(57)【要約】【課題】一般的標的注目検体の存在及び濃度を検出する検出素子及び方法である。【解決手段】この素子及び方法は、標的注目検体によって誘起される実効誘電率の変化を検出することを利用する。本発明の適用形態では、これらには制限されないが、化学的及び生物学的な標的注目検体の存在を検出し、そして特徴付けるだけでなく、分離装置からの標的注目検体を検出し、そして特徴付ける。本発明の一の実施形態では、素子は少なくとも２つの電極を、固体表面のような高剛性構造に含み、電極は、標的注目検体のサイズと同じ程度のサイズ、及び電極間間隔を有することにより素子の感度を高めている。実効誘電率の変化、従って標的注目検体の存在によって誘起される容量の変化が電気的に測定される。これらの変化を使用して、標的注目検体の存在を検出し、そして標的注目検体の存在を特徴付ける。【選択図】図１
2009529683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
標的注目検体を検出する検出素子であって、
ａ）時間依存電界を、前記電界を放出する放出源である第１要素の近傍の領域に印加して実効誘電率を検出する手段と、
ｂ）前記領域の前記標的注目検体によって誘起される前記実効誘電率の変化によって生じる時間応答の変化を検出する検出手段と、を備え、前記領域は；
ｉ）高剛性構造によって固定される状態に保持され、そして
ｉｉ）前記標的注目検体のほとんどの部分を検出するために十分大きく、かつ実用的な感度及び信号対雑音比を確保するために十分小さいサイズを有し、そして
ｃ）前記第１要素に外部から流れ込む、そして／または前記第１要素から外部に流れ出す電流を阻止して、前記時間応答の前記変化の検出を可能にする十分に絶縁性の高い絶縁領域を備える検出素子。
【請求項２】
第１要素近傍の前記領域に位置する少なくとも一つの化学的及び／又は生物学的識別要素を含む、請求項１記載の検出素子。
【請求項３】
前記時間依存電界は振動する、請求項１又は２記載の検出素子。
【請求項４】
前記検出素子の時間応答の変化を検出する前記検出手段は位相ロック検出器を含む、請求項１，２，又は３記載の検出素子。
【請求項５】
前記第１要素は電極であり、そして前記領域に位置する前記少なくとも一つの化学的及び／又は生物学的識別要素は電極または構造、或いは電極及び構造の両方に結合する、請求項１，２，３，又は４記載の検出素子。
【請求項６】
十分に絶縁性の高い前記絶縁領域は絶縁層であり、そして前記高剛性構造は半導体層を含み、半導体層の上には前記絶縁層が位置し、そして前記絶縁層上に位置する前記電極は、絶縁層上の電極の設置面積を最小にするように構成されるとともに、前記電極は、非常に大きい電界を電極近傍の前記領域に発生させるようにも構成され、この電界は、実効誘電率、及び／又は標的注目検体に関連する実効誘電率の変化を検出するために利用することができ、かつ適する、請求項５記載の検出素子。
【請求項７】
前記絶縁領域は、前記半導体層上に堆積する酸化シリコン、窒化シリコン、自己組織化膜から成るグループから選択される無機及び／又は有機材料を含む、請求項６記載の検出素子。
【請求項８】
絶縁層上の電極の設置面積を最小にするように構成される前記電極は前記絶縁層上で、細長い電極としてパターニングされる、請求項６記載の検出素子。
【請求項９】
前記絶縁層は、隣接する井戸状構造を分離する隆起壁を有する井戸状構造を画定する表面形状を有し、そして前記電極は前記隆起壁の上面に位置する、請求項６記載の検出素子。
【請求項１０】
前記絶縁層は、絶縁材料の誘電率よりも大きい誘電率を有する材料によって被覆され、前記材料は、化学的及び／又は生物学的識別要素を絶縁層に付着させるための足場（ｓｃａｆｆｏｌｄｉｎｇ）となる、請求項６記載の検出素子。
【請求項１１】
前記高剛性構造の上に自己組織化されたナノ粒子の自己組織化ネットワークを含み、前記自己組織化ネットワークのナノ粒子は２機能性リンカー分子によって接続され、２機能性リンカー分子は十分に高い絶縁性を有することにより、前記第１要素に外部から流れ込む、そして／または前記第１要素から外部に流れ出す電流を阻止し、かつ前記時間応答の前記変化の検出を可能にする、請求項５記載の検出素子。
【請求項１２】
前記検出素子は複数の電極を備え、前記複数の電極は、前記実効誘電率の前記変化の影響を受ける実効容量を有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の検出素子。
【請求項１３】
前記検出素子は、分離装置からの標的注目検体及び他の生化学種を検出素子に流し込んで、標的注目検体及び他の生化学種の検出を可能にする手段を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の検出素子。
【請求項１４】
前記検出手段及び前記第１要素は１つの電気的に一体化されたシステムを形成する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の検出素子。
【請求項１５】
前記化学的及び／又は生物学的識別要素は、無機能性分子、単一の機能性分子、２機能性分子、多機能性分子、オリゴマー、ポリマー、触媒、細胞、バクテリア、ウィルス、酵素、タンパク質、ヘプタン、糖類、脂質、グリコーゲン、酵素阻害剤、酵素基質、神経伝達物質、ホルモン、抗原、抗体、ＤＮＡ，ＲＮＡの内の少なくとも一つを含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の検出素子。
【請求項１６】
標的注目検体及び他の生化学種が異なる速度で通り抜ける構成の材料と、
標的注目検体を検出する検出システムと、を備え、検出システムは検出素子と、領域の実効誘電率を検出するために用いる時間依存電界と、前記実効誘電率を検出するために前記電界を前記領域に放出する放出源である第１要素と、前記標的注目検体によって誘起される前記実効誘電率の変化によって生じる前記検出素子の時間応答の変化を検出する手段と、を備え、前記領域は、
高剛性構造によって固定される状態に保持され、
標的注目検体のほとんどの部分を検出するために十分大きく、かつ実用的な感度及び信号対雑音比を確保するために十分小さいサイズを有し、そして
前記第１要素に外部から流れ込む、そして／または前記第１要素から外部に流れ出す電流を阻止する十分に絶縁性の高い絶縁領域を含む、分離装置。
【請求項１７】
第１要素近傍の前記領域に位置する少なくとも一つの化学的及び／又は生物学的識別要素を含む、請求項１６記載の分離装置。
【請求項１８】
前記化学的及び／又は生物学的識別要素は、無機能性分子、単一の機能性分子、２機能性分子、多機能性分子、オリゴマー、ポリマー、触媒、細胞、バクテリア、ウィルス、酵素、タンパク質、ヘプタン、糖類、脂質、グリコーゲン、酵素阻害剤、酵素基質、神経伝達物質、ホルモン、抗原、抗体、ＤＮＡ，ＲＮＡの内の少なくとも一つを含む、請求項１６又は１７記載の分離装置。
【請求項１９】
前記時間依存電界は振動する、請求項１６，１７，又は１８記載の分離装置。
【請求項２０】
前記検出素子の時間応答の変化を検出する前記手段は位相ロック検出器を含む、請求項１６，１７，１８，又は１９記載の分離装置。
【請求項２１】
前記第１要素は電極であり、そして前記領域に位置する前記少なくとも一つの化学的及び／又は生物学的識別要素は電極または構造、或いは電極及び構造の両方に結合する、請求項１６，１７，１８，１９，又は２０記載の分離装置。
【請求項２２】
十分に絶縁性の高い前記絶縁領域は絶縁層であり、そして前記高剛性構造は半導体層を含み、半導体層の上には前記絶縁層が位置し、そして前記絶縁層上に位置する前記電極は、絶縁層上の電極の設置面積を最小にするように構成されるとともに、前記電極は、非常に大きい電界を電極近傍の前記領域に発生させるようにも構成され、この電界は、実効誘電率、及び／又は標的注目検体に関連する実効誘電率の変化を検出するために利用することができ、かつ適する、請求項２１記載の分離装置。
【請求項２３】
前記絶縁領域は、前記半導体層上に堆積する酸化シリコン、窒化シリコン、自己組織化膜から成るグループから選択される無機及び／又は有機材料を含む、請求項２１記載の分離装置。
【請求項２４】
絶縁層上の電極の設置面積を最小にするように構成される前記電極は前記絶縁層上で、細長い電極としてパターニングされる、請求項２２記載の分離装置。
【請求項２５】
前記絶縁層は、隣接する井戸状構造を分離する隆起壁を有する井戸状構造を画定する表面形状を有し、そして前記電極は前記隆起壁の上面に位置する、請求項２２記載の分離装置。
【請求項２６】
前記絶縁層は、絶縁材料の誘電率よりも大きい誘電率を有する材料によって被覆され、前記材料は、化学的及び／又は生物学的識別要素を絶縁層に付着させるための足場となる、請求項２２記載の分離装置。
