[go: up one dir, main page]

JP2007010518A - Target substance detection method and detection apparatus using cantilever sensor - Google Patents

Target substance detection method and detection apparatus using cantilever sensor Download PDF

Info

Publication number
JP2007010518A
JP2007010518A JP2005192606A JP2005192606A JP2007010518A JP 2007010518 A JP2007010518 A JP 2007010518A JP 2005192606 A JP2005192606 A JP 2005192606A JP 2005192606 A JP2005192606 A JP 2005192606A JP 2007010518 A JP2007010518 A JP 2007010518A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cantilever
target
resonance frequency
target substance
substance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2005192606A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akira Kuriyama
朗 栗山
Takeyuki Sone
岳之 曽根
Kyoji Yano
亨治 矢野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP2005192606A priority Critical patent/JP2007010518A/en
Publication of JP2007010518A publication Critical patent/JP2007010518A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)

Abstract

【課題】 ターゲット物質相互間の斥力による影響を回避して、カンチレバーの表面上にターゲット物質認識物質との結合を介して、付着するターゲット物質の面密度をより高めることが可能であり、その荷重によって、カンチレバーの共振周波数の変化量をより大きくでき、高い検出感度でターゲット物質の検出を可能とする検出方法の提供。
【解決手段】 外力を加えて、予め撓んだ状態とした上で、カンチレバーとターゲット物質と接触させると、ターゲット物質同士の斥力が小さい状態で、ターゲット物質認識物質との結合を介して、ターゲット物質の付着がなされ、その後、カンチレバーを撓ませていた外力を取り除き、カンチレバーの共振周波数の変化量を測定すると、より高い検出感度、また、より簡易な手順でターゲット物質の検出が可能となる。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the surface density of a target material that adheres to the surface of a cantilever through binding with a target material recognizing material by avoiding the influence of repulsive force between target materials. Provides a detection method capable of increasing the amount of change in the resonant frequency of the cantilever and detecting the target substance with high detection sensitivity.
When a cantilever and a target material are brought into contact with a target material after applying an external force in advance, the target material is coupled with the target material recognition material in a state where the repulsive force between the target materials is small. After the substance is attached, the external force that has bent the cantilever is removed, and the amount of change in the resonance frequency of the cantilever is measured, so that the detection of the target substance can be performed with higher detection sensitivity and with a simpler procedure.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、カンチレバーセンサを利用して、ターゲット物質を検出する方法、ならびに該検出方法に基づく、ターゲット物質の検出装置に関する。特には、原子間力顕微鏡(AFM)等のようなプローブ式顕微鏡において、微小な力の検出用プローブとして利用されている片持ち梁式針(以下、カンチレバー)を応用して、高い検出感度でターゲット物質を検出する方法、ならびに該方法に基づく、高い検出感度を有するターゲット物質の検出装置に関する。   The present invention relates to a method for detecting a target material using a cantilever sensor, and a target material detection apparatus based on the detection method. In particular, in a probe-type microscope such as an atomic force microscope (AFM), a target material is applied with a high detection sensitivity by applying a cantilever needle (hereinafter referred to as a cantilever) used as a probe for detecting a minute force. And a target substance detection device having high detection sensitivity based on the method.

カンチレバーセンサでは、片持ち梁式針(以下、カンチレバー)の撓み量は、カンチレバー表面の曲げ応力に比例するという特質を利用して、曲げ応力の変化を撓み量変化として検出する手法が、多く利用されている。例えば、プローブ式顕微鏡の検出用プローブでは、カンチレバー先端に加わる微小な力、例えば、原子間力の変化を高い感度で検出する手段として利用されている。   In the cantilever sensor, a method of detecting a change in bending stress as a change in bending amount is utilized by utilizing the characteristic that the amount of bending of a cantilever needle (hereinafter, cantilever) is proportional to the bending stress of the cantilever surface. Yes. For example, a detection probe of a probe microscope is used as a means for detecting a small force applied to the tip of a cantilever, for example, a change in atomic force with high sensitivity.

カンチレバーセンサを応用して、ターゲット物質を検出する方法として、カンチレバー表面にターゲット物質を選択的に結合させることにより、カンチレバー表面の曲げ応力の変化を誘起させる方法が検討されている。例えば、ターゲット物質に対して、特異的な結合性を示す物質(ターゲット物質認識物質)、例えば、ターゲット物質である抗原に対して、特異的な抗原抗体反応性を有する抗体分子をカンチレバーの表面上に固定する。このカンチレバーを、ターゲット物質(例えば、抗原)を含有している試料と接触させると、ターゲット物質(例えば、抗原)は、特異的な結合性を示す物質(ターゲット物質認識物質、例えば、特異的抗体)との結合を介して、カンチレバーの表面上に付着した状態となる。その際、カンチレバー先端部の表面上に付着するターゲット物質自体の荷重に起因して、カンチレバー全体に加わる曲げ応力が増加し、結果的に、カンチレバー先端部の撓み量が増加する。   As a method of detecting a target material by applying a cantilever sensor, a method of inducing a change in bending stress on the cantilever surface by selectively binding the target material to the cantilever surface has been studied. For example, a substance that specifically binds to a target substance (a target substance recognition substance), for example, an antibody molecule having a specific antigen-antibody reactivity to an antigen that is a target substance is placed on the surface of the cantilever. To fix. When this cantilever is brought into contact with a sample containing a target substance (for example, antigen), the target substance (for example, antigen) becomes a substance that exhibits specific binding properties (a target substance recognition substance, for example, a specific antibody). ) And attached to the surface of the cantilever. At that time, due to the load of the target material itself adhering to the surface of the cantilever tip, bending stress applied to the entire cantilever increases, and as a result, the amount of bending of the cantilever tip increases.

加えて、カンチレバー先端部の表面上に付着するターゲット物質自体の荷重に起因して、カンチレバー全体の質量mも増加するため、カンチレバーの共振周波数ωが変化する。このような原理を応用して、カンチレバーを用いてターゲット物質の検出する方法としては、非特許文献1,2に示すような方法が検討されている。   In addition, since the mass m of the entire cantilever is increased due to the load of the target material itself adhering to the surface of the tip of the cantilever, the resonance frequency ω of the cantilever changes. As a method for detecting a target substance using a cantilever by applying such a principle, methods as shown in Non-Patent Documents 1 and 2 have been studied.

カンチレバーは、片持ちバネの一形態であり、外部から強制振動させた際、特定の周波数において、共振を起こす。このカンチレバーに固有の共振周波数ωは、カンチレバーの質量mと、そのバネ定数kによって決定されている。すなわち、下記式1のように、カンチレバーに固有の共振周波数ωを表記することができる。   The cantilever is a form of a cantilever spring, and resonates at a specific frequency when forcedly vibrated from the outside. The resonance frequency ω inherent to the cantilever is determined by the mass m of the cantilever and its spring constant k. That is, the resonance frequency ω unique to the cantilever can be expressed as in the following formula 1.

ω=(k/m)1/2 ・・・ 式1
カンチレバー表面にターゲット物質を選択的に結合させると、カンチレバー先端部の表面上に付着するターゲット物質自体の荷重に起因して、カンチレバー全体の質量mは、m→m+Δmへと増加する。その際、カンチレバーのバネ定数kは変化しないと、前記の質量増加に伴い、カンチレバーの共振周波数がΔω減少する。質量mの増加量Δmは、ターゲット物質の付着量に比例しており、カンチレバー全体の質量mに対して、その増加量Δmが十分に小さな範囲では、近似的に、共振周波数の減少量Δωは、増加量Δmに比例する。従って、共振周波数の減少Δωを検出することによって、カンチレバー上に付着するターゲット物質の有無や量(濃度)を検出することが可能となる。一般に、AFM等で用いられるカンチレバーを用いた場合、質量の変化Δmに対する共振周波数の変化Δωの比率:Δm/Δωは、数pg/Hzといわれている。
App.Phys.Lett.69(19),1996 p2834〜2836 Sensors and Actuators B,2001 p122〜131
ω = (k / m) 1/2 Equation 1
When the target material is selectively bonded to the cantilever surface, the mass m of the entire cantilever increases from m → m + Δm due to the load of the target material itself adhering to the surface of the cantilever tip. At that time, if the spring constant k of the cantilever does not change, the resonance frequency of the cantilever decreases by Δω as the mass increases. The increase amount m of the mass m is proportional to the adhesion amount of the target material. In the range where the increase amount Δm is sufficiently small with respect to the mass m of the entire cantilever, the decrease amount Δω of the resonance frequency is approximately , Proportional to the increase Δm. Accordingly, by detecting the decrease Δω of the resonance frequency, it is possible to detect the presence and amount (concentration) of the target substance adhering to the cantilever. In general, when a cantilever used in AFM or the like is used, the ratio of the change Δω in resonance frequency to the change Δm in mass: Δm / Δω is said to be several pg / Hz.
App. Phys. Lett. 69 (19), 1996 p2834-2836 Sensors and Actuators B, 2001 p122-131.

このカンチレバー共振周波数変化Δωに基づき、カンチレバー上に付着するターゲット物質の有無や量(濃度)を検出手法は、上記のように高い検出感度を有するが、下記する問題を有している。   Although the detection method of the presence and amount (concentration) of the target substance adhering to the cantilever based on the cantilever resonance frequency change Δω has high detection sensitivity as described above, it has the following problems.

ターゲット物質によっては、ターゲット物質同士が近接すると、ターゲット物質相互間に強い斥力が生じる場合がある。その場合、ターゲット物質相互間の斥力が強すぎて、カンチレバー表面上に高密度にターゲット物質を付着することができない。検体試料中に含まれるターゲット物質の濃度が高くなると、この斥力の影響を受け、カンチレバー表面上に付着するターゲット物質の面密度は、ある水準に達すると、それ以上上昇しなくなる。すなわち、検体試料中に含まれるターゲット物質の濃度と、カンチレバー表面上に付着するターゲット物質の面密度とは比例せず、結果として、カンチレバーの共振周波数変化量Δωの増加も抑えられる。このターゲット物質の濃度範囲に達すると、ターゲット物質の濃度を正確に検出できなくなるという課題を有している。   Depending on the target material, when the target materials are close to each other, a strong repulsive force may be generated between the target materials. In that case, the repulsive force between the target materials is too strong, and the target materials cannot be deposited on the cantilever surface with high density. When the concentration of the target material contained in the specimen sample increases, the surface density of the target material adhering to the cantilever surface does not increase any more due to the influence of this repulsive force. That is, the concentration of the target material contained in the specimen sample is not proportional to the surface density of the target material adhering to the cantilever surface, and as a result, an increase in the resonance frequency variation Δω of the cantilever can be suppressed. When the concentration range of the target material is reached, the concentration of the target material cannot be accurately detected.

換言すると、ターゲット物質相互間の斥力が強すぎると、試料中に含まれているターゲット物質の濃度がある水準を超えると、平坦に保持されているカンチレバーにおいて、ターゲット物質認識物質との結合を介して、その表面上に付着するターゲット物質の面密度は、それ以上増加しない状態となり、ターゲット物質の濃度を適正に評価できない可能性がある。   In other words, if the repulsive force between the target materials is too strong, when the concentration of the target material contained in the sample exceeds a certain level, the cantilever held flat is coupled with the target material recognizing material. Thus, the surface density of the target material adhering to the surface does not increase any more, and there is a possibility that the concentration of the target material cannot be properly evaluated.

本発明は前記の課題を解決するものであり、本発明の目的は、カンチレバーの表面にターゲット物質認識物質を高い面密度で固定化している場合にも、前記のターゲット物質相互間の斥力による影響を回避して、固定化されているターゲット物質認識物質との結合を介して、付着するターゲット物質の面密度自体もより高めることが可能であり、その荷重によって、カンチレバーの共振周波数の変化量をより大きくでき、高い検出感度でターゲット物質の検出を可能とする検出方法、ならびに、かかる検出方法に基づく、高感度のターゲット物質の検出装置を提供することにある。   The present invention solves the above problems, and the object of the present invention is to influence the repulsive force between the target materials even when the target material recognition material is immobilized on the surface of the cantilever with a high surface density. It is possible to increase the surface density itself of the target material to be adhered through the binding with the immobilized target material recognition material, and the load can reduce the amount of change in the resonance frequency of the cantilever. An object of the present invention is to provide a detection method that can be made larger and can detect a target substance with high detection sensitivity, and a highly sensitive target substance detection apparatus based on such a detection method.

本発明者らは、前記の課題を解決すべく、研究を進めたところ、下記の知見を得た。   The inventors of the present invention have advanced the research to solve the above-mentioned problems, and have obtained the following knowledge.

まず、カンチレバーの両面に同じ面密度でターゲット物質認識物質を固定した場合であっても、外力を加えて、カンチレバーを予め撓ませた状態とすると、凸面側と凹面側との間で、実効的なターゲット物質認識物質の面密度に差違が生じることを見出した。すなわち、撓みの無い状態と比較すると、凸面側では、実効的なターゲット物質認識物質の面密度は、相対的に疎な状態となり、一方、凹面側では、実効的なターゲット物質認識物質の面密度は、相対的に密な状態となっている。   First, even when the target substance recognition substance is fixed on both sides of the cantilever with the same surface density, if the cantilever is bent in advance by applying external force, it is effective between the convex side and the concave side. It was found that there is a difference in the surface density of various target substance recognition substances. That is, compared with the state without deflection, the effective surface density of the target substance recognition substance is relatively sparse on the convex side, while the effective surface density of the target substance recognition substance is on the concave side. Is relatively dense.

ターゲット物質認識物質と結合するターゲット物質は、相互間隔が一定値を下回ると、ターゲット物質相互の間に斥力が生じる場合、カンチレバーに撓みの無い際に、ターゲット物質認識物質と結合したターゲット物質相互の間に斥力が生じる臨界的状態は、ターゲット物質認識物質Nflat分子当たり、一つのターゲット物質が付着している状態に相当する。一方、かかる臨界的状態は、凸面側では、ターゲット物質認識物質Nconvex分子当たり、一つのターゲット物質が付着している状態に相当し、凹面側では、ターゲット物質認識物質Nconcave分子当たり、一つのターゲット物質が付着している状態に相当する。その際、実効的なターゲット物質認識物質の面密度を考慮すると、Nconvex<Nflat<Nconcaveとなり、換言すると、撓みの無い状態と比較すると、凸面側では、より多くの量のターゲット物質を付着させることができ、一方、凹面側では、より少ない量のターゲット物質しか付着させることができないことを見出した。   If the target material that binds to the target material recognition material has a reciprocal force between the target materials when the mutual distance falls below a certain value, the target material that binds to the target material recognition material can interact with each other when the cantilever is not bent. The critical state in which repulsive force is generated corresponds to a state in which one target material is attached per target material recognition material Nflat molecule. On the other hand, such a critical state corresponds to a state where one target substance is attached per target substance recognition substance Nconvex molecule on the convex side, and one target substance per target substance recognition substance Nconcave molecule on the concave side. This corresponds to a state in which is attached. At this time, considering the surface density of the effective target substance recognition substance, Nconvex <Nflat <Nconcave, in other words, a larger amount of target substance is attached on the convex side than in the state without deflection. On the other hand, it has been found that only a smaller amount of target material can be deposited on the concave side.

さらに、ターゲット物質認識物質とターゲット物質との結合が一定以上の強さを有する場合、凸面状とすることで高い面密度で表面に付着させたターゲット物質は、カンチレバーを逆方向に撓ませ、凹面状とすると、ターゲット物質相互間により大きな斥力が作用するが、通常、離脱を引き起こすまでには至らないことを見出した。この状態では、前は凹面側であった面は、凸面状となっており、ターゲット物質は、ターゲット物質認識物質Nconcave分子当たり、一つのターゲット物質が付着している状態から、ターゲット物質認識物質Nconvex分子当たり、一つのターゲット物質が付着している状態まで、さらに付着面密度を増加することができる。最終的には、カンチレバーの両面ともに、ターゲット物質認識物質Nconvex分子当たり、一つのターゲット物質が付着している状態とすることも可能である。勿論、カンチレバーを平坦に状態に戻すと、ターゲット物質相互間には斥力が作用するが、一旦、ターゲット物質認識物質との結合により付着しているターゲット物質は、通常、その斥力の起因する離脱を引き起こすまでには至らないことを見出した。   Furthermore, when the bond between the target substance recognition substance and the target substance has a certain strength or more, the target substance attached to the surface with a high surface density by forming a convex surface deflects the cantilever in the reverse direction, and the concave surface It has been found that a large repulsive force acts between the target substances, but usually does not cause separation. In this state, the surface that was previously concave is convex, and the target material is a target material recognition material Nconvex from the state where one target material is attached per target material recognition material Nconcave molecule. The adhesion surface density can be further increased to a state where one target substance is attached per molecule. Eventually, one target material may be attached to both surfaces of the cantilever per target material recognition material Nconvex molecule. Of course, when the cantilever is returned to a flat state, a repulsive force acts between the target materials. However, once the target material has adhered due to the binding with the target material recognizing material, the separation caused by the repulsive force is usually removed. I found that it did not lead to cause.

少なくとも、カンチレバーの両面にターゲット物質認識物質を固定した上で、カンチレバーを予め撓ませ、一方の面を凸面状として、ターゲット物質をターゲット物質認識物質に結合させ、引き続き、他方の面を凸面状として、ターゲット物質をターゲット物質認識物質に結合させることで、カンチレバーを平坦な状態として、ターゲット物質を付着する場合よりも、より多くのターゲット物質を付着することが可能となることを見出した。すなわち、カンチレバー全体として、より多くのターゲット物質を付着することが可能となると、質量の増加量Δmもより大きくなり、それに伴い、共振周波数の変化量Δωもより大きくすることが可能となる。   At least the target material recognition material is fixed on both sides of the cantilever, the cantilever is bent in advance, one surface is convex, the target material is bonded to the target material recognition material, and the other surface is subsequently convex. It has been found that by binding the target material to the target material recognition material, it is possible to attach more target material than when the target material is attached with the cantilever in a flat state. That is, when more target materials can be attached to the entire cantilever, the mass increase amount Δm becomes larger, and accordingly, the resonance frequency change amount Δω can also be made larger.

加えて、この凸面側において、ターゲット物質認識物質と結合したターゲット物質相互の間に斥力が生じる臨界的状態に達するためには、ターゲット物質認識物質Nconvex分子当たり、一つのターゲット物質が付着している状態と平衡する、試料中のターゲット物質濃度Cconvexは、ターゲット物質認識物質Nflat分子当たり、一つのターゲット物質が付着している状態と平衡する、試料中のターゲット物質濃度Cflatと比較すると、より高い濃度となることも判明した。すなわち、カンチレバーセンサによって、定量的な濃度測定が可能な上限濃度(検出可能上限濃度)は、外力を加えて、カンチレバーを予め撓ませた状態における、凸面側の検出可能上限濃度Cconvexは、撓みの無い状態のカンチレバー表面の検出可能上限濃度Cflatよりも高くなり、定量的な測定が有効な範囲も拡大することが判った。   In addition, on this convex side, in order to reach a critical state in which repulsive force is generated between target substances bonded to a target substance recognition substance, one target substance is attached per target substance recognition substance Nconvex molecule. The target substance concentration Cconvex in the sample in equilibrium with the state is higher than the target substance concentration Cflat in the sample in equilibrium with the state where one target substance is attached per target substance recognition substance Nflat molecule. It was also found that That is, the upper limit concentration (detectable upper limit concentration) at which quantitative measurement of the concentration can be performed by the cantilever sensor is such that the detectable upper limit concentration Cconvex on the convex surface side when the cantilever is bent in advance by applying external force is It was found that the upper limit of the detectable cantilever surface Cflat on the cantilever surface in the absence was higher, and the effective range of quantitative measurement was expanded.

本発明者らは、以上の一連の知見に基づき、本発明を完成するに至った。   Based on the series of findings described above, the present inventors have completed the present invention.

すなわち、本発明の第一の形態にかかるターゲット物質の検出方法は、
カンチレバーセンサを利用して、ターゲット物質を検出する方法であって、
(A)カンチレバーセンサを構成するカンチレバー表面に、前記ターゲット物質と結合可能なターゲット物質認識物質を固定する工程;
(C)前記カンチレバーに外力を加えて、少なくとも一方の面を凸として、撓んだ状態で保持する工程;
(D)撓んだ状態で保持する前記カンチレバーを、試料と接触させ、ターゲット物質認識物質に対するターゲット物質の結合を可能とする工程;
(E)前記カンチレバーに加えた外力を取り除く工程;
(F)ターゲット物質との結合を目的とする、試料との接触を行った後、前記カンチレバーの共振周波数を測定する工程、
(G)前記工程(F)で測定される、試料との接触後のカンチレバーの共振周波数と、試料との接触前の該カンチレバーの初期共振周波数との差を算出する工程、
を含む
ことを特徴とするターゲット物質の検出方法である。
That is, the target substance detection method according to the first aspect of the present invention is:
A method for detecting a target substance using a cantilever sensor,
(A) A step of fixing a target substance recognition substance that can be combined with the target substance on the surface of the cantilever constituting the cantilever sensor;
(C) A step of applying an external force to the cantilever so as to make at least one surface convex and hold it in a bent state;
(D) The step of bringing the cantilever held in a bent state into contact with a sample to enable binding of the target material to the target material recognition material;
(E) removing the external force applied to the cantilever;
(F) measuring the resonance frequency of the cantilever after making contact with the sample for the purpose of binding to the target substance;
(G) calculating the difference between the resonance frequency of the cantilever after contact with the sample and the initial resonance frequency of the cantilever before contact with the sample, measured in the step (F);
A method for detecting a target substance.

また、本発明の第二の形態にかかるターゲット物質検出装置は、
カンチレバーセンサを利用して、ターゲット物質を検出する検出装置であって、
(a)ターゲット物質認識物質を表面に固定したカンチレバーを具えたカンチレバーセンサ;
(c)前記カンチレバーに外力を加えて、少なくとも一方の面を凸として、撓んだ状態で保持する手段;
(d)前記撓んだ状態で保持する前記カンチレバーを、ターゲット物質認識物質に対するターゲット物質の結合を可能とする状態で、試料と接触させる手段;
(e)前記カンチレバーに加えた外力を取り除く手段;
(f)ターゲット物質との結合を目的とする、試料との接触を行った後の前記カンチレバーの共振周波数を測定する手段;
(h)試料との接触後のカンチレバーの共振周波数測定値と、試料との接触前の該カンチレバーの初期共振周波数とから算出される共振周波数差に基づき、該カンチレバー表面に固定されているターゲット物質認識物質に対して結合したターゲット物質の有無、あるいは、結合したターゲット物質の量を算出する手段
を具えている
ことを特徴とするターゲット物質検出装置である。
Moreover, the target substance detection device according to the second aspect of the present invention is:
A detection device that detects a target substance using a cantilever sensor,
(A) a cantilever sensor including a cantilever having a target substance recognition substance fixed on the surface;
(C) means for applying an external force to the cantilever so that at least one surface is convex and held in a bent state;
(D) means for bringing the cantilever held in the bent state into contact with the sample in a state enabling the binding of the target material to the target material recognition material;
(E) means for removing external force applied to the cantilever;
(F) means for measuring the resonant frequency of the cantilever after contact with the sample for the purpose of binding to the target substance;
(H) A target material fixed on the surface of the cantilever based on a resonance frequency difference calculated from the measured resonance frequency of the cantilever after contact with the sample and the initial resonance frequency of the cantilever before contact with the sample. A target substance detection device comprising means for calculating the presence or absence of a target substance bound to a recognition substance or the amount of the bound target substance.

本発明にかかるターゲット物質の検出方法の原理では、予めカンチレバーを撓ませた状態とした上で、カンチレバーとターゲット物質とを接触させることによって、ターゲット物質同士の斥力が小さい状態で、カンチレバー表面にターゲット物質を付着させることが可能となる。その際、カンチレバーの両面に対して、ターゲット物質認識物質を固定する形態を選択し、それぞれの面について、予めカンチレバーを撓ませた状態とした上で、カンチレバーとターゲット物質とを接触させることによって、ターゲット物質同士の斥力が小さい状態で、カンチレバー表面にターゲット物質を付着させることが可能となる。結果として、カンチレバー表面上には、両面合わせて、ターゲット物質をより多く付着した状態とでき、この状態で、ターゲット物質の付着に起因する、カンチレバーの共振振動数の変化を測定することによって、ターゲット物質のより高感度な検出が可能となり、または、より簡易な検出手段による測定が可能となる効果が得られる。   In the principle of the method for detecting a target material according to the present invention, the cantilever is bent in advance, and then the cantilever and the target material are brought into contact with each other so that the repulsive force between the target materials is small and the target material is placed on the surface of the cantilever. It becomes possible to attach a substance. At that time, by selecting a form for fixing the target substance recognition substance on both sides of the cantilever, and making each cantilever bent in advance for each face, by contacting the cantilever and the target substance, The target material can be attached to the cantilever surface in a state where the repulsive force between the target materials is small. As a result, on the surface of the cantilever, both sides can be put together and a target material can be more adhered, and in this state, by measuring the change in the resonant frequency of the cantilever due to the adhesion of the target material, It is possible to detect a substance with higher sensitivity, or to obtain an effect that enables measurement by a simpler detection means.

さらに、カンチレバーに付着するターゲット物質の最大量が増加することで、測定装置の測定上限(飽和検出量)が高くなり検出範囲が広がる、という効果も得られる。   Furthermore, an increase in the maximum amount of the target substance adhering to the cantilever increases the measurement upper limit (saturation detection amount) of the measurement device, and the effect that the detection range is widened is also obtained.

