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JP2004301704A - Three-dimensional structure measuring device and three-dimensional structure measuring system - Google Patents

Three-dimensional structure measuring device and three-dimensional structure measuring system Download PDF

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JP2004301704A
JP2004301704A JP2003095643A JP2003095643A JP2004301704A JP 2004301704 A JP2004301704 A JP 2004301704A JP 2003095643 A JP2003095643 A JP 2003095643A JP 2003095643 A JP2003095643 A JP 2003095643A JP 2004301704 A JP2004301704 A JP 2004301704A
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sample
dimensional structure
rotor
microchip
measuring apparatus
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Koichiro Kawano
浩一郎 川野
Yujiro Naruse
雄二郎 成瀬
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

【課題】マイクロチップ上で3次元微小物の物理的構造を特定することができる3次元構造測定装置及び3次元構造測定システムを提供する。
【解決手段】3次元構造測定装置は、基板となるマイクロチップ1と、マイクロチップ1上に設けられ、上部に配置された試料を回転させるロータ4と、マイクロチップ1上に設けられ、試料にエネルギー線を照射する線源2と、ロータ4の周囲を取り囲んで配置され、試料を通過したエネルギー線を検出するセンサアレイ3、ロータ4を回転軸方向へ移動させる機構と、試料導入孔6及び試料吸引孔7とを備える。ロータ4を回転軸方向へ移動させる機構としては、静電モータや変形素子などが挙げられる。
【選択図】 図1
An object of the present invention is to provide a three-dimensional structure measuring apparatus and a three-dimensional structure measuring system capable of specifying a physical structure of a three-dimensional minute object on a microchip.
A three-dimensional structure measuring apparatus includes a microchip 1 serving as a substrate, a rotor 4 provided on the microchip 1 and rotating a sample disposed thereon, and a rotor 4 provided on the microchip 1 to provide a sample. A radiation source 2 for irradiating an energy beam, a sensor array 3 disposed around the rotor 4 for detecting the energy beam passing through the sample, a mechanism for moving the rotor 4 in the direction of the rotation axis, a sample introduction hole 6, And a sample suction hole 7. As a mechanism for moving the rotor 4 in the rotation axis direction, an electrostatic motor, a deformation element, or the like can be used.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小試料の3次元構造を測定するための装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年のマイクロマシン技術の発達により微小な3次元構造体をチップの中に作りこむことができるようになってきた。これにより、化学・生化学分析を行うことのできるμ−TAS(Micro Total Analysis System)をはじめとするさまざまな分析を行うことのできるマイクロチップが実現されつつある。μ−TASとは、数cm角程度のガラスやシリコン等のチップ上に送液、混合、反応、分析等の機能部を集積化した化学・生化学分析統合システムをいう(例えば、非特許文献1参照。)。
【0003】
ところで、これまで微小な3次元構造を測定・観測するためには、顕微鏡やレーザ顕微鏡、電子顕微鏡等の機器を用いているが、特にその内部構造を測定するためにはX線CTやMRIなどの装置を使用していた。
【0004】
【非特許文献1】
「生産研究」52巻7号、2000年7月、P304−311
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
これらの装置自体は、微小な試料に対して非常に大きく、マイクロチップに合わせて、装置をコンパクトにすることは困難であった。このため、μ−TASのような分析用のマイクロチップにおいて、チップ内にある化学種などの種類の特定や濃度の測定は行うことができるが、中に含まれる微小物の物理的構造の特定などを行うことはできなかった。又、ウィルスなどの分析を行うマイクロチップでは、使い捨てにできるほうが良いが、使い捨てできるほど低コスト化することは困難であった。
【0006】
