JP2009520947A - Structure and manufacturing method of photonic crystal biosensor - Google Patents

Structure and manufacturing method of photonic crystal biosensor Download PDF

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カニンガム,ブライアン,ティー.
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エス アール ユー バイオシステムズ,インコーポレイテッド
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Abstract

本発明は、センサー構成およびセンサーを作成する方法を提供する。  The present invention provides a sensor configuration and a method of making a sensor.

Description

政府の関与
本発明は、国立科学財団(National Science Foundation)が授与する認可番号BES04−27657のもとで政府の支援で行われた。政府は本発明に特定の権利を有する。
Government Involvement This invention was made with government support under grant number BES04-27657 awarded by the National Science Foundation. The government has certain rights in the invention.

表面構造化されたフォトニック結晶に基づく標識なしの光学センサーは、広範な種々の生物化学的および細胞ベースのアッセイを行うための高感度の方法として近年実証されている。例えば、Cunninghamら,Label−Free Assays on the BIND System. Journal of Biomolecular Screening,2004.9:481〜490を参照のこと。これらのセンサーは、白色光で正常な入射で照射された場合、狭い帯域の波長しか反射せず、この反射されたピーク波長値(peak wavelength value)(PWV)の正のシフトは、検出された物質のセンサー表面での吸着を示す。例えば、Cunninghamら,Colorimetric resonant reflection as a direct biochemical assay technique.Sensors and Actuators B,2002.81:316〜328を参照のこと。入射光子を共振波長で別々に限局することによって、エバネセント場に酷似する、試験サンプル中に短距離延びる高い光場をセンサー表面で生成する。デバイス構造内の共鳴光子の高い程度の空間的な限局によって、この構造と吸着された生体物質との間の強力な相互作用、ならびにタンパク質および細胞の接着の高解像度画像化を行なう能力がもたらされる。例えば、Liら,A new method for label−free imaging of biomolecular interactions.Sensors and Actuators B,2004.99:6〜13を参照のこと。   Label-free optical sensors based on surface structured photonic crystals have recently been demonstrated as a sensitive method for performing a wide variety of biochemical and cell-based assays. See, for example, Cunningham et al., Label-Free Assays on the BIND System. See Journal of Biomolecular Screening, 2004. 49: 481-490. These sensors reflect only a narrow band of wavelengths when illuminated at normal incidence with white light, and a positive shift in this reflected peak wavelength value (PWV) was detected. The adsorption of the substance on the sensor surface is shown. See, for example, Cunningham et al., Colorimetric resonant reflection as a direct bioassay assay technique. See Sensors and Actuators B, 2002.81: 316-328. By localizing incident photons separately at the resonant wavelength, a high light field is generated at the sensor surface that extends a short distance in the test sample, much like an evanescent field. The high degree of spatial confinement of resonant photons in the device structure provides the ability to perform strong interactions between this structure and adsorbed biological material, as well as high resolution imaging of protein and cell adhesion. . See, for example, Li et al., A new method for label-free imaging of biomolecular interactions. See Sensors and Actuators B, 2004.99: 6-13.

以前は、フォトニック結晶光学バイオセンサーは、UV硬化ポリマー物質を用いてシリコンマスターウエーハから周期的な表面構造が複製されるプロセスを用いて、プラスチックフィルムの連続的なシートから製造されていた。例えば、Cunninghamら,A plastic colorimetric resonant optical biosensor for multiparallel detection of label−free biochemical interactions.Sensors and Actuators B,2002.85:219〜226を参照のこと。このパターニングされたポリマーは、表面構造の高さよりも一般に薄い高屈折率TiO層で引き続きコーティングされ得る。このようなデバイスは、広範な種々の生化学的および細胞ベースのアッセイについて、0.1pg/mm未満の密度検出感度解像度および単一の細胞の検出を可能にする大きいダイナミックレンジで実証されている。例えば、Linら,A label−free biosensor−based cell attachment assay for characterization of cell surface molecules.Sensors and Actuators B,Accepted April 2005を参照のこと。一般に、デバイスの感度の最適化には、電磁場強度分布とフォトニック結晶表面の上に成膜された分子との相互作用を増大する必要がある。従って、光学物質の選択および表面構造トポロジーの設計は、フォトニック結晶の内部領域(ここでは吸着された物質と相互作用できない)から、液体の試験サンプルを含むフォトニック結晶に隣接する領域へ電磁場プロフィールを伸長することを目的とする。 Previously, photonic crystal optical biosensors were manufactured from a continuous sheet of plastic film using a process in which periodic surface structures are replicated from a silicon master wafer using a UV curable polymer material. See, for example, Cunningham, et al., A plastic colorimetric resonant optical biosensor for multiple parallel detection of label-free biochemical interactions. See Sensors and Actuators B, 2002.85: 219-226. This patterned polymer can be subsequently coated with a high refractive index TiO 2 layer that is generally thinner than the height of the surface structure. Such devices have been demonstrated for a wide variety of biochemical and cell-based assays with density detection sensitivity resolution of less than 0.1 pg / mm 2 and a large dynamic range that allows detection of single cells. Yes. See, e.g., Lin et al., A label-free biosensor-based cell attachment assignment for char surface molecules. See Sensors and Actuators B, Accepted April 2005. In general, optimizing device sensitivity requires increasing the interaction between the electromagnetic field strength distribution and the molecules deposited on the photonic crystal surface. Therefore, the selection of the optical material and the design of the surface structure topology is based on the electromagnetic field profile from the inner region of the photonic crystal (which cannot interact with the adsorbed material here) to the region adjacent to the photonic crystal containing the liquid test sample. The purpose is to stretch.

これらおよび他のタイプのセンサーの感度を増大すること、およびそれらの製造のコストを下げるための方法が当該分野で必要である。   There is a need in the art for methods to increase the sensitivity of these and other types of sensors and reduce the cost of their manufacture.

発明の要旨
本発明の1実施形態は、低屈折率を有し、基板によって底面上に支持され、かつ高誘電率の誘電性コーティングで頂部表面上にコーティングされたナノ多孔性物質を備えるセンサーを提供する。高誘電率の誘電性コーティングまたはナノ多孔性物質と組み合わさった高誘電率の誘電性コーティングはサブ波長間隔格子構造を形成する。センサーが照射されると、反射された放射線スペクトルで共鳴格子効果が生じ、そしてサブ波長間隔格子構造の深さおよび間隔は、共鳴格子効果の波長よりも小さい。上記センサーが、広い帯域の光学波長で照射されると、狭い帯域の光学波長がセンサーから反射され得る。上記ナノ多孔性物質の屈折率は、約1.1〜約2.2であり得る。別の実施形態では、上記ナノ多孔性物質の屈折率は約1.1〜約1.5であってもよい。上記サブ波長間隔格子構造の間隔は約50nm〜約1,500nmであってもよく、そしてサブ波長間隔格子構造の深さは約50nm〜約900nmであってもよい。上記ナノ多孔性物質は、多孔性シリカキセロゲル、多孔性エアロゲル、多孔性ヒドロゲン・シルセスキオキサン、B段階ポリマー、多孔性メチルシルセスキオキサン、多孔性ポリ(アリーレンエーテル)またはそれらの組み合わせであってもよい。上記基板は、ガラス、プラスチック、またはエポキシを含んでもよい。上記誘電性コーティングの屈折率は約1.8〜約3.0であってもよい。上記誘電性コーティングは、酸化スズ、五酸化タンタル、硫化亜鉛、二酸化チタン、窒化ケイ素またはそれらの組み合わせを含んでもよい。上記基板の屈折率は約1.4〜約1.6であってもよい。上記誘電性コーティングの厚みは約30nm〜約700nmであってもよく、かつ上記ナノ多孔性物質の厚みは約10nm〜約5,000nmであってもよい。上記誘電性コーティングは、その頂部表面上にカバー層を有し得る。上記センサーはさらに、上記高誘電率の誘電性コーティング上に固定化された1つ以上の特異的な結合物質を含んでもよい。上記センサーはさらに、上記カバー層上に固定化された1つ以上の特異的な結合物質を含んでもよい。上記1つ以上の特異的な結合物質は、検出標識を含まなくてもよい。上記1つ以上の特異的な結合物質は、それらの結合パートナーに結合されてもよい。上記1つ以上の特異的結合物質および上記結合パートナーは検出標識を含まなくてもよい。上記1つ以上の特異的結合物質は、上記高誘電率の誘電性コーティング上にアレイで整列されてもよい。上記1つ以上の特異的結合物質は、上記カバー層上にアレイで整列される。
SUMMARY OF THE INVENTION One embodiment of the present invention comprises a sensor comprising a nanoporous material having a low refractive index, supported on a bottom surface by a substrate, and coated on a top surface with a high dielectric constant dielectric coating. provide. A high dielectric constant dielectric coating or a high dielectric constant dielectric coating in combination with a nanoporous material forms a sub-wavelength grating structure. When the sensor is illuminated, a resonant grating effect occurs in the reflected radiation spectrum, and the depth and spacing of the subwavelength spacing grating structure is smaller than the wavelength of the resonant grating effect. When the sensor is illuminated with a broad band of optical wavelengths, a narrow band of optical wavelengths can be reflected from the sensor. The refractive index of the nanoporous material can be about 1.1 to about 2.2. In another embodiment, the nanoporous material may have a refractive index of about 1.1 to about 1.5. The spacing of the sub-wavelength spacing grating structure may be about 50 nm to about 1,500 nm, and the depth of the sub-wavelength spacing grating structure may be about 50 nm to about 900 nm. The nanoporous material may be porous silica xerogel, porous airgel, porous hydrogen silsesquioxane, B-stage polymer, porous methylsilsesquioxane, porous poly (arylene ether) or a combination thereof. May be. The substrate may include glass, plastic, or epoxy. The dielectric coating may have a refractive index of about 1.8 to about 3.0. The dielectric coating may include tin oxide, tantalum pentoxide, zinc sulfide, titanium dioxide, silicon nitride, or combinations thereof. The refractive index of the substrate may be about 1.4 to about 1.6. The dielectric coating may have a thickness of about 30 nm to about 700 nm, and the nanoporous material may have a thickness of about 10 nm to about 5,000 nm. The dielectric coating may have a cover layer on its top surface. The sensor may further include one or more specific binding substances immobilized on the high dielectric constant dielectric coating. The sensor may further include one or more specific binding substances immobilized on the cover layer. The one or more specific binding substances may not include a detection label. The one or more specific binding substances may be bound to their binding partners. The one or more specific binding substances and the binding partner may not include a detection label. The one or more specific binding substances may be arranged in an array on the high dielectric constant dielectric coating. The one or more specific binding substances are arranged in an array on the cover layer.

本発明の別の実施形態は、基板をカバーする導波路フィルムによって形成される導波路構造を備えるセンサーを提供し、導波路フィルムは、基板の屈折率よりも高い屈折率を有し、そして回折格子が、導波路構造中に含まれ、回折格子は、低誘電率を有するナノ多孔性物質から構成される。上記ナノ多孔性物質の屈折率は約1.1〜約1.5であってもよい。本発明の別の実施形態では、上記ナノ多孔性物質の屈折率は約1.1〜約2.2であってもよい。上記ナノ多孔性物質は、多孔性シリカキセロゲル、多孔性エアロゲル、多孔性ヒドロゲン・シルセスキオキサン、B段階ポリマー、多孔性メチルシルセスキオキサン、多孔性ポリ(アリーレンエーテル)またはそれらの組み合わせであってもよい。上記基板は、ガラス、エポキシまたはプラスチックを含んでもよい。上記導波路フィルムは、酸化スズ、五酸化タンタル、硫化亜鉛、二酸化チタン、窒化ケイ素またはそれらの組み合わせを含む。上記導波路フィルムはポリマーを含む。上記センサーはさらに、上記導波路フィルム上に固定化された1つ以上の特異的な結合物質を含む。上記1つ以上の特異的な結合物質は、検出標識を含まなくてもよい。上記1つ以上の特異的な結合物質は、それらの結合パートナーに結合されてもよい。上記1つ以上の特異的結合物質および上記結合パートナーは検出標識を含まなくてもよい。上記1つ以上の特異的結合物質は、上記高屈折率の誘電性コーティング上にアレイで整列されてもよい。   Another embodiment of the present invention provides a sensor comprising a waveguide structure formed by a waveguide film covering a substrate, the waveguide film having a refractive index higher than that of the substrate and diffracting A grating is included in the waveguide structure, and the diffraction grating is composed of a nanoporous material having a low dielectric constant. The nanoporous material may have a refractive index of about 1.1 to about 1.5. In another embodiment of the present invention, the refractive index of the nanoporous material may be about 1.1 to about 2.2. The nanoporous material may be porous silica xerogel, porous airgel, porous hydrogen silsesquioxane, B-stage polymer, porous methylsilsesquioxane, porous poly (arylene ether) or a combination thereof. May be. The substrate may include glass, epoxy or plastic. The waveguide film includes tin oxide, tantalum pentoxide, zinc sulfide, titanium dioxide, silicon nitride, or a combination thereof. The waveguide film includes a polymer. The sensor further includes one or more specific binding substances immobilized on the waveguide film. The one or more specific binding substances may not include a detection label. The one or more specific binding substances may be bound to their binding partners. The one or more specific binding substances and the binding partner may not include a detection label. The one or more specific binding substances may be arranged in an array on the high refractive index dielectric coating.

センサーにおける表面構造のための極めて低い屈折率の物質の使用は、実質的に検出感度を増大する。従って、物質は、試験サンプル中において、以前に可能であったよりも、2〜4倍低い濃度、分子量または結合親和性で測定され得る。   The use of a very low refractive index material for the surface structure in the sensor substantially increases the detection sensitivity. Thus, substances can be measured in test samples at concentrations, molecular weights or binding affinities that are 2-4 times lower than previously possible.

本発明の1実施形態は、とりわけ、蛍光または放射性標識のような標識の必要なしに、タンパク質、DNA、低分子、ウイルス、細胞および細菌のような有機または無機の物質を検出するために用いることができるセンサーを提供する。本発明のフォトニック結晶センサーは、広範な波長の光源(例えば、白色光またはLED)で照射された場合、極めて狭い帯域の波長または1つの波長しか反射しない。この反射された色は、センサー表面への物質の結合に応答してより長い波長にシフトする。本発明のフォトニック結晶構造では、先に記載された構造よりも2〜4倍高い感度が得られる。より高い感度を得るセンサー構造での重要な相違は、ナノ多孔性低屈折率物質でポリマーのサブ波長間隔格子構造を置き換えることである。   One embodiment of the present invention is used to detect organic or inorganic substances such as proteins, DNA, small molecules, viruses, cells and bacteria, especially without the need for labels such as fluorescent or radioactive labels. Provide a sensor that can The photonic crystal sensor of the present invention reflects only a very narrow band of wavelengths or a single wavelength when illuminated with a broad wavelength light source (eg, white light or LED). This reflected color shifts to longer wavelengths in response to the binding of the substance to the sensor surface. The photonic crystal structure of the present invention provides a sensitivity that is 2 to 4 times higher than the previously described structure. An important difference in the sensor structure to obtain higher sensitivity is to replace the polymer sub-wavelength grating structure with a nanoporous low refractive index material.

