(57)【要約】【課題】重量検出感度を向上させるためのカンチレバーの形状を見い出す。検出対象物に関する物理量を検出することができるようにする。【解決手段】カンチレバー型バイオセンサは、台座１２の先端にカンチレバー１０の一端が支持されて取り付けられており、カンチレバー１０の表面には、表面に開口し、かつ、カンチレバー１０の厚さ方向に貫通する複数の貫通孔１０Ａを穿設されている。貫通孔１０Ａの開口部は、各々矩形状であり、粘性抵抗を小さくするために、複数の貫通孔１０Ａを穿設して、開口面積をできるだけ大きくしている。これにより、カンチレバー１０を振動させるときに、カンチレバー１０の複数の貫通孔１０Ａによって、分子の移動が滑らかになるため、大きな粘性抵抗が発生することを防ぎ、粘性抵抗が小さくなっている。従って、質量変化に対する周波数変化の変化量が大きくなっている。【選択図】図３
2008241619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部を介して基板に支持された板状のカンチレバーであって、表面に開口し、かつ、前記カンチレバーの厚さ方向に貫通する複数の貫通孔を穿設したカンチレバー。
【請求項２】
前記貫通孔の開口部を、一辺が３μｍ〜６μｍの大きさの矩形状とした請求項１記載のカンチレバー。
【請求項３】
前記カンチレバーの前記貫通孔が穿設されていない未開口部分に探針を形成した請求項１又は２記載のカンチレバー。
【請求項４】
前記カンチレバーの前記貫通孔が穿設されていない未開口部分の少なくとも一部分を反射面とした請求項１又は２記載のカンチレバー。
【請求項５】
前記カンチレバーの支持部に歪み抵抗素子を設けた請求項１〜請求項３の何れか１項記載のカンチレバー。
【請求項６】
前記カンチレバーの前記貫通孔が穿設されていない未開口部分を静電容量素子の一部とした請求項１又は２記載のカンチレバー。
【請求項７】
前記カンチレバーを、液中に浸漬するか、又は大気中に配置した請求項１〜請求項６の何れか１項記載のカンチレバー。
【請求項８】
前記カンチレバーの母材が、シリコン、ＳｉＮ、及びＳｉＯ２の少なくとも一つで形成された請求項１〜請求項７の何れか１項記載のカンチレバー。
【請求項９】
表面が、金、白金、ＳｉＯ２、絶縁物、有機物、及び磁性材の少なくとも一つで被覆された請求項１〜請求項８の何れか１項記載のカンチレバー。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９の何れか１項記載のカンチレバーと、
前記カンチレバーに付着した物質の付着量を検出する検出手段と、
を含むバイオセンサ。
【請求項１１】
請求項３記載のカンチレバーを備え、
前記カンチレバーを、前記探針と試料の表面との間に原子間力が作用するように配置したプローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、抗原抗体反応及び蛋白質等を高感度で検出することができるカンチレバー、バイオセンサ、及びプローブ顕微鏡に係り、特に、片持ち張り（カンチレバー）を用いて液体中に溶解している物質や大気中に浮遊している物質を高感度で検出することができるカンチレバー、バイオセンサ、及び試料表面形状を高分解能で検出できるプローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子間力電子顕微鏡で用いられているカンチレバーは、共振点を持ち、外部から受ける力により共振点がシフトすることを利用して微小な力であるｐＮ（ピコニュートン）単位の力を計測できるセンサとして利用されている。
【０００３】
カンチレバーをバイオセンサとして利用した論文としては、ラング等が発表したセンサ（非特許文献１）が知られている。
【０００４】
このセンサは、光てこを利用して小さなカンチレバーの共振周波数の変化を検出し、物理量、化学量、温度、または応力等を検出するセンサである。
【０００５】
また、カンチレバー共振型バイオセンサでは、カンチレバー表面に分子等を多数吸着させるために、板状のものを使用している。
【非特許文献１】”人工ノーズ”（アナリティカ  ケミカ  アクタ  Ａｎａｌｙｔｉｃａ  Ｃｈａｍｉｃａ  Ａｃｔａ  第３９３巻（１９９９年）５９頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のカンチレバー共振型バイオセンサでは、液中でカンチレバーを共振する際に液を動かすため、大きな粘性抵抗が発生し、Ｑ値が下がり、検出感度が落ちてしまう、という問題がある。また、検出感度を向上させるためには、共振周波数を増加させること、及びカンチレバーの重さを小さくすることが必要である。
【０００７】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、検出感度を向上させて、検出対象物に関する物理量を高感度で検出することができるカンチレバー、バイオセンサ、及びプローブ顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために本発明に係るカンチレバーは、支持部を介して基板に支持された板状のカンチレバーであって、表面に開口し、かつ、前記カンチレバーの厚さ方向に貫通する複数の貫通孔を穿設したことを特徴としている。
