(57)【要約】【課題】自由端側の部位が液中に浸漬されるカンチレバーのＱ値を増大させる。【解決手段】バイオセンサは、自由端側の部位が液体９中に浸漬されるカンチレバー２１、支持部にてカンチレバー２１の固定端を支持しつつ、カンチレバー２１がｎ次（ただし、ｎは２以上の整数）の振動モードにて共振するように、カンチレバー２１を励振する駆動部、および、カンチレバー２１の共振周波数を取得する周波数検出部を備える。バイオセンサにおける測定時には、ｎ次の振動モードにて振動するカンチレバー２１における一の節Ａ１が、液体９の液面９１に配置される。これにより、液面９１にて造波抵抗が発生することを抑制して、自由端側の部位が液体９中に浸漬されるカンチレバー２１の液体中にカンチレバーを浸漬させることによるＱ値の低下を軽減させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバー型センサであって、
自由端側の部位が液中に浸漬されるカンチレバーと、
支持部にて前記カンチレバーの固定端を支持しつつ、前記カンチレバーがｎ次（ただし、ｎは２以上の整数）の振動モードにて共振するように、前記カンチレバーを励振する駆動部と、
前記カンチレバーの共振周波数を取得する周波数検出部と、
を備え、
前記ｎ次の振動モードにて振動する前記カンチレバーにおける一の節が、前記液の液面に位置することを特徴とするカンチレバー型センサ。
【請求項２】
請求項１に記載のカンチレバー型センサであって、
前記液面に位置する前記節が、前記支持部よりも前記自由端に近いことを特徴とするカンチレバー型センサ。
【請求項３】
請求項２に記載のカンチレバー型センサであって、
前記液面に位置する前記節が、前記ｎ個の節のうち前記自由端に最も近いものであることを特徴とするカンチレバー型センサ。
【請求項４】
液中において特定の物質を検出するバイオセンサであって、
請求項１ないし３のいずれかに記載のカンチレバー型センサと、
前記物質が前記自由端側の部位に付着することによる前記カンチレバーの共振周波数の変化に基づいて、前記カンチレバーに付着した前記物質の量を求める演算部と、
を備えることを特徴とするバイオセンサ。
【請求項５】
液中の対象物の表面状態を取得するプローブ顕微鏡であって、
請求項１ないし３のいずれかに記載のカンチレバー型センサと、
前記液中において、前記カンチレバーの探針に対して相対的に、前記対象物の表面を前記表面に平行に移動する移動機構と、
前記探針が前記表面から受ける力の作用による前記カンチレバーの共振周波数の変化および前記移動機構による移動量に基づいて、前記対象物の表面状態を取得する演算部と、
を備えることを特徴とするプローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カンチレバーを有するカンチレバー型センサ、液中において特定の物質を検出するバイオセンサ、および、液中の対象物の表面状態を取得するプローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
カンチレバーに所定の物質を吸着させるための膜等を形成し、当該物質の吸着によるカンチレバーの共振周波数の変化を測定することにより、当該物質の質量を測定することが従来より行われている。また、近年では、このような測定を液中にて行うことが試みられており、例えば、特許文献１では、表面に抗体を付着させたカンチレバーの全体を反応溶液中に浸漬し、その後、抗原を持つ測定試料を当該反応溶液中に投入することにより、抗原抗体反応の検出を行うバイオセンサが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２１４７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１のようにカンチレバーの全体を液中に浸漬する場合には、カンチレバーの周囲の液体の影響により、カンチレバーの共振Ｑ値（振動スペクトラムにおける共振ピークの急峻さを示す値であり、共振周波数を共振ピークの半値幅にて除することにより求められる。）が小さくなってしまう。この場合、共振周波数の変化に対するノイズの影響が大きくなってしまい、カンチレバーに付着する物質を精度よく検出することが困難となる。カンチレバーを部分的に液中に浸漬することも考えられるが、液面における造波抵抗によりカンチレバーのＱ値は低くなってしまう。また、カンチレバーを用いるプローブ顕微鏡においても、カンチレバーを液中に浸漬する場合には、同様の問題が生じてしまい、対象物の表面状態を精度よく取得することができなくなる。