JP5324706B2

JP5324706B2 - 微小電気機械システム（ｍｅｍｓ）技術を用いて製作した、微小流体チャネルに埋込み可能な横振動重量測定センサ装置

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Publication number: JP5324706B2
Application number: JP2012525511A
Authority: JP
Inventors: ハルククラー; アタツナシフトリック
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Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-08-20
Also published as: JP2013502577A; US20120148448A1; EA021428B1; WO2011021984A1; CA2771155C; TR201201780T2; KR20120061900A; EP2467684B1; US8480956B2; KR101369941B1; IL218179A0; DK2467684T3; EA201200231A1; CA2771155A1; IL218179A; EP2467684A1

Description

本発明は、微小流体チャネルの下に埋込み可能であり、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を用いて製作した横振動重量測定センサ装置を表し、この装置は、その表面上に付着した質量の変化を測定することによって生体細胞および分析物を検出する。

共振機械構造の全質量の摂動は、共振の周波数のシフトを誘導する。微小電気機械システムと組み合わせた場合、重量測定検出と呼ばれるこの方法は、標的の分子または構造を微小スケールで認識することができる装置を実現し得る。重量測定検出器は、生物医学的および化学的な応用のための多くの微小システムにおいて用いられている。これらは、癌、ＡＩＤＳまたは同様の疾患を診断するための細胞検出から空気中のバイオテロ薬剤の試験までの範囲の、様々な応用において見つけることができる。

文献において報告されている重量測定検出を使用した生物医学的センサは、カンチレバー構造で実現されている。カンチレバー型の重量測定検出器の主な欠点は以下のとおりである：１）カンチレバーの広い面積に関連する縦振動性質の結果、スクイーズ膜制振がより優勢となり、したがって、非常に低いＱファクターの振動（Ｑファクターとは、振動の帯域幅を示すパラメータであり、帯域幅が狭ければ狭いほど、周波数の分解能およびＱファクターが高くなる）がもたらされる、または液体内での過剰制振が原因で振動が妨げられる。このため、これらのシステムは、最初に液体中に浸し、その後、乾燥させ、周波数の相違を検出することによって操作する。したがって、カンチレバー方法では、高い分解能およびオンラインの監視が阻止される。２）説明した低いＱファクターの問題に打ち勝つためにカンチレバーの質量を顕著に減少させると、作動周波数が増加しすぎる。そのような大きな周波数では電子方法は不十分であるため、高価な光学的励起および読取り方法が必要である。３）標的は位置に関してランダムに表面積上に付着しているため、カンチレバー型の共振器で観察される周波数のシフトは標的付着部位に依存する。この状況は、通常、定量的な濃度分解能を減少させる。標的が隣接する位置に付着している場合でも、周波数のシフトは薄いカンチレバーの広い質量分布が原因で非線形であり得る。

提案した装置では、横方向に振動する櫛形フィンガーを有する共振器を使用して、言及した問題を解決する。成果は以下のように要約することができる。
１）振動が横方向であるため、水中でのシステムのＱファクターは非常に高い。したがって、オンラインかつ高い分解能の検出を実現することが可能である。２）Ｑファクターが十分に高いため、質量を実質的に減少させる必要はなく、振動周波数を比較的低く保つことができる。さらに、これらのシステムは電気機械的に作動し、電子読取り回路を用いて製作することができるために検出システムは光学的マーキングおよび読取りを必要としない。その結果、これらは独立型であり、非常に低い価格で製作される。３）標的を、装置が埋め込まれているチャネル内の付着表面に向け直すことができる。また、４本のビームの機械平衡を有するプルーフマスのおかげで、出力は量に関して直線的に変化するが、標的の付着位置に依存しない。したがって、高い濃度分解能および再現性を有する装置を得ることが可能である。４）既知の製作技法を使用して、これらの装置を微小流体チャネルおよび電子回路と一緒に生産することができる。さらに、製作に使用する独特な技法によってＱファクターを高く保つことができる。
以下の表では、最近の文献における、カンチレバー型の重量測定検出器と提案したシステムとを比較する。

