JP2004004064A - 分子検出の為の光学的方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分子構造を簡単に検出する為の安全で、低コストで、迅速かつ正確な方法と装置を提供する。
【解決手段】下記の要件を具備する装置。ａ）試料物質を受け入れる為の基板上に形成されたテスト部位アレー、ｂ）分子構造に結合する為のテスト部位に形成されたプローブであって、異なったテスト部位のプローブは該当の予め定められた分子構造との結合の為に異なった構造であるプローブ、及び、ｃ）多数の検出器を持つ検出器アレーを備える。各検出器は該当のテスト部位に隣接して配置され、しかも放射は上記テスト部位を通って伝播し、且つ結合されたプローブを持つ部位ではプローブの結合されていないテスト部位とは異なった度合いで吸収され、さらに、この吸収度合いの差異は上記検出器により感知されて試料物質内の分子構造の存在を特定する為の信号を発信するために使用されている。
【選択図】　　　　図１５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分子構造の存在を検出する為の方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くの用途に於いて、試料中の一つ又は複数の分子構造の存在を検出する必要が生まれる。
分子レベルの構造は、一般的に細胞、抗体および抗抗体の如きリガンドを含む。リガンドは、特定のレセプターにより確認される分子である。リガンドは、下記に限定されることはないが、細胞膜レセプター、毒素（ｔｏｘｉｎｓ）、毒液（ｖｅｎｏｍｓ）、オリゴ糖、蛋白質、バクテリアおよび単クロナール抗体に対する作用物質ならびに拮抗物質を含むことが出来る。例えば、ＤＮＡ又はＲＮＡ塩基配列（ｓｅｑｕｅｎｃｅ）分析は、遺伝学的および疾病の診断、毒物学テスト、遺伝研究、農業および医薬品の開発に極めて有用である。同様に、細胞および抗体検出は、疾病の診断にとって重要である。
【０００３】
分子構造検出に対しては、多くの技法が開発されている。ＤＮＡおよびＲＮＡ塩基配列検出に於いては、オートラジオグラフィーと光学的検出が一般に使用される。オートラジオグラフィーは、^３２Ｐ又は^３５Ｓを用いて実施されている。ＤＮＡ塩基配列分析では、核酸断片が^３２Ｐにより最終的に標識を与えられる。これらの最終的に標識を与えられた断片は、サイズ別に分離され、次に特定の時間にわたってＸ線フィルムを感光させる。フィルムの感光量はフィルムの領域に隣接する放射能に直接関係する。
【０００４】
どのような放射性の標識の使用にも幾つかの短所がある。第一に、長時間に放射性元素を被ばくすることにより、遺伝病、例えば癌を発生するリスクを高める。従って、放射線の被ばく度を抑制するために、放射性マーカ又は標識を用いる際には予防策が実施されねばならない。通常作業者は、放射線の被ばくを連続的に監視する為の装置を着用せねばならない。更に妊婦は、胎児の遺伝学的な突然変異を防止する為の措置を補足的に施されねばならない。
【０００５】
従来の放射性検出方式は、時間的かつ空間的に感度を制限されている。現在放射性標識の使用時の空間的分解能は１ｍｍである。分解能を１ｍｍ以下に引き下げるには、ハード及びソフトウエアが追加的に必要となる。
【０００６】
オートラジオグラフィックフィルムを用いる検出の感度は、放射性標識を持つ断片がフィルムを感光させる時間の長さに直接関係する。従ってフィルムの感光時間は、検出テスト部位内の放射能レベルによって時間単位から日数単位にまたがることがある。βスキャナは、ラジオグラフィー中のフィルム感光に必要な時間を大幅に短縮することが出来る。しかし、βスキャナの使用は、このタイプの検出の為のコストを著しく引き上げるし、本質的に空間的分解能は低い。
【０００７】
蛍光標識を持つレセプターの光学的検出も、分子結合の検出に使用されてきた。ＤＮＡ塩基配列分析のために簡単には、塩基用の特殊な蛍光染料が、オリゴヌクレオチドプライマ（ｏｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ　ｐｒｉｍｅｒｓ）又はＤＮＡ重合酵素に伴って用いられる読み終りジデオキシヌクレオチド（ｄｉｄｅｏｘｙｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｓ）に共有結合される。各染料に対する適切な吸収波長が選ばれて、染色を励起する為に使用される。染料の吸収スペクトルが互いに接近している時には、全ての染料を励起する為の特定の波長が選ばれる。
【０００８】
特定の光学検出技法においては、二重鎖の核酸を染める染料、例えば臭化エチジウムを使用する。これらの染料の蛍光は、それが二重鎖のＤＮＡ又はＲＮＡに結合される時には、結合されぬ染料又は一本鎖ＤＮＡに結合された染料の示す蛍光に比較して約２０倍の高さを示す。このタイプの染料はハイブリッド形成（ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ）実験中にハイブリッド化されたＤＮＡ（又はＲＮＡ）の存在を検出する為に用いられる。従来の光学検出法の使用は塩基配列決定の実験の能率を高められるが、それには大きな短所を伴う。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、分子構造を簡単に検出する為の安全で、低コストで、迅速かつ正確な方法と装置の必要性が業界の中に高まっていた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、予め定められたテスト部位での分子構造の存在を検出する為の方法および装置が提供され、しかもこれは公知の装置に付随した短所および問題を十分に解消し又は防止する。
【００１１】
本発明の電気的な実施例に於いては、分子構造を持つ物質が多数のテスト部位に用いられ、各テスト部位は既知の分子構造に結合することの出来るプローブをその中に形成されている。電気信号がテスト部位に与えられ、テスト部位の電気的特性は、プローブが付随の分子構造に又は付随の分子構造と共に結合（ハイブリッド化）したかを判定する為に検出される。
【００１２】
テスト部位は、超大規模集積（ｖｅｒｙ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）（ＶＬＳＩ）回路法により、半導体チップ若しくはウエハ上又はそれらの中に形成されたモノリシック構造である。これにより、十分に安価で使い捨ての可能な低コスト、小型のテスト装置が出来る。
【００１３】
本発明の一実施例によれば、テスト部位に形成されたコンデンサの損失の変化を感知し、又はハイブリッド化された分子が存在する時のテスト部位の交流コンダクタンスの変化を感知することにより、ハイブリッド化された分子を検出することが出来る。或は上記に代わり、各テスト部位の２つの電極の間に通電ラインを形成することにより、ハイブリッド化される分子の存在は、テスト部位に於けるハイブリッド化される分子の形成に付随するＲＦ損失を測定することにより検出することが出来る。
【００１４】
別の実施例に於いては、各テスト部位に微細機械加工を施された共振器が形成され、共振器のハイブリッド化された分子の形成により生じる共振周波数の変化又はＱ（Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｆａｃｔｏｒ）の変化が、何れの部位がハイブリッド化された分子を含むかを調べる為に測定され得る。
【００１５】
上記に代わる本発明の光学的な実施例では、電荷結合素子（ＣＣＤ）アレーが設けられ、ＣＣＤアレーの各電極が隣接する適切なテスト部位に整合せしめられる。ハイブリッド化された分子を持つテスト部位の照射光の吸収の増大による光の減衰が、ハイブリッド化された分子を持つ部位を知る為に用いられる。ＣＣＤアレーは、それを用いるテスト部位アレーに一体化されることが出来る。上述の代わりに、テスト部位アレーは別個の使い捨ての可能なプレートとすることも出来る。
【００１６】
各テスト部位内でのプローブはすべて同じであるが、しかしテスト部位毎では異なっている。ＤＮＡ又はＲＮＡ塩基配列テストの為の試片は一般にオリゴヌクレオチド鎖を以って形成されている。本発明の別の実施例によれば、プローブ鎖の各々をカスタム化し又は識別できるように、各テスト部位のマイクロアレーの局所的な感作又はオリゴヌクレオチド鎖の局所的な合成の為の光学的直接パターニングシステムが用いられる。
記載の発明の性格および長所は後述の明細書および添付の図面から更に理解することが出来る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
Ｉ．システムの全容
本発明の好ましい実施例およびその長所は、各種の図面の類似および該当の部分に対しては同じ番号の使用されている図面の図１−４および４Ａ−４Ｃを参照することにより理解することが出来る。
【００１８】
図１はＲＮＡおよびＤＮＡ塩基配列決定に関連して用いられる本発明の好ましい実施例を示す。下記の如く本発明は細胞検出および抗体検出又はあらゆるハイブリッド化された分子の検出に用いることも出来る。
【００１９】
シーケンサ１０は、Ｘ軸上の通電リードＸ１，Ｘ２，Ｘ３−−−ＸＮ、Ｙ軸上の通電リードＹ１，Ｙ２，Ｙ３−−−ＹＮにより電子的にアドレス可能なテスト位置１２のＸ−Ｙアレーを含む。各Ｘ−ラインを連続的にアドレスする為のＸ−論理回路３６が検出および確認回路４０に結合されている。類似の回路５６はＹ−ラインＹ１−−−ＹＮに結合される。アレー１０、ＸおよびＹ論理回路３６，５６ならびに回路４０は、コストの兼ね合いによって単一半導体チップにより実施されることが出来る。
【００２０】
下記に詳述されるテスト部位１２は、半導体フォトリソグラフィックプロセッシング技術を用い半導体ウエハに形成される。各テスト部位は多数のプローブ２２（図４を参照）を備えており、且つこれらは既知の分子構造（以下“ターゲット”と称す）に結合されることが出来る。ターゲットには、例えば、ポリヌクレオチド、ＤＮＡ、ＲＮＡ、細胞、抗体又は抗抗体の如きバイオポリマが含まれることが出来るであろう。ＲＮＡ又はＤＮＡシーケンサの場合には、合成プローブは、例えばオリゴヌクレオチドを含むことが出来る。特定のテスト部位でのすべてのプローブは同じである。しかし、それぞれのテスト部位１２のプローブは、単一アレー１０の中で異なった多数のターゲット（又はターゲット分子の中のサブシーケンス）の同時検出の為に、ある既知のシーケンスで異なっている。
【００２１】
電解溶液１８中にターゲットを含む試料物質が、アレー１０に注がれる時に、ターゲットは、各テスト部位１２に形成された多数の凹部４２の中の付随のプローブ２２と結合する。充分な結合時間を経た後、アレー１０の表面が水洗いされることにより、余剰のターゲット又は他の結合されなかった分子構造が取り除かれる。残りのターゲット構造の大部分は、特定のテスト部位１２に於いて、微細加工を施されたアレー１０に設定されたプローブに結合する。次に、各テスト部位１２は、論理回路３６及び５６により電子的に点検され、ターゲットが当該テスト部位に結合したか否かが確かめられる。ターゲットを結合した、即ちハイブリッド化した分子を持つテスト部位は、電気的パラメータを変化させている筈であるから、この変化がＸ及びＹリードによりテスト部位に接続された検出回路４０により、検出されることが出来る。この様に電子アドレス動作により、特定のターゲット／プローブ結合の検出が、微細加工されたアレー１０の中の各テスト部位１２に於いて果たされ、これにより洗滌後に残るターゲットの組成を求めることが出来る。