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、液体にカンチレバーの一部を浸漬させた場合におけるＱ値の減少を軽減させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、カンチレバー型センサであって、自由端側の部位が液中に浸漬されるカンチレバーと、支持部にて前記カンチレバーの固定端を支持しつつ、前記カンチレバーがｎ次（ただし、ｎは２以上の整数）の振動モードにて共振するように、前記カンチレバーを励振する駆動部と、前記カンチレバーの共振周波数を取得する周波数検出部とを備え、前記ｎ次の振動モードにて振動する前記カンチレバーにおける一の節が、前記液の液面に位置する。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のカンチレバー型センサであって、前記液面に位置する前記節が、前記支持部よりも前記自由端に近い。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のカンチレバー型センサであって、前記液面に位置する前記節が、前記ｎ個の節のうち前記自由端に最も近いものである。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、液中において特定の物質を検出するバイオセンサであって、請求項１ないし３のいずれかに記載のカンチレバー型センサと、前記物質が前記自由端側の部位に付着することによる前記カンチレバーの共振周波数の変化に基づいて、前記カンチレバーに付着した前記物質の量を求める演算部とを備える。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、液中の対象物の表面状態を取得するプローブ顕微鏡であって、請求項１ないし３のいずれかに記載のカンチレバー型センサと、前記液中において、前記カンチレバーの探針に対して相対的に、前記対象物の表面を前記表面に平行に移動する移動機構と、前記探針が前記表面から受ける力の作用による前記カンチレバーの共振周波数の変化および前記移動機構による移動量に基づいて、前記対象物の表面状態を取得する演算部とを備える。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、自由端側の部位の一部を浸漬させた場合におけるＱ値の減少を軽減させることができる。
【００１２】
請求項４の発明では、液中において特定の物質を精度よく検出することができ、請求項５の発明では、対象物の表面状態を精度よく取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施の形態に係るバイオセンサの構成を示す図である。
【図２】共振するカンチレバーの軌跡を示す図である。
【図３】質量検出限界とＱ値との関係を示す図である。
【図４】振動スペクトラムのシミュレーション結果を示す図である。
【図５】カンチレバーの共振モードを示す図である。
【図６】カンチレバーの共振モードを示す図である。
【図７】バイオセンサの他の例を示す図である。
【図８】第２の実施の形態に係るバイオセンサの構成を示す図である。
【図９】支持部を示す図である。
【図１０】支持部およびカンチレバーの断面図である。
【図１１】第３の実施の形態に係るプローブ顕微鏡の構成を示す図である。
【図１２】関連技術に係るプローブ顕微鏡の構成を示す図である。
【図１３】対象物近傍を示す図である。
【図１４】カンチレバーの他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は本発明の第１の実施の形態に係るバイオセンサ１の構成を示す図である。バイオセンサ１は、液中においてカンチレバーを用いて特定の物質を検出するものである。図１では、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向を矢印にて図示しており、Ｘ方向およびＹ方向は互いに垂直な水平方向であり、Ｚ方向はＸ方向およびＹ方向に垂直な鉛直方向である。
【００１５】
バイオセンサ１は、所定の液体９を貯溜する容器１１、容器１１を保持する補助移動機構１２、補助移動機構１２を図１中のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動する移動機構１３、先端の部位が容器１１内の液体９中に浸漬されるカンチレバー２１、カンチレバー２１の固定端を支持しつつカンチレバー２１を励振する駆動部３、カンチレバー２１の振動状態を取得する検出部４、および、検出部４の出力に基づいて駆動部３を制御する振動制御部５を備える。図１のバイオセンサ１では、容器１１、補助移動機構１２、移動機構１３、カンチレバー２１、駆動部３、および、検出部４の一部の構成が、測定時に密閉された空間を形成するチャンバ本体１０内に設けられる。