表１：最近の文献におけるカンチレバー型の重量測定検出器と提案した装置との比較。

発明の目的
本発明は、横方向に振動し、微小流体チャネルの下に埋め込むことができる、生体細胞および分析物の検出を目的とする重量測定センサ装置である。この装置の主な特徴は以下のとおりである：
・高い分解能
・速い
・低費用で製作される
・低い運転費用
・より少ない試料消費
・ＣＭＯＳ適合性および独立型
・高い再現性
・独特であるが、既知の製作技術を用いて容易に生産することができる
・小さく、持ち運びが可能
・使い捨てまたは再利用可能
・複雑かつ高価な外部機器なしに作動が可能
・光学的マーキングおよび顕微鏡を必要としない
・細胞の検出および計数に使用できる
・分析物の検出および濃度の測定に使用できる
・フィードバック構造

本発明によって既知の技法および最新技術にもたらされた革新は、以下のとおりである：
・振動が横方向であるため、液体中でのＱファクターは非常に高い。したがって、オンラインかつ高い分解能の検出を有することが可能である。
・Ｑファクターが高いため、質量を顕著に減少させる必要はなく、振動周波数を比較的低く保つことができる。低い周波数により、電子フィードバック制御および読取り回路内で作動することが可能となる。
・さらに、これらのシステムは電気機械的に作動し、電子読取り回路と一緒に製作することができるために検出システムは光学的マーキングおよび検出を必要としない。したがって、これらは単独で作動することができ、非常に低い費用で生産することができる。
・標的は、チャネル内に配置することができる付着表面に向けることができる。それに加えて、向け直しは自動的に誘導される。これにより、既存のカンチレバー型の重量測定検出器と比較して分解能が改善される。
・プルーフマスは４本のビームの機械平衡の構造を有するため、出力は直線的に変化し、また、付着位置に依存しない。したがって、高い濃度分解能および再現性を有する装置を得ることが可能である。
・既存のＳＯＩ（絶縁体上シリコン）プロセスを用いてＭＥＭＳ生産技術に独特な変化を与えることによって得られる装置で使用する微小製作技法は、共振器を微小流体チャネルの下に配置し、外部の微小流体接続点を容易に統合することを可能にする。
・これは、微小流体チャネル内の分析物または細胞懸濁流体が櫛形フィンガーの間から漏れることを遮断することによって、より効率的に作動し、より高いＱファクターで振動する。
・標的のより速い分析は、即時に結果を得ることを可能にし、既存の患者処置方法の成功を測定するために使用されている処置プロセスを加速する。既知の高価かつ限定的な診断および分析の方法は、医師が処置プロセス中にこれらの確認を実現することを妨げる。
・低費用の生産は診断および処置の費用を減少させ、したがって、個人、病院および研究室による製品の利用可能性を改善させる。同様に、低い運転費用は、固定費および変動費を減少させる。
・結果を得るためにわずかな試料しか必要としないこの検出装置のおかげで、外科的処置を最小限のレベルに維持することが可能となる。
・製作技法の高い再現性は、生産後の較正および品質管理のための時間および金銭に関して費用を減少させる。
・小さく、持ち運びが可能であり、使い捨てであり、また、高価かつ複雑な外部機器に依存せずに作動する能力のため、この装置を遠隔地の保健所または軍隊に統合することが非常に容易かつ実用的となる。
・これは光学的システムを必要としないため、この装置の作動に必要な固定費用がさらに減少される。
その表面上に付着した質量の変化を測定することによって生体細胞および分析物を検出する、微小流体チャネルの下に埋込み可能であり、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を用いて製作した横振動重量測定センサ装置のより良好な説明のために準備および添付した図のリストは、以下のとおりである。

チャネルの基礎上に配置することができる共振器の上面図である。チャネルおよび生物学的活性化の構成要素の基礎上に配置することができる共振器の斜視図である。チャネルおよび微小流体チャネルの基礎上に配置することができる共振器の斜視図である。微小製作技法の生産ステップのパート１を示す図である。微小製作技法の生産ステップのパート２を示す図である。微小製作技法の生産ステップのパート３を示す図である。

