KR20030088029A

KR20030088029A - 광학 (생)화학 센서 디바이스의 제조방법

Info

Publication number: KR20030088029A
Application number: KR10-2003-7010806A
Authority: KR
Inventors: 울리히 루델; 안드레아스 프리키우스 스탄게; 카스텐 티르스트럽
Original assignee: 비르 에이/에스
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2003-11-15
Also published as: JP2004531703A; CN1509210A; WO2002066162A1; EP1360007A1; CA2438345A1

Abstract

본 발명은 소형화된 광학적 화학 또는 생화학 센서 디바이스(예를 들면, 이온 감지에 사용되는 벌크 옵토드 등)의 제조방법에 관한 것으로서, 상기 디바이스는 평면 표면 부분을 갖는 기판 재료를 포함하고, 상기 평면 표면은 순간 파동(evanescent waves), 반사 또는 투과에 기초한 표면 플라즈몬 공명과 같은 광학 현상에 기초한 변환기를 나타내며, 상기 평면 표면 부분은 그 위에 배열된, 평면 표면 위의 공간적으로 분리된 미리 결정된 위치에 배치된 다수 개의 (생)화학 센서 도트의 멀티-분석물(multi-analytes) 어레이를 가지며, 상기 센서 도트는 (i) 폴리머 매트릭스 및 (ii) 하나 이상의 (생)화학 인식 부분을 포함하는 것으로서, 상기 방법은, (a) 평면 표면 부분을 갖는 기판 재료를 제공하는 단계, (b) 각각 하나 이상의 스포팅 유체를 제공하는 단계, 및 (c) 하나 이상의 스포팅 유체를 기판 재료의 평면 표면 위에 핀-프린터 증착 메커니즘(어레이어)에 의하여 증착시키고, 스포팅 유체가 경화되도록 하는 단계를 포함한다.

Description

광학 (생)화학 센서 디바이스의 제조방법{METHOD FOR THE PREPARATION OF OPTICAL (BIO)CHEMICAL SENSOR DEVICES}

화학 및 생물학적 센서 분야에서의 경향은, 예를 들면, 의약품 개발을 위한 신규 화합물의 선별은 물론, 환경 및 의료 시료의 고용량 분석 요구가 증가하는 것에 맞추기 위하여, 전통적인 분석법을 수행하는 새로운 방법을 개량 및 개발하는 것이다(R. Kellner, M. Otto, M. Widmer, Analytical Chemistry: The Approved Text to the FECS Curriculum Analytical Chemistry, Wiley-VCH 1998, p 359-360 및 375ff). 특히, 화학 및 생물학적 감지 기술(sensing techniques)의 소형화(miniaturization), 응답 패턴에 담겨진 개별적인 결과의 총합을 뛰어 넘는정보에 접근하는 것을 가능하게 하는 화학 계량 데이터 처리(chemometric data processing) 및 신경 망에 대한 새로운 접근법의 개발에 의하여 추가적인 지원을 받는 공정에 많은 관심이 집중되고 있다.

화학적 및 생물학적 센서(즉, (생)화학 센서)는 “액체 또는 기체상의 화학 성분의 농도를 연속적으로 인식하여, 이 정보를 실시간으로 전자 또는 광 신호로 전환시킬 수 있는 장치”로 정의된다(R. Kellner, M. Otto, M. Widmer, Analytical Chemistry: The Approved Text to the FECS Curriculum Analytical Chemistry, Wiley-VCH 1998). 이와 관련하여, 화학적 민감 층(chemically sensitive layer)이 소위 변환기(transducer)와 결합되어 있는데, 이는 (생)화학적 정보를, 데이터 평가 장치(data evaluation unit)에 의하여 기록되는, 광 또는 전자 신호로 전환시킨다. 화학적 민감 층은 인식 시스템으로 직접 개질된 표면이거나 또는 인식 시스템으로 도핑된 박막으로 덮인 표면일 수 있다. 예를 들면, 화학적 민감성 폴리머 멤브레인을 전극과 결합시켜 시료 용액에 대한 이들의 전위 차를 분석물(analyte) 농도(즉 활동도)의 함수로서 측정하거나, 또는 이들을 광섬유와 같은 광 변환기에 코팅시켜 광 변화(흡광도 또는 굴절률)를 분석물 농도의 함수로서 측정할 수 있다.

유럽 특허 제0 358 991호에 기술된 것과 같은 벌크 옵토드 멤브레인(bulk optode membranes)은 광 이온 감지용 화학 감지 층의 예이다. 특정 이온과 선택적으로 상호 작용하는 화학 물질은 이온 투과 담체(ionophore)로 지칭되며, 전통적으로 전위 차 멤브레인 전극(potentiometric membrane electrodes)에 이들의 선택성을 증가 또는 제어하기 위하여 이용되어 왔다. 이온 투과 담체와 추가 성분, 특히,친지성 이온("상대 이온(counter ion)") 및 pH-민감성 염료("색소 이온 투과 담체(chromoionophores)")의 결합은, 주어진 pH에서, 가역적 및 재생성 색상 변화의 형태로, 특정 이온에 대하여 응답하는 멤브레인 재료를 제공한다.

측정을 위하여 기준 전극(reference electrode)이 반드시 필요한 이들의 전기 화학적 사촌들(cousins)과는 달리, 위와 같은 멤브레인(“옵토(로)드(opt(r)odes")는 기준 없이 작용하고, 전기적 간섭에 대하여 민감하지 않으므로, 이들을 소형화된 시스템에 쉽게 통합시키는 것을 가능하게 한다. 그 외에, 광학적 방법은 화학 계량 기술, 패턴 인식 등과 결합될 수 있는데, 이는 하나 이상의 변수가 이들로부터 감해질 수 있기 때문이다. 예를 들면, 스펙트럼 형상(spectral shape), 임시 정보(temporal information), 또는 흡광도와 굴절률 데이터 양쪽 모두가 통상 (전위 또는 전류와 같은) 하나의 값을 제공하는 전기 화학적 센서에서 측정될 수 있다.

화학적으로 응답하는 폴리머를 사용하는 광학적 감지(optical sensing)를 감지 어레이(arrays)와 결합시키기 위하여, 개별적인 작은 폴리머 도트(polymer dots)가, 각 감지 요소(sensing element)로부터의 신호가 구별될 수 있는 형태로, 기판 상에 배열되는 것이 필요하다. 한 가지 접근법은, Dickinson 등 (Nature 1996,382,697-700; cf. Johnson 등, Anal. Chem. 1997, 69,4641-4648)에 의하여 입증된 것과 같이, 광섬유를 다발로 묶거나 또는 배열하는 것이다. 폴리머 프로브(probes)의 광학적 변화를 이용하는 멀티-감지(multi-sensing)의 장점을 입증하기 위한 대표적인 것은 월트(Walt) 그룹의 연구(예를 들면, Anal. Chem 701998 1242-1248)이다. 여기에서는 미소구체(microsphere) 센서가 수천 개의 마이크로미터 스케일의 웰 내에 무질서하게 붙잡혀 있다. 이들은 광섬유의 페이스(face)를 불산(hydrofluoric acid)으로 에칭하는 것으로서, 섬유 코어(cores) 및 피복(cladding)의 에칭 속도가 서로 다른 것의 장점을 이용하는 것이다. 대안으로서, 정교한 영역-선택성 광중합(photopolymerization)이 같은 그룹에 의하여 섬유 다발 상(fiber bundle phases)에 적용되었다(Steemers 및 Walt의 리뷰 Mikrochim. Acta 131,99-105 (1999) 참조). 이러한 연구는 소형화된 폴리머 어레이 기반 감지 기술의 잠재성을 강하게 확인시켜 주는 것이다. 그러나 섬유의 개별적인 개질(modification) 및 이에 이어지는 섬유의 다발화(bundling)는 이러한 접근이 센서 층을 대량 생산하거나 또는 다수의 서로 다른 센서 시스템을 갖는 센서 층을 생산함에 있어서는 명백하게 비실용적이 되도록 한다. 한편, 다수의 실용적인 디바이스의 경우에는 개별적인 센서 요소를 위와 같은 연구에서 달성되는 크기(수 마이크로미터)의 스케일까지 낮출 필요가 없을 것이다. 예를 들면, 직경이 120 ㎛인 36 개의 도트가 30 cm 도트간(dot-to-dot) 거리를 갖는 1 cm x 1 cm 센서 영역 위에 용이하게 배열될 수 있을 것이다.

이상적인 센서 디바이스는 독립적이며 공간적으로 분리된 다수 개의 서로 다른 폴리머 센서 영역(본 명세서에 있어서, 이 영역은 감지 도트로 지칭되며, 대략적인 원형이고, 현미경적 크기(직경 1000 ㎛))을 포함하여야 한다. 그 다음으로는, 영상화(imaging) 기술, 예를 들면 카메라 또는 선형 또는 2 차원 CCD 어레이와 적당한 소프트웨어가 서로 다른 감지 도트의 응답들을 구별하는 데에 사용될 수 있다. 이들 센서 디바이스는 또한 더 유연하고(flexible), 복제성(reproducible)이라는 것을 보여줄 수 있으며, 보다 용이하게 감지 영역의 수를 증가시킬 수 있다. 영상화를 통한 분석을 위한 광학적 감지 영역 어레이의 잠재성이 냄새(odour) 검출을 위한 측색 센서(colorimetric sensor) 어레이 분야에서 최근 Rakow 등에 의하여 입증된 바 있다(Rakow 등, Nature 406 (2000) 710-713).

원칙적으로 영상화를 가능하게 하고, 따라서 폴리머 계열 센싱 도트의 어레이(arrays)와 함께 사용될 수 있는 서로 다른 종류의 광학적 감지 체계들이 다수 존재한다. 가장 간단한 것의 경우, 투명 담체 플레이트가 센싱 도트로 변형될 수 있다. 적합한 개스킷(gasket)과 커버 플레이트과 함께, 예를 들면, 지표수 시료가 도트 위를 흐르도록 흐름 채널(flow channel)이 만들어질 수 있다. 광원이 커버 플레이트의 꼭대기(top)에 설치될 수 있으며, 빛이 플레이트와 시료 모두를 통과하고, 그 다음으로 아래쪽 플레이트 밑에 배치된 영상 감지기 (예를 들면, 카메라)가 개별 도트의 색채 응답에 관한 모든 정보를 포함하는 영상을 기록할 수 있다. 적합한 불투명 표면 위에 배치된 감지 도트의 확산(diffuse) 반사 또는 전반사를 이용하는 유사한 시스템을 고안하는 것도 물론 가능하다. 유사한 시스템으로 형광 모니터링도 가능할 것이다.

보다 정교한 광학적 감지 체계는 굴절률이 서로 다른 두 개의 상 사이의 표면에서 광학적으로 조밀한 매질(dense medium) 내에서의 빛의 전반사 시에 일어나는 감쇠 정상파(decaying standing waves)인 순간 파동(evanescent waves) 현상을 이용하는 것이다. 이러한 파동은 전반사 표면(totally-reflecting surfaces)에서,격자(gratings)와 같은 적합한 구조에서 직접적으로, 또는 관련된 적당한 광학 구조 위의 적당한 금속(통상적으로 금 또는 은)의 박막 내에서 소위 표면 플라즈몬(집합 전자 진동(collective electron oscillations))의 자극에 의하여 발생한다. 그러한 디바이스는 변환기 표면의 광학적 성질을 매우 근접하게 측정하는 것을 가능하게 하므로, 이들 또한 국제공개공보 제WO 00/46589호 (Vir A/S)에 기술된 것과 같은 폴리머 감지 도트의 어레이와 결합될 수 있다. 그 외에, 순간 파동이 흡수를 감지하는 대신 형광을 자극하는 데에 사용될 수 있으므로, 형광계측 감지(fluorimetric sensing)를 가능하게 한다.

