JP4342523B2 - センシングスイッチ及びそれを利用した検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、生分子または化学物質の検出装置に係り、さらに具体的には、リガンドと同一または反対極性の電極間の静電気力を利用するか、またはリガンドと結合された磁気性ビードと磁場発生手段との間の磁気力を利用して、センサー自体が物理的に動いてスイッチの役割を兼ねるセンシングスイッチ及びそれを利用した検出方法に関する。

生分子及び化学物質の効果的な検出法が多様な分野で要求されている。前記生分子の検出が必要な代表的な分野がバイオチップである。バイオチップとは、基質上に分析しようとするＤＮＡ、蛋白質などの生分子レセプタを高密度で付着させたチップであって、サンプル内の遺伝子の発現様相、遺伝子の欠陥、蛋白質の分布、反応様相などを分析できる。バイオチップは、レセプタの付着形態によって固体基質上に付着されたマイクロアレイチップと微細チャンネル上に付着されたラボ−オン−ア−チップ（ＬＯＣ）とに分けられる。このようなバイオチップでは、サンプルにレセプタと結合できる標的物質が存在するか否かを調べるために、基質上に固定されたレセプタと標的物質との結合如何を検出できるシステムが必要である。

現在、遺伝子分析用のＤＮＡチップは、ほとんどサンプルＤＮＡに蛍光色素をラベリングし、チップ上のプローブと反応させた後に、共焦点顕微鏡やＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラを使用してチップの表面に残った蛍光物質を検出する方法を使用する（特許文献１参照）。しかし、このような光学的な検出法は、小型化が難しく、デジタル化されたアウトプットが見られないため、電気的な信号として結果を検出できる新たな検出法の開発について多くの研究が進められつつある。

クリニカルマイクロセンサーをはじめとする多くの研究機関が、酸化／還元の容易な金属化合物を利用してＤＮＡ混成化を電気化学的に検出する方法について研究している（特許文献２及び３参照）。ＤＮＡが混成化されたとき、酸化／還元の容易な金属を含む他の化合物が共に錯体をなし、それを電気化学的に検出する（非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３及び非特許文献４参照 ）。しかし、電気化学的な方法も別途のラベリングが必要であるという短所がある。

前記方法以外に、光学的な検出法及び圧電物質を利用する検出法がある。前記光学的な検出法は、照射された光の反射度の変化からセンサーの移動を測定する。前記圧電物質を利用する検出法は、多様な圧電物質からなる多重層でセンサーを製造し、センサーの抵抗の変化からセンサーの移動を測定するものであって、前記センサーの設計及び製作が難しい（特許文献４参照）。

前記従来の蛍光検出方法、電気化学的検出方法、光学的検出方法及び圧電物質を利用した検出方法は、センサー自体と別途にセンサーを測定する測定装備だけでなく、測定装備から得られた信号をシグナルプロセシングする別途の分析装置を要求しているので、全体システムが巨大になり、高コストの色々な装備が必要となり、各ステップ別に熟練された技術者を必要とするにも拘わらず、最終判断を下すまで長時間がかかり、各装備間の連結ノイズが発生するという短所がある。

これにより、本発明者は、前記従来の技術の問題点を克服するために研究努力した結果、リガンドと同一または反対極性の電極間の静電気力を利用するか、またはリガンドと結合された磁気性ビードと磁場発生手段との間の磁気力を利用して、センサー自体が物理的に動いてスイッチの役割を兼ねるようにすることによって、それ以上のシグナルプロセシングの不要な小型化されたセンシングスイッチが可能であるということを確認して、本発明を完成した。
米国特許第６,１４１,０９６号明細書 米国特許第６,０９６,２７３号明細書 米国特許第６,０９０,９３３号明細書 米国特許第５,８０７,７５８号明細書 Ａｎａｌ.Ｃｈｅｍ.，Ｖｏｌ.７０，ｐｐ.４６７０〜４６７７,１９９８ Ｊ.Ａｍ.Ｃｈｅｍ.Ｓｏｃ.，Ｖｏｌ.１１９，ｐｐ.９８６１〜９８７０，１９９７ Ａｎａｌｙｔｉｃａ Ｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ，Ｖｏｌ.２８６，ｐｐ.２１９〜２２４，１９９４ Ｂｉｏｃｏｎｊｕｇａｔｅ Ｃｈｅｍ.，Ｖｏｌ.８，ｐｐ.９０６〜９１３，１９９７

本発明が解決しようとする課題は、既存のセンシング後、別のシグナルプロセシングなしに機械的なセンシングと電気的なスイッチングとを同時に行える新たなセンシングスイッチを提供することである。

本発明が解決しようとする他の課題は、前記複数のセンシングスイッチを論理的な回路関係に含むセンシング回路を提供することである。

本発明が解決しようとするさらに他の課題は、前記センシングスイッチを利用したリガンドの結合如何の検出方法を提供することである。

前記課題を達成するために、本発明は、基板と、前記基板上に置かれている支持台と、前記支持台の側面から連結された前記基板から一定間隔離隔されて平行に延びているセンシングプレートと、前記センシングプレートの末端の上面に位置したレセプタ結合領域と、前記レセプタ結合領域に結合されたレセプタが磁気的活性を帯びているリガンドと選択的に結合する場合、前記センシングプレートの反りを誘導する磁場発生手段と、前記センシングプレートの反りによってセンシングプレートが前記基板についた時に連結されうる互いに一定間隔離隔されている一対のスイッチング電極と、を備えるセンシングスイッチを提供する。

