(57)【要約】【課題】  微量の対象物質が固相表面の微小領域に存在する際、その微小領域の二次元的な観察に適する高い位置分解能と検出感度を併せ持つ、カンチレバーを応用するセンサーを利用する検出手法、ならびに、かかる方法に基づく検出装置の提供。【解決手段】  固相表面上に存在する検出対象物質をサンプリングする手段として、微小領域に所定のエネルギーを供与することで飛散させる手法を利用し、カンチレバー表面に予め形成されている、検出対象物質と相互作用する物質を利用することで、飛来する検出対象物質を該カンチレバー表面に効率的に固定する手法を採用することで、高い検出感度を有するカンチレバー・センサーを利用して、検出対象物質を選択的、定量的、かつ、高い位置分解能で検出することが可能となる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバー・センサーを利用して、固相表面上に存在する検出対象物質を検出する方法であって、
前記カンチレバー・センサーは、一つのカンチレバー、またはアレイ状の配置を有する複数のカンチレバーを具え、該カンチレバー表面には、前記検出対象物質と相互作用する物質が形成されているセンサーであり、
固相表面から所定の距離を隔てた位置に、前記カンチレバー表面が位置するように前記カンチレバー・センサーを配置し、
固相表面上に存在する検出対象物質に対して、その飛散を可能とするエネルギーを供与し、該検出対象物質を飛散させ、
前記カンチレバー表面の物質と、飛散する検出対象物質との間の相互作用を介して、前記カンチレバー表面に飛来した検出対象物質を固定化し、
該カンチレバー表面に固定化される検出対象物質に起因する荷重変化に付随する、カンチレバーに存在する表面応力の変化を、該カンチレバーの撓み量の変化として検出し、
該カンチレバー撓み量の変化に基づき、固相表面上に存在する検出対象物質の該カンチレバー表面への飛来量を検出する
ことを特徴とするカンチレバー・センサーによる物質の検出方法。
【請求項２】
カンチレバー・センサーを利用して、固相表面上に存在する検出対象物質を検出する装置であって、
一つのカンチレバー、またはアレイ状の配置を有する複数のカンチレバーを具え、該カンチレバー表面には、前記検出対象物質と相互作用する物質が形成されているカンチレバー・センサーと、
固相表面上に存在する検出対象物質に対して、その飛散を可能とするエネルギーを供与し、該検出対象物質を飛散させるエネルギー供給機構とを具え、
前記エネルギー供給機構より、エネルギーが供給される固相表面に対して、該固相表面から所定の距離を隔てた位置に、前記カンチレバー表面が位置するように前記カンチレバー・センサーが配置され、
供給されるエネルギーにより飛散される検出対象物質は、前記カンチレバー表面の物質との間の相互作用を介して、前記カンチレバー表面に固定化し、
該カンチレバー表面に固定化される検出対象物質に起因する荷重変化に付随する、カンチレバーに存在する表面応力の変化を、該カンチレバーの撓み量の変化として検出し、
該カンチレバー撓み量の変化に基づき、固相表面上に存在する検出対象物質の該カンチレバー表面への飛来量を検出する機能を具えている
ことを特徴とするカンチレバー・センサーによる物質の検出装置。
【請求項３】
固相表面上に存在する検出対象物質に対して、その飛散を可能とするエネルギーを供与し、該検出対象物質を飛散させる手段として、
レーザーによるアブレーション、または、イオン・ビームによるスパッタリングのいずれかを選択する
ことを特徴とする請求項１に記載の検出方法。
【請求項４】
固相表面上に存在する検出対象物質に対して、その飛散を可能とするエネルギーを供与し、該検出対象物質を飛散させるエネルギー供給機構として、
レーザーによるアブレーション用のレーザー光照射装置、または、イオン・ビームによるスパッタリング用のイオン・ビーム照射装置いずれかを選択する
ことを特徴とする請求項２に記載の検出装置。
【請求項５】
該カンチレバー表面に形成される前記検出対象物質と相互作用する物質は、
前記検出対象物質との間の相互作用として、
（１）水素結合
（２）共有結合
（３）静電力
（４）磁気力
（５）サイズ効果（糊着効果）
（６）ハイブリダイゼーション
（７）抗原抗体反応、受容体タンパク質−基質物質間結合
からなる群から選択される一つ以上の相互作用を示す物質である
ことを特徴とする請求項１または３に記載の検出方法。
【請求項６】
該カンチレバー表面に形成される前記検出対象物質と相互作用する物質は、
前記検出対象物質との間の相互作用として、
（１）水素結合
（２）共有結合
（３）静電力
（４）磁気力
（５）サイズ効果（糊着効果）
（６）ハイブリダイゼーション
（７）抗原抗体反応、受容体タンパク質−基質物質間結合
からなる群から選択される一つ以上の相互作用を示す物質である
ことを特徴とする請求項２または４に記載の検出装置。
【請求項７】
固相表面上に存在する検出対象物質に対して、その飛散を可能とするエネルギーを供与し、該検出対象物質を飛散させる手段として、
所定の微小面積を有する領域に対して、エネルギーを供与し、該領域に存在する検出対象物質を選択的に飛散させる、局所的エネルギー供給手段を選択した上、
固相表面上において、該領域に存在する検出対象物質を選択的に飛散させるため、前記局所的エネルギー供給手段によってエネルギーが供与される所定の微小面積を有する領域の位置を二次元的に変更し、各位置において、該カンチレバーの撓み量の変化を検出し、各位置と、検出される該カンチレバーの撓み量の変化とを、対応する情報として記憶し、