적합한 광 변환기는, 특정 흡수, 굴절률 또는 형광 변화와 같은, 폴리머 도트의 광학적 성질의 변화를 감지할 수 있게 하는 (따라서 폴리머 도트의 화학적 응답을 감지하는 것을 가능하게 하는), 광 웨이브가이드, 표면 플라즈몬 공명 필름, 반사 격자 커플러(reflection grating couplers), 광 웨이브가이드, 마크-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometers) 또는 하트만(Hartmann) 간섭계이다.

그러나 지금까지는 공간적으로 분리된 광학적 감지용 (생)화학 센서 도트의 어레이를 제조하는 자동화된 방법이 없었다.

유체 방울을 자동 분산시키는 여러 가지 기술이 이용 가능하다. 예를 들면 인쇄 기술 분야에서 알려져 있는 잉크-젯 기술은 유체가 모세관으로부터 증착되는 것을 특징으로 한다. 모세관으로부터의 유체의 방출은 여러 가지 접근법으로 수행될 수 있다. 드롭-온-디맨드(drop-on-demand) 접근법에 있어서, 모세관 주변의 세라믹 칼라(ceramic collar)인 압전-작동기(piezo-actuator)를 통하여 전압을 인가하는 경우, 모세관에 음향 파동을 생성시키고, 이에 따른 모세관의 변형(deformation)은 액체 컬럼의 제어된 부분을 방울 형태로 방출되도록 한다. 연속 접근법에 있어서는 유체가 압력에 의하여 방출되어 유체의 흐름을 생성하고, 다시 방울이 생성되어, 압전 작동기를 통한 전압의 인가에 의하여 모세관으로부터 방출된다. 연속 잉크-젯 기술은 식품 및 의약 산업 분야에서 제품에 라벨을 붙이는 데에 널리 이용된다. 잉크-젯 기술은 또한 Newmann 등 (Newman 등, Analytical Chemistry 1995,67,4594-4599)에 의하여 전류측정법 바이오센서(amperometric biosensors)용 멤브레인의 제조에 사용된 적이 있으나, 여기서는 방울이 합쳐져서 필름을 형성하는 것이다. 기타의 관련 기술은 마이크로 피펫과 같은 마이크로- 및 나노-분배(dispensing) 기기이다.

이들 기술 중 어느 것도 표면 장력이 작고 점도가 높은 유체의 증착에는 적합하지 않은데, 이는 이들 용매의 사용이 분산 디바이스 내에서 공기 방출을 생성시키는 결과를 초래하기 때문이다. 프린트 헤드(print-head)의 가열이 유체의 점도를 감소시킬 수 있지만, 이는 또한 휘발성 용매의 증발을 야기하므로, 프린트 헤드의 폐색(clogging)을 겪게 될 수 있다. 그 외에, 점탄성(viscoelasticity)이 이러한 프린터에 있어서 상당한 성능 문제를 야기하는 것으로 알려져 있다. 비-뉴토니안 거동이 고 전단력 하에서 노즐 내에서 발생하여 불안정한 방울 생성 또는 방울 위성(droplet satellites)의 생성을 초래할 수 있다.

잉크-젯 기술은 폴리머 또는 폴리머 전구체 유체의 증착을 위한 적당한 선택이 아니라는 것이 상술한 것과 같은 간단한 개략으로부터 분명해진다. 이들 유체의물리 화학적 성질(physicochemical properties)은 펌프를 통한 분산 시스템으로의 흡출(aspiration)은 물론, 증착 공정 역시 간섭할 것이다.

시료 흡출, 펌핑(pumping) 및 플러싱(flushing)을 수반하지 않는 유체의 마이크로 어레이(microarrying)를 위한 대안 기술은 핀-프린터 또는 어레이어와 같은 개방 증착 설비, 예를 들면, 미국특허 제5,807,522호에 기술된 것과 같은 퀼-프린터(quill-printer)이다. 핀-프린터 기술에서는 증착되는 유체가 작은 용기(대개 마이크로 적정기 플레이트의 웰)로부터 들어 올려 진다. 따라서 기기를 채우는 데에 필요한 양의 스포팅 유체가 최소화되며, 이는 (생)화학 인식 요소의 고도의 목적물(high prize)을 제공하는 감지 멤브레인의 제조에 있어서 중요한 특징이다. 그러나 퀼-프린터는 폴리머 및 폴리머 전구체 유체의 증착에는 적합하지 않은데, 이는 유체의 수용(reception)이 유체를 퀼 쪽으로 들어올리는 것에 기초한 것이기 때문에 앞에서 기술한 것과 같은 문제가 발생할 수 있다. 또 다른 단점은 증착되는 유체 도트의 크기를 복제(reproduce)가기가 어렵다는 사실로서, 예를 들면, 몇몇 시판되는 프린터는 일정한 크기의 도트를 얻기 위하여 예비 프린팅 단계를 필요로 한다.

개방 증착 설비의 또 다른 예는 국제공개공보 제99/36760호에 개시된 것과 같은 핀-링 기술이다. 핀-링 기술은 생물학적 시료의 복제 가능한(reproducibla) 마이크로 어레이를 제조하기 위하여 개발된 것으로서, 유체의 보유(holding)과 운반을 위한 기본 메카니즘으로서 표면 장력을 근거로 한 것이다.

본 발명은 다수의 서로 다른 화합물을 동시에 모니터링 하는 데에 유용한 광학 (생)화학 센서 디바이스의 제조방법에 관한 것이다. 기타 응용 가능성은 조합 라이브러리(combinatorial libraries)의 고용량 선별(high throughput screening), 식품의 품질 모니터링, 공정 제어(process control), 유전자 발현 모니터링(gene expression monitoring) 및 생물학적 성분의 검출(detection of biological components) 등이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 다수의 폴리머 (생)화학 센서 도트(dots)를 포함하는 광학 (생)화학 센서 디바이스의 제조방법에 관한 것이다.

도 1: PVC/DOS의 시클로헥산온 용액을 포함하는 스포팅 유체(실시예 2)를 “핀-링” 증착시켜 얻은 다수 개의 센서 도트의 사진. 도트의 직경은 약 200 ㎛ 이다.

도 2: 메타크릴레이트를 포함하는 스포팅 유체(실시예 4)를 증착시킨 다음 지지 표면 위에서 폴리머 전구체를 중합시켜 얻은, 광중합 메타크릴레이트 스포팅 유체 방울 어레이(A-D)의 형광 이미지. 두 번째의 어레이 세트가 A, C 에 직접 중첩되고, 광중합되었다(실시예 5.1).

도 3: “핀-링”보정 특징(calibration feature)에 의하여 생성된, 부분적으로 중첩된 PVC-DOS 도트 어레이(실시예 5.11)(형광 스캐너로 얻은 이미지). 바깥 쪽의 백색 상자는 두 번째 어레이를 둘러싸고 있는 것이고, 안 쪽의 백색 상자는 도트 중첩 영역을 둘러싸고 있는 것이다.

발명의 요약

본 발명은 청구범위 제 1 항에 정의된 것과 같은 광학 (생)화학 센서 디바이스의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 상기 방법에 따라 얻어질 수 있는 광학 (생)화학 센서 디바이스, 및 상기 디바이스의 이용방법에 관한 것이다.

발명의 상세한 설명

본 발명은 광학 (생)화학 센서 디바이스의 제조방법에 관한 것이다. 상기 광학 (생)화학 센서 디바이스는, 기판 재료 상에 배열된, 공간적으로 잘 한정되어 분리되어 있는, 다수개의 (생)화학 센서 도트를 포함한다. 보다 구체적으로는, 상기 광학 (생)화학 센서 디바이스는 평면 표면(planar surface) 부분을 갖는 기판 재료를 포함하는데, 상기 평면 표면은 광학 현상에 기초한 변환기를 나타내는 것이고, 상기 평면 표면은 그 위에 배열된, 평면 표면 위의 공간적으로 분리된 미리 정해진 위치에 배치된, 다수 개의 (생)화학 센서 도트를 가지며, 상기 센서 도트는 (i) 폴리머 매트릭스, 및 (ii) 하나 이상의 (생)화학적 인식 부분(chemical recognition moieties)을 포함한다.

"다수 개의 (생)화학 센서 도트"라는 표현과 관련된 용어 “다수(plurality)”는 기술 문헌에서 종종 사용되는 “어레이(array)”라는 용어와 유의어(synonymous)이다.

“(생)화학”이라는 용어는 “생물학 및 화학”과 같은 의미를 갖는 것을 의도하는 것으로서, 화학 분야는 물론 생물학 분야에서의 반응 및 시약(reagents)을모두 포함하는 것이다.

“인식 부분(recognition moieties)”이라는 용어는, 광학적 특성의 변화에, 예를 들면, 계단식(cascade fashion)으로, 관여하는 화학적 작용기는 물론, 관련 폴리머 매트릭스(associated polymer matrix)의 광학적 성질을 직접 또는 간접적으로 변화시키기 위하여 분석물과 상호 작용하는 화학적 작용기를 모두 포함하는 것을 의도하는 것이다.

센서 디바이스는 평면 표면 부분을 갖는“기판 재료(substrate material)”를 포함한다. “기판 재료”라는 용어는 임의로 표면 층 재료(이하 참조)의 층 하나 이상으로 코팅된 기재(base material)를 의미하는 것이다. 상기 기판 재료의 평면 표면 부분은 광 현상에 기초한 변환기를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.

기판 재료의 평면 표면 부분의 크기(dimension)는 통상, 넓이 2-25 mm, 길이 5-50 mm와 같은, 넓이 1-50 mm, 길이 2-100 mm 범위이고, 예를 들면, 넓이 4-8 mm, 길이 8-16 mm 이다.

상기 기판은 기재 및 임의로 기판 재료의 평면 표면 부분을 나타내는 표면 층 재료를 포함한다. 몇 가지 구체예에 있어서, 기재 및 표면 층 재료가 동일한 재료인 기판 재료를 사용하는 것이 가능하다. 기판은 또한 여러 층의 표면 층 재료를 포함할 수도 있다.

다수 개의 (생)화학 센서 도트의 제조에 적용되는 방법에서 중요한 요건은 증착되는 유체가 미리 결정된 위치에 고정적으로 위치하고, 번져서 기판 재료 전체를 적셔서는 안된다는 것이다. 센서 도트의 접촉 영역은 도트의 크기(직경)로 한정된다.

기재는 (생)화학 센서 디바이스의 통합 부분(integrated part)을 구성하며, 통상 유리, 실리카, SiO₂, x = 1 또는 2인 PtO_x, Al₂0₃, TiO₂, Ta₂0₅, MgF₂또는 Si₃N₄와 같은 무기 유전체 재료(dielectric inorganic materials), 아크릴릭, 시클로올레핀 폴리머(TOPAS), 폴리카보네이트, 폴리에테르이미드(ULTEMTM)와 같은 플라스틱, 또는 수소- 또는 중수소-종결 표면을 갖는 실리콘으로부터, 특히 유리 및 플라스틱으로부터 선택된 재료의 평면 표면 형태이다.

