JP5072847B2 - 化学的／生物学的検出アレイ - Google Patents

Description

本発明は、化学的／生物学的検出アレイの分野に関する。

未知の化学的または生物学的組成の材料のための、多くのタイプの検出器が開発されてきた。例えば、しばしばバイオチップまたはラボオンチップと呼ばれる、様々な特異的結合特性を有する生物学的／化学的プローブのアレイが作製されてきた。他の無数のデバイスが、有機汚染物質など、未知の分子の同定に利用可能である。
米国特許出願第１０／９９９，２４９号

既知の材料と未知の材料との間の検出される相互作用を使用して未知の材料を同定できるように、未知の材料のサンプルを既知の材料との異なる多数の可能な相互作用に導くために使用できるデバイスが、引き続き必要とされている。

一実施形態例では、第１の基板と、第１の基板上の複数の第１の隆起要素とを含むデバイスであって、第１の隆起要素が第１の基板上で第１のチャネル領域によって互いに離隔されており、第１の隆起要素それぞれが第１の遠位端を有しており、第１の遠位端が第１のアレイを形成しており、該デバイスがさらに、第１の隆起要素上の疎水性分子と、親水性反応生成物を発生させる、第１の隆起要素上の第１反応性分子とを含むデバイスが提供される。

他の実施形態では、第１の基板と、第１の基板上の複数の第１の隆起要素とを有するデバイスを提供するステップを含む方法であって、第１の隆起要素が第１の基板上で第１のチャネル領域によって互いに離隔されており、第１の隆起要素それぞれが第１の遠位端を有しており、第１の遠位端が第１のアレイを形成しており、該デバイスがさらに、第１の隆起要素上の疎水性分子と、親水性反応生成物を発生させる、第１の隆起要素上の第１反応性分子とを有する方法が提供される。該方法は、さらに、親水性液体を第１の隆起要素と接触させるステップと、第１の隆起要素上の第１反応性分子と親水性液体との間で疎水性変化反応が起こるかどうかを判定するステップとを含む。

基板上に複数の隆起要素を含むデバイスが提供される。隆起要素の遠位端は、その上で親水性液体を移動させることのできるアレイを構成する。疎水性分子が隆起要素上に置かれる。また反応性分子も隆起要素上に置かれる。隆起要素上の親水性液体と反応性分子との間の反応は、アレイのある領域の疎水性を低下させる、またはアレイのある領域を親水性にすることができる。次いで、アレイのそのような領域内に位置する親水性液体の一部分を、隆起要素間で、基板上のチャネル領域へと降下させることができる。次いで、基板上のチャネル領域内の液体の局所的な存在を検出することができる。さらなる反応性分子をチャネル領域内に置くことができる。次いで、また、チャネル領域内の液体と反応性分子との間の反応を検出することができる。異なる複数の反応性分子を隆起要素上に置くことができ、異なる複数の反応性分子をチャネル領域内に置くことができる。液体と特定の反応性分子との間の反応の検出を分析することができ、試験結果を提供することができる。

図１は、検出デバイス１００を示す。検出デバイス１００は、第１の基板１０２と、第２の基板１０４とを含む。複数の第１の隆起要素１０６、１０８、および１１０を第１の基板１０２上とすることができる。複数の第２の隆起要素１１２、１１４、および１１６を第２の基板１０４上とすることができる。第１の隆起要素１０６、１０８、および１１０は、第１の基板１０２上で第１のチャネル領域１１８および１２０によって互いに離隔させることができる。第２の隆起要素１１２、１１４、および１１６は、第２の基板１０４上で第２のチャネル領域１２２および１２４によって互いに離隔させることができる。第１の隆起要素１０６、１０８、および１１０は、それぞれ、第１の側面１２６、１２８、および１３０と、第１の遠位端１３２、１３４、および１３６とを有する。第２の隆起要素１１２、１１４、および１１６は、それぞれ、第２の側面１３８、１４０、および１４２と、第２の遠位端１４４、１４６、および１４８とを有する。図１の線２−２上で得られる図２は、第１の遠位端１３２、１３４、および１３６を示しており、それらの遠位端は、第１のアレイの一部分２００に含めることができる。図１の線３−３上で得られる図３は、第２の遠位端１４４、１４６、および１４８を示しており、それらの遠位端は、第２のアレイの一部分３００に含めることができる。第１のアレイ部分２００および第２のアレイ部分３００のいずれかを他方の上に位置決めすることができ、または第１および第２のアレイ部分を互いに対向させて水平に位置決めすることができ、または第１および第２のアレイ部分が互いに概ね対向するのであればそれらのアレイ部分を水平位置に対して他のいずれかの角度に向けることができることが理解される。さらに、図１〜３には、代表的な第１の遠位端１３２、１３４、および１３６と、第２の遠位端１４４、１４６、および１４８とが、互いに一様な平面距離のところに位置決めされたものとして示されているが、そのような一様な距離が必要ではないことが理解される。疎水性分子１５０は、第１の側面１２６、１２８、および１３０、第１の遠位端１３２、１３４、および１３６、ならびに第１のチャネル領域１１８および１２０の上にくることができる。疎水性分子１５２は、第２の側面１３８、１４０、および１４２、第２の遠位端１４４、１４６、および１４８、ならびに第２のチャネル領域１２２および１２４の上にくることができる。疎水性領域１５６は、第１のアレイ部分２００と第２のアレイ部分３００との間で疎水性分子１５０および１５２によって発生させることができる。

反応性分子は、第１の遠位端１３２、１３４、および１３６上を含め、第１の隆起要素１０６、１０８、および１１０上にくることができる。反応性分子は、また、第２の遠位端１４４、１４６、および１４８上を含め、第２の隆起要素１１２、１１４、および１１６上にくることができる。反応性分子は、特定の有機もしくは無機化学物質、ポリマー、または生物学的種と反応することができる。そのような反応は、親水性の部分を有する反応生成物（「親水性反応生成物」）を生み出すことができる。第１の遠位端１３２、１３４、および１３６上を含めた第１の隆起要素１０６、１０８、および１１０上の反応性分子を、第１反応性分子と呼ぶ。第２の遠位端１４４、１４６、および１４８上を含めた第２の隆起要素１１２、１１４、および１１６上の反応性分子を、第２反応性分子と呼ぶ。

