JP4898097B2 - メカニカルセンサーおよびそれを用いた分析システム - Google Patents

Description

気体、もしくは液体中で、特定の分子の検出や温度など環境の変化を固体の形状変化によって検出するセンサーおよびそれを用いた分析システムに関する。

背景技術について、原子間力顕微鏡に用いられているカンチレバーを利用したカンチレバーセンサーを例に説明する。

図８は走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一つである原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の概略図である。この従来のＡＦＭにおいては、ＸＹＺトランスレータ１００１上の試料ステージ１００２に試料１００３をのせ、試料１００３をカンチレバー１００４の先端に固定された先鋭化されたプローブへ接触させ、ＸＹＺトランスレータ１００１で試料をＸ−Ｙ面内に走査する。このとき、カンチレバーのたわみをたわみ検出器１００５でモニターし一定のたわみになるようにコントローラ１００６がフィードバック制御を行いＸＹＺトランスレータ１００１で試料１００３のZ方向の位置を調節する。
試料表面上の各位置での調節量をコンピュータで画面上にマッピングすることによって試料表面の微細な構造を観察することができる。カンチレバーのたわみは、光てこ法でたわみを検出する。たわみ検出器は、半導体レーザーと、２分割のフォトダイオードからなる。半導体レーザーからレーザー光をカンチレバーに照射し、その反射光をフォトダイオードで受光する。カンチレバーがたわむと反射光の角度が変化し、フォトダイオード上のレーザースポットが移動する。このときに分割フォトダイオードの各部分に入射する光量が変化するため、各部分の電気出力の差分を測定することでカンチレバーのたわみを高感度に検出することができる。

ＡＦＭに用いられるカンチレバーは、たわみ検出器とあわせて非常に高感度な力センサーとして働くため、近年、ＡＦＭのカンチレバーを利用したセンサー（カンチレバーセンサー）が開発されている。従来のカンチレバーセンサーにおいて、特許文献１で開示されているように、カンチレバーは、２本以上で、そのうち少なくとも１本は、参照用とし、残りのカンチレバーを検出用とする。検出用カンチレバーの一方の面は、特定の分子が吸着するように化学修飾されており、分子の吸着によってカンチレバーがたわむ。このとき、カンチレバーは、温度など吸着以外の要因によってもたわむため、化学修飾されていない参照用カンチレバーのたわみと検出用カンチレバーのたわみとの差を測定することで、吸着のみによるたわみを測定することができ、特定の分子を検出することができる。特許文献１において、カンチレバーのたわみの検出は、光てこ法であり、一つの位置センサー（ＰＳＤ）とカンチレバーと同数の光源を用い、光源を順次点滅させ、タイミングを同期させて位置センサーの出力を測定することで各カンチレバーのたわみを測定する。
国際公開第０１／３３２２６号パンフレット （図８）

以上、背景技術で説明したように、従来のカンチレバーセンサーにおいては、検出用と参照用のカンチレバーが必要で、各カンチレバーのたわみを検出するためには、カンチレバーと同数の光源が必要となる。また、光源から照射される光は、対応するカンチレバーに正確に照射される必要があり、位置あわせが困難である。また、位置あわせの精度によって、検出用カンチレバーと参照用カンチレバーの距離が決まり、近接させることが困難である。また、光てこ法では、カンチレバーの変位を直接測定している訳ではなく、光のスポットの当たる位置によって感度が変わるため、定量的測定を行うためには、光軸調整毎に信号出力とたわみ量のキャリブレーションを行う必要がある。そのため、従来のカンチレバーセンサーをアレイ化した分析システムをくむことが困難であった。

そこで本願発明は、複数のカンチレバーを有していても照射光の位置合わせが容易で、従来のキャリブレーションを不要とする安価なメカニカルセンサーと、それを利用した分析システムを提供することを目的としている。

以上のような課題を解決するため、本発明のメカニカルセンサーでは、少なくとも一つの検出手段と、少なくとも一つの参照手段と、前記検出手段と前記参照手段の形状変化を測定する測定手段とからなり、前記検出手段と前記参照手段が交互に配置されている構成とした。このような構成とすることで、前記検出手段と前記参照手段との差動検出が可能となり、温度ドリフトなどの外乱の影響を低減することができ高精度の検出が可能となる。
また、前記測定手段が、光照射手段と受光手段とからなる構成とした。このような構成とすることで、非接触で前記検出手段と、前記参照手段の形状変化を測定することが可能となる。
また、前記光照射手段から前記検出手段と前記参照手段とに光を照射し、前記検出手段からの反射光と、前記参照手段からの反射光との干渉光を前記受光手段で受光する構成とした。このような構成とすることで、前記測定手段の光軸あわせを容易に行うことが可能となる。
また、前記受光手段が、少なくとも一つのフォトダイオードからなる構成とした。このような構成とすることで、前記検出手段からの反射光と前記参照手段からの反射光との干渉光の強度変化を測定することができる。
また、前記受光手段が、イメージセンサーからなる構成とした。このような構成とすることで、前記検出手段からの反射光と前記参照手段からの反射光がなす干渉パターンを測定することが可能となる。
また、前記光照射手段が、少なくとも一つのレーザー光源からなる構成とした。このような構成とすることで、可干渉性が向上し、測定分解能の向上が可能となる。