본 명세서에 있어서, “유전체(dielectric)”라는 용어는 전기 전도성이 나쁘고, 이를 통과하는 전기장의 힘을 유지시키는 재료를 의미하는 것이다.

기재는 종종 표면 층 재료 한 층 이상으로 코팅되어 변환기의 광학 성능을 제어한다. 이러한 표면 층 재료는 통상 (금, 은, 구리 또는 백금과 같은) 금속, 실리카 및 실리콘으로부터, 바람직하게는 금, 은, 구리 및 실리콘으로부터 선택된다.

표면 층 재료는 통상 10-500 nm 두께, 표면 플라즈몬 공명 측정(surface plasmon resonance measurements)에 특히 적합한 20-80 nm의 두께를 갖는다.

본 발명의 구체예의 하나에 있어서, 기판 재료는 하나 이상의 금속 및 상술한 것과 같은 무기 유전체 재료로 구성된 다층 구조이며, 상기 다층 구조는, 예를 들면, 금속-유전체 또는 금속-유전체-금속 샌드위치 구조일 수 있다.

본 발명의 구체예의 하나에 있어서, 기판 재료가 투명하여(transparent), (생)화학 센서 도트의 벌크 흡수의 측정을 가능하게 한다.

본 발명의 다른 구체예에 있어서, 지지표면(support surface)이 전반사성(totally-reflecting)이어서, (생)화학 센서 도트의 광학적 성질의 반사 분광 측정(reflectance-spectroscopic measurement) 측정을 가능하게 한다.

본 발명의 다른 구체예에 있어서, 지지표면이 확산-반사성(diffusely-reflecting)이고, (생)화학 센서 도트의 광학적 성질의 확산 반사 분광 측정(diffuse-reflectance spectroscopic measurement)을 가능하게 한다.

(생)화학 센서 도트의 크기, 모양 및 부착(adherence)은 기판 재료의 표면을 변형시켜 스포팅 유체(spotting fluid)가 표면을 적시는 용량 또는 거기에 화학적으로 결합하는 정도를 감소 또는 증가시킴으로써 추가로 제어될 수 있다.

본 발명의 구체예의 하나에 있어서, 기판 재료의 평면 표면은 이작용기성 시약(bifunctional reagent) X-Z-Y로 처리하여 화학적으로 개질시킨다.

여기서, X는 -OR', 대칭 또는 비대칭성 디설파이드(disulfides, -SSR'Y', -SSRY), 설파이드(-SR'Y', -SRY), 디셀레나이드(diselenide, -SeSeR'Y', -SeSeRY), 셀레나이드(-SeR'Y', -SeR'Y'), 티올(thiol, -SH), 셀레놀(selenol, -SeH), -N=C, -NO₂, 3가 포스포러스기(trivalent phosphorous groups), -NCS, -OC(S)SH, 티오카바메이트(thiocarbamate), 포스핀, 티오산(thio acid, -COSH), 디티오산(dithio acid, -CSSH), -Si(OR/R/H)₃, 및 할로겐으로부터 선택되고;

치환기 R 및 R'는 각각 독립적으로 임의로 치환된 C_l-30-알킬, 임의로 치환된 C_2-30-알케닐, 임의로 치환된 C_2-30-알키닐(alkynyl) 및 임의로 치환된 아릴로부터 선택되며;

Y 및 Y'는 히드록실, 카르복실, 아미노, 포르밀, 히드라진, 카르보닐, 에폭시, 비닐, 알릴, 아크릴, 에폭시 및 메타크릴로부터 선택되고;

Z는 두 개의 작용기 사이의 연결기(linker, 이가 라디칼)로서, 통상, N, S, O 및 Si와 같은 이종 원자가 개입되어 있을 수도 있는 임의로 치환된 C_1-12-알킬렌, 임의로 치환된 C_2-12-알케닐렌 및 임의로 치환된 C_2-12-알키닐렌을 나타낸다.

이와 관련하여, “C_1-30-알킬”이라는 용어는, 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, 시클로프로필, 부틸, t-부틸, 이소-부틸, 시클로부틸, 펜틸, 시클로펜틸, 헥실, 시클로헥실, 헥사데실, 헵타데실, 옥타데실, 노나데실과 같은, 1 내지 30개의 탄소 원자를 갖는 선형, 고리형 또는 가지형 탄화수소기를 의미하며, 이와 유사하게, “C_1-6-알킬”이라는 용어는, 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, 부틸, t-부틸, 이소-부틸, 펜틸, 시클로펜틸, 헥실, 시클로헥실, 특히 메틸, 에틸, 프로필, 이소-프로필, t-부틸, 이소-부틸 및 시클로헥실과 같은, 1 내지 6개의 탄소 원자를 갖는 선형, 고리형 또는 가지형 탄화수소기를 의미한다.

유사하게, “C_2-30-알케닐”이라는 용어는 2 내지 30개의 탄소 원자와 하나 이상의 불포화 결합을 갖는 선형, 고리형 또는 가지형 탄화수소기를 의미하는 것이며, 이와 유사하게, “C_2-6-알케닐”이라는 용어는 2 내지 6개의 탄소 원자와 하나 이상의 불포화 결합을 갖는 선형, 고리형 또는 가지형 탄화수소기를 의미하는 것이다. 알케닐기의 예는 비닐, 알릴, 부테닐, 펜테닐, 헥세닐, 헵테닐, 옥테닐, 헵타데카에닐이다. 알카디에닐기의 예는 부타디에닐, 펜타디에닐, 헥사디에닐, 헵타디에닐, 헵타데카디에닐이다. 알카트리에닐기의 예는 헥사트리에닐, 헵타트리에닐, 옥타트리에닐 및 헵타데카트리에닐이다.

유사하게, “C_2-30-알키닐”이라는 용어는 2 내지 30개의 탄소 원자와 하나 이상의 삼중 결합을 갖는 선형 또는 가지형 탄화수소기를 의미하는 것이다. 이들의 예는 에티닐, 프로피닐, 부티닐, 옥티닐 및 도데카이닐이다.

“알킬”, "알케닐" 및 “알키닐”이라는 용어와 관련하여, “임의로 치환된”이라는 용어는 해당 기(groups)가 히드록실, C_1-6-알콕시, 카르복실, C_l-6-알콕시카르보닐, C_l-6-알킬카르보닐, 포르밀, 아릴, 아릴옥시카르보닐, 아릴카르보닐, 헤테로아릴, 아미노, 모노- 및 디(C_l-6-알킬) 아미노, 카바모일, 모노- 및 디(C_l-6-알킬)아미노카르보닐, 아미노-C_l-6-알킬-아미노카르보닐, 모노- 및 디(C_l-6-알킬)아미노-C_l-6-알킬-아미노카르보닐, C_l-6-알킬카르보닐아미노, 시아노, 카바미도, 할로겐으로부터 선택되는 기로 하나 이상, 바람직하게는 1-3 회 치환된 것을 의미하는 것으로서, 상기 아릴 및 헤테로아릴은 C_l-4-알킬, C_l-4-알콕시, 니트로, 시아노, 아미노 또는 할로겐으로 1-5 회, 바람직하게는 1-3 회 치환될 수 있다. 특히 바람직한 예는 히드록실, C_l-6-알콕시, 카르복실, 아릴, 헤테로아릴, 아미노, 모노- 및 디(C_l-6-알킬)아미노 및 할로겐이며, 상기 아릴 및 헤테로아릴은 C_l-4-알킬, C_l-4-알콕시, 니트로, 시아노, 아미노 또는 (플루오로, 클로로, 브로모 및 요오도와 같은) 할로겐으로 1-3 회 치환될 수 있다.

이와 관련하여, "아릴"이라는 용어는, 페닐, 나프틸, 1,2,3,4-테트라하이드로나프틸, 안트라실, 페난트라실, 피레닐, 벤조피레닐, 플루오레닐 및 크산테닐과 같은, 전체 또는 부분 방향족 카르보사이클 고리 또는 고리 시스템을 의미하는 것으로서, 그 중 페닐이 바람직한 예이다.

"아릴"이라는 용어와 관련하여, “임의로 치환된”이라는 용어는 해당 기가 C_l-4-알킬, C_l-4-알콕시, 니트로, 시아노, 아미노 또는 할로겐으로 1-5 회, 바람직하게는 1-3 회 치환될 수 있는 것을 의미하는 것이다.

"헤테로아릴"이라는 용어는 하나 이상의 탄소 원자가 헤테로 원자, 예를 들면, 질소(=N- 또는 -NH), 황 및/또는 산소 원자로 대체된 전체 또는 부분 방향족 카르보사이클 고리 또는 고리 시스템을 의미하는 것이다. 이러한 헤테로아릴기의 예는 옥사졸릴, 이소옥사졸릴, 티아졸릴, 이소티아졸릴, 피롤릴, 이미다졸릴, 피라졸릴, 피리디닐, 피라지닐, 피리다지닐, 피페리디닐, 쿠마릴, 퓨릴, 퀴놀릴, 벤조티아졸릴, 벤조트리아졸릴, 벤조디아졸릴, 벤조옥사졸릴, 프탈라지닐, 프탈라닐, 트리아졸릴, 테트라졸릴, 이소퀴놀릴, 아크리디닐, 카바졸릴, 디벤즈아제피닐, 인돌릴, 벤조피라졸릴, 페녹사조닐이다.

작용기 Y는 종종 폴리머 또는 폴리머 전구체와 상호작용 하는 것으로 선택된다. 몇 가지 구체예에 있어서 Y 및 Y'는 서로 동일하다.

표면의 화학적 개질은 스포팅 유체가 기판 재료를 적시는 능력을 변화시키므로, 이 재료는 잘 정의된 센서 도트를 제공하는 특정 조성의 스포팅 유체로 만들어질 수 있다.

본 발명의 구체예의 하나에 있어서, Y는 폴리비닐클로라이드와 반응하여 기판 재료에 공유 결합된 폴리비닐클로라이드 도트를 제공할 수 있는 아미노기를 나타낸다.

본 발명의 다른 구체예의 하나에 있어서, 금 또는 은 코팅 표면을 알릴 또는 메타크릴 티올로 처리하는 것은, 중합 과정 중에 메타크릴레이트 또는 아크릴레이트와 같은 폴리머 전구체와 반응하여 기판 재료에 공유 결합된 다수 개의 메타크릴레이트- 또는 아크릴레이트 센터 도트를 제공할 수 있는, 표면을 제공한다.

본 발명의 또 다른 구체예의 하나에 있어서, 유리 또는 산화규소 코팅 표면을 알릴- 또는 메타크로일 실란으로 처리하는 것은, 중합 과정 중에 메타크릴레이트 또는 아크릴레이트와 같은 폴리머 전구체와 반응하여 기판 재료에 공유 결합된 다수 개의 메타크릴레이트- 또는 아크릴레이트 센터 도트를 제공할 수 있는, 표면을 제공한다.

본 발명의 또 다른 구체예의 하나에 있어서, 금 또는 은 코팅 표면을 11-머캅토운데칸올과 같은 히드록실-종결 지방족 티올로 처리하는 것은, 도데실 메타크릴레이트과 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트를 함유하는 스포팅 유체의 안정한 방울(droplets)의 증착(deposition)을 가능하게 하는 표면을 제공한다.

본 발명의 대안적인 구체예에 있어서, 기판 재료의 적심(wetting)은 기판 재료의 표면에 있는 작은 웰(wells)과 같은 미세 구조체(microstructures)에 의하여 조절된다.

