(57)【要約】結合が起こる間のバイオＮＥＭＳ素子の機械的変位の変化を測定することによって溶液中の単一分子を検出するための生物学的に機能化されたナノ電子機械素子（バイオＮＥＭＳ）を提供する。本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の素子は、通常ナノ電子機械的共振器、当該共振器の機械的変位を測定するための機械的共振器と一体となった検出器、及びユーザに結果を伝えるための検出器に接続された電子機器を含んで成る。生物学的に機能化されたナノ電子機械の素子のシステム及び本発明の生物学的に機能化されたナノ電子機械の素子を利用する方法も提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液用の容器；当該容器内に配置された、少なくとも１つの生物学的に機能化されたナノメーター規模の機械的共振器；当該共振器の機械的変位を測定するための少なくとも１つの共振器と通信する検出器、を含んで成る、溶液中の単一分子を検出するための分子検出器。
【請求項２】
少なくとも１つの共振器が振動共振器、回転共振器、ねじり共振器及び複合共振器から成る群から選択される共振器を含んで成る、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項３】
少なくとも１つの共振器がノッチ付き振動カンチレバーである、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項４】
少なくとも１つの共振器が受容体で生物学的に機能化される、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項５】
容器内で且つ少なくとも１つの共振器に隣接して配置された基板を更に含んで成り、当該基板が、リガンドと分子相互作用することが可能な受容体で生物学的に機能化されている、請求項４に記載の分子検出器。
【請求項６】
容器内で且つ少なくとも１つの共振器に隣接して配置された基板を更に含んで成り、当該基板がリガンドと分子相互作用の可能な受容体で生物学的に機能化され、当該リガンドが共振器上の受容体との相互作用が可能である、請求項４に記載の分子検出器。
【請求項７】
互いに隣接して配置された少なくとも２つの共振器を含んで成り、当該共振器の少なくとも１つが受容体共振器を形成するために受容体で生物学的に機能化され、そして当該受容体共振器に隣接した少なくとも１つの共振器が受容体と相互作用可能なリガンドで生物学的に機能化される、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項８】
互いに隣接して配置された少なくとも２つの共振器を含んで成り、当該共振器の少なくとも１つが、選択された周波数で原動共振器を機械的に変位させることができる原動因子を含んで成る原動共振器であり、原動共振器が受容体で生物学的に機能化され、そして原動共振器に隣接した共振器の少なくとも１つが、原動共振器上の受容体と分子相互作用することができるリガンドで生物学的に機能化される、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項９】
互いに隣接して配置された少なくとも３つの共振器を含んで成り、当該共振器の少なくとも１つが、選択された周波数で第一の原動共振器を機械的に変位させることができる原動因子を含んで成る原動共振器であり、当該共振器の少なくとも１つが、選択された周波数で第二の原動共振器を機械的に変位させることができる原動因子を含んで成る第二の原動共振器であり；そして当該共振器の少なくとも１つが２つの原動共振器間に配置され、且つリガンドで生物学的に機能化された従動共振器であり；原動共振器が逆位相で駆動し、そして原動共振器の少なくとも１つが従動共振器上のリガンドと相互作用することができる受容体で生物学的に機能化される、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項１０】
原動共振器が圧電抵抗型の素子である、請求項８又は９に記載の分子検出器。
【請求項１１】
少なくとも１つの共振器が、酸化ケイ素、ケイ素、炭化ケイ素及びヒ化ガリウムから成る群から選択される材料から作られる、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項１２】
検出器が共振器と一体となっている、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項１３】
検出器が圧電抵抗型のトランスデューサである、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項１４】
トランスデューサがｐ＋ドープシリコンから作られる、請求項１３に記載の分子検出器。
【請求項１５】
検出器が光学検出器である、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項１６】
検出器がロックイン検出器である、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項１７】
共振器が約１０ｎｍ〜約１μｍの厚さ、約１０ｎｍ〜１μｍの幅、そして約１μｍ〜約１０μｍの長さを有する、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項１８】
共振器が約０．１〜１２ＭＨｚの共振運動の真空周波数を有する、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項１９】
共振器が約０．１ｍＮ／ｍ〜１Ｎ／ｍの力の定数を有する、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項２０】
共振器が約０．００１〜２．０のレイノルズ数を有する、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項２１】
共振器が約０．３〜１１の質量負荷係数を有する、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項２２】
約８ｆＮ／√Ｈｚ以上の力の感度を有する、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項２３】
受容体／リガンドの相互作用を検出するために生物学的に機能化された、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項２４】
ＤＮＡのハイブリダイゼーションを検出するために生物学的に機能化された、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項２５】
化学結合を検出するために生物学的に機能化された、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項２６】
タンパク質の変性を検出するために生物学的に機能化された、請求項１に記載の分子検出器。
【請求項２７】
少なくとも１つのマイクロフルイディクスチャネル及び、少なくとも１つのマイクロフルイディクスチャネル内に配置された分子検出器素子の少なくとも１つのアレイを含んで成る分子検出器システムであって、当該アレイが多数の生物学的に機能化されたナノメーター規模の機械的共振器を含んで成り、そして、各共振器が、当該共振器の共振運動を測定するためにそれらと通信する少なくとも１つの検出器を有する分子検出器システム。
【請求項２８】
多数の共振器が少なくとも２つの異なる生物学的機能化を受けている、請求項２７に記載の分子検出器システム。
