(57)【要約】【課題】小型化が可能であるだけでなく、空気中はもちろんで液体中でも微細物質を感知することで、連続的に反応量を感知し得るカンチレバーセンサ型分析システムを提供しようとする。【解決手段】反応物を注入するための各流入口１１１a、１１１b及びそれら流入口１１１a、１１１bと反応チャンバ１１５とを連結する各流入チャンネル１１２a、１１２b、１１４が形成された微少流体伝達システム１００と、一端が基板２１０に固定されたカンチレバー２２０、該カンチレバー２２０の上下面の中の少なくとも何れか一面に積層され、圧電膜２３２と該圧電膜２３２の下面に形成された下部電極２３３と圧電膜２３２の上面に形成された上部電極２３１とから構成された駆動膜２３０並びに該下部電極２３３及び該上部電極２３１に電気を加える電気パッド２４０を備え、前記反応チャンバ１１５に設置されたカンチレバーセンサ２００と、を具備したカンチレバーセンサ型分析システムを構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応物を注入するための流入口及び該流入口と反応チャンバとを連結する流入チャンネルが形成された微少流体伝達システムと、
一端が基板に固定されたカンチレバー、該カンチレバーの上下面のうちの少なくとも何れか一面に積層され、圧電膜と該圧電膜の下面に形成された下部電極と前記圧電膜の上面に形成された上部電極とを備えて構成された駆動膜並びに前記下部電極及び前記上部電極に電気を加える電気パッドを包含し、前記反応チャンバに設置されたカンチレバーセンサと、
を具備して構成されることを特徴とするカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項２】
前記カンチレバー及び前記駆動膜のうちの少なくとも何れか一つの上面には、分析物と反応するための分子認識層(molecular recognition layer)が更に形成されることを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項３】
前記微少流体伝達システムは、前記流入口が二つ以上形成され、
前記流入チャンネルは、一端が前記各流入口に連結された入口側チャンネルと、一端は前記各入口側チャンネルの接点に連結され、他端は前記反応チャンバに連結された混合チャンネルとを具備して構成されることを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項４】
前記入口側チャンネルと前記混合チャンネルとの接点に形成された混合チャンバが更に設けられることを特徴とする請求項３記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項５】
前記微少流体伝達システムは、反応物を流出するために形成された流出口と、
該流出口と前記反応チャンバとを連結する流出チャンネルと、を更に具備して構成されることを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項６】
前記流出チャンネルは、前記反応チャンバの上方に連結されていることを特徴とする請求項５記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項７】
前記流入チャンネルは、前記反応チャンバの下方に連結されたことを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項８】
光学的測定を可能にするため、外部から反応チャンバの内部を見ることができるように、光学的に透明なウィンドウが形成されていることを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項９】
前記微少流体伝達システムは、ポリマー材料から形成されていることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１０】
前記ポリマー材料は、ポリジメチルシロキサン（PDMS)であることを特徴とする請求項９記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１１】
前記微少流体伝達システムは、ガラス材料から形成されたことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１２】
前記ガラス材料は、パイレックス(登録商標)または石英からなることを特徴とする請求項１１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１３】
液体中で通電が行われることを防止するため、前記駆動膜を覆う絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１４】
前記絶縁膜は、無機質絶縁物であることを特徴とする請求項１３記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１５】
前記無機質絶縁物は、ケイ素酸化物（SiOx）であることを特徴とする請求項１４記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１６】
前記絶縁膜は、有機質絶縁物であることを特徴とする請求項１３記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１７】
前記有機質絶縁物は、パリレン(Parylene)であることを特徴とする請求項１６記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１８】
前記上部電極及び前記下部電極に連結されて電気的信号を検出する電気信号パッドが更に包含されることを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１９】
前記カンチレバーは、二つ以上配列され、前記駆動膜及び前記電気パッドは、前記各カンチレバー毎に形成されたことを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項２０】