各エネルギーが供与される所定の微小面積を有する領域の位置と、該位置において、該カンチレバーの撓み量の変化に基づき、検出される固相表面上に存在する検出対象物質の該カンチレバー表面への飛来量とを利用して、該固相表面上における該検出対象物質の存在範囲を二次元的マッピングとして表現させる工程をさらに含む
ことを特徴とする請求項１、３、５のいずれか一項に記載の検出方法。
【請求項８】
固相表面上に存在する検出対象物質に対して、その飛散を可能とするエネルギーを供与し、該検出対象物質を飛散させるエネルギー供給機構として、
所定の微小面積を有する領域に対して、エネルギーを供与し、該領域に存在する検出対象物質を選択的に飛散させる、局所的エネルギー供給機構を選択した上、
固相表面上において、該領域に存在する検出対象物質を選択的に飛散させるため、前記局所的エネルギー供給機構によってエネルギーが供与される所定の微小面積を有する領域の位置を二次元的に変更し、各位置において、該カンチレバーの撓み量の変化を検出し、各位置と、検出される該カンチレバーの撓み量の変化とを、対応する情報として記憶する機能を有する、二次元的な測定位置移動機構と、
各エネルギーが供与される所定の微小面積を有する領域の位置と、該位置において、該カンチレバーの撓み量の変化に基づき、検出される固相表面上に存在する検出対象物質の該カンチレバー表面への飛来量とを利用して、該固相表面上における該検出対象物質の存在範囲を二次元的マッピングとして表現させる機能を有する、二次元的マッピング機構とをさらに具えている
ことを特徴とする請求項２、４、６のいずれか一項に記載の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固相表面に存在する物質について、カンチレバーセンサーを応用して、実質的に非接触な状態で検出する方法、ならびに、該検出方法に基づき、固相表面に存在する物質の検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固相表面の状態を、実質的に非接触な状態で観察する手段として、走査型プローブ顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＰＭ）が知られている。この走査型プローブ顕微鏡では、探針を利用して、探針を試料表面のごく近傍まで接近させた際、探針−試料間に働く相互作用の変化を検出することで、固相表面の状態を観察する。具体的には、走査型トンネル顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＴＭ）では、探針−試料間に働く相互作用として、微小サイズの先端曲率半径を有する探針が試料表面のごく近傍まで接近した際に流れるトンネル電流を検出する。また、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＡＦＭ）では、微小サイズの先端曲率半径を有する探針を試料表面のごく近傍まで接近させることで発生する原子間力を検出する。前記二種の測定装置ともに、測定する相互作用は、探針−試料間の距離がある極微小な範囲にある場合にのみ、発生するため、探針−試料間の距離を一定に保ちながら試料表面を走査することによって、ミクロな位置分解能で固相表面の状態を観察することを可能としている。例えば、微細な凹凸を示す表面を走査すると、探針−試料表面間の距離が変化するため、各位置において検出される原子間力の変化が観察され、従って、二次元的な走査を行うことによって、微小領域の表面形状（微細な凹凸）の評価に利用されている。
【０００３】
その他、ＳＰＭの特徴であるミクロな位置分解能を利用する応用として、磁気力、表面電位など非接触の測定法が利用可能な物理量、さらには、接触状態で観測される物理量、摩擦力、粘弾性などに関しても、表面上の微小領域について、二次元的な観察が可能となっている。
【０００４】
ＡＦＭでは、本来、極小さな力である原子間力の変化を検出するため、原子間力の変化を、カンチレバー（片持ち梁）を利用して、探針の僅かな変位として測定している。具体的には、カンチレバー（片持ち梁）では、極めて剛性が低い材料で作製された板バネ状の形態を採用することで、その板バネの先端に加わる力に変化を、板バネの撓み角の変位として、検出している。
この板バネの先端に加わる力に変化を、板バネの撓み角の変位として検出するカンチレバーを応用したセンサーの例としては、
カンチレバー先端領域の表面に、ある特定のイオン種に対する選択的吸着能をもつ自己組織化膜を被覆し、この自己組織化膜上へのイオン吸着に起因する負荷荷重の増加を利用して、微量のイオン性物質を検出するイオンセンサー（非特許文献１）、
アレイ状のカンチレバーに対して、各カンチレバー先端領域の表面に、特定の有機化合物分子を吸着可能なポリマー薄膜をコーティングし、気体試料中に含まれる、気体状の特定有機化合物分子の吸着に起因する負荷荷重の増加を利用して、微量なガス成分を検出するガスセンサー（非特許文献２）、
カンチレバー先端領域の表面に、特定の塩基配列を有するオリゴヌクレオチド・プローブを修飾し（結合しておき）、該プローブと相補的な塩基配列を含む一本鎖ＤＮＡ分子をハイブリダイゼーションさせる際、ハイブリッド体形成に伴う負荷荷重の増加を利用して、相補的な塩基配列を含む一本鎖ＤＮＡ分子の有無を検出するＤＮＡセンサー（非特許文献３）、
