(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量降着および粘度を検出するデバイスであって、
複数の流体チャネル（１６）を有する使い捨てカートリッジと、
少なくとも１つの流体チャネル（１６）内に配置される少なくとも１つの振動発生機械構造体（１０）と、
振動発生機械構造体のそれぞれに結合された少なくとも１つの光源（３５）と、
駆動信号により、単一のアクチュエーティング周波数にて励起される少なくとも１つのアクチュエ―ティング手段（１５）と、
励起信号に対する振動発生機械構造体（１０）の位相を測定する制御電子回路（１４）と、
少なくとも１つの振動発生機械構造体（１０）および少なくとも１つの光源（３５）に結合された少なくとも１つの集光器（１２）と、
テスト中のカートリッジを所望の温度に維持するための温度制御システムと、を備え、
少なくとも１つの集光器（１２）は、少なくとも１つの光検出器（１３）に結合されており、制御電子回路（１４）は、少なくとも１つのアクチュエーティング手段（１５）に結合されており、
少なくとも１つの集光器（１２）は、振動発生機械構造体（１０）から光を集光しその光を光検出器（１３）に結合する光ファイバ（３２）であり、
光検出器（１３）は光検出器信号を生成し、
制御電子回路（１４）は、位相振幅検出電子回路（４５）と、光検出器（１３）の出力に結合された前置増幅器（４８）と、駆動アンプ（４４）と、駆動アンプ（４４）および位相振幅検出電子回路（４５）に結合された信号発生器（４３）とを備え、
光源（３５）は、ファンアウト型回折格子（３４）および集束光学系（３６）に結合されており、
駆動アンプ（４４）は、アクチュエーティング手段（１５）を単一の周波数にて駆動し、位相振幅検出電子回路（４５）は、駆動信号と光検出器信号との間の位相差を出力する、デバイス。
【請求項２】
制御電子回路（１４）は、少なくとも１つの光検出器（１３）に着脱可能に結合される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
少なくとも１つの光源（３５）は、レーザ源、ＶＣＳＥＬ、ＬＥＤおよびこれらの組み合わせからなるグループから選択される単一の光源である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
振動発生機械構造体は、吊り下げ式カンチレバー（１０）である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
カンチレバー（１０）の先端に統合格子（２４）を含む、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
カンチレバー（１０）の表面は、選択的に官能化される、請求項４に記載のデバイス。
【請求項７】
振動発生機械構造体（１０）は、アクチュエ―ティング手段（１５）に応じて屈曲し、反射光の角度を変更する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
少なくとも１つのアクチュエ―ティング手段（１５）は、電磁力手段、圧電力手段、熱的力手段、静電気力手段およびこれらの組み合わせからなるグループから選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
少なくとも１つのアクチュエ―ティング手段は、少なくとも１つの振動発生機械構造体を活性化する単一のコイルである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
それぞれの振動発生機械構造体（１０）に結合された少なくとも１つの発熱体（４７）をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
チャネル（１６）は、異なる化学物質によって選択的にコーティングされる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
チャネル（１６）は、カートリッジ上の流体ポートに結合される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
流体は、カートリッジに着脱可能に結合されたポンプ手段によって作動される、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
