすい任意の分子化学種と共に用いるようにし得る。

従って、第１の態様では、本発明は、導電性部及び一方の表面に選択性コーティングを備えるダイアフラムと、当該ダイアフラムの向かいに隔置された対向電極とを含んで成るセンサに関する。分析物と選択性コーティングとの相互作用によってダイアフラムが変形し、それによって当該センサの静電容量が変化し、相互作用（即ち、結合及び／又は化学反応）の度合が示されることになる。

カンチレバーに基づく方法とは異なり、本発明のダイアフラムは、電極間隙を分析物の流れから分離且つ保護するように構成し得る。対向電極は、ウェーハレベルにて微細加工することができ、それによって、よりコンパクトで、安価且つ簡易な設計がもたらされる。単一材料から成るダイアフラムは、典型的なＦＰＷ素子と比べて、高い感度並びに低い熱感受性を示す。

感度を最大とするため、選択性コーティングは、ダイアフラム表面の一部、例えば、その中央半分若しくはその外側のみを覆うことができる。ダイアフラムの歪みは差圧に敏感であるため、圧力は、ダイアフラム両側で等しいことが好ましい。例えば、圧力は、対向電極を貫通する穴及び／又はダイアフラムの相対面間の圧力逃がし経路若しくは穴を用いることで等しくすることができる。

幾つかの実施形態では、ダイアフラム全体が導電性であり（例えば、シリコン）、一方、他の実施形態では、ダイアフラムは導電性オーバーコートを具備する。選択性コーティングは、例えば、ポリペプチド（例えば、抗体若しくは酵素）又は抗原から構成することができる。

第２の態様では、本発明は、選択性材料への結合若しくはそれとの反応を検出する方法に関する。当該方法では、導電性部を含むダイアフラムと、ダイアフラムの一方の表面にある選択性コーティングと、ダイアフラムの向かいに隔置された対向電極とを含んで成るセンサが利用される。分析物と選択性コーティングとの相互作用によってダイアフラムが変形し、それによって当該センサの静電容量が変化する。従って、当該方法は、当該センサの静電容量を測定して、分析物と選択性コーティングとの間の相互作用の度合を決定することを包含する。

幾つかの実施形態では、測定ステップには、参照静電容量とセンサ静電容量とを比較することが包含される。例えば、参照静電容量は、選択性コーティングとの相互作用がない場合のセンサの静電容量と等しくし得る。

当該方法はさらに、流体に少なくとも選択性コーティングを露出させるステップ；コーティングに結合する分析物が前記流体中に存在するかどうかを指示する測定ステップを包含することができる。

本発明は、シリコン微細加工に適しており且つ小さい素子寸法を実現できるために、アレイ状に配置することが実現可能であり、また好ましい。アレイは、多数の選択性コーティングを利用する反復性及び能力をもたらし、それによって識別並びに定量的測定が改善される。

これまでの説明は、添付の図面と共に以下の発明の詳細な説明を考慮することで、より容易に理解されるであろう。

種々の要素は縮尺通りではない場合がある。

図１を参照すると、本発明による代表的な測定装置１００は、導電性ダイアフラム１１０の端部を固定する固定具又は基材１０５を具備する。ダイアフラムは、円形、長方形（図示するような）、又は他の形状とすることができる。（ここで用いるとき、用語「導電性」は、当分野において理解されるように、導電性若しくは半導電性を意味する。）後により詳細に記載する選択性コーティング１１５は、ダイアフラム１１０の底面に適用されている。ダイアフラム１１０と、基材１０５によるその支持部とは連続的であり、コーティング１１５は、基材により形成される窪み内部に存在する。

絶縁層１２０（例えば、ゴム若しくはプラスチック、又は酸化物から成るコーティング）は、基材１０５の上面に設けられている。対向電極１２５は、ダイアフラム１１０とは反対側に、絶縁層１２０に取り付けられており、それによって、ダイアフラムと対向電極との間に間隙が形成される。

