(57)【要約】【課題】測定精度が高く、かつ小型で低コストなカンチレバー型センサを提供すること。【解決手段】一端が支持部に固定され、内部に流路が形成されたカンチレバーと、圧電体及び圧電体の両面に形成された電極部で構成され、カンチレバーの少なくとも１面に配置された圧電素子と、圧電素子の電極部に電圧を印加し、カンチレバーを振動させる駆動部と、圧電素子の伸縮からカンチレバーの振動を検出する検出部と、液体をカンチレバーの流路に流す液体供給手段とを有する構成とすることで上記課題を解決する。【選択図】図１
2009069006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体に含有された測定対象を検知するカンチレバー型センサであって、
少なくとも一端が支持部に固定され、内部に流路が形成されたカンチレバーと、
圧電体及び前記圧電体の両面に形成された電極部で構成され、前記カンチレバーの少なくとも１面に配置された圧電素子と、
前記圧電素子の前記電極部に電圧を印加し、前記カンチレバーを振動させる駆動部と、
前記圧電素子の伸縮から前記カンチレバーの振動を検出する検出部と、
液体を前記カンチレバーの前記流路に流す液体供給手段とを有するカンチレバー型センサ。
【請求項２】
前記圧電体は、Ｐｂを含有するペロブスカイト結晶の組成物である請求項１に記載のカンチレバー型センサ。
【請求項３】
前記圧電体は、Ｐｂを含有しないペロブスカイト結晶の組成物である請求項１に記載のカンチレバー型センサ。
【請求項４】
前記カンチレバーは、一端のみが支持部に固定されている請求項１〜３のいずれかに記載のカンチレバー型センサ。
【請求項５】
前記カンチレバーは、両端が支持部に固定されている請求項１〜３のいずれかに記載のカンチレバー型センサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のカンチレバー型センサと、
検出部で検出した値から前記カンチレバーの共振周波数を算出する周波数算出部と、
前記算出部で算出した共振周波数と、前記流路に前記測定対象を含有しない液体を流した場合の前記カンチレバーの共振周波数とを比較し、比較した結果から前記流路内の前記測定対象を検知する検知部とを有する物質検知システム。
【請求項７】
前記検知部は、前記比較した結果から、前記測定対象の質量を検知する請求項６に記載の物質検知システム。
【請求項８】
前記検知部は、前記比較した結果から、前記測定対象の物質の有無を検知する請求項６に記載の物質検知システム。
【請求項９】
液体内の測定対象を検知する物質検知方法であって、
少なくとも１面に圧電素子が配置され、かつ内部に流路が形成されたカンチレバーの前記流路に液体を流し、
前記圧電素子に電圧を印加し、前記圧電素子を伸縮させることで前記液体が流された状態の前記カンチレバーを振動させ、
前記カンチレバーの振動を前記圧電素子で検出し、
前記検出した振動から前記液体が流された状態の前記カンチレバーの共振周波数を検出し、
検出した共振周波数と、前記流路に測定対象を含有しない液体を流した状態のカンチレバーの共振周波数とを比較し、
比較した結果から測定対象を検知する物質検知方法。
【請求項１０】
前記比較した結果から、測定対象の質量を検知する請求項９に記載の物質検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カンチレバー型センサ、それを用いる物質検知システム及び物質検査方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、バイオ分野を中心に、たんぱく質、細胞、ウイルス、バクテリアなどの微細物質を検知する必要が高まり、微細物質の検出装置及び方法が開発されている。
高感度な検出方法としては、表面プラズモンの共鳴を利用したＳＰＲ（Surface  Plasmon  Resonance）測定などの光学的手法が実用化されているが、カンチレバーのたわみ量や、振動数から微細物質を検出するカンチレバー型センサを用いた検出装置も提案されている（特許文献１及び特許文献２）。
【０００３】
例えば、特許文献１には、ターゲット物質に感応するコーティングが表面の１つに施した測定カンチレバーと、ターゲット物質に感応的でないコーティングを表面に施した基準カンチレバーとを有するセンサシステムが記載されている。
このセンサシステムでは、基準ステップにおいて基準液体にさらし、検出ステップにおいて両方のカンチレバーを、ターゲット物質を有する基準液体にさらして、基準ステップと検出ステップの間の測定カンチレバーと基準カンチレバーとの間のたわみの差を検出している。また、たわみを検出する方法として、光センサを用いる方法が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、上面に駆動膜、電気パッドが積層され、下面に被測定物質に反応する物質で形成された分子認識層が積層されたカンチレバーを有するカンチレバーセンサ型分析システムが記載されている。
このシステムでは、カンチレバーの分子認識層に反応物質を固着させた後、駆動膜にてカンチレバーを振動させ、電気パッドでカンチレバーの周波数を感知することで検知する。