カンチレバー先端領域の表面に、抗体分子を固定しておき、該抗体のエピトープ部位を含むタンパク質を抗原抗体反応によって結合させる際、抗原抗体複合体形成に伴う負荷荷重の増加を利用して、特定のタンパク質の有無を検出するＤＮＡセンサー（非特許文献４）、
などが報告されている。
【非特許文献１】Ｈａｉ−Ｆｅｎｇ  Ｊｉ  ｅｔ  ａｌ，  Ａｎａｌ．  Ｃｈｅｍ．，  ７３，  １５７２−１５７６  （２００１）
【非特許文献２】Ｍ．Ｋ．  Ｂａｌｌｅｒ  ｅｔ  ａｌ，  Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，  ８２，  １−９  （２０００）
【非特許文献３】Ｊ．  Ｆｒｉｔｚ  ｅｔ  ａｌ，  Ｓｃｉｅｎｃｅ，  ２８８，  ３１６−３１８  （２０００）
【非特許文献４】Ｇ．  Ｗｕ  ｅｔ  ａｌ，  Ｎａｔｕｒｅ  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  １９，  ８５６−８６０  （２００１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述するカンチレバーを応用したセンサーでは、複合体形成、あるいは、吸着などの現象を利用して、カンチレバー先端領域の表面に目的となる物質を付加することに伴う、負荷荷重の増加を、板バネの撓み角の変位として検出している。その際、上で紹介した各種センサーでは、目的とする物質を含む溶液や気体にカンチレバー先端領域の表面を接触させ、液相や気相において、選択的な複合体形成反応、あるいか、化学吸着を行わせる手法を採用している。
【０００６】
上で紹介したカンチレバーを応用した各種センサーでは、検出感度自体は、高いため、液相中、あるいは気相中に極微量含まれる対象物質の検出に利用できるが、予め調製された、極微量の対象物質を溶解した溶液サンプル、あるいは、極微量の対象物質分子を含んでいる気体サンプルを必要としている。
【０００７】
一方、固相表面に存在する物質について、その存在部位を特定するとともに、検出対象となる目標物質を特定して、実質的に非接触な状態で検出する方法として、カンチレバーを応用するセンサーを利用する検出手法の提案が望まれている。
【０００８】
本発明は、前記の課題を解決するもので、本発明の目的は、固相表面に存在する物質について、その存在部位を特定するとともに、検出対象となる目標物質を特定して、実質的に非接触な状態で検出する方法として利用可能であり、同時に、微量の対象物質が固相表面の微小領域に存在する際、その微小領域の二次元的な観察に適する高い位置分解能と、検出感度を併せ持つ、カンチレバーを応用するセンサーを利用する検出手法、ならびに、かかる方法に基づく検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記の課題を解決するため、研究を進め、下記する知見を得た。まず、固相表面上に存在する検出対象物質は、例えば、レーザーによるアブレーション、あるいは、イオン・ビームによるスパッタリングなどの手段を適用し、所定のエネルギーを供与することで飛散させることが可能であり、この手法は、実質的に非接触な状態で、固相表面上に存在する検出対象物質を選択的にサンプリングする手段として利用可能であることを見出した。加えて、カンチレバー表面に、該検出対象物質と相互作用する物質を予め固定しておき、カンチレバー表面上において、該物質に飛来してくる検出対象物質を接触させると、前記相互作用を介して、検出対象物質を固定化することが可能であることも見出した。前記過程によって、カンチレバー表面に固定化される検出対象物質に起因して荷重変化が生じ、それに付随して、カンチレバーに存在する表面応力の変化が引き起こされる。また、カンチレバー表面に固定化される検出対象物質の量は、カンチレバー表面に飛来する検出対象物質の量（密度）を反映することも判明した。
【００１０】
この表面応力の変化は、カンチレバー表面に固定化される検出対象物質の量が少ないと僅かな変化であるが、飛来する検出対象物質と効率的な接触が達成されるように、カンチレバー表面を固相表面から所定の距離を隔てた位置に配置し、また、高い検出感度を有するカンチレバー・センサーを利用することで、該カンチレバーの撓み量の変化として、十分に定量的に検出可能であることを確認した。
【００１１】
以上の知見に基づき、本発明者らは、本発明を完成するに到った。
【００１２】
すなわち、本発明にかかるカンチレバー・センサーによる物質の検出方法は、
カンチレバー・センサーを利用して、固相表面上に存在する検出対象物質を検出する方法であって、
前記カンチレバー・センサーは、一つのカンチレバー、またはアレイ状の配置を有する複数のカンチレバーを具え、該カンチレバー表面には、前記検出対象物質と相互作用する物質が形成されているセンサーであり、
固相表面から所定の距離を隔てた位置に、前記カンチレバー表面が位置するように前記カンチレバー・センサーを配置し、
固相表面上に存在する検出対象物質に対して、その飛散を可能とするエネルギーを供与し、該検出対象物質を飛散させ、
前記カンチレバー表面の物質と、飛散する検出対象物質との間の相互作用を介して、前記カンチレバー表面に飛来した検出対象物質を固定化し、
該カンチレバー表面に固定化される検出対象物質に起因する荷重変化に付随する、カンチレバーに存在する表面応力の変化を、該カンチレバーの撓み量の変化として検出し、
該カンチレバー撓み量の変化に基づき、固相表面上に存在する検出対象物質の該カンチレバー表面への飛来量を検出する
ことを特徴とするカンチレバー・センサーによる物質の検出方法である。
