(57)【要約】【課題】  顕微鏡検査法に適した電気的、電気化学的、又は地形学的分析用のセンサー及びシステム並びにこれを製造する方法。【解決手段】  カンチレバーと１個以上のプローブより成り、各プローブはそのチップ上に電極を有し、そのプローブ・チップはとがっており、約５０ｎｍより小さな曲率半径を有し、プローブは約１９：１よりも大きな高アスペクト比を有するセンサー。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）上面及び底面を備えたカンチレバーと、
ｂ）１個以上のプローブとより成る電気的、電気化学的又は地形学的分析用センサーであって、
前記プローブの各々は第１の端部と第２の端部を有し、前記プローブの前記第１の端部は電極を備え且つ約５０ｎｍより小さい曲率半径を有し、前記プローブの前記第２の端部は前記カンチレバーの前記上面に接続され、前記プローブの前記第１の端部と前記プローブの前記第２の端部との間の距離と前記プローブの前記第２の端部の直径の比は約１９：１より大きいことを特徴とするセンサー。
【請求項２】
前記カンチレバーが約５００ｎｍより薄い厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
【請求項３】
前記１個以上のプローブが、約２個乃至約２０００個であることを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
【請求項４】
前記電極が、金属又は金属合金又は金属ポリマー複合系より成ることを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
【請求項５】
前記電極が、クロムと白金、又はクロムと銀／塩化銀より成ることを特徴とする請求項４に記載のセンサー。
【請求項６】
前記カンチレバーの前記上面から前記カンチレバーの前記底面に接続するバイアを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
【請求項７】
前記１個以上のプローブが、前記カンチレバー上にて、約１０μｍより小さい距離で分離されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
【請求項８】
前記カンチレバーが、前記プローブの前記接続部間の一端に、前記カンチレバーの前記上面に至る少なくとも１つの縦方向の切れ目を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
【請求項９】
試料の電気的、電気化学的又は地形学的分析用シスムであって、
ａ）上面と底面と１個以上のプローブを備えたカンチレバーより成り、前記プローブの各々は第１の端部と第２の端部を有し、前記プローブの前記第１の端部は電極を備え且つ約５０ｎｍより小さい曲率半径を有し、前記プローブの前記第２の端部は前記カンチレバーの前記上面に接続され、前記プローブの前記第１の端部と前記プローブの前記第２の端部の間の距離と前記プローブの前記第２の端部の直径の比が約１９：１より大きいセンサーと、
ｂ）前記センサーの操作のため前記センサーに作動的に接続されたマニピュレーターと、
ｃ）信号増幅器を有し、前記センサーによって集められたデータの処理のため前記センサーに電気的に接続された信号処理チップと、
ｄ）前記試料を固定し支持するための表面を有するステージと、
ｅ）前記センサー及び前記試料を光学的に視覚化するための顕微鏡とより成ることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
前記ステージが、光学的に透明であり、前記顕微鏡が逆蛍光同焦点顕微鏡であることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記試料が生物学的細胞であることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
請求項９に記載のシステムを使って、
ａ）前記ステージの前記表面上に試料を固定し、
ｂ）前記顕微鏡を使って前記試料を視覚化し、
ｃ）前記マニピュレーターを使って前記センサーを前記試料に対して、近接し、接触し、又はその内部へと移動し、
ｄ）前記センサーにより前記試料からデータを集め、
ｅ）前記信号処理チップで前記データを処理して、試料の分析を行なうことを特徴とする電気的、電気化学的又は地形学的方法。
【請求項１３】
前記試料が生物学的細胞であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記生物学的細胞は、ピペット又は平坦パッチ・クランプ技法を用いて固定されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記生物学的細胞は、ヒドロゲルを用いて固定されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
電気的、電気化学的又は地形学的分析用センサーの製造方法であって、
ａ）シリコン・ウエハに１個以上の高アスペクト比シリコン・チップを形成し、ｂ）窒化シリコンの均一層に前記１個以上のチップを埋め込み、
ｃ）前記窒化シリコン層をホトレジストの非均一コーティングで被覆し、
ｄ）前記１個以上の埋め込まれたチップの上部から前記ホトレジストの非均一コーティングと前記窒化シリコンとを除去し、
ｅ）前記１個以上の埋め込まれたチップの前記上部に電極をパターン形成し、
ｆ）絶縁層で前記電極を非活性化し、
ｇ）前記窒化シリコン層にカンチレバーをパターン形成し、
ｈ）前記１個以上の埋め込まれたチップの前記上部を食刻して超微小電極を作出し、
ｉ）前記１個以上の埋め込まれたチップを備えた前記カンチレバーを前記シリコン・ウエハから分離することより成ることを特徴とする方法
【請求項１７】