そこで、上記の問題に鑑み、本発明は、マイクロチップ上で3次元微小物の物理的構造を特定することができる3次元構造測定装置及び3次元構造測定システムを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第1の特徴は、(イ)基板となるマイクロチップと、(ロ)マイクロチップ上に設けられ、上部に配置された試料を回転させるロータと、(ハ)マイクロチップ上に設けられ、試料にエネルギー線を照射する線源と、(ニ)ロータの周囲を取り囲んで配置され、試料を通過したエネルギー線を検出するセンサアレイと、(ホ)ロータを回転軸方向へ移動させる機構とを備える3次元構造測定装置であることを要旨とする。ここで「エネルギー線」とは、光線、X線、放射線、赤外線、アイソトープなどが該当する。
【0008】
本発明の第1の特徴に係る3次元構造測定装置によると、マイクロチップ上に、線源、センサアレイ等が配置され、マイクロチップ単体で3次元微小物の物理的構造を特定することができる。
【0009】
又、第1の特徴に係る3次元構造測定装置の回転軸方向へ移動させる機構は、静電モータ、変形素子、分子モータのいずれかであっても良い。特に分子モータを用いることにより、ナノオーダの試料の回転及び移動が可能となる。
【0010】
又、第1の特徴に係る3次元構造測定装置は、試料の流入流路を更に備えても良い。「試料の流入流路」とは、例えば、試料を導入するための試料導入孔、試料流路、試料吸引孔が形成されたカバープレートが挙げられる。このカバープレートをマイクロチップ上に配置することにより、試料の流入流路が得られる。
【0011】
又、第1の特徴に係る3次元構造測定装置の線源は、センサアレイの一部に設けられていても良く試料上に固定されても良い。試料上に固定する場合は、第1の特徴に係る3次元構造測定装置は、試料上に線源を固定する機構を更に備えても良い。試料上に線源を固定することは、特に、ナノオーダの試料の3次元構造測定を行う際の精度向上のために好ましい。線源を固定する機構として、マイクロピンセットあるいはカンチレバーを用いても良い。
【0012】
本発明の第2の特徴は、(イ)基板となるマイクロチップと、マイクロチップ上に設けられ、上部に配置された試料を回転させるロータと、マイクロチップ上に設けられ、試料にエネルギー線を照射する線源と、ロータの周囲を取り囲んで配置され、試料を通過したエネルギー線を検出するセンサアレイと、ロータを回転軸方向へ移動させる機構とを有する3次元構造測定装置と、(ロ)センサアレイから供給された電気信号を増幅させる増幅器と、(ハ)増幅器から得られた電気信号を演算回路によって演算し、その演算結果と、ロータから得られた試料の位置情報から、試料の3次元画像を得る情報処理部とを備えることを3次元構造測定システムであることを要旨とする。
【0013】
第2の特徴に係る3次元構造測定システムによると、マイクロチップ上で得られた試料の2次元断面画像及び試料の位置情報から、試料の3次元構造を特定することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の第1〜第2の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであることに留意すべきである。
【0015】
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態では、微小試料の3次元構造を測定する装置について説明する。ここで測定の対象となる試料は、粉じん、赤血球、白血球、細菌、花粉などの数〜数百μmオーダの微小試料である。
【0016】
第1の実施の形態に係る3次元構造測定装置は、図1(a)に示すように、基板となるマイクロチップ1と、マイクロチップ1上に設けられ、上部に配置された試料を回転させるロータ4と、マイクロチップ1上に設けられ、試料にエネルギー線を照射する線源2と、ロータ4の周囲を取り囲んで配置され、試料を通過したエネルギー線を検出するセンサアレイ3、ロータ4を回転軸方向へ移動させる機構と、試料導入孔6及び試料吸引孔7とを備える。
【0017】
マイクロチップ1は、数cm角程度の大きさであり、その材質としては、石英等のガラス材料やポリジメチルシロキサン(PDMS)等のシリコンゴム、あるいはポリメチルメタクリレート(PMMA)等のアクリル樹脂などが考えられる。又、ガラスエポキシ樹脂、ポリプロピレン(PP)やポリテトラフロロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂、シリコン等の半導体材料、金属等でも構わない。
【0018】
ロータ4は、円筒状の回転体と回転体を回転させる回転モータからなり、回転モータによって、回転体の上に配置した試料を回転させる。回転モータには、静電モータ等の機構を用いることにより、回転体自身が微小であっても回転運動をさせることが可能である。
【0019】
ロータ4を回転軸方向へ移動させる機構は、例えば、図1(b)に示すように、ネジ山13を形成した静電モータのステータ11と、ネジ溝12が形成されたロータ4を用いて、ロータ4に回転及び軸方向の移動を課すことができる。近年のマイクロ切削技術では10μm程度のネジ溝12の切削加工を行うことができる(http://www.micro.ne.jp/materials/sokeizaila.html参照)。これにより、ロータの回転と同時に、ロータ自体を軸方向に移動することができ、試料の3次元構造を測定することができる。
【0020】
又、ロータ4を回転軸方向へ移動させる機構として、図2に示すように、ロータ4下部に圧電素子やバイモルフ、形状記憶合金のような変形素子14を配置し、ロータ4を軸方向へ押し上げても良い。医療用のCTでは、試料を固定し線源とセンサを回転させているが、第1の実施の形態に係る3次元構造測定装置では、線源とセンサアレイを固定しているため、変形素子14を微小なチップに組み込む際のセンサや回転モータ等の配線等が容易になる。
【0021】
線源2は、光線、X線、放射線、赤外線、アイソトープなどの様々な線源が使用可能である。散乱効果を考慮すると、放射線(α線あるいはβ線)を用いることが望ましい。線源2は、図1では、センサアレイ3の一部に設けられているが、マイクロチップ1上のどの位置に設けられていても構わない。
【0022】
