KR20080082976A

KR20080082976A - 서브-미크론 표면 플라즈몬 공진 센서 시스템들

Info

Publication number: KR20080082976A
Application number: KR1020087016773A
Authority: KR
Inventors: 제임스 에이. 그래이저; 보그단 드라그네어; 드라고스 아마리에
Original assignee: 인디애나 유니버시티 리서치 앤드 테크놀로지 코포레이션
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2008-09-12
Also published as: US20110228277A1; US7852482B2; AU2006329841A1; US7724373B2; US20070153284A1; CA2634027A1; US7961329B2; WO2007075444A3; US20100188663A1; CN101360986A; JP2009520188A; US7961330B2; IL192193A0; WO2007075444A2; EP1969351A4; EP1969351A2; US20100189603A1; US20100188664A1; US8169615B2

Abstract

테스트 유체에서 타겟 분석물질, 리간드 또는 분자의 존재를 검출하기 위한 센서는, 광 투과성 기판; 상기 기판의 표면상에 설치된 표면 플라즈몬 공진(SPR) 소자; SPR 소자들로 광을 지향시키도록 배열되는 광원; 및 SPR 소자들을 통해서 투과된 광을 검출하도록 배열되는 검출기를 포함한다. SPR 소자들은 약 150nm 두께의 금 코팅층을 갖는 약 770nm의 구형 직경을 갖는 유전체 폴리스티렌 구를 포함할 숭 있다. SPR 소자들 및 기판 간의 인터페이스는 소자들로 지향되는 광의 파장보다 적은 직경을 갖는 핀홀을 형성하여 마이크로-크기의 SPR 소자들 내에서 근계 커플링 모드를 발생시킨다. 특정 실시예들에서, 핀홀 직경은 150-200nm의 범위이다. SPR 소자들은 펌프 및 밸브들과 같은 마이크로-유체 구성요소들을 통합할 수 있는 몰딩된 PDMS 칩 내에 포함되어 SPR 소자들을 가로질러 테스트 유체의 흐름을 제어한다. 다중-채널 센서는 단일 마이크로-칩 센서로 여러 타겟들의 존재를 검출하기 위하여 제공될 수 있다. 다중 채널 센서에서, SPR 소자들의 콜렉션들은 여러 타겟들 중 하나에 공통적으로 기능화된다. 이 검출기들은 타겟들과의 결합을 표시하는 SPR 소자들의 공진 응답을 변화들을 감지한다.

테스트 유체, 광원, 검출기, 핀홀, 타겟

Description

서브-미크론 표면 플라즈몬 공진 센서 시스템들{SUB-MICRON SURFACE PLASMON RESONANCE SENSOR SYSTEMS}

관련 출원과의 상호-참조

본 출원은 그 전체가 본원에 참조되어 있는 2005년 12월 16일자로 출원되고 명칭이 "Sub-micron Cavity Surface Plasmon Sensors and Their Micro-fluidic-Applications"인 공동 계류중인 가출원 번호 제60/750,872호에 대한 우선권을 주장한다.

정부의 권리

본 발명의 개발 동안 작업의 일부는 수여 번호 IBM-0083653 하에서 국립 과학 재단으로부터, 그리고 수여 번호 NAG2-1619 하에서 NASA로부터의 정부 지원하에 이루어졌다. 정부는 본원에 개시된 본 발명에서 일정한 권리들을 갖는다.

의학에서의 중요한 경향은 고속 임상 진단용 포인트 오브 캐어(point of care: POC)의 도입이다. 이러한 장치들은 환자들이 심장병 증상이 있는지를 나타내는 것과 같이, 시간-임계 진단(time-critical diagnosis)들에 대한 제1 응답자들 또는 의료원에 의한 고속 진달을 가능하게 한다. 긴 프로세싱 시간 및 고비용을 수반하는 종래의 인-하우스 실험실 분석(in-house laboratory assay)들을 피하고자 하는, 전염병, 약물 남용, 뇌혈관 질환과 같은 다른 징후들에 대한 테스트들이 개발되었다. 현재의 POC 장치들은 단일 용도이다. 이것이 많은 애플리케이션들에 적합하지만, 연속적인 모니터링 장치들에 대한 충족되지 않은 요구가 존재한다.

최초의 임상 요구는 중환자들에게서 감염들의 존재를 모니터링 및 검출하는 장치이다. 현재, 많은 중환자들에게 고속으로 검출되지 않아서 종종 패혈증 또는 쇼크(shock)를 초래하고 큰 사망률을 발생시키는 감염들이 나타나고 있다. 예를 들어, 감염을 나타내는 환자의 혈류 내의 특정 단백질 표지자(protein marker)들의 농도를 연속적으로 추적할 수 있는 장치가 상당히 필요하다.

선택된 화학제들 또는 생체 물질들의 존재를 검출할 수 있는 장치들은 테스트 분자를 식별하는 신호를 제공하는 샘플 분자와 직접 상호작용하는 바이오센서들을 포함한다. 바이오센서들은 종종 자신들을 선택적이 되도록 화학적으로 기능화된다. 판독출력은 종종 작은 분자들(예를 들어, 포도당)에 대한 경우와 같이 전기화학적이거나, 또는 단백질들 또는 DNA와 같은 분자들에 대해 형광성 또는 다른 광학 기술들을 사용할 수 있다. 전형적인 바이오센서들은 종종 연속적 판독 모드에서 동작하거나, 다수 번 사용될 수 있는데, 이것은 통상적으로 단지 한 번의 테스트 결과를 발생시키는, 벌크 시약 핸들링(bulk reagent handling)을 필요로 하는 종래의 실험실 분석들과 상이하다.

종래의 실험실 분석들과 비교되는 바이오센서들에 의해 제공된 소형화 가능성들은 포인트 오브 케어(POC) 테스트들이 매우 강화된 진단 능력을 제공할 수 있다는 것을 나타낸다. POC 테스팅의 이점들은 치료 결정들을 돕는 고속 턴어라운 드(rapid turnaround); 테스트 결과들을 환자에게 빨리 알리는 것, 이로써 의사의 업무로드(workload)를 감소시키고 환자의 만족을 증가시킴; 감소된 종이 업무와 간소화된 샘플 추적; 및 전문 기술자에 대한 감소된 필요성을 제공한다. 패널(panel)들로서 관리되는 POC 테스트들은 더 상당 이점들을 제공한다. 예를 들어, 여러 심장병 표지자들에 대한 스크리닝(screening)은 동시적으로 시간을 절약하고 유용하한 부가적인 데이터를 제공한다. 각종 유형들의 인플루엔자에 대한 스크린들은 단일 스트레인(single strain)들만에 대한 더 제한된 테스트들에 비하여 진달에 도움을 줄 것이다.

바이오센서들의 최근의 애플리케이션들은 일부를 언급하면 음식 또는 물 테스팅, 약물 남용, 바이오-디펜스(bio-denfense) 및 "백색 분말" 검출, 및 수의학 테스팅을 포함한다. 이러한 애플리케이션들 중 일부는 바이오-디펜스 측정들과 관련된 초고속 응답 시간 또는 매우 낮은 수의 E.Coli 콜로니-형성 유닛(colony-forming unit)들을 검출하기 위하여 음식 및 물 테스팅에서 필요로 되는 높은 감도에 대한 요구와 같이 특정한 요구들을 갖는다. 전형적인 물 테스팅 제품들은 병원균 존재를 나타내기 위하여 색을 변화시키는, 18-24 시간 또는 그 이상 동안 플라스크(flask)들에서 인큐베이팅되어야 하는 시약들을 사용한다. 이러한 제품들이 매우 효율적이지만, 긴 24 시간 인큐베이션 시간(incubation time)이 문제가 될 수 있다. 오염된 물이 공용 식수(public drinking sypply)일 때, 상기 오염된 물은 병원균 문제가 검출되기 전에 장기간 동안 사용 중일 수 있다. 물을 연속적으로 모니터링하는 제품은 실제 오염 몇 분 이내에 경고를 제공할 수 있다.

바이오-디펜스는 탄저병, 보툴리누스 중독증, 말라리아, 에볼라 바이러스, 리신, 및 이외 다른 가능한 테러리스트 에이전트들을 고속으로 그리고 상호작용적으로 검출하기 위하여 여러 가지 방식들에 대한 정부 및 군사 에이전시들로서 특정한 물질들을 제공한다. 값비싼 테스트 키트들은 실시간 PCR과 결합한 US Postal Service에 의해 현재 사용되어 패키지들 및 인벨롭들에 대한 공기 또는 의심스러운 "화이트 파우더"로부터 얻어지는 천연 샘플들을 증폭 및 분석한다.

신품종의 바이오센서들은 금속 표면과의 광의 상호작용으로부터 발생되는 현상을 이용한다. 이 현상은 "표면 플라즈몬 공진"이라 칭하고 상이한 유전율 또는 반대 부호들의 유전율을 갖는 2개의 매체와의 인터페이스에 존재할 수 있는 전하 밀도(전자 클라우드) 발진을 구현한다. 이 조건은 통상적으로 유전체(유리) 및 금속(전형적은 금 또는 은) 간의 인터페이스에서 만난다. 전하 밀도파(전자 클라우드)는 전자기 파(인입 광자들)와 관련되고 이 커플링은 인터페이스에서 최대에 도달하고 2개의 매체로 기하급수적으로 붕괴한다. 이 커플링은 실제로 표면 바운드 플라즈마 파(SPW)이다.

이 커플링은 플래너 금속-유전체 인터페이스에서 입상되는 광의 광자들에 의해 직접적으로 여기될 수 없는데, 그 이유는 SPW의 전파율이 항상 유전체에서 전파퇴는 파의 상수보다 높게 되기 때문이다. 그러므로, 이 커플링을 향상시키기 위하여, 감쇠된 총 반사(ATR), 프리즘 커플러들 및 광 도파관들 또는 회절 격자들의 표면에서 회절이 사용된다. 광 광자들에 의한 SPWs의 여기가 SPW로 에너지의 공진 전달시키기 때문에, 표면 플라즈몬 공진(SPR)은 광 광자들의 에너지의 공진 흡수에 의해 나타난다. 유전체의 전자기 필드의 강한 농도(유전체 도파관을 이용하여 전형적인 감쇠 필드 센서들에서 크기보다 높은 크기 정도))로 인해, SPW의 전파 상수 및 궁극적으로 SPW 포메이션은 SPW을 지원하는 금속층에 인접한 유전체의 광학 특성들, 즉 SPR에 광학적으로 신호를 보냄으로써 결정될 수 있는 유전체 매체의 굴절율의 변화에 매우 민감하다. 감도 영역의 두께는 인가된 에너지를 파장을 벗어나서 가변시키지만 전형적으로 가시광 범위의 파장들에 대해서 전형적으로 약 500nm이다. 굴절율은 표면에서의 재료들 또는 불순물들의 존재에 의해 수정된다. 이는 매우 높은 정확도로 재료들 또는 불순물들을 식별하는데 사용될 수 있는 기본적인 효과이다.

금속들은 음 부호 유전율을 제공할 수 있는 재료들이다. 이들은 정확한 파장을 갖는 전자기 방사에 의해 여기될 때 구성 전자들이 공지되는 공진 모드를 갖는다. 특히, 금은 약 510nm의 가시광 파장들에서 공진을 갖는 스펙트럼을 갖는다. 프리즘 커플러들에서 감쇠된 총 반사의 경우에, 감쇠파는 표면 플라즈몬 파의 존재에 의해 향상되는 표면의 대략 200-400nm 내에서 매체와 접촉한 금속 표면에 민감하게 된다. 이와 같은 금속은 굴절율 및 임계 감쇠된 총 반사의 정확한 각도를 효율적으로 수정한다. 따라서, 바운드 기판 및 샘플 간의 상호작용들이 탐색되어, 최대 SPR 발생시에 반사각의 작은 변화들을 측정한다.

이 영향은 가령 단백질들, RNA 및/또는 DNA 사이에 또는 단백질들 및 바이러스들 또는 박테리아 사이와 같이 분자들간의 결합을 연구하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 특정 항체와 기능화된 표면은 단지 하나의 항원(예를 들어, 항원 A)에 대해서 탐색할 것이고 비 특정 결합으로부터 특정 결합을 구별한다. 즉, 항원(A)은 검출되지만 표면에 기능화된 단백질 및 또 다른 항원, 즉 항원(B) 간의 약한 상호작용들이 구별될 수 있다. 전형적으로, 수 밀리도의 각도 분해능(angular resolution)은 선택 및 비선택 바인딩간을 구별하는데 필요로 된다. 따라서, 1pg/ml의 희석액과 같은 용액내 단백질 (A)의 검출이 성취될 수 있다. 게다가, 표면 단백질 및 항원(A) 간의 반응 카이네틱들이 명료하게 될 수 있다.

대부분의 상업용 SPR 장비들은 Au 또는 Ag과 같은 비활성 금속의 박층(50nm)으로 코팅되는 반구형 유전체 프리즘을 포함하는 샘플 주입 장치 또는 센서를 포함한다. 그 후, 이 금속 코팅은 타겟 분석을 특수하게 바인드할 분자들로 코팅된다. 이들 상업용 디바이스들은 도1에 일반적으로 도시된 바와 같이 각도측정 마운트(goniometric mount)상에 광원, 어레이 검출기, 및 각종 콜리메이션 및 필터링 옵틱들을 더 포함한다.

반구형 프리즘을 이용하면, 유전체/공기 인터페이스에서 입사각은 광원으로부터의 선이 프리즘에 입사되는 제1 공기/유전체 인터페이스에서 동일하게 된다. 금속막에서 비방사선 감쇠파(표면 플라즈몬)에 광이 결합되는 정밀한 입사각에서, 막의 반사율은 대략 90% 감소되어 유리로부터 벗어난 금속면에서 국부화되는 감쇠 플라즈몬 필드를 생성한다. 감쇠파의 특성들은 센서의 자유 금속면과 접촉하여 매체(예를 들어, 바이오분자들)의 특성들에 좌우된다. 표면상으로 분자 흡수와 관련된 바와 같은 매체의 굴절율의 미묘한 변화들은 표면 플라즈몬 공진각(φ)의 검출가능한 변화들을 야기한다. 그 후, SPR 기구는 검출기 위치를 조정하여 이 새로운 각도를 찾음으로써 SPR 각도의 변화를 측정한다.

이들 유형들의 SPR 장치들은 감도, 샘플 크기, 복잡성 및 비용을 포함한 다수의 고유한 제한들을 갖는다. 기존의 상업용 기구들은 입사빔 및 검출 위치들을 최적화하기 위하여 대형이며, 복잡하고 정교한 이동 파트들을 필요로 한다. 예를 들어, 광원을 위한 각도측정 마운트는 상대적으로 크고 및 무겁지만 정교하다. 게다가, 광원 그 자체는 편광의 광을 제공하여야 한다. 전형적인 감도는 통상적으로 1pg/mm²농도의 흡착된 분자 및 적어도 200Da의 크기를 갖는 타겟들을 검출하는데 충분하지만, 어떤 정부 표준들에 의해 필요로 되는 바와 같은 10억 당 0.01파트들의 농도로 바이오-테러리즘 에이전트들에 대한 유용한 검출을 제공하는데 충분히 감응하지 않는다. 전형적인 플래너 센서 풋프린트는 이들 센서들을 소형화하기 위한 성능에 대해 기술적으로 제한시키는 수 mm²( Biacore Flexchip에서 1/16 및 Biacore 3000에서 2.2mm²)의 범위에 있다. 대형 센서 에어리어는 대부분의 테스트 유체가 플래너 센서를 거쳐서 흐르도록 제공되어야 한다는 것을 의미한다. 게다가, 정확도에 대한 제약사항은 또한 탐지할 충분한 분자 또는 극미립자를 제고하기 위해 테스트 유체를 더 요구한다. SPR 센서의 매크로스코픽 크기 때문에 다중화된 분석의 감시 소자들의 어레이들은 분석적 인터그레이션(anlytical integration)을 위하여 사용되는 대부분의 기술들 위해서 너무 큰 샘플 볼륨들을 필요로 한다. 종래의 플래너 센서들의 이들 제한들 모두는 센서들의 전체 성능을 감소시킨다.

