JP2002506990A - マイクロメカニカル電位差センサ - Google Patents

マイクロメカニカル電位差センサ

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JP2002506990A JP2000537052A JP2000537052A JP2002506990A JP 2002506990 A JP2002506990 A JP 2002506990A JP 2000537052 A JP2000537052 A JP 2000537052A JP 2000537052 A JP2000537052 A JP 2000537052A JP 2002506990 A JP2002506990 A JP 2002506990A
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Abstract

(57)【要約】 媒質の試料内の物理学パラメータおよび化学パラメータを検出及び測定するために使用されるマイクロカンティレバー電位差センサ（１）を説明する。マイクロカンティレバー状スプリングエレメント（３）には、モニターされる媒質の試料内の水素イオン、レドックス電位、またはイオン濃度に応答して表面電荷を蓄積する、コーティングされた領域上の少なくとも１つの化学物質コーティング（７）が含まれる。マイクロカンティレバー（３）の第１の表面での表面電荷の蓄積は、背中合わせの表面上での異なる表面電荷と共に、スプリングエレメント（３）の機械的な応力及びたわみを生じさせる。複数のたわみ検出方法の１つに、マイクロカンティレバー（３）上に焦点を合わせたレーザー光源（１７）と、反射されたレーザーインパルスを受け取る光感知検出器（１９）を用いることができる。マイクロカンティレバー状スプリングエレメント（３）は、長さが約１から１００μｍ、幅が約１から５０μｍ、および厚さが約０．３から３．０μｍである。カンティレバー（３）のたわみの検出の精度は、たわみについて０．０１ナノメートルの範囲である。パラメータを検出するマイクロカンティレバー装置（１）および方法では、スプリングエレメント（３）の表面の上または付近に、試料をわずか数マイクロリットル配置するだけでよい。この方法は、測定されるパラメータの検出に対して極めて感度が高い。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （米国連邦政府が後援する研究及び開発の下で行われた発明に対する権利に関す
る陳述書） 米国連邦政府は、米国エネルギー省とロッキード マーティン エナジー リ
サーチ コーポレーション（Lockheed Martin Energy Research Corporation） の間の第ＤＥ−ＡＣ０５−９６ＯＲ２２４６４号および第ＤＥ−ＡＣ０５−８４
ＯＲ２１４００号の契約書に従って、本発明において一定の権利を有するもので
ある。
【０００２】 （関連特許に対するクロスリファレンス） 本発明は、１９９５年８月２９日発行のウォッチャー他（Wachter et al.）に
よる米国特許第５，４４５，００８号明細書および１９９８年２月１７日発行の
サンダット他（Thundat et al.）による米国特許第５，７１９，３２４号明細書
に関連するものであり、これらの内容は、これへの参照をもってここに組み込ま
れたものとする。
【０００３】 （発明の属する技術分野） 本発明は、概ね、媒質内の化学パラメータおよび物理パラメータを検出するた
めの技術に関するものであって、特に、媒質内の水素イオン濃度および特定のイ
オン濃度とレドックス電位を検出するためのマイクロカンティレバーの使用に関
する。
【０００４】 （発明の背景） 電位差測定は、化学、生物物理学、および生化学の研究で、生物学的物質を含
む可能性があるか実際に含む媒質内の水素イオン濃度（ｐＨ）と特定のイオン濃
度の決定およびレドックス電位の測定に一般に用られている。測定のための従来
の技術には、ガラス電極の使用と、金属電極を用いるレドックス測定が含まれる
。生物学的に重要なパラメータの高感度で信頼性のある測定のための装置の微細
化と、検出装置にさらされるサンプリング媒質の量を低減させながら同時に測定
精度を高めることに大きな関心が寄せられている。
【０００５】 サンダット他（Thundat et al.）による米国特許第５，７１９，３２４号明細
書には、特定の気相化学物質に対する親和力を有する化学物質を用いて処理され
たスプリングエレメントを有するカンティレバーとともに組み立てられる圧電が
開示されている。発振装置は、化学物質の検出中に共振振動周波数を維持し、ま
た、共振周波数の変化は、モニターされる雰囲気中で検出される目標の化学物質
の量を示す。
【０００６】 ウォッチャー他（Wachter et al.）による米国特許第５，４４５，００８号明
細書には、化学物質のコーティングを有するマイクロカンティレバーとともに組
み立てられる質量マイクロセンサが開示されており、このカンティレバーは、圧
電トランスデューサによって振動し、マイクロカンティレバー上の化学物質コー
ティングが、モニターされる雰囲気から目標の化学物質を吸収する。マイクロカ
ンティレバーの共振周波数を分析して、モニターされる雰囲気に含まれる目標の
化学物質の量を示す変化を決定する。
【０００７】 マーカス他（Marcus et al.）による米国特許第５，４７５，３１８号明細書 には、マイクロカンティレバーと、ベースと、ベースから突き出るプローブ・チ
ップと、プローブ・チップを加熱する加熱エレメントとから構成され、調査され
る物質と接触させるマイクロプローブが開示されている。
【０００８】 ハフマン（Hafemen）による米国特許第４，９６３，８１５号には、半導体デ バイスの導電層からのレドックス電位によって変調された光により誘導された電
気信号を測定することにより、分析物を決定する装置および方法が示されている
。
【０００９】 コルサー（Kolesar）による米国特許第４，５４９，４２７号明細書には、２ つのマイクロカンティレバー発振器を有するトランスデューサを含む、神経系に
作用する化学物質の検出器が開示されている。この２つのマイクロカンティレバ
ーの活性化した側は、雰囲気中から神経系に作用する化学物質を吸収する選択可
能な化学物質を有し、また、活性化したカンティレバーの振動に変化が起こると
、活性化したカンティレバーと基準カンティレバーの周波数間において比較を行
うことが可能である。
【００１０】 従来技術では、ガラス電極を用いたｐＨ測定が行われ、また、レドックス測定
は金属電極を用いて行われる。これらの技術の両方において、非常に小さい電位
変化の測定が行われ、入力インピーダンスが高い装置を必要とされる。用いられ
る装置の１つは、トランジスタのゲート領域が、ゲート電位における効果により
、化学的事象に対する感度が高い、化学的に高感度な電界効果トランジスタであ
る。ライト・アドレッサブル・ポテンシオメトリック半導体センサと呼ばれる同
様の装置が、ｐＨ、レドックス電位、または経膜電位における変化に基づいて、
電位差感知を検出することにより生化学プロセスにおける感知に使用されてきた
。上述の方法および装置のすべては、比較的多量の試料において限定された感度
を備える、ｐＨ、レドックス電位、および選択的なイオンのイオン濃度などの生
