(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学反応を検知するためのナノ熱量計アレイであって、前記ナノ熱量計アレイが、
基板と、
前記基板上にある２つ以上の熱隔離領域であって、低熱伝導性を有する材料を含む熱隔離領域と、
前記熱隔離領域内にある１つ以上の測定領域及び１つ以上の基準領域であって、該１つ以上の基準領域は該１つ以上の測定領域と動作可能に関連し、該基準領域は基準試薬を受ける、測定領域及び基準領域と、
前記基準領域の各々内及び前記測定領域の各々内にある、前記ナノ熱量計アレイ上の溶液を混合するための２つ以上の液滴合体電極であって、該電極に電圧を印加することにより該液体の液滴が合体される、液滴合体電極と、
前記熱隔離領域に近接し、該熱隔離領域に機械的に支持された前記測定領域の各々内及び前記基準領域の各々内に配置された１つ以上の熱平衡領域であって、該液体の該液滴が合体される前に熱平衡に到達する、熱平衡領域と、
前記１つ以上の熱平衡領域の各々内に層としてある１つ以上の熱測定装置であって、検知電子機器に連結されている熱測定装置と、
を備えることを特徴とするナノ熱量計アレイ。
【請求項２】
２つ以上の熱測定装置が前記熱平衡領域の各々内にあることを特徴とする、請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項３】
前記熱測定装置が前記熱平衡領域の各々内の温度変化を測定し、前記検知電子機器が前記１つ以上の基準領域と前記１つ以上の測定領域とについて測定された温度を比較し、前記基準領域と前記測定領域とは相互に物理的に隔離されていることを特徴とする、請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項４】
前記１つ以上の熱測定装置が抵抗温度計を含むことを特徴とする、請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項５】
前記１つ以上の熱測定装置がサーモパイルを含むことを特徴とする、請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項６】
前記ナノ熱量計アレイ上に化学サンプルを付着させるための手段をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項７】
前記液滴合体電極が第１層上にあり、前記１つ以上の熱測定装置が第２層上にあり、その間に絶縁層が置かれ、前記２つの液滴合体電極の各々が、前記熱測定装置に近接して配置され、前記熱測定装置に物理的に接触するようになったことを特徴とする、請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項８】
前記液滴合体電極が前記熱測定装置を備えることを特徴とする、請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項９】
前記検知電子機器がＡＣ検知電子機器を備えることを特徴とする、請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項１０】
前記検知電子機器がソフトウェアプログラムを備えることを特徴とする、請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項１１】
前記熱平衡領域上の所定の場所に化学サンプルを分配するための手段をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項１２】
前記ナノ熱量計アレイが、複数の熱隔離領域を前記基板上にさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項１３】
前記基板が第１のヒートシンクと熱的接触状態にあることを特徴とする、請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項１４】
前記ヒートシンクが温度制御されたヒートシンクであることを特徴とする、請求項１３に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項１５】
少なくとも幾つかの前記検知電子機器が、第２の温度制御されたヒートシンクと熱的接触状態にある印刷回路板上にあることを特徴とする、請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項１６】
前記抵抗温度計がアモルファスシリコンを含むことを特徴とする、請求項４に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項１７】
前記抵抗温度計がシリコンを含むことを特徴とする、請求項４に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項１８】
前記抵抗温度計がイットリウム・バリウム酸化銅を含むことを特徴とする、請求項４に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項１９】
前記抵抗温度計が酸化バナジウムを含むことを特徴とする、請求項４に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項２０】
前記抵抗温度計が水銀カドミウムテルルを含むことを特徴とする、請求項４に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項２１】
前記検知電子機器が、
１つ以上のブリッジと、
ブリッジ出力を増幅するための１つ以上の信号増幅器と、
複数の前記信号増幅器から選択するための１つ以上の多重化装置と、
検知器信号の大きさに等しいＤＣ出力を生成するための１つ以上のロックイン回路と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項２２】
検知環境をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項２３】
前記検知環境が、熱隔離、電気接続及び化学サンプル送り出しを提供し、前記ナノ熱量計アレイが、
１つ以上のロードロックチャンバと、
１つ以上の測定チャンバと、
を備えることを特徴とする、請求項２２に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項２４】
前記検知環境が、温度制御されたリザーバをさらに備えることを特徴とする、請求項２３に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項２５】
前記検知電子機器が、前記ナノ熱量計アレイに脱着可能に連結されていることを特徴とする、請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項２６】
前記検知電子機器と前記ナノ熱量計アレイとが、ポゴピンにより脱着可能に連結されていることを特徴とする、請求項２５に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項２７】
前記化学反応が生化学反応を含むことを特徴とする、請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
【請求項２８】
化学反応を検知するためのナノ熱量計アレイであって、前記ナノ熱量計アレイが、
基板と、
前記基板上にある２つ以上の熱隔離領域であって、低熱伝導性を有する材料を含む熱隔離領域と、
前記熱隔離領域内にある１つ以上の測定領域及び１つ以上の基準領域であって、該１つ以上の基準領域は該１つ以上の測定領域と動作可能に関連し、該基準領域は基準試薬を受ける、測定領域及び基準領域と、
前記熱隔離領域に近接し、該熱隔離領域に機械的に支持された前記測定領域の各々内及び前記基準領域の各々内に配置された１つ以上の熱平衡領域であって、液体の液滴が合体される前に熱平衡に到達する、熱平衡領域と、
前記１つ以上の熱平衡領域の各々内に層としてある１つ以上の熱測定装置であって、該熱測定装置が検知電子機器に連結され、前記検知電子機器が前記ナノ熱量計アレイに脱着可能に連結されている、熱測定装置と、
を備えることを特徴とするナノ熱量計アレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、改良されたナノ熱量計に関し、より具体的には、化学反応の間に放出又は吸収される熱を測定する、改良されたナノ熱量計のためのシステム及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱量測定（calorimetry：カロリメトリ）は、特定の標本に対して発生し得る、反応，位相変化，分子構造における変化，温度変動，及び興味の対象である他の変動に起因するエンタルピー的変化を含むエンタルピー的変化(enthalpic changes)を測定するために用いられる。一続きの状態に亘るエンタルピー的変化を測定することによって、他の熱力学的変動が削減され得る。例えば、温度の関数としてのエンタルピーの測定は、標本の熱容量を明らかにし、反応要素の滴定は、反応に対する拘束定数(binding constant)及び有効化学量論を削減するために使用され得る。熱量測定は、例えば薬学(薬の発見，分解反応，結晶化測定)，生物学(セル代謝，薬の相互反応，発酵，光合成)，触媒(生物学的，組織的，あるいは非組織的)，電気化学反応(バッテリあるいは燃料電池内のもののような)，ポリマー合成及び特性化(characterization)を含む、広い範囲の応用において有用である。一般的に、熱量測定は、化学工程の監視に加えて、多くのタイプの新規の化学物質及び材料の発見と開発において有用である。標準熱量測定は、比較的多いサンプル(一般的に約0.5ｍｌから10リッター)を必要とし、通常、一度に１つのサンプルを測定する。このような訳で、これらのシステムは、貴重な、あるいは高度反応性のある材料に対して所望され得る、非常に少ないサンプルを測定するために使用され得ない。更に、標準カロリーメータは、多数の小さいサンプルサイズの反応を並行して監視する(これは、組合せ化学技術(combinatorial chemistry techniques)を用いて研究を遂行するために必要とされる)ためには効果的に使用出来ない。
【０００３】
最近、研究者及び企業は、新規の化合物,材料,及び化学物質を発見し、開発するための組合せ(combinatorial)方法及び技術に目を向けてきた。例えば、薬学研究者は、薬の発見のための、新規の化合物のリソースとして、組合せライブラリに目を向けてきている。他の例として、Symyx technologies（登録商標）は、組合せ技術を生命科学、化学、及び電子産業における物質発見に適用している。引き続き、多数の小さいサンプルの反応及び相互作用を並行して測定できるツール(これは、組合せ発見技術の要望に適合する)に対する要望が存在する。好ましくは、ユーザはこれらのツールが、安価な測定を可能とし、汚染(contamination)及び相互汚染(cross contamination)を最小化するように要望する。