【００１３】
対応して、本発明にかかるカンチレバー・センサーによる物質の検出装置は、
カンチレバー・センサーを利用して、固相表面上に存在する検出対象物質を検出する装置であって、
一つのカンチレバー、またはアレイ状の配置を有する複数のカンチレバーを具え、該カンチレバー表面には、前記検出対象物質と相互作用する物質が形成されているカンチレバー・センサーと、
固相表面上に存在する検出対象物質に対して、その飛散を可能とするエネルギーを供与し、該検出対象物質を飛散させるエネルギー供給機構とを具え、
前記エネルギー供給機構より、エネルギーが供給される固相表面に対して、該固相表面から所定の距離を隔てた位置に、前記カンチレバー表面が位置するように前記カンチレバー・センサーが配置され、
供給されるエネルギーにより飛散される検出対象物質は、前記カンチレバー表面の物質との間の相互作用を介して、前記カンチレバー表面に固定化し、
該カンチレバー表面に固定化される検出対象物質に起因する荷重変化に付随する、カンチレバーに存在する表面応力の変化を、該カンチレバーの撓み量の変化として検出し、
該カンチレバー撓み量の変化に基づき、固相表面上に存在する検出対象物質の該カンチレバー表面への飛来量を検出する機能を具えている
ことを特徴とするカンチレバー・センサーによる物質の検出装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明にかかるカンチレバー・センサーによる物質の検出方法では、固相表面上に存在する検出対象物質をサンプリングする手段として、所定のエネルギーを供与することで飛散させる手法を利用し、該カンチレバー表面に予め形成されている、検出対象物質と相互作用する物質を利用することで、該カンチレバー表面に効率的に飛来する検出対象物質を固定する手法を採用することで、高い検出感度を有するカンチレバー・センサーを利用して、目的の検出対象物質を選択的に、かつ十分に定量的に検出することが可能となっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
上述するように、本発明にかかるカンチレバー・センサーによる物質の検出方法は、
カンチレバー・センサーを利用して、固相表面上に存在する検出対象物質を検出する方法であって、
前記カンチレバー・センサーは、一つのカンチレバー、またはアレイ状の配置を有する複数のカンチレバーを具え、該カンチレバー表面には、前記検出対象物質と相互作用する物質が形成されているセンサーであり、
固相表面から所定の距離を隔てた位置に、前記カンチレバー表面が位置するように前記カンチレバー・センサーを配置し、
固相表面上に存在する検出対象物質に対して、その飛散を可能とするエネルギーを供与し、該検出対象物質を飛散させ、
前記カンチレバー表面の物質と、飛散する検出対象物質との間の相互作用を介して、前記カンチレバー表面に飛来した検出対象物質を固定化し、
該カンチレバー表面に固定化される検出対象物質に起因する荷重変化に付随する、カンチレバーに存在する表面応力の変化を、該カンチレバーの撓み量の変化として検出し、
該カンチレバー撓み量の変化に基づき、固相表面上に存在する検出対象物質の該カンチレバー表面への飛来量を検出する
ことを特徴とするカンチレバー・センサーによる物質の検出方法であるが、
その際、固相表面上に存在する検出対象物質に対して、その飛散を可能とするエネルギーを供与し、該検出対象物質を飛散させる手段として、
レーザーによるアブレーション、または、イオン・ビームによるスパッタリングのいずれかを選択することが好ましい。
【００１６】
一方、該カンチレバー表面に形成される前記検出対象物質と相互作用する物質は、
前記検出対象物質との間の相互作用として、
（１）水素結合
（２）共有結合
（３）静電力
（４）磁気力
（５）サイズ効果（糊着効果）
（６）ハイブリダイゼーション
（７）抗原抗体反応、受容体タンパク質−基質物質間結合
からなる群から選択される一つ以上の相互作用を示す物質であることが望ましい。
【００１７】
さらには、本発明にかかるカンチレバー・センサーによる物質の検出方法では、
固相表面上に存在する検出対象物質に対して、その飛散を可能とするエネルギーを供与し、該検出対象物質を飛散させる手段として、
所定の微小面積を有する領域に対して、エネルギーを供与し、該領域に存在する検出対象物質を選択的に飛散させる、局所的エネルギー供給手段を選択した上、
固相表面上において、該領域に存在する検出対象物質を選択的に飛散させるため、前記局所的エネルギー供給手段によってエネルギーが供与される所定の微小面積を有する領域の位置を二次元的に変更し、各位置において、該カンチレバーの撓み量の変化を検出し、各位置と、検出される該カンチレバーの撓み量の変化とを、対応する情報として記憶し、
各エネルギーが供与される所定の微小面積を有する領域の位置と、該位置において、該カンチレバーの撓み量の変化に基づき、検出される固相表面上に存在する検出対象物質の該カンチレバー表面への飛来量とを利用して、該固相表面上における該検出対象物質の存在範囲を二次元的マッピングとして表現させる工程をさらに含む構成とすることも可能である。
【００１８】
また、本発明にかかるカンチレバー・センサーによる物質の検出装置は、
カンチレバー・センサーを利用して、固相表面上に存在する検出対象物質を検出する装置であって、
一つのカンチレバー、またはアレイ状の配置を有する複数のカンチレバーを具え、該カンチレバー表面には、前記検出対象物質と相互作用する物質が形成されているカンチレバー・センサーと、