感知した共振周波数と、分子認識層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、分子認識層に固着された反応物質の量を検出する。
【０００５】
また、非特許文献１には、カンチレバー内に流路を設け、測定対象の液体、または、測定対象を有する液体を流路内に流して測定対象の質量を測定するカンチレバー型センサが記載されている。
【０００６】
【特許文献１】特表２００４−５０６８７２号公報
【特許文献２】特開２００５−１５６５２６号公報
【非特許文献１】Nature  vol446  p1066-1069（２００７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、特許文献１及び特許文献２に記載されたシステムのように、カンチレバーの一面に物質を吸着させる方法は、流体中にカンチレバーを配置するため、カンチレバーの機械的品質係数Ｑが低下し、感度が低下するという問題がある。
また、抗原−抗体反応により、選択的に測定対象を吸着させているが、非特異吸着が発生するため、測定精度を高くすることができない。
【０００８】
一方、非特許文献１に記載されたカンチレバーのように、内部に流路を形成することで、空気中で振動させることができ、溶液中で振動させる場合よりも機械的品質係数Ｑを高くすることができる。また、測定対象を吸着させずに測定ができるため、非特異吸着を生じることなく測定することができる。
しかしながら、非特許文献１に記載のカンチレバーでは、カンチレバーを静電方式で振動させる駆動機構と、光センサでたわみを検出する検出部とを用いているため装置が大型化するという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、上記従来技術に基づく問題点を解消し、測定精度が高く、かつ小型で低コストなカンチレバー型センサ、それを用いる物質検知システム及び物質検知方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態は、液体に含有された測定対象を検知するカンチレバー型センサであって、一端が支持部に固定され、内部に流路が形成されたカンチレバーと、圧電体及び前記圧電体の両面に形成された電極部で構成され、前記カンチレバーの少なくとも１面に配置された圧電素子と、前記圧電素子の前記電極部に電圧を印加し、前記カンチレバーを振動させる駆動部と、前記圧電素子の伸縮から前記カンチレバーの振動を検出する検出部と、液体を前記カンチレバーの前記流路に流す液体供給手段とを有するカンチレバー型センサを提供するものである。
【００１１】
ここで、前記圧電体は、圧電特性を高める観点から、Ｐｂを含有するペロブスカイト結晶の組成物であることが好ましい。また、前記圧電体は、環境保護の観点から、Ｐｂを含有しないペロブスカイト結晶の組成物であることも好ましい。ここで、Ｐｂを含有しない組成物とは、Ｐｂの含有量が０．１ｗ％以下の組成物である。
また、前記カンチレバーは、一端のみが支持部に固定されていることが好ましい。また、前記カンチレバーは、両端が支持部に固定されていることも好ましい。
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の第２の形態は、上記のいずれかに記載のカンチレバー型センサと、検出部で検出した値から前記カンチレバーの共振周波数を算出する周波数算出部と、前記算出部で算出した共振周波数と、前記流路に前記測定対象を含有しない液体を流した場合の前記カンチレバーの共振周波数とを比較し、比較した結果から前記流路内の前記測定対象を検知する検知部とを有する物質検知システムを提供するものである。
【００１３】
ここで、前記検知部は、前記比較した結果から、前記測定対象の質量を検知することが好ましい。
また、前記検知部は、前記比較した結果から、前記測定対象の物質の有無を検知することも好ましい。
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の第３の形態は、液体内の測定対象を検知する物質検知方法であって、少なくとも１面に圧電素子が配置され、かつ内部に流路が形成されたカンチレバーの前記流路に液体を流し、前記圧電素子に電圧を印加し、前記圧電素子を伸縮させることで前記液体が流された状態の前記カンチレバーを振動させ、前記カンチレバーの振動を前記圧電素子で検出し、前記検出した振動から前記液体が流された状態の前記カンチレバーの共振周波数を検出し、検出した共振周波数と、前記流路に測定対象を含有しない液体を流した状態のカンチレバーの共振周波数とを比較し、比較した結果から測定対象を検知する物質検知方法を提供するものである。
【００１５】
ここで、物質検知方法は、前記比較した結果から、測定対象の質量を検知することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、カンチレバー内に形成した流路に液体を流すことで検知ができるため、カンチレバーを空気中で振動させることができ、また、測定対象を吸着させることなく流路内に流しつつ検知することができるため、非特異吸着を生じることなく、検知することができる。これにより、測定精度を高くすることができる。