低コストの製造を可能にするセンサー構造を製造するための方法も開示される。本発明のセンサー構造は、ポリマーサブ波長間隔格子構造の代わりにナノ多孔性低屈折率物質を使用するため、従来の構造よりも高い感度を有する。サブ波長間隔格子構造のすぐ下(あるいはそれを含む)センサー構造の屈折率を、サンプルに用いられる任意の液体の屈折率よりも低くすると、フォトニック結晶の電磁場は、試験サンプルとさらに強力に相互作用して、その反射された波長が所定の量の吸着された生物学的物質によってさらに強力に調整される構造が得られる。このシステムは、例えば、その表面に結合された単一の細胞を検出し得る。   A method for manufacturing a sensor structure that enables low cost manufacturing is also disclosed. The sensor structure of the present invention has a higher sensitivity than conventional structures because it uses a nanoporous low refractive index material instead of a polymer sub-wavelength grating structure. If the refractive index of the sensor structure immediately below (or including) the subwavelength grating structure is lower than the refractive index of any liquid used in the sample, the photonic crystal's electromagnetic field will interact more strongly with the test sample. In effect, a structure is obtained in which the reflected wavelength is more strongly tuned by a predetermined amount of adsorbed biological material. This system can, for example, detect a single cell bound to its surface.

本発明の原理は、例えば、エバネセント波に基づくバイオセンサーおよび光導波管を組み込む任意のバイオセンサーに適用することができる。例えば、米国特許第4,815,843号;米国特許第5,071,248号;米国特許第5,738,825号を参照のこと。   The principles of the present invention can be applied to any biosensor that incorporates evanescent wave based biosensors and optical waveguides, for example. See, for example, US Pat. No. 4,815,843; US Pat. No. 5,071,248; US Pat. No. 5,738,825.

このセンサーは、とりわけ、薬学的な研究(例えば、ハイスループットスクリーニング、二次スクリーニング、品質管理、細胞毒性、臨床試験評価)、生命科学研究(例えば、プロテオミクス、タンパク質相互作用分析、DNA−タンパク質相互作用分析、酵素−基質相互作用分析、細胞−タンパク質相互作用分析)、診断試験(例えば、タンパク質の存在、細胞同定)および環境的な検出(細菌および胞子の検出および同定)の分野で有用性を有する。従来の特許出願および刊行物は、フォトニック結晶バイオセンサーの表面が、高解像度画像化装置と組み合わせて、わずかナノリットルのサンプル物質を用いて、単一の表面上で平行に多くの生化学的アッセイを行うためのプラットフォームとして用いることができる方法を記載する。例えば、以下の米国特許公開番号を参照のこと:2002/0168295;2002/0127565;2004/0132172;2004/0151626;2003/0027328;2003/0027327;2003/017581;2003/0068657;2003/0059855;2003/0113766;2003/0092075;2003/0026891;2003/0026891;2003/0032039;2003/0017580;2003/0077660;2004/0132214。   This sensor is inter alia used for pharmaceutical research (eg high-throughput screening, secondary screening, quality control, cytotoxicity, clinical trial evaluation), life science research (eg proteomics, protein interaction analysis, DNA-protein interaction). Analysis, enzyme-substrate interaction analysis, cell-protein interaction analysis), diagnostic tests (eg protein presence, cell identification) and environmental detection (bacteria and spore detection and identification) . Previous patent applications and publications show that the surface of a photonic crystal biosensor, in combination with a high-resolution imager, uses many nanoliters of sample material in parallel on a single surface for many biochemical A method that can be used as a platform for conducting the assay is described. For example, see the following U.S. Patent Publication Numbers: 2002/0168295; 2002/0127565; 2004/0132172; 2004/0151626; 2003/0027328; 2003/0027327; 2003/017581; 2003/0068657; 2003/0059855; 2003 2003/0160766; 2003/0026891; 2003/0026891; 2003/0032039; 2003/0017580; 2003/0077660; 2004/0132214.

フォトニック結晶センサー
本発明のフォトニック結晶センサーを用いて、生物学的物質のような分子の相互作用を高感度で追跡するために用いることができる特定の波長で先鋭な光学的共鳴反射を作成し得る。
Photonic Crystal Sensor Use the photonic crystal sensor of the present invention to create sharp optical resonant reflections at specific wavelengths that can be used to track molecular interactions such as biological materials with high sensitivity Can do.

フォトニック結晶センサーは、サブ波長構造の表面を含む。サブ波長構造化された表面は、薄層コーティングの効果を模倣し得る回折光学素子の一種である。例えば、Peng&Morris,「Resonant scattering from two−dimensional gratings」、J.Opt.Soc.Am.A,第13巻,第5号,993頁,May 1996;Magnusson,& Wang,「New principle for optical filters」、Appl.Phys.Lett.,61,9号,1022頁,August,1992;Peng&Morris,「Experimental demonstration of resonant anomalies in diffraction from two−dimensional gratings」、Optics Letters,第21巻,第8号,549頁,April,1996を参照のこと。本発明のフォトニック結晶センサーの格子は、入射光の波長と比較して小さい格子間隔を有し、その結果、この反射されるおよび透過されるゼロ次の次数以外の回折次数は許容されない。フォトニック結晶センサーは、格子を含んでもよく、これは、基板層とこの格子の溝を満たすカバー層との間にサンドイッチされた高誘電率の誘電性物質から構成されるか、またはそれでコーティングされる。必要に応じて、カバー層は用いない。この格子構造は、狭い帯域の波長の光に選択的にカップリングする。この高感度のカップリング条件は、反射された放射線スペクトルに対する共鳴格子効果を生じさせることができ、これによって、狭い帯域の反射または透過された波長を生じる。この格子の深さおよび間隔は、共鳴格子効果の波長よりも短い。   The photonic crystal sensor includes a surface with a subwavelength structure. A subwavelength structured surface is a type of diffractive optical element that can mimic the effect of a thin layer coating. See, for example, Peng & Morris, “Resonant Scattering from Two-Dimensional Gratings” Opt. Soc. Am. A, Vol. 13, No. 5, 993, May 1996; Magnusson, & Wang, “New principal for optical filters”, Appl. Phys. Lett. , 61, 9, p. 1022, August, 1992; Peng & Morris, "Experimental demonstration of resonant anomalies in diffractive from two-dimensional gratations, p. 49, Op. thing. The grating of the photonic crystal sensor of the present invention has a small grating spacing compared to the wavelength of incident light, so that no diffraction orders other than this reflected and transmitted zeroth order are allowed. The photonic crystal sensor may include a grating, which is composed of or coated with a high dielectric constant dielectric material sandwiched between a substrate layer and a cover layer that fills the grooves of the grating. The A cover layer is not used if necessary. This grating structure selectively couples to light of a narrow band of wavelengths. This sensitive coupling condition can cause a resonant grating effect on the reflected radiation spectrum, thereby producing a narrow band of reflected or transmitted wavelengths. The depth and spacing of this grating is shorter than the wavelength of the resonant grating effect.

フォトニック結晶センサー構造の反射または透過された色は、特定の結合物質または結合パートナーのような分子またはその両方の分子の、カバー層または格子表面の頂部表面に対する付加によって改変され得る。この付加された分子は、センサー構造を通る入射放射線の光路長を増大し、これによって最大反射率または透過が生じる波長が改変される。   The reflected or transmitted color of the photonic crystal sensor structure can be modified by the addition of molecules such as specific binding substances or binding partners, or both, to the top surface of the cover layer or lattice surface. This added molecule increases the optical path length of the incident radiation through the sensor structure, thereby modifying the wavelength at which maximum reflectance or transmission occurs.

1実施形態では、センサーは、白色光を照射された場合、唯一の波長、または狭い帯域の波長を反射するように設計される。分子がセンサーの表面に結合すると、この反射された波長(色)は、格子にカップリングされる光の光路の変化に起因してシフトする。分子、例えば、特定の結合物質をセンサー表面に固定化することによって、相補的結合パートナー分子は、いかなる種類の蛍光プローブも粒子標識も使用することなしに検出され得る。この検出技術は、液体中に浸漬されるかまたは乾燥されたセンサー表面で行うことができる。   In one embodiment, the sensor is designed to reflect a single wavelength or a narrow band of wavelengths when illuminated with white light. As molecules bind to the sensor surface, this reflected wavelength (color) shifts due to a change in the optical path of the light coupled to the grating. By immobilizing molecules, eg, specific binding agents, on the sensor surface, complementary binding partner molecules can be detected without the use of any kind of fluorescent probe or particle label. This detection technique can be performed on the sensor surface immersed in liquid or dried.

フォトニック結晶センサーに平行な白色光を照射すると、狭い帯域の波長のみが反射されるか、または単一のバンドの波長が反射される。この狭い帯の波長は、波長「ピーク(peak)」と記述される。この「ピーク波長値(peak wavelength value)」(PWV)は、分子がセンサー表面に沈着されるかまたは取り除かれると変化する。読み取り装置は、センサー表面上の別個の位置に平行な白色光を照射して、平行な反射光を集光する。この集光された光は、波長分光計に集められ、PWVが決定される。   When illuminating the photonic crystal sensor with parallel white light, only a narrow band of wavelengths is reflected, or a single band of wavelengths is reflected. This narrow band of wavelengths is described as the wavelength “peak”. This “peak wavelength value” (PWV) changes as molecules are deposited on or removed from the sensor surface. The reader illuminates parallel white light at discrete locations on the sensor surface and collects the parallel reflected light. This collected light is collected in a wavelength spectrometer and the PWV is determined.

図1は、本発明のフォトニック結晶センサーの構造を示す。このセンサーは、基板、パターニングされた、低k(low−k)、ナノ多孔性の物質および実質的に均一な高屈折率のコーティングを含む。この低kナノ多孔性物質の表面は、サブ波長間隔格子構造にパターニングされて、ここに高屈折率物質が成膜される。   FIG. 1 shows the structure of the photonic crystal sensor of the present invention. The sensor includes a substrate, a patterned, low-k, nanoporous material and a substantially uniform high refractive index coating. The surface of the low-k nanoporous material is patterned into a sub-wavelength spacing lattice structure, and a high refractive index material is deposited thereon.

一般には、本発明の低k誘電性物質は、約1.1〜約3.9の誘電率kを有する。低k誘電性物質の例としては、例えば以下が挙げられる:フルオロケイ酸ガラス(約3.2〜約3.9);ポリイミド(約3.1〜約3);ヒドロゲン・シルセスキオキサン(HSQ)(約2.9〜約3.2);ダイアモンド様炭素(約2.7〜約3.4);ブラックダイアモンド(SiCOH)(約2.7〜約3.3);パリレン−N(約2.7);B段階ポリマー(CYCLOTENETMおよびSiLKTM)(約2.6〜約2.7);フッ素化ポリイミド(約2.5〜約2.9);メチル・シルセスキオキサン(MSQ)(約2.6〜約2.8);ポリ(アリーレン・エーテル)(PAE)(約2.6〜約2.8);フッ化DLC(約2.4〜約2.8);パリレン−F(約2.4〜約2.5);PTFE(約1.9);多孔性シリカ・キセロゲルおよびエアロゲル(約1.1〜約2.2);多孔性ヒドロゲン・シルセスキオキサン(HSQ)(約1.7〜約2.2);多孔性SiLKTM(B段階ポリマー)(約1.5〜約2.0);多孔性メチレン・シルセスキオキサン(MSQ)(約1.8〜約2.2);多孔性ポリ(アリーレン・エーテル)(PAE)(約1.8〜約2.2)。 In general, the low-k dielectric materials of the present invention have a dielectric constant k of about 1.1 to about 3.9. Examples of low-k dielectric materials include, for example: fluorosilicate glass (about 3.2 to about 3.9); polyimide (about 3.1 to about 3); hydrogen silsesquioxane ( HSQ) (about 2.9 to about 3.2); diamond-like carbon (about 2.7 to about 3.4); black diamond (SiCOH) (about 2.7 to about 3.3); Parylene-N ( About 2.7); B-staged polymers (CYCLOTENE and SiLK ) (about 2.6 to about 2.7); fluorinated polyimide (about 2.5 to about 2.9); methyl silsesquioxane ( MSQ) (about 2.6 to about 2.8); poly (arylene ether) (PAE) (about 2.6 to about 2.8); fluorinated DLC (about 2.4 to about 2.8); Parylene-F (about 2.4 to about 2.5); PTFE (about 1.9); Ka xerogels and aerogels (about 1.1 to about 2.2); porous Hidorogen silsesquioxane (HSQ) (about 1.7 to about 2.2); porous SiLK TM (B-stage polymer) ( About 1.5 to about 2.0); porous methylene silsesquioxane (MSQ) (about 1.8 to about 2.2); porous poly (arylene ether) (PAE) (about 1.8). To about 2.2).

低kナノ多孔性物質は無機、多孔性、酸化物様低誘電性物質であり、この屈折率nは約1.1〜約2.2、そして好ましくは約1.1〜約1.5である。低kナノ多孔性物質は、例えば、多孔性シリカキセロゲルおよびエアロゲル(約1.1〜約2.2);多孔性HSQ(約1.7〜約2.2);多孔性SiLKTM(B段階ポリマー)(約1.5〜約2.0);多孔性MSQ(約1.8〜約2.2);多孔性PAE(約1.8〜約2.2)であってもよい。本発明の1実施形態では、このナノ多孔性物質は、NANOGLASS(登録商標)であり、これは多孔性SiOである。多孔性は、SiOで形成され、これによって、誘電率は約3.9から1.9程度の低さに低下する。 The low-k nanoporous material is an inorganic, porous, oxide-like low dielectric material with an index of refraction n of about 1.1 to about 2.2, and preferably about 1.1 to about 1.5. is there. Low-k nanoporous materials include, for example, porous silica xerogels and aerogels (about 1.1 to about 2.2); porous HSQ (about 1.7 to about 2.2); porous SiLK (stage B Polymer) (about 1.5 to about 2.0); porous MSQ (about 1.8 to about 2.2); porous PAE (about 1.8 to about 2.2). In one embodiment of the invention, the nanoporous material is NANOGLASS®, which is porous SiO 2 . The porosity is formed of SiO 2 , which reduces the dielectric constant to as low as about 3.9 to 1.9.

本発明に適切な高屈折率を有する物質としては、例えば、酸化スズ、五酸化タンタル、硫化亜鉛、二酸化チタン、窒化ケイ素またはそれらの組み合わせが挙げられる。高k誘電性物質は、約1.8〜約3.0の屈折率を有する。屈折率nは、媒体の光学特徴を記述しており、この媒体での光の速度をに対する自由空間での光の速度の比として規定される。基板は、例えば、ガラス、プラスチックまたはエポキシを含んでもよい。   Examples of the material having a high refractive index suitable for the present invention include tin oxide, tantalum pentoxide, zinc sulfide, titanium dioxide, silicon nitride, or combinations thereof. The high k dielectric material has a refractive index of about 1.8 to about 3.0. The refractive index n describes the optical characteristics of the medium and is defined as the ratio of the speed of light in free space to the speed of light in this medium. The substrate may comprise, for example, glass, plastic or epoxy.