前記カンチレバーは、二つ以上配列され、前記駆動膜、前記電気パッド及び前記分子認識層は、前記各カンチレバー毎に形成されたことを特徴とする請求項２記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項２１】
前記カンチレバーは、シリコン又はシリコン窒化膜の単層に形成されたことを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項２２】
前記カンチレバーは、シリコン窒化膜とシリコンとの二重層に形成されたことを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項２３】
前記カンチレバーは、シリコン酸化膜とシリコンとの二重層に形成されたことを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項２４】
前記カンチレバーは、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とシリコン酸化膜との三重層に形成されたことを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項２５】
前記分子認識層は、自己組織化単分子膜（SAM)層上に被測定物質に反応する物質を固定して形成されることを特徴とする請求項２記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項２６】
前記カンチレバーの表面にCr及びAuが蒸着された後、その上面に前記SAM層が形成されることを特徴とする請求項２５記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項２７】
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を利用してカンチレバーを製作する段階と、該製作されたカンチレバーの表面に、圧電膜と該圧電膜の上下面に積層された上部電極及び下部電極とから構成される駆動膜を形成する段階と、前記上部電極及び前記下部電極の一部に電気パッドを積層する段階と、前記カンチレバー及び前記駆動膜のうちの少なくとも何れか一面に分子認識層を形成する段階とが包含されたカンチレバーセンサ形成過程と、
流入口、反応チャンバ及びそれら流入口と反応チャンバとを連結するための流入チャンネルを形成するため上下部モールドを形成する過程と、
該形成された上下部モールドに溶解モールド材料を注いだ後に固形化して上下部プレートを形成する過程と、
前記カンチレバーセンサ形成過程で形成されたカンチレバーセンサを前記反応チャンバ内に固定する過程と、
前記上下部プレートを接合する過程と、
を順次に遂行することを特徴とするカンチレバーセンサ型分析システムの製造方法。
【請求項２８】
前記モールド材料は、ポリジメチルシロキサン (PDMS)であることを特徴とする請求項２７記載のカンチレバーセンサ型分析システムの製造方法。
【請求項２９】
前記モールドは、金型鋼、ポリテトラフルオロエチレン又はシリコンにより形成されたことを特徴とする請求項２８記載のカンチレバーセンサ型分析システムの製造方法。
【請求項３０】
前記モールド材料は、グラスであることを特徴とする請求項２７記載のカンチレバーセンサ型分析システムの製造方法。
【請求項３１】
前記電気パッドを形成した後に前記駆動膜を覆う絶縁膜を形成する過程を更に遂行することを特徴とする請求項２７記載のカンチレバーセンサ型分析システムの製造方法。
【請求項３２】
請求項２記載のカンチレバーセンサ型分析システムを利用した極微細物質感知方法であって、
前記流入口に洗浄液を注入して反応チャンバの内部に洗浄液を満たす第１段階と、
該第１段階以後、前記電気パッドに電気を加えてカンチレバーの基準共振周波数を求める第２段階と、
該第２段階以後、分析溶液を前記流入口に供給した後、前記分子認識層と反応するように所定時間維持する第３段階と、
該第３段階以後、前記流入口に洗浄液を注入して前記反応チャンバの内部に洗浄液を満たす第４段階と、
該第４段階以後、前記電気パッドに電気を加えてカンチレバーの共振周波数を求める第５段階と、
前記第２段階の基準共振周波数と第５段階の共振周波数とを比較する比較段階と、を順次に遂行することを特徴とする極微細物質感知方法。
【請求項３３】
前記洗浄液は、平衡塩溶液、すなわちPBS(Phosphate Buffered Saline)溶液であることを特徴とする請求項３２記載の極微細物質感知方法。
【請求項３４】
請求項１〜請求項２４の何れか一項に記載のカンチレバーセンサ型分析システムを利用した極微細物質感知方法であって、
分析溶液を前記流入口に注入して前記反応チャンバの内部に満たされるようにした後、所定時間毎に前記電気パッドに電気を加えてカンチレバーの共振周波数を求めることを特徴とする極微細物質感知方法。
【請求項３５】
請求項２記載のカンチレバーセンサ型分析システムを利用した極微細物質感知方法であって、
前記流入口に洗浄液を注入して反応チャンバの内部に洗浄液を満たす第１段階と、
該第１段階以後、前記流入口に窒素ガスを注入して前記反応チャンバ内の洗浄液を除去する第２段階と、
該第２段階以後、前記電気パッドに電気を加えてカンチレバーの基準共振周波数を求める第３段階と、
該第３段階以後、分析溶液を前記流入口に供給した後、前記分子認識層と反応するように所定時間維持する第４段階と、
該第４段階以後、前記流入口に洗浄液を注入して前記反応チャンバの内部に洗浄液を満たす第５段階と、
該第５段階以後、前記流入口に窒素ガスを注入して前記反応チャンバ内の洗浄液を除去する第６段階と、
該第６段階以後、前記電気パッドに電気を加えてカンチレバーの共振周波数を求める第７段階と、
前記第３段階の基準共振周波数と第７段階の共振周波数とを比較する比較段階と、を順次に遂行することを特徴とする極微細物質感知方法。
【請求項３６】
前記洗浄液は、PBSであることを特徴とする請求項３５記載の極微細物質感知方法。
【請求項３７】
請求項２０記載のマイクロカンチレバーセンサ型分析システムを利用した物質感知方法であって、
前記各カンチレバーの前記分子認識層毎に異なる表面処理を施すことで一回に複数の物質を検出できることを特徴とする物質感知方法。
【請求項３８】
請求項１記載のマイクロカンチレバーセンサ型分析システムを利用した液体の粘度と密度の測定方法であって、