스포팅 유체가 웰에 증착되어 거기서 전개된다. 웰의 직경 및 깊이는 얻어지는 센서 도트의 크기 및 높이를 규정한다. 본 발명의 바람직한 구체예의 하나에 있어서, 웰의 직경은 50 - 1000 ㎛이고, 깊이는 1 - 50 ㎛이다.

기판 재료는 평면 표면 부분을 갖는다. 이는 기판 재료의 모든 부분이 평면 표면이거나 또는 디바이스 내의 평면 표면일 필요는 없는 것으로 이해되어야 한다. 기판 재료는 격자, 평면 표면 위로 확장되는 림(rims), 마운팅용 구멍(holes for mounting) 등과 같은 다른 부분을 가질 수 있다. 본 발명과 관련하여 중요한 것은 기판 재료가, 다수 개의 (생)화학 센서 도트가 설치되는 평면 표면 부분을 하나 이상 갖는다는 것이다.

상기 평면 표면 부분은 “광학 현상에 기초한 변환기”를 나타낸다. “광학 현상”이라는 용어는 굴절, 반사, 확산 반사율, 감쇠 반사율(attenuated reflectance), 투광(transmission), 스펙트럼 변화(spectral changes), 색상 변화(color changes), 흡수(absorption), 반사 임계각(critical angle of reflection), 표면 플라즈몬 공명, 형광 및 형광 소광(fluorescence quenching)과 같은 순간 파동 현상(evanescent wave phenomena)을, 바람직하게는 투과, 형광 및 표면 플라즈몬 공명을, 특히 표면 플라즈몬 공명을 포함하는 것을 의도하는 것이다.

이들 현상은 분광학(spectroscopy), 분광 광도법(spectrophotometry), 측광학(photometry), SPR 기술, 내부 전반사 형광(Total Internal Reflection Fluorescence, TIRF) 감지, 격자 커플러 감지(Grating Coupler Sensing, GCS), 공명 거울 감지(Resonant Mirror sensing), 반사 간섭 분광학(Reflectometric Interference Spectroscopy, RIFS), 통합 광학 디바이스(Integrated Optical Devices, 웨이브가이드), 통합 광학 간섭계(Integrated-Optical Interferometers), 임계각 굴절계법(critical angle refractometry) 등과 같은 수많은 변환기 기술의 기본을 형성한다.

“광학적 성질의 변화” 및 이와 유사한 용어는 특정 흡수, 굴절률 또는 형광 변화와 같은 (생)화학 센서 도트의 광학적 성질 변화 감지를 가능하게 하는 (따라서, 폴리머 도트의 화학적 응답을 감지하는 것을 가능하게 하는) 상술한 광학 현상의 변화를 포함하는 것이다.

각각의 (생)화학 센서 도트는 동일한 조성을 가질 수는 있지만, 통상적으로 센서 도트가 모두 동일하지는 않다. 따라서 본 발명에 따라 제조되는 디바이스는 통상적으로 최소 15개와 같은, 최소 5개의 서로 다른 센서 도트를 포함한다. 이것은 서로 다른 센서 도트를 이루는 폴리머 매트릭스는 통상적으로 동일하지만, 하나 이상의 (생)화학적 인식 부분은 서로 다르므로, 동일한 장치 내에서의 다수 개의 분석물의 확인을 가능하게 한다는 것을 의미한다. 바람직한 구체례에 있어서, 각각 공간적으로 분리된 (생)화학 센서 도트는 서로 다른 (생)화학 인식 부분을 포함한다. 대안으로서, 몇몇 센서 도트의 조성이 서로 동일하여 불균일 시료 내의 분석물의 분포를 보여준다.

본 발명에 따른 방법으로 제조된 (생)화학 센서 디바이스는, 기판 재료의 평면 표면 부분의 x-y 평면 내에 있는, 공간적으로 분리되어 있는 미리 결정된 위치에 존재하는, 다수 개의 (생)화학 센서 도트를 포함한다. 실용적 목적을 위해서는 종종 센서 도트가 x-방향에 있는 센서 도트들 사이의 거리가 일정하게 및 y-방향에 있는 센서 도트들 사이의 거리가 일정하게 놓여 있는 것이 필요할 수 있으며, 이 때 x- 및 y-방향의 도트들 사이의 거리는 서로 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 본 발명의 바람직한 구체예에 있어서, x- 및 y-방향에 있는 (생)화학 센서 도트의 중심 사이의 거리는 독립적으로 (생)화학 센서 도트의 직경의 1.1 - 10배의 범위이다.

다수 개의 (생)화학 센서 도트를 설치하는 방법은,

(a) 평면 표면 부분을 갖는 기판 재료를 제공하는 단계,

(b) 각각 하나 이상의 (i) 폴리머 및/또는 폴리머 전구체, 및 (ii) 하나 이상의 (생)화학 인식 부분을 나타내는 성분을 포함하는, 하나 이상의 스포팅 유체를 제공하는 단계, 및

(c) 하나 이상의 스포팅 유체를 동시에 또는 차례로 기판 재료의 평면 표면 부분의 공간적으로 분리되어 있는 미리 결정된 위치에 “핀-링(pin-ring)" 증착( deposition) 메커니즘으로 증착하여 스포팅 유체를 경화(consolidate) 시키는 단계를 포함한다.

“경화(consolidation)”라는 용어는, 예를 들면, 열에 노출시키는 것, 자외선 조사, 가시광선 조사에 의한 또는 전자 유도 자극(electron induced excitation)에 의한 중합, 축중합, 가교, 졸-겔 처리(sol-gel processing), 용매의 증발을 포함하는 것이다.

상기 방법은, 본 명세서에서 “스포팅 유체(spotting fluid)"로 지칭되는, 하나 이상의 폴리머 또는 폴리머 전구체를 포함하는 유체를 “핀-링” 증착 기술로 기판 재료의 평면 표면 부분 상에 스포팅하는 것을 포함한다. 이어지는 스포팅 유체 방울의 지지 표면에서의 경화는 용매의 증발, 폴리머 전구체의 중합, 또는 일의 조합에 의하여 공간적으로 분리된 다수 개의 센서 도트를 제공한다.

본 발명에 적용되는 “핀-링”증착 기술은, 생물학적 재료가 2차원 표면에 부착되거나 또는 공유 결합되는 생물학적 재료의 특정 마이크로어레이 (microarrays)를 제조하는 방법으로서 Genetic MicroSystems^TM(국제공개공보 제99/36760호)에 의하여 최초로 도입된 것이었다. 본 발명자들은 “핀-링” 증착 시스템이, (생)화학적 인식 부분이 공간적으로 분리된 센서 도트의 3 차원 매트릭스 내에 또는 그 표면에 포함되어 있는, 다수 개의 (생)화학 센서 폴리머 도트의 제조에 사용되기에 유리하다는 것을 발견하였다.

“핀-링” 증착 기술은 유체를 보유(holding) 또는 전달(transferring)하는 기본 메커니즘으로 표면 장력에 의존한다. 가장 중요한(key) 기계적 구성 요소는 기판에 대하여 평행으로 배치된 원형의 개방(open) “링”으로 구성된 것으로서, 링에 대하여 수직으로 작동하는 수직 로드의 옆에 놓여 있다. 수직 핀은 링의 중심에 놓인다.

링 로드와 핀은 모두 제어 장치에 고정되어 있어서, 이들이 z 축 상에서는 개별적으로 이동할 수 있지만, x-y 평면상에서는 서로 일정한 관계를 유지한다. 링이 스포팅 유체에 잠겼다가 들어올려지는 경우, 한 분액(an aliquot)의 시료가 채취되고, 이 시료는 표면 장력에 의하여 링의 중심에 잡혀있게 된다. 핀-링 메커니즘은 x-y 평면 중의 원하는 위치 어디에라도 이동된다. 기판 재료 상에 도트를 만들기를 원하는 경우, 핀이 링을 통과하여 아래로 내려간다. 핀이 링을 통과할 때 스포팅 유체의 부분이 내부 링 메니스커스(interior ring meniscus)로부터 핀의 바닥까지 전달되어 핀의 아래쪽 표면에 매달린 작은 방울을 형성한다. 핀은 핀의 유체가 기판 재료에 닿을 때까지 아래쪽으로 계속 이동한다. 그 다음, 핀이 들어올려지고, 중력과 표면 장령의 합력이 스포팅 유체를 기판 재료 상에 도트 형태로 증착되도록 한다.

유체 전달에는 핀과 기판의 충돌(impact) 또는 기계적 접촉 중 그 어떤 것도 필요하지 않다.

핀이 링의 내부 메니스커스를 통과하는 이동은 최소 역치 부피만을 통과하므로, 충분한 양의 유체가 제거될 때까지 메니스커스는 파괴되지 않는다. 링 내부 및 핀 상에 제공된 주어진 부피 범위 내에서는 핀 이동 공정(pin driving process)이 수 차례 반복될 수 있으므로, 매우 많은 수의 유사한 도트가 단일 이동 핀-링 어셈블리로부터 만들어질 수 있다.

증착되는 유체의 부피는 핀의 크기에 의존하며, 대충 핀의 반경과 동일한 반경을 갖는 반구(hemisphere)의 부피와 같고, 이는 오늘날 이용 가능한 기기에 있어서 50 - 500 ㎛의 범위이다. 이는 통상적으로 본 명세서에 기술된 구체예에 있어서 바람직하다.

본 발명의 특징은 스포팅 유체 중 적어도 하나가 폴리머 및/또는 폴리머 전구체를 포함하고, 스포팅 유체 중 적어도 하나가 하나 이상의 (생) 화학 인식 부분을 포함한다는 것이다.

구체예의 하나에 있어서, 하나 이상의 (생)화학 인식 부분을 나타내는 성분과, 폴리머 및/또는 폴리머 전구체를 포함하는 단 하나의 스포팅 유체가 이용된다.

바람직한 구체예에 있어서, 적어도 두 가지의 스포팅 유체가 사용되는데, 제 1 스포팅 유체는 폴리머 및/또는 폴리머 전구체를 포함하고, 제 2 스포팅 유체는 하나 이상의 (생)화학 인식 부분을 나타내는 성분을 포함한다. 바람직한 구체에에 있어서, 제 1 스포팅 유체는 제 2 스포팅 유체보다 먼저 증착된다.

적합한 폴리머의 예는 폴리(메틸 프로페노에이트) 또는 폴리(2-메틸 프로페노에이트)와 같은 폴리아크릴레이트, 폴리아닐린, 폴리(부타디엔), 폴리에틸렌, 폴리(에틸렌-코-비닐 아세테이트), 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리(옥틸 메타크릴레이트), 폴리(데실 메타크릴레이트) 또는 폴리(이소데실 메타크릴레이트)와 같은 폴리메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리(4-t-부틸 스티렌) 또는 폴리(4-메톡시 스티렌)과 같은 폴리스티렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, TekoflexEG 80A와 같은 폴리우레탄, 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(비닐 알콜), 폴리(비닐 클로라이드), 쉘(Shell) 사의 SU 8과 같은 에폭시 노볼락 수지(novolac resins), 및폴리(에틸렌-코-비닐 아세테이트)와 같은, 상기 폴리머들의 공중합체 또는 삼원 공중합체를 포함하는 플라스틱 수지이다. 특별한 예는 폴리(데실 메타크릴레이트), 폴리(이소데실 메타크릴레이트), TekoflexEG 80 A 및 폴리(비닐 클로라이드)이다.

