JP3547454B2 - マス輸送補助光学アッセイのための方法及び装置 - Google Patents
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Description
発明の背景
本発明は、分析的試験に有用な方法及び装置に関する。そのような試験には、医療診断及び環境試験が含まれるが、これらに限定されない。
以下の記載は、関連技術の説明であるが、そのいずれも本発明の先行技術であるとは認められない。
フロースルー又はポーラスアッセイ装置が、Valkirsらによる米国特許第4,632,901号に記載されている。この方法では、抗体でコートされかつそれに適用されたサンプルから分析対象物を取り出すことができるメンブラン又はフィルター上でイムノアッセイが行われる。可視化は、基質に作用して着色する粒状生成物を生成させるところの二次的試薬の分析対象物依存的捕捉性に基づいており、その粒状生成物は、その二次的試薬が存在する場合にだけそのメンブランに非特異的に接着するものである。この基本的設計に多数の変更がなされており、それらには、可視化のために二次的試薬に着色され及び／又は金属である粒子を付着させたもの（米国特許第4,775,636号）、及びフロースルー技術ではなくてクロマトグラフィー技術を導入したもの（米国特許第5,232,835号）が含まれる。
米国特許第5,200,312号は、着色した不溶性生成物を分析対象物の検出に用いるメンブランアッセイシステムを記載している。この生成物は酵素により形成され、その酵素は、それに曝されると可視的色彩変化をもたらす発色団含有不溶性生成物を生成する試薬を含有する基質と相互作用するものである。米国特許第5,395,754号は、生物学的アッセイにおける使用のためにメンブラン表面上に対照又は検量ゾーンを作成する方法を記載している。
多孔質抗反射性フィルムの製造が記載されている（66 J.Opt.Soc.Am.515−519,1976;J.Am.Ceramic Soc.302−307,1983）。これら抗反射性フィルムは、広いバンドのAR層を作るために急な屈折率勾配を有する。これらフィルムは、乱雑で連続性の孔で高度に多孔質である。これら孔は、形成されるAR材料内に空気を捕捉し、それが屈折率勾配を作るのを助ける。
マス輸送（mass transport）又はマス移行（mass transfer）は、充分に確立された現象である。それは、濃度勾配、温度勾配、電界、重力等の存在から起こる。溶液中でのマス輸送は、溶液の移動又は流れ又は対流に非常に敏感である。マス輸送は、溶液中の物質の拡散係数又は電荷によっても影響を受け得る。
静的拡散制限反応においては、拡散層がなくなって分析対象物濃度が表面で低くなるにつれて、濃度勾配が形成される。サンプル中の高濃度ゾーンからの分析対象物は、結合のために表面に拡散しなければならない。表面に近いサンプルだけが結合するであろう。拡散層又は拡散バリヤへ分析対象物を補充することは、その結合反応を制限することになる。対流によるマス輸送作用は、この拡散バリヤを壊すか又は変えるのに役立ち得る。
高度に多孔質であるか又は相互連絡した表面での溶液の流れ、つまりマス輸送は乱れるので、栓流又は対流的特徴をもたらす。しかしながら、溝付き表面では、その流体力学的マス輸送は層流的特徴を創り出す。栓流は、対流により溶液を混ぜて、その流路に沿って突き進む。これで、サンプルが多孔質材料を横断して流れるにつれて、拡散バリヤが確実に最小化される。あるアッセイシステムにおいては、栓流は、非分析対象物及び引き続く可視化試薬の非特異的接着の確率を高めることができた。しかしながら、対流は、利用可能な結合部位と繰り返し接触する新鮮な溶液が流路を流れるので、分析対象物と利用可能な結合部位との接触を増やす傾向があるだろう。
溝付き材料を流れているか又は横断している溶液は、固体の均一な表面と接触しているときは、別の溝と遭遇するまでは本質的に静的である。溝を通る流れは層流を創り出す。かくして、反応が拡散制限されている間、物質流は、拡散バリヤ又は拡散層が壊されるように影響を受ける。溝により導入される対流は、新しい分析対象物を連続的に表面に押しやって孔の近くの死層を排除する。同時に、拡散バリヤの形成も阻止して、孔間の静的条件を満たす。かくして、層流は、新しい部分を拡散の境界に連続的に取り入れる。拡散制限を克服するのに栓流システムが層流システムよりも効果的であることが、広く信じられている。本発明者らは、驚いたことに、本発明の光学アッセイ装置については、層流が栓流システムよりも効果的であることを発見した。
静的溶液／固体反応において、拡散バリヤは、20秒後、δ（ｔ）＝2.8×10-3cm（δ（ｔ）＝２（Dot）−1/2）である。Doは、普通の生物学種については１×10-7cm2/秒と仮定される。流体力学的マス輸送の場合には、拡散バリヤは本質的に時間及びδ（ｏ）＝3.7×10-4cm（δ（ｏ）＝1.61（Do）1/3（ωｖ1/6）−1/2）に依存する。ここで、ωはωの角速度を有する仮定上の固体を横切って移動する溶液に基づく角度振動数であり、そしてｖは溶液粘度（動粘性率）の関数である。ωの角速度を有する仮定上の固体を横切って移動する溶液に基づくｖの値は、0.01cm2/秒（水）と仮定された。計算はフィックの法則から誘導される。
発明の要旨
本発明は、分析対象物を潜在的に含有するサンプルの層流によるマス輸送を光学アッセイ装置の層を横切って及び通って導入するための手段に特徴がある。
そのような装置（図１を参照）は、支持体（溝を含有しているか又は多孔質）、光学的機能層、付着層を含んでなり、分析対象物特異的受理層を含有してもしていなくてもよい。この光学的機能層は、薄層コーティング法により支持体上に施されてもよい。この層は、分析対象物が結合するとシグナルを生ずるのに要求される活性成分を含有しており、そしてアッセイ結果を解釈するのに使用される所望の最終アッセイ装置及び分析の方法に基づいて選択される。この層は、抗反射層を有するか又は有しない光学的基本層を含んでなる。光学的機能層がAR材料を包含するとき、最終アッセイ装置は、そのアッセイ結果の可視的測定のために備えられる。光学的機能層は、付着層でコートされている。この付着層は、分析対象物特異的受理材料の保持又はその分析対象物自体が保持される手段にとって安定な環境を提供するために包含される。付着層上の分析対象物特異的受理材料への分析対象物の結合は、分析対象物と分析対象物特異的表面の間の特異的相互作用に起因する物理的又は化学的のいずれかの吸着により達成される。また、分析対象物が非特異的にその付着層に結合するときは、分析対象物は、分析対象物特異的結合試薬の引き続く特異的結合により検出される。
マス輸送／層流をもたらすそのような手段の１つは、溝含有固体支持体を提供することによるものである（図2Aを参照）。この溝含有固体支持体は、本来的に溝を含有することができるか、又はその固体支持体の散在しているが限定された面積を15％までを除去することにより溝を導入するように修飾されることができる。光学的機能層は、この溝含有支持体に、それら溝を維持するようなやり方で適用される。これら層が一緒になってサンプルの層流を促進する。
光学アッセイ装置の層を貫くかまたは横切るサンプルの層流を達成するもう１つの手段は、溝含有光学的機能層及び下層の多孔質支持体を提供することである（図2Bを参照）。流体の流れに面しているこの多孔質支持体は、所望の溝流れ特性も光学的特性も与えない。かくして、溝は、化学的、機械的、光化学的、平版印刷的又は他の公知の手段によって、光学的機能層内に導入される。この設計の１つの要件は、光学的特性（主として屈折率）が光学的基本層と多孔質支持体の複合物ではなく光学的基本層の特性に基づくように、光学的機能層が適用されることである。
また、光学的機能層は、散在した光学的機能粒子（球状、棒状又は繊維状）を含むことができる（図2Cを参照）。下層の多孔質支持体と連結しているこれら粒子は、層流によりアッセイ装置を貫くか又は横切るサンプルのマス輸送をももたらす溝を提供する。所望の光学的及び流れ特性を達成するには、粒度及び充填密度の注意深いコントロールが要求される。固体粒子を含有する光学的機能表面の下側の溶液は、結合及び検出への何の影響もなしに栓流を有することができる。
この装置を貫き及び／又は横切るマス輸送／層流の速度を、そのアッセイ装置の諸層の周囲又は下に配置された吸収剤の使用によって、変えることができる。吸収剤は、装置の諸層を貫くか又は横切る流体を引き上げるように働く吸上剤となる。また、サンプルは外部補助なしに装置を流れるとはいえ、連続的に（インラインサンプリング）又はばらばらの容量のいずれかで、装置の溝を介して（それぞれ負圧又は正圧により）引っ張られることも押されることもできる。
装置を通るサンプルのマス輸送／層流は、バルクサンプルと、分析対象物の結合が起こる光学装置の表面との接触を高める。それは、拡散バリヤを変えるか又はその拡散バリヤにおいて築かれた濃度勾配を壊す。この作用は、装置の受理層（又は付着層）に曝される利用可能な分析対象物の量を増加させる。溶液の層流は、その溶液の表面接触時間の全体を通して、受理層（又は付着層）により多くの分析対象物を導入する。単純な拡散制限反応においては、一旦拡散層がなくなると、表面受理材料にとって利用可能な追加の分析対象物は殆どなくなる。
本装置の諸層は、溶液又は気体に曝されると、分析対象物がマス輸送／層流を介してその表面に移動するのを可能にする。表面へのマス輸送は、溝の数及び分布、サンプルパラメーター、及び装置の諸層上で又は諸層内で創られる層流により支配される。溝は、穿孔、エッチング又は表面上又は表面中への粒子の凝集及び／又は不動化により創ることができる。本発明者らは、層流によるマス輸送作用が、サンプル流体内の濃度勾配を低下させることにより、固体表面アッセイの拡散制限を排除し、一方では、望まれる光学特性を維持したことを発見した。
マス輸送／層流作用を創り出すために光学アッセイ装置の諸層中に存在する溝は、分析対象物のための結合面積の増加にあまり貢献しない。結合は、分析対象物特異的結合層を含有する装置の表面に局限される。溝の近くでは如何なる物質も結合しないことが電子顕微鏡観察で示唆されている。更には、溝内で結合が起こっても、採用される光学的又はマス的検出法に対して透過性である。分析対象物との結合又は反応後の薄膜装置の厚さ（thickness）、マス、光学的マス、又は他の物理的特性の変化を測定するあらゆる方法が、直接物理的検出に適する手段である。それら方法は、自動化されても、機器化されても、又は簡単な可視的色彩測定であってもよい。溝付き表面は、如何なる分析対象物も、分析対象物の検出のための二次的試薬も保持するようには設計されていないが、装置の表面において分析対象物結合部位にとって利用可能にされるサンプルの容量を増加させるようにだけ設計されている。
第１の側面においては、本発明は、サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって、溝を含有する支持体、該支持体上に配置された光学的機能層であって該光学的機能層と該支持体が該装置の諸層を通るサンプルの層流を可能にするように配置された光学的機能層、該光学的機能層上に配置された付着層、及び該付着層上に配置された分析対象物特異的受理層を含んでなる光学アッセイ装置に特徴がある。
“サンプル”により、あらゆる流動媒体、つまり気体又は液体が意味される。溶解した固体で高濃度であるサンプルは、更に処理することなく用いることができ、また、高濃度の（溶解していない）固体を含有するサンプルは、フィルターに通して導入しても、追加の手動の工程を導入して使用してもよい。サンプルは、気体であっても、液体であっても、懸濁液であっても、抽出又は溶解したサンプルであっても、超臨界的流体であってもよい。マス輸送／層流を可能にする幾つかの流動特定がサンプルに存在しなければならない。
分析対象物は、抗原、抗体、レセプター、リガンド、キレート化剤、タンパク質、酵素、核酸、DNA、RNA、殺虫剤、除草剤、無機又は有機の化合物又はそれについての特異的結合試薬を見出し得るあらゆる物質であることができる。表面は複数の分析対象物に使用することができ、特異的相互作用の選定は、分析対象物の違いを解明する表面パターン化の使用で明瞭にすることができる。
“溝を含有する支持体”により、その支持体が溝又は穴を含有することが意味される。支持体は、予め存在する溝（所望の直径と密度をもともと含有する）を有していても、支持体からその材料を（機械的、光化学的、電気化学的、又は化学的などのあらゆる方法であって、エッチング、ドリル、穿刺、又は支持体に溝又は穴を導入する他の方法により）取り除くことにより溝を創り出してもよい。溶液の流速は、溝の大きさと溝の密度の組み合わせの他、サンプルの一定の特徴、例えば、粘度によって影響を受ける。
“光学的機能層”により、分析対象物の受理層への結合でシグナルを生ずることができる層が意味される。この層は、望ましい度合いの反射率、透過率、及び／又は吸収が最終的なアッセイ輪郭に適合するよう、支持体材料の光学的特性を修飾できるように設計された抗反射層を有するか又は有しない基本層を包含する、１又はそれを越えるコーティングを有してもよい。この光学的機能層は、結果が視覚的に又は最終装置中で機器化された分析により観察可能になるように、１又はそれを越えるか又はある範囲の光の波長を、分析対象物の結合で減衰させることができる。この光の減衰は、視覚的に観察可能な色彩変化のためのARコーテッドアッセイ装置におけるような光の特異的波長の消減又は増幅を包含することができる。又は、特異的波長の光の強度が、最終アッセイ装置からの反射又は透過で修飾されてもよい。光学的機能層は、入射光における分極の状態又は度合いに変化を起こすよう、装置の光学的パラメーターを修飾することもできる。
“層流”により、光学アッセイ装置の表面近くの拡散層が少なくなり、そして受理層（又は付着層）にとって利用可能になるか又はそれと接触する分析対象物の量が増加するプロセスが意味される。層流は、滑らかで安定しており、そしてあたかも流体の別々の諸層（積層）が純粋な流れで一方向に安定かつ特徴的な速度を有するかのように起こる。
“装置の諸層を通る”により、装置の表面から支持体に向って諸層を貫くサンプルの流れとその装置のいずれかの層の表面を横切る流れの両方が意味される。
“付着層”により、光学的機能層への受理材料の結合を促進又は増加させるあらゆる材料又は諸材料が意味される。また、付着層は、その後の全ての処理及びアッセイ過程のために、充分な親和力で受理材料を保持すべきである。付着層は、受理材料の安定性を低下させてはならない一方で、その安定性を高めることができるものである。受理層が用いられないときは、付着層が分析対象物と非特異的に結合することになる。
“分析対象物特異的受理層”により、分析対象物と結合してその分析対象物の検出を可能にするのに充分な親和性を有しかつ興味の対象である分析対象物に対して特異的である材料又は諸材料が意味される。
第２の側面においては、本発明は、サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって、溝を含有する支持体、該支持体上に配置された光学的機能層であって該光学的機能層と該支持体が該装置の諸層を通るサンプルの層流を可能にするように配置された光学的機能層、及び該光学的機能層上に配置された付着層を含んでなる光学アッセイ装置に特徴がある。
この側面においては、付着層（受理層なし）は、分析対象物を非特異的に捕らえることができなければならない。付着層の例には、シラン類、シロキサン類、種々のポリマー、Ni、及びダイヤモンド様炭素が含まれる。分析対象物は、分析対象物特異的結合試薬を使用することによって検出される。
第３の側面においては、本発明は、サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって、多孔質支持体、該支持体中に埋め込まれた散在した光学的機能粒子を含んでなる光学的機能層であって該光学的機能層と該支持体が該装置の諸層を通るサンプルの層流を可能にするように該光学的機能粒子が埋め込まれた光学的機能層、該粒子上に配置された付着層、及び該付着層上に配置された分析対象物特異的受理層を含んでなる光学アッセイ装置に特徴がある。
“多孔質支持体”により、溶液に種々の曲がりくねった流路を提示する材料が意味される。
“散在した光学的機能粒子”により、10μｍ〜1mmの範囲の大きさでありかつ多孔質支持体中に詰め込まれてその多孔質支持体中に均一な屈折率層を創り出すあらゆる粒子、球体、棒体が意味される。
“埋め込まれた”により、粒子が多孔質支持体のマトリックス内に捕捉されたことが意味される。
第４の側面においては、本発明は、サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって、多孔質支持体、該支持体中に埋め込まれた散在した光学的機能粒子を含んでなる光学的機能層であって該光学的機能層と該支持体が該装置の諸層を通るサンプルの層流を可能にするように該光学的機能粒子が埋め込まれた光学的機能層、及び該粒子上に配置された付着層を含んでなる光学アッセイ装置に特徴がある。
第５の側面においては、本発明は、サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって、多孔質支持体、該支持体上に配置された溝を含有する光学的機能層であって該光学的機能層と該支持体が該装置の諸層を通るサンプルの層流を可能にするように配置された光学的機能層、該光学的機能層上に配置された付着層、及び該付着層上に配置された分析対象物特異的受理層を含んでなる光学アッセイ装置に特徴がある。
“溝を含有する光学的機能層”により、その光学的機能層が、その装置の諸層を通るサンプルの層流を可能にするのに適切な直径と密度の溝を有することが意味される。溝は、化学的、機械的、光化学的、平版印刷的又は当該技術分野で公知の他の手段によって導入され得る。
第６の側面においては、本発明は、サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって、多孔質支持体、該支持体上に配置された溝を含有する光学的機能層であって該光学的機能層と該支持体が該装置の諸層を通るサンプルの層流を可能にするように配置された光学的機能層、及び該光学的機能層上に配置された付着層を含んでなる光学アッセイ装置に特徴がある。
好ましい態様においては、光学的機能層は抗反射層を含んでなる；付着層はニッケルである；その装置は、光学的機能層を取り囲んでいるか又は支持体の下方に吸収剤材料を更に含んでなる；支持体がポリエステル又はポリカーボネートを含んでなり、光学的機能層が非晶質ケイ素の層の上に配置された窒化ケイ素の層を含んでなり、そして付着層がニッケルを含んでなる；支持体がポリカーボネート又はポリエステルを含んでなり、光学的機能層がゲルマニウムの層の上に配置されたダイヤモンド様炭素の層を含んでなり、そして付着層がニッケルを含んでなる；光学的機能層が非晶質ケイ素の層の上に配置された窒化ケイ素の層を含んでなる；付着層がダイヤモンド様炭素の層を含んでなる；分析対象物が、抗原、抗体、レセプター、リガンド、キレート化剤、タンパク質、酵素、核酸、DNA、RNA、殺虫剤、除草剤、無機又は有機の化合物からなる群から選択される。
抗反射層は当業者にとって公知である。本発明で使用するのに適するAR層の例には、酸化アルミニウム、酸化アンチモン、酸化ビスマス、酸化インジウム、酸化インジウム錫、酸化錫、一酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、酸化ゲルマニウム、酸化コバルト、炭素、酸化タンタル、並びに殆どの他の金属の酸化物、炭化物、窒化物又はオキシ窒化物、ダイヤモンド及びダイヤモンド様炭素が含まれる。
“吸収剤材料”により、その材料が接触している表面からある溶液を引き上げ（吸い上げ）て保持する能力を有する材料が意味される。この材料は、光学的機能層を取り囲んでも、及び／又は支持体の下に配置されてもよい。吸収を向上させるか又は低下させる材料を組み合わせると、サンプル移動のコントロールが可能になる。
更に好ましい態様は、支持体としてポリカーボネートの使用、基本光学層としてゲルマニウム（＞300Å）の使用、及び抗反射層及び付着層（選択される又は望まれる色彩変化に依存して300〜800Å）の両方として機能するダイヤモンド様炭素の使用である。
第７の側面においては、本発明は、サンプル中の分析対象物の存在又は量を検出する方法であって、支持体、該支持体上に配置された光学的機能層、該光学的機能層上に配置された付着層、及び該付着層上に配置された分析対象物特異的受理層を含んでなる装置を提供する工程、サンプルを該装置に適用し、前記サンプルが該装置の諸層を貫くか又は横切る層流により引き込まれるようにする工程、及び分析対象物を該分析対象物特異的受理層に結合させ、該装置の表面上でマス変化を起こさせて、該サンプル中の該分析対象物の存在又は量を示させる工程を含んでなる方法に特徴がある。
“全ての層を貫きそして横切る”により、サンプル溶液が、装置の設計及び溝の分布に依存して、光学装置に垂直に及び／又は水平に流れるか又は通ることが意味される。
