(57)【要約】共鳴センサーとして使用するための微細加工されたセンサーのための装置および方法を提供する。１つの態様として、センサーのアレイは、電気的に共通な膜、絶縁スペーサーおよび駆動素子を含む基盤を有することにより形成される。任意に、静電駆動力が膜を共鳴させる原因となり、結合事象が検出される。検出は、容量的、圧電的、圧抵抗的または光学的である。任意の孔により大気との平衡を可能にする。位相固定ループ回路または整調できる発振器回路を含む検出回路を利用できる。薬品探査などのハイスループットスクリーニングを実施できる。【選択図】図９ａ
2004510145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
力または膜表面特性の変化を検出するための膜を含むミクロメカニカルセンサーであって、前記センサーは、
基板；および
前記基板上または基板中に１またはそれ以上の層、を含み、
前記１またはそれ以上の層は空洞を形成し、または、前記基板および前記１またはそれ以上の層は空洞を形成し、
前記空洞は、
１またはそれ以上の側壁；
前記空洞の上部を覆う膜；および
少なくとも２つの電極、を含み、
前記膜は前記空洞の上部を通じた液体の侵入に対する実質的なバリアを提供し、ここで上部の電極が膜であるかまたはその膜の上、中または下に加工され、下部の電極がその膜の下にあり、前記膜の組成および寸法は前記下部の電極における電気シグナルの変化に応じて前記膜が振動または共鳴できるようにされ、ここで前記力または膜表面特性の変化は膜応答の変化としてセンサーにより検出されることを特徴とするセンサー。
【請求項２】
前記空洞が実質的に液体を含まない、請求項１に記載のセンサー。
【請求項３】
前記力が圧力である、請求項１に記載のセンサー。
【請求項４】
前記膜表面特性の変化が膜に関係した質量の増加である、請求項１に記載のセンサー。
【請求項５】
前記質量の増加が前記膜上への結合事象の結果である、請求項４に記載のセンサー。
【請求項６】
前記結合事象が、溶液中または気体中の分析物とセンサー膜上に固定化された結合パートナーとの間のものである、請求項５に記載のセンサー。
【請求項７】
前記基板が、単結晶シリコン、ガラス、ガリウムヒ素、絶縁体上シリコン、サファイア上シリコン、およびリン酸インジウムから成る群より選ばれる１またはそれ以上の物質を含む、請求項１に記載のセンサー。
【請求項８】
前記１またはそれ以上の層が、単結晶シリコン、ポリシリコン、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、リンケイ酸ガラス、ホウリンケイ酸ガラス、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、フッ化ポリビニリデン、ジルコン酸鉛、および金属から成る群より選ばれる１またはそれ以上の物質を含む、請求項１に記載のセンサー。
【請求項９】
前記１またはそれ以上の層が異なる電気的特性を有する物質を含む、請求項１に記載のセンサー。
【請求項１０】
前記基板が、５から１５，０００Ω・ｃｍの抵抗率を有するＰ−型シリコンウエハを含む、請求項１に記載のセンサー。
【請求項１１】
前記抵抗率が１０，０００Ω・ｃｍである、請求項１０に記載のセンサー。
【請求項１２】
前記膜が円形である、請求項１に記載のセンサー。
【請求項１３】
前記膜が２．５から５０ミクロンの半径を有する、請求項１２に記載のセンサー。
【請求項１４】
前記膜が少なくとも０．０５から０．５ミクロンの厚さを有する、請求項１に記載のセンサー。
【請求項１５】
前記膜が多角形である、請求項１に記載のセンサー。
【請求項１６】
膜が５から１００ミクロンの長さを有する、請求項１５に記載のセンサー。
【請求項１７】
前記１またはそれ以上の側壁が０．１から２ミクロンの高さを有する、請求項１に記載のセンサー。
【請求項１８】
前記膜が、１またはそれ以上の、単結晶シリコン、ポリシリコン、窒化ケイ素、リンケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、二酸化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、フッ化ポリビニリデン、ジルコン酸鉛、または金属を含む、請求項１に記載のセンサー。
【請求項１９】
前記空洞が０．１から２ミクロンの深さを有する、請求項１に記載のセンサー。
【請求項２０】
前記空洞が０．３から１ミクロンの深さを有する、請求項１に記載のセンサー。
【請求項２１】
前記空洞が、前記空洞から前記センサーの外側に接続する１またはそれ以上の孔を含む、請求項１に記載のセンサー。
【請求項２２】
空洞が１またはそれ以上の誘電物質を含む、請求項１に記載のセンサー。
【請求項２３】
前記誘電物質が、タンタル、ポリプロピレンフィルム、ポリマーアルミニウム、ポリエステル、金属化ポリエステル、発泡プラスチックシート、トランスフォーマー油、パラフィン、ガス、アルゴン、酸素、および塩素から成る群より得らばれる、請求項２２に記載のセンサー。
【請求項２４】
前記空洞が内部の不活性雰囲気を含む、請求項１に記載のセンサー。
【請求項２５】
前記空洞が真空を含む、請求項１に記載のセンサー。
【請求項２６】
前記２またはそれ以上の電極が、ｐ−ドープシリコン、ｎ−ドープシリコン、合金、チタン、金、アルミニウム、およびタングステンから成る群より選ばれる物質を含む、請求項１に記載のセンサー。
【請求項２７】
前記上部の電極が膜である、請求項１に記載のセンサー。
【請求項２８】
前記２またはそれ以上の電極が１つの上部の電極および２つの下部の電極を含み、ここで一方の下部の電極が作動電極であり、もう一方の下部の電極が検出電極である、請求項１に記載のセンサー。
【請求項２９】
前記膜が分析物に結合する結合パートナーを含む、請求項１に記載のミクロメカニカルセンサー。
【請求項３０】
前記結合パートナーが、抗体、抗原、核酸分子、天然のＤＮＡ、ＲＮＡ、ｇＤＮＡ、ｃＤＮＡ、ｍＲＮＡ、ｔＲＮＡ、合成のＤＮＡ、ＲＮＡ、ｇＤＮＡ、ｃＤＮＡ、ｍＲＮＡ、ｔＲＮＡ、レクチン、糖、オリゴ糖、糖タンパク質、レセプター、成長因子、サイトカイン、小分子、ペプチドライブラリー、天然物ライブラリー、レガシーライブラリー、コンビナトリアルライブラリー、オリゴ糖ライブラリー、ファージディスプレイライブラリー、代謝産物、乱用の薬物、乱用の薬物による代謝副産物、酵素基質、酵素阻害因子、酵素補助因子、ビタミン、脂質、ステロイド、金属、酸素、生体液中に見出される気体、細胞、細胞構成要素、細胞膜、関連細胞構造、細胞接着分子、植物産物、動物産物、および腫瘍マーカーから成る群より選ばれる、請求項２９に記載のセンサー。
【請求項３１】
前記膜がさらに１またはそれ以上の圧抵抗素子を含み、ここで力または膜表面特性の前記変化に対する前記膜の前記応答が、前記１またはそれ以上の圧抵抗素子の抵抗の変化を通じて測定される、請求項１に記載のセンサー。
【請求項３２】
前記膜が出力電圧を発生することのできる１またはそれ以上の圧電素子をさらに含み、ここで力または膜表面特性の前記変化に対する前記膜の前記応答が、前記１またはそれ以上の圧電素子からの出力電流の変化を通じて測定される、請求項１に記載のセンサー。
【請求項３３】
複数のミクロメカニカルセンサー部位を含むセンサーアレイであって、前記センサー部位は力または膜表面特性の変化を検出するための膜を含み、それぞれのセンサー部位は、
基板；および
前記基板上または基板中に１またはそれ以上の層、を含み、
前記１またはそれ以上の層は空洞を形成し、または、前記基板および前記１またはそれ以上の層は空洞を形成し、
前記空洞は、
１またはそれ以上の側壁；
前記空洞の上部を覆う膜；および
少なくとも２つの電極、を含み、
前記膜は前記空洞の上部を通じた液体の侵入に対する実質的なバリアを提供し、ここで上部の電極が膜であるか、またはその膜に結合し、下部の電極がその膜の下にあり、前記膜の組成および寸法は前記下部の電極における電流の変化に応じて前記膜が振動または共鳴できるようにされ、ここで前記力または膜表面特性の変化は膜応答の変化としてセンサーにより検出されることを特徴とするセンサーアレイ。
【請求項３４】
前記それぞれのセンサーの空洞が実質的に液体を含まない、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項３５】
前記力が圧力である、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項３６】
前記膜表面変化が膜に関係した質量の増加である、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項３７】
前記質量の増加が前記膜上への結合事象の結果である、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項３８】
前記結合事象が、溶液中または気体中の分析物とセンサー膜上に固定化された結合パートナーとの間のものである、請求項３７に記載のセンサーアレイ。
【請求項３９】
前記基板が、単結晶シリコン、ガラス、ガリウムヒ素、シリコン絶縁体、サファイア上シリコン、およびリン酸インジウムから成る群より選ばれる１またはそれ以上の物質を含む、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項４０】
前記１またはそれ以上の層が、単結晶シリコン、ポリシリコン、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、リンケイ酸ガラス、ホウリンケイ酸ガラス、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、フッ化ポリビニリデン、ジルコン酸鉛、および金属から成る群より選ばれる１またはそれ以上の物質を含む、請求項３３に記載のセンサー。
【請求項４１】
前記１またはそれ以上の層が異なる電気抵抗特性を有する物質を含む、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項４２】
前記基板が、５から１５，０００Ω・ｃｍの抵抗率を有するＰ−型シリコンウエハを含む、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項４３】
前記抵抗率が１０，０００Ω・ｃｍである、請求項４２に記載のセンサーアレイ。
【請求項４４】
前記膜が円形である、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項４５】
前記膜が２．５から５０ミクロンの半径を有する、請求項４４に記載のセンサーアレイ。
【請求項４６】
前記膜が少なくとも０．０５から０．５ミクロンの厚さを有する、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項４７】
前記膜が多角形である、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項４８】
膜が５から１００ミクロンの長さを有する、請求項４７に記載のセンサーアレイ。
【請求項４９】
前記１またはそれ以上の側壁が０．１から２ミクロンの高さを有する、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項５０】
前記膜が、１またはそれ以上の、単結晶シリコン、ポリシリコン、窒化ケイ素、リンケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、二酸化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、フッ化ポリビニリデン、ジルコン酸鉛、または金属を含む、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項５１】
前記空洞が０．１から２ミクロンの深さを有する、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項５２】
前記空洞が０．３から１ミクロンの深さを有する、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項５３】