【請求項２７】
前記高剛性構造の上に自己組織化されたナノ粒子の自己組織化ネットワークを含み、前記自己組織化ネットワークのナノ粒子は２機能性リンカー分子によって接続され、２機能性リンカー分子は十分に高い絶縁性を有することにより、前記第１要素に外部から流れ込む、そして／または前記第１要素から外部に流れ出す電流を阻止し、かつ前記時間応答の前記変化の検出を可能にする、請求項２１記載の分離装置。
【請求項２８】
前記検出素子は複数の電極を備え、前記複数の電極は、前記実効誘電率の前記変化の影響を受ける実効容量を有する、請求項１６から２７のいずれか一項に記載の分離装置。
【請求項２９】
標的注目検体を検出する方法であって：
時間依存電界を、前記電界を放出する放出源である第１要素の近傍の領域に印加して実効誘電率を検出するステップと、
前記領域の前記標的注目検体によって誘起される前記実効誘電率の変化によって生じる時間応答の変化を検出するステップと、
前記標的注目検体の存在または不在を前記実効誘電率の前記変化に基づいて判断するステップと、を含み、前記領域は、
高剛性構造によって固定される状態に保持され、
標的注目検体のほとんどの部分を検出するために十分大きく、かつ実用的な感度及び信号対雑音比を確保するために十分小さいサイズを有し、そして
前記第１要素に外部から流れ込む、そして／または前記第１要素から外部に流れ出す電流を阻止する十分に絶縁性の高い絶縁領域を含む、方法。
【請求項３０】
第１要素近傍に位置する前記領域に位置する少なくとも一つの化学的及び／又は生物学的識別要素を含む、請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
前記化学的及び／又は生物学的識別要素は、無機能性分子、単一の機能性分子、２機能性分子、多機能性分子、オリゴマー、ポリマー、触媒、細胞、バクテリア、ウィルス、酵素、タンパク質、ヘプタン、糖類、脂質、グリコーゲン、酵素阻害剤、酵素基質、神経伝達物質、ホルモン、抗原、抗体、ＤＮＡ，ＲＮＡの内の少なくとも一つを含む、請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
前記第１要素は電極であり、そして前記領域に位置する前記少なくとも一つの化学的及び／又は生物学的識別要素は電極または構造、或いは電極及び構造の両方に結合する、請求項２９，３０，又は３１記載の方法。
【請求項３３】
十分に絶縁性の高い前記絶縁領域は絶縁層であり、そして前記高剛性構造は半導体層を含み、半導体層の上には前記絶縁層が位置し、そして前記絶縁層上に位置する前記電極は、絶縁層上の電極の設置面積を最小にするように構成されるとともに、前記電極は、非常に大きい電界を電極近傍の前記領域に発生させるようにも構成され、この電界は、実効誘電率、及び／又は標的注目検体に関連する実効誘電率の変化を検出するために利用することができ、かつ適する、請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
前記絶縁領域は、前記半導体層上に堆積する酸化シリコン、窒化シリコン、自己組織化膜から成るグループから選択される無機及び／又は有機材料を含む、請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
絶縁層上の電極の設置面積を最小にするように構成される前記電極は前記絶縁層上で細長い電極としてパターニングされる、請求項３３記載の方法。
【請求項３６】
前記絶縁層は、隣接する井戸状構造を分離する隆起壁を有する井戸状構造を画定する表面形状を有し、そして前記電極は前記隆起壁の上面に位置する、請求項３３記載の方法。
【請求項３７】
前記絶縁層は、絶縁材料の誘電率よりも大きい誘電率を有する材料によって被覆され、前記材料は、化学的及び／又は生物学的識別要素を絶縁層に付着させるための足場となる、請求項３３記載の方法。
【請求項３８】
前記高剛性構造の上に自己組織化されたナノ粒子の自己組織化ネットワークを含み、前記自己組織化ネットワークのナノ粒子は２機能性リンカー分子によって接続され、２機能性リンカー分子は十分に高い絶縁性を有することにより、前記第１要素に外部から流れ込む、そして／または前記第１要素から外部に流れ出す電流を阻止し、かつ前記時間応答の前記変化の検出を可能にする、請求項３２記載の方法。
【請求項３９】
前記ナノ粒子は導電性ナノ粒子である、請求項３８記載の方法。
【請求項４０】
前記時間依存電界は振動する、請求項２９から３９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４１】
時間応答の変化を検出する前記ステップは、位相ロック検出器を使用して行なわれる、請求項２９から３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４２】
前記第１素子近傍の前記領域を、前記標的注目検体及び他の生化学種が異なる速度で通り抜ける構成の材料の下流に位置させて、前記標的注目検体を、前記標的注目検体に関してテストされるサンプルから選択的に検出する、請求項２９から４１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４３】
前記ナノ粒子は導電性ナノ粒子である、請求項１１記載の検出素子。
【請求項４４】
前記ナノ粒子は導電性ナノ粒子である、請求項２７記載の分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連米国特許出願との相互参照
本特許出願は、英文による２００６年３月１６日出願の「誘電率検出方法及びシステム」と題し、かつ本明細書において参照することにより内容全体が本明細書に組み込まれることになる米国仮特許出願第６０／７８２，５４２号に関するものであり、かつ当該仮特許出願の優先権の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、化学的及び／又は生物学的標的注目検体の存在を、誘電率検出手段を使用して検出する方法及び素子に関する。
【背景技術】
【０００３】
膨大な量の化学物質が、化学、薬学、生物学、及び医学に関連する分野を含む多くの分野において処理されている。このような分野においては、標的注目検体を混合物から分離する必要があるという要求が頻繁に出てくる。例えば、化学産業及び製薬産業のような分野においては、化学的検体が合成され、そして化学的合成によって、標的注目検体だけでなく、（潜在的に多くの）副生成物及び未反応の反応物質のような他の生化学種を含む反応混合物が生成され易い。別の例として、生物学産業、医学産業、食品産業、及び他の産業においては、容易に得られる混合物は種々の標的注目検体及び他の生化学種を含む。
【０００４】
往々にして、標的注目検体を検出し、そして／または特徴付ける（例えば、標的注目検体の濃度を求める）；例えば、食物中のバクテリアの濃度を検出し、そして求め、血液中のグルコースの濃度を測定することなどが望まれる場合がある。他の多数の例をこの技術分野の当業者であれば容易に思い浮かべることができる。標的注目検体を混合物から直接検出し、そして／または特徴付ける処理はごく普通に行なわれている。更に、混合物を分離プロセスに送り込むことによって、標的注目検体を高い純度で取得して、検体の検出、特徴付け、及び更なる使用を容易にする処理はごく普通に行なわれている。
【０００５】
分離法及び／又は検出方法として、これらに制限されないが、薄膜クロマトグラフィー、フラッシュカラムクロマトグラフィー、高性能液体クロマトグラフィー、及び電気泳動法を挙げることができる。分離法は、性質上、分析的に行なうことができ、これによって混合物を特徴付けることができる、または性質上、予備的に行なうことができ、これによって定量的収率で分離物を生成することができる。標的注目検体を混合物から分離するために、分離法では、混合物が種々の材料を通り抜けるようにし、そして異なる生化学種及び標的注目検体が異なる速度で通り抜けるという事実を利用する。
【０００６】
例えば、液体クロマトグラフィーでは、混合物をカラム内の種々の充てん剤を通り抜けさせる。標的注目検体及び種々の他の生化学種は分離剤を異なる速度で通り抜け、この速度は、種々の生化学種または標的注目検体が受ける、溶媒の性質、充てん剤の化学的性質、充てん剤中の孔の存在及びサイズなどによって生じる異なる相互作用のような種々の要素によって変わる。良好な分離プロセスでは、混合物中の標的注目検体及び種々の他の生化学種はカラムから異なる時点で出て行くので、分離することができる。標的注目検体が識別可能な可視色を有する場合、当該標的注目検体が分離装置から出て行く時点を目視で確認することができる。しかしながら、標的注目検体が識別可能な可視色を持たない場合、標的注目検体の他の物理特性を測定して、混合物中における他の生化学種からの当該標的注目検体の選択を容易にする必要がある。他の生化学種からの標的注目検体の分離度の定量的指標を与えることができる方法及び装置が極めて望ましい。
