JP4992000B2 - ターゲット・オリゴヌクレオチド・ストランドを検出するセンサ・システム及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分子識別、化学親和力、または物理的性質を機械的応答に変換する、カンチレバー・ベースのセンサ及びシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査トンネル顕微鏡及び原子間力顕微鏡の開発は、種々のアプリケーションをもたらした。これらのアプリケーションの例には、平行なローカル・プローブを使用する記憶システムなどの走査プローブ記憶システム、走査プローブ・リソグラフィ・システム、走査プローブやプローブのアレイを含むテスト装置、原子解析、高性能検査システム、及び半導体チップなどの表面の構造化のために使用される走査プローブ・システムなどがある。これらの全てのシステムは、１つ以上のカンチレバーを有するという共通点がある。
【０００３】
物理現象及び生体／化学反応を検出するカンチレバー・ベースのセンサの開発のために、これまでに多くの努力が成されてきた。
【０００４】
こうした例には、ケミカル・ノーズ（chemical nose）とも呼ばれる熱量測定センサ（欧州特許ＥＰ７１１４１０Ｂ１号参照）や、分光測定システム（米国特許第５７３７０８６号参照）などがある。
【０００５】
ターゲット物質の識別または液体の特性の検出のための、既知のマイクロメカニカル・センサ・システムの欠点は、結果を再現させるのが困難なことである。なぜなら、それらは環境パラメータに対する強い依存性を有するからである。既知の機構の別の欠点は、温度変化やｐＨ変化などに非常に敏感なことである。従って、原子または分子の識別は、不可能ではないにしても非常に困難である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、様々な環境において、原子、分子、セル、ウィルス、バクテリア、または微生物の確実な識別を可能にする機構を提供することである。
【０００７】
本発明の目的は、様々な環境において、液体の特性の確実な検出を可能にする機構を提供することである。
【０００８】
更に本発明の別の目的は、液体フローの自動制御のための機構を提供することである。
【０００９】
更に本発明の別の目的は、薬学物質などの高性能な放出または注入のための機構を提供することである。
【００１０】
更に本発明の別の目的は、分子識別、化学親和力、または物理特性を機械的応答に変換する機構を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基準液体内のターゲット物質を検出する機構に関する。これを達成するために、測定カンチレバーと基準カンチレバーとが使用され、前者は、当該測定カンチレバーの表面の１つに付着され、ターゲット物質に感応する第１のコーティングにより機能化され、後者は、第１のコーティングに比較して、ターゲット物質に感応的でない基準コーティングを、当該基準カンチレバーの表面の１つ上に有する。測定カンチレバー及び基準カンチレバーは、基準ステップにおいて、基準液体に晒され、検出ステップにおいて、ターゲット物質を有する基準液体に晒される。検出ユニットが、基準ステップ及び検出ステップの間に、測定カンチレバーと基準カンチレバーとの間のたわみの差を決定する。
【００１２】
同様の機構が、液体の特性の検出のためにも使用される。
【００１３】
本発明はまた、屈曲可能なマイクロメカニカル・リッド（lid）を含むコンテナに関する。このリッドは、リッドが曲げられたとき、コンテナが開くようにコンテナに接続される。リッド表面の１つが、ターゲット物質に感応的なコーティングの付着により機能化される。リッドがターゲット物質に晒されると、リッド内の力が自動的にリッドを曲げ、その結果コンテナが開く。
【００１４】
本発明は更に、液体フロー・システムにおいて使用されるスイッチに関する。液体フロー・システムは、第１のパイプと、分岐点において第１のパイプに接続される第２のパイプとを含む。屈曲可能なマイクロメカニカル・リッドが、分岐点に配置される。このリッドは、リッド表面の１つへのコーティングの付着により機能化される。このコーティングはターゲット物質に感応的であり、ターゲット物質へのリッドの露出により、リッド内に力が生成され、この力がリッドを自動的に屈曲させ、結果的に、液体フロー・システムを通じて液体フローに影響を及ぼすように分岐点での断面が変化する。
【００１５】
本発明はまた、分子識別、化学親和力、または物理特性を機械的応答に変換するシステムに関する。こうしたシステムは、機能化された面を有する、少なくとも１つの微細構造カンチレバーを含む。この面は、ターゲット物質（分子識別）に感応的な、またはターゲット液体の物理特性に感応的なコーティングの付着により機能化される。カンチレバーがターゲット物質またはターゲット液体に晒されるとき、カンチレバー内の力が自動的にそれを屈曲させる。これらの力は、カンチレバーのコーティングと、カンチレバーの表面との間で発生する。換言すると、カンチレバーは分子識別、化学親和力または物理特性を、機械的応答（移動）に変換する。元の状態が回復されると、カンチレバーはその元の位置に復帰する。これは例えば、ＤＮＡハイブリダイゼーション・センサの場合、高濃度の尿素を注入することにより、或いは他のセンサの場合、他の液体を注入することにより行われる。カンチレバーが、ターゲット物質または液体に交互に晒される場合、フリップフロップまたは双安定システムが生成される。こうしたシステムは、小さなマイクロメカニカル・エンジン、ポンプ、コンテナ及びフロー・システムなどを形成するために使用される。
