использующие матрицу с нанометрическими зазорами способ и устройство для захвата, обнаружения и индентификации вещества

Формула изобретения

1. Использующий матрицу нанометрических зазоров способ захвата, обнаружения и идентификации вещества, согласно которому

обеспечивают консольную матрицу, включающую в себя консоли, каждая из которых имеет зонд;

обеспечивают подложку под консольной матрицей, причем подложка имеет модифицированные поверхности, выполненные таким образом, что они соответствуют зонду каждой консоли; и

захватывают, обнаруживают и идентифицируют по меньшей мере одно неизвестное вещество в нанометрических зазорах, образованных между модифицированными поверхностями и оконечностями зондов консолей.

2. Использующий матрицу нанометрических зазоров способ захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.1, согласно которому длина зазоров между модифицированными поверхностями подложки и оконечностями зондов консолей известна.

3. Использующий матрицу нанометрических зазоров способ захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.2, согласно которому длина зазоров единообразная.

4. Использующий матрицу нанометрических зазоров способ захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.2, согласно которому зазоры имеют градиент длины.

5. Использующий матрицу нанометрических зазоров способ захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.1 или 2, согласно которому вещество содержится в жидкости.

6. Использующий матрицу нанометрических зазоров способ захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.1 или 2, согласно которому веществом является по меньшей мере одна молекула.

7. Использующий матрицу нанометрических зазоров способ захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.6, согласно которому молекула является единичной-молекулой.

8. Использующий матрицу нанометрических зазоров способ захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.1 или 2, согласно которому веществом является белок.

9. Использующий матрицу нанометрических зазоров способ захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.1 или 2, согласно которому веществом является биологическое вещество.

10. Использующий матрицу нанометрических зазоров способ захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.1 или 2, также включающий в себя этап модифицирования оконечностей зондов консолей заранее в целях захвата определенного вещества.

11. Использующий матрицу нанометрических зазоров способ захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.1 или 2, согласно которому светопропускающие зонды используют для направления света от консолей к оконечностям зондов, чтобы сосредоточить световое поле в нанометрических зазорах для захвата близлежащего целевого вещества в зазорах посредством градиента света.

12. Использующий матрицу нанометрических зазоров способ захвата, обнаружения и идентификации вещества, включающий этапы облучения задней поверхности подложки первичным падающим лазерным светом, при этом лазерный свет падает на целевое вещество вблизи зазоров под углом, меньшим, чем критический угол для возбуждения малого поля; и захвата близлежащего целевого вещества в зазорах посредством градиента поля распространяющегося света, генерируемого от оконечностей зондов, находящихся в малом поле.

13. Устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества, содержащее

(а) консольную матрицу, содержащую консоли, каждая из которых имеет зонд; и

(б) подложку, расположенную под консольной матрицей, имеющую модифицированные поверхности, выполненные таким образом, что они соответствуют зонду каждой консоли;

(в) в котором зазоры нанометрического размера образованы между модифицированными поверхностями подложки и оконечностями зондов консолей, и предназначены для захвата, обнаружения и идентификации по меньшей мере одного неизвестного вещества между зазорами.

14. Устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.13, в котором зонды консолей модифицированы.

15. Устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.13, в котором захваченное вещество идентифицируется по колебаниям консолей для обнаружения изменения массы или изменения затухания консолей в связи с захватом вещества, - как изменение частоты колебаний или изменения амплитуды колебаний.

16. Устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.13, также содержащее лазерный интерферометр Доплера, выполняющий функцию оптического возбуждения, для обнаружения и идентификации свойств захваченного вещества.

17. Устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.13, в котором консольная матрица и опорный элемент консольной матрицы содержат прозрачную подложку, и свойства захваченного вещества обнаруживаются и идентифицируются измерением смещения, или амплитуды, или частоты консолей способом оптической интерференции с помощью интервалов, образованных консолями и этим элементом.

18. Устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества, содержащее

(а) консольную матрицу, содержащую консоли, каждая из которых имеет зонд; и

(б) круглую подложку под консольной матрицей, имеющую кольцевые желоба, в которые поступает по меньшей мере одно неизвестное вещество, направляемое на модифицированные поверхности;

(в) в котором зазоры нанометрических размеров образованы между модифицированными поверхностями подложки и оконечностями зондов консолей для захвата, обнаружения и идентификации неизвестного вещества.

19. Устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.18, в котором разные вещества обеспечены в разных кольцевых желобах, и они одновременно захватываются, обнаруживаются и идентифицируются.

20. Устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества, содержащее

(а) прозрачную подложку, на которой обеспечены пробы;

(б) консоли, имеющие зонды, образующие матрицу нанометрических зазоров, соответствующих пробам на прозрачной подложке;

(в) по меньшей мере одно вещество, захватываемое между зондами консолей и прозрачной подложкой;

(г) в котором вещество захватывается в нанометрических зазорах при облучении задней поверхности прозрачной подложки первичным падающим лазерным светом в целях выполнения оптического измерения.

21. Устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.20, в котором первичный падающий лазерный свет падает в положении, в котором вещество расположено под углом, меньшим, чем критический угол, для обеспечения возбуждения малого поля.

22. Устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.20 или 21, в котором пробы последовательно облучаются и сканируются первичным падающим лазерным светом.

23. Устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.20 или 21, в котором прозрачная подложка является круглой подложкой, и консоли с зондами расположены в радиальном направлении прозрачной подложки.

24. Устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.20 или 21, в котором прозрачная подложка имеет кольцевые желоба, в которые поступает вещество.

25. Устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества по п.24, в котором в разные кольцевые желоба подаются разные вещества, и они одновременно захватываются, обнаруживаются и идентифицируются.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к использующим матрицу нанометрических зазоров способу и устройству для захвата, обнаружения и идентификации вещества.

Уровень техники

Известны следующие два способа обнаружения веществ, использующие консольную матрицу. Эти способы выполняют следующим образом:

(1) Вещество, реагирующее с, или абсорбирующее пробу вещества, заранее помещают в консолях для оптического или электрического обнаружения отклонения консолей после введения пробы вещества (см. непатентный документ 1 ниже).

(2) Изменение массы консолей в связи с захватом вещества, или изменение затухания консолей, после колебания консолей, обнаруживают как изменение колебательной частоты или как изменение амплитуды колебаний (см. непатентный документ 2 ниже).

Способ без применения консолей измеряет отдельные молекулы следующим образом.

(3) Молекулу захватывают между двумя электродами, расположенными на плоской подложке с интервалом в несколько нанометров, и выполняют электрические измерения.

Автор данного изобретения предложил следующие нанометрические механические генераторы колебаний и измерительные устройства, использующие эти генераторы.

(4) Нанометрический механический генератор колебаний, обладающий значительной стабильностью, высоким уровнем чувствительности и высокой разрешающей способностью по обнаружению нанометрических изменений силы и массы, и измерительное устройство, использующее этот генератор колебаний (см. патентный документ 1 ниже).

(5) Способ и устройство для отображения распределения физических свойств пробы при помощи консолей (см. патентный документ 2 ниже).

(6) Консоли для обнаружения поверхности пробы и прочих объектов при помощи таких консолей, как растровый зондовый микроскоп, лазерный интерферометр с преобразованием на нулевую частоту биений и лазерный интерферометр Доплера, выполняющий функцию возбуждения пробы (см. патентный документ 3 ниже).

(7) Примеры оптических пинцетов приводятся в следующих непатентных документах 3-5:

Патентный документ 1: опубликованная находящаяся на рассмотрении патентная заявка Японии № 2001-0091441.

Патентный документ 2: опубликованная находящаяся на рассмотрении патентная заявка Японии № 2001-0289768.

Патентный документ 3: опубликованная находящаяся на рассмотрении патентная заявка Японии № 2003-0114182.

Непатентный документ 1: M.K.Baller, H.P.Lang, J.Fritz, Ch.Gerber, J.K.Gimzewski, U.Drechsler, H.Rothuizen, M.Despont, P.Vettiger, F.M.Battiston, J.P.Ramseyer, P.Fornaro, E.Meyer and H.-J.Geunterodt "A Canitlever Array-Based Artificial Nose", Ultramicroscopy, (2000) 1.

Непатентный документ 2: B.Ilic, D.Czaplewski, M.Zalatutdinov, H.G.Craighead, P.Neuzil, C.Campagnolo and C.Batt "Single Cell Detection with Micromechanical Oscillators," J.Vac. Sci. Technol. B19, (2001) 2825.

