JP2003136005A - 固定化装置 - Google Patents

固定化装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 生体高分子などの変性、変質を受けやすい物
質の溶液を変性あるいは変質させることなく固定化して
基板上に薄膜やスポットなどを形成する。 【解決手段】 振動子によって、試料を含む溶液に振動
を与え、その活性を保持したまま微小な粒子状物質とし
て霧化し、高電圧を印加した針金で、前記溶液、および
／または、前記の霧化された微小な粒子状物質を帯電さ
せて、浮遊中に乾燥させ、アースされた基板上に粒子状
物質を静電気力によって堆積させて、その活性を保持し
たまま固定化する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固定化装置および
その方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】近年、生体高分子、機能性ポリマーなどを
固定化させた薄膜は、バイオチップ、バイオセンサーな
どの分析機器に多く使用されている。また、染料、機能
性高分子の薄膜は、各種先端ディスプレイデバイス、光
学素子、半導体素子などに使用されている。従来、この
ような薄膜を形成するための様々な装置や方法が、考案
され実用に供されているが、従来の装置や方法は、生体
高分子や機能性高分子などのその活性を保持したまま固
定化して薄膜を形成するのには以下の理由により必ずし
も適さない。例えば、スパッタ装置、ＥＢ抵抗加熱蒸着
装置、ＣＶＤ装置などが、金属薄膜あるいは無機化合物
の薄膜の形成用に実用化されている。しかしながら、こ
れらの装置は、高真空下でのプラズマあるいは高熱にさ
らされるため、生体高分子、有機高分子などを活性を保
持したままで固定化して薄膜を形成することはほとんど
不可能である。
【０００３】静電塗装装置は、加圧空気により液体をス
プレーしこれを静電気力によって基板に付着させる方法
であり、塗装などに用いられている。しかしながら、本
装置は、加圧空気によるスプレーでは大量の液体が必要
であり、かつ無駄が多いため微少量の機能性高分子や生
体高分子の成膜には適さない。さらに、加圧空気による
スプレーでは液滴の直径が非常に大きいため液滴は乾燥
することなく基板に到着する。そのため、基板上での乾
燥に長時間かかり、このような長時間に及ぶ乾燥過程に
おいて変性を受け易い生体高分子などは活性を損なう恐
れがある。従って、静電塗装装置を使用して、このよう
な変性を受け易い物質を、活性を保持したままで固定化
して薄膜を形成するのは困難である。
【０００４】スポッティング、コーティング装置は、万
年筆の針先のように微小なギャップによりその隙間に液
体を保持できる金属製のチップあるいはコータにより液
体を基板上に塗布し、その後乾燥して薄膜を形成する装
置である。この装置も、同様の理由、即ち乾燥時間が長
くかかるため、活性を損ない易い生体高分子などの薄膜
形成は困難である。
【０００５】インクジェット法は、目的の機能性高分子
などを溶かした溶媒を小さな液滴としてノズルより噴射
し、これを基板に付着させて乾燥させることにより薄膜
を形成する方法である。しかしながら、この方法も、前
記と同様の理由、即ち乾燥時間が長くかかるため、活性
を保持したままで機能性高分子等を固定化して薄膜を形
成するのは困難である。
【０００６】ＥＳＤ法は、エレクトロスプレー（静電噴
霧）により試料を堆積させて薄膜を形成する手法であ
り、国際公開番号ＷＯ98/58745号で開示されている。こ
のＥＳＤ法は、上述した他の薄膜形成法や装置よりは、
生体高分子などの薄膜を形成するのに適しており、条件
によっては生体高分子等の活性を損なうことなく薄膜の
形成が可能である。しかしながら、この方法では、溶液
の電気伝導度が高い場合にスプレーをすることが不可能
であり、形成可能な薄膜の種類が限られるという問題が
ある（Analytical Chemistry 73 （2183-2189, 2001）
を参照されたい）。特に、たんぱく質などの生体高分子
は通常ｐＨを一定に保つためのバッファー溶液中に溶解
されており、電気伝導度度は約１０００μＳ以上と大き
くそのままＥＳＤ法により固定化してスポットや膜を形
成することは困難である。また、蛋白質などは、バッフ
ァーなどの安定剤を除去すると短時間で急速に活性を失
ってしまうが、このような試料の場合は、薄膜形成作業
を短時間で行なう必要があり作業効率が悪い。また、薄
膜を形成できてもその活性が低いものになるという問題
があった。さらに、ＥＳＤ法では、キャピラリーの先端
の穴を通過するためには、試料を溶液中にほぼ完全に溶
解する必要があり、粒子などの溶解し難い試料を使用す
ることができなかった。さらにまた、ＥＳＤ法は、微粒
子を静電気力のみで噴霧する方式であるため、霧化速度
が非常に遅く、チップの作製速度も遅かった。一方、種
々の振動子を用いる噴霧装置が開発され様々な用途に使
用されているのはよく知られているが、これらは噴霧だ
けのためであり、これら振動子を物質の固定化装置とし
て用いる試みはなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】生体高分子（たんぱく
質など）或いは機能性高分子を堆積・固定化してスポッ
トや薄膜などを形成し、かつ、その生物学的活性や機能
性を保つためには、これらの物質が変性・変質を受けに
くい条件で固定化して薄膜などを形成させる必要がある
が、上述したように従来の方法や装置では困難であっ
た。物質が変性・変質を受けにくい条件の１つは、生体
高分子などを含んだ溶液を極めて高速に乾燥させること
であるが、通常液体の蒸発速度は常温では限られており
基板上への塗布等によって塗り広げられた液体が乾燥す
る速度は真空中といえども限界がある。乾燥速度を速め
る一つの方法は、目的の物質を含んだ溶液を加熱するこ
とであるが、ほとんどの生体高分子、機能性高分子は加
熱により変性・変質してしまい、生物学的活性や機能性
を損なうという問題がある。
【０００８】生体高分子等を変性させることなく固体化
する手法としては、凍結乾燥法があるが、この手法によ
ると凍結を行った状態で薄膜の形状を維持することは困
難であり、通常は粉体となってしまう。さらに、生体高
分子などのバッファー溶液中に溶解する必要がある物質
やそれ自身が電気伝導度を持つ有機高分子の場合は、電
気伝導度が大きいためエレクトロスプレーも困難であ
り、薄膜の形成は困難であった。即ち、従来の方法や装
置では、生体高分子、機能性高分子などの生物学的活性
や機能を失うことなく、限られた量の物質から目的とす
る形状および厚さの薄膜を形成することは非常に困難で
あった。
【０００９】従って、本発明の目的は、上述した問題を
解決し、生体高分子、有機高分子、無機物質（例えば、
たんぱく質、染料、機能性ポリマーなど）の熱などによ
る変性、変質を受けやすい物質を水溶液あるいは、無機
や有機の溶媒溶液として供給、振動と帯電を同時に与え
ることにより霧化し静電気力により捕集することにより
前記の物質を変性あるいは変質させることなく堆積・固
定化して基板上に薄膜やスポットなどを形成することを
目的としている。ここで、「固定化」とは、溶媒に分散
或いは溶解した試料から、安定的な状態で、即ちその生
物学的或いは機能的な活性を保持したまま乾燥状態で基
板上に、例えば、スポットやフィルムなどを形成させる
ことを意味する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために、本発明による固定化装置は、試料（機能性高分
子、生体高分子、無機物質、或いは、有機高分子など）
を含む溶液（または溶媒）に振動を与えることによっ
て、その活性や機能性を保持したまま微小な粒子状物質
として霧化する振動子と、前記溶液（または溶媒）、お
よび／または、前記の霧化された微小な粒子状物質を帯
電させる帯電手段と、前記の帯電された微小な粒子状物
質を静電気力によって堆積させて固定化する基板を支持
