JP4223997B2 - 分析用マイクロセンサ - Google Patents

Description

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、分析対象液体の温度、密度、圧力等の変動による測定精度低下を補正しつつ、液体に含有する特定物質の質量を高精度に検出および測定する分析用マイクロセンサに属する。

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。

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。

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。

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。

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や粘度、密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、検出対象の物質を付着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。）。

ところが、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った。
特開２０００−３３８０２２号公報 Ｊ．Ａｕｇｅ ｅｔ ａｌ．， Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ， ２６−２７（１９９５）１８１−１８６

しかしながら、上記構造のＱＣＭで測定および補償を同時に行うと、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。また、この結合を防止するため、基準振動子と検出用振動子とを離して設置すると、局所的な測定および補償ができず、試料の濃度勾配等により測定精度が低下するという問題があった。

そこで、本発明は、振動子に接する流体の温度や粘度、密度等による変化をリアルタイムで補正すると同時に、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。

本発明は、上記課題を達成するために分析用マイクロセンサを次のような構成にしたことを特徴としている。すなわち、圧電材料基板が少なくとも一側面を構成する流路内を流れる試料に含有する特定物質を測定する分析用マイクロセンサにおいて、前記流路内の前記圧電材料基板に設けられた検出電極と、前記検出電極に設けられた特定物質捕獲手段と、前記流路内かつ前記検出電極に隣接して設けられた基準電極と、前記検出電極および前記基準電極に対向して設けられた共通電極と、前記共通電極と接地との間に接続された電流計と、前記検出電極と前記基準電極に対して位相反転した信号を印加する電源とから構成されたことを特徴とする。

また、検出電極と基準電極との距離が、検出電極もしくは基準電極が設けられた領域での圧電材料基板の厚さの二倍以上であることを特徴とする。また、検出電極と共通電極間に交流電圧を印加した場合、検出電極と共通電極間に挟まれた圧電材料基板が試料の流れる方向に対して略直交方向に振動することを特徴とする。また、検出電極と基準電極とが、試料の流れる方向に並んで配置されたことを特徴とする。また、特定物質捕獲手段が自己組織化膜および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。また、基準電極を絶縁材料で覆うことを特徴とする。また、圧電材料基板上に設けられた検出電極、基準電極、共通電極と流路の組が複数あることを特徴とする。

本発明の分析用マイクロセンサによると、簡略な電気構成でありながら、振動子に接する流体の温度や粘度、密度等による変化をリアルタイムで補正すると同時に、基準振動子と検出用振動子との近接配置しても高精度の測定が可能となる。

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。
（実施の形態１）
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に接続する電気系統を説明する図である。

分析用マイクロセンサ１０００は、水晶基板１００と流路基板２００を一体に接合もしくは接着して構成している。まず、水晶基板１００について述べる。水晶基板１００には、厚さを薄くするための凹部１０１を形成している。凹部１０１内に共通電極６０３が設けられ、その対向した面には、検出電極６０１および基準電極６０２が接地電極６０３と対向して設けられている。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。なお、検出電極６０１と基準電極６０２とは、凹部１０１での水晶基板１００の厚さの２倍以上離して設置されている。次に、流路基板２００には、溝、溝まで貫通した穴を有する液導入口２０２と液排出口２０３およびバルブ２０４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。

これら水晶基板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、検出電極６０１および基準電極６０２が設けられた水晶基板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と、溝と水晶基板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に至る流れが発生し、試料中に含有する特定物質を測定する検出電極６０１および吸着膜６０９表面が試料に浸されることになる。

つぎに、水晶基板１００に設けられた検出電極６０１、基準電極６０２および共通電極６０３に接続された電気系および電気信号から検出電極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。ここで述べる分析用マイクロセンサ１０００では、水晶基板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。