固相表面上に存在する検出対象物質に対して、その飛散を可能とするエネルギーを供与し、該検出対象物質を飛散させるエネルギー供給機構とを具え、
前記エネルギー供給機構より、エネルギーが供給される固相表面に対して、該固相表面から所定の距離を隔てた位置に、前記カンチレバー表面が位置するように前記カンチレバー・センサーが配置され、
供給されるエネルギーにより飛散される検出対象物質は、前記カンチレバー表面の物質との間の相互作用を介して、前記カンチレバー表面に固定化し、
該カンチレバー表面に固定化される検出対象物質に起因する荷重変化に付随する、カンチレバーに存在する表面応力の変化を、該カンチレバーの撓み量の変化として検出し、
該カンチレバー撓み量の変化に基づき、固相表面上に存在する検出対象物質の該カンチレバー表面への飛来量を検出する機能を具えている
ことを特徴とするカンチレバー・センサーによる物質の検出装置であるが、
その際、固相表面上に存在する検出対象物質に対して、その飛散を可能とするエネルギーを供与し、該検出対象物質を飛散させるエネルギー供給機構として、
レーザーによるアブレーション用のレーザー光照射装置、または、イオン・ビームによるスパッタリング用のイオン・ビーム照射装置いずれかを選択することが好ましい。
【００１９】
一方、該カンチレバー表面に形成される前記検出対象物質と相互作用する物質は、
前記検出対象物質との間の相互作用として、
（１）水素結合
（２）共有結合
（３）静電力
（４）磁気力
（５）サイズ効果（糊着効果）
（６）ハイブリダイゼーション
（７）抗原抗体反応、受容体タンパク質−基質物質間結合
からなる群から選択される一つ以上の相互作用を示す物質であることが望ましい。
【００２０】
さらには、本発明にかかるカンチレバー・センサーによる物質の検出装置では、
固相表面上に存在する検出対象物質に対して、その飛散を可能とするエネルギーを供与し、該検出対象物質を飛散させるエネルギー供給機構として、
所定の微小面積を有する領域に対して、エネルギーを供与し、該領域に存在する検出対象物質を選択的に飛散させる、局所的エネルギー供給機構を選択した上、
固相表面上において、該領域に存在する検出対象物質を選択的に飛散させるため、前記局所的エネルギー供給機構によってエネルギーが供与される所定の微小面積を有する領域の位置を二次元的に変更し、各位置において、該カンチレバーの撓み量の変化を検出し、各位置と、検出される該カンチレバーの撓み量の変化とを、対応する情報として記憶する機能を有する、二次元的な測定位置移動機構と、
各エネルギーが供与される所定の微小面積を有する領域の位置と、該位置において、該カンチレバーの撓み量の変化に基づき、検出される固相表面上に存在する検出対象物質の該カンチレバー表面への飛来量とを利用して、該固相表面上における該検出対象物質の存在範囲を二次元的マッピングとして表現させる機能を有する、二次元的マッピング機構とをさらに具えている装置構成とすることも可能である。
以下に、本発明をより詳細に説明する。
【００２１】
本発明の検出方法では、固相表面に存在する検出対象物質について、実質的に非接触な手段を使用して、特定の領域表面からサンプリングを行うため、一旦、対象物質を固相表面から飛散させる。次いで、この飛散された対象物質をカンチレバー表面に、対象物質を特異的な相互作用を介して、固定する手法を利用する。
【００２２】
固相表面に存在する対象物質を飛散させる手段としては、この飛散を起こす際に必要となるエネルギーを供給可能であり、かつ、必要とされるエネルギーの伝達自体、実質的に非接触な状況で達成できるものであれば、その種類に依らず利用可能である。特に、本発明では、微量の対象物質が固相表面の微小領域に存在する際に、この微小領域のみから選択的に飛散を起こすことが可能な手段が好ましく、飛散に利用されるエネルギーの供給手段として、ビーム状のエネルギー線、例えば、エネルギー源として、単一波長を有する光子をビーム状に照射するレーザー・ビーム、あるいは、特定の加速エネルギーを有するイオン種をビーム状に照射するイオン・ビームを選択する方式の利用が好ましい。
【００２３】
すなわち、固相表面に存在する対象物質を飛散する手段として、
（１）レーザー・ビーム照射による、レーザー・アブレーション
（２）イオン・ビーム照射による、イオン・スパッタリング
のいずれかを選択することが好ましい。
【００２４】
一方、本発明の検出方法が適用可能な、検出対象物質は、固相表面に存在する対象物質に対して、ビーム状のエネルギー線、例えば、エネルギー源として、単一波長を有する光子をビーム状に照射するレーザー・ビーム、あるいは、特定の加速エネルギーを有するイオン種をビーム状に照射するイオン・ビームをフォーカスした上で照射した際、その照射エネルギーを利用して、固相表面から飛散可能なものであれば、
（１）有機化合物
（２）無機化合物
（３）生体関連物質（ＤＮＡ、ＲＮＡなどの核酸およびタンパク質）
の何れの種類であってもよい。その際、ビーム状のエネルギー線の照射により供給されるエネルギーを利用した、対象物質の固相表面からの飛散現象は、かかるビーム状のエネルギー線の照射ポイントに限定して生じるように、利用されるビーム状のエネルギー線のビーム径を狭くし、同時に、単位時間、単位面積当たりビーム強度を選択する。
【００２５】