Непатентный документ 3: R.Russgard and T.Lindmo, Journal Optics Society of American, Vol.9, No.10.

Непатентный документ 4: Tachibana and Ukita "Manipulation of Microparticles with Upward and Downward Incident Light," Kogaku, Vo.27, No.9, pp.524-529, 1998.

Непатентный документ 5: H. Ukita and Saitoh "Optical Micro-Manipulation of Beads in Axial and Lateral Directions with Upward and Downward-Directed Laser Beams," LEOS' 99 (IEEE Lasers and Electro-Optics Society 1999 Annual Meeting), pp.169-170, 8-11, November 1999, San Francisco USA.

Сущность изобретения

Упоминаемые выше три способа имеют следующие недостатки.

В отношении способа (1): если пробой обнаруживаемого вещества является, например, единичная молекула, то проба вещества не дает эффекта отклонения всей консоли. Если консоли не будут поглощать значительное количество молекул, то изменение отклонения нельзя будет обнаружить. Помимо этого, поскольку этот способ предназначен для обнаружения квази-статического отклонения, то отличить его от медленного ухода температурных изменений, например, будет трудно.

В отношении способа (2): едва ли можно осуществить значащее обнаружение в среде, в которой измерение должно выполняться в жидкости; например - измерения веществ биологического характера, т.к. жидкость ослабляет колебание консолей.

В отношении способа (3): большое число зазоров трудно определить с точностью. В частности, имеются лишь ограниченное число вариантов для модифицирования обоих концов зазоров, и поэтому трудно выполнить механические, электрические и оптические измерения.

В свете изложенных выше обстоятельств цель данного изобретения заключается в обеспечении использующих матрицу нанометрических зазоров способа и устройства для захвата, обнаружения и идентификации вещества с высокой степенью чувствительности, даже если обнаруживаемым веществом являются молекулы, содержащиеся в жидкости.

Для достижения этой цели изобретение отличается следующими признаками.

[1] Использующий матрицу нанометрических зазоров способ для захвата, обнаружения и идентификации вещества предусматривает выполнение следующих этапов: обеспечивают консольную матрицу, состоящую из консолей, каждая из которых содержит зонд; обеспечивают подложку, имеющую модифицированные поверхности, выполненные таким образом, чтобы соответствовать пробе каждой консоли под консольной матрицей; и захватывают, обнаруживают и идентифицируют по меньшей мере одно неизвестное вещество в нанометрических зазорах, образованных между модифицированными поверхностями подложки и оконечностями зондов консолей.

[2] Согласно способу захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с [1]: длина зазоров между модифицированными поверхностями подложки и оконечностями проб консолей известна.

[3] Согласно способу захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с [2]: длина зазоров определена единообразной.

[4] Согласно способу захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с [2]: зазоры имеют градиент длины.

[5] Согласно способу захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с [1] или [2]: вещество содержится в жидкости.

[6] Согласно способу захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с [1], [2] или [5]: вещество является по меньшей мере одной молекулой.

[7] Согласно способу захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с [6]: молекула является единичной молекулой.

[8] Согласно способу захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с [1], [2] или [5]: веществом является белок.

[9] Согласно способу захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с [1], [2] или [5]: веществом является биологическое вещество.

[10] Способ захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с любым из п.п.[1]-[9] также включает в себя этап предварительного модифицирования оконечностей зондов консолей, чтобы захватить данное вещество.

[11] Способ захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с любым из п.п.[1]-[10] также предусматривает использование светопропускающих зондов для направления света от консолей к оконечности зондов, чтобы сосредоточить световое поле в нанометрических зазорах в целях захвата ближнего целевого вещества в зазорах посредством градиента света.

[12] Еще один использующий матрицу нанометрических зазоров способ захвата, обнаружения и идентификации вещества включает в себя выполнение следующих этапов: облучают заднюю поверхность подложки первичным падающим лазерным светом таким образом, что лазерный свет падает на целевое вещество вблизи зазоров под углом, меньшим, чем критический угол, для возбуждения малого поля; и захватывают близлежащее целевое вещество в зазорах посредством градиента поля распространяющегося света, генерируемого от оконечностей зондов, находящихся в малом поле.