【０００９】
本発明に係るカンチレバーによれば、カンチレバーを振動させるときに、カンチレバーの複数の貫通孔によって、分子の移動が滑らかになるため、大きな粘性抵抗が発生することを防ぐことができる。また、共振周波数をあまり低下させずにカンチレバーの重量を小さくすることができるので、検出感度を向上させることができる。さらに、２つの支持部や大きな開口部を持つカンチレバーはねじれ成分を多くもつが、本発明ではねじれ成分の増加を防ぐことができる。
【００１０】
従って、カンチレバーの表面に複数の貫通孔を穿設することにより、大きな粘性抵抗が発生することを防ぐことができるため、検出感度を向上させて、検出対象物に関する物理量を高感度で検出することができる。
【００１１】
本発明に係る貫通孔の開口部を、一辺が３μｍ〜６μｍの大きさの矩形状とすることができる。
【００１２】
上記のカンチレバーの貫通孔が穿設されていない未開口部分に探針を形成することができる。これによって、検出感度を向上させて、検出対象物の表面の形状を高感度かつ高分解能で検出することができる。
【００１３】
また、本発明に係るカンチレバーの貫通孔が穿設されていない未開口部分の少なくとも一部分を反射面とすることができる。
【００１４】
また、本発明に係るカンチレバーの支持部に歪み抵抗素子を設けることができる。これによって、歪み抵抗素子の出力に基づいて、検出感度を劣化させずに、検出対象物に関する物理量を検出することができる。
【００１５】
また、カンチレバーの貫通孔が穿設されていない未開口部分を静電容量素子の一部とすることができる。
【００１６】
上記のカンチレバーを、液中に浸漬するか、又は大気中に配置することができる。これによって、カンチレバーが液中又は大気中で振動される場合であっても、検出感度を劣化させずに、検出対象物に関する物理量を検出することができる。
【００１７】
また、本発明に係るバイオセンサは、上記のカンチレバーと、カンチレバーに付着した物質の付着量を検出する検出手段とを含んで構成されている。
【００１８】
本発明に係るバイオセンサによれば、カンチレバーを振動させるときに、カンチレバーの複数の貫通孔によって、分子の移動が滑らかになるため、大きな粘性抵抗を発生させることなく、検出手段によって、カンチレバーに付着した物質の付着量を検出することができる。これによって、重量検出感度が向上する。また、カンチレバーの重量が減少し、共振周波数がほとんど変化しないため、重量検出感度が向上する。
【００１９】
従って、カンチレバーの表面に複数の貫通孔を穿設することにより、大きな粘性抵抗が発生することを防ぎ、また、重量を減少させるため、カンチレバーに付着した物質の付着量を高感度で検出することができる。
【００２０】
また、本発明に係るプローブ顕微鏡は、上記の未開口部分に探針が形成されたカンチレバーを備え、カンチレバーを、探針と試料の表面との間に原子間力が作用するように配置して構成されている。
【００２１】
本発明に係るプローブ顕微鏡によれば、カンチレバーを振動させるときに、カンチレバーの複数の貫通孔によって、分子の移動が滑らかになるため、大きな粘性抵抗を発生させることなく、高感度で探針と試料の表面との間に作用する原子間力を検出することができる。
【００２２】
従って、カンチレバーの表面に複数の貫通孔を穿設することにより、大きな粘性抵抗が発生することを防ぐことができるため、高感度で探針と試料の表面との間に作用する原子間力を検出することができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明のカンチレバー、バイオセンサ、及びプローブ顕微鏡によれば、カンチレバーの表面に複数の貫通孔を穿設することにより、大きな粘性抵抗が発生することを防ぐことができるため、重量検出感度を向上させて、検出対象物に関する物理量、カンチレバーに付着した物質の付着量を高感度で検出することができ、又は探針と試料の表面との間に作用する原子間力を高感度で検出することができる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサは、基板としての台座１２に支持された薄板状のカンチレバー１０を備えている。
【００２５】
台座１２には、台座１２を加振することによりカンチレバー１０を振動させる圧電素子で構成されたアクチュエータ１４が取り付けられている。アクチュエータ１４は、台座１２に接着又は機械的に接合させて、台座１２と一体化するように取り付けられている。また、アクチュエータ１４を取り付ける位置は、カンチレバー１０をカンチレバー１０の厚み方向に振動させることができる位置であればよく、図示したように台座１２のカンチレバーが形成されていない側、又はカンチレバーが形成されている側に取り付けられる。
【００２６】