加えて、カンチレバーの片面のみにターゲット物質認識物質を固定する必要はなく、換言すれば、カンチレバーの一方の面のみにターゲット物質認識物質を固定するために要する工程を省くことが可能となるという利点もある。特に、カンチレバーの両面にターゲット物質認識物質を固定すると、温度等の外的要因によって、カンチレバーに反りが導入される現象も回避でき、この種の外的要因に起因する、カンチレバーの反りなどのノイズ要因を較正するため、比較用カンチレバーの利用、較正用のソフトウエアの付加を行わなくとも、高い信頼性を有する測定が可能となる。すなわち、カンチレバーの片面のみにターゲット物質認識物質を固定化するための付加的な工程を省ける利点以上に、カンチレバーの両面の状態が相違することに由来する、温度等の外的要因に起因するトラブルや、誤検出の問題も大幅に低減する上で、大きな貢献を有する。   In addition, it is not necessary to fix the target substance recognizing substance only on one side of the cantilever, in other words, it is possible to omit the steps required to fix the target substance recognizing substance only on one side of the cantilever. There is also. In particular, if the target substance recognition substance is fixed on both sides of the cantilever, the phenomenon of warping of the cantilever due to external factors such as temperature can be avoided, and noise such as warping of the cantilever caused by this kind of external factor In order to calibrate the factors, it is possible to perform measurement with high reliability without using a comparative cantilever and adding calibration software. That is, more than the advantage of omitting an additional process for immobilizing the target substance recognition substance only on one side of the cantilever, troubles caused by external factors such as temperature caused by the difference in the state of both sides of the cantilever In addition, it greatly contributes to greatly reducing the problem of false detection.

上述の本発明にかかるターゲット物質の検出方法は、
カンチレバーセンサを利用して、ターゲット物質を検出する方法であって、
(A)カンチレバーセンサを構成するカンチレバー表面に、前記ターゲット物質と結合可能なターゲット物質認識物質を固定する工程;
(C)前記カンチレバーに外力を加えて、少なくとも一方の面を凸として、撓んだ状態で保持する工程;
(D)撓んだ状態で保持する前記カンチレバーを、試料と接触させ、ターゲット物質認識物質に対するターゲット物質の結合を可能とする工程;
(E)前記カンチレバーに加えた外力を取り除く工程;
(F)ターゲット物質との結合を目的とする、試料との接触を行った後、前記カンチレバーの共振周波数を測定する工程、
(G)前記工程(F)で測定される、試料との接触後のカンチレバーの共振周波数と、試料との接触前の該カンチレバーの初期共振周波数との差を算出する工程、
を含む
ことを特徴とするターゲット物質の検出方法であるが、
その際、試料との接触前の該カンチレバーの初期共振周波数を測定するため、
前記工程(A)と前記工程(C)の間に、
(B)前記カンチレバーの前記初期共振周波数を測定する工程、
を設けている構成とすることが好ましい。
The method for detecting a target substance according to the present invention described above,
A method for detecting a target substance using a cantilever sensor,
(A) A step of fixing a target substance recognition substance that can be combined with the target substance on the surface of the cantilever constituting the cantilever sensor;
(C) A step of applying an external force to the cantilever so as to make at least one surface convex and hold it in a bent state;
(D) The step of bringing the cantilever held in a bent state into contact with a sample to enable binding of the target material to the target material recognition material;
(E) removing the external force applied to the cantilever;
(F) measuring the resonance frequency of the cantilever after making contact with the sample for the purpose of binding to the target substance;
(G) calculating the difference between the resonance frequency of the cantilever after contact with the sample and the initial resonance frequency of the cantilever before contact with the sample, measured in the step (F);
Is a method for detecting a target substance characterized by comprising:
At that time, in order to measure the initial resonant frequency of the cantilever before contact with the sample,
Between the step (A) and the step (C),
(B) measuring the initial resonant frequency of the cantilever;
It is preferable to have a configuration in which

更には、前記工程(D)と前記工程(E)の間に、
(C’)前記カンチレバーに、前記工程(C)において加えられる外力とは逆の方向の外力を加えて、前記工程(C)における撓みの方向に対して、反対方向に撓んだ状態で保持する工程、
(D’)該反対方向に撓んだ状態で保持する前記カンチレバーを、試料と接触させ、ターゲット物質認識物質に対するターゲット物質の結合を可能とする工程、
をさらに含む構成とすることが望ましい。
Furthermore, between the step (D) and the step (E),
(C ′) An external force in a direction opposite to the external force applied in the step (C) is applied to the cantilever, and the cantilever is held in a state bent in the opposite direction to the direction of the bending in the step (C). The process of
(D ′) a step of bringing the cantilever held in a state of bending in the opposite direction into contact with a sample and allowing the target substance to bind to the target substance recognition substance;
It is desirable to further include

また、かかる本発明の検出方法に基づく、本発明のターゲット物質検出装置は、
カンチレバーセンサを利用して、ターゲット物質を検出する検出装置であって、
(a)ターゲット物質認識物質を表面に固定したカンチレバーを具えたカンチレバーセンサ;
(c)前記カンチレバーに外力を加えて、少なくとも一方の面を凸として、撓んだ状態で保持する手段;
(d)前記撓んだ状態で保持する前記カンチレバーを、ターゲット物質認識物質に対するターゲット物質の結合を可能とする状態で、試料と接触させる手段;
(e)前記カンチレバーに加えた外力を取り除く手段;
(f)ターゲット物質との結合を目的とする、試料との接触を行った後の前記カンチレバーの共振周波数を測定する手段;
(h)試料との接触後のカンチレバーの共振周波数測定値と、試料との接触前の該カンチレバーの初期共振周波数とから算出される共振周波数差に基づき、該カンチレバー表面に固定されているターゲット物質認識物質に対して結合したターゲット物質の有無、あるいは、結合したターゲット物質の量を算出する手段
を具えている
ことを特徴とするターゲット物質検出装置であり、
特に、前記(f)試料との接触を行った後の前記カンチレバーの共振周波数を測定する手段において、該共振周波数の測定に利用する、カンチレバーを強制的に振動させるための振動子は、
前記(a)カンチレバーセンサ中に組み込む、あるいは、測定に際して、前記(a)カンチレバーセンサに接触させる形態に作製することが可能であり、一般に、望ましい形態である。
In addition, the target substance detection device of the present invention based on the detection method of the present invention includes:
A detection device that detects a target substance using a cantilever sensor,
(A) a cantilever sensor including a cantilever having a target substance recognition substance fixed on the surface;
(C) means for applying an external force to the cantilever so that at least one surface is convex and held in a bent state;
(D) means for bringing the cantilever held in the bent state into contact with the sample in a state enabling the binding of the target material to the target material recognition material;
(E) means for removing external force applied to the cantilever;
(F) means for measuring the resonant frequency of the cantilever after contact with the sample for the purpose of binding to the target substance;
(H) A target material fixed on the surface of the cantilever based on a resonance frequency difference calculated from the measured resonance frequency of the cantilever after contact with the sample and the initial resonance frequency of the cantilever before contact with the sample. A target substance detection device comprising means for calculating the presence or absence of a target substance bound to a recognition substance, or the amount of the bound target substance,
In particular, in the means for measuring the resonance frequency of the cantilever after the contact with the sample (f), the vibrator for forcibly vibrating the cantilever used for measurement of the resonance frequency is:
(A) It can be incorporated into the cantilever sensor, or can be made to be in contact with the (a) cantilever sensor during measurement, and is generally a desirable form.

以下に、本発明を詳しくに説明する。   The present invention is described in detail below.

図を参照して、本発明にかかるカンチレバーセンサを利用した、ターゲット物質の検出方法の検出原理を模式的に説明する。   With reference to the drawings, a detection principle of a target substance detection method using a cantilever sensor according to the present invention will be schematically described.

図1(a)のように、チップ11から突き出すように設置されたカンチレバー13の表面にターゲット物質認識物質12を予め固定する。このカンチレバーの一端が自由端の状態で、自然振動させると、カンチレバーの先端は、かかる状態におけるカンチレバーの質量mと、バネ定数kに依存する共振周波数ω0で振動する。この図1(a)に示す状態のカンチレバーが示す共振周波数を、該カンチレバーの「初期共振周波数」ω0iと呼ぶ。 As shown in FIG. 1A, the target substance recognition substance 12 is fixed in advance on the surface of the cantilever 13 installed so as to protrude from the chip 11. When the cantilever is naturally vibrated in a state where one end of the cantilever is a free end, the tip of the cantilever vibrates at a resonance frequency ω 0 depending on the mass m of the cantilever and the spring constant k. The resonance frequency indicated by the cantilever in the state shown in FIG. 1A is referred to as “initial resonance frequency” ω 0i of the cantilever.

また、チップ11に対して、発振子10を取り付け、周波数ωの強制振動を付加すると、カンチレバーも、この周波数ωで撓み振動を開始する。その際、強制振動の周波数ωと、カンチレバーに固有の共振周波数ω0との差違が大きい場合、カンチレバー先端部の周期的な変位の振幅は、小さなものとなる。一方、強制振動の周波数ωと、カンチレバーに固有の共振周波数ω0とが一致すると、共振状態となるため、カンチレバー先端部の周期的な変位の振幅は、極大を示す。すなわち、図4に示すように、強制振動の周波数ωに対して、そのときのカンチレバー先端部の周期的な変位の振幅をプロットすると、カンチレバーに固有の共振周波数ω0において、極大となるようなピークを示す。 Further, when the oscillator 10 is attached to the chip 11 and the forced vibration of the frequency ω is applied, the cantilever also starts flexural vibration at the frequency ω. At this time, if the difference between the frequency ω of the forced vibration and the resonance frequency ω 0 inherent to the cantilever is large, the amplitude of the periodic displacement of the tip of the cantilever becomes small. On the other hand, when the forced vibration frequency ω matches the resonance frequency ω 0 unique to the cantilever, the resonance state is reached, and therefore the amplitude of the periodic displacement of the cantilever tip shows a maximum. That is, as shown in FIG. 4, when the amplitude of the periodic displacement of the tip of the cantilever at that time is plotted against the frequency ω of the forced vibration, the maximum is obtained at the resonance frequency ω 0 inherent to the cantilever. Shows the peak.

カンチレバー13を自然振動させ、共振周波数を測定することも可能であるが、チップ11に発振子10を取り付け、この発振子10に交流電圧(不図示)を印加して、周波数ωの強制振動を付加して、図4に示すような、強制振動の周波数ωに対して、そのときのカンチレバー先端部の周期的な変位の振幅をプロットとした結果から、振幅が極大を示す周波数を、カンチレバーに固有の共振周波数ω0の実測値とすることもできる。 Although the cantilever 13 can be naturally vibrated and the resonance frequency can be measured, an oscillator 10 is attached to the chip 11 and an AC voltage (not shown) is applied to the oscillator 10 to cause forced oscillation of the frequency ω. In addition, from the result of plotting the amplitude of the periodic displacement of the tip of the cantilever at that time against the frequency ω of the forced vibration as shown in FIG. 4, the frequency at which the amplitude is maximum is given to the cantilever. It can also be a measured value of the inherent resonance frequency ω 0 .

次に、図1(b)のように、カンチレバーに外力14を加えて、ターゲット物質認識物質12が固定されているカンチレバーを、凸状に撓んだ状態とする。この凸状に撓んだ状態を保持したまま、カンチレバー13とターゲット物質15と接触させる。予めカンチレバー13を撓んだ状態とすることによって、カンチレバーの凸面側では、撓みの無い状態に較べて、表面に固定されているターゲット物質認識物質は、実効的に疎な状態となっている。   Next, as shown in FIG. 1B, an external force 14 is applied to the cantilever so that the cantilever on which the target substance recognition substance 12 is fixed is bent into a convex shape. The cantilever 13 and the target material 15 are brought into contact with each other while maintaining the convexly bent state. By setting the cantilever 13 in a bent state in advance, the target material recognition substance fixed on the surface is effectively sparse on the convex surface side of the cantilever as compared to a state without bending.

図1(c)のように、カンチレバーの凸面側では、撓みの無い状態に較べて、ターゲット物質認識物質と結合したターゲット物質同士の間隔も開いており、ターゲット物質相互間の斥力16が小さい状態で、カンチレバーの凸面側表面にターゲット物質が付着する。逆に、カンチレバーの凸面側では、撓みの無い状態に較べて、表面に固定されているターゲット物質認識物質は、実効的に密な状態となっている。そのため、ターゲット物質認識物質と結合したターゲット物質は、ターゲット物質相互間の斥力16の影響が及ばない間隔を達成するため、より低い面密度でしか、カンチレバー表面に付着しない。   As shown in FIG. 1 (c), on the convex surface side of the cantilever, the distance between the target materials combined with the target material recognition material is larger than that in the case where there is no deflection, and the repulsive force 16 between the target materials is small. Thus, the target material adheres to the convex surface of the cantilever. On the other hand, on the convex surface side of the cantilever, the target substance recognition substance fixed to the surface is effectively in a dense state as compared with the case where there is no deflection. For this reason, the target material combined with the target material recognizing material is attached to the cantilever surface only at a lower surface density in order to achieve a distance that is not affected by the repulsive force 16 between the target materials.

その後、図1(d)のように、前の外力14の除き、それとは逆方向の変位を引き起こす外力14’を加え、前が凹面側となっていた面が、凸面側となるように、カンチレバーを逆方向に撓んだ状態とする。その時、凹面側(図では上側)となる表面では、ターゲット物質認識物質12と結合したターゲット物質15の面密度は高いため、ターゲット物質同士の間隔は狭まり、場合によっては、ターゲット物質相互間に斥力が働く状態となる。しかし、一度付着したターゲット物質15は、ターゲット物質認識物質12と安定に結合した状態となっており、このターゲット物質相互間の斥力によって、脱離が引き起こされることはない。   Thereafter, as shown in FIG. 1 (d), except for the previous external force 14, an external force 14 ′ that causes displacement in the opposite direction is applied, so that the surface that is concave on the front side becomes the convex side. The cantilever is bent in the opposite direction. At that time, the surface density of the target material 15 combined with the target material recognition material 12 is high on the concave surface (upper side in the figure), and therefore the interval between the target materials is narrowed. Will be in a working state. However, the target material 15 once attached is in a state of being stably bonded to the target material recognizing material 12, and detachment is not caused by the repulsive force between the target materials.

一方、図1(d)のように、新たに凸面側となった面(図では下側)では、表面に固定されているターゲット物質認識物質は、実効的に疎な状態となっており、既にターゲット物質認識物質と結合したターゲット物質同士の間隔も大きく開いている。そのため、図1(e)のように、新たに凸面側となった表面には、ターゲット物質相互間の斥力16が小さい状態で、さらにターゲット物質15が付着する。すなわち、新たに凸面側となった表面でも、高密度にターゲット物質15が付着した状態となる。   On the other hand, as shown in FIG. 1 (d), the target substance recognition substance fixed on the surface is effectively sparse on the newly convex side (lower side in the figure), The distance between the target substances already bonded to the target substance recognition substance is also wide. Therefore, as shown in FIG. 1E, the target material 15 further adheres to the surface that has newly become the convex surface side in a state where the repulsive force 16 between the target materials is small. That is, the target material 15 is in a state of being attached at a high density even on the newly convex surface.

最後に、図1(f)のように、カンチレバーを撓ませていた外力14’を取り除き、カンチレバー13が平坦な状態とする。勿論、ターゲット物質認識物質12と結合したターゲット物質15の面密度は高いため、ターゲット物質同士の間隔は狭まり、場合によっては、ターゲット物質相互間に斥力が働く状態となる。しかし、一度付着したターゲット物質15は、ターゲット物質認識物質12と安定に結合した状態となっており、このターゲット物質相互間の斥力によって、脱離が引き起こされることはない。   Finally, as shown in FIG. 1 (f), the external force 14 'that has bent the cantilever is removed, and the cantilever 13 is in a flat state. Of course, since the surface density of the target material 15 combined with the target material recognition material 12 is high, the distance between the target materials is narrowed, and in some cases, a repulsive force is exerted between the target materials. However, the target material 15 once attached is in a state of being stably bonded to the target material recognizing material 12, and detachment is not caused by the repulsive force between the target materials.

このカンチレバー13の両面に、高密度にターゲット物質15が付着した状態で、カンチレバーの共振周波数を測定する。試料との接触を行った後に測定される、カンチレバーの共振周波数を、「ターゲット物質付着処理後の共振周波数」ω0fと呼ぶ。実際に、カンチレバー13の表面に、ターゲット物質認識物質12との結合を介して、ターゲット物質15が付着すると、カンチレバーの質量は、当初の値mから、付着したターゲット物質15による荷重増加に相当する質量増加分Δmを含む、m+Δmに変化する。従って、「初期共振周波数」ω0iと「ターゲット物質付着処理後の共振周波数」ω0fとは相違しており、その差Δω0=(ω0i−ω0f)を算出し、差Δω0=(ω0i−ω0f)に基づき、カンチレバー表面へのターゲット物質付着の有無やその付着量を検出する。 The resonance frequency of the cantilever is measured with the target material 15 attached to both surfaces of the cantilever 13 at a high density. The resonance frequency of the cantilever measured after the contact with the sample is referred to as “resonance frequency after target material adhesion treatment” ω 0f . Actually, when the target material 15 adheres to the surface of the cantilever 13 through the binding with the target material recognition material 12, the mass of the cantilever corresponds to an increase in load due to the attached target material 15 from the initial value m. It changes to m + Δm including the mass increase Δm. Accordingly, the “initial resonance frequency” ω 0i is different from the “resonance frequency after the target material deposition process” ω 0f, and the difference Δω 0 = (ω 0i −ω 0f ) is calculated, and the difference Δω 0 = ( Based on (ω 0i −ω 0f ), the presence or absence of the target substance on the cantilever surface and the amount of the target substance are detected.

なお、予め、ターゲット物質を付着させる前に、「初期共振周波数」ω0iを測定している場合、前記の差Δω0=(ω0i−ω0f)の算出には、その実測値を用いる。一方、同一条件で、ターゲット物質認識物質12の固定化を行った同種のカンチレバーでは、本質的に「初期共振周波数」ω0iは同じ値となるため、別途、同種のカンチレバーで測定された「初期共振周波数」ω0iの値を、代表値として利用するもできる。 Note that, when the “initial resonance frequency” ω 0i is measured in advance before attaching the target material, the measured value is used to calculate the difference Δω 0 = (ω 0i −ω 0f ). On the other hand, in the same kind of cantilever in which the target substance recognition substance 12 is immobilized under the same conditions, the “initial resonance frequency” ω 0i is essentially the same value. Therefore , the “initial stage” measured separately with the same kind of cantilever The value of “resonance frequency” ω 0i can also be used as a representative value.

カンチレバーを撓ませることの効果を、ターゲット物質認識物質の1つである抗体を例に挙げて説明する。平均的な抗体分子(Fab)2の長手サイズは、約15nmであり、Fabの可変領域VHとVL相互の間隔に起因する、その上部の開き幅は、約10〜20nmといわれている。図1(a)の様に、抗体分子(Fab)2が密集して固定化されている場合、撓みの無い状態では、当然、抗体分子同士の間隔は、各抗体分子の上部の開き幅によって制限され、10〜20nmとなっている。外力を加えて、厚さT1μm、長さL=500μmのカンチレバーを、曲率半径rの円弧形状に撓ませ、その先端での撓み量Δd(変位量)が50μmになったと仮定する。すなわち、この円弧の角度をθとすると、θが十分に小さな範囲では、
L=r×θ、
Δd=r−rcosθ≒r×θ×sinθ≒r×θ2
と、近似的に表すことが可能である。従って、曲率半径rは、r≒L2/Δdとなる。
The effect of bending the cantilever will be described using an antibody that is one of target substance recognition substances as an example. The longitudinal size of the average antibody molecule (Fab) 2 is about 15 nm, and the opening width of the upper part due to the distance between Fab variable regions V H and V L is said to be about 10 to 20 nm. . As shown in FIG. 1 (a), when antibody molecules (Fab) 2 are closely packed and immobilized, naturally, in the state without deflection, the interval between antibody molecules depends on the opening width of the upper part of each antibody molecule. It is limited to 10 to 20 nm. It is assumed that an external force is applied and a cantilever having a thickness T1 μm and a length L = 500 μm is bent into an arc shape with a radius of curvature r, and the bending amount Δd (displacement amount) at the tip is 50 μm. That is, if the angle of this arc is θ, in the range where θ is sufficiently small,
L = r × θ,
Δd = r−r cos θ≈r × θ × sin θ≈r × θ 2
And can be expressed approximately. Therefore, the radius of curvature r is r≈L 2 / Δd.

この外力に因る撓みの曲率半径rが、およそ5000μmとなる場合、カンチレバー表面上に固定されている長手サイズ約15nmの抗体分子先端部の間隔は、この撓みに伴い、率にして0.3%程度拡がることになる。すなわち、抗体分子先端部の間隔は、0.3〜0.6Å程度拡がることになる。その抗体分子先端部の可変領域VHとVLに結合する抗原分子相互の間隔は、この抗体分子先端部の間隔の拡がりよりも、さらに大きな拡がりを示すことになる。その間隔拡がりの程度は、抗原分子の長手サイズが大きくなるとともに大きくなる。その結果、抗体と結合した抗原同士間の斥力は、撓みの無い場合と比較すると、予めカンチレバーを撓ませておくことで弱まり、抗原分子の長手サイズが大きくなると、一層その効果は増すことになる。 When the curvature radius r of the deflection due to the external force is about 5000 μm, the distance between the tip portions of the antibody molecules having a longitudinal size of about 15 nm fixed on the cantilever surface is 0.3% in proportion to the deflection. It will expand about%. That is, the distance between the antibody molecule tips is expanded by about 0.3 to 0.6 mm. The interval between the antigen molecules that bind to the variable regions V H and V L at the tip of the antibody molecule is larger than the increase in the interval at the tip of the antibody molecule. The extent of the spacing increases as the longitudinal size of the antigen molecule increases. As a result, the repulsive force between the antigens bound to the antibody is weakened by bending the cantilever in advance compared to the case where there is no deflection, and the effect is further increased when the longitudinal size of the antigen molecule is increased. .

本発明にかかるターゲット物質の検出方法について、その工程をより詳しく説明する。   The process of the target substance detection method according to the present invention will be described in more detail.

(工程A)カンチレバーの表面にターゲット物質認識物質を固定する工程
カンチレバー:
カンチレバーの形状・材質は、ターゲット物質分子同士の斥力程度の応力によって、所望の撓みが発生可能である限り、特に、限定はされない。なお、固定化されるターゲット物質認識物質の面密度、付着されるターゲット物質の付着量範囲を事前に検討した上で、最適の素材、形状を選択することが好ましい。カンチレバー全体のバネ定数は、一般的なプローブ顕微鏡のカンチレバー型プローブにおいて採用される、0.01〜100N/m程度の範囲内であれば、通常、問題無く利用できる。但し、検出対象のターゲット物質の種類や、カンチレバーの素材・形状によっては、カンチレバー全体のバネ定数は、前記の範囲以外に設定することも可能である。
(Step A) Step of fixing the target substance recognition substance on the surface of the cantilever Cantilever:
The shape and material of the cantilever are not particularly limited as long as a desired deflection can be generated by a stress about the repulsive force between target substance molecules. In addition, it is preferable to select an optimal material and shape after considering in advance the surface density of the target substance recognition substance to be immobilized and the range of the amount of the target substance to be attached. If the spring constant of the entire cantilever is within the range of about 0.01 to 100 N / m, which is employed in a cantilever type probe of a general probe microscope, it can be normally used without any problem. However, depending on the type of target material to be detected and the material and shape of the cantilever, the spring constant of the entire cantilever can be set outside the above range.

また、カンチレバーが静電気を帯びると、静電的な相互作用に起因する力によって、カンチレバー全体が撓んだ状態となる可能性がある。このターゲット物質同士の斥力とは、無関係な撓みの発生要因を排除するため、カンチレバー自体の素材に、導電性を示す材料を利用することが望ましい。例えば、カンチレバー本体を、半導体や絶縁性素材で作製する場合は、その表面を金属被膜でコーティングする形態とする、あるいは、半導体材料に、その導電性を向上させるようなドーパントを添加し、導電性半導体材料とすることが好ましい。   Further, when the cantilever is charged with static electricity, there is a possibility that the entire cantilever is bent due to a force caused by electrostatic interaction. It is desirable to use a material exhibiting conductivity as the material of the cantilever itself in order to eliminate the cause of the bending that is unrelated to the repulsive force between the target materials. For example, when the cantilever body is made of a semiconductor or an insulating material, the surface is coated with a metal film, or a dopant that improves the conductivity of the semiconductor material is added to the conductive material. A semiconductor material is preferable.

さらには、後述の工程Bに関する説明中に例示するように、光学的手法でカンチレバー先端部の撓み量(変位量)振幅を検出する場合は、検出に利用するレーザ光をカンチレバー表面で反射させる必要がある。その際、必要に応じて、カンチレバー先端部の少なくとも一部に、光反射率を向上させる処理、例えば、アルミニウム金属コート膜等の、表面コーティングを施すこともできる。   Furthermore, as exemplified in the description of the process B described later, when detecting the deflection amount (displacement amount) amplitude of the tip of the cantilever by an optical method, it is necessary to reflect the laser beam used for detection on the surface of the cantilever. There is. At that time, if necessary, at least a part of the tip of the cantilever can be subjected to a treatment for improving the light reflectance, for example, a surface coating such as an aluminum metal coating film.

上記のバネ定数、導電性、表面の光反射率等の要件を満足するカンチレバーの一例として、例えば、ボロン等をドープしたn型シリコンウエハに対して、半導体加工プロセスを適用することで作製される、厚さ(T)数μm程度、長さ(L)数百μm程度、幅(W)数十μm程度の、長方形形状のカンチレバーや、厚さ(T)数μm程度、根本から先端までの長さ(L)数百μm程度、一片の幅(W)数十μm程度の、V字型またはU字型のカンチレバーを挙げることができる。但し、カンチレバーだけでは取り扱いが困難であるため、一辺が数mm以上の大きさのチップに、前記のカンチレバーが取り付けられたような形状に、一体加工することが好ましい。また、プローブ顕微鏡用のプローブとして市販されている、長さ5mm程度、幅2mm程度、厚さ1mm程度のチップの先端に、厚さ(T)5μm程度、長さ(L)200μm程度、幅(W)35μm程度のカンチレバーが形成されているカンチレバー付きチップを転用することもできる。また、チップの中央に穴が空いていて、その穴中にカンチレバーが突きだしているような構造のものは、チップの先端からカンチレバーが突き出した構造のものより、チップを取り扱う際、カンチレバー部を破損させるトラブルの発生頻度を大幅に減らすことができる。さらに、後述する変位量測定装置にチップを装着する際に、カンチレバーが傾いて装着され、カンチレバー先端部の撓み量(変位量)を誤検出するトラブルの発生頻度も大幅に減らすことができる。   As an example of a cantilever that satisfies the above-mentioned requirements such as the spring constant, conductivity, and light reflectance of the surface, for example, it is manufactured by applying a semiconductor processing process to an n-type silicon wafer doped with boron or the like. A rectangular cantilever having a thickness (T) of about several μm, a length (L) of about several hundred μm, and a width (W) of about several tens of μm, and a thickness (T) of about several μm from the root to the tip. A V-shaped or U-shaped cantilever having a length (L) of about several hundred μm and a width (W) of several tens of μm can be given. However, since it is difficult to handle with a cantilever alone, it is preferable to integrally process the chip with a side of several mm or more in a shape in which the cantilever is attached. Further, a tip of a tip about 5 mm in length, about 2 mm in width, and about 1 mm in thickness, which is commercially available as a probe for a probe microscope, has a thickness (T) of about 5 μm, a length (L) of about 200 μm, and a width ( W) A tip with a cantilever in which a cantilever of about 35 μm is formed can be diverted. In addition, a structure with a hole in the center of the chip and a cantilever protruding into the hole will damage the cantilever part when handling the chip than a structure with a cantilever protruding from the tip of the chip. The frequency of occurrence of trouble can be greatly reduced. Furthermore, when the chip is mounted on the displacement measuring device, which will be described later, the cantilever is mounted tilted, and the frequency of troubles that erroneously detect the amount of deflection (displacement) at the tip of the cantilever can be greatly reduced.