이와 관련하여, “폴리머 전구체”라는 용어는, 중합, 축중합 및 가교에 의하여 거대 폴리머 구조를 형성하는 가교제(crosslinkers)는 물론, 모노머, 이합체(dimers), 올리고머, 예비 폴리머(prepolymer)를 나타내는 것이다.

플라스틱 모노머의 예는 아크릴산, n-부틸 아크릴레이트, 이소데실 아크릴레이트, 아크릴아미드, 헥산디올 디아크릴레이트, 시클로헥산디올 디아크릴레이트, N,N'메틸렌 비스아크릴아미드 또는 트리프로필렌 글리콜 디아크릴레이트와 같은 아크릴레이트 모노머(monomeric acrylates), 메타크릴산, 메틸 메타크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트, n-부틸 메타크릴레이트, 이소부틸 메타크릴레이트, 헥실 메타크릴레이트, 노닐 메타크릴레이트, 데실 메타크릴레이트, 도데실 메타크릴레이트, 히드록시에틸 메타크릴레이트, 글리시딜 메타크릴레이트, 트리플루오로에틸 메타크릴레이트, 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 트리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트 또는 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트와 같은 메타크릴레이트 모노머(monomeric methacrylates)이다. 플라스틱 모노머의 특별한 예는 n-부틸 아크릴레이트, 이소데실 아크릴레이트, 데실 메타크릴레이트 및 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트이다.

본 발명에 포함되는 다른 종류의 모노머 구성 단위(units)는, 예를 들면, 테트라메톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시 실란 및 테트라메틸오르쏘실리케이트와같이, 알킬-O-Si 결합의 가수분해에 의하여 실란올(SiOH-기)이 얻어지고, 이어서 축중합에 의하여 졸-겔(-Si-O-Si-)을 형성하는, 금속 화합물 또는 유기 실란(organosilanes)과 같은 반금속(semimetal) 화합물이다. 이 경우, 솔-겔(“폴리머” 전구체)은 용매인 알콜, 물 및 산과 함께 사용된다.

올리고머의 예는 Ebecryl 230 (MW 5000) 및 Ebecryl 270 (MW 1500) (UCB 케미칼)과 같은 지방족 우레탄 디아크릴레이트 올리고머, 및 예를 들면 글루타르디알데히드(glutardialdehyde)와 같은 가교제와 함께 사용되어 물리적으로 생화학적 인식 요소(biochemical recognition elements)를 유도할 수 있는 비 수용성 (water-insoluble) 거대 폴리머 구조를 형성하는, 소 혈청 알부민(bovine serum albumine, BSA)과 같은 단백질이다.

스포팅 유체가 추가로 하나 이상의 용매를 포함할 수 있다는 것은 명백하다. 용매 또는 용매 혼합물은 폴리머 및/또는 폴리머 전구체를 용해시키거나 또는 증착 공정 중에 거기에 부유된 상태로 유지할 수 있어서 스포팅 유체가 기판 재료 상에 작은 방울(droplets)로 증착되기 전에는 경화되지 않게 하는 것으로 선택되어야 한다. 바람직하게는, 용매 또는 용매 혼합물은 스포팅 유체가 기판 재료에 증착된 후에 자발적으로 증발된다.

그러나 비휘발성(non-volatile) 용매 또는 용매 혼합물의 경우, 용매 또는 용매 혼합물의 적합하고 신속한 증발과 이어지는 센서 도트의 경화를 위하여 가열 또는 감압이 필요할 수 있다.

적합한 용매는 아세톤, 부탄온, 4-메틸-2-펜탄온, 시클로펜탄온 또는 시클로헥산온과 같은 케톤, n-헥산, n-펜탄, 벤젠, 톨루엔 또는 크실렌과 같은 탄화수소, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 부틸 아세테이트 또는 디에틸 세바케이트와 같은 에스테르, 메탄올, 에탄올, 글리세롤, 에탄올아민 또는 페놀과 같은 알콜, 포름산, 또는 아세트산과 같은 산(acid), N,N-디메틸 포름아미드, N,N-디메틸 아세트아미드 또는 N-메틸 피롤리돈과 같은 아미드, 디클로로메탄, 클로로포름, 테트라클로로에탄 또는 클로로벤젠과 같은 할로겐화 탄화수소, 니트로메탄, 니트로벤젠, 물 및 이들의 혼합물이다.

스포팅 유체는 추가로 하나 이상의 가소제를 포함할 수 있다. 적합한 가소제의 예는 비스(1-부틸펜틸) 아디페이트, 비스(1-부틸펜틸) 데칸-1,10-디일 디글루타레이트, 비스(2-에틸헥실) 아디페이트, 비스(2-에틸헥실) 프탈레이트, 비스(2-에틸헥실) 세바케이트, 디부틸 프탈레이트, 디부틸 세바케이트, 10-히드록시데실 부티레이트, 테트라운데실 벤즈하이드롤-3,3',4,4'-테트라카르복실레이트, 테트라운데실 벤조페논-3,3',4,4'테트라카르복실레이트, 트리스(2-에틸헥실) 트리멜리테이트, 디부틸틴 디라우리에이트(dilaureate), 디옥틸 페닐포스포네이트, 이소데실 디페닐 포스페이트, 트리부틸 포스페이트 또는 트리스(2-에틸헥실) 포스페이트와 같은 에스테르, 디벤질 에테르, 벤질 2-니트로페닐 에테르, 2-시아노페닐 옥틸 에테르, 도데실 2-니트로페닐 에테르, 도데실 [2-(트리플루오로메틸)페닐] 에테르, [12-(4-에틸페닐)도데실]-2-니트로페닐 에테르, 2-플루오로페닐 2-니트로페닐 에테르, 2-니트로페닐 페닐 에테르, 2-니트로페닐 옥틸 에테르, 2-니트로페닐 펜틸 에테르 또는 옥틸 [2-트리플루오로메틸)페닐] 에테르와 같은 에테르, 1-데칸올, 1-도데칸올, 1-헥사데칸올, 1-옥타데칸올, 5-페닐-l-펜탄올 또는 1-테트라데칸올과 같은 알콜, 1-클로로나프탈렌 또는 클로로파라핀과 같은 할로겐화 탄화수소, 트리옥틸포스핀 옥사이드와 같은 포스핀 옥사이드 및 이들의 혼합물이다. 특별한 예는 비스(2-에틸헥실) 세바케이트, 도데실 [2 (트리플루오로메틸) 페닐] 에테르 및 2-니트로페닐 옥틸 에테르이다.

본 발명의 구체예의 하나에 있어서, 가소제는 용매를 구성한다.

본 발명에 따른 스포팅 유체의 구체적인 예는 시클로헥산온에 용해된 폴리(비닐 클로라이드) (PVC) 및 비스(2-에틸헥실) 세바케이트 (DOS)를, 1 : 1 내지 1 : 4의 비율로, 약 1 : 2와 같은 비율로 포함한다. 시클로헥산온은 적당하게 느린 속도로 증발하여, 증착 메커니즘을 방해하지 않으면서 기판 재료 상에 약 100-400 개의 유체 방울이 증착되도록 한다.

스포팅 유체가 폴리머 전구체를 포함하는 경우, 폴리머 전구체의 중합(경화의 한 가지 유형)이 폴리머 도트를 얻는 데에 필요하다.

바람직하게는, 중합/경화 공정은 스포팅 유체 방울이 기판 재료 상에 증착된 이후에 자발적으로 일어나거나, 또는 스포팅 유체 방울을 열, 자외선 또는 가시광선 조사에 노출시키는 것에 의하여 또는 전자 유도 자극에 의하여 개시된다. 그러나 몇 가지 폴리머 전구체의 경우, 중합 개시제(polymerization initiator)가 없는 상태에서는 중합 공정이 개시되지 않거나 또는 지나치게 느릴 것이다. 따라서 스포팅 유체는 추가로 중합 개시제를 포함할 수 있다. 중합 개시제의 예는 라디칼 개시제 α,α-디메톡시-α-페닐아세토페논으로서, 이는 추가로 벤조페논 또는 벤조일퍼옥사이드와 같은 감광제(photosensitizer)와 병용될 수 있다.

유사하게, 졸-겔 형성에서와 같은 폴리머 전구체의 축중합은 물 및/또는 산의 존재를 필요로 할 수 있는데, 이들은 스포팅 유체에 포함될 수 있다.

몇 가지 경우에 있어서, 축중합은 증착된 졸-겔 전구체 스포팅 유체를 물 및/또는 산 증기에 노출시키는 것에 의하여 개시될 수 있다.

폴리머 매트릭스의 역할은 (생)화학적 인식 시스템을 위한 담체를 제공하는 것이다. 본 발명에 있어서, (생)화학 인식 시스템은, 특정 분석물에 노출되었을 때 폴리머 매트릭스의 물리적 성질, 예를 들면 광학적 성질의 변화를 유도하는, 하나 이상의 성분이 포함될 수 있는 착화합물(complex)과 관련이 있다. 기판 재료의 평면 표면 부분은 적합한 변환기를 형성하고, 이에 따라 폴리머 매트릭스의 물리적 (광학적) 성질 변화의 검출을 용이하게 하므로, 특정 분석물의 검출 및 정량을 가능하게 한다.

모든 (생)화학 인식 부분이 분석물과 직접적으로 상호작용을 하여야 하는 것은 아니지만, 이들의 조합이 (예를 들면, 계단식으로(in a cascade fashion)) 폴리머 매트릭스의 물리적 성질 변화를 일으키는 것으로 이해되어야 한다.

(생)화학 인식 부분을 나타내는 성분은 폴리머 네트워크 내에서의 물리적인 붙잡힘(entrapment), 폴리머 주쇄(backbone)에 대한 공유결합, 폴리머에 존재하는 전하를 띤 그룹과의 이온성 상호 작용 또는 폴리머 상(polymeric phase) 내에서의 물리적 용해 중의 어느 하나에 의하여 계면 근처에 또는 센서 도트의 매트릭스 내에 유지된다.

본 발명의 대안적인 구체예에 있어서, (생)화학 인식 시스템의 성분 하나 이상이 직접 센서 도트의 표면에 고정된다. 이것은 특히 효소, 항체, 촉매 항체, 단백질, 헥산 및 PNA(protein nucleic acid) 또는 LNA (locked nucleic acid)와 같은 이들의 유도체, 압타머(aptamers), 수용체(receptors), 또는 세포- 및 조직 단편(tissue segments)을 포함하는 생화학적 인식 부분의 경우에 특히 흥미롭다.

그러나 이들 생화학적 인식 부분 역시 상술한 것과 같은 계면 부근에 또는 센서 도트의 매트릭스 내에 유지될 수 있다. 인식 시스템의 나머지(내장(embedded)) 성분에 대한 직접적인 화학적 결합이 존재하는 경우, 폴리머 매트릭스의 표면에 부착된 이러한 인식 부분은 단지 인식 시스템의 일부인 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 바람직한 구체예에 있어서, 그 방법에 따라 제조되는 센서 디바이스는 다수 개의 옵토드 멤브레인을 포함한다. 옵토드 멤브레인은 열역학적으로 균일한 단일 상(single, thermodynamic homogeneous phase)인 것으로 간주되며, 분석물의 활동도(activity)에 대하여 가역적으로 응답한다. 옵토드 멤브레인은 화학적 인식 부분을 위한 담체로 작용하는 폴리머 매트릭스로 구성된다. 화학적 인식 시스템은 폴리머 매트릭스 내에 화학적으로 결합되거나 또는 물리적으로 붙잡혀 있는 리간드(이온 담체, 이온 투과 담체(ionophor), 지시약(indicator), 착화제(complexing agent))를 포함할 수 있다. 리간드와 분석물의 상호 작용에 의하여 광학 신호가 생성되고, 이 경우 리간드 그 자체 또는 부가적인 화합물(색소 이온 투과 담체), 형광 이온 투과 담체(fluoroionophore), 지시 염료(indicatordye))가 다른 이온과 착물화(complexation)함에 따라 그 광학적 성질을 변화시킨다.