また、本発明に関わる分析システムは、前記メカニカルセンサーと液溜手段からなる反応部を少なくとも一つ有する構成とした。このような構成とすることで、前記液溜手段にためた液体に前記メカニカルセンサーが浸され、液体中に含まれる対象物質を検出することが可能となる。

また、前記反応部を複数有し、前記検出部がアレイ状に配置されている構成とした。このような構成とすることで、一度に複数の物質の検出が可能となる。

本発明によれば、照射光源の数が少なくてすみ、照射光の位置あわせが容易に行えるようになる。また、カンチレバーのピッチが光源の位置あわせ精度に影響されることなく自由に設定可能になり、検出用カンチレバーと参照用カンチレバーを近接させることが可能となる。さらに、参照用カンチレバーのたわみと検出用カンチレバーのたわみの差を直接測定できるため、キャリブレーションすることなく定量的測定を行えるようになる。

以下、発明を実施するための最良の形態について、抗原を検出するカンチレバーセンサーを例に説明を行うが、本発明の形態がこれに限定されるものではない。

まず、図１に基づいてカンチレバーセンサーの構造に関して説明する。カンチレバーセンサー１０５は、主にカンチレバー支持部１０２、参照用カンチレバー１０３および検出用カンチレバー１０４からなる。参照用カンチレバー１０３と検出用カンチレバー１０４は交互に配置される。光源からのビームスポットは、ビームスポット１０１で示すように複数の参照用および検出用カンチレバーに照射される。検出用カンチレバー１０４および参照用カンチレバー１０３は、図１の（Ｃ）、（Ｄ）で示すようにカンチレバー基材１０９の一方の面を反射膜１１０、抗体固定膜１１２で覆い、検出用カンチレバーにおいてはさらに、抗体固定膜１１２に抗体を固定する。

次に、図２から４に基づいて、抗体の検出方法および構成について説明する。図２は、本発明に関わるメカニカルセンサーの構成例である。図３はカンチレバーセンサー１０５をカンチレバーの自由端側から見たもので、（Ａ）は抗原の検出前、（Ｂ）は抗原の検出後を表している。

光源２０５から照射された光は、反射鏡２０６で反射されビームスプリッタ２０８を透過しカンチレバーセンサー１０５に照射される。カンチレバーセンサー１０５の各参照用カンチレバー１０３、検出用カンチレバー１０４からの反射光は、ビームスプリッタ２０８で反射され受光器２０７に入射する。

抗原が検出されていない状態では、図３（Ａ）に示す通り検出用カンチレバー１０４はたわまないため、参照用カンチレバー１０３と同様の変位であるが、検出用カンチレバー１０４に固定された抗体に抗原が吸着するとその面の表面張力が変化してカンチレバーがたわみ、図３（Ｂ）で示すように検出用カンチレバー１０４と参照用カンチレバー１０３の変位が異なる状態となり、参照用カンチレバー１０３からの反射光と検出用カンチレバー１０４からの反射光に光路差が生じ、二つの反射光は干渉する。受光器２０７がフォトダイオードのような光量を測定するようなものであれば、光量変化を測定することで光路差を測定することが可能となる。受光器２０７がＣＣＤ等のイメージセンサーであれば、干渉パターンのピッチを測定でき、ピッチから光路差を得ることができる。二つの反射光の光路差から参照用カンチレバー１０３と検出用カンチレバー１０４のたわみの差を得ることができる。

図４はカンチレバーへの光の照射、および、カンチレバーからの反射光の受光を直接行う場合のメカニカルセンサーの構成図であり、カンチレバーセンサーへの光の照射はこのような構成としてもよい。光源４０５から照射された光は斜めに検出用カンチレバー４０３と参照用カンチレバー４０４に入射し、反射光は受光器４０７に入射する。このように、斜めに光を照射することで図２で示したようなビームスプリッタ等の光学部品が不要となり、装置構成を単純化することが可能となる。

また、カンチレバーセンサーは、図５に示すように参照用および検出用カンチレバーを配置してもよい。図５において、検出用カンチレバー５０３と参照用カンチレバー５０４は向きが反対で、かつ、交互に配置されている。図５においては、カンチレバー支持部５０２が、参照用カンチレバーと検出用カンチレバーで共通となっているが、参照用カンチレバー支持部と、検出用カンチレバー支持部とに分かれていてもよい。