なお、カンチレバーの共振周波数を測定する際、チップ部分を振動子で振動させ、周波数ωの強制振動を起こさせるが、この振動子はカンチレバー付きチップに組み込んだ形態とすることもでき、あるいは、測定装置側に組み込み、チップに接触させる形態とすることもできる。また、外力を印加して、予めカンチレバーを撓んだ状態に保持する手段や、共振周波数の検出に利用する手段をカンチレバーに組み込んでしまう形態に関しては、工程B、工程Cの説明中にて詳説する。   Note that when measuring the resonant frequency of the cantilever, the chip portion is vibrated by a vibrator to cause a forced vibration of the frequency ω, but this vibrator can also be incorporated in a chip with a cantilever or measured. It is also possible to adopt a form in which it is incorporated on the device side and brought into contact with the chip. Further, regarding the configuration in which a means for preliminarily holding the cantilever by applying an external force and a means for incorporating a means for detecting the resonance frequency into the cantilever are described in detail in the description of the processes B and C. To do.

ターゲット物質およびターゲット物質認識物質:
ターゲット物質は、それを特異的に結合することが可能なターゲット物質認識物質が存在するものならば、イオン種や、高分子であってもよく、特に、その形態は限定されない。また、ターゲット物質とターゲット物質認識物質との結合を行う際には、両者の結合の促進または橋渡しする第三の物質を添加してもよい。本発明が適用可能なターゲット物質とターゲット物質認識物質の組み合わせの例として、以下のようなものを挙げることができる。
(1)ターゲット物質は、1〜数個の原子で構成される分子あるいはイオン種で、ターゲット物質認識物質は。かかるターゲット物質の分子やイオン形状に対して、ちょうど合うような、相補的な形状を示す高分子、またはそのような高分子を官能基として含んでいる巨大高分子。
Target substance and target substance recognition substance:
The target substance may be an ionic species or a polymer as long as a target substance recognizing substance capable of specifically binding the target substance exists, and its form is not particularly limited. Further, when the target substance and the target substance recognition substance are bonded, a third substance that promotes or bridges the bond between the two may be added. Examples of combinations of target materials and target material recognition materials to which the present invention can be applied include the following.
(1) The target substance is a molecule or ionic species composed of one to several atoms, and the target substance recognition substance. A macromolecule having a complementary shape that exactly matches the molecule or ion shape of the target substance, or a macromolecule containing such a polymer as a functional group.

具体的には、カリックス[n]アレーンは、側鎖やnの数値によって、様々なイオン種やフラーレンなどと特異的に結合することが、化学 Vol.53 No.3 p26〜(1998)に紹介されている。また、キチンやキトサンのアミノ基は、ポリアクリル酸(PAA)と水素結合した状態で、PAAのカルボキシル基部分(−COO-)に、カルシウム・カチオン種(Ca2+)が特異的に付着することが、Chemistry Letters 1999 p199〜に報告されている。
(2)ターゲット物質は、アミノ酸、ペプチド・タンパク質、あるいは、これらの配糖体、糖鎖との結合体など、抗原分子であり、ターゲット物質認識物質は、前記抗原分子と特異的な抗原・抗体反応する抗体。あるいは、例えば、ビオチンとアビジンなど、リガンド分子とその受容体の組み合わせ。
Specifically, it is known that calix [n] arene specifically binds to various ionic species, fullerenes and the like depending on the side chain and the value of n. 53 No. 3 p26- (1998). In addition, the amino group of chitin and chitosan is specifically bonded with calcium cation species (Ca 2+ ) to the carboxyl group part (—COO ) of PAA in a state of hydrogen bonding with polyacrylic acid (PAA). Is reported in Chemistry Letters 1999 p199-.
(2) The target substance is an antigen molecule such as an amino acid, a peptide / protein, or a glycoside thereof, or a conjugate with a sugar chain, and the target substance recognition substance is an antigen / antibody specific to the antigen molecule. Reacting antibody. Alternatively, for example, a combination of a ligand molecule and its receptor, such as biotin and avidin.

特異的な結合を行う、リガンド分子とその受容体に関しては、様々な組み合わせが報告されている。一方、抗原分子に対する特異的抗体に関しては、抗原分子に応じた、目的とする抗体の創製方法、特に、モノクローナル抗体の単離・精製方法も確立されている。さらに、種々のモノクローナル抗体に関しては、市販もされている。
(3)ターゲット物質は、DNAやRNA分子であり、ターゲット物質認識物質は、該ターゲット物質の一本鎖核酸分子の塩基配列に対して、それ相補的な塩基配列を有し、該ターゲット物質の一本鎖核酸分子とハイブリド体を形成する一本鎖DNA、PNA。
Various combinations of ligand molecules and their receptors that perform specific binding have been reported. On the other hand, with respect to specific antibodies against antigen molecules, a method for creating a target antibody according to the antigen molecule, particularly a method for isolating and purifying a monoclonal antibody has been established. Furthermore, various monoclonal antibodies are commercially available.
(3) The target substance is a DNA or RNA molecule, and the target substance recognition substance has a base sequence complementary to the base sequence of the single-stranded nucleic acid molecule of the target substance. PNA, a single-stranded DNA that forms a hybrid with a single-stranded nucleic acid molecule.

ターゲット物質となる、一本鎖核酸分子に対して、その塩基配列中から、該ターゲット物質に特有な数十塩基長の部分塩基配列を選択し、それと相補的な関係の数十塩基の塩基配列を有する一本鎖DNAをハイブリダイゼーション反応用のプローブとして利用することができる。なお、数十塩基の塩基配列を有する一本鎖DNAは、市販のDNA合成装置を利用することで、簡単に合成することが可能である。   For a single-stranded nucleic acid molecule that is the target substance, select a partial base sequence with a length of several tens of bases unique to the target substance from the base sequence, and a base sequence of several tens of bases complementary to it. Single-stranded DNA having can be used as a probe for hybridization reaction. Single-stranded DNA having a base sequence of several tens of bases can be easily synthesized by using a commercially available DNA synthesizer.

ターゲット物質認識物質をカンチレバー表面上に固定する方法:
ターゲット物質認識物質の固定方法は、特には、限定はなく、用いるターゲット物質認識物質の特性に合わせて、適切な方法を選択すればよい。例えば、ターゲット物質認識物質、あるいは、ターゲット物質認識物質を側鎖に持つ巨大高分子が有機溶媒等に溶解する場合、ターゲット物質認識物質や巨大高分子を溶解した溶液をカンチレバー表面に滴下し、スピンコートする方法、あるいは、溶液中にカンチレバーを浸漬した後、引き上げるディップコート法が適用可能である。また、インクジェット技術などを用いて、溶液の微細液滴を吹き付ける方法は、例えば、複数のカンチレバーが並んだアレイに対して、個々のカンチレバーに別のターゲット物質認識物質を塗布する場合に有効である。また、ターゲット物質認識物質が、抗体分子や一本鎖DNAの場合、分子の一端にチオール基(−SH)を結合させ、一方、カンチレバーの表面上に金や白金被膜層をコートした上で、該金や白金被膜層へ結合する方法も、一般的に利用される手法である。例えば、ターゲット物質認識物質がビオチンの場合、ビオチンにチオール基(−SH)を導入したビオチンチオールの作製法と、導入されたチオール基(−SH)を利用して、金基板上へ結合させる方法が、Science,262,p1706〜(1993)に報告されている。また、カンチレバーの表面が、金属や金属酸化物で構成されている場合、ビオチンシランを利用して、シラン部分の反応を介して、結合させる手法が、特開平7−260790号公報に開示されており、本発明でも利用できる。
Method for immobilizing the target substance recognition substance on the cantilever surface:
The method for immobilizing the target substance recognition substance is not particularly limited, and an appropriate method may be selected in accordance with the characteristics of the target substance recognition substance to be used. For example, when a target substance recognition substance or a macromolecule with a target substance recognition substance in the side chain is dissolved in an organic solvent, etc., a solution in which the target substance recognition substance or the macromolecule is dissolved is dropped onto the cantilever surface and spin A coating method or a dip coating method in which a cantilever is immersed in a solution and then pulled up can be applied. In addition, a method of spraying fine droplets of a solution using an inkjet technique or the like is effective when, for example, another target material recognition substance is applied to each cantilever with respect to an array in which a plurality of cantilevers are arranged. . When the target substance recognition substance is an antibody molecule or single-stranded DNA, a thiol group (-SH) is bonded to one end of the molecule, while a gold or platinum coating layer is coated on the surface of the cantilever, A method of bonding to the gold or platinum coating layer is also a generally used method. For example, when the target substance recognition substance is biotin, a method for producing biotin thiol in which thiol group (-SH) is introduced into biotin and a method for binding to a gold substrate using the introduced thiol group (-SH) Is reported in Science, 262, p1706- (1993). Further, when the surface of the cantilever is composed of a metal or a metal oxide, a method of bonding using biotin silane via reaction of the silane portion is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-260790. And can also be used in the present invention.

(工程B)カンチレバーの初期共振周波数を測定する工程
カンチレバーを振動させる方法:
自由振動を行わせて、カンチレバーの共振周波数を測定する際には、カンチレバーの先端部が撓むように、外部から単一パルス状の外力(衝撃)を加えて、振動を誘起する。この自由振動の誘起に利用する単一パルス状の外力(衝撃)は、特に限定されない。例えば、工程Cでも触れるカンチレバーをたわませる手段を用いて、カンチレバーが破損・変形されない程度の衝撃を加える手法を利用することもできる。
(Step B) Measuring the initial resonance frequency of the cantilever Method of vibrating the cantilever:
When measuring the resonant frequency of the cantilever with free vibration, a single pulse external force (impact) is applied from the outside so that the tip of the cantilever bends to induce vibration. The single-pulse external force (impact) used for inducing the free vibration is not particularly limited. For example, it is also possible to use a technique of applying an impact to such an extent that the cantilever is not damaged or deformed by using a means for deflecting the cantilever to be touched in Step C.

一方、カンチレバー付きチップに強制振動を印加して、カンチレバーを所定の周波数で強制振動させる方法は、例えば、タッピングAFMや周波数変調方式AFM等で一般的に使われている、カンチレバー付きチップにピエゾ発振子を接触させて、このピエゾ発振子に、所定の周波数の交流電圧を加えて、強制的に振動させる方法を利用することができる。   On the other hand, the method of applying forced vibration to the cantilever chip and forcing the cantilever at a predetermined frequency is, for example, piezo oscillation to the cantilever chip, which is generally used in tapping AFM, frequency modulation method AFM, etc. A method can be used in which a child is brought into contact and an AC voltage having a predetermined frequency is applied to the piezo oscillator to forcibly vibrate.

共振周波数の測定方法:
カンチレバーの共振周波数を測定する方法は、特に限定されない。例えば、カンチレバーを自由振動させ、その自由振動の振動周波数として、共振周波数を測定する方法を用いることができる。自由振動を誘起する手段としては、カンチレバーに初期撓みを生じるため、衝撃を加える方法を利用することができる。また、強制振動を行わせた際、その振動振幅の周波数依存性に基づき、共振周波数を求める方法を用いることもできる。この強制振動を行わせる場合、カンチレバーの根元部を所定の周波数で微小振動させることで、カンチレバーを撓み振動させる手法が利用可能である。例えば、カンチレバー付きチップに対して、発振素子を用いて、そのチップ部を強制的に振動させ、カンチレバーを撓み振動させる方法が考えられる。
Resonant frequency measurement method:
The method for measuring the resonant frequency of the cantilever is not particularly limited. For example, a method in which a cantilever is freely vibrated and a resonance frequency is measured as a vibration frequency of the free vibration can be used. As a means for inducing free vibration, a method of applying an impact can be used because initial deflection occurs in the cantilever. In addition, when forced vibration is performed, a method of obtaining a resonance frequency based on the frequency dependence of the vibration amplitude can also be used. In the case where this forced vibration is performed, a technique of bending and vibrating the cantilever by minutely vibrating the base portion of the cantilever at a predetermined frequency can be used. For example, with respect to a chip with a cantilever, a method of using an oscillation element to forcibly vibrate the chip portion and flexing and vibrating the cantilever can be considered.

いずれの測定方法を用いる場合も、カンチレバーの撓み振動は、カンチレバー先端部の周期的な撓み変位量を測定することにより検出する。このカンチレバー先端部の撓み変位量を測定する方法としては、カンチレバーの先端にレーザ光線を照射し、撓み変位に起因する反射光のズレを検出する「光てこ法」や、光ファイバを用いて、カンチレバーの先端にレーザ光線を照射し、反射光も同じ光ファイバに導き、入射光と反射光の干渉波の変化に基づき、光ファイバ先端からカンチレバーの先端までの光路長の変化、すなわち、カンチレバー先端の撓み変位量を検出する干渉法といった光学的な検出方法が利用できる。また、カンチレバーに、ピエゾ素子などの歪み検出素子を張り合わせて、撓み変位量を圧電効果による抵抗値の変化として検出する方法、あるいは、導電性のカンチレバーと平行に電気的に絶縁された電極を設置し、平行平板型コンデンサーを構成し、その静電容量の変化に基づき、電極間の平均距離の変化、すなわちカンチレバー先端の撓み変位量を検出する方法を利用することもできる。   Whichever measurement method is used, the bending vibration of the cantilever is detected by measuring the amount of periodic bending displacement at the tip of the cantilever. As a method of measuring the deflection displacement amount of the tip of the cantilever, a laser beam is applied to the tip of the cantilever, and a deviation of reflected light caused by the deflection displacement is detected, or an optical fiber is used. The tip of the cantilever is irradiated with a laser beam, the reflected light is guided to the same optical fiber, and the change in the optical path length from the tip of the optical fiber to the tip of the cantilever based on the change in the interference wave between the incident light and the reflected light, that is, the tip of the cantilever An optical detection method such as an interferometry that detects the amount of deflection displacement of the lens can be used. In addition, a strain detection element such as a piezo element is attached to the cantilever to detect the deflection displacement as a change in resistance value due to the piezoelectric effect, or an electrode that is electrically insulated in parallel to the conductive cantilever is installed. In addition, a method of detecting a change in the average distance between the electrodes, that is, a deflection displacement amount at the tip of the cantilever based on a change in the capacitance of the parallel plate type capacitor can be used.

カンチレバーの自由振動の振動周波数を測定する際には、カンチレバー先端部の周期的な撓み変位量を検出し、その周期的変化の周波数を測定すればよい。また、カンチレバーを発振子で強制的に振動させる場合は、カンチレバー先端部の周期的な撓み変位量を検出し、その振幅を測定し、振幅の周波数依存性を求める。カンチレバーの共振周波数は、求められた振幅の周波数依存性において、振幅が極大を示す周波数として求められる。   When measuring the vibration frequency of the free vibration of the cantilever, it is only necessary to detect the amount of periodic deflection displacement at the tip of the cantilever and measure the frequency of the periodic change. When the cantilever is forcibly vibrated by an oscillator, the amount of periodic deflection displacement at the tip of the cantilever is detected, its amplitude is measured, and the frequency dependence of the amplitude is obtained. The resonance frequency of the cantilever is obtained as a frequency at which the amplitude shows a maximum in the frequency dependency of the obtained amplitude.

なお、カンチレバー自体に、ピエゾ・センサや発振子などの何らかの素子を貼り付ける場合、工程Aでカンチレバーを作製する際に、同時に、これらの素子を作り込むことになる。その際、貼り付けられる素子が、逆にカンチレバーの剛直性を必要以上に上昇させる、あるいは、カンチレバー自身の素材と貼り付けた素子の素材との間の熱膨張率差のため、貼り付けた素子とカンチレバーとの界面領域が、バイメタル素子のように温度に応じて撓み変形を起こす、といった問題に対する配慮が必要である。   Note that when a certain element such as a piezo sensor or an oscillator is attached to the cantilever itself, these elements are formed at the same time when the cantilever is manufactured in the process A. At that time, the pasted element increases the rigidity of the cantilever more than necessary, or because of the difference in thermal expansion coefficient between the cantilever's own material and the pasted element's material. Consideration should be given to the problem that the interface region between the cantilever and the cantilever bends and deforms depending on the temperature as in a bimetal element.

カンチレバー先端部の周期的な撓み変位量を検出し、その検出結果に基づき、共振周波数を求める操作には、上記共振周波数を測定する専用の電子回路を用いてもよい。また、強制振動を誘起させる発振子に、所定の周波数の交流電圧を供給する電源装置等、測定装置全体の制御も考慮すると、ADコンバータなどアナログ信号を取り込む機能を備えたパーソナルコンピュータ(以下、パソコン)を利用して、測定条件の制御と、検出結果に基づき、共振周波数を求める演算処理とを、一括して行う構成を用いてもよい。   A dedicated electronic circuit that measures the resonance frequency may be used for the operation of detecting the periodic deflection displacement of the tip of the cantilever and obtaining the resonance frequency based on the detection result. In consideration of the control of the whole measuring device, such as a power supply device that supplies an alternating voltage of a predetermined frequency to an oscillator that induces forced vibration, a personal computer (hereinafter referred to as a personal computer) having an analog signal capturing function such as an AD converter. ) May be used to collectively control the measurement conditions and calculate the resonance frequency based on the detection result.

(工程C)カンチレバーに外力を加えて、撓んだ状態で保持する工程
カンチレバーを予め撓ませ、その撓んだ状態に保持する方法は、特に限定されない。例えば、カンチレバーの先端をカンチレバーと同程度の大きさ形状・素材のもので押す、またはフック付きニードルで引くといった機械的な手法により、所望の外力が印加されている状態とする、機械的な撓みの形成方法が利用できる。また、工程Bの説明中に記述した、カンチレバーにピエゾ素子を張り合わせた形態では、このピエゾ素子に電圧を印加して、歪みを引き起こし、カンチレバーを変形させる方法が利用できる。その他、導電性を有する、V字型またはU字型のカンチレバー二つを上下に対向させて配置した状態とし、カンチレバー両者にそれぞれ電流を流し、発生する磁界による静電的力によって、撓ませる方法、予め、カンチレバーの先端に鉄等の磁性材料を組み込み、電磁石で吸引することで、撓ませる方法を採用することもできる。さらには、後述する工程Dにおいて説明するように、一定の流量・流速・方向で試料溶液または気体をカンチレバー表面に吹き付け、撓んだ状態とする方法なども利用可能である。
(Step C) Step of applying an external force to the cantilever and holding it in a bent state The method of bending the cantilever in advance and holding it in the bent state is not particularly limited. For example, mechanical bending in which a desired external force is applied by a mechanical method such as pushing the tip of the cantilever with a shape and material of the same size as the cantilever or pulling with a needle with a hook Can be used. Further, in the form described in the description of the process B in which the piezo element is bonded to the cantilever, a method of applying a voltage to the piezo element to cause distortion and deforming the cantilever can be used. In addition, a method in which two V-shaped or U-shaped cantilevers having electrical conductivity are arranged so as to be opposed to each other, current is passed through both cantilevers, and they are bent by an electrostatic force generated by a generated magnetic field. A method of bending a magnetic material such as iron at the tip of the cantilever in advance and attracting it with an electromagnet can also be adopted. Furthermore, as will be described in step D described later, a method of spraying a sample solution or gas on the cantilever surface at a constant flow rate / flow velocity / direction to bend can be used.

いずれの手法を選択する場合も、カンチレバーに印加される外力によって、カンチレバーが破損したり、塑性変形を引き起こしたりしないように、カンチレバーの材質、形状に応じて、印加される外力の大きさ、保持される撓みの曲率の範囲を事前に検討することが必要である。   Regardless of which method is selected, the external force applied to the cantilever will not be damaged or cause plastic deformation, so that the magnitude and retention of the applied external force will depend on the material and shape of the cantilever. It is necessary to examine in advance the range of the curvature of bending that is to be performed.

(工程D)カンチレバーをターゲット物質を含む試料に接触させる工程
予め撓んだ状態に保持されているカンチレバーを、ターゲット物質を含む試料と接触させる方法は、特に限定されない。試料が液体である場合は、カンチレバーを試料中に浸漬すればよい。また、試料が気体である場合は、カンチレバーを試料雰囲気中に曝せばよい。また、試料溶液または気体を一定の流量・流速・方向でカンチレバーの表面に吹き付ける形態を採用することもできる。その際、試料溶液または気体を一定の流量・流速・方向でカンチレバーの表面に吹き付けることにより、カンチレバーを撓んだ状態に保持するとともに、ターゲット物質との接触もなされ、工程Cと工程Dを同時に行う形態とすることも可能である。
(Step D) Step of bringing the cantilever into contact with the sample containing the target material The method of bringing the cantilever held in a bent state in advance into contact with the sample containing the target material is not particularly limited. When the sample is a liquid, the cantilever may be immersed in the sample. When the sample is a gas, the cantilever may be exposed to the sample atmosphere. Further, it is possible to adopt a form in which the sample solution or gas is sprayed onto the surface of the cantilever at a constant flow rate, flow velocity, and direction. At that time, the sample solution or gas is sprayed on the surface of the cantilever at a constant flow rate, flow velocity, and direction, so that the cantilever is bent and contacted with the target material. It is also possible to adopt a form to perform.

工程Dは、カンチレバーを変位量測定装置に組み込んだ状態で行ってもよい。また、工程Bの終えた後、変位量測定装置からカンチレバーを取り外し、カンチレバーを撓んだ状態に保持する機構を備えた、脱着が容易なカセットに取り付け、工程Cを行い、このカセットに取り付けた状態で、工程Dを実施することができる。すなわち、フィールドや医療現場など、試料をサンプリングする場所において、このカセットに取り付けた状態のカンチレバーを利用して、工程Dを実施することができる。   Process D may be performed in a state where the cantilever is incorporated in the displacement measuring device. In addition, after the completion of the process B, the cantilever is detached from the displacement measuring device, and the cantilever is attached to a cassette that is easily attached / detached with a mechanism for holding the cantilever in a bent state, and the process C is performed. In the state, step D can be performed. That is, the process D can be performed using a cantilever attached to the cassette at a place where a sample is sampled, such as a field or a medical site.

その後、ターゲット物質付着処理工程を終えたカセットを回収して、再び、カセットから取り外しや、ターゲット物質の付着がなされたカンチレバーを変位量測定装置にセットしなおし、ターゲット物質の付着後の、カンチレバーの共振周波数の測定を行う。すなわち、回収されたカセットは、一か所にまとめた上で、ターゲット物質の付着後の、カンチレバーの共振周波数の測定をまとめて行うも可能となる。   After that, the cassette after the target material adhesion treatment process is collected, removed again from the cassette, and the cantilever on which the target material is adhered is set again on the displacement measuring device, and after the target material is adhered, Measure the resonance frequency. That is, it is possible to collect the collected cassettes in one place and collectively measure the resonance frequency of the cantilever after the target material is attached.

(工程C’)カンチレバーに外力を加えて、逆方向に撓んだ状態で保持する工程
工程C’では、カンチレバーに、工程Cとは逆方向の力を加えることで、工程Cでは、凹面だった側が、凸面になるようにカンチレバーを逆に撓ませる。なお、逆方向の外力を加え、逆方向に撓んだ状態にする方法は、工程Cと同様に、特に限定されない。
(Step C ′) Step of applying an external force to the cantilever and holding it in a bent state in the reverse direction In Step C ′, a force in the reverse direction to Step C is applied to the cantilever. The cantilever is bent backwards so that the other side becomes a convex surface. In addition, the method of applying the external force in the reverse direction to bend in the reverse direction is not particularly limited as in the process C.

(工程D’)カンチレバーをターゲット物質を含む試料に接触させる工程
前記工程C’により、凹面だった側が、凸面になるようにカンチレバーを逆に撓ませる状態とした上で、工程D’では、カンチレバーを、ターゲット物質を含む試料にさらに接触させる。工程D’において、ターゲット物質を含む試料に接触させる方法は、工程Dと同様に特に限定されない。
(Step D ′) The step of bringing the cantilever into contact with the sample containing the target material In step D ′, the cantilever is bent in the reverse direction so that the concave side becomes a convex surface by the step C ′. Is further brought into contact with a sample containing the target substance. In the step D ′, the method for contacting the sample containing the target material is not particularly limited as in the step D.

(工程E)カンチレバーに印加された外力を取り除く工程
工程C、あるいは、工程C’おいて、外力を印加して、強制的に撓んだ状態に保持されているカンチレバーは、印加されている外力を取り除くと、この強制的な撓みは解消され、カンチレバーの先端が自由端となる「解放」状態となる。この印加されている外力を取り除く際、いきなり、カンチレバーに印加されている外力をゼロにすると、蓄えられている弾性応力によって、カンチレバーは振動を始める。この振動は次第に減衰して、最終的には、カンチレバーは制止する。
(Step E) Step of removing the external force applied to the cantilever In step C or step C ′, the external force is applied and the cantilever held in a forcibly bent state is applied external force. When this is removed, this forced deflection is eliminated, and the cantilever tip becomes a “released” state where the tip is a free end. When removing the applied external force, if the external force applied to the cantilever is suddenly reduced to zero, the cantilever starts to vibrate due to the stored elastic stress. This vibration gradually attenuates and eventually the cantilever stops.

