JP2006337143A - カンチレバーセンサシステム、分析方法及び分析装置 - Google Patents

カンチレバーセンサシステム、分析方法及び分析装置 Download PDF

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Eisuke Tojima
英輔 東島
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Abstract

【課題】 2以上のカンチレバーを用いて検体の分析を行なうカンチレバーセンサシステムの光学系の調整を容易に行なうことができるようにする。
【解決手段】 カンチレバーシステム1を、光源2と、光源2が発した光を照射され照射された光を反射する少なくとも2つのカンチレバー3A,3B,3Cと、カンチレバー3A,3B,3Cで反射した光を照射されて光の進行方向を所定の角度だけ変更させうる少なくとも2つの光学素子4A,4B,4Cと、光学素子4A,4B,4Cによって進行方向を変更された光を受光する受光部5と、受光部5における受光位置の移動量を検知する移動量検知部6とを備えて構成する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、カンチレバーを用いて検体中の検出対象物質の検出を行なうためのカンチレバーセンサシステム及びそれを用いた分析方法、並びに分析装置に関する。
カンチレバーを用いたセンサ(以下適宜、「カンチレバーセンサ」という)について、近年様々な開発が行なわれている。このカンチレバーセンサの動作原理は、カンチレバーセンサを構成するカンチレバーの表面と検出対象物質との相互作用により生じる表面応力の変化を、カンチレバーの変位量(たわみ量)により検出するというものである。
このようなカンチレバーセンサの例としては、DNAハイブリダイゼーション検出センサ(非特許文献1)、抗原抗体反応検出センサ(非特許文献2)、マイクロカンチレバー・バイオセンサ(特許文献1)などが挙げられる。
これらカンチレバーセンサにおいては、カンチレバーのたわみ量は「光てこ」による光学的な手法で測定されることが一般的である。光学的な手法は、圧電抵抗素子を用いた電気的な手法に比べて、感度が高いという利点を有するからである。具体的には、カンチレバーの先端部に、レーザー光をレンズにより点状に集光し、そこからの反射光の受光位置をPSD(Position Sensitive Device)等の受光素子により測定する。
ところで、カンチレバーセンサにおいては、用いられるカンチレバーの数は一つだけとは限らない。例えば、検出対象物質と相互作用するリガンドを表面に固定化した検出用のカンチレバーと、リガンドを固定化していない補正用のカンチレバーとの2つを同時に測定することによって、環境変化によるドリフトの影響を除いて、より正確な測定を行なう構成が可能である。また、異なるリガンドを複数のカンチレバー表面にそれぞれ固定化して、これら複数のカンチレバーにより同時に測定を行なうことによって、複数の検出対象物質を同時に検出する構成も可能である。
このように、カンチレバーが複数個ある場合は、例えば、レーザーを含めた光学系をカンチレバーの数だけ複数個用意する方法や、レーザー光をシリンドリカルレンズ等で線状に集光して並列に配置した複数個のカンチレバー先端部に同時に入射光を照射する方法などによって、各カンチレバーにレーザー光を集光し、それらからの反射光を得ることとなる。また、各カンチレバーからの反射光は受光素子に照射され、各カンチレバーのたわみ量が測定される。
ここで、これらカンチレバーは、同一の支持部材上に形成されていることが一般的である。その場合、各カンチレバー間の位置関係は固定されている為、光学系とカンチレバーとの位置関係を調整する際、カンチレバー全体をまとめて操作することが可能である。
国際公開第98/50773号パンフレット Science, Vol.288(2000), pp.316-318 Sensors and Actuators B, Vol.79(2001),pp.115-126
しかしながら、従来のようにカンチレバーが同一の支持部材上に形成されていると、各カンチレバーに異なるリガンドを固定化することが難しくなる。例えば、検出用のカンチレバーと、補正用のカンチレバーとでは、表面に固定化されるリガンドが異なる。リガンド固定化処理としては、例えば、インクジェット法、マイクロキャピラリー法(Nanotechnology, Vol.15(2004), pp.873-880等参照)などの様々な方法を用いることができるが、いずれの方法においても、カンチレバーは一般に非常に小さい為にハンドリングが難しく、個々のカンチレバーに別々のリガンド固定化処理を行なうには処理装置が複雑になり、容易ではない。
そこで、個々のカンチレバーが形成されている支持部材を分離すれば、比較的サイズの大きな支持部材をハンドリングすることができるようになるため、個々のカンチレバーに別々のリガンドの固定化処理を容易に行なうことが可能となる。しかしながら、この場合、各カンチレバー間の位置関係が固定されない為、光学系とカンチレバーとの位置関係を調整する際、カンチレバー全体をまとめて操作しただけではカンチレバーから反射されたレーザー光を目的とする受光素子に照射することが難しくなる。
これは、上記光学系が、微小なカンチレバーのたわみを検出するように設計されている為に、各カンチレバーを固定する際の微小な角度の違いや、レーザー入射角度の僅かな違いが、非常に大きな受光位置のずれとなって現われることが原因であると推察される。
これを解決するためには、例えば、個々のカンチレバーの固定角度を独立して調整できる機構を設ければ良いが、カンチレバーは同一の検体を測定することから、できるだけ小さな領域に固定して検体の量を少なくする必要があり、そのような独立調整機構の為のスペースを設けることは非常に困難である。
本発明は上記の課題に鑑みて創案されたもので、2以上のカンチレバーを用いて検体の分析を行なう場合に、光学系の調整を容易に行なうことができるようにした、カンチレバーセンサシステム及びそれを用いた分析方法、並びに分析装置を提供することを目的とする。
本発明の発明者らは、上記課題を解決するべく鋭意検討した結果、光学的な手法でたわみ量の測定を行なうカンチレバーセンサシステムにおいて、カンチレバーで反射した光を、光学素子によって所定の角度だけその進行方向を変更させてから受光素子等の受光部に受光させ、その受光部での受光位置の移動量によりカンチレバーのたわみ量を測定することにより、光学系の調整を容易に行なうことが可能となることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明の要旨は、光源と、該光源が発した光を照射され、照射された光を反射する、少なくとも2つのカンチレバーと、該カンチレバーで反射した光を照射され、照射された光の進行方向を所定の角度だけ変更させうる少なくとも2つの光学素子と、該光学素子によって進行方向を変更された光を受光する受光部と、該受光部における受光位置の移動量を検知する移動量検知部とを備えることを特徴とする、カンチレバーセンサシステムに存する(請求項1)。これにより、カンチレバーセンサシステムの光学系の調整を容易に行なうことができる。したがって、カンチレバーを装着する際にカンチレバー間で固定角度に差が生じたとしても、光学素子を調整することによって容易に初期位置を所望の位置にあわせることができるので、正確な測定を行ないやすくなる。
このとき、該光学素子は、角度を調整可能に設けられた鏡面を有していることが好ましい(請求項2)。これにより、鏡面で光を反射させることによって、照射された光の進行方向を容易に所定の角度だけ変更させることが可能となる。
また、該カンチレバーセンサシステムは、該カンチレバーを支持する支持部材を少なくとも2個有し、該カンチレバーは、該支持部材のいずれかに支持されていることが好ましい(請求項3)。このように別々の支持部材にカンチレバーを支持させるようにすれば、カンチレバーに対して特定物質等を固定化する固定化操作が容易になる。
さらに、該支持部材は、それぞれ1つの該カンチレバーを支持することが好ましい(請求項4)。このように各支持部材毎に1つずつカンチレバーを設けるようにした場合に、光学素子を用いて光学系の調整を行なうようにすれば、本発明の利点をより効果的に活用することが可能となる。
また、該光学素子は、該カンチレバー毎に対応して設けられていることが好ましい(請求項5)。各カンチレバーに対応して1対1で光学素子を設けることで、各カンチレバー毎に光学素子を用いて光学系の調整を行なうことができるようになり、光学系の調整をより正確に行なうことが可能となる。
さらに、該カンチレバーセンサシステムは、該光学素子を3個以上備え、該光学素子が一列に並置されていることが好ましい(請求項6)。また、該カンチレバーセンサシステムは、該カンチレバーを3個以上備え、該カンチレバーが一列に並置されていることが好ましい(請求項7)。このように光学素子やカンチレバーを一列に並置するようにすれば、より簡単な構成の光学系を実現することが可能となる。