前記空洞が、前記空洞から前記センサーの外側に接続する１またはそれ以上の孔を含む、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項５４】
空洞が１またはそれ以上の誘電物質を含む、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項５５】
前記誘電物質が、タンタル、ポリプロピレンフィルム、ポリマーアルミニウム、ポリエステル、金属化ポリエステル、発泡プラスチックシート、トランスフォーマー油、パラフィン、ガス、アルゴン、酸素、および塩素から成る群より選ばれる、請求項５４に記載のセンサーアレイ。
【請求項５６】
前記空洞が内部の不活性雰囲気を含む、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項５７】
前記空洞が真空を含む、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項５８】
前記２またはそれ以上の電極が、ホウ素、リン、合金、チタン、およびタングステンから成る群より選ばれる物質を含む、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項５９】
前記上部の電極が膜である、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項６０】
前記２またはそれ以上の電極が１つの上部の電極および２つの下部の電極を含み、ここで一方の下部の電極が作動電極であり、もう一方の下部の電極が検出電極である、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項６１】
前記膜が分析物に結合する結合パートナーを含む、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項６２】
前記結合パートナーが、抗体、抗原、核酸分子、天然のＤＮＡ、ＲＮＡ、ｇＤＮＡ、ｃＤＮＡ、ｍＲＮＡ、ｔＲＮＡ、合成のＤＮＡ、ＲＮＡ、ｇＤＮＡ、ｃＤＮＡ、ｍＲＮＡ、ｔＲＮＡ、レクチン、糖、オリゴ糖、糖タンパク質、レセプター、成長因子、サイトカイン、小分子、ペプチドライブラリー、天然物ライブラリー、レガシーライブラリー、コンビナトリアルライブラリー、オリゴ糖ライブラリー、ファージディスプレイライブラリー、代謝産物、乱用の薬物、乱用の薬物による代謝副産物、酵素基質、酵素阻害因子、酵素補助因子、ビタミン、脂質、ステロイド、金属、酸素、生体液中に見出される気体、細胞、細胞構成要素、細胞膜、関連細胞構造、細胞接着分子、植物産物、動物産物、および腫瘍マーカーから成る群より選ばれる、請求項６１に記載のセンサーアレイ。
【請求項６３】
前記膜がさらに１またはそれ以上の圧抵抗素子を含み、ここで力または膜表面特性の前記変化に対する前記膜の前記応答が、前記１またはそれ以上の圧抵抗素子の抵抗の変化を通じて測定される、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項６４】
前記膜が出力電流を発生することのできる１またはそれ以上の圧電素子をさらに含み、ここで力または膜表面特性の前記変化に対する前記膜の前記応答が、前記１またはそれ以上の圧電素子からの出力電圧の変化を通じて測定される、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項６５】
１またはそれ以上の参照センサー部位をさらに含む、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項６６】
前記センサー部位のそれぞれが個々にアドレス可能な、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項６７】
多数のセンサー部位が同時にアドレス可能な、請求項３３に記載のセンサーアレイ。
【請求項６８】
サンプル中に存在すると予想される分析物の存在を検出する方法であって、
請求項１のセンサーをサンプルに接触させて膜応答の変化を検出することを含み、ここで前記センサー膜が分析物の結合パートナーを含む方法。
【請求項６９】
前記分析物および結合パートナーが、リガンド／レセプター、抗原／抗体、酵素／基質、ＤＮＡ／ＤＮＡ、ＤＮＡ／ＲＮＡ、またはＲＮＡ／ＲＮＡ、核酸／タンパク質から成る群より選ばれる、請求項６８に記載の方法。
【請求項７０】
膜応答が所定の時間測定される、請求項６８に記載の方法。
【請求項７１】
サンプル中に存在すると予想される分析物の存在を検出する方法であって、
請求項３３のセンサーアレイをサンプルに接触させ、少なくとも１つのセンサー部位の膜応答の変化を検出することを含み、ここで前記少なくとも１つのセンサー部位の前記膜が分析物の結合パートナーを含む方法。
【請求項７２】
前記膜応答が所定の時間測定される、請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
前記アレイが１またはそれ以上の参照センサー部位をさらに含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項７４】
サンプル中の既知の量の分析物の、センサーアレイの別個のセンサー膜上に固定されたもう１つの結合パートナーへの結合速度を測定する方法であって、
請求項３３のセンサーアレイをサンプルに接触させ、所定の時間膜応答の変化を検出することを含む方法。
【請求項７５】
結合速度が分析物と結合パートナーとの反応の速度定数に相関する、請求項７４に記載の方法。
【請求項７６】
サンプル中の分析物の、センサーアレイの別個のセンサー膜にそれぞれ固定化された複数の結合パートナーへの結合速度を測定する方法であって、
請求項３３のセンサーアレイをサンプルに接触させ、所定の時間膜の応答の変化を検出することを含む方法。
【請求項７７】
分析物と結合パートナーとのアフィニティを測定する方法であって、以下の工程：
センサーアレイが前記結合パートナーを含む膜とともにそれぞれ１またはそれ以上のセンサー部位を含む請求項３３のセンサーアレイを、既知の濃度の前記分析物を含むサンプルと接触させ、所定の時間膜応答の変化を検出すること、
前記センサーに結合した分析物を除去し、異なる濃度の前記分析物を含むサンプルとの前記接触および検出を繰り返すこと、
を含み、
ここでアフィニティは結合量をサンプル中の分析物の濃度と比較することにより測定される、方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の属する技術分野）
本発明は、表面膜に適用される力の変化またはセンサー膜の表面特性の変化をモニターするためのセンサーに関連する。より詳しくは、本発明は、分子の結合相互作用の特徴付けのために個々にまたはアレイとして使用できる、微細加工された機械共鳴センサーに関する。
【０００２】
（関連出願情報）
この出願は、２０００年９月２０日に出願された「生体分子の合成および検出のための方法および装置」と題する米国仮出願番号６０／２３３，９６１に関連し、および２００１年４月２６日に出願された「共鳴センサーとして使用するための微細加工された超音波アレイ」と題する米国出願号０９／８４５，５２１の継続出願であり、これらの双方はいずれの図および図面を含めてここに引用することにより本明細書に取り込まれる。
【０００３】
（背景）
この発明は、分析物の存在または量を測定するためのスクリーニングアッセイにおける、個々またはアレイとしての組み合わせた音響共鳴ミクロセンサーの加工および使用に関連する。本発明のセンサーは、水溶液および気体環境の双方において分析物を検出するのに有用である。
【０００４】
以下の記載は、読み手の理解を助けるために提供するものである。提供された情報または引用された参照のいずれも、本発明の先行技術であると認めるものではない。
【０００５】
コンビナトリアルケミストリー、ゲノミックス、およびプロテオミックスにおける技術的進歩は、１またはそれ以上の標的種と結合パートナーまたはこのような標的の可能性のある結合パートナーとの間の反応をモニターおよび／または検出できる迅速なハイスループットスクリーニング（ＨＴＰ）に対する必要性を増してきた。種々のシステムが、分析物を検出するために探索されてきており、また探索され続けている。アフィニティ化学検出、アレイ化されたセンサー、音響センサーのようなシステムが、臨床および非臨床施設における分析物の検出においてそれぞれの有用性について研究されている。
【０００６】
アフィニティ化学検出
アフィニティ化学検出システムは、標的分析物と適当な結合パートナーとの相互作用を検出することを企図している。このようなシステムは、一般的に検出可能なシグナルの発生または使用に頼っている。アフィニティ化学検出システムは標的分析物が特異的に結合する分子種を区別できる結合パートナー、または有機高分子のような標的を分離できる相を用いる。蛍光の、電気化学の、放射性の、または質量に基づくプローブのように共有結合したラベルが、このようなシステムに典型的に用いられる。固有の光学的、電気化学的、若しくは物理的な標的種の特性、または、標的種が結合する結合パートナーを含む層の特性の変化、を検出するシステムを用いて存在する分析物を測定する方法が、ラベル化されていない分析物を検出および／またはモニターするために用いられてきた。
【０００７】
１９９７年８月２９日出願されたＣｈａｒｙｃｈらの米国特許６，０２２，７４８には、標的の結合によって色が変化する光学活性センサー被覆を用いたセンサーの例が記載されている。アフィニティ検出方法のさらなる例としては、Ｗ． Ｌｕｋｏｓｚ，”Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｉｅｓ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｓｅｎｓｏｒｓ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔ ａｆｆｉｎｉｔｙ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ ｉｍｍｕｎｏｓｅｎｓｉｎｇ”（「直接アフィニティ検出および免疫的検出のための集積された光学的および表面プラズモンセンサーの原理と感度」）， Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ ＆ Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ６， １９９１， ｐｐ． ２１５−２２５、に記載されている。検出の適用における表面プラズモン共鳴の利用についても、１９９４年１２月２９に出願されたＨａｒｍｉｎｇの米国特許５，６４１，６４０に記載されている。表面に対する標的の結合に応じたセンサー表面のシグナルの変化をモニターすることにより、標的の結合を測定する化学選択的フィールド効果トランジスタ（ＣＨＥＭＦＥＴ）が、１９７８年１１月３日に出願されたＳｈｉｍａｄａの米国特許４，２１８，２９８に記載されている。１９９３年８月９日および１９９４年２月２８日にそれぞれ出願されたＲｉｂｉらの米国特許５，４２７，９１５および５，４９１，０９７には、標的種の結合を測定するために生物−電気センサー層の伝導度の測定可能な変化を用いる、アフィニティに基づく微細加工されたセンサーが記載されている。
【０００８】
アレイ化されたセンサー
アレイ化されたセンサーは、検出される標的分子に対する結合パートナーを含むように修飾された装置表面上に個々にアドレス可能な多数の部位を有している。このような検出システムの例は、Ｖｏ−Ｄｉｎｈらによって１９９７年１１月２６日に出願された米国特許６，１９７，５０３に見出すことができる。この特許には、複合サンプル中で光学的にラベル化された配列特異的遺伝子構成要素を検出するように設計された、１またはそれ以上の核酸に基づく生物レセプターと組み合わせた単一の集積チップ上の多数の光学的検出素子およびマイクロエレクトロニクスを用いた装置が記載されている。
【０００９】
