JP2008538414A - 金属コーティングを含む結合された非金属粒子を備えるセンサーチップ - Google Patents
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Abstract
【選択図】図6A
Description
基質の表面上に非金属粒子を吸着させる工程と、及び、引き続いて、
非金属粒子上に金属又は金属合金のコロイドを吸着させる工程と、
又はその代わりに、非金属粒子上に金属クラスター又は金属合金クラスターをスパッタリングする工程とを含む方法及びこの方法によって入手可能なチップも提供する。
本発明によるチップから反射、送信、散乱、又は回折された光線を検出する工程と、
1つ以上の分析物を潜在的に含有する溶液をチップと接触させる工程と、及び
この溶液への曝露中又は曝露後にチップから反射、送信、散乱、又は回折された光線を検出する工程とを含む方法を提供する。
本チップは、少なくとも1つの表面を備える基質を含む。基質の形状は限定されず、平坦であっても湾曲していてもよい。例えば、基質は、円形断面を有していてよい。しかし、好ましい実施形態では、基質は平坦である。基質は、当業者に既知の任意の好適な材料から構成されてよい。基質として使用するのに好適な材料の具体例には、以下:ガラス;石英;例えばポリカーボネート、ポリオレフィン(例えば、ポリスチレン)及びアクリル及びメタクリル樹脂(例えば、ポリメチルメタクリレート、PMMA)などの有機基質;例えばゲルマニウム、ヒ化ガリウム、ケイ素、ケイ素由来材料(例えば、溶融石英、シリコーンジェル及びポリシロキサン)及びスズ由来材料(例えば、酸化スズ及びインジウムドープ酸化スズ)などの無機材料などが含まれるがそれらに限定されない。特に好ましい材料は、ガラス、ケイ素及び、例えばポリスチレン又はPMMA基質などの有機基質である。
好適な非金属コア材料には、二酸化ケイ素、硫化金、二酸化チタン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、ケイ素、ケイ素由来材料(例えば、溶融石英、シリコーンジェル及びポリシロキサン)及びスズ由来材料、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリスチレン、例えばデンドリマー、ポリ電解質、ヒドロゲル、ミセル及びベシクルなどの高分子が含まれるがそれらに限定されない。粒子は、蛍光色素、光学活性材料(すなわち、第1波長範囲内の光線を吸収し、次に第1波長範囲とは相違する第2波長範囲内の光線を発光する材料)を含有していてよい、及び/又はアミン基又はカルボキシレート基などの粒子を架橋させるのに好適な化学基を用いて官能化することができる。好ましい非金属材料は、誘電材料である。好ましい誘電性コア材料は、二酸化ケイ素又はポリスチレン(好ましくは硫酸塩基を含有する)である。粒子の非金属コアの平均径は、好ましくは10〜1,000nm,より好ましくは50〜700nm、及び最も好ましくは80〜500nmの範囲内である。ある用途のためには、10〜150nmの平均径が特に有益である。導波路材料を含む基質の場合は、平均径は、好ましくは3〜30μmの範囲内である。粒子の形態は、球状又は針形状、キューブ形状、ピラミッド形状などの非球状であってよい。好ましいのは球状コアである。好ましい実施形態では、平均径の15%以下、より好ましくは10%以下、最も好ましくは5%以下の標準偏差を有する単分散性非金属コア材料が使用される。粒子の平均径は、レーザー光散乱測定法(レイリー(Rayleigh)散乱)によって決定される。
金表面の上に金ナノシェルが吸着される、例えばUS2003/0174384A1などに記載されたチップとは対照的に、本発明のチップは、最初に基質上に非金属コアを吸着させる工程によって製造される。これを達成するためには、非金属コア粒子は好適な溶液中に懸濁し、次に基質表面上に吸着される。
本発明の好ましい実施形態によると、金属又は金属合金のコロイド、好ましくは遷移金属又は遷移金属合金が、非金属粒子及び/又は基質を含む表面上に吸着される。
金がポリスチレン粒子でコーティングされた表面上に熱蒸着し、それによりキャップ形状の金ナノ粒子を備える表面を提供するHimmelhaus and Takei(Phys.Chem.Chem.Phys., 2002,4,496−506;Sensors and Actuators B63(2000)24−30)によって記載された方法とは対照的に、本発明のチップは非金属コアを備える金属コーティング粒子を含み、このとき各非金属コアは、概して、少なくとも1つの他の非金属コア及び/又は基質表面を備える、金属で囲まれた接触点、いわゆる開口部を形成する。