前記反応チャンバに液体を注入した後にマイクロカンチレバーの共振周波数及び幅の変化を測定することで、液体の粘度と密度とを測定することを特徴とするマイクロカンチレバーセンサ型分析システムを利用した液体の粘度及び密度測定方法。
【請求項３９】
前記液体は、血漿、血清または血液として、血漿、血清または血液の粘度及び密度を測定して赤血球の減少及び増加を感知することで、疾病の程度を測定することを特徴とする請求項３８記載のマイクロカンチレバーセンサ型分析システムを利用した液体の粘度及び密度測定方法。
【請求項４０】
請求項２記載のマイクロカンチレバーセンサ型分析システムを利用した物質感知方法であって、
前記分子認識層は、その反応物質がガス状態であることを特徴とするマイクロカンチレバーセンサ型分析システムを利用した物質感知方法。
【請求項４１】
前記分子認識層は、ゼラチンを固定することで形成され、前記ガスに含有された湿度を感知することを特徴とする請求項４０記載のマイクロカンチレバーセンサ型分析システムを利用した物質感知方法。
【請求項４２】
請求項２記載のマイクロカンチレバーセンサ型分析システムを利用した生体物質感知方法であって、
前記分子認識層は、蛋白質、DNAなどに反応する抗体または相補DNAから構成され、前記蛋白質、DNAなどの反応物質を常温で圧力を下げることで気化させて前記分子認識層と反応するようにしたことを特徴とする生体物質感知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細物質を感知する分析システムに係るもので、詳しくは、システムの小型化が可能であるだけでなく、空気中はもちろんで液体中でも微細物質を感知することで、連続的に反応量を感知することのできるカンチレバーセンサ型分析システムに関するものである。
又、本発明は、特に血液内のDNA、蛋白質、酵素、またはセルのような多様な生体物質を感知する感知チップ(Sensing Chip)に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
(１)、従来、電気的または光学的に微細物質を感知するシステムとして、QCM(Quartz Crystal Mass Balance)が用いられている。
(２)、従来のDNA及び蛋白質のような生体物質を感知するためのチップは、ガラス及びシリコンウエハなどの基板上にアレイ状に複数の金(gold)パターンを形成して、その上面に生体認識有機分子膜を形成し得るようにし、表面改質を行って対象感知生体物質をプローブ(probe)により分析物質内の測定対象物質と結合する場合、付着された蛍光物質により、レーザーなどでスキャンする際に蛍光を発生させて、該蛍光を光感知素子(または検出器)により感知するようになっている。
【０００３】
(３)、現在研究されているカンチレバーを利用したセンサは、カンチレバーの熱またはガスの吸着による質量変化による静的たわみ(static deflection)を、レーザーのような光源を利用して測定している。また、このようなたわみによるセンシング方法を生体物質の感知に適用した人物として、米国バークレー大学のマジュムダール(Majumdar)氏及びIBMスイスチューリッヒ研究所のフリッツ(Fritz)氏が挙げられ、非特許文献１としてのNature Biotechnology １９、８５６-８６０(２００１)及び非特許文献２としてのScience ２８８、３１６-３１８(２０００)に、マイクロカンチレバーの表面に発生する生物学的反応による蛋白質及び遺伝子の感知方法が発表されている。このような静的たわみによるセンシング方法は、レーザーのような光源を利用してカンチレバーの表面にフォーカシングしてポジションセンシティブダイオード(position sensitive diode)に集光させることでセンシングが行われている。
【０００４】
(４)、共振周波数の変化を利用するセンシング方法として、オークリッジ国立研究所(Oak Ridge national lab)のサンダット(Thundat)氏により、非特許文献３としてのApplied Physics Letters ８０、２２１９-２２２１(２００２)に、マイクロカンチレバーの表面のNa+イオンの吸着によるスプリングコンスタントの変化が共振周波数の測定によりセンシングが可能であることが報告され、IBMスイスチューリッヒ研究所の研究者らにより、空気中の特定ガスの感知が共振周波数の測定によりセンシングが可能であることが報告されている。これらの方法は、全て外部に別途のアクチュエータを付着して共振させるものである。
【非特許文献１】Nature Biotechnology １９、８５６-８６０(２００１)
【非特許文献２】Science ２８８、３１６-３１８(２０００)
【非特許文献３】Applied Physics Letters ８０、２２１９-２２２１(２００２)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
然るに、このような従来の微細物質感知方法においては、上記の項目(１)に記載の従来のQCMの場合、水晶(Quartz)単結晶が壊れやすく、小さく且つ薄くすることが難しいため、大量生産に適合しないという不都合な点があった。
また、上記の項目(２)に記載の従来のチップの場合、光源及び検出器を同時に内蔵しなければならず、フォーカシングに必要な光学系も装着しなければならないため、小型化しにくいという不都合な点があった。
【０００６】
また、上記の項目(３)に記載の静的たわみによるセンシング方法の場合、外部の熱によるマイクロカンチレバーの動きを最小化するために恒温装置が必要で、精密なたわみ評価のために最小限の光学的空間が要求されるため、システムの小型化に限界があるという不都合な点があった。
また、上記の項目(４)に記載の共振周波数の変化を利用するセンシング方法の場合、外部のアクチュエータにより共振させるため、マイクロカンチレバーによりセンシングすべきサンプルとの表面反応に必要な空間であるチャンバのサイズを大きくしなければならず、よって、数ピコリットル〜数十マイクロリットル程度の微量と反応させるための診断チップまたは分析装置を具現することが困難であるという不都合な点があった。
【０００７】
