(57)【要約】  熱的シグネチャを使用して流体媒質試料における１つまたは複数の特定の反応をモニタリングする方法が提供され、この方法は、少なくとも１つのマイクロカンチレバーセンサを準備するステップであって、前記マイクロカンチレバーセンサが、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２種類の材料を含み、ヒータおよびピエゾ抵抗センサをその内部に一体化した、ステップと、この少なくとも１つのマイクロカンチレバーの熱的変化に対する応答を較正して、較正されたマイクロカンチレバー応答特性を形成するステップと、流体媒質試料中で上記の特定の反応を開始するステップと、ヒータに１つまたは複数の電気パルスをパルス出力して、マイクロカンチレバー中で発熱を引き起こすステップと、上記の一体型ピエゾ抵抗センサの出力をサンプリングして、流体媒質における上記の特定の反応の間のマイクロカンチレバーの応答を特徴付けるステップと、サンプリングした出力から較正されたマイクロカンチレバー応答特性を減算して、流体媒質試料における上記の１つまたは複数の特定の反応の特徴を決定するステップとを含む。また、流体媒質試料の少なくとも１つの熱的特性を測定する方法、および流体媒質試料反応検出装置も提供される。
2014515483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱的および／または機械的シグネチャを使用して流体媒質試料における１つまたは複数の特定の反応をモニタリングする方法であって、
少なくとも１つの較正されたマイクロカンチレバーセンサを準備するステップであり、前記マイクロカンチレバーセンサが、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２種類の材料を含み、ヒータおよびピエゾ抵抗センサをその内部に一体化し、前記少なくとも１つの較正されたマイクロカンチレバーセンサが、熱的変化および／または機械的変化に合わせて較正され、前記少なくとも１つの較正されたマイクロカンチレバーの自由端部が、前記流体媒質試料中に浸漬するように動作可能である、ステップと、
前記ヒータに１つまたは複数の電気パルスをパルス出力して、前記マイクロカンチレバー中で発熱を引き起こすステップと、
前記一体型ピエゾ抵抗センサの出力をサンプリングして、前記流体媒質における前記特定の反応の間の前記マイクロカンチレバーの応答を特徴付けるステップと、
前記サンプリングした出力から前記較正されたマイクロカンチレバーの応答特性を減算して、前記流体媒質試料における前記１つまたは複数の特定の反応の特徴を決定するステップとを含む、方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つのマイクロカンチレバーを、前記流体媒質試料に対して実行すべき検査に応じて、熱的感度が大きくなるように、機械的感度が大きくなるように、またはその両方の間の変動比率になるように調整するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
出力をサンプリングする前または後に、前記流体媒質試料を撹拌するステップをさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記１つまたは複数の電気パルスが、
単一の短いパルス、
複数の短いパルス、
単一の長いパルス
複数の長いパルス、および
任意の所定の配列で交互に現れる長いパルスと短いパルス
のうちの任意の１つまたは複数を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
熱的シグネチャを使用して流体媒質試料における１つまたは複数の特定の反応をモニタリングする方法であって、
少なくとも１つのマイクロカンチレバーセンサを準備するステップであり、前記マイクロカンチレバーセンサが、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２種類の材料を含み、ヒータおよびピエゾ抵抗センサをその内部に一体化した、ステップと、
前記少なくとも１つのマイクロカンチレバーの熱的変化に対する応答を較正して、較正されたマイクロカンチレバー応答特性を形成するステップと、
前記流体媒質試料中で前記特定の反応を開始するステップと、
前記ヒータに１つまたは複数の電気パルスをパルス出力して、前記マイクロカンチレバー中で発熱を引き起こすステップと、
前記一体型ピエゾ抵抗センサの出力をサンプリングして、前記流体媒質における前記特定の反応の間の前記マイクロカンチレバーの応答を特徴付けるステップと、
前記サンプリングした出力から前記較正されたマイクロカンチレバー応答特性を減算して、前記流体媒質試料における前記１つまたは複数の特定の反応の特徴を決定するステップと
を含む、方法。
【請求項６】
熱的シグネチャを使用することが、熱的および機械的シグネチャを使用することを含み、前記少なくとも１つのマイクロカンチレバーの応答を較正するステップが、熱的および機械的変化を較正するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記１つまたは複数の特定の反応が、共有結合反応、非共有結合反応、結合反応、非結合反応、抗体抗原反応、凝集反応、および血液型反応のうちのいずれか１つまたは複数を含む、請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
前記流体媒質応答における前記１つまたは複数の特定の反応の前記特徴が、前記１つまたは複数の特定の反応の有無または程度である、請求項５から７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つのマイクロカンチレバーを、前記１つまたは複数の特定の反応のうちの少なくとも１つのための試薬でコーティングするステップをさらに含む、請求項５から８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
１つが試薬でコーティングされ、１つはコーティングされない、少なくとも２つの実質的に同じマイクロカンチレバーを準備するステップと、両方のマイクロカンチレバーが前記流体媒質試料に浸漬されたときに、前記コーティングされたマイクロカンチレバーに一体化されたピエゾ抵抗センサの出力を、前記コーティングされていないマイクロカンチレバーに一体化されたピエゾ抵抗センサの出力と比較するステップとをさらに含む、請求項５から９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
流体媒質試料の少なくとも１つの熱的特性を測定する方法であって、
少なくとも１つのマイクロカンチレバーセンサを準備するステップであり、前記マイクロカンチレバーセンサが、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２種類の材料を含み、ヒータおよびピエゾ抵抗センサをその内部に一体化した、ステップと、
既知の流体媒質試料の熱的変化に対する前記少なくとも１つのマイクロカンチレバーの応答を較正して、較正されたマイクロカンチレバー応答特性を形成するステップと、
前記少なくとも１つのマイクロカンチレバーセンサの少なくとも自由端部を未知の流体媒質試料に浸漬するステップと、
前記ヒータに１つまたは複数の電気パルスをパルス出力して、前記マイクロカンチレバー中で発熱を引き起こすステップと、
前記一体型ピエゾ抵抗センサの出力をサンプリングして、前記流体媒質における前記マイクロカンチレバーの応答を特徴付けるステップと、
前記サンプリングした出力から前記較正されたマイクロカンチレバーの応答特性を減算して、前記流体媒質試料の前記熱的特性を決定するステップと
を含む、方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのマイクロカンチレバー応答を較正するステップが、既知の流体の熱的および機械的変化を較正するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記流体の前記少なくとも１つの熱的特性が、熱伝導率、熱容量、温度、体積熱容量および熱拡散率のうちのいずれか１つまたは複数である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのマイクロカンチレバー応答を較正するステップが、前記少なくとも１つのマイクロカンチレバーを、既知の流体力学的および熱的特性を有する複数の検査流体媒質試料中に浸漬するステップと、前記少なくとも１つのマイクロカンチレバーに少なくとも１つの電気パルスをパルス出力して、前記マイクロカンチレバー中で発熱を引き起こすステップと、前記一体型ピエゾ抵抗センサの出力をサンプリングして、前記検査流体媒質試料のそれぞれのマイクロカンチレバーの応答を特徴付けるステップとを含む、請求項１１から１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのマイクロカンチレバー応答を較正するステップが、前記少なくとも１つのマイクロカンチレバーに延長された長さのパルスを与えて、前記少なくとも１つのマイクロカンチレバーの定常状態熱伝達特性応答を与えるステップを含む、請求項１１から１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
検査中の前記少なくとも１つのマイクロカンチレバーの動作が、検査対象の前記流体媒質試料内で起こる反応を加速するように動作可能である、請求項１１から１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記流体媒質試料を所定の温度に加熱し、前記ヒータに供給する前記１つまたは複数の電気パルスに一定のＤＣオフセットを与えることにより、前記１つまたは複数のマイクロカンチレバーの周囲の制御された環境をバイアシングするステップをさらに含む、請求項１１から１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記バイアシングが、調査または検査中の特定の抗原抗体相互作用に有利である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
流体媒質試料における反応を検出する方法であって、
第１のコーティングされていないマイクロカンチレバーセンサを準備するステップと、
第２のコーティングされたマイクロカンチレバーセンサを準備するステップとを含み、
前記コーティングされたマイクロカンチレバーおよび前記コーティングされていないマイクロカンチレバーが、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２つの材料から実質的に同じように形成され、ヒータおよびピエゾ抵抗センサをその内部に一体化し、前記マイクロカンチレバーが、コーティング前に入力電気パルスに対して実質的に同じ特徴応答を示し、
前記第２のコーティングされたマイクロカンチレバーのコーティングが、検出対象の反応を引き起こす、または加速し、
前記方法が、
前記１つまたは複数の電気パルスで前記第１および第２のマイクロカンチレバーの両方を同時に作動させるステップと、
両方のマイクロカンチレバーを前記流体媒質試料中に浸漬したときに、前記コーティングされたマイクロカンチレバーに一体化されたピエゾ抵抗センサの出力を、前記コーティングされていないマイクロカンチレバーに一体化されたピエゾ抵抗センサの出力と比較することによって、前記マイクロカンチレバーを検査対象の前記流体媒質試料中に浸漬したときの前記第１および第２のマイクロカンチレバーへの１つまたは複数の電気入力パルスに対する応答の差を検出するステップと
をさらに含む、方法。
【請求項２０】
前記１つまたは複数の特定の反応が、共有結合反応、非共有結合反応、結合反応、非結合反応、抗体抗原反応、凝集反応、および血液型反応のうちのいずれか１つまたは複数を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記流体媒質応答中の前記１つまたは複数の特定の反応の前記特徴が、前記１つまたは複数の特定の反応の有無または程度である、請求項１９または２０に記載の方法。
【請求項２２】
請求項１から２１のいずれか１項に記載の方法を実行するように構成された装置。
【請求項２３】
第１のコーティングされていないマイクロカンチレバーセンサと、
第２のコーティングされたマイクロカンチレバーセンサと、
前記マイクロカンチレバーを検査対象の流体媒質試料中に浸漬したときの前記第１および第２のマイクロカンチレバーへの１つまたは複数の電気入力パルスに対する応答の差を検出するように動作可能な回路とを備え、
前記コーティングされたマイクロカンチレバーおよび前記コーティングされていないマイクロカンチレバーが、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２つの材料から実質的に同じように形成され、ヒータおよびピエゾ抵抗センサをその内部に一体化し、前記マイクロカンチレバーが、コーティング前に入力電気パルスに対して実質的に同じ特徴応答を示し、
前記第２のコーティングされたマイクロカンチレバーのコーティングが、検出対象の反応を引き起こす、または加速する、
流体媒質試料反応検出装置。
【請求項２４】
前記１つまたは複数の電気パルスで前記第１および第２のマイクロカンチレバーの両方を同時に作動させるように動作可能な回路をさらに備える、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記第１および第２のマイクロカンチレバーの自由可動端部が、検査対象の前記流体媒質試料用の共有容器内で互いに対向して隣接するように位置決めされる、請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
前記コーティングが、抗原または抗体であり、前記反応が、特定の抗体抗原反応である、請求項２３から２５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２７】
前記抗体抗原反応が、血液の凝集反応である、請求項２６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、流体媒質の性質を測定する方法および測定装置に関し、詳細には、特に自己検知式マイクロアクチュエータ流体プローブを用いて、抗原抗体相互作用など、流体媒質の相互作用または流体媒質内の相互作用を決定することに関する。
【背景技術】
【０００２】
流体媒質内で起こる有用な化学反応および生物学的反応は数多く存在する。これらは、例えば空気に触れたときに起こる酸化など、流体媒質と周囲環境の間の相互作用の結果であることもあれば、流体媒質が何らかの試薬または試薬を含む別の流体媒質と混合した結果であることもある。このような化学反応および生物学的反応は、産業処理や医学的診断など、様々な領域で有用である可能性がある。このような化学的反応および生物学的反応を使用するときには、特定の個々の反応が実際に起こったかどうかを確認するために、またはさらにそれらの反応の発生程度の測度を得るために、適当な測定機器が必要になることが多い。
【０００３】
