JP2004361269A - マルチチャンネルセンサとその製造方法及びバイオセンサシステムとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】高感度水晶振動子の作製が容易となり、従来作製不可能であった高感度なセンサを作製することができるマルチチャネルセンサを提供すること。
【構成】重量変化に伴う周波数変換素子の周波数変化を測定する微量質量センサを基板上に複数個並べたマルチチャネルセンサにおいて、各センサとセンサを支える支持体が別体であることを特徴とする。ここで、マルチチャンネルセンサは取り替え可能である。又、前記周波数変換素子は水晶振動子であり、その厚さは５０μｍ以下とする。更に、複数個の周波数変換素子は僅かに周波数が異なる領域で用いられる。マルチチャンネルセンサは、特定の分析対象のみを捕獲する感応膜が固定化されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小質量の変化を測定するマルチチャンネルセンサとその製造方法及びバイオセンサシステムとその製造方法に関する。特に、重量変化に伴う周波数変換素子の周波数変化を測定する微量質量センサ、更に、生化学物質を固定化し、それに特異的に吸着する酵素、抗体、たんぱく質、ホルモン等の化学物質を測定するバイオセンサ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信機器の発達に伴い高周波化、データー処理の高速化、大容量化に伴い高周波圧電デバイスへの要望が大きくなっている。
【０００３】
又、重量変化に伴う周波数変換素子の周波数変化を測定する検出方法に関しても高感度化、即ち、高周波数化が望まれている。更に、近年成長の著しいバイオの分野での生化学物質検出技術としても大きな期待が寄せられている。
【０００４】
これらの要望を満たすために、高周波圧電デバイスの検討が進められている。代表的なデバイスとして、表面弾性波素子（ＳＡＷ）等の検討も多く進められているが、温度特性が安定している水晶振動子への期待も大きい（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
水晶振動子でＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ） センサを構成する場合を図６を用いて説明すると、薄く加工した水晶板１の両表面に電極２を形成する。電極の一方の表面に分析対象７のみを捕獲する感応膜６を固定化しておく。両電極に交流電界を印加すると、逆圧電効果により一定の周波数の振動が励起されるが、分析対象が感応膜により捕獲されると、質量増加Δｍを伴い、その結果として振動子の共振周波数がΔｆだけ変動する。
【０００６】
このＱＣＭセンサを生化学物質検出技術として用いる具体的な例としては、ＤＮＡのハイブリダイゼーション反応、抗原−抗体反応、たんぱく質の結合、酵素反応等、ガス中、液中を含め様々なものを利用することができる。
【０００７】
上記質量付加量Δｍ及び振動周波数の変化量Δｆの関係は、Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ により導かれており（Ｇ． Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ， Ｚ． Ｐｈｙｓ． １５５， １９５９， ２０６） 、次式で表すことができる。
【式１】

ここに、ｆ０ は水晶振動子の主基本周波数、Ａは電極の面積、μｑ は水晶のせん断弾性係数、ρｑ は水晶の密度である。例えばＡＴカット面で切り出した水晶振動子の場合、水晶版の厚さｔと主基本周波数の間には、次式の関係がある。
【式２】

従って、主基本振動数を高くするほど、即ち、水晶板の厚さを薄くするほど質量センサとしての感度が高くなることが分かる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平０８−２２８１２４号公報
【発明が解決しようとする課題】
水晶振動子は、厚さが薄いほど、質量センサとしての感度は高くなるので、機械加工又は半導体リソグラフィ工程の応用等の手法を用いて、水晶の薄板化の検討が進められてきた。更に、そのセンサをマルチチャンネル化する場合、水晶１を部分的に薄板加工した上に電極２が形成されている図７のような構成が採られていた。
【０００９】
しかし、マルチチャンネル化する場合、チャンネル数が増えれば増えるほど、水晶板１は大きいものが必要となり、部分的に薄板加工を施す前の水晶の厚さが厚くないと、強度を維持することができなくなってきた。特に、水晶の厚さが５０μｍより薄くなってくると、強度が極端に弱くなり、単独では、直径１０ｍｍ程度のものしか量産はできなかった。
【００１０】
又、初期基板の厚さが厚いものを質量センサとしての感度を上げるために部分的に薄板加工すると、その加工量が増大し、製造コストが増大した。又、部分的にせよ水晶が薄くなればなるほど強度が弱まり、加工中、運搬中、使用中等、様々なレベルで破損が発生し、歩留まりの低下や装置性能の信頼性低下等の多くの問題を引き起こしていた。