また、カンチレバー１０の台座１２との支持部としての接合部１６には、自己検知型のセンサである歪み抵抗素子が埋め込まれている。アクチュエータ１４によりカンチレバー１０を厚み方向に振動させることにより、カンチレバー１０の台座１２との接合部１６に引張り及び圧縮応力が生じ、歪み抵抗素子の抵抗値が変化するため、この抵抗値の変化からカンチレバー１０の振動状態を検出することができる。
【００２７】
カンチレバー１０は、シリコン、ＳｉＮ、ＳｉＯ２等で形成された半導体基板を台座１２に相当する部分を残存させて薄板状にエッチングすることにより、台座１２と一体的に形成することができる。また、歪み抵抗素子については、カンチレバー１０の台座１２との接合部１６に、半導体技術で一対の電極が形成されており、ボロン等の不純物原子を電極間にイオン打ち込みすることにより歪み抵抗パターンが形成されて作成されている。歪み抵抗の抵抗値は、２ｋΩ以下が望ましい。なお、カンチレバー１０と台座１２とは、シリコン基板で形成することが好ましいが、イオン打ち込みすることなく、電極を形成して歪み抵抗素子を貼着するようにしてもよい。
【００２８】
歪み抵抗素子の電極には、歪み抵抗素子の抵抗値の変化を検出するための検出回路１８が接続されている。検出回路１８は、歪み抵抗素子の電極が接続されたホイーストンブリッジを構成するブリッジ回路、及びブリッジ回路に電圧を印加する電源を備えており、歪み抵抗素子の抵抗変化を電圧変化として検出し、検出した信号を出力する。この検出回路１８は、アクチュエータ１４を駆動してカンチレバー１０を共振させるための正帰還回路２０、及び周波数を電圧に変換するＦ−Ｖ変換回路（ＦＭ復調回路）２２に接続されている。Ｆ−Ｖ変換回路２２には、データ処理及び表示を行なうパーソナルコンピュータ２６が接続されている。
【００２９】
パーソナルコンピュータ２６は、一般的なパーソナルコンピュータの構成であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク、ディスプレイ等を備えており、Ｆ−Ｖ変換回路２２から入力されたデータをハードディスクに保存し、また、保存したデータに基づいて所定のデータ処理を行う。
【００３０】
次に、本実施の形態のカンチレバーに付着した物質の質量を検出するための原理について説明する。カンチレバーは、外力が加わると撓み、共振している状態で質量が変化すると共振周波数が変化する。カンチレバーを振動子として考えると、カンチレバーの動作は以下の（１）式の運動方程式で表すことができる。
【００３１】
【数１】
2008241619.tif 000003
【００３２】
ここで、ｍはカンチレバーの有効質量、ａはカンチレバーが浸漬されている液体等の粘性係数、ｋはカンチレバーのバネ定数、Ａｓｉｎωｔはアクチュエータの励振力、Ｆ（ｘ）はアクチュエータの加振力、ｘはカンチレバーの変位である。また、Ｆ（ｘ）は力勾配Ｆ´と変位ｘとの積で表されるので、以下の（２）式で表わすことができる。
【００３３】
【数２】
2008241619.tif 000004
【００３４】
また、一般式は、以下の（３）式で表すことができる。
【００３５】
【数３】
2008241619.tif 000005
【００３６】
上記（１）式より、ａやＦ´がほとんど無視できるものとすると、カンチレバーの共振周波数ｆ０は、カンチレバーの有効質量ｍ及びばね定数ｋを用いて以下の（４）式で表わされる。
【００３７】
【数４】
2008241619.tif 000006
【００３８】
ここで、カンチレバーが周波数ｆ0で共振している状態で、カンチレバーの質量がΔｍ増加すると、周波数の変化Δｆは、上記（４）式より、以下の（５）式のように表される。
【００３９】
【数５】
2008241619.tif 000007
【００４０】
したがって、上記（５）式より、カンチレバーの共振周波数の変化を検出することにより、カンチレバーの質量の変化、すなわちカンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。周波数の変化を１Ｈｚ以下の精度で計測できることから、上記（５）式ではピコグラムまたはフェムトグラムでカンチレバーの質量の変化が計測できることを意味する。例えば、共振周波数ｆ0を１００ｋＨｚ、カンチレバーの有効質量ｍを１０ｎｇとすると、約０．２ｐｇ／Ｈｚの感度でカンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。
【００４１】
ここで、大気中測定と水中測定とでは粘性係数ａが変化することを考慮する必要がある。以下で、粘性を考慮する場合（水中）の周波数変化Δｆの解析について説明する。
【００４２】
粘性係数ａを考慮した場合には、ａが０でないとして、上記（３）式より、以下の（６）式で表わされる。
【００４３】
【数６】
2008241619.tif 000008
【００４４】
上記（６）式を、ｍ、ｋで全微分すると、以下の（７）式が得られる。
【００４５】
【数７】
2008241619.tif 000009
【００４６】