【０００４】
いくつかの場合に、調査されるべきサンプルは貴重であり、１つの測定だけを実行するために、標準マイクロカロリーメータによって要求される比較的大量の材料を使用することについて許容可能でないかもしれない。例えば、生物的相互作用のために、天然の抽出物あるいは合成化合物を研究することが所望されるかもしれないが、いくつかの場合には、カロリメトリーのために十分大きい濃度において、利用可能な材料の量は、数ミリリッターより少ないかもしれない。例えばMicroCal（登録商標）によるもののような、販売されているような、標準マイクロ・カロリーメータでの測定の実行は、約1ｍｌのサンプルを必要とする。これは、１つあるいは少ない回数の測定のために、貴重な材料の大部分あるいは全てを使用することに直面することとなり得ることを意味する。より少ないサンプルサイズでの、熱量測定を可能とするツールは、この限定を克服するために有用である。
【０００５】
現在までに組合せ技術(combinatorial techniques)の、最も人気のある使用用途の１つは、薬の研究であった。薬の研究者は、薬の発見のために、新規の先導的化合物のリソースとして、組合せライブラリに目を向けてきた。組合せライブラリは、試薬としての多くの化学的”構築ブロック”を結合することによる、化学合成か生物学的合成かのいずれかによって生成された化学化合物の集合である。例えば、組合せポリペプチド・ライブラリは、所定の化合物長さ(即ち、ポリペプチド化合物でのアミノ酸の数)のための、全てのあり得る方法において、アミノ酸の組を組合せることによって形成される。膨大な化学化合物が、そのような、化学構築ブロックの組合せ混合を通じて理論的には合成され得る。
【０００６】
一旦ライブラリが構築されると、それは、いくつかの種類の生物学的あるいは薬学的機能を持つ化合物を特定する(identify)ためにスクリーニングされねばならない。例えば、スクリーニングは、既知の生物学的経路(pathway)に関係する(participates)、あるいはいくつかのレギュレーション・ファンクション(regulation function)に関係される、特定の生物学的化合物(しばしば、ターゲットと呼ばれる)で為され得る。ターゲットと反応することが発見されたライブラリ化合物は、ターゲットの生物学的滑動に影響を与えるための候補であり、よって、治療上のエージェントのための候補である。
【０００７】
長年を通じて薬産業は、薬の候補を発見するために、より多く、高いスループットの、化学化合物のライブラリのスクリーニング(ＨＴＳ：high throughput screening)に依存してきた。ＨＴＳは、同時にあるいは同じに近い状態で、生物的機能について大量の試験化合物がスクリーニングされるように、多くの別個の化合物が並行して試験されるような方法を説明する。現在、最も広く確立されている技術は、96ウェル・マイクロタイマ・プレートを用いる。この様式で、96の独立の試験が、１つの８ｃｍ×１２ｃｍのプラスチックプレート(96の反応ウェルを含む)の上で同時に実行される。これらのウェル(wells)は一般的に、50から500マイクロリッターまでの範囲のアッセイ体積(assay volume)を必要とする。96ウェルフォーマットを広い範囲の均一及び異質なアッセイ(assays)に適合させるために、プレートに加えて、多くの道具，材料，ピペット(pipettors)，ロボット，プレート洗浄機，及びプレートリーダが商業的に入手可能である。最近、マイクロリッター・プレートのアプローチが、384及び1536ウェル・フォーマットに拡張された。
【０００８】
先導化合物(leading compounds)のために、組合せライブラリをスクリーニングするために、種々の測定アプローチが使用されてきた。その１つがインヒビタ・アッセイ(inhibitor assay)である。インヒビタ・アッセイにおいて、ターゲット蛋白分子と結合する、マーカ・リガンド(marker ligand)(しばしば、生物学的経路(pathway)内の天然リガンドである)が、識別される(identified)。アッセイは、蛍光分子がやり方(そのやり方においてマーカー・リガンドがターゲット蛋白と反応する)に影響を与えないように、蛍光分子の、このマーカー・リガンドへの化学的付着(chemical attachment)を要求する。インヒビタ・アッセイを作動させるために、ターゲット蛋白は、マイクロタイマ・ウェル(microtitre wells)内のテスト・リガンドに暴露される。テスト・リガンドのターゲット蛋白への反応のために必要な時間の後に、マーカー・リガンドが与えられる(applied)。マーカー・リガンドについての反応のための時間の後に、非反応マーカー・リガンドが洗い流されるように、ウェルは洗浄される。ターゲット蛋白とテスト・リガンドが反応するウェルにおいて、テスト・リガンドは、マーカー・リガンドが反応できないように、ターゲット蛋白の活性の位置をブロックし、洗い流される一方、ターゲット蛋白とテスト・リガンドが反応していないセル内において、マーカーリガンドは、ターゲット蛋白と反応し、洗い流される。洗浄後に、蛍光の存在のためのウェルを調査することによって、テスト・リガンドとターゲット蛋白の反応は、蛍光が観察されないウェルで起こったとして決定され得る(can be determined)。
【０００９】
しかし、インヒビタ・アッセイは、アッセイの開発のために時間と出費を必要とする。開発する必要がある主要要素は、ターゲット蛋白との反応に影響を与えないやり方で、マーカー・リガンドを発見することと、蛍光をマーカーに付着することである。一旦マーカー・リガンドが識別されると、蛍光マーカーを付着させることには、開発にしばしば3ヶ月以上かかり、２５０,０００ドル以上のコストがかかる。そのようなアッセイ開発を避ける、アッセイ方法(例えばカロリメトリによる反応熱の測定)は、発見工程におけるこのコストと時間遅延を減少させる。
【００１０】
熱量測定は、エネルギー変化を媒体における生化学反応の兆候として求めるために、生物理学的及び生化学的研究において普通に用いられる。測定についての従来の技術は、電極、サーモパイル、光学技術、及びサンプル化された媒体内の測定のためのマイクロ熱量計を用いることを含む。マイクロ熱量計上で又は該熱量計に極めて近接した位置での生化学反応の測定のために、必要なサンプル採取される媒体の量が極めて少なく、かつ、多くの反応を迅速に測定する方法に適用でき、一日に１００，０００個にも及ぶ検査配位子をスクリーンするためにＨＴＳにおいて用いることができる反応抑制分析のような分析と同程度に効率的になることができる超小型のマイクロ熱量計装置を開発することに多大な関心がある。
【００１１】
特許文献１において、サンプルと参照セル，セルを囲む熱シールド，熱的に熱シールドとセルに結合された加熱素子，温度監視システム，及び制御システム，を含む、差分カロリーメータ（differential calorimeter）が開示される。温度監視システムは、シールドの温度，セル温度，及びセルとシールドとの間の温度差，を監視する。制御システムは、ユーザインターフェースの手段によって選択されるゲイン設定と走査率を伴って、加熱素子の制御のための出力信号を生成する。出力制御は、メモリに記憶されたマッピング関数を用いて、入力温度信号及びユーザ選択走査率の関数であることに加えて、入力温度信号及びユーザ選択ゲイン設定の関数である。
【００１２】
特許文献２において、シリコンチップの上に形成された差分走査マイクロカロリーメータが、顕微鏡的走査による微小サンプル及び薄膜のカロリメトリ測定を可能とする。標準ＣＭＯＳプロセスを用いて製造されたチップは、参照ゾーン及びサンプルゾーンを含む。参照及びサンプルゾーンは、懸架されたプラットフォームの両端に存在し得るか、あるいは、別個のプラットフォームに存在し得る。各ゾーンは、統合されたポリシルコン・ヒータで加熱される。サーモパイルは、参照とサンプルゾーンとの間の温度差を表す電圧を生成する連続する熱接合からなる。
【００１３】
特許文献３において、カロリーメータ・センサ装置は、化学的及び生物化学的反応に曝される生物分子を含むサンプル内の熱変化を検知するためのマイクロカンチレバーバネ要素を利用する。バネ要素は、マイクロカンチレバーの少なくとも１つの表面の上の被覆された領域上の化学物質の生物材料層を含む。化学物質は、被覆領域上に配置されたサンプル内の化学反応の熱に起因する、サンプル内の検体あるいは生物分子との化学物質の反応に応じて、表面に亘って差分熱ストレスを生成する。バネ要素表面に亘る熱ストレスは、マイクロカンチレバーの機械的曲げを生成する。バネ要素は、被覆された領域の上，あるいはその近傍に配置されたサンプル内での化学的及び生物化学的反応に関連した熱移転の検知と測定を可能とするために、低熱容量を持つ。カンチレバーのたわみは、種々の検知技術によって検知される。
【００１４】
特許文献４においては、マイクロカロリーメータは、環境チャンバ内でフレームに固定された薄いアモルファス膜を含む。温度計とヒータは、膜の中央部分の上に置かれた熱伝導層の片側の上に配置される。サンプルは、２つの、そのような膜の上に配置される。各サンプルは加熱され、その個々の熱容量が決定される。サンプルは次に、２つのマイクロカロリーメータを一緒にサンドイッチして、結合反応の発生を引き起こすことによって混合される。反応中に開放された熱の総量は、結合のエンタルピーを決定するために測定される。
【００１５】
【特許文献１】
米国特許第5,967,659号公報
【特許文献２】
米国特許第6,079,873号公報
【特許文献３】
米国特許第6,096,559号公報
【特許文献４】
米国特許第6,193,413号公報
【００１６】
【課題を解決するための手段】
簡単に述べると、本発明の１つの態様により、化学反応を検知するためのナノ熱量計アレイ（nanocaloriemeter array）が開示される。ナノ熱量計アレイは、基板上に少なくとも１つの熱隔離領域を含む。熱隔離領域の各々は少なくとも１つの熱平衡領域を含み、該熱平衡領域内には、検知電子機器に連結される熱測定装置がある。
【００１７】
本発明の別の態様によると、ナノ熱量計の使用を通して低濃度で化学反応を検知するための方法が開示される。潜在的に反応性の化学溶液の液滴がナノ熱量計の熱平衡領域内に置かれ、次いで液滴が合体される。合体した液滴の中で生じる熱変化が測定され、熱変化を生じさせる化学溶液が識別される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
ここで用いられる「配位子（リガンド：ligand）」という用語は、対象分子を結合する作用物質を意味する。対象分子が対象蛋白質である場合において、作用物質は、対象蛋白質が未変性構造にあるとき、又は該蛋白質が部分的に又は全面的に広げられるか又は変性されたときに、該蛋白質を結合することができる。本発明によると、配位子は、例えば、酵素の活性部位、抗体の抗原結合部位、受容体のホルモン結合部位、補因子結合部位などのような、対象蛋白質の認識された機能領域を結合する作用物質に限定されるものではない。本発明を実行する場合において、配位子は、さらに、表面又は内部シーケンス、又は対象蛋白質の配座ドメインのいずれも結合する作用物質とすることができる。したがって、本発明の配位子は、本質的に、上述の方法における対象蛋白質に結合する能力を超えた、明らかな生物学的機能は有さない作用物質を包含する。