検出デバイス１００は、疎水性領域１５６内で第１のアレイ部分２００および第２のアレイ部分３００を横切って親水性液体を制御可能に移動させるシステムを含むことができる。親水性液体は、第１の遠位端１３２、１３４、および１３６ならびに第２の遠位端１４４、１４６、および１４８上で疎水性分子によってはじかれることがある。この撥液性は、そのような分子を取り巻く環境の疎水性状態が後述のように低減されるまで、第１の遠位端１３２、１３４、および１３６ならびに第２の遠位端１４４、１４６、および１４８を越える親水性液体の移動を最小限に抑えることができる。

一実施形態例では、第１の隆起要素１０６、１０８、および１１０、ならびに第２の隆起要素１１２、１１４、および１１６は、導体とすることができ、接点１５８、１６０、１６２、１６４、１６６、および１６８のところで外部電気信号源と通信することができる。この実施形態例では、隆起要素を絶縁体１５４および１５５によって取り囲んで、遠位端１３２、１３４、１３６、１４４、１４６、および１４８だけを疎水性領域１５６に曝しておき、第１の側面１２６、１２８、および１３０ならびに第２の側面１３８、１４０、および１４２を絶縁することができる。

操作時には、接点１５８、１６０、１６２、１６４、１６６、および１６８を通じて、電気信号を第１の遠位端１３２、１３４、および１３６ならびに第２の遠位端１４４、１４６、および１４８へと選択的に印加することができる。例えば、遠位端１３２に電気信号を印加すると、親水性液体と該遠位端１３２との接触角度を低減することができる。接触角度の適度な低減は、遠位端１３２に向かうまたは遠位端１３２から離れる親水性液体の動きを効果的に促進することができる。第２の遠位端１４４への電気信号の同時印加は、この動きを強めることができる。ゆえに、遠位端へのこのような電気信号の制御印加を使用して、疎水性領域１５６内で第１のアレイ部分２００と第２のアレイ部分３００とを横切って親水性液体を駆動することができる。ただし、過度に強い電気信号は、疎水性領域１５６の親水性状態への局所転換を引き起こして、第１の遠位端１３２、１３４、および１３６などの第１の遠位端を越え、また第２の遠位端１４４、１４６、および１４８などの第２の遠位端を越える、親水性液体の過早な移動をまねく恐れがある。

他の実施形態例では、第１のアレイおよび第２のアレイは、それぞれ、第１および第２の遠位端を含んでおり、それら第１および第２の遠位端は、そのような遠位端の密度勾配を構成するように、規定された差分的な方式（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｍａｎｎｅｒ）で互いに離隔される。図１のデバイス１００と同一の構造を有するデバイスにおいて線２−２上で得られる図４は、この実施形態例による第１のアレイ部分４００を示す。図１のデバイス１００と同一の構造を有するデバイスにおいて線３−３上で得られる図５は、この実施形態例による第２のアレイ部分５００を示す。例えば図４を参照すると、第１の遠位端１３２、１３３、１３４、および１３５が互いに密な間隔で配置されており、第１の遠位端１３６、１３７、１３９、および１４１がより広く間隔をあけて配置されており、第１の遠位端１４３、１４５、１４７、および１４９がさらに広く間隔をあけて配置されていることがわかる。第１の遠位端が疎水性であるので、密な間隔に配置された遠位端１３２、１３３、１３４、および１３５上で第１のアレイ部分４００上に置かれた親水性液体は、これらの遠位端によってはじかれ、初めに第１の遠位端１３６、１３７、１３９、および１４１に向かって移動し、続いて第１の遠位端１４３、１４５、１４７、および１４９に向かって移動することによって、疎水性の低い環境を求める。したがって、第１のアレイ部分４００内の密度勾配を使用して、液体を矢印４０５の方向に移動するように誘導することができる。図５を参照すると、第２のアレイ部分５００内の密度勾配を同様に使用して、液体を矢印５０２の方向に移動するように誘導することができる。矢印４０５および５０２の方向の勾配が、疎水性領域１５６内で概ね同一の方向に移動するように液体を誘導するように、第１のアレイ部分４００および第２のアレイ部分５００内の密度勾配を互いに位置合わせすることができる。

他の実施形態例では、第１のアレイおよび第２のアレイは、それぞれ、各アレイを横切る通路を画定する、比較的疎水性が低下した第１および第２の遠位端の領域を含む。図１のデバイス１００と同一の構造を有するデバイスにおいて線２−２上で得られる図６は、この実施形態例による第１のアレイ部分６００を示す。図１のデバイス１００と同一の構造を有するデバイスにおいて線３−３上で得られる図７は、この実施形態例による第２のアレイ部分７００を示す。例えば図６を参照すると、代表的な第１の遠位端１３４、１３６、６０２、および６０４を含めた破線６０１内の複数の第１の遠位端は、代表的な第１の遠位端１３２、６０６、６０８、および６１０を含めた破線６０１の外側の複数の第１の遠位端よりも比較的低い疎水性を有する。比較的高い疎水性を有する第１の遠位端がより強く親水性液体をはじくので、第１のアレイ部分６００上に置かれた親水性液体は、代表的な第１の遠位端１３４、１３６、６０２、および６０４を含めた、比較的低い疎水性を有する第１の遠位端上を流れる傾向にある。したがって、第１のアレイ部分６００内の指示された第１の遠位端の比較的低い疎水性を使用して、矢印６３０の方向に経路上を流れるように液体を誘導することができる。図７を参照すると、第２のアレイ部分７００の破線７０１内の比較的低い疎水性を有する第２の遠位端を同様に使用して、矢印７０２の方向に経路上を流れるように液体を誘導することができる。矢印６３０および７０２の方向の経路に沿った低い疎水性が、疎水性領域１５６内で概ね同一の通路上を流れるように液体を誘導するように、第１のアレイ部分６００および第２のアレイ部分７００内の比較的疎水性の低い遠位端を互いに位置合わせすることができる。次いで、疎水性領域１５６へと横方向に加わる圧力を使用して、矢印６３０および７０２の方向に経路上を流れるように親水性液体を押すことができる。