【００１１】
一方、バイオセンサのように反応自体の不確実性が高いもののセンサとしては、１回ごとにセンサ部を交換したいという要望も大きくなってきた。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、高感度水晶振動子の作製が容易となり、従来作製不可能であった高感度なセンサを作製することができるとともに、高感度水晶振動子を用いたセンサ及びバイオシステムでは、装置性能の信頼性を上げつつ、コスト削減を図ることができるマルチチャンネルセンサとその製造方法及びバイオセンサシステムとその製造方法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、本発明は、重量変化に伴う周波数変換素子の周波数変化を測定する微量質量センサを基板上に複数個並べたマルチチャネルセンサにおいて、各センサとセンサを支える支持体が別体であり、センサ部が取り換え可能であるることを特徴とするマルチチャンネルセンサ及びセンサ部がサンプルを分離・抽出を行う前処理部とサンプル用の流路を通じて連結されているバイオセンサシステムにおいて、センサ部が取り替え可能であることを特徴とするバイオセンサシステム及びその製造方法である。
【００１４】
【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。
【００１５】
＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態を示す図である。センシングする対象物が、電解質溶液等、導電性のものに含有されている場合に用いるマルチチャンネルセンサについて示す。
【００１６】
図１（ａ）において、１１はセンサを支持する支持体であり、樹脂又はガラス基板から成る。図１（ｂ）に示すように、図１（ａ）をＡ方向から見ると、センサが入り込むような大きさの径の穴があいており、その部分には電極部１２が円形に形成されている。図１（ａ）に示すように、その電極は、支持体１１の裏面まで繋がっており、図１（ｃ）に示すように、各配線が独立して、外部電極と接続している。
【００１７】
又、図１（ｄ）はセンサとなる水晶１３であり、５０μｍ以下の厚さである。本実施の形態では、２０μｍ厚まで、機械加工又は半導体リソグラフィを応用した加工により加工され、研磨されたＡＴカット水晶である。水晶１３には、図１（ｄ）に示すように、表面は中心部又は全面に電極１４が形成されており、裏面は、支持体１１の電極部１２と接続できるように、図示のような形となっている。
【００１８】
この水晶１３を電極部１２が形成された支持体１１の穴部に落とし込む。その後、図１（ｅ）に示すように、裏面側に樹脂１５を塗布形成し、固定する。樹脂１５としては、例えば焼成後ポリイミド膜となるポリイミドの前駆体（主に、ポリアミック酸）を塗布又はディッピング等の方法により成膜する。樹脂１５は、水晶の振動に影響を与えないように、出来るだけ薄いものが好ましい。簡便には、非常に粘度の低いエポキシ接着剤等を用いても構わない。
【００１９】
水晶１３には、事前に、特定の分析対象のみを捕獲する感応膜が固定化されていても良い。水晶の表面の電極部とは、電解質溶液から、導通を取ることができる。
【００２０】
以上のように作製することにより、センサとなる水晶は非常に小さい直径での加工のため、薄膜化が容易であり、歩留まりが向上する。又、素子製造途中で破損しても、修復が容易である。又、素子使用途中に万が一破損が発生しても、他のセンサに影響を与えることがない。
【００２１】
作製したマルチチャンネルセンサに、各センサ独立して導通することにより、周波数の変化を独立して測定することができ、特定の分析対象物の微量質量変化を測定することができた。
【００２２】
更に、溶媒により樹脂を溶かし、同じようにセンサ部を取替えることができる。樹脂と基板が適度な強度で密着している場合、きっかけを与えることによって、樹脂を剥すこともできる。１００℃程度の熱を与えることによって、樹脂を柔らかくし、センサを剥すこともできる。これらの作業を組み合わせることによって、より固定力の強い樹脂でも剥すことはできる。このように、センサ部を取り換えることにより、別の検体の測定を高精度に行うことができる。又は、感応膜として別のものを付けることにより、多くの種類の分析を行うこともできる。
【００２３】
＜実施の形態２＞
図２は実施の形態２を示す図である。実施の形態１と同様にセンシングする対象物が電解質溶液等、導電性のものに含有されている場合に用いるマルチチャンネルセンサについて示す。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、片面のみ電極部が形成された水晶１３を図１（ａ）と同じ支持体の穴部に落とし込む。その後、電極部１４’を表面全面に形成する。１４’に導電性ポリマー等を使用し、電極と固定を兼ねても良い。その際は、樹脂１５が必要なくなる場合もある。電極を表面全面に形成することにより、充分な導通を取ることができる。
