JP6305338B2 - ポイント・オブ・ケア診断利用のためのバイオコートされた圧電バイオセンサープラットフォーム - Google Patents

Description

本出願は、米国企業であるAviana Molecular Technologies、LLC（米国以外の全ての国を指定する出願者）、米国市民であるLisa Laury-Kleintop、台湾市民であるHsu-Cheng Ou、および、米国市民であるHerman Rutner（以上、米国のみを指定する出願者）の名におけるPCT国際特許出願として2012年8月27日に提出され、2011年8月26日に出願された米国特許仮出願（第61/527,716号）（この出願は全文が参照により本明細書に組み込まれる）に対する優先権を主張する。

本発明は、タンパク質および核酸などの標的分析物を含有する試験試料を分析するための装置および方法に関するものである。本発明は、圧電材料（例えば、結晶）表面にアビジンまたは別のタンパク質/ヌクレオチドを不可逆的に結合する能力を持つバイオコーティングを含んだ高感度バイオセンサーとしての集積チップを使用する。結果として生じるプラットフォーム技術は、様々なバイオセンサーの開発に適している。より具体的な実施形態において、バイオコーティングは、被膜を介することなく、圧電材料表面に直接適用される。別の特定の実施形態において、本発明は、弾性波プレートモードバイオセンサーに関連しており、ここにおいて、結晶上の保護コーティングおよび導波路を必要とすることなく、バイオコーティングフィルムを有するものとは反対側の面に、指組み構造トランスデューサ（IDT）が存在している。

高感度で、特異的かつ迅速な検出技術を備えた、低コストで大量生産されるポイント・オブ・ケア（POC）は、全世界の人類と獣医動物の健康に非常に大きな疫学的影響を及ぼす可能性を持っている。適切なデバイスは、ヒトおよび動物に影響を与える感染症、特にしばしば起こる流行性規模の急性感染症のタイムリーな発見および治療と同様に、社会的側面においても多くの便益を得るであろう。適切なPOCデバイスは、潜在的に感染症などの危険にさらされた個人の大集団のモニタリングをするために、低コストで大量に製造されるものでなければならない。これらのセンサーは、熱帯および亜熱帯気候のような悪条件下で使用されるのに十分頑丈で、さらにリソースが豊富な状況とリソースが限定的な状況の両方において、検査施設訓練を受けていない者が容易に利用できるものである必要がある。さらに、そのようなデバイスは、疾患の伝達媒介とならないよう、単回使用、低コスト、かつ使い捨てであるべきである。例えばラテラルフローデバイスのような、現在最先端のPOCデバイスは、さまざまな欠点がある中で、特に低感度であり、および／または結果の変動性が高く、このニーズを満たしていない。一方、ヌクレオチド検出のような高感度の診断ツールは、洗練された分離および処理を必要としているため、野外現場でこれらの診断装置を利用することは困難である。検査室用システムは、（感度と特異性の両方の点で）正確であるが、簡単に移動可能ではなく、また迅速ではない。さらに、操作するのに特別な訓練を受けた人員を必要とする。本発明は、任意の数の設定において、POCデバイスとして使用可能な高感度バイオセンサーをもたらすプロセスを記述する。これらのバイオセンサーは、既知の（しかも革新的な）弾性波センサー上に、拡張性のあるバイオコーティングを提供し、そのセンサーが、非検査室的な（例えば野外現場）環境におけるPOCデバイスに利用可能な、多様な非生物学的設定で利用できるようになる。

圧電結晶中に発生する弾性波は、質量および/または粘度変化がデバイスに印加されたときに非常に感度が高いことはよく知られており、これにより、質量の印加前と印加後で、弾性波の周波数および／または位相もしくは振幅の変化が生じ、この変化は電子的に計測可能であり、質量の存在に相関し得る。従って、これらは、十億分の一の質量変化、または非常に小さな温度変化または気体濃度変化を検出することのできる、非常に敏感な化学センサーまたはガスセンサーとして利用される。しかし、結晶のような圧電活性材料から作製されるバイオセンサーとしてのこれらのデバイスの利用は、限られた成功しか収めていない。その理由としては、印加された生体液が、発生する弾性波を抑制すること、また、印加フィルムは大規模で一定した製造を行うのが困難であることが挙げられ、これにより、研究検査室などのリソース豊富な洗練された状況にのみ限定されている。

これらの弾性波センサーをバイオセンサーとして機能させる試みでは、手間がかかり、または一定していない、大規模化が困難なプロセスが生じている。さらに、これらのコーティングプロセスにおいては、弾性波を伝達するためにこれらの結晶に取り付けられる導電性装置についても考慮しなければならず、特に、これが弾性波の伝達に干渉してはならない。（同様に、結晶構造は弾性波の伝達と両立できるものでなければならない。）さらに、バイオコーティングのプロセスが、弾性波を減衰または破壊してはならない。これらの様々な制限を考慮し、バイオコーティングの進展では一貫して類似したアプローチがとられている。つまり、抗体などの生物活性剤を結合できる結晶表面に化学薬品を結びつけるアプローチである。最初の機能性コーティングを堆積させるには、一般的に2つの方法が使用される。その方法の1つは、ヘテロ二官能性チオール、または、誘導ジスルフィド（例えば、カルボキシメチル-ペグ-チオール、5000（Laysan Bio）の硫黄官能基と反応性を持つ真空スパッタリングされた金の薄層を適用することを含む。もう1つは、圧電センサー表面のヒドロキシル基を、好適な市販ヘテロ二官能性シラン（例えば、3-アミノプロピルトリエトキシシラン（APTES）、3-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン（GOPS）、3-メルカプトプロピルトリエトキシシラン（MPTS）で直接官能基化し、シランと一価または二価のシリケート結合を形成する。もう1つのアビジン付着方法では、最初に弾性波センサーの上に脂質を堆積させ（Annals of Chem. Vol 69:4808-4813）、次にヒドロゲルを堆積させ（オーストラリア特許07473551）、次いでアビジンを堆積させる。

これらの方法は多くの場合、時間がかかり、コーティングプロセスが複雑である。これらはヘテロヘ二官能性シラン試薬との長時間の液相接触を必要とする。一般的に、これらのシランは、一層または多層を堆積するために、トルエン、2-プロパノール、または水性溶媒等の、非反応性溶媒中の溶液として提供される。しかし、このプロセスは、いくつかの理由のために制御するのが難しい。まず、いくつかのシラン（例えばトリメトキシシラン）は非常に反応性が高い。トリエトキシシランのような他のシランは、反応性は低いが、加水分解により安定性が低い。もう1つの理由は、シランの反応性にある。シランは、いくつかの連結可能基を有しており、付加されるシラン分子と反応して結合する傾向があるため、制御して均一に保つのが困難であり、コーティングされた基材の伝達特性を変えることのできるシラン堆積物の単一層を達成することは難しい。シランは、反応性シラノールまたはシランジオールを形成することにより架橋しやすくなるので、ほんの微量の水が存在することで、制御プロセスがより複雑になる。一般的に用いられるAPTESは、特に多層形成する傾向がある。ヘテロ二官能性シラン（GOPS）は、チオール、アミンおよびヒドロキシル基との選択的反応性を示す、エポキシまたはオキシラン基を有し、これは、主にpH（例えば、pH約７のチオール、pH約9のアミノ基、およびpH>10の水酸基）に依存する。これは、抗体の1つ以上のアミノ基、または、固定されたアビジン（例えばニュートラアビジン）上の約半分のアミノ基に、直接結合させるために利用することができる。しかし、これらの手順は、湿式化学反応と共有結合を伴うために、コーティングプロセスを複雑化かつ遅延させ、結果として得られるデバイスの精度に支障を来たす副反応を起こす可能性を高める。（GT Hermanson in Bioconjugate Techniques, 1996, 142頁）。

要約すると、中間および最終タンパク質層を圧電材料上に堆積するための先行技術SAMプロセスは、後続工程を必要とし、これには、望ましい機能性SAM親和性バイオセンサーを達成するために、水性溶媒または不活性非プロトン性媒体中での複数の試薬とのインキュベーション、途中段階でのすすぎ、pH変化、結合タンパク質への最終的露出が含まれる。これらの段階的プロセスは、数時間または数日かかる場合があり、SAMバイオセンサーの機能的変動をもたらし、費用もかかるため、POCのバイオセンサー用途には許容できないものになっている。当該技術におけるそのようなプロセスは、均一なバイオセンサーを低価格で一定かつ良好な費用対効果で、また潜在的に何百万個もの単回使用バイオセンサーのためのスケーラブルな高スループットで製造するには、プロセス変動や故障が非常に望ましくないため、明らかに適していない。

本発明は、1つには、アビジン類だけでなく、他の生物学的物質（核酸、他のタンパク質）を含むタンパク質の直接結合を可能にするプロセスについて記述し、この物質は、結晶の表面上に直接、必須の結合可能基を有し、これにより、均一で信頼できるバイオセンサーを製造するための、安定かつスケーラブルなプロセスが得られる。本発明はさらに、2種類のセンサー、すなわちバルク弾性波と横波型弾性表面波の両方の使用を組み込んでおり、多数の圧電活性結晶材料に用いることができる。本発明は、この直接コーティングを用いることで、上記の問題点の多くを克服している。

弾性波導波路を作成するために使用される圧電性材料はよく知られており、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英、および他のいくつかの物質が含まれるが、この各々の材料は、プラットフォームデバイスの開発の際に、固有の利点と欠点をもたらす。したがって、感染を引き起こしその結果の原因となる性質の、さまざまな複数の感染体（細菌、ウイルス、タンパク質、ヌクレオチド、寄生虫、真菌などを含み、特に、個々の構成要素と病原体の断片のようなより大きな微粒子を含むがこれらに限定されない）を検出するための、最も大きな潜在的変化を提供するために、任意のコーティング方法で全ての圧電材料基材に適用できることが望ましい。

弾性波バイオセンサーシステムとは、圧電媒体（結晶）のセンサー面上に堆積したバイオフィルムを組み込んだものとして記述される。バイオフィルムは、例えばアビジンのように、特異的結合パートナーを持つ生理活性アンカー物質のコーティング（また、リガンドのような他のタンパク質、および特異的な結合パートナーを持つオリゴヌクレオチドおよびポリヌクレオチドのような核酸も、使用することができる）を含み、これが結晶表面上に直接、安定した単層を形成している。このプロセスは、自動化または半自動化技術を用いる大規模製造へのスケールアップに適応される。

したがって、本発明は、圧電表面が直接被覆されているアンカー層（アビジンフィルムなど）を有する圧電媒体を含むバイオセンサー、ならびにその製造および使用方法を目的とする。アビジンコーティングの場合、生体試料中の標的分析物を検出するために、ビオチン化した捕捉試薬はバイオフィルムに結合される。他のアンカー物質の場合、捕捉試薬は、アンカー物質の特異的結合パートナーで誘導体化されていなければならない。標的分析物を含む生物学的試料は、バイオフィルムと接触した形で配置される。前記捕捉試薬は、標的分析物を特異的に認識して結合する。その結合は、センサー表面を横切る弾性波の動揺（周波数、段階および/または振幅の変化）として検出される。この動揺は、次に、電子的信号に変換され、更なる分析、すなわち前記標的分析物の存在との相関性、および所望により、その定量を行う。

