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KR100642836B1 - 원자력 검경으로 분자간 상호작용을 측정하기 위한 장치및 방법 - Google Patents

원자력 검경으로 분자간 상호작용을 측정하기 위한 장치및 방법 Download PDF

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KR100642836B1
KR100642836B1 KR1020007012483A KR20007012483A KR100642836B1 KR 100642836 B1 KR100642836 B1 KR 100642836B1 KR 1020007012483 A KR1020007012483 A KR 1020007012483A KR 20007012483 A KR20007012483 A KR 20007012483A KR 100642836 B1 KR100642836 B1 KR 100642836B1
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길 유. 리
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미합중국 (관리부서 : 미합중국 해군성)
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Abstract

원자력 검경을 위한 시료 지지부재는 복수의 돌기부(45)를 갖는 시료 지지부재(40)를 포함하고, 각 돌기부(45)는 시료 화합물(50)이나 시료 화합물을 결합시킬 수 있는 연결 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형된 첨단 기판 영역(48)이나 팁을 갖는다. 캔틸레버의 형태를 취하는 기준 화합물 지지부재(10)는 고정화되는 적어도 하나의 기준 화합물(30)을 갖는 표면 영역(20)을 갖는다. 기준 화합물(20)과 시료 화합물(50) 사이의 상호작용과 연관된 물리적 변수는 두 개의 지지부재 사이의 간격을 제어하는 동안에 측정될 수 있다.

Description

원자력 검경으로 분자간 상호작용을 측정하기 위한 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring intermolecular interactions by atomic force microscopy}
본 발명은 일반적으로 원자력 검경(AFM)에 관한 것이고, 수용체/리간드(ligand), 항체/항원 등의 분자간 상호작용 및 DNA 상호작용을 원자력 검경으로 효과적으로 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래의 원자력 검경에서는, 캔틸레버(cantilever)에 장착된 섬세한 탐침 팁으로 시료를 주사하며, 시료의 토포그래피(topography)를 판단하기 위해 시료를 지나갈 때 탐침 팁의 편향을 측정한다. 광 반사, 간섭 측정 및 압전 변형 게이지법을 포함하는 여러 방법으로 시료 표면을 따라 지나갈 때 탐침 팁의 편향을 모니터할 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에서 참조하는 Binnig의 미국 특허 제Re.33,387호, Amer 등의 미국 특허 제5,144,833호, Prater 등의 미국 특허 제5,463,897호, Hansma 등의 미국 특허 제Re.34,489호 및 Okada 등의 미국 특허 제5,260,824호를 참고하시오.
최근 몇 년간 원자력 검경은 개별 분자들 사이의 탄성, 마찰, 부착, 수용체/리간드 상호작용 및 항체/항원 상호작용과 같은 계면 속성과 분자간 상호작용을 측정하는데 이용되어왔다. 상보(complimentary) 리간드와 수용체의 결합 상호작용을 측정하기 위해, 캔틸레버의 탐침 팁과 시료 표면은 상보 리간드와 수용체를 각각에 부착시키기 위한 다양한 수단에 의해 화학적으로 변형될 수 있다. (편의상, 본 명세서에서는 캔틸레버나 비슷한 구조에 고정된 화합물 또는 화합물들을 "기준" 화합물로 칭하고, 시료 지지부재나 시료 표면에 고정된 화합물 또는 화합물들을 "시료" 화합물로 칭한다.) 그리고 나서 탐침 팁 부재와 시료 표면을 가까이 가져가거나 또는 접촉하게 하여, 리간드와 수용체가 상호작용하거나 결합할 수 있다. 그리고 나서 탐침 팁과 시료 표면이 분리되었을 때 리간드/수용체 결합이 분리되고, 리간드와 수용체 사이의 상호작용의 힘의 크기가 측정될 수 있다. 분자간 힘을 연구하기 위한 원자력 검경의 이용은, 예를 들면 본 명세서에서 참고하는 다음의 특허 및 간행물에 기재되어 있다. 즉, Nakagawa의 미국 특허 제5,363,697호, Colton 등의 미국 특허 제5,372,930호, Science지 264호(1994년)에서의 Florin E. -L. 등의 "개별 리간드-수용체쌍 사이의 결합력(Adhesion Forces Between Individual Ligand-Receptor Pairs)" (페이지 415-417), Langmuir지 10권(2)호(1994년)에서의 Lee, G. U 등의 "원자력 검경으로 이산 스트렙타비딘-비오틴 상호작용 감지하기(Sensing Discrete Streptavidin-Biotin Interactions with Atomic Force Microscopy)" (페이지 354-357), Biophysical Journal 70권(1996년 5월호)에서의 Dammner U. 등의 "힘 검경으로 측정된 특정의 항원/항체 상호작용(Specific Antigen/Antibody Interactions Measured by Force Microscopy)" (페이지 2437-2441), Biophysical Journal 69권 (1995년 11월호)에서의 Chilikoti A. 등의 "리간드-결합 열역학과 원자력 검경으로 측정된 단백질-리간드 상호작용 사이의 관계(The Relationship Between Ligand-Binding Thermodynamics and Protein-Ligand Interaction Forces Measured by Atomic Force Microscopy)" (페이지 2125-2130), Biochemistry지의 36권 24호(1997년)에서의 Allen S. 등의 "원자력 현미경을 이용한 항원/항체 결합 이벤트의 검출("Detection of Antigen-Antibody Binding Events with the Atomic Force Microscope)" (페이지 7457-7463), 및 Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 93호(1994년)에서의 Moy V.T. 등의 "AFM으로 측정된 리간드와 수용체 사이의 결합력(Adhesive Forces Between Ligand and Receptor Measured by AFM)" (페이지 343-348)이 있다. 분자간 상호작용이 액체로 연구되면 pH, 버퍼/이온 농도, 버퍼/이온 종(species) 등의 실험 조건은 상호작용의 힘에 미치는 효과를 판단하기 위해 변경될 수 있다.
원자력 검경은, 유용한 리간드/수용체 상호작용을 밝히고 유용한 약품을 발견하기 위해, 조합법에 의해 생성된 화합물 라이브러리 등의 화합물 배열을 스크린하는데 이용할 수 있는 상당한 잠재력을 갖고 있다. 조합 화학, 평행 합성 및 마이크로리토그라피(microlithography)의 현대적인 방법들은 화학적 유사체의 크고 조밀한 라이브러리를 공간적으로 어드레스할 수 있는 배열로 생성하는 것을 가능하게 한다. 화학적으로 변형된 탐침 팁으로 하는 원자력 검경은 이들 배열을 스크린하는 방법을 제공한다. 그러나 원자력 검경을 위해 현재 사용되고 있는 장비와 기술은 반복적인 측정이나 효율적인 대용량 스크리닝에는 충분히 적합하지 않다. 특히 화학적으로 변형된 캔틸레버 탐침 팁은 취약하여 쉽게 손상이 가고 활성이 떨어진다. 전형적인 화학 변형 캔틸레버 탐침 팁에서는 팁의 최첨단에 결합된 분자들 만이 기판과의 힘 상호작용에 이용 가능하다. 탐침 팁의 결정적인 영역(crucial area)은 일반적으로 매우 작아서, 거기에 결합된 분자의 수도 매우 적다. 이들 소수의 분자를 손상시키거나 또는 그에 대한 접근을 막거나 아니면 탐침 팁의 그 작은 영역을 불활성화시키는 무언가가 발생한다면, 그러면 탐침 팁은 무용한 것으로 간주되며, 교체해야 한다. 대개 탐침 팁을 교체하는 것은 캔틸레버 전체의 교체를 필요로 하므로, 값비싸고 시간이 많이 소모되는 절차이다. 더욱이 전형적인 캔틸레버 탐침 팁은, 그 팁에 고정될 단지 하나의 기준 화합물에 대한 공간을 가질 뿐이므로, 다른 기준 화합물을 이용하려고 할 때마다 캔틸레버가 교체되거나 변형되어야 한다.
이제는, 전술한 바와 같은 분자간 상호작용을 측정하는데 사용하기 위한 원자력 검경의 한계가, 원자력 현미경 장치에 대하여 두 가지를 동시에 변형함으로써 극복될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 첫째, 시료 지지체가 비교적 큰 영역에 걸쳐 퍼져있는 시료 화합물의 분자를 갖는 평면인 대신에, 돌기의 팁이나 첨단에 고정되는 시료 화합물의 분자를 갖는 복수의 돌기부를 갖도록 시료 지지체를 변형하는 것이다. 본 발명의 시료 지지부재는 제곱 센티미터당 수백만 개의 돌기부를 포함할 수 있다. 시료 화합물을 평면에 고정하는 대신에 돌기부의 팁에 고정하는 것은 시료 화합물을 더 접근 가능성이 있는 자리에 두어서, 시료 화합물과 기준 화합물의 분자 상호작용의 측정을 시행할 때 시료 분자에 접근하기 위해 캔틸레버 탐침 팁의 단부 상에 기준 화합물을 놓을 필요가 없다. 시료 화합물의 개별 분자들은 캔틸레 버의 표면에 고정된 기준 화합물에 의해 접근될 수 있다. 그러므로 원자력 장치에 대한 두 번째 변형은 기준 화합물이 탐침 팁 대신에 캔틸레버의 자유 단부 상의 표면 영역에 직접 고정되도록 캔틸레버를 변형하는 것이다.