本発明の1実施形態では、センサーは以下のパラメーターによって規定される:
In one embodiment of the invention, the sensor is defined by the following parameters:

本発明の別の実施形態では、このセンサー構造は、以下の物質:
を含み、かつ以下のパラメーターによって規定される。
In another embodiment of the invention, the sensor structure comprises the following substance:
And is defined by the following parameters:

上記の実施形態のシミュレーションは、GSolver(Grating Solver Development Co.,Allen,TX)およびFDTD Solutions(Lumerical Solutions,Inc.,Vancouver,BC,Canada)を用いて行った。図2Aに示される結果によって、従来のデザインよりも2倍を超える倍数までバルク感度が改善されることが予測される。バルク感度は、バルクシフト係数によって決定され、この実施形態について下記のように定義され算出される。
The simulation of the above embodiment was performed using GSolver (Grating Solver Development Co., Allen, TX) and FDTD Solutions (Lumeral Solutions, Inc., Vancouver, BC, Canada). The results shown in FIG. 2A are expected to improve bulk sensitivity to a factor of more than twice that of the conventional design. Bulk sensitivity is determined by the bulk shift factor and is defined and calculated as follows for this embodiment.

ナノ多孔性物質を組み込まないデザインについてのシミュレーションおよび実験データの両方で約150のバルクシフト係数が得られる。   A bulk shift factor of about 150 is obtained for both simulation and experimental data for designs that do not incorporate nanoporous materials.

この提唱されるデバイスは、センサー表面に極めて近い物質とのエバネセント場相互作用によって機能するので、屈折率シフトは、バルク媒体全体だけでなく、センサーの上の薄層についても考えることが有益である。図2Bは、GSOLVERシミュレーションを示しており、ここでは20nmの厚みの「生物学的コーティング」が1.40の屈折率を有する層によって成型される。個々の生物学的分子または生物学的分子の単層の画分は、規定の屈折率を有さないが、この生物学的な層は、例示の目的のために規定の厚みの均一なフィルムとして成型された。   Since this proposed device works by evanescent field interaction with materials very close to the sensor surface, it is beneficial to consider the refractive index shift not only for the entire bulk medium but also for the thin layer above the sensor. . FIG. 2B shows a GSOLVER simulation, in which a 20 nm thick “biological coating” is cast by a layer having a refractive index of 1.40. Individual biological molecules or fractions of a single layer of biological molecules do not have a defined refractive index, but this biological layer is a uniform film of defined thickness for illustrative purposes. As molded.

図3に示されるパターニングされたNANOGLASS(登録商標)構造のSEM画像によって、首尾よいインプリンティングプロセスの証拠が得られる。TiOを成膜した後、完成したセンサーの感度は、脱イオン水およびイソプロピルアルコールを用いて、読み取り装置の分光計で捕獲される得られたピーク波長(PWV)シフトを検査することによって確認された。図4由来の実験データを用いて式1に適用することによって、バルクシフト係数は以下:
のように算出することができ、これはシミュレーションを通じて実証される値の約5%内に合致する。
SEM images of the patterned NANOGLASS® structure shown in FIG. 3 provide evidence of a successful imprinting process. After depositing TiO 2 , the sensitivity of the completed sensor was confirmed by examining the resulting peak wavelength (PWV) shift captured with a reader spectrometer using deionized water and isopropyl alcohol. It was. By applying to Equation 1 using the experimental data from FIG. 4, the bulk shift factor is:
Which matches within about 5% of the value demonstrated through simulation.

サブ波長格子の断面図プロフィールは、任意の周期的反復機能、例えば、「方形波(square−wave)」を含んでもよい。格子は、反復パターンの形状、例えば、連続的な平行のライン、四角、丸、楕円、三角、台形、正弦波、卵円、長方形および六角形から構成されてもよい。   The cross-sectional profile of the sub-wavelength grating may include any periodically repeating function, for example, “square-wave”. The grid may be composed of repetitive pattern shapes such as continuous parallel lines, squares, circles, ellipses, triangles, trapezoids, sine waves, oval, rectangles and hexagons.

センサーは、一次元の直線的格子表面構造、すなわち、一連の平行なラインまたは溝を含んでもよい。2次元の格子は、センサー表面の平面に交差する2つの横方向が両方ともサブ波長であるという特徴を有するが、一次元格子の断面は、1つの横方向にのみサブ波長を有し、長手方向は、共鳴格子効果の波長よりも長くてもよい。   The sensor may comprise a one-dimensional linear grid surface structure, i.e. a series of parallel lines or grooves. A two-dimensional grating is characterized in that the two transverse directions intersecting the plane of the sensor surface are both subwavelengths, but the cross section of a one-dimensional grating has a subwavelength only in one transverse direction and is longitudinal. The direction may be longer than the wavelength of the resonant grating effect.

これらとしては、例えば、三角形またはv字形状、u字形状、逆向きのv字形状またはu字形状、正弦形、台形、段状、および四角形が挙げられる。格子はまた、高さが正弦に変化されてもよい。   These include, for example, triangular or v-shaped, u-shaped, reverse v-shaped or u-shaped, sinusoidal, trapezoidal, stepped, and square. The grating may also be changed in height to sine.

1セットの同心円状の輪からなる別のセンサー構造が用いられてもよい。この構造では、各々の同心円の内径と外径との間の相違は、格子間隔の約半分に等しい。各々の連続する円は、前の円の内径よりも約1格子間隔大きい内径を有する。この同心円パターンは、単一センサー位置−例えば、マイクロアレイスポットまたはマイクロタイタープレートウェルを覆うよう延びる。各々の個別のマイクロアレイスポットまたはマイクロタイタープレートウェルは、その中に中心のある別の同心円パターンを有する。このような構造の全ての偏光方向は、同じ横断面プロフィールを有する。同心円構造の格子間隔は、共鳴反射光の波長よりも短い。   Another sensor structure consisting of a set of concentric rings may be used. In this structure, the difference between the inner and outer diameters of each concentric circle is equal to about half the lattice spacing. Each successive circle has an inner diameter that is approximately one lattice spacing greater than the inner diameter of the previous circle. This concentric pattern extends to cover a single sensor location—eg, a microarray spot or a microtiter plate well. Each individual microarray spot or microtiter plate well has another concentric pattern centered therein. All polarization directions of such a structure have the same cross-sectional profile. The lattice spacing of the concentric structure is shorter than the wavelength of the resonant reflected light.

本発明のセンサーは、基板層と反対の格子の表面上のカバー層を備えてもよい。カバー層が存在する場合、1つ以上の特定の結合物質が、このカバー層の格子の反対側の表面上で固定化される。好ましくは、カバー層は、格子を含む物質よりも低い反射率を有する物質を含む。カバー層は、例えば、ガラス(スピンオンガラス(SOG)を含む)、エポキシまたはプラスチックから構成されてもよい。   The sensor of the present invention may comprise a cover layer on the surface of the grating opposite the substrate layer. If a cover layer is present, one or more specific binding substances are immobilized on the surface of the cover layer opposite the lattice. Preferably, the cover layer comprises a material having a lower reflectivity than the material comprising the grating. The cover layer may be made of, for example, glass (including spin-on glass (SOG)), epoxy, or plastic.

共鳴反射はまた、格子を覆う平坦化カバー層なしにも得ることができる。平坦化カバー層を使用しないと、周囲の媒体(例えば、空気または水)が格子を満たす。従って、分子は、上面だけでなく、この分子に曝される格子の全ての表面上でセンサーに固定化される。   Resonant reflection can also be obtained without a planarizing cover layer covering the grating. Without a planarizing cover layer, the surrounding medium (eg air or water) fills the grid. Thus, the molecule is immobilized to the sensor not only on the top surface, but on all surfaces of the lattice exposed to this molecule.

本発明は、共鳴反射構造および透過フィルター構造を提供する。共鳴反射構造については、光出力を、この構造の同じ側で照射光ビームとして測定する。透過フィルター構造については、光出力を、この構造の反対側で照射ビームとして測定する。反射されたシグナルと透過されたシグナルは相補的である。すなわち、波長が強力に反射されると、それは弱く透過される。構造自体でエネルギーが吸収されないと仮定すれば、この反射された+透過されたエネルギーは、所定の波長で一定である。この共鳴反射構造および透過フィルターは、特定の波長で高い効率の反射を得るように設計される。従って、反射フィルターは、狭い帯域の波長を「通過」させるが、透過フィルターは、入射光から狭い帯域の波長を「カット」する。   The present invention provides a resonant reflection structure and a transmission filter structure. For a resonant reflection structure, the light output is measured as an illumination light beam on the same side of the structure. For a transmission filter structure, the light output is measured as an illumination beam on the opposite side of the structure. The reflected signal and the transmitted signal are complementary. That is, if the wavelength is strongly reflected, it is weakly transmitted. Assuming no energy is absorbed by the structure itself, this reflected + transmitted energy is constant at a given wavelength. This resonant reflection structure and transmission filter are designed to obtain highly efficient reflection at specific wavelengths. Thus, the reflective filter “passes” the narrow band of wavelengths, while the transmission filter “cuts” the narrow band of wavelengths from the incident light.

本発明の1実施形態では、光学デバイスを提供する。光学デバイスは、本発明の任意のセンサーと類似の構造を備える;しかし、光学デバイスは、格子の上に固定化された1つ以上の結合物質は備えない。光学デバイスは、狭い帯域の光学フィルターとして用いることができる。   In one embodiment of the invention, an optical device is provided. The optical device comprises a structure similar to any sensor of the present invention; however, the optical device does not comprise one or more binding substances immobilized on the grating. The optical device can be used as a narrow band optical filter.

エバネセント波に基づくセンサーは、基板によって支持される導波路フィルムを備えてもよく;導波路フィルムの間(および必要に応じて基板の一部として)は、回折格子である。例えば、米国特許第4,815,843号を参照のこと。低k誘電性物質、例えば、低kナノ多孔性物質を、回折格子に用いてもよく、または低kナノ多孔性物質を基板を組み合わせて用いてもよい。導波管は導波路フィルムおよび基板を備える。この導波路フィルムは、例えば、酸化スズ、五酸化タンタル、硫化亜鉛、二酸化チタン、窒化ケイ素またはそれらの組み合わせ、またはポリマー例えば、ポリスチロールもしくはポリカーボネートであってもよい。回折格子は、導波路フィルムおよび基板のインターフェースに、または導波路フィルムの容積中に存在する。この回折格子は、低k物質、例えば、低kナノ多孔性物質を含む。この導波路フィルムの屈折率は、隣接媒体(すなわち、基板および試験サンプル)の率よりも高い。この基板は、例えば、プラスチック、ガラスまたはエポキシであってもよい。特定の結合物質は、導波路フィルムの表面に固定化されてもよく、そして試験サンプルが表面に加えられてもよい。レーザー光は、総内部反射によって導波路フィルム中で伝播する。導波路フィルムに対する分子結合によって生じる導波路フィルムの屈折率の変化は、放出されアウトカップリングされた光の角度の変化を観察することによって検出され得る。   An evanescent wave based sensor may comprise a waveguide film supported by a substrate; between the waveguide films (and optionally as part of the substrate) is a diffraction grating. See, for example, U.S. Pat. No. 4,815,843. A low-k dielectric material, such as a low-k nanoporous material, may be used for the diffraction grating, or a low-k nanoporous material may be used in combination with the substrate. The waveguide comprises a waveguide film and a substrate. The waveguide film may be, for example, tin oxide, tantalum pentoxide, zinc sulfide, titanium dioxide, silicon nitride, or combinations thereof, or a polymer such as polystyrene or polycarbonate. The diffraction grating is present at the waveguide film and substrate interface or in the volume of the waveguide film. The diffraction grating includes a low-k material, such as a low-k nanoporous material. The refractive index of this waveguide film is higher than that of adjacent media (ie, substrate and test sample). This substrate may be, for example, plastic, glass or epoxy. Certain binding substances may be immobilized on the surface of the waveguide film and a test sample may be added to the surface. Laser light propagates in the waveguide film by total internal reflection. Changes in the refractive index of the waveguide film caused by molecular bonding to the waveguide film can be detected by observing changes in the angle of the emitted and out-coupled light.

センサーの作成
本発明のセンサーは、ナノ多孔性物質中に格子構造をエンボス加工するための可塑性のゴムの鋳型を用いて生成され得るが、このナノ多孔性物質は、未硬化の、変形可能状態である。非可塑性固体テンプレートと異なり、可塑性のゴムテンプレートは、ナノ多孔性物質硬化プロセスによって生成される溶媒の蒸気を逃がすことができる。単一のシリコンウェーハである「マスター」テンプレートから多くの可塑性テンプレートを低コストで製造することができ、そして単一の可塑性テンプレートを複数回用いて、多くの構造化ナノ多孔性サブ波長格子構造を安価に製造することができる。
Sensor Creation The sensor of the present invention can be produced using a plastic rubber mold for embossing a lattice structure in a nanoporous material, which is in an uncured, deformable state. It is. Unlike non-plastic solid templates, plastic rubber templates can escape the solvent vapor generated by the nanoporous material curing process. Many plastic templates can be manufactured at low cost from a single silicon wafer “master” template, and a single plastic template can be used multiple times to create many structured nanoporous subwavelength grating structures. It can be manufactured at low cost.

センサーは、安価に大きい表面積を製造することができ、そしてまた例えば、単回使用の標準的な使い捨て可能な液体取り扱い様式、例えば、マイクロプレート、マイクロアレイスライドまたは微量液体チップに組み込まれてもよい。   The sensor can be manufactured inexpensively with a large surface area and may also be incorporated, for example, in a single-use standard disposable liquid handling manner, such as a microplate, microarray slide or microfluidic chip.

ナノ多孔性層を組み込むフォトニック結晶を製造するための工程経路は図5に概説する。パターニングされた「マスター」ウェーハは、通常、シリコンまたはガラスであって、後に多孔性フィルムにインプリントされるものと正確に対応する特徴を含むものを設計する(図5Aを参照のこと)。次いで、このマスターをモールドとして用いて、これに、図5Bに示されるように、液体エラストマーを注ぐ。硬化した後、新規に形成されたネガティブなゴム「ドーター」モールドを、このマスターから注意深く剥がす。所望の基板への多孔性フィルムの適用後、このドーターのモールドを、例えば、図5Dに示されるように、未硬化のフィルム上にセットする。モールドを適正な位置に置き、多孔性フィルムを部分的に硬化させるか、完全に硬化させるか、または硬化させない。ガス浸透性のゴムモールドによって、この硬化プロセスの間の溶媒蒸発が可能になる。このフィルムが剛直な形状を保持可能になれば、ドーターモールドを剥がして、残っている構造を完全に硬化させる。図5Fに図示される完成したデバイスは、多孔性フィルムのパターニングした表面に均一にまたがる薄い高屈折率物質を製膜することによって得られる。   The process path for producing a photonic crystal incorporating a nanoporous layer is outlined in FIG. Patterned “master” wafers are typically designed with silicon or glass that includes features that accurately correspond to those that are subsequently imprinted into the porous film (see FIG. 5A). The master is then used as a mold and liquid elastomer is poured into it as shown in FIG. 5B. After curing, the newly formed negative rubber “daughter” mold is carefully peeled from the master. After application of the porous film to the desired substrate, the daughter mold is set on the uncured film, for example, as shown in FIG. 5D. With the mold in place, the porous film is partially cured, fully cured, or not cured. A gas permeable rubber mold allows for solvent evaporation during this curing process. Once the film is able to retain a rigid shape, the daughter mold is peeled off to completely cure the remaining structure. The completed device illustrated in FIG. 5F is obtained by depositing a thin high refractive index material that evenly spans the patterned surface of the porous film.