少なくとも１つのアクチュエ―ティング手段（１５）は、少なくとも１つの振動発生機械構造体（１０）に着脱可能に結合可能である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
集光器（１２）は、導波管、導光体、光ファイバおよびこれらの組み合わせから選択される、請求項１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、化学的・生物学的センサの分野に関し、特に、流体の粘度並びに流体中の微量の化学物質および生物学物質の検出を行うための微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体中の少量の化学物質および物質の検出は、化学および生物学の分野で多くの用途がある。医学においては、例えば血液、尿、唾液などの体液中の化学物質（ナトリウム、窒化物、カルシウム、カリウム、心臓マーカーなど）およびその濃度を検出することにより、多くの疾患を診断することができる。環境中だけでなく、体液中の病原体（結核、肝炎、ＨＩＶウイルスなど）を検出することは積極的な研究開発の分野である。
【０００３】
同様に、流体の粘度を測定することは、産業用途や医療分野において大きな関心がある。粘度のデータを収集する能力により、流体システムを設計する方法に関する重要な情報を製造者に提供する。特にマイクロ流体システムにおいて、粘度は、流体のポンパビリティおよびチャネル間の圧力低下を決定する。例えば、インクの粘度は、インクジェット印刷システムにおいて非常に重要である。自動車業界では、潤滑油の製造業者は、自動車エンジンおよび油圧システムの異なるパーツのために開発される潤滑油の粘度を知る必要がある。
【０００４】
最先端の技術に関して、「血清および血液のプラズマ処理のためのマイクロカンチレバーベースの使い捨て粘度センサ、方法、２０１３０７２０Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ−ＩＳＳＮ１０４６−２０２３」には、光検出器によって反射光を収集するマイクロカンチレバーが開示されている。
【０００５】
最先端の技術に関して、国際公開第２０１２／０５９８２８号公報には、アクチュエーションと、センシングエレメントを用いた多重センシングとを行う方法および装置が開示されている。本特許文献において、格子からの回折光は光検出器によって収集される。
【０００６】
医療分野において、血液の粘度と凝固時間を測定することは、心臓血管疾患、関節リウマチおよび特定の自己免疫疾患のような複数の疾患を診断するために行われる。抗凝血剤を使用する患者は、血液の粘度と凝固時間を継続的に監視する必要がある。
【０００７】
上記検出分野のセンサに課される要件は、振動発生機械構造体によって対処することができる。特にマイクロカンチレバー（microcantilevers）には、いくつかの利点による様々な用途が発見されており、その利点には、小型化によって検出の限度が少なくなっていることや、カンチレバーの形状を最適化する能力や、これらのカンチレバー（「マイクロカンチレバー」とも呼ばれる）上に官能化領域（functionalized regions）を選択的に配置できる能力や、光学系や電子機器と統合可能な大きなアレイに対して作業を実行できること、などがある。
【０００８】
これらのカンチレバーが液体中に配置されている場合、振動のダイナミクス（位相と振幅）は、液体の粘度およびカンチレバーの質量蓄積（mass accumulation）によって影響される。振動の位相および／又は振幅を測定することにより、流体の粘度および液体中に存在し得る微量の化学物質および物質を検出することができる。さらに、カンチレバーは、フィードバック回路を用いた振動に設定することができる。この場合、カンチレバーの振動におけるダイナミックな変化をモニタするために、周波数の測定を実施することができる。
【０００９】