게다가, 대부분의 전류 SPR 센서들은 p-편광된 광(즉, 전기 벡터 성분은 입 사면과 평행하다)을 필요로 하고 이들의 광학 부품들의 정확한 정렬을 필요로 하는데, 이들 부품들은 테이블탑 분광계의 부품들과의 복잡성면에서 필적된다. 이는 전형적으로 수만 달러 정도의 비용을 유발한다.

예를 들어, 바이오분자 상호작용 분석을 위한 SPR 기술들을 이용하는 소멸파 센서들은 비침입(non-intrusiveness), 타겟 어낼러티들(target analytes), 리간드들 또는 분자들의 바인딩의 실시간 모니터링 및 라벨-프리 조건들을 포함한 여러 이점들을 제공한다. 센서의 크기를 감소시키면서 SPR 센서들의 감도를 증가시키기 위한 메커니즘은 특히 의료 진단, 드러그 스크린닝, 생물의학의 연구 및 바이오분석의 분야들에서 매우 바람직하다. 또 다른 바람직한 목적은 센서에 벌크를 부가하며, 응답 속도를 증가시키고 감도를 감소시키는 종종 프레질 매카니즘(fragile mechanism) 및 광학 성분들을 제거하기 위한 것이다. 본 발명의 한 양상을 따르면, 전파 플라즈몬 파는 정지파로 대체되거나 즉, SPR 센서의 감도는 셰이프 공진(shape resonance)을 부가함으로써 향상된다. 이와 같은 정지파는 공진의 품질 팩터에 비례하여 다수회 활성 표면을 가로질러 이동함으로써, 파 및 바인딩 에이전트 간의 상호작용 확률을 증가시킨다.

매우 대칭적인 마이크로스코픽 구조들 내에서 광의 순환은 종종 이와 같은 셰이프 공진들을 포함한다. 10-100㎛ 크기의 유전체 구들에 대해서, 특정 분류의 공진들은 휘스퍼링 갤러리 모드들(whispering gallery modes)로서 공지되어 있다. 이 용어는 런던의 St. Paul's Cathedral의 갤러리의 벽들을 따라서 페인트 사운드(faint sounds)의 원주 가이딩의 현상과 유사성으로부터 나온다. 바이오애너티컬 및 스펙트로스코픽 애플리케이션들은 유전체 마이크로스피어들 및 액체 드롭릿들에서 휘스퍼링 갤러리 모드들의 고 품질 팩터들 및 강한 표면 국부화의 특성을 이용할 수 있다. 그러나, 휘스퍼링 갤러리 모드들은 마이크로스피어 크기가 감소됨에 따라서 표면 국부화 특성들을 점진적으로 상실하여, 일반적으로 마이크로스피어 환경에서 휘스퍼링 갤러리 모드들을 비효율적이 되게 한다.

서브-미크론 크기들(즉, 직경 1㎛ 미만)에 대해서, 광 컨파인먼트(light confinement)을 유지하도록 하는 한 가지 방식은 스피어를 표면 플라즈몬(SP) 지원하는 금속막으로 코팅시키는 것이다. 금속막으로 코팅되는 이와 같은 마이크로스피어의 한 가지 특성은 특정 직경들에서 캐비티 모드들과 관련되는 총 내부 반사각들은 금속막을 위한 SPR 각도와 일치하여, 기하학적으로 대칭 표면들 상에서 SP 여기의 더욱 효율적인 형태를 발생시킨다. 이 특징은 이전 센서들에서 발견되는 편광된 광원, 광학 정렬 및 기계식 스캐닝에 대한 필요성을 제거하고 플래너 센서들 상에 부여되는 엄격한 기하학적 조건들을 완화시킨다.

본 발명은 마이크로-유체 시스템들과 조합하여 광학적으로 사용될 수 있는 신규한 센서를 포함한다. 마이크로-유체 디바이스와 같은 제한된 공간 내부의 반응들의 (바이오) 케미컬 농도들 및 카이네틱들의 측정들은 매우 어렵다. 본 발명은 예를 들어, Au, Ag, Cu와 같은 표면 플라즈몬들을 지원하는 금속으로 커버되는 서브-미크론 유전체 비드를 고려한다. 이 SPR은 금속 쉘에 포함되는 표면 플라즈몬들과 결합되는 센서 소자의 기하형태에 의해 생성되는 주기적인 경계 조건들로 인해 특정 파장들의 전송의 강한 향상을 보여준다. 본 발명의 센서는 센서(약 300nm 내)의 표면에서 재료의 굴절율의 작은 변화들에 민감하고 종래의 원계 센서들 및 검출 기술들보다 더 민감하다.

따라서, 본 발명은 기하학적 또는 셰이프 공진들에 의해 향상되는 표면 플라즈몬 공진을 이용하는 마이크로-캐비티 디바이스를 고려한다. 본 설명을 위하여, 이 디바이스는 본원에서 MSPR(Micro-cavity Surface Plasmon Resonance) 센서라 칭한다. 다음 설명에서, 구형 캐비티 공진기가 선택되지만, 정지 플라즈몬 공진파를 위한 경계 조건들을 유지할 수 있는 다른 대칭적인 기하학적 형상들이 사용되어 활성 표면을 가로질러 이동한다.

따라서, 본 발명의 한 양상에서, MSPR은 전통적인 SPR 센서들과 관련되는 전파 플라즈몬 파가 센서 소자의 활성 표면을 가로질러 이동하는 정지파로 대체된다. 근계 커플링을 성취하기 위하여, 유전체 캐비티 공진기는 특정 두께의 SPR-지원 금속으로 코팅된다. 캐비티 공진기 재료의 굴절율과 함께 금속층은 캐비티 공진기 센서 소자를 위한 공진 주파수(또는 주파수들)를 설정한다. 그후, 센서 소자의 치수는 이 공진 주파수와 관련하여 결정된다. 특히, 한 양상에서, 센서 소자는 거의 공진 주파수의 파장의 크기가 된다.

본 발명을 따르면, 센서 소자 또는 비드는 유리와 같은 광 투과성 기판상에 마운트된다. 기판 및 비드는 금과 같은 SPR-지원 재료로 코팅된다. 본 발명의 부가적인 특징에서, 핀홀은 코팅 재료로부터 자유로운 비드 및 기판 간의 인터페이스에서 정해진다. 이 핀홀의 크기는 또한 센서의 공진 파장으로 교정됨으로써, 핀홀 직경은 파장보다 작게 된다. MSPR 센서는 SPR 응답을 야기하도록 동작될 수 있는 센서 비드로 지향되는 광원을 더 포함한다. 따라서, 광원은 센서용 공진 주파수에서 광을 제공하고 바람직하게는 원하는 파장에서 단색광이 되는 것이 바람직할 수 있다. 이 광은 비드의 코팅된 표면 또는 표면으로 지향될 수 있는데, 검출기는 MSPR 센서 비드를 통해서 투과되는 광을 수신하도록 위치된다.

이의 소형 크기로 인해, 본 발명의 MSPR 센서들은 마이크로-유체의 디바이스들과 통합되어 마이크로-유체의 채널 내에서 발생하는 (바이오) 화학작용에 대한 정보를 얻는다. 이들 디바이스들은 작은 샘플량들을 이용하여 다수의 (바이오) 화학물질들, 바이러스들 및 박테리아뿐만 아니라 이들의 농도를 고속으로 검출하고 정량화할 수 있는 컴팩트한 1회용 센서들을 제조하게 한다. 따라서, 본 발명의 MSPR 센서는 화학적 반응들을 모니터링하기 위한 실험실 장비에서 생화학적 및 생물학적 위험들(예를 들어, 바이오테러리즘 또는 오염)의 검출시 의료 진단 및 치료(특히, 패혈증의 진단 및 치료)에서 중요한 애플리케이션들을 가질 것이다.

일반적으로, 본 발명의 MSPR 센서는 (생)화학물질과의 상호작용이 센서의 표면과 접촉하여 벌크 매체의 굴절율을 변화시키는 애플리케이션들에 적용될 수 있다. 기능화된 검출기의 경우에, 본 발명은 화학적 상호작용이 센서 비드의 표면을 커버하고 자체-어셈블링된 모노레이어의 두께 또는 컴팩트니스를 변화시키는 애플리케이션들에서 사용될 수 있고 어낼러티들 또는 리간드들과 화학적으로 상호작용될 수 있다. 본 발명의 MSPR의 일부 일반적인(제한되지 않음) 애플리케이션들은 다음을 포함한다.

1. 마이크로-유체 디바이스들 내부의 검출기들을 기능화하는 방법.

2. 마이크로-유체 채널들 내부의 분자종 상호작용을 검출하는 애플리케이션

3. 작은 분자종들을 검출하는 애플리케이션들

4. 분자들간의 특정 바인딩의 결정

5. 특정 분자쌍들, 예를 들어 리간드-어셉터 쌍들, 리간드-항체 쌍들의 친화율 및 해리율들의 측정.

6. 마이크로-유체 디바이스 내부의 분석물질들의 화학적 농도들의 결정.

7. 제한된 기하형태들의 화학물질들의 확산율의 결정

8. 실시간으로 혈액 플라즈마 및 오줌과 같은 생체 유체에서 분자 종들의 결정 및 정량화.

9. 실시간에서 공기 및 물의 (생)화학물질 또는 생물학적의 검출 및 정량화.

10. 예를 들어 질병 상태들을 조절하기 위하여 실시간으로 치료제들의 릴리스를 제어하기 위하여 분자종들의 검출.

11. 실시간으로 공기 또는 물의 위험한 폐기물 또는 산업용 화학물질들의 검출.

12. 혈액 플라즈마 및 다른 체액들의 바이스러들의 실시간 검출.

13. 사람 및 수의의 혈액 화학물질의 결정.

14. 폭발성 또는 폭발성/파이어 아암 잔여물의 검출.

15. DNA 및/또는 RNA의 검출, 바인딩 검출 또는 단일 세포들 또는 기껏해야 몇 개의 세포들의 특정 단백질들과의 바인딩 또는 이를 갖는 DNA/RNA의 검출.

16. 화학물질 또는 생화학물질 산업용 프로세스들을 위한 공정 분석 및/또는 제어.

본 발명의 한 가지 이점은 종래의 플래너 센서들에 필요로 되는 복잡한 옵틱들을 제거하는 것이다. 예를 들어, 본 발명의 MSPR 센서는 저비용 광 원으로부터 광을 확산시킬 수 있다. 이 광은 편광, 필터링 또는 지향될 필요가 없다. 본 발명은 종래 시스템들에서 기하학적 마운트들과 같은 부서지기 쉽지만 벌크한 광학 정렬 컴포넌트들에 대한 필요성을 제거한다.

본 발명의 MSPR 센서의 또 다른 이점은 작은 패키지 또는 칩에 통합될 성능을 갖는다. 본 발명의 MSPR 센서는 광원 및 광 검출기가 센서 비드 어레이 바로 근처에 위치되도록 함으로써, 종래 플래너 센서들에 비해서 본 MSPR 센서의 프로파일을 감소시킨다.

본 발명의 한 가지 목적은 유체의 타겟 어낼러티들, 리간드들 또는 분자들의 존재를 검출할 수 있는 마이크로-센서를 제공하는 것이다. 부가적인 목적은 마이크로 센서의 검출 감도 및 속도를 향상시킨다.

본 발명의 또 다른 목적은 마이크로-환경들에서 높은 처리량 검출을 제공할 수 있는 센서를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적들 및 이점들은 다음 설명으로부터 명백하게 될 것이다.

도1은 종래 기술의 플랫-기판 SPR 센서의 동작의 개요도.

도2는 본 발명의 실시예를 따른 SPR 센서의 확대된 개요도.

도3은 본 발명에 따라서 제조된 SPR 비드 센서의 전자-마이크로스코픽 영상을 도시한 도면.

도4는 본 발명을 따른 SPR 센서를 이용하는 마이크로-유체의 칩의 개요도.

도5는 본 발명을 따른 SPR 센서의 성능을 평가하기 위한 실험적인 장치의 개요도.

도6a 및 도6b는 도5에 도시된 실험적 장비 내의 SPR 센서의 스펙트럼 성능의 그래프.

도7a 및 도7b는 부가적인 실험 조건들 하에서 본 발명의 SPR 센서의 스펙트럼 성능의 그래프.

도8은 본 발명의 부가적인 실시예에 다른 마이크로-유체의 SPR 센서의 개요도.

도9는 SPR 센서들의 기능을 위한 본 발명의 SPR 센서들의 골드 층과의 설포-DSP 반응을 도시한 도면.

도10a 및 도10b는 카보디미드 커플링 시약들을 이용하여 기능화 반응들을 도시한 도면.

도11은 본 발명의 마이크로-유체의 SPR 센서상에 마운트되는 마이크로-유체의 성분들을 도시한 도면.

도12는 마이크로-유체의 필터링 및 사전-농도 분자들을 갖는 본 발명의 마이크로-유체의 SPR 센서를 도시한 도면.

도13은 다수의 분자들, 리간드들 또는 어낼러티(analytes)을 검출하기 위한 맵핑된 기능화를 갖는 본 발명의 마이크로-유체 SPR 센서를 도시한 도면.

도14는 본 발명을 따른 마이크로-유체 SPR 센서 시스템의 구성요소들을 도시한 도면.

도15는 다수의 화학물질들을 동시에 평가할 수 있는 본 발명을 따른 센서의 개요도.

본 발명의 원리들을 더욱 자세히 이해하도록 하기 위하여, 첨부 도면과 이하의 명세서로부터 실시예들이 지금부터 설명될 것이다. 본 발명의 범위는 이로써 제한되지 않는다. 도시된 실시예들에 대한 어떤 변경들 및 수정들과 본 발명의 원리들의 부가적인 응용들이 당업자에게서 행해질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명의 한 양상을 따르면, 공진 마이크로캐비티 센서(MSPR)는 도2에 도시된 바와 같이 표면(12)상에 지지되는 구형 유전체 극미립자(10)를 포함한다. 극미립자는 극미립자 및 기판간에 한정된 근계 핀홀(16)을 통해서 여기되는 금과 같은 SPR-지지 재료의 층(14)으로 코팅된다. 코팅된 극미립자로부터 분산된 광이 표면-플라즈몬 모드들의 커플링과 관련된 강한 스펙트럼 공진들을 나타낸다. 이들 공진들은 플래너 표면-플라즈몬 센서들상의 분자 바인딩의 연구들에 대해서 사용되는 표면-플라즈몬 공진들과 같이 감지용으로 사용되지만, 서브미크론 풋프린트 및 마이크로구형의 공진기들의 고품질 팩터들의 이점들을 가져, 광학 정렬을 필요로 하는 종래 센서들에 비해서 100배 개선시킨다.

종래 플래너 센서들에 비해 이들 중요한 개선들이 부분적으로 성취되는데, 그 이유는 본 발명의 센서가 반사라기보다 오히려 광 투과에 좌우된다. 나노-컨텍스트들의 반사광이 반사 기판의 표면의 먼 측상에 근계 감쇠파 광을 발생시킨다는 것이 공지되어 있다. 극미립자(10) 및 기판(12) 간의 인터페이스에서 핀홀(16)은 기판의 표면으로 향하는 광의 파장보다 작은 직경을 가짐으로써, 단지 근계 감쇠파 광이 핀홀을 통과하도록 한다. 그러나, 핀홀을 통과하는 광은 저절로 센서가 기능하도록 하는데 불충분하다. 따라서, 본 발명을 따르면, 핀홀 위의 구형 공진 캐비티의 부가는 쉽게 감지되거나 관찰될 수 있는 이 근계 광을 원계 광으로 변환시킨다. 핀홀 위의 구형상의 극미립자는 핀홀을 통해서 공진 캐비티 내로 광을 투과시켜 극미립자 위에서 손쉽게 관찰되는 광 투과를 발생시킨다. 특정 실시예에서, 레이저 다이오드는 590nm의 파장에서 광을 제공함으로써, 핀홀(16)은 파장보다 작은 직경, 바람직하게는 300nm보다 작은 직경을 갖는다. 본원에 설명된 특정 실시예들에서, SPR 비드 및 유리기판 간의 접촉에서 설정되는 핀홀 직경은 771nm의 직경을 갖는 유전체 극미립자에 대해서 150-200nm의 범위 내에 있다. 더 작은 핀홀 직경들이 더 작은 유전체 극미립자 직경들에 대해서 발생될 것이라는 점이 고려된다.