【請求項２９】
基板を供給し、基板上にフォトレジストを蒸着し、フォトレジスト上にパターンを含んで成る共振器を曝露し、基板をエッチングして共振器を形成し、そしてフォトレジストを除去することを含んで成る、分子検出器を形成するための方法。
【請求項３０】
パターンが直接書き込みの電子ビームリソグラフィーによって形成される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
溶液の熱運動に応じて動くように適合された生物学的に機能化されたナノ規模の共振器を含んで成る分子検出器であって、それらの上に共振器の機械的変位をモニタリングするために設計された検出器を更に含んで成る分子検出器を提供し、共振器が溶液の熱運動に基づいて機械的に変位し、且つ生物学的に機能化された共振器と分子相互作用することができる種類のものの存在下で共振器の機械的変位が変化するように当該分子検出器を溶液中に据え；そして共振器の機械的変位の変化がユーザに伝達されるように当該共振器の機械的変位を測定する段階を含んで成る、注目の分子を検出する方法。
【請求項３２】
請求項１に記載の分子検出器を利用することを含んで成る、注目の分子を検出する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願に対するクロスリファレンス
本出願は、開示内容が引用によって組み入れられる、２０００年８月９日に出願された米国特許出願第６０／２２４，１０９号に基づいている。
【０００２】
本発明の分野
本発明は広く、溶液の動的な単一分子の力のアッセイを可能にするための生物学的に機能化されたナノ電子機械素子（バイオＮＥＭＳ）に関する。
【０００３】
本発明の背景
ＤＮＡクローニング及び配列決定技術、Ｘ線結晶学及びＮＭＲ分光学によって提供された分子生物学の革命は、生命現象の根底にある分子に対する類のない見識をもたらしてきた。しかしながら、配列決定及び構造的なアプローチの劇的な進行速度とは対照的に、現在利用可能な技術の多くが驚くことに分子生物学及び生化学の比較的初期において使用されたものほぼ同様のままであるように、現代の分子の知識を完全に適用するのには重大な障害が残っている。
【０００４】
例えば、細胞内の所定のメッセンジャーＲＮＡ（ｍＲＮＡ）の存在及び量を決定するための従来のゲル電気泳動及び「ブロッティング」技術は、莫大な量の細胞（〜１０９）を必要とし、完了するまでに２日かかる。例え最も進んだＤＮＡアレイチップ技術でも、〜２ｘ１０７細胞を必要とする。従って、分子医学及び基礎的な細胞生物学から環境毒性学へと及ぶ分野における進歩は、これらの従来の分析技術の感度及び速度により生じる障害によって妨害されている。
【０００５】
増大している化学間力顕微鏡（ＣＦＭ）の文献は、改良型の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が単一の水素結合及び単一の受容体−リガンド相互作用から単一の共有結合に及ぶ相互作用の結合力を測定するために仕立てることが出来ることを示してきた。例えば、初期の研究は単一の水素結合を破壊するのに必要とされる力が１０ｐＮのオーダーにあり、そしてその後の研究は受容体／リガンドの相互作用（〜５０−２５０ｐＮ）及びＤＮＡハイブリダイゼーション（〜６５ｐＮ−１．５ｎＮ）の直接的な測定を可能にした。ＣＦＭは更に、適用される力による構造変化、例えば多糖デキストランの変形を研究するために利用されてきており、そしてタンパク質であるタイチン（ｔｉｔａｎ）（〜１００−３００ｐＮ）の変性を解明してきた。ＣＦＭで行われた上記実験に加え、重大な進歩が光学ピンセットによりなされてきた。特に、それらは生物モーターの運動における段階的な力及びサブｐＮポリマーの動態を研究するために使用されてきた。
【０００６】
多くの生化学的な系に関連する力の範囲は、ＡＦＭ機器の検出能力の範囲内であると同時に、これらの素子が使用され得る系に対しての深刻な制限が存在している。例えば、溶液中のＡＦＭカンチレバーは、生物学的なリガンドとそれらの受容体との結合及び非結合がその後確実に起こることを可能にするために必要とされる時間的な応答特性を有さない。特に重要なこととして、大きな生物分子の構造変化の重要なクラスの特徴である、数μｓの時間の尺度での変化がある。高頻度の応答も受容体リガンド相互作用の確率論的な性質に従うのに必須である。多くの受容体−リガンドの対が動的：（結合し、マイクロ秒から秒に及ぶ期間保証されて留まり（正確な受容体−リガンド対に依存する）、そしてその後放出すること）に相互作用する。生体分子の解析は、その結果要求される莫大な量の材料及び、今日最も感度のあるアッセイであっても本来備わっている、時間のスメアリングの両方によって制限されている。
【０００７】
恐らくより更に重大なものとして、ＡＦＭ／ＣＦＭを実施するために必要とされる素子の実質的なサイズ、及びプローブの動きの光学的な検出に課される密度の制限、がある。尚、検出機構は通常コンパクトであるが、いわゆる「ラブ・オン・チップ」素子の光学検波器は典型的に、大きくて複雑な支持機械、例えば読み取り機及び試料調製装置を必要とするものが利用される。これらは持ち運び可能ではなく、又は容易にサイズが小さくならない。
【０００８】
第３として、光学ピンセットは回折限界のスポットを利用するので、研究中の個々の生体分子の直接的な取り扱いを可能にするには余りにも空間的に広がりすぎている。その代わりに、典型的に０．１〜１μｍの範囲内の直径を有する生物学的に機能化された絶縁性のビーズが、検体に接着するように使用される。従って、この技術は容易にナノメーターの次元又は大規模な集積化に拡張することはできない。
【０００９】
最後に、前述の技術は全て、分子の規模と比較して極めて大きい、活性表面積を有する力センサーに関係しているので、単一分子の検出を達成するのは非常に困難なことがある。
【００１０】
従って、全体的なサイズ及び活性表面積の縮小によって、より大きな感度及び時間的な応答を有する、溶液中での単一分子の検出のための系及び方法についての必要性が存在している。
【００１１】
本発明の要約
本発明は、溶液中の単一分子を検出するための生物学的に機能化されたナノ電子機械素子（ＢｉｏＮＥＭＳ）に関する。これは２つの異なる作業モードにより達成され得る。最初のものは「受動的」であり、そして結合が起こる間のＢｉｏＮＥＭＳ素子の共振運動における変化の測定に関与する。第二のものは「能動的」であり、そして外部信号による当該素子の駆動及び分子の結合に応じた変化の探知に関与する。本発明による分子検出器は、少なくとも１つのナノ機械的共振器、当該共振器の振動を測定するための機械的共振器器と一体の検出器、及びユーザの結果と交信するための、前記検出器と接続された電子機器を広く含んで成る。
【００１２】
１つの態様において、当該分子検出器は、試験される溶液を含む溶液の容器、当該溶液と液体により接触する、前記容器中に配置されている生物学的に機能化された機械的共振器、及び当該共振器の共振を検出するために当該共振器と一体となった検出器、を含んで成る。作業の間、乱れていない溶液に固有のブラウン運動のゆらぎは、機械的共振器器の位置におけるランダムなゆらぎを促進する。溶液誘導型応答のスペクトル密度は、溶液の性質、すなわち、粘度、温度、流量；並びに機械的共振器の配置及びそれを構築するために使用する材料、に依存する。溶液の中から共振器上への分子の結合は、当該応答の変化をもたらす共振器の機械的特性を本質的に変化させる。当該共振器は、好ましくは特定の分子のみがそれらに結合し、結合したことが溶液中の特異的な分子の存在を示唆するように生物学的に機能化される。検出器は、応答の変化が結合発生時を決定するために測定されるように、且つ応答の多数の変化が特定の試料について結合が起こる頻度を決定するためのモニタリングされるように、長時間応答を検出するために共振器と接続される。共振変化の測定は、溶液中における特定の分子の絶対的な存在を決定するために使用されることがあり、そして結合の発生頻度は特定の溶液中での分子の濃度を決定するために利用されることがある。
