JP2008516237A - 増強ナノ分光走査のための方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
Description
以下の用語は、断りのない限り、下記の意味を有する。「プラズモン共鳴金属」は、光子及びプラズモンの連成モードである、表面電磁モード−表面プラズモンポラリトン(SPP)を担持できる金、銀、又はアルミニウムなどの金属を含む。
図1は、表面に付着しているサンプル中の化学基を同定するための、一般的に35で示されている装置を示している。図には、走査ステージ90が示されており、そのステージには、チップ表面上に固定され互いに並列に配置されている鎖82などの複数の伸張DNA鎖を有するDNAチップ80が載る。DNA鎖などの伸張高分子鎖をチップ表面上に固定する方法について以下で説明する。本実施形態の重要な特徴によれば、サンプルが担持されているチップの表面は、プラズモン共鳴金属、例えば銀、金、又はアルミニウムの鏡面コーティングを持つ。
この節では、レンズが光線、例えば、コヒーレント及び/又は円偏光線の照射を受けたときに局在化されたギャップモードを発生する、サンプル基板の滑らかな金属面に近接して置かれるように設計された特定のナノレンズ構造について説明する。これらのモードは、サブナノメートル分解能の高い空間分解能及び、DNA鎖の個々の塩基などの単一の小分子の分光指標の検出を可能にする信号増幅度で、鏡基板面のナノレンズの間の空間内に置かれた分子の直接光学式読み取りのために使用することができる。
装置内の基板又は支持材は、表面に近接する電磁場を増強するように設計され、銀、金、又はアルミニウムなどのプラズモン共鳴材料の薄膜でコーティングされる。膜厚は、好ましくは、25〜200nm、例えば、50nmである。好適な基板、例えば、ガラス基板は、真空蒸発又はrfスパッタリング法などの知られている方法により金属膜でコーティングすることができる。例示的な基板コーティング及びその生産方法は、参照により本明細書に組み込まれている米国特許第5,611,998号「光化学センサーと生産方法(Optochemical sensor and method for production)」で、そしてこれもまた参照により本明細書に組み込まれているV.Matyushinにおいて開示されている。
上で示されているように、本発明の装置及び方法の重要な応用例は、染色体又は完全ゲノムDNAなどの核酸サンプルの配列決定である。この節では、特定の応用例を参照しつつ本発明の上記の装置の動作及び方法について説明するが、同じ動作及び方法は、どのサンプル中の化学基の調査にも適用されることは理解されるであろう。
本発明のラマンプラズモンナノレンズを使用することにより長さの長いバイオポリマー巨大分子(DNA、RNA、又はポリペプチドなど)の配列を分光的に読み取る他の方法では、図9に例示されているように、ナノレンズが取り付けられているナノメートルサイズの孔を通じてバイオポリマー分子を引き出す。
本発明の他の実施形態は、図10に例示されている。DNA鎖210は、ポリマーアンカー290を使用することにより固体基板の表面に結合することができる。結合は、スライド面上にパターン形成された相補的オリゴヌクレオチドバーコード220を使用してアドレス指定可能な方法で実行することができる。ナノレンズ180を含むナノ細孔は、カンチレバーファウンテンチップ340の自由端に取り付けられており、細孔の中に孔があり(ナノピペット設計)、孔は走査デバイスのカンチレバー160上に置かれている、この場合、バイオポリマーの移動速度も、走査デバイスの走査速度により制御され、広範囲にわたって変更することができる。カンチレバー探針は、頂点端部にナノ孔を有するファウンテンタイプとして作られなければならない。本発明で使用することができるアレイ走査デバイスの一実施例は、Eric Henderson et al.の2004年4月6日に出願された米国特許第6,716,578号、及びJ.Xu et al.「生物学的マイクロ/ナノアレイを作製するための微細加工クイール型表面パターン形成ツール(Microfabricated Quill−Type Surface Patterning Tools for the Creation of Biological Micro/Nano Arrays)」、Biomedical Microdevices,v.6,p.117〜123,(2004)で開示されている。ラマンスペクトルは、レーザービーム190を使用してカンチレバーの頂点からのナノレンズ180の照明により、またラマン分光計で分析される後方散乱ビーム195を集光することにより集められる。カンチレバーは、走査プロセスにおいてDNA鎖210が置かれるチャネル330を持つ。
Claims (20)
- 核酸中の塩基の配列などの、線状高分子サンプル中の化学基の配列を同定するための装置であって、
プラズモン共鳴金属で作られる鏡面を有する基板、
光線の発生源、
検出領域を定める開口部の周りに配置され、光線が検出領域のサンプル上に当てられたときに、ナノレンズと40nm以下の選択された間隔を有する基板との間のギャップにおいて、前記ナノレンズと前記基板表面上の直面する検出領域との間の空間内に近接場電磁ギャップモードを発生するように配列された、1つ以上のプラズモン共鳴粒子からなるレンズアセンブリ、
前記検出領域で前記サンプルにより放射、又は散乱された光を受けるため、及び検出領域のサンプルのサンプル化学基を同定できるように、受けた光をギャップモード増強ラマンスペクトルに変換するための検出器及び