[13] Устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества содержит: консольную матрицу, включающую в себя консоли, каждая из которых имеет зонд; и вещество, расположенное под консольной матрицей, имеющей модифицированные поверхности, выполненные таким образом, что они соответствуют зонду каждой консоли. Нанометрические зазоры образованы между модифицированными поверхностями подложки и оконечностями зондов консолей, чтобы осуществлять захват, обнаружение и идентификацию по меньшей мере одного неизвестного вещества между зазорами.

[14] Согласно устройству матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с [13] зонды консолей модифицированы.

[15] Согласно устройству матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с [13] захваченное вещество отождествляется по колебанию консолей для обнаружения изменения массы или изменения затухания консолей по причине захвата вещества - как изменение частоты колебаний или изменение амплитуды колебаний.

[16] Согласно устройству матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с [13] оно также включает в себя лазерный интерферометр Доплера, выполняющий функцию оптического возбуждения в целях обнаружения и определения свойств захваченного вещества.

[17] Согласно устройству матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с [13] консольная матрица и опорный элемент консольной матрицы сформированы из прозрачной подложки, и свойства захваченного вещества обнаруживаются и отождествляются измерением смещения, или амплитуды, или частоты консолей способом оптической интерференции с помощью интервалов, образованных консолями и упомянутым элементом.

[18] Еще одно устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентифицирования вещества содержит консольную матрицу, содержащую консоли, каждая из которых имеет зонд; и круглую подложку, расположенную под консольной матрицей и имеющую кольцевые желоба, в которые поступает по меньшей мере одно неизвестное вещество, направляемое на модифицированные поверхности. Нанометрические зазоры образованы между модифицированными поверхностями подложки и оконечностями зондов консолей для захвата, обнаружения и идентификации неизвестного вещества.

[19] Согласно устройству матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с [18] разные вещества направляют в разные кольцевые желоба, и они одновременно захватываются, обнаруживаются и идентифицируются.

[20] Еще одно устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества содержит: прозрачную подложку, на которой расположены пробы; консоли, имеющие зонды и образующие матрицу нанометрических зазоров, соответствующих пробам на прозрачной подложке; и по меньшей мере одно вещество, захватываемое между зондами консолей и прозрачной подложкой. Вещество захватывается в нанометрических зазорах путем облучения задней поверхности прозрачной подложки первичным падающим лазерным светом в целях выполнения оптического измерения.

[21] Согласно устройству матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с [20] первичный падающий лазерный свет падает в положение, в котором вещество расположено под углом меньшим, чем критический угол, чтобы обусловить возбуждение малого поля.

[22] Согласно устройству матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с п.п. [20] или [21] пробы последовательно облучают и сканируют первичным падающим лазерным светом.

[23] Согласно устройству матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с любым из п.п.[20]-[22] прозрачная подложка является круглой подложкой; и консоли, имеющие зонды, расположены в радиальном направлении прозрачной подложки.

[24] Согласно устройству матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с любым из п.п.[20]-[23] прозрачная подложка имеет кольцевые желоба, в которые поступает вещество.

[25] Согласно устройству матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации вещества в соответствии с п.[24] в разные кольцевые желоба поступают разные вещества, и они одновременно захватываются, обнаруживаются и отождествляются.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - принципиальная схема устройства матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации молекул согласно первому осуществлению изобретения.

Фиг.2 - увеличенный вид части А, указываемой на Фиг.1.

Фиг.3 - увеличенный вид части А согласно модификации первого осуществления.

Фиг.4 - горизонтальная проекция устройства матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации молекул согласно второму осуществлению изобретения.

Фиг.5 - сечение Фиг.4 по линии В-В.

Фиг.6 - принципиальная схема устройства матрицы с нанометрическими зазорами для захвата, обнаружения и идентификации молекул согласно третьему осуществлению изобретения.

Фиг.7 - увеличенный вид части С, показываемой на Фиг.6.

Фиг.8 - принципиальная схема устройства измерения молекул, содержащего лазерный интерферометр Доплера, выполняющий функцию оптического возбуждения молекул согласно настоящему изобретению.

Фиг.9 - принципиальная схема, показывающая захват молекул матрицей нанометрических зазоров согласно изобретению и оптическую систему, сфокусированную на этой матрице нанометрических зазоров, для выполнения оптических измерений.

