(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
1または複数のナノ構造体を有する装置であって、
前記ナノ構造体は、ナノフォトニック構造であり、導電性材料で構成され、
前記ナノ構造体は、複数のワイヤまたは繊維を含むワイヤグリッドを含み、
前記ナノ構造体は、1nm以上、20nm以下の厚さの、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Sc、Y、Ge、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sr、Al、B、Ba、Bi、および／またはMgの酸化物を有するバリアコーティングにより被覆され、
前記1または複数のナノ構造体は、該1または複数のナノ構造体を取り囲む媒体の誘電特性を測定する電極を形成し、構成し、有し、または電極の一部を形成する、装置。
【請求項２】
前記導電性材料は、Cu、Au、Ag、Cr、Pt、Ni、Pd、およびAlを有する群から選択され、および／または
前記バリアコーティングは、Hfの酸化物を有する、請求項1に記載の装置。
【請求項３】
当該装置は、生物検定に適し、および／または
前記バリアコーティングにより被覆された構造体は、液体イオン、塩、および／または清浄液による劣化に対して耐性を示す、請求項1または2に記載の装置。
【請求項４】
前記バリアコーティングにより被覆されたナノ構造体は、化学基を有し、
二官能性有機シランとの反応から生じる生物分子との化学的結合が可能となり、
前記ナノ構造体は、生物分子に結合される、請求項1乃至3のいずれか一つに記載の装置。
【請求項５】
当該装置では、前記ナノフォトニック構造の開口内でのエバネッセント場の形成により、表面特異検出が可能となる、請求項1乃至4のいずれか一つに記載の装置。
【請求項６】
前記ナノフォトニック構造は、光の解像度未満の特徴寸法を有する、請求項1に記載の装置。
【請求項７】
当該装置は、少なくとも一つの方向において、光の解像度未満の寸法を有するナノスケール開口を有する、請求項1乃至6のいずれか一つに記載の装置。
【請求項８】
当該装置は、核酸もしくはタンパク質を検出する連続装置、蛍光検出器、またはマイクロアレイである、請求項1乃至7のいずれか一つに記載の装置。
【請求項９】
請求項1乃至8のいずれか一つに記載の装置内のターゲット化合物を検出する方法であって、
（a）キャリアを介して、前記装置に入射する波長を有するビームまたは放射線を放射するステップと、
（b）前記装置により、前記装置に入射する前記放射線に応答して、エバネッセント放射線を提供するステップと、
（c）前記入射放射線に応じて、前記装置に存在する前記ターゲット化合物から放射される放射線を検出するステップと、
を有する方法。
【請求項１０】
請求項1、2、3、4または8に記載の装置内のターゲット化合物を検出する方法であって、
（a）前記装置のナノ電極に、所定の振幅および周波数の交流電場を印加するステップと、
（b）前記装置内のターゲット化合物の存在および／または量に応じた、振幅および／または周波数の変化を検出するステップと、
を有する方法。
【請求項１１】
請求項1乃至7のいずれか一つに記載の装置の使用であって、
（i）エバネッセント場を形成する表面、
（ii）媒体の誘電特性の測定、
（iii）ターゲット化合物の存在または濃度の検出、
（iv）ターゲット化合物の一次構造の決定、
（v）ターゲット化合物の制御値からのずれの決定、
（vi）ターゲット化合物の増幅、または
（vii）ターゲット化合物の増幅のモニタリング
のための使用。
【請求項１２】
前記ターゲット化合物は、核分子であり、あるいはヌクレオチド、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、ショ糖、脂質、もしくはイオンである、請求項9もしくは10に記載の方法、または請求項11に記載の使用。
【請求項１３】
核酸シーケンスを定めること、または遺伝子突然変異、mRNA発現、もしくは多重定量ポリメラーゼ鎖反応（q-PCR）を定めることを有する、請求項12に記載の方法または使用。
【請求項１４】
ナノ構造体を有する装置を製造する方法であって、
エバネッセント場の形成により、表面特異検出または誘電検知が可能となり、
前記ナノ構造体は、導電性材料で構成され、
前記ナノ構造体は、複数のワイヤまたは繊維を含むワイヤグリッドを含み、
前記ナノ構造体は、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Sc、Y、Ge、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sr、Al、B、Ba、Bi、および／またはMgの酸化物を有するバリアコーティングで被覆され、
前記装置は、生物検定に適し、
当該方法は、
原子層成膜（ALD）法により、導電性材料上に、1nm以上、20nm以下の厚さの、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Sc、Y、Ge、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sr、Al、B、Ba、Bi、および／またはMgの酸化物のバリアコーティングを成膜するステップ
を有し、
1または2以上の化学基を追加するステップであって、二官能性有機シランとの反応の実施により、生物分子との化学結合が可能になるステップ、および
前記化学基をさらに1または2以上の生物分子と結合させるステップ、
を有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、ナノ構造体を有する装置であって、
前記ナノ構造体は、導電性材料で構成され、
前記ナノ構造体は、少なくとも約1nmの厚さの、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Sc、Y、Ge、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sr、Al、B、Ba、Bi、および／またはMgの酸化物を有するバリアコーティングにより被覆され、
前記バリアコーティングは、原子層成膜（ALD）法により成膜される、装置に関する。また、本発明は、そのような装置においてターゲット化合物を検出する方法、そのような装置の使用であって、
特にエバネッセント場を形成する表面、
媒体の誘電特性の測定、
ターゲット化合物の存在または濃度の検出、
ターゲット化合物の一次構造の決定、
ターゲット化合物の制御値からのずれの決定、
ターゲット化合物の増幅、または
ターゲット化合物の増幅のモニタリング
のための使用に関する。さらに、本発明は、ナノ構造体を有する装置を製造する方法であって、エバネッセント場の形成により、表面特異検出または誘電検知が可能となり、当該方法は、原子層成膜（ALD）法により、Alのような導電性材料上に、少なくとも約1nmの厚さの、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Sc、Y、Ge、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sr、Al、B、Ba、Bi、および／またはMgの酸化物のバリアコーティングを成膜するステップを有する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
生物学的および診断装置における蛍光検出は、タンパク質、核酸、および細胞のような、サンプル中の生物学的存在の測定および定量化に、最も頻繁に使用されている技術である。通常、これは、特異捕獲分子により、ターゲット物質を基板表面に選択的に結合することにより行われる。ターゲットは、例えば、蛍光分子によってラベル化され、例えばバルク流体、バルク基板のような周囲からの蛍光のバックグラウンドに対する、表面での蛍光を測定することにより、ターゲットの存在が同定される。解析の問題に基づき、この検出は、単一の分子レベルまで、および大表面積にわたって、高い感度と高い空間解像度で実施する必要がある。リアルタイム観測には、表面の選択的検出が要求される。導波管または開口を有するナノフォトニック構造体は、導電性材料で構成される構造体の間のエバネッセント場の形成により、そのような表面の特異検出が可能である。従って、これらの構造体は、蛍光に基づく検出の利点を構成するため、これは、現在、生物学的物質の存在を測定し定量化するための生物学的および診断装置において、頻繁に使用される技術となっている。
【０００３】
通常、そのようなナノ構造体は、高いアスペクト比を有する必要があり、アルミニウムで構成される。Alの異方性エッチングでは、経済的な条件で、高アスペクト比の特徴物を製作することができるためである。代替材料には、金および他の導電性材料が含まれる。
【０００４】
残念ながら、多くの生物学的反応および検定には、高い塩濃度、または他の化学物質を有する特定のバッファシステムが必要であり、これらは、ナノ構造体の表面で反応しやすく、これらを劣化させる傾向がある。特に、アルミニウム表面は、高いpHには比較的弱い。ナノ構造体の1μｍ未満の微小サイズのため、および好適材料が必要な環境下では劣化する傾向にあるため、ナノ構造体の効果的な保護に対する要望がある。米国特許出願公開第2010/0252751号には、等方的に配置されたSiO2またはSi3N4のような誘電体材料は、ナノ構造体のバリアコーティング材料として使用できることが示されている。コーティング材料には、共形性が要求され、すなわち、全ての側からナノ構造体を保護することが要求され、ピンホールのない被覆を得る必要がある。それと同時に、ターゲット分子がエバネッセント場にアクセスできるようにするため、コーティングは、あまり厚くすることはできない。しかしながら、米国特許出願公開第2010/0252751号に記載のSi系コーティングは、必要な薄さでは、バッファ腐食に対して、保護を提供しないことが認められる。
【０００５】
［発明が解決しようとする課題］
このように、生物検定の間、バッファ腐食に対して有効な保護性を提供するとともに、適正なエバネッセント場結像を可能にする、改善されたナノ構造体バリアコーティングの開発に対する要求がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第2010/0252751号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、これらの要求に対処し、バリアコーティングされたナノ構造体を有する装置、その使用、およびそのような装置の製造法を提供することができる。前述の目的は、特に、ナノ構造体を有する装置であって、
前記ナノ構造体は、導電性材料で構成され、
前記ナノ構造体は、少なくとも約1nmの厚さの、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Sc、Y、Ge、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sr、Al、B、Ba、Bi、および／またはMgの酸化物を有するバリアコーティングにより被覆され、
前記バリアコーティングは、原子層成膜（ALD）法により成膜され、