流体媒質内の反応の存在または程度を測定する既知の方法もあるが、それらには、速さまたは精度の限界や、実施する際のコストまたは複雑さなど、それぞれに弱点がある。例えば、特定の抗体と抗原の流体媒質中での結合は、追加のタギング技術を用いて検出することができるが、これらの技術によって、結合の構造および親和性が変化する可能性がある。また、ラベリングは、微弱信号の複雑化および増幅も必要とする。タギングを用いないラベルフリーの方法は、表面プラズモン共鳴などの方法に基づく可能性があるが、これらの方法では、手持ち型装置内での複数の反応を測定することを見込んで複数の並行検査を実施することができない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、熱的シグネチャを使用して流体媒質試料における１つまたは複数の特定の反応をモニタリングする方法を提供し、前記方法が、少なくとも１つのマイクロカンチレバーセンサを準備するステップであり、前記マイクロカンチレバーセンサが、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２種類の材料を含み、ヒータおよびピエゾ抵抗センサをその内部に一体化した、ステップと、少なくとも１つのマイクロカンチレバーの熱的変化に対する応答を較正して、較正されたマイクロカンチレバー応答特性を形成するステップと、流体媒質試料中で特定の反応を開始するステップと、ヒータに１つまたは複数の電気パルスをパルス出力して、マイクロカンチレバー中で発熱を引き起こすステップと、一体型ピエゾ抵抗センサの出力をサンプリングして、流体媒質における特定の反応の間のマイクロカンチレバーの応答を特徴付けるステップと、サンプリングした出力から較正されたマイクロカンチレバー応答特性を減算して、流体媒質試料における１つまたは複数の特定の反応の特徴を決定するステップとを含む。
【０００５】
この方法は、流体媒質試料の非特定の反応または熱的特性などの特性（もしくは特性の変化）を経時的にモニタリングするために使用することもできる。
【０００６】
任意選択で、１つまたは複数の特定の反応は、共有結合反応、非共有結合反応、結合反応、非結合反応、抗体抗原反応、凝集反応、および血液型反応のうちのいずれか１つまたは複数を含む。
【０００７】
任意選択で、流体媒質応答中の１つまたは複数の特定の反応の特徴は、１つまたは複数の特定の反応の有無または程度である。
【０００８】
任意選択で、この方法は、少なくとも１つのマイクロカンチレバーを、１つまたは複数の特定の反応のうちの少なくとも１つのための試薬でコーティングするステップをさらに含むことができる。
【０００９】
任意選択で、この方法は、そのうちの１つが試薬でコーティングされ、１つはコーティングされない、少なくとも２つの実質的に同じマイクロカンチレバーを準備するステップをさらに含むこともあり、また、両方のマイクロカンチレバーが流体媒質試料に浸漬されたときに、コーティングされたマイクロカンチレバーに一体化されたピエゾ抵抗センサの出力をコーティングされていないマイクロカンチレバーに一体化されたピエゾ抵抗センサの出力と比較するステップをさらに含む。
【００１０】
また、流体媒質試料の少なくとも１つの熱的特性を測定する方法が提供され、この方法は、少なくとも１つのマイクロカンチレバーセンサを準備するステップであり、前記マイクロカンチレバーセンサが、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２種類の材料を含み、ヒータおよびピエゾ抵抗センサをその内部に一体化した、ステップと、既知の流体媒質試料の熱的変化に対する少なくとも１つのマイクロカンチレバーの応答を較正して、較正されたマイクロカンチレバー応答特性を形成するステップと、少なくとも１つのマイクロカンチレバーセンサの少なくとも自由端部を未知の流体媒質試料に浸漬するステップと、ヒータに１つまたは複数の電気パルスをパルス出力して、マイクロカンチレバー中で発熱を引き起こすステップと、一体型ピエゾ抵抗センサの出力をサンプリングして、流体媒質におけるマイクロカンチレバーの応答を特徴付けるステップと、サンプリングした出力から較正されたマイクロカンチレバーの応答特性を減算して、流体媒質試料の熱的特性を決定するステップとを含む。
【００１１】
任意選択で、流体の少なくとも１つの熱的特性は、熱伝導率、熱容量、温度、体積熱容量および熱拡散率のうちのいずれか１つまたは複数である。
【００１２】
任意選択で、少なくとも１つのマイクロカンチレバー応答を較正するステップは、少なくとも１つのマイクロカンチレバーを、既知の流体力学的および熱的特性を有する複数の検査流体媒質試料中に浸漬するステップと、少なくとも１つのマイクロカンチレバーに少なくとも１つの電気パルスをパルス出力してマイクロカンチレバー中で発熱を引き起こすステップと、一体型ピエゾ抵抗センサの出力をサンプリングして、検査流体媒質試料のそれぞれのマイクロカンチレバーの応答を特徴付けるステップとを含むことができる。
【００１３】
任意選択で、少なくとも１つのマイクロカンチレバー応答を較正するステップは、少なくとも１つのマイクロカンチレバーに延長された長さのパルスを与えて、少なくとも１つのマイクロカンチレバーまたは流体媒質試料の定常状態熱伝達特性応答を与えるステップを含むことができる。
【００１４】
任意選択で、検査中の少なくとも１つのマイクロカンチレバーの動作は、検査中の流体媒質試料内で起こる反応を加速するように動作可能にすることができる。
【００１５】
また、上記の方法のいずれかを実行するように構成された装置が提供され、流体媒質試料あるいはその流体媒質試料内部の反応またはその流体媒質試料の反応を特徴付けるためにこの装置を使用することができるように、装置の応答が予め特徴付けられている。
【００１６】
さらに、流体媒質試料反応検出装置が提供され、この装置は、第１のコーティングされていないマイクロカンチレバーセンサと、第２のコーティングされたマイクロカンチレバーセンサと、マイクロカンチレバーを検査対象の流体媒質試料中に浸漬したときの第１および第２のマイクロカンチレバーへの１つまたは複数の電気入力パルスに対する応答の差を検出するように動作可能な（かつ較正された）回路とを含み、コーティングされたマイクロカンチレバーおよびコーティングされていないマイクロカンチレバーが、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２つの材料から実質的に同じように形成され、その内部に一体化されたヒータおよびピエゾ抵抗センサを有し、マイクロカンチレバーが、コーティング前に入力電気パルスに対して実質的に同じ特徴応答を示し、第２のコーティングされたマイクロカンチレバーのコーティングが、検出対象の反応を引き起こす、または加速する。
【００１７】
任意選択で、第１および第２のマイクロカンチレバーの自由可動端部は、検査対象の流体媒質試料用の共有容器内で互いに対向して、かつ互いに隣接または上下になるように位置決めされる。
【００１８】
任意選択で、コーティングは、抗原または抗体であり、反応は、特定の抗体抗原反応である。
【００１９】
任意選択で、抗体抗原反応は、血液の凝集反応である。
【００２０】
任意選択で、延長された長さのパルスは、例えば５０ｍｓ超のパルス幅と、低い平均パワーとを有するパルスとすることができ、使用する低い平均パワーの具体的な値は、バイモルフマイクロカンチレバー内で使用されるアクチュエータの具体的な形状によって決まるようにすることができる。これは、マイクロカンチレバーを特定の距離だけ移動させるのに必要なエネルギーの正確な量が、マイクロカンチレバーの全体の構造によって決まるからである。ただし、機能的には、低い平均パワーは、バイモルフマイクロカンチレバーの過変形または不可逆的な変形が生じないことを保証するものでなければならない。
【００２１】
本発明の実施形態は、方法を提供し、この方法は、少なくとも１つの較正されたマイクロカンチレバーセンサを準備するステップであり、前記マイクロカンチレバーセンサが、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２種類の材料を含み、ヒータおよびピエゾ抵抗センサをその内部に一体化し、前記少なくとも１つの較正されたマイクロカンチレバーセンサが、熱的変化および／または機械的変化に合わせて較正され、前記少なくとも１つの較正されたマイクロカンチレバーの自由端部が、流体媒質試料中に浸漬するように動作可能である、ステップと、ヒータに１つまたは複数の電気パルスをパルス出力して、マイクロカンチレバー中で発熱を引き起こすステップと、一体型ピエゾ抵抗センサの出力をサンプリングして、流体媒質における特定の反応の間の前記マイクロカンチレバーの応答を提供して、流体媒質および／またはその内部の反応の１つまたは複数の特性を特徴付けるステップとを含む。
【００２２】
また、本発明の実施形態は、１つの測定値、１つのパルス、または一連の適当に成形されたパルス（例えば比較的長いまたは短いパルス、またはその両方の組合せ）から流体媒質の複数／いくつかの特性を同時に測定することにより、定常状態（熱的）特徴および機械的特徴の両方を測定および／または特徴付けすることができるようにする方法および測定装置にも関する。
【００２３】
また、本発明の実施形態は、熱的および機械的応答特性の組合せからの複数の物理的特性の同時測定を用いて流体媒質試料における１つまたは複数の特定の反応をモニタリングする方法を提供し、前記方法は、少なくとも１つのマイクロカンチレバーセンサを準備するステップであり、前記マイクロカンチレバーセンサが、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２種類の材料を含み、ヒータおよびピエゾ抵抗センサをその内部に一体化した、ステップと、熱的および機械的変化に対する少なくとも１つのマイクロカンチレバーの応答を較正して、較正されたマイクロカンチレバー応答特性を形成するステップと、流体媒質試料中で特定の反応を開始するステップと、ヒータに１つまたは複数の電気パルスをパルス出力して、マイクロカンチレバー中で発熱を引き起こすステップであり、動作が（例えば流体体積中、プローブの近傍、またはプローブの表面上での）反応の物理的性質に合わせて調整されるステップと、一体型ピエゾ抵抗センサの出力をサンプリングして、流体媒質における特定の反応の間の前記マイクロカンチレバーの応答を特徴付けるステップと、サンプリングした出力から較正されたマイクロカンチレバーの応答特性を減算して、流体媒質試料における１つまたは複数の特定の反応の特徴を決定するステップとを含む。
【００２４】
また、本発明の実施形態は、流体媒質試料の熱的および／または流体力学的物理的特性を同時に測定する方法も提供する。これらの実施形態は、少なくとも１つの較正されたマイクロカンチレバーセンサを準備するステップであり、前記マイクロカンチレバーセンサが、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２種類の材料を含み、ヒータおよびピエゾ抵抗センサをその内部に一体化した、ステップと、既知の流体媒質試料における熱的および機械的変化に対する少なくとも１つのマイクロカンチレバーの応答を較正して、較正されたマイクロカンチレバー応答特性（例えば応答信号の過渡的プロフィルおよび信号の絶対変化）を形成するステップと、少なくとも１つの較正されたマイクロカンチレバーセンサの少なくとも自由端部を未知の流体媒質試料中に浸漬するステップと、ヒータに１つまたは複数の電気パルスをパルス出力して、マイクロカンチレバー中で発熱を引き起こすステップと、一体型ピエゾ抵抗センサの出力をサンプリングして、流体媒質におけるマイクロカンチレバーの応答を特徴付けるステップと、サンプリングした出力から較正されたマイクロカンチレバーの応答特性を計算して、流体媒質試料の熱的および機械的特性を同時に決定するステップとを含むことができる。
【００２５】
任意選択で、流体の少なくとも１つの熱的および機械的特性は、熱伝導率、熱容量、温度、体積熱容量、熱拡散率、粘度、密度、剪断速度および流量のうちのいずれか１つまたは複数である。
【００２６】
また、実施形態は、少なくとも１つのマイクロカンチレバーを含む検査装置も提供する。これらは、本明細書に記載の方法のいずれかを実行するように構成することができる。少なくとも１つのマイクロカンチレバーは、マイクロカンチレバーに動作可能に結合されたデジタルメモリ、ならびに／あるいは読取り装置および／または読取り装置とともに使用される少なくとも１つのマイクロカンチレバーを収容する脱着式カートリッジとともに、製造時に（使用前）較正して、（使用前）較正を、記載した任意の方法での使用中にマイクロカンチレバーの出力との減算／比較に利用できるようにすることができる。
【００２７】
本発明の上記その他の態様は、以下に述べる実施形態から明らかになるであろう。以下、本発明の上記その他の態様について、これらの実施形態を参照して説明する。
【００２８】
本発明のさらなる詳細、態様および実施形態について、例示を目的として、図面を参照して述べる。これらの図面では、同じ要素または機能の類似した要素は、同じ参照番号を用いて示してある。図中の要素は、簡潔さおよび明快さを旨として図示したものであり、必ずしも正しい縮尺で描かれているわけではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】流体媒質の熱的特性を決定する従来技術の「熱線」検知システムの上面図である。
【図２】図１に示す従来技術の「熱線」検知システムの側面図である。
【図３】本発明の実施形態によるマイクロアクチュエータ式センサの上面図である。
【図４】本発明の別の実施形態によるマイクロアクチュエータ式センサの上面図である。
【図５】異なるセンサ形態を具体的に示す、本発明の他の実施形態によるマイクロアクチュエータ式センサの２つの上面図である。
【図６】使用中の図３によるマイクロアクチュエータ式センサの側面図である。
【図７】検査対象の流体媒質試料内で検知された異なる事象の異なる出力を示す、図６によるマイクロアクチュエータ式センサの出力グラフである。
【図８】第１の特定の凝集検査の場合の、本発明の実施形態によるマイクロカンチレバーセンサの出力信号を示すグラフである。
【図９】第２の特定の凝集検査の場合の、本発明の実施形態によるマイクロカンチレバーセンサの出力信号を示すグラフである。
【図１０】第１の特定の検査の場合の、本発明の実施形態によるマイクロカンチレバーセンサの５つの出力信号を重畳して示すグラフである。
【図１１】本発明の実施形態による差動検知装置を示す図である。
【図１２】凝集が起こる前の図１１による差動検知装置の出力を示す図である。
【図１３】凝集が起こった後の図１１による差動検知装置の出力を示す図である。
【図１４】脱イオン水中のマイクロカンチレバーの先端の撓みをとらえた像と、短いパルス（０．５ｍｓ）を用いたピエゾ抵抗のＡＣ電気応答を重ねて示すグラフである。
【図１５】ＡＣ信号（すなわち機械的信号のみ）の場合の出力応答を示すグラフである。
【図１６】ＤＣ信号（機械的信号および熱的信号）の場合の出力応答を示すグラフである。
【図１７】４センチポイズ（ｃＰ）のグリセリン／水混合物中のマイクロカンチレバーの先端の撓みをとらえた像と、長いパルス（４．０ｍｓ）を用いたピエゾ抵抗のＡＣ電気応答を重ねて示すグラフである。
【図１８】さらに長い作動パルス（パルス幅５０ｍｓ、エネルギー約２．５ｍＪ）を用いてグリセリン標準液（水に対して３０重量パーセント）中でマイクロカンチレバープローブを使用する場合を示す図であり、時間に対するＤＣブリッジ応答を左側に、時間に対する撓みを右側に示す図グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の実施形態は、以下でさらに詳細に述べるように、自己検知式熱マイクロアクチュエータまたはマルチパラメータ流体プローブを用いた、流体媒質試料内の１つまたは複数の特定の相互作用（特定の抗原抗体相互作用など）の励起／測定装置を提供する。記載するマイクロアクチュエータ式センサプローブは、マイクロカンチレバーまたは梁の形状で開示するが、その他の物理的形状のセンサを実現することもできる。