する支持手段と、を具えることを特徴とする。または、
本発明による固定化装置は、前記固定化装置が、試料を
含む溶液（または溶媒）に振動を与える振動子と、この
振動子上に配置されていて、前記溶液（または溶媒）を
帯電させる帯電手段とを具え、前記振動子による溶液
（または溶媒）の振動、および、前記帯電手段によって
帯電した溶液（または溶媒）の静電気力によって、その
活性や機能性を保持したまま帯電した微小な粒子状物質
として霧化させるように構成し、前記固定装置は、さら
に、前記の帯電させた微小な粒子状物質を静電気力によ
って堆積させる基板を支持する支持手段を具える、こと
を特徴とする。或いは、換言すれば、本発明による固定
化装置は、前記帯電手段を前記振動子上に配置して前記
振動子上の前記溶液と前記帯電手段とを接触させ、前記
帯電手段と前記振動子とを同時に作動させる、ことを特
徴とする。ここで「溶液（または溶媒）」としたのは、
試料を溶解した「溶液（即ち水）」に限らず、溶媒（例
えばエタノールなどの有機溶媒、或いは無機溶媒など）
に試料を溶解させた場合を包含させる趣旨であり、さら
に「試料を含む」としたのは、試料を完全に溶解させた
ものに限らず、水や溶媒に試料を分散させたようなもの
を包含させる趣旨である。本構成によれば、試料の活性
を保持したまま、或いは、変性あるいは変質させずに、
基板上に固定化した薄膜やスポットなどを形成すること
ができる。例えば、成膜装置、マイクロアレイ（ＤＮＡ
チップ）作製機として使用できる。特に、従来のＥＳＤ
法では、電気伝導度の高い溶液（電気伝導度の高いバッ
ファー溶液を含む場合など）は使用できなかったが、本
装置では、機械的な振動と帯電によって同時に霧化する
ため、電気伝導度の高い溶液を使用することができるよ
うになる。即ち、蛋白質などを固定化する場合、蛋白質
を安定な状態で保持するバッファー溶液を除去しなくて
も本装置で使用できるため、薄膜形成の作業時間を短時
間でしなくて済むし、さらに、より活性の高い試料を含
む薄膜を作製できるというメリットがある。また、ＥＳ
Ｄ法では、試料を完全に溶解させなければ使用できなか
ったが（キャピラリー先端の穴が試料で詰まってしまう
ため）、本装置では、試料が溶解しないようなものでも
分散させた状態で使用することもでき、実用性が高い。
さらにまた、本構成は、従来のＥＳＤ法などに比べて、
非常に高速に溶液を霧化して、その結果チップを高速で
作製できる。例えば、従来のＥＳＤ法で５μｇ／μｌの
ＢＳＡ溶液を処理する際の処理速度は、１μｌ／秒であ
ったが、同じ溶液を、本発明による霧化エリアが５×５
ｍｍの振動子を用いた固定化装置では、１０μｌ／秒と
いう高速で処理することができるようになる。さらに、
ＥＳＤ法では、処理速度を増加させるためには、キャピ
ラリの数を増加させなければならずコストが高くなる、
或いはメインテナンス上の手間（例えば、キャピラリー
は洗浄がしにくい）がかかるなどの問題があったが、本
発明による固定化装置では、単に振動子のサイズを大き
くすれば処理速度や霧化効率を増加させることができる
ため、コストが安く、かつメインテナンスし易いという
顕著な利点がある。この様な本装置の特徴は、振動と帯
電という二つの霧化手法が互いに相乗してもたらす効果
によるものであり(図２２〜２５を参照されたい)、従来
技術に対し大きな利点を持つ。詳細については後述する
が、振動によって溶液表面に多くの波頭が生じ、そこか
ら溶液が微小粒子として形成され飛んでいく。この時、
帯電も同時に加えられると、静電気による反発力によ
り、この微小粒子生成はさらに促進され速やかに進む。
また、形成された微小粒子は、この静電気反発力により
互いに癒着することがなく、また、微小粒子はその中に
おいてさらに小さなクラスターへとより微小化されてい
く。このような理由により、振動や電圧を単独で加えた
時に比べ、振動と帯電の相乗効果は非常に大きなものと
なる。
【００１１】本発明による固定化装置は、前記の霧化さ
れ、かつ、帯電された微小な粒子状物質を静電気力によ
って収集し前記基板へ誘導する収集手段、をも具える。
本構成によれば、霧化された粒子状物質を効率良く収集
し基板へ誘導できるため、固定化の効率が向上する。
【００１２】本発明による固定化装置は、前記振動子、
前記基板、或いは、前記溶液のうちの少なくとも１つを
温度制御する手段、をも具えることを特徴とする。或い
は、これの変形例として、固定化装置全体を囲むチャン
バー（筐体）を設けて、この内部の雰囲気および構成要
素（前記振動子、前記基板、および前記溶液）を温度制
御する手段、を具えることを特徴とする。本構成によれ
ば、溶液（または溶媒）、霧化された粒子状物質、或い
は堆積した試料（例えば薄膜）などの温度を制御できる
ので、その活性が温度に依存するような試料でも、活性
を高度に保持したまま固定化することができる。
【００１３】本発明による固定化装置は、前記帯電手段
が、少なくとも、導電性ワイヤー、導電性薄膜、導電性
メッシュ、或いは、帯電したイオンを放射する装置、の
いずれか１つを具える、ことを特徴とする。本構成によ
れば、溶液、或いは、霧化された、或いは霧化されつつ
ある粒子状物質に対して効率良く電荷を与えて帯電させ
ることができる。
【００１４】また、本発明による固定化装置は、前記溶
液（または溶媒）を、前記振動子に所定の流量で供給す
る溶液供給手段、を具えることを特徴とする。本構成に
よれば、ポンプなどで溶液（または溶媒）を適当な流量
で振動子上に供給して、その結果、所望の霧化速度で固
定化した試料を作製することができる。
【００１５】また、本発明による固定化装置は、前記振
動子の前記基板に対向する表面の少なくとも一部に、親
水化処理、或いは、疎水化処理が施されている、ことを
特徴とする。本構成によれば、使用する溶液（または溶
媒）の性質の応じて、振動子または前記振動子に親水処
理（或いは、疎水処理）を施して、或いは、親水性（或
いは疎水性）の素材を振動子（或いはその表面）に使用
して、溶液に対する濡れ性を向上させることによって、
霧化の状態の向上、即ち粒子状物質の粒径の微細化や均
一化を図ることができる。
【００１６】また、本発明による固定化装置は、前記振
動子が、前記溶液（または溶媒）を薄い膜状に展ばす手
段を具える、ことを特徴とする。霧化の状態や効率は、
振動子上の溶液の膜厚が薄い方が良い。従って、本構成
によれば、溶液を薄い膜状に展ばして、霧化の状態や効
率を向上できる。さらに、振動子上の溶液の膜厚が薄い
ほど少ない振動数で霧化できるので省電力にもなる。
【００１７】また、本発明による固定化装置は、前記振
動子と前記基板との間に配置され、前記の粒子状物質の
粒径を制御する粒径制御手段を具える、ことを特徴とす
る。試料の粒径は作製される薄膜やスポットの性質に多
大な影響を与え得る。特に、粒径が大きすぎる場合は、
溶液が霧化されて基板上に到達するまでに溶媒が蒸発し
きらず、試料の活性が低下する。このように、多くの試
料は、バッファー溶液などが存在する溶液中、或いは、
乾燥状態では安定に活性を保持できるが、中途半端な乾
燥状態においてはその活性が急速に低下する。従って、
本構成によれば、試料が基板に到達するまでに急速に溶
媒が蒸発できるように粒子状物質の粒径を十分に微小な
所望のサイズに制御して、試料の活性が低下するのを防
止することができる。具体的には、粒径制御手段として
は微小な穴を有するメッシュなどを使用する。
【００１８】また、本発明による固定化装置は、前記収
集手段は、前記振動子と前記基板との間に配置される１
つまたは複数の収束電極を具える、ことを特長とする。
本構成によれば、収束電極に対して、粒子状物質が帯電
している電荷の極性と同じ極性の電圧を印加することに
よって、収束電極から粒子状物質を静電的に反発して、
帯電された粒子状物質を効率良く基板の方向へ導くこと
ができ、収集効率を高くすることができる。
【００１９】また、本発明による固定化装置は、前記収
集手段が、前記振動子と前記基板との間に配置される絶
縁体あるいは誘電体からなるマスクを具える、ことを特