【００１３】
溶液中の機械的応答を提供するために適した任意の機械的共振器又は機械装置、例えば振動共振器、逆転共振器及び回転共振器、ねじり（ｔｏｒｓｉｏｎａｌ）共振器、又は複合共振器は、本発明に置いて利用されうる。単純にするために、全てのその様な可能性のある機械的検出素子は、以降「共振器」として言及する。共振器は、任意の適当な材料、例えば酸化ケイ素、ケイ素、炭化ケイ素及びヒ化ガリウムから製造されてもよい。共振器は、溶液中で単一分子の結合が起こることを検出するのに適した任意の物理的特性を有し得る。例えば、共振器は、約１０ｎｍ〜約１μｍの厚さ、約１０ｎｍ〜１μｍの幅、そして約１μｍ〜約１０μｍの長さを有することがある。共振器は、約０．１〜１２ＭＨｚの共振運動真空周波数（ｖａｃｕｕｍ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を有することがある。共振器は、約０．１ｍＮ／ｍ〜１Ｎ／ｍの力の定数を有することがある。共振器は、約０．００１〜２．０のレイノルズ数を有することがある。共振器は、約０．３〜１１の質量負荷係数を有することがある。最後に、共振器は約８ｆＮ／√Ｈｚ以上の力の感度を有することがある。
【００１４】
本発明の１つの態様において、機械的共振器は、単純又は複雑な配置の振動カンチレバーである。その様な態様において、カンチレバーは、好ましくは、応答がカンチレバーの電圧の変化を長時間検出することによって測定されるような圧電抵抗型素子である。その様な態様において、分子検出器は、好ましくはリガンド又は受容体により生物学的に機能化される。
【００１５】
別の態様において、分子検出器は、容器中に配置され、且つ共振器に隣接した基板を更に含んで成り、ここで、当該基板は受容体と分子相互作用が出来るリガンドにより生物学的に機能化され、その逆もある。あるいは、当該基板は共振器と分子相互作用しないが、共振器上の受容体とそれ自身分子相互作用することが出来るリガンドと、分子相互作用することができる受容体で生物学的に機能化されることもある。
【００１６】
更に別の態様において、分子検出器は、互いに隣接して配置された少なくとも２つの共振器を含んで成り、ここで、当該共振器の１つは受容体共振器を形成するために受容体で生物学的に機能化され、そして当該受容体共振器に隣接する共振器の少なくとも１つは、共振器がリガンド／受容体の機能化を通じて結合することが出来るように分子相互作用することが出来るリガンドにより生物学的に機能化される。
【００１７】
更に別の態様において、分子検出器は、互いに隣接して配置された少なくとも２つの共振器を含んで成り、ここで、当該共振器の１つは受容体で生物学的に機能化され、且つ選択した周波数で原動（ｄｒｉｖｅｒ）共振器を共振することが出来る原動因子を有する原動共振器であり、そして当該原動共振器に隣接する共振器の少なくとも１つは、共振器がリガンド／受容体の機能化を通じて結合することが出来るように分子相互作用することが出来るリガンドにより生物学的に機能化される。
【００１８】
また更に別の態様において、分子検出器は、互いに逆位相の選択される周波数で原動共振器を共振することが出来る原動因子を含んで成る２つの原動共振器、及び当該２つの原動共振器間に配置された従動共振器を含む、少なくとも３つの共振器を含んで成る。その様な態様において、原動共振器の少なくとも１つは受容体で生物学的に機能化され、そして従動共振器は、共振器がリガンド／受容体の機能化を通じて結合することが出来るように、原動共振器上の受容体と分子相互作用することができる受容体で生物学的に機能化される。その様な態様において、原動共振器は、特定の周波数で共振器を駆動するのに適した任意の素子、例えば圧電抵抗型原動素子であってもよい。
【００１９】
また更に別の態様において、検出器は共振器と一体となっている。共振器の応答を検出するのに適した任意の検出器、例えば圧電抵抗型トランスデューサ又は光学検出器が利用されることもある。圧電抵抗型トランスデューサを利用する態様において、当該トランスデューサはｐ＋ドープシリコンから作られることもある。
【００２０】
また更に別の態様において、本発明は上述の分子検出器の系に関する。１つのその様な態様において、分子検出器は少なくとも１つのマイクロフルイディクスチャネル及び、少なくとも１つのマイクロフルイディクスチャネル内に配置された分子検出器素子の少なくとも１つのアレイを含んで成り、ここで、当該アレイは多数の生物学的に機能化されたナノメーター規模の機械的共振器を含んで成り、そして、各共振器は、当該共振器の共振運動を測定するために少なくとも１つの検出器を有する。
【００２１】
また更に別の態様において、本発明は上述の分子検出器を利用する方法に関する。１つのその様な態様において、注目の分子を検出する方法は、生物学的に機能化されたナノ規模の共振器を含んで成る分子検出器を提供することを含んで成る。共振器が溶液の熱運動に基づいて移動するように、且つ生物学的に機能化された共振器と分子相互作用することが出来る種類のものの存在下で、共振器の応答が制限されるように溶液中に分子検出器を据え、そして共振器の応答変化がユーザに伝達されるように共振器の応答を測定する。
【００２２】
また更に別の態様において、本発明は上述の分子検出器を製造する方法に関する。１つのその様な態様において、分子検出器を製造する方法は、基板を供給し、基板上にフォトレジストを蒸着し、フォトレジスト上にパターンを含んで成る共振器を曝露し、基板をエッチングして共振器を形成し、そしてフォトレジストを除去することを含んで成る。
【００２３】
本発明の詳細な説明
結合が起こる間にバイオＮＥＭＳ共振器素子の共振運動の変化を測定することによって溶液中の単一分子を検出することが出来る生物学的に機能化されたナノ電子機械素子（バイオＮＥＭＳ）を本明細書において説明する。本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械素子は、以降分子検出器として言及する。
【００２４】
本発明の１つの態様に従う分子検出器１０は図１及び２において図式的に示されており、そしてこれは溶液１４を含む溶液用の容器１２を含んで成り、その中には少なくとも１つの生物学的に機能化されたナノ電子機械的共振器１６が配置されている。電子シグナルプロセッサ２０と通信する検出器１８は、共振器１６による任意な移動が検出器１８によって測定され、増幅され、そしてプロセッサ２０に伝達されるように、共振器１６に一体化して取り付けられる。
【００２５】
作業の間、図２に示すとおり、溶液１４に固有の熱的ゆらぎ及びブラウン運動は機械的共振器１６の位置の機械的変位２２をもたらし、一方、同時に共振器１６の周囲の溶液１４の存在は、共振器１６の共振運動に対する制動力を生み出す。図１及び２に示す振動カンチレバー共振器１６の場合、溶液１４中の分子のブラウン運動は、共振器１６の自由端の機械的変位をもたらす。この溶液誘導型変位又は応答２２の動的特性は、溶液１４の性質、すなわち粘度、温度、流量；並びに機械的共振器１６の配置、及びそれを構築するために使用する材料に依存する。共振器１６の熱的な緩衝及び溶液の制動は、ＡＦＭに関連する常用の共振検出技術を実施するのを困難にするが、溶液１４から共振器１６の表面上に結合する分子２４は、共振器１６の機械的特性を変化させ、熱的に誘導された共振２２の変化又は制限をもたらし、そしてこの制限は検出器１８によって検出され、増幅され、そしてプロセッサ２０に伝達される。検出器１８のみが注目の特定分子の存在を登録することを保証するために、共振器１６の表面は、特定の分子だけがそれに結合するように生物学的に機能化され、又は修飾されることがある。例えば、図１及び２において、共振器１６は、特定の受容体分子２４だけがそれらに結合するように選択されたリガンド２６によって生物学的に機能化されている。その様な修飾は、本発明による検出器１０を利用して、溶液１４ｂ中のわずかな量の特定分子の検出を可能にする。