本発明によるセンシングスイッチの他の具体例は、基板と、前記基板上に置かれた支持台と、前記支持台の側面から連結された前記基板から一定間隔離隔されて平行に延びているセンシングプレートと、前記センシングプレートの末端の上面に位置したレセプタ結合領域と、リガンドを通じて前記レセプタ結合領域に結合したレセプタと選択的に結合する磁気性ビードと、前記センシングプレートの下に位置した磁場発生手段と、前記発生した磁場によってセンシングプレートが前記基板についた時に連結されうる互いに一定間隔離隔された一対のスイッチング電極と、を備えるセンシングスイッチを提供する。

本発明において、前記センシングプレートは、カンチレバーでもあり、シーソー型レバーでもあるが、望ましくは、シーソー型レバーであることを特徴とする。シーソー型レバーの場合、前記センシングプレートは、前記基板上に置かれている二つの支持台を連結する連結ビームの中央から両側に前記基板から一定間隔離隔されて平行に延びており、前記センシングプレートの両アームの上面に二つのレセプタ結合領域が存在することを特徴とする。前記センシングプレートの両アームは、前記連結ビームの回転によってシーソーのように上下移動して前記基板上の相互に一定間隔離れた一対のスイッチング電極を開閉する。

本発明において、前記支持台は、前記基板上に置かれて、基板と一定間隔離隔されて浮いているセンシングプレートまたは連結ビームを支持する役割を行い、また前記連結ビームが回転できるピボット機能を行う。

本発明において、前記連結ビームは、望ましくは、前記センシングプレートより狭くかつ細くて、センシングプレートと一体または別途に形成できる。

本発明において、前記リガンドは、電荷を帯びるいかなる生分子または化学物質も可能であり、望ましくは、レセプタと選択的に結合する核酸、蛋白質、ペプチド、抗体、抗原、ポリマー、液相または気相の化学物質でありうる。

本発明において、前記レセプタ結合領域は、リガンドが直接結合してもよいが、望ましくは、リガンドと結合できるレセプタが結合されていることを特徴とする。後者の場合、前記レセプタは、リガンドと結合可能ないかなる物質も可能であるが、望ましくは、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ（Ｐｅｐｔｉｄｅ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ）、ＬＮＡ（Ｌｏｃｋｅｄ Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ）、蛋白質、ペプチド、及び化学物質でありうる。本明細書において、結合とは、核酸の混成化及び抗原−抗体（Ａｇ−Ａｂ）の相互作用のような特異的結合を含むものである。

本発明において、前記レセプタ結合領域は、バイオ分子または化学物質が結合されうるいかなる材質からなってもよいが、望ましくは、ガラス、金属、プラスチック、シリコンで構成された群から選択された材質からなることを特徴とする。また、前記レセプタ結合領域は、従来公知のバイオチップの表面改質方法を利用して、レセプタまたはリガンドが結合されるようにカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）、チオール基（−ＳＨ）、水酸基（−ＯＨ）、シラン基、アミン基またはエポキシ基を有するように表面改質されうる。

前記磁気性ビードには、レセプタと選択的に結合するリガンドが付着されており、前記レセプタと選択的に結合するリガンドと選択的に結合する２次レセプタが付着されている。

本発明において、前記レセプタ結合領域は、二つのうち一つの領域にのみレセプタが固定化されてもよいが、望ましくは、二つのレセプタ結合領域に異なる種類のレセプタが固定化されていることを特徴とする。後者の場合、２種類のレセプタのうち一種類は、他の一つに対するレファレンスレセプタとして作用して、差別的な検出が可能であるだけでなく、バックグラウンドシグナルを効果的に除去できる。

本発明の他の課題を達成するために、本発明は、前記本発明の複数のセンシングスイッチが直列及び並列、直列または並列に連結されて‘ＡＮＤ’及び ‘ＯＲ’、‘ＡＮＤ’または‘ＯＲ’の論理回路を構成するセンシング回路を提供する。

本発明において、‘ＡＮＤ’の論理回路は、二つ以上のセンシングスイッチが直列に連結されて、全てのスイッチがオン状態である場合にのみ電流が流れ、‘ＯＲ’の論理回路は、二つ以上のセンシングスイッチが並列に連結されて、これらのうち一つ以上がオン状態である場合に電流が流れる。本発明では、これら‘ＡＮＤ’及び ‘ＯＲ’、‘ＡＮＤ’または‘ＯＲ’の論理回路が複数個複合的に連結されて多様な論理回路を構成できる。

本発明において、前記‘ＡＮＤ’及び ‘ＯＲ’、‘ＡＮＤ’または‘ＯＲ’の論理回路を経て出るアウトプット信号を見て、複数のリガンドに対する検出及び分析を同時に行うことを特徴とするセンシング回路を提供する。本発明の回路には、一つ以上のインプットラインと一つ以上のアウトプットラインとが存在し、インプットラインに電流を印加した後に各アウトプットラインから出る電流を測定して、複数のレセプタに対する検出及び分析を同時に行える。また、本発明は、信号検出後にシグナルプロセシングなしにアウトプットラインから出る電流のオン／オフ、例えば、ランプのオン／オフによって回路を構成するセンシングスイッチごとに異なるレセプタの結合有無を効果的に分析できる。