【００１９】
ここで用いられるように「検査配位子（test ligand）」という用語は、対象分子を結合するための能力を検査されている化合物、分子又は錯体からなる作用物質を意味する。検査配位子は、限定されるものではないが、金属、ペプチド、蛋白質、脂質、多糖類、核酸、小さな有機分子、及びその組み合わせを含む、事実上あらゆる作用物質とすることができる。１つより少ない検査配位子を含むことができる天然物の抽出物のような物質の複雑な混合物も検査することができ、対象分子を結合する成分は、後続するステップにおいて混合物から精製することができる。
【００２０】
ここで用いられる「対象蛋白質（target protein）」という用語は、配位子であるのか又は結合しているパートナーであるのかの識別が所望される、ペプチド、蛋白質又は蛋白質の錯体を意味する。対象蛋白質は、限定されるものではないが、ある病気、状態又は病態生理学状態の病因、又は生理機能の調整に含まれると知られているか、又は信じられているペプチド又は蛋白質を含む。対象蛋白質は、脊椎動物、特に哺乳類、さらに具体的にはヒトのような生体のいずれかから抽出することができる。本発明における使用のために、蛋白質の生化学的な機能を特に識別する必要はない。対象蛋白質は、限定されるものではないが、受容体、酵素、癌遺伝子産物、腫瘍遺伝子産物、不可欠な蛋白質、及び転写調節因子を含み、精製された形状であるか、又は蛋白質及び他の化合物の複雑な混合の一部のいずれかである。さらに、対象蛋白質は、野生型蛋白質からなり、或いは、改変された安定性、活性又は他の異なる特性を含む変異又は変型蛋白質、又は例えば、精製を助けるシーケンスのような異質アミノ酸が加えられた混成蛋白質からなることができる。
【００２１】
ここで用いられる「検査組み合わせ（test combination）」は、検査配位子と対象蛋白質との組み合わせを意味する。「制御組み合わせ」は、検査配位子がない対象蛋白質を意味する。
【００２２】
ここで用いられる「スクリーニング（screening）」は、様々な分子又は化合物の、対象分子を結合するための能力を検査することを意味する。
【００２３】
ここで用いられるように、「リード分子（lead molecule）」という用語は、対象分子について比較的高い親和力を示す、組み合わせライブラリからの分子又は化合物を意味する。高い親和力は、本発明によって、化学反応において放出された熱を通して検知される。「リード化合物」及び「リード分子」という用語は、同意語である。
【００２４】
ここで用いられる「対象分子（target molecule）」は、ペプチド、蛋白質、核酸及び他の受容体を包含する用語である。この用語は、酵素及び酵素ではない蛋白質の両方を包含する。この用語は、単量体及び多重体蛋白質を包含する。多重体蛋白質は、ホモ多量体又はヘテロ多量体とすることができる。この用語は、オリゴヌクレオチドのような少なくとも２つのヌクレオチドからなる核酸を包含する。核酸は、一本鎖であることも、二本鎖であることも、三本鎖であることもできる。この用語は、合成オレゴヌクレオチド、組み換えＤＮＡ分子の一部、又は染色体ＤＮＡの一部である核酸を包含する。対象分子という用語は、さらに、折りたたみ二重構造、三重構造又は四重構造のペプチドの部分を包含し、置換基は、限定されるものではないが、コファクター、補酵素、補欠分子団、脂質、オリゴ糖、又はリン酸基を含む。
【００２５】
ここで用いられる「分子（molecule）」という用語は、対象分子についての結合親和力を検査される化合物を意味する。この用語は、限定されるものではないが、核酸及びペプチドを含む、あらゆる構造の化学的化合物を包含する。より具体的には、「分子」という用語は、化合物又は組み合わせライブラリにおける化合物を包含する。「分子」及び「配位子」という用語は、同意語である。
【００２６】
ここで用いられる「熱変化（thermal change）」という用語は、熱の形におけるエネルギーの放出又は熱の形におけるエネルギーの吸収を包含する。
【００２７】
ここで用いられる「対象分子に接触する（contacting a target molecule）」という用語は、広い意味で、対象分子を結合のためにスクリーンされるべき分子と共に溶液内に置くことを意味する。より狭義には、接触するというのは、対象分子の溶液と、結合のためにスクリーンされるべき分子とを回転させ、旋回させ、揺すり、又は振動させることを意味する。より具体的には、接触するというのは、対象分子を結合のために検査されるべき分子と混合することを意味する。混合は、例えば、ピペットの先端を通して繰り返される取り込み及び排出によって、又は、ロボット手段による配置によって達成することができる。好ましくは、接触するというのは、対象分子と結合のために検査されるべき分子との間の結合の平衡を意味する。
【００２８】
ここで用いられる「生化学的条件（biochemical conditions）」という用語は、成分、熱力学的特性、又は物理反応、化学反応又は生化学反応の力学的特性のいずれも包含する。特に、この用語は、温度、圧力、蛋白質濃度、ｐＨ、イオン強度、塩分濃度、時間、電流、電位差、及び補因子、補酵素、酸化剤、還元剤、洗剤、金属イオン、配位子、緩衝成分、ＤＭＳＯ（ジメチルスルホキシド）、グリセロールを含む共溶媒、及び関連する化合物、エンハンサー、及び抑制剤の条件を意味する。
【００２９】
本発明は、反応、位相変化、分子配座における変化などから生じるエンタルピー変化のような、エンタルピー変化の測定を可能にするナノ熱量計及び、ナノ熱量計アレイを包含する。さらに、本発明は、組み合わせ方法、及び、新しい化合物、材料、化学物質、及び化学処理の検討、発見及び開発、並びに、化合物又は材料の高速大量処理監視、又は化合物又は材料を合成又は修正するために用いられる処理の高速大量処理監視においてナノ熱量計を用いる高速大量処理スクリーニング方法を包含する。本発明はさらに、上の方法によって識別された化合物又は材料、及びその治療的用途（診断、予防又は治療目的のため）、精製及び分離方法における用途、及びその新規な物理特性又は化学特性に関する用途に関する。ここでの目的のために、ナノ熱量計は、ナノ熱量の範囲における熱反応を測定することができる装置を意味する。
【００３０】
一例として、本発明は、対象蛋白質を結合する配位子を識別するための高速大量処理スクリーニング方法を包含する。検査配位子が結合する対象蛋白質が病気又は状態に関連するか、又はその原因である場合、該配位子は、該病気又は状態を診断、予防又は治療するために有益なものとすることができる。本方法によって識別された配位子は、さらに、結果的に対象蛋白質を混合物から精製又は分離する方法のような精製又は分離方法において用いられるものの１つとすることができる。本発明は、さらに、本方法によって識別された配位子、及びそれらの治療用途（診断、予防又は治療目的のため）、及び精製及び分離方法における用途に関する。
【００３１】
本発明の重要な特徴は、生物活動又は機能と親密に関与しているシーケンス又はドメインだけでなく、対象蛋白質のあらゆるシーケンス又はドメインに結合するいずれの化合物も検知することである。結合しているシーケンス、領域又はドメインは、対象蛋白質が折りたたまれた状態のときにその表面上に存在するか、又は該蛋白質の内部に埋められていることがある。幾つかの結合部位は、蛋白質が部分的又は全面的に広げられたときだけ、結合している配位子に近づくことができる。
【００３２】
本発明の実行において、検査配位子が対象蛋白質と組み合わされ、その混合物は、適切な条件の下で、検査配位子が対象蛋白質に結合することを可能にするのに十分な時間だけ維持される。実験条件は、各々の対象蛋白質について経験的に求められる。多くの検査配位子を検査するとき、培養条件は、通常、ほとんどの配位子と対象蛋白質との相互作用が完了まで進むと予想されるように選択される。高速大量処理スクリーニングの適用例において、検査配位子は、通常、対象蛋白質に対してモル過剰で存在する。対象蛋白質は、可溶形態であることができ、或いは、固相マトリクスに結合されたものとすることができる。マトリクスは、限定されるものではないが、ビーズ、薄膜フィルタ、樹脂表面又は他の適当な固体の支持体をからなることができる。
【００３３】
所定の蛋白質に結合することは、その蛋白質の活動を直接修正することが意図される薬の前提条件である。したがって、検査配位子が、本方法の用途により、ある状態の病因を反映するか又は該病因に影響を与える蛋白質を結合するものであると判明した場合には、それは、検査配位子が、蛋白質の機能を改変し、効果的な薬となるか又はそうした薬の開発のためのリード化合物となる潜在的な能力をもつことを示すものとなる。或いは、配位子は、蛋白質の機能を改変する潜在力を有する付加的な成分を含む混成化合物の構成のための基盤として働くことができる。例えば、関連する酵素の系列の活動を抑制する既知の化合物は、本発明の方法によって識別された配位子に対して該既知の化合物を接合することによって、該系列の１つのメンバに対して特有のものとすることができ、該既知の化合物によって認識されていない別の部位で特にそのメンバに結合するものとすることができる。
【００３４】
本方法が、ほとんどの蛋白質に共通する物理化学的性質に基づくという事実は、幅広い用途を与える。本発明は、何千もの検査配位子の費用効果のあるスクリーニングを可能にする、大規模な系統的な高速大量処理手順に適用することができる。本発明の方法によって配位子が識別されると、それは用いられた特定の対象蛋白質特有の既知の方法を用いて、より詳細にさらに分析することができる。さらに、配位子は、対象蛋白質の既知の生物活動に正又は負のいずれかで影響を与える能力について検査することができる。
【００３５】
図１を参照すると、本発明によるナノ熱量計アレイの一部である検知器１００の１つの実施形態の平面図が示される。この例示的な実施形態は、蛋白質と、水と配位子とが組み合わされた液滴を装置に対して受動的に熱平衡させることを可能にし、結果として生じる温度変化を温度感知装置を用いて検知することができる。測定領域は十分に小さく維持され、十分に熱伝導性であるように、アルミニウム又は銅のような熱伝導層によって製造されているため、受動的平衡のための時間は小さくすることができる。適当な温度計部品は、薄いフィルム材料をベースとしており、限定されるものではないが、抵抗温度計、サーモパイル、及び表面弾性波装置（ＳＡＷ）を含むものである。好ましい実施形態は、例えば、アモルファスシリコン、酸化バナジウム、及び、イットリウム・バリウム酸化銅（ＹＢＣＯ）のような高い温度抵抗係数をもつ、薄いフィルム材料から作られた抵抗温度計をベースとするものである。
【００３６】
