(57)【要約】  生物学的エージェントの検出のためのシステムおよび方法が、一般的に記載されている。標的生物学的エージェントは、いくつかの状況では、ナノワイヤであるセンサを使用することによって、検出することができる。外部電界は、いくつかの実施形態では、電気ダイポールを誘導するために印加される。誘導された電気ダイポールは、生物学的エージェントの検出が可能なように、検出される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学的および／または生物学的検体を検出するためのデバイスであって、
ナノセンサの少なくとも一部が化学的および／または生物学的検出器種で官能化されたナノセンサと、
ソースがソースにより生成される電界がナノセンサに入射するように構成される、交番電界のソースとを含むことを特徴とするデバイス。
【請求項２】
交番電界はナノセンサにおいて少なくとも約１ピコワットの入射パワーを有することを特徴とする請求項１のデバイス。
【請求項３】
ナノセンサは半導体ナノセンサであることを特徴とする請求項１または２のうちいずれか１つのデバイス。
【請求項４】
半導体はシリコンを含むことを特徴とする請求項３のデバイス。
【請求項５】
ソースは電極、マイクロ波空洞、および／または放射アンテナを含むことを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１つのデバイス。
【請求項６】
ナノセンサおよび電極は共通の基板上に配置されることを特徴とする請求項５のデバイス。
【請求項７】
ナノセンサおよび電極は異なる基板上に配置されることを特徴とする請求項５のデバイス。
【請求項８】
交番電界の周波数は少なくとも約１ｋＨｚであることを特徴とする請求項１から７のうちいずれか１つのデバイス。
【請求項９】
交番電界の周波数は少なくとも約１ＭＨｚであることを特徴とする請求項１から７のうちいずれか１つのデバイス。
【請求項１０】
交番電界の周波数は少なくとも約１ＧＨｚであることを特徴とする請求項１から７のうちいずれか１つのデバイス。
【請求項１１】
交番電界の周波数は約１ｋＨｚと約１ＴＨｚとの間であることを特徴とする請求項１から７のうちいずれか１つのデバイス。
【請求項１２】
ソースは検体のデバイ長を変更するように構成されることを特徴とする請求項１から１１のうちいずれか１つのデバイス。
【請求項１３】
ソースにより生成される交番電界の周波数は、少なくとも部分的に、溶液のイオン性濃度に基づいて選択されることを特徴とする請求項１から１２のうちいずれか１つのデバイス。
【請求項１４】
ナノセンサは検体と検出器種との間の関連を示す信号を生成するために構成されることを特徴とする請求項１から１３のうちいずれか１つのデバイス。
【請求項１５】
ソースにより生成される第２の交番電界はナノセンサに入射するようにソースが構成される、第２の交番電界のソースを含むことを特徴とする請求項１から１４のうちいずれか１つのデバイス。
【請求項１６】
第１の交番電界の周波数の少なくとも約１０％で第１の交番電界の周波数とは異なる周波数である第２の交番電界を有することを特徴とする請求項１５のデバイス。
【請求項１７】
ナノセンサにおける、第１の電流電界の入射パワーの少なくとも約５０％で第１の交番電界の、ナノセンサにおける入射パワーと異なる、ナノセンサにおける入射パワーを第２の交番電界が有することを特徴とする請求項１５から１６のうちいずれか１つのデバイス。
【請求項１８】
検出器種は抗体、酵素、タンパク質、ペプチド、小分子、核酸、アプタマー、受容体分子、ポリマー、および／または超分子構造であることを特徴とする請求項１から１７のうちいずれか１つのデバイス。
【請求項１９】
検体はタンパク質、小分子、核酸、ペプチド、抗体、アプタマー、バイオマーカー、遺伝子、超分子構造、巨大分子、受容体分子、生体細胞、および／または生物学的細胞クラスターであることを特徴とする請求項１から１８のうちいずれか１つのデバイス。
【請求項２０】
化学的および／または生物学的検体を検出する方法であって、
化学的および／または生物学的検出器種に関連付けられた検体のデバイ長が変更されるように化学的および／または生物学的検出器種で官能化されたナノセンサに交番電界を印加することを含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
検体のデバイ長は増加することを特徴とする請求項２０の方法。
【請求項２２】
検体のデバイ長は減少することを特徴とする請求項２０の方法。
【請求項２３】
バイアスはデバイ長をさらに変更するためにデバイ層にわたって印加されることを特徴とする請求項２０から２２のうちいずれか１つの方法。
【請求項２４】
バイアスはデバイ層のキャパシタンスを変化するように構成されることを特徴とする請求項２３の方法。
【請求項２５】
化学的および／または生物学的検体を検出する方法であって、
検体を含む試料の存在下で化学的および／または生物学的検出器種で官能化されたナノセンサに交番電界を印加することと、
ナノセンサにわたって電圧を印加することと、
交番電界がバックグラウンド信号を提供する第１のパワーである時点で、印加される電圧に基づいて、データの第１のセットを収集することと、
交番電界が検体、検出器種、および／または検体と検出器種との間の相互作用の特性を示す信号を提供する第１のパワーと異なる第２のパワーである時点で、印加される電圧に基づいて、データの第２のセットを収集することと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２６】
データ点の第２のセットが収集された時点はデータ点の第１のセットが収集された時点から位相シフトされることを特徴とする請求項２５の方法。
【請求項２７】
データ点の第２のセットが収集された時点はデータ点の第１のセットが収集された時点から約７５度から約１０５度まで位相シフトされることを特徴とする請求項２６の方法。
【請求項２８】
データ点の第２のセットが収集された時点はデータ点の第１のセットが収集された時点から約８５度から約９５度まで位相シフトされることを特徴とする請求項２６の方法。
【請求項２９】
データ点の第２のセットが収集された時点はデータ点の第１のセットが収集された時点から約８８度から約９２度まで位相シフトされることを特徴とする請求項２６の方法。
【請求項３０】
交番電界がバックグラウンド信号を提供する第１のパワーである時点でデータの第１のセットを収集することは交番電界がその最大パワーの約１０％未満のパワーを有する時点でデータの第１のセットを収集することを含むことを特徴とする請求項２５の方法。
【請求項３１】
交番電界がバックグラウンド信号を提供する第１のパワーである時点でデータの第１のセットを収集することは交番電界がゼロのパワーを有する時点でデータの第１のセットを収集することを含むことを特徴とする請求項２５の方法。
【請求項３２】
交番電界が第２のパワーである時点でデータの第２のセットを収集することは交番電界がその最大パワーの約１０％以内であるパワーを有する時点でデータの第２のセットを収集することを含むことを特徴とする請求項２５の方法。
【請求項３３】
化学的および／または生物学的検体を検出する方法であって、
検体を含む試料の存在下で化学的および／または生物学的検出器種で官能化されたナノセンサにわたって電圧を印加することと、
バックグラウンド信号を提供するデータの第１のセットおよび検体、検出器種、および／または検体と検出器種との間の相互作用の特性を示す信号を提供するデータの第２のセットを同時に収集することと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３４】
ナノセンサに、ナノセンサにおける少なくとも約１ピコワットの入射パワーを有する交番電界を印加することを含むことを特徴とする請求項２０から３３のうちいずれか１つの方法。
【請求項３５】
ナノセンサは半導体ナノセンサであることを特徴とする請求項２０から３４のうちいずれか１つの方法。
【請求項３６】
半導体はシリコンを含むことを特徴とする請求項３５の方法。
【請求項３７】
少なくとも約１ｋＨｚの周波数を有する交番電界をナノセンサに印加することを含むことを特徴とする請求項２０から３６のうちいずれか１つの方法。
【請求項３８】
少なくとも約１ＭＨｚの周波数を有する交番電界をナノセンサに印加することを含むことを特徴とする請求項２０から３６のうちいずれか１つの方法。
【請求項３９】
少なくとも約１ＧＨｚの周波数を有する交番電界をナノセンサに印加することを含むことを特徴とする請求項２０から３６のうちいずれか１つの方法。
【請求項４０】
少なくとも約１ｋＨｚと約１ＴＨｚとの間の周波数を有する交番電界をナノセンサに印加することを含むことを特徴とする請求項２０から３６のうちいずれか１つの方法。
【請求項４１】
溶液のイオン濃度に、少なくとも部分的に、基づいて交番電界の周波数を選択することを含むことを特徴とする請求項２０から４０のうちいずれか１つの方法。
【請求項４２】
第２の交番電界をナノセンサに印加することを含むことを特徴とする請求項２０から４１のうちいずれか１つの方法。
【請求項４３】
第１の交番電界の周波数の少なくとも約１０％で第１の交番電界の周波数とは異なる周波数である第２の交番電界を有することを特徴とする請求項４２の方法。
【請求項４４】
ナノセンサにおける、第１の電流電界の入射パワーの少なくとも約５０％で第１の交番電界の、ナノセンサにおける入射パワーと異なる、ナノセンサにおける入射パワーを第２の交番電界が有することを特徴とする請求項４２から４３のうちいずれか１つの方法。
【請求項４５】
検出器種は抗体、酵素、タンパク質、ペプチド、小分子、核酸、アプタマー、受容体分子、ポリマー、および／または超分子構造であることを特徴とする請求項２０から４４のうちいずれか１つの方法。
【請求項４６】
検体はタンパク質、酵素、タンパク質、ペプチド、小分子、核酸、アプタマー、受容体分子、ポリマー、および／または超分子構造であることを特徴とする請求項２０から４５のうちいずれか１つの方法。
【請求項４７】
イオン性流体中の生体分子、電荷を有する生体分子を検出する方法であって、該方法は、
イオン性流体に電界を印加することにより生体分子およびイオン流体からダイポール電界を誘起することと、
ダイポール電界を誘起することに応答して、センサの電流および／または電圧を検出することと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４８】
電界を印加することは以下に与えられるカットオフ周波数ωｃの＋／−１０％以内の周波数を有する電界を印加することを含み、
【数１０】
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ここで、Ｐｅはイオン濃度およびイオン性流体の特性に関する定数、Ｄはイオン性流体の拡散定数、ζは粒子のゼータ電位、ａは粒子の半径、およびλＤはデバイ長であることを特徴とする請求項４７の方法。
【請求項４９】
周波数はカットオフ周波数の＋／−５％以内であることを特徴とする請求項４７の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、２０１３年１２月に出願され“デバイ長変調”と題された米国仮特許出願６１／９１１，３７６号、および２０１３年１２月に出願され“デバイ長変調を伴う検出方法“と題された米国仮特許出願６１／９１１，３８５号について３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）の下で優先権を主張する、２０１４年１２月３日に出願され“デバイ長変調”と題された米国特許出願１４／５５８，８６２号の一部継続出願であり、これらの各々は、全ての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