また、本発明の他の課題を達成するために、本発明は、レセプタと選択的に結合するリガンド、または前記リガンドと選択的に結合する２次レセプタに磁気性ビードを付着させるステップと、磁場を利用する本発明によるセンシングスイッチのレセプタ結合領域に固定されたレセプタに前記磁気性ビードが付着されたリガンドまたは２次レセプタを導入するステップと、前記リガンドとレセプタとの間の選択的な結合反応によって磁気性ビードをレセプタ結合領域に付着させるステップと、結合反応に参与していない磁気性ビード付着のリガンドまたは２次レセプタを除去するステップと、センシングプレートの下に位置した磁場発生手段から磁場を発生させるステップと、前記磁場によってセンシングプレートが上下移動して、前記基板上の一対のスイッチング電極を開閉させるステップと、前記スイッチング電極間の電流流れの有無を測定するステップと、を含むリガンド結合如何の検出方法を提供する。

本発明において、前記センシングスイッチのレセプタ結合領域は、二つのうち一つの領域にのみレセプタが固定化されてもよいが、望ましくは、二つのレセプタ結合領域に異なる種類のレセプタが固定化されて、異なるリガンド間の差別的な結合如何を検出することを特徴とするリガンド結合如何の検出方法を提供する。後者の場合、二つのレセプタ結合領域は、シーソーのように作用して、二つのうちさらに多くのレセプタが結合したセンシングプレートの末端が下側に動く。このとき、２種類のレセプタのうち一種類は、他の一つに対するレファレンスレセプタとして作用して、バックグラウンドシグナルを効果的に除去できる。

本発明によれば、従来の電気的検出方法で、抵抗、インピーダンス、及び電流量などを別途の測定装備で測定した後、シグナルプロセシングを行うものと違って、単純にセンシングスイッチの電流流れの有無、例えば、ランプのオン／オフのみを判読すれば良いので、結合如何を容易に検出できる。

本発明によれば、生分子及び化学物質のような標的物質を蛍光標識化する必要がなく、蛍光または電気的な検出信号を分析装置で別途にシグナルプロセシングする必要がなく、スイッチングのオン／オフによる電流流れの有無でもって信号を直ぐ判読できるという長所がある。すなわち、本発明のセンシングスイッチは、機械的なセンシングと電気的なスイッチングとを同時に行うことによって、既存にセンシング後に得られたシグナルを処理せねばならない不便さを解消した。また、最小限の回路と最小限の電力とを必要とすることによって、従来のいかなる検出方式、例えば、センシング及び信号処理方式よりも小型化されうる。また、最小限の回路ノイズ（フリッカ、白色ノイズ）を有し、センサーとポストプロセッサとの連結ノイズを減らすことによって、ノイズを最小化しうる。

以下、添付された図面を参照して本発明をさらに具体的に説明する。

図１は、本発明の一具体例によるセンシングスイッチ（カンチレバー）の正面図である。本図面のセンシングスイッチは、基板１、前記基板１上に置かれている支持台２、前記支持台２の側面から連結された前記基板１から一定間隔離隔されて平行に延びているセンシングプレート４、前記センシングプレート４の上面に位置したレセプタ結合領域５、前記センシングプレート４の上に位置したリガンドと同一極性の排斥電極６、前記センシングプレート４の下に位置したリガンドと反対極性の誘引電極７、及び前記排斥電極６と誘引電極８の斥力及び引力によって、センシングプレート４が前記基板１についた時に連結されうる互いに一定間隔離れた一対のスイッチング電極９を備えるセンシングスイッチを提供する。

図１で、前記レセプタ結合領域５には、リガンドと結合できるレセプタが固定化されうる。前記レセプタ結合領域５にリガンドが直接または間接に結合すれば、リガンドと排斥電極６とが互いに同一極性であって斥力が作用し、リガンドと誘引電極８とが互いに反対極性であって引力が作用して、前記センシングプレート４を下側に反らせる。このとき、前記センシングプレート４の末端が前記基板上の一対のスイッチング電極９に着いて電流を通じるようにする。

図１で、前記一対のスイッチング電極９は、便宜上、一つのラインで表現したが、センシングプレートが接し合う前には、互いに一定間隔離れて電流を通じない一対のスイッチング電極で構成されている。

図２は、本発明の他の具体例によるセンシングスイッチ（カンチレバー）の分解斜視図である。図２を参照すれば、本発明の他の具体例によるセンシングスイッチは、基板１と、前記基板１上に置かれている支持台２と、前記支持台２の側面から連結された前記基板１から一定間隔離隔されて平行に延びているセンシングプレート４と、前記センシングプレート４の末端の上面に位置したレセプタ結合領域５と、リガンド１１を通じて前記レセプタ結合領域５に結合したレセプタ１２と選択的に結合する磁気性ビード１０と、前記センシングプレート４の下に位置した磁場発生手段１３と、前記発生した磁場によってセンシングプレート４が前記基板についた時に連結されうる互いに一定間隔離れた一対のスイッチング電極９，９’と、を備える。

図２で、前記レセプタ結合領域５には、レセプタ１２が固定化されている。また、磁気性ビード１０は、リガンド１１と結合されており、前記リガンド１１とレセプタ１２との選択的な結合を通じて、前記ビードは、前記センシングプレート４の末端の上面に位置したレセプタ結合領域５と結合する。前記レセプタ結合領域５に結合した磁気性ビード１０は、磁場発生手段１３によって発生する磁場によって基板方向に移動し、それによりセンシングプレート４も反る。