アレイ化されたセンサーの他の例には次のもが含まれる：１９９７年７月２４日出願されたＰｉｎｋｅｌらの米国特許６，１４６，５９３には、固有にアドレス可能な生物的結合パートナーの高密度アレイを作成するための機能化された光ファイバーを用いたバイオセンサーの加工方法が記載され；１９９８年４月２１日に出願されたＦｏｄｏｒらの米国特許６，１２４，１０２には、それぞれの位置に光学読みとり装置の「ピクセル」を含むような既知の位置に固定化された光学活性標的種のリガンドにより誘導された平面表面を有する光学センサーアレイが記載されている。これらのおよびこれらに類似した装置はアレイ化された検出に有効であり、それゆえ分析物がラベル化されているか、または固有の光学的、電気的、若しくは特異的に化学的に活性であるかのいずれか場合でも、多数の相互作用についての並行したスクリーニングに有用である。
【００１０】
音響センサー
組み合わせたアレイ化されたセンサーを有する他の技術分野には、バルクのまたは微細加工された共鳴装置に基づいたセンサーがある。このようなセンサーは、圧力、液体の流れ、温度のような環境状態をモニターするためのトランスデューサーとして、および化学アフィニティセンサーにおける重量感受性素子として、３次元的加速、速度、および位置を測定するために用いられるシステムにおいて示されてきた。
【００１１】
化学検出のための音響センサーは、例えば表面音響波（ＳＡＷ）装置を記載した１９８４年９月４日に出願されたＢａｌｌａｔｏの米国特許４，５９６，６９７に、低密度アレイとして示されている。多数の分析物の気相検出のためのカンチレバーセンサーのアレイが、Ｌａｎｇら（Ｌａｎｇ， Ｈ． Ｐ．； Ｂａｌｌｅｒ， Ｍ． Ｋ． ； Ｂｅｒｇｅｒ， Ｒ．； Ｇｅｒｂｅｒ， Ｃｈ．； Ｇｉｍｚｅｗｓｋｉ， Ｊ． Ｋ．； Ｂａｔｔｉｓｔｏｎ， Ｆ． Ｍ．； Ｆｏｒｎａｎｏ， Ｐ．； Ｒａｍｓｅｙｅｒ， Ｊ． Ｐ．； Ｍｅｙｅｒ， Ｅ．； Ｇｕｎｔｈｅｒｏｄｔ， Ｈ． Ｊ．； ＩＢＭ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｒｅｐｏｒｔ， ＲＺ ３０６８ （＆ｎｕｍ；９３１１４）， １０／１９／９８）、およびＢｒｉｔｔｏｎら（Ｂｒｉｔｔｏｎ， Ｃ． Ｌ．； Ｊｏｎｅｓ， Ｒ． Ｌ．； Ｏｄｅｎ， Ｐ． Ｉ．； Ｈｕ， Ｚ．； Ｗａｒｍａｃｋ，　Ｒ． Ｊ．； Ｓｍｉｔｈ， Ｓ． Ｆ．； Ｂｒｙａｎ， Ｗ． Ｌ．； Ｒｏｃｈｅｌｌｅ， Ｊ． Ｍ．； Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ， ８２，２０００， ｐ． １７−２１）、に記載されている。
【００１２】
（発明の概要）
ここに記載される発明は、個々に、または相互に接合しているが電気的には隔離されたミクロアレイにグループ化されて使用できる微細加工された共鳴センサーに関連する。本発明は、センサー膜の表面特性の変化をモニターするための電気機械センサーに関連する。表面特性の変化は、表面質量、粘性結合、膜剛性等のような膜表面の物理的特徴が変化する結合事象に起因する。本発明のセンサーは、結合事象または圧力の適用に起因するような、センサー膜表面上の力の変化を測定するためにも用いられる。センサーは、高密度に加工できるセンサーのアレイの一部であってもよい。本発明のセンサーには、例えば臨床、研究または自然の環境からのサンプル中の分析物の存在または量を測定することを含む、多くの応用がある。この場合、分析物の結合パートナーは、共鳴センサー膜表面に固定化でき、膜上の結合パートナーへの分析物の結合は、センサー膜の共鳴特徴の変位を通じて同定できる。
【００１３】
ここで用いられる「センサー」の用語は、表面の質量、圧力、力、または特定の動きの変化のような外的刺激に反応できる器具または装置に関係し、ここで装置は測定および／または検出するために結果として生じたシグナルを送ることができる。
【００１４】
「結合事象」の用語は、分析物および結合パートナーのような最小でも２つの分子構造間の相互作用または関連のことを指す。相互作用は、２つの分子構造が直接または間接に物理的に接触する場合に起こりうる。この文脈において目的とする結合事象の例には、限定されないが、リガンド／レセプター、抗原／抗体、酵素／基質、ＤＮＡ／ＤＮＡ、ＤＮＡ／ＲＮＡ、ＲＮＡ／ＲＮＡ、核酸ミスマッチ、相補的核酸、核酸／タンパク質等が含まれる。
【００１５】
ここで用いられる「微細加工」は、バルク、およびシリコン等のような基板を用いた構造をエッチング、蒸着、パターン加工、ドープ、形成および／または加工するのに用いる表面ミクロ機械加工のような、手順および／または方法を指す。微細加工手順はこの分野で知られており、コンピュータープロセッサーチップ、音響センサー、集積回路、およびマイクロエンジニアリングのような分野で用いられるミクロンおよびナノ分子スケール部分を必要とする他の装置、のようなマイクロシステムを作成するために用いられてきた。
【００１６】
１つの見地として、本発明は、膜表面の力の変化またはセンサー膜の表面特性の変化を検出するためのミクロメカニカルセンサーを提供する。本発明の装置またはセンサーは、基板およびその基板の上若しくは中に形成した１またはそれ以上の層を含む。基板および／または層は、１またはそれ以上の側壁および空洞の上部を覆う膜を含む空洞を形成する。空洞側壁は、平面でも、角度があっても、傾斜があっても、または曲がっていてもよい。好ましい態様として、膜は、空洞上部を通じた液体の侵入に対する実質的なバリアを提供する。空洞はまた、少なくとも２つの電極を含み、これは上部の電極および下部の電極を含む。上部の電極は膜そのものでもよく、または上部の電極は膜の上、中、または下に加工されていてもよい。下部の電極は膜の下にある。膜の組成および寸法は、下部および／または上部の電極からの電気シグナルの変化に応じて振動または共鳴できるように選択される。好ましくは、膜は、共鳴振動数の変化に、および／または調和して変化した電流に、反応するものである。より好ましくは、膜は、例えば膜表面近くでのおよび／またはその上での結合事象等の、膜表面上の力または膜の表面特性の変化に対して調和して反応するものである。好ましくは、本発明のセンサーの直径または幅は、少なくとも５から２００ミクロンまでである。より好ましくは、センサーの直径または幅は、１０から１００ミクロンである。
【００１７】
ここで用いられる「液体を含まない」は、例えば水やゼラチン状物質等のいずれの液体または液体様物質を実質的に含まない、ミクロ機械加工された、または自然に発生するセンサーの空洞を指す。
【００１８】
「分析物」または「標的」の用語は、センサーにより検出されるいずれの分子をも指す。分析物（または標的）は、１またはそれ以上の結合パートナー（または「プローブ」）、または分析物若しくは標的に対して特異的であると予測される結合パートナーをセンサー膜に固定化することにより検出される。従って、気体や溶液が分析物を含む場合に測定のためにセンサーを使用する必要があるときには、気体や溶液に接触するセンサー膜の表面は、分析物に対する結合パートナーにより固定化されている。分析物およびその結合パートナーは分子の結合対を示し、そしてこれは、その対がお互いに特異的に結合する特性を有するように、例えばイオン結合、共有結合、疎水結合、ファンデルワールス結合、および水素結合等の種々の分子間力のいずれをも通じてお互いに相互作用する。特異的結合とは、結合対が他の分子に結合しないような条件下でお互いに結合することを意味する。特異的結合対の型の例としては、抗原−抗体、ビオチン−アビジン、ホルモン−レセプター、レセプター−リガンド、酵素−基質、ＩｇＧ−プロテインＡ等がある。
【００１９】
本発明の好ましい結合パートナーおよび／または分析物には、限定されないが、抗体、抗原、核酸（例えば天然または合成のＤＮＡ、ＲＮＡ、ｇＤＮＡ、ｃＤＮＡ、ｍＲＮＡ、ｔＲＮＡ等）、レクチン、糖、オリゴ糖、糖タンパク質、レセプター、成長因子、サイトカイン、（例えば、ランダムペプチドライブラリー、天然物ライブラリー、レガシーライブラリー、コンビナトリアルライブラリー、オリゴ糖ライブラリーおよびファージディスプレイライブラリーからの）医薬候補物のような小分子、代謝産物、乱用の薬物およびその代謝副産物、酵素基質、酵素阻害因子、ビタミンのような酵素補助因子、脂質、ステロイド、金属、酸素および生体液中に見出される他の気体、細胞、細胞構成要素、細胞膜および関連する構造、細胞接着分子、植物および動物源に見出される天然物、腫瘍マーカー（即ち腫瘍関連分子）、他の合成物の一部若しくは全部、等が含まれる。
【００２０】
分析物または結合パートナーは、自然に発生するものでも合成により作成したものでもよい。「天然分析物」は、自然に発生する分析物であり、タンパク質のような特定の結合パートナー上の特定の部位に特異的に結合する。例証による例としては、限定ではないが、レセプターおよびそのレセプターに対して特異的なリガンド（例えば、アゴニストまたはアンタゴニスト）、酵素および阻害因子、基質若しくは補助因子、並びに、抗体および抗原、がある。
【００２１】
「単離した」、「精製した」、または「生物学的に純粋」の用語は、目的の種が存在する優勢な種であること（即ち、モル基準で、それが組成物中の他の個々のいずれの種よりも豊富にあること）を意味し、好ましくは組成物中で実質的に精製された画分であり、そこでは目的とする種が、存在するすべての高分子種の少なくとも約５０パーセント（モル基準で）で含まれている。一般的に、実質的に純粋な組成物は、組成物中に存在するすべての高分子種の約８０から９０パーセント以上で含まれるであろう。最も好ましくは、目的の種は、本質的に均質に精製され（汚染種が通常の検出方法によって組成物中で検出できない）、その組成物は本質的に単一の高分子種から成る。
【００２２】
「核酸」の用語は、１本鎖または２重鎖のいずれかの形態のデオキシリボヌクレオチドまたはリボヌクレオチドのポリマーを指し、自然に発生するヌクレオチドと同様の方法により機能できる天然ヌクレオチドの既知のアナログも含まれる。
【００２３】
「ポリペプチド」、「ペプチド」、「タンパク質」および「タンパク質標的」は、相互に交換可能にアミノ酸残基のポリマーを指すものとして用いられる。これらの用語は、自然に発生するアミノ酸ポリマーと同様に、１またはそれ以上のアミノ酸残基が対応する自然に発生するアミノ酸の人工的な化学的アナログであるアミノ酸ポリマーにも適用される。分析物および／またはその結合パートナーは、タンパク質でもよい。薬探索方法においてリガンドとしてスクリーニングされるタンパク質またはタンパク質標的には、例示であり限定されないが、例えば、酵素、レセプター、抗体およびそれらのフラグメント、ホルモン、および核酸結合タンパク質等の、本質的にいずれかの結合可能な型のいくつかのリガンドの型がある。タンパク質またはペプチドは特定の部位を含み、この部位はリガンドおよびタンパク質若しくはペプチドが結合複合体を形成する部位である。酵素において、特定の部位は、活性部位またはアロステリック部位でもよく、レセプターの場合は、特定の部位は天然リガンドが結合する部位である。
【００２４】
「抗体」の用語は、免疫グロブリン遺伝子または免疫グロブリン遺伝子のフラグメントにより実質的にエンコードされた１またはそれ以上のポリペプチドから成るタンパク質を指す。確認された免疫グロブリン遺伝子には、カッパ、ラムダ、アルファ、ガンマ、デルタ、イプシロンおよびミュー不変領域遺伝子、および無数の免疫グロブリン可変領域遺伝子が含まれる。軽鎖は、カッパまたはラムダのいずれかに分類される。重鎖は、ガンマ、ミュー、アルファ、デルタ、またはイプシロンに分類され、そしてこれらは免疫グロブリンクラス、ＩｇＧ、ＩｇＭ、ＩｇＡ、ＩｇＤおよびＩｇＥをそれぞれ定義する。
【００２５】
典型的な免疫グロブリン（抗体）構造単位は、４量体を含むことが知られている。それぞれの４量体は、２つの同一のポリペプチド鎖の対から構成されており、それぞれの対は１つの「軽」（約２５ｋＤ）および１つの「重」（約５０−７０ｋＤ）の鎖を有している。それぞれの鎖のＮ末端は、抗原認識のための主要な要因となる約１００から１１０またはそれ以上のアミノ酸の可変領域を定義する。可変軽鎖（ＶＬ）および可変重鎖（ＶＨ）の用語は、これらの軽および重鎖をそれぞれ指す。抗体は、特定の抗原に特異的である。抗体またはその抗原は、分析物または結合パートナーのいずれでもよい。
【００２６】