【００１６】
駆動部３は、鉛直方向（Ｚ方向）に長い薄板状のカンチレバー２１の固定端を支持する支持部３１、支持部３１を介してカンチレバー２１を水平方向に曲げ振動（正規振動）させる圧電素子３２、並びに、支持部３１および圧電素子３２をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動する支持部移動機構３３を備える。圧電素子３２は圧電体を電極対にて挟んだ構造となっており、振動制御部５から電極対に駆動電圧（交流電圧）が付与されることにより圧電素子３２が駆動する。
【００１７】
検出部４は、出射部であるレーザダイオードモジュール（以下、「ＬＤモジュール」という。）４１、および、受光部である変位検出フォトダイオード（position sensitive photo-diode）（以下、「ＰＳＰＤ」という。）４２を備える。ＬＤモジュール４１は、モジュール移動機構４３１によりＹ方向およびＺ方向に移動可能とされ、ＰＳＰＤ４２は、モジュール移動機構４３２により、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動可能とされる。さらに、２つのモジュール移動機構４３１，４３２は、検出部移動機構４４によりＹ方向およびＺ方向に一体的に移動可能とされる。
【００１８】
ＬＤモジュール４１はＬＤ高周波重畳器４１２を介してＬＤドライバ４１１に接続されており、ＬＤドライバ４１１を駆動することによりＬＤモジュール４１からレーザ光が出射される。レーザ光は可動ミラー４５１を介してカンチレバー２１の（−Ｘ）側の面に照射され、カンチレバー２１からの反射光は可動ミラー４５２を介してＰＳＰＤ４２へと導かれる。
【００１９】
検出部４は、プリアンプ４２１を介してＰＳＰＤ４２に接続される信号処理回路４６、および、信号処理回路４６に接続される周波数検出部４０をさらに有し、信号処理回路４６では、ＰＳＰＤ４２からの出力に基づいてカンチレバー２１の変位（レーザ光が照射される位置の変位）を示す変位信号（電圧変化）が生成され、カンチレバー２１の横波の振動状態が取得される。また、周波数検出部４０では、信号処理回路４６からの変位信号に基づいてカンチレバー２１の共振周波数が取得される。
【００２０】
振動制御部５は、信号処理回路４６に接続される位相シフタ５１、および、位相シフタ５１に接続されるＡＧＣ（Automatic Gain Control）回路５２を有する。位相シフタ５１およびＡＧＣ回路５２では、信号処理回路４６からの変位信号に対して位相のシフトや振幅の調整等が行われ、変位信号に基づく駆動電圧が駆動部３の圧電素子３２に入力される。バイオセンサ１では、検出部４および振動制御部５により自励発振回路が構成されており、カンチレバー２１を常に共振周波数で振動（自励発振）させることが可能となっている。
【００２１】
バイオセンサ１は、検出部４からカンチレバー２１の共振周波数が入力される制御演算部６をさらに備える。制御演算部６は移動機構１３にも接続されており、Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向のそれぞれに対応する移動機構１３内のステッピングモータを駆動することにより補助移動機構１２が移動する。補助移動機構１２は、それぞれが圧電素子を有するＸ方向アクチュエータ１２１、Ｙ方向アクチュエータ１２２、および、Ｚ方向アクチュエータ１２３を備える。制御演算部６の制御により、高圧アンプ１２０が各アクチュエータ１２１〜１２３に電圧を印加することにより容器１１が微小移動する。
【００２２】
バイオセンサ１では、カンチレバー２１がｎ次（ただし、ｎは２以上の整数）の横波の振動モードにて共振するように、振動制御部５により検出部４の出力に基づいて駆動部３が制御される。図２では、カンチレバー２１が６次の振動モードにて共振する場合におけるカンチレバー２１の軌跡を二点鎖線にて示しており（後述の図７において同様）、カンチレバー２１が共振する状態において、６個の腹と６個の節（固定端を含んでおり、図２中にて符号Ａ１〜Ａ６を付す点にて示す。）が形成される。本実施の形態では、６個の節Ａ１〜Ａ６のうち自由端に最も近い節Ａ１が容器１１内の液体９の液面９１に位置している。なお、容器１１内の液体９の表面（液面）近傍には、液体９の蒸発防止用の液体による薄膜が形成されている。
【００２３】