物学的に重要なパラメータの検出および測定のための電位差感知のために、電気
的装置を使用している。従来技術による方法および装置を使用する場合、微細化
は困難である。したがって、当技術分野には改善の余地がある。
【００１１】 （発明の概要） 本発明の目的は、モニターされる媒質の試料内における、化学パラメータ、生
物物理学パラメータ、および生化学パラメータである電位差を測定するための検
出および測定の方法を提供することである。
【００１２】 本発明の他の目的は、モニターされる媒質の試料内の水素イオン濃度に対して
親和力を有するコーティングを備えたマイクロカンティレバー状スプリングエレ
メントを提供することである。
【００１３】 本発明の他の目的は、モニターされる媒質の試料内のｐＨの変化の割合に応答
するコーティングを備えたマイクロカンティレバー状スプリングエレメントを提
供することである。
【００１４】 本発明の他の目的は、モニターされる媒質の試料内の成分のレドックス電位お
よび選択されたイオン濃度に応答するコーティングを備えたマイクロカンティレ
バー状スプリングエレメントを提供することである。
【００１５】 本発明の他の目的は、極めて高い感度、微細化された寸法、および低い電力と
いう要件を備えたマイクロカンティレバー状スプリングエレメントを提供するこ
とである。
【００１６】 本発明の上記および他の目的は、モニターされる媒質の試料内の物理学パラメ
ータおよび化学パラメータを検出及び測定するための装置および方法により達成
され、この装置及び方法は、トランスデューサベースと、ベースに固定された少
なくとも１つのカンティレバー状スプリングエレメントとを備え、前記スプリン
グエレメント上の少なくとも１つの表面は、モニターされる媒質の試料内のパラ
メータに応答して、表面電荷を蓄積する化学物質を付着させたコーティングされ
た領域を有している。スプリングエレメントは、マイクロカンティレバーの、一
方の表面上の化学物質コーティングと、比較的不活性な背中合わせの表面との間
の表面電荷密度の差により生じる機械的応力に応答して曲がるマイクロカンティ
レバーを含む。マイクロカンティレバーは、寸法が非常に小さいために、マイク
ロカンティレバーの曲げに対してナノメートル範囲の感度を示すことが可能とな
り、モニターされる媒質の試料内の水素イオン濃度および特定のイオン濃度と、
レドックス電位を測定及び検出するためにごくわずかな量の媒質だけで済む。
【００１７】 従って、本発明の目的は、ここに記載のように、媒質の試料内の化学パラメー
タおよび物理学パラメータを検出及び測定する装置および方法により、達成され
る。
【００１８】 本発明の特徴および利点は、種々の図面を参照した上、以下の詳細な説明を読
むことにより明らかとなるだろう。
【００１９】 （発明を実施するための最良の形態） 本発明によれば、超微細化され、生きている有機体を含む広範囲の分析物を含
有する媒質内の物理学パラメータ、生物物理学パラメータ、化学パラメータ、お
よび生化学パラメータにおけるわずかな変化に対して、極めて高感度である、検
出方法および装置が必要であることがわかっている。電位差測定が、化学、生物
物理、および生化学の研究で一般に用いられている。ここに記載の発明では、媒
質内の生きている有機体の生物学的活動度の正確な測定など、モニターされる媒
質内の、水素イオン濃度、レドックス電位、及び／または選択的イオン濃度にお
ける変化の検出および測定が可能である。本発明では、一方の表面に少なくとも
１つの物質がコーティングされたマイクロカンティレバーを使用する。背中合わ
せの表面は、物質がコーティングされた表面と比較して相対的に不活性である。
一実施例のコーティング物質は、媒質内の物理学パラメータおよび化学パラメー
タに正比例する表面電荷を蓄積する。マイクロカンティレバーの片側の表面電荷
密度が増えるにつれて、媒質内で測定されるパラメータに比例してマイクロカン
ティレバーのたわみが発生する。
【００２０】 図１および図２によれば、電位差マイクロ検出装置１は、少なくとも１つの感
知を行うマイクロカンティレバー状スプリングエレメント（マイクロカンティレ
バー）３が取り付けられたトランスデューサベース２を備える。マイクロカンテ
ィレバー３は、第１の表面５のすべてまたはある領域に感知材料７のコーティン
グを処理されたベース材料４から構成される。コーティングは、試料が載置され
る媒質１３内の水素イオン濃度に応答してイオン化する第１の感知材料７である
。感知材料７がイオン化する際に、第１の表面５に、媒質１３内の水素イオン濃
度に比例する表面電荷が蓄積される。表面電荷がカンティレバーの第１の表面５
に蓄積すると、カンティレバー３の表面において表面電荷密度に異なる変化が発
生し、その結果生じる表面応力により、カンティレバーがたわむ（図１）。
【００２１】 モニターされる媒質の試料１３内のｐＨの局所的な変化は、生きている有機体
の近くで発生する可能性がある。液体のｐＨを検出するのに加えて、本発明は、
ガス流の酸性または塩基性を検出するために用いられてもよい。従って、スプリ
ングエレメント３上の試料１３は、気体環境の、液体環境の、及び／または生き
ている有機体を含有する半固体の媒質から採取されてもよい。
【００２２】 第１の表面５の一部（図３）またはすべて（図１）のコーティングされた領域
に付着される第１の材料または化学成分７は、窒化シリコン、五酸化タンタル、
酸化シリコン、酸化白金、酸化イリジウム、酸化アルミニウム、または、水素イ
オンに感応する、相当のポリマー材料から構成することができる。第１の材料７
は、水素イオン濃度に応答してイオン化し、第１の表面５に蓄積される表面電荷
密度（図示せず）は、カンティレバー状スプリングエレメント上に置かれた媒質
１３の試料内の水素イオン濃度に比例する。スプリングエレメント３のベース材
料４は、シリコン、窒化シリコン、ゲルマニウム、ポリマー、セラミック、ダイ
アモンド、石英、他のシリコン化合物、金属化合物、ヒ化ガリウム、ゲルマニウ
ム、ニ酸化ゲルマニウム、および酸化亜鉛などの材料から構成することができる
。
【００２３】 スプリングエレメント３の第２の表面９は、不活性材料でコーティングされる
か、または追加のコーティングがされないかであり、コーティングされない場合
は、第２のコーティング８は、第１の材料７の表面電荷の蓄積の速度とは異なる
表面電荷の蓄積の速度となる。化学物質８の第２のコーティングは、シリコン、
酸化シリコン、窒化シリコン、他のシリコン化合物、ポリマー化合物、バイオポ
リマー化合物、またはヒ化ガリウムなどの金属化合物から構成することができる
。第２の表面９は、第１の材料７と異なる化合物を有する必要がある。これは、
第２の表面９とモニターされる媒質の試料１３との異なる相互作用を可能にする
ためである。理想的には、第２の表面９および第２の種々のコーティング８は、
不活性であるか、第１の表面５にコーティングされる材料７と比較した場合、検
出されるパラメータに対して相対的に不活性である。
【００２４】 図１および図３に示されているように、３０マイクロリットル以下の試料１３
が、感知マイクロカンティレバー３の第１の表面５に置かれる。感知材料７は、
試料１３内のｐＨに関連して表面電荷を発生し、また、マイクロカンティレバー
３は、第１の表面５の材料７と第２の表面９との間の表面電荷（表面電荷は図示