更なる一態様において、このバイオセンサー基材は、従来の高価で面倒な高温真空スパッタリング法ではなく、制御された条件下で、好適な媒体中のケイ酸塩、チタン酸塩、ジルコン酸塩などを、露出した圧電チップ基材表面に接触させることによって共有結合させ、次に、酸処理工程によって、結合した基材層をシリカ、チタニア、ジルコニアなどの層に変換する、という単純な二段階法によって、シリカ、ジルコニア、チタニアなどの中間段階基材層で改変することができる。この層は、塩濃度および接触時間に応じて制御可能な、厚さの均一な二次酸化物層を形成することができる。ここにおいて、そのような中間酸化物層（または複数の層）は、その後、安定した結合アンカー層（例えばアビジン）で被覆することができ、これは、アンカー物質（例えばビオチン群）に対する特異的結合パートナーで好適に改質した、特異的捕捉試薬（例えば、特定の標的分析物に対する抗体など）との反応に適している。

さらに別の態様において、バイオセンサーは、ケイ酸塩、チタン酸塩、ジルコン酸塩などの中間コーティングを含み、最適濃度およびpHのコーティング溶液は、所望によりアルカリ安定性アビジンと混合し、乾燥させ、これによって、基底層にその塩を結合させ、同時に、結合した塩膜のように、ガラスの中に部分的にアビジンを埋め込む。この後、酸処理によって、結合した塩膜を、多孔質酸化物層に転換する。これはアビジンを安定的に包み込み、このアビジンは依然として、ビオチン化された捕捉試薬の結合に利用可能な、相当数の露出したビオチン部位を有している。

さらに別の態様において、本発明は、弾性波を用いた生物学的サンプル中の1つ以上の分析物を検出するためのバイオセンサーをコーティングする方法を目的とし、このバイオセンサーは、圧電材料と、それに固定されたアビジン層などのアンカー層を含んでおり、その方法は、圧電材料の一部分（この部分は生物学的サンプルを受容するよう適合される）の一表面上にアビジンを付着させる工程、および、本明細書に開示された方法によるコーティングを含む工程により、直接的または間接的に、その圧電表面部分に対するアビジンの固定を確実にする工程を含む。

本発明は、さらに、迅速なPOC診断のためのシステムにおける新しい圧電バイオセンサーデバイスおよびプラットフォームの利用を含む。従って、本発明のバイオセンサーは、POC診断ツールとして、高感度、安価かつ簡単な方法および関連装置の基礎を提供する。本発明は、単純な製造プロセスを、新しい迅速なコーティング方法を用いて、既存の製造設備またはコンベアベルト上で可能にし、これによって、臨床診断において、費用対効果の高いポイント・オブ・ケア（POC）の代替として使用可能な、新しい単回使用の、潜在的に使い捨てのバイオセンサーがもたらされる。このようなバイオセンサーは、必要とされている感度を提供することができ、必要な時に迅速に配備することができるため、先進国および資源の限られた国々の両方で有益となるであろう。特に、これらのPOCバイオセンサーは、ヒトおよび動物に影響を及ぼす急性感染症の検出、封じ込めおよび治療に関連する分野で特に有益であり得る。また、疾患患者および健康な患者の診断およびモニタリングに有用な特異的生化学的マーカーの検出にも有益である。

圧電材料と直接結合しているアンカー物質の層を含む圧電性結晶を含む弾性波バイオセンサー構成要素であって、このアンカー物質は、このアンカー物質の特異的結合パートナーを含むかまたは構成する捕捉試薬と結合する特性を備えている、弾性波バイオセンサー構成要素。

特異的結合パートナーを含むかまたは構成する捕捉試薬と結合する特性を有するアンカー物質を含むバイオフィルムで圧電材料の表面をコーティングするプロセスであって、このシステムは：
a. 結晶表面の表面エネルギーを増加させるために、圧電材料の結晶表 面を処理する工程と、
b. その結晶表面にアンカー物質の層を適用する工程と、
c. その結晶表面上に、化学吸着されたアンカー層を形成する工程と、を含む。

特異的結合パートナーを含むかまたは構成する捕捉試薬と結合する特性を有するアンカー物質を含むバイオフィルムで圧電材料の表面をコーティングするプロセスであって、このプロセスは：
a. シリケート、ジルコン酸塩またはチタン酸塩の溶液を圧電材料の結晶表面に適用し、酸と反応させて、シリカ、ジルコニア、またはチタニアのそれぞれの中間層を形成する工程と、
b. アンカー物質の層を中間層に適用して、その結晶表面上にアンカー層を形成する工程と、を含む、プロセス。

弾性波バイオセンサーであって、この弾性波バイオセンサーが：
a. 直接圧電結晶の表面に結合したアンカー物質の層を含む圧電圧結晶を含み、ここにおいて該層内のアンカー物質は、捕捉試薬にも結合し、該捕捉試薬は、アンカー物質の特異的結合パートナーを含むかまたは構成し、かつ生物学的流体中に存在する分析物を特異的に識別し、および、
b. 弾性波発生器を含み、該発生器が波を発生し、ここにおいて、捕捉試薬と分析物との間の反応が、弾性波の特性に検出可能な変化を引き起こす、弾性波バイオセンサー。

生物学的流体サンプル中の分析物の存在または量を測定するための方法であって、
上記のバイオセンサー構成要素を、捕捉試薬を含む組成物に接触させる工程を含み、ここにおいてこの捕捉試薬は、アンカー物質の特異的結合パートナーを含むかまたは構成し、かつ分析物を特異的に識別し、かつ
その捕捉試薬を、アンカー物質と結合させ、捕捉試薬の層を形成する工程を含み、かつ
その結合した捕捉試薬層を生物学的流体サンプルと接触させる工程と、圧電性の表面に弾性波を発生させる工程と、その捕捉試薬層に結合している分析物の結果として生じる波の振幅、位相または周波数の何らかの変化を測定する工程と、を含む。

ニオブ酸リチウム結晶上のニュートラアビジンのコーティングの原子間力顕微鏡（AFM）画像。AFM画像解析は、実施例1に記載した方法を用いて、約3nm〜約4nmのニュートラアビジンのコーティングを示した。パネル（a）は、結合したニュートラアビジンを持たないチップのリアルタイムトポグラフィーグラフを示している。パネル（b）は1μmのナノインデント領域を有するニュートラアビジンコーティングされた表面の10μmスキャンを示している。パネル（c）は、約3.229nmの深さのインデントができた後のチップに結合したアビジンのトポグラフィーグラフである。 抗デング熱抗体を追加したニオブ酸リチウム結晶上のニュートラアビジンコーティングの原子間力顕微鏡画像。抗デング抗体を添加したニオブ酸リチウムチップに結合したニュートラアビジン。パネル（a）は、チップの1μm領域をスキャンすることによって、Ab表面とニュートラアビジンで作られたナノインデント領域の10μmスキャンを示している。パネル（b）は、パネル（a）の4.6μm拡大部分を示す。パネル（c）は0.269nm程度（または深さ6〜9 nm）の深さを示すトポグラフィーグラフである。 ニオブ酸リチウムチップの表面のアビジンを確認するために使用されるFITC-標識されたビオチンビーズ。ビオチンビーズ（Invitrogen社）の蛍光像（200x）は、ニオブ酸リチウムチップの表面に（a）アビジンがないもの、または（b）アビジンがあるものを示している。（a）の中の矢印は、結晶にビーズが非特異的結合する様子を示している。（b）の中の矢印は、結晶上でビーズがアビジンコーティングに結合する様子を示している。 アビジン結合の安定性。1ヶ月間にわたり、ニオブ酸リチウムに結合したアビジンの光学密度（O.D.）を測定した。アビジンでコーティングされたチップは4℃で保存され、毎週試験された。その結合は、1、2、および4週目は、ほぼ同じ状態であった（3週目の下落は有効とみなされておらず、問題のある試薬に起因するものであるとされた）。 ニオブ酸リチウムとのアビジンの結合。アビジンは、記載された方法を用いて、ニオブ酸リチウム上にSiO₂コーティングとして結合された。パネルAは、ニオブ酸リチウム上にコーティングされた二酸化ケイ素に結合したアビジンの光学密度（O.D.）を示す。ビオチンHRPのアビジンなしとありの場合の490nmでの吸光度を比較した。グラフは、良好なアビジン結合を示し、O.D.の測定値の差は1.4を示している。パネルBは、ニオブ酸リチウム上にコーティングされた二酸化ケイ素に結合するアビジンとニュートラアビジンとを比較する。 Chlamydia trachomatisの基本小体（EB）に結合するAMTチップの蛍光顕微鏡像。DAPI染色（パネルB-矢印）とEBを結合したAMTチップの蛍光像と、FITC標識抗C trachomatis抗体（パネルC-矢印）とクラミジア材料のない状態（セクションA）でのネガティブコントロールと比較したものを示している。DAPIおよびFITC標識が存在することから、結合した物質は、細胞（DAPI）とクラミジア（FITC）であることが確認された。 クラミジアと抗クラミジア抗体による周波数のシフト。0.25μg/mのビオチン化した抗EB LPSと共に10⁵ EBを添加した後、本発明の手順に従って、アビジンを用いて調製されたチップについて、安定化されたベースラインからの周波数シフトが示されている。 デング熱ウイルスを添加した周波数シフト。本発明の手順に従って、アビジンおよび抗デング2型4μg/mlで調製されたチップについて、安定化されたベースラインからの周波数シフトが示されている。基準周波数の変化は、デングウイルス（8μg/ml）の添加で起こっている。 ニュートラアビジンのみに結合されたチップに抗体のみを追加した際の周波数シフト。1:200の割合で希釈された、ビオチン化抗chlamydia trachomatis（MOMP）を、アビジンが結合されたチップに添加した際の、矢印1と2の間の4.5 MHzの周波数シフトが示されている。 弾性波プレートモード（APM）のための理論モデル。本発明で使用されるAPMの理論的モデル（APMがQ-TBWFとして指定される）。感知領域は、流体チャンバーに相当しており、この流体チャンバーで、生物学的試料が圧電基板の上に配置されている。その弾性波が底部で生成され、圧電媒体を通って移動し、（表面に直接固定されたアビジン分子を介して）上表面に結合した分析物を検出するIDTは底面にある（図示なし）。捕捉された分析物の余分な質量に遭遇すると、波の周波数が変化する。 統合マルチアレイ装置の概略図。APMモードの単一の遅延線構造を有する、本装置の概略設計が示されている。APMモードにおいて、電子素子（例えばIDT）は、生物学的および流体素子と接する側の反対側の基材に適用される。パネルAは、単一の遅延線構造を有する装置の上面斜視図である。パネルBは、3本の遅延線（マルチチャネルチップ）を有する上面斜視図である。