図中の要素の定義（特長／構成要素／部品）
その表面上に付着した質量の変化を測定することによって生体細胞および分析物を検出する、微小流体チャネルの下に埋込み可能であり、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を用いて製作した横振動重量測定センサ装置のより良好な説明のために準備した図のリストを添付する。さらに、図は、色、および必要に応じて数字で強調されている。それぞれの付番された部品の説明を以下に示す。ここでも、一部の部品は、それらの理解を明確にするために図中に具体的に示している。Ｕの標記は生産段階を示すために使用し、付番の代わりに段階的な最新の状態を示す。

１−プルーフマス
２−プルーフマスに固定された櫛形フィンガー
３−折り畳まれたばねビーム
４−チャネル底および機械的アース
５−静止電極
６−静止電極に取り付けられた櫛形フィンガー
７−プルーフマス上に堆積させた金膜
８−固定された生物学的認識分子
９−共振器構造体上に配置された微小流体チャネル
Ｕ．１−二酸化ケイ素
Ｕ．２−ケイ素
Ｕ．３−金属
Ｕ．４−ポリマー
Ｕ．５−金属化
Ｕ．６−エッチングによる金属成形
Ｕ．７−深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）による共振器の定義
Ｕ．８−絶縁のためのコンフォーマルポリマーコーティング
Ｕ．９−乾式エッチングによるポリマー成形
Ｕ．１０−金属化およびエッチングによる金属成形
Ｕ．１１−ポリマーコーティング
Ｕ．１２−乾式エッチングによるポリマー成形
Ｕ．１３−乾式または湿式エッチングによって根底にある二酸化ケイ素を除去することによる放出
Ｕ．１４−ポリマーコーティングおよび乾式エッチングによるポリマー成形
Ｕ．１５−ポリマー／ポリマー熱圧縮によるガラス上部−キャップの接着
Ｕ．１６−微小流体アダプタの統合

本発明によって開発された装置および方法は、以下のとしての４つの主な群からなる：
・微小流体チャネルの下に埋込み可能な共振器
・生物学的活性化層の構成要素
・微小流体チャネル
・微小製作技法

チャネルの基礎上に配置することができる共振器は、プルーフマス（１）、プルーフマスに固定された櫛形フィンガー（２）、折り畳まれたばねビーム（３）、チャネル底および機械的アース（４）、静止電極（５）ならびに静止電極に取り付けられた櫛形フィンガー（６）からなる。チャネル底および機械的アース（４）は二酸化ケイ素を介してバルクのウエファーに付着しており、これらは動かない。折り畳まれたばねビーム（３）、プルーフマス（１）およびプルーフマスに固定された櫛形フィンガー（２）は吊り下げられている。チャネルの基礎上に配置することができる共振器の部品（１、２、３、４、５、および６）は、高度または中等度に伝導性の単一結晶のケイ素から作製されている。ポリマーコーティング（Ｕ．４）は誘電性のポリマーから作製されており、共振器の構成要素が互いに接触しないようにコーティングする。また、すべての構成要素（１、２、３、４、５、および６）もポリマーでコーティングされている。

共振器の生物学的活性化の構成要素は、ポリマーでコーティングしたプルーフマス（１）の上の、プルーフマス上に蓄積された金膜（７）、および周知のプロトコルを用いて膜上に付着させた、固定された生物学的認識分子（８）からなる。
共振器構造体上に配置された微小流体チャネル（９）は、チャネルの基礎上に配置された共振器と比較して、より広い面積上に配置されている。チャネルの壁および上部は、透明なポリマーまたはＰｙｒｅｘから作製されている。その結果、装置の作動に補足的な技法が必要な場合に、光学的方法を適用することが可能である。光学的読取り方法および共振器を統合することによって、装置を他の応用に使用することさえも可能である。