粘度および質量の測定のニーズに対応するために種々の方法が提案されている。これらの現在知られている種類のセンサにはいくつかの欠点がある。その欠点とは、検出器にセンサを結合するための電気的接続（導電体とも呼ばれる）を必要とすることや、光検出オプションが限られていることや、気相検出に限界があることや、センサが使用している読み出しコンポーネント（例えばドップラー振動計）が虚弱であることや、たわみのモニタによる屈折率の変化によって読み出し器が影響を受ける可能性があることや、環境騒音に対してセンサの免疫が無いことや、センシング中にカンチレバー／サンプルを加熱することができないこと、などがある。さらに、パラレルセンシングに関する現在の選択枝は実験室での使用のみに限定される。したがって、フィールダブル（fieldable）でラベルフリーなデモンストレータが望まれており、このようなデモンストレータは、アレイ設定で利用可能な適切な読み出し機構や、保管期間中に官能化表面を保護するためのパッケージ（通常、流体の取扱いを要する）や、特定のコンポーネントの処分を可能にしながら他のコンポーネントは次回に使用可能とする統合的アプローチ（例えば、ＭＥＭＳセンサアレイを含む使い捨てカートリッジ）などの各種コンポーネントがないことによって、存在していない。
【００１０】
本発明の１つの目的は、小型化され、選択性が高く、高感度で、パラレルで、ラベルフリーで、および／又はポータブルであるセンサアレイを有するＭＥＭＳセンサアレイを実現することである。このようなセンサアレイは、ポイント・オブ・ケア診断のための貴重なツールと、単一又は複数の分析物に対するスクリーニングおよびデータ処理の機能を有する化学的センシングとを提供する。また、このようなセンサにより、流体に関する粘度、減衰および化学的変化など、体液のダイナミック特性を測定することができる。これらのセンサアレイのさらなる目的は、早期診断の可能性を高めるように感度と特異性を高めることだけでなく、投薬アドバイスなどの治療支援の適切性を高めることである。これにより、医師と患者の対話効果が増大し、パーソナライズされたガイダンスにつながり得ることが想定される。パラレルで、ラベルフリーで、選択性の高いセンシングの要求を満たすようなシステムは今日では存在しない。それは、マイクロシステム技術および読み出し方法が様々な理由の期待に応えることができないからと考えられており、その理由には、官能化表面に関連する堅牢性の問題と、真に統合されたアレイ互換性（array-compatible）のある読み出し技術の欠如とが含まれる。あるいは、マイクロアレイ技術によれば、パラレルで選択的な検出が提供されるが、稼働およびメンテナンスに専門知識を要することと、ラべリングおよびセンシングの方法が複雑であるために高価なインフラを必要とすることから、フィールダブルではない。妊娠検査キット又はグルコースセンサなどの多くのフィールダブルアプリケーションが存在するが、これらのアプリケーションは１つの種類に限定され、パラレルな検出能力を欠いている。
【００１１】
センサアレイプラットフォームは非常に革新的かつ汎用性があり、新規な用途によって触発されている。例えば、ポイント・オブ・ケア診断の用途では、マイクロシステムベースのセンサ又はパラレルセンサアレイ（２―６４チャネル以上）を、カンチレバーのアレイの共振周波数のシフトに関して様々な種類に使用することが想定され、当該共振周波数は質量蓄積の指標としてモニタされる。この例では、周波数シフトの検出は、新規な集積光エレクトロニクスチップを通じて行われる。２５％を超える再現性を有する０．１―１０００ｎｇ／ｍｌでの範囲の感度が目指されている。共振周波数に加えて、駆動信号とマイクロカンチレバーの動きとの間の位相差を測定することができる。カンチレバーは、様々な化学物質により官能化することができ、異なるチャネルに配置することができる。同じ流体を複数のチャネルに適用することができ、当該チャネルにおいては、励起信号とアレイ内のカンチレバーの機械的な振動波形との位相差をモニタすることによって、化学物質による流体の粘度に対する影響が測定される。０．００１ｃｐｓという一般的な感度は、カンチレバーを使用して達成することが可能である。
【００１２】
さらに、本発明の可能な用途には、体液（例えば、血液、血清、尿、唾液）から液相の疾患を検出することや、供給される環境水に存在し得る病原体を検出するための検出器が含まれる。さらに、水性溶媒中において、本発明によれば、ラべリングを必要とすることなく多数の分析物（例えば、タンパク質、病原体、およびＤＮＡ鎖）のパラレルで迅速なリアルタイムのモニタリングが可能になるため、創薬プロセスにおけるターゲットスクリーニングとして、あるいは、現在のＤＮＡとタンパク質のマイクロアレイチップに代わる有望な代替案として理想的である。そのようなラベルフリーデバイスを使用すると、準備段階の数が減少し、診断時間を短縮することができる。ＤＮＡ配列を調べることができるとともに、成功した結果は、ヒトＤＮＡ中の様々な変異の陽性検出（例えば、鎌状赤血球貧血、サラセミア（-thallesemia））をパラレルで行うことになる。