前記１個以上のチップを二酸化ケイ素の均一層に埋め込む過程を更に有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記窒化シリコン層が約５００ｎｍより薄いことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記食刻が、集束イオン・ビーム・ミリング又は慣用のプラズマ・エッチングより成ることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記食刻が、約５０ｎｍより小さい前記１個以上のチップの曲率半径を結果することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記１個以上のチップは、約２μｍより小さい初期直径で製造されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記１個以上のチップは、前記１個以上のチップの直径の約１９倍長い長さで製造されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記１個以上のチップは、約１０μｍより小さい隣接チップ間の間隔で製造されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記１個以上のチップが約２個と約２０００個の間であることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２５】
前記電極をパターン形成する過程が、１以上の均質な金属、金属合金又は金属ポリマー複合層を前記１個以上のチップの上に加えることより成ることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項２６】
前記１以上の金属層が、クロム、白金、銀、又は塩化銀より成ることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記シリコン・ウエハにウエハ貫通電気接続構造体を形成する過程を更に有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的には、センサーに関する。より詳細には、この発明は、電気的、電気化学的及び地形学的分析用のセンサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学分野における過去１０年間での主要な進歩の１つである走査電気化学顕微鏡検査法（ＳＥＣＭ）は、表面反応及びその動力学の局部的な研究のための有望な分析手段であることが示された。さらに、このＳＥＣＭは、ナノスケール・レベルの画像化に有望であることが、証明された。ＳＥＣＭの有益性は、各種物質界面での異種動力学の確実な解明及び生物学的分子の画像化のような広汎な応用範囲において示された。さらに、ＳＥＣＭは製造工程において利用された。ＳＥＣＭを使用した場合には、ミクロンより下位の分解能での金属堆積（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、金属又は半導体のエッチング、ポリマー形成及び他の表面変性の実現が可能であることをいくつもの研究が示した。
【０００３】
分析の目的及び製造の目的の両者において、このＳＥＣＭが到達し得る局部化又は空間分解能は、使用される電気化学的電極の形状及び寸法に強く依存する。ミクロンより下位の電極を担持するチップ・プローブである超微小電極（ＵＭＥ）には、ナノメートルのスケールでの分解能達成が要求される。このＵＭＥに関しては、食刻金属線の絶縁処理又は単一電極システム用の走査トンネル電子顕微鏡検査法（ＳＴＥＭ）より電極アレイ・システム用のパッチ製造技法までの、各種の製造方式が調査研究された。
【０００４】
ＳＥＣＭを、原子間力顕微鏡検査法（ＡＦＭ）又は近接場走査顕微鏡検査法（ＳＮＯＭ）のような他の走査プローブ顕微鏡検査法（ＳＰＭ）と組み合わせることは、相補的な表面情報を同時に得るため非常に望ましい。特に、ＳＥＣＭをＡＦＭ技術と組み合わせるならば、試料に対するチップの間隔制御の不確実性のような、ＳＥＣＭの電流制限を克服することが可能である。これは、付加的に、同時的なＳＥＣＭとＡＦＭによって、電気化学的に開始される地形学的な変化を研究するための実験を可能とする。
【０００５】
ＳＥＣＭ／ＡＦＭの組合せシステムでの重要な構成部分は、特殊なプローブ・システムであり、このプローブ・システムは、ＡＦＭ方式のために必要な微小機械式屈曲構造体と高性能ＳＥＣＭに必要な電気化学的ＵＭＥチップとで構成されなければならない。このプローブの製造のための技法がいくつか報告されている。
【０００６】
一つの技法は、金属線の修正使用である。この技法の一例は、振動に関して、慣用のＵＭＥ線電極の軸への圧電素子の取り付けを基礎とする。横方向の振動は、光学レーザー回折計測システムを使用して計測される。この型式のプローブは、チップが溶液内に全体的に浸漬された場合の光学検出系の不安定性の故に、ＳＥＣＭに関しては、まれにしか利用されなかった。この技法の他の例は、金属線外のカンチレバー型ＳＥＣＭチップ・プローブの形出に基づいている。慣用のＳＥＣＭプローブの製造と同様にして、線は食刻されとがったチップとなる。次に、線チップは、機械的に屈曲され、さらに平坦にされ、カンチレバー構造体を形成する。電気泳動塗料が絶縁層として利用される。この解決法の不都合には、ＡＦＭ分析の間の低いＡＦＭ分解能とチップの機械的不安定性とが含まれる。この技法の第３の例は、慣用のＳＥＣＭ線チップを音叉に接着することである。この方法では、ＳＥＣＭ様式での表面の画像化のために市販のＮＳＯＭ機器を使用することが可能である。この方式での不都合には、地形学的情報が無いことと空間分解能が制限されることが含まれる。
【０００７】
他の技法は、既製のＡＦＭカンチレバー・チップ・プローブの変形に基づいている。チップ及びカンチレバーは、チップへの導電媒体の完成のため金属化される。次に、導電性表面は、チップの上部領域を除き、全て絶縁される。良好なチップ絶縁と有効なチップ形状を同時に提供することの困難性の故に、釣り合いとなるのは、主に、不十分なＳＥＣＭの性能である。ＡＦＭカンチレバー・チップ・プローブの改良のために同様なコンセプトはＦＩＢ技術を利用する。これらの努力が機能的なチップ構造を結果し且つＡＦＭとＳＥＣＭの組み合わされた画像が報告されているが、電気化学的電極のチップの鋭さ及び寸法に係る性能上の問題は依然として残っている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した製造技法の全てに共通な不都合は、単一プローブ製造スキームにあり、これが、小型化の可能性と多重プローブ・システムの製造を制限している。すなわち、当業界には、ＡＦＭ及びＳＥＣＭ分析に適したナノスケールの多重プローブ・センサーの製造を可能とする方法を開発することの必要が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、電気的、電気化学的、及び地形学的分析に用いるに適したセンサーを製造する方法を提供する。この方法は、カンチレバー内に埋め込まれた１個以上のとがった高アスペクト比の電気化学的チップ・プローブを備えたセンサーを作成する微小及び矮小の製造技術を開発する。このセンサーは、ＡＦＭ及びＳＥＣＭ両方の分析に適する。
