JP2008170353A - 物質検出装置、物質検出、物質検出プレート、及び、測定セル - Google Patents

Abstract

【課題】構造の非常に簡単な物質検出プレートを使用し、かつ信号の校正をする必要なしに、溶液中の複数の被検出物質の有無を検出、かつ定量的に評価する装置を提供する。
【解決手段】本発明の物質検出装置では、半導体上に物質感応膜を作製した物質検出プレートと、被検出物質を含む溶液を前記物質感応膜の表面へ接触させる手段と、溶液の電位を安定させる手段と、前記物質検出プレートにパルスレーザー光を照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を発生させる手段と、前記パルス電磁波の振幅強度を計測する手段と、前記振幅強度より、被検出物質の有無を判定する手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体と物質感応膜を備える物質検出装置において、パルスレーザー光を照射し、該半導体において発生する電磁波を検出することで、前記溶液中の被検出物質の有無を判別する装置に関するものである。

従来、溶液中の物質を検出する装置として電界効果トランジスタを用いたセンサがある。電界効果トランジスタを用いたセンサは、一般的に、１）電界効果トランジスタのゲート電極上に作製された感応膜と、２）ドレイン電極及びソース電極より信号を読み出すセンサ読み出し回路と、３）センサを駆動させる電源と、４）溶液の電位を安定させる参照電極とを備えている。

以上のように構成する電界効果トランジスタを用いたセンサにおいては、溶液に含まれる被検出物質が前記感応膜に接触すると、感応膜の触媒作用により被検出物質が分解され、溶液のｐＨが変化することになる。そして、このｐＨの変化により変化する電界効果トランジスタ内の半導体の局所電界の電流を前記ドレイン電極、及び、前記ソース電極より信号として検出することとしている。

このような電界効果トランジスタを用いたセンサ（センサ素子）を同一基板上にアレイ化し、複数の物質を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１には、フォトレジストを用いたパターニングにより、５０ｍｍ×６０ｍｍの基板上に、１００組のセンサ素子を作製する方法について記されている。

一方、レーザー光を用いた物質検出装置として、ＬＡＰＳ（Ｌｉｇｈｔ−Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｐｏｒｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ）が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。このＬＡＰＳは、半導体シリコン基板、及びその上に形成された酸化膜及び窒化膜からなるセンサ基板を備え、例えば、このセンサ基板の上に接触させた溶液のｐＨを測定するセンサとして用いられる。

そして、前記半導体シリコン基板と前記センサ基板との界面ではエネルギーバンドに曲がりが生じているが、この曲がりは、前記センサ基板に接している溶液のｐＨにも依存する。その結果、前記半導体シリコン基板と前記センサ基板との界面に存在する空乏層の幅が変化し、レーザー光を照射したときに流れる電流（光電流）も変化する。

以上のように、レーザー光を照射したときに流れる電流（光電流）は、光を照射した場所の空乏層の幅の変化を反映するものである。
特開２００２−３５０３８３号公報 Ｔ．Ｙｏｓｈｉｎｏｂｕ他、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ、第４７巻（２００１年）ｐｐ．２５９−２６３

前記特許文献１で開示されるような、センサ素子をアレイ化する方法では、センサ素子ごとに、作用電極、対電極、を備える必要があり、製作工程が煩雑になるという問題点があった。

しかも、センサ素子ごとに、信号を読み出すための信号線及び、センサの駆動回路を備える必要があるという問題点があった。

一方、前記ＬＡＰＳでは、レーザー光を照射した位置から光電流を取り出す電極までの電流経路における半導体シリコン基板の電気的特性が位置によって異なるため、あらかじめ、信号の校正をする必要があった。

かかる従来の事情に鑑みて、発明者らは、構造の非常に簡単な物質検出プレートを使用し、かつ信号の校正をする必要なしに、溶液中の複数の被検出物質の有無を検出、かつ定量的に評価する装置を提供すべく研究開発を行い、本発明を成すに至ったものである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１に記載のごとく、
半導体上に物質感応膜を作製した物質検出プレートと、
被検出物質を含む溶液を前記物質感応膜の表面へ接触させる手段と、
前記溶液の電位を安定させる手段と、
前記物質検出プレートにパルスレーザー光を照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を発生させる手段と、
前記パルス電磁波の振幅強度を計測する手段と、
前記振幅強度より、被検出物質の有無を判定する手段検出物質検出物質検出物質を備えることとする。

また、請求項２に記載のごとく、
前記パルスレーザー光を前記物質検出プレートの前記物質感応膜が作製される面の反対側から照射するものである。

また、請求項３に記載のごとく、
前記パルス電磁波の振幅強度より被検出物質の量を定量的に計測する手段を備えることとするものである。

また、請求項４に記載のごとく、
前記半導体の厚さは、前記パルスレーザー光の照射する位置で該パルスレーザーの波長と該半導体の種類によって決定される光侵入長と同等の大きさとするものである。