【０００７】
光学測定が、このような目的のために最も頻繁に使用される。例えば、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を使用して、表面に対する標的注目検体の結合をモニタリングすることにより、このような標的検体の存在を検出する。クロマトグラフィー及び電気泳動法では、紫外線（ＵＶ）及び／又は可視光を使用する光分光法が多くの場合に用いられて、標的注目検体及び他の生化学種の吸光スペクトルを取得することにより、標的注目検体及び生化学種の分離をモニタリングする。標的注目検体及び他の生化学種の化学的性質及び構造によって変わるが、標的注目検体及び生化学種の吸光度は異なり得る。光学測定装置は、ＵＶランプ、レーザ、レンズ、検出器、及び他の光学素子を含むことができ、そして大型かつ非常に高価になり易い。また、多くの場合、標的注目検体及び他の生化学種は、適切なＵＶ吸収特性または可視光吸収特性を持たないので、光学方法を利用することができない。更に、多くの生物学的標的注目検体、例えばタンパク質は多くの場合、少量しか得られないので、非常に高い検出感度及び高い信号対雑音比が必要になる。これらの非常に困難な解決課題を解決するために、光学的方法及び装置では、ラベル、例えば蛍光ラベルを利用する。しかしながら、これには、標的注目検体を修飾する必要があり、この操作は普通、望ましくなく、かつ非常に大きな労力、非常に長い時間を要し、その結果コストが高く付く。バルク屈折率の測定を利用する光学的装置及び方法は、溶媒の温度及び圧力に対する感度が高くなり易い。例えば、温度及び圧力の変化によって機械的変形が生じることにより、標的注目検体によって誘起される信号変化と同じ程度の大きさの信号変化が生じる。また、例えばＨＰＬＣ（高性能液体クロマトグラフィー）のようなクロマトグラフィーを実行する場合、傾斜溶離を使用する、すなわち２つ以上の成分を含む溶媒の混合物を使用し、そして混合物に含まれる成分の割合を分離が進行するとともに体系的に変化させることが望ましい場合が多い。溶媒の屈折率は成分の割合が変化するにつれて大きく変化するので、少量の標的注目検体によって誘起される屈折率の小さな変化を検出することが困難になる。その結果、屈折率測定は傾斜溶離には使用されない。
【０００８】
多数の発明が、標的注目検体の存在を、回路の電気抵抗（または、等価的には、抵抗率、コンダクタンス、または導電率）の変化に基づいて検出する方法に関して考案されている。米国特許第６，８２４，９７４Ｂ２号は、標的注目検体の検出に、２つの電極の間の隙間にまたがる生体分子を使用する方法を教示している。標的注目検体を結合させると、２つの電極の間の導電率が変化する。
【０００９】
米国特許第６，４５８，３２７Ｂ１号は、電子装置、特にナノ粒子構造を含む化学センサを教示しており、この化学センサは、電流経路が前記ナノ粒子構造を貫通し、そして検体分子によって構造の導電率が変化するように構成される。
【００１０】
米国特許第５，１９４，１３３号は、サンプル流体を分析するセンサ装置を開示しており、このセンサ装置は、細長い流路と、流路に含まれてサンプル流体の分離を生じさせる材料と、酵素と、そして流路の壁に沿った検出電極ペア群と、を備える。流路に含まれる酵素はサンプル流体中の酵素基質と反応して、サンプル流体の導電率が変化することにより、酵素基質の存在を知らせる。
【００１１】
米国特許第４，９２０，０４７号には、流体媒質中の免疫学的に活性な物質の存在、濃度、または不在を、電極の電気インピーダンスのあらゆる変化を測定することにより判断する方法及び装置が記載されている。電極に、抗原または抗体のような免疫学的に活性な物質を付着させ、今度は、この物質が、それぞれ抗体または抗原のような、相補的で免疫学的に活性な物質に対する結合サイトとなる。電極が相補的で免疫学的に活性な物質に曝されると、結合サイトは使用できなくなり；曝されない場合には、結合サイトは利用可能な状態に維持される。電極は次に、結合サイトに結合する性質も有し、かつ不溶性反応生成物を生成する性質も有する酵素に曝される。不溶性反応生成物が堆積し、そして電極に付着することにより、電極のインピーダンスが変化し、そして水または生理食塩水のような液体媒質中の、相補的で免疫学的に活性な物質の存在、濃度、または不在を間接的に知らしめることができる。
【００１２】
抵抗を利用する方法及び装置には、標的注目検体による影響、及び導電性の水などのような媒質による影響が同じ程度の大きさになることによって限界がある。その結果、このような媒質の中で動作する必要があり、かつ標的注目検体を直接検出しようとする装置及び方法では感度が低くなり得る。このような困難を解決するために、方法及び装置では、感度を増幅する手法（例えば、酵素を使用して、信号検出にとって重要な生成物を生成することにより）、または装置をこのような媒質から取り外す手法を用いることができるが；これらの手法には追加のステップが必要になるので、時間、費用などのようなリソースが必要になる。また、ＨＰＬＣのようなクロマトグラフィー用途では、多くの場合、非導電性を示し、かつ非導電性媒質に溶解する標的注目検体を検出することが望ましい。
【００１３】
従って、多数の発明が標的注目検体の存在を電気容量Ｃの変化に基づいて検出する方法に関しても考案されている。このような発明では、容量が、キャパシタの電界によってセンシングされる領域内の媒質の誘電率に比例するという原理を利用する。当該領域が、誘電率εＡ及びεＢをそれぞれ有する２つの媒質Ａ及びＢの混合物を含む場合、容量は実効誘電率εに比例し、この実効誘電率εは、εＡ，εＢ、及び媒質Ａ及びＢの容積割合の関数である。大きな平行板を持つキャパシタの場合、Ａを面積、そしてｄを平行板の間隔とすると、Ｃ＝εＡ／ｄがほぼ成り立つ。平行板キャパシタの例は、例示のためにのみ使用され、本発明の技術範囲を制限するために使用されるのではない。平行板キャパシタの場合の容量に関する上述の数式では、電界が平行板間の容積Ａ・ｄに局在化すると仮定する。実際、平板が有限サイズである場合、フリンジ電界が発生し、このフリンジ電界は、平行板のエッジを超えて、ｄとほぼ等しい大きさの長さまで及ぶが；それでも、Ｃはεに比例する。周波数ωでのキャパシタのインピーダンスＺＣはＺＣ＝（ｊωＣ）−１と表わされる。キャパシタを時間依存電圧Ｖで駆動する場合、この電圧によって、領域内のεを検出するために用いる時間依存電界が生成される。電界を用いて検出されるεによって変わるが、電界によって分極が領域内に誘起され、分極によって今度は、時間依存電荷がキャパシタに誘起される。結果として得られる容量性電流Ｉは、Ｉ＝Ｖ／ＺＣ＝ｊωＣＶとなる。測定を容易にするために、容量性電流を通常、量ＲＧだけ増幅して、測定電圧ＶＧ＝ｊωＲＧＣＶを生成する。平行板キャパシタの場合、ＶＧ＝ｊωＲＧεＡＶ／ｄが成り立ち；従って、キャパシタの両端で測定される電圧はεに比例する。
【００１４】
従って、容量を利用する方法及び装置では、変化がεに生じることによって変化がＶＧに生じる。εのこのような変化は、例えば第１誘電率を有する標的注目検体が、電界によってセンシングされる領域に入り、そして異なる値の第２実効誘電率を有する領域の媒質を押しのけるときに生じる。標的注目検体が小さい誘電率を有し、かつ媒質が、非絶縁性を有することによって大きい実効誘電率を持つ水、生理食塩水、電解質などのような溶媒を含む場合、εに大きな変化を生じさせることができる。標的注目検体が、電界によってセンシングされる領域に位置し、かつ大きい実効誘電率を持つオブジェクト（例えば、導電性ビーズ）を標的注目検体に取り付けて、より小さい実効誘電率を持つ媒質を押しのける場合、この場合も同じように、εに大きな変化を生じさせることができる。εのこのような大きな変化は、標的注目検体を検出するように構成される多数の装置及び方法に利用されている。
【００１５】
米国特許第６，７６４，５８３Ｂ２号は、電界中の電極群の間でインピーダンス測定を行なって、電界中に捕捉される病原体の存在を検出する方法を教示している。病原体によって電極群の間のインピーダンスが変化するが、この変化は、電極群の間の誘電体材料が変化することにより生じる。次に、米国特許第６，８４６，６３９Ｂ２号において、Ｍｉｌｅｓらは、抗体で覆われるビーズを使用して病原体の検出を容易にする方法を教示している。これらのビーズは電界中に捕捉される病原体にくっついて、インピーダンスを更に変化させる。