ただし、撓んだ状態で保持されている際、カンチレバー全体が凸面状とするため、カンチレバーの先端部に外力を印加しているが、その撓み量が大きいと、いきなり、カンチレバーに印加されている外力を取り除き、自由振動を行わせると、大きな振幅で振動を開始する。すなわち、カンチレバーを大きな撓み量で反復的に撓ませる状態が継続すると、カンチレバーが反復的な曲げ応力印加に起因する機械的な疲労を起こし、破損を生じる可能性がある。この点を考慮し、カンチレバーに印加されている外力を徐々に減らして、振動の発生を回避しつつ、最終的に印加される外力をゼロにすることが望ましい。この外力を徐々に取り除く段階に要する時間は、カンチレバーのバネ定数に依存しており、すなわち、カンチレバーの素材や形状に依存する。実際に測定に利用するカンチレバーと、全く同じ素材、形状のカンチレバーを利用して、事前に、外力を徐々に取り除く段階に適する外力の低下速度を検討した上で、適宜決定することが可能である。   However, when the cantilever is held in a bent state, the entire cantilever is convex, so an external force is applied to the tip of the cantilever, but if the amount of bending is large, it is suddenly applied to the cantilever. When external force is removed and free vibration is performed, vibration starts with a large amplitude. That is, if the state in which the cantilever is repeatedly bent with a large amount of bending continues, the cantilever may cause mechanical fatigue due to repetitive bending stress application, and may be damaged. In consideration of this point, it is desirable to gradually reduce the external force applied to the cantilever so that the final applied external force is zero while avoiding the occurrence of vibration. The time required to gradually remove the external force depends on the spring constant of the cantilever, that is, depends on the material and shape of the cantilever. Using a cantilever that is exactly the same material and shape as the actual cantilever used for measurement, it is possible to determine it appropriately after examining the rate of external force reduction suitable for the stage of gradually removing the external force in advance. .

また、いきなり、カンチレバーに印加されている外力を取り除いた際に、発生する振動の振幅を抑制し、速やかに減衰するとうに、例えば、カンチレバーの根本部分にダンパーを取り付け、振幅を制限し、同時に、弾性応力の減衰を行う形態を利用することもできる。また、いきなり、カンチレバーに印加されている外力を取り除いた際に、発生する振動によって、カンチレバーの先端が反対方向に方向に撓む状態を回避するように、ストッパーを作用させ、強制的に振動を止める手法の利用も考えられる。   Also, suddenly, when the external force applied to the cantilever is removed, the amplitude of the generated vibration is suppressed and quickly attenuated, for example, a damper is attached to the base part of the cantilever, the amplitude is limited, and at the same time, A form in which elastic stress is attenuated can also be used. In addition, when the external force applied to the cantilever is suddenly removed, the stopper is operated so as to avoid the state where the tip of the cantilever bends in the opposite direction due to the generated vibration. The use of a stopping method is also conceivable.

このダンパーや、ストッパーを取り付けている場合、カンチレバーの共振周波数の測定に際して、その自由振動を阻害する要因とならないように、予め取り外した上で、共振周波数の測定を実施することが必要となる。   When this damper or stopper is attached, it is necessary to measure the resonance frequency after removing it in advance so as not to be a factor that impedes the free vibration when measuring the resonance frequency of the cantilever.

(工程F)ターゲット物質の付着処理後の、カンチレバーの共振周波数を測定する工程
ターゲット物質の付着処理を終えた後、カンチレバーの共振周波数を測定する。その際、ターゲット物質付着処理後のカンチレバーの共振周波数は、上記工程Bで利用する測定方法と同様の測定手順に従って、測定する。
(Step F) Step of Measuring Resonant Frequency of Cantilever After Target Material Adhesion Treatment After finishing the target material attachment treatment, the resonance frequency of the cantilever is measured. At that time, the resonance frequency of the cantilever after the target material adhesion treatment is measured according to the same measurement procedure as the measurement method used in the step B.

なお、カンチレバー表面にターゲット物質が付着し、ターゲット物質の荷重によりカンチレバー全体の質量増加が生じていると、測定される「ターゲット物質付着処理後の共振周波数」ω0fは、上記工程Bで測定される「初期共振周波数」ω0iとは異なったものとなっている。 When the target material adheres to the surface of the cantilever and the mass of the entire cantilever increases due to the load of the target material, the measured “resonance frequency after the target material attachment treatment” ω 0f is measured in the above-mentioned step B. This is different from the “initial resonance frequency” ω 0i .

(工程G)前記工程(B)で測定される「初期共振周波数」ω0iと前記工程(F)で測定される「ターゲット物質付着処理後の共振周波数」ω0fの差を算出する工程
工程Bで測定した「初期共振周波数」ω0iと、工程Fで測定した「ターゲット物質付着処理後の共振周波数」ω0fとの差Δω0=(ω0i−ω0f)をパソコン等で計算し、さらに、この差Δω0に基づき、カンチレバー表面にターゲット物質が付着することに由来する質量変化の有無や質量変化量を算出する。
(Step G) A step of calculating a difference between the “initial resonance frequency” ω 0i measured in the step (B) and the “resonance frequency after target material adhesion treatment” ω 0f measured in the step (F). and "initial resonance frequency" omega 0i measured in, calculates the difference Δω between omega 0f "resonance frequency after the target material deposition process" measured in step F 0 = a (ω 0i0f) in a personal computer or the like, Based on this difference Δω 0 , the presence / absence of mass change and the mass change amount derived from the target substance adhering to the cantilever surface are calculated.

なお、「初期共振周波数」ω0iの実測値に代えて、カンチレバーの推定初期共振周波数を用いて、差Δω0=(ω0i−ω0f)を算出することもできる。 Note that the difference Δω 0 = (ω 0i −ω 0f ) can be calculated using the estimated initial resonance frequency of the cantilever instead of the actually measured value of the “initial resonance frequency” ω 0i .

なお、上記の説明では、本発明の検出原理を説明する上で、説明を簡単にする目的で、一本のカンチレバーを有するセンサを用いる形態について記述したが、複数のカンチレバーを有するセンサ構成を利用することもできる。   In the above description, for the purpose of simplifying the explanation in describing the detection principle of the present invention, a mode using a sensor having one cantilever has been described. However, a sensor configuration having a plurality of cantilevers is used. You can also

例えば、複数のカンチレバーを並べたアレイ構成を利用し、複数のカンチレバー表面に同一のターゲット物質認識物質を固定し、それら複数のカンチレバーの共振周波数変化量Δω0の測定結果を平均して、この平均値に基づき、付着しているターゲット物質の量を算定する形態を採用すると、試料中に含まれるターゲット物質の検出を、より精度で行うことが可能となる。 For example, by using an array configuration in which a plurality of cantilevers are arranged, the same target substance recognition substance is fixed on the surfaces of the plurality of cantilevers, and the measurement results of the resonance frequency change Δω 0 of the plurality of cantilevers are averaged. If the form of calculating the amount of the target material adhering based on the value is adopted, it becomes possible to detect the target material contained in the sample with higher accuracy.

また、複数のカンチレバーを並べたアレイ構成を利用し、個々のカンチレバーに別のターゲット物質認識物質を固定すると、各カンチレバーの共振周波数変化量Δω0の測定結果に基づき、一度に複数のターゲット物質を検出する形態とすることも可能である。 In addition, when another target substance recognition substance is fixed to each cantilever using an array configuration in which a plurality of cantilevers are arranged, a plurality of target substances can be loaded at a time based on the measurement result of the resonance frequency change Δω 0 of each cantilever. It is also possible to adopt a form of detection.

また、別の例として、並列した二本のカンチレバーを一組とし、一方はターゲット物質認識物質を固定した検出用カンチレバーとし、もう一方はターゲット物質認識物質と似てはいるがターゲット物質とは結合しない物質を固定して、対比用カンチレバーとすると、カンチレバーの共振周波数変化量Δω0測定時に、両者の変化量Δω0を同時に測定し、対比することで、カンチレバーのバネ定数kの変化に起因する共振周波数変化を考慮した上で、カンチレバー表面にターゲット物質が付着することに由来する質量変化の有無や質量変化量を算定することが可能となる。 As another example, a pair of two cantilevers arranged in parallel, one is a detection cantilever with a target substance recognition substance fixed, and the other is similar to the target substance recognition substance but is bound to the target substance. When the non-conducting substance is fixed and used as a comparison cantilever, when measuring the resonance frequency change Δω 0 of the cantilever, the change Δω 0 between the two is measured at the same time, and the difference is caused by the change in the spring constant k of the cantilever. In consideration of the change in resonance frequency, it is possible to calculate the presence or absence of mass change and the amount of mass change resulting from the target material adhering to the cantilever surface.

その際、対比用カンチレバー表面には、ターゲット物質が付着していない点を利用し、測定用カンチレバーの共振周波数と、対比用カンチレバーの共振周波数との差は、測定用カンチレバー上に付着しているターゲット物質の有無、ならびにその付着量を反映する。一方、対比用カンチレバーにおける、「初期共振周波数」と、「ターゲット物質付着処理後の共振周波数」との差は、試料との接触に伴い、カンチレバーのバネ定数kの変化の有無、あるいは、その程度を算出する基礎とすることができる。   At this time, the surface of the comparison cantilever is used on the surface where the target material is not adhered, and the difference between the resonance frequency of the measurement cantilever and the resonance frequency of the comparison cantilever is adhered on the measurement cantilever. Reflects the presence or absence of the target substance and the amount of adhesion. On the other hand, the difference between the “initial resonance frequency” and the “resonance frequency after the target material adhesion treatment” in the comparison cantilever is the presence or absence of the change in the spring constant k of the cantilever with the contact with the sample. Can be used as a basis for calculating.

なお、本発明にかかるターゲット物質の検出方法の原理に基づく、ターゲット物質検出装置の装置構成は、上記の工程(A)〜工程(G)に対応する装置構成を備えることが好ましい。具体的には、
(a)ターゲット物質認識物質を表面に固定したカンチレバーを具えたカンチレバーセンサ;
(b)ターゲット物質認識物質を表面に固定したカンチレバーの初期共振周波数を測定する手段;
(c)前記カンチレバーに外力を加えて、ターゲット物質認識物質が固定されている一方の面を凸として、撓んだ状態で保持する手段;
(d)前記撓んだ状態で保持する前記カンチレバーを、ターゲット物質認識物質に対するターゲット物質の結合を可能とする状態で、試料と接触させる手段;
(e)前記カンチレバーに加えた外力を取り除く手段;
(f)ターゲット物質との結合を目的とする、試料との接触を行った後の前記カンチレバーの共振周波数を測定する手段;
(g)試料との接触を行った後の前記カンチレバーの共振周波数と、カンチレバーの初期共振周波数との差を算出する手段;
(h)試料との接触後のカンチレバーの共振周波数測定値と、試料との接触前の該カンチレバーの初期共振周波数とから算出される共振周波数差に基づき、該カンチレバー表面に固定されているターゲット物質認識物質に対して結合したターゲット物質の有無、あるいは、結合したターゲット物質の量を算出する手段
を具えていることを特徴とするターゲット物質検出装置とすると、より好ましい。
Note that the device configuration of the target material detection device based on the principle of the target material detection method according to the present invention preferably includes the device configuration corresponding to the above steps (A) to (G). In particular,
(A) a cantilever sensor including a cantilever having a target substance recognition substance fixed on the surface;
(B) means for measuring an initial resonance frequency of a cantilever having a target substance recognition substance fixed on the surface;
(C) means for applying an external force to the cantilever to hold one surface on which the target substance recognizing substance is fixed as a convex and hold it in a bent state;
(D) means for bringing the cantilever held in the bent state into contact with the sample in a state enabling the binding of the target material to the target material recognition material;
(E) means for removing external force applied to the cantilever;
(F) means for measuring the resonant frequency of the cantilever after contact with the sample for the purpose of binding to the target substance;
(G) means for calculating a difference between the resonance frequency of the cantilever after contact with the sample and the initial resonance frequency of the cantilever;
(H) A target material fixed on the surface of the cantilever based on a resonance frequency difference calculated from the measured resonance frequency of the cantilever after contact with the sample and the initial resonance frequency of the cantilever before contact with the sample. It is more preferable that the target substance detection apparatus includes a means for calculating the presence or absence of the target substance bound to the recognition substance or the amount of the bound target substance.

以上に説明したように、本発明にかかるターゲット物質の検出方法の原理では、予めカンチレバーを撓ませた状態とした上で、カンチレバーとターゲット物質とを接触させることによって、ターゲット物質同士の斥力が小さい状態で、カンチレバー表面にターゲット物質を付着させることが可能となり、付着後、カンチレバーを撓ませている外力を取り除くと、カンチレバーの表面には、高い面密度で付着したターゲット物質は、そのターゲット物質間の斥力によって、脱落することなく、付着状態を維持する。この状態で、高い面密度で付着したターゲット物質による荷重増加を反映する、カンチレバーの共振周波数変化量を測定することによって、ターゲット物質のより高感度な検出が可能となっており、または、より簡易な検出手段による測定が可能になる。   As described above, in the principle of the target material detection method according to the present invention, the cantilever and the target material are brought into contact with each other after the cantilever is bent in advance, so that the repulsive force between the target materials is small. In this state, it becomes possible to attach the target material to the surface of the cantilever. After the adhesion, if the external force that is bending the cantilever is removed, the target material attached to the surface of the cantilever with a high surface density is between the target materials. By the repulsive force, it maintains the attached state without falling off. In this state, by measuring the amount of change in the resonant frequency of the cantilever that reflects the increase in load due to the target material attached at a high surface density, it becomes possible to detect the target material with higher sensitivity, or more easily. Measurement by a simple detection means becomes possible.

以下、具体例を示し、本発明をさらに詳しく説明する。なお、下記の具体例は、本発明にかかる最良の実施形態の一例であるが、本発明は、これら具体例の態様に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. In addition, although the following specific example is an example of the best embodiment concerning this invention, this invention is not limited to the aspect of these specific examples.

(実施態様1)
本実施態様では、ターゲット物質のアビジンを、ターゲット物質認識物質として、ビオチンを利用して、ビオチンを固定化したカンチレバーセンサによって検出する事例を示す。すなわち、ビオチンは、アビジンと特異的に結合する補酵素であり、ターゲット物質のタンパク質を、それと特異的な結合能を有する基質物質との複合体形成を介して、カンチレバー表面に付着させる事例に相当する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a case where avidin as a target substance is detected by a cantilever sensor using biotin as a target substance recognition substance and biotin immobilized thereon is shown. In other words, biotin is a coenzyme that specifically binds to avidin, and corresponds to an example in which the target substance protein is attached to the cantilever surface through complex formation with a substrate substance having specific binding ability. To do.

この態様で利用するカンチレバーセンサは、一本のカンチレバーで構成される形態である。カンチレバーの共振周波数の測定は、付設する発振子によって、カンチレバーを所定の振動周波数で強制振動させ、その際、カンチレバー先端部の振幅(撓み量の変化幅)を光てこ法を利用して測定する。強制振動条件において、その振動周波数ωに対して、観測されるカンチレバー先端部の振幅(撓み量の変化幅)をプロットし、極大を与える振動周波数ωをカンチレバーの共振周波数ω0の実測値とする。 The cantilever sensor used in this mode is configured by a single cantilever. The resonance frequency of the cantilever is measured by forcibly oscillating the cantilever at a predetermined vibration frequency using an attached oscillator, and at that time, the amplitude of the tip of the cantilever (change width of the deflection amount) is measured using an optical lever method. . Under the forced vibration conditions, the amplitude (change width of the deflection amount) of the observed cantilever tip is plotted against the vibration frequency ω, and the vibration frequency ω giving the maximum is the measured value of the resonance frequency ω 0 of the cantilever. .

なお、同一工程で作製されるカンチレバーは、カンチレバー自体の質量m、バネ定数kは、本質的に同じとなるように、作製精度、特性の再現性を高めており、同一工程で作製したカンチレバーの共振周波数は、ほぼ同様の値となっている。従って、アビシンの検出に利用するカンチレバーの初期共振周波数の測定を行った後、比較用に用いるカンチレバーに関しては、その初期共振周波数の測定は省くこともできる。   The cantilever manufactured in the same process has improved manufacturing accuracy and reproducibility of characteristics so that the mass m and spring constant k of the cantilever itself are essentially the same. The resonance frequency has almost the same value. Therefore, after measuring the initial resonance frequency of the cantilever used for detecting avidin, the measurement of the initial resonance frequency can be omitted for the cantilever used for comparison.

(1)カンチレバー表面へのビオチンの固定化
検出に利用するカンチレバーセンサは、カンチレバーの表面に予め金コートを施した後、金に対するスルファニル基(−SH)の反応性を利用して、スルファニル基(−SH)を導入したビオチン(ビオチンチオール)を金コート膜上に固定化したものである。
(1) Immobilization of biotin on the surface of a cantilever The cantilever sensor used for detection is pre-coated with a gold coat on the surface of the cantilever, and then utilizes the reactivity of the sulfanyl group (-SH) with respect to gold, -SH) -immobilized biotin (biotinthiol) is immobilized on a gold-coated film.

図2(a)に、シリコン基板から通常の半導体製造プロセスを利用して作製する、カンチレバー付きチップ自体の構造を模式的に示す。縦横10mm、厚さ1mm程度の正方形チップ31の中心に、カンチレバー33が形成されている。図2(b)に示すように、カンチレバー33は、厚さ1μm、長さ500μm、幅100μmの片持ち梁状の構造であり、シリコン基板をエッチング加工することで作製する。このエッチング加工によって除去される部分は、正方形チップ31の中心に、直径600μmの穴32となる。この穴32の中央に、カンチレバー33が突き出した形状とする。この加工工程後、カンチレバー付きチップA、Bは、そのカンチレバーa、bの上面、下面ともに、金蒸着膜をコートする。   FIG. 2 (a) schematically shows the structure of a cantilever chip itself manufactured from a silicon substrate using a normal semiconductor manufacturing process. A cantilever 33 is formed at the center of a square tip 31 having a length and width of 10 mm and a thickness of about 1 mm. As shown in FIG. 2B, the cantilever 33 has a cantilever structure having a thickness of 1 μm, a length of 500 μm, and a width of 100 μm, and is manufactured by etching a silicon substrate. A portion removed by this etching process becomes a hole 32 having a diameter of 600 μm at the center of the square chip 31. The cantilever 33 protrudes from the center of the hole 32. After this processing step, the cantilevers with chips A and B are coated with a gold vapor deposition film on both the upper and lower surfaces of the cantilevers a and b.

ビオチンに対して、スルファニル基(−SH)を導入したビオチンチオールのエタノール溶液(0.5mM)中に、金蒸着膜コートを施したカンチレバー付きチップを30分間浸漬する。金被膜表面へのビオチンの固定化処理後、ビオチンチオールのエタノール溶液から取り出し、未反応ビオチンチオールの除去のため、エタノールで3回洗浄する。洗浄後、乾燥を行った後、シリコン基板から上記のサイズで、ダイシング処理を行って、カンチレバー付きチップを切り離す。   A tip with a cantilever coated with a gold-deposited film is immersed in an ethanol solution (0.5 mM) of biotinthiol into which sulfanyl group (—SH) is introduced with respect to biotin for 30 minutes. After the biotin is immobilized on the gold coating surface, the biotin thiol is removed from the ethanol solution and washed three times with ethanol to remove unreacted biotin thiol. After washing and drying, a dicing process is performed from the silicon substrate with the above size to separate the cantilevered chip.

その結果、カンチレバー付きチップA、Bは、本質的に全く等しい、両面ビオチン固定型のカンチレバーセンサとなる。   As a result, the cantilevers with chips A and B are essentially the same, both-side biotin-fixed cantilever sensors.

(2)ビオチン固定カンチレバーセンサを利用するアビジンの検出
次に、両面ビオチン固定型のカンチレバーセンサを利用して、アビジンを検出する手順を説明する。
(2) Detection of avidin using biotin-fixed cantilever sensor Next, a procedure for detecting avidin using a double-sided biotin-fixed cantilever sensor will be described.

図3に、カンチレバーの共振周波数の測定に利用する装置の構成を模式的に示す。この測定装置は、カンチレバー先端の撓み量を検出するために利用する、光てこ法を応用した変位量測定装置と、カンチレバーを所定の周波数ωで強制振動させるピエゾ素子型発振子とで構成されている。その際、カンチレバーを所定の周波数ωで強制振動させた状態で、カンチレバー先端の撓み量の変化幅(振幅)を測定し、各振動周波数ωに対する、カンチレバー振動の振幅をプロットし、その極大を与える振動周波数を、カンチレバーの共振周波数ω0の実測値とする。 FIG. 3 schematically shows the configuration of an apparatus used for measuring the resonance frequency of the cantilever. This measuring device is composed of a displacement measuring device using the optical lever method, which is used to detect the deflection amount of the cantilever tip, and a piezo element type oscillator for forcibly vibrating the cantilever at a predetermined frequency ω. Yes. At that time, in a state where the cantilever is forcibly vibrated at a predetermined frequency ω, the change width (amplitude) of the deflection amount of the cantilever tip is measured, the amplitude of the cantilever vibration is plotted for each vibration frequency ω, and the maximum is given Let the vibration frequency be the measured value of the resonance frequency ω 0 of the cantilever.

カンチレバー付きチップ31を固定するステージ41は、チップと接する面はチップ形状に合わせて窪んでおり、かつチップと接触する面は、鏡面加工し、平坦な面とされている。クランプ42で、チップ31をステージ41に固定する際、チップ31自体の装着位置は、高い精度と再現性で同じ位置となる。一方、半導体レーザ発信器43から放出されるレーザ光線44は、レンズ45を通して、カンチレバー先端部に照射される。カンチレバー先端部で反射された反射光46は、ディテクタ47に達する。ディテクタ47は、上下2個のフォトダイオード(不図示)より構成される、所謂、二分割センサである。上下2個のフォトダイオードの信号は、それぞれ2チャンネルAD変換ボードを介して、デジタル情報として、パソコン48に入力される。   The stage 41 that fixes the tip 31 with the cantilever has a surface that is in contact with the tip that is recessed according to the shape of the tip, and the surface that contacts the tip is mirror-finished to be a flat surface. When the chip 31 is fixed to the stage 41 with the clamp 42, the mounting position of the chip 31 itself is the same position with high accuracy and reproducibility. On the other hand, the laser beam 44 emitted from the semiconductor laser transmitter 43 is applied to the tip of the cantilever through the lens 45. The reflected light 46 reflected at the tip of the cantilever reaches the detector 47. The detector 47 is a so-called two-divided sensor composed of two upper and lower photodiodes (not shown). The signals from the two upper and lower photodiodes are input to the personal computer 48 as digital information via the 2-channel AD conversion board.

ステージ41には、チップ31と接触するように、ピエゾ発振子40が埋め込まれている。該ピエゾ発振子40を、所定の周波数ωで発振させることにより、チップ31を介して振動が伝播される結果、カンチレバー33は、該振動周波数ωで強制振動される状態となる。   A piezo oscillator 40 is embedded in the stage 41 so as to be in contact with the chip 31. By oscillating the piezo oscillator 40 at a predetermined frequency ω, the vibration is propagated through the chip 31, and as a result, the cantilever 33 is forced to vibrate at the vibration frequency ω.

この強制振動によって、カンチレバー先端部の撓み量が周期的に変化すると、先端部に対する、レーザ光線44の入射角θが変化し、対応して、反射光の反射角θも変化し、反射光の軌跡は、46’の様なズレ状態と、46’’の様なズレ状態との間を周期的に往復する。カンチレバー33が静止している状態において、ディテクタ47の二分割センサ上に入射される反射光の中心軸は、レーザ光線44の入射角θが当初の角度θ0である状態で、上下2個のフォトダイオードの境界線上に位置するように、半導体レーザ発信器43とディテクタ47の位置合わせがなされる。一般に、そのゼロ点調整がなされた状態では、上下2個のフォトダイオードへの入射光強度に比例する、出力信号強度は等しくなるように、位置合わせがなされる。 When the amount of bending of the tip of the cantilever changes periodically due to this forced vibration, the incident angle θ of the laser beam 44 with respect to the tip changes, and correspondingly, the reflection angle θ of the reflected light also changes. The trajectory periodically reciprocates between a shift state such as 46 ′ and a shift state such as 46 ″. In a state in which the cantilever 33 is stationary, the reflected light is incident on the two-divided sensor detector 47 central axis, while the angle of incidence of the laser beam 44 theta is the initial angle theta 0, two upper and lower The semiconductor laser transmitter 43 and the detector 47 are aligned so as to be positioned on the boundary line of the photodiode. In general, in the state in which the zero point is adjusted, alignment is performed so that output signal intensities proportional to incident light intensities on two upper and lower photodiodes are equal.

カンチレバー先端の撓み量が変化すると、レーザ光線44の入射角θが、当初の角度θ0から変位すると、最終的に、二分割センサ上に入射される反射光の中心軸は、上下2個のフォトダイオードの境界線上から、上下2個のフォトダイオードの何れかに偏る位置に変位する。その結果、上下2個のフォトダイオードへの入射光強度に比例する、出力信号強度に差違が生じる。両者の出力信号強度の差違に基づき、二分割センサ上に入射される反射光の中心軸の、上下2個のフォトダイオードの境界線上からの変位量を算出し、さらに、カンチレバー先端部に対するレーザ光線44の入射角θが、当初の角度θ0から変位した量Δθを算出する。これら一連の演算処理は、パソコン48内において、データ解析プログラムに従って実施される。 When the amount of deflection of the cantilever tip is changed, the angle of incidence of the laser beam 44 theta is, when displaced from the initial angle theta 0, finally, the two central axis of the reflected light incident on the divided sensor, two upper and lower It is displaced from the boundary line of the photodiode to a position that is biased to one of the two upper and lower photodiodes. As a result, a difference occurs in the output signal intensity proportional to the incident light intensity to the upper and lower two photodiodes. Based on the difference between the two output signal intensities, the amount of displacement of the central axis of the reflected light incident on the two-divided sensor from the boundary line between the two upper and lower photodiodes is calculated, and the laser beam with respect to the cantilever tip An amount Δθ in which the incident angle θ of 44 is displaced from the initial angle θ 0 is calculated. The series of arithmetic processing is performed in the personal computer 48 according to the data analysis program.