“マス変化”により、厚さ、光学的厚さ（屈折率×厚さ）の変化又は光学的機能層上への物質堆積（マス又は光学的マス）の変化が意味される。マス変化は、１又はそれを越える表面物質における増加又は減少であることができる。
第８の側面においては、本発明は、サンプル中の分析対象物の存在又は量を検出する方法であって、支持体、該支持体上に配置された光学的機能層、及び該光学的機能層上に配置された付着層を含んでなる装置を提供する工程、サンプルを該装置に適用し、前記サンプルが該装置の諸層を貫くか又は横切る層流により引き込まれるようにする工程、分析対象物を該分析対象物付着層に結合させる工程、及び該付着層に結合した該分析対象物に結合する分析対象物特異的結合試薬を提供し、該装置の表面上でマス変化を起こさせて、該サンプル中の該分析対象物の存在又は量を示させる工程を含んでなる方法に特徴がある。
“分析対象物特異的結合試薬”により、表面で捕捉された分析対象物と特異的に反応する試薬が意味される。
好ましい態様においては、支持体は溝を含有する；支持体が多孔質であり、そして光学的機能層が粒子を含んでなる；支持体が多孔質であり、そして光学的機能層が溝を含有する。
第９の側面においては、本発明は、層流特性を有する光学アッセイ装置を構築する方法であって、支持体を提供する工程、光学的機能層を、該支持体上に、該光学的機能層と該支持体が該装置の諸層を貫くか又は横切るサンプルの層流を可能にするように提供する工程、該光学的機能層上に付着層を提供する工程、及び該付着層上に分析対象物特異的受理層を提供する工程を含んでなる方法に特徴がある。
光学的機能層は、下方の支持体中に存在する溝と一致させることにより、又はその光学的機能層中に直接導入された溝又は穴であって、サンプルを多孔質支持体に向けて下降させる溝又は穴を有することにより、又はサンプルが多孔質支持体へと下方に向けて通ってゆく溝又は穴を創り出す粒子を含むことにより、層流に関与することができる。
第10の側面においては、本発明は、層流特性を有する光学アッセイ装置を構築する方法であって、支持体を提供する工程、光学的機能層を、該支持体上に、該光学的機能層と該支持体が該装置の諸層を貫くか又は横切るサンプルの層流を可能にするように提供する工程、及び該光学的機能層上に付着層を提供する工程を含んでなる方法に特徴がある。
好ましい態様においては、支持体は溝を含有する；支持体が多孔質であり、そして光学的機能層が粒子を含んでなる；支持体が多孔質であり、そして光学的機能層が溝を含有する。
第11の側面においては、本発明は、支持体と、諸層を通るサンプルの層流を促進するのに有用である光学的機能層とを含んでなる組成物に特徴がある。
“サンプルの層流を促進する”により、マス輸送／層流を確立する条件下で、サンプル溶液に光学アッセイ装置を貫くか又は横切って移動させる材料又は設計又は方法が意味される。
好ましい態様においては、支持体は溝を含有する；支持体が多孔質であり、そして光学的機能層が光学的機能粒子を含んでなる；支持体が多孔質であり、そして光学的機能層が溝を含有する；支持体がポリカーボネートを含んでなり、そして光学的機能層が非晶質ケイ素の層の上に配置された窒化ケイ素の層を含んでなる；支持体がポリカーボネートを含んでなり、そして光学的機能層がゲルマニウムを含んでなる；支持体がポリカーボネートを含んでなり、そして光学的機能層がゲルマニウムの層の上に配置されたダイヤモンド様炭素の層を含んでなる；支持体がポリエステルを含んでなり、そして光学的機能層が非晶質ケイ素を含んでなる；支持体がポリエステルを含んでなり、そして光学的機能層が非晶質ケイ素の層の上に配置された窒化ケイ素の層を含んでなる；支持体がポリエステルを含んでなり、そして光学的機能層がゲルマニウムを含んでなる；支持体がポリエステルを含んでなり、そして光学的機能層がゲルマニウムの層の上に配置されたダイヤモンド様炭素の層を含んでなる。
第12の側面においては、本発明は、付着層として有用なダイヤモンド様炭素の組成物に特徴がある。
第13の側面においては、本発明は、興味の対象である分析対象物の検出のためのアッセイ装置であって、支持体、及びダイヤモンド様炭素を含んでなる、該支持体上に配置された付着層を含んでなるアッセイ装置に特徴がある。
第14の側面においては、本発明は、興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって、支持体、該支持体上に配置された光学的機能層、及びダイヤモンド様炭素を含んでなる、該光学的機能層上に配置された付着層を含んでなる光学アッセイ装置に特徴がある。
“アッセイ装置”により、分析対象物の検出に有用な装置が意味される。
“支持体”により、分析対象物についてのアッセイがその上で行われるあらゆる表面が意味され、マイクロタイタープレート、セラミックス、金属、スライド、キュベット、試験管、表面プラズモン共鳴のための回折格子、メンブラン、濾紙、ケイ素、ガラス、共鳴又は振動研究のための圧電構造体、及び適合性の表面／検出システム組合せ体が含まれるが、これらに限定されない。支持体の表面上に均一に又は支持体の末マスク面にコーティングを施してもよい。支持体は、ある範囲内の形状及び配置にあることができる。
“付着層”により、受理層が装置中に存在する場合には、支持体又は光学的機能層のいずれかへの受理材料の結合を促進又は増加させるあらゆる材料又は諸材料が意味される。受理層が用いられないときは、付着層が分析対象物と非特異的に結合することになる。
“ダイヤモンド様炭素”により、ダイヤモンド（合成物又は天然物）、単結晶ダイヤモンド、樹脂型ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、ダイヤモンド様炭素、ダイヤモンド様特性（硬度及び表面エネルギー）を有する非晶質炭素、非晶質水素化DLC又は炭素フィルム、ダイヤモンド様特性を有する非晶質ないし結晶質炭素フィルム、又はグラファイト様ないしダイヤモンドに及ぶ化学組成を有するダイヤモンド様材料からなる均一なフィルム又は充填粒子から構成される層が意味される。
“光学的機能層”により、分析対象物の受理層への結合でシグナルを生ずることができる層、又は分析対象物の付着層への非特異的結合とそれに伴う分析対象物特異的試薬の結合でシグナルを生ずることができる層が意味される。この層は、望ましい度合いの反射能、透過率、及び／又は吸収が最終的なアッセイ輪郭に適合するよう、支持体材料の光学的特性を修飾できるように設計された抗反射層を有するか又は有しない、１又はそれを越えるコーティングを有してもよい。この光学的機能層は、結果が視覚的に又は最終装置中で機器化された分析により観察可能になるように、１又はそれを越えるか又はある範囲の光の波長を、分析対象物の結合で減衰させることができる。この光の減衰は、視覚的に観察可能な色彩変化のためのARコーテッドアッセイ装置におけるような光の特異的波長の消減又は増幅を包含することができる。又は、特異的波長の光の強度が、最終アッセイ装置からの反射又は透過で修飾されてもよい。光学的機能層は、入射光における分極の状態又は度合いに変化を起こすよう、装置の光学的パラメーターを修飾することもできる。
これら装置の好ましい態様においては、分析対象物特異的受理層は付着層の上に配置されている；付着層は、抗原、抗体、レセプター、核酸、多糖類、リポ多糖類、酵素、タンパク質、微生物、微生物から誘導される断片、ハプテン、薬物、食品汚染物、例えばジオキサン及びアレルゲンがあるがこれらに限定されない環境物質、リガンド、キレート化剤、及びこれらの類似物又は誘導体からなる群から選択される分析対象物に非特異的に結合する；受理層は、抗原、抗体、レセプター、核酸、多糖類、リポ多糖類、酵素、タンパク質、微生物、微生物から誘導される断片、ハプテン、薬物、食品汚染物、例えばジオキサン及びアレルゲンがあるがこれらに限定されない環境物質、リガンド、キレート化剤、及びこれらの類似物又は誘導体からなる群から選択される生体分子を含んでなる；ダイヤモンド様炭素は支持体上に50Åの厚さにコートされる；ダイヤモンド様炭素は光学的機能層上に50Åの厚さにコートされる；ダイヤモンド様炭素は支持体上に50〜3000Åの厚さにコートされる；ダイヤモンド様炭素は光学的機能層上に50〜3000Åの厚さにコートされる；ダイヤモンド様炭素は、支持体上に、衝撃合成法（shock−synthesis technique）、スパッタリング、熱高周波及びマイクロ波支援プラズマ法（microwave−supported plasma）、加熱フィラメント法、直流プラズマ法、イオンビーム法、化学蒸気堆積法、プラズマ堆積法、及びイオンビームガン法からなる群から選択される方法によりコートされる；ダイヤモンド様炭素は、光学的機能層上に、衝撃合成法、スパッタリング、熱高周波及びマイクロ波支援プラズマ法（microwave−supported plasma）、加熱フィラメント法、直流プラズマ法、イオンビーム法、化学蒸気堆積法、プラズマ堆積法、及びイオンビームガン法からなる群から選択される方法によりコートされる；ダイヤモンド様炭素は工業ダイヤモンドを含む。
ダイヤモンド様炭素をコートする方法は、Backmannら,Chemical and Engineering News,page 24,May 15,1989に記載されている。
“生体分子”により、興味の対象の分析対象物である物質又は興味の対象の分析対象物に特異的に結合する材料（即ち、受理層）が意味される。生体分子には、抗原、抗体、レセプター、核酸、多糖類、リポ多糖類、酵素、タンパク質、微生物、微生物から誘導される断片、ハプテン、薬物、食品汚染物、例えばジオキサン及びアレルゲンがあるがこれらに限定されない環境物質、リガンド、キレート化剤、及びこれらの類似物又は誘導体が含まれる。
本発明の１つの効果は、マス輸送／層流作用により分析対象物特異的受理材料と接触するようにされる利用可能な又は使用可能なサンプル容量の増加に起因する高い感度である。このシステムは、少なくとも40倍の分析感度の増加を提供することができる。
第２の効果は、アッセイ実施時間の短縮である。インキュベーション時間は、単純な拡散には起こらない流体マス輸送／層流を介して表面に新たな分析対象物を送達することにより、短縮される。工程基準当たりの時間は、マス輸送／層流による表面への物質の効率的送達とその表面に適用されるサンプル容量の増加に起因して、分単位から秒単位に短縮される。向上した感度とスピードは、サンプル中の抗原又はDNAのような分析対象物の検出に特に有用であろう。
第３の効果は、インキュベーション時間が、手操作で各工程の時間を調節するのではなく、吸上速度、差圧、溝の大きさ及びサンプル粘度により、コントロールされ得ることである。全てのその後の表面インキュベーション時間は、類似の時間枠のものとすることができる。別の可能性は、異なる毛管速度、湿潤速度、又は流れ特性を有する吸上材料の層を使用してインキュベーション時間をコントロールすることである。
第４の効果は、製造が容易なことである。本装置の諸層として有用な材料は、連続的オンラインウェブ加工と適合性である。全ての光学的加工を一工程又は一連続操作で行うことができる。大きなシートの材料を加工することができるので、経済的にスケールメリットがある。加えて、一工程についての歩留りが、装置の別々の部材を製造するよりも向上する。更には、光学的諸層を加工しながら付着層（即ち、Ni、ダイヤモンド様炭素）を適用することができる。また、これら材料の使用は、光学的諸層を容易に相互変換でき、また追加の材料の層（例えば、AR、受理層）をたやすく追加することができるので、柔軟な光学設計が可能になる。
第５の効果、つまり、マス輸送／層流特性を自動化されたシステムで利用する装置を使用することの効果は、サンプルが表面を通って流れるので、エーロゾルを形成して汚染を困難にする減圧及び加圧洗浄の必要性をなくすることができることである。
本発明の方法及び装置は、全てがメンブラン又はフィルター材料内の多数の孔又は繊維内での分析対象物特異的試薬の接着又は捕捉に依拠する先行技術の分析法とは明確に異なる。これら方法では、そのようなメンブラン又はフィルター材料は、特異的結合試薬を含有するため、結合した分析対象物から未反応サンプル材料を分離するため、及び結合試薬にとって利用可能な表面積を増やすために用いられる。結合試薬は、表面上及び孔の内部に見出されるので、用いられるシグナル発生法に依存して、その多孔質材料内の幾分深い所で検出が行われることになる。これら材料は全多孔度の60％を利用する。これら材料の孔の大きさは、0.45ミクロンのオーダーである。その孔又は網状構造表面は、高度に複雑で相互連絡している。これは、栓流型のシステムを招来する。対照的に、本発明では、溝はいずれの層の全表面積の15％を越えずに、相互連絡しないで散在しているので、層の特性を有する流れを生ずる。更なる相違は、孔又は溝内での分析対象物の結合は大したものではないので、検出可能なシグナルの発生の原因とならない。
孔は、これまで、その層の光学的特性を変えて屈折率の勾配を創り出すために抗反射層中に導入されてきた。対照的に、本発明においては、溝が、アッセイ装置を通るサンプルの層流を可能にするためだけに光学的機能層中に導入される。更には、幅広いバンドのARフィルムを作るのに用いられる非常に乱雑な高度多孔質フィルムは、この発明の望ましい装置と適合性ではない。生物学的アッセイでは、これらタイプの多孔質ARフィルムは、大多数の結合事象がそのARフィルムの表面ではなくて多孔質フィルム内で起こるように鼓舞する傾向がある。また、幅広いバンドのARフィルムは、厚さ又はマスの対応する変化では、非常に弱くて取るに足らない色彩変化しかもたらさない。本発明の装置は、非常に強くて極めて濃い色彩変化をもたらすように設計された狭いバンドのAR層を使用する。色彩変化は、非常に小さい厚さ範囲で起こる。
この出願に記載された材料及び方法は、広範囲の分析的試験需要にわたって用いることができる。特に、これら方法で製造される装置は、医療診断分野に有用である。本装置は、分析対象物の捕捉が要求される広範囲の用途で用いることができ、それら用途には、感染性疾患の試験、癌の診断、薬物追跡、環境試験、治療剤追跡、DNA試験、及び心臓試験が含まれるがこれらに限定されない。これら材料及び方法で製造される装置は、医療診断及び環境追跡又は食物スクリーニング及び試験用途といった多様な分野で用いることができる。
本発明の他の特徴及び効果は、以下の本発明の好ましい態様の説明及び請求の範囲から明らかになるであろう。
この出願中の報文及び刊行物は、引用により本明細書内に組み入れられるものとする。
好ましい態様の説明
図面について簡単に説明する。
図面
図１は、溝含有光学装置の諸層の概略図である。示した全ての層がそのような装置のあらゆる特定の態様に包含される必要はない。溝の位置は示していない。
図２は、装置を通るサンプルの層流を可能にする支持体と光学的機能層の可能な組合せの概略図である。図2Aは、最終アッセイ装置に望まれる流れ特性が溝を含有する支持体材料により導入される装置を示すものである。図2Bは、多孔質支持体上の溝を有する光学的機能層を示すものである。図2Cは、ある組合せを示すものであって、そこでは、多孔質支持体が選択され、そして最終装置に光学的機能をも付与するところの散在粒子を詰め込むことにより溝が創り出される。
図３は、クラミジア特異的リポ多糖類（LPS）の1:1000希釈液における捕捉について、ダイヤモンド様炭素（DLC）をＴ−ポリマーと比較するグラフである。ｙ軸は、TMB基質の生成物への転化率についての、バックグランド（LPS不存在）について補正された吸光度読取り値を示す。DLCのロットがｘ軸上に表されている。黒塗りの長方形はＴ−ポリマーを表す。斜線の長方形はDLCを表す。
図４は、クラミジア特異的リポ多糖類（LPS）の1:5000希釈液における捕捉について、ダイヤモンド様炭素（DLC）をＴ−ポリマーと比較するグラフである。ｙ軸は、TMB基質の生成物への転化率についての、バックグランド（LPS不存在）について補正された吸光度読取り値を示す。DLCのロットがｘ軸上に表されている。黒塗りの長方形はＴ−ポリマーを表す。斜線の長方形はDLCを表す。
支持体
一定の範囲の材料が、溝含有支持体の製造に適している。それらには、酢酸セルロース、PETE、ポリエステル、ポリカーボネート、ガラス粒子、シリカ粒子、TiO2粒子、金属及び非金属粒子、織られたか又は織られていない材料、ナイロン、濾紙、メンブラン、ポリスルホン、多孔質ガラス、ポリプロピレン、ポリウレタン又はあらゆるポリマー、プラスチック、及び金属又は非金属が含まれる。支持体は、最終装置中のマス輸送／層流を可能にするために要求される非常に限定された分布と大きさの溝を（表面配置を横切るか又はその上を越える流れの中に）提供しなければならない。
溝は0.01〜14ミクロンでなければならず、全表面積の15％を越えてはならない。溝の分布は、表面を横断して比較的均一であるべきである。溝は、選択された支持体に本来備わった特性であっても、支持体に導入されたものであってもよい。支持体は、化学的に、光化学的に、機械的に、又は電気化学的に修飾されることができる。例えば、融合プレートの間でポリエステル又はポリカーボネートウェブ材料をボンバードした後に熱い塩基浴中で所望の溝直径を彫るのに必要な時間エッチングすることによって二次元微孔質スクリーンを創り出すことができる。支持体の厚さは10〜30μｍであることができる。溝の密度を限定することの利点は、後で行う堆積工程におけるガス発生を低くする非曲線路を設け得ること、及び溝構造内に保持される物質を少なくできることである。
基本光学層が全ての表面に均一に適用されることができ（基本光学層は分析対象物の光学的検出のために無傷のままでなければならない）かつ最終光学装置の最外部の表面に適用されるサンプル溶液のマス輸送／層流に干渉しない限り、支持体に制限はない。
支持体に格別な光学的資質が本来的に備わっている必要はない。しかし、支持体上に堆積されたかなり薄い基本光学層では、光吸収性支持体は、漂遊光の吸収及び裏面から前面に通過する光の除去に起因して、肉眼で見えるようにするのがより容易な光学的スタックを提供する。
支持体は、興味の対象である分析対象物の抽出溶媒又はキャリヤ溶媒に関係する溶媒に化学的に不活性であるべきである。例えば、好ましい安価で頑丈な支持体には、本用途を実施するに際して用いられる溶液によっては影響されないポリエステル及びポリカーボネートが含まれる。
流れが装置を通り易く又は越え易くするために吸上材料又は繊維状下層材料を使用する必要がなくなるように、固体支持体の溝をコントロールすることができる。しかしながら、本当にコントロールされた流れは、サンプル容量についての平均滞留時間が特定の時間窓内のままとなるように支持体の溝と繊維状バッキングを釣り合わせることにより、得ることができる。装置を通るか又は越える流れのコントロールは、反応時間が所与の組の時間パラメーター内で一定であることを確保するためだけに行う。支持体の一端又は真下の吸収剤パッドは、溶液を拘束するため及びその吸上材料によって決定される流速が溶液の含浸容量（saturating volume）と一定であるのを確保するために、必要であり得る。差圧が流速をコントロールするときは、吸収剤は、溶液取込み及び溶液拘束の目的のために配置されるだろう。
支持体が高度に多孔質で曲線路の材料であるときは、基本光学層とAR層は、溝を付けた効果をコントロールするのに用いることができる。高度に多孔質の材料は、この発明の光学装置に適さない。これら支持体は、バラツキ又は望ましくない効果を導入するかも知れない。この多孔質支持体上の基本光学層は、その嵩のある基本材料の屈折率にその装置設計において優勢を占めさせるだけの厚さであるべきである。
光学的機能層
光学的機能層は基本層からなり、AR層からなることもできる。
光学的機能層は、適切な反射率、AR、吸着性、又は透過性を創り出すのに要求される光学特性を提供するのに役立つ。それは、漂遊光の漏れ又は支持体の裏側からの背面散乱を排除できるように充分に密でなければならない。この材料は、総パーセント反射能をコントロールできるように、3.0より大きな屈折率を有さなければならない。これは、反射能又は透過率等をコントロールすることによって、屈折率の値及び機器化されたフォーマットへの適性によりAR層選択に衝撃を与えるだろう。基本層があまりに薄いと、有効屈折率はその基本光学層及び支持体の複合屈折率に基づき得る。上記の制限が対処されれば、広い範囲の厚さが基本層について可能である。
より厚い層の基本光学材料は、パーセント反射率を高めるであろう。より低い反射能は、肉眼で色彩変化が見えるようにするのに重要である。しかしながら、自動化されたシステムでは、より高い反射能が、機器分析のための小さな厚さ変化を感じとるのに重要である。