抗体は、完全な免疫グロブリン、または種々のペプチダーゼによる消化により産生されたよく特徴づけられた多数のフラグメントとして存在する。従って、例えば、ペプシンは、ヒンジ領域においてジスルフィド結合の下流で抗体を消化し、それ自身がジスルフィド結合によりＶＨ−ＣＨ１に結合する軽鎖であるＦａｂのダイマーである、Ｆ（ａｂ）’２を産生する。Ｆ（ａｂ）’２は、ヒンジ領域においてジスルフィド結合を壊すような穏和な条件下で還元され、それによりＦ（ａｂ）’２ダイマーがＦａｂ’モノマーに転換する。Ｆａｂ’モノマーは、本質的にヒンジ領域の部分を伴ったＦａｂである（他の抗体フラグメントのより詳細な記載については、Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｉｍｍｕｎｏｌｏｇｙ， Ｗ． Ｅ． Ｐａｕｌ， ｅｄ．， Ｒａｖｅｎ Ｐｒｅｓｓ， Ｎ． Ｙ． （１９９３）を参照のこと）。種々の抗体フラグメントは完全な抗体の消化という観点から定義される一方、当業者は、このようなＦａｂ’フラグメントが化学的にまたは組み換えＤＮＡ手法を用いて新規に合成できることを推察するであろう。従って、ここで用いられる抗体の用語は、全抗体の修飾により産生されるかまたは組み換えＤＮＡ手法を用いて新規に合成されるかいずれかの抗体フラグメントも含む。好ましい抗体には単鎖抗体が、より好ましくは可変重および可変軽鎖が一緒に結合して連続ポリペプチドを形成した単鎖Ｆｖ（ｓｃＦｖ）抗体が、含まれる。
【００２７】
単鎖Ｆｖ（「ｓｃＦｖ」）ポリペプチドは、直接結合したかまたはペプチドエンコードリンカーにより結合した、ＶＨ−およびＶＬ−をエンコードする配列を含む核酸から発現しうる共有結合したＶＨ：：ＶＬヘテロダイマーである（Ｈｕｓｔｏｎ， ｅｔ ａｌ． （１９８８） Ｐｒｏｃ． Ｎａｔ． Ａｃａｄ． Ｓｃｉ． ＵＳＡ， ８５： ５８７９−５８８３）。自然に凝集した−しかし化学的には分離した軽および重ポリペプチド鎖の、抗体Ｖ領域から、抗原結合部位の構造と実質的に同様な３次元構造に折りたたまれるｓｃＦｖ分子への転換のための多数の構造がある。米国特許５，０９１，５１３、５，１３２，４０５および４，９５６，７７８を参照のこと。
【００２８】
「抗原結合部位」または「結合部分」は、抗原の結合に関係する免疫グロブリン分子の部分を指す。抗原結合部位は、重（「Ｈ」）および軽（「Ｌ」）鎖のＮ末端可変（「Ｖ」）領域のアミノ酸残基により形成される。重および軽鎖のＶ領域内の３つの高度に発散した広がりは、「フレームワーク領域」または「ＦＲ」として知られるより保存された横への広がりの間に挟まる、「超可変領域」と呼ばれる。従って、「ＦＲ」の用語は、免疫グロブリンの超可変領域の間およびその近傍で自然に見出されるアミノ酸配列を指す。抗体分子中では、軽鎖の３つの超可変領域および重鎖の３つの超可変領域は、３次元空間においてお互い関係するように配列し、抗原結合「表面」を形成する。この表面は、標的抗原の認識および結合を媒介する。重および軽鎖それぞれの３つの超可変領域は、「相補性決定領域」または「ＣＤＲ」と呼ばれ、例えばＫａｂａｔ ｅｔ ａ． Ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ｏｆ ｉｍｍｕｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｅｓｔ， ４ｔｈ ｅｄ． Ｕ． Ｓ． Ｄｅｐｔ． Ｈｅａｌｔｈ ａｎｄ Ｈｕｍａｎ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ， Ｐｕｂｌｉｃ Ｈｅａｌｔｈ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ， Ｂｅｔｈｅｓｄａ， Ｍｄ． （１９８７）により特徴が述べられている。エピトープは、抗体と相互作用する抗原の部分である。
【００２９】
「サンプル」は、本質的に分析物が得られるいずれの供給源をも指す。サンプルは、動物および植物、さらに細胞培養物、組み換え細胞、細胞成分等のいずれの有機体からも本質的に得られ、また環境の供給源からも得られる。サンプルは、生物の組織、液体、または標本から得られ、また疾患を起こした若しくは健康な有機体からも得られる。サンプルには、限定されないが、唾液、羊水、血液、血液細胞（例えば白血球）、尿、精液、腹膜液、胸膜液、組織若しくは細針生検、および組織ホモジネートが含まれうる。サンプルには、組織学目的のために採取された冷凍切片のような組織の切片も含まれる。一般的に、サンプルは人から採取される。しかし、サンプルは、例としてであり限定するものではないが、犬、猫、羊、牛、および豚等の他の哺乳動物からも得られる。サンプルは、必要に応じ、望む場合には適当なバッファ溶液に希釈したり、濃縮して調製できる。リン酸、Ｔｒｉｓ等のような種々のバッファの１つを用いた、多数の標準的な水溶性バッファ溶液のいずれも、好ましくは生理的ｐＨで使用できる。サンプルはまた、既知の量の分析物を含む対照サンプルのように人工的に調製されうる。
【００３０】
「環境の供給源」は、サンプルを採取できる自然のおよび／または人工の環境における可能性のあるいずれの場所をも意味する。環境の供給源には：海、湖、池、川および小川のような水の供給源；土壌、砂、内部または外部の埃のような土の供給源；我々の一般的な周囲から、または工場若しくは自動車の排気ガス等からの汚染されたおよび／または汚染されていない空気のような、空気などの気体の供給源、が含まれる。
【００３１】
生物サンプルは、静脈穿刺、腰椎穿刺、唾液若しくは尿などの液体サンプル、または組織生検等のようなよく知られた技術を用いて患者から得ることができる。生物サンプルには、呼吸または咳若しくはくしゃみから採取された吐き出された空気サンプルも含まれる。生物サンプルは、組織および／または血液が保存されている細胞若しくは血液バンクから、または細胞培養物のようなｉｎ　ｖｉｔｒｏの供給源から得てもよい。生物物質の供給源として使用する細胞培養物の確立のための技術は、当業者によく知られている。Ｆｒｅｓｈｎｅｙ， Ｃｕｌｔｕｒｅ ｏｆ Ａｎｉｍａｌ Ｃｅｌｌｓ， ａ Ｍａｎｕａｌ ｏｆ Ｂａｓｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ， Ｔｈｉｒｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ， Ｗｉｌｅｙ−Ｌｉｓｓ， Ｎ． Ｙ． （１９９４）は、細胞培養の一般的な紹介を提供する。
【００３２】
ここで用いられる「膜応答」の用語は、膜層の振動または共鳴に関係し、この層は、本発明のセンサーの空洞上に広がり、またはその上に設置され、およびおおざっぱに覆い、液体がしみこまないように密封されている。電流の通電または静電ポテンシャルの形成により、本発明の膜は、例えば音響的に；静電気／キャパシタンス、圧抵抗または圧電によるような電気機械的変換による電気的に；または、レーザー−ドップラー振動計のような干渉計による光学的に；測定できる方法により動き、振動しまたは発振できる。膜の振動または発振の範囲は、例えば膜の物理特性および空洞中にあるもう１つの電極との関係、または膜表面の質量若しくは力の影響に依存する。
【００３３】
ここで用いられる「基板」の用語は、本発明のセンサーが加工される出発物質を指す。基板には、単結晶シリコン、ガラス、ガリウムヒ素、シリコン絶縁体、サファイア上シリコン、およびリン酸インジウム等が含まれうる。また、これらの物質の組み合わせも使用できる。好ましくは、基板は、１５，０００Ω・ｃｍまでの率のＰまたはＮ型シリコンウエハのように、高い電気抵抗を有する。特定の態様において、基板は、シリコンウエハで、両面研磨の、５から１５，０００Ω・ｃｍの抵抗を有するＰまたはＮ型基板を含む。より好ましくは、基板は両面研磨のシリコンウエハで、おおよそ１０，０００Ω・ｃｍの抵抗を有するＰまたはＮ型である。センサーの基板は、例えばホウ素および／またはリン等の１またはそれ以上のドーパントを含み、１またはそれ以上の電極としてパターン加工され、空洞内に孔、通路または穴を基板を通じて伸ばすことができる。
【００３４】
センサー加工の間に基板に加えられるセンサー層は、単結晶シリコン、ポリシリコン、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、リンケイ酸ガラス、ホウリンケイ酸ガラス、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、フッ化ポリビニリデン、ジルコン酸鉛、金属等を含んでもよい。これらの物質の組み合わせも使用できる。層は、基板とは異なる電気特性を有してもよい。例えば、センサーのいくつかの層は、１つの領域を、例えばセンサーの下部領域から上部領域を、電気的に隔離するのを助けるために用いられ、また他の例としては、膜および電極の電気的な隔離を提供できる。層は、電極および／または電極リードを形成するのに用いてもよい。例えば、空洞を有するセンサー層は、通路、または最も平坦な表面に掘られたチャネル、基板のＸＹ水平表面、側壁への電極の接続、または空洞の底部を有していてもよい。このチャネルは、保護層で皮膜され、ドープされたポリシリコン、またはチタン、合金、チタン、金、白金、タングステン、アルミニウム等の金属で満たされていてもよく、そして異なる抵抗を有するさらなる層をここで満たされたチャネルの上部に配置してもよい。このような層を形成する際、および本発明の電極およびリードを作成する際、電力源から電荷を運ぶセンサーの範囲が、電極およびリードの導電性の損失またはショートを避けるために、センサーの他の領域から電気的に隔離されているべきであることが認識されるであろう。
【００３５】
他の態様として、センサー層および電極は、基板を取り、例えば酸化物や窒化物等の保護層を適用することにより配置し、基板と電極の間に絶縁層を提供することもできる。電極は、保護層表面上に金属を蒸着およびパターン加工することにより形成できる。他の層として、パターン加工されたスペーサー層を、センサーの空洞として定義されるスペーサー層の範囲に加えてもよい。センサーの空洞は、スペーサー層中の定義された範囲をエッチング除去することにより形成でき、好ましくは空洞は、電極の上に形成される。膜層は、空洞の上部に配置され、密封される。
【００３６】
電極、リード、本発明のアレイおよびセンサーに関連して用いられる場合、ここで用いられる「電気的に隔離」、「電気的隔離」等の用語は、周囲の層、センサー、電極またはリードから電流を移動または運搬するアレイ、センサー、電極またはリードを絶縁する方法によりセンサーおよびセンサーの部品を配置することを指す。例えば、電気的に隔離された他のセンサーに極接近した１以上のセンサーを有するアレイは、アレイ中の少なくとも１つのセンサーに適用される電流のすべてを本質的に有することができる。アレイ中のセンサー素子の電気的隔離は、伝導経路および基板の間のｐ／ｎ接合を形成することにより達成することができる。ｐ−ｎ接合は、２つの半分の半導体単一片、または２つの対向する層をドープして、それぞれｐ−型およびｎ−型物質になるように形成することができ、このドープにより界面が、２つの半分の間にｐ−ｎ接合を作るように形成される。このようなｐ−ｎ接合は、電流が流れることが許されないという性質を有し、接合は反対方向にバイアスをかけらたとされる。他の態様において、センサー、アレイ、リードまたは電極は、部品を取り囲むために用いられる物質が電流を導くことができないものであることを確実にすることにより絶縁することもできる。電気的隔離は、同一のアレイ上に存在するがセンサーが実質的に他のセンサーに接触しないような方法によりセンサーを配置することにより、アレイ中でセンサーを物理的に分離することによっても得ることができる。
【００３７】
センサーの膜は、多角形または楕円形でもよい。好ましい態様として、５から１００ミクロンの長さの側面を有する長方形または正方形である。より好ましくは、膜は、２から１００ミクロンまで、２から３０または２．５から５０ミクロンの長さの半径を有する円である。本発明の膜は、作成された、ミクロ機械加工された、微細加工されたまたは基板に自然に発生した空洞を基板中で覆い、空洞に侵入することから液体を防ぐ方法によって空洞を覆うことができる。好ましくは、膜は０．５ミクロン厚までのものである。より好ましくは、膜は少なくとも０．０５から０．５ミクロン厚までのものである。
