JP2003222580A - 微小質量測定装置 - Google Patents

微小質量測定装置

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JP2003222580A
JP2003222580A JP2002023715A JP2002023715A JP2003222580A JP 2003222580 A JP2003222580 A JP 2003222580A JP 2002023715 A JP2002023715 A JP 2002023715A JP 2002023715 A JP2002023715 A JP 2002023715A JP 2003222580 A JP2003222580 A JP 2003222580A
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JP
Japan
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piezoelectric material
electrode
sample
mass
electrodes
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Ichiro Tanaka
一郎 田中
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 最小限のサンプル数で微小質量を高精度に測
定することができるとともに、溶液のスポッティングの
容易化を図ることができる微小質量測定装置を提供する
こと。 【構成】 圧電材料基板の両面に金属電極があり、こ
の電極に電圧を印加し、圧電材料を振動させ、該金属電
極の表面に付着した被測定試料の質量を該圧電材料の振
動数の変化又はインピーダンスの変化から読み取る微小
質量測定装置において、試料測定側の該電極部以外の圧
電材料基板の表面の一部又は全てを疎水性の材料、電極
部よりも被測定試料の溶媒の接触角が大きい材料、テト
ラフロロエチレン又は炭素とフッ素を主成分とするポリ
マーで覆う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、水晶等の圧電材料
を用いた振動子の電極表面を液体中に晒し、その成分中
の特定の物質の検出を行う微小質量測定装置に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】圧電材料を用いた微少質量測定装置は簡
便な装置で僅かの質量変化を検出できるため、広く一般
に用いられる方法である。圧電材料に水晶を用いたもの
はQCM(Quartz Crystal Microbarance )と呼ばれ最
も良く使われる方法の1つである。これはATカットの
水晶板の両面に金属薄膜電極を形成した構造を持つ。こ
の金属薄膜電極対に発振回路を接続して電圧を印可する
と、水晶板の厚さに反比例した周波数で発振する。又、
この金属薄膜電極上に物質が付加されると、振動子全体
の固有振動数が変化する。この振動数変化を利用して金
属薄膜電極上に付着した物質の質量を検出しようとする
ものである。一般に水晶板の厚さは薄いほど振動数は高
くなり、これに伴って質量の検出感度も高くなる。
【0003】QCMをはじめとする微小質量測定装置
は、基本的に質量計測を行うものであり、それだけでは
特定の物質の検出はできない。そこで、特定の物質のみ
を捕獲するような受容体を金属薄膜電極上に固定し、特
定の物質のみを検出する工夫かなされている。代表的な
ものとしては蛋白質の検出に抗原抗体反応を用いる技術
がある。例えば、特開2000−338022に開示さ
れている。
【0004】QCMは気体中ばかりでなく、液体中でも
測定が可能である。但し、この際、液体が片面のみに触
れるように工夫する必要がある。又、液体の温度や粘度
に敏感であるために注意が必要である。例えば、特開2
001−153777に開示されている。
【0005】又、周辺材料からのコンタミネーションを
軽減し、サンプル量を節約するために、試料に晒される
電極の近辺のみに試料だめを設けることが特開2000
−258324に開示されている。
【0006】ケミカルセンサーやバイオセンサー等、検
査の効率を高めるため同時に複数の物質の分析が必要な
用途のために同一水晶基板上に複数のセンサーを配置す