また、圧電素子によりカンチレバーの加振とカンチレバーの振動の検出ができるため、装置構成を簡単にすることができ、かつ装置を小型化することができる。
また、装置構成を簡単かつ小型化できるため、容易にアレイ化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係るにカンチレバー型センサ、それを用いる物質検知システム及び物質検知方法について、添付の図面に示す実施形態を基に詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明のカンチレバー型センサを用いる本発明の物質検知システムの概略構成を示す模式図であり、図２は、図１に示すカンチレバー型センサの本体部のカンチレバー及び支持部の概略構成を示す斜視図であり、図３（Ａ）は、図１に示カンチレバー型センサの本体部の上面断面図であり、図３（Ｂ）は、図１に示すカンチレバー型センサの本体部の側面断面図である。
【００１９】
図１に示すように、物質検知システム１０は、測定対象を含有した液体をカンチレバーの内部に流し、内部を流れる測定対象によりカンチレバー共振周波数が変化するカンチレバー型センサ１２と、カンチレバー型センサ１２の共振周波数を算出する周波数算出部１４と、周波数算出部１４で算出された共振周波数から測定対象の質量を算出する質量算出部１６とを有する。
ここで、測定対象とは、微細物質であり、たんぱく質、細胞、ウイルス、バクテリア、ナノ粒子、ビーズ等が例示される。
また、測定対象を含有させる液体は、特に限定されないが、水、アルコール等が例示される。
【００２０】
まず、カンチレバー型センサ１２について説明する。
カンチレバー型センサ１２は、本体部２０と、信号源２２と、混合器２４と、分波器２６と、検波器２８と、液体供給回収部３０とを有する。
【００２１】
本体部２０は、図２、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、カンチレバー３２と、カンチレバー３２の一端を支持する支持部３４と、カンチレバー３２の上面に配置された圧電素子３６とを有する。
【００２２】
カンチレバー（片持ち梁）３２は、一端が支持部３４に支持された梁である。また、支持部３４は、カンチレバー３２の一端を支持する基体であり、カンチレバー３２と一体で形成されている。
カンチレバー３２及び支持部３４は、内部に流路３８が形成されている。
図２に示すように、流路３８は、支持部３４からカンチレバー３２の基端を通り、カンチレバー３２の先端部まで伸び、さらに、カンチレバー３２の先端部で折り返され、カンチレバー３２の基端部から支持部３４を通るように形成されている。
つまり、流路３８のカンチレバー３２に形成されている部分は、先端部が折り返し部となるＵ字状に形成されている。また、流路３８の支持部３４に形成されている部分は、カンチレバー３２の基端部側の２つの流路にそれぞれ接続した２つの流路が形成されている。また、支持部３４の２つの流路３８は、それぞれ後述する液体供給回収部３０と接続されている。
【００２３】
圧電素子３６は、カンチレバー３２の上面に配置されており、下部電極４０と、圧電体４２と、上部電極４４と、保護層４６と、取り出し電極４８、５０とを有する。
【００２４】
下部電極４０は、カンチレバー３２の上面に配置されている板状の電極である。下部電極４０は、取り出し電極４８を介して後述する混合器２４に接続されている。
ここで、下部電極４０は、種々の材料で作製することができ、例えば、Ａｕ，Ｐｔ及びＩｒ等の金属、ＩｒＯ２，ＲｕＯ２，ＬａＮｉＯ３及びＳｒＲｕＯ３等の金属酸化物及びこれらの組み合わせで作製することができる。
【００２５】
圧電体４２は、下部電極４０上に形成されており、上部電極４４から下部電極４０に向かう方向（図３（Ｂ）中上下方向）に一定の厚みのある部材である。圧電体４２は、印加される電圧が変化することにより伸縮する、また、伸縮されることで所定の電圧を出力する材料により形成されており、本実施形態では、ＰｂｘＢｙＯｚを主成分として形成されている。ここで、ｘ、ｙ、ｚは、任意の実数であり、Ｂは、Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ及びＮｉの少なくとも１つで構成されている。また、圧電体は、ｘ＝ｙ＝１、ｚ＝３とした場合が標準であり、ｘとｙは、ペロブスカイト構造をとりうる範囲内で種々の値に変更することができる。ＰｂｘＢｙＯｚを主成分とした場合は、ペロブスカイト構造とすることで、圧電係数等の圧電特性を高くすることができる。これにより低電圧の印加で大きく伸縮させることができる。
【００２６】
ここで、圧電体４２としては、Ｂサイトの元素としてＺｒ及びＴｉを有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とすることが好ましい。主成分をＰＺＴとすることで、圧電特性を高くすることができ、比較的安価にすることができる。
【００２７】
また、圧電体としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に限定されず、チタン酸鉛、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物を用いることができる。