レンズアセンブリの前記開口部を通ってレンズアセンブリに対して前記サンプルを移動し、サンプル内の連続する化学基を検出領域に位置決めするための平行移動メカニズム、
を備える装置。 - さらに、前記レンズアセンブリを前記基板表面方向に移動、及び前記基板表面から遠ざかるよう移動して、前記選択された間隔を得るための焦点調整メカニズムを備える、請求項1に記載の装置。
- 前記アセンブリ内の前記ナノレンズは、前記基板表面の平面に垂直な中心軸の周囲に対称的に配列されている少なくとも前記3つのプラズモン共鳴粒子を含み、それぞれの粒子は、その最大寸法に関して200nm未満であり、粒子の対の間の距離は、前記光線の波長よりも実質的に小さい請求項1に記載の装置。
- 前記粒子は、球状である請求項3に記載の装置。
- 前記粒子は、長円体であり、その主軸が前記中心軸と交差するように配向される形で配列されている請求項3に記載の装置。
- 前記光源は、偏光面が前記中心軸に垂直な円偏光の光線を発生する請求項3に記載の装置。
- 前記基板は、前記ナノレンズ内に形成される前記開口部と位置が揃い、かつ間隔が空いている開口部を定め、前記平行移動メカニズムは、前記基板及びレンズ開口部を通して前記線状サンプルを引き出すように動作する請求項1に記載の装置。
- ナノ細孔チャネルデバイスを備え、前記平行移動メカニズムは、前記デバイスを通して、並びに前記基板及びレンズ開口部を通して前記サンプルを引き出すための電場を含む請求項7に記載の装置。
- 前記サンプルは、反対端領域に、レーザー又は磁気ピンセットエフェクターと相互作用することができる粒子を付着しており、前記平行移動メカニズムは、前記粒子と相互作用し、前記チャネル並びに前記基板及びレンズ開口部を通して前記サンプルを引き出すためのレーザー又は磁気ピンセットエフェクターを備える請求項7に記載の装置。
- 前記レンズアセンブリは、前記光線が前記レンズ検出領域上に届く際に通る開口部をその中に有するカンチレバービーム上に載せられ、前記サンプルは、前記支持材上の一端に取り付けられ、前記レンズ及びカンチレバービーム開口部を可動的に通り抜けるように適合され、前記平行移動メカニズムによる前記カンチレバービームに対する前記支持材の移動は、前記レンズアセンブリ開口部を通して前記サンプルを引き出す効果を有する請求項1に記載の装置。
- 複数の線状サンプルの配列を決定するために、複数の前記カンチレバービーム、及び関連するレンズアセンブリを備える請求項10に記載の装置。
- 核酸中の塩基の配列などの、線状高分子サンプル中の化学基の配列を同定するための方法であって、
開口部の周りに配置された一以上のプラズモン共鳴粒子から構成される開口部を通してサンプルを引き出すことであって、前記粒子は、開口部のところに検出領域を定め、光線がその検出領域のところのサンプルに当てられたときに、ナノレンズと基板表面上の直面する検出領域との間の空間内に近接場電磁ギャップモードを発生するように配列されており、前記基板は、プラズモン共鳴金属で形成された鏡面を有し、前記ナノレンズと基板の間の前記ギャップは、40nm以下の選択されたギャップを有しており、
前記サンプルが前記レンズアセンブリ開口部を通して引き出されるときに、前記検出領域にあるサンプル上に当てること、
前記検出領域で前記サンプルにより放出、又は散乱された光を受け取ること、
前記検出領域の前記サンプル化学基の同定を可能とするために、前期の受け取った光をギャップモード増強ラマンスペクトルに変換すること、
を含む方法。 - さらに、前記レンズアセンブリを前記基板表面方向に移動、及び前記基板表面から遠ざかるように移動して、前記選択された間隔を得ることを含む請求項12に記載の方法。
- 前記光線を当てることは、前記光線を、前記基板表面の平面に垂直な中心軸の周囲に対称的に配列されている少なくとも前記3つのプラズモン共鳴粒子からなり、それぞれの粒子はその最大寸法に関して200nm未満であり、いずれの粒子の対の間の距離も前記光線の波長よりも実質的に小さい、ナノレンズ上に当てることを含む請求項12に記載の方法。
- 前記光線を当てることは、前記レンズ上に、偏光面が前記中心軸に垂直な円偏光の光線を当てることを含む請求項14に記載の方法。
- 前記基板は、前記ナノレンズ内に形成される前記開口部と位置が揃い、かつ間隔が空いている開口部を定め、前記サンプルは、前記基板及びレンズ開口部を通して引き出される請求項12に記載の方法。
- 前記サンプルは、ナノ細孔チャネルデバイス内に含まれ、前記デバイスを通して、並びに前記基板及びレンズ開口部を通して電場により引き出される請求項16に記載の方法。
- 前記サンプルは、反対端領域に、レーザー又は磁気ピンセットエフェクターと相互作用することができる粒子を付着しており、前記サンプルは、前記チャネル並びに前記基板及びレンズ開口部を通してレーザー又は磁気ピンセット操作により引き出される請求項17に記載の方法。
- 前記レンズアセンブリは、前記光線が前記レンズ検出領域上に届く際に通る開口部をその中に有するカンチレバービーム上に載せられ、前記サンプルは、前記支持材上の一端に取り付けられ、前記レンズ及びカンチレバービーム開口部を可動的に通り抜けるように適合され、前記平行移動メカニズムによる前記カンチレバービームに対する前記支持材の移動は、前記レンズアセンブリ開口部を通して前記サンプルを引き出す効果を有する請求項12に記載の方法。
- 複数の線状サンプルの配列を決定するために、複数の前記カンチレバービーム、及び関連するレンズアセンブリを備える請求項19に記載の方法。
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