상술된 바와 같이, 본 발명의 MSPR 센서는 플랫 기판면을 따라서 전파되는 표면 플라즈몬 파들에 좌우되는 이전 SPR 디바이스들과 관련된 복잡한 옵틱들을 필요로 하지 않는다. 특히, 도2에 도시된 MSPR 센서는 도1에 도시된 디바이스와 같은 종래 기술의 디바이스들과 관련된 SPR 각도의 변화들을 평가하기 위한 각도측정 마운트 또는 콜리메이션 및 필터링 옵틱들 상에 광원을 필요로 하지 않는다. 대신, 본 발명의 MSPR 센서는 MSPR 센서 비드들로 기판(12)에 실질적으로 수직하게 투과 되는 광에 의해 조명될 수 있다. 게다가, 도1의 종래 기술 디바이스들과 대조적으로, 광원은 본원에 더욱 상세하게 설명된 바와 같이 기판의 양측상에 위치될 수 있다.

게다가, 종래 디바이스들의 광학적 제한들로부터의 자유도는 본 발명의 MSPR 센서가 광범위의 주파수들에서 광범위의 광원들을 이용하도록 한다. 본 설명을 위하여, "광"에 대한 참조는 가시광 파장들에 제한되지 않는다. 따라서, 광원(또는 더욱 넓은 의미로는 에너지 원)은 자외선 및 적외선 스펙트럼 범위들의 광을 제공할 수 있다. UV 및 IR 범위 밖의 파장이 표면 플라즈몬 센서들에서 사용되는 것으로 현재 공지되어 있지만, 본 발명의 플라즈몬 공진 특성들을 얻는 나중 발견되는 에너지 파장들을 본 발명은 배제하지 않는다.

예1: MSPR 비드 센서의 제조

이하는 도2에 도시된 MSPR 센서의 실험실 제조를 위한 한 가지 방법의 설명이다. 다른 제조 기술들은 특정 애플리케이션들로서 가능하다는 것을 이해하여야 한다. 바로 다음의 설명은 상업용이 아니라 연구용으로 적용되는 센서라는 점을 이해하여야 하지만, 동일한 원리들이 상업적으로 중요한 센서를 발생시키도록 적용될 수 있다.

현미경 커버 그래스들 No.1 30×24mm, 156㎛ 두께는 다이아몬드로 스코어링되고 4개의 동일한 조각들로 쪼개진다. 또한, 현미경 슬라이들 25mm

75mm는 2개의 동일한 조각들로 스코어링되고 쪼개된다. 슬라이들 및 커버 유리들(도2 및 4의 아 이템들(12, 62 및 64) 각각)은 D1 물로 린스하고 N₂ 로 건조하는 것보다 앞서 널리 공지된 RCA 클린닝 프로토콜(70℃로 데워진 H₂O₂:H₂O:NH₄OH-2:1:2 )의 수정된 버전을 이용하여 클린닝된다. 클린닝된 커버 유리들은 내부에 저진공을 생성하기 위하여 기계식 펌프에 연결될 수 있는 종형 유리그릇(bell jar)의 건조 대기에서 배치된다. 직경들 360nm, 480nm, 및770nm를 갖는 약 10⁴ 비드들/μL 폴리스티렌 마이크로스피어들의 희석 용액들은 미리 제제되고 각 용액의 50μL은 커버 클래스의 각 피스상에 디스펜싱된다. 클린닝 용액으로 인해, 유리의 면은 친수성이 된다. 종형 유리그릇(~1 torr)의 진공 노출되는 2-3시간 후, 액체는 건조되고 비드들은 커버 유리 상에 남겨져 랜덤한 모노 분산된 비드들의 층을 형성한다. 광 누설을 피하도록 이웃하는 비드들 간의 평균 거리가 충분히 크게되도록(적어도 20-50㎛)이 농도가 선택된다. 이들 샘플들은 아르곤 플라즈마에 8분동안 노출시킴으로써 150nm의 금층으로 스퍼터 코팅된다.

771nm 폴리스티렌 비드, 유리 기판상의 150nm 금으로 스퍼터 코팅된 전자-현미경 영상은 도3에 도시된다. 스퍼터 코팅은 비드(10) 및 유리 기판(12) 간의 핀홀 인터페이스를 발생시킬 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 다른 말로서, 핀홀은 실질적으로 코팅 재료로부터 자유롭다. 비드 센서들 아래로부터 백색광으로 조명될 때 본 발명의 MSPR 센서들에 의해 방출되는 광은 동일한 두께의 플랫한 금층을 통해서 투과되는 광보다 100배 이상 집중된다.

예2: MSPR 센서들을 갖는 마이크로-유체 칩의 제조

본 발명의 또 다른 실시예를 따르면, 프로세스는 도4에 도시된 칩(50)과 같은 마이크로-유체 칩의 본 발명의 센서들의 제조를 위하여 제공된다. 동일한 프로토콜의 변화들은 더욱 복잡한 센서들을 제조하게 한다. 이 공정에서, MSPR 센서들은 하우징 내에 설치되는데, 이는 바람직한 실시예들에서 마이크로-칩 형태이다. MSPR 센서를 위한 마이크로-칩 포맷은 본원에 설명된 마이크로-유체 DCLQ들과 같이 센서가 마이크로-시스템들 내에 쉽게 통합되도록 한다.

본 실시예를 따르면, 유체 칩은 폴리메틸실록산(PDMS)에서 칩 복제 몰딩 및 포토리소그래픽 기술을 이용하여 행해진다. 유체 디바이스들은 PDMS 채널 구조들을 캐스팅하기 위하여 마스터로서 부의-음 포토레지스트 SU-8를 이용하여 제조된다. 마스터 기판들은 50mm×50mm 유리 슬라이드들이다. 이 기판들은 HCl:HNO3(3:1)로 클린닝되며, 탈이온화된 물로 린스되며, N₂로 건조되며, 메탄올 및 아세톤(2:1)으로 초음파처리되고 다시 N₂로 건조된다. 마스터는 약 100㎛ 두께의 하나의 SU-8 2070 포토레지스트 층으로 행해진다. 포토레지스트는 30초 동안 3000rpm에서 유리 기판상에 스핀 코팅되고 120rpm/sec로 램프된다. 65℃에서 15분동안 그리고 95℃에서 90분동안 핫 플레이트 상에 프리(pre)-베이킹된 후, 포토레지스트는 365nm 파장의 UV 광에 노출된다. UV 노출 시스템은 360±45nm을 통과시키도록 필터링된 고압 Hg 아크 랩프를 갖는다. 65℃에서 10분동안 그리고 95℃에서 30분동안 동일한 핫 플레이트 상에 포스트-베이킹되고 실온으로 냉각된다. 그 후, 마스터는 10분동안 현상되며, 2-프로판올로 린스되고 N₂로 건조된다.

유체 패턴은 AutoCAD2004을 이용하여 드로잉되고 트랜스패런시상에 인쇄되는 포토마스크를 통해서 포토레지스트로 전달된다. 도시된 실시예에서 유체 패턴은 2개의 동일한 채널들을 갖는 직사각형 유체 챔버(54)(15mm×10mm), 입력 채널(56) 및 출력 채널(58)(5mm 폭과 10mm 길이)을 나타낸다. 유체 챔버 깊이는 센서들을 분석하기 위하여 사용되는 60X 임머션 오일 현미경 대물렌즈(immersion oil microscope objective)의 필드의 깊이만큼 제한된다. 유체 챔버는 도2에 도시된 금 층(14)으로 커버되는 비드들(10)을 유지하는 기판(12)(본 예에서 156㎛ 두께)을 수용하여야 한다. 약 300㎛의 깊이를 갖는 유체 챔버를 제공하기 위하여, 마스터의 유체 챔버 파트는 비드들을 유지하는 것과 동일한 유리 기판(62)의 조각을 바인딩함으로써 수정된다. 바람직하게는, 기판들(12 및 62)은 실질적으로 동일한 광학 특성들 및 두께를 갖는다.

실리콘 엘라스토머 키트는 5분 동안 10:1 비에서 혼합되는 폴리머 베이스 및 경화제를 포함한다. 테이프 배리어는 몰드 주위에 배치되어 엘라스토머 혼합물을 유지시키고 이 엘라스토머는 마스터로 쏟아진다. 몰드의 PDMS는 유체 패턴 복제를 향상시키기 위하여 한 시간 동안 저 진공(~1 torr)하에서 배치되고 20분 동안 120℃에서 가열함으로써 경화된다. 그 후, PDMS 기판은 마스터로부터 분리되고 채널들에 유체 연결들을 위한 액세스 홀들은 16G 니들(needle)을 갖는 엘라스토머를 통해서 펀칭된다.

PDMS 칩(50)의 유체 챔버 바닥에서, 금으로 커버되는 비드들을 유지하는 기판(12)은 PDMS의 드롭(50μL)을 갖는 PDMS 칩(50)의 유체 챔버(54)의 천정에 부착 된다. 기판에는 PDMS 몰드로부터 벗어나서 마주보고 유체 챔버의 내부에 노출되는 센서들이 배치된다. 이 바인딩은 90℃에서 베이킹되는 10분 후에 최종 수행된다.

그 후, 제조된 PDMS 기판 및 25mm×50mm No. 1 커버 유리(62)는 접촉되기 전 40분 동안 공기 플라즈마에 노출된 후 영구적으로 결합된다. 칩(50)의 강성을 증가시키고 흐름에서 기계적 섭동을 제거하기 위하여, 하프 현미경 슬라이드(64)(25mm×38mm)는 동일한 공기 플라즈마 기술을 이용하여 칩의 최상부상에 영구적으로 바인드된다. 이 예에서, 유체 챔버의 깊이는 하나의 특정 실시예에서 50㎛보다 적게됨으로써, 센서들이 200㎛의 작동 거리를 갖는 60X 오일 임머션 대물렌즈의 포커스로 이동될 수 있도록 한다.

예 3: 마이크로-유체 MSPR 센서 칩의 동작

마이크로-유체 칩(50)(도4)를 이용하는 방법에서, 유체 칩으로부터 유체 저장고들, 가령 주사 또는 유체 펌프로의 유체 연결은 1.6mm OD 폴리프로필렌 튜빙을 이용하여 행해진다. 이 유동들은 출력 채널(58)에 연결되는 저장고들의 높이에 대한 입력 채널(56)에 연결되는 저장고의 높이를 조정함으로써 제어되거나 유체 펌프에 의해 제어됨으로써, 약 1μL/s의 안정한 흐름이 성취되도록 한다. 이 칩이 저장고들에 연결된 후, 이는 10nm의 정밀도로 이격된 센서 칩을 위치시킬 수 있는 모두 3개의 방향들(3D)의 모션을 할 수 있는 피에조-구동된 스테이지 상에 배치된다. 전체 앙상블은 인버트된 현미경하에서 배치되고 40X 및 60X의 현미경 대물렌즈들은 단일 센서로부터 나오는 신호를 수집하여 분석하도록 사용된다.

MSPR 센서(50)의 기능성 및 감도는 도5에 도시된 실험적 장비를 이용하여 진 공화될 수 있다. 일 실시예에서, 증기들에 대한 센서의 감도가 테스트 받는다. 기판 유지 센서들은 10nm의 정밀도로 공간에 센서를 위치시킬 수 있는 3D-피에조-구동된 스테이지 상에 배치된다. 전체 어셈블리는 인버트된 현미경의 스테이지 상에 배치되고 40X의 현미경 대물렌즈들은 단일 센서로부터 나오는 신호를 수집하고 분석하도록 사용된다. 센서로부터 나오는 광은 데이터 포착 인터페이스 유닛에 의해 구동되는 모노크로메이터(monochromator)로 병렬 포트를 통해서 공급된다. 400nm 내지 800nm의 가시광 범위의 스펙트럼은 2nm의 분해능 및 1초 검출기 인터그레이션 시간으로 PC상에 기록될 수 있다.

일 실시예를 따르면, 실험적인 장비는 센서에 근접하여 배치되는 버블러(bubbler)에 연결되는 튜브를 포함하고 N₂는 물:200 프루프 에탄올(proof ethanol)(2:1)의 용액을 통해서 퍼징된다. 이 증기들은 주기적으로 턴온되고 오프되어 자극에 대한 센서의 응답을 검사한다. 건식 센서 및 습식 센서에 의해 방출되는 광의 스펙트럼은 도6a에 도시된 바와 같이 기록된다. 증기 농도들에 가장 민감한 피크는 도6b에 도시된 바와 같이 투과된 광의 시계열들을 기록하도록 바람직하게 선택된다(두 그래프에서 횡좌표는 SPR 비드 및 이 비드를 둘러싸는 플랫한 필름 간의 광 강도 비에 대응한다). 도6a에서 그래프는 물(연속적인 라인은 주변 대기에서 50% 습도에 대응) 및 에탄올 증기 흡착(점선은 증기 액세스 오픈을 갖는 75-80%에 대응)으로 인한 771nm Au-코팅된 비드를 통해서 투과된 광의 스펙트럼 시프트를 도시한다. 도6b에서 그래프는 사이클릭 습도에 대한 측정된 센서 응답(파장=715nm) 은 50% 및 80% 간의 변화를 도시한다. 화살표는 증기 액세스가 오픈(다운) 또는 폐쇄(업)될 때의 인스턴트를 도시한다.

센서가 실제로 표면 수정들에 감응한다는 것을 입증하기 위하여, 에탄올로부터 알칸에티놀 흡착은 탐침으로서 사용될 수 있다. 단일 모노층의 형성은 10mM 농도로 ~100분에서 발생된다. 스펙트럼의 비교는 동일한 조건들 동안 플랫한 금 필름의 스펙트럼 전송과 함께 도7a에 제공된다. 플랫한 필름을 통한 스펙트럼 전송의 시프트는 구형 캐비티 SPR 센서가 기록하도록 예측되는 신호보다 적다. 본 발명의 구형 캐비티 센서는 종래 기술의 플랫한 필름 센서들보다 더욱 민감하다. 도7a의 스펙트럼 시프트들은 도데칸에티올 용액이 순수 에탄올과 플러시된 후 지속하여, 알칸에티올의 가역성 흡착이 발생 된다는 것을 표시한다. 따라서, 이 시프트들은 금 표면에서 모노층의 형성으로 인한 것이다. 흡착 카이네틱들의 측정과 제1차 지수 디케이(도7b)에 맞출때, 시간 상수는 100mM 도데칸에티올 농도에서 382±7의 필름 형성을 위하여 찾아진다. 도7b에서 신호는 약 1.5nm두께의 단일 모노층에 대응하지만, 신호 대 잡음비는 모노층의 프랙션들의 바인딩을 검출하는 데 충분히 양호하다는 점에 유의하라.

예4-대안적인 MSPR 센서 구성

상술된 예 1에서, 센서는 핀홀(16)을 통해서 여기에 응답한다(도2). 대안적인 실시예에서, 센서는 도8에 도시된 바와 같은 센서 어레이의 헤드를 통해서 여기를 위하여 구성된다. 이 실시예에서, 커버 유리들 No. 1, 24mm×50mm 및 160㎛ 두 께는 기판으로서 사용된다. NIST 표준 폴리스틸렌 780±5nm 직경 비드들은 약 10⁴ 비드들/μL 메탄올 농도로 제제된다. (메탄올은 물에 대한 매우 낮은 표면상의 인장 계수를 갖기 때문에 이 예에서 선택됨으로 비드들의 적절한 무작위하게 모노-분산된 어레이를 발생시킨다). 이 예에서, 70μl 비드 용액은 각 커버 유리상에 방출되어, 약 5000비드들/mm² 의 비드 밀도를 제공한다. 한 시간동안 1torr 진공에서 건조된 후, 기판은 약 10mm 길이 및 3mm 폭의 마스킹된 영역에서 금의 140-150nm 층으로 스퍼터링 코팅된다. 이 기판들은 약 분 동안 공기 플라즈마에서 소성되어 센서가 클린닝되도록 한다. 두 개의 기판들 및 PDMS 몰드들은 접촉 전 공기 플라즈마에 45초 동안 노출된다.