センサアレイ3は、図3(a)に示すように、ロータ4を囲むようにリング状に並んでいる。個々の素子は、例えば、図3(b)に示すように、P領域3a及びN領域3bを備える半導体PN接合で形成されている。この素子により、光線や放射線などをアナログ量で検出できる。第1の実施の形態においては、センサアレイ3は、線源2から放出され、ロータ4上の試料を通過した光線や放射線を検出する。この検出信号を解析することにより、試料の2次元断面画像を得ることができる。又、ロータ4が回転軸方向に移動するので、試料の2次元断面画像を解析することにより、3次元画像を得ることもできる。センサ素子は50〜100nm程度のサイズで作りこむことができるため、例えば、ロータ4の直径が1mmであれば、理論上、30,000〜60,000個程度の素子を持つセンサアレイ3の形成が可能であり、優れた解像度が得られる。
【0023】
又、試料5をロータ4上に導入する際に、マニピュレータ等の機構で直接試料5を配置しても良いが、図1(b)に示すように、試料を導入できるカバープレート10をマイクロチップ1上に配置しても良い。カバープレート10には、試料を導入するための試料導入孔6、試料流路8、試料吸引孔7が形成されている。カバープレート10をマイクロチップ1上に配置した後、試料流路8内に流体を満たす。そして、試料導入孔6に試料5を配置し、試料吸引孔7から流体を吸引すると、試料5は流体の流れに従って、中央のロータ4部まで導引される。このとき、ロータ4上に試料5を感知した場合に、流体の流れを止める機構を備える構成にしても良い。又、流体は、液体でも空気でも構わない。例えば、試料5が赤血球である場合は液体を用い、試料5が粉じんである場合は空気を用いることとしても良い。このように、試料の流入流路をマイクロチップ1上に備えることにより、容易に試料を目的の場所に移動させることができる。
【0024】
第1の実施の形態に係る3次元構造測定装置によると、マイクロチップ1上に、線源2、センサアレイ3等が配置され、従来、X線CTやMRIで行っていた3次元構造測定を、マイクロチップ1内で行うことができる。又、マイクロチップ1内に、線源2、センサアレイ3等の3次元構造測定機構が配置されているので、マイクロチップ1の使い捨てが可能となる。更に、第1の実施の形態に係る3次元構造測定装置は、ロータ4側が回転し、センサアレイ3などの検出側は回転をしないので、センサアレイ3に配線を施すことが容易であるという利点もある。
【0025】
次に、上述した3次元構造測定装置で得られた情報を処理する機構を含めた3次元構造測定システムについて説明する。
【0026】
第1の実施の形態に係る3次元構造測定システムは、図4に示すように、線源2、センサアレイ3、ロータ4、試料導入部6、7、増幅器15、情報処理部16とを備える。試料5は、試料導入孔6及び試料吸引孔7などからなる試料導入部から導入され、ロータ4上に配置される。線源2から放射された光線、放射線、赤外線などのエネルギー線は、試料5を通過した後に、センサアレイ3によって検出される。増幅器15は、センサアレイ3から供給された電気信号を増幅させ、微小な電気信号を検出する。尚、センサアレイ3の素子は、それぞれ増幅器15に接続されている。情報処理部16は、増幅器15から得られた電気信号を演算回路によって演算し、3次元像再構成アルゴリズムを用いて試料の2次元断面画像を構成する。情報処理部16は、ロータ4の回転制御を行うとともに、ロータ4から試料5の位置情報を得る。そして、得られた2次元断面画像演算結果及び試料5の位置情報から、試料の3次元画像の処理データ17を得る。
【0027】
図4において、線源2、センサアレイ3、ロータ4、試料導入部6、7がマイクロチップ1上に、増幅器15及び情報処理部16は、マイクロチップ1の外部に配置されているが、線源2、センサアレイ3、ロータ4、試料導入部6、7、増幅器15、情報処理部16のすべてをマイクロチップ1上に形成してもよい。
【0028】
第1の実施の形態に係る3次元構造測定システムによると、マイクロチップ1上で得られた試料の2次元断面画像及び試料5の位置情報から、試料の3次元構造を特定することができる。
【0029】
(第2の実施の形態)
第1の実施の形態で説明したように、マイクロオーダの微小試料の3次元構造を測定する装置は、MEMSのような半導体形成技術を用いて製作可能であるが、タンパク質、ウィルス、DNAなどのナノオーダの微小試料の構造を測定するには、更に工夫が必要である。第2の実施の形態では、このようなナノオーダの試料についても3次元構造を測定できる装置について説明する。
【0030】
ナノオーダ程度の微小構造物を扱うためには、回転モータとして、図1で説明した静電モータの代わりに、分子モータ30を用いると効果的である。図5に示すように、分子モータ30は、細菌のべん毛を回転させるモータであり、直径は1〜10nm程度でイオン濃度差で回転する(http://bunshi3.bio.nagoya−u.ac.jp/bunshi4/fla.html、あるいは、http://www.kyoto−np.co.jp/kp/sp ecial/yume/yume14.html参照)。分子モータ30には、体長の数倍の長さのらせん形をしたべん毛繊維(filament)20がスクリューとしてフック21を介してつながっており、回転の推進力を供給する。分子モータ30は、脂質二分子膜等(外膜22、内膜24)の中のペリプラズム23に形成され、その中に、イオンの流入エネルギーをエネルギー変換するモータ蛋白質複合体(Mot complex)や、モータの回転の方向を制御するスイッチ複合体(switch complex)が存在する。
【0031】
分子モータ30は、図6に示すように、対向するような形で軸につながれ、軸上に試料5が固定される。そして、分子モータ30を回転させることにより、試料5を回転させることができる。
【0032】
一方、試料5は、図7に示すようなロータ4上に配置される。第2の実施の形態においては、液体シンチレータ26に浸ったタンパク質などの試料5上に電子線源27が配置される。電子線源27から放出された電子線は、試料5を通過し、電子線検知用光センサアレイ25で検出される。ここで、電子線源27として、DNAを放射性標識した電子線(β線)を用い、試料5の3次元情報を取得する方法を以下に述べる。例えば、試料5として、300個のアミノ酸からなる球状のタンパク分子を使用すると仮定すると、分子量は約3万Da、直径は約4.3nmとなり、その密度は約1.49g/cm となる。炭素を主要成分として、10KeV電子の飛程パラメータを2.819E−4g/cmとして計算すると、飛程は1.9μmとなる(「放射線」山崎文男著、共立出版株式会社、1977参照)。電子のエネルギーがさらに低くなると、図8に示すように、ナノ領域の物質層からの情報収集が可能になる。固体中の電子の平均非弾性衝突距離は、50eV付近で5nm以下になる(「薄膜ハンドブック」オーム社、及び、「光電子分光学による表面構造及び表面結合の解明」、表面科学、シー・アール・ブランドル(「Elucidation of surface structure and bonding by photoelectron spectroscopy」, Surface Science 48, 99, 1975)参照)ので、10nmオーダのタンパク質に対しても電子線の散乱情報を得ることは可能である。ただし、タンパク質が水溶液中にあることを考えると、できるだけタンパク質に近接させて、電子線検知用光センサアレイ25を配置することが重要である。又、電子線源27の位置も試料5中に配置されていることが望ましい。尚、電子線検知用光センサアレイ25は、電子線源27を検出するため、その大きさはμmオーダである。