【００１６】
本発明の利点は、本発明による前記の機構、コンテナ、スイッチ及びシステムが、非常に高感度であって、大量生産に適しており、再利用可能なことである。更に、本システムは素早い応答を示す。本発明の他の利点についても、当業者であれば、以下の説明を参照することにより明らかになろう。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の異なる実施例を述べる前に、本発明に従う走査ストローブ・システムの基本要素について述べることにする。
【００１８】
カンチレバー：
カンチレバーは、容易に形成することのできる既知の要素である。既存の半導体形成プロセスが使用される。実質的に、別個のカンチレバー及びカンチレバーのアレイを形成するために、微細機械加工技術が使用される。こうしたカンチレバーの寸法を測定するとき、カンチレバーが形成される基板として使用される材料の、特定のパラメータを考慮しなければならない。カンチレバーまたはカンチレバー・アレイを適切に設計すれば、それらはバッチ処理により、低コスト且つ高歩留りで大量生産することができる。
【００１９】
通常カンチレバーは、シリコン基板の一部をエッチング除去することにより形成される。この基板は通常、（１００）または（１１１）配向である。（１００）配向シリコンは、例えば、エチル・ジアミン・ピロカテコールまたはＫＯＨ溶液を用いて、ウェット・エッチングを施される。ウェット・エッチング技術は一般に、基板の結晶配向に依存する。例えば、（１００）配向シリコンは、（１１１）プレーンの非常に低いエッチング速度を示し、（１１１）軸に沿って、良好なエッチング停止がもたらされ、その結果、（１００）から５４．７°で、明確なエッチング・プレーンが生成される。別のアプローチでは、例えば反応性イオン・ビーム・エッチング（ＲＩＥ）や、化学励起イオン・ビーム・エッチング、マイクロ波励起プラズマ・エッチング、或いは誘導結合プラズマ・エッチングなどのドライ・エッチング技術が使用される。プロセス条件に依存して、深い異方性または等方性構造が得られ、優れた寸法制御が達成される。エッチングされる構造を画定するために、マスクが使用されてもよい。
【００２０】
同様にカンチレバーは、集束イオン・ビーム・ミリング技術を用いて、形成または変更される。この技術では、予め形成されたカンチレバーが真空チャンバ内に、例えば約２．３＊１０^-6ｍｂａｒのベース・プレッシャで封入される。イオン源から、ガリウム（Ｇａ）イオンが高電圧（１０ｋＶ乃至３０ｋＶ）により加速され、ターゲット上に集束される。１２ｐＡ乃至１２０００ｐＡの電流が、ターゲット・スポットにおいて材料を腐食するために使用される。例えば、塩化物分子のストリームをターゲット域に仕向けることにより、プロセスの効率が向上する。集束イオン・ビーム・ミリング用の装置は市販されている。
【００２１】
集束イオン・ビーム・ミリングはまた、従来のカンチレバーを変更するためにも使用される。例えば、より小さなカンチレバーや、従来のカンチレバー内にカンチレバーのアレイを形成することが可能である。
【００２２】
使用されるカンチレバーは、前述の技術を用いて形成される形状を有する。カンチレバーの縦軸に垂直な断面形状は、例えば矩形、円形、楕円形または多角形などである。
【００２３】
ガリウムヒ素などの他の半導体材料も、カンチレバーの形成に適している。このことは、例えば、"Dynamic Micromechanics on Silicon: Techiniques and Devices"、K. E. Petersen、IEEE Transactions on Electronic Devices、Vol. ED25、No. 10、1978、pp. 1241-1249で報告されている。また、窒化ケイ素（ＳｉＮ_x）も適している。
【００２４】
たわみセンサ：
カンチレバーのたわみ（屈曲）を検出するために、たわみセンサが使用される。カンチレバーのたわみは、通常、光学式または圧電抵抗たわみセンサを用いて検出される。
【００２５】
例えば、圧電抵抗型抵抗器が、カンチレバー・アームの固定端に埋め込まれる。カンチレバー・アームの自由端のたわみが、カンチレバーに沿って応力を生成する。この応力がカンチレバーのたわみに比例して、カンチレバーのベースにおける抵抗器の電気抵抗を変化させる。抵抗測定装置が圧電抵抗型抵抗器に結合され、その電気抵抗を測定し、カンチレバー・アームのたわみに対応する信号を生成する。１９９５年９月１日付け出願の係属中の特許出願ＰＣＴ/ＩＢ９５/００７２４で最初に立証されるように、こうした圧電抵抗検出器は、より強い応力を受けるように、カンチレバーの固定端に圧縮されて形成される。
【００２６】