それぞれケイ素（Ｕ．２）、二酸化ケイ素（Ｕ．１）およびケイ素（Ｕ．２）から作製されたＳＯＩウエファーを使用し、また、それぞれ金属化（Ｕ．５）、エッチングによる金属成形（Ｕ．６）、深堀反応性イオンエッチングによる共振器の定義（Ｕ．７）、絶縁のためのコンフォーマルポリマーコーティング（Ｕ．８）、乾式エッチングによるポリマー成形（Ｕ．９）、金属化およびエッチングによる金属成形（Ｕ．１０）、ポリマーコーティング（Ｕ．１１）、乾式エッチングによるポリマー成形（Ｕ．１２）、乾式または湿式エッチングによって二酸化ケイ素を取り除くことを介した放出（Ｕ．１３）、ポリマーコーティングおよび乾式エッチングによるポリマー成形（Ｕ．１４）、ポリマー／ポリマー熱圧縮によるガラス上部−キャップの接着（Ｕ．１５）ならびに微小流体アダプタの統合（Ｕ．１６）の方法による、微小製作技法は、その表面上に付着した質量の変化を測定することによって生体細胞および分析物を検出する、微小流体チャネルの下に埋込み可能であり、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を用いて製作した横振動重量測定センサ装置を生産することからなる。

システムの操作
最初に、プルーフマス（１）およびプルーフマス上に堆積させた金膜（７）を、既知の生物学的認識分子を金上に固定するプロトコルによって、標的認識のために活性化する。このプロセスによって、自身を標的の細胞または分析物に付着させる能力を有する生物剤を、金膜表面上に、選択的な様式で固定する。

その後、チャネル内に配置したＭＥＭＳ共振器を共振で振動させる。プルーフマス（１）、プルーフマスに固定された櫛形フィンガー（２）、折り畳まれたばねビーム（３）、ならびにチャネル底および機械的アース（４）は、電気接続されたノードを形成し、生産段階で最初に作製された入力電極を介して、外部から電圧をかける。静止電極（５）および静止電極に取り付けられた櫛形フィンガー（６）は、閉回路の正のフィードバックによって操作される電子制御回路に接続されている。システムのこの現在の状況内で、共振器はその自然の共振周波数で横方向に振動し、この回路の出力で、共振器の自然の共振周波数における交流電圧を探索する。

振動の初期化後、測定する試料を微小流体アダプタによって微小チャネル内に注入する。直接の様式で微小チャネルの基礎上に配置した共振器は、微小チャネル内の流れを妨げない。同時に、回路の出力での交流電圧の周波数を探索する。細胞または分析物がプルーフマス（１）の表面に付着する場合、機械的共振の周波数および回路出力での交流電圧の周波数が変化する。周波数の変化は表面に付着した標的の質量に比例する。
細胞検出の応用では、プルーフマス（１）と静止電極（５）との間の電気的領域から生じた誘電泳動力は、プルーフマス（１）のコアに向けられ、その付着の確率を増加させることによって最小の検出可能な細胞数を減少させる。さらに、４面の横振動を実行するプルーフマス（１）および周波数の変化の量の、細胞付着の位置に対する依存性が最小限となる。

プルーフマスに固定された櫛形フィンガー（２）、静止電極（５）、プルーフマス（１）、チャネル底および機械的アース（４）ならびに折り畳まれたばねビーム（３）の間にコーティングされた疎水性ポリマーは、これらの構成要素間の液体の漏出を避け、摩擦係数を減少させ、高いＱファクターを維持する。さらに、このポリマー層は、伝導性の生体液とチャネルの基礎上に配置することができる共振器との間の直接接触を妨げ、電気機械的振動を確実にする。さらに、表面上にコーティングされたこのポリマー膜は、プルーフマスに固定された櫛形フィンガー（２）間の有効な誘電定数を増加させ、電気機械的ゲインの増加に影響を与える。

表２は、本発明の対象である装置の作動周波数、Ｑファクターおよびノイズ等価質量差（ＮＥＭＤ）を示す。「ＲＣＤ」で示した様々な装置は、様々な微小製作パラメータで製作した同じ装置である。最高および最低の値が太字の文字で強調されている。表１は、これらの値と最近公開された類似のものとの比較を与える。