【0033】
更に、図9に示すように、MEMS技術の発達によりナノオーダのカンチレバー31をマイクロチップ1上に作成することが可能である。カンチレバー31は、電子線源27を試料5上に固定する。又、試料5上に電子線源27を固定する機構として、カンチレバー31の他にマイクロピンセット等を用いても構わない。このように、マイクロチップ1上に線源を固定する機構を設けることにより、容易に線源を固定することができる。
【0034】
又、第2の実施の形態においても、第1の実施の形態と同様に、図4に示すような3次元構造測定システムを備えることが可能である。
【0035】
第2の実施の形態に係る3次元構造測定装置によると、マイクロチップ1上に、電子線源27、電子線検知用センサアレイ25等が配置され、従来、X線CTやMRIで行っていた3次元構造測定を、マイクロチップ1内で行うことができる。更に、分子モータ30、電子線源27等の機構を備えるので、ナノオーダの微小試料の3次元構造を特定することができる。
【0036】
(その他の実施の形態)
本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【0037】
例えば、本発明の実施の形態において、微小試料として、粉じん、赤血球、白血球、タンパク質などを例として挙げたが、これに限らないことは勿論である。
【0038】
又、図3において、センサアレイ3の素子を円で、図7において、電子線検知用光センサアレイ25の素子を正方形で記載したが、これは便宜的なものであり、これらの素子の形状はこれに限られない。
【0039】
又、第1の実施の形態において、センサアレイ3は、半導体PN接合で構成されると説明したが、これに限らず、PIN接合のフォトダイオード等で構成されても構わない。
【0040】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【0041】
【発明の効果】
本発明によると、マイクロチップ上で3次元微小物の物理的構造を特定することができる3次元構造測定装置及び3次元構造測定システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、第1の実施に形態に係る3次元構造測定装置を上から見た図ある。
(b)は、第1の実施に形態に係る3次元構造測定装置の断面図である。
【図2】第1の実施に形態に係る3次元構造測定装置の他の断面図である。
【図3】(a)は、第1の実施に形態に係る3次元構造測定装置のセンサアレイを上から見た図ある。(b)は、第1の実施に形態に係る3次元構造測定装置のセンサアレイの断面図である。
【図4】第1の実施の形態に係る3次元構造測定システムの構成ブロック図である。
【図5】第2の実施の形態に係る3次元構造測定装置の分子モータの模式図である。
【図6】第2の実施の形態に係る分子モータを設置した3次元構造測定装置の概要図である。
【図7】第2の実施の形態に係る3次元構造測定装置のロータ部を上から見た図である。
【図8】固体中の電子の平均非弾性衝突距離を示すグラフである。
【図9】カンチレバーによって試料に電子線源を固定する模式図である。
【符号の説明】
1 チップ
2 線源
3 センサアレイ
3a P領域
3b N領域
3c 酸化膜
3d 配線
3e N型シリコン基板
4 ロータ
5 試料
6 試料導入孔
7 試料吸引孔
8 試料流路
11 ステータ
12 ネジ溝
13 ネジ山
14 変形素子
15 増幅器
16 情報処理部
17 画像、位置情報等の処理データ
20 繊維
21 フック
22 外膜
23 ペリプラズム
24 内膜
25 電子線検知用光センサアレイ
26 液体シンチレータ
27 電子線源
30 分子モータ
31 カンチレバー
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for measuring a three-dimensional structure of a micro sample.
[0002]
[Prior art]
Recent advances in micromachine technology have made it possible to create minute three-dimensional structures in chips. As a result, microchips capable of performing various analyzes such as μ-TAS (Micro Total Analysis System) capable of performing chemical and biochemical analyzes are being realized. μ-TAS refers to an integrated chemical / biochemical analysis system in which functional units for liquid feeding, mixing, reaction, analysis, etc. are integrated on a chip of about several cm square, such as glass or silicon. 1).
[0003]
By the way, to measure and observe a minute three-dimensional structure, a microscope, a laser microscope, an electron microscope and the like have been used, but in order to measure the internal structure, in particular, X-ray CT, MRI, etc. Was used.
