(57)【要約】【課題】  発振回路が適用された微細質量測定装置及び方法を提供する。【解決手段】  被検体が付着されるカンチレバー５０と、カンチレバー５０上に備わる圧電体５３と、カンチレバー５０を能動的に振動させると共に被検体によるカンチレバー５０の変化した共振周波数を提供する発振回路６０と、カンチレバー５０の共振周波数を測定するための周波数測定器６５と、を含むことを特徴とする発振回路６０が適用された微細質量測定装置。該構成により、単一圧電体を用いてカンチレバー５０の能動駆動と共振周波数の測定を共に行うので、加振器と共振周波数の変化量を測定する設備を独立的に備える必要がなく、これにより、測定装置の設備が単純化され、微細カンチレバー５０はＭＥＭＳ工程技術を用いて超小型化されうる。【選択図】            図２
2005148062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体が付着されるカンチレバーと、
前記カンチレバー上に備わる圧電体と、
前記カンチレバーを能動的に振動させると共に被検体によるカンチレバーの変化した共振周波数を提供する発振回路と、
前記カンチレバーの共振周波数を測定するための周波数測定器と、を含むことを特徴とする微細質量測定装置。
【請求項２】
前記発振回路は、
前記カンチレバーからの出力信号を増幅させる増幅部と、前記増幅部からの信号を前記カンチレバーに入力するフィードバック部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の微細質量測定装置。
【請求項３】
前記カンチレバーの形状比は、敏感度と分離係数とによって決まることを特徴とする請求項１に記載の微細質量測定装置。
【請求項４】
前記分離係数は、カンチレバーの最初の共振周波数と被検体によって変化した２番目の共振周波数との差を最初の共振周波数で割った値であることを特徴とする請求項３に記載の微細質量測定装置。
【請求項５】
前記カンチレバーが三角形に形成されることを特徴とする請求項１に記載の微細質量測定装置。
【請求項６】
前記カンチレバーの形状比が長さ：幅：厚さ＝２０：６：１〜２０：１８：１の範囲であることを特徴とする請求項５に記載の微細質量測定装置。
【請求項７】
前記カンチレバーに被検体が付着される面積がカンチレバーの全体面積の１／１５〜１／１０範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の微細質量測定装置。
【請求項８】
前記圧電体の厚さは、カンチレバーの厚さの４０〜６０％であることを特徴とする請求項１に記載の微細質量測定装置。
【請求項９】
前記圧電体の長さは、カンチレバーの長さの５０〜６０％であることを特徴とする請求項１に記載の微細質量測定装置。
【請求項１０】
質量マイクロバランシングを用いた微細質量の測定方法において、
発振回路により圧電体を通じてカンチレバーを最初の共振周波数で自己振動させる段階と、
前記カンチレバーに被検体を付着し、前記被検体によって変化した最初の共振周波数で前記カンチレバーを自己振動させる段階と、
前記最初の共振周波数と変化した最初の共振周波数を測定し、被検体による共振周波数の変化量を用いて被検体の質量を測定する段階と、を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遺伝子や蛋白質のように微細な生体物質の質量を測定するための装置及び方法に係り、より詳細には発振回路を用いて微細カンチレバーを加振させると共に微細質量が測定できる装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量マイクロバランシング（Ｍａｓｓ  ｍｉｃｒｏ−ｂａｌａｎｃｉｎｇ）技法は微細構造物の共振周波数が構造物の質量増加によって変化したことを測定し、変化した共振周波数から増加した質量を求める方法である。
【０００３】