【００２２】
ＤＮＡ塩基配列決定の例に対しては、識別回路４０は、この回路により検出されたターゲット（核酸）の組成に基づいて、図２１に関連して記載された塩基配列分析を実施する。
注：回路４０は、例えば、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）又はアクティブマトリクス液晶ディスプレイ（ＡＭＬＣＤ）装置をアドレスする際に用いられる行及び列アドレス技法を用いて、トランジスタスイッチ（図示されていない）により、テスト部位に接続されるのが望ましい。
【００２３】
ＩＩ．テスト部位
テスト部位１２は、好ましくは単結晶シリコン、若しくはガラス、石英、アルミナ等の如き均等物であるウエハ又は基板３４上のモノリシック構造として形成されるのが好ましい。最初に、リードＲＸ１，ＲＸ２，ＲＸ３−−−−ＲＸＮ及びＲＹ１，ＲＹ２，ＲＹ３−−−−ＲＹＮ（図１に示された如き）に接続されたＸおよびＹ抵抗３２のオプション抵抗アレーが、基板３４上への適切な材質の金属蒸着又はスパッタリングにより形成されることが出来る。リードは、或る一端に於いて、各テスト部位の下に部位するニクロム、タングステン、又はプラチナの如き抵抗性材料を使用した抵抗３２に、又他端では、後述されるプローブ合成目的の為に、Ｘ−抵抗−論理回路３８及びＹ−抵抗−論理回路５８に夫々接続される。
【００２４】
或は、上記の代わりに、抵抗３２は、ドーピングされたポリシリコン、又は、タングステン若しくはタンタル若しくはプラチナのケイ化物又は窒化物又は酸化窒化物を、公知の技法、例えば化学蒸着（ＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、金属有機ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）又は類似の半導体プロセスを用いて付着することにより、形成されることが出来る。
【００２５】
次に、図５Ａ−５Ｄに示すように、抵抗３２並びに抵抗ＲＸ及びＲＹアドレスラインが形成された後、厚い（約５０００Å）ＳｉＯ_２フィルム５０が、ＣＶＤにより層３２上に形成される。そして、Ｓｉ_３Ｎ_４の如きマスク材料の約５００Åの薄い層２８が次に、例えば化学蒸着（ＣＶＤ）によりＳｉＯ_２フィルム５０上に形成される（図５Ａ）。
注：図５Ａ−５Ｄに於いては、単一のテスト部位１２で占められるウエハ３４の断面が示されているに過ぎない。遥かに多くの、即ち約７百万のかかる部位が、単一の３インチシリコンウエハ上に、公知の技術を用いて製作されテストされることが出来ると理解すべきである。
【００２６】
図５Ａの断面図に示された前駆構造は、次に処理されることにより上及び下の掌状を示す電極構造を形成し、その一部の図３ＩＶ−ＩＶにおける断面が、図４に詳細に示されている。
【００２７】
最初に、約２ミクロン幅の開口５４がＳｉ_３Ｎ_４層２８の中に、フォトリソグラフィー及び反応性イオンエッチングにより形成される（図５Ｂ）。次に、約４０００Åの厚みのＳｉＯ_２層５０が、緩衡処理されたＨＦの如き酸溶液を用いてエッチングされることにより、陥没５４’が形成される（図５Ｃ）。
【００２８】
次に、上および下の電極２１及び２０が、Ｔｉ２６の接着層（３００Å）の連続的な電子ビーム蒸着に続く２０００Åの接触メタライジング（Ａｕ）１６により、それぞれ形成される。残りのＳｉ_３Ｎ_４フィルム２８の側面エッジは、下側の電極２０のフィンガの幅を決める為の精密セルフアライニングマスクとして使用されることにより、上及び下の電極の間のショートの起こらぬ精密な間隔を定めることが出来ることに、留意が必要である。従って、凹部部位は、低い印加電圧でテストされることが出来る。また、電極は、ターゲットＤＮＡ１８を持つ水性ＤＮＡ溶液の体積に比較して、凹部中の比較的大きな容積を占有する（図４を参照）。上下の電極間の間隔は、ターゲットＤＮＡ分子の長さ（又は溶液中での直径）のオーダであることが肝要である。従って、ターゲットＤＮＡの電極間スペース中の溶液に対する比は高く、これにより、電気計測中のターゲットＤＮＡの有無に対する感度を最大に高めることが出来る。
【００２９】
図３及び図５に示された電極フィンガの長さは、約１００ミクロンであり、又電極のセットの幅は又約１００ミクロンであり、しかも各フィンガは図４に示された如く２ミクロンの幅及び２ミクロンの間隔を持つ。
【００３０】
相互間に掌状化された設計により、多数の周辺電極と試料体積をウエハの小さい面積の中に収めることが可能となる。その“試料”キャパシタンスの部位に引き込まれるリードにより生じる寄生的キャパシタンスに対する比は、高い値を持つ。
【００３１】
次に、図６Ａ−６Ｆの模式的なシーケンス断面図に、テスト部位１２Ａを作る為の上記に代わるプロセスが、関連して記載されている。注：特記されぬ限り、層の厚みは図５Ａ−５Ｄに示された値と同じである。ＳｉＯ_２層５０がＳｉ基板３４上で成長せしめられる（図６Ａ）。ＳｉＯ_２フィルムは、エッチングされることにより、２ミクロンの周期的な間隔を互いの間に持つ２ミクロン幅の凹部５４のアレーが形成される（図６Ｂ）。フォトリソグラフィー及び反応性イオンエッチングが約０．５ミクロンの深さ迄使用されることにより、凹部５４が形成される。約２０００Åのポリシリコンフィルム５１が、例えばＣＶＤにより、ＳｉＯ２層５０上に形成される（図６Ｃ）。凹部の底および表面上のフィルム５１の領域は、ポリシリコン５１の側壁を残して、反応性イオンエッチング（図６Ｄ）により除去される。側壁は、Ｗ、Ｔｉ又はＰｔを用いたケイ化物化により、選択的にメタライジング５１’される（図６Ｅ）。最後に、Ｎｉ又はＡｕ電極６１がケイ化物側壁５１’上に無電解メッキにより形成される（図６Ｆ）。
【００３２】
図６Ｇ及び６Ｈは、夫々図６Ｅ及び６Ｆに代わる実施例である。図６Ｇに於いてはテスト部位の底は、この場合には波形の形成により肌理を与えられることで表面積を増やされる；これに対し図６Ｈに於いては、電極６１及び底壁の両方に波形が形成される。この肌理を与える表面処理により、特定の部位の表面積が増大し、付着するプローブが多くなり従って感度が高まる。
【００３３】
ＩＩＩ．電子ハイブリッド化検出法
Ａ．一般的な方法論
図１−４に記載のセンサアレー１０は、本発明によれば、各テスト部位１２に於けるターゲットＤＮＡ鎖の有無を感知する為のゲノセンサとして使用されることが出来る。
【００３４】
解読テストでは、多数の比較的短いオリゴヌクレオチド鎖（プローブ２２）が各テスト部位１２に於いて成長せしめられ又設置されるが、その際ストランドの一端は部位の一つ又は以上の表面に取り付けられる。特定の部位に於ける全ての鎖のコード化シーケンスは判明しており、且つ同じであるのに対し、各部位のコード化シーケンスは異なっておりアレーに於いて特有である。未知の（ターゲット）ＤＮＡの長い鎖を含む溶液１８がチップ上で洗滌される。理想的には、未知のＤＮＡはその独自のコードシーケンスの一部に対する補体を持つ位置に於いて、オリゴヌクレオチド鎖（ｏｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ　ｓｔｒａｎｄｓ）２２に固く結合するが、他の凹部ではかかる結合は行われない。実際には、結合の弱いターゲットのミスマッチがいくらか起こり得るが、しかし、これらは凹部を、適切なイオン濃度と温度を持つ適切な溶液を用いてリンスすることにより、緩和されることが出来る。従って、リンス後には、アレーの中での多数の凹部は、有意な量の結合又はハイブリッド化されたＤＮＡを含み、その他は水性溶液中に当初のオリゴヌクレオチド鎖を含むに過ぎない。
【００３５】
凹部は、次に、各部位に於いて電極１６及び２０を用いることにより、シーケンスを電気的に調べられる。ハイブリッド化されたＤＮＡを持つ部位は、記録される。例えば、ハイブリッド化されたＤＮＡを持たぬ部位は、かかるＤＮＡを持つものとは異なった電気的性質を持ち、従って記録はされない。水性溶液中のＤＮＡ分子の共振周波数では、溶液の複素比誘電率ε_ｒ＝ε’−ｊε”の虚数部分ε”は、ＤＮＡを持たぬ水性溶液に対する値よりもほぼ１０から１００倍大きい係数となり得る。下記の方法Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥは、各部位１２に於いて、ε”に於けるこの差異を測定又は検出するように設計されている。このデータベースから回路４０に於けるコンピュータ“平行処理（　ｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇ）”又は“ニューラルネットワーク”アルゴリズムは、未知のＤＮＡの全コード化シーケンスを再構築する。
【００３６】
Ｂ．損失係数テスト
図７は結合した（ハイブリッド化した）ＤＮＡ（曲線Ｂ）及び結合せぬＤＮＡ（曲線Ａ）に与えた周波数の対数に対して、損失係数をプロットすることにより、ＤＮＡが結合するか否かによって損失係数Ｄ＝ε”／ε’が如何に相違するかを示す。注：測定された特定の試料によって図７の曲線は逆になる場合がある。即ち曲線Ｂが、結合せぬＤＮＡを示すことがある。損失係数に於けるこの差異は、図１−６に於ける如く形成されたテスト部位に於いて、ハイブリッド化されたＤＮＡの有無を知るのに用いられる。各テスト部位に於ける損失係数は、回路４０内のＬＣＲメータの如き公知の計装により測定される。メータは、論理回路３６及び５６を経由して各部位１２に次々と接続される。
【００３７】
Ｃ．交流コンダクタンステスト
同様に、ハイブリッド化したＤＮＡの有無は、各テスト部位での交流コンダクタンスＧ_ＡＣ＝ε”Ａ／ｄを測定することにより検出することが出来る；ここで、Ａは一つの電極の有効面積であり、ｄは電極間の有効距離である。特定のＤＮＡ分子の弛緩周波数（ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）では、交流コンダクタンスは、ＤＮＡの存在せぬ時のコンダクタンスに比較して１００倍以上も高まる。図９は、このテストが如何に実施されるかを模式的に示している。パルス化された又は周波数走査された波形は、各テスト部位１２Ｂの電極２１Ｂ及び２０Ｂの間に与えられる。プローブ２２が各電極上に形成され、ターゲット分子の水性溶液がテスト部位１２Ｂの凹部４２Ｂの中に形成される。ハイブリッド化したＤＮＡの存在は、図１０に示された如きＤＮＡの共振周波数に於いて検出される。個別の周波数でのＧ又はＲ＝１／Ｇを測定する為に、ＬＣＲメータを用いることが出来る。上記に代わって、図９及び１０に関連して考察された如く、Ｇは周波数の関数として測定されることが出来る。
【００３８】
Ｄ．伝送損失検出テスト
伝送ライン上の信号損失も、又ε”を感知することが出来る。各テスト部位に於いて、Ｘ及びＹライン間に伝送ライン１１を挿入することにより、ＤＮＡの如きハイブリッド化した分子を電気的に検出することは、各テスト部位１２Ａに於いて、ライン１１に沿って通過する電磁波のＲＦ損失をスカラー測定することにより可能である。ライン１１は、ストリップライン（ｓｔｒｉｐｌｉｎｅ）、マイクロストリップ（ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ）、ウエーブガイド（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）、コプラナールウエーブガイド（ｃｏｐｌａｎａｒ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）、スロットライン（ｓｌｏｔｌｉｎｅ）又はコアキシャルライン（ｃｏａｘｉａｌ　ｌｉｎｅ）の超小型のものを含むことが出来る。この方法での感度を最高にする為に、テスト部位の凹部４２Ａは、図４の凹部よりも幅及び／又は長さを比較的大きくされ、且つ凹部内の伝送ラインの長さは、それを蛇行せしめることにより最大にされる。