さらに、該カンチレバーセンサシステムは、少なくとも一対の該カンチレバーの光の被照射部位間の距離が、該カンチレバーそれぞれに対応する該光学素子の光の被照射部位間の距離よりも小さくなるように構成することが好ましい(請求項8)。検体の少量化等の観点からは各カンチレバー間の距離は小さいことが望ましいが、光学系の調整操作を容易にする観点からは各光学素子間の距離はある程度大きいことが望ましい。したがって、上記のようにカンチレバーセンサシステムを構成すれば、検体の少量化及び操作の容易化をともに実現することができるようになる。
また、本発明の別の要旨は、上記のカンチレバーセンサシステムを用いて、検体中の検出対象物質を検知する分析方法であって、上記光源から発せられた光が上記カンチレバーで反射して上記光学素子で進行方向を変更させられ上記受光部の所望の初期位置で受光されるように、該光学素子を調整する初期設定工程と、上記光源から上記カンチレバーに光を照射した状態で上記カンチレバーに上記検体を接触させ、上記移動量検知部に上記受光部における受光位置の移動量を検知させる検知工程とを有することを特徴とする、分析方法に存する(請求項9)。
また、本発明の更に別の要旨は、光源と、該光源が発した光を照射され、照射された光を反射する、少なくとも2つのカンチレバーを装着しうるカンチレバー装着部と、該カンチレバー装着部に装着された上記カンチレバーで反射した光を照射され、照射された光の進行方向を所定の角度だけ変更させうる少なくとも2つの光学素子と、該光学素子によって進行方向を変更された光を受光する受光部と、該受光部における受光位置の移動量を検知する移動量検知部とを備えることを特徴とする、分析装置に存する(請求項10)。
本発明のカンチレバーセンサシステム及びそれを用いた分析方法、並びに分析装置によれば、2以上のカンチレバーを用いて検体の分析を行なう場合に、光学系の調整を容易に行なうことが可能となる。
以下、本発明の一実施形態について図面を示して説明するが、本発明は以下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任意に変形して実施することができる。
[1.検出対象物質]
まず、本発明のカンチレバーシステムを用いて検出しようとする検出対象物質について説明する。
検出対象物質は、その種類や状態に特に制限は無いが、通常は、検体中に溶解又は分散した状態で検出に用いられる。また、検出対象物質は、1種を単独で検出するようにしてもよいし、2種以上を任意の組み合わせで検出するようにしても良い。なお、ここでいう検体とは、検出対象物質を含んでいるかどうかを分析する対象であり、通常は、気体や液体の状態で分析に供される。以下の実施形態においては、検体が液体状態の検体液である場合について説明するが、検体が気体状態である場合についても同様に実施可能である。
検出対象物質は、通常、生体物質等の何らかの物質(以下適宜、「特定物質」という)と特異的に相互作用する物質(以下適宜、「作用物質」という)である。ここで、特定物質と作用物質との「相互作用」とは、特に限定されるものではないが、通常は、共有結合、疎水結合、水素結合、ファンデルワールス結合、及び静電力による結合のうち少なくとも1つから生じる物質間に働く力による作用を示す。ただし、本明細書に言う「相互作用」との用語は最も広義に解釈すべきであり、いかなる意味においても限定的に解釈してはならない。なお、共有結合としては、配位結合を含有する。また、静電力による結合とは、静電結合の他、電気的反発も含有する。さらに、上記作用の結果生じる結合反応、合成反応、分解反応も相互作用に含有される。
相互作用の具体例としては、抗原と抗体との間の結合及び解離、タンパク質レセプターとリガンドとの間の結合及び解離、接着分子と相手方分子との間の結合及び解離、酵素と基質との間の結合及び解離、アポ酵素と補酵素との間の結合及び解離、核酸とそれに結合する核酸又はタンパク質との間の結合及び解離、情報伝達系におけるタンパク質同士の間の結合及び解離、糖タンパク質とタンパク質との間の結合及び解離、糖鎖とタンパク質、ウィルス、細菌等の微生物との間の結合及び解離などが挙げられるが、この範囲に限定されるものではない。
検出対象物質の具体例としては、イムノグロブリンやその派生物であるF(ab′)2、Fab′、Fab、レセプターや酵素とその派生物、核酸、天然あるいは人工のペプチド、人工ポリマー、糖質、脂質、無機物質あるいは有機配位子、ウィルス、細胞、薬物等が挙げられる。
[2.カンチレバー]
次に、本発明のカンチレバーセンサシステムにおいて用いるカンチレバーについて説明する。
本発明のカンチレバーセンサシステムにおいては、検出対象物質を検出する為のセンサ(カンチレバーセンサ)として機能する検出用のカンチレバー(以下適宜、「検出用カンチレバー」という)を用いる。また、適宜、検出用カンチレバーによる検出精度を高めるため、補正用のカンチレバー(以下適宜、「補正用カンチレバー」という)を用いる。
[2−1.検出用カンチレバー]
検出用カンチレバーは、検体中に検出対象物質が存在する場合に上記検体に接触することによりたわみを生じるカンチレバーであればその具体的な構成に制限は無く任意であるが、通常は、検出対象物質と相互作用しうる特定物質を表面に固定化されたカンチレバーを用いる。この検出用カンチレバーは、特定物質に対応した検出対象物質を含む検体が検出用カンチレバーに接触した場合、上記の検出対象物質と特定物質とが相互作用して、検出用カンチレバーの表面に表面応力の変化が生じ、検出用カンチレバーがたわむようになっている。したがって、このたわみの大きさ(以下適宜、「たわみ量」という)を測定すれば、検出対象物質の量、濃度、種類などを検出することができるのである。
以下、検出用カンチレバーの構成について、図を用いて説明する。
図4は検出用カンチレバーの一例について要部を表わす模式的な斜視図であり、図5は検出用カンチレバーの一例について表面近傍を拡大して模式的に示す断面図である。図4や図5に示すように、検出用カンチレバー100は、通常、カンチレバー本体101と、カンチレバー本体101の表面に固定化された特定物質102を有している。特定物質102は、カンチレバー本体101に対して直接固定化されていてもよく、間接的に固定化されていてもよい。通常は、図5に示すように、カンチレバー本体101の表面に成膜された金属膜103と、該金属膜103上に固定化された有機分子104とを介して、有機分子104上に固定化されることによって特定物質102は間接的にカンチレバー本体101に固定化される。なお、図4においては特定物質の図示は省略してある。また、図4においては、検出用カンチレバー100の図中上面に特定物質102が固定化された部分(以下適宜、「相互作用部」という)105が形成されているものとする。
検出用カンチレバー100に用いるカンチレバー本体101に制限はなく、公知のカンチレバーを任意に用いることができる。
例えば、カンチレバー本体101の材料に制限は無く、任意の材料を用いることができるが、通常は、可撓性を有するものを用いる。カンチレバー本体101の材料の具体例としては、例えば、シリコン、窒化シリコンなどが挙げられる。
また、カンチレバー本体101の形状にも制限は無いが、通常は、カンチレバー本体101は自由端と固定端とを有する直方体形状の部材として形成される。また、他の例としては、三角形の一辺を固定端とした形状や、更にその三角形の内側を打ち抜いた形状も可能である。なお、特定物質102や、適宜用いられる金属膜103及び有機分子104などは非常に薄い膜として形成されるため、カンチレバー本体101の形状を検出用カンチレバー100自体の形状とみなすことができる。本実施形態においては、カンチレバー本体101は、図4に示したように、支持部材106から直方体形状に延在して形成された部材であるとして説明する。
さらに、カンチレバー本体101の寸法にも制限は無いが、通常は、長さL(即ち、自由端から固定端までの距離)が、検出用カンチレバー100表面と検出対象物質との相互作用により生じるたわみを確実に測定できるだけ充分に長く形成されていることが好ましい。寸法の一例を挙げれば、カンチレバー本体101を直方体形状に形成した場合、通常、長さLは10μm〜1000μm、幅Wは5μm〜500μm、厚さTは0.1μm〜5μmの範囲にそれぞれ設定することが好ましい。
また、カンチレバー本体101の作製方法にも制限はなく、公知の方法を任意に用いることができる。例えば、既存の半導体プロセスなどにより、AFM(原子間力顕微鏡)中で使用されるようなカンチレバーと同様にして作製することができる。
ところで、半導体形成プロセスを利用してカンチレバー本体101を作製した場合、同一条件で作製した場合であっても、作製ロット間、ウエファ間、さらには同一ウエファ内の場所間で、膜厚や材質に差異が生じてしまうことがある。これには、半導体形成プロセス以外の技術においても生じうる。