生物学的薬剤の検出のためのシステムおよび方法が一般的に記載される。
【背景技術】
【０００３】
バイオセンサは、一般的に、生物学的センシング要素（しばしば、生体システムに由来する生成物）と一体化された装置と、特定の物質の存在の認識信号を提供することができる信号トランスデューサとを含む。生物学的センシング要素（例えば、酵素、抗体、核酸、および／または他の検体検出分子を含むことができる。）は、一般的に、バイオセンサの特異性を決定する。特異的結合または標的と受容体（または生物学的センシング要素）との間の反応は、その後トランスデュースされ測定される信号を導入することができる。バイオセンサは、異なるタイプのヒト細胞、ウイルス、および病原性生物など、巨大分子認識のために構成することができる。したがって、人の健康、食品の安全、薬品の反応、および個人化された医薬品に向けた適用からこれらの装置において広範囲におよぶ診断ユーティリティが存在する。
【０００４】
バイオセンサは、それらの操作メカニズムによって分類することができる。比色、蛍光、発光、および吸光度を使用する光学的バイオセンサは、産業および診断標準であるが、これらの戦略はしばしば標的標識および増幅を必要とする。また、光学ベースの信号を敏感に読み取るために必要な計装フットプリントは、ナノテクノロジーおよびマイクロエレクトロニクスを組み込んだ装置で達成可能な計装フットプリントと比較して大きい。したがって、バイオセンサの感度、コスト、計装、および／またはフィールド適用を改善する技術が望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
要約
生物学の仲立ちの検出のためのシステムおよび方法が提供される。特定の実施形態は、化学的および／または生物学的検出器種に関連する検体のデバイ長が変更されるように、化学的および／または生物学的検出器種で官能化されたナノセンサに交番電界を印加することを含む。特定の実施形態は、試料分析のためのデータを収集することができる本発明の方法に関する。
【０００６】
本発明の主題は、場合によっては、相互に関係する製品、特定の問題に対する代替解決策、および／または１つまたは複数のシステムおよび／または物品の異なる用途を含む。
【０００７】
１つの側面は、化学的および／または生物学的検体を感知するための装置に関する。装置は、特定の実施形態によれば、ナノセンサの少なくとも一部が化学的および／または生物学的検出器種で官能化されているナノセンサを含む。ソースによって生成された電界がナノセンサに入射するように、ソースが構成されている交番電界のソースを含む。
【０００８】
いくつかの実施形態では、交番電界は、ナノセンサで少なくとも約１ピコワットの入射パワーを有する。特定の実施形態によれば、ナノセンサは、半導体ナノセンサである。いくつかの実施形態では、半導体は、シリコンを含む。ソースは、いくつかの実施形態によれば、電極、マイクロ波空洞、および／または放射アンテナを備える。いくつかの実施形態では、ナノセンサおよび電極は、共通基板上に配置される。特定の実施形態によれば、ナノセンサおよび電極は、異なる基板上に配置される。交流電界の周波数は、特定の実施形態によれば、少なくとも約１ｋＨｚ、少なくとも約１ＭＨｚ、少なくとも約１ＧＨｚ、または約１ｋＨｚから約１ＴＨｚの間である。
【０００９】
特定の実施形態では、ソースは、検体のデバイ長を変更するように構成される。いくつかの実施形態では、ソースにより生成される交番電界の周波数は、溶液のイオン濃度に少なくとも部分的に基づいて選択される。ナノセンサは、特定の実施形態によれば、検体検出器種との間の関連を示す信号を生成するように構成される。いくつかの実施形態では、デバイスは、第２の交番電界のソースを備え、ソースは、ソースにより生成された第２の交番電界がナノセンサに入射されるように構成される。いくつかの実施形態では、第２の交番電界は、第１の交番電界の周波数の少なくとも約１０％第１の交番電界の周波数と異なる周波数を有する。特定の実施形態によれば、第２の交番電界は、ナノセンサにおける第１の現在の電界の入射パワーの少なくとも約５０％第１の交番電界のナノセンサにおける入射パワーと異なるナノセンサにおける入射パワーを有する。いくつかの実施形態では、検出器種は、抗体、酵素、タンパク質、ペプチド、小分子、核酸、アプタマー、受容体分子、ポリマー、および／または超分子構造である。特定の実施形態によれば、検体は、タンパク質、小分子、核酸、ペプチド、抗体、アプタマー、バイオマーカー、遺伝子、超分子構造、高分子、受容体分子、生物学的細胞、および／または生物学的細胞クラスターを含む。
【００１０】
特定の実施形態は、化学的および／または生物学的検体を検出する方法に関する。特定の実施形態によれば、この方法は、化学的および／または生物学的検出器種に関連する検体のデバイ長が変化するように、化学的および／または生物学的検出器種で官能化されたナノセンサに交番電界を印加することを含む。
【００１１】
そのようないくつかの実施形態では、検体のデバイ長は、長くなる。そのようないくつかの実施形態では、検体のデバイ長は、減少する。このような特定の実施形態では、デバイ長をさらに変更するために、デバイ層にわたってバイアスが印加される。そのようないくつかの実施形態では、バイアスは、デバイ層のキャパシタンスを変化するように構成される。
【００１２】
いくつかの実施形態では、化学的および／または生物学的検体を検出する方法は、検体を含む試料の存在下で化学的および／または生物学的検出器種で官能化されたナノセンサに交番電界を印加することを含む。前記ナノセンサの両端に電圧を印加する工程、印加された電圧に基づいて、交番電界がバックグラウンド信号を提供する第１のパワーにある時点で、第１のデータセットを収集する工程、印加された電圧に基づいて、交番電界が検体、検出器種、および／または検体と検出器種との間の相互作用の特性を示す信号を提供する第１のパワーと異なる第２のパワーにある時点で、第２のデータセットを収集する工程を含む。
【００１３】
そのようないくつかの実施形態では、第２のデータポイントのセットが収集される時点は、第１のデータポイントのセットが収集される時点から位相シフトされる。そのような特定の実施形態によれば、第２のデータポイントのセットが収集される時点は、第１のデータポイントのセットが約７５度から約１０５度まで、約８５度から約９５度まで、約８５度から約９５度まで、約８８度から９２度までに収集される時点から、位相シフトされる。そのようないくつかの実施形態では、交番電界がバックグラウンド信号を提供する第１のパワーである時点で、第１のデータセットを収集することは、交番電界がその最大パワーの約１０％未満のパワーを有する時点で、第１のデータセットを収集することを含む。そのような特定の実施形態では、交番電界がバックグラウンド信号を提供する第１のパワーである時点で、第１のデータセットを収集することは、交番電界がゼロのパワーを有する時点で、第１のデータセットを収集することを含む。そのようないくつかの実施形態では、交番電界が第２のパワーである時点で、第２のデータセットを収集することは、交番電界がその最大パワーの約１０％以内であるパワーを有する時点で、第２のデータセットを収集することを含む。
【００１４】
いくつかの実施では、化学的および／または生物学的検体を検出する方法は、検体を含む試料の存在下で化学的および／または生物学的検出器種で官能化されたナノセンサにわたって電圧を印加することを含む。バックグラウンド信号を提供する第１のデータセット、および検体、検出器種、および／または検体と検出器種との間の相互作用の特性を示す信号を提供する第２のデータセットを同時に収集することを含む。
【００１５】
いくつかの実施形態は、ナノセンサに少なくとも約１ピコワットの入射パワーを有する交番電界をナノセンサに印加することを含むことができる。
【００１６】
いくつかの実施形態では、ナノセンサは、半導体ナノセンサである。特定の実施形態では、半導体は、シリコンを含む。
【００１７】
特定の実施形態では、少なくとも約１ｋＨｚ、少なくとも約１ＭＨｚ、少なくとも約１ＧＨｚ、または約１ｋＨｚと１ＴＨｚとの間の周波数を有する交番電界をナノセンサに印加することを含む。
【００１８】
いくつかの実施形態では、溶液のイオン濃度に少なくとも部分的に基づいて交番電界の周波数を選択することを含む。
【００１９】
特定の実施形態では、第２の交番電界をナノセンサに印加することを含む。いくつかの実施形態では、第２の交番電界は、第１の交番電界の周波数と、第１の交番電界の周波数の少なくとも約１０％異なる周波数を有する。いくつかの実施形態では、第２の交番電界は、ナノセンサにおいて、第１の交番電界の入射パワーと、ナノセンサにおいて、第１の交番電界の入射パワーの少なくとも約５０％異なる、ナノセンサにおける入射パワーを有する。
【００２０】
いくつかの実施形態では、検出器種は、抗体、酵素、タンパク質、ペプチド、小分子、核酸、アプタマー、受容体分子、ポリマー、および／または超分子構造である。特定の実施形態では、検体は、タンパク質、酵素、タンパク質、ペプチド、小分子、核酸、アプタマー、受容体分子、ポリマー、および／または超分子構造である。
【００２１】
本発明の他の利点および新規な特徴は、添付の図面と併せて考慮すると、本発明の様々な非限定的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。本明細書および参考文献として援用される文書が、矛盾するおよび／または不一致の開示を含む場合、本明細書が支配するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本発明の非限定的な実施形態を、添付の図面を参照して例として説明するが、これらは概略的であり、縮尺どおりに描かれることを意図しない。図面では、図示された同一またはほぼ同一の構成要素は、通常、単一の数字によって表される。明瞭にするために、すべての構成要素がすべての図に付されているわけでなく、当業者が本発明を理解することを可能にするために図示が必要でない場合、本発明の各実施形態の各構成要素は示されていない。図では、
【００２３】
【図１】診断テストのためのＦＥＴデバイスの段階的製造を示す図である。正確な次元および表面エリアのナノセンサは、表面電荷の変化に対して非常に敏感に形成することができる。リソグラフィおよび化学のプロセスに続いて、抗体は、センサの表面（陰影領域）にコンジュゲートすることができる。検体の測定は、血液、唾液、および他の体液などの疾患関連タンパク質の異種混合物を含む試料を用いて行うことができる。特定の検体の結合は、表面電荷の差に寄与し、これは、ナノセンサ表面を横切るコンダクタンス（デルタＧ，ΔＧ）の変化として電気的に検出することができる。図では、陰影のない領域は、すべてのナノセンサのソースおよびドレインである。
【図２】デバイ遮蔽を生成する電気二重層の形成を示す図である。抗体上の検体は、通常、荷電される。反対の電荷を有するイオン（検体のものと同じ）は、検体の周囲に配置される。第１のイオンと反対の電荷を有する他のイオン（したがって検体のイオンと同様）は、第１のイオンの周りに配置される。この電気二重層は、センサが、デバイ長として特徴づけられた、溶液の特徴的な長さまで見ることしか、効果的にできないようにデバイシールドを形成する。
【図３】遮蔽電荷（下の曲線、Ｖ＝Ｖ０ｅｘｐ（ｒ／λ）および非遮蔽ダイポールの線（上の曲線、Ｖ＝Ｖ０（λ）／（ｒ＋λ））の線からの電位のプロットである。ここで、λ＝１ｎｍは、デバイ長である。