본 발명의 구체예의 하나에 있어서, 그 방법에 따라 제조되는 센서 디바이스는 다수 개의 이온 선택성 옵토드 멤브레인(ion-selective optode membranes)이며, 그 화학 인식 시스템은 친지성 음이온 영역(lipophilic anionic sites)은 물론, 예를 들면, 전기적으로 중성인 이온 선택성 이온 투과 담체 및 전기적으로 중성인 H⁺-선택성 색상 이온 투과 담체을 포함한다. 멤브레인은 분석물 양이온을 수소 이온으로 교환하는 것에 의하여 그 색상을 변화시킨다. 스펙트럼 성질의 변화가 광 검출에 사용된다. 폴리머 매트릭스 내에 존재하는 이온의 양을 일정하게 확보하기 위하여 친지성 음이온 영역이 첨가된다.

이온 투과 담체의 예는 리튬 특이적 이온 투과 담체 N,N'-디헵틸-N,N',5,5-테트라메틸-3,7-디옥사노난디아미드 또는 N,N,N',N'-테트라이소부틸-시스- 시클로헥산-1,2-디카르복스아미드, 소듐 특이적 이온 투과 담체 N,N',N"-트리메틸-4, 4',4"-프로필리덴 트리스(3-옥사부티르아미드), 4-옥타데카노일옥시메틸-N,N,N',N'-테트라시클로헥실-1,2-페닐렌디옥시디아세트아미드, 또는 4-t-부틸칼릭스 [4]아렌-테트라아세트산 테트라에틸 에스테르, 포타슘 특이적 이온 투과 담체 발리노마이신(Valinomycin), 2-도데실-2-메틸-1,3-프로판디일 비스[N-[5'-니트로(벤조-15-크라운-5)-4'-일]카바메이트] 또는 4-t-부틸-2,2,14,14-테트라호모-2a,14a-디옥사칼릭스[4]아렌-테트라아세트산 테트라-t-부틸 에스테르, 암모늄 특이적 이온 투과 담체 4-[N-(l-아다만틸)카바모일아세틸]-13-[N-(n-옥타데실)카바모일아세틸]-1,7,10,16-테트라옥사-4,13-디아자시클로옥타데칸, 세슘 특이적 이온 투과 담체 칼릭스[6]아렌-헥사아세트산 헥사에틸 에스테르, 마그네슘 특이적 이온 투과 담체 N,N"-옥타메틸렌-비스(N'-헵틸-N'-메틸메틸말론아미드), N,N"-옥타메틸렌-비스(N'-헵틸-N'-메틸-말론아미드), N,N',N"-트리스[3-(헵틸메틸아미노)-3-옥소프로피오-닐]-8,8'-이미노디옥틸아민, 7-[(1-아다만틸카바모일)아세틸]-16-[(옥타데실카바모일)아세틸]-1,4,10,13-테트라옥사-7,16-디아자시클로옥타데칸, 칼슘 특이적 이온 투과 담체 (-)-(R,R)-N,N'-비스[ll-(에톡시카르보닐)운데실]-N,N'-4,5-테트라메틸-3,6-디옥사옥탄-디아미드, 칼시마이신(calcimycin), 10,19-비스[(옥타데실카바모일)메톡시아세틸]-1,4,7,13,16-펜타옥사-10,19-디아자시클로헤넬코산(henelcosane), 바륨 특이적 이온 투과 담체 N,N,N',N'-테트라시클로헥실-옥시비스(o-페닐렌옥시)디아세트아미드, 중금속 특이적 이온 투과 담체 o-크실릴렌비스(N,N- 디이소부틸di티오카바메이트)(특히 구리), S,S'-메틸렌비스(N,N-디이소부틸디티오카바메이트) (특히 은), O,O"-비스[2-(메틸티오)에틸]-t-부틸칼릭스[4]아렌 (특히 은), 메틸렌 비스(2-티오벤조티아졸) (특히 은), 5-테트라데실-1,4-디옥사-8,11-디티아 시클로테트라데칸 (특히 은), 7-테트라데실-6,9-디옥사-2,13-디티아테트라데칸 (특히 은), 테트라부틸티우람 디설파이드 (특히 아연), N-페닐-이미노디아세트산 N'-N'-디시클로헥실-비스-아미드 (특히 아연), N,N,N'N'-테트라부틸-3,6-디옥사옥탄디(티오아미드), [1,1'-바이시클로헥실]-1,1’-2,2‘-테트롤 (특히 카드뮴), N,N-디옥타데실-N'N'-디프로필-3,6-디옥사옥탄디아미드 (특히 납), N,N,N'N'-테트라도데 실-3,6-디옥사옥탄디티오아미드 (특히 납), t-부틸셀릭스[4]아렌-테트라키스(N,N-디메틸티오아세트아미드) (특히 납), t-부틸칼릭스[6]아렌 데틸렌옥시디페닐포스핀 (특히 납), N,N,N'N'-테트라도데실-3,6-디옥사옥탄-1-티오-8-옥사디아미드 (특히 납), 5,7,12,14-테트라메틸디벤조테트라아자아눌렌 (특히 납), 1,10-디벤질-1,10-디아자-18-크라운-6 (특히 납), O-메틸디헥실포스핀 옥사이드 O'-헥실-2-에틸인산 (특히 우라닐 이온), 트리도데실메틸암모늄 클로라이드 또는 플루오라이드와 같은 음이온 특이적 이온 투과 담체, 클로라이드 특이적 이온 투과 담체 클로로(2,3,7,8,12,13,17,18-옥타에틸포르히리네이토) 갈륨(III), 클로로 (5,10,15,20-테트라페닐포르피리네이토)갈륨(III), 히드록소 (5,10,15,20-테트라키스(o-피발아미도페닐)포르피리네이토)갈륨(III), 클로로 (2,3,7,8,12,13,17,18-옥타에틸포르히리네이토) 인듐(III), 클로로 (5,10,15,20-테트라페닐포르피리네이토)인듐(III), 히드록소 (5,10,15,20-테트라키스(o-피발아미도페닐) 포르피리네이토)인듐(III), 클로로(2,3,7,8,12,13,17,18-옥타에틸포르히리네이토) 탈륨(III), 클로로 (5,10,15,20-테트라페닐포르피리네이토)탈륨(III), [N,N-[4,5-비스(도데실옥시)-1,2-페닐렌비스[니트릴로메틸리딘 (2-히드록시-1,3-페닐렌)]아세트아미드]-N,N'O,O']디옥소우라늄, 4,5-디메틸-3,6-디옥틸옥시-1,2-페닐렌 비스(머큐리 클로라이드), [9]머큐라카르보란드-3, 루테늄(II) (2,3,7,8,12,13,17,18-옥타에틸포르히린) 카르보닐, 트리옥틸틴 클로라이드, 트리시클로헥실틴 클로라이드와 같은 이온 특이적 이온 투과 담체로 구성된 군에서 선택되는 것이고, 기타의 이온 투과 담체는 트리요오드(triiodide) 특이적 이온 투과 담체 2,4,6,8-테트라페닐-2,4,6,8-테트라아자바이시클로[3,3,0]옥탄, 니트라이트(nitrite) 특이적 이온 투과 담체 시아노 아쿠아 코비린산(cobyrinic acid) 헵타키스(2-페닐에틸 에스테르), 디시아노 코비린산 헵타프로필 에스테르, 아쿠오(aquo)-시아노-코빈아미드, 카보네이트 및 설파이드 특이적 이온 투과 담체 3,12-비스(트리플루오로아세토벤조일) 콜릭산(colic acid), 트리플루오로아세틸-p-부틸벤젠, 옥타데실 4-포르밀벤조에이트, 및 설페이트 특이적 이온 투과 담체 디베카인(dibecain) 설페이트 및 α, α’-비스(n'-페닐티오우레일렌)-m-크실렌이다. 특별한 예는 4-t-부닐칼릭스[4] 아렌-테트라아세트산 테트라에틸 에스테르, 2-도데실-2-메틸-1,3-프로판디일 비스[N-[5'-니트로(벤조-15-크라운-5)-4‘-일]카바메이트], 4-[N-(1-아다만틸)카바모일아세틸]-13-[N-(n-옥타데실)카바모일아세틸]-1,7,10,16-테트라옥사-4,13-디아자시클로옥타데칸, (-)-(R,R)- N,N'-비스[11-(에톡시-카르보닐)운데실]-N,N'-4,5-테트라메틸-3,6-디옥사옥탄-디아미드, 트리도데실메틸암모늄 클로라이드, 히드록소 (5,10,15,20-테트라키스 (o-피발아미도페닐)포르피리네이토)인듐(III) 및 시아노 아쿠아 코르빈산 헵타키스(2페닐에틸 에스테르)이다.

색소 이온 투과 담체의 예는 9-(디에틸아미노)-5-(옥타데카노일이미노)-5H-벤조[a]페녹사진, 9-디메틸아미노-5-[4-(16-부틸-2,14-디옥소-3,15-디옥사에이코실)페닐이미노] 벤조[a]페녹사진, 9-(디에틸아미노)-5-[(2-옥타데실)이미노] 벤조[a]페녹사진, 5-옥타데카노일옥시-2-(4-니트로페닐아조)페놀, 9-(디에틸아미노)-5-(나프토일이미노)-5H-벤조[a]페녹사진, 4',5'-디브로모플루오레세인 (fluorescein) 옥타데실 에스테르, 플루오레세인 옥타데실 에스테르, 4-(옥타데실아미노)아조벤젠 및 N-2,4-디니트로-6-(옥타데실옥시)페닐-2',4'-디니트로(트리플루오로메틸)페닐아민으로 구성된 군에서 선택되는 것이다.특별한 예는 9-(디에틸아미노)-5-(옥타데카노일이미노)-5H-벤조[a]페녹사진 및 9-디메틸아미노-5-[4-(16- 부틸-2,14-디옥소-3,15-디옥사에이코실)페닐이미노] 벤조[a]페녹사진이다.

친지성 무기 착이온(complex lipophilic inorganic ions)의 예는 테트라키스[3,5-비스(트리플루오로메틸)페닐]보레이트, 테트라키스(4-클로로페닐)보레이트, 테트라키스(4-플루오로페닐)보레이트 및 테트라도데실암모늄으로 구성된 군에서 선택되는 것이다. 특별한 예는 테트라키스[3,5-비스(트리플루오로메틸)페닐]보레이트 및 테트라도데실암모늄이다.

본 발명의 구체예의 하나에 있어서, 화학 인식 시스템은 하나의 이온 투과 담체, 하나의 색소 이온 투과 담체 및 하나의 친지성 무기 착이온을 포함한다.