やはり図６および図７によって示される他の実施形態例では、第１のアレイ部分６００および第２のアレイ部分７００は、それぞれ、各アレイを横切る通路を画定する、比較的短い側面を有する第１および第２の遠位端の領域を含むことができる。一例として、第１および第２のアレイ部分内の隆起要素を、ナノグラス（ｎａｎｏｇｒａｓｓ）ブレードの形態とすることができる。用語「ナノグラス」には、拡大下で芝生に似た外観を有する、基板上に分布したナノメートル規模の寸法を有する刃形の隆起要素のアレイが含まれる。そのような一実施形態例では、比較的短いナノグラス・ブレードは、そのような比較的短い側面を有する。一例として図１を参照すると、隆起要素１０８の側面１２８を、隆起要素１０６および１１０それぞれの側面１２６および１３０よりも短いものとすることができる。一例として図１を参照すると、隆起要素１１４の側面１４０を、隆起要素１１２および１１６それぞれの側面１３８および１４２よりも短いものとすることができる。図１のデバイス１００と同一の構造を有するデバイスにおいて線２−２上で得られる図６は、この実施形態例による第１のアレイ部分６００を示す。図１のデバイス１００と同一の構造を有するデバイスにおいて線３−３上で得られる図７は、この実施形態例による第１のアレイ部分７００を示す。例えば図６を参照すると、代表的な第１の遠位端１３４、１３６、６０２、および６０４を含めた破線６０１内の複数の第１の遠位端は、代表的な第１の遠位端１３２、６０６、６０８、および６１０を含めた破線６０１の外側の複数の第１の遠位端がもち得るよりも比較的短い側部をもつ。図６に示される線８−８上で得られる図８は、さらに、図６の破線６０１内の第１の遠位端１３４および１３６と、図６の破線６０１の外側の第１の遠位端１３２、６１２、６１４、および６１６とを示す。図８では、第１の遠位端１３６および１３４の側部６１８および６２０が、第１の遠位端１３２、６１２、６１４、および６１６の側部６２２、６２４、６２６、および６２８よりも短いことがわかる。第１の遠位端が疎水性であるので、第１のアレイ部分６００上に置かれた親水性液体は、代表的な第１の遠位端１３４、１３６、６０２、および６０４を含めた、比較的短い側部を有する第１の遠位端上を流れる傾向にあり、これは、より短い側部がそのような遠位端と第２のアレイ部分７００との間により多くの空間を残すからである。したがって、第１のアレイ部分６００内のそのような第１の遠位端のより短い側部を使用して、矢印６３０の方向に経路上を流れるように液体を誘導することができる。図７を参照すると、第２のアレイ部分７００内の比較的短い側部を有する第２の遠位端を同様に使用して、矢印７０２の方向に経路上を流れるように液体を誘導することができる。疎水性領域１５６内で概ね矢印６３０および７０２に沿った通路上を流れるように液体が誘導されるように、第１のアレイ部分６００および第２のアレイ部分７００内の比較的短い側部を備えた隆起要素を互いに位置合わせすることができる。次いで、疎水性領域１５６へと横方向に加わる圧力を使用して、矢印６３０および７０２の方向に経路上を流れるように親水性液体を押すことができる。他の実施形態例では、前述の例で論じたように、低い疎水性を有する第１および第２の遠位端を、やはり含めることができる。

他の実施形態例では、第１および第２の遠位端のアスペクト比を選択することができる。例えば、遠位端の形状を変更すると、第１および第２のアレイの疎水性を効果的に変更することができる。疎水性部分のより小さな接触面積は、効果的に、隣接する親水性液体の液滴にとってさほど疎水性ではない環境となることができる。遠位端は、例えば、先の尖った、鋸歯状の、平頂の、丸みを帯びた、またはボウル形のものとすることができる。遠位端および隆起要素は、また、四角形、三角形、円形、楕円形、多角形など、様々な輪郭を有することができる。他の実施形態例では、線またはハニカム・パターンなどとして成形された遠位端を形成するように、複数の隆起要素を一体化することができる。例として、隆起要素を、柱、板、線、またはクローズドセルとして成形することができる。

一実施形態の一例では、複数の第１の遠位端または第２の遠位端間のピッチを規定することができる。ピッチは、基板上の隆起要素の隣接遠位端間の平均距離である。一例として、第１の遠位端間の平均ピッチを約５０ミクロン未満とすることができる。他の実施形態例では、第２の遠位端間の平均ピッチを、約５０ナノメートル〜約５０ミクロンの範囲内とすることができる。他の例として、第１の遠位端間の平均ピッチを、約１００ナノメートル〜約１０ミクロンの範囲内とすることができる。一実施形態の一例では、親水性液体の液滴の底面の約２５％未満がアレイの隣接遠位端と接触状態にあることができる。他の例として、そのような底面の約１０％未満または約３％未満がそのような接触状態にあることができる。

一実施形態の一例では、親水性液体を個々の液滴の形態で疎水性領域１５６内に置くことができる。例えば、親水性液体の個々の複数の液滴を、離隔された、制御された方式で、疎水性領域に導入することができる。一実施形態の一例では、第１の隆起要素１０６、１０８、および１１０ならびに第２の隆起要素１１２、１１４、および１１６は、以上で論じたような導体を含んでおり、親水性液体の個々の液滴を疎水性領域に隣接して置かれたリザーバから外へと誘導するために、外部電気信号を制御された方式でそのような隆起要素に印加することができる。他の実施形態例では、親水性液体の連続的な流れを疎水性領域１５６へと導くことができる。