また、本実施形態では、ＰｂｘＢｙＯｚを主成分としたが、いわゆるＡサイトに鉛を含有していない、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト及びそれらの固溶体等も用いることもできる。
上記組成物で圧電体を形成する場合もペロブスカイト構造とすることが好ましい。圧電体を上記組成物のペロブスカイト構造とすることで、圧電特性を高くすることができる。  また、Ｐｂを含有するペロブスカイト構造の組成物の圧電体を用いることで、圧電特性をより高くすることができ、上述のように、Ｐｂを含有しないペロブスカイト構造の組成物の圧電体を用いることで、環境保護を図ることができる。ここで、Ｐｂを含有しないとは、組成物中のＰｂの含有量が０．１ｗ％以下の組成物であり、上述した各材料が例示される。
また、上述したようにペロブスカイト構造の圧電体を用いることが好ましいが、これに限定されず、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、五酸化二タンタル（Ｔａ２Ｏ５）などの圧電体も用いることができる。
【００２８】
ここで、圧電体４２は、バルク焼結、スクリーン印刷、スピンコート法等種々の方法で作成することができるが、気相成長法によって作製することが好ましい。具体的には、プラズマを用いた気相成長法、光、熱等を用いた気相成長法を用いる、スパッタリング法、イオンビームスパッタリング法、イオンプレーティング法、ＰＬＤ（Pulsed  Laser  Deposition）法、ＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）法等種々の気相成長法で作製することが好ましい。
気相成長法により作製することでアニール処理等をすることなく圧電体を作製することができ、鉛抜け等を防止できるため、均一な圧電体を形成することができる。
【００２９】
上部電極４４は、板状の電極であり、圧電体４２の下部電極４０が配置されている面とは反対側の面に配置されている。つまり、上部電極４４と下部電極４０は、圧電体４２を挟むように配置されている。上部電極４４は、取り出し電極５０を介して後述するに混合器に接続されている。
この上部電極４４は、種々の材料で作製することができ、例えば、Ａｕ，Ｐｔ及びＩｒ等の金属、ＩｒＯ２，ＲｕＯ２，ＬａＮｉＯ３及びＳｒＲｕＯ３等の金属酸化物、Ａｌ，Ｔａ，Ｃｒ及びＣｕ等の一般的に半導体プロセスで用いられる電極材料及びこれらの組み合わせで作製することができる。
また、上部電極４４は、圧電体との密着性を高めるため、密着層と電極層とを積層させた多層構造としてもよい。
【００３０】
次に、保護層４６は、ＳｉＯ２等の絶縁性材料で形成されており、取り出し電極４８及び５０を除いた下部電極４０、圧電体４２及び上部電極４４の露出部を覆っている。
保護層４６を設けることで、下部電極４０、圧電体４２及び上部電極４４の露出部がなくなり、放電、漏電等が発生することが防止できる。
【００３１】
本体部２０は、基本的に以上のような構成である。
次に、信号源２２は、電圧を印加する電源であり、混合器２４を介して、圧電素子３６の下部電極４０及び上部電極４４と接続されている。
混合器２４は、圧電素子３６、信号源２２及び分波器２６と接続されている。混合器２４は、信号源２２から出力された電圧を圧電素子３６に供給し、さらに、圧電素子３６から出力された電圧を分波器２６に供給する。
【００３２】
分波器２６は、カンチレバー３２の振動による圧電素子３６の圧電体４２の変形で発生した電圧を混合器２４より受け取り、周波数毎に分ける。
検波器２８は、分波器２６で分けた各周波数の出力から各周波数の強度等を算出する。
さらに、液体供給回収部３０は、支持部３４の流路３８の２つの流路のそれぞれの端部と接続しており、流路３８に液体を供給し、流路３８を流れた液体を回収する。
ここで、液体供給回収部３０は、液体として、測定対象を含有する液体と、測定対象を含有しない液体を供給する。後述するが、測定対象を含有しない液体は、測定対象の質量を検知するための基準を算出するために用いる。
カンチレバー型センサ１２は、基本的に以上のような構成である。
【００３３】
周波数算出部１４は、検波器２８で検出された値に基づいて、カンチレバー３２の共振周波数を検出する。
質量算出部１６は、カンチレバー３２の共振周波数と予め検出した流路３８に測定対象を含有していない液体を流した状態のカンチレバー３２の共振周波数とを比較し、その差分から測定対象の質量を算出する。
【００３４】
物質検知システム１０を用いた本発明の物質検知方法について説明する。
図４及び図５は、それぞれ本発明の物質検知方法の一例を示すフロー図である。
【００３５】
物質検知システム１０は、測定対象の物質の検知を行う前に測定対象の物質を含有していない液体を流路に流した場合のカンチレバーの共振周波数を検出する。
まず、液体供給回収部３０から、流路３８に測定対象を含有しない液体を流し、カンチレバー３２の流路３８に測定対象を含有しない液体が流れている状態にする（ステップＳ１２）。
【００３６】