この新規な装置の製造にあらゆる基本光学材料を使用することができる。溝含有固体支持体表面上に堆積する種々のフィルム、又は多孔質支持体中に埋め込まれる球体、棒体、又は繊維は、非晶質ケイ素、多結晶ケイ素、テルル化鉛、チタン、ゲルマニウム、コバルト、ガリウム、テルル、酸化鉄、又はクロムからなることができるが、これらに限定されない。支持体上の光学的基本フィルムの厚さの変更が、自動化されたシステムを使用する際の用途を有するであろう光学的表面の全体反射能をコントロールするのに及び種々の装置のための光学的表面を作るのに用い得ることが分かった。しかし、このことは、色彩変化アッセイ法に大した衝撃を与えない。
基本光学層が支持体中の溝と一致していても、溝が基本光学層中に直接に導入されても、粒子を用いてもよく、この場合は下層の溝含有支持体を必要としない。
基本光学材料の上に１又はそれを越える抗反射（AR）層を適用することができる。これら層は、酸化アルミニウム、酸化アンチモン、酸化ビスマス、酸化インジウム、酸化インジウム錫、酸化錫、一酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、酸化ゲルマニウム、酸化コバルト、炭素、酸化タンタル、並びに殆どの他の金属の酸化物、炭化物、窒化物又はオキシ窒化物、ダイヤモンド及びダイヤモンド様炭素からなっていてもよい。全てのAR層は、当業者にとって公知の方法により適用されることができる。
可視アッセイ装置については、その装置は、その基本層の反対側に形成されるAR層よりも高い屈折率を有する基本光学層を支持しなければならない。この好ましい態様は、AR層の真の屈折率の２乗に接近する真の屈折率を有する基本光学層の使用にある。基本光学層のこの仮想的屈折率は、如何なる具体的機能にも合う必要はない。
AR層は、基本光学層の真の屈折率の平方根に接近する真の屈折率を有さなければならない。加えて、AR層の仮想的屈折率は、この層による光の吸収を最小限にするためにかなり低くあるべきである。しかしながら、AR層の吸収特性は、反射率測定又は散乱測定又は吸光度パラメーターの検出のような、自動化されたシステムでの使用のために、波長依存性を高めるのに用いることができる。AR層の数は、その光学特性が壊れ始める前は１〜４であることができる。しかしながら、より少ない数の層は、開発及び製造が容易であるという利点がある。
諸層間の適合性は、可視化されるべき試験結果のためにそれらが相互に充分にかつできれば永久に接着することが必要とされるだけである。積層物全体を通してより高度に適合性である材料は、それら分析対象物特異的層の小さな厚さ変化でより高いコントラストの色彩変化をするという利点を与える。
好ましい色彩変化は、特異的分析対象物の表面への付着で、金色又は黄色から青色になるであろう。そのような色彩変化を促進するのに必要な分析対象物フィルムの厚さ及び発色の色彩密度は、積層物中の材料によりコントロールすることができる。
溝付き材料上にAR層を堆積させるに際し、そのAR材料を溝に満たしてしまい、溝を塞ぐことになってはならない。有意な塞がりを排除するために厚さをコントロールすることができる。ポリエステル又はポリカーボネートのような溝含有支持体を使用する別の理由は、曲線路材料が溝を塞ぐほどには、非曲線路は溝を塞ぐ傾向にないからである。
反射能を測定するために設計された機器を使用する場合には、分析対象物特異的表面と選り抜きの分析対象物との相互作用で、反射能の最も鋭い変化が興味の対象である特異的波長で起こるように、AR層を調節することができる。
可視試験の場合には、諸層の厚さを、厚さ変化が感度の高い発色を提供するように設定することができる。使用されるAR層は、金色から青色への色彩変化が感度の高い色彩変化として規定されるように堆積される。というのは、その色彩変化が、抗反射条件において（ヒトの目に）最高のコントラストの色彩変化を構成するからである。他の色彩の組合せが、より容易な判定又は柔軟性をアッセイフォーマットに提供することができる。全ては、材料組合せ及び／又は厚さを変化させることによって容易に得られる。
層流効果は、AR層及び生物学的結合層（受理材料）でコートされた小さな粒子を堆積させ、次いでこれらを多孔質支持体内に移植することによっても達成することができる。それらARコーテッド粒子は、クロマトグラフィーフォーマットにも使用することができ、容易にパターン化されることができ、そして支持体の浸透性を維持することができる。それらARコーテッドビーズは、充分な密度と均一性の屈折率を提供して、入射光の散乱又は吸収に起因するシグナルの損失を阻止できるよう、そのメンブランの中に詰め込までなければならない。粒子は１〜３μｍの大きさの範囲内であるべきであり、かつ密で均一な光学表面を提供できるように多孔質支持体内に充分に詰め込まれるべきである。
粒子は、それら粒子の周囲の流れを多孔質若しくは吸着性支持体の中に与えることによって、その光学装置の表面への流動媒質のマス輸送／層流を促進するのを助ける。加えて、粒子の使用は、クロマトグラフィーフォーマットの柔軟性を与える。そこでは、分析対象物がそれら粒子に結合しかつ流体がそれら粒子を曲線路又は非曲線路を通して検出のための不動化領域又は濃縮領域に移動させるのである。
付着層
多数の光学的機能層の化学的修飾を、シラン、シロキサン及び各種ポリマーによって行うことができる。これらは、蒸気相中で堆積させても、噴霧しても、浸漬させてもよい。溶液化学を用いて追加材料を表面に導入してもよい。これら材料は、光学的機能層への分析対象物特異的結合試薬の接着又は付着を促進し且つ増強するか、又は分析対象物の非特異的捕捉のための表面を提供するのに用いられる。非特異的捕捉の場合、分析対象物の特異的識別は、捕捉される分析対象物を結合する分析対象物特異的試薬で達成される。表面修飾剤ラテックスを用いて分析対象物特異的結合層を結合するときは、それらは、光学的表面全体に僅かしか寄与しないが、装置全体の設計には関係すると考えられる。したがって、添加された材料を補償するために、一つの層、好ましくは、AR層を調整する。
付着層の厚さは、特異的捕捉分子又は分析対象物それぞれに最適化されるであろう。付着層は、溝に認められ得るほどには影響を与えないであろう。付着層の厚さは、AR層の厚さの10倍未満であろう。金属も、AR層に弱く結合した分子を安定化させるのに役立ちうる。
付着層自体は、堆積物の光学特性に重要な役割を果たしていない。付着層も、可視フォーマット又は機器化されたフォーマットに適合するよう変更されることができる。機器化されたフォーマットの場合には、付着層の形態は、最良の感度及び選択性に必要な反射率特性を微調整するためにコントロールすることができる。その形態を変更する場合、薄膜の吸光度特性をコントロールすることができる。
付着層は、分析対象物捕捉でタンパク質を結合するか又はそれ自体の厚さを若干変化させなければならない。付着層は、この層の厚さ及び諸条件がその堆積設計に大きな柔軟性を与えるので、いかなる特定の物理的特性にも適合する必要はない。ある範囲の材料は、付着層として充分に適している。これらには、シラン、シロキサン又はポリマーなどの化学的修飾剤が含まれる。更に、ダイヤモンド様炭素は、疎水性付着層として役立ちうる。
驚いたことに、分析対象物特異的試薬のための無機付着層が、これら光学アッセイ装置で充分に働くことが判明した。この役割で機能する材料には、白金、ニッケル、金、ニクロム（80％ニッケル、20％クロム）、及び金をかぶせた酸化ビスマスが含まれ、これは、金の層の接着を促進するのに酸化ビスマスが含められたものである。これら材料は、半導体材料又は導体材料をAR層として用いる場合、その表面での金属の真空蒸着、スパッタリング、光還元、又は電気化学還元によって堆積され得る。半導体の例には、二酸化チタン及び窒化ケイ素が含まれる。一方、代表的な導体材料は、酸化インジウム錫（ITO）又は酸化錫である。好ましい態様は、金属層を適用するための真空堆積技術の使用である。真空蒸着の利点は、それが、堆積された厚さの一層厳密なコントロール及びウェブ材料の迅速加工を可能にすることである。厚さ範囲は、AR層又は反射に大きく影響することがなければ、ナノメートル未満から５ナノメートルでありうる。下にあるAR層が、そのAR状態に認められ得るほど影響を与えることなくその最適な厚さ範囲の薄い方の側にあるなら、ニッケル、ニクロム及び白金で5nmを越えてコートし得る。しかしながら、より厚い金属層は、吸収のために反射強度を減少させるので、生体分子の増加した接着を促す一方でできる限り薄く保たれるべきである。この層は、10〜100Åであるべきである。更に、アニーリング及び他の処理を用いて、この無機性付着層の形態を変化させることができる。
特異的捕捉分子の好ましい付着は、その分子とARコーティング表面上のニッケル層との相互作用に基づくであろう。そのニッケル層は１〜10nmの厚さであろう。ニッケル層の堆積は、好ましくは、真空蒸着によって行われるであろう。真空蒸着は、ロットごとの厚さ及び優れた反復性に関して非常に厳密なコントロールを可能にするであろう。
ダイヤモンド又はダイヤモンド様炭素（DLC）から成る薄膜であって、ダイヤモンド及び若干のグラファイトの多くの特性を維持しているコーティングが周知である。DLCとは、ダイヤモンド（合成又は天然）、単結晶性ダイヤモンド、樹脂型ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、ダイヤモンド様炭素、ダイヤモンド様特性（硬度及び表面エネルギー）を有する非晶質炭素、非晶質水素化DLC又は炭素フィルム、ダイヤモンド様特性を有する非晶質ないし結晶質炭素フィルム、又はグラファイト様ないしダイヤモンドの化学組成を有するダイヤモンド様材料から成る均一フィルム又は詰められた粒子から構成される層を説明するのに用いられている。DLCは、極めて硬質で、化学的に耐性（不活性）で、光学的に透明であり、しかも純粋なダイヤモンドコーティングの熱特性及び低磨耗特性を有する。DLCフィルムは、非晶質炭素ないし半結晶性ダイヤモンド様炭素ないし単結晶性ダイヤモンドまでの硬度及び組成でありうる。DLCフィルムは、化学的蒸着、スパッタリング及びイオンビーム堆積法、プラズマ堆積法、イオンビームガン法、熱高周波又はマイクロ波支援プラズマ法、加熱フィラメント法、直流プラズマ法及び衝撃合成技術などの技術によって支持体上に作成することができる。
グラファイトは、sp2混成炭素原子から形成される環構造から成る。ダイヤモンドは、共有結合した脂肪族sp3混成炭素原子から成る。堆積法に依存したDLCは、変動量のsp2及びsp3特性を有するであろう。DLC結合のいくつかは、水素で終結しうる。sp2及びsp3特性の相対量は、フィルム全体の特性を決定する。フィルムの特性決定は、接触角測定（疎水性を測定する）、電子エネルギー損失分光法（EELS）、反射高速電子回折（RHEED）及びフーリエ変換赤外分光法（FTIR）によって行うことができる。sp3混成の炭素は1332cm-1でラマンピークを有する一方で、sp2混成の炭素は1345cm-1及び1540cm-1でピークを有する。２種類の形の炭素の混合物である材料は、これらラマンピークの組合わせを示すことがありうる。sp2及びsp3特性の量は、フィルム硬度も決定する。気体中の水素の量が変動すると、電子密度、硬度、及びフィルムの疎水性を含めた他のフィルム特性に影響を与えることがありうる。
DLCコーティング技術業者が理解するように、DLCは、ケイ素、ケイ素コーテッド支持体、プラスチック類、プラスチックケイ素複合材料、セラミックス、金属などの種々の支持体材料又はこれら材料の組合わせから製造される複合材料上にコートされうる。DLCは、低温（100℃又はそれ未満）でも高温条件下でも製造されうる。DLCは、水素の存在下又は不存在下において、メタン、オレフィンガス、一酸化炭素から製造されうる。炭素含有ガスからの堆積法は、その方法の種類、温度、ガス組成、非炭素材料の量、及び他の反応条件に依存して、種々のDLCフィルムを生成することができる。
ケイ素若しくはポリカーボネート又は他の表面上のDLCフィルムは、抗体、抗原、多糖類、リポ多糖類、核酸、及び他の物質などの生物学的分子（生体分子）を強く接着できるということが発見された。DLCコーティングは多数の方法（いずれも本発明に適している）によって製造されてきたが、イオンビーム技法の使用による直接耐性は、生物学的付着コーティングとして用いるための水素化DLCフィルムを与える好ましい方法である。フィルムは、RT又はRT付近で生成させることができ、先に説明したような種々の支持材料の使用を可能にする。
DLCコーティングは、誘導的にカップリングしたRfイオンガンにメタンを通過させ、それによってメタンを破壊して水素化非晶質ダイヤモンドフィルムを提供することによって作ることができる。作業パラメーター及び材料は、コーテッド表面の表面特性を決定するであろう。
DLC（水素化DLC）の水素含量を変更することに加えて、DLCの疎水性は、sp2/sp3特性を変更することによって変化されうる。
バイオ付着の目的に用いられるDLCフィルムは、典型的には、ナノインデンターによって測定した場合に15〜50Gpaの硬度である。これらフィルムの屈折率は、典型的には、ゲルトナーエリプソメーターによる測定で1.5〜2.2である。生体分子付着は、この範囲の材料硬度及び屈折率にわたって等しいと考えられる。いずれの理論にも拘束されるものではないが、概して、より低い硬度の非晶質水素化炭素フィルムはより大きい疎水性を示し一方で、より高い硬度のフィルムは、表面上のより大きいsp2特性（Ｃ＝Ｃ）の存在のために、より多くの電子豊富部位を示すと考えられる。
疎水性は、生体分子の付着にとって基本的なメカニズムであると考えられる。しかしながら、電子の豊富領域は、静電相互作用も促進しうる。不動化される生体分子のタイプにDLC表面の疎水性及び電子密度を適応させることは可能である。これは、表面のsp2/sp3特性及び生体分子の特性の分析に基づいて行うことができる。例えば、DLC表面のsp3特性が大きい程、疎水性は大きく、そしてsp2特性が大きい程、電子密度は大きい（静電表面）。当業者は、生体分子の疎水性及び電子密度を測定する技術を熟知している。
また、表面／生体分子を、生体分子の最適保持のために経験的に合わせることができる。DLC表面と生体分子を経験的に合わせるには、種々のDLC表面を製造する。分子が疎水性であるなら、変動する度合いの疎水性の表面を供給するためにDLCをコートする。堆積法、温度、コーティング時間、炭素含有ガスのタイプ及び量、非炭素ガスの存在、不存在又は量、及び疎水性が変動されているDLC表面を製造しうる全室圧などのパラメーターを変動させるための技術は当業者に知られている。生体分子は、同じ組成、イオン強度、pH及び生体分子の量のコーティング溶液から種々の試験DLC表面にコートされる。全表面のコーティングを同じ温度で同じ時間進行させる。次に、表面を洗浄して乾燥させる。変動する表面組成に保持される生体分子の量を決定する。抗生体分子抗体が入手可能である場合、表面の評価のために、それを西洋ワサビペルオキシダーゼ（HRP）に結合させることができる。特定容量の抗生体分子抗体結合体の希釈液を、試験DLC表面それぞれに一定時間適用した後、洗浄及び乾燥工程を行う。次に、可溶性TMB基質溶液をこれら試験DLC表面に適用し、一定時間インキュベートする。特定量の溶液を、予め設定された量の停止液を含有するマイクロタイターウェルへ取出し、そしてその吸光度を測定する。測定された吸光度は、生体分子を保持するDLC表面の能力と相関する。
また、表面の接触角を測定することによって生体分子結合を追跡することができる。かくして、接触角の変化（生体分子コーティング前後）は、保持された生体分子の量の評価に役立ちうる。EELS、FTIR、RHEEDなどの他の表面分析技術も、DLC表面上での生体分子の保持を評価するのに役立ちうる。
生体分子の静電保持のための変動する電子密度のDLC表面を評価するのに類似のアプローチを用いる。堆積法、温度、コーティング時間、炭素含有ガスのタイプ及び量、非炭素ガスの存在、不存在又は量、及び電子密度が変動されているDLC表面を製造しうる全室圧などのパラメーターを変動させるための技術は当業者に知られている。
いくつかの用途においては、制限量で存在する捕捉試薬として生体分子を表面に不動化させることが望ましいことがありうる。やはり、DLCフィルム表面化学を、不動化された捕捉試薬の量を制限するために調節することができる。
生体分子付着を増強するために表面上にコートされるDLCの最小の厚さは、50〜500Åの範囲内であることがわかった。しかしながら、これは上限を示すものではない。約50Åの非常に薄い層は、生体分子を付着するDLCフィルムのキャップを与えるのに適している。これは、可視アッセイ装置においてDLCをAR層と組合わせる場合に特に有用である。しかしながら、シグナル発生のためのトレーサーに依存する方法については、この上限はミクロンの範囲内でずっと高いかもしれない。コートされうる表面には広範囲の形状が含まれ、あり得るDLCを介してこれら表面へ生体分子を付着させる。したがって、DLCは、種々のセンサー、電極、ELISA、RIA、及び他のバイオアッセイフォーマットで生体分子を不動化するのに用いることができる。
DLCを光学イムノアッセイ装置の抗反射層及び付着層の両方として用いる場合、それは次の基準を満たさなければならない。干渉アッセイ法において有用である材料は2.0付近の屈折率を有さなければならない。DLCは、小さな複合体指数成分で可視光スペクトルで２〜３の指数を有する。これは、改善された色彩生成にとってより良い光出力を生じる。複合体指数がより小さい場合、入射光の吸収はより少ない。DLCは、いくつかの用途について光学的に透明でなければならない。調節されたARフィルムの層とのDLCキャップの組合わせも、可視干渉効果の発生に適している。一つの可能な組合わせは、nf＝1.7を有する50ÅDLCのキャップを有する、450Å、nf＝2.0の窒化ケイ素のフィルムであろう。当業者は、他の適当なDLCキャップの組合わせを製造できるであろう。
受理層
分析対象物特異的結合試薬は、キレート化剤、抗体、抗原、レセプター、リガンド、タンパク質、核酸、DNA、RNA、酵素、具体的分析対象物と結合できる何等かの生体分子、又はそれらの類似体若しくは誘導体、及び／又はポリマー層であることができる。
これら結合試薬のコーティングは、試薬槽中に基体を浸漬するか又は基体上に試薬を噴霧して洗い落すことによって行われるであろう。スポットコーティング、インクジェッティング、エアブラッシング又は他の技法を用いてもよい。一旦コートされた試薬は、貯蔵のための安定化層でオーバーコートされてもされなくてもよい。
分析対象物の検出に非特異的捕捉メカニズムを用いることは可能である。このアッセイフォーマットの場合、分析対象物は、多数の化学的相互作用によって表面に接着しうる。分析対象物が光学装置に結合したら、特異的試薬は分析対象物の存在（例えば、追加のマス増加材料を付着しうる、分析対象物に特異的な抗体）を検出するのに用いられる。
ポリエステル又はポリカーボネート、非晶質ケイ素、窒化ケイ素及びニッケル
具体的な溝含有支持体には、0.01〜14マイクロメートルの大きさのランダム溝を有するポリエステル又はポリカーボネート材料が含まれるであろう。表面の溝密度は約１〜15％であるが、最適性能のために15％未満で保持されるべきである。これは、溝の存在のためにARフィルムの有効な屈折率の低下を妨げる。溝付き支持体は、非晶質ケイ素で300Å〜5000Åの厚さ範囲でコートされるであろう。基本光学層の厚さ及び充填密度は、その基本層からの反射能をコントロールするために調節することができる。これは、引続き全反射能を制御し、そしてそれを個々の用途に最適にさせるであろう。光学コーティング材料は、溝付き支持体に一致していてもよい。これは、非晶質ケイ素を用いる場合にはあまり必要でない。溝付き支持体は、比較的均一でなければならない。溝密度は、ランダムではあるが、表面積あたりほぼ同じ百分位数のままでなければならない。
窒化ケイ素層は、非晶質ケイ素層上に反応的に堆積され、30〜70nmの厚さ範囲を有することがあり、これは具体的用途のための最適のコントラストにコントロールできる。現行の光学層の気相蒸着を用いる一つの利点は、反射能及びコントラスト並びに発色のコントロールが、それぞれの表面を具体的用途に合わせられることである。表面構造の最大差は、自動式対可視式の検出スキームで認められるであろう。
装置内の基本層に非晶質ケイ素を用いることには多くの利点がある。第一に、非晶質ケイ素は、多結晶ケイ素より高い屈折率を有する。第二に、非晶質ケイ素のフィルムは、可視波長の大きな吸収のためにより薄くすることができる。第三に、非晶質ケイ素は、非晶質ケイ素を形成するのに表面加熱が不必要であるので、紙及びプラスチックなどの低温支持体上に堆積できる。非晶質ケイ素は、いくつか他の高指数材料にまさる優れた結合及び機械的安定性も示す。
ニッケルの薄層は、多くの理由で付着層に好ましい。第一に、ニッケルは、上で概説したAR層に、そして特に窒化ケイ素に非常によく接着する。更に、ニッケルは1.78の屈折率を有し、その吸光係数は7.4×105であるが、金属の薄いフィルムはAR層の反射能に認められるほどの影響を与えない。ニッケルの使用は、生体分子の全被覆率を天然窒化ケイ素よりも増加させると考えられる。これは、水素結合、π逆結合及び金属へのスルフィド結合の形成などの特異的相互作用のためでありうる。