前記1または複数のナノ構造体は、該1または複数のナノ構造体を取り囲む媒体の誘電特性を測定する電極を形成し、構成し、有し、または電極の一部を形成する、装置により実現される。特に、これまでに記載のバリアコーティングは、ナノ構造体の表面特異検出用のエバネッセント場の利益を享受するために十分に薄くなっており、そのようなバリアコーティングは、20nm未満の厚さでは、十分に保護することができないことが認められている。この挙動は、コーティング内のピンホールおよび／またはこれらの層内の他の欠陥によるものと推定される。その結果、コーティングされたナノ構造体の暴露後には、例えばクエン酸ナトリウムバッファのようなバッファ溶液に対するナノ構造体の暴露により、ナノ構造体に劣化が生じる。一方、約1nm以上の厚さで、ナノ構造体上に、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Sc、Y、Ge、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sr 、またはWの酸化物、特にHfの酸化物を原子層成膜法により成膜すると、十分なエバネッセンス場結像が可能となり、機能の損失を生じさせずに、ナノ構造体を、いくつかの高塩バッファに暴露できるようになる。特に、HfO2コーティングの約2nmの最適厚さでは、ナノ構造体含有装置から、最大の信号が得られ、最大の信号対バックグラウンド比が得られることが認められている。この知見により、そのようなバリアコーティングされたナノ構造体を、エバネッセント場形成による表面特異検出用のナノフォトニック構造として使用し、またはそのようなバリアコーティングされた1もしくは複数のナノ構造体を、装置を取り囲む媒体の誘電特性測定用の電極として使用するすることが可能となる。従って、本願により提供される対応策では、エバネッセント場結像の利点と、生物検定またはバッファ系反応検定と接続される多くの可能性を有する、ナノスケールの電極検出の利点とが組み合わされる。
【０００８】
好適実施例では、本発明による装置は、導電性材料、Alを有する。これに加えてまたはこれとは別に、バリアコーティングは、Hf酸化物を有することが好ましい。
【０００９】
本発明のさらに別の好適実施例では、前述の装置は、生物検定に適する。これに加えてまたはこれとは別に、バリアコーティングで被覆された前記構造は、バッファ溶液のような、液体イオン、塩および／または洗浄溶液による劣化に対して耐性を有することが好ましい。
【００１０】
別の好適実施例では、本発明は、前述の装置に関し、前記バリアコーティングにより被覆されたナノ構造体は、化学基を有し、生物分子との化学的結合が可能となる。特に好適な実施例では、前記化学基は、二官能性有機シランとの反応により生じる。別の好適実施例では、前記化学基は、アルデヒド基、1級アミン基、2級アミン基、カルボキシ基、またはエポキシド基である。別の任意の実施例では、前記ナノ構造体は、生物分子に結合される。
【００１１】
本発明のさらに別の好適実施例では、前記ナノ構造体は、ナノフォトニック構造であり、該ナノフォトニック構造を有する装置では、前記ナノフォトニック構造の開口内でのエバネッセント場の形成により、表面特異検出が可能となる。
【００１２】
本発明の別の好適実施例では、バリアコーティングで被覆された前記ナノフォトニック構造は、ワイヤグリッド、複数のワイヤ、複数の繊維、1以上のメッシュ、もしくはこれらのいずれかの組み合わせを形成し、構成し、有し、またはこれらの一部を形成する。また、前記ナノフォトニック構造は、光の解像度未満の特徴寸法を有することが好ましい。
【００１３】
本発明の特に好適な実施例では、前述の装置は、少なくとも一つの方向において、光の解像度未満の寸法を有するナノスケール開口を有する。
【００１５】
本発明の特に好適な実施例では、当該装置は、核酸もしくはタンパク質を検出する連続装置、蛍光検出器、またはマイクロアレイである。
【００１６】
別の態様では、本発明は、前述の装置内のターゲット化合物を検出する方法であって、
（a）好ましくはキャリアを介して、前記装置に入射する波長を有するビームまたは放射線を放射するステップと、
（b）前記装置により、前記装置に入射する前記放射線に応答して、エバネッセント放射線を提供するステップと、
（c）前記入射放射線に応じて、前記装置に存在する前記ターゲット化合物から放射される放射線を検出するステップと、
を有する方法に関する。
【００１７】
別の態様では、本発明は、前述の装置内のターゲット化合物を検出する方法であって、
（a）前記装置のナノ電極に、所定の振幅および周波数の交流電場を印加するステップと、
（b）前記装置内のターゲット化合物の存在および／または量に応じた、振幅および／または周波数の変化を検出するステップと、
を有する方法に関する。
【００１８】
さらに別の態様では、本発明は、前述の装置の使用であって、
（i）特にエバネッセント場を形成する表面、
（ii）媒体の誘電特性の測定、
（iii）ターゲット化合物の存在または濃度の検出、
（iv）ターゲット化合物の一次構造の決定、
（v）ターゲット化合物の制御値からのずれの決定、
（vi）ターゲット化合物の増幅、または
（vii）ターゲット化合物の増幅のモニタリング
のための使用に関する。
【００１９】
前記方法または前記使用の好適実施例では、前記ターゲット化合物は、核分子、例えばDNA分子、RNA分子、オリゴマー核酸分子のような分子であり、あるいはヌクレオチド、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、ショ糖、脂質、もしくはイオンである。
【００２０】
本発明の特に好適な実施例では、前記方法または使用は、核酸シーケンスを定めること、または遺伝子突然変異、mRNA発現、もしくは多重定量ポリメラーゼ鎖反応（q-PCR）を定めることを有する。
【００２１】
さらに、別の態様では、本発明は、ナノ構造体を有する装置を製造する方法であって、
エバネッセント場の形成により、表面特異検出または誘電検知が可能となり、
前記ナノ構造体は、導電性材料で構成され、
前記ナノ構造体は、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Sc、Y、Ge、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sr、Al、B、Ba、Bi、および／またはMgの酸化物を有するバリアコーティングで被覆され、
前記装置は、生物検定に適し、
当該方法は、
原子層成膜（ALD）法により、Alのような導電性材料上に、少なくとも約1nmの厚さの、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Sc、Y、Ge、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sr、Al、B、Ba、Bi、および／またはMgの酸化物のバリアコーティングを成膜するステップ
を有する方法に関する。特に好適な実施例では、当該方法は、任意で、1または2以上の化学基を追加するステップであって、好ましくは二官能性有機シランとの反応の実施により、より好ましくは、アルデヒド基、1級アミン基、2級アミン基、カルボキシ基、もしくはエポキシド基の追加により、生物分子との化学結合が可能になるステップを有する。さらに別の好適実施例では、当該方法は、さらに、任意で、前記化学基をさらに1または2以上の生物分子と結合させるステップを有する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】エバネッセント場検出またはエバネッセンス場結像用の基本構成を示す図である。
【図２】約40分後の5xSSCバッファにおけるアルミニウムの劣化の開始を示す図である。
【図３】厚いバリアコーティングを有するワイヤグリッドのSEM像を示した図である。図からわかるように、バリアコーティングにより、グリッドライン間の生物分子のアクセス用の隙間が減少し、エバネッセント場から底部が持ち上げられる。これにより、特性の顕著な低下が生じる。
【図４】代替コーティング材料による結果を示す図である。図からわかるように、カバー層と称される全てのバリアコーティングは、劣化またはエッチングにつながる。
【図５Ａ】ワイヤグリッドの表面の2つの異なるプローブの蛍光信号を示す図である。図に示すように、これは、異なる厚さのHfO2コーティングを有するワイヤグリッド上にインクジェット印刷される。プローブ間の差異は、印刷に使用されたバッファ組成である。
【図５Ｂ】ワイヤグリッドの表面の2つの異なるプローブの蛍光信号を示す図である。図に示すように、これは、異なる厚さのHfO2コーティングを有するワイヤグリッド上にインクジェット印刷される。プローブ間の差異は、印刷に使用されたバッファ組成である。
【図６】集束励起ビームを有する、ナノフォトニック構造を有する（右側）または有しない（左側）光学配置の比較を示した図である。ナノフォトニック構造は、励起光を、ナノ構造体間の小体積に閉じ込める。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、ナノ構造体を有する装置であって、
前記ナノ構造体は、導電性材料で構成され、
前記ナノ構造体は、少なくとも約1nmの厚さの、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Sc、Y、Ge、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sr、Al、B、Ba、Bi、および／またはMgの酸化物を有するバリアコーティングにより被覆される、装置に関する。
【００２４】
特定の実施例を参照して、本発明について記載するが、この記載は、本発明を限定するものと解してはならない。
【００２５】
本発明の一実施例を詳細に説明する前に、本発明の理解に重要な用語について説明する。
【００２６】
本願および特許請求の範囲で使用されているように、単一形態の「一つ」と言う用語は、明確に規定されていない限り、それぞれ複数存在する場合を含む。
【００２７】
本願において、「約」および「ほぼ」と言う用語が、対象となる特徴の技術的な効果を確保することができる、正確性の隔たりを表すことは、当業者には理解される。通常、この用語は、示された数値範囲からの±20%内、好ましくは±15%内、より好ましくは±5%内のずれを表す。
【００２８】
「有する」と言う用語は、限定的ではないことが理解される。本発明の目的において、「からなる」と言う用語は、「有する」と言う用語の好適実施例であることが理解される。従って、ある群が、少なくともある数の実施例を有すると定められている場合、これは、好ましくはこれらの実施例のみからなる群を網羅することを意味する。
【００２９】
また、明細書および特許請求の範囲における「第1」、「第2」、「第3」または「(a)」、「(b)」、「(c)」、「(d)」等の用語は、同様の素子の間を識別するために使用され、必ずしも順番または時間的な順番を規定するものではない。使用用語は、適切な環境下で相互互換可能であり、本願における本発明の実施例は、示されたものとは異なる手順で実施することもできることが理解される。
【００３０】
「第1」、「第2」、「第3」または「(a)」、「(b)」、「(c)」、「(d)」、「i」、「ii」等が、方法、使用、または検定のステップを表す場合において、ステップの間に、時間または時間インターバルがないとき、すなわち前後にそれ以外の記載がない限り、ステップは、同時に実施され、あるいはそのようなステップの間に、秒、分、時間、日、週、月もしくは年の第2の時間インターバルがあっても良い。
【００３１】
本発明は、記載された特定の方法、プロトコル、試薬等に限定されるものではなく、変化しても良いことが理解される。また、本願で使用される用語は、特定の実施例を説明するためのものであって、本発明の範囲を意図するものではないことが理解される。本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定される。記載がない場合、使用される全ての技術および化学用語は、当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味である。
