JP2009536738A - 空中浮遊分析物を空気中で直接検出するための自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサー - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2007年1月23日出願の米国特許出願第11/625,919号、名称「Self-Exciting, Self-Sensing Piezoelectric Cantilever Sensor」の優先権を主張し、これは本明細書に参照としてその全体が組み込まれる。米国特許出願第11/625,919号は、2006年1月23日出願の米国特許仮出願第60/761,172号、名称「Piezoelectric Cantilever Sensors」および2006年7月11日出願の米国特許仮出願第60/807,020号、名称「Piezoelectric Cantilever Sensors」の優先権を主張する;これらはともに本明細書に参照としてその全体が組み込まれる。本出願はまた、2006年5月10日出願の米国特許仮出願第60/746,951号、名称「Detection of Airborne Pathogens Directly in Air」の優先権も主張し、これも本明細書に参照としてその全体が組み込まれる。
本技術分野は一般にセンサーに関し、さらに具体的には、圧電カンチレバーセンサーならびに、圧電カンチレバーセンサーを用いて分析物を検出および測定することに関する。
カンチレバーセンサーは、センサーの寸法により、マイクロカンチレバーとマクロカンチレバーの大きく2種類に分類することができる。マイクロカンチレバーセンサーは、静的(曲げ)モードおよび動的(共振)モードの両方で用いることができる。静的モードにおいては、カンチレバーアームの変形を測定して、分析物(分析されている物質)が存在するかどうかを決定する。動的モードにおいては、共振周波数を測定して、分析物が存在するかどうかを決定する。マクロカンチレバーセンサーは一般に静的モードでは用いず、これはカンチレバーアームの曲げが多くの場合制限されているからである。マクロカンチレバーセンサーは、液体浸漬状態または気体中または真空下で用いることができる。一般に、カンチレバーセンサーを液体中より気体/真空中で用いる場合に、感度はより高くなる。液体に湿らせることは感度に悪影響を与える傾向がある。しかし、液体媒体中で分析物を測定することには、多くの実際的な用途がある。
自己励振・自己検出型圧電カンチレバー検出装置は、圧電層と、これに取り付けられた非圧電層であって、非圧電層の遠位端が圧電層の遠位端を越えて伸びるか、または圧電層の遠位端が非圧電層の遠位端を越えて伸びるような様式で取り付けられている、前記非圧電層とを含む。すなわち、圧電層は非圧電層に、圧電層と非圧電層が同一の広がりを持たない様式で結合している。本圧電カンチレバー検出装置の種々の構成において、圧電層、非圧電層、または両者は、少なくとも1つのベースに固定されている。電極は、圧電層と動作可能に関連する。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、質量変化を検出するために用いられる。検出装置上の分析物の質量を決定するために、カンチレバーセンサーの機械要素の共振周波数を測定する。測定された共振周波数をベースライン共振周波数と比較して、周波数の差を決定する。周波数の差は、検出装置上の分析物の質量を示す。
上記の概要および以下の詳細な説明は、添付の図面と併せて読む場合によりよく理解される。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの説明のために、その例示の構造が図面に示されている;しかし、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、開示された特定の方法および手段に限定されるものではない。