長とする。本構成によれば、マスクの形状に応じて、所
望のパターンの薄膜などを作製できる。また、マスクに
絶縁体あるいは誘電体を使用すると、充電、即ち帯電し
た粒子状物質がマスクに付着して、ある程度の厚さの荷
電層が形成されると、それ以後からは、荷電層と荷電粒
子状物質との間の静電的な反発によって、新たな粒子状
物質が付着せず、収集効率が高くなる。
【００２０】また、本発明による固定化装置は、前記粒
子状物質を乾燥させる乾燥手段を具え、前記乾燥手段
は、少なくとも、乾燥空気を供給する手段、減圧にする
手段、或いは、真空にする手段、のいずれか１つの手段
を含む、ことを特長とする。本構成によれば、霧化され
た粒子状物質を急速に乾燥させ、試料の活性を高度に保
持した薄膜やスポットなどを作製できる。
【００２１】また、本発明による固定化装置は、前記基
板が、前記振動子に対向する表面の少なくとも一部が導
電性物質から成り、この導電性物質の部分がアースされ
ている、ことを特徴とする。さらにこの変形例としての
固定化装置は、前記の導電性物質から成る表面の少なく
とも一部が、所望のパターンの領域から成る、ことを特
徴とする。これらの構成によれば、アースされた導電性
物質によって荷電された粒子状物質が引き寄せられるた
め、効率良く薄膜などを形成できる。さらに、アースに
よって堆積した荷電粒子状物質の電荷を逃がすことがで
きる。また、基板表面上に所望のパターン（例えば、斑
点状などの）で、導電性物質の表面を形成、即ち、導電
性物質を露出させれば、当該露出部分のみに粒子状物質
を堆積でき、少量の試料溶液からも固定化することが可
能となる。また、形成したスポットが分離しているの
で、それぞれ個別に、個別の反応試薬を滴下して、様々
な反応試薬に対する試料の官能性を同時かつ迅速に検査
することができるなどのメリットがある。
【００２２】また、本発明による固定化装置は、前記振
動子が、所定の周期で間欠的に駆動する、ことを特徴と
する。本構成によれば、振動子の温度上昇を防止するこ
とができる。従って、温度変化に弱い試料溶液を高温に
しないで済むため、より活性の高い薄膜などを作製でき
る。
【００２３】また、本発明による固定化装置は、前記振
動子が、超音波振動子、静電型振動子、圧電振動子、磁
歪振動子、電歪振動子、或いは、電磁型振動子、であ
る、ことを特徴とする。
【００２４】また、本発明による固定化装置は、前記圧
電振動子が、単層型圧電素子、積層型圧電素子、或い
は、単結晶圧電素子、である、ことを特徴とする。
【００２５】また、本発明による固定化装置は、前記圧
電振動子が、共振型振動子、表面弾性波型振動子、縦振
動型振動子、横型（滑り）振動子、径方向振動型振動
子、厚み方向振動型振動子、或いは、長さ方向振動型振
動子、である、ことを特徴とする。
【００２６】また、本発明による固定化装置は、前記表
面弾性波型振動子が、１つまたは複数のすだれ状電極
（IDT）を具える、ことを特徴とする。複数のIDTを設け
ることによって、振動子の振動状態をより細かく制御で
き、結果としてより微細な霧化状態を形成し、霧化効率
が向上する。
【００２７】また、本発明による固定化装置は、前記表
面弾性波型振動子がすだれ状電極を具え、前記溶液を、
前記表面弾性波型振動子に所定の流量で、前記すだれ状
電極（IDT）から離れた場所に供給し、供給されたこの
溶液を所定の領域に滞留させる手段を具える、ことを特
徴とする。表面弾性波型振動子のすだれ状電極は、すだ
れを構成する個々の電極が短絡すると弾性波を生じさせ
ることができなくため、個々の電極を所定のピッチで隔
離する必要がある。従って、電気伝導度の高い溶液が電
極に接触して短絡するのを防止する必要がる。そこで、
本構成にように、溶液を電極から十分離れた箇所に供給
することによって、電極の短絡を防止することができる
ようになる。また、溶液を滞留させるためには、例え
ば、粒径制御手段としてのメッシュや帯電手段としての
針金などを振動子上の接触させて配置するか、或いは、
振動子上に近接して配置する。このように構成すれば、
溶液が振動子から流れ落ちたり、電極の方へ逆流してく
るのを防止することが好適である。さらに、この滞留さ
せた領域で霧化が主として発生するので、この滞留させ
た領域の上に粒径制御手段としてのメッシュなどを配置
するのが好適である。
【００２８】また、本発明による固定化装置は、前記表
面弾性波型振動子は、１つまたは複数の反射器を具える
ことを特徴とする。本構成によれば、表面弾性波を有効
に利用でき、より微細な霧化状態を形成し霧化効率が向
上する。
【００２９】
【発明の実施の態様】以下、添付の図面に基づき本発明
の実施態様を詳細に説明する。本発明は、蛋白質などの
生体高分子溶液・有機高分子溶液あるいはポリマー溶液
などを供給する精密制御溶液供給部、圧電振動子や弾性
表面波素子などによって溶液に振動エネルギーを与えて
微細な粒子状物質（或いは液状粒子）として霧化する霧
化部、溶液や霧化されつつある粒子状物質を静電気で帯
電するための電荷充電部、マスクなどにより様々なパタ
ーンのチップ形状として蒸着されるチップ形成部などか
ら構成される。
【００３０】図1は、本発明による固定化装置の基本的
な構成の一例を示す概念図である。図において、１０は
霧化器、２０は高電圧電源、３０はコリメータ電極、４
０はフッ素樹脂シールド、５０はマスク、６０はサンプ
ルホルダー、７０はチャンバー、８０は精密制御溶液供
給部、９０は高周波電源である。図に示すように、霧化
器１０は、主として、平坦な表面を有する振動子（即ち
基板）から構成される。この霧化器１０の基板の表面上
に、精密制御溶液供給部８０から蛋白質溶液を供給す
る。この溶液は、基板上において高電圧電源２０から供
給された所定の電圧によって電荷が充電、即ち帯電され
る。或いは、帯電は、霧化された後の粒子状物質に施す
こともできる。また、霧化器１０の基板には、高周波電
源９０から所定の高周波信号が供給され、この信号によ
って振動子は機械的な振動を発生させる。発生した振動
によって、溶液は霧化され、帯電された微細な粒子状物
質（即ち帯電微粒子）となりチャンバー７０内へ飛び出
す。
【００３１】この粒子状物質は、コリメータ電極３０、
フッ素樹脂シールド４０、およびマスク５０により誘
導、および収束されサンプルホルダー６０上に堆積（或
いは付着）して固定化しチップが形成される。霧化され
た粒子状物質を乾燥させるためにチャンバー７０の中を
低湿度或いは乾燥状態にする必要がある。本実施態様で
は、乾燥手段として乾燥剤をチャンバー７０の中に配置
したが、乾燥空気を注入し排出する循環装置や減圧（或
いは真空）装置を用いるなど様々な方法によって低湿度
や乾燥状態にして、より急速に霧化された粒子状物質を
乾燥させることにより、堆積物の活性度を向上させるこ
とができる。
【００３２】図２は、本発明による固定化装置を構成す
る部品を詳細に示す分解斜視図である。即ち、本発明に
よる固定化装置を構成する、霧化からチップの形成まで
の部品の3次元組立図であり、図１の２次元概念図で明
瞭でない部分を、斜視図、即ち３次元組立図で明確に示
したものである。図１における霧化器１０としては、様
々な種類のものを使用することができる。霧化器の例を
図３から図１１で詳細に示すが、図２の分解斜視図で
は、１つの例として図６の霧化器を使用している。図に
示すように、霧化器１０は、ピエゾ基板１１（圧電振動
子）、一定間隔で配置された複数の穴を持つメッシュを
有するモノリシック構造体１２（メッシュとスペーサと
を組合せた一体構造体）、押し板１３、IDT１４（すだ
れ状電極：Inter Digital Transducer）と呼ばれるくし
形の電極で構成されている。IDT１４に、高周波電源よ
り所定の高周波信号を供給すると、この電気信号が弾性
波に変換され、表面弾性波がピエゾ基板１１上を伝搬す
る。この基板１１上に供給された蛋白質溶液は、IDT１
４とピエゾ基板１１による弾性表面波のSAWストリーム
によりメッシュ１２とピエゾ基板１１との隙間に入り込
み、溶液は一定の厚さを維持する状態になり霧化が容易