【００３９】
Ｅ．パルス及びチャープ（Ｃｈｉｒｐ）検出法
図１１に示された如く，周波数走査された或はチャープされた電圧波形Ｖｉが、各テスト部位に於いて電極間に印加され、且つ生じた応答波形Ｖ_ｏ（周波数が増大するか減少するかにより図１２又は図１３）が解析され、ハイブリッド化したＤＮＡ周波数でのピーク値が示されることで、ハイブリッド化したＤＮＡの存在が求められる。周波数走査された波型を用いたハイブリッド化したＤＮＡの弛緩周波数の測定により、ハイブリッド化したＤＮＡの性質に関する補足的な情報、例えば架橋結合したか否かを得ることが出来る。
【００４０】
Ｆ．微細機構的共振器検出法
この実施例に於いては、図１４に示された如き、シリコンウエハ３４Ｃに形成されたテスト部位に、多数の機械的共振構造が形成される。共振構造は、ウエハの平面内のＸ方向に延びる下側の金属センサ電極２０Ｃ、及びＹ方向に延びるタンタルの如き金属又は窒化ケイ素を用いることが好ましい上側の薄膜共振フィルム２１を持つ。通常薄膜サイズは、直径又は幅／長さに於いて約１００ミクロンである。空気であることが好ましい誘電体ギャップ６０が、上下の薄膜２１Ｃと２０Ｃとの間に形成される。
【００４１】
テスト部位の凹部４２Ｃは薄膜１６Ｃ上に、又、プローブ２２Ｃは凹部の表面に形成される。ターゲットＤＮＡ溶液１８Ｃは、テスト凹部４２Ｃに供給される。上下の電極１６Ｃおよび２０Ｃの間の機械的空洞６０が共振器を形成する。この共振器はキロヘルツからマルチメガヘルツの範囲内で共振周波数を持ち、共振線幅は狭い。
【００４２】
共振器を横切って伝播するＲＦ信号は、ライン幅の狭い特徴的な高Ｑレスポンスを生じる。Ｑ又は共振周波数への移行は、共振器表面電極薄膜２１Ｃ上にハイブリッド化した分子が存在することを示す。
【００４３】
薄膜電極２１Ｃは、化学蒸着法を用い窒化ケイ素の薄膜を以って構成されることが出来るが、この場合に、シリコン対窒素の比は充分コントロールされ、且つ室温迄冷却された時のフィルム張力を調節する為に、昇温はコントロールされることが必要である。薄膜はパターン化されていないシリコンウエハ上に形成され、次に背面からシリコンウインドー（ｓｉｌｉｃｏｎ　ｗｉｎｄｏｗ）をエッチングで作ることにより分離されて独立構造となる。機械的共振器の例及び上記の用途の構造の詳細は、Ｂｕｓｅｒ　ｅｔ　ａｌ．“Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｂａｓｅｄ　Ｏｎ　ａ　Ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ　Ｅｌｅｍｅｎｔ”Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，　Ａ，　２５−２７　（１９９１）　７１７−７２２及び　Ｐｒａｂ　ｅｔ　ａｌ．“Ｑ−Ｆａｃｔｏｒ　ａｎｄ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｈｉｆｔ　ｏｆ　Ｒｅｓｏｎａｔｉｎｇ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｄｉａｐｈｒａｇｍｓ　ｉｎ　Ａｉｒ”Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ，　２５−２７　（１９９１）　６７１−６９８から知ることが出来る。
【００４４】
Ｈ．表面弾性波又は電磁波検出法
同様のクラスの共振アレー検出器は、例えば表面弾性波（ＳＡＷ）又は表面電磁波に用いることで、表面波素子により構成されることが出来る。ＳＡＷ検出器の場合には図２３に示される如く、共振構造７００は音響変換器７０２及びＳＡＷ反射器７０４を用いて形成される。波源７０８からの走査された周波数の波Ｗは、音響媒体７０６（出来ればニオブ酸リチウム又は石英結晶）を通して発射される。反射器７０４は独立した空洞共振を誘発し、且つこの共振は、メータ７０に於いて、変換器で消費された電力を計測することにより検出される。テスト部位７１２は、媒体上に形成される。
【００４５】
各部位には付随の変換器及び反射器を備えることが出来、或はマルチプレクサ（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）が複数基板の上に形成されることにより単独変換器を複数の部位に接続することが出来る。ターゲット／プローブ対を結合された部位は、共振周波数を移行させる。従って、プローブが結合している部位は検出することが可能となる。変換器７０２は、リチウムニオベート結晶基板７０６上に蒸着された相互に掌状化したアルミニウム薄膜構造を持つことが出来る。反射器７０４は、アルミニウム薄膜格子の構造を持つことが出来る。これらの構造をパターン化するには、標準のフォトリソグラフィー及び蒸着を用いることが出来る。
【００４６】
上記に代わり、テスト部位を通過した後のＳＡＷ波の位相は、伝送ラインの中で基板の中に形成された基準伝送ラインに比較され、且つ結合により生じた移相が何れの部位に結合分子があるかを判定する為に用いられる。
【００４７】
ＩＶ．光学的ハイブリッド化検出法
Ａ．モノリス的に集積化されたＣＣＤイメージ／読み取り
次に、図１５の概略断面図によれば、発明の別の実施例が示されているが、しかしこれはテスト凹部の中のハイブリッド化した分子の有無を検出する為に、モノリシックに集積化された電荷結合素子（ＣＣＤ）センサによる光学的検出を用いる。
【００４８】
ＣＣＤのアレー２００は、結像機能を果たす為にシリコンウエハ２１２上の集積回路として形成される。ＣＣＤアレー２００は、光子（ｈυ）がハイブリッド化していないテスト部位２１８Ａ上で跳ね返る時の検出器ゲート電極２２０の下に形成された電荷を読み取る。
【００４９】
光の波長（ｈυ）は、ハイブリッド化したＤＮＡの一つの既知の吸収線に合致する如く選ばれる。方法の持つ感度は、ハイブリッド化したＤＮＡの中に選択的に挿入される臭化エチジウムの如き吸収染料を使用することにより高まる。光は、ハイブリッド化していないテスト部位２１８Ａを通過する時には減衰度は比較的少ないが、ハイブリッド化したテスト部位２１８Ｂでは結合分子又は染料により減衰する。
【００５０】
光子は、ハイブリッド化していない壁２１８Ａの下に在る電極２２０の下のシリコンウエファー２１２の中に電荷２２３を誘発する。かかる電荷は、次に公知の方法でＣＣＤアレーから読み取られ、且つ処理されることにより、ハイブリッド化した分子を含むテスト部位が識別される。
【００５１】
図１５のＣＣＤアレーゲノセンサ２００は、Ｓｉエピタキシャルウエハ／基板２１２上のＳｉＯ２のフィールド酸化物（ｆｉｅｌｄ　ｏｘｉｄｅ）層２１４を成長せしめることにより形成される。ＣＣＤゲート電極２２０は、次に酸化物２１４上で、タンタル又はタングステンの金属をスパッタリングすることにより形成される。窒化ケイ素又はガラス、ＳｉＯ２又はポリイミドの如き透光材料を使用することの好ましい誘電体又はポリマ層２１６が、次に電極の上に形成される。次に、凹部２３０が、ゲート電極２２０の直上の層２１６に形成される。凹部は、水性溶液から被ばくすることによるＣＣＤ装置の劣化を防止する為に、窒化ケイ素又は酸化アルミニウムの如き薄い保護層（図示されず）により、不活性化される。標準的なリソグラフィー技法により、ゲートと凹部の部位が整合させられる。
【００５２】
次に、水性テスト溶液２２４を使用する前に各テスト部位２１８を個別化する為に、プローブ（図示されず）が、凹部２３０の中に形成される。
【００５３】
別の実施例に於いてはターゲット分子は、例えば蛍光染料、放射性同位元素又は化学発光の如き公知の標識付けメカニズムの何れかを用いて標識を与えられる。ＣＣＤアレーは、図１５に示された如く、エピタキシャルＳｉ基板２１２、フィールド酸化物２１４、ＣＣＤゲート２２０、誘電体層２１６及び凹部２３０を用いて形成される。
【００５４】
テスト領域には、夫々独特なプローブ（図示されず）及び標識タグを持つターゲットを含むテスト溶液２２４を備える。ターゲットは、蛍光性、化学発光性又は放射性の材料によりタグを施されることが出来る。ハイブリッド化していてタグを備えたＤＮＡを含むテスト部位は放射線を発し、且つこれは、該当のＣＣＤゲート２２０の下の領域内に電荷の集まることにより、検出することが出来る。
【００５５】
標識を持つターゲットの実施例では、アルミニウムにより形成されることの出来るフィルタ２５０又はタングステン金属ゲート又は誘電体複数層干渉フィルタが、凹部２３０及び金属電極２２０の間の誘電体層に形成されるのが望ましい。フィルタ２５０は励起放射線（ｈυ）又はα、β、γ粒子を遮断し、且つ２次放出２４０を通過せしめる構造を持つ。２次放出は、励起により刺激された電子の如き粒子又は光である。化学発光アプローチは、化学エネルギーの電磁放射への変換を使用する。好ましい物質は安定化された１，２−ジオックスエタン（ｄｉｏｘｅｔａｎｅｓ）である。他の化学発光様式とは異なり、酵素を触媒とする１，２−ジオックスエタン誘導体は、時間単位から日数単位の期間にわたり続くことのある光線信号を発することがある。放射される光の波長は４７７ｍｍの近傍であり、放射はｐＨをコントロールすることによりコントロールされることが出来る。４７７ｍｍでは用いられるべきＣＣＤの量子効率は約１３％に過ぎない；従ってケミルミネッセント信号は増幅されねばならぬ場合である。増幅の方法には、水溶巨大分子（例えば牛血清アルブミン）を加えて化学発光信号を増幅する手段が含まれる。
【００５６】
１，２−ジオックスエタンを用いることに対する利点は数多い。放射線を被ばくせぬことの外に、この方法は実施が比較的簡単である（試薬および機器が高価ではない）。最後にこの方法のバックグラウンドノイズレベルは低く、且つ可動範囲は広い。
【００５７】
上記に代わる図１６に示された如き２ピース方式に於いては、プローブ部位アレー２００’は、例えば１０ミルの厚みのパイレックス（登録商標）プレート２７０の如き別個の薄い透明基板上に形成されている。この別個のプレートには、別個のプローブプレートを別個のＣＣＤアレー２６０上に自動的に正確に重ねることを可能にする為に、エッチング又はプリントされた格子（図示されていない）の如き精密な位置合わせ機能をマーキングされる。プローブプレートの各アレー部位は、それぞれに特定のプローブにより増感される。
【００５８】
ＣＣＤアレーは、次に図１５のブロッキングフィルタ２５０を用い又は用いることなく製作される。或る実施例に於いてはＣＣＤ上にプレートの像を形成する為のレンズを用いることなしに、ＣＣＤアレー上の見当合わせされた近接部位にプローブプレートをセットすることにより、分析が行われる。プレートの照射は、図１５に関連する上記に於いて考察された実施例の何れの場合とも同様である。別の代案方式は、別個のプローブプレート２００　’をレンズを用いて、ＣＣＤアレー２６０上に像を結ばせるものである。この方法によれば、２次蛍光が用いられる場合に対しては、プレートとＣＣＤアレーとの間の切り離しを大きくされることが可能であり、又プローブプレートを斜めに励起することにより、励起と蛍光の分離も可能となる。画像形成時の拡大又は縮小が可能である為に、プローブプレート寸法はＣＣＤとは別個に最適化されることが出来る。
【００５９】