본 발명에 따라 분자의 상호작용을 측정하기 위한 원자력 현미경의 작동 시에, 캔틸레버의 자유 단부의 표면 영역은 특정 돌기부에 접촉되거나 또는 가까워지도록 되어, 기준 화합물의 분자와 시료 화합물의 분자간의 상호작용이 측정될 수 있다. 원자력 검경에서 현재 사용되고 있는 압전 트랜슬레이터(translator)는, 시료 지지부재 상의 수백만 개의 돌기부 중에서 하나의 특정 돌기부가 캔틸레버의 표면 영역의 특정 부분과 정렬될 수 있게 충분히 정확하다.
본 발명에서 돌기부는, 단일 분자 또는 소수의 분자에 대한 측정을 취할 수 있도록 접근 가능한 기하 구성의 작은 영역에서 소수의 개별 분자들이 이격되게 허용한다는 의미에서 종래의 원자력 검경에서의 캔틸레버 탐침 팁과 유사하다. 본 발명의 주요 장점은, 종래의 원자력 검경에서는 캔틸레버 상에 위치하는 탐침 팁이 하나만 있었지만, 본 발명에서는 시료 지지부재 상에 위치하는 수많은 유사 구조를 갖는 돌기부를 갖는다는 것이다. 종래의 원자력 검경에서, 캔틸레버 탐침 팁이 파손되거나 불활성화되면 팁을 교체할 때까지 실험을 중지해야 한다. 본 발명에서는 특정 돌기부가 파손되거나 불활성화되면, 고정된 같은 시료 화합물을 갖는 다른 돌기부에 대해 캔틸레버를 간단히 재위치시키고, 측정 과정을 계속하면 된다. 제곱 센티미터당 수천 개 또는 수백만 개의 돌기부가 만들어질 수 있고, 돌기부는 시료 화합물로 화학적으로 변형될 수 있다.
캔틸레버의 표면 영역은 거기에 고정된 수백만 개 또는 수조 개의 분자를 가질 수 있어서, 이들 분자 각각은 돌기부에 고정된 시료 화합물과의 상호작용을 측정하는데 이용 가능하다. 캔틸레버의 일부에 위치한 기준 화합물의 분자들이 실험 도중에 손상되거나 또는 불활성화되면, 캔틸레버의 다른 영역에 위치한 기준 화합물의 손상되지 않은 활성 분자가 대신 이용될 수 있도록 재위치시킬 수 있다. 더욱이, 캔틸레버의 표면 영역은 공간적으로 어드레스할 수 있는 하부 영역으로 분리될 수 있는데, 각각의 하부 영역은 거기에 고정된 다른 기준 화합물을 갖는다. 복수의 다른 기준 화합물들은 캔틸레버 표면의 공간적으로 어드레스할 수 있는 분리된 하부 영역에 고정될 수 있어, 다른 기준 화합물을 이용하려고 할 때마다 캔틸레버를 교체할 필요가 없다.
전술한대로 시료 지지체와 캔틸레버를 변형시킴으로써, 이제는 시료 화합물의 효율적인 대용량 스크리닝을 위해, 그리고 분자의 상호작용의 반복 측정을 위해 원자력 검경을 이용하는 것이 가능하므로, 연구원은 기준 화합물의 손상이나 불활성으로 인하여 실험 도중에 캔틸레버를 교환해야 할 걱정없이 그 결과를 통계적으로 정밀하게 이중 검사할 수도 있다.
본 발명에 따른 장치와 방법은 캔틸레버 베이스의 원자력 검경 계기에 사용하는 것으로 제한되지 않는다. 시료 지지부재는 또, 캔틸레버 사용에 관여하는 것들 외에도 다른 유형의 스캐닝 검사를 위한 시료 화합물을 지지하는데도 이용될 수 있다. 일반적으로 시료 화합물(들)은 시료 지지부재의 돌기부의 첨단 기판 영역(apical substrate region)에 고정되고, 기준 화합물(들)은 기준 화합물 지지 부재의 표면 영역에 고정된다. 시료 지지부재와 기준 화합물 지지부재의 상대 위치를 제어하고 시료 화합물과 기준 화합물 간의 분자간 상호작용을 측정하기 위해 당해 기술 분야에 알려진 어떤 방법이라도 이용될 수 있다.
따라서, 일 측면에서 본 발명은, 각각 시료 화합물이나 시료 화합물을 결합할 수 있는 연결 화합물의 고정화에 의해 화학 변형된 첨단 기판 영역을 갖는 복수의 돌기부를 갖는 시료 지지 베이스를 포함하는 원자력 검경을 위한 시료 지지부재를 제공하며, 각 돌기부에 있는 시료 화합물이나 연결 화합물은 같을 수도 있고 다를 수도 있다.
또 다른 측면에서 본 발명은, 고정 단부와 공간상 어드레스할 수 있으며, 서로 다른 기준 화합물의 고정화에 의해 화학 변형된 복수의 하부 영역을 가지는 표면 영역을 갖는 자유 단부를 갖는 캔틸레버 본체를 포함하는 캔틸레버를 제공한다.
또 다른 측면에서 본 발명은, 고정 단부와 기준 화합물이 고정되는 서로 다른 크기 카테고리의 복수의 비드(bead)를 갖는 하부 영역을 갖는 자유 단부가 있는 캔틸레버 본체를 포함하는 캔틸레버를 제공하며, 비드의 각 크기 카테고리는 고정되는 다른 기준 화합물을 갖는다.
또 다른 측면에서 본 발명은, 기준 화합물과 적어도 하나의 시료 화합물의 상호작용을 측정하기 위한 장치를 제공하며, 상기 장치는 각각이 시료 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형된 첨단 기판 영역을 갖는 복수의 돌기부를 가지며, 각각의 돌출부 상의 시료 화합물이 같을 수도 있고 다를 수 있는 시료 지지부재,
적어도 하나의 기준 화합물을 고정시켜 화학적으로 변형되는 표면 영역을 갖 는 기준 화합물 지지부재,
특정 돌기부를 선택하기 위해 그리고 기준 화합물 지지부재의 표면 영역에 고정화된 기준 화합물과 선택된 돌기부의 첨단 기판 영역에 고정된 시료 화합물 사이의 상호작용을 일으키기 위해서 기준 화합물 지지부재와 시료 지지부재의 상대 위치와 방향을 제어하는 수단, 및
기준 화합물과 시료 화합물 사이의 상호작용과 연관된 물리적 변수를 측정하는 수단을 포함한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 적어도 하나의 기준 화합물과 적어도 하나의 시료 화합물의 상호작용을 원자력 검경으로 측정하는 수단을 제공한다. 상기 장치는 각각이 시료 화합물을 고정화시켜 화학 변형된 첨단 기판 영역을 갖는 복수의 돌기부를 가지며, 각각의 돌기부 상의 시료 화합물이 같을 수도 있고 다를 수도 있는 시료 지지부재,
고정 단부와 적어도 하나의 기준 화합물을 고정화시켜 화학적으로 변형되는 표면 영역을 갖는 자유 단부를 갖는 캔틸레버를 포함하며,
여기서 시료 지지부재는 원자력 현미경의 시료 스테이지부(stage portion)와 인터페이스하도록 조정되며, 캔틸레버는 원자력 현미경의 캔틸레버 지지부와 인터페이스하도록 조정된다.
또 다른 측면에서 본 발명은, 적어도 하나의 기준 화합물과 상호작용하기 위해 적어도 하나의 시료 화합물을 어세이하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 (a) 복수의 돌기부를 가지며 각각이 첨단 기판 영역을 갖는 시료 지지부재(1)와 표면 영역을 갖는 기준 화합물 지지부재(2)를 제공하는 단계,
(b) 각 돌기부에 동일하거나 다를 수 있는 시료 화합물을 고정화시켜 시료 지지부재의 각 돌기부의 첨단 기판 영역을 화학적으로 변형하는 단계,
(c) 적어도 하나의 기준 화합물을 고정화시켜 기준 화합물 지지부재의 표면 영역을 화학적으로 변형하는 단계,
(d) 시료 지지부재와 기준 화합물 지지부재를, 시료 지지부재의 특정 돌기부를 선택하기 위해 그리고 기준 화합물 지지부재의 표면 영역에 고정된 기준 화합물과 선택된 돌기부의 첨단 기판 영역에 고정된 시료 화합물 사이의 상호작용을 일으키기 위해 시료 지지부재와 기준 화합물 지지부재의 상대 위치와 방향을 제어하는 수단과 기준 화합물과 시료 화합물 사이의 상호작용과 연관된 물리적 변수를 측정하는 수단을 포함하는 장치에 결합시키는 단계,
(e) 특정 돌기부를 선택하기 위해 그리고 기준 화합물과 선택된 돌기부에 고정되는 시료 화합물 간의 상호작용을 일으키기 위해 기준 화합물 지지부재와 시료 지지부재의 상대 위치와 방향을 조절하는 단계, 및
(f) 기준 화합물과 선택된 돌기부 상의 시료 화합물 사이의 상호작용과 연관된 물리적 변수를 측정하는 단계를 포함한다.