バネ定数の変化Δｋを無視すると、Δｋ＝０となるため、上記（７）式は以下の（８）式で表わされる。
【００４７】
【数８】
2008241619.tif 000010
【００４８】
ここで、上記（８）式について、実験で用いたピエゾ抵抗カンチレバーの質量ｍを４５．６×１０−９とし、バネ定数ｋを４０とした場合に、ａをパラメータとしたΔｍとΔｆ１との関係は、図２に示すような関係となる。
【００４９】
上記図２に示すように、Δｍの増加とともにΔｆ１は減少する。また、ａ＝０．０００５のときの変化量Δｆ１／Δｍは、−０．０２２[Ｈｚ・ｎｇ−１]であり、ａ＝０．０００７５のときの変化量Δｆ１／Δｍは、−０．０１８５[Ｈｚ・ｎｇ−１]であり、ａ＝０．００１のときの変化量Δｆ１／Δｍは、−０．０１１８５[Ｈｚ・ｎｇ−１]である。
【００５０】
上記図２の結果により、粘性抵抗ａが大きくなると、質量変化に対する周波数変化の変化量が小さくなるため、質量の検出感度が低下することが分かる。これより、検出感度を低下させないためには、粘性抵抗ａを小さくすることが必要である。すなわち、カンチレバーを振動させた際に、分子の移動がスムーズなほど、検出感度が良くなる。
【００５１】
以下、本実施の形態のカンチレバー１０の構成について図３を用いて説明する。図３（Ａ）に示すように、台座１２の先端にカンチレバー１０の一端が支持されて取り付けられており、また、台座１２の中には、２つの電極１２Ａ、１２Ｂが形成されている。また、図３（Ｂ）に示すように、２つの電極１２Ａ、１２Ｂは、接合部１６で接続されている。また、カンチレバー１０の表面には、表面に開口し、かつ、カンチレバー１０の厚さ方向に貫通する複数の貫通孔１０Ａを穿設されている。貫通孔１０Ａの開口部は、各々矩形状のフレーム構造となっており、一辺が３μｍ〜６μｍの大きさとなっている。上記図２の結果より、粘性抵抗を小さくするために、分子の移動をスムーズにするとよいことから、開口面積をできるだけ大きくするために、複数の貫通孔１０Ａを穿設する。また、物質が付着する部分の面積を増やすために、カンチレバー１０の表面積ができるだけ大きくなるように構成するとよい。
【００５２】
また、図３（Ｃ）に示すように、接合部１６の中には、２つの電極１２Ａ、１２Ｂを接続するための配線１６Ａが設けられており、配線１６Ａと電極１２Ａ、１２Ｂとの接続部分の各々には、歪み抵抗素子（ピエゾ抵抗素子）１６Ｂが各々設けられている。
【００５３】
以下、本実施の形態のカンチレバー型バイオセンサを用いた計測方法について説明する。正帰還回路２０から加振信号がアクチュエータ１４に入力されると、台座１２が加振され、これによってカンチレバー１０がカンチレバーの厚み方向に加振される。容器２４中の反応溶液にカンチレバー１０を浸漬すると、カンチレバー１０に反応溶液が付着すると共に反応溶液の粘性の影響によってカンチレバー１０の振動数が若干減少する。しかしながら、このとき種々の振動モードが発生するので、カンチレバー１０は当初の共振周波数とは異なる周波数で共振する。このときのカンチレバー１０と台座１２との動きが一体ではないので、歪み抵抗素子１６Ｂに引張り及び圧縮応力が発生し、歪み抵抗素子１６Ｂの抵抗が変化するため歪み抵抗素子１６Ｂに一定電圧を印加していると、電流がカンチレバー１０の振動に応じて変化する。この電流変化を検出回路１８のブリッジ回路で電圧変化として検出することにより、カンチレバー１０の振動周波数を検出することができ、これによりカンチレバー１０の振動状態を検出することができる。
【００５４】
ここで、カンチレバー１０を振動させるときに、カンチレバー１０の複数の貫通孔１０Ａによって、分子の移動が滑らかになるため、大きな粘性抵抗が発生することを防ぎ、粘性抵抗が小さくなる。従って、質量変化に対する周波数変化の変化量が大きくなっている。
【００５５】
また、検出回路１８で検出された電圧変化は、正帰還回路２０で増幅され、位相が揃えられ、アクチュエータ１４に入力される。これによって、カンチレバー１０は共振周波数で振動される。また、検出回路１８で検出された電圧変化は、Ｆ−Ｖ変換回路２２でアナログ信号（出力Ｖ）に変換され、パーソナルコンピュータ２６に入力される。
【００５６】
次に、コンピュータによる演算処理について図４を参照して説明する。ステップ１００では、Ｆ−Ｖ変換回路から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して取り込み、ステップ１０２において出力Ｖをコンピュータのメモリに記憶する。
【００５７】
次のステップ１０４では、前回取り込んだ出力を今回取り込んだ出力とを比較し、出力の変化量ΔＶを演算し、ステップ１０６において、上記（５）式に基づいてカンチレバーに付着した物質の質量を演算する。これにより、カンチレバーに付着した物質の質量の時間変化を検出することができる。また、この質量の時間変化を所定時間にわたって積算することにより、所定時間内にカンチレバーに付着した物質の総量を検出することができる。このようにして検出したカンチレバーに付着した物質の質量は、コンピュータに接続されているＬＣＤ等の表示装置に表示される。