【００１０】
この方法は、シリコン・ウエハ内に１個以上の高アスペクト比シリコン（ＨＡＲＳ）チップを形成することで開始する。次に、前記チップは、窒化シリコンの均一層内に埋め込まれる。この窒化シリコン層はカンチレバーのための基材を構成する。次に前記窒化シリコン層は、ホトレジストの非均一コーティングで被覆される。次に、ホトレジストは、チップの上部から除去され、この上部の上に電極がパターン形成される。次に、電極は、絶縁層によって非活性化される。電極の非活性化の後、窒化シリコン層にカンチレバーがパターン形成され且つチップの上部が食刻されて超微小電極を形出する。最終的には、１個以上のチップを備えたカンチレバーがシリコン・ウエハから分離される。或る好実施例では、方法に、二酸化ケイ素層を備えたチップを埋め込む過程とシリコン・ウエハ内にウエハ貫通電気接続構造体を形成する過程をも含む。好ましくは、ＨＡＲＳチップは、約１９：１より大きいアスペクト比を有し、２μｍより小さい初期直径を有し、且つ１０μｍより小さい隣接チップ間の間隔を有して製造される。さらに好ましくは、食刻過程は、約５０ｎｍより小さい曲率半径を備えたチップを結果する。カンチレバー上のチップの数は、いずれの数でも可能であるが、好ましくは２個と２０００個の間である。好ましくは、窒化シリコン層は、５００ｎｍより薄く、約５００ｎｍより薄い厚さを備えたカンチレバーを結果する。
【００１１】
この発明は、センサーに使用する電気的、電気化学的及び地形学的分析用システムと同様に、上記の方法によって製造される電気的、電気化学的及び地形学的分析用のセンサーをも提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
この発明は、電気的、電気化学的及び地形学的分析用のセンサーを提供する。１つの実施例では、センサーは、同時的な又は逐次的な走査電気化学顕微鏡検査法（ＳＥＣＭ）及び原子間力顕微鏡検査法（ＡＦＭ）分析のために使用される。この実施例の１つの適用として、センサーは、生細胞、生物学的組織、又は他の電気化学的系の研究に使用される。この発明によるセンサーの実例が図１に示されている。図１Ａに見られるように、各センサー１００は、上面１１２と底面１１４を備えたカンチレバー１１０を含み、上面１１２には１個以上のプローブ１２０が取り付けられる。この発明の或る好実施例では、プローブは、カンチレバー上で約１０μｍよりも小さい間隔で離隔する。他の好実施例では、カンチレバー１１０上のプローブ１２０の数を約２個から約２０００個の範囲とする。図１Ｂに示すこの発明の他の実施例では、カンチレバー１１０を、各片がプローブ１２０を含んでいる縦方向の片に切り分ける。
【００１３】
プローブ１２０のクローズアップした外観が図１Ｃに示される。図１Ｃから理解できるように、各プローブ１２０は、第１の端部１２２と第２の端部１２４を有している。プローブ１２０の第１の端部１２２は、電極１２６を含んでいる。第２の端部１２４は、カンチレバー１１０の上面１１２に取り付けられている。或る好実施例では、プローブ１２０の第１の端部１２２は、約５０ｎｍよりも小さい曲率半径を有しており、第１の端部１２２と第２の端部１２４の間の距離に対する第２の端部の直径の比は少なくとも１９：１である。換言すれば、プローブは、好ましくは、少なくとも１９：１のアスペクト比を有する。或る好実施例において、カンチレバー１１０は、約５００ｎｍよりも薄い厚さを有する。或る特定の好実施例において、カンチレバー１１０は、約３００ｎｍよりも薄い厚さを有する。きわめて薄いカンチレバーにより、センサーは、やわらかい生物学的膜及び細胞を走査するのに特に良好に適したものとされる。
センサーの製造
【００１４】
図２及び３に図解される製造工程は、典型的には、シリコン・ウエハ２１０により開始する。或る好実施例では、約４インチ（１０．１６ｃｍ）のシリコン・ウエハが使用される。標準のシリコン・ウエハ又はウエハ貫通電気接続を有するウエハを、この発明にしたがって利用することもできる。後者は、典型的には、高密度誘導結合プラズマ食刻技法を使って、両面研磨ウエハに開口を設けることによって形成される。この実施例の１つの適用において、約２０μｍの直径のバイア構造体が、３５０μｍの厚さのウエハを貫通して形成される。１つずつ交互に入れ替わる導電層(例えは、Ｎ型ドープ・ポリシリコン)と絶縁層（例えば、酸化シリコン）を有する８層までの多重層系が、次に、バイアがいっぱいになるまで成長させられる。前記導電層と絶縁層は、典型的には、高い成膜均一性を達成する低圧化学蒸着工程を利用して成長させられる。その後、ウエハ表面上の全ての層は、化学機械研磨工程で除去される。このようにして、多重接続ウエハ貫通構造体の製造が可能である。絶縁層の幾何学的形状及びドーピングの概要に依拠しつつ、十分な直流絶縁によって８０Ωよりも小さい接続抵抗を達成することができる。
【００１５】
センサー製造工程は、異方性の深いＲＩＥシリコン食刻工程に等方性食刻を組合せることによってシリコン・チップ造作から形出される高アスペクト比シリコン（ＨＡＲＳ）チップ２２０で開始する（図２Ａ）。約２マイクロメートル直径の造作から約４マイクロメートル直径の造作へのＨＡＲＳチップの製造方法は、R.Fasching, Y. Tao, K. Hammerick, F. Prinz, "A Pencil Probe System for Electrochemical Analysis and Modification in Nanometer Dimension", Proc. SPIE 5116, Smart Sensors, Actuators, 及びMEMS−Microtechnologies for the New Milenium 2003, Spain, 2003, 128-135  に記載されている。或る変更実施例では、近接式露出写真平版術を用いて、約１μｍのシリコン・チップの造作が均一にパターン形成される。次に、約２００ｎｍのチップ直径と約２０ｎｍより小さいチップ上部半径を備えた均一のチップ・アレイを形成するため、一連の最適化された熱酸化工程が実施される。例えば、とがったＨＡＲＳチップの達成のため、１．５μｍの石版パターン寸法を用いて、９５０゜Ｃで６時間高温酸化工程が利用される。両実施例とも、約１０μｍより小さいチップ間の間隔でＨＡＲＳチップがパターン形成されることを可能とする。