本発明は、このような従来の不都合点からなる課題に鑑みてなされたもので、システムの小型化が可能であるだけでなく、空気中はもちろんで液体中でも微細物質を感知することで、連続的に反応量を感知し得るカンチレバーセンサ型分析システム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】
このような目的を達成するため、本発明に係るカンチレバーセンサ型分析システムにおいては、反応物を注入するための流入口、及び該流入口と反応チャンバとを連結する流入チャンネルが形成された微少流体伝達システムと、一方端が基板に固定されたカンチレバー、該カンチレバーの上下面中少なくとも何れか一面に積層され、圧電膜と該圧電膜の下面に形成された下部電極と前記圧電膜の上面に形成された上部電極とから構成された駆動膜、前記下部電極及び前記上部電極に電気を加える電気パッド、並びに前記カンチレバー及び前記駆動膜中少なくとも何れか一つの上面に形成されて分析物と反応するための分子認識層(molecular recognition layer)を包含し、前記反応チャンバに設置されたカンチレバーセンサと、を具備して構成されることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係るカンチレバーセンサ型分析システムの製造方法においては、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を利用してカンチレバーを製作する段階、該製作されたカンチレバーの表面に、圧電膜と該圧電膜の上下面に積層された上部電極及び下部電極とから構成される駆動膜を形成する段階、前記上部電極及び前記下部電極の一部に電気パッドを積層する段階、並びに前記カンチレバー及び前記駆動膜中少なくとも何れか一面に分子認識層を形成する段階が包含されたカンチレバーセンサ形成段階と、流入口、反応チャンバ及びそれら流入口と反応チャンバとを連結するための流入チャンネルを形成するため上下部モールドを形成する段階と、該形成された上下部モールドに溶解されたモールド材料を注いだ後固形化して上下部プレートを形成する段階と、前記カンチレバーセンサ形成段階で形成されたカンチレバーセンサを前記反応チャンバ内に固定する段階と、前記上下部プレートを接合する段階と、を順次行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るカンチレバーセンサ型分析システムとその製造方法並びにこれを利用した極微細物質感知方法においては、カンチレバーに圧電膜を形成することで、別途の外部アクチュエータを用いることなく、カンチレバーに所定周波数の振動を加えることができるため、カンチレバーセンサのサイズを顕著に減らして微細流体伝達システムと結合させ、よって、極少量の反応物質を測定し得るという効果がある。
【００１１】
また、絶縁膜を具備することで、液体中で共振周波数を求めることができるし、液体中でも時間によって変化する量の共振周波数も求めることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を、その実施の形態に基づいて、添付図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の本発明の実施形態の説明においては、本発明の要旨をより明らかにするために周知の機能または構成に対する具体的な説明は省略する。
図１は、本発明に係るカンチレバーセンサ型分析システムを示した透視斜視図、図２は、図１のカンチレバーセンサの斜視図、図３は、図２のIII-III線に沿う縦断面図で、図示されたように、本発明に係るカンチレバーセンサ型分析システムの一実施形態は、微少流体伝達システム１００と、該微少流体伝達システム１００の反応チャンバ１１５内に固定されたカンチレバーセンサ２００と、を具備して構成されている。
【００１３】
また、前記微少流体伝達システム１００は、上部プレート１１０と下部プレート１２０が相互対向するように接合して形成される。また、前記上部プレート１１０は、該上部プレート１１０を貫通して形成された流入口１１１a、１１１b及び流出口１１７と、前記上部プレート１１０の前記下部プレート１２０との対向面が深く凹入して貫通されないように形成された混合チャンバ１１３及び反応チャンバ１１５と、前記上部プレート１１０の前記下部プレート１２０との対向面が凹入して形成された流入チャンネル１１２a、１１２b、１１４及び流出チャンネル１１６と、を具備して構成される。
【００１４】
また、前記流入チャンネル１１２a、１１２b、１１４は、前記流入口１１１a、１１１bと前記混合チャンバ１１３とを連結する入口側チャンネル１１２a、１１２bと、前記混合チャンバ１１３と前記反応チャンバ１１５とを連結する混合チャンネル１１４と、から構成され、前記流出チャンネル１１６は、前記反応チャンバ１１５と前記流出口１１７とを連結するように構成される。
【００１５】
また、前記混合チャンネル１１４は、前記反応チャンバ１１５の下方の前記下部プレート１２０に近い位置に連結され、前記流出チャンネル１１６は、前記反応チャンバ１１５の上方に位置するように連結される。
このように構成された本発明の一実施形態においては、前記チャンネル及びチャンバが全て上部プレート１１０に形成された場合を例示しているが、前記チャンネル及びチャンバは、下部プレート１２０に形成することもできるし、上下部プレート１１０、１２０の両方側にそれぞれ形成することもできる。且つ、前記上部プレート１１０及び前記下部プレート１２０は、ポリマー材料の  ポリジメチルシロキサン (Poly-dimethyl siloxane)、（以下、 PDMSと言う）またはポリカーボネートから形成することができるし、ガラス材料のパイレックス(登録商標)または石英から形成することもできる。
【００１６】
そして、前記カンチレバーセンサ２００は、一方の端が基板２１０に固定されたカンチレバー２２０と、該カンチレバー２２０の上面に積層された駆動膜２３０と、該駆動膜２３０に電気を供給するための電気パッド２４０と、電気信号を検出するための電気信号パッド(図示せず)と、液体中で通電が行われることを防止するため、前記駆動膜２３０を覆うように形成された絶縁膜２５０と、前記カンチレバー２２０の下面に形成されて分析物と反応するための分子認識層２６０と、を具えて構成される。