【図４】１組のナノワイヤを有するデバイスの走査型電子顕微鏡写真である。電極１および２は、ソースまたはドレインとして機能することができる。電極３および４を使用して、ナノワイヤセンサ表面上の容積にわたって交流電界（例えば、マイクロ波または交流電界）を印加することができる。
【図５】化学的および／または生物学的検体を検出するための例示的なデバイスの概略図である。
【図６】時間の関数としてナノセンサに印加された交番電界のパワーの例示的なプロットである。
【図７】荷電したナノ粒子がイオンによって遮蔽され、電界を減少させ、感度が低下するイオン性流体中の荷電したナノ粒子を示す。
【図８】印加電界によって誘導される分極によって生成されるダイポール場を示す。デバイ遮蔽された粒子は、外部場の適用下でダイポールとなる。誘起されたダイポールは、電界を生成し、遮蔽された電荷の検出を可能にする。
【図９】イオン流体中のナノ粒子を検出し、ダイポール電界を表すデバイスを示す。デバイスは、２つの電極の間に多数のナノワイヤを含む。電極への印加電圧は、ナノワイヤセンサの抵抗を変化させる。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
生物学的薬剤の検出のためのシステムおよび方法が一般に記載される。特定の実施形態は、例えば、試料溶液中の化学種または生物種（検体とも呼ばれる）を検出するために使用されるセンサの分野に関する。いくつかの実施形態は、デバイの遮蔽長を変調することによって溶液に埋め込まれたセンサの性能を改善する方法に関する。検体が溶液に埋め込まれている場合、その電荷は、場合によって水溶液中のイオンによって遮蔽され得る。この電荷遮蔽の対応する長さ尺度は、一般にデバイ遮蔽長と呼ばれる。多くの検出用途の目標は、検体の電荷によって影響を受ける１つまたは複数の特性を測定することであるから、電荷の遮蔽の効果を支配することは、検体の正確で高感度な検出を達成するのに有用であり得る。例えば、検出用途の目標は、ゲート電圧として働く、その表面近くの電荷の存在のため、下にあるナノチャネル電流の変化を測定することである。特定の実施形態は、センサがデバイ遮蔽の影響によって悪影響を受けないように、デバイ遮蔽長を変調、制御および／または操作する方法に関する。
【００２５】
一般に、デバイ層は、荷電した表面または帯電した実体（例えば、水溶液中に埋め込まれた）上のイオンの蓄積によって形成される。帯電した物体が電解液中に置かれると、溶液中のイオンは、帯電した物体を遮蔽する電気二重層内に位置することができる。場合によっては、タンパク質の電荷による電位は、指数関数的に低下し、特徴的なデバイ長λｄは、次のように計算される。
【数１】
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ここで、ｋＢは、ボルツマン定数、Ｔは、溶液の温度、εは、溶液の誘電率、Σｊは、イオン種の合計、ｑは、イオンの電荷、ｃ∞は、イオンのバルク濃度である。当業者は、溶液の温度および特定の位置における溶液のイオン濃度を測定することにより、特定の位置における特定の溶液のデバイ長を計算することができるであろう。
【００２６】
したがって、デバイ長は、センサが溶液中（例えば、図１参照）にどれだけ遠くにあるかの尺度と考えることができる。生物学的に関連する塩濃度では、デバイ長は、センサ表面と関心のあるタンパク質との距離（例えば、約１０ナノメートル）よりも短い長さ（例えば、約１ナノメートル）があり、この場合、検体の静電遮蔽は、その検出を妨げる。イオン濃度を低下させることは、デバイ長を長くすることに有効であり得る。例えば、血液のような生体試料では、塩濃度を低減することができる。しかしながら、イオン濃度を低下させることは、疾患特異的タンパク質のような検体の生物活性に有害であり得る。さらに試料溶液（血液または他の体液など）の脱塩は、比較的時間のかかるプロセスである。脱塩に必要とされるこの余分な時間は、より迅速な検出時間およびより少ない試料調整工程をしばしば必要とするポイントオブケア用途における疾患特異的タンパク質などの検体の検出に特に有害である。デバイ遮蔽の無差別な削減は、センサ表面に結合していない荷電子からの望ましくない信号を防止するために、いくつかの遮蔽が必要とされるので、しばしば逆効果もある。試料のイオン濃度を低下させるための望ましい代替的方法は、センサが溶液中に見える特性長さを電子的に制御することである。
【００２７】
したがって、特定の実施形態は、ナノセンサが検体含有液体中に”見る”ことができる特徴的な長さを制御することに関する。例えば、特定の実施形態では、化学的および／または生物学的検体を検出するためのデバイスは、ソースにより生成された電界がナノセンサに入射するように構成される、交番電界のソースを含む。いくつかの実施形態では、ソースは、例えば、ナノセンサ上の化学的および／または生物学的検出器種に関連する検体のデバイ長が変更されるように、ナノセンサに交番電界を印加することができる。
【００２８】
特定の実施形態は、化学的および／または生物学的検体を検出するための方法に関する。そのようないくつかの実施形態では、交番電界がナノセンサに印加されている間に、データはナノセンサから収集される。例えば、ナノセンサコンダクタンスの変化は、交番電界がナノセンサに印加されている間に測定することができる。コンダクタンスの変化は、コンダクタンスに対する表面状態の寄与によるものであり、特定の実施形態では表面寄与によって支配される。活性ナノセンサの表面上の荷電した検体の存在は、ナノセンサコンダクタンスの大きな端数の変化を誘発し、荷電した検体を検出することを可能にする。
【００２９】
１つの実施形態では、シリコンナノワイヤは、電界効果を利用して超高感度検出器として使用することができる。従来のシリコンナノワイヤは、ナノワイヤ表面上にアミノ基およびシラノール（Ｓｉ−ＯＨ）基を生成する、３アミノプロピルトリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）でその表面を修正することによって、水素イオン濃度またはｐＨセンサとして使用することができる。これらの基は、プロトン化／脱プロトン化反応を受ける水素イオンの受容体として作用することができる。このプロセスでは、シリコンナノワイヤの表面電荷が変化し、これが順番に、ナノワイヤのコンダクタンスを変化させる。ｎ型シリコンナノワイヤでは、ｐＨが増加すると、負に帯電したゲートのように作用する表面の負電荷が増加する。これにより、電荷キャリアのチャネルが空乏化し、したがって、正味のコンダクタンスが減少する。水素イオンの受け取りによるキャリアの蓄積は、ｎ型デバイスを変調する電界効果とみることができる。
【００３０】
いくつかの実施形態では、測定（例えば、コンダクタンス）のサンプリングレートは、例えば、１秒からナノ秒などの広い範囲の時間スケールであってもよく、１Ｈｚから１ＧＨｚのサンプリング周波数範囲に対応する。検体がナノセンサ表面に直接的または間接的に結合する前（および時々後に）流体内を移動するので、表面電荷状態は、検体の位置に応じて変化および／または変動する。したがって、短時間（例えば、１ＭＨｚ）で複数の測定を行うことにより、大きなデータセット（例えば、毎秒１００万データポイント）を収集することが可能になる。いくつかの実施形態では、このデータセットは、検体の濃度を決定するためにオンチッププロセッサにより分析され得る。特定の実施形態では、データ収集後に標準的なソフトフェアを使用してデータ解析を行うことができる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、ナノセンサに交番電界を印加している間（例えば、ナノセンサがナノセンサに近いイオンの存在により”遮蔽”されている時点に対応する）に収集されたデータの第１のサブセットは、ナノセンサシステムに存在するノイズを示すことができるベースライン（またはバックグラウンド信号）を確立するために、使用され得る。そのようないくつかの実施形態では、ナノセンサに交番電界を印加している間（例えば、ナノセンサがナノセンサに近いイオンの存在により”遮蔽”されていない時点に対応する）に収集されたデータの第２のサブセットは、標的検体の特性を決定するために使用され得る。このようにして、特定の実施形態によれば、単一のデータ搬送信号は、ベースライン信号データと検出信号データの両方を同時に生成し得る。いくつかの実施形態によれば、この方法は、ナノセンサにわたって電圧を印加することを含む。印加された電圧に基づいて、交番電界が第１のパワーにある時点で、バックグラウンド信号を提供する第１のデータセットを収集する工程と、印加された電圧に基づいて、交番電界が第１のパワーと異なる第２のパワーにある時点で、検体、検出器種、および／または検体と検出器種との間の相互作用の特性を示す信号を提供する第２のデータセットを収集する工程とを含む。
【００３２】
いくつかの実施形態では、バックグラウンドおよび検体に関するデータを同時に収集することは、分析時間、分析コスト、および／または分析を実施するのに必要な試薬の数をそれに応じて減らすことができる別個のバックグラウンドデータ収集ステップを排除することに使用し得る。特定の実施形態では、バックグラウンドおよび検体に関するデータを同時に収集することは、検体が存在しない場合および／または検体を含む試料が存在しない場合に実施されるバックグラウンドの測定と比較して、より正確かつ現実的なバックグラウンド信号を得ることができる。そのような場合には、分析の全体的特異性および感度が改善され得、および／または検出限界が低下され得る。
【００３３】
いくつかの実施形態では、プロセスの動力学（例えば、反応）より速い時間スケールでデータを取得することは、プロセスのリアルタイム画像の構築を可能にする。例えば、ナノセンサの表面に関連する検体と化学種または生物種との間の相互作用の反応動力学よりも速い時間スケールでデータを取得することは、相互作用プロセス（例えば、関連、形態変化、解離、結合分裂、結合形成）のリアルタイム画像の構築を可能にする。特定の実施形態では、典型的な時間スケール、例えば、ミリ秒、の拡散速度を構築することが可能である。場合によっては、データは、抗体および抗原または構築される任意の他のリガンド受容体対のような、２種以上の種（例えば、少なくとも３種、少なくとも４種、少なくとも５種、少なくとも６種、少なくとも８種、少なくとも１０種、またはそれ以上の種）の結合を支配する反応動力学を可能にする十分な時間スケールで獲得することができる。そのようないくつかの場合には、種（例えば、タンパク質）における１つまたは複数の形態変化は、獲得したデータを使用して解決できる。特定の実施形態では、（例えば、反応動力学的パラメータ、関連定数、解離定数、反応速度、酵素動力学、拡散定数）のような動力学的パラメータ、形態の変化による個々の分子の空間的および／または時間的変化、および／または他の形質導入メカニズム（例えば、結合したシステムのある部分から別の部分への電荷移動、電荷から光子への変換）は、獲得したデータを使用して決定できる。一般に、所望のパラメータの決定に関連する任意の適切なデータ取得時間スケールを使用することができる。いくつかの実施形態では、プロセスの異なるフェーズに対して２つ以上のデータ取得時間スケールを使用することができる。
【００３４】
以下で詳細に説明されるように、本明細書に記載されたある種の実施形態は、注目する化学活動を化学活動の対応する電気的信号標本に変換する高感度トランスデューサのような、半導体デバイスまたは同様の小規模電気デバイス使用して実装されたセンサなどのナノスケールセンサに関する。本開示に記載される方法は、シリコンナノチャネル電界効果トランジスタバイオセンサ、ナノワイヤナノセンサ、量子ドットナノセンサ、および１つまたは多くの化学種または生物種を検出するために使用される他のセンサなどのナノスケールセンサに適用することができ、ここで、化学種または生物種は、溶液中に存在し、センサは、同じ溶液中に埋め込まれる。