実施例
実施例1:流れ特性を評価するための吸収材料の使用
0.6μｍ、１μｍ及び５μｍの溝付きポリカーボネート支持体の流れ特性は、セルロースアセテート又は他の繊維状若しくは多孔質吸上材料で裏打ちされた場合に所望の流れ特性を示す。目的の流れ特性は、表面を貫き及び／又は横切る流量、光学的表面での流体の保持、及び表面全体にわたるサンプル溶液の均一流動である。流量は、160〜1000μｌのサンプルを用いると仮定して、充分な反応時間を許すように選択されるべきである。表面の最適流動及び乾燥は、親水性溝付き支持体が、表面乾燥時にサンプルの逆流を防止するように別の親水性吸収材料で裏打ちされている極めて薄い疎水性メンブランで裏打ちされている場合に得られる。乾燥工程は、光学シグナルの可視化において必要な工程ではないが、流動マトリックス（そのマトリックスが気体でなければであるが）と比較して低指数の空気によって一層容易に評価されるシグナルを生じる。これは、全アッセイ時間をかなり減少させる。
実施例2:溝不含支持体に比較して短いアッセイ時間
Ａ群連鎖球菌に特異的な多糖類抗原に反応性の試験表面を、溝不含支持体（ケイ素）及び溝付き支持体（ポリカーボネート）上に製造した。ケイ素試験装置は、商業的に入手可能な装置である。溝付き支持体は、非晶質ケイ素の後に窒化ケイ素でコートされた後、実施例３におけるようにDCDMSでシリル化された１μｍ溝寸法のポリカーボネートであった。シリル化したら、その表面を抗Strep A抗体でコーティングし、そして修飾STREP A OIARアッセイを実施した。抗原は、１分間抽出工程で抽出した。その抽出を、固体フィルム形成性酵素産物の沈澱のためにHRPとの結合抗Strep A抗体も含有する試薬で中和した。全抽出量250μｌ（しかし、300μｌを越えることがありうる）を、溝付き装置の表面に与えた。固体溝不含装置のサンプルサイズは、約35μｌに制限される。サンプルは、溝装置の表面を通って約30秒で流れた後、各10秒間の２回の洗浄を施された。固体溝不含装置は、２分間のインキュベーション工程の後、約20秒間の洗浄を１回必要とする。次に、酵素基質を溝含有光学支持体に少なくとも１分間、潜在的には30秒程度もの短時間で（特に、より高い抗原濃度において）与えた。次に、可視化の前に装置を洗浄して乾燥させた。固体装置は、洗浄、乾燥及び解釈の前に、酵素基質と一緒に２分間のインキュベーションを必要とした。固体支持体に対する溝付き支持体での全アッセイ時間減少は1.5分間又は全アッセイ時間の約半分である。マス輸送／サンプルの層流を伴う溝含有装置で、同様の性能レベルが得られたが、標準的な固体光学支持体装置と比較して速度を増加させた。
実施例3:Strep a OIARアッセイ比較
１μｍ溝を含むポリカーボネートの支持体を、非晶質ケイ素の基本光学層で2000Åの厚さまでコーティングした。AR層は、420Åの厚さまでコーティングされた窒化ケイ素であったが、屈折率は2.0である。光学層は、工業用標準パラメータを用いるイオンビーム堆積によって適用された。付着層は、触媒を用いることなく室温で10分間の堆積法を用いて本質的に支持体上にコーティングされた1,1,1−トリクロロエタン中２％DCDMSであった。抗Strep A抗体は、装置をコーティングする溶液によって、0.1M HEPES、pH8.0、６μg/mlの抗体を含有する溶液中において45℃で２時間加えられた。装置を脱イオン水で洗い、そして直ちに用いた。この装置のアッセイは、360μｌの予め抽出された抗原標準及び40μｌの結合体を用いた。その混合物を光学装置に加え、そして差圧（真空）を各抗原標準に２分間加えた後、それぞれ約100μｌの水で２回洗浄を行った。次に、基体（substrate）を４分間加えた後、上記洗浄手順を行った。乾燥は差圧によって行われ、その可視変化を記録した。この特異的抗原標品で評価された場合の溝含有装置は、400μｌサンプルで1:96000の分画レベルを示した。固体（溝不含）支持体装置の使用は、この抗原標品に関して1:2400の分画レベルを与えた。したがって、約40倍の感度の増加が溝含有支持体の使用によって得られる。差圧は、STREP A OIARアッセイで時間を合わせるように流れを制御することにのみ用いられた（溝不含支持体）。この装置は、本来的にサンプルのマス輸送／層流を可能にするので、差圧の使用を必要としない。
もう一つの実験において、結合体と混合された1:2400抗原標準のサンプル300μｌを溝含有光学支持体のサンプルに加え、そして差圧システムを用いてその全量を30秒間で吸引した。各100μｌで各５秒間の３回の逐次的洗浄を行った。洗浄後、基体を１分間及び30秒間加えた。発色は、インキュベーション時間の30秒以内に認められうる。200μｌの最終すすぎ水を、溝含有光学支持体に10秒間通過させた。溝含有光学支持体の全アッセイ時間は、固体支持体での８分間と比較して２分間及び25秒間であった（1:2400の分画レベルで）。このデータに基づき、溝含有支持体を用いて、固体支持体システムへの同様の感度を維持しながら（1:2400分画レベル）アッセイ時間を２分間及び25秒間に減少させることは可能であり、これが優れた臨床的性能を有することが示された。
実施例4:T−ポリマーシロキサンコーテッドフィルムとDLCコーテッドフィルムの比較
シリコンウェファーを、米国特許第5,468,606号で記載のように、窒化ケイ素でコーティングした後、Ｔ−ポリマーシロキサンでもコーティングした。DLCを50Åキャップとして加えた。多数の異なったDLCコーティングをＴ−ポリマー表面と比較した。この実施例で評価された各種DLC表面ロットは、イオンビーム蒸着によって製造した。蒸着処理パラメーターは、僅かに異なったDLCコーティングを製造するように変更した。変更できるパラメーターには、温度、コーティング時間、炭素含有ガスの種類及び量、存在する非炭素ガスの存在、不存在又は量、及び全室圧が含まれる。当業者は、これら及び他のパラメーターを変更してDLC表面の特性を変化させる方法を知っている。この実施例において、DLCは、メタン及びアルゴン混合物をDC中で用いる直接イオンビーム蒸着によって製造し、そして誘導的にRfイオンガンを結合させた。メタンはプラズマ中で分解され、水素化非晶質ダイヤモンドフィルムとして表面上に蒸着する。フィルムは約25℃で製造された。コーティングされている基体の温度は、作成されたDLCの硬度及び疎水性に強く影響を与えることもありうる。
水素化非晶質炭素フィルムの表面エネルギーは、これらフィルムの疎水性と相関関係がありうる。極めて親水性の表面を有する炭素フィルムは、60゜の水接触角及び49ergs/cm2の表面エネルギーを有するであろうが、疎水性表面は、110゜の水接触角と23〜24ergs/cm2の表面エネルギーを有するであろう。
この実施例及び他の実施例で製造されたフィルムは、71゜の水接触角及び45ergs/cm2の表面エネルギーを有する。この実施例及びこれに続く実施例の非晶質水素化炭素フィルムは、12〜23％の水素含量を有する。
アッセイ法は、1:1000か1:5000のClamydia基本小体に由来するLPS抗原を含有するか又はLPS抗原マイナスの一定量のサンプルと一緒に表面をインキュベートすることを行う。LPSがDLC又はＴ−ポリマー表面に非特異的に付着したら、抗LPS抗体HRP結合体を表面上でインキュベートさせ、10分間インキュベートした。次に、100μＬの可溶性TMB基質を取出し、100μＬを含有する微量滴定ウェル中に入れた後、450nmでの吸光度を記録した。これは、DLCコーティング及びＴポリマー表面のLPS捕捉の半定量的比較を与える。図３及び４は、種々のDLCコーティングの性能をＴ−ポリマー表面と比較し；プロットされた値はシグナルノイズである（負のサンプル結果）。1:1000LPS希釈において、DLC表面上で生じたシグナルは、対応するＴ−ポリマー値と同様であり、又は若干の場合、それより高い（図３を参照されたい）。これは、DLC表面が、LPS結合を所望のレベルまで減少させるようにうまく変更できるということを示している。1:5000LPS希釈での結果は、1:1000LPS希釈について認められたのと同様であるが、若干の場合、DLCへの結合レベルが有意に改善される（図４を参照されたい）。他の場合、DLCはほとんどLPSを捕捉することができなかった。再度、所望の程度の生体分子保持に合わせられるDLCの能力が支持される。
実施例5:DLC表面上のインフルエンザウイルスＡ又はＢの検出
シリコンウェファーを、約450Å窒化ケイ素及び2.0の目標の屈折率を有する50ÅのDLCでコーティングした。複合フィルム厚さの測定値は、ウェファーが493.8±5.8Åの厚さまで、2.058±0.003の屈折率でコーティングされたことを示す。
インフルエンザＡ及びインフルエンザＢに対する単クローン性抗体両方を、50μＬの種々の抗体濃度のスポット（それぞれのスポット中に、規定濃度で等量の各抗体であった）としてDLC表面上に加え、そして10分間インキュベートし、洗浄し、そして吸取乾燥させた。次に、15μＬの結合体（西洋ワサビペルオキシダーゼ（HRP）に結合した抗インフルエンザＡ及び抗インフルエンザＢ）を、75μＬの種々の濃度（表１の倍数希釈に基づく）の希釈ウイルスＡ又はＢと混合した。用いられたインフルエンザＡ株はホンコンＡ（HKA）であり、用いられたインフルエンザＢ株はパナマＢであった。この混合物のサンプル10μＬを表面に与え、室温で５分間インキュベートした。その混合物を表面から洗い落し、吸取乾燥させた。次に、１滴のHRP基質を表面に５分間与えて沈澱を形成させた。その基質を洗浄した後、吸取乾燥させた。結果を表１で示す。表では、表面に与えられた抗体の量対PBS負対照及びHONG KONG（インフルエンザＡ株）又はPANAMA（インフルエンザＢ株）の２種類のウイルスの種々の希釈での捕捉を比較している。どちらのインフルエンザ株も、５μｇ（0.005mL×1mg/mL×100μg/mg）の表面抗体スポットで充分な捕捉が得られた。
実施例6:レセプターコート工業用銘柄ダイヤモンド上のリガンドの検出
Key Industrial Diamond Corporationからの0.2ミクロン工業用銘柄ダイヤモンド上にレセプターを固定した。そのレセプターを1mg/ml原液からダイヤモンド上にコーティングし、100μＬ容量のレセプターを10μＬのダイヤモンドと混合した。レセプターを室温で一晩インキュベートした。この材料からのサンプル２μＬを表面に加え、そして15分間インキュベートした。固体支持体を水で洗浄し、そして窒素流下で乾燥させた。これは、DLC/レセプターコーテッド表面を生じた。
DLC/レセプター表面の機能性を調べるために、レセプターと反応するリガンドのサンプル15μＬを加え、そして５分間インキュベートした。非結合リガンドを、窒素流下で乾燥した表面から洗い落した。次に、抗リガンド/HRP結合体を５分間与えた後、洗浄／乾燥工程を行った。結果を目視で読取った。正サンプルを全て検出した（データは示されていない）。最適化されていないが、この実験は、工業用ダイヤモンドを用いて生体分子を固定することができ、そして次にその固定された生体分子のフィルムコーティングを生成できるということを示している。
実施例7:DLC表面上のDNAの捕捉
ビオチニル化された14マーを、脱イオン水で１μモル/mLまで希釈した。その原液から、14マーを10pモル/mLまで更に希釈した。各希釈のアリコート１μＬを、DLCコーテッド窒化ケイ素／ポリエステル表面に与え、そして30分間乾燥させた。非結合14マーは全て、水で表面から洗浄し、その表面を乾燥させた。各DNAスポットを、100μＬの抗ビオチン−HRP結合体でコートし、そして室温で10分間インキュベートした後、洗浄／乾燥工程を行った。次に、DNA/結合体スポットを約100μＬの沈澱性TMB基でコートし、そして５分間インキュベートした。再度、洗浄／乾燥工程を行った。DLC表面上へのDNAの捕捉の正指標は、加えられたDNAスポットの光学的バックグラウンドに相対的な変色によって可視化される。この実験は、10fモルのDNAがDLC表面上に固定され、そして沈澱酵素反応によって可視化されたことを示した（データは示されていない）。
実施例8:DLC表面上のDNA:DNAハイブリッドの検出
前の実施例の場合と同様、DLC/窒化ケイ素／ポリエステル支持体を用いた。ビオチニル化された14マーの10nモルアリコートと混合した。プローブを、20mM Tris、pH7.5、15mM MgCl2及び50mM NaCl（最終容量22μＬ）中において室温で15分間アニーリングさせた。次に、ハイブリダイゼーション溶液４μＬを取出し、そして１μＬのSIヌクレアーゼ、22μＬの水及び３μｌのS1緩衝液と混合した。一本鎖DNAの消化を、室温で15分間進行させた。次に、ハイブリッドのサンプル１μｌをDLC表面に与え、乾燥させた。その表面を洗浄し乾燥させた。抗ビオチン抗体/HRP結合体のサンプルを加え、10分間インキュベートした後、洗浄及び乾燥工程を行った。次に、HRP沈澱基質のサンプルを表面に５分間与えた。その表面を洗浄し、乾燥させ、そして可視化した。この技法で、60pモルのビオチニル化プローブを検出した（データは示されていない）。補体又は両プローブの不存在下においてシグナルは生じなかった。シグナルは、S1ヌクレアーゼの不存在下におけるビオチニル化プローブ又はハイブリッドの捕捉によって生じうると考えられる。
実施例9:DLCフィルム疎水性の調節
DLCフィルムの疎水性をもっと増加させるために、sp3特性をフィルム中に導入することができるし又はDLCフィルム中の水素化炭素の量を増加させることができる。この実施例では、DLCフィルム中の水素化炭素の量を増加させた。イオンビーム蒸着は、用いることができる多数のコーティング法の一つである。水素化非晶質DLCを25Å／分で蒸着する中間コーティングプロトコルは、次の設定を包含する。
パラメーター 設定
Rf順電力 300W
Rf逆電力 0W
ビーム電圧 100mAmp
加速電圧 200V
電流電圧 8.2mAmp
一定
格子温度 170℃
プラテン温度 85℃〜90℃
流量（CH4） 40sccm＊
源 8cm部分
＊標準立方センチメートル／分
DLCフィルムの疎水性の変更は、Rf順電力を50W増加分で変化させ且つCH4流量を、０のRf逆電力が維持されるように変化させることによって行うことができる。他のパラメーターは全て、コーティング室の通常の束縛の範囲内で一定に保持される。一層グラファイト様のDLCを製造するためには、気体をCH4及びCH2CH2の混合物に又は純CH2CH2に変更することができる。上記のパラメーター設定を用いる２種類のガスの比率の変化は、疎水性が変化したある範囲のDLCフィルムを生じるであろう。純CH2CH2ガスにも、上記パラメーター設定を用いることができる。当業者は、他の蒸着法が、ある範囲のDLCを製造するように変更でき、イオンビーム蒸着の上の考察に基づき、このような変更を、化学蒸着、プラズマ蒸着等のような他の蒸着法に行うことができることを理解するであろう。
他の態様は、次の請求の範囲の範囲内である。
本発明は、分析的試験に有用な方法及び装置に関する。そのような試験には、医療診断及び環境試験が含まれるが、これらに限定されない。
以下の記載は、関連技術の説明であるが、そのいずれも本発明の先行技術であるとは認められない。
フロースルー又はポーラスアッセイ装置が、Valkirsらによる米国特許第4,632,901号に記載されている。この方法では、抗体でコートされかつそれに適用されたサンプルから分析対象物を取り出すことができるメンブラン又はフィルター上でイムノアッセイが行われる。可視化は、基質に作用して着色する粒状生成物を生成させるところの二次的試薬の分析対象物依存的捕捉性に基づいており、その粒状生成物は、その二次的試薬が存在する場合にだけそのメンブランに非特異的に接着するものである。この基本的設計に多数の変更がなされており、それらには、可視化のために二次的試薬に着色され及び／又は金属である粒子を付着させたもの（米国特許第4,775,636号）、及びフロースルー技術ではなくてクロマトグラフィー技術を導入したもの（米国特許第5,232,835号）が含まれる。
米国特許第5,200,312号は、着色した不溶性生成物を分析対象物の検出に用いるメンブランアッセイシステムを記載している。この生成物は酵素により形成され、その酵素は、それに曝されると可視的色彩変化をもたらす発色団含有不溶性生成物を生成する試薬を含有する基質と相互作用するものである。米国特許第5,395,754号は、生物学的アッセイにおける使用のためにメンブラン表面上に対照又は検量ゾーンを作成する方法を記載している。
多孔質抗反射性フィルムの製造が記載されている（66 J.Opt.Soc.Am.515−519,1976;J.Am.Ceramic Soc.302−307,1983）。これら抗反射性フィルムは、広いバンドのAR層を作るために急な屈折率勾配を有する。これらフィルムは、乱雑で連続性の孔で高度に多孔質である。これら孔は、形成されるAR材料内に空気を捕捉し、それが屈折率勾配を作るのを助ける。
マス輸送（mass transport）又はマス移行（mass transfer）は、充分に確立された現象である。それは、濃度勾配、温度勾配、電界、重力等の存在から起こる。溶液中でのマス輸送は、溶液の移動又は流れ又は対流に非常に敏感である。マス輸送は、溶液中の物質の拡散係数又は電荷によっても影響を受け得る。
静的拡散制限反応においては、拡散層がなくなって分析対象物濃度が表面で低くなるにつれて、濃度勾配が形成される。サンプル中の高濃度ゾーンからの分析対象物は、結合のために表面に拡散しなければならない。表面に近いサンプルだけが結合するであろう。拡散層又は拡散バリヤへ分析対象物を補充することは、その結合反応を制限することになる。対流によるマス輸送作用は、この拡散バリヤを壊すか又は変えるのに役立ち得る。
高度に多孔質であるか又は相互連絡した表面での溶液の流れ、つまりマス輸送は乱れるので、栓流又は対流的特徴をもたらす。しかしながら、溝付き表面では、その流体力学的マス輸送は層流的特徴を創り出す。栓流は、対流により溶液を混ぜて、その流路に沿って突き進む。これで、サンプルが多孔質材料を横断して流れるにつれて、拡散バリヤが確実に最小化される。あるアッセイシステムにおいては、栓流は、非分析対象物及び引き続く可視化試薬の非特異的接着の確率を高めることができた。しかしながら、対流は、利用可能な結合部位と繰り返し接触する新鮮な溶液が流路を流れるので、分析対象物と利用可能な結合部位との接触を増やす傾向があるだろう。
溝付き材料を流れているか又は横断している溶液は、固体の均一な表面と接触しているときは、別の溝と遭遇するまでは本質的に静的である。溝を通る流れは層流を創り出す。かくして、反応が拡散制限されている間、物質流は、拡散バリヤ又は拡散層が壊されるように影響を受ける。溝により導入される対流は、新しい分析対象物を連続的に表面に押しやって孔の近くの死層を排除する。同時に、拡散バリヤの形成も阻止して、孔間の静的条件を満たす。かくして、層流は、新しい部分を拡散の境界に連続的に取り入れる。拡散制限を克服するのに栓流システムが層流システムよりも効果的であることが、広く信じられている。本発明者らは、驚いたことに、本発明の光学アッセイ装置については、層流が栓流システムよりも効果的であることを発見した。
静的溶液／固体反応において、拡散バリヤは、20秒後、δ（ｔ）＝2.8×10-3cm（δ（ｔ）＝２（Dot）−1/2）である。Doは、普通の生物学種については１×10-7cm2/秒と仮定される。流体力学的マス輸送の場合には、拡散バリヤは本質的に時間及びδ（ｏ）＝3.7×10-4cm（δ（ｏ）＝1.61（Do）1/3（ωｖ1/6）−1/2）に依存する。ここで、ωはωの角速度を有する仮定上の固体を横切って移動する溶液に基づく角度振動数であり、そしてｖは溶液粘度（動粘性率）の関数である。ωの角速度を有する仮定上の固体を横切って移動する溶液に基づくｖの値は、0.01cm2/秒（水）と仮定された。計算はフィックの法則から誘導される。
発明の要旨
本発明は、分析対象物を潜在的に含有するサンプルの層流によるマス輸送を光学アッセイ装置の層を横切って及び通って導入するための手段に特徴がある。
そのような装置（図１を参照）は、支持体（溝を含有しているか又は多孔質）、光学的機能層、付着層を含んでなり、分析対象物特異的受理層を含有してもしていなくてもよい。この光学的機能層は、薄層コーティング法により支持体上に施されてもよい。この層は、分析対象物が結合するとシグナルを生ずるのに要求される活性成分を含有しており、そしてアッセイ結果を解釈するのに使用される所望の最終アッセイ装置及び分析の方法に基づいて選択される。この層は、抗反射層を有するか又は有しない光学的基本層を含んでなる。光学的機能層がAR材料を包含するとき、最終アッセイ装置は、そのアッセイ結果の可視的測定のために備えられる。光学的機能層は、付着層でコートされている。この付着層は、分析対象物特異的受理材料の保持又はその分析対象物自体が保持される手段にとって安定な環境を提供するために包含される。付着層上の分析対象物特異的受理材料への分析対象物の結合は、分析対象物と分析対象物特異的表面の間の特異的相互作用に起因する物理的又は化学的のいずれかの吸着により達成される。また、分析対象物が非特異的にその付着層に結合するときは、分析対象物は、分析対象物特異的結合試薬の引き続く特異的結合により検出される。