質量マイクロバランシング技法を用いて微細質量を測定する代表的な方法としてＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｍａｓｓ  ｍｉｃｒｏ−ｂａｌａｎｃｉｎｇ）がある。ＱＣＭにおける共振周波数の変化と質量増加間の関係はＳａｕｅｒｂｒｅｙにより体系的に定立され、この理論によれば共振周波数は質量の増加によって線形的に減少する。
【０００４】
ＱＣＭは、主に薄膜形態の被検体で単位面積当たり分布する質量の測定に利用され、水晶振動子の剪断モード（ｓｈｅａｒ  ｍｏｄｅ）の変化を通じて増加した質量を測定する。ＱＣＭは電気的信号の入出力が容易であり、敏感度に優れているという長所を有しているが、水晶振動子の表面に質量が均一に分布されなければならず、高い共振周波数の剪断モードを利用する点が短所である。
【０００５】
その他、質量マイクロバランシング技法を用いて質量を測定する代表的な方法として光を利用する方法と圧抵抗を利用する方法とがある。
【０００６】
光を用いて微細質量を測定するセンサーが特許文献１に開示されている。このセンサーは、図１に示されたように、カンチレバー１２が圧電体１０により支持され、前記カンチレバー１２の端部のレーザーダイオード１９によりレーザーを走査するようになっている。そして、オシレータ１４からのパルス波１６により前記圧電体１０が加振されてカンチレバー１２が共に加振される。
【０００７】
前記カンチレバー１２に被検体が置かれて被検体の質量が増加することによってカンチレバーに変形が発生した時、前記カンチレバー１２から反射されるレーザー２０を第１及び第２セル２３、２９を有した光検出器２７により検出する。前記光検出器２７により検出された光量に基づいてカンチレバー１２の変位を測定することによって変化した質量を測定する。参照符号３０及び３４はカウンティング回路を、３６及び３７は微分回路を、３８及び３９は微分回路から出力される信号をそれぞれ示す。
【０００８】
ところで、光を利用する方法はレーザーと光検出器の正確な位置制御が要求されるため、位置制御のための装置が別途に必要である。また、カンチレバーを加振させるための手段と質量を測定するための手段が独立的に備わるので装置が複雑で、かつ体積が大きいという短所がある。
【０００９】
また、圧抵抗を利用する方法としては、カンチレバーに圧抵抗物質をドーピングして増加した質量によるカンチレバーの変形で抵抗が変わり、それによって変化した出力電圧を測定して質量を測定する方法がある。
【００１０】
ところが、前記のような方法は、カンチレバーを能動的に加振させないためにカンチレバーの変位が小さくなってしまう微細質量を精密に測定し難い。また、変化した抵抗を測定するための測定装備及び加振のための入力信号と質量の増加によって変化した共振周波数の出力信号を比較する装置など、必要な周辺装備が多くて製造コストが高く、装置の体積が増加してしまうという短所がある。
【特許文献１】米国特許第５，７１９，３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、前記問題点を解決するために案出されたものであって、微細カンチレバーに発振回路を適用してカンチレバーを能動的に自己振動すると共に別途の測定装備を追加せずに被検体の微細質量を測定することによって、簡単な装備で精密に微細質量が測定できる装置及び測定方法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】
【００１２】
前記目的を達成するために本発明に係る微細質量測定装置は、被検体が付着されるカンチレバーと、前記カンチレバー上に備わる圧電体と、前記カンチレバーを能動的に振動させると共に被検体によるカンチレバーの変化した共振周波数を提供する発振回路と、前記カンチレバーの共振周波数を測定するための周波数測定器と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
前記発振回路は、前記カンチレバーからの出力信号を増幅させる増幅部と、前記増幅部からの信号を前記カンチレバーに入力するフィードバック部と、を備える。
【００１４】
前記カンチレバーの形状比は、敏感度と分離係数とによって決まることが望ましい。
【００１５】
