(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路内を流れる試料に含有する特定物質を捕獲する捕獲手段を検出用電極上に有し、該捕獲手段により捕獲した質量を測定する分析用マイクロセンサにおいて、
前記流路内に設けられ、且つ側壁面が疎水性を有する溝形状の凸凹部が形成された第１の面を有するとともに前記第１の面とは反対の第２の面に対向電極を有する圧電基板と前記凸凹部の上部に設けられた前記検出用電極とにより検出用振動子を構成し、また前記圧電基板と前記凸凹部の底部に設けられた基準用電極とにより前記検出用振動子とは共振特性が異なる基準用振動子を構成する機能を有する圧電振動子と、
前記検出用振動子と前記基準用振動子に接続を切り替える切り替え部と、
前記切り替え部により切り替えて得られた前記検出用振動子の共振周波数と前記基準用振動子の共振周波数との差分値に基づいて前記捕獲手段により捕獲した前記質量を計測する計測手段と、
からなることを特徴とする分析用マイクロセンサ。
【請求項２】
前記第１の面に、平行して設けた複数の溝形状の前記凸凹部を有することを特徴とする請求項１に記載の分析用マイクロセンサ。
【請求項３】
前記検出電極が金であることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の分析用マイクロセンサ。
【請求項４】
前記凸凹部を形成する前記溝形状の凹部長手方向が、前記試料の流れる方向と垂直に配置されていることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の分析用マイクロセンサ。
【請求項５】
前記捕獲手段が自己組織化膜および前記自己組織化膜に固定された抗体であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の分析用マイクロセンサ。
【請求項６】
前記圧電基板が水晶、タンタル酸リチウムもしくはライガサイトのいずれかの単結晶からなることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の分析用マイクロセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）を利用した分析用マイクロセンサに関し、詳しくは、同一流路内かつ近傍に設けられた２つの電極に対し、一方の電極のみに特定物質を捕獲する捕獲手段を形成することで周囲の温度変化による変動を補償でき、液体に含有する特定物質の質量を高精度に検出する分析用マイクロセンサに属する。
【背景技術】
【０００２】
近年、Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐと呼ばれる小型分析システムの開発が盛んに行われている。これは、流路や反応漕、バルブ、センサ等の要素構造を小さな基板に集積した構成であり、この内部に流れる気体や液体に対して分析処理を行うものである。このような小型分析システムを用いると、少量の試料で高速に分析を行うことができ、試料を提供する側の負担を少なくすることができることから、特に生体への応用が注目を集めている。
【０００３】
この小型分析システムの構成要素の一つであるセンサ部には、様々な原理を利用したセンサが提案されている。中でもシステムが搭載する基板と一体化かつ小型の構成が可能なＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）の利用が期待されている。
【０００４】
ＱＣＭは圧電振動子（特に水晶振動子）の共振現象を利用して、振動子に付着した微少な質量を測定する技術である。詳細に説明すると、圧電振動子の両面に形成した電極に交流電圧を印加すると、圧電振動子の材料特性および形状から決定される特定の周波数で共振する。そこで、圧電振動子の電極に物質が付着すると、付着した質量に応じて振動子全体の共振周波数が変化する。この共振周波数の変化を検出することで、電極に付着した物質の質量を測定するという技術である。
【０００５】
しかし、このような質量計測手段では、特定の物質の検出はできないため、特定の物質のみを吸着もしくは捕獲する手段を電極上に固定し、特定の物質のみを検出する構成が用いられている。一例を挙げると、蛋白質の検出に抗原抗体反応を用いる技術が知られている（特許文献１参照）。このような構成のＱＣＭを利用すると、ある特定の測定対象物質の微小な質量を測定することが可能となる。そのため、小型分析システムのセンサ部にＱＣＭを利用すると、測定したい物質の質量を高精度に測定することが出来るとともに、前述したように、分析システムと一体化した構成が可能であり、しかも小型な構成を維持できる。
【０００６】