次に、液体が流れているカンチレバー３２を圧電素子３６により振動させる（ステップＳ１４）。具体的には、信号源２２で所定電位のパルス波を生成し、混合器２４を介して圧電素子３６の上部電極４４に印加する。なお、下部電極４０には、一定電圧を印加する。このようにして下部電極４０と上部電極４４に電圧が印加されると、圧電体４２に電位差が生じ、圧電体４２が伸縮する。圧電体４２の伸縮によりカンチレバー３２に力が加わり、カンチレバー３２が一定量変位する。その後、カンチレバー３２は、減衰振動しつつ、変位前の位置に戻る。
【００３７】
カンチレバー３２の振動からカンチレバー３２の共振周波数を算出する（ステップＳ１６）。具体的には、以下のようにして算出する。
圧電体４２から力が加わることでカンチレバー３２は振動する。カンチレバー３２が振動することで、カンチレバー３２の上面に配置された圧電体４２も伸縮する。圧電体４２は、伸縮（つまり変形）すると電圧が発生する。
圧電体４２で発生した電圧は、下部電極４０及び上部電極４４により検出され、混合器２４を介して分波器２６に送られる。分波器２６は、混合器２４から送られた電圧変化を周波数成分に分波して、検波部２８に送る。検波部３０は、分波された各周波数成分を検出し、周波数算出部１４に検出結果を送る。
周波数算出部１４は、検波器３０で検出されたカンチレバー３２の振動の周波数成分からカンチレバー３２の共振周波数を算出する。
以上のようにして、測定対象を含有しない液体が流路３８を流れるカンチレバー３２の共振周波数を算出する。
【００３８】
次に、測定対象の質量を算出する。
まず、液体供給回収部３０から、流路３８に測定対象を含有する液体を流し、カンチレバー３２の流路３８に測定対象を含有する液体が流れている状態にする（ステップＳ２２）。
【００３９】
次に、液体が流れているカンチレバー３２を圧電素子３６により振動させる（ステップＳ２４）。具体的には、上記ステップＳ１４と同様に、圧電素子３６の上部電極４４に所定の電圧を印加し、圧電体４４を伸縮させることで、カンチレバー３２を振動させる。
【００４０】
次に、カンチレバー３２の振動からカンチレバー３２の共振周波数を算出する（ステップＳ２６）。具体的には、上述のステップＳ１６と同様に、カンチレバー３２の振動を圧電素子３６で検出し、混合器２４、分波器２６、検波器２８により周波数成分を検出する。その後、周波数算出部１４は、検波器３０で検出されたカンチレバー３２の振動の周波数成分からカンチレバー３２の共振周波数を算出する。
以上のようにして、測定対象を含有する液体が流路３８を流れるカンチレバー３２の共振周波数を算出する。
【００４１】
次に、ステップＳ２６で検出した測定対象を含有する液体が流路３８を流れるカンチレバー３２の共振周波数と、ステップＳ１６で検出した測定対象を含有しない液体が流路３８を流れるカンチレバー３２の共振周波数との差分を算出する（ステップＳ２８）。
具体的には、質量算出部１６で、ステップＳ２６で検出された共振周波数とステップＳ１６で検出された共振周波数とを比較し、２つの共振周波数の差を算出する。
【００４２】
次に、算出した共振周波数の差分から測定対象の質量を検知する（ステップＳ３０）。
具体的には、質量算出部１６で、ステップＳ２８で算出した共振周波数の差分からカンチレバー３２の流路３８内の液体中に含有されている測定対象の質量を算出する。
以上のようにして、測定対象の質量を算出する。
【００４３】
このように、カンチレバー内に流路を設け、流路内に測定対象を含む液体を流して、測定対象の質量を算出することで、カンチレバーを空気中で振動させることができる。これにより、液体中にカンチレバーを配置し、カンチレバーの表面に測定対象を付着させた状態で振動させることで質量を検知する場合よりも、機械的品質係数Ｑを高くすることができる。
また、測定対象をカンチレバーに付着させる必要も無くなるため、非特異吸着も防止でき、かつ、カンチレバーに付着させることができなかった微細物質等も検知することができるため、より多くの種類の微細物質を検知することが可能となる。
また、流路内の簡単な清掃で残留した微細物質を除去できるため、簡単な清掃でカンチレバーを複数回利用することができ、また、前回検知時の測定対象が残留する可能性も少なくできるため、測定精度を高くすることができる。
【００４４】
さらに、圧電素子でカンチレバーを振動させ、さらに、カンチレバーの振動を検出することで、つまり、圧電素子で、加振また振動検出の両方を行うことで、装置を小型かつ安価にすることができ、装置構成を簡単にすることができる。また、装置を安価にできるため、使いすてにすることも可能となる。
【００４５】
ここで、上記実施形態では、予め測定対象を含有しない液体の共振周波数を測定したが、本発明はこれに限定されない。以下、図６とともに測定方法の他の一例を説明する。
図６は、本発明の物質検知方法の他の一例を説明するためのフロー図である。ここで、本実施形態の測定対象を含有する流体は、測定対象の含有量が少ない液体であり、カンチレバー３２の流路３８内に測定対象が流れている場合と流れていない場合がある。
【００４６】
まず、液体供給回収部３０から、流路３８に測定対象を含有する液体を流し、カンチレバー３２の流路３８に測定対象を含有する流体が流れている状態にする（ステップＳ２２）。
【００４７】