せず）の変動により曲がる。第１の表面５が、モニターされる媒質１３の試料の
水素イオン濃度に比例する表面電荷を蓄積すると、第１の表面５と第２の表面９
の間の差動表面電荷密度により、表面応力が生じ、スプリングエレメント３のコ
ーティングされた領域内で発生する機械的応力により、マイクロカンティレバー
３がたわむ。
【００２５】 各マイクロカンティレバー状スプリングエレメント３の通常の寸法は、長さが
約１から２００μｍ、幅が約１から５０μｍ、厚さが約０．３から３μｍである
。マイクロカンティレバー３の曲げは、レーザービームおよび光検出器を使用す
る光学ビームたわみ、または干渉計、容量、圧電抵抗、電子トンネル、または圧
電検出技術などの既知の種々の検出技術を用いることにより、０．０１ナノメー
トル（ｎｍ）の感度で測定することができる。
【００２６】 感知マイクロカンティレバー３は、マイクロ秒からミリ秒の範囲の応答時間を
有する。マイクロカンティレバー３の厚さは非常に薄いので、ｐＨ、特定のイオ
ン濃度、またはレドックス電位の変化によって誘導される差動表面電荷の変化は
、表面差応力の変化として表される。これらの表面差応力の変化は、カンティレ
バーのたわみの変化として表され、このたわみの変化は、サブナノメートル感度
で測定することができる。カンティレバーの技術は、従来技術より、簡素化が計
られ、高い感度を提供する。振動するマイクロカンティレバーを使用するマイク
ロ熱量測定の全般的な議論が、ギムゼウスキー他（Gimzewski et al.）による「
Observation of a chemical reaction using a micromechanical sensor」217 C
hem. Phys. Lett. 589, at 591-592 (1994)に示されている。
【００２７】 窒化シリコン表面の電荷密度は、モニターされる媒質の試料１３にさらされた
時に、感知材料７と接触して配置されたモニターされる媒質の試料１３のｐＨの
変化と共に種々に変化する。窒化シリコン基のｐＨ依存性は、ネルンストの式に
非常に近い（すなわち、ｐＨの１単位の変化について５９ｍＶの電位変化）。こ
のｐＨ依存性は、窒化シリコン表面のシラノール基およびシラミン基に起因する
。カンティレバーのこの差動表面電荷の結果として、ｐＨの変化に伴って、マイ
クロカンティレバー状スプリングエレメント３のたわみが再現可能な形で変化す
る。たわみは、低いｐＨから高いｐＨに大きくなる時にも変化する。スプリング
エレメント３の動きは、光検出器１９（位置感応検出器（ＰＳＤ））へのたわみ
の出力とともに、マイクロカンティレバー３に直射されるレーザー光１７により
、測定することができる。位置感応検出器の直流変動は、マイクロカンティレバ
ー３の曲げに一致する。マイクロカンティレバー３のたわみの検出のための他の
技術には、圧電抵抗、容量、圧電、および電子トンネルを用いる感知などがある
。ここで説明するたわみの測定技術は、サブナノメートル程度の振幅に感応する
ので、ｐＨの非常に小さい変化を決定することができる。
【００２８】分析物とマイクロカンティレバーの相互作用の経験式 窒化シリコンは、優れた電気絶縁体である。スプリングエレメントに置かれた
試料内のｐＨが変化する際に、表面電荷が窒化シリコンの表面に集まる。スプリ
ングエレメントの一方の側に表面電荷が存在することにより、マイクロカンティ
レバー３に接線応力が生じる。本発明の特徴は、種々の表面電荷密度を薄いマイ
クロカンティレバー３の片側に閉じこめることにより、マイクロカンティレバー
３を、表面差応力の変化による曲げを受けるようにすることができることである
。ストニーの式を使用すると、吸収によるカンティレバーの曲げの曲率半径は、
次式によって書き表せる。
【００２９】
【数１】
【００３０】 ここで、Ｒはカンティレバーの曲率半径であり、ｖおよびＥはそれぞれ基板の
ポアソン比およびヤング率、ｔはカンティレバーの厚さ、δｓは膜応力である。
カンティレバーの曲げによる曲率半径は、次式によって得られる。
【００３１】
【数２】
【００３２】 ここで、ｚはマイクロカンティレバーの支持されていない端における変位、Ｌは
カンティレバービームの長さである。（１）および（２）を使用すると、カンテ
ィレバーの変位と表面差応力の間の関係が得られる。
【００３３】
【数３】
【００３４】 この曲げは、ダイオードレーザーからの光をカンティレバーの端で位置感応検
出器に反射させることによって、サブナノメートルの分解能で測定することがで
きる。図１に、ダイオードレーザー１７および光検出器１９を用いる検出システ
ムを有する光検出器の実施例図示する。ｐＨの変化によって誘導される差動表面
電荷密度に比例するカンティレバー３のたわみの量は、マイクロプロセッサ２１
および関連するコンピュータソフトウェア（図示せず）により分析される。
【００３５】 上の実施例の他の変形例として、感知カンティレバー３の初期のたわみを、カ
ンティレバー３とモニターされる媒質１３の間に既知の電位を印加することによ
って調節することができる。これは、カウンタ電極と、基準電極（図示せず）ま
たは制御電極（図９）によって達成することができる。制御電極は、基準電極ま
たは別個の電極（図示せず）とすることができる。この技術は、直流技術である
が、カンティレバーの不活性側に応力感知膜（図示せず）をコーティングするこ
とによって、交流技術にすることができる。この場合、カンティレバーの曲げは
、カンティレバーの共振周波数の変動を検出することによって、交流信号に変換
することができる。カンティレバーが曲がる際に、カンティレバーのスティフネ
スが、応力感知膜により変化する。カンティレバーの振幅共振周波数は、カンテ
ィレバーの曲げに伴い変化する。したがって、カンティレバーが曲がる際の直流
変動は、交流信号に変換することができる。
【００３６】 カンティレバーの応力により誘導されるバネ定数の変化δｋは、カンティレバ
ーの曲げから計算することができる。
【００３７】
【数４】
【００３８】 ここで、δｓ1およびδｓ2は、カンティレバー表面の差応力であり、ｎ1は、幾 何的定数である。カンティレバーの共振周波数は、カンティレバーの微小な曲げ
によって発生する共振周波数の変化により変化する。
【００３９】追加の実施例 本発明による第２の実施例ではスプリングエレメント１０３は、ベース１０２
に取り付けられ、スプリングエレメント１０３は、２つのコーティング層（図２
）を有し、１つの層１０７は水素イオンに感応し、第２の層１０８はポリマーベ
ース内に生体材料を有する。生体材料層及び／または水素イオンに感応する層は
、カンティレバー１０３のベース材料１０４と異なる表面電荷密度を発生させる
だろう。第２の表面１０９は、セラミック、ポリマー、またはシリカなどの、ベ
ース材料１０４と異なる不活性材料とすることができる。層１０７または１０８
の１つに、酵素、ペプチド、タンパク質、核酸、炭水化物、抗体分子、抗原分子
、薬理学的物質（すなわち、アスピリンなどの小さい有機分子を含む薬品）を含
有してもよく、また、感知層に置かれた試料１１３のｐＨ変化に比例して、スプ
リングエレメント表面のｐＨを変化させるためには、試料１１３内の酵素と相互
作用し、結合する他の生体高分子を含有するとよい。これより、スプリングエレ
メント１０３は、酵素に関連する免疫定量法に使用することができる。適当な生