【００５８】
そして、ステップ１０８において、一定時間内で出力Ｖが変化したか否かを判定し、変化したと判断された場合には、ステップ１００へ戻るが、一定時間内で出力Ｖの変化がなかった場合には、カンチレバーに付着する物質の質量変化がなくなったと判断し、演算処理を終了する。この他にコンピュータでは、ノイズ除去や反応速度等を処理、演算することができる。
【００５９】
本実施の形態のバイオセンサを抗原抗体反応の検出に利用するには、最初に抗体をカンチレバーの表面に付着してカンチレバーを反応溶液に浸漬し、その後抗原を持つ測定試料を反応容器２４の反応溶液中に投入する。これにより、アレルギー等の要因を持つ体質か否かが明らかになる。また、このような場合と逆に、最初に抗体を反応容器に入れてから抗原を投入すると、人間の体内にアレルギー物質が生成しているのが分かる。
【００６０】
次に、カンチレバー１０の貫通孔１０Ａの開口部の大きさに関する検討結果について説明する。図５に示すように、カンチレバーの貫通孔の開口部の矩形状の大きさが、３μｍ×３μｍ（図５（Ａ）参照）、４μｍ×４μｍ（図５（Ｂ）参照）、５μｍ×５μｍ（図５（Ｃ）参照）、６μｍ×６μｍ（図５（Ｄ）参照）の各々となる場合について検討を行った結果を以下に示す。なお、上述したカンチレバーは、長さが１００μｍであり、幅が４９〜５１μｍであり、厚さが４μｍである。
【００６１】
貫通孔の開口部の大きさの変化に対する検出感度の変化について調べると、図６に示すように、貫通孔の開口部の大きさが大きくなるについて、検出感度が向上していくことが分かる。また、貫通孔の開口部の大きさの変化に対する共振周波数の変化について調べると、図７に示すように、貫通孔の開口部の大きさが大きくなるにつれて、共振周波数が高くなるが、ほぼ同じ共振周波数であることが分かる。また、貫通孔の開口部の大きさの変化に対する表面積の変化について調べると、図８に示すように、貫通孔の開口部の大きさが大きくなるにつれて、表面積が縮小していくことが分かる。
【００６２】
以上の検討結果から、貫通孔の開口部を、一辺が３μｍ〜６μｍの大きさの矩形状とすればよく、検出感度を高くするためには、一辺が６μｍの大きさの矩形状とすることが好ましい。
【００６３】
また、表面積を大きくするためには、一辺の大きさが小さい矩形状とすればよく、例えば、一辺が３μｍの大きさの矩形状とすればよい。
【００６４】
次に、カンチレバー１０の全体の長さに関する検討結果について説明する。図９に示すように、カンチレバーの全体の長さが、１００μｍ（図９（Ａ）参照）、８０μｍ（図９（Ｂ）参照）、６０μｍ（図９（Ｃ）参照）の各々となる場合について検討を行った結果を以下に説明する。なお、上述したカンチレバーは、貫通孔の開口部の大きさが６μｍ×６μｍであり、幅が５０μｍであり、厚さが４μｍである。
【００６５】
カンチレバーの全体の長さの変化に対する検出感度の変化について調べると、図１０に示すように、カンチレバーの全体の長さが長くなるについて、検出感度が低下していくことがわかる。また、カンチレバーの全体の長さの変化に対する共振周波数の変化について調べると、図１１に示すように、カンチレバーの全体の長さが長くなるにつれて、共振周波数が低下していくことがわかる。また、カンチレバーの全体の長さの変化に対する表面積の変化について調べると、図１２に示すように、カンチレバーの全体の長さが長くなるにつれて、表面積が拡大していくことが分かる。
【００６６】
重量検出には、図１０と図１２とを考慮すればよく、総合的にはカンチレバーの全体の長さを短くすれば良いことが分かる。また、周波数を低くするために、カンチレバーの厚さを薄くすればよい。
【００６７】
以上の検討結果から、検出感度を高くするためには、カンチレバーの全体の長さを短くすればよい。また、共振周波数を高くするためには、カンチレバーの全体の長さを短くすればよく、共振周波数を低くするためには、カンチレバーの全体の長さを長くすればよい。  また、表面積を大きくするためには、カンチレバーの全体の長さを長くすればよい。
【００６８】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサによれば、カンチレバーの表面に複数の貫通孔を穿設して、分子を通り易くしたフレーム構造としたことにより、大きな粘性抵抗が発生することを防ぐことができるため、液中の中でもＱ値を落とさずに、検出感度を向上させて、カンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。
【００６９】
また、カンチレバーの表面に複数の貫通孔を穿設することにより、分子の移動が滑らかになり、粘性抵抗が小さくなって、質量変化に対する周波数変化の変化量が大きくなるため、液中でも、高い検出感度でカンチレバーに付着した物質の質量を検出することができる。
【００７０】
また、センサとして歪み抵抗素子をカンチレバーに埋め込むことより、光てこ方式を使用しないため、溶液中などでカンチレバー型バイオセンサを使用する際に光軸調整する必要がなく、簡便に使用することができる。