まず、図２（ａ）に各電極に接続された電気構成を示す。周波数可変の交流電源７０１の一方の電極を検出電極６０１に、他方の電極を基準電極６０２に接続する。そして、共通電極６０３と接地の間に電流計７０２を接続する。ここで、交流電源７０１から検出電極６０１および基準電極６０２に交流電圧を印加すると、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。印加電圧の周波数と電流の振幅値の関係を図２（ｂ）中の実線で示す。電流計７０２に流れる電流は、図中の周波数ｆｒで最大となる。ここで、詳細に説明するために、各電極を検出電極６０１と共通電極６０３の組、基準電極６０２と共通電極６０３の組に分割して考える。図２（ａ）で示した電気構成は、検出電極６０１と共通電極６０３の組に信号を印加し、同時に、基準電極６０２と共通電極６０３の組には、検出電極６０１と共通電極６０３の組に印加した信号を１８０度位相反転した信号を印加していることと同じである。そのため、電流計７０２に流れる電流は、検出電極６０１と共通電極６０３の組に流れる電流（図２（ｂ）に破線で示す。）と、基準電極６０２と共通電極６０３の組に流れる電流（図２（ｂ）に一点鎖線で示す。）の差分ということになる。

ここで、検出電極６０１に測定対象物質が付着した場合について説明する。このときの印加電圧の周波数と電流値の関係を図３に示す。物質付着により、検出電極６０１と共通電極６０３の組の電流特性のみが、周波数Δｍだけ低い方向へ移動し、電流が最も流れる周波数ｆｒが周波数ｆｒ’に変化する。そのため、電流計７０２に流れる電流は図中実線で示すように変化する。付着物質の質量測定に必要な周波数変化Δｍ＝周波数ｆｒ−周波数ｆｒ’であるため、電流が極大値を取る周波数を低い方から２つ測定して差分を求めるだけで測定できる。

また、試料の粘度、密度、もしくは温度等が変化した場合の、印加電圧の周波数と電流値の関係を図４に示す。試料の粘度等の特性変化に起因して、周波数がΔｖだけ変化し、周波数ｆｒが周波数ｆｒｖへと変化する。この時、検出電極６０１に物質が付着すると、電流が最大値を取る周波数ｆｒｖ’＝当初の周波数ｆｒ＋試料の特性変化に起因する周波数変化Δｖ＋物質付着に起因する周波数変化Δｍで表される。ここで、試料の特性変化に起因する周波数変化Δｖについては、検出電極６０１と共通電極６０３の組、基準電極６０２と共通電極６０３の組両方のΔｖは等しい。そのため、付着物質の質量測定に必要な周波数変化Δｆｖ＝周波数ｆｒｖ−周波数ｆｒｖ’となり、自動的に補正された形で検出することが可能となる。

以上により、試料の粘度、密度、もしくは温度等が変化しても、電流計７０２に流れる電流が極大になる印加電圧の周波数２点を測定することで、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。

ところで、前述の付着物質の質量を測定する手法によれば、検出電極６０１と共通電極６０３の組、基準電極６０２と共通電極６０３の組が独立して励振する必要がある。もし、検出電極６０１と基準電極６０２の組で電気−機械的な結合が大きい場合、これらの電極間で測定に不要な振動が発生する。そして、不要振動の共振周波数を測定に必要な周波数ｆｒやｆｒ’と誤認して、測定精度が低下するおそれがある。本発明の分析用マイクロセンサ１０００では、検出電極６０１と基準電極６０２の距離を、これらの電極が設けられた部分の水晶基板の厚さの２倍以上離して設置している。これは、以下の理由によるものである。各電極間の電気−機械的な結合は、（電極間の電位差）／（電極間の距離）に比例する。本発明の構成では、検出電極６０１と基準電極６０２間の電位差は、検出電極６０１と共通電極６０３間および基準電極６０２と共通電極６０３間の電位差の２倍である。