이 실시예에서, MSPR 센서는 도8에 도시된 바와 같이 비드들의 랜덤 어레이를 가로질러 유체가 흐르도록 하는 마이크로 유체 구조 내에 위치된다. 이 구조는 공통 채널 100㎛ 폭 및 20㎛ 깊이에 연결되는 50㎛ 폭 및 20㎛ 깊이인 2개의 마이크로-유체 채널들을 갖는 T-형상으로서 구성될 수 있다. MSPR 센서들은 공통 채널내에서 배치된다. 이 마이크로-유체들 구조는 PDMS 엘라스토머로 몰딩되고 홀들은 엘라스토머에 형성되어 2개의 흐름 채널들에 액세스한다. 흐름 채널들은 상이한 높이들로 배치되는 2개의 대응하는 저장고들에 연결된다. 이 예에서, 채널을 통한 흐름은 정수압에 의해 간단하게 성취되고 100㎛/sec 정도이다. 물론, 다른 실시예들 또는 상업용 버전들에서, 마이크로-유체 구조를 통한 유체 흐름은 임의의 방식으로, 가령 유체 펌프에 의해 성취될 수 있다.

이 예에서, 다수의 MSPR 센서들은 도8에 도시된 바와 같은 또다시 마이크로-유체 디바이스의 공통 채널의 플로어(floor) 상에 설치된다. 핀홀들(이전 예에서 처럼)을 통한 센서들을 조명하는 것이 아니라 오히려, 센서들은 디바이스의 헤드를 통해서 조명되는데, 즉 비드들의 구형 표면을 통해서 조명된다. 더 큰 신호 대 잡음비를 겪는 도8의 실시예를 제외하면, 이 예의 센서는 도2에 도시된 예에서 센서보다 유사한 공진 주파수를 나타낸다는 것이 밝혀졌다.

도8의 실시예의 한 가지 이점은 마이크로 유체 칩의 인클로우져를 용이하게 하는 것이다. 본 발명의 마이크로-유체 칩들을 인클로우즈하기 위하여, 유리 기판 및 PDMS 몰드 둘 다는 2개의 매체를 본딩하기 위하여 화학적 구정을 수정하는 공기 플라즈마에 노출된다. MSPR 센서들은 매우 작고 이 비드들간의 간격은 10 내지 100㎛이기 때문에, 가령 스퍼터 코팅에 의해 금 층을 도포하는 것은 문제가 되지 않는다. 특히, 유리 기판에 도포하는 것이 아니라 비드에만 금 층을 도포하는 것은 어렵다. 다른 한편으로, 금은 유리 기판에 양호하게 본딩되지 않는다. 본 예의 실시예는 금의 연속적인 콤팩트 층이 센서의 바텀 유리 기판 및 센서 비드들 상으로 코팅되도록 한다. 유리 및 금 둘 다에 대한 친화력을 갖는 재료층은 유리 기판에 도포될 수 있다. 특정 실시예에서, 재료는 약 1-5nm의 두께로 도포되는 크롬일 수 있다. 대안적으로, 이 기판은 금 및 기판 간의 접착력을 개선하기 위하여 화학적 처리를 겪을 수 있다. 그 후, PDMS은 도포될 수 있고 센서들 간의 마이크로채널들을 통해서 양호하게 흐른다. 80-100℃에서 밤새도록 PDMS 몰드들을 포스트-베이킹하는 것은 폴리머를 경화시키고 유리 기판상에 스퍼털링되는 금 층을 침투할 수 있는 임 의의 휘발성 또는 루스한 폴리머 체인들을 제거한다.

예5-MSPR 센서들의 기능화

도2 및 도8에 도시된 센서의 금 표면상의 공유결합 기능화는 센서가 상이한 타겟 분석물질들, 리간드들 또는 분자들, 특히 높은 관심의 바이오분자들로 커버되도록 한다. 다음 설명을 위하여, 용어 "타겟" 또는 "타겟들"은 일반적으로, 센서에 의해 검출되도록 하는 타겟 분석물질들, 리간드들 또는 분자들에 관련되도록 사용될 것이다. 이들 "타겟들"은 단백질들, RNS, DNA, 및 효소들과 같은 바이오분자들 뿐만 아니라 바이러스들, 박테리아, 비생물학적 화학물질들 등 이외의 요소들을 포함할 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 그러나, 이들 "타겟"들은 본 발명의 MSPR 센서들 상에 제공되는 다른 분자들과 바인딩하도록 하는 성능을 갖고 센서들의 공진 특성에 영향을 미치는 방식으로 이와 같이 행해진다는 것을 이해하여야 한다.

본 발명의 특정 실시예들에 따르면, 금 층의 기능화는 단백질에 대한 각 단층 공유결합의 반응성 형태의 2개의 상이한 화학물질에 의해 이 예에서 성취된다. 제1 화학물질은 Lomant's 시약으로서 공지된 디티오비스(N-서시닌미딜 프로피온에이트) (DSP, DTSP)인데, 이는 디설파이드 그룹을 통해서 금 표면들상으로 흡착되는 호모바이펑션얼 티올-클리브가능한 크로스-링커(homobifunctional thiol-cleavable cross-linker)이다. DPS는 디메틸설포사이드(DMSO) 또는 디메틸포름아미드(DMF)에서 용애될 수 있는 매우 높은 소수성 화합물이다. 수용성 크로스-링커 설포-DPS(DTSSP)는 DMSO 또는 DMF 및 금 표면간의 상호작용을 피하도록 사용된다. 이 기능화 반응은 도9에 도시된다. 특히, 디설포이드 본드는 쪼개지고 금 표면과 반응한 다.

DTSSP는 단백질 반응성인 반안정적인 아민-반응성 NHS-에스테르이다. 이 예에서,이 반응은 2개의 상이한 작용 버퍼들-포스페이트 버퍼 pH 5.8 및 D1 물을 이용하여 진공상태가 된다. 이 반응 카이네틱들은 105±8초의 시간 상수에서 그리고 5.5의 신호 대 잡음 비에서 281.52 Da 및 약 0.6nm 두께의 모노층 분자를 발생시킨다.

MSPR 센서의 기능화를 위하여 사용되는 제2 화학물질은 카보디이미드 커플링 시약들을 포함한다. 이 화학물질에 포함되는 반응는 3단계로 발생된다. 제1 단계는 도10a에 도시된 바와 같은 금 표면과 제로 크로스-링커의 반응이다. 제1 단계에서, 크로스-링커는 금의 존재시 쉽게 쪼개지는 디설파이드 본드를 갖는 3,3'디티오프로피오닉 산(DTDPA)이다. 이 크로스-링커는 카보디이미드 커플링을 허용하는 카복실 그룹에서 종료된다. DTDPA 반응 카이네틱들은 센서들의 표면에서 0.5nm 모노층 및 104Da 만의 분자를 산출한다. 카보디이미드 미디에이터 1-에틸-3-(3-디메틸아미노프로필)-카보디이미드(EDC)는 구핵원자들과 손쉽게 반응하도록 사용된다. EDC 용액은 에탄올에서 제제됨으로, EDC는 매우 빠르게 가수분해되기 때문이다. 동일한 용액이 또한, N-하이드록시숙신산이미드 에스테르(NHS) 아민-반응성 에스테르를 포함한다. 도10b에 도시된 복합 반응에서, EDC 및 NHS는 아민들에 의해 공격받기 쉬운 반응성 인터미디에이트로 카복실 산을 변환시키는 바보디이미드 커플링 반응을 촉진시킨다. 따라서, 최종 제품은 아민 반응성이고 단백질들을 MSPR 센서의 표면에 바인딩하도록 준비한다.

제2 화학물질의 반응 카이네틱들은 16.2의 신호 대 잡음비에서 28.5±0.9sec의 추정된 시간 상수와 제로-크로스 링커의 최상부상에 98.1Da 및 약 0.5nm 두께의 모노층을 형성하도록 하는 것이 밝혀졌다.

예 6: 기능화된 SPR 센서와의 바인딩하는 단백질

본 발명의 센서들의 다른 중요한 애플리케이션은 바이오-센서이다. 따라서, 예 5에서 설명된 방식으로 기능화된 센서는 기능화된 화학물질들에 바인딩할 수 있는 특정 단백질 분자들을 검출하도록 사용될 수 있다. 2개의 중요한 바이오-분자들은 글루코스 산화효소(Gox) 및 글루코스(Glu)이다.

Gox는 160,000Da의 총 MW를 갖는 2개의 동일한 서브유닛들로 이루어진 매우 큰 분자이다. 따라서, Gox는 많은 분자들의 바인딩에 응답하도록 MSPR 센서 및 마이크로-유체들의 성능에 액세스하도록 좋은 테스트를 제공한다. Gox는 특정한 방향으로 금에 결합하도록 하고 상이한 방향으로 EDC/HNC 활성화된 금 표면에 바인딩하도록 공지된다. 이 예에서, MSPR 센서의 금 표면이 상술된 바와 같이 아민-반응성 NHS-에스테르 그룹들로 활성화되면, 단백질에 대한 반응은 간단하지만 반응 시간 상수들은 단백질의 크기에 좌우될 것이다. DTSSP 기능화된 센서에 대해서, 반응 시간 상수는 3.85의 신호 대 잡음 비를 갖는 562±35초이 된다는 것이 밝혀졌다. 이 반응은 약 10nm 두께의 모노층을 갖는 센서 표면을 커버한다. 이 반응에서, 본 발명의 MSPR 센서들이 42 젭토-몰들/SPR 센서의 감도를 나타내거나 6.7 펨토그램/MPSR 센서의 검출성능을 센서를 커버하는 Gox 질량으로서 표현된다는 것으로 결정된다. 이 절차의 변화들은 PBS 1X의 β-D+글루코스 10mM의 흐름, L-글루코스의 흐 름, 또는 2-데옥시-D-글루코스(2-DxGlu)의 흐름의 영향하에서 Gox 활성도를 모니터링하도록 구현된다. 본 예에서 디바이스는 βD+글루코스 100mM 및 1mM(응답이 훨씬 느린 경우를 제외)에서 Gox의 효소 활동도를 검출할 수 있지만, 효소 활동도 응답은 L-글루코스 또는 2-DxGlu에 노출되는 Gox를 위하여 기록된다.

상기 예들은 중요한 단백질들과 같은 바이오-분자들을 포함하여 크고 작은 타겟들을 검출시 본 발명의 MSSR 센서 및 마이크로-유체 특징들의 효율을 입증한다. 특히, 본 발명의 MSPR 센서들은 1㎛보다 작은 풋프린트에 구성될 수 있고 여전히 라벨되지 않은 타겟들의 젭토몰들(zeptomoles)의 특정 바인딩을 검출할 수 있다. 본 발명을 따르면, 옵틱 장비의 광원은 레이저 다이오드일 수 있다. 이 예들에서, 선택된 레이저 다이오드들은 590nm의 파장에서 공진된다. 그러나, 다른 작은 레이저 다이오드들은 다른 파장에서 사용될 수 있다는 것이 고려된다. 632.8nm의 파장에서 레이저 다이오드 공진은 본 발명의 SPR 센서들의 성능을 최적화하도로고 하는 것으로 간주된다.

상술된 레이저 다이오드 이외의 광원들이 사용될 수 있다는 점이 고려된다. 예를 들어, 특정 대안적인 실시예들에서, 광원은 원하는 파장(들)에 투과된 광을 제한시키도록 동작될 수 있는 광학 필터를 포함할 수 있다. 광학 필터는 특정 공진 주파수에 MSPR 센서의 설치시에 동조될 수 있다. 대안적으로, 광학 필터는 센서의 검출기 측에서 위치될 수 있다.

광 검출기들의 선택은 본 발명의 MSPR 센서들의 기능 및 효율을 향상시킬 수 있다. 하나의 특정 실시예에서, 검출기는 낮은 다크 전류 실리콘 애벌린체 포토다 이오드(APD) 광 카운팅 검출기들일 수 있다. 대안적으로, 병렬로 다수의 타겟들을 검출하기 위하여, CCD 카메라 또는 다른 픽셀 지향된 디바이스가 사용될 수 있다. 이 검출기들 및 관련된 전자장치들은 센서를 교정하기 위하여 MSPR 센서들을 위한 베이스라인 공진 피크를 결정할 수 있다. 사용시, 검출기들은 공진 피크가 시프트되는지(적색 또는 청색)여부를 결정할 수 있는데, 이는 타겟은 MSPR 센서들의 공진 표면에 바운드된다는 것을 직접 표시한다.

본 발명은 정성적인 검출기들을 고려하는데, 즉, 특정 타겟의 존재를 간단히 검출하거나, 즉 정성적, 즉 타겟의 레벨 변화 또는 레벨을 검출하는 것을 고려한다. 후자의 경우에, 정성적 분석은 시간에 따라서 분석물질 농도의 변화를 측정하는데 특히 중요할 수 있다. 예를 들어, 환장의 혈액의 특정 독성 변화들은 간단한 이산 순시 레벨이 아니라 모니터링될 수 있음으로, 해로운 의료 조건의 조기 진단을 용이하게 한다. 패혈증의 검출에 관한 본원의 예는 이 정성적 방식으로부터 유용하게 될 수 있다. 유사하게, 집에서 혈액의 당분 레벨들의 정성적 모니터링이 당뇨병 상태의 조기 검출에 사용될 수 있다.

상술된 실시예들에서, 금 층은 MSPR 비드들 및 글래스 기판상으로 스퍼터 코팅된다. 금과 유리간의 접착력이 나쁘기 때문에, 제조 공정은 금 층을 부가하기 전 유리상으로 크롬의 박층을 스퍼터링하는 것을 포함하는데, 그 이유는 크롬 바인드들이 유리에 양호하게 바인드되고 금이 크롬에 양화헥 바인딩되기 때문이다. 높은 처리량의 제조를 위하여, 2개의 층들은 트윈 헤드 스퍼터 코터에 의해 도포되어 기판 주위의 진공을 파괴할 필요성을 피하게 한다.

상기 예들에서, 마이크로-유체 디바이스를 통한 유체 흐름은 정수압에 의해서만 성취된다. 대안적으로, 마이크로-유체 센서 칩은 마이크로밸브들 및 연동 펌프들에 통합되어 유체 흐름 및 샘플 전달을 제어한다. 이 매크로-유체 기술의 이용은 또한 본 발명의 마이크로-유체 센서들이 2μl 정도의 작은 샘플 부피들을 처리하도록 한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서 마이크로-유체 MSPR 센서는 도11에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 센서(70)는 그 위에 설치된 T-형상의 마이크로-유체 구조(74)를 갖는 MSPR 기판(72)을 포함한다. T-형상의 구조(74)는 이 구조의 채널들(75a, 75b)로부터 MSPR 센서들 위에 공통 채널(76)로 유체를 지향시키도록 상술된 방식으로 동작된다. 마이크로-센서(70)의 제2 레벨은 유체 제어 성분들을 포함한다. 특히, 마이크로-유체 펌프(78)는 공통 채널(76)의 방전단에 제공된다. 특정 실시예들에서, 펌프는 연동, 열적 또는 피에조 활성화될 수 있다. 각 채널(75a, 75b)에는 대응하는 마이크로-밸브(79a, 79b)가 제공되어, 각 채널을 통해서 공통 채널(76)로의 유체 흐름을 제어한다. 도11에 도시된 마이크로-센서(70)와 같은 단일 분석물질 검출 센서에서, 하나의 채널(75a) 및 밸브(79a)는 공통 채널로의 샘플의 흐름을 제어하는 반면, 다른 채널(75b) 및 밸브(79b)는 기능화 용액의 흐름을 제어한다.