光学式たわみセンサは、例えばレーザ・ダイオードなどの光源と、光検出器とを含む。光源から発せられる光はカンチレバーに向けられ、フォトダイオードが反射光を集光するように配置される。カンチレバーのたわみは、光ビームの偏向に変化をもたらす。この偏向の変化が、前記フォトダイオードにより検出され、次に分析されて、カンチレバーの変位量に関する情報が獲得される。
【００２７】
両方の検出アプローチを、本発明に適用することができる。
【００２８】
検出器回路：
検出回路、前置増幅器及び適切な配線を含む特定の手段が提供される。これらの手段を形成するために、半導体業界及び固体業界で一般的な、既存のツール及びプロセスを使用することができる。特定のアプリケーションに応じて、短い相互接続、高速性及び低消費電力を獲得するために、小型化が不可欠である。検出回路の一部または全部が、カンチレバー・チップ内に統合されてもよい。
【００２９】
たわみセンサは検出器回路と共に、ここでは検出器ユニットと呼ばれる。検出器ユニットは、データ収集及び分析を提供する。
【００３０】
本発明の全ての実施例は、液体内で生体または化学センサとして動作する、少なくとも１つの微細構造カンチレバーまたはメンブランを含むという共通点がある。
【００３１】
本発明は次に、第１の実施例に関連して述べられる。この実施例が、図１及び図２に示される。カンチレバー構造１０は、カンチレバー１１及び取り付けベース１３を含む。取り付けベース１３は通常、カンチレバー・ホルダ（図示せず）により支持される。
【００３２】
各カンチレバー１１は２つの主表面を有し、これらはここでは、それぞれ正面（front-side）１４及び裏面（back-side）１５と呼ばれる。この実施例では、カンチレバーの正面１４は、コーティング１２により覆われる。カンチレバー１１は、コーティング１２の付着により個々に機能化される。単純化のため、コーティング１２は正面１４を全て覆うように示されるが、コーティングをカンチレバーの正面１４または裏面１５の一部にだけ付着することも実用的である。特定のコーティング層１２（単層または複数の層の組み合わせから成る）は、物理プロセスまたは生体／化学反応をマイクロメカニカル応答（屈曲）に変換する。
【００３３】
一般に、前記の微細構造カンチレバーまたはメンブランは、２つの異なる表面、すなわち正面及び裏面から成り、これらは両者がターゲット物質またはターゲット液体に晒されるとき、或いは一方の表面だけがターゲット物質またはターゲット液体に晒されるとき、異なる親和性を有するか、異なって相互作用する。カンチレバーまたはメンブランの一方の表面は、選り抜きの検体に従い、個々に機能化されなければならない。こうした検体には、蛋白質（抗原／抗体、レセプタ／リガンド、酵素）、オリゴヌクレオチド、自己組織化単層膜（チオール）、ポリマ層、セルまたは微生物などが含まれる。
【００３４】
カンチレバーまたはメンブランは、１）それを選り抜きの液体により充填された微細流体網の小さなコンテナまたはチャネルに導入することにより、または２）コーティングをその表面に蒸着または付着することにより機能化される。
【００３５】
微細構造カンチレバー１０がターゲット物質に晒されるとき、図２に示されるように、カンチレバー１１を下向きに、または上向きに（図示せず）曲げる力が生成される。次に述べる機構またはこれらの機構の組み合わせが、カンチレバーの屈曲をもたらす。すなわち、それらは熱運動、表面または界面応力生成、静電相互作用、立体効果または溶媒和効果、カンチレバー上の材料の膨張または弾性特性の変化をもたらす分子またはセルの構造変化である。
【００３６】
微細構造カンチレバー１０は受動素子である。屈曲力を生成するために、アクチュエータ、励起、または他の手段は要求されない。カンチレバーはターゲット物質に晒されると、自動的に屈曲する。なぜなら、カンチレバーは適切なコーティング１２の付着により、そうしたターゲット物質に対して機能化されるからである。本発明によれば、動的（共振的）な振舞いではなく、静的な屈曲が検出される。
【００３７】
微細構造カンチレバーまたはメンブランは、以下のことに反応するか、或いは検出またはモニタするように機能化される。すなわち、
ａ）温度、屈折率、イオン濃度またはｐＨなどの、液体の物理パラメータ（ここでは特性（property）と呼ぶ）。
ｂ）特に分子識別による、液体内の物質または材料の存在（ここではターゲット物質と呼ぶ）、またはカンチレバーのコーティング上でのパートナとの生体分子の結合。
ｃ）カンチレバーのまたはカンチレバー上の材料の物理的または化学的特性、またはカンチレバーとの相互作用。例えば、表面電荷または疎水性、吸着プロセス、自己組織化単層膜または生体分子のｐＨ値、表面上の分子の構造変化、異なる環境に対するセルの応答などが含まれる。
【００３８】
