JP4953140B2

JP4953140B2 - 質量測定装置及びカンチレバ

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Publication number: JP4953140B2
Application number: JP2008548318A
Authority: JP
Inventors: 逸人曾根; 純男保坂; 晴樹岡野; 光正鈴木
Original assignee: Gunma University NUC
Current assignee: Gunma University NUC
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2027-12-05
Also published as: JPWO2008069247A1; US20100095774A1; WO2008069247A1

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小質量を測定するための質量測定装置に適用して好適な技術に関する。
【０００２】
ナノテクノロジーやバイオテクノロジーの進化に伴い、微小な対象物を計測する要求が増えている。
微小な対象物を測定する技術として、カンチレバ（cantilever：片持ちばり）を用いた技術が公知である。
【０００３】
図９は、カンチレバ９０２を用いた、同一発明者による従来技術の微小質量測定システムを示したものである。
微小対象物測定用カンチレバ９０２は、例えば長さが約１００μｍ、幅が約５０μｍ、厚みが約４μｍの、半導体材料または耐食性金属或は合金で作られた、極めて小さい片持ちばりである。
カンチレバ９０２の検出端部分には、ピエゾ抵抗よりなる検出センサ９０３が埋め込まれている。このカンチレバ９０２の支持部分には、圧電素子よりなる加振アクチュエータ９０４が貼り付けられている。
【０００４】
検出センサ９０３は、ホイートストンブリッジよりなる検出回路９０５に接続される。検出回路９０５は、ホイートストンブリッジの中点から信号を取り出し、この信号がオペアンプよりなる増幅回路９０６にて増幅される。増幅回路９０６にて増幅された出力信号は、同様にオペアンプ等で構成されるバンドパスフィルタと増幅回路よりなる正帰還回路９０７に入力される。この正帰還回路９０７の出力により、加振アクチュエータ９０４は駆動される。
【０００５】
加振アクチュエータ９０４、カンチレバ９０２、検出センサ９０３、検出回路９０５、増幅回路９０６そして正帰還回路９０７は、正帰還よりなる発振器を構成している。そして、その発振周波数は、カンチレバ９０２の固有振動周波数になる。
カンチレバ９０２に物質が付着すると、カンチレバ９０２の質量が増え、これにより、カンチレバ９０２の固有振動周波数が低下する。すなわち、この固有振動周波数の変化が、カンチレバ９０２に付着した検査対象物の質量増に相当している。
【０００６】
ＦＭ復調回路９０８は、この固有振動周波数の変化を検出する回路であり、ここでは周波数の変化をＤＣ成分の信号として検出している。この信号は主にパソコンと所定のソフトウェアよりなるＰＣシステム９０９に入力される。ＰＣシステム９０９は、所定時間、ＦＭ復調回路９０８の出力信号をＡ／Ｄ変換して記録する、いわゆる「データロガー」を構成する。データロガーを構成するためのソフトウェアとしては、例えばナショナルインスツルメンツ・コーポレーションのＬａｂＶＩＥＷ（登録商標）等が知られている。
【０００７】
図１０は、微小質量測定システムの動作を説明する図である。
図１０（ａ）及び（ｂ）は、水１００２に漬け込んだカンチレバ９０２を示している。
図１０（ａ）は測定対象物１００３を水１００２に投入する前段階であり、図１０（ｂ）は測定対象物１００３を水１００２に投入した後である。
カンチレバ９０２の表面には、予め測定対象物１００３を誘引する物質が塗布されている。そして、例えばアレルゲン等の測定対象物１００３をマイクロピペット１００４にて水１００２に投入すると、測定対象物１００３がカンチレバ９０２の表面に付着する。すなわち、カンチレバ９０２全体の質量が、極めて微小ながら増加する。