強制振動状態では、カンチレバー先端の撓み量は周期的に変動し、対応して、当初の角度θ0から変位した量Δθも周期的に変動する。すなわち、反射光の軌跡が、46’の様なズレ状態と、46’’の様なズレ状態となる二つの時点の変位量Δθ(極大値と極小値)に基づき、カンチレバー先端の撓み量δにおける極大値δmaxと極小値δminをそれぞれ算出し、その差(δmax−δmin)を、カンチレバー先端の撓み量の変動幅(振幅)実測値とする。 In the forced vibration state, the amount of bending at the tip of the cantilever fluctuates periodically. Correspondingly, the amount Δθ displaced from the initial angle θ 0 also fluctuates periodically. That is, the amount of deflection δ at the tip of the cantilever is based on the displacement Δθ (maximum value and minimum value) at two points in time when the locus of the reflected light is shifted to 46 ′ and shifted to 46 ″. A maximum value δmax and a minimum value δmin are calculated for each, and the difference (δmax−δmin) is taken as a measured fluctuation range (amplitude) of the deflection amount of the tip of the cantilever.

ピエゾ発振子40の発振周波数は、その駆動電源である、オシレータ49から供給される高周波電圧の周波数に一致している。この高周波電圧の周波数を、ω1からω2まで、連続的に変化させて、各振動周波数ωにおける、カンチレバー先端の撓み量の変動幅(振幅)実測値を測定する。撓み量の変動幅(振幅)実測値を、振動周波数ωに対してプロットすると、図4に示すように、カンチレバーの共振周波数ω0に相当する振動周波数領域で、振幅は極大を示す。換言すると、撓み量の変動幅(振幅)実測値(δmax−δmin)を、振動周波数ωの関数として、数値微分を行って、微分係数:d(δmax−δmin)/dω=0となる振動周波数ωを算定し、カンチレバーの共振周波数ω0の実測値:ω0-obsとする。 The oscillation frequency of the piezo oscillator 40 coincides with the frequency of the high-frequency voltage supplied from the oscillator 49 which is the driving power source. The frequency of this high-frequency voltage is continuously changed from ω 1 to ω 2 , and the fluctuation width (amplitude) actual measurement value of the bending amount of the cantilever tip at each vibration frequency ω is measured. When the fluctuation range (amplitude) actual measurement value of the deflection amount is plotted against the vibration frequency ω, the amplitude shows a maximum in the vibration frequency region corresponding to the resonance frequency ω 0 of the cantilever as shown in FIG. In other words, the fluctuation frequency (amplitude) measured value (δmax−δmin) of the bending amount is numerically differentiated as a function of the vibration frequency ω, and the vibration frequency at which the differential coefficient is d (δmax−δmin) / dω = 0. calculated the omega, the measured value of the resonance frequency omega 0 of the cantilever: the omega 0-obs.

なお、当初の角度θ0から変位した量Δθから、カンチレバー先端の撓み量δを算出する操作では、カンチレバー付きチップ31のカンチレバー形状、例えば、カンチレバー33の長さ、カンチレバー33上におけるレーザ光線44の当初の照射位置、当初の撓み量(または、曲率半径)ならびに、検出結果から算出される、当初の角度θ0から変位した量Δθに基づき、カンチレバー先端の撓み量δを算出する。この当初の角度θ0から変位した量Δθから、カンチレバー先端の撓み量δを算出する操作、さらには、撓み量の変動幅(振幅)実測値(δmax−δmin)を振動周波数ωの関数として、数値微分し、カンチレバーの共振周波数ω0の実測値:ω0-obsを算定する操作などの数値演算処理も、パソコン48内において、対応するデータ解析プログラムに従って実施される。加えて、オシレータ49から供給される高周波電圧の周波数を、ω1からω2まで、連続的に変化させて、各振動周波数ωにおける、当初の角度θ0から変位した量Δθの極大値Δθmaxと極小値Δθminを測定する操作も、パソコン48による制御プログラムに従って、自動化された測定ルーチン化がなされている。 In the operation of calculating the deflection amount δ of the tip of the cantilever from the amount Δθ displaced from the initial angle θ 0 , the cantilever tip 31 with the cantilever tip, for example, the length of the cantilever 33, the laser beam 44 on the cantilever 33, Based on the initial irradiation position, the initial deflection amount (or radius of curvature), and the amount Δθ displaced from the initial angle θ 0 calculated from the detection result, the deflection amount δ of the cantilever tip is calculated. From the amount Δθ displaced from the initial angle θ 0 , an operation for calculating the deflection amount δ of the cantilever tip, and further, the fluctuation amount (amplitude) measured value (δmax−δmin) of the deflection amount as a function of the vibration frequency ω, Numerical calculation processing such as operation for differentiating numerically and calculating an actual measurement value ω 0-obs of the resonance frequency ω 0 of the cantilever is also performed in the personal computer 48 according to the corresponding data analysis program. In addition, the frequency of the high-frequency voltage supplied from the oscillator 49 is continuously changed from ω 1 to ω 2 , and the maximum value Δθmax of the amount Δθ displaced from the initial angle θ 0 at each vibration frequency ω The operation for measuring the minimum value Δθmin is also made an automated measurement routine according to the control program by the personal computer 48.

両面ビオチン固定型のカンチレバーAを利用して、アビジンの検出を行う前に、予め、ビオチン固定カンチレバー付きチップAを変位量測定装置にセットし、そのカンチレバーの先端部におけるレーザ光線44の照射スポット位置が、所定の位置となるように、レーザ発信器43と集光レンズ45とからなる、入射光源系の光軸を微調整する。併せて、反射光の受光系を構成する二分割センサ型ディテクタ47の位置を微調整し、二分割センサ上に入射される反射光の中心軸が上下2個のフォトダイオードの境界線上に位置するようにする。具体的には、二分割センサを構成する、上下2個のフォトダイオードへの入射光強度に比例する、出力信号強度が、等しくなるように、二分割センサ型ディテクタ47の位置を微調整する。   Before detecting avidin using the double-sided biotin-fixed cantilever A, the tip A with the biotin-fixed cantilever is set in the displacement measuring device, and the irradiation spot position of the laser beam 44 at the tip of the cantilever However, the optical axis of the incident light source system composed of the laser transmitter 43 and the condensing lens 45 is finely adjusted so that the predetermined position is obtained. At the same time, the position of the two-divided sensor type detector 47 constituting the light receiving system for the reflected light is finely adjusted so that the central axis of the reflected light incident on the two-divided sensor is positioned on the boundary line between the upper and lower two photodiodes. Like that. Specifically, the position of the two-divided sensor detector 47 is finely adjusted so that the output signal intensity is proportional to the intensity of light incident on the two upper and lower photodiodes constituting the two-divided sensor.

引き続き、オシレータ49から供給される高周波電圧の周波数を、ω1からω2まで、連続的に変化させて、各振動周波数ωにおける、カンチレバー先端の撓み量の変動幅(振幅)を実測し、その実測値(δmax−δmin)を基に、該ビオチン固定カンチレバーaの初期の共振周波数実測値:ω0-obs-Aiを算定する。 Subsequently, the frequency of the high frequency voltage supplied from the oscillator 49, the omega 1 to omega 2, by continuously changing, at each vibration frequency omega, and measured the cantilever tip deflection amount of fluctuation width (amplitude), the Based on the actual measurement value (δmax−δmin), the initial resonance frequency actual measurement value: ω 0-obs-Ai of the biotin-fixed cantilever a is calculated.

以上の「初期の共振周波数」の実測を終えた後、カンチレバー付きチップAを取り外し、図5に示すように、プローブ顕微鏡用の探針53付きカンチレバー52を具えたチップ51を、スペーサ54を介して、該チップ31の上面に取り付け、カンチレバー33の先端に、探針53が接触する状態とする。その結果、探針53の接触点に印加される外力のため、カンチレバー33は、上面を凸にして撓んだ状態となる。ここでは、厚さ1μm、長さ500μm、幅100μmの片持ち梁状構造のカンチレバー33に対して、その先端における撓み量が、約100μmとなる当接条件(特には、スペーサ54の厚さ)を選択している。   After the actual measurement of the “initial resonance frequency” is completed, the tip A with the cantilever is removed, and the tip 51 having the cantilever 52 with the probe 53 for the probe microscope is inserted through the spacer 54 as shown in FIG. Then, the probe 53 is attached to the upper surface of the tip 31 and the probe 53 is brought into contact with the tip of the cantilever 33. As a result, due to the external force applied to the contact point of the probe 53, the cantilever 33 is bent with its upper surface convex. Here, an abutment condition (in particular, the thickness of the spacer 54) is that the cantilever 33 having a cantilever structure having a thickness of 1 μm, a length of 500 μm, and a width of 100 μm has a deflection amount of about 100 μm. Is selected.

この探針53付きカンチレバー52を具えたチップ51を取り付けた状態で、カンチレバー付きチップAをアビジン水溶液に浸漬する。所定時間を経過した後、アビジン水溶液からカンチレバー付きチップAを取り出し、蒸留水で洗浄を行う。カンチレバー表面に固定されているビオチンとの結合を介して、安定に付着するアビジンを除き、カンチレバー表面に物理的吸着しているアビジンなどは、蒸留水洗浄によって、除去される。蒸留水洗浄後、表面にアビジンが付着しているカンチレバー付きチップAを自然乾燥する。   With the tip 51 having the cantilever 52 with the probe 53 attached, the tip A with the cantilever is immersed in an avidin aqueous solution. After a predetermined time has elapsed, the cantilevered tip A is taken out of the avidin aqueous solution and washed with distilled water. Avidin and the like physically adsorbed on the cantilever surface are removed by washing with distilled water, except for avidin that stably adheres through binding to biotin immobilized on the cantilever surface. After washing with distilled water, the tip A with a cantilever having avidin attached to the surface is naturally dried.

「初期の共振周波数」実測値の測定に用いた共振周波数測定装置に、ビオチンとの結合を介して、安定にアビジンの付着がなされているカンチレバー付きチップAを再セットし、その表面にアビジンが付着しているカンチレバーaの共振周波数を実測する。表面にアビジンが付着しているカンチレバーaの共振周波数実測値:ω0-obs-Afと、該ビオチン固定カンチレバーaの「初期共振周波数」実測値:ω0-obs-Aiとの差、Δω0-obs-A=(ω0-obs-Ai−ω0-obs-Af)を算出する。 The cantilever tip A to which the avidin is stably attached is re-set to the resonance frequency measuring apparatus used for the measurement of the “initial resonance frequency” actual measurement value through the binding with biotin, and the avidin is attached to the surface. The resonance frequency of the attached cantilever a is measured. The difference between the measured resonance frequency of the cantilever a having avidin attached to the surface: ω 0-obs-Af and the measured “initial resonance frequency” of the biotin-fixed cantilever a: ω 0-obs-Ai , Δω 0 -obs-A = (ω 0-obs-Ai −ω 0-obs-Af ) is calculated.

一方、カンチレバー付きチップBに関しては、そのビオチン固定カンチレバーbは、上記ビオチン固定カンチレバーaと本質的に同一に作製されており、すなわち、該ビオチン固定カンチレバーbの「初期の共振周波数」実測値は、ビオチン固定カンチレバーaの初期の共振周波数実測値:ω0-obs-Aiと同じ値となる。実際に、該ビオチン固定カンチレバーbの「初期共振周波数」を実測したところ、該ビオチン固定カンチレバーbの「初期共振周波数」実測値:ω0-obs-Biは、該ビオチン固定カンチレバーaの「初期共振周波数」実測値:ω0-obs-Aiと、測定誤差内で一致している。 On the other hand, with respect to the tip B with the cantilever, the biotin-fixed cantilever b is made essentially the same as the biotin-fixed cantilever a, that is, the actually measured “initial resonance frequency” of the biotin-fixed cantilever b is: The initial resonance frequency measurement value of the biotin-fixed cantilever a: the same value as ω 0-obs-Ai . Actually, when the “initial resonance frequency” of the biotin-fixed cantilever b was measured, the “initial resonance frequency” of the biotin-fixed cantilever b was measured: ω 0-obs-Bi was the “initial resonance frequency of the biotin-fixed cantilever a. “Frequency” measured value: ω 0-obs-Ai and within the measurement error.

カンチレバー付きチップBに対しても、図5に示すように、プローブ顕微鏡用の探針53付きカンチレバー52を具えたチップ51を、スペーサ54を介して、該チップ31の上面に取り付け、カンチレバー33の先端に、探針53が接触する状態とする。その結果、探針53の接触点に印加される外力のため、カンチレバー33は、上面を凸にして撓んだ状態となる。ここでは、厚さ1μm、長さ500μm、幅100μmの片持ち梁状構造のカンチレバー33に対して、その先端における撓み量が、約100μmとなる当接条件(特には、スペーサ54の厚さ)を選択している。   As shown in FIG. 5, a tip 51 having a cantilever 52 with a probe 53 for a probe microscope is attached to the top surface of the tip 31 via a spacer 54, and the cantilever tip B is attached to the cantilever tip B. The probe 53 is brought into contact with the tip. As a result, due to the external force applied to the contact point of the probe 53, the cantilever 33 is bent with its upper surface convex. Here, an abutment condition (in particular, the thickness of the spacer 54) is that the cantilever 33 having a cantilever structure having a thickness of 1 μm, a length of 500 μm, and a width of 100 μm has a deflection amount of about 100 μm. Is selected.

この探針53付きカンチレバー52を具えたチップ51を取り付けた状態で、カンチレバー付きチップBを純水に浸漬する。所定時間を経過した後、純水からカンチレバー付きチップBを取り出し、自然乾燥する。   With the tip 51 having the cantilever 52 with the probe 53 attached, the tip B with the cantilever is immersed in pure water. After a predetermined time has elapsed, the tip B with the cantilever is taken out from the pure water and naturally dried.

共振周波数測定装置に、純水浸漬処理を施したカンチレバー付きチップBをセットし、その表面にアビジンの付着がなされていないカンチレバーbの共振周波数を実測する。表面にアビジンの付着がなされていないカンチレバーbの共振周波数実測値:ω0-obs-Bfと、該ビオチン固定カンチレバーbの「初期共振周波数」実測値:ω0-obs-Bi≒ω0-obs-Aiとの差、Δω0-obs-B=(ω0-obs-Ai−ω0-obs-Bf)を算出する。 A chip B with a cantilever that has been subjected to a pure water immersion treatment is set in the resonance frequency measuring device, and the resonance frequency of the cantilever b to which no avidin is attached is measured. Measured resonance frequency of cantilever b with no avidin attached to the surface: ω 0-obs-Bf Measured value of “initial resonance frequency” of biotin-fixed cantilever b: ω 0-obs-Bi ≈ω 0-obs The difference from -Ai , [Delta] [omega] 0-obs-B = ([omega] 0-obs-Ai- [ omega] 0-obs-Bf ) is calculated.

Δω0-obs-Bから、アビジンを検出できない場合の共振周波数の変動量を求めることができる。 From Δω 0-obs-B , the amount of fluctuation of the resonance frequency when avidin cannot be detected can be obtained.

具体的には、このΔω0-obs-B=(ω0-obs-Ai−ω0-obs-Bf)は、ビオチン固定カンチレバーを、アビジンを含有していない試料溶液と接触させた状態、すなわち、ビオチン固定カンチレバーの表面に付着されるアビジンは存在してなく、カンチレバー全体の質量mの増減はないが、水性溶媒に浸漬することに起因して、カンチレバーのバネ定数が、kから(k−Δk)に変化することによって、初期の共振周波数:ω0-i=(k/m)1/2から、浸漬処理後の共振周波数:ω0-Bf=([k−Δk]/m)1/2へと変化することを、反映している。 Specifically, this Δω 0-obs-B = (ω 0-obs-Ai −ω 0-obs-Bf ) is a state where the biotin-fixed cantilever is brought into contact with a sample solution not containing avidin, that is, There is no avidin attached to the surface of the biotin-fixed cantilever and there is no increase or decrease in the mass m of the entire cantilever, but due to immersion in an aqueous solvent, the spring constant of the cantilever is changed from k to (k− By changing to Δk), the initial resonance frequency: ω 0-i = (k / m) 1/2 , and the resonance frequency after immersion treatment: ω 0-Bf = ([k−Δk] / m) 1 Reflects the change to / 2 .

Δω0-obs-Aから、アビジンを検出したことに由来する共振周波数の変動量を求めることができる。 From Δω 0-obs-A , the fluctuation amount of the resonance frequency derived from the detection of avidin can be obtained.

具体的には、このΔω0-obs-A=(ω0-obs-Ai−ω0-obs-Af)は、ビオチン固定カンチレバーを、アビジンを含有している試料溶液と接触させた状態、すなわち、ビオチン固定カンチレバーの表面にアビジンが付着される結果、カンチレバー全体の質量は、mから(m+Δm)に増加し、同時に、水性溶媒に浸漬することに起因して、カンチレバーのバネ定数が、kから(k−Δk)に変化することによって、初期の共振周波数:ω0-i=(k/m)1/2から、アビジン付着後の共振周波数:ω0-Af=([k−Δk]/[m+Δm])1/2へと変化することを、反映している。 Specifically, this Δω 0-obs-A = (ω 0-obs-Ai −ω 0-obs-Af ) is a state where the biotin-fixed cantilever is brought into contact with the sample solution containing avidin, that is, As a result of avidin being attached to the surface of the biotin-fixed cantilever, the mass of the entire cantilever increases from m to (m + Δm), and at the same time, the spring constant of the cantilever is By changing to (k−Δk), from the initial resonance frequency: ω 0-i = (k / m) 1/2 , the resonance frequency after avidin attachment: ω 0-Af = ([k−Δk] / [M + Δm]) Reflects a change to 1/2 .

前記の対応に基づき、
Δω0-obs-B=(ω0-obs-Ai−ω0-obs-Bf
≒[(k/m)1/2−([k−Δk]/m)1/2]
Δω0-obs-A=(ω0-obs-Ai−ω0-obs-Af
≒[(k/m)1/2−([k−Δk]/[m+Δm])1/2]
Δω0-obs-A−Δω0-obs-B≒{([k−Δk]/m)1/2−([k−Δk]/[m+Δm])1/2
ω0-obs-Ai≒(k/m)1/2
以上の関係式から、最終的に、[m+Δm]/mを算出することも可能であり、すなわち、ビオチン固定カンチレバーの表面に付着しているアビジンに起因する質量増加Δmの推定が可能とある。
Based on the above correspondence,
Δω 0-obs-B = (ω 0-obs-Ai −ω 0-obs-Bf )
≒ [(k / m) 1/2 -([k-Δk] / m) 1/2 ]
Δω 0-obs-A = (ω 0-obs-Ai −ω 0-obs-Af )
≒ [(k / m) 1/2 -([k-Δk] / [m + Δm]) 1/2 ]
Δω 0-obs-A −Δω 0-obs-B ≈ {([k−Δk] / m) 1/2 − ([k−Δk] / [m + Δm]) 1/2 }
ω 0-obs-Ai ≒ (k / m) 1/2
From the above relational expression, [m + Δm] / m can be finally calculated, that is, it is possible to estimate the mass increase Δm caused by avidin attached to the surface of the biotin-fixed cantilever.

(実施態様2)
本実施態様では、ターゲット物質のカルシウムイオン(Ca2+)を、ターゲット物質認識物質としてキトサンを利用して、キトサンを固定化したカンチレバーセンサによって検出する事例を示す。すなわち、キトサンは、一旦、ポリアクリル酸(PAA)と水素結合し、このキトサンと水素結合した状態のPAAは、カルシウムイオンと特異的な結合性を有する特徴を利用し、PAAを補助剤とし、キトサンをターゲット物質認識物質とする事例に相当する。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, an example is shown in which calcium ions (Ca 2+ ) of a target material are detected by a cantilever sensor using chitosan immobilized as a target material recognition material. That is, chitosan once hydrogen bonds with polyacrylic acid (PAA), and PAA in a hydrogen bond state with chitosan uses the characteristic of having a specific binding property with calcium ion, and uses PAA as an auxiliary agent. This corresponds to the case where chitosan is used as a target substance recognition substance.

なお、キトサン(β−1,4−ポリ−D−グルコサミン)に代えて、β−D−マンヌロン酸(β−D−マンノピラヌロン酸)とα−L−グルロン酸(α−L−グロピラヌロン酸)からなるポリウロン酸である、アルギン酸を、陰性対照として利用する。糖鎖状の繊維状高分子であるキトサン(β−1,4−ポリ−D−グルコサミン)と同様に、粘質多糖の一種であるアルギン酸も、常温では水に溶けにくい繊維状高分子であるが、PAAと水素結合による複合体形成を行わない。従って、アルギン酸は、カルシウムイオン(Ca2+)を固定化する機能を発揮しないものである。 In place of chitosan (β-1,4-poly-D-glucosamine), β-D-mannuronic acid (β-D-mannopyruronic acid) and α-L-guluronic acid (α-L-glopyranuronic acid) are used. The resulting polyuronic acid, alginic acid, is used as a negative control. Like chitosan (β-1,4-poly-D-glucosamine), which is a sugar-like fibrous polymer, alginic acid, a kind of viscous polysaccharide, is a fibrous polymer that is hardly soluble in water at room temperature. However, it does not form a complex with PAA by hydrogen bonding. Therefore, alginic acid does not exhibit the function of immobilizing calcium ions (Ca 2+ ).

(1)カンチレバー表面へのキトサン、または、アルギン酸の固定化
検出に利用するカンチレバーセンサは、センサを構成するカンチレバーは2本一組であり、2本のカンチレバー先端における撓み量差の検出には、分波されたレーザ光線を、光ファイバを用いて、それぞれのカンチレバー先端部に照射し、その反射光による干渉波を測定し、撓み量差(光路長差)を算出する手法を採用している。
(1) Immobilization of chitosan or alginic acid on the cantilever surface The cantilever sensor used for detection is a set of two cantilevers, and the detection of the difference in deflection at the tip of the two cantilevers Employs a method of irradiating each cantilever tip with a demultiplexed laser beam using an optical fiber, measuring the interference wave due to the reflected light, and calculating the deflection amount difference (optical path length difference). .

一方のカンチレバーの表面には、キトサンが固定化され、他方のカンチレバーの表面には、アルギン酸が固定化されている2本一組のカンチレバーを具えるセンサチップC、Dを、下記の手順に従って作製する。   Sensor chips C and D having a pair of cantilevers in which chitosan is immobilized on the surface of one cantilever and alginic acid is immobilized on the other cantilever are prepared according to the following procedure. To do.

図6(a)に、シリコン基板から通常の半導体製造プロセスを利用して作製する、カンチレバー付きチップ自体の構造を模式的に示す。縦横10mm、厚さ1mm程度の正方形チップ31の中心に、2本一組のカンチレバー63、63’が形成されている。カンチレバー63、63’は、ともに厚さ1μm、長さ500μm、幅100μmの片持ち梁状の構造であり、50μmの間隔で平行に配置されている。図6(b)に示すように、カンチレバー63、63’は、その上面は、チップ上面と一致するように、シリコン基板をエッチング加工することで作製する。このエッチング加工によって除去される部分は、正方形チップ31の中心に、直径600μmの穴32となる。この穴32の中央に、2本一組のカンチレバー63、63’が突き出した形状とする。   FIG. 6A schematically shows the structure of a cantilever chip itself manufactured from a silicon substrate using a normal semiconductor manufacturing process. A pair of cantilevers 63 and 63 'are formed at the center of a square chip 31 having a length and width of 10 mm and a thickness of about 1 mm. The cantilevers 63 and 63 'are both cantilever structures having a thickness of 1 μm, a length of 500 μm, and a width of 100 μm, and are arranged in parallel at an interval of 50 μm. As shown in FIG. 6B, the cantilevers 63 and 63 'are manufactured by etching the silicon substrate so that the upper surface thereof coincides with the upper surface of the chip. A portion removed by this etching process becomes a hole 32 having a diameter of 600 μm at the center of the square chip 31. A set of two cantilevers 63 and 63 ′ protrudes from the center of the hole 32.

この加工工程により作製される、カンチレバー付きチップCにおいては、2本一組のカンチレバー63、63’に相当するものを、それぞれ、カンチレバーc、c’と表記する。また、カンチレバー付きチップHにおいては、2本一組のカンチレバー63、63’に相当するものを、それぞれ、カンチレバーd、d’と表記する。   In the cantilever chip C manufactured by this processing step, the cantilever chips 63 and 63 'corresponding to a pair of cantilevers 63 and 63' are denoted as cantilevers c and c ', respectively. Further, in the chip H with a cantilever, those corresponding to a pair of cantilevers 63 and 63 'are denoted as cantilevers d and d', respectively.

次に、このカンチレバー付きチップC、Dが作製されている基板をスピンコータにセットし、カンチレバーcおよびカンチレバーdに対して、1.0%の酢酸水溶液にキトサンを1.0%溶解したキトサン酢酸水溶液を滴下し、2000rpm20secの条件でスピンコートする。スピンコート後、乾燥させることで、カンチレバーcおよびカンチレバーdを、その表面にキトサンがコートされているカンチレバーとする。一方、基板をスピンコータにセットし、カンチレバーc’およびカンチレバーd’に対して、60℃に加熱して溶解した1.0%アルギン酸水溶液を滴下し、2000rpm20secの条件でスピンコートする。スピンコート後、乾燥させることで、カンチレバーc’およびカンチレバーd’を、その表面にアルギン酸がコートされカンチレバーとする。   Next, the substrate on which the chips C and D with cantilevers are fabricated is set on a spin coater, and a chitosan acetic acid aqueous solution in which 1.0% chitosan is dissolved in 1.0% acetic acid aqueous solution with respect to the cantilevers c and d. And is spin-coated under the condition of 2000 rpm for 20 sec. By drying after spin coating, the cantilever c and cantilever d are made cantilevers whose surfaces are coated with chitosan. On the other hand, the substrate is set on a spin coater, and a 1.0% alginic acid aqueous solution dissolved by heating to 60 ° C. is dropped on the cantilever c ′ and cantilever d ′, and spin-coated under the condition of 2000 rpm for 20 sec. By drying after spin coating, cantilever c 'and cantilever d' are coated with alginic acid on the surface to form a cantilever.

2本一組のカンチレバーの表面に、それぞれ異なるコートを施した後、シリコン基板から上記のサイズで、ダイシング処理を行って、2本一組のカンチレバー付きチップを切り離す。   After applying different coats to the surface of each pair of cantilevers, dicing treatment is performed from the silicon substrate with the above size to separate the pair of cantilevers with a pair.