る試みもある。例えば、特開2000−338022に
開示されている。
【0007】水晶基板を薄くすると感度が上がるが、機
械的強度が不足し割れ易くなる。これを解決するために
厚い基板の一部のみを薄くし、その部分に電極を形成
し、QCMを作る技術がある。例えば、特開2000−
338022に開示されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】測定試料が少ない場
合、試料をセンサー上にスポッティングしなければなら
ず、そのアライメントに手間が掛かって処理時間が増大
し、又、スポッティングの装置が高価なものとなる。
【0009】又、測定試料が少ないと、全てのスポット
に試料が行き渡らないことがある。そのため、サンプル
量が多く必要となる。
【0010】又、抗原抗体反応等、反応に時間が掛かる
検出方法では、結果がすぐに得られないという問題があ
る。
【0011】この問題に対し検出部分周辺に液溜めを設
ける方法があるが、厳密には検出部以外の部分にも試料
液が回り込むために試料の量は或る程度多く必要であ
り、又、例えば抗体を電極に付着させて資料中の抗原を
検出するような場合、反応面に対し液量が多くなり検出
時間が増大する。
【0012】本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、その目的とする処は、最小限のサンプル数で微小質
量を高精度に測定することができるとともに、溶液のス
ポッティングの容易化を図ることができる微小質量測定
装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1記載の発明は、圧電材料基板の両面に金属
電極があり、この電極に電圧を印加し、圧電材料を振動
させ、該金属電極の表面に付着した被測定試料の質量を
該圧電材料の振動数の変化又はインピーダンスの変化か
ら読み取る微小質量測定装置において、試料測定側の該
電極部以外の圧電材料基板の表面の一部又は全てを疎水
性の材料で覆ったことを特徴とする。
【0014】請求項2記載の発明は、圧電材料基板の両
面に金属電極があり、この電極に電圧を印加し、圧電材
料を振動させ、該金属電極の表面に付着した被測定試料
の質量を該圧電材料の振動数の変化又はインピーダンス
の変化から読み取る微小質量測定装置において、試料測
定側の該電極部以外の圧電材料基板の表面の一部又は全
てを該電極部よりも被測定試料の溶媒の接触角が大きい
材料で覆ったことを特徴とする。
【0015】請求項3記載の発明は、圧電材料基板の両
面に金属電極があり、この電極に電圧を印加し、圧電材
料を振動させ、該金属電極の表面に付着した被測定試料
の質量を該圧電材料の振動数の変化又はインピーダンス
の変化から読み取る微小質量測定装置において、試料測
定側の該電極部以外の圧電材料基板の表面の一部又は全
てをテトラフロロエチレンで覆ったことを特徴とする。
【0016】請求項4記載の発明は、圧電材料基板の両
面に金属電極があり、この電極に電圧を印加し、圧電材
料を振動させ、該金属電極の表面に付着した被測定試料
の質量を該圧電材料の振動数の変化又はインピーダンス
の変化から読み取る微小質量測定装置において、試料測
定側の該電極部以外の圧電材料基板の表面の一部又は全
てを炭素とフッ素を主成分とするポリマーで覆ったこと
を特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。
【0018】<実施の形態1>図1に本発明の実施の形
態1に係る微小質量測定装置の概略図を示す。断面図は
一点鎖線A−Bに沿って図示する(図中の矢印Cは平面
図を見ている方向を示している。以下全ての図において
同様である)。
【0019】図1において、1はATカットの水晶基
板、3,7は電極、12は被測定物質を選択的に吸着す
る受容体である。受容体12は例えばタンパク質の検出
であれば被測定タンパク質の抗原物質を用いれば良い。
又、DNA等の検出には、cDNA等を受容体として固
定すれば良い。金電極とcDNAとの間はチオール結合
を利用すると強固な結合を得ることができる。
【0020】以下、この素子の作製方法を述べる。
【0021】図2に示すような水晶基板1を準備する。
次に、フォトリソグラフィーにより図3に示すようなレ
ジストパターン2を形成する。このレジストの開口は例
えば1mmφとする。次に、このレジストパターンをマ