【００１６】
次に、このＨＡＲＳチップ２２０は、典型的には、湿酸化過程で被覆され、約１００ｎｍよりも薄い厚さの酸化物層２３０を形成する。この酸化物層は、後続の窒化シリコン食刻過程の間、シリコン・チップの保護として機能する。次に、カンチレバー構造体の主要層である低圧窒化シリコン層２４０が、低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）を用いて、約５００ｎｍの典型的厚さで堆積（ｄｅｐｏｓｉｔ）される（Ｆｉｇ．２Ｂ）。次に、ホトレジスト２５０の高非均一コーティング２５０が付けられる（図２Ｃ）。この高非均一性は、高アスペクト比チップ構造体により達成可能である。チップ構造体には公称厚さが形成され、チップの上部上には非常に薄いレジスト層のみが残される。そのようなコーティングの働きを達成するため、公称の厚さがチップの高さよりも小さいレジストを適用しなければならない。チップの典型的な高さは約１０μｍから約２０μｍであることにより、公称の厚さが約１．６μｍのホトレジストが典型的には使用される（例えば、３６１２  Ｓｈｉｐｌｅｙ，２  ｋｒｐｍ／ｍｉｎ）。等方性ＳＦ６に基づくプラズマ食刻方法を利用して、チップの上部上の薄いホトレジストは、次に除去され、窒化シリコンが食刻される（図２Ｄ）。この方法の典型的パラメーターは、約３００ｓｃｃｍ／０．５ｓｃｃｍのＳＦ６／フレオン１４（ＣＦ３ＢＲ）の流れ比と、約２００ｍｔｏｒｒの工程圧力と、約０．５Ｗ／ｃｍ２の出力密度である。約４よりも高い窒化シリコンと酸化シリコンの間の食刻選択性を達成することができるが、これは、シリコン・チップの確実な保護の確保に必要である。残った酸化物層の分離は、典型的には、緩衝酸化物エンチャント（Ｂｕｆｆｅｒ  Ｏｘｉｄｅ  Ｅｎｃｈａｎｔ）（ＢＯＥ２０：１）を使って約３０ｎｍ／ｍｉｎの典型的食刻率で遂行される。これは、窒化シリコン層から突出したとがって細いシリコン・チップを結果する。この窒化シリコン層は、この時点において、約３００ｎｍの最終的カンチレバー厚を付与するべく、さらに食刻することも可能である。
【００１７】
図２Ｅに示す次の製造過程は、各単一チップ電極への個別接続を可能とする金属電極と接着構造体をパターン形成することである。リフトオフ法は、典型的には、約７μｍ（３．５ｋｒｐｍ／ｍｉｎ）の公称の厚さのＳＰＲ２２０−７（Ｓｈｉｐｌｅｙ，ＭＡ）のような慣用の正レジストと組み合せて、例えばＬＯＬ２０００レジスト（Ｓｈｉｐｌｅｙ，ＭＡ）を使用して適用される。金属、金属合金、又は金属ポリマー複合層系２６０の堆積（ｄｅｐｏｓｉｔ）のために、マグネトロン・スパッター法が使用される。或る好実施例では、良好な壁面被覆及び接着達成のため、約５ｎｍ厚のクロム層と約５０ｎｍ厚の白金層が使用される。クロムは白金層の接着を促進し、この白金層は、ＨＡＲＳチップ上の電気化学的超微小電極（ＵＭＥ）のための触媒物質として作用することができる。或る変更実施例においては、クロム及び銀／塩化銀が金属層系中に利用される。次に、図２Ｆに示すように、全電極チップ構造体が、約１００ｎｍの厚さでプラズマ促進化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）窒化シリコン層２７０により被覆される。この堆積（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）は、典型的には、混合周波数工程（例えば、ＳＴＳ，ＵＫ）を使用して、約３５０゜Ｃで遂行される。この工程は、張力にストレスのかかった又は総合的にストレスのかかった窒化シリコンの堆積を可能とする。このＰＥＣＶＤ窒化シリコン層は、その結果生ずるストレス、したがって、カンチレバーの屈曲を調節し、且つ制御するのに使用される。
【００１８】
製造工程の最終過程は図３に図解され、シリコン・ウェハ３１０、ＨＡＲＳチップ３２０、酸化シリコン層３３０、窒化シリコン層３４０、電極層３６０、及びＰＥＣＶＤ窒化物層３７０が図３Ａに示される。図３Ａに図解する過程では、カンチレバーが、窒化シリコン３４０と酸化シリコン３３０層系中にパターン形成される３８０。これは、典型的には、乾燥食刻過程と組み合わせて石版印刷的に遂行される。乾燥食刻過程の重要な理由は、適用されるＳＦ６に対する埋め込まれたＨＡＲＳチップの十分な保護の達成にある。そこで、ＳＰＲ２２０−７（Ｓｈｉｐｌｅｙ，ＭＡ）のようなホトレジストが、約１５μｍの所望厚みを達成するように２回被覆される（被覆２回、２ｋｒｐｍ）。食刻は、典型的には、約５０ｓｃｃｍ／３３ｓｃｃｍのＳＦ６／フレオン１４（ＣＦ３ＢＲ）の流れ比で、約１５０ｍｔｏｒｒの工程圧力で、且つ約０．５Ｗ／ｃｍ２の出力密度のプラズマ工程を利用して実施される。窒化シリコンの食刻率は約７０ｎｍ／ｍｉｎで、酸化物の食刻率は約２５ｎｍ／ｍｉｎが典型的である。以下に述べる例外を除き、接着パッド開口は、カンチレバーの形出に用いられると同様の方法を利用して設けられる。すなわち、層配列の上の絶縁層だけは白金表面の露出のために除去される。白金は食刻化学作用により害されず、食刻止めとして機能する。
【００１９】
プローブ製造の重要な過程の１つは、埋め込まれたＨＡＲＳ構造体上部上のＵＭＥ電極の形出であり、このとき、とがったチップが露出する。これは、典型的には、図３Ｂに示すように、標準の窒化シリコン・プラズマ食刻過程のための食刻マスクを作成するべくＦＩＢ技法を利用して実施される。１つの実施例では、ＳＦ６を基本とするプラズマに対する化学的安定性の故に、クロム及び金の金属層が、マスク材料系として利用される。その金属は、典型的には、チップ構造体の良好な被覆を達成するべく、Ｃｒは約５ｎｍの厚さで、そしてＡｕは約１００ｎｍの厚さで、ウエハ上にマグネトロン・スパッタリングされる。ミクロンより小さい寸法の開口が、約３０ｋｅＶのイオン・エネルギーを備えた集束ガリュウム・イオン・ビーム３９０を使用してチップ構造体の上の金属層に切開される。この作業は、同一の処理室内でイオン・ビームと電子ビームを使用しての４インチ・ウエハの処理を可能とするデュアル・ビーム・マシン（ＦＥＩ，ＵＳ）によって遂行される。金属マスクのパターン処理後、ウエハは、ＰＥＣＶＤ窒化シリコンの除去のため、チップの上にＵＭＥ３９２を形出するべく白金に到達するまで上記のプラズマ食刻過程にさらされる。上述したように、白金層は、食刻止めとして利用され、シリコン・チップを食刻から保護する。或る変更実施例では、ＵＭＥは、慣用のプラズマ食刻技法に使用するバッチ式（ｂａｔｃｈ）処理の一部として形成される。
