JPWO2005095922A1 - ナノギャップ列物質捕捉検出同定方法および装置 - Google Patents

Abstract

被検出物質としての分子が液中に存在しているような場合であっても、その物質を高感度で測定することができるナノギャップ列物質捕捉検出同定方法および装置を提供する。列状の探針（５）を有するカンチレバー（４）を配置してなるカンチレバーアレー（３）と、このカンチレバーアレー（３）の下方に配置され、修飾面（２）が前記カンチレバー（４）の探針（５）に対応して配置される基板（１）とを備え、前記修飾面（２）にセットされる未知の物質（６）と前記カンチレバー（４）の探針（５）との間のナノメートルオーダーのギャップで前記未知の物質（６）を捕捉し、検出し、同定する。

Description

本発明は、ナノギャップ列物質捕捉検出同定方法および装置に関するものである。

従来、カンチレバーアレーを用いた物質の検出には、以下の二つの方法がある。

（１）物質と反応ないし吸着する物質をカンチレバーにあらかじめ塗布し、物質導入に伴うカンチレバーの反りを光学的、ないし電気的に検出する（下記非特許文献１参照）。

（２）カンチレバーを振動させ、物質捕捉に伴う質量変化や、カンチレバーのダンピングの変化を振動周波数や振動振幅の変化として検出する（下記非特許文献２参照）。

また、カンチレバーを用いない単分子計測方法としては、以下の方法がある。

（３）平板基板に電極間距離が数ｎｍの電極を２個用意し、電極間で分子を捕捉して電気的計測を行う。

また、本願発明者らは、以下のようなナノメートルオーダーの機械振動子およびそれを用いた測定装置を提案している。

（４）ナノメートルオーダーの飛躍的な力や質量変化の検出分解能を有する安定で感度の高いナノメートルオーダー機械振動子およびそれを用いた測定装置を開示している（下記特許文献１参照）。

（５）カンチレバーによる試料の物性分布のマッピング方法とその装置を開示している（下記特許文献２参照）。

（６）試料表面の検出を行うカンチレバー、それを用いた走査型プローブ顕微鏡、ホモダインレーザ干渉計、試料の励振機能を有するレーザドップラー干渉計などを開示している（下記特許文献３参照）。

（７）光ピンセットの例としては、下記非特許文献３〜５において開示されている。
特開２００１−００９１４４１号公報 特開２００１−０２９８７６８号公報 特開２００３−０１１４１８２号公報 Ｍ．Ｋ．Ｂａｌｌｅｒ，Ｈ．Ｐ．Ｌａｎｇ，Ｊ．Ｆｒｉｔｚ，Ｃｈ．Ｇｅｒｂｅｒ，Ｊ．Ｋ．Ｇｉｍｚｅｗｓｋｉ，Ｕ．Ｄｒｅｃｈｓｌｅｒ，Ｈ．Ｒｏｔｈｕｉｚｅｎ，Ｍ．Ｄｅｓｐｏｎｔ，Ｐ．Ｖｅｔｔｉｇｅｒ，Ｆ．Ｍ．Ｂａｔｔｉｓｔｏｎ，Ｊ．Ｐ．Ｒａｍｓｅｙｅｒ，Ｐ．Ｆｏｒｎａｒｏ，Ｅ．Ｍｅｙｅｒ，ａｎｄ Ｈ．−Ｊ．Ｇｕｅｎｔｈｅｒｏｄｔ：Ａ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ａｒｒａｙ−ｂａｓｅｄ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｎｏｓｅ，Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，（２０００）１． Ｂ．Ｉｌｉｃ，Ｄ．Ｃｚａｐｌｅｗｓｋｉ，Ｍ．Ｚａｌａｌｕｔｄｉｎｏｖ，ａｎｄ Ｈ．Ｇ．Ｃｒａｉｇｈｅａｄ，Ｐ．Ｎｅｕｚｉｌ，Ｃ．Ｃａｍｐａｇｎｏｌｏ ａｎｄ Ｃ．Ｂａｔｔ：Ｓｉｎｇｌｅ ｃｅｌｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ１９，（２００１），２８２５． Ｒ．Ｇｕｓｓｇａｒｄ ａｎｄ Ｔ．Ｌｉｎｄｍｏ：Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｐｔｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａｎ，Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．１０ 橘，浮田：「上下入射光による微粒子の操作」，光学，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．９，ｐｐ．５２４−５２９，１９９８ Ｈ．Ｕｋｉｔａ ａｎｄ Ｔ．Ｓａｉｔｏｈ："Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏ−Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｅａｄｓ ｉｎ Ａｘｉａｌ ａｎｄ Ｌａｔｅｒａｌ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ Ｕｐｗａｒｄ ａｎｄ Ｄｏｗｎｗａｒｄ−Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍｓ"，ＬＥＯＳ’９９（ＩＥＥＥ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ １９９９ Ａｎｎｕａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ），ｐｐ．１６９−１７０，８−１１，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ １９９９，Ｓａｎ Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ ＵＳＡ