本発明のチップは、それらをセンサ及び生化学アレイにおいて使用するために特に有用にする独特の光学特性を示す。金属薄膜、誘電材料、及び金ナノ粒子から構成された積層状構造は、IRからUV領域において明確な吸光特性を示すことが証明されている。そこで本発明は、分析物を検出するための光学デバイスであって、本発明のチップ、このチップを照射するための光学システム、チップ表面から反射、送信、散乱、又は回折された、好ましくは反射された光線を検出するための検出システムを含む光学デバイスをさらに提供する。測定された吸光スペクトルはチップ表面上への有機分子の吸着によって敏感に影響を受けることもまた注目された。驚くべきことに、本発明者らによって見いだされたように、本発明によるチップは、先行技術のチップより有意に高感受性である。
チップを特定の分析物にとって選択的にするために、タンパク質、ペプチド、及び核酸などの分析物に(好ましくは可逆的に)結合できる結合剤でチップ表面をコーティングすることが好ましい。金属表面へ結合剤をコンジュゲート化させるための方法は知られており、本発明のチップ表面を誘導体化するために同等に好適である。例えば、本発明のチップは、遷移金属(例えば、金)−チオール化学を用いることによって化学修飾できる。例えば、金属コーティングした非金属コアを備える表面は、アミノ基でチップ表面を修飾できるようにアミノエタンチオールなどのアミノ基を有するチオール分子の溶液中に浸漬することができる。次に、pH7〜9の緩衝液中に懸濁させたN−ヒドロキシスクシンイミドを用いて修飾したビオチンは、EDCによって活性化し、アミノ基によって以前に修飾されたチップ表面に添加することができる。結果として、金属コーティングされた非金属コアをビオチンで修飾できるようにアミド結合が形成される。次に、4つの結合部位を含むアビジン又はストレプトアビジンをビオチンに結合させることができる。次に、タンパク質、ペプチド、DNA又は任意の他のリガンドなどの任意のビオチン誘導体化生体分子は、アビジン修飾された金属コーティングされた非金属コアの表面に結合させることができる。
好ましい実施形態では、複数の結合剤が、チップ表面上の様々な場所を様々な結合剤に指定できるような方法で表面上に固定化される。これを言い換えると、本発明は、核酸アレイ又はペプチドアレイなどの結合剤のマイクロアレイもまた提供する。マイクロアレイは、複数の固定化された試薬の空間的に規定して順序化されたミクロ配列である。例えば、結合剤は、アレイヤー又はマイクロアレイプリンターなどのスポッティング器具によって様々な場所に指定することができる(例えば、Angew.Chem.Int.Ed.2002,41,pp.1276−1289を参照されたい)。
チップ及び本発明に記載したチップを使用する光学デバイスは、基本的に、チップ表面の直近における誘電特性における変化を測定する。このため、本発明は誘電特性、物理的又は(生体)化学的信号を光学及び/又は電気信号に変換させるための尺度、すなわちトランスデューサーメカニズムとしてのチップ表面の近位における誘電特性、すなわち屈折率における変化を利用できる任意の用途に適用できる。例えば、本チップ及び器具は、チップ表面と接触している流体における温度変化を追跡するために使用できる。同一方法では、混合溶液中の溶質の濃度、例えば乱流に起因する流動プロファイルにおける不均質性、2種の相違する流体を混合した場合の濃度、チップ表面と接触している粘弾性又は弾性材料の密度における変化を測定できる。液体中の乱流の投影は、マイクロアレイの読み出しについて記載された方位分解検出機序の使用によってチップ表面上で監視することができよう。
ポリスチレン(PS)ナノビーズの高密度層でコーティングされたチップ表面を入手するために、本発明者らは以下のように進めた:約9mmの径及び約1mmの縁高さの96ウエルに分割されているポリスチレン製細胞培養プレート(FALCON、BD製の製品番号3002)の上面の内側を蒸着によって膜厚20nmの金フィルム(99.99%)でコーティングした。蒸着装置にはタングステン・フィラメントを装備し、5・10−7mbarの基準圧で作動させた。蒸着後、基質のウエル内に沈着した金塗膜は、表面を親水性にするために60分間にわたりカルボキシル末端化アルカンチオールの水溶液(TG、97%;脱イオン水中で10mM溶液)に曝露させた。60分後、この溶液を脱イオン水で洗い流した。次に、表面を以下の方法で調製した、350nmの平均径を備える単分散ポリスチレンビーズの水性懸濁液に曝露させた:水中に懸濁させた350nm PSビーズ(標準偏差<5%;Polysciences(米国ペンシルベニア州ウォリントン)を脱イオン水及びリン酸緩衝液(pH7.6)と2:1:3の容積比で混合した。懸濁液を混合する前に、少量のEDC(99%;Sigma−Aldrich)をリン酸緩衝液に加えると約3mMのEDC緩衝液が産生したため、次にこれを使用して懸濁液を調製した。懸濁液を基質の円形ウエル内に充填し、1時間放置した。引き続いて、これを多量の脱イオン水で洗い流し、風乾した。この手順に続いて、図2に示したような粒子の層が得られた。