[0004]
[Non-patent document 1]
"Production Research," Vol. 52, No. 7, July 2000, P304-311
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
These devices themselves are very large for minute samples, and it has been difficult to make the devices compact in accordance with the microchip. For this reason, in an analysis microchip such as μ-TAS, it is possible to specify the kind of chemical species and the like and measure the concentration in the chip, but to specify the physical structure of the minute substance contained therein. I couldn't do that. Also, a microchip for analyzing viruses and the like is preferably disposable, but it was difficult to reduce the cost as disposable.
[0006]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a three-dimensional structure measuring apparatus and a three-dimensional structure measuring system capable of specifying the physical structure of a three-dimensional minute object on a microchip.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first feature of the present invention is (a) a microchip serving as a substrate, (b) a rotor provided on the microchip and configured to rotate a sample placed thereon, (c) ) A radiation source provided on the microchip and irradiating the sample with energy rays, (d) a sensor array arranged around the rotor and detecting the energy rays passing through the sample, and (e) rotating the rotor. The gist is to provide a three-dimensional structure measuring apparatus including a mechanism for moving in the axial direction. Here, “energy rays” correspond to light rays, X-rays, radiation, infrared rays, isotopes, and the like.
[0008]
According to the three-dimensional structure measuring apparatus according to the first aspect of the present invention, the radiation source, the sensor array, and the like are arranged on the microchip, and the physical structure of the three-dimensional minute object can be specified by the microchip alone. .
[0009]
Further, the mechanism for moving the three-dimensional structure measuring apparatus according to the first feature in the rotation axis direction may be any one of an electrostatic motor, a deformation element, and a molecular motor. In particular, the use of a molecular motor makes it possible to rotate and move a nano-order sample.
[0010]
Further, the three-dimensional structure measuring apparatus according to the first feature may further include a sample inflow channel. The “sample inflow channel” includes, for example, a cover plate in which a sample introduction hole for introducing a sample, a sample channel, and a sample suction hole are formed. By disposing the cover plate on the microchip, a sample inflow channel is obtained.
[0011]
Further, the radiation source of the three-dimensional structure measuring apparatus according to the first feature may be provided in a part of the sensor array or may be fixed on the sample. When fixed on a sample, the three-dimensional structure measuring apparatus according to the first feature may further include a mechanism for fixing the radiation source on the sample. Fixing the radiation source on the sample is particularly preferable for improving the accuracy when measuring the three-dimensional structure of the sample on the order of nanometers. Micro tweezers or cantilevers may be used as a mechanism for fixing the radiation source.
[0012]
A second feature of the present invention is that (a) a microchip serving as a substrate, a rotor provided on the microchip and rotating a sample disposed thereon, and a rotor provided on the microchip to apply energy rays to the sample. (B) a three-dimensional structure measuring apparatus having a radiation source to be irradiated, a sensor array arranged to surround the rotor and detecting an energy ray passing through the sample, and a mechanism for moving the rotor in the direction of the rotation axis; An amplifier for amplifying the electric signal supplied from the sensor array, and (c) an electric circuit obtained from the amplifier is operated by an operation circuit. The gist of the present invention is to provide a three-dimensional structure measurement system including an information processing unit for obtaining a three-dimensional image.
[0013]
According to the three-dimensional structure measurement system according to the second feature, the three-dimensional structure of the sample can be specified from the two-dimensional cross-sectional image of the sample obtained on the microchip and the position information of the sample.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, first and second embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic.
[0015]
(First Embodiment)
In the first embodiment, an apparatus for measuring a three-dimensional structure of a micro sample will be described. The sample to be measured here is a minute sample of the order of several to several hundred μm such as dust, red blood cells, white blood cells, bacteria, pollen and the like.
[0016]
The three-dimensional structure measuring apparatus according to the first embodiment, as shown in FIG. 1A, rotates a microchip 1 serving as a substrate and a sample provided on the microchip 1 and disposed on the top. A rotor 4, a radiation source 2 provided on the microchip 1 for irradiating the sample with energy rays, a sensor array 3 disposed around the rotor 4 and detecting energy rays passing through the sample, and a rotor 4. A mechanism for moving in the direction of the rotation axis, a sample introduction hole 6 and a sample suction hole 7 are provided.
[0017]
The microchip 1 has a size of about several cm square, and is made of a glass material such as quartz, silicon rubber such as polydimethylsiloxane (PDMS), or an acrylic resin such as polymethyl methacrylate (PMMA). Conceivable. Further, a glass epoxy resin, a fluorine resin such as polypropylene (PP) or polytetrafluoroethylene (PTFE), a semiconductor material such as silicon, a metal, or the like may be used.
[0018]
The rotor 4 includes a cylindrical rotating body and a rotating motor for rotating the rotating body, and the rotating motor rotates the sample placed on the rotating body. By using a mechanism such as an electrostatic motor as the rotating motor, it is possible to make the rotating body perform a rotating motion even if the rotating body itself is minute.
[0019]
As a mechanism for moving the rotor 4 in the direction of the rotation axis, for example, as shown in FIG. 1B, a stator 11 of an electrostatic motor having a thread 13 and a rotor 4 having a thread groove 12 are used. In addition, rotation and axial movement can be imposed on the rotor 4. With the recent micro-cutting technology, it is possible to cut a thread groove 12 of about 10 μm (refer to http://www.micro.ne.jp/materials/sokeizaila.html ). Accordingly, the rotor itself can be moved in the axial direction at the same time as the rotation of the rotor, and the three-dimensional structure of the sample can be measured.