次に、カンチレバー２１の節Ａ１を液面９１に配置する処理について説明する。図１のバイオセンサ１では、まず、カンチレバー２１の自由端が液体９の液面９１よりも僅かに上方（（＋Ｚ）側）に、支持部移動機構３３（粗動ステージ）を用いることにより配置される。続いて、移動機構（ステッピングモータ）により容器１１を（＋Ｚ）側に移動させることにより、カンチレバー２１の先端を水中に浸漬させる。この状態において、カンチレバー２１を、信号処理回路４６、位相シフタ５１、ＡＧＣ回路５２により自励発振させる。加えて、カンチレバー２１の振動振幅が一定になるように帰還制御し、一定に保つために必要な励振電圧の大きさに相当する値（以後、散逸信号と呼ぶ）をモニターする。この状態において、カンチレバー２１の先端部と水面の位置を移動機構１３により調整し、上記の散逸信号が最も減少する座標（Q値が最も高くなる座標）を決定し、カンチレバー２１の振動モードの節の位置になる。最終的な位置調整は、補助移動機構１２（微動機構）により調整を行う。
【００２４】
このとき、カンチレバー２１の自由端が液体９の上方に位置する間は比較的小さな散逸信号が取得され、自由端が液体９中に浸水すると、液体９中における粘性抵抗および液面９１における造波抵抗によりカンチレバー２１の散逸信号が大幅に増大する。容器１１が上方に移動するに従って（すなわち、カンチレバー２１において節Ａ１よりも自由端側の部位が液体９中に進入するに従って）散逸信号は漸次大きくなり、液面９１が節Ａ１近傍となると、液面９１における造波抵抗が減小して散逸信号が減小する。さらに、容器１１が上方に移動して液面９１が節Ａ１と節Ａ２との間に配置されると、液面９１における造波抵抗が増大して散逸信号が再度増大する。
【００２５】
したがって、容器１１の微小距離の移動、および、散逸信号の取得を繰り返しつつ、カンチレバー２１の自由端の浸水後、カンチレバー２１の散逸信号が最初に極小となる位置を特定することにより、節Ａ１が液面９１上に配置される容器１１のＺ方向の位置が決定される。なお、支持部移動機構３３によりカンチレバー２１がＺ方向に移動してもよい。また、容器１１の微小距離の移動、および、カンチレバー２１の熱揺動スペクトラムの取得を繰り返し、カンチレバー２１の自由端の浸水後、共振ピークのＱ値が最初に極大となる位置が、節Ａ１が液面９１上に配置される容器１１の位置として特定されてもよい。
【００２６】
以上の処理にて液面９１に対するカンチレバー２１の相対位置が調整されると、バイオセンサ１による液体９中の特定の物質の検出が行われる。具体的には、液体９が所定の抗原を含むものとされるとともに、カンチレバー２１の自由端側の部位の表面には抗体が付着されており、節Ａ１を液面９１上に配置した状態にてカンチレバー２１の共振周波数が取得される。バイオセンサ１では、抗原を含まない液体の液面上に節Ａ１を配置した状態におけるカンチレバー２１の共振周波数も取得されており、制御演算部６では、これらの共振周波数の差を取得することにより、カンチレバー２１に付着した抗原の質量が取得される。また、カンチレバー２１への抗原の付着量と、液体９中の抗原の全体量、あるいは、抗原の濃度との関係が予め求められており、実際に取得される抗原の付着量に基づいて液体９中の抗原の全体量、あるいは、抗原の濃度が求められる。
【００２７】
以上に説明したように、図１のバイオセンサ１では、カンチレバー２１が高次の振動モードにて共振し、自由端に最も近い節Ａ１が液体９の液面９１に配置される。これにより、液面９１にて造波抵抗が発生することを抑制して、自由端側の部位が液体９中に浸漬されるカンチレバー２１のＱ値を増大させることができる。また、制御演算部６では、所定の物質がカンチレバー２１の自由端側の部位に付着することによるカンチレバー２１の共振周波数の変化に基づいて、カンチレバー２１に付着した当該物質の量が求められる。
【００２８】
ここで、実際にＱ値が、検出精度にどの程度影響を与えるかを考察する。減衰を有する１自由度系の強制振動のモデルにおいて、外力を熱雑音として運動方程式を解くと、帯域１Ｈｚにおける熱揺動の振動振幅Δｚは、数１にて表現される。
【００２９】
【数１】
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【００３０】
数１において、Ｎは装置由来の白色ノイズ、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは温度、ｋはバネ定数、ＱはＱ値、ωは外力の周波数、ｍは振動子の有効質量である。数１から位相ノイズを導き、さらに、帯域１Ｈｚにおいて周波数ノイズ換算したΔωｎｏｉｓｅは数２にて表現される。数２においてＡ０は振幅である。