ところが、ＱＣＭは高感度の検出が可能である反面、圧電振動子と接している流体の温度等の変化によっても共振周波数が変動してしまうという問題があった。そこで、検出に用いる圧電振動子に隣接して、検出対象の物質を捕獲する手段を設けない圧電振動子を設置し、この付着手段のない圧電振動子の共振周波数を利用して、付着した質量による共振周波数の変化分のみを取り出すという補償方法が用いられてきた（非特許文献１参照。）。
【０００７】
しかし、Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐのような小型分析システムは、基板上に形成された微小流路内で極少量の試料を分析するため、分析に利用する化学反応（例えば電極に設けた吸着もしくは捕獲手段と測定対象物質との結合）が急速かつ局所的に発生する。そのため、局所的な測定とリアルタイムの補償が必要となる。これを上記のＱＣＭ補償方法で実現するには、基準振動子と検出用振動子を近接して配置し、かつ、基準振動子と検出用振動子を同時に振動させて測定と補償を同時にする必要があり、検出対象物質を捕獲する手段を有する電極（検出電極）と捕獲手段を設けない電極（参照電極）を共に設置した圧電振動子を流路に接続する方法（特許文献２参照。）も提案されている。
【特許文献１】特開２０００−３３８０２２号公報
【特許文献２】特開２００３−３０７４８１号公報
【非特許文献１】Ｊ．Ａｕｇｅ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ｂ，  ２６−２７（１９９５）１８１−１８６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このような方法を採用した場合、接合時の加熱や接着剤の使用等で、検出電極や参照電極が汚染して検出感度が低下するという問題があった。また、振動子と流路との接合後に、流路内に薬液を流す工程だけで、近接した２つの電極の片方のみに選択的に捕獲手段を設ける事は非常に難しい。さらに、２つの振動子を近接配置すると、基準振動子と検出用振動子間で電気―機械的な結合が起こり、意図しない振動によるノイズが発生し、測定精度低下を招くという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、流路に圧電振動子を接合した構造に薬液を流すだけで、一方の電極のみに捕獲手段を形成すると同時に、基準振動子と検出用振動子との近接配置をしても高精度の測定が可能な分析用マイクロセンサ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】
【００１０】
本発明は、流路内を流れる試料に含有する特定物質を捕獲する捕獲手段を検出用電極上に有し、該捕獲手段により捕獲した質量を測定する分析用マイクロセンサにおいて、前記流路内に設けられ、且つ側壁面が疎水性を有する溝形状の凸凹部が形成された第１の面を有するとともに前記第１の面とは反対の第２の面に対向電極を有する圧電基板と前記凸凹部の上部に設けられた前記検出用電極とにより検出用振動子を構成し、また前記圧電基板と前記凸凹部の底部に設けられた基準用電極とにより前記検出用振動子とは共振特性が異なる基準用振動子を構成する機能を有する圧電振動子と、前記検出用振動子と前記基準用振動子に接続を切り替える切り替え部と、前記切り替え部により切り替えて得られた前記検出用振動子の共振周波数と前記基準用振動子の共振周波数との差分値に基づいて前記捕獲手段により捕獲した前記質量を計測する計測手段と、からなることを特徴とする分析用マイクロセンサを提供することにより上記課題を解決したものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の分析用マイクロセンサによると、簡略な構成でありながら、流路内に薬液を流す工程のみで、一方の電極に捕獲手段を形成でき、周囲の温度変化を補償できるため、高精度の測定が可能になる。さらに、基準振動子と検出用振動子とを近接させて配置しても振動子間で電気−機械的な結合が発生せず、高精度測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１３】
図１は、本発明の分析用マイクロセンサ１０００の構成を説明する図である。図２は分析用マイクロセンサ１０００を構成する圧電基板１００の構造を説明する図である。
【００１４】
分析用マイクロセンサ１０００は、圧電基板１００と流路基板２００を積層させ、一体に接合もしくは接着して構成されている。分析用マイクロセンサ１０００の外寸は、長さが２０〜１００［ｍｍ］程度、幅が１０〜２０［ｍｍ］程度、厚さが数［ｍｍ］程度である。
【００１５】