また、請求項５に記載のごとく、
前記被検出物質を含む溶液の電位を安定させる手段として、溶液中に銀／塩化銀参照電極を設置するものである。

また、請求項６に記載のごとく、
前記銀／塩化銀参照電極と半導体の間に電圧を印加することで、被検出物質の前記物質感応膜との反応に対する前記パルス電磁波の振幅強度の変化率を増加させる、こととするものである。

また、請求項７に記載のごとく、
前記物質検出プレートの前記半導体上に複数の物質感応膜がアレイ状に作製されるとともに、
前記パルスレーザー光を２次元的に走査して照射する手段を備え、
前記パルスレーザー光を２次元的に走査して照射する手段によって、順次、前記パルスレーザー光を前記物質感応膜の各配置箇所に対して照射し、
前記照射によって発生されるパルス電磁波の振幅強度を、順次、計測するものである。

また、請求項８に記載のごとく、
前記パルスレーザー光として波長が３００ナノメートル以上、２ミクロン以下であることとするものである。

また、請求項９に記載のごとく、
前記パルス電磁波に含まれる周波数の成分は、１０ギガヘルツから１００テラヘルツまでの範囲に含まれることとするものである。

また、請求項１０に記載のごとく、
前記物質感応膜として、酵素を固定化した膜を備えることとするものである。

また、請求項１１に記載のごとく、
前記物質感応膜として、抗原を固定化した膜を備えることとするものである。

また、請求項１２に記載のごとく、
前記半導体として、前記パルスレーザー光を透過する絶縁体基板上に、半導体薄膜を作製したものを使用することとするものである。

また、請求項１３に記載のごとく、
半導体と、
前記半導体上に作製される絶縁体と、
前記絶縁体上に作製される複数の物質感応膜と、
から構成される物質検出プレートと、
前記物質検出プレートに装着されて、溶液を前記物質感応膜と接触させるための溶液セルと、
から測定セルを構成し、
前記溶液セルに溶液を注入し、
前記半導体における、前記絶縁体とは反対側であって、かつ、前記物質感応膜に対応する位置に、パルスレーザー光を照射し、
前記パルスレーザー光の照射によって発生するパルス電磁波の振幅強度を測定する、
物質検出方法とする。

また、請求項１４に記載のごとく、
半導体と、
前記半導体上に作製される絶縁体と、
前記絶縁体上に作製される複数の物質感応膜と、
から構成される物質検出プレートとする。

また、請求項１５に記載のごとく、
半導体と、
前記半導体上に作製される絶縁体と、
前記絶縁体上に作製される複数の物質感応膜と、
から構成される物質検出プレートと、
前記物質検出プレートに装着されて、溶液を前記物質感応膜と接触させるための溶液セルと、
を具備する、測定セルとする。

本発明によれば、物質検出プレートにパルスレーザー光を照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を発生させ、その振幅強度を計測することで、被検出物質の有無を検出する定性的な評価や、定量的な評価を行うことができる。

したがって、物質検出プレートは、被検出物質ごとに電極を作製する必要がなく、安価で構造が非常に簡単である。

さらに、パルスレーザー照射位置より発生するパルス電磁波を計測するために、物質検出プレート上のどの位置について計測を行う場合であっても、前記ＬＡＰＳのように校正を行うことなしに、高精度かつ定量的な計測が可能である。

以下、本発明の最良の実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には、同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１に、本発明の物質検出装置の実施例を示す。
この物質検出装置１では、半導体上に物質感応膜を作製した物質検出プレート５と、被検出物質を含む溶液を前記物質感応膜の表面へ接触させる手段（溶液セル６）と、溶液の電位を安定させる手段（後述する参照電極３１（図６）と、前記物質検出プレート５にパルスレーザー光を照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を発生させる手段（パルスレーザー光源２）と、前記パルス電磁波の振幅強度を計測する手段（検出・変換装置４）と、前記振幅強度より、被検出物質の有無を判定する手段（制御・解析装置８）を備える構成とするものである。以下、原理、及び、装置構成の詳細について説明する。

はじめにレーザーパルス照射による電磁波の発生原理を説明する。半導体中の電場Ｅが存在する場所に、バンドギャップよりも大きなエネルギーをもつレーザー光を照射すると、光励起による電子・正孔対が生成し、その電子・正孔対が電場Ｅによって加速されるために電流が発生する。レーザー光が連続光の場合は、定常的な電流が流れるが、レーザー光がパルス光の場合には、励起された電子・正孔対はある一定の時間で緩和し、電流も流れなくなるため、光パルスの幅と緩和時間に依存して、パルス状の電流が流れる。古典電磁気学のＭａｘｗｅｌｌの方程式から導出される下記（１）式によれば、半導体に流れる電流に時間変化が発生した場合、該半導体より電磁波が放射される。