【００３５】
多くのセンシング用途では、注目する種に対して高感度のセンサを使用することが有益である。高感度のセンサは、いくつかの用途において必要または望ましい可能性があり、かつ／またはそのようなセンサが高い信号対雑音比を提供することができ、種の非常に少量または濃度の検出に使用することができる。したがって、そのようなセンサを使用して獲得することができる測定の質を改善する。しかしながら、生物学的または化学的種のナノ電子検出における主要な課題の１つは、所望の高い特異性を達成することである。ナノセンサは、大きな感度を提供するように構成することができるが、分子結合イベントの特異性を正確に検出することは困難である。主な問題の１つは、検体が、検体の検出を妨害する他の化学的および生物学的種を含み得る水溶液などの試料中に一般に存在することである。１つの具体的な例として、低存在量タンパク質の主要な結合イベントは、他の多くのタンパク質または高濃度のタンパク質のあまり特異的でない相互作用によって隠すことができる。ＦＥＴバイオセンサは、センサ表面上の表面電荷プロファイルの存在または変化を検出するので、他の荷電粒子の近接は、センサによって測定される全体的な電気信号に寄与することができる。これらの望ましくない寄与は、注目対象の検体がセンサ表面上またはその近くに存在することから生じる、注目の信号と混合される。望ましくない寄与を最小にする１つのアプローチは、センサが、センサ表面から特定の距離内の検体および他の種のみからの信号を得ることを可能にすることである。したがって、この特定の距離を制御する方法は、いくつかの実施形態では、デバイ長に類似している可能性があり、信号への望ましくない寄与を最小限に抑えるのに有用であり得る。
【００３６】
図５は、化学的および／または生物学的検体を検出するための例示的なデバイスの概略図である。図５において、デバイス１００は、ナノセンサ１０２を含む。ナノセンサ１０２は、例えば、ナノチャネルの形態であり得る。単一のナノチャネルが図５に示された１組の実施形態で示されているが、他の場合には、複数のナノチャネルがナノセンサとして使用できることを理解されたい。例えば、図４は、２０個のナノチャネルが使用されるデバイスの走査型電子顕微鏡写真である。
【００３７】
特定の実施形態では、ナノセンサは、半導体センサである。例えば、いくつかの実施形態では、ナノセンサは、シリコンナノセンサである。
【００３８】
特定の実施形態では、ナノセンサの少なくとも一部は、化学的および／または生物学的検出器種で官能化される。検出器種は、例えば、抗体、酵素、タンパク質、ペプチド、小分子、核酸、アプタマー、受容体分子、ポリマー、および／または超分子構造を含むことができる。検体は、例えば、タンパク質、小分子、核酸、ペプチド、抗体、アプタマー、バイオマーカー、遺伝子、超分子構造、高分子、受容体分子、生物学的細胞、および／または生物学的細胞クラスターである。場合によっては、検体は、タンパク質バイオマーカーまたは遺伝子バイオマーカーであってもよい。
【００３９】
化学的および／または生物学的検体を検出するためのデバイスは、ナノセンサの長さにそって電圧を印加することによって操作することができる。例えば、図５では、システム１００は、電気接点１０４および１０６の両端に電圧を印加することによって動作させることができる。これは、ナノセンサ１０２を通って搬送される電流をもたらす可能性があり、標的検体と検出器種との間の相互作用に応じて変更することができる。
【００４０】
化学的および／または生物学的検体を送るためのデバイスは、特定の実施形態によれば、交番電界のソースを含む。いくつかの実施形態では、交番電界（例えば、マイクロ波範囲内）は、その周波数およびパワーによって定義される電磁波である。交番電界の波形は、正弦波または方形波であってもよく、測定方法に応じて場合によって選択することができる。いくつかの実施形態では、電磁波ソースは、ナノセンサ表面の位置に関して特定の方向に結果的に電界線を整列させるように設計されてもよい。これは、特定の必要性に応じて、溶液中の検体またはイオンと電界との間の相互作用を最適化する。いくつかの実施形態では、電磁波の振幅または電力レベルは、検体濃度および反応動力学パラメータの正確な決定に影響する温度上昇や変動を引き起こさないように選択されてもよい。当業者は、検体の精度に影響を与える温度上昇や変動を認識しているであろう。ソースは、ソースによって生成される電界がナノセンサに入射するように、いくつかの実施形態によれば、構成することができる。いくつかの実施形態では、ソースによって生成される交番電界は、検体のデバイ長を変更するように構成される。
【００４１】
交番電界を生成することができる任意の適切なソースは、使用することができる。いくつかの実施形態では、ソースは電極を含む。例えば、図５を参照すると、システム１００は、電極１０８および１１０を含む。交番電界は、特定の実施形態では、電極１０８および１１０にわたって交番電界を印加することによって、ナノセンサ１０２に適用し得る。交番電界のソースの他のタイプも使用することができる。いくつかの実施形態では、ソースは、電磁放射を生成することができる。いくつかの実施形態では、ソースは、マイクロ波空洞を含む。いくつかの実施形態では、ソースは、放射アンテナを含む。交番電界のこれらおよび／または他のソースの組み合わせも可能である。
【００４２】
いくつかの実施形態では、交番電界のソースおよびナノセンサは、共通の基板上に配置される。特定の実施形態では、交番電界のソースおよびナノセンサは、異なる基板上に配置される。一例として、図４を参照すると、ナノセンサおよびソース電極は、共通の基板上に配置される。もちろん、電極が交番電界のソースとして使用される他の実施形態では、電極およびナノセンサは、異なる基板上に配置され得る。
【００４３】
いくつかの実施形態では、交番電界は、ナノセンサで、少なくとも約１ピコワット、少なくとも約１ナノワット、少なくとも約１マイクロワット、または少なくとも１ミリワット、１ワット（および／または、特定の実施形態では、１０ワットまで、またはそれ以上）の入射パワーを有する。
【００４４】
上述のように、いくつかの実施形態では、ソースは、検体のデバイ長を変更するように構成されている。特定の実施形態では、ソースにより生成される交番電界の周波数は、少なくとも部分的に、溶液のイオン濃度に基づいて選択される。理論に束縛されることなく、イオンの多くの異なる種を含むイオン溶液は、成分イオンの各々の電気分極に依存し、誘電率εと溶液の導電率σの両方が印加されるＡＣ場の周波数ωに依存する巨視的誘電率の観点から説明できると考えられる。誘電率および導電率の周波数応答は、実数成分と虚数成分を両方が、ε（ω）およびσ（ω）により定義される、誘電分散の観点から表現される。電解液の緩和時間は、溶液中の電荷と電界摂動の遮蔽のために必要な時間を特徴付ける。対応する緩和周波数は、その逆数で以下のように与えられる。
【数２】
2018505423.tif 000004
ここで、Ｋｍおよびεｍは、導電率およびイオン溶液の絶対誘電率である。
デバイ遮蔽長λＤは、以下のようにこれらのパラメータに関連する。
【数３】
2018505423.tif 000005
ここで、Ｄ＋およびＤ−は、正（＋）と負（−）のイオンの拡散係数である。τｍのスケールは、λＤの長さスケールにわたってイオンの拡散の時間に対応する。イオン溶液およびセンサに入射する外部ＡＣ場（または電磁場）は、以下のように定義することができる。
【数４】
2018505423.tif 000006
高調波場の利点は、任意の場の誘導応答Ｘ（ｔ）は、線形応答領域で同じ時間依存性を以下のように有する。
【数５】
2018505423.tif 000007
外部電界の周波数ωが緩和周波数未満、ω＜＜ωｍである場合、溶液中の導電電流密度は、変位電流密度を超える。これは、局所電界の空間分布がイオン電流の分布によって決定されることを意味する。反対の極端では、ω＞＞ωｍ、変位電流密度は、導電電流密度を超える。電界の空間分布は、分子ダイポールの局所的な分極に依存する。
【００４５】
いくつかの実施形態では、交番電界の周波数は、少なくとも約１ｋＨｚ、少なくとも約１ＭＨｚ、または少なくとも約１ＧＨｚ（および／または、特定の実施形態では、約１ＴＨｚまで、またはそれ以上）である。例えば、いくつかの実施形態では、交番電界の周波数は、約１ｋＨｚから約１ＴＨｚまで、約１ＭＨｚから約１０ＧＨｚまで、または約１００ＭＨｚから約１０ＧＨｚまでである。
【００４６】
いくつかの実施形態では、ナノセンサは、検体と検出器種との間の関連を示す信号を生成するように構成される。一般に、検体と検出器種との間の関連は、任意の適切なタイプのものであってもよい。例えば、関連は、化学的相互作用、物理的相互作用、生物学的相互作用、および／または近接空間指向を含むことができる。
【００４７】
いくつかの実施形態では、検体と検出器種は、化学結合として、化学的相互作用を介して関連付けることができる。化学結合は、共有結合または非共有結合であってもよい。いくつかの場合において、化学結合は、水素結合、イオン結合、配位結合、および／またはファンデルワールス相互作用などの非共有結合である。種および／または薬剤のうちの１つ以上は、そのような結合を形成することができる官能基を含んでもよい。構成要素間の共有結合および非共有結合は、当業者に知られているように、このような反応を起こすために適切な官能基を用いて、反応の任意のタイプによって形成することができることを理解すべきである。本明細書に記載の様々な実施形態と共に使用するのに適した化学的相互作用は、本明細書の記載に基づいて当業者によって容易に選択することができる。
【００４８】
いくつかの実施形態では、検体と検出器種との関連は、生物学的結合イベント（すなわち、生物学的分子の相補的な対の間の）を介して発生し得る。例えば、検体または検出器種は、別の種または薬剤に、例えば、アビジンまたはストレプトアビジンのように、補完的実体に特異的に結合するビオチンのような実体を含むことができる。生物学的分子の対の間の生物学的結合を形成することができる生物学的分子の他の例としては、これらに限定されず、タンパク質、核酸、糖タンパク質、炭水化物、ホルモンなどを含む。非制限的な例は、これらに限定されず、抗体／ペプチド対、抗体／抗原対、酵素／基質対、酵素／阻害剤の対、酵素／補因子対、タンパク質／基質対、核酸／核酸対、タンパク質／核酸対、ペプチド／ペプチド対、タンパク質／タンパク質対、小分子／タンパク質対、レセプター／ホルモン対、受容体／エフェクター対、リガンド／細胞受容体対、ビオチン／アビジン対、ビオチン／ストレプトアビジン対、薬剤／標的対、小分子／ペプチド対、小分子／タンパク質対、小分子／酵素対を含む。本明細書に記載された実施形態に使用するための種および／または薬剤との間の生物学的相互作用は、そのような生物学的相互作用の例、および知識、および適切な生物学的相互作用を同定するための簡単な技術を、それらの機能として本明細書の記述に基づいて、当業者によって容易に選択することができる。
【００４９】
特定の実施形態では、検体および検出器種は、物理的相互作用を介して相互に関連付けることができる。例えば、いくつかの実施形態では、検体（例えば、超分子構造）は、検出器種（例えば、高分子）の少なくとも一部と物理的に絡み合ってもよい。
【００５０】
特定の実施形態では、検体および検出器種は、連結部分を介して互いに関連付けることができる（例えば、検体および検出器種が近接する他の生物学的または化学的種）。例えば、検体と相互に関連する検出器種との間の最短距離は、デバイ長よりも大きくしてもよい。いくつかの例において、最短距離は、約１００ナノメートル以下、約５０ナノメートル以下、約２５ナノメートル以下、約１０ナノメートル以下、約１ナノメートル以下であってもよい。一般に、検体および検出器種は、互いに直接関連付けまたは互いに間接的に関連づけてもよい。