イオン・ビームを使用する際には、主に、真空中において、イオン・スパッタリングを起こす形態が利用され、一方、レーザー・ビームを使用する際には、レーザー・アブレーションは、真空中、あるいは、大気中で起こすことができる。また、μｍオーダーのビーム径を有するイオン・ビームやレーザー・ビームを利用し、二次元的走査する方式とすることで、μｍオーダーの位置分解能を有するマッピングを行うことが可能である。
また、固相表面に対して、所定の入射角でレーザー・ビームやイオン・ビームを照射し、
（１）レーザー・ビーム照射による、レーザー・アブレーション
（２）イオン・ビーム照射による、イオン・スパッタリング
を利用して、対象物質を固相表面から飛散させると、その飛散方向分布は、ビームの入射方向と対向する方向に極大を示す分布となる。
【００２６】
本発明では、この対象物質の飛散方向分布が極大を示す方向であり、かつ、カンチレバーの表面に飛散する対象物質が到達可能な位置にカンチレバーを配置する。具体的には、対象物質の飛散方向分布は、ビームの入射角が０°（垂直入射）の場合、分布の極大は、固相表面に対して、垂直方向となるが、ビームの入射角が増すとともに、分布の極大は、固相表面に対して、垂直方向から傾きを有するものとなる。カンチレバーの先端領域に、この傾いた飛散方向分布の極大が対応するように配置することが望ましい。なお、図１に例示する配置は、前記の好ましい形態を示すものである。
【００２７】
本発明では、二次元的な走査を行う際にも、カンチレバー・センサーを構成するカンチレバーの先端領域を前記の飛散方向分布の極大に対応する位置に保つことが望ましい。従って、従来のＳＰＭ装置において、測定対象の固相表面に対して、探針（プローブ）の先端部を所望の距離に維持するために利用される機構を利用して、固相表面と所定の距離を隔てる位置にカンチレバーの先端領域を維持する装置構成を選択することが好ましい。その装置構成では、二次元的な走査も、従来のＳＰＭ装置において採用されている走査機構を利用することが可能である。
また、本発明において、カンチレバー表面上への対象物質固定に利用する相互作用としては、
（１）水素結合
（２）共有結合
（３）静電力
（４）磁気力
（５）サイズ効果（糊着効果）
（６）ハイブリダイゼーション
（７）抗原抗体反応、受容体タンパク質−基質物質間結合
が挙げられる。カンチレバーの表面に修飾される物質と、対象物質との間において、前記の相互作用のいずれかが存在すると、飛散して、かかるカンチレバーの表面に到達した対象物質は固定化される。各相互作用の形態において、カンチレバーの表面に修飾される物質と、対象物質との組み合わせの一例を、以下に例示する。
（１）水素結合
水素結合としては、−ＯＨ‥Ｎ＜、−ＯＨ‥Ｏ＜、−ＯＨ‥Ｏ＝、＞Ｎ−Ｈ‥Ｎ＜、＞Ｎ−Ｈ‥Ｏ＝など、幾つかの組み合わせがあり、例えば、ペプチド鎖によるβ−シート構造の形成のように、二つ以上の水素結合が統合的に形成されると、より安定性の高い固定化がなされる。従って、カンチレバーの表面に修飾される物質として、水素結合に関与可能なヒドロキシ基（−ＯＨ）を有する物質を利用し、対象物質も、水素結合に関与可能なヒドロキシ基（−ＯＨ）を有するものである際、修飾物質のヒドロキシ基（−ＯＨ）が関与する水素結合に加えて、対象物質のヒドロキシ基（−ＯＨ）が関与する水素結合も形成されると、より安定性の高い固定化がなされる。
（２）共有結合
カンチレバーの表面を、活性化された官能基、例えば、マレイミド基を有する物質などで修飾し、前記活性化された官能基と反応可能な、例えば、アミノ基を有する対象物質が飛来すると、両者の官能基間において、反応が速やかに進行し、共有結合により、連結されたものとなる。
（３）静電力
カンチレバーの表面を、４級アンモニウム構造などを含む、カチオン性物質を修飾し、飛来してきたアニオン性物質を、静電的な相互作用を利用して、固定化を図ることも可能である。
（４）磁気力
カンチレバーの表面を、コバルト・クロム系磁性体で修飾し、飛来する対象物質が鉄などの磁性体物質であると、表面上で近接した状態では、相互の磁気的な相互作用により、より安定性の高い固定化がなされる。
（５）サイズ効果（粘着効果）
カンチレバーの表面を、クラウンエーテルなどで修飾すると、該クラウンエーテル環のリング・サイズに適合するイオン半径を有する金属カチオン種を固定化することができる。具体的には、１２員環のクラウンエーテルに対してリチウム、１５員環のクラウンエーテルに対してナトリウム、１８員環のクラウンエーテルに対してカリウムがそれぞれ選択的に固定化される。
（６）ハイブリダイゼーション
カンチレバーの表面を、特定の塩基配列を有するオリゴヌクレオチドで修飾する際、それと相補的な塩基配列を含む一本鎖核酸分子は、ハイブリダイゼーションすることで、より安定性の高い固定化がなされる。
（７）抗原抗体反応、受容体タンパク質−基質物質間結合
カンチレバーの表面を、受容体タンパク質（または、抗体）、例えば、アビジンで修飾する際、該受容体タンパク質（または、抗体）の基質物質（または、抗原）、例えば、ビオチンは、該受容体タンパク質と特異的に結合すると、より安定性の高い固定化がなされる。
【００２８】
一方、カンチレバーの表面に修飾される物質と、何らの相互作用をも持たない物質は、飛来して、カンチレバーの表面に達しても、単に物理吸着が可能であるのみであり、多くの場合、カンチレバーの表面に近接しても、再び離脱する。最終的には、カンチレバーの表面に修飾される物質と、何らの相互作用を介して、一定の安定性を示す固定化がなされる物質が選択的に、カンチレバー先端領域の表面に付着する。
これらの相互作用を介して、カンチレバー表面に固定化される対象物質に起因する、負荷荷重の増加は、カンチレバー表面の曲げ応力の増加を引き起こす。それを反映するカンチレバーの撓み量Δｈを、変位検出レーザーで検出する。