【００１３】
本発明は、カンチレバーアレイのダイナミクス変化を高度にパラレルで検出することができる。提案されるセンサは、統合フォトニクス、ＶＬＳＩおよびマイクロ／ナノシステム技術を含む複数の分野を使用して、（生物学／化学）物質のラベルフリー検出のためだけでなく、堅牢で小型化されたパッケージ内における流体の粘度測定のために用いることができ、画期的な性能を持つ汎用性の高いセンサアレイを開発することができる。
【００１４】
それぞれのセンサは典型的にはＭＥＭＳセンサアレイ上に配置され、振動発生機械構造体（カンチレバー又はマイクロカンチレバーとも呼ばれる）の共振周波数、振幅および／又は位相をモニタすることによって動作される。センサの出力は、特定の結合事象や流体の粘度の変化によるカンチレバー上の累積質量に応じた、共振周波数、振幅および／又は位相の変化である。カンチレバーのアレイは、アクチュエーティング手段によって動作されてもよく、アクチュエーティング手段には例えば、電磁力手段、圧電力手段、電気力手段、静電気力手段およびこれらの組み合わせなどがある。最も好ましいアクチュエーティング手段は、重畳駆動電流波形を運搬する単一の電気コイルである。各センサに結合された光を感知する機構からの好適な光フィードバックは、特定の結合事象の検出のために使用され、共振におけるカンチレバーの閉ループ制御のために使用される。より好ましくは、液媒体中でも鋭い共振ピーク（高Ｑ）を可能にする閉ループ制御電子回路によって減衰を調整することができる。好ましい実施形態においては、ピエゾ抵抗型や静電容量法のようなその他の読み出し技術と比較して周波数分解能が本質的に高い。
【００１５】
好ましくは、ＭＥＭＳチップは、磁気構造層（例えば、ニッケル）上に官能化層を含む。より好ましくは、カンチレバー上の官能化層の位置は、追加される単位質量ごとの共振周波数シフト又は位相シフトを最大にするように選択することができる。好ましい実施形態では、カンチレバーの新規な構造は、単純なスリットおよび／又は発熱体としての形態の回折格子を含む。回折格子からの反射光は、光ファイバによって収集することができる。別の構成では、回折格子を省略することができ、光を反射するために、カンチレバーの平坦面を使用することができる。この場合、光は依然として光ファイバを使用して収集することができ、光ファイバにおいては、カンチレバーの振動が光ファイバに結合している光の量を決定するため、ファイバが結合されている光検出器の出力は、カンチレバーの振動の振幅および位相を表す。ＭＥＭＳセンサアレイ（ＭＥＭＳチップとも呼ばれる）は、好ましくは、将来の製品において使い捨てかつ交換可能であることが想定される；例えば、アクチュエーティング手段（アクチュエータとも呼ばれる）を含む検出装置と結合されるＭＥＭＳセンサアレイを含む使い捨てカートリッジなど。この好ましい実施形態によれば、アクチュエータと電子回路層を再利用のために無傷に残すことができる。好ましくは、ＭＥＭＳチップは、検出装置に対する電気的リンク（導電体とも呼ばれる）のない受動部品である。本実施形態では、これにより、分離、結合、静止摩擦の問題を考慮する必要が少ないため、流体環境での作業が容易になる。さらに、好ましい実施形態は、電子回路および光学系を受動部品と統合することを含み、これにより、ＭＥＭＳ層とＩＣ検出装置とを直接統合する場合に比べて、使用が容易になり、柔軟性も高まる。最後に、好ましい実施形態では、磁気によるアクチュエーティングを、ＭＥＭＳチップ上の外部電磁コイルを通じて遠隔で行うことができる。質量測定において達成される感度レベルは、目的の分析物の検出感度によって直接的に影響を受けると考えられる。さらに、カンチレバー表面で利用される表面官能化の種類によって、例えば、麻薬検出のために利用されるヒトκオピオイド受容体（ＨＫＯＲ）など、アプリケーションの分野が決定される。好ましい実施形態では、５００フェムトグラム以下の最小質量の検出限界は、個別の光学系、電子回路および電磁石を通じて達成される。また、同システムによれば、０．００１ｃｐｓという低い粘度測定感度を達成することができる。好ましくは、ディスクリート部品と更なる小型化とを統合することにより、デバイスの最小検出限界、感度、パラレル処理および堅牢性を実質的に向上させるとともに、ポータブルデバイスにおけるラベルフリーでパラレルな検出の課題にも対応することができる。