【００２０】
ＵＭＥ３９２の形成の後、窒化シリコン層は、センサー３９４の分離を目的として、湿式食刻過程（典型的にはＫＯＨ４０％，７０゜Ｃ）のためその裏側をパターン形成する（図３Ｃ）。この湿式食刻過程の間、その表側は、金属マスクとブラック・ワックス（例えば、Ａｐｉｅｚｏｎｅ  Ｗａｘ  Ｔｙｐｅ  Ｗ，  Ｍ＆Ｉ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｌｔｄ．ＵＫ）の層によって保護される。最後に、そのワックスは、プリアナ（ｐｒｉａｎｈａ）溶液（濃縮Ｈ２ＳＯ４：３０％Ｈ２Ｏ２  が  ３：１  で温度は１２０゜Ｃ）内で除去される。金とクロムは、標準的な金及びクロム食刻溶液（例えば、Ｇｏｌｄ  Ｅｔｃｈａｎｔ  ＴＦＡ，Ｔｒａｎｓｅｎｅ  Ｉｎｃ．，ＭＡ，及び  ＣＲ−７  Ｃｈｒｏｍｉｕｍ  Ｐｈｏｔｏｍａｓｋ  Ｅｎｃｈａｎｔ，  Ｃｙｎａｔｅｃ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，  ＣＡ）を利用して除去される。裏面の食刻過程のマスクは、細いシリコン架橋構造体によってウエハ３１０に対してセンサ３９４が物理的接続を残すように設計される。この構造体の破断が単一センサーの簡易で確実な分離を可能とする。
センサーの電気的接続
【００２１】
センサーでのシリコン・ウエハの切片の寸法は、約２ｍｍ対３ｍｍであり、直接の手操作には不向きである。そこで、１つの実施例では、シリコンに基づくセンサーは、市販のＡＦＭ顕微鏡に典型的に利用されるような市場向けに製造したプリント回路基板（ＰＣＢ）に取り付けられる。ある変更実施例では、センサーは、注文生産のプリント回路基板（ＰＣＢ）に取り付けられる。
【００２２】
ボンディング・ワイヤは、注文生産のＰＣＢとシリコン・センサーの間の電気的接続を促進する。ボンディング処理の後、注文生産のＰＣＢ上のボンディング・ワイヤとパッドは、センサーと同様に、接着剤によりポット詰めされる。この接着剤の目的は、ボンディング・ワイヤを機械的に保護し、且つ同時に、ボンディング領域が電解液に浸漬されたときにボンディング・ワイヤ間での電流の流れを回避することである。注文生産のＰＣＢは、シリコン・センサーを扱う基板として機能するとともに、また、能動ガードを備えた入力電圧バッフアに適合する。典型的には、センサーからの電気信号は、最初に電圧バッフアに回され、次に出力コネクタに回される。
【００２３】
能動ガードを備えたプリアンプ回路の略示模式図が、図４に示される。この回路は、シリコン・センサーと外部機器の間の相互接続として機能する。これは、２個の接着パット４１０とコネクタ４２０の間の直接接続及び接着パッド４１２とコネクタ４２０の間の２個の緩衝接続を提供する。この構成が、４線方式のプローブ（定電位／定電流計測）の多重目的使用を可能とする。ＰＣＢ基板は、また、図４には示されていない正負低騒音電圧調整器に適合する。
【００２４】
電圧バッフア４３０は、いくつかの目的、すなわち、高電源インピーダンスを伴う信号路長さの短縮、微小電極負荷の削減、及び能動ガード・ドライバーを果たす。この電圧バッフアは、単一の増幅器構成においてＯＰＡ１２９（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．）のような、単一の電位計級オプアンプ（ｏｐａｍｐ）により形成することができる。或る好実施例では、選択された増幅器は、約２ｐＦと平行に約１０１５Ωの通常様式のインピーダンスと、約１００ｆＡより小さい入力バイアス電流と、約２ｍＶよりも小さい入力オフセット電圧とを有する。入力インピーダンスは、ＵＭＥの予期された１ＧΩ運動抵抗よりも十分に上であり、したがって、負荷による計測歪みを除去する。入力バイアス電流は、電極に直接負荷をかける。したがって、小さいバイアス電流が、電極計測を歪めないために重要である。
【００２５】
能動ガードのコンセプトは、シールドされた線と周囲環境の間のキャパシタンスを有意義に削減し且つ抵抗を有意義に増加する有効な技術である。設計されたプリアンプ基板内の電圧バッフア４３０は、信号線と同電位ではあるが、電源インピーダンスはこれより小さい緩衝トレース（図示しない）下方の銅面と緩衝信号線４５０の周囲に配置されたガード・トレース４４０を駆動する。ガードと信号トレースの間には、（理想的場合に）電位差がないので、信号線４５０とガード４４０の間に電流が流れることはできない。能動ガードに加えるに、干渉及び騒音の除去を助長するべく、プリアンプ回路は、さらに、フアラデーケージで遮蔽することもできる。
センサー・システム
この発明の１つの実施例において、既述のセンサーが、試料５１０の電気的、電気化学的及び地形学的分析のためのシステム（図５）に使用される。このシステムは、カンチレバー５２４に取り付けられたプローブ５２２を有するセンサー５２０を含む。センサー５２０は、例えば、上述したプリアンプ回路を使用して、センサー５２０によって集められたデータを処理するための信号増幅器を有する信号処理チップ５３０と電気的に接続されている。信号処理チップ５３０は、次に、センサー５２０を試料５１０に対して、近接し、又は接触し、又はその内に移動させるための微小マニピュレーター５４０に接続される。この発明では、必ずしもこれに限定されないが、標準のＡＦＭに使用される微小マニピュレーターを含むいずれの微小マニピュレーターを使用することも可能である。試料５１０は、ステージ５５０上に固定され支持される。試料５１０は、例えば、生物学的細胞、生物学的組織、又は他のいずれかの電気化学的系である。或る好実施例では、ステージ５５０は、光学的に透明である。このシステムは、また、センサー５２０と試料５１０の光学的視覚化のための顕微鏡５６０を含む。この発明では、必ずしもこれに限定されないが、逆蛍光同焦点顕微鏡を含むいずれの顕微鏡も使用することが可能である。
【００２６】
細胞を個別に貫通するために、細胞は、安定した様式にて固定される必要がある。細胞のトポロジー走査と同様に、各個別の細胞の電気的信号を精確に計測するためには、細胞を出来る限り安定に維持することが重要である。水性環境内で個別の細胞を固定するために、以下に記述する幾つかのアプローチが使用可能である。