マス輸送／層流をもたらすそのような手段の１つは、溝含有固体支持体を提供することによるものである（図2Aを参照）。この溝含有固体支持体は、本来的に溝を含有することができるか、又はその固体支持体の散在しているが限定された面積を15％までを除去することにより溝を導入するように修飾されることができる。光学的機能層は、この溝含有支持体に、それら溝を維持するようなやり方で適用される。これら層が一緒になってサンプルの層流を促進する。
光学アッセイ装置の層を貫くかまたは横切るサンプルの層流を達成するもう１つの手段は、溝含有光学的機能層及び下層の多孔質支持体を提供することである（図2Bを参照）。流体の流れに面しているこの多孔質支持体は、所望の溝流れ特性も光学的特性も与えない。かくして、溝は、化学的、機械的、光化学的、平版印刷的又は他の公知の手段によって、光学的機能層内に導入される。この設計の１つの要件は、光学的特性（主として屈折率）が光学的基本層と多孔質支持体の複合物ではなく光学的基本層の特性に基づくように、光学的機能層が適用されることである。
また、光学的機能層は、散在した光学的機能粒子（球状、棒状又は繊維状）を含むことができる（図2Cを参照）。下層の多孔質支持体と連結しているこれら粒子は、層流によりアッセイ装置を貫くか又は横切るサンプルのマス輸送をももたらす溝を提供する。所望の光学的及び流れ特性を達成するには、粒度及び充填密度の注意深いコントロールが要求される。固体粒子を含有する光学的機能表面の下側の溶液は、結合及び検出への何の影響もなしに栓流を有することができる。
この装置を貫き及び／又は横切るマス輸送／層流の速度を、そのアッセイ装置の諸層の周囲又は下に配置された吸収剤の使用によって、変えることができる。吸収剤は、装置の諸層を貫くか又は横切る流体を引き上げるように働く吸上剤となる。また、サンプルは外部補助なしに装置を流れるとはいえ、連続的に（インラインサンプリング）又はばらばらの容量のいずれかで、装置の溝を介して（それぞれ負圧又は正圧により）引っ張られることも押されることもできる。
装置を通るサンプルのマス輸送／層流は、バルクサンプルと、分析対象物の結合が起こる光学装置の表面との接触を高める。それは、拡散バリヤを変えるか又はその拡散バリヤにおいて築かれた濃度勾配を壊す。この作用は、装置の受理層（又は付着層）に曝される利用可能な分析対象物の量を増加させる。溶液の層流は、その溶液の表面接触時間の全体を通して、受理層（又は付着層）により多くの分析対象物を導入する。単純な拡散制限反応においては、一旦拡散層がなくなると、表面受理材料にとって利用可能な追加の分析対象物は殆どなくなる。
本装置の諸層は、溶液又は気体に曝されると、分析対象物がマス輸送／層流を介してその表面に移動するのを可能にする。表面へのマス輸送は、溝の数及び分布、サンプルパラメーター、及び装置の諸層上で又は諸層内で創られる層流により支配される。溝は、穿孔、エッチング又は表面上又は表面中への粒子の凝集及び／又は不動化により創ることができる。本発明者らは、層流によるマス輸送作用が、サンプル流体内の濃度勾配を低下させることにより、固体表面アッセイの拡散制限を排除し、一方では、望まれる光学特性を維持したことを発見した。
マス輸送／層流作用を創り出すために光学アッセイ装置の諸層中に存在する溝は、分析対象物のための結合面積の増加にあまり貢献しない。結合は、分析対象物特異的結合層を含有する装置の表面に局限される。溝の近くでは如何なる物質も結合しないことが電子顕微鏡観察で示唆されている。更には、溝内で結合が起こっても、採用される光学的又はマス的検出法に対して透過性である。分析対象物との結合又は反応後の薄膜装置の厚さ（thickness）、マス、光学的マス、又は他の物理的特性の変化を測定するあらゆる方法が、直接物理的検出に適する手段である。それら方法は、自動化されても、機器化されても、又は簡単な可視的色彩測定であってもよい。溝付き表面は、如何なる分析対象物も、分析対象物の検出のための二次的試薬も保持するようには設計されていないが、装置の表面において分析対象物結合部位にとって利用可能にされるサンプルの容量を増加させるようにだけ設計されている。
第１の側面においては、本発明は、サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって、溝を含有する支持体、該支持体上に配置された光学的機能層であって該光学的機能層と該支持体が該装置の諸層を通るサンプルの層流を可能にするように配置された光学的機能層、該光学的機能層上に配置された付着層、及び該付着層上に配置された分析対象物特異的受理層を含んでなる光学アッセイ装置に特徴がある。
“サンプル”により、あらゆる流動媒体、つまり気体又は液体が意味される。溶解した固体で高濃度であるサンプルは、更に処理することなく用いることができ、また、高濃度の（溶解していない）固体を含有するサンプルは、フィルターに通して導入しても、追加の手動の工程を導入して使用してもよい。サンプルは、気体であっても、液体であっても、懸濁液であっても、抽出又は溶解したサンプルであっても、超臨界的流体であってもよい。マス輸送／層流を可能にする幾つかの流動特定がサンプルに存在しなければならない。
分析対象物は、抗原、抗体、レセプター、リガンド、キレート化剤、タンパク質、酵素、核酸、DNA、RNA、殺虫剤、除草剤、無機又は有機の化合物又はそれについての特異的結合試薬を見出し得るあらゆる物質であることができる。表面は複数の分析対象物に使用することができ、特異的相互作用の選定は、分析対象物の違いを解明する表面パターン化の使用で明瞭にすることができる。
“溝を含有する支持体”により、その支持体が溝又は穴を含有することが意味される。支持体は、予め存在する溝（所望の直径と密度をもともと含有する）を有していても、支持体からその材料を（機械的、光化学的、電気化学的、又は化学的などのあらゆる方法であって、エッチング、ドリル、穿刺、又は支持体に溝又は穴を導入する他の方法により）取り除くことにより溝を創り出してもよい。溶液の流速は、溝の大きさと溝の密度の組み合わせの他、サンプルの一定の特徴、例えば、粘度によって影響を受ける。
“光学的機能層”により、分析対象物の受理層への結合でシグナルを生ずることができる層が意味される。この層は、望ましい度合いの反射率、透過率、及び／又は吸収が最終的なアッセイ輪郭に適合するよう、支持体材料の光学的特性を修飾できるように設計された抗反射層を有するか又は有しない基本層を包含する、１又はそれを越えるコーティングを有してもよい。この光学的機能層は、結果が視覚的に又は最終装置中で機器化された分析により観察可能になるように、１又はそれを越えるか又はある範囲の光の波長を、分析対象物の結合で減衰させることができる。この光の減衰は、視覚的に観察可能な色彩変化のためのARコーテッドアッセイ装置におけるような光の特異的波長の消減又は増幅を包含することができる。又は、特異的波長の光の強度が、最終アッセイ装置からの反射又は透過で修飾されてもよい。光学的機能層は、入射光における分極の状態又は度合いに変化を起こすよう、装置の光学的パラメーターを修飾することもできる。
“層流”により、光学アッセイ装置の表面近くの拡散層が少なくなり、そして受理層（又は付着層）にとって利用可能になるか又はそれと接触する分析対象物の量が増加するプロセスが意味される。層流は、滑らかで安定しており、そしてあたかも流体の別々の諸層（積層）が純粋な流れで一方向に安定かつ特徴的な速度を有するかのように起こる。
“装置の諸層を通る”により、装置の表面から支持体に向って諸層を貫くサンプルの流れとその装置のいずれかの層の表面を横切る流れの両方が意味される。
“付着層”により、光学的機能層への受理材料の結合を促進又は増加させるあらゆる材料又は諸材料が意味される。また、付着層は、その後の全ての処理及びアッセイ過程のために、充分な親和力で受理材料を保持すべきである。付着層は、受理材料の安定性を低下させてはならない一方で、その安定性を高めることができるものである。受理層が用いられないときは、付着層が分析対象物と非特異的に結合することになる。
“分析対象物特異的受理層”により、分析対象物と結合してその分析対象物の検出を可能にするのに充分な親和性を有しかつ興味の対象である分析対象物に対して特異的である材料又は諸材料が意味される。
第２の側面においては、本発明は、サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって、溝を含有する支持体、該支持体上に配置された光学的機能層であって該光学的機能層と該支持体が該装置の諸層を通るサンプルの層流を可能にするように配置された光学的機能層、及び該光学的機能層上に配置された付着層を含んでなる光学アッセイ装置に特徴がある。
この側面においては、付着層（受理層なし）は、分析対象物を非特異的に捕らえることができなければならない。付着層の例には、シラン類、シロキサン類、種々のポリマー、Ni、及びダイヤモンド様炭素が含まれる。分析対象物は、分析対象物特異的結合試薬を使用することによって検出される。
第３の側面においては、本発明は、サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって、多孔質支持体、該支持体中に埋め込まれた散在した光学的機能粒子を含んでなる光学的機能層であって該光学的機能層と該支持体が該装置の諸層を通るサンプルの層流を可能にするように該光学的機能粒子が埋め込まれた光学的機能層、該粒子上に配置された付着層、及び該付着層上に配置された分析対象物特異的受理層を含んでなる光学アッセイ装置に特徴がある。
“多孔質支持体”により、溶液に種々の曲がりくねった流路を提示する材料が意味される。
“散在した光学的機能粒子”により、10μｍ〜1mmの範囲の大きさでありかつ多孔質支持体中に詰め込まれてその多孔質支持体中に均一な屈折率層を創り出すあらゆる粒子、球体、棒体が意味される。
“埋め込まれた”により、粒子が多孔質支持体のマトリックス内に捕捉されたことが意味される。
第４の側面においては、本発明は、サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって、多孔質支持体、該支持体中に埋め込まれた散在した光学的機能粒子を含んでなる光学的機能層であって該光学的機能層と該支持体が該装置の諸層を通るサンプルの層流を可能にするように該光学的機能粒子が埋め込まれた光学的機能層、及び該粒子上に配置された付着層を含んでなる光学アッセイ装置に特徴がある。
第５の側面においては、本発明は、サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって、多孔質支持体、該支持体上に配置された溝を含有する光学的機能層であって該光学的機能層と該支持体が該装置の諸層を通るサンプルの層流を可能にするように配置された光学的機能層、該光学的機能層上に配置された付着層、及び該付着層上に配置された分析対象物特異的受理層を含んでなる光学アッセイ装置に特徴がある。
“溝を含有する光学的機能層”により、その光学的機能層が、その装置の諸層を通るサンプルの層流を可能にするのに適切な直径と密度の溝を有することが意味される。溝は、化学的、機械的、光化学的、平版印刷的又は当該技術分野で公知の他の手段によって導入され得る。
第６の側面においては、本発明は、サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって、多孔質支持体、該支持体上に配置された溝を含有する光学的機能層であって該光学的機能層と該支持体が該装置の諸層を通るサンプルの層流を可能にするように配置された光学的機能層、及び該光学的機能層上に配置された付着層を含んでなる光学アッセイ装置に特徴がある。
好ましい態様においては、光学的機能層は抗反射層を含んでなる；付着層はニッケルである；その装置は、光学的機能層を取り囲んでいるか又は支持体の下方に吸収剤材料を更に含んでなる；支持体がポリエステル又はポリカーボネートを含んでなり、光学的機能層が非晶質ケイ素の層の上に配置された窒化ケイ素の層を含んでなり、そして付着層がニッケルを含んでなる；支持体がポリカーボネート又はポリエステルを含んでなり、光学的機能層がゲルマニウムの層の上に配置されたダイヤモンド様炭素の層を含んでなり、そして付着層がニッケルを含んでなる；光学的機能層が非晶質ケイ素の層の上に配置された窒化ケイ素の層を含んでなる；付着層がダイヤモンド様炭素の層を含んでなる；分析対象物が、抗原、抗体、レセプター、リガンド、キレート化剤、タンパク質、酵素、核酸、DNA、RNA、殺虫剤、除草剤、無機又は有機の化合物からなる群から選択される。
抗反射層は当業者にとって公知である。本発明で使用するのに適するAR層の例には、酸化アルミニウム、酸化アンチモン、酸化ビスマス、酸化インジウム、酸化インジウム錫、酸化錫、一酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、酸化ゲルマニウム、酸化コバルト、炭素、酸化タンタル、並びに殆どの他の金属の酸化物、炭化物、窒化物又はオキシ窒化物、ダイヤモンド及びダイヤモンド様炭素が含まれる。
“吸収剤材料”により、その材料が接触している表面からある溶液を引き上げ（吸い上げ）て保持する能力を有する材料が意味される。この材料は、光学的機能層を取り囲んでも、及び／又は支持体の下に配置されてもよい。吸収を向上させるか又は低下させる材料を組み合わせると、サンプル移動のコントロールが可能になる。
更に好ましい態様は、支持体としてポリカーボネートの使用、基本光学層としてゲルマニウム（＞300Å）の使用、及び抗反射層及び付着層（選択される又は望まれる色彩変化に依存して300〜800Å）の両方として機能するダイヤモンド様炭素の使用である。
第７の側面においては、本発明は、サンプル中の分析対象物の存在又は量を検出する方法であって、支持体、該支持体上に配置された光学的機能層、該光学的機能層上に配置された付着層、及び該付着層上に配置された分析対象物特異的受理層を含んでなる装置を提供する工程、サンプルを該装置に適用し、前記サンプルが該装置の諸層を貫くか又は横切る層流により引き込まれるようにする工程、及び分析対象物を該分析対象物特異的受理層に結合させ、該装置の表面上でマス変化を起こさせて、該サンプル中の該分析対象物の存在又は量を示させる工程を含んでなる方法に特徴がある。
“全ての層を貫きそして横切る”により、サンプル溶液が、装置の設計及び溝の分布に依存して、光学装置に垂直に及び／又は水平に流れるか又は通ることが意味される。
“マス変化”により、厚さ、光学的厚さ（屈折率×厚さ）の変化又は光学的機能層上への物質堆積（マス又は光学的マス）の変化が意味される。マス変化は、１又はそれを越える表面物質における増加又は減少であることができる。
第８の側面においては、本発明は、サンプル中の分析対象物の存在又は量を検出する方法であって、支持体、該支持体上に配置された光学的機能層、及び該光学的機能層上に配置された付着層を含んでなる装置を提供する工程、サンプルを該装置に適用し、前記サンプルが該装置の諸層を貫くか又は横切る層流により引き込まれるようにする工程、分析対象物を該分析対象物付着層に結合させる工程、及び該付着層に結合した該分析対象物に結合する分析対象物特異的結合試薬を提供し、該装置の表面上でマス変化を起こさせて、該サンプル中の該分析対象物の存在又は量を示させる工程を含んでなる方法に特徴がある。
“分析対象物特異的結合試薬”により、表面で捕捉された分析対象物と特異的に反応する試薬が意味される。
好ましい態様においては、支持体は溝を含有する；支持体が多孔質であり、そして光学的機能層が粒子を含んでなる；支持体が多孔質であり、そして光学的機能層が溝を含有する。
第９の側面においては、本発明は、層流特性を有する光学アッセイ装置を構築する方法であって、支持体を提供する工程、光学的機能層を、該支持体上に、該光学的機能層と該支持体が該装置の諸層を貫くか又は横切るサンプルの層流を可能にするように提供する工程、該光学的機能層上に付着層を提供する工程、及び該付着層上に分析対象物特異的受理層を提供する工程を含んでなる方法に特徴がある。
光学的機能層は、下方の支持体中に存在する溝と一致させることにより、又はその光学的機能層中に直接導入された溝又は穴であって、サンプルを多孔質支持体に向けて下降させる溝又は穴を有することにより、又はサンプルが多孔質支持体へと下方に向けて通ってゆく溝又は穴を創り出す粒子を含むことにより、層流に関与することができる。
第10の側面においては、本発明は、層流特性を有する光学アッセイ装置を構築する方法であって、支持体を提供する工程、光学的機能層を、該支持体上に、該光学的機能層と該支持体が該装置の諸層を貫くか又は横切るサンプルの層流を可能にするように提供する工程、及び該光学的機能層上に付着層を提供する工程を含んでなる方法に特徴がある。
好ましい態様においては、支持体は溝を含有する；支持体が多孔質であり、そして光学的機能層が粒子を含んでなる；支持体が多孔質であり、そして光学的機能層が溝を含有する。
第11の側面においては、本発明は、支持体と、諸層を通るサンプルの層流を促進するのに有用である光学的機能層とを含んでなる組成物に特徴がある。
“サンプルの層流を促進する”により、マス輸送／層流を確立する条件下で、サンプル溶液に光学アッセイ装置を貫くか又は横切って移動させる材料又は設計又は方法が意味される。
好ましい態様においては、支持体は溝を含有する；支持体が多孔質であり、そして光学的機能層が光学的機能粒子を含んでなる；支持体が多孔質であり、そして光学的機能層が溝を含有する；支持体がポリカーボネートを含んでなり、そして光学的機能層が非晶質ケイ素の層の上に配置された窒化ケイ素の層を含んでなる；支持体がポリカーボネートを含んでなり、そして光学的機能層がゲルマニウムを含んでなる；支持体がポリカーボネートを含んでなり、そして光学的機能層がゲルマニウムの層の上に配置されたダイヤモンド様炭素の層を含んでなる；支持体がポリエステルを含んでなり、そして光学的機能層が非晶質ケイ素を含んでなる；支持体がポリエステルを含んでなり、そして光学的機能層が非晶質ケイ素の層の上に配置された窒化ケイ素の層を含んでなる；支持体がポリエステルを含んでなり、そして光学的機能層がゲルマニウムを含んでなる；支持体がポリエステルを含んでなり、そして光学的機能層がゲルマニウムの層の上に配置されたダイヤモンド様炭素の層を含んでなる。
第12の側面においては、本発明は、付着層として有用なダイヤモンド様炭素の組成物に特徴がある。
第13の側面においては、本発明は、興味の対象である分析対象物の検出のためのアッセイ装置であって、支持体、及びダイヤモンド様炭素を含んでなる、該支持体上に配置された付着層を含んでなるアッセイ装置に特徴がある。
第14の側面においては、本発明は、興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって、支持体、該支持体上に配置された光学的機能層、及びダイヤモンド様炭素を含んでなる、該光学的機能層上に配置された付着層を含んでなる光学アッセイ装置に特徴がある。
“アッセイ装置”により、分析対象物の検出に有用な装置が意味される。
“支持体”により、分析対象物についてのアッセイがその上で行われるあらゆる表面が意味され、マイクロタイタープレート、セラミックス、金属、スライド、キュベット、試験管、表面プラズモン共鳴のための回折格子、メンブラン、濾紙、ケイ素、ガラス、共鳴又は振動研究のための圧電構造体、及び適合性の表面／検出システム組合せ体が含まれるが、これらに限定されない。支持体の表面上に均一に又は支持体の末マスク面にコーティングを施してもよい。支持体は、ある範囲内の形状及び配置にあることができる。
“付着層”により、受理層が装置中に存在する場合には、支持体又は光学的機能層のいずれかへの受理材料の結合を促進又は増加させるあらゆる材料又は諸材料が意味される。受理層が用いられないときは、付着層が分析対象物と非特異的に結合することになる。
“ダイヤモンド様炭素”により、ダイヤモンド（合成物又は天然物）、単結晶ダイヤモンド、樹脂型ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、ダイヤモンド様炭素、ダイヤモンド様特性（硬度及び表面エネルギー）を有する非晶質炭素、非晶質水素化DLC又は炭素フィルム、ダイヤモンド様特性を有する非晶質ないし結晶質炭素フィルム、又はグラファイト様ないしダイヤモンドに及ぶ化学組成を有するダイヤモンド様材料からなる均一なフィルム又は充填粒子から構成される層が意味される。