본 발명의 다른 구체예의 하나에 있어서, 생화학 인식 시스템은 하나의 효소 또는 효소들 및 발색 시약을 포함할 수 있고, 그 효소는 예를 들면, 효소에 결합될 때 산소 존재 하에서 분석물 (예를 들면 글루코오스)을 산화하는 (예를 들면, 글루코오스를 산화하는) 것일 수 있다. 인식 시스템은, 광 검출을 용이하게 하기 위하여, 산화 반응 생성물인 글루콘산(gluconic acid) 또는 하이드로겐 퍼옥사이드 (예를 들면, 전자가 pH 지시약에 양성자 첨가(protonate) 하거나, 후자가 염료를 산화할 수 있다) 중의 어느 하나와 상호 작용할 수 있는 추가 성분을 함유할 수 있다.

본 발명의 구체예의 하나에 있어서, 광학 현상은 표면 플라즈몬 공명이고, 기판 재료는 플라스틱 기재 재료 및 금속 표면 층 재료로부터 제조되고, 센서 도트는 가소제를 포함하는 폴리비닐클로라이드 또는 가교된(crosslinked) 아크릴레이트로부터 제조되는 것이다. 특히, 상기 금속은 금이고, 기재 재료는 폴리에테르이미드이다.

본 발명의 대안적인 구체예에 있어서, 화학적 인식은 폴리머 구조체 그 자체에 의하여 일어난다.

분석물의 활동도에 대하여 가역적으로 응답하며, 공동(cavities)을 포함하는 폴리머 구조체를 갖는 것을 특징으로 하는 폴리머 재료가 분자 각인 폴리머 (molecular imprinted polymers)로 지칭된다. 분자 각인 폴리머는 주형 분자 (template molecule), 종종 분석물 그 자체, 존재 하에서 폴리머 전구체, 예를 들면 아크릴레이트의 중합에 의하여 제조된다. 이어서, 폴리머 매트릭스로부터 주형 분자를 빼내면 폴리머 매트릭스 내에 분석물에 대한 특이적 결합 영역 (analyte specific binding sites)을 이루는 공동이 얻어진다. 공동 내에서의 분석물의 결합은 폴리머 매트릭스의 광학적/물리적 성질 변화가 일어나게 한다. 본 발명의 이러한 특정 구체예에 있어서, 주형 분자(여기서는“음판(negative)"이기는 하지만 “인식 부분(recognition moiety")이 스포팅 유체 내에 포함되고, 이에 이어서 경화된 센서 도트를 세정하는 것에 의하여 화학 인식 영역/시스템이 형성된다.

앞에 나타낸 것과 같은 (생)화학 인식 시스템을 센서 도트로 이루어진 폴리머 매트릭스 내에 도입하는 것은 이에 이어지는 단계를 하나 이상 포함하는 다른방법으로 수행될 수 있다. 이 단계들은, 예를 들면 열, 진공 또는 다른 공급원 (sources)의 조사에 의한 하나 이상의 경화 단계는 물론, 하나 이상의 세정 단계, 하나 이상의 “핀-링” 증착 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 구체예의 하나에 있어서, (생)화학 인식 시스템의 성분이 폴리머 및/또는 폴리머 전구체와 동일한 스포팅 유체 내에 함유된다.

구체예의 하나에 있어서, 두 가지 이상의 스포팅 유체가 각각 평면 표면의 미리 결정된 부분에 차례로 증착되고, 거기에서 스포팅 유체가 스포팅 유체의 최종적인 증착이 완결된 후에 경화된다.

다른 구체예에 있어서, 두 가지 이상의 스포팅 유체가 각각 평면 표면의 미리 결정된 부분에 차례로 증착되고, 거기에서 스포팅 유체가 각 스포팅 유체가 증착된 후에 바로 경화된다.

본 발명의 다른 구체예에 있어서, 화학 또는 생화학 인식 시스템이, 하나 이상의 (생)화학 인식 시스템의 성분을 포함하는 하나 이상의 유체의 중첩 (superimposition)에 의하여, “핀-링” 증착 기술로 폴리머 매트릭스 내 (또는 위)의 미리 형성된(pre-formed) 센서 도트 위에 도입될 수 있다.

이 구체예에 있어서, (생)화학 인식 요소를 포함하는 유체는 추가로 용매 및/또는 가소제를 포함할 수 있다.

이러한 접근은 중합 조건에 노출될 때 손상될 수 있는 인식 요소의 도입의 경우에 대해서만 유리한 것은 아닐 수 있다. 이것은 서로 다른 패턴을 갖는 (생)화학 센서 디바이스를 제조하는 경제적인 방법이 된다는 것을 보여줄 수 있다.

본 발명의 구체예의 하나에 있어서, 화학 인식 시스템이 다음과 같은 방법으로 센서 도트로 이루어진 폴리머 매트릭스 내에 도입될 수 있다. 폴리머 및/또는 폴리머 전구체 및 가소제를 포함하는 제 1 스포팅 유체를 기판 재료 위에 증착시킨다. 상기 스포팅 유체가 경화되도록 한다. 경화된 센서 도트를 적당한 용매로 세정하여 가소제를 재 추출한다. 하나 이상의 (생)화학 인식 부분을 나타내는 성분 형태의 (생)화학 인식 시스템과 가소제를 포함하는 제 2 스포팅 유체를 경화된 폴리머 매트릭스의 위 부분에 폴리머 매트릭스의 재 가소화(re-plasticizing)에 의하여 증착한다. 그 다음, 이들 조합이 경화되도록 한다.

본 발명의 구체예의 하나에 있어서, (생)화학 센서 도트는 용매, 가소제, 중합 개시제 및 (생)화학 인식 성분으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 성분을 포함하는 하나 이상의 유체의 연속적인 중첩에 의하여 지지 표면 위의, 경화되지 않은 센서 도트는 물론, 경화된 방울 위에도 구성될 수 있다. 각각의 연속적인 중첩 단계 다음에는 센서 도트를 열, 진공 또는 다른 공급원에 의한 조사에 노출시키는 것에 의한 또는 세정에 의한 경화 공정이 이어질 수 있다.

보다 더 바람직한 구체예에 있어서, 하나 이상의 센서 도트가 온도, 숙성 (aging), 분석물, 벌크 용액 굴절률, 폴리머 매트릭스의 팽창(swelling), 이온 강도(ionic strength)로부터의 효과에 기인하는, 또는 센서 변환기에 적용되는 광원의 동요(fluctuations)에 기인하는 불특이적 변화(unspecific changes)에 대하여 응답하는 기준(reference) 폴리머 매트릭스를 갖는 기준 센서 도트를 나타낸다. 기준 센서 도트는 하나 이상의 (생)화학 인식 요소를 제외한 모든 센서 도트의 성분을 포함할 수 있는 기준이다.

(생)화학 센서 도트의 직경은 통상적으로 1-1000 ㎛, 보다 바람직하게는 150-250 ㎛이고, 도트의 높이는 0.1-1000 ㎛, 바람직하게는 1-5 ㎛이다. 유체 중첩 단계의 수는 보통 센서 도트의 직경 및 높이를 지배한다.

본 발명에 따라 제조되는 (생)화학 센서 디바이스는 동일한 시료 내에 포함된 둘 이상의 분석물의 동시 검출(parallel detection) 및 정량에 이용될 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련된 자는 본 발명의 넓은 잠재적 응용 범위를 인식할 것이다.

실시예 1

상업적으로 구입 가능한 “핀-링”어레이어의 개조

상업적으로 구입 가능한 “핀-링”어레이어(Affymetrix 417, 본래 Genetic Microsystem로부터 구입한 GMS 417)를 생물학적 또는 생화학적 유체 대신 폴리머 또는 폴리머 전구체를 포함하는 스포팅 유체의 증착용으로, 즉, 핀을 세정하기 위한 에탄올과 같은 유기 용매를 계속적으로 사용할 수 있도록 개조한다. 튜빙 - 통상적으로 실리콘 - 을 용매에 대하여 보다 잘 견디는 FEP (플루오로에틸렌프로필렌) 튜빙으로 교환한다. 유사한 방법으로, 세정액을 세정 위치(wash station)로 운반하는 펌프 (AS Thomas)를 제거하고, “화학적으로 견디는” 동일한 모델로 교체하였다. 입구의 보호 잠금 장치를 해제하여, 세정 보틀을 사용하여 테트라하이드로퓨란으로 수작업으로 세정하기 위하여 핀에 접근할 수 있도록 한다. 클램프 보다는 (또는 클램프 이외에) 흐름 제한기(flow restrictors)가 세정 용매 튜빙 위에 설치되어 세정 위치 내에 있는 노즐의 용매 분출의 제어력을 향상시킨다. 세정 용매가 약간 분사되는 경우의 손상을 방지하기 위하여, 보호 박막(orotective foil)이 기기의 투명한 앞문의 내부를 덮는 데에 사용될 수 있다. 욕(bath)으로부터 세정 유체를 흡출(aspiration)하여 제거하는 진공 펌프의 출구를 실험실 공기 통풍 시스템(후드)에 연결하여, 용매 증기가 작업 환경으로 유입되는 것을 상당 부분 방지한다. 시료를 마이크로 적정기 플레이트(microtiter plate)의 웰(wells) 내의 어레이어(arrayer)에 도입한다. 보통의 폴리스티렌 플레이트는 많은 종류의 유기 용매에 대하여 견디지 못하기 때문에, 폴리프로필렌 플레이트가 선택된다.

실시예 2

유리 재료 상에 소형화된 PVC 도트(miniaturized PVC dots)의 제조

33 mg의 폴리(비닐 클로라이드) (PVC) (고 분자량) 및 66 mg의 가소제 비스(2에틸헥실) 세바케이트 (DOS)를 800 ㎕의 시클로헥산온에 용해시킨다. 얻어진 스포팅 유체 35 ㎕를 256-웰 폴리프로필렌 마이크로 적정기-플레이트의 웰 A1에 채운다. 125 ㎛-핀을 갖는 GMS 417 어레이어를 사용하여, PVC 도트의 시범(demonstration) 어레이를 상업적으로 구입 가능한 유리 또는 금-코팅 유리 마이크로스코프 슬라이드(도 1)와 같은 기판 위에 용이하게 증착시킬 수 있다. 주문 제작된(custom-made) 금속 어댑터(adapter) 플레이트를 사용하여 기타의 지지 표면이 기기에 배치될 수 있다. PVC-DOS 잔류물을 제거하기 위하여 핀을 테트라하이드로퓨란으로 세정한다. 이는 수작업으로 수행되거나, 또는 적합한 용매가 적합하게 개조된 기기 내의 세정 라인(lines) 및 욕에서 사용될 수 있다.

실시예 3

다수 개의 소형화된 소듐-선택성 (생)화학 센서 도트의 제조

2.9 mg의 9-(디에틸아미노)-5-옥타데카노일이미노)-5H-벤조[a]페녹사진, 4.6 mg의 소듐 테트라키스[3,5-비스(트리플루오로메틸)페닐]보레이트, 10.0 mg의 4-t-부틸칼릭스[4]아렌테트라아세트산 테트라에틸 에스테르, 139.2 mg의 비스(2-에틸헥실) 세바케이트 및 69.1 mg의 폴리(비닐 클로라이드) (고 분자량)를 2.0 ㎖의 시클로헥산온에 용해시킨다. 얻어지는 스포팅 유체 35 pℓ를 256-웰 폴리프로필렌 마이크로 적정기 플레이트의 웰 A1에 채운다. 125 ㎛-핀을 갖는 GMS 417 어레이어를 사용하여, 가소화된 PVC 계 소듐-선택성 (생)화학 센서 도트를 금-코팅 유리 마이크로스코프 슬라이드 위에 만들었다. 센싱 도트의 기능(functionality), 즉, 완충 용액 내의 표적 이온인 소듐에 대한 응답, 이 각각 광 흡수 분광학 또는 표면 플라즈몬 공명 분광학으로 확인될 수 있다. 후자는 크레이머-크로니히 관계식(Kramers-Kronig relation)에 의한 스펙트럼/흡수 변화와 관련이 있는, 멤브레인 내의 굴절률 변화를 감지한다.

