JP2020533580A - 検体の決定のためのナノセンサ方法および装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、米国仮特許出願第62/556186号(2017年9月8日出願、名称"Nanosensor Methods and Apparatuses for Determination of Analytes"、発明者"Quan, et al.")の利益を請求するものであり、これは参照により全体としてここに組み込まれる。
本発明は、一般に、いくつかの態様において、例えば、表面プラズモン共鳴、色変化などを介して、分子および他の構造(feature)の決定のためのナノセンサに関する物品および方法に関する。
シリコンナノ構造を、ラベルフリーのナノセンサとして製造して使用した。シリコンナノ構造を使用する利点は、製造プロセスがCMOS(相補的金属酸化膜半導体)と互換性があり、大量生産が可能であることである。製造したシリコンナノ構造は、例えば、この例では図6に示すように、直径が50〜300nmの間であり、高さが0.2〜2ミクロンの間であるナノロッドの形態にできる。暗視野像の下で異なる直径を持つナノロッドの色は、種々のスペクトル色を表示する(図7A〜7Bを参照)。250nm未満の直径では、各ナノロッドは、独特の色を有する。直径が約300nmより大きい場合、色スペクトルは同じようになる。シリコンナノ構造はまた、図8A〜図8に示すように、例えば、円錐、ニードル、ワイヤおよび粒子など、他の形態をとることもできる。使用した寸法は、50nm〜1マイクロメートルの範囲である。
この例では、様々な濃度のストレプトアビジンを検査した(図10A〜図10Cを参照)。ストレプトアビジン濃度が増加すると、色スペクトルは赤色シフトを有する。ストレプトアビジンの場合、各シリコンナノセンサは個別に動作する。従って、80,100,120,140,160,180,200,220および240nmの直径の9個の異なるシリコンナノロッドを製作し、図11A〜図11Cに示すように、この例では様々な濃度のストレプトアビジン溶液に対するそれらの色応答を検査した。各シリコンナノセンサ間の間隔は5マイクロメートルであった。
単細胞中のタンパク質の発現を検出するために、この例では、電子ビームリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングを用いて、シリコンウェハ上にシリコンナノセンサを製作した。2%950K PMMA(A2)の単層を使用した。ウェハは、最初に150℃で30分間脱水した。次にPMMAを1600rpmで40秒間スピン回転し、100nmの厚さにした。ウェハは、200℃で2分間予備焼成した。ELIONIX F125を、125keVで1800マイクロクーロン/cm2の線量で使用した。レジストは、1:3のメチルイソブチルケトン:イソプロピルアルコール(v/v)中で30秒間現像し、イソプロピルアルコール中ですすいだ。そしてウェハを熱蒸発器を用いて30nmのアルミナでコートし、熱アセトン中で3時間リフトオフした。そしてSTS−RIEを用いて2分間ウェハをエッチングした。図17に示すように、各ウェル内に3×3の個々のナノセンサアレイを備えたマイクロウェルアレイを暗視野撮像で解析した。3×3グループ中の各ナノセンサは、僅かに異なる寸法を有するため、異なる色のように見えた。
この例では、単細胞懸濁液(細胞濃度20000個/mL)を作成し、20マイクロリットルをマイクロウェルアレイに滴下した。細胞は、マイクロウェルの幾何形状に対して敏感な捕集効率でマイクロウェルの中に拡散した。
この例では、単細胞から複数のタンパク質を検出するために、複数のマイクロウェルアレイをガラススライドに集積した。単一のマイクロウェルアレイは、1cm×1cmのサイズを有し、1000個の細胞トラップを収納し、各マイクロウェル内にナノセンサが組み込まれている。図20に示すように、75mm×25mmのガラススライドが、10個のマイクロウェルを受け入れた。各マイクロウェルは、異なる抗体で機能化した。従って、10個のマイクロウェルを備えたスライドガラスは、1000個の単細胞の10グループで10種類の異なるタンパク質を検出できる。
溶液中の検体がサブpMの濃度レベルに達した場合、最大数の1つの検体分子のみが個々のナノセンサを結合するために利用できるが、アレイ内の多くのナノセンサは結合した分子を有していない。この検出方式では、ナノセンサからの信号(例えば、色変化、蛍光)の閾値レベルが、1または0のいずれかに割り当て可能である。溶液中の検体の濃度は、1の信号割り当てを有するナノセンサの数を直接計数することで導出可能であり、従って、超低濃度における従来のバルク比色分析または蛍光測定に固有のノイズ信号を抑制する。
Claims (75)
- ナノ構造の端部に遠位側に位置決めされたナノ粒子を含むウェルを含むマイクロウェルアレイを備え、
ナノ粒子は、表面プラズモン共鳴、電気共鳴及び/又は磁気共鳴を介して入射光と相互作用する、物品。 - ナノ粒子に対して固定化された反応エンティティをさらに含む、請求項1に記載の物品。
- 反応エンティティへの検体の結合が、ナノ粒子から屈折した光の変化を引き起こす、請求項2に記載の物品。
- 反応エンティティは、抗体を含む、請求項2または3のいずれかに記載の物品。