定義
次に示す用語は、それらに帰する意味を以下のように有するものとする。
「アンカー物質」は、（i）圧電結晶（「直接」結合について）または、その上の中間コーティング、および（ii）「捕捉試薬」（以下に定義）の両方に結合するコーティング材料を意味する。この用語は、ビオチンを結合できる能力によって機能的に定義されるタンパク質群の一員であるアビジンを含み、これは、それぞれの特異的結合パートナー（例えば、アビジン、ストレプトアビジン、ニュートラアビジン）として機能し、また、特異的結合パートナーを有するオリゴヌクレオチドおよびポリヌクレオチドならびにタンパク質であり、この結合パートナーは、捕捉試薬を改質し、これによって、捕捉試薬を、アンカーコーティングされた圧電材料に結合させる。また、自然に生じる炭水化物結合レクチンを含んでおり、これは、例えば、抗体および抗体フラグメント（例えば、Fcフラグメント）などの炭水化物基と結合する。一般的に、捕捉試薬をアンカーとして使用することは好ましくない。その理由は、捕捉試薬が構造の変化やさらには部分的な変性まで起こす危険性があり、これにより検査の精度に影響を及ぼし得るからである。オリゴヌクレオチドおよびポリヌクレオチドは、イオン性または双極性の部位を介して、直接に、または、適用されている中間銀コーティングを介して（例えばイオン交換法により）、圧電材料に結合することができる。その特異的結合パートナーは相補的なヌクレオチド分子であり、これらは、捕捉試薬を改質するために使用することができる。

「捕捉試薬」は、生物学的サンプル中の分析物に特異的に結合する物質を意味し、これにより、生物学的サンプルから分析物を捕捉することによって、分析物を同定および／または定量するために使用することができる。この用語には、抗体、アプタマーおよびその断片が含まれるがこれらに限定されない。捕捉試薬は、改質を伴うかまたは伴わずに、アンカー物質（例えば、ビオチン化または相補的核酸）に対する特異的結合パートナーである連結基でアンカー物質に結合する。換言すれば、捕捉試薬は、アンカー物質に対する特異的結合パートナーであるかまたはこれを含み、同時に、分析物を特異的に識別する。

圧電表面へのアンカー物質の結合に対して適用される「直接」または「直接に」という語は、その上に中間コーティングの適用なしに、圧電結晶に対して結合することを意味する。圧電表面は、プラズマ、紫外線照射の適用によって、または銀イオンのイオン交換堆積によって、改質され得る。それらによって、表面の金属イオンは置き換えられるが、圧電体の表面上の金属イオンの上に中間材料の追加層が堆積されることはない。例えば、シラン処理、または、共有結合を形成する、あるいは金、銀、若しくは銅層の堆積を形成する任意の他の反応から形成されるもののような、中間コーティングは除外される。

従来技術においてこれまで利用されているバイオフィルムは、特に潜在的に大集団人口をスクリーニングするために必要な、低コストの使い捨て型バイオセンサーの大量製造には不十分であり、不向きである。典型的な例として、シラン（米国特許公開番号第2011/0053139号）またはヒドロゲル（米国特許公開第2006/0024813号）の使用が挙げられる。本発明は、新しいタイプのバイオフィルム、それを基板に適用するためのプロセス、およびこのバイオフィルムのバイオセンサー（いくつかのモードの弾性波を組み込んでいる）における使用、ならびに、診断POCおよび生物医学研究への応用について記載している。バイオフィルムの応用は、大規模な製造にスケールアップすることが容易であるような、安定した単層で、結晶表面上に直接結合パートナーと接合し得る被覆タンパク質を含む。バイオフィルムの基盤は、弾性波のいくつかのモードに適合させることができ、並列にいくつかの検査を実施するためのマルチアレイマイクロセンサーで使用することができる。また、コーティングは、多数の圧電材料（とりわけ、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英微結晶等）に適用可能である。弾性波は、圧電基板を介して、または圧電基板上で、波動伝播モードによって記載されている。材料および境界条件に応じて、多くの組み合わせが可能である。各センサーの指組み構造トランスデューサー（IDT）は、電気的活性化電界を提供し、その入力トランスデューサ−は、トランスデューサ−の結晶カットと配置に基づき、結晶中で波動伝播する電気入力を提供する。弾性波に変化をもたらす結晶上に生じた変化は、出力トランスデューサ−によって読み取られ、分析するためにプロセッサーへと送信される。

本発明は、弾性波プレートモードのための新しいアプリケーションについてさらに記載する。

1. バイオコーティングの方法
本発明は、弾性波センサーの製造に利用できる、全てのタイプの弾性波と全てのタイプ圧電材料二適応できる新しいバイオコーティングのプロセスについて記載している。一実施形態は、バルクモードにおけるそれらの使用を含んでおり、ここにおいて、IDTは、バイオフィルムが堆積された場所の反対側の圧電材料表面上に配置されている。適切な弾性波は、全てのバルクモード、弾性波プレートモードおよび横波型弾性表面波プレートモードを含むことができる。別の実施形態では、関連するバイオコーティングを、表面波および横波型弾性表面波モードの弾性波導波路として利用することが可能であり、これにより圧電面の反対側にIDTをバイオコーティングする必要がなくなる。

A. 直接コーティング：
このコーティングは、時間単位ではなく数秒または数分単位で実行される、簡単で迅速なコーティング化学反応を含み、このコーティングは、規模拡張可能で、連続的なインライン方式を使用して製造され、最小限のオペレータの介入で簡単に自動化され、不良品の数が少なく、そして少量の生成有害廃棄物を発生する。このコーティング方法は、中間層材料なしに、アンカー物質を圧電表面上に直接堆積する。

アビジンは、卵白（例えば、鳥類、爬虫類および両生類の卵から得た卵白）由来のタンパク質であり、多くの生化学反応に使用されてきた。アビジン群は、ニュートラアビジン、ストレプトアビジンおよびアビジンを含み、高い親和性および特異性をもってビオチンと結合する能力によって機能的に定義される全てのタンパク質である。アビジンは、例えば、ストレプトアビジン、およびニュートラアビジン（脱グリコシル化アビジン、Thermo Scientificより販売、www.thermoscientific.com）などの修飾アビジンといった細菌アビジンも含まれ得る。これらは、小さなオリゴマータンパク質であり、それぞれが4つ（または2つ）の同一のサブユニットから成り立っており、それぞれのサブユニットは、ビオチンのための単一の結合部位を有する。本発明において、バイオセンサーの表面に結合した場合、2つの部位は、圧電材料表面を向いているため、ビオチン結合のために利用することはできない。残りの2つの部位は、圧電材料の反対側に面しており、ビオチン結合のために利用可能である。ビオチンとアビジンの結合親和性は、非共有結合性ではあるが、それは不可逆的とみなすことができるほど高い。アビジンの解離定数（K_D）は、約10^-15Mで、既知の最強の非共有結合の1つとなっている。その四量体の形態において、アビジンの大きさは、66〜69 kDaであると推定されている。分子量の重量の10%は、4〜5個のマンノースおよび3個のN-アセチルグルコサミン残基から構成される炭水化物含量に起因する。アビジンの炭水化物部分は、構造と組成が類似している、少なくとも3つの固有のオリゴ糖構造タイプを含んでいる。

d-ビオチンまたはビタミンH、ビタミンB7および補酵素Rとして知られているビオチンは、アビジンの特異的結合パートナーである。これは、Sigma-Aldrichを含む複数の供給業者から市販されている。

本発明者らは、本明細書に記載の条件下で、全ての能動的な圧電材料を含む圧電材料上にアビジン等のアンカー物質を直接コーティングすることが可能になることを発見した。本発明者らは、このようなすべての能動的な圧電材料を含む圧電材料上にアビジン類、等のアンカー物質の直接コーティングは、本明細書に記載の条件下で得られることを発見し図1のパネルBおよびCに示されるように、一実施形態において、アビジンは、ニオブ酸リチウムチップ上に約3〜4ナノメートルの単層を形成する。原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、単一の、大部分が均一な単層が、「パンケーキ状に」化学吸着したアビジンについて予想された通り、測定された。AFMの測定は、徹底的な2時間のPBS中での洗浄、次いで蒸留水での洗浄を行い、そしてその後、ニュートラアビジンコーティングされたチップの撮像が行われた。パネルAは、結合されたニュートラアビジンを持たないチップのリアルタイムのトポグラフィーグラフを示している。パネルBは、1μmのナノインデントを有するアビジンコーティングされたチップ上の領域の10μmスキャンである。Z値は、チップ表面上のアビジンの上部から最も高いピークまでの距離として定義される。パネルCのトポグラフィーグラフから決定されるように、結晶と結合したアビジンで作られた典型的なインデントの深さは3.229nmであった。インデントの深さは3〜4nm程度の範囲であると測定された。典型的なニュートラアビジンの大きさは、5.6x5x4nmである。(Biophys J. 2008 April 1; 94(7):2706-2715. 2008年1月に、オンラインにて公表されている。10.1529/biophysj.107.119271, A Quantitative Determination of Size and Shape of Surface-bound DNA Using an Acoustic Wave Sensor, Tsortos, et al.PMCID:PMC2267124)。ニュートラアビジン層の深さを評価するために、インデントが1つの場所で作られ、再スキャンされる。そのインデントは、表面に結合したアビジンの深さを計算することを可能にすることを意味する。その単層の高さは、インデントの頂部からインデントの底までで測定される。コーティングされていないチップにおいては、インデントはいかなる深さの変化ももたらさない。両方のスキャンが10マイクロメートルの領域で行われる。

図2は、ニュートラアビジンコーティングされたニオブ酸リチウム結晶へのビオチン化抗デング抗体の取り込み方を示している。本発明の方法を用いて、アビジンは、ニオブ酸リチウムチップに結合され、次いで、0.05%BSA-PBS中で、4μg/mlのビオチン化抗デング抗体が、室温状態で30分間適用された。PBS中での徹底的な2時間の長時間の洗浄、そして蒸留水中でのすすぎの後、チップを蒸留水に浸漬し、AFMを用いて撮像した。パネルAは、抗体と結合したアビジン内の、ナノインデント領域の10μmのスキャンを示している。パネルBは、パネルAの4.6μm拡大部分である。パネルCのトポグラフィーグラフに示されているように、インデントは、深さが6〜9nmとして示されている。その深さは、9.269nmである。深さは、チップ上のアビジンの上から、「穴」の底、または、チップ自体の上部までを測定した。抗体1の寸法（14.2 nm×8.5 nm×3.8 nm）を考えると、インデントの深さは、抗体がアビジンと結合したことを示す。

特定の理論に限定されるものではないが、この結合の強さが、以下に説明する露光条件によって、結晶表面へのアンカー物質（例えば、アビジン）の強力な非共有結合を生じさせている。この結合が、結晶表面にリンクを形成する、アルギニン、システインおよびリジンのような、アビジン上の反応性アミノ酸の側鎖の一部を介して行われている可能性がある。圧電体の表面と結合を形成することができる他の側鎖は、非荷電および荷電した極性アミノ酸である（例えば、非荷電セリン、トレオニン、アスパラギン、グルタミン、チロシン、 荷電アスパラギン酸、グルタミン酸、アルギニン、ヒスチジン）。オリゴヌクレオチドまたはポリヌクレオチドが、アンカー物質として使用される場合、それらはイオン性または双極子部位を介して結合し、一旦それらが固定化されると、それらは、相補的なオリゴヌクレオチドまたはポリヌクレオチドで修飾され得る捕捉試薬に結合する。実際、分析物が核酸である場合、捕捉試薬は、ひとつの部分のアンカー試薬および他の部分での分析物を結合するハイブリッドオリゴヌクレオチドまたはポリヌクレオチドであり得る。