上記の膜厚や材質の差異は、同一製造ロット同士であれば小さくなり、さらに同一ウエファ内から取り出したもの同士であればより小さくなる。さらに、同一ウエファ内でも、取り出した場所が近いところであればあるほど、その違いはさらに小さくなる。これを利用して、同一測定で用いられる複数の検出用カンチレバー100のカンチレバー本体101は、同一のウエファから作製されることが好ましく、ウエファ上でも隣り合った位置で作製されることがより好ましい。
なお、検出用カンチレバー100やカンチレバー本体101は非常に小さいため、通常は、何らかの支持部材106に支持されるようになっている。この支持部材106はカンチレバー本体101と別に用意して後から検出用カンチレバー100やカンチレバー本体101を固定するようにしてもよい。しかし、上記のように半導体形成プロセスを利用してカンチレバー本体101を作製する場合には、同一ウエファのカンチレバー本体101を形成した部分が検出用カンチレバー100やカンチレバー本体101となり、ウエファのその他の部分が支持部材106となるようになっている。支持部材106は検出用カンチレバー100やカンチレバー本体101より大きく強度も強いため、通常は、この支持部材106を支持具で固定して、検出用カンチレバー100を分析装置に装着するようになっている。
また、検出用カンチレバー100の表面には、相互作用部105に凹凸が形成されるよう、図4に示すように凹凸パターン107を形成することが好ましい。これにより、検出対象物質を検出する際の検出感度を高めることができる。なお、検出用カンチレバー100の表面に凹凸パターン107を形成する場合には、カンチレバー本体101表面を凹凸形状に形成してもよく、カンチレバー本体101上に形成される金属層103を凹凸形状に形成してもよく、他の手法によってもよい。
さらに、検出用カンチレバー100は、通常、前述のように検出対象物質と特定物質とが相互作用することによって検出用カンチレバー100にたわみが生じるよう、相互作用部105において特定物質を有している。
特定物質は、その目的に応じて、任意の物質を用いることができる。具体例を挙げれば、酵素、抗体、レクチン、レセプター、プロテインA、プロテインG、プロテインA/G、アビジン、ストレプトアビジン、ニュートラアビジン、グルタチオン−S−トランスフェラーゼ、糖タンパク質等のタンパク質、ペプチド、アミノ酸、ホルモン、核酸、糖、オリゴ糖、多糖、シアル酸誘導体、シアル化糖鎖等の糖鎖、脂質、低分子化合物、上述以外の高分子有機物質、無機物質、若しくはこれらの融合体、または、ウイルス、若しくは細胞を構成する分子などの生体分子が挙げられる。また、このほか、例えば細胞等の生体分子以外の物質を特定物質として用いることもできる。なお、これら特定物質は、検体中の検出対象物質と特定物質との相互作用(結合性等)を測定する際の標的物質となる。
また、上記の特定物質の例の中でも、タンパク質としては、タンパク質の全長であっても、結合活性部位を含む部分ペプチドであってもよい。また、アミノ酸配列、及びその機能が既知のタンパク質でも、未知のタンパク質でもよい。これらは、合成されたペプチド鎖、生体より精製されたタンパク質、あるいはcDNAライブラリー等から適当な翻訳系を用いて翻訳し、精製したタンパク質等でも標的物質として用いることができる。合成されたペプチド鎖は、これに糖鎖が結合した糖タンパク質であってもよい。これらのうち好ましくは、精製されたタンパク質である。
さらに、核酸としては、特に制限はなく、DNA、RNAの他、アプタマー等の核酸塩基、PNA等のペプチド核酸を用いることもできる。また、塩基配列あるいは機能が、既知の核酸でも、未知の核酸でもよい。好ましくは、タンパク質に結合能力を有する、核酸としての機能及び塩基配列が既知のものか、あるいは、ゲノムライブラリー等から制限酵素等を用いて切断単離してきたものを用いることができる。
また、糖鎖としては、その糖配列あるいは機能が、既知の糖鎖でも未知の糖鎖でもよい。好ましくは、既に分離解析され、糖配列あるいは機能が既知の糖鎖が用いられる。
さらに、低分子化合物としては、相互作用する能力を有する限り、特に制限はない。機能が未知のものでも、あるいはタンパク質に結合する能力が既に知られているものでも用いることができるが、医薬候補化合物等が好適に用いられる。
なお、特定物質は、1種を単独で用いても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
さらに、検出用カンチレバー100の相互作用部105は、通常、検出対象物質と相互作用することによって検出用カンチレバー100にたわみが生じればよいので、検出対象物質と相互作用する合成化学物質が固定化されていてもよいし、場合によっては、検出用カンチレバー100は特に物質が固定化されていない状態であっても構わない。
カンチレバー本体101の表面に特定物質を固定して相互作用部105を形成する手法に制限は無いが、例えば、以下の固定化手法により固定化を行なうことができる。
カンチレバー本体101表面に特定物質を固定化して検出用カンチレバー100を作製する場合、図5に示すように、カンチレバー本体101表面に金属膜103を成膜し、成膜した金属膜103上に有機分子104を固定して、この有機分子104上に特定物質102を固定化することができる。これにより、相互作用部105は、カンチレバー本体101の表面に成膜された金属膜103と、金属膜103上に固定された有機分子104と、有機分子104上に固定化された特定物質105とを有する部分として形成される。なお、図5において、有機分子104は説明のため、有機分子104を個々に描くのではなく有機分子104が集合した層として描いてある。
金属膜103は、その表面に有機分子104を固定することができれば他に制限は無く、任意の材料で形成することができる。
また、金属膜103は1層のみを単独で形成した単層構造の膜としてもよく、2以上の層を任意の組み合わせ及び厚みで積層した構造の膜としても良い。
ただし、金属膜103の最外層は、金で形成されていることが好ましい。即ち、金属膜103が単層構造を有している場合は金属膜103自体を金で形成し、積層構造を有している場合は有機分子104が固定される最も外側の層が金で形成されることが好ましい。これにより、金属膜103に有機分子を容易に固定することができる。
さらに、金属膜103が積層構造を有している場合は、金属膜103は、カンチレバー本体101の表面と金属膜103の最外層との間にクロムからなる層を有していることが好ましい。これにより、金属膜103とカンチレバー本体101の表面との接着力が向上するという利点が得られる。
また、金属膜103の膜厚に制限は無く任意であるが、通常1nm以上、好ましくは10nm以上、また、通常10μm以下、好ましくは5μm以下である。この範囲の下限を下回ると有機分子104の固定が不十分になってしまう虞があり、上限を上回ると良好な金属膜103を成膜できなくなる虞があるためである。
さらに、上記の金属膜103の形成方法に制限は無く、公知の方法を任意に用いることができるが、通常は、スパッタリング、蒸着などにより形成する。
なお、カンチレバー本体101自体が金属により形成されている場合、カンチレバー本体101の表面を金属膜103として利用することも可能である。
上記の金属膜103上には、有機分子104が固定される。この有機分子104は、金属膜103に対して固定することができ、また、この有機分子104上に特定物質102を固定化することができるものであればその種類に制限は無く、公知の有機分子104から固定化する特定物質102の種類等に応じて適当なものを任意に用いることができる。
ただし、上記の有機分子104は、その末端にメルカプト基(−SH基)を有していることが好ましい。この場合、有機分子104は金属膜103に対して、安定な「硫黄原子−金属結合」で固定されるため、有機分子104を金属膜103に強固に固定することが可能となる。
有機分子104の具体例を挙げると、16−メルカプトヘキサデカン酸などが挙げられる。
なお、有機分子104は1種を単独で用いても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
さらに、有機分子104の固定量は任意であるが、通常は高密度に固定することが好ましい。これにより、固定化されている有機分子104の層の膜厚が均一化することができるという利点がある。
また、有機分子104は金属膜103の表面に2次元的に固定してもよいが、3次元的に積層して構成するようにしても良い。さらに、有機分子104を層として形成する場合、単層構造であっても積層構造であっても良い。ただし、通常は単層構造とすることが望ましい。複数層であるよりも、単層構造である方が、有機分子104の層の膜厚を制御することが容易であるためである。なお、図5においては有機分子104が単層に形成されたものを例として示した。
さらに、有機分子104の固定方法に制限は無く、公知の方法を任意に用いることができるが、通常は、「硫黄原子−金属結合」により固定化される。
また、上記の有機分子104上には特定物質102が固定化され、これにより、金属膜103及び有機分子104を介して特定物質102がカンチレバー本体101表面に固定化されて、相互作用部105に特定物質102を有する検出用カンチレバー100が形成されている。