そのため、検出電極６０１と基準電極６０２間の電気−機械的な結合を、他の電極間に対して小さくするため、検出電極６０１と基準電極６０２との距離を水晶基板の厚さの２倍以上に設定している。このため、検出電極６０１と基準電極６０２間での不要振動を防止し、高精度な質量測定を維持することが可能である。さらに、検出電極６０１と基準電極６０２に対して反転した信号を印加しているため、各電極での振動の位相も反転し、検出電極６０１と基準電極６０２間での電気−機械的な結合が小さい構成となっている。また、検出電極６０１表面の振動方向と直交した方向に基準電極６０２を隣接するほうが、振動方向と同じ方向に隣接させるより電気−機械的な結合を小さくできる。
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エッチングし、凹部１０１を形成した後、ウェハ両面を金で蒸着もしくはスパッチして、検出電極６０１、基準電極６０２、共通電極６０３および各電極への配線を作成する。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、水晶基板にＵＶ硬化接着剤を塗布し、水晶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、接着する。

このとき、基準電極６０２にも接着剤を塗布し、基準電極６０２表面が接着材（絶縁材）で覆われるようにする。接着したウェハをダイシングで切断した後、両端の貫通穴に底が抜けたカップ形状の液導入口２０２と液排出口２０３を接続し、残りの貫通穴にはシリコン樹脂をはめ込み、このシリコン樹脂を抜き差しすることでバルブ２０４としている。

なお、ここでは、製造過程の一例を挙げたが、溝を形成した基板材質はシリコンに限らない。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。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。

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）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上にＳＡＭを形成し、リン酸バッファで洗浄する。次に、ヒドロキシこはく酸イミドを流し、ＳＡＭを活性化し、再びリン酸バッファで洗浄する。その後、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。ここでは、２枚の基板を接着もしくは接合した後、吸着膜６０９を形成する方法を述べたが、水晶ウェハの段階で吸着膜６０９を形成した後、接着もしくは接合工程を行っても製造可能である。
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。

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、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、検出電極側の共振周波数が変化する。この変化を共通電極６０３に接続された電流計７０２が測定し、吸着膜６０９に固定された物質の質量を測定することができる。この時の周波数変化の測定については、まず、検出電極６０１に質量が付着していない状態で、電源７０１の印加信号の周波数を徐々に変化させ、この状態での共振周波数を測定しておく。

次に、印加信号の周波数を共振周波数近傍に限定して、印加信号の周波数を徐々に変化させることを繰り返し、繰り返す毎に電流計７０２での電流値が極大になる周波数を求める。また、電源７０１の印加信号をホワイトノイズとし、電流計７０２が測定する電流値をＦＦＴで周波数成分に分解し、共振周波数の変化を求めることも可能である。また、印加信号の周波数と電流計での電流値との関係が明確になっていれば、数点での印加電圧の周波数と電流値を測定して、カーブフィット等により、共振周波数の推定も可能である。
以上により、非常に微少な物質の重量を高精度に検知するセンサーでありながら、温度等の環境による圧電材料の共振周波数の変動を補正すると同時に、電気回路構成の単純化が可能となる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の分析用マイクロセンサ２０００を示したものである。なお、実施の形態１との相違点のみを以下に示す。

水晶基板１２０には、溝、溝の幅を広くした部分の内部に検出電極６２１および基準電極６２２、これら電極に対向して共通電極６２３が設けられている。なお、検出電極６２１は基準電極６２２より二割程度、面積を大きくして設置している。流路基板２２０には液導入口２２２Ａ、Ｂと液排出口２２３Ａ、Ｂおよびバルブ２２４Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが設けられている。この水晶基板１２０と流路基板２２０を一体化すると、流路４２０および反応漕５２０が形成される。

まず、検出電極６２１と基準電極６２２の構成について説明する。このような構成をとった場合、検出電極６２１と共通電極６２３間、基準電極６２２と共通電極６２３間での共振周波数ｆｒは変化しない。なぜならば、共振周波数ｆｒは水晶の形状で決定されるからであり、一例を挙げると、ＡＴカット水晶を用いた場合は、水晶の厚さで共振周波数ｆｒが決定される。電極面積は流れる電流値と比例して変化するため、検出電極６２１と基準電極６２２で電極面積を変化させることで、２つの電極の組に流れる電流の差分をとるにあたり、ある電流の極大値がどちらの電極の組の共振によるものなのか、明確に区分することが可能になる。