体高分子を選択し、表面電荷密度および対応する機械的応力を較正することによ
り、試料１１３内の酵素の数を、マイクロカンティレバー状スプリングエレメン
ト１０３を用いて計算することができる。
【００４０】 図４に示されているように、マイクロカンティレバー状スプリングエレメント
１２３は、「Ｕ」字形レバーを形成するように中央領域の孔１２６を有しており
、これによって、トランスデューサベース１２２からのスプリングエレメント１
２３に絶縁部分を加えることができる。検出される物理学的特性および化学的特
性に感応する化学物質１２７が、一方の表面１２５にコーティングされ、また、
スプリングエレメント１２３は必ず不活性材料から構成される。
【００４１】 図５に示されるように、マイクロカンティレバー状スプリングエレメントの別
の構成には、チューブ状スプリングエレメント１４３が含まれ、このチューブ状
スプリングエレメント１４３は、検出を受ける物理学的特性および化学的特性に
感応する化学物質１４７のコーティングを有する外側表面１４５を有する。チュ
ーブの内側表面１４８は、内側表面１４８のすべてのうち一部に材料１４９をコ
ーティングすることができ、この材料１４９は、不活性か、または外側の化学物
質コーティング１４７と異なる割合で表面電荷を発生させ、これによって、チュ
ーブ状スプリングエレメント１４３内に機械的応力が生じ、結果的に曲げが生じ
る。モニターされる媒質の試料１５３は、スプリングエレメント表面の化学物質
１４７の上または直近に置くことができ、試料１５３は、内側表面１４８および
材料１４９と接触して配置することができる。チューブ状マイクロカンティレバ
ーは、長さが約１から約２００μｍ、直径が約１から約５０μｍ、および壁の厚
さが約０．３から約３．０μｍとすることができる。円筒状カンティレバーは、
長さが約１から約２００μｍ、直径が約１から約５０μｍとすることができる。
【００４２】 別の検出およびモニター方法では、図６のマイクロカンティレバー状スプリン
グエレメント１６３を使用して、スプリングエレメントのコーティングされた領
域に置かれたモニターされる媒質である試料のレドックス電位を検出する。図６
に示されているように、スプリングエレメント１６３は、ベース１６２に取り付
けられ、また、第１の表面１６５は２つのコーティングを有する。対向する表面
１６９は、不活性、または第１の表面１６５より反応性の低い材料から構成され
る。第１の表面の外側コーティング１６７は、均一の層１６７内の金または白金
などの貴金属から構成される。外側感知表面は、外側コーティング１６７に置か
れた試料１７３のレドックス電位を検出するが、外側コーティング１６７とベー
ス１６２およびスプリングエレメント１６３の間のコーティングであるアクティ
ブ絶縁体１６８の第２層により、ベース１６２またはスプリングエレメント１６
３の特性による干渉を受けずに済む。アクティブ絶縁体１６８は、酸化シリコン
、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化イリジウム、五酸化タンタル、および
レドックス電位測定に感応するポリマーから構成することができる。１つまたは
それ以上のコーティング７、１０７、１０８を有する少なくとも１つのスプリン
グエレメント３または１０３のセットを有する、複数のマイクロカンティレバー
スプリングエレメントを、スプリングエレメントの表面の上または直近に置かれ
るモニターされる媒質の試料１３、１１３、１７３のｐＨおよびレドックス電位
を検出するためのスプリングエレメント１６３と組み合わせることができる。
【００４３】 別の検出およびモニターの方法では、図７のマイクロカンティレバー状スプリ
ングエレメント１８３を用いて、スプリングエレメントのコーティングされた領
域に置かれたモニターされる媒質の試料１９３の選択的イオン濃度を検出及び測
定する。図７に示されるように、スプリングエレメント１８３はベース１８２に
取り付けられ、また、第１の表面１８５は２つのコーティングを有する。第１の
表面の外側コーティング１８７は、均一の層１８７内の生体高分子またはタンパ
ク質などのイオン選択性膜から構成される。外側コーティング１８７により、カ
リウム、カルシウム、ナトリウム、リチウム、カルシウム、マグネシウム、セシ
ウム、アンモニウム、塩化物、フッ化物、硫化物、陽イオンおよび陰イオンの両
方、または他のイオンが、試料１９３から外側コーティング１８７を通過する。
イオン選択性膜コーティング１８７には、カリウム、カルシウム、カリウムイオ
ン透過担体バリノマイシンを含むポリ塩化ビニル材料、またはイオンをその材料
に選択的に通過させる他のポリ塩化ビニル材料を含有してもよい。このようなイ
オン選択性膜は、理論および作用において当技術分野で周知である（1978年にニ
ューヨークのプレナム プレス社（Plenum Press）から刊行された、ヘンリー
フレイザー（Henry Freiser）編による「Ion-Selective Electrodes in Analyti
cal Chemistry, Vol. 1」の２７０から２８１頁を参照されたい）。
【００４４】 選択的ナトリウムイオン通過のために、ナトリウムイオン透過担体バリノマイ
シン膜材料を、外側コーティング１８７に配置する。イオンは、外側コーティン
グを通過し、外側コーティング１８７の下の内側コーティング領域１８８にコー
ティングされた化学物質と反応する。外側コーティング１８７の検出能力は、外
側コーティング１８７とベース１８２およびスプリングエレメント１８３との間
の化学物質コーティングであるアクティブ絶縁体１８８の第２層による、ベース
１８２またはスプリングエレメント１８３の特性から、絶縁される。アクティブ
絶縁体１８８は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化イリジ
ウム、五酸化タンタル、シリコン、またはイオンの通過に対する絶縁体である他
のポリマーから構成することができる。
【００４５】 別の検出およびモニターの方法では、図８および図９のマイクロカンティレバ
ー状スプリングエレメント２０３を用いて、断続的な電荷を最小の１つのマイク
ロカンティレバー状スプリングエレメント２０３に供給することによって、モニ
ターされる媒質の試料２１３のｐＨ、レドックス電位、および特定のイオン濃度
の、変化及び変化の割合を検出し測定する。カンティレバーが半導体または絶縁
された導体から作られている場合、制御電極２１７（図１０）からトランスデュ
ーサベース２０２に取り付けられたオーム接触部２１５へ、電圧がパルス出力さ
れる。図９に示されるように、スプリングエレメント２０３は、定常状態の曲げ
になるまで周期的に電荷を与えられる。電荷の除去によって、スプリングエレメ
ントが中立位置（図８）に戻ることが可能になる。減衰曲線の応答時間（図１２
）は、不活性材料を有する表面２０９と関係するコーティングされた表面２０５
にかかる機械的応力に応じて種々に変化する。これは、感知化学物質２０７が、
スプリングエレメント２０３の表面２０５上の適当な化学物質コーティング２０
７にさらされる、ｐＨ、レドックス電位、および特定のイオン濃度と応答するか
らである。
【００４６】 複数のマイクロカンティレバー状スプリングエレメント３を、複数のマイクロ
カンティレバーから成るアレイ（図示せず）にし、各マイクロカンティレバーが