ここで、特定物質102はどのような結合により有機分子104に固定化されていてもよいが、通常は、共有結合によって固定化されていることが望ましい。これにより、特定物質102を有機分子104に強固に固定化することができる。このような場合、特定物質102は、例えばエステル結合、アミド結合、−C=N−結合、エーテル結合、チオエーテル結合、炭素原子による結合などを介して固定化されていることが望ましい。なお、特定物質102は1種の結合により固定化されていても良く、任意の2種以上の結合により固定化されていても良い。
また、特定物質102には、固定化するための官能基が結合していても良い。
さらに、有機分子104上に特定物質102を固定化する場合、その具体的な操作は任意である。通常は、特定物質102の溶液を有機分子104に接触させることにより、有機分子104上に特定物質102を固定化する。この場合に特定物質102を希釈させる溶媒や分散媒は、特定物質102の活性や構造の安定性等を考慮して調整することが好ましい。
また、検出用カンチレバー100の少なくとも片面には、照射された光を反射する反射面108が形成されている。図4では、反射面108は、相互作用部105と反対側の面に設けられているが、これに限らず、例えば反射面108と相互作用部105とが同一の面上に形成されていてもよい。この反射面108には、通常、反射面108に照射された光が効果的に反射できるように表面処理が施される。具体的な表面処理は任意であるが、例えば、反射面108に金属膜を形成する等の処理が施される。
[2−2.補正用カンチレバー]
検出用カンチレバーを用いて検出対象物質の検出を行なう際、複数のカンチレバーを同時に用いて検出を行なうことも可能である。各々検出用カンチレバーを複数用いることも可能であるが、用いるカンチレバーのうちの少なくとも1つを補正用カンチレバーとすることによって、検出用カンチレバーの検出精度を向上させることができるようになる。
補正用カンチレバーは、環境変化等によるたわみ量を影響を排除するべく、検出用カンチレバーのたわみ量に補正を加えるための補正値を測定する目的で使用するカンチレバーである。即ち、検出用カンチレバーや補正用カンチレバーを含め、カンチレバーは、検出対象物質と特定物質とが相互作用することにより生じる表面応力の変化以外にも、温度や圧力等の環境の変化によっても、そのたわみ量が変動する。したがって、たわみ量の測定を行なう場合、環境変化によるたわみの影響を排除して、目的とする検出対象物質と特定物質とが相互作用したことにより生じたたわみ量のみを測定することが望ましい。補正用カンチレバーは、上記の環境変化によるたわみ量を排除するために用いられる。
補正用カンチレバーは、相互作用によるたわみは生じず、環境変化などの相互作用以外の要因によるたわみは生じるように形成することが望ましい。したがって、これを実現するため、補正用カンチレバーには、通常、特定物質を固定化しない。即ち、補正用カンチレバーの全表面は、特定物質を固定化されていない非固定化部として形成するようにする。
さらに、補正用カンチレバーは、特定物質を固定化しないこと以外は、補正対象である検出用カンチレバーと可能な限り同様に形成することがより好ましい。具体的には、寸法及び材質等ができるだけ等しいことが好ましい。これにより、検出用カンチレバー及び補正用カンチレバーそれぞれに同様の環境変化が加わったとき、両者には環境変化によるたわみが同じたわみ量だけ生じる。したがって、検出用カンチレバーのたわみ量は相互作用によるたわみ量と環境変化によるたわみ量との和となり、一方、補正用カンチレバーのたわみ量は環境変化によるたわみ量のみとなるため、両者の差を算出することによって相互作用によるたわみ量を正確に測定することが可能となる。
なお、補正用カンチレバーの用途に応じて、補正用カンチレバーの表面に、金属層、有機分子、または、検出用カンチレバーに固定した特定物質とは検出対象物質に対する相互作用の大きさが異なる別の補正用の物質(以下適宜、「参照物質」という)などを固定化するようにしてもよい。この場合でも、補正用カンチレバーを用いて、さらに適切な補正を行なうことが可能となる場合がある。なお、参照物質の例としては、特定物質と同様のものが挙げられる。
中でも、補正用カンチレバーに参照物質を固定化することが好ましい。また、この場合、検出用カンチレバーに特定物質を固定化するために金属層や有機分子を用いている場合には、補正用カンチレバーに参照物質を固定化するために検出用カンチレバーと同様の金属層や有機分子を用いるようにすることがより好ましい。これらによって、検出の精度をより高めることが可能となるためである。
即ち、例えば検出対象物質と全く相互作用を生じない適切な参照物質を補正用カンチレバーに固定化した場合には、検出用カンチレバーに生じる環境変化によるたわみに非常に近いたわみを補正用カンチレバーに生じさせ、検出用カンチレバーに生じる相互作用によるたわみ量をより正確に測定することが可能となるのである。
また、補正用カンチレバーのたわみ量を測定するため、補正用カンチレバーには、検出用カンチレバーと同様に、反射面を形成するようにする。この際、補正用カンチレバーの反射面にも検出用カンチレバーの反射面と同様に表面処理を施すことが好ましい。ただし、この際、補正用カンチレバーの反射膜として特定物質を固定化しにくい金属、具体的には、アルミニウム、銅、銀等の金属が最外層となるように金属膜を成膜することが望ましい。通常、金以外の金属を用いた場合、有機分子と金属との結合力は、金を用いた場合に比べて弱くなるため、補正用カンチレバーが特定物質を固定化する能力は、検出用カンチレバーが特定物質を固定化する能力よりも小さくなる。したがって、検出用カンチレバーに特定物質を固定する際に補正用カンチレバーが検出用カンチレバーの近傍にあったとしても、補正用カンチレバーには特定物質が固定化されず、検出用カンチレバー及び補正用カンチレバーの用意を簡単に行なうことができる。
[2−3.その他の構成]
上記のように、本発明のカンチレバーセンサシステムにおいて用いるカンチレバーの数に制限は無い。したがって、検出用カンチレバー及び補正用カンチレバーは、それぞれ1個を単独で用いてもよく、2個以上を用いてもよい。
また、通常は、検出用カンチレバーを2個以上用いる場合には、各検出用カンチレバーにはそれぞれ異なる特定物質を固定化し、一度の分析操作でより多くの検出対象物質の検出を行なうことができるように構成することが望ましい。即ち、異なる特定物質を固定化した複数の検出用カンチレバーを用いることにより、複数種の特定物質に対する反応を比較することによって、複数の検出対象物質を一度の分析操作により検出することができるという利点が得られるのである。なお、このような場合、用いるカンチレバーの数は検出対象物質の数により適宜選択することができるが、装置の小型化及び検体の少量化の観点から、例えば5〜10個である。
さらに、複数のカンチレバーを用いて測定を行なう場合、上記のように各カンチレバー上に固定化される物質(特定物質や参照物質など)はそれぞれ異なることになる。したがって、固定化処理を容易にする為に、同一測定で用いられる複数のカンチレバーは互いに切り離されていることが好ましい。具体的には、カンチレバーを支持する支持部材を少なくとも2個以上用い、各カンチレバーが支持部材のいずれかに支持されるようにすることが望ましい。
さらに、これに加えて、支持部材は、それぞれ1つのカンチレバーを支持するように構成することが好ましい。カンチレバーは支持部材毎に分析装置における設置位置や設置角度等を調整されることになるため、各カンチレバーを別々の支持部材に支持させるようにすれば、カンチレバー毎に設置位置や設置角度等を調整することが可能となり、検出対象物質のより正確な検出が可能となる。また、このように各支持部材毎に1つずつカンチレバーを設けるようにした場合に、本発明の利点を特に効果的に活用することが可能となる。
[3.システム構成]
次に、本発明の一実施形態としてのカンチレバーセンサシステムについて図を用いて説明する。
図1、図2は本発明の一実施形態について説明するもので、図1はカンチレバーセンサシステムの概要を示す模式的な斜視図であり、図2はその要部を模式的に示す断面図である。なお、図1においては、各部の寸法は実際のものよりも大きく示しており、また、各部における光の反射角度も模式的に示してあるものとする。さらに、図1において、符号Iで示すものは光を表わす。
図1に示すように、本実施形態のカンチレバーセンサシステム1は、光源2と、カンチレバー3A,3B,3Cと、光学素子としてのミラー4A,4B,4Cと、受光部としての受光素子5と、移動量検知部6とを備えている。
[3−1.光源]
光源2は、カンチレバー3A,3B,3Cに向けて光を照射するものである。本発明の効果を著しく損なわない限り任意の光源を用いることができるが、通常は、レーザー光照射装置を用いることが好ましい。
レーザー照射装置は、レーザー光を発光できるものであれば特に制限はない。例えば、ガスレーザー照射装置、半導体レーザー照射装置などが用いられるが、より安価であることから、半導体レーザー照射装置を用いることが好ましい。