【発明の概要】
【００１６】
本発明の１つの目的は、液体および気体の環境における官能化カンチレバーのダイナミック変化を測定可能なリモートセンシングを有する使い捨てカートリッジで動作するセンサを提供することである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】液相センシング用の操作を行う、光学読み出し器を有するリーダ、カートリッジ、センサに関するシステム概念の好ましい実施形態を示す図
【図２】光学集光器、アクチュエーティング手段および制御電子回路を含むマイクロ流体チャネルのシステムに配置されるマイクロカンチレバーアレイの好ましい１つの実施形態を示す図
【図３】使い捨てカートリッジを含む本発明の好ましい１つの実施形態を示す図
【図４】マイクロ流体チャネル内に配置されるＭＥＭＳセンサを有する本発明の好ましい１つの実施形態を示す図
【図５】ＭＥＭＳマイクロカンチレバーが、マイクロ流体チャネル内に配置されるマイクロカンチレバーの一端に回折格子を有する本発明の好ましい１つの実施形態を示す図
【図６】先端が化学物質によって選択的に官能化されたカンチレバーの好ましい１つの実施形態を示す図
【図７】格子を含むカンチレバーを有する光学読み出し器に関するシステム概念の好ましい実施形態を示す図
【図８】光ファイバによって反射光を収集するカンチレバーの回折を検出するための光学レバー方法を用いる概念の好ましい実施形態を示す図
【図９】マイクロカンチレバーのアレイに光を当てるためにファンアウト型回折格子を用いた光照射方法を表す概念の好ましい実施形態を示す図
【図１０】回折格子を有するカンチレバーのためのパラレル光学読み出し器の詳細を表す好ましい実施形態を示す図
【図１１】本発明に関するカンチレバーアレイ用のプロセス層、センシング層および局所的マイクロヒータに関する好ましい実施形態を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
好ましい実施形態では、システムの重要な分野を以下のように挙げることができる：（１）検出チップ（好ましくは、ダイボンディングレーザダイオードアレイ（１Ｄ ＶＣＳＥＬアレイ）を利用したシリコンベースの新規な集積光電子チップと、光検出機構１３と、ウェーハ薄化およびシリコンビア技術（Si via technology）を有するＣＭＯＳ読み出し電子回路とを備える）；（２）ＭＥＭＳチップ１（ＭＥＭＳセンサアレイとも呼ばれる）であって、統合された格子２４による構造体と、発熱体４７と、使い捨てチップ用のリモート電磁アクチュエータとを有するマイクロ／ナノ共振カンチレバー１０を備える；（３）オプトエレクトロニクスチップとＭＥＭＳチップをハイブリッドスタッキングにより３次元統合したもの；（４）アレイからの１つのカンチレバー１０のみに対処する集中固定化方法を用いて、ＭＥＭＳカンチレバー１０を異なる特定の認識分子（タンパク質、オリゴヌクレオチド、化学的アセンブリ）により官能化すること；（５）化学物質および生物学物質を高度に選択的かつ正確に認識するためのパラレルセンサアレイ操作（最小で２、最大で６４の並列チャネル１６から）のデモンストレーション。
【００１９】
好ましい実施形態は、ニッケル製のカンチレバー１０を有するＳＯＩウェーハ上でのＭＥＭＳチップの設計および製造を含む。集積回折格子３９の考えは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の分野、および、製造が簡単で環境ノイズに対して良好な免疫を持つその他の分野に関する非常に高解像度の変位検出（実証されたサブオングストローム平均検出限界を有する）を提供するために、既に実証されている。好ましい実施形態では、マイクロカンチレバー３８は、膜デバイスによって置き換えることができ、好ましい動作モードでは、カンチレバー１０又は膜をアクチュエータと結合することにより、ギャップ２６を調節し、応答性を選択的に調整することができる。
【００２０】