(2)キトサン固定カンチレバーとアルギン酸固定カンチレバーを具えたカンチレバーセンサを利用するカルシウムイオンの検出
次に、カンチレバーセンサを利用して、カルシウムイオンを検出する手順を説明する。
(2) Detection of calcium ions using a cantilever sensor including a chitosan-fixed cantilever and an alginate-fixed cantilever Next, a procedure for detecting calcium ions using a cantilever sensor will be described.

まず、実施例1と同様に、カンチレバー付きチップCのカンチレバーc,c’の初期共振周波数測定を行う。その際、共振周波数の測定方法は、実施例1とほぼ同様であり、各カンチレバーを所定の周波数ωで強制振動させた状態で、各カンチレバー先端の撓み量の変化幅(振幅)を測定し、各振動周波数ωに対する、各カンチレバー振動の振幅をプロットし、その極大を与える振動周波数を、各カンチレバーの共振周波数ω0の実測値とする。 First, as in Example 1, the initial resonance frequency of the cantilevers c and c ′ of the cantilevered chip C is measured. At that time, the measurement method of the resonance frequency is substantially the same as in Example 1, and the change width (amplitude) of the deflection amount of each cantilever tip is measured in a state where each cantilever is forcibly vibrated at a predetermined frequency ω. The amplitude of each cantilever vibration with respect to each vibration frequency ω is plotted, and the vibration frequency giving the maximum is taken as an actual measurement value of the resonance frequency ω 0 of each cantilever.

一方、カンチレバー振動の振幅測定は、カンチレバーの先端に光ファイバでレーザ光線を照射し、反射したレーザ光線を同じ光ファイバで受光して、カンチレバー先端の撓み量の変化(光路長変化)は、撓み量の変化(光路長変化)に起因する反射光の位相変化を、干渉光として測定する。干渉光の強度は、前記強制振動の周波数ωに従って、反復的に変動する。測定された干渉光の強度と、その周期的な変化に基づき、各カンチレバー先端の撓み量の変化幅(振幅)を算出する。算出される振幅が最大になる周波数を初期共振周波数とする。なお、周波数ωで強制振動がなされていない状態、すなわち、光ファイバの先端が停止している状態において、予め、光ファイバの端面とカンチレバー先端との相対的位置を微調整し、カンチレバーcおよびc’それぞれの先端にレーザ光線をあてる。   On the other hand, the amplitude of the cantilever vibration is measured by irradiating the tip of the cantilever with a laser beam with an optical fiber, and receiving the reflected laser beam with the same optical fiber, and the change in the amount of bending of the cantilever tip (change in optical path length) The phase change of the reflected light caused by the change in quantity (change in optical path length) is measured as interference light. The intensity of the interference light repeatedly varies according to the frequency ω of the forced vibration. Based on the measured intensity of the interference light and its periodic change, the change width (amplitude) of the deflection amount of each cantilever tip is calculated. The frequency at which the calculated amplitude is maximized is defined as the initial resonance frequency. In a state where no forced vibration is made at the frequency ω, that is, in a state where the tip of the optical fiber is stopped, the relative position between the end face of the optical fiber and the tip of the cantilever is finely adjusted in advance, and the cantilevers c and c 'A laser beam is applied to each tip.

引き続き、ピエゾ発振子の駆動電源である、オシレータから供給される高周波電圧の周波数を、ω1からω2まで、連続的に変化させて、各振動周波数ωにおける、カンチレバー先端の撓み量の変動幅(振幅)を実測し、その実測値(δmax−δmin)を基に、カンチレバーcおよびc’の初期の共振周波数実測値:ω0-obs-ciとω0-obs-c'iをそれぞれ算定する。 Subsequently, the frequency of the high-frequency voltage supplied from the oscillator, which is the driving power source of the piezo oscillator, is continuously changed from ω 1 to ω 2 and the fluctuation range of the deflection amount of the cantilever tip at each vibration frequency ω. (Amplitude) is measured, and based on the measured value (δmax−δmin), the initial resonance frequency measured values of cantilevers c and c ′: ω 0-obs-ci and ω 0-obs-c′i are calculated, respectively. To do.

図7に、カンチレバーセンサ31が具えている2本一組のカンチレバーを、キトサンあるいはアルギン酸のコートが施されている表面が凸にして撓んだ状態とした上で、PAAを添加した炭酸カルシウム水溶液71中に浸漬するための装置の構成を模式的に示す。図7(a)に示すように、2本一組のカンチレバー付きチップCは、PAAを添加した炭酸カルシウム水溶液71がパドル72の回転で一定の流速で循環する流路73に挿入される。その際、PAAを添加した炭酸カルシウム水溶液71が、カンチレバーセンサ31の穴32を通過するため、2本一組のカンチレバー74は、この流れによる外力を受け、図7(b)に示すように、所定の曲率半径で撓った状態に保持される。この状態で、一定時間、流路73中に静置する。   FIG. 7 shows a cantilever sensor 31 provided with a pair of cantilevers in which a surface coated with chitosan or alginic acid is convex and bent, and then an aqueous solution of calcium carbonate to which PAA is added. The structure of the apparatus for immersing in 71 is shown typically. As shown in FIG. 7A, the pair of cantilevered tips C is inserted into a flow path 73 in which a calcium carbonate aqueous solution 71 to which PAA is added circulates at a constant flow rate by rotation of a paddle 72. At this time, since the calcium carbonate aqueous solution 71 to which PAA is added passes through the hole 32 of the cantilever sensor 31, the pair of cantilevers 74 receives an external force due to this flow, and as shown in FIG. It is held in a bent state with a predetermined radius of curvature. In this state, it is left in the flow path 73 for a certain time.

次いで、パドル72を一度停止し、流路73内の水溶液の流れが止まった後、パドル72を逆回転させる。パドル72の回転方向が逆転したため、流路73中を、PAAを添加した炭酸カルシウム水溶液71が、一定の流速で逆方向に循環する。その際、PAAを添加した炭酸カルシウム水溶液71が、カンチレバーセンサ31の穴32を通過するため、2本一組のカンチレバー74は、この流れによる外力を受け、図7(b)に示す向きと逆の向き、所定の曲率半径で撓った状態に保持される。この状態で、また、一定時間、流路73中にカンチレバー付きチップCを静置する。   Next, the paddle 72 is stopped once, and after the flow of the aqueous solution in the flow path 73 is stopped, the paddle 72 is rotated in the reverse direction. Since the rotation direction of the paddle 72 is reversed, the calcium carbonate aqueous solution 71 to which PAA is added circulates in the reverse direction at a constant flow rate in the flow path 73. At this time, since the calcium carbonate aqueous solution 71 to which PAA is added passes through the hole 32 of the cantilever sensor 31, the pair of cantilevers 74 receives an external force due to this flow and is opposite to the direction shown in FIG. It is held in a state of bending with a predetermined curvature radius. In this state, the cantilevered tip C is allowed to stand in the flow path 73 for a certain time.

その後、パドル72を停止し、流路73内の水溶液の流れが止まった後、2本一組のカンチレバー付きチップCを水溶液から取り出す。取り出したカンチレバーセンサ31は、数回蒸留水で洗浄した後、自然乾燥する。   Then, after the paddle 72 is stopped and the flow of the aqueous solution in the flow path 73 is stopped, a pair of two cantilever tips C are taken out from the aqueous solution. The cantilever sensor 31 taken out is washed with distilled water several times and then naturally dried.

最後に、再びカンチレバーc,c’の共振周波数測定を行い、PAAを添加した炭酸カルシウム水溶液浸漬処理後の共振周波数実測値:ω0-obs-cfとω0-obs-c'fをそれぞれ算定する。「初期共振周波数」実測値と、「浸漬処理後の共振周波数」実測値との差を、それぞれ、Δω0-obs-c=(ω0-obs-ci−ω0-obs-cf)、Δω0-obs-c'=(ω0-obs-c'i−ω0-obs-c'f)とする。 Finally, the resonance frequencies of the cantilevers c and c ′ are measured again, and the measured resonance frequencies: ω 0-obs-cf and ω 0-obs-c′f after immersion in the aqueous solution of calcium carbonate with PAA added are calculated. To do. The difference between the measured value of “initial resonance frequency” and the measured value of “resonance frequency after immersion treatment” is expressed as Δω 0-obs-c = (ω 0-obs-ci −ω 0-obs-cf ), Δω, respectively. Let 0-obs-c ′ = (ω 0-obs-c′i −ω 0-obs-c′f ).

同様に、カンチレバー付きチップDのカンチレバーd,d’についても、予め、各振動周波数ωにおける、カンチレバー先端の撓み量の変動幅(振幅)を実測し、その実測値(δmax−δmin)を基に、カンチレバーdおよびd’の初期の共振周波数実測値:ω0-obs-diとω0-obs-d'iをそれぞれ算定する。その後、上記チップCに施した浸漬処理の手順に準じて、チップDを純水が一定の流速で流れる水路に挿入し、純水浸漬処理を行い、次いで、自然乾燥する。 Similarly, for the cantilevers d and d ′ of the tip D with the cantilever, the fluctuation range (amplitude) of the deflection amount at the tip of the cantilever at each vibration frequency ω is measured in advance, and the measured value (δmax−δmin) is used as a basis. Then, the actual resonance frequency values of the cantilevers d and d ′: ω 0-obs-di and ω 0-obs-d′i are calculated, respectively. Then, according to the procedure of the immersion treatment applied to the tip C, the tip D is inserted into a water channel through which pure water flows at a constant flow rate, subjected to pure water immersion treatment, and then naturally dried.

最後に、再びカンチレバーd,d’の共振周波数測定を行い、純水浸漬処理後の共振周波数実測値:ω0-obs-dfとω0-obs-d'fをそれぞれ算定する。「初期共振周波数」実測値と、「浸漬処理後の共振周波数」実測値との差を、それぞれ、Δω0-obs-d=(ω0-obs-di−ω0-obs-df)、Δω0-obs-d'=(ω0-obs-d'i−ω0-obs-d'f)とする。 Finally, the resonance frequencies of the cantilevers d and d ′ are measured again, and the resonance frequency measured values after the pure water immersion treatment: ω 0-obs-df and ω 0-obs-d′f are respectively calculated. The difference between the measured value of “initial resonance frequency” and the measured value of “resonance frequency after immersion treatment” is expressed as Δω 0-obs-d = (ω 0-obs-di −ω 0-obs-df ), Δω, respectively. Let 0-obs-d ' = (ω 0-obs-d'i- ω 0-obs-d'f ).

カンチレバーの表面にコートされているキトサン層、ならびに、アルギン酸層は、水溶液または純水中に浸漬した場合、水を吸水する結果、膨潤を起こす。この膨潤に伴って、カンチレバーのバネ定数kは、当初の乾燥状態と、膨潤した状態では、k→(k−Δk)に変化する。そのため、純水浸漬処理を施したカンチレバーd,d’では、キトサン層、ならびに、アルギン酸層に対して、なんらの付着も生じていないが、「初期共振周波数」実測値と、「浸漬処理後の共振周波数」実測値との差、Δω0-obs-dとΔω0-obs-d'は、共にゼロではない。しかしながら、なんらの付着も生じていないため、Δω0-obs-dとΔω0-obs-d'の間の差違は小さな値となる。 When immersed in an aqueous solution or pure water, the chitosan layer coated on the surface of the cantilever and the alginate layer swell as a result of absorbing water. Along with this swelling, the spring constant k of the cantilever changes from k → (k−Δk) in the initial dry state and the swollen state. Therefore, in the cantilevers d and d ′ subjected to the pure water immersion treatment, no adhesion has occurred to the chitosan layer and the alginic acid layer, but the “initial resonance frequency” measured value and “after the immersion treatment” The difference from the “resonance frequency” measured value, Δω 0-obs-d and Δω 0-obs-d ′ are not zero. However, since no adhesion has occurred, the difference between Δω 0-obs-d and Δω 0-obs-d ′ is a small value.

また、アルギン酸層を具えているカンチレバーc’でも、カルシウムイオンを捕捉した状態のPAAの付着は生じていないが、カンチレバーのバネ定数kは、当初の乾燥状態と、膨潤した状態では、k→(k−Δk)に変化する。そのため、カンチレバーc’においても、「初期共振周波数」実測値と、「浸漬処理後の共振周波数」実測値との差、Δω0-obs-c'は、ゼロではない。 In addition, even in the cantilever c ′ having the alginic acid layer, the attachment of PAA in a state where calcium ions are trapped does not occur. However, the spring constant k of the cantilever is k → ( k−Δk). Therefore, also in the cantilever c ′, the difference Δω 0-obs-c ′ between the actually measured value of “initial resonance frequency” and the actually measured value of “resonance frequency after immersion treatment” is not zero.

一方、キトサン層を具えているカンチレバーcでは、そのカンチレバーの両面ともに、カルシウムイオンを捕捉した状態のPAAの付着が生じており、カンチレバー全体の質量mは、当初の乾燥状態から、膨潤した状態となる間に、m→(m+Δm)と増加する。勿論、カンチレバーcでも、カンチレバーのバネ定数kは、当初の乾燥状態と、膨潤した状態とで、はk→(k−Δk)に変化しており、カンチレバー全体の質量mの増加に起因する影響もある。この二つの要因によって、カンチレバーcにおいて観測される、「初期共振周波数」実測値と、「浸漬処理後の共振周波数」実測値との差、Δω0-obs-cを、カンチレバーc’のΔω0-obs-cと比較すると、カルシウムイオンを捕捉した状態のPAAの付着量に比例する、明確な相違を示す。 On the other hand, in the cantilever c provided with the chitosan layer, both sides of the cantilever are attached with PAA in a state of capturing calcium ions, and the mass m of the entire cantilever is swollen from the initial dry state. In the meantime, it increases as m → (m + Δm). Of course, even in the cantilever c, the spring constant k of the cantilever changes from k → (k−Δk) between the initial dry state and the swollen state, and this is due to the increase in the mass m of the entire cantilever. There is also. This two factors, observed in cantilever c, and the actually measured value "initial resonant frequency", the difference between the actual measurement value "resonance frequency after immersion process", the Δω 0-obs-c, Δω 0 cantilever c ' Compared with -obs-c, it shows a clear difference proportional to the amount of PAA deposited with calcium ions trapped.

例えば、前記の対応に基づき、
ω0-obs-ci=ω0-obs-di≒(k/m)1/2
Δω0-obs-d=(ω0-obs-di−ω0-obs-df
≒[(k/m)1/2−([k−Δk]/m)1/2]
Δω0-obs-c=(ω0-obs-ci−ω0-obs-cf
≒[(k/m)1/2−([k−Δk]/[m+Δm])1/2]
Δω0-obs-d−Δω0-obs-c≒{([k−Δk]/m)1/2−([k−Δk]/[m+Δm])1/2
以上の関係式から、最終的に、[m+Δm]/mを算出することも可能であり、すなわち、キトサン層を設けているカンチレバーcの表面の付着している、カルシウムイオンを捕捉した状態のPAAの付着に起因する質量増加Δmの推定も可能とある。
For example, based on the above correspondence,
ω 0-obs-ci = ω 0-obs-di ≒ (k / m) 1/2
Δω 0-obs-d = (ω 0-obs-di −ω 0-obs-df )
≒ [(k / m) 1/2 -([k-Δk] / m) 1/2 ]
Δω 0-obs-c = (ω 0-obs-ci −ω 0-obs-cf )
≒ [(k / m) 1/2 -([k-Δk] / [m + Δm]) 1/2 ]
Δω 0-obs-d −Δω 0-obs-c ≈ {([k−Δk] / m) 1/2 − ([k−Δk] / [m + Δm]) 1/2 }
From the above relational expression, [m + Δm] / m can be finally calculated, that is, PAA attached to the surface of the cantilever c provided with the chitosan layer and capturing calcium ions. It is also possible to estimate the mass increase Δm caused by the adhesion of the material.

少なくとも、カンチレバーの両面にキトサン層を形成しているカンチレバーcにおいては、カンチレバーの両面に対して、それぞれ予め撓んだ状態とした上で、カルシウムイオンを捕捉した状態のPAAの付着を行うことで、その付着量の増すことができ、質量増加Δmを大きくすることが可能である。カルシウムイオンを捕捉した状態のPAAの付着量を反映する、カンチレバーcとカンチレバーc’の間、あるいは、カンチレバーcとカンチレバーd’の間における共振振動数変化の相違、Δω0-obs-c'−Δω0-obs-cまたはΔω0-obs-d−Δω0-obs-cを容易に測定することが可能である。 At least, in the cantilever c in which the chitosan layers are formed on both sides of the cantilever, the both sides of the cantilever are preliminarily bent, and PAA is attached in a state where calcium ions are captured. The adhesion amount can be increased, and the mass increase Δm can be increased. The difference in resonance frequency change between the cantilever c and the cantilever c ′, or between the cantilever c and the cantilever d ′, which reflects the adhesion amount of PAA in the state where calcium ions are captured, Δω 0-obs-c ′ − Δω 0-obs-c or Δω 0-obs-d −Δω 0-obs-c can be easily measured.

(実施態様3)
本実施態様では、ターゲット物質のDNAを、ターゲット物質認識物質として、特定の塩基配列を有する一本鎖DNAを利用して、該一本鎖DNAを固定化したカンチレバーセンサによって検出する事例を示す。すなわち、プローブ・ハイブリダイゼーション反応を利用して、プローブ用の一本鎖DNAと、相補的な塩基配列を含んでいる検出対象DNAとのハイブリッド体形成を介して、検出対象DNAのみを選択的にカンチレバー表面に付着させる事例に相当する。
(Embodiment 3)
In the present embodiment, an example is shown in which DNA of a target substance is detected by a cantilever sensor using a single-stranded DNA having a specific base sequence as a target substance-recognizing substance and using the single-stranded DNA immobilized thereon. That is, using the probe hybridization reaction, only the detection target DNA is selectively selected through the formation of a hybrid between the single-stranded DNA for the probe and the detection target DNA containing a complementary base sequence. This corresponds to the case of adhering to the cantilever surface.

また、カンチレバーセンサは、複数種のDNAプローブを、それぞれ個別のカンチレバー表面に固定化し、このプローブ固定カンチレバー複数をアレイ状に配置することで、所謂、マルチプローブアレイ型のセンサとする。例えば、試料中に含有される検出対象DNAの塩基配列の中に、これら複数種のDNAプローブの塩基配列に対して、相補的な塩基配列部分が存在しているか否かの検出に利用することもできる。   In addition, the cantilever sensor is a so-called multi-probe array type sensor in which a plurality of types of DNA probes are immobilized on the individual cantilever surfaces and the plurality of probe-fixed cantilevers are arranged in an array. For example, it can be used to detect whether the base sequence of the DNA to be detected contained in a sample has a base sequence portion complementary to the base sequences of these multiple types of DNA probes. You can also.

(1)カンチレバー表面への一本鎖DNAの固定化
検出に利用するマルチプローブアレイ型センサでは、各プローブに対して、それぞれ、上下一組の電気的に絶縁された電極付きV字型カンチレバーが向き合った構造に配置されている。図8に示すように、互いに向かい合って配置され、導電性材料で作製される、上下一組のV字型カンチレバーに電流を流すと、電磁気力が発生し、すなわち、その電流の方向に従って、引力または斥力が発生する。また、上下一組のV字型カンチレバーに含まれる導電性層は、コンデンサーを構成しており、その間隔の変化は、かかるコンデンサーの静電容量の変化を引き起こす構成となっている。
(1) Immobilization of single-stranded DNA on the surface of a cantilever In a multi-probe array type sensor used for detection, a pair of upper and lower electrically insulated V-shaped cantilevers is provided for each probe. Arranged in an opposing structure. As shown in FIG. 8, when an electric current is passed through a pair of upper and lower V-shaped cantilevers arranged opposite each other and made of a conductive material, an electromagnetic force is generated, that is, an attractive force according to the direction of the electric current. Or repulsion occurs. In addition, the conductive layer included in the pair of upper and lower V-shaped cantilevers constitutes a capacitor, and a change in the interval causes a change in the capacitance of the capacitor.

従って、この特徴を利用することで、上下一組のV字型カンチレバーに、互いに逆方向の電流を流すと、引力が発生し、V字型カンチレバーを撓ませることが可能である。また、V字型カンチレバー先端の撓み量の変化に起因して、その間隔の変化が引き起こされると、かかるコンデンサーの静電容量の変化として検出が可能である。   Therefore, by utilizing this feature, when currents in opposite directions are passed through a pair of upper and lower V-shaped cantilevers, an attractive force is generated and the V-shaped cantilevers can be bent. Further, when a change in the interval is caused due to a change in the amount of deflection of the tip of the V-shaped cantilever, it can be detected as a change in the capacitance of the capacitor.

(上下一組のV字型カンチレバーを具えたチップの作製)
図8に、絶縁体製基板の上面と下面に形成される、上下一組の電極付きV字型カンチレバーが、互いに向き合った配置に設けられているセンサチップの構造を模式的に示す。チップ81は、絶縁体製基板を利用して作製されており、チップ81の中央部分に、V字型カンチレバーをアレイ状に配置するための、縦幅5mmのスリット82が設けられている。
(Making a chip with a pair of upper and lower V-shaped cantilevers)
FIG. 8 schematically shows the structure of a sensor chip in which a pair of upper and lower V-shaped cantilevers with electrodes formed on the upper and lower surfaces of an insulating substrate are provided in an arrangement facing each other. The chip 81 is manufactured by using an insulating substrate, and a slit 82 having a vertical width of 5 mm for arranging V-shaped cantilevers in an array shape is provided at the center of the chip 81.

チップ81の上面には、上面側のV字型カンチレバー83と一体化して形成される導線84−1、84−2に対して、電流を供給する際に利用される電極85−1、85−2が設けられる。対応して、チップ81の下面には、下面側のV字型カンチレバー83’と一体化されている導電性層で形成される導線84−3、84−4に対して、電流を供給する際に利用される電極85−3、85−4が設けられる。なお、図8(a)には、チップ81の上面側の導線84−1、84−2と電極85−1、85−2のみを表示しているが、下面側の導線84−3、84−4と電極85−3、85−4は、対応する位置に配置されている。   On the upper surface of the chip 81, electrodes 85-1 and 85-used to supply current to the conductive wires 84-1 and 84-2 formed integrally with the V-shaped cantilever 83 on the upper surface side. 2 is provided. Correspondingly, a current is supplied to the lower surface of the chip 81 to the conductors 84-3 and 84-4 formed of a conductive layer integrated with the V-shaped cantilever 83 ′ on the lower surface side. Electrodes 85-3 and 85-4 used for the above are provided. FIG. 8A shows only the conductive wires 84-1 and 84-2 on the upper surface side of the chip 81 and the electrodes 85-1 and 85-2, but the lower conductive wires 84-3 and 84 are shown. -4 and the electrodes 85-3 and 85-4 are arranged at corresponding positions.

上面側のV字型カンチレバー83と、下面側のV字型カンチレバー83’とは、両者の間に100μmの間隔を設けて、スリット82中に突き出した形状で設けられる。すなわち、チップ81において、スリット82の一つの長辺に沿って、100μmの間隔を与えるスペーサ部分に相当する、厚さ1μmの絶縁体層を残し、絶縁体製基板に対して、エッチング処理が施されている領域が設けられている。なお、上下一組のV字型カンチレバーで構成されるコンデンサー構造において、その静電容量へ主要な寄与を有する部分は、スリット82中に突き出した形状の上下一組のV字型カンチレバー部分と、厚さ1μmの絶縁体層を挟んで、導線84−1、84−2と導線84−3、84−4とが配置される部分となる。上下一組のV字型カンチレバーにおける先端の撓み量の変化に起因する静電容量変化を検出する際、上下一組の導線が厚さ100μmの絶縁体層を挟んでいる部分の寄与を抑えておくことが望ましい。従って、上下一組のV字型カンチレバーの間隙を調整するスペーサ部分に相当する、所定の厚さを有する絶縁体層は、高い絶縁特性を有し、同時に、誘電率は低い絶縁材料を選択することが好ましい。また、チップ81自体も、高い絶縁特性を有し、同時に、誘電率は低い絶縁材料で構成することが望ましく、例えば、石英基板を用いることが好ましい。   The V-shaped cantilever 83 on the upper surface side and the V-shaped cantilever 83 ′ on the lower surface side are provided in a shape protruding into the slit 82 with an interval of 100 μm therebetween. That is, in the chip 81, the insulating substrate having a thickness of 1 μm corresponding to the spacer portion that gives an interval of 100 μm is left along one long side of the slit 82, and the insulating substrate is etched. An area is provided. In the capacitor structure composed of a pair of upper and lower V-shaped cantilevers, a portion having a major contribution to the capacitance is a pair of upper and lower V-shaped cantilever portions protruding into the slit 82. The conductive wires 84-1 and 84-2 and the conductive wires 84-3 and 84-4 are disposed with an insulator layer having a thickness of 1 μm interposed therebetween. When detecting a change in capacitance caused by a change in the amount of deflection at the tip of a pair of upper and lower V-shaped cantilevers, the contribution of the portion where the upper and lower conductors sandwich an insulator layer with a thickness of 100 μm is suppressed. It is desirable to keep it. Therefore, an insulating layer having a predetermined thickness corresponding to a spacer portion for adjusting the gap between a pair of upper and lower V-shaped cantilevers has a high insulating property and at the same time selects an insulating material having a low dielectric constant. It is preferable. Further, it is desirable that the chip 81 itself be made of an insulating material having high insulating characteristics and at the same time having a low dielectric constant. For example, a quartz substrate is preferably used.

V字型カンチレバー83と83’は、導電性材料のn型シリコンをエッチング加工して、厚さ5μm、根本から先端までの距離500μm、幅100μmのV字型形状に作製する。また、導線84−1、84−2と導線84−3、84−4も、それぞれ、V字型カンチレバー83と83’と一体化し、n型シリコンをエッチング加工して作製する。加えて、一体化されるV字型カンチレバーと導線は、n型シリコン層の上面、下面には、膜厚約100nmの金蒸着膜を付加し、金/n型シリコン/金の積層構造とされている。   The V-shaped cantilevers 83 and 83 ′ are manufactured by etching n-type silicon, which is a conductive material, into a V-shape having a thickness of 5 μm, a distance from the root to the tip of 500 μm, and a width of 100 μm. Conductive wires 84-1 and 84-2 and conductive wires 84-3 and 84-4 are also integrated with V-shaped cantilevers 83 and 83 ', respectively, and fabricated by etching n-type silicon. In addition, the V-shaped cantilever and the conductor to be integrated have a gold / n-type silicon / gold laminated structure by adding a gold deposited film having a thickness of about 100 nm on the upper and lower surfaces of the n-type silicon layer. ing.