【０００８】
図１０（ｃ）はカンチレバ９０２の振動周波数変化を測定した結果を示す。ここで、縦軸は周波数ではなく、周波数の変化（Δｆ）であることに注意されたい。ここで、周波数の変化を縦軸にとった理由は、発振周波数は約１００〜５００ｋＨｚ程度であり、周波数の変化は数十Ｈｚ程度の微小な変化だからである。図１０（ｃ）では、最初は（図１０（ａ））振動周波数変化はないが、測定対象物１００３を投入するにしたがって、測定対象物１００３がカンチレバ９０２に付着し始め、質量が増加する。この質量増加に伴って、カンチレバ９０２の固有振動周波数は徐々に低下する。そして、カンチレバ９０２への測定対象物１００３の付着現象が終了すると、変化し続けていた振動周波数は一定値に収束する。図１０（ｄ）は、図１０（ｃ）の計測結果から導き出した、カンチレバ９０２に付着した測定対象物１００３の質量の変化を示した図である。
【０００９】
図１１（ａ）及び（ｂ）は、微小質量測定システム９０１によって抗原抗体反応を計測する手順を示した図である。
図１１（ａ）では、最初にマイクロピペット１００４で抗原１１０２として卵白（egg albumen）を供給した後、マイクロピペット１００４にて抗体１１０３である免疫グロブリン（immunoglobulin）を供給する。一方、図１１（ｂ）はその逆の手順で卵白と免疫グロブリンを供給した例である。図１１（ａ）の抗体１１０３（免疫グロブリン）は、抗原１１０２に付着する側の端部があることから、抗原１１０２に付着しやすいが、図１１（ｂ）のように逆の供給手順で行うと、付着のメカニズムも異なっていることが分かる。
【００１０】
図１２（ａ）及び（ｂ）は、図１１（ａ）の手順に従って、微小質量測定システム９０１によって抗原抗体反応を計測した結果を示す図である。
図１２（ａ）は周波数の変化を示している。最初に抗原１１０２の卵白を供給すると、およそ６〜１０分を経過した時点で−１４４．５Ｈｚの周波数変化で落ち着く。次に抗体１１０３の免疫グロブリンを投入すると、更に８〜１０分を経過した時点で−２１５．５Ｈｚの周波数変化で落ち着く。図１２（ｂ）は図１２（ａ）の測定結果に基づいて、カンチレバ９０２に付着した物質による質量変化を計算した結果である。抗原１１０２が２７．７ｐｇ、抗体１１０３が４１．３ｐｇ付着したことがわかる。
以上のように、自励振動に基づく微小質量測定システム９０１は、極めて微小な質量を高い精度で測定できる。また、これ以前の従来技術である、光学式のカンチレバによる測定方法と異なり、液体に浸しての測定が可能である。更に、光学式とは異なり、純粋に質量の増加を検出するので、測定結果がカンチレバの向きに依存しない。
このように優れた特徴を備える上記システムは、バイオセンサとしての幅広い応用が期待されている。
【特許文献１】
特開２００６−２１４７４４号公報
【非特許文献１】
H.P.Lang, et al., Analytica ZChimcaActa 393(1999)59-65.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
複数の物質の反応を比較したいときが往々にしてある。前述の微小質量測定システムは、従来の測定技術と比べて取り扱いが簡便になり、また測定精度も向上したものの、測定には相応の時間がかかる。特に測定対象が生体由来物質の場合、反応過程に時間がかかることは避けられない。
一方、どの技術分野においても技術の進歩に伴う製品開発競争は激化している。生体科学分野においても、できるだけ短時間に結果を得なければならない。前述の微小質量測定システムを複数用意するのは、測定に必要な設備自体のコストや手間等がかかり、あまり実用的ではない。
［００１２］
一方、同じカンチレバを用いたセンサシステムではあるものの、光学検出技術を応用したものも従来技術として存在する（非特許文献１）。この文献には複数のカンチレバが開示されている。
しかし、光学検出技術は調整が非常に面倒であり、また水中では使用できない。
また、前述の従来技術による自励振動は、複数のカンチレバでは使用できない。振動発生手段とカンチレバは一体化しないと自励振動ができないからである。