【００３１】
【数２】
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【００３２】
一方、周波数変化Δωと質量の関係は数３で表現される。
【００３３】
【数３】
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【００３４】
つまり、ノイズに由来する質量検出ノイズΔｍｎｏｉｓｅは数４で表現される。
【００３５】
【数４】
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【００３６】
質量検出ノイズΔｍｎｏｉｓｅは検出限界であり、この値が小さくなればよい。ここでは、基本振動を前提としているため、数５のように、（ω０＝ω１）、（ｋ＝ｋ１）と置き換える。
【００３７】
【数５】
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【００３８】
高次の振動モードにおいて周波数が基本振動数のα倍であるとき、有効ばね定数はα２倍となるため、数５は数６として表すことができる。
【００３９】
【数６】
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【００４０】
これまでの議論では、カンチレバーの構造は一切考察に加えていなかった。カンチレバー２１が直方体である場合、ばね定数ｋ１および基本振動の共振周波数ω１はそれぞれ数７および数８で表現される。ただし、カンチレバー２１の振動方向に垂直な幅をｗ、長さをＬ、振動方向の厚さをｔ、カンチレバー２１を形成する材料の密度をρ、ヤング率をＥｙとしている。
【００４１】
【数７】
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【００４２】
【数８】
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【００４３】
数７および数８を数６に代入すると、数９が得られる。なお、ｂは所定の定数である。
【００４４】
【数９】
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【００４５】
数９において、右辺の１番目（最も左側）の括弧内は直方体となっているカンチレバー２１の形状に係るパラメータを含み、２番目の括弧内はカンチレバー２１の材料に係るパラメータを含み、３番目（最も右側）の括弧内は測定条件や測定環境に依存するパラメータを含んでいる。１番目の括弧内からカンチレバー２１の幅ｗおよび長さＬを小さくし、かつ、厚さｔを大きくすることによりノイズΔｍｎｏｉｓｅが小さくなることが判る。しかしながら、カンチレバー２１の幅ｗおよび長さＬを小さくすると、ＬＤモジュール４１からのレーザ光のスポットも小さくする必要があり、当該スポットの微小化には一定の限界がある。カンチレバー２１の厚さｔを大きくする（厚くする）場合には、カンチレバー２１の共振に多大なエネルギーが必要となってしまう。また、２番目の括弧内は、微細加工が容易に可能な材料という点で特定の材料（例えば、シリコン）に決定されてしまい、選択の余地は少ない。３番目の括弧内において、温度Ｔを極端に下げると液体９の状態が変化してしまうため現実的ではなく、振幅Ａ０および基本振動数に乗じられる値αの増大も、既述のように共振に多大なエネルギーが必要となるため、一定の限界がある。したがって、ノイズΔｍｎｏｉｓｅの影響を抑制するには、Ｑ値を増大することが重要となる。
【００４６】
図３は、質量検出限界とＱ値との関係を示す図である。実際には、Ｑ値が１０倍、１００倍になると、ノイズΔｍｎｏｉｓｅの大きさは１／３倍、１／１０倍となる。したがって、仮に、Ｑ値が０．１０の場合にノイズΔｍｎｏｉｓｅの大きさが２．３×１０−１８ｋｇ／√Ｈｚ（すなわち、質量の検出限界が２．３×１０−１８ｋｇ／√Ｈｚ）であるときには、Ｑ値が１、１０、１００と増大すると、検出限界がそれぞれ７．５×１０−１９ｋｇ／√Ｈｚ、２．３×１０−１９ｋｇ／√Ｈｚ、７．４×１０−２０ｋｇ／√Ｈｚに向上することとなる。よって、カンチレバー２１のＱ値を増大させることが可能なバイオセンサ１では、共振周波数の変化に対するノイズの影響を低減することができ、液体９中において物質を精度よく検出することができることが判る。
【００４７】