本明細書に記載の自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、極少量の分析物を検出および測定する能力を提供する。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、液体中に浸漬された分析物、および気体または真空中に含まれる分析物を、検出および測定するために用いることができる。種々の例示の構成において、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、少なくとも1つの圧電層および少なくとも1つの非圧電層を含み、ここで圧電層は非圧電層に、圧電層と非圧電層が同一の広がりを持たない様式で結合している。圧電層、非圧電層、または両者は、少なくとも1つのベースに固定されている。圧電層および非圧電層は、種々の幅、長さおよび厚さであることができる。
出願人は、気相における標的分析物の検出に関する、公表された情報を見出せなかった。本発明は、気相における標的分析物の、分析物をセンサー内の識別実体に結合することによる検出に関する。識別実体は、標的分析物への親和性を示す。生物学的識別実体の例は、ポリクローナルおよびモノクローナル抗体、単鎖抗体(scFv)、アプタマー(標的分子を検出するために特異的に開発された合成DNA)、組換えおよび天然ファージなどを含む。1つの態様において、例えば本明細書に記載されたような周波数変換法を用いる場合、検出器は、空中浮遊分析物の濃度を検出するための識別実体として、固定化抗体を使用する。固定化抗体は、識別実体として、空中検出のために用いるセンサー表面に取り付けられる抗体である。この種類の空中検出は、細菌、ウィルス、接合子嚢、プリオンおよび胞子を含む病原体などの生物学的物質、および化学物質などの非生物学的物質の、迅速で正確な検出を提供する。細菌、胞子などの生物学的脅威、および爆発性または毒性化学物質などの化学的脅威を検出することができる。
図35〜47の全ての構成は、気体または液体媒体中の分析物を検出するために用いることができるセンサーの構成に、図19A〜19Gの構成同様に有用である。したがって、図35〜47の構成の用途は、本明細書において、空中浮遊化学物質または生物製剤の検出のために記載されたものと同様である。図35〜47は、図19A〜19Gのものと、いくつかの特性を共有する。例えば指示されている場合には、ベース要素20が存在して、ここに圧電14(P)型の要素または非圧電16型の要素のどちらかが取り付けられる。接着層18は、P型層14をNP型層16から隔てる。図35〜47には、点30において圧電14型の要素の種々の位置に接続されて、カンチレバー構造またはビーム構造を励振させる、電極28が示される。図35〜47は、PEMCおよびPEMCBデバイスと共に実装可能な広い範囲の構成を示す。それらの各々の簡単な説明は以下である。
Claims (61)
- 以下のステップを含む、空中浮遊標的分析物を検出するための方法:
ミリメートルサイズのセンサーを提供すること、ここで該センサーは、
第1端および第2端を有する圧電層、ここで第1端は第1ベースに隣接して取り付けられており、
第1端および第2端を有する非圧電層、ここで非圧電層の一部は圧電層と重なりこれに取り付けられており、
非圧電層に付随する識別実体、ここで圧電層、非圧電層、および認識実体の組み合わせは、カンチレバー部を構成し、および
圧電層に動作可能に取り付けられた電極、ここで電極からの電気刺激は、カンチレバー部を振動させる、
を含み;
前記ミリメートルサイズのセンサーを気流中に実装すること;
カンチレバーの識別実体を、気流中の標的分析物に暴露すること;
カンチレバーの発振周波数を測定すること;および
測定した発振周波数をベースライン発振周波数と比較して、識別実体上の標的分析物の存在を示す周波数シフトを決定すること。 - ミリメートルサイズのセンサーを提供することが、圧電層が、直線状に配置された圧電部と非圧電部の両方を含む、センサーを提供することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- ミリメートルサイズのセンサーを提供することが、圧電層が、接着剤で隔てられた2つの圧電層を含む、センサーを提供することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- ミリメートルサイズのセンサーを提供することが、非圧電層が、間隔を空けて直線状に配置された複数の非圧電部を含む、センサーを提供することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 識別実体上に存在する標的分析物の量を決定すること;