次に、液体が流れているカンチレバー３２を圧電素子３６により振動させる（ステップＳ２４）。具体的には、上記ステップＳ１４と同様に、圧電素子３６の上部電極４４に所定の電圧を印加し、圧電体４４を伸縮させることで、カンチレバー３２を振動させる。
【００４８】
次に、カンチレバー３２の振動からカンチレバー３２の共振周波数を算出する（ステップＳ２６）。具体的には、上述のステップＳ１６と同様に、カンチレバー３２の振動を圧電素子３６で検出し、混合器２４、分波器２６、検波器２８により周波数成分を検出する。その後、周波数算出部１４は、検波器３０で検出されたカンチレバー３２の振動の周波数成分からカンチレバー３２の共振周波数を算出する。
以上のようにして、測定対象を含有する液体が流路３８を流れるカンチレバー３２の共振周波数を算出する。
【００４９】
次に、測定開始から所定時間（つまり、予め設定された任意の時間）が経過しているかを判定する（ステップＳ４０）。
所定時間が経過していない場合つまり、所定時間経過前は、ステップＳ２４に戻り、再びカンチレバー３２を加振し、測定対象を含有する液体が流路３８を流れるカンチレバー３２の共振周波数を算出する。つまり、所定時間経過まで、共振周波数の検出を繰り返す。
【００５０】
他方、ステップＳ４０で所定時間が経過している場合は、ステップＳ４２に進む。
測定開始から所定時間が経過した場合は、所定時間経過前までステップＳ２４及びステップＳ２６を繰り返すことで複数回検出した、測定対象を含有する液体が流路３８を流れるカンチレバー３２の共振周波数から、他の部分とは共振周波数が異なる部分（以下「変化部分」ともいう。）を検出する（ステップＳ４２）。
具体的には、複数回検出した共振周波数は、流路３８内に測定対象が流れていたか否かにより、共振周波数が変化するため、この複数回検出した共振周波数を、その共振周波数により、流路内に測定対象が流れている状態で検出した共振周波数と、流路内に測定対象が流れていない状態で検出した共振周波数とに分ける。そして、流路内に測定対象が流れている状態で検出した共振周波数を、変化部分の共振周波数として検出する。
【００５１】
次に、検出した変化部分の共振周波数とその他の部分の共振周波数との差分から測定対象の質量を検知する（ステップＳ４４）。
具体的には、流路内に測定対象が流れている状態で検出した共振周波数と、測定対象を含有しない液体が流路３８を流れるカンチレバー３２の共振周波数との差分を算出し、共振周波数の差分からカンチレバー３２の流路３８内の液体中に含有されている測定対象の質量を算出する。
以上のようにして、測定対象の質量を算出してもよい。
【００５２】
このように、測定対象を含有する液体を流しつつ、共振周波数を複数回検出し、その共振周波数の差分を算出することで、測定対象の質量を検出することができる。
このように、１つのみ液体を流した場合でも共振周波数を複数回検出して、その差分により測定対象の質量を検出することもできる。なお、共振周波数を複数回検出して、その差分により測定対象の質量を検出する場合は、液体として、測定対象の含有量が少ない液体を用いることが好ましい。具体的には、カンチレバー内の流路に、測定対象が流れている場合と流れていない場合が発生する液体、つまり、カンチレバー内の流路の容積あたりの測定対象の数が１個より少ない液体であることが好ましい。
【００５３】
また、測定対象がカンチレバーの流路内が流れているか否かに限定されず、共振周波数を複数回検出し、カンチレバーに測定対象が１つ流れている場合と、２つ流れている場合と、３つ流れている場合とに分け、それぞれの差分により、測定対象の質量を検出してもよい。
ここで、本実施形態では、一度の加振で、共振周波数を一回検出したが、本発明はこれに限定されず、加振と共振周波数の検出とのタイミングは任意のタイミングにすればよい。
また、上記実施形態では、所定時間に達するまで共振周波数を繰り返し検出したが、共振周波数の検出回数、また検出終了の判断基準はこれに限定されず、予め決めた回数の共振周波数を検出するようにしても、液体が流し終えるまで、繰り返し共振周波数を検出するようにしても、オペレータの指示があるまで繰り返し共振周波数を検出するようにしてもよい。
【００５４】
ここで、本実施形態では、カンチレバーを１つとしたが、図７に示すように、本体部７０を支持部７２にカンチレバー３２を複数配置した構成としてもよい。
複数のカンチレバーを用いて測定対象を検知することで、より正確に検知することができる。また、カンチレバー毎に徐々に実験条件を変化させて、測定対象の物質の変化を検知することも可能となる。
また、カンチレバーを複数配置した場合も、各カンチレバーに１つの圧電素子を設けることで加振と振動の検出ができるため小型化できる。これにより、カンチレバーを高密度に配置することができ、また簡単にアレイ配置をすることができる。
【００５５】
また、カンチレバーを複数配置する場合は、隣接するカンチレバーの流路を連結させることが好ましい。つまり、一方のカンチレバーの流出側の流路と他方のカンチレバーの流入側の流路とを連結させることが好ましい。
隣接するカンチレバーの流路を連結することで、同一の測定対象を複数回測定することができる。これにより、さらに正確に検知することができる。