Оптимальный вариант осуществления изобретения

Устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации молекул согласно изобретению включает в себя: консольную матрицу, имеющую консоли, расположенные в линию, каждая из которых имеет зонд; подложку, расположенную под консольной матрицей и имеющую модифицированную поверхность, выполненную таким образом, что она соответствует местоположению зонда каждой консоли; и нанометрические зазоры, образованные между модифицированными поверхностями подложки и оконечностями зондов консолей, для захвата, обнаружения и идентификации по меньшей мере одного неизвестного вещества. Это устройство обеспечивает возможность обнаружения единичных молекул, и выполнение этого обнаружения достигается с трудом, если использовать известные консольные датчики материала.

При этом многие разные вещества можно обнаруживать при помощи от одного до нескольких миллионов зазоров известной длины. Регулирование нанометрических зазоров в плоскости, обычно трудновыполнимое, можно легко осуществить при помощи консольной матрицы и подложки. Помимо этого для точного обнаружения и идентификации многих разных веществ имеется широкий выбор вариантов для модифицирования обоих концов зазоров.

Осуществления

Ниже приводится подробное описание изобретения.

Фиг.1 показывает принципиальную схему устройства матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации молекул согласно первому осуществлению изобретения. Фиг.2 показывает увеличенный вид части А, указываемой на Фиг.1.

Фиг.1 и 2 показывают плоскую подложку 1, модифицированные поверхности 2, расположенные в заданных положениях на подложке 1, консольную матрицу 3, содержащую консоли 4 с зондами 5 на их передних концах; молекулы 6 на модифицированных поверхностях 2 - как неизвестное вещество (такое как белок или биофункциональное вещество), жидкость 8 и измерительное устройство 9. Здесь термин «неизвестное вещество» означает известные вещества в неизвестных концентрациях.

Фиг.3 показывает увеличенный вид части А согласно модификации этого осуществления. В этой модификации модификатор 7 для захвата данного вещества заранее обеспечен на каждом зонде 5 (например, применяется белок или биофункциональное вещество).

В этом осуществлении консоли 4 консольной матрицы 3 приближены к плоской подложке 1 в перпендикулярном к ней направлении, определяемом осью Z, и при этом обнаруживают смещения или изменения частот отдельных консолей 4. Координата по оси Z консольной матрицы 3 в то время, когда зонды 5 контактируют с плоской подложкой 1, обнаруживается известным способом обнаружения по взаимодействию при помощи атомно-силового микроскопа. После вступления зондов 5 консолей 4 в контакт с плоской подложкой 1 консольная матрица 3 перемещается назад в направлении оси Z. Расстояние (длина зазора) между зондами 5 консолей 4 и плоской подложкой 1 после перемещения назад известна, т.к. координата оси Z измерена в то время, когда зонды 5 консолей 4 контактируют с плоской подложкой 1.

Этот метод может определить матрицу зазоров известной длины, даже если зонды 5 имеют неравную высоту или консоли изначально отклонены. Матрицу зазоров с длиной зазоров порядка от субангстремов до нескольких нанометров можно обеспечить путем приготовления достаточного числа зазоров, даже если отклонения консолей 4 или изменения высоты зондов 5 порядка десятков нанометров имеют место как обычные возможные погрешности.

Этот метод может обеспечить разнообразные величины длины зазора, т.к. матрицу нанометрических зазоров, содержащую миллионы зазоров на кв. см можно приготовить с предположением того, что консоли 4 имеют изменения порядка десятков нанометров после обработки. То есть, изменения длины зазора в определенном смысле предпочтительны. Если после изготовления изменений длины зазоров не осталось, то нужно приготовить матрицу зазоров с изменяющейся длиной зазоров, обусловленной намеренно введенным градиентом подложки или консолей.

Расстояние между подложкой и консолью также может быть единообразным.

Фиг.4 показывает горизонтальную проекцию устройства матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации молекул согласно второму осуществлению настоящего изобретения. Фиг.5 показывает сечение Фиг.4 по линии В-В.

Фиг.4 и 5 показывают подложку 11, на которой сформированы гребенчатые выступы 12; на выступах 12 выполнены модифицированные поверхности 13; консольная матрица 14 содержит гребенчатые консоли 15 с зондами 16 на их передних концах и измерительное устройство 19. Молекулы 17 находятся на модифицированных поверхностях 13, молекулы 18 находятся на зондах 16 гребенчатых консолей 15.