コーティング前に、プラズマ処理により、反応性の高い種の生成を経由して、結晶表面上の実質的にすべての有機汚染物質を除去する。結晶表面にアンカー物質を付着させるのに役立つと考えられる2つのメカニズムがある： プラズマ処理は、高い表面エネルギーを誘導し、これにより、結晶とアンカー物質間の良好な接触をもたらすため適用される流体/液体の良好な濡れ特性が得られ、これは、例えば、アミン、カルボキシルおよびヒドロキシルなどの官能基を表面に導入し、それによって、結合を介して界面接着を提供する。メカニズムにかかわらず、結晶表面上のアンカーのコーティングは、いくつかの実施形態で、中間コーティングなしに、そして、いかなる場合も湿式化学を必要とする共有結合なしに、達成される。このように形成された結合は、物理吸着よりもより粘り強い形の付着である化学吸着によるものであると考えられている。

さらに、結晶上のアンカー物質上の反応基と結晶上の反応種の間に生じる可能性のある結合が、すべてマルチポイントの相互作用に関与している可能性があると考えられ、この相互作用は弱いが、全体として作用して指数関数的に増大し、「ジッパー」や「面ファスナー」効果によって強力な結合になる。（これは、過酷な熱条件を除き、破断することが困難であるDNA鎖における塩基対の弱い結合にも見られる）。こういった過酷な条件は、この反応で利用される抗体が、検査の精度に有害な変性および/または立体構造的変化から保護する必要があるため、バイオセンサーには適用されない。

いくつかの実施形態では、アビジンのようなアンカー物質をセンサーにコーティングする前に、以下のステップが実行される。個々のチップは、圧電ウェハーから製造され、従来のマイクロリソグラフィーを使用している。カートリッジハウジングの下部内側のIDT側に取り付けることによって、IDTは、コーティングされたチップの反対側に固定され得る。その結晶表面は、まず、表面を洗浄して、全ての有機物質を取り除かなければならず、これには例えば、大気プラズマ生成ジェット流（Plasma Treat Co.）に曝露させることを含み得るプラズマ処理を用いる。あるいは、またはこれに加えて、紫外線オゾン処理を適用することができる。アンカー層（通常5〜10秒）であるアビジンは、薄く均一な液体膜やマイクロドットパターンを形成するために、適切な溶媒中で、噴霧または接触転写（例えばインクジェット法またはローラー塗布などの印刷に似たプロセスによって）により適用される。膜の中のアンカー物質の量は、単層を形成するために、計算されるべきである。もちろん、正確な量は、アンカー物質の選択と、圧電表面用の親和性があるかどうかに依存する。アンカー物質として、一般的に有用な範囲は、0.01 mg/ml〜5 mg/mlである。いくつかの実施形態では、0.01〜2 mg/ml が実行可能な範囲であることが見出されている。いくつかの実施形態は、さらに、0.01 mg/ml〜1.0 mg/mlの範囲に狭めている。次のステップは、第1の結合剤層としての安定したアビジンの層を得るために、加熱された空気の流れをつくり、急速に乾燥させることを含む。得られたセンサーは、特定の分析物を特異的に識別する任意の所望の捕捉試薬でさらに修飾でき、あるいは、既に分析物に曝露され結合している捕捉試薬と反応することが可能である、という意味で、包括的である。この包括的な状態で（好ましくはN₂ 大気中で）、必要になるまで密封して保存することができる。

一実施形態は、ニュートラアビジンを含むある試薬組成物を含む：水中の0.05〜5mg/mlを、薄層として、0.5x1cmの圧電材料表面あたり10μl未満の液体で適用される（0.5cm² あたり、約3〜10μlの液体、好ましくは、5〜10μl）。ビオチン化捕捉試薬は、従来のビオチン化試薬および関連する方法を用いて調製される（Invitrogen）。その置換度は、捕捉試薬（典型的にはIgG）あたり、一般的には3〜5個のビオチンであるが、核酸または他の任意のタンパク質捕捉試薬が、原理的には用いることができる。コーティング緩衝液中の濃度は、実施例において定義されているように、異なる標的抗原を捕捉するのに必要な固有の要件のために最適化されるが、そのような操作は当業者の技術の範囲内である。

ビオチン化捕捉試薬のためのコーティング緩衝液の例：0.01M PBS緩衝液（1〜10%トレハロースまたはスクロースおよび5〜10%精製グリセロールなどの糖も含み得る）。糖およびグリセロールは、保存料またはカプセル化剤として機能する。アジ化ナトリウム（0.01〜0.05%）が抗菌剤として添加されるが、代わりに、別のそのような薬剤を使用することができる。

図3は、蛍光顕微鏡で撮像したときの、ビオチン化蛍光ラテックスビーズ（FITCロード、1.1μm、Invitrogen製）の特異的結合の確認を示している。この確認では、0.25mg/mlのアビジンが、上記の方法を用いて、ニオブ酸リチウムに結合された。徹底的なPBSおよび脱イオン水での洗浄の後、1μl当たり10,000個のビーズを含む1μm容積FITCラベルのビオチンビーズ（Invitrogen）を、このチップに加え、RTで30分間インキュベートした。再度水で洗浄後、蛍光顕微鏡（200X）の下でチップを撮像した。パネルAの矢印は、非特異的（矢印参照）の結合のトレースであり、一方、パネルBの矢印は、ビーズの特異的結合の代表的なものである。結合されたビーズは、液流や、流れの応力に対して耐性があり（Tween 20を含む緩衝液で穏やかな洗浄を用い、数pNまで）、したがって、本発明のセンサー使用の目的のため、これらは、ニオブ酸塩面に固定された複数のアビジンに十分に安定的に結合している。

バイオセンサーのアビジンコーティングの安定性は驚くほど高く、これは、物理吸着よりも粘り強い化学吸着プロセスに起因している。物理吸着結合は容易に緩衝液および試薬で除去され、特に50^oC以上の高温で貯蔵される時は、熱損傷を受けやすいことが明らかになった。したがって、特定の目標物を捕捉および検出するための捕捉試薬と組み合わせて使用される場合、化学吸着プロセスが、改良された低コストのバイオセンサーを提供する。

したがって、本発明に記述されるコーティングプロセスは、急速に、アンカー物質の熱的に安定な単分子層を形成することができ、それによって、従来のバイオセンサーはまた、ビオチン化抗体を保有するのに比べ、潜在的により良好な長期安定性を持つ単純な低コストのプロセスを用いて、貯蔵可能な汎用のバイオセンサー用チップを提供する。このプロセスを用いて製造されたアビジンコーティングされたチップは、既に原子間力顕微鏡で検査されており、単一の、大部分が均一な3〜4ナノメートルの単層が観察された。図2Aを参照。

本発明はさらに、制御可能な表面密度を有する完全な単層コーティングを形成することを考察しており、ここにおいて、表面密度は、完全な単層のカーペットとして、バイオセンサー表面を占める分子の数として定義される。分子の駐在エリアは、分子当たり平方ナノメートルで与えられる。したがって、バイオセンサーの総表面積が既知である場合、既知の表面積のバイオセンサー表面上全体に堆積された分子の数を決定することができ、そして望ましい単層を得るために、コーティング溶液中のアンカー物質の濃度は調整できる。固定されたまたは未定着の単層または準単層は、多層構造より好ましいとされる。なぜなら、洗浄中またはそれらの捕捉試薬保持層において、多層構造は、より低い安定性を有するためである。これは、界面活性剤を含有する洗浄液（例えば、Tween 20またはサポニン）を使用する場合に特に関係する。

B. コーティングされたバイオセンサーの安定性：
一度コーティングされると、安定したアンカー層は、必要に応じて、ホルムアルデヒド蒸気のような可逆的な架橋剤で架橋させることによって、さらに安定化される。ただし、グリオキサールまたはグルタルアルデヒドのような他の相同二官能性架橋剤も利用可能であるが、架橋は、リン酸緩衝液（10%）に最長24時間露出させるか、または標準的な組織化学分野で行われるように、メタノール、イソプロパノールまたはアセトンで短時間溶媒固定することによって、達成される。過剰な架橋は、供給業者の指示に記載されている推奨時間および濃度に従うことによって回避され、これによって、アビジン上の2つまたは3つの残りの露出したビオチン結合部位は影響を受けない。所望により、その結合部位は、以前の可逆的に結合されたデスチオビオチン（Sigma）への露出による崩壊から保護することができ、これは次に、ビオチンまたはビオチン化捕捉試薬によって容易に置換されるこれはまた、ストレプトアビジンのような特定のアンカー物質のための最大70^oCの温度で数分間熱固定を行ってもよい。ストレプトアビジンは、最高80 ^oCで溶液中で安定であることがわかっている（Bang’s Labsによる）。

直接チップ上にコーティングされる場合、アビジンは、任意のビオチン化試薬を必要とされる感度を持って結合することができ、これは単分子層と同様で、より不安定な多層膜より優れている。本明細書または米国特許US20110053139号（参考として援用される）に記載されているように、シラン層と、より高いアビジン濃度で形成された場合、そのプロセスでは、現在のプロセスと同じ親和性ではアビジンに結合せず、バイオセンサーの使用中に洗い流される傾向がある。しかしながら、まだ利用できるビオチン結合部位の、一方または両方と反応する、大きなビオチン化抗体の結合後に続く、コーティング安定性を有する特異的試薬の付着を可能にするために、本発明の直接コーティングプロセスは、結合部位に十分なビオチンを提供する。洗浄の間、または加温時に、流体力からの流体力学的ストレスにさらされる場合も、これらの特性は維持されている。

図4に示すように、異なったタイプのアビジンがコーティングの際使用することが可能で、それらは非常に安定している。図4は、4℃で保存された1ヶ月の期間にわたって、ニオブ酸リチウムに結合したアビジンの光学密度を示している。そのチップは、本発明の方法に従って調製したものである。PBSで激しく洗浄した後、そのチップを滅菌したPBS中に浸漬し、最長1ヶ月、4℃の状態に置いて保存した。週１度、ポジティブコントロール（+アビジン）とネガティブコントロール（-アビジン）チップは、o-フェニルジアミン二塩酸塩錠（Sigma）を使用して、ビオチンホースラディッシュペルオキシダーゼアッセイで試験された。基質および停止反応溶液（硫酸2.5M）を添加した後に、図4のO.D.が、Bio-Tek Synergy HTプレートリーダーを使って読み取られた。O.D.は、チップへのアビジンの結合が、最初に結合した時と同じくらい優勢であることを示している。