- 反応エンティティは、アプタマーを含む、請求項2〜4のいずれか一項に記載の物品。
- 反応エンティティは、タンパク質を含む、請求項2〜5のいずれか一項に記載の物品。
- 反応エンティティは、オリゴヌクレオチドを含む、請求項2〜6のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ粒子から屈折した光を検出するように位置決めされた検出器をさらに備える、請求項1〜7のいずれか一項に記載の物品。
- 検出器は、分光検出器である、請求項8に記載の物品。
- 入射光は、平面偏光である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の物品。
- 入射光は、可視光を含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載の物品。
- 入射光をナノ粒子に向けるように位置決めされた光源をさらに備える、請求項1〜11のいずれか一項に記載の物品。
- 光源は、レーザを含む、請求項12に記載の物品。
- レーザは、He−Neレーザである、請求項13に記載の物品。
- 1つのナノ粒子だけがナノ構造に付着している、請求項1〜14のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ粒子は、金属を含む、請求項1〜15のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ粒子は、金を含む、請求項1〜16のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ粒子は、銀を含む、請求項1〜16のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ粒子は、量子ドットを含む、請求項1〜16のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ粒子は、約3nm未満の平均直径を有する、請求項1〜19のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ粒子は、少なくとも約0.5nmの平均直径を有する、請求項1〜19のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ構造は、シリコンを含む、請求項1〜21のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ構造は、実質的に垂直に整列している、請求項1〜22のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ構造は、ナノニードルである、請求項1〜23のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ構造は、ナノワイヤである、請求項1〜23のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ構造は、ナノロッドである、請求項1〜23のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ構造は、ナノコーンである、請求項1〜23のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ構造は、ナノピラーである、請求項1〜23のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ構造は、約5マイクロメートル未満の長さを有する、請求項1〜28のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ構造は、少なくとも約0.1マイクロメートルより長い長さを有する、請求項1〜29のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ構造は、少なくとも約50nmの平均断面直径を有する、請求項1〜30のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ構造は、約500nm未満の平均断面直径を有する、請求項1〜31のいずれか一項に記載の物品。
- マイクロウェルアレイは、ガラスを含む、請求項1〜32のいずれか一項に記載の物品。
- マイクロウェルアレイは、シリコンを含む、請求項1〜33のいずれか一項に記載の物品。
- マイクロウェルアレイは、フォトリソグラフィーを用いて製造される、請求項1〜34のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ構造は、半導体を含む、請求項1〜35のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ構造は、シリコンを含む、請求項1〜36のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ構造およびマイクロウェルアレイは、実質的に同じ組成を有する、請求項1〜37のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ構造およびマイクロウェルアレイは、単一の材料を規定する、請求項1〜38のいずれか一項に記載の物品。
- ウェルは、50マイクロメートル未満の直径を有する、請求項1〜39のいずれか一項に記載の物品。