１．パッチ・クランプ技法
【００２７】
パッチ・クランプ技法は、形状に依拠して生物学的膜を横切って流れる特定イオン・チャネルの電流又は細胞全体の電流を記録するのに使用される電気物理学的方法である。基本的コンセプトは、細胞膜上の極小領域との確実な接触をさせるための非常に小さい開口（直径が数マイクロメートル）を備えたガラス・ピペットを使用することである。圧力勾配が、記録時間の全体にわたって、接触を確実に維持する。このパッチ・クランプ技法は、精確な操作、安定性、そして、最小の細胞損傷という利点を有する。この技法は、直径が約５μｍから約２０μｍの範囲の、哺乳動物細胞、植物細胞を含む細胞を固定するのに、信頼をおいて、使用可能である。
２．平坦パッチ・クランプ技法
【００２８】
平坦パッチ・クランプ技法は、慣用のパッチ・クランプ技法に対する有意義な改良を示す。平坦パッチ・クランプ装置は、ピペットを、”平坦な”パッチ・クランプ電極で置き換え、適当な薄い絶縁隔壁にマイクロメートル寸法の孔が設けられる。この装置は、平坦面上に単一細胞を補足して固定するのに使用可能である。このような装置用の各種の製造スキームは、文献に報告されており、平坦パッチ・クランプ・チップの簡略な型式は市場にて入手可能である。ほとんどのこの装置は、シリコンで作成され、不透明であり、光学顕微鏡検査法と組み合わせることはできない。
【００２９】
光学的視覚化の間の細胞固定及び同時的センサー操作のシステム要請に応じるため、私共は、特殊なパッチ・クランプ装置を開発した。この装置は、１つのものの上に他のものが乗った状態で、接着剤により相互に接着される、微小機械加工された２個の部材を含む。上の部材は、透明な窒化シリコンの窓を備えたシリコン・チップである。この窓は、１個以上の、ミクロンより小さい寸法のパッチ・クランプ孔を有し、この孔は、典型的には、集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）技法を使用して作成される。前記１個以上の孔の光学的局在化を改善するため、ＦＩＢ成膜技法を利用して白金矢印を堆積（ｄｅｐｏｓｉｔ）することも可能である。その底部は、流体接続及び電極用の穴を備えた微小加工ガラス・チップである。
３．ヒドロゲルへの細胞の埋め込み
【００３０】
固定の他の方法として、ヒドロゲルを使用することが可能である。この物質は、長鎖分子の間に細胞を補足することができる。ヒドロゲル分子の交差結合により、より強固な固定を達成することができる。パッチ・クランプ技法に対してヒドロゲルを使用することの利点は、基板が付加的な動きの限定方向をつくるので、基板上にヒドロゲルをスピン・コーティングする以上の製造技法の要請なしに、ヒドロゲルが試料基板の表面に細胞を保持し且つヒドロゲルの面内に細胞を限定することが可能であるという点にある。ヒドロゲルを使用することの課題は、貫通の間、細胞を同位置に保持するに十分なだけ強くなければならない反面、チップ・プローブがゲルを貫通するに十分なだけ柔らかくなければならない点にある。
【００３１】
この発明を実施するに適合する２種のゲルは、アルジネートとアガロースである。アルジネートは、溶液内のＣａ２＋イオンの存在内で交差結合する。アガロースは、固有ゲル化温度より低い温度で高粘着性ゲルになる。或る好実施例では、アガロースは、１．５重量％ゲル当たり、約２４゜Ｃと約２８゜Ｃの間でゲルになる。
【００３２】
この発明を実施するに適合する２種の試料調製方法は以下のとおりである。第１の方法は、ゲル調製の間、細胞をヒドロゲル内に混合する過程を含む。アガロースの場合、ゲル化温度は、約３７゜Ｃより低い温度でなければならない。ヒドロゲルと細胞の溶液は、次に、スピン・コーティングにより、ガラス基板上に付着される。第２の方法では、ヒドロゲルは、細胞なしに調製される。基板上にヒドロゲルをスピン・コーティングした後に、細胞を含有する懸濁液がヒドロゲルの上にスピンされる。ゲルのスピニングにより、細胞を埋め込んだ約１０ｍｍの厚さのヒドロゲル薄膜を作成することができる。
【実施例】
【００３３】
センサーの電気化学的反応
センサーの電気化学的動作を調べるため、サイクリック・ボルタンメトリーが利用された。リン酸水素ナトリウム（９９％）及びリン酸二水素ナトリウム、塩化カリウム（９９％ａ．ｃ．ｓ．試薬）、塩化ヘキサミンルテニウム（ＩＩＩ）（９９％）、銀線（直径０．５ｍｍ、９９．９％）、並びに白金線（直径０．５ｍｍ、９９．９％）が全てＳｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈから購入され、受領したまま使用された。全ての溶液は、Ｊ．Ｔ．Ｂａｋｅｒから供給された非イオン化水（ＨＰＬＣ試薬）で調製された。電気化学的計測は、電気化学的インターフェースであるＳｏｌａｔｒｏｎ１２８７を、インピーダンス／ゲイン相分析器であるＳｏｌａｔｒｏｎ１２６０と組み合わせて遂行された（Ｓｏｌａｔｒｏｎ  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ，ＵＫ）。３電極配列が採用された。センサーは、微小マニュピレーター・ステージＰＣＳ−６０００（Ｂｕｒｌｅｉｇｈ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，  ＮＹ）上に取り付けられた。この方法で、カンチレバー上のプローブは、制御された様式で、電解液の滴または膜内に浸漬することが出来た。Ｐｔ薄膜層が、基板及び対向電極として使用され、Ａｇ／ＡｇＣｌ線電極が、基準電極として使用された。Ａｇ／ＡｇＣｌ電極は、３重量％塩化物イオン（ＩＩＩ）、３％塩酸塩溶液で銀線を変性することによって製造された。計測は、電解液滴を基板上に付けた後、直ちに、開始された。気化による電解液濃度の有意的変化を避けるため、計測時間は、５分を越えなかった。
【００３４】
1つの実施例では、白金ＵＭＥと白金線電極を備えた両方のセンサーのサイクリック・ボルタモグラム（ｃｙｃｌｉｃ  ｖｏｌｔａｍｍｏｇｒａｍｓ）が遂行された。この実施例では、電解質溶液として、リン酸緩衝液が使用された。センサーは、白金線電極と同一の電気化学的表面反応の全てを示した。
【００３５】