金とn型シリコンの熱膨張係数は異なっており、周辺温度が変動した際、金/n型シリコンの二層構造では、表面応力が誘起され、撓みを生じるが、金/n型シリコン/金の三層積層構造では、上面と下面とで誘起される応力が互いに相殺する結果、全体として、温度変動に起因する撓みの発生は抑制される。加えて、V字型カンチレバー部の上面、下面は、金蒸着膜で被覆する形態となっており、スルファニル基(−SH)の金に対する反応性を利用して、一本鎖DNAの結合を行うことが可能である。勿論、金/n型シリコン/金の三層積層構造を用いると、上面と下面の金蒸着膜は、全体の導電率を向上する機能も有している。   Gold and n-type silicon have different thermal expansion coefficients. When the ambient temperature fluctuates, the two-layer structure of gold / n-type silicon induces surface stress and causes bending, but gold / n-type silicon / gold In the three-layer structure, the stresses induced on the upper surface and the lower surface cancel each other, and as a result, the occurrence of bending due to temperature fluctuation is suppressed. In addition, the upper and lower surfaces of the V-shaped cantilever part are covered with a gold vapor deposition film, and single-stranded DNA is bound by utilizing the reactivity of the sulfanyl group (—SH) to gold. It is possible. Of course, when a three-layer structure of gold / n-type silicon / gold is used, the gold deposited film on the upper surface and the lower surface also has a function of improving the overall conductivity.

さらに、V字型カンチレバー83の先端には、GdFeを蒸着する(不図示)。この磁性材料GdFeを利用して、カンチレバー83は、磁界の影響を受けるようになっている。   Further, GdFe is deposited on the tip of the V-shaped cantilever 83 (not shown). Using this magnetic material GdFe, the cantilever 83 is affected by a magnetic field.

4種のDNAプローブを用いて、マルチプローブアレイ型センサを構成する際には、上下一組の電極付きV字型カンチレバー4組;(e1,e’1)〜(e4,e’4)を、横長のスリット82にアレイ状に配置する。   When constructing a multi-probe array type sensor using four types of DNA probes, four sets of V-shaped cantilevers with a pair of upper and lower electrodes; (e1, e′1) to (e4, e′4) These are arranged in an array in the horizontally long slits 82.

(DNAプローブ用の一本鎖DNAの作製)
DNAプローブ用の一本鎖DNAは、所定の塩基配列を有する、化学合成オリゴDNAを利用する。一本鎖DNAの合成は、DNA自動合成機(ABI社製、381A)を利用して行うことができる。合成される一本鎖DNAの5’末端に、金蒸着膜上への結合に利用するスルファニル基(−SH)を導入する。チオールモディファイア(Thiol−Modifier:Glen Research社製)を利用し、DNA自動合成機による合成時に、5’末端にチオール基導入を行う。合成後、通常の脱保護処理を行って、化学合成オリゴDNAを回収する。次いで、高速液体クロマトグラフィーを利用し、精製を行い、目的とする塩基配列を有し、5’末端にチオール基導入処理がなされた一本鎖DNA標品を得る。
(Production of single-stranded DNA for DNA probes)
As the single-stranded DNA for the DNA probe, a chemically synthesized oligo DNA having a predetermined base sequence is used. Single-stranded DNA can be synthesized using an automatic DNA synthesizer (ABI, 381A). A sulfanyl group (—SH) used for binding onto the gold vapor deposition film is introduced into the 5 ′ end of the synthesized single-stranded DNA. A thiol modifier (Thio-Modifier: manufactured by Glen Research) is used to introduce a thiol group at the 5 ′ end during synthesis by an automatic DNA synthesizer. After synthesis, normal deprotection treatment is performed to recover chemically synthesized oligo DNA. Next, purification is performed using high-performance liquid chromatography to obtain a single-stranded DNA preparation having a target base sequence and a thiol group introduction treatment at the 5 ′ end.

表1に示す、4種のDNAプローブ:Probe E1〜E4を調製する。   Four DNA probes shown in Table 1 are prepared: Probes E1 to E4.

DNAプローブ:Probe E1は、市販のクローニングベクターである、プラスミドpUC18中のマルチクローニングサイト部分のうち、EcoRIおよびSacI認識部位の部分に相当する塩基配列(配列番号:1)を有する一本鎖DNAである。   DNA probe: Probe E1 is a single-stranded DNA having a base sequence (SEQ ID NO: 1) corresponding to the EcoRI and SacI recognition sites in the multicloning site portion of plasmid pUC18, which is a commercially available cloning vector. is there.

DNAプローブ:Probe E2は、プラスミドpUC18中のマルチクローニングサイト部分のうち、BamHIおよびXbaI認識部位の部分に相当する塩基配列(配列番号:2)を有する一本鎖DNAである。   DNA probe: Probe E2 is a single-stranded DNA having a base sequence (SEQ ID NO: 2) corresponding to the BamHI and XbaI recognition sites in the multiple cloning site portion of plasmid pUC18.

DNAプローブ:Probe E3は、プラスミドpUC18中のマルチクローニングサイト部分のうち、PstIおよびSphI認識部位の部分に相当する塩基配列(配列番号:3)を有する一本鎖DNAである。   DNA probe: Probe E3 is a single-stranded DNA having a base sequence (SEQ ID NO: 3) corresponding to the PstI and SphI recognition sites in the multicloning site in the plasmid pUC18.

DNAプローブ:Probe E4は、プラスミドpUC18中のマルチクローニングサイト部分のうち、SphIおよびHindIII認識部位の部分に相当する塩基配列(配列番号:4)を有する一本鎖DNAである。   DNA probe: Probe E4 is a single-stranded DNA having a base sequence (SEQ ID NO: 4) corresponding to the SphI and HindIII recognition sites in the multicloning site of plasmid pUC18.

Figure 2007010518
Figure 2007010518

(一本鎖DNAのカンチレバー表面への固定化)
4種の一本鎖DNA(DNAプローブ):Probe E1〜E4を、それぞれ、最終濃度が1μMになるように、10mMのTris−HCl緩衝液中に溶解して、4種のDNAプローブ水溶液を調製する。マイクロピペットを用いて、Probe E1水溶液を、上下一組のカンチレバー(e1,e’1)に、Probe E2水溶液を、上下一組のカンチレバー(e2,e’2)に、Probe E3水溶液を、上下一組のカンチレバー(e3,e’3)に、Probe E4水溶液を、上下一組のカンチレバー(e4,e’4)に、それぞれ滴下する。滴下されたDNAプローブ溶液の液滴は、上下一組のカンチレバーを包み込み、隣接する液滴とは混じり合わないようにする。その状態で、しばらく静置した後、1M NaCl/50mMリン酸緩衝液(pH7.0)を数回滴下して、未固定の一本鎖DNAを洗浄除去する。この工程で、上下一組のカンチレバーのそれぞれ外側の面上に一本鎖DNAが固定される。
(Immobilization of single-stranded DNA on cantilever surface)
Four types of single-stranded DNA (DNA probes): Probes E1 to E4 are each dissolved in 10 mM Tris-HCl buffer so that the final concentration is 1 μM to prepare four types of DNA probe aqueous solutions. To do. Using a micropipette, move the Probe E1 aqueous solution into the upper and lower set of cantilevers (e1, e'1), Probe E2 aqueous solution, the upper and lower set of cantilevers (e2, e'2), and the Probe E3 aqueous solution The Probe E4 aqueous solution is dropped into the pair of cantilevers (e3, e′3) and the pair of upper and lower cantilevers (e4, e′4). The dropped DNA probe solution droplets wrap around a pair of upper and lower cantilevers so that they do not mix with adjacent droplets. In this state, after standing for a while, 1M NaCl / 50 mM phosphate buffer (pH 7.0) is dropped several times to wash away unfixed single-stranded DNA. In this step, single-stranded DNA is immobilized on the outer surfaces of each pair of upper and lower cantilevers.

(3) ターゲットDNAの調製
下記の6種の鎖状DNA;ターゲットDNA1〜ターゲットDNA6を調製する。
(3) Preparation of target DNA The following 6 types of chain DNA; target DNA1-target DNA6 are prepared.

ターゲットDNA1は、プラスミドpUC18を、消化酵素EcoRIで消化した鎖状DNAである。すなわち、プラスミドpUC18中には、EcoRI認識部位は、マルチクローニングサイト部分に唯一存在するのみであり、このEcoRI認識部位で消化される結果、得られる鎖状DNAは、EcoRI認識部位をもはや有していない。   Target DNA 1 is a chain DNA obtained by digesting plasmid pUC18 with digestive enzyme EcoRI. That is, in the plasmid pUC18, the EcoRI recognition site is only present at the multiple cloning site portion, and as a result of digestion at this EcoRI recognition site, the resulting strand DNA no longer has an EcoRI recognition site. Absent.

ターゲットDNA2は、プラスミドpUC18を、消化酵素BamHIで消化した鎖状DNAである。すなわち、プラスミドpUC18中には、BamHI認識部位は、マルチクローニングサイト部分に唯一存在するのみであり、このBamHI認識部位で消化される結果、得られる鎖状DNAは、BamHI認識部位をもはや有していない。   Target DNA 2 is a chain DNA obtained by digesting plasmid pUC18 with the digestive enzyme BamHI. That is, in the plasmid pUC18, the BamHI recognition site is present only at the multiple cloning site portion, and the resulting chain DNA no longer has a BamHI recognition site as a result of digestion at this BamHI recognition site. Absent.

ターゲットDNA3は、プラスミドpUC18を、消化酵素PstIで消化した鎖状DNAである。すなわち、プラスミドpUC18中には、PstI認識部位は、マルチクローニングサイト部分に唯一存在するのみであり、このPstI認識部位で消化される結果、得られる鎖状DNAは、PstI認識部位をもはや有していない。   Target DNA 3 is a chain DNA obtained by digesting plasmid pUC18 with digestive enzyme PstI. That is, in the plasmid pUC18, the PstI recognition site exists only at the multicloning site part, and as a result of digestion at this PstI recognition site, the resulting strand DNA no longer has a PstI recognition site. Absent.

ターゲットDNA4は、プラスミドpUC18を、消化酵素HindIIIで消化した鎖状DNAである。すなわち、プラスミドpUC18中には、HindIII認識部位は、マルチクローニングサイト部分に唯一存在するのみであり、このHindIII認識部位で消化される結果、得られる鎖状DNAは、HindIII認識部位をもはや有していない。   Target DNA 4 is a chain DNA obtained by digesting plasmid pUC18 with the digestive enzyme HindIII. That is, in the plasmid pUC18, the HindIII recognition site exists only at the multiple cloning site, and as a result of digestion at this HindIII recognition site, the resulting strand DNA no longer has a HindIII recognition site. Absent.

ターゲットDNA5は、プラスミドpUC18を、消化酵素KpnIで消化した鎖状DNAである。すなわち、プラスミドpUC18中には、KpnI認識部位は、マルチクローニングサイト部分に唯一存在するのみであり、このKpnI認識部位で消化される結果、得られる鎖状DNAは、KpnI認識部位をもはや有していない。但し、マルチクローニングサイト部分に含まれる、EcoRI、BamHI、PstI、HindIII認識部位は残存している。   Target DNA 5 is a chain DNA obtained by digesting plasmid pUC18 with the digestive enzyme KpnI. That is, in the plasmid pUC18, the KpnI recognition site is present only at the multicloning site portion, and the resulting chain DNA no longer has a KpnI recognition site as a result of digestion at this KpnI recognition site. Absent. However, EcoRI, BamHI, PstI and HindIII recognition sites contained in the multicloning site part remain.

ターゲットDNA6は、プラスミドpUC18を、消化酵素EcoRIとHindIIIで消化し、二つの断片とした後、電気泳動によって、分子量の大きい鎖状DNA断片のみを回収・精製したものである。消化酵素EcoRIとHindIIIで消化すると、プラスミドpUC18中のマルチクローニングサイト部分は、分子量の小さな鎖状DNA断片となる。従って、分子量の大きい鎖状DNA断片は、マルチクローニングサイト部分に存在する、EcoRI、BamHI、PstI、HindIII認識部位を含んでいない。   Target DNA 6 is obtained by digesting plasmid pUC18 with digestive enzymes EcoRI and HindIII to obtain two fragments, and then collecting and purifying only a linear DNA fragment having a large molecular weight by electrophoresis. When digested with the digestive enzymes EcoRI and HindIII, the multicloning site in the plasmid pUC18 becomes a chain DNA fragment having a small molecular weight. Therefore, the chain DNA fragment having a large molecular weight does not include EcoRI, BamHI, PstI, and HindIII recognition sites present in the multiple cloning site.

(4)マルチプローブアレイ型のセンサを利用するターゲットDNAの検出
上記の4種のDNAプローブ:Probe E1〜E4を用いて、作製されているマルチプローブアレイ型のセンサを利用して、前記6種の鎖状DNA;ターゲットDNA1〜ターゲットDNA6の検出を行う手順を説明する。
(4) Target DNA detection using a multi-probe array type sensor The above four types of DNA probes: Probe E1 to E4 are used to make the above six types using the multi-probe array type sensor. A procedure for detecting the chain DNA; target DNA 1 to target DNA 6 will be described.

予め、作製されているマルチプローブアレイ型のセンサについて、上下一組のカンチレバー(e1,e’1)〜(e4,e’4)のそれぞれの「初期共振周波数」ω0-obs-e1i〜ω0-obs-e4iを測定する。 For the multi-probe array type sensor fabricated in advance, the “initial resonance frequency” ω 0-obs-e1i to ω of each of the upper and lower cantilevers (e1, e′1) to (e4, e′4) Measure 0-obs-e4i .

まず、図9(a)に示すように、電極85−1、85−2に直流電源91を接続し、導線84−1、84−2にパルス状の直流電流を流し、上下一組のカンチレバー83、83’のうち、上側のV字型カンチレバー83の先端に設けているGdFeを磁化する。この磁化操作を、上側のカンチレバーe1〜e4に対して、それぞれ行う。次いで、直流電源91を取り外し、電極85−3、85−4に、高周波オシレータ49を接続し、下側のV字型カンチレバー83’に形成されている導線84−3、84−4に高周波電流を流す。高周波オシレータ49は、パソコン48で制御されており、その制御により、供給される高周波電流の周波数ωの設定、周波数ωの掃引がなされる。下側のV字型カンチレバー83’の導線84−3、84−4に流れる高周波電流により、周波数ωで振動する磁界が誘起される。上側のV字型カンチレバー83の先端に設ける磁化されたGdFeと、下側のV字型カンチレバー83’において誘起されている振動磁界の間に磁気力が発生する。その結果、振動磁界の周波数ωに従って、引力・斥力が発生し、上側のV字型カンチレバー83と下側のV字型カンチレバー83’は、対象的に振動する。電極85−1、85−3に静電容量計92を接続し、上下一組のカンチレバー83、83’間の静電容量を測定すると、周波数ωでの振動に伴い、上下一組のカンチレバー83、83’間の間隙が変動することに起因する、周期的な容量変化が測定される。この周期的な容量変化の振幅は、強制振動による上下一組のカンチレバー83、83’の撓み振動の振幅の和に対応している。   First, as shown in FIG. 9A, a DC power supply 91 is connected to the electrodes 85-1, 85-2, a pulsed DC current is passed through the conductors 84-1, 84-2, and a pair of upper and lower cantilevers. Among 83 and 83 ′, GdFe provided at the tip of the upper V-shaped cantilever 83 is magnetized. This magnetization operation is performed on the upper cantilevers e1 to e4. Next, the DC power supply 91 is removed, the high frequency oscillator 49 is connected to the electrodes 85-3 and 85-4, and the high frequency current is supplied to the conductors 84-3 and 84-4 formed in the lower V-shaped cantilever 83 ′. Shed. The high-frequency oscillator 49 is controlled by the personal computer 48, and the control sets the frequency ω of the supplied high-frequency current and sweeps the frequency ω. A magnetic field that oscillates at a frequency ω is induced by the high-frequency current flowing through the conductors 84-3 and 84-4 of the lower V-shaped cantilever 83 '. A magnetic force is generated between the magnetized GdFe provided at the tip of the upper V-shaped cantilever 83 and the oscillating magnetic field induced in the lower V-shaped cantilever 83 '. As a result, an attractive force / repulsive force is generated according to the frequency ω of the oscillating magnetic field, and the upper V-shaped cantilever 83 and the lower V-shaped cantilever 83 ′ vibrate in a targeted manner. When the capacitance meter 92 is connected to the electrodes 85-1 and 85-3 and the capacitance between the pair of upper and lower cantilevers 83 and 83 ′ is measured, the pair of upper and lower cantilevers 83 are accompanied by vibration at the frequency ω. , 83 ′, the periodic capacitance change due to the variation in the gap between them is measured. The amplitude of this periodic capacitance change corresponds to the sum of the amplitudes of flexural vibrations of the pair of upper and lower cantilevers 83, 83 'caused by forced vibration.

上下一組のカンチレバー83、83’は、本質的に同じ構成とされており、その共振周波数は等しくなっており、前記の電磁気力により強制振動させ、その周波数ωにおける周期的な容量変化の振幅ΔC(ω)を測定する。この容量変化の振幅ΔC(ω)が極大となる周波数ω、すなわち、上下一組のカンチレバー83、83’の撓み振動の振幅の和が極大を示す周波数ωを、上下一組のカンチレバー83、83’の「共振周波数」実測値とする。   The pair of upper and lower cantilevers 83 and 83 'have essentially the same configuration, and their resonance frequencies are equal, and are forced to vibrate by the electromagnetic force, and the amplitude of the periodic capacitance change at the frequency ω. ΔC (ω) is measured. The frequency ω at which the amplitude ΔC (ω) of the capacitance change becomes a maximum, that is, the frequency ω at which the sum of the amplitudes of the flexural vibrations of the pair of upper and lower cantilevers 83 and 83 ′ is the maximum, 'Resonance frequency' measured value.

初期状態で測定される、上下一組のカンチレバー(e1,e’1)〜(e4,e’4)の「共振周波数」実測値を、それぞれの「初期共振周波数」実測値ω0-obs-e1i〜ω0-obs-e4iとする。 The “resonance frequency” measured values of the pair of upper and lower cantilevers (e1, e′1) to (e4, e′4) measured in the initial state are respectively measured as the “initial resonance frequency” measured values ω 0-obs- e1i to ω 0-obs-e4i .

次いで、図9(b)のように、上下一組のV字型カンチレバーに対して、高周波オシレータ49から、電極85−3、85−4に供給される電流を直流電流とし、上側のV字型カンチレバー83の先端に設ける磁化されたGdFeと、下側のV字型カンチレバー83’において誘起されている磁界との間に生じる電磁気力が、引力となるように、その電流方向を選択する。この引力によって、互いに内側に撓み、カンチレバーの外面を凸形状として撓んだ状態のV字型カンチレバー93および93’となる。   Next, as shown in FIG. 9 (b), with respect to a pair of upper and lower V-shaped cantilevers, the current supplied from the high-frequency oscillator 49 to the electrodes 85-3 and 85-4 is a direct current, and the upper V-shaped cantilever. The current direction is selected so that the electromagnetic force generated between the magnetized GdFe provided at the tip of the cantilever 83 and the magnetic field induced in the lower V-shaped cantilever 83 ′ becomes an attractive force. By this attractive force, V-shaped cantilevers 93 and 93 'are bent inward and bent with the outer surface of the cantilever convex.

ターゲットDNAを含む水溶液を、予め90℃に加熱して、含まれる二本鎖DNAをディネーチャーし、二本の一本鎖DNAに分離させる。このディネーチャー処理済みの一本鎖DNAを含む水溶液を、マイクロピペットで、マルチプローブアレイ型のセンサの、内側に撓んだ状態とされている上下一組のV字型カンチレバー(e1,e’1)〜(e4,e’4)に滴下する。各液滴は、上下一組のカンチレバー(e1,e’1)〜(e4,e’4)を、それぞれ包むようにする。この状態で一定時間静置した後、電極85−3、85−4に供給される直流電流の電流方向を反転させる。その結果、上側のV字型カンチレバー83の先端に設ける磁化されたGdFeと、下側のV字型カンチレバー83’において誘起されている磁界との間に生じる電磁気力は、斥力となる。その際、図9(c)のように、この斥力によって、互いに外側に撓み、カンチレバーの内面を凸形状として撓んだ状態のV字型カンチレバー94および94’となる。この状態で、さらに一定時間静置した後、電流の供給を停止する。最終的に、上下一組のカンチレバー(e1,e’1)〜(e4,e’4)そえぞれに、1M NaCl/50mMリン酸緩衝液(pH7.0)を数回滴下して、未結合の一本鎖DNAを洗浄除去し、静置乾燥する。   The aqueous solution containing the target DNA is heated in advance to 90 ° C., and the contained double-stranded DNA is denatured and separated into two single-stranded DNAs. A pair of upper and lower V-shaped cantilevers (e1, e ′) that are bent inward with a micropipette using an aqueous solution containing a single-stranded DNA that has been subjected to the denaturer treatment. 1) to (e4, e′4) are dropped. Each droplet encloses a pair of upper and lower cantilevers (e1, e'1) to (e4, e'4). After standing in this state for a certain time, the direction of the direct current supplied to the electrodes 85-3 and 85-4 is reversed. As a result, the electromagnetic force generated between the magnetized GdFe provided at the tip of the upper V-shaped cantilever 83 and the magnetic field induced in the lower V-shaped cantilever 83 ′ becomes a repulsive force. At this time, as shown in FIG. 9C, this repulsive force results in V-shaped cantilevers 94 and 94 'that are bent outward and bent so that the inner surface of the cantilever is convex. In this state, after leaving still for a fixed time, the supply of current is stopped. Finally, 1M NaCl / 50 mM phosphate buffer (pH 7.0) was dropped several times on each of the upper and lower sets of cantilevers (e1, e′1) to (e4, e′4), The bound single-stranded DNA is washed away and left to dry.

マルチプローブアレイ型のセンサの各V字型カンチレバー(e1,e’1)〜(e4,e’4)上に固定化されている4種のDNAプローブ:Probe E1〜E4との、ハイブリダイゼーション反応を、前記の手順で行った後、再び、それぞれの共振振動数を測定する。共振振動数の測定は、上記と同様の手順で実施する。ハイブリダイゼーション反応後に測定される共振振動数を、それぞれの「浸漬処理後の共振周波数」実測値ω0-obs-e1f〜ω0-obs-e4fとする。各上下一組のカンチレバー(e1,e’1)〜(e4,e’4)について、「浸漬処理後の共振周波数」実測値ω0-obs-e1f〜ω0-obs-e4fと、「初期共振周波数」実測値ω0-obs-e1i〜ω0-obs-e4iとの差:Δω0-obs-g1=(ω0-obs-e1i−ω0-obs-e1f)からΔω0-obs-e4=(ω0-obs-e4i−ω0-obs-e4f)を算出する。 Hybridization reaction with four types of DNA probes immobilized on each of the V-shaped cantilevers (e1, e′1) to (e4, e′4) of the multi-probe array type sensor: Probes E1 to E4 After the above procedure is performed, the respective resonance frequencies are measured again. The resonance frequency is measured in the same procedure as described above. The resonant frequency measured after the hybridization reaction, and each "resonant frequency after the immersion treatment" Found ω 0-obs-e1f ~ω 0 -obs-e4f. For each pair of upper and lower cantilevers (e1, e′1) to (e4, e′4), “resonance frequency after immersion treatment” measured values ω 0-obs-e1f to ω 0-obs-e4f and “initial” the difference between the resonant frequency "Found ω 0-obs-e1i ~ω 0 -obs-e4i: Δω 0-obs-g1 = (ω 0-obs-e1i -ω 0-obs-e1f) Δω 0-obs- from e4 = to calculate the (ω 0-obs-e4i -ω 0-obs-e4f).

ハイブリダイゼーション反応によって、DNAプローブに対象となる一本鎖核酸がハイブリダイズすると、カンチレバー全体の質量mは、ハイブリダイゼーション反応の前後において、ハイブリダイズする一本鎖核酸の量に比例して、m→(m+Δm)と増加する。一方、カンチレバーのバネ定数kも、ハイブリッド体相互の斥力が存在すると、ハイブリダイゼーション反応の前後において、k→(k+Δk)と増加する。例えば、V字型カンチレバー(e1,e’1)上のDNAプローブE1にハイブリッド体形成が生じると、前記の対応に基づき、
ω0-obs-e1i≒(k/m)1/2
ω0-obs-e1f≒([k+Δk]/[m+Δm])1/2
Δω0-obs-e1=(ω0-obs-e1i−ω0-obs-e1f
≒[(k/m)1/2−([k+Δk]/[m+Δm])1/2]
のような共振周波数の変化が引き起こされる。
When the target single-stranded nucleic acid is hybridized to the DNA probe by the hybridization reaction, the mass m of the entire cantilever is proportional to the amount of the single-stranded nucleic acid to be hybridized before and after the hybridization reaction. It increases as (m + Δm). On the other hand, the spring constant k of the cantilever also increases as k → (k + Δk) before and after the hybridization reaction when there is a repulsive force between the hybrid bodies. For example, when hybrid formation occurs in the DNA probe E1 on the V-shaped cantilever (e1, e′1), based on the above correspondence,
ω 0-obs-e1i ≒ (k / m) 1/2
ω 0-obs-e1f ≒ ([k + Δk] / [m + Δm]) 1/2
Δω 0-obs-e1 = (ω 0-obs-e1i −ω 0-obs-e1f )
≒ [(k / m) 1/2 -([k + Δk] / [m + Δm]) 1/2 ]
This causes a change in the resonance frequency.