しかしながら、上記した３つの検出・計測方法は以下のような問題点を有する。

（１）に関しては、検出したい物質が例えば単分子であると、カンチレバー全体が反るほどの影響はなく、かなりの量の分子が吸着しないと変化が検出できない。また、準静的な反りを検出するため、温度変化等のドリフトとの区別が付け難い。

（２）に関しては、生体関連物質等、液中での計測が不可欠な環境において、カンチレバーの振動が液によって減衰され、感度の良い検出が難しい。

（３）に関しては、精度よく多数の間隙を実現することが困難である。特に、空隙の両端の修飾の選択肢がきわめて限られており、力計測、電気計測、光計測が実現し難い。

本発明は、上記状況に鑑みて、被検出物質としての分子が液中に存在しているような場合であっても、その物質を高感度で測定することができるナノギャップ列物質捕捉検出同定方法および装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕ナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、列状に探針を有するカンチレバーを配置してなるカンチレバーアレーを設け、前記カンチレバーアレーの下方に、修飾面が前記カンチレバーの探針に対応して配置される基板を配置して、未知の物質を前記基板の修飾面と前記カンチレバーの探針の先端との間のナノメートルオーダーのギャップで捕捉し、検出し、同定することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記基板の修飾面と前記カンチレバーの探針の先端との間のギャップ長が既知であることを特徴とする。

〔３〕上記〔２〕記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記ギャップ長が一定に設定されることを特徴とする。

〔４〕上記〔２〕記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記ギャップ長が勾配を有することを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕又は〔２〕記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記物質が液中の物質であることを特徴とする。

〔６〕上記〔１〕、〔２〕又は〔５〕記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記物質が分子であることを特徴とする。

〔７〕上記〔６〕記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記分子が単分子であることを特徴とする。

〔８〕上記〔１〕、〔２〕又は〔５〕記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記物質がタンパクであることを特徴とする。

〔９〕上記〔１〕、〔２〕又は〔５〕記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記物質が生体物質であることを特徴とする。

〔１０〕上記〔１〕から〔９〕の何れか１項記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記カンチレバー探針の先端に予め特定の物質を捕捉するための修飾を施すことを特徴とする。

〔１１〕上記〔１〕から〔１０〕の何れか１項記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、光を透過する探針を用いて、カンチレバーから探針先端に向けて光を導入し、ナノギャップにおいて光の場を集中させ、その光の勾配によって近傍の捕捉対象すべき物質をギャップへ引き込むことを特徴とする。

〔１２〕ナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、基板の背面より１次レーザ入射光を照射し、この１次レーザ入射光を臨界角より浅い角度で物質のギャップ近傍に入射し、エバネッセント場による励起を生成させ、このエバネッセント場に置かれた探針先端が発生する伝搬光の場の勾配を用いて、近傍の捕捉すべき対象物質をギャップへ引き込むことを特徴とする。

〔１３〕ナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、列状の探針を有するカンチレバーを配置してなるカンチレバーアレーと、このカンチレバーアレーの下方に配置され、修飾面が前記カンチレバーの探針に対応して配置される基板とを備え、未知の物質を前記基板の修飾面と前記カンチレバーの探針の先端との間のナノメートルオーダーのギャップで捕捉し、検出し、同定することを特徴とする。