ナノ多孔性層を組み込んだフォトニック結晶バイオセンサーの製造のための別のアプローチは、図6に図示される。この構造では、ナノ多孔性物質の層を基板上で硬化させる。次に、高誘電率の物質を多孔性層の上に均一に製膜する。高誘電率の物質は、ナノ多孔性物質のkよりも約5%高い誘電率kを有する。本発明の1実施形態では、この高誘電率の物質は、約3.5より大きいkを有する。次いで、この成膜された高k物質を、e−ビームまたはDUVリソグラフィーによってパターニングし、引き続きエッチングして、所望の特徴を得る。このセンサーの設計は、各々のデバイスについて高解像度のリソグラフィープロセスが必要であるため、それほど費用効率がよくないが、インプリンティングによって製造される上述のセンサーでみられるのと同様の感度増強を得るのに有望である。   Another approach for the production of a photonic crystal biosensor incorporating a nanoporous layer is illustrated in FIG. In this structure, a layer of nanoporous material is cured on the substrate. Next, a high dielectric constant material is uniformly formed on the porous layer. The high dielectric constant material has a dielectric constant k that is about 5% higher than that of the nanoporous material. In one embodiment of the invention, the high dielectric constant material has a k greater than about 3.5. The deposited high-k material is then patterned by e-beam or DUV lithography and subsequently etched to obtain the desired features. This sensor design is not very cost-effective because it requires a high-resolution lithographic process for each device, but obtains a sensitivity enhancement similar to that seen with the above-described sensors manufactured by imprinting. Promising.

エバネセント波に基づくバイオセンサーも、本明細書において記載されたのと同じプロセスを用いて作成され得る。   An evanescent wave based biosensor can also be made using the same process described herein.

特異的な結合物質および結合パートナー
1つ以上の特異的な結合物質を、例えば、物理的吸着または化学的な結合によって、格子または存在する場合にはカバー層上に固定化してもよい。特異的な結合物質は、例えば、有機分子、例えば、核酸、ポリペプチド、抗原、ポリクローナル抗体、モノクローナル抗体、単鎖抗体(scFv)、F(ab)フラグメント、F(ab’)フラグメント、Fvフラグメント、有機低分子、細胞、ウイルス、細菌、ポリマー、ペプチド溶液、一本鎖または二本鎖のDNA溶液、RNA溶液、コンビナトリアル・ケミカル・ライブラリー由来の化合物を含有する溶液、または生物学的サンプル;あるいは無機分子であってもよい。生物学的サンプルは、例えば、血液、血漿、血清、胃腸分泌物、組織または腫瘍のホモジネート、滑液、糞便、唾液、喀痰、嚢胞液、羊水、脳脊髄液、腹水、肺洗浄液、精液、リンパ液、涙または前立腺液であってもよい。
Specific binding substance and binding partner One or more specific binding substances may be immobilized on the lattice or, if present, the cover layer, for example by physical adsorption or chemical binding. Specific binding substances are, for example, organic molecules such as nucleic acids, polypeptides, antigens, polyclonal antibodies, monoclonal antibodies, single chain antibodies (scFv), F (ab) fragments, F (ab ′) 2 fragments, Fv fragments Small organic molecules, cells, viruses, bacteria, polymers, peptide solutions, single or double stranded DNA solutions, RNA solutions, solutions containing compounds from combinatorial chemical libraries, or biological samples; Alternatively, it may be an inorganic molecule. Biological samples are, for example, blood, plasma, serum, gastrointestinal secretions, tissue or tumor homogenate, synovial fluid, feces, saliva, sputum, cyst fluid, amniotic fluid, cerebrospinal fluid, ascites, lung lavage fluid, semen, lymph fluid May be tears or prostate fluid.

好ましくは、1つ以上の特異的な結合物質を、センサー上の別個の位置を有するマイクロアレイに並べる。1つ以上の特異的な結合物質は、それらの特異的な結合パートナーに結合し得る。特異的な結合物質のマイクロアレイは、表面の各々が異なる特異的な結合物質、または異なる量の特異的な結合物質を有する多くの別個の位置を有するように、本発明のセンサーの表面上に1つ以上の特異的な結合物質を含む。例えば、アレイは、1個、10個、100個、1,000個、10,000個、または100,000個の識別可能な位置を有してもよい。このようなセンサー表面は、マイクロアレイと呼ばれる。なぜなら、1つ以上の特異的な結合物質が代表的には、x−y座標で規則的なグリッドパターンで配列されているからである。しかし、本発明のマイクロアレイは、任意のタイプの規則的または不規則的なパターンで並べられた1つ以上の特異的な結合物質を含んでもよい。例えば、別個の位置は、1つ以上の特異的な結合物質のスポットを有するマイクロアレイを規定し得る。マイクロアレイのスポットは、約50〜約500ミクロンの直径であってもよい。マイクロアレイのスポットはまた、約150〜約200ミクロンの直径であってもよい。   Preferably, one or more specific binding substances are arranged in a microarray having distinct locations on the sensor. One or more specific binding substances can bind to their specific binding partners. A microarray of specific binding substances is one on the surface of the sensor of the present invention so that each of the surfaces has many different locations with different specific binding substances or different amounts of specific binding substances. Contains one or more specific binding substances. For example, the array may have 1, 10, 100, 1,000, 10,000, or 100,000 identifiable positions. Such a sensor surface is called a microarray. This is because one or more specific binding substances are typically arranged in a regular grid pattern in xy coordinates. However, the microarrays of the present invention may include one or more specific binding substances arranged in any type of regular or irregular pattern. For example, distinct locations can define a microarray having one or more specific binding agent spots. The microarray spots may be about 50 to about 500 microns in diameter. The microarray spot may also be about 150 to about 200 microns in diameter.

本発明のセンサー上のマイクロアレイは、例えば、格子上のx−y格子の位置、またはカバー層表面上に、1つ以上の特異的な結合物質の小滴を置くことによって作成されてもよい。このセンサーを、1つ以上の結合パートナーを含む試験サンプルに曝すと、この結合パートナーは好ましくは、この結合パートナーに高い親和性を有する特定の結合物質を含むマイクロアレイ上の別個の位置に誘引される。この別個の位置のいくつかは、その表面上に結合パートナーを集めるが、他の位置は集めない。   The microarray on the sensor of the present invention may be created, for example, by placing a droplet of one or more specific binding substances on the surface of the xy grid on the grid, or on the cover layer surface. When the sensor is exposed to a test sample containing one or more binding partners, the binding partner is preferably attracted to a discrete location on the microarray containing a specific binding agent that has a high affinity for the binding partner. . Some of this distinct location collects binding partners on its surface, but not other locations.

特異的な結合物質は、本発明のセンサーの表面に接触される結合パートナーに特異的に結合する。特異的な結合物質はその結合パートナーに特異的に結合するが、センサーの表面に接触された他の結合パートナーには実質的に結合しない。例えば、特異的な結合物質が抗体であり、その結合パートナーが特定の抗原である場合、この抗体は特定の抗原に特異的に結合するが、他の抗原には実質的に結合しない。結合パートナーは、例えば、核酸、ポリペプチド、抗原、ポリクローナル抗体、モノクローナル抗体、単鎖抗体(scFv)、F(ab)フラグメント、F(ab’)フラグメント、Fvフラグメント、有機低分子、細胞、ウイルス、細菌、ポリマー、ペプチド溶液、一本鎖または二本鎖のDNA溶液、RNA溶液、コンビナトリアル・ケミカル・ライブラリー由来の化合物を含有する溶液、無機分子、または生物学的サンプルであってもよい。 The specific binding substance specifically binds to a binding partner that is contacted with the surface of the sensor of the present invention. A specific binding substance specifically binds to its binding partner, but does not substantially bind to other binding partners contacted with the sensor surface. For example, if the specific binding agent is an antibody and its binding partner is a specific antigen, the antibody specifically binds to a specific antigen but does not substantially bind to other antigens. Binding partners include, for example, nucleic acids, polypeptides, antigens, polyclonal antibodies, monoclonal antibodies, single chain antibodies (scFv), F (ab) fragments, F (ab ′) 2 fragments, Fv fragments, small organic molecules, cells, viruses It may be a bacterium, polymer, peptide solution, single-stranded or double-stranded DNA solution, RNA solution, solution containing a compound from a combinatorial chemical library, inorganic molecule, or biological sample.

本発明のマイクロアレイの1例は、核酸マイクロアレイであり、ここではアレイ内の各々の別個の位置が、異なる核酸分子を含む。この実施形態では、核酸マイクロアレイ内のスポットは、試験サンプル中の反対鎖の核酸との相補的な化学結合を検出する。   One example of a microarray of the invention is a nucleic acid microarray, where each distinct location in the array contains a different nucleic acid molecule. In this embodiment, the spots in the nucleic acid microarray detect complementary chemical bonds with opposite strand nucleic acids in the test sample.

マイクロタイタープレートは、生化学的アッセイに用いられる最も一般的な方式であるが、マイクロアレイは、高価な試薬の容積を最小限にしながら1回で測定できる生化学的相互作用の数を最大化するための手段として多く用いられている。本発明のセンサー上へのマイクロアレイスポッターを用いる特異的な結合物質の適用によって、1インチ平方あたり10,000の特異的な結合という特異的な結合物質密度を得ることができる。単一のマイクロアレイ位置を問い合わせるよう照射ビームの焦点を合わせることによって、センサーは、無標識マイクロアレイ読み取りシステムとして用いることができる。   While microtiter plates are the most common method used for biochemical assays, microarrays maximize the number of biochemical interactions that can be measured at one time while minimizing the volume of expensive reagents. It is often used as a means for this. By applying a specific binding substance using a microarray spotter on the sensor of the present invention, a specific binding substance density of 10,000 specific bindings per square inch can be obtained. By focusing the illumination beam to interrogate a single microarray position, the sensor can be used as a label-free microarray reading system.

特異的結合物質または結合パートナーが検出可能標識を含む必要性は無いが、検出可能標識を用いて、センサーの表面上で特異的な結合物質または結合パートナーを検出することができる。本発明の特異的な結合物質および結合パートナーが、検出標識を有さない場合、それらは、アッセイ感度の増強、バイオセンサー表面に対する特異的結合パートナーの固定化、それらの結合パートナーに対する特異的結合物質の結合またはハイブリダイゼーションの増強、および他の目的のために、他のタイプの標識およびマーカーをさらに備えてもよい。   Although the specific binding agent or binding partner need not include a detectable label, the detectable label can be used to detect a specific binding agent or binding partner on the surface of the sensor. If the specific binding agents and binding partners of the invention do not have a detection label, they can enhance assay sensitivity, immobilize specific binding partners on the biosensor surface, specific binding agents for those binding partners Other types of labels and markers may further be provided for enhanced binding or hybridization and other purposes.

1つ以上の特異的結合物質の固定化
分子は、センサー上に固定化することができ、その結果それらは、リンス手順によって洗い流されず、そして試験サンプル中の分子に対する結合は、センサー表面によって妨げられない。いくつかの異なるタイプの表面化学ストラテジーが、例えば、種々のタイプのマイクロアレイおよびセンサーにおける使用のためのガラスへの分子の共有結合に適用されている。これらの同じ方法は、本発明のセンサーに容易に適合され得る。
Immobilized molecules of one or more specific binding substances can be immobilized on the sensor so that they are not washed away by the rinsing procedure and binding to molecules in the test sample is hindered by the sensor surface. Absent. Several different types of surface chemistry strategies have been applied to covalent attachment of molecules to glass for use in, for example, various types of microarrays and sensors. These same methods can be easily adapted to the sensor of the present invention.

1つ以上のタイプの分子は、物理的吸着(すなわち、化学的リンカーの使用なし)によって、または化学的結合によって(すなわち、化学的リンカーの使用によって)、センサー表面に結合され得る。化学的結合は、センサー表面に対する分子のより強力な結合をもたらすことができ、表面に結合した分子の規定の方向および高次構造を提供する。   One or more types of molecules can be attached to the sensor surface by physical adsorption (ie, without the use of a chemical linker) or by chemical bonding (ie, by use of a chemical linker). Chemical binding can result in a stronger binding of the molecule to the sensor surface, providing a defined orientation and higher order structure of the molecule bound to the surface.

他のタイプの化学結合としては、例えば、アミン活性化、アルデヒド活性化およびニッケル活性化が挙げられる。これらの物質は、センサー表面に対していくつかの異なるタイプの化学的リンカーを結合するために用いることができる。アミン表面は、いくつかのタイプのリンカー分子に結合され得るが、アルデヒド表面は、さらなるリンカーなしに直接タンパク質を結合するために用いることができる。ニッケル表面を用いて、組み込まれたヒスチジン(「his」)タグを有する分子を結合してもよい。ニッケル活性化表面での「ヒスチジンタグ付き」分子の検出は、当該分野で周知である(Whitesides,Anal.Chem.68,490,(1996))。   Other types of chemical bonds include, for example, amine activation, aldehyde activation, and nickel activation. These materials can be used to attach several different types of chemical linkers to the sensor surface. The amine surface can be attached to several types of linker molecules, but the aldehyde surface can be used to attach proteins directly without additional linkers. A nickel surface may be used to bind molecules with an incorporated histidine (“his”) tag. Detection of “histidine tagged” molecules on nickel activated surfaces is well known in the art (Whitesides, Anal. Chem. 68, 490, (1996)).

プラスチック、エポキシまたは高屈折率物質に対する特異的な結合物質の固定化は、本質的にガラスに対する固定化について記載されるとおり行われ得る。しかし、酸洗浄工程は、そのような処置がこの特異的結合物質が固定化される物質を損傷し得る場合、省かれてもよい。   Immobilization of specific binding materials to plastics, epoxies or high refractive index materials can be performed essentially as described for immobilization to glass. However, the acid wash step may be omitted if such treatment can damage the substance to which this specific binding substance is immobilized.

液体含有容器
本発明のセンサーは、内面、例えば、液体含有容器の底面を備えてもよい。液体含有容器は、例えば、マイクロタイタープレートウェル、試験管、ペトリ皿またはマイクロ流体チャネルであってもよい。本発明の1実施形態は、任意のタイプのマイクロタイタープレートに組み込まれるセンサーである。例えば、センサーは、共鳴反射表面の上に反応容器の壁を設けることによってマイクロタイタープレートの底面に組み込まれてもよく、その結果、各々の反応「スポット(spot)」が、別個の試験サンプルに曝露され得る。従って、各々の個々のマイクロタイタープレートウェルは、別個の反応容器として機能し得る。従って、別個の化学的反応は、反応液を内部混合することなく隣接するウェル内で生じることができ、そして化学的に別個の試験溶液が個々のウェルに添加され得る。
Liquid-containing container The sensor of the present invention may comprise an inner surface, for example, a bottom surface of a liquid-containing container. The liquid-containing container may be, for example, a microtiter plate well, a test tube, a petri dish or a microfluidic channel. One embodiment of the present invention is a sensor that is incorporated into any type of microtiter plate. For example, the sensor may be incorporated into the bottom surface of the microtiter plate by providing a reaction vessel wall on the resonant reflective surface so that each reaction “spot” is separated into a separate test sample. Can be exposed. Thus, each individual microtiter plate well can function as a separate reaction vessel. Thus, separate chemical reactions can occur in adjacent wells without internal mixing of the reaction solutions, and chemically separate test solutions can be added to individual wells.