好ましい実施形態は、光を集めるための光ファイバ３２を含む。カンチレバー１０がファイバ３２ではなく格子２４を有する場合、回折次数からの光を収集し、その光を光検出機構に結合する。フラットなカンチレバー１０に関して、ファイバ３２もまた検出機構の一部である。この場合、カンチレバー１０の振動は光の方向を変化させるので、光ファイバ３２に結合される光に影響を与える。
【００２１】
好ましい実施形態はまた、検出チップと、ＭＥＭＳ層とは独立して機能する制御電子回路１４とを備える検出装置の設計および製造を含む。好ましくは、検出装置は、ＭＥＭＳチップへの物理的な接続又は導電体を有しないユニバーサル読み出し器であり、検出チップ又は検出装置から電子が流れる、又はその逆に流れるようにする電気的接続が存在しない。ＶＣＳＥＬアレイ技術は商業的に入手可能であるが、並列センサアレイにおける充填密度が高いために光検出器１３と同じ側に配置することができず、フリップチップボンディングにより鉛直方向に集積することができる。３Ｄハイブリッドチップ積層のために開発されたシリコンビア技術は、ＭＥＭＳチップ上へのチャネル１６、ＶＣＳＥＬ又はその他のレーザ２７に利用される。好ましく想定されているプラットフォームは汎用性があり、光相互接続およびその他のフォトニクス用途のために利用可能である。
【００２２】
検出装置は、好ましくは、共振における光学フィードバックと、ノイズキャンセルと、ダイナミックな変化を検出するための正確な周波数測定とを実行する検出チップを利用するＭＥＭＳカンチレバー１０の閉ループ制御を有する制御電子回路１４を含む。検出装置は、好ましくは、気相と水相のサンプルを処理可能に設計される。検出チップ（好ましくは光電子チップ）と使い捨てＭＥＭＳ層とは、良好な精度で位置合わせされることが好ましい。これは、好ましくは、パッケージ２内に加工された機構的ガイドを通じて実現することができ、より好ましくは、数ミクロンの精度を実現するために、アクティブなアライメントを使用することができる。
【００２３】
好ましくは、制御電子回路１４はアクチュエーティング手段を単一の周波数で駆動し、駆動信号と光検出器１３の信号との位相差が測定される。
【００２４】
好ましくは、センサアレイの個々の要素はそれぞれ最適に設計および製造され、基本的限界に近い感度を達成するために、種々のノイズ低減技術を実装することができる。バイオセンシング、ガスセンシング、および、吸収領域と熱絶縁レッグを利用する熱的センシングに関する、コンパクトで、高度に機能的で、ポータブルかつ使い捨て可能なセンサ、並びに、格子と選択的吸収性材料とをこのセンサアレイ技術とともに用いた分光装置が開発されている。したがって、提案されるアイデアを実現することで、複数の被検体を診断する機能と、医師と患者の対話効率の向上と、癌を含む疾患および再発の早期発見と、安全性に関わる有害物質の検出とにより、個人の健康システムに貢献することができる。さらなる例示的な実施形態を以下に説明する。
【００２５】
図１は、好ましい使い捨てパッケージ２を示しており、使い捨てカートリッジ１００に対する電気的導体（電気的接続とも称される）が存在しない場合があることを示す。同様に、マイクロ流体の取り扱いは使い捨てパッケージ２に統合することができ（例えば、簡単な濾過を使用することができる）、血清を血液から分離し、分離した血清を測定のためにカンチレバー１０の上に移動させる。図１に示す好ましいリーダ４は、検出装置と、アクチュエーティング手段１５とを備える。アクチュエーティング手段１５は、好ましくは、ＡＣ（交流）駆動のために使用される電磁石４６、あるいは、磁界強化用の永久磁石である。図１に示す使い捨てパッケージ２は、好ましくは、流体接触システムに接続されているＭＥＭＳチップ１を含む使い捨てカートリッジ１００を備え、流体接触システムは好ましくは、流体チャンバ（「反応チャンバ」とも称される。）５と、流体チャンバ５に接続されている流入口と、流体チャンバ５に接続されている流出口とを備える。いくつかの例では、流入口および流出口は、流体流入口／流出口８として設計された同じ空間を通じて形成される。使い捨てリーダ４は、ＭＥＭＳチップ１を計測するために好ましくは光電子的に読み出し可能な光を検出する機構を備える。リーダ４は、流体ポート８に接続されたポンプを含む。リーダ４は、テスト中のカートリッジを所望の温度に維持するための温度制御システムを備える。さらに、図１に示すリーダ４は、好ましくは、制御電子回路１４と、ユーザインタフェース９とを備える。