【００３１】
本明細書で使用する「流体媒質試料」という用語は、１種類の流体、２種類以上の流体の組合せ、あるいは１種類または複数種類の流体と反応を引き起こす別の媒質との混合物のいずれかを指している可能性がある。さらに、「流体媒質試料」という用語は、例えば固体部分と１種類または複数種類の流体（液体または気体など）とを両方とも含む粒子懸濁液など、１種類または複数種類の流体の物理的または錯体懸濁液を含むこともある。粒子は、例えばそれらが凝塊などとして形成されたときには、流体媒質試料の相互作用部分となることができる。広い意味では、流体媒質試料は、標本から採取された、検査に適した任意の化学的試料または生物学的試料とすることができる。
【００３２】
励起／測定装置は、熱的特性、凝固特性またはその他の特性など流体媒質の特性の測定の影響を受ける、特有のミキサと同等の機能（すなわち検査対象の流体媒質試料中の相互作用を補助する機能で、試料中で熱を強制的に対流させるのに役立つこともある）を実現することができる動的マイクロ検査／診断システムの一部を構成することもできる。このミキサ機能により、生物学的反応および化学的反応における高速な応答時間を見込むことができる。このようなシステムは、流体中の生物学的懸濁液および化学的懸濁液を必要とする測定に、特に適用することができる。また、開示する方法および装置は、「熱線」検査など、既知の標準的な媒質試料熱的検査方法に比べて、出力要件が低い。
【００３３】
このマイクロ検査／診断システムのマイクロアクチュエータは、熱的検知モードのみで動作する、または機械的検知モードのみで動作する、あるいは機械的測定および熱的測定の両方を実行するハイブリッドセンサとして動作するように、設計し、作製するこことができる。このようなマイクロアクチュエータ式センサを複数併用して、以下でさらに詳細に述べるように差動センサシステムを構成することもできる。本明細書は、本発明によるマイクロアクチュエータ式の方法および１つまたは複数の測定装置の、流体媒質試料の熱的特性またはその他の特性を測定する能力を評価するために本発明の実施形態に対して行った実験の結果、既知の標準的な測定方法または測定装置と比較したときの感度、ならびに高速な抗原抗体相互作用測定のためにどのようにしてこのマイクロアクチュエータをセンサおよびミキサとして使用するか、ということも含む。
【００３４】
図１は、流体媒質１３０の熱的特性のみを決定する従来技術のマイクロスケール「熱線」検知システム１００を示す上面図である。この検知システムは、流体媒質試料１３０を容れる容器１１０を含み、流体媒質試料１３０は、場合によっては凝固部分１４０を有するバルク流体媒質を含むことができる。凝固部分１４０は、流体媒質試料内で反応が始まって進行するにつれて出現し、時間とともにサイズ、重量または体積を増大させる可能性がある。
【００３５】
検知システム１００の検知部分は、容器の表面１２０を含み、その表面上または表面内にヒータ１５０が形成され、また容器１２０の表面上またはその表面内に温度センサ１６０が形成され、これらの温度センサは、ヒータ１５０に隣接して位置しているがヒータ１５０から離間している。これらのセンサは、特に検査中の流体媒質１３０の試料の熱的特徴、容器表面１２０の熱的特性、および温度センサ１６０のヒータ１５０からの距離を含む要因の組合せによって決まる温度を検出するように配列される。
【００３６】
この既存のセンサシステム１００の問題点としては、センサ１６０が一方の側で容器表面１２０内に埋め込まれているので、センサ１６０の結果が容器の材料の温度特性の物質的な影響を受けることにより、センサ１６０から得られる結果が隠される、または大幅に劣化する可能性があるということがある。例えば、ヒータおよび温度センサが基板表面上にある場合には、基板表面への熱伝導（熱損失）が高い。さらに、流体が静止状態であり、小容積チャンバ（すなわち１マイクロリットル未満）内に保持されている場合には、凝塊または懸濁液が短時間（すなわち３０秒未満）でセンサ表面に沈殿し、検出プロセスの効率または精度を物質的に変化させる（歪ませる）ことがある（図２に具体的に示す）。
【００３７】
さらに、容器表面１２０と流体媒質の接触境界１４５にすぐ隣接する領域しか、検知されないこともある。これは、検査中の流体媒質試料全体を真に表現したものではない可能性がある。図２は、図１に示すのと同じ検知システム１００を示す側面図であり、境界条件検知限界と、懸濁液または凝塊が得られた結果をどのように歪ませる可能性があるかをさらに明白に示す図である。さらに、利用することができる固有の流体媒質の混合機能がないことも分かる。
【００３８】
したがって、本発明は、特定の抗原抗体相互作用など、流体媒質試料の特性を検出する一体型センサを備えた動的マイクロアクチュエータを提供する。マイクロアクチュエータは、マイクロカンチレバー式センサであることが好ましい。
【００３９】
マイクロカンチレバー式センサは、第１の端部が本体に取り付けられ、第１の端部から離れた第２の端部が本体に対して自由に移動できる梁として形成することができる。マイクロカンチレバー梁は、通常は、長方形の表面領域を有し、その長方形の長辺が本体から延びる。マイクロカンチレバーは、少なくとも２つの材料層の積層を含むことができ、各層の材料は、異なる熱膨張係数を有する（すなわちバイモルフである）。これらの材料は、異なる材料であってもよいし、同じ材料を異なる熱膨張係数を有するように処理した（応力を加えた）ものであってもよい。この少なくとも２層の積層を形成するのに適した材料の一例としては、ポリイミドがある。
【００４０】
熱を加えられると、温度上昇が同じでも、一方の層の方がもう一方の層より膨張するので、マイクロカンチレバーは、熱膨張係数の小さい材料の方向に屈曲することになる。冷却すると、温度低下が同じでも、一方の層の方が他方の層より速く収縮するので、マイクロカンチレバーは、熱膨張係数の大きい材料の方向に屈曲することになる。
【００４１】
作動ヒータは、マイクロカンチレバー上またはマイクロカンチレバー内に位置することができ、マイクロカンチレバーの表面領域を横切る連続的な線またはトラックを形成する導電性材料を含むことができる。このヒータは、ヒータに電流を送る（またヒータからの熱放散をもたらす）電気接点をさらに含むことができる。これらの電気接点は、使用に際してアクセスしやすいように、本体の上側表面上に位置することができる。
【００４２】
１つまたは複数の一体型センサも、マイクロカンチレバー上またはマイクロカンチレバー内に位置することができ、マイクロカンチレバーの表面領域を横切る連続的な線またはトラックを形成する導電性材料を含むことができる。
【００４３】
ホイートストンブリッジ回路は、静電容量および抵抗の比較測定では特に感度の高い装置であるので、１つまたは複数の一体型センサの出力を測定するために使用することができる。ホイートストンブリッジ回路をマイクロカンチレバーとともに使用して、マイクロカンチレバーの移動（すなわち屈曲）の量、あるいは熱的特性などマイクロカンチレバーセンサシステム全体のその他の特性（または特性の変化）を決定することができる。ホイートストンブリッジは、マイクロカンチレバーの本体上に位置していてもよいし、またはマイクロカンチレバーセンサから遠隔に位置していてもよいが、一体型センサなど、マイクロカンチレバーセンサのそれぞれの部分の電気接点に結合することができる。使用中には、ホイートストンブリッジ回路の両端間に電圧を印加し、その中央部の両端間で電圧出力を測定する。このブリッジの出力がゼロであるときには、ブリッジは、平衡状態であり、抵抗／静電容量が等しいということになる。一体型センサの出力の変化によってレグの１つの抵抗／静電容量が変化すると、それまで平衡状態であったブリッジが不平衡になる。この不平衡により、ブリッジの中央部の両端間に電圧が現れ、そこから、流体媒質試料の特性（あるいは特性の変化または複数の特性）を示す装置全体の出力を導出することができる。抵抗性センサを使用するときには、抵抗は、機械的変化、熱的変化または同時に作用するその両方の変化によって変化する可能性がある。
【００４４】
図３から図５は、本発明によるマイクロカンチレバー式測定装置の異なる実施形態を示す図である。図３に示すように、本発明の実施形態によるマイクロアクチュエータ流体特性センサ３００は、作動部分（例えばヒータ）３１０と、ヒータとは分離した一体型センサ３２０とを含むことができる。あるいは、図４に示すように、本発明の実施形態によるマイクロアクチュエータ流体特性センサ４００は、単一の結合型センサ／ヒータ４１０を含むことができる。一体型センサは、温度変化、屈曲や撓みなどのマイクロアクチュエータの移動、または移動および温度の組合せを検出するように動作可能なピエゾ抵抗センサとすることができる。
【００４５】
複数の結合型ヒータ／センサを設け、そのそれぞれから結果を得、それらを結合して全体的な平均結果などを得ることもできる。流体媒質は、マイクロリットルのサイズの試料またはマイクロリットル以下のサイズの試料でも検知することができる。マイクロアクチュエータは、流体媒質の熱的特性の測定値および／または移動に基づく物理的特性の測定値を用いて流体／凝塊の特性を検知することができる。本明細書で述べるマイクロアクチュエータ式マイクロ熱プローブの利点は、それが流体媒質中に延びているので、（容器ではなくセンサ自体のみの）基板内または基板上に埋め込まれたヒータ／センサ構成と比較して、基板への熱伝導（熱損失）を少なくすることができ、センサが移動することがすなわち懸濁液が循環することであり、動的な反応をよりよく検知することができ、かつ／またはその反応速度を高めることにより、高速な応答時間を実現することができる点である。
【００４６】
図５は、ともにヒータ５１０および温度／移動センサ５２０を含むマイクロカンチレバーの形態のヒータおよび温度／移動センサの２つの適当な代替構成５００および５５０を示す図であるが、左側の構成のセンサ５２０はマイクロカンチレバーの長手方向に沿ったＳ字型をしており、右側の構成のセンサ５２０はマイクロカンチレバーのセンサ部分の幅に沿ったＳ字型をしている。Ｓ字型の向きの違いは、これらのセンサの長手方向の直線的な歪みに対する感度が異なることを意味し、このことが、普通なら結果に影響を及ぼす可能性がある外来歪み要因を分離するのに役立つ可能性がある。例えば、第２のマイクロカンチレバー上でＳ字型センサを使用すると、基準梁を能動的に使用することができるようになる、すなわち作動させることができる。両センサが同じである場合には、一方のカンチレバーがホイートストンブリッジの性のアーム上に位置して、他方が負のアーム上に位置するので、両方を作動すると信号が相殺されることになる。
【００４７】
これらのマイクロカンチレバーのうちの１つでＳ字型のセンサを使用するときには、Ｓ字型センサが、屈曲に対する抵抗の熱変化のみを測定するので、能動マイクロカンチレバーおよび基準マイクロカンチレバーの両方を作動することにより、より良好な純粋に機械的な信号が得られる。例えば、（ホイートストンブリッジ）の正のアームでは、信号は、検知した機械的特性および熱的特性の両方から導出されるが、（ホイートストンブリッジの）基準の負のアームでは、検知されるのは熱的特性だけである。したがって、Ｓ字型センサ構成を使用すると、（１）機械的信号と熱的信号をより良好に分離できる、および（２）両方のマイクロカンチレバーが移動することによってより無秩序に混合される、といった利点を得ることができる。さらに、一方のマイクロカンチレバーを、もう一方のマイクロカンチレバーとは異なる配向で、または異なる位置に配置して、混合特性をさらに改善することができる。さらに、これらのＳ字型構成など、異なる構成のセンサを使用するときには、センサ出力信号の熱的部分が相殺されるはずであるので、任意のパルス幅で検査を実行することができる、すなわち、作動パルスをさらに長くすることにより、スイープおよび混合の効果を高めることができる。
【００４８】
本発明の実施形態によるマイクロアクチュエータセンサは、実際に流体媒質中に延ばすことができるという点で動的にすることができ、大きなスイープ動作を行って、１つまたは複数の流体媒質反応の反応速度を加速し、流体が静止状態であり、小容積チャンバ（すなわち１マイクロリットル未満）内に保持されている場合に既知の従来技術の受動／静的装置１００で短時間（すなわち３０秒未満）で起こるのと同様に、錯体懸濁液（例えば細胞、溶球、粒子など）が沈殿しないようにすることができる。
【００４９】
図６は、本発明の実施形態によるマイクロアクチュエータ式検知システム６００の動的性質を示す図である。特に、マイクロアクチュエータ流体特性センサ３００が、ヒータ３１０の制御下で、温度／移動センサ３２０が検知する下で、ある体積の流体媒質６１０内でどのようにスイープし、結合部分１４０を含む流体媒質１３０の混合／撹拌をどのように助けるかを示している。マイクロスケールのヒータ３１０およびセンサ３２０は、流体中に延びるマイクロカンチレバーに埋め込まれている。ヒータは、パルス駆動して測定のための熱源とすることができ、また抗原抗体相互作用を循環させ加速することができる。なお、図６は、図３の線Ａ−Ａ’に沿ってセンサを２等分したセンサの図であることに留意されたい。
【００５０】
図７は、非集合化／結合（すなわち非凝集）型の流体媒質応答と集合化／結合（すなわち凝集）型の流体媒質応答の間の、マイクロアクチュエータセンサ応答の比較を示すグラフであり、本発明の実施形態によるマイクロアクチュエータ式センサシステム６００の異なる抗原抗体相互作用を区別する能力を明白に示している。特に、図７は、赤血球の凝集中、および相互作用が起きていないときの、パルス式マイクロカンチレバーセンサのピーク高さ応答を示している。非集合化のシグネチャは、流体媒質中に浸漬させたマイクロカンチレバーの有効な基準線であり、機械的および熱的沈殿によってあるレベルに（図７のＹ軸スケールで約＋１０まで上方に）向かう傾向がある。赤血球の凝集は、ピーク高さの下降（図７のＹ軸上で約−１０まで）を示しており、これは、凝集した流体媒質中ではより大きな熱拡散が起こっており、それにより、マイクロカンチレバーの撓みの制限が大きくなっていることを示している。これにより、基礎定性「イエス／ノー」型センサが形成され得る。応答の「速度」および「大きさ」は、検査中の特定の抗体抗原反応の動力学などによって決まり、それらを使用して反応を定量化することができる。
【００５１】
検査対象の流体媒質試料の熱的特性とマイクロカンチレバー応答とは、少なくとも以下の２つの手段によって結合することができる。第１に、間接的な熱的応答としてのものであり、それは、マイクロカンチレバーに一体化されたヒータから生じるジュール熱は、熱拡散や熱対流などによって周囲の流体媒質に流れて失われるが、マイクロカンチレバー内に保持される残りの熱が、センサの温度を上昇させるからである。第２に、間接的な機械的応答としてのものであり、それは、マイクロカンチレバーの撓みは、装置の温度と結合することができ、装置の温度は、流体媒質試料の熱拡散などと結合することができるからである。記載されている測定値は、検査中の流体媒質試料の熱的特性に基づく生物学的反応および化学的反応の識別およびモニタリングにおける使用の可能性を示している。したがって、熱的シグネチャを用いて反応をモニタリングする方法および装置が提供される。検査中の流体中の熱の拡散は、その流体中に懸濁する分子鎖、特にセンサの近傍の分子鎖の重量およびサイズと関連付けられることが多い。流体中の熱拡散は、懸濁液の体積、質量および密度、したがって懸濁液の熱容量または体積熱容量によって決まることもある。熱伝導率は、例えばさらに時間が経つと構造緩和して減少する可能性がある架橋ネットワーク構造の重合中には、分子の重量の平方根に比例して増大することがある。