まず、圧電基板１００について述べる。圧電基板１００には、複数の溝が一端で接続された櫛歯形状の溝部１０１が設けられている。溝部１０１の底面には基準電極６０２が、溝部１０１の上面には検出電極６０１が設けられ、さらに、溝部１０１の側壁面は疎水面が形成されている。また、溝部１０１が設けられた面と対向する面には対向電極６０３が設けられている。さらに、検出電極６０１の表面には、特定物質のみを吸着する吸着膜６０９が設けられている。
【００１６】
流路基板２００には、溝、溝までの貫通穴である液導入口２０２と液排出口２０３が設けられている。また、溝の一部は幅を広げた構造となっている。
【００１７】
これら圧電基板１００と流路基板２００とが一体化し、分析用マイクロセンサ１０００となる。詳しくは、溝部１０１が設けられた圧電基板１００表面と溝が設けられた流路基板２００表面を接合もしくは接着して一体化する。溝と圧電基板１００の表面との間に流路４００が形成され、さらに、溝の幅を広げた領域が反応槽５００となり、反応槽５００内に検出電極６０１および基準電極６０２が設けられることになる。そのため、液導入口２０２から液体を流入すると、流路４００、反応槽５００を経て、液排出口２０３に至る流れが発生する。
【００１８】
流路４００内の圧電基板１００表面に着目すると、溝部１０１内の側壁面は疎水性であるため、特定物質を含有する水溶液（試料）を流すと、溝部１０１内には気泡が残留する（図３参照）。そのため、圧電基板１００に設けられた３つの電極のうち、検出電極６０１のみが試料に浸されることになる。
【００１９】
ここで、圧電基板１００に設けられた検出電極６０１、基準電極６０２および対向電極６０３に接続された電気構成について一例を示す。検出電極６０１と切替スイッチ７０４を接続し、切替スイッチ７０４と周波数可変の交流電源７０１との一方の電極を接続している。交流電源７０１の他方の電極には対向電極６０３が接続されている。また、切替スイッチ７０４の他方には基準電極６０２が接続されている。さらに、交流電極７０１と対向電極６０３の間に電流計７０２が直列で接続されている。交流電源７０１と電流計７０２各々に演算手段７０３が接続され、交流電源７０１および電流計７０２、演算手段７０３が計測手段７１０を構成している（図４（ａ）参照）。
【００２０】
次に、これらの電気構成から検出電極６０１に付着する物質の質量の測定する手法について説明する。交流電源７０１から切替スイッチ７０４を経て、検出電極６０１と対向電極６０３に交流電圧を印加すると、検出電極６０１と対向電極６０３の間に検出用振動子が構成される。印加電圧の周波数に応じて、電流計７０２に流れる電流が変化する。交流電源７０１から印加電圧の電圧及び周波数の情報が、電流計７０２から流れる電流の情報が、演算手段７０３へ入力される。演算手段７０３は、入力された情報を記録し、さらに入力情報から振動子のインピーダンスや、電圧と電流の位相差などを演算・記録する。印加電圧の電圧及び周波数、電流の振幅値、電圧と電流の位相差、振動子のインピーダンス等を演算手段７０３が演算、記録を行う。印加電圧の周波数と電流の振幅の関係を図４（ｂ）の実線で示す。電流に流れる電流は、図中の周波数ｆ１で最大となり、これを共振周波数とする。共振周波数ｆ１を求めた後、切替スイッチ７０４を切り替え、基準電極６０２と対向電極６０３に交流電圧を印加し、基準用振動子を構成し、同様の手順で電流が最大値となる共振周波数ｆ２を求める（図４（ｂ）破線参照）。
【００２１】
なお、ここでは一例として、圧電基板１００にＡＴカット水晶板を用いている。ＡＴカット水晶板は、周期的に厚さ方面に電位差を設けると、厚みすべり振動が発生する性質を持っている。この時の共振周波数（ｆｎ）は、振動子の弾性定数と密度、電位差を設ける電極間の距離（ｔ）によって定まり、ＡＴカット水晶振動子の場合は、ｆｎ＝１６７０／ｔで求められる。そのため、電極間の距離が小さい基準用振動子の共振周波数ｆ２のほうが、検出用振動子の共振周波数ｆ１より大きい。そのため、近接して配置しても、検出用振動子と基準用振動子とが電気−機械的に結合することはない。
【００２２】
この時、検出電極６０１に測定対象物質が付着すると、付着質量に応じて検出用振動子の共振周波数ｆ１が変化する。しかし、振動子自体が温度変化した場合も、同様に共振周波数が変化する。そのため、共振周波数の変化が付着質量のみに起因するのか、温度変化に起因する変化が含まれているのか判断できない。そこで、基準用振動子の共振周波数ｆ２の変動を利用する。基準電極には測定対象物質が付着しないため、ｆ２の変動は温度変化のみに起因する。そこで、ｆ２の変動から温度変化を求め、温度変化による共振周波数ｆ１の変動分を差し引くと、付着質量によるｆ１の変動分が求められ、付着質量を正確に求めることが可能となる。
【００２３】
以上により、検出用振動子と基準用振動子の２つの共振周波数の変動を測定することで、周囲の温度が変化しても、検出電極６０１に付着した物質の質量を高精度に測定することが可能となる。
【００２４】