上記（１）式において、Ｅ_{ｅｍｉｓｓｉｏｎ}は、電磁波の電界ベクトル、Ｊは、光電流密度ベクトル、ｎは、光励起された電子・正孔対の密度、ｅは、素電荷量、ｖは、光が照射された位置における半導体中の電場Ｅ_{ｌｏｃａｌ}によって加速された電子・正孔対のドリフト速度、μは、電荷の移動度である。

（１）式からわかるように、発生する電磁波の振幅強度は、光が照射された位置における半導体中の電場Ｅ_{ｌｏｃａｌ}に比例する。

次に、溶液中の被検出物質が半導体上に作製される物質検出プレートの表面に存在した場合に、パルスレーザー光の照射によって前記半導体から発生される前記パルス電磁波の振幅強度が変化する理由を説明する。

まず、特定の被検出物質に感応する物質感応膜に、被検出物質を含む溶液が接すると、溶液の水素イオン濃度が変化する。すなわち、物質感応膜に接する溶液のｐＨが変化する。

例えば、ウレアーゼ（酵素）を含む物質感応膜では、触媒作用により、尿素が加水分解され、アンモニアが発生し、ｐＨが上昇することが知られている。

図２は、物質検出プレートのエネルギーバンド分布の模式図であり、図中のＥＣは伝導帯であり、ＥＶは価電子帯である。絶縁体２２と半導体２３の境界には、空乏層が形成される。空乏層とは、キャリアが存在しない領域であり、該空乏層には局所電界Ｅが形成されている。したがって、外部から電圧を印加しなくても、空乏層には定常的に電界が存在していることになる。この空乏層に光を照射し、電子・正孔対を生成すると、（１）式にしたがって、電磁波が発生する。

ここで、局所電界Ｅの向き及び大きさは、絶縁体と半導体の境界の状態や、半導体の特性によって変わることがある。しかしながら、電磁波発生の原理において特に重要な点は、局所電界Ｅが形成されていることである。

そして、図２に示すごとく、溶液中の水素イオン濃度（溶液のｐＨ）が変化すると、物質感応膜２１に吸着する水素イオンと水酸基イオンの密度が変化し、物質感応膜２１の表面の電荷が変化することで、絶縁体２２と半導体２３の境界に形成される空乏層の局所電界Ｅも変化し、局所電荷Ｅに比例する前記パルス電磁波の振幅強度も変化することになる。

以上のように、パルスレーザー光を照射することにより発生する電磁波の振幅強度を直接計測することで、被検出物質ごとに信号を読み出す電極を作製することなく被検出物質を検出することができることになる。

以上の原理を用い、図１に示す装置構成によって、被検出物質の検出が行われる。
図１は、本実施例の物質検出装置の概略図である。この図に示すように、本実施例の物質検出装置１は、照射装置、検出・変換装置４、及び制御・解析装置８を備える。

図１において照射装置は、走査台７、パルスレーザー光源２、及び、集光装置３からなり、物質検出プレート５の特定の位置に所定の波長を有するパルスレーザー光９を照射する機能を有する。

さらに、照射装置は、パルスレーザー光９を２次元的に走査して照射する機能を有する。つまり、前記走査台７において、前記物質検出プレート５を移動させつつ、パルスレーザー光９を前記物質検出プレート５に向けて照射する機能を有している。

また、このパルスレーザー光９は、図３に示すごとく、物質検出プレート５に複数配置される物質感応膜２１ａ・２１ｂ・２１ｃ・２１ｄのそれぞれの位置に対応して、半導体２３に対して照射されるものであり、前記走査台７にて物質検出プレート５、及び、溶液セル６を動かすことによって、パルスレーザー光９が照射される位置に、順次、半導体２３の各物質感応膜２１ａ・２１ｂ・２１ｃ・２１ｄが配置されるようにし、各物質感応膜２１ａ・２１ｂ・２１ｃ・２１ｄに対応する半導体２３の各位置から、順次、パルス電磁波１０を発生させることとしている。

なお、本発明はこの実施例の構成に限定されず、図示しない揺動ミラーにより、パルスレーザー光９を物質検出プレート５の上で２次元的に走査して照射してもよい。

また、図１に示すごとく、本実施例では、パルスレーザー光９とパルス電磁波１０の経路によってなす面を略水平面、即ち、図１は上面視の構成であり、この構成を側面から見た場合に、前記パルスレーザー光９とパルス電磁波１０が略水平面をなすような配置構成としているが、各装置の形状及び固定方法によって適宜設定することが望ましく、前記略水平面を構成する必要はない。