次に、各節Ａ１〜Ａ５（固定端の節Ａ６を除く。）を液体９の液面９１に配置する場合の振動スペクトラムのシミュレーション結果について述べる。ここでは、節Ａ１〜Ａ５が液面９１に配置されることにより造波抵抗は発生せず、運動方程式における減衰定数がカンチレバー２１の液体９中に存在する部分に対する粘性抵抗のみに依存するものとしている。図４は振動スペクトラムのシミュレーション結果を示す図である。図４の縦軸は振幅を示し、横軸は周波数を示す。また、図４では、節Ａ１〜Ａ５を液面９１に配置した場合における振動スペクトラムにそれぞれ同符号を付している。
【００４８】
自由端に最も近い節Ａ１を液面９１に配置する場合には、液面９１における造波抵抗の抑制に加えて、カンチレバー２１が液体９から受ける抗力も比較的小さいため、図４に示すように急峻な共振特性が得られ、共振周波数を共振ピークの半値幅にて割って得られるＱ値が高くなる。また、節Ａ２，Ａ３を液面９１に配置する場合でも、ある程度高いＱ値が得られる。よって、バイオセンサ１では、支持部３１よりも自由端に近い節Ａ１〜Ａ３が液面９１に位置することが好ましいといえる。節Ａ４，Ａ５を液面９１に配置する場合でも、液面９１における造波抵抗の発生が抑制されるため、腹に近い部位を液面９１に配置する場合に比べて、Ｑ値を向上することが可能となる。以上のように、自由端側の部位が液体９中に浸漬されるカンチレバー２１において、液体中にカンチレバーを浸漬させることによるＱ値の低下を軽減させるには、ｎ次の振動モードにて振動するカンチレバー２１における一の節が、液体９の液面９１に位置することが重要となる。図５および図６では、有限要素法を用いて算出したカンチレバーの共振モードを示している。
【００４９】
図７はバイオセンサの他の例を示す図である。図７のバイオセンサでは、同じ材料にて形成されるとともに同じ形状を有する複数のカンチレバー２１が固定部２１３に固定され、固定部２１３が図１の駆動部３の支持部３１にて支持される。他の構成は図１と同様である。
【００５０】
図７のバイオセンサでは、複数のカンチレバー２１が一体的に励振される。また、各カンチレバー２１の一の節（図７では自由端側から２番目の節）が液体９の液面９１に配置される。これにより、検出対象の物質がカンチレバー２１に吸着する確率を高めることができ、当該物質をより精度よく検出することが可能となる。なお、図７の複数のカンチレバー２１のそれぞれが個別の駆動部３により励振されてもよく、この場合に、複数のカンチレバー２１の自由端近傍に互いに異なる物質を吸着させるための薄膜を形成しておくことにより、異なる物質の検出が同時に可能とされてもよい。
【００５１】
図８は本発明の第２の実施の形態に係るバイオセンサ１ａの構成を示す図である。図８のバイオセンサ１ａは、図１のバイオセンサ１と比較して、カンチレバー２２、駆動部３ａおよび検出部４ａの構成が相違している。他の構成は図１と同様であり、同符号を付している。
【００５２】
図８のカンチレバー２２は長手方向に垂直な断面が正方形となる棒状の部材であり、カンチレバー２２の自由端は容器１１内の液体９中に浸漬される。また、カンチレバー２２の固定端は支持部３１ａにより支持される。
【００５３】
図９は（−Ｚ）側から（＋Ｚ）方向を向いてみた場合の支持部３１ａを示す図であり、図９では、カンチレバー２２を省略している。また、図１０は図９中の矢印Ａ−Ａの位置における支持部３１ａおよびカンチレバー２２の断面図である。図９に示すように、支持部３１ａの（−Ｚ）側の面の中央には、カンチレバー２２をその長手方向に励振する励振用振動子３４が設けられる。図１０に示すように、励振用振動子３４は圧電体３４１を１対の電極３４２にて上下から挟んだ構造となっており、カンチレバー２２の固定端は絶縁膜２１４を介して励振用振動子３４に固定される。
【００５４】
また、図９に示すように、支持部３１ａの（−Ｚ）側の面の外縁部には、検出用振動子４７が励振用振動子３４の周囲を囲むようにして設けられる。図１０に示すように、検出用振動子４７も励振用振動子３４と同様に、圧電体４７１を１対の電極４７２にて上下から挟んだ構造となっており、カンチレバー２２の固定端は絶縁膜２１４を介して検出用振動子４７にも固定される。また、検出用振動子４７からの出力は、図８に示すＩＶ変換回路４８を介して信号処理回路４６に入力される。
【００５５】
図１のバイオセンサ１と同様に、信号処理回路４６からの変位信号は振動制御部５に入力され、当該変位信号に基づく駆動電圧が振動制御部５から励振用振動子３４に入力される。これにより、カンチレバー２２を常に共振周波数で振動する（自励発振）することが可能となっている。バイオセンサ１ａでは、支持部３１ａ上の励振用振動子３４が、カンチレバー２２を励振する駆動部３ａの構成要素となり、支持部３１ａ上の検出用振動子４７が、カンチレバー２２の振動状態を検出する検出部４ａの構成要素となっている。