になる。ピエゾ基板１１、ＩＤＴ１４、或いは、メッシ
ュ１２の表面を、使用する溶液の性質に応じて、親水処
理（或いは、親油・疎水処理）して、溶液に対する濡れ
性を向上させることによって、霧化の状態の向上、即ち
粒子状物質の粒径の微細化や均一化を図ることができ
る。或いは、親水性（疎水性）のフィルムなどを貼り付
けてもよい。
【００３３】黒沢 実、樋口俊郎他の論文、表面弾性波
噴霧器（Surface Acoustic Wave Atomizer (Sensors an
d Actuators A 50 (1995) 69-74)）によれば、基板上の
溶液の厚さが１ｍｍ以上では、溶液を霧化することは不
可能と報告しているが、条件によって１ｍｍ以上でも霧
化可能である。霧化された粒子状物質の粒径は、主とし
て振動の状態に依存するが、その他にメッシュの穴のサ
イズによっても決定され得る。実験では直径１０μｍの
穴のメッシュを用いたが、要求に応じて様々な変形が可
能であり、メッシュの穴のサイズを調節することによ
り、所望の粒径に制御することができる。
【００３４】図２の高電圧電源２０は、導体のメッシュ
またはスペーサと電気的に連結され、溶液、および／ま
たは霧化された粒子状物質に電荷を充電する役割を担
う。実験では直流５０００Vの電源を用いたが、実際に
は広い範囲の電圧を使用することが可能である。しかし
ながら、電圧は、形成された蛋白質チップの収集効率・
膜質・活性に影響を及ぼすので最適化することが望まし
い。
【００３５】図２に示すように、コリメータ電極は、１
つ或いは複数を設けることができるが、本実施例では、
５つのコリメータ電極（３１，３１，３３，３４，３
５）を設けてある。コリメータ電極の形・数・相互間隔
によって、形成された蛋白質チップの収集効率・膜質・
活性に影響を及ぼすので最適化することが望ましい。こ
の場合、図に示すように、粒子状物質がサンプルホルダ
ーに向けて収束するように、コリメータ電極の設置場所
がサンプルホルダーに近づくに従って、コリメータ電極
の内径を段々と小さくするのが好適である。本実施態様
の場合は、コリメータ電極３１の内径は８０ｍｍ、電極
３２は７５ｍｍ、電極３３は７０ｍｍ、電極３４は６５
ｍｍとして最適化を図っている。また、各コリメータ電
極に供給する電圧も、コリメータ電極を設置する位置が
サンプルホルダー６０（試料堆積用の基板）に近づくに
従って、段々と小さくなるように設定するのが好適であ
る。例えば、本実施態様の場合は、高電圧電源２０が直
流５０００Vであれば、図に示すように、回路の途中に
適当な抵抗を設けることによって、電極３1は４０００
V、電極３２は３０００V、電極３３は２０００V、電極
３４は１０００V、電極３５は５００Vになるように設定
して最適化を図っている。
【００３６】図２のフッ素樹脂シールド４０は、マスク
としても機能し収集効率を向上させる役割を有する。充
電、即ち帯電した粒子状物質（荷電蛋白質）がフッ素樹
脂シールド４０に付着して、ある程度の厚さの荷電層が
形成されると、それ以後からは、荷電層と荷電蛋白質と
の間の静電的な反発によって、新たな帯電蛋白質がフッ
素樹脂シールド４０に付着せず、マスク５０の方向へ転
向し収集効率が高くなる。
【００３７】図２のサンプルホルダー６０の表面は、堆
積した荷電蛋白質の電荷を逃がすため、即ちアースする
ために、電気伝導性を持たせるのが好適である。例え
ば、サンプルホルダー６０には、ITOガラス、アルミ被
覆PET、ステンレス、単結晶金属などを使用するのが好
適である。蛋白質チップ自体を独立に単体として使う時
はサンプルホルダー６０の表面にPVP、EDTAなどを塗布
する事が好適であり、これにより堆積したチップを容易
に剥離できるようになる。
【００３８】図３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、本発明の霧化器の
構成要素の一例として使用する弾性表面波素子の平面図
である。図３Ａは、ＳＡＷ基板１１１およびその基板１
１１表面上にIDT１１４を具えた弾性表面波素子１１
７、図３Ｂは、さらに片側に反射器１１５をも設けた弾
性表面波素子１１８、図３Ｃは、さらに両側に一対の反
射器１１５をも設けた弾性表面波素子１１９、をそれぞ
れ示すものである。弾性表面波素子の圧電材料として
は、１２８°回転Y板X伝搬LiNbO3を用いる。鏡面仕上げ
された素子の表面上に、線幅１００μｍ、ピッチ４００
μｍ、２０対のIDT１１４を設けてある。LiNbO3上にお
けるレイリー波の伝搬速度は３９６０ｍ/ｓであり、波
長は電極のピッチで決まるが、ピッチは４００μｍなの
で、共振周波数は９。６MHｚになる。本実施例では、駆
動周波数は９。６MHｚ、バースト周期１Hz、duty比１％
であるが、これ以外の条件でも霧化可能である。圧電素
子のバースト駆動によって、圧電素子表面の温度が上昇
するのを防止して、素子に接触する溶液中の蛋白質の活
性が損なわれるのを防止できる、言い換えれば、活性度
の高い蛋白質チップを作製できるようになる。図３Ａ、
３Ｂに示すように、反射器１１５（片側、或いは両側）
を設けることによって、基板上を伝播するＳＡＷストリ
ームが反射して戻って来て霧化エリア１１６にＳＡＷス
トリームを効率良く供給して、霧化の効率を高めること
ができる。或いは、霧化エリア１１６に、数本の溝（図
示しない）を設けて、毛細管現象を利用してその溝に溶
液を集めて、そこから主に霧化させることもできる。
【００３９】図４は、帯電手段（或いは、霧化帯電振動
子の一部を構成する要素）としての針金を設けた本発明
による霧化器の構成を示す斜視図である。図に示すよう
に、霧化器２１０はＳＡＷ基板２１１、この基板２１１
の表面上に設けたIDT２１４、および、針金２１７から
構成される。この基板２１１の表面の左側の部分から溶
液が主として霧化して飛び出すので、この部分を霧化エ
リア２１６と呼ぶこととする。この霧化エリア２１６に
接触して、或いは、その近傍や付近に、高電圧電源と接
続させた針金２１７を設ける。針金２１７は、基板２１
１の表面には接触させずに、針金２１７と基板２１１と
の間には、少なくとも僅かな間隙を設けることが望まし
い。接触させると基板２１１の振動が減衰する原因とな
るからである。所定の電圧を針金２１７に供給すること
によって、霧化エリア２１６で蛋白質溶液、および／ま
たは、霧化された微小な粒子状物質に電荷が充電され、
荷電粒子状物質が生成される。或いは、振動と帯電を同
時に与えることによって帯電した微小な粒子状物質とし
て霧化される。
【００４０】図５Ａは、帯電手段（或いは、霧化帯電振
動子の一部を構成する要素）としての針金および粒径制
御手段としてのメッシュを具えた本発明による霧化器の
斜視図であり、図５Ｂは、その霧化器の構成要素の分解
斜視図である。図に示すように、霧化器３１０はピエゾ
ＳＡＷ基板３１１、この基板３１１の表面上に設けたID
T３１４、針金３１７、メッシュ３１８、および、スペ
ーサ３１９から構成される。粒径制御手段としてメッシ
ュ３１８を、基板３１１の霧化エリア３１６と針金３１
７との間に設ける。これによって、霧化される粒子状物
質の粒径を一定に維持することができる。霧化される粒
子状物質の粒径は、メッシュ３１８の穴のサイズで決定
される。実験では直径１０μｍの穴のメッシュを用いた
が、所望する粒径応じて様々な変形が可能である。スペ
ーサ３１９（本実施例ではアルミホイルを用いた）を、
基板３１１上の霧化エリア３１６とメッシュ３１８との
間に設ける。これによって、メッシュ３１８と基板３１
１との間隙を一定に維持することができる。
【００４１】図６は、メッシュとスペーサとを一体化さ
せたモノリシック構造体を設けた本発明による霧化器の
斜視図である。図に示すように、霧化器４１０は、ピエ
ゾＳＡＷ基板４１１、この基板４１１の表面上に設けた
IDT４１４、および、この基板４１１の表面の霧化エリ
ア４１６上に設けたメッシュおよびスペーサの役目を果
たすモノリシック構造体４２０から構成される。IDT４
１４には、高周波電源４９０を接続して駆動用に所定の