薬学的なハイスループットスクリーニング実験室、分子生物学的研究の実験室および診断アッセイ実験室のための最も一般的なアッセイ方式は、マイクロタイタープレートである。このプレートは、標準的なサイズのプラスチックカートリッジであって、格子状に並べられた96個、384個または1536個の個々の反応容器を含み得る。これらのプレートの標準的な機械的構成のため、液体分注、ロボット的プレート処理、および検出システムは、この一般的な方式と協力して機能するように設計されている。本発明のセンサーは、標準的なマイクロタイタープレートの底面に組み込まれてもよい。センサー表面は、大面積に製造することができ、かつ読み取りシステムは、センサー表面との物理的接触を生じないので、照射光学の焦点解像度およびセンサー表面を横切る照射/検出プローブをスキャンするx−yステージによってのみ制限される任意の数の個々のセンサー領域を規定することができる。   The most common assay format for pharmaceutical high-throughput screening laboratories, molecular biology research laboratories and diagnostic assay laboratories is the microtiter plate. The plate is a standard size plastic cartridge and may contain 96, 384 or 1536 individual reaction vessels arranged in a grid. Because of the standard mechanical configuration of these plates, liquid dispensing, robotic plate processing, and detection systems are designed to work in conjunction with this general scheme. The sensor of the present invention may be incorporated into the bottom of a standard microtiter plate. Since the sensor surface can be manufactured in a large area and the reading system does not make physical contact with the sensor surface, the focus resolution of the illumination optics and the xy scanning illumination / detection probe across the sensor surface Any number of individual sensor areas can be defined that are limited only by the stage.

センサーはまた、マイクロアレイスライド、フローセルおよび細胞培養プレートのような、他の使い捨て可能な実験室アッセイフォーマットに組み込まれてもよい。スポッターおよびインキュベーションチャンバのような既存のマイクロアレイ取り扱い装置との適合性のため、センサーを一般的な実験室フォーマットに組み込むことが望ましい。   Sensors may also be incorporated into other disposable laboratory assay formats such as microarray slides, flow cells and cell culture plates. For compatibility with existing microarray handling equipment such as spotters and incubation chambers, it is desirable to incorporate the sensor into a common laboratory format.

センサーの使用方法
本発明のセンサーは、例えば、1つまたは多数の分子/分子相互作用を平行して研究するために用いることができる;例えば、1つ以上の特異的な結合物質の、それらのそれぞれの結合パートナーへの結合は、その表面に1つ以上の特異的な結合が固定化されているセンサーに対して1つ以上の結合パートナーを適用することによって、標識の使用なしに検出され得る。センサーを光で照射して、反射光の波長の最大、または透過光の波長の最小をそのセンサーから検出する。1つ以上の特異的な結合物質が、それらのそれぞれの結合パートナーに結合すると、反射光の波長は、1つ以上の特異的な結合物質がそれらのそれぞれの結合パートナーに結合されていない状況と比較してシフトする。センサーを、1つ以上の特異的な結合物質を含有する別個の位置のアレイでコーティングすると、センサーの各々の別個の位置から反射光の波長の最大または透過光の波長の最小が検出される。
Methods of using the sensors of the present invention can be used , for example, to study one or multiple molecules / molecular interactions in parallel; for example, one or more specific binding agents, their Binding to each binding partner can be detected without the use of a label by applying one or more binding partners to a sensor that has one or more specific bindings immobilized on its surface. . The sensor is illuminated with light, and the maximum reflected light wavelength or the minimum transmitted light wavelength is detected from the sensor. When one or more specific binding substances bind to their respective binding partners, the wavelength of the reflected light is such that the one or more specific binding substances are not bound to their respective binding partners. Compare and shift. When the sensor is coated with an array of discrete locations containing one or more specific binding substances, the maximum wavelength of reflected light or the minimum wavelength of transmitted light is detected from each discrete location of the sensor.

本発明の1実施形態では、種々の特異的結合物質、例えば抗体を、本発明のセンサー上にアレイ形式で固定化してもよい。次いで、センサーを、結合パートナー、例えば、タンパク質を含む目的の試験サンプルと接触させる。センサー上に固定化された抗体に対して特異的に結合するタンパク質のみが、センサーに結合したままである。このようなアプローチは本質的に、酵素結合免疫アッセイの大規模バージョンである;しかし、酵素または蛍光標識の使用は、必要ない。   In one embodiment of the invention, various specific binding substances, such as antibodies, may be immobilized in an array format on the sensor of the invention. The sensor is then contacted with a test sample of interest that includes a binding partner, eg, a protein. Only proteins that specifically bind to the antibody immobilized on the sensor remain bound to the sensor. Such an approach is essentially a large version of an enzyme-linked immunoassay; however, the use of enzymes or fluorescent labels is not necessary.

酵素の活性は、1つ以上の特異的な結合物質が固定化されているセンサーからの反射光の波長を検出すること、および1つ以上の酵素をこのセンサーに加えることによって検出され得る。センサーを洗浄して、光で照射する。反射光の波長は、このセンサーから検出される。1つ以上の酵素が、酵素的な活性によってセンサーの1つ以上の特異的結合物質を変更すると、反射光の波長はシフトする。   The activity of the enzyme can be detected by detecting the wavelength of reflected light from a sensor to which one or more specific binding substances are immobilized, and adding one or more enzymes to the sensor. Clean the sensor and irradiate it with light. The wavelength of the reflected light is detected from this sensor. When one or more enzymes alter one or more specific binding substances of the sensor due to enzymatic activity, the wavelength of the reflected light is shifted.

さらに、試験サンプル、例えば、結合パートナーを含む細胞溶解物が本発明のセンサーに加えられ、続いて洗浄によって未結合の物質が除去され得る。センサーに結合した結合パートナーは、次にセンサーから溶出されて、例えば、質量分析計によって特定され得る。必要に応じて、ファージDNAディスプレイライブラリーを本発明のセンサーに適用し、続いて洗浄によって未結合の物質を除いてもよい。センサーに結合した個々のファージ粒子を単離し、次にこれらのファージ粒子中のインサートを配列決定して、結合パートナーの種類を判定することができる。   In addition, a test sample, eg, a cell lysate containing a binding partner, can be added to the sensor of the invention, followed by washing to remove unbound material. The binding partner bound to the sensor can then be eluted from the sensor and identified, for example, by a mass spectrometer. If necessary, a phage DNA display library may be applied to the sensor of the present invention, followed by washing to remove unbound material. Individual phage particles bound to the sensor can be isolated and then the inserts in these phage particles can be sequenced to determine the type of binding partner.

上記の適用について、そして詳細にはプロテオミクスの適用において、試験サンプル由来の結合パートナーのような物質を本発明のセンサー上に選択的に結合する能力、続いて、さらなる分析のためにこのセンサーの別個の位置から結合物質を選択的に除去する能力が有利である。本発明のセンサーはまた、反射光の波長でのシフトを測定することによって、センサーのアレイの別個の位置に結合されるサンプル由来の結合パートナーの量を検出および定量し得る。さらに、1つの別個のセンサー位置での波長シフトを、他の別個のセンサー位置での正のコントロールおよび負のコントロールと比較して、センサーアレイの別個の位置に結合される結合パートナーの量を決定してもよい。   For the above applications, and in particular for proteomics applications, the ability to selectively bind substances such as binding partners from the test sample onto the sensor of the present invention, followed by the separation of this sensor for further analysis. The ability to selectively remove binding material from the position is advantageous. The sensor of the present invention can also detect and quantify the amount of binding partner from the sample that is bound to a distinct location in the array of sensors by measuring the shift in wavelength of the reflected light. In addition, the wavelength shift at one distinct sensor location is compared to the positive and negative controls at the other distinct sensor location to determine the amount of binding partner bound to the distinct location of the sensor array. May be.

本発明の1実施形態では、第一の分子と第二の試験分子との相互作用が検出され得る。上記のようなセンサーを用いるが、ただし、その表面上に固定化された特異的な結合物質はない。従って、このセンサーは、1または2次元の格子、この1または2次元の格子を支持する基板層、および必要に応じてカバー層を含む。上記のとおり、センサーが照射されると、反射された放射線スペクトル上で共鳴格子効果が生成し、そして格子の深さおよび間隔は、共鳴格子効果の波長よりも小さい。   In one embodiment of the invention, the interaction between the first molecule and the second test molecule can be detected. A sensor as described above is used except that there is no specific binding substance immobilized on its surface. Thus, the sensor includes a one or two dimensional grating, a substrate layer that supports the one or two dimensional grating, and optionally a cover layer. As described above, when the sensor is illuminated, a resonant grating effect is produced on the reflected radiation spectrum, and the depth and spacing of the grating is smaller than the wavelength of the resonant grating effect.

第一の分子と第二の試験分子との相互作用を検出するために、第一および第二の分子の混合物をセンサー上の別個の位置に適用する。別個の位置は、センサー上の1スポットもしくはウェルであってもよく、またはセンサー上の大きい領域であってもよい。第一の分子と第三のコントロール分子との混合物を、センサー上の別個の位置に加えてもよい。このセンサーは、上記と同じセンサーであってもよく、または第二のセンサーであってもよい。このセンサーが同じセンサーである場合、第二の別個の位置を、第一の分子および第三のコントロール分子の混合物のために用いてもよい。あるいは、同じ別個のセンサー位置を、第一および第二の分子をセンサーから洗った後に用いてもよい。第三のコントロール分子は、第一の分子と相互作用せず、そして第一の分子とほぼ同じサイズである。センサー(単数または複数)の別個の位置からの反射光の波長でのシフトを測定する。第一の分子および第二の試験分子を有する別個の位置からの反射光の波長でのシフトが、第一の分子および第三のコントロール分子を有する別個の位置からの反射光の波長におけるシフトよりも大きい場合には、この第一の分子と第二の試験分子は相互作用する。相互作用は、例えば、核酸分子のハイブリダイゼーション、抗原に対する抗体および抗体フラグメントの特異的な結合、ならびにポリペプチドの結合であってもよい。第一の分子、第二の試験分子、または第三のコントロール分子は、例えば、核酸、ポリペプチド、抗原、ポリクローナル抗体、モノクローナル抗体、単鎖抗体(scFv)、F(ab)フラグメント、F(ab’)フラグメント、Fvフラグメント、有機低分子、細胞、ウイルスおよび細菌であってもよい。 In order to detect the interaction between the first molecule and the second test molecule, a mixture of the first and second molecules is applied to separate locations on the sensor. The discrete location may be a spot or well on the sensor or a large area on the sensor. The mixture of the first molecule and the third control molecule may be added to a separate location on the sensor. This sensor may be the same sensor as described above or may be a second sensor. If this sensor is the same sensor, a second distinct location may be used for the mixture of the first molecule and the third control molecule. Alternatively, the same separate sensor location may be used after washing the first and second molecules from the sensor. The third control molecule does not interact with the first molecule and is approximately the same size as the first molecule. Measure the shift in wavelength of the reflected light from a separate location of the sensor (s). The shift in the wavelength of reflected light from separate locations with the first molecule and the second test molecule is greater than the shift in wavelength of reflected light from separate locations with the first molecule and the third control molecule. The first test molecule interacts with the second test molecule. The interaction may be, for example, hybridization of nucleic acid molecules, specific binding of antibodies and antibody fragments to antigens, and binding of polypeptides. The first molecule, the second test molecule, or the third control molecule can be, for example, a nucleic acid, polypeptide, antigen, polyclonal antibody, monoclonal antibody, single chain antibody (scFv), F (ab) fragment, F (ab ') 2 fragments, Fv fragments, small organic molecules, cells, viruses and bacteria.

本明細書においていずれかに参照される全ての特許、特許出願および他の科学的または技術的な書面は、その全体が参照によって援用される。本明細書に記載される方法および組成物は現在好ましい実施形態の代表であって、例示的であり、そして本発明の範囲を限定するものではない。本明細書における変化および他の用途は、当業者に明白であって、本発明の範囲内に包含される。本明細書に適切に図示的に記載される本発明は、本明細書に特異的に開示されない、任意の要素(単数または複数)も、制限(単数または複数)もなしに行われ得る。従って、例えば、本明細書の各々の場合に、「含む」、「本質的に〜を含む」、および「〜からなる」との用語はいずれも、他の2つの用語のいずれかと交換して用いられてもよい。使用されている用語および表現は、説明の用語として用いられ限定ではなく、そしてこのような用語および表現の使用において示されかつ記載される特徴である任意の等価物またはその一部を排除することを意図するものではないが、種々の改変が特許請求される本発明の範囲内で可能であることが認識される。従って、本発明は、実施形態および任意の特徴によって詳細に開示されているが、本明細書に開示される概念の改変およびバリエーションは、詳細な説明および添付の特許請求の範囲に規定されるように、本発明の範囲内であると解釈されることが理解されるべきである。   All patents, patent applications and other scientific or technical documents referred to anywhere herein are incorporated by reference in their entirety. The methods and compositions described herein are representative of presently preferred embodiments, are exemplary, and are not intended as limitations on the scope of the invention. Variations and other uses herein will be apparent to those skilled in the art and are encompassed within the scope of the invention. The invention as described diagrammatically as appropriate herein may be practiced without any element (s) or limitation (s) not specifically disclosed herein. Thus, for example, in each case herein, the terms “comprising,” “essentially comprising,” and “consisting of” are interchanged with any of the other two terms. May be used. The terms and expressions used are used as descriptive terms, not limitations, and exclude any equivalents or parts thereof that are features shown and described in the use of such terms and expressions. However, it will be appreciated that various modifications are possible within the scope of the claimed invention. Thus, while the invention has been disclosed in detail by way of embodiments and optional features, modifications and variations of the concepts disclosed herein will be defined in the detailed description and appended claims. In particular, it should be understood that it is intended to be within the scope of the present invention.

さらに、本発明の特徴または局面が、マーカッシュグループまたは代替の他の分類に関して記載される場合、当業者は、本発明がまた、マーカッシュグループまたは他のグループの任意の個々のメンバーまたはメンバーのサブグループに関して本明細書に記載されることを認識する。   Further, if a feature or aspect of the invention is described with respect to a Markush group or other alternative classification, one of ordinary skill in the art will also recognize that the invention also includes any individual member or member subgroup of the Markush group or other group With respect to those described herein.