先行実施例に記載したように調製したチップ表面を以下の方法で金属コーティングにより被覆した:2〜3nmの平均径を備えるコロイド状金粒子は、1mLの1% HAuCl4・3H2O(水性)を100mLのH2Oと強力に攪拌しながら1分間混合し、その後に1mLの1%クエン酸Na3溶液を加えることによって調製した。1分後、1%クエン酸Na3水溶液中の1mLの0.075% NaBH4をこの溶液に加え、これをさらに5分間攪拌した。この手順は、2〜3nmの平均径を備える、クエン酸安定化された、すなわち負荷電のコロイド状金粒子の形成をもたらす。PSビーズで被覆された表面上にコロイド状金粒子を吸着させる目的で、正の表面電荷を提供するために表面を最初に多価電解質でコーティングした。最初に、表面を90μL(ここでは、及び以下では1ウエル当たり90μL)のポリ(スチレン)スルホン酸(PSS)(1mLの0.5モルのNaCl(水性)当たり1mgのPSS)へ20分間にわたり曝露させた。次に、表面を脱イオン水で洗い流した。第2工程では、表面を90μLのポリ(エチレンイミン)(PEI)(1mLの0.5モルのNaCl(水性)当たり2mgのPEI))へさらに20分間にわたり曝露させ、次に脱イオン水で洗い流した。この手順は、負荷電の金コロイドの固定化を可能にする正荷電した表面を生じさせた。したがって、表面は引き続いて事前に調製した90μLの金コロイドへ5時間にわたり曝露させた。脱イオン水で洗い流した後、表面は金コロイドの吸着に起因する紫色の痕跡を示した。表面上のコロイド状金粒子の最適密度を保証するために、最後の工程をもう1回繰り返した。次に、吸着した金粒子を無電界めっき工程によって増加させた。そこで、表面を3.5mLの0.1% HauCl4・3H2O(水性)及び1.5mLの0.04M NH2OH(水性)の混合物(1ウエル当たり90μL)へ3分間曝露させた。次に、表面を脱イオン水で洗い流し、窒素気流中で乾燥させた。この調製段階で、表面は白色光で照射すると反射光で濃い紫色を示した。図4aは、結果として生じた表面の走査型電子顕微鏡写真を示している。
又は、表面吸着PSビーズは、スパッタリングによって金薄膜で金属化した。5・10−7mbarの基準圧及び5.1・10−2mbarのアルゴン圧で作動させたスパッタコーティングシステム(BAL−TEC、Med020)によって、20nmの金をサンプル表面上にスパッタリングした。サンプルを金標的から50mmの距離に装着し、30mAで67秒間にわたりスパッタリングした。図4cは、結果として生じた表面のSEM顕微鏡写真を示している。
蒸着による非金属コアの金属化
以前の研究(Himmelhaus and Takei, Sens.Actuators B2000,63,pp. 24−30;Takei et al., Opt.Lett. 2002,27,pp.342)と直接比較するために、表面固定化PSビーズは、基質の金コーティングについて上述した同一方法で20nmの金の蒸着によってコーティングした。それにより、図4bにおいてSEM顕微鏡写真によって視認されるように、PSビーズの上半分上にキャップ形状の金シェルが形成される。
コア−シェル粒子を用いたチップ作製
また別の比較は、以前に多数の研究者らによって公表されたように(Oldenburg et al., Chem.Phys.Lett. 1998,288,pp.243;Lirtsman et al., Adv.Mater. 2001,13,pp.1253, Cassagneau and Caruso, Adv.Mater. 2002,14,pp.732;Kaltenpoth et al., Adv.Mater.2003,15,pp.1113)、誘電コア及び金属シェルからなるコア−シェル粒子を用いて実施した。
図4a及び4bは、EP0965835A2によって調製したチップ表面を示している。図4c及び4dは、本発明によってスパッタリングにより調製したチップ表面を示している。図4e及び4fは、本発明によってコロイドの吸着及びその後の無電界めっき工程によって調製したチップ表面を示している。図4b、d及びfは、粒子間で形成されていた開口部が視認できるように(図6を参照)、接着テープを用いた隣接粒子の一部を除去した後の粒子の層を示している。図4dにおける基質表面上の暗色スポットは、除去された粒子の1つが位置している場所を指示している。同様に、除去された粒子の前方位置は図4a及びbに見ることができるが、これは金が以前に吸着された粒子によって影ができた領域には沈着していないからである。図4bでは、2つの粒子が約θ=180°の範囲まで蒸着によって沈着した金属コーティングによって囲まれている接触点を示している。金属コーティングは、蒸着によって表面の蒸着源から直接視域内にあるそれらの領域しかコーティングできないため、基質表面に向けて方向付けられた球の半分には存在しない。