〔１４〕上記〔１３〕記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記カンチレバーの探針に修飾を施すことを特徴とする。

〔１５〕上記〔１３〕記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記捕捉された物質は、カンチレバーを振動させ、物質捕捉に伴う質量変化やカンチレバーのダンピングの変化を、振動周波数や振動振幅の変化として検出し、同定することを特徴とする。

〔１６〕上記〔１３〕記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記装置は、光励振機能を有するレーザドップラー干渉計を用い、捕捉された物質の特性を検出し、同定することを特徴とする。

〔１７〕上記〔１３〕記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記装置はカンチレバーアレーとその支持部材が透明部材からなり、各カンチレバーとこの部材がなす間隔を用いてカンチレバーの変位、振幅、周波数を光干渉法で計測し、捕捉された物質の特性を検出し、同定することを特徴とする。

〔１８〕ナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、列状の探針を有するカンチレバーを配置してなるカンチレバーアレーと、このカンチレバーアレーの下方に配置され、修飾面にセットされる物質が供給される複数の円形状の溝を有する円盤状の基板とを備え、未知の物質を前記基板の修飾面と前記カンチレバーの探針の先端との間のナノメートルオーダーのギャップで捕捉し、検出し、同定することを特徴とする。

〔１９〕上記〔１８〕記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記複数の円形状の溝のそれぞれにそれぞれ異なる物質をセットし、複数の物質を一度に捕捉し、検出し、同定することを特徴とする。

〔２０〕ナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、試料がセットされる透明基板と、この透明基板の試料に対応して配置されるナノギャップ列をなすカンチレバーと、このカンチレバーの探針と前記透明基板間に捕捉される物質を備え、前記透明基板の背面より１次レーザ入射光を照射し、前記ナノギャップで物質を捕捉し、光学計測を行うことを特徴とする。

〔２１〕上記〔２０〕記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記１次レーザ入射光を臨界角より浅い角度で前記物質のセット部に入射し、エバネッセント場による励起を生成させることを特徴とする。

〔２２〕上記〔２０〕又は〔２１〕記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記１次レーザ入射光を前記セットされる試料に順次照射するように走査することを特徴とする。

〔２３〕上記〔２０〕から〔２２〕の何れか一項記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記透明基板が円盤状の基板であり、該透明基板の半径方向に前記列状の探針を有するカンチレバーを配置してなることを特徴とする。

〔２４〕上記〔２０〕から〔２３〕の何れか一項記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記透明基板にはセットされる物質が供給される円形状の溝を有することを特徴とする。

〔２５〕上記〔２４〕記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記円形状の溝にそれぞれ異なる物質をセットし、複数の物質を一度に捕捉し、検出し、同定することを特徴とする。

本発明の第１実施例を示すナノギャップ列分子捕捉検出同定装置の模式図である。 図１のＡ部拡大図である。 本発明の第１実施例の変形例を示すＡ部拡大図である。 本発明の第２実施例を示すナノギャップ列分子捕捉検出同定装置の平面図である。 図４のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の第３実施例を示すナノギャップ列分子捕捉検出同定装置の模式図である。 図６のＣ部拡大図である。 本発明にかかる分子の光励起機能を有するレーザドップラー干渉計を用いた分子の計測装置の構成図である。 本発明のナノギャップによる分子捕捉と、光学計測を行うナノギャップ列に焦点をあわせた光学系を示す模式図である。

列状に探針を有するカンチレバーを配置してなるカンチレバーアレーを設け、前記カンチレバーアレーの下方に修飾面が前記カンチレバーの探針に対応して配置される基板を配置して、未知の物質を前記基板の修飾面と前記カンチレバーの探針の先端との間のナノメートルオーダーのギャップで捕捉し、検出し、同定する。よって、今までのカンチレバー式物質センサーで困難であった単分子検出を可能とする。