【００２６】
図２は、光学的読み出し・アクチュエーティング手段の好適な実施形態の詳細を示し、当該手段は使い捨てカートリッジを備え、当該使い捨てカートリッジは、カンチレバー１０と、流体チャンバ５と、集光器１２と、光検出器１３と、制御電子回路１４とを備える。アクチュエーティング手段１５（好ましくは電磁石４６、最も好ましくは図示される電気コイル）は、マイクロ流体チャネル２２を保持しているカートリッジの下方に配置されている。アクチュエータは、カンチレバー１０を一定の周波数で振動させることができる。また、カンチレバー１０に結合してカンチレバー１０の表面から反射される好適なレーザ２７が示されている。反射光は、反射光を検出するための光検出器１３に接続されている集光器１２に結合することができる。フォトダイオード３３から出力された信号は、カンチレバー１０の振動によって変調される。カンチレバー１０の表面は、格子２４を有する。この場合、ファイバ３２は、格子２４からの回折光を収集する。
【００２７】
図３は、使い捨てカートリッジを示す。図示するように、カートリッジは、１つ又は複数のチャネル１６を有する。チャネル１６は流体チャンバ５を有し、流体チャンバ５においては、チャネル１６の幅および／又は高さが他のチャネル１６とは異なっている。カンチレバー１０のセンサは、チャネル１６のこの部分に配置可能である。カートリッジの材料は、好ましくは、プラスチック、エポキシガラス、プレキシグラスあるいはアクリルであってもよい。チャネル１６は、使い捨てカートリッジを機械的、化学的又は成形技術によって機械加工することによって作製することができる。チャネル１６を保持する基板２５上にカバープレート１７を接着することによって、閉鎖されたチャネル１６を形成することができる。カートリッジは、チャネル１６に結合された流入口１８および流出口１９を有する。流体はこれらの開口を通じて流すことができ、また、流入口１８又は流出口１９にポンプを連結することにより、流体を動かすことができる。カートリッジは、カートリッジをリーダ４に簡単に配置するためのアライメント又はガイド用の切り欠き２０を有する。カバーは、対応する切り欠き２１を有する。
【００２８】
図４は、ＭＥＭＳチップ１を備える流体チャンバ５の上面図である。好ましい実施形態では、それぞれの流体チャンバ５の中に少なくとも１つのＭＥＭＳチップが配置可能である。ＭＥＭＳチップは、ベース２３（好ましくはシリコン）と、カンチレバー１０（好ましくは磁性材料）とで構成される。
【００２９】
図５は、カンチレバー１０の端部に格子２４を有するＭＥＭＳチップ１の上面図である。断面画像は、カンチレバー１０の下方の基板２５を示している。この部分は干渉のために使用される。
【００３０】
図６は、官能化されたカンチレバー１０を示す。個々のカンチレバー１０の検出表面は、認識分子の共有結合固定化のために適切に活性化することができる（自己組織化単分子膜、親水性ポリマーコーティング）。一実施形態では、試薬溶液の正確な適用は、インクジェット堆積システム、ディップコーティング、マイクロスポッティング又はマイクロ流体チャネル１６を各分析物に使用することで達成することができる。あるいは、光活性化ベースの化学反応を使用して、光活性化表面領域のみに反応基が提供される。共有結合固定化のためのモデル（バイオ）リガンドには、抗体（immunosensing）、オリゴヌクレオチドプローブ（ハイブリーダイゼーションアッセイ）、化学アセンブリ（ナノチューブ、ナノ粒子、超分子複合体、脂質二重層）が含まれることが想定される。結合部位の表面密度は、酵素標識、蛍光顕微鏡イメージングおよび／又は原子間力顕微鏡を用いて決定されると考えられる。
【００３１】
図７は、ギャップ２６を形成するように基板２５に結合された格子２４を有するカンチレバー１０を有する光学読み取り器の好ましい実施形態の詳細を示す。アクチュエーティング手段１５（好ましくは電磁石４６、最も好ましくは図示されるように電気コイル）は、基板２５の下方に配置されており、基板２５は、カンチレバー１０を一定の周波数で振動させることができる。また、格子２４に結合して屈折次数（refracted orders）２８（０次屈折、１次屈折３０、３次屈折３１）を形成する好適なレーザ２７が図示されている。屈折次数２８は、光ファイバケーブル３２とフォトダイオード３３の組合せによって収集される。フォトダイオード３３から出力される信号は、０次屈折と１次屈折に関する回折次数強度によって表される。