他の実施例では、可逆レドックス系に対するセンサーの反応を研究するため塩化ヘキサミンルテニウム（ＩＩＩ）が使用された。図６には、１０ｍｍｏｌと０ｍｍｏｌの濃度のＲｕ（ＮＨ３）６３＋を備えた０．１Ｍリン酸塩緩衝電解質溶液にてとられたサイクリック・ボルタモグラム（ｃｙｃｌｉｃ  ｖｏｌｔａｍｍｏｇｒａｍｓ）が示される。０．１２５μｍ２の電極面積を備えたセンサーが試験された。ｘ−軸は、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極に関する電位（ボルト）を示し、ｙ−軸は、電流（アンペア）を示す。減少電流が、０．１ｍｏｌのＫＣＬ  Ａｇ／ＡｇＣｌ基準電極に関して−２００ｍＶより低い範囲の電位で現れた。電気化学的インピーダンス分光法（ＥＩＳ）分析が、１０ｍＭのＲｕ（ＮＨ３）６３＋に対し−３００ｍＶの直流動作電位で、５０×１０７Ωのセンサーのフアラデー・インピーダンスを計測した。Ｒｕ（ＮＨ３）６３＋レドックス系での減少電流の作動及びフアラデー・インピーダンス値は、ミクロンより小さい寸法の単一ＵＭＥの典型的特性を示し、且つセンサーの電気化学的機能性を示す。
センサーの機械的反応
【００３６】
センサーの機械的記述及びＡＦＭ走査は、長範囲（１００μｍ）走査装置（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｉｍａｇｉｎｇ，  ＡＺ）を備えたＰｉｃｏＰｌｕｓ  ＡＦＭシステムを利用して遂行された。センサーの機械的調査のため、単一プローブのカンチレバー・センサーが使用された。窒化シリコン・カンチレバーの厚さは、０．４μｍであった。カンチレバーの長さは１００μｍで、その幅は６０μｍであった。プローブの高さは１５μｍで、プローブ本体の直径は０．７μｍであった。このセンサーに対するばね定数は０．３Ｎ／ｍであった。カンチレバーの長さ及び幅を変更することにより、同一の製造工程を利用して、ばね定数は、１Ｎ／ｍから０．００１Ｎ／ｍまで調整することができる。
【００３７】
空気中での計測されたセンサーの共振周波数は、７２のＱ数（Ｑ  ｎｕｍｂｅｒ）で１０８．１ｋＨｚであった。これは、このセンサーにおける１００ｋＨｚの理論的共振周波数と十分同等である。プローブの機械的安定性は、パターン形成された表面を、高走査速度で敏速な過程を用いて走査することにより試験された。図７には、金帯状片を備えた試料基板の偏向されたＡＦＭ画像が示される。センサーは、タッピンク（ｔａｐｐｉｎｇ）様式で作動された。画像は、高解像と安定性を示す。付け加えるに、試験されたチップはいずれも、走査による損傷を受けず、センサーの機械的堅牢さを証明した。
プリアンプ回路の試験
【００３８】
上述したプリアンプ回路は、その電気的特性が試験された。典型的には、計測された電流に指数的減衰が観察された。一般的には、計測された電流が安定化するには、数分を要した。実験は、数分の帯電時定数に特徴づけられる空間電荷緩和がＰＣＢ内で生起したことを示唆する。ガード・リングと信号線の間の計測されたインピーダンスは、１０１３Ωと１０１４Ωの間であった。結論的に、ガードと信号線の間の２ｍＶのオフセットが１ｆＡよりも小さい電流を発生するであろうが、これは満足なものである。汚れの無い基板が特定されたならば、接着パッドの上に、少量のポット用接着剤が付着される。接着剤で覆われたパッドの間のインピーダンス上に計測可能なインパクトは観察されなかった。
【００３９】
ボンディング用接着剤と同様に、ＰＣＢ基板の寄生インピーダンス調査のために、１組の直流電流計測がプリアンプＰＣＢによって実施された。基板は、アセトン、イソプロパノール及び非イオン化水にて洗浄され、つづいて、８０Ｃにて３０分の焼成が行なわれた。実験の間、調査される電極は、５Ｖでバイアスされ、その結果生ずる電流は、電流増幅器（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ４８６，  Ｋｅｉｔｈｌｅｙ）により計測された。次に、プリアンプが、１組の定電位電気化学的計測によって試験された。実験装置は、１０μｍ２の活性領域を備えた銀／塩化銀被覆センサーと塩化カリウム溶液中の基準電極より構成された。溶液内の塩化物濃度は徐々に増大し、ＵＭＥと基準電極の間の電位はマルチメーターによって記録された。ＵＭＥで計測された電位は、１００ｍＭより上の塩化物濃度においてネルンスト式によって予測される電位に従った。この濃度より低い濃度では、たぶん寄生電流によるＵＭＥでの平衡の装電が原因であるが、計測された電位は、より低くかった。
細胞膜電位計測
【００４０】
電極対と電圧計とにより計測できる細胞膜電位は、細胞膜を横切る電圧降下である。この発明によるセンサーによって、培養内のラットの繊維芽細胞の膜電位を計測するため、精確且つ安定制御用のマニピュレーターを使って、センサー及びバルク電極が細胞培養基内に浸漬された。バルクＡｇ／ＡｇＣｌ電極は、細胞（基準電極）の外に配置された。ＵＭＥを備えたセンサー・プローブは、細胞がガラス・ピペットによって保持されているときに、圧電アクチュエータを使って細胞（動作電極）内に挿入された。この実験に使用されたＵＭＥは、金属層として銀を有しており、電気化学的電極インピーダンスを下げる高交換電流を有していた。貫通の間、細胞及びプローブを視覚化し且つ位置づけるため、同焦点逆顕微鏡が使用された。細胞の脂質二重層も窒化シリコンによって覆われたプローブ表面も共に疎水性であることから、プローブは細胞膜に対し確実に密封し、電流漏洩を最小限にすることができた。実験中に細胞の生存を確保すべく、貫通試験は、水性環境（Ｌ−グルタミン、１１０ｍｇ／Ｌのピルビン酸ナトリウム、及び塩酸ピリドキシンを備えたダルベッコ変性イーグル培養基）内にて行なわれた。データは、電気化学的インピーダンス分析器（Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ  ａｎａｌｙｔｉｃａｌ，  ＵＫ）によって集められた。
【００４１】
電位データは、１０分より長い時間にわたり記録された。最初、動作電極及び基準電極の両方が培養基内で細胞外に存在した。動作電極が細胞内に挿入されるにともない電圧の減少が記録されたが、動作電極が細胞内に残っている限り電圧降下は変わらなかった。図８は、細胞貫通の間の開回路電圧降下及び貫通後の定電圧データを示す。（ｘ−軸は、秒単位の時間であり、ｙ−軸は、ボルト単位の電圧であり、貫通時は図中に示されている）貫通後の電圧降下の不変性は、プローブ周囲における細胞原形質膜の密封が確実であることを示す。
【００４２】