【００１３】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、少ない機器にて同時に複数の質量測定を実現する微小質量測定装置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
［００１４］
上記課題を解決するための本発明は、各々に振動検出器が取り付けられている第１及び第２のカンチレバを、発振器によって単一の加振器で周波数可変に振動させる。そして、この振動に起因する信号を記録装置で記録した後、記録されたデータを解析して、各々のカンチレバの固有振動周波数を測定する。そして、質量計算部によって固有振動周波数から各々のカンチレバに付着した測定対象物質の質量を計算するものである。
［００１５］
複数のカンチレバを単一の加振器で駆動する場合、共振現象が使えない。そこで、発明者は加振周波数をスイープさせ、その範囲で共振現象を掴み取る技術を思いついた。この技術により、加振器を複数用意する必要がなくなり、一度に複数の測定対象を取り扱うことができる。
発明の効果
【００１６】
本発明により、従来よりも簡単な装置構成で、複数の測定対象を一度に取り扱うことのできる、微小な質量を測定するための質量測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態による微小質量計測システムのブロック図である。
【図２】マルチレバのバリエーションを示す図である。
【図３】周波数スイープ回路を含む微小質量測定システムの回路図である。
【図４】マルチレバの振動の変化を示す図である。
【図５】スイープ電圧発生器が発生する制御電圧と、各カンチレバから検出した信号の振動振幅を図示したグラフである。
【図６】計測結果と周波数変化との対応関係を示す図である。
【図７】カンチレバの固有振動周波数（発振周波数）の検出方法を説明する図である。
【図８】誤差除去の手法を説明する図である。
【図９】従来技術の微小質量測定システムのブロック図である。
【図１０】従来技術の微小質量測定システムの動作説明を示す図である。
【図１１】従来技術の微小質量測定システムによって抗原抗体反応を計測する手順を示す図である。
【図１２】従来技術の微小質量測定システムによって抗原抗体反応を計測した結果を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図８を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本実施の形態の例である、微小質量測定システムのブロック図である。
マルチレバ１０２は、非特許文献１に開示されている、カンチレバが複数個形成されたものと同様の形状である。マルチレバ１０２を構成する各々のカンチレバ１１６には、ピエゾ抵抗１０３が埋め込まれている。
【００２０】
マルチレバ１０２の根元部分には、加振用圧電素子１０４が貼り付けられている。そして、この加振用圧電素子１０４は、周波数制御器１０５によって制御される発振源１０６によって駆動されるようになっている。
各々のカンチレバ１１６には、検出器１０７、１０８及び１０９が接続されており、これらの検出器１０７、１０８及び１０９によって、加振用圧電素子１０４が発生する振動によって変化するピエゾ抵抗１０３の抵抗値が検出される。
ＰＣシステム１１５は、所定時間、検出器１０７、１０８及び１０９の出力信号をＡ／Ｄ変換して記録する。このＰＣシステム１１５は、いわゆる「データロガー」を構成している。データロガーを構成するためのソフトウェアとしては、例えばナショナルインスツルメンツ・コーポレーションのＬａｂＶＩＥＷ（登録商標）等が知られている。
【００２１】
各々のカンチレバ１１６には異なる種類の誘引対象である、抗原Ａ１１０、抗原Ｂ１１１及び抗原Ｃ１１２が塗布されている。これらを水等の液体１１３に浸し、抗体や血清等の測定対象物１１４を投入すると、投入された測定対象物１１４は、誘引対象の違いによって吸い寄せられる量が異なる。その差が、自励周波数の低下となって現れる。