마이크로-유체 성분들은 MSPR 센서를 기능화하고 유체 샘플을 분석하기 위한 미리결정된 시퀀스로 동작하도록 전자적으로 제어될 수 있다. 특히, 밸브(79a)는 폐쇄될 수 있고 밸브(79b) 상술된 바와 같은 기능화 조성물과 같은 기능화 용액들의 채널(75b)를 통해서 주입하도록 개방된다. SPR 센서들이 기능화되면, 버퍼링 용 액은 채널(75b)을 통해서 주입될 수 있다. 그 후,밸브(79b)는 폐쇄되고 밸브(79a)는 채널(75a)을 통해서 샘플 유체를 수용하도록 개방되어, 완전히 기능화된 SPR 센서 어레이에 접촉한다. 물론, 기능화 단계는 샘플 분석으로부터 떨어져서, 즉 사전-패키징된 생물학적 마이크로-센서의 제재시에 발생될 수 있다라고 고려된다.

게다가, 펌프 및 마이크로-밸브들은 필요에 따라서 제어되어 기능화된 MSPR센서 상에 타겟의 모노층의 충분한 형성을 보장하도록 한다. 예를 들어, 상기 Gox예에서, 약 10nm 두께의 160,000 Da 모노층의 형성은 약 562초의 시간 상수로 검출된다. 따라서, 마이크로-유체 챔버를 통한 테스트 유체의 흐름은 타겟의 중요하고 검출가능한 모노층의 형성을 보장하도록 하는데 적합하다.

본 발명의 센서의 유체 소자의 또 다른 양상은 진공화된 유체 샘플의 특성에 좌우된다. 특히, 복잡한 샘플은 정확한 검출 결과들을 보장하도록 분석 전 클린닝 및 사전-농도를 필요로 한다. 이와 같은 복잡한 샘플들은 사람의 혈액을 포함하는데, 이는 상기 기능화 예들에서 설명된 바와 같은 특정 단백질들 및 위험한 벼원체들의 존재 동안 진공화되는 강으로부터의 물과 같은 자연수에 대해서 평가된다. 생물학적 샘플을 사전-클린닝 및 사전 농축하는 것은 MSPR 센서 시스템으로 주입전 발생될 수 있다. 예를 들어, 유체 샘플을 클린닝하도록 하는 구성이 사용될 수 있지만, 원심력 기계들이 마이크로-유체 환경들에 대해서 적응되지 않는다. 드링크 물 순도 모니터와 같은 대규모 샘플 테스팅은 사전-클린닝 및 사전 농축의 스케일로 보정될 수 있다. 그러나, 본 발명의 한 가지 특징은 전체 센서 및 관련된 샘플 유체들이 단일 작은 칩상에 제공되는 마이크로-유체들 애플리케이션에 매우 적합하 다.

따라서, 본 발명은 MSPR 센서 칩상으로 통합되는 마이크로-유체 필트레이션 및 사전-농도 분자들의 첨가를 고려한다. 따라서, 도12에 도시된 시스템(80)은 도11에 도시된 칩(70)과 같은 MSPR 센서 칩의 업스트림에 마이크로-유체 필터 모듈(82) 및 사전-농축 모듈(84)을 포함한다. 이 실시예에서, 업스트림 모듈은 유체 샘플 채널(75a) 및 밸브(79a)에 연결된다.

특정 실시예에서 마이크로-유체 필터(82)는 대향하는 PDMS 몰드간에 샌드위치되는 다공성 멤브레인들을 포함한다. 필터의 흐름 에어리어는 테스트되는 유체 샘플에 좌우된다. 예를 들어, 약 2.5cm² 의 필터 에어리어는 혈액의 1ml까지 저 볼륨 필터링에 충분하다. 필터 면적들이 높으면 높을 수록 볼륨이 크게되거나 흐름 율 샘플링이 더 높게된다.

일반적으로, 필터레이션은 검출될 원하는 타겟들의 일부를 제거한다. 예를 들어, 많은 단백질은 멤브레인들을 필터링하는 것이 특수하게 바인드하지 않을 것이다. 따라서, 어떤 경우에 사전-농축 모듈(84)은 필터 모듈(82) 및 샘플 채널(75a)간에 개재될 수 있다. 다양한 사전 농축 방식들은 전기이동, 모세관 분리, 기능화된 자기 비드, 아이소타코포레시스(isotachophoresis), 칼럼 분리 또는 광활성화된 폴리카보네이트(PPC) 마이크로-유체 칩들과 같이 수용될 수 있다.

본 발명의 MSPR 센서 칩의 소형 크기 및 정확도는 현재 센서들 및 바이오센서들의 성능을 크게 초과하는 처리량 및 대량 병렬 처리 성능들을 갖는 센서들의 제조를 허용한다. 특히, 본 발명의 MSPR 센서들은 모든 단일 소형 센서 칩상에 수천 및 심지어 수백만개의 타겟들을 검출하도록 구성될 수 있다. 도13에 도시된 바와 같이, 센서칩은 규칙적인 어레이들로 또는 무작위하게 모노-분산된 어레이들로 배열될 수 있는 단일 칩상의 다수의 MSPR 비드들을 포함한다. MSPR 센서들의 어레이들은 포토리소그래피 및/또는 홀로그래픽 광학 트위징(tweezing)을 이용하여 제조될 수 있거나 마이크로스코픽적으로 작은 물체들을 유리 기판상에 배치하는 다른 적절한 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 그러나, 본 발명의 한 가지 특징은 수백만개의 마이크로-크기의 MSPR 비드들이 현재 이용가능한 기술을 이용하여 기판상에 완전히 무작위하게 분산될 수 있다는 것이다. 후술되는 바와 같이, MSPR 비드들의 랜덤한 분산에도 불구하고, 본 발명의 이 실시예에 따라서 제조된 센서들은 방대한 수의 타겟들을 검출하도록 완전히 기능화될 수 있다.

다수의 타겟을 검출할 필요성을 수용하기 위하여, 현재 플래너 SPR 센서 기술은 다수의 타겟들을 위한 정확한 검출 성능들을 보장하기 위하여 균일하게 분포된 SPR 소자들을 필요로 한다. 이들 전류 센서들의 상대적으로 낮은 감도는 충분한 수의 SPR소자들이 미리결정된"스폿들"과 관련된다는 것을 지시하는데, 이 스폿들에서 모든 소자들은 특정 타겟에 대해서 기능화된다. 그러나, 균일하게 분포된 SPR 소자들을 정확하게 배치하기 위한 성능은 일반적으로 소자들의 100×1000 그리드를 초과하지 않게 매우 제한된다. 현재 플래너 센서들의 정확한 제한들과 결합되는 이 제한은 약 1000 보다 작게 검출될 수 있는데, 이는 이들 센서들을 위한 애플리케이션들의 범위를 매우 심하게 제한한다. 예를 들어, 유전자 치료 및 인간 게놈 맵핑 프로젝트들은 수백만개의 검출 타겟들을 산출한다. 현재 플래너 기술을 이용하면, 수백개의 벌키 센서들은 이 특성의 프로젝트들을 위해 필요로 된다.

다른 한편으로, 이 성능은 본 발명의 센서에서 사용되는 마이크로비드들을 랜던하게 분산시키도록 존재한다. 그러나, 수백만개의 SPR 소자들을 갖는 센서 기판을 파퓰레이트하기 위한 성능에 집중하는 방법은 본 발명이 나오기까지는 없었는데, 각 소자들은 스폿들의 개별적으로 또는 그룹으로 기능화된다. 본 발명을 따르면, 이 이산 기능화를 성취하는 한 가지 방법은 마이크로-유체들을 이용하는 센서 칩의 특정 밴드들을 통해서 시약들을 흐르게 함으로써 센서들의 그룹들 상에서 동작한다. 다른 말로서, 도13에 도시된 바와 같이, 칩(72)은 4개의 길이 밴드들(86a-d)와 같은 다수의 밴드들로 분할될 수 있다. 마이크로-유체들 시스템은 각 밴드를 따라서 특정 시약을 흐르게 하여 비드를 따라서 각 MSPR 센서를 공통적으로 기능화시킨다. 이 방법은 각종 시약들이 정확하게 흐르게 할 수 있는 칩상의 밴드들의 수로 기능화 정도를 제한한다. 한 가지 특정 실시예에서, MSPR 칩은 약 20개의 밴드들로 분할될 수 있으며, 각 밴드는 상이한 기능을 가져 동일한 수의 타겟들이 검출을 위하여 귀표(earmark)된다

또 다른 방식에서, 개벌적인 MSPR 센서들은 특정 기능화를 위하여 정밀하게 선택될 수 있다. 이 개별적인 기능화를 성취하는 한 가지 방식은 포토-바이오틴(photo-biotin)과 같은 포토-활성화 바운드 크로스-링커의 이용에 의해 이루어질 수 있다. 그러나, 이 방법은 본래 느린데, 그 이유는 단지 몇 개의 SPR 센서들만이 한번에 기능화될 수 있기 때문이다. 또 다른 더욱 다양한 방식은 이전 잉크젯 프린 터들과 유사한 방식으로 SPR 비드 센서들의 마이크로-어레이들을 제조하기 위한 마이크로-스포터(micro-spotter)를 이용하는 것이다. 일부 마이크로-스포터 프린터들은 600×600 dpi의 분해능으로 잉크 드롭들을 배치할 수 있는데, 도트 크기들은 단지 10pl의 볼륨 및 45㎛ 간격에서 30㎛의 범위에 있다. 각 더욱 정확한 잉크 젯 프린터들은 4800×4800dpi의 분해능이 가능한데, 각 잉크 도트는 단지 5㎛의 직경을 갖는다. 이 프린팅 기술은 선택된 MSPR 센서들 또는 센서들의 그룹들을 기능화하여 도13에 도시된 스폿들(88)과 같이 기능화된 스폿들을 발생시킨다. 각 스폿은 상이한 타겟에 속할 수 있다.

또한 다른 방식에서, 이산적인 다수의 타겟 기능화는 다중-핀 스포터를 이용하여 성취될 수 있다. 이 다중-핀 스포터는 MSPR 비드들만에 직접적으로 시약 또는 크로스-링커를 정확하게 도포할 수 있다. 특히 기능화된 비드들은 MSPR 비드들의 전체 필드에 걸쳐서 클러스터 또는 무작위하게 분산될 수 있다.

대량 병렬 처리에 매우 적합한 기능화에 대한 부가적인 방식에서, MSPR 비드들은 마스크를 이용하여 기능화도리 수 있다. 마스크는 크로스-링커 또는 시약을 기판 상에 스폿들(88) 내에 배치되는 MSPR 비드들로 제한시킨다. 기능화된 스폿들은 비드들 자신들보다 상당히 큰 에어리어 위에 어레이 상에 무작위하게 분산된 MSPR 비드들의 수들의 랜덤한 수들을 포함하는 것으로 간주된다. 따라서, 특정 실시예에서, 기능화된 스폿들은 약 30㎛ 직경의 면적을 점유할 수 있는 반면에, MSPR 비드들은 약 770nm의 직경을 갖는다. 10pl만큼 낮은 양의 시약들을 방출하는 마이크로-스포터는 각 스폿에서 비드들을 기능화하도록 사용될 수 있다. 센서 칩은 바 코드(86) 또는 일부 다른 판독가능한 시그너쳐를 포함하여, 각 기능화에 대응하는 스폿들 뿐만 아니라 다양한 기능화를 식별한다. 후술되는 바와 같이, 바코드(86)는 검출기(90)에 의해 발생되는 응답 신호들에 대응하는 교정 정보를 포함할 수 있다(도14).

이에 따라 설명된 바와 같은 센서 구성으로 인해, 다수의 무작위하게 분산된 MSPR 비드들은 기판을 파퓰레이트 하는데, 비드들의 콜렉션들은 스폿들(88)을 형성하기 위하여 공통적으로 기능화된다. 도13에 도시된 특정 예에서, 이와 같은 18개의 스폿들이 도시되어 있다. 그러나, 수백, 수천개 및 심지어 수백만개의 이와 같은 스폿들은 주어진 센서 칩상에 규정될 수 있다는 것으로 고려된다. 동작 센서 칩은 광원을 필요로 하고 검출기의 일부 형태는 각 스폿에서 공진 응답을 감지하도록 한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 마이크로 센서를 형성하는 스택은 도14에 도시된 바와 같이 나타나는데, MSPR 센서 칩(72)은 CCD 어레이일 수 있는 검출기(90) 및 LED일 수 있는 광원(96)간에 샌드위치된다. 다양한 광학 조건화 소자들은 신호 대 잡음비를 개선시키기 위한 광학 필터와 같은 광원 및/또는 검출기와 통합될 수 있다는 점을 이해하여야 한다. 광학 조건화 소자는 또한 특정 스폿들(88) 또는 개별적인 MSPR 비드들에 대응하는 상이한 이산 파장 필터들 또는 파장 필터를 포함할 수 있다.

한 가지 특징을 따르면, 검출기 또는 CCD 어레이는 그리드(92)상으로 맵핑될 수 있는데, 그리드의 각 픽셀(93)은 MSPR 센서 칩(72)을 통한 광 투과를 감지할 수 있고 다음 처리를 위하여 광 투과를 표시하는 신호를 발생시키도록 구성되는 CCD를 포함한다. 이 맵핑된 그리드(92)는 도14에 도시된 바와 같이 센서 칩위에 놓이거나 대안적으로 스폿들(88)은 도13에 도시된 바와 같이 맵핑된 그리드상으로 프로젝트되는 것으로서 간주될 수 있다. 선택적으로, 검출기 그리드는 각 스폿(88)이 그리드의 다수의 픽셀들(93)상으로 프로젝트되도록 충분히 미세하다. 각 픽셀은 여러 MSPR 비드들 위에 놓일 수 있는 것으로 예측되지만, 각 피셀에 대응하는 비드들의 수는 기판 상의 비드들의 랜덤 분포로 인해 가변될 것이다.

검출기의 교정은 우선, 각 스폿(88)으로부터 전송 데이터를 판독하는 픽셀 또는 최적의 픽셀을 식별함으로써 진행한다. 따라서, 특정 예에서, 특정 스폿은 4개의 스폿들(93)을 완전히 둘러싸고 부분적으로 5개의 부가적인 픽셀들을 둘러쌀 수 있다. MSPR 칩은 광원(96)에 의해 조명되고 스폿에 대응하는 픽셀들 각각에서 측정된 강도가 평가된다. 최대 응답을 등록하는 픽셀은 특정 스폿에 대응하는 픽셀로서 선택되는데, 그 후 이는 특정 기능화에 대응한다. 선택된 픽셀은 다른 픽셀들에 대한 MSPR 비드들의 최대수상으로 맵핑될 것임으로, 다른 픽셀들에 대한 더 큰 응답상으로 맵핑될 것이다. 그 후, 선택된 픽셀 내의 CCD로부터의 출력은 광원(96)의 강도 및/또는 파장에 대해서 교정될 수 있다. 이 공정은 모든 다른 기능화된 스폿들(88) 모두에 대해서 반복된다. 따라서, 특정 실시예에서, 18개의 기능화된 스폿들(도13)에 대해서, 검출기(90)의 맵핑된 그리드(92) 상의 18개의 픽셀들(93)은각 픽셀의 교정된 출력이 평가되도록 식별될 수 있다. 이 교정된 출력은 온-보드 메모리상으로 기록되거나 주변 메모리 디바이스 및/또는 프로세스로 전송될 수 있다. 각 맵핑된 픽셀을 위한 교정 데이터를 갖는 교정 테이블은 메모리에 유지되고 주변 프로세서에 의해 액세스될 수 있다. 따라서, 바코드(86)는 메모리에 저장된 다수의 테이블들로부터 적절한 교정 테이블을 추출하는 식별자를 제공할 수 있다. 교정 테이블은 각 픽셀로부터 출력 신호를 해석하는 방법 및 검출기로부터 어느 픽셀들이 판독되는지를 식별할 수 있다. 교정 데이터를 인가하는 주변 디바이스는 가령 인터넷 잉크를 통해서 글로벌 데이터베이스로부터 필요한 데이터를 얻도록 구성될 수 있다.