【００５１】
いくつかの実施形態では、化学的および／または生物学的検体を検出するためのデバイスは、第２の交番電界のソースを含む。第２の交番電界のソースは、ソースによって生成される第２の交番電界がナノセンサに入射するように構成することができる。いくつかの実施形態では、第２の交番電界は、第１の交番電界とは異なる周波数および／または入射パワーを有してもよい。いくつかの実施形態では、システムは、１つの周波数の電磁界を用いて励起し、第２の周波数と異なる電磁界を用いて検出してもよい。このアプローチは、２つの異なるスペクトル領域を監視することによって、システムの応答を研究するための代替方法を提供することができる。
【００５２】
特定の実施形態によれば、第２の交番電界は、第１の交番電界の周波数の少なくとも約１０％、少なくとも約２５％、または少なくとも約５０％（および／または、いくつかの実施形態では、１００％まで、またはそれ以上）第１の交番電界の周波数と異なる周波数を有する。特定の実施形態では、２つの交番電界の技術アプローチは、非平衡状態に第１の交番電界波（例えば、連続波）でシステムを励起し、次に、第２の交番電界波（例えば、それほど強くなく、または強力な波）でシステムプロパティにおける誘起変化を測定することを含む。誘電率またはデバイ長に直接関連する他のパラメータのような、システムプロパティにおける変化は、２つの交番電界波で時間領域において研究することができる。いくつかの実施形態では、第１の交番電界波の到達とシステム応答との間の時間遅延は、システムの緩和に関する定量的情報を提供することができる。
【００５３】
特定の実施形態では、第２の交番電界は、ナノセンサで、第１の交番電界の入射パワーの少なくとも約５０％、少なくとも約１００％、または少なくとも約２００％（および／または、いくつかの実施形態では、約５００％まで、またはそれ以上）、ナノセンサで、第１の交番電界の入射パワーと異なるナノセンサで、入射パワーを有する。
【００５４】
化学的および／または生物学的検体を検出するための方法（例えば、本明細書に記載のナノセンサのいずれかを使用して）も提供される。本明細書に記載される方法は、本明細書に記載のナノセンサの構成のいずれかを使用して実施することができる。
【００５５】
いくつかの実施形態では、化学的および／または生物学的検体を検出するための方法は、ナノセンサに交番電界を印加することを含む。ナノセンサに印加される交番電界は、本明細書の他の箇所に記載した特性（例えば、周波数、ナノセンサでの入射パワーなど）のいずれかを有することができる。
【００５６】
いくつかの実施形態では、化学的および／または生物学的検体を検出するための方法は、ナノセンサに第２の交番電界を印加することを含む。第２の交番電界は、本明細書の他の箇所に記載した第２の電界の特性のいずれかを有することができる。
【００５７】
いくつかの実施形態では、交番電界の印加は、ナノセンサに関連付けられる化学的および／または生物学的検出器種に関連付けられた検体のデバイ長が変更（例えば、増加および／または減少）されるようにナノセンサに印加される。特定の実施形態では、ナノセンサに交番電界を印加することは、交番電界を印加する前のデバイ長に対して、少なくとも約１％、少なくとも約５％、または少なくとも約２５％（および／または、特定の実施形態では、１００％まで、またはそれ以上）のデバイ長の変化をもたらす。
【００５８】
特定の実施形態では、バイアスは、さらにデバイ長を変更するデバイ層にわたって印加される。バイアスは、特定の実施形態では、デバイ層のキャパシタンスを変更するために構成され得る。いかなる特定の理論により束縛されることを望むことなしに、正イオンおよび負イオンが溶液中に懸濁しているが、電気二重層は、キャパシタに類似していると考えられる。電圧バイアスは、キャパシタンスを変化させ、したがって、電気二重層を再配置するために、この電気二重層にわたって印加され得る。これは、例えば、溶液中に浸漬された電極および基板上に微細加工された電極を使用して二重層にわたって電圧を印加することにより行うことができる。他の構成を使用することができることを理解すべきである。
【００５９】
いくつかの実施形態では、データは、交番電界がナノセンサに印加されている間、ナノセンサから収集することができる。そのようないくつかの実施形態では、データは、印加される交番電界が目標検体のデバイ長を変化させるために使用されている間、収集（例えば、連続的に収集する）することができる。
【００６０】
いくつかの実施形態では、電位は、ナノセンサが検体を含む試料の存在下にある間に、交番電界がナノセンサに（例えば、により）印加される間、ナノセンサにわたって印加され得る。例えば、いくつかの実施形態では、電圧は、ナノチャネルナノセンサの一端に印加することができる。いくつかの実施形態では、電圧が印加されながら、交番電界は、ナノセンサの外表面に向けることができる。いくつかの実施形態では、これらのステップは、ナノセンサが検体を含む試料の存在下にある間、実施することができる。
【００６１】
いくつかの実施形態は、交番電界がバックグラウンド信号を提供する第１のパワーである時点で、ナノセンサに印加される電位に基づいて、データの第１のセットを収集し、交番電界が、検体、検出器種、および／または検体と検出器種との相互作用の特性を示す信号を提供する第１のパワーと異なる第２のパワーである時点で、ナノセンサに印加される電位に基づいて、データの第２のセットを収集することを含む。データ収集は、例えば、ナノセンサにわたって印加される電位の特性（例えば、電圧出力）を解析することにより実施することができる。
【００６２】
図６は、本発明のデータ収集方法の特定を説明するために使用することができる時間の関数としてのナノセンサに印加される交番電界の電力の例示的なプロットである。一般に、印加される交番電界の“パワー”は、特定の時点で場のレベルを記述するために使用される。特定の印加される交番電界は、最大パワー（例えば、図６に示されるピークに対応する）を有するということができる。一般に、交番電界は、第１の極性で第１の最大パワーおよび第２の極性で第２の最大パワーを有する状態の間で振動する。いくつかの実施形態によれば、ナノセンサで交番電界のパワーとしてナノセンサを使用して収集できるデータは、例えば、最大（例えば、図６の６０２の点で）から最小（例えば、図６の６０４の点で）変化する。上述のように、いくつかの実施形態は、交番電界がバックグラウンド信号を提供する第１のパワーである時点でデータの第１のセットを収集することを含む。図６を参照すると、これらのデータ点は、印加される交番電界が最小である、時間６０４の点で収集することができる。いくつかの実施形態は、交番電界が、検体、検出器種、および／または検体と検出器種との相互作用の特性を示す信号を提供する第１のパワーと異なる第２のパワーである時点でデータの第２のセットを収集することも含む。図６を参照すると、これらのデータ点は、印加される交番電界が最大である、時間６０２の点で収集することができる。
【００６３】
いかなる特定の論理に拘束されることを望まないが、印加される交番電界が、最小である場合、ナノセンサの近くのイオンの蓄積は、目標検体からナノセンサを“遮蔽”することができると考えられる。したがって、ナノセンサによって生成されるデータ信号は、バックグラウンドノイズによってのみ実質的に変化される。印加される交番電界が、最大である場合、ナノセンサの近くのイオンの蓄積は、散乱することができるとも考えられる。したがって、ナノセンサは、目標検体と検出器種との相互作用を測定することを使用することができる。それはまた、ナノセンサの表面に、直接または間接的に、結合した検体が完全に遮蔽または遮蔽されないことができると考えられる。タンパク質が完全に外部電磁場を印加することによって、またはイオン濃度を増加させるような任意の他の手段によって遮蔽される場合、センサは、目標検体（すなわち、望ましくないノイズソース）に関連付けられていない起因種または因子を生じる、バックグラウンド信号を測定することができる。非限定的な望ましくないノイズソースの例としては、限定されるものではないが、イオンの運動および流体力学によるセンサ表面付近の他の望ましくない種、センサ表面上の望ましくない種の物理的吸収、センサ表面付近の荷電された種の熱ゆらぎ、センサ表面付近の局所誘電率の変化に寄与するメカニズム、およびこれらの組み合わせが挙げられる。いくつかの実施形態では、バックグラウンド信号を抽出する方法は、センサ表面上の任意の結合した検体またはタンパク質が意図的に交番電磁場の印加により遮蔽されている場合、ナノセンサのコンダクタンスの測定を含んでもよい。いくつかの実施形態では、検体が遮蔽されていない場合、上述のように、対応するナノセンサ信号は、ノイズソースから発生する検体およびバックグラウンドの結合から生成する信号を含むであろう。いくつかの実施形態では、完全に遮蔽された検体の測定および遮蔽されていない検体の測定の２つのセットは、より良好な信号およびバックグラウンドの寄与を抽出するために使用し得る。
【００６４】
このように、１つは、同時に、バックグラウンド信号を提供するデータの第１のセットおよび検体、検出器種、および／または検体と検出器種との相互作用の特性を示す信号を提供するデータの第２のセットを収集することができる。これは、例えば、外部の交番電界にナノセンサを露出させながらナノセンサにわたって単一の電位を印加することによって、達成することができる。すなわち、いくつかの実施形態は、バックグラウンド信号を提供するデータの第１のセットを、第１の時間期間にわたって、収集すること、および検体、検出器種、および／または検体と検出器種との相互作用の特性を示す信号を提供するデータの第２のセットを、第１の時間期間と重複する第２の時間期間（いくつかの実施形態では、第１の時間期間の少なくとも約７５％、少なくとも約９０％、少なくとも約９９％重複）にわたって、収集することを含む。特定の実施形態では、データの第１および第２のセットは、ナノセンサまたはナノセンサのアレイにわたって印加される単一の電位の出力を分析することによって収集することができる。これは、例えば、単一の印加された電圧から出力を分析することによって、測定された特性（例えば、検体、検出器種、および／または検体と検出器種との相互作用の特性）に関する情報を含むデータからバックグラウンド信号に関する情報を含むデータを分離することによって達成される。図６を参照すると、例えば、これは、特定の実施形態によれば、時間６０４の点で収集されたデータから時間６０２の点で収集されたデータを分離することを含むことができる。１つの実施形態では、ナノセンサのコンダクタンス測定は、印加された電磁波と同じ周波数で実施することができる。この方法では、コンダクタンスの測定は、電磁波の大きさが最大の場合、電磁波の影響が最大となるように取ることができる。これは、同相の測定と呼ばれる。第２のコンダクタンスの測定は、電磁波の振幅の大きさがゼロである場合、それゆえ、電磁場がその正確な時間に影響を及ぼさないようにできる。これは、直交（すなわち、９０度）の測定と呼ばれる。加えて、アウトオブフェーズ測定は、電界の大きさが最小（同相の大きさの負）の場合、実施できる。これら３つの測定を使用して、データセットは、正確な信号およびバックグラウンドが抽出されることから構築し得る。特定の場合、これら測定の相対的位相は、最適なデータセットを得るために調整することができる。
【００６５】