【００２６】
以下の表１は、図１及び２に従う、一連の典型的で単純な振動カンチレバー共振器１６の物理的特性のリストを示す。
【表１】
2005504260.tif 000002
【００２７】
単純な単一の共振器１６、単一のリガンドの生物学的機能化２６を受けた検出器１０を図１及び２に示すが、共振器１６と生物学的機能化の任意な組み合わせは、独特なアッセイの特性を有する検出器１０を作製するために利用されうる。本発明に従ういくつかの例示的な分子検出器１０の例を図３ａ〜３ｆに示し、下文において論述する。
【００２８】
図３ａは、溶液中の遊離受容体又は遊離リガンドの存在のいずれかについてアッセイするために、あるいは機能的リガンド／受容体の間の相互作用を安定化し、又はそれと競合する化合物についてアッセイするために設計された、リガンドの生物学的機能化２６’を受けた単一の共振器１６及び受容体の生物学的機能化２６’’を受けた基板２８を含んで成る分子検出器１０を示す。示したとおり、共振器１６は、リガンド２６’と受容体２６’’が相互作用する場合、共振器１６の機械的応答２２が強力に制限されるように、基板２８に強力に拘束される。
【００２９】
図３ｂは、同一分子上の受容体２６’と２６’’の両方にとっての標的認識部位を含む分子２４についてアッセイするために設計された、受容体の生物学的機能化２６’を受けた単一の共振器１６及び第２の受容体の生物学的機能化２６’’を受けた基板を含んで成る分子検出器１０を示す。
【００３０】
図３ｃは、単一分子２４についてアッセイするために設計された単純な生物学的に機能化された受容体２６を有する多重（ｍｕｌｔｉｐｌｅ）共振器を含んで成る分子検出器１０を示し、ここで、溶液１４中のリガンド分子２４は、生物学的に機能化された受容体２６に対するリガンド分子２４の結合が粘性抵抗を更に大きく変化させ、その結果共振器１６の機械的応答２２を変化させるように、星形デンドリマー３０で修飾されている。星形デンドリマー調整剤３０をこの態様において示すが、分子検出器１０に対して感度の増強を提供するために共振器／溶液の結合を増強する任意の調整剤も利用されうる。
【００３１】
図３ｄは、共振器１６と１６’の動きがリガンド／受容体の生物学的機能化を介して対となり、且つ両方の共振器の動きが同時にモニタリングされるように、一方の共振器１６’上に受容体の生物学的機能化２６’と、隣接した共振器１６’’上にリガンドの生物学的機能化リガンド２６’’を有する多重結合型（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｏｕｐｌｅｄ）共振器１６を含んで成る分子検出器１０を示す。この態様において、２つの共振器１６’と１６’’の運動の相関は、より大きなノイズの減少を可能にし、分子検出器１０の感度を増大させる。この分子検出器１０は隣接する共振器間での機能的なリガンド／受容体の相互作用に結合し、又はそれを安定化し、又はそれと競合する、いずれかの化合物についてアッセイするために設計されることがある。
【００３２】
図３ｅは、少なくとも２つの異なる共振器：原動共振器１６ａ及び従動共振器１６ｂを含んで成る分子検出器１０を示す。図３ｄにおいて示した態様の通り、受容体の生物学的機能化２６’は原動共振器１６ａ上に提供され、そしてリガンドの生物学的機能化２６’’は隣接した従動共振器１６ｂ上に提供され、その結果共振器１６ａと共振器１６ｂの運動がリガンド／受容体の生物学的機能化を介して連結し、そして両方の共振器１６ａと１６ｂの動きが同時にモニタリングされる。しかしながら、図３ｅに示す態様において、圧電抵抗型に、熱弾性的に、又は他の物理的な機構によって作動するドライバー（示していない）は、運動２２が原動共振器１６ａの幾何学について可能性のある最も感度の高い振幅及び周波数に調整されるように、原動共振器１６ａの運動を積極的に駆動する。原動共振器１６ａと従動共振器１６ｂの相関した運動は、リガンド／受容体の対が機能的に連結しているか否かを検出するためにモニタリングされる。この設計の分子検出器１０は、続いて隣接する共振器間の機能的なリガンド／受容体の相互作用と結合し、それを安定化し又はそれと競合する化合物についてアッセイするために利用されうる。
【００３３】
図３ｆは、少なくとも３つの異なる共振器：（＋）原動共振器１６ａ、（−）原動共振器１６ｂ及び従動共振器１６ｂを含んで成る分子検出器１０を示す。図３ｅに示した態様の通り、受容体の生物学的機能化２６’は原動共振器１６ａのうちの１つの上に、そしてリガンドの生物学的機能化２６’’は隣接する従動共振器１６ｃ上に提供され、その結果共振器１６ａと１６ｃの運動がリガンド／受容体の生物学的機能化を介して連結し、そして両方の共振器１６ａと１６ｃの運動が同時にモニタリングされる。図３ｅに示した態様の通り、圧電抵抗型のドライバー（示していない）は、共振器の幾何学について可能性のある、最も感度の高い振幅及び周波数に調整されるように原動共振器１６ａと１６ｂの共振器の運動を積極的に駆動する。原動共振器１６ａと従動共振器１６ｃの相関した運動は、続いてリガンド／受容体の対が機能的に連結しているか否かを検出するためにモニタリングされる。しかしながら、図３ｅに示した積極的に駆動される態様において、共振器１６ａと１６ｃの間の流体力学的な結合は分子検出器１０のダイナミックレンジを制限することがある。逆位相で作動する第二の能動共振器１６の提供は流体力学的な結合を無効にし、それによって結果として生成する分子検出器１０のシグナル／ノイズを向上させる。この設計における分子検出器１０は、隣接する共振器間の機能的なリガンド／受容体の相互作用と結合し、又はそれを安定化し、又はそれと競合する化合物についてアッセイするために利用されうる。「検出器」カンチレバーに対するバックグラウンドの液体による結合を無効にするための更に洗練されたスキームを提供するために、多重ドライバー（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｄｒｉｖｅｒ）の幾何学（本明細書に記載のドライバー対の向こう側）を設定するのに利益があることもある。
【００３４】
図１〜３に関連して上文で論じた分子検出器１０の態様は全て単一分子のリガンド／受容体の生物学的機能化２６を説明しているが、任意の適当な生物学的機能化２６、例えばＤＮＡハイブリダイゼーション、化学結合及びタンパク質の変性が本発明において利用されることがあることは理解される。例えば、分子検出器は、コンビナトリアルケミストリーの産物をスクリーニングするために、又は細胞における遺伝子発現をプロファイリングするために、又は増殖因子、ホルモン及び細胞生物学における細胞内メッセンジャーの濃度を検出するために、又は特定の血液化学についての情報をもたらすために、又は一般的な生理学的センサーとして、又は環境内若しくは患者内の病原若しくは毒素に対する曝露についての検出器として生物学的に機能化されることがある。同様に、図１〜３に示した例示的な態様の全てが共振器１６上の単一の生物学的に機能化された部位２６を示しているが、生物学的機能化の任意な方法又は生物学的に機能化された部位の任意な数が本発明の共振器１６上で利用されることがある。