前記磁気性ビードは、主に懸濁液の形態であって、例えば、Ｄｙｎａｌ ＡＳ社から購入して使用できる。前記磁気性ビードは、強磁性、常磁性及び超常磁性ビードを含む。前記磁気性ビードは、例えば、ＥＰ第０１０６８７３号明細書に開示された方法によって製造されうる。

図３Ａは、本発明のさらに他の具体例によるセンシングスイッチ（シーソー型レバー）の正面図であり、図３Ｂは、センシングによってスイッチが作動されることを示す図面である。本図面のセンシングスイッチは、基板１、前記基板上に置かれた二つの支持台２，２’、前記支持台２，２’を連結する連結ビーム３、前記連結ビーム３の中央に位置し、前記基板１から一定間隔離隔されて平行に横たわったセンシングプレート４、前記センシングプレート４の両アームの上面に位置した二つのレセプタ結合領域５，５’、前記センシングプレート４の上に位置したリガンドと同一極性の排斥電極６、前記センシングプレートの下に位置したリガンドと反対極性の誘引電極７，７’、及び前記排斥電極６と誘引電極７，７’の斥力及び引力によって、センシングプレート４が前記基板についた時に連結されうる互いに一定間隔離れた一対のスイッチング電極（図示せず）を備える。

図３Ａで、前記レセプタ結合領域５，５’には、異なるレセプタ、例えば、オリゴヌクレオチドが固定化されており、一方のレセプタ結合領域５が他のレセプタ結合領域５’より多くの標的ＤＮＡ分子が結合されており、負電荷をさらに帯び、前記センシングプレートの上の排斥電極６はＤＮＡと同一極性の負極を帯び、常にセンシングプレートの下側の誘引電極７，７’は、ＤＮＡと反対極性の正極を帯びる。前記誘引電極７，７’は、互いに離れていてもよいが、一体型でもある。図３Ｂで、前記レセプタ結合領域５が負電荷をさらに帯びることによって、陰性排斥電極６と陽性誘引電極７との間の有効静電気力、すなわち、斥力と引力によってシーソーのように下側に動く。

図３Ｃは、本発明のさらに他の具体例によるセンシングスイッチ（シーソー型レバー）の斜視図である。便宜上、センシングプレート４の両アームの上面に位置した二つのレセプタ結合領域と、前記センシングプレートの上及び下に位置した排斥電極及び誘引電極、及び基板上のスイッチング電極を省略して示した。

図４Ａは、図３のセンシングスイッチのオン状態を示す概念図であり、図４Ｂは、図３のセンシングスイッチのオフ状態を示す概念図である。

図４Ａで、スイッチがオンとなって基板上のスイッチング電極の間に電流が流れ、図４Ｂで、スイッチがオフとなって基板上のスイッチング電極の間に電流が流れない。したがって、本発明のセンシングスイッチは、センシング及びスイッチの役割を同時に行って、リガンドとの結合反応時に電荷量の変化の感知（センシング）がまさにスイッチをオンにする。このように、本発明は、オン状態とオフ状態とが存在するセンシングスイッチであるので、通常の電子回路のような論理回路を作れる。

本発明のセンシングスイッチは、機械的なセンシングと電気的なスイッチングとを同時に行うことによって、既存にセンシング後に得られたシグナルを処理せねばならない不便さを解消した。また、最小限の回路と最小限の電力とを必要とすることによって、従来のいかなる検出方式よりも小型化が可能である。また、最小限の回路ノイズ（フリッカ、白色ノイズ）を有し、センサーとポストプロセッサとの連結ノイズを減らすことによって、ノイズを最小化しうる。

図５Ａは、既存方式のＤＮＡチップ検出システムを概念的に示す図面であり、図５Ｂは、本発明によるＤＮＡチップ検出システムを概念的に示す図面である。図５Ａの既存方式では、ＤＮＡチップ上のスポットＡ、Ｂ、Ｃをスキャナで測定した後、分析装置にシグナルプロセシングした後にスポットＡ、Ｂ、Ｃである以上の強度を示すので、対象患者は、ＭＯＤＹ患者と判別できるが、図５Ｂの本発明の方式では、一つのＤＮＡチップ上の３個のセンシングスイッチがセンシング及び分析を何れも行って、最終アウトプットラインがオンとなることをランプのような簡単な装置で測定して、対象患者がＭＯＤＹ患者であるということを容易に判別できる。

図６Ａは、従来の方式の差別的センシングシステムを概念的に示す図面であり、図６Ｂは、本発明による差別的センシングシステムを示す図面である。差別的センシングとは、通常的なノイズ因子／背景ノイズを減らすことによって、Ｓ／Ｎ比率を低下させるセンシング方式であって、既存の全ての方式は、図６Ａのように実際分析センサーと同じもう一つのレファレンススポット／センサー（同一）を使用し、両センサーから出た結果を分析ツール／電気的回路を使用して分析したので、最小限２個の同一スポット／センサーと得られたシグナルとの差別的増幅／ポスト分析を必要とした。それに比べて、本発明の差別的センシングは、図６Ｂのように一つのセンシングスイッチが、前記従来それぞれ異なる装置が行った機能を何れも行うことによって、小型化が可能であり、最小限の電力を消耗し、高いＳ／Ｎ比率と著しく高い敏感度とが得られる。