【００３２】
前述のように、本発明は、ナノ構造体を有する装置のある態様に関し、ここで、前記ナノ構造体は、導電性材料で構成され、前記ナノ構造体は、バリアコーティングで被覆され、該バリアコーティングは、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Sc、Y、Ge、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Fd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sr、Al、B、Ba、Bi、および／またはMg酸化物を有し、少なくとも約1nmの厚さを有し、前記バリアコーティングは、原子層成膜（ALD）法により成膜される。
【００３３】
「装置」と言う用語は、例えば、貯蔵器、チャンバ、もしくは容器のような構造、または器具、もしくは器具の一部、またはシステムの一部を表し、これは、反応の実施に適し、特に、化学および／または生物学的物質の分子反応に適する。装置は、例えば、1もしくは2以上の入口および／または出口素子を備えても良く、1または2以上の表面、例えば反応性表面もしくは特定の機能を有する表面を有しても良く、反応ゾーン、洗浄ゾーン、混合ゾーン、大気ゾーン、測定ゾーン、廃棄ゾーン、リザーバゾーン、再収集ゾーン、または再生ゾーン等を有しても良く、あるいはいかなるサブ区画もしくはそれらの組み合わせを有しても良い。さらに、それはこれらの素子、例えば、管またはジョイント間の接続を有し、および／またはそれは、液体、流体、化学物質、原料、サンプル、もしくは装置内で使用される他のいかなる物質のリザーバおよび収納器を有しても良い。好ましくは、それは、反応ゾーンを有し、該反応ゾーンは、1または複数のナノ構造体を有する。そのような「反応ゾーン」は、ゾーンに比べて小さいサイズの入口および／または出口構造のみを有する密閉物質であっても良い。これは、「反応チャンバ」として理解される。あるいは、これは、装置またはシステム内に存在する他の物質と、自由なまたは半自由な接続が可能な開放構造を有する。反応ゾーンは、化学的および／または生物学的物質を含む分子反応に適し、あるいはある実施例では、前記物質に反応が生じる素子を備えても良い。反応ゾーンにおいて、1または2以上の反応に適するパラメータを設定し、あるいは調節しても良い。例えば、反応ゾーンにおける温度は、当業者には明らかな適当な値に調節される。値は、選定されるターゲット化合物または物質、および生じる反応または相互作用の種類、反応カテゴリー、予想速度、反応終点の考察、および当業者には明らかなさらなるパラメータに大きく依存する。反応を可能にする素子は、基板、化学的配列、生物化学的、生物学的、または他の物質、触媒等である。また、反応ゾーンは、測定もしくは移動に適した領域で構成され、例えば、これは、閉鎖空間の減少が可能となる移動可能な表面を有し、および／またはこれは、導電ゾーンもしくは容量ゾーン等を有し、および／またはこれは、1または2以上の光検出用の透明表面を有する。ある実施例では、反応の寸法および／または形態は、前述の機能の一つに適合される。別の実施例では、装置は、追加でもしくは代わりに、1または2以上の検出ゾーンを有する。このゾーンは、他のゾーン、特に反応ゾーンと等しくても良く、あるいは他のゾーン、例えば反応ゾーンもしくは混合ゾーン等から分離される。検出ゾーンは、反応生成物を、例えば電気的および／または光学的に検出する検出器素子、または反応結果もしくは反応ステップが完遂したかどうかをチェックする検出器素子を有しても良い。これらのゾーンは、例えば、導電性ゾーンもしくは容量ゾーン等を有し、あるいはこれらは、1または2以上の透明表面を有し、例えばラベル反応等の特性もしくは強度のような反応結果の光検出が可能であっても良い。例えば、前記検出ゾーンは、本願の1または2以上のナノ構造体を有する。
【００３４】
本発明の別の実施例では、装置は、追加でまたは代わりに、例えば加熱ゾーンの温度を制御しおよび／または調整する加熱モジュールもしくは調整ユニットを有し、温度は、所定の値に維持される。あるいは、温度は、反応種または反応サイクル等に応じて、所望の値に設定される。別の実施例では、装置は、追加でまたは代わりに、冷却モジュール、例えば冷却ゾーンを有し、ここで温度は、所定の値に一定に維持され、あるいは反応種または反応サイクル等に応じて、所望の値に設定される。これらのゾーンは、さらに、適当なセンサ素子を備えても良く、温度変化または温度勾配の測定が可能になる。
【００３５】
追加であるいは代わりに、装置は、ユニット、素子、または機器を有しても良く、帯電物質、イオン、の存在のような、別のパラメータの変更が可能となり、あるいは、機械的力もしくは剪断力等を伝達することが可能となる。例えば、素子は、電気電流もしくは電気泳動の電流の構築に適し、素子は、特定のpH、または例えばある酸、塩、イオン、溶媒等、特定の化学的もしくは物理的物質の存在を提供するように調整されても良い。および／または素子は、強い媒体移動を提供するように調整されても良い。前述の追加の機能の何れかは、装置のいかなる部分においても利用可能であり、例えば、反応ゾーンまたは反応チャンバにおいて、利用可能である。
【００３６】
別の特定の実施例では、装置は、追加でまたは代わりに、流速、粘度、もしくは密度値、一つの状態から別の状態への遷移、化学物質の存在の有無等を検出するモジュールを有する。
【００３７】
別の実施例では、装置は、キャリアまたはキャリア構造上に提供される。そのようなキャリアは、例えば、ガラスもしくはプラスチック材料で構成され、これらを有し、あるいは実質的にこれらを有しても良い。適当なプラスチック材料は、例えば、ポリスチレンまたはポリカーボネートである。本発明のある実施例では、キャリア材料は、透明であり、例えば透明ガラスまたはプラスチック材料を有することが好ましい。キャリア材料は、さらに、前述のように、例えば壁構造、管もしくはジョイント等、装置の構成ユニットであっても良い。
【００３８】
本願に使用される「ナノ構造体」という用語は、ナノメートルスケールの3次元構造を表す。例えば前記装置において、各方向は、約0.5nmから約100nmの寸法を有し、あるいは例えば反応ゾーンもしくは検出ゾーンのような、前記装置の1または2以上のゾーンを構成する。特定の実施例では、ナノ構造体は、1または2以上の方向において、0.5nmから約100nmの寸法を有し、第3の方向において、μmまたはmmの寸法、例えば約1μmから約1mm、10mm、50mm以上の寸法を有しても良い。構造は、いかなる好適な3次元形態を有しても良い。これは、直線形態、傾斜もしくは曲げ形態、湾曲形態、丸い形態、あるいは他の混合もしくは組み合わせを有しても良い。構造は、直線もしくは曲げ形態で、ストリップまたは壁を構成することが好ましい。構造は、さらに、平坦層に開口または亀裂を構成しても良い。別の実施例では、構造は、1または2以上の円、楕円、またｈ矩形開口、隙間、もしくはポケットであっても良い。別の実施例では、構造は、層またはキャリアと平行であり、あるいは1、2、3方向において、または層もしくはキャリアの軸に対して、傾斜しても良い。ナノ構造体は、周期的態様で提供され、例えば、1、2、3方向、または軸に対して、繰り返しユニットを有する。あるいは、ナノ構造体は、非周期的態様もしくは半周期的態様で提供され、例えば、寸法もしくは距離が増加あるいは減少する繰り返しを有しても良い。別の実施例では、ナノ構造体は、グラウンド層もしくはキャリアに、単一層で提供され、あるいは複数の層形態で提供される。複数の層は、オフセットまたはずれた態様で、等しいナノ構造体を有する層を有する。別の実施例では、複数の層は、実質的に異なるナノ構造体の層を有する。
【００３９】
本願に使用される「導電性材料」と言う用語は、移動可能な電荷を有する材料を意味する。本発明において予想されるそのような材料の例は、銅（Cu）、金（Au）、クロム（Cr）、白金（Pt）、ニッケル（Ni）、パラジウム（Pd）、およびアルミニウム（Al）である。ナノ構造体は、アルミニウム（Al）で構成され、アルミニウム（Al）を有し、または実質的にアルミニウム（Al）を有することが好ましい。
【００４０】
導電性材料のナノ構造体は、バリアコーティングで被覆される。「バリアコーティング」と言う用語は、装置の1または2以上のナノ構造体を覆うコーティングまたは表面層を表し、例えば、装置上に存在する全てのナノ構造体または複数のナノ構造体が、バリアコーティングで覆われても良い。装置のナノ構造体の被覆は、完全または実質的に完全であっても良い。バリアコーティングは、ナノ構造体の全てのアクセス可能な部分に等しく広がることが好ましい。特定の実施例では、コーティングは、実質的に均一に広がり、あるいはナノ構造体の全ての部分、および／または装置に存在する全てのナノ構造体に、完全に均一には広がらない。例えば、装置の終端に配置されたナノ構造体は、より多くのまたはより少ないバリアコーティングでコーティングされる。また、ナノ構造体のある区画は、他の区画に比べて、より少ないバリアコーティングでコーティングされ、ナノ構造体のある区画は、他の区画よりも多くのバリアコーティングでコーティングされる。例えば、ナノ構造体の突出区画は、凹部区画よりも多くのバリアコーティングで覆われる。別の実施例では、装置は、バリアコーティングの完全なボイドとなる区画を有する。これらの区画は、予め具体的に定められても良い。ナノ構造体の被覆および前記被覆の均一性は、前記コーティングを提供する方法により、定められおよび／または調節される。別の実施例では、バリアコーティングは、単一の均一層を有する。別の実施例では、バリアコーティングは、複数の層を有する。これらの層は、等しく、実質的に等しく、または異なる。異なる層は、例えば、異なる材料を有し、異なる物理的および／または化学的特性を有し、異なる厚さを有し、および／または異なる方法もしくは成膜プロセスで提供される。複数の層は、さらに、層組み合わせの繰り返しを有し、例えば層1と層2の繰り返し、もしくは、層1、層2、層3の繰り返しを有する。これらの組み合わせは、例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10回以上、存在しても良い。
【００４１】
バリアコーティングは、適当な誘電体材料を有し、適当な誘電体材料を実質的に有し、または適当な誘電体材料で構成される。バリアコーティングは、ナノ構造体に適した方法により設置された、誘電体材料を有することが好ましい。バリアコーティングは、原子層成膜（ALD）法で設置される誘電体材料を有し、これを実質的に有し、またはこれで構成されることがより好ましい。バリアコーティング材料の例は、Ti酸化物、Zr酸化物、Hf酸化物、Nb酸化物、Ta酸化物、Mo酸化物、Sc酸化物、Y酸化物、Ge酸化物、La酸化物、Ce酸化物、Pr酸化物、Nd酸化物、Sm酸化物、Eu酸化物、Gd酸化物、Dy酸化物、Ho酸化物、Er酸化物、Tm酸化物、Yb酸化物、Lu酸化物、Sr酸化物、Al酸化物、B酸化物、Ba酸化物、Bi酸化物、およびMg酸化物、またはこれらの組み合わせを含む。好適酸化物は、Al2O3、TiO2、ZrO2、HfO2、Ta2O5、Nb2O5、Sc2O3、Y2O3、MgO、B2O3、GeO2、La2O3、CeO2、PrOx、Nd2O3、Sm2O3、EuOx、Gd2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3、Tm2O3、Yb2O3、Lu2O3、SrTiO3、BaTiO3、PbTiO3,  PbZrO3、BixTiyO、SrTa2O6、SrBi2Ta2O9、YScO3、LaAlO3、NdAlO3、GdScO3、LaScO3、LaLuO3、Er3Ga5O13、またはこれらの組み合わせを有する。本発明の別の特定の実施例では、バリアコーティング材料は、In2O3、In2O3：Sn、In2O3：F、In2O3：Zr、SnO2、SnO2：Sb、ZnO、ZnO：Al、ZnO：B、ZnO：Ga、RuO2、RhO2、IrO2、Ga2O3、V2O5、WO3、W2O3、NiO、FeOx、CrOx、CoOx、MnOx、LaCoO3、LaNiO+、LaMnO3、La1-xCaxMnO3を有し、これらを実質的に有し、またはこれらで構成される。別の実施例では、バリアコーティングは、適当な窒化物を有し、これらを実質的に有し、またはこれらで構成される。適当な窒化物の例は、BN、AlN、GaN、InN、Ta3N5、Cu3N、Zr3N4、Hf3N4、Ti-Al-N、TaN、NbN、MoN、WNx、およびWNxCyを含む。さらに、本発明では、前述の酸化物および窒化物のいかなる組み合わせを想定しても良い。特に好適な実施例では、バリアコーティング材料は、Hf酸化物、より好ましくはHfO2を有し、これらを実質的に有し、またはこれらで構成される。別の実施例では、バリアコーティングは、特定の材料、例えば前述の酸化物または窒化物の一つの層と、異なる材料の層、例えば前述のような酸化物または窒化物とを有する。ただし、多層化バリアコーティングは、前述の同じ種類の材料で構成され、例えばHf酸化物、好ましくはHfO2で構成されても良い。