【００５２】
図８は、より明白な凝集応答を示すグラフである。特に、図８は、Ａ型血液／抗体Ｂ凝集検査についてのΠ型（すなわち単一の一体型ヒータ／温度センサ）マイクロカンチレバーセンサの典型的な反転振幅出力の時間変化を示している。センサ出力応答は、試料を添加した時点８０１、試薬のスパイキングの時点８０２、および凝集反応が起こった時点８０３を明白に示している。混合は、使用中にマイクロカンチレバーによってオンラインで行われる。応答振幅値は、時間経過とともにプロットしたものであり、各作動パルス後の一体時間におけるセンサの出力を記録している（例えばパルスの開始後５０ｍｓ、１００ｍｓまたは２００ｍｓなど）。
【００５３】
経時変化しないニュートン流体では、プロットした振幅は、流体が１つまたは複数のマイクロカンチレバー上に落ち着いた（すなわち定常状態になった）後は変化しない（ｘ軸に沿った垂直線）はずである。同様に、別の流体／試薬を添加することによる変化が落ち着くとすぐに、より高い（この例では）平衡状態に達し、応答は別の第２の安定状態に達する。したがって、免疫学的検定（すなわち抗原抗体）反応ならびにその結果として誘導される試料中の凝集および／または凝結および／またはその他の関連効果の存在によって、センサ応答が変化することが分かる。慎重に較正すれば、これにより、センサは、血液の凝集など、任意の望ましい流体媒質反応の存在と、その程度とを検知することが可能になる。
【００５４】
図９は、別の凝集型検査（市販のスパイキング試薬Ｏｍｅｇａ  ２５Ｍ使用）についてのΠ型（すなわち単一の一体型ヒータ／温度センサ）センサの同様の典型的な反転振幅出力の時間変化を示している。この場合も、センサ出力応答は、試料を添加した時点９０１、試薬によるスパイキングの時点９０２（垂直線）、および特定の反応が起こった時点９０３を明白に示している。この場合も、混合は、使用中にマイクロカンチレバーによってオンラインで行われる。
【００５５】
図８および図９の検査では、試料のスパイキングは、試料を最初に検査システムの流体容器に入れてから所定時間後に行われる。これは、試料が熱的平衡状態（例えば安定な周囲温度）に達し、これをセンサが検知して、これに対してセンサを較正することができるように行われる。全ての読みは、マイクロカンチレバーの作動中に、駆動信号／パルスの立ち上がり縁部の約１００ｍｓ後にとる。正確なタイミングは、検査中の試料の特徴または周囲条件によって変化する可能性がある。いずれの場合も、局所的な熱平衡状態には、各パルス内で達していることが好ましい。各Ｙ軸上の値は、スパイキングが起こった試料の熱的特性の変化に対応する。マイクロカンチレバーに対して、動作中に繰り返しパルス出力することができる。
【００５６】
別の適当な較正検査では、グリセリン／水混合物中でマイクロカンチレバー流体プローブを使用することを含む。これらは、例えばマイクロカンチレバー応答の熱的成分が存在することを示す１０ｍＷおよび１００ｍｓのパルスを使用して、空気中で行った以前の特徴検査と併用することもでき、これは、熱的信号と呼ばれている。ピエゾ抵抗応答は、熱伝導性および熱容量など、検査中の流体媒質の流体力学的性質および熱的性質によって決まることがある。さらに、マイクロカンチレバーの表面から空気への熱対流の熱対流係数は、最大で水の約４０分の１程度とすることができるので、熱はマイクロカンチレバー内に維持され、温度はより高くなり、熱的信号および機械的撓みの全体的な応答は速くなる。既知の流体力学的特性および熱的特性を有するグリセリン溶液で検査を行うことにより、特定のマイクロカンチレバーの機械的応答および熱的応答を研究し、特徴付け、最終的に検査結果から除去することができ、それにより、検査中の流体媒質の特性のみに基づく修正された応答を与えることができる。
【００５７】
マイクロカンチレバーの生産は非常に均一であるので、プロダクションラン（例えばウェハ）からとったマイクロカンチレバーのサンプルの較正を用いて、同じプロダクションラン中の全てのマイクロカンチレバーを特徴付けることができる。その後、マイクロカンチレバーの応答特性を、例えばサンプリング回路に動作可能に結合されたメモリに保存して、流体媒質の試料検査の結果を現場に提供するときに参照するようにすることができる。
【００５８】
表１は、空気および２０℃の標準的な重量百分率の水／グリセリン混合溶液の近似的な流体力学的特性および熱伝導率を示す表である。空気の比熱容量は１．０１Ｊ・ｇ−１・Ｋ−１であり、水／グリセリン混合溶液の熱容量の範囲は、２０℃で４．１８〜１２．１４Ｊ・ｇ−１・Ｋ−１であり、純水が最も低い値を有することに留意されたい。
【表１】
2014515483.tif 000003
【００５９】
マイクロアクチュエータセンサの測定は、例えば平衡ホイートストンダイオードブリッジ回路など、較正した電子インタフェースを用いて行うことができる。作動熱パルスは、関数発生器から制御され、電子インタフェースを介して接続される。この電子回路は、例えばデジタル利得／チャネルセレクタを備えるシリアルペリフェラルインタフェース（ＳＰＩ）バスインタフェースを介して、ソフトウェアによって制御され、一体型温度／移動センサの応答は、例えば信号アナログチャネル上のトリガデータ取得プロセスによって記録される。ダイオードブリッジ出力は、遮蔽ＢＮＣコネクタブロックを介して、データ取得装置に接続されるように経路指定することができる。取得装置は、例えば、１６ビットの解像度、および１００ＫＳ／ｓに設定されたサンプリングレートを有することにより、１０μｓの解像度を与えることができるが、サンプリングレートおよび解像度は、適当であればどのような値を使用してもよく、本発明は、上記の数値に限定されない。ここに示す例では、平衡ホイートストンブリッジの出力をスケーリングするために適用される利得を一定にして、測定限界を１Ｖに設定して測定解像度を向上させ、試料の総数を５０００にすることができる。各試料は、例えば小数点以下６桁の２倍精度の整数として保存することができる。実際には、平衡ホイートストンブリッジ回路の出力はゼロではなく、わずかにずれていることもある。これが増幅されると、平衡ホイートストンブリッジの基準線出力電圧は、ゼロより数ｍＶ高くなる可能性がある。また、４分の１ブリッジ回路を用いるときには、マイクロカンチレバーに対する溶液の温度により、基準線が時間とともに変化する可能性がある。しかし、この基準線ドリフトは、（マイクロカンチレバー装置の温度または移動による）抵抗の変化による電圧信号の絶対的な変化には影響を及ぼさないので、各作動事象をゼロにシフトして、マイクロカンチレバー装置間の比較を可能にすることができる。各装置は、マイクロカンチレバーの周囲にシリコーン製密封材を用いて、検査中の流体媒質がヒータおよび／またはセンサに繋がる電気接点パッドと接触しないようにした状態でプロットすることができる。
【００６０】
図１０は、水に対するグリセリンの重量百分率が０から９９の溶液（表１に詳細に示す）中の１つの例示的なマイクロカンチレバー装置の応答を示すグラフである。この例では、作動パルス波、１Ｈｚの周波数および９０μＪのエネルギーを有する。マイクロカンチレバー装置は、検査と検査の間には化学処理して乾燥させ、検査中の流体媒質の相互汚染を防止する。このプロットは、０％（赤、１０１０）、３０％（青、１０２０）、７０％（緑、１０３０）、８０％（橙、１０４０）、および９９％（紫、１０５０）の濃度における測定値を示している。純水中のマイクロカンチレバー応答のエラーバーは、１％未満であるので、図示していない。
【００６１】
最低粘度の溶液（０重量％、１０１０）中のマイクロカンチレバーの応答は、行き過ぎピークと、機械的アーチファクトである副振動１０１５とを示す。次の溶液（３０重量％、１０２０）では、副振動１０２５は減衰しており、ピークはｘ軸に沿って右に移動している、すなわち、時間的に後に起こっている。応答が機械的アーチファクトである場合には、マイクロカンチレバーの流体中の移動が小さく、その速度も遅くなるので、このようになることが予想される。ピーク高さも、低下することが予想されるが、これは、この例では測定されていない。この応答も熱的成分／アーチファクトを有するので、３０重量％のグリセリンの熱伝導性が低下していることは、より多くの熱がマイクロカンチレバー内に保持され（熱は周囲の流体媒質にはそれほど伝達されないため）、それにより一体型温度／移動センサにおいてより大きな熱的信号を生じることを意味している。グリセリンの重量百分率が高い溶液（１０３０〜１０５０）の測定結果は、明白な副振動を示さず、ピーク高さは低下して、ｘ軸に沿ってさらに右に移動するが、流体媒質の熱伝導は減少し続ける。この傾向は、熱伝導が約半分に低下する一方で、３０重量％から９９重量％までの間で流体力学的性質が大幅に上昇する（粘度が２．５ｃＰから１１５０ｃＰに上昇する）ことによる可能性がある。
【００６２】
上述のマイクロアクチュエータセンサシステム、特にマイクロカンチレバーセンサシステムは、熱的シグネチャを用いることによって特定の抗原抗体相互作用／反応を測定するように動作することができる。これは、赤血球細胞の凝集を用いて、通常の対照検査で検査されている。例えば、抗Ａ抗体を用いて、ヘマトクリット４０％のＡ型全血２０マイクロリットルに対して抗Ａ検査を行うことができる。使用するマイクロカンチレバーは、電気パッドおよび接続を絶縁する非導電性シリコーンゴムを用いてそれぞれ流体媒質から電気的に絶縁する。マイクロカンチレバーは、１つの装置のみを作動した４分の１ブリッジ構成で接続することができる。マイクロカンチレバーは、１００ＫＳ／ｓおよび＋／−Ｖｏｌｔに設定された電圧測定制限においてサンプリングすることができる。マイクロカンチレバーは、１Ｈｚでパルス出力することができ、データを解析してピーク高さおよびピーク位置を調べる。その結果は、例えば１０試料の移動平均を有することができ、これをデータに適用して平均結果を得ることができる。
【００６３】
本発明の実施形態によるマイクロカンチレバーセンサは、適当な較正を利用して定量測定を可能にすることができるが、定性測定（すなわちＹＥＳ／ＮＯ）の方が容易に行うことができる。これは、凝集、（特定の抗体の存在を調べる血液検査などの特定の検査で分かる）反応など、抗原抗体反応が存在することが既知である場合には、図７に示すように、マイクロカンチレバーセンサシステムは、陰性の結果と比較して逆の方向に向かう陽性の結果を与えるからである。
【００６４】
検査結果は、結合が起きない場合には熱的応答が増大し、結合が起きる場合には低下するので、特定の抗原抗体相互作用の測定にマイクロカンチレバーを使用することができることを示している。これにより、２つの場合を直ちに観察可能／検出可能に区別することが可能になり、さらに、極めて高速な応答時間が得られる。
【００６５】
マイクロカンチレバーセンサは、さらに、マルチパラメータ検知（機械的かつ熱的）、または例えば（スイープ動作を大きくする、または特定の形態にすることによる）改善された混合など独自の属性を有する熱センサに備えるように構成することもできる。
【００６６】
［熱検知プローブの設計および標準的な技術との比較］
図１および図２に示すように、流体の熱伝導率を測定する標準的な方法では、熱線方法を用いる。この方法は、ヒータおよび温度センサが位置する表面の近傍の検査流体媒質を通して直線熱源から既知の距離の所の温度の動的上昇を測定することに基づく。既知の流れが熱をセンサに運び、温度の測定が行われる流体流内で、同様の構成を使用することもできる。ヒータおよびセンサは、それぞれジュールヒータおよび熱電対として作用する、単純な金属蒸着トラックである。
【００６７】
比較すると、本発明の実施形態によるマイクロカンチレバー流体プローブもヒータ（金属蒸着によって形成してもよい）を含むが、金属製のピエゾ抵抗温度／移動センサも含む。
【００６８】
従来の方法には、多くの制限がある。第１に、ヒータおよびセンサが、薄い電気絶縁層を有する基板の表面上に作製される。基板は優れた熱伝導経路を提供するので、測定が基板に依存すると同時に、基板へのパワー損失を補償するために高いパワーが必要になる。一方、本発明の実施形態による自由に移動できるマイクロカンチレバーは、試料中に延びることができるので、基板への熱の伝導による損失を低下させ、ひいてはこれらの特徴を改善することができる。
【００６９】
また、従来の技術は、表面上の静的なものであるので、基板に近い境界を真に測定する。例えば、試料が懸濁液を有する場合には、これらの懸濁液は、基板表面上に沈殿し、測定に大きな影響を及ぼすことになる（例えば、流体が静止状態であり、小容積チャンバ（すなわち１マイクロリットル未満）内に保持されている場合には、これが短時間（すなわち３０秒未満）で起こる可能性がある）。一方、マイクロカンチレバーは、流体中に延びて体積測定を可能にし、また、梁の動的作動を用いて粒子を懸濁状態に保つことができる。反応測定では、この動的作動は、混合を加速して拘束の応答時間をもたらすこともできるので、特に有利である。
【００７０】
マイクロカンチレバーが流体中への延長部であり、基板への依存性が低いので、この装置は、検査中の流体媒質試料およびその中で起きている反応の、より感度の高い測定を行うことができる。
【００７１】
本発明の実施形態によるマイクロカンチレバーセンサシステムは、ヒータおよびセンサの層を、マイクロカンチレバーを構成するバイモルフ材料の界面に埋め込んで、それらが可能な限り中立軸の近くに位置するように作製することができる。これにより、マイクロカンチレバーを動的混合に使用することが可能になるが、一体型ピエゾ抵抗の機械的信号はゼロに近くなる。したがって、これにより、一体型センサ出力の熱的分離および移動分離をより良好に行うことができるようになる。
【００７２】
ピエゾ抵抗は、ＣｕＮｉ、金、アルミニウムまたは白金など、適当な材料で構成することができ、個々のケースの金属／合金の選択は、必要とされる熱伝導率（比較的高いまたは低い）によって決まる。ＣｕＮｉは、抵抗温度係数が低いので、流体中の熱的変化による温度変化に対する感度が低い。金、アルミニウムおよび白金は、抵抗温度係数が高いので、それより高い感度を有する。例えば金と白金はヒータにも適した材料であるので、センサ用に適当な金属を選択することにより、ヒータおよびセンサの層を一体に実現することができる。
【００７３】
［マルチパラメータ流体プローブの設計］
また、機械的（粘度）マイクロカンチレバー流体プローブを熱測定と組み合わせることも可能である。このようなシステムは、１つの低エネルギーパルスで、例えば粘度、熱伝導率、熱容量、密度および温度など（ただしこれらに限定されない）、流体媒質の複数の特徴の測定値を抽出することができる可能性があるように構成することができる。これは、撓みに対する感度が５０％であり、温度に対する感度が５０％である応答を与えるピエゾ抵抗の材料を選択することによって実現することができる。例えば、ニクロムは、適した選択肢である。
【００７４】
マイクロアクチュエータセンサは、マイクロカンチレバーのスイープの機械的減衰など、流体媒質の物理的特性の変化を用いて、また熱を加えることによってマイクロアクチュエータを作動する場合には、付勢されたマイクロカンチレバーから流体媒質中への熱の拡散から、特定の抗原抗体相互作用を測定することができる。
【００７５】
マイクロアクチュエータセンサは、機械モード、熱モードまたは機械／熱結合モードで測定することができる。様々に組み合わせることによって、特定の抗原抗体相互作用のマルチパラメータフィードバックおよび２次確認を行うことができる。これに加えて、またはその代替として、複数パラメータ測定は、それぞれ異なる独立した動作モードに設定した複数のマイクロアクチュエータを使用することによって行うこともできる。