또 다른 측면에서 본 발명은, 적어도 하나의 기준 화합물과 상호작용하기 위한 적어도 하나의 시료 화합물을 어세이하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 (a) 각각이 첨단 기판 영역을 갖는 복수의 돌기부를 갖는 시료 지지부재와, 고정 단부와 자유 단부를 갖고, 상기 자유 단부가 공간적으로 어드레스할 수 있는 복수의 하 부 영역을 갖는 표면 영역을 갖는 캔틸레버를 포함하는 원자력 현미경을 제공하는 단계,
(b) 각 돌기부에 동일하거나 다른 시료 화합물이 고정되도록 각 돌기부의 첨단 기판 영역을 화학적으로 변형하는 단계,
(c) 각 하부 영역에 다른 기준 화합물을 고정시키기 위해 캔틸레버의 자유 단부의 표면 영역의 공간적으로 어드레스할 수 있는 하부 영역을 화학적으로 변형하는 단계,
(d) 캔틸레버의 특정 하부 영역과 특정의 돌기부를 선택하기 위해 그리고 선택된 기준 영역에 고정된 기준 화합물과 선택된 돌기부에 고정된 시료 화합물 간의 상호작용을 일으키기 위해 캔틸레버와 시료 지지부재의 상대 위치와 방향을 조절하는 단계, 및
(e) 선택된 기준 화합물과 선택된 시료 화합물 사이의 상호작용과 연관된 물리적 변수를 측정하는 단계를 포함한다.
또 다른 측면에서 본 발명은, 적어도 하나의 기준 화합물과 상호작용하기 위한 적어도 하나의 시료 화합물을 어세이하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 각각 약 1㎛ 내지 약 10㎛의 높이를 갖고, 각 돌기부의 정점 곡률 반경이 약 5㎚ 내지 약 1000㎚이고, 인접 돌기부 사이의 거리가 약 2㎛ 내지 약 50㎛이고, 각 돌기부는 시료 화합물의 고정화로 화학 변형된 첨단 기판 영영을 가지며, 각 돌기부 상의 시료 화합물이 동일하거나 다를 수 있으며, 표면 영역은 공간상 어드레스할 수 있는 복수의 하부 영역으로 세분화되며, 평면 배열된 테이퍼지거나 라운드진 돌기부를 갖는 시료 지지부재, 및
고정 단부와 적어도 0.01 제곱 미크론의 표면적 갖는 실질적으로 평평한 표면 영역을 갖는 자유 단부를 갖는 캔틸레버를 포함하는 장치를 제공하는 단계,
(b) 각 돌기부의 첨단 기판 영역을 화학적으로 변형하여 각각의 돌기부 상에 동일하거나 다를 수 있는 시료 화합물을 고정화시키는 단계,
(c) 캔틸레버의 자유 단부의 표면 영역의 공간상 어드레스할 수 있는 하부 영역을 화학적으로 변형하여 각 하부 영역에 다른 기준 화합물을 고정화시키는 단계,
(d) 시료 지지부재를 원자력 현미경의 시료 스테이지부와 결합시키고, 캔틸레버를 원자력 현미경의 캔틸레버 지지부와 결합시키는 단계로서, 원자력 현미경이 특정 돌기부를 선택하기 위해 그리고, 캔틸레버의 자유 단부의 표면 영역에 고정된 기준 화합물과 선택된 돌기부의 첨단 기판 영역에 고정된 시료 화합물 사이의 상호작용을 일으키는 수단과, 기준 화합물과 시료 화합물 사이의 상호작용과 연관된 물리적 변수를 측정하기 위한 수단을 포함하며,
(e) 특정 돌기부를 선택하기 위해 그리고 선택된 하부 영역에 고정된 기준 화합물과 선택된 돌기부에 고정된 시료 화합물 사이의 상호작용을 일으키기 위해 캔틸레버와 시료 지지부재의 상대 위치와 방향을 제어하는 단계, 및
(f) 선택된 기준 화합물과 선택된 시료 화합물 사이의 상호작용과 연관된 물리적 변수를 측정하는 단계를 포함한다.
도1(선행기술)은 종래의 캔틸레버와 종래 기판 사이의 상호작용을 개략적으로 도시하는 확대도,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따라 캔틸레버와 시료 지지부재 사이의 상호작용을 개략적으로 도시하는 확대도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따라 시료 지지부재의 일부를 개략적으로 도시하는 확대평면도,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따라 캔틸레버의 자유 단부를 개략적으로 도시하는 확대측면도, 및
도5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 캔틸레버의 자유 단부를 개략적으로 도시하는 확대저면도이다.
도1(선행기술)에서 개략적으로 도시한 것처럼, 종래의 원자력 현미경 캔틸레버(1)는 분자(3)를 거기에 고정시키기 위해 변형될 수 있는 날카로운 첨필 또는 팁(2)을 포함한다. 팁은 기판(4)에 접촉 또는 가까이 가도록 이동되어, 팁(2)의 분자와 기판에 고정된 분자(5) 사이의 상호작용이 측정될 수 있다.
도2에서 개략적으로 도시한 것처럼, 본 발명의 장치는 바람직하게는 기준 화합물의 분자(30)를 고정시키기 위해 화학적으로 변형되는 표면 영역(20)을 갖는 자유 단부(15)를 갖는 캔틸레버(10)를 포함한다. 시료 지지부재(40)는 고정화될 시료 분자(50)를 갖는 첨단 기판 영역(48)을 갖는 복수의 돌기부(45)를 포함한다. 본 발명에 따라서 기준 분자와 시료 분자 간의 상호작용은 캔틸레버의 표면 영역을 돌기부 중 하나의 첨단 기판 영역에 대해 접촉하게 하거나 또는 가까이 가져감으로써 측정된다.
시료 지지부재는 각각 화학적으로 변형된 첨단 기판 영역을 갖는 복수의 돌기부를 갖는 지지 베이스를 포함한다. 일반적으로 돌기부는 시료 화합물의 아주 적은 수의 분자만이 각 돌기부의 정점에 고정되도록 허용하는 크기와 형태로, 시료 화합물의 개별 분자들이 연구를 위해 고립될 수 있어야 한다. (전형적으로 돌기부는 광학 현미경을 통해서만 보여지고 육안으로는 분명하게 보이지 않는다.) 바람직하게 돌기부는 테이퍼지거나 또는 약 5㎚과 약 1000㎚ 사이의 정점 곡률 반경을 갖도록 라운드 처리된다. 돌기부의 첨단 곡률 반경은 고정될 시료 화합물의 분자의 범위(단위 면적당 분자의 수)에 따라 선택되어야 한다. 비교적 낮은 존재비 또는 범위에 있거나, 또는 고정하기가 어려운 화합물에 대하여는, 비교적 큰 곡률 반경을 갖는 돌기부가 사용되어야 한다. 예를 들면 원형 또는 반구형의 형태는 이러한 유형의 시료 화합물에 대하여 바람직하다. 큰 곡률 반경은 모든 돌기가 적어도 하나의 고정된 시료 분자를 가질 가능성을 증가시키는데 도움이 된다. 높은 범위로 고정되는게 쉬운 분자에 대하여는, 비교적 작은 곡률 반경을 갖는 테이퍼진 돌기부가 사용되어야 한다. 피라미드형 또는 원뿔 형태는 이러한 유형의 시료 화합물에 대하여 바람직하다. 작은 곡률 반경은, 대다수의 분자가 고정화 과정 동안에 각 돌기부에 결합되더라도 돌기부의 정점에 있는 단일 분자들을 연구를 위해 확실히 고립시키는데 도움이 된다. 시료 지지부재는 다른 곡률 반경을 갖는 다양한 돌기부로 구성될 수 있어, 동일한 지지부재가 다양한 유형의 시료 화합물을 고정하는 데 이용될 수 있다.
실제로 시료 지지부재의 크기는 이용되는 특정의 원자력 현미경 계기의 시료 홀딩 영역이나 스테이지 영역의 크기에 따라 선택되는 것이 일반적이긴 하지만, 원칙적으로 시료 지지부재의 전체 크기에는 제한이 없다. 돌기부의 크기와 간격은 특정의 캔틸레버 또는 기준 화합물 지지부재의 크기와 조화하게 선택되어, 각 돌기부의 정점 기판 영역이 캔틸레버 또는 기준 화합물 지지부재에 접근할 수 있다. 특히 돌기부는 기준 화합물 지지부재의 폭보다 더 큰 거리만큼 떨어져 있어야 하며, 기준 화합물 지지부재는 인접 돌기부로부터의 간섭없이 각 돌기부에 어드레스하도록 유도될 수 있다. 한편 돌기부를 너무 멀리 떨어지게 간격을 두는 것은 작은 영역으로 패킹될 수 있는 돌기부의 수를 제한시킨다. 바람직하게 가장 넓은 지점에 있는 돌기부의 폭은 약 0.5-5㎛이고, 인접 돌기부 사이의 거리는 약 2-50㎛이다. 그러므로 수 평방 센티미터 크기의 시료 지지부재는 수백만 개의 돌기부를 가질 수 있다.