いくつかの実施形態では、データ点の第２のセットが収集された時点は、データ点の第１のセットが収集された時点から位相シフトされる。例えば、いくつかの実施形態では、データ点の第２のセットが収集された時点は、データ点の第１のセットが収集された約７５度から約１０５度まで、約８５度から約９５度まで、または約８８度から約９２度まで位相シフトされる。当業者は、２つの信号間の３６０度の位相シフトが全波長シフトに対応することを認識するであろう。図６を参照すると、例えば、点６０４は、９０度点６０２から位相シフトされる。
【００６６】
いくつかの実施形態では、交番電界がバックグラウンド信号を提供する第１のパワーである時点で、データの第１のセットを収集することは、交番電界がその最大パワーの約１０％未満、約５％未満、または約１％未満のパワーを有する時点でデータの第１のセットを収集することを含む。いくつかの実施形態では、交番電界がバックグラウンド信号を提供する第１のパワーである時点で、データの第１のセットを収集することは、交番電界がゼロのパワーを有する時点で、データの第１のセットを収集することを含む。図６を参照数すると、例えば、データ点の第１のセットは、交番電界のパワーが約０である、時間６０４の点で収集することができる。
【００６７】
いくつかの実施形態では、交番電界が第２のパワーである時点で、データの第２のセットを収集することは、交番電界が約１０％以内、約５％以内、またはその最大パワーの約１％以内であるパワーを有する時点で、データの第２のセットを収集することを含む。図６を参照すると、例えば、データ点の第２のセットは、交番電界のパワーがその最大である、時間６０２の点で収集することができる。
【００６８】
１つの実施形態では、高周波場は、次のセンサに作られた追加の電気パッドからナノセンサに印加することができる。ＦＥＴセンサに高周波信号を供給することによって、デバイ長を制御できる。電解液または水溶液中の高周波振動の存在は、ＤＣデバイ長を特性周波数依存長に変更することができる。特性周波数依存長は、一般的なデバイ長として解釈することができ、以下のように計算できる。
【数６】
2018505423.tif 000008
ここで、ωは、電界変調の角周波数、λｄｃは、上記で定義されたデバイ遮蔽長、およびＤは、電解液中イオンの拡散である。この長さは、生体分子の周囲の溶液中の電荷分布の広がりの特性として解釈することができる。特定の実施形態によれば、低周波数では、電気二重層減衰および位相は、検体が入力信号を”感じる”ことができないように、検体で入力信号をシフトする。十分高い周波数（例えば、いくつかの場合では、１ＭＨｚ以上）では、溶液中イオンは、水の抵抗力に打ち勝つことはできず、もはや入力信号に追いつくことはできない。弱体化した電気二重層では、検体の双極子モーメントは、遮蔽されない成分を発現させることができる。そのようないくつかの場合では、ナノセンサは、もはや検体の遮蔽された電荷（一般に距離とともに指数関数的に低下する）によってゲートされず、代わりに電位が距離の逆数として低下し動いているダイポールの線によってゲートされる（例えば、図３参照）。さらに、いくつかの場合では、電気二重層に起因する減衰が低減されるように、これら２つのレジーム間のスムーズな移行が実現できる。したがって、いくつかの実施形態によれば、有効な遮蔽長は、信号周波数を介して電子的に調整してもよい。一般に、最適な周波数は、使用される濃度および分子サイズに依存するであろう。
【００６９】
一般に、溶液のイオン濃度は、デバイ長を決定する。したがって、溶液のイオン濃度または塩濃度は、多くの場合、低い検体の濃度を検出するために変更される。通常、塩または溶液のイオン濃度の低下は、より低い検体の濃度およびより高い感度の検出をもたらす。１つの実施形態では、イオンまたは塩濃度の低下とマイクロ波信号の印加による対応するデバイ長の変更との間の相互作用は、高感度のため最適化された条件を得るために使用することができる。
【００７０】
１つの実施形態では、交番電気信号は、ナノセンサにわたって電気パッドに印加される。これらの電気パッドは、電界線を得られる経路がセンサ表面から適切な距離になるように設計することができるように配置され得る。特定の実施形態では、パッドは、ナノセンサと同じ基板上に作ることができる。そのようなセンサは、特定の実施形態によれば、センサと同じ平面にあることができる。
【００７１】
１つの実施形態では、交番電気信号は、基板の金属化底面とセンサを含む基板の上部表面上に作られたパッドとの間に印加される。一般に、電界線の位置およびクラスタリングの両方は、マイクロ波の適用のために使用される電気パッドの適切なデザインにより設計され得る。
【００７２】
いくつかの実施形態では、単一周波数の交番電界が印加される。特定の実施形態では、２つの分離された周波数を含む成分を有する交番電界が使用されてもよい。所望の効果に応じて、より低い周波数（または、遅い場）の成分は、より高い周波数（または、速い場）の成分がデバイ長を変更することに使用することができるのに対して、抗力のような遅いプロセスを変更するために使用され得る。
【００７３】
上述した電気二重層は、正に帯電したイオンと負に帯電したイオンが物理的距離によって分離されているキャパシタとみなすことができる。キャパシタンスは、この電気二重層デバイキャパシタにわたって電圧バイアスを印加することによって変更できるので、対応するデバイ長は、バイアスにより変化させることができる。１つの実施形態では、電圧バイアスは、デバイ長を制御、変調または操作するために、パッドと溶液中に浸漬された電極との間に印加することができる。
【００７４】
上述のように、特定の実施形態は、ナノセンサを使用する種の検出を含む。いくつかの実施形態では、ナノセンサは、特定の実施形態では、半導体材料から構築できるナノチャネルに対応する。いくつかの実施形態では、ナノセンサは、電極に、両端が接続される。特定の実施形態では、ナノセンサは、検出器種が関連付けされた表面が少なくとも１つの検体と相互作用するように構築されるナノセンサの表面と関連（例えば、機能化）付けられた検出種と処理（例えば、官能化）される。そのようないくつかの実施形態では、ナノセンサは、ナノセンサに関連付けられた検出器種とセンサに導入された試料（”検体溶液”とも呼ばれる）に含まれる少なくとも１つの検体（”エージェント”とも呼ばれる）との間の相互作用に、少なくとも部分的に、基づいて変化する少なくとも１つの電気特性を有する。特定の実施形態では、検出デバイスは、少なくとも１つの検体の存在にセンサの感度を制御するコントローラを含む。いくつかの実施形態では、ナノセンサの感度を制御するために構成されたコントローラは、ナノセンサのコンダクタンスを変化させるためにナノセンサに印加される電圧を構成する（必要に応じて、制御された様式で）。いくつかの実施形態では、センサは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のゲート構造を含み、ナノセンサに接続された電極は、ＦＥＴのソースおよびドレインに対応することができる。
【００７５】
本明細書に記載のナノセンサは、検体の任意の適切なタイプを検出するように構成することができる。例えば、いくつかの実施形態では、ナノセンサは、タンパク質、核酸、単糖および／または多糖類を検出するように構成される。
【００７６】
本明細書に記載のナノセンサは、いくつかの実施形態では、バイオセンサとすることができる。ナノセンサは、化学的または生物学的種である検体を検出するように構成することができる。いくつかの実施形態では、ナノセンサは、検出器種に官能化された外表面を含む。特定の実施形態では、検出器種は、関心のある検体と化学的に相互作用（直接に、または間接的に）することができる。いくつかの実施形態では、検出器種と関心のある検体との間の相互作用は、表面電位に対応する変化を生成する。いくつかの実施形態では、ナノセンサは、電気特性（例えば、微分コンダクタンス特性）の変化を示すために十分に小さい断片を有する。電気的特性の変化は、負のバイアス動作領域に移行することができる。移行の量は、表面電位または表面電荷に依存することができる。ナノセンサの官能化は、標準的な規則に従って実施することができる。例えば、尿素が検出されている特定の実施形態では、ナノセンサは、ウレアーゼで官能化することができる。グルコースが検出されている特定の実施形態では、ナノセンサは、グルコースオキシダーゼで官能化することができる。抗原が検出されているいくつかの実施形態では、ナノセンサは、１つ以上の抗体で官能化することができる。
【００７７】
いくつかの実施形態では、ナノセンサは、半導体材料で作られる。ナノセンサを作ることのできる適切な半導体材料は、シリコン、ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ半導体などを含むが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、ナノセンサは、シリコンで作られる。
【００７８】
ナノセンサは、いくつかの実施形態では、電界効果トランジスタのナノセンサであってもよい。一般に、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は、導電体の電気チャネル、およびチャネルにおける電荷キャリアの導電率を制御するために電界を使用する。ソースとドレインとの間の電荷キャリアの流れは、ゲートに電界を印加することによって導電性チャネルのサイズおよび形状を変化させることにより調整することができる。例示的なバイオセンサの構成において、ＦＥＴは、ソースとドレイン端子との間のナノセンサ（例えば、ナノワイヤ）チャネルを含む。ナノセンサ（例えば、ナノワイヤ）表面は、生体分子結合イベントが、従来のＦＥＴに印加された制御電界と同様の電界を生成することができるように、生体官能化することができる（図１）。ＦＥＴの原理を使用する特定のデバイスでは、指定された、物理的に分離されたセンサ表面は、精密加工によって形成することができる。ＦＥＴセンサは、センサ表面の特定の導電率を監視するために電子回路に接続することができる。いくつかの実施形態では、動作上、多くの独立した電子回路は、大規模並列的に通信してもよい。ＦＥＴバイオセンサは、センサ表面と相互作用する生体分子の測定のために適用することができる（図１）。ＦＥＴバイオセンサの表面は、１つ以上の特定の検体を選択的に認識するために改変することができる。いくつかの実施形態では、種（例えば、抗体）は、製造プロセスの一部として、ナノセンサ表面に結合させることができる。これらの種（例えば、抗体）は、関心のある特定の検体（例えば、タンパク質）の検出のために選択することができる。検体とバイオセンサ表面上の種（例えば、抗体）との間の分子結合イベントは、バイオセンサの表面電荷密度および／または表面電位の変化を引き起こすことができる。このように、ＦＥＴバイオセンサの精密な製造は、敏感な検体の認識を可能にすることができる。微分コンダクタンスの振幅は、試料溶液中の検体濃度と相関させることができる。
【００７９】
いくつかの実施形態では、リソグラフィ法は、ナノセンサの底部、上部、および／または側部に、ゲートを作るために使用される。
【００８０】
いくつかの実施形態では、ナノセンサは、バイアスおよび測定回路の一部であることができる。いくつかの実施形態では、バイアスおよび測定回路は、回路内でナノセンサ（例えば、ナノチャネル）の両端にバイアス電圧を印加することによって動作する。バイアス電圧は、ナノチャネルの表面電位に、検出素子の微分コンダクタンスの所望の依存性を達成するのに、十分に負であるように選択することができる。特定の実施形態では、この依存性は、比較的高い信号対雑音比を達成し、ゼロバイアス条件での検出素子によって示される基準増幅よりも実質的に大きい高増幅の急傾斜領域を有する。いくつかの実施形態では、バイアスおよび測定回路は、検出素子の差動コンダクタンスを測定し、測定された差動コンダクタンスを検体の存在または活性を示す信号に変換する。特定の実施形態では、検出された差動コンダクタンスは、従来のキャリブレーション動作を反映したルックアップテーブルまたは別の変換メカニズムを使用して検体の存在または活性を示す信号に変換することができる。いくつかの実施形態では、印加されたゲート電圧は、センサの感度を制御するために使用することができる。バイアスおよび基準ゲート電圧は、特定の実施形態によれば、感度を制御するために、独立して使用することができる。