【００４２】
バリアコーティングは、少なくとも約1nmの厚さを有しても良い。バリアコーティングの厚さは、例えば、約1nmから約20nmの範囲であり、好ましくは約1nmから約12nmの範囲であり、より好ましくは、約1nmから約10nmの範囲である。本発明の特定の実施例では、バリアコーティングの厚さは、約1nm、1.5nm、2nm、2.5nm、3nm、3.5nm、4nm、4.5nm、5nm、5.5nm、6nm、6.5nm、7nm、7.5nm、8nm、8.5nm、9nm、9.5nm、10nm、10.5nm、11nm、11.5nm、12nm、12.5nm、13nm、13.5nm、14nm、14.5m、15nm、15.5nm、16nm、16.5nm、17nm、17.5nm、18nm、18.5nm、19nm、19.5nm、20nm、またはそれ以上であり、あるいはこれらの値の間のいかなる値であっても良い。バリアコーティングの厚さは、バリアコーティング材料、装置の意図する使用、導電性材料の性質、および当業者には良く知られた他の適当な因子に応じて調整される。バリアコーティングは、ある状況では、導電性材料を有する装置の特定のセクターにおいて、異なる厚さを有しても良い。例えば、装置は、片側に、厚さ約10nmのバリアコーティングを有し、他の側に、厚さ約2nmのバリアコーティングを有しても良く、あるいはその逆であっても良い。別の実施例では、装置は、少なくとも一つの方向または装置の軸に平行に、傾斜厚さ（底から高、または高から低）を有しても良い。さらに、厚さの差は、ナノ構造体の形態、存在、および密度に従っても良い。他の実施例では、前述のようなバリアの厚さは、導電性材料を有する全てのセクターで等しくまたは実質的に等しい。本発明の特定の好適実施例では、バリアコーティングの厚さは、約2nmまたは2nmである。
【００４３】
バリアコーティングは、さらに、原子層成膜（ALD）法で成膜されても良い。「原子層成膜」法は、ガス相の逐次的な化学的プロセスを使用した、薄膜成膜技術である。このプロセスは、通常、自己限定的であり、すなわち、各反応サイクルで成膜される薄膜材料の量は、一定であり、逐次的な表面化学により、前述の導電性材料のナノ構造体に、バリアコーティング材料の共形の薄膜を成膜する。ALDプロセスは、例えば、以下のステップを有し、これらは数回繰り返され得る：
（a）第1の前駆体の暴露、
（b）反応チャンバの減圧化による、未反応前駆体および気体状反応副生成物の除去、
（c）活性表面への第2の前駆体の暴露、または処理、
（d）反応チャンバの減圧処理。
【００４４】
プロセスの各サイクルの間、ナノ構造体に、ある量のバリアコーティング材料が添加される。反応サイクルは、所望の厚さ、例えば前述の厚さが得られるように、しばしば必要回繰り返される。さらなる詳細および適用モードは、当業者には良く知られており、Liuら、Journal  of  The  Electrochemical  Society，152(3)，2005年、G213-G219のような、適当な文献から得ることができる。好適実施例では、ALDプロセスにより、本発明によるナノ構造体の共形で、実質的に均一な厚さのコーティングが得られる。
【００４５】
本発明の特定の好適実施例では、装置は、前述のナノ構造体を有し、これは、Alを有し、実質的にAlを有し、またはAlで構成される。本発明の別の好適実施例では、装置は、原子層成膜法で成膜された、少なくとも1nmの厚さのHf酸化物、好ましくはHfO2で覆われたナノ構造体を有する。本発明のさらに別の特定の好適実施例では、装置は、前述のナノ構造体を有し、これは、Alを有し、実質的にAlを有し、またはAlで構成され、前記ナノ構造体は、原子層成膜法で成膜された、少なくとも1nm厚さのHf酸化物、好ましくはHfO2によって被覆される。
【００４６】
好適実施例では、前述の装置は、生物検定に適する。「生物検定に適する」と言う用語は、前記装置において、または前記装置を用いて、生物検定が行われ、通常のまたは予想される検定結果が得られることを意味する。これは、水溶液環境、バッファ化学物質、塩、イオン、界面活性剤、生物材料、細胞、細胞残屑、ヌクレオチド、ショ糖、ペプチド、タンパク質等を含む水溶液環境のような、生物検定環境において、コーティングされたナノ構造体を、完全にまたは連続的に使用する可能性を含む。別の特定の実施例では、この適合性は、細胞またはサブ細胞フラグメントのような生物学的物質用の、非毒性のコーティングされたナノ構造体を含む。さらに別の特定の実施例では、この適合性は、例えば、酵素、タンパク質、ペプチド、例えばRNAもしくはDNAのような核酸、細胞、細胞小器官のようなサブ細胞フラグメントのような、化学的もしくは生物学的物質に対する、非抑制または非劣化効果を含む。
【００４７】
別の好適実施例では、前述のコーティングされたナノ構造体は、生物検定の環境、例えば水溶液環境による劣化に対して耐性を有する。特に、コーティングされたナノ構造体は、バッファ化学物質、塩、イオン、界面活性剤、生物学的材料、細胞、細胞残屑、ヌクレオチド、ショ糖、ペプチド、タンパク質等を含む水溶液環境に対して、耐性を有する。別の実施例では、前述のコーティングされたナノ構造体は、イオン、塩、および／または界面活性剤溶液のような液体に対して耐性を有する。特定の実施例では、前述のコーティングされたナノ構造体は、バッファ溶液に対して耐性がある。前述のナノ構造体が耐性を示すバッファ溶液の一例は、例えば、1×、5×、10×SSCバッファのような、クエン酸ナトリウムバッファ、または例えば、0.1%SDS、0.5%SDSのような、SDSを有するバッファを含む。本願における「劣化に対する耐性」と言う用語は、ナノ構造体のバリアコーティングが、周囲媒体中の化学物質による化学的アタックもしくは反応、または対応する環境的影響、例えばバッファ成分、塩、もしくはイオン等から、ナノ構造体、例えばAl金属、を保護することを意味する。この保護は、恒久的な保護であっても、一時的な保護であっても良い。「一時的な保護」と言う用語は、環境または前述のような媒体と接触して、約10から500時間にわたる、劣化に対する保護を意味する。例えば、一時的な保護は、10時間、11時間、12時間、13時間、14時間、15時間、16時間、17時間、18時間、19時間、20時間、21時間、22時間、23時間、24時間、25時間、30時間、40時間、50時間、70時間、100時間、150時間、200時間、250時間、300時間、400時間、500時間、もしくは500時間を超える時間、または示された時間の間のいかなる値にわたる保護である。保護は、生物検定の実施、使用される塩、イオン、界面活性剤等の量、検定中の温度、および前述の保護時間の延長または減少につながる、他の当業者には良く知られた因子に依存する。
【００４８】
本発明の好適実例では、前述のバリアコーティングで覆われたナノ構造体は、二次分子との化学結合が可能になる化学基を有する。「化学結合が可能になる化学基」と言う用語は、前記バリアコーティングの外層にアクセス可能な、または存在する物質もしくは残留物を意味し、これは、二次分子と反応することができる。そのような物質または残留物の例は、OH基である。別の例は、アルデヒド、一級アミン、二級アミン、カルボキシ基、またはエポキシドのような有機官能基である。これらの物質は、例えばOH基のように、バリアコーティング内に既に存在していても良く、あるいは成膜プロセスの後、例えば、アルデヒド、一級アミン、二級アミン、カルボキシ基、またはエポキシドと間接的に取り付けられても良い。化学的結合の好適方法は、当業者には良く知られており、Mittalら、Silanes  and  other  coupling  agents，Vol.  2-5，2001-2009，Brill  Academic  Pubのような、適当な文献から得ることができる。本発明の特定の好適実施例では、化学結合は、二官能価有機シランとの反応により開始される。適当な有機シランの例は、メトキシ、エトキシ、またはCl官能基のような反応基を有する有機シランを含む。これらの二官能価有機シランは、バリアコーティングの表面に、既に存在する化学基、特にOH基と反応することが好ましい。また、前記二官能価有機シランは、1または2以上の二次有機官能基を有しても良い。そのような二次有機官能基の例は、アルデヒド、一級アミン、二級アミン、カルボキシ基、またはエポキシドを含む。従って、これらの二次官能基は、二次分子、例えば生物分子と結合できる。本発明の特定の実施例では、適当な二官能価有機シランは、メトキシ基およびアルデヒド基を有するシラン、目時式と一級アミン基を有するシラン、メトキシ基と二級アミン基を有するシラン、メトキシ基とエポキシド基を有するシラン、メトキシ基とカルボキシル基を有するシラン、エポキシ基とアルデヒド基を有するシラン、エポキシ基と一級アミン基を有するシラン、エポキシ基と二級アミン基とを有するシラン、エトキシ基とエポキシド基を有するシラン、エトキシ基とカルボキシル基を有するシラン、Cl官能基とアルデヒド基を有するシラン、Cl官能基と一級アミン基を有するシラン、Cl官能基と二級アミン基を有するシラン、Cl官能基とエポキシド基を有するシラン、またはCl官能基とカルボキシ基を有するシランである。前述の装置は、特定の区画または特定の位置に、そのような化学基を有するコーティングされたナノ構造体を有する。例えば、ナノ構造体の最上部位置または低部位置は、そのような化学基を示す。また、化学基は、ある規則性で提供され、例えば各2、3、4、5、6、7、8、9、10nmまたはそれ以上毎に、あるいは、各秒毎に、壁構造もしくは開口等に提供されても良い。また、ナノ構造体は、装置の中心部分においてのみ、あるいは矩形構成の1または2以上のコーナーにおいてのみ、または装置の四角形または中心円においてのみ、そのような化学基を備えても良い。
【００４９】