実施例1
コンピューターシミュレーション
厳密結合波解析(Rigorous Coupled Wave Analysis)(RCWA)および時間領域差分法(Finite Difference Time Domain)(FDTD)シミュレーションを用いて、一次元表面フォトニック結晶バイオセンサーの共鳴波長およびバルク屈折率感度を予測した。このデバイスは、前に報告されたポリマー(n=1.39)表面構造の代わりに、低屈折率(n=1.17)のナノ多孔性誘電性表面構造を組み込む。ソフト・コンタクト・エンボス加工方法を用いて、先のポリマー構造と同一の深さおよび間隔を有するガラス基板上に表面構造化低屈折率多孔性フィルムを作成して、感度の並列での比較を可能にした。多孔性ガラスバイオセンサーの感度を、バルク屈折率に対する感度および表面吸着物質を特徴付ける方法により、ナノ多孔性ポリマーバイオセンサーと比較した。最終的に、タンパク質結合アッセイ比較を行って、センサーの安定性および選択的な検出用にデバイスを機能化する能力を実証した。
Example 1
Resonance wavelength and bulk refractive index sensitivity of one-dimensional surface photonic crystal biosensors using computer- coupled coupled wave analysis (RCWA) and time-difference time domain (FDTD) simulations Predicted. This device incorporates a low refractive index (n = 1.17) nanoporous dielectric surface structure in place of the previously reported polymer (n = 1.39) surface structure. Use a soft contact embossing method to create a surface-structured low refractive index porous film on a glass substrate that has the same depth and spacing as the previous polymer structure, allowing sensitivity to be compared in parallel I made it. The sensitivity of the porous glass biosensor was compared to the nanoporous polymer biosensor by a method that characterizes the sensitivity to bulk refractive index and surface adsorbents. Finally, protein binding assay comparisons were performed to demonstrate sensor stability and ability to functionalize the device for selective detection.

このポリマーおよび多孔性ガラスセンサーを成型して、2つのソフトウェアパッケージを用いてシミュレーションした。第一に、RCWAアルゴリズムを使用する2−Dの回折格子分析ツール(GSOLVER)によって、最初のセンサーモデリングにための迅速かつ簡易な方法を得る。第二に、FDTD(Lumerical)によって、さらにかなり多様かつ強力なツールが得られ、これは、任意の光源によって照射される任意の光学デバイスについて任意の一時的または空間的な位置で任意の電界成分を計算し得る。例えば、Kunz & Luebbers,The Finite Difference Time Domain Method for Electromagnetics.1993,Boca Raton:CRC Pressを参照のこと。FDTDを用いて、RCWA結果を確証して、センサー構造を改変する効果へのより深い洞察を得た。   The polymer and porous glass sensor was molded and simulated using two software packages. First, a 2-D diffraction grating analysis tool (GSOLVER) using the RCWA algorithm provides a quick and simple method for initial sensor modeling. Second, FDTD (Lumeral) provides a much more diverse and powerful tool that can be used for any optical device illuminated by any light source, at any temporary or spatial location, at any electrical field component. Can be calculated. See, for example, Kunz & Luebbers, The Finite Difference Time Domain Method for Electromagnetics. 1993, Boca Raton: CRC Press. FDTD was used to validate RCWA results and gain deeper insight into the effect of modifying sensor structure.

RCWAおよびFDTDのシミュレーションは両方とも、低屈折率の物質で従来のデバイスのパターニングされたUV硬化ポリマーを置き換えることによって、バルクシフト係数の2倍の増大が生じることを示した。DI HOに浸漬した多孔性ガラスセンサーの共鳴波長は、図8に示されるように、RCWAによって844.3nmであり、約2nmという半値全幅(FWHM)であることが予測された。シミュレーションから、センサー形状に対するわずかな改変によってバルクシフト係数をさらに改善しうることが予測される。 Both RCWA and FDTD simulations showed that replacing the patterned UV-cured polymer of conventional devices with a low refractive index material resulted in a 2-fold increase in bulk shift coefficient. The resonant wavelength of the porous glass sensor immersed in DI H 2 O was predicted to be 844.3 nm by RCWA and a full width at half maximum (FWHM) of about 2 nm, as shown in FIG. Simulations predict that the bulk shift factor can be further improved with minor modifications to the sensor shape.

DI HOおよびIPAを用いるバルク感度試験は、23の多孔性ガラスセンサーおよび11のポリマーセンサーで行った。平均PWVシフトは、それぞれ多孔性ガラスおよびポリマーセンサーについて、13.6±2.4nmおよび5.1±1.5nmであった。多孔性ガラスセンサーのバルクシフト係数(ΔPWV/Δn)は、ポリマーデバイスの係数よりも2.7±1.2倍大きいと測定される。DI HOにおける多孔性ガラスデバイスの測定によって、平均で829.5±16.5nmのPWVおよび3.5±2.5nmのFWHMが得られる。測定されたスペクトルの1つを図9に示しており、ここでは応答は、任意の装置損失を説明するために完全反射として正規化されている。複製されたデバイスから測定されたより低い反射効率およびより広いFWHMは、小さいが測定可能な物質損失に、そしてこの複製された構造に観察される不完全さのためであると考えられる。測定されたスペクトル特徴の大きい変動は、少なくとも一部は、いくつかのわずかに相違する(ただし名目上は同一の)マスターパターンを用いること、そして複製プロセスの自動化がないことに起因する。 Bulk sensitivity tests using DI H 2 O and IPA were performed with 23 porous glass sensors and 11 polymer sensors. The average PWV shift was 13.6 ± 2.4 nm and 5.1 ± 1.5 nm for the porous glass and polymer sensors, respectively. The bulk shift coefficient (ΔPWV / Δn) of the porous glass sensor is measured to be 2.7 ± 1.2 times greater than that of the polymer device. Measurement of porous glass devices in DI H 2 O yields an average PWV of 829.5 ± 16.5 nm and FWHM of 3.5 ± 2.5 nm. One of the measured spectra is shown in FIG. 9, where the response is normalized as a perfect reflection to account for any device loss. The lower reflection efficiency and wider FWHM measured from the replicated device are believed to be due to small but measurable material loss and imperfections observed in this replicated structure. The large variation in measured spectral features is due, at least in part, to using several slightly different (but nominally identical) master patterns and lack of automation of the replication process.

実施例2
センサー製造
ゾル−ゲル由来の低係数(低屈折率)(low−index)ナノ多孔性シリカ薄膜(例えば、米国特許第6,395,651号を参照のこと)を、従来のデザインで用いられるUV硬化エポキシの代わりにセンサーに組み込んだ。低屈折率物質は、UV露光ではなく熱によって硬化するので、新規の製造プロセスを開発する必要がある。低コストのインプリンティング方法を保持することが望ましいが、プラスチック基板は、多孔性ガラスアニーリングのための高温要件を保持し得ないことが明白であった。ゾル−ゲルガラスインプリンティングへの1つの可能性のあるアプローチは、ポリジメチルシロキサン(PDMS)モールドおよびガラス基板を用いることであった。例えば、Parasharら,Nano−replication of diffractive optical elements in sol−gel derived glasses.Microelectronic Engineering,2003.67〜8:710〜719頁を参照のこと。
Example 2
Sensor manufactured sol-gel derived low-index nanoporous silica thin films (see, eg, US Pat. No. 6,395,651) are used in conventional designs for UV. Incorporated into sensor instead of cured epoxy. Since low refractive index materials are cured by heat rather than UV exposure, new manufacturing processes need to be developed. While it is desirable to retain a low cost imprinting method, it has been apparent that plastic substrates cannot retain the high temperature requirements for porous glass annealing. One possible approach to sol-gel glass imprinting has been to use polydimethylsiloxane (PDMS) molds and glass substrates. See, for example, Parashar et al., Nano-replication of diffractive optical elements in sol-derived glasses. See Microelectronic Engineering, 2003.67-8: 710-719.

低kバイオセンサーのサブ波長格子構造は、リソグラフィー、成型(molding)およびインプリンティングのプロセスの組み合わせを用いて製造した。最初に、完成されたセンサーで所望される表面構造のポジティブな画像でパターニングされたシリコン・マスター・ウェーハから、Sylgard 184 PDMS(Dow Corning)ドーター・モールドを複製する。シリコン・ウェーハからPDMSモールドの遊離を容易にするため、このウェーハを、ジメチルジクロロシラン(Repel Silane,Amersham Biosciences)の剥離層で表面処理した。例えば、Beckら,Improving stamps for 10 nm level wafer scale nanoimprint lithography.Microelectronic Engineering,2002.61〜2:441〜448頁を参照のこと。次いでPDMSレプリカを用いて、ガラス基板へスピンオンされた(spun−on)低屈折率ゾル−ゲルガラスである未硬化のNANOGLASS(登録商標)(Honeywell Elec.Mat.)の薄膜にインプリンティングする。低屈折率の誘電性物質が硬化した後、可塑性PDMSモールドを取り外して、ゾル−ゲルガラスをさらなる焼付けによって完全に硬化する。このセンサー構造は、パターニングされた表面上に175nmのTiOを蒸着させることによって完成される。ジメチルジクロロシランでの引き続く表面処理によって、生体物質の吸着が増強され、そしてセンサーの安定性が促進される。デバイスの断面を示す図は図7に示される。 The sub-wavelength grating structure of the low-k biosensor was fabricated using a combination of lithography, molding and imprinting processes. First, a Sylgard 184 PDMS (Dow Corning) daughter mold is replicated from a silicon master wafer patterned with a positive image of the desired surface structure in the completed sensor. In order to facilitate the release of the PDMS mold from the silicon wafer, the wafer was surface treated with a release layer of dimethyldichlorosilane (Repel Silane, Amersham Biosciences). See, for example, Beck et al., Improving stamps for 10 nm level wafer scale nanoimprint lithography. See, Microelectronic Engineering, 2002.61-2: 441-448. The PDMS replica is then used to imprint a thin film of uncured NANOGLASS® (Honeywell Elec. Mat.), A low refractive index sol-gel glass that is spun-on to a glass substrate. After the low index dielectric material is cured, the plastic PDMS mold is removed and the sol-gel glass is fully cured by further baking. The sensor structure is completed by depositing 175 nm TiO 2 on the patterned surface. Subsequent surface treatment with dimethyldichlorosilane enhances biomaterial adsorption and promotes sensor stability. A diagram showing a cross section of the device is shown in FIG.

ポリマー構造は、従来の刊行物に記載される構造と類似である。例えば、Cunninghamら,A plastic colorimetric resonant optical biosensor for multiparallel detection of label−free biochemical interactions.Sensors and Actuators B,2002.85:219〜226頁を参照のこと。両方の構造とも、550nmの間隔および170nmのインプリント深さを用いるが、ポリエステル/ポリマーおよび低屈折率の多孔性ガラスデバイスは、それぞれ、120nmおよび165nmのTiOコーティングを用いる。2つのデバイスは、本実施例の残りを通じて「ポリマー(polymer)」および「多孔性ガラス(porous glass)」センサーと呼ばれる。ポリマーデバイスは、配列されたセンサーのアレイとして提供され、そして底なしの96ウェル標準マイクロタイタープレート(SRU Biosystems)に取り付けられる。多孔性ガラスデバイスは、75mm×25mm×1mmの顕微鏡用ガラススライド上で製造する。接着性ゴムウェル(Research International Corp.)を、ガラス表面に結合して、各々のスライド上で5〜6センサーについて液体封じ込めを得る。 The polymer structure is similar to that described in conventional publications. See, for example, Cunningham, et al., A plastic colorimetric resonant optical biosensor for multiple parallel detection of label-free biochemical interactions. See Sensors and Actuators B, 2002.85: 219-226. Both structures use 550 nm spacing and 170 nm imprint depth, while polyester / polymer and low index porous glass devices use 120 nm and 165 nm TiO 2 coatings, respectively. The two devices are referred to as “polymer” and “porous glass” sensors throughout the remainder of this example. The polymer device is provided as an array of aligned sensors and attached to a bottomless 96-well standard microtiter plate (SRU Biosystems). The porous glass device is manufactured on a microscope glass slide of 75 mm × 25 mm × 1 mm. Adhesive rubber wells (Research International Corp.) are bonded to the glass surface to obtain liquid containment for 5-6 sensors on each slide.

脱イオン水(DI HO,n=1.333)およびイソプロピルアルコール(IPA,n=1.378)を用いて、各々のセンサーのバルクシフト係数を決定した。まず、DI HOを、センサーの表面上にピペッティングして、PWVを測定した。読み取り装置の構成は先に報告されている。例えば、Cunninghamら,Colorimetric resonant reflection as a direct biochemical assay technique.Sensors and Actuators B,2002.81:316〜328を参照のこと。広範な波長の光源を光ファイバーに連結して、法線入射で基板の下からフォトニック結晶表面の約2mmの直径の領域を照射する。反射された光を、第二の光ファイバーによって集めて、これを次に照射ファイバーに収束して、分光計によって測定する。自動運動ステージにより、運動情報を取得するために、多くのウェルから時限的な間隔で反射データを平行して収集することが可能になる。 Deionized water (DI H 2 O, n = 1.333) and isopropyl alcohol (IPA, n = 1.378) were used to determine the bulk shift factor for each sensor. First, DI H 2 O was pipetted on the surface of the sensor, and PWV was measured. The configuration of the reader has been reported previously. See, for example, Cunningham et al., Colorimetric resonant reflection as a direct bioassay assay technique. See Sensors and Actuators B, 2002.81: 316-328. A light source with a wide range of wavelengths is coupled to the optical fiber to illuminate a region of about 2 mm diameter on the surface of the photonic crystal from below the substrate with normal incidence. The reflected light is collected by a second optical fiber, which is then focused on the illumination fiber and measured by a spectrometer. The automated motion stage allows reflection data to be collected in parallel at timed intervals from many wells to obtain motion information.

次に、表面をよく乾燥させて、IPAについて先の工程を繰り返した。次いで、バルク屈折率における変化で割ったPWVの変化として、DI HOとIPAとの間のバルクシフト係数を算出した。 Next, the surface was well dried and the previous step was repeated for IPA. The bulk shift coefficient between DI H 2 O and IPA was then calculated as the change in PWV divided by the change in bulk refractive index.

実施例3
PPL 生体物質接着試験
センサー表面に適用した0.01Mリン酸緩衝化生理食塩水(PBS;pH=7.4)を用いて0.5mg/mlの溶液に調製したポリ(Lys,Phe)(PPL;Sigma−Aldrich;MW=35,400Da)の単層フィルムの検出によって、表面吸着物質に対する感度を特徴付けた。生体物質接着試験(bio−adhesion test)は、試験ウェルへのPBSのピペッティングで開始し、1分間のサンプリング間隔で行った。10分後、緩衝液を、PPL溶液で交換して、30分間安定化させた。次いで、このウェルを3回洗浄して、PBSで充填して、最後の30分間にデータを取得した。
Example 3
PPL Biomaterial Adhesion Test Poly (Lys, Phe) (PPL) prepared in a 0.5 mg / ml solution using 0.01 M phosphate buffered saline (PBS; pH = 7.4) applied to the sensor surface Sigma-Aldrich; MW = 35,400 Da) was characterized by sensitivity to surface adsorbents by detection of monolayer films. The bio-adhesion test started with pipetting PBS into the test well and was performed at a sampling interval of 1 minute. After 10 minutes, the buffer was replaced with PPL solution and allowed to stabilize for 30 minutes. The wells were then washed 3 times and filled with PBS, and data was acquired during the last 30 minutes.