【００３５】
図１〜３に示す共振器１６の態様は全て単純な振動カンチレバー共振器１６として描かれているが、溶液１４の熱的運動又はブラウン運動のもとでの共振運動が可能な任意のＮＥＭＳ構築物（ここで、共振は、単一分子の結合が起こることによって生じる共振運動２２における制限の検出を可能にするほど十分に感度がある）が本発明において利用されうることが理解されるべきである。図４は、本発明における使用に適した複数の異なる常用のＮＥＭＳ共振器１６、例えば回転共振器、ねじり共振器、又は複合共振器、の絵の表示を示す。尚、上述の共振器は全てマクロ素子であるが、基板に結合した単一分子を含んで成る共振器は、当該分子自身が溶液中の選択された分子と相互作用するように修飾されるように、本発明に従い利用され得ることを理解すべきである。
【００３６】
本発明はまた、バイオＮＥＭＳの分子検出器１０を製造する方法に関する。図５は、表面エッチングを利用する、本発明に従うバイオＮＥＭＳ共振器１６を製造するための例示的な技術の略図を示す。これらは、ＮＥＭＳの製造方法を利用する本発明の共振器１６を製造する２つの部分；実際の製造工程、及びマスクデザインである。図５は、本発明に従う共振器１６を作製する方法であって、必要とされる数の写真平版段階を含む方法を示し、且つどの様に共振器１６が基板から分離されるかを示す。基本的な順序は、図の通り、（ａ）示した態様において３つの層、構造層３２、犠牲層３４及び基板層３６を含んで成る出発基板を試験し、そして洗浄し；（ｂ）構造層３２の表面を修飾して、電子ビームマスクを介して共振器１６を形成し、そして共振器１６のためのエッチング金属にフォトレジスト及びパターンレジストを蒸着し；（ｃ）構造層３２及び犠牲層３４内に当該パターンをエッチングし；そして（ｄ）共振器１６をアンダーカットして共振器１６を自由にするために犠牲層３４をエッチングすることを含む。この態様は犠牲層３４をアンダーカットするエッチング工程を示すだけであるが、追加のエッチングが基板３６より下のより深いアンダーカット及び／又はエッチングを作り出すために実施されることがあり、その結果共振器１６と基板３６の間の分離が増大することは理解すべきである。
【００３７】
上文の態様は、常用のＮＥＭＳ工程を利用して本発明の共振器１４を形成するための方法を例示するが、ナノメーターの共振器１６を形成するのに適した任意の製造工程、例えばウェハーボンディング及びエッチバックが利用されうる。ウェハーボンディング及びエッチバックにおいて、シリコンウェハー基板は、表面上に蒸着され、又は熱によって成長した非常に薄い酸化層を有する。この薄い酸化層は、続いて薄い窒化ケイ素層によって覆われる。共振器１６は蒸着され、そしてこの窒化ケイ素層上で組み立てられる。共振器１６の表面は、続いてレジストによって覆われ、そして基板３６の裏側は、素子を支持するための「フレーム」のみを化学的に残したまま除去される。このアプローチを利用する場合、共振器１６は、好ましくは基板３６に対して近い位置にはない。
【００３８】
共振器１６は、任意の適当な基板材料、例えばシリコンを利用して組み立てられることがある。好ましい態様において、単一の結晶シリコン基板は共振器１６のために利用される。他のシリコン材料も本発明の共振器１６を作製するために利用されることがあり、例えば鉛として高度にドープした層を有する単一の結晶シリコン基板上の厚いエピタキシャルシリコン、又は多結晶シリコンである。上述の製造工程はシリコンを下にした材料の表面ナノマシニングを説明しているが、本発明の共振器１６は、生物学的機能化が可能で、且つ溶液１４中の分子２４による化学修飾及び分子２４の化学修飾に対して不活性な、表面ナノマシニングに適した任意の材料から作製されることがある。本発明の使用に適した常用のナノマシニング材料の例は、シリコンを基にした系、例えば酸化ケイ素（ＳＯＩ）又は炭化ケイ素及びヒ化ガリウムを基にした系（ＧａＡｓ）を含む。絶縁材、例えばダイアモンド及び石英の薄膜を含む他の材料も同様に使用され得る。
【００３９】
溶液中での共振器１６の共振運動を検出するのに適した任意の検出器１８は、本発明の分子検出器１０において利用されることがある。例えば、検出器１８は、図１及び２に示したとおり、共振器１６に一体となって連結した振動及びひずみに感度のある素子を含んで成ることもある。１つの例示的な態様において、検出器１８は、図１に示したとおり、圧電抵抗型のひずみのトランスデューサである。この態様において、トランスデューサの検出器１８は、共振器１６の上面上の誘導経路（ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｐａｔｈ）の抵抗の、ひずみによって誘導される変化を介して、共振器１６の運動を電気信号に変換する。これらの抵抗の変化は続いて増幅され、そして信号の変化を読み出すために設計されたプロセッサ２０に伝達される。検出器１８は任意の適当な材料から作られることがあるが、１つの態様において、それは、共振器１の上面上で形成したｐ＋ドープシリコンから作られる。
【００４０】
ひずみ型の変換検出器のみが上文に記載されているが、注目の生体分子の相互作用をモニタリングするのに適した時間の尺度で共振器１６の運動をモニタリングするのに適した任意の検出器も利用されうる。例えば、検出器１８はまた、外部からはめこんだ素子、例えば光学レーザー、蛍光を基にしたポジションセンサー、電磁石又は磁石を含んで成ることもある。
【００４１】
上文の検出スキームのうちのいずれかについてのシグナルモニター系及びプロセッサ２０は、検出器１８由来のシグナルの変化を測定し、そしてその情報をユーザに伝達することができる、任意の適したデジタルシグナルプロセッサ、例えばプリアンプを有するプリント基板、ＡＤコンバーター、及びドライバーサーキット、及び装置に特有のソフトウェアについてプログラム可能なチップ；又はそれらの要素を含んで成るマルチチップモジュール、を含んで成ることがある。
【００４２】
利用される分子検出器１０の具体的な態様にも関わらず、バイオＮＥＭＳが大きな、熱によって駆動する運動又は、溶液中に配置された場合の、共振器と溶液の分子との間の繰り返しの相互作用に起因する機械的応答を本質的に有し、且つ共振器の機能化された部分と注目の分子の間の化学結合が機械的応答の検出可能な変化を生むという原則に基づいて全てのものが作動する。
【００４３】
図６は、本発明に従い作製された分子検出器１０の感度を試験するために利用される、プロトタイプのノッチ付き（ｎｏｔｃｈｅｄ）カンチレバー共振器１６を示す。はじめに、分子検出器１０の理論上の力の感度が計算され、そして図６に示す共振器を利用する一連の検出器の実際の性能が試験された。
【００４４】
以下の表２は、図６に従う、３つのプロトタイプのノッチ付きカンチレバー共振器１６についての物理的パラメーターを要約する。表２に列記したカンチレバー共振器のプロトタイプを利用して、本発明の分子検出器の物理的特性が計算された。
【表２】
2005504260.tif 000003
【００４５】
共振器１６は溶液中の分子２４のサイズと比較して大きいので、溶液１４中の共振器１６の熱運動は、マルコフ（共振器と分子の衝突の時間の尺度が、共振器の巨視的な共振運動の周波数と比較して短いため）及びガウス（巨視的な運動が多数の分子の衝突によって形成されるため）による、確率論的な力の観点でモデル化されうる。従って、溶液１４中の共振器１６の、その基本モードでの共振運度は、揺動散逸定理（ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ−ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｅｍ）によって説明され、且つモデル化されうる。