【００１７】
また、前記カンチレバー２２０は、シリコン酸化膜２２１と、該シリコン酸化膜２２１の上面に積層されたシリコン窒化膜２２２と、該シリコン窒化膜２２２の上面に積層されたシリコン酸化膜２２３との三重層構造に形成される。且つ、前記カンチレバー２２０は、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜とシリコンとの二重層構造に形成することもできるし、或いはシリコン又はシリコン窒化膜の単層構造に形成することもできる。
【００１８】
また、前記駆動膜２３０は、前記カンチレバー２２０の上面に積層された下部電極２３３と、該下部電極２３３の上面に積層された圧電膜２３２と、該圧電膜２３２の上面に積層された上部電極２３１と、を具備して構成される。
また、前記絶縁膜２５０は、酸化ケイ素（SiOx）のような無機物質をプラズマＣＶＤ、すなわちPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)、大気圧プラズマＣＶＤ、すなわちAPCVD(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition)または蒸着(Evaporation)装置などを利用して蒸着、成膜するか、或いはパリレン(Parylene)のような有機物質から構成された膜を蒸着することで形成される。また、前記電気パッド２４０と上部電極２３１及び下部電極２３３とを連結するため、上部電極開口２５１及び下部電極開口２５２が形成される。
【００１９】
また、前記電気パッド２４０は、前記上部電極２３１に連結された上部電気パッド２４１と、前記下部電極２３３に連結された下部電気パッド２４２と、を具備して構成される。且つ、前記電気信号パッドも、前記上部電極２３１及び下部電極２３３にそれぞれ連結される。但し、前述した電気信号パッドは、共振周波数を電気的信号として検出するためのもので、光学的に検出するためには、外部から反応チャンバ１１５の内部を見ることができるように、光学的に透明なウィンドウを前記微少流体伝達システムに形成する。
【００２０】
また、前記分子認識層２６０は、自己組織化単分子膜、すなわちSAM(Self Assembled Monolayer)を前記カンチレバー２２０の下面に改質した後、被測定物質に反応する物質を固定するか、または前記カンチレバー２２０の下面にCr及びAuを蒸着し、その上面にCalixcrown SAMを改質した後、被測定物質に反応する物質を固定することで形成される。例えば、前立腺特異抗体 (Prostate Specific Antibody)、（以下、 PSAと言う）のような物質をSAM上に固定することができるが、前記SAM上に固定される物質は、被測定物質の種類によって多様に構成することができる。
【００２１】
このように構成されたカンチレバーセンサ２００は、図２に示したように、一つの基板２１０の上面に二つ以上のカンチレバー２２０が形成され、それら各カンチレバー２２０に前記駆動膜２３０、絶縁膜２５０、電気パッド２４０、電気信号パッド(図示せず)及び分子認識層２６０がそれぞれ形成される。但し、基準共振周波数を求めるため、前記カンチレバー２２０の一部には前記分子認識層２６０を形成しないこともある。
【００２２】
このように構成された本発明に係るカンチレバーセンサ型分析システムは、MEMS技術を利用してカンチレバーセンサを形成する段階と、前記微少流体伝達システムの上下部プレートを形成する段階と、それら上下部プレートと前記カンチレバーセンサとを固定する段階と、を順次行うことで構成される。
前記カンチレバーセンサを形成する段階では、MEMS技術を利用して基板２１０上に蒸着及びエッチングを繰り返して、駆動膜２３０、電気パッド２４０及び分子認識層２６０を形成する。
【００２３】
また、前記上下部プレートを形成する段階では、各流入口１１１a、１１１b、流出口１１７、各流入及び流出チャンネル１１２a、１１２b、１１４、１１６、混合チャンバ１１３及び反応チャンバ１１５を製造するためのモールドを形成する段階と、該形成されたモールドに溶解されたモールド材料を注いで固形化することで上下部プレート１１０、１２０を形成する段階と、を順次行う。且つ、前記モールド材料は、PDMSであることが好ましく、前記モールドは、金型鋼、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン(登録商標)）またはシリコンなどにより形成されることが好ましい。
【００２４】
また、前記上下部プレートと前記カンチレバーセンサとを固定する段階では、前記カンチレバーセンサ形成段階で形成されたカンチレバーセンサ２００を前記反応チャンバ１１５に固定する。このとき、前記カンチレバー２２０が前記反応チャンバ１１５内に突出されるように、前記基板２１０を前記上部プレート１１０と下部プレート１２０間に固定した後、それら上部プレート１１０と下部プレート１２０とを接合する。
【００２５】
以下、本発明に係るカンチレバーセンサ型分析システムの動作に関して説明する。
各流入口１１１a、１１１bに異なる反応物をそれぞれ注入すると、それら流入口１１１a、１１１bに注入された反応物は、それぞれ前記入口側チャンネル１１２a、１１２bを通して、混合チャンバ１１３及び混合チャンネル１１４を通過しながら混合される。次いで、該混合された反応物は、前記混合チャンネル１１４を通して反応チャンバ１１５の下部から上部まで充満された後、流出チャンネル１１６及び流出口１１７を経由して外部に流出される。
【００２６】
一方、前記反応チャンバ１１５に満たされた反応物の特定物質は、前記カンチレバーセンサ２００の分子認識層２６０に固定され、該分子認識層２６０に反応物質が固着された後、電気パッド２４０に周波数を変化させながら電気を加えると、圧電膜２３２が上下に曲げ振動を発生させ、このとき、電気信号パッドを通してカンチレバー２２０の周波数を感知することで、共振周波数を感知する。
【００２７】
その後、前記感知された共振周波数と、前記分子認識層２６０に反応物質が固着されない状態で測定した共振周波数とを比較することで、前記分子認識層２６０に固着された反応物質の質量を求める。