図７Ａ及び図７Ｂは、前記図６の差別的センシング結果の一例を概念的に示す図面である。図７Ａは、従来の方式によるものであって、ＤＮＡチップのスポットＡ、Ｂ、Ｃの差別的センシングのために、それぞれスキャナで測定した後にシグナルプロセシングによって各スポットの強度からバックグラウンドスポットＢの強度を差し引いた後に、スポットＡ及びＢの差別的強度を求めたが、図７Ｂは、本発明の方式によるものであって、一センシングスイッチがセンシングプレートの両アームのセンシング量をシーソーのように比較することによって、スポットＡ及びＣの差別的センシングを直ぐに可能にし、通常的なノイズの背景シグナルを自動的に除去する。

図８Ａは、本発明の一具体例によるセンシング回路のうち、‘ＡＮＤ’論理回路を示した図面であり、図８Ｂは、‘ＯＲ’論理回路を示す図面である。図８Ａの‘ＡＮＤ’論理回路では、センシングスイッチ１及び２が何れもオンとなれば（例えば、ＨＰ２及びＨＰ３に感染された場合）、回路のアウトプットもオンとなるが、図８Ｂの‘ＯＲ’論理回路では、センシングスイッチ１または２がオンとなれば（例えば、ＨＰ２またはＨＰ３感染された場合）回路のアウトプットもオンとなる。

図８Ｃは、本発明の一具体例によるセンシング回路のうち、‘ＡＮＤ’及び‘ＯＲ’論理回路が複数個存在して一つの複合回路を構成しているものであって、二つのアウトプット１,２でのオン（１）またはオフ（０）を測定することによって、ＨＰ２及び／またはＨＰ３の感染有無を正確に診断できる。前記図８Ｃのアウトプット信号から診断された結果を下記表１に整理した。

本発明による高敏感性のセンシング論理回路は、既存の装置センサー（ＤＮＡチップ）＋スキャナ／コントローラ＋分析ツール（ＰＣ）を代替できるＬＯＣの画期的なデザインとなることであろう。

本発明のセンシングスイッチの駆動原理を説明すれば、センシングプレートに作用する４個のトルク（トルク＝力Ｘ距離）は、次の通りである。

静電気的または磁気的トルク（Ｍｅ）：センシングプレートの動きを誘発し、電極または磁気発生手段の配置／幾何学、電場または磁場、レセプタの電荷または磁気性ビードに依存する。

慣性トルク（Ｉ）：各加速度に比例して、回転する連結ビームの回転慣性（Ｉ）に依存する。

ダンピングトルク（Ｄ）：回転速度に比例して、ダンピングファクタ（Ｆ）（媒質の粘度、センサー寸法）に依存する。

機械的復元トルク（Ｍｍ）：チルト角に比例して、センサーの材料及び幾何学／デザインに依存する。

前記４個のトルク間の関係式は、次の式１の通りである。

図９Ａ及び図９Ｂは、本発明のさらに他の具体例によるセンシングスイッチの作用トルクを計算するためのスケールを示す図面である。レセプタ結合領域は、８０×３０μｍ^２であり、センサーの材質は、ドーピングされたポリシリコンであり、Ｅ（ヤングの係数）＝１５０Ｇｐａ、ν（ポアソン比率）＝０.２２、ε_ｂ（バッファの相対誘電定数）＝５０、電圧＝１０Ｖである。したがって、正常状態で、下記式１及び式２のような結論を下すことができる。

であれば、

このように、分析解析を通じて設計パラメータ／要求事項を決定でき、何よりも作動如何を判断できる。センサーの応答速度などの動的応答は、全体方程式を解かねばならないが、実行可能性の時点では重要でない。

機械的トルクを下記のように計算すれば（Ｂ.Ｒ.Ｈｏｐｋｉｎｓ，ｄｅｓｉｇｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｈａｆｔｓ ａｎｄ ｂｅａｍｓ，２ｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ参照）、

下記の結果が分かる。

Ｋ（ビームの硬直係数）＝２.２５×１０^−２４ｍ^４、
Ｇ（シア内ビームの弾性係数）＝６１.４７×１０^９Ｎ／ｍ^２
復元トルク＝９.２２×１０^−９Ｎｍ
静電気的トルクは、下記の式の通りである。

静電トルク＝静電力×距離

以下、実施例を通じて本発明をさらに詳細に説明する。これらの実施例は、単に本発明を例示するためのものであるので、本発明の範囲がこれらの実施例によって制限されると解釈されるものではない。

（実施例１）
前記図９に示した本発明のセンシングスイッチを使用して次のような条件でトルクを計算した（Ａ.Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｃｅｐｔｏｒ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｎ ＤＮＡ ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ，Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ２００１，２９，２４，５１６３−５１６８参照）。ミスマッチレセプタに対する８０％の非特異的結合（単一鎖ミスマッチレセプタ、仮説的）、非固定２５−ｍｅｒレセプタＤＮＡ密度＝２×１０^１２分子／ｃｍ^２、完全マッチＤＮＡ（２５−ｍｅｒ）と１００％混成化、レセプタ：５’−ＳＨ−Ｃ６−ＡＧＡＴＣＡＧＴＧＣＧＴＣＴＧＴＡＣＴＡＧＣＡＣＡ−３’
正常状態の分析結果は、次の通りである。

総有効電荷（電荷差）ｑ＝反応表面の面積×分子／面積×電子の数／分子×電荷／電子＝６×１０^−１１Ｃ
電場＝１０Ｖ／（５０×１０μｍ）＝２×１０^５Ｎ／Ｃ
Ｆｅ＝１.２×１０^−５Ｎ
したがって、下記のように、静電気的トルクは、機械的復元トルクより小さくて、センサーは、動かない。