일부 원자력 현미경에서 캔틸레버는 시료 기판의 표면에 대하여 고정각으로 유지되는 반면에 캔틸레버와 기판은 서로에 대해 상대적으로 이동한다. 이러한 유형의 현미경이 본 발명의 캔틸레버와 시료 지지부재와 함께 사용되면 돌기부의 높이는 캔틸레버의 표면적이 얼마나 많이 돌기부의 정점에 접근할 수 있는지에 영향을 미칠 수 있다. 돌기부의 높이가 충분하면 자유 단부로부터 멀어지는 방향으로 접근될 수 있는 캔틸레버의 영역은, 자유 단부가 시료 지지부재와 충돌하게 되므로 한정된다. 바람직하게 돌기부의 높이는 약 1-10㎛이다.
도3에서 개략적으로 도시된 것처럼, 시료 지지부재(40)는 전형적으로 돌기부(45)의 평면 배열을 포함한다. 바람직하게 돌기부는 정방형 배열처럼 규칙적인 패턴으로 배열되어 있어, 특정 돌기부의 위치를 추적하는 것이 쉽다. 특정 돌기부의 위치를 추적하고, 돌기부를 서로에 대해 구별하는 편의를 위해, 시료 지지 베이스는 광학 현미경을 통해 볼 수 있는 표시부(markings)를 포함할 수 있다. 또한 특정 돌기부들을 구별하는 편의상, 일단의 돌기부들은 빈 행과 열에 의해 분리되기도 한다.
평면 배열을 제외한 다른 구성이 가능하다. 예를 들면 시료 지지부재는 각 테라스에 돌기부의 적어도 하나의 행을 갖는 테라스 구조일 수 있다.
시료 지지부재는 마이크로제조(microfabricate)될 수 있는 재료는 무엇으로든 만들어질 수 있다. 바람직하게 시료 지지부재는 실리콘 웨이퍼이다. 돌기부는 바람직하게 지지 베이스와 일체형이며, 시료 지지부재의 포토패터닝 (photopatterning) 및 에칭 등의 표준 마이크로제조 기술로 만들어질 수 있다. 특히, 종래의 캔틸레버 탐침 팁을 만드는데 이용되는 방법과 비슷한 마이크로제조 방법은 시료 지지부재의 돌기부를 만드는데 이용될 수 있다. 예를 들면 테이퍼진 극소형 실리콘 구조를 만드는 방법이 본 명세서에서 참조하는 Andreadakis의 미국 특허 제5,201,992호 및 제5,204,581호에 기재되어 있다. 시료 지지부재는 또 마이크로제조된 몰드로 캐스팅하여 만들어질 수 있다. 시료 지지부재는 특정 유형의 시료 화합물을 결합하는데 유용한 하나 이상의 레이어를 갖는 재료로 코팅될 수 있다. 예를 들면 시료 지지부재는 금 레이어로 코팅되어 치올 함유 화합물의 고정화를 가능하게 할 수 있다.
돌기부의 첨단 기판 영역은 기판 상에 화학적 또는 생화학적 엔티티를 공유결합으로 또는 비공유결합으로 고정화시키는 기술 분야에서 알려진 어떤 방법에 의해서건 시료 화합물을 고정화하기 위해 변형된다. 특별히, 종래의 캔틸레버 탐침 팁과 시료 표면을 변형시키는데 이용되는 화학적 방법들이 본 발명의 돌기부를 변형시키는데 이용될 수 있다. 고정화 화학에 대한 일반적인 논의는, 본 명세서에서 참조하는 Isarel Journal of Chemistry 36권(1996년)의 Lee 등의 "원자력 검경을 위한 화학적 특이 탐침(Chemically-specific Probes for the Atomic Force Microscope)" (81-87 페이지)에서 찾아볼 수 있다.
당해 기술 분야에 알려진 전기화학적 및 정전기적 방법은 또한 돌기부에 시료 화합물을 고정화시키는데 이용되기도 한다. 예를 들면 시료 지지부재의 표면의 정전기 포텐셜은 돌기부의 정점에 시료 화합물을 집결시키기 위해 조작될 수 있다.
돌기부에 고정된 시료 화합물은 수행되는 연구의 유형에 따라 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 예를 들면, 연구원이 단지 하나의 특정 시료 화합물과 캔틸레버 상의 기준 화합물의 상호작용을 연구하는데만 관심있다면 시료 지지부재는 단지 하나의 화합물만 돌기부에 고정되도록 변형될 수 있다. 한편, 연구원이 다수의 다른 시료 화합물과 기준 화합물의 상호작용을 연구하는데 관심있다면 시료 지지부재는 서로 다른 화합물들이 공간적으로 어드레스할 수 있는 다른 돌기부에 고정되게 변형될 수 있다. 바람직하게 시료 화합물 각각은 다수의 돌기부에 고정되어, 고정된 특정 시료 화합물이 손상되면, 같은 시료 화합물을 가진 또 다른 돌기부가 연구 용으로 선택될 수 있게 된다. 또한 다수의 다른 돌기부에 고정되는 각각의 화합물을 가지면 실험을 반복하는 것이 가능하고, 그 결과를 통계적인 엄정함으로 이중 점검하는 것이 가능하다. 포토패터닝, μ-접촉 인쇄를 포함하지만 이것들로 제한되지는 않는, 당해 기술 분야에 알려진 어떠한 패터닝 방법도 고정화되는 다른 화합물을 갖는 돌기부 배열을 생성하는데 이용될 수 있다. 전기화학적 방법들이 시료 화합물을 돌기부에 고착시키기 위해 사용되면 서로 다른 시료 화합물들은 시료 지지부재의 다른 구간에 별도의 전극을 사용하여 시료 지지부재 상에 패터닝될 수 있다. 더욱이, 조합 합성법은 돌기부가 고정되는 조합 라이브러리의 다른 멤버를 갖도록 동일 장소에서(in situ) 조합 라이브러리를 생성하는데 이용될 수 있다. 폴리펩티드나 올리고뉴클레오티드 배열을 생성하는 방법들의 일례는 Science지 251호에서의 Fodor 등의 "광 지향성의 공간상 어드레스할 수 있는 평행 화학 합성(Light-Directed, Spatially Addressable Parallel Chemical Synthesis)" (767-773 페이지), Pirrung 등의 미국 특허 제5,143,854호, Foder 등의 미국 특허 제5,445,934호에 개시되어 있으며, 본 명세서에서는 그 개시 내용을 참조하고 있다. 이들 참고문헌에서 기재된 방법들은 시료 화합물의 조합 라이브러리를 본 발명의 돌기부에 고정화시키기 위해 조정될 수 있다.
시료 화합물이나 시료 화합물들은 돌기부의 첨단 기판 영역에 고정화시킬 때에, 첨단 기판 영역에 고정화된 시료 화합물에 대한 액세스가 방해되지 않는 한 이용된 특정 방법이 시료 화합물을 또 시료 지지부재의 다른 돌기부에 고정화시키는데 부수적인 영향을 갖느냐 하는 것은 문제가 안된다.
"각각의 돌기부"가 시료 화합물의 고정화에 의해 변형되는 첨단 기판 영역을 갖는 복수의 돌기부를 갖는 시료 지지 베이스를 시료 지지부재가 포함하도록 규정함으로써, 시료 지지부재가 화학적으로 변형되지 않은 돌기부도 갖는 것을 본 발명의 실시의 범위에서 배제하려고 하지 않는다. 예를 들면 연구원은 시료 지지부재의 일부만을 화학적으로 변형하고, 시료 지지부재의 나머지 부분은 접촉되지 않도록 선택할 수 있다. 또는 시료 화합물은 기판에 고정화시키는게 어려워서 시료 지지부재의 돌기부의 일부만 성공적으로 변형되고 나머지 돌기부는 변형되지 않을 수도 있다. 이러한 실시예도 본 발명의 범위 내에 들어간다.
본 발명은 또 돌기부의 첨단 기판 영역에 연결 화합물을 고정화시키기 위해 변형되는 시료 지지부재를 포함하는데, 여기서 연결 화합물은 시료 화합물을 결합시킬 수 있는 화합물이다. 이 실시예는, 연구원이 초기의 고정화 단계에 이어지는 적절한 때에 특정의 시료 화합물을 선택하게끔 함으로써 융통성을 제공한다. 시료 화합물을 기판에 결합시키는 당해 기술 분야에서 알려진 연결 화합물은 무엇이든 이용될 수 있다. 전형적인 연결 화합물은, 특정 유형의 기판을 결합시키기 위해 기능화되는 분자의 일부와 특정 유형의 시료 화합물을 결합시키기 위해 기능화되는 분자의 일부를 갖는 이질양기능성(heterobifunctional)의 크로스링커이다. 예를 들면 연결 화합물을 실리콘 기판과 결합시키기 위해, 연결 화합물은 화학식 -O(CH2)nSi(OR)3-mClm인 하나 이상의 실란 작용기를 가질 수 있는데, 여기서 R은 CH3 또는 CH2CH3이며, m은 0 내지 3의 정수이며 n은 약 9 내지 약 25의 정수이다. 연결 화합물을 골드 레이어가 있는 기판과 결합시키기 위해, 연결 화합물은 하나 이상의 치올 작용기를 가질 수 있다. 마찬가지로 연결 화합물의 시료 결합부는 단백질이나 핵산 등의 특정 유형의 시료 화합물을 결합시키는데 선택되기도 한다. 예를 들면 연결 화합물은, 폴리펩티드의 치올 함유 잔류물이나 연결 화합물이 폴리펩티드나 핵산의 아민기를 결합시키는 하나 이상의 석시니미드기(succinimide)를 포함하는 하나 이상의 말레이미드(maleimide)를 포함하기도 한다. 연결 화합물은 또한 광활성(photoactivable)이 있어서 그 화합물은 조사된 후에만 시료 화합물을 결합시킬 수도 있다. 실리콘에 고정화될 수 있는 광활성 연결 화합물의 예는 본 명세서에서 참조하는 Conrad 등에 의해 1997년 2월 10일자로 출원된 미국 특허출원 제08/797,325호에 개시되어 있다.