【００７１】
また、検出回路で検出された電圧変化を示す信号をデジタルデータに変換し、このデジタルデータに基づいて計測対象物に関する物理量を計測することにより、検出できる電圧変化の周波数領域に制限がなく、また、電圧変化が大きくても高精度に電圧変化を検出できるため、高精度かつ広範囲に計測対象物に関する物理量を計測することができる。
【００７２】
本実施の形態では、アクチュエータ１４を圧電素子で構成した例について説明したが、本実施の形態においては図１３に示すように圧電素子の電極部分の各々に絶縁皮膜２８を被覆し、電気的に絶縁するようにしてもよい。この場合においても、上記と同様に、アクチュエータ１４の一方の絶縁皮膜を台座１２に接着または機械的に接合させてアクチュエータ１４を台座１２とを一体化させる。アクチュエータ１４の電極が絶縁皮膜２８により被覆されているため、このカンチレバー１０を反応溶液に浸漬することにより直ちに計測を開始することができる。
【００７３】
また、上記では、カンチレバーを溶液中に浸漬した場合を例に説明したが、計測対象物が浮遊している大気中にカンチレバーを配置するようにしてもよい。
【００７４】
また、図１４に示すように、カンチレバー１０及び台座１２を絶縁皮膜２８で被覆するようにしてもよい。この場合には、アクチュエータ１４は図１３に示したように絶縁皮膜により被覆してもよいし、被覆しないようにしてもよい。これにより、カンチレバー１０を反応溶液中に浸漬したときに、カンチレバー１０の表面にリーク電流が流れるのを防止し、検出回路１８によって正確に電流を計測することができる。
【００７５】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態は、カンチレバーの振動状態の変化を検出するセンサとして第１の実施の形態の歪み抵抗素子に代えて、カンチレバーの振動に応じて静電容量が変化する静電容量素子を使用するものである。本実施の形態では、図１５に示すように、カンチレバー１０と台座１２との接合部１６には、歪み抵抗素子が設けられていない。
【００７６】
また、図１６に示すように、カンチレバー１０と対向して平行になるように対向電極３０が台座１２に固定され、対向電極３０により、カンチレバー１０の貫通孔１０Ａが穿設されていない未開口部分を静電容量素子の一部とし、対向電極３０とカンチレバー１０の未開口部分との間に静電容量素子が構成されている。そして、カンチレバー１０及び対向電極３０は、上記と同様に静電容量素子と共にホイーストンブリッジを構成するブリッジ回路を備えた検出回路１８に接続されている。これにより、カンチレバーが振動すると静電容量素子の静電容量が周期的に変化するため、検出回路のブリッジ回路によってカンチレバーの振動を検出し、振動信号を出力することができる。
【００７７】
ここで、カンチレバー１０を振動させるときに、カンチレバー１０の複数の貫通孔１０Ａによって、分子の移動が滑らかになるため、大きな粘性抵抗が発生することを防ぎ、粘性抵抗が小さくなる。従って、質量変化に対する周波数変化の変化量が大きくなっている。
【００７８】
本実施の形態によれば、検出回路から出力される振動信号から共振周波数の変化を検出し、この共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバーに付着した物質の質量の時間変化等を検出することができる。
【００７９】
また、カンチレバーの複数の貫通孔によって、粘性抵抗が小さくなり、質量変化に対する周波数変化の変化量が大きくなるため、高い検出感度で、カンチレバーに付着した物質の質量の時間変化を検出することができる。
【００８０】
次に、図１７を参照して本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第２の実施の形態の対向電極をアクチュエータとして使用するようにしたものである。カンチレバーの振動を検出するセンサとしては、第１の実施の形態と同様の歪み抵抗素子１６Ｂが用いられている。
【００８１】
歪み抵抗素子１６Ｂは、第１の実施の形態と同様に、検出回路１８のブリッジ回路に接続されている。また、カンチレバー１０の基端側は接地され、静電容量素子を構成する対向電極３０は、正帰還回路２０に接続されている。
【００８２】
本実施の形態によれば、歪み抵抗素子１６Ｂの電圧変化を検出回路１８のブリッジ回路で検出し、検出した信号が正帰還回路２０に入力され、対向電極３０に加振信号として入力されるので、カンチレバー１０が共振振動するように制御される。また、検出回路１８のブリッジ回路で検出された信号は、Ｆ−Ｖ変換回路２２を介してパーソナルコンピュータ２６に入力され、パーソナルコンピュータ２６において共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバー１０に付着した物質の質量の時間変化等が検出される。
【００８３】