また、センサーの形状はカンチレバーに限定されるものではなく、特定の分子の吸着や、温度などの環境の変化等によって形状が変化するものであればよい。

次に、本発明に関わるメカニカルセンサーの検出原理に関して詳細に説明する。図６（Ａ）は検出用カンチレバーからの反射光と参照用カンチレバーからの反射光がなす干渉パターンである。干渉パターンは、明線６０１と暗線６０２からなり、検出用カンチレバーのたわみと参照用カンチレバーのたわみとの差Dhの変化にともなって明線６０１の位置や間隔が変化する。従ってCCDやCMOSセンサーなどのイメージセンサーで干渉パターン６０３を撮影し、明線６０１の位置やピッチを測定することで検出用カンチレバーのたわみと参照用カンチレバーのたわみの差Dhを測定することが可能となる。
また、干渉パターン６０３内の任意の箇所にフォトダイオードなど受光素子を配置すると、その出力は図６（Ｂ）に示すようになる。図６（Ｂ）において、横軸は、検出用カンチレバーのたわみと参照用カンチレバーのたわみの差Dh、縦軸は、受光素子の出力の大きさIである。Dhに対するIの変化は、検出に用いる光の波長の1/4毎に周期的に変化する。従って、受光素子の出力を測定することで、その変化から、Dhを求めることが可能となる。

以上、述べたように本発明の実施の形態によれば、照射光源の数が少なくてすみ、照射光の位置あわせが容易に行え、また、カンチレバーのピッチが光源の位置あわせ精度に影響されることなく自由に設定可能になり、検出用カンチレバーと参照用カンチレバーを近接させることが可能となる。さらに、参照用カンチレバーのたわみと検出用カンチレバーのたわみの差を直接測定できるため、キャリブレーションすることなく定量的測定を行えるようになる。

次に、本発明に関わるメカニカルセンサーを用いた分析システムに関して説明する。図７は、分析システムの中核をなす分析プレートの概略図である。分析プレート７０１には、反応部７０２が形成されている。反応部７０２は、交互に配置された検出用カンチレバー７０４と参照用カンチレバー７０５と、液溜部７０６を有す。液溜部７０６を測定対象となる液体で満たし、先に述べた方法で、検出用カンチレバーのたわみと、参照用カンチレバーのたわみとの差Dhを測定することで、検出対象となる物質が存在するか検査することができる。
ここで、Dhを測定するための光源と受光器は、少なくとも一組で各反応部をスキャンしてもよいし、反応部７０２毎に配置してもよい。また、本説明においては一組の検出用カンチレバー７０４と参照用カンチレバー７０５毎に液溜部が配置されている構造を示したが、各反応部７０２の液溜部が結合した構造としてもよい。

本発明に係るカンチレバーセンサーの構造図 本発明に係るカンチレバーセンサーシステムの構成図 本発明に係るカンチレバーのたわみ検出原理の説明図 本発明に係るカンチレバーセンサーシステムの構成図 本発明に係るカンチレバーセンサーの構成図 本発明に係る検出用カンチレバーと参照用カンチレバーのたわみ差の検出原理の説明図 本発明に係るメカニカルセンサーを利用した分析システムの概略図 従来の原子間力顕微鏡の構成図

符号の説明

１０１、５０１ ビームスポット
１０２、５０２ カンチレバー支持部
１０３、４０３、５０３、７０３ 参照用カンチレバー
１０４、４０４、５０４、７０４ 検出用カンチレバー
１０５ カンチレバーセンサー
１０９ カンチレバー基材
１１０ 反射膜および抗体固定膜
１１１ 抗体
２０５、４０５ 光源
２０６ 反射鏡
２０７、４０７ 受光器
２０８ ビームスプリッタ
７０１ 分析プレート
７０２ 反応部
７０６ 液溜部
１００１ ＸＹＺトランスレータ
１００２ 試料ステージ
１００３ 試料
１００４ カンチレバー
１００５ カンチレバーのたわみ検出器
１００６ コントローラ
１００７ コンピュータ

Claims (3)

1. 片持ち梁状の複数の検出手段と、片持ち梁状の複数の参照手段と、前記検出手段と前記参照手段との形状変化を測定する測定手段とからなり、固体表面への分子の吸着もしくは温度など環境の変化によって起こる固体の形状変化を測定することにより、分子や環境の変化を検出するメカニカルセンサーにおいて、前記検出手段と前記参照手段とが互いに交互に配置されており、
   前記測定手段は、
   前記複数の検出手段及び前記複数の参照手段の全てを含むビームスポット（１０１、５０１）で光を照射する光照射手段と、
   前記検出手段で反射した反射光と前記参照手段で反射した反射光との干渉光を受光する受光手段と、
   前記干渉光に対応する干渉光データを用いて前記固体の形状変化を測定する形状変化測定部とを備え、
   前記受光手段は、イメージセンサーから構成されており、
   前記干渉光データは、前記干渉光の強度データである明線データと前記明線データよりも弱い強度データである暗線データとを備え、
   前記形状変化測定部は、前記イメージセンサーにおける前記明線データ及び前記暗線データのいずれか一方のピッチの変化を用いることを特徴とするメカニカルセンサー。
2. 請求項１に記載のメカニカルセンサーと、複数の前記検出手段及び複数の前記参照手段を備える液溜部からなる少なくとも一つの反応部とを有し、前記液溜部は測定対象となる液が満たされるものであることを特徴とする分析システム。
3. 前記反応部を複数有し、前記検出手段がアレイ状に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の分析システム。

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