特定の実施例では、生物分子の結合のため、化学結合が可能となる化学基が使用される。そのような生物分子の例は、抗体、核酸、または例えばDNA分子もしくはRNA分子のようなヌクレオチド、例えばレクチンのようなタンパク質、DNA-ポリメラーゼもしくはRNA-ポリメラーゼのような酵素、ペプチド、またはアミノ酸である。また、小分子もしくは他の種類の結合分子、例えば有機結合分子もしくはタンパク質結合分子のような有機分子は、本発明による装置に結合する。特に好適なのは、抗体または抗体フラグメントもしくは誘導体の結合である。本願において「抗体」と言う用語は、免疫グロブリン分子、および免疫グロブリン分子の免疫グロブリン的に活性な部分、すなわち抗原と免疫的に結合する、抗原結合サイトを含む分子を表す。本発明の免疫グロブリン分子は、免疫グロブリン分子のいかなるタイプ（例えばIgG、IgE、IgM、IgD、IgAおよびIgY）、クラス（例えばIgG1、IgG2、IgG3、lgG4、lgA1およびIgA2）、またはサブクラスであっても良い。抗体は、多クローン性、単クローン性、多選択性、ヒト、ヒト化、もしくはキメラ抗体、単鎖抗体、ファブフラグメント（Fab  fragment）、ファブ’フラグメント、ファブ表現ライブラリにより生成されたフラグメント、F（ab’）2、Fv、二硫化リンクFv、ミニボディ、二特異性抗体、scFv、sc（Fv）2、全免疫グロブリン分子、結合ドメイン免疫グロブリン融合タンパク質、キャメライズド抗体、VHH含有抗体、またはアンチイディオタイプ（アンチld）抗体であっても良い。抗体は、いかなる動物起源から得られても良く、ヒト、ネズミ（例えばマウスおよびラット）、ロバ、サル、ウサギ、ヤギ、テンジクネズミ、ラクダ、ウマ、またはニワトリ抗体であっても良い。さらに、抗体は、単特異、二特異、三特異、またはより数の多い多特異性であっても良い。また、オリゴマー単ストランドDNAの結合、例えば長さが約20から60ヌクレオチドのDNAは、特に好ましい。オリゴマー核酸は、これらの検出される核酸との相補性により選択される。別の例は、ポリAストレッチを有するmRNAまたはcDNA種を検出可能な、ポリTオリゴマーを含む。
【００５０】
前述の生物分子は、いかなる反応方式を介して、前記結合物質にリンクされても良い。例えば、前述の二官能性オルガノシランは、DNA分子、例えばポリTオリゴヌクレオチドと結合する。通常の成膜技術は、表面への前記オリゴヌクレオチドのインクジェット印刷技術を含む。その後、生物分子は、例えばUV放射の印加により、架橋反応が生じることにより固定される。本発明により想定される生物分子を結合または固定化する別の好適な方法は、EDCまたはEDC-HHS結合のようなカルボキシル−アミン結合、NHSエステルもしくはイミドエステル系結合のようなアミン反応結合、例えばマレイミド、ハロアセチル、もしくはピリジルジサルファイド系結合のようなメルカプト基反応結合、ヒドラジンもしくはアルコキシアミン系結合のようなカルボニル反応結合、アリールアジドもしくはジアジリン系の光反応結合、またはシュタウディンガー試薬組系の化学感応性連結反応である。別の特定の実施例では、核酸分子は、in-situ合成法、例えばAffymetrixにより市販されている合成法により、提供されても良い。
【００５１】
別の任意の実施例では、前述のナノ構造体、特に二官能基オルガノシランにより活性化されるナノ構造体は、本願に記載のように、生物分子に結合される。従って、本発明では、特に、化学結合が可能な化学基を有する装置が想定される。さらに、前述のように結合された生物分子を有する装置およびナノ構造体、例えば1または2以上の結合抗体、1または2以上の結合核酸、1または2以上の結合タンパク質もしくは酵素等を有する装置が想定される。抗体のような結合された生物分子は、実質的に等しい形態で提供され、例えば一つの抗体のみ、一つの抗体種のみ、または一つの抗原もしくは一つのエピトープのみと結合する抗体を有する。別の実施例では、一つの装置もしくは装置の一ゾーンまたは前記装置を有するシステムのバリアコーティングで覆われた1または2以上のナノ構造体に、異なる生物分子が同時に結合される。例えば2以上の異なる抗体、ポリメラーゼ、例えばDNA-ポリメラーゼ、2以上の異なるポリメラーゼ、例えばDNA-ポリメラーゼ、2以上の異なる抗体種、異なる抗原もしくはエピトープと結合する2以上の抗体、または核酸とタンパク質の混合物、または核酸と抗体の混合物等である。
【００５２】
特に好適な実施例では、前記ナノ構造体は、ナノフォトニック構造であり、装置は、前記ナノフォトニック構造の開口でのエバネッセント場の形成により、表面特異検出ができる。本願に使用される「ナノフォトニック構造」と言う用語は、光または放射線の流れを制御し、ある体積内に、これを局在化又は閉じ込めることが可能な構造を意味する。「前記ナノフォトニック構造の開口でのエバネッセント場の形成により、表面特異検出ができる」と言う用語は、ナノフォトニック構造でのエバネッセンス場結像が可能であり、これにより表面に対する吸着分子の吸着を検出できる構造であることを意味する。ここで、吸着分子により、局部的な屈折率の変化が生じ、これによりエバネッセンス波の共振条件を修正することができる。この効果の伝達を可能にするため、ナノ構造体の開口は、特定のパラメータに適合される必要がある。通常の実施例では、ナノ構造体または複数を定める開口は、第1の最小面内開口寸法を有し、これは、回折限界よりも小さく、回折限界（Wmin）は、例えば対象化合物を有する媒体のような周囲媒体により定められる。
従って、
【００５３】
【数１】
0006340002.tif 000002
であり、ここで、λは、真空における波長であり、nmediumは、ナノ構造体の前方の回折限界が計算される環境媒体の屈折率である。波長は、通常、400から800nmの可視領域で変化し、これは、水中または水溶液中における約150から300nmの最小開口に対応する。従って、前述のナノフォトニック構造は、前述の装置上の導電性材料の構造と平行な、第1および第2の面内ベクトルを定める。本発明の特定の実施例では、これに対応して得られる開口は、
（1）回折限界未満の第1の面内寸法と、回折限界を超える第2の面内寸法とを有する第1のタイプの開口。伝達面は、第1の面内ベクトル、ならびに第1および第2の面内ベクトルと垂直な第3のベクトルを有する。この構成では、R偏光入射光、すなわち伝達面と直交する電場を有する光は、構造を定める開口により実質的に反射され、開口内にエバネッセント場が生じる。第1のタイプの開口を有する構造を定める開口へのT偏光入射、すなわち1または2以上の開口の伝達面に平行な電場を有する光は、構造を定める開口により、実質的に透過し、開口内に伝播場が生じる。
（2）第2のタイプの開口は、伝達面の定義ができない回折限界未満の両面内寸法を有する。いかなる偏光の入射（直線、円、楕円、ランダム偏光）も、構造を定める開口により実質的に反射され、開口内にエバネッセント場が生じる。
【００５４】
特定の実施例では、本発明によるナノフォトニック構造の開口内のエバネッセント場の形成により、表面特異検出を可能にする装置は、以下の部材を有する：
（1）ターゲット化合物が収集される結合表面を有するキャリア。特定の実施例では、装置は、結合表面を有しない検出体積を定める。「結合表面」と言う用語は、キャリアの表面の特定の部分を表す。あるいは、ターゲット化合物は、装置の異なる区画に結合しても良い。この場合、ターゲット化合物は、結合表面に到達し、底に収集される（通常、ターゲット化合物に関するパラメータにより定められた濃度で）。好適実施例では、キャリアは、ガラスまたは透明プラスチックで製造される。また、キャリアは、透明であり、前述の構造を定める開口の担持機能を提供しても良い。従って、キャリアは、プリズムの機能を満たし、エバネッセント場の形成に寄与する。あるいは、キャリア構造が存在し、適当な対物レンズまたはレンズシステム、ならびに平行入力ビームにより、エバネッセント場が生じても良い。別の実施例では、キャリア構造は、透明基板および透明コア層を有する光導波管の形態で提供される。
（2）前述のキャリアに、該キャリアの結合表面の少なくとも調査領域で反射される「入射光ビーム」すなわち放射ビームを放射する光源。光源は、例えば、レーザまたは発光ダイオード（LED）であり、任意で、入射光ビームを形状化し誘導するいくつかの光学機器とともに提供される。「調査領域」は、結合表面のサブ領域であり、または完全な結合表面を有する。これは、通常、入射光ビームにより照射される、実質的に円形スポットの形状を有する。
（3）光源からの放射入射放射線に応答して、検出体積内に存在するターゲット化合物から放射される放射線を検出する検出器。「ターゲット化合物からの放射線」と言う用語は、ターゲット化合物の存在を検出可能な、いかなる放射線も含む。例えば、放射線は、散乱、反射、または発光タイプであっても良い。検出器は、いかなる適当な1以上のセンサを有し、これにより、所与のスペクトルの光が検出される。例えばフォトダイオード、フォトレジスタ、フォトセル、またはフォト増倍管である。本願で使用される「光」または「放射線」と言う用語は、全ての種類の電磁放射線に関し、特に、文脈に応じて、可視電磁放射線および非可視電磁放射線に関する。
（4）前述の1または複数のナノフォトニック構造を有する光素子または領域が、結合表面の近傍に配置される。ナノフォトニック構造は、結合表面に拘束され、減衰長さにわたって、結合表面から遠ざかり、例えばサンプルチャンバにまで延びる検出体積において、結合表面に入射する放射線に応じて、エバネッセント放射線を発生する。光学素子または領域は、前記光領域、すなわち構造を定める開口の面外寸法が1／e減衰長さよりも実質的に長くなった後、エバネッセント場が実質的に伝播しないように、提供されることが好ましい。
【００５５】
さらに、装置は、例えば散乱光もしくは反射励起光用、または表面走査および適応焦点化用に操作される集束レンズ用の光フィルタ化システムを有する。また、装置は、画像検出および計算データ貯蔵システム等に接続されても良い。
【００５６】
本願で使用される所与の媒体における「エバネッセント放射線」と言う用語は、所与の媒体の波数（すなわち真空における波数×媒体の屈折率）よりも大きな空間周波数を有する非伝播波を意味する。エバネッセント放射線の例は、全内部反射、またはサブ回折限界開口における入射により生じるエバネッセント波である。特に、エバネッセント波場は、通常、照射光に応じて、約10〜500nmの1／eで減衰長さで減衰する。
【００５７】
本願に使用される「ターゲット化合物」と言う用語は、本発明による装置の支援により、あるいは本発明の方法により、検出または測定可能ないかなる化合物をも意味する。ターゲット化合物は、小分子、イオン等のような、例えば有機もしくは無機化合物のような化学物質であっても良く、あるいは生物分子もしくは生物物質もしくは生物科学物質であっても良い。そのような生物分子の例は、核分子、例えばDNA分子、RNA分子、オリゴマー核酸分子、ヌクレオチド、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、ショ糖、脂質を含む。また特定の実施例では、ターゲット化合物は、細胞、細胞フラグメント、サブ細胞ユニット、膜もしくは膜部分を含む。ターゲット化合物は、適当なサンプル、例えばバッファ溶液、特手のPHの水溶液、特定のイオン濃度等で提供されても良い。これらのサンプル溶液は、含まれるターゲット化合物に適合され、例えばRNAseインヒビター、プロティナーゼインヒビター等のような、追加の要素を有しても良い。
【００５８】