これらの形状の何れに対しても、プローブアレーのモニターに用いられるＣＣＤ装置は従来のタイプで、且つ紫外線及び可視スペクトラムに対して感度を発揮するものであり得る。上記に代わるアプローチは、ケイ化プラチナ又はケイ化イリジウム赤外イメージャー（ｉｍａｇｅｒ）の如き赤外感熱アレー検出器を使用することである。後者を用いる方法によれば、ハイブリッド化又は抗体反応の如き生化学反応中のプローブアレーから発せられる熱を直接モニターすることが可能である。ＤＮＡのハイブリッド化及び他の発熱反応は、反応中の熱特性により直接検出することが可能である。物体（例えばハイブリッド化したＤＮＡ）の赤外伝達および反射の性質は、物体の分子の赤外線作用による振動及び回転モードに起因する新たな吸収性を持つ新しい分子の結合体の形成のもたらす反応体とは明確に識別される。
【００６０】
図１５及び１６の構造では、熱的性質は従来の可視波長又は赤外線検出装置アレーの中の熱により発生するノイズからもモニタリングが可能である。この場合には、生化学反応により生じた熱は薄い構造体の層を通る伝熱作用により伝えられ、且つ電極２２の上のノイズバースト（ｎｏｉｓｅ　ｂｕｒｓｔ）として捉えられる。アレーは又、図１５の構造に於いて赤外線、可視光線又は紫外線をフラッド照射される（ｆｌｏｏｄ−ｉｒｒａｄｉａｔｅｄ）ことも出来る。この場合に、光は、物体の状態（例えばハイブリッド化したＤＮＡ）の持つ吸収帯域内に於いて特定的に選ばれる。非反応状態では、フラッド照射は凹部を通して伝達され、且つフィルター２５０により反射される。必要な反応の生じた凹部は、フラッド照射波長に於いて吸収性を持つことになる。吸収の行われた後に、フラッド照射は自動的に熱に変換し、且つ反応凹部部位の下の装置の中に伝えられた後に検出される。
【００６１】
Ｖ．プローブの形成
Ａ．一般事項
アレー１０を形成する一つの方法は、アレーの中のテスト部位１２に付着するプローブを用いる。希望のターゲットのタイプにより、テスト部位１２に各種のプローブを付着させることが出来る。オリゴヌクレオチド、単一若しくは二重鎖のＤＮＡ又はＲＮＡ、抗体又は抗原−抗体複合体、腫瘍細胞又はこの分野の熟練者により知られている他のテストプローブを使用することが出来る。プローブは、テスト部位に、凹部４２の表面上の固体支持基板に固定されることによりテスト部位に取り付けられるか、又は、図４に於ける如く、電極１６又は２０に直接取り付けられる。凹部４２の表面を形成するのに用いられることの出来る固体支持基板は、ガラス、ポリスチレン、ポリイミド、二酸化ケイ素および窒化ケイ素の如き有機又は無機の基板を含む。
【００６２】
固体支持基板は、選ばれたプローブとの間に共有リンケージ（ｃｏｖａｌｅｎｔ　ｌｉｎｋａｇｅｓ）を形成させることの出来る表面化学性能を作り出す機能を与えられねばならない。一例を挙げれば、ガラス支持体はエポキシシランとの反応を通じてエポキシ基による機能を与えられることが出来る。支持体上のエポキシ基は５’−アミノ−誘導体化されたオリゴヌクレオチドプローブと反応することにより、本明細書に参照されている　Ｐａｒｋａｍ及びＬｏｕｄｏｎ，ＢＢＲＣ１：１−６（１９７８）に記載された如き２次アミンリンケージを形成する。この共有リンケージの形成により、プローブ２６は希望のアレーの中の支持面に付着する。機能化されたポリスチレン表面の例には、Ｋｒｅｍｓｋｙ，　ｅｔ　ａｌ．　（１９８７）　Ｎｕｃｌ．　Ａｃｉｄｓ　Ｒｅｓ．　１５：　２８９１−２９０９に記載された如き、ヒドラジドにより活性化されたポリスチレンに接合された５’アルデヒドまたはカルボン酸誘導体、並びに　Ｌｕｎｄ，　ｅｔ　ａｌ．　（１９８８）　Ｎｕｃｌ．　ＡｃｉｄｓＲｅｓ．　１６：　１０８６１−　１０８８０に記載されているが如き、ジアゾ化により活性化されたポリスチレンに接合された５’アミノ誘導体、およびアミノ−機能化されたポリスチレンに接合された５’燐酸塩誘導体がある，但し上記の文献は参照されることによりこの文献の一部を構成するものである。
【００６３】
プローブを電極に直接取り付けるには、電極表面が、プローブとの結合を形成することの出来る材料を用いて製作されねばならない。プローブを直接取り付けることを可能にする為に、電極の表面に使用することの出来る材料には、金、酸化ニオブ、酸化イリジウム、プラチナ、チタン、タンタル、タングステンおよび他の金属の如き導電性金属材料が含まれる。これらの導電金属は、Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ　ｅｔ　ａｌ．　（１９９０）　Ｌａｎｇｍｉｕｒ　６：８７−９６および　Ｈｉｃｋｍａｎ　ｅｔ　ａｌ．　（１９９１）　Ｊ．　Ａｍ．　Ｃｈｅｍ．　Ｓｏｃ．　１１３：１１２８−１１３２に記載されているが如きプローブに用いられている有機チオール基とのリンケージにより、プレート面上に直接安定した結合部を形成することが出来る，但し、上記の文献は参照されることによりこの明細書の一部を構成するものである。一例として５’端又は３’端にチオール基による標識を持つ合成ＤＮＡプローブは、プレートの中で金の如き金属と安定した結合を形成することにより、直接取り付けられたプローブのアレーを作り出す。
【００６４】
Ｂ．アレーの感作（ｓｅｎｓｉｔｉｚａｔｉｏｎ）
各テスト部位のプローブは、既知の分子又は細胞ターゲットに対して特定的に結合することが出来ねばならない。プローブはチップ外で形成（合成）され、且つ各テスト部位へマイクロピペット（ｍｉｃｒｏｐｉｐｅｔｔｅｓ）のロボット操作により挿入することが出来る。この実施例では、プローブは、テスト部位の金、ＳｉＯ_２又は他の材料に上述の如き化学的リンク機能によりリンクされる。この方法は低密度プローブアレー（センチ当り約１００未満）を作るのには充分である。
【００６５】
上記に代わる方法として、プローブは各テスト部位に於いて合成されることが出来る。この方法は、試片合成の鍵を握る段階が温度に依存する事実を利用するものである。部位を選択する形で表面の温度を高めることにより、プローブは化学的にアレー内の特定のテスト部位に導くことが出来る。このアプローチは、図１７の部分概略図に示されている。
【００６６】
この実施例の例として、テスト部位４１２のアレー４００が、以前に図１−４に示された如く形成される。このアプローチの実施例に於いて、プローブは利用し得るＳｉＯ_２表面上で合成される。プローブの合成を始めるには、リンカ（ｌｉｎｋｅｒ）が最初に表面に取り付けられる。リンカの取り付けには、テスト部位はエポキシシラント（ｅｐｏｘｙｓｉｌａｎｔ）（液Ａ）に浸漬されるが、この液はエポキシを表面に共有的にリンクする。エポキシは次に加水分解され、更に塩化トリチルでブロックされる（　ｂｌｏｃｋｅｄ）ことにより、利用可能な一次水酸基（ｈｙｄｒｏｘｙｌ）を保護する。
【００６７】
プローブ合成を始める為にアレーは、次に、保護剤を除去する溶液、通常ジクロロアセテートをアルコールで希釈したものの中に浸漬される。レーザ４１６から発射されるレーザビーム４１４が、次に、アレーを横切る形でガルバノメータ走査システム４１８により機械的に走査される。レーザの目的は、選ばれたテスト部位での表面を加熱することに在る。ビームの作用は、保護機能を解除することの必要なテスト部位４１２のみを照射する如くプログラミングされている論理およびスイッチング回路４２０によりコントロールされる。照射後保護除去剤が取り除かれることにより、照射された部位にはＯＨ基が露出する。自由ＯＨ基を持つテスト部位は、核酸塩基を加えるのに用いることが出来るようになる。
【００６８】
ＤＮＡプローブ合成はこの時アレー上で行うことが出来る。この為にはフォスフオールアミダイト（ｐｈｏｓｐｈｏｒａｍｉｄｉｔｅ）、フォスフオトリエステル（ｐｈｏｓｐｈｏｔｒｉｅｓｔｅｒ）又はハイドロジェンフォスフォネート（ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｐｈｏｓｐｈｏｎａｔｅ）法の如き既知の化学法が何れも利用可能である。チップは活性化され、ベースを備えた前駆体の一つ、例えばアデノシン（Ａ）を含む溶液に浸漬され、且つこれにより、先行のステップで照射されたテスト部位はＡにリンクされる。
【００６９】
オリゴヌクレオチド合成に一般に用いられた如き標準リン酸ジエステル法によれば、チップは保護剤除去剤に再浸漬され、次に再び照射される。例えばグアノシン（Ｇ）が付着すべきテスト部位が照射されると仮定する。照射後に活性化したＧが加わり第２フォスフオジエステル結合の合成プロセスが反復される。
【００７０】
既定のサイクルが、次にチミジンに対し、次にシトシンに対して、チップ上で行われる。上記を総合すれば核酸塩基は４つ存在する為にプローブアレーを１核酸サブユニットだけ延長するには、４サイクルの照射が必要となる。１０ベースの長さのプローブのアレーを合成するには４０サイクルが必要となる。
【００７１】
レーザによる反応の開始は、局所的な加熱又は光化学により起きる。光化学的合成を開始する為に、好ましい実施例は、可視波長又はＵＶアルゴンイオンレーザとガルバノメータ走査システムの組み合わせを使用する。合成反応は温度に対して著しく敏感であることが知られているから、上記に代わる案として、アルゴンレーザ又は赤外レーザを使用することにより、アレー部位の局所加熱法による合成を開始することが出来る。
【００７２】
上記の方法は、熱を利用してアドレスすることの出来る保護剤除去の原理に基づき、固体サポート上のペプチド又は他のポリマープローブの合成にも用いることが出来る。例えば、ペプチド合成の場合には選択された部位でのペプチド合成は通常希釈されたベース（ｂａｓｅ）でのｆ−ｍｏｃ保護基を熱により除去し、次にキヤッピング（ｃａｐｐｉｎｇ）およびペプチド合成の通常の他の工程を用いて実施される。
【００７３】
上記の代わり、“接着剤”層がテスト部位に対し走査されたレーザ照射により局所的に活性化され（図２６Ａ−Ｄ）（又は活性を停止され）、又は局所的に施される（図２５Ａ−Ｄ）。この実施例に於いては、希望のアレーの部位の接着性を光化学的又は熱的に変化させる為に、紫外線、可視光線又は赤外レーザが用いられる。例えば、タイプＡのプローブ溶液は、アレー上で洗滌されることにより、希望の部位でのタイプＡの試片の局所的な接着が実現される。タイプＡプローブ溶液は、次に、システムから急速に洗い流され、新たなアレー部位に第２のレーザ照射が施され、且つタイプＢプローブ溶液がタイプＢプローブを接着する為に用いられる。このプロセスは、アレー全体を感作する為に反復される。
【００７４】
アレーの感作は、ガルバノメータ若しくは回転ミラーの如き走査光学装置、又はコンピュータコントロールされたＸ−Ｙステージを持つ固定レーザビームを用いる、ＣＷアルゴンイオン又はＣＷ　Ｎｄ：ＹＡＧレーザを利用することにより実施されることが出来る。“接着剤”層での活性化又は活性停止は、パルス化Ｎｄ：ＹＡＧレーザ又はエクシマーレーザの如き短パルス化されたレーザを用いて実施されるのが望ましい。“保護除去”の為に単純に“接着剤”層９０２をカバーし、次に“接着剤”の上に施された不活性化された材料９０４を剥離することにより、“接着剤”を露出せしめるのは優れたアプローチである（図２６Ａ−Ｄを参照）。“接着剤”層の例は、エポキシ、チオール又は親水性の、例えば水和された表面である。不活性化材料は、フッ素を端末に持つフルオカーボン又は誘導体又はヘキサメチルジシリザン（ｈｅｘａｍｅｔｈｙｌｄｉｓｉｌｉｚａｎｅ）の如き疎水性の材料を用いることが出来る。
【００７５】