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - ミリメートルサイズのセンサーを提供することが、識別実体が、抗体、DNA分子、アプタマー、ファージおよび生化学的試薬からなる群の1つから選択され、および選択物が、天然および合成により構成されたものからなる群の1つである、ミリメートルサイズのセンサーを提供することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 識別実体が、空中浮遊分析物を認識し結合する抗体である、請求項6に記載の方法。
- 空中浮遊分析物が、抗体と結合することによりカンチレバーセンサー表面に化学的に固定化される、請求項7に記載の方法。
- カンチレバーの識別実体を気流中の標的分析物に暴露することが、識別実体を、気流中の生物学的物質および化学物質からなる群の1種に暴露することを含む、請求項1に記載の方法。
- 生物学的物質が、炭疽菌胞子である、請求項9に記載の方法。
- 複数のミリメートルサイズのセンサーをセンサーアレイ内に提供すること、ここでアレイ内の複数のミリメートルサイズのセンサーの各々は気流に暴露されて、少なくとも1種の分析物を検出する、
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 少なくとも1種の分析物が、複数の周波数シフトを測定することにより検出され、1つの周波数シフトは提供されたミリメートルサイズのセンサーの各々に対するものである、請求項11に記載の方法。
- ミリメートルサイズのセンサーを気流中に実装することが、ミリメートルサイズのセンサーを気流に対して実質的に直角に実装することを含む、請求項1に記載の方法。
- 気流が、0.01〜10m/sの範囲である、請求項13に記載の方法。
- カンチレバーの識別実体を気流中の標的分析物に暴露することが、識別実体を標的分析物に、液体媒体中で標的分析物を収集することなく暴露することを含む、請求項1に記載の方法。
- カンチレバーの発振周波数を測定することが、標的分析物への暴露後にカンチレバーが振動したところの共振周波数を測定することを含む、請求項1に記載の方法。
- ミリメートルサイズのセンサーを提供することが、非圧電層の第2端が第2ベースに取り付けられているミリメートルサイズのセンサーを提供することを含む、請求項1に記載の方法。
- 以下のステップを含む、空中浮遊標的分析物を検出するための方法:
ミリメートルサイズのセンサーを提供すること、ここで該センサーは、
第1端および第2端を有する第1非圧電層、ここで第1端は第1ベースに隣接して取り付けられており、
第1端および第2端を有する圧電層、ここで圧電層の一部は第1非圧電層に直線状の配置で取り付けられており、
第2非圧電層に付随する識別実体、ここで第2非圧電層は圧電層に重なりこれに取り付けられており、ここで圧電層、第1および第2非圧電層、および認識実体の組み合わせは、カンチレバー部を構成し、および
圧電層に動作可能に取り付けられた電極、ここで電極からの電気刺激は、カンチレバー部を振動させる、
を含み;
前記ミリメートルサイズのセンサーを気流中に実装すること;
カンチレバーの識別実体を、気流中の標的分析物に暴露すること;
カンチレバーの発振周波数を測定すること;および
測定した発振周波数をベースライン発振周波数と比較して、識別実体上の標的分析物の存在を示す周波数シフトを決定すること。 - 以下のステップを含む、空中浮遊標的分析物を検出するための方法:
ミリメートルサイズのセンサーを提供すること、ここで該センサーは、
第1ベースに取り付けられた第1端および第2ベースに取り付けられた第2端を有する非圧電層、ここで非圧電層は、第1ベースと第2ベースの間にビームを形成し、
非圧電層に接着された第1圧電層、
非圧電層および圧電層からなる群の1つに付随する識別実体、ここで、圧電層、ビーム、および識別実体の組み合わせは、カンチレバー部を構成し;および
圧電層に動作可能に取り付けられた電極、ここで電極からの電気刺激は、カンチレバー部を振動させる、
を含み;
前記ミリメートルサイズのセンサーを気流中に実装すること;
カンチレバーの識別実体を、気流中の標的分析物に暴露すること;