【００８１】
いくつかの実施形態では、ナノセンサは、ナノスケールのシリコンベースＦＥＴデバイスを含む。多くのこのようなデバイスは、感度、信頼性、堅牢性および多くの多重化診断マイクロアレイのために必要なセンサの柔軟性を有する。いくつかの場合では、ナノスケールデバイスは、従来のトップダウンシリコン上に開発および／または実装することができる。いくつかの場合では、従来のトップダウンシリコン上にナノスケールデバイスを開発および実装することによって、トップダウンシリコン半導体製造プロセスの信頼性および堅牢な品質は、向上し、ポイントオブケアと中央基準研究室の両方の、試験の誤り率を低減する。これは、研究室または診療所への患者訪問、診断のコスト削減、および早期診断、治療、および監視の増加効果をもたらす可能性がある。
【００８２】
１つの特定の実施形態では、ナノセンサは、シリコンナノチャネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）バイオセンサである。そのようなセンサは、高感度および／または無標識検体検出を実施することに使用できる。そのようなセンサは、優れた電気的特性および小さな寸法を有することができる。特定の実施形態では、シリコンナノチャネルは、理想的には、非常に高い感度のために適している。いくつかの場合では、これらのシステムの高い表面対体積比は、単一分子の検出を可能にする。いくつかの場合では、そのようなＦＥＴバイオセンサは、診断における従来の光学的方法のための典型的な感度を犠牲にすることなく、高速、低コスト、および高収量生産の利点を提供する。トップダウン製造方法は、十分に多重化されたセンサアレイを可能にする、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術の利点を活用するために使用することができる。ナノチャネルベースのセンサシステムの例は、例えば、あらゆる目的のためその全体が参考として援用される、Ｙｕ  Ｃｈｅｎらによる、国際特許公開ＷＯ２００８／０６３９０１Ａ１、および  Ｍｏｈａｎｔｙらによる、国際特許公開ＷＯ２００９／１２４１１１Ａ１に記載される。
【００８３】
１組の実施形態では、ＦＥＴバイオセンサは、センサ表面と相互作用する生体分子の測定に適している。ＦＥＴバイオセンサの表面は、特定の検体を選択的に認識するために改変することができる。例えば、抗体は、製造プロセスの一部として、表面に結合させることができる。これらの抗体は、例えば、関心のあるタンパク質の特異的検出のため、選択することができる。バイオセンサ表面上の検体と抗体との間の分子結合イベントは、バイオセンサ表面電荷密度および／または表面電位の変化を引き起こすことができる。このように、ＦＥＴバイオセンサの精密な製造は、敏感な検体の認識を可能にすることができる。微分コンダクタンスの振幅は、試料溶液中の検体濃度と相関させることができる。
【００８４】
いくつかの実施形態は、シリコンナノ構造（例えば、ナノチャネル）は、電界効果トランジスタを作るために使用することができる。従来のＦＥＴにおいて、リソグラフィ方法は、底部、上部、および／または側部にゲートを作るために使用される。いくつかの実施形態では、ナノチャネルの表面は、関心のある薬剤／種と相互作用する特定の受容体または抗体で官能化することができる。流体では、リガンド（または抗原）は、表面電荷プロファイルおよび表面電位の変化をもたらす受容体に結合することができる。基本的に、この結合は、電界効果として振る舞う。したがって、ナノチャネルのコンダクタンスおよびＩ−Ｖ特性は、例えば、濃度および結合解離定数を決定するために、生体分子結合を特徴付けるために使用することができる。いくつかの実施形態では、微分コンダクタンスｄＩ／ｄＶの特性は、結合生体分子による電界効果でより高感度のため使用することができる。特に、ｄＩ／ｄＶ特性は、電気分解を回避するために必須で、低バイアスでの測定を可能にする。
【００８５】
本明細書に記載のナノセンサは、幅広い分野において有用であり得る。例えば、ナノセンサは、医療診断、公衆衛生、疫学研究、個別化医療、監視／サーベイランス、農業、および防衛産業のための検体の検出のために使用することができる。
【００８６】
本発明の一側面によれば、外部電界は、電気ダイポールを誘導するために、イオン性溶液中の荷電粒子に印加される。荷電粒子は、荷電した生体分子または検出したい他の荷電標的粒子でもよい。少なくともいくつかの実施形態では、荷電粒子は、荷電ナノ粒子である。イオン性液体は、このように困難な荷電標的粒子の検出を行う、検出器からの荷電粒子の電荷を効果的に遮蔽する荷電種を含んでもよい。電界は、荷電標的粒子の存在の検出を可能にする、荷電標的粒子およびイオン性流体からの電気ダイポールを誘導するために適切な電極構成を用いてイオン性流体に適用してもよい。いくつかの実施形態では、印加された電界は、ダイポールの生成および荷電標的粒子の検出を容易にする、電気浸透効果を利用するために選択された周波数を有する。
【００８７】
イオン性流体中の検体の荷電ベースのバイオセンサは、検体上の電荷のデバイ遮蔽に対する感度の低下を被り得る。この問題は、デバイ層内の検体とイオンとの間のダイポールモーメントを誘導することによって克服することができる。そのような解決策は、ダイポールモーメントを誘導する外部磁界を生成するために電極を使用することによって実現されてもよい。ダイポールモーメントは、検体の検出を可能にする、検出および遮蔽された内部電荷に関する情報を提供する、それ自身の場を生成する。誘導ダイポールモーメントは、デバイスの感度をさらに向上させるために利用することができる複雑な周波数依存性を有し得る。
【００８８】
実施形態によれば、電界の印加を介して流体の電荷を分離する方法は、バイオセンサの感度を高めるために設けられる。タンパク質またはウイルスの断片（ナノ粒子とみなすことができる）のような、大きな生体分子は、それらの表面または内部に自由電荷が含まれてもよい。いくつかの実施形態では、粒子は、サイズが１０ナノメートル未満である。他の実施形態では、粒子は、１０ナノメートルと１００ナノメートルとの間である。特定の実施形態では、粒子は、サイズが１００ナノメートルよりも大きくすることができる。電荷特性は、原則的には、タンパク質のような存在を検出することが、電荷センサの近くにそれを運び、十分な長さを測定するための場所にそれを保持することを単純に必要とする、電荷ベース検出方法に有益である。
【００８９】
しかしながら、血液のような、イオンが豊富な流体中の荷電ナノ粒子は、一般に、図７に示されるように、局所的に反対の電荷（通常小さく、Ｎａ，Ｋ，Ｃｌ，Ｃａおよび他のイオンのような、モバイル種）を引き付ける。図は、正の電荷を有する荷電されたナノ粒子７０２を示す。負電荷のシェル７０４は、例示的な実施形態では、イオン性液体中の負に荷電したイオンの存在の結果として、荷電されたナノ粒子７０２の周囲に形成される。荷電されたナノ粒子７０２は、センサ７０８（例えば、ナノワイヤ）上の抗体７０６（他の検出器が使用されてもよい）に結合して示される。荷電されたナノ粒子７０２およびシェル７０４の正味の結果は、図７に示すように、荷電された誘電体内部および反対に荷電された表面シェルからなる電気的に中性である。荷電されたシェルの厚さは、流体内のイオン価数ｚおよび濃度ｎ、流体の誘電率ε、および温度Ｔに依存する、デバイ長λＤによって与えられる。
【数７】
2018505423.tif 000009
【００９０】
ここで、ｉは、流体中の各別個のイオン種を示す。遠くから粒子が、中性に見えるので、電気的に検出することができない。例えば、図７に示すように、センサ７０８にわたって抵抗ΔＲは、ほぼゼロである。粒子に非常に近く、粒子の表面のデバイ長内に、粒子は、電界によって検出できる。デバイ長外では、粒子の電荷は、完全に遮蔽される。血液のような液体中のナノ粒子のデバイ長は、典型的には、１から１０ナノメートルオーダーである。いくつかの実施形態では、ナノ粒子の固有の電荷は、その内部にある。いくつかの実施形態では、電荷は、ナノ粒子の表面上にある。いくつかの実施形態では、電荷は、均等に分布する。特定の実施形態では、電荷は、局在する。本明細書の局面は、ナノ粒子のためのすべての可能な電荷分布の可能性で荷電されたナノ粒子の検出を可能にする。
【００９１】
本明細書に記載するような、ナノワイヤ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）バイオセンサ、および他の可能なセンサは、検出のためにタンパク質または他の生体分子の電荷に依存する。抗体、またはＤＮＡ（“検出器”として以下に知られている）のような他の生体分子特異結合部位は、半導体ナノワイヤの表面に取り付けられている。いくつかの実施形態では、ナノワイヤは、シリコン、ゲルマニウム、またはＩＩＩ−Ｖ半導体から作られる。特定の実施形態では、ナノワイヤは、カーボンナノチューブである。特定の生体分子、または“検体”が検出器に結合すると、それは、時間の長い期間のためにナノワイヤの近くに保持される。いくつかの実施形態では、検体は、タンパク質である。特定の実施形態では、検体は、ウイルス粒子である。検体上の電荷は、半導体ナノワイヤをゲートし、その導電率を変化させる電界を生成する。いくつかの実施形態では、測定された抵抗（またはコンダクタンス）変化ΔＲは、検体の存在を示す。これは、外部ゲート電圧が、導体に絶縁性から半導体を変えるために印加される、金属酸化物半導体ＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ）で使用するのと同じ現象である。特定の実施形態では、電荷は、表面プラズモン共鳴の変化を介して検出される。いくつかの実施形態では、異なる電荷検出方法を使用するであろう。本明細書の側面は、そのようなすべての実施形態を包含する。
【００９２】
荷電された検体が溶液中にあり、ナノワイヤ表面のデバイ長内にある場合、その電界は、ゲートにナノワイヤを作用することができる。しかしながら、ナノワイヤ上に官能されるほとんどの検出器（抗体のような）は、図７に示されるように、デバイ長と同じオーダーまたはより大きく、１０ナノメートル以下の長さである。いくつかの実施形態では、デバイ長は、１ナノメートル未満である。いくつかの実施形態では、デバイ長は、１から１０ナノメートルである。特定の実施形態では、デバイ長は、１０ナノメートルより大きい。タンパク質に対する感度は、非常に限られている。または、結合は、検体が電気的に中性でありナノワイヤセンサの位置に電界を生じないように見えるように、検出不可能であるかもしれない。イオンが豊富な流体中のデバイ遮蔽ナノ粒子の検出は、ナノ粒子が電気的に検出できるようなナノ粒子／流体の電荷分布特性を変更することによって、容易にすることができる。
【００９３】