“光学的機能層”により、分析対象物の受理層への結合でシグナルを生ずることができる層、又は分析対象物の付着層への非特異的結合とそれに伴う分析対象物特異的試薬の結合でシグナルを生ずることができる層が意味される。この層は、望ましい度合いの反射能、透過率、及び／又は吸収が最終的なアッセイ輪郭に適合するよう、支持体材料の光学的特性を修飾できるように設計された抗反射層を有するか又は有しない、１又はそれを越えるコーティングを有してもよい。この光学的機能層は、結果が視覚的に又は最終装置中で機器化された分析により観察可能になるように、１又はそれを越えるか又はある範囲の光の波長を、分析対象物の結合で減衰させることができる。この光の減衰は、視覚的に観察可能な色彩変化のためのARコーテッドアッセイ装置におけるような光の特異的波長の消減又は増幅を包含することができる。又は、特異的波長の光の強度が、最終アッセイ装置からの反射又は透過で修飾されてもよい。光学的機能層は、入射光における分極の状態又は度合いに変化を起こすよう、装置の光学的パラメーターを修飾することもできる。
これら装置の好ましい態様においては、分析対象物特異的受理層は付着層の上に配置されている；付着層は、抗原、抗体、レセプター、核酸、多糖類、リポ多糖類、酵素、タンパク質、微生物、微生物から誘導される断片、ハプテン、薬物、食品汚染物、例えばジオキサン及びアレルゲンがあるがこれらに限定されない環境物質、リガンド、キレート化剤、及びこれらの類似物又は誘導体からなる群から選択される分析対象物に非特異的に結合する；受理層は、抗原、抗体、レセプター、核酸、多糖類、リポ多糖類、酵素、タンパク質、微生物、微生物から誘導される断片、ハプテン、薬物、食品汚染物、例えばジオキサン及びアレルゲンがあるがこれらに限定されない環境物質、リガンド、キレート化剤、及びこれらの類似物又は誘導体からなる群から選択される生体分子を含んでなる；ダイヤモンド様炭素は支持体上に50Åの厚さにコートされる；ダイヤモンド様炭素は光学的機能層上に50Åの厚さにコートされる；ダイヤモンド様炭素は支持体上に50〜3000Åの厚さにコートされる；ダイヤモンド様炭素は光学的機能層上に50〜3000Åの厚さにコートされる；ダイヤモンド様炭素は、支持体上に、衝撃合成法（shock−synthesis technique）、スパッタリング、熱高周波及びマイクロ波支援プラズマ法（microwave−supported plasma）、加熱フィラメント法、直流プラズマ法、イオンビーム法、化学蒸気堆積法、プラズマ堆積法、及びイオンビームガン法からなる群から選択される方法によりコートされる；ダイヤモンド様炭素は、光学的機能層上に、衝撃合成法、スパッタリング、熱高周波及びマイクロ波支援プラズマ法（microwave−supported plasma）、加熱フィラメント法、直流プラズマ法、イオンビーム法、化学蒸気堆積法、プラズマ堆積法、及びイオンビームガン法からなる群から選択される方法によりコートされる；ダイヤモンド様炭素は工業ダイヤモンドを含む。
ダイヤモンド様炭素をコートする方法は、Backmannら,Chemical and Engineering News,page 24,May 15,1989に記載されている。
“生体分子”により、興味の対象の分析対象物である物質又は興味の対象の分析対象物に特異的に結合する材料（即ち、受理層）が意味される。生体分子には、抗原、抗体、レセプター、核酸、多糖類、リポ多糖類、酵素、タンパク質、微生物、微生物から誘導される断片、ハプテン、薬物、食品汚染物、例えばジオキサン及びアレルゲンがあるがこれらに限定されない環境物質、リガンド、キレート化剤、及びこれらの類似物又は誘導体が含まれる。
本発明の１つの効果は、マス輸送／層流作用により分析対象物特異的受理材料と接触するようにされる利用可能な又は使用可能なサンプル容量の増加に起因する高い感度である。このシステムは、少なくとも40倍の分析感度の増加を提供することができる。
第２の効果は、アッセイ実施時間の短縮である。インキュベーション時間は、単純な拡散には起こらない流体マス輸送／層流を介して表面に新たな分析対象物を送達することにより、短縮される。工程基準当たりの時間は、マス輸送／層流による表面への物質の効率的送達とその表面に適用されるサンプル容量の増加に起因して、分単位から秒単位に短縮される。向上した感度とスピードは、サンプル中の抗原又はDNAのような分析対象物の検出に特に有用であろう。
第３の効果は、インキュベーション時間が、手操作で各工程の時間を調節するのではなく、吸上速度、差圧、溝の大きさ及びサンプル粘度により、コントロールされ得ることである。全てのその後の表面インキュベーション時間は、類似の時間枠のものとすることができる。別の可能性は、異なる毛管速度、湿潤速度、又は流れ特性を有する吸上材料の層を使用してインキュベーション時間をコントロールすることである。
第４の効果は、製造が容易なことである。本装置の諸層として有用な材料は、連続的オンラインウェブ加工と適合性である。全ての光学的加工を一工程又は一連続操作で行うことができる。大きなシートの材料を加工することができるので、経済的にスケールメリットがある。加えて、一工程についての歩留りが、装置の別々の部材を製造するよりも向上する。更には、光学的諸層を加工しながら付着層（即ち、Ni、ダイヤモンド様炭素）を適用することができる。また、これら材料の使用は、光学的諸層を容易に相互変換でき、また追加の材料の層（例えば、AR、受理層）をたやすく追加することができるので、柔軟な光学設計が可能になる。
第５の効果、つまり、マス輸送／層流特性を自動化されたシステムで利用する装置を使用することの効果は、サンプルが表面を通って流れるので、エーロゾルを形成して汚染を困難にする減圧及び加圧洗浄の必要性をなくすることができることである。
本発明の方法及び装置は、全てがメンブラン又はフィルター材料内の多数の孔又は繊維内での分析対象物特異的試薬の接着又は捕捉に依拠する先行技術の分析法とは明確に異なる。これら方法では、そのようなメンブラン又はフィルター材料は、特異的結合試薬を含有するため、結合した分析対象物から未反応サンプル材料を分離するため、及び結合試薬にとって利用可能な表面積を増やすために用いられる。結合試薬は、表面上及び孔の内部に見出されるので、用いられるシグナル発生法に依存して、その多孔質材料内の幾分深い所で検出が行われることになる。これら材料は全多孔度の60％を利用する。これら材料の孔の大きさは、0.45ミクロンのオーダーである。その孔又は網状構造表面は、高度に複雑で相互連絡している。これは、栓流型のシステムを招来する。対照的に、本発明では、溝はいずれの層の全表面積の15％を越えずに、相互連絡しないで散在しているので、層の特性を有する流れを生ずる。更なる相違は、孔又は溝内での分析対象物の結合は大したものではないので、検出可能なシグナルの発生の原因とならない。
孔は、これまで、その層の光学的特性を変えて屈折率の勾配を創り出すために抗反射層中に導入されてきた。対照的に、本発明においては、溝が、アッセイ装置を通るサンプルの層流を可能にするためだけに光学的機能層中に導入される。更には、幅広いバンドのARフィルムを作るのに用いられる非常に乱雑な高度多孔質フィルムは、この発明の望ましい装置と適合性ではない。生物学的アッセイでは、これらタイプの多孔質ARフィルムは、大多数の結合事象がそのARフィルムの表面ではなくて多孔質フィルム内で起こるように鼓舞する傾向がある。また、幅広いバンドのARフィルムは、厚さ又はマスの対応する変化では、非常に弱くて取るに足らない色彩変化しかもたらさない。本発明の装置は、非常に強くて極めて濃い色彩変化をもたらすように設計された狭いバンドのAR層を使用する。色彩変化は、非常に小さい厚さ範囲で起こる。
この出願に記載された材料及び方法は、広範囲の分析的試験需要にわたって用いることができる。特に、これら方法で製造される装置は、医療診断分野に有用である。本装置は、分析対象物の捕捉が要求される広範囲の用途で用いることができ、それら用途には、感染性疾患の試験、癌の診断、薬物追跡、環境試験、治療剤追跡、DNA試験、及び心臓試験が含まれるがこれらに限定されない。これら材料及び方法で製造される装置は、医療診断及び環境追跡又は食物スクリーニング及び試験用途といった多様な分野で用いることができる。
本発明の他の特徴及び効果は、以下の本発明の好ましい態様の説明及び請求の範囲から明らかになるであろう。
この出願中の報文及び刊行物は、引用により本明細書内に組み入れられるものとする。
好ましい態様の説明
図面について簡単に説明する。
図面
図１は、溝含有光学装置の諸層の概略図である。示した全ての層がそのような装置のあらゆる特定の態様に包含される必要はない。溝の位置は示していない。
図２は、装置を通るサンプルの層流を可能にする支持体と光学的機能層の可能な組合せの概略図である。図2Aは、最終アッセイ装置に望まれる流れ特性が溝を含有する支持体材料により導入される装置を示すものである。図2Bは、多孔質支持体上の溝を有する光学的機能層を示すものである。図2Cは、ある組合せを示すものであって、そこでは、多孔質支持体が選択され、そして最終装置に光学的機能をも付与するところの散在粒子を詰め込むことにより溝が創り出される。
図３は、クラミジア特異的リポ多糖類（LPS）の1:1000希釈液における捕捉について、ダイヤモンド様炭素（DLC）をＴ−ポリマーと比較するグラフである。ｙ軸は、TMB基質の生成物への転化率についての、バックグランド（LPS不存在）について補正された吸光度読取り値を示す。DLCのロットがｘ軸上に表されている。黒塗りの長方形はＴ−ポリマーを表す。斜線の長方形はDLCを表す。
図４は、クラミジア特異的リポ多糖類（LPS）の1:5000希釈液における捕捉について、ダイヤモンド様炭素（DLC）をＴ−ポリマーと比較するグラフである。ｙ軸は、TMB基質の生成物への転化率についての、バックグランド（LPS不存在）について補正された吸光度読取り値を示す。DLCのロットがｘ軸上に表されている。黒塗りの長方形はＴ−ポリマーを表す。斜線の長方形はDLCを表す。
支持体
一定の範囲の材料が、溝含有支持体の製造に適している。それらには、酢酸セルロース、PETE、ポリエステル、ポリカーボネート、ガラス粒子、シリカ粒子、TiO2粒子、金属及び非金属粒子、織られたか又は織られていない材料、ナイロン、濾紙、メンブラン、ポリスルホン、多孔質ガラス、ポリプロピレン、ポリウレタン又はあらゆるポリマー、プラスチック、及び金属又は非金属が含まれる。支持体は、最終装置中のマス輸送／層流を可能にするために要求される非常に限定された分布と大きさの溝を（表面配置を横切るか又はその上を越える流れの中に）提供しなければならない。
溝は0.01〜14ミクロンでなければならず、全表面積の15％を越えてはならない。溝の分布は、表面を横断して比較的均一であるべきである。溝は、選択された支持体に本来備わった特性であっても、支持体に導入されたものであってもよい。支持体は、化学的に、光化学的に、機械的に、又は電気化学的に修飾されることができる。例えば、融合プレートの間でポリエステル又はポリカーボネートウェブ材料をボンバードした後に熱い塩基浴中で所望の溝直径を彫るのに必要な時間エッチングすることによって二次元微孔質スクリーンを創り出すことができる。支持体の厚さは10〜30μｍであることができる。溝の密度を限定することの利点は、後で行う堆積工程におけるガス発生を低くする非曲線路を設け得ること、及び溝構造内に保持される物質を少なくできることである。
基本光学層が全ての表面に均一に適用されることができ（基本光学層は分析対象物の光学的検出のために無傷のままでなければならない）かつ最終光学装置の最外部の表面に適用されるサンプル溶液のマス輸送／層流に干渉しない限り、支持体に制限はない。
支持体に格別な光学的資質が本来的に備わっている必要はない。しかし、支持体上に堆積されたかなり薄い基本光学層では、光吸収性支持体は、漂遊光の吸収及び裏面から前面に通過する光の除去に起因して、肉眼で見えるようにするのがより容易な光学的スタックを提供する。
支持体は、興味の対象である分析対象物の抽出溶媒又はキャリヤ溶媒に関係する溶媒に化学的に不活性であるべきである。例えば、好ましい安価で頑丈な支持体には、本用途を実施するに際して用いられる溶液によっては影響されないポリエステル及びポリカーボネートが含まれる。
流れが装置を通り易く又は越え易くするために吸上材料又は繊維状下層材料を使用する必要がなくなるように、固体支持体の溝をコントロールすることができる。しかしながら、本当にコントロールされた流れは、サンプル容量についての平均滞留時間が特定の時間窓内のままとなるように支持体の溝と繊維状バッキングを釣り合わせることにより、得ることができる。装置を通るか又は越える流れのコントロールは、反応時間が所与の組の時間パラメーター内で一定であることを確保するためだけに行う。支持体の一端又は真下の吸収剤パッドは、溶液を拘束するため及びその吸上材料によって決定される流速が溶液の含浸容量（saturating volume）と一定であるのを確保するために、必要であり得る。差圧が流速をコントロールするときは、吸収剤は、溶液取込み及び溶液拘束の目的のために配置されるだろう。
支持体が高度に多孔質で曲線路の材料であるときは、基本光学層とAR層は、溝を付けた効果をコントロールするのに用いることができる。高度に多孔質の材料は、この発明の光学装置に適さない。これら支持体は、バラツキ又は望ましくない効果を導入するかも知れない。この多孔質支持体上の基本光学層は、その嵩のある基本材料の屈折率にその装置設計において優勢を占めさせるだけの厚さであるべきである。
光学的機能層
光学的機能層は基本層からなり、AR層からなることもできる。
光学的機能層は、適切な反射率、AR、吸着性、又は透過性を創り出すのに要求される光学特性を提供するのに役立つ。それは、漂遊光の漏れ又は支持体の裏側からの背面散乱を排除できるように充分に密でなければならない。この材料は、総パーセント反射能をコントロールできるように、3.0より大きな屈折率を有さなければならない。これは、反射能又は透過率等をコントロールすることによって、屈折率の値及び機器化されたフォーマットへの適性によりAR層選択に衝撃を与えるだろう。基本層があまりに薄いと、有効屈折率はその基本光学層及び支持体の複合屈折率に基づき得る。上記の制限が対処されれば、広い範囲の厚さが基本層について可能である。
より厚い層の基本光学材料は、パーセント反射率を高めるであろう。より低い反射能は、肉眼で色彩変化が見えるようにするのに重要である。しかしながら、自動化されたシステムでは、より高い反射能が、機器分析のための小さな厚さ変化を感じとるのに重要である。
この新規な装置の製造にあらゆる基本光学材料を使用することができる。溝含有固体支持体表面上に堆積する種々のフィルム、又は多孔質支持体中に埋め込まれる球体、棒体、又は繊維は、非晶質ケイ素、多結晶ケイ素、テルル化鉛、チタン、ゲルマニウム、コバルト、ガリウム、テルル、酸化鉄、又はクロムからなることができるが、これらに限定されない。支持体上の光学的基本フィルムの厚さの変更が、自動化されたシステムを使用する際の用途を有するであろう光学的表面の全体反射能をコントロールするのに及び種々の装置のための光学的表面を作るのに用い得ることが分かった。しかし、このことは、色彩変化アッセイ法に大した衝撃を与えない。
基本光学層が支持体中の溝と一致していても、溝が基本光学層中に直接に導入されても、粒子を用いてもよく、この場合は下層の溝含有支持体を必要としない。
基本光学材料の上に１又はそれを越える抗反射（AR）層を適用することができる。これら層は、酸化アルミニウム、酸化アンチモン、酸化ビスマス、酸化インジウム、酸化インジウム錫、酸化錫、一酸化ケイ素、二酸化チタン、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、酸化ゲルマニウム、酸化コバルト、炭素、酸化タンタル、並びに殆どの他の金属の酸化物、炭化物、窒化物又はオキシ窒化物、ダイヤモンド及びダイヤモンド様炭素からなっていてもよい。全てのAR層は、当業者にとって公知の方法により適用されることができる。
可視アッセイ装置については、その装置は、その基本層の反対側に形成されるAR層よりも高い屈折率を有する基本光学層を支持しなければならない。この好ましい態様は、AR層の真の屈折率の２乗に接近する真の屈折率を有する基本光学層の使用にある。基本光学層のこの仮想的屈折率は、如何なる具体的機能にも合う必要はない。
AR層は、基本光学層の真の屈折率の平方根に接近する真の屈折率を有さなければならない。加えて、AR層の仮想的屈折率は、この層による光の吸収を最小限にするためにかなり低くあるべきである。しかしながら、AR層の吸収特性は、反射率測定又は散乱測定又は吸光度パラメーターの検出のような、自動化されたシステムでの使用のために、波長依存性を高めるのに用いることができる。AR層の数は、その光学特性が壊れ始める前は１〜４であることができる。しかしながら、より少ない数の層は、開発及び製造が容易であるという利点がある。
諸層間の適合性は、可視化されるべき試験結果のためにそれらが相互に充分にかつできれば永久に接着することが必要とされるだけである。積層物全体を通してより高度に適合性である材料は、それら分析対象物特異的層の小さな厚さ変化でより高いコントラストの色彩変化をするという利点を与える。
好ましい色彩変化は、特異的分析対象物の表面への付着で、金色又は黄色から青色になるであろう。そのような色彩変化を促進するのに必要な分析対象物フィルムの厚さ及び発色の色彩密度は、積層物中の材料によりコントロールすることができる。
溝付き材料上にAR層を堆積させるに際し、そのAR材料を溝に満たしてしまい、溝を塞ぐことになってはならない。有意な塞がりを排除するために厚さをコントロールすることができる。ポリエステル又はポリカーボネートのような溝含有支持体を使用する別の理由は、曲線路材料が溝を塞ぐほどには、非曲線路は溝を塞ぐ傾向にないからである。
反射能を測定するために設計された機器を使用する場合には、分析対象物特異的表面と選り抜きの分析対象物との相互作用で、反射能の最も鋭い変化が興味の対象である特異的波長で起こるように、AR層を調節することができる。
可視試験の場合には、諸層の厚さを、厚さ変化が感度の高い発色を提供するように設定することができる。使用されるAR層は、金色から青色への色彩変化が感度の高い色彩変化として規定されるように堆積される。というのは、その色彩変化が、抗反射条件において（ヒトの目に）最高のコントラストの色彩変化を構成するからである。他の色彩の組合せが、より容易な判定又は柔軟性をアッセイフォーマットに提供することができる。全ては、材料組合せ及び／又は厚さを変化させることによって容易に得られる。
層流効果は、AR層及び生物学的結合層（受理材料）でコートされた小さな粒子を堆積させ、次いでこれらを多孔質支持体内に移植することによっても達成することができる。それらARコーテッド粒子は、クロマトグラフィーフォーマットにも使用することができ、容易にパターン化されることができ、そして支持体の浸透性を維持することができる。それらARコーテッドビーズは、充分な密度と均一性の屈折率を提供して、入射光の散乱又は吸収に起因するシグナルの損失を阻止できるよう、そのメンブランの中に詰め込までなければならない。粒子は１〜３μｍの大きさの範囲内であるべきであり、かつ密で均一な光学表面を提供できるように多孔質支持体内に充分に詰め込まれるべきである。
粒子は、それら粒子の周囲の流れを多孔質若しくは吸着性支持体の中に与えることによって、その光学装置の表面への流動媒質のマス輸送／層流を促進するのを助ける。加えて、粒子の使用は、クロマトグラフィーフォーマットの柔軟性を与える。そこでは、分析対象物がそれら粒子に結合しかつ流体がそれら粒子を曲線路又は非曲線路を通して検出のための不動化領域又は濃縮領域に移動させるのである。
付着層
多数の光学的機能層の化学的修飾を、シラン、シロキサン及び各種ポリマーによって行うことができる。これらは、蒸気相中で堆積させても、噴霧しても、浸漬させてもよい。溶液化学を用いて追加材料を表面に導入してもよい。これら材料は、光学的機能層への分析対象物特異的結合試薬の接着又は付着を促進し且つ増強するか、又は分析対象物の非特異的捕捉のための表面を提供するのに用いられる。非特異的捕捉の場合、分析対象物の特異的識別は、捕捉される分析対象物を結合する分析対象物特異的試薬で達成される。表面修飾剤ラテックスを用いて分析対象物特異的結合層を結合するときは、それらは、光学的表面全体に僅かしか寄与しないが、装置全体の設計には関係すると考えられる。したがって、添加された材料を補償するために、一つの層、好ましくは、AR層を調整する。
付着層の厚さは、特異的捕捉分子又は分析対象物それぞれに最適化されるであろう。付着層は、溝に認められ得るほどには影響を与えないであろう。付着層の厚さは、AR層の厚さの10倍未満であろう。金属も、AR層に弱く結合した分子を安定化させるのに役立ちうる。
付着層自体は、堆積物の光学特性に重要な役割を果たしていない。付着層も、可視フォーマット又は機器化されたフォーマットに適合するよう変更されることができる。機器化されたフォーマットの場合には、付着層の形態は、最良の感度及び選択性に必要な反射率特性を微調整するためにコントロールすることができる。その形態を変更する場合、薄膜の吸光度特性をコントロールすることができる。