【００２９】
まず、カンチレバー末端の撓み量Δｈは、以下のＳｔｏｎｅｙの式で表される。
Δｈ＝３σ（１−ν）／Ｅ・（Ｌ／ｄ）2
ここで、
σは、カンチレバーの曲げ変形に因る表面応力（最大曲げ応力）、
νは、カンチレバー構成材料のＰｏｉｓｓｏｎ比（例えば、窒化シリコン；０．３）、
Ｅは、カンチレバー構成材料のＹｏｕｎｇ率（窒化シリコン；１．８×１０11Ｎ／ｍ2）、
Ｌは、カンチレバーの長さ、
ｄは、カンチレバーの厚みを示す。
【００３０】
一方、カンチレバーの曲げ変形に因る表面応力（最大曲げ応力）σは、カンチレバー自体の質量（Ｗ0）と、かかるカンチレバーの表面に修飾されている、対象物質との相互作用に関与する物質の総量（Ｗ1）、前記相互作用を介して固定化される対象物質の総量（Ｗ2）とで決まる、負荷荷重Ｐ（Ｐ∝｛Ｗ0＋Ｗ1＋Ｗ2｝）に比例している（σ∝Ｐ）。また、Ｐｏｉｓｓｏｎ比：ν、Ｙｏｕｎｇ率：Ｅは、用いる構成材料によって決まっており、同じ負荷荷重Ｐに対する、カンチレバーのたわみ量Δｈは、比（Ｌ／ｄ）を大きくすると、その二乗に比例して大きくなる。
【００３１】
例えば、カンチレバーの曲げ変形を、曲率半径Ｒの円弧で近似すると、カンチレバーの長さＬは、
Ｌ＝Ｒ・θ
カンチレバー末端の撓み量Δｈは、
Δｈ＝Ｒ・（１−ｃｏｓθ）
と近似的に表記できる。その際、前記相互作用を介して固定化される対象物質の総量（Ｗ2）の差違に由来するカンチレバー末端の撓み量Δｈの相違（δ（Δｈ））は、
Ｌ＋δＬ＝（Ｒ−δＲ）・（θ＋δθ）
Δｈ＋δ（Δｈ）＝（Ｒ−δＲ）・｛１−ｃｏｓ（θ＋δθ）｝
δθが、十分小さな値である際には、
Δｈ＋δ（Δｈ）≒（Ｒ−δＲ）・｛１−ｃｏｓθ＋δθ・ｓｉｎθ｝
≒Ｒ・（１−ｃｏｓθ）＋｛Ｒ・δθ・ｓｉｎθ−δＲ・（１−ｃｏｓθ）｝
のように近似的に表記できる。
【００３２】
撓み量Δｈの相違（δ（Δｈ））を実際に測定する代わりに、前記の式に示す、曲率半径Ｒの変化：δＲ、あるいは、円弧角θの変化：δθを検出する手法を利用することもできる。
【００３３】
本発明では、利用するカンチレバーとして、比（Ｌ／ｄ）を大きくする構造、すなわち、薄い材質で長さの長い構造を有するものを採用することで、より微小な負荷荷重Ｐの変化であっても、カンチレバー末端の撓み量Δｈの変化として検出することが可能となる。この向上した検出感度を有するカンチレバー・センサーを用いることで、固相表面の微小領域から飛散される微量の対象物質を定量的に検出することが可能となる。
固相表面の所定の領域について、二次元的マッピングを行う場合、固相表面に照射されるレーザーまたはイオン・ビームの入射角、ならびに、ビームの照射ポイントを基準とする、カンチレバー・センサーの配置位置を一定に保ちつつ、測定を行う。例えば、固相表面に照射されるレーザーまたはイオン・ビームの入射角、ならびに、ビームの照射ポイントを基準とする、カンチレバー・センサーの配置位置を一定に保持しつつ、測定対象の固相表面を二次元的に移動させて、測定点が、固相表面上を二次元的に走査する方式を利用することができる。また、カンチレバー・センサーが、検出対象物質の種類に応じて、その表面に修飾される物質を変更した複数個のカンチレバー・センサーをアレイ状に集合したアレイ型センサーである場合、各測定点において、固相表面に照射されるレーザーまたはイオン・ビームの入射角、ならびに、ビームの照射ポイントを基準とする、カンチレバー・センサーの配置位置を一定に保つように、アレイ型センサーの各センサーを順次移動させて、測定を行う。この操作を、測定対象の固相表面を二次元的に移動させて、測定点を、固相表面上を二次元的に走査させる、固相表面のステップ移動と同期させて行う。その結果、固相表面の所定の領域について、複数種の対象物質の存在領域、その量に関して、同時に二次元的マッピングを行うことが可能となる。
【００３４】
また、検出可能な対象物質が同じカンチレバー・センサー複数をアレイ状に集合したアレイ配置センサーを利用する際には、アレイ配置の各センサーに対して、固相表面に照射されるレーザーまたはイオン・ビームの照射ポイントを一つの軸方向に掃引し、この掃引動作の周期と同期して、測定対象の固相表面を、前記掃引方向の軸方向と垂直な他の軸方向に、ステップ移動させる。一つの軸方向の掃引と、他の軸方向へのステップ移動とによって、結果的に、固相表面の所定の領域について、二次元的マッピングがなされる。
なお、本発明にかかる検出方法は、測定対象の固相表面に存在する対象物質を飛散させることが可能であり、また、カンチレバー・センサーの先端領域に上述するような相互作用を介して、飛来する対象物質を固定化可能である気相環境であれば、真空中、大気中、あるいは特定のガス雰囲気中など、周囲の環境は特に限定されない。一方、固相表面に存在する対象物質を飛散させる際に利用する手段の選択に応じて、かかる手段に適合する気相環境を適宜選択することが好ましい。
【００３５】
加えて、利用されるカンチレバー・センサーは、高い検出感度を有するものであり、例えば、周辺雰囲気の擾乱、僅かな気流の変化に伴う外力の変化に対しても、応答可能である点を考慮すると、かかる周辺雰囲気の擾乱を回避できる、真空中や、減圧条件を選択することが一般に好ましい。
【００３６】