【００７６】
マイクロカンチレバーセンサは、異なる熱膨張係数を有する２層以上の材料層を用いた熱的バイモルフまたは熱的マルチモルのマイクロアクチュエータに基づくことができる。熱的モーフィングは、一体型の金属ヒータおよびピエゾ抵抗センサを用いることによって生じさせることができる。ヒータとセンサは分離していてもよいし、結合型のヒータ／センサを使用してもよい。複数層の材料層を使用することで、真の面外撓みをもたらすことができ、これにより、流体媒質中の環境パラメータの相互作用および測定／フィードバックが可能になる。
【００７７】
マイクロカンチレバーは、ミクロの寸法で形成することができ、例えば、長さを６００から８００ミクロン、幅を８０から３００ミクロンとし、その組合せによって２００から４００ミクロンの先端撓みをもたらすことができる。このように形成されたマイクロカンチレバーは、マイクロリットル単位の体積の流体媒質の試料の調査を可能にすることができる。
【００７８】
機械的検知モードでは、マイクロカンチレバーに対して、マイクロカンチレバーを構成する異なる熱膨張係数を有する２層以上の層の熱膨張の差によってスイープを引き起こす（白金、金、アルミニウムなど任意の適当な金属または合金など適当な材料で構成された）一体型ヒータを介した短い電気信号をパルス出力する。その結果生じる撓みは、マイクロカンチレバーの物理的特性、および検知される流体媒質の（変化する可能性がある）特性によって支配される。マイクロカンチレバーの特性は既知であり、かつ／または（特性または特性の変化が既知である）様々既知の媒質と突き合わせて較正することができるので、例えば特定の抗原抗体反応、さらに具体的には凝集や血液凝固反応などの流体媒質反応を特徴決定および測定を行うために、未知の流体媒質または未知の反応が起こる流体媒質を検知することができる検知方法およびセンサ装置を提供することができる。
【００７９】
検知することができる様々な流体媒質特性としては、粘度、密度、粘弾性、降伏応力および／あるいは懸濁粒子または細胞の凝集または沈降効果などが挙げられるが、これらに限定されるわけではない。センサは動的であるので、流体媒質特性の検知は、極端に局所的ではない。このことは、（特に化学的反応または生物学的反応によって）流体媒質中の測定が変化するときには、それらが一点ではなく一定の体積を持った空間に作用するので、重要な利点となる。
【００８０】
熱を加えることによってマイクロカンチレバーを起動するとき、それは、既知の形状の電気パルスをヒータに与えることによって行うことができる。ヒータに与えられる電気パルスの幅は、検査している流体媒質の既知の物理的特性に基づいて、または測定している特定の既知の物理的特性に基づいて、最適な検出動作が得られるように設定することができる。パルス幅の典型的な有効範囲は、５ｍｓまでである。
【表２】
2014515483.tif 000004
【００８１】
必要な抗原抗体相互作用の特定の結合において特定の抗原抗体反応の流体媒質の特質の変化の検出を試みるときには、マイクロカンチレバーの機械的信号が減衰する可能性があり、そのため振幅および／または数が減少する。したがって、この減衰により、最大振幅に達するのに要する時間がより大きな値にシフトする可能性があり、かつ／または信号高さが低下する可能性がある。この減衰効果は、コーティングされた抗体を有する溶球を反応に用いることによって強化することができる。これらの溶球を、マイクロカンチレバー上に適当な方法で形成することにより、マイクロカンチレバーの周囲の領域内で確実に反応が起こるようにする、またはセンサを反応を起こすための触媒に変化させることができる。これは、マイクロカンチレバーを化学的、生物学的反応（特に血液サンプリングなど、健康に基づく生物学的検査反応）において診断用検知装置として使用するとき、産業分野の化学的／生物学的プロセスの結果または進行状態を検査するために使用するとき、あるいはその他の任意の触媒駆動プロセスのサンプリングシナリオに使用するときに、特に有用である。
【００８２】
本発明によるマイクロカンチレバーの機械的信号の減衰は、マイクロカンチレバー上に、またはその一部として形成したパドルを使用し、マイクロカンチレバーまたはパドルにスリットまたは穴を形成することにより、あるいはマイクロカンチレバーを作製時に（例えば成形により、かつ／または平面構成技術を用いることにより）そのように形成することによって、強化することができる。パドルは、反応領域または検知領域あるいはその両方を増大させることができる。これらのスリットまたは穴（すなわち穿孔）は、より大きく結合した懸濁物質（コーティングされた溶球など）を意図的に捕捉することにより、梁を通る流れを制限するように形成することもでき、あるいは、流体媒質中の特定のタイプまたはサイズの粒子のみを選択的に捕捉するように形成することもできる。検知されている流体媒質反応が、例えば抗原抗体結合の一部として時間とともにサイズが大きくなる粒子を生じる場合には、穿孔は、（現在存在している粒子のサイズに基づいて）特定の重要な時点で流体媒質反応と相互作用するように形成することもできる。このようにして、流体媒質反応の状況を正確に決定することができる。
【００８３】
機械的検知モードでは、（コンスタンタン（ＣｕＮｉ）などの材料で構成することにより）移動検知ピエゾ抵抗の抵抗温度係数を低くすると有利である。このようにして、機械的変形による移動信号を最大にすることができる。また、圧電センサをマイクロカンチレバーの表面の近傍に、かつ／またはマイクロカンチレバー装置全体の中立軸から離間して配置して、マイクロカンチレバーが屈曲したときに圧電センサが受ける応力／歪みを増大させると有利であることもある。
【００８４】
熱的検知モードでは、機械的検知モードのみの場合に使用するより長い電気パルスをマイクロカンチレバーにパルス出力することができる。これは、流体媒質内で（例えば５０ｍｓ超えのパルス幅を用いることによって）カンチレバーを定常状態に付勢する、または周囲の流体媒質中に散逸する既定の「エネルギーパケット」、すなわち熱エネルギーインパルスを送出するように行うことができる。この熱エネルギーが流体媒質中に散逸するにつれて起動され加熱されたマイクロカンチレバーの撓みが減少すると、これにより流体媒質反応を特徴付けることができる、または特徴付ける助けとなる可能性がある。流体媒質の熱拡散率が高くなるほど、流体媒質中に拡散するエネルギーが増加し、マイクロカンチレバーに残ってマイクロカンチレバー構造を加熱する熱エネルギーが減少するので、流体媒質の温度が上昇する。
【００８５】
マイクロカンチレバーの温度の変化速度および絶対変化を使用して、熱伝導率、熱容量、および熱拡散率と体積熱容量を含む結合要因など（ただしこれらに限定されない）、媒質の温度特性を示すことができる。マイクロカンチレバー表面と流体媒質試料の間の熱伝達率も、熱対流係数など、その他のパラメータの指標を与えることができる。マイクロカンチレバーの温度の変化速度および絶対変化は、関連する（かつ所定の）温度感度を有する一体型の金属製ピエゾ抵抗から直接測定することができる。特定の抗原抗体相互作用が起こると、局所的な流体媒質の熱拡散が変化する可能性がある。例えば、マイクロカンチレバーが適当に較正されているときには、熱拡散が増大すると、それにより各パルスの間にマイクロカンチレバーに残るエネルギーが減少し、これによりマイクロカンチレバーセンサ上の温度／信号が低下し、それにより当該の特定の抗体抗原相互作用の存在を示すことができる。
【００８６】
熱検知モードでは、パルス幅が長いために媒質のスイープを大きくすることができるので、混合動作が大きくなり、それにより反応速度を高まるので、改善された動作を実現することもできる。
【００８７】
熱検知モードでは、金や白金など、高い抵抗温度係数を有するセンサを有することが望ましいこともある。このような構成では、ヒータとセンサの材料が同じで、作製時に単層で堆積することができるようになっていると有利であることがある。センサをマイクロカンチレバー全体の中立軸付近に配置して、屈曲時の応力をゼロにすると有利であることがある。センサは、Ｓ字型構成に形成して、カンチレバーの長さに沿った機械的応答を低下させることができる。一体型のヒータ／センサ層を有する、熱膨張係数の異なる２つの層で構成した２層マイクロカンチレバーの場合には、上層の厚さｔ１および下層の厚さｔ２がそれぞれ
【数１】
2014515483.tif 000005
および
【数２】
2014515483.tif 000006
であるときに、センサが中立軸に位置しているときに最適な撓みが得られるようにマイクロカンチレバーを設計することができる。ここで、ｋはマイクロカンチレバーの梁の所望の剛性、Ｌはマイクロカンチレバーの梁の長さ、Ｅ１およびｗ１は上層のヤング率および幅、Ｅ２およびｗ２は下層のヤング率および幅である。
【００８８】
マイクロカンチレバーセンサ層は、センサの屈曲などの動きまたは温度、あるいはマイクロカンチレバーの物理的パラメータのその他の任意の適当な変化に対する感度を有することにより、マイクロカンチレバー全体としての動きまたは温度を示すことができる。その後、マイクロカンチレバー全体としての動きまたは温度を使用して、流体媒質およびその反応の特徴を決定することができる。
【００８９】
マイクロカンチレバーセンサは、短いパルスと長いパルスを交互に（先に短いパルス、その後長いパルス、またはその逆の順序で）使用して機械的応答および熱的応答を順番に測定する移動／熱デュアル検知モード、あるいは機械的感度および熱的感度の両方を有するセンサ（例えばニクロムで構成した場合など）を使用して、熱的特性および機械的特性を応答から抽出する結合モードで使用することができる。この場合には、最大撓みになる時間が、機械的応答を示すことができ、最大応答の振幅（すなわち高さ）が、熱的応答を示すことができる。２次撓みの時間および／または振幅も、同様にして使用することができる。１次撓みと２次撓みの比は、検査中の反応性流体媒質の物理的特性の変化を決定し、それにより反応の特徴付けを可能にする際に特に有用であることがある。
【００９０】
マイクロカンチレバーセンサは、ヒータに与える電気パルスに一定のＤＣオフセットを与えることにより、小体積の流体媒質試料を所定の温度に加熱するために使用することもできる。これにより、調査または検査中の特定の抗原抗体相互作用のための制御された環境の熱的範囲および熱的最適条件が実現できる（すなわち「バイアシング」することができる）。所定の温度、および反応によるその変化（例えば発熱または吸熱の場合など）は、例えばヒータの公称抵抗を検出することによりパルス出力の前に、またはフィードバックを通して、ピエゾ抵抗の公称抵抗で測定することができる。
【００９１】
マイクロカンチレバーセンサの構造は、特定の検査ケースのシナリオに合致するように、すなわち、検査中の流体媒質試料に合致するセンサの適当な広範な熱的特徴を実現するように選択することができる。以下の表２は、マイクロカンチレバーセンサの構築に使用することができる様々な材料の熱容量、熱伝導率および熱拡散率を示している。
【表３】
2014515483.tif 000007
【００９２】
上記の表２から、金の熱拡散率は、ポリイミドより３〜４桁大きいことが分かる。簡略にするために、金層で構成されたヒータは瞬間的に加熱されるものと仮定することができる。簡略化した過渡温度方程式モデルに基づき、厚さが約６μｍで、中央部、例えば異なる応力を受ける層と層の間などにヒータが埋め込まれたポリイミド製カンチレバー梁の温度定数は、数十マイクロ秒の範囲内であると仮定することができる。
【００９３】
１次元の過渡温度の２次偏微分方程式を用いて同様の厚さのＳｉＯ２膜の解析による熱拡散を比較すると、
【数３】
2014515483.tif 000008
および
【数４】
2014515483.tif 000009
が得られる。ここで、Ｔ０は、加熱された要素と周囲の媒質の間の界面における一定温度、ｘは、媒質中に延びる距離、ｔは時間、Ｄは、熱伝導率を熱容量および質量密度で割った値に等しい媒質の熱拡散定数、およびｅｒｆ（）は、引数の表値を戻すガウス誤差関数である。
【００９４】
ヒータからの距離が例えば３μｍに維持されている場合には、上記の方程式を用いた温度プロットの比較から、ポリイミド製マイクロカンチレバーの時定数が数マイクロ秒（最大０．１ｍｓ）であることが分かる。これは、ＳｉＯ２で構成した同等物より１０倍も遅く、Ｓｉで構成した同等物より１０００倍も遅いが、それでも、実際にはマイクロカンチレバーと流体媒質の間で瞬間的な熱伝達が起こっているとするのに十分な速さである。また、これは、ＳｉＯ２製の構造では１０倍速く、Ｓｉ製の構造では１０００倍速く熱が「逃げる」ということであるから、Ｓｉ系の同等物と比較してポリイミド製カンチレバーが（熱の保持に関して）いかに効率的であるかということも示している。上記の計算は、５０ｍｓ、１００ｍｓまたは２００ｍｓのパルス長を有するパルスによってマイクロカンチレバーを作動することにより、ポリイミド構造では熱伝搬より３桁速く連続的な加熱を行うことができるということを示している。換言すれば、各パルスで、例えば１００ｍｓ後に値を記録すると、マイクロカンチレバーと流体の界面は必ず熱的平衡状態に達しているので、カンチレバーの温度はその体積全体で定常状態にあり、流体との熱交換も一定である。したがって、出力値は、カンチレバー／流体の界面における熱的特性を表している。
【００９５】
本発明の実施形態による能動マイクロカンチレバーセンサは、したがって、熱伝導率、熱容量、温度、体積熱容量、熱拡散率などの内の任意の１つまたは複数など、流体媒質試料のいくつかの異なる熱的特性の測定を可能にする。さらに、特に上述の凝集など流体媒質試料が反応に関わっている場合には、これらの特性の（相対）変化および／またはこれらの特性の変化速度のモニタリングを実行して、流体媒質試料の特徴付けを補助することができる。
【００９６】
熱伝導率は、物質の単位断面領域に対して直交する温度勾配が存在するときに、熱がその単位断面領域を通って伝導によって伝達される速度とすることができる。熱伝導率は、２つの面の温度差が１°であるときに、所与の単位時間内に物質の単位立方体を通過する熱の量として表現することができる。マイクロカンチレバー内部のピエゾ抵抗センサがどの程度の温度に対する感度を有しているかが既知である場合には、（粘弾性の寄与から切り離した後で）それらの抵抗変化に基づいて、上記の熱伝導率の変化に照らしてセンサの読みを解釈することができる。
【００９７】
熱容量は、材料の比熱（すなわち比熱＊密度）と関連付けることができ、また、単位質量の物質で単位温度変化を生じるのに必要な熱の量、換言すれば物質の熱を貯蔵する能力と関係している。凝結や凝集などによって、流体媒質試料の局所的な密度が変化することが観察されている。したがって、熱容量（相対）変化（および熱量量の変化速度）を最初の無反応状態からモニタリングすると、流体媒質試料または起こっている反応の特徴付けを補助することができる。
【００９８】
熱拡散率は、媒質中を熱が伝導する速度を示している。熱拡散率は、熱伝導率および熱容量（比）と関係している。熱拡散率が高いと、対流が妨げられる。
【００９９】
さらに詳細には、熱容量情報は、流体媒質試料の温度が上昇する速度、したがってマイクロカンチレバー応答が増大する速度から得られる。簡単な方程式はＱ＝ｍｃ．ＤＴであり、ここで、Ｑは伝達される熱、ｍは質量、ｃは比熱容量、およびＤＴは温度変化である。拡張形式では、これを過渡的に、すなわち異なる方程式を用いて見る。したがって、例えば、ｄＱ／ｄｔ＝ｍｃｄＴ／ｄｔなどがある。すなわち、流体媒質試料の温度の経時変化は、マイクロカンチレバーから得られるパワーを質量と熱容量で割った値によって決まる。流体の質量は未知であることもあるので、密度（ｐ）＝質量（ｍ）／体積（ｖ）を用いて質量を置換して、ｄＱ／ｄｔ＝ｐｖｃｄＴ／ｄｔを得ることができる。