前記分離係数は、カンチレバーの最初の共振周波数と被検体によって変化した２番目の共振周波数との差を最初の共振周波数で割った値であることを特徴とする。
【００１６】
前記カンチレバーの形状比が長さ：幅：厚さ＝２０：６：１〜２０：１８：１の範囲であることが望ましい。
【００１７】
前記目的を達成するために本発明に係る方法は、質量マイクロバランシングを用いた微細質量の測定方法において、発振回路により圧電体を通じてカンチレバーを最初の共振周波数で自己振動させる段階と、前記カンチレバーに被検体を付着し、前記被検体によって変化した最初の共振周波数で前記カンチレバーを自己振動させる段階と、前記最初の共振周波数と変化した最初の共振周波数を測定し、被検体による共振周波数の変化量を用いて被検体の質量を測定する段階と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る微細質量測定装置及び方法は、単一圧電体を用いてカンチレバーの駆動と共振周波数の測定を共に行うので、加振器と共振周波数の変化量を測定する装備を独立的に備える必要がない。したがって、測定装置の設備が単純化され、微細カンチレバーはＭＥＭＳ工程技術を用いて超小型化されうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の望ましい実施の形態による微細質量測定装置及び方法を添付された図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
本発明に係る微細質量測定装置は、図２を参照すれば、被検体ｐの質量を測定するために微細カンチレバー５０と、この微細カンチレバー５０を能動的に自己振動させると共に微細カンチレバーの変化した共振周波数が測定できる発振回路６０とを含む。
【００２１】
被検体ｐとしては、例えば、遺伝子や蛋白質のような微細な生体物質でありうる。
【００２２】
カンチレバー５０上に圧電体５３が備わり、圧電体５３に発振回路６０が結合される。圧電体５３はＰＺＴがカンチレバー５０上に蒸着されて形成されうる。
【００２３】
発振回路６０は、増幅部５７とフィードバック部５８とを含む。増幅部５７は、圧電体５３から出力される微細カンチレバー５０の最初の共振周波数を増幅させ、フィードバック部５８は、圧電体５３がカンチレバー５０を最初の共振周波数で振動させ続けるようにする。
【００２４】
また、発振回路６０にカンチレバー５０の共振周波数の変化量を測定するための周波数測定器６５が結合される。周波数測定器６５は、例えば、パルスカウンターを用いて簡単な電気回路で構成されうる。周波数測定器６５を発振回路６０に結合すれば、カンチレバー５０に遺伝子や蛋白質などの微細な生体被検体ｐを配置した場合、被検体ｐの質量増加による微小な共振周波数の変化を容易に測定することができる。
【００２５】
上記のように、本発明に係る微細質量測定装置は、圧電体５３が結合された微細カンチレバー５０に発振回路６０を適用することによって、カンチレバーが最初の共振周波数で持続的に振動可能にする。そして、微細カンチレバー５０に被検体ｐを配置した後、この被検体ｐにより変化した共振周波数を周波数測定器６５を用いて求める。これにより、単一圧電体を通じたカンチレバーの自己振動及び質量測定が可能になる。
【００２６】
また、本発明の測定装置は、微細カンチレバー５０の自己振動時にカンチレバーに付着された被検体ｐにより変化した共振周波数を測定するための周波数測定器６５と、測定した周波数変化量をコンピュータに伝送するためのデータ伝送装置（図示せず）とをさらに含む。
【００２７】
本発明に係る方法は、遺伝子や蛋白質のように微細な生体質量を測定するために発振回路６０が適用された微細カンチレバー５０の端部に蛋白質やＤＮＡのような生体被検体ｐを付着し、質量マイクロバランシング技法を通じて付着された被検体の微細質量を測定する。
【００２８】
圧電体５３が蒸着された微細カンチレバー５０は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）工程を通じて製作でき、被検体（生体物質）ｐは生化学的反応を通じて微細カンチレバー５０の端部に付着させうる。