また、同一の測定対象を異なる条件（例えば、液体の物性が異なる条件、異なる温度条件等）で検知することもできる。
【００５６】
また、本実施形態では、質量を検知したが、本発明はこれに限定されず、測定対象の有無を検知してもよい。この場合は、質量検知部による質量検知は行わず、共振周波数の比較により測定対象が、カンチレバーの流路内にあるか否かを検知すればよい。
この場合は、液体として、測定対象を含有しているか否かが不明な液体をカンチレバーの流路に流し、その液体を流したときのカンチレバーの共振周波数と、測定対象を含有していない液体を流したときのカンチレバーの共振周波数とを比較し、共振周波数が変化している場合は、液体以外のものが混入していることになる。
このように、測定対象の有無を検出することにも用いることができ、特に測定精度が高いためより微細な物質の有無も検知することができる。
【００５７】
また、本実施形態では、カンチレバーを変位させ、元の位置に戻るまでの減衰振動の周波数を検知し、カンチレバーの共振周波数を検知したが、本発明はこれに限定されず、圧電素子によるカンチレバーの加振周波数を徐々に変化させ、各加振周波数でのカンチレバーの振動を圧電素子で検出し、共振する周波数を検出してもよい。この場合は、信号源で、圧電素子の上部電極に印加する電圧のパルス幅を変化させることで、加振周波数を変化させることができる。
【００５８】
また、カンチレバー型センサは、カンチレバーを密閉する容器を設け、容器内を減圧し、カンチレバーを大気圧より低圧な雰囲気に配置することが好ましく、容器内を真空状態とすることがより好ましい。
カンチレバーを低圧つまりより空気が薄い状態の中で振動させることで、機械的品質係数Ｑをより高くすることができ、測定精度をより高くすることができ、カンチレバーを真空中で振動させることで測定精度をより高くすることができる。
【００５９】
また、カンチレバーの内部に形成する流路の形状も特に限定されず、カンチレバー内を蛇行した流路としてもよい。また、折り返して配置する２つの流路をカンチレバーの厚み方向に重ねてもよい。
【００６０】
また、圧電素子の配置位置もカンチレバーの上面に限定されず、下面に配置してもよい。また、カンチレバーの振幅をより大きくでき、さらに一次モードの振動で共振周波数を検知できるため、圧電素子をカンチレバーの表面積が最も大きい面、つまり本実施例では、上面または下面に配置することが好ましいが、側面に配置してもよい。
【００６１】
また、流路に測定対象を含有しない液体が流れている場合のカンチレバーの共振周波数の検出タイミングは特に限定されず、測定対象の検知を行う前に毎回行っても、所定回数毎に行ってもよい。また、液体として同一の液体を用いる場合は、最初に使用する際に検知した共振周波数を用いることができる。
【００６２】
次に、本発明のカンチレバー型センサの製造方法について説明する。
図８（Ａ）〜（Ｋ）は、本発明のカンチレバー型センサの本体部の製造工程の一例を示す工程図である。
【００６３】
まず、基板として、Ｓｉ層１０２、ＳｉＯ２層１０４及びＳｉ層１０６が積層されたＳＯＩ基板１００を用いた（図８（Ａ）参照）。
このＳＯＩ基板１００のＳｉ層１０６をドライエッチングし、Ｓｉ層１０６に流路１０８を形成する（図８（Ｂ）参照）。
次に、Ｓｉ層１１２とＳｉＯ２層１１４が積層されたＳＯＩ基板１１０をＳＯＩ基板１００のＳｉ層１０６の表面に貼り付ける（図８（Ｃ）参照）。ここで、ＳＯＩ基板１００とＳＯＩ基板１１０とは、Ｓｉ層１０６とＳｉ層１１２とが接着されるように貼り付ける。また、貼り付け方法は、特に限定されず、接着剤による接着等、種々の方法を用いることができる。
【００６４】
次に、ＳＯＩ基板１１０のＳｉＯ２層１１４をエッチング及び研磨してＳｉＯ２層１１４’とする（図８（Ｄ）参照）。
次に、ＳＯＩ基板１１０のＳｉＯ２層１１４’上に下部電極１１６を形成する（図８（Ｅ）参照）。具体的には、ＳｉＯ２層１１４’上にＰｔまたはＴｉ等の金属膜をスパッタ、または貼り付け等により設けることで、下部電極１１６を形成する。
次に、下部電極１１６上に圧電体１１８を形成する（図８（Ｆ）参照）。
具体的な一例としては、ターゲットとしてＰＺＴ焼成体を用い、スパッタリング法により下部電極１１６上にＰＺＴの圧電体１１８を形成する。または、スパッタに限定されず、下部電極１１６に圧電体１１８を貼り付けてもよい。
次に、圧電体１１８上に上部電極１２０を形成する（図８（Ｇ）参照）。具体的には、圧電体１１８上にＰｔ等の金属膜をスパッタ、または貼り付け等により設けることで、上部電極１２０を形成する。
【００６５】
次に、ＳｉＯ２層１１４’、Ｓｉ層１１２、Ｓｉ層１０６及びＳｉＯ２層１０４を順次エッチングし、溝部１２２を形成する。ここで、溝部１２２は、下部電極１１６の３辺（長手方向に平行な２辺及び短手方向に平行な１辺）に沿って形成されており、カンチレバーとなる部分と支持部となる部分を分離する。また、溝部１２２を形成しない１辺がカンチレバーと支持部との接続部となる。
【００６６】