前記パルスレーザー光９の物質検出プレート５への入射角は、パルスレーザー光９の有する波長が、物質検出プレート５の半導体へ最も吸収される角度とすることが好ましい。ただし、各装置の形状及び固定方法によっては、この角度に限定する必要はなく、特に限定されるものではない。

前記パルスレーザー光源２は、パルスレーザー光９を発生可能なモード同期チタンサファイアレーザ、又はフェムト秒ファイバーレーザであるのがよい。
また、このパルスレーザー光９の波長は、３００ナノメートル（３００ｎｍ＝０．３μｍ）以上、２ミクロン（２μｍ）以下の範囲に含まれるものであり、時間平均のエネルギーが０．１ｍＷ以上、１０Ｗ以下であり、パルス幅が１フェムト秒（１ｆｓ＝０．００１ｐｓ）以上、１０ピコ秒（１０ｐｓ）以下であるのがよい。
すなわち、電磁波の励起に際しては、光源として時間の幅の小さなパルスレーザー光を用いることにより、半導体及び溶液に大きな影響を及ぼさない状態で、電磁波の励起ができる。なお、半導体及び溶液に熱的影響を及ぼさない最大光パルス幅は、約１０ピコ秒と見積ることができる。

図１において検出・変換装置４は、例えば、電磁波検出ボローメーター、又は、半導体光スイッチであり、パルスレーザー光９の照射位置から放射されるパルス電磁波１０を検出して、電磁波の電場振幅の時間波形に対応した時間的に変化する電圧信号に変換するものである。また、前記パルス電磁波１０に含まれる周波数の成分は、１０ギガヘルツから１００テラヘルツまでの範囲に含まれることとし、これにより、一般的な構成の検出・変換装置４の利用が可能となる。

制御・解析装置８は、前記検出・変換装置４で変換した電圧信号から、被検出物質の有無の検出、及び、定量的な測定といった解析を行うものである。また、本実施例では、制御・解析装置８は、本明細書中に説明する制御や解析の実行を可能とするコンピュータであり、走査台７、検出・変換装置４、及び、パルスレーザー光源２の制御も併せて行うものである。

図３は、前記物質検出プレート５の概要図である。物質検出プレート５には、物質感応膜２１（２１ａ・２１ｂ・２１ｃ・２１ｄ）と絶縁体２２と半導体２３と透明基板２４とが備えられる。

尚、物質感応膜２１は、溶液のｐＨのみを計測する場合は、必要としない。

また、物質感応膜２１（２１ａ・２１ｂ・２１ｃ・２１ｄ）は、被検出物質の種類と同じ種類のものが同一基板上に作製され、被検出物質の種類の数と物質感応膜２１の種類の数が同一となる。例えば、被検出物質が４０種類ある場合には、４０個の物質感応膜２１が設けられる。また、この他、被検出物質が２０種類ある場合であって、各被検出物質の種類について二つの物質感応膜、即ち、合計４０個の物質感応膜２１を設けて、測定の精度の向上を図ることとしてもよい。

また、前記物質感応膜２１として、酵素を固定化した膜を備えることにより、この酵素と反応する被検出物質が溶液中に存在する場合には、酵素と被検出物質の反応によりｐＨが変化し、当該物質感応膜２１の存在する位置から発生するパルス電磁波１０の振幅強度が変化する。この振幅強度の変化を捉えることによって、被検出物質を検出できることになる。このように、物質感応膜２１を酵素にて構成することにより、一つの物質検出プレート５（測定セル２０）にて幅広い種類の物質の検出を行うことが可能となる。

また、前記物質感応膜２１として、抗原を固定化した膜を備えることにより、この抗原と反応する被検出物質（抗体）が溶液中に存在する場合には、抗原と被検出物質（抗体）の反応により感応膜表面の電荷が変化し、当該物質感応膜２１の存在する位置から発生するパルス電磁波１０の振幅強度が変化する。この振幅強度の変化を捉えることによって、被検出物質（抗体）を検出できることになる。このように、物質感応膜２１を抗原にて構成することにより、これに対応する抗体の検出を行うことが可能となり、物質検出装置１を、いわゆる生物センサとして利用可能となる。

また、前記物質感応膜２１（２１ａ・２１ｂ・２１ｃ・２１ｄ）は、図３、及び、図４に示すごとく、規定の間隔Ｌをあけて、複数列、複数行を形成するように配置される、即ち、アレイ状に配置されることとする。ここで規定の間隔Ｌをあけるのは、図３に示すごとく、例えば、物質感応膜２１ａにおける反応によるイオンの増減が、隣に位置する物質感応膜２１ｂに影響してしまうと、該物質感応膜２１ｂへのパルスレーザー光９の照射によって発生するパルス電磁波１０の振幅強度に影響して、物質感応膜２１ｂの被検出物質の定性的・定量的な測定について正確な結果を得られなくなるためである。