運転中、ダイアフラム１１０の両側の圧力を等しく保つことが一般に重要である。これに関し、幾つかの方法のうちの１つ又は複数を以下に示す。図１に示すように、対向電極１２５は穿孔することができる。また、基材１０５は、１つ又は複数の開口又は弁を備えることができ、好ましくは、これらは、それらが歪みに干渉することのない、コーティング及びダイアフラム領域の外側に配置される。あるいはまた、ダイアフラム１１０は、全ての側面を基材に固定しなくてもよい。それによって生じる、基材１０５とダイアフラム１１０の一部との間の間隙は、ダイアフラム両側の圧力を等しくするように機能する。

ダイアフラム１１０は、任意の導電性材料（例えば、金属、顔料を含むポリマー、又は半導体）から形成し得るが、その材料は、コーティング１１５と分析物との相互作用の結果、測定され得る変位を示す程度に十分薄い厚さレベルにて、繰り返しの応力に耐えることができなければならない。さらに、例えば異なる熱応答特性を有する複数の層を有するダイアフラムは熱による反りを示すため、ダイアフラム１１０は、その全体にわたって組成が均一であることが好ましい。構造体１００は、多くの方法、例えば微細加工又は従来のシリコン加工技術により製造することができる。例えば、ダイアフラム１１０及び基材１１５は、マスキング及び反応性イオンエッチング技術を用いて、標準の６インチのシリコンウェーハから製造することができる。従来の酸化及びマスキングを用いて、絶縁層１２０を形成することができる。代表的な素子は、例えば、長さ５００μｍ、幅１０００μｍ、及び厚さ１．５μｍとし得る。

選択性コーティング１１５は、対象とする分析物に結合する化学成分から構成することができる。当該成分は、ポリマー、核酸、ポリペプチド、蛋白核酸、ポリペプチド（例えば酵素）と相互に作用する基質、気質と相互に作用する酵素、抗原と相互に作用する抗体、１つ又は複数の抗体と相互に作用する抗原、又は他の生体分子とし得るか、又はそれらの上に存在させ得る。

最も簡単にいえば、測定素子１００を用いることで、選択性コーティング１１５が露出される試料溶液中における対象分析物の存在を検出することができる。ノイズ閾値を超える応力が観察される場合、当該試料溶液中に分析物が存在することが確認される。より精巧な測定によって、例えば、分析物濃度の見積もり値のような情報をさらにもたらすことができる。これは、結合の程度を経時的にモニタすることによって達成され、一般に、実験的に決められた、濃度と結合特性との関係を必要とする。例えば、完全に飽和した状態下で得られる最大値よりも低い読み取り値によって反映されるような、完全に平衡飽和となる前のコーティング１１５は、濃度の直接的な指標をもたらし得る。飽和に達すると、当該状態となるのに要した時間、又は時間−応力プロファイル（即ち、経時的に観察される応力の変化）は、既知の濃度について事前に測定された参照プロファイルと比較することによって、濃度の指標となり得る。

一方、ダイアフラムの動力学特性に関する知見を得ることによって、参照データを用いなくとも測定を容易にすることができる。当該知見はまた、素子の設計にも影響する。図２を参照すると、例示的な方法では、長さＬ_Ｄが幅ｂの半分未満（即ち、ｂ＞２Ｌ_Ｄ）である長方形ダイアフラム２００が利用され、それは、全ての端部を固定されている。幅が長さより十分に大きいため、この構成は、単純な梁（ｂｅａｍ）として正確にモデル化することができる。

ダイアフラムが厚さｈ_ｓｉのシリコンのような弾性材料から作製されていると仮定する。コーティング１１５は、均一な厚さｈ_ｃを有しており、ダイアフラム２００の面積の５０％を覆っており、Ｌ_Ｄ／４から３Ｌ_Ｄ／４まで延在している。分析物がコーティング１１５に結合すると、シリコンダイアフラム２００上に圧縮応力又は引っ張り応力が発現する。応力はたいてい二軸性であるが、梁の分析では、ダイアフラムを歪ませる長さ方向の応力のみを検討する。