【００２９】
発振回路６０は、微細カンチレバー５０からの信号を増幅させる増幅部５７と、これをさらに微細カンチレバー５０に入力するフィードバック部５８とを含む。そして、発振回路６０に電圧を供給するための電源５９が備わる。ここで、電源５９はパルスまたはステップ型電源であることが望ましい。また、小型乾電池でも駆動可能である。
【００３０】
微細カンチレバー５０は、簡単な機械的構造物でありながらその変位が大きく現れ、ＭＥＭＳ工程を通じて超小型化できるので、遺伝子や蛋白質のような生体物質の質量が測定できるＬＯＣ（Ｌａｂ−Ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ）に適用可能である。
【００３１】
微細カンチレバー５０は、微細質量測定に有利な敏感度を持たせる形状及びサイズを有することが望ましい。例えば、遺伝子や蛋白質の質量密度が１０−１５ｇ／μｍ２である時、約１０−１５ｇ／Ｈｚの分解能、約１Ｈｚ／１０−１５ｇの敏感度を有する形状及びサイズを有することが望ましい。
【００３２】
換言すれば、カンチレバーの形状は微細質量の測定時に要求される敏感度を充足させる限度内で可能な限り簡単な形状とサイズを有することが望ましい。カンチレバーの形状とサイズが簡単であれば、ＭＥＭＳ製造工程の単純化に有利である。
【００３３】
さらに、微細カンチレバー５０は、微細質量の測定に適当な分離係数を満足させる形状とサイズを有することが望ましい。敏感度と分離係数とを同時に満足させる多様な形状が可能であるが、例えば、カンチレバー５０は三角形と四角形の形状でありうる。以下、カンチレバー５０の形状が三角形である場合と四角形である場合との敏感度および分離係数について説明する。
【００３４】
微細カンチレバー５０に被検体ｐが付着されていない場合、カンチレバーが長方形である時の共振周波数をｆｒ、剛性をｋｒ、質量をｍｒとし、三角形である時の共振周波数をｆｔ、剛性をｋｔ、質量をｍｔとした時、長方形のカンチレバーと三角形のカンチレバーのそれぞれの共振周波数は次の通りである。
【００３５】
【数１】
2005148062.tif 000003
【００３６】
【数２】
2005148062.tif 000004
【００３７】
次に、カンチレバーに被検体ｐを付着して質量の変化△ｍがあった場合、変化した共振周波数ｆ０ｒとｆ０ｔはそれぞれ次の通りである。
【００３８】
【数３】
2005148062.tif 000005
【００３９】
【数４】
2005148062.tif 000006
【００４０】
上記数式１及び３を用いてカンチレバーが四角形である時の被検体ｐによる微細質量の変化による共振周波数の変化量△ｆｒを次の通りに求める。
【００４１】
【数５】
2005148062.tif 000007
【００４２】
また、数式２及び４を用いてカンチレバーが三角形である時の被検体ｐによる微細質量の変化による共振周波数の変化量△ｆｔを次の通りに求める。
【００４３】
【数６】
2005148062.tif 000008
【００４４】
ここで、カンチレバーの質量ｍｒ、ｍｔが被検体ｐの質量△ｍに比べて十分に大きいので△ｍ／ｍ≪１という仮定を数式５及び６に適用し、テーラー展開によって整理すれば、△ｆｒと△ｆｔとは近似式で次の通りに表される。
【００４５】
【数７】
2005148062.tif 000009
【００４６】
【数８】
2005148062.tif 000010
【００４７】
数式１及び２と数式７及び８によれば、被検体ｐによる質量変化△ｍによる共振周波数の変化△ｆと、質量増加前のカンチレバーの質量ｍと共振周波数ｆ間の関係は下記の数式のように表される。
【００４８】
【数９】
2005148062.tif 000011
【００４９】
上記数式９において△ｍ／△ｆ（ｇ／Ｈｚ）は分解能を示し、敏感度は分解能の逆数であって、分解能が低いほど良い敏感度を有する。すなわち、単位質量当たり共振周波数の変化が大きいほど敏感度が大きいことを意味する。
【００５０】