- ウェルは、少なくとも20ミクロンの深さを有する、請求項1〜40のいずれか一項に記載の物品。
- マイクロウェルアレイは、ナノ構造の端部に遠位側に位置決めされたナノ粒子をそれぞれ含む複数のウェルを含む、請求項1〜41のいずれか一項に記載の物品。
- マイクロウェルアレイは、ナノ構造の端部に遠位側に位置決めされたナノ粒子をそれぞれ含む、少なくとも10個のウェルを含む、請求項1〜42のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ構造は、100マイクロメートル未満の平均ピッチを有する、請求項1〜43のいずれか一項に記載の物品。
- ウェルは、細胞をさらに含む、請求項1〜44のいずれか一項に記載の物品。
- ウェルは、細胞溶解物をさらに含む、請求項1〜45のいずれか一項に記載の物品。
- ウェルを封止する膜をさらに備える、請求項1〜46のいずれか一項に記載の物品。
- 膜は、半透膜である、請求項47に記載の物品。
- 膜は、無孔性である、請求項47または48のいずれか一項に記載の物品。
- 膜は、ポリカーボネートを含む、請求項47〜49のいずれか一項に記載の物品。
- ナノ構造の端部に遠位側に位置決めされたナノ粒子に電磁放射線を印加するステップを含み、ナノ粒子は、表面プラズモン共鳴、電気共鳴、及び/又は磁気共鳴を介して電磁放射と相互作用し、電磁放射線を変化させ、
そして、変化した電磁放射線を測定するステップを含む、方法。 - 該ナノ粒子に電磁放射線を印加するステップをさらに含む、請求項51に記載の方法。
- 電磁放射線は、可視光を含む、請求項51または52のいずれか一項に記載の方法。
- 検体を含むと疑われる溶液を前記ナノ粒子に曝すステップをさらに含み、ナノ構造は、検体と相互作用可能な反応エンティティをさらに含む、請求項51〜53のいずれか一項に記載の方法。
- 溶液は、検体が由来する溶解した細胞を含む、請求項54に記載の方法。
- 変化した電磁放射線を測定することによって、反応エンティティを決定するステップをさらに含む、請求項54または55のいずれか一項に記載の方法。
- ナノ粒子は、マイクロウェルアレイのウェル内に位置決めされる、請求項51〜56のいずれか一項に記載の方法。
- マイクロウェルアレイのウェル内に細胞を位置決めするステップであって、ウェルはさらに、ナノ構造の端部に遠位側に位置決めされたナノ粒子と、該ナノ粒子上に少なくとも部分的にコートされた反応エンティティとを含む、ステップと、
ウェル内の細胞を溶解して、反応エンティティに結合可能であると疑われる検体を放出するステップと、
該ナノ粒子に電磁放射線を印加するステップであって、ナノ粒子は、表面プラズモン共鳴、電気共鳴及び/又は磁気共鳴を介して電磁放射線と相互作用して電磁放射線を変化させる、ステップと、
変化した電磁放射を測定して、検体を決定するステップと、を含む方法。 - 基板上のナノ構造のアレイの第1光学カラー画像を取得するステップであって、ナノ構造は、第1光学画像が取得される方向に直交する、700nm未満の断面寸法を有し、ナノ構造は、反応エンティティで少なくとも部分的にコートされている、ステップと、
反応エンティティと検体との間で相互作用を生じさせるステップと、
ナノ構造のアレイの第2光学カラー画像を取得するステップと、
第1光学画像と第2光学画像との間の色変化を測定するステップであって、色変化は、反応エンティティと検体との間の相互作用によって引き起こされる、ステップと、を含む方法。 - ナノ構造のアレイは、約3μm未満のナノ構造間の平均間隔を有する、請求項59に記載の方法。
- ナノ構造のアレイは、約500nm未満のナノ構造間の平均間隔を有する、請求項59または60に記載の方法。
- 反応エンティティは、抗体を含む、請求項59〜61のいずれか一項に記載の方法。
- 反応エンティティは、アプタマーを含む、請求項59〜62のいずれか一項に記載の方法。
- 反応エンティティは、タンパク質を含む、請求項59〜63のいずれか一項に記載の方法。
- 反応エンティティは、オリゴヌクレオチドを含む、請求項59〜64のいずれか一項に記載の方法。
- 反応エンティティは、検体に標識化された発色性基質によって誘導された酵素反応生成物を含む、請求項59〜65のいずれか一項に記載の方法。
- 発色性基質は、3,3’,5,5’−テトラメチルベンジジンである、請求項66に記載の方法。
- 発色性基質は、3,3’−ジアミノベンジジンである、請求項66に記載の方法。
- 発色性基質は、2,2’−アジノ−ジ−(3−エチルベンゾチアゾリン−6−スルホン酸である、請求項66に記載の方法。
- ナノ構造は、ナノニードルである、請求項59〜69のいずれか一項に記載の方法。
- ナノ構造は、約5マイクロメートル未満の長さを有する、請求項59〜70のいずれか一項に記載の方法。
- ナノ構造は、少なくとも約0.1マイクロメートルより長い長さを有する、請求項59〜71のいずれか一項に記載の方法。
- ナノ構造は、半導体を含む、請求項59〜72のいずれか一項に記載の方法。
- ナノ構造は、シリコンを含む、請求項59〜73のいずれか一項に記載の方法。
- ナノ構造は、本質的にシリコンからなる、請求項59〜74のいずれか一項に記載の方法。
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