また、１個ないし数１００万個の、空隙が既知のギャップを用いて、多種の物質の検出を行う。平面上のナノギャップの制御が困難であったのを、カンチレバーアレーと基板を用いることにより容易に実現する。また、空隙の両端の修飾の選択肢が広いため、多種の物質の、精度よい検出と同定が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施例を示すナノギャップ列分子捕捉検出同定装置の模式図、図２はそのナノギャップ列分子捕捉検出同定装置のＡ部拡大図である。

これらの図において、１は平板状の基板、２はその基板１の所定位置に配置される修飾面、３はカンチレバーアレー、４はそのカンチレバーアレー３に設けられるカンチレバー、５はそのカンチレバー４の先端に形成される探針、６は修飾面２にセットされた未知の物質としての分子（タンパクや生体の機能性物質）、８は液、９は計測装置を示している。ここで未知の物質としては、物質としては既知であっても濃度が未知であるような物質も含むものと定義する。

図３は他の変形例を示すナノギャップ列分子捕捉検出同定装置のＡ部拡大図であり、この変形例では、探針５には予め特定の物質を捕捉するための修飾物７を施している（例えば、タンパクや生体の機能性物質などを塗る）。

この実施例では、列を形成するカンチレバー４を有するカンチレバーアレー３を用いて、個々のカンチレバー４の変位や周波数変化を検出しながら、それらカンチレバー４を平板状の基板１に近接させていく。ここで、近接させる方向は平板状の基板１の法線方向とし、これをＺ軸と定義する。各カンチレバー４の探針５が平板状の基板１と接触したときのカンチレバーアレー３のＺ軸座標を従来からのＡＦＭ（原子間力顕微鏡）の相互作用検出手法を用いて検出する。複数のカンチレバー４の探針５が平板状の基板１と接触した後で、カンチレバーアレー３をＺ軸方向に後退させる。各カンチレバー４の探針５が平板状の基板１と接触したときのＺ軸座標が計測されているため、後退した後のカンチレバー４の探針５と平板状の基板１のなす空隙の距離（ギャップ長）が既知となる。

この手法を用いると、仮にカンチレバー４の有する探針５の高さが不均一であったり、カンチレバー４に予め反りがあったとしても、既知の距離のギャップ列を実現することが可能となる。一般的に想定される誤差として、仮に数１０ｎｍ程度のカンチレバー４の反りや探針５の高さの不均一があったとしても、十分に大きい数の空隙を用意することにより、サブオングストロームから数ｎｍのギャップ列を実現可能である。

要は、カンチレバー４の１０ｎｍオーダの加工上のばらつきが見込まれても、１平方センチメートル当たり１００万個、といったオーダのナノギャップ列が準備できるので、様々なギャップ長が用意できるということになる。換言すれば、ある意味では、ギャップ長のばらつきがあることが、好ましいと言える。製造上のギャップ長のばらつきがない場合は、基板、ないしカンチレバーに勾配を意図的に持たせ、ギャップ長が変化するギャップ列を用意する必要がある。

なお、基板とカンチレバーとの間の距離を一定に設定するようにしてもよい。

図４は本発明の第２実施例を示すナノギャップ列分子捕捉検出同定装置の平面図、図５は図４のＢ−Ｂ線断面図である。

これらの図においては、１１は櫛歯状の突起片１２が形成された基板、１３はその突起片１２にセットされる修飾面、１４は櫛歯状のカンチレバー１５を有するカンチレバーアレー、１６は櫛歯状のカンチレバー１５の先端に設けられる探針、１９は計測装置であり、修飾面１３には分子１７が、櫛歯状のカンチレバー１５の探針１６には分子１８がそれぞれセットされる。

このナノギャップ列分子捕捉検出同定装置は、ナノメートルオーダーの既知のギャップを列状に複数用意し、そのギャップで物質の捕捉、検出、同定を行うものである。ギャップは突起片１２が形成された基板１１と、カンチレバーアレー１４との間で実現する。

ここでは、例えば、修飾面１３にセットされた分子１７とカンチレバー１５の探針１６に予め特定の物質を捕捉するために施された修飾物１８間で捕捉され、計測装置１９で検出され、同定されるようにしている。