また、微細カンチレバーの分解能はカンチレバー自体のｍ／ｆに比例し、敏感度はｆ／ｍに比例する。したがって、質量が小さく、高い共振周波数の可能なサイズと形状を有するカンチレバーが微細質量測定器に適当である。
【００５１】
次に、図３Ａ及び図３Ｂに示されたように、上記数式７及び８におけるカンチレバーの剛性ｋｒ、ｋｔと質量ｍｒ、ｍｔをカンチレバー５０の長さＬ、幅ｂ、厚さｔで表現することによって同じ材質と長さ、幅、及び厚さを有する四角形のカンチレバー及び三角形のカンチレバーに対する敏感度を比較する。
【００５２】
まず、カンチレバーの剛性ｋｒ、ｋｔは、その形状が四角形と三角形である時にそれぞれ次の通りである。ここで、Ｅ、Ｉ、ρはそれぞれカンチレバーの弾性係数、断面２次モーメント（ｓｅｃｏｎｄ  ｍｏｍｅｎｔ  ｏｆ  ｉｎｅｒｔｉａ  ｏｆ  ａｒｅａ）、密度を表す。
【００５３】
【数１０】
2005148062.tif 000012
【００５４】
【数１１】
2005148062.tif 000013
【００５５】
次に、カンチレバーの質量ｍｒ、ｍｔはその形状が四角形と三角形である時、それぞれ次の通りである。
【００５６】
【数１２】
2005148062.tif 000014
【００５７】
【数１３】
2005148062.tif 000015
【００５８】
そして、上記数式７に数式１０と１２を代入して整理すれば、次の通りである。
【００５９】
【数１４】
2005148062.tif 000016
【００６０】
次に、数式８に数式１１と１３を代入して整理すれば、次の通りである。
【００６１】
【数１５】
2005148062.tif 000017
【００６２】
数式１４と１５を比較すれば、カンチレバーの形態が三角形である時の敏感度（△ｆ／△ｍ）ｔが四角形である時の敏感度（△ｆ／△ｍ）ｒより相対的に大きい。したがって、カンチレバーは多様な形状でありうるが、三角形であることが望ましい。しかし、微細質量測定に要求される敏感度と分離係数とを満足させる限り四角形の微細カンチレバーも可能であることはもちろんである。
【００６３】
一方、図４は、カンチレバーの形状が三角形である時と四角形である時のカンチレバーの長さに対する分解能をそれぞれ示したグラフである。分解能は、敏感度の逆数であってその大きさが小さいほどさらに良い敏感度を有するものである。図４を参照すれば、カンチレバーが同じ長さＬを有する時、三角形のカンチレバーが四角形のカンチレバーより相対的に優れた敏感度を表す。
【００６４】
カンチレバーの形状が三角形である時、カンチレバーの具体的なサイズは次のように求められる。まず、分離係数という設計因子を定義し、分離係数と敏感度とを満足させるカンチレバーの長さ、幅、厚さの形状比を決定する。分離係数はカンチレバーの最初の共振周波数と２番目の共振周波数との差を最初の共振周波数で割った値で定義し、その大きさは最初共振モードが現れた後に２番目の共振モードが発生する時の両共振モードの隣接程度を表す。
【００６５】
分離係数を定義する理由は次のようである。無限個の振動モードが複合的に発生する連続体構造物の振動での検出用センサーとして使われるカンチレバーは、最初共振モードが用いられる。この時、２番目の共振周波数が最初の共振周波数にあまり近くにあれば最初の共振周波数の測定に混乱が発生する恐れがある。したがって、最初の共振周波数の正確な測定のために２番目の共振周波数と最初の共振周波数間が所定の基準以上の差があることが必要であり、その基準を提示するために分離係数を定義する。分離係数は三角形のカンチレバーの最初の共振周波数ｆｔ１と２番目の共振周波数ｆｔ２との差を最初の共振周波数で割った値で定義したので、次の数式１６のように表される。
【００６６】
【数１６】
2005148062.tif 000018
【００６７】
三角形のカンチレバーの形状は長さ、幅、厚さの形状比を通じて具体的に決定され、形状比は敏感度と分離係数とが所定範囲値を満足させるように決定される。まず、三角形のカンチレバーの分離係数について説明する。
【００６８】
