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明細書 :物質検出装置及び物質検出方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第4360687号 (P4360687)
公開番号 特開2008-170353 (P2008-170353A)
登録日 平成21年8月21日(2009.8.21)
発行日 平成21年11月11日(2009.11.11)
公開日 平成20年7月24日(2008.7.24)
発明の名称または考案の名称 物質検出装置及び物質検出方法
国際特許分類 G01N  21/63        (2006.01)
FI G01N 21/63 Z
請求項の数または発明の数 13
全頁数 16
出願番号 特願2007-005137 (P2007-005137)
出願日 平成19年1月12日(2007.1.12)
審査請求日 平成21年4月13日(2009.4.13)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504147243
【氏名又は名称】国立大学法人 岡山大学
発明者または考案者 【氏名】紀和 利彦
【氏名】塚田 啓二
【氏名】川山 巌
【氏名】斗内 政吉
早期審査対象出願または早期審理対象出願 早期審査対象出願
個別代理人の代理人 【識別番号】100080621、【弁理士】、【氏名又は名称】矢野 寿一郎
審査官 【審査官】横井 亜矢子
参考文献・文献 特開2006-275699(JP,A)
特開2003-161699(JP,A)
特開2005-201795(JP,A)
特開2006-258723(JP,A)
特開2002-202303(JP,A)
特開2008-164594(JP,A)
調査した分野 G01N 21/00-21/01
G01N 21/17-21/74
G01N 21/84-21/958
G01N 22/00-22/04
JSTPlus(JDream2)
JMEDPlus(JDream2)
JST7580(JDream2)
特許請求の範囲 【請求項1】

半導体上に作製される絶縁体上に物質感応膜を作製した物質検出プレートと、
被検出物質を含む溶液を前記物質感応膜の表面へ接触させる手段と、
前記溶液の電位を安定させる手段と、
前記物質検出プレートにパルスレーザー光を照射することで、照射位置における被検出
物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を発生させる手段と、
前記パルス電磁波の振幅強度を計測する手段と、
前記振幅強度より、被検出物質の有無を判定する手段を備えることを特徴とする物質検
出装置。
【請求項2】
前記パルスレーザー光を前記物質検出プレートの前記物質感応膜が作製される面の反対
側から照射することを特徴とする請求項1に記載の物質検出装置。
【請求項3】
前記パルス電磁波の振幅強度より被検出物質の量を定量的に計測する手段を備えること
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の物質検出装置。
【請求項4】
前記半導体の厚さは、前記パルスレーザー光の照射する位置で該パルスレーザーの波長
と該半導体の種類によって決定される光侵入長と同等の大きさとすることを特徴とする請
求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の物質検出装置。
【請求項5】
前記被検出物質を含む溶液の電位を安定させる手段として、溶液中に銀/塩化銀参照電
極を設置することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の物質検出装
置。
【請求項6】
前記銀/塩化銀参照電極と前記半導体の間に電圧を印加することで、被検出物質の前記
物質感応膜との反応に対する前記パルス電磁波の振幅強度の変化率を増加させることを特
徴とする請求項5に記載の物質検出装置。
【請求項7】
前記物質検出プレートの前記半導体上に作製される絶縁体上に複数の物質感応膜がアレ
イ状に作製されるとともに、
前記パルスレーザー光を2次元的に走査して照射する手段を備え、
前記パルスレーザー光を2次元的に走査して照射する手段によって、順次、前記パルス
レーザー光を前記物質感応膜の各配置箇所に対して照射し、
前記照射によって発生されるパルス電磁波の振幅強度を、順次、計測する、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の物質検出装置。
【請求項8】
前記パルスレーザー光の波長は、300ナノメートル以上、2ミクロン以下の範囲に含
まれることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の物質検出装置。
【請求項9】
前記パルス電磁波に含まれる周波数の成分は、10ギガヘルツから100テラヘルツま
での範囲に含まれることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載の物質
検出装置。
【請求項10】
前記物質感応膜として、酵素を固定化した膜を備えることを特徴とした請求項1乃至請
求項9のいずれか一項に記載の物質検出装置。
【請求項11】
前記物質感応膜として、抗原を固定化した膜を備えることを特徴とした請求項1乃至請
求項9のいずれか一項に記載の物質検出装置。
【請求項12】