본 발명의 시료 지지부재는 전술한 것처럼 캔틸레버가 있는 원자력 검경에서 가장 흔하게 이용될 것으로 예상된다. 그러나 시료 지지부재는 또, 시료가 복수의 돌기부의 정점에서 기하학적으로 액세스가 가능하게 고정화되게 하는 장점을 갖는 어떠한 설정(set-up)에서든 주사 터널링 검경 및 주사 힘 검경 등의 탐침 베이스의 다른 유형의 검경을 위해 시료 화합물을 지지하기 위한 시료 지지체로서 이용되기도 한다. 종래의 캔틸레버가 아닌, 힘 변환을 위한 다른 방식과 기준 화합물을 지지하기 위한 다른 유형의 플랫폼이 사용될 수도 있다. 이러한 적용예에서 사용된 용어 "기준 화합물 지지부재"는 캔틸레버든 아니든 기준 화합물이 고정화되는 표면 영역을 제공하는 구조를 가리키는데, 이로써 기준 화합물과 상호작용하는 위치로 이동시킬 수 있어서 그 상호작용과 연관된 물리적 변수가 측정될 수 있다. 힘 변 환을 위한 방식은 기준 화합물 지지부재나 시료 지지부재와 결합되기도 한다. 예를 들면 본 명세서에서 참조하는, Journal of Microscopy 179권 3부(1995년 9월 3일)에서의 Amrein. M. 등의 "생물학적 대상에 적용되는 결합된 힘 주사/주사 터넬링 검경을 위한 새로운 힘 감지 배열(A Novel Force-Sensing Arrangement for Combined Scanning Force/Scanning Tunnelling Microscopy Applied to Biological Objects)" (261-265 페이지)와 Ultramicroscopy 65권 (1996년)에서의 Schenk, M. 등의 "조합 주사 탐침 겅경을 위한 힘 감지기로서의 일렉트릿 마이크로폰(An Elctret Microphone as a Force Sensor for Combined Scanning Probe Microscopy)" (109-118 페이지)에 기재되어 있는 주사 탐침 검경의 일 변형예에서, 시료는 일렉트릿(electret) 마이크로폰 박막인 힘 변환기의 상부에 위치하며, 탐침 팁에 의해 발휘되는 힘에 대응하여 박막에서의 편향(defection)이 측정된다. 본 발명의 시료 지지부재와 기준 화합물 지지부재는 이러한 유형의 배열이나 시료 지지부재가 힘 변환기에 연결되는 비슷한 설정에 맞춰 조정될 수 있다.
바람직하게 기준 화합물 지지부재는 캔틸레버이다. 캔틸레버는 Si, SiO2, Si3N4, Si3N4Ox, Al 또는 압전 재료를 비롯한, 원자력 현미경 캐틸레버에 이용되는 당해 기술 분야에 알려진 어떤 재료로도 구성될 수 있다. 캔틸레버의 화학적 조성은 중요하지 않으며, 쉽게 마이크로제조될 수 있고, 필요한 기계적 특성을 갖고 있어서 원자력 현미경 측정에 이용될 수 있는 재료가 바람직하다. 마찬가지로 캔틸레버는 원자력 현미경 캔틸레버에 대한 당해 기술 분야에서 알려진 어떠한 크기와 형태도 가능하지만, 단 종래의 캔틸레버와 달리 자유 단부상의 첨필이나 탐침 팁에 의존하지 않는 것이 예외이다. 대신에 캔틸레버는 적어도 하나의 기준 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형되는 자유 단부에 표면 영역을 갖는다. 바람직하게, 캔틸레버는 사각형("다이빙 보드" 형태) 또는 "V" 형태를 갖는다. 캔틸레버의 크기는 바람직하게 길이에 있어서 약 5미크론 내지 약 1000미크론의 범위이고, 폭에 있어서 약 1미크론 내지 약 100미크론의 범위이고, 두께에 있어서 약 0.04미크론 내지 약 5미크론의 범위에 있다. 전형적인 원자력 현미경 캔틸레버는 길이가 약 100미크론, 폭이 약 20미크론, 두께가 약 0.3미크론이다. 일반적으로 캔틸레버의 크기가 증가하면 화학적으로 변형된 표면 영역이 더 커지고, 거기에 고정화되는 분자의 수가 상당히 많아지게 된다. 그러나 캔틸레버의 크기가 커지면 일반적으로 특정의 분자간 상호작용에 대한 캔틸레버의 감도가 줄어들며 힘 측정의 정확도가 감소한다.
캔틸레버의 고정 단부는 캔틸레버가 종래의 원자력 현미경의 캔틸레버 지지부에 끼워 맞춰지거나 인터페이스되도록 조절될 수 있다.
캔틸레버의 화학적으로 변형된 표면 영역은, 캔틸레버가 원자력 현미경에 일체화될 때 시료 지지부재를 향하는 캔틸레버의 부분 위에 있다. 표면 영역은 바람직하게 캔틸레버의 단부 근처에 있는 적어도 0.01 제곱 미크론의 실질적으로 평평한 영역이다.
캔틸레버의 자유 단부의 표면 영역은 기판 상에 화학적 엔티티를 고정화시키기 위한 당해 기술 분야에 알려진 어떤 방법으로든 기준 화합물을 고정화시키기 위 해 변형될 수 있다. 전형적으로 표면 영역은 고정화된 기준 화합물의 수십억 또는 수조 개의 분자를 갖는다.
본 발명의 변형 실시예에서, 캔틸레버의 표면 영역은 비드를 고정화시킴으로써 변형되기도 한다. 특정 크기를 갖는 비드가 시료 지지부재의 돌기부의 곡률 반경이나 다른 기하학적 속성을 보상하는데 이용될 수 있다. 또한 비드는 복수의 다른 기준 화합물을 캔틸레버에 부착시키는 방법으로 이용될 수 있다. 다른 기준 화합물은 다른 크기의 비드에 고정화될 수 있다. 즉, 특정 크기의 비드에 기준 화합물 각각이 고정화될 수 있다. 그리고 나서 비드는 캔틸레버 상에 임의로 고정화될 수 있다. 기준 화합물과 본 발명의 시료 지지부재에 고정된 시료 화합물의 상호작용을 측정할 때, 특정의 기준 화합물은 거기에 부착되는 비드의 크기에 의해 서로 구별될 수 있다. 이 실시예는 복수의 다른 기준 화합물을 캔틸레버에 고정화시키는데 편리한 방법을 제공한다. 서로 구별될 수 있는 다른 카테고리의 비드 크기의 예로는 1-2㎚ 비드, 10-15㎚ 비드 및 20-25㎚ 비드가 있다. 이 실시예는 고정화된 제1 기준 화합물(115)을 갖는 작은 크기의 비드(110), 고정화된 제2 기준 화합물(125)을 갖는 중간 크기의 비드(120), 및 고정화된 제3 기준 화합물(135)을 갖는 대형 크기의 비드(130)를 갖는 캔틸레버(100)의 자유 단부의 확대측면도를 개략적으로 보여주는 도4에 도시되어 있다.
또 다른 변형 실시예에서, 캔틸레버나 기준 화합물 지지부재의 표면 영역은 공간상 어드레스할 수 있는 하부 영역으로 세분화될 수 있으며, 각 세부 영역에는 다른 기준 화합물이 고정화된다. 본 실시예의 캔틸레버는 포토패터닝 같은 고정화 된 화합물의 공간상 어드레스할 수 있는 배열을 생성하기 위한 기술 분야에서 알려진 어떤 방법으로도 생성 가능하다. 공간상 어드레스할 수 있는 하부 영역의 수가, 하부 영역을 생성하는데 이용되는 패터닝 기술의 분해능(resolution)에 의해 그리고 방법이 무엇이든 캔틸레버와 시료 지지부재의 상대 위치를 제어하는데 이용되는 방법의 분해능에 의해서만 제한되긴 하지만, 바람직한 하부 영역의 수는 약 10 이하이다. 본 실시예는 고정화된 기준 화합물(215, 225, 235, 245, 255, 265, 275, 285 및 295)을 갖는 하부 영역(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280 및 290)을 갖는 캔틸레버(200)의 자유 단부에 대한 개략적인 확대 저면도를 보여주는 도5에 도시되어 있다.