【０１００】
上記の方程式から、ｐｃ（密度×熱容量）が特徴方程式に含まれており、これが体積熱容量であることが分かる。体積依存性があるが、これは、マイクロカンチレバーの周囲のチャンバの既知の寸法を用いて流体媒質サンプルの既知の体積を知ることによって克服することができる。したがって、定義では、特定の特性値が分かっていれば、残りの値を導出することができる。例えば、熱伝導率が既知であり、体積熱容量が決定されれば、熱拡散率も決定することができる。
【０１０１】
本発明の実施形態によるマイクロアクチュエータセンサに、同様に、特定の抗原抗体相互作用または不特定の反応の「定量的」（すなわち目盛りによる測定法）測定および「定性的」（すなわちＹＥＳ／ＮＯ）測定に使用する（それにより特定を可能にする）ことができる。例えば、本発明の実施形態によるマイクロアクチュエータは、抗原抗体相互作用をいくつかのクラスに類別することを可能にすることができる。これは、空気、水、グリコール、特定の抗原抗体反応など、既知の媒質またはその混合物中のマイクロアクチュエータセンサにパルス出力し、その後、これらの媒質中のマイクロアクチュエータセンサからの撓み信号の相対変化または絶対変化を測定することによるマイクロアクチュエータセンサの自動較正を用いて行うことができる。その後、未知の媒質または反応に適用することにより、未知の流体媒質または反応の特徴を得、識別を含むパラメータの決定を可能にすることができる。
【０１０２】
パルス出力されない第２のマイクロアクチュエータセンサを、適当な半ブリッジ電子回路またはフルブリッジ電子回路において基準として使用することができる。これにより、環境振動、背景温度および電気ノイズなどを補償することにより、安定性を実現することができる。
【０１０３】
特定のタンパク質同士の結合などの検査のためにマイクロカンチレバーセンサの適当な表面コーティングを使用する、適用可能な差動型検知方法も提供することができる。例えば、マイクロカンチレバーを前立腺特異抗原（ＰＳＡ）でコーティングして、前立腺癌の検出を補助する。この種類の方法を、（蛍光）タギングの代わりに使用して、タギング技術では検出不可能である可能性がある非常に低い濃度のタンパク質の結合を測定することができる。これは、より速い検出が可能であることを意味し、これは、治療可能性を高めるために重要である。この開示する差動検知方法には、タンパク質の構造の変化（蛍光タグを適用したときには起こる）と、蛍光タギングの実施が複雑で増幅が困難であるという問題とを、回避できるという利点がある。さらに、開示した差動検知方法は、より容易に多重化することができる、すなわち１回の検査でいくつかの異なるマーカを測定することができる。例えば、息切れが現れている患者は、原因を確認するために最大で５以上のマーカを検査する必要があることもある。これは、処置を行う場所までそれほど持ち運びやすいわけでもない蛍光タグを用いた拡張検査を別々に５回実行しなくても、単純に全て近い時間または同時に適用される適当な数の差動センサを必要な抗原でコーティングすることにより、容易に実現することができる。
【０１０４】
さらに、開示した差動検知方法は、共振ケイ素マイクロカンチレバーおよび／または受動マイクロカンチレバーに優る利点を有する。共振（この場合、結合が起こっているときの周波数変化を見る）に関する問題点は、流体中の減衰が有意であり、鮮明なピークを得ることが非常に困難であり（すなわち検査のＱが非常に低くなり）、本明細書に開示する能動マイクロカンチレバーを用いる差動検知方法で得られる明白なＹＥＳ／ＮＯ出力のようなものがまったく得られないことである。さらに、受動マイクロカンチレバーセンサの問題点は、背景環境のドリフトおよび振動の中で非常に小さな撓み（すなわちｎｍ以下から数十ナノメートル）の信号を正確に検出するのに、場合によっては複雑で嵩張る光学干渉計を用いなければ実現できない非常に高い解像度の撓み測定が必要になり、かつ制御された条件（すなわち温度、振動）が必要になることである。
【０１０５】
図１１は、抗体でコーティングされたマイクロカンチレバー１１１０とコーティングされていないマイクロカンチレバー１１２０とを両方とも含む差動検知装置１１００の実施形態を示す図である。この差動検知装置は、１つのマイクロカンチレバー装置をとり、それを適当な反応性コーティングの中に浸漬し、次いで第２のマイクロカンチレバー装置チップを取り、それをコーティングせずに残すことによって形成することができる。次いで、２つのマイクロカンチレバーを、それぞれの自由端部が隣接する、または互いに上下になるようにして位置決めして、検査対象の流体媒質試料がコーティングされたマイクロカンチレバーおよびコーティングされていないマイクロカンチレバーの自由端部および可動端部の両方を覆うことができるようにすることができる。次いで、両装置を、半ホイートストンブリッジに接続する。
【０１０６】
パルス出力方法を使用して、その他の点では同じである（例えば一方が抗体でコーティングされていることを除けば同じである）マイクロカンチレバーを両方とも作動させることができる。次いで、例えば血液などの検査対象試料を、両装置の上に投入する。最初は、応答は、どちらのマイクロカンチレバーでもほぼ同じであるが、半ホイートストンブリッジに接続されているために極性は逆であり（１２１０が正、１２２０が負）、したがって、その結果得られる信号は、図１２に示すように、ほぼ平坦なゼロ線１２３０となる。一方、コーティングされたマイクロカンチレバーで結合が起こると、それによりカンチレバーの梁の物理的特性が変化し、したがって、図１３に示すように、コーティングさえたマイクロカンチレバー１３１０とコーティングされていないマイクロカンチレバー１３２０の間の信号の差が変化し始め、非ゼロ出力１３３０が得られる。出力信号は、（半ホイートストンブリッジ回路の動作による）これら２つの間の差であり、基準線がゼロであるので大幅に増幅することができる。
【０１０７】
特許請求の範囲では、括弧内の任意の参照符は、当該の請求項を限定するものとして解釈すべきではない。「含む」という用語は、請求項に記載されている要素またはステップ以外の要素またはステップの存在を排除するものではない。さらに、本明細書で使用する不定冠詞は、１つまたは複数を指すものとして定義する。特に指定がない限り、「第１の」や「第２の」などの用語は、それらの用語が述べる複数の要素を任意の区別するために用いたものである。したがって、これらの用語は、それらの用語の時間的な順序またはその他の優先順位を必ずしも示しているわけではない。特定の測定法が相互に異なる請求項で引用されているということだけで、これらの測定法またはその一部の組合せを有効に用いることができないということにはならない。
【０１０８】
結合不可能、すなわち結合することが物理的に不可能であると明示的に述べていない限り、本発明の開示および記載した様々な実施形態は、部分的に、または全体的として結合することができる。
【０１０９】
バイアシングの例としては、次のようなものが挙げられる。例えば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）技術で熱サイクルを使用して、タンパク質を変性および再構築することができ、これは、適当な熱バイアシングによって行うことができる。あるいは、特定の温度で、特定の検査物質の所望の化学相変化を起こすことができ、これは、バイアシングによって行うことができる（例えば液体から気体、または例えば接着剤の硬化など液体から固体）。熱バイアシングは、例えば２５℃から開始して３０℃を経由して３５℃までなど、ある温度範囲にわたって物理的特性（の変化）を読みたいときにも有用であることがある。
【０１１０】
短パルスマルチパラメータプローブの実施形態について、図１４を参照して述べる。図１４は、脱イオン水中のマイクロカンチレバーの先端の撓みをとらえた像と、短パルス（０．５ｍｓ）を用いた場合のピエゾ抵抗のＡＣ電気応答を重ねて示すグラフである。マイクロカンチレバーの動きを、高速カメラ（６３０２１ｆｐｓ）で撮影し、先端（青丸で示す、１４０１）を追跡するためのシルエットを与えるようにピクセルを修正してある。この画像は、図１４の左側に示してある。出力信号は、図１４の右側に示してあり、これは、ピエゾ抵抗の出力信号ＡＣ電気成分がどのように信号の機械的撓み／減衰をトレースしているかを示している。撓みの変化速度、撓みの振幅ならびに山と谷の位置が、流体の流体力学的特性を特徴付ける。
【０１１１】
図１５は、ＡＣ信号（すなわち機械的信号のみ）の出力応答を示すグラフであり、図１６は、ＤＣ信号（機械的信号および熱的信号）の出力応答を示すグラフである。これらのグラフは、どのようにすれば信号応答をＡＣ信号（機械的信号）とＤＣ信号（機械的信号＋熱的信号）に分離することができるかを示している（単なる例示として純水の場合）。両グラフともに、３つの作動電圧（図１５および図１６の赤１Ｘ０１、緑１Ｘ０２および青１Ｘ０３、Ｘは５または６）、すなわちマイクロカンチレバーを流体媒質試料中で異なる距離だけ動かすための装置マイクロカンチレバーに印加される異なるパワーを示している。ＤＣ応答（すなわち図１６）では、マイクロカンチレバー応答に機械的信号アーチファクトが認められるが、これは、ＡＣデータ（図１５）ではマイクロカンチレバーが休止している例えば３．５ｍｓ超の時間での冷却を含む第２の熱的信号上にある。
【０１１２】
図１７は、４センチポイズ（ｃＰ）のグリセリン／水混合物中のマイクロカンチレバーの先端の撓みをとらえた像と、より長いパルス（４．０ｍｓ）を用いた場合のピエゾ抵抗のＡＣ電気応答を重ねて示すグラフである。カンチレバーの動きを、高速カメラ（６３０２１ｆｐｓ）で撮影し、先端（青丸で示す、１７０１）を追跡するためのシルエットを与えるようにピクセルを修正してある。この画像は、図１７の左側に示してある。これは、出力信号のＡＣ電気成分が最初にどのように信号の機械的撓み／減衰をトレースし、次いで１〜４ｍｓの間に逸脱するかを示している。この追加の信号は、出力信号の熱的成分である。増加速度および増加の大きさが、例えば流体試料の熱拡散の特徴である。
【０１１３】
図１８は、さらに長い作動パルス（図示の具体的な例ではパルス幅が５０ｍｓ、エネルギーが約２．５ｍＪ）を用いてグリセリン標準液（水に対して３０重量パーセント）中でマイクロカンチレバープローブを使用する場合を示すグラフである。このグラフは、これらの特徴を、さらに長い作動パルスにさらに拡張することができることを示している。機械的特徴は、パルスをオンにしたときにもパルスをオフにしたときにも高速カメラのとらえた像に従って発生することが分かる。この領域は、さらに高いデータ収集サンプリング速度でサンプリングして、例えばさらに精度を高めることもできる。右側のチャートは、どのように応答が加熱および冷却するかを示している。加熱／冷却の速度および増加の大きさは、例えば流体試料の熱拡散の特徴である。
【０１１４】
上述の図１４から図１８は、未フィルタリングの出力結果であるが、これらの結果は、表示する前、またはマイクロカンチレバー応答の結果を用いた流体媒質試料のさらなる評価に使用する前に、フィルタリングすることもできる。例えば、これらの結果は、帯域フィルタリングまたは側路フィルタリングすることができる。図１４から図１７は、特に、どのようにすればマイクロカンチレバーを熱的に優勢または機械的に優勢になるように調節することができるかを示している。熱的に優勢であるか機械的に優勢であるかは、振動がどのように優勢であるか（すなわち信号全体が振動しているか（図１５）、または単に優勢な熱的ピークの高さの応答に「揺らぎ」があるだけか（図１６）から分かる）。
【０１１５】
換言すれば、非常に短いパルス（０．５ｍｓ以下）を使用すると、機械的応答が優勢になる。パルスが長くなるにつれて（例えば１桁）、熱的応答が大きくなり、機械的成分と熱的成分のバランスは、流体媒質試料の粘度および熱的特性に大きく依存するので、それらの特徴付けおよび測定の役に立つ。最後に、２桁長い（すなわち０．５ｍｓに対して５０ｍｓ）パルスを用いると、応答はほぼ完全に熱的成分からなるが、ＡＣでは、機械的成分のわずかな初期寄与が検出可能である。したがって、異なるモードタイプ（すなわち機械的優勢検知モードまたは熱的優勢検知モード）の間で切り替えることにより、特にマイクロカンチレバーが適当に事前に較正されている場合には、検査対象の特定の流体媒質試料を非常に正確に特徴付けることができる。
【０１１６】
「ミキサ」という用語を上記で使用している箇所では、これを「攪拌機」という用語と入れ替えてもよい。これは、実施形態で使用する１つまたは複数のマイクロカンチレバーの、流体中の有意なカンチレバーの動き／撓み（例えば長さが１００〜８００ミクロン、好ましくは２００〜８００ミクロンであり、幅が８０〜３００ミクロンであるカンチレバーの場合で５０ミクロン超の先端の撓み）では、実際には流体試料混合物を混合するまでに至らず、単に撹拌しているだけであることもあるからである。これは、特に、流体媒質試料が有意な粒子（例えば流体媒質試料が１つまたは複数の試薬と反応したときに形成されるようなもの、粒子を含む流体中の動作については図６参照）を含む場合に当てはまる。同様に、「混合効果」を「撹拌」と言ってもよい。
【０１１７】
開示する方法および装置は、「熱線」検査などの標準的な既知の流体媒質試料熱的検査方法の特異的動作と比較して、パワー要件も低い。
【０１１８】
この励起および測定装置は、複数の流体媒質特性の測定の影響を受ける動的マイクロ検査／診断システムの一部を構成することができる。
【０１１９】
マイクロ検査／診断システムのハイブリッドマイクロアクチュエータの設計および作製は、機械的測定および熱的特性の一方または両方を実行することができるハイブリッドセンサの熱的特徴および／または機械的特徴に対する応答性が高く／低くなるように調整されるようにすることができる（例えばセンサ材料のゲージファクタおよび抵抗温度係数の選択、ならびにカンチレバーの材料および厚さの選択は、プローブの固有の物理的挙動または中立軸に合わせて調節可能である）。
【０１２０】
したがって、マルチパラメータプローブ（１つまたは複数のマイクロカンチレバーを含む）を用いて流体媒質試料の同時の熱／機械プロービングを行うことができる。実施形態では、上述のように、単一のプローブおよび／または単一のパルス（あるいは複数のプローブおよび／または複数のパルス）を用いて、機械的プロービング対熱的プロービングをスケーリングする機能も実現する。このスケーリング機能は、一方の端の完全に熱的なプロービングから他方の端の完全に機械的なプロービングまでの間（その中間に様々な程度の熱／機械検知／プロービングが存在する）で動作をスライドさせる機能とみなすことができる。
【０１２１】
この機能は、熱的感知部分と機械的感知部分を備えたマイクロカンチレバーの熱的特徴と機械的特徴が混合していることから得られるものである。さらに、本発明の実施形態によるマイクロカンチレバーは、（比較的）薄くすることができ、小さな体積の割に表面を大きくすることができ、弾性的であり、粒子を含む流体／液体中でも粒子を含まない流体／液体中でも５０μｍ超のスイープを行うことができる。熱／機械的動作モード（すなわちプロービングセンサを熱的感度が高くなるように調整するか機械的感度が高くなるように調整するか）の選択は、目下の反応／試料の性質、および／あるいはその中でこれから生じる、または生じる可能性の高い流体力学的変化（例えば凝結、凝集、凝離、分離、沈降、懸濁液中の粒子サイズなど（ただしこれらに限定されない））に大きく依存し、またそれらの変化がカンチレバーの表面上で起きているのか、または流体媒質試料のより大きな体積に影響を及ぼしているのかにも大きく依存する。