付着層は、分析対象物捕捉でタンパク質を結合するか又はそれ自体の厚さを若干変化させなければならない。付着層は、この層の厚さ及び諸条件がその堆積設計に大きな柔軟性を与えるので、いかなる特定の物理的特性にも適合する必要はない。ある範囲の材料は、付着層として充分に適している。これらには、シラン、シロキサン又はポリマーなどの化学的修飾剤が含まれる。更に、ダイヤモンド様炭素は、疎水性付着層として役立ちうる。
驚いたことに、分析対象物特異的試薬のための無機付着層が、これら光学アッセイ装置で充分に働くことが判明した。この役割で機能する材料には、白金、ニッケル、金、ニクロム（80％ニッケル、20％クロム）、及び金をかぶせた酸化ビスマスが含まれ、これは、金の層の接着を促進するのに酸化ビスマスが含められたものである。これら材料は、半導体材料又は導体材料をAR層として用いる場合、その表面での金属の真空蒸着、スパッタリング、光還元、又は電気化学還元によって堆積され得る。半導体の例には、二酸化チタン及び窒化ケイ素が含まれる。一方、代表的な導体材料は、酸化インジウム錫（ITO）又は酸化錫である。好ましい態様は、金属層を適用するための真空堆積技術の使用である。真空蒸着の利点は、それが、堆積された厚さの一層厳密なコントロール及びウェブ材料の迅速加工を可能にすることである。厚さ範囲は、AR層又は反射に大きく影響することがなければ、ナノメートル未満から５ナノメートルでありうる。下にあるAR層が、そのAR状態に認められ得るほど影響を与えることなくその最適な厚さ範囲の薄い方の側にあるなら、ニッケル、ニクロム及び白金で5nmを越えてコートし得る。しかしながら、より厚い金属層は、吸収のために反射強度を減少させるので、生体分子の増加した接着を促す一方でできる限り薄く保たれるべきである。この層は、10〜100Åであるべきである。更に、アニーリング及び他の処理を用いて、この無機性付着層の形態を変化させることができる。
特異的捕捉分子の好ましい付着は、その分子とARコーティング表面上のニッケル層との相互作用に基づくであろう。そのニッケル層は１〜10nmの厚さであろう。ニッケル層の堆積は、好ましくは、真空蒸着によって行われるであろう。真空蒸着は、ロットごとの厚さ及び優れた反復性に関して非常に厳密なコントロールを可能にするであろう。
ダイヤモンド又はダイヤモンド様炭素（DLC）から成る薄膜であって、ダイヤモンド及び若干のグラファイトの多くの特性を維持しているコーティングが周知である。DLCとは、ダイヤモンド（合成又は天然）、単結晶性ダイヤモンド、樹脂型ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、ダイヤモンド様炭素、ダイヤモンド様特性（硬度及び表面エネルギー）を有する非晶質炭素、非晶質水素化DLC又は炭素フィルム、ダイヤモンド様特性を有する非晶質ないし結晶質炭素フィルム、又はグラファイト様ないしダイヤモンドの化学組成を有するダイヤモンド様材料から成る均一フィルム又は詰められた粒子から構成される層を説明するのに用いられている。DLCは、極めて硬質で、化学的に耐性（不活性）で、光学的に透明であり、しかも純粋なダイヤモンドコーティングの熱特性及び低磨耗特性を有する。DLCフィルムは、非晶質炭素ないし半結晶性ダイヤモンド様炭素ないし単結晶性ダイヤモンドまでの硬度及び組成でありうる。DLCフィルムは、化学的蒸着、スパッタリング及びイオンビーム堆積法、プラズマ堆積法、イオンビームガン法、熱高周波又はマイクロ波支援プラズマ法、加熱フィラメント法、直流プラズマ法及び衝撃合成技術などの技術によって支持体上に作成することができる。
グラファイトは、sp2混成炭素原子から形成される環構造から成る。ダイヤモンドは、共有結合した脂肪族sp3混成炭素原子から成る。堆積法に依存したDLCは、変動量のsp2及びsp3特性を有するであろう。DLC結合のいくつかは、水素で終結しうる。sp2及びsp3特性の相対量は、フィルム全体の特性を決定する。フィルムの特性決定は、接触角測定（疎水性を測定する）、電子エネルギー損失分光法（EELS）、反射高速電子回折（RHEED）及びフーリエ変換赤外分光法（FTIR）によって行うことができる。sp3混成の炭素は1332cm-1でラマンピークを有する一方で、sp2混成の炭素は1345cm-1及び1540cm-1でピークを有する。２種類の形の炭素の混合物である材料は、これらラマンピークの組合わせを示すことがありうる。sp2及びsp3特性の量は、フィルム硬度も決定する。気体中の水素の量が変動すると、電子密度、硬度、及びフィルムの疎水性を含めた他のフィルム特性に影響を与えることがありうる。
DLCコーティング技術業者が理解するように、DLCは、ケイ素、ケイ素コーテッド支持体、プラスチック類、プラスチックケイ素複合材料、セラミックス、金属などの種々の支持体材料又はこれら材料の組合わせから製造される複合材料上にコートされうる。DLCは、低温（100℃又はそれ未満）でも高温条件下でも製造されうる。DLCは、水素の存在下又は不存在下において、メタン、オレフィンガス、一酸化炭素から製造されうる。炭素含有ガスからの堆積法は、その方法の種類、温度、ガス組成、非炭素材料の量、及び他の反応条件に依存して、種々のDLCフィルムを生成することができる。
ケイ素若しくはポリカーボネート又は他の表面上のDLCフィルムは、抗体、抗原、多糖類、リポ多糖類、核酸、及び他の物質などの生物学的分子（生体分子）を強く接着できるということが発見された。DLCコーティングは多数の方法（いずれも本発明に適している）によって製造されてきたが、イオンビーム技法の使用による直接耐性は、生物学的付着コーティングとして用いるための水素化DLCフィルムを与える好ましい方法である。フィルムは、RT又はRT付近で生成させることができ、先に説明したような種々の支持材料の使用を可能にする。
DLCコーティングは、誘導的にカップリングしたRfイオンガンにメタンを通過させ、それによってメタンを破壊して水素化非晶質ダイヤモンドフィルムを提供することによって作ることができる。作業パラメーター及び材料は、コーテッド表面の表面特性を決定するであろう。
DLC（水素化DLC）の水素含量を変更することに加えて、DLCの疎水性は、sp2/sp3特性を変更することによって変化されうる。
バイオ付着の目的に用いられるDLCフィルムは、典型的には、ナノインデンターによって測定した場合に15〜50Gpaの硬度である。これらフィルムの屈折率は、典型的には、ゲルトナーエリプソメーターによる測定で1.5〜2.2である。生体分子付着は、この範囲の材料硬度及び屈折率にわたって等しいと考えられる。いずれの理論にも拘束されるものではないが、概して、より低い硬度の非晶質水素化炭素フィルムはより大きい疎水性を示し一方で、より高い硬度のフィルムは、表面上のより大きいsp2特性（Ｃ＝Ｃ）の存在のために、より多くの電子豊富部位を示すと考えられる。
疎水性は、生体分子の付着にとって基本的なメカニズムであると考えられる。しかしながら、電子の豊富領域は、静電相互作用も促進しうる。不動化される生体分子のタイプにDLC表面の疎水性及び電子密度を適応させることは可能である。これは、表面のsp2/sp3特性及び生体分子の特性の分析に基づいて行うことができる。例えば、DLC表面のsp3特性が大きい程、疎水性は大きく、そしてsp2特性が大きい程、電子密度は大きい（静電表面）。当業者は、生体分子の疎水性及び電子密度を測定する技術を熟知している。
また、表面／生体分子を、生体分子の最適保持のために経験的に合わせることができる。DLC表面と生体分子を経験的に合わせるには、種々のDLC表面を製造する。分子が疎水性であるなら、変動する度合いの疎水性の表面を供給するためにDLCをコートする。堆積法、温度、コーティング時間、炭素含有ガスのタイプ及び量、非炭素ガスの存在、不存在又は量、及び疎水性が変動されているDLC表面を製造しうる全室圧などのパラメーターを変動させるための技術は当業者に知られている。生体分子は、同じ組成、イオン強度、pH及び生体分子の量のコーティング溶液から種々の試験DLC表面にコートされる。全表面のコーティングを同じ温度で同じ時間進行させる。次に、表面を洗浄して乾燥させる。変動する表面組成に保持される生体分子の量を決定する。抗生体分子抗体が入手可能である場合、表面の評価のために、それを西洋ワサビペルオキシダーゼ（HRP）に結合させることができる。特定容量の抗生体分子抗体結合体の希釈液を、試験DLC表面それぞれに一定時間適用した後、洗浄及び乾燥工程を行う。次に、可溶性TMB基質溶液をこれら試験DLC表面に適用し、一定時間インキュベートする。特定量の溶液を、予め設定された量の停止液を含有するマイクロタイターウェルへ取出し、そしてその吸光度を測定する。測定された吸光度は、生体分子を保持するDLC表面の能力と相関する。
また、表面の接触角を測定することによって生体分子結合を追跡することができる。かくして、接触角の変化（生体分子コーティング前後）は、保持された生体分子の量の評価に役立ちうる。EELS、FTIR、RHEEDなどの他の表面分析技術も、DLC表面上での生体分子の保持を評価するのに役立ちうる。
生体分子の静電保持のための変動する電子密度のDLC表面を評価するのに類似のアプローチを用いる。堆積法、温度、コーティング時間、炭素含有ガスのタイプ及び量、非炭素ガスの存在、不存在又は量、及び電子密度が変動されているDLC表面を製造しうる全室圧などのパラメーターを変動させるための技術は当業者に知られている。
いくつかの用途においては、制限量で存在する捕捉試薬として生体分子を表面に不動化させることが望ましいことがありうる。やはり、DLCフィルム表面化学を、不動化された捕捉試薬の量を制限するために調節することができる。
生体分子付着を増強するために表面上にコートされるDLCの最小の厚さは、50〜500Åの範囲内であることがわかった。しかしながら、これは上限を示すものではない。約50Åの非常に薄い層は、生体分子を付着するDLCフィルムのキャップを与えるのに適している。これは、可視アッセイ装置においてDLCをAR層と組合わせる場合に特に有用である。しかしながら、シグナル発生のためのトレーサーに依存する方法については、この上限はミクロンの範囲内でずっと高いかもしれない。コートされうる表面には広範囲の形状が含まれ、あり得るDLCを介してこれら表面へ生体分子を付着させる。したがって、DLCは、種々のセンサー、電極、ELISA、RIA、及び他のバイオアッセイフォーマットで生体分子を不動化するのに用いることができる。
DLCを光学イムノアッセイ装置の抗反射層及び付着層の両方として用いる場合、それは次の基準を満たさなければならない。干渉アッセイ法において有用である材料は2.0付近の屈折率を有さなければならない。DLCは、小さな複合体指数成分で可視光スペクトルで２〜３の指数を有する。これは、改善された色彩生成にとってより良い光出力を生じる。複合体指数がより小さい場合、入射光の吸収はより少ない。DLCは、いくつかの用途について光学的に透明でなければならない。調節されたARフィルムの層とのDLCキャップの組合わせも、可視干渉効果の発生に適している。一つの可能な組合わせは、nf＝1.7を有する50ÅDLCのキャップを有する、450Å、nf＝2.0の窒化ケイ素のフィルムであろう。当業者は、他の適当なDLCキャップの組合わせを製造できるであろう。
受理層
分析対象物特異的結合試薬は、キレート化剤、抗体、抗原、レセプター、リガンド、タンパク質、核酸、DNA、RNA、酵素、具体的分析対象物と結合できる何等かの生体分子、又はそれらの類似体若しくは誘導体、及び／又はポリマー層であることができる。
これら結合試薬のコーティングは、試薬槽中に基体を浸漬するか又は基体上に試薬を噴霧して洗い落すことによって行われるであろう。スポットコーティング、インクジェッティング、エアブラッシング又は他の技法を用いてもよい。一旦コートされた試薬は、貯蔵のための安定化層でオーバーコートされてもされなくてもよい。
分析対象物の検出に非特異的捕捉メカニズムを用いることは可能である。このアッセイフォーマットの場合、分析対象物は、多数の化学的相互作用によって表面に接着しうる。分析対象物が光学装置に結合したら、特異的試薬は分析対象物の存在（例えば、追加のマス増加材料を付着しうる、分析対象物に特異的な抗体）を検出するのに用いられる。
ポリエステル又はポリカーボネート、非晶質ケイ素、窒化ケイ素及びニッケル
具体的な溝含有支持体には、0.01〜14マイクロメートルの大きさのランダム溝を有するポリエステル又はポリカーボネート材料が含まれるであろう。表面の溝密度は約１〜15％であるが、最適性能のために15％未満で保持されるべきである。これは、溝の存在のためにARフィルムの有効な屈折率の低下を妨げる。溝付き支持体は、非晶質ケイ素で300Å〜5000Åの厚さ範囲でコートされるであろう。基本光学層の厚さ及び充填密度は、その基本層からの反射能をコントロールするために調節することができる。これは、引続き全反射能を制御し、そしてそれを個々の用途に最適にさせるであろう。光学コーティング材料は、溝付き支持体に一致していてもよい。これは、非晶質ケイ素を用いる場合にはあまり必要でない。溝付き支持体は、比較的均一でなければならない。溝密度は、ランダムではあるが、表面積あたりほぼ同じ百分位数のままでなければならない。
窒化ケイ素層は、非晶質ケイ素層上に反応的に堆積され、30〜70nmの厚さ範囲を有することがあり、これは具体的用途のための最適のコントラストにコントロールできる。現行の光学層の気相蒸着を用いる一つの利点は、反射能及びコントラスト並びに発色のコントロールが、それぞれの表面を具体的用途に合わせられることである。表面構造の最大差は、自動式対可視式の検出スキームで認められるであろう。
装置内の基本層に非晶質ケイ素を用いることには多くの利点がある。第一に、非晶質ケイ素は、多結晶ケイ素より高い屈折率を有する。第二に、非晶質ケイ素のフィルムは、可視波長の大きな吸収のためにより薄くすることができる。第三に、非晶質ケイ素は、非晶質ケイ素を形成するのに表面加熱が不必要であるので、紙及びプラスチックなどの低温支持体上に堆積できる。非晶質ケイ素は、いくつか他の高指数材料にまさる優れた結合及び機械的安定性も示す。
ニッケルの薄層は、多くの理由で付着層に好ましい。第一に、ニッケルは、上で概説したAR層に、そして特に窒化ケイ素に非常によく接着する。更に、ニッケルは1.78の屈折率を有し、その吸光係数は7.4×105であるが、金属の薄いフィルムはAR層の反射能に認められるほどの影響を与えない。ニッケルの使用は、生体分子の全被覆率を天然窒化ケイ素よりも増加させると考えられる。これは、水素結合、π逆結合及び金属へのスルフィド結合の形成などの特異的相互作用のためでありうる。
実施例
実施例1:流れ特性を評価するための吸収材料の使用
0.6μｍ、１μｍ及び５μｍの溝付きポリカーボネート支持体の流れ特性は、セルロースアセテート又は他の繊維状若しくは多孔質吸上材料で裏打ちされた場合に所望の流れ特性を示す。目的の流れ特性は、表面を貫き及び／又は横切る流量、光学的表面での流体の保持、及び表面全体にわたるサンプル溶液の均一流動である。流量は、160〜1000μｌのサンプルを用いると仮定して、充分な反応時間を許すように選択されるべきである。表面の最適流動及び乾燥は、親水性溝付き支持体が、表面乾燥時にサンプルの逆流を防止するように別の親水性吸収材料で裏打ちされている極めて薄い疎水性メンブランで裏打ちされている場合に得られる。乾燥工程は、光学シグナルの可視化において必要な工程ではないが、流動マトリックス（そのマトリックスが気体でなければであるが）と比較して低指数の空気によって一層容易に評価されるシグナルを生じる。これは、全アッセイ時間をかなり減少させる。
実施例2:溝不含支持体に比較して短いアッセイ時間
Ａ群連鎖球菌に特異的な多糖類抗原に反応性の試験表面を、溝不含支持体（ケイ素）及び溝付き支持体（ポリカーボネート）上に製造した。ケイ素試験装置は、商業的に入手可能な装置である。溝付き支持体は、非晶質ケイ素の後に窒化ケイ素でコートされた後、実施例３におけるようにDCDMSでシリル化された１μｍ溝寸法のポリカーボネートであった。シリル化したら、その表面を抗Strep A抗体でコーティングし、そして修飾STREP A OIARアッセイを実施した。抗原は、１分間抽出工程で抽出した。その抽出を、固体フィルム形成性酵素産物の沈澱のためにHRPとの結合抗Strep A抗体も含有する試薬で中和した。全抽出量250μｌ（しかし、300μｌを越えることがありうる）を、溝付き装置の表面に与えた。固体溝不含装置のサンプルサイズは、約35μｌに制限される。サンプルは、溝装置の表面を通って約30秒で流れた後、各10秒間の２回の洗浄を施された。固体溝不含装置は、２分間のインキュベーション工程の後、約20秒間の洗浄を１回必要とする。次に、酵素基質を溝含有光学支持体に少なくとも１分間、潜在的には30秒程度もの短時間で（特に、より高い抗原濃度において）与えた。次に、可視化の前に装置を洗浄して乾燥させた。固体装置は、洗浄、乾燥及び解釈の前に、酵素基質と一緒に２分間のインキュベーションを必要とした。固体支持体に対する溝付き支持体での全アッセイ時間減少は1.5分間又は全アッセイ時間の約半分である。マス輸送／サンプルの層流を伴う溝含有装置で、同様の性能レベルが得られたが、標準的な固体光学支持体装置と比較して速度を増加させた。
実施例3:Strep a OIARアッセイ比較
１μｍ溝を含むポリカーボネートの支持体を、非晶質ケイ素の基本光学層で2000Åの厚さまでコーティングした。AR層は、420Åの厚さまでコーティングされた窒化ケイ素であったが、屈折率は2.0である。光学層は、工業用標準パラメータを用いるイオンビーム堆積によって適用された。付着層は、触媒を用いることなく室温で10分間の堆積法を用いて本質的に支持体上にコーティングされた1,1,1−トリクロロエタン中２％DCDMSであった。抗Strep A抗体は、装置をコーティングする溶液によって、0.1M HEPES、pH8.0、６μg/mlの抗体を含有する溶液中において45℃で２時間加えられた。装置を脱イオン水で洗い、そして直ちに用いた。この装置のアッセイは、360μｌの予め抽出された抗原標準及び40μｌの結合体を用いた。その混合物を光学装置に加え、そして差圧（真空）を各抗原標準に２分間加えた後、それぞれ約100μｌの水で２回洗浄を行った。次に、基体（substrate）を４分間加えた後、上記洗浄手順を行った。乾燥は差圧によって行われ、その可視変化を記録した。この特異的抗原標品で評価された場合の溝含有装置は、400μｌサンプルで1:96000の分画レベルを示した。固体（溝不含）支持体装置の使用は、この抗原標品に関して1:2400の分画レベルを与えた。したがって、約40倍の感度の増加が溝含有支持体の使用によって得られる。差圧は、STREP A OIARアッセイで時間を合わせるように流れを制御することにのみ用いられた（溝不含支持体）。この装置は、本来的にサンプルのマス輸送／層流を可能にするので、差圧の使用を必要としない。
もう一つの実験において、結合体と混合された1:2400抗原標準のサンプル300μｌを溝含有光学支持体のサンプルに加え、そして差圧システムを用いてその全量を30秒間で吸引した。各100μｌで各５秒間の３回の逐次的洗浄を行った。洗浄後、基体を１分間及び30秒間加えた。発色は、インキュベーション時間の30秒以内に認められうる。200μｌの最終すすぎ水を、溝含有光学支持体に10秒間通過させた。溝含有光学支持体の全アッセイ時間は、固体支持体での８分間と比較して２分間及び25秒間であった（1:2400の分画レベルで）。このデータに基づき、溝含有支持体を用いて、固体支持体システムへの同様の感度を維持しながら（1:2400分画レベル）アッセイ時間を２分間及び25秒間に減少させることは可能であり、これが優れた臨床的性能を有することが示された。
実施例4:T−ポリマーシロキサンコーテッドフィルムとDLCコーテッドフィルムの比較
シリコンウェファーを、米国特許第5,468,606号で記載のように、窒化ケイ素でコーティングした後、Ｔ−ポリマーシロキサンでもコーティングした。DLCを50Åキャップとして加えた。多数の異なったDLCコーティングをＴ−ポリマー表面と比較した。この実施例で評価された各種DLC表面ロットは、イオンビーム蒸着によって製造した。蒸着処理パラメーターは、僅かに異なったDLCコーティングを製造するように変更した。変更できるパラメーターには、温度、コーティング時間、炭素含有ガスの種類及び量、存在する非炭素ガスの存在、不存在又は量、及び全室圧が含まれる。当業者は、これら及び他のパラメーターを変更してDLC表面の特性を変化させる方法を知っている。この実施例において、DLCは、メタン及びアルゴン混合物をDC中で用いる直接イオンビーム蒸着によって製造し、そして誘導的にRfイオンガンを結合させた。メタンはプラズマ中で分解され、水素化非晶質ダイヤモンドフィルムとして表面上に蒸着する。フィルムは約25℃で製造された。コーティングされている基体の温度は、作成されたDLCの硬度及び疎水性に強く影響を与えることもありうる。