【００２５】
＜実施の形態３＞
センシングする対象物が、匂い物資等で、空気中等の非導電性のものに含有されている場合に用いるマルチチャンネルセンサについて示す。
【００２６】
ほぼ、実施の形態１と同様に作製されるが、水晶の表面の電極部からの取り出しを行う必要があり、支持体１１は、図１（ａ）の代わりに図１（ｈ）のようになっている。表面の電極取り出し部は、図１（ｇ）のようになっており、表面の電極部も配線された支持体を作製しなければならない。又、センサとなる水晶１３には、図１（ｆ）のように、表裏面で違う場所に電極取り出し部が形成されている。この場合、表面の電極は、裏面の電極が独立して配線されているので、外部電極まで独立して配線する必要はない。
【００２７】
＜実施の形態４＞
センサ部に使用する水晶として、厚さが違うもの、例えば、１０μｍから０． ５μｍずつ厚さが違うものを用意する。その場合、発振する周波数が違ってくるので、同時発振させても、どのセンサが周波数が変動したかをセンシングすることができる。
【００２８】
即ち、製造方法としては、ほぼ実施の形態１と同様で構わないが、電極部１２は、表裏面共に独立した配線を行う必要がなくなるので、裏面の配線を図１（ｇ）のようにしても構わない。
【００２９】
＜実施の形態５＞
樹脂ではなく、磁性体を用いて、センサ部の取り換えを行う。
【００３０】
センシングする対象物が匂い物資等で、空気中等の非導電性のものに含有されている場合に用いるマルチチャンネルセンサについて示す
その場合、支持体の電極部１２のうち、少なくともセンサ部の裏面に接する部分及びセンサ部の電極１４のうち少なくとも電極部１２に接する部分を磁性体で作製する。電極としての作用と磁性による固定の双方の作用を果たす。センサ部の取り換えには、電気を切断すれば良い。そのため、固定に用いている磁性体部はセンサ部取り換え時以外は常時導通しておく必要がある。そのため、電極１２の配線方法としては、実施の形態２とは逆にする。表面の配線が図１（ｃ）、裏面の配線が図１（ｇ）となり、裏面は常時導通させておく。磁性体による固定方法を用いることにより、センサ部の取り換えがより容易となった。
【００３１】
＜実施の形態６＞
図３は実施の形態６を示す図である。
【００３２】
樹脂ではなく、磁性体を用いて、センサ部の取り換えを行う。
【００３３】
センシングする対象物が電解質溶液等、導電性のものに含有されている場合に用いるマルチチャンネルセンサについて示す。
【００３４】
図３に示すように、支持体に永久磁石１６を埋め込んだものを使用する。電極部１４の裏面に磁性体を用いれば、道通することなく、固定することができる。取り換え時には、反発する方向に電流を流す。
【００３５】
電極の構成等は、実施の形態１と同様で構わない。センサ部の取り換えが、より容易となる。
【００３６】
＜実施の形態７＞
図４は実施の形態７を示す図である。
【００３７】
実施の形態１〜６に示したような（下部）支持体だけでなく、センサの上部にも上部支持体１７を持ち、両側で固定する。
【００３８】
電解質溶液では、その必要性は必須ではないが、固定部の一部に電極取り出し部１８が付いており、上部電極と繋がっている。
【００３９】
上部電極部の押さえは、下部支持体で支える場所に付いており、水晶１３の破損を防ぐ。
【００４０】
＜実施の形態８＞
図５は実施の形態８を説明する図である。図５はマルチチャネルＱＣＭバイオセンサをＬａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ のような多機能型の小型システムに組み込んだバイオセンサシステムの例の概要を示している。この例では、サンプル導入口９から分析対象の溶液或はガス８をセンサシステムに入れ、前処理要素４においてサンプルの分離、抽出処理を施し、センサ部に導入される。前処理工程には、その他混合／反応、フィルタ、バルブ等の様々な機能が必要な場合があるが、ここではそれらの詳細は述べない。又、前処理工程に、反応等の特別な試薬が必要な場合があり、別途その試薬を導入する経路や導入口が必要な場合もある。
【００４１】
一方、サンプルの移動には、ポンプによる機械的なものや電気浸透等を利用した電気的なもの等が広く用いられる。センサ部には、実施の形態１〜７の何れかのマルチチャネルセンサがあり、それぞれのチャネルには配線が施してある（図５では、裏面側の配線は示していない）。検出を終えた後のサンプル溶液或はガスは、排出口５より排出される。
【００４２】
以上のようなＬａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ
に、本発明の水晶をセンサとして用いることによって、高感度、高性能で且つ信頼性の高いバイオセンサシステムを安価に得ることができた。
【００４３】