次に、分析用マイクロセンサ２０００の送液構造について説明する。このように液導入口２２２Ａ、Ｂと液排出口２２３Ａ、Ｂを各２つ、バルブ２２４Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを４つ設けた構造であるため、各々のバルブの開閉を制御することで、特定の液導入口から特定の液排出口へ試料を導くことが可能となる。例えば、液導入口２２２Ａから液排出口２２３Ｂへ試料を導く場合、バルブ２２４Ａおよび２２４Ｄを開き、バルブ２２４Ｂおよび２２４Ｃを閉めるバルブ制御を行う。さらに液導入口毎に異種の試料を同時に導入し、試料の種類毎個別に、また試料を混合して反応漕５２０に導くことも可能である。

なお、分析用マイクロセンサ２０００では、水晶基板１２０と流路基板２２０を一体化する構成であったが、図６に示す分析用マイクロセンサ２００１のように、水晶板１２１と一体化させた基板１２２に流路基板２２１を接着もしくは接合させた構成も可能である。このような構成によると、製造や実装工程が増えるものの、脆性材料である水晶板の面積を小さくできるため、製造や実装工程のハンドリングを容易にでき、工程中の破損を回避できる。また、検出電極６２１、基準電極６２２および共通電極６２３各々の配線を基板１２２へと引き回すことができるため、配線や電極配置等の設計自由度をあげることも可能である。

本発明の分析用マイクロセンサ１０００の構成を示す図である。 本発明の分析用マイクロセンサ１０００の電気系構成および電気特性を説明する図である。 本発明の分析用マイクロセンサ１０００で物質質量を測定する場合の電気特性を説明する図である。 本発明の分析用マイクロセンサ１０００が試料粘度等による変動を補正する場合の電気特性を説明する図である。 本発明の分析用マイクロセンサ２０００の構成を示す図である。 本発明の分析用マイクロセンサ２００１の構成を示す図である。

符号の説明

１０００、２０００、２００１ 分析用マイクロセンサ
１００、１２０、１２１ 水晶基板
１０１ 凹部
２００、２２０ 流路基板
２０１ 溝
２０２、２２２ 液導入口
２０３、２２３ 液排出口
２０４、２２４ バルブ
４００ 流路
５００ 反応槽
６０１、６２１ 検出電極
６０２、６２２ 基準電極
６０３、６２３ 共通電極
６０９ 吸着膜
７０１ 交流電源
７０２ 電流計

Claims (7)

1. 圧電材料基板が少なくとも一側面を構成する流路内を流れる試料に含有する特定物質を測定する分析用マイクロセンサにおいて、
   前記流路内の前記圧電材料基板に設けられた検出電極と、
   前記検出電極に設けられた特定物質捕獲手段と、
   前記流路内かつ前記検出電極に隣接して設けられた基準電極と、
   前記検出電極および前記基準電極に対向して設けられた共通電極と、
   前記共通電極と接地との間に接続された電流計と、
   前記検出電極と前記基準電極に対して位相反転した信号を印加する電源と、からなることを特徴とする分析用マイクロセンサ。
2. 前記検出電極と前記基準電極との距離が、前記検出電極もしくは前記基準電極が設けられた領域での前記圧電材料基板の厚さの二倍以上であ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。
3. 前記検出電極と前記共通電極間に交流電圧を印加した場合、前記検出電極と前記共通電極間に挟まれた前記圧電材料基板が前記試料の流れる方向に対して略直交方向に振動することを特徴とする請求項１あるいは２に記載の分析用マイクロセンサ。
4. 前記検出電極と前記基準電極とが、前記試料の流れる方向に並んで配置されたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の分析用マイクロセンサ。
5. 前記特定物質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。
6. 前記基準電極を絶縁材料で覆う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。
7. 前記圧電材料基板上に設けられた前記検出電極、前記基準電極、前記共通電極と前記流路の組が複数あることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の分析用マイクロセンサ。

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