コーティングとターゲット物質との間の相互作用により生じる、微細構造カンチレバーまたはメンブランの屈曲は、微細加工ドアまたはリッドを開くために、或いはミクロ流体システムのバルブをトリガするために使用される。これは例えば、定義された血糖値で、または特定の抗体またはウィルスの存在の下で開閉する、薬学物質の"知能的な"貯蔵庫を生成することを可能にする。本発明の第２の実施例が、図３及び図４に示される。この実施例は、液体フロー・システム２０における微細構造カンチレバー２１の使用を示す。この実施例では、微細加工カンチレバー２１が、液体フロー・システム２０内で、一種のスイッチとして作用する。液体フロー・システム２０は、第１のパイプ２２及び第２のパイプ２３を含む。第２のパイプ２３は、第１のパイプ２２に接続される。第１のパイプ２２及び第２のパイプ２３の交差部分は、分岐点と呼ばれる。微細加工カンチレバー２１は、第２のパイプ２３を閉じるように構成される。この状態では（図３参照）、液体Ｆ１はパイプ２２を通じて、左から右に流れる。液体は第２のパイプ２３には流入しない。なぜなら、そのインレットがカンチレバー２１により覆われている、すなわち閉じられているからである。
【００３９】
カンチレバー２１は屈曲可能である。その表面の一方（正面または裏面）は、適切なコーティング（図３、図４では示されていない）の付着により機能化される。このコーティングは、液体Ｆ１内に含まれるターゲット物質に感応する。ターゲット物質が液体Ｆ１内に追加されると仮定すると、カンチレバー２１は図４に示されるように屈曲する。カンチレバー２１の屈曲は、第２のパイプ２３を開く。液体Ｆ１の特定の割合が、第１のパイプ２１から第２のパイプ２３に流れ込む。換言すると、カンチレバー２１は、２つのパイプ間のスイッチとして作用する。ターゲット物質に対するカンチレバーの露出は、カンチレバーを自動的に屈曲させる力を生成し、その結果、分岐点での断面が、液体フロー・システム２０を通じる液体の流れに影響するように変化する。ターゲット物質が液体Ｆ１内に含まれる限り、第２のパイプ２３は開状態のままである。もはやターゲット物質が液体Ｆ１内に存在しなくなるか、その濃度が検出しきい値以下に下がると、カンチレバー２１はその元の位置に戻り、第２のパイプ２３が再度閉じられる。
【００４０】
本発明の更に別の実施例が、図５に示される。コンテナ・システム３０の断面が、この図に示される。コンテナは、壁３２及びリッド３１を含む。微細構造カンチレバーが、リッド３１として作用する。リッドの表面の一方（正面または裏面）が、適切なコーティング（図５では示されていない）の付着により、ターゲット物質に感応するように、またはターゲット液体の特定の特性に感応するように機能化される。この実施例では、カンチレバーが、コンテナ３０の外側の液体Ｆ２のｐＨと、コンテナ３０内の液体Ｆ３のｐＨとの差に感応するようにコーティングされる。この液体Ｆ３は、薬学物質（例えば薬物）を含む。カンチレバーがその正面（液体Ｆ２に面する表面）と、背面（液体Ｆ３に面する表面）において、ｐＨの差を検出すると、カンチレバー３１を屈曲させる力が生成される。但し、図５ではカンチレバー３１の屈曲は示されていない。屈曲の結果、コンテナ３０が開き、液体Ｆ２とＦ３の間の交換／混合が生じる。結果的に、ｐＨの差が消滅し、コンテナ３０は再度閉じられる。液体Ｆ３の一部は、液体Ｆ２内に放出される。この効果は、例えば少量の薬学物質を血液内に放出するために使用される。
【００４１】
次に、少なくとも２つのカンチレバーのアレイが使用される幾つかの例について、述べることにする。
【００４２】
こうしたアレイは、少なくとも２つのカンチレバーから成り、一方は不活性基準として、他はセンシング・カンチレバーとして作用する。両方のカンチレバーは、選り抜きの検体に従い、個々に機能化される。こうした検体には、蛋白質（抗原／抗体、レセプタ／リガンド、酵素）、オリゴヌクレオチド、自己組織化単層膜（チオール）、ポリマ層、セルまたは微生物などが含まれる。こうした機能化は、選り抜きの液体により充填された微細流体網の小さなコンテナまたはチャネルに、カンチレバーを平行に導入することにより行われる。カンチレバーの屈曲が、例えば、ＶＣＳＥＬ（垂直キャビティ面発行レーザ）のアレイのような、多重化光源を用いる光ビーム偏向法により並列に読出される。コーティングの付着以前に、同一の物理特性を有する、１対の対応するカンチレバーが常に存在することが重要である。理想的には、カンチレバーは同一の形成ステップにより同時に形成される。
【００４３】
カンチレバー・アレイ・ベースのシステムは、液体内で使用される生体／化学センサ・システムとして動作するように構成される。こうしたセンサ・システムは、静的なカンチレバーの屈曲により、カンチレバー表面上の蛋白質吸着量や、溶液のｐＨ変化及び分子識別を検出するために使用される。修正された市販のＡＦＭヘッド及び液体セルが、センサ・システムを構成するために使用されてもよい。
【００４４】
センサ・システム４０の例が、図６乃至図９に示される。このセンサ・システム４０は、基準液体内の１本鎖ＤＮＡ（ｓｓＤＮＡ）ストランド（ターゲット物質と呼ばれる）を検出するために設計される。センサ・システム４０は測定カンチレバー４１を含み、これは測定カンチレバーの表面の１つへの、第１のコーティングの付着により機能化される。この例では、第１のコーティングは、カンチレバー４１の正面（上面）に付着される。この第１のコーティングは、特定の相補ＤＮＡストランド（ターゲットＤＮＡストランド）に感応する。基準カンチレバー４２は、その一方の上面に基準コーティングを含む。この基準コーティングは、第１のコーティングに比較して、ターゲットＤＮＡストランドに感応的でない。両方のカンチレバーがカンチレバー・ホルダ４３に接続され、それにより、測定カンチレバー４１及び基準カンチレバー４２が、基準ステップにおいて、基準液体に晒され、検出ステップにおいて、ターゲット物質を有する基準液体に晒される。重要な点は、両方のカンチレバーが、それらの機能化を除き同一であることである。更にセンサ・システム４０は、基準ステップ及び検出ステップの間に、測定カンチレバー４１と基準カンチレバー４２のたわみの差を決定する検出器ユニット（図６乃至図８では示されない）を含む。カンチレバー４１及び４２の屈曲は、２つの多重化ＶＣＳＥＬと、１つの直線位置感応検出器とから成る、光学的読出し技術により検出される。