【００３８】
センサーの膜または膜層は、ドープされた単結晶シリコン、ドープされたポリシリコン、金属またはこれらのいずれかの複合材料なような導電性物質から加工することができ、また接地の接続として機能することもできる。他の態様として、膜は、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、リンケイ酸ガラス、ホウリンケイ酸ガラスのような非伝導性物質に加工することもできる。この場合、膜は電極ではないが、表面の中、上または下に加工された電極を有することができる。ここで議論したように、膜は実質的に密閉した方法により空洞の全体の空きをおおざっぱに覆う。センサーの膜は、電気シグナルを伝導することもできる。他の態様として、膜層は、電流を伝導できる圧電または圧抵抗物質のような１またはそれ以上の第２の構造を含むように加工することもできる。本発明のセンサーのための膜として機能する物質を選択する場合、膜の堅さを示すヤング率、密度、固有歪み、および内部減衰のような特定の機械的特徴が考慮される。本発明の好ましい態様として、膜は、膜が振動および／または共鳴できるように作成または加工される。膜は、電気を導電するための電極として、または接地への接続としてのいずれかとして機能するためにも加工できる。膜は、容量または静電対の一部としても機能できる。この態様においては、膜および対となる他の電極は、空洞の空間および／または空洞内の物質により分離され、キャパシター様の構造として作用する。
【００３９】
他の態様として、本発明は、好ましくは０．１から２ミクロンの深さでアドレス可能な伝導性膜で密閉された空洞を含むセンサーを提供する。好ましい態様として、膜は、好ましくは０．１から０．５ミクロンの厚さである。センサー膜の共鳴または振動は、化学アフィニティセンサーとして使用できる。例えば、膜の最上部表面は、少なくとも１つの結合対の構成員を含むように誘導できる。続いて、結合対の第２の構成員を含む溶液または気相に暴露すると、結合は２つの分子間で起こり、単一の構成員が結合した膜の質量に比べた質量の増加が膜上で起こる。膜表面におけるこの質量変化は、膜の共鳴特徴を変化させ、および／または、膜の駆動シグナルと比べた振動の基本的振動数または振動の位相が、変化および／または変位したと言える。
【００４０】
センサー、膜、電極またはアレイの電位を記載するときの「アドレス可能」の用語は、記載された層、センサー、基板および／または膜が電子を受け入れ、電位または電圧の割当てを有することを意味する。電位は、例えばセンサーがＡＣ（交流）電源を用いて操作されるときに、膜が接地電圧に保持できるような接地電位を有する割当てでもよく、または割当ては、ＤＣ（直流）電極電源を用いる場合に、対向する電極に比べて膜内の低いまたは高い電位でもよい。アレイ中に配置されたセンサーを記載するために使用される場合の「アドレス可能」の用語は、電位または電圧の割当ての概念を組み合わせ、特定のロケーターおよび／またはアイデンティファイアーを与えることのできるそれぞれのセンサーに関係し、アレイ中の特定のセンサーが、ハイスループットスクリーニングのような方法に使用される場合に周囲のセンサーから個別に識別可能にすることができる。
【００４１】
上述したように、本発明のセンサーは、ここで記載したような膜に覆われた空洞を含む。好ましくは、空洞は、０．１から２ミクロンの高さの１またはそれ以上の壁を含む。より好ましくは、空洞壁は、０．３から１ミクロンの高さであり、おおよそ０．３から１ミクロンの深さの空洞またはくぼみを形成する。上部の電極と下部の電極との間の距離が、空洞の高さを決定する。従って、下部から上部の電極までの距離はおおよそ０．３から１である。好ましい態様としては、空洞は、膜によって液体を含まないように密閉され完全に覆われている。他の態様として、空洞を完全に覆う膜は、その表面に１またはそれ以上の穴を含む。
【００４２】
本発明の見地として、空洞は、空洞の底部の電極と上部の電極との間の誘電空間として提供される。下部と上部の電極の組み合わせが、上述したように空洞が静電場を形成できる誘電空間である空洞システムを含むことは、当業者に理解できる。
【００４３】
他の態様として、センサーの空洞は、通路、または孔を有し、これは、センサーの外側を空洞に接続する基板中の穴である。好ましい態様として、空洞は孔が開けられ、センサー外側の環境に対して空洞が孔を開けられることを可能にする穴、トンネルまたは細孔を有する。センサーの空洞中の孔は、装置の操作の間の空洞内の気圧変化および加圧の影響を除去しおよび／または軽減するように機能する。通路や孔は、空洞の底、側壁、または空洞を覆う膜の中にあってもよい。従って、特定の見地として、本発明のセンサーは、孔を有する膜で覆われた密閉された空洞を有する。空洞は、タンタル、ポリプロピレンフィルム、ポリマーアルミニウム、ポリエステル、金属化ポリエステル、発泡プラスチックシート、パラフィンのようなトランスフォーマー油、アルゴン、酸素、塩素のような気体、およびいずれかの混合物のような、誘電性または複合誘電性の物質または気体で部分的に満たされ、または完全に満されうる。好ましくは、空洞は、基板を通じてセンサーの外側および／または周囲の環境に、Ｚ方向または垂直次元で通過する少なくとも１つの通路または孔を含む。孔および／または通路は、空洞のくぼみの壁を通じて空洞から水平または平面的に伸ばすことができ、または他の態様として、孔および／または通路は、センサーの外側に垂直に導いて空洞の底を通じて伸ばすことができる。
【００４４】
本発明のセンサーは、上述したように少なくとも２つの電極を含みうる。センサーの空洞にある電極は、好ましくは平面状である。センサーの電極は、基板中に通路やチャネルを掘ることにより作成され、皮膜保護した絶縁層を準備し、金属、例えばチタン、金、白金、タングステン、合金および／またはその他の金属、を埋め込み若しくはスパッターすることにより作成できる。ｐ−型若しくはｎ−型の選ばれる基質の型に依存した不純物により基板をドープすることも、本発明の見地であり、ホウ素、Ｐ−型、または、リン、Ｎ−型のようないずれかの物質がリードおよび／または電極として機能するように示される。他の態様として、センサーの電極として、空洞の底部に、１またはそれ以上の金属または分散したドーパント電極層を形成してもよい。
【００４５】
リードは、電極を電源または接地に接続するために用いられる。リードは、基板空洞を通じた穴またはトンネルを加工することにより作成され、垂直に空洞から導かれる。このような垂直のリードは、電源に接続するために基板を通じてセンサー外側に伸ばして作成してもよく、または、リードは、基板空洞底部から伸ばしてもよく、またセンサーそのものの１またはそれ以上の側面を通じて斜めにセンサー出口を形成しもよい。
【００４６】
他の態様として、電極は、センサーの膜の一部でもよく、または、センサーの膜の上若しくは中に属してもよい。当業者は、膜の上、中または下での電極の作成が、空洞の音響を妨害すべきでなく、または膜そのものの共鳴、発振または振動をも妨害すべきでないことを認識するであろう。作動電極および／または検出電極として機能するために１またはそれ以上の電極が膜の上、中または下に作成されることも、本発明の見地の範囲であり、上述したように膜の上、中または下に電極を有し、さらなる電極を有することも本発明の見地の範囲である。
【００４７】
膜の共鳴または振動は、電流および／または電圧の開始または創製ができるように電極が接続されているセンサーの底部、膜、空洞壁面、空洞底部および／または膜中の電極の使用を通じて、静電的に開始される。センサーの膜の共鳴または振動は、ここで記載され模式されたようにセンサーの中および回りに位置する電極を用いてモニターすることができ、これはモニター装置の一部でもよく、例えば、音響的か、静電／キャパシタンス、圧抵抗若しくは圧電によるような電気機械的変換による電気的か、または、レーザー−ドップラー振動計のような干渉計による光学的か、のいずれかによりモニターできる。
【００４８】
本発明の他の見地として、上述したセンサーは、極少量のセンサー部位からｃｍ２あたり５００，０００の個々のセンサーのように多量のものまで、アレイに配置することができる。高密度アレイは、ｃｍ２あたり２５６から１５０，０００の個々のセンサーを含み、より好ましくはｃｍ２あたり５，０００から１０，０００のセンサーである。アレイのそれぞれのセンサーは、一般的に同様に機能するように加工できる。しかし、いくつかの態様では、個々のセンサー部位は、異なる型のセンサーを有してもよく、これは操作のモードが異なるものである。個々のセンサー部位は、それぞれのセンサーの電気的隔離ができるようにアレイ中で配置していることが好ましい。いくつかの態様では、個々のセンサー部位は、個々に設置できる。他の態様において、多重センサー部位は、同時に作動し検出できるように結合されていてもよい。
【００４９】
他の態様として、本発明は、アレイの個々のセンサーが異なる幅、深さおよび形の空洞を有している多重センサーを有する高密度アレイを提供する。アレイの個々のセンサーは、異なる幅および組成の膜を含んでいてもよい。例えば、アレイの１またはそれ以上のセンサーは、その表面上に穴を有しているかまたは有していない膜を含んでもよい。好ましい態様として、高密度アレイの個々のセンサーは、同じ空洞の形および深さを含んでおり、さらに同じ幅および組成の膜および基板を含む。より好ましくは、すべてのアレイの個々のセンサーは、本質的に形および組成において同一であり、個々に配置可能である。本発明のこの見地において、高密度アレイはまた、同じ分析物を検出するために一つにグループ化されるセンサーを含んでもよい。
【００５０】
本発明のアレイは、１つのサンプル中で１以上の分析物を検出するアレイと見なされる多重アッセイに用いることができる。例えば、アレイは、それぞれ異なる結合パートナーを有する多重センサーにより作成できる。目的とする多数の分析物を含むと考えられているサンプルは、センサーアレイと接触するように配置され、種々の個々のセンサーは、膜応答に基づいてモニターされ、どの分析物がサンプル中に存在するかを測定することができる。アレイ中の１以上のセンサー部位が膜に対するベースラインの応答のようなアッセイの参照値を測定するための対照または参照センサーとして用いられることは、当業者に理解されるであろう。アレイの大きさのために、多重標的のためのプローブを有する多重アレイが同時に使用されることも、当業者に理解されるであろう。
【００５１】
本発明の他の見地として、センサー膜表面での質量変化の検出のためのミクロメカニカルセンサーが提供される。質量変化は好ましくは、膜表面の上または近くでの結合事象に直接関係する。上述したように、結合事象は、生物的または化学的分子間で起こり、種々のサンプルから得られる。本発明のこの見地において、１つの分子の他への結合による種々のアッセイが利用可能である。免疫学、薬理学、生物学、医薬、化学、分子生物学および他の同様の科学分野のような分野において、分子および化学結合事象を伴う長く利用されてきたアッセイがある。ＥＬＩＳＡ、ＤＮＡハイブリダイゼーション、イムノアッセイ、競合結合アッセイ、感度アッセイ、アフィニティおよび速度結合アッセイ等のこのようなアッセイは、結合対の分析物に結合する蛍光マーカーのような光学的若しくは化学的に検出可能なマーカーの検出に依存している。本センサーまたはセンサーアレイは、これらの同じアッセイを実行でき、同じマーカーでラベル化された試薬を用いることができるが、この場合、ラベル化された試薬はその増加した質量により検出可能であり、これは膜の共鳴または振動の検出可能な変化に関係したセンサーにより検出される。従って、ここに記載された発明は、検出可能なレベルを伴うかまたは伴わずに使用されるセンサーおよびアレイを含むという観点において議論されるが、「検出可能なラベル」の用語が、化学的、放射性および／または光学的手段の使用を通じて結合した分析物を検出するというこの分野において通常用いられるようなラベルを指すということを理解することは重要である。しかし、本発明は、本発明の見地に関連する検出可能なラベルを使用することができる。本発明に関しては、検出可能なラベルは、目的とする分析物に対する結合パートナーに結合する分子または物質でもよく、または容易に検出できるように特定の量のさらなるの質量を追加する、目的とする分析物に結合する結合パートナーでもよい。従って、本発明の検出可能なラベルは、結合対に特定量のさらなる分子質量を追加するラベルでもよく、または酵素反応において、それらの上に結合するプローブや標的に応じて基板表面に検出可能な量の分子物質を置くラベルでもよい。