図９は、図１のデバイス１００と同一の構造を有するデバイスにおいて線２−２上で得られる。図９は、第１の遠位端の第１のアレイ部分９００の一実施形態例を示す。第１のアレイ部分９００は、破線９０３および９０５によって線引きされた４つの群Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤを成した、第１の隆起要素上の異なる複数の第１反応性分子を含む。この実施形態例では、代表的な遠位端９０２、９０４、９０６、および９０８を有する隆起要素を含めた第１の隆起要素の群は、該隆起要素上に第１反応性分子Ａを有しており、代表的な第１の遠位端９１０、９１２、９１４、および９１６を含めた第１の隆起要素の別の群は、それらの隆起要素上に第１反応性分子Ｂを有しており、代表的な第１の遠位端９１８、９２０、９２２、および９２４を含めた第１の隆起要素の他の群は、それらの隆起要素上に第１反応性分子Ｃを有しており、代表的な第１の遠位端９２６、９２８、９３０、および９３２を含めた第１の遠位端の他の群は、それらの隆起要素上に第１反応性分子Ｄを有する。図１および図３に関して論じたように第１のアレイ部分に対向する第２のアレイ部分は、同様の方式で第２の隆起要素上に異なる複数の第２反応性分子を有することができる。疎水性領域１５６に導入された親水性液体は、第１のアレイ部分９００を横切って流れ、図３に示し、図１に関して論じた、第２のアレイ部分３００の形態を有する対応する第２のアレイ部分を横切って流れることができる。

次いで、第１反応性分子の分子構造ならびに親水性液体の構成成分の分子構造に応じて、親水性液体の構成成分が、第１反応性分子Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤのうちの１つもしくは１つよりも多くと選択的に反応することができ、またはいずれとも反応しない。例えば、親水性液体の構成成分は、第１反応性分子Ｂと選択的に反応することができる。この場合、代表的な第１の遠位端９１０、９１２、９１４、および９１６の疎水性は、この選択的な反応の影響を受けることがある。例えば、代表的な第１の遠位端９１０、９１２、９１４、および９１６の近くの疎水性領域１５６の疎水性が低下することがある。疎水性のこの局所的な低下によって、親水性液体が第１の遠位端９１０、９１２、９１４、および９１６の１つもしくは複数を濡らし、デバイス１００の代表的なチャネル領域１１８などのチャネル領域へと降下することがある。

一実施形態例では、デバイス１００の代表的なチャネル領域１１８への親水性液体の局所的な降下を検出することができる。例えば、図１を参照すると、検出器１７０を第１の基板１０２に隣接して位置決めすることができる。検出器１７０は、例えば、第１の基板１０２を通る光の透過の変化を検出することができる。一例として、検出器１７０を光検出器とすることができる。検出器１７０は、さらに、そのような検出された光の位置を、第１のアレイ部分９００内の位置に関して識別できる場合がある。この方法で、親水性液体の構成成分と第１反応性分子Ｂとの特異的な反応を検出することができる。この検出された反応は、例えば試験結果などの情報を提供するためにその後さらに分析可能なデータを構成する。検出器１７２を、同様に第２の基板１０４に隣接して位置決めすることができる。

一実施形態例では、異なる複数の第１反応性分子を、図１に示した代表的な第１のチャネル領域１１８および１２０と同一の構造を有する第１のチャネル領域内に置かれた微小球体上に配置することができる。デバイス１００と同一の構造を有するデバイスにおいて図１に示した線１０−１０上で得られる図１０は、第１のチャネル領域内に置かれた微小球体の第３のアレイ部分１０００の一実施形態例を示す。第３のアレイ部分１０００は、微小球体上に異なる複数の第１反応性分子を含む。この実施形態例では、１つの微小球体が第１のチャネル領域内にある基板１０２の部分を実質的に覆うのに十分なサイズのものになり得るように、ほぼ第１のチャネル領域の寸法となるような直径を有する微小球体を選択することができる。また、他の大きさのサイズを有する球体または非球形粒子も使用できることが理解されよう。この実施形態例では、各微小球体１００２、１００４、１００６、１００８、１０１０、１０１２、１０１４、１０１６、１０１８、１０２０、１０２２、１０２４、１０２６、１０２８、および１０３０は、それぞれその上に複数の第１反応性分子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、およびＯを有する。各第１反応性分子Ａ〜Ｏは、化学的または生物学的構造および反応性が異なるものであってよい。

操作時には、疎水性領域１５６に導入された親水性液体は、第１のアレイ部分９００と、例えば図３に示し、図１に関して論じた、対応する第２のアレイ部分３００とを横切って流れることができる。次いで、第１反応性分子の分子構造ならびに親水性液体の構成成分の分子構造に応じて、親水性液体の構成成分が、隆起要素上の第１反応性分子Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤのうちの１つもしくは１つよりも多くと選択的に反応することができ、またはいずれとも反応しない。次いで、例えば代表的な第１の遠位端９１０、９１２、９１４、および９１６の疎水性が、そのような反応によって低下することがあり、その結果、第１の遠位端９１０、９１２、９１４、および９１６の近くの疎水性領域１５６の疎水性も低下することがある。疎水性のこの局所的な低下によって、親水性液体が第１の遠位端９１０、９１２、９１４、および９１６の１つもしくは複数を濡らし、遠位端９１１、９１３、９１４、および９１５を有する４つの隆起要素によって画定されるチャネル領域１０１１などのチャネル領域へと降下することがある。チャネル領域１０１１は、例えば、その上に複数の反応性分子Ｅを有する微小球体１０１０を含むことができる。反応性分子Ｅの構造ならびに親水性液体中の構成成分の構造に応じて、それら反応性分子Ｅと親水性液体中の構成成分との間の反応は、起こることも起こらないこともある。

一実施形態例では、反応性分子Ｅと親水性液体の構成成分との間の反応を検出することができる。例えば、以上で論じた検出器１７０を、第１の基板１０２と同一の構造を有する第１の基板に隣接して位置決めすることができる。第１の基板を通る光の透過の変化を検出することに加えて、検出器１７０は、また、異なるタイプの光を区別することもできる。例えば、検出器は、そのような光の波長を識別できる場合がある。加えて、検出器は、透過光や蛍光発光など、様々なタイプの光を区別できる場合がある。検出器は、さらに、例えば、チャネル領域内に配置された化学的または生物学的分子中の放射性同位体によって放出されるような放射能を検出できる場合がある。検出器１７０は、また、そのような検出された光または放射能の位置を、第１のアレイ部分９００内の位置に関して識別できる場合がある。この方法で、親水性液体の構成成分と反応性分子Ｅとの特異的な反応を検出することができる。この検出された反応は、試験結果などの情報を提供するためにその後さらに分析可能なデータを構成する。