静電トルク（＝Ｆｅ×４０μｍ＝４.８×１０^−１０Ｎｍ）＜復元トルク（＝９.２２×１０^−９Ｎｍ）
もし、前記実施例で幾つかのデザイン／実験を変形させれば、次のように異なる結果が出る。

第一に、もし、電圧を２００Ｖに高めれば、下記のような結果となる。

静電トルク＝９.６×１０^−９Ｎｍ＞９.２２×１０^−９Ｎｍ（復元トルク）
オキシド絶縁層を有する電極が加水分解を妨害する。理論的に、電圧がｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ（Ｏｘｉｄｅ＞１０ＭＶ／ｃｍ、ｌｉｑｕｉｄ〜１ＭＶ／ｃｍ）（〜１０００Ｖ／１０μｍ ｉｎ ｏｕｒ ｃａｓｅ）まで上昇できる。前記電圧上昇によって、静電気的トルクは、機械的復元トルクより大きくなって、スイッチが動く。

第二に、もし、ＲＣＡを利用してｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｃｈａｒｇｅｓを増大させれば、１００ ｔｉｍｅｓ ｒｏｌｌｉｎｇ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ（ｆｅｗ ｍｉｎｕｔｅｓ）となり、静電気的トルクが下記のように機械的復元トルクより大きくなって、センサーが動く。

静電トルク＝４８×１０^−９Ｎｍ＞９.２２×１０^−９Ｎｍ（復元トルク）
第三に、ビーム設計及び物質を変形すれば、さらに低いヤングの係数とさらに長いビーム長が得られる。これにより、静電気的トルクに比べて、機械的復元トルクを低めてスイッチを動くようにできる。

（実施例２）
図１０の本発明によるセンシングスイッチが実際スイッチの役割を行えるか否かを調べるために、核酸を生分子として使用してシミュレーション実験を行った（Ａ.Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｃｅｐｔｏｒ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｎ ＤＮＡ ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ，Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ２００１，２９，２４，５１６３−５１６８参照）。シミュレーションツールとしてＡＮＳＹＳ ８.０（ＡＮＳＹＳ社製、ＵＳＡ）を使用し、シミュレーション条件は、次の通りであった。構成要素：シェル９３（大きく反るのに適合）、ビーム物質：金、ヤングの係数＝７５ＧＰａ（シリコン〜１６９ＧＰａ）、ポアソン比率＝０.４２、密度＝１.９３２×１０^４ｋｇ／ｍ^３（シリコン〜２.３３×１０^３ｋｇ／ｍ^３）、ビームの厚さ＝１μｍ、相対誘電率＝８０（実験バッファ溶液）、二つの電極間の間隔＝１００μｍ、印加電圧＝１０Ｖ、非固定２５−ｍｅｒリセプタＤＮＡ密度＝２×１０^１２分子／ｃｍ^２、完全マッチＤＮＡ（２５−ｍｅｒ）と１００％混成化、リセプタ：５’ＳＨ−Ｃ６−ＡＧＡＴＣＡＧＴＧＣＧＴＣＴＧＴＡＣＴＡＧＣＡＣＡ３’。ビーム（プレートのアーム）の数によって、下記表２のように異なるデザインを適用した。そのシミュレーション結果を図１１Ａ（ビームが３個）及び図１１Ｂ（ビームが６個）に示した（エッチホール：５μｍ×５μｍ、ホール間の距離：５μｍ）。シミュレーション結果から分かるように、与えられた条件で十分に反って、二つの電極を連結させてスイッチの役割を行えるということが分かる。

（実施例３）
図２に示した装置において、レセプタとリガンドとの結合力よりは弱く、スイッチを動かすのに十分な力が磁気性ビードと磁場発生手段との間で発生するか否かを調べた。

磁気性ビードとしてＢｉｏＭａｇ(登録商標)ＢＭ５５１を使用した。前記磁気性ビードは、リガンドとしてストレプタビジンが表面に固定されている。また、磁気発生装置としてネオジウム磁石を使用した。前記磁気性ビード及びネオジウム磁石の特性は、次の通りである：Ｂｒ＝１.２２ Ｔｅｓｌａ、μ_０＝１.２６×１０^−６Ｈ／ｍ、磁気性質量敏感度＝２.５４×１０^−３ｍ^３／ｋｇ、密度＝１.７０×１０^３ｋｇ／ｍ^３、磁気性敏感度＝４.３１、ビード径＝１.５０×１０^−６ｍ、Ｖ＝１.７７×１０^−１８ｍ^３、Ｌ＿マグネット＝０.００３ｍ。

前記値及び式８を利用して、磁気性ビードと磁気発生手段との間の距離による力を計算した。

前記計算結果を図１２に示した。図１２に示したように、例えば、１ｍｍの距離で９０ｐＮ／μｍ^２の値を有した。

一方、ストレプタビジンとバイオチンとの相互結合力は、２６０±２０ｐＮと知られている（Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ ８５４，６７２−６８０，１９９７）。

前記結果から本発明によるセンシングスイッチにおいて、レセプタとリガンドとの結合力（２６０±２０ｐＮ）よりは弱くて、その結合を妨害せずとも、スイッチを動かすのに十分な力（９０ｐＮ）が磁気性ビードと磁場発生手段との間で発生するということが分かる。