汎用アビジンバイオセンサー（別名バイオセンサー構成要素）の固定化された状態での、優れた熱安定性は、冷蔵保管に簡単にアクセスできない熱帯気候で使用される任意のPOC試験において重要である。一般的なアビジンバイオセンサーは、このように、保護コーティングを必要としないが、好ましくは窒素雰囲気下で、封をしたまま保存する必要がある。使い捨てで即利用のできる検体処理チューブの中の安定化したガラス状態で、標的とする特異抗体製剤の安定化は、不安定な酵素の室温貯蔵のためにうまく使用されているPAFRA TMプロセス（特許US5098893号およびEP0223221号）によって達成される。例えば糖、グリセリン等の保存剤を含有するコーティング緩衝液を、使用することができる。

C. 間接的なコーティング方法
直接結晶表面をコーティングすることに加えて、本明細書に記載された方法は、結晶表面をコーティングするための、従来技術のプレコーティング（限定されないが）を含む他の材料上に、アビジンをコーティングするのに使用できる。より広い適応も可能である。例えば、直接アビジン被覆の磁気粒子、またはラテックス粒子、あるいは、現在複数のステップで行われる、ラテラルフロー膜などを作ることである。ケイ酸ナトリウム、または二酸化ケイ素は、多くの場合、弾性波導波路として、横波型弾性表面波を保護するために、表面をコーティングするのに使用される。本発明のアビジンの結合方法は、二酸化ケイ素またはガラス表面によく結合し、これによって、導波管面上に重畳することができる。さらに、US 2011/0053139号に教示されるように、そのプロセスは、結合とシリカ導波路層の両方により、酸とシリカNav層に変換される不可逆ガラス質層において、アビジンを捕捉する際に適用される。他の実施形態では、例えば、銀（表面に結合して黒くなる）、銅、金、または、鉄などの結晶表面上に被覆された金属イオンは、本明細書に開示されるプロセスのための間接的なコーティングのための基質を提供することができる。銀または金の塩も結合して、表面結合チオールおよびジスルフィドのタンパク質（IgG、およびアビジンなど）を形成している。

アビジンは、ケイ酸ナトリウム溶液を用いて、ニオブ酸リチウム結晶を接触させることによって、圧電材料の表面に堆積されたシリカ（SiO2）コーティング上に、コーティングされた。アビジンは次に、直接結合について上述したように、シリカ被覆に結合された。

図5に示されるように、本明細書に記載された方法を用いて、アビジンは、SiO2に結合して、ニオブ酸リチウムをコーティングする。徹底的なPBS洗浄およびブロッキング工程の後、ビオチンHRPは、チップに添加され、RTで45分間インキュベートされた。HRP酵素の色変化を誘導するために、基質が添加され、20分間おいて、その後、停止液が加えられた。図5のパネルAにおいて、吸収（O.D.）が490nmで測定された。二酸化ケイ素に結合したアビジンのO.D.は、左の列に示されており、アビジンなしの二酸化ケイ素については、右側に表示されている。正（1.6）から負（0.2）を引くと、O.D.の値は1.4であり、アビジンにとって、良好な結合であると考察される。（図5、パネルBは、アビジンの結合をニュートラアビジンと比較している。）アビジンとニュートラアビジンの両方がほぼ同じO.D.を示している。しかしながら、この実験において、アビジンおよびニュートラアビジンは、圧電表面上に直接コーティングされた。パネルBは、負の測定を差し引いた後の、2つの正アビジンの測定値の平均値を提示している。

D. コーティングされたバイオセンサーへの分析物の結合
いくつかの実施形態では、結晶表面上に結合したアビジンは、目的の分析物を結合するための活性化を必要とする。活性化には、抗体などのビオチン化結合剤が含まれており、その目的の分析物抗原に特異的である。その抗体または他の薬剤は、アビジン被覆チップに固定する前に、ビオチン化される。抗体は、アビジン基質に固定された後、またはそれより前に、分析物抗原に結合することができる。分析物ビオチン化抗体複合体が、センサーの外側に形成され、次いで複合体がセンサーと接触させることができ、それによって、抗体上のビオチンがアビジン被覆チップに結合する。2つの方法のどちらが好ましいかは、分析物とそのサンプル処理のプロセスに依存している。両方の方法は、本発明の範囲内にある。チップ表面でアビジンに結合している、特定の抗体でコーティングされた表面の分析は、6〜9nmの深さであることが測定された。再度、AFMを用いた際、実際に抗体はアビジン層に結合していることを示した。（図2参照）

抗原特異的なビオチン化された捕捉試薬は、スクロース、トレハロース、グリセロールなどの（これらに限定されない）、該技術分野で公知のタンパク質安定剤を含有する、非乾燥媒体において、結合と過剰な遊離ビオチン化試薬からなる、第2の層を形成するために適用される。多くの薬剤は、ビオチン化することができ、その中で最も一般的に使用されるのはビオチン化抗体であり、関心のある分析物を特異的に識別する。タンパク質捕捉試薬は、化学的または酵素的にビオチン化することができる。化学ビオチン化は、アミン、カルボキシレート、スルフヒドリルおよび炭水化物の非特異的ビオチン化を得るために、様々な既知の結合化学を利用している。また、N-ヒドロキシスクシンイミド（NHS）カップリングは、タンパク質中の任意の第一級アミンのビオチン化を与えることが理解されている。酵素ビオチン化は、ある一定の順番において、細菌ビオチンリガーゼによる特定のリジンのビオチン化をもたらす。ほとんどの化学ビオチン化試薬は、ビオチンの吉草酸側鎖にリンカーを介して結合している反応基で構成されている。ビオチン化酵素は、ほとんどの場合、そのN末端、C末端または、末端AviTagまたは、アクセプターペプチド（AP）と呼ばれる、15個のアミノ酸ペプチドの内部ループにおいて、目的のタンパク質を結合させることにより行われる。これらのビオチン化の技術が知られている。

その捕捉試薬は、抗体またはアプタマー、あるいは特異的リガンド、あるいは、以下の任意のものから形成される受容体であり得る： ビオチン化オリゴヌクレオチド、ヌクレオチド、核酸、（Pon, Richard T. (1991). "A long chain biotin phosphoramidite reagent for the automated synthesis of 5′-biotinylated oligonucleotides". Tetrahedron Letters 32 (14): 1715-8）、タンパク質、ペプチド、および抗体（IgA、IgG、IgM、IgEを含む）、酵素、酵素補因子、酵素阻害剤、膜受容体、キナーゼ、プロテインA、ポリU、ポリA、ポリリジン受容体、多糖類、キレート化剤、炭水化物、糖。

一度結合した後、不乾性ゲル層中の抗体のような結合したタンパク質性結合剤の長期安定性を保証する、保護的および安定化ゲルを形成する塗布液からの水の部分的な除去を行うために、捕捉試薬を瞬間的に加熱した空気にさらす。それによって、本質的に、完全に時間依存の結合した、第二の抗原特異的結合剤層の形成を可能にする。これらのガラス状の層は、シリカの乾燥剤ペレットの存在下で保存のため、カートリッジのポーチ内側でモレキュラーシーブの分子を必要に応じて脱水させる。カートリッジの上部チャンバーは、流体区画を形成するために封止されている。チャンバーを有するカートリッジは、プラスチック製の収納袋の内部に、好ましくはN₂ 雰囲気中で封入されている。

アンカー物質（アビジン）とビオチン化捕捉試薬との間の結合は、チップ上に形成する第2の捕捉試薬層を生じる。使用前に、保護ゲル層中の、残留未結合ビオチン化捕捉試薬および他の成分は、分析緩衝液で、単純なフラッシュをすることによって、あるいは、分析的手順の間に、試料流体を利用して、簡単に除去することができる。図6および図7に示すように、これらのセンサーは、抗原を検出することが実証されている。捕捉試薬がある抗体である場合には、0.025〜25μg/ml（例であり、これに限定されない）の範囲の量で適用することができる。

E. 分析物の結合と、バイオセンサーを用いた疾患検出
本発明によると、特異的に対象の分析物に特異的に結合する捕捉剤を含有する、適切で正しいバイオフィルムコーティングが備わった時に、バイオセンサーは、種々の薬剤および生化学的マーカーを検出するために、容易に大量製造することができる。この統合されたバイオセンサーの使用例としては、ヒトおよび動物の診断が含まれる。分析物とは、感染因子の任意の物質、また、感染因子の中に発見される任意の物質、または、感染因子によって生成され、検出に使用することができる物質であると定義され、これには、オリゴヌクレオチド、核酸、タンパク質、ペプチド、病原体断片、溶解した病原体、および抗体（IgA、IgG、IgM、IgE）、酵素、酵素補因子、酵素阻害剤、毒素、膜受容体、キナーゼ、プロテインA、ポリU、ポリA、ポリリシン、多糖類、およびキレート剤が挙げられるがこれらに限定されない。D抗原-抗体相互作用の検出は、以前に記載されている（米国特許第4236893号、同第4242096号、および同第4314821号、これらは全体が本明細書中に参考として明示的に組み込まれる）。また、細胞全体（原核生物（病原性バクテリアなど）、真核生物細胞（哺乳類の腫瘍細胞を含む））、ウイルス（レトロウイルス、ヘルペス・ウイルス、アデノウイルス、レンチウイルスなどを含む）、真菌、寄生虫および胞子、感染因子の表現型バリエーション（例えば、血清型）の検出における応用は、本発明の範囲内である。

F. 圧電材料の種類
多くの圧電材料は、制限なしに、本発明での使用に適している。また、弾性表面波（SAW）、バルク弾性波（BAW）モードのいずれかにおける弾性表面波の伝搬のために、特に適している多様な結晶方位で、市販されている全てのサイズの研磨されたウェハーが、制限なく含まれる。それは結晶両面に研磨することが好ましいが、単一の研磨された材料はまた、ある用途に適している。変化する結晶方位は全て、本発明の範囲内に包含される。また、適切なものとされるのはランガサイト結晶である。例としては、限定されるものではないが、マグネシウムニオブ酸鉛/チタン酸鉛（PMN-PT）、ジルコン酸鉛、ニオブ酸/チタン酸鉛（PZN-PT）、ニオブ酸リチウム（LiNbO₃）、ドーパントを有するニオブ酸リチウム、四ホウ酸リチウム（Li2B4O₇）、タンタル酸リチウム、石英である。チタン酸バリウム（BaTiO₃）は、室温用途のための、圧電性結晶の非鉛源でもある。

本発明で使用することができる他の結晶の例としては、次のものが挙げられる： ベルリナイト（漏洩弾性表面波）、ガリウムオルトリン（レイリー）、ニオブ酸カリウム（SAWとBAW候補）、バリウムジルコニウム、ランタンカルシウムオキシボレート（将来、SAWの可能な）、ランガサイト結晶（ランタンガリウムケイ酸塩など）、セラミックペロブスカイト造のようなセラミック（KNbO3、Ba2NaNb5O5、SrTiO3、Pb2KNb5O15、ビスマスフェライト、NaxWO）、ジルコン酸チタン酸鉛（共鳴器またはトランスデューサ−用）、硫化カドミウム（通常、光レジスターセンサー）、酸化亜鉛（OH基の反応性のためのフィルムとして適用可能であり得る）、ガリウム砒素、ビスマスおよび酸化ゲルマニウム（光学/絶縁体）、窒化アルミニウム（ピエゾフィルムとして）、およびポリフッ化ビニリデン（PVDF膜）。