また、本発明のナノギャップ列分子捕捉検出同定装置は、カンチレバーアレーとその支持部材が透明部材からなり、各カンチレバーとその部材がなす間隔を用いてカンチレバーの変位、振幅、周波数を光干渉法で計測し、捕捉された物質の特性を検出し、同定することができる。

図６は本発明の第３実施例を示すナノギャップ列分子捕捉検出同定装置の模式図、図７は図６のＣ部拡大図である。

これらの図において、２１は平板状の円形基板、２３はその円形基板２１の中心部２２を中心にして形成される複数の円環状の溝、２４は分子を含む液体の供給ノズル、２５はそのノズル２４から供給される分子を含む液体、２６はカンチレバーアレー、２７はそのカンチレバーアレー２６に配置される列状のカンチレバー、２８はその列状のカンチレバー２７の先端部に形成される探針、２９はその探針２８に塗られる分子、３０は計測装置である。

この実施例では、例えば、分子を含む液体２５である血液ａ〜ｅを複数の円環状の溝２３にそれぞれ供給し、探針２８に塗られる分子２９との間で捕捉させ、計測装置３０で血液ａ〜ｅの分子を検出し、同定するようにしている。

また、上記したように、カンチレバーと基板のなす空隙の両端には、予め特定の物質を捕捉するための修飾を施しておくことが望ましい。物質捕捉の検出は、各カンチレバーの振動周波数の変化や、カンチレバーアレーをＺ軸方向に位置変調させたときのカンチレバーのたわみの履歴の変化（一般的にフォースカーブと呼ばれている）から検出可能である。つまり、計測装置による測定は、カンチレバーを振動させ、物質捕捉に伴う質量変化や、カンチレバーのダンピングの変化を振動周波数や振動振幅の変化として検出することができる。特に、本願発明者らによって開発された、試料の光励振機能を有するレーザドップラー干渉計を用いた試料の特性の計測装置（後述）やヘテロダインレーザドップラー計を用いた走査型力顕微鏡や物質センサ、質量センサを用いることができる。

図８は本発明にかかる分子の光励振機能を有するレーザドップラー干渉計を用いた分子の計測装置の構成図である。

この図において、この実施例の試料としての分子の特性の計測装置は、光学的励起部４０、信号処理部５０、レーザドップラー干渉部６０、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）試料ステージ制御部９０、ネットワークアナライザ１００からなる。

光学的励起部４０は、レーザダイオード（ＬＤ）ドライバー４１、そのＬＤドライバー４１によって駆動されるレーザダイオード（ＬＤ）４２、ミラー４３からなる。

また、信号処理部５０は、第１スイッチ（ｓｗ１）５１、第２スイッチ（ｓｗ２）５２、ディジタイザー５３、位相シフター５４、フィルター５５、増幅器５６からなる。

レーザドップラー干渉部６０は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ６１、第１のＰＢＳ（ポラライジングビームスプリッタ）６２、第２のＰＢＳ６３、合波器６４、レンズ６５、偏波面保存ファイバ６６、センサヘッド（レーザ出射部）６７（レンズ−λ／４波長板−レンズ組み立て体）、ナノカンチレバー６８、探針（プローブ）６８Ａ、ミラー６９、ＡＯＭ（音響・光変調器）７０、λ／２波長板７１、第３のＰＢＳ７２、偏光子７３、ホトダイオード７４、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）７５、アンプ７６，７８，８３、ディジタイザー７７，７９、遅延ライン８０、ＤＢＭ（Ｄｏｕｂｌｅ Ｂａｌａｎｃｅｄ Ｍｉｘｅｒ；ダブルバランスドミキサ）８１、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）８２からなる。

さらに、ＡＦＭ試料ステージ制御部９０は、ＬＯ（ローカルオシレータ）に接続されるＤＢＭ９１、コントローラ９２、試料としての分子９３、その試料９３のピエゾ素子９４からなる。