부가적인 픽셀들이 대응하는 출력 응답들의 교정에 대한 적절한 수정들과 함께 또한 특정 스폿과 관련될 수 있다라고 간주된다. 어떤 경우에, 미리결정된 픽셀을 위한 출력 응답은 미리결정된 픽셀과 정렬되고 미리결정된 스폿내에 존재하는 단지 하나의 MSPR 비드만을 통해서 광 투과로부터 발생될 수 있지만, 또 다른 픽셀에 대해선 광투과는 여러 MSPR 비드들을 통해서 측정될 수 있다. 비드들의 랜덤 분포는 각 기능화된 스폿에 대응하는 출력 신호를 발생시키기 위하여 사용되는 MSPR 비드들의 수는 또한 랜덤하다는 것을 의미한다. 그러나, 상술된 교정 단계는 타겟들이 빠르고 정확하게 검출될 수 있도록 할 수 있다. 본 발명의 MSPR 센서의 각 MSPR 비드의 고감도는 심지어 단일 MSPR 비드가 특정 기능화된 스폿 및 검출기 어레이 픽셀에 대해서 충분할 수 있다는 것을 의미한다.

도14에 도시된 디바이스는 종래 센서 디바이스들로 이용될 수 없는 타겟 검출의 범위를 개방할 수 있다는 것을 알 수 있다. 상술된 바와 같이, 단일 MSPR 센서 칩은 작은 패키지에서 수천개의 타겟들로 기능화될 수 있다. 본 발명의 소형 크기의 센서들은 DNA, RNA, 및 단백질 검출을 위한 센서들의 대량의 병렬 어레이들을 형성시킨다. 센서칩을 갖는 마이크로-유체들의 이용은 센서 칩(70)을 가로지른 테스트 유체의 연속적인 흐름을 허용한다. 이 마이크로 유체 특징은 대량의 병렬 센서 어레이들을 용이하게 하고 화학적 및 생물학적 상태들의 실시간 정확한 감지를 위한 수단을 제공한다.

특히 유용한 이용은 혈류에서 타겟들의 실시간 검출하는 것이다. 본 발명의 다중-채널 실시예들의 한 가지 중요한 애플리케이션은 패혈증의 검출에 있다. 패혈증은 외과수술후 회복 및 외상 희생자들에서 모럴러티의 주요 원인이다. 패혈증의 처리는 크게 심장, 폐 및 신장 기능을 지원하기 위하여 항생물질 및 완화제 수단으로 제한된다. 2001년에서 수집된 데이터에 따르면, 패혈증 징후는 미국에서 매년 751000명의 환자들에게 영향을 미치는데, 이중 383,000(51.1%)명은 집중 관리를 받고 있다. 모럴러티는 국가 전체로 215,000명이 죽는 것으로 추정되고 어린이들의 10%부터 85세 이상의 38.4%까지 증가한다. 케이스당 비용은 약 $22,000로 평균화되는데, 이는 매년 거의 $170억 달러를 의미한다. 패혈증의 조기 검출 및 빠른 관여(발병후 2 내지 4시간 )는 생존자들의 모럴러티 및 쇠약을 크게 감소시킨다. 그러나, 패혈증의 발병 동안 환자들을 모니터하는 방법은 현재 존재하지 않는다. 많은 경우들에, 패혈증에 대한 처리를 위하여 제조된 약물치료는 환자의 혈액에서 세포질분열을 연속적으로 모니터할 수 있는 장비의 부족으로 인해 실패되었다.

패혈증 징후는 전염성 자극에 대한 신체의 계통적 염증 응답이다. 그램 네가티브 박테리아로부터의 리포폴리사카라이드(LPS), 그램 네거티브 및 그램-포지티브 박테리아로부터의 펩티드오글리칸들 및 편모, 그램-포지티브 박테리아로부터의 리 포테크오익 산, 균류로부터의 매넌 및 전염성 에이전트들로부터의 다른 항원들과 같은 엔도톡신은 대식세포들 및 모노사이트들을 자극하여 일련의 사이토카인 방출보다 앞서 종양 괴사 팩터 알파(TNF-α)를 방출하도록 모노사이트들을 자극한다. 패혈증(특히 제1의 8시간들)의 제1 기간 동안, 과도한 염증 응답은 막대한 장기 손상을 유발할 수 있는데, 특히 신장들과 심장에 유발할 수 있을 뿐만 아니라 간장, 폐들 및 뇌에 도달하는데, 혈압 및 통기의 인공적인 지원을 필요로 한다. 이 장기 손상은 종종, 급성 패혈증의 단계후 몇달 또는 몇년간 쇠약 또는 모럴러티를 유발한다.

프로-염증성의 미디에이터들(pro-inflammatory mediators)의 방출은 원래 크게 조절되지 않는 것으로 간주된다. 그러나, 다음의 조사들은 TNF-α가 또한, IL-10 또는 IL-1을 포함하여 백혈구를 자극하여 항염증성 사이토카인들을 방출하고 프로-염증성 사이토카인들의 합성을 금지하고 모노사이트들, 대피세포들 및 내피 세포들에 반염증성이 직접 영향을 미친다는 것을 입증하였다. 이 보상 항염증성 응답 징후들(CARS)은 신체 전체에 걸쳐서 감염에 대한 조절되지 않은 프로-염증성 응답을 국부화하도록 한다. 불행하게도, 항염증성 응답은 종종 후기 패혈증 단계에서 프로-염증성 응답을 억압하여, 면역마비(immuneparalysis)을 야기하는데, 즉 부가적인 감염 결과들에 대한 유효한 면역 응답을 마운트하도록 하는 것을 못하게 한다.

따라서, 발병 및 패혈증의 진행을 모니터할 수 있는 모든 수술후 및 외상후 환자들에 부착될 수 있는 최소-침입 디바이스(minimally-invasive device)는 더욱 쉽고 더욱 직접적인 관여하여 생존자의 모럴러티 및 쇠약 둘 다를 결국 감소시킨다. 특정 실시예에 따라서, 패혈증에서 중요한 역할을 담당하는 6개의 화학물질의 세트를 동시에 분석하는데 사용될 수 있는 도15에 도시된 마이크로-유체 디바이스(100)가 제공된다 (그러나, 마이크로-유체 구조는 동시에 더 많은 또는 더 적은 화학물질의 분석을 수용하도록 수정되거나 상이한 구동 흐름, 흐름 속도들 또는 분석 장비들을 위하여 수정될 수 있다). 패혈증의 발명 및 이의 진행의 진단하는 한 가지 방식은 동시에 그리고 실시간으로 TNF-α,IL-1, IL-6, IL-10, IL-13, 및 TCF-β를 포함한 화학물질들을 모니터하는 것을 포함한다. 따라서, 도15에 도시된 바와 같이, 마이크로-유체 센서(100)는 마이크로-유체 챔버(110)(2mm 길이 및 600㎛ 폭)로 모이는 6개의 채널들(102-107)(각각은 특정 실시예에서 50㎛ 폭, 100㎛ 및 11mm 길이)의 세트를 포함하는데, 각 채널은 특정 모니터링된 화학물질에 대응한다. 이 간격은 20kDa의 분자들의 확산이 이웃하는 채널들에서 분자들과 간섭하지 않도록 선택된다. 이들 6개의 채널들은 상술된 화학물질들을 위한 특정 항체들을 갖는 센서 어레이(120)를 기능화하도록 사용된다. 마이크로-유체 챔버를 통한 상이한 항체들의 흐름은 일련의 6개의 병렬 항체 스트라이프들(112)을 생성하여 칩을 기능화한다. 이 특정 실시예에서 칩(100)은 최소 400㎛/s에서 항체의 흐름을 위하여 디자인된다. 이 처리 및 특정 교정은 샘플을 평가하도록 이 칩의 사용전 행해질 수 있다.

200㎛ 폭의 횡채널(116)은 마이크로-유체 챔버(110)와 크로스한다. 이 채널은 혈액 플라즈마 처럼 더욱 점성이고 더욱 빠른 공유결합 유체들이 통과하도록 더욱 넓게된다. 크로스부의 영역은 200㎛×600㎛의 에이리어를 커버한다. 횡채 널(116)은 혈액을 주입하는 입구(117)를 포함하고 웨이스트(waste) 출구(118)를 포함한다. 유사하게, 마이크로-유체 챔버(110)는 웨이스트 출구(111)를 포함한다.

이 센서 어레이(120)는 바람직하게는 횡채널(116)과 챔버(110)의 크로스부에서 바람직하게 지향되고 채널과 바람직하게 정렬된다. 하나의 특정 실시예에서, 센서(120)는 6개의 SPR 비드 센서들(124) 또는 센서 스폿들의 선형 어레이를 포함하는데, 각 개별적인 센서 또는 센서 스폿은 특정 기능화에 대응하고 대응하는 항체 스트립(112)과 정렬된다.

도14에 도시된 마이크로-유체 디바이스(100)는 후술되는 방식으로 폴리-디메틸실록산(PDMS) 기판 및 커버 유리를 이용하여 제조될 수 있다. 이 디바이스들은 PDMS 채널 구조들을 주조하도록 마스터로서 부의-톤 포토레지스트 SU-8을 이용하여 제조된다. 마스터 기판들은 50mm×50mm 유리 슬라이드들이다. 기판들은 HCl:HNO₃(3:1)로 클린닝되며, 나노순수 물로 린스되며, 질소로 건조되며, 메탄올 및 아세톤(1:1)으로 초음파처리되고 질소로 다시 건조된다. 마스터는 2개의 SU-8 포토레지스트 층들로 생성된다. 제1 언더층(SU-82010의 18-20㎛ 두께 층)은 기판에 채널 구조의 접착력을 촉진시키도록 사용되고 포토레지스트의 제2 두께 층(SU-8 2070의 60-80㎛ 두께 층)은 채널 구조를 생성하도록 사용된다. 두 개의 층들은 제1 층이 포토마스크없이 노출되지 않는 것을 제외하면 동일하게 처리된다. 포토레지스트는 30초동안 1000rpm으로 기판상에 스핀코팅되고 40rpm/초로 램프된다. 65℃에서 1분동안 그리고 95℃에서 2분동안 핫 플레이트상에 사전베이킹된 후, 포토레지스트 는 UV광에 노출된다. 제안된 채널 디자인은 8000dpi에서 고 분해능 레이저 프린터를 이용하여 AutoCAD 2004 LT를 이용하여 드로잉되고 트랜스패런시상에 인쇄되는 포토마스크를 통해서 포토레지스트로 전달된다. UV 노광 시스템에는 360±23nm를 통과시키도록 필터링되는 고압 Hg 아크 램프가 장착되고 노출 도우즈는 300mJ/cm² 이다. 노출된 포토레지스트는 65℃에서 1분 그리고 95℃에서 3분동안 동일한 핫 플레이트 상에 포스트베이킹된다. 그 후, 이 마스터는 5분동안 현상되며, 2-프로판올로 린스되고 질소로 건조된다.

실리콘 엘라스토머 키트는 폴리머 베이스를 포함하고 5분 동안 10:1 비율로 혼합되는 에이전트를 경화한다. 테이프 배리어는 몰드 주위에 배치되어 엘라스토머 혼합물을 보유하고 엘라스토머는 마스터로 쏟아진다. 몰드 상의 PDMS는 1시간 동안 저 진공(~1 torr) 아래에 배치되어 채널 복제를 향상시키기 위하여 20분동안 120℃로 가열함으로써 경화된다. 그 후, PDMS 기판은 마스터로부터 분리되고 유체 연결를 위한 홀들을 채널로의 액세스는 16G 니들을 갖는 엘라스토머를 통해서 펀칭된다.

PDMS 몰드의 바닥에서, 횡채널(116)과의 크로스부에서 마이크로-유체 챔버(110)를 가로질러, MSPR 비드들(120)의 선형 어레이는 포토리소그래피 및/또는 홀로그래픽 광학 트위징을 이용하여 제조될 수 있거나 마이크로조작기 및 레이저 트위저 시스템을 이용하는 것과 같은 유리 기판상으로 현미경적으로 작은 물체들을 배치하기 위한 임의의 적절한 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 마이크로조작기는 10³-10² 비드들/μL, 정밀-크기-표준 비드들의 용액으로 로딩된다. 이 농도는 어레이(120)의 MSPR 비드들이 약 50-100㎛의 간격을 가지면서 방출되도록 선택된다. 광학 레이저 트위저들은 액체가 건조되고 다음 비드가 마이크로조작기로 방출될 때까지 적소에 비드를 보유하도록 사용되고 액체가 건조될 때까지 등 트위저로 유지된다. 비드들(124)이 배치되면, PDMS 기판은 크로스부 위에 배치되는 1mm×1mm의 윈도우를 통해서 스퍼터 코팅된다. 비드들은 150nm의 금으로 커버된다. PDMS 기판 및 유리 커버 유리는 접촉전 40초동안 공기 플라즈마에 노출된 후 영구적으로 결합된다.

일 실시예에서, 패혈증 검출기 디바이스는 환자에게 그리고 펌핑 시스템에 정맥주사로 연결되는 카테터 삽입 관을 포함하여 작은 부피의 혈액을 센서 디바이스(100)로 주기적으로 드로잉한다. 혈액은 1회용 피터를 통과하여 플라즈마를 추출하고 이 플라즈마는 채널(116)을 통해서 1회용 센서(100)로 공급된다. 센서로부터의 출력은 플라즈마에서 사이토카인 농도의 판독을 제공한다. 웨이스트 혈액은 1회용 생물학적위험-라벨링된 폐기관에서 수집되도록 채널(118)을 통과한다. 본 발명의 소형 크기의 MSPR 센서 및 센서 칩은 센서 칩은 센서 장치(100) 및 도뇨 튜브가 환자가 의료 치료하여 있는 한 적소에 있도록 한다. 혈액을 센서칩으로 드로잉하도록 연동 펌프의 제어는 전자적으로 제어되어 일부 다른 의료 상태 센서에 응답하여 또는 사전결정된 간격들로 발생된다. 센서의 검출기는 동일한 제어기에 결합되어 특정 에이전트들이 검출되면 경보를 발생시킨다.

IL-10, IL-13 및 TGF-β의 상승된 레벨들은 초기의 패혈증을 나타내는 반면, IL-10, IL-13 및 TGF-β의 상승된 레벨들은 면역 마비를 나타낸다. 각 센서들을 위한 감지 시간이 너무 크면, 단일 채널은 실시간으로 사이토카인 레벨들을 검출하도록 할 수 없다. 이 경우에 채널 검출기들의 어레이는 단일 1회용 칩상에 제조되고 혈액 공급은 5분 간격으로 채널들간에서 스위치된다. 제어가능한 마이크로밸브는 대안적으로 혈액을 공급하도록 사용될 수 있고 이들을 다음 측정을 위하여 리셋하도록 센더들에 멸균 매체를 클린닝한다.

길항물질 및 항길항약들의 부류들은 패혈증에 포함되는 각종 사이토카인들을 제어하도록 개발되어 왔다. 그러나, 이들 약들 중 어느 것도 폭넓게 사용됨으로, 그 이유는 내과의사들이 환자에 걸쳐서 그리고 시간에 걸쳐서 매우 크게 가변되는 효과들을 모니터하기 위한 방식이 없다. 이 결과는 현재 선택 처리는 불충분거나 과도한 도우즈들 중 하나가 제공되는 염증성 억제제들 및 향상제들을 포함하는데, 이들 둘 다는 환자에 치명적일 수 있다. 본 발명의 MSPR 센서들은 항상 최적의 레벨들로 사이토카인을 유지시키면서 내과의사들이 감염시 초기에 면역 응답을 억제하는 길항물질들 항길항물질들의 테일러된 칵테일(tailored cocktail)을 공급하도록 하고 후기 감염에서 이를 향상시키도록 한다.