ナノ熱量計１００は、測定領域１６０及び基準領域１７０を備える熱隔離層１１０を含む。領域１６０及び１７０は、さらに、以下に述べられるように、別々の隔離領域内に収めることができる。熱隔離領域１１０は、周囲の熱的環境からの隔離を与え、したがって、測定時間を増やし、熱雑音を減らすものである。層１１０は、この例示的な実施形態において、ナノ熱量計１００の反応及び温度感知構成部品を熱的に隔離するように用いられるが、これらの構成部品を熱的に隔離するためのいずれの手段も、本発明の代替的な実施形態において用いることができる。
【００３７】
この例示的な実施形態において、熱隔離層１１０は、薄いホイル形状（典型的には、本実施形態については、１５ミクロン以下からおおよそ２５ミクロンまでの範囲の厚さであり、幾つかの適用例については、２ミクロンの薄さ及び５００ミクロンの厚さとすることができる）の樹脂材料から構成することができる。候補となる樹脂材料は、ポリイミド（例えばＤｕｐｏｎｔ  Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）その他）、ポリエステル（例えば、Ｄｕｐｏｎｔ  Ｍｙｌａｒ（登録商標））、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）、又はポリフェニレン・サルファイド（ＰＰＳ）を含む。或いは、実施形態において、熱隔離領域は、ＳｉＮ及び同等の材料のような十分に低い熱伝導性をもつ他の薄い膜から構成される。
【００３８】
測定領域１６０及び基準領域１７０はそれぞれ熱平衡領域１２０及び１２５を含み、これら領域は、検知器の機械的支持部から熱的に隔離されている。この例示的な実施形態において、熱平衡領域１２０は、反応温度を測定する２つの抵抗温度計１４０を含み、熱平衡領域１２５は、背景温度の変化を測定する２つの温度計１４０の第２の組を含む。抵抗温度計は、限定されるものではないが、薄いフィルムの石版パターン加工、超小型電子加工技術（例えば、スパッタ、化学的エッチング、蒸着を含む）、及び印刷回路板加工技術を実施形態として含む標準的な加工技術を用いて、熱平衡領域１２０内に置かれる。両方の熱平衡領域１２０及び１２５は、直接印刷によって配置された蛋白質及び配位子の別々の液滴の分離を受け、かつ支持するのに十分大きく、さらに、例示的な液滴合体装置１３０によってトリガされた合体の後、これら２つの液滴の組み合わせを支持するのに十分大きい。例えば、４００ｎＬの最終液滴の大きさについて、測定領域及び基準領域を含む検知器は、縦３．７ｍｍ、横４．６ｍｍとすることができる。各々の熱平衡領域１２０及び１２５は、該領域について、熱放散に対比して迅速に平衡を達成するのに十分な熱伝導性を有する。これらの領域は、反応熱が支持体にほとんど吸収されないように、十分に低い熱容量を有する。低い熱容量で高い熱伝導率は、例えば、熱平衡領域の範囲上に、厚さが１０μｍのアルミニウム又は銅フィルムのような金属フィルムを設けることによって達成することができる。この例において、４００ｎＬの液滴及び厚さが１０μｍのアルミニウムの場合に、フィルムは反応熱のおおよそ７％を吸収する。
【００３９】
上に示唆したように、熱平衡領域は、反応によって生じた温度差が放散するのに比較的長い時間がかかるように、それらの環境から熱的に隔離されていなくてはならない。この放散時間が長ければ長いほど、信号を測定中に組み込むことができ、信号雑音比が改良される。例えば、１０秒の組み込み時間は、０．１Ｈｚ測定帯域に対応し、１秒の組み込みにわたって信号雑音比を３．２だけ増やすことになる。熱放散は、支持媒体を横切る伝導、電気的相互連結を通る伝導、周囲環境及び蒸発による伝導という、４つの異なるチャネルを通して生じる。熱隔離媒体１１０を横切る伝導の例についてみれば、液滴からの熱伝達率は、該媒体１１０の熱伝導率に熱が伝導される該媒体１１０の断面積と領域を横切る温度勾とを乗じたものに等しく、すなわち
【数１】
Ｑ＝ΛＡｄＴ／ｄｘ
であり、ここで、Λは膜の熱伝導率であり、Ａは熱が伝導される領域の断面積であり、ｄＴ／ｄｘは熱隔離媒体１１０を横切る温度勾配である。Ｑ＝ＣｄＴ／ｄｔであり、ここでＣは液滴の熱容量であり、これから、
【数２】
0004290460.tif 000002
となり、ここでｔは時間であり、Ｌは隔離領域１１０の長さであり、すべての温度は周囲環境の温度に対するものであり、ｄＴ／ｄｘ＝Ｔ／Ｌと近似する。熱放散についての時定数τは、したがって、
【数３】
τ＝ＣＬ／ΛＡ
である。
【００４０】
したがって、時定数は、液滴の熱容量の増加に従って増加し、熱伝導率の増加に従って減少する。液滴の熱容量は液滴の大きさが増加するに従って増加するが、液滴の大きさを増加することは、検知器アレイ上における検知器密度を減少させ、該液滴についての熱平衡時間を増加させ、貴重な材料を使用することになる。アレイ密度がより低いということは、所定の検知器数についておえば、アレイの大きさが大きくなることを意味する。
【００４１】
例示的な実施形態において、合体後の組み合わされた液滴についての液滴の大きさは、４００ｎＬである。この液滴の大きさについて、例示的な実施形態における異なる放散チャネルに関連する時定数の予測が以下の表に示される。
【００４２】
【表１】
0004290460.tif 000003
【００４３】
表の目的のために、熱隔離層は厚さ７μｍの樹脂であり、各々の熱平衡領域について１１個の厚さ０．１μｍの相互連結リードがある。上述したように、この例示的な実施例における熱隔離層は、薄いホイル形状（典型的には、本実施形態においては、１５ミクロン以下からおおよそ２５ミクロンの範囲の厚さであり、幾つかの適用例においては、２ミクロンの薄さ及び５００ミクロンの厚さとすることがある）の樹脂材料で製造し、それによって、熱隔離層を横切る伝導についての上記の時定数が、測定帯域と比較して大きくなることを確実にする。樹脂材料の候補の例は、ポリイミド（例えばＤｕｐｏｎｔ  Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）その他）、ポリエステル（例えば、Ｄｕｐｏｎｔ  Ｍｙｌａｒ（登録商標））、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）、又はポリフェニレン・サルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレン、又はポリプロプレンを含む。例示的な実施形態において、同じ材料がさらに、抵抗温度計を含む熱平衡領域に対する支持体として用いられる。
【００４４】
例示的な実施形態において、同じ材料を支持体及び抵抗温度計を含む熱平衡のために用いることができる。したがって、基板ポリマーを選択する場合の１つの重要な考慮事項は、特定の実施形態において後で温度計、伝導体、絶縁フィルムを付着形成し、処理するのに必要な最高温度である。一例として、アモルファスシリコンの温度計材料の付着形成に必要な温度は、典型的には、１７０℃ないし２５０℃の範囲である。これは、高い軟化温度をもつ基板ポリマーの選択を必要とする。これらのポリマーは、限定されるものではないが、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）、又はポリフェニレン・サルファイド（ＰＰＳ）を含む。逆に、酸化バナジウムの温度計材料の付着形成は、これより大幅に低い温度で行うことができる。これは、ポリエステル（Ｄｕｐｏｎｔ  Ｍｙｌａｒ（登録商標））のようなより低い軟化点をもつ基板ポリマーの選択を可能にする。
【００４５】
これらの樹脂基板は、大きな検知器アレイを生産することができて低費用の製造を可能にし、これは多くの反応について、迅速かつ費用効果のある検査を可能にする。本発明は、例えば、９６、３８４、１５３６及びそれ以上の検知器アレイの大きさを予定する。低費用の検知器アレイは、さらに、一度用いられると処分され、時間のかかる洗浄段階を排除し、相互汚染の問題を減らす。
【００４６】
別の熱的な考慮事項は、液滴が検知器に置かれた後、該液滴が該検知器と平衡するための該液滴についての特性時間である。これは、液滴を通る熱の伝導についての特性時間ｔ1及び検知器の特性的な伝導時間ｔ2である。例示的な実施形態において、検知器を通る熱伝導を増加させるためにアルミニウムのフィルムが用いられる。特性時間ｔ1の予測は、
【数４】
ｔ1＝０．４４Ｒ2／α＝０．６１秒であり、
ここでＲは液滴の半径で、本例においては４６０μｍであり、αは液滴の熱拡散率で、水について０．００１３ｃｍ2／秒である。薄い樹脂基板においては、検知器を通る側方伝導についての特性時間は、温度平衡のために設計の中に組み込まれた金属フィルム、本例においてはアルミニウム片を通る伝導によって支配される。この特性時間についての予測は、
【数５】
ｔ2＝（ρＣpＶ）dropｘＬAl／４ＲdropｘδｘｋAl＝０．４４秒であり、
ここでρは液滴の濃度で、本例においては１グラム／立方ｃｍであり、Ｃρは比熱で、本例においては１カロリー／グラム℃であり、ＬAlは一方の液滴から他方の液滴までの、アルミニウム片に沿った伝導経路の長さで、本例においては２．５Ｒdropであり、δはアルミニウム片の厚さで、本例においては１０μｍであり、ｋAlはアルミニウムの熱伝導率で０．５７カロリー／Ｃ−Ｃｍ−秒である。アルミニウムの厚さは、検知器の熱容量に著しく増加させることなく、十分な熱伝導を与えるように選択される。検知器の熱容量は、反応から生じる温度変化の減衰を最小にするために、液滴における反応から放出された熱の吸収を最小にするように、十分に低くされなくてはならない。
【００４７】
各々の熱平衡領域１２０及び１２５は、温度計１４０及び液滴合体電極１３０を含む。ここでの目的のために、温度計１４０は、各々の熱平衡領域１２０及び１２５において中央に寄せて位置させられた液滴合体電極１３０から間隔を置いて示されるが、この構成は例示的な手段に過ぎない。液滴合体装置１３０及び温度計１４０が高電導性フィルムと良好な接触状態にあるならば、該温度計１４０及び該液滴合体装置１３０の正確な位置決めは、熱的な考慮事項のためには重要ではない。
【００４８】
作動において、熱平衡領域１２０に位置している２つの抵抗温度計１４０は、熱平衡領域１２０内に置かれた低い濃度の任意の蛋白質と配位子との間の反応熱を検知する。本例において、反応熱はブリッジ回路として構成された温度計の抵抗変化による、該ブリッジ回路における電圧変化の測定により検知される。熱平衡領域１２０における抵抗温度計１４０は、検査配位子と蛋白質との間の反応を検知し、熱平衡領域１２５における他の抵抗温度計１４５は、基準として働く。反応による温度上昇が、例えば、１μｍの蛋白質及び配位子の濃度についておおよそ１０μ℃であり、反応熱が１０4カロリー／モルというように小さいため、抵抗温度計１４０は、小さな温度変化のもとで大きな抵抗変化をもたらす材料から製造される。
【００４９】