【００１６】
米国特許公開第２００５／０２２７３７３Ａ１号には、ＤＮＡ及び他のプローブの存在を高感度で検出する方法及び装置が開示されている。標的サンプルが基質上に存在している状態は、導電性ラベルで直接、または間接的にラベル付けされた標的サンプルを基質上の選択的結合サイトに結合させ、そして導電性ラベルの存在を容量的に検出することによって、容量的に検出される。
【００１７】
米国特許公開第２００２／０１９２６５３Ａ１号は、インピーダンスを利用し、かつ化学的及び生物学的反応を通じて撮像するセンサ装置及び方法に関する発明である。撮像センサは、インピーダンス電極素子群の２次元アレイから成り、これらのインピーダンス電極素子は、流体に含まれる化学的または生物学的サンプルから流体不浸透性層によって分離される。流体不浸透性層の外側表面におけるインピーダンス変化に起因する容量の変化は、電極素子群に信号誰何の間に検出される。撮像チップは乾燥花粉に応答しないが、粒子を希釈リン酸緩衝液及び微量の界面活性剤に懸濁させる場合には、粒子を高コントラストで撮像することができる。
【００１８】
米国特許第５，８４６，７０８号は、サンプル基質内の分子構造を検査サイトのモノリシック構造アレイを使用して特定する方法及び装置を教示している。当該発明の電気的形態では、分子構造を有する物質を検査サイトに送達し、各検査サイトは、既知の分子構造と結合する（分子構造との間で雑種を形成する）性質を持つプローブを有する。雑種形成した分子は、当該発明の一の実施形態に従って、検査サイトに形成されるキャパシタの放電電流の変化を検出することにより検出することができる。水溶液中のＤＮＡ分子の共鳴周波数では、εの虚部は、ＤＮＡを含まない水溶液に関する虚部の値よりも約１０〜１００倍の大きさになり得る。この特許は、ＬＣＲ測定器を使用して抵抗を測定することができることを教示している。
【００１９】
米国特許第５，１８７，０９６号には、細胞基質インピーダンス（ｃｅｌｌ−ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）を電極ペアアレイを使用してモニタリングする装置及び方法が開示されている。各電極ペアは、大きい対向電極と、そして小さい活性電極と、を含む。ＡＣ（交流）電流を各ペアの電極群の間に流すとともに、位相を検知する位相検出器を使用して、電圧をモニタリングする。細胞群が小さい電極の上で培養される。細胞群が電極表面に付着し、そして当該表面で平らに広がると、これらの細胞によって系の電気インピーダンスに大きな変化が生じる。
【００２０】
米国特許公開第２００６／０２１６２０３号は、集積されたインピーダンス測定電極群を有するマルチウェルサンプルモジュールに関する発明であり、これらのインピーダンス測定電極によって、電界を各ウェル内に生成し、そしてこれらのウェルの内容物の各々のインピーダンスの変化を測定することができる。電極群によって生成される電界は電極群から延びて、ほぼ電極群の間の隙間にまで達する。細胞群はこの電界を受ける。合計電流を測定することにより、細胞インピーダンスをインピーダンス測定に基づいて計算することができる。インピーダンス測定は、交流電圧を印加することにより生じる電流を測定することにより行なわれる。振幅及び位相はともにインピーダンスの一部分である。
【００２１】
米国特許第４，８２２，５６６号には、流体媒質中の検体の存在を検出し、そして／または検体の濃度を測定する装置が開示されている。この装置は、生化学結合系と検体との間の生物特有の結合を利用して、生体親和性の高い容量センサの誘電特性を変化させる。生体親和性の高いセンサは：（１）被覆層の厚さ、及び誘電特性を調整して、生物学的結合系のインピーダンスにほぼ一致させ；そして（２）２重層容量（非絶縁性流体系の）を最小にすることによって、生物学的結合系に関連する容量変化を最大にするように最適化される。
【００２２】
ラベル付けする必要がなく、かつ実効誘電率の小さな変化も測定することができる汎用方法及び装置を有することが望ましい。例えば、クロマトグラフ分離では、標的注目検体は、アルカンまたはベンゼンのような溶媒中で絶縁され、そして溶媒に溶解させることができ、この溶媒も絶縁性溶媒である。このような場合、溶媒の実効誘電率と溶媒及び標的注目検体の混合物の実効誘電率との差は小さい。平行板キャパシタ構造を一例として使用するこのような用途においても、十分に大きい変化を測定電圧に発生させるために、ＲＧ，ω，Ａ，ｄ，及びＶを有利な形で選択することが望ましい。Ｖ及びＲＧを大きくすると、より大きな変化が測定電圧に生じる。ωを大きくすることによってもより大きな変化が測定電圧に生じる。電圧を種々のωで測定し、そしてこのような測定値を回帰分析することにより、εの変化の評価精度が高くなる。Ａ及びｄ（及び、一般的には、非平行板キャパシタに関して、電界によってセンシングされる容積）を技術的に操作して、測定電圧の変化を最適化することができる。電界によってセンシングされる容積が極めて小さい場合、標的注目検体が占有する空間のほんの一部分のみが検出され、この状態は望ましくない。容積が極めて大きい場合、標的注目検体によって誘起されるεの変化は小さく、この状態も望ましくない。中程度の大きさの容積を選択することが好ましい。当該発明の一の光学形態では、近接場光学の原理を使用して電界を遠方場光学(far field optics)におけるよりもずっと小さい容積に閉じ込めることができる。電極のサイズ、形状、間隔、向きなどを技術的に操作することにより、電界を電気的に操作することができる。従って、この技術分野の当業者であれば、電界を所定の標的注目検体に関して最適化することが可能であり、かつεの変化を、単に電気的ではなく、広く電磁気的に検出することが望ましいことが理解できるであろう。
【００２３】
εの変化によって誘起される、従って標的注目検体によって誘起されるＶＧの変化を大きくするために、電界によってセンシングされる領域の中の標的注目検体が占有する容積の割合を最大にすることが望ましい。この構成は、電界を上に開示したように技術的に操作し、更に電界によってセンシングされる領域に、原子種、官能基、分子、及び更に広くは、標的注目検体と相互作用する化学的及び／又は生物学的識別要素を取り込むことにより実現することができる。例えば、電界によってセンシングされる領域が表面に、または表面近傍に位置し、そして標的注目検体がＤＮＡのらせん構造である場合、表面をＤＮＡの相補的な二重らせん構造で機能化することにより、溶液中におけるよりも表面近傍で凝縮度の高いＤＮＡらせんを生成することができる。多くの相互作用をこのようにして利用して、標的注目検体の濃度を高くすることができ、そして多くの相互作用がこの技術分野の当業者には明らかであると考えられる。これらの相互作用として、抗原−抗体ペアリング、ＤＮＡハイブリダゼーション、及び他の生物種の間の相互作用、及び結合、溶解性のような種々の化学的現象などを引き起こすような電磁気及び又は量子相互作用を含む。このような相互作用によって、種々の大きさの化学的及び／又は生物学的差異が生じ、そしてこのような相互作用がこの技術分野の当業者には明らかであると考えられる。濃度がこのように高くなることによって、導電率及びバルク誘電率のようなバルク特性の測定を利用する装置及び方法に一般的に生じる問題を解決するという有利な特徴を持つことができる。溶媒組成が傾斜溶離を行なっている間に変化すると、バルク特性に大きな変化が生じて、標的注目検体によって発生する小さな変化を検出することが難しくなる。電界によってセンシングされる領域における標的注目検体の容積割合を大きくすると、溶媒の容積割合が小さくなり、そして溶媒組成が変化することによる悪影響が低減されるという有利な効果が得られる。
【００２４】
標的注目検体が溶解する媒質が絶縁性ではない場合、当該媒質のコンダクタンスは有限であるので当該媒質は抵抗を持つことになる。従って、当該媒質によって容量に損失が生じ、測定電圧に実数成分が生じ、εに複素成分が生じ、そして測定電圧に抵抗及び容量の両方を含む複素成分が生じる。抵抗が小さくなると、電流が大きくなり、特にＲＧを大きくしてεの小さな変化を検出する場合に電気的飽和が発生する。容量性インピーダンス、従ってεの小さな変化を求めることが困難になる。この問題を解決するために、外部からの電流を阻止してεの極めて小さな変化の検出を可能にする絶縁領域を用いる方法及び装置を開発することが望ましい。
【特許文献１】米国特許第６，８２４，９７４Ｂ２号
【特許文献２】米国特許第６，４５８，３２７Ｂ１号
【特許文献３】米国特許第５，１９４，１３３号
【特許文献４】米国特許第４，９２０，０４７号
【特許文献５】米国特許第６，７６４，５８３Ｂ２号
【特許文献６】米国特許第６，８４６，６３９Ｂ２号