細胞膜の電気化学的特性を計算するため、単純な電気回路と類似の等価回路が組立てられた。この等価回路は、キャパシタンスと抵抗と、フアラデー要素又は非フアラデー要素のような電気化学的要素の並列な組合せとして設計された。この等価回路には、３個の主要な電気的要素が存在する。第１のインピーダンスは、細胞培養基を介する小さい抵抗である。培養基内には高濃度の支持イオンが存在するので、溶液の抵抗は、数百Ωのオーダーである。第２の要素は、プローブの窒化シリコン層とボンディング・ワイヤを被覆するエポキシ樹脂を介するキャパシタンスである。貫通試験が非水性環境内にて行なわれるならば、このキャパシタンスは回避することができる。等価回路の最後の要素は、フアラデー／非フアラデー要素である。ＵＭＥ及び基準電極の前に、異種の電荷移動反応の動力学は、電子の流れを制限して、電荷移動抵抗を生起する、これがフアラデー要素である。フアラデー要素に付け加えるに、反応物の二重シート・キャパシタンス及び物質移動制限の故に、非フアラデー工程が存在する。電気化学的系におけるこの物質移動制限は、ワールブルク（Ｗａｒｂｕｒｇ）インピーダンスと称される。
【００４３】
ラットの繊維芽細胞貫通前に得られたインピーダンス・データに基づいて、各要素に対する値は、適合するプログラム（ｚＶｉｅｗ，  Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ）を使って計算された。繊維芽細胞を貫通した後に、等価回路は細胞膜のイオン・チャネル及び脂質二重層からの細胞膜のキャパシタンス及び抵抗の故に、わずかに変化する。この抵抗及びキャパシタンスは、等価回路内のプローブのフアラデー／非フアラデー要素と直列である。通常の細胞膜の特定キャパシタンスは、１．０μＦ／ｃｍ２付近の値であり、純粋の脂質二重層のキャパシタンス、０．８μＦ／ｃｍ２よりも、わずかに高い。細胞膜の特定抵抗は、開イオン・チャネルの数に依拠して１０Ωｃｍ２から１０６Ωｃｍ２まで変化する。
【００４４】
細胞膜の抵抗及びキャパシタンスの値を計算するために、私共は、細胞貫通の間、等価回路の電気的要素の値は固定されているものと推測して、同一の適合するプログラムを使用した。細胞からの計算された抵抗及びキャパシタンスは、各々、２．８ＭΩと９７ｐＦであった。抵抗の値は、細胞膜としては妥当である。しかし、細胞膜のキャパシタンスの値は、理論値とは相違する。これは、窒化シリコンのキャパシタンスが細胞膜のキャパシタンスを左右することが原因である。
細胞膜インピーダンス計測
【００４５】
細胞膜電位計測に使用されたものと類似の実験様式によって、細胞膜のインピーダンスを計測することができた。再度、銀の高い交換電流の利点を利用するべく銀を電極金属として利用し、それにより、プローブ自体の固有のインピーダンスは比較的に低かった。細胞膜のインピーダンスは、両方の電極が細胞外にある時に計測されたインピーダンスと動作電極が細胞内に挿入された後のインピーダンスの間の差である。図９は、細胞貫通の後のインピーダンスの変化を示すナイキスト線図である。点線は、貫通前にとられたものであり、実線は、貫通の後にとられたものである。インピーダンスの差は、細胞膜インピーダンスを表す。
細胞の原子間力顕微鏡画像化
【００４６】
私共が開発したセンサーは、生物学的細胞の高解像画像化の能力を有する。この実験に関して、私共は、単一プローブを備えたセンサーを使用し、カンチレバーは、レーザー反射率を得るために金属で被覆した。次に、クラミドノマス・ラインハルティ（ｃｈｌａｍｙｄｏｎｏｍａｓ  ｒｅｉｎｈａｒｄｔｉｉ）細胞の画像化のためにプローブを使用した。細胞の固定のため、ヒドロゲルの薄い層が基板上にスピンされ、これに細胞の埋め込みが続いた。これがゲル内に埋め込まれた細胞の底部側のより安定した位置決めを生起し、一方、細胞の上方部分はＡＦＭ走査のために露出された。私共が開発した高アスペクト比プローブは、２μｍを越えるトポロジー高さでの細胞走査が可能であった。
【００４７】
図１０は、ヒドロゲル内に埋め込まれたクラミドノマス・ラインハルティ（ｃｈｌａｍｙｄｏｎｏｍａｓ  ｒｅｉｎｈａｒｄｔｉｉ）細胞のＡＦＭ画像を示す。図１０Ａは、約１０μｍの直径で約２μｍの高さの細胞のトポロジー画像を示す。図１０Ｂは、走査輪郭線に沿った偏向画像を示しており、細胞膜表面上の精細な特徴が解像可能である。
【００４８】
この発明及びその利点が詳細に説明されたが、この発明の原理及び範囲を逸脱することなく各種の変更、置き換え、及び交替をすることが可能であることを理解されるべきである。したがって、この発明の範囲は、特許請求の範囲とその法律的均等物によって限定される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
図面と関連する詳細な説明の精読により、この発明は、その目的及び利点と伴に理解されよう。
【図１】図１は、この発明による電気的、電気化学的又は地形学的分析用のセンサーの例を示す。
【図２】図２−３は、この発明による電気的、電気化学的又は地形学的分析用のセンサーを製造する方法を示す。
【図３】図２−３は、この発明による電気的、電気化学的又は地形学的分析用のセンサーを製造する方法を示す。
【図４】図４は、この発明によるプリアンプ・ボードの略示模式図を示す。
【図５】図５は、この発明による電気的、電気化学的又は地形学的分析用のシステムを示す。
【図６】図６は、１０ｍｍｏｌと０ｍｍｏｌの濃度のＲｕ（ＮＨ３）６３＋を備えた０．１Ｍリン酸塩緩衝電解質でのこの発明によるセンサーのサイクリック・ボルタモグラムを示す。
【図７】図７は、この発明によるセンサーを利用した金属条片構造の原子間力顕微鏡写真を示す。
【図８】図８は、この発明のプローブによって動物の細胞を貫通する間の及び貫通後の開回路電圧を示す。
【図９】図９は、この発明のプローブによる動物の細胞の貫通後の細胞インピーダンスの変化を示すナイキスト線図である。
【図１０】図１０は、この発明のセンサーで原子間力顕微鏡検査法により画像化したクラミドノマス・ラインハルティ細胞の（Ａ）位相幾何学的画像と（Ｂ）偏向画像を示す。
【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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【図９】
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【図１０】
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