表２：本発明の対象である装置の作動周波数、Ｑファクターおよびノイズ等価質量差（ＮＥＭＤ）

参考文献
［１］Ａ．Ｐ．Ｄａｖｉｌａ，Ｊ．Ｊａｎｇ，Ａ．Ｋ．Ｇｕｐｔａｅｔａｌ．，"ＭｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒｍａｓｓｓｅｎｓｏｒｆｏｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＢａｃｉｌｌｕｓａｎｔｈｒａｃｉｓＳｔｅｒｎｅｓｐｏｒｅｓｉｎａｉｒａｎｄｗａｔｅｒ，"ＢｉｏｓｅｎｓＢｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎ，ｖｏｌ．２２，ｎｏ．１２，ｐｐ．３０２８−３５，Ｊｕｎ１５，２００７．
［２］Ｋ．Ｙ．Ｇｆｅｌｌｅｒ，Ｎ．Ｎｕｇａｅｖａ，Ｍ．Ｈｅｇｎｅｒ，"ＭｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓａｓｒａｐｉｄｂｉｏｓｅｎｓｏｒｆｏｒｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆａｃｔｉｖｅｇｒｏｗｔｈｏｆＥｓｃｈｅｒｉｃｈｉａｃｏｌｉ，" ＢｉｏｓｅｎｓＢｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎ，ｖｏｌ．２１，ｎｏ．３，ｐｐ．５２８−３３，Ｓｅｐ１５，２００５．
［３］Ａ．Ｇｕｐｔａ，Ｄ．Ａｋｉｎ，Ｒ．Ｂａｓｈｉｒ，"Ｓｉｎｇｌｅｖｉｒｕｓｐａｒｔｉｃｌｅｍａｓｓｄｅｔｅｃｔｉｏｎｕｓｉｎｇｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒｓｗｉｔｈｎａｎｏｓｃａｌｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，" ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．８４，ｎｏ．１１，ｐｐ．１９７６−１９７８，２００４．
［４］Ｍ．Ｋ．Ｇｈａｔｋｅｓａｒ，Ｖ．Ｂａｒｗｉｃｈ，Ｔ．Ｂｒａｕｎ， "Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅｍａｓｓｓｅｎｓｉｎｇｂｙｎａｎｏｍｅｃｈａｎｃａｌｒｅｓｏｎａｔｏｒｓｉｎｆｌｕｉｄ，" ｐｐ．１０６０〜１０６３，ｖｏｌ．２．

Claims

その表面上に付着した質量の変化を測定することによって分析物ならびに／または生体細胞および分析物を検出するための、微小流体チャネルの下に埋込み可能な横振動重量測定センサ装置であって、前記横振動重量測定センサ装置が、
微小流体チャネル内に配置することができる疎水性ポリマーでコーティングしたプルーフマス（１）であって、前記疎水性ポリマーがプルーフマスと液体との直接接触を妨げ、かつ、プルーフマスの電気的な動作および読取りを容易にする、プルーフマス（１）と、
前記プルーフマスの電気的な読取りおよび動作のために同じ疎水性ポリマーでコーティングした、プルーフマスに固定された櫛形フィンガー（２）であって、前記疎水性ポリマーが、振動のＱファクターを液体環境内で高く保つために、伝導性の櫛形フィンガーと液体との直接接触および櫛形フィンガー間の液体の充填のどちらも防止する、櫛形フィンガー（２）と、
前記プルーフマスの電気的な読取りおよび動作のために前記疎水性ポリマーでコーティングした、静止電極（５）であって、前記疎水性ポリマーが、振動のＱファクターを液体環境内で高く保つために、静止電極（５）と液体との直接接触および櫛形フィンガーと静止電極との間の液体の充填のどちらも防止する、静止電極（５）と、
前記プルーフマス（１）を機械的アース（４）に接続する折り畳まれたばねビーム（３）であって、この構造が、出力の周波数のシフトの、質量の付着位置に対する依存を最小限にする、折り畳まれたばねビーム（３）と、
を含む横振動重量測定センサ装置。
ポリマーでコーティングしたプルーフマスの上に蓄積された金膜（７）を、前記金膜上に付着させた、固定された生物学的認識分子（８）と一緒に含む、請求項１に記載の装置。