また、光源2は、各カンチレバー3A,3B,3C毎に別々の光源2を用いるようにしてもよいが、装置の小型化、低価格化の観点からは、各カンチレバー3A,3B,3Cに共通の光源2を用いるようにすることが好ましい。
さらに、光源2からカンチレバー3A,3B,3Cへと照射される光は、カンチレバー3A,3B,3Cの表面(具体的には、反射面)において集光させるようにすることが望ましい。したがって、カンチレバーセンサシステム1においては、光源2から発せられた光を集光する集光手段7を設けることが望ましい。
集光手段7に制限は無いが、例えば、ロッドレンズ71及びシリンドリカルレンズ72,73を組み合わせて構成することができる。即ち、図1に示すように、光源2から発せらた光を、まずロッドレンズ71で所定方向に広げ、広げられた光をシリンドリカルレンズ72により平行光にする。この平行光は、所定方向に対していずれの位置においても平行に(即ち、同じの方向に)進行する光となる。そして、平行光をシリンドリカルレンズ73によって集光する。集光された光は、カンチレバー3A,3B,3Cの表面に集まるように集光される。なお、図1の構成では、シリンドリカルレンズ73は所定方向に沿って直線状に集光するようになっていて、カンチレバー3A,3B,3Cを所定方向に一列に並べて並置した場合に、各カンチレバー3A,3B,3Cに均一に光を照射できるようになっている。
また、例えば、集光手段7としては、上記にて例示した構成においてシリンドリカルレンズ72,73の代わりに円筒凹面ミラーを用いることもできる。他にも、例えば、ロッドレンズ71の代わりに、円筒凸面ミラーを用いることもできる。さらには、光源2から発光される光のスポット光サイズが、分析に用いるカンチレバー3A,3B,3Cすべてに光を照射できる程度に大きい場合には、ロッドレンズ71等を用いることなく光源2からの光を1つのシリンドリカルレンズ73で集光するだけでカンチレバー3A,3B,3Cに照射することができる。
本実施形態においては、光源2として半導体レーザー照射装置を用い、また、ロッドレンズ71及びシリンドリカルレンズ72,73を組み合わせた集光手段7により、光源2から発せられた光はカンチレバー3A,3B,3Cが並置された向きに沿って直線状に集光されて、各カンチレバー3A,3B,3Cに照射されるようになっているものとする。
[3−2.カンチレバー]
カンチレバーセンサシステム1には、3つのカンチレバー3A,3B,3Cが設けられている。また、カンチレバー3A,3B,3Cは、それぞれ、上述した検出用カンチレバー及び補正用カンチレバーのいずれかであり、光源2が発した光を照射され、さらに、照射された光を反射できるようになっている。本実施形態においては、カンチレバー3A,3Bとしてそれぞれ別の特定物質を固定化した検出用カンチレバーを用い、カンチレバー3Cとしては参照物質を固定化した補正用カンチレバーを用いているものとする。
また、各カンチレバー3A,3B,3Cはそれぞれ対応した支持部材31A,31B,31Cから延在した直方体形状のカンチレバーとして形成されている。したがって、各指示部材31A,31B,31Cはそれぞれ1つのカンチレバー3A,3B,3Cを支持するようになっている。
さらに、カンチレバー3A,3B,3Cにおいては、図中下側の面に金属層(図1では図示省略)及び有機分子(図1では図示省略)を介して特定物質(図1では図示省略)及び参照物質(図1では図示省略)が固定化されている。また、図中上側の面32A,32B,32Cにはそれぞれ照射された光が効果的に反射しうるように表面処理が施されていて、これらの面は反射面として機能するようになっている。なお、以下適宜、これらの面32A,32B,32Cを反射面と呼ぶ。
また、カンチレバー3A,3B,3Cは、集光手段7により直線状に集光された光に沿って、上記所定方向に一列に並置されている。さらに、カンチレバー3A,3B,3Cは、互いに平行で、同じ向きに延在するように並置されている。したがって、集光手段7によって集光された光はカンチレバー3A,3B,3Cに照射される際には直線状となっているが、このように直線状に集光された光であっても、カンチレバー3A,3B,3C上の反射面32A,32B,32Cに照射し、これらの反射面32A,32B,32Cで反射させることが可能となる。即ち、本実施形態のような簡単な構成の光学系を用いてカンチレバー3A,3B,3Cへの光の照射を行なうことが可能となる。
ところで、上述したように光源2から発せられた光は集光手段7によって集光されて、カンチレバー3A,3B,3Cに照射される光は直線状となる。したがって、カンチレバー3A,3B,3Cの光によって照射される部位(以下適宜、「被照射部位」という)33A,33B,33Cも一列に直線上に並ぶことになる。ここで、光源2から発せられた光のうち、カンチレバー3A,3B,3Cが存在しない位置に照射された光は反射されないため、各カンチレバー3A,3B,3Cに対応した光のみが、対応するミラー4A,4B,4Cに向けて反射することになる。
さらに、カンチレバー3A,3B,3Cは、それぞれカンチレバーセンサシステム1に対して着脱可能に設けられている。具体的には、光源2が光を照射する部位には、図2に示すような検体を入れる透明容器8が設けられていて、この透明容器8に形成された支持具(カンチレバー装着部)81にカンチレバー3A,3B,3Cの支持部材31A,31B,31Cを固定することによって、カンチレバー3A,3B,3Cを透明容器8内に保持し、カンチレバーセンサシステム1に装着することができるようになっている。
詳しくは、透明容器8は光源2が発する光を透過しうるようになっていて、さらに、透明容器8内には、透明容器8に形成された孔82,83を通じて検体を注入・排出できるようになっている。さらに、本実施形態では、支持具81は透明容器8の天井面84に形成され、この支持具81と天井面84との間に支持部材31A,31B,31Cを挟み込むことで、カンチレバー3A,3B,3Cを装着するようになっている。
なお、図1においては透明容器8は図示を省略してある。また、図2において矢印は光を示す。
[3−3.ミラー]
カンチレバーセンサシステム1は、上記のカンチレバー3A,3B,3Cで反射した光を照射され、その照射された光の進行方向を所定の角度だけ変更させうる光学素子を備える。図1に示すように、本実施形態においては、この光学素子として、カンチレバー3A,3B,3C毎に、1対1で対応して、角度を調整可能に設けられた3個のミラー4A,4B,4Cを備えている。
ミラー4A,4B,4Cに制限は無く、本発明の効果を著しく損なわない限り任意の形状、寸法、材料で形成したものを用いることができる。本実施形態では、光源2が発する波長の光を高い反射率で反射しうる鏡面41A,41B,41Cを前面(図中右側の面)に形成された平板状のミラー4A,4B,4Cを用いているものとする。また、ミラー4A,4B,4Cの寸法は、カンチレバー3A,3B,3Cがたわんだ場合であってもカンチレバー3A,3B,3Cから照射される光を確実に反射しうるよう、十分な大きさに形成されているものとする。
さらに、ミラー4A,4B,4Cの背面には回転軸42A,42B,42Cが設けられている。そして、この回転軸42A,42B,42Cを軸として、各ミラー4A,4B,4Cはそれぞれ独立して、設置角度を調整すべく図中上下方向に揺動できるようになっている。なお、ミラー4A,4B,4Cの回転軸として、回転軸42A,42B,42Cに交差する方向に延在する軸(例えば回転軸42A,42B,42Cに垂直な軸)を更に設けることによって、各ミラー4A,4B,4Cをそれぞれ独立して、図中上下左右方向に揺動できるようにしてもよい。
これらのミラー4A,4B,4Cは、それぞれ、カンチレバー3A,3B,3Cで反射した光を、一度ミラー4A,4B,4Cでさらに反射させてから、受光素子5に照射するために設けられたものである。これにより、ミラー4A,4B,4Cの設置角度を個々に調整することにより、カンチレバー3A,3B,3Cで反射された光の進行方向をミラー4A,4B,4Cの設置角度に応じて所定の角度だけ変更して、受光素子5における受光位置を調整し、目的とする受光素子5の所望の初期位置に光を確実に照射できるようになっている。
また、ミラー4A,4B,4Cは、一列に並置されている。具体的には、それぞれの回転軸42A,42B,42Cの軸心が同一直線上に位置するようになっている。これにより、本実施形態のような簡単な構成の光学系を用いて、カンチレバー3A,3B,3Cで反射した光の進行方向を所定の角度だけ変更し、受光素子5への光の照射を行なうことが可能となる。
ところで、ミラー4A,4B,4Cのような光学素子には、照射された光の進行方向を所定の角度だけ変更させるようにするべく、角度調整機構を設けたり、角度調整操作を行なう際の作業空間を確保したりすることが望まれる。したがって、角度調整機構を設けるための空間や、作業空間を確保するべく、各ミラー4A,4B,4Cの間の距離は長いほうが好ましい。しかしながら、上述のように、各カンチレバー3A,3B,3Cは通常は同一検体を測定することになることから、カンチレバー3A,3B,3C間の距離は短いほうが、より少ない量の検体を測定することが可能となり好ましい。