【特許文献７】米国特許公開第２００５／０２２７３７３Ａ１号
【特許文献８】米国特許公開第２００２／０１９２６５３Ａ１号
【特許文献９】米国特許第５，８４６，７０８号
【特許文献１０】米国特許第５，１８７，０９６号
【特許文献１１】米国特許公開第２００６／０２１６２０３号
【特許文献１２】米国特許第４，８２２，５６６号
【発明の開示】
【００２５】
従って、標的注目検体及び他の生化学種を検出し、識別し、そして特徴付ける、使い易い、安価な、ラベル付けする必要がない、持ち歩くことができる、定量的な、頑丈な、感度の高い、構造的かつ化学的に安定な、そして広く適用することができる発明が切に望まれる。特に、標的注目検体が共通に持っている特性（例えば、ε）を利用し、かつ標的注目検体によって誘起される変化以外の変化に対する感度が低い発明が提供されることが切に望まれる。このような発明であれば、混合物の分離をモニタリングする用途の他に、多くの他の用途に適用することができる。これらの用途として、これらには制限されないが、化学的及び／又は生物学的識別要素（無機能性分子、単一の機能性分子、２機能性分子、多機能性分子、オリゴマー、ポリマー、触媒、細胞、バクテリア、ウィルス、酵素、タンパク質、ヘプタン、糖類、脂質、グリコーゲン、酵素阻害剤、酵素基質、神経伝達物質、ホルモン、抗原、抗体、ＤＮＡ，及び／又はＲＮＡ）、及び薬学的、生物学的、及び／又は医学関連化合物（薬物、ＤＮＡ，ＲＮＡ、タンパク質、抗原、抗体、ヘプタン、糖類、脂質、グリコーゲン、酵素阻害剤、酵素基質、神経伝達物質、ホルモン、ウィルス、バクテリア、細胞などのような）を挙げることができる。当該発明は、制御システムを使用して得られる結果をテストシステムを使用して得られる結果と比較する品質制御テストに使用することもできる。このようなテストは、化学物質が、例えば汚染されているかどうかをモニタリングするために有用となる。当該発明は更に、水をモニタリングするテストに使用することができる。このような発明に関する他の使用方法は、この技術分野の当業者には明らかであると思われる。
【００２６】
本発明の主目的は、誘電率検出素子及び方法を提供することにある。本発明の一の実施形態では、当該素子は少なくとも２つの電極を含み、これらの電極はモノリシック構造の上に集積化されて、剛性及び機械的安定性を確保する。時間依存電圧を、電極群の内の少なくとも一つの電極に印加し、そして時間依存電圧によって生じる電流を測定する。電流は、電子回路によって増幅することができ、そして電圧の振幅及び位相に対する電流の振幅及び位相を測定することができる。このような測定を行なうことによって、電極群の容量に関する情報が提供される。電極群は、これらの電極のサイズ及び／又は間隔が、例えば標的注目検体のサイズスケールと同程度になって、容量測定値の信号対雑音比が高くなるように作製される。例えば、ナノメートルスケールのサイズ及び／又は間隔を有する電極群は、ナノメートル規模のサイズを有する標的注目検体を検出する場合に使用することができる。ナノメートル規模のサイズを有する標的注目検体が、多層または他の凝集体のようなより大きい構造を形成する場合、サイズがこれに応じてより大きいサイズ及び／又は間隔を有する電極群が好ましい。標的注目検体が前記電極群に接近すると、これらの電極の位置で測定される容量は、電極群によって検出される実効誘電率が変化することによって変化する可能性がある。容量性電流を十分大きく増幅する操作を容易にするためには、従って実効誘電率の小さな変化の検出を容易にするためには、コンダクタンスの抵抗成分を大きくすると有利である。従って、本発明は、前記電極群に外部から流れ込む、そして／または前記電極群から外部に流れ出す電流を阻止する十分に絶縁性の高い領域を用いるので有利である。
【００２７】
化学的及び／又は生物学的識別要素を用いて、標的注目検体の検出精度を高めることができる。標的注目検体が前記電極群に接近し、そして化学的及び／又は生物学的識別要素と所定期間に亘って相互作用すると、電極群によって検出される実効誘電率に変化が生じる。変化の大きさ、期間、安定性、特異度、選択性、感度などのような変化の質は、化学的及び／又は生物学的識別要素と標的注目検体との相互作用によって高めることができる。例えば、無極性の標的注目検体群の間の相互作用は、無極性の化学的及び／又は生物学的識別要素が使用される場合に優先する；有極性の標的注目検体群の間の相互作用は、有極性の化学的及び／又は生物学的識別要素が使用される場合に優先する；抗原を添加した標的注目検体群の間の相互作用は、共役抗体を添加した化学的及び／又は生物学的識別要素が使用される場合に優先する；などと、同様のことが言える。
【００２８】
化学的及び／又は生物学的識別要素は、例えば電極群の間の高剛性構造に、一つの、または複数の電極に結合させることができる。例えば、本発明のこの実施形態では、電子回路を容量測定方法に使用することにより、幾つかの有利な特徴を持つことができ、これらの特徴として、小型化、集積化、携行性、高い信号対雑音比、高い感度、構成要素の入手容易性、構成要素の広い選択性の実現、モジュール性、及び低コストなどを挙げることができる。
【００２９】
本発明の一の態様では、標的注目検体を検出する検出素子が提供され、検出素子は、
ａ）時間依存電界を、前記電界を放出する放出源である第１要素の近傍の領域に印加して実効誘電率を検出する手段と；そして
ｂ）前記領域の前記標的注目検体によって誘起される前記実効誘電率の変化によって生じる時間応答の変化を検出する検出手段と、を備え、前記領域は；
ｉ）高剛性構造によって固定される状態に保持され、そして
ｉｉ）標的注目検体のほとんどの部分を検出するために十分大きく、かつ実用的な感度及び信号対雑音比を確保するために十分小さいサイズを有し、そして検出素子は更に、
ｃ）前記第１要素に外部から流れ込む、そして／または前記第１要素から外部に流れ出す電流を阻止して、前記時間応答の前記変化の検出を可能にする十分に絶縁性の高い絶縁領域を備える。
【００３０】
当該素子は、少なくとも一つの化学的及び／又は生物学的識別要素を含むことができる。
【００３１】
当該素子は、標的注目検体及び他の生化学種が異なる速度で通り抜ける構成の材料も収容することができる。
【００３２】
本発明の別の態様では、標的注目検体を検出する方法が提供され、本方法は：
時間依存電界を、前記電界を放出する放出源である第１要素の近傍の領域に印加して実効誘電率を検出するステップと；そして
前記領域の前記標的注目検体によって誘起される前記実効誘電率の変化によって生じる時間応答の変化を検出するステップと、そして
前記標的注目検体の存在または不在を前記実効誘電率の前記変化に基づいて判断するステップと、を含み、前記領域は；
高剛性構造によって固定される状態に保持され；
標的注目検体のほとんどの部分を検出するために十分大きく、かつ実用的な感度及び信号対雑音比を確保するために十分小さいサイズを有し；そして
前記第１要素に外部から流れ込む、そして／または前記第１要素から外部に流れ出す電流を阻止する十分に絶縁性の高い絶縁領域を含む。
【００３３】
本方法は、第１要素近傍に位置する前記領域に位置する少なくとも一つの化学的及び／又は生物学的識別要素を使用するステップを含むことができる。
【００３４】
本方法は、標的注目検体及び他の生化学種が異なる速度で通り抜ける構成の材料を使用するステップを含むことができる。
【００３５】
本発明は更に分離装置を提供し、本装置は；
標的注目検体及び他の生化学種が異なる速度で通り抜ける構成の材料と；
標的注目検体を検出する検出システムと、を備え、検出システムは検出素子と、領域の実効誘電率を検出するために用いる時間依存電界と、前記実効誘電率を検出するために前記電界を前記領域に放出する放出源である第１要素と、前記標的注目検体によって誘起される前記実効誘電率の変化によって生じる前記検出素子の時間応答の変化を検出する検出手段と、を備え、前記領域は；
高剛性構造によって固定される状態に保持され；
標的注目検体のほとんどの部分を検出するために十分大きく、かつ実用的な感度及び信号対雑音比を確保するために十分小さいサイズを有し；そして
前記第１要素に外部から流れ込む、そして／または前記第１要素から外部に流れ出す電流を阻止する十分に絶縁性の高い絶縁領域を含む。
【００３６】
分離装置は、第１要素近傍の前記領域に位置する少なくとも一つの化学的及び／又は生物学的識別要素を含むことができる。
【００３７】
本発明の詳細な特徴は、以下の詳細な記述が行なわれる過程で説明される、または明らかになる。
【００３８】
次に、本発明について、例を通してのみ添付の図を参照しながら説明することとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