【００５６】
図８のバイオセンサ１ａにおいても、カンチレバー２２がｎ次（ただし、ｎは２以上の整数）の縦波の振動モードにて共振するように、駆動部３ａによりカンチレバー２２が励振される。また、振動するカンチレバー２２における一の節（好ましくは、支持部３１ａよりも自由端に近い節であり、より好ましくは、自由端に最も近い節）が、液体９の液面に配置される。
【００５７】
ここで、縦波での共振状態のカンチレバー２２において、腹の近傍が液体９の液面に配置される比較例を想定すると、比較例のカンチレバー２２では縦波による粗密が生じる部分が液面に位置し、液体９に対して出たり入ったりする部位が微視的に存在するため、このような部位が、カンチレバー２２のＱ値の低下の一因となってしまう。これに対し、図８のバイオセンサ１ａでは、カンチレバー２２の節が液面に配置されることにより、自由端側の部位が液体９中に浸漬されるカンチレバー２２のＱ値を、比較例に比べて増大させることができ、液体９中において特定の物質を精度よく検出することが可能となる。
【００５８】
図１１は本発明の第３の実施の形態に係るプローブ顕微鏡１ｂの構成を示す図である。図１１のプローブ顕微鏡１ｂでは、自由端に探針（プローブ）２３１を有するカンチレバー２３が設けられるとともに、図１中の補助移動機構１２および移動機構１３とそれぞれ同様の構成である第１補助移動機構７１および第２補助移動機構７２を有する移動機構７を備える。移動機構７により、カンチレバー２３の探針２３１が、プローブ顕微鏡１ｂによる観察の対象物９２に対して液体９中にて図１１中のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向に移動する。駆動部３、振動制御部５および制御演算部６の構成は、図１のバイオセンサ１と同様である。なお、容器１１中では、対象物９２が所定の治具１１１により直立した状態で支持されている。
【００５９】
プローブ顕微鏡１ｂでは、カンチレバー２３がｎ次（ただし、ｎは２以上の整数）の横波の振動モードにて共振するように、駆動部３（ホルダー３０により支持されている。）によりカンチレバー２３が励振される。カンチレバー２３の振動は、検出部４ｂの光ファイバー干渉計４９によって測定される。レーザーダイオード４９１から出力された光は、シングルモードファイバー４９２を通過し、カップラー４９３に入力される。その後、光は、出口２番（図１１中にて符号Ｔ２を付す点にて示す。以下同様。）と出口３番から同じ強度の出力に分けられる。出口２番から出力された光は、カンチレバー２３背面に照射され、反射した後、光ファイバーの端面で反射した光と干渉する。干渉光は出力４番出口からファイバー内を進行し、光検出器４９４で電圧信号に変換される。この信号と、３番出口からの出力光を電圧信号に変換した信号を差動増幅させ、カンチレバー２３の変位信号として使用する。その変位信号を周波数に変換し、探針−試料間の距離制御信号として使用する。
【００６０】
また、プローブ顕微鏡１ｂでは、探針２３１が対象物９２の表面近傍に配置されるとともに、共振するカンチレバー２３における一の節（好ましくは、支持部３１よりも自由端に近い節であり、より好ましくは、自由端に最も近い節）が、液体９の液面９１に配置される。そして、液体９中においてカンチレバー２３を対象物９２の表面に平行なＹ方向およびＺ方向に移動して探針２３１を対象物９２上の各位置（ＹＺ平面上の各位置）に配置しつつ、当該位置においてカンチレバー２３の共振周波数が取得される。このとき、制御演算部６では、共振周波数の変化に合わせて移動機構７によりカンチレバー２３がＸ方向にも移動され、探針２３１がＹＺ平面上の各位置に配置される際に、一定の共振周波数が得られるカンチレバー２３のＸ方向の位置が取得される。これにより、対象物９２の表面形状が取得される。
【００６１】
以上に説明したように、プローブ顕微鏡１ｂでは、カンチレバー２３が高次の振動モードにて共振し、一の節が液体９の液面９１に配置される。これにより、液面９１にて造波抵抗が発生することを抑制して、自由端側の部位が液体９中に浸漬されるカンチレバー２３の、液体中にカンチレバーを浸漬させることによるＱ値の低下を軽減させることができる。その結果、共振周波数の変化に対するノイズの影響を低減することができ、対象物９２の表面形状を精度よく取得することができる。
【００６２】