スクに水晶基板1をエッチングする。このとき、例えば
水晶基板の厚さは100μm、エッチング深さは90μ
mとする(図4)。
【0022】次に、フォトレジストパターン2をレジス
ト剥離液を用いて剥離する。次に、図5に示すように金
電極3,4を蒸着する。厚さは例えば1000オングス
トロームとする。次に、図6に示すように、フォトリソ
グラフィーにより図6に示すようなレジストパターン5
を形成する。又、裏面にはエッチング保護用にレジスト
膜6を塗布する。次に、ウェットエッチングにより金電
極膜4をエッチングし、金電極パターン7を形成する
(図7)。レジスト5,6を剥離し図8の状態になる。
【0023】次に、電極パターン7を含む面にテトラフ
ロロエチレンをスパッタリング法により成膜する。テト
ラフロロエチレンのスパッタリング法による成膜条件は
以下の通りである。バックグラウンド圧力は6×10
−6 Torr、アルゴン流量は5sccm、スパッタ時の
圧力は1Pa、RFの放電電力は100W、成膜時間は
20minである。この条件により0.4μmのテトラ
フロロエチレンの薄膜8が形成される。この状態を図9
に示す。
【0024】次に、テトラフロロエチレンの薄膜8の上
にフォトレジスト9を塗布する(図10)。次に、フォ
トリソグラフィーによりレジストパターン10を形成
し、続いて酸素を用いたドライエッチング法によりテト
ラフロロエチレンの薄膜8をエッチングし、テトラフロ
ロエチレンの薄膜パターン11を形成する(図11)。
次に、フォトレジストパターン10を剥離液にて除去す
る。続いて、電極7の試料測定部分に受容体12を形成
して微小質量測定装置が完成する。
【0025】これに水に分散された測定試料13を滴下
した状態を図13に示す。テトラフロロエチレンのパタ
ーンが持つ撥水(疎水)的性質により電極上にのみ試料
を乗せることができる。これに対し図14に示すテトラ
フロロエチレンパターンのない従来のタイプの装置で
は、窪み全体に試料を含む水溶液14が行き渡ってしま
う。又、水溶液が15のように窪みからはみ出すことも
あり、本発明より多くの試料が必要である。又、試料を
含む溶液の体積が大きく、受容体と試料との反応時間が
その分長くなる。
【0026】又、シリンジ等で測定試料を滴下する場合
において、本発明ではシリンジと微小質量測定装置のア
ライメントの精度が従来例より低くても、テトラフロロ
エチレンの撥水的性質により確実に受容体の上に滴下で
きる。
【0027】<実施の形態2>図8までの工程は実施例
1と同じである。
【0028】次に、電極3を含む面にテトラフロロエチ
レン膜16をスパッタリング法により成膜する。テトラ
フロロエチレンのスパッタリング法による成膜条件は以
下の通りである。バックグラウンド圧力は6×10−6
Torr 、アルゴン流量は5sccm、スパッタ時の圧力
は1Pa、RFの放電電力は100W、成膜時間は20
minである。この条件により0.4μmのテトラフロ
ロエチレンの薄膜16が形成される。この状態を図15
に示す。図示の矢線Dの方向から見た平面図を同一図面
に示す。以下の図において同様である。
【0029】次に、テトラフロロエチレンの薄膜16の上
にフォトレジストを塗布する。次に、フォトリソグラフ
ィーによりレジストパターンを形成し、続いて酸素を用
いたドライエッチング法によりテトラフロロエチレンの
薄膜16をエッチングしテトラフロロエチレンの薄膜パ
ターン17を形成する(図16)。このとき、試料測定
部19と電極取り出し部20に穴が開くようにパターン
は形成する。
【0030】次に、フォトレジストパターンを剥離液に
て除去する(図16)。続いて、電極3の試料測定部分
に受容体18を形成して微小質量測定装置が完成する
(図17)。
【0031】これに水に分散又は溶解された測定試料2
1を滴下した状態を図18に示す。テトラフロロエチレ
ンのパターンが持つ撥水(疎水)的性質により電極上に
のみ試料を乗せることができる。これに対しテトラフロ
ロエチレンパターンのない従来のタイプの装置では、測
定部から試料を含む水溶液がはみだしてしまう。このた
め本発明より多くの試料が必要である。又、試料を含む
溶液の体積が大きく、受容体と試料との反応時間がその
分長くなる。
【0032】電極の取り出しには金属性の針状プローブ
22を用いても良い。