図５は、三角形のカンチレバーの分離係数を示したグラフであり、横軸はカンチレバーの幅ｂを長さＬで割った値（ｂ／Ｌ）を、縦軸は（ｂ／Ｌ）の変化による分離係数を示す。そして、厚さｔに対する長さＬの比ｔ／Ｌがそれぞれ１／２０、１／５０、１／１００である場合に対してそれぞれ計算した結果を示したものである。
【００６９】
また、上記数式２に数式１１及び１３を代入して整理すれば、次のような共振周波数ｆｔが求められる。
【００７０】
【数１７】
2005148062.tif 000019
【００７１】
そして、微細カンチレバーが生体物質の検出のために作動する環境が液体内であるので質量増加効果を考慮する。質量増加効果は、液体内で微細カンチレバーが振動する時に液体の質量によりカンチレバーの質量が増加したような効果を表すことを言う。カンチレバーの質量が増加すればカンチレバーの共振周波数が減少する。上記数式１５によれば、共振周波数が減少すれば敏感度も減少する。
【００７２】
カンチレバーの長さに対する厚さ比（ｔ／Ｌ）を増加させることによりカンチレバーの剛性を十分に高めれば質量増加効果を克服することができる。したがって、１／２０、１／５０、１／１００のうち最も大きい値を有する１／２０をｔ／Ｌの比として定めることが望ましい。
【００７３】
一方、図５を参照すれば、ｔ／Ｌに関係なく分離係数が一定の値（最大値）を有する区間がある。ｂ／Ｌが０．３＜ｂ／Ｌ＜０．９になる区間で分離係数が最大となる。
【００７４】
上記結果を整理すれば、ｔ／Ｌ＝１／２０であり、ｂ／Ｌが０．３〜０．９の範囲を有する時に分離係数と敏感度とを満足させるので、カンチレバーの形状比はＬ：ｂ：ｔ＝２０：６：１〜２０：１８：１の範囲を有するように決定されることが望ましい。
【００７５】
このような形状比に基づいてカンチレバーの長さＬ、幅ｂ、厚さｔの具体的なサイズを決定する。図８は、ＭＥＭＳ工程を用いて製作した微細カンチレバーを示したものであって、カンチレバー５０の端部にプローブ５４を備え、このプローブ５４に遺伝子や蛋白質のような生体被検体ｐを配置する。このプローブ５４は、カンチレバー５０の端部に備わって被検体ｐを可能なかぎりカンチレバーの最端部に付着させるためのものであって、このプローブを通じて被検体をカンチレバーの最端部に付着させることによって質量増加効果を最大化することができる。蛋白質や遺伝子などのような生体物質が有する面積密度とそれによる共振周波数の変化が数百Ｈｚ内外になるように考慮して、前記カンチレバーに被検体が付着される面積がカンチレバーの全体面積の１／１５〜１／１０の範囲内にあることが好ましい。プローブ５４は、例えば、カンチレバーの全体面積の約１／１０の面積を持たせる。
【００７６】
プローブ５４は、生化学反応によりその上に蛋白質及び遺伝子が付着可能になっており、そうすることにより、最大限にカンチレバーの端部に集中的に生体物質を付着させて質量増加効果を最大化することができる。
【実施例】
【００７７】
遺伝子は６×１０−１５ｇ／μｍ２、蛋白質は２×１０−１５ｇ／μｍ２の質量密度を表す。この値を敏感度を表現した上記数式１５に代入してカンチレバーの質量が求められる。遺伝子及び蛋白質が付着されるプローブ５４の面積がカンチレバーの面積の１／１０である場合、カンチレバーの形状比によって（１／１０）  （ｂＬ／２）＝（１／１０）（３Ｌ／１０）Ｌ／２＝３Ｌ２／２００のように表される。
【００７８】
カンチレバーはシリコンを材料としてＭＥＭＳ工程を用いて製作される。そして、シリコンの物性値であるＥ＝１１２ＧＰａ、ρ＝２３３０ｋｇ／ｍ３を数式１５に代入すれば、三角形のカンチレバーの長さＬ、幅ｂ、厚さｔを決定しうる。
【００７９】
この時、共振周波数の変化量△ｆｔは１５０Ｈｚと仮定する。これは被検体ｐがプローブ５４の全体面積に付着されることではなく一部にのみ付着される可能性を考慮して０〜１５０Ｈｚ範囲での共振周波数の変化可能性を仮定したものである。このような共振周波数の測定を通じて遺伝子や蛋白質のような被検体ｐのプローブ５４への付着程度を判断できる。この共振周波数の範囲は、本発明をＬＯＣに適用してＬＯＣの一部として検出しようとする特定の生体物質の存在有無の判断及び存否の判断のできる基準を提示するために決定した大きさである。プローブ５４には所定の生化学処理を行ってこのプローブにのみ生体物質が付着されるようにしたので、共振周波数の変化量によって被検体のプローブへの付着程度が分かる。