ネットワークアナライザ１００は、信号入力端子１０１、評価出力端子１０２を有している。

そこで、この実施例では、例えば、７８０ｎｍの波長を有するレーザダイオード（ＬＤ）６１の出力光を、６３２ｎｍの波長を有するＨｅ−Ｎｅ（ヘリウム−ネオン）レーザ４１のレーザドップラー干渉計の計測光に重畳させ、それを４μｍコアの偏波面保存ファイバ６６に導入し、レーザ出射部６７、ナノカンチレバー６８を経て試料としての分子９３に照射する。ただし、波長は、上記に限定されない。

計測方法によって以下の用い方ができる。

（１）レーザドップラー干渉部６０の出力信号を移相、増幅、場合によってはフィルタリングや２値化し、その信号を用いて７８０ｎｍの波長を有するレーザダイオード４２の変調を行う。これにより、試料としての分子９３の固有振動数において自励を生じさせることが可能となる。つまり、フィルター特性を選択することにより、特定の振動モードを励振することが可能となり、ナノメートルオーダからミクロンオーダの試料としての分子の自励を実現することが可能となる。

また、走査型プローブ顕微鏡の力検出素子であるナノカンチレバー６８に光を照射することにより、ナノカンチレバー６８の自励を生じさせ、自励周波数の変化からナノカンチレバー６８先端に配置した探針６８Ａと試料としての分子９３の相互作用や質量変化を検出することが可能となる。

（２）ネットワークアナライザ１００で周波数を掃引した信号を発生させ、その信号を用いて７８０ｎｍの波長を有するレーザダイオード４２の変調を行う。レーザドップラー干渉部６０の出力信号をネットワークアナライザ１００の信号入力端子１０１に接続する。これにより、試料としての分子９３の周波数特性を、ネットワークアナライザ１００と、光励振機能を有するレーザドップラー干渉部６０を用いて計測することが可能となる。

なお、計測光と振動励起光は重畳させて同一の光学系を用いることも、異なる光路を用いて試料としての分子９３に照射させることも可能である。

また、レーザドップラー干渉部６０のＨｅ−Ｎｅレーザ（光計測プローブ光）６１にナノカンチレバー６８の振動を励振するためのＬＤ４２で発生した光を重畳させる。その際、励振のための光は、レーザドップラー干渉部６０の速度信号出力に移相、２値化、増幅等の処理を行い、その信号を用いてレーザダイオード４２等の光源の変調を行ったものか、発信器によって指定された周波数、もしくは掃引された周波数で変調したものを用いる。

以上により、レーザドップラー干渉計で計測しようとする測定対象に固有の振動が励起され、列状のカンチレバーにより、物質、特に、単分子の捕捉・検出・同定を高精度に測定することができる。

本発明によれば、従来のカンチレバーの静的たわみや、振動数変化からは検出が困難であった液中での単分子検出を可能とするとともに、単分子の力学計測、電気計測を可能とするものである。また、探針と基板のなす空隙の両端を修飾することによって、特定の物質の捕捉を選択的に行うことが可能となる。

本願発明者によれば、今までに、一平方センチメートルあたり数１００万個の探針を有するカンチレバーアレーが実現可能となっている（上記特許文献２参照）ため、それを用いて、多数の、空隙が既知のナノギャップアレーを実現することが可能である。

図９は本発明のナノギャップによる分子捕捉と、光学計測を行うナノギャップ列に焦点をあわせた光学系を示す模式図である。

この図において、１１０は透明基板、１１１，１１２，１１３はナノギャップ列をなすカンチレバー、１１４，１１５，１１６はそれらのカンチレバー１１１，１１２，１１３の探針、１１７は捕捉された分子、１１８，１１９は他の捕捉された分子、１２１，１２２，１２３はナノギャップ列、１３０は１次レーザ入射光、１３１は集光レンズ、１３２は臨界角より浅い角度での入射レーザ光、１３３はレーザスポット、１３４はエバネッセント場による励起を示している。このエバネッセント場におかれた探針先端が発生する伝搬光の場の勾配により、近傍の捕捉すべき対象物質をギャップへ引き込むことが可能となる。