실시예 4

메타크릴레이트를 포함하는 스포팅 유체를 사용하는 다수 개의 센서 도트의 제조

160 mg의 1,6-헥산디올 디메타크릴레이트, 100 mg의 도데실 메타크릴레이트, 200 mg의 비스(2-에틸헥실) 세바케이트 및 라디칼 개시제, 예를 들면, 1 mg의 α,α-디메톡시-α-페닐아세토페논 또는 2.5 mg의 벤조일 퍼옥사이드를, 감광제로서 5 mg의 벤조페논과 함께 사용하여 제조한 35 ㎕의 스포팅 유체를 256-웰 폴리프로필렌 마이크로 적정기 플레이트의 웰 A1에 채운다. 125 ㎛-핀을 갖는 GMS 417 어레이어를 사용하여, 광중합 메타크릴레이트 센서 도트의 시범(demonstration) 어레이를 상업적으로 구입 가능한 마이크로스코프 슬라이드 위에 만들었다. 스포팅 유체의 증착 후에 핀을 에탄올과 같은 적합한 용매로 세정하였다. 증착 후에, 스포팅 유체 방울을 비활성 기체 분위기 하에서, 통상적으로 10-20분 동안 자외선에 노출시켜 광중합시켰다. 이와 같은 실험은 많은 수의 메타크릴레이트 칵테일(cocktail) 도트를 고도로 정밀하게 만들고, 이에 이어서 즉시 광중합시킬 수 있다는 것을 설득력 있게 보여주는 것이다. (생)화학 인식 성분(예를 들면, 이온 투과 담체, 색소 이온 투과 담체, 친지성 무기 착이온)을 스포팅 유체에 수 %(중량/중량)의 농도로 첨가하는 경우, 증착 공정에 영향을 주지 않으면서, 감지 도트의 어레이가 얻어질 것이라는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련된 자에게 명백하다. 그러나 이 성분들 중 다수가 광 표백성(photobleachable)이기 때문에 재 가소화(replasticizing)가 감지 성분의 도입을 위한 대안적인 경로로서 선택될 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 어떠한 인식 요소도 갖지 않는 가소화된 도트를 증착시킨 다음, 재료로부터 가소제를 추출하기 위하여 테트라하이드로퓨란으로 처리한다. 그 다음, (생)화학 인식 성분 (예를 들면, 이온 투과 담체, 색소 이온 투과 담체, 친지성 무기 착이온)의 비스 (2-에틸헥실) 세바케이트 용액을 폴리머 도트의 꼭대기 부분에 직접 증착시킬 수 있다. 충분한 시간을 부여하여 가소제 및 감지 성분을 폴리머 매트릭스에 포획시킴으로써, 기능적인 이온-선택성 (생)화학 센서 도트의 어레이를 얻는다.

실시예 5

폴리머 도트의 중첩

5.1

실시예 4에서와 동일한 스포팅 유체를 유리 마이크로스코프 슬라이드 위에 증착시켜, 3 개의 도트의 3 배(three times three dots)로 이루어진 4 개의 어레이 A, B, C, D를 얻었다. 그 다음 상기 도트를 비활성 기체 분위기 하에서 UV 조사에 의하여 광중합시켰다. 이어서, 2 개의 어레이를 어레이 A와 B의 위 부분에 중첩시키고, 중합시켰다. 센서 도트의 이미지를 Affymetrix 418 형광 스캐너로 읽어 들였으며(도 2), 이로부터 성공적인 중첩을 확인하였다(어레이 B에서는 실험의 실수로 인하여 중첩이 실패하여, 2 개의 개별적인 어레이가 이동된(shifted) 것이 관찰된다).

5.11

그 외에, 실시예 2에서와 동일한 스포팅 유체를 정렬 시험(alignment test)을 목적으로 어레이어의 보정(calibration) 소프트웨어의 특징(feature)을 이용하여 20 x 20 어레이로 증착하였다. 증착을 도트 위치를 이동시키면서 반복하였다. 도 3의 스캐너 이미지는 2 개의 어레이 및 이들이 중첩된 영역을 보여준다. 어레이 외관이 약간 차이가 나는 것은 서로 다른 표면을 갖는 마이크로스코프 슬라이드를 사용한 것에 기인할 가능성이 가장 높다.

Claims

광학 (생)화학 센서 디바이스의 제조방법으로서,

상기 디바이스는 평면 표면 부분을 갖는 기판 재료를 포함하고, 상기 평면 표면은 광학 현상에 기초한 변환기를 나타내며, 상기 평면 표면 부분은 그 위에 배열된, 평면 표면 위의 공간적으로 분리된 미리 결정된 위치에 배치된 다수 개의 (생)화학 센서 도트를 가지며, 상기 센서 도트는 (i) 폴리머 매트릭스 및 (ii) 하나 이상의 (생)화학 인식 부분을 포함하는 것으로서,

(a) 평면 표면 부분을 갖는 기판 재료를 제공하는 단계,

(b) 각각 하나 이상의 (i) 폴리머 및/또는 폴리머 전구체 및 (ii) 하나 이상의 (생)화학 인식 부분을 나타내는 성분을 포함하는, 하나 이상의 스포팅 유체를 제공하는 단계, 및

(c) 하나 이상의 스포팅 유체를, 동시에 또는 차례로, 기판 재료의 평면 표면 위의 공간적으로 분리된 미리 결정된 위치에, “핀-링” 증착 메커니즘에 의하여 증착시키고, 스포팅 유체가 경화되도록 하는 단계를 포함하는 것인, 광학 (생)화학 센서 디바이스의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 광학 현상이 투과, 형광 및 표면 플라즈몬 공명으로부터 선택되는 것인 제조방법.
제 2 항에 있어서, 상기 광학 현상이 표면 플라즈몬 공명인 제조방법.
선행하는 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 재료가 유리, 실리카, 무기 유전체 재료, 플라스틱, 및 수소- 또는 중수소-말단 표면을 갖는 실리콘으로부터 선택되는 기재를 포함하는 것인 제조방법.
선행하는 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 재료가 금속 및 실리콘으로부터 선택되는 표면 층 재료 하나 이상으로 구성되는 평면 표면 부분을 포함하는 것인 제조방법.
제 5 항에 있어서, 상기 표면 층 재료가 10-500 nm의 두께를 갖는 것인 제조방법.
선행하는 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 재료의 평면 표면이 이작용기성 시약 X-Y-Z로 처리하여 화학적으로 개질된 것으로서,

X는 -OR', 대칭 또는 비대칭성 디설파이드(-SSR'Y', -SSRY), 설파이드(-SR'Y', -SRY), 디셀레나이드(-SeSeR'Y', -SeSeRY), 셀레나이드(-SeR'Y', -SeR'Y'), 티올(-SH), 셀레놀(-SeH), -N=C, -NO₂, 3가 포스포러스기, -NCS, -OC(S)SH, 티오카바메이트, 포스핀, 티오산(-COSH), 디티오산(-CSSH), -Si(OR/R/H)₃, 및 할로겐으로부터 선택되는 것이고;

치환기 R 및 R'는 각각 독립적으로 임의로 치환된 C_l-30-알킬, 임의로 치환된 C_2-30-알케닐, 임의로 치환된 C_2-30-알키닐 및 임의로 치환된 아릴로부터 선택되는 것이고;

Y 및 Y'는 히드록실, 카르복실, 아미노, 포르밀, 히드라진, 카르보닐, 에폭시, 비닐, 알릴, 아크릴, 에폭시 및 메타크릴로부터 선택되는 것이고;

Z는 두 개의 작용기 사이의 연결기(이가 라디칼)인 제조방법.
선행하는 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 스포팅 유체 중의 적어도 하나가 폴리아크릴레이트, 폴리아닐린, 폴리(부타디엔), 폴리에틸렌, 폴리(에틸렌-코-비닐 아세테이트), 폴리메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리우레탄, 폴리(비닐 아세테이트), 폴리(비닐 알콜), 폴리(비닐 클로라이드), 에폭시 노볼락 수지 및 이들의 공중합체 또는 삼원 공중합체로부터 선택되는 폴리머를 포함하는 것인 제조방법.
선행하는 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 스포팅 유체 중의 적어도 하나가 아크릴레이트 모노머, 메타크릴레이트 모노머, 올리고머 및 가교제로부터 선택되는 폴리머 전구체를 포함하는 것인 제조방법.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 하나 이상의 스포팅 유체 중의 적어도 하나가 가소제를 포한하는 것인 제조방법.
제 8 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 스포팅 유체가 중합 개시제를 포함하는 것인 제조방법.
선행하는 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 (생)화학 인식 부분이 이온 투과 담체, 색소 이온 투과 담체 및 친지성 무기 착이온으로부터 선택되는 것인 제조방법.
선행하는 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 스포팅 유체가 열, 자외선 조사, 가시광선 조사에 의하여, 또는 전자 유도 자극에 의하여 경화되는 것인 제조방법.
선행하는 항 중의 어느 한 항에 있어서, 두 가지 이상의 스포팅 유체를 평면 표면의 미리 결정된 각 위치에 차례로 증착시키고, 스포팅 유체의 최종 증착이 완결된 후에 스포팅 유체가 경화되도록 하는 제조방법.
제 1 항 내지 제 13 항 중의 어느 한 항에 있어서, 두 가지 이상의 스포팅 유체를 평면 표면의 미리 결정된 각 위치에 차례로 증착시키고, 각 스포팅 유체의증착 후에 스포팅 유체가 경화되도록 하는 제조방법.
선행하는 항 중의 어느 한 항에 있어서, 각각의 (생)화학 센서 도트가 서로 다른 (생)화학 인식 부분을 포함하는 것인 제조방법.
제 16 항에 있어서, 상기 센서 디바이스가 5 개 이상의 센서 도트를 포함하는 것인 제조방법.
선행하는 항 중의 어느 한 항에 있어서, 광학 현상이 표면 플라즈몬 공명이고, 상기 기판 재료가 플라스틱 기재 및 금속 표면 층 재료로부터 제조되는 것이며, 상기 센서 도트가 폴리비닐클로라이드 또는 가소제를 포함하는 가교 아크릴레이트로부터 제조되는 것인 제조방법.
제 18 항에 있어서, 상기 금속이 금이고, 상기 기재가 폴리에테르이미드인 제조방법.
선행하는 항 중의 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 얻어질 수 있는 (생)화학 센서 디바이스.
제 20 항에 있어서, 각각의 (생)화학 센서 도트가 서로 다른 (생)화학 인식부분을 포함하는 것인 (생)화학 센서 디바이스.
제 21 항에 있어서, 상기 센서 디바이스가 5 개 이상의 서로 다른 센서 도트를 포함하는 것인 제조방법.
제 20 항 내지 제 22 항 중의 어느 한 항에 따른 광학 (생)화학 센서 디바이스를 이용하는, 2 종 이상의 분석물을 모니터링 및/또는 특성화(characterizing)하는 방법.
제 23 항에 있어서, 표면 플라즈몬 공명 기술이 광학 (생)화학 센서 디바이스와 함께 사용되는 방법.