、媒質の試料内の生体材料、水素イオン、レドックス電位、または選択的なイオ
ン濃度に応答する異なるコーティングを有するようにすることができる。複数の
スプリングエレメントの各表面の機械的応力によるたわみは、検出器の未処理デ
ータを増幅し１２０、事前にプログラムされた分析を用いる集積マイクロプロセ
ッサ１２１により検出器のデータを処理することによって、較正することができ
る。基準カンティレバーは、複数の感知マイクロカンティレバー状スプリングエ
レメントに対する温度変化、粘性変化、および圧力変化による影響を除去するた
めに用いることができる。基準カンティレバーは、感知カンティレバー上の液体
の流速の影響を除去するのにも用いることができる。
【００４７】 実施例のいずれかの検出に必要な溶液量は、試料についてはナノリットル程度
、または感知表面に置かれる媒質の試料１３については３０マイクロリットル未
満とすることができる。この数値は、カンティレバー表面に置かれるナノリット
ルから、カンティレバーがモニターされる液体の媒質中に置かれる場合は、多量
の液体ｃｃまで変化する場合がある。したがって、感知コーティング７を有する
マイクロカンティレバー状スプリングエレメント３、１０３、１２３、１４３、
１６３、１８３、および１２３は、媒質の試料内の生物物理学パラメータおよび
生化学パラメータを検出及び測定することができ、感応する生化学マイクロセン
サの開発において大きな進歩を表す。
【００４８】 マイクロカンティレバー状スプリングエレメント３を取り付けられたトランス
デューサベース１を用いる検出装置および検出方法の独自の特徴として、極めて
感度が高く微細化されていること；少量の媒質に理想的であること；マイクロカ
ンティレバーを追加して用いることにより、媒質の流速、圧力、および粘性を検
出することができること；単一のカンティレバーにより広範囲の媒質のパラメー
タを決定できること；アレイ設計にすると、他のマイクロカンティレバーセンサ
システムに簡単に組み込めること；（エレクトロニクスへの電力供給のために）
バッテリ電力を利用すること；試料が載置される媒質から取り除かれると、マイ
クロカンティレバーのアラインメントが再生成すること；堅固で持ち運び可能で
あること；液体媒質内での測定のために、電気化学的制御の有無に関わらず、検
出装置を使用することができることなどがある。マイクロカンティレバーセンサ
３の長所は、さらに、低電力消費と、局所的な電磁界が生成されないことである
。マイクロカンティレバー３のダイナミックレンジは、複数のマイクロカンティ
レバーをアレイ（図示せず）にして用いることによって、さらに高くすることが
できる。
【００４９】スプリングエレメントのたわみの検出 レーザー検出に代わり得る検出装置には、圧電抵抗、圧電、容量、および電子
トンネル法などによるたわみの測定があり、これらのすべては、従来技術として
既知である。各検出装置は、レーザー感知装置のサブナノメートル感度に匹敵す
る感度でマイクロカンティレバー状スプリングエレメント３のたわみの変化を決
定する。微小熱量計と共に用いられるたわみ検出技術の全般的な議論、および他
の各検出装置に関する参照が、ギムゼウスキー（Gimzewski et al.）による「Ob
servation of a chemical reaction using a micromechanical sensor」217 Che
m. Phys. Lett. 589, at 591-592 (1994)に記載されている。
【００５０】検出および測定の方法 本発明による媒質内の水素イオンの検出および測定には、トランスデューサを
備えるステップと；少なくとも１つのマイクロカンティレバーをトランスデュー
サに取り付けるステップと；本来不活性の材料を有するトランスデューサを有し
、第１の表面と、第１の表面と背中合わせの第２の表面とを有するマイクロカン
ティレバーを備えるステップと；マイクロカンティレバー状スプリングエレメン
ト３の表面の一部分に反射領域を備えるステップとが含まれる。
【００５１】 マイクロカンティレバーの少なくとも１つの表面上に、化学物質がコーティン
グされる領域上の第１のコーティング内に付着され、この化学物質は、検出され
る物理学パラメータまたは化学パラメータに応答して表面電荷を蓄積する。媒質
の試料内の水素イオンの検出および測定のために、コーティングされた領域の上
または直近に置かれる媒質の試料内の水素イオンに応答するコーティングの成分
のイオン化により、コーティングされた領域で表面電荷を蓄積するコーティング
が、選択される。不活性材料の第２のコーティングを、マイクロカンティレバー
の第２の表面に配置することができる。さらに、マイクロカンティレバーのベー
スは、不活性材料を含有することができ、また、マイクロカンティレバーのコー
ティングされた領域に媒質の試料がさらされる際に、生じる表面電荷密度がより
少ない本来不活性の材料を備えることができる。第１の表面または第１の表面の
コーティングされた領域における表面電荷密度の蓄積により、マイクロカンティ
レバーのコーティングされた領域内または第１の表面に沿って機械的応力が生じ
、曲げが発生する。
【００５２】 水素イオンおよびｐＨの局所的変動は、生きている有機体の近くで発生するの
で、この検出方法は、媒質の試料内の生きている生物学的有機体の検出に用いる
ことができる。上で説明した方法および装置により、マイクロカンティレバー状
スプリングエレメント３のコーティング領域７上に単一細胞を受容することがで
きるので、細胞の代謝活動が、コーティング領域７にコーティングされた化学物
質の相互作用に比例して生じるマイクロカンティレバー状スプリングエレメント
３のたわみに基づいて、モニターされる。
【００５３】 カンティレバー状スプリングエレメントのたわみを検出する方法では、検出装
置を用いるが、この検出装置は光検出装置を備え、光検出装置は、反射性のカン
ティレバー表面に光を直射するレーザー光源を備えてもよい。カンティレバーの
表面からの反射光は、カンティレバー状のスプリングエレメントの近くの感光検
出器を配置することにより捕獲され、検出器は、マイクロカンティレバーが曲が
る前、曲がっている間、及び曲がった後に、カンティレバーの表面からの反射光
を受け取る。曲がり程度は、カンティレバーの中立位置を基準にして測定され、
マイクロプロセッサが、この測定ステップからのたわみ情報を分析する。たわみ
における変化は、モニターされる媒質内の水素イオン濃度と相互に関連しており
、マイクロプロセッサ及び数学的な数式を用いて、表面電荷密度の関数としての
水素イオン濃度と、カンティレバーの曲がりパラメータが既知の場合には、カン
ティレバーのたわみ程度とにより計算される。
【００５４】 スプリングエレメントに置かれる試料内のｐＨ、レドックス電位、及び／また
は選択的イオン濃度を検出及び測定するための実施例は、検出及び測定される気
体流内のパラメータに応答する表面電荷密度の蓄積、および対応するスプリング
エレメントのたわみにより、気体流のパラメータを検出することにも用いること
ができる。
【００５５】 図面を参照しながら上記の明細書を一読すれば、当該技術分野の当業者にとっ
て種々の変形が確実に明らかとなるだろう。前述の記載は、元来典型的なもので
あるので、本発明の精神及び範囲は、以下に添付の特許請求の範囲の精神及び範
囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による、他の実施例の正面図である。
【図２】 本発明による他の実施例の、中立位置の、背中合わせの表面上に２つのコーテ
ィングを有するマイクロカンティレバーの縦断側面図である。
【図３】 本発明による他の実施例の、モニターされる媒質に接触するマイクロカンティ
レバーの側方から見た斜視図である。
【図４】 本発明による別の実施例の、マイクロカンティレバーの側方から見た斜視図で
ある。
【図５】 本発明による別の実施例の、チューブ状のマイクロカンティレバーの側方から
見た斜視図である。
【図６】 本発明による他の実施例の、絶縁材および貴金属のコーティングを有する、マ
イクロカンティレバーの縦断側面図である。
【図７】 本発明による他の実施例の、イオン選択膜および絶縁材コーティングを有する
、マイクロカンティレバーの縦断側面図である。
【図８】 本発明による別の実施例の、異なるコーティングの絶縁領域に囲まれたコーテ
ィングされた領域を有する、マイクロカンティレバーの側方から見た斜視図であ
る。
【図９】 断続的に印加される電荷に起因する曲げ位置にあるカンティレバーの縦断側面
図である。
【図１０】 組み立てられたマイクロカンティレバーセンサを図示した図である。
【図１１】 組み立てられたマイクロカンティレバーセンサの円筒部分の上面図である。
【図１２】 断続的な電荷の印加に対するマイクロカンティレバーの応答を図示すたグラフ
である。
【図１３】 モニターされる媒質の試料のｐＨ変化に対するマイクロカンティレバーの応答
を図示したグラフである。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１１年１０月１８日（１９９９．１０．１８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２０】 図１および図２によれば、電位差マイクロ検出装置１は、少なくとも１つの感
知を行うマイクロカンティレバー状スプリングエレメント（マイクロカンティレ
バー）３が取り付けられたトランスデューサベース２を備える。マイクロカンテ
ィレバー３は、第１の表面５のすべてまたはある領域に感知材料７のコーティン
グを処理されたベース材料から構成される。コーティングは、試料が載置される
媒質１３内の水素イオン濃度に応答してイオン化する第１の感知材料７である。
感知材料７がイオン化する際に、第１の表面５に、媒質１３内の水素イオン濃度
に比例する表面電荷が蓄積される。表面電荷がカンティレバーの第１の表面５に
蓄積すると、カンティレバー３の表面において表面電荷密度に異なる変化が発生
し、その結果生じる表面応力により、カンティレバーがたわむ（図１）。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２３】 スプリングエレメント３の第２の表面９は、不活性材料でコーティングされる
か、または追加のコーティングがされないかであり、コーティングされない場合
は、第２のコーティングは、第１の材料７の表面電荷の蓄積の速度とは異なる表
面電荷の蓄積の速度となる。化学物質８の第２のコーティングは、シリコン、酸
化シリコン、窒化シリコン、他のシリコン化合物、ポリマー化合物、バイオポリ
マー化合物、またはヒ化ガリウムなどの金属化合物から構成することができる。
第２の表面９は、第１の材料７と異なる化合物を有する必要がある。これは、第
２の表面９とモニターされる媒質の試料１３との異なる相互作用を可能にするた
めである。理想的には、第２の表面９および第２の種々のコーティング８は、不
活性であるか、第１の表面５にコーティングされる材料７と比較した場合、検出
されるパラメータに対して相対的に不活性である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３９】 本発明による第２の実施例ではスプリングエレメント１０３は、ベース１０２
に取り付けられ、スプリングエレメント１０３は、２つのコーティング層（図２
）を有し、１つの層１０７は水素イオンに感応し、第２の層１０８はポリマーベ
ース内に生体材料を有する。生体材料層及び／または水素イオンに感応する層は
、カンティレバー１０３のベース材料１０４と異なる表面電荷密度を発生させる
だろう。第２の表面１０５は、セラミック、ポリマー、またはシリカなどの、ベ
ース材料１０４と異なる不活性材料とすることができる。層１０７または１０８
の１つに、酵素、ペプチド、タンパク質、核酸、炭水化物、抗体分子、抗原分子
、薬理学的物質（すなわち、アスピリンなどの小さい有機分子を含む薬品）を含
有してもよく、また、感知層に置かれた試料１１３のｐＨ変化に比例して、スプ
リングエレメント表面のｐＨを変化させるためには、試料１１３内の酵素と相互
作用し、結合する他の生体高分子を含有するとよい。これより、スプリングエレ
メント１０３は、酵素に関連する免疫定量法に使用することができる。適当な生
体高分子を選択し、表面電荷密度および対応する機械的応力を較正することによ
り、試料１１３内の酵素の数を、マイクロカンティレバー状スプリングエレメン
ト１０３を用いて計算することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，Ｚ Ｗ 【要約の続き】 ルの範囲である。パラメータを検出するマイクロカンテ ィレバー装置（１）および方法では、スプリングエレメ ント（３）の表面の上または付近に、試料をわずか数マ イクロリットル配置するだけでよい。この方法は、測定 されるパラメータの検出に対して極めて感度が高い。

Claims (35)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 モニターされる媒質の試料内の物理学パラメータおよび化学
    パラメータを検出及び測定する装置であって、 トランスデューサベースと、 前記ベースに取り付けられた少なくとも１つのカンティレバー状スプリングエ
    レメントと、前記スプリングエレメントは： コーティングされた領域を有する少なくとも１つの表面と、 前記コーティングされた領域に付着された少なくとも１つの化学物質と 、前記少なくとも１つの化学物質は、前記試料内の前記パラメータに応答
    して第１の表面電荷を蓄積し、前記試料は、前記コーティングされた領域 の
    上または直近に配置され、 前記第１の表面電荷と異なる表面電荷を有する前記スプリングエレメン ト上の第２の表面とを備え；及び 前記スプリングエレメントの前記表面上の前記表面電荷により生じる機械的応
    力に起因する前記スプリングエレメントのたわみを測定する手段とを含む装置。
  2. 【請求項２】 前記少なくとも１つの化学物質は、前記コーティングされた
    領域の上または直近に配置可能な媒質である前記試料内の水素イオン濃度に応答
    して、前記表面電荷を蓄積する請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記少なくとも１つの化学物質は、窒化シリコン、酸化シリ
    コン、酸化イリジウム、酸化アルミニウム、五酸化タンタル、およびｐＨ感応ポ