【００８０】
例えば、共振周波数の変化量が５０Ｈｚである時にプローブにはプローブ面積の約１／３程度の生体物質が付着されたと見なされる。また、共振周波数の変化量が７５Ｈｚである時、プローブ面積の半分程度に被検体が付着されたことを意味する。共振周波数の変化量が０〜１５０Ｈｚであるものは遺伝子や蛋白質の質量増加によるカンチレバーの最初の共振周波数の変化が非常に小さいことを考慮すれば十分に大きい値である。
【００８１】
上記全ての条件に基づいて三角形のカンチレバーのサイズを求めれば、まず遺伝子を検出する場合にカンチレバーの長さ、幅、厚さは、それぞれ４０μｍ、１２μｍ、２μｍであり、蛋白質を検出する場合にカンチレバーの長さ、幅、厚さは、それぞれ１００μｍ、３０μｍ、５μｍになるようにすることが望ましい。上記値は、同じ形状比を有する多様な場合のカンチレバーに対して蛋白質と遺伝子の面積密度を考慮して数値解釈した結果、ＭＥＭＳ工程で製作可能でありながら十分な敏感度を有する値を求めたものである。
【００８２】
次に、圧電体５３の厚さと長さを定める。圧電体５３はＰＺＴで形成されることが望ましい。圧電体のサイズは大きい出力電流が得られるように決定されることが望ましい。出力電流が大きい時、被検体の質量の検出性能が向上する。
【００８３】
これを確認するための数値解釈ではＱ  ｆａｃｔｏｒ＝１０００、入力電圧を２００ｍ／Ｖで入力した。図６は、数値解釈のための有限要素モデルであって、ＰＺＴ圧電体５３が蒸着されたカンチレバー５０を示したものである。ここで、圧電体５３はカンチレバー５０を可能な限り多く覆う形状を有することが望ましい。圧電体からの出力電流は圧電体のサイズに最も大きい影響を受けるので、圧電体のサイズを可能な限り大きくすることが微細質量の変化による共振周波数の測定に有利である。例えば、圧電体５３は台形でありうる。
【００８４】
圧電体５３の厚さによる出力電流への影響を調べるために圧電体の長さＬ１を３０μｍで一定に維持した状態で厚さｔ１（図３参照）のみを徐々に変化させた。図７Ａは、圧電体５３の厚さによる出力電流の変化を示したグラフである。このグラフによれば、厚さｔ１が２．５μｍである時に最も大きい出力電流が得られる。
【００８５】
また、圧電体５３の長さＬ１による出力電流の変化を調べるために厚さｔ１を２．５μｍに維持し、圧電体５３の長さを延ばしつつ出力電流の変化を図７Ｂに示した。ここで、圧電体の長さＬが約６０μｍまで延びる時、出力電流が単調増加（ｍｏｎｏｔｏｎｉｃ  ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ）してそれ以後にはむしろ低減することが分かる。このような結果に基づいて数値解釈した結果、微細カンチレバーの振動のための圧電体の厚さはカンチレバーの厚さの４０〜６０％、圧電体の長さはカンチレバーの長さの５０〜６０％が適している。すなわち、ＭＥＭＳ製作工程を通じて製作された微細カンチレバーの特性が数値解釈の結果及び数学的な圧電モデリングと非常に類似している場合に基づいて圧電体とカンチレバー間の厚さ比及び長さ比の範囲が求められる。
【００８６】
図８は、ＭＥＭＳ工程を用いて製作した微細カンチレバーを示した図面であり、図９は、発振回路からオシロスコープを通じて出力される信号を示すグラフである。図９において、下側のグラフの信号は微細カンチレバーの振動信号が発振回路を介してカンチレバーにフィードバックされた信号である。そして、上側のグラフ信号はフィードバック信号が微細カンチレバーを介して出力される信号である。換言すれば、上側のグラフは、微細カンチレバー５０が最初の共振周波数で自己振動し続けることを示す自己振動信号である。
【００８７】
以上のように本発明に係る微細質量測定装置は、発振回路が適用された圧電体によりカンチレバーの自己振動と被検体の質量測定が同時に行えるようにする。これにより、本発明は波形発生器のような外部の駆動機が必要ない。
【００８８】