本発明の別の典型的な実施例では、ターゲット化合物は、本発明による装置を用いた解析もしくは測定用に調製される。この調製は、通常、ターゲット化合物を、適当なラベルでラベル化することを含む。通常、これは、検出分子と共役結合し得るいかなるラベルを用いて行っても良く、当業者には良く知られた適当な技術もしくは方法を用いて行われる。そのようなラベルは、蛍光、発色団、エレクトロルミネッセント、またはケミルミネッセントのラベルであっても良い。ラベルの例は、フルオレシン、ローダミン、フィコエリトリン、またはフルオレサミンのような蛍光色素、ロドプシン発色団色素、管腔もしくはイミダゾールのようなケミルミネッセント化合物、およびルシフェリン、発光酵素、緑発光タンパク質、黄色発光タンパク質、およびその誘導体のような生物ルミネッセントタンパク質を含む。蛍光ラベルの別の例は、6-FAM、HEX、TET、ROX、Cy3、Cy5、Cy7、テキサスレッド、アレクサ、またはアト色素である。本発明の別の実施例では、例えばハイブリッド形成の検出用に、二次ラベルが使用されても良い。そのような二次ラベルは、インターカレータ、例えばモノまたはビス−インターカレート色素、シアニンインターカレータ色素、蛍光発光インターカレート色素、またはベンゾチオキサンテン色素、または例えば蛍光プローブおよび消光剤を有し、ハイブリッド化の際に蛍光を発する分子ビーコンを含んでも良い。適当な消光ラベルの例は、TAMRA、Dabcyl、ブラックホール消光剤、BHQ-1またはBHQ-2を含む。
【００５９】
本発明のさらに別の実施例では、ターゲット化合物は、量子ドットまたは量子ドット剤にリンクされても良い。
【００６０】
多の多くの有益な蛍光体および発色団は、当業者には良く知られており、適当な文献から得ることができる。
【００６１】
さらに特に好適な実施例では、バリアコーティングで被覆される前記ナノフォトニック構造は、複数のワイヤ、複数の繊維、1もしくは複数のメッシュ、またはこれらの組み合わせのワイヤグリッドの形成し、これらを構成し、これらを有し、またはこれらの一部を形成する。本願に使用される「ワイヤグリッド」と言う用語は、ある実施例において、入射ビームに対して垂直な面に配置される金属配線に関する。多の実施例では、ワイヤグリッドの一つの軸は、集束ビームのようなビームに垂直である。さらに別の実施例では、ビームは、さらに、ワイヤグリッドの配線の軸に対して斜めの入射を有しても良い。ワイヤグリッドは、例えば、ストリップ、壁、配線、またはエバネッセント放射線を提供する、コーティングされた導電性材料の格子を有する。このグリッドの開口は、特徴サイズが光の光解像度未満となることが好ましい。本願に使用される「特徴サイズ」と言う用語は、前述のように、最小面内開口の回折限界Wminを表す。また、前述のワイヤグリッドの構成に基づいて、繊維もしくはメッシュの代替形態が実質的に提供されても良い。例えばメッシュは、2以上の層構成において、2以上のワイヤグリッドを組み合わせても良い。繊維は、周期的に、周期的、非周期的、または準周期的な形態で提供されても良い。前述の解釈によるエバネッセント放射線の形成が可能となる限り、例えば非対称形態のような、別の形態も可能である。特定の実施例では、本願のストリップまたは繊維は、約50〜2000nmの厚さであることが好ましく、約50〜150nmであることがより好ましい。別の実施例では、隣接するストリップまたは繊維の間の間隔は、約25〜100nmである。好適実施例では、配線または繊維の間のエバネッセント減衰長さとして、約10〜50nmが得られる。対応する実施例では、ストリップまたは繊維の寸法は、25〜75nmの範囲のエバネッセント減衰長さが得られるように選定され、または適合される。別の詳細は、当業者には知られている。
【００６２】
特に好適な実施例では、本発明による装置は、ナノスケールの開口を有し、寸法は、少なくとも一つの寸法において、光の解像度よりも小さい。例えば、装置は、ナノスケールの開口を有し、第1の面内寸法は、入射放射線の回折限界未満であり、第2の面内寸法は、入射放射線の回折限界を超える寸法を有しても良い。これらの寸法の一つは、実質的に矩形構造のx軸またはy軸であっても良い。好適実施例では、前記少なくとも一つの寸法は、250nm以下、好ましくは50nm以下である。
【００６３】
本発明は、さらに、前述の前記1または複数のナノ構造体が電極の一部を形成し、構成し、または有する装置に関する。ナノ構造電極は、信号経路または導電性結合により、下流素子、例えば1もしくは2以上の電圧源、例えばCMSOスイッチトランジスタのようなトランジスタとして実施されることが好ましい1もしくは2以上のスイッチ、または制御回路に接続される。装置は、さらに、リードアウトユニットまたは電子、計算ユニットを備えても良い。本発明による装置は、単一のナノ構造電極、または2以上のナノ構造電極、例えば2、10、100、1000、10000、100000、1000000、10000000、100000000、これらの間のいかなる値、または100000000の電極を有しても良い。複数のナノ構造電極が存在する場合、電極は、アレイ（配列）の形態で提供されても良い。アレイは、矩形、六角形、円、または楕円径を有し、あるいはストリップもしくは三角形等で形成される。アレイは、さらに、単一のナノ構造電極を分離する、追加のバリア材料を有しても良い。本発明によるナノ構造電極は、前述のバリアコーティング、例えばTi、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Sc、Y、Ge、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sr、Al、B、Ba、Bi、またはMgの酸化物、好ましくはHf酸化物が、誘電体層として電極の表面に提供されるように機能する。
【００６４】
本発明の特定の実施例では、電極の前記コーティングは、少なくとも約1nmの好適厚さを有する。電極のバリアコーティングの厚さは、例えば、約1nmから約20nmの範囲であり、より好ましくは約1nmから約12nmの範囲であり、さらに好ましくは約1nmから約10nmの範囲である。本発明の特定の実施例では、バリアコーティングの厚さは、約1nm、1.5  nm、2  nm、2.5  nm、3  nm、3.5  nm、4  nm、4.5  nm、5  nm、5.5  nm、6  nm、6.5  nm、7  nm、7.5  nm、8  nm、8.5  nm、9  nm、9.5  nm、10  nm、10.5  nm、11  nm、11.5nm、12  nm、12.5  nm、13  nm、13.5  nm、14  nm、14.5  nm、15  nm、15.5  nm、16  nm、16.5nm、17  nm、17.5  nm、18  nm、18.5  nm、19  nm、19.5  nm、20  nm、またはそれ以上であり、あるいは示された値の間のいかなる値であても良い。電極のバリアコーティングの厚さは、バリアコーティング材料、電極の意図する使用、導電性材料の性質、および当業者には明らかな他の適当な因子に応じて調整される。バリアコーティングは、ある状況では、導電性材料を有する装置の特定のセクターにおいて、異なる厚さを有する。別の実施例では、本発明による電極は、約10nmから約100nmの厚さを有し、例えば約10  nmから約1000  nmの範囲、例えば約20  nm、50  nm、100  nm、200  nm、300  nm、400  nm、500  nm、600  nm、700nm、800  nm、900  nm、1000  nm、またはこれらの間のいかなる値の厚さを有する。また、電極の厚さとして、1000nmを超える厚さが想定され得る。
【００６５】
特定の実施例では、ナノ構造電極を有する装置は、前述のように、ワイヤグリッド、ストリップ、または繊維で構成され、例えばストリップおよび繊維は、50〜2000nmの厚さを有し、好ましくはストリップおよび繊維は、約50〜150nmのサイズを有する。他の実施例では、ストリップおよび繊維は、10から50nmの厚さを有しても良い。さらに別の実施例では、隣接するストリップまたは繊維の間の間隔は、約25〜100nmである。特定の対応する実施例では、ストリップまたは繊維の寸法は、エバネッセント減衰長さが25〜75nmの範囲となるように選定、適合される。別の実施例では、ナノ構造電極を有する装置は、本願に示すナノフォトニック装置に関して記載された構成、配置、寸法、および／または形態を有しても良い。
【００６６】
従って、実質的に前記誘電体層によって覆われる1または複数の電極は、キャパシタの一部を形成し、この対向側は、周囲媒体の体積により構成される。これにより、装置による、前記1または複数のナノ構造電極を取り囲む媒体の誘電特性の測定が可能となる。本願で使用される「誘電特性の測定」と言う用語は、帯電物質、例えば帯電分子もしくはイオンの検出、あるいは帯電物質によって生じる電場の検出を意味する。この測定は、例えば、ナノ構造電極への電場、例えば交流電場の印加により実施され、これにより、帯電物質の存在に応答した、振幅または周波数の変化の検出が可能となる。測定は、ISFETの原理、誘電分光測定、またはインピーダンス分光法に基づいて行われることが好ましい。さらなる詳細は、当業者には良く知られており、Kremerら、Broadband  Dielectric  Spectroscopy，Springer，2002年のような適当な文献から得ることができる
本発明の特定の実施例では、前記1または複数のナノ構造電極は、例えば、本願に示した結合化学により、生物分子と結合される。そのような生物分子の例は、抗体、例えばDNA分子もしくはRNA分子のような核酸もしくはヌクレオチド、タンパク質、酵素、ペプチド、またはアミノ酸である。前述のような抗体または核酸との結合が好ましい。例えば、単鎖DNAオリゴマー捕獲プローブが、前記ナノ構造電極に結合され、これにより、相補核酸のハイブリッド化の際の電場の変化の検出が可能になっても良い。同様に、電場の変化の検出を介してリガンドとの相互作用を検出するため、前述のような抗体または抗体異形が使用されても良い。本発明の別の実施例では、1もしくは複数のポリメラーゼ、例えばDNA-ポリメラーゼ、またはRNAポリメラーゼが1または2以上のナノ構造電極に結合されても良い。さらに別の実施例では、核酸分子およびポリメラーゼのような酵素は、同じナノ構造電極もしくは隣接するナノ構造電極に結合され、これにより例えばポリメラーゼのような酵素および核酸との間で、相互反応が可能になる。バッファ成分またはイオン等に向かうバリアコーティングの抵抗のため、効果的な電気化学的検出が可能となる。特定の実施例では、ナノ構造電極は、ホールまたはピットであり、これにより、生物検定の実行が可能となり、例えば酵素と核酸の相互作用、イオン濃度変化の検出等が可能となる。従って、装置は、ある数のキャビティ、ホールまたはピットを有し、これは例えば、10、100、1000、10000、100000、1000000、10000000、100000000、またはこれらの間のいかなる値であっても良く、あるいは100000000超である。別の特定の実施例では、そのようなキャビティ、ホール、またはピットは、前述のナノフォトニック構造を構成し、入射放射線に応じた、エバネッセント場の発生、および前記キャビティ、ホール、またはピットに存在するターゲット化合物からの対応する放射線の検出が可能となる。本発明の特定の実施例では、前述のような本発明による前記1または複数のナノ構造電極、または前記キャビティ、ホール、ピットは、ビードもしくは粒子もしくは他の外部構造素子と関連し、これを備え、またはこれにリンクされ、特に、サイズは、0.2μｍ、0.3μｍ、0.7μｍ、1μｍ、1.05μｍ、2.5μｍまたは5.9μｍであり、例えばビードは、核酸、DNA、RNA、またはポリメラーゼのような酵素のような、1または2以上の生物分子またはターゲット化合物を有する。
【００６７】