기준 화합물 지지부재의 표면 영역상에 10개나 되는 다른 기준 화합물과 시료 지지부재의 돌기부에 1,000개나 되는 다른 시료 분자를 고정함으로써, 기준 화합물 지지부재나 시료 지지부재를 변형하지 않고도 10,000개 정도의 다른 분자간 상호작용을 연구하는 것이 가능하다. 본 발명에 따른 방법 및 장치는 수용체/리간드 상호작용, 항체/항원 상호작용 및 DNA나 RNA와 상보 스트랜드와의 상호작용을 연구 또는 스크린하는데 이용될 수 있다. 예를 들면 수용체는 기준 화합물 지지부재의 표면 영역에 고정될 수 있고, 후보 리간드의 대형 라이브러리는 그들 중에서 어떤 것이 수용체와 상호작용하는지 판단하기 위해 그리고 그 상호작용의 강도를 측정하기 위해 스크린될 수 있다. 본 발명에 따라, 제약 및 농업 분야의 용도를 위한 후보 엔티티의 신속하고 효율적이고 통계상 엄밀한 대형 규모의 스크린이 가능해진다. 대안으로, 리간드는 기준 화합물 지지부재의 표면 영역에 고정화될 수 있고, 후보 수용체의 라이브러리는 리간드가 그들 중의 어느 것과 상호작용하는지 판단하기 위해 스크린될 수도 있다. 항체/항원 상호작용 및 DAN나 RNA와 상보 스트랜드와의 상호작용을 스크린하는데 유사한 방법이 이용될 수 있다.
기준 화합물과 시료 화합물 사이의 분자 상호작용을 연구하기 위해 기준 화합물 지지부재와 시료 지지부재의 상대 위치 및 방향은 특정 돌기부를 선택하고, 기준 화합물 지지부재의 특정 돌기부에 고정화된 기준 화합물과 선택된 돌기부의 첨단 기판 영역에 고정된 시료 화합물 사이의 상호작용을 일으키기 위한 종래의 수단으로 제어될 수 있다. 기준 화합물 지지부재든 시료 지지부재든 또는 양자 모두가 이동, 주사 또는 발진될 수 있다. 캔틸레버가 다른 하부 영역에 고정화된 다른 기준 화합물을 갖는다면 캔틸레버와 시료 지지부재의 상대 위치도 캔틸레버의 선택된 하부 영역만이 선택된 돌기부와 상호작용하도록 제어될 수 있다. 바람직하게는 캔틸레버와 시료 지지부재의 상대 위치와 방향을 제어하는 수단은 전기 신호를 서브나노미터(sub-nanometer)의 분해능을 갖는 기계적 변위로 변환시킬 수 있는 압전 액츄에이터의 사용을 통해 달성될 수 있다.
원자력 검경으로 측정될 수 있는 기준 화합물과 시료 화합물 사이의 상호작용과 연관된 물리적 변수는 무엇이든 본 발명에 따른 장치와 방법으로 측정될 수 있다. 물리적 변수는 결합력, 탄성 및 진폭, 주파수 및 위상 등의 공명 속성의 변형을 포함하지만 이것들로 제한되지는 않는다. 물리적 속성은 광 편향, 광 간섭 및 압전 효과를 포함하는 종래의 수단으로 측정될 수 있다. 바람직하게 기준 화합물과 시료 화합물이 서로 접촉하거나 떨어지거나, 가까이 가거나 멀어지거나 할 때 양자의 상호작용의 힘은 평형 위치로부터 캔틸레버의 편향을 측정하여 측정된다. 캔틸레버의 편향은 캔틸레버의 뒤로부터의 레이저 빔을 위치 검출기 상에서 반사시키는 등의 다수의 기술로 측정될 수 있다.
측정은, 주위 조건(ambient condition)이나 또는 액체 조건을 포함하나 이에 한하지는 않는 원자력 검경에 이용되는 어느 매체 또는 환경 조건에서든 실시될 수 있다. 액상 매체에서는 pH, 이온 농도 및 억제제나 경쟁제(competitor)의 존재 등의 실험 조건이 제어 및 변형될 수 있다.
시중에서 구매할 수 있는 원자력 현미경 계기는 캔틸레버와 시료 지지부재의 상대 위치를 제어하기 위해, 그리고 캔틸레버 상의 기준 화합물과 시료 지지부재 상의 시료 지지부재 간의 상호작용과 연관된 물리적 변수를 측정하는데 이용될 수 있다. 전형적으로 구매 가능한 원자력 현미경은 탈착 가능한 캔틸레버와 지지부재를 가지고 있어서, 이들 계기는 본 발명에 따른 캔틸레버와 시료 지지부재를 간단히 바꿔서 변형될 수 있다. 측정의 진행 과정은 자동화되거나 전산화되어, 조합 라이브러리에서와 같은 다수의 시료 화합물이 신속히, 효율적으로 통계적 엄정함으로 분석될 수 있다. 본 발명에 따른 캔틸레버와 시료 지지부재는 또 예를 들면 본 명세서에서 참고하는 Finlan 등의 미국 특허 제5,047,633호에 개시된 바와 같은 다수의 별도로 제어되는 캔틸레버를 갖는 유형의 원자력 현미경과 함께 이용될 수 있다.
본 발명의 장치는 또 환경 변화의 감지기로서 이용될 수 있다. 감지기에서 종래의 상호작용을 하는 화합물들이 기준 화합물과 시료 화합물로 이용된다. 기준 화합물과 시료 화합물 사이의 상호작용의 변화는, 간섭 분자의 존재 등의 환경의 변화를 나타낸다. 감지기로 원자력 현미경을 사용하는 것은 예를 들면 Colton 등의 미국 특허 제5,372,930호에 개시되어 있다.
본 발명을 실시하는데 지금까지 알려진 최선의 모드를 포함하여 본 발명의 구체적인 어플리케이션을 예시하기 위해 다음의 실험예가 제공된다. 이들 특정의 실험예는 본 어플리케이션으로 기술되는 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다.
실험예
마이크로제조된 테이퍼진 돌기부의 배열을 갖는 시료 지지부재는 표준 실리콘 마이크로제조 기술에 의해 생성되었다. 구체적으로 실리콘 웨이퍼는 산화물층을 형성하고, 그리고 나서 그 층을 체계적으로 변화하는 반지름을 갖는 포토레지스트 패턴으로 패터닝함으로써 처리되었다. 그리고 나서 노출된 산화물은 에칭되어 뒤에 보호된 원형 마스크 아일랜드나 산화물 캡을 남겼다. 비등방성 에칭에 의해 실리콘층은 캡이 있는 피라미드 형태의 돌기부를 생성하기 위해 산화물 캡 주위에 그리고 그 아래에서 에칭되었다. 에칭은 캡이 분리될 때까지 계속되었다. 나머지 구조물은 산화물 형성이나 제거에 의해 터치되어 체계적으로 변화하는 정점 곡률 반경을 갖는 피라미드 형태의 돌기부 배열을 생성하였다. 비오틴레이트화(biotinylated) PEG와 아미노 실란이 20㎛의 폭, 2㎛의 두께와 440㎛의 길이 및 0.08N/m의 공칭 힘 상수를 갖는 Digital Instruments NanoProbe의 실리콘 캔틸레버에 고정화되었다. 시료 지지부재와 캔틸레버는 변형된 상용 광빔 편 향 베이스의 원자력 현미경(Digital Instruments NanoProbe IIIa)에 끼워 맞춰지며, 캔틸레버와 시료 지지부재의 분리와 연관된 결합력을 측정하는데 이용되었다. 이 과정에서 캔틸레버는 피라미드형 돌기부의 하나 위에서 중심이 맞추어졌고, z-피에조는 삼각파로 여자되어, 캔틸레버와 돌기부 사이에 10Hz에서 3㎛의 상대 수직 이동의 결과를 얻었다. 돌기부의 정점 가까이 캔틸레버를 낮추기 위해 (2㎛ 미만이지만 닿지는 않음) 스텝퍼 모터가 이용되었다. 이 시점에서 z-피에조 범위와 정격은 500㎚와 1Hz로 각각 줄어들었다. 트리거링 알고리듬이 초기화되어 캔틸레버는 돌기부 정점에 대하여 1.0nN 이상의 부하를 인가하는 것이 금지되었다. 결합력 측정이 이루어지고 힘 곡선이 기록되었다. 그리고 나서 캔틸레버는 또 다른 돌기부 위로 위치되었고 측정이 반복되었다.
분명히 상기 교시에 비추어 본 발명에 대한 다양한 변형과 변형이 가능하다. 첨부한 청구범위의 범위 내에서 본 발명은 전술한 내용 외에도 실시될 수 있는 것으로 이해된다.

Claims (51)

  1. 원자력 검경을 위한 시료 지지부재에 있어서,
    복수의 돌기부를 갖는 시료 지지 베이스를 포함하며,
    돌기부 각각은 시료 화합물이나 시료 화합물을 결합시킬 수 있는 연결 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형된 첨단 기판 영역을 가지며,
    상기 돌기부 각각에 있는 시료 화합물이나 연결 화합물은 같거나 다를 수 있는 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부는 테이퍼지거나 라운드진 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  3. 제1항에 있어서.