上述した様々な方法によって金属化したPSビーズ表面の光学特性を決定するために、表面から反射した光線の波長依存性励起を図8aに描出した光ファイバーセットアップを用いて測定した。照明及び反射光線のサンプリングのために使用した反射ファイバープローブを表面の上方で約10mmの間隔で配置し、表面に対して垂直に方向付けた。最初に金コーティングPS基質の未処理表面領域、すなわち20nmの蒸着させた金でのみコーティングしたウエルの内側領域から参照スペクトルを記録した。次に、PSビーズでコーティングし、上述した様々な方法によって金属化したウエルを様々な場所(ウエルの中心及び中心から外れた2〜3スポット)で分析した。引き続いて、これらの層の吸光度を金参照と比較して計算した。
Claims (16)
- 少なくとも1つの任意で誘電性の表面を備える基質と、前記少なくとも1つの表面の上に、非金属コア及び金属又は金属合金から製造されたコーティングを有する粒子の層とを含むチップであって、各非金属コアが、概して少なくとも1つの他の非金属コア及び/又は基質表面を備える、金属で囲まれた接触点を形成すること、
を特徴とするチップ。 - 少なくとも1つの表面を備える基質と、及び前記少なくとも1つの表面の上に非金属コア及び金属又は金属合金から製造されたコーティングを有する粒子の層とを含むチップであって、
金属又は金属合金から製造されたコーティングを提供するために、
前記基質の表面上に非金属粒子を吸着させる工程と、及び、引き続いて、
前記非金属粒子上に金属又は金属合金のコロイドを吸着させる工程と、
又はその代わりに、前記非金属粒子上に金属クラスター又は金属合金クラスターをスパッタリングする工程とによって得られること、
を特徴とするチップ。 - 前記金属シェルが、非金属コアの自由表面、すなわち他のコアとも前記基質表面とも接触していない表面を一様に被覆すること、を特徴とする請求項1又は2に記載のチップ。
- 前記非金属コアが球状形であり、前記金属コーティングは前記基質表面に方向付けられた粒子の半球中にも存在すること、を特徴とする先行請求項のいずれか一項に記載のチップ。
- 前記コーティングが、遷移金属又は遷移金属合金から製造されること、を特徴とする先行請求項のいずれか一項記載のチップ。
- 金属又は金属合金から構成される層が、前記基質と非金属コア及び遷移金属又は遷移金属合金から製造されたシェルを有する前記粒子の層との間に提供され、各非金属コアは、概して、少なくとも1つの他の非金属コアとの金属で囲まれた接触点を形成すること、を特徴とする先行請求項のいずれか一項に記載のチップ。
- 金属又は金属合金から構成される前記層が、遷移金属、遷移金属合金、又はアルミニウムから構成されること、を特徴とする請求項6に記載のチップ。
- 非金属層が、遷移金属又は遷移金属合金から構成される前記層と前記粒子の層との間に提供されること、を特徴とする請求項6又は7に記載のチップ。
- 前記基質が、導波路材料からなる、又は導波路素子を含むこと、を特徴とする先行請求項の1項又は複数項に記載のチップ。
- 前記粒子の層が、少なくとも35%の充填密度を備える単層であること、を特徴とする先行請求項の一項以上に記載のチップ。
- 前記粒子が、表面上に1つのパターンで存在すること、を特徴とする先行請求項の一項又は複数項に記載のチップ。
- 分析物に結合できる結合剤が、前記チップの表面上に固定化されること、を特徴とする先行請求項の一項以上に記載のチップ。
- 複数の結合剤が、前記チップ表面上の様々な場所を様々な結合剤に指定できるような方法で前記表面上に固定化されること、を特徴とする請求項12に記載のチップ。
- 金属又は金属合金から製造されたコーティングを提供するために、
前記基質の表面上に非金属粒子を吸着させる工程と、及び、引き続いて、
前記非金属粒子上に金属又は金属合金のコロイドを吸着させる工程と、
又はその代わりに、前記非金属粒子上に金属クラスター又は金属合金クラスターをスパッタリングする工程とを含むこと、
を特徴とする先行請求項のいずれか一項記載の前記チップを調製する方法。 - 分析物を検出するための光学デバイスであって、請求項1〜13のいずれか一項に記載のチップ、前記チップを照射するための光学システム、前記チップ表面から反射、送信、散乱、又は回折された光線を検出するための検出システムを含むこと、
を特徴とする光学デバイス。 - 分析物の濃度を決定するための方法であって、
請求項1〜13の任意の一項に記載の前記チップから反射、送信、散乱、又は回折された光線を検出する工程と、
1つ以上の分析物を潜在的に含有する溶液を前記チップと接触させる工程と、及び
前記溶液への曝露中又は曝露後に前記チップから反射、送信、散乱、又は回折された光線を検出する工程とを含むこと、
を特徴とする方法。
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