次に、本発明の分析用マイクロセンサ１０００の製造方法について述べる。まず、ＡＴカット水晶ウェハをフッ化水素でエッチングし、溝部１０１を形成する。ウェハをＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）雰囲気中に浸漬後、加熱処理を行うことで、ウェハ表面が炭化水素基に置換され、疎水化する。その後、ウェハ両面にチタン、金の順に蒸着し、検出電極６０１、基準電極６０２、対向電極６０３および各電極への配線と、溝部１０１側壁に疎水面を形成する。なお、溝部１０１側壁が存在するため、検出電極６０１と基準電極６０２は短絡しない。次に、シリコンウェハの一方の面をエッチングし、溝を形成した後、他方面からエッチングして、溝まで貫通した穴を形成する。その後、圧電基板にＵＶ硬化接着剤を塗布し、圧電基板とシリコンウェハを重ねあわせてから紫外線を照射し、接着し、ウェハをダイシングで切断する。
【００２５】
なお、ここでは、製造過程の一例を挙げたが、流路基板材質はシリコンに、圧電基板１００は水晶のみに限らない。流路基板２００はガラス等の無機材質や、ポリイミドやポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＡ）等の樹脂材料も利用可能である。また、圧電基板１００は、タンタル酸リチウムやランガサイト等の単結晶圧電材料も利用可能である。さらに、水晶ウェハと溝を形成した基板とを一体化するのに、接合しても構成可能である。例えば、水晶ウェハの接合する部分にアルミ薄膜を形成し、溝を形成したガラス基板と陽極接合してもよい。
【００２６】
次に、検出電極６０１上に設置する吸着膜６０９の形成方法について述べる。ここでは、一例として、自己組織化膜（Ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ  ｍｏｎｏｌａｙｅｒ、以下ＳＡＭと記す。）に抗体を固定した吸着膜６０９の作成方法を示す。まず流路４００内を洗浄するために純水を流した後、ＳＡＭ試薬（カルボキシル基末端ジスルフィド型）を流し、検出電極６０１上のみにＳＡＭを形成する。リン酸バッファで洗浄後、ヒドロキシこはく酸イミドを流し、ＳＡＭを活性化する。再びリン酸バッファで洗浄後、リン酸バッファに固定化する抗体を混合して流し、ＳＡＭに抗体を固定化する。いずれの試薬を流しても、圧電基板の溝部１０１には気泡が残るため、吸着膜６０９は基準電極６０２上に形成されず、検出電極６０１上のみに形成される。
【００２７】
分析用マイクロセンサ１０００内を流れる試料に対して、特定の物質のみを検出する過程について述べる。ここでは、一例として生体高分子、特に蛋白質の検出について述べる。
【００２８】
分析用マイクロセンサ１０００の液導入口２０２に試料を流入する。試料は液導入口２０２から流路４００を経て、反応槽５００に到達する。反応槽５００が試料で満たされると、溝部１０１内には気泡が残り、検出電極６０１表面に設けられた吸着膜６０９が試料で浸される。このとき、吸着膜６０９の抗体が、試料に含有する特定の抗原を捕獲固定し、検出電極６０１に付着する質量が増加するため、検出用振動子の共振周波数ｆ１が変化する。この時、計測手段７１０が共振周波数ｆ１の変動を測定した後、基準用振動子の共振周波数ｆ２の変動から温度変化を測定し、付着質量の変動のみを演算、記憶する。この測定、演算処理を、計測手段７１０が高速に繰り返し、記憶する。
【００２９】
以上により、簡略な構成でありながら、流路内に薬液を流す工程のみで、一方の電極に捕獲手段を形成でき、周囲の温度変化を補償できるため、高精度の測定が可能になる。さらに、基準振動子と検出用振動子とを近接させて配置しても振動子間で電気−機械的な結合が発生せず、高精度測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の分析用マイクロセンサの構造を模式的に示す構造図である。
【図２】本発明の分析用マイクロセンサの構造を説明するための部分拡大図である。
【図３】圧電基板に接する試料の流れを説明するための説明図である。
【図４】本発明の分析用マイクロセンサの電気構成について説明するための構成図である。
【符号の説明】
【００３１】
１００  圧電基板
１０１  溝部
２００  流路基板
２０２  液導入口
２０３  液排出口
４００  流路
５００  反応槽
６０１  検出電極
６０２  基準電極
６０３  対向電極
６０９  吸着膜
７０１  交流電源
７０２  電流計
７０３  演算手段
７０４  切替スイッチ
７１０  計測手段
１０００  分析用マイクロセンサ
【図１】
0004616123.tif 000002
【図２】
0004616123.tif 000003
【図３】
0004616123.tif 000004
【図４】
0004616123.tif 000005