概括すると、本明細書において記載されるシステムは、種々の種類の標的注目検体を検出するために使用することができる検出素子及び方法に関するものである。必要に応じて、本発明の実施形態が本明細書において開示される。しかしながら、開示される実施形態は単なる例示に過ぎず、従って本発明は多くの種々の形態及び別の形態で具体化することができることを理解されたい。種々の図は寸法通りには描かれておらず、そして或る特徴を誇張して描いて、または最低限の理解が得られるように描いて、関連する要素を削除しながら、特定の要素を詳細に示して新規の態様が不明瞭になることを阻止している。従って、本明細書において開示される特定の構造上の、そして機能上の詳細は、制限的な意味としてではなく、単に請求項の基礎として、そしてこの技術分野の当業者に教示し本発明を種々の形で用いるための代表的な基礎として解釈されるべきである。本発明を制限することではなく教示するために、例示の実施形態は検出素子及び方法に関して提示される。
【００４０】
本明細書において使用するように、略、およそ、又は、約「ａｂｏｕｔ」という用語は、寸法、温度、または他の物理的な特性または特徴の範囲に関連して使用される場合、寸法の範囲の上限と下限との間に含まれるわずかな変化を含むことにより、平均として、種々の寸法のほとんどが満たされるが、統計的には、この領域から外れる寸法が存在し得るような実施形態を排除しないことを意味する。
【００４１】
本発明は多くの使用形態を有する。以下の記述は単なる例として行なわれるのであり、本発明を制限する、または規定するものとして捉えられるべきではない。
【００４２】
本発明は、種々の種類の標的注目検体を検出するために使用することができる新規の検出素子及び方法に関するものである。図１を参照すると、本発明に従って構成される容量性検出素子が全体として番号１０で示されている。検出素子１０は、多くの機能を備える：すなわち、領域１４内の誘電体を検出するために用いる時間依存電界と、電界を放出して誘電体を検出する第１要素１６と、検出素子１０による時間応答の変化を検出する検出手段１８であって、この変化が誘電体領域１４の変化によって生じ、誘電体領域１４の変化が今度は、標的注目検体２０によって誘起される構成の検出手段１８と、を備え、誘電体領域１４は、高剛性構造２２によって固定された状態で保持され、標的注目検体２０のほとんどの部分を検出するために十分に大きく、かつ実用的な感度及び信号対雑音比を確保するために十分に小さいサイズを有し、更に少なくとも一つの化学的及び／又は生物学的識別要素２４を含むことにより、標的注目検体の検出に於いて選択性、感度、及び特異度（ｓｐｅｃｉｆｉｃｉｔｙ）を高める。時間依存電界は、振動電界とすることができる。化学的及び／又は生物学的識別要素２４は、無機能性分子（ｕｎｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ（アンファンクショナライズド）ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）、単一の機能性分子、２機能性分子、多機能性分子、オリゴマー、ポリマー、触媒、細胞、バクテリア、ウィルス、酵素、タンパク質、ヘプタン、糖類、脂質、グリコーゲン、酵素阻害剤、酵素基質、神経伝達物質、ホルモン、抗原、抗体、ＤＮＡ，及び／又はＲＮＡの内の少なくとも一つを含むことができる。
【００４３】
検出手段１８は、第１要素１６と異なるのではなく、第１要素１６と少なくとも部分的に一体化した一体型検出手段１９とすることができる、または高剛性構造２２と少なくとも部分的に一体化した一体型検出手段とすることができる。絶縁性が十分に高い絶縁領域１７は、前記第１要素１６に外部から流れ込む電流、及び／又は前記第１要素１６から外部へ流れ出す電流を阻止して、時間応答の前記変化の検出を可能にする。
【００４４】
図２の全体として番号３０で示される本発明の一の実施形態では、検出素子は２つ以上の電極３２を含み、これらの電極の相対位置は、高剛性構造２２によって互いに対して固定される。例えば、平行板キャパシタモデルでは、これらの電極は、Ｃ＝εＡ／ｄで近似的に与えられる相互容量Ｃを有し、この場合、εは誘電率であり、Ａは電極の断面積であり、そしてｄは電極間の間隔である。一般的に、電極は、実効誘電率に幾何学的因子を乗算した値に比例する相互容量Ｃを有する。時間依存電圧が電極３２に印加されると、時間依存電界が生成される。電界はこれらの電極の間の領域３４に集中するが、電極３２のエッジをも超える非常に大きな絶対値を持つ。例えば、平行板キャパシタモデルでは、電界は電極のエッジを超えて、ｄのほぼ数倍の大きさの長さスケールで延びる。電極３２の相対位置を高剛性構造２２によって固定することによる大きな利点は、幾何学的因子が変化することに起因する容量の変化によって生じる不所望の雑音が、固定することによって大幅に低減するということである。従って、電界を用いて検出される誘電体の変化から生じる容量の変化信号は更に容易に検出される。
【００４５】
電極３２は構造２２に直接ろう付けすることができる。本発明の一の実施形態では、ガラススライドが構造２２として使用され、そして電極３２はインジウムを含むが、これは、インジウムがガラススライドに強く付着し、非常に低い温度で溶融し、従ってインジウムを容易に融着することができるからである。
【００４６】
別の実施形態では、構造２２を真空チャンバに搬入し、そして電極３２を構造２２の上に熱蒸着または化学気相堆積によって、電極群３２の境界を画定するシャドウマスクを通して堆積形成する。この技術分野の当業者に公知のマスク、リソグラフィ、及び関連するパターニング方法を使用することにより、電極サイズ及び電極間の間隔を、数ミリメートルからサブミクロンの範囲の長さスケールになるように選択することができる。
【００４７】
非常に薄い膜を堆積させることにより、粒状膜を構造２２の上に形成することができる。このような粒状膜は、電極ネットワークを構成する複数の電極を含むものとして捉えることができる。このようにして、ナノメートルの数分の一のサイズに近付けることができるサイズ及び電極間間隔を持つように電極を形成することが可能になる。電極を形成する原材料として、これらには制限されないが、種々の半導体と、金、アルミニウム、及び銀のような金属とを挙げることができる。必要に応じて、電極用の接着層を高剛性構造２２上の電極群３２の間に堆積させることができる。例えば、クロムまたはシランを接着層に使用することができる。
【００４８】
一の実施形態では、電極群３２は、領域１７に有機化合物（例えば、自己組織化単分子膜、ポリマーなど）及び／又は無機化合物（例えば、電極の自然酸化膜、窒化シリコン、酸化シリコンなど）のような材料を取り込むことによって、領域１７（図１）で十分に絶縁することができる。
【００４９】
図３に全体として番号５０で示される更に別の実施形態では、２機能性分子を使用して、電極を自己組織的に作製することができる。２機能性分子５２、例えばアミノ−シラン及びメルカプト−シランを、酸化シリコンまたは酸化アルミニウムのような酸化物５６を有する高剛性構造５４の上に自己組織化させることができる。自己組織化は、シランのような第１の機能性分子と酸化物との間の相互作用により起きる。第２の機能性分子、例えばアミノ基またはチオール基を使用して、金属ナノ粒子５８のような構造を付着させることができ、この場合、金属ナノ粒子は、電極の自己組織化ネットワークを構成すると考えることができる。
【００５０】
図４に全体として番号７０で示される別の実施形態では、素子７０は、ナノ粒子の自己組織化ネットワークを含み、これらのナノ粒子は高剛性構造８８の上に、２機能性分子５２の力を借りて自己組織化される。ナノ粒子の自己組織化ネットワークは、例えばジアミン及びヂチオールのような２機能性分子７２、及び例えば金属ナノ粒子７４のようなナノ粒子構造を交互に使用して自己組織化を繰り返すことにより延びる。２機能性分子７２が優先的に選択されて十分に絶縁することにより、標的注目検体によって誘起される誘電体の変化の検出が可能になる。従って、一の実施形態では、高剛性構造は複数のナノ粒子を含み、これらのナノ粒子は、十分に絶縁する２機能性リンカー分子によって接続されて、第１要素に外部から流れ込む、そして／または第１要素から外部に流れ出す電流を阻止し、そして前記時間応答の前記変化の検出を可能にする。
【００５１】
電極を外部回路８０のような検出手段に簡便に取り付けるために、電極は、蒸着、ろう付け、化学気相堆積などのような方法により形成される導電パッド８２に電気的に接続することができる。
【００５２】