図２５Ａ−Ｄおよび２６Ａ−Ｄは、“接着剤”アプローチを用いたプローブ形成の２つの代案を示している。更にその各々は、テスト部位を活性化するのに２つの選択可能な方法を示す。一つの方法は、テスト部位のＦに埋め込まれたヒーターエレメント９０６の如きプログラム可能なエレメントを使用することによりテスト部位に熱反応を誘発し、これによりプローブが接着すべき接着剤層９２０を作り又はデポジットする。完全に合成されたプローブ９１２は部位の上で洗滌され、且つ露出した接着剤層部位９２０に接着する，図２５Ｄ。次の別の部位が形成されるか又は露出せしめられ、且つ別のプローブが付着する。上記に代わり、図２５Ｂに於けるが如き外部照射が接着剤層を形成するのに用いられ；或は図２６Ｂ及びＣに於けるが如く不活性化層９０４を剥離し、且つ接着剤層９０２を露出せしめる為にも外部照射が用いられる。
【００７６】
走査されたレーザビームの使用に加え、上記に代わる“直接パターニング”法が、レーザ又は強力ランプにより照射されるスイッチングの可能な、ミラーアレー又は液晶ディスプレイの如き、再構築可能な（ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ）“光弁”４１５（図１７の点線により示された）を持つ定常照明ビームを用いて、実施することが出来る。照明された“光弁”は、センサーアレー４００上にレンズシステム（図示されず）により結像される。“光弁”に於けるピクセルエレメント（ｐｉｘｅｌ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ）は、電子的にスイッチオン又はスイッチオフされることにより、センサアレーの中で感作されるべき領域を選ぶことが出来る。この目的の為の優れた“光弁”装置は　Ｊ．　Ａ．　Ｎｅｆｆ　ｅｔ　ａｌ．により発表されている（Ｐｒｏｃ．　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ，　Ｖｏｌ．　７８，　Ｎｏ．５，　Ｍａｙ　１９９０）。
【００７７】
プローブのチップ上での合成の為の別のアプローチは、参照されることによりこの明細書の一部を構成する１９９０年１２月１３日のＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｄａｔｅを持つＡｆｆｙｍａｘ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓに譲渡された　Ｐｉｒｒｕｎｇ　ｅｔ　ａｌ．による、“Ｖｅｒｙ　Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　Ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ　Ｐｅｐｔｉｄｅ　Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ”の標題を持つＰＣＴ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｎｕｍｂｅｒ　ＷＯ　９０／１５０７０に記載されている。このアプローチは、部位や表面での熱化学反応よりも、レーザによる保護基の光化学反応に基づくものである。
【００７８】
プローブ鎖を合成する為の別の方法は、隣接部位を余り加熱することなく予め定められたアレーテスト部位を局所的に加熱する為に、図１及び４に関連して記載されている埋め込み抵抗３２を用いる。この方法によれば、選ばれた抵抗の間の電圧の印加に応じて、短いオリゴヌクレオチド鎖の如きプローブの熱により誘発される合成がその場所で行われる。上記に代わり、反応が必要な凹部に隣接するものを除き、全ての抵抗に大電流が流されることが出来る。この方法では、非合成凹部は希望の合成温度以上の温度に保たれ、これによりこれらの凹部で合成反応の起きることが阻止される。
【００７９】
発明の電気的にアドレスすることの可能なテスト部位アレーは、特定の凹部又はウエルの行又は列の電極に電圧を印加することにより、この凹部の中で合成反応を電子的に誘発し又は触媒作用を働かせることが可能となる。
【００８０】
電圧は、凹部の近傍に在る溶液から化学反応物を引き出し及び／又は凹部の中の特定の化学反応に対して触媒作用を働かせる為に使用されることが出来る。
【００８１】
更に、ターゲット分子構造と完成したプローブとの間のハイブリット化は、ターゲット溶液がテスト部位に施された直後の電極への電圧の印加により、増加されることが出来る。電圧の印加なしでは、ターゲット分子構造は溶液を通ってプローブ迄拡散せねばならない。かかる拡散プロセスの非効率性の故に、有意なハイブリッド化を起こすには１．５から２時間を必要とするが、この時でもハイブリッド化せぬプローブは可成りの数にのぼる。電圧は、電荷を持つターゲット構造を電極の傍の又は電極に付着したプローブに迄直接引き付けることが出来、この結果、ハイブリッド化の率、及び特定の実験に於いて都合よく作り出すことの出来るターゲット／プローブハイブリッド化の総数は増加することになる。その後、ハイブリッド化せぬターゲット分子およびミスマッチターゲット分子の洗滌（除去）には、逆バイアスをかけられた電圧を印加することが出来る。
【００８２】
この技法は、各テスト部位に電極を備えている図１から９の電子ゲノセンサに適用し得るのみならず、各テスト部位の中若しくは下に在る電極を用いるか又はこの目的で各テスト部位は一つ若しくは２つ以上の追加電極を製作することにより、微小機械的な共振器およびＣＣＤをベースとするアプローチの両者も用いることが可能である。
【００８３】
上記の代わりに、個別の凹部に印加される電圧により、最後に記載の上記の方法と同様に、“接着剤”層又は接着剤不活性化層を蒸発させるに充分な電流サージがウエル構造を通過させられることが出来る。アレーの感作は、電気ヒューズのアレーの電子プログラミングに似ている。
【００８４】
次に、図１８及び１９に従って、テスト部位に於いて、独特のゲノセンサプローブをその場所で合成する為の微小流体システムが記載される。この実施例に於いては、試薬給源３５２はチャネルＬ１，Ｌ２　−−−−ＬＮを介して、適切な基板３４１に形成された該当のマイクロチャネルバルブＶ１，Ｖ２　−−−−ＶＮに個別に流体的に接合される。バルブＶ１−ＶＮは、溶液がマニホールドラインＬ４に流れることを可能にする。微小流体ぜん動ポンプＰ１は、溶液を窒化ケイ素又は二酸化ケイ素の如きレーザ放射透過フィルム３４４及び３４３に包まれているアレー１０’に送り込む。
【００８５】
レーザ４１６’からの放射は、上述の走査又は結像法に従って、基板３４１の中に形成される個別のテスト部位１２’に選択的に集中せしめられる。テスト部位のレーザ走査は、入力溶液がバルブＶ１−ＶＮを用いて迅速に切り替えられる時に、個別の部位の局所的な活性化を誘発する。
【００８６】
流体システム全体及びアレーは、半導体の単一チップ又はＳｉ、ガラス、Ａｌ２　Ｏ３　等の誘電体材料上に形成されることが出来る。チャネル３４２は、基板３４１の中に、従来のフォトリソグラフィー及びエッチング液を用い、又は微細機械加工技術により、エッチングされる。テスト部位１２’のアレー１０’は、図１−６に関連して記載された如く基板の中に形成される。
【００８７】
図１９に示された微小流体フローシステムは、下記の如く形成されることが出来る。フォトレジスト材料が、例えばパイレックスガラスを以って構成された基板３４１上に、スピンコートされる。微小チャネル構造は、次に、フォトレジストの中に標準的なフォソリトグラフィーを用いてパターン化され、且つチャネル構造３４３及び３４２を含むパターンは、緩衡されたＨＦを用いたエッチングにより基板の中に移される。チタン酸ジルコン酸鉛の如き圧電物質又はＰＶＤＦポリマ、及び金属電極から成ることの望ましい薄膜アクチュエータ層３４４が、次に微小チャネル構造に結合される。感作中にアレー１０’は、出来ればエラストマーＯ−リング３４５を用いて微小流体システムに対してシールされる。この分野のスペシャリストには知られている往復運動する薄膜アクチュエータ層は、圧電物質の代わりに形状記憶金属を使用するか又は静電的に変形した不動態材料、例えば電極（図示されず）に印加されたＤＣ電圧により偏向したアルミニウムフィルムをベースとして形成される。
【００８８】
フローチャネル構造の量産は、上記のフォトリソグラフィー法を用いることにより可能である。或る種のチャネル形状に対しては、塩素雰囲気中でのシリコンのエッチング用に開発された如きレーザ微細機械加工法を用いることが可能である。フォトリソグラフィー又は微細機械加工の何れかを用い雌型のモールドを作ることが可能であり、且つこれから例えば熱圧着法により雄型が型取られる。
【００８９】
ＶＩ．微小流体分子検出
上記に考察されるアレーは、質量並列型板（ｍａｓｓｉｖｅｌｙ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｔｅｍｐｌａｔｉｎｇ）の原理で機能する。或る代案的アプローチが図２０に示される。このシステムは、ナノリットル又はピコリットル溶液量を以って作動する拘束の直列的な微小流体検出器である。このシステムは、微細加工された毛細管チャネルのシステム、主チャネルＣ１に接続されたバルブＶ１−ＶＮ＋３、及び上述の如く形成された単列（又は数列の）高感度検出アレー４８０から成る。未知の分子を含む溶液の定常的であるが低流量の流れが、図１８及び１９に関して上述された方法を用いて混合される。未知の溶液は、流体の流れの中の給源Ｓ１−ＳＮ＋３からの既知の独特のオリゴヌクレオチド鎖のバッチ（ｂａｔｃｈｅｓ）を含む溶液と同様に小量で、連続的に混合される。検出器４８０は、流れを監視することにより、何れのオリゴヌクレオチドバッチがハイブリッド化反応に於ける未知の分子と反応したかを調べる。ハイブリッド化は、溶液が検出器の前を流れる時に、溶液の電気的又は光学的な性質に於ける特性の移行又は識別の可能なスペクトル特性を観察することにより、電気的又は光学的に上述の如く検出されることが出来る。
【００９０】
図２０，１８及び１９のこのシステムの重要な特徴は、バッチが拡散により誘発されるスミアリング（ｓｍｅａｒｉｎｇ）を生じることなく流れーを連続的に処理することを可能にする、無効流量が極めて小さく流体の流れの速い広汎なチャネル又は毛細管ネットワークが使用されることである。この構想は、大型のチューブとバルブを使用する際には非実用的であり、従ってかかるネットワークを最小化することが好ましい。最近の実験に於いて、我々は図１９に関連する上記の方法を用い、シリコン中に１から１０μｍ径のフローチャネルのレーザによる微小化学ミリング（ｍｉｃｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｍｉｌｌｉｎｇ）の可能性を実証した。Ｓｉウエハ上に存在する微小機械加工されたネットワークの廉価な型取りは、射出成型又はエンボス加工により果たされることが出来よう。バルブは一体化された電気アクチュエータを必要とするが、これは装置上の又は装置外のマイクロプロセッサによりスイッチングされることが出来る。
【００９１】
ＶＩＩ．プローブ結合メカニズム
合成ＤＮＡプローブを使用するシーケンシングの為の結合メカニズムの模式的図解が、図２１に示されている。ハイブリッド化によるシーケンシング（ＳｂＨ）は、ＤＮＡから成る窒素性の塩基を解読する確認機構を提供する為の、自然塩基対合特性を開発する新しいシーケンシングアプローチである。図２１には、ＤＮＡ試料の部分塩基配列８０２が右に示されている。試料ＤＮＡに於ける４つのベース８０４は、表面に付着する短い合成ＤＮＡ片８０６を用いて特定的に配合される。サポートに結合しているＤＮＡ“プローブ”は、試料“ターゲット”ＤＮＡ８０２の完全に補完的な塩基配列の出現に対する確認エレメントとして作用する。