高周波信号を供給する。モノリシック構造体４２０は、
スペーサとメッシュとを一体化させた部品であって、SU
-8の露光と鍍金技術で製作した後、超微細機械加工で表
面の粗さと間隙の厚さを調節したものである。この実施
例の場合は、モノリシック構造体４２０は導体から成
り、高電圧電源（図示せず）に接続されている。即ち、
モノリシック構造体４２０は、帯電手段として機能し、
溶液または霧化された粒子状物質が、この構造体に接触
したとき、或いは、この構造体のメッシュを通過すると
きに帯電される。従って、上述したような針金は不要と
なる。さらに、モノリシック構造体４２０の上には、押
し板４２２を設ける。
【００４２】図７は、２次元の弾性表面波素子を用いた
本発明による霧化器の斜視図である。図に示すように、
霧化器５１０（弾性表面波素子）には、ＳＡＷ基板５１
１の表面の中心に位置する霧化エリア５１６を囲むよう
に、基板５１１上に４つのIDT５４１、５４２，５４
３，５４４を設ける。表面弾性波を用いた霧化器では、
溶液の厚さが薄いほど小電力で可能である。従って、本
実施例の場合は、対向する一対のIDT５４１、５４３に
よって、この一対のIDTを結ぶＸ軸に沿って伝搬するＳ
ＡＷが生成され、このＳＡＷが、主として溶液を展ばす
ように機能する。このように構成させることによって、
溶液の厚さを薄くして、その結果、霧化の効率を向上さ
せる、或いは、霧化される粒子状物質の粒径を微細化す
ることができるようになる。残りの対向する一対のIDT
５４１、５４２を結ぶＸ軸を伝搬するＳＡＷは、主とし
て霧化に利用する。これらのIDTには、個別に高周波信
号が供給されるが、目的に応じて、所望の周波数や電圧
に個別に設定することができる。霧化エリア５１６上に
は、金属蒸着膜５２１を設け、この膜５２１を高電圧電
源５２０と連結して、所定の電圧を印加し溶液（或い
は、金属蒸着膜近傍の霧化された粒子状物質）を充電す
る。
【００４３】図８は、図７に示した本発明による霧化器
の変形例の斜視図である。図７と同様に、霧化器６１０
には、ＳＡＷ基板６１１の表面の中心に位置する霧化エ
リア６１６を囲むように、素子６１１上に４つのIDT６
４１、６４２，６４３，６４４を設ける。さらに、霧化
エリア６１６上にスライダ６５０を設けＳＡＷリニアモ
ータを形成させる。ＳＡＷリニアモータは、IDT６４１
（或いはIDT６４３）に高周波信号を供給することによ
って、Ｘ軸に沿って伝搬するＳＡＷを生成させ、このＳ
ＡＷとスライダ６５０との摩擦力によって、Ｘ軸上でス
ライダ６５０が動く。信号の供給を停止して、もう一方
のIDT６４３（或いはIDT６４１）に信号を供給してＳＡ
Ｗの向きを変えてやれば、スライダ６５０は反対方向に
動く。この往復動作によって、溶液を伸ばし、溶液の厚
さを薄くして、その結果、霧化の効率を向上させる、或
いは、霧化される粒子状物質の粒径を微細化することが
できるようになる。この際、十分な摩擦力を得るために
スライダ６５０には基板方向への適当な予圧を与えるこ
とが望ましい。
【００４４】図９は、縦振動型の圧電素子を用いた本発
明による霧化器の分解斜視図である。図に示すように、
霧化器７１０は、ピエゾ圧電基板７１１、この基板７１
１の表面上に設けたプレート７１２、このプレート７１
２の表面上に設けたメッシュおよびスペーサの役目を果
たすモノリシック構造体７２０、および、押し板７２２
から構成される。ピエゾ圧電基板７１１に、電源７９１
を接続して所定の電気信号を供給すると、機械的な振
動、即ち上下運動が生じる。生じた上下運動が、プレー
ト７１２を介してプレート７１２上の溶液に伝達するこ
とによって、メッシュから霧化された粒子状物質が出る
構造となっている。
【００４５】図１０は、ペルチェ素子を設けた本発明に
よる霧化器の分解斜視図である。図に示すように、図６
Ｂに示した霧化器４１０のＳＡＷ基板４１１の下に、ペ
ルチェ素子４２５、および、このペルチェ素子４２５の
下にヒートシンク４２６を設ける。例えば、溶液に蛋白
質を含む場合は、その活性は温度に依存するので温度を
制御する必要があるが、基板４１１にペルチェ素子４２
５を装着することによって、基板上の溶液の温度を調節
することができる。また、ヒートシンク４２６で熱を放
出することによって、冷却効率を向上させることができ
る。なお、このペルチェ素子４２５は、上述した全ての
霧化器に装着可能であり、ペルチェ素子４２５は冷却、
加熱の両方ができるため、正確な温度制御が可能とな
る。
【００４６】図１１は、反射器を設けた本発明による霧
化器の斜視図である。図に示すように、図６Ｂに示した
霧化器４１０のＳＡＷ基板４１１の表面上に、反射器４
１５を設ける。このように反射器４１５を装着すると、
表面弾性波を効率良く反射エリア４１６に伝えることが
でき、そのため振動をより強力にすることができる。従
って、最終的には、より低電圧で霧化が可能であり、か
つ、溶液の霧化の効率を向上できる。なお、この反射器
は、上述した全ての弾性表面波素子を用いる霧化器に使
用可能である。
【００４７】図１２は、本発明による霧化器の一例の断
面図である。図に示すように、霧化器８１０は、ＳＡＷ
基板８１１、この基板８１１の表面上に設けられたIDT
８１４、および、この基板８１１の表面上に設けられた
チューブおよびメッシュを一体化した容器８２２から構
成される。溶液供給手段としてのポンプ（図示しない）
から所定の試料を含む溶液を、チューブを通じて基板８
１１と容器８２２との間の隙間に供給する。基板８１１
上の溶液は、基板表面上にて右から左へ伝搬するＳＡＷ
ストリームによって右の方の霧化エリア８１６へ運搬さ
れる。そして、運搬された溶液は、霧化エリア８１６
（即ちメッシュの真下）で霧化され、メッシュを通過し
て上部に霧化された粒子状物質が飛び出す。メッシュに
は、高電圧電源８２０が接続されており、溶液或いは霧
化された粒子状物質はメッシュを通過するときに帯電さ
れる。本構成によれば、ポンプによって溶液を所望の流
量に制御することができる。また、ＳＡＷストリームの
強弱（即ち、駆動電圧の制御）によっても、溶液を所望
の流量に制御することができる。
【００４８】図１３は、本発明による霧化器の変形例の
断面図である。図に示すように、霧化器９１０は、ＳＡ
Ｗ基板９１１、この基板９１１の表面上に設けられたID
T９１４、および、この基板９１１の表面上に設けられ
たメッシュを一体化した容器９２４から構成される。溶
液を、オートサンプラー９２６を用いて、適切な速度で
容器９２４へ供給する。このように、オートサンプラー
９２６を用いる事で様々な溶液を、順次切替えながら
（或いは、１つの溶液を所定の流量で）自動的に霧化さ
せる事が出来るようになる。この実施例の場合も、メッ
シュには高電圧電源９２０が接続されており、溶液或い
は霧化された粒子状物質はメッシュを通過するときに帯
電される。
【００４９】図１４は、本発明によるメッシュなしの霧
化器の一例である。図に示すように、霧化器１０１０
は、ＳＡＷ基板１０１１、この基板１０１１の表面上に
設けられたIDT１０１４、および、この基板１０１１の
表面上に設けられた容器１０２５から構成される。図に
示すように、オートサンプラー１０２６から溶液を容器
１０２５へ供給する。さらに、高電圧電源１０２０から
所定の電圧を導線を介して溶液に印加し、溶液を充電す
る。この実施例の場合、容器１０２５とSAW基板１０１
１との間隙が十分小さいため、ＳＡＷ伝搬による振動に
よって、霧化エリア１０１６およびその近傍で溶液を霧
化することができる。
【００５０】図１５は、ＳＡＷ基板とメッシュとの支持
形態の一例を示す分解斜視図である。図に示すように、
ベースプレート４２８の上に図６Ａで示した霧化器４１
０を据える。霧化器４１０の一番上部にある押し板４２
２をネジ４２７でベースプレート４２８に固定すること
によって、霧化器４１０をベースプレート４２８上に固
定する。この場合、接着剤をSAW基板の表面に使うとエ
ネルギーを吸収するので適当ではない。従って、本実施
例のように機械的に支持固定する方法を用いるのが好適