PPLを、5つの多孔性ガラスおよび9つのポリマーセンサー上に成膜した。図10は、各々のデバイスの反応速度論的プロットを比較しており、これは、多孔性ガラスセンサーについての表面感度の約4倍の増大を示す。第一段階はベースラインを確立し、第二は、急速表面吸着およびPPLの飽和に対応し、そして最後の三番目の曲線は、PBS緩衝液でのリンスによって弱いかまたは非特異的に結合した分子を排除した後の単層の安定性を示す。多孔性ガラスセンサー上へのPPL固定化の間に生成されたPWVシフトは、ポリマーデバイスを用いて測定されたものよりもゆっくりと飽和する。明らかに、この多孔性ガラスセンサー表面は、タンパク質単層吸着に対して有意に導電性が小さい。さらに表面化学を最適化すれば、この効果が軽くなるはずである。それでもなお、多孔性ガラスセンサーは、未結合の分子が洗い流された後、優れた安定性を示す。   PPL was deposited on 5 porous glasses and 9 polymer sensors. FIG. 10 compares the kinetic plots of each device, which shows an approximately 4-fold increase in surface sensitivity for the porous glass sensor. The first stage establishes a baseline, the second corresponds to rapid surface adsorption and PPL saturation, and the last third curve is weakly or non-specifically bound by rinsing with PBS buffer The stability of the monolayer after exclusion of molecules is shown. The PWV shift generated during PPL immobilization on the porous glass sensor saturates more slowly than that measured using the polymer device. Clearly, this porous glass sensor surface is significantly less conductive for protein monolayer adsorption. Further optimization of the surface chemistry should reduce this effect. Nevertheless, porous glass sensors exhibit excellent stability after unbound molecules are washed away.

実施例4
多層ポリマー試験
センサー表面からの距離の関数として弁別感度を特徴付けるために、一連のポリマー電解質単層を、このセンサー上に成膜した。検出装置上で連続的にモニターしながら、正に荷電したポリマー層と負に荷電したポリマー層とを交互に用いることによって、均一な自己限定ポリマーのスタックをセンサー上に形成することができる。例えば、Cunninghamら,Enhancing the surface sensitivity of colorimetric resonant optical biosensors.Sensors and Actuators B,2002.87(2):365〜370を参照のこと。3つの異なる高分子電解質を、センサー表面上に成膜した:陰イオン性ポリ(4−スチレンスルホネートナトリウム)(PSS;MW=70,000Da)、陽イオン性ポリ(エチレンイミン)(PEI;MW=60,000Da)、および陽イオン性ポリ(塩酸アリルアミン)(PAH;MW=70,000Da)。高分子電解質は、Sigma−Aldrichから購入した。0.9M NaCl緩衝溶液(Sigma−Aldrich)は、脱イオン水で調製した。この高分子電解質を、緩衝液に5mg/mlの濃度で溶解した。1分のサンプリング間隔で、その多層表面の感度の特徴付けを、5分のステップで行った。第一に、NaCl緩衝液を、センサーのウェルにピペッティングした。次に、緩衝液を取り出して、PEI溶液を加えた。次いで、ウェルを3回洗浄して、緩衝液で充填した。上述の2工程は、7つのPSS−PAH層が単一のPEI層上に成膜されるまでPSSおよびPAHで繰り返した。
Example 4
To characterize the discrimination sensitivity as a function of distance from the multilayer polymer test sensor surface, a series of polymer electrolyte monolayers were deposited on the sensor. By alternately using a positively charged polymer layer and a negatively charged polymer layer while continuously monitoring on the detection device, a uniform self-limited polymer stack can be formed on the sensor. See, for example, Cunningham et al., Enhancing the surface sensitive of chromatic resonant optical biosensors. See Sensors and Actuators B, 2002.87 (2): 365-370. Three different polyelectrolytes were deposited on the sensor surface: anionic poly (sodium 4-styrenesulfonate) (PSS; MW = 70,000 Da), cationic poly (ethyleneimine) (PEI; MW = 60,000 Da), and cationic poly (allylamine hydrochloride) (PAH; MW = 70,000 Da). The polyelectrolyte was purchased from Sigma-Aldrich. A 0.9M NaCl buffer solution (Sigma-Aldrich) was prepared with deionized water. This polyelectrolyte was dissolved in a buffer solution at a concentration of 5 mg / ml. At a sampling interval of 1 minute, the sensitivity of the multilayer surface was characterized in 5 minute steps. First, NaCl buffer was pipetted into the sensor wells. Next, the buffer solution was taken out and the PEI solution was added. The wells were then washed 3 times and filled with buffer. The above two steps were repeated with PSS and PAH until seven PSS-PAH layers were deposited on a single PEI layer.

先に記載されたPSSおよびPAHの14の交互の層は、各々が、検出されるPWVにおいて測定可能なシフトを生じる。なぜなら、それらは、表面上に吸着されるからである。図11は、PWVシフト対ポリマーの厚みの空間的プロフィールを示しており、ここでは各々のPWVシフトを洗浄工程後に緩衝液中で測定した。高分子電解質の各々の単層は、約4.4nmの厚みであり、そして1.49の屈折率を有する。例えば、Picartら,Determination of structural parameters characterizing thin films by optical methods:A comparison between scanning angle reflectometry and optical waveguide lightmode spectroscopy.Journal of Chemical Physics,2001.115(2):1086〜1094頁を参照のこと。多孔性ガラスセンサーは、ポリマーセンサーの感度の約1.5倍の平均表面感度を示す。しかし、多孔性ガラスデバイス上に成膜された第一の2層(約9nm)の各々が、残りの層の各々の大きさの2倍のPWVシフトを生じ、一方このような効果は、ポリマーデバイスでは観察されないことに注意のこと。   The 14 alternating layers of PSS and PAH described above each produce a measurable shift in the detected PWV. Because they are adsorbed on the surface. FIG. 11 shows the spatial profile of PWV shift versus polymer thickness, where each PWV shift was measured in buffer after the washing step. Each monolayer of polyelectrolyte is about 4.4 nm thick and has a refractive index of 1.49. For example, Picart et al., Determination of structural parameters characterizing thin films by optical methods. See Journal of Chemical Physics, 2001.115 (2): 1086-1094. Porous glass sensors exhibit an average surface sensitivity of about 1.5 times that of polymer sensors. However, each of the first two layers (about 9 nm) deposited on the porous glass device results in a PWV shift that is twice the size of each of the remaining layers, while this effect is Note that it is not observed on the device.

実施例5
バイオアッセイ:プロテインA−IgG
提唱されたデバイスによる選択的検出を実証するために、プロテインAについてヒト、ヒツジおよびニワトリのIgGの親和性を特徴付けるバイオアッセイを行った。プロテインA(Pierce Biotechnology)は、0.01M PBSを用いて0.5mg/mlの濃度に調製した。この緩衝液は、0.22μmのシリンジフィルター(Nalgene)を用いて使用前に濾過した。ヒト、ヒツジおよびニワトリの免疫グロブリン−G(IgG)血清(Sigma−Aldrich)を、0.01MのPBS中に0.5mg/mlの濃度に希釈した。各工程と1分間隔のサンプリングとの間に30分おいて、最初にPBS溶液をセンサーウェルにピペッティングした。次に、この緩衝液をプロテインA溶液で交換した。次いで、このウェルを3回リンスして、緩衝液で充填した。シグナル安定化後、3つのウェル中の緩衝液を、ヒト、ヒツジまたはニワトリのIgGで置換し、ただし、4番目は、緩衝液のみを含む参照として残した。最後に、IgGを除去して、そのウェルを再度リンスし、PBSで満たして、最後の30分間にデータを取得した。
Example 5
Bioassay: Protein A-IgG
In order to demonstrate selective detection with the proposed device, a bioassay characterizing the affinity of human, sheep and chicken IgG for protein A was performed. Protein A (Pierce Biotechnology) was prepared at a concentration of 0.5 mg / ml using 0.01 M PBS. The buffer was filtered before use using a 0.22 μm syringe filter (Nalgene). Human, sheep and chicken immunoglobulin-G (IgG) serum (Sigma-Aldrich) was diluted to a concentration of 0.5 mg / ml in 0.01 M PBS. The PBS solution was first pipetted into the sensor wells at 30 minutes between each step and 1 minute sampling. Next, this buffer solution was replaced with a protein A solution. The wells were then rinsed 3 times and filled with buffer. After signal stabilization, the buffer in the three wells was replaced with human, sheep or chicken IgG, but the fourth was left as a reference containing buffer only. Finally, the IgG was removed and the wells were rinsed again and filled with PBS, and data was acquired during the last 30 minutes.

プロテインAを、15の多孔性ガラスおよび16のポリマーセンサーウェルに導入した。洗浄工程後に得られたPWVシフトは、多孔性ガラスデバイスについて約4倍大きかった。図13は、多孔性ガラスセンサーについてプロテインAとのヒト、ヒツジおよびニワトリのIgGの測定された結合反応速度論を図示するが、図14は、各々の抗体について2つのデバイスの間のエンドポイントPWVシフト比較(IgGなしの参照ウェルと比較)を示す。プロテインA表面吸着は、PPL生体物質接着試験で観察されたのと同様、ポリマーセンサー表面上でかなり急速に飽和した。多孔性ガラスデバイスは、プロテインAについて高い親和性を有する抗体ほど、より大きい感度を示す。ヒトIgG結合は、2倍の感度で検出されたが、プロテインAについての特異性を欠くニワトリIgG(例えば、Richmanら,The binding of Staphylococci protein A by the sera of different animal species.Journal of Immunology,1982.128:2300〜2305頁を参照のこと)は、同等の応答を生じ、そして非特異的結合の測定値が得られる。   Protein A was introduced into 15 porous glasses and 16 polymer sensor wells. The PWV shift obtained after the cleaning process was about 4 times greater for porous glass devices. FIG. 13 illustrates the measured binding kinetics of human, sheep and chicken IgG with protein A for the porous glass sensor, while FIG. 14 illustrates the endpoint PWV between the two devices for each antibody. A shift comparison (compared to a reference well without IgG) is shown. Protein A surface adsorption saturated quite rapidly on the polymer sensor surface, similar to that observed in the PPL biomaterial adhesion test. Porous glass devices show greater sensitivity for antibodies with higher affinity for protein A. Human IgG binding was detected with a 2-fold sensitivity, but lacks specificity for protein A (see, for example, Richman et al., The binding of Staphylococci protein A by the sera of diffractive animal specialties. 2 .128: 2300-2305) produces an equivalent response and gives a measure of non-specific binding.

フォトニック結晶バイオセンサーは、電磁エネルギーを、その表面上に沈着された液体試験サンプル由来の生物学的物質とカップリングさせるように設計される。このデバイス自体は、低屈折率表面構造および高屈折率誘電性コーティングから構成されるが、その表面構造を満たす液体試験サンプルも、センサーの不可欠な部分−そして共鳴波長の変化を誘導し得る唯一の動的成分とみなさなければならない。フォトニック結晶バイオセンサー構造への過度に低屈折率の物質を組み込む動機は、液体試験サンプルとより強力に相互作用し、そして表面吸着物質と相互作用しないフォトニック結晶の内部領域と弱く相互作用するように共鳴波長の電磁場をバイアスすることである。   Photonic crystal biosensors are designed to couple electromagnetic energy with biological material from a liquid test sample deposited on its surface. The device itself is composed of a low refractive index surface structure and a high refractive index dielectric coating, but the liquid test sample that fills the surface structure is also the only part of the sensor that can induce changes in the resonant wavelength and resonance wavelength. Must be considered a dynamic component. The motivation for incorporating an excessively low refractive index material into the photonic crystal biosensor structure interacts more strongly with the liquid test sample and weakly interacts with the internal region of the photonic crystal that does not interact with the surface adsorbent It is to bias the electromagnetic field of the resonance wavelength.

スピンオン低k誘電性物質の使用によって、急速な処理、構造的安定性および液体浸透の排除を要する集積回路製造業界における多額の投資を不要とする。この研究の固有の観点は、フォトリゾグラフィの使用なしにナノ多孔性ガラスフィルムにμm未満の表面構造を正確に与えるためのインプリンティング方法の使用である。硬化プロセスの初期段階の間に低kフィルムの表面にインプリントツールが存在しても、最終硬化された構造フィルムの屈折率は変わらなかった。このインプリンティング方法によって、「マスター」シリコンウェーハの作成においてのみ実質的な費用がかかり、次にこのウェーハを用いて、ほぼ無制限の数の「ドーター」PDMSインプリンティングツールを作成することができる。各々のPDMSツールは、ツールへの損害なしに多数のセンサー構造を作成するために用いることができる。なぜなら、このツールに合うスピンオンされた液体低k層を作成するにはほとんど力を必要としないからである。インプリンティング後、この低k誘電性フィルムを、容易に自動化される方法を用いて、ホットプレート上で急速に硬化させる。可塑性インプリンティングツールの使用は、シリコンマスターウェーハからの直接のインプリンティングよりも有利であることが見出された。なぜなら、PDMSモールドは、部分的に硬化された低kフィルムから剥がすことが容易であり、硬化プロセスの間に放出される揮発性溶媒の浸透を可能とするからである。ここで示す本研究ではわずか1×3インチの顕微鏡スライド領域をインプリントしたが、このインプリンティング方法は、全体的な96ウェルまたは384ウェルの標準的なマイクロプレート(ほぼ3×5インチ)を覆うのに十分なセンサー面積の大きさの作成を可能にする、より大きい表面積にスケールアップできる。   The use of spin-on low-k dielectric materials eliminates significant investment in the integrated circuit manufacturing industry that requires rapid processing, structural stability and elimination of liquid penetration. A unique aspect of this study is the use of imprinting methods to accurately give sub-μm surface structures to nanoporous glass films without the use of photolithography. The presence of an imprint tool on the surface of the low-k film during the initial stage of the curing process did not change the refractive index of the final cured structural film. This imprinting method incurs substantial costs only in the creation of “master” silicon wafers, which can then be used to create an almost unlimited number of “daughter” PDMS imprinting tools. Each PDMS tool can be used to create multiple sensor structures without damaging the tool. This is because little force is required to create a spun-on liquid low-k layer that fits this tool. After imprinting, the low-k dielectric film is rapidly cured on a hot plate using an easily automated method. The use of a plastic imprinting tool has been found to be advantageous over direct imprinting from a silicon master wafer. This is because PDMS molds are easy to peel off from a partially cured low-k film and allow penetration of volatile solvents released during the curing process. Although the present study presented here imprinted only a 1 × 3 inch microscope slide area, this imprinting method covers an entire 96 or 384 well standard microplate (approximately 3 × 5 inches). Can be scaled up to a larger surface area that allows the creation of a sensor area size sufficient.