以上の条件を満たすためには、光学系が、カンチレバー3A,3B,3Cで反射された光それぞれの間の距離が、カンチレバー3A,3B,3Cで反射される際に比べて、ミラー4A,4B,4Cで反射される際の方が長くなるように構成されていることが好ましい。即ち、カンチレバー3A,3B,3Cの被照射部位33A,33B,33Cの間の距離(特に、被照射部位33A,33B,33Cの中心間の距離。図1の符号L1参照)が、これらのカンチレバー3A,3B,3Cそれぞれに対応する光学素子であるミラー4A,4B,4Cの光の被照射部位43A,43B,43Cの間の距離(特に、被照射部位43A,43B,43Cの中心間の距離。図1の符号L2参照)よりも小さくなっていることが好ましい。
なお、この被照射部位33A,33B,33Cと被照射部位43A,43B,43Cとの関係は、少なくとも一対の(即ち、いずれか2個の)カンチレバー3A,3B,3Cにおいて成立していればよいが、より好ましくはすべてのカンチレバー3A,3B,3Cにおいて成立することが望ましい。
上記のような被照射部位33A,33B,33Cと被照射部位43A,43B,43Cとの関係を成立させるには、具体的には、例えば、各カンチレバー3A,3B,3Cを固定する支持具81等のカンチレバー支持部にそれぞれ傾斜を設けて、カンチレバー3A,3B,3Cで反射した光が広がるようにすれば良い。
また、カンチレバー3A,3B,3Cとミラー4A,4B,4Cとの間の距離は、装置構成上許容される限り短くすることが望ましい。これは、カンチレバー3A,3B,3Cとミラー4A,4B,4Cとの間の距離が短いほど、カンチレバー3A,3B,3Cそれぞれの固定位置の違いによる、ミラー4A,4B,4Cへの光の照射位置のずれを小さくすることができるからである。その結果、カンチレバー3A,3B,3Cの位置調整等を精密に行なわなくとも、カンチレバー3A,3B,3Cからミラー4A,4B,4Cへ確実に光を照射できるようになる。
本実施形態においても、カンチレバー3A,3B,3Cとミラー4A,4B,4Cとの間の距離を、上記の利点が得られる程度に十分に短く設定してあるものとする。
一方、ミラー4A,4B,4Cと、受光素子5との間の距離は長いほうが好ましい。カンチレバー3A,3B,3Cと受光素子5との間の光路長が長いほうが、カンチレバー3A,3B,3Cのたわみに対する、受光素子5の受光部位51A,51B,51Cの移動量の感度が向上する。したがって、カンチレバー3A,3B,3Cと、ミラー4A,4B,4Cとの間の距離を短くし、且つ、高い感度を得るためには、ミラー4A,4B,4Cと受光素子5との距離を長くすることが望ましい。
本実施形態においても、ミラー4A,4B,4Cと受光素子5との間の距離は、所望の検出感度を得ることができる程度に長く設定してあるものとする。
[3−4.受光素子]
受光素子5は、光学素子であるミラー4A,4B,4Cによって進行方向を変更された光を受光するものである。具体的には、ミラー4A,4B,4Cの鏡面41A,41B,41Cで反射した光を受光し、その受光した位置(以下適宜、「受光位置」という)の情報を移動量検知部6に送るようになっている。
受光素子5の種類に制限は無く、例えば、PSD(位置検出素子)、CCD(電荷結合素子)、CMOS受光素子等が用いられる。なお、これらの受光素子5は1つを単独で用いてもよく、2個以上を組み合わせて用いてもよい。本実施形態においては、CCDを受光素子5として用い、各ミラー4A,4B,4Cで反射した光をすべてその受光素子5で受光するようになっているものとする。
[3−5.移動量検知部]
移動量検知部6は、受光素子5の受光位置の情報を受け取って、各カンチレバー3A,3B,3Cに対応した光の受光位置の移動量を検知するものであり、コンピュータに上記移動量検知用のプログラムを読み込ませて構成したものである。
また、この移動量検知部6では、検知した受光位置の移動量から、各カンチレバー3A,3B,3Cのたわみ量を測定することができるようになっている。即ち、カンチレバー3A,3B,3Cにたわみが生じていれば受光素子5の受光位置が移動することになるため、この移動距離の情報を用いることで、移動量検知部6はカンチレバー3A,3B,3Cに生じるたわみの大きさを演算することができるようになっているのである。なお、たわみ量の測定に用いる受光位置として、受光素子5の受光部位51A,51B,51Cのどの位置を採用するかは適宜定めればよいが、例えば、各受光部位51A,51B,51Cの中心の位置を受光位置として採用することができる。
また、カンチレバー3A,3B,3Cからミラー4A,4B,4Cを経て受光素子5で受光されるまでの光路の長さが、各カンチレバー3A,3B,3C毎に異なっている場合には、その光路の長さの違いを考慮してたわみ量を演算し、測定するようにする。しかし、上記の光路の長さが各カンチレバー3A,3B,3Cで同じになる場合にはそのような必要は無く、例えば、相互作用によるたわみの有無を調べたり、たわみ量の単純な大小比較を行なったりする場合には、移動量検知部6は、単に受光位置の移動量を検知するだけで、各カンチレバー3A,3B,3Cのたわみに関する情報を得ることができる。したがって、分析操作を簡単にするためには、カンチレバー3A,3B,3Cの上記光路の長さは、所望の検出精度を満足する程度に等しくなるように設定することが望ましい。
[4.分析方法]
本実施形態のカンチレバーセンサシステム1を用いて検体中の検出対象物質の検出する分析を行なう場合には、まず、支持具81にカンチレバー3A,3B,3Cを装着した状態で、受光素子5における受光位置が所望の初期位置となるように、光学素子であるミラー4A,4B,4Cを調整する初期設定工程を行ない、その後、光源2からカンチレバー3A,3B,3Cに光を照射した状態でカンチレバー3A,3B,3Cに検体を接触させ、移動量検知部6に受光素子5における受光位置の移動量を検知させる検知工程とを行なうようにする。
[4−1.初期設定工程]
初期設定工程では、透明容器8に検出対象物質を含まない標準液を注入した後、光源2からカンチレバー3A,3B,3Cに光を照射する。照射された光は、カンチレバー3A,3B,3Cの反射面32A,32B,32Cで反射し、各カンチレバー3A,3B,3Cに対応したミラー4A,4B,4Cに照射される。ミラー4A,4B,4Cに照射された光は、鏡面41A,41B,41Cで反射することによって進行方向を変更され、受光素子5に向けて照射される。
この際、初期設定として、ミラー4A,4B,4Cを揺動させて、ミラー4A,4B,4Cで反射した光が受光素子5の所定の初期位置で受光されるように、即ち、受光素子5における受光位置が所定の初期位置となるように、各ミラー4A,4B,4Cの設置角度を調整する。そして、設置角度の調整後、各ミラー4A,4B,4Cの設置角度を固定し、分析操作中に動かないようにする。
通常は、カンチレバー3A,3B,3Cを複数用いた場合には各カンチレバー3A,3B,3C毎に光学系の調整を行なう必要があるが、従来のようにカンチレバー3A,3B,3C自体の設置位置や設置角度をそれぞれ調整していた場合には、そもそも光を受光素子に照射することが困難であった。これに対して、本実施形態のように位置や角度を調整することが可能な光学素子を用いて各カンチレバー3A,3B,3C毎に光学系の調整を行なうようにすれば、光学系の調整を容易に行なうことが可能となる。
なお、カンチレバー3A,3B,3Cからミラー4A,4B,4Cへは直接光が照射されることになるが、本実施形態においては、上述したようにカンチレバー3A,3B,3Cとミラー4A,4B,4Cとの間の距離を十分に短く設定し、さらに、ミラー4A,4B,4Cと受光素子5との間の距離は所望の検出感度を得ることができる程度に長く設定してあるため、カンチレバー3A,3B,3Cの位置調整等を精密に行なわなくとも、カンチレバー3A,3B,3Cからミラー4A,4B,4Cへ、十分な検出感度を確保しながら確実に光を照射することが可能である。
上記のような初期設定を行なうことで、各カンチレバー3A,3B,3Cで反射された光は、それぞれ、対応するミラー4A,4B,4Cで反射されることにより、ミラー4A,4B,4Cの設置角度に応じた所定の角度だけ進行方向を変更され、受光素子5に照射され、所定の初期位置において受光されるようになる。
[4−2.検知工程]
検知工程(分析工程)では、光源2からカンチレバー3A,3B,3Cに光を照射した状態で、透明容器8から標準液を除去し、検体を注入する。ここで、検知工程の当初は、光源2から照射された光は、カンチレバー3A,3B,3Cそれぞれの反射面32A,32B,32Cで反射し、ミラー4A,4B,4Cの鏡面41A,41B,41Cで反射されて、受光素子5の初期位置において受光されている。