【００３２】
図８は、光レバー読み出し器の好適な実施形態の詳細を示す。図８の光レバー読み出し器は、平坦面を有するカンチレバー１０を備える。アクチュエーティング手段１５（好ましくは電磁石４６、最も好ましくは電気コイル）は、使い捨てカートリッジ１１８の下方に配置されており、使い捨てカートリッジによって、カンチレバー１０を特定の周波数で振動させることができる。また、カンチレバー１０の平坦面から反射される好適なレーザ２７が図示されている。反射ビームは、光ファイバケーブル３２によって収集される。カンチレバー１０の振動によって反射光の方向は変化するため、これにより、光ファイバケーブル３２に結合する光の量も変化する。光ファイバケーブル３２は、検出のためにフォトダイオード３３に結合されている。フォトダイオード３３からの信号出力は、カンチレバー１０の振動によって変調される。
【００３３】
図９は、光レバー読み出し器の好適な実施形態の詳細を示し、当該光レバー読み出し器は、流体チャンバ５のシステム内に複数配置されたカンチレバー１０のアレイの振動を検出するためのものである。ファンアウト型回折格子３４を使用することで、単一の光源３５から複数のビームを生成することができる（好ましくはレーザ２７）。集光光学系３６は、生成されたビームをカンチレバー１０上に向ける。反射光は、フォトダイオード３３のアレイに結合している光ファイバケーブル３２によって収集される。
【００３４】
図１０は、電子システム３７（図１に示す制御電子回路１４とユーザインタフェース９の一部であってもよい）および光読み出しシステム（例えば、図１に示す光電子読み出し器としても知られる）の別の好ましい実施形態の詳細を示す図であり、ここではマイクロカンチレバー３８の振動の位相又は振幅が所望のセンサ出力である。本実施形態では、光学読み出しシステムは、レーザ２７（好ましくは赤色半導体レーザ）と、回折格子３９と、第１レンズ４０と、ビームスプリッタ４１と、第２レンズ４２と、ファイバ３２に結合可能な光検出器１３とを含む。ビームスプリッタ４１は、個々の回折格子２４又はカンチレバー１０の平坦面と相互作用することができる。この好ましい実施形態では、マイクロカンチレバー３８は、共振の近傍における特定の周波数で振動することができる。電子システム３７は、光検出器１３の出力と結合された前置増幅器４８と、駆動アンプ４４および位相振幅検出電子回路４５に結合された信号発生器４３と、ＭＥＭＳチップ１に結合された電磁石４６とを備える。この好ましい実施形態においては、ＭＥＭＳカンチレバー１０に対して、ファンアウト型回折格子３４を用いてレーザ２７から発生されるレーザ光を照射することができる。格子２４を有するカンチレバー１０の場合には、基板２５およびセンサ表面からの反射光は、干渉して、回折次数を生成する。０次数直接反射光での大きなバイアスを回避するために、第１回折次数がモニタされる。第１回折次数は、ファイバケーブル３２とフォトダイオード３３のシステムによって収集される。フォトダイオード信号は、信号発生器４３の基準駆動出力とともに検出回路に供給される。位相振幅検出電子回路４５は、光検出器１３の信号の振幅と同様に、駆動信号と光検出器１３の出力との間の位相差を出力する。平坦なカンチレバー１０の場合には、ファイバ３２がカンチレバー１０の表面からの反射光を収集するように光学系が並べられる。反射光の方向は、カンチレバー１０の振動によって、すなわち、ファイバ３２に結合された量によって決定される。
【００３５】
図１１に示す好ましい実施形態は、カンチレバー１０の局所的加熱を可能にする埋め込み型発熱体４７をカンチレバー１０の構造内に備える。これは特に、それぞれの試薬が、異なる温度において異なる吸収率および脱着率を有するため、化学的・生物学的サンプルを分析する際には重要である。これを使用して、異なる化学的・生物学的結合事象に対する検出の特異性（又は選択性）を改善することができる。局所的加熱を使用することで、温度依存スペクトル、ＤＮＡ融解曲線を作成することができるとともに、マルチモーダル検出能力を導入すれば、特異性を増加させることができる。
【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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