他の実施形態例では、検出器１７０が、親水性液体の構成成分と隆起要素上の第１反応性分子Ｂとの特異的な反応、ならびに親水性液体の構成成分とチャネル領域内の反応性分子Ｅとの特異的な反応の両方を検出可能な場合がある。これらの検出された反応の両方が、その後さらに分析可能なデータを構成する。

使用される親水性液体の組成は、デバイス１００を使用して実施されるべき特定の分析によって決まる。親水性液体とその構成成分とは、デバイス１００による分析がなされるべき試験サンプルを構成する。例えば、親水性液体は、構造同定、特性決定、ある状態もしくは構造から別の状態もしくは構造への事前転換、劣化、汚染、事前反応、他の何らかの分析など、それについて分析が実施されるべき生物学的または化学的構成成分を含むことができる。例えば、親水性液体の構成成分には、アミノ酸、ポリヌクレオチド、タンパク質、炭水化物、脂質、リボ核酸（ＲＮＡ）、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）など、生物学的に活性なモノマーまたはポリマーを含めることができる。「ＤＮＡ」および「ＲＮＡ」は、例えば、これだけに限定するものではないが、メッセンジャーＲＮＡおよび相補的ＤＮＡを含めた、すべての形態のリボ核酸およびデオキシリボ核酸ならびにそれらの一部分を広く意味する。一実施形態例では、親水性液体の構成成分には、デバイス１００を使用した特異的結合反応を実施する目的で特に調製／単離されていることのある、一本鎖ＤＮＡもしくはＲＮＡ巨大分子またはそれらの一部分が含まれる。さらに、例えば、親水性液体の構成成分には、薬学的に活性な化合物、除草剤、殺虫剤、重金属、環境汚染物質、高分子電解質、または関心のある天然もしくは人工起源の他の任意の化学的モノマー、オリゴマー、もしくはポリマーなど、他の化学種を含めることができる。隆起要素上に結合したポリスチレンは、例えば、トルエンの存在下で膨潤することがあり、その後トルエンを疎水性領域１５６から遠くに移動させることがある。隆起要素上に結合したポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）は、重金属と錯体を形成することがある。したがって、重金属の存在は、ＰＶＰを膨潤させて、環境を親水性状態へと変化させ、重金属を含有する液体を疎水性領域１５６から遠ざけてチャネル領域１１８、１２０、１２２、または１２４に向かって移動させることがある。これらの相互作用の一部は、ｐＨ依存性の場合がある。一般に、分析されるべき液体は、その液体が疎水性領域１５６から離れて隆起要素の第１および第２の遠位端を越えて過早に移動するのを最小限に抑えるために、十分に親水性のものとすることができる。さらに、親水性液体は、一般に第１および第２のアレイを横切る流れを誘発可能な可能性のある流体粘稠度を有することができる。

第１および第２反応性分子の組成は、研究されるべき親水性液体の構成成分の構造およびそれら構成成分の既知のもしくは潜在的な反応性に基づいて選択することができる。例えば、一本鎖ＤＮＡもしくはＲＮＡ巨大分子またはそれらの一部分の同定が実施されることになる場合、相補的な一本鎖ポリヌクレオチドを単離もしくは合成し、第１および第２反応性分子として使用することができる。得られる反応生成物は、親水性部分をもつように設計することができる。一実施形態例では、そのような第１および第２反応性分子と親水性液体の構成成分との間で検出される反応の場所がそのような構成成分の構造に関する情報の指標となり得るように、異なる複数の一本鎖ポリヌクレオチドを制御かつ規定された方式で第１および第２の遠位端を含めた隆起要素上に置くことができる。親水性液体中のＤＮＡまたはＲＮＡの分析のための他の実施形態例では、適当な抗体を、制御かつ規定された方式で、遠位端を含めた第１および第２の隆起要素上に置くことができる。次いで、例えば蛍光マーカおよびそれらのクエンチャを使用して、抗体と標的ＤＮＡもしくはＲＮＡ配列との間の特異的結合反応の有無を検出することができる。さらに、例えば、タンパク質またはタンパク質の一部分の同定が実施されることになる場合、適当な抗体を単離し、第１および／または第２反応性分子として使用することができる。一実施形態例では、そのような第１および第２反応性分子と親水性液体の構成成分との間で検出される反応の場所がそのような構成成分の構造に関する情報の指標となり得るように、異なる複数の抗体を既知の規定された方式で隆起要素の第１および第２の遠位端上に置くことができる。一実施形態例では、隆起要素上の第１および第２反応性分子の組成は、チャネル領域内での親水性液体の構成成分と第１および第２反応性分子との間の反応の検出によってもたらされる情報とは異なった補足的なものとなり得る、該親水性液体の構成成分に関する情報を提供するように選択することができる。

一実施形態例では、第１の基板１０２を膜とすることができる。「膜」は、それを貫通する細孔を有する本体であって、その結果いくつかの材料がその本体を選択的に通り抜けることができる本体を広範に意味する。本体を選択的に通り抜けることのできる材料は、液体、固体、もしくは気体状態、またはいずれかの組合せであってよい。細孔は、材料が選択的に基板１０２を通り抜けられるようにするのに適した任意のサイズ範囲または分布を有することができる。一実施形態例では、第１の基板１０２のチャネル領域に到達する親水性液体の一部分は、第１の基板１０２を通り抜けることができ、また、さらなる分析のためにどこか他の場所に導くことができる。