この図９に示すように、光学計測を加えることにより、ナノギャップによる分子捕捉と、光学計測を行うことが可能になる。以下、詳細に説明する。

ナノギャップ列１２１，１２２，１２３に焦点を合わせた光学系（もしくは、ナノギャップから伝搬する光を受光する光学系）を用いることにより、ナノギャップ１２１において捕捉された分子１１７、タンパクなどの物質のスペクトラムや強度、偏光特性などの光学的特性を計測することが可能となる。

この光学系としては、例えば、共焦点顕微鏡の原理を用いたもので、集光すべき３次元空間内のある領域を順次走査する（レーザスポット１３３をナノギャップ列１２１，１２２，１２３に沿って走査する）ことによって、ナノギャップ列のそれぞれの光情報を計測することが可能となる。例えば、特定の蛍光標識のついた分子をナノギャップで捕捉し、力や電気的計測に加え、光のスペクトラム計測を行うことが可能となる。

また、光を透過する探針を用いて、カンチレバーから探針先端に向けて光を導入し、ナノギャップにおいて光の場を集中させ、その光の勾配により近傍の捕捉対象物質をギャップへ引き込むことも可能となる。

また、図６および図７に示したような回転円盤式においても、透明基板を用いるか、カンチレバーの上側から光学的に計測を同時に行うことにより、溝に乗ってナノギャップまで移送されてきた目的物質（ターゲット物質、検出したい物質）を確実にナノギャップで捕捉し、計測に入ることが可能となる。

現在、一般的な方法となりつつある、表面プラズモン法と比べ、この手法は、ナノギャップという、３次元的に位置が限定された部位での分子の捕捉が行われるため、予め光学的計測部位を限定することが可能で、感度、背景ノイズに対する耐性という点で利点が多い。結果的に試験材料の量も少量で済み、ごく微量な材料からの微量な物質の検出が可能となる。例えば、病院等での血液検査等に必要となる血液の量が飛躍的に少なくなることが期待される。

また、本発明のナノギャップ列分子捕捉検出同定方法及び装置では、捕捉すべき物質としては、タンパク、生体物質が挙げられ、分子生物学での物質の捕捉検出同定に寄与する。つまり、生命現象を分子のレベルで明らかにするために重要なツールとなり得る。例えば、細胞膜タンパク質の中には、このほか細胞の接着に関与するものがある。ミトコンドリアムはエネルギー生産装置であり、この中では、ＴＣＡ（ｔｒｉｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ ａｃｉｄ）サイクルにより高いエネルギー（ＡＰＴ）が生産されているが、かかるＡＰＴの捕捉検出同定にも有効である。

本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。

（１）単分子オーダーの検出分解能を実現することができる。

（２）簡便にサブナノメートルオーダーからナノメートルオーダーのギャップ列を実現することができる。

（３）探針と基板とのギャップの両端の修飾の選択肢を広くすることができる。

（４）ナノメートルオーダーの物質の捕捉と特性の計測を円滑に行うことができる。特に列状のカンチレバーによる物質のレーザ入射光による捕捉とそのレーザ入射光の走査による多くの種類の捕捉された物質の特性の測定を高精度で、容易に行うことができる。

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き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。

本発明のナノギャップ列分子捕捉検出同定装置は、タンパクや生体の機能性物質の検出、創薬への利用が可能である。

Claims (25)