    リマーからなるグループから選択される請求項２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記少なくとも１つの化学物質は、前記コーティングされた
    領域の上または直近に配置可能な媒質である前記試料内のレドックス電位に応答
    して、前記表面電荷を蓄積する請求項１に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記少なくとも１つの化学物質は、コーティングされた領域
    を有する前記表面上にコーティングされた金属の層を含み、前記金属は、金、白
    金、および貴金属からなるグループから選択される請求項４に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記少なくとも１つの化学物質は、さらに、前記金属層と前
    記表面との間にコーティングされる材料の層を含み、前記材料は、酸化シリコン
    、窒化シリコン、酸化アルミニウム、五酸化タンタル、酸化アルミニウム、およ
    び酸化イリジウムからなるグループから選択される請求項５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記少なくとも１つの化学物質は、さらに、イオン選択性膜
    材料を含み、前記膜材料は前記少なくとも１つの表面にコーティングされ、前記
    膜材料により、イオンが、前記試料から前記膜材料通り前記コーティングされた
    領域へ、選択的に通過し、その結果、前記表面電荷が、前記コーティングされた
    領域のイオンに応答して蓄積される請求項１に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記コーティングされた領域は、さらに、前記膜材料と前記
    少なくとも１つの表面との間にコーティングされた材料の層を含み、前記材料は
    、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化イリジウム、酸化アルミニウム、および五
    酸化タンタルからなるグループから選択される請求項７に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記少なくとも１つのカンティレバー状スプリングエレメン
    トは、さらに、少なくとも１つのマイクロカンティレバーを含み、前記マイクロ
    カンティレバーは、長さが約１から約２００μｍ、幅が約１から約５０μｍ、お
    よび厚さが約０．３から約３．０μｍである請求項１に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記少なくとも１つのカンティレバー状スプリングエレメ
    ントは、さらに、長さが約１から約２００μｍおよび直径が約１から約５０μｍ
    である円筒状マイクロカンティレバーを含む請求項１に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記円筒状マイクロカンティレバーは、壁の厚さが約０．
    ３から約３．０μｍであるチューブ状マイクロカンティレバーを含む請求項１０
    に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記少なくとも１つのカンティレバー状スプリングエレメ
    ントは、セラミック、ポリマー、酸化シリコン、窒化シリコン、ゲルマニウム、
    ニ酸化ゲルマニウム、酸化亜鉛、ヒ化ガリウム、およびシリコン化合物からなる
    グループから選択される材料から構成される請求項１に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記たわみ測定手段は、約０．０１ナノメートル未満のた
    わみに対する感度を有する請求項１に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 前記たわみ測定手段は、 前記スプリングエレメント上の反射領域と、 前記スプリングエレメントに光を直射するように配置されたレーザー光源と、 前記カンティレバー状スプリングエレメントからの反射光を受け取るように配
    置された光感知検出器と、 前記カンティレバー状スプリングエレメントのたわみを決定するためのマイク
    ロプロセッサとを含む請求項１に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 前記たわみ測定手段は、さらに、レーザー検出手段、圧電
    抵抗検出手段、圧電検出手段、容量検出手段、電子トンネル検出手段のうちの１
    つを含む請求項１に記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記たわみ測定手段は、約３０マイクロリットル未満の体
    積のモニターされる媒質である前記試料を用いて操作することができる請求項１
    に記載の装置。
  17. 【請求項１７】 前記少なくとも１つのカンティレバー状スプリングエレメ
    ントは、さらに、 前記ベースに取り付けられた複数のカンティレバー状スプリングエレメントと
    、前記各スプリングエレメントは： 少なくとも１つのコーティングされた領域を有する表面と、 前記少なくとも１つのコーティングされた領域上の少なくとも１つの化 学物質と、前記少なくとも１つの化学物質は、前記試料内の前記パラメー
    タに応答して第１の表面電荷を蓄積し、また、前記試料は、前記少なくとも１つ
    のコーティングされた領域の上または直近に配置可能であり、 前記第１の表面電荷と異なる表面電荷を有する、前記各スプリングエレ メントの第２の表面とを備え；及び たわみを測定するための複数の手段とを備え、前記各たわみ測定手段は、前記
    複数のカンティレバー状スプリングエレメントの１つずつにそれぞれ関連する請
    求項１に記載の装置。
  18. 【請求項１８】 モニターされる媒質の試料内の化学パラメータおよび物理
    学パラメータを検出及び測定する方法であって、 トランスデューサベースを備えるステップと、該トランスデューサベースは： 前記ベースに取り付けられた少なくとも１つのカンティレバー状スプリ ングエレメントと、 前記スプリングエレメント上のコーティングされた領域を有する少なく とも１つの表面とを備え、 少なくとも１つの材料を備えるステップと、前記材料は、前記コーティングさ
    れた領域の上または直近に配置可能な前記試料内の前記パラメータに応答してイ
    オン化することにより表面電荷を蓄積し、 前記コーティングされた領域に前記少なくとも１つの材料をコーティングする
    ステップと、 前記少なくとも１つの材料を前記試料にさらすステップと、前記試料は、前記
    コーティングされた領域の上または直近に配置され、 前記スプリングエレメントの前記表面上の前記少なくとも１つの材料上の前記
    表面電荷により生じる機械的応力に起因する、前記カンティレバー状スプリング
    エレメントのたわみを検出するための手段を備えるステップと、 前記スプリングエレメントの前記たわみを検出するステップとを含む方法。
  19. 【請求項１９】 前記少なくとも１つのスプリングエレメントを含むトラン
    スデューサベースを備えるステップは、さらに、マイクロカンティレバーを備え