[0020]
As a mechanism for moving the rotor 4 in the rotation axis direction, as shown in FIG. 2, a deformation element 14 such as a piezoelectric element, a bimorph, or a shape memory alloy is arranged below the rotor 4 to push up the rotor 4 in the axial direction. May be. In the medical CT, the sample is fixed and the radiation source and the sensor are rotated. However, in the three-dimensional structure measuring apparatus according to the first embodiment, since the radiation source and the sensor array are fixed, the deformation element Wiring of a sensor, a rotary motor, and the like when 14 is incorporated in a minute chip becomes easy.
[0021]
As the radiation source 2, various radiation sources such as light rays, X-rays, radiation, infrared rays, and isotopes can be used. Considering the scattering effect, it is desirable to use radiation (α rays or β rays). Although the radiation source 2 is provided in a part of the sensor array 3 in FIG. 1, the radiation source 2 may be provided at any position on the microchip 1.
[0022]
As shown in FIG. 3A, the sensor arrays 3 are arranged in a ring shape so as to surround the rotor 4. Each element is formed of a semiconductor PN junction including a P region 3a and an N + region 3b, for example, as shown in FIG. With this element, light rays and radiation can be detected in analog quantities. In the first embodiment, the sensor array 3 detects light rays and radiation emitted from the radiation source 2 and passing through the sample on the rotor 4. By analyzing this detection signal, a two-dimensional cross-sectional image of the sample can be obtained. Further, since the rotor 4 moves in the rotation axis direction, a three-dimensional image can be obtained by analyzing a two-dimensional cross-sectional image of the sample. Since the sensor element can be formed in a size of about 50 to 100 nm, for example, if the diameter of the rotor 4 is 1 mm, a sensor array 3 having about 30,000 to 60,000 elements is theoretically formed. And excellent resolution can be obtained.
[0023]
When the sample 5 is introduced onto the rotor 4, the sample 5 may be directly arranged by a mechanism such as a manipulator. However, as shown in FIG. 1 may be arranged. In the cover plate 10, a sample introduction hole 6, a sample flow path 8, and a sample suction hole 7 for introducing a sample are formed. After disposing the cover plate 10 on the microchip 1, the sample channel 8 is filled with fluid. When the sample 5 is placed in the sample introduction hole 6 and the fluid is sucked from the sample suction hole 7, the sample 5 is guided to the central rotor 4 according to the flow of the fluid. At this time, when the sample 5 is detected on the rotor 4, a configuration may be provided in which a mechanism for stopping the flow of the fluid is provided. The fluid may be liquid or air. For example, when the sample 5 is red blood cells, a liquid may be used, and when the sample 5 is dusty, air may be used. By providing the sample inflow channel on the microchip 1 as described above, the sample can be easily moved to a target location.
[0024]
According to the three-dimensional structure measuring apparatus according to the first embodiment, the radiation source 2, the sensor array 3, and the like are arranged on the microchip 1, and the three-dimensional structure measurement conventionally performed by X-ray CT or MRI is performed. , Within the microchip 1. Further, since the three-dimensional structure measuring mechanism such as the radiation source 2 and the sensor array 3 is arranged in the microchip 1, the microchip 1 can be disposable. Furthermore, since the three-dimensional structure measuring apparatus according to the first embodiment rotates on the rotor 4 side and does not rotate on the detection side such as the sensor array 3, it is easy to wire the sensor array 3. There is also.
[0025]
Next, a three-dimensional structure measuring system including a mechanism for processing information obtained by the above-described three-dimensional structure measuring apparatus will be described.
[0026]
As shown in FIG. 4, the three-dimensional structure measurement system according to the first embodiment includes a radiation source 2, a sensor array 3, a rotor 4, sample introduction units 6, 7, an amplifier 15, and an information processing unit 16. . The sample 5 is introduced from a sample introduction part including a sample introduction hole 6 and a sample suction hole 7 and arranged on the rotor 4. Energy rays such as light rays, radiation, and infrared rays emitted from the radiation source 2 are detected by the sensor array 3 after passing through the sample 5. The amplifier 15 amplifies the electric signal supplied from the sensor array 3 and detects a small electric signal. The elements of the sensor array 3 are connected to an amplifier 15 respectively. The information processing section 16 calculates an electric signal obtained from the amplifier 15 by an arithmetic circuit, and forms a two-dimensional cross-sectional image of the sample using a three-dimensional image reconstruction algorithm. The information processing unit 16 controls the rotation of the rotor 4 and obtains position information of the sample 5 from the rotor 4. Then, processing data 17 of a three-dimensional image of the sample is obtained from the obtained two-dimensional sectional image calculation result and the position information of the sample 5.
[0027]
In FIG. 4, the radiation source 2, the sensor array 3, the rotor 4, and the sample introduction units 6 and 7 are arranged on the microchip 1, and the amplifier 15 and the information processing unit 16 are arranged outside the microchip 1. The source 2, the sensor array 3, the rotor 4, the sample introduction units 6 and 7, the amplifier 15, and the information processing unit 16 may all be formed on the microchip 1.