他の実施形態例では、第１の側面１２６、１２８、および１３０、第１の遠位端１３２、１３４、および１３６、ならびに第１のチャネル領域１１８および１２０上の疎水性分子１５０を、親水性液体の移動に逆らう反発力をもたらすように選択することができる。他の実施形態例では、第２の側面１３８、１４０、および１４２、第２の遠位端１４４、１４６、および１４８、ならびに第２のチャネル領域１２２および１２４上の疎水性分子１５２を、親水性液体の移動に逆らう反発力をもたらすように選択することができる。

一実施形態例では、デバイス１００は、第２の基板１０４が上に被せられた第１の基板１０２を含んでおり、その結果、重力が親水性液体を第１の基板１０２に向かって下方に引く。他の実施形態例では、疎水性分子１５０の疎水性は、疎水性分子１５２の疎水性よりも強くても弱くてもよい。一例として、疎水性分子１５０および１５２は、同一または異なる分子構造を有することができる。一実施形態例では、疎水性分子１５０および１５２は、フッ素化化合物を含むことができる。他の実施形態例では、疎水性分子１５０および１５２は、フッ素重合体を含むことができる。

一実施形態例では、第１の基板１０２および第２の基板１０４は、それぞれ図１〜３に示されるようなほぼ平らなプレートの形態とすることができる。他の実施形態例では、第１の基板１０２および第２の基板１０４は、同心チューブなど、互いに共形の他の形態、または互いに共形となる他の非平面状表面を有することができる。

前述した諸実施形態の他の修正形態が企図される。例えば、第２の基板および第２の隆起要素を省略することができる。他の実施形態例では、第１および第２のアレイに加えて、複数のアレイを、それらの間に疎水性領域を画定するように互いに位置決めすることができる。他の実施形態例では、アレイを横切って液体を制御可能に移動させる１つよりも多くのシステムもしくは１つよりも多くのタイプのシステムを設けることができ、または第１および第２のアレイとともにそれぞれ使用するために異なるシステムを選択することができる。他の実施形態例では、反応性分子を、球体以外の固体基板に結合させることもでき、またはデバイス１００のチャネル領域に直接結合させることもできる。

図１１は、図１に示されるデバイス１００を製作するプロセス１１００を示す。該プロセスは、ステップ１１０５で第１の基板１０２の形成から始めることができる。一実施形態例では、第１の基板をセラミックやポリマーなどの固体材料の本体とすることができる。一例として、第１の基板１０２を電気絶縁体とすることができる。

ステップ１１１０では、隆起要素１０６、１０８、および１１０などの複数の第１の隆起要素を、第１の基板１０２上に形成することができる。隆起要素は、チャネル領域、例えば、チャネル領域１１８および１２０によって互いに離隔されるように配置することができ、第１の遠位端は、集合的に第１のアレイ部分２００を形成する。一実施形態例では、隆起要素は、２００４年１１月３０日に出願されたＪｏａｎｎａ Ａｉｚｅｎｂｅｒｇらの米国特許出願第１０／９９９，２４９号、名称「Ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｙ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｒｏｕｇｈ Ｍｉｃｒｏ−ａｎｄ Ｎａｎｏ−Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」に開示の形態をとることができ、その特許出願の全体を参照により本願に援用する。

ステップ１１１５では、第１のアレイを横切って液体を制御可能に移動させるシステムを形成することができる。一実施形態例では、このシステムは、遠位端１３２、１３４、および１３６などの遠位端を導体として製作し、それらの遠位端をそれぞれ導体１５８、１６０、および１６２と連通させて置くことによって形成することができる。この実施形態例では、隆起要素１０６、１０８、および１１０を、例えば二酸化ケイ素で形成された、絶縁体１５４によって保護することができる。他の実施形態例では、前述の図４に示されるように、遠位端１３２〜１４９など、隆起要素の遠位端の規定された密度勾配で第１のアレイを配置することによって、そのようなシステムを形成することができる。他の実施形態例では、図６に関して前述したような疎水性が比較的低下した隆起要素の遠位端のチャネルを配置することによって、そのようなシステムを形成することができる。他の実施形態例では、図６および図８に関して前述したような短縮された側面を有する遠位端のチャネルを配置することによって、そのようなシステムを形成することができる。一実施形態例では、ステップ１１１０および１１１５を同時に実施することができる。

ステップ１１２０では、疎水性分子１５０を、遠位端１３２、１３４、および１３６などの遠位端上に置くことができる。一実施形態例では、疎水性分子を、また、側面１２６、１２８、および１３０上ならびにチャネル領域１１８および１２０内にも置くことができる。例えば、疎水性分子をコーティング組成物中に含めることができ、次いで該コーティング組成物をデバイス１００に適用することができる。

ステップ１１２５では、以上で論じたような第１反応性分子を、遠位端１３２、１３４、および１３６を含む隆起要素上に置くことができる。一実施形態例では、選択された複数の反応性分子を、ポリジメチルスルホキシド（ＰＤＭＳ）スタンプなどのスタンプ上に置くことができ、次いで該スタンプを遠位端１３２、１３４、および１３６と接触させることができる。他の実施形態例では、複数の反応性分子を既知の方式で複数のウエルのアレイに分布させることができ、次いで、反応性分子を適用するために各遠位端１３２、１３４、および１３６をウエルに浸すことができる。他の実施形態例では、以上で論じたように外部電気信号を第１のアレイに印加するシステムを用いて、反応性分子を含む液滴を第１の遠位端上に位置決めすることができ、次いで該液滴を第１の遠位端と反応させて第１の遠位端に結合させることができる。

第１の隆起要素上の第１反応性分子の結合は、既知の結合対系を選択することによって誘発することができる。例えば、ビオチン部分を生物学的に活性な材料に結合させ、次いでストレプトアビジンを表面に結合させることによって、またはその逆によって、生物学的に活性な材料を表面に取り付けることができる。ビオチンおよびストレプトアビジンが１つに集められるときには、それらは、可逆的に結合する。他の実施形態例では、ヌクレオチドの相補的な結合特性を使用することができる。抗体とタンパク質もしくはリボ核酸との間の特異的結合反応を使用することができる。カルボン酸とアミンもしくはアルコールとの間、アミンとエポキシドとの間、およびゾルゲルとシランとの間の結合反応など、典型的な有機縮合反応のいずれかを使用することができる。一実施形態例では、その非結合端のところでダングリング（ｄａｎｇｌｉｎｇ）する特異的反応性部分によって、細長い分子の形態をした遠位の反応性材料を、隆起要素上に結合させることができる。他の実施形態例では、第１反応性分子を、自己整合型の単層（ＳＡＭ：ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ）として隆起要素上に結合させることができる。