【００４６】
任意の適当な計算がこの散逸を推定するために利用されることがあり、例えば簡易幾何モデル推定、低レイノルズ数の流体溶液の計算、又は実測である。
【００４７】
共振器１６の確率論的運動（ｘ）は、スペクトル密度によって追加のゆらぎ力とその動的な方程式を解くことによって明らかとなることがある。本発明のような、溶液中でサブミクロンスケールの共振器の場合、散逸は、共振器１６の振動によって動く流体の粘性のある運動によって支配される。
【００４８】
共振器１６のサイズが、それらと衝突する溶液１４中の個々の分子２４のサイズよりもはるかに大きいので、溶液１４がそれらの上にぶつかった結果、共振器１６のそれぞれの小さい部分に対する力の概算は、インフィニット（ｉｎｆｉｎｉｔｅ）ビームの長さに作用する溶液１４の力に等しい。
【００４９】
図１に示すような、単一の長方形の振動カンチレバー共振器１６の例において、共振器１６の負荷は、以下の式１に従う円筒についてのストークスの方程式によって推定され得る。
【数１】
2005504260.tif 000004
（ここで、前因子は単純に共振器１６によって置き換えられた体積であり、一方、関数Γはレイノルズ数
【数２】
2005504260.tif 000005
にのみ依存し、これは溶液１４の運動から算出されなければならない。この概算において、各周波数における、且つ共振器１４の各部分に対する溶液１４由来の流体の力はその時点における変位に比例する。
【００５０】
あるいは、共振器の共振運動のより完全な計算は、運動の基本方程式を利用して行われうる。ノッチ付き振動カンチレバー共振器１６の場合、図６に示すとおり、共振器１６の末端における変位（ｘ）についての運動方程式は、
【数３】
2005504260.tif 000006
に従う、真空中での単純な振動カンチレバーのものである（ここで、ｘはカンチレバー共振器１６の自由末端の運動を説明しており、Ｆは適用された力であり、Ｋは幅（ｗ）、厚さ（ｔ）及び長さ（ｌ）の共振器１６の幾何学に依存する力の定数である）。式２は、外部から適用された力に対する、且つ揺動散逸定理を介する溶液１４から付与された確率論的な力に対する共振器１６の共振応答の完全な説明を提供する。
【００５１】
ノッチ付きカンチレバーの場合、図６に示すとおり、力の定数は式：
【数４】
2005504260.tif 000007
（ここで、（ｗ）は共振器１６の末端の幅であり、（ｌ）は共振器１６の長さであり、（ｔ）は共振器１６の厚さであり、（ｂ）は共振器１６のノッチレッグ（ｎｏｔｃｈ ｌｅｇ）３０の幅であり、そして（ｌ１）は共振器１６のノッチ付き部分３２の長さである）に従い明らかとなりうる。
【００５２】
共振器１６についての運動方程式が複雑であるのは、共振器１６を取り囲み、且つその運動に影響を及ぼす動的な溶液１４の存在によるものである。従って、溶液中でのＭｅｆｆはカンチレバー共振器１６の有効質量であり、これは溶液１４の流体の負荷に依存する。真空において、当該有効質量は
【数５】
2005504260.tif 000008
の方程式に従い、これ自身は、それぞれ溶液及び共振器の密度であるΡＬ、ΡＣによる
【数６】
2005504260.tif 000009
に従う流体の質量の負荷係数
【数７】
2005504260.tif 000010
に依存する。その結果、薄い共振器は比較的大きい流体の負荷を経験する（ここで、ΡＬ／ΡＣ＝２であり、
【数８】
2005504260.tif 000011
は１〜５に及ぶ）。Ｒｅ｛Γ｝は大きい
【数９】
2005504260.tif 000012
の場合一致しており、
【数１０】
2005504260.tif 000013
が１に等しい場合約４であり、そして
【数１１】
2005504260.tif 000014
が減少するにつれ増大し続ける。故に、２に等しいｗ／ｔの値の場合、質量の負荷係数は、
【数１２】
2005504260.tif 000015
が１に等しい場合は少なくとも５であり、そして比例的により薄いビームで且つより少ないレイノルズ数の場合に増大する。
【００５３】
続いて、γｅｆｆは、以下の式５
【数１３】
2005504260.tif 000016
に従う有効な流体の減衰係数である。パラメーターαは、末端における変位に対するビームに沿った平均２乗の変位に関する。図１に示すような単純な長方形の振動カンチレバーの共振器１６の基本モードの場合、α＝０．２４３である。反対に、図６に示すようなノッチ付き振動カンチレバー共振器１６では、α＝０．３３３である。
【００５４】
尚、用語Γは
【数１４】
2005504260.tif 000017
｛ここで、レイノルズ数
【数１５】
2005504260.tif 000018
は方程式
【数１６】
2005504260.tif 000019
（ここで、ｖは水の運動学的粘度であり、そして２９３Ｋ（１９．８５℃）での１．０２２ｘ１０−６ｍ２／ｓに等しい）によって示される）に従う、共振器１６と溶液１４との間の流体によるカップリングに相当する。
【００５５】
従って、１μｍ以下の幅を有する共振器による１ＭＨｚ未満の周波数の場合、レイノルズ数は１．６以下である。この様に、溶液１４の運動に起因する共振器１６の減衰は、共振運動に対して横軸の共振器１６の次元、例えば図１に示すような振動カンチレバーの場合、共振器の幅及び長さにほとんどが依存する。この解析は、全ての次元、ｗ，ｔ，ｌ∝ｄの均一な縮小により、溶液１４中での共振器１６の減衰は、共振器１６のサイズが低下し、分子検出器１０の感度が増大してｄにつれ減少する。
【００５６】
以下の表３において、図６に示すようなプロトタイプのノッチ付き振動カンチレバー共振器１６の計算された特性のリストを提示する。
【表３】
2005504260.tif 000020
上述の通り、揺動散逸定理によって説明されるような熱雑音成分がカンチレバーの流体の減衰から生じる。これらの構造のメカニカルＱは方程式
【数１７】
2005504260.tif 000021
（ここで、液体の量によって左右されることが推定される）
を用いて概算される。この式はほとんど周波数に依存し、レイノルズ数
【数１８】
2005504260.tif 000022
が１０−３〜１まで変化するにつれて０．２＜Ｑ＜０．９の範囲でのみ変化する。上述のように、且つ上記計算から予想されるように、溶液１４中のこれらの共振器１６のメカニカルＱは１よりはるかに少なく、ここで、真空でのそれらのＷ’ｓは典型的に１０４のオーダーのものである。故に、周囲の溶液１４から生じる液体の散逸（ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ）は共振器１６の共振２２を完全に決定する。
【００５７】
共振器１６、そして最終的には上文の運動方程式によって説明される分子検出器１０の有効な力の感度を定量的に決定するために、溶液１４の熱運動又はブラウン運動に由来する、共振器１６に働く力を考慮しなければならない。これに関しては、最小の検出可能な力が
【数１９】
2005504260.tif 000023
（ここで、最初の検出可能な力（Ｆｍｉｎ）は、溶液１４中の分子の分子運動の結果として共振器１６に作用する力（ＳＦ）によって定義される）によって定義される。共振器１６に作用するこの確率論的な力は、力のスペクトル密度がナイキストの式
【数２０】
2005504260.tif 000024
（ここで、ΚＢはボルツマン定数であり、そしてＴは溶液１４の温度である）によって示されるように、式２において現れる散逸定数と直接的に関連することがある。
【００５８】
同様に、変位のゆらぎ（Ｓｘ）は、
【数２１】
2005504260.tif 000025