【０１２２】
本発明の実施形態は、特定の抗原抗体相互作用など、流体媒質試料の複数の特性を同時に検出する一体型センサを備える、動的マイクロアクチュエータ（すなわち流体中で５０ミクロン超の大きなスイープ撓みを有することができる）を提供する。このマイクロアクチュエータは、マイクロカンチレバー式のセンサであることが好ましい。
【０１２３】
実施形態で使用するマイクロカンチレバー式アクチュエータは、流体媒質の熱および／または移動に基づく物理的特性測定を用いて流体／凝塊の特性を検知することができる。例えば、流体中の短いパルス（すなわちパルス幅２ｍｓ未満、ピークパワー１００ｍＷ超）のＡＣ結合電気応答は、優勢な機械的特徴を有し（例えば粘度、密度）、流体中の短いパルス（すなわちパルス幅５ｍｓ未満、ピークパワー１００ｍＷ超）のＤＣ結合電気応答は、優機械的特徴および熱的特徴を有し（例えば熱伝導率、温度）、長いパルス（すなわちパルス幅５０ｍｓ超、平均パワー１５ｍＷ未満）のＤＣまたはＡＣ結合電気応答は、過渡的なプロフィルを有し、優勢な熱的特徴のみを有する信号の絶対変化を有する。この信号の機械的／熱的優勢のスケーリングを活用して、測定対象の反応に合わせて比率を調整することができる両方の物理的特徴の同時測定を実現することができる（例えば、マイクロカンチレバーは流体媒質試料の大部分を含むことができる移動の物理的極限の間を完全に移動可能であるので、流体体積中、プローブの近傍、またはプローブの表面上で、全て実現可能である）。換言すれば、本明細書に記載の実施形態に従って構成されたマイクロカンチレバーは、非常に可動性が高く、従来技術の方法で可能であった方法より多くの方法で流体媒質試料を検知することができる。すなわち、マイクロカンチレバーセンサは、流体媒質試料の体積中を完全に移動可能である。
【０１２４】
上述の適当な較正検査は、較正されたマイクロカンチレバー応答特性を与えるために使用することができるグリセリン／水混合物中でマイクロカンチレバープローブを使用することを含む。次いで、これらをプレ流体特徴付け検査（すなわち空気中）と併用して、流体媒質試料の検査前にマイクロカンチレバーの動作を標準化することができる。
【０１２５】
上述の図１０は、０から９９重量パーセントのグリセリンを含む水溶液中（表１にさらに詳細に示す）の１つの例示的なマイクロカンチレバー装置の４分の１ホイートストンブリッジにおけるＤＣ結合電気応答を示しており、特に、本発明の実施形態に従って構成されたマイクロカンチレバーセンサの、単一の作動パルスを用いて、適当に較正された条件下で、媒質の流体力学的特性および熱的特性の両方を提供する機能を示している。１つの電気信号を機械的信号を優勢に含む電気ＡＣ成分に結合することもできる。すなわち、ＤＣ応答は、１つの比較的長くパワーの小さいパルスを用いて、定常状態の作動形態から得ることができ、ＡＣ成分は、機械的特性を検出する１つまたは複数の比較的短いパルスから得ることができる。
【０１２６】
マイクロカンチレバーセンサは、（スイープ動作を大きくする、または特定の形態のスイープ動作にすることによって）例えば強化された撹拌など特有の属性を有する同時マルチパラメータ検知（熱的検知および機械的検知）を実現できるように構成することができる。例えば、流体中の短いパルス（すなわちパルス幅５ｍｓ未満、ピークパワー１００ｍＷ超）の場合のＤＣ結合電気応答は、機械的特徴および熱的特徴の両方（例えば熱伝導率、温度）を有する。
【０１２７】
マルチパラメータ流体媒質試料プローブを設計するときには、同時熱的測定を、機械的（粘度）マイクロカンチレバー流体プローブと組み合わせることができる。このようなシステムは、単一の低エネルギーパルス（例えばパルス幅５ｍｓ未満、散逸エネルギー１ｍＪ未満）で、例えば粘度、熱伝導率、熱容量、密度および温度など（ただしこれらに限定されない）、流体媒質の複数の特徴の測定値を抽出することができるように較正することができる。これは、現在の流体プローブ動作の機械的屈曲および温度に対する感度がほぼ等しいピエゾ抵抗の材料を選択することによって最適化することができる。例えば、ニクロム（ＮｉＣｒ）は適当な選択肢である。マイクロカンチレバーの設計および動作も、機械的特性に対する熱的特性による信号の優位性が、所望の適用分野に合わせて調整されるように構成することができる（例えば、流体体積中の反応では、温度および熱伝導率の熱的応答特性により、この空間でのプロービングが可能になり、機械的信号が流体の流れおよび移動についての情報を与えることができるが、マイクロカンチレバーの表面上の反応では、信号の機械的減衰が反応を示し、熱的信号は、２次確認として使用することができる）。
【０１２８】
例えば熱／機械結合型検知に使用されるマルチパラメータ検知プローブでは、以下に詳細に示すように、通常のパルス幅は、１〜５ｍｓであり、ピークまたは平均エネルギーは、０．１〜２．５ｍＪである。
【表４】
2014515483.tif 000010
【０１２９】
長いパルスと短いパルスの使用を交互に使用する場合について述べたが、これらは、例えば先に１〜５ｍｓのパルス幅（短いパルス）をとり、その後最大５０ｍｓのパルス幅（長いパルス）をとるなどの形態をとることにより、機械的優勢検知部分（短いパルスの場合）および熱的優勢検知部分（長いパルスの場合）を実現することができる。次いで、例えば空気や様々なグリセリン混合物などの既知の流体媒質試料での以前の初期検査で得られた較正したマイクロカンチレバー応答特性を用いて、観察した応答から関心のある熱的特性および機械的特性を抽出することができる。上述の「定量的」測定値も、初期検査で得られた較正したマイクロカンチレバー応答特性から導出することができる。
【０１３０】
上記の説明において、「低い」は「ゼロ付近」も含むことができ、ＣｕＮｉはコンスタンタンとも呼ばれ、ピエゾ抵抗は、ニクロム（ＮｉＣｒ）で較正することができる。流体媒質試料の検査について述べている箇所では、それは、流体媒質試料との任意の反応または流体媒質試料内部での任意の反応を含む。機械的検知モードまたは熱的検知モードについて上述したが、これらの説明は、使用中の一方のモードのみではなく、それぞれの検知モードが優勢である状況にも同様に当てはまる。
【０１３１】
上述の実施形態のいずれにおいても、マイクロカンチレバーのコーティングは省略することもできる。すなわち、上述の装置では、コーティングを用いても用いなくてもよい。
【０１３２】
１つの低エネルギーパルス（または十分に離間した複数のパルス）を使用して、１つまたは複数のマイクロカンチレバーを起動／作動させることができる、「マルチパラメータ／１パルス設計」も実現することができる。これは、低エネルギーパルスが印加された１つの時点（例えば反応が起こってその反応の結果を特徴付けた後）で、または定期的に、ただし次のパルスが印加されるまでに散逸するように個々のパルスの間は十分に離間させてパルス出力することによって所定の期間／所定の長さの時間にわたって、流体媒質試料の上述の特性（例えば熱伝導率、拡散率、粘度、密度など）のうちのいくつかを測定することができる一種のセンサである。「低エネルギー」の正確なレベルは、使用されている材料、カンチレバーまたはその各構成部分の寸法など、使用しているマイクロカンチレバー、および場合によっては検査中の流体媒質試料の物理的要因の数によって決まる。
【０１３３】
１つのパルスではなく十分に離間した複数のパルスを使用する場合には、これは、例えば「オン」期間が「オフ」期間より相対的に短くなるようにパルス幅変調が適用された、すなわち可変デューティサイクルを有する反復パルス発生器を使用することによって実現することができる。
【０１３４】
「低エネルギーパルス」の機能的定義は、異なる熱膨張係数を有する２層の材料層を通したマイクロカンチレバー内のヒータ構成による試料のいかなる直接加熱も引き起こさない程度に十分に低く、それでいてマイクロカンチレバーが適切に流体媒質試料中をスイープできる撓み位置までマイクロカンチレバーを移動させる／撓ませるのに十分なエネルギーを有するパルスとすることができる。しかし、適当に選択したマイクロカンチレバーの材料、特にバイモルフ部分に使用される異なる熱膨張係数を有する２つの材料を使用して、十分な熱をカンチレバー内に保持し、過剰な熱が流体媒質試料中に漏れることを防止することができる。この点では、例えばケイ素または金属を使用する場合に比較して、異なる熱膨張係数を有するポリイミド層を使用すると、この材料は熱伝導率および拡散率が比較的低いので、特に有用である（上記の表２参照）。
【０１３５】
使用する低エネルギーパルスの形状は、方形、正弦波、三角形、鋸歯形など、任意の適当な入力信号の形状であってよい。特定の検査の必要によっては、入力信号形状は、任意のデジタル生成信号であってもよい。形状が異なれば、実際に、ランプ加熱も異なるので、信号パルス期間にわたる機械的応答（剪断）および熱的応答も異なる。デジタル形成パルスは、少なくとも１つのマイクロカンチレバーに適用される瞬間加熱プロフィルを完全に制御することができる。ただし、現在の好ましいパルス出力技術では、方形波形状を使用する。この場合には、エネルギーレベルは、デューティサイクルの長さの関数であり、ピーク出力レベルと、したがってエネルギーレベルとは、これらの値の一方または両方を変化させることによって調節することができる。
【０１３６】
上述の本発明の実施形態は、その長さに比較して（比較的）大きなスイープ（すなわちマイクロカンチレバーの自由端部の移動）を行うことができるので、（検査中の流体媒質試料の）ミキサと同等の機能を提供することができる。これは、スイープを（マイクロカンチレバーのメインバーの平面に対して）真に面外にすることができることを意味している。例えば、本発明の実施形態は、Ｌ／Ｒが０．１５以上であるスイープを示すことができる。ここで、Ｒは、マイクロカンチレバーのメインバー／梁の曲率半径、Ｌは、マイクロカンチレバーの長さである（半円はＬ／Ｒ＝π＝３．１４となることに留意されたい）。例えば、梁の長さを６００〜８００μｍとすると、２００〜４００ミクロンの間の撓みの（非常に）反った状態を実現することができる。使用するマイクロカンチレバーの実施形態は、非常に反った状態から非常に平坦な状態（例えば７５０ミクロンの梁に対して約５５ミクロンの撓みなど）まで変化することができる。いくつかの実施形態では、マイクロカンチレバーは、完全に平坦に保持することができる。
【０１３７】
測定することができる特性としては、全て特にマイクロカンチレバーのバイモルフ層の基礎としてポリイミドを使用する本発明の実施形態を使用して測定することができる、熱伝導率、熱容量、密度、体積熱容量、熱対流係数、および熱拡散率などがあるが、これらに限定されるわけではない。これは、少なくとも部分的には、ポリイミドと比較したときの、従来のカンチレバーにおいて（バイモルフ層の一方または両方として）使用されるケイ素またはアルミニウムなどの金属の熱的特徴の間の有意な差による。
【表５】
2014515483.tif 000011
【０１３８】
上記の表は、動的熱的モデルで最も重要なパラメータのいくつかをリストしたものである。その最も重要なパラメータのいくつかとは、以下の通りである。
【０１３９】
熱伝導率＝物質の単位断面領域に対して直交する温度勾配が存在するときに、熱がその単位断面領域を通って伝導によって伝達される速度。熱伝導係数は、２つの面の温度差が１℃であるときに、所与の単位時間内に物質の単位立方体を通過する熱の量として表現される。
【０１４０】
熱容量は、材料の比熱（比熱密度）と関連付けることができ、また、単位質量の物質で単位温度変化を生じるのに必要な熱の量、換言すれば物質の熱を貯蔵する能力である。
【０１４１】
熱拡散率は、媒質中を熱が伝導する速度を示している。熱拡散率は、熱伝導率および熱容量（比）と関係しており、熱拡散率が高いと、対流が妨げられる。
【０１４２】
最後に、カンチレバーの長さ、厚さおよび幅を増大すると、全体の表面が増大するので、対流および伝導機構による熱損失も増大する。比較として、全ての寸法を１０倍に増大すると、カンチレバー表面は１００倍大きくなる。
【０１４３】
マイクロカンチレバーは、延長した長さのパルスで定常状態に付勢することができる。ここで、「延長した長さのパルス」または「定常状態に付勢する」は、例えば、５ｍｓから２００ｍｓの間の時間、作動信号を印加することとすることができる。あるいは、マイクロカンチレバーは、様々な機械的特性および熱的特性を１つのパルス（例えば１ｍｓから５ｍｓの間のパルス）で測定することができるようにする、結合型機械的特性得／熱的特性検知センサとして動作することもできる。
【０１４４】
結合／反りの方向性  −  マイクロカンチレバーは、作動のための熱が加わったときにどちらの方向にも屈曲するように形成することができる。前述の例示的な実施形態では、マイクロカンチレバーは、信号が印加されたときに上方に面外に屈曲し、作動信号が除去され、生成された熱が散逸するにつれて面内に降下して戻るように形成される。
【０１４５】
上述の実施形態は、２つ以上のマイクロカンチレバーを用いて検査対象の流体媒質試料中の反応の能動作動検知を行う方法および装置、すなわち第１および第２のマイクロカンチレバーの両方を同時に作動させる方法および装置を含む。このようにして起動すると、それぞれのマイクロカンチレバーの応答（すなわち出力信号）は、両方とも、信号と背景ノイズを有し、上述の差動方法は、「２つの活性信号の間の差の測度」となる。これは、差動検査、すなわち受動差動検査または「１つの活性信号と背景ノイズの間の差の測度」と呼ばれることもある検査においてマイクロカンチレバーセンサのうちの一方を起動しない以前の差動方法とは対照的である。上述の能動差動検知と既知の受動差動検知の間のこの違いは、以下のようにすると数学的に最もよく示すことができる（マイクロセンサが２つの場合であるが、任意のマイクロカンチレバーの数まで補外することができる）。
受動差動検知＝（ＳＩＧ  Ａ＋ＤＲＩＦＴ）ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ１−（ＤＲＩＦＴ）ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ２＝（ＳＩＧ  Ａ）
【０１４６】
上述の本発明の能動差動実施形態＝（ＳＩＧ  Ａ＋ＤＲＩＦＴ）ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ１−（ＳＩＧ  Ｂ＋ＤＲＩＦＴ）ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ２＝（ＳＩＧ  Ａ−ＳＩＧ  Ｂ）である。ここで、ＤＲＩＦＴは、２つの同じ（例えばコーティング以外は同じ）マイクロカンチレバーの間の応答における背景ノイズによるドリフトである。したがって、上述の能動差動方法は、様々なセンサ出力の真の差動測度とすることができる。このようにして、能動差動検知方法を使用して、例えば、反応などの進行の追跡を可能にすることができる。これは、特に、本発明の実施形態によるマイクロカンチレバーが、例えば生産バットまたは生産容器など、検査対象の１種類または複数種類の流体（のマクロ試料）が入ったさらに大きなサイズの容器内、またはその表面上に位置し、それらのマイクロカンチレバーが、その容器の周囲またはその容器内に、アレイ状に、または物理的に選択された位置に形成されて、各センサの出力をドリフト無しで直接比較することができ、したがって移動反応の「波面」を追跡することができるようになっている場合に行うことができる。あるいは、これらのアレイは、反応がまだ起こっていない、またはまだ完了していない部分に対する、流体媒質試料の最終的な完全に混合した／完全に反応した部分の位置を単純に検出することができる。これは、各マイクロカンチレバーが、（同じウェハ上の同じ大量生産により）実質的に同じであり、上述の能動差動比較方法を用いることにより、例えば何らかの混合物（それぞれの生産に適した複数のベース流体および試薬を含む）の生産バットの最も下にあるカンチレバーの出力を、例えばマヨネーズの生産では油を卵の黄身に加えるなど、（最も後に）物質が添加された最も上の部分と比較することができる。ここで、差動検知方法を実行するように構成された（任意の適当な数の）マイクロカンチレバーの適当に形成され位置決めされたアレイにより、油の卵の黄身との／卵の黄身による／卵に黄身への乳化の進行を追跡することが可能になる。これは、明らかに、媒質の物理的特性の変化が、そのプロセス（特に普通なら実時間で評価することがさらに困難である産業プロセス）がいつ完了するか、いつオーバワークになっていないか、などを知る上で有用である可能性がある任意のプロセスに適用することができる。