1. 列状に探針を有するカンチレバーを配置してなるカンチレバーアレーを設け、前記カンチレバーアレーの下方に、修飾面が前記カンチレバーの探針に対応して配置される基板を配置して、未知の物質を前記基板の修飾面と前記カンチレバーの探針の先端との間のナノメートルオーダーのギャップで捕捉し、検出し、同定することを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定方法。
2. 請求項１記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記基板の修飾面と前記カンチレバーの探針の先端との間のギャップ長が既知であることを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定方法。
3. 請求項２記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記ギャップ長が一定に設定されることを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定方法。
4. 請求項２記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記ギャップ長が勾配を有することを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定方法。
5. 請求項１又は２記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記物質が液中の物質であることを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定方法。
6. 請求項１、２又は５記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記物質が分子であることを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定方法。
7. 請求項６記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記分子が単分子であることを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定方法。
8. 請求項１、２又は５記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記物質がタンパクであることを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定方法。
9. 請求項１、２又は５記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記物質が生体物質であることを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定方法。
10. 請求項１から９の何れか１項記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、前記カンチレバー探針の先端に予め特定の物質を捕捉するための修飾を施すことを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定方法。
11. 請求項１から１０の何れか１項記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定方法において、光を透過する探針を用いて、カンチレバーから探針先端に向けて光を導入し、ナノギャップにおいて光の場を集中させ、その光の勾配によって近傍の捕捉対象すべき物質をギャップへ引き込むことを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定方法。
12. 基板の背面より１次レーザ入射光を照射し、該１次レーザ入射光を臨界角より浅い角度で物質のギャップ近傍に入射し、エバネッセント場による励起を生成させ、該エバネッセント場に置かれた探針先端が発生する伝搬光の場の勾配を用いて、近傍の捕捉すべき対象物質をギャップへ引き込むことを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定方法。
13. （ａ）列状の探針を有するカンチレバーを配置してなるカンチレバーアレーと、
    （ｂ）該カンチレバーアレーの下方に配置され、修飾面が前記カンチレバーの探針に対応して配置される基板とを備え、
    （ｃ）未知の物質を前記基板の修飾面と前記カンチレバーの探針の先端との間のナノメートルオーダーのギャップで捕捉し、検出し、同定することを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定装置。
14. 請求項１３記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記カンチレバーの探針に修飾を施すことを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定装置。
15. 請求項１３記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記捕捉された物質は、カンチレバーを振動させ、物質捕捉に伴う質量変化やカンチレバーのダンピングの変化を、振動周波数や振動振幅の変化として検出し、同定することを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定装置。
16. 請求項１３記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記装置は、光励振機能を有するレーザドップラー干渉計を用い、捕捉された物質の特性を検出し、同定することを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定装置。
17. 請求項１３記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記装置はカンチレバーアレーとその支持部材が透明基板からなり、各カンチレバーと該部材がなす間隔を用いてカンチレバーの変位、振幅、周波数を光干渉法で計測し、捕捉された物質の特性を検出し、同定することを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定装置。
18. （ａ）列状の探針を有するカンチレバーを配置してなるカンチレバーアレーと、
    （ｂ）該カンチレバーアレーの下方に配置され、修飾面にセットされる物質が供給される複数の円形状の溝を有する円盤状の基板とを備え、
    （ｃ）未知の物質を前記基板の修飾面と前記カンチレバーの探針の先端との間のナノメートルオーダーのギャップで捕捉し、検出し、同定することを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定装置。
19. 請求項１８記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記複数の円形状の溝のそれぞれにそれぞれ異なる物質をセットし、複数の物質を一度に捕捉し、検出し、同定することを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定装置。
20. （ａ）試料がセットされる透明基板と、
    （ｂ）該透明基板の試料に対応して配置されるナノギャップ列をなすカンチレバーと、
    （ｃ）該カンチレバーの探針と前記透明基板間に捕捉される物質を備え、
    （ｄ）前記透明基板の背面より１次レーザ入射光を照射し、前記ナノギャップで物質を捕捉し、光学計測を行うことを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定装置。
21. 請求項２０記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記１次レーザ入射光を臨界角より浅い角度で前記物質のセット部に入射し、エバネッセント場による励起を生成させることを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定装置。
22. 請求項２０又は２１記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記１次レーザ入射光を前記セットされる試料に順次照射するように走査することを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定装置。
23. 請求項２０から２２の何れか一項記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記透明基板が円盤状の基板であり、該透明基板の半径方向に前記列状の探針を有するカンチレバーを配置してなることを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定装置。
24. 請求項２０から２３の何れか一項記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記透明基板にはセットされる物質が供給される円形状の溝を有することを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定装置。
25. 請求項２４記載のナノギャップ列物質捕捉検出同定装置において、前記円形状の溝にそれぞれ異なる物質をセットし、複数の物質を一度に捕捉し、検出し、同定することを特徴とするナノギャップ列物質捕捉検出同定装置。

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