コーティング１１５のヤング率の適切な見積もり値は、シリコンのそれ（以後、Ｙ_ｓｉ）の１％であり、多くのポリマーにとって典型的な値である。応力の上限については、制限されなければ当該フィルムは１％縮むと推定され、結果、ダイアフラムを変形させるのに利用可能な応力は１０^−４Ｙ_ｓｉとなる。

軸接着力は、ｘ＝Ｌ_Ｄ／４及びｘ＝３Ｌ_Ｄ／４にて適用されるトルク対としてモデル化される。トルク強度は：

である。ここで、Ｙ_Ｃ＝コーティングのヤング率（１．６８×１０^−９Ｎ／ｍ^２）；ε_Ｃ＝制限されていない状態での変形度（０．０１）；ｂ＝ダイアフラム２００の幅（コーティング１１５は幅ｂ全体にわたる）；ｈ_Ｃ＝コーティング及び分析物の厚さ（１０^−９ｍ、１つの単分子層コーティングと１つの分析物）；及びｙ_Ｃ−ｙ_ｏｍ＝コーティング中心と、等質なトルクが適用される際のトルク入力に対する中立軸との間の垂直距離、である。

コーティングがプレートの中心部を覆う場合（図２においてＬ_１＝Ｌ_２）、最大歪みは：

である。ここで、Ｌ_Ｄ＝ダイアフラム長（ｂの５０％未満と仮定）及びＲ_Ｍ＝個々のトルクの曲率半径（慣性積Ｉをトルク中立軸について計算する場合のＹＩ項の合計）である。これを、図３に図示する。ダイアフラム中心を歪ませるのに必要となる点力は以下によって与えられる。

負荷変動に応答するダイアフラム１１０の歪み及び引っ張りは、簡単に決定される（発行された表を用い得る；例えば、R.J. Roark及びW. Youngによる、Formulas for Stress and Strain, McGraw-Hill (5th ed. 1975), page 408参照）。幾つかのケースに関して、大きい方の寸法が小さい方の寸法の１．５倍である場合の、保持され固定化されている端部について、値を表にまとめることができる。この場合については、プレートは非常に幅が大きいものとしてモデル化することができ（平面ひずみ状態と仮定）、それによって、低圧の結果を、まとめられた閉じた解と比較することができる。

本発明と共に用いるのに適しており且つ正確な静電容量測定をもたらす代表的な回路８００を図８に図示する。当該回路は、各々がＣ_１、Ｃ_２で示され且つ同一の基準静電容量を有する２つの測定素子１００を備える。単一の測定素子１００の静電容量は：

で与えられる。ここで、ε＝自由空間の誘電率（８．８５×１０^−１２Ｆ／ｍ）、ｇ_ｓ＝コンデンサエアギャップ（３μｍ）及びＦ_ｓｄ＝ブリッジ構造因子（５０％）である。効率的な設計のために、対向電極は、垂直方向に変位しないダイアフラム部上には形成すべきではない。

運転に関しては、測定素子Ｃ_１、Ｃ_２は同一であるが、一方のみ（例えば、Ｃ_１）を試料流体に露出させる。他方（Ｃ_２）は基準参照部として用い、好ましくは、Ｃ_１と同じ熱環境におく。あるいはまた、参照素子は選択性コーティングを有さなくてもよく、その場合には、参照素子も試料流体に露出させることができる。測定素子Ｃ_１の１つの「プレート」（即ち、ダイアフラム）は、ＡＣ電源８０２から経時変化する電圧信号Ｖｓｉｎωｔを受信し、測定素子Ｃ_２の同じプレートは、インバータ８０５を介して、同じ信号の反転形態を受信する。測定素子Ｃ_１、Ｃ_２の他のプレート（即ち、対向電極）は、互いに接続されて、オペアンプ８０７の反転入力端子に接続される。従って、Ｃ_１、Ｃ_２の静電容量が同じ場合には、生じる電圧は、インバータ８０５に起因してゼロとなる。