カンチレバーの発振周波数を測定すること;および
測定した発振周波数をベースライン発振周波数と比較して、識別実体上の標的分析物の存在を示す周波数シフトを決定すること。 - ミリメートルサイズのセンサーを提供することが、非圧電層が、直線状に配置された圧電部と非圧電部の両方を含む、センサーを提供することをさらに含む、請求項19に記載の方法。
- 識別実体上に存在する標的分析物の量を決定すること;
をさらに含む、請求項19に記載の方法。 - ミリメートルサイズのセンサーを提供することが、識別実体が、抗体、DNA分子、アプタマー、ファージおよび生化学的試薬からなる群の1つから選択され、および選択物が、天然および合成により構成されたものからなる群の1つである、ミリメートルサイズのセンサーを提供することをさらに含む、請求項19に記載の方法。
- 識別実体が、空中浮遊分析物を認識し結合する抗体であり、カンチレバーセンサー表面に化学的に固定化されている、請求項22に記載の方法。
- カンチレバーの識別実体を気流中の標的分析物に暴露することが、識別実体を、気流中の生物学的物質および化学物質からなる群の1種に暴露することを含む、請求項19に記載の方法。
- 生物学的物質が、炭疽菌胞子である、請求項24に記載の方法。
- 複数のミリメートルサイズのセンサーをセンサーアレイ内に提供すること、ここでアレイ内の複数のミリメートルサイズのセンサーの各々は、気流に暴露されて、少なくとも1種の分析物を検出する、
をさらに含む、請求項19に記載の方法。 - 気流が、0.01〜10m/sの範囲である、請求項19に記載の方法。
- カンチレバーの識別実体を気流中の標的分析物に暴露することが、識別実体を標的分析物に、液体媒体中で標的分析物を収集することなく暴露することを含む、請求項19に記載の方法。
- カンチレバーの発振周波数を測定することが、標的分析物への暴露後にカンチレバーが振動したところの共振周波数を測定することを含む、請求項19に記載の方法。
- ミリメートルサイズのセンサーを提供することが、ビーム上に位置する第2圧電層を有し、第2圧電層が第1圧電層から隔てられている、ミリメートルサイズのセンサーを提供することを含む、請求項19に記載の方法。
- 以下のステップを含む、空中浮遊標的分析物を検出するための方法:
ミリメートルサイズのセンサーを提供すること、ここで該センサーは、
第1ベースに取り付けられた第1端および第2ベースに取り付けられた第2端を有する圧電層、ここで圧電層は、第1ベースと第2ベースの間に少なくともビームの一部を形成し、
圧電層に接着された非圧電層、
非圧電層および圧電層からなる群の1つに付随する識別実体、ここで、圧電層、ビーム、および識別実体の組み合わせは、カンチレバー部を構成し;および
圧電層に動作可能に取り付けられた電極、ここで電極からの電気刺激は、カンチレバー部を振動させる、
を含み;
前記ミリメートルサイズのセンサーを気流中に実装すること;
カンチレバーの識別実体を、気流中の標的分析物に暴露すること;
カンチレバーの発振周波数を測定すること;および
測定した発振周波数をベースライン発振周波数と比較して、識別実体上の標的分析物の存在を示す周波数シフトを決定すること;および
識別実体上に存在する標的分析物の量を決定すること。 - ミリメートルサイズのセンサーを提供することが、圧電層が、接着剤で隔てられた2つの圧電層を含む、センサーを提供することをさらに含む、請求項31に記載の方法。
- ミリメートルサイズのセンサーを提供することが、非圧電層が、間隔を空けて直線状に配置された複数の非圧電部を含む、センサーを提供することをさらに含む、請求項31に記載の方法。
- ミリメートルサイズのセンサーを提供することが、識別実体が、抗体およびDNA分子からなる群の1つから選択される、ミリメートルサイズのセンサーを提供することをさらに含む、請求項31に記載の方法。
- 識別実体が、空中浮遊分析物を認識し結合する抗体であり、カンチレバーセンサー表面に化学的に固定化されている、請求項31に記載の方法。
- カンチレバーの識別実体を気流中の標的分析物に暴露することが、識別実体を、気流中の生物学的物質および化学物質からなる群の1種に暴露することを含む、請求項31に記載の方法。
- 生物学的物質が、細菌、ウィルス、接合子嚢、プリオンおよび胞子からなる群の1種である、請求項36に記載の方法。