また、各物質感応膜２１の大きさ（前記半導体２３に対する投影面積）は、前記パルスレーザー光９の照射範囲に対応して設計される。即ち、パルスレーザー光９の照射範囲よりも広くなるように、各物質感応膜２１の大きさが設計される。

また、図３に示すごとく、前記半導体２３には絶縁体２２の膜が形成され、該絶縁体２２上に前記物質感応膜２１（２１ａ・２１ｂ・２１ｃ・２１ｄ）が配置される。本実施例では、前記絶縁体２２の厚さを約２７０ナノメートル、半導体２３の厚さを約１５０ナノメートルとしたが、半導体２３の厚さは、パルスレーザー光９の波長と半導体２３の種類によって決定される光侵入長と同等の大きさとするのが望ましい。尚、光侵入長は、半導体２３についての光吸収係数の逆数である。例えば、パルスレーザー光９の波長が７９０ナノメートルであり、半導体２３の種類が高抵抗のシリコンである場合、半導体２３の厚さは約２ミクロン程度とすることで、効率よくパルス電磁波１０を発生させることができる。

また、図３に示すごとく、前記透明基板２４は、半導体２３と絶縁体２２と物質感応膜２１（２１ａ・２１ｂ・２１ｃ・２１ｄ）を作製するときに必要である。さらに、物質検出プレート５の機械強度を保つためにも必要である。実施例では、透明基板２４としてサファイアが用いられている。また、図に示すように、前記透明基板２４上に半導体２３が配置され、その半導体２３上に前記絶縁体２２が配置され、その絶縁体２２上に前記物質感応膜２１が配置される。

また、図３に示すごとく、前記パルスレーザー光９は、前記物質検出プレート５の前記物質感応膜２１（２１ａ・２１ｂ・２１ｃ・２１ｄ）が作製される面の反対側から照射されるものである。このために、物質検出プレート５に設けられる半導体として、前記パルスレーザー光９を透過する絶縁体基板（透明基板２４）上に、半導体膜（半導体２３）を作製したものが使用される。

また、図３に示すごとく、リード線２５が半導体２３と電気的に接触されており、必要に応じて半導体２３に電圧を印加することができるようになっている。これにより、半導体内の空乏層の幅を制御することができる。

また、前記絶縁体２２の上に窒化シリコンなどの保護膜を作製することによれば、溶液中のイオンが絶縁体２２の中へ浸透し、検出信号が不安定になることを防ぐことができる。

また、図３に示すごとく、前記物質検出プレート５には、前記物質感応膜２１（２１ａ・２１ｂ・２１ｃ・２１ｄ）の側に、溶液セル６が装着される。この溶液セル６は、軸方向の一側端面が開放され、他側端面が閉じられる筒状容器であって、開放された端面から溶液を注ぎ、その開放を前記物質検出プレート５の物質感応膜２１側の表面にて塞がれて、密閉空間が形成されるようにするものである。

図５は、別実施形態の物質検出プレートをあらわす概略図である。この実施形態では、前記透明基板２４を備える代わりに、半導体２３の厚みを増して、機械強度を保っている。実施例では、半導体２３の厚さは６００ミクロンである。半導体２３は、研磨あるいはエッチング処理によって、物質感応膜２１ｅ・２１ｆの反対側の方向から取り除かれ、物質感応膜２１ｅ・２１ｆの下の箇所２７・２７では、薄くなるように構成される。実施例での厚さは、２〜３ミクロンである。

また、この図５に示す実施例では、半導体２３に断面視においてテーパー状の空間部２６・２６を形成して、物質感応膜２１ｅ・２１ｆに対応する箇所２７・２７における半導体２３の厚さが薄く形成されるものである。この空間部２６・２６の形状は、前記箇所２７・２７に前記パルスレーザー光９が直接に照射され、前記パルス電磁波１０が前記検出・変換装置４に直接到達することを可能とする形状とすることが望ましい。即ち、前記空間部２６・２６の断面視における開口角度２８を、前記パルスレーザー光９及びパルス電磁波１０が前記箇所２７・２７以外の半導体２３の部位と干渉しないように設計することが望ましい。換言すれば、前記開口角度２８を、パルスレーザー光９とパルス電磁波１０の間に形成される角度より大きくすることが望ましい。

また、図６は、溶液が物質検出プレート５Ａの表面に接するようにするための溶液セル６Ａの例について示す概略図である。被検出物質の含まれた溶液は、溶液流入口３２より注入され、検査後に不要となった溶液は、溶液排出口３３より排出される。また、側面視において物質感応膜が形成される面が略垂直となるように設置される物質検出プレート５Ａに、溶液セル６Ａを装着した状態において、前記溶液流入口３２が下側、前記溶液排出口３０が上側に配置され、前記溶液流入口３２から溶液が注入されると、その溶液高さが徐々に高まって、前記溶液排出口３３から排出される。