【００９２】
ＤＮＡ試料ターゲットの塩基配列を解読する為に、大型のＤＮＡプローブのセットを使用する構想が下記に説明されている。例ＩはＤＮＡ試料の塩基配列の一部を示し、且つこれは分析の前に加熱することにより、一本鎖の形に変換されている。特定のプローブ長さ（例えば、６５，５３６すべての８−塩基プローブ）に対するあらゆる可能な塩基配列をあらわす一セットの合成ＤＮＡプローブに試料ＤＮＡを露出せしめ、次に何れのプローブがターゲットＤＮＡに特定的に結合したかを検出することにより、ＤＮＡ試料に含まれるオリゴヌクレオチド配列の完全リストを作ることが出来る。例ＩＩ（下記）に示されたケースでは、リストされた８ｍｅｒプローブのみが、試料ＤＮＡ配列に従ってハイブリッド化する。次に、オリゴヌクレオチドの内容からターゲットＤＮＡの完全な配列を作り出すのに、オーバーラッピングアルゴリズムが用いられる。
【００９３】
【化１】

【００９４】
【化２】

【００９５】
ＶＩＩＩ．応用法
ＤＮＡおよびＲＮＡ検出に関する本発明の商用的利用には、遺伝研究、遺伝および感染症の診断、毒物テスト、個体の識別、農業上の識別、増殖の最適化、汚染物の検出による品質保証並びに突然変異の検出による職場での危険性のスクリーニング（ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ）が含まれる。
【００９６】
現在ヒトには４，０００から５，０００の遺伝疾患があると推定され、且つこれらの場合には、遺伝子に於ける突然変異性の変化が遺伝子生成物を破壊又は阻止することにより、重大な医学的な状態に到らしめている。影響を蒙る遺伝子および蛋白質（遺伝子の生成物）は、今のところヒトの遺伝疾患の一部に対して確認されているに過ぎないが、その数は着実に増えつつある。突然変異が疾患に付随していることが確認されたヒト遺伝疾患の幾つかの例には、膵嚢胞性繊維症、フェニールケトン尿症、アルツハイマー症、癌、デュシェーヌ筋ジストロフィー及び家族性高コレステロール血症が含まれる。或る症例において、疾患には一つ又は極めて僅かな特定の突然変異が関係するが、全部でなくとも多くの遺伝疾患は、影響を蒙った遺伝子に関連して出現する多数の突然変異のすべてに起因していることが明らかになりつつある。
【００９７】
前者の場合には、欠陥のある遺伝子の存在が、単純なＤＮＡハイブリッド化検出テストの使用により検出されることが可能であり、このテストでは、合成ＤＮＡプローブは、ワイルドタイプ（ｗｉｌｄ　ｔｙｐｅ）及び突然変異性のＤＮＡシーケンスを識別する為に用いられる。後者のケースでは、疾患に付随することのある突然変異に対する全ての遺伝子を調査する為に、ＤＮＡシーケシングは大きな負担となる。
【００９８】
疾患に関連する遺伝子内の突然変異を検出することの重要性は、劣性遺伝疾患のキャリアをスクリーニングすることによって遺伝的カウンセリングや子供を作るべきでないことの告知ができるようになること及び治療的措置を可能にすることのある出生前診断を行う為の手段の両者に在る。オリゴヌクレオチドプローブを適切に選択することにより、シーケンサ１０は、ターゲット遺伝子内のすべての突然変異を迅速に検出する新しいターゲット遺伝子ＤＮＡシーケシング手順に到らしめることにより、遺伝疾患の診断及び特に各種の突然変異が欠陥を生ぜしめることのある時のキャリアの特定を容易にする。多分より重要であるのは、或るターゲット遺伝子内の何れの突然変異が或る疾患に実際に関与しているか、及び何れの突然変異が無害の多形現象を示すか、を発見することを目的とした集団検診に役立つことを保障し得る迅速で高能率な手順である。この情報は、突然発生する変異および治療法の開発を容易にする、価値ある構造−機能の関係の特定の探知の為のテクノロジーの簡単化に役立つことが期待される。
【００９９】
本発明は遺伝疾患に限定されることはない；この発明は、感染病源体の迅速かつ高能率の識別に対して使用されることが出来る。ウイルス又は微生物の各種又は株は、アレー１０の中でのハイブリット化の独特の診断パターンをもたらすことが予測されている。
【０１００】
上述の遺伝子をターゲットとする突然変異の検出は、環境研究上、例えば細胞が化学物質を慢性的に被ばくすることにより誘発する突然変異の検出の為の重要な用途を持つ。同様に、本発明は、職場に於いて化学物質又は放射線を被ばくすることのある従業員の個人毎の検査に用いられることが出来る（例えば循環リンパ球集団の中の突然変異に対する定期スクリーニングによる）。このテクノロジーの重要な用途は、特定の遺伝子の大規模な及びポイント的な突然変異の特性化により、突然変異誘発性の危険の予測的モデル、例えばヒポキサンチン−グアニン−ホスホリボシル−トランスフェラーゼ（ｈｙｐｏｘａｎｔｈｉｎｅ−ｇｕａｎｉｎｅ　−ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｂｏｓｙｌ−ｔｒａｎｓｆｅｒａｓｅ）（ＨＰＲＴ）に対するものを開発することである。
【０１０１】
高密度アレーは、ゲノムシーケンシングに於ける多数の用途を見い出し、且つヒトゲノムに於ける３０億の塩基対のすべての配列を決定する現在のヒューマンゲノムプロジェクト（ＨＧＰ）の作業に於いて、重要な役割を果たすと考えられる。しかし、より重要なことは迅速で高能率のシーケシングテクノロジーが利用し得ることにより生じる、新たなヒューマンゲノムプロジェクトである。多数の個人から得られたヒトゲノムの反復的ＤＮＡシーケンス分析を実施する必要性は、複合多重遺伝子疾患状態（ｃｏｍｐｌｅｘ　ｍｕｌｔｉ−ｇｅｎｅ　ｄｉｓｅａｓｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ）及び他の遺伝傾向を特性化する為に存在することになる。この作業は、現在のＨＧＰが完了した後も長く続き、バイオメディカルサイエンスに革命的な進歩をもたらすことになろう。
【０１０２】
本発明のもう一つの有望視される用途は、“ＤＮＡの分類（ｔｙｐｉｎｇ）”であり、この場合には，個人間のＤＮＡシーケンスの間の差異が分析される。或る人のＤＮＡに於ける大量の多形性のマーカを同時にスクリーニングする為の本発明のシーケンサは、時間と労作を要する現在のｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ　ｆｒａｇｍｅｎｔ　ｌｅｎｇｔｈ　ｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｓｍ（ＲＦＬＰ）分析技術に比して大きな利点を持つ。ＤＮＡ分類は犯罪科学及び実父確定検査に於いて重要な役割を果たすことがある。更に兵役中のすべての人々をＤＮＡ分類することに関心がある。
【０１０３】
価値ある新しい植物および家畜が遺伝子のエンジニアリングにより開発されるので、農業上の産物の供給源および所有権を確認する為に、ＤＮＡ分類する必要性が生まれるであろう。ヒト、植物及び動物に於けるゲノムシーケンシングから得られるシーケンス情報は、医薬品を開発し、且つ改善された穀物および家畜を創り出す為の遺伝子エンジニアリング技術の応用を増やすことになる。例には、疾病および苛酷な気候に対する耐性のより高い株、並びに大きな収量又は高い栄養価を持つ穀物が含まれる。
【０１０４】
本発明は、ＤＮＡ又はＲＮＡ以外の分子構造、例えば細胞及び抗体の如きターゲットの検出に関連して使用されることが出来る。表ＩＩＩは、ターゲットとして使用される他の分子構造に対する使用可能なプローブのタイプを示す。但し、記載のプローブタイプに限定されることを意味するものではない。
【０１０５】
【表１】

【０１０６】
検出装置がプローブとしてペプチド又は他の抗源を用いる時には、図２２に示された如き生物体液中の抗体を検出することが利用可能である。
【０１０７】
この実施例に於いては、ペプチド抗源（プローブ２２）は、一端にシランを、又、多端にエポキシ又は他のペプチド特有の基を持つものの如き双機能クロスリンカ（ｂｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｅｒ）を用いて、テスト凹部１２Ａ（図６Ｈに示された如きものに類似の）の底に於いてＳｉＯ_２５０に付着せしめられる。
【０１０８】
処理された表面は、次に、抗体を含む液１８を用いて孵置される（ターゲットＴ）。抗体は巨大分子（クラスにより１５０，０００から　９５０，０００分子量）である為に、結果的に得られるターゲット／プローブ結合はテスト凹部１２Ａの誘電率に大きな変化をもたらす。効果の大きさは、ターゲット抗体に特定の第２抗体を用いてターゲット／プローブ複合体を処理することにより、追加的に増幅されることが出来、これにより非常に大きな複合体を作り出すことが出来る。
【０１０９】
抗体／抗源および抗体間相互作用の親和性並びに選択性は公知であり、且つ既存のクラスのバイオテクノロジーに対する基礎である（ＥＬＩＳＡ分析法、免疫組織化学及びその他）。この明細書に記載されたテクノロジーは、新しいマイクロエレクトロニック検出方式に於ける公知の結合相互作用を用いる。
【０１１０】
上記の方法の商用的用途は、血液試料又は他の生物体液中に於いて、何百何千の異なった抗体又は他の蛋白の存在を同時に検出するものである。これは、血液型の決定、エイズの如きウイルス感染の検出、又は癌の診断に特に有用である。これは又、研究用の手段として極めて有用である。これは、ＥＬＩＳＡ分析法及び抗体／抗源の相互作用を検出する為の他の生化学的方法に代わり又はその用途を拡大する。
【０１１１】
検出器がプローブとしてペプチド、抗体又は細胞に結合する他の分子を用いる時には、検出器は、生物体液中の特定の細胞のタイプを検出するのに用いることが出来る。
【０１１２】
この実施例に於いては、プローブ２２は抗体、蛋白又は脂肪表面に結合することの知られている他の分子を用いる。この場合のターゲットＴは、プローブ２２を用いた結合の為のレセプターＴを持つ無傷の細胞である。
【０１１３】
細胞を含む流体溶液が検出器に加えられる。ターゲット／プローブ結合相互作用の後に、結合により細胞に接合された検出器凹部が出現する。細胞は電流を通すことはなく低周波誘電性の緩和（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ）を示すので、細胞の結合は凹部の中の絶対導電性（ａｂｓｏｌｕｔｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ）に於ける変化（Ｃｏｕｌｔｅｒの原理の変形）によるか又は低周波誘電性の緩和効果の誘発により検出されることが出来る。
【０１１４】
上記の方法の商用上の用途は、細胞表面の性質の変化した細胞、特に血中又は他の体液の中の細胞の存在を検出することにある。固体組織からの細胞は、標準組織分散法を用いた後に分析されることが出来るであろう。かかる検出器は、科学研究手段としてと同様にウイルス感染の診断及び癌の診断に有用である。これは蛍光顕微鏡検査及び蛍光励起細胞分離補集法に代わり得るものである。
【０１１５】
ＩＸ．効果
現在の微細加工技術により、均一な密度及び物性を示すマルチメガビットメモリを廉価に作り出すことが可能である。従って、数百万にのぼることの考えられる個別の生物学的テスト凹部を含むアレーが、標準的な電子機器に比較して同等のコストで小型化されることが出来る。例えば、百万の生物学的テスト部位を含むアレーが、１ｃｍ×１ｃｍのサイズに収められることが出来る。更にかかる方法で製作される装置の均一な電気的特性は、多くの他のアプローチよりも検出感度を遥かに高める。
【０１１６】