【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、重量変化に伴う周波数変換素子の周波数変化を測定する微量質量センサを基板上に複数個並べたマルチチャネルセンサにおいて、各センサとセンサを支える支持体が別体であり、センサ部が取り換え可能であることを特徴とするマルチチャンネルセンサ及びセンサ部がサンプルを分離・抽出を行う前処理部とサンプル用の流路を通じて連結されているバイオセンサシステムにおいて、センサ部が取り替え可能であることを特徴とするバイオセンサシステム及びその製造方法により、センサの１つ１つは小さいため、薄板化が容易となり、高感度水晶振動子の作製が容易となり、従来作製不可能であった高感度なセンサをマルチチャンネルで作製することができる。
【００４４】
又、高感度水晶振動子を用いたセンサ及びバイオシステムでは、装置性能の信頼性を上げつつ、コストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る構造を説明する図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る構造を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態６に係る構造を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態７に係る構造を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態８に係る構造を説明する図である。
【図６】バイオチップ上の化学反応の概要図である。
【図７】従来例に係る構造を説明するための図である。
【符号の説明】
１１ 支持体
２，１２ 電極
１，１３ 水晶
４ 前処理要素
５ 排出口
６ 捕獲膜
７ 分析対象物質
８ サンプル溶液（ガス）
９ サンプル

Claims (17)

1. 重量変化に伴う周波数変換素子の周波数変化を測定する微量質量センサを基板上に複数個並べたマルチチャネルセンサにおいて、
   各センサとセンサを支える支持体が別体であることを特徴とするマルチチャンネルセンサ。
2. 取り替え可能であることを特徴とする請求項１記載のマルチチャンネルセンサ。
3. 前記周波数変換素子が水晶振動子であることを特徴とする請求項１記載のマルチチャンネルセンサ。
4. 前記水晶振動子の厚さが５０μｍ以下であることを特徴とする請求項３記載のマルチチャンネルセンサ。
5. 前記複数個の周波数変換素子が僅かに周波数が異なる領域で用いられることを特徴とする請求項１記載のマルチチャンネルセンサ。
6. 特定の分析対象のみを捕獲する感応膜が固定化されていることを特徴とする請求項１記載のマルチチャンネルセンサ。
7. センサ部が、サンプルを分離・抽出を行う前処理部とサンプル用の流路を通じて連結されているバイオセンサシステムにおいて、
   前記センサ部が取り替え可能であることを特徴とするバイオセンサシステム。
8. 前記センサ部が複数個のセンサから成ることを特徴とする請求項７記載のバイオセンサシステム。
9. 前記センサが重量変化に伴う周波数変換素子の周波数変化を測定する微量質量センサであることを特徴とする請求項７記載のバイオセンサシステム。
10. 前記周波数変換素子が水晶振動子であることを特徴とする請求項９記載のバイオセンサシステム。
11. 前記水晶振動子の厚さが５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１０記載のバイオセンサシステム。
12. 前記複数個の周波数変換素子が僅かに周波数が異なる領域で用いられることを特徴とする請求項９記載のバイオセンサシステム。
13. 特定の分析対象のみを捕獲する感応膜が固定化されていることを特徴とする請求項７記載のバイオセンサシステム。
14. 重量変化に伴う周波数変換素子の周波数変化を測定する微量質量センサを基板上に複数個並べたマルチチャネルセンサの製造方法において、
    電極部が形成された枠を先に製造し、周波数変換素子を落とし込んで固定化することを特徴とするマルチチャンネルセンサの製造方法。
15. 重量変化に伴う周波数変換素子の周波数変化を測定する微量質量センサを基板上に複数個並べたマルチチャネルセンサの製造方法において、
    枠に周波数変換素子を落とし込み、少なくとも片面の電極部は後から形成することを特徴とするマルチチャンネルセンサの製造方法。
16. センサ部が、サンプルを分離・抽出を行う前処理部とサンプル用の流路を通じて連結されているバイオセンサシステムの製造方法において、
    電極部が形成された枠を先に製造し、周波数変換素子を落とし込んで固定化することを特徴とするバイオセンサシステムの製造方法。
17. センサ部が、サンプルを分離・抽出を行う前処理部とサンプル用の流路を通じて連結されているバイオセンサシステムの製造方法において、
    枠に周波数変換素子を落とし込み、少なくとも片面の電極部は後から形成することを特徴とするバイオセンサシステムの製造方法。

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