しかし、図９に示すような従来技術のカンチレバを用いたもので発振器を構成しても、その自励周波数を計測することはできない。
そこで、本発明の実施形態では、加振用圧電素子１０４が発生する振動の周波数を、周波数制御器１０５によって所定範囲だけスイープさせるようにしている。ここで、所定範囲とは、カンチレバ１１６の自励周波数をカバーする範囲である。
【００２２】
図１ではマルチレバ１０２の例示として、各カンチレバ１１６の長さが同一のものを示している。しかし、各カンチレバ１１６の長さは必ずしも同一でなければならない必要はない。何故ならば、塗布される誘引対象が異なれば、計測結果も異なるものと期待されるし、仮に全く同じであっても検出器１０７、１０８及び１０９は別々だからである。
【００２３】
図２（ａ）及び（ｂ）はマルチレバのバリエーションを示す。
図２（ａ）に示すように、カンチレバ２１６の長さを異ならせてもよい。
図２（ｂ）は、単一のカンチレバ２２６を、加振用圧電素子２０４上に複数個配列したものである。測定対象物の性質に起因して、カンチレバ１１６自体の材質を異ならせる必要がある場合に好適である。
すなわち、マルチレバを構成する各々のカンチレバの長さは、必ず異なっている必要もなく、また完全に同じ長さである必要もない。測定開始前と後の自励周波数を検出できればそれでよい。
【００２４】
ここで、本実施形態のカンチレバに付着した物質の質量を検知するための原理について説明する。
カンチレバを調和振動子として考えると、カンチレバの動作は以下の（１）式の力の方程式で表すことができる。
【００２５】
【数１】

【００２６】
なお、
ｍ：カンチレバの有効質量
ｚ：カンチレバの歪み量
ｋ：カンチレバのばね定数
ａ：粘性係数
Ｆ0：アクチュエータの加振力
ω：アクチュエータ、すなわちカンチレバの振動数
である。
【００２７】
上記（１）式より、カンチレバ１０の共振周波数ｆは、カンチレバの有効質量ｍ、ばね定数ｋ及び粘性係数ａを用いて以下の（２）式で表される。
【００２８】
【数２】

【００２９】
なお、（２）式の−（ａ^２／２ｍ^２）の項は粘性抵抗が小さい場合には無視できる。共振している状態で質量が変化すると共振周波数が変化する。
（２）式から、質量変化を以下の（３）式で求めることができる。
【００３０】
【数３】

【００３１】
（３）式より、周波数変化分から質量変化を極めて簡単な式で導出できることがわかる。
上記（３）式にてカンチレバの周波数の変化を検出することにより、カンチレバの質量の変化、すなわちカンチレバに付着した物質の質量を検知することができる。
現在市場で流通する測定器は、周波数の変化を１Ｈｚ以下の精度で計測できる。このことから、測定システムを精度良く組み上げれば、上記（３）式を用いて、ピコグラムまたはフェムトグラムの単位でカンチレバの質量の変化を計測できる。例えば、ばね定数ｋを１Ｎ／ｍ、共振周波数ω0を１００ｋＨｚ、カンチレバの有効質量ｍを１０ｎｇとすると、約２００ｆｇ／Ｈｚの感度でカンチレバに付着した物質の質量を検出することができる。
【００３２】
なお、（３）式より、カンチレバの質量を小さくすること、及び共振周波数を高くすることの少なくとも一方を行なうことにより、検出感度をより高くすることができる。
【００３３】
図３は微小質量測定システム１０１の回路図である。
抵抗Ｒ３０４はピエゾ抵抗１０３である。
抵抗Ｒ３０３は温度補償用のピエゾ抵抗１０３である。抵抗Ｒ３０１及びＲ３０２はＲ３０３及びＲ３０４と共にホイートストンブリッジを構成する抵抗である。
コンデンサＣ３０７及びＣ３１０、抵抗Ｒ３０８及びＲ３０９、そしてオペアンプ３１１は、アンプ３０６を構成する。
コンデンサＣ３１３及びＣ３１６、抵抗Ｒ３１４及びＲ３１５、そしてオペアンプ３１７は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３１２を構成する。
【００３４】
抵抗Ｒ３０１と抵抗Ｒ３０２の中点Ｔ１と、抵抗Ｒ３０３と抵抗Ｒ３０４の中点Ｔ２の電圧は、後続のアンプ３０６にて増幅された後、ＢＰＦ３１２にてノイズを除去される。そして、Ａ／Ｄ変換器３２２に変換された後、データロガーソフトウェアが稼動するパソコン３１８にてデータが記録される。