次に、下部電極１１６、圧電体１１８及び上部電極１２０が形成されている領域とその周辺、つまり、カンチレバーとなる部分とカンチレバーとの接続部となる側の支持部に保護層１２４を形成する（図８（Ｉ）参照）。具体的には、下部電極１１６、圧電体１１８及び上部電極１２０が形成されている領域とその周辺の上面に、スパッタ、プラズマＣＶＤ等でＳｉＯ２膜を形成することで、保護層１２４を形成する。この保護層１２４により、下部電極１１６、圧電体１１８及び上部電極１２０の露出している部分が覆われ、絶縁された状態となる。
【００６７】
次に、保護層１２４の下部電極１１６の上面の一部と、上部電極１２０の上面の一部に開口を形成する。その後、下部電極１１６の上面に形成した開口に取り出し電極１２６を形成し、上部電極１２０の上部の一部に形成した開口に取り出し電極１２８を形成する（図８（Ｊ）参照）。
ここで、保護層１２４に開口を形成する方法としては、エッチングが例示され、取り出し電極１２６及び取り出し電極１２８を形成する方法としては、スパッタが例示される。また、取り出し電極に用いる金属としては、Ａｕが例示される。
このようにして、下部電極１１６、圧電体１１８、上部電極１２０、保護層１２４及び取り出し電極１２６、１２８で構成される圧電素子が形成される。
【００６８】
その後、ＳＯＩ基板１００のＳｉ層１０２を下面側（ＳｉＯ２層１０４とは逆の面）からドライエッチングし、開口部１３０を形成する（図８（Ｋ）参照）。
Ｓｉ層１０２に開口１３０を形成することで、Ｓｉ層１０２とその上に形成された支持部と、その他の部分のＳｉ層１０６、１１２とＳｉＯ２層１０４，１１４’とで構成され、流路１０８が形成されたカンチレバーとが接合部を除いて分離される。
以上のようにして、カンチレバーと支持部と圧電体とを有する本体部を製造することができる。
その後、本体部に液体供給回収部、混合器等を接続することで、カンチレバー型センサを製造することができる。
【００６９】
ここで、本発明のカンチレバー型センサ、それを用いる物質検知システム及び物質検知方法は、微細物質の分析や、検知に用いることができ、フローサイトメトリー、創薬スクリーニング等に用いることができる。
【００７０】
以上、本発明に係るカンチレバー型センサ、それを用いる物質検知システム及び物質検知方法について詳細に説明したが、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよい。
【００７１】
例えば、本実施形態では、カンチレバーの一端のみを支持部に固定したが、カンチレバーの両端を固定してもよい、つまり板状部材の両端を支持体に固定した構成としてもよい。カンチレバー型センサ（もしくは、梁型センサ）のカンチレバーを両端固定にすることで、片持ちではなくなり、また、振幅は小さくなるが、耐久性を高くすることができる。また、流路を折り返し部のない直線とすること、つまり、板状部材と支持部との一方の接続部から他方の接続部に延びた流路とすることもできる。このように流路を直線上にすることで、対象物質がカンチレバー内の流路で詰まることも防止でき、複数回利用する場合の測定精度を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明のカンチレバー型センサを用いる本発明の物質検知システムの概略構成を示す模式図である。
【図２】図１に示すカンチレバー型センサの本体部のカンチレバー及び支持部の概略構成を示す斜視図である。
【図３】（Ａ）は、図１に示す物質検知システムに用いるカンチレバー型センサの本体部の上面断面図であり、（Ｂ）は、図１に示す物質検知システムに用いるカンチレバー型センサの本体部の側面断面図である。
【図４】本発明の物質検知方法の一例を説明するためのフロー図である。
【図５】本発明の物質検知方法の一例を説明するためのフロー図である。
【図６】本発明の物質検知方法の他の一例を説明するためのフロー図である。
【図７】本発明のカンチレバー型センサの他の一例の概略構成を示す上面図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｋ）は、本発明のカンチレバー型センサの本体部の作成方法を示す工程図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０  物質検知システム
１２  カンチレバー型センサ
１４  周波数算出部
１６  質量算出部
２０、７０  本体部
２２  信号源（発信器）
２４  混合器（ミキサー）
２６  分波器（周波数電熱器）
２８  検波器
３０  液体供給回収部
３２、１３２  カンチレバー
３４、７２、１３４  支持部
３６  圧電素子
３８、１０８  流路
４０、１１６  下部電極
４２、１１８  圧電体
４４、１２０  上部電極
４６、１２４  保護層
４８、５０、１２６、１２８  取り出し電極
１００、１１０  ＳＯＩ基板
１０２、１０６、１１２  Ｓｉ層
１０４、１１４  ＳｉＯ２層
１２２、１３０  開口
【図１】
2009069006.tif 000003
【図２】
2009069006.tif 000004
【図３】
2009069006.tif 000005
【図４】
2009069006.tif 000006
【図５】
2009069006.tif 000007
【図６】
2009069006.tif 000008
【図７】
2009069006.tif 000009
【図８】
2009069006.tif 000010