オペアンプ８０７は、ネガティブフィードバック回路として接続されている。非反転入力端子は、接地電圧にあり、よって、出力電圧は電圧差ΔＣ＝Ｃ_１−Ｃ_２に比例する。フィードバック抵抗Ｒ_ｆ及びフィードバックコンデンサＣ_ｆは、アンプ８０７の反転入力端子と出力端子を橋絡する。アンプ８０７の出力は、電圧倍増管８１０の入力端子に供給される。倍増管８１０の他の入力端子は、インバータ８０５によってもたらされる正弦波信号から方形波出力を生成するところのシュミットトリガーのような素子８１５の出力を受容する。このように構成する場合、倍増管８１０はアンプ８０７からの信号を復調するように働き、そしてローパスフィルタ８２０によって、復調された信号からＤＣ要素が抽出される。従って、ディジタル電圧計（ＤＶＭ）８２５によって読み取られる電圧は、

である。ＤＶＭ８２５は、通常、ディスプレイを備えており、好ましくは、プログラム可能であり、それによって、受けた電力を意味をなす示度へと変換することができる。最も簡単にいえば、ＤＶＭ８２５は、ユーザが閾値を特定するのを可能とし、検知された電圧がその閾値を超える場合には、ＤＶＭ８２５は、対象とする分析物がコーティング１１５に結合していると表示する。より精密には、ＤＶＭ８２５は、経時的に生成される電圧をモニタし且つ記憶し、そして電圧レベル及びその時間変動を濃度レベルに関連付けるデータベースを備えており、それを報告することができる。

ここで、アクティブなコンデンサと参照コンデンサの両方をアンプの入力に取り付けると、検出可能なダイアフラム位置信号の最小二乗平均は：

で定められる。ここで、Ｖ_Ｎ＝プリアンプ入力電圧ノイズ（６ｎＶ／（Ｈｚ）^１／２）、Ｖ_Ｘ＝ゼロからピーク値と特定される励起電圧、ｆ_ｂａｎｄ＝測定が行われる周波数帯域（１Ｈｚ）、Ｃ_ｆｂ＝フィードバック静電容量（２ｐＦ）、及びＣ_Ｎ＝プリアンプ入力ノードに取り付けられる追加の静電容量（３ｐＦ）である。平方根下にある係数２は、ゼロ−ピーク電圧の二乗平均への変換の不確かさに関連する。単分子層に関する歪みでｇ_ｒｅｓを割ると、層の解像可能断片が決まる。０−ｐ励起電圧は、好ましくは、ダイアフラムのＤＣスナップダウン（ｓｎａｐ−ｄｏｗｎ）電圧の５０％に設定されている。この計算では、対向電極は、剛体であると仮定している。励起電圧は、ダイアフラムを、対向電極の方向に、コンデンサ間隔の数パーセントだけ移動させる。ＤＣスナップダウン電圧は以下に従って計算される。

制限されていないコーティング及び分析物に関して０．０１歪み／層が推定されるのと比較して、高分子の熱膨張係数は典型的に２０×１０^−６／℃である。これらの値から、熱感度は０．００２層／℃であると考えられる。

ダイアフラムの長さ及び厚さと、（ｉ）分析物分子層の解像可能断片、（ｉｉ）ダイアフラム１１０の両側に１大気圧をかけた基準の最大歪み、（ｉｉｉ）基準となるケースに関して、スナップダウンにより制限されている励起電圧（以下を参照）、及び（ｉｖ）分析物により生じる歪みとのそれぞれの関係を、図４−７に示す。ダイアフラムがより薄く若しくはより長く作られているほど、スナップダウン電圧は低下し、それによって解像能の変化は小さくなり、量（Ｌ_Ｄｈ_Ｓｉ）^１／２に大まかに比例するようになる。図６にプロットしているように、スナップダウン電圧はＬ_Ｄ ^２ｈ_Ｓｉ ^３／２に比例し、それによって励起電圧は広範に変化し得る。励起電圧は、ダイアフラムの寸法を決める際の重要な考慮事項である。