【００３５】
周波数制御器１０５であるスイープ電圧発生器３１９は、所定電圧範囲をリニアに変化する電圧を発生する。低い周波数に該当する電圧から徐々に高い周波数に対応する電圧に変化させ、最高周波数に至ったら周波数変化を一定時間止める。そして、再び低い周波数から高い周波数に変化させる。このスイープ電圧発生器３１９の電圧に呼応して、発振源１０６であるＶＣＯ３２０が発振する。いうまでもなく、その発振周波数はスイープ電圧発生器３１９の電圧によって変化する。
【００３６】
そして、ＶＣＯ３２０の発振周波数に呼応して加振用圧電素子１０４が振動し、カンチレバを振動させる。この加振用圧電素子１０４の振動周波数は、スイープ電圧発生器３１９によって所定の周波数範囲内でスイープされる。
【００３７】
また、データロガーソフトウェアが稼動するパソコン３１８では、取り込んだデータが解析される。ここでは、所定時間幅毎に交流波形を計測し、波の数を数えている。つまり、周波数カウンタを構成することになる。また、パソコン３１８において、所定時間幅毎に交流波形の積分が行われ、波形のピーク値が得られる。つまり、振幅検出が行われる。このように本実施形態例では、データを取り込んだ後からその解析を行うので、精度の高い解析が実現できる。なお、周波数の計測については、図３中点線で示すように、別途周波数カウンタ３２１を設けてもよい。
【００３８】
図４（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、マルチレバ１０２の振動の変化を図示したものである。
図４（ａ）において、加振用圧電素子１０４が低い周波数から振動を始めると、程なくして最も固有振動周波数の低いカンチレバ１１６ａが共振する。
図４（ｂ）において、（ａ）の時点から更に振動周波数を上げると、程なくして次に固有振動周波数の低いカンチレバ１１６ｂが共振する。また、図４（ｃ）において、（ｂ）の時点から更に振動周波数を上げると、程なくして最後に最も固有振動周波数の高いカンチレバ１１６ｃが共振する。
なお、図４（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）では、右側から順に左側のカンチレバが共振振動をしていたが、これはカンチレバ１１６の長さの違い、そして測定対象物１１４の付着の度合いに応じて変化する。
【００３９】
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、スイープ電圧発生器３１９が発生する制御電圧と、各カンチレバから検出した信号の振動振幅を図示したグラフである。横軸は時間である。共振しているところだけ、信号振幅が大きくなっていることがわかる。
【００４０】
図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び（ｅ）は、計測結果と周波数変化との対応関係を示す図である。各図はグラフの形式を取っている。図６（ａ）及び（ｂ）は、図５（ａ）と（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）と同じである。つまり、図６（ａ）は図５（ａ）と同じく時間軸上のスイープ電圧発生器３１９の制御電圧の変化を表し、図６（ｂ）は図５（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）と同じく検出器１０７、１０８及び１０９の信号振幅である。
［００４１］
図６（ｃ）は、図６（ａ）の点線で囲った範囲について、横軸を周波数として変換したグラフである。図６（ｄ）は、図６（ａ）の点線で囲った範囲について、図６（ｂ）のデータを、横軸を周波数変化として変換したグラフである。実際には記録したデータについて例えば１／１００秒単位で周波数カウントを行い、周波数を検出すると共に、波形のピーク値を同じ１／１００秒単位で取得する。つまり、離散値として周波数−振幅特性のデータを得る。
［００４２］