[0028]
According to the three-dimensional structure measurement system according to the first embodiment, the three-dimensional structure of the sample can be specified from the two-dimensional cross-sectional image of the sample obtained on the microchip 1 and the position information of the sample 5.
[0029]
(Second embodiment)
As described in the first embodiment, an apparatus for measuring the three-dimensional structure of a micro-order micro sample can be manufactured by using a semiconductor forming technique such as MEMS. In order to measure the structure of a nano-order minute sample, further measures are required. In the second embodiment, an apparatus capable of measuring a three-dimensional structure of such a nano-order sample will be described.
[0030]
In order to handle a minute structure on the order of nanometers, it is effective to use a molecular motor 30 instead of the electrostatic motor described with reference to FIG. As shown in FIG. 5, the molecular motor 30 is a motor for rotating the flagella of bacteria, and has a diameter of about 1 to 10 nm and rotates with a difference in ion concentration ( http://bunshi3.bio.nagoya-u.ac. jp / bunshi4 / fla.html or,, see http://www.kyoto-np.co.jp/kp/sp ecial / yume / yume14.html). A helical filament 20 having a length several times as long as the body length is connected to the molecular motor 30 via a hook 21 as a screw to supply a driving force for rotation. The molecular motor 30 is formed in the periplasm 23 in a lipid bilayer or the like (outer membrane 22, inner membrane 24), and contains therein a motor protein complex (Mot complex) that converts the inflow energy of ions into energy, There is a switch complex that controls the direction of rotation of the motor.
[0031]
As shown in FIG. 6, the molecular motor 30 is connected to a shaft so as to face each other, and the sample 5 is fixed on the shaft. Then, the sample 5 can be rotated by rotating the molecular motor 30.
[0032]
On the other hand, the sample 5 is arranged on the rotor 4 as shown in FIG. In the second embodiment, an electron beam source 27 is arranged on a sample 5 such as a protein immersed in a liquid scintillator 26. The electron beam emitted from the electron beam source 27 passes through the sample 5 and is detected by the electron beam detecting optical sensor array 25. Here, a method for acquiring three-dimensional information of the sample 5 using an electron beam (β-ray) obtained by radiolabeling DNA as the electron beam source 27 will be described below. For example, assuming that a spherical protein molecule composed of 300 amino acids is used as the sample 5, the molecular weight is about 30,000 Da, the diameter is about 4.3 nm, and the density is about 1.49 g / cm 3 . When the range parameter of 10 KeV electrons is calculated as 2.819E-4 g / cm 2 with carbon as a main component, the range is 1.9 μm (“Radiation” written by Fumio Yamazaki, Kyoritsu Shuppan Co., Ltd., 1977). When the energy of the electrons is further reduced, information can be collected from the material layer in the nano region as shown in FIG. The average inelastic collision distance of electrons in a solid is less than 5 nm near 50 eV ("Thin Film Handbook" Ohm Co., and "Elucidation of surface structure and surface coupling by photoelectron spectroscopy", Surface Science, CRL Brandle (see "Elucidation of surface structure and bonding by photoelectron spectroscopy", Surface Science 48, 99, 1975). However, considering that the protein is in the aqueous solution, it is important to arrange the electron beam detecting optical sensor array 25 as close to the protein as possible. Further, it is desirable that the position of the electron beam source 27 is also arranged in the sample 5. The size of the electron beam detecting optical sensor array 25 is on the order of μm in order to detect the electron beam source 27.
[0033]
Further, as shown in FIG. 9, it is possible to form a nano-order cantilever 31 on the microchip 1 by the development of the MEMS technology. The cantilever 31 fixes the electron beam source 27 on the sample 5. As a mechanism for fixing the electron beam source 27 on the sample 5, micro tweezers or the like may be used instead of the cantilever 31. By providing a mechanism for fixing the radiation source on the microchip 1, the radiation source can be easily fixed.
[0034]
Further, also in the second embodiment, it is possible to provide a three-dimensional structure measuring system as shown in FIG. 4, as in the first embodiment.
[0035]
According to the three-dimensional structure measuring apparatus according to the second embodiment, the electron beam source 27, the sensor array 25 for detecting an electron beam, and the like are arranged on the microchip 1 and conventionally performed by X-ray CT or MRI. The three-dimensional structure measurement can be performed in the microchip 1. Furthermore, since a mechanism such as the molecular motor 30 and the electron beam source 27 is provided, a three-dimensional structure of a nano-order minute sample can be specified.
[0036]
(Other embodiments)
Although the present invention has been described with the above embodiments, it should not be understood that the description and drawings forming part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operation techniques will be apparent to those skilled in the art.
[0037]
For example, in the embodiment of the present invention, dust, erythrocytes, leukocytes, proteins, and the like have been described as examples of the minute sample, but it is needless to say that the present invention is not limited thereto.
[0038]
In FIG. 3, the elements of the sensor array 3 are indicated by circles, and in FIG. 7, the elements of the electron beam detecting optical sensor array 25 are indicated by squares. Is not limited to this.
[0039]
In the first embodiment, the sensor array 3 has been described as being configured with a semiconductor PN junction, but is not limited thereto, and may be configured with a PIN junction photodiode or the like.