多孔性ガラスセンサー構造とポリマーセンサー構造との比較の間に見出される興味深くかつ有用な結果は、バルク屈折率感度と表面吸着層感度との間の感度利得の不均衡である。コンピューターモデルによって、多孔性ガラスセンサー表面を覆う溶液のバルク屈折率変化によって誘導されるPWVシフトについて測定された約2倍の感度増大が正確に予測されるが、吸着された物質の薄層についてPWVシフトの約4倍の増大が一貫して測定された。ポリマー多層実験(図11)を用いて厚みの関数としてPWVシフトを測定することによって、本発明者らは、センサー表面からの距離の関数として、カップリングされた電磁場の相互作用の強度を特徴付けることが可能である。多孔性ガラスセンサーについては、相互作用は、吸着されたポリマーの最初のいくつかの単層については特に強力であるが、ポリマーの厚みとPWVとの間の関係は、ポリマーセンサー構造上の各々の吸着された単層について極めて線形である。試験サンプルと共鳴電磁場分布との間の相互作用は、極めて複雑である。なぜなら、検出される物質は、この構造の水平面および鉛直面に吸着されることができ、ここで特徴的な電磁場プロフィールが、各々の表面からサンプル中に伸びるからである。表面ベースの検出感度は、多孔性ガラスバイオセンサーのバルク感度の改善を超えて増強される。生体分子の相互作用のほとんどは、センサー表面から最初の2〜3ナノメートル内で生じると予測されるので、表面感度は、表面ベースの生化学的アッセイの状況では感度を増大するために最も重要なものである。   An interesting and useful result found during the comparison between porous glass sensor structures and polymer sensor structures is the sensitivity gain imbalance between bulk refractive index sensitivity and surface adsorbed layer sensitivity. The computer model accurately predicts an approximate 2-fold increase in sensitivity measured for the PWV shift induced by the bulk refractive index change of the solution over the porous glass sensor surface, but for a thin layer of adsorbed material, the PWV An approximately 4-fold increase in shift was consistently measured. By measuring the PWV shift as a function of thickness using a polymer multilayer experiment (FIG. 11), we characterize the strength of the coupled electromagnetic field interaction as a function of distance from the sensor surface. Is possible. For porous glass sensors, the interaction is particularly strong for the first few monolayers of adsorbed polymer, but the relationship between polymer thickness and PWV is different for each of the polymer sensor structures. It is very linear for the adsorbed monolayer. The interaction between the test sample and the resonant electromagnetic field distribution is extremely complex. This is because the substance to be detected can be adsorbed to the horizontal and vertical planes of this structure, where a characteristic electromagnetic field profile extends from each surface into the sample. Surface-based detection sensitivity is enhanced beyond improving the bulk sensitivity of porous glass biosensors. Since most biomolecule interactions are expected to occur within the first 2-3 nanometers from the sensor surface, surface sensitivity is most important for increasing sensitivity in the context of surface-based biochemical assays. It is a thing.

図1は、ナノ複製されたナノ多孔性フォトニック結晶バイオセンサーの図を示す。FIG. 1 shows a diagram of a nanoreplicated nanoporous photonic crystal biosensor. 図2は、GSolverシミュレーションによって推測される(A)バルクおよび(B)表面シフトを示す。FIG. 2 shows (A) bulk and (B) surface shift inferred by GSolver simulation. 図3Aは、インプリントしたおよび硬化した周期性NANOGLASS(登録商標)構造のSEM画像を示す。FIG. 3A shows an SEM image of an imprinted and cured periodic NANOGLASS® structure. 図3Bは、インプリントしたおよび硬化した周期性NANOGLASS(登録商標)構造のSEM画像を示す。FIG. 3B shows an SEM image of the imprinted and cured periodic NANOGLASS® structure. 図4は、脱イオン水(DI)およびイソプロピルアルコール(IPA)に浸漬したときのナノ多孔性センサーの実験的な応答を示す。FIG. 4 shows the experimental response of the nanoporous sensor when immersed in deionized water (DI) and isopropyl alcohol (IPA). 図5Aは、ナノ多孔性センサー製造のための工程経路を示す。FIG. 5A shows a process path for manufacturing a nanoporous sensor. 図5Bは、ナノ多孔性センサー製造のための工程経路を示す。FIG. 5B shows a process path for manufacturing a nanoporous sensor. 図5Cは、ナノ多孔性センサー製造のための工程経路を示す。FIG. 5C shows a process path for manufacturing a nanoporous sensor. 図5Dは、ナノ多孔性センサー製造のための工程経路を示す。FIG. 5D shows a process path for manufacturing a nanoporous sensor. 図5Eは、ナノ多孔性センサー製造のための工程経路を示す。FIG. 5E shows a process path for manufacturing a nanoporous sensor. 図5Fは、ナノ多孔性センサー製造のための工程経路を示す。FIG. 5F shows a process path for manufacturing a nanoporous sensor. 図6は、高誘電率のナノ多孔性フォトニック結晶センサーの図を示す。FIG. 6 shows a diagram of a high dielectric constant nanoporous photonic crystal sensor. 図7は、多孔性ガラスセンサーの断面図を示す。FIG. 7 shows a cross-sectional view of a porous glass sensor. 図8は、RCWAシミュレーションによって推測されるような、脱イオン水に曝された多孔性ガラスセンサーの共鳴ピークを示す。FIG. 8 shows the resonance peak of a porous glass sensor exposed to deionized water, as estimated by RCWA simulation. 図9は、脱イオン水に浸漬されたナノ多孔性ガラスセンサーの実験的に測定された共鳴ピークを示す。FIG. 9 shows the experimentally measured resonance peak of a nanoporous glass sensor immersed in deionized water. 図10は、多孔性ガラスおよびポリマーセンサーデザインの両方の上に成膜されたPPLについてPWVシフトを比較する反応速度論的なプロットを示す。FIG. 10 shows a kinetic plot comparing PWV shifts for PPL deposited on both porous glass and polymer sensor designs. 図11は、PSSおよびPAHの交互の層が総測定シフトに寄与する、PWVシフト対ポリマー厚の部分的プロフィールを示す。FIG. 11 shows a partial profile of PWV shift versus polymer thickness where alternating layers of PSS and PAH contribute to the total measured shift. 図12は、多孔性ガラスおよびポリマーセンサーデザインの両方の上に成膜されたプロテインAについてPWVシフトを比較する反応速度論的なプロットを示す。FIG. 12 shows a kinetic plot comparing PWV shifts for protein A deposited on both porous glass and polymer sensor designs. 図13は、ナノ多孔性ガラスセンサーで測定されたプロテインAに対する3つの動物のIgGの結合反応速度論を示す。FIG. 13 shows the binding kinetics of three animal IgGs to protein A measured with a nanoporous glass sensor. 図14は、種々のIgG−プロテインA相互作用の各々についてのPWVシフトのセンサー比較を示す。FIG. 14 shows a sensor comparison of PWV shift for each of the various IgG-Protein A interactions.

Claims (31)

低屈折率を有し、基板によって底面上に支持され、かつ高誘電率の誘電性コーティングで頂部表面上にコーティングされたナノ多孔性物質を備えるセンサーであって;
該高誘電率の誘電性コーティングまたはナノ多孔性物質と組み合わさった高誘電率の誘電性コーティングがサブ波長間隔格子構造を形成し;
該センサーが照射されると、反射された放射線スペクトルで共鳴格子効果が生じ;そして
該サブ波長間隔格子構造の深さおよび間隔が該共鳴格子効果の波長よりも小さい、センサー。
A sensor comprising a nanoporous material having a low refractive index, supported on a bottom surface by a substrate, and coated on a top surface with a high dielectric constant dielectric coating;
The high dielectric constant dielectric coating or the high dielectric constant dielectric coating combined with the nanoporous material forms a sub-wavelength grating structure;
When the sensor is illuminated, a resonant grating effect occurs in the reflected radiation spectrum; and the depth and spacing of the sub-wavelength spacing grating structure is smaller than the wavelength of the resonant grating effect.
前記センサーが、広い帯域の光学波長で照射されると、狭い帯域の光学波長が該センサーから反射されるものである、請求項1に記載のセンサー。   The sensor according to claim 1, wherein when the sensor is irradiated with a wide band of optical wavelengths, the narrow band of optical wavelengths is reflected from the sensor. 前記ナノ多孔性物質の屈折率が、約1.1〜約2.2である、請求項1に記載のセンサー。   The sensor of claim 1, wherein the refractive index of the nanoporous material is from about 1.1 to about 2.2. 前記多孔性物質の屈折率が約1.1〜約1.5である、請求項1に記載のセンサー。   The sensor of claim 1, wherein the refractive index of the porous material is from about 1.1 to about 1.5. 前記サブ波長間隔格子構造の間隔が約50nm〜約1,500nmであり、かつ該サブ波長間隔格子構造の深さが約50nm〜約900nmである、請求項1に記載のセンサー。   The sensor of claim 1, wherein the spacing of the sub-wavelength spacing grating structure is from about 50 nm to about 1,500 nm, and the depth of the sub-wavelength spacing grating structure is from about 50 nm to about 900 nm. 前記ナノ多孔性物質が、多孔性シリカキセロゲル、多孔性エアロゲル、多孔性ヒドロゲン・シルセスキオキサン、B段階ポリマー、多孔性メチルシルセスキオキサン、多孔性ポリ(アリーレンエーテル)またはそれらの組み合わせである、請求項1に記載のセンサー。   The nanoporous material is porous silica xerogel, porous airgel, porous hydrogen silsesquioxane, B-stage polymer, porous methylsilsesquioxane, porous poly (arylene ether) or a combination thereof. The sensor according to claim 1. 前記基板が、ガラス、プラスチック、またはエポキシを含む、請求項1に記載のセンサー。   The sensor of claim 1, wherein the substrate comprises glass, plastic, or epoxy. 前記誘電性コーティングの屈折率が約1.8〜約3.0である、請求項1に記載のセンサー。   The sensor of claim 1, wherein the refractive index of the dielectric coating is about 1.8 to about 3.0. 前記誘電性コーティングが酸化スズ、五酸化タンタル、硫化亜鉛、二酸化チタン、窒化ケイ素またはそれらの組み合わせを含む、請求項1に記載のセンサー。   The sensor of claim 1, wherein the dielectric coating comprises tin oxide, tantalum pentoxide, zinc sulfide, titanium dioxide, silicon nitride, or combinations thereof. 前記基板の屈折率が約1.4〜約1.6である、請求項1に記載のセンサー。   The sensor of claim 1, wherein the refractive index of the substrate is from about 1.4 to about 1.6. 前記誘電性コーティングの厚みが約30nm〜約700nmであり、かつ前記ナノ多孔性物質の厚みが約10nm〜約5,000nmである、請求項1に記載のセンサー。   The sensor of claim 1, wherein the dielectric coating has a thickness of about 30 nm to about 700 nm, and the nanoporous material has a thickness of about 10 nm to about 5,000 nm. 前記誘電性コーティングがその頂部表面上にカバー層を有する、請求項1に記載のセンサー。   The sensor of claim 1, wherein the dielectric coating has a cover layer on its top surface. 前記センサーがさらに、前記高誘電率の誘電性コーティング上に固定化された1つ以上の特異的な結合物質を含む、請求項1に記載のセンサー。   The sensor of claim 1, wherein the sensor further comprises one or more specific binding substances immobilized on the high dielectric constant dielectric coating. 前記センサーがさらに、前記カバー層上に固定化された1つ以上の特異的な結合物質を含む、請求項12に記載のセンサー。   The sensor of claim 12, wherein the sensor further comprises one or more specific binding substances immobilized on the cover layer. 前記1つ以上の特異的な結合物質が、検出可能標識を含まない、請求項13に記載のセンサー。   14. A sensor according to claim 13, wherein the one or more specific binding substances do not comprise a detectable label. 前記1つ以上の特異的な結合物質が、それらの結合パートナーに結合する、請求項13に記載のセンサー。   14. A sensor according to claim 13, wherein the one or more specific binding substances bind to their binding partners. 前記1つ以上の特異的結合物質および前記結合パートナーが検出可能な標識を含まない、請求項16に記載のセンサー。   17. A sensor according to claim 16, wherein the one or more specific binding substances and the binding partner do not comprise a detectable label. 前記1つ以上の特異的結合物質が、前記高誘電率の誘電性コーティング上にアレイで整列される、請求項13に記載のセンサー。   14. The sensor of claim 13, wherein the one or more specific binding substances are aligned in an array on the high dielectric constant dielectric coating. 前記1つ以上の特異的結合物質が、前記カバー層上にアレイで整列される、請求項14に記載のセンサー。   The sensor of claim 14, wherein the one or more specific binding substances are aligned in an array on the cover layer. 基板をカバーする導波路フィルムによって形成される導波路構造を備えるセンサーであって、該導波路フィルムが、基板の屈折率よりも高い屈折率を有し、そして回折格子が、該導波路構造中に含まれ、該回折格子が、低誘電率を有するナノ多孔性物質から構成される、センサー。   A sensor comprising a waveguide structure formed by a waveguide film covering a substrate, wherein the waveguide film has a refractive index higher than that of the substrate, and a diffraction grating is in the waveguide structure. And the diffraction grating is composed of a nanoporous material having a low dielectric constant. 前記ナノ多孔性物質の屈折率が約1.1〜約1.5である、請求項20に記載のセンサー。   21. The sensor of claim 20, wherein the nanoporous material has a refractive index of about 1.1 to about 1.5. 前記ナノ多孔性物質の屈折率が約1.1〜約2.2である、請求項20に記載のセンサー。   21. The sensor of claim 20, wherein the nanoporous material has a refractive index of about 1.1 to about 2.2. 前記ナノ多孔性物質が、多孔性シリカキセロゲル、多孔性エアロゲル、多孔性ヒドロゲン・シルセスキオキサン、B段階ポリマー、多孔性メチルシルセスキオキサン、多孔性ポリ(アリーレンエーテル)またはそれらの組み合わせである、請求項20に記載のセンサー。   The nanoporous material is porous silica xerogel, porous airgel, porous hydrogen silsesquioxane, B-stage polymer, porous methylsilsesquioxane, porous poly (arylene ether) or a combination thereof. The sensor according to claim 20. 前記基板が、ガラス、エポキシ、またはプラスチックを含む、請求項20に記載のセンサー。   The sensor of claim 20, wherein the substrate comprises glass, epoxy, or plastic. 前記導波路フィルムが、酸化スズ、五酸化タンタル、硫化亜鉛、二酸化チタン、窒化ケイ素またはそれらの組み合わせを含む、請求項20に記載のセンサー。   21. The sensor of claim 20, wherein the waveguide film comprises tin oxide, tantalum pentoxide, zinc sulfide, titanium dioxide, silicon nitride, or combinations thereof. 前記導波路フィルムがポリマーを含む、請求項20に記載のセンサー。   21. The sensor of claim 20, wherein the waveguide film comprises a polymer. 前記センサーがさらに、前記導波路フィルム上に固定化された1つ以上の特異的な結合物質を含む、請求項20に記載のセンサー。   21. The sensor of claim 20, wherein the sensor further comprises one or more specific binding substances immobilized on the waveguide film. 前記1つ以上の特異的な結合物質が検出可能標識を含まない、請求項27に記載のセンサー。   28. The sensor of claim 27, wherein the one or more specific binding substances do not comprise a detectable label. 前記1つ以上の特異的な結合物質が、それらの結合パートナーに結合する、請求項28に記載のセンサー。   30. The sensor of claim 28, wherein the one or more specific binding substances bind to their binding partners. 前記1つ以上の特異的結合物質および前記結合パートナーが検出可能な標識を含まない、請求項29に記載のセンサー。   30. The sensor of claim 29, wherein the one or more specific binding substances and the binding partner do not comprise a detectable label. 前記1つ以上の特異的結合物質が、前記高屈折率の誘電性コーティング上にアレイで整列される、請求項27に記載のセンサー。
28. The sensor of claim 27, wherein the one or more specific binding substances are arrayed on the high refractive index dielectric coating.
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