透明容器8に注入された検体はカンチレバー3A,3B,3Cに接触するので、検出用カンチレバーであるカンチレバー3A,3Bに固定化された特定物質と相互作用しうる検出対象物質が検体に含有されていた場合には、特定物質と検出対象物質との相互作用によるたわみがカンチレバー3A,3Bに生じる。即ち、検知工程の当初には図3(a)のようにカンチレバー3A,3Bがたわんでいないとしても、特定物質91と検出対象物質92とが相互作用(図3では、結合)することによって、図3(b)に示すようにカンチレバー3A,3Bがたわむことになる。
また、検知工程を行なっている期間に環境変化等が生じると、その環境変化等に起因するたわみがカンチレバー3A,3Bに生じることがある。その場合には、補正用カンチレバーであるカンチレバー3Cにも、同様のたわみが生じる。
さて、上記のようにカンチレバー3A,3B,3Cにたわみが生じると、カンチレバー3A,3B,3Cで反射した光の進行方向は、各カンチレバー3A,3B,3Cのたわみ量に応じて変動する。そうすると、ミラー4A,4B,4Cへの光の進行方向も変動することになる。このため、ミラー4A,4B,4Cが常時ミラー4A,4B,4Cへ照射される光の進行方向を所定の角度だけ変更するようになっていることから、ミラー4A,4B,4Cによって反射された光の進行方向も変動することになる。これによって、結果的に、受光素子5における受光位置が、初期位置から移動することになる。
各カンチレバー3A,3B,3Cに対応した光の受光位置の情報は移動量検知部6に送られ、移動量検知部6がその情報を基に受光位置の移動量を検知し、さらに、カンチレバー3A,3B,3Cのたわみ量を測定する。したがって、上記のように受光素子5において受光位置が移動すると、移動量検知部6において各カンチレバー3A,3B,3Cのたわみ量が測定される。
ここで測定されるたわみ量のうち、検出用カンチレバーであるカンチレバー3A,3Bのたわみ量は、相互作用によるたわみと相互作用以外によるたわみとを含むものである。一方、補正用カンチレバーであるカンチレバー3Cのたわみ量は、相互作用以外によるたわみのみを含むものである。したがって、カンチレバー3A,3Bのたわみ量からカンチレバー3Cのたわみ量を引算すれば、相互作用によるたわみ量を得ることができる。よって、これを用いれば、検出液中の検出対象物質の有無、及びその濃度や量などを分析することが可能である。
[5.効果]
以上詳述したように、本実施形態のカンチレバーセンサシステム1、及び、それを用いた分析方法によれば、カンチレバー3A,3B,3Cから反射された光を、一度ミラー4A,4B,4Cでさらに反射させてから、受光素子5に照射するようにしたため、ミラー4A,4B,4Cの角度を個々に調整することにより、非常に簡単に、カンチレバー3A,3B,3Cから反射された光の受光素子5における受光位置を調整し、目的とする受光素子5の、所望の初期位置に光が照射されるようにすることができる。
また、特に光学素子として、角度を調整可能に設けられた鏡面41A,41B,41Cを有するミラー4A,4B,4Cを用いたため、ミラー4A,4B,4Cに照射された光の進行方向を容易に所定の角度だけ変えることが可能となり、より簡単な構成で光学系を調整することができるようになる。
さらに、本実施形態のようにカンチレバー3A,3B,3Cを支持する支持部材31A,31B,31Cを複数用いている場合、カンチレバー3A,3B,3Cを準備する際に、カンチレバー3A,3B,3Cにそれぞれ別種の特定物質を固定化する操作が容易となる。さらに、このような場合にはカンチレバー3A,3B,3C毎にカンチレバー3A,3B,3C自体の角度や位置を調整することが困難であることから、このような場合にこそ本発明の利点をより有効に発揮することができる。
また、本実施形態では、一つの支持部材31A,31B,31Cにつき1つのカンチレバー3A,3B,3Cを支持させるようにしているが、このような場合にはカンチレバー3A,3B,3C毎にカンチレバー3A,3B,3C自体の角度や位置を調整することがより煩雑であることから、このような場合も本発明の利点をより有効に発揮することができる。
さらに、本実施形態ではカンチレバー3A,3B,3C毎にミラー4A,4B,4Cが設けられているため、光学系の調整をより正確に行なうことが可能となる。即ち、ミラー4A、4B,4Cの数をカンチレバー3A,3B,3Cの数と同数にし、1つのミラー4A,4B,4Cで、1つのカンチレバー3A,3B,3Cからの光のみを反射するような構成にしてあるため、より正確に、受光素子5にカンチレバー3A,3B,3Cで反射された光を照射することが可能となる。
また、本実施形態においては、カンチレバー3A,3B,3Cやミラー4A,4B,4Cを一列に並置しているため、より簡単な構成の光学系を実現することが可能となる。
さらに、本実施形態においては、少なくとも一対のカンチレバー3A,3B,3Cの光の被照射部位33A,33B,33Cの間の距離が、カンチレバー3A,3B,3Cそれぞれに対応するミラー4A,4B,4Cの光の被照射部位43A,43B,43Cの間の距離よりも小さくなるように構成されているため、検体の少量化及び操作の容易化をともに実現することができるようになる。
[6.その他]
ところで、上記実施形態のようにカンチレバー3A,3B,3Cを着脱可能に設ける場合、上記カンチレバーセンサシステム1に用いる分析装置は、通常は、カンチレバー3A,3B,3Cを除くその他の構成部材で構成されたものとなる。具体的には、光源2と、光源2が発した光を照射され、照射された光を反射する、少なくとも2つのカンチレバー3A,3B,3Cを装着しうるカンチレバー装着部としての支持具81と、支持具81に装着されたカンチレバー3A,3B,3Cで反射した光を照射され、照射された光の進行方向を所定の角度だけ変更させうる少なくとも2つの光学素子としてのミラー4A,4B,4Cと、ミラー4A,4B,4Cによって進行方向を変更された光を受光する受光部としての受光素子5と、受光素子5における受光位置の移動量を検知する移動量検知部6とを備えた分析装置を用いることになる。このような分析装置も、本発明の範囲に含まれるものとする。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記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、任意に変形して実施することができる。
例えば、光学素子としてはプリズム、レンズ、光偏向素子を用いることもできる。即ち、上記実施形態においてミラーの代わりに上記のプリズム等を用い、プリズム等による反射や屈折により光の進行方向を変えるように構成することも可能である。
また、例えば、初期設定工程においてミラー等の光学素子の調整を行なうために、光学素子を、角度だけでなく、位置も調整可能に構成しておくようにしてもよい。
さらに、例えば、光学素子は、2以上のカンチレバーで共有するようにしてもよい。即ち、光学素子のうちの少なくとも1つを2以上のカンチレバーに対応して設け、2以上のカンチレバーで反射された光が同一のミラーに照射されるようにするようにすることも可能である。ただし、通常は、光学素子は、上記実施形態のようにカンチレバー毎に1対1で設けるようにすることが好ましい。
また、例えば、光学素子の数は、2個でもよく、また、4個以上でもよい。
さらに、カンチレバーで反射した光が、2以上の光学部材を経て受光部に照射されるようにしても構わない。
また、一つの支持部材に2以上のカンチレバーを支持させるようにしてもよい。ただし、その場合でも、一つの支持部材につきたわみ量を測定するカンチレバーは一つにすることが望ましい。
さらに、例えば、カンチレバーやミラーは、適宜、一列に並置する以外に、2列以上にしてもよく、無規則に配置してもかまわない。
また、例えば、カンチレバーの数は、2個でもよく、4個以上でもよい。
さらに、例えば、上記実施形態において説明しなかった他の部材についても、適宜、カンチレバーセンサシステムに組み合わせて用いることができる。
以下、実施例を示して本発明について具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例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任意に変形して実施することができる。
[実施例1]
測定に用いるカンチレバーとして、厚さ0.8μm、長さ200μm、幅40μmの窒化シリコン製カンチレバー(オリンパス株式会社製)を2つ用意した。なお、これらのカンチレバーには、片面のみに金がコートされている。また、これらのカンチレバーは、それぞれ、縦1.4mm、横3mm、厚さ0.5mmのガラス製支持部材上に形成されている。
上記の2つのカンチレバーのうち、1つを検出用カンチレバーとし、以下のプロセスにより表面の修飾を行なった。なお、表面修飾に際しては、支持部材もカンチレバーと共に処理を行なった。
まず、オゾンクリーナ((株)レーザーテクノ社製UVオゾンクリーナ)により5分間清浄化を行なった。そして、これを16−メルカプトヘキサデカン酸の10mMエタノール溶液中に室温で12時間浸し、エタノールで洗浄した後、十分に乾燥させた。