水素化非晶質炭素フィルムの表面エネルギーは、これらフィルムの疎水性と相関関係がありうる。極めて親水性の表面を有する炭素フィルムは、60゜の水接触角及び49ergs/cm2の表面エネルギーを有するであろうが、疎水性表面は、110゜の水接触角と23〜24ergs/cm2の表面エネルギーを有するであろう。
この実施例及び他の実施例で製造されたフィルムは、71゜の水接触角及び45ergs/cm2の表面エネルギーを有する。この実施例及びこれに続く実施例の非晶質水素化炭素フィルムは、12〜23％の水素含量を有する。
アッセイ法は、1:1000か1:5000のClamydia基本小体に由来するLPS抗原を含有するか又はLPS抗原マイナスの一定量のサンプルと一緒に表面をインキュベートすることを行う。LPSがDLC又はＴ−ポリマー表面に非特異的に付着したら、抗LPS抗体HRP結合体を表面上でインキュベートさせ、10分間インキュベートした。次に、100μＬの可溶性TMB基質を取出し、100μＬを含有する微量滴定ウェル中に入れた後、450nmでの吸光度を記録した。これは、DLCコーティング及びＴポリマー表面のLPS捕捉の半定量的比較を与える。図３及び４は、種々のDLCコーティングの性能をＴ−ポリマー表面と比較し；プロットされた値はシグナルノイズである（負のサンプル結果）。1:1000LPS希釈において、DLC表面上で生じたシグナルは、対応するＴ−ポリマー値と同様であり、又は若干の場合、それより高い（図３を参照されたい）。これは、DLC表面が、LPS結合を所望のレベルまで減少させるようにうまく変更できるということを示している。1:5000LPS希釈での結果は、1:1000LPS希釈について認められたのと同様であるが、若干の場合、DLCへの結合レベルが有意に改善される（図４を参照されたい）。他の場合、DLCはほとんどLPSを捕捉することができなかった。再度、所望の程度の生体分子保持に合わせられるDLCの能力が支持される。
実施例5:DLC表面上のインフルエンザウイルスＡ又はＢの検出
シリコンウェファーを、約450Å窒化ケイ素及び2.0の目標の屈折率を有する50ÅのDLCでコーティングした。複合フィルム厚さの測定値は、ウェファーが493.8±5.8Åの厚さまで、2.058±0.003の屈折率でコーティングされたことを示す。
インフルエンザＡ及びインフルエンザＢに対する単クローン性抗体両方を、50μＬの種々の抗体濃度のスポット（それぞれのスポット中に、規定濃度で等量の各抗体であった）としてDLC表面上に加え、そして10分間インキュベートし、洗浄し、そして吸取乾燥させた。次に、15μＬの結合体（西洋ワサビペルオキシダーゼ（HRP）に結合した抗インフルエンザＡ及び抗インフルエンザＢ）を、75μＬの種々の濃度（表１の倍数希釈に基づく）の希釈ウイルスＡ又はＢと混合した。用いられたインフルエンザＡ株はホンコンＡ（HKA）であり、用いられたインフルエンザＢ株はパナマＢであった。この混合物のサンプル10μＬを表面に与え、室温で５分間インキュベートした。その混合物を表面から洗い落し、吸取乾燥させた。次に、１滴のHRP基質を表面に５分間与えて沈澱を形成させた。その基質を洗浄した後、吸取乾燥させた。結果を表１で示す。表では、表面に与えられた抗体の量対PBS負対照及びHONG KONG（インフルエンザＡ株）又はPANAMA（インフルエンザＢ株）の２種類のウイルスの種々の希釈での捕捉を比較している。どちらのインフルエンザ株も、５μｇ（0.005mL×1mg/mL×100μg/mg）の表面抗体スポットで充分な捕捉が得られた。
Key Industrial Diamond Corporationからの0.2ミクロン工業用銘柄ダイヤモンド上にレセプターを固定した。そのレセプターを1mg/ml原液からダイヤモンド上にコーティングし、100μＬ容量のレセプターを10μＬのダイヤモンドと混合した。レセプターを室温で一晩インキュベートした。この材料からのサンプル２μＬを表面に加え、そして15分間インキュベートした。固体支持体を水で洗浄し、そして窒素流下で乾燥させた。これは、DLC/レセプターコーテッド表面を生じた。
DLC/レセプター表面の機能性を調べるために、レセプターと反応するリガンドのサンプル15μＬを加え、そして５分間インキュベートした。非結合リガンドを、窒素流下で乾燥した表面から洗い落した。次に、抗リガンド/HRP結合体を５分間与えた後、洗浄／乾燥工程を行った。結果を目視で読取った。正サンプルを全て検出した（データは示されていない）。最適化されていないが、この実験は、工業用ダイヤモンドを用いて生体分子を固定することができ、そして次にその固定された生体分子のフィルムコーティングを生成できるということを示している。
実施例7:DLC表面上のDNAの捕捉
ビオチニル化された14マーを、脱イオン水で１μモル/mLまで希釈した。その原液から、14マーを10pモル/mLまで更に希釈した。各希釈のアリコート１μＬを、DLCコーテッド窒化ケイ素／ポリエステル表面に与え、そして30分間乾燥させた。非結合14マーは全て、水で表面から洗浄し、その表面を乾燥させた。各DNAスポットを、100μＬの抗ビオチン−HRP結合体でコートし、そして室温で10分間インキュベートした後、洗浄／乾燥工程を行った。次に、DNA/結合体スポットを約100μＬの沈澱性TMB基でコートし、そして５分間インキュベートした。再度、洗浄／乾燥工程を行った。DLC表面上へのDNAの捕捉の正指標は、加えられたDNAスポットの光学的バックグラウンドに相対的な変色によって可視化される。この実験は、10fモルのDNAがDLC表面上に固定され、そして沈澱酵素反応によって可視化されたことを示した（データは示されていない）。
実施例8:DLC表面上のDNA:DNAハイブリッドの検出
前の実施例の場合と同様、DLC/窒化ケイ素／ポリエステル支持体を用いた。ビオチニル化された14マーの10nモルアリコートと混合した。プローブを、20mM Tris、pH7.5、15mM MgCl2及び50mM NaCl（最終容量22μＬ）中において室温で15分間アニーリングさせた。次に、ハイブリダイゼーション溶液４μＬを取出し、そして１μＬのSIヌクレアーゼ、22μＬの水及び３μｌのS1緩衝液と混合した。一本鎖DNAの消化を、室温で15分間進行させた。次に、ハイブリッドのサンプル１μｌをDLC表面に与え、乾燥させた。その表面を洗浄し乾燥させた。抗ビオチン抗体/HRP結合体のサンプルを加え、10分間インキュベートした後、洗浄及び乾燥工程を行った。次に、HRP沈澱基質のサンプルを表面に５分間与えた。その表面を洗浄し、乾燥させ、そして可視化した。この技法で、60pモルのビオチニル化プローブを検出した（データは示されていない）。補体又は両プローブの不存在下においてシグナルは生じなかった。シグナルは、S1ヌクレアーゼの不存在下におけるビオチニル化プローブ又はハイブリッドの捕捉によって生じうると考えられる。
実施例9:DLCフィルム疎水性の調節
DLCフィルムの疎水性をもっと増加させるために、sp3特性をフィルム中に導入することができるし又はDLCフィルム中の水素化炭素の量を増加させることができる。この実施例では、DLCフィルム中の水素化炭素の量を増加させた。イオンビーム蒸着は、用いることができる多数のコーティング法の一つである。水素化非晶質DLCを25Å／分で蒸着する中間コーティングプロトコルは、次の設定を包含する。
パラメーター 設定
Rf順電力 300W
Rf逆電力 0W
ビーム電圧 100mAmp
加速電圧 200V
電流電圧 8.2mAmp
一定
格子温度 170℃
プラテン温度 85℃〜90℃
流量（CH4） 40sccm＊
源 8cm部分
＊標準立方センチメートル／分
DLCフィルムの疎水性の変更は、Rf順電力を50W増加分で変化させ且つCH4流量を、０のRf逆電力が維持されるように変化させることによって行うことができる。他のパラメーターは全て、コーティング室の通常の束縛の範囲内で一定に保持される。一層グラファイト様のDLCを製造するためには、気体をCH4及びCH2CH2の混合物に又は純CH2CH2に変更することができる。上記のパラメーター設定を用いる２種類のガスの比率の変化は、疎水性が変化したある範囲のDLCフィルムを生じるであろう。純CH2CH2ガスにも、上記パラメーター設定を用いることができる。当業者は、他の蒸着法が、ある範囲のDLCを製造するように変更でき、イオンビーム蒸着の上の考察に基づき、このような変更を、化学蒸着、プラズマ蒸着等のような他の蒸着法に行うことができることを理解するであろう。
他の態様は、次の請求の範囲の範囲内である。
Claims (39)
- サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって：
溝を含有する支持体、
前記支持体上に配置された光学的機能層であって前記光学的機能層と前記支持体が前記装置の諸層を通る前記サンプルの層流を可能にするように配置された光学的機能層、
前記光学的機能層上に配置された付着層、及び
前記付着層上に配置された分析対象物特異的受理層を含んでなる光学アッセイ装置。 - サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって：
溝を含有する支持体、
前記支持体上に配置された光学的機能層であって前記光学的機能層と前記支持体が前記装置の諸層を通る前記サンプルの層流を可能にするように配置された光学的機能層、及び
前記光学的機能層上に配置された付着層を含んでなる光学アッセイ装置。 - サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって：
多孔質支持体、
前記支持体中に埋め込まれた散在した光学的機能粒子を含んでなる光学的機能層であって前記光学的機能層と前記支持体が前記装置の諸層を通る前記サンプルの層流を可能にするように前記光学的機能粒子が埋め込まれた光学的機能層、
前記粒子上に配置された付着層、及び
前記付着層上に配置された分析対象物特異的受理層を含んでなる光学アッセイ装置。 - サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって：
多孔質支持体、
前記支持体中に埋め込まれた散在した光学的機能粒子を含んでなる光学的機能層であって前記光学的機能層と前記支持体が前記装置の諸層を通る前記サンプルの層流を可能にするように前記光学的機能粒子が埋め込まれた光学的機能層、及び前記粒子上に配置された付着層を含んでなる光学アッセイ装置。 - サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって：
多孔質支持体、
前記支持体上に配置された溝を含有する光学的機能層であって前記光学的機能層と前記支持体が前記装置の諸層を通る前記サンプルの層流を可能にするように配置された光学的機能層、
前記光学的機能層上に配置された付着層、及び
前記付着層上に配置された分析対象物特異的受理層を含んでなる光学アッセイ装置。 - サンプル中の興味の対象である分析対象物の検出のための光学アッセイ装置であって：
多孔質支持体、
前記支持体上に配置された溝を含有する光学的機能層であって前記光学的機能層と前記支持体が前記装置の諸層を通る前記サンプルの層流を可能にするように配置された光学的機能層、及び
前記光学的機能層上に配置された付着層を含んでなる光学アッセイ装置。 - 前記光学的機能層が抗反射層を更に含んでなる、請求項１、２、３、４、５又は６に記載の装置。
- 前記付着層がニッケルである、請求項１、２、３、４、５又は６に記載の装置。
- 前記装置が、前記光学的機能層を取り囲んでいるか又は前記支持体の下方に吸収剤材料を更に含んでなる、請求項１、２、３、４、５又は６に記載の装置。
- 前記支持体がポリエステル又はポリカーボネートを含んでなる、請求項１、２、３、４、５又は６に記載の装置。
- 請求項１、２、３、４、５又は６に記載の装置であって、
前記支持体がポリエステル又はポリカーボネートを含んでなり、
前記光学的機能層が非晶質ケイ素の層の上に配置された窒化ケイ素の層を含んでなり、そして
前記付着層がニッケルを含んでなる装置。 - 請求項１、２、３、４、５又は６に記載の装置であって、
前記支持体がポリカーボネート又はポリエステルを含んでなり、そして
前記光学的機能層がその上にダイヤモンド様炭素の層が配置されたゲルマニウムの層を含んでなる装置。 - 請求項１、２、３、４、５又は６に記載の装置であって、
前記光学的機能層がその上にダイヤモンド様炭素の層が配置されたゲルマニウムの層を含んでなり、そして
前記付着層がニッケルを含んでなる装置。 - サンプル中の分析対象物の存在又は量を検出する方法であって：
溝を含有する支持体、前記支持体上に配置された光学的機能層、前記光学的機能層上に配置された付着層、及び前記付着層上に配置された分析対象物特異的受理層を含んでなる装置を提供する工程、
サンプルを前記装置の表面に適用して、前記サンプルが前記装置の諸層を貫くか又は横切る層流により引き込まれるようにする工程、及び
前記分析対象物を前記分析対象物特異的受理層に結合させ、前記装置の表面上でマス変化を起こさせて、前記サンプル中の前記分析対象物の存在又は量を示させる工程を含んでなる方法。 - サンプル中の分析対象物の存在又は量を検出する方法であって：
多孔質支持体、前記支持体上に配置された粒子を含む光学的機能層、前記粒子上に配置された付着層、及び前記付着層上に配置された分析対象物特異的受理層を含んでなる装置を提供する工程、
サンプルを前記装置の表面に適用して、前記サンプルが前記装置の諸層を貫くか又は横切る層流により引き込まれるようにする工程、及び
前記分析対象物を前記分析対象物特異的受理層に結合させ、前記装置の表面上でマス変化を起こさせて、前記サンプル中の前記分析対象物の存在又は量を示させる工程を含んでなる方法。 - サンプル中の分析対象物の存在又は量を検出する方法であって：
多孔質支持体、前記支持体上に配置された溝を含有する光学的機能層、前記光学的機能層上に配置された付着層、及び前記付着層上に配置された分析対象物特異的受理層を含んでなる装置を提供する工程、
サンプルを前記装置の表面に適用して、前記サンプルが前記装置の諸層を貫くか又は横切る層流により引き込まれるようにする工程、及び
前記分析対象物を前記分析対象物特異的受理層に結合させ、前記装置の表面上でマス変化を起こさせて、前記サンプル中の前記分析対象物の存在又は量を示させる工程を含んでなる方法。 - サンプル中の分析対象物の存在又は量を検出する方法であって：
溝を含有する支持体、前記支持体上に配置された光学的機能層、及び前記光学的機能層上に配置された付着層を含んでなる装置を提供する工程、
前記サンプルを前記装置の表面に適用して、前記サンプルが前記装置の諸層を貫くか又は横切る層流により引き込まれるようにする工程、
前記分析対象物を前記付着層に結合させる工程、及び
前記付着層に結合した前記分析対象物に結合する分析対象物特異的結合試薬を提供し、前記装置の表面上でマス変化を起こさせて、前記サンプル中の前記分析対象物の存在又は量を示させる工程を含んでなる方法。 - サンプル中の分析対象物の存在又は量を検出する方法であって：
多孔質支持体、前記支持体上に配置された粒子を含む光学的機能層、及び前記粒子上に配置された付着層を含んでなる装置を提供する工程、
前記サンプルを前記装置の表面に適用して、前記サンプルが前記装置の諸層を貫くか又は横切る層流により引き込まれるようにする工程、
前記分析対象物を前記付着層に結合させる工程、及び
前記付着層に結合した前記分析対象物に結合する分析対象物特異的結合試薬を提供し、前記装置の表面上でマス変化を起こさせて、前記サンプル中の前記分析対象物の存在又は量を示させる工程を含んでなる方法。 - サンプル中の分析対象物の存在又は量を検出する方法であって：
多孔質支持体、前記支持体上に配置された溝を含有する光学的機能層、及び前記光学的機能層上に配置された付着層を含んでなる装置を提供する工程、
前記サンプルを前記装置の表面に適用して、前記サンプルが前記装置の諸層を貫くか又は横切る層流により引き込まれるようにする工程、
前記分析対象物を前記付着層に結合させる工程、及び
前記付着層に結合した前記分析対象物に結合する分析対象物特異的結合試薬を提供し、前記装置の表面上でマス変化を起こさせて、前記サンプル中の前記分析対象物の存在又は量を示させる工程を含んでなる方法。 - 層流特性を有する光学アッセイ装置を構築する方法であって：
溝を含有する支持体を提供する工程、
前記支持体上に光学的機能層を、前記光学的機能層と前記支持体が前記装置の諸層を貫くか又は横切るサンプルの層流を可能にするように提供する工程、
前記光学的機能層上に付着層を提供する工程、及び
前記付着層上に分析対象物特異的受理層を提供する工程を含んでなる方法。 - 層流特性を有する光学アッセイ装置を構築する方法であって：
多孔質支持体を提供する工程、
前記支持体上に粒子を含む光学的機能層を、前記光学的機能層と前記支持体が前記装置の諸層を貫くか又は横切るサンプルの層流を可能にするように提供する工程、
前記光学的機能層上に付着層を提供する工程、及び
前記付着層上に分析対象物特異的受理層を提供する工程を含んでなる方法。 - 層流特性を有する光学アッセイ装置を構築する方法であって：
多孔質支持体を提供する工程、
前記支持体上に溝を含有する光学的機能層を、前記光学的機能層と前記支持体が前記装置の諸層を貫くか又は横切るサンプルの層流を可能にするように提供する工程、
前記光学的機能層上に付着層を提供する工程、及び
前記付着層上に分析対象物特異的受理層を提供する工程を含んでなる方法。 - 層流特性を有する光学アッセイ装置を構築する方法であって：
溝を含有する支持体を提供する工程、
前記支持体上に光学的機能層を、前記光学的機能層と前記支持体が前記装置の諸層を貫くか又は横切るサンプルの層流を可能にするように提供する工程、及び
前記光学的機能層上に付着層を提供する工程を含んでなる方法。 - 層流特性を有する光学アッセイ装置を構築する方法であって：
多孔質支持体を提供する工程、
前記支持体上に粒子を含む光学的機能層を、前記光学的機能層と前記支持体が前記装置の諸層を貫くか又は横切るサンプルの層流を可能にするように提供する工程、及び
前記光学的機能層上に付着層を提供する工程を含んでなる方法。 - 層流特性を有する光学アッセイ装置を構築する方法であって：
多孔質支持体を提供する工程、
前記支持体上に溝を含有する光学的機能層を、前記光学的機能層と前記支持体が前記装置の諸層を貫くか又は横切るサンプルの層流を可能にするように提供する工程、及び
前記光学的機能層上に付着層を提供する工程を含んでなる方法。 - 溝を含有する支持体と、光学的機能層であって前記諸層を通るサンプルの層流を促進するのに有用である光学的機能層とを含んでなる組成物。
- 多孔質支持体と、光学的機能粒子を含む光学的機能層であって前記諸層を通るサンプルの層流を促進するのに有用である光学的機能層とを含んでなる組成物。
- 多孔質支持体と、溝を含有する光学的機能層であって前記諸層を通るサンプルの層流を促進するのに有用である光学的機能層とを含んでなる組成物。
- 前記支持体がポリカーボネートを含んでなり、前記光学的機能層が非晶質ケイ素を含んでなる、請求項26、27又は28に記載の組成物。
- 前記光学的機能層が、前記非晶質ケイ素の層の上に配置された窒化ケイ素の層を更に含んでなる、請求項29の組成物。
- 前記支持体がポリカーボネートを含んでなり、前記光学的機能層がゲルマニウムを含んでなる、請求項26、27又は28に記載の組成物。
- 前記光学的機能層が、前記ゲルマニウム上に配置されたダイヤモンド様炭素の層を更に含んでなる、請求項31の組成物。
- 前記支持体がポリエステルを含んでなり、前記光学的機能層が非晶質ケイ素を含んでなる、請求項26、27又は28に記載の組成物。
- 前記光学的機能層が、前記非晶質ケイ素上に配置された窒化ケイ素の層を更に含んでなる、請求項33の組成物。
- 前記支持体がポリエステルを含んでなり、前記光学的機能層がゲルマニウムを含んでなる、請求項26、27又は28に記載の組成物。
- 前記光学的機能層が、ゲルマニウムの前記層の上に配置されたダイヤモンド様炭素の層を更に含んでなる、請求項35の組成物。
- 前記分析対象物が、抗原、抗体、レセプター、リガンド、キレート化剤、タンパク質、酵素、核酸、DNA、RNA、殺虫剤、除草剤、無機又は有機の化合物からなる群から選択される、請求項１、２、３、４、５又は６に記載の装置。
- 前記光学的機能層が、非晶質ケイ素の層の上に配置された窒化ケイ素の層を含んでなる、請求項１、２、３、４、５又は６に記載の装置。
- 前記付着層がダイヤモンド様炭素を含んでなる、請求項１、２、３、４、５又は６に記載の装置。
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