[0040]
As described above, the present invention naturally includes various embodiments and the like not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is determined only by the invention specifying matters according to the claims that are appropriate from the above description.
[0041]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a three-dimensional structure measuring apparatus and a three-dimensional structure measuring system capable of specifying the physical structure of a three-dimensional minute object on a microchip.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a top view of a three-dimensional structure measuring apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2B is a cross-sectional view of the three-dimensional structure measuring apparatus according to the first embodiment.
FIG. 2 is another cross-sectional view of the three-dimensional structure measuring apparatus according to the first embodiment.
FIG. 3A is a diagram illustrating a sensor array of the three-dimensional structure measuring apparatus according to the first embodiment as viewed from above. (B) is a sectional view of a sensor array of the three-dimensional structure measuring apparatus according to the first embodiment.
FIG. 4 is a configuration block diagram of a three-dimensional structure measurement system according to the first embodiment.
FIG. 5 is a schematic view of a molecular motor of the three-dimensional structure measuring apparatus according to the second embodiment.
FIG. 6 is a schematic diagram of a three-dimensional structure measuring apparatus provided with a molecular motor according to a second embodiment.
FIG. 7 is a top view of a rotor unit of the three-dimensional structure measuring apparatus according to the second embodiment.
FIG. 8 is a graph showing an average inelastic collision distance of electrons in a solid.
FIG. 9 is a schematic diagram in which an electron beam source is fixed to a sample by a cantilever.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 Chip 2 Source 3 Sensor array 3a P region 3b N + region 3c Oxide film 3d Wiring 3e N-type silicon substrate 4 Rotor 5 Sample 6 Sample introduction hole 7 Sample suction hole 8 Sample flow path 11 Stator 12 Thread groove 13 Thread 14 Deformation element 15 Amplifier 16 Information processing unit 17 Processing data such as image and position information 20 Fiber 21 Hook 22 Outer membrane 23 Periplasm 24 Inner membrane 25 Electron beam detecting optical sensor array 26 Liquid scintillator 27 Electron beam source 30 Molecular motor 31 Cantilever

Claims (7)

基板となるマイクロチップと、
該マイクロチップ上に設けられ、上部に配置された試料を回転させるロータと、
前記マイクロチップ上に設けられ、前記試料にエネルギー線を照射する線源と、
前記ロータの周囲を取り囲んで配置され、前記試料を通過したエネルギー線を検出するセンサアレイと、
前記ロータを回転軸方向へ移動させる機構と
を備えることを特徴とする3次元構造測定装置。
A microchip serving as a substrate,
A rotor that is provided on the microchip and rotates a sample disposed on the top,
A source provided on the microchip and irradiating the sample with energy rays,
A sensor array that is arranged around the rotor and detects energy rays that have passed through the sample,
A mechanism for moving the rotor in the direction of the rotation axis.
前記移動させる機構は、静電モータ、変形素子、分子モータのいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の3次元構造測定装置。The three-dimensional structure measuring apparatus according to claim 1, wherein the moving mechanism is any one of an electrostatic motor, a deformation element, and a molecular motor. 前記試料の流入流路を更に備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の3次元構造測定装置。The three-dimensional structure measuring apparatus according to claim 1, further comprising an inflow channel of the sample. 前記線源は、前記センサアレイの一部に設けられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の3次元構造測定装置。The three-dimensional structure measuring apparatus according to claim 1, wherein the radiation source is provided in a part of the sensor array. 前記線源は、前記試料上に固定され、前記試料上に前記線源を固定する機構を更に備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の3次元構造測定装置。The three-dimensional structure measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the radiation source is fixed on the sample, and further includes a mechanism for fixing the radiation source on the sample. 前記線源を固定する機構は、マイクロピンセットあるいはカンチレバーであることを特徴とする請求項5に記載の3次元構造測定装置。The three-dimensional structure measuring apparatus according to claim 5, wherein the mechanism for fixing the radiation source is a micro-tweezer or a cantilever. 基板となるマイクロチップと、該マイクロチップ上に設けられ、上部に配置された試料を回転させるロータと、前記マイクロチップ上に設けられ、前記試料にエネルギー線を照射する線源と、前記ロータの周囲を取り囲んで配置され、前記試料を通過したエネルギー線を検出するセンサアレイと、前記ロータを回転軸方向へ移動させる機構とを有する3次元構造測定装置と、
センサアレイから供給された電気信号を増幅させる増幅器と、
該増幅器から得られた電気信号を演算回路によって演算し、その演算結果と、前記ロータから得られた前記試料の位置情報から、試料の3次元画像を得る情報処理部と
を備えることを特徴とする3次元構造測定システム。
A microchip serving as a substrate, a rotor provided on the microchip and rotating a sample disposed thereon, a source provided on the microchip and irradiating the sample with energy rays, and A sensor array that is arranged around the periphery and detects an energy ray that has passed through the sample, and a three-dimensional structure measuring apparatus that has a mechanism that moves the rotor in a rotation axis direction;
An amplifier for amplifying the electric signal supplied from the sensor array,
An information processing unit that calculates an electrical signal obtained from the amplifier by a calculation circuit, and obtains a three-dimensional image of the sample from the calculation result and positional information of the sample obtained from the rotor. Three-dimensional structure measurement system.
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