である。本実施例の他にも様々な方法が可能である。
【００５１】図１６は、本発明による固体化装置で使用
する高周波電源（RFパワーソース）の一例を示すブロッ
ク図である。図に示すように、高周波電源９０は、メイ
ン周波数用オシレータ１０９１、間欠駆動用オシレータ
１０９２、ＡＮＤ回路１０９３、プリアンプ１０９４、
メインアンプ１０９５、インピーダンスマッチング回路
１０９６から構成される。メイン周波数用オシレータ１
０９１からの信号と、所定のDuty比の間欠駆動用オシレ
ータ１０９２からの信号をＡＮＤ回路１０９３でアンド
し、プリアンプ１０９４、メインアンプ１０９５、およ
びインピーダンスマッチング回路１０９６を経由して霧
化器１０へ供給する。供給された高周波信号によって、
霧化器１０のＳＡＷ基板が駆動して振動が発生する。
【００５２】図１７は、本発明による振動子に供給され
るバースト駆動電圧の波形の一例である。図に示すよう
に、間欠駆動用オシレータ１０９２は、所望のDuty比の
バースト駆動電圧信号を発生する。本実施例のように、
Duty比は、約５〜１０％に設定するのが好適である。こ
のようにして、ＳＡＷ基板を間欠駆動させれば、ＳＡＷ
基板の温度上昇を抑えつつ適当な振動を発生させて、溶
液を霧化させることができる。
【００５３】図１８は、本発明による固定化装置で使用
するメッシュの走査型電子顕微鏡（SEM）写真である。
メッシュは、マイクロマシニングで製作し、その穴の内
径は１０μｍである。このメッシュが、粒径制御手段と
して機能する。本実施例では、１０μｍのメッシュを使
用したが、所望の粒径に応じて様々なメッシュを使用す
ることができる。
【００５４】図１９は、本発明による固定化装置で作製
した蛋白質（BSA）チップのマイクロ構造の走査型電子
顕微鏡写真である。図１９Ａは、低倍率の電子顕微鏡写
真であり、図１９Ｂは高倍率の電子顕微鏡写真である。
図に示すように、粒径は０．２から１μｍであるが、霧
化器の振動の状態（即ち駆動電圧）を変更することによ
って、所望の粒径の粒子から成るチップを作製すること
ができる。
【００５５】図２０は、本発明による固定化装置で作製
したチップの活性度を示す証明写真である。図２０Ａ
は、参考のために普通の照明で撮影した写真であり、図
２０Ｂは、照明を消して発光状況がわかるようにして撮
影した写真である。本発明による固定化装置でルシフェ
ラーゼ溶液(0、25μｇ/μl)４０μｌを霧化、固定化し
たチップを作製し、そのチップを反応溶液（ルシフェリ
ン溶液）で溶かしてその発光状態を観察した。図に示す
ように、本発明による固定化装置で作製したチップを溶
かした溶液を入れたチューブは、図の左上の部分に映っ
ている。他の２本のチューブは比較のためのものである
が、右上の部分は、反応溶液（ルシフェリン溶液）のみ
を入れたチューブである。下の部分は、本発明による固
定化装置で作製したチップを溶かした溶液を反応溶液
（ルシフェリン溶液）で溶かしてから１時間経過したも
のを入れたチューブである。図２０Ｂに示すように、左
上部分のチューブでは、ルシフェラーゼ（発光酵素）は
ルシフェリン（発光基質）と反応し、その結果生じた生
物発光が観察された。即ち、本発明によるプロセスによ
って、ルシフェラーゼの機能的な活性を維持できること
がわかる。また、参考用の右上のチューブは全く発光し
ていないのが観察された。なお、下部のチューブの溶液
は、左上部のチューブに入れた溶液の１時間経過後のも
のであるが、この状態においても弱い生物発光が観察さ
れた。従って、本発明によるプロセスによって、ルシフ
ェラーゼの機能的な活性が「高度」に維持されているこ
とがわかる。なお、本実施例で用いたルシフェラーゼ
は、非常に安定度が低く、バッファーを除去すると即座
に生物的な活性を失う物質であり、従来のＥＳＤ法など
ではチップを作製することが不可能であったものであ
る。このように、本発明による固定化装置によれば、こ
のような安定性の低い物質であっても、バッファー存在
下で霧化・固定化できるためその効果は大きい。
【００５６】図２１は、本発明による固定化装置で作製
したチップのanti-mouse IgGの活性度を示す写真であ
る。即ち、Anti-mouse IgGを霧化・架橋し固定しチップ
を形成した後、反応させてその蛍光度を測定した写真で
ある。図に示すように、チップ上で全体的に蛍光（写真
では白く見える部位）による発光が見て取れる。このよ
うに、本発明による固定化装置を使用して、Anti-mouse
IgGの活性を保持したチップを形成できる。
【００５７】ここで、本発明による固定化装置で利用し
ている振動と電界印加とによる霧化現象を詳細に説明す
る。まず、はじめに従来技術として「振動のみ」による
霧化現象を説明する。図２２Ａと２２Ｂとは、振動のみ
による霧化現象を説明する横断面から見た模式図であ
る。図２２Ａは弱い振動を励起した場合の模式図である
が、図に示すように、圧電振動子等の基板１２００上に
液体が存在している状態で、基板１２００に弱い振動を
励起すると振動が液体に伝達され、液体の表面に小さい
波が発生する。しかし、振動が充分強くない場合は液体
の表面が小さく波立つのみで、霧化は起こらない。しか
しながら、図２２Ｂは強い振動を励起した場合の模式図
であるが、図に示すように充分強い振動を与えると、液
体の表面に非常に大きな波が発生する。この時の液体の
表面付近の運動速度が充分大きいと液体の一部は表面張
力による拘束力を振り切って液滴として空中に飛び出
す。なお、図中で振動は表面弾性波（ＳＡＷ）のごとく
表示されているが、進行波や屈曲波、縦振動、横振動な
どの異なる振動モードでも同様の解釈が成り立つと考え
られる。
【００５８】次に、「電界のみ」による霧化現象（エレ
クトロスプレー）を説明する。図２３Ａと２３Ｂとは、
電界印加のみによる霧化現象を説明する横断面から見た
模式図である。図２３Ａは、基板１３００上に液体が存
在している状態で弱い電界を印加した場合の模式図であ
るが、この場合、液体の表面が帯電するが、液体の表面
は完全に等方的ではないため、局所的に電荷の集中する
場所が発生する。このように、電界の強度が充分で無い
（即ち弱い電界）場合は、液体は霧化することは無い。
一方、図２３Ｂは、基板１３００上に液体が存在してい
る状態で強い電界を印加した場合の模式図であるが、図
に示すように充分に強い電界を与えると、局所的に集中
した電荷はさらに強くなり、電荷が電界から受ける静電
気力によって液滴は表面張力の拘束を振り切って液滴と
して空中（電界方向へ）へ飛び出す。しかしながら、こ
の場合の霧化量は非常に僅かであり、この霧化微粒子を
利用して固定化することは困難である。なお、液体を帯
電させるには、基板に導電性の材料を使用する、液体中
に電極を挿入するなどの措置と、電界を発生させるため
の電極等が図の上方に必用であるがこれは図示されてい
ない。
【００５９】最後に、「電界印加」と「振動」との複合
効果による霧化現象を説明する。図２４は、電界印加と
振動との複合効果による霧化現象を説明する横断面から
見た模式図である。図に示すように基板１４００に振動
を加えつつ、電界を印加すると振動により発生した波の
頂点１４２０付近に電荷が積極的に集中する現象が発生
する。これは、曲率半径の小さい部位には電荷が集中す
るという物理的法則によるものである。この結果とし
て、液体は振動によって得られた「運動エネルギー」
と、電荷が電界から受ける「静電気力」との相乗作用に
より、容易に液体の表面から帯電した液適１４３０（図
ではプラスに帯電させているが、マイナスに帯電させる
こともできる）として飛び出すことが可能となる。上述
した「電界のみ」による霧化現象においては、液体の電
気伝導率が非常に高い場合は、電荷の分散が起こりやす
く局所的な電荷集中は起こりにくいため、エレクトロス
プレーをすることは実際上困難である。一方で、複合効
果による方法では振動によって励起された波の頂点１４
２０付近に電荷が集中するために、電気伝導率が高い液
体でも電界集中の効果が生じるため霧化を生じさせるこ
とが可能となる。また、「弱い電界」と「弱い振動」で