｛ここで、ｍ／Ｎの単位を有する機械的応答Ｒｍｅｃｈは、以下の式１３
【数２２】
2005504260.tif 000026
（ここで、Ｒ（ω／ω０）は、フックの法則と同様に示され、−１／Ｋ＝ｘ／Ｆ：
【数２３】
2005504260.tif 000027
である）｝に従い、スペクトルの力（ＳＦ）に対する機械的な応答によって定義される。
【００５９】
図７において、３つの異なる振動カンチレバーの幾何学のための応答関数Ｒ（ω／ω０）を示す。プロットから、有限の周波数ピークが、溶液で減衰した振動カンチレバー共振器の応答関数中に存在することが見て取れる。
【００６０】
前述の項に記載したとおり、周波数に依存する変位のスペクトル密度及び流体のカップリング（ｆｌｕｉｄ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）に存在下で得られる平均２乗応答関数は異なる共振器の幾何学について達成可能な力の感度の推定を可能にする。しかしながら、本発明に従う分子検出器１０にとって有効な力の感度を決定するために、検出器１８によって誘導される雑音又は当該システムの電気雑音を決定することも必要である。図６において示し、且つ上文で説明した３つのノッチ付き振動カンチレバー共振器分子検出器のプロトタイプ１０において、歪み感受性圧電抵抗型トランスデューサ１８は、共振器１６の応答運動を検出するために利用された。従って、３つの追加の項が、以下の式１５に従う実システムの力の雑音の方程式に加えられた。
【数２４】
2005504260.tif 000028
【００６１】
この式において、ＳＦは共振器１６の流体がカップリングしたノイズと等しく、ＳＶｏｕｔは検出器１８によって生じたノイズと等しく、そしてＳＶＡは増幅器及び他のプロセッサエレクトロニクス２０によって生じたノイズと等しい。
【００６２】
プロトタイプの場合、ＳＶｏｕｔは、圧電抵抗型トランスデューサの熱雑音から生じ、ここで、ＳＶｏｕｔは
【数２５】
2005504260.tif 000029
に等しく、一方、ＳＶＡは、
【数２６】
2005504260.tif 000030
（ここで、ＳＶ及びＳ１は、それぞれ増幅器の電圧及び電流雑音のスペクトル密度である）に従い、読み出し増幅器の電圧及び電流雑音に起因する。
【００６３】
応答が低周波数に至るまで及ぶ場合、第三の項である１／ｆ雑音（Ｓ１／ｆ）も考慮しなければならない。この項は考慮されなければならないが、１／ｆ雑音と流体が誘導する変位のゆらぎのものとの間の基本的な差異が存在している。従って、好ましい態様において、ロックイン検出スキームが、検出ウインドウ内の１／ｆスペクトルの一部のみが雑音に寄与するような抵抗を測定するために使用される。あるいは、１／ｆニー超の周波数で抵抗を調べることによって、雑音のこの源が特に取り除かれうる。
【００６４】
対照的に、流体誘導型の変位ゆらぎ雑音は、使用する周波数プローブ電流に関係なく、検出可能な範囲内にある共振器の抵抗の変化を導く。従って、ｄｃからローパスフィルターの周波数までの全体の雑音スペクトルが関連している。
【００６５】
本発明の分子検出器１０の力の感度は、感度がバイアス電流に比例することが示された（Ｒ＝ＩＧ）（ここで、ゲージ率（Ｇ）は
【数２７】
2005504260.tif 000031
に等しく、そしてπｌはｐ＋トランスデューサ材料の圧電抵抗率である）、許容される電流バイアスの最大レベルに依存する。因子βは、誘電層の有限の厚さに起因するＧの低下の原因となり；βは、担体が極小の厚さの表面層に限定されると単一に接近する。
【００６６】
図６に示すプロトタイプのノッチ付き振動カンチレバー共振器のためのパラメーターの幾つかを定量するために、共振運動及び共振器の抵抗が測定された。図８は、真空における表２に列記した最初のプロトタイプのカンチレバー共振器のために測定された室温の基本的な共振運動を示す。図９は、共振運動と抵抗によって生じた、図６に示すプロトタイプのカンチレバーの変位のプロットを示す。
【００６７】
これらのプロットは、Ｇ＝３ｘ１０７の直接的な測定をもたらす。図６に示したプロトタイプの分子検出器において使用されるようなエピ膜のために、式１８は、β＝０．７及びＧ＝６ｘ１０８Ω／ｍの計算値をもたらす。図６に描かれたトランスデューサの幾何学のために、ＲＴ＝１５．６Ω二端子（平衡）抵抗が得られる。
【００６８】
上文の抵抗及びゲージ率（Ｇ）についての値を用いて、共振器に沿って処理される生物学的機能化のために許容されるとみなされる最大の温度上昇を決定することによって明らかとなる、最大電流バイアスを決定することが可能である。図６に示すプロトタイプの素子の幾何学は、（幅ｂの）収縮領域内で支配的に起こるゆらぎを招く。周囲の溶液に対する熱損失のおおまかな推定は、
【数２８】
2005504260.tif 000032
（ここで、Ｐは、共振器の断面積Ａの周囲の長さである）
の関係を介して得ることができる。
【数２９】
2005504260.tif 000033
であり、そして
【数３０】
2005504260.tif 000034
（ここで、κｓｉ＝１．４８ｘ１０２Ｗ／ｍｋはシリコンの熱伝導性であり、κＨ２０＝０．６０７Ｗ／ｍｋは水の熱伝導性である）であることが推定される。散逸領域ｘ＜ｌｌにおいては、
【数３１】
2005504260.tif 000035
（ここで、境界条件として、温度は、熱流束のようにｌｌで連続的であり、ｘ＝１でδＴ／δｘ＝０である）である。
【００６９】
この単純な熱伝導性の計算は、例えば、生物学的に機能化されたチップにおける１Ｋ（１℃）の上昇は、２５０μＡの定常状態のバイアス電流で達成され、およそ１０６７０μＷのワット損をもたらす。１２Ｋ（１２℃）の最大温度上昇は、支持体から約２．３μｍの収縮された領域内で生じる。このバイアス電流の場合、プロトタイプの分子検出器１０はＲ＝ＩＧ〜８μＶ／ｎｍの応答性をもたらす。
【００７０】
これらのパラメーターを利用して、推定された結合力の感度が決定され得る。カンチレバー１の場合、チップでの１Ｋ（１℃）の上昇が許容されると仮定すると、トランスデューサ誘導型の変位雑音は、√ＳＶＴ／Ｒ＝１．８ｘ１０−１２ｍ√Ｈｚであることが明らかとなる。それぞれ〜４ｎＶ／√Ｈｚ及び〜５ｆＡ／√Ｈｚの電圧及び電流のノイズレベルを有する典型的な低雑音読み取り増幅器の場合（典型的にはＪＦＥＴ入力低雑音増幅器）、これらの同一のパラメーターは増幅器の項√ＳＶＡ／Ｒ＝４．４ｘ１０−１３ｍ／√Ｈｚをもたらす。
【００７１】
共振器のサイズを縮小する効果を証明するために、カンチレバー共振器１と同一の幾何学を有するカンチレバー２及び３も考慮される。カンチレバー２の物理学的な大きさを利用して、上文の式はＲＴ＝６７ｋΩ及びＧ＝７．４ｘ１０９Ω／ｍをもたらす。カンチレバー２の場合、共振器の先端における０．０５Ｋ（０．０５℃）の温度上昇が許容されるものと仮定すると、トランスデューサ誘導型の変位雑音√ＳＶＴ／Ｒ＝６．３ｘ１０−１４ｍ√Ｈｚ及び√ＳＶＡ／Ｒ＝３．３ｘ１０−１５ｍ／√Ｈｚの読み出し増幅器の寄与をもたらす。
【００７２】
図１０〜１２において、３つの異なる検出器のバイアス電流を利用する表２及び３におけるプロトタイプのノッチ付き振動カンチレバー共振器１〜３についての、バンド幅の単位当たりの結合した力の感度は、溶液の熱的な力の雑音に対してプロットされる。これらの計算は、流体、トランスデューサ、及び読み出し増幅器のソースに由来の、一緒にされた雑音を含む。
【００７３】
図１０は、共振器の先端における１Ｋ（１℃）の温度の上昇の場合、最も大きい共振器（カンチレバー１）であっても、１００ＫＨｚ未満の周波数の場合に驚くほど小さい結合した力の感度［Ｓｆ（ｃ）］１／２≦８５ｆＮ／√Ｈｚをもたらす。このことは、カンチレバー２共振器を利用する分子検出器が、平均することなしに、３０ｐＮ未満のレベルでの絶対的な力のために〜１０μｓの規模で動的な測定を行うことができることを示す。