このように、本発明に係るカンチレバーセンサ型分析システムにおいては、別途の圧電膜により構成された駆動膜を形成することで、外部で別途のアクチュエータ装置を必要としないため、全体のサイズを顕著に減らすことができるし、微少流体伝達システムと結合されることで、数ナノリットル〜数十マイクロリットルの微量のサンプルを利用して所望の反応物質を容易に感知することができる。
【００２８】
また、共振周波数を感知するように形成された電気信号パッドを具備することで、別途の光学的空間を必要としないという利点がある。一方、本発明は、変形可能な実施例として、光学的に透明なウィンドウを形成することで光学的にも測定可能な方法を提示している。
また、カンチレバー２２０を一つの基板２１０に複数形成して、一つは基準周波数の測定に、残りはセンシング周波数の測定に、それぞれ区分して使用することで、様々な認知によるエラーの可能性を減らすだけでなく、共振周波数を求める回数を減らすことができる。且つ、各カンチレバー２２０毎に前記分子認識層２６０を異なる物質から形成することで、一回に複数の物質を検出し得るようにすることができる。
【００２９】
以下、本発明に係るカンチレバーセンサ型分析システムを利用した極微細物質感知方法に対し、液体中で感知する方法と空気中で感知する方法とに分けて説明する。
まず、液体中で極微細物質を感知する方法においては、前記各流入口１１１a、１１１bに平衡塩溶液 (Phosphate Buffered Saline)、すなわち PBS溶液のような洗浄液を注入して反応チャンバ１１５の内部に洗浄液を満たす第１段階と、該第１段階以後、前記電気パッド２４０に電気を加えてカンチレバー２２０の基準共振周波数を求める第２段階と、該第２段階以後、分析溶液を前記各流入口１１１a、１１１bに供給した後、前記分子認識層２６０と反応するように所定時間維持する第３段階と、該第３段階以後、前記各流入口１１１a、１１１bに洗浄液を注入して前記反応チャンバ１１５の内部に洗浄液を満たす第４段階と、該第４段階以後、前記電気パッド２４０に電気を加えてカンチレバー２２０の共振周波数を求める第５段階と、前記第２段階の基準共振周波数と第５段階の共振周波数とを比較する比較段階と、を順次行うことで、分析溶液内の特定物質を分析することができる。
【００３０】
図６〜図８は、液体中で本発明に係るカンチレバーセンサ型分析システムを利用して分析した結果を示したグラフである。
図６は、前記液体中で極微細物質を感知する方法の第２段階の基準共振周波数を求めた結果を示したグラフで、本発明に係るカンチレバーセンサ型分析システムが、液体中でも共振周波数を求めることができることが分かる。
【００３１】
図７は、PSA（Prostate Specific Antibody）血清を利用して、液体中で前立腺癌の質量を感知した結果を示したグラフで、分析溶液を前記流入口１１１a、１１１bに注入して前記反応チャンバ１１５の内部に満たされるようにした後、所定時間毎に前記電気パッド２４０に電気を加えてカンチレバー２２０の共振周波数を求めたものである。このような測定は、１ng/mlのPSA抗原濃度を有する前立腺癌患者の血清を希薄して測定した結果で、１ng/ml濃度のPSAを分析し得るし、血清、血液または血漿内の多様な蛋白質を数ngまたはpgの範囲内で測定し得ることが分かる。
【００３２】
図８は、本発明に係るカンチレバーセンサ型分析システムを利用して液体の粘度及び密度を測定した結果を示したグラフで、水とグリセロールとの含量の変化によって、即ち、液体の粘度及び密度によって共振周波数が変化することが分かる。このような結果から、微細な血液の粘度の変化による電気的共振信号の感知により疾病の程度を判断し得る血液感知センサとして応用し得ることが分かる。即ち、血清または血液の粘度及び密度を測定して赤血球の減少及び増加を感知することで、疾病の程度を判断することができる。
【００３３】
一方、空気中で極微細物質を感知する方法においては、前記流入口１１１a、１１１bに洗浄液を注入して反応チャンバ１１５の内部に洗浄液を満たす第１段階と、該第１段階以後、前記流入口１１１a、１１１bに窒素ガスを注入して前記反応チャンバ１１５内の洗浄液を除去する第２段階と、該第２段階以後、前記電気パッド２４０に電気を加えてカンチレバー２２０の基準共振周波数を求める第３段階と、該第３段階以後、分析溶液を前記流入口１１１a、１１１bに供給した後、前記分子認識層２６０と反応するように所定時間維持する第４段階と、該第４段階以後、前記流入口１１１a、１１１bに洗浄液を注入して前記反応チャンバ１１５の内部に洗浄液を満たす第５段階と、該第５段階以後、前記流入口１１１a、１１１bに窒素ガスを注入して前記反応チャンバ１１５内の洗浄液を除去する第６段階と、該第６段階以後、前記電気パッド２４０に電気を加えてカンチレバー２２０の共振周波数を求める第７段階と、前記第３段階の基準共振周波数と第７段階の共振周波数とを比較する比較段階と、を順次行う。
【００３４】
なお、前記洗浄液は、PBSであることが好ましい。
図４及び図５は、空気中で極微細物質を感知した結果を示したグラフであって、図４は、空気中の共振周波数のプロファイルを示したグラフ、図５は、本発明に係る極微細物質感知方法により、空気中のＣ反応性タンパク(C reactive protein)、（以下、CRPと言う）の定量的分析を行った結果を示したグラフである。
【００３５】
以上説明したように、本発明は、空気中はもちろん液体中でも共振周波数を測定することができるため、生体物質を感知するセンサとしてだけでなく、分子認識層をゼラチンから形成して湿度センサとして用いることができるし、マーキュリー感知センサ、高感度ガスセンサ及び数ピコグラム〜数マイクログラムの重量を感知し得る重量センサなどとしても用いることができる。
【００３６】
また、蛋白質、DNAなどの生体物質を感知するためには、前記分子認識層に抗体を形成した後、蛋白質、DNAなどの生体物質の特性を変化させないため、常温で温度は変化させずに圧力のみを下げて検出対象の生体物質を気化させた後、前記分子認識層と反応するようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係るカンチレバーセンサ型分析システムを示した透視斜視図である。
【図２】図１のカンチレバーセンサの斜視図である。
【図３】図２のIII-III線縦断面図である。