    상기 돌기부는 피라미드형인 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부는 원뿔형인 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부는 반구형인 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부는 각각 약 1㎛ 내지 약 10㎛의 높이를 갖고, 각 돌기부의 정점 곡률 반경이 약 5㎚ 내지 약 1000㎚이고, 인접 돌기부 사이의 거리가 약 2㎛ 내지 약 50㎛인 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 돌기부는 각각 상기 시료 화합물에서 고립된 하나의 분자가 상기 첨단 기판 영역에 고정화되기에 충분히 작은 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부의 상기 첨단 기판 영역은 조합 라이브러리의 멤버인 시료 지지부재의 고정화에 의해 화학적으로 변형되는 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 시료 화합물은 상기 돌기부의 상기 첨단 기판 영역 상의 동일 장소에서 합성되는 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부는 판상의 배열을 갖는 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 시료 지지부재는 각각이 적어도 한 행의 돌기부를 갖는 복수의 테라스 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 시료 지지 베이스는 힘 변환기와 결합되는 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부의 첨단 기판 영역은 치올 함유 시료 화합물의 치올기를 결합시킬 수 있는 연결 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형되는 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부의 상기 첨단 기판 영역은 아민 함유 화합물의 아민기를 결합시킬 수 있는 연결 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형되는 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부의 상기 첨단 기판 영역은 광활성이 있는 연결 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형되는 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부를 광학 검경에 의해 서로 구별시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 돌기부를 서로 구별하는 상기 수단은 광학 현미경을 통해 눈에 보이는 상기 시료 지지 베이스에 있는 표지부(markings)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  18. 원자력 검사를 위한 시료 지지부재에 있어서,
    테이퍼지거나 라운드진 돌기부의 평면 배열을 갖는 시료 지지 베이스를 포함하고,
    상기 돌기부는 각각 약 1㎛ 내지 약 10㎛의 높이를 갖고, 각 돌기부의 정점 곡률 반경은 약 5㎚ 내지 약 1000㎚이고, 인접 돌기부 사이의 거리가 약 2㎛ 내지 약 50㎛이고.
    각 돌기부는 시료 화합물이나 시료 화합물을 결합시킬 수 있는 연결 화합물 의 고정화에 의해 화학적으로 변형되는 첨단 기판 영역을 가지며,
    각 돌기부 상의 시료 화합물이나 연결 화합물이 같을 수도 있고 다를 수도 있는 것을 특징으로 하는 시료 지지부재.
  19. 원자력 현미경용 캔틸레버에 있어서,
    고정 단부와 자유 단부를 갖는 캔틸레버 본체를 포함하고,
    상기 자유 단부는 공간상 어드레스할 수 있는 복수의 하부 영역을 갖는 표면 영역을 가지며, 상기 하부 영역 각각은 서로 다른 기준 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형되는 것을 특징으로 하는 캔틸레버.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 캔틸레버의 자유 단부의 표면 영역은 실질적으로 평탄하고 적어도 0.01 제곱 미크론의 표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 캔틸레버.
  21. 원자력 현미경용 캔틸레버에 있어서,
    고정 단부와 자유 단부를 갖는 캔틸레버 본체를 포함하고,
    상기 자유 단부는 표면 영역을 가지며, 상기 표면 영역은 고정되는 서로 다른 크기 카테고리를 갖는 복수의 비드를 가지며, 상기 비드는 고정화되는 기준 화합물을 가지며,
    비드의 각 크기 카테고리는 고정화되는 다른 기준 화합물을 갖는 것을 특징 으로 하는 캔틸레버.
  22. 기준 화합물과 적어도 하나의 시료 화합물 사이의 상호작용을 측정하는 장치에 있어서,
    각각이 시료 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형되는 첨단 기판 영역을 갖는 복수의 돌기부를 가지며, 각각의 돌기부 상의 시료 화합물이 같을 수도 있고 다를 수도 있는 시료 지지부재,
    적어도 하나의 기준 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형되는 표면 영역을 갖는 기준 화합물 지지부재,
    특정 돌기부를 선택하기 위해, 그리고 기준 화합물 지지부재의 표면 영역에 고정화된 기준 화합물과 선택된 돌기부의 첨단 기판 영역에 고정화된 시료 화합물 사이의 상호작용을 일으키기 위해, 기준 화합물 지지부재와 시료 지지부재의 상대 위치와 방향을 제어하기 위한 수단, 및
    상기 기준 화합물과 상기 시료 화합물 사이의 상호작용과 연관된 물리적 변수를 측정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 돌기부는 테이퍼지거나 라운드진 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 돌기부는 피라미드형인 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 돌기부는 원뿔형인 것을 특징으로 하는 장치.
  26. 제22항에 있어서,
    상기 돌기부는 반구형인 것을 특징으로 하는 장치.
  27. 제22항에 있어서,
    상기 돌기부는 판상의 배열로 된 것을 특징으로 하는 장치.
  28. 제22항에 있어서,
    상기 돌기부는 각각 약 1㎛ 내지 약 10㎛의 높이를 갖고, 각 돌기부의 정점 곡률 반경은 약 5㎚ 내지 약 1000㎚이고, 인접 돌기부 사이의 거리가 약 2㎛ 내지 약 50㎛인 것을 특징으로 하는 장치.
  29. 제22항에 있어서,
    상기 기준 화합물 지지부재의 화학적으로 변형된 표면 영역은 실질적으로 평평하고 적어도 0.01 제곱 미크론의 표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  30. 제22항에 있어서,
    상기 기준 화합물 지지부재의 화학적으로 변형된 표면 영역은 공간상 어드레스할 수 있는 복수의 하부 영역을 포함하며, 하부 영역은 각각 다른 기준 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형되는 것을 특징으로 하는 장치.
  31. 제22항에 있어서,
    각 돌기부의 첨단 기판 영역의 표면적은 캔틸레버의 자유 단부의 표면 영역의 표면적 미만인 것을 특징으로 하는 장치.
  32. 제22항에 있어서,
    상기 기준 화합물은 수용체이고, 상기 시료 화합물은 알려진 또는 후보 상보 리간드인 것을 특징으로 하는 장치.
  33. 제22항에 있어서,
    상기 기준 화합물은 리간드이고, 상기 시료 화합물은 알려진 또는 후보 상보 수용체인 것을 특징으로 하는 장치.
  34. 제22항에 있어서,
    상기 기준 화합물은 항체이고, 상기 시료 화합물은 알려진 또는 후보 상보 항원인 것을 특징으로 하는 장치.
  35. 제22항에 있어서,
    상기 기준 화합물은 항원이고, 상기 시료 화합물은 알려진 또는 후보 상보 항체인 것을 특징으로 하는 장치.
  36. 제22항에 있어서,
    상기 기준 화합물은 단일의 DNA 또는 RNA 스트랜드이고, 상기 시료 화합물은 알려진 또는 상보의 DNA 또는 RNA 스트랜드인 것을 특징으로 하는 장치.
  37. 제22항에 있어서,
    상기 기준 화합물은 조합 라이브러리의 멤버인 것을 특징으로 하는 장치.
  38. 제22항에 있어서,
    상기 시료 화합물은 조합 라이브러리의 멤버이고, 각각의 시료 화합물은 시료 지지부재의 돌기부의 첨단 기판 영역 상의 동일 장소에서 합성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  39. 제22항에 있어서,
    상기 기준 화합물 지지부재와 상기 시료 지지부재는 유체에 함침되는 것을 특징으로 하는 장치.
  40. 제22항에 있어서,
    상기 기준 화합물과 상기 시료 화합물 사이의 상호작용과 연관된 물리적 변수를 측정하기 위한 수단은 상기 시료 지지부재에 결합된 힘 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  41. 제22항에 있어서,
    상기 기준 화합물과 상기 시료 화합물 사이의 상호작용과 연관된 물리적 변수를 측정하기 위한 수단은 상기 기준 화합물 지지부재에 결합된 힘 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  42. 제22항에 있어서,
    상기 기준 화합물 지지부재는 고정 단부와 자유 단부를 갖는 캔틸레버이며, 상기 화학적으로 변형된 표면 영역이 상기 캔틸레버의 자유 단부 상에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  43. 적어도 하나의 기준 화합물과 적어도 하나의 시료 화합물 사이의 상호작용을 원자력 검경으로 측정하기 위한 장치에 있어서,
    각각이 시료 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형되는 첨단 기판 영역을 갖는 복수의 돌기부를 가지며, 각 돌기부의 시료 화합물이 같을 수도 있고 다를 수 도 있는 시료 지지부재,
    고정 단부와 자유 단부를 가지며, 상기 자유 단부가 적어도 하나의 기준 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형된 표면 영역을 갖는 캔틸레버,
    특정 돌기부를 선택하기 위해, 그리고 상기 캔틸레버의 자유 단부의 표면 영역에 고정화되는 기준 화합물과 선택된 돌기부의 첨단 기판 영역에 고정화된 시료 화합물 사이의 상호작용을 일으키기 위해, 상기 캔틸레버와 상기 시료 지지부재의 상대 위치와 방향을 제어하기 위한 수단, 및
    상기 기준 화합물과 상기 시료 화합물 사이의 상호작용과 연관된 물리적 변수를 측정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 캔틸레버의 화학적으로 변형된 표면 영역은 공간상 어드레스할 수 있는 복수의 하부 영역을 가지며, 각 하부 영역은 다른 기준 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형되는 것을 특징으로 하는 장치.