【００７４】
図１１は、共振器の先端における０．０５Ｋ（０．０５℃）の温度上昇の場合、カンチレバー２共振器素子は０．５ＭＨｚ未満（流体のゆらぎの制限の１０％超）の周波数の場合、良くても［Ｓｆ（ｃ）］１／２≦１０ｆＮ／√Ｈｚの力の感度をもたらす。このことは、カンチレバー２共振器を利用する分子検出器が、平均することなしに、１５ｐＮ未満のレベルでの絶対的な力のために〜２μｓの規模で動的な測定を行うことができることを示す。
【００７５】
最後に、図１２は、カンチレバー３共振器を利用する素子にとって達成可能な力の感度を示す。また、共振器の先端における０．０５Ｋ（０．０５℃）の温度の上昇の場合、カンチレバー３の共振器の素子は、２ＭＨｚ未満（流体のゆらぎの制限の１０％超）の周波数の場合、［Ｓｆ（ｃ）］１／２≦１０ｆＮ／√Ｈｚの力の感度をもたらし、そして力の感度は、３ＭＨｚ以下の周波数の場合、ちょうど〜１１ｆＮ／√Ｈｚまで上昇する。このことは、カンチレバー２共振器を利用する分子検出器が、平均することなしに、２０ｐＮ未満のレベルでの絶対的な力のために〜３００ｎｓの規模で動的な測定を行うことができることを示す。
【００７６】
従って、〜８ｆＮ／√Ｈｚほどの低さの、本明細書に記載の分子検出器にとって達成可能な結合の感度は、溶液の流体のゆらぎによって主に制限される。以下の表４に示すように、この閾値の検出限界はほとんどの生物学的且つ化学的過程において注目される相互作用の力よりもはるかに低い。
【表４】
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単一の共振器の集合１６を有する分子検出器１０のみが図面において示され、そして上文において論じられているが、本発明に従う分子検出器１０は更に、共振器の集合の大きなアレイ又はシステムを含んで成ることもある。その様なシステムの１つの例示的な態様は、図１３において図示的に示されており、これは分子検出器１０の多数のチャネルアレイ４０を示し、ここで、当該アレイのチャネル４２は、分子試料の多重又は並列の処理が一時に行われうるように単一の基板４４上に並列に配置される。この態様において、多重分紙検出器１０は分子解析に利用される。並列で且つ単一のアレイチャネル４２が図１３において示されているが、チャネル４２の任意の適当な代替の幾何学も利用されることがあり、例えば折り畳みのチャネルも、アレイの本体４０のサイズを増大することなく検出器の経路の長さを増大するために使用されることがある。図１３に示した態様は検出器のチャネル４２が壁４６によって分離されている多重チャネルアレイ４０を開示しているが、多重チャネル検出器アレイ４０は、代わりとしてチャネル４２の間に壁の無い、検出器アレイの単一の「シート」を含んで成ることもある。
【００７７】
更に、分子検出器アレイシステム４０の共振器１６の全てが、単一物質をモニタリングするためにこれまでの態様において記載したように機能化され、それによって大きく増大した検出器の感度を示すが、図１３に示す検出器アレイ４０システムの共振器１６も、多数の物質が同時に同定され、且つモニタリングされ得るように個々に生物学的に機能化された共振器を含んで成ることもある。尚、上文の図３ａ〜３ｆに関連して示し、そして論じた様々な共振器の態様の任意な組み合わせが本発明の分子検出器アレイにおいて利用されうる。
【００７８】
特定の態様が本明細書において開示されているが、当業者が、逐語的に、又は均等論のもとに本明細書の特許請求の範囲内にある別の分子検出器、当該分子検出器を製造する方法及び／又は分紙検出器のシステムを設計しうることが予想される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の検出装置の第一の態様の図示的な描写である。
【図２】
図２は、本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の検出装置の第一の態様の作業の図示的な描写である。
【図３ａ】
図３ａは、本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の検出装置の第二の態様の図示的な描写である。
【図３ｂ】
図３ｂは、本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の検出装置の第三の態様の図示的な描写である。
【図３ｃ】
図３ｃは、本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の検出装置の第四の態様の図示的な描写である。
【図３ｄ】
図３ｄは、本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の検出装置の第五の態様の図示的な描写である。
【図３ｅ】
図３ｅは、本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の検出装置の第六の態様の図示的な描写である。
【図３ｆ】
図３ｆは、本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の検出装置の第七の態様の図示的な描写である。
【図４】
図４は、本発明に従う例示的な機械的共振器の絵による描写である。
【図５】
図５は、本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の検出装置を製造するための従来の表面エッチング技術の図示的な描写である。
【図６】
図６は、本発明の例示的な態様に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の検出装置のプロトタイプの絵による描写である。
【図７】
図７は、本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の検出装置のプロトタイプの検出特性のグラフ表示である。
【図８】
図８は、本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の検出装置のプロトタイプの検出特性のグラフ表示である。
【図９】
図９は、本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の検出装置のプロトタイプの検出特性のグラフ表示である。
【図１０】
図１０は、本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の検出装置のプロトタイプの検出特性のグラフ表示である。
【図１１】
図１１は、本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の検出装置のプロトタイプの検出特性のグラフ表示である。
【図１２】
図１２は、本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の検出装置のプロトタイプの検出特性のグラフ表示である。
【図１３】
図１３は、本発明に従う生物学的に機能化されたナノ電子機械の検出装置のシステムの第二の態様の図示的な描写である。
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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2005504260.tif 000090
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