패혈증 상태들을 검출하기 위한 동일한 원리들이 다른 의료 조건들의 상호작용적 검출에 적용될 수 있을 뿐만아니라 곁(collateral) 치료 디바이스들에 대한 인터페이스에 적용될 수 있다. 적절한 기능화로 인해, 단일 또는 다수의 센서 디바이스는 연장된 치료동안 환자 상태를 모니터하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 원에 서술된 실시예들에 따른 MSPR 칩 센서 및 마이크로-유체 시스템은 치료를 위한 환자로부터의 혈액 또는 다른 유체들을 연속적으로 드로잉하는 다른 디바이스 또는 투석 시스템으로 통합될 수 있다. MSPR 센서 칩은 심장 공격, 스트로크, 신장 장애 등과 같은 접근 문제들을 표시하는 실시간으로 타겟들을 검출하기 위한 연속적인 혈액 모니터링 시스템으로 통합될 수 있다.

사이토카인 레귤러토리 약물들을 함유하고 상술된 사이토카인 검출기의 출력에 의해 제어되는 주사관들의 세트를 포함하는 다수의 센서 어레이 디바이스들의 제2 실시예가 제공될 수 있다. 이 디바이스는 정맥(IV) 드립을 통해서 환자에게 다수의 사이토카인 레귤레이터들의 제어된 도세지를 공급하여, 최적 레벨로 환자의 사이토아킨들을 유지하도록 길항물질들 및 항길항물질들의 공급을 연속적으로 변경시킨다. 상기 혈액 모니터링 예에서, 심장 공격의 발병을 표시하는 타겟들의 실시간 검출은 예를 들어 이 조건의 발병에 응답하여 즉각적인 실시간 도우징을 제공하도록 사용될 수 있다.

이 동일한 인터벤션얼 치료는 상술된 바와 같이 검출될 때 패혈증을 피하도록 사용될 수 있다. 이 예에서, 특정 항패혈증 치료들은 특정 단백질의 작용에 좌우되어 특정 타겟 분자들의 생성을 금지한다. 그러나, 치료 그자체는 면역-억제제임으로, 치료는 주의깊게 관리되어야 한다. 본 발명의 MSPR 및 마이크로-유체 센서들에 의한 타겟 레벨들의 실시간 검출은 항패혈증 치료의 프롬프트 및 정확한 관리를 허용한다. 유사한 방식은 화학치료 또는 HIV 치료들의 독성을 감소하도록 구현될 수 있으며, 원치않는 부작용의 존재 또는 발명을 표시하는 타겟 혈액-본 마커들 을 생성하는 다른 치료들을 위하여 구현될 수 있다.

상술된 1회용 MSPR 센서 디바이스들은 많은 다른 애플리케이션들에 적합하다. 예를 들어, 본 발명은 공고 및 사설 음용수 테스트를 위하여 적응될 수 있다. MSPR 센서들은 각종 유기 및 무기 오염물들 및 독소들, 셀룰러 유기체들 및 바이러스들을 검출하도록 기능화될 수 있다. 센서들은 선택된 타겟들을 위한 물 흐름을 연속적으로 흐르도록 물 공급 내에서 위치될 수 있다. 본 발명의 디바이스들이 상술된 CDD 어레이(90)과 같은 광 검출 디바이스들에 좌우되기 때문에, 김자가능한 경보와 같은 미리결정된의 응답을 초기화하기 위하여 평가되고 사용될 수 있는전기 신호가 발생된다.

이들 센서들을 토대로 한 디바이스들은 생물학적위험들, 유해한 화학물질들, 신경독소들, 폭발물들 또는 HIV 또는 다른 바이러스들 또는 혈액내 박테리아,플라즈마 또는 다른 체액들의 검출을 위하여 개발될 수 있다. 본 발명은 센서들이 휴대용이되고 쉽게 폐기될 수 있을 정도로 충분히 작게되도록 한다. 도시된 실시예들에서, 센서 칩은 50mm×50mm 에어리어 내에서 맞춰진다. 특정 장치는 물 처리 플랜트들 또는 팩토리들에서 사용하기 위한 공항 또는 홈랜드 보안을 위하여 적응될 수 있다. 사용에 따라서, 칩의 입력 저장고들에 연결하기 위한 자동화된 시스템들은 포함될 수 있고 부가적인 화학물질들은 동시에 그리고 동일한 칩상에 분석될 수 있다.

본 발명의 MSPR 센서들 및 마이크로-유체들은 또한 화학적 반응들 또는 바이오반응들을 모니터하기 위하여 적응될 수 있다. 본 발명의 마이크로-칩들은 유체 흐름 라인들로 또는 화학적 반응기들 또는 바이오반응기들 내에서 직접적으로 통합되어 반응에 영향을 미칠 수 있는 반응기들 내에서 화학적 조건들을 검출한다. MSPR 센서들은 반응을 최적화하거나 반응이 완료될 때를 결정하도록 하는데 사용될 수 있다. 이 특정 실시예는 특히 최종 제품의 순도를 제어하기 위하여 화학적 제조 또는 약물에 대한 공정 제어의 부분으로서 유용한 애플리케이션을 가질 수 있다.

본 발명의 서브-미크론 캐비티 표면-플라즈몬 바이오센서들이 부여되는 마이크로-유체들 디바이스들은 종래 감지 기술들 및 디바이스들에서 여러 결점들을 극복한다. 마이크로-유체들 디바이스들의 특성들을 MSPR 비드 센서의 감도와 결합하면 마이크로-유체들 칩 또는 제한된 공간들 내부에서 검출 성능들을 증가시킴으로써 랩-온-칩 아이디얼(lab-on-a-chip ideal)의 경계들을 연장한다.

현재 디바이스들은 플래너 SPR 또는 구 ELIZA 키트들을 이용하여 분자 상호작용들 분자 카이네틱들을 모니터한다. 플래너 금속면상에 표면 플라즈몬들을 여기하기 위하여 특정 제한들이 준수되어야 한다. 특히, 광원은 p-편광되어야 만되고 정확한 임계 입사각이 얻어져 인입하는 광자들 및 표면 폴라리톤간의 최대 커플링을 발생시키도록 한다. 본 발명의 센서는 구형 센서의 공진 특성들과 표면 플라즈몬들의 감도를 결합시킨다. 감도면에서 부스트이외에도, 본 발명은 광원의 기하형태 및 편광에 대한 제한들을 릴랙스한다. 게다가, 센서는 마이크로-유체 구조들로 통합할 성능을 개선시키고 감도를 개선시키면서 자승 미크론 이하의 풋프린트를 갖는데, 이는 소형화에 매우 잘 적합하게 된다(최신 기술의 SPR 플레너 센서들보다 작은 약 천배들의 활성 에어리어를 갖는다). 게다가, 본 발명의 MSPR 센서들은 반 사에서 작동시키는 종래 SPR 센서들과 비교하여 전송시에 작동한다. 이 차로 인해, 본 발명의 MSPR을 통합하는 감지하는 마이크로-유체들 칩은 검출기의 감지 윈도우 및 광원 간에 매우 밀접하게 배치됨으로써, 매우 컴팩트하며, 로버스트하고 값싼 휴대용 디바이스를 발생시킨다.

마이크로-유체들 디바이스들은 소량의 분석물질(피코리터에서 마이크로리터의 범위)로 치급하고 흐름들 및 성분들의 정밀한 제어를 위한 현재 가장 복잡한 기술이다. 이들은 다수의 복제 몰딩에 적합하고 채널들 및 장비들의 새로운 구성들은 매우 낮은 비용으로 발생되어 이들이 단일 이용 디바이스들에 적합하게 한다. 이 특성은 특히 의료 애플리케이션들을 위하여 많은 연구 분야들에서 이들을 간편하게 한다. 이들은 화학물질들의 대량 병렬 처리에 적합한데, 이 처리는 특히 예를 들어 혈액 플라즈마, 체액들, 독성의 웨이스트, 식품들(이로 제한되지 않는다) 등을 포함하는 매우 복잡한 샘플들을 분석시에 방대한 시간량을 절약할 수 있다. 단지 시간 제한이 샘플 내의 특정 분자 종과 기능화된 MSPR 검출기의 표면에 속한 수용체 간의 반응 시간이다.

본 발명의 MPSR 센서는 마이크로-유체들 디바이스들의 이들 특성들을 이용한다. 센서의 기하형태와 표면-플라즈몬의 커플링으로 인해 종래 디바이스들보다 더 좋은 감도를 갖는다. 현재 SPR 센서들은 단지 많은 분자들을 검출할 수 있지만, 본 발명의 SPR 센서들은 양호한 감도를 갖는 많은 분자들 및 적은 분자들을 검출할 수 있다. 센서들의 소형화는 제어, 검출 및 분석이 단일 칩상에서 성취되도록하고 마이크로-유체 디바이스들의 성능을 이용하도록 하여 다수의 병렬 분석을 행하는데, 이는 분석 시간을 단축할 수 있다. 게다가, 이들 디바이스들은 1회용일 수 있고 값싸게 제조될 수 있다.

도시된 실시예들에서, 마이크로스피어들은 금으로 코팅된다. 구들은 은, 구리, 금 합금과 같은 다른 금속들로 코팅될 수 있다. 그러나, 현재의 실험은 투과된 광의 스펙트럼 공진들이 금 코팅된 구들 또는 비드들을 위해서만 발생되는데, 이는 표면 플라즈몬 커플링로 인한 것으로 간주된다. 금 코팅의 필름 두께는 특정 MSPR 센서의 도포에 따라서 조정될 수 있다. 그러나, 막 두께 증가는 적어도 대칭(저주파수) 모드에서 관찰된 공진의 블루 시프팅을 야기한다는 것이 밝혀졌다. 역으로, 고주파수 항-대칭적 모드를 위한 주파수가 막 두께의 증가로 인해 적색-시프트된다는 것이 밝혀졌다. 게다가, 본 발명에서 구현되는 구형 기하형태는 대칭적인 SP 모드들을 바람직하게 여기시켜, 적색-시프트 영향을 감소시킨다. 실험은 150nm 금 층으로 코팅된 770nm 비드를 위한 623nm에서 피크와 같은 일부 피크들이 다른 피크들보다 금속 막 두께에 훨씬 적은 감도를 나타내는 것을 제안한다.

본 발명이 도면 및 상술한 명세서에서 상세하게 도시되고 설명되었지만, 이는 캐릭터에서 도시되고 제한되지 않은 것으로서 간주되어야 한다. 단지 바람직한 실시예들이 제공되고 본 발명의 원리 내에 있는 모든 변경들, 수정들 및 부가적인 애플리케이션들이 보호되어야 한다는 것을 이해하여야 한다.

도시된 실시예들에서, MSPR 센서를 형성하는 극미립자들은 구형 공진 캐비티를 형성하기 위하여 구형이다. 그러나, 다른 대칭적인 기하형태 형상들은 비드 형상을 위하여 이용될 수 있다. 예를 들어, 형상이 비드의 표면을 가로질러 이동하도 록 정지 플라즈몬파에 대한 주기적인 경계 조건들을 유지할 수 있다면, 비드는 타원형 형상을 갖거나 도데카헤드론과 같이 다중-패싯될 수 있다.

도시된 예들에서 설명된 각종 재료들 및 치수들은 또한 본 발명의 MSPR 센서 및 마이크로-유체 시스템들에 의해 기능적으로 성취되는 것을 여전히 유지하면서 수정될 수 있다. MSPR 센서의 재료들 및 치수들에 대한 수정들은 본 발명의 MSPR 센서들의 1차 목적을 여전히 충족하여만 하는데, 즉 타겟들을 검출하여야 한다. 게다가, 이 수정들은 마이크로-캐비티 센서의 SPR 공진 특징들을 향상시키기 위하여 사용되는 기하형태 공진 특성들 또는 형상과 간섭하지 않아야 한다. 본 발명의 MSPR 센서들의 검출 성능은 SPR-지원 코팅에 바운드되는 커플링 시약 층에 타겟을 바인딩에, 궁극적으로 광 응답의 변화에 좌우된다.

대부분의 타겟들 및 커플링 시약들에 대해서, 인가된 광의 파장은 중요하지 않은 것으로 간주된다. 다른 한편으로, SPR-지원층은 정의에 의해 파장 의존적인데, 그 이유는 표면 플라즈몬 공진이 이 층에서 발생되기 때문이다. 따라서, MSPR 센서의 재료들 및 치수들에 대한 수정은 SPR-지원층 재료 및 이의 특성 파장의 선택에 대해서 집중화되는 것으로 간주된다. 도시된 실시예들에서, 이 재료는 510nm의 파장을 갖는 금이다. 본 발명의 특정 양상에 따라서, 이 파장은 비드들(10) 및 핀홀(16)의 극미립자들의 직경을 결정한다. 비드 직경은 또한 유전체 재료의 굴절율의 함수이다.

대안적인 구성들에서, SPR-지원 코팅 재료는 적절한 코팅 두께의 변화를 갖는 은, 구리 또는 다른 비-금 SPR-지원 재료일 수 있다. 은 및 구리 각각이 상이한 SPR 특성 파장을 갖기 때문에, 코팅(14)을 위한 재료로서 어느 금속의 선택이 극미립자(10) 및 핀홀(16)의 직경을 변화시킨다. 본 발명의 특정 실시예를 따르면, 극미립자 직경은 은 또는 구리 코팅의 특징적인 파장으로 크기되는 반면에, 핀홀 직경은 파장보다 작게 고정될 수 있다. 유사하게, 코팅 두께는 극미립자 및 핀홀 직경들 면에서 동일한 크기의 변화로 수정될 수 있다.

MSPR 센서가 특징적인 파장을 나타내는 정도까지, 광원 및 투과된 광 검출기(가령 도14의 소스(96) 및 검출기(90))가 이에 따라서 선택될 수 있다. 특정 실시예들에서, 백색광이 수용될 수 있지만, 다른 실시예들에서, MSPR 센서의 특징적인 파장에서 센터링된 모노크로마틱 광원을 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 바람직하게는, 광 검출기는 특징적인 파장으로 교정된다.

본 발명의 MSPR 센서들 및 마이크로-유체들을 위한 재료 선택에 대해서, 상기 예들 및 실시예들의 재료들이 예시된다. MSPR 비드들이 폴리스티렌으로 형성된바와 같이 서술되지만, 유리 또는 알루미늄 옥사이드와 같은 다른 광 투과성 재료들이 사용될 수 있다. 선택된 재료는 가장 바람직한 유전체이고 폴리스티렌과 유사한 굴절율을 갖는다. 물론, 상기 표시된 바와 같이, 비드 재료의 굴절율은 SPR-지원 코팅과 함께 MSPR의 광 응답 및 공진 모드에 영향을 미친다.

마찬가지로, MSPR 비드들 및 기판 주위에 하우징 또는 칩을 형성하는 재료는 도시된 예들 및 실시예들에서 식별된 PDMS 재료와 상이할 수 있다. 바람직하게는, 이 재료는 실질적으로 광투과성이고 MSPR 센서의 광학 및 공진 특성들에 최소의 영향을 미친다.

본 발명의 MSPR 센서들 및 마이크로-유체 센서들의 애플리케이션들 또는 이용에 대해서, 상술한 예들 및 실시예들은 제한되지 않는다. 본 발명은 작은 샘플 볼륨에서 연속적인 플로우 시스템들에 있는지에 무관하게 광범위 타겟들을 고속 및 정확하게 검출하도록 한다는 것을 인식해야만 한다. 본 발명은 또한, 단일 마이크로-센서에서 또는 센서들의 대량으로 병렬 어레이들에서 수백, 수천개, 및 심지어 수백만개의 타겟들의 동시 검출을 허용한다. 따라서, 본 발명이 크게 현재 검출 기술들을 향상시킬 때 조차도, 지금까지 고려되지 않은 새로운 기술들 및 분석들을 이끌것이다.