電極に印加される電圧は、電極群の間に位置する領域に、そして電極群に隣接する領域に、電界を誘起する。標的注目検体が電界により検出される実効誘電率を変化させるとすると、標的注目検体がこれらの領域に存在することにより、電界は、標的注目検体の誘電率を介して、乱されることになる。容量は一般的に実効誘電率に比例するので、標的注目検体の存在は、電極の容量をモニタリングすることにより検出することができる。容量は、電極間の間隔を変えることによって変えることもできる。前に述べたように、本発明の有利な特徴は、時間依存電界によってセンシングされる領域が高剛性構造８８によって固定された状態に保持されることである。本発明の一の実施形態では、電極群の位置は互いに対して高剛性構造８８によって固定されるので、幾何学的因子の変化に起因する容量のこのような不所望の変化を無くすことができる。
【００５３】
図５に示す本発明の別の実施形態では、検出素子は少なくとも一つの電極１００を高剛性構造の上に備え、高剛性構造は半導体層１０４及び絶縁性が十分に高い絶縁領域１０２を含み、絶縁領域１０２は前記電極１００の外部から流れ込む、そして／または前記電極１００から外部に流れ出す電流を十分に阻止する。酸化シリコン、窒化シリコン、自己組織化膜などのような無機及び／又は有機材料を含むことができる絶縁領域１０２は、半導体層１０４の上に成長させる、または堆積させることができる。
【００５４】
電極１００は、絶縁領域１０２上の当該電極の設置面積を最小にするように形成されることが好ましく、この設置面積は、標的注目検体を検出するためには利用することができない電界の指標となる。同時に、電極１００は、大きな電界を電極近傍の領域１０６に生成するように形成されることも好ましく、この電界は実効誘電率、及び／又は標的注目検体に関連する実効誘電率の変化を検出するために利用することができ、かつ適する。例えば、電極１００のエッジは、これらのエッジが適切に長くなるように形成することができ、この処理は、適切に長くなるのに対応するように長い電極を、スリット、マスク、蒸着、リソグラフィ、及びメッキ、またはこの技術分野の当業者に公知の他の方法及び装置を使用して形成することにより行なわれる。
【００５５】
図５及び６に示すように、絶縁層１０２は、隆起壁を有する井戸状構造を実現する表面形状を持つように形成し、そして電極は、隆起壁の上縁の上に形成することができる。
【００５６】
設置面積を小さくすることにより、浮遊容量を生成する電界による相対的な影響が小さくなるという効果ともに、井戸状構造の壁の近くの電極１００の近傍の領域１０６の実効誘電率を検出するために放出される電界による相対的な影響が大きくなるという効果が得られる。両方の効果によって、信号対背景雑音比を大きくすることができる。領域１０６の高さは、標的注目検体のほとんどの部分を検出するために十分に大きく、かつ実用的な感度及び信号対雑音比を確保するように十分に小さいサイズを有することが好ましい。例えば、化学的及び／又は生物学的識別要素は、オクタデシルシランのような疎水性部分を含み、そして標的注目検体は、数ナノメートルの厚さの多層を形成することができる疎水性分子であり、領域１０６の高さは、多層のほとんどの部分を検出するために十分に大きく、かつ実用的な感度及び信号対雑音比を確保するために十分に小さい高さであることが好ましい。この例は、高性能液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）に関連する適用形態から選択されるが；化学及び／又は生物学における多くのこのような例が、この技術分野の当業者には明らかであろう。図５に示す実施形態では、時間依存電圧が電極１００と半導体層１０４との間に印加されると、電界が放出されて電極１００近傍の領域１０６の実効誘電率が検出される。
【００５７】
標的注目検体が領域１０６に進入すると、電極１００と半導体層１０４との間の容量が、領域１０６の実効誘電率が変化することにより変化する。容量のこのような変化は、時間依存電圧に応答する電流の位相ずれ成分を測定することにより検出することができる。標的注目検体と化学的及び／又は生物学的識別要素１０８との間の相互作用に起因して、領域１０６の化学的及び／又は生物学的識別要素１０８は、領域１０６外の標的注目検体に対する領域１０６内の標的注目検体の容積割合を大きくするように作用することができるので、検出を容易にすることができる。
【００５８】
図６に示す本発明の別の実施形態では、絶縁領域１０２の誘電率よりも大きい誘電率を有する材料１１０を、少なくとも領域１０６に位置するセンサの表面に接着させる。材料１１０は、化学的及び／又は生物学的識別要素を付着させるための足場（ｓｃａｆｆｏｌｄｉｎｇ）として機能し、そして領域１０６の電界を強めるように機能することができる。材料１１０の例として、種々の自己組織化ナノ構造（例えば、ナノ粒子のような）、分子だけでなく、堆積有機膜及び／又は無機膜を挙げることができる。
【００５９】
本発明における検出素子の感度は、電界によって探査される領域のサイズに影響される。例えば、電界によって探査される領域は、電極のサイズ及び電極間の間隔によって決まる。従って、標的注目検体を十分高い感度、及び十分大きい信号対雑音比で効率的に検出するために、領域のサイズスケールは、標的注目検体のほとんどの部分を検出するために十分大きくし、かつ実用的な感度及び信号対雑音比を確保するために十分小さくする必要がある。
【００６０】
標的注目検体のサイズスケールは、ナノメートルからミリメートル未満の範囲とすることができる。化学合成の近年の進歩によって、金属ナノ粒子のようなナノ構造化材料の作製が可能になっている。本発明の一の実施形態では、検出素子は金属ナノ粒子を備え、これらのナノ粒子は、ナノメートルスケールの標的注目検体を検出する複数のナノスケール電極として機能する。これらのナノ構造化材料に化学的な自己組織化を利用することにより検出素子を、高価なマイクロリソグラフィー技術を利用することなく作製することができるので、作製を高速かつ安価に行なうことができる。本発明の別の実施形態では、電極によってセンシングされる領域は、電極のサイズ、及び電極間の間隔を利用し、かつこの技術分野の当業者に公知の標準的なリソグラフィ法を使用して調整することができる。
【００６１】
一の実施形態では、電極は領域を探査するように作製することができ、この領域は、病原性大腸菌（通常、５マイクロメートルのサイズを有する）のほとんどの部分を検出するために十分大きく、かつ実用的な感度及び信号対雑音比を確保するために十分小さくする。
【００６２】
本発明の更に別の実施形態では、当該領域は、細菌ウィルスまたはバクテリオファージ（通常、０．５マイクロメートルのサイズを有する）のほとんどの部分を検出するために十分大きく、かつ実用的な感度及び信号対雑音比を確保するために十分小さくする。これらの実施形態は例示としてのみ提示され、本発明を規定するまたは制限しない。
【００６３】
本発明は、誘電体に対して感度の高い測定を使用して標的注目検体を検出する。例えば、本発明の一の実施形態では、時間依存電圧（例えば、正弦波電圧）を電極に印加することができ、そして結果として得られ、かつ同様の時間依存性を示す電流を、位相ロック検出法を使用して測定することができる。電流は、電圧が変調される同じ周波数の逓倍の周波数でのみ検出されるので、雑音を大幅に低減することができ、その結果、容量の微小な変化を検出することができる。容量は実効誘電率に比例し、実効誘電率は今度は、キャパシタに含まれる種々の物質の誘電率の関数である。従って、標的注目検体の存在によって誘起され、かつキャパシタの電界によって検知される実効誘電率の変化によって、容量の変化が引き起こされる。容量の変化によって今度は、変調を受けた電圧の位相と電流の位相との間に変化が誘起され、そして容量の変化は位相ロック検出法によって測定することができる。標的注目検体の濃度の変化によって誘起される容量の変化は、このような標的検体の濃度を検出するために使用することができる。
【００６４】
標的注目検体を誘電体の変化を通して検出するためには、「外部電流」を流す必要がない。「外部電流」という表現は、電流によってエネルギーが回路に蓄積されることがない不可逆電流を指すために用いられる。外部電流は、時間に独立な電圧に応答しても流れ、外部電流の大きさに対する印加の時間独立な電圧の比が抵抗となる。誘電率検出システムはこれとは異なり、分極を用いて動作する。例えば、本発明の一の実施形態では、時間依存電圧が印加されると、キャパシタ電極は、電極群の間の電界によって分極する。
【００６５】