また、図６に示すように、この例の溶液セル６Ａは、軸方向の一方の端面６ｂが開放され、他方の端面６ｃが閉じられた筒状部材であって、略垂直に設置される物質検出プレート５Ａの図示せぬ物質感応膜が設置される面に対し、前記端面６ｂが設置され、前記物質検出プレート５Ａによって、前記端面６ｂの開口が塞がれる。このようにして、前記溶液流入口３２、及び、前記溶液排出口３３を除き、前記溶液セル６Ａが密閉された状態となって、該溶液セル６Ａに注入される溶液を物質検出プレート５Ａの表面に設けられる物質感応膜に接触させることができる。

また、図６の側面視に示す溶液セル６Ａにおいて、前記物質検出プレート５Ａ側に配置される前記端面６ｂと、その反対側の端面６ｃは略平行となるように設計され、かつ、前記端面６ｃが前記端面６ｂよりも高い位置に配置される。さらに、側面視において、前記端面６ｂ・６ｃの上下の端部は、それぞれ、輪郭線６ｄ・６ｅで結ばれ、これら端面６ｂ・６ｃ、及び、輪郭線６ｄ・６ｅにより、前記物質検出プレート５Ａ側の端面６ｂが反対の端面６ｃよりも低い位置に配置される平行四辺形が形成される。

さらに、図６に示すごとく、前記溶液流入口３２は、前記物質検出プレート５Ａの近傍に配置される一方、前記溶液排出口３３はその溶液セル６Ａ内の開口３３ａが、前記物質検出プレート５Ａの最上位置５ａよりも上に配置される。この配置構成により、前記溶液流入口３２より溶液が注入され、その液高さが上昇して前記最上位置５ａに達した後においては、必ず、この最上位置５ａよりも高い位置に液面が位置することになり、前記物質検出プレート５Ａの物質感応膜が配置される側の表面全体に対して溶液を接触させることが可能となる。これにより、溶液中の被検出物質を確実に物質検出プレート５の物質感応膜に対して接触させることが可能となり、測定精度を向上させることが可能となる。

また、図６に示すごとく、前記端面６ｃから溶液セル６Ａ内に参照電極３１が挿入される。この参照電極３１は、飽和塩化カリウム溶液に浸された銀・塩化銀電極である。そして、参照電極３１とリード線２５の間には電圧源が設置されており、電圧を印加することが可能であり、前記被検出物質を含む溶液の電位を安定させる手段として機能するものである。尚、この参照電極３１は、図１、図３、図４、又は、図５に示される溶液セル６の構成についても、該溶液セル６に挿入されて、電位安定化手段として利用することができる。

以上のように、図１、図３、図４、及び、図５に示すごとく、前記物質検出プレート５は、半導体２３と、前記半導体２３上に作製される絶縁体２２と、前記絶縁体２２上に作製される複数の物質感応膜２１と、から構成されるものである。

また、図１、図３、図４、及び、図５に示すごとく、前記測定セル２０は、半導体２３と、前記半導体２３上に作製される絶縁体２２と、前記絶縁体２２上に作製される複数の物質感応膜２１と、から構成される物質検出プレート５と、前記物質検出プレートに装着されて、溶液を前記物質感応膜と接触させるための溶液セル６と、を具備するものである。

そして、以上のように構成される物質検出プレート５、及び、測定セル２０は、簡易な構成であって、大量生産が可能な構成であり、これにより、製造コストも低く抑えることが可能であることから、被検出物質の解析完了後には廃棄する、即ち、使い捨てによる運用も実現可能である。また、この運用により、測定セル２０についての清潔性が確保され、正確な解析が実現可能となる。

図７は、前記参照電極３１と前記リード線２５の間に印加された電圧（横軸）と、前記パルスレーザー光９の照射によって生じるパルス電磁波１０の振幅強度（縦軸）の関係をあらわすグラフである。このグラフからわかるように、印加電圧が略２．０ボルトから４．５ボルトの範囲においては、グラフ上の電圧―電磁波強度線が直線的（線形）で、かつ、傾きが大きいものとなり、この範囲において電圧を印加し、パルス電磁波１０を測定することによれば、パルス電磁波１０の変化を線形的に得ることが可能となる。このため、被検出物質の検出を行う場合は、グラフ上の電圧―電磁波強度線が、直線に近く、かつ、傾きが大きくなるように、電圧を印加するほうが好ましく、例えば、印加電圧を約２．３ボルトとすることによれば、前記物質感応膜２１に被検出物質が接触し、反応により電圧変化が生じた際には、この電圧変化に基づく電磁波の振幅の強度変化を、前記制御・解析装置８にて確実に捉えることが可能となり、検出効率を最適化することができる。即ち、銀／塩化銀の参照電極３１と前記半導体２３の間に電圧を印加することで、被検出物質の前記物質感応膜との反応に対する前記パルス電磁波１０の振幅強度の変化率を増加させることとし、検出効率を向上させることができるのである。