【００５２】
本発明のセンサーまたはセンサーアレイは、直接および間接結合、競争阻害、感度試験、特異性試験、アフィニティ測定等を用いて、既知または未知の分析物を測定するために用いてもよい。例えば、直接結合は、センサー膜表面に結合する分析物の量がセンサーが検出するには低すぎる場合に用いることができる。この場合、センサーは、センサー膜に結合する分析物に特異的な結合パートナーを含むサンプルに接触される。サンプルに含まれる結合パートナーは、好ましくは、２つの結合パートナーが１つの分析物分子に同時に結合できるように、膜に固定された結合パートナーにより結合した部位とは別個の重ならない分析物上の部位に特異的である。従って、間接検出は、結合パートナーを含むサンプルの膜上の分析物への結合に起因するさらなる質量が検出可能となったときに、行われる。競争阻害は、低い質量の阻害分析物が大きな質量の分析物の膜への結合を阻害する場合に、本発明のセンサーまたはセンサーアレイとともに用いてもよい。
【００５３】
本発明の他の見地として、サンプル中の分析物の存在または量を測定する方法を提供する。この方法の例示的な工程としては；検出すべき分析物を含んでいると思われるサンプルを得ること、サンプルを表面上に固定された分析物に対する結合パートナーを持つ膜を有するセンサーまたはセンサーアレイと接触させること、および膜の共鳴または振動の検出可能な変化を測定することに基づくサンプル中の分析物の存在を測定すること、がある。好ましい態様として、検出すべき分析物および／または分析物の結合パートナーはラベル化されておらず、またサンプルは液体若しくは気体である。
【００５４】
他の見地として、本発明は、センサーアレイの個別のセンサー膜上に固定された１またはそれ以上の結合パートナーへの、サンプル中の既知の量の分析物の結合の速度を測定する方法を提供する。その方法には、本発明のセンサーアレイをサンプルと接触させること、および全期間にわたり膜の応答の変化を検出することが含まれる。好ましい態様として、所定の時間起こる結合の速度は、分析物とその結合パートナーとの反応の速度定数と相関する。
【００５５】
他の見地として、本発明は、分析物とその結合パートナーとのアフィニティを測定する方法を提供し、これは既知の濃度の分析物を含むサンプルを、分析物に対する結合パートナーを含む膜をそれぞれ有する１またはそれ以上のセンサー部位を含むセンサーアレイである本発明のセンサーアレイと接触させることを含む。そして、所定の時間膜応答の変化を検出する。その後、結合した分析物を除去し、異なる濃度の分析物によってサンプルとの接触および検出の工程が繰り返される。この、除去、異なる分析物の濃度との接触、および所定の時間膜応答の測定、のサイクルは、異なる分析物の濃度のそれぞれにおいて、複数回繰り返される。分析物とその結合パートナーとの結合アフィニティは、当業者によく知られた方法により結合速度を分析物濃度に関係づけることにより誘導できる。
【００５６】
本発明の見地および態様をここに記載するが、このような記載がここに記載されたセンサーおよびアレイの使用および見地の例示であり、本文を限定するべきものではないことが理解されるであろう。
【００５７】
（詳細な説明）
個々のセンサーの態様
本発明は、密度、慣性、粘性抵抗、または力のような膜表面の表面特性の変化に対して感受性のある単一およびアレイ形態の双方の共鳴ミクロメカニカル膜センサーを提供する。本発明の膜を用いた質量変化の測定は、特にセンサー膜表面における気相または液相環境の分子相互作用の検出に適している。このセンサーの特徴は、検出すべき環境に接触する上部の膜、または膜を支持する壁、および少なくとも１つの電極を有する底部を含むドラム様の空洞である。装置の調和した応答は、膜の表面特性に感受性がある。膜は、空洞中の駆動素子を環境との直接接触からも保護する。空洞は、他の素子をも有し、種々のセンサーの態様は、ここに詳細に記載される。
【００５８】
容量を検出することに基づく共鳴膜センサーを図１ａおよびｂに示す。図を参照すると、単一の共鳴膜センサー１０は、シリコンウエハー基板１２、膜１８、基板表面に位置する円形平面電極１４、およびスペーサー層１６を含む。センサーの空洞２２は、膜１８の共鳴部分２８、スペーサー層１６の空き部分として形成される円形側壁２０、および基板上に平面電極１４を形成した基板１２を含む底部を含む。
【００５９】
スペーサー層１６は、膜の移動の間、膜と平面電極との間の空間を維持できるほど充分な堅さを有する電気的に絶縁されたいずれの物質からも作ることができる。スペーサー層は、窒化ケイ素、二酸化ケイ素等から作成することができる。
【００６０】
円形平面電極１４は、拡散またはイオンの埋め込みによりウエハ１２に形成される。センサーの空洞２２は、一般的に空気の誘電性を有するが、応用および設計の指示として他の誘電体も用いることができる。リード２６は、平面電極１４を電圧源（示していない）に接合する。
【００６１】
膜１８（および共鳴部分２８）は、電気伝導物質または非伝導物質から作成できる。膜１８は、センサー１０の表面全体を覆うように形成された連続シートであり、膜１８の共鳴部分２８は、円形である。これは、膜が円形壁２０により支持されるためである。センサー膜１８の円形態は、応力を膜全体に均等に放射状に分散して高い内因性の応力点を除去し、ここで議論するような好ましい発振モードを提供できる。適切な励振モードの選択は、交差モードの干渉が起こらず、充分な増幅が得られ、減衰が最小であるようにその近傍から充分に離れて間をあけるモードを指定することを伴う。長方形、正方形、または他の形態を、指示する加工または応用として用いてもよい。
【００６２】
膜２８は平面電極１４に対向し、空洞の誘電体２２と別個に、対向する伝導板またはキャパシター電極を形成する。膜２８は、シヌソイド、矩形波、のこぎり波、三角波、インパルス、チャープ、ホワイトノイズ等のような種々の入力関数により平面電極１４を荷電することにより静電的に共鳴に導くことができる。ｄｃ−バイアス電圧も装置の機械的および／または電気的共鳴を調整するために同時に適用してもよい。膜１８およびその共鳴部分２８は接地して、センサー表面の電荷と試験溶液中に存在しうる塩類や生体分子との間の望ましくない電気化学的相互作用を防いでもよい。その代わりに、膜１８を接地しなくてもよい。
【００６３】
平面電極１４と膜２８との間の名目的分離の減少は、静電作動の強さおよび出力シグナル（即ち、増加したキャパシタンス）双方を増加させる。これは、感度を増加させ、必要とされる駆動電圧を減少させる。好ましい態様として、分離は、約０．２５から２ミクロンの間である。膜２８の平面電極１４への接触は、装置の不具合をもたらし、従って分離において下限を課すこととなる。
【００６４】
空洞２２の内側は、電極１４および基板１２を横切る通路または穴２４により外側環境に対して孔があけられる。孔あけにより、長い時間軸での気圧の影響のような圧力に関係するシグナルの変位を、内側の空洞の圧力を外側の大気圧と平衡させることにより、除去する。孔あけはまた、空洞内の音響波による膜にわたる短い時間軸での圧力勾配も最小化する。孔の表面積は、操作の間、空洞内へのおよび外への充分な空気の流れができるのに充分な大きさであるべきであるが、全体の装置の性能を損なうものであってはならない（例えば、平面電極１４の表面に衝撃を与える等）。図１には４つの穴が示されているが、穴の数およびその直径は、センサーの特徴およびその応用目的により変化しうる。孔あけは、いくつかの応用では完全に省略できる。
【００６５】
図２の共鳴ミクロメカニカル膜センサー５０は、図１とほぼ同様であるが、センサーの側面に広がらない共鳴膜５６を有し、膜１８がスペーサー層１６に完全に広がる図１と比較して、この図はスペーサー層５２による最小の重なりを示している。
【００６６】
図３の微細加工共鳴膜センサー６０も図１と同様であるが、図１と比較して、層６２を有し、また膜の均一な蒸着およびそれに続く膜共鳴部分６８の下からの犠牲層の除去による膜６４と同じ物質の側壁６６を有する点で異なる。
【００６７】
共鳴構造の容量の検出は、圧電性または圧抵抗性を用いた方法より有利である。例えば、容量のための単純なワンポート装置では、一つの電極しか必要としないが（図１を参照）、単純な圧電性および圧抵抗性装置は、それぞれ最小でも２つおよび３つの電極を必要とし、圧抵抗および圧電トランスデューサーのようなさらなる構造が必要となる。容量は、圧抵抗性および圧電性等の他の変換方法に比べ熱的に安定である。これは、圧抵抗および圧電に比べ温度変化により影響を受けにくい。一般的なミクロ機械加工した物質の抵抗の温度係数および一般的な圧電性物質の焦電定数は、非常に高い。しかし、キャパシターは、非常に低い温度係数を示し、圧電性および圧抵抗性装置に比べノイズが少なく、より感度が高い。
【００６８】
容量性の手段が最適でない場合は、圧電性、圧抵抗性、または光学的なものなどの他の手段を通じて検出を行ってもよい。光学検出の１つの例としては、「微細加工された共鳴質量センサーの発振特徴をモニターする方法」と題する、２００１年３月１５に出願された、米国出願番号０９／８１２，１１１中に提供されており、ここで明らかにしたように引用することによりこれは完全に本明細書に取り込まれる。
【００６９】
本発明の共鳴ミクロメカニカル膜センサーは、共鳴膜とは別個の、専用の駆動および検出電極を用いて設計できる。図４を参照すると、センサー１４０の下部は、同心設計の２つの電極を有する基板１４２を含む。非限定の例として、外側の電極１４４は作動を提供でき、内側の電極１４６は検出を提供できる。外側の電極１４６は、リード１５４を介して接点１５６において外部電源に接する。内側の電極１４６は、リード１４８および接点１５０を介して検出回路に向かう。
【００７０】
図４の駆動および検出電極の同心設計は、最適の力とシグナルの変換を提供する。操作においては、例えば、ｄｃ−オフセットによる調和的に変化するシヌソイドのような駆動シグナルは、外側の電極１４４を通じて適用される。内側の電極１４６で獲得した誘導電荷の大きさは、センサーの伝導共鳴膜の変異に影響される。電極の配置は、記載したような他の発振モードの励振をするために変化しうる。同心の電極同士の分離は、ストレーフィールドおよび電極間の誘導電流を最小にするために充分である（および／または適当なシールドを用いる）必要がある。
【００７１】
本発明のミクロメカニカルセンサーは、電気化学検出素子を用いて設計してもよい。図５を参照すると、共鳴膜力センサー１６０は、図１のセンサーとほぼ同様であるが、「循環型」圧抵抗検出素子１６６を含んでおり、これは、膜発振の間に最大の応力がかかる循環型共鳴膜１６４の外側の境界線を与える。圧抵抗検出素子１６６は、図示したように膜１６４の上部に層にすること、または膜の内部に加工することもできる。検出素子１６６は、圧抵抗の性質を有するドープされたシリコンから作成できる。この態様において、膜１６６は、静電作動により駆動され（図１の議論を参照）、および膜の変異は、圧抵抗素子１６６の抵抗の変化を通じて測定される。抵抗の変化は、接続１６８および１７０を介して１６６をホイートストーンブリッジ回路に取り込むことにより測定できる。
【００７２】
図６ａおよび６ｂを参照すると、下部の平面電極２０８を有する基板２０２は、共鳴膜２０４および循環側壁２１４の下に直接貼付された電極２１０により上部が結合した空洞２１２の底面となる。ＰＶＤＦ、ＰＺＴ、またはＺｎＯのような、膜２０４の上および端の周囲に局所的に蒸着した圧電物質２０６の薄いリングは、静電作動の間の膜２０６の動きにより機械的に応力がかかったときに電圧を発生させる。応力が最大となる膜２０４の外側共鳴端に圧性物質２０６を位置することにより、圧性物質の質量および内部減衰変異による感度の損失を削減し、シグナル取得を最大にする。
【００７３】