【００４５】
ここでは、カンチレバー４１及び４２の両方が、５末端基をチオール基により変更された１本鎖ＤＮＡの短いストランド、いわゆるオリゴヌクレオチドにより機能化される。一方のカンチレバーは１２マー・オリゴヌクレオチドにより覆われ、他のカンチレバーは１６マー・オリゴヌクレオチドにより覆われ、両者は異なる配列を有する。従って、カンチレバー表面は同一の物理特性を示し、塩基配列、すなわちオリゴヌクレオチドの遺伝情報だけが異なる。１２マー・カンチレバーは、１６マー・カンチレバーのための基準カンチレバーとして作用するか、或いはその逆であってもよい。
【００４６】
センサ・システム４０は更に、２つのカンチレバー４１及び４２が基準液体及びターゲット物質に晒されることを可能にする、液体セルを含む。液体セル内にオリゴヌクレオチドの相補ストランドを注入することにより、ハイブリダイゼーションと呼ばれる塩基対（base pairing）が発生し、相補ストランドがマッチング配列を有するカンチレバー４１とだけ結合する。カンチレバー４１は、図７に示されるように、ハイブリダイゼーションが発生する面から遠ざかって屈曲する。２つのカンチレバー４１及び４２の間の屈曲の差（ここでは１２マー機能化カンチレバーからの屈曲信号から、１６マー・カンチレバーからの信号を差し引いた値）が検出され、検出器ユニットにより記録される。
【００４７】
図７では、最初に相補１２マー・オリゴヌクレオチドが注入され、検出ユニットの出力信号が立ち上がる（図９参照）。次に、基準液体により浄化した後、相補１６マー・オリゴヌクレオチドが注入され、カンチレバー４２が同様に下方に屈曲する（図８参照）。これは検出器ユニットの出力信号が立ち下がることを意味する（図９参照）。２つのカンチレバー４１及び４２の間の相対たわみ、すなわち屈曲の差が、図９にプロットされて示される。この差信号が検出器ユニットの出力信号である。前述の検出器システムは、例えばＤＮＡなどの生体分子などの分子の識別を可能にする。
【００４８】
１本鎖ＤＮＡ（ｓｓＤＮＡ）の識別のために、シリコン・カンチレバー・アレイが好適である。個々のカンチレバーの典型的な寸法は、０．１μｍ乃至１０μｍの厚さ、５０μｍ乃至１０００μｍの長さ、及び１０μｍ乃至５００μｍの幅である。ＤＮＡストランドの識別には、図１０に示されるように層化コーティングが好適である。これはカンチレバー表面４７の上側に、金属層４４（例えば金層）を含み、これは１本鎖ＤＮＡ４６のチオール変形短ストランド、いわゆるオリゴヌクレオチドが、カンチレバー４１に連結されることを可能にする。１本鎖ＤＮＡの塩基４８は、ハイブリダイゼーション・プロセスの間に、それらの相補ＤＮＡストランド４９の塩基５０と共に塩基対を形成する。
【００４９】
センサ・システム４０は、静的なカンチレバー屈曲により、分子識別をモニタすることを可能にする。この実施例では、カンチレバーの屈曲が相補オリゴヌクレオチドの濃度に依存する。現セットアップでは、感度は完全な表面被覆率に相当する１０⁹分子よりも勝っている。時間依存屈曲信号が、ラングミュア（Langmuir）吸着運動により適応化される。更に、システム４０は同一の長さの、異なる塩基配列を有し、更にオリゴヌクレオチド配列内の単一の塩基不一致を有するストランドさえ検出できる。このことは、ハイブリダイゼーションによる配列化により、遺伝的変異（突然変異分析、単一ヌクレオチド多形態など）の検出を可能にする。
【００５０】
塩基対は、高濃度の例えば尿素を液体セルに注入することにより、化学的に破壊される。このとき、実験が同一のセンサ・システム４０を用いて繰り返される。
【００５１】
前述のように、シリコン・カンチレバーの一方の面は、金属層により覆われる。この金属層の厚さは、１ｎｍ乃至５００ｎｍである。好適には、光学的読出しのための反射率を向上させるために、２０ｎｍの厚さの金の層が使用される。金属層は、例えば電子ビーム蒸着により付着される。他の層は、例えばカンチレバー上にスプレー・コーティングされる。
【００５２】
両方のカンチレバーの各面は、チオールまたはシラン化学反応により個々に機能化される。平行な２つ以上のカンチレバーを使用することにより、カンチレバーの１つが基準として作用する。これは特に、液体内のカンチレバーの静的なたわみを測定するために重要である。なぜなら、液体の温度及び屈折率の小さな変化（例えばｐＨやイオン濃度に依存する）が、信号に劇的に影響を及ぼすからである（例えば、１℃につき１００ｎｍのたわみ、または１ｐＨ単位につき数１０ｎｍのたわみ）。これらの効果は、特定的に感応化されたカンチレバーと、不活性基準カンチレバーとの間の差分信号を評価することにより相殺される。