また、多結晶素子を使用することができる。特に、それらは様々な目的のために、複数の方向に波を伝播するのに適切であろう。また、圧電体膜は、サンドイッチ形式で非圧電材料に結合することができるので、そのような構成概念は、アプリオリではなく、発明から除外されている。

2. 弾性波センサー
圧電結晶共振器では、弾性波が結晶のバルク内（すなわちバルクモード）または結晶の表面上を移動し、この両方とも、いくつかの形態で発見されている。バルク弾性波（「BAW」）は、液晶媒体を通って移動し、一般的に使用されるBAWデバイスは、厚みすべりモード（TSM）、弾性波プレートモード（APM）、および剪断水平プレートモード（SH-APM）がある。一般的に使用されるSAWデバイスは、剪断水平表面弾性波（SH-SAW）、表面横波（STW）とラブ・ウェーブ（LW）が含まれる。バイオセンサーにおいては、これらの波が減衰されるべきではなく、さもなければ、必要な感度で生体液中の分析物を検出する能力を失う。波型に関係なく、あまり波を減衰させることなく質量変化の結合を維持することは、センサーの開発をする際、重要な問題である。本発明では、すべてのこれらの波モードを考慮しながら、最終的なモード選択をする際、流体と接触した時に波を減衰させることのない生物学的な質量変化に関して、非常に敏感である必要がある。そのセンサーの構成も、この目標を達成するのに重要である。このように、本発明のセンサーの構造とそれぞれに使用される電波の性質は、最適化の対象となっている。

バルク波は結晶材料を通過するので、それらは、バイオセンサーとしての感度が低いと考えられた。バルク波の感度は、本発明によって提供されるような、単純で一貫したバイオコーティングで保持される必要がある。なぜなら、生成されたバルク波から結合質量がさらに除外される時、質量と周波数間の相関性が失われたり、弱くなる時に、感度が失われるためである。このように、バルク波は、本発明に係るアンカー物質コーティングと共に使用することができる。

また、バイオコーティングは適用が容易で、各デバイス間で一貫している必要がある。さもないと、デバイス間の変動により、医療現場で使用することが困難になるであろう。なぜなら、医療現場では、デバイスの感度による診断と診断精度に基づいて治療が行われるからである（特異性は主に特定の捕捉試薬に依存している）。また、選ばれたバイオコーティングは、一貫してかつ再現性良く捕捉試薬を結合する必要がある。さもなければ、変動によって、間違った、または、不正確な診断に至る（一貫して均一なコーティング層を提供せず、一貫性の強さでタンパク質を結合しなかった、シラン、ハイドロゲルまたはポリマーコーティングを含む先行技術の装置の場合と同様）。

表面で形成された波は、質量の変化により敏感であるが、STWなどのような、従来のSAWデバイスは、多くの場合、生物学的流体には適していない。なぜなら、それらは、かなりの深さまでの生体液に浸透するので、それによって波を減衰させてしまうからである。SH-SAWは、波が水平偏波されるので、より良好なバイオセンサーを提供する。しかし、それらは導波路によって保護される必要がある。

本発明は、バイオセンサーとしての様々な種類の表面弾性波の使用を取り巻く問題の多くを克服する。これは、いくつかの実施形態で、説明した弾性波プレートモード（APM）電波を利用する新規圧電バイオセンサー構成の使用を介して行われる、しかし、本明細書に記載されるように、他の実施形態では、例えばSH-SHEARなどの代替の波形を使用することができる。その結果、水性流体中の生物学的試料の分析のための、迅速で費用対効果の高いシステムとなる。いくつかの実施形態では、これは部分的には達成された。流体に接触のある圧電基板の表面（または部分）と、2つのIDT要素が接触している反対側の表面または圧電性結晶の単離された部分の間に、流体不浸透性バリアを設けることによって達成されている。バリアは、流体が閉じ込められた漏れ防止チャンバーの形態にすることができる。装置の使用時には、圧電媒体の一部分、流体試料と接触し、チャンバーの壁の一面を形成する。その結果は、水性生物学的流体中の標的実体の検出に適した、単純に統合されたバイオセンサーである。

この新しいバイオセンサーはまた、本発明に従った新規な直接コーティングを持つバイオチップを含む。または、上述したように、中間層の重畳との間接的コーティングを担持することができる。本発明の特定の実施形態では、したがって、バイオフィルムと専用APMモード圧電バイオセンサーが、POC診断装置とのプラットフォームの分析成分を形成する集積チップである。そして、その分析成分は、本発明に従って記載されている。

いくつかの実施形態において、本発明は、バイオコーティングプロセスで新しい化学物質が組み込まれており、表面上に配置され、ターゲットエンティティの分子検出のための捕捉試薬に隣接された、IDTから生成された弾性波プレートモード波を利用した新たな圧電バイオセンサーの構成を得るために、圧電センサーを改良する。APMは、IDTの平面に沿ったレイリー波として旅する横方向の妨害波から、分離または保護されている。他の特定の実施形態において、本発明は、感知面を含む流体チャンバーの両側に位置する絶縁膜中のIDTの電気的接続等のシールド電気コンポーネントを有するバイオセンサーの設計を組み込んでいる。感知面は、具体的には、流体試料中の目標物を捕捉するように設計された標的特異的捕捉試薬を含む固定化試薬の1つ以上の層でコーティングされる非絶縁領域を含んでいる。生物学的流体サンプルの体積は、感知面に付着した流体区画の寸法によって決定される。結合した標的エンティティから生成されたAPM信号の波形の乱れは、例えば敏感な商業的なシグナル・アナライザー（例えば、ネットワーク・アナライザー、Agilent製）によって検出される。

本発明は、圧電バイオセンサーにAPMを組み込むことによって、商業的または実験的バイオセンサーにおいて使用される従来技術を改良する。そこでは、APMは、案内をする層または導波路を必要とすることなく、圧電面の反対側の周波数変化に対して高感度で応答することができる。本発明はさらに、米国特許公開出願第2011/0136262号（参照により組み込まれる）に記述されているように、捕捉層の使用を考慮しており、さらに、感染因子および生物学的サンプル中の派生毒素またはタンパク質の迅速な検出における、対象イベントの多重化された分析のためのマイクロチャネルを利用している他のものも、考慮している。

本発明のいくつかのバイオセンサーの実施形態は、このようにいくつかの点で従来のSH-SAWベースのセンサーに似せることができる。 よって、例えば、いくつかの実施形態において、本発明のバイオセンサーはまた、例えば、ニオブ酸、石英、シリカまたはタンタル系（本明細書で提供される他の材料の選択の中で特に）であり得る圧電表面を使用し、順に堆積された多数の下位層によって典型的に形成された標的特異性結合層と同じ圧電表面にある入力・出力IDTを設定し、流体検体からの標的分子を捕捉し、その結合標的を、結合質量による波の性質の変化として検出する。これらの先行技術のセンサーに基づいて、本発明のバイオセンサーは、以下に説明するようにアンカーコーティングを塗布する非常に単純な方法を採用する。

しかし、他の実施形態では、先行技術において報告されたSAWバイオセンサーから、追加的な重要な点で異なる。それは、弾性波が反対側に生成され、結晶の物質が横断している一方で、結合したターゲットが配置されている、ピエゾ表面に沿って、裸のまたは非絶縁領域を利用していることである。表面上の分子を検出するために、レイリー波を使用する代わりに、APM（バルクまたはプレートモード波）が、液相中の結合した分子を感知するために反対側に使用される。レイリー波と異なり、APMは、液体で動作し、反対側の面に変化を検出することができる。実験結果によれば、APMは、IF範囲で高いQ係数（>1000）を有する。高いQファクターは、より高い感度、より多くの周波数の変化をもたらす。

本発明のいくつかの実施形態では、このようにAPMモードを使用する。図10は、または本発明に適用するための、128^o YX-カット、または、ZカットLiNbO3基板上のレイリー波と、APMのための理論的なモデルを示す。その感知領域は、生物学的サンプルが試験され、圧電基板の上部に配置される、流体チャンバーに相当する。上部表面に結合した分析物を検出するために、波が底部で生成され、圧電媒体を通って移動し、（表面に直接貼り付いたアビジン分子を介して）、捕捉された分析物の余分な質量に遭遇すると、波の周波数は変更する。図10に記載されているように、128^o YX-カットまたはZカットのいずれかが、他のカットが同一または日常的な実験によって、同じ、または、ほぼ同じ感度を提供するように最適化することができる本発明において考慮される。さらなる実施形態は、Andle, J.C. et al, Sensors and Actuators B 24-25 (1995) 129-133: “Selective acoustic plate mode DNA sensor.”に記載されているように、APMのためのZXカットが組み込まれている。

別の実施形態では、SAW波が128^o YX-カットLiNbO3基板の反対側に結合する分子を検出するために使用される。結合された分子量は、SAWに干渉しその反射を変更させる。周波数の変化は、このような高調波の中心周波数のシフトの測定など、複数の方法で測定することができる。

バイオセンサーのための2つの実施形態は、図11のパネルAおよび図11パネルBに概略的に示されている。パネルAは、バイオーカートリッジまたはハウジング（10）の接触点（1）を有する。例えば、ニオブ酸リチウムのようなAPM波を生成することが可能な圧電基板が、好ましい材料でいくつかの適切な選択肢である。いくつかの実施形態では128^o YX-カットまたは Z カットニオブ酸リチウム（ニオブ酸リチウム）である。そのバイオチップは、さらに、官能基化裸の結晶の表面の絶縁された領域内の、IDT波発生器（2）、IDT波受信器（3）および他の電気部品として、指組み構造トランスデューサー（IDT）を含む。その絶縁体は、例えば、公知の高分子絶縁膜を構成することができる。目標物または分析物を含む生物学的流体サンプルは、任意のフィルター（6）を介して予備濾過した後、入口ポート（5）を通って流体チャンバー（4）に入る。捕捉試薬（7）は、官能化表面の非絶縁領域に固定されている。受容体（7）への抗原（8）の結合は、IDT波発生器（2）から流体室を横切って、APM波の流れに乱れをきたす。それらは、変更されたAPM波（変更は、周波数に反映されている）として反対側にあるIDTの波受信機（3）によって検出される。流体入口ポートの流体フィルター（6）は、より大きな非標的粒子による、存在的電位非特異結合（NSB）を除外するために、任意により必要とされる。次に、流体は出口ポート（9）を通ってチャンバーを出る。IDTは反対側の表面上にあるという事実は、図10に示されており、理論的であるが、構成を示している。

図11パネルBは、複数のチャネル（分析物チャネル15、正のコントロールチャネル16、および参照チャネル17）を持つ、本発明によってコーティングされたバイオセンサーを示す図である。図11の要素（1-6）は、図10の（1-6）に対応している。（7）は、出口ポート、（8）は、出力コネクターであり、（9）は、入力コネクター10は、結晶基板である。