Claims

테스트 유체에서 타겟 분석물질(target analyte), 리간드(ligand) 또는 분자의 존재를 검출하기 위한 센서에 있어서,

광 투과성 기판;

상기 기판의 표면상에 설치된 표면 플라즈몬 공진(surface plasmon resonant; SPR) 소자;

검출될 타겟과 바인딩(binding)할 수 있는 재료의 표면 코팅을 갖는 상기 SPR 소자의 노출된 표면;

상기 SPR 소자로 광을 지향시키도록 배열되는 광원; 및

투과되는 광을 검출하기 위하여 상기 SPR 소자에 대하여 배열된 검출기를 포함하는, 센서.
제1항에 있어서, 상기 SPR 소자는 정지 플라즈몬 공진파가 외부 표면을 가로질러 이동하도록 주기적인 경계 조건들을 유지할 수 있는 기하학적 형상으로 형성되는 광 투과성 비드(bead)를 포함하는, 센서.
제2항에 있어서, 상기 비드는 유전체 재료로 형성되는, 센서.
제3항에 있어서, 상기 비드는 1㎛ 미만의 최대 외경을 갖는, 센서.
제2항에 있어서, 기하학적 형상은 구형인, 센서.
제2항에 있어서, 상기 비드는 SPR-지원 재료의 층으로 코팅되는, 센서.
제6항에 있어서, 상기 기판은 동일한 SPR-지원 재료의 층으로 코팅되는, 센서.
제6항에 있어서, SPR-지원 재료는 금인, 센서.
제8항에 있어서, 금 층은 두께가 약 150nm인, 센서.
제8항에 있어서, SPR-지원 재료는 금과 상기 비드 및 상기 기판의 재료 둘 다에 대한 친화력을 갖는 재료의 층을 포함하는, 센서.
제1항에 있어서, 상기 광원은 상기 기판에 실질적으로 수직한 광을 상기 SPR 소자로 지향시키도록 배열되는, 센서.
제1항에 있어서, 광 투과성 재료로 형성되고 상기 노출된 표면 주위의 유체 캐비티(cavity)를 한정하는 하우징, 및 상기 캐비티와 연통하는 유체 입구와 유체 출구를 더 포함하는, 센서.
제12항에 있어서, 상기 광원 및 상기 검출기는 상기 하우징에 연결되는, 센서.
제12항에 있어서, 상기 하우징은 실질적으로 투명한 몰딩된 폴리머로 형성되는, 센서.
제1항에 있어서, 핀홀은 상기 SPR 소자와 기판간의 인터페이스에서 한정되는, 센서.
제15항에 있어서, 상기 광원은 상기 핀을 통해서 상기 SPR 소자로 광을 지향시키도록 배열되는, 센서.
제15항에 있어서, 상기 광원은 상기 핀홀에 대향하는 상기 SPR 소자로 광을 지향시키도록 배열되는, 센서.
제15항에 있어서, 상기 SPR 소자 및 상기 기판은 SPR-지원 재료의 층으로 코팅되고, 상기 층은 상기 SPR 소자와 상기 기판간에 인터페이스에서 상기 핀홀을 한정하는, 센서.
제15항에 있어서, 상기 광원으로부터의 광은 미리결정된 파장에서 제공되고,

상기 핀홀은 미리결정된 파장보다 작은 직경을 갖는, 센서.
제19항에 있어서, 광원으로부터의 광의 미리결정된의 파장은 상기 SPR 소자의 기하학적 형상 공진 특성들의 함수인, 센서.
제20항에 있어서, 광원으로부터의 광의 미리결정된 파장은 상기 노출된 표면에서 상기 SPR 소자의 최대 치수의 함수인, 센서.
제21항에 있어서, 상기 SPR 소자는 SPR-지원 재료의 상기 노출된 표면상에 코팅을 포함하고,

광원으로부터의 광의 미리결정된 파장은 SPR-지원 재료의 공진 파장의 함수인, 센서.
제22항에 있어서, 광원으로부터의 광의 미리결정된 파장은 SPR-지원 재료의 상기 코팅의 두께의 함수인, 센서.
제22항에 있어서, 광원으로부터의 광의 미리결정된 파장은 상기 SPR 소자의 재료의 광학적 속성들의 함수인, 센서.
제24항에 있어서, 광원으로부터의 광의 미리결정된 파장은 상기 SPR 소자의 재료의 굴절율의 함수인, 센서.
제1항에 있어서, 상기 기판상에 설치된 다수의 상기 SPR 소자들을 더 포함하는, 센서.
제26항에 있어서, 상기 다수의 SPR 소자들의 제1 그룹은 서로에 인접하게 배치되어 제1 기능화된 스폿(first functionalized spot)을 형성하며, 상기 제1 기능화된 스폿의 각 SPR 소자는 검출될 제1 분자와 바인딩할 수 있는 제1 표면 코팅을 갖는, 센서.
제27항에 있어서, 상기 다수의 SPR 소자들의 제2 그룹은 서로에 인접하게 배치되어 제2 기능화된 스폿을 형성하며, 상기 제2 기능화된 스폿의 각 SPR 소자는 제1 분자와 상이한 검출될 제2 분자와 바인딩할 수 있는 제2 표면 코팅을 갖는, 센서.
제26항에 있어서, 상기 다수의 SPR 소자들은 다수의 소자들의 그룹들을 포함하며, 각 그룹은 기능화된 스폿을 한정하며, 각 기능화된 스폿의 SPR 소자들은 다른 기능화된 스폿들에 의해 검출될 타겟들과 상이한 검출될 대응하는 타겟과 바인 딩할 수 있는 동일한 표면 코팅을 갖는, 센서.
테스트 유체에서 다수의 타겟 분석물질들, 리간드들 또는 분자들의 존재를 검출하기 위한 검출기 및 광원간에 설치되는 센서 칩에 있어서,

광 투과성 재료로 형성되고, 테스트 유체를 수용하기 위한 유체 입구 및 유체 출구와 연통하는 유체 캐비티를 한정하는 하우징(housing); 및,

다수의 타겟들에 대응하는 상이하게 기능화된 표면 플라즈몬 공진(SPR) 소자들의 어레이(array)로서, 상기 어레이는 상기 캐비티 내에서 테스트 유체와 접촉하도록 상기 유체 캐비티 내에 배치되는 공통 기판상에 설치되는, 상기 어레이를 포함하는, 센서 칩.
제30항에 있어서, 상기 캐비티를 통해서 유체를 펌핑(pumping)하기 위해 상기 하우징 내에 설치된 마이크로-유체 펌프를 더 포함하는, 센서 칩.
제31항에 있어서, 상기 유체 입구는 마이크로-유체 밸브를 포함하는, 센서 칩.
제30항에 있어서, 상기 하우징은 상기 캐비티와 연통하는 적어도 하나의 부가적인 유체 입구를 더욱 한정하는, 센서 칩.
제30항에 있어서,

상기 상이하게 기능화된 SPR 소자들 중 유사한 소자들은 다수의 칼럼들로 배열되고;

상기 하우징은 다수의 타겟들 중 하나와 바인딩하도록 칼럼 내의 SPR 소자들을 기능화할 수 있는 화학물질을 흐르도록 하기 위하여 상기 다수의 칼럼들 각각 상에 흐름 채널을 한정하는, 센서 칩.
테스트 유체에서 타겟 분석물질, 리간드 또는 분자의 존재를 검출하기 위한 센서에 있어서,

광 투과성 기판;

상기 기판상에 설치된 적어도 하나의 비드로서, 상기 비드는 광 투과성 재료로 형성되고 정지 표면 플라즈몬 파가 상기 비드의 노출된 표면을 가로질러 이동하도록 주기적인 경계 조건들을 유지하도록 적응된 형상을 갖는, 상기 비드;

상기 비드 및 상기 기판의 노출된 표면을 코팅하는 표면 플라즈몬 공진(SPR) 지원 재료로서, 상기 기판과 상기 비드간의 인터페이스는 SPR-지원 재료가 없는 핀홀을 한정하는, 상기 표면 플라즈몬 공진 지원 재료를 포함하는, 센서.
제35항에 있어서, 상기 비드는 노출된 표면에서, SPR-지원 재료의 공진 파장과 거의 동일한 최대 치수를 갖는, 센서.
제35항에 있어서, 상기 비드는 1㎛ 미만의 최대 외경을 갖는, 센서.
제35항에 있어서, 상기 비드는 유전체 재료로 형성되는, 센서.
제35항에 있어서, SPR-지원 재료는 금, 은, 또는 구리로부터 선택되는, 센서.
제39항에 있어서, SPR-지원 재료는 금이고 상기 코팅은 두께가 약 150nm인, 센서.
제35항에 있어서, 상기 핀홀은 SPR-지원 재료의 공진 파장보다 작은 직경을 갖는, 센서.
테스트 유체에서 타겟 분석물질, 리간드 또는 분자의 존재를 검출하기 위한 검출기와 광원 간에 설치되는 센서 칩에 있어서,

광 투과성 기판;

상기 기판상에 설치되는 기능화된 표면 플라즈몬 공진(SPR) 소자로서, 상기 SPR 소자는 타겟과 바인딩하도록 기능화되는, 상기 기능화된 표면 플라즈몬 공진 소자;

광 투과성 재료로 형성되고, 상기 SPR 소자 상에서 상기 테스트 유체를 흐르 도록 유체 캐비티를 한정하는 하우징으로서, 상기 하우징은 상기 캐비티와 연통하는 유체 입구 및 유체 출구를 더욱 한정하는, 상기 하우징; 및,

상기 하우징과 관련되고 상기 캐비티를 통한 유체 흐름을 제어하도록 동작될 수 있는 적어도 하나의 마이크로-유체 구성요소를 포함하는, 센서 칩.
제42항에 있어서, 상기 마이크로-유체 구성요소는 마이크로-유체 펌프인, 센서 칩.
제43항에 있어서, 상기 유체 입구는 마이크로-유체 밸브를 포함하는, 센서 칩.
제42항에 있어서, 상기 하우징은 상기 캐비티와 연통하는 적어도 하나의 부가적인 유체 입구를 더욱 한정하는, 센서 칩.
제45항에 있어서, 상기 부가적인 유체 입구는 마이크로-유체 밸브를 포함하는, 센서 칩.
제42항에 있어서, 상기 마이크로-유체 구성요소는 필터를 포함하는, 센서 칩.
제42항에 있어서, 상기 마이크로-유체 구성요소는 사전-농축 모듈을 포함하는, 센서 칩.
테스트 유체에서 2개 이상의 상이한 타겟 분석물질들, 리간드들 또는 분자들의 존재를 검출하기 위한 기능화된 마이크로-센서를 제공하는 방법에 있어서,

공통 광 투과성 기판상에 설치되는 타겟들 각각에 대응하는 2개 이상의 밴드들 내에 표면 플라즈몬 공진(SPR) 소자들을 제공하는 단계;

SPR 소자들의 2개 이상의 밴드들 각각에 대응하는 유체 흐름 채널을 한정하는 단계; 및

대응하는 타겟과 바인딩하도록 대응하는 밴드 내의 SPR 소자들을 기능화시킬 수 있는 각 유체 흐름 채널을 통해 기능화하는 화학물질을 흐르게 하는 단계를 포함하는, 마이크로-센서 제공 방법.
테스트 유체에서 2개 이상의 상이한 타겟 분석물질들, 리간드들 또는 분자들의 존재를 검출하기 위한 기능화된 마이크로-센서를 제공하는 방법에 있어서,

공통 광 투과성 기판상에 설치되는 다수의 표면 플라즈몬 공진(SPR) 소자들을 제공하는 단계; 및

대응하는 타겟과 바인딩하도록 SPR 소자를 기능화할 수 있는 화학물질에 각 SPR 소자를 개별적으로 노출시키는 단계를 포함하는, 마이크로-센서 제공 방법.
제50항에 있어서, 각 SPR 소자를 노출시키는 단계는 기능화하는 화학물질을 인가하기 위해 마이크로-스포터(micro-spotter)를 이용하는 단계를 포함하는, 마이크로-센서 제공 방법.
제50항에 있어서, 상기 각 SPR 소자를 노출시키는 단계는 다수의 SPR 소자들 상에 마스크를 제공하는 단계를 포함하는, 마이크로-센서 제공 방법.
제50항에 있어서, 상기 각 SPR 소자를 노출시키는 단계는 스폿 내의 모든 SPR 소자들이 일반적으로 기능화된 다수의 인접한 SPR 소자들을 포함하는 스폿을 형성하는 단계를 포함하는, 마이크로-센서 제공 방법.
환자에서 패혈증을 검출하는 방법에 있어서,

광 투과성 기판상에 설치되는 표면 플라즈몬 공진(SPR) 소자들의 어레이를 갖는 마이크로-센서로서 하나 이상의 SPR 소자들 중 적어도 하나의 그룹은 패혈증을 나타내는 적어도 하나의 대응하는 분자를 검출하도록 기능화되는 상기 마이크로-센서, 광원 및 SPR 소자들의 어레이를 통과하는 광을 감지하도록 배열되는 검출기, 및 SPR 소자들의 어레이 상에 유체 캐비티를 한정하는 하우징을 제공하는 단계;

기능화된 SPR 소자들의 어레이 상에 유체 캐비티를 통해서 환자의 혈액을 흐르게 하는 단계; 및

SPR 소자들 및 검출기의 어레이를 이용하여 혈액 내의 적어도 하나의 대응하는 분자의 존재를 검출하는 단계를 포함하는, 패혈증 검출 방법.
제54항에 있어서, 유체 캐비티는 환자 내에 배치된 도뇨 튜브(catheterization tube)에 결합되는, 패혈증 검출 방법.
제54항에 있어서,

SPR 소자들의 두 개 이상의 그룹들은 패혈증을 나타내는 2개 이상의 대응하는 상이한 분자들을 검출하도록 기능화되며,

상기 검출하는 단계는 상이한 분자들 중 하나 이상의 존재를 검출하는 단계를 포함하는, 패혈증 검출 방법.
제54항에 있어서, 상기 검출하는 단계는 대응하는 분자를 정량적으로 검출하는 단계를 포함하는, 패혈증 검출 방법.
테스트 유체에서 다수의 타겟 분석물질들, 리간드들 또는 분자들의 존재를 검출하기 위한 센서에 있어서,

광 투과성 기판;

상기 기판의 표면상에 무작위하게 분산되는 다수의 표면 플라즈몬 공진(SPR) 소자들;

검출될 타겟들 중 대응하는 한 타겟과 바인딩할 수 있는 재료의 표면 코팅을 갖는 상기 SPR 소자들 각각의 노출된 표면;

상기 SPR 소자로 광을 지향시키도록 배열된 광원; 및

투과된 광을 검출하도록 상기 SPR 소자에 대해서 배열되는 검출기를 포함하는, 센서.
제58항에 있어서, 상기 검출기는 픽셀들의 어레이를 포함하며, 각 픽셀은 상기 픽셀에서의 광의 검출에 응답하여 출력을 발생시키도록 동작할 수 있는, 센서.
제58항에 있어서, 상기 다수의 SPR 소자들의 2개 이상의 그룹들은 2개 이상의 스폿들을 한정하며, 그룹 내의 각 SPR 소자는 타겟들 중 공통 타겟과 바인딩할 수 있는 공통 표면 코팅과 일반적으로 기능화되는, 센서.
제60항에 있어서,

상기 검출기는 픽셀들의 어레이를 포함하며, 각 픽셀은 상기 픽셀에서의 광의 검출에 응답하여 출력을 발생시키도록 동작할 수 있으며;

상기 검출기는 적어도 하나의 픽셀이 상기 두 개 이상의 스폿들 각각과 정렬되도록 상기 기판에 대해서 배열되는, 센서.
테스트 유체에서 2개 이상의 상이한 타겟 분석물질들, 리간드들 또는 분자들 의 존재를 검출하기 위해 기능화된 마이크로-센서를 제공하는 방법에 있어서,

공통 광 투과성 기판 상에 다수의 표면 플라즈몬 공진(SPR) 소자들을 무작위하게 분산시키는 단계;

대응하는 타겟을 검출하기 위하여, 상기 2개 이상의 타겟들 각각에 대응하는 기판상에 2개 이상의 스폿들을 한정하고 2개 이상의 스폿들 각각 내에서 각 SPR 소자를 기능화시키는 단계;

기판 상에 다수의 SPR 소자들과 정렬된 픽셀들의 어레이를 갖는 검출기를 제공하는 단계; 및

2개 이상의 스폿들 각각과 정렬된 하나 이상의 픽셀들을 선택하는 단계로서, 이의 출력은 대응하는 타겟의 검출을 나타내는, 상기 선택하는 단계를 포함하는, 마이크로-센서 제공 방법.