次に、図１８を参照して本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第３の実施の形態の静電誘導アクチュエータに代えて、電磁誘導型アクチュエータを用いたものである。本実施の形態では、カンチレバー１０と対向して略並行になるように電磁誘導コイル３２が台座１２に固定され、カンチレバー１０の表面側には磁性材で構成された磁性薄膜３４がコーティングされている。カンチレバーの振動を検出するセンサとしては、第１の実施の形態と同様の歪み抵抗素子１６Ｂが用いられている。
【００８４】
本実施の形態によれば、上記と同様に歪み抵抗素子１６Ｂからの信号を検出回路１８のブリッジ回路で検出し、検出した信号が正帰還回路２０に入力され、電磁誘導コイル３２に加振信号として入力されるので、カンチレバー１０が共振振動される。また、検出回路１８のブリッジ回路で検出された信号は、上記と同様にＦ−Ｖ変換回路２２を介してパーソナルコンピュータ２６に入力され、パーソナルコンピュータ２６において共振周波数の変化からカンチレバー１０に付着した物質の質量の時間変化等が検出される。図１８では片面だけにコーティングしたが、両面にコーティングしてもよく、図１８と反対の面にコーティングしてもよい。
【００８５】
図１９は、本発明の第５の実施の形態を示すものであり、図１４に示したカンチレバーの絶縁皮膜に、検出対象の物質を付着させるために、特別な化学反応基を付着させるための金等で構成された薄膜３６を被覆したものである。薄膜の種類は、付着させる物質に応じて適宜選択される。これにより、チオール基等を介在して人為的に選択された蛋白質、ＤＮＡ、抗体、または抗原等の計測対象物に関する物理量の時間変化等を検出することができる。
【００８６】
次に、第６の実施の形態について説明する。第６の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサは、図２０に示すように、レーザ光を照射する半導体レーザ２１２と、半導体レーザ２１２から照射されたレーザ光であって、かつ、レンズ（図示省略）によって集光された光を反射させるための反射面を有するカンチレバー２１０と、カンチレバー２１０の反射面で反射されたレーザ光を入射させるように設けられたフォトダイオード等で構成された位置検出器２１４とを備えており、光てこを利用して小さなカンチレバー２１０の共振周波数の変化を検出し、物理量、化学量、温度、または応力等を検出する。
【００８７】
また、カンチレバー型バイオセンサは、台座２１５を加振することによりカンチレバー２１０を振動させる圧電素子で構成されたアクチュエータ２１６と、カンチレバー２１０の共振周波数の変化を検出するための検出回路２１８と、アクチュエータ２１６を駆動してカンチレバー２１０を共振させるための正帰還回路２２０、周波数を電圧に変換するＦ−Ｖ変換回路（ＦＭ復調回路）２２２と、データ処理及び表示を行なうパーソナルコンピュータ２２６とを備えている。
【００８８】
また、図２１に示すように、カンチレバー２１０は、貫通孔１０Ａが穿設されていない未開口部分を反射面としている。なお、カンチレバー２１０の反射面は平坦である。
【００８９】
本実施の形態によれば、半導体レーザからレーザ光をカンチレバーの反射面に照射し、カンチレバーからの反射光を位置検出器に入射し、位置検出器から出力される振動信号から共振周波数の変化を検出し、この共振周波数の変化から上記と同様にカンチレバーに付着した物質の質量の時間変化等を検出することができる。
【００９０】
また、カンチレバーを振動させるときに、カンチレバーの複数の貫通孔によって、分子の移動が滑らかになって、粘性抵抗が小さくなり、質量変化に対する周波数変化の変化量が大きくなるため、高い検出感度で、カンチレバーに付着した物質の質量の時間変化等を検出することができる。
【００９１】
次に、第７の実施の形態について説明する。なお、第７の実施の形態では、走査型プローブ顕微鏡に本発明を適用した場合を説明する。
【００９２】
第７の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡は、図２２に示すように、カンチレバー３１０の貫通孔が穿設されていない未開口部分に探針３１０Ａが形成されている。また、カンチレバー３１０と台座との接合部１６には、第１の実施の形態と同様に、歪み抵抗素子１６Ｂが設けられている。
【００９３】
また、カンチレバー３１０は、光てこ検出器に固定され、あるいは走査機構に片持ち支持され、カンチレバー３１０の探針３１０Ａと試料の表面との間に原子間力が作用するように、カンチレバー３１０が配置されている。
【００９４】
光てこのレーザ光は探針３１０Ａの裏側に入射され、反射して光てこ光学系を形成する。該裏面は金コートやＡｌコートしたものが使用される。
【００９５】