本明発明の一側面によれば、電荷分布を変更する方法は、印加電界に伴うダイポール誘導を含む。流体内の荷電された粒子の移動度は、その質量および半径に依存する。より小さく、軽い粒子（血液中の元素のイオンのような）は、より高い移動度を有し、電界として印加される駆動力に応じて、より速く、より遠く、より大きな、より重い粒子を移動させるであろう。デバイ遮蔽ナノ粒子に電界を印加することは、より大きい中央の粒子がはるかに少なく移動し、ナノワイヤセンサに結合したままにしながら、迅速に移動するように、表面層により小さい、より軽いイオンを誘導するであろう。イオン性の分離は、図８に示されるように、ナノ粒子の近くのダイポールモーメントを誘導し、ダイポールは、電界を生成するであろう。特に、図８は、図示された実施例で、それぞれ、電圧Ｖおよび−Ｖを印加する電極８０２ａおよび８０２ｂによる外部電界Ｅｅｘｔの印加を示す。それは、外部電界の印加の結果が、図７の負の電荷シェルが図８の電荷分布を生成するために、変位する（または歪む）ことであることがわかる。したがって、ダイポール電界Ｅｄｉｐは、生成される。いくつかの実施形態では、この電界は、半導体ナノワイヤをゲートするか測定感度を増加するか、または測定電圧を反対にし（追加し）電流の流れを減少（増加）する結果をもたらすであろう。この両方の効果の最終結果は、測定された実効抵抗の変化である。この検出された抵抗変化は、検体の性質に依存し、遮蔽電荷に関する情報を提供する。したがって、デバイ遮蔽のため検出不能ではなくナノ粒子の直接検出は、可能となる。すべての電界検出技術は、本発明のこれらの側面によって包含される。
【００９４】
流体内の低移動度の粒子について、印加電界と分極に関するダイポール係数は、以下のとおりである。
【数８】
2018505423.tif 000010
この式において、ωは、印加電界Ｅｅｘｔの周波数である。ａは、粒子の半径である。ｂから−１／６およびＰｅは、イオンの濃度および特性に関する定数である。Ｄは、イオンの拡散定数である（それらが流体内でいかに速く移動できるかの測定）。また、ζは、与えられた流体内の移動度に関する、粒子のゼータ電位である。いくつかの実施形態では、パラメータｂおよびＰｅは、周波数に依存する。この特定の実施形態を導出するために使用される仮定は、大きなタンパク質またはウイルス粒子に似て、小さな電荷を有する大きな粒子に有効である。他の実施形態では、ゼータ電位ζは、０．０１未満である。特定の実施形態では、ゼータ電位ζは、０．０１から１の間である。いくつかの実施形態では、ゼータ電位ζは、１より大きい。本明細書に記載された側面は、すべての可能な機能型を包含する。生成される電界は、Ｅｄｉｐとして、図８に示される、ダイポールの電界であろう。
【００９５】
図９は、前述の説明と一貫してダイポールの検出を利用するバイオセンシングデバイスの１つの実施形態の概略図を示す。いくらかの官能化ナノワイヤ９０２は、中央で、抵抗測定デバイス９０４に接続される。３つのナノワイヤ９０２は、図示されているが、任意の適切な数を使用することができる。チャネル９０６または他の流体流量制御メカニズムは、流体が注入される、ナノワイヤ９０２を取り囲んでいる。電界生成電極８０２ａおよび８０２ｂは、電位差ΔＶをかけ、センサの各側にある。抵抗ΔＲの変化は、検体の存在を知らせる電圧差に応じて測定される。以下に述べるように、周波数の組み合わせが感度を高めるために用いられるが、低周波および高周波電圧並びに抵抗の両方は、印加され測定される。いくつかの実施形態は、結合部位として抗体を使用するであろう。特定の実施形態は、ナノ粒子に結合するためにＤＮＡを使用するであろう。本発明のこの非限定的な側面によるすべての実施形態は、その誘起されたダイポール電界を介してナノ粒子を検出するであろう。いくつかの実施形態は、センサの上下に電極を配置する。特定の実施形態は、電界を生成するために２つより多くの電極を採用する。
【００９６】
ダイポール係数の形式は、分極の複雑な周波数依存性を導く。特定の実施形態では、”クロスオーバー周波数”は、以下のとおりである。
【数９】
2018505423.tif 000011
分極定数は、記号を変化させる、または正確な系統的パラメータに応じてゼロになる。いくつかの実施形態は、異なるクロスオーバー周波数を有するであろう。記載された側面は、クロスオーバー周波数のすべて可能な値を含む。実際には、クロスオーバー周波数は、変数のいくつかが統計的に定義されるので、単一の値よりバンド（または範囲）として扱われてもよい。したがって、本明細書に記載のいくつかの実施形態では、クロスオーバー周波数以下の周波数、および他のクロスオーバー周波数以上の周波数で印加された電界を使用するであろう。特定の実施形態は、クロスオーバー周波数付近で使用されるであろう。バンドまたは範囲は、いくつかの実施形態では、クロスオーバー周波数の＋／−１０％のクロスオーバー周波数によって、＋／−５％によって、または分析される特定の試料で所望のダイポール挙動を誘導する他の適切な範囲によって、定義されてもよい。この周波数範囲内で印加される電界を利用することは、所望のダイポールの生成を促進し、目標検体の検出を容易に実現する電気的効果を可能にすることができる。この範囲に相対的に低すぎるまたは高すぎる周波数を有する電界の使用は、いくつかの実施形態では、所望のダイポールの挙動を誘導することができないであろう。したがって、少なくともいくつかの実施形態では、印加される電界の周波数は、ωｃの計算において上記のパラメータに基づいていることが上記から理解されるべきである。
【００９７】
ダイポールモーメントのＡＣ励起は、感度の観点から有利であり得る。いくつかの実施形態は、大幅にノイズを低減する可能性を有する検体の存在を検出するためのロックイン技術を使用するであろう。いくつかの実施形態は、最大感度を提供する共振周波数を有してもよく、そのような実施形態は、その周波数付近を利用するであろう。いくつかの実施形態では、高周波数で動作することは、運動解離の確率を減少させる、ナノ粒子の動きを防止する。本明細書は、印加される電界の任意の特定の周波数を使用することに限定されるものではない。
【００９８】
イオン性流体中の弱荷電された粒子のバイオセンサは、デバイ遮蔽による感度の欠如を被り得る。上記から理解されるように、本明細書の側面は、既存の方法を超える有意な改善を示す、ダイポール電荷の分離を誘導する電極を有するセンサを提供する。記載された方法は、ゲーティングを変化させる電界による、またはデバイ遮蔽ナノ粒子の検出を提供する電界による、検出を含む、全ての結合構造を包含する。ダイポール分離に関する記載された実施形態は、官能化ナノワイヤＦＥＴより他の電荷検出方法を使用することもできる。
【００９９】
本発明のいくつかの実施形態が記載され例示されてきたが、当業者は容易に他の手段の多様性、および／または機能を実行するための構造、および／または結果を得ること、および／または本明細書に記載された１以上の利点を想定し、そのような変形および／または修正の各々は、本発明の範囲内であるとみなされる。より一般的に、当業者は、本明細書に記載のすべてのパラメータ、寸法、材料、および構成が例示的であることを理解するであろうし、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成は、特定の用途または本発明の教示が使用される用途に依存するであろう。当業者は、わずかな日常的な実験、本明細書に記載の本発明の特定の実施形態に対する多くの均等物を使用して、認識し、確認することができるであろう。したがって、前述の実施形態は、ほんの一例としてそれによって提示され、添付の特許請求の範囲および均等物の範囲内で、本発明は、具体的な記載および請求の範囲以外の方法で実施することができることが理解されるべきである。本発明は、本明細書に記載の個々の特徴、システム、物品、材料、および／または方法を対象とする。さらに、２つ以上のそのような特徴、システム、物品、材料、および／または方法の組み合わせは、そのような特徴、システム、物品、材料、および／または方法が互いに矛盾しない場合、本発明の範囲内に含まれる。
【０１００】
本明細書および請求の範囲で使用されるように、不定冠詞の”ａ”および”ａｎ”は、明らかに反対に示さない限り、”少なくとも１つ”の意味に理解されるべきである。
【０１０１】
本明細書および請求の範囲で使用される句”および／または”は、ある場合には結合的に存在し、他方に分離的に存在する要素のように、要素の”いずれかまたは両方”の意味に理解されるべきである。他の要素は、必要に応じて、具体的に明らかに反対に示されない限り、具体的に特定された要素に関連するまたは関連していないかどうかを”および／または”の句によって特に示される要素以外に存在してもよい。したがって、非限定的な例として、”Ａおよび／またはＢ”の参照は、”含む”のようなオープンエンドの言語と組み合わせて使用される場合、１つの実施形態では、Ｂを除くＡ（必要に応じてＢ以外の要素を含む）、他の実施形態では、Ａを除くＢ（必要に応じてＡ以外の要素を含む）、さらに他の実施形態では、ＡとＢとの両方（必要に応じて他の要素を含む）などとみなすことができる。
【０１０２】
本明細書および請求の範囲で使用される”または”は、上記で定義した”および／または”と同じ意味を有すると理解されるべきである。例えば、リスト内の項目を分離する場合、”または”または”および／または”は、少なくとも１つを含むだけでなく、要素の１つ、複数またはリストも、必要に応じて、さらに非リストの項目を含むように包括的であると解釈されなければならない。明らかに反対に示されない項目のみ、”１つのみ”または”正確に１つの”または、請求の範囲で使用された場合、”からなる”は、正確に１つの数の要素または要素のリストを含むとみなすであろう。一般に、本明細書で使用される”または”の用語は、”いずれか”、”１つの”、”１つのみ”、または”正確に１つの”のような、排他的な用語が先行する場合、排他的代替物（例えば、一方または両方の他のではない）を示すものとして解釈されなければならない。請求の範囲で使用される場合、”から本質的になる”は、特許法の分野で使用される通常の意味を有する。
【０１０３】
本明細書および請求の範囲で使用される、１つ以上の要素のリストを参照する語句”少なくとも１つ”は、必ずしもそれぞれの少なくとも１つおよび要素のリストのうち特にリストされた各要素を含まず、要素のリストにおける要素の任意の組み合わせを除外しない、要素のリストのうちいずれか１つの以上から選択される要素の少なくとも１つを意味すると理解されるべきである。この定義は、要素が、語句”少なくとも１つ”が、特に識別されたそれらの要素が関連するまたは関連しないかどうか参照する、要素のリストのうち特に識別された要素以外に存在し得ることが可能になる。したがって、非限定的な例として、”ＡおよびＢの少なくも１つ”（または、同等に、”ＡまたはＢの少なくとも１つ”、または、同等に”Ａおよび／またはＢの少なくとも１つ”）は、１つの実施形態では、少なくとも１つ、必要に応じてＢでないＡの１以上の存在（および必要に応じてＢより他の要素を含む）を含み、他の実施形態では、少なくとも１つ、必要に応じてＡでないＢの１以上の存在（および必要に応じてＡより他の要素を含む）を含み、さらに他の実施形態では、少なくとも１つ、必要に応じてＡを１以上含み、および少なくとも１つ、必要に応じてＢを１以上含む（および必要に応じて他の要素を含む）。
【０１０４】
請求の範囲では、ならびに上記の明細書では、”備える、””含む、”運ぶ、””有する、””伴う、””保持する、”などのような移行句は、すなわち、などを含むがこれに限定されない、オープンエンドであることを理解すべきである。”からなる”および”から本質的になる”の移行句のみは、特許審査手続の米国特許庁マニュアル、セクション２１１１．０３に記載のように、それぞれ、閉鎖的または半閉鎖的移行句であるべきである。
【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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【国際調査報告】
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