（実施例４）
図２の本発明によるセンシングスイッチが実際スイッチの役割を行えるか否かを調べるために、実施例２の方法を応用してシミュレーション実験を行った。図１３Ａは、図２のセンシングスイッチのシミュレーションに使用したセンシングプレートのスケールを示す図面である。シミュレーション条件は、次の通りであった：センシングプレートの厚さは３μｍであり、材質はシリコン（単結晶、ヤングの係数＝１６９ＧＰａ、密度＝２３３０ｋｇ／ｍ^３）である。

前記条件で計算した結果、圧力は、０.１×９０Ｎ／ｍ^２＝９Ｐａであった。前記圧力を基準として、センシングプレートが十分に反って、一対のスイッチング電極を連結させうるセンシングプレートとスイッチング電極との間の距離を計算した。センシングプレートの断面の１０％ほど磁気性ビードが結合すると仮定した。図１３Ｂは、前記シミュレーション結果を示す図面である。

前記結果から、センシングプレートとスイッチング電極との距離は、１８０μｍ以下となって初めて、磁場の印加時にセンシングプレートがスイッチング電極に連結されうるということが分かった。

また、センシングプレート自体及び磁気性ビードの重さによって、前記センシングプレートが下側に反って、磁場を印加させない時にも、スイッチング電極に連結されるか否かを調べた。センシングプレートの断面の全体、すなわち、１００％に磁気性ビードが結合すると仮定した。図１３Ｃは、前記シミュレーション結果を示す図面である。

前記結果から、センシングプレートとスイッチング電極との間の距離は、１.６μｍ以上となれば、磁場比の印加時にセンシングプレートがスイッチング電極に連結されないということが分かった。

すなわち、前記センシングプレートがスイッチの役割を行えるためのセンシングプレートとスイッチング電極との間の距離は、１.６〜１８０μｍであることが確認できる。

（実施例５）
図２の本発明によるセンシングスイッチを半導体工程技術を応用して実際に製造した。

図１４は、図２の本発明によるセンシングスイッチの製造工程を概念的に示す図面である。

図１４を参照すれば、センシングプレートを製造するために、まず、ＳＯＩウェーハ２１上に酸化層２２を設け、その上に再びＳＯＩウェーハ２３を積層する。ＳＯＩウェーハ２１の表面にＰＲ ２４をコーティングして、マスク１を利用して通常的な方法でＳＯＩウェーハ２１をエッチングする（ステップ（ａ））。次いで、逆方向のＳＯＩウェーハ２３の表面にＰＲ ２５をコーティングして、マスク２を利用して通常的な方法でＳＯＩウェーハ２３をエッチングする（ステップ（ｂ））。以後、ＳＯＩウェーハ２３の方向で露出された酸化層２２をエッチングしてセンシングプレートを製造する（ステップ（ｃ））。

次いで、ｐｏｌｙ−Ｓｉ ２７をコーティングして、マスク３を利用して酸化層２６をエッチングし（ステップ（ｄ））、マスク４を利用して一対のスイッチング電極２９とそれに連結されたコンタクトパッドとをパターニングする（ステップ（ｅ））。

前記で製造された基板及びセンシングスイッチを結合する（ステップ（ｆ））。図１４のステップ（ｆ）に示されたセンシングスイッチは、図２のものと対応し、その識別番号を図２と一致させて表した。

図１５Ａ及び図１５Ｂは、前記工程を通じて製造されたセンシングスイッチのセンシングプレートを拡大したＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）写真を示す図である。

（実施例６）
実施例５で製作したセンシングスイッチが実際に検出機能を行うか否かを確認した。

磁気性ビードとしてＢｉｏＭａｇ(登録商標)ＢＭ５５１を使用した。前記磁気性ビードは、リガンドとしてストレプタビジンが表面に固定されている。磁気発生装置としてネオジウム磁石を使用した。一対のスイッチング電極には、１Ｖの直流電圧を印加した。

センシングプレートの末端の上面に位置したレセプタ結合領域にバイオチンを結合した場合とそうでない場合とに分けて、実験を行った。

その結果を図１６に示した。図１６から、バイオチンがセンシングプレートのレセプタ結合領域に結合した場合、磁場を作動させれば、電流が流れるが、バイオチンが結合しない場合、電流が流れないということが分かる。したがって、本発明によるセンシングスイッチは、レセプタの検出を効果的に行えることを確認した。

本発明は、図面及び実施例を参考として説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であるということが分かる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されねばならない。