次に、N−hydroxysuccinimide及び、1−Ethyl−3−(3−dimethylaminopropyl)−carbodiimide hydrochlorideが、それぞれ5.0mM及び20.0mMの濃度となるように調整した水溶液中に室温で20分間浸し、水で洗浄した後、十分に乾燥させた。
最後に、0.3%BSA(ウシ血清アルブミン)水溶液に24時間浸し、水で洗浄した後、十分に乾燥させた。
一方、残り1つのカンチレバーを補正用カンチレバーとして、0.3%BSA水溶液に支持部材と共に24時間浸し、水で洗浄した後、十分に乾燥させた。
上記のようにして用意した検出用カンチレバーと補正用カンチレバーとを、両者が平行でかつ同じ向きになるように、測定用セル(透明容器)にセットした。この際、2つのカンチレバー間の距離は2mmとなるようにした。
測定用セルは、テフロン(登録商標)製のベース部をガラス基板で蓋をした構造になっており、このガラス基板を介してカンチレバーにレーザー光を照射し、カンチレバーからの反射光を取り出すことができる。また、この測定用セルには、液体の注入口が設けられており、そこから測定用セル内の液体を入れ替えを行うようになっている。
次に、He−Neレーザーからの出力光を、図6に示すように、ロッドレンズと、2つのシリンドリカルレンズとにより、幅50μm、長さ1cmの直線状になるように集光し、測定用セル(図6では図示省略)にセットした2つのカンチレバーの先端部に同時に照射した。
各カンチレバーからの2つの反射光は、独立して角度の調整が可能な別々のミラーに照射されるようにした。また、ミラーからの2つの反射光は、1つのCCD受光素子に照射されるように、ミラーの角度を調整した。なお、ミラーで反射される際の2つの反射光間の距離は1cmであった。またCCD受光素子の大きさは横6.45mm、縦4.84mmであった。
CCDカメラの出力画像をパソコンに取り込み、画像処理を行なうことによって、2つの光の受光部位の中心位置を求め、各カンチレバーのたわみ量の時間変動を測定した。なお、ここでは、カンチレバーのたわみ量として、カンチレバー先端部の角度の変動を測定した。
測定用セル内を水で満たした状態で測定を行なった結果を図7に示す。なお、図7において、出力は、検出用カンチレバーの値から、補正用カンチレバーの値を差し引いたものを用いた。この図7から、安定した出力が得られていることが分かる。
なお、本実施例の操作は、上記実施形態の初期設定工程に該当するものである。
[比較例1]
検出用カンチレバーと補正用カンチレバーとを、実施例1と同様にして作製した。
これらの検出用カンチレバーと補正用カンチレバーとを、両者が平行でかつ同じ向きになるように、実施例1と同様の測定用セルにセットした。この際、2つのカンチレバー間の距離は2mmとなるようにした。
次に、図8に示すように、測定用セルにセットした2つのカンチレバーから反射した光を、ミラーに反射させずに直接CCD受光素子に照射するようにした他は実施例1と同様にして、たわみ量測定を行なおうとした。しかしながら、CCD受光素子面での2つの反射光間の距離がCCD受光素子のサイズよりも長くなった為、同時に入射することができず、測定を行なうことができなかった。なお、図8においてはカンチレバーで反射した光が両方ともCCD受光素子に照射されている様子を図示したが、これは実験を行なう際に行なおうと意図した構成であり、実際には上記のようにカンチレバーで反射した光をともにCCD受光素子に照射することはできなかった。
[まとめ]
上記の実施例1及び比較例1から、本発明のカンチレバーセンサシステムを用いれば、2以上のカンチレバーを用いて検体の分析を行なう場合に、光学系の調整を容易に行なうことができることが確認された。
本発明のカンチレバーセンサ用セル及びセンサシステムは産業上の任意の分野で用いることが可能であるが、例えば、医療、食品分析、生体分析などの分野に用いて好適である。
本発明の一実施形態としてのカンチレバーセンサシステムの概要を示す模式的な斜視図である。 本発明の一実施形態としてのカンチレバーセンサシステムの要部を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態について説明するもので、(a)は検知工程当初のカンチレバーの様子を模式的に示す図であり、(b)は特定物質と検出対象物質とが相互作用することによってたわみを生じたカンチレバーの様子を模式的に示す図である。 検出用カンチレバーの一例について要部を表わす模式的な斜視図である。 検出用カンチレバーの一例について表面近傍を拡大して模式的に示す断面図である。 本発明の実施例1で用いたカンチレバーセンサシステムの概要を示す模式的な斜視図である。 本発明の実施例1で測定したたわみ量を示すグラフである。 比較例1で用いたカンチレバーセンサシステムの概要を示す模式的な図である。
符号の説明
1 カンチレバーセンサシステム
2 光源
3A,3B,3C カンチレバー
4A,4B,4C ミラー(光学素子)
5 受光素子(受光部)
6 移動量検知部
7 集光手段
8 透明容器
31A,31B,31C 支持部材
32A,32B,32C 反射面
33A,33B,33C 被照射部位
41A,41B,41C 鏡面
42A,42B,42C 回転軸
43A,43B,43C 被照射部位
51A,51B,51C 受光部位
71 ロッドレンズ
72,73 シリンドリカルレンズ
81 支持具(カンチレバー装着部)
82,83 孔
84 天井面
91 特定物質
92 検出対象物質
100 検出用カンチレバー
101 カンチレバー本体
102 特定物質
103 金属層
104 有機分子
105 相互作用部
106 支持部材
107 凹凸パターン
108 反射面

Claims (10)

  1. 光源と、
    該光源が発した光を照射され、照射された光を反射する、少なくとも2つのカンチレバーと、
    該カンチレバーで反射した光を照射され、照射された光の進行方向を所定の角度だけ変更させうる少なくとも2つの光学素子と、
    該光学素子によって進行方向を変更された光を受光する受光部と、
    該受光部における受光位置の移動量を検知する移動量検知部とを備える
    ことを特徴とする、カンチレバーセンサシステム。
  2. 該光学素子が、角度を調整可能に設けられた鏡面を有している
    ことを特徴とする、請求項1記載のカンチレバーセンサシステム。
  3. 該カンチレバーを支持する支持部材を少なくとも2個有し、
    該カンチレバーが、該支持部材のいずれかに支持されている
    ことを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載のカンチレバーセンサシステム。
  4. 該支持部材が、それぞれ1つの該カンチレバーを支持している
    ことを特徴とする、請求項3記載のカンチレバーセンサシステム。
  5. 該光学素子が、該カンチレバー毎に対応して設けられている
    ことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のカンチレバーセンサシステム。
  6. 該光学素子を3個以上備え、
    該光学素子が一列に並置されている
    ことを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載のカンチレバーセンサシステム。
  7. 該カンチレバーを3個以上備え、
    該カンチレバーが一列に並置されている
    ことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載のカンチレバーセンサシステム。
  8. 少なくとも一対の該カンチレバーの光の被照射部位間の距離が、該カンチレバーそれぞれに対応する該光学素子の光の被照射部位間の距離よりも小さい
    ことを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載のカンチレバーセンサシステム。
  9. 請求項1〜8のいずれか1項に記載のカンチレバーセンサシステムを用いて、検体中の検出対象物質を検知する分析方法であって、
    上記受光部における受光位置が所望の初期位置となるように、上記光学素子を調整する初期設定工程と、
    上記光源から上記カンチレバーに光を照射した状態で上記カンチレバーに上記検体を接触させ、上記移動量検知部に上記受光部における受光位置の移動量を検知させる検知工程とを有する
    ことを特徴とする、分析方法。
  10. 光源と、
    該光源が発した光を照射され、照射された光を反射する、少なくとも2つのカンチレバーを装着しうるカンチレバー装着部と、
    該カンチレバー装着部に装着された上記カンチレバーで反射した光を照射され、照射された光の進行方向を所定の角度だけ変更させうる少なくとも2つの光学素子と、
    該光学素子によって進行方向を変更された光を受光する受光部と、
    該受光部における受光位置の移動量を検知する移動量検知部とを備える
    ことを特徴とする、分析装置。
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