別の実施例では、本発明による装置は、前述のような1または複数のナノ構造電極を有し、さらに前述のバリアコーティングにより被覆された1もしくは2以上のナノフォトニック構造を有する。装置は、例えば、ナノ電極とナノフォトニック構造の集積態様を有し、エバネッセント場の形成による表面特異検出、および誘電体検知が可能となる。また、装置は、閉じ込められた区画にナノ電極とナノフォトニック構造の両方の素子を有し、これは、オーバーラップされず、または部分的にオーバーラップされる。さらに別の想定される実施例では、本発明による装置は、1または複数のナノ構造電極を有し、これは、同時に作動し、または前述のバリアコーティングで覆われたナノフォトニック構造である。本発明の特に好適な実施例では、前述の装置は、連続装置、蛍光装置、核酸検出用のマイクロアレイ、タンパク質検出用のマイクロアレイである。装置は、さらに、イオンセンサ、pHセンサ、小分子と相互作用するもしくは結合相互作用スクリーン装置であっても良い。装置は、そのように使用されても良く、あるいはシステム、例えば一連の同様の装置に統合されても良く、統合された構成は、例えば、制御およびリードアウトユニット、自動化された準備、貯蔵、もしくは清浄化設備、データのバックアップが可能な接続ユニット、または例えばインターネットもしくはイントラネットを介した遠隔サイトからのシステムへのアクセス等を有する。一連の装置は、例えば、ナノフォトニック構造を有する装置に基づいて実施され、これにより相補型結合、例えば結合された核酸の光検出が可能になる。あるいは、一連の装置は、ナノ構造電極を有する装置に基づいて実施され、これにより、相補型結合、例えば結合された核酸の電気的検出が可能になる。別の代替実施例では、一連の装置は、本願のナノフォトニック構造とナノ構造電極とを有する装置に基づいて実行され、相補型結合、例えば結合された核酸の電気的検出、および相補型結合、例えば結合された核酸の光検出が可能となる。蛍光検出器は、本願のナノフォトニック構造を有する装置に基づいて実施されることが好ましい。これにより前述のエバネッセント放射線を形成する装置の表面へのラベル化分子の結合、例えば生物分子もしくはターゲット化合物のような、蛍光ラベル化された分子の光検出が可能になる。従って、蛍光装置は、レーザのような適当な光源または放射線源と、適当な検出器ユニットとを備える。特定の実施例では、装置は、2以上の光源および／または2以上の波長検出器を備え、例えば異なる励起および放射波長の蛍光ラベルの使用により、異なる波長の蛍光の検出が可能となる。核酸の検出用のマイクロアレイは、本願のナノフォトニック構造を有する装置に基づいて実施されることが好ましい。これにより、核酸もしくは核酸結合タンパク質のような、本願のナノ構造体に結合された複数の固定化単鎖核酸分子の中で、相補型核酸に対するラベル化ターゲット化合物の結合の光検出が可能になる。前記単鎖核酸分子は、約20から約60のベース長さのオリゴマーDNA分子であっても良い。複数の固定化核酸は、組織の異なる遺伝子部分を有しても良く、例えば全ての、実質的に全ての、または全ての遺伝子、全ての有機体のエクソン、あるいは有機体の数の90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%、5%、もしくは2  %の割合の部分もしくはストレッチを有しても良い。固定化核酸の選択は、さらに、特定の経路部材、集団固有遺伝子、メタボリズム関連遺伝子、ある疾病もしくは疾病の傾向に関連することが知られている遺伝子、ゲノムのSNP含有セクター、トランスポゾン着地サイト等を含む。タンパク質を検出するマイクロアレイは、本願のナノフォトニック構造を有する装置に基づいて実行されることが好ましく、これにより、ナノ構造体に結合された複数の固定化相互作用タンパク質もしくはタンパク質フラグメントの中から、タンパク質、ペプチド、小有機分子、抗体、もしくは核酸のようなラベル化ターゲット化合物の、相互作用タンパク質もしくはタンパク質フラグメントに対する結合の光検出が可能となる。また、本発明では、さらに、ポイントケア診断センサの一部として、改良生物分子診断研究生物センサとして、例えば分子診断または臨床診断のセンサのような装置の実施が想定される。装置は、さらに、例えば有害化合物または汚染インジケータの検出が可能な、環境センサとして、または有害化合物の検出もしくは食物品質パラメータを実行する、食物品質センサとして、実施されても良い。
【００６８】
別の態様では、本発明は、本願に示したナノフォトニック構造を有する装置において、本願で定めたターゲット化合物を検出する方法に関し、この方法は、
（a）好ましくはキャリアを介して、前記装置に入射する波長を有するビームまたは放射線を放射するステップと、
（b）前記装置により、前記装置に入射する放射線に応答して、エバネッセント放射線を提供するステップと、
（c）前記装置に存在する前記ターゲット化合物から、前記入射放射線に応じて放射される放射線を検出するステップと、
を有する。
【００６９】
装置に入射する波長を有するビームまたは放射線は、適当な光源、例えばレーザまたはLEDから放射されても良い。ビームまたは放射線の波長は、ナノ構造体の開口、周囲媒体等に応じて変化する。通常、使用波長は、400から800nmの範囲であり、例えば約650nmである。使用キャリアは、透明であることが好ましく、例えば前述のようなガラスまたは透明プラスチックユニットである。従って、キャリアは、プリズムの機能を満たし、エバネッセント場の発生に寄与する。あるいは、エバネッセント場は、適当な対物レンズまたはレンズシステムと、平行入力ビームとを使用することにより生じても良い。別の実施例では、エバネッセント場は、透明基板および透明コア層を有する光波長により生じる。ビームまたは放射線は、その後、例えば蛍光放射線の形態の、エバネッセント放射線を生成する。特定のフィルタの使用により、散乱光は、ブロックされることが好ましい。エバネッセント放射線の生成は、ナノ構造体のパターン化、開口、ラベル化物質の同一性および量、ターゲット化合物の同一性および量、ビーム波長等により調節される。ラベルの量およびビームの波長のようなパラメータは、例えば、連続的に変化し、あるいは実施される検定に依存して変化する。最後のステップでは、装置内に存在するターゲット化合物から放射される放射線は、入射放射線に応じて検出される。検出は、適当な検出器ユニット、例えばピクセル化光検出器、またはCCDカメラにより行われる。検出は、さらに、例えば対カレンズのような集束ユニットを用いて支援されても良い。検出された放射線は、その後、制御もしくは解析ユニット、またはデータストレージユニットに転送され、例えば計算画像検出および解読システムに転送される。
【００７０】
さらに別の態様では、本発明は、本願に示されたナノ構造電極を有する装置において、本願に示されたターゲット化合物を検出する方法に関し、この方法は、
（a）前記装置のナノ電極に、定められた振幅および周波数の交流電場を印加するステップと、
（b）前記装置内のターゲット化合物の存在および／または量に応答する振幅および／または周波数の変化を検出するステップと、
を有する。
【００７１】
電場は、いかなる好適な手段により印加されても良く、例えば前述のような電圧源を用いて印加される。電場の振幅および／または周波数は、装置のパラメータ、ナノ構造電極、被検出ターゲット化合物、周囲媒体の電荷量等により定められる。通常、振幅は、約0.5から約10Vであり、例えば約1V、2V、3V、5V、7V等であり、および／または周波数は、約1MHzから約1〜10GHzの範囲であり、例えば、約10MHz、100MHz、1GHz、10GHz等である。振幅および周波数は、CMOS互換性であることが好ましい。さらに、電場は、交流形態、すなわち交流で印加され、正弦波形態または矩形パルスであることが好ましい。その後、適当なセンサまたは電場検出器、例えばアンテナおよび受信器システムにより、電場の振幅または周波数のいかなる変化も検出される。検出された電場の変化は、その後、制御もしくは解析ユニット、またはデータストレージユニットに転送され、例えば解析、データ採掘および判断システムに転送される。電極の制御は、半導体素子、特にCMOS素子、またはCMOS素子とセンサ、検出、解析、または貯蔵素子との組み合わせにより、実施されることが好ましい。
【００７２】
前述の装置もしくはその一部、またはこれらの装置の1もしくは2以上を有するシステムは、各種目的で、本発明の別の態様に使用されても良い。具体的には、そのような装置もしくはその一部、またはこれらの装置の1もしくは2以上を有するシステムは、表面固有のエバネッセント場の形成に使用されても良い。従って、適当な放射線を使用することにより、エバネッセント場を形成し、これにより、前記ターゲット化合物から放射される放射線を介して、表面結合ターゲット化合物、例えば生物分子を検出し、または分子相互作用の特性もしくは結果、または装置の表面もしくは表面近傍でのターゲット化合物を含む反応を検出することができる。装置もしくはその一部、またはこれらの装置の1もしくは2以上を有するシステムは、さらに、媒体または体積の誘電特性の測定に使用される。測定は、特に、例えばターゲット化合物の存在有無等により、媒体の特性が改質または変化するような装置構成で実施されても良い。装置もしくはその一部、またはこれらの装置の1もしくは2以上を有するシステムは、追加で、ターゲット化合物の存在または濃度の検出に使用されても良い。ターゲット化合物の存在は、装置内の相互作用位置の占有を定める閾値未満のターゲット化合物の量により検出され、例えば全ての可能な相互作用位置の、約0.5、0.1、もしくは0.01%、またはそれ未満が占有される。ターゲット化合物の量または濃度は、既知のまたは予め定められたこれらの位置の数に基づいて、相互作用位置の占有により定められ、あるいはターゲット化合物の既知の量もしくは濃度の測定値と、一つのもしくは好ましくは二つの制御もしくは較正値との比較により、定められる。また、特定の実施例では、本発明において、ターゲット化合物の存在または濃度を検出する対応する方法が想定される。また、装置もしくはその一部、またはこれらの装置の1もしくは2以上を有するシステムは、ターゲット化合物の一次構造の決定に使用されても良い。本願に使用される「一次構造」と言う用語は、ターゲット化合物の単純な化学的または生物化学的解析を定めることができる構造を表し、実質的に複雑な画像決定手法を含まない。そのような一次構造の例は、核酸のヌクレオチドシーケンス、またはタンパク質のアミノ酸シーケンスある。これらの一次構造は、例えば3次元構造のような、より複雑な情報を含まない。本発明による装置は、ナノ構造電極を介した、またはナノフォトニック構造を介した、またはナノ構造電極とナノフォトニック構造の双方を介した、そのような判断プロセスに使用されても良い。また、特定の実施例では、本発明では、ターゲット化合物の一次構造を定める対応する方法が想定される。本発明では、特に、核酸シーケンスを定める、対応する方法が想定される。装置もしくはその一部、またはこれらの装置の1もしくは2以上を有するシステムは、さらに、ターゲット化合物の制御値からのずれの決定に使用されても良い。そのような使用には、例えば、ターゲット化合物、例えばDNAのシーケンスの決定、および制御シーケンス、例えばデータベースとのシーケンスの比較、または異なる構成または平行装置における決定が含まれる。また、これは、捕集タンパク質におけるタンパク質の存在および／または量の決定、および前記タンパク質の存在または量に関する制御情報との結果の比較であり、これは、例えば、データベースの誘導形態、または異なる構成もしくは平行装置で定められる。また、特定の実施例では、本発明では、ターゲット化合物の制御値からのずれを定める方法が想定される。特に、制御またはワイルドタイプのシーケンスと比較して、核酸のシーケンスを定める方法が想定される。また、装置もしくはその一部、またはこれらの装置の1もしくは2以上を有するシステムは、ターゲット化合物またはその相補部分の増幅に使用される。この例は、核酸、特に、DNAまたはRNAの増幅である。従って、DNA増幅は、ポリメラーゼ鎖反応（PCR）の原理に基づく。RNA増幅は、増幅（NASBA）技術に基づく核酸シーケンスに基づいても良い。また、特定の実施例では、本発明において、ターゲット化合物またはその相補部分を増幅する対応する方法が想定される。装置もしくはその一部、またはこれらの装置の1もしくは2以上を有するシステムは、さらに、ターゲット化合物またはその相補部分の増幅のモニタリングに使用されても良い。「モニタリング」は、例えば、増幅生成物の量、濃度、増幅生成物の時間にわたる増減等を定めることを含む。通常、そのような増幅は、核酸、特にDNAまたはRNAの増幅である。また、特定の実施例では、本発明において、ターゲット化合物またはその相補部分の増幅をモニタリングする、対応する方法が想定される。