この例示的な実施形態において、抵抗温度計１４０は、アモルファスシリコン、酸化バナジウム及びイットリウム・バリウム酸化銅（ＹＢＣＯ）のような高い温度の抵抗係数をもつ材料から製造される。同様の反応しない溶液（例えば、水、又は水とＤＭＳＯの混合物）と対象蛋白質の小さな液滴、すなわち制御組み合わせが、互いに近接して熱平衡領域１２５に置かれる。抵抗温度計１４０は、ＡＣ発電機１８０及びアース１９０によって表されるＡＣブリッジとして構成され、以下により詳細に説明される。液滴が熱平衡に到達してから特定の時間が経過した後、それらは互いの方向に移動させられて反応を開始する。運動を生じさせる操作が、２つの液滴の十分な混合を、測定時間に比べて少ない時間で生成する。検査混合の蛋白質と配位子の反応によって放出された熱は、基準温度計に対して、影響された温度計の抵抗変化の原因となる。この抵抗変化は、検知点での電圧を０から変化させる原因となる。この変化は、感度の良い、ロックイン増幅器のような雑音を拒否する回路によって検知される。
【００５０】
ここで図２を参照すると、本発明の別の例示的な実施形態が示される。この例示的な実施形態において、ナノ熱量計２００は、熱平衡領域２２０を含む熱隔離層２１０を含む。熱隔離領域２１０は、周囲の熱的環境からの隔離を与え、したがって、測定時間を増やし、熱雑音を減らす。この例示的な実施形態において、熱平衡領域２２０は、反応温度を測定する１つの抵抗温度計２４０を含む。抵抗温度計は、実施形態に含まれるものとして、限定されるものではないが、薄いフィルムの石版パターン加工、超小型電子加工技術（例えば、スパッタ、化学的エッチング、蒸発を含む）、及び印刷回路板加工技術のような標準的な加工技術を用いて、熱平衡領域２２０に形成される。熱平衡領域２２０は、直接印刷によって付着された蛋白質及び配位子の液滴を別々に受け、かつ支持するのに十分大きく、さらに、例示的な液滴合体装置２３０によってトリガされた合体の後、これら２つの液滴の組み合わせを支持するのに十分大きい。熱平衡領域２２０は、該領域において、熱放散に対比して迅速な平衡を達成するのに十分な熱伝導性を有する。この領域は、さらに、反応熱が支持体にほとんど吸収されないような、十分に低い熱容量を有する。低い熱容量で高い熱伝導率は、例えば、厚さが１０μｍのアルミニウム、又は銅のフィルムのような金属フィルムによって、達成することができる。
【００５１】
熱平衡領域２２０は、温度計２４０及び液滴合体装置２３０を含む。ここでの目的のために、温度計２４０は、熱平衡領域２２０において中央寄りに位置させられた液滴合体電極２３０から間隔を置いて示されるが、この構成は例示的な手段に過ぎない。液滴合体装置２３０及び温度計２４０が高電導性フィルムと良好な接触状態にあるならば、該温度計２４０及び該液滴合体装置１３０の正確な位置決めは、熱的な考慮事項のためには重要ではない。
【００５２】
作動において、熱平衡領域２２０に位置している抵抗温度計２４０は、熱平衡領域２２０内に置かれた低い濃度の任意の蛋白質と配位子との間の反応熱を検知する。本例において、反応熱はブリッジ回路に構成された温度計における抵抗変化による、該ブリッジ回路における電圧変化の測定を通して検知される。熱平衡領域２２０における抵抗温度計２４０は、検査配位子と蛋白質との間の反応を検知する。本実施形態においては、反応による温度上昇が、例えばおおよそ１ｍ℃というように小さいため、抵抗温度計２４０は、アモルファスシリコン、酸化バナジウム及びイットリウム・バリウム酸化銅（ＹＢＣＯ）のような高い温度抵抗係数をもつ材料で作られる。
【００５３】
抵抗温度計２４０は、検知電子機器２５０によって表されるＡＣブリッジとして構成され、以下により詳細に説明される。ＡＣブリッジの他の３つの脚部は、増幅器の印刷回路板上に配置される低い温度係数の抵抗器で作られる。液滴が熱平衡に到達してから特定の時間が経過した後、それらは互いの方向に移動させられて反応を開始する。運動を生じさせる操作が、２つの液滴の十分な混合を、測定時間に比べて少ない時間で達成する。検査混合の蛋白質と配位子の反応によって放出された熱は、温度計２４０の抵抗変化の原因となる。この抵抗変化は、検知点での電圧を０から変化させる原因となる。この変化は、感度の良い、ロックイン増幅器のような雑音を拒否する回路によって検知される。或いは、測定されるべき反応が十分な熱を生成した場合は、温度計の抵抗変化は、直接のＤＣ抵抗測定によって測定することができる。
【００５４】
ここで図３を参照すると、本発明の別の例示的な実施形態が示される。この例示的な実施形態において、ナノ熱量計３００は、熱平衡領域３２０を含む熱隔離層３１０を含む。熱隔離領域３１０は、周囲の熱的環境からの隔離を与え、したがって、測定時間を増やし、熱雑音を減らす。この例示的な実施形態において、熱平衡領域３２０は、反応温度を測定する２つの抵抗温度計３４０を含む。各々の抵抗温度計は、実施形態に含まれるものとして、限定されるものではないが、薄いフィルムの石版パターン加工、超小型電子加工技術（例えば、スパッタ、化学的エッチング、蒸発を含む）、及び印刷回路板加工技術のような標準的な加工技術を用いて、熱平衡領域３２０に形成される。熱平衡領域３２０は、直接印刷によって付着された蛋白質及び配位子の液滴を別々に受け、かつ支持するのに十分大きく、さらに、例示的な液滴合体装置３３０によってトリガされた合体の後、これら２つの液滴の組み合わせを支持するのに十分大きい。熱平衡領域３２０は、該領域において、熱放散に対比して迅速な平衡を達成するために十分な熱伝導を有する。この領域は、さらに、反応熱が支持体にほとんど吸収されないような、十分に低い熱容量を有する。低い熱容量をもつ高い熱伝導率は、例えば、厚さが１０μｍのアルミニウム、又は銅のフィルムのような金属フィルムによって、達成することができる。
【００５５】
熱平衡領域３２０は、温度計３４０及び液滴合体装置３３０を含む。ここでの目的のために、温度計３４０は、熱平衡領域３２０において中央寄りに位置させられた液滴合体電極３３０から間隔を置いて示されるが、この構成は例示的な手段に過ぎない。液滴合体装置３３０及び温度計３４０が高電導性フィルムと良好な接触状態にあるならば、該温度計３４０及び該液滴合体装置３３０の正確な位置決めは、熱的な考慮事項のためには重要ではない。
【００５６】
作動において、熱平衡領域３２０に位置している抵抗温度計３４０は、熱平衡領域３２０内に置かれた低い濃度の任意の蛋白質と配位子との間の反応熱を検知する。本例において、反応熱はブリッジ回路に構成された温度計における抵抗変化による、該ブリッジ回路における電圧変化の測定を通して検知される。熱平衡領域３２０における抵抗温度計３４０は、検査配位子と蛋白質との間の反応を検知する。反応による温度上昇は、例えば、１μｍの蛋白質及び配位子の濃度についておおよそ１０μ℃であり、反応熱が１０4カロリー／モルというように小さいため、抵抗温度計１４０は、小さな温度変化のもとで大きな抵抗変化をもたらす材料から製造される。この例示的な実施形態において、抵抗温度計３４０は、アモルファスシリコン、酸化バナジウム及びイットリウム・バリウム酸化銅（ＹＢＣＯ）のような高い温度抵抗係数をもつ材料で作られる。
【００５７】
抵抗温度計３４０は、検知電子機器３５０によって表されるＡＣブリッジとして構成され、以下により詳細に説明される。ＡＣブリッジの他の２つの脚部は、増幅器の印刷回路板上に配置される低温係数の抵抗器で作られる。液滴が熱平衡に到達してから特定の時間が経過した後、それらは互いの方向に移動させられて反応を開始する。運動を生じさせる操作が、２つの液滴の十分な混合を、測定時間に比べて少ない時間で達成する。検査混合の蛋白質と配位子の反応によって放出された熱は、温度計３４０の抵抗変化の原因となる。この抵抗変化は、検知点での電圧を０から変化させる原因となる。この変化は、感度の良い、ロックイン増幅器のような雑音を拒否する回路によって検知される。或いは、測定されるべき反応が十分な熱を生成づる場合には、温度計の抵抗変化は、直列連結された２つの温度計の直接のＤＣ抵抗測定によって測定することができる。
【００５８】
ここで図４を参照すると、本発明のさらに別の例示的な実施形態が示される。この例示的な実施形態において、ナノ熱量計４００は、各々が熱平衡領域を備える熱隔離層４１０を含む。熱隔離領域４１０は、周囲の熱的環境からの隔離を与え、したがって、測定時間を増やし、熱雑音を減らす。この例示的な実施形態において、熱平衡領域４２０及び４２５は、反応温度を測定する２つの抵抗温度計４４０を含む。各々の抵抗温度計は、実施形態に含まれるものとして、限定されるものではないが、薄いフィルムの石版パターン加工、超小型電子加工技術（例えば、スパッタ、化学的エッチング、蒸発を含む）、及び印刷回路板加工技術のような標準的な加工技術を用いて、熱平衡領域４２０及び４２５に形成される。熱平衡領域４２０及び４２５は、直接印刷によって付着された蛋白質及び配位子の液滴を別々に受け、かつ支持するのに十分大きく、さらに、例示的な液滴合体装置４３０によってトリガされた合体の後、これら２つの液滴の組み合わせを支持するのに十分大きい。熱平衡領域４２０及び４２５は、該領域において、熱放散に対比して迅速な平衡を達成するために十分な熱伝導を有する。領域は、さらに、反応熱が支持体にほとんど吸収されないような、十分に低い熱容量を有する。低い熱容量と高い熱伝導率は、例えば、厚さが１０μｍのアルミニウム、又は銅のフィルムのような金属フィルムによって、達成することができる。
【００５９】
熱平衡領域４２０及び４２５は、温度計４４０及び液滴合体装置４３０を含む。ここでの目的のために、温度計４４０は、熱平衡領域４２０及び４２５において中央寄りに位置させられた液滴合体電極４３０から間隔を置いて示されるが、この構成は例示的な手段に過ぎない。液滴合体装置４３０及び温度計４４０が高電導性フィルムと良好な接触状態にあるならば、該温度計４４０及び該液滴合体装置４３０の正確な位置決めは、熱的な考慮事項のために重要ではない。
【００６０】
作動において、熱平衡領域４２０及び４２５に位置している抵抗温度計４４０は、熱平衡領域４２０内に置かれた低い濃度の任意の蛋白質と配位子との間の反応熱を検知する。熱平衡領域４２５に位置している２つの抵抗温度計４４０は、熱平衡領域４２０内に置かれ合体された液滴の温度を検知する。本例において、反応熱はブリッジ回路に構成された温度計における抵抗変化による、該ブリッジ回路における電圧変化の測定を通して検知される。熱平衡領域４２０における抵抗温度計４４０は、検査配位子と蛋白質との間の反応を検知し、熱平衡領域４２５における他の抵抗温度計４４０は、基準として働く。反応による温度上昇が、例えば、１μｍの蛋白質及び配位子の濃度についておおよそ１０μ℃であり、反応熱が１０4カロリー／モルというように小さいため、抵抗温度計１４０は、小さな温度変化のもとで大きな抵抗変化をもたらす材料から製造される。この例示的な実施形態において、抵抗温度計４４０は、アモルファスシリコン、酸化バナジウム及びイットリウム・バリウム酸化銅（ＹＢＣＯ）のような高い温度抵抗係数をもつ材料で作られる。同様の反応しない溶液（例えば、水、又は水とＤＭＳＯの混合物）及び対象蛋白質の小さな液滴、すなわち制御組み合わせが、熱平衡領域４２５内で互いに近接して置かれる。
【００６１】
抵抗温度計４４０は、ＡＣ発電機４８０及びアース４９０によって表されるＡＣブリッジとして構成され、以下により詳細に説明される。液滴が熱平衡に到達してから特定の時間が経過した後、それらは互いの方向に移動させられて反応を開始する。運動を生じさせる操作が、２つの液滴の十分な混合を、測定時間に比べて少ない時間で達成する。検査混合の蛋白質と配位子の反応によって放出された熱は、基準温度計と対比して、影響された温度計の抵抗変化の原因となる。この抵抗変化は、検知点での電圧を０から変化させる原因となる。この変化は、感度の良い、ロックイン増幅器のような雑音を拒否する回路によって検知される。