上述の微細加工された電子検出器及び光吸収ＣＣＤ検出器の一つの重要な利点は、検出法がターゲット／プローブの分子結合を直接検出することを可能にする点に在る。従って、毒性のある蛍光性、放射性又は化学的マーカが、ターゲット又はプローブに取り付けられる必要はない。寧ろ検出には、適切な電気信号又は周波数シフトが捉えられるだけで良い。この様な信号又はシフトは、オリゴヌクレオチドに対するＤＮＡ及びＲＮＡの如き多くのターゲット／プローブには当然起きる。しかし、電子検出器の中での信号又はシフトが、結合後に弱まるか又は存在しなくなる時には、電荷を持つ分子マーカがターゲットに取り付けられることが出来る。更に電子検出器での検出は、微細加工されたアレーが腐蝕性の生物学的溶液に接触する時には時間的にあいまいとなることのある強度の特性の変化とは異なり、周波数特性の変化により観察される。従って装置はクリーニングされ、且つその精度に影響を蒙ることなく、何回も繰り返して使用されることが出来る。検出の方法は、電極の或る種の腐蝕に耐えるが、長期にわたって使用するには不活性化層がプレートを被覆する為に使用されることが出来る。
【０１１７】
本発明のもう一つの利点は、検出測定を行う為にテスト部位を調べるのに用いられる電子回路が、生物学的アレーを含むウエハ上に直接加工されることが出来ることである。スイッチマトリックス、信号処理回路及びエネルギー給源は、アレー上での検出の迅速化を容易にする為に、同じチップ上に設けられることが出来る。従って、ウエハ上の能動回路の装着により、実験コストは大幅に減少することも考えられる。
【０１１８】
テスト部位１２に取り付けられたプローブ２２の密度は、感度を直接決定する。マイクロエレクトロニック法では、一本鎖ＤＮＡ断片の短い（ハイブリッド化の行われていない）ものと長い（ハイブリッド化の行われた）ものとの間には、係数において１０倍の差異がある。一方、染料挿入光学法の場合は、係数において３倍の差異しかない。
【０１１９】
大抵の実施例に於いて、放射性フィルムの使用を不用とすることは、テスト時間を減らすことになる。何故ならばフィルムの感光が不要となるからである。試料の製作時間は大幅に短縮される、何故ならば核酸断片には標識を与える必要がないからである。検出法は迅速である；測定は充分な分子結合の完了と同時に行われるからである。更に測定プロセスは、アレーの中の各テスト部位をアクセスする為の極めて迅速な方法を提供する為に、チップ上のマイクロプロセッサコントロールにより自動化されることが出来る。
【０１２０】
これらのタイプの検出装置に用いられるマイクロエレクトロニックテクノロジーは、かかる種類の実験のコストを劇的に引き下げる。メガビットメモリチップ及びメガピクセルＣＣＤイメージングチップを製造する際に用いられる有効な量産技術の使用されることが決め手である。
【０１２１】
本発明及びその利点が詳細に記載されたが、各種の変更、置換及び改変が付随の請求範囲に定められた発明の精神と範囲を逸脱することなくこの中に加えられることが出来るものと理解される。
【０１２２】
例えば、図１の回路３６，５６，３８，５８及び４０の如きゲノセンサ（ｇｅｎｏｓｅｎｓｏｒ）アレーの能動回路は、凹部又は同じ基板のアレーとモノリシックに一体化されることが出来る。スイッチマトリックス、アナログテスト回路及び、アナログ又はデジタル（マイクロプロセッサ）コントローラは、同じウエハ上に加工されることにより、電気的テストを実施又は簡単化することが出来る。図２４に示された如くＴＲＸ１の如きトランジスタは、例えばサンプリングされている時を除き、各部位を電気的に切り離す為に、該当のテスト部位１２に隣接する各基板の中に一体化されることが出来る。この為に各行に対してアドレスラインＡ３を追加することが必要になるが、寄性的キャパシタンス及び使用されぬラインからの偽信号を解消する。これらの好まざる効果が大幅に解消することは、第２のアドレスライン及び部位１２のＹ側に接合されたトランジスタセットにより果たされる。
【０１２３】
広汎な種類の信号処理及びパターン認識機能を実施することの出来るＣＣＤ回路（ニューラルネットワークを用いたＣＣＤを含む）が実証された。ＣＣＤデータ処理回路とゲノセンサアレーとの一体化は、ＤＮＡ検出および解読の手段を簡単化し、且つ図１５及び１６に関連して記載された集積化されたＣＣＤイメージャと共用できる。
【０１２４】
発明は溶液が使用されるウエットタイプのテストに関して説明された；プローブ及びハイブリッド化されたプローブ／ターゲットの組み合わせが、乾燥した媒質又はゲル中で行われる“乾式”又は“ゲル”アプローチを使用することは全面的に可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の好ましい実施例によるマイクロエレクトロニックセンサアレーの部分透視図である。
【図２】図１の一部の拡大図である。
【図３】図２の電極部分の拡大図である。
【図４】図３の線ＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。
【図５Ａ】テスト部位を形成する際の重要な工程を示す処理手順の断面図である。
【図５Ｂ】テスト部位を形成する際の重要な工程を示す処理手順の断面図である。
【図５Ｃ】テスト部位を形成する際の重要な工程を示す処理手順の断面図である。
【図５Ｄ】テスト部位を形成する際の重要な工程を示す処理手順の断面図である。
【図６Ａ】テスト部位の上記に代わる実施例を形成する際の重要な工程を示す処理手順の断面図である。
【図６Ｂ】テスト部位の上記に代わる実施例を形成する際の重要な工程を示す処理手順の断面図である。
【図６Ｃ】テスト部位の上記に代わる実施例を形成する際の重要な工程を示す処理手順の断面図である。
【図６Ｄ】テスト部位の上記に代わる実施例を形成する際の重要な工程を示す処理手順の断面図である。
【図６Ｅ】テスト部位の上記に代わる実施例を形成する際の重要な工程を示す処理手順の断面図である。
【図６Ｆ】テスト部位の上記に代わる実施例を形成する際の重要な工程を示す処理手順の断面図である。
【図６Ｇ】テスト部位の上記に代わる実施例を形成する際の重要な工程を示す処理手順の断面図である。
【図６Ｈ】テスト部位の上記に代わる実施例を形成する際の重要な工程を示す処理手順の断面図である。
【図７】結合されたテスト部位（曲線Ａ）及び結合されぬテスト部位（曲線Ｂ）に与えた周波数に対して損失係数をプロットした図である。
【図８】蛇行した通電ラインを用いた上記に代わるテスト部位実施例の平面図である。
【図９】ｆ_１からｆ_２の周波数範囲を持つ印加交流入力電圧Ｖ_ｉを用いたテスト部位検出システムの概略図である。
【図１０】入力電圧Ｖ_ｉに対してテスト部位の交流コンダクタンスをプロットした図である。
【図１１】低周波数ｆ_１から高周波数ｆ_２に掃引される定振幅信号において時間に対してＶ_ｉをプロットした図である。
【図１２】図１１の入力電圧波形に応答するテスト部位からの感知された出力電圧Ｖ_ｏをプロットした図である。
【図１３】ｆ_１からｆ_２に下降する入力波形Ｖ_ｉに応答するテスト部位からの感知された出力電圧Ｖ_ｏをプロットした図である。
【図１４】機械的共振構造を用いて製作されたテスト部位の概略断面図である。
【図１５】ＣＣＤアレーを下に使用してテスト部位が形成されている、上記に代わる実施例の概略断面図である。
【図１６】図１５に於ける如くテスト部位は使い捨てのプレートの中に形成され、且つ別個のＣＣＤアレーを伴う場合の概略断面図である。
【図１７】テスト部位でのプローブの合成の為のシステムの概略図である。
【図１８】適切な場所でプローブを合成する為のマイクロ流体システムの概略図である。
【図１９】図１８のマイクロ流体システムの概略断面図である。
【図２０】マイクロ流体ゲノセンサ実施例の概略図である。
【図２１】合成ＤＮＡプローブが予め定められたＤＮＡシーケンスに選択的に結合する方法を示す概略図である。
【図２２】生物学的媒質中の分子を検出する為に用いられるテスト凹部の概略断面図である。
【図２３】本発明の表面弾性波を用いた実施例を示す概略図である。
【図２４】発明の上記に代わるアドレス実施例の部分概略図である。
【図２５Ａ】アレー感作の上記に代わる方法を示す一連の断面図の１つである。
【図２５Ｂ】アレー感作の上記に代わる方法を示す一連の断面図の１つである。
【図２５Ｃ】アレー感作の上記に代わる方法を示す一連の断面図の１つである。
【図２５Ｄ】アレー感作の上記に代わる方法を示す一連の断面図の１つである。
【図２６Ａ】上記に代わるアレー感作法を示す、図２５Ａ−Ｄに於ける如き一連の断面図の１つである。
【図２６Ｂ】上記に代わるアレー感作法を示す、図２５Ａ−Ｄに於ける如き一連の断面図の１つである。
【図２６Ｃ】上記に代わるアレー感作法を示す、図２５Ａ−Ｄに於ける如き一連の断面図の１つである。
【図２６Ｄ】上記に代わるアレー感作法を示す、図２５Ａ−Ｄに於ける如き一連の断面図の１つである。

Claims (77)

1. 下記の工程を具備する分子構造を特定化する為の方法：
   ａ）テスト部位のアレーを形成し、各部位は特定の分子構造との結合の可能なプローブをその中に形成され、各テスト部位でのプローブが他のテスト部位のプローブとは異なり；
   ｂ）テスト部位に試料物質を供給し；
   ｃ）テスト信号をテスト部位に送り；および
   ｄ）送られた信号から生じるテスト部位の特性を検出することにより、何れのプローブが試料物質の分子構造に結合したかを判定して、多数の分子構造を識別する。
2. 請求項１の方法において、テスト信号が電磁信号であり、且つ上記アレーを下記の工程で形成する：
   ａ）基板の上の第１の層を形成し；
   ｂ）第１層の上に第２の層を形成し；
   ｃ）第１層の一部を露出する為に第２層中に第１層への開口を形成し；および
   ｄ）開口の中に１対の電極を形成して、この電極に上記テスト信号を送る。
3. 請求項２の方法において、上記１対の電極を形成する際に、開口が形成された後に第２層上にメタライジングを施し；上記のメタライジングは、開口間の第２層の表面上に上部電極を、第１層の露出した部分に下部電極を形成する。
4. 請求項３の方法において、基板はシリコンを使用し、第１及び第２層はシリコンを主成分とする誘電体を使用する。
5. 請求項４の方法において、第１及び第２層は夫々ＳｉＯ_２及びＳｉ_３Ｎ_４であり、且つメタライジングはＡｌ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、及びそれらのケイ化物又はＡｕを用いる。
6. 請求項１の方法において、上記検出の工程は、テスト部位の誘電体的特性を検出することを含む。
7. 請求項１の方法において、電気信号を送る工程は、パルス化された又は周波数の変化する信号を送ることを含む。
8. 請求項１の方法において、各テスト部位は、電気信号の周波数域内で共振性を持つ共振構造を用いて形成される。
9. 請求項８の方法において、上記検出工程は、Ｑに於ける変化又は共振構造の共振周波数の変化の検出を含む。
10. 請求項１の方法において、上記試料物質は溶液又はゲルの中に在る。
11. 試料物質の中の分子構造を特定化する為の下記の要件を具備する装置：
    ａ）試料物質を受け入れる為の基板上に形成されたテスト部位、しかも各テスト部位はその中に行及び列電極を形成されており、且つ各部位に於いてそれぞれの電極に延びる行及び列リードを持つ構造である；
    ｂ）分子構造に結合する為の上記テスト部位に形成されたプローブ；
    ｃ）テスト部位の電極に電子信号を送る為の回路；及び
    ｄ）何れのプローブが試料物質の分子構造に結合したかを断定する為に、テスト部位の電気的性質を検出する回路。