3. 複数配列装置
本発明のさらなる実施形態は、様々な波モードと拡張機能を利用している、単一のセンサーや複数のセンサーを含む、唯一の使い捨てカートリッジシステムの製造である。各カートリッジは、最小、あるセンサー、センサーをプセル化するシステム、そして、流体カートリッジ内の流体を処理するためのシステムを最低でも搭載している。センサーの利用は、リーダシステムを使った直接有線接触または無線モードを介してのいずれであってもよい。

最も単純な実施形態では、各センサーが、圧電基板および/または生物学的エレメントに適用される電子素子を組み込んでいる。図11のパネルAは、弾性波プレートモード（APMモード）で使用するための単一の遅延線構造を有するセンサーの一実施形態を示す。APMモードでは、電子素子とは、生物学的流体エレメントが接触面に対する基板の反対側に適用される。（例えば、SAWまたはSH-SAWのような）他の波モードでは、これらの要素は、または導波管の添加の有無にかかわらず、生物学的および流体素子として、基板の同じ側に配置されてもよい。APM波を生成することができる圧電基板は、この実施形態の範囲内に包含される。一例は、１28^o YX-カットまたはZカットニオブ酸リチウム（ニオブ酸リチウム）である材料である。他の実施形態は、SH剪断波を組み込んでいる。導波路は、典型的にはポリマーから構成されているが、組み合わせてまたは単独重合体または、金属の組み合わせまたは単体を介して行われてもよい。遅延線は、接点（1）と指組み構造トランスデューサ（2）と（3）を内蔵している。もし、無線システムが回路を調べるために使用される場合、接触点（1）は、必要とされなくてもよい。指組み構造トランスデューサ（IDT）はIDT波発生器（2）とIDT波受信器（3）を含む各セットと一致ペア（または複数のマッチされたペア）において具体化される。ある実施形態では、発電機および受信機は、同じであってもよい。組み込まれることが考慮される他の要素としては、限定されてはいないが、反射器、増幅器、追加の根拠、吸収剤または公知の高分子絶縁膜からなる絶縁体の使用がある。

センサーの非電子素子は図11のパネルAに示されている。流体カートリッジは流体チャンバー（4）、入口ポート（5）、および任意のインラインフィルター（6）を含有している。目標物または分析物を含む生物学的流体サンプルは、任意のインラインフィルター（6）を介して濾過した後、入口ポート（5）を通って流体チャンバー（4）に入る。流体チャンバ（4）は、電子機器と同じ側（SH -SAWモードの場合のように）または（APMモードセンサーとして使用するために）反対側にあってもよい。流体チャンバ（4）は、生物学的流体サンプルが基板（バイオフィルムがある、なし、または他の修正なしのいずれか）と接触する予め定義された領域である。捕捉試薬（7）は、または絶縁されていてもいなくてもよい流体チャンバー（4）の領域によって定義されるように、圧電基板表面の領域に固定される。受容体（7）への抗原（８）の結合は、IDT波発生器（2）から流体室を横切って、APM波の流れに乱れをきたす。それらは、変更されたAPM波（変更は、周波数に反映されている）として反対側にあるIDTの波受信機（3）によって検出される。流体入口ポートの流体フィルター（6）は、より大きな非標的粒子による、存在的電位非特異結合（NSB）を除外するために、任意により必要とされる。次に、流体は、出口ポート（9）を通ってチャンバーから廃棄物容器へと出る。

図11パネルBは、並列構成中の3つの遅延ライン（能動遅延線、正の制御遅延線と基準遅延ライン）とAPMモードセンサーの実施形態を示している。この構造は、複数配列の単一の使い捨てシステムを構成する付加的な遅延線または複数のセンサーを設定するため、単一の感染性素子または状態を診断し、感染または疾患のレベルを定量化し、または、密接に関連する疾患と類似した徴候学を持つ疾患、または、性感染症のパネルのような頻繁におきる同時感染症かを区別するために、拡張することができる。複数の遅延線または複数のセンサーを有するセンサーも隣接して、千鳥状構成で、または、放射状構成で配置することができる。

実施例1：ニュートラアビジンとビオチン化抗体を保有するバイオセンサーチップのコーティングのための手動プロセス：
これらの方法の全ては、実際に行われている。
a. 固定なしのコーティング：プラズマ発生装置（例えば、Plasma Treat USA、イリノイ州）を用いて、大気圧で約1〜10秒間、LiNbO3の表面を清掃し活性化させる。次に、0.5mg/mlの濃度のアビジンで、PBS中50%グリセロールを含む溶液中のアビジンをインクジェットすることによって、アビジンを適用する。その後、50^oCでヒートガンからの温風を用い短時間乾燥させるか、または、約30分間室温で乾燥させて、表面にアビジンを結合させる。これで、バイオセンサーは、現在使用できる状態、またはパッケージングの準備ができた状態となる。
任意選択的に、ニュートラアビジンの堆積は定着工程へと続く。

b. 熱定着とコーティング：実施例1aに記載されたようにニュートラアビジンをインクジェットで塗布する。ニュートラアビジンは、最大30分間、赤外線加熱ランプで約30〜50℃に加熱することにより圧電基板に固定してもよい。

c. 溶剤固定でのコーティング：実施例1aで作られたバイオセンサーの被覆された領域は、ヒートガンで乾燥させた。そして、100%イソプロパノールまたはアセトンで飽和した空気流（溶媒に通気することにより作られた）に約15秒間曝露させた。次に、N2ガスの流れに短時間曝露させた。

d. 蒸気によるコーティング：例のように、固定化されたニュートラアビジン。例1aは、加熱乾燥することにより固定し、続いて、ホルムアルデヒド飽和空気流（10%のホルムアルデヒド溶液に空気を通して作られた）に曝露された。そして、乾燥したニュートラアビジン層に約15秒間曝露させ、続いてN₂ガスに約15秒曝露させた。

e. チップ上のアビジンコーティングにビオチン化抗体を取り付ける。特定の分析物に対する選択された抗体は、市販のキット（例えば、Innova Bioscience やFisher Scientific）を用いてビオチン化されている。ビオチン化抗体は、0.05% BSA/PBS緩衝液を用いて所望の濃度に希釈する。この抗体調製物は、製造業者の仕様書で提供される抗体の既知の親和性に基づいて、15〜60分間、室温で固定したアビジンチップ上でインキュベートされる。

実施例2：自動化されたコーティングプロセス
a. ニュートラアビジン・バイオセンサーのための自動化された直接コーティングモード：
いくつかの実施形態のオンライン製造は、バイオセンサー・ハウジングの下部に固定された圧電結晶上にニュートラアビジンコーティングを堆積させ、次いで、コンベヤーベルトに取り付けることを伴う。プラズマ処理後、センサーは、ニュートラアビジンのインクジェットステーションに移動され、0.5センチメートル平方面積当たりの重量で、0.01〜5.0mg/ml、または0.01〜2.0 mg/ml、または0.01〜1.0 mg/mlのニュートラアビジンを含む流体5〜10μlで被覆される。ヒートガンからの熱（50^oC程度）を短時間曝露することによって、流体は蒸発し、ニュートラアビジンは、バイオセンサー上に固定される。ハウジングの上カバーは、その後、バイオセンサーカートリッジの漏れ防止の流体チャンバーを形成するように固定されている。

b. ビオチン化抗体を有するコーティングされたニュートラアビジンのための自動化コーティングモード：
上記2a同様のインクジェット方式を使用して、室温で、0.01M PBS -0.1% BSA、pH7.4、1〜10%トレハロース、1〜5%グリセロール、0.05%アジ化ナトリウムの非乾燥安定化ゲルマトリックス中の適切な希釈度に希釈したビオチン化抗体をコーティングする。続いて、約1分間のヒートガンからの暖かい空気によって部分的に蒸発させる。バイオセンサー上のゲルコーティングは、表面上に残され、プラスチックパウチの中でその後保管される間に、固定化されたニュートラアビジンとの反応が完了する。

c. ビオチン化オリゴヌクレオチドを保有するコーティングされたアビジンのための自動コーティングモード：
実施例2bの工程が行われるが、代わりに、ビオチン化オリゴヌクレオチドのゲルマトリックス中に希釈される。

d. 組み立てと包装：a、bまたはcの段階における塗布工程後、カートリッジハウジングの上部が、チップの裏面上の電子部品から完全に分離された流体チャンバーを形成するように取り付けられている。
本実施例の自動化されたコーティングプロセスは、従来のタイプのセンサー（すなわち、中間コーティングを有するもの）の上、ならびに、中間酸化物コーティングが実施の形態に係る単純な二段階プロセスで適用されているセンサー上でも実施できる。

実施例 3:バイオセンサー上で検出されたChlamydia trachomatis。
実験は、女性と男性の両方で性感染症の原因となる偏性細胞内細菌C.trachomatisを用いて実施した。アビジンおよび抗体をコーティングするために使用される手順は、実施例1に記載されている。使用した抗体は、ビオチン化したC. trachomatis（Abcam）の主要な外膜（MOMP）に対するモノクローナル抗体であり、0.25μg/mlで使用された。C.trachomatisはMicrobiaから入手し、1ml当たり10⁵の濃度のPBS/緩衝液に懸濁し、同様の実験では、モノクローナル抗体は、C.trachomatis素体のリポ多糖（Medix）に対して実施された。一定分量の基本小体（EB）、10⁵EBと0.25μg/mlのビオチン化抗EB LPSが、30分間インキュベートされた後、チップに添加された。図6および7は、これらの特定の感染性抗原を用いて行った実験の結果を示す。図6に、ニュートラアビジンに結合した抗体と結合したC. trachomatis素体をもつAMTチップを撮影した蛍光顕微鏡用スライドの黒と白のトレーシングの一連を示している。セクションAはネガティブコントロール（アビジンのみで、抗体を持たないチップ）の図を描いており、現れたエージェントは、セクションBの核酸DAPI、およびセクションCの反-反トラコーマ症抗体FITC標識抗である。この実験によって、チップ上の細胞物質の存在を確認され、抗原は固定化抗体に結合し、結果、あるアビジンアンカーと結合したことを示している。

図7は、時間に沿った周波数をプロットしたもので、抗クラミジアに対するクラミジアの結合の周波数シフトを示している。チップは、実施例1に記載されたように、アビジンを用いて調製され、上記のようにカートリッジに組み立てられた。2回の1時間（1×）PBSベースライン測定は、チップの安定性を確保するために行った。周波数の段階的な傾斜は、流体中の温度変化に起因する。これは、最終的には30分後（図示せず）に落ち着くであろう。抗体-抗原混合物を室温で30分間インキュベートし、次いで、第3のセグメントのチップに1時間添加した。第4のセグメントは、チップが激しくPBSで洗浄した後に読み取られる。周波数シフトは、ベースライン1から、223.66ヘルツの値を得ている最終洗浄を減算して読み取られるので、EBがチップに結合したことを示す。

そのセンサーは、模式的に図11に記載された構成を使用したが、単一のチャネルしか持たず、上部、入口と出口ポート上の接触点において露出し、センサーのまわりで形適したカートリッジを作製するために、アクリル系の複数の層と、接着性と透明シートのいくつかの層を用いて組み立てられた。実験は、Agilent HP8753E信号アナライザーを用いて行った。この実験において、800メガヘルツの周波数シフトが、抗体投与後のベースライン緩衝液と最終的のクラミジア抗原の間で観察された。周波数シフトは、抗原が弾性波プレートモードセンサーの周波数の変化に責任があったことを示し、最後の洗浄にもかかわらず残っていた。