金属の上部対向電極２１０は、ドープされた下部電極２０８と一緒に静電作動のための荷電した平面を提供する。膜２０６は、ポリシリコン、窒化ケイ素、二酸化ケイ素等のほとんどいずれの物質からも表面をミクロ機械加工できる。金属の上部対向電極２１０は、膜２０４の蒸着に先立つ犠牲層上に蒸着してもよい。圧電電圧は、増幅やこの分野でよく知られた他の技術を用いて測定できる。その代わりに、圧電リングを容量検出とともにセンサーの作動のために用いてもよい。
【００７４】
下部の平面電極を電源または接地に接続するには、多くの方法が可能である。図７のミクロ機械加工された共鳴膜センサー２８０では、平面電極２８４が、基板２８２を通って垂直に伸び接点２９０を出現させるリード２８６に、２８８において接続する。その代わりに、図８のミクロ機械加工された共鳴膜センサー３００では、平面電極３０４が、基板３０２を通って水平に伸び接点３１０を出現させるリード３０６に、３０８において接続する。
【００７５】
さらなる単純な加工および操作として、装置の他の態様は、静電駆動トランスデューサーおよび外部の光学検出システムを利用する。例えば、検出回路は、センサーから削除し、レーザードップラー振動計（「ＬＤＶ」）のような光学センサーに置き換えてもよい。ＬＤＶは、膜の影響による共鳴する膜の発振特徴をレーザービームにより測定する。「微細加工された共鳴質量センサーの発振特徴のモニター方法」と題する、２００１年３月１５日出願された米国特許出願番号０９／８１２，１１１は、ここで明らかにしたように参照することにより完全に本明細書に取り込まれ、これには、共鳴質量センサーの検出模式としてのレーザードップラー振動計を用いることの詳細が例証されている。マイケルソンやストロボ干渉計のような他の干渉計も、この目的のために用いてもよい。
【００７６】
センサーアレイの態様
本発明は、ミクロ機械加工された共鳴膜センサーアレイを含み、これは、上述した個々のセンサーの態様の種々の特徴を有している。センサーは、センサーユニットが参照として用いられる場合の可能性を除き、名目上同様の共鳴振動数および能力特徴を有するように微細加工される。アレイのそれぞれのセンサーは、機械的、音響的、および電気的な混信が隣接するセンサー部位に実質的に伝播しないように、その最も隣接するものから適切な距離を空けること、または適切に隔離されることが必要である。
【００７７】
１つの態様として、図９ａおよび９ｂに示したセンサーアレイ４００は、図１に示した個々のセンサーユニットと同様の設計の、１２の別個のセンサー部位またはユニット４１４を含む。センサーアレイ４００は、その中に個々の平面電極４１６を形成するシリコン基板４１０を含む。図９ａの左下に示した膜４２２は、基板４１２の全体を覆う。センサーの空洞（図示していない）の上の共鳴膜４２４は、膜４２２の一部である。左下に示したスペーサー層４２５は、膜４２２の下および基板４１２の上に位置する。膜４２２は、共鳴素子４２４、および駆動素子４１４と接触することからサンプル液を隔離するためのバリア、の双方として機能する。膜層４２２は、電気伝導物質から加工され、好ましくはアレイのすべてのセンサーを覆う単一の連続層である。
【００７８】
それぞれのセンサー４２４の共鳴膜は、リード４２８に接続する接地片４２６に接触する膜４２２により接地する。暴露した膜表面４２２の接地は、センサー表面の電荷間、並びに試験溶液中の塩類および生体分子間の望ましくない電気化学的相互作用を防ぐ。共通の接地は、それぞれのセンサーを配置するために必要な個別の相互接続の数も削減し、これは、アレイ全体で並行した作動および検出のための利用できるチャネルの数を増加させることとなる。他の態様として、個別の接地を用いることもでき、または膜が接地されていなくてもよい。
【００７９】
センサーアレイ４１０において、それぞれのセンサーは、他のセンサーから電気的に隔離された別個の駆動リードを有することにより個別に信号を送受信してもよい。図９ａに示したように、それぞれのセンサーユニットの電気的隔離は、非伝導性境界物質またはチャネルを示す４２０により達成される。図９ａおよび９ｂは、ともに個々のセンサーがどのようにして、個々のセンサーの作動および検出を可能にする別個の駆動接続を有することができるのかを示す。この点において、図９ａは、リード４１８を有する平面電極４１６を示し、これは、基板の下方に伸び、基板４１０の底面に出現する（図９ｂの４１８）。それぞれの接点４１８の固有の位置は、電源からの個別の接続を可能にする。個々のセンサーの信号送受信の代わりに、個別の多数の個々のセンサーが同時に信号を送受信し、同時に応答を測定できるようにセンサーのグループを複合化できることを、当業者は理解できるであろう。
【００８０】
アレイの特定のセンサー部位は、参照部位として設計できまたは指定できる。参照部位は、未知のものを測定するセンサーが比較する対照値を発生し、温度、圧力変動、環境振動のような外部の変動を除去できる、アレイ中のセンサーである。感度は、参照センサー部位を用いることにより増加できる。種々の型の参照センサーが企図される。例えば、参照センサーは、非伝導性誘電支持体４３０がそうでなければ機能するセンサー空洞に挿入される場合のように、固定板キャパシターとして膜が所定の位置に固定されるセンサーでもよい。支持体４３０は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素等から作成されてもよい。当業者には、他の方法も明らかであろう。気体や液体環境からの化学的または生物的物質を検出する場合には、参照部位は、例えばセンサーが目的とする物質に結合しないような化学的に不活性で機械的に活性なセンサーを含んでもよい。他の参照センサー部位も可能であり、当業者に知られている。
【００８１】
膜寸法の決定
膜の寸法は、多くのパラメータ、主として減衰を減少させ、装置の感度を増加させることの要望、および加工の実際の制限により規定される。
【００８２】
音響ＭＥＭＳに基づくセンサーの減衰は、４つの主な形態：内部物質の減衰、装置構成の減衰、粘性減衰および音響減衰、が存在する。減衰の影響は、装置のＱを減少させ、効率を減少させ、および究極的には感度を減少させる。減衰の４つの主要な原因の内、音響減衰がエネルギー散逸の優勢な形態である。従って、膜の大きさは、音響放射を削減する必要性により主として決められる。
【００８３】
共鳴している膜センサーが液体環境に接触すると、液体への音響伝播の量および液体と膜との間の音響結合の度合いは、操作する振動数における周囲の媒質の音響波長と膜の大きさに関係する。音響伝播は膜表面で通常起こるが、音響減衰は、膜直径が操作する振動数における浸漬液の音響波長よりいつも顕著に短くすることにより最小化できる。低いオーダーのモードでは、大きな変動、低い共鳴振動数、およびそれゆえ長い音響波長を有するので、その基本的なモードでの膜の駆動は、最大のシグナル増幅および最小の減衰をもたらすであろう。最適の膜の半径は、２．５から５０ミクロンの範囲である。これらの半径では、音響波長は、操作が基本モードの間は、膜の半径よりも小さい。
【００８４】
共鳴の他のモードも利用することができる。いくつかの場合では、高いオーダーのモードは、内部効果を相殺して発振の平衡したモードを作ることにより、および／または媒質中に発生した音響波を自己相殺することによる音響伝播を削減することにより装置のＱを増加できる。
【００８５】
内部物質の減衰および装置構成の減衰は、適当な物質の選択と装置設計により最小化できる。単結晶シリコンは、その高いヤング率、低い内部減衰、ゼロの残留応力、および低い熱膨張係数による優良な機械材料である。これは、高い機械的Ｑおよび信頼できる操作を装置にもたらす。接触や摩擦の表面のような特徴を削除することにより、装置構成の減衰を最小化できる。粘性減衰は、水のような相対的に無粘性の液体においては、減衰の小さな原因にしかならない。
【００８６】
膜共鳴振動数は膜の半径に大きく依存するため、膜の大きさは望む操作振動数によっても制限される。機械的および化学的視点からの最適の操作振動数は、ｋＨｚから低いＭＨｚの範囲である。低いＭＨｚの範囲の上では、シグナル処理部品がだんだん高価で複雑となり、音響減衰が主要な要因となる。低い振動数では、電気的１／ｆノイズが優勢で、振動数の変位を検出するのが難しくなる。
【００８７】
共鳴膜の厚さは、望む装置の感度および加工の制限により制御される。膜は、単純な調和発振器と同様に振る舞う。膜表面の質量負荷は、発振器の実際の質量を増加させ、膜の共鳴振動数を減少させる。装置の感度は、表面質量の追加の増加により分けられる共鳴振動数のわずかな変化として定義される。代数的置き換えにより、
【００８８】
【数１】
2004510145.tif 000003
が与えられ、ここで、Δｆは質量が負荷した共鳴振動数変位、Ｆ０は負荷のない共鳴振動数、Δｍは加えられた質量の単位面積当たりの質量、Ｍは面積の質量密度、ρは膜密度、そしてｔは膜の厚さ２５である。薄い膜は、感度を増加させるが、実際的な加工の制限が膜の厚さを最小０．１−０．５ミクロンにする。
【００８９】
液体の存在下では、液体の存在による質量負荷を補償するために追加の質量を加える必要がある。この水の質量は、膜の半径と同等の半径を有する球として近似できる。従って、感度は、
【００９０】
【数２】
2004510145.tif 000004
となり、ここで、ｒは半径、ρｗは液体の密度およびＭ＝ρｔである。感度は、厚さと直接の相関を示す。これは、板の慣性によるものである。液体の場合、液体の質量負荷の効果が優勢であるので、膜の厚さは少ない影響しか有さない。図１０ａおよび１０ｂは、空気中および水中での１０ミクロンの半径のＳｉ膜の感度と厚さの関係をそれぞれ線図で説明するものである。図１１ａおよび１１ｂは、膜の厚さおよび膜の半径の関数として、空気中および水中でなされる共鳴振動数をそれぞれ線図で説明するものである。結果として、小さく薄い膜が減衰と慣性を最小化することが示される。約０．１から０．５ミクロンの厚さの膜および約２．５から５０ミクロンの半径の膜が好ましい。
【００９１】
好ましい態様の加工
本発明の共鳴ミクロ機械加工膜センサーを加工するためには、種々の方法が利用できる。１つの方法を、図１２ａ−１２ｆに示す。基板８２として、ｐ−型の、＞１０，０００オームｃｍの抵抗率を有するＦＺシリコンウエハを用い、電極８４およびリード８６を高エネルギーおよび高ドープにて深さ０．５μｍおよび表面濃度１ｅ１６イオン／ｃｍ２でイオンを埋め込む。１ミクロンのウェット熱（二酸化ケイ素）酸化物層８４を成長させ、ウェットエッチングによりパターン加工し、厚さ２０００Ａの二酸化ケイ素中に約１ミクロンのスペーサー層８８を規定し、次のエッチング止めとしてエッチングせずに残した。後方配列、パターン加工、およびＤＲＩＥ（深部反応性イオンエッチング）を用いて、物質基板８２および電極８４を通じて通孔９０を完全に伸ばして形成した。センサー膜は、絶縁体上シリコン（「ＳＯＩ」）ウエハ９２を用いて形成し、これは、シリコン「取っ手」層９４、二酸化ケイ素の中間層または「ボックス酸化物」９６およびシリコン９８の層を含む。ＳＯＩウエハ９２のシリコン層９８側は、パターン加工されたスペーサー層８８に結合した融合物である。取っ手ウエハ９４および「ボックス」酸化物層９６は、ウェットエッチングにより除去され、膜層１００が残される（誇張した大きさで示す）。最後に、残留している酸化物に通路を掘り、金属をパターン加工して電極と接触パッド（示していない）に最後のリードを形成する。トレンチまたはチャネルも堀り、膜を物理的および電気的に分離し、またはアレイ中でセンサーをお互いに分離する。両面研磨ｐ型シリコンウエハ等の他の型のシリコンウエハも、この目的のために使用できる。
【００９２】
他の方法として、ｐまたはｎ型のいずれかの４”Ｓｉ、ＤＳＰ薄膜シリコンウエハを基板として使用する。１μｍのウェット熱酸化物をウエハを保護するために成長させる。チタン、タングステンまたはチタニウム−タングステン複合材料のような２０００Ａの高温度金属を表面に蒸着し、パターン加工して電極およびリードを形成する。基板を直下するように金属および酸化物層の両方に通路が掘られる。次にＬＴＯまたはリンケイ酸ガラス（ＰＳＧ）の１．５μｍの層が、低圧化学気相蒸着（「ＬＰＣＶＤ」）により蒸着される。次に後方配列、パターン加工、およびＤＲＩＥを用いて、通孔が形成される。ＣＭＰ工程を用いてＬＴＯ表面を平面化し、結合に好ましい程度に表面の粗さを削減する。ＣＭＰの後、酸化物層は、ウェットエッチングによりパターン加工され、スペーサー層を規定し、第一の方法で記載したようにＳＯＩウエハから膜を形成する。