【００６２】
ここで図５を参照すると、温度計５１０、５２０、５３９及び５４０が、本発明によるブリッジ回路における１つの例示的な構成の４つの抵抗脚部を形成している。抵抗温度計は、反応及び背景ドリフトの両方による温度変化を同時に測定する。この例において、２つの測定温度計５３０及び５４０は反応を測定し、２つの基準温度計５１０及び５２０は背景温度の変化を測定する。測定領域における温度が上昇したときに起こるような、測定温度計の抵抗変化が生じると、ブリッジの点Ｒでの電圧は、ブリッジ回路に加えられた電圧の極性、及び温度抵抗係数の符号に応じて、アースに対して正又は負の値が増加する方向に変化し、該ブリッジの点Ｌでの電圧は反対になり、すなわち、アースに対して、それぞれ正又は負の値が減少する。この構成は、検知電子機器５５０を横切る電圧差を最大にする。当業者によって理解されるように、温度計５４０が低い温度感度を有し、装置上に製造されていないもの、温度計５２０がブリッジを平衡させるために用いられる可変抵抗器であり、これもまた装置上に製造されていないもののような、他のブリッジ構成も可能である。
【００６３】
抵抗温度計５１０、５２０、５３９及び５４０は、パターン加工された薄いフィルムから製造され、ブリッジ連結される。各々の温度計の抵抗は、用いられる材料の温度抵抗係数に比例する量だけ温度によって変化する。
【数６】
α＝１／Ｒ  ΔＲ／ΔＴ
であるため、
【数７】
ΔＲ＝αＲΔＴ
となり、ここでＲは抵抗、Ｔは温度、αは温度計材料の温度抵抗係数である。したがって、抵抗器両端の信号電圧は、
【数８】
0004290460.tif 000004
によって変化し、ここでＶsは信号電圧、Ｉは抵抗器を通る電流、Ｐは電力である。各々の抵抗器における熱雑音は、
【数９】
0004290460.tif 000005
となり、ここでＢは秒で動かした測定帯域であり、Ｒはオームで表した抵抗であり、ｋはボルツマン定数である。検知システムは、熱雑音を超える雑音を導入することなく構成できると仮定すると、信号雑音比は、
【数１０】
0004290460.tif 000006
となる。
【００６４】
蛋白質と配位子の反応は、一般に、典型的には１０-5から１０-6Ｍの範囲において、高速大量処理スクリーニングの間、低い濃度で調べられる。その反応は、典型的には、おおよそ１０4カロリー／モルの反応熱を放出する。例示的な目的のために、それぞれ２μＭの濃度の蛋白質と配位子の２液滴を組み合わせることを検討する。液滴が等しい量を有する場合、その組み合わせは各々の反応物の１μＭを有する。さらに、
【数１１】
ＣＶΔＴ＝ＭＶＱ
であり、ここでＶは溶液の量、Ｃは溶液の熱容量、Ｍは混合された液滴の濃度である。したがって、
【数１２】
ΔＴ＝ＭＱ／Ｃ＝１０-6モル／Ｌｘ  １０4カロリー／モル  ／  １０3カロリー／℃−Ｌ＝１０-5℃
であり、ここでＱは反応熱、Ｃは溶質の熱容量、Ｍは混合された液滴の濃度である。
【００６５】
例えば、α＝２．８ｘ１０-2℃-lで、帯域が０．１Ｈｚであるａ−Ｓｉから作られた薄いフィルムの温度計について、７の信号雑音比は、抵抗器の電力放散が１μＷの場合に達成される。この場合、電圧変化は、
【数１３】
0004290460.tif 000007
となる。
【００６６】
以下の表は、温度計の電気抵抗及び電力の種々の例示的な組み合わせについての信号強度を示す。
【表２】
0004290460.tif 000008
【００６７】
表における値における蛋白質及び配位子の合体した液滴の溶液の濃度が１μＭであり、反応熱が１０4カロリー／モルであり、上記のように、ほとんどすべての蛋白質及び配位子が反応し、結果として１０μ℃の温度上昇となるのに十分に大きい結合定数を有すると仮定したものである。
【００６８】
配置された液滴は、反応を開始するために互いに合体され、該液滴の内容物はよく混合されなければならない。幾多の液滴の付着方法が当業者によって知られているが、いずれの方法も、液滴を分散させる目的のために、本発明において有利に作動することができる。
【００６９】
配置された液滴を合体させるための幾多の手段及び方法を利用することができるが、ここでの目的のために、同時係属中の米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸＸ号（「流体運動を引き起こすための静電力を用いる装置及び方法」）において開示される１つの例示的な方法を簡単に説明する。システムの複雑性を減らし、信頼性を増すために、この例示的な液滴合体方法は、２つの液滴を合体させ、迅速な混合を通して平衡を引き起こすために、２つの電極の平面的な構成によって発生させられた静電力を利用する。電極は、薄い電導性フィルムによって装置の表面上に構成され、実施形態に含まれるものとして、限定されるものではないが、薄いフィルムの石版パターン加工、超小型電子加工技術（例えば、スパッタ、化学的エッチング、蒸発を含む）、及び印刷回路板加工技術のような標準的な加工技術を用いて構成される。
【００７０】
ここで図６を参照すると、合体電極は、基板６５０の表面上に位置させられ、絶縁層６４０によって覆われた電導性フィルム６２０及び電導性フィルム６１０から形成されている。この例において、電導性フィルム６１０及び６２０は、おおよそ縦１．０ｍｍ、横０．８ｍｍの大きさで、厚さはおおよそ０．１μｍからおおよそ１０μｍの範囲であり、おおよそ５０μｍの間隙によって分離され、アルミニウム又は銅の薄いフィルムで作ることができ、絶縁層は、厚さがおおよそ０．１μｍからおおよそ２μｍとすることができ、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、又は酸窒化ケイ素、又は、スピン−、スプレー−、その他の方法で付着形成されたポリマー、例えば、パリレン、デュポン・テフロン（登録商標）ＡＦ、３Ｍ  Ｆｌｕｏｒａｄ製品、３Ｍ  ＥＧＣ１７００、その他のフルオロポリマー、ポリシロキサン、ダイアモンド状炭素、又は他のスピンコートした、スプレーコートした、浸漬コートした、又は蒸着されたポリマーで作ることができる。適当な絶縁材料は、高い電気抵抗と、化学的及び機械的耐久性とを有し、付着形成された薄いフィルム形態でピン穴を有さないものである。例示的な目的のために、熱平衡領域における熱平衡を可能にする高電導性フィルム６８０がさらに示される。蛋白質の液滴６６０は、電導性フィルム６１０及び６２０上の表面を横切って非対称的に置かれ、該液滴は、一方の電導性フィルムの上の表面を偏って占める。この例において、蛋白質の液滴６６０の９３％が、経線６７０に対し電導性フィルム６２０の上になる側の表面を占め、蛋白質の液滴６６０の７％が、経線６７０に対し電導性フィルム６１０の上になる側の表面を占める。
【００７１】
配位子の液滴６３０は、電導性フィルム６１０の上の表面上に置かれる。電圧が、好ましくは電圧パルスの形態で、電導性フィルム６１０及び６２０を横切って印加されたとき、液滴６６０が静止液滴６３０の方向に進められ、液滴が合体する。蛋白質の液滴６６０と配位子の液滴６３０の比較液滴サイズは等しくてもよいが、等しくない大きさの液滴を用いることもできる。絶縁層６４０の疎水性の表面は、液滴６３０及び６６０が表面に付着することを最小にし、合体中の液滴上に対する抗力を減らす。この例において、疎水性の表面は、例えば３Ｍ  Ｆｌｕｏｒａｄ、デュポン  テフロン（登録商標）ＡＦ、３Ｍ  ＥＧＣ−１７００、又はプラズマ蒸着されたフルオロカーボンのようなフッ素系ポリマーで作られる。１つの実施形態において、パリレン被覆を絶縁層、並びに、疎水性の表面として用いることができる。
【００７２】
或いは、代替的な実施形態において、温度計の材料（例えば、アモルファス・シリコン）それ自体を、液滴を動かす電極を構成するために用いることができる。別の実施形態においては、電極及び温度計は、異なる層として作ることができ、該電極は液滴配置点と温度計との間の層に形成して、液滴を動かす金属電極を温度計の上に置くことができるようにする。この実施形態においては、電気絶縁層が温度計と電極とを分離する。
【００７３】
幾つかの技術が液滴を供給するために利用可能であり、これらの技術のうちの１つはシリンジである。例えば、ハイドラ・マイクロディスペンサ（カリフォルニア州サニーベールのロビンズ・サイエンティフィック製）は、液体を９６又は３８４のマイクロプレートのすべてのウェルの中に分配する。ロビンズ・サイエンティフィックによって、その製品情報に説明されているように、「９６個又は３８４個のシリンジのバレルが、Ｘ−Ｙ格子に沿って中心をもつ固定アレイに保持され、これはマイクロプレートにおける各ウェルの中心に正確に対応する。シリンジ内のプランジャーは、コンピュータ制御の下で上下に移動し、液体をマイクロプレートから検知器アレイに分配するか又は吸引する。精密なモータ組立体は、２．５ミクロン段階でプランジャーをスムーズに動かす。１００μｌのシリンジを備えると、１００ｎｌもの低さの量の正確な分配を可能にする。ここでの目的のために、そうしたシステムを、例えば１００ｎｌの配位子及び３００ｎｌの蛋白質の液滴を供給するために利用することができる。
【００７４】
デカルト技術は、液滴を供給するためのシリンジをベースにしたシステムを供しており、デカルトシステムは、シリンジ・シリンジ、ポンプ・ソレノイド組立体を利用して、本実施形態の液滴の大きさの必要条件を満たすのに十分な範囲である、２０ｎＬから２５０μＬの液滴を正確に吸引するか又は分配する。
【００７５】
パッカード・バイオサイエンスは、液体を吸引し、液滴を供給するための圧電駆動される先端をもつシステムを販売している。バイオチップ・アレイヤーの製品は、４つのディスペンサをもつシステムであり、（上述のハイドラ・ディスペンサのフル９６又は３８４と比較すると）、２秒間で３００ｎＬを供給する。必要であれば、幾つかのこれらの装置を、本発明の必要条件を満たすために並行して用いることができる。逆に、より少ない数のサンプルをもつ実施形態については、１つの装置で十分である。
【００７６】
ピンスポットは、溶液の液滴を摺動部に置くためにＤＮＡ  マイクロ・アレイ産業において、普通に用いられる技術である。ピンスポットは、多くの場合、ＤＮＡ  マイクロ・アレイ産業において普通であるような、１００ないし３００ｎＬよりはるかに小さい液滴のために用いられる。しかしながら、本発明の例示的な実施形態において好ましい、１００ｎＬから５００ｎＬの範囲における量の液滴を運ぶことができる、幾つかのピンスポット技術がある。例えば、Ｖ＆Ｐサイエンティフィックは、この大きさの範囲の液滴のピンスポット溶液を販売している。
【００７７】