特定の詳細例を参照して本発明を記載してきたが、そのような詳細例は、添付の特許請求の範囲に包含される限り、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。

本発明によるセンサの断面図 本発明による、コーティングされたダイアフラムの平面図 図２記載のダイアフラムのたわみ特性 分析物分子層の分解可能部とダイアフラムの長さ及び厚さとの対比 ダイアフラム両側に１大気圧をかけた基準の最大歪みとダイアフラムの長さ及び厚さとの対比 スナップダウンにより制限される励起電圧とダイアフラムの長さ及び厚さとの対比 分析物単層により生じる歪みとダイアフラムの長さ及び厚さとの対比 本発明に関連する有用な検出回路の概略図

Claims (21)

1. 選択性材料との結合又は反応を検出する方法であって：
   ａ．ｉ．導電性部を含むダイアフラム、
   ｉｉ．前記ダイアフラムの第１表面上の選択性コーティング、及び
   ｉｉｉ．前記ダイアフラムの向かいに隔置された対向電極、
   を含むセンサを設けるステップであって、前記選択性コーティングと分析物との相互作用によって前記ダイアフラムが変形し、それによって前記センサの静電容量が変化する、ステップと、
   ｂ．前記センサの静電容量を測定して、前記分析物と前記選択性コーティングとの相互作用の度合を決定するステップと、
   を包含する、方法。
2. 前記ダイアフラムの全体が導電性である、請求項１に記載の方法。
3. 前記ダイアフラムの組成が均一である、請求項１に記載の方法。
4. 前記測定ステップが、参照静電容量と前記センサの静電容量とを比較することを包含する、請求項１に記載の方法。
5. 前記参照静電容量が、前記選択性コーティングへの相互作用がない場合の前記センサの静電容量に等しい、請求項４に記載の方法。
6. 前記選択性コーティングが、ポリペプチドを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記選択性コーティングが、抗体を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記選択性コーティングが、抗原を含む、請求項１に記載の方法。
9. 流体に少なくとも前記選択性コーティングを露出するステップをさらに包含し、前記測定ステップが、前記コーティングに結合する分析物が前記流体中に存在するか否かを示す、請求項１に記載の方法。
10. 前記流体が、ガスを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記流体が、液体を含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記変形が、結合の度合を示す結合エネルギーに比例する、請求項１に記載の方法。
13. ａ．導電性部を含むダイアフラム、
    ｂ．前記ダイアフラムの第１表面上の選択性コーティング、及び
    ｃ．前記ダイアフラムの向かいに隔置された対向電極、
    を含んで成るセンサであって、前記選択性コーティングと分析物との相互作用によって前記ダイアフラムが変形し、それによって相互作用の度合を示すように前記センサの静電容量が変化する、センサ。
14. 前記ダイアフラムの全体が導電性である、請求項１３に記載のセンサ。
15. 前記ダイアフラムの組成が均一である、請求項１３に記載のセンサ。
16. 前記選択性コーティングが、前記ダイアフラムの前記第１表面の一部のみを覆っている、請求項１３に記載のセンサ。
17. 前記ダイアフラムの両面にかかる圧力を等しくするための手段をさらに含む、請求項１３に記載のセンサ。
18. 前記圧力を等しくする手段が、前記対向電極を貫通する穴を含む、請求項１７に記載のセンサ。
19. 前記コーティングが、前記ダイアフラムの前記第１表面の中半分を覆っている、請求項１３に記載のセンサ。
20. 前記分析物の存在を報告する回路をさらに含む、請求項１３に記載のセンサ。
21. 前記分析物の濃度を報告する回路をさらに含む、請求項１３に記載のセンサ。

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