また、図８は本実施例の構成において、ある溶液のｐＨ（横軸）と、検出された前記パルス電磁波１０の振幅強度（縦軸）の関係をあらわすグラフである。ｐＨの増加と共に、前記パルス電磁波１０の振幅強度が線形に変化していることがわかる。この図から、前記物質感応膜２１による被検出物質の分解によって変化するｐＨを、前記パルス電磁波１０によって非接触で定量的に検出することができることがわかり、これによれば、前記被検出物質の濃度を定量的に測定することが可能となる。

以上のように物質検出装置１を構成し、溶液に含まれる被検出物質の測定を次のようにして行う。
図３に示すごとく、物質検出プレート５に溶液が満たされた溶液セル６を装着して一つの測定セル２０が構成される。この測定セル２０を、図１に示すごとく、走査台７上の規定の位置に設置し、前記制御・解析装置８の制御によって、パルスレーザー光９の照射位置と、前記物質感応膜２１のうちの一つが一致するように、走査台７上において、測定セル２０が移動させられる。

そして、制御・解析装置８は、前記パルスレーザー光源２により、前記物質検出プレート５の半導体２３における、前記絶縁体２２とは反対側であって、かつ、前記物質感応膜２１（例えば、２１ａ（図３））に対応する位置に、パルスレーザー光９を照射させる。このパルスレーザー光９の照射によって生じるパルス電磁波１０が検出・変換装置４によって検出され、制御・解析装置８では、その検出結果を取り込んで、パルス電磁波１０の振幅強度から、物質感応膜２１での反応の有無や、反応の度合いが検出される。

そして、制御・解析装置８は、一つの物質感応膜２１についてのパルス電磁波１０の検出が行われると、前記走査台７を制御して、測定セル２０を移動させ、他の物質感応膜２１についてのパルスレーザー光９の照射を行う。このように、物質検出装置１においては、前記物質検出プレートの前記半導体上に複数の物質感応膜がアレイ状に作製されるとともに、前記パルスレーザー光を２次元的に走査して照射する手段（走査台７、パルスレーザー光源２）を備え、前記パルスレーザー光を２次元的に走査して照射する手段（走査台７、パルスレーザー光源２）によって、順次、前記パルスレーザー光を前記物質感応膜の各配置箇所に対して照射し、前記照射によって発生されるパルス電磁波の振幅強度を、順次、計測するものである。

そして、制御・解析装置８は、前記パルス電磁波１０の振幅強度より被検出物質の量を定量的に計測する手段として機能するものであり、各物質感応膜２１での反応の有無（電磁波振幅強度の変化の有無）や、反応の度合い（電磁波振幅強度の変化の量）を検出し、被検出物質の解析を行うものである。

そして、このようにして行われる被検出物質の解析については、前述のように、物質感応膜２１での反応の有無により、パルス電磁波１０の振幅強度が変化することから、このパルス電磁波１０の強度変化の有無から、被検出物質の存在の有無といった定性的な解析が行えることになる。

また、前述のように、前記物質感応膜２１による被検出物質の分解によって溶液のｐＨが変化し、これによって、発生するパルス電磁波１０の振幅強度が変化することから、このパルス電磁波１０の強度変化の大小から、被検出物質の濃度を測定するといった、定量的な解析が行えることになる。

また、この定量的な解析につき、パルスレーザー光９の照射時間と被検出物質の濃度変化との相関を解析することによれば、物質感応膜２１における被検出物質の分解の速度や、その速度変化の挙動についての解析を行うことも可能となる。例えば、反応開始時の分解速度が非常に遅いが、一定の分解が進んだ後は、分解速度が急激に上昇するといった挙動を把握するといった反応過程を分析することも可能となり、また、その反応過程をパルス電磁波１０の波長強度からリアルタイムに分析することが可能となる。

さらに、以上の一連の解析においては、測定セル２０を一度セットした後は、走査台７にて測定セル２０を順次移動させて、各物質感応膜２１に対応する位置にパルスレーザー光９を照射することで、各被検出物質についての解析を実施することができ、作業性がよく、短時間で、効率よく多くの解析データを得ることが可能となる。また、被検出物質と物質感応膜との反応を直接検出することができるので、ラベルフリーの物質検出が可能となる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明によれば、生体物質間の相互作用反応（抗原−抗体、酵素反応、アレルギー反応等）を高スループットで検出する装置を実現することができる。また、利用分野として、臨床検査、テーラーメイド医療、医学研究、医薬品開発、環境汚染物質評価、食品安全管理などの分野において、幅広く利用することができる。