プローブ顕微鏡１ｂでは、例えば、カンチレバー２３の探針２３１を磁化された磁性体により形成し、移動機構７によりカンチレバー２１をＹ方向およびＺ方向のみに移動しつつ各位置における共振周波数の変化が取得されてもよい。この場合、対象物９２の各位置における磁気力の勾配を取得することができ、対象物９２の表面の磁化状態を取得することができる。また、対象物９２の表面に電荷が存在する場合に、探針２３１の周りを絶縁体にて形成して探針２３１に電荷を保持させ、カンチレバー２１を対象物９２の表面に沿って移動しつつ共振周波数の変化が取得されてもよい。この場合、対象物９２の各位置における電気力の勾配を取得することができ、対象物９２の表面の電荷の分布状態を取得することができる。このように、プローブ顕微鏡１ｂでは、探針２３１が対象物９２の表面から受ける力の作用によるカンチレバー２３の共振周波数の変化、および、移動機構７による移動量に基づいて、対象物９２の様々な表面状態を精度よく取得することが可能となっている。
【００６３】
図１２は、関連技術に係るプローブ顕微鏡１００の構成を示す図である。プローブ顕微鏡１００では、真空ポンプ１０１に接続されたチャンバ本体１０２が設けられ、チャンバ本体１０２内が減圧される。チャンバ本体１０２には下部開口が設けられ、下部開口は膜状部材１０３にて閉塞される。チャンバ本体１０２の下方には、液体９を貯溜する容器１１が設けられ、膜状部材１０３により、減圧された空間と、液体および大気とが遮られる。膜状部材１０３には探針１０４が設けられる。上記実施の形態におけるカンチレバー２２に対応する膜状部材１０３は、振動制御部５に接続された圧電素子３２により、図１３に示すように振動する。また、膜状部材１０３の振動状態は、ＬＤモジュール４１およびＰＳＰＤ４２を有する検出部４により検出される。
【００６４】
図１２のプローブ顕微鏡１００では、膜状部材１０３の共振周波数の変化、および、移動機構７による移動量に基づいて、液体９中における対象物９２の表面形状が取得される。このとき、膜状部材１０３の大部分が真空中に存在することにより、膜状部材１０３の全体が液体９中に存在する場合に比べて、Ｑ値の低下を抑制することができ、その結果、高精度な表面形状の取得が可能となる。図１２において、探針１０４が省略されるとともに、膜状部材１０３の液体９側の主面に所定の抗体等が付着され、図１２の装置がバイオセンサとして用いられてもよい。
【００６５】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。
【００６６】
バイオセンサ１では、図１４に示すように、カンチレバー２１ａにおいて、浸漬される部位２１２に孔部２１５が設けられることにより、部位２１２に対する液体９による抗力が低減されてもよい。この場合、検出対象の物質を吸着させるための膜を孔部２１５の表面にも形成することにより、当該物質がカンチレバー２１ａに吸着する確率を高めることができる。また、流動する液中において特定の物質を検出する際に、当該液が流れる流路において乱流を発生させる構成を設け、乱流により局所的に流速が低下した箇所にて上記バイオセンサ１，１ａによる測定が行われることにより、当該物質がカンチレバーに吸着する確率が高められてもよい。
【００６７】
プローブ顕微鏡１ｂにおいて、カンチレバー２３の位置が固定され、対象物９２がその表面に沿って移動することにより、対象物９２の表面状態が取得されてもよい。すなわち、液体９中において、カンチレバー２３の探針２３１に対して相対的に、対象物９２の表面を当該表面に平行に移動することにより、プローブ顕微鏡１ｂにおいて対象物９２の表面状態の取得が可能となる。
【００６８】
上記実施の形態では、カンチレバー２１，２１ａ，２２，２３、駆動部３，３ａおよび検出部４，４ａ，４ｂの周波数検出部４０を主たる構成要素としてカンチレバー型センサが構成されているが、上記カンチレバー型センサは、バイオセンサ１，１ａおよびプローブ顕微鏡１ｂ以外の装置にて用いられてもよい。
【００６９】
バイオセンサ１，１ａは、液体９中の抗原の検出以外に用いられてよく、バイオセンサ１，１ａでは、検出対象の物質に合わせてカンチレバーの自由端に当該物質の吸着用の膜を形成することにより、様々な物質の検出が可能となる。
【符号の説明】
【００７０】
１，１ａ    バイオセンサ
１ｂ    プローブ顕微鏡
３，３ａ    駆動部
６    制御演算部
７    移動機構
９    液体
２１，２１ａ，２２，２３    カンチレバー
３１，３１ａ    支持部
４０    周波数検出部
９１    液面
９２    対象物
２３１    探針
Ａ１〜Ａ５    節
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図５】
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