【０１４７】
マイクロカンチレバーのアレイの形状は、特定のユースケース、例えば、ある領域にわたって反応の広がりを追跡する必要がある場合に役立つようにすることもでき、アレイは、概して、例えば試薬の投入点の周囲の同心リングなど、１組の点の集合の形態をしているように形成することができる。
【０１４８】
換言すれば、本発明の能動差動検知方法および装置の実施形態は、マイクロカンチレバー自体の特性ではなく、検査対象の流体の（変化する）特性を測定することができる。これは、測定対象の反応が全て検査対象の流体自体の内部で起こり、カンチレバー上に試薬がある場合、かつ／またはカンチレバー上で「付加質量」を用いる（通常は共振周波数などの変化を検出することによって検出される）、カンチレバー型検知上で「結合」を用いる（同様に共振周波数などの変化を検出する）、または「発熱温度」を用いるなど、その他の検知技術を適用する場合には普通なら起こる可能性があるマイクロカンチレバー自体による反応の開始または加速がいかなる形でも起こらない場合に、特に重要である。
【０１４９】
少なくとも１つのマイクロカンチレバーの出力信号は、検査の要件に応じて、（マイクロカンチレバーの一体型ヒータを加熱するための）電気パルスが印加された後の任意の時点でサンプリングすることができる。適当な有用な範囲は、１ｍｓから１秒とすることができ、さらに好ましくは、１ｍｓから２００ｍｓ、さらに好ましくは５０ｍｓから１００ｍｓとすることができる。
【０１５０】
上記の任意の実施形態、特に差動検知の実施形態で述べた様々なマイクロカンチレバーは、各マイクロカンチレバーに異なるコーティングが塗布されるか、両方／全てのマイクロカンチレバーに同じコーティングが塗布されるか、あるいはどのマイクロカンチレバーにもコーティングが塗布されない／全てのマイクロカンチレバーにコーティングが塗布されないか、のいずれかとすることができることに留意されたい。異なるコーティングする方式は、例えば、以下のような理由で生じる可能性がある。
【０１５１】
コーティングを塗布しないユースケースでは、これは、検査対象の流体（混合物）自体のみが解析され、コーティング上のいかなる形態の反応も解析されないことを意味する。これは、検査対象の流体を特定の時点で試薬を用いてスパイキングすることができ／スパイキングする必要があり、スパイキング以前からスパイキング自体を経てスパイキング後の「最終定常状態」（適用可能な場合）に至るまでの全ての検査結果を検出し、解析し、その結果をモニタリングすることができる場合に、特に有用である。
【０１５２】
異なるコーティングを塗布することができるユースケースでは、例えば、同じバルク流体中で異なる反応検査を実行することができる（それにより、例えば様々な試薬に基づく反応比較検査を行うことができる）。例えば、第１のカンチレバーを第１の試薬でコーティングして、第１の試薬に基づく検査を適用して、検査対象のバルク流体についての第１のパラメータを決定し、次いで、第２のカンチレバーを第２の試薬でコーティングして、第２の試薬に基づく検査を適用して、検査対象のバルク流体についての第２のパラメータを決定することができる。これは、異なるカンチレバーの異なるコーティングを用いる個々の検査の数を、任意の適当な検査の数まで補外することができる。
【０１５３】
本明細書のいかなる記述も、実施形態または特許請求の範囲を、現在請求されている特徴の記載した選択のみに限定するものとして解釈されないものとし、その他の特徴を選択することも企図されているものとする。したがって、順序および特許請求の範囲の順序付けは、記載されている特徴の組合せが物理的に不可能である場合を除き、特徴の選択および組合せに関する制限として解釈されないものとする。特徴の選択が変化すれば、有用かつ重要な診断またはモニタリングの機能をもたらす相乗効果も変化するが、これらの組合せも、混乱を避けるために全ては列挙していないが企図はされていることは、理解されるであろう。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年1月28日(2014.1.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体媒質試料における反応を検出する方法であって、
第１のコーティングされていないマイクロカンチレバーセンサを準備するステップと、
第２のコーティングされたマイクロカンチレバーセンサを準備するステップとを含み、
前記コーティングされたマイクロカンチレバーおよび前記コーティングされていないマイクロカンチレバーが、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２つの材料から実質的に同じように形成され、ヒータおよびピエゾ抵抗センサをその内部に一体化し、前記マイクロカンチレバーが、コーティング前に入力電気パルスに対して実質的に同じ特徴応答を示し、
前記第２のコーティングされたマイクロカンチレバーのコーティングが、検出対象の反応を引き起こす、または加速し、
前記方法が、
前記１つまたは複数の電気パルスで前記第１および第２のマイクロカンチレバーの両方を同時に作動させるステップと、
両方のマイクロカンチレバーを前記流体媒質試料中に浸漬したときに、前記コーティングされたマイクロカンチレバーに一体化されたピエゾ抵抗センサの出力を、前記コーティングされていないマイクロカンチレバーに一体化されたピエゾ抵抗センサの出力と比較することによって、前記マイクロカンチレバーを検査対象の前記流体媒質試料中に浸漬したときの前記第１および第２のマイクロカンチレバーへの１つまたは複数の電気入力パルスに対する応答の差を検出するステップと
をさらに含む、方法。
【請求項２】
前記１つまたは複数の特定の反応が、共有結合反応、非共有結合反応、結合反応、非結合反応、抗体抗原反応、凝集反応、および血液型反応のうちのいずれか１つまたは複数を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記流体媒質応答中の前記１つまたは複数の特定の反応の前記特徴が、前記１つまたは複数の特定の反応の有無または程度である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
第１のコーティングされていないマイクロカンチレバーセンサと、
第２のコーティングされたマイクロカンチレバーセンサと、
前記マイクロカンチレバーを検査対象の流体媒質試料中に浸漬したときの前記第１および第２のマイクロカンチレバーへの１つまたは複数の電気入力パルスに対する応答の差を検出するように動作可能な回路とを備え、
前記コーティングされたマイクロカンチレバーおよび前記コーティングされていないマイクロカンチレバーが、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２つの材料から実質的に同じように形成され、ヒータおよびピエゾ抵抗センサをその内部に一体化し、前記マイクロカンチレバーが、コーティング前に入力電気パルスに対して実質的に同じ特徴応答を示し、
前記第２のコーティングされたマイクロカンチレバーのコーティングが、検出対象の反応を引き起こす、または加速する、
流体媒質試料反応検出装置。
【請求項５】
前記１つまたは複数の電気パルスで前記第１および第２のマイクロカンチレバーの両方を同時に作動させるように動作可能な回路をさらに備える、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第１および第２のマイクロカンチレバーの自由可動端部が、検査対象の前記流体媒質試料用の共有容器内で互いに対向して隣接するように位置決めされる、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記コーティングが、抗原または抗体であり、前記反応が、特定の抗体抗原反応である、請求項４から６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記抗体抗原反応が、血液の凝集反応である、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
熱的および／または機械的シグネチャを使用して流体媒質試料における１つまたは複数の特定の反応をモニタリングする方法であって、
少なくとも１つの較正されたマイクロカンチレバーセンサを準備するステップであり、前記マイクロカンチレバーセンサが、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２種類の材料を含み、ヒータおよびピエゾ抵抗センサをその内部に一体化し、前記少なくとも１つの較正されたマイクロカンチレバーセンサが、熱的変化および／または機械的変化に合わせて較正され、前記少なくとも１つの較正されたマイクロカンチレバーの自由端部が、前記流体媒質試料中に浸漬するように動作可能である、ステップと、
前記ヒータに１つまたは複数の電気パルスをパルス出力して、前記マイクロカンチレバー中で発熱を引き起こすステップと、
前記一体型ピエゾ抵抗センサの出力をサンプリングして、前記流体媒質における前記特定の反応の間の前記マイクロカンチレバーの応答を特徴付けるステップと、
前記サンプリングした出力から前記較正されたマイクロカンチレバーの応答特性を減算して、前記流体媒質試料における前記１つまたは複数の特定の反応の特徴を決定するステップとを含む、方法。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのマイクロカンチレバーを、前記流体媒質試料に対して実行すべき検査に応じて、熱的感度が大きくなるように、機械的感度が大きくなるように、またはその両方の間の変動比率になるように調整するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
熱的シグネチャを使用して流体媒質試料における１つまたは複数の特定の反応をモニタリングする方法であって、
少なくとも１つのマイクロカンチレバーセンサを準備するステップであり、前記マイクロカンチレバーセンサが、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２種類の材料を含み、ヒータおよびピエゾ抵抗センサをその内部に一体化した、ステップと、
前記少なくとも１つのマイクロカンチレバーの熱的変化に対する応答を較正して、較正されたマイクロカンチレバー応答特性を形成するステップと、
前記流体媒質試料中で前記特定の反応を開始するステップと、
前記ヒータに１つまたは複数の電気パルスをパルス出力して、前記マイクロカンチレバー中で発熱を引き起こすステップと、
前記一体型ピエゾ抵抗センサの出力をサンプリングして、前記流体媒質における前記特定の反応の間の前記マイクロカンチレバーの応答を特徴付けるステップと、
前記サンプリングした出力から前記較正されたマイクロカンチレバー応答特性を減算して、前記流体媒質試料における前記１つまたは複数の特定の反応の特徴を決定するステップと
を含む、方法。
【請求項１２】
熱的シグネチャを使用することが、熱的および機械的シグネチャを使用することを含み、前記少なくとも１つのマイクロカンチレバーの応答を較正するステップが、熱的および機械的変化を較正するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記１つまたは複数の特定の反応が、共有結合反応、非共有結合反応、結合反応、非結合反応、抗体抗原反応、凝集反応、および血液型反応のうちのいずれか１つまたは複数を含む、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記流体媒質応答における前記１つまたは複数の特定の反応の前記特徴が、前記１つまたは複数の特定の反応の有無または程度である、請求項１１から１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのマイクロカンチレバーを、前記１つまたは複数の特定の反応のうちの少なくとも１つのための試薬でコーティングするステップをさらに含む、請求項１１から１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
１つが試薬でコーティングされ、１つはコーティングされない、少なくとも２つの実質的に同じマイクロカンチレバーを準備するステップと、両方のマイクロカンチレバーが前記流体媒質試料に浸漬されたときに、前記コーティングされたマイクロカンチレバーに一体化されたピエゾ抵抗センサの出力を、前記コーティングされていないマイクロカンチレバーに一体化されたピエゾ抵抗センサの出力と比較するステップとをさらに含む、請求項１１から１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
流体媒質試料の少なくとも１つの熱的特性を測定する方法であって、
少なくとも１つのマイクロカンチレバーセンサを準備するステップであり、前記マイクロカンチレバーセンサが、異なる熱膨張係数を有する少なくとも２種類の材料を含み、ヒータおよびピエゾ抵抗センサをその内部に一体化した、ステップと、
既知の流体媒質試料の熱的変化に対する前記少なくとも１つのマイクロカンチレバーの応答を較正して、較正されたマイクロカンチレバー応答特性を形成するステップと、
前記少なくとも１つのマイクロカンチレバーセンサの少なくとも自由端部を未知の流体媒質試料に浸漬するステップと、
前記ヒータに１つまたは複数の電気パルスをパルス出力して、前記マイクロカンチレバー中で発熱を引き起こすステップと、
前記一体型ピエゾ抵抗センサの出力をサンプリングして、前記流体媒質における前記マイクロカンチレバーの応答を特徴付けるステップと、
前記サンプリングした出力から前記較正されたマイクロカンチレバーの応答特性を減算して、前記流体媒質試料の前記熱的特性を決定するステップと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つのマイクロカンチレバー応答を較正するステップが、既知の流体の熱的および機械的変化を較正するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記流体の前記少なくとも１つの熱的特性が、熱伝導率、熱容量、温度、体積熱容量および熱拡散率のうちのいずれか１つまたは複数である、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
請求項１から３および／または９から１９のいずれか１項に記載の方法を実行するように構成された装置。
【国際調査報告】
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