【0033】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、最小限のサンプル数で微小質量を高精度に測定
することができるとともに、溶液のスポッティングの容
易化を図ることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1を示す図である。
【図2】本発明の実施の形態1を示す図である。
【図3】本発明の実施の形態1を示す図である。
【図4】本発明の実施の形態1を示す図である。
【図5】本発明の実施の形態1を示す図である。
【図6】本発明の実施の形態1を示す図である。
【図7】本発明の実施の形態1を示す図である。
【図8】本発明の実施の形態1を示す図である。
【図9】本発明の実施の形態1を示す図である。
【図10】本発明の実施の形態1を示す図である。
【図11】本発明の実施の形態1を示す図である。
【図12】本発明の実施の形態1を示す図である。
【図13】本発明の実施の形態1を示す図である。
【図14】従来例を示す図である。
【図15】本発明の実施の形態2を示す図である。
【図16】本発明の実施の形態2を示す図である。
【図17】本発明の実施の形態2を示す図である。
【図18】本発明の実施の形態2を示す図である。
【符号の説明】
1 水晶 2 フォトレジストパターン 3,4 金属膜 5 フォトレジストパターン 6 エッチング保護膜 7 電極パターン 8 テトラフロロエチレン 9 フォトレジスト 10 フォトレジストパターン 11 テトラフロロエチレンパターン 12 受容体 13 試料を含む溶液 14,15 試料を含む溶液 16 テトラフロロエチレン 17 テトラフロロエチレンパターン 18 受容体 19 試料測定部 20 電極取り出し部 21 試料を含む溶液 22 針状電極プローブ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電材料基板の両面に金属電極があり、
    この電極に電圧を印加し、圧電材料を振動させ、該金属
    電極の表面に付着した被測定試料の質量を該圧電材料の
    振動数の変化又はインピーダンスの変化から読み取る微
    小質量測定装置において、 試料測定側の該電極部以外の圧電材料基板の表面の一部
    又は全てを疎水性の材料で覆ったことを特徴とする微小
    質量測定装置。
  2. 【請求項2】 圧電材料基板の両面に金属電極があり、
    この電極に電圧を印加し、圧電材料を振動させ、該金属
    電極の表面に付着した被測定試料の質量を該圧電材料の
    振動数の変化又はインピーダンスの変化から読み取る微
    小質量測定装置において、 試料測定側の該電極部以外の圧電材料基板の表面の一部
    又は全てを該電極部よりも被測定試料の溶媒の接触角が
    大きい材料で覆ったことを特徴とする微小質量測定装
    置。
  3. 【請求項3】 圧電材料基板の両面に金属電極があり、
    この電極に電圧を印加し、圧電材料を振動させ、該金属
    電極の表面に付着した被測定試料の質量を該圧電材料の
    振動数の変化又はインピーダンスの変化から読み取る微
    小質量測定装置において、 試料測定側の該電極部以外の圧電材料基板の表面の一部
    又は全てをテトラフロロエチレンで覆ったことを特徴と
    する微小質量測定装置。
  4. 【請求項4】 圧電材料基板の両面に金属電極があり、
    この電極に電圧を印加し、圧電材料を振動させ、該金属
    電極の表面に付着した被測定試料の質量を該圧電材料の
    振動数の変化又はインピーダンスの変化から読み取る微
    小質量測定装置において、 試料測定側の該電極部以外の圧電材料基板の表面の一部
    又は全てを炭素とフッ素を主成分とするポリマーで覆っ
    たことを特徴とする微小質量測定装置。
  5. 【請求項5】 電極部が圧電材料基板の他の部分より薄
    くなり窪みが形成されていることを特徴とする請求項1
    〜4の何れかに記載の微小質量測定装置。
  6. 【請求項6】 圧電材料基板は水晶であることを特徴と
    する請求項1〜5の何れかに記載の微小質量測定装置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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