【００７３】
本発明による装置に基づく方法、および本発明による装置もしくはその一部、またはこれらの装置の1もしくは2以上を有するシステムの使用の別の具体的な例は、遺伝子突然変異、またはmRNA発現、多重および／または定量ポリメラーゼ鎖反応（q-PCR）の特性を定めることを含む。別の想定される使用には、本発明による装置もしくはその一部、またはこれらの装置の1もしくは2以上を有するシステムの、遺伝子もしくはゲノム情報に関連する疾病の存在を定めるための、またはある疾病もしくは疾病の性質に関連する遺伝子もしくは遺伝子異常の検出のための使用が含まれる。別の使用には、SNPの検出、ゲノムのSNP含有セクターの解析等が含まれる。また、小分子のスクリーニング、例えばターゲット物質に対する結合の研究を実施することによる、本発明による装置もしくはその一部、またはこれらの装置の1もしくは2以上を有するシステムの使用が想定される。本発明による装置もしくはその一部、またはこれらの装置の1もしくは2以上を有するシステムは、さらに、ポイントケア診断センサの一部として、または生物分子診断研究生物センサとして、分子診断用または臨床診断用のセンサに使用されることが有意である。本発明による装置もしくはその一部、またはこれらの装置の1もしくは2以上を有するシステムは、追加で、有害化合物もしくは汚染インジケータの検出、または例えば有害化合物を検出し、あるいは1もしくは2以上の食物品質パラメータを定める食物品質センサに、使用されても良い。
【００７４】
別の態様では、本発明は、ナノ構造体を有する装置を製造する方法に関し、エバネッセント場の形成により、表面特異検出または前述の誘電体検出が可能になる。好適実施例では、前記ナノ構造体は、導電性材料で構成され、前記ナノ構造体は、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Sc、Y、Ge、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sr、および／またはWの酸化物を有するバリアコーティングで被覆される。別の追加のまたは代替実施例では、前記装置は、生物検定に適する。
【００７５】
前記方法は、導電性材料の上に、少なくとも約1nmの厚さで、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Sc、Y、Ge、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sr、および／またはWの酸化物のバリアコーティングを成膜するステップを有することが好ましい。また、ある実施例では、コーティングは、約1nm〜約20nmの厚さで成膜され、好ましくは約1nm〜約12nmの範囲、より好ましくは約1nm〜約10nmの範囲で成膜される。また本発明の特定の実施例では、バリアコーティングの厚さは、約1  nm、1.5  nm、2  nm、2.5  nm、3  nm、3.5  nm、4  nm、4.5  nm、5  nm、5.5  nm、6  nm、6.5  nm、7  nm、7.5  nm、8  nm、8.5  nm、9  nm、9.5  nm、10  nm、10.5  nm、11  nm、11.5nm、12  nm、12.5  nm、13  nm、13.5  nm、14  nm、14.5  nm、15  nm、15.5  nm、16  nm、16.5nm、17  nm、17.5  nm、18  nm、18.5  nm、19  nm、19.5  nm、20  nm、またはそれ以上であり、あるいは示された値の範囲のいかなる値であっても良い。さらに、バリアコーティングの厚さは、バリアコーティングの材料、装置の意図する使用、導電性材料の性質、および当業者に知られた他の適当な因子に応じて調節されても良い。バリアコーティングは、ある状況では、導電性材料を有する装置の特定のセクターで異なる厚さを有する。
【００７６】
使用することが好ましい導電性材料は、Alである。前記バリアコーティングの形成には、Hf酸化物、例えばHfO2を使用することが特に好ましい。
【００７７】
成膜は、いかなる好適な成膜技術により行われても良い。原子層成膜（ALD）法が好ましい。ALD法のさらなる詳細および特徴、ならびに成膜の実施の方法は、当業者には良く知られており、例えば、Liuら、Journal  of  The  Electrochemical  Society，152（3），G213-G219，2005年から得られる。
【００７８】
本発明の別の実施例では、前述の装置の製造は、1または2以上の化学基を追加することを有し、生物分子との化学的結合が可能となる。そのような化学結合は、二官能性有機シランとの反応により開始される。適当な有機シランの例は、メトキシ基、エトキシ基、またはCl官能基のような反応基を有する有機シランを含む。これらの二官能性有機シランは、バリアコーティングの表面に既に存在する化学基、特にOH基と反応することが好ましい。また、前記二官能性有機シランは、1または2以上の二次有機官能基を有する。そのような二次官能基の例は、アルデヒド、1級アミン、2級アミン、カルボキシ基、またはエポキシドである。従って、これらの二次官能基により、生物分子のような二次分子との結合が可能となる。従って、本発明の特定の実施例では、前記化学基の追加は、二官能性分子の追加を含む。これは、二官能性有機シランであることが好ましい。適当な二官能性有機シランの好適な例は、メトキシ、エトキシ、またはCl官能基を有するシランである。適当な二官能性有機シランの別の好適な例は、メトキシ官能基およびアルデヒド基を有するシラン、メトキシ官能基および1級アミン基を有するシラン、メトキシ官能基および2級アミン基を有するシラン、メトキシ官能基およびエポキシド基を有するシラン、メトキシ官能基およびカルボキシ基を有するシラン、エトキシ官能基およびアルデヒド基を有するシラン、エトキシ官能基および1級アミン基を有するシラン、エトキシ官能基および2級アミン基を有するシラン、エトキシ官能基およびエポキシド基を有するシラン、エトキシ官能基およびカルボキシ基を有するシラン、Cl官能基およびアルデヒド基を有するシラン、Cl官能基および1旧アミンを有するシラン、Cl官能基および2級アミン基を有するシラン、Cl官能基およびエポキシド基を有するシラン、Cl官能基およびカルボキシ基を有するシランである。これらの化学基の発生数および頻度は、例えば、これらの化学基の追加につながる反応量の増減により調整される。また、特定の実施例では、装置、すなわち表面に、2種以上の化学基が提供される。
【００７９】
特に好適な実施例では、本願に示した装置の製造は、追加で、1または2以上の前記化学基を、1または2以上の生物分子と結合させることを含む。被結合生物分子の好適例は、抗体、核酸、またはヌクレオチド、例えばDNA分子もしくはRNA分子、タンパク質、例えばレクチン、酵素、ペプチド、またはアミノ酸を含む。また、小分子のような有機分子、あるいはいかなる種類の結合分子、例えば有機結合分子またはタンパク質結合分子が結合されても良い。
【００８０】
製造は、いかなる好適な製造方式により実施されても良く、例えば、ロボット製造ラインのような、自動化方式で実施されても良い。これにより製造された装置は、さらに、大きなシステムまたは検出パックに統合されても良い。
【００８１】
また、本発明において、装置の一部のみを製造すること、例えば本願に示したナノ構造を有するセクターを製造することが想定される。本発明では、さらに、既に使用された装置をリサイクルまたは再装備すること、例えば結合された生物分子等の置換もしくは貯蔵、壊れた管の置換、および／またはナノ構造体の再コーティングが想定される。
【００８２】
以下の実施例および図面は、説明用に提供される。従って、実施例および図面は、限定するものと解してはならないことが理解される。当業者には、本願に記載された原理のさらなる変更が想定され得ることは明らかである。
【実施例】
【００８３】
（例1−コーティングの劣化）
以下の方法で、典型的な生物検定バッファ内でのコーティング材料の劣化を評価した。ワイヤグリッドを5nmの窒化ケイ素でコーティングし、その後、室温で、0.1%のSDSを含む5×SSCバッファ中に浸漬した。50分の時間フレーム間のエバネッセント場信号強度を測定した。図2のグラフに示すように、バッファとの反応の結果、金属Alのロスにより、バックグラウンド信号が上昇した。これは、光がナノ構造体を通過するまでの、減衰長さの増加につながる。劣化の開始は、約40分後であった（図2の矢印に示されている）。
【００８４】
（例2−代替コーティング材料による実験）
以下の方法で、典型的な生物検定バッファ内での異なるコーティング材料の劣化を評価した。Biograceチャンバ、自家製チャンバ、およびマイクロ流体チャンバ内のAlワイヤグリッドを、5nmのSiO2、5nmのSi3N4、5nmのSiON4＋5nmのSiO2、10nmのTiN、および5nmのSiO2でコーティングした。その後、室温で、0.1%のSDSを含む5×SSCバッファ中に浸漬した。最大4時間の時間フレーム間のエバネッセント場信号強度を測定した。図4からわかるように、バッファとの反応の結果、金属Alのロスにより、バックグラウンド信号が上昇した。これは、光がナノ構造体を通過するまでの、減衰長さの増加につながる。劣化の開始は、異なる被覆層毎に、図4に示されている。Biograceチャンバ内の5nmのSiO2の場合、エッチングまでの時間は45〜60分であり、Biograceチャンバ内のSi3N4の場合、エッチングまでの時間は2.5〜3時間であり、Biograceチャンバ内の5nmのSiON4＋5nmのSiO2の場合、エッチングまでの時間は約3.5時間であり、Biograceチャンバ内の10nmのTiNの場合、エッチングまでの時間は約3.5時間であり、Biograceチャンバ内の5nmのSiO2の場合、エッチングまでの時間は45〜60分であり、自家製チャンバ内の5nmのSiO2の場合、エッチングまでの時間は約3.5時間であり、マイクロ流体チャンバ内の5nmのSiO2の場合、エッチングまでの時間は2.5時間超であることがわかった。
【００８５】
（例3−HfO2によるコーティング）
コーティングとしてHfO2を使用した場合、ワイヤグリッドバイオセンサから、最も高い信号、および最も高い信号対バックグラウンドを得るには、2nmの厚さが最適であることがわかった。異なる厚さ、すなわち1nm、2nm、5nm、および10nmのHfO2コーティングを有するワイヤグリッド上に、2つの異なるプローブをインクジェット印刷した。印刷には、異なるバッファ組成を使用した（MQバッファおよびPBSまたはリン酸塩バッファ）。図5Aおよび図5Bからわかるように、本試験条件下では、2nmの厚さにおいて、最適な結果が得られた。すなわち最も高い信号および最も高い信号対バックグラウンド比が得られた。これらの装置は、0.1%のSDSを含む5×SSC中に数日間浸漬した後においても、バックグラウンド信号の増加を示さなかった。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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