本発明に係る物質検査装置の概略図である。 本発明に係る物質検出プレートのエネルギーバンド分布の模式図である。 本実施形態の物質検出プレートの概略図である。 物質感応膜の配置例について示す概略図である。 本実施形態の物質検出プレートの異なる形態をあらわす概略図である。 本実施形態の溶液セルの他の構成の概略図である。 参照電極とリード線の間に印加された電圧（横軸）とパルス電磁波の振幅強度（縦軸）の関係をあらわすグラフである。 ｐＨ（横軸）とパルス電磁波の振幅強度（縦軸）の関係をあらわすグラフである。

符号の説明

１ 物質検出装置
２ パルスレーザー光源
３ 集光装置
４ 検出・変換装置
５ 物質検出プレート
６ 溶液セル
７ 走査台
８ 制御・解析装置
９ パルスレーザー光
１０ パルス電磁波
１１ 制御信号線
２１ 物質感応膜
２２ 絶縁体
２３ 半導体
２４ 透明基板
２５ リード線
３１ 参照電極
３２ 溶液流入口
３３ 溶液排出口

Claims (15)

1. 半導体上に作製される絶縁体上に物質感応膜を作製した物質検出プレートと、
   被検出物質を含む溶液を前記物質感応膜の表面へ接触させる手段と、
   前記溶液の電位を安定させる手段と、
   前記物質検出プレートにパルスレーザー光を照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を発生させる手段と、
   前記パルス電磁波の振幅強度を計測する手段と、
   前記振幅強度より、被検出物質の有無を判定する手段を備えることを特徴とする物質検出装置。
2. 前記パルスレーザー光を前記物質検出プレートの前記物質感応膜が作製される面の反対側から照射することを特徴とする請求項１に記載の物質検出装置。
3. 前記パルス電磁波の振幅強度より被検出物質の量を定量的に計測する手段を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の物質検出装置。
4. 前記半導体の厚さは、前記パルスレーザー光の照射する位置で該パルスレーザーの波長と該半導体の種類によって決定される光侵入長と同等の大きさとすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の物質検出装置。
5. 前記被検出物質を含む溶液の電位を安定させる手段として、溶液中に銀／塩化銀参照電極を設置することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の物質検出装置。
6. 前記銀／塩化銀参照電極と前記半導体の間に電圧を印加することで、被検出物質の前記物質感応膜との反応に対する前記パルス電磁波の振幅強度の変化率を増加させることを特徴とする請求項５に記載の物質検出装置。
7. 前記物質検出プレートの前記半導体上に作製される絶縁体上に複数の物質感応膜がアレイ状に作製されるとともに、
   前記パルスレーザー光を２次元的に走査して照射する手段を備え、
   前記パルスレーザー光を２次元的に走査して照射する手段によって、順次、前記パルスレーザー光を前記物質感応膜の各配置箇所に対して照射し、
   前記照射によって発生されるパルス電磁波の振幅強度を、順次、計測する、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の物質検出装置。
8. 前記パルスレーザー光の波長は、３００ナノメートル以上、２ミクロン以下の範囲に含まれることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の物質検出装置。
9. 前記パルス電磁波に含まれる周波数の成分は、１０ギガヘルツから１００テラヘルツまでの範囲に含まれることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の物質検出装置。
10. 前記物質感応膜として、酵素を固定化した膜を備えることを特徴とした請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の物質検出装置。
11. 前記物質感応膜として、抗原を固定化した膜を備えることを特徴とした請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の物質検出装置。
12. 前記半導体として、前記パルスレーザー光を透過する絶縁体基板上に、半導体薄膜を作製したものを使用することを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の物質検出装置。
13. 半導体と、
    前記半導体上に作製される絶縁体と、
    前記絶縁体上に作製される複数の物質感応膜と、
    から構成される物質検出プレートと、
    前記物質検出プレートに装着されて、溶液を前記物質感応膜と接触させるための溶液セルと、
    から測定セルを構成し、
    前記溶液セルに溶液を注入し、
    前記半導体における、前記絶縁体とは反対側であって、かつ、前記物質感応膜に対応する位置に、パルスレーザー光を照射し、
    前記パルスレーザー光の照射によって発生するパルス電磁波の振幅強度を測定する、
    物質検出方法。
14. 半導体と、
    前記半導体上に作製される絶縁体と、
    前記絶縁体上に作製される複数の物質感応膜と、
    から構成される物質検出プレート。
15. 半導体と、
    前記半導体上に作製される絶縁体と、
    前記絶縁体上に作製される複数の物質感応膜と、
    から構成される物質検出プレートと、
    前記物質検出プレートに装着されて、溶液を前記物質感応膜と接触させるための溶液セルと、
    を具備する、測定セル。
    

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