【００５３】
図６乃至図８に示されるシステムは、ＲＮＡを検出または識別するためにも使用される。
【００５４】
別の実施例では、一方のカンチレバーが不活性アルキルオール（ＣＨ₃）により機能化され、他のカンチレバーがカルボキシルチオール（ＣＯＯＨ）により機能化され、これは溶液（０．１Ｍリン酸緩衝液）のｐＨにより、プロトン化／脱プロトン化される。低いｐＨでは、ＣＯＯＨ終端カンチレバー表面が荷電されていないが、より高いｐＨで生成される脱プロトン化ＣＯＯ基として負に荷電される。これはカンチレバーを荷電チオール層から遠ざかって屈曲させる。こうしたセンサ・システムは、微細加工により製作される高感度局所ｐＨメータとして使用される。屈曲信号は、カンチレバー表面に少ない数のカルボキシル基を有する混成チオール層では減少する。カルボキシチオールにより覆われたカンチレバーの屈曲は、イオンを溶液に追加することにより増加する。これは対イオンによる表面電荷の静電斥力及びスクリーニングだけが、カンチレバー屈曲の原因でないことを示す。
【００５５】
別の実施例が図１１に示される。センサ・システム６０は７つの測定カンチレバー（Ａ乃至Ｇ）、及び７つの対向する基準カンチレバーＡ'乃至Ｇ'のアレイを含む。アレイのマウンティング・ベース６１はカンチレバー・ホルダとして作用し、液体フローＦ４のガイド用のチャネルを提供するように構造化される。液体Ｆ４は、全てのカンチレバーが液体に露出されるように、チャネル６２に沿って流れる。図示のケースでは、各カンチレバーが圧電検出器を含み、これが読出し信号を検出回路に提供する。検出回路は各カンチレバーから信号を受信し、７つの出力信号を生成する。これらの７つの出力信号は、カンチレバー対Ａ−Ａ'，Ｂ−Ｂ'，．．．，Ｇ−Ｇ'により提供される信号の差分信号である。検出回路は７つの出力信号の続く処理のために、コンピュータ・システムに接続される。
【００５６】
２つのカンチレバー７１、７２、及び典型的な検出ユニットを有するセンサ・システムのブロック図が、図１２に示される。この実施例では、１つのカンチレバー７１（７２）につき、１つの光偏向センサ・システム７３（７４）が存在する。こうした各々の光偏向センサ・システム７３（７４）は、例えばレーザ・ダイオードなどの光源７５（７６）、及び光検出器７７（７８）を含む。光源７５（７６）により発せられる光７９（８０）が、カンチレバー７１（７２）上に向けられ、フォトダイオード７７（７８）が反射光８１（８２）を収集するように構成される。カンチレバー７１（７２）のたわみが、光ビーム８１（８２）の偏向を変化させる。この偏向の変化が前記フォトダイオード７７（７８）により検出され、出力信号ＯＵＴ１（ＯＵＴ２）が生成される。これらの出力信号ＯＵＴ１及びＯＵＴ２（光電流）がユニット８３により分析され、２つのカンチレバー７１及び７２の相対変位量に関する情報が獲得される。
【００５７】
ユニット８３は、フォトダイオード７７、７８の光電流を受信する２つの入力８４及び８５を有する。ブロック８６及び８７が、光電流を電圧８８、８９に変換する。基本ブロック９０は、２つの電圧８８、８９の間の差を生成する。オプションの増幅器９１が、差分信号９２を増幅するために使用される。この例では、結果信号９３がインタフェース・カード９４に供給される。尚、ユニット８３はこのインタフェース・カード９４を通じて、コンピュータ（図示せず）に接続される。コンピュータが続く処理のために、結果信号を記録する。たわみセンサ・システム７３、７４とユニット８３またはコンピュータとの間には、フィードバック・ループが存在し得る。光偏向センサ・システム７３及び７４は、ユニット８３と共に、ここでは検出ユニットと呼ばれる。
【００５８】
本発明の別の実施例が、図１３に示される。この図は、カンチレバー・アレイ１０２を収納する液体セル１０１を有する、センサ・システム１００のセットアップを示す。液体セル１０１は、入力１１２及び出力１１３を有する。システムの検出器ユニットは、獲得及び制御ユニット１０３（ＡＤＣ）を含み、これが光源１０４（この例ではＶＣＳＥＬアレイ）を時分割方式でオン／オフする。典型的なＶＣＳＥＬは、波長７６０ｎｍ及び出力パワー約０．１ｍＷを有する。レーザ光１０５は０．１秒乃至１秒の間隔で多重化される。ＶＣＳＥＬアレイ１０４からのレーザ光１０５は、集束光学系（図示せず）を介して、カンチレバー・アレイ１０２のカンチレバー１０６、１０７の頂点上に向けられ、次に反射されて、直線位置感応検出器１０８（ＰＳＤ）により収集される。このＰＳＤ１０８は、カンチレバー１０７及び１０６に対応して、それぞれ光電流ｙ１及びｙ２を生成する。対向電極からの光電流ｙ１及びｙ２が、電流・電圧変換器１０９により、電圧に変換される。出力電圧Ｖ１及びＶ２が、次に増幅器１１０（増幅率Ｇ）により増幅される。次に、獲得及び制御ユニット１０３が、増幅器の出力信号ｋ（ｔ）を処理する。ＡＤＣ１０３は例えばアナログ・ディジタル変換器を含み、ディジタル出力信号ｍを生成する。信号ｍが次に、パーソナル・コンピュータ１１１（ＰＣ）に転送され、そこで処理され記録される。記録情報の処理は、パーソナル・コンピュータ１１１上でオフラインで実行されてもよい。