ターゲットDNA1〜6に関して、上記の手順に従って、ハイブリダイゼーション反応後に測定される静電容量「浸漬処理後の共振周波数」実測値と、初期状態における「初期共振周波数」実測値の測定結果に基づき、その差違を算出し、ハイブリダイゼーション反応の前後における各V字型カンチレバー全体の質量m、バネ定数kの変化の有無を算出する。   For the target DNAs 1 to 6, the capacitance “resonance frequency after immersion treatment” measured after the hybridization reaction is measured according to the procedure described above, and the measurement result of the “initial resonance frequency” measured value in the initial state is The difference is calculated, and the presence / absence of changes in the mass m and the spring constant k of each V-shaped cantilever before and after the hybridization reaction is calculated.

表2に、ハイブリダイゼーション反応の前後における各V字型カンチレバー全体の質量m、バネ定数kの変化に起因する共振周波数変化の有無を、ターゲットDNA1〜6に関して纏めて示す。   Table 2 summarizes the presence or absence of changes in the resonance frequency due to changes in the mass m and the spring constant k of each V-shaped cantilever before and after the hybridization reaction, with respect to the target DNAs 1 to 6.

Figure 2007010518
Figure 2007010518

ハイブリダイゼーション反応の前後において、各V字型カンチレバーの共振周波数変化を有する場合、かかるV字型カンチレバー上に固定化されるDNAプローブと、ターゲットDNAとがハイブリッド体を形成し、V字型カンチレバー上に付着が生じていることを示している。従って、各V字型カンチレバー共振周波数変化の有無の測定結果に基づき、各ターゲットDNAが、EcoRIおよびSacI、BamHIおよびXbaI、PstIおよびSphI、SphIおよびHindIIIの4組の認識部位を有しているか否かの判定を行うことが可能である。   When there is a change in the resonance frequency of each V-shaped cantilever before and after the hybridization reaction, the DNA probe immobilized on the V-shaped cantilever and the target DNA form a hybrid, and the V-shaped cantilever It shows that adhesion has occurred. Therefore, whether each target DNA has four recognition sites of EcoRI and SacI, BamHI and XbaI, PstI and SphI, SphI and HindIII based on the measurement result of the presence or absence of each V-shaped cantilever resonance frequency change. It is possible to determine whether or not.

一般に、マルチプローブアレイ型のセンサとして、上下一組のV字型カンチレバーn組をアレイ状に配置し、各上下一組のV字型カンチレバーに対して、異なる塩基配列を有するDNAプローブを固定化することで、ターゲットDNA中に、n種類のプローブの塩基配列が含まれるか否かの判定を行うことが可能である。   Generally, as a multi-probe array type sensor, a pair of upper and lower V-shaped cantilevers are arranged in an array, and DNA probes having different base sequences are immobilized on each upper and lower pair of V-shaped cantilevers. By doing so, it is possible to determine whether or not n types of base sequences are included in the target DNA.

本発明によれば、1〜数個の原子で構成される分子あるいはイオン種、アミノ酸・ペプチド・タンパク質ならびに、これらの配糖体、糖鎖との結合体などを含む抗原分子、DNAやRNAの核酸分子をターゲットとする、高感度の検出方法・装置を提供することができる。それに伴い、水中や大気中に微少に存在する物質、例えば、大気中の希ガスや有毒ガスなどを検知するガスセンサ、あるいは、大気中の臭い物質などを検知する臭いセンサ(人工嗅覚)、水中のウランや希少金属といった有用資源、環境ホルモン(内分泌攪乱化学物質)や環境汚染物質、バクテリアなどの検出装置、血液や呼気中の何らかの指標物質やウイルス等を検出する医療機器、遺伝子診断用の特定DNA配列検出装置などに、本発明の原理を応用することで、その検出感度を向上させることも可能となる。   According to the present invention, molecules or ionic species composed of one to several atoms, amino acids / peptides / proteins, antigenic molecules including these glycosides, conjugates with sugar chains, DNA and RNA A highly sensitive detection method and apparatus targeting nucleic acid molecules can be provided. Along with that, substances that exist minutely in water or in the atmosphere, such as gas sensors that detect rare gases or toxic gases in the atmosphere, or odor sensors (artificial olfaction) that detect odorous substances in the atmosphere, Useful resources such as uranium and rare metals, environmental hormones (endocrine disrupting chemicals) and environmental pollutants, detection devices such as bacteria, medical devices that detect some indicator substances and viruses in blood and breath, specific DNA for genetic diagnosis By applying the principle of the present invention to an array detector or the like, the detection sensitivity can be improved.

本発明にかかるカンチレバーセンサを利用する、ターゲット物質の検出方法において利用する作用原理を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the operation principle utilized in the detection method of the target substance using the cantilever sensor concerning this invention. 本発明にかかるカンチレバーセンサを利用する、ターゲット物質の検出方法において利用する作用原理を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the operation principle utilized in the detection method of the target substance using the cantilever sensor concerning this invention. 本発明において利用されるカンチレバーセンサの一形態を示し、一本のカンチレバー付きチップの構成の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows one form of the cantilever sensor utilized in this invention, and shows typically an example of a structure of the chip | tip with one cantilever. 本発明において利用される、カンチレバーの共振周波数の測定装置の一例であり、カンチレバー先端の撓み量を測定するための、光てこ方式の変位量検出装置を応用する装置構成例を模式的に示す図である。FIG. 2 is an example of a cantilever resonance frequency measuring device used in the present invention, and is a diagram schematically showing an example of a device configuration to which an optical lever type displacement amount detecting device for measuring a deflection amount of a cantilever tip is applied. It is. カンチレバーを強制振動させた際、カンチレバーの共振周波数近傍における、振動周波数と振幅との関係を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the relationship between the vibration frequency and amplitude in the vicinity of the resonance frequency of a cantilever when forcedly vibrating a cantilever. 本発明において利用される、カンチレバーに撓みを導入する手段の一形態を示し、プローブ顕微鏡用カンチレバー探針を利用して、外力を印加する手法の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows one form of the means to introduce | transduce a bending to a cantilever used in this invention, and shows typically an example of the method of applying external force using the cantilever probe for probe microscopes. 本発明において利用されるカンチレバーセンサの一形態を示し、二本一組のカンチレバー付きチップの構成の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows one form of the cantilever sensor utilized in this invention, and shows typically an example of a structure of a chip | tip with a set of 2 cantilevers. 本発明において利用される、カンチレバーに撓みを導入した状態で、ターゲット物質に接触させるための装置の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of the apparatus for contacting with a target material in the state which introduce | transduced the bending to the cantilever utilized in this invention. 本発明において利用されるカンチレバーセンサの一形態を示し、二本一組のV字型カンチレバー付きチップの構成の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows one form of the cantilever sensor utilized in this invention, and shows typically an example of a structure of a chip | tip with two sets of V-shaped cantilever. 本発明において利用される、二本一組のV字型カンチレバーに撓みを導入する手段、ならびに、該V字型カンチレバー先端の撓み量変化を静電容量変化を介して検出する手段を利用し、カンチレバーの共振周波数を測定する手段の一例を模式的に示す図である。Utilizing means for introducing a bend into a pair of V-shaped cantilevers used in the present invention, and means for detecting a change in the amount of bend at the tip of the V-shaped cantilever via a change in capacitance, It is a figure which shows typically an example of the means to measure the resonant frequency of a cantilever.

符号の説明Explanation of symbols

10 カンチレバーを振動させる発振子
11 カンチレバーを固定しているチップ
12 ターゲット物質認識物質
13 カンチレバー
14 カンチレバーを撓ませる外力
15 ターゲット物質
16 ターゲット物質同士の斥力
31 カンチレバー付きチップ
32 カンチレバーを納めた穴
33 カンチレバー本体
41 変位量測定装置のカンチレバー付きチップ固定ステージ
42 変位量測定装置のカンチレバー付きチップ固定用クランプ
43 レーザ光源
44 レーザ光線
45 レンズ
46、46’、46’’ カンチレバー先端で反射したレーザ光線
47 レーザ光線ディテクタ
48 ADコンバータ付き、装置制御用パソコン
49 高周波オシレータ
51 プローブ顕微鏡用カンチレバーのチップ部分
52 プローブ顕微鏡用カンチレバー本体
53 プローブ顕微鏡用カンチレバー探針
54 カンチレバーのたわみ量調整用のスペーサ
63、63’ カンチレバー本体
71 PPAを含む炭酸カルシウム水溶液
72 水流を起こすためのパドル
73 水溶液の流路
74 水流によって撓んだカンチレバー本体
81 カンチレバーアレイ付きチップ
82 カンチレバーを納めたスリット
83、83’ V字型カンチレバー本体
84−1〜4 導線
85−1〜4 電極
91 電源装置
92 静電容量計
93、93’ 電磁気力で内側に撓んだV字型カンチレバー本体
94、94’ 電磁気力で外側に撓んだV字型カンチレバー本体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Oscillator which vibrates cantilever 11 Chip which fixes cantilever 12 Target substance recognition substance 13 Cantilever 14 External force 15 which deflects cantilever Target substance 16 Repulsive force between target substances 31 Chip with cantilever 32 Hole which cantilever is accommodated 33 Cantilever body 41 Cantilever tip fixing stage 42 of displacement amount measuring device 42 Cantilever tip fixing clamp 43 of displacement amount measuring device 43 Laser light source 44 Laser beam 45 Lens 46, 46 ', 46''Laser beam 47 reflected by tip of cantilever 47 Laser beam detector 48 PC for device control with AD converter 49 High-frequency oscillator 51 Tip portion of cantilever for probe microscope 52 Cantilever body for probe microscope 53 Can for probe microscope Chiller probe 54 Spacers 63, 63 ′ for adjusting the deflection amount of the cantilever Cantilever main body 71 Calcium carbonate aqueous solution 72 containing PPA Paddle 73 for generating water flow channel 74 for aqueous solution Cantilever main body 81 deflected by water flow Tip with cantilever array 82 Slit 83, 83 'V-shaped cantilever body 84-1-4 conducting wire 85-1-4 electrode 91 power supply device 92 capacitance meter 93, 93' V-shaped bent inward by electromagnetic force Cantilever body 94, 94 'V-shaped cantilever body bent outward by electromagnetic force

Claims (5)

カンチレバーセンサを利用して、ターゲット物質を検出する方法であって、
(A)カンチレバーセンサを構成するカンチレバー表面に、前記ターゲット物質と結合可能なターゲット物質認識物質を固定する工程;
(C)前記カンチレバーに外力を加えて、少なくとも一方の面を凸として、撓んだ状態で保持する工程;
(D)撓んだ状態で保持する前記カンチレバーを、試料と接触させ、ターゲット物質認識物質に対するターゲット物質の結合を可能とする工程;
(E)前記カンチレバーに加えた外力を取り除く工程;
(F)ターゲット物質との結合を目的とする、試料との接触を行った後、前記カンチレバーの共振周波数を測定する工程、
(G)前記工程(F)で測定される、試料との接触後のカンチレバーの共振周波数と、試料との接触前の該カンチレバーの初期共振周波数との差を算出する工程、
を含む
ことを特徴とするターゲット物質の検出方法。
A method for detecting a target substance using a cantilever sensor,
(A) A step of fixing a target substance recognition substance that can be combined with the target substance on the surface of the cantilever constituting the cantilever sensor;
(C) A step of applying an external force to the cantilever so as to make at least one surface convex and hold it in a bent state;
(D) The step of bringing the cantilever held in a bent state into contact with a sample to enable binding of the target material to the target material recognition material;
(E) removing the external force applied to the cantilever;
(F) measuring the resonance frequency of the cantilever after making contact with the sample for the purpose of binding to the target substance;
(G) calculating the difference between the resonance frequency of the cantilever after contact with the sample and the initial resonance frequency of the cantilever before contact with the sample, measured in the step (F);
A method for detecting a target substance, comprising:
試料との接触前の該カンチレバーの初期共振周波数を測定するため、
前記工程(A)と前記工程(C)の間に、
(B)前記カンチレバーの前記初期共振周波数を測定する工程、
を設けている
ことを特徴とする請求項1に記載の検出方法。
To measure the initial resonant frequency of the cantilever before contact with the sample,
Between the step (A) and the step (C),
(B) measuring the initial resonant frequency of the cantilever;
The detection method according to claim 1, wherein:
前記工程(D)と前記工程(E)の間に、
(C’)前記カンチレバーに、前記工程(C)において加えられる外力とは逆の方向の外力を加えて、前記工程(C)における撓みの方向に対して、反対方向に撓んだ状態で保持する工程、
(D’)該反対方向に撓んだ状態で保持する前記カンチレバーを、試料と接触させ、ターゲット物質認識物質に対するターゲット物質の結合を可能とする工程、
をさらに含む
ことを特徴とする請求項1に記載の検出方法。
Between the step (D) and the step (E),
(C ′) An external force in a direction opposite to the external force applied in the step (C) is applied to the cantilever, and the cantilever is held in a state bent in the opposite direction to the direction of the bending in the step (C). The process of
(D ′) a step of bringing the cantilever held in a state of bending in the opposite direction into contact with a sample and allowing the target substance to bind to the target substance recognition substance;
The detection method according to claim 1, further comprising:
カンチレバーセンサを利用して、ターゲット物質を検出する検出装置であって、
(a)ターゲット物質認識物質を表面に固定したカンチレバーを具えたカンチレバーセンサ;
(c)前記カンチレバーに外力を加えて、少なくとも一方の面を凸として、撓んだ状態で保持する手段;
(d)前記撓んだ状態で保持する前記カンチレバーを、ターゲット物質認識物質に対するターゲット物質の結合を可能とする状態で、試料と接触させる手段;
(e)前記カンチレバーに加えた外力を取り除く手段;
(f)ターゲット物質との結合を目的とする、試料との接触を行った後の前記カンチレバーの共振周波数を測定する手段;
(h)試料との接触後のカンチレバーの共振周波数測定値と、試料との接触前の該カンチレバーの初期共振周波数とから算出される共振周波数差に基づき、該カンチレバー表面に固定されているターゲット物質認識物質に対して結合したターゲット物質の有無、あるいは、結合したターゲット物質の量を算出する手段
を具えている
ことを特徴とするターゲット物質検出装置。
A detection device that detects a target substance using a cantilever sensor,
(A) a cantilever sensor including a cantilever having a target substance recognition substance fixed on the surface;
(C) means for applying an external force to the cantilever so that at least one surface is convex and held in a bent state;
(D) means for bringing the cantilever held in the bent state into contact with the sample in a state enabling the binding of the target material to the target material recognition material;
(E) means for removing external force applied to the cantilever;
(F) means for measuring the resonant frequency of the cantilever after contact with the sample for the purpose of binding to the target substance;
(H) A target material fixed on the surface of the cantilever based on a resonance frequency difference calculated from the measured resonance frequency of the cantilever after contact with the sample and the initial resonance frequency of the cantilever before contact with the sample. A target substance detection apparatus comprising means for calculating the presence or absence of a target substance bound to a recognition substance or the amount of the bound target substance.
前記(f)試料との接触を行った後の前記カンチレバーの共振周波数を測定する手段において、該共振周波数の測定に利用する、カンチレバーを強制的に振動させるための振動子は、
前記(a)カンチレバーセンサ中に組み込む、あるいは、測定に際して、前記(a)カンチレバーセンサに接触させる形態に作製されている
ことを特徴とする請求項4に記載の検出装置。
(F) In the means for measuring the resonance frequency of the cantilever after contact with the sample, a vibrator for forcibly vibrating the cantilever used for measurement of the resonance frequency is:
5. The detection device according to claim 4, wherein the detection device is incorporated into the (a) cantilever sensor, or is made to contact the (a) cantilever sensor during measurement.
JP2005192606A 2005-06-30 2005-06-30 Target substance detection method and detection apparatus using cantilever sensor Pending JP2007010518A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005192606A JP2007010518A (en) 2005-06-30 2005-06-30 Target substance detection method and detection apparatus using cantilever sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005192606A JP2007010518A (en) 2005-06-30 2005-06-30 Target substance detection method and detection apparatus using cantilever sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2007010518A true JP2007010518A (en) 2007-01-18

Family

ID=37749225

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005192606A Pending JP2007010518A (en) 2005-06-30 2005-06-30 Target substance detection method and detection apparatus using cantilever sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2007010518A (en)

Cited By (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008241618A (en) * 2007-03-28 2008-10-09 Gunma Univ Cantilever type sensor
JP2009133772A (en) * 2007-11-30 2009-06-18 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Detection sensor, vibrator
JP2011501702A (en) * 2007-10-05 2011-01-13 韓國電子通信研究院 Three-dimensional nanodevice including nanostructure
JP2011164017A (en) * 2010-02-12 2011-08-25 Seiko Epson Corp Device and method for measuring ink discharge quantity, and cantilever array
JP2012083338A (en) * 2010-09-15 2012-04-26 Sumitomo Precision Prod Co Ltd Vibrator, and oscillator and gas detector including the same
JP2013021665A (en) * 2011-07-14 2013-01-31 Yuji Hosoi Mobile phone and vibration unit
JP2013522583A (en) * 2010-03-12 2013-06-13 テールズ Equipment for quantifying degassing of equipment placed in a vacuum chamber
WO2013157581A1 (en) * 2012-04-17 2013-10-24 独立行政法人物質・材料研究機構 Double-sided coated surface stress sensor
JP2014157099A (en) * 2013-02-16 2014-08-28 Iwate Univ Resonant mass sensor
KR20160012333A (en) * 2014-07-23 2016-02-03 한국과학기술연구원 A method and apparatus for signal measurement of cantilever sensor
US9392097B2 (en) 2010-12-27 2016-07-12 Rohm Co., Ltd. Incoming/outgoing-talk unit and incoming-talk unit
US9485559B2 (en) 2011-02-25 2016-11-01 Rohm Co., Ltd. Hearing system and finger ring for the hearing system
US9705548B2 (en) 2013-10-24 2017-07-11 Rohm Co., Ltd. Wristband-type handset and wristband-type alerting device
US9716782B2 (en) 2010-12-27 2017-07-25 Rohm Co., Ltd. Mobile telephone
US9729971B2 (en) 2012-06-29 2017-08-08 Rohm Co., Ltd. Stereo earphone
US9742887B2 (en) 2013-08-23 2017-08-22 Rohm Co., Ltd. Mobile telephone
US10013862B2 (en) 2014-08-20 2018-07-03 Rohm Co., Ltd. Watching system, watching detection device, and watching notification device
US10079925B2 (en) 2012-01-20 2018-09-18 Rohm Co., Ltd. Mobile telephone
KR20190014971A (en) * 2017-08-04 2019-02-13 고려대학교 산학협력단 Apparatus and method for detecting mercury ion
US10356231B2 (en) 2014-12-18 2019-07-16 Finewell Co., Ltd. Cartilage conduction hearing device using an electromagnetic vibration unit, and electromagnetic vibration unit
US10778824B2 (en) 2016-01-19 2020-09-15 Finewell Co., Ltd. Pen-type handset
US10795321B2 (en) 2015-09-16 2020-10-06 Finewell Co., Ltd. Wrist watch with hearing function
US10967521B2 (en) 2015-07-15 2021-04-06 Finewell Co., Ltd. Robot and robot system
US11526033B2 (en) 2018-09-28 2022-12-13 Finewell Co., Ltd. Hearing device
CN117274767A (en) * 2023-07-25 2023-12-22 北京精密机电控制设备研究所 Target recognition method, docking system and docking method in space environment

Cited By (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008241618A (en) * 2007-03-28 2008-10-09 Gunma Univ Cantilever type sensor
JP2011501702A (en) * 2007-10-05 2011-01-13 韓國電子通信研究院 Three-dimensional nanodevice including nanostructure
JP2009133772A (en) * 2007-11-30 2009-06-18 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Detection sensor, vibrator
JP2011164017A (en) * 2010-02-12 2011-08-25 Seiko Epson Corp Device and method for measuring ink discharge quantity, and cantilever array
JP2013522583A (en) * 2010-03-12 2013-06-13 テールズ Equipment for quantifying degassing of equipment placed in a vacuum chamber
JP2012083338A (en) * 2010-09-15 2012-04-26 Sumitomo Precision Prod Co Ltd Vibrator, and oscillator and gas detector including the same
US9716782B2 (en) 2010-12-27 2017-07-25 Rohm Co., Ltd. Mobile telephone
US10779075B2 (en) 2010-12-27 2020-09-15 Finewell Co., Ltd. Incoming/outgoing-talk unit and incoming-talk unit
US9392097B2 (en) 2010-12-27 2016-07-12 Rohm Co., Ltd. Incoming/outgoing-talk unit and incoming-talk unit
US9894430B2 (en) 2010-12-27 2018-02-13 Rohm Co., Ltd. Incoming/outgoing-talk unit and incoming-talk unit
US9980024B2 (en) 2011-02-25 2018-05-22 Rohm Co., Ltd. Hearing system and finger ring for the hearing system
US9485559B2 (en) 2011-02-25 2016-11-01 Rohm Co., Ltd. Hearing system and finger ring for the hearing system
JP2013021665A (en) * 2011-07-14 2013-01-31 Yuji Hosoi Mobile phone and vibration unit
US10778823B2 (en) 2012-01-20 2020-09-15 Finewell Co., Ltd. Mobile telephone and cartilage-conduction vibration source device
US10079925B2 (en) 2012-01-20 2018-09-18 Rohm Co., Ltd. Mobile telephone
US10158947B2 (en) 2012-01-20 2018-12-18 Rohm Co., Ltd. Mobile telephone utilizing cartilage conduction
WO2013157581A1 (en) * 2012-04-17 2013-10-24 独立行政法人物質・材料研究機構 Double-sided coated surface stress sensor
US9729971B2 (en) 2012-06-29 2017-08-08 Rohm Co., Ltd. Stereo earphone
US10834506B2 (en) 2012-06-29 2020-11-10 Finewell Co., Ltd. Stereo earphone
US10506343B2 (en) 2012-06-29 2019-12-10 Finewell Co., Ltd. Earphone having vibration conductor which conducts vibration, and stereo earphone including the same
JP2014157099A (en) * 2013-02-16 2014-08-28 Iwate Univ Resonant mass sensor
US10075574B2 (en) 2013-08-23 2018-09-11 Rohm Co., Ltd. Mobile telephone
US9742887B2 (en) 2013-08-23 2017-08-22 Rohm Co., Ltd. Mobile telephone
US10237382B2 (en) 2013-08-23 2019-03-19 Finewell Co., Ltd. Mobile telephone
US10103766B2 (en) 2013-10-24 2018-10-16 Rohm Co., Ltd. Wristband-type handset and wristband-type alerting device
US9705548B2 (en) 2013-10-24 2017-07-11 Rohm Co., Ltd. Wristband-type handset and wristband-type alerting device
KR20160012333A (en) * 2014-07-23 2016-02-03 한국과학기술연구원 A method and apparatus for signal measurement of cantilever sensor
KR101671204B1 (en) * 2014-07-23 2016-11-02 한국과학기술연구원 A method and apparatus for signal measurement of cantilever sensor
US10380864B2 (en) 2014-08-20 2019-08-13 Finewell Co., Ltd. Watching system, watching detection device, and watching notification device
US10013862B2 (en) 2014-08-20 2018-07-03 Rohm Co., Ltd. Watching system, watching detection device, and watching notification device
US10848607B2 (en) 2014-12-18 2020-11-24 Finewell Co., Ltd. Cycling hearing device and bicycle system
US11601538B2 (en) 2014-12-18 2023-03-07 Finewell Co., Ltd. Headset having right- and left-ear sound output units with through-holes formed therein
US10356231B2 (en) 2014-12-18 2019-07-16 Finewell Co., Ltd. Cartilage conduction hearing device using an electromagnetic vibration unit, and electromagnetic vibration unit
US10967521B2 (en) 2015-07-15 2021-04-06 Finewell Co., Ltd. Robot and robot system
US10795321B2 (en) 2015-09-16 2020-10-06 Finewell Co., Ltd. Wrist watch with hearing function
US10778824B2 (en) 2016-01-19 2020-09-15 Finewell Co., Ltd. Pen-type handset
KR20190014971A (en) * 2017-08-04 2019-02-13 고려대학교 산학협력단 Apparatus and method for detecting mercury ion
KR101949374B1 (en) * 2017-08-04 2019-05-08 고려대학교 산학협력단 Apparatus and method for detecting mercury ion
US11526033B2 (en) 2018-09-28 2022-12-13 Finewell Co., Ltd. Hearing device
CN117274767A (en) * 2023-07-25 2023-12-22 北京精密机电控制设备研究所 Target recognition method, docking system and docking method in space environment

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2007010518A (en) Target substance detection method and detection apparatus using cantilever sensor
Su et al. Microcantilever resonance-based DNA detection with nanoparticle probes
JP3784074B2 (en) Detection of ligands that interact with polymer materials
CN1894583B (en) Biosensors utilizing resonators with functionalized surfaces
KR100442822B1 (en) Methods for detecting binding of biomolecules using shear stress measurements
Calleja et al. Low-noise polymeric nanomechanical biosensors
US9726665B2 (en) Self-sensing array of microcantilevers for chemical detection
US5763768A (en) Analytical method using modified scanning probes
US8927259B2 (en) Piezoelectric microcantilever sensors for biosensing
JP4528986B2 (en) Carbon nanotube field effect transistor and manufacturing method thereof
US8809065B2 (en) Detection and measurement of mass change using an electromechanical resonator
JP2005537496A (en) Resonance sensor and sensing system
US7223366B2 (en) MEMS membrane based sensor
KR101754239B1 (en) Bio-sensor having interdigitated microelectrode using response of receptor and target bioproducts
JP2001507454A (en) Microsystems for biological analysis and uses and methods for the production of analytes
CN101477029A (en) Surface stress sensing method for improving sensitivity of resonant ultrathin cantilever beam sensor
Henriksson et al. Functionalization of Oxide‐Free Silicon Surfaces for Biosensing Applications
Zhou et al. Mass-fabrication scheme of highly sensitive wireless electrodeless MEMS QCM biosensor with antennas on inner walls of microchannel
KR101113793B1 (en) System and Method for Detecting Thrombin Using Micro-cantilever
JP2006337249A (en) Target substance detection method and detection apparatus using cantilever sensor
Hwang et al. Label-free detection of prostate specific antigen (PSA) using a bridge-shaped PZT resonator
Xu et al. Label-free microcantilever-based immunosensors for highly sensitive determination of avian influenza virus H9
WO2005108966A1 (en) Biosensor
Datskosa et al. Nanocantilever signal transduction by electron transfer
O’Shea et al. Out-of-plane electrostatic actuation of microcantilevers