  45. 적어도 하나의 기준 화합물과 적어도 하나의 시료 화합물 사이의 상호작용을 원자력 검경으로 측정하기 위한 장치에 있어서,
    각각이 시료 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형되는 첨단 기판 영역을 갖는 복수의 돌기부를 가지며, 각 돌기부의 시료 화합물이 같을 수도 있고 다를 수도 있는 시료 지지부재, 및
    고정 단부와 자유 단부를 가지며, 상기 자유 단부가 적어도 하나의 기준 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형된 표면 영역을 갖는 캔틸레버를 포함하며,
    상기 시료 지지부재는 원자력 현미경의 시료 스테이지부와 인터페이스하도록 조정되고, 상기 캔틸레버는 원자력 현미경의 캔틸레버 지지부와 인터페이스하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  46. 적어도 하나의 기준 화합물과 적어도 하나의 시료 화합물 사이의 상호작용을 원자력 검경으로 측정하기 위한 장치에 있어서,
    테이퍼지거나 라운드진 평면 배열의 돌기부를 가지며, 상기 돌기부는 각각 약 1㎛ 내지 약 10㎛의 높이를 갖고, 각 돌기부의 정점 곡률 반경이 약 5㎚ 내지 약 1000㎚이고, 인접 돌기부 사이의 거리가 약 2㎛ 내지 약 50㎛이고, 각 돌기부는 시료 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형된 첨단 기판 영역을 가지며, 각 돌기부 상의 시료 화합물이 같을 수도 있고 다를 수도 있는 시료 지지부재, 및
    고정 단부와 자유 단부를 가지며, 상기 자유 단부가 적어도 하나의 기준 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형된 실질적으로 평탄한 표면 영역을 갖고, 상기 표면 영역의 표면적이 적어도 0.01 제곱 미크론인 것을 특징으로 하는 캔틸레버를 포함하며,
    상기 시료 지지부재는 원자력 현미경의 시료 스테이지부와 인터페이스하도록 조정되고, 상기 캔틸레버는 원자력 현미경의 캔틸레버 지지부와 인터페이스하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  47. 제46항에 있어서,
    상기 캔틸레버의 화학적으로 변형된 표면 영역은 공간상 어드레스할 수 있는 복수의 하부 영역을 가지며, 각 하부 영역은 다른 기준 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형되는 것을 특징으로 하는 장치.
  48. 적어도 하나의 기준 화합물과 상호작용하기 위한 적어도 하나의 시료 화합물을 어세이하는 방법에 있어서,
    (a) 각각이 첨단 기판 영역을 갖는 복수의 돌기부를 갖는 시료 지지부재(1)와 표면 영역을 갖는 기준 화합물 지지부재(2)를 제공하는 단계,
    (b) 상기 시료 지지부재의 각 돌기부의 상기 첨단 기판 영역을 화학적으로 변형하여 상기 돌기부 각각에 같을 수도 있고 다를 수도 있는 시료 화합물을 고정시키는 단계,
    (c) 상기 기준 화합물 지지부재의 표면 영역을 화학적으로 변형하여 적어도 하나의 상기 기준 화합물을 고정시키는 단계,
    (d) 상기 시료 지지부재와 상기 기준 화합물 지지부재를, 상기 시료 지지부재의 특정 돌기부를 선택하기 위하여, 그리고 상기 기준 화합물 지지부재의 상기 표면 영역에 고정된 상기 기준 화합물과 선택된 상기 돌기부의 상기 첨단 기판 영역에 고정된 시료 화합물 사이의 상호작용을 일으키기 위하여, 상기 시료 지지부재와 상기 기준 화합물 지지부재의 상대 위치와 방향을 제어하는 수단과 상기 기준 화합물과 상기 시료 화합물 사이의 상호작용과 연관된 물리적 변수를 측정하는 수단을 포함하는 장치에, 결합시키는 단계,
    (e) 특정 돌기부를 선택하기 위해 그리고, 상기 기준 화합물과 선택된 돌기부에 고정되는 상기 시료 화합물 간의 상호작용을 일으키기 위해 상기 기준 화합물 지지부재와 상기 시료 지지부재의 상대 위치와 방향을 조절하는 단계, 및
    (f) 상기 기준 화합물과 선택된 돌기부 상의 상기 시료 화합물 사이의 상호작용과 연관된 물리적 변수를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  49. 제48항에 있어서,
    상기 단계(f)가 끝날 때, 단계(e)와 (f)는 선택된 다른 돌기부 및/또는 다른 기준 화합물로 반복되는 것을 특징으로 하는 방법.
  50. 적어도 하나의 기준 화합물과 상호작용하기 위한 적어도 하나의 시료 화합물을 어세이하는 방법에 있어서,
    (a) 각각이 첨단 기판 영역을 갖는 복수의 돌기부를 갖는 시료 지지부재와, 고정 단부와 자유 단부를 갖고, 상기 자유 단부가 공간적으로 어드레스할 수 있는 복수의 하부 영역을 갖는 표면 영역을 갖는 캔틸레버를 포함하는 원자력 현미경을 제공하는 단계,
    (b) 각 돌기부에 동일하거나 다른 시료 화합물이 고정되도록 각 돌기부의 첨단 기판 영역을 화학적으로 변형하는 단계,
    (c) 각 하부 영역에 다른 기준 화합물을 고정시키기 위해 상기 캔틸레버의 자유 단부의 표면 영역의 상기 공간적으로 어드레스할 수 있는 하부 영역을 화학적으로 변형하는 단계,
    (d) 상기 캔틸레버의 특정 하부 영역과 특정의 돌기부를 선택하기 위해 그리고 선택된 하부 영역에 고정된, 기준 화합물과 선택된 돌기부에 고정된 시료 화합물 간의 상호작용을 일으키기 위해 캔틸레버와 시료 지지부재의 상대 위치와 방향을 조절하는 단계, 및
    (e) 선택된 기준 화합물과 선택된 시료 화합물 사이의 상호작용과 연관된 물리적 변수를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  51. 적어도 하나의 기준 화합물과 상호작용하기 위한 적어도 하나의 시료 화합물을 어세이하는 방법에 있어서,
    (a) 테이퍼지거나 라운드진 평면 배열의 돌기부를 가지며, 상기 돌기부는 각각 약 1㎛ 내지 약 10㎛의 높이를 갖고, 각 돌기부의 정점 곡률 반경이 약 5㎚ 내지 약 1000㎚이고, 인접 돌기부 사이의 거리가 약 2㎛ 내지 약 50㎛이고, 각 돌기부는 시료 화합물의 고정화에 의해 화학적으로 변형되는 첨단 기판 영역을 가지며, 각 돌기부 상의 시료 화합물이 같을 수도 있고 다를 수도 있는 시료 지지부재, 및
    고정 단부와 자유 단부를 가지며, 상기 자유 단부가 적어도 0.01 제곱 미크론의 표면적을 갖는 실질적으로 평탄한 표면 영역을 가지며, 상기 표면 영역이 공간상 어드레스할 수 있는 복수의 하부 영역으로 분할되는 캔틸레버를 포함하는 장 치를 제공하는 단계,
    (b) 각 돌기부의 상기 첨단 기판 영역을 화학적으로 변형하여 상기 돌기부 각각에 같을 수도 있고 다를 수도 있는 시료 화합물을 고정화시키는 단계,
    (c) 상기 캔틸레버의 자유 단부의 표면 영역의 상기 공간상 어드레스할 수 있는 하부 영역을 화학적으로 변형하여 각 하부 영역에 다른 기준 화합물을 고정시키는 단계,
    (d) 상기 시료 지지부재를 원자력 현미경의 시료 스테이지부에 결합시키고, 상기 캔틸레버를 원자력 현미경의 캔틸레버 지지부와 결합시키는 단계로서, 상기 원자력 현미경이, 특정 돌기부를 선택하기 위해 그리고 상기 캔틸레버의 자유 단부의 표면 영역에 고정된 상기 기준 화합물과 선택된 상기 돌기부의 상기 첨단 기판 영역에 고정된 시료 화합물 사이의 상호작용을 일으키기 위해 상기 캔틸레버와 상기 시료 지지부재의 상대 위치와 방향을 제어하는 수단과, 상기 기준 화합물과 상기 시료 화합물 사이의 상호작용과 연관된 물리적 변수를 측정하는 수단을 포함하는 단계,
    (e) 특정 돌기부를 선택하기 위해 그리고 상기 선택된 하부 영역에 고정화된 기준 화합물과 상기 선택된 돌기부에 고정화된 시료 화합물 사이의 상호작용을 일으키기 위해 상기 캔틸레버와 상기 시료 지지부재의 상대 위치와 방향을 조절하는 단계, 및
    (f) 상기 선택된 기준 화합물과 상기 선택된 시료 화합물 간의 상호작용과 연관된 물리적 변수를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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