【００５９】
機能化／感応化されたカンチレバー・アレイは、少なくとも１０回は再利用可能であり、使用前に、少なくとも数日間格納される。
【００６０】
将来的に、１アレイ当たりのカンチレバーの数が増加したり、現２次元カンチレバー・アレイの代わりに、３次元アレイが使用される可能性がある。更に、カンチレバーが更に小型化されるかもしれない。これはナノ工学ＤＮＡチップの新たなクラスをもたらし、こうしたチップが全てのアプリケーションで使用されることになるであろう。本実施例は、ラベリング（例えばフルオロリン酸塩による）を要求する既知の識別方式に対して、明らかな利点を有する。本実施例によれば、ラベリングが必要とされない。なぜなら、生体分子がカンチレバーの静的屈曲を介して検出されるからである。
【００６１】
検出器ユニットは、差分信号の記録を可能にする。２つのカンチレバーからの差分信号が測定され、寄生信号またはバックグラウンド（例えば温度変化による屈曲）や、屈折率変化または反応からの信号、及びカンチレバーの同一表面上で進行する吸着を相殺する。
【００６２】
本発明に従うカンチレバー・アレイは、一種の"生体分子ツイーザ"（biomolecular tweezer）として使用される。生体分子、特にＤＮＡの長いストランドがカンチレバーの屈曲により検出され、その後カンチレバーがアレイから切り離される。生体分子が表面上のそれらの結合パートナから除去され、更に生化学的方法により分析される。
【００６３】
インプリメンテーション詳細に応じて、本アプローチは分子、セル、ウィルス、バクテリア、微生物、原子、イオン、プロトン、更にことによると電子の検出を可能にする。
【００６４】
本発明によるシステムは、プロセス及び品質管理、医学分析のための使い捨てバイオセンシング、香り設計、エノロジのために、及び液体分析のためのセンシング装置として使用される。
【００６５】
本発明によるセンサ・システムは、ｐＨメータを製作するために使用される。この場合、測定カンチレバーがｐＨ感応コーティングを含み、基準カンチレバーがｐＨ非感応コーティングを含む。
【００６６】
ここで述べたシステムは、生体外及び生体内で使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例に従うカンチレバーの断面図である。
【図２】 ターゲット物質に晒される間の、本発明の実施例に従うカンチレバーの断面図である。
【図３】 本発明の実施例に従う液体フロー・システムの断面図である。
【図４】 リッドがターゲット物質に晒されるときの、本発明の実施例に従う液体フロー・システムの断面図である。
【図５】 本発明の実施例に従うコンテナの断面図である。
【図６】 本発明の実施例に従うアレイ・ベースのセンサ・システムの断面図である。
【図７】 本発明の実施例に従うアレイ・ベースのセンサ・システムの断面図である。
【図８】 本発明の実施例に従うアレイ・ベースのセンサ・システムの断面図である。
【図９】 図６乃至図８に示されるアレイ・ベースのセンサ・システムの２つのカンチレバーの相対たわみのプロットを示す図である。
【図１０】 本発明の実施例に従うカンチレバーの断面図である。
【図１１】 本発明に従うアレイ・ベースのセンサ・システムの構成図である。
【図１２】 本発明の実施例に従う別のアレイ・ベースのセンサ・システムの構成図である。
【図１３】 本発明の別の実施例の構成ブロック図である。
【符号の説明】
１１、２１ カンチレバー
１２ コーティング
１３ 取り付けベース
１４ カンチレバーの正面
１５ カンチレバー裏面
２２、２３ パイプ
３１ マイクロメカニカル・リッド
３２ 壁
４１、７１ 測定カンチレバー
４２、７２ 基準カンチレバー
４３ カンチレバー・ホルダ
４６ １本鎖ＤＮＡ（オリゴヌクレオチド）
４８、５０ 塩基
４９ 相補ＤＮＡストランド
６１ マウンティング・ベース
６２ チャネル
７３、７４ 光偏向センサ・システム
７５、７６ 光源
７７、７８ 光検出器（フォトダイオード）
７９、８０、８１、８２ 光ビーム
８６、８７ 光電流・電圧変換器
９０ 基本ブロック
９１ 増幅器
１０６、１０７ カンチレバー

Claims (12)

1. 基準液体内のターゲット・オリゴヌクレオチド・ストランドを検出するセンサ・システムであって、
   前記ターゲット・オリゴヌクレオチド・ストランドに対してハイブリダイゼーションを生じる第１オリゴヌクレオチドを含む第１コーティングが表面に付着されていることにより機能化されている測定カンチレバーと、
   前記ターゲット・オリゴヌクレオチド・ストランドに対してハイブリダイゼーションを生じない第２オリゴヌクレオチドを含む第２コーティングが表面に付着されている基準カンチレバーとを備え、
   前記測定カンチレバー及び前記基準カンチレバーの表面は、同一の物理特性を有し、前記第１オリゴヌクレオチド及び前記第２オリゴヌクレオチドの塩基配列において異なっており、
   更に、前記測定カンチレバー及び前記基準カンチレバーを、基準ステップにおいて基準液体に晒し、検出ステップにおいて前記ターゲット・オリゴヌクレオチド・ストランドを有する前記基準液体に晒すカンチレバー・ホルダと、