ここで図７を参照すると、ここで利用される電子測定システムの１つの例示的な実施形態の概略図が示される。例示の目的のために、交流（ＡＣ）検知方法が示されている。ＡＣ検知方法は、電子装置、に固有のｌ／ｆ雑音を排除するものであり、特に、ｌ／ｆ雑音が１ｋＨｚまでの周波数で顕著となるａ−Ｓｉ温度計における雑音を排除する。ブリッジ回路は、温度計の抵抗における変化を検知するために用いられる。電子機器は、ブリッジ出力の増幅、ブリッジのゼロ設定、信号検知、及び該信号のコンピュータ分析、という４つの機能を実施する。各々のブリッジ７１０について、正弦波が発電機７８０によって与えられる。この正弦波は、各々のブリッジの２つの入力端末を駆動する。
【００７８】
各々のブリッジは２つの出力端末を有し、その違いは、該ブリッジの基準セルと測定セルとの温度差を表す。これらの２つの端末上の信号は、低雑音の信号増幅器７２０によって増幅される。信号水準が低いため、この機能によって導入される雑音は最小でなくてはならないが、雑音の最小化は設計の検討事項によって均衡化されなければならない。例えば、幾つかの適用例において望ましい、使い捨てであるべき列について、増幅器は、アレイから離れて配置されなければならないが、周辺部に置かれた増幅器は、より長いリード長を通して雑音を拾う結果となる。相互連結部からの雑音を最小にするために、増幅器を、検知器アレイに密接して配置される別の温度制御されるヒートシンク上に置き、増幅器７２０は検知器アレイの真上に、圧縮可能なポゴピン連結を通してアレイに接触するように配置することができる。各々の増幅器をその関連するブリッジの上に置くことの付加的な利点は、該ブリッジの出力信号が近くのいずれの他のワイヤも通過する必要がなく、したがって、雑音結合を減らすことである。
【００７９】
多重化装置７３０は、幾つかの個々の検知器が各々のロックイン増幅器及びデジタイザを用いることを可能にする。図７に示される本発明の実施形態により、各々の検知器について１つの増幅器を用い、該増幅器の後に多重化装置７３０を置くことによって利点が得られる。多重化装置によって拾われる雑音は、該多重化装置が信号増幅器の前に置かれた場合より、相対的に少ない量となる。或いは、雑音の水準が許す場合は、多重化装置を信号増幅器の前に置くことができ、より少ない信号増幅器、及び、増幅器とブリッジのよりコンパクトな配列を可能にする。
【００８０】
各々のブリッジにおける温度センサは、同様であるが、互いに同一ではないものとすることができる。温度平衡化後、ブリッジの出力はこれらの差のために０となることはない。出力は、差に比例して小さな正弦波となる。この共通モード信号は、減らされない場合には、ブリッジとロックイン増幅器の混合器との間の増幅量を制限するものとなる。これは、逆にシステムの感度を制限する。この共通モード信号は、最初の増幅の後の第２段増幅器７４０においてオフセット電圧７５０によりブリッジのゼロ作動を行うことによって最小にされる。制御信号は、増幅入力信号から引かれるべき正弦波基準信号の比率を選択する。この制御信号は、平衡後の出力を測定することによって設定され、共通モード信号を最小にするためにその値を設定する。ブリッジ固有の均衡が十分である場合は、オフセット増幅器は必要でない。
【００８１】
ロックイン作動７６０は、検知信号の振幅に等しいｄｃ出力を生成し、既知の電子回路構成を通して実施することができる。当業者において知られている標準的なロックイン増幅器は、入力信号振幅を増加させる増幅器を含む。信号は次に、中心周波数が基準正弦波と同じである帯域フィルタによって濾波されて、基準周波数以外の周波数での雑音を排除する。さらに、基準正弦波が回路に入力される。それは正弦波に変換され、その位相は入力信号の位相に対応するようにシフトさせられる。基準信号は次に入力信号と混合されて、信号を表す低周波数コンポーネント、及び、雑音を表す高周波数コンポーネントをもつ複合出力信号を生成する。低域フィルタは、高周波数の雑音コンポーネントを排除する。或いは、ロックイン作動は、ソフトウェアにおいて実施することができる。ロックイン作動の出力は、Ａ−Ｄ変換器７７０によってデジタル化され、分析のためにコンピュータ７９０に入力される。このデジタル化信号の振幅は、ブリッジ上の温度差を表す。液滴が互いの方向に移動させられ、反応が生じたとき、その振幅は液滴が完全に混合されるまで増加し、熱が伝導及び蒸発により除かれるにつれて減る。反応が生じない場合は、信号に顕著な変化は生じない。コンピュータは、デジタル化信号を予想される温度の上昇及び下降に対して相関させる。相関が正である場合、反応の発生が信号化される。
【００８２】
ここで図８を参照すると、本発明の１つの実施形態において、検知器アレイの検知器が直線状配向に配列されて、マトリクスアレイを形成している。この例において、アレイは例えば、厚さ１０μｍのＫａｐｔｏｎ（登録商標）の樹脂基板のような薄い樹脂シート８１０上に製造され、Ｃｕ又はＡｌのような高い熱伝導性をもつ材料で作られたヒートシンク８２０によって支持される。個々の検知器８３０の間の領域に置かれた薄いフィルムの電導性ライン８５０は、電気的相互連結器として働き、検知器の間、及び外側の電子モジュールに信号及び電力を伝送する。検知器８３０は、信号励起のための相互連結及び液滴合体電極を必要とする。隣接する列の対となるすべての検知器は、共通の合体電極用電力線８８０に連結される。実施形態において、抵抗温度計、液滴合体電極及び電気的相互連結器は、二次元列の一方の側にパターン加工することができ、熱平衡フィルムは他方の側に製造することができる。ある実施形態において、測定は２列同時に行うことができる。検知器信号及びアースが、各々の検知器に隣接するヒートシンク上に配置された連結パッドを通して与えられ、検知器の増幅器連結パッド８４０を通してアレイに連結される。共通のブリッジ励起が、ブリッジ電力電導性ライン８７０によって列の対に与えられる。合体電極用電力線及び共通ブリッジ励起が交互の列を通して導入される。流体を、異なる密度（９６ウェル、３８４ウェル又は１５３６ウェル）を有するウェル板のような標準的な保存装置から移送することが望ましいため、検知器は、生物工学及び製薬産業において用いられるものと同じ、標準的な９６ウェル板のような９ｍｍの配置を有する。
【００８３】
ここで図９を参照すると、熱隔離、電気接続及びサンプル送り出しを与える、例示的なナノ熱量計の組立体及びその検知器環境の断面が示されている。熱隔離を達成するために、環境は、液滴に伝達された熱、又は該液滴から伝達された熱が重要ではないことを保証するように構築される。組立体における３つの主要な熱伝達チャネルは、空気を通る熱伝導、支持媒体を通る熱伝導、及び蒸発を含む。実施形態において、測定は、例えば５℃で、相対湿度がほぼ１００％のような低温高湿度で行って、蒸発を好ましい限度まで減らすことができる。特に、蒸発は、幾らかの好ましい許容差内で、調べられている化学薬品を溶解するために用いられる溶媒の相対湿度をほぼ１００％に維持することによって、部分的に制御される。これは、溶媒のリザーバを、検知器を囲むチャンバの大気に露出することによって達成できる。低温は、溶媒の蒸気圧を減らし、高湿度は液滴の表面近くの気相溶媒の濃度勾配を減らし、したがって、蒸発の推進力を減らす。
【００８４】
他の実施形態において、妥当な測定は、対応する高い蒸発率にもかかわらず、より高い温度又はより高い湿度で達成することができ、この場合、低温又は高湿度での作動は必要ではない。周囲環境への熱伝導は、例えば空気より低い熱伝導性を有するキセノン又はアルゴンが豊富な環境のような、制御された大気の使用を通して、実施形態において減らすことができる。実施形態において、伝導性はさらに、部分的な又は完全な真空、エーロゲル又は他の絶縁材料、及び当業者が考えうる他の方法の使用を通して制御することができる。
【００８５】
支持媒体を通る熱伝導性を最小にするために、検知器９１０は基板９１５上にあり、該基板は基板キャリア９２５によって支持され、該キャリアはヒートシンク９２０と接触する。この例において、ヒートシンク９２０は銅からなるが、当業者において知られている他の材料も利用することができる。実施形態において、ヒートシンク９２０は、任意の能動的温度制御装置９３０に対し熱的接触状態にすることができ、該装置はヒートシンクの温度を制御して、増幅器のヒートシンク９４０の１ｍ℃から０．１℃内に制御する。検知器の増幅器は、幾つかの実施形態において、検知器のヒートシンクにとっては熱が過剰となるほどの電力（各々について１０ｍＷ）を放出する。増幅器の電力は、所望の場合には、別のヒートシンクに吸収させることができる。信号増幅器９９０は、増幅器の印刷回路板９５０上にあり、該印刷回路板はヒートシンク９４０と接触している。ヒートシンク９４０の温度は、特定の実施形態において所望される場合には、温度制御装置９６０によって制御することができる。ポゴピン連結器９８０は、増幅器の印刷回路板９５０を、増幅器のパッド９７０を通して検知器の基板９１５に連結する。ヒートシンク９２０の温度制御を必要としない幾つかの条件がある。これらの場合において、ヒートシンクはガラス、樹脂又はステンレス鋼の管類のような標準的な低伝導材料を用いて、囲まれたチャンバから熱的に隔離されている。これらの場合において、増幅器ＰＣＢ  ９５０は温度制御された囲まれたチャンバと直接接触して置かれる。
【００８６】
チャンバ壁の変動によりヒートシンク９２０に加わる温度変動の大きさをより良く認識するために、種々アレイの大きさに対応する種々の銅ヒートシンクについての熱容量が下の表に示される。表の目的のために、すべてのヒートシンクの厚さは３ｃｍである。ヒートシンクの面積は異なる例について下に示され、該ヒートシンクはチャンバ壁から１０ｃｍ離れていると仮定され、約０．１から２ａｔｍのキセノンガスが空間を満たしている。
【００８７】
【表３】
0004290460.tif 000009
【００８８】
表に示されるように、５００，０００秒を超える最も小さい時定数により、アレイのヒートシンクとチャンバ壁との間の小さな０．１℃の階段状変化の温度差は、１０秒の測定の間に、ヒートシンクを２μ℃だけ変化させる。測定及び基準温度計は同じ量だけ変化し、共通モード拒否を与えるため、測定は特異的であり、かつ、チャンバ壁は０．１℃に制御することができ、その変化は迅速ではないため、ヒートシンクは壁への伝導により十分過ぎるほどの温度安定性を与える。検知器アレイへの電気接続はヒートシンクとチャンバ壁との間の熱伝導を増加させるため、実施形態においては、リードへの伝導は、温度がヒートシンクの温度と等しくなるように能動的に制御された中間ヒートシンク９４５と熱的接触状態にあるリードを置くことによって、能動的に制御することができる。
【００８９】