- 生物学的物質が、炭疽菌胞子である、請求項36に記載の方法。
- 以下を含む、空中浮遊標的分析物を検出するための装置:
ミリメートルサイズのセンサー、ここで該センサーは、
第1端および第2端を有する第1層、ここで第1端は第1ベースに隣接して取り付けられており、
第1端および第2端を有する第2層、ここで第2層の一部は第1層と重なりこれに接着剤で取り付けられており、ここで第1層は、圧電材料および非圧電材料からなる群から選択され、第2層は第1層とは異なる材料であり、
第2層に付随する識別実体、ここで第1層、第2層および認識実体の組み合わせは、カンチレバー部を構成し、および
圧電材料に動作可能に取り付けられた電極、ここで電極からの電気刺激は、カンチレバー部を振動させる、
を含み;
前記ミリメートルサイズのセンサーを含む、暴露管アセンブリ;
標的分析物をエアロゾル化する噴霧器;
噴霧器に給気し、エアロゾル化された標的分析物を暴露管アセンブリに渡すためにも用いられる、給気源;
共振周波数データをミリメートルサイズのセンサーから収集する分析器であって、ミリメートルサイズのセンサーの測定した共振周波数をベースライン共振周波数と比較して周波数変化を決定し、該周波数変化は、ミリメートルサイズのセンサーの識別実体上に収集された標的分析物の質量を示す、前記分析器。 - ミリメートルサイズのセンサーのアレイをさらに含み、アレイ中の各センサーは、少なくとも1種の分析物の存在および量を決定するために分析器に周波数情報を提供する、請求項39に記載の装置。
- 分析物が炭疽菌胞子である、請求項39に記載の装置。
- 以下を含む、空中浮遊分析物を検出するための方法:
基本共振周波数を有するカンチレバー検出デバイスの表面を、固定化抗体で被覆すること;
被覆表面を気流に暴露すること、ここで、気流が空中浮遊分析物を含む場合は、固定化抗体に適合する空中浮遊分析物は被覆表面に結合し;
カンチレバー検出デバイスの発振周波数を測定すること;
識別実体に結合した空中浮遊分析物の量を決定すること。 - 以下を含む、空中浮遊分析物を検出するための方法:
カンチレバー検出デバイスの表面を、固定化抗体、アプタマー、組み換えファージ、およびDNA分子からなる群の1種を有する識別実体で被覆すること;
被覆表面を気流に暴露すること、ここで、気流が空中浮遊分析物を含む場合は、識別実体に適合する空中浮遊分析物は被覆表面に結合し;
計算手段を備えた変換器機構を用いて、識別実体に結合した空中浮遊分析物の量を決定すること。 - 空中浮遊分析物を検出するセンサーを保持するための装置であって、該装置は、
気体流を入力するための気体注入口;
気体流を気体注入口から排気口へと送る気体流チャンバーを含む、ボディ部;および
センサーを保持する実装部、ここでセンサー上の識別実体は、ボディ部内の気体流に暴露される;
を含み、ここで前記センサーは、識別実体に結合した分析物の質量を検出するミリメートルサイズのカンチレバーデバイスである、前記装置。 - 識別実体が、固定化抗体である、請求項44に記載の装置。
- センサーが、自由端型カンチレバーデバイスおよびビーム型カンチレバーデバイスからなるデバイスの群の1種であるカンチレバーデバイスを含み、ここでセンサーは、圧電および非圧電材料の層を含む、請求項44に記載の装置。
- 以下を含む、標的分析物を検出するための装置:
第1端および第2端を有する圧電層、ここで第1端は第1ベースに隣接して取り付けられており;
第1端および第2端を有する非圧電層、ここで非圧電層の一部は圧電層と重なりこれに取り付けられており;
非圧電層に付随する識別実体、ここで圧電層、非圧電層、および認識実体の組み合わせは、カンチレバー部を構成し;および
圧電層に動作可能に取り付けられた電極、ここで電極からの電気刺激は、カンチレバー部を振動させる。 - 圧電層が、直線状に配置された圧電部と非圧電部の両方をさらに含む、請求項47に記載の装置。
- 圧電層が、接着剤で隔てられた2つの圧電層をさらに含む、請求項47に記載の装置。
- 非圧電層が、間隔を空けて直線状に配置された複数の非圧電部をさらに含む、請求項47に記載の装置。
- 以下を含む、標的分析物を検出するための装置:
第1端および第2端を有する第1非圧電層、ここで第1端は第1ベースに隣接して取り付けられており;