   前記基準ステップ及び前記検出ステップの間に、前記測定カンチレバーと前記基準カンチレバーの静的なたわみの差を決定する検出器ユニットであって、前記静的なたわみは前記第１コーティングと前記ターゲット・オリゴヌクレオチド・ストランドとの間の相互作用により生じる、前記検出ユニットとを備え
   前記測定カンチレバー及び前記基準カンチレバーの静的なたわみの差が前記基準液体内の前記ターゲット・オリゴヌクレオチド・ストランドを表し、少なくとも前記測定カンチレバーの表面に、前記第１オリゴヌクレオチドを前記測定カンチレバーに連結する金層が設けられ、該金層に前記第１コーティングが付着されている、センサ・システム。
2. 前記第１オリゴヌクレオチドは１２マー・オリゴヌクレオチドであり、前記第２オリゴヌクレオチドは１６マー・オリゴヌクレオチドである、請求項１に記載のセンサ・システム。
3. 前記検出器ユニットが、光学的検出システムまたは圧電抵抗検出システムを含む、請求項１に記載のセンサ・システム。
4. 前記検出器ユニットが、前記測定カンチレバー及び前記基準カンチレバーの静的なたわみを測定する、請求項１に記載のセンサ・システム。
5. ターゲット液体の特性を検出するセンサ・システムであって、
   前記ターゲット液体に感応する第１オリゴヌクレオチドを含む第１コーティングが表面に付着されていることにより機能化されている測定カンチレバーと、
   前記第１のコーティングに比較して、前記ターゲット液体の特性に感応的でない第２オリゴヌクレオチドを含む第２コーティングが表面に付着されている基準カンチレバーとを備え、
   前記測定カンチレバー及び前記基準カンチレバーの表面は、同一の物理特性を有し、前記第１オリゴヌクレオチド及び前記第２オリゴヌクレオチドの塩基配列において異なっており、
   更に、前記ターゲット液体の特性が変化する間に、前記測定カンチレバー及び前記基準カンチレバーを、前記ターゲット液体に晒すカンチレバー・ホルダと、
   前記ターゲット液体の特性が変化する間に、前記測定カンチレバーと前記基準カンチレバーの静的なたわみの差を決定する検出器ユニットであって、前記静的なたわみは前記第１コーティングと前記ターゲット液体との間の相互作用により生じる、前記検出ユニットとを備え
   前記測定カンチレバー及び前記基準カンチレバーの静的なたわみの差が前記ターゲット液体の特性を表し、少なくとも前記測定カンチレバーの表面に、前記第１オリゴヌクレオチドを前記測定カンチレバーに連結する金層が設けられ、該金層に前記第１コーティングが付着されている、センサ・システム。
6. 前記第１オリゴヌクレオチドは１２マー・オリゴヌクレオチドであり、前記第２オリゴヌクレオチドは１６マー・オリゴヌクレオチドである、請求項５に記載のセンサ・システム。
7. 前記検出器ユニットが、光学的検出システムまたは圧電抵抗検出システムを含む、請求項５記載のセンサ・システム。
8. 前記検出器ユニットが、前記測定カンチレバー及び前記基準カンチレバーの静的なたわみを測定する、請求項５に記載のセンサ・システム。
9. ターゲット・オリゴヌクレオチド・ストランドに対してハイブリダイゼーションを生じる第１オリゴヌクレオチドを含む第１コーティングが表面に付着されていることにより機能化されている測定カンチレバーと、前記ターゲット・オリゴヌクレオチド・ストランドに対してハイブリダイゼーションを生じない第２オリゴヌクレオチドを含む第２コーティングが表面に付着されている基準カンチレバーとにより、基準液体内の前記ターゲット・オリゴヌクレオチド・ストランドを検出する方法であって、
   ａ）前記測定カンチレバー及び前記基準カンチレバーを、前記基準液体に晒すステップと、
   ｂ）前記測定カンチレバーと前記基準カンチレバーの静的なたわみを測定するステップであって、前記静的なたわみは前記第１コーティングと前記ターゲット・オリゴヌクレオチド・ストランドとの間の相互作用により生じる、前記ステップと、
   ｃ）前記測定カンチレバー及び前記基準カンチレバーを、前記ターゲット・オリゴヌクレオチド・ストランドを有する前記基準液体内に晒すステップと、
   ｄ）前記測定カンチレバーと前記基準カンチレバーの静的なたわみを測定するステップと、
   ｅ）ステップａ）とステップｃ）の間の、静的なたわみの差を決定するステップとを上記記載の順序で行い、
   前記測定カンチレバー及び前記基準カンチレバーの静的なたわみの差が前記基準液体内の前記ターゲット・オリゴヌクレオチド・ストランドを表し、少なくとも前記測定カンチレバーの表面に、前記第１オリゴヌクレオチドを前記測定カンチレバーに連結する金層が設けられ、該金層に前記第１コーティングが付着されている、方法。
10. 前記ステップｃ）が前記ステップａ）の前に実行される、請求項９に記載の方法。
11. 前記ステップａ）がシステム・セットアップまたは初期化の間に実行される、請求項９に記載の方法。
12. 前記第１オリゴヌクレオチドは１２マー・オリゴヌクレオチドであり、前記第２オリゴヌクレオチドは１６マー・オリゴヌクレオチドである、請求項９に記載の方法。

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