第７の実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡では、走査機構によって、カンチレバー３１０をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の各々へ移動させると共に、カンチレバー３１０を共振振動させるように、アクチュエータが制御される。そして、歪み抵抗素子１６Ｂから出力された信号を、第１の実施の形態と同様に、検出回路のブリッジ回路で検出し、Ｆ−Ｖ変換回路を介してコンピュータに入力される。そして、コンピュータにおいて共振周波数の変化から、カンチレバー３１０の探針３１０Ａと試料の表面との間の原子間力の変化を検出し、試料の３次元的な表面形状を計測する。
【００９６】
本実施の形態に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、カンチレバーを振動させるときに、カンチレバーの複数の貫通孔によって、分子の移動が滑らかになって、粘性抵抗が小さくなり、Ｑ値が向上し、原子間力の変化に対する周波数変化の変化量が大きくなるため、高い検出感度で、探針と試料の表面との間の原子間力の変化を検出することができ、試料の３次元的な表面形状を高精度に計測することができる。
【００９７】
なお、上記の実施の形態では、自己検知素子として、歪み抵抗素子または静電容量素子を用いた例について説明したが、圧電素子、電磁誘導素子、または温度検知素子等を用いるようにしてもよい。また、アクチュエータとしても圧電素子、静電駆動の静電容量素子に代えて、温度駆動のアクチュエータ、または光駆動のアクチュエータ等を用いるようにしてもよい。さらに、カンチレバーを絶縁皮膜で被覆した例について説明したが、自然酸化膜で覆うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図２】粘性係数を考慮した場合における質量の変化に対する周波数の変化の関係を示すグラフである。
【図３】（Ａ）本発明の第１の実施の形態に係るカンチレバー及び台座の構成を示す図、（Ｂ）カンチレバーの構成を示す図、及び（Ｃ）カンチレバーと台座との接合部の構成を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態のカンチレバーに付着した物質を検出する処理ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】貫通孔の開口部の大きさが異なる複数のカンチレバーの構成例を示す概略図である。
【図６】貫通孔の開口部の大きさの変化に対する検出感度の変化の関係を示すグラフである。
【図７】貫通孔の開口部の大きさの変化に対する共振周波数の変化の関係を示すグラフである。
【図８】貫通孔の開口部の大きさの変化に対する表面積の変化の関係を示すグラフである。
【図９】全体の長さが異なる複数のカンチレバーの構成例を示す概略図である。
【図１０】カンチレバーの全体の長さの変化に対する検出感度の変化の関係を示すグラフである。
【図１１】カンチレバーの全体の長さの変化に対する共振周波数の変化の関係を示すグラフである。
【図１２】カンチレバーの全体の長さの変化に対する表面積の変化の関係を示すグラフである。
【図１３】本発明の第１の実施の形態の変形例を示す概略図である。
【図１４】本発明の第１の実施の形態の他の変形例を示す概略図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態に係るカンチレバーの構成を示す図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図１８】本発明の第４の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図１９】本発明の第５の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図２０】本発明の第６の実施の形態に係るカンチレバー型バイオセンサの構成を示す概略図である。
【図２１】本発明の第６の実施の形態に係るカンチレバーの構成を示す図である。
【図２２】本発明の第７の実施の形態に係るカンチレバーの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００９９】
１０、２１０、３１０  カンチレバー
１０Ａ  貫通孔
１２、２１５  台座
１２Ａ  電極
１４、２１６  アクチュエータ
１６   接合部
１６Ｂ  歪み抵抗素子
１８、２１８  検出回路
２０、２２０  正帰還回路
２２   変換回路
２６、２２６  パーソナルコンピュータ
３０   対向電極
２１２  半導体レーザ
２１４  位置検出器
３１０Ａ  探針
【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５】
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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１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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