ステップ１１３０では、以上で論じた第１反応性分子をチャネル領域１１８および１２０内に置くことができる。一実施形態例では、チャネル領域１１８または１２０によって画定される基板１０２の一部分を実質的に覆うのに適した寸法をそれぞれが有する球体上に、第１反応性分子を結合させることができる。次いで、図１０に示したように第３のアレイ部分の所与の場所にある所与の球体上の第１反応性分子についての同一性がわかるように、そのような球体を制御された既知の方式でチャネル領域内に置くことができる。一実施形態例では、遠位端１３２および／または１３４に電気信号を印加することによって、代表的なチャネル領域１１８を個別に一時的に親水性にすることができ、その結果、既知の特定の第１反応性分子と結合した球体の親水性溶液を疎水性領域１５６へと導いて、チャネル領域１１８内への球体１１９の付着をもたらすことができる。球体の動きは、例えば超音波処理によって誘発することができる。次いで、球体１２１をチャネル領域１２０内に置くことができる。他の第１反応性分子と結合した追加の球体を、同様に他のチャネル領域内に置くことができる。

ステップ１１３５では、第２の基板１０４を形成することができる。ステップ１１４０では、複数の第２の隆起要素１４４、１４６、および１４８を、第２のアレイ部分３００の形態で第２の基板１０４上に形成することができる。ステップ１１４５では、第２のアレイ部分３００を横切って液体を制御可能に移動させるシステムを形成することができる。ステップ１１５０では、疎水性分子を、第２の遠位端１４４、１４６、および１４８上に置くことができ、また、対応する側面１３８、１４０、および１４２上ならびにチャネル領域１２２および１２４内にも置くことができる。ステップ１１５５では、第２反応性分子を、第２の遠位端１４４、１４６、および１４８上に置くことができ、また、対応する側面１３８、１４０、および１４２上ならびにチャネル領域１２２および１２４内にも置くことができる。ステップ１１６０では、球体１２３および１２５上に結合した第２反応性分子を、チャネル領域１２２および１２４内に置くことができる。これらのステップは、ステップ１１０５〜１１３０に関して論じたのと同一の方式で実施することができる。

ステップ１１６５では、第１のアレイ部分２００および第２のアレイ部分３００を、それらの間に疎水性液体を閉じ込めることができるように位置決めすることができる。一実施形態例では、第１の基板１０２および第２の基板１０４をほぼ平面状のプレートの形態とすることができる。この実施形態例では、遠位端１３２、１３４、および１３６が適当な距離にわたって遠位端１４４、１４６、および１４８に対向するように、第２の基板１０４を離隔された方式で第１の基板１０２上に置くことができる。

前述のプロセス１１００の他の修正形態が企図される。一実施形態例では、ステップ１１３５〜１１６０を省略することができる。他の実施形態例では、ステップ１１３５〜１１６０を、第３または後続の基板を形成するために繰り返すことができる。他の実施形態例では、ステップ１１０５および１１１０を、隆起要素を含む構造を形成する一体的プロセスで実施することができる。他の実施形態例では、ステップの順番を変更することができる。例えば、第１反応性分子が第１の遠位端を含む隆起要素上に置かれる前に、第１反応性分子を第１のチャネル領域内に置くことができる。例えばさらに、疎水性分子および第１反応性分子を同時に隆起要素上に置くこともできる。

図１２は、図１に示されるデバイス１００を使用する方法１２００を示す。該方法は、ステップ１２０５で、一例として図１１に関して記載したように製作される前述のデバイス１００を提供することから始めることができる。デバイス１００は、第１のチャネル領域によって互いに離隔された、第１の遠位端を有する第１の基板上の第１の隆起要素を含む。疎水性分子を、第１の遠位端を含む隆起要素上に与えることができる。第１反応性分子を第１の隆起要素上に与えることができる。第１反応性分子を第１のチャネル領域内に与えることができる。第２の遠位端を有する第２の隆起要素を、第２のチャネル領域によって互いに離隔させて、第２の基板上に与えることができる。疎水性分子を第２の隆起要素上に与えることができる。第２反応性分子を第２の隆起要素上に与えることができる。第２反応性分子を、第２のチャネル領域内に与えることができる。

ステップ１２１０では、隆起要素上の第１および第２反応性分子と親水性液体との間で反応が起こったかどうかに関して判定することができる。図１〜３に関して前述したように、親水性液体をデバイス１００に導入することができる。隆起要素上の第１および第２反応性分子と親水性液体との間で反応が起こったかどうかに関する判定は、親水性液体の分子および構成成分の構造ならびに反応性に左右される。

ステップ１２１５では、チャネル領域内の第１および第２反応性分子と親水性液体との間で反応が起こったかどうかに関して判定がなされる。この判定は、同様に親水性液体の分子および構成成分の構造ならびに反応性に左右される。このような構造と反応性との関係に関する考慮については、以上で論じた。

ステップ１２１０および１２１５の両方が実施される一実施形態例では、隆起要素上の反応性分子とチャネル領域内の反応性分子とを、効率的に試験結果をもたらすように選択することができる。例えば、親水性液体の構成成分と隆起要素上の反応性分子との反応は、チャネル領域内の反応性分子を親水性液体の構成成分との潜在的な反応に曝す頻度を最小限に抑えるための予備スクリーニング試験の役割を果たすことができる。一実施形態例では、隆起要素上の反応性分子は、特異的にヘモグロビンに結合させることができ、チャネル領域内の反応性分子は、特異的に鉄を結合させることができる。この方法では、ヘモグロビン中の鉄の存在についての試験を、隆起要素の遠位端の第１および第２のアレイの上を流れるように誘導できる親水性液体中にヘモグロビンが存在する可能性のある局所的なチャネル領域だけで実施することができる。