    ることを含み、前記マイクロカンティレバーは、長さが約１から約２００μｍ、
    幅が約１から約５０μｍ、および厚さが約０．３から約３．０μｍである請求項
    １８に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 前記少なくとも１つのスプリングエレメントを含むトラン
    スデューサベースを備えるステップは、さらに、長さが約１から約２００μｍお
    よび直径が約１から約５０μｍである、少なくとも１つの円筒状マイクロカンテ
    ィレバーを備えることを含む請求項１８に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記少なくとも１つの円筒状マイクロカンティレバーを備
    えるステップは、さらに、チューブ状マイクロカンティレバーを備えることを含
    み、前記チューブ状マイクロカンティレバーは、壁の厚さが約０．３から約３．
    ０μｍである請求項２０に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 前記少なくとも１つのスプリングエレメントを含むトラン
    スデューサベースを備えるステップは、さらに、セラミック、ポリマー、窒化シ
    リコン、ゲルマニウム、二酸化ゲルマニウム、酸化亜鉛、ヒ化ガリウム、酸化シ
    リコン、およびシリコン化合物からなるグループから選択される材料から構成さ
    れる前記スプリングエレメントを備えることを含む請求項１８に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記少なくとも１つの材料を備えるステップは、さらに、
    窒化シリコン、酸化シリコン、酸化イリジウム、酸化アルミニウム、五酸化タン
    タル、およびｐＨ感応ポリマーからなるグループから前記少なくとも１つの材料
    を選択することを含む請求項１８に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 前記コーティングするステップは、さらに、コーティング
    された領域を有する前記少なくとも１つの表面にコーティングされる金属の層を
    備えることを含み、前記金属は、金、白金、および貴金属からなるグループから
    選択される請求項１８に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 前記コーティングするステップは、さらに、前記金属の層
    と前記少なくとも１つの表面との間に材料の層をコーティングすることを含み、
    前記材料は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、五酸化タンタル
    、および酸化イリジウムからなるグループから選択される請求項２４に記載の方
    法。
  26. 【請求項２６】 前記コーティングするステップは、さらに、前記少なくと
    も１つの表面上にイオン選択性膜をコーティングすることを含み、前記膜により
    、イオンが、前記膜を通り前記コーティングされた領域上の前記材料へ選択的に
    移動できる請求項１８に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 前記コーティングするステップは、さらに、前記膜コーテ
    ィングと前記第１の表面との間に材料の層をコーティングすることを含み、前記
    材料は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、五酸化タンタル、お
    よび酸化イリジウムからなるグループから選択される請求項２６に記載の方法。
  28. 【請求項２８】 前記たわみ測定手段を備えるステップは、さらに、 前記スプリングエレメント上に反射領域を備え、 前記反射領域に光を直射するレーザー光源を備え、 前記反射領域からの光を受け取るように光感受性検出器を配置し、 前記反射領域からの反射光を測定し、 前記配置ステップおよび前記測定ステップからの情報を分析するためのマイク
    ロプロセッサを備え、 前記スプリングエレメントのたわみを推定し、 前記スプリングエレメントの前記たわみを前記試料内の前記パラメータと相関
    させることを含む請求項１８に記載の方法。
  29. 【請求項２９】 前記たわみ測定手段を備えるステップは、さらに、レーザ
    ー検出手段、圧電抵抗検出手段、圧電検出手段、容量検出手段、および電子トン
    ネル検出手段からなるグループから選択することを含み、前記検出手段は、前記
    カンティレバーのたわみの変化を決定する請求項１８に記載の方法。
  30. 【請求項３０】 前記たわみ測定手段を備える前記ステップは、約３０マイ
    クロリットル未満の体積を有するモニターされる媒質の前記試料を用いて操作す
    ることができる請求項１８に記載の方法。
  31. 【請求項３１】 モニターされる媒質の試料内の物理学パラメータおよび化
    学パラメータを検出及び測定する装置であって、 トランスデューサベースと、 前記ベースに取り付けられた複数のカンティレバー状スプリングエレメントと
    を備え、前記各スプリングエレメントは： 少なくとも１つのコーティングされた領域を有する表面と、 前記少なくとも１つのコーティングされた領域上の少なくとも１つの材 料と、前記材料は、前記コーティングされた領域の上または直近に配置さ
    れる前記試料内の前記パラメータに応答して第１の表面電荷を蓄積し、 前記第１の表面電荷と異なる表面電荷を有する、前記スプリングエレメ ント上の第２の表面とを備え、及び 前記スプリングエレメント表面の差動表面電荷により生じる機械的応力による
    前記各スプリングエレメントのたわみを検出するための複数の手段とを備え、各
    たわみ検出装置は、前記各スプリングエレメントの１つずつにそれぞれ関連する
    装置。
  32. 【請求項３２】 前記少なくとも１つの材料は、さらに、媒質である前記試
    料内の水素イオンに応答して前記表面電荷を蓄積する少なくとも１つの化学物質
    を含む請求項３１に記載の装置。
  33. 【請求項３３】 前記少なくとも１つの材料は、さらに、媒質である前記試
    料内のレドックス電位に応答して前記表面電荷を蓄積する少なくとも１つの化学
    物質を含む請求項３１に記載の装置。
  34. 【請求項３４】 前記少なくとも１つの材料は、さらに、イオン選択性膜を
    含み、前記膜は前記表面上にコーティングされ、また、前記膜により、イオンが
    、前記試料から、前記膜を通り、前記コーティングされた領域上の前記材料へ選
    択的に通過することができ、その結果、前記表面電荷が、前記コーティングされ
    た領域上のイオンに応答する請求項３１に記載の装置。
  35. 【請求項３５】 前記複数の各カンティレバー状スプリングエレメントは、
    約１から約２００μｍの異なる長さであり、幅が約１から約５０μｍ、および厚
    さが約０．３から約３．０μｍであるマイクロカンティレバーを含む請求項３１
    に記載の装置。
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