第1端および第2端を有する圧電層、ここで圧電層の一部は第1非圧電層に直線状の配置で取り付けられており;
第2非圧電層に付随する識別実体、ここで第2非圧電層は圧電層に重なりこれに取り付けられており、ここで圧電層、第1および第2非圧電層、および認識実体の組み合わせは、カンチレバー部を構成し;および
圧電層に動作可能に取り付けられた電極、ここで電極からの電気刺激は、カンチレバー部を振動させる。 - 以下を含む、標的分析物を検出するための装置:
第1ベースに取り付けられた第1端および第2ベースに取り付けられた第2端を有する非圧電層、ここで非圧電層は、第1ベースと第2ベースの間にビームを形成し;
非圧電層に接着された第1圧電層;
非圧電層および圧電層からなる群の1つに付随する識別実体、ここで、圧電層、ビーム、および識別実体の組み合わせは、カンチレバー部を構成し;および
圧電層に動作可能に取り付けられた電極、ここで電極からの電気刺激は、カンチレバー部を振動させる。 - 非圧電層が、直線状に配置された圧電部と非圧電部の両方を含む、請求項52に記載の装置。
- 以下を含む、標的分析物を検出するための装置:
第1ベースに取り付けられた第1端および第2ベースに取り付けられた第2端を有する圧電層、ここで圧電層は、第1ベースと第2ベースの間に少なくともビームの一部を形成し;
圧電層に接着された非圧電層;
非圧電層および圧電層からなる群の1つに付随する識別実体、ここで、圧電層、ビーム、および識別実体の組み合わせは、カンチレバー部を構成し;および
圧電層に動作可能に取り付けられた電極、ここで電極からの電気刺激は、カンチレバー部を振動させる。 - 圧電層が、接着剤で隔てられた2つの圧電層を含む、請求項54に記載の装置。
- 非圧電層が、間隔を空けて直線状に配置された複数の非圧電部を含む、請求項54に記載の装置。
- 標的分析物を検出するための装置であって、該装置は、
ミリメートルサイズのセンサーを含み、該センサーは、
ベース;
近接端においてベースに取り付けられた圧電層;
圧電層の遠位部に取り付けられた非圧電層;
圧電層に動作可能に取り付けられた電極、ここで電極の電気的励振は、圧電層に機械的振動を引き起こし、ここで共振での振動は、非共振での振動よりも、高いレベルの応力をセンサーに与え;および
ここで圧電層への電極の取り付けは、圧電層の他の点と比べて圧電層における電気インピーダンスの増加を示す圧電層上の点に近接している、
を含む、前記装置。 - 電気インピーダンスの増加が、圧電層上での応力の増加を示す、請求項57に記載の装置。
- 標的分析物を検出するための装置であって、該装置は、
ミリメートルサイズのセンサーを含み、該センサーは、
ベース;
近接端においてベースに取り付けられた圧電層;
圧電層の遠位部に取り付けられた非圧電層;
圧電層に動作可能に取り付けられた電極、ここで電極の電気的励振は、圧電層に機械的振動を引き起こし、ここで共振での振動は、非共振での振動よりも、高いレベルの応力をセンサーに与え;および
ここで標的分析物の検出を強化することは、センサーの曲げ係数を変化させて、電極取り付け点における応力および電気インピーダンスを増強することにより達成される、
を含む、前記装置。 - 標的分析物を検出するための装置であって、該装置は、
ミリメートルサイズのセンサーを含み、該センサーは、
ベース;
近接端においてベースに取り付けられた圧電層;
圧電層の遠位部に取り付けられた非圧電層;
圧電層に動作可能に取り付けられた電極、ここで電極の電気的励振は、圧電層に機械的振動を引き起こし、ここで共振での振動は、非共振での振動よりも、高いレベルの応力をセンサーに与え;および
ここで標的分析物の検出を強化することは、圧電層の形状および非圧電層の形状を選択して、電極の位置においてセンサーの少なくとも1つの基本高次モードを実現することにより達成され、ここで少なくとも1つの基本高次モードは、共振におけるインピーダンスおよび性質係数の関数である、
を含む、前記装置。 - センサーの非屈曲モードが、少なくとも1つの高次モードに比べて振幅強度において低減され;および
非屈曲モードが、電極位置での屈曲モード共振におけるインピーダンスに感知可能な寄与を与えない、
請求項60に記載の装置。
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