具体的な測定例を次の通りに説明する。微細質量測定時に可能なかぎり多量の蛋白質（被検体）がカンチレバーに付着されることが望ましい。したがって、可能なかぎり多くの蛋白質をカンチレバーに付着するように接着力の良いイガイ蛋白質を利用する。微細カンチレバー５０の端部に被検体（イガイ蛋白質）が入っている水溶液を付け、発振回路に連結して周波数変化を測定する。この時、周波数測定器６５により測定された最初の共振周波数は１．２３８５４４（ＭＨｚ）である。そして、イガイ蛋白質を付着した後の共振周波数の変化量は８５Ｈｚであり、敏感度を表す数式１５を用いてイガイ蛋白質の質量を計算すれば、約０．１７９４８３×１０−１２（ｇ）となる。
【００８９】
次に、本発明に係る微細質量測定方法は、発振回路６０を用いてカンチレバー５０を最初の共振周波数で自己振動させ、カンチレバー５０に被検体ｐを配置した後に変化した最初の共振周波数でカンチレバーを自己振動させると共に該変化した共振周波数を用いて被検体の質量を測定する。
【００９０】
被検体ｐがない状態で発振回路６０により圧電体５３を通じてカンチレバー５０を加振させ続け、この時カンチレバー５０の最初の共振周波数を測定する。
【００９１】
そして、被検体ｐを微細カンチレバー５０に付着させた後、この被検体ｐによって変化した微細カンチレバー５０の共振周波数を測定して共振周波数の変化量を求める。そして、共振周波数の変化量に基づいて数式１５を参照して被検体ｐの質量を測定する。このように、本発明に係る測定方法は、発振回路を用いてカンチレバーを能動的に駆動させるだけでなく被検体による共振周波数の変化による被検体の質量測定を別途の測定装備なしに行うことである。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、複数配列のカンチレバーを通じて多様な生体物質の質量を同時に検出可能である。したがって、超小型化されたカンチレバーをＬＯＣに適用すれば、携帯用遺伝子や蛋白質検出器に使われうる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】従来の微細カンチレバーセンサーの概略的な構成図である。
【図２】本発明の望ましい実施の形態による微細質量測定装置の概略的な構成図である。
【図３】Ａ及びＢは、本発明の望ましい実施の形態による微細質量測定装置に採用されるカンチレバーの形状を示した図面である。
【図４】本発明に係る微細質量測定装置に採用されるカンチレバーの長さに対する分解能を示したグラフである。
【図５】本発明に係る微細質量測定装置に採用されるカンチレバーの長さに対する幅の比による分離係数を示したグラフである。
【図６】本発明に係る微細質量測定装置に採用される圧電体が蒸着されたカンチレバーの有限要素モデルを示した図面である。
【図７】Ａは、本発明に係る微細質量測定装置に採用される圧電体の厚さに対する出力電流を示したグラフであり、Ｂは、本発明に係る微細質量測定装置に採用される圧電体の長さに対する出力電流を示したグラフである。
【図８】ＭＥＭＳ工程により製作された圧電体が蒸着されたカンチレバーの写真を示した図面である。
【図９】本発明に係る微細質量測定装置に採用される発振回路による自己振動信号とフィードバック信号を示したグラフである。
【符号の説明】
【００９４】
５０…微細カンチレバー、
５３…圧電体、
５７…増幅部、
５８…フィードバック部、
５９…電源、
６０…発振回路、
６５…周波数測定器。
【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７】
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【図９】
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【図６】
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【図８】
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