あっても、霧化を生じさせることが可能である。さら
に、「電界」および／または「振動」を強くすればする
ほど、霧化速度や霧化効率が高くなり、霧化された液適
の粒径も微細化する。また、上述した「機械的振動の
み」による霧化の場合は、液滴が空中に飛び出してから
は液滴の運動エネルギーのみによって飛行することにな
るが、複合効果による霧化の場合は液滴１４３０が帯電
しているため、液滴１４３０内の電気的反発力により液
滴が分割され微細化する効果が期待できる。さらに、電
界を利用して液滴１４３０を希望する点に捕集すること
も可能となる。以上のように、圧電振動子等による機械
的振動を液体に与える手法と、電界を与える手法を同時
に実施することにより相乗効果にてより困難な条件下で
も効率的に霧化を行うことが可能となる。
【００６０】図２５Ａは、本発明による固定化装置にお
ける霧化器の原理を説明する横断面から見た模式図であ
り、図２５Ｂは、これの斜視模式図である。即ち、上述
した「振動」と「電界印加」との複合効果による霧化現
象を利用した固定化装置を説明する模式図である。図に
示すように、霧化器は、振動子１５００とその上に設け
られた帯電手段としての針金１５１０とから構成され
る。この振動子に所定の駆動電圧を供給して表面弾性波
ＳＡＷを生じさせる。この振動子上に蛋白質溶液を供給
すると、この溶液は振動子からのＳＡＷを受けて、図に
示すように波が生じ、無数の波頭１５２０が連続的に形
成される。即ち、振動によって、キャピラリー先端部の
ような突起部が、溶液表面に無数に形成される。一方、
針金１５１０は高圧電源（図示しない）に接続され、溶
液には高電圧が印加される。この印加によって生じた電
荷は、振動によって生じた溶液の波頭（突起部）１５２
０に集中することとなる。そして、こららの波頭部１５
２０から、電荷が集中した溶液が、帯電した微細な粒子
状物質１５３０として上方に静電的に飛び出す。この飛
び出した帯電した微細な粒子状物質１５３０は、接地さ
れた試料固定用基板１５５０へ向かって飛行する間に、
溶媒や水を蒸発させ、粒径が減少してゆく。また、粒子
状物質１５３０はその内部の静電的な反発によってさら
に小さな粒子状物質１５３０へと分割されることもあ
る。そして、試料固定用基板１２５０の振動子１５００
に対向する面に、乾燥状態でスポット１５４０として固
定化される。このように、本発明は、振動によって、振
動子基板上の溶液を波立て無数の突起部を形成させ、こ
れと同時に溶液に対する高電圧印加によって、形成され
た無数の突起部に電荷を集中させ、これによって溶液を
帯電した微細な粒子状物質として静電的に霧化させると
いうものである。なお、振動子上では、静電気力による
霧化の他に、振動のみによる霧化および電界印加のみに
よる霧化も同時に発生する場合もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による固定化装置の基本的な構成の一
例を示す概念図である。
【図２】 本発明による固定化装置を構成する部品を詳
細に示す分解斜視図である。
【図３】 ３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、本発明の霧化器の構成
要素の一例として使用する弾性表面波素子の平面図であ
る。
【図４】 帯電手段としての針金を設けた本発明による
霧化器の構成を示す斜視図である。
【図５】 ５Ａは、帯電手段としての針金および粒径制
御手段としてのメッシュを具えた本発明による霧化器の
斜視図であり、５Ｂは、その霧化器の構成要素の分解斜
視図である。
【図６】 メッシュとスペーサとを一体化させたモノリ
シック構造体を設けた本発明による霧化器の斜視図であ
る。
【図７】 ２次元の弾性表面波素子を用いた本発明によ
る霧化器の斜視図である。
【図８】 図７の霧化器の変形例の斜視図である。
【図９】 縦振動型の圧電素子を用いた本発明による霧
化器の分解斜視図である。
【図１０】 ペルチェ素子を設けた本発明による霧化器
の分解斜視図である。
【図１１】 反射器を設けた本発明による霧化器の斜視
図である。
【図１２】 本発明による霧化器の一例の断面図であ
る。
【図１３】 図１３は、本発明による霧化器の変形例の
断面図である。
【図１４】 本発明によるメッシュなしの霧化器の一例
である。
【図１５】 ＳＡＷ基板とメッシュの支持形態の一例を
示す分解斜視図である。
【図１６】 本発明による固体化装置で使用する高周波
電源（RFパワーソース）の一例を示すブロック図であ
る。
【図１７】 本発明による振動子に供給されるバースト
駆動電圧の波形の一例である。
【図１８】 本発明による固定化装置で使用するメッシ
ュの走査型電子顕微鏡（SEM）写真である。
【図１９】 １９Aは、本発明による固定化装置で作製
した蛋白質（BSA）チップのマイクロ構造の低倍率の走
査型電子顕微鏡写真であり、１９Bは、本発明による固
定化装置で作製した蛋白質（BSA）チップのマイクロ構
造の高倍率の走査型電子顕微鏡写真である。
【図２０】 ２０Aは、本発明による固定化装置で作製
したチップの活性度を示す証明写真（普通の照明下で撮
影した写真）であり、２０Bは、本発明による固定化装
置で作製したチップの活性度を示す証明写真（照明を暗
くして発光状況がわかるようにして撮影した写真）であ
る。
【図２１】 本発明による固定化装置で作製したチップ
のanti-mouse IgGの活性度を示す写真である。
【図２２】 ２２Ａと２２Ｂは、振動のみによる霧化現
象を説明する横断面から見た模式図である。
【図２３】 ２３Ａと２３Ｂは、電界印加のみによる霧
化現象を説明する横断面から見た模式図である。
【図２４】 電界印加と振動との複合効果による霧化現
象を説明する横断面から見た模式図である。
【図２５】 ２５Ａは、本発明による固定化装置におけ
る霧化器の原理を模式的に説明する横断面から見た模式
図であり、２５Ｂは、これの斜視模式図である。
【符号の説明】
１０ 霧化器 １１ ピエゾ基板（圧電振動子） １２ モノリシック構造体（メッシュとスペーサとを組
合せた一体構造体） １３ 押し板 １４ IDT（すだれ状電極：Inter Digital Transduce
r） ２０ 高電圧電源 ３０、３１、３２、３３、３４、３５ コリメータ電極 ４０ フッ素樹脂シールド ５０ マスク ６０ サンプルホルダー ７０ チャンバー ８０ 精密制御溶液供給部 ９０ 高周波電源 １１１ ＳＡＷ基板 １１４ IDT １１５ 反射器 １１６ 霧化エリア １１７、１１８、１１９ 弾性表面波素子 ２１０ 霧化器 ２１１ ＳＡＷ基板 ２１４ IDT ２１６ 霧化エリア ２１７ 針金 ３１０ 霧化器 ３１１ ピエゾＳＡＷ基板 ３１４ IDT ３１６ 霧化エリア ３１７ 針金 ３１８ メッシュ ３１９ スペーサ ４１０ 霧化器 ４１１ ピエゾＳＡＷ基板 ４１４ IDT ４１５ 反射器 ４１６ 霧化エリア ４２０ モノリシック構造体 ４２２ 押し板 ４２５ ペルチェ素子 ４２６ ヒートシンク ４２７ ネジ ４２８ ベースプレート ４９０ 高周波電源 ５１０ 霧化器 ５１１ ＳＡＷ基板 ５１６ 霧化エリア ５４１、５４２、５４３、５４４ IDT ５２１ 金属蒸着膜 ５２０ 高電圧電源 ６１０ 霧化器 ６１１ ＳＡＷ基板 ６１６ 霧化エリア ６４１、６４２、６４３、６４４ IDT ６５０ スライダ ７１０ 霧化器 ７１１ ピエゾ圧電基板 ７１２ プレート ７２０ モノリシック構造体 ７２２ 押し板 ７９１ 電源 ８１０ 霧化器 ８１１ ＳＡＷ基板 ８１４ IDT ８１６ 霧化エリア ８２０ 高電圧電源 ８２２ 容器 ９１０ 霧化器 ９１１ ＳＡＷ基板 ９１４ IDT ９２０ 高電圧電源 ９２４ 容器 ９２６ オートサンプラー １０１０ 霧化器 １０１１ ＳＡＷ基板 １０１４ IDT １０１６ 霧化エリア １０２０ 高電圧電源 １０２５ 容器 １０２６ オートサンプラー １０９１ メイン周波数用オシレータ １０９２ 間欠駆動用オシレータ １０９３ ＡＮＤ回路 １０９４ プリアンプ １０９５ メインアンプ １０９６ インピーダンスマッチング回路 １２００ 基板 １３００ 基板 １４００ 基板 １４２０ 波の頂点 １４３０ 液適 １５００ 振動子 １５１０ 針金 １５２０ 波頭 １５３０ 帯電した微細な粒子状物質 １５４０ スポット １５５０ 試料固定用基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樋口 俊郎 神奈川県横浜市都筑区荏田東３−４−26 (72)発明者 金 俊完 東京都新宿区住吉町４−１−503 (72)発明者 井上 浩三 東京都渋谷区広尾１−11−５−1403 エ ス・ティ・リサーチ株式会社内 Ｆターム(参考） 4D074 AA01 BB02 DD03 DD07 DD22 DD32 4F034 AA10 BA33 CA11 DA13 5D107 BB02 BB07 CC01 CC07 CC13