なお、本発明にかかる検出方法では、飛来する検出対象物質を選択的にカンチレバー表面に固定化するため、上述する予め表面に修飾する物質との間の相互作用を利用している。一方、予めカンチレバー表面に修飾する物質との間に特定の相互作用を示さない物質であっても、物理吸着によって、カンチレバー表面に留まることが可能である。この物理吸着によって、カンチレバー表面に残留する化合物と、予めカンチレバー表面に修飾する物質との間の相互作用により固定化される化合物との間における選択性を向上する上では、物理吸着によって、カンチレバー表面に残留する確率を低減することが望ましい。一般に、真空中や、減圧条件を選択すると、飛来して、物理吸着された化合物は、再び離脱する過程の促進がなされるので、結果的に、物理吸着によって、カンチレバー表面に残留する確率を低減する効果が得られる。従って、この観点でも、真空中や、減圧条件を選択することが一般に好ましい。
【実施例】
【００３７】
以下に、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。以下に示す具体例は、本発明にかかる最良の実施形態の一例ではあるが、本発明はかかる具体的態様に限定されるものではない。
【００３８】
（実施例：チオール基を有する分子の選択的検出用カンチレバー・センサー）
（１）  カンチレバー表面の修飾
市販の窒化シリコン製カンチレバー（形状；三角形、探針なし、長さ；２００ｍ、厚さ；０．４ｍ、バネ定数；０．０２Ｎ／ｍ）の片面に金を薄く蒸着する。この表面に形成される金蒸着膜に対して、チオール基（−ＳＨ）を有する化合物分子は、金原子に対するチオール基（−ＳＨ）の作用を介して結合すること可能である。従って、チオール基（−ＳＨ）を有する化合物分子を選択的に固定することで検出するカンチレバー・センサーとなる。
【００３９】
（２）  テスト用試料の作製
チオール基（−ＳＨ）を有する化合物として、トリフェニルメタンチオール：（Ｃ6Ｈ5）3Ｃ−ＳＨ、チオール基（−ＳＨ）を持たない化合物として、トリフェニルメタン：（Ｃ6Ｈ5）3ＣＨを選択し、それぞれ、等しいモル濃度でメタノールに溶解する。調製したトリフェニルメタンチオール、トリフェニルメタンのメタノール溶液を、脱脂処理した同一のガラス基板上に、それぞれ、マイクロピペットにより約３００μｍのサイズでスポッティングする。溶媒のメタノールを蒸散させ、各スポット領域に溶質分子が残留しているテスト用試料とする。
【００４０】
（３）  テスト用試料のカンチレバー・センサーによる測定
Ｇａ+イオン源を備えた真空ＳＰＭ装置に対して、その探針の装着部に（１）で作製したカンチレバー・センサーを装着する。次に、（２）で作製したテスト用試料を、測定用試料台上に搭載した上、真空ＳＰＭ装置内に導入する。試料表面近傍にカンチレバー・センサーを近づけ、２５ｋｅＶのエネルギーのＧａ+イオン・ビームを試料表面に照射し、ガラス基板上の物質を真空中にスパッタアウトさせる。
【００４１】
トリフェニルメタンのスポット領域と、トリフェニルメタンチオールのスポット領域とにおいて、スパッタアウト後、飛散する化合物が前記カンチレバー・センサー上の金蒸着膜に固定化されることに起因するカンチレバーの変位量の増加をそれぞれ観測し、比較を行う。その際、トリフェニルメタンのスポット領域より、トリフェニルメタンチオールのスポット領域において、より大きなカンチレバーの変位量の増加が観測される。
【００４２】
加えて、対比のため、金蒸着膜を形成していないカンチレバーを使用して、同様の測定を行うと、この金蒸着膜を形成していないカンチレバーを使用した場合、トリフェニルメタンのスポット領域と、トリフェニルメタンチオールのスポット領域とで、観測されるカンチレバーの変位量の増加に実質的な差違は見出されない。
【００４３】
また、金蒸着膜を形成しているカンチレバーを使用した際、トリフェニルメタンのスポット領域において観測されるカンチレバーの変位量と、金蒸着膜を形成していないカンチレバーを使用した際、トリフェニルメタンのスポット領域と、トリフェニルメタンチオールのスポット領域とで観測されるカンチレバーの変位量の増加を比較すると、実質的な差違は見出されない。また、観測される変位量の増加自体、格段に小さなものである。
【００４４】
以上の結果から、金蒸着膜を形成しているカンチレバーを使用することで、ガラス基板上からイオン・ビーム・スパッタされるチオール基（−ＳＨ）を有する化合物、トリフェニルメタンチオール：（Ｃ6Ｈ5）3Ｃ−ＳＨを選択的に検出できていることが確認される。すなわち、カンチレバー表面に修飾された金原子（金蒸着膜）に対するチオール基（−ＳＨ）の作用を介して、イオン・ビーム・スパッタされるチオール基（−ＳＨ）を有する化合物の固定化を行う結果、このような高い選択性が達成されることが確認される。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明のカンチレバー・センサーによる物質の検出方法は、固相表面に存在する物質を実質的に非接触な手段によりサンプリングし、高い感度で検出することが可能である利点から、例えば、基板などの表面に付着する微量な対象物質について、その存在範囲を二次元的にマッピングしつつ、定量的に検出する表面分析手段として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明にかかるカンチレバー・センサーを利用して、固相表面に存在する物質を検出する方法に基づく、検出装置の構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  固相（基板）
２  検出対象物質
３  飛翔手段
４  カンチレバー・センサー
【図１】
2006300827.tif 000003