実施例4：バイオセンサーで検出されたデング熱ウイルス
アビジンと抗体を覆うのに用いられる手順は、例1で記述される。図8は、PBS緩衝液に懸濁した場合に、デング熱ウイルスを用いて行った実験のための周波数の変化を示す。デング熱ウイルスは、デング熱の原因となるあるフラビウイルスであり、毎年約100万人に影響を与えている。これは、都市部の住宅にいる蚊、Aedipus egyptiiによって伝染される。4つの血清型が知られているが、一種の血清型のみが時間内のいずれの点でも感染症を引き起こす。血清型は、数年の間に変更することができる。血清型2は、現在知られている最も一般的な血清型である。デングウイルスのための実験は、0.05%のBSA-PBS中で4μg/mlの2抗体（Feldan）の血清型２に対するモノクローナルエンベロープタンパク質を用いて、室温で30分間インキュベートされた。PBS洗浄によって、過剰の抗体を除去した。デング2型抗原は、Microbixから入手した。ウイルスは、市販のストック（これは急性感染条件下での人間のウイルス血症の程度に似ている）の標準（1X）、PBS/緩衝液（1mlあたり10⁴ または8μg/ml）を濃縮したものに懸濁した。弾性波プレートモードセンサーおよび波発生器は、実施例3と同様とした。抗体調製物の適用および付着して、デングウイルス抗原を塗布した後、500メガヘルツの周波数のシフトが、ベースライン緩衝液（対照）とセンサーとの間に観察された。最後の洗浄にもかかわらず、周波数のシフトは、残っており、抗原が弾性波プレートモードセンサーの周波数の変化に責任があったことを示した。その結果は、時間に対するピーク周波数のプロットである、図8に示されるように、周波数シフトを実証する 。2つのPBS（1×）ベースライン測定は、チップの安定性を、1時間ごとに確認するために行った。デングウイルスは、1時間の間、第3セグメント内のチップに添加した。第4のセグメントは、チップは、余分なPBSで激しく洗浄した後に測定された。周波数シフトは、ウイルスが、チップに結合したことを示す、278.62ヘルツの値を得るために、ベースライン1から最終洗浄を差し引くことにより決定した。

実施例5：タンパク質検出
図9は、周波数対時間のグラフであり、チップを抗体に接触される前および後に見られる周波数シフトを示す。この抗体をコーティングするために使用されるプロセスは、実施例1に記載されている。センサーは、実施例3と同じであった。矢印1はアビジンが結合された時にセンサーから受信した周波数を示している。矢印2は、抗体が適用された後のセンサーから受信した周波数を示している抗体は、ビオチン化したC.trachomatisの基本小体に対するポリクローナル抗体であり、1:200希釈で使用された。（Abcam, Cambridge, Massachusetts-AV20387）。100メガヘルツの変化が見られる。そのシフトは、チップへの抗体の添加により生じたものである。

他に定義しない限り、使用される全ての技術用語および科学用語は、本明細書中で当業者によって、一般に理解されるのと同じ意味を有する。

当業者は、本明細書に記載の本発明の具体的な実施形態に対して、多くの等価物があることを理解し、または、慣例的な実験のみを用いてそれを確認することができるであろう。このような等価物は、以下の特許請求の範囲に包含されることが意図される。

本明細書に引用した全ての特許および他の文書は、その全体が参考として援用される。

Claims (28)

1. 圧電材料と、前記圧電材料の表面に、直接かつ不可逆的に、化学吸着的に単層として結合しているアビジンアンカー物質の層と、を含む弾性波バイオセンサー構成要素であって、前記アビジンアンカー物質が、ビオチン化捕捉試薬と結合する特性を備えている、弾性波バイオセンサー構成要素。
2. 前記アビジンアンカー物質が、アビジン、ニュートラアビジン、又はストレプトアビジンを備える、請求項１に記載のバイオセンサー構成要素。
3. 前記圧電材料が、ランガナイト結晶、マグネシウムニオブ酸鉛、チタン酸鉛、ジルコン酸ニオブ酸鉛、チタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、ドーパントを備えたニオブ酸リチウム、四ホウ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英、チタン酸バリウム、ベルリナイト、オルトリン酸ガリウム、ニオブ酸カリウム、ジルコンチタン酸バリウム、ランタンカルシウムオキシボレート、ランガサイト結晶、ランタンガリウムケイ酸塩、セラミックペロブスカイト構造、ビスマスフェライト、チタン酸ジルコン酸鉛、硫化カドミウム、酸化亜鉛、ガリウム砒素、ビスマス及びゲルマニウム酸化物、窒化アルミニウム、並びにポリフッ化ビニリデンからなる群から選択される、請求項１に記載のバイオセンサー構成要素。
4. 前記圧電材料がニオブ酸リチウムである、請求項１に記載のバイオセンサー構成要素。
5. ハウジング及び流体工学チャンバーをさらに含み、前記アビジンアンカー層を有する圧電材料の表面が、該チャンバーの壁をなす、請求項１に記載のバイオセンサー構成要素。
6. 弾性波発生器及び弾性波受信器をさらに含む、請求項１に記載のバイオセンサー構成要素。
7. 前記波動発生器がバルク弾性波又は表面弾性波を発生させる、請求項６に記載のバイオセンサー構成要素。
8. 前記バルク弾性波が、厚みすべりモード、弾性波プレートモード、及び水平プレートモードからなる群から選択される、請求項７に記載のバイオセンサー構成要素。
9. 前記表面弾性が、剪断水平表面弾性波、表面横断波、及びラブ波からなる群から選択される、請求項７に記載のバイオセンサー構成要素。
10. アビジンアンカー物質であって、ビオチン化捕捉試薬と結合する特性を有するアビジンアンカー物質を含むバイオフィルムで圧電材料の表面をコーティングするプロセスであって、該プロセスが：
    ａ．結晶表面の表面エネルギーを増加させるために、前記圧電材料の結晶表面を処理する工程と、
    ｂ．前記結晶表面に前記アビジンアンカー物質の層を適用する工程と、
    ｃ．前記結晶表面上に、化学吸着されたアビジンアンカー物質の層を形成する工程と、
    を含む、プロセス。
11. 前記処理工程がプラズマ処理を含む、請求項１０に記載のプロセス。
12. 前記プラズマ処理が、約５から１０秒間の大気圧プラズマジェット流への曝露を含む、請求項１１に記載のプロセス。
13. 前記圧電材料が、ランガナイト結晶、マグネシウムニオブ酸鉛、チタン酸鉛、ジルコン酸ニオブ酸鉛、チタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、ドーパントを備えたニオブ酸リチウム、四ホウ酸リチウム、タンタル酸リチウム、石英、チタン酸バリウム、ベルリナイト、オルトリン酸ガリウム、ニオブ酸カリウム、ジルコンチタン酸バリウム、ランタンカルシウムオキシボレート、ランガサイト結晶、ランタンガリウムケイ酸塩、セラミックペロブスカイト構造、ビスマスフェライト、チタン酸ジルコン酸鉛、硫化カドミウム、酸化亜鉛、ガリウム砒素、ビスマス及びゲルマニウム酸化物、窒化アルミニウム、並びにポリフッ化ビニリデンからなる群から選択される、請求項１０に記載のプロセス。
14. 前記圧電材料がニオブ酸リチウムである、請求項１０に記載のプロセス。
15. 前記適用工程が、前記表面層上に前記アビジンアンカー物質を噴霧又は接触転写させて、該表面に薄い均一な液膜を形成する工程を含む、請求項１０に記載のプロセス。
16. 前記薄い均一な液膜がマイクロドットである、請求項１５に記載のプロセス。
17. 前記アビジンアンカー物質が、アビジン、ニュートラアビジン、又はストレプトアビジンを備える、請求項１０に記載のプロセス。
18. 前記適用工程が、さらに、前記アビジンアンカー物質の層を乾燥させる工程を含む、請求項１５に記載のプロセス。
19. 前記の結合したアビジンアンカー物質の層を、生物学的流体中の分析物を特異的に識別する特性を有するビオチン化捕捉試薬を含む組成物に接触させる工程と、
    前記ビオチン化捕捉試薬を前記アビジンアンカー物質に結合させる工程と、
    をさらに含む、請求項１０に記載のプロセス。
20. 弾性波バイオセンサーであって、
    ａ．直接かつ不可逆的に、化学吸着的に単層として圧電材料の表面に結合したアビジンアンカー物質の層を含む、バイオコートされた圧電材料と、
    ｂ．弾性波発生器と、
    を含み、
    前記層における前記アビジンアンカー物質が、ビオチン化捕捉試薬にも結合し、
    前記ビオチン化捕捉試薬が、生物学的流体中に存在する分析物を特異的に識別し、
    前記発生器が波を発生し、前記ビオチン化捕捉試薬と分析物との間の反応が、弾性波の特性に検出可能な変化を引き起こす、
    弾性波バイオセンサー。
21. 前記結晶がニオブ酸リチウムである、請求項２０に記載のバイオセンサー。
22. 前記分析物が、全細胞、細菌、真核生物細胞、腫瘍細胞、ウイルス、真菌、寄生虫、及び胞子、並びにこれらの任意のものの断片、タンパク質、核酸、及び毒素からなる群から選択される、請求項２０に記載のバイオセンサー。
23. 前記ビオチン化捕捉試薬が、Ｃｈｌａｍｙｄｉａ ｔｒａｃｈｏｍａｔｉｓに特異的である、請求項２０に記載のバイオセンサー。
24. 前記ビオチン化捕捉試薬が、デング熱ウイルスに特異的である、請求項２０に記載のバイオセンサー。
25. 前記弾性波がＢＡＷである、請求項２０に記載のバイオセンサー。
26. 生物学的流体サンプルを受容するためのチャンバーをさらに含む、請求項２０に記載のバイオセンサー。
27. 前記バイオコーティングされた圧電材料上に複数のチャネルをさらに含み、各チャネルが異なるビオチン化捕捉試薬層を含んでいるか、又は捕捉試薬を含まない対照チャネルであり、前記チャネルが、複数の分析を同時に行うことを可能にしている、請求項２０に記載のバイオセンサー。
28. 生物学的流体サンプル中の分析物の存在又は量を測定するための方法であって、
    請求項１に記載の構成要素を、ビオチン化捕捉試薬を含む組成物に接触させる工程と、
    前記ビオチン化捕捉試薬を、前記アビジンアンカー物質と結合させ、ビオチン化捕捉試薬層を形成する工程と、
    前記結合したビオチン化捕捉試薬層を生物学的流体サンプルと接触させる工程と、
    前記圧電性の表面に弾性波を発生させる工程と、
    前記ビオチン化捕捉試薬層に結合している分析物の結果として生じる波の振幅、位相又は周波数の任意の変化を測定する工程と、
    を含み、
    前記ビオチン化捕捉試薬が、分析物を特異的に識別する、
    方法。