検出デバイスを示す図である。 第１のアレイの一部分に含まれる第１の遠位端を示す図である。 第２のアレイの一部分に含まれる第２の遠位端を示す図である。 第１のアレイ部分を示す図である。 第２のアレイ部分を示す図である。 第１のアレイ部分を示す図である。 第２のアレイ部分を示す図である。 図６にも示される第１の遠位端を示す図である。 第１のアレイ部分を示す図である。 第３のアレイ部分を示す図である。 図１に示されるデバイスを製作するプロセスを示す図である。 図１に示されるデバイスを使用する方法を示す図である。

Claims (10)

1. 第１の基板と、
   前記第１の基板上の複数の第１の隆起要素とを含み、前記第１の隆起要素が前記第１の基板上の第１のチャネル領域によって互いに離隔され、前記第１の隆起要素それぞれが第１の側面及び第１の遠位端を有し、そして、前記第１の遠位端が疎水性であり及び第１のアレイを形成しており、
   前記第１の側面及び第１の遠位端上の疎水性分子と、さらに
   親水性反応生成物を発生させる、前記第１の遠位端上の第１反応性分子、ここで前記第１反応性分子は前記第１遠位端の疎水性を減少させるように液体の化学的又は生物学的成分と反応できる
   とを含むデバイス。
2. 第２の基板と、
   前記第２の基板上の複数の第２の隆起要素とを含み、前記第２の隆起要素が前記第２の基板上の第２のチャネル領域によって互いに離隔され、前記第２の隆起要素それぞれが第２の側面及び第２の遠位端を有し、前記第２の遠位端が疎水性であり及び第２のアレイを形成し、そして、前記第１および第２のアレイが、それらアレイの間に液体を閉じ込めることができるように互いに離れてかつ向き合っており、
   前記第２側面及び第２の遠位端上の疎水性分子と、さらに
   親水性反応生成物を発生させる、前記第２の遠位端上の第２反応性分子、ここで前記第２反応性分子は前記第２遠位端の疎水性を減少させるように液体の化学的又は生物学的成分と反応できる
   とを含む、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第１反応性分子が、
   前記第１のアレイの第１の部分内の第１の隆起要素の第１の遠位端上に配置された第１の複数の前記第１反応性分子と、
   前記第１のアレイの第２の部分内の第１の隆起要素の第１の遠位端上に配置された、前記第１の複数の第１反応性分子とは異なる構造を有する複数の第２の第１反応性分子とを含む、請求項１に記載のデバイス。
4. 第１反応性分子が前記第１のチャネル領域内の球体上に配置される、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記球体上に配置される前記第１反応性分子が、
   第１の球体上に配置された前記第１の第１反応性分子と、
   第２の球体上に配置され、かつ前記第１の球体上に配置された前記第１の第１反応性分子とは異なる構造を有する第２の第１反応性分子とを含む、請求項４に記載のデバイス。
6. 前記球体が第３のアレイを形成し、前記第１の球体が前記第３のアレイ内に第１の場所を有し、そして、前記第２の球体が前記第３のアレイ内に第２の場所を有する、請求項５に記載のデバイス。
7. デバイスを提供するステップを含み、前記デバイスが、
   第１の基板と、
   前記第１の基板上の複数の第１の隆起要素とを有し、前記第１の隆起要素が前記第１の基板上で第１のチャネル領域によって互いに離隔され、前記第１の隆起要素それぞれが第１の側面及び第１の遠位端を有し、そして、第１の遠位端が疎水性であり及び第１のアレイを形成しており、前記デバイスがさらに、
   前記第１の側面及び第１の遠位端上の疎水性分子と、
   親水性反応生成物を発生させる、前記第１の遠位端上の第１反応性分子とを有しており、さらに、
   親水性液体を前記第１の隆起要素と接触させるステップと、
   第１の隆起要素の第１遠位端上の第１反応性分子と前記親水性液体との間で疎水性変化反応が起こるかどうかを判定するステップとを含む方法。
8. 第２の基板と、
   前記第２の基板上の複数の第２の隆起要素とをさらに有し、前記第２の隆起要素が前記第２の基板上で第２のチャネル領域によって互いに離隔され、前記第２の隆起要素それぞれが第２の側面及び第２の遠位端を有し、前記第２の遠位端が疎水性であり及び第２のアレイを形成し、そして、前記第１および第２のアレイが、それらの間に親水性液体を閉じ込めることができるように互いに離れてかつ向き合っており、さらに、
   前記第２の側面及び第２の遠位端上の疎水性分子と、
   親水性反応生成物を発生させる、前記第２の遠位端上の第２反応性分子と、
   をさらに有するデバイスを提供するステップと、
   親水性液体を第２の隆起要素と接触させるステップと、
   第２の隆起要素の第２遠位端上の第２反応性分子と前記親水性液体との間で疎水性変化反応が起こるかどうかを判定するステップとを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１反応性分子を提供するステップが、
   前記第１のアレイの第１の部分内の第１の隆起要素の第１の遠位端上に配置された複数の第１の第１反応性分子と、
   前記第１のアレイの第２の部分内の第１の隆起要素の第１の遠位端上に配置された、複数の第１の第１反応性分子とは異なる構造を有する複数の第２の第１反応性分子とをさらに提供するステップと、
   前記親水性液体と第１の隆起要素の第１の遠位端上の複数の第１の第１反応性分子との間で疎水性変化反応が起こるかどうかを判定するステップと、
   前記親水性液体と第１の隆起要素の第１の遠位端上の複数の第２の第１反応性分子との間で疎水性変化反応が起こるかどうかを判定するステップとを含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記第１のチャネル領域内の球体上の複数の第１反応性分子を提供することをさらに含み、
    前記第１のチャネル領域内の前記第１反応性分子と前記親水性液体との間で反応が起こるかどうかを判定するステップとを含む、請求項７に記載の方法。

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