【００９３】
表面ミクロ機械加工窒化ケイ素膜センサーの加工を、以下に詳述する。電極およびリード線は、熱拡散またはイオン埋め込みのいずれかを用いて両面研磨薄膜ウエハ上に拡散される。そして、絶縁体およびエッチング止めとして作用させるために熱酸化物層を成長させる。ポリシリコンの犠牲層は、ＬＰＣＶＤまたはＰＥＣＶＤのような類似の技術を用いて蒸着する。そして、第二の均質なタングステン電極は、ポリシリコン層上およびあらかじめ形成されたリード線に通じる孔上に蒸着される。膜は、低温酸化物（ＬＴＯ）および／または低応力窒化物（ＬＳＮ）をタングステン電極およびポリシリコンスペーサー層上に蒸着することにより形成される。孔は、ＤＲＩＥを用いてウエハの裏側から掘られる。最後に、犠牲ポリシリコンが除去され、膜が気相ＸｅＦ２エッチング工程によりはがされ、これは、等方的にシリコンを除去するが、二酸化ケイ素および例えばアルミニウムのような特定の金属に対して非常に選択的である。
【００９４】
平面電極は、ホウ素またはリンのいずれかをドープしたシリコンの拡散またはイオンの埋め込みにより加工できる。高い不純物濃度でドープされた電極は、電気抵抗を最小化するのに有用である。代わりの態様として、電極は、蒸発、スパッタリング、または電気メッキのような技術を用いた金属の蒸着によりパターン加工できる。拡散した電極は、金属のものと比べ、高い加工温度および過酷な加工条件に耐え、多数の応用に好ましいものである。しかし、これらは寄生キャパシタンスおよびシグナル減損を増加させる非常に高い電気インピーダンスを一般的に有する。高い感度が要求される応用例では、金属の電極およびリードが好ましいであろう。
【００９５】
上記の工程は、本発明の装置を形成するために用いられる多くの微細加工方法の中の加工の単なる例として提供するものである。さらなる詳細は、膜に基づく圧力センサーおよび振動加速度計の中に見出すことができる。微細加工工程に類似する性質のために、これらの技術は、ここに記載された多くのセンサーを有するアレイの微細加工に容易に拡張できる。
【００９６】
好ましい態様の操作モード
図１３を参照すると、好ましい態様として、静電作動および容量検出が用いられる。センサー１１１のそれぞれの部位は、下部の電極を通じて適用されるホワイトノイズ源１１０により共鳴を駆動する。その結果、膜は、主にその基本的モードにより発振する。一定の電圧を適用することにより、膜のインピーダンスに比例する電極の電流が発生する。機械共鳴において、発振シグナルの電流部は、最大となる。バンドパスフィルター１１１は、バンド幅を制限するために用いることができる。電流シグナルの高速フーリエ解析１１３は、システムの共鳴応答の同定に用いることができるピークを発生させる。一定の電流は、膜にも適用でき、発生する結果としての電圧を測定できる。誘導された部位と化学的に不活性な部位との間で行われる示差測定は、温度誘発変位、非特異的吸着、または外部振動によるノイズ等を相殺するために用いることができる。
【００９７】
図１４を参照すると、励振と検出の代わりのモードとして、センサー１２０は、位相固定ループ（ＰＬＬ）１２６の一部として取り込まれる。位相比較器１２３を含むフィードバックループ回路１２６は、駆動シグナルと出力シグナルとの間で９０度の位相変位が維持される振動数に固定することにより、装置１２０の共鳴を維持する。出力シグナルは、ローパスフィルタ１２１を通じて増幅器１２２さらに位相比較器１２３に送られる。位相比較器１２３は、入力および出力シグナルの振動数が一致するように電圧制御発振器１２４の振動数を調整する。ＰＬＬ１２６が振動数カウンター１２５で固定されているところで振動数をモニターすることにより、共鳴振動数を連続的にモニターする方法が提供される。
【００９８】
さらに代わりの励振および検出のモードとして、名目的に共鳴振動数に結合している振動数を通じた励振シグナルの調和スイープが行われる。試験部位と固定板参照キャパシターとの間の電圧分配のレシオメーターによる分析を用いて、寄生キャパシタンス、電気ノイズ、および変位の影響を減少させるために示差測定を行うことができる。位相情報は、共鳴ピークを同定するために用いることもできる。
【００９９】
さらなる態様として、従来の装置を、調整可能な発振回路の一部として統合できる。回路の電気的特徴は、ゲイン位相情報および装置のインピーダンスデータを得るためにモニターできる。調整可能な発振回路は、共鳴発振を維持するための単純で安価な方法を提供し、維持のための増幅器や自動ゲイン制御ループのようなさらなる回路と組み合わせたときに、共鳴素子を正確に励振およびモニターする方法として作用できる。
【０１００】
これまでの記載は、単体の装置として利用できる多数の操作モードを例示するものであり、これらを限定する意味はない。例えば、上に示した同様の変更が、適当な調整とともに、静電的、圧電的、または音響励振および容量、圧電的、圧抵抗的、または光学的検出のいずれの組み合わせとともに代替の装置として適用できる。
【０１０１】
好ましい態様の応用
センサーのアレイは、分子プローブの並行アレイとともに操作するように設計される。アレイのそれぞれの部位は、装置が潜在的にサンプル溶液に化学的に応答性となるように異なる分子プローブで誘導化できる。サンプル溶液中の物質と分子プローブとの結合事象は、膜の表面質量の増加および共鳴振動数または振動の対応する減少をもたらす。スクリーニングは、湿潤条件下で実行されるように設計され、チップが乾燥していることを必要としない。そうすると、関係する種の化学反応性を変化させ、変性、コンホメーション変化、または物質の不安定化の原因となり、また溶液からの塩類の沈殿のような問題を作り出す。さらなる応用の詳細は、「デジタルマイクロミラー技術を用いた分子検出の方法」と題する米国特許５，９１２，１８１を参照のこと。化学結合定数およびアフィニティは、装置上でのサンプル溶液の滴定および濃度の関数としての共鳴振動の変位をリアルタイムでモニターすることにより測定できる。チップは、複数のサンプルが連続してチップ上に流され、順番にスクリーニングできるような再使用されるのに充分な強さでもある。
【０１０２】
図１５を参照すると、アレイが有用である応用としては、医薬品のハイスループットスクリーニング（ＨＴＳ）がある。全コンビナトリアルライブラリー１３０に対するレセプターや酵素のような分子の活性は、並行して測定することができる。ライブラリー１３１のそれぞれの構成員は、個々の膜１３２に化学結合しうる。分子を含む溶液は、全チップ上を通過する。「当たり」は、質量誘発共鳴振動数変位を示す部位を位置決めすることにより同定される。同じライブラリー１３１に対する種々の分子の複合スクリーニングは、望む分子を含んだ種々の試験溶液を順番に流し、チップ上の溶液を洗浄することにより単一の誘導チップ上で行うことができる。当たりの結合定数は、サンプルの滴定により測定することもできる。
【０１０３】
個々のセンサーおよびセンサーアレイの双方は、種々の応用として用いることができる。これには、ペプチド、小分子薬のようなセンサー上に固定化した結合パートナーおよびヒト血清のようなタンパク質源への結合試験、または結合パートナーのアレイを固定化し、溶液中でファージディスプレイライブラリーをスクリーニングすることが含まれる。他の使用として、センサー膜上に核酸を固定化し、そして活性化因子やリプレッサーのような転写因子である溶液の分析物をスクリーニングするものがある。その代わりに、転写因子をセンサーに固定化し、それらのＤＮＡや小分子への結合能力を評価してもよい。センサーは、タンパク質−タンパク質相互作用を同定し特徴づけるために使用することもできる。これには、特異性およびアフィニティ測定が含まれ、抗体、薬をスクリーニングすること、分子内伝達物質間の結合、レクチン−レクチン相互作用、細胞基質相互作用；インテグラーゼ−核酸結合、キャプシドタンパク質−キャプシドタンパク質結合（即ち、ウイルス組み立て）およびｍＲＮＡ−タンパク質結合（即ち、ウイルス翻訳調整）のようなウイルスライフサイクル関連相互作用；を測定することが含まれる。他の方法として、薬、疑似薬、ペプチドのような小分子化合物は、天然リガンドへの結合について試験される膜およびセンサーに固定できる。
【０１０４】
好ましい態様および方法が示され、記載されたが、無数の代替が本発明の精神および範囲から離れることなく行えることは、当業者に明らかであろう。従って、本発明は、以下の請求の範囲に従う他に限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】図１ａは、静電キャパシタンスに基づく個々の共鳴ミクロメカニカル膜センサーの１態様の透視図である。
【図１ｂ】図１ｂは、図１の１ｂ−１ｂ線に実質的に沿った図１のセンサーの垂直断面図である。
【図２】図２は、静電キャパシタンスに基づく個々の共鳴ミクロメカニカル膜センサーの１態様の垂直断面図である。
【図３】図３は、静電キャパシタンスに基づく個々の共鳴ミクロメカニカル膜センサーの１態様の垂直断面図である。
【図４】図４は、別個の同心および検出電極（「デュアルポート」）を示す共鳴ミクロメカニカル膜センサーの１態様の下部の透視図である。
【図５ａ】図５ａは、静電駆動と圧抵抗検出を有する個々の共鳴ミクロメカニカル膜センサーの１態様の透視図である。
【図５ｂ】図５ｂは、５ｂ−５ｂ線に実質的に沿った、図５ａのセンサーの断面図である。
【図６ａ】図６ａは、静電駆動と圧電検出を有する個々の共鳴ミクロメカニカル膜センサーの１態様の透視図である。
【図６ｂ】図６ｂは、６ｂ−６ｂ線に実質的に沿った、図６ａのセンサーの断面図である。
【図７】図７は、平面電極からセンサー外側への垂直リードの配置を示した個々の共鳴ミクロメカニカル膜センサーの断面図である。
【図８】図８は、平面電極からセンサー外側への水平リードの配置を示した個々の共鳴ミクロメカニカル膜センサーの断面図である。
【図９ａ】図９ａは、膜、スペーサー層および駆動素子を示した共鳴ミクロメカニカル膜センサーアレイの平面図である。
【図９ｂ】図９ｂは、図９ａに示される共鳴ミクロメカニカル膜センサーアレイの底面図である。
【図１０ａ】図１０ａは、空気中での１０ミクロン膜の厚さに対する膜感度のグラフである。
【図１０ｂ】図１０ｂは、水中での１０ミクロン膜の厚さに対する膜感度のグラフである。
【図１１ａ】図１１ａは、空気中での膜厚および半径の関数としての共鳴膜振動数のグラフである。
【図１１ｂ】図１１ｂは、水中での膜厚および半径の関数としての共鳴膜振動数のグラフである。
【図１２】図１２のａ−ｅは、個々にミクロ機械加工された共鳴膜センサーの加工の方法を表す。
【図１３】図１３は、ホワイトノイズ／ｆｆｔ（高速フーリエ変換）の模式図である。
【図１４】図１４は、位相固定ループの模式図である。
【図１５ａ】図１５ａは、アレイに結合するプローブの図式である。
【図１５ｂ】図１５ｂは、個々のミクロ機械加工された共鳴膜センサーの単一膜に結合するプローブの図式である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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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６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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【図１２ｄ】
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【図１２ｅ】
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【図１２ｆ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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