【図４】空気中の共振周波数のプロファイルを示したグラフである。
【図５】本発明に係る極微細物質感知方法を利用して空気中のCRPの定量的分析を行った結果を示したグラフである。
【図６】本発明に係るカンチレバーセンサ型分析システムを利用して、液体中で共振周波数を求めた結果を示したグラフである。
【図７】本発明に係るPSA血清を利用して、液体中で前立腺癌の質量を感知した結果を示したグラフである。
【図８】本発明に係るカンチレバーセンサ型分析システムを利用して、液体の粘度及び密度を測定した結果を示したグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１００：微少流体伝達システム
１１０：上部プレート
１１１a、１１１b：流入口
１１２a、１１２b：入口側チャンネル
１１３：混合チャンバ
１１４：混合チャンネル
１１５：反応チャンバ
１１６：流出チャンネル
１１７：流出口
１２０：下部プレート
２００：カンチレバーセンサ
２１０：基板
２２０：カンチレバー
２３０：駆動膜
２３１：上部電極
２３２：圧電膜
２３３：下部電極
２４０：電気パッド
２５０：絶縁膜
【図１】
2005156526.tif 000003
【図２】
2005156526.tif 000004
【図３】
2005156526.tif 000005
【図４】
2005156526.tif 000006
【図５】
2005156526.tif 000007
【図６】
2005156526.tif 000008
【図７】
2005156526.tif 000009
【図８】
2005156526.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成16年4月22日(2004.4.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応物を注入するための流入口及び該流入口と反応チャンバとを連結する流入チャンネルが形成された微少流体伝達システムと、
一端が基板に固定されたカンチレバー、該カンチレバーの上下面のうちの少なくとも何れか一面に積層され、圧電膜と該圧電膜の下面に形成された下部電極と前記圧電膜の上面に形成された上部電極とを備えて構成された駆動膜並びに前記下部電極及び前記上部電極に電気を加える電気パッドを包含し、前記反応チャンバに設置されたカンチレバーセンサと、
を具備して構成されることを特徴とするカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項２】
前記カンチレバー及び前記駆動膜のうちの少なくとも何れか一つの上面には、分析物と反応するための分子認識層(molecular recognition layer)が更に形成されることを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項３】
前記微少流体伝達システムは、前記流入口が二つ以上形成され、
前記流入チャンネルは、一端が前記各流入口に連結された入口側チャンネルと、一端は前記各入口側チャンネルの接点に連結され、他端は前記反応チャンバに連結された混合チャンネルとを具備して構成されることを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項４】
前記入口側チャンネルと前記混合チャンネルとの接点に形成された混合チャンバが更に設けられることを特徴とする請求項３記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項５】
前記微少流体伝達システムは、反応物を流出するために形成された流出口と、
該流出口と前記反応チャンバとを連結する流出チャンネルと、を更に具備して構成されることを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項６】
光学的測定を可能にするため、外部から反応チャンバの内部を見ることができるように、光学的に透明なウィンドウが形成されていることを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項７】
前記微少流体伝達システムは、ポリマー材料から形成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項８】
前記微少流体伝達システムは、ガラス材料から形成されたことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項９】
液体中で通電が行われることを防止するため、前記駆動膜を覆う絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１０】
前記絶縁膜は、無機質絶縁物であることを特徴とする請求項９記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１１】
前記絶縁膜は、有機質絶縁物であることを特徴とする請求項９記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１２】
前記上部電極及び前記下部電極に連結されて電気的信号を検出する電気信号パッドが更に具備されることを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１３】
前記カンチレバーは、二つ以上配列され、前記駆動膜及び前記電気パッドは、前記各カンチレバー毎に形成されたことを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１４】
前記カンチレバーは、二つ以上配列され、前記駆動膜、前記電気パッド及び前記分子認識層は、前記各カンチレバー毎に形成されたことを特徴とする請求項２記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１５】
前記カンチレバーは、シリコン又はシリコン窒化膜の単層に形成されたことを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１６】
前記カンチレバーは、シリコン窒化膜とシリコンとの二重層に形成されたことを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１７】