本発明では、絶縁性が十分に高い絶縁領域を設ける、または使用し、この絶縁領域は、或る要素の近傍の領域に外部から流れ込む、そして／または当該領域から外部に流れ出す電流を阻止し、この要素から電界が放出されて実効誘電率が検出される。絶縁領域は信号対雑音比を、誘電率を検出するときに大きくするように機能する。本発明の一の適用形態では、誘電率センサを、標的注目検体及びイオン種を含む溶液に浸漬する。一般的に、時間依存電界に曝されると、イオン種は移動することができ、そして多くの場合、酸化されて、または還元されて、検出手段における同期応答が非常に大きくなる。同期応答が非常に大きくなることによって、小さい位相ずれ応答の測定が困難になる。例えば、小さい位相ずれ応答を非常に大きく増幅することが望ましい場合が多いが；非常に大きく増幅することによって、同期応答が非常に大きいことに起因して飽和が生じる。従って、絶縁領域によって、実効誘電率及び実効誘電率の変化に対する素子の感度を容易に高くすることができる。
【００６６】
本発明の一の実施形態では、電極はナノ粒子を含むことができ、これらのナノ粒子は２機能性リンカー分子によって接続することができる。リンカー分子に対して種々の選択を行なうことができる：短い分子を用いる場合、外部電流はこれらのナノ粒子の間を、量子トンネル効果、及び熱支援を伴なう反応により流れることができる。十分長い絶縁分子を用いて、外部電流を大幅に小さくすることができる。両方の場合において、分極電流が流れる。容量測定では、この分極電流を使用することができるので、回路は導電性を有する必要はない；すなわち、絶縁性であり、かつ外部電流が測定できる程に流れることができないリンカー分子を本発明において使用することもできる。
【００６７】
化学的及び／又は生物学的識別要素２４（図１参照）を利用して、標的注目検体を検出するための選択性、特異度、及び感度を高めることができる。化学的及び／又は生物学的識別要素を構造、電極、または構造及び電極の両方に結合させることができる。しかしながら、検出を可能にする重要な要件は、識別要素の位置によって領域１４または１０６における標的注目検体の結合を可能にする必要があることである。識別要素２４は、官能基を持つ、または持たない種々の化学種を含む。例えば、極性官能基を持つ識別要素は、極性標的注目検体に対する識別能を持ち、かつ非極性生化学種に対する識別能を持たないような識別を行ない易くするように作用する。識別要素としては、非機能性分子、機能性分子、オリゴマー、及びポリマーだけでなく、細胞、バクテリア、ウィルスのような種々の生物学的集合体、及び／又は酵素、タンパク質、抗原、抗体、ＤＮＡ，ＲＮＡなどのような更に小さい生物学的要素を挙げることができる。一の実施形態では、識別要素は、自己組織化によって取り込むことができ、これによって、識別要素は、検出素子への識別要素の付着を可能にする官能基を持つようになり、そして検出素子に付着した状態を維持することができない識別要素が標的注目検体と相互作用することができるようになる。他の生化学種との非特異的な相互作用は、検出素子を水ですすぐことにより確認することができる。
【００６８】
以下の実施例は、例示のためにのみ提示されるのであり、請求する発明を制限するものとして解釈されるべきではない。
【実施例】
【００６９】
図７を参照すると、本発明をカラム液体クロマトグラフィーに適用する場合には、誘電率検出システムはハウジング１４２と、誘電率センサ１４０と、そして電気回路１４４と、を備える。
【００７０】
ハウジング１４２は、Ｔｅｆｌｏｎ（テフロン（登録商標））またはポリエーテルエーテルケトンにより作製することができるが、これは、これらの材料が多くの化学物質に対して化学的に安定であり、かつ容易に加工することができるからである。ハウジング１４２は、Ｔｅｆｌｏｎ（テフロン（登録商標））またはポリエーテルエーテルケトンから成る中空ブロックを含むことができ、このブロックの一方の端部は分離カラムの底面に嵌め込まれる。標的注目検体及び他の生化学種は溶液として、誘電率センサ１４０が収容されるハウジング１４２の中を流れて当該ハウジングを通り抜けることができる。
【００７１】
本発明の一の実施形態では、ナノスケールの標的注目検体を検出する誘電率センサ１４０は、例えばＭｕｓｉｃｋら（１９９７）、及びＢｒｕｓｔら（１９９８）による刊行物を参照することにより作製することができ、これらの刊行物は、引用文献の中に列挙されており、そして分子で連結したナノ粒子膜を層ごとに自己組織化する方法について記載している。図８によれば、ガラススライドを高剛性構造１５２として使用することができる。ガラススライドはピラニア溶液（硫酸及び３０％過酸化水素水の３：１混合物）に浸漬して洗浄される。次に、金パッド１５６を構造１５２のエッジに堆積させる。次に、構造１５２を、長鎖状ｎ−アルカンチオールのような絶縁分子を含む溶液に浸漬する。次に、構造１５２を、アミノシランのような２機能性分子を含む溶液に浸漬する。シラン基が構造１５２の表面に付着してアミノ基が残され、アミノ基は、構造１５２の表面への金属ナノ粒子の付着に利用することができる。分子で連結したナノ粒子膜１５８は、構造１５２を、ナノ粒子を含む溶液、及びジチオールを含む溶液に交互に浸漬することにより成長させることができる。アルカンジチオール及び金ナノ粒子は、この目的のために使用することができる。
【００７２】
誘電率検出素子に外部から電流を流し込む必要がないので、長鎖分子を選択することができる。これとは異なり、コンダクタンス測定または抵抗測定を利用する検出方法は、短鎖分子を用いる方法に限定される。また、コンダクタンスまたは抵抗を測定可能にするためには膜を厚くする必要がある。前記誘電率検出素子に関して繰り返される露出サイクルは少ない露出サイクルで十分であり、従って検出素子は電極間の間隔がナノスケールの複数のナノスケール電極を含む。このような素子は、ナノスケールの標的注目検体を検出するために適する。
【００７３】
次に、誘電率検出素子をハウジング１４２に導入し、そして２つのワイヤ１６２を構造１５２上の金パッド１５６に取り付けることができる。適切に選択された周波数を有する正弦波電圧１５４は２つのワイヤの内の第１ワイヤに印加される。２つのワイヤの内の第２ワイヤは電流−電圧変換器１８０に接続され、変換器の出力は、ロックインアンプ１８２への入力信号として供給される。ロックインアンプ１８２は位相ロック検出法を用いて誘電率検出素子の容量を取得する。検出は正弦波電圧と同じ周波数で行なうことができる。周波数は信号対雑音比を最大にするように選択することができる。位相ロック検出法によって、正弦波電圧と正弦波電流との間の位相及び振幅の関係に関する情報が得られるので、誘電率検出素子の容量に関する情報が得られる。
【００７４】
ロックインアンプ１８２からの容量データは、コンピュータ１８４を使用して記録することができる。容量データをモニタリングすることにより、標的注目検体の存在及び濃度に関するリアルタイム情報が得られる。正弦波電圧源、電流−電圧変換器、及び位相ロック検出器を含む電子回路コンポーネントは安価に構成することができ、そして極めて高い携行性という利点をもたらす。
【００７５】
本明細書において使用されるように、「含む」及び「備える」という用語は、排他的にではなく、包括的かつ広義的に捉えられるべきである。詳細には、請求項を含む本明細書において使用される場合、「含む」及び「備える」という用語、及びこれらの用語の変形は、指定の機能、ステップ、またはコンポーネントが含まれることを意味する。これらの用語は、他の機能、ステップ、またはコンポーネントの存在を排除するものであると解釈されるべきではない。
【００７６】
本発明に関連する上の記述は一例に過ぎないことを理解されたい。本発明に関する多くの変形はこの技術分野の当業者には明らかであるので、このような明らかな変形は、明示的に記載されているかどうかに拘わらず、本明細書に記載される本発明の技術範囲に含まれる。
【００７７】
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【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】標的注目検体が存在する場合に、検出素子の誘電率特性の変化を使用して標的注目検体を検出する、本発明に従って作製される誘電率検出素子の一の実施形態を示す。
【図２】誘電率検出素子の別の実施形態を示す。
【図３】誘電率検出素子の別の実施形態を示す。
【図４】誘電率検出素子の別の実施形態を示す。
【図５】誘電率検出素子の別の実施形態を示す。
【図６】誘電率検出素子の別の実施形態を示す。
【図７】本発明をカラム液体クロマトグラフィーに適用したときの様子を示す。
【図８】ガラススライドが高剛性支持体として使用される構成の誘電率センサの一の実施形態を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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