ポゴピン（pogo  pins）を通る熱伝導によるヒートシンク９２０に生じることがある温度変動の大きさをより良く認識するために、３８４検知器アレイに接触しているポゴピンの例が下の表において検討される。ポゴピン連結器９８０の材料、例えば真鍮、が熱性能のために選択される。このアレイにおいて、ピン(pin)を横切る０．１℃の温度差についてピン毎に伝導される電力が、ピンを横切る０．１℃及び０．１ｍ℃の温度差について３８４検知器アレイ（各々の検知器について３つのピンを仮定する）に伝導される全電力と併せて、以下の表に示される。表に示される計算の目的のために、接触面積は１０μｍの直径をもつ円形と仮定する。接触面積を最小にするために、ポゴピンは先の尖った先端の形態とすることができる。１０秒の測定時間の間の温度変化がさらに示される。温度変化を十分に低く維持するために増幅器の印刷回路板９５０は、能動的な制御か、又はチャンバ壁との熱接触によるいずれかを通して、実施形態において正確に制御される。例えば、ヒートシンク９２０の温度上昇ΔＴを１３μ℃又は１０秒以下に制限するためには、表４の値は、増幅器の印刷回路板９５０の温度が０．０１℃内で制御されなければならないことを示す。そうした制御は、ペルチエ装置、循環流体冷凍システム、熱ポンプ、又は当業者において知られている他の多くの能動的な温度制御装置のいずれかのような能動的な温度制御部品を用いることで可能となる。或いは、チャンバ壁が０．０１℃内に制御されている場合には、該チャンバ壁をもつ増幅器の印刷回路板は、ΔＴを１３μ℃に制限するのに十分である。
【００９０】
【表４】
0004290460.tif 000010
【００９１】
図１０は、ここで説明されるアレイを利用する測定システムの断面を示す。この例示的構成における測定システムは、ロードロックチャンバ１０１０及び測定チャンバ１０５０という２つの室を含む。それらの中に含まれたチャンバ及び大気は等しく、同じ作動温度である。各々のチャンバ内の大気は無反応ガス、例えばキセノン、アルゴン、空気又は窒素であり、測定されている液滴に用いられる溶媒についてほぼ１００％の相対湿度をもち、この湿度水準は蒸気圧リザーバ１０４５の使用により維持される。チャンバ壁の温度は、０．１℃内に制御される。ヒートシンク１０８５は、測定チャンバ１０５０にあるとき、検知器アレイ１０４０上の測定温度計から放散された電力による熱を受ける。この例においては、図１に示されるように、各々の検知器について４つの温度計が用いられており、各々の温度計はおおよそ４μＷを放散する。９６個の検知器アレイ及び１５００Ｊ／℃の熱容量をもつヒートシンクに基づくと（上の表３参照）、温度計の加熱によるヒートシンクの温度上昇率は、１０秒の測定の間におおよそ１０μ℃である。検知器アレイ１０４０は、検知器アレイの電子機器１０３０に連結され、該電子機器は次にシステムの電子機器１０６０に連結される。生体適合材料が生体適合材料の保存ウェル板１０１５内に含まれ、該板はロードロックチャンバ１０１０内に置かれる。測定チャンバ１０５０内には、検知器の電子機器１０７５、並びに、該検知器の電子機器１０７５についての関連するヒートシンク／制御装置１０７０がある。
【００９２】
生体適合材料（biomaterials）１０２５は、測定に備えて、化学蒸着装置１０３５によりアレイ上に蒸着される。ロードロックチャンバ１０１０においては、ヒートシンク１０８５と関連する検知器１０４０、及び生体適合材料１０２５が、熱伝導体１０９０を通して、チャンバと熱平衡するようにされる。熱伝導体１０９０は、高い熱伝導率をもついかなる材料又はシステムでもよく、例えば、チャンバ壁及びヒートシンク１０８５の両方と良好な熱接触状態にある銅又はアルミニウムのような金属ブロックとすることができる。図１０に示されるように、ヒートシンク１０８５と熱伝導体１０９０との熱接触は、アレイ・トランスポータ１０２０を通して生じる。しかしながら、この構成は例示的なもの過ぎず、当業者は他の構成を考えることができ、それからは、ここでの開示に含まれる。
【００９３】
代替的な実施形態において、熱伝導体１０９０は、循環流体冷凍又は加熱システム、ペルチエ装置、抵抗ヒータ、熱ポンプ、又は当業者によって知られる多くの他の能動的な温度制御装置のいずれかのような、能動的な温度制御装置を備えることができる。さらに、代替的な実施形態において、熱伝導体及び関連する温度制御機能を、アレイ・トランスポータ１０２０の中に組み込むことができる。アレイ・トランスポータ１０２０は、配置された生体適合材料をもつ検知器アレイをロードロック状態から測定チャンバ１０５０に移動させ、この例においては、循環運動を利用して、測定材料をもつ検知器アレイが同時に測定チャンバからロードロックに移動するようにする。ピック・アンド・プレース装置及びエレベータをもつベルト装置のような、他のアレイの移送方法を利用することができる。
【００９４】
測定チャンバにおいて、検知器アレイがポゴピンと接触するように上昇させられると、同時にヒートシンク１０８５がトランスポータ１０２０の上方に上昇させられ、支持ピン１０５３によって該トランスポータから熱的に隔離される。支持ピンは、ガラス棒、ステンレス鋼の中空管類、樹脂棒、多孔質セラミックス、及び当業者において知られる他の材料のような、十分な機械的強度をもつ良好な断熱材料のいずれかから製造することができる。他の構成も可能であり、例えば代替的な実施形態において、熱隔離だけに依存するのではなく、温度制御装置が用いられて、例えば検知器の電子機器１０７５のヒートシンク／制御装置１０７０の温度を１ｍ℃内のように、ヒートシンク１０８５を測定チャンバ１０５０における特定の温度に維持する。ポゴピンの検知器連結器１０８０は、検知器に直接電気接触し、熱変化情報を検知器アレイから検知器の電子機器１０７５に送信する。この例においては、この種の連結器を用いて、アレイへの熱接触が低くなるような連結が後続するアレイに対して可能になる非永久的な連結と、精密な差動測定を可能にするために測定及び基準領域に対して対桶的な接触を与える小さなフットプリントをもつ良好な配置の正確さとをもたらす。
【００９５】
作動において、前にセットアップされた検知器アレイ１０５５が測定チャンバ１０５０において測定されている間に、ロードロックチャンバ１０１０の温度に対する初期温度が１℃内である検知器アレイ１０４０がロードロックチャンバ１０１０に置かれる。測定チャンバ１０５０とロードロックチャンバ１０１０との近さは、連結された検知器アレイが制御された環境のままでチャンバ間を移動することを可能にする。生体適合材料は次にロードロックチャンバ１０１０の中に移動させられ、３８４個又は１５３６個のウェル板のような適切な運搬手段１０１５に保存されるが、他のコンテナや異なる大きさのウェル板を使用することも適切である。生体適合材料１０２５は次に、例えば、吸引／印刷システム又は自動化シリンジ様式のローダ１０３５を用いて、検知器アレイ上に置かれる。配置装置１０３５は、制御された温度で維持されて、生体適合材料１０２５の昇温を避ける。最初の段階で、検知器アレイ１０４０は検知器アレイの電子機器１０３０、及び、システムの電子機器連結器１０６０に連結され、該連結器は、測定ブリッジのための検知器の電子機器を除く、該検知器アレイ１０４０におけるすべての検知器部品に必要な電気接続を与える。条件によって、検知器アレイ１０４０における検知器ブリッジはＡＣ正弦波によって駆動されて（例えば、図５における部品５６０）、液滴の温度をロードロックチャンバにおける制御された環境と平衡にする温度まで自己加熱する。この信号は、システムの電子機器連結器１０６０を通して検知器アレイの電子機器１０３０に伝導される。
【００９６】
配置された材料１０２５が検知器アレイ１０４０と熱平衡された後、この配置された材料１０２５をもつ検知器アレイ１０４０は、次に、アレイ・トランスポータ１０２０によって、ロードロックチャンバ１０１０から測定チャンバ１０５０に移動させられ、測定された検知器アレイ１０５５はロードロックチャンバ１０１０の中に移動させられる。この運動は、１８０度回転、又は当業者において知られる他の手段のいずれかのような回転を通して達成することができる。測定チャンバ１０５０内において、検知器アレイはヒートシンク１０８５と熱接触状態にあり、本実施形態においては、該測定チャンバ１０５０における支持ピン１０５３によってトランスポータ１０２０から熱的に隔離されている。測定シーケンスはＡＣ正弦波を検知器のブリッジに印加することによって開始される。この信号は増幅器の印刷回路板１０７５上に配置されたＡＣ発生器によって生成され、ポゴピン１０８０を通して検知器アレイ１０５５に伝導される。検知器のブリッジはこの場合、オフセット電圧を適当に設定することによりゼロにされる。熱平衡は、検知器ブリッジを横切る電圧を短期間だけ測定することによって確認される。この電圧の変化率があらかじめ特定された水準より下になったとき、システムは熱平衡状態となる。ゼロ化作動は、この処理の間、繰り返される必要がある。
【００９７】
配置された材料１０２５の液滴アレイは次に合体され、検知器アレイの表面上で混合される。これは、液滴を動かす電圧を増幅器の印刷回路板１０７５からポゴピン１０８０を通して検知器アレイ１０５５に印加することによって達成される。合体電圧から発生させられた一時的な電圧は放散させられる。混合中の反応が、次にブリッジの不均衡を検知することによって測定される。列における各々のブリッジがある期間に渡って繰り返し測定され、データが分析のためにコンピュータに入力される。
【００９８】
１つアレイにおける個々のブリッジを検知電子機器において多重化することができる。測定は、１つの検知器で、次いで、該列における次の検知器で行われ、列におけるすべての検知器が測定されるまで続けられる。これは、列についてすべての測定が完了するまで、ある期間だけ繰り返される。或いは、多くの場合、検知電子機器は、列におけるすべての検知器アレイを同時に測定できるものとすることができる。測定時間をさらに減らすために、測定は２つ又はそれ以上アレイのブロックで行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施形態によるナノ熱量計の構成部品を示すブロック図である。
【図２】本発明の別の実施形態によるナノ熱量計の構成部品を示すブロック図である。
【図３】本発明のさらに別の実施形態によるナノ熱量計の構成部品を示すブロック図である。
【図４】本発明のさらに別の実施形態によるナノ熱量計の構成部品を示すブロック図である。
【図５】本発明による測定温度計及び基準温度計の配置の図である。
【図６】本発明による配置された液滴を合体するための１つの方法を示す図である。
【図７】本発明のシステム及び方法による電子測定システムの概略図である。
【図８】本発明の別の実施形態によるナノ熱量計の構成部品アレイを示すブロック図である。
【図９】本発明の実施形態によるナノ熱量計の作動環境を示す断面図である。
【図１０】本発明によるナノ熱量計のプロセスの流れの１つの実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１００  ナノ熱量計
１６０  測定領域
１７０  基準領域
１３０  液滴合体電極
１２０、１２５  熱平衡領域
１１０  熱隔離層
１４０  抵抗温度計
１８０  ＡＣ発生器
１９０  アース
１５０  検知電子機器
【図１】
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【図２】
0004290460.tif 000012
【図３】
0004290460.tif 000013
【図４】
0004290460.tif 000014
【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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