12. 請求項１１の装置において、テスト部位の下に形成された抵抗のアレーを含む。
13. 請求項１１の装置において、上記電極は、ベースから延びる多数の導電性フィンガを含む。
14. 請求項１３の装置において、上記フィンガの間の間隔は約３０ミクロン未満である。
15. 請求項１４の装置において、上記多数の電極フィンガの第１のものは、上記基板の中に形成された多数の凹部の下部に配置され、上記多数の電極フィンガの第２のものは、上記第１フィンガの上の基板上に配置されている。
16. 請求項１１の装置において、上記プローブが、細胞プローブ、抗体プローブ又はペプチドプローブを含む基からの分子プローブを含む。
17. 試料物質中の分子構造の存在を断定する為の下記の要件を具備する装置：
    ａ）試料物質を受け入れる為の基板上に形成されたテスト部位アレー；
    ｂ）分子構造に結合する為のテスト部位に形成されたプローブ；及び
    ｃ）多数の検出器を持つ検出器アレーを備え、各検出器は該当のテスト部位に隣接して配置され、しかも放射は上記テスト部位を通って伝播し、且つ結合されたプローブを持つ部位ではプローブの結合されていないテスト部位とは異なった度合いで吸収され、さらに、この吸収度合いの差異は上記検出器により感知されて試料物質内の分子構造の存在を特定する為の信号を発信するために使用されている。
18. 請求項１７の装置において、上記テスト部位アレーは、検出器アレーとは切り離すことの出来る使い捨ての可能なプレートを以って形成されている。
19. 請求項１７の装置において、テスト部位アレーが、検出器アレーと一体的に形成されることにより、一体的な構造を形成する。
20. 請求項１８の装置において、使い捨てプレートは石英、ガラス、プラスチックス、ＡｌＯ_３又はポリイミドにより形成されている。
21. 請求項１１の装置において、各テスト部位に於ける電極が、伝送ラインにより互いに接合されている。
22. 試料物質の中に分子構造の存在することを決定する為の下記の要件を具備する回路：
    ａ）基板；
    ｂ）上記基板に形成されている多数のテスト部位；
    ｃ）テスト部位の各々の中に形成されている電極；
    ｄ）電極の各々に延びるリード；及び
    ｅ）該当のテスト部位に形成されるプローブを備え、各テスト部位の上記プローブが構造的に同じであり、且つ異なったテスト部位のプローブは該当の予め定められた分子構造との結合の為に異なった構造である。
23. 請求項１１の装置において、更に、上記電極の一つにトランジスタスイッチを介して接合されるアドレスリードを含む。
24. 請求項１７の装置において、放射が、テスト部位に於ける、放射性、蛍光性又は化学発光性の標識により生成されている。
25. 請求項１７の装置において、放射が、テスト部位の光子照射により励起された２次放射により生成されている。
26. 請求項１７の装置において、放射が赤外放射であり、且つ検出器は熱エネルギーを感知するものである。
27. 必要な場所に分子プローブを合成する為の下記の要件を具備する装置：
    ａ）合成されるべき分子を含むテスト部位のアレー；
    ｂ）選ばれた部位に光を照射して、その選ばれた部位に於いて分子の合成を誘発させる光源。
28. 請求項２７の装置において、上記光が可視波長域に在り、且つ光化学合成を生じさせるものである。
29. 請求項２７の装置において、上記光源が、テスト部位毎に走査されて局所的な合成を誘発するさせるレーザである。
30. 請求項２７の装置において、上記光線が、選ばれたテスト部位の局所的な加熱を誘発することにより、分子の熱合成を行わしめるものである。
31. 請求項２７の装置において、上記分子がオリゴヌクレオチド鎖を持つ。
32. 必要な場所で分子プローブを合成する為の下記の要件を具備する装置：
    ａ）反応すべき前駆体分子を含むテスト部位のアレー；
    ｂ）テスト部位アレーに隣接する部位に配置され、且つ各抵抗を該当のテスト部位の近傍に持つ抵抗のアレー；および
    ｃ）各テスト部位に於いて、分子を合成する為の熱反応を誘発させるために、各抵抗を加熱する電源に各抵抗を接続する接続手段。
33. 請求項１の装置において、上記テスト部位アレー及び抵抗アレーが一体化された構造として形成されている。
34. 必要な場所に分子構造を合成する為の下記の要件を具備する装置：
    ａ）反応すべき前駆体分子を含むテスト部位のアレーを有し；
    ｂ）各テスト部位は、該当のテスト部位に於いて分子を合成する反応を誘発する為の電源に接続された電極を含む。
35. 請求項１の装置において、アレー及び電極は、一体化された構造として形成されている。
36. 物質中の分子構造の存在を決定する為の下記の要件を具備する装置：
    ａ）上記物質の供給源；
    ｂ）各種の分子と特定の形で結合する既知の分子を含む溶液の多数の供給源；
    ｃ）上記溶液の各々と上記物質とを選択的に混合する混合手段；および
    ｄ）物質の中での既知の分子と分子構造との間の結合が、混合された溶液内で出現するのを検出する検出器。
37. 請求項３６の装置において、検出器が光学的特性の変化を観察することにより結合を検出するものである。
38. 請求項３６の装置において、検出器が電気的特性の変化を観察することにより結合を検出するものである。
39. 請求項３５の装置において、多数の供給源が該当の毛細管に含まれ、しかも各毛細管は該当の供給源を上記物質の流れに接続するバルブを持つ。
40. 請求項３９の装置において、上記毛細管およびバルブはシリコン中に形成され、且つ１から１０ミクロンの範囲の直径を持つ。
41. 分子構造を合成する為の下記の要件を具備する装置：
    ａ）テスト部位のアレー；
    ｂ）テスト部位の近傍に配置された化学反応体の供給源；
    ｃ）該当のテスト部位に付随する電極；および
    ｄ）上記化学物質を該当のテスト部位に吸引する為に、電圧を該当の電極に印加する手段。
42. 合成されたプローブとターゲット分子との間のハイブリッド化を増やす為の下記の要件を具備する装置：
    ａ）多数の上記プローブを含むテスト部位のアレー；
    ｂ）上記部位に付随する電極；
    ｃ）上記部位に与えられたターゲット分子の供給源；および
    ｄ）上記ターゲット分子を上記プローブに吸引する為に、該当の電極に電圧を印加する電圧源。
43. 請求項１１の装置において、テスト部位が、基板の中に形成された凹部を含む。
44. 請求項４３の装置において、凹部が、肌理を持つ表面を以って形成されている。
45. 請求項４４の装置において、肌理を持つ表面が、波形である。
46. 請求項４５の装置において、電極の表面も波形である。
47. 請求項１５の装置において、下部に於ける電極フィンガと上部に於ける電極フィンガとの間の間隔は、ターゲットＤＮＡ分子の溶液中の直径のオーダー（ｏｒｄｅｒ）である。
48. 請求項６の方法において、誘電体特性が誘電率である。
49. 請求項３７の方法において、電気的特性が誘電率である。
50. 請求項１の方法において、試料物質が固体である。
51. 請求項８の装置において、共振構造は伝送ラインであり、且つライン上を伝播する信号の位相又は振幅に於ける変化が検出されるように構成されている。
52. 試料物質の中の分子構造の存在を決定する為の下記の工程を具備する方法：
    ａ）特定の分子構造に結合するプローブが形成されているテスト部位のアレーを形成し；
    ｂ）試料物質をテスト部位に供給し；
    ｃ）テスト部位を通過する放射を発し；および
    ｄ）プローブに結合する分子構造の存在を決定する為に、該当のテスト部位により吸収される放射の差異を検出する。
53. 請求項５２の方法において、上記差異が、電荷結合素子（ＣＣＤ）によって形成された検出器のアレーにより検出される。
54. 請求項５３の方法において、検出器のアレーが、テスト部位のアレーと一体的に形成される。
55. 請求項５３の方法において、検出器のアレーは、テスト部位のアレーから切り離して形成される。
56. 請求項５５の方法において、上記検出器のアレーが上記テスト部位のアレーと整合し、且つ放射がテスト部位を通過して検出器アレーに向かう。
57. 請求項５６の方法において、放射が、光子、又は放射性の素粒子の放射である。
58. 請求項５２の方法において、放射が、テスト部位の中で、放射性、化学的、熱的、化学発光性又は蛍光性反応により生成される。
59. 請求項５２の方法において、検出器は、結合反応が生じる際の熱エネルギーを検出する。
60. 請求項１８の装置において、テスト部位が、プレートに形成された凹部の中に形成された電極を含む。
61. 請求項６０の装置において、上記凹部の表面が肌理を持つ。
62. 請求項６１の装置において、肌理が波形を持つ。
63. 請求項６０の装置において、電極の表面が肌理を持つ。
64. 請求項６３の装置において、肌理が波形である。
65. 基板の中に形成されたテスト部位へのプローブの取り付けの為の下記の工程を具備する方法：
    ａ）基板の中にテスト部位を形成し；
    ｂ）上記プローブを接着する為の接着材料を上記テスト部位に形成し；および
    ｃ）上記プローブを上記接着材料に接触させる。
66. 請求項６５の方法において、不活性化層が接着材料を覆い、且つ不活性化層の一部分が選択的に除去されることにより、プローブと接着材料との間の接触を選ばれた部位に起こす。
67. 請求項６６の方法において、選択的に除去される部分がレーザ剥離により除去される。
68. 基板の中に形成されたテスト部位にプローブを付着する為の下記の工程を具備する方法：
    ａ）基板の中にテスト部位を形成し；
    ｂ）プローブをテスト部位に付着させることの出来る接着材料をテスト部位に形成し；
    ｃ）接着材料の上に保護コーティングを形成し；
    ｄ）選ばれた部位に於ける保護コーティングを除去する反応を、選ばれた部位に於いて起こさせながら、保護除去剤をコーティングに接触させ；および
    ｅ）保護を除去された部位にプローブを接触せしめて、プローブを接着材料に接着する。
69. 請求項６８の方法において、プローブが予め合成され且つテスト部位が凹部から成り、接着材料はエポキシであり、保護コーティングはエポキシを加水分解することにより形成され、保護除去剤はアセテートのアルコール溶液であり、且つ反応は予め選ばれた部位に於いて部位を加熱することにより起きる。
70. 請求項６８の方法において、反応は、選ばれたテスト部位を加熱する為にテスト部位に隣接して形成される抵抗に選択的に通電することにより、起きる。
71. 請求項７０の方法において、選ばれないテスト部位は、所望の反応温度以上の温度に維持される。
72. 請求項６８の方法において、上記反応が、選ばれた部位を光を用いて照射することにより起きる。
73. 請求項７２の方法において、上記光線が可視光線又は紫外線であり、且つ光化学反応が起きる。
74. 請求項７２の方法において、上記光線が、テスト部位毎に走査されて反応を引き起こすレーザから発している。
75. 請求項７２の方法において、上記光線が、テスト部位の局所的な加熱を誘発することにより反応を引き起こす。
76. 請求項７２の方法において、上記光線は、選ばれた部位に光を投射する光弁により生成される。
77. 請求項２７の装置において、光源が、選ばれた部位へ光を投射する光弁である。

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