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 試料を含む溶液（または溶媒）に振動を
    与えることによって、その活性や機能性を保持したまま
    微小な粒子状物質として霧化する振動子と、 前記溶液（または溶媒）、および／または、前記の霧化
    された微小な粒子状物質を帯電させる帯電手段と、 前記の帯電させた微小な粒子状物質を静電気力によって
    堆積させる基板を支持する支持手段と、を具えることを
    特徴とする固定化装置。
  2. 【請求項２】 固定化装置であって、 前記固定化装置は、試料を含む溶液（または溶媒）に振
    動を与える振動子と、この振動子上に配置されていて、
    前記溶液（または溶媒）を帯電させる帯電手段とを具
    え、 前記振動子による溶液（または溶媒）の振動、および、
    前記帯電手段によって帯電した溶液（または溶媒）の静
    電気力によって、その活性や機能性を保持したまま帯電
    した微小な粒子状物質として霧化させるように構成し、 前記固定装置は、さらに、前記の帯電させた微小な粒子
    状物質を静電気力によって堆積させる基板を支持する支
    持手段を具える、ことを特徴とする固定化装置。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の固定化装置に
    おいて、 前記の霧化され、かつ、帯電された微小な粒子状物質を
    静電気力によって収集し前記基板へ誘導する収集手段、
    をも具えることを特徴とする固定化装置。
  4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項に記載の固
    定化装置において、 前記振動子、前記基板、或いは、前記溶液（または溶
    媒）のうちの少なくとも１つを温度制御する手段、をも
    具えることを特徴とする固定化装置。
  5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載の固
    定化装置において、 前記帯電手段は、少なくとも、導電性ワイヤー、導電性
    薄膜、導電性メッシュ、或いは、帯電したイオンを放射
    する装置、のいずれか１つを具える、ことを特徴とする
    装置。
  6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか1項に記載の固
    定化装置において、 前記溶液（または溶媒）を、前記振動子に所定の流量で
    供給する溶液供給手段、を具えることを特徴とする装
    置。
  7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれか１項に記載の固
    定化装置において、 前記振動子の前記基板に対向する表面の少なくとも一部
    に対して、親水化処理、或いは、疎水化処理が施されて
    いる、ことを特徴とする装置。
  8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれか１項に記載の固
    定化装置において、 前記振動子は、前記溶液（または溶媒）を薄く膜状に展
    ばす手段を具える、ことを特徴とする装置。
  9. 【請求項９】 請求項１〜８のいずれか１項に記載の固
    定化装置において、 前記振動子と前記基板との間に配置され、前記の粒子状
    物質の粒径を制御する粒径制御手段を具える、ことを特
    徴とする装置。
  10. 【請求項１０】 請求項３〜９のいずれか１項に記載の
    固定化装置において、 前記収集手段は、前記振動子と前記基板との間に配置さ
    れる１つまたは複数の収束電極を具える、ことを特長と
    する装置。
  11. 【請求項１１】 請求項３〜１０のいずれか１項に記載
    の固定化装置において、 前記収集手段は、前記振動子と前記基板との間に配置さ
    れる絶縁体あるいは誘電体からなるマスクを具える、こ
    とを特長とする装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１〜１１のいずれか１項に記載
    の固定化装置において、 前記粒子状物質を乾燥させる乾燥手段を具え、 前記乾燥手段は、少なくとも、乾燥空気を供給する手
    段、減圧にする手段、或いは、真空にする手段、のいず
    れか１つの手段を含む、ことを特長とする装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１〜１２のいずれか１項に記載
    の固定化装置において、 前記基板は、前記振動子に対向する表面の少なくとも一
    部が導電性物質から成り、この導電性物質の部分がアー
    スされている、ことを特徴とする装置。
  14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の固定化装置におい
    て、 前記の導電性物質から成る表面の少なくとも一部は、所
    望のパターンの領域から成る、ことを特徴とする装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１〜１４のいずれか１項に記載
    の固定化装置において、 前記振動子は、間欠的に駆動する、ことを特徴とする装
    置。
  16. 【請求項１６】 請求項１〜１５のいずれか１項に記載
    の固定化装置において、 前記振動子は、超音波振動子、静電型振動子、圧電振動
    子、磁歪振動子、電歪振動子、或いは、電磁型振動子、
    である、ことを特徴とする装置。
  17. 【請求項１７】 請求項１６に記載の固定化装置におい
    て、 前記圧電振動子は、単層型圧電素子、積層型圧電素子、
    或いは、単結晶圧電素子、である、ことを特徴とする装
    置。
  18. 【請求項１８】 請求項１６または１７に記載の固定化
    装置において、 前記圧電振動子は、共振型振動子、表面弾性波型振動
    子、縦振動型振動子、横型（滑り）振動子、径方向振動
    型振動子、厚み方向振動型振動子、或いは、長さ方向振
    動型振動子、である、ことを特徴とする装置。
  19. 【請求項１９】 請求項１８に記載の固定化装置におい
    て、 前記表面弾性波型振動子は、すだれ状電極を１つまたは
    複数具える、ことを特徴とする装置。
  20. 【請求項２０】 請求項１９に記載の固定化装置におい
    て、 前記溶液（または溶媒）を、前記表面弾性波型振動子に
    所定の流量で、前記すだれ状電極から離れた場所に供給
    し、供給されたこの溶液（または溶媒）を所定の領域に
    滞留させる手段を具える、ことを特徴とする装置。
  21. 【請求項２１】 請求項１８〜２０のいずれか１項に記
    載の固定化装置において、 前記表面弾性波型振動子は、１つまたは複数の反射器を
    具えることを特徴とする装置。
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