図６（ｅ）は、図６（ｄ）の点線で囲った範囲について拡大したグラフである。このグラフのピークが、当該カンチレバ１１６の固有振動周波数である。こうして、記録したデータから、当該カンチレバ１１６の固有振動周波数を検出するのである。
［００４３］
図７（ａ）及び（ｂ）は、カンチレバ１１６の固有振動周波数（発振周波数）の検出方法を説明する図である。図７（ａ）は図６（ｅ）と同じ、ピーク値に該当する周波数を検出する方法である。図７（ｂ）はグラフを閾値でスライスし、その中間点の周波数を発振周波数と推定する方法である。
［００４４］
図８は誤差除去の手法を説明する図である。
実際に計測処理を行うと、記録されたデータはマクロ的には図８（ａ）のように見えるものの、ミクロ的には図８（ｂ）のようにノイズを伴ってしまっている場合がある。このときは、任意の微小範囲について移動平均を算出して、値を平準化する。その後、図７（ａ）或は（ｂ）の手法にて発振周波数を検出する。
［００４５］
本実施形態には、以下のような応用例が考えられる。
（１）カンチレバに埋め込む検出素子として、ピエゾ抵抗素子の代わりに、静電容量素子、圧電素子、電磁誘導素子を用いることもできる。この場合には、発生した電圧をアンプで増幅して直接検出することとなる。
（２）カンチレバを振動させる加振素子として、圧電素子の代わりに、静電型加振器、電磁誘導型加振器を用いることもできる。
［００４６］
本実施形態においては、微小質量測定システム及びこれに用いられる微小質量センサを開示した本実施形態により、誘引物質の相違による極めて微小な物質の誘引特性を、質量変化によって検出することのできる、利便性の高い微小質量測定システムを実現できる。
本実施形態の微小質量測定システムは、特にバイオテクノロジーの分野において、計測の時間を短縮し、手間を軽減することで、技術開発の進歩に大きく貢献することが期待できる。
［００４７］
以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含むことは言うまでもない。
引用符号の説明
［００４８］
１０１…微小質量測定システム、１０２…マルチレバ、１０３…ピエゾ抵抗、１０４…加振用圧電素子、１０５…周波数制御器、１０６…発振源、１０７、１０８、１０９…検出器、１１０…抗原Ａ、１１１…抗原Ｂ、１１２…抗原Ｃ、１１３…液体、１１４…測定対象物、１１５…ＰＣシステム、１１６、２１６、２２６…カンチレバ、２０７、２０８、２０９…検出器、２０４…加振用圧電素子、３０６…アンプ、３１１、３１７…オペアンプ、３１２…バンドパスフィルタ、３１８…パソコン、３１９…スイープ電圧発生器、３２０…ＶＣＯ、３２１…周波数カウンタ、３２２…Ａ／Ｄ変換器、Ｒ３０３…温度補償用ピエゾ抵抗、Ｒ３０４…ピエゾ抵抗、Ｒ３０１、Ｒ３０２、Ｒ３０８、Ｒ３０９、Ｒ３１４、Ｒ３１５…抵抗、Ｃ３０７、Ｃ３１０、Ｃ３１３、Ｃ３１６…コンデンサ

Claims

第１のカンチレバと、
前記第１のカンチレバに取り付けられ、前記第１のカンチレバの振動を検出する第１の振動検出器と、
第２のカンチレバと、
前記第２のカンチレバに取り付けられ、前記第２のカンチレバの振動を検出する第２の振動検出器と、
前記第１のカンチレバと前記第２のカンチレバとが取り付けられる加振器と、
前記加振器を所定周波数範囲にて周波数可変に振動させる信号を発生する発振器と、
前記第１の振動検出器及び前記第２の振動検出器の振動検出信号を記録する記録装置と、
前記記録装置に記録されたデータを解析して、前記第１のカンチレバ及び前記第２のカンチレバの固有振動周波数を測定し、前記固有振動周波数から前記第１のカンチレバ及び前記第２のカンチレバに付着した測定対象物質の質量を計算する質量計算部と
を備えることを特徴とする質量測定装置。
前記第１のカンチレバと前記第２のカンチレバは、異なる測定対象物誘引物質が塗布された後、所定の液体に浸された状態で計測を行うことを特徴とする、請求項１記載の質量測定装置。
前記振動検出器はピエゾ抵抗素子、静電容量素子、圧電素子又は電磁誘導素子であることを特徴とする請求項１記載の質量測定装置。
前記加振器は圧電素子、静電型加振器または電磁誘導型加振器であることを特徴とする請求項１記載の質量測定装置。