Это устройство матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации молекул представляет собой матрицу зазоров известной длины, порядка нанометров, для захвата, обнаружения и идентификации вещества этими зазорами. Зазоры ограничены между подложкой 11, на которой сформированы выступы 12, и консольной матрицей 14.

Например, захват выполняют между молекулами 17, находящимися на модифицированной поверхности 13, и модификатором 18 для захвата вещества в виде макрочастиц, заранее размещенного на зондах 16 консолей 15; и для последующего обнаружения и идентификации, выполняемого измерительным устройством 19.

Причем в устройствах матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации молекул согласно изобретению консольная матрица и ее опорный элемент могут быть выполнены в виде прозрачных элементов. Свойства захваченного вещества можно обнаруживать и идентифицировать измерением смещения, или амплитуды, или колебательной частоты консолей при помощи интервалов, ограничиваемых консолями и этим элементом, методом оптической интерференции.

Фиг.6 показывает принципиальную схему устройства матрицы нанометрических зазоров для захвата, обнаружения и идентификации молекул согласно третьему осуществлению изобретения. Фиг.7 является увеличенным видом части С, указываемой на Фиг.6.

Фиг.6 и 7 показывают плоскую круглую подложку 21, кольцевые желоба 23, сформированные вокруг центральной части 22 круговой подложки 21; сопла 24 для подачи содержащей молекулы жидкости 25; консольную матрицу 26 с консолями 27, имеющими зонды 28 на их передних концах; молекулы 29, нанесенные на зонды 28; и измерительное устройство 30.

Устройство матрицы нанометрических зазоров согласно этому осуществлению захватывает, например, содержащиеся в направляемых в кольцевые желоба пробах крови молекулы в виде жидкости 25 при помощи молекул, нанесенных на зонды 28, и затем обнаруживает и идентифицирует захваченные молекулы при помощи измерительного устройства 30.

При этом, как упоминалось выше, оба конца зазоров между консолями и подложкой предпочтительно модифицированы заранее для захвата определенного вещества. Захват вещества можно обнаружить изменением частоты колебаний консолей или по изменению гистерезиса изгиба (который обычно называют кривой усилия) из-за позиционной модуляции консольной матрицы в направлении оси Z. То есть, измерения измерительным устройством можно выполнить консолями колебаний для обнаружения изменения массы консолей в связи с захватом вещества или затуханием изменения консолей после колебаний консолей - как изменение частоты колебаний или изменение амплитуды колебаний. В частности, можно использовать устройство измерения проб, использующее лазерный интерферометр Доплера, выполняющий функцию оптического возбуждения проб (изложено ниже), или растровый силовой микроскоп, датчик материала или датчик массы, использующий гетеродинный лазерный интерферометр Доплера, все из которых разработаны авторами данного изобретения.

Фиг.8 показывает принципиальную схему устройства измерения молекул, использующего лазерный интерферометр Доплера, выполняющий функцию оптического возбуждения молекул согласно изобретению.

Согласно Фиг.8: устройство измерения свойств молекул проб согласно этому осуществлению содержит средство 40 оптического возбуждения, средство 50 обработки сигналов, лазерный интерферометр Доплера 60, средство 90 управления стадией пробы на основе атомно-силового микроскопа и сетевой анализатор 100.

Средство 40 оптического возбуждения содержит возбудитель 41 лазерного диода, лазерный диод 42, который приводится в действие возбудителем 41, и зеркало 43.

Средство 50 обработки сигналов имеет первый переключатель (sw1) 51, второй переключатель (sw2) 52, цифровой преобразователь 53, фазовращатель 54, фильтр 55 и усилитель 56.

Лазерный интерферометр Доплера 60 содержит: гелий-неоновый лазер 61, первый поляризующий светоделитель (ПСД) 62, второй ПСД 63, мультиплексор 64, линзу 65, обеспечивающее поляризацию волокно 66, сенсорную головку (блок выхода лазера) 67 (узел из двух линз и волновой пластинки /4, расположенной между ними), нанометрические консоли 68, зонды 68А, зеркало 69, акустооптический модулятор 70, волновую пластинку /2 71, третий ПСД 72, поляризатор 73, светодиод 74, полосовой фильтр 75, усилители 76, 78 и 83, цифровые преобразователи 77 и 79, линию задержки 80, кольцевой балансный смеситель 81 и фильтр 82 низких частот.