前記カンチレバーは、シリコン酸化膜とシリコンとの二重層に形成されたことを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１８】
前記カンチレバーは、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とシリコン酸化膜との三重層に形成されたことを特徴とする請求項１記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項１９】
前記分子認識層は、自己組織化単分子膜（SAM)層上に被測定物質に反応する物質を固定して形成されることを特徴とする請求項２記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項２０】
前記カンチレバーの表面にCr及びAuが蒸着された後、その上面に前記SAM層が形成されることを特徴とする請求項１９記載のカンチレバーセンサ型分析システム。
【請求項２１】
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を利用してカンチレバーを製作する段階と、該製作されたカンチレバーの表面に、圧電膜と該圧電膜の上下面に積層された上部電極及び下部電極とから構成される駆動膜を形成する段階と、前記上部電極及び前記下部電極の一部に電気パッドを積層する段階と、前記カンチレバー及び前記駆動膜のうちの少なくとも何れか一面に分子認識層を形成する段階とが包含されたカンチレバーセンサ形成過程と、
流入口、反応チャンバ及びそれら流入口と反応チャンバとを連結するための流入チャンネルを形成するため上下部モールドを形成する過程と、
該形成された上下部モールドに溶解モールド材料を注いだ後に固形化して上下部プレートを形成する過程と、
前記カンチレバーセンサ形成過程で形成されたカンチレバーセンサを前記反応チャンバ内に固定する過程と、
前記上下部プレートを接合する過程と、
を順次に遂行することを特徴とするカンチレバーセンサ型分析システムの製造方法。
【請求項２２】
前記電気パッドを形成した後に前記駆動膜を覆う絶縁膜を形成する過程を更に遂行することを特徴とする請求項２１記載のカンチレバーセンサ型分析システムの製造方法。
【請求項２３】
請求項２記載のカンチレバーセンサ型分析システムを利用した極微細物質感知方法であって、
前記流入口に洗浄液を注入して反応チャンバの内部に洗浄液を満たす第１段階と、
該第１段階以後、前記電気パッドに電気を加えてカンチレバーの基準共振周波数を求める第２段階と、
該第２段階以後、分析溶液を前記流入口に供給した後、前記分子認識層と反応するように所定時間維持する第３段階と、
該第３段階以後、前記流入口に洗浄液を注入して前記反応チャンバの内部に洗浄液を満たす第４段階と、
該第４段階以後、前記電気パッドに電気を加えてカンチレバーの共振周波数を求める第５段階と、
前記第２段階の基準共振周波数と第５段階の共振周波数とを比較する比較段階と、を順次に遂行することを特徴とする極微細物質感知方法。
【請求項２４】
請求項１〜請求項１８の何れか１項に記載のカンチレバーセンサ型分析システムを利用した極微細物質感知方法であって、
分析溶液を前記流入口に注入して前記反応チャンバの内部に満たされるようにした後、所定時間毎に前記電気パッドに電気を加えてカンチレバーの共振周波数を求めることを特徴とする極微細物質感知方法。
【請求項２５】
請求項２記載のカンチレバーセンサ型分析システムを利用した極微細物質感知方法であって、
前記流入口に洗浄液を注入して反応チャンバの内部に洗浄液を満たす第１段階と、
該第１段階以後、前記流入口に窒素ガスを注入して前記反応チャンバ内の洗浄液を除去する第２段階と、
該第２段階以後、前記電気パッドに電気を加えてカンチレバーの基準共振周波数を求める第３段階と、
該第３段階以後、分析溶液を前記流入口に供給した後、前記分子認識層と反応するように所定時間維持する第４段階と、
該第４段階以後、前記流入口に洗浄液を注入して前記反応チャンバの内部に洗浄液を満たす第５段階と、
該第５段階以後、前記流入口に窒素ガスを注入して前記反応チャンバ内の洗浄液を除去する第６段階と、
該第６段階以後、前記電気パッドに電気を加えてカンチレバーの共振周波数を求める第７段階と、
前記第３段階の基準共振周波数と第７段階の共振周波数とを比較する比較段階と、を順次に遂行することを特徴とする極微細物質感知方法。
【請求項２６】
請求項１４記載のマイクロカンチレバーセンサ型分析システムを利用した物質感知方法であって、
前記各カンチレバーの前記分子認識層毎に異なる表面処理を施すことで一回に複数の物質を検出できることを特徴とする物質感知方法。
【請求項２７】
請求項１記載のマイクロカンチレバーセンサ型分析システムを利用した液体の粘度と密度の測定方法であって、
前記反応チャンバに液体を注入した後にマイクロカンチレバーの共振周波数及び幅の変化を測定することで、液体の粘度と密度とを測定することを特徴とするマイクロカンチレバーセンサ型分析システムを利用した液体の粘度及び密度測定方法。
【請求項２８】
前記液体は、血漿、血清または血液として、血漿、血清または血液の粘度及び密度を測定して赤血球の減少及び増加を感知することで、疾病の程度を測定することを特徴とする請求項２７記載のマイクロカンチレバーセンサ型分析システムを利用した液体の粘度及び密度測定方法。
【請求項２９】
請求項２記載のマイクロカンチレバーセンサ型分析システムを利用した物質感知方法であって、
前記分子認識層は、その反応物質がガス状態であることを特徴とするマイクロカンチレバーセンサ型分析システムを利用した物質感知方法。
【請求項３０】
前記分子認識層は、ゼラチンを固定することで形成され、前記ガスに含有された湿度を感知することを特徴とする請求項２９記載のマイクロカンチレバーセンサ型分析システムを利用した物質感知方法。
【請求項３１】
請求項２記載のマイクロカンチレバーセンサ型分析システムを利用した生体物質感知方法であって、
前記分子認識層は、蛋白質、DNAなどに反応する抗体または相補DNAから構成され、前記蛋白質、DNAなどの反応物質を常温で圧力を下げることで気化させて前記分子認識層と反応するようにしたことを特徴とする生体物質感知方法。