本発明は、生分子または化学物質の検出装置関連の技術分野に適用可能である。

本発明の一具体例によるセンシングスイッチ（カンチレバー）の正面図である。 本発明の他の具体例によるセンシングスイッチ（カンチレバー）の分解斜視図である。 本発明のさらに他の具体例によるセンシングスイッチ（シーソー型レバー）の正面図である。 センシングによってスイッチが作動されることを示す図面である。 本発明のさらに他の具体例によるセンシングスイッチ（シーソー型レバー）の斜視図である。 図３のセンシングスイッチのオン状態を示す概念図である 図３のセンシングスイッチのオフ状態を示す概念図である。 既存方式のＤＮＡチップ検出システムを概念的に示す図面である。 本発明によるＤＮＡチップ検出システムを概念的に示す図面である。 従来方式の差別的なセンシングシステムを概念的に示す図面である。 本発明による差別的なセンシングシステムを示す図面である。 図６の差別的なセンシング結果の一例を概念的に示す図面である。 図６の差別的なセンシング結果の一例を概念的に示す図面である。 本発明の一具体例によるセンシング回路のうち、‘ＡＮＤ’論理回路を示す図面である。 本発明の一具体例によるセンシング回路のうち、‘ＯＲ’論理回路を示す図面である 本発明の一具体例によるセンシング回路のうち、‘ＡＮＤ’及び‘ＯＲ’論理回路を示す図面である。 図３のセンシングスイッチの作用トルクを計算するためのスケールを示す図面である。 図３のセンシングスイッチの作用トルクを計算するためのスケールを示す図面である。 本発明の一実施例で、センシングスイッチのシミュレーションに使われた装置の概略図である。 本発明によるセンシングスイッチのシミュレーション結果を示す図面である。 本発明によるセンシングスイッチのシミュレーション結果を示す図面である。 図２のセンシングスイッチにおいて、磁気性ビード及び磁気発生手段の距離によるそれらの間に作用する力を示すグラフである。 図２のセンシングスイッチのシミュレーションに使用したセンシングプレートのスケールを示す図面である。 図１３Ａのセンシングプレートを使用して行ったシミュレーション結果を示す図面である。 図１３Ａのセンシングプレートを使用して行ったシミュレーション結果を示す図面である。 図２の本発明によるセンシングスイッチの製造工程を概念的に示す図面である。 図１４の工程を通じて製造されたセンシングスイッチのセンシングプレートを拡大したＳＥＭ写真である。 図１４の工程を通じて製造されたセンシングスイッチのセンシングプレートを拡大したＳＥＭ写真である。 図１５のセンシングスイッチがレセプタを効果的に検出する結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 基板、
２,２’ 支持台、
４ センシングプレート、
５,５’ レセプタ結合領域、
６ 排斥電極、
７,７’，８, ８’ 誘引電極、
９, ９’ スイッチング電極、
１０ ビード、
１１ リガンド、
１２ レセプタ、
１３ 磁場発生手段。

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板上に置かれている支持台と、
   前記支持台の側面から連結された前記基板から一定間隔離隔されて平行に延びているセンシングプレートと、
   前記センシングプレートの末端の上面に位置したレセプタ結合領域と、
   前記レセプタ結合領域に結合されたレセプタが磁気的活性を帯びているリガンドと選択的に結合する場合、前記センシングプレートの反りを誘導する磁場発生手段と、
   前記センシングプレートの反りによってセンシングプレートが前記基板についた時に連結されうる互いに一定間隔離隔されている一対のスイッチング電極と、を備えるセンシングスイッチ。
2. 基板と、
   前記基板上に置かれた支持台と、
   前記支持台の側面から連結した前記基板から一定間隔離隔されて平行に延びているセンシングプレートと、
   前記センシングプレートの末端の上面に位置したレセプタ結合領域と、
   リガンドを通じて前記レセプタ結合領域に結合したレセプタと選択的に結合する磁気性ビードと、
   前記センシングプレートの下に位置した磁場発生手段と、
   前記発生した磁場によってセンシングプレートが前記基板についた時に連結されうる互いに一定間隔離隔された一対のスイッチング電極と、を備えるセンシングスイッチ。
3. 前記リガンドは、レセプタと選択的に結合する核酸、蛋白質、ペプチド、抗体、抗原、ポリマー、液相または気相の化学物質であることを特徴とする請求項１または２に記載のセンシングスイッチ。
4. 前記磁気性ビードには、レセプタと選択的に結合するリガンド、または前記リガンドと選択的に結合する２次レセプタが付着されていることを特徴とする請求項２に記載のセンシングスイッチ。
5. 前記センシングプレートは、前記基板上に置かれている二つの支持台を連結する連結ビームの中央から両側に、前記基板から一定間隔離隔されて平行に延びており、前記センシングプレートの両アームの上面に二つのレセプタ結合領域が存在することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のセンシングスイッチ。
6. 前記二つのレセプタ結合領域に異なる種類のレセプタが固定化されていることを特徴とする請求項５に記載のセンシングスイッチ。
7. 請求項１ないし６のうち何れか１項に記載のセンシングスイッチにおいて、複数のセンシングスイッチが直列及び並列、直列または並列に連結されて‘ＡＮＤ’及び ‘ＯＲ’、‘ＡＮＤ’または‘ＯＲ’の論理回路を構成するセンシング回路。
8. 前記‘ＡＮＤ’及び‘ＯＲ’、‘ＡＮＤ’または‘ＯＲ’の論理回路を経て出るアウトプット信号を見て、複数のリガンドに対する検出及び分析を同時に行うことを特徴とする請求項７に記載のセンシング回路。
9. レセプタと選択的に結合するリガンド、または前記リガンドと選択的に結合する２次レセプタに磁気性ビードを付着させるステップと、
   請求項２または５に記載のセンシングスイッチのレセプタ結合領域に固定されたレセプタに前記磁気性ビードが付着されたリガンドまたは２次レセプタを導入するステップと、
   前記リガンドとレセプタとの選択的結合反応によって磁気性ビードをレセプタ結合領域に付着させるステップと、
   結合反応に参与しない磁気性ビード付着のリガンドまたは２次レセプタを除去するステップと、
   センシングプレートの下に位置した磁場発生手段から磁場を発生させるステップと、
   前記磁場によってセンシングプレートが上下移動して前記基板上の一対のスイッチング電極を開閉させるステップと、
   前記スイッチング電極間の電流流れの有無を測定するステップと、を含むリガンド結合如何の検出方法。
10. 前記センシングスイッチの二つのレセプタ結合領域に異なる種類のレセプタが固定化されて、異なるリガンド間の差別的な結合如何を検出することを特徴とする請求項９に記載のリガンド結合如何の検出方法。