Средство 90 управления стадией пробы на основе атомно-силового микроскопа содержит ПСД 91, соединенный с гетеродином; контроллер 92, молекулы 93 пробы и пьезоэлектрический элемент 94.

Сетевой анализатор 100 содержит терминал 101 входных сигналов и оценочный терминал 102 выхода.

В этом осуществлении, например, световой выход лазерного диода 61 с длиной волны 780 нм налагается на измерительный свет с длиной волны 632 нм из He-Ne лазера 41 лазерного интерферометра Доплера; но значения длины волны не ограничиваются этими примерами. Налагаемые друг на друга световые излучения вводятся в обеспечивающее поляризацию волокно 66 с сердцевиной размером в 4 мкм для облучения молекул 93 пробы узлом 67 выхода лазера и нанометрическими зазорами 68.

Это измерительное устройство можно использовать следующим образом.

(1) Сигналы из лазерного интерферометра Доплера 60 подвергаются фазовому сдвигу, усилению и, если необходимо, фильтрации и преобразованию в цифровую форму. Эти сигналы используются для модуляции света с длиной волны 780 нм, излучаемого лазерным диодом 42, чтобы молекулы 93 пробы смогли самовозбудиться на собственной частоте. То есть, молекулы 93 пробы можно возбудить в определенной моде колебаний подбором свойств фильтрации. Тем самым обеспечивается возможность самовозбуждения нано- и микрометрических молекул пробы.

Нанометрические консоли 68, которые служат в качестве детекторов усилия для растровых микроскопов пробы, могут самовозбуждаться за счет светового облучения. Изменение частоты самовозбуждения затем можно измерить в целях обнаружения взаимодействия между зондами 68А на передних концах нанометрических консолей 68 и молекулами 93 пробы, и изменения по массе.

(2) Сигналы качания частоты, формируемые сетевым анализатором 100, используются для модулирования света с длиной волны 780 нм, излучаемого лазерным диодом 42. Сигналы, выводимые из лазерного интерферометра Доплера 60, подаются в терминал 101 входных сигналов сетевого анализатора 100. За счет этого обеспечивается возможность измерения частотных свойств молекул 93 пробы при помощи сетевого анализатора 100 и лазерного интерферометра Доплера 60, выполняющего функцию оптического возбуждения.

Наложение друг на друга света измерения и света возбуждения колебаний можно выполнить в одной оптической системе или ими можно облучать молекулы 93 пробы по разной оптической длине пути.

Свет, излучаемый лазерным диодом 42, налагается на свет зонда оптического измерения, излучаемый He-Ne лазером 61 лазерного интерферометра Доплера 60, для возбуждения колебаний нанометрических консолей 68. Используемым светом возбуждения является свет, излучаемый из такого источника света как лазерный диод 42, и модулируемый сигналами скорости, выводимыми из лазерного интерферометра Доплера 60, и обрабатываемый, например, сдвигом фаз, преобразованием в цифровую форму и усилением; либо светом, модулированным на частоте, заданной генератором или частотами развертки.

Как упомянуто выше, колебания, определенные для измеряемого объекта, можно возбудить при измерении с помощью лазерного интерферометра Доплера. Вещество, в частности - единичные молекулы, таким образом можно захватить, обнаружить и отождествить консольной матрицей с высокой точностью.

Поэтому настоящее изобретение обеспечивает возможность обнаружения единичных молекул в жидкости, которые трудно обнаружить известными способами, основанными на статическом изгибе консолей или на изменении их колебания; и также обеспечивает возможность механических и электрических измерений единичных молекул. Помимо этого, определенное вещество можно избирательно захватить путем модифицирования обоих концов зазоров, ограниченных между зондами и подложкой.

Автор данного изобретения к настоящему времени реализовал консольную матрицу с несколькими миллионами зондов на один кв.см (см. патентный документ 2 выше). Эту консольную матрицу можно использовать для реализации матрицы с нанометрическими зазорами, содержащей большое число зазоров известной длины.

Фиг.9 показывает принципиальную схему захвата молекул матрицей нанометрических зазоров согласно настоящему изобретению и оптическую систему, сфокусированную на матрице нанометрических зазоров для оптических измерений.

Фиг.9 показывает: прозрачную подложку 110, консоли 111, 112 и 113, образующие матрицу нанометрических зазоров; зонды 114, 115 и 116 консолей 111, 112 и 113, соответственно; захваченные молекулы 117, 118 и 119; нанометрические зазоры 121, 122 и 123; первичный падающий лазерный свет 130; фокусирующую линзу 131; лазерный свет 132, падающий под углом меньшим, чем критический угол; лазерное пятно 133 и возбуждение 134 нераспространяющегося поля. Оконечность зонда расположена в нераспространяющемся поле и генерирует распространяющийся свет. Близлежащую захватываемую цель тогда можно захватить в зазоре посредством градиента поля распространяющегося света.

Согласно Фиг.9 можно выполнить и оптические измерения, и захват молекул нанометрическими зазорами. Подробное описание этого приводится ниже.

Использование оптической системы, сфокусированной на нанометрических зазорах 121, 122 и 123 (или оптической системы, воспринимающей свет, распространяющийся из нанометрических зазоров), обеспечивает возможность измерения оптических свойств - включая спектр, интенсивность и поляризацию - таких веществ, как молекула 117, захваченная в нанометрическом зазоре 121, и белок.

Используемая здесь оптическая система основана, например, на принципе конфокальной микроскопии. Оптическую информацию можно измерять для каждого нанометрического зазора последовательным сканированием определенных объемных участков, в которых нужно фокусировать свет (сканирование нанометрических зазоров 121, 122 и 123 лазерным пятном 133). Например, молекулы, помеченные определенным флуоресцентным веществом, можно захватывать в нанометрических зазорах для измерения оптического спектра, помимо измерений усилия и электрических измерений.

Прозрачные зонды можно также использовать для направления света от консолей к оконечности зондов и сосредоточивать световое поле в нанометрических зазорах, чтобы близлежащее нужное вещество можно было захватить в нанометрических зазорах посредством светового градиента.

Целевое вещество (вещество, которое должно быть обнаружено), поступающее в желоба на поворотной круглой подложке согласно Фиг.6 и 7 и переносимое в нанометрические зазоры, можно надежно захватить в нанометрических зазорах и измерить при помощи прозрачной подложки, и одновременно выполнять оптические измерения сверху консолей.

По сравнению с поверхностным плазменным измерением, которое становится все более распространенным, описываемый выше способ обладает многими преимуществами с точки зрения чувствительности и невосприимчивости по отношению к фоновому шуму. Согласно этому способу положения для оптических измерений можно ограничить заранее, т.к. молекулы захватываются в объемных ограниченных пятнах, т.е. - в нанометрических зазорах. Этот способ может снизить количество требуемой пробы и обеспечивает возможность обнаружения следов вещества из следов пробы. Например, можно рассчитывать на то, что этот способ значительно уменьшит количество крови, нужной для анализа крови в больницах.

Устройство матрицы нанометрических зазоров и способ для захвата, обнаружения и идентификации молекул согласно изобретению позволяют захватывать белки и биологические вещества. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает усовершенствование в технике захвата, обнаружения и идентификацию веществ применительно к молекулярной биологии. Устройство и способ согласно настоящему изобретению могут стать важным средством изучения биологических явлений на молекулярном уровне. Например, некоторые клеточные мембраны белков участвуют в клеточной адгезии. В митохондриях, действующих как генераторы энергии, большое количество энергии производится циклом трикарбоновой кислоты. Устройство и способ согласно изобретению также действенны для захвата, обнаружения и идентификации этой энергии.

Изобретение поэтому дает следующие преимущества.

(1) Можно достичь разрешающей способности по обнаружению порядка единичных молекул.

(2) Нетрудно обеспечить зазоры от субнано- до нанометрического размера.

(3) Обеспечивается широкий выбор модификаций обоих концов зазоров между зондами и подложкой.

(4) Таким образом, облегчается захват веществ нанометрического размера и измерение их свойств. В частности, захват многих разных веществ консольной матрицей и падающим лазерным светом и измерение их свойств сканированием при помощи падающего лазерного света можно легко осуществить с высокой степенью точности.

Изобретение не ограничивается описываемыми выше осуществлениями; допускаются разные модификации в рамках идеи изобретения, и они не исключаются из диапазона данного изобретения.

Промышленная применимость

Использующие матрицу нанометрических зазоров устройство и способ для захвата, обнаружения и идентификации молекул согласно настоящему изобретению можно использовать для обнаружения белков и биофункциональных веществ и для разработки новых лекарственных средств.