前記半導体として、前記パルスレーザー光を透過する絶縁体基板上に、半導体薄膜を作
製したものを使用することを特徴とする請求項1乃至請求項11のいずれか一項に記載の
物質検出装置。
【請求項13】
半導体と、
前記半導体上に作製される絶縁体と、
前記絶縁体上に作製される複数の物質感応膜と、
から構成される物質検出プレートと、
前記物質検出プレートに装着されて、溶液を前記物質感応膜と接触させるための溶液セ
ルと、
から測定セルを構成し、
前記溶液セルに溶液を注入し、
前記半導体における、前記絶縁体とは反対側であって、かつ、前記物質感応膜に対応す
る位置に、パルスレーザー光を照射し、
前記パルスレーザー光の照射によって発生するパルス電磁波の振幅強度を測定する、
物質検出方法。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体と物質感応膜を備える物質検出装置において、パルスレーザー光を照射し、該半導体において発生する電磁波を検出することで、前記溶液中の被検出物質の有無を判別する装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、溶液中の物質を検出する装置として電界効果トランジスタを用いたセンサがある。電界効果トランジスタを用いたセンサは、一般的に、1)電界効果トランジスタのゲート電極上に作製された感応膜と、2)ドレイン電極及びソース電極より信号を読み出すセンサ読み出し回路と、3)センサを駆動させる電源と、4)溶液の電位を安定させる参照電極とを備えている。
【0003】
以上のように構成する電界効果トランジスタを用いたセンサにおいては、溶液に含まれる被検出物質が前記感応膜に接触すると、感応膜の触媒作用により被検出物質が分解され、溶液のpHが変化することになる。そして、このpHの変化により変化する電界効果トランジスタ内の半導体の局所電界の電流を前記ドレイン電極、及び、前記ソース電極より信号として検出することとしている。
【0004】
このような電界効果トランジスタを用いたセンサ(センサ素子)を同一基板上にアレイ化し、複数の物質を検出する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0005】
特許文献1には、フォトレジストを用いたパターニングにより、50mm×60mmの基板上に、100組のセンサ素子を作製する方法について記されている。
【0006】
一方、レーザー光を用いた物質検出装置として、LAPS(Light-Addressable Portentiometric Sensor)が知られている(例えば、非特許文献1参照。)。このLAPSは、半導体シリコン基板、及びその上に形成された酸化膜及び窒化膜からなるセンサ基板を備え、例えば、このセンサ基板の上に接触させた溶液のpHを測定するセンサとして用いられる。
【0007】
そして、前記半導体シリコン基板と前記センサ基板との界面ではエネルギーバンドに曲がりが生じているが、この曲がりは、前記センサ基板に接している溶液のpHにも依存する。その結果、前記半導体シリコン基板と前記センサ基板との界面に存在する空乏層の幅が変化し、レーザー光を照射したときに流れる電流(光電流)も変化する。
【0008】
以上のように、レーザー光を照射したときに流れる電流(光電流)は、光を照射した場所の空乏層の幅の変化を反映するものである。

【特許文献1】特開2002-350383号公報
【非特許文献1】T.Yoshinobu他、Electrochimica Acta、第47巻(2001年)pp.259-263
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
前記特許文献1で開示されるような、センサ素子をアレイ化する方法では、センサ素子ごとに、作用電極、対電極、を備える必要があり、製作工程が煩雑になるという問題点があった。
【0010】
しかも、センサ素子ごとに、信号を読み出すための信号線及び、センサの駆動回路を備える必要があるという問題点があった。
【0011】
一方、前記LAPSでは、レーザー光を照射した位置から光電流を取り出す電極までの電流経路における半導体シリコン基板の電気的特性が位置によって異なるため、あらかじめ、信号の校正をする必要があった。
【0012】
かかる従来の事情に鑑みて、発明者らは、構造の非常に簡単な物質検出プレートを使用し、かつ信号の校正をする必要なしに、溶液中の複数の被検出物質の有無を検出、かつ定量的に評価する装置を提供すべく研究開発を行い、本発明を成すに至ったものである。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【0014】
即ち、請求項1に記載のごとく、
半導体上に物質感応膜を作製した物質検出プレートと、
被検出物質を含む溶液を前記物質感応膜の表面へ接触させる手段と、
前記溶液の電位を安定させる手段と、
前記物質検出プレートにパルスレーザー光を照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を発生させる手段と、
前記パルス電磁波の振幅強度を計測する手段と、
前記振幅強度より、被検出物質の有無を判定する手段検出物質検出物質検出物質を備えることとする。
【0015】
また、請求項2に記載のごとく、
前記パルスレーザー光を前記物質検出プレートの前記物質感応膜が作製される面の反対側から照射するものである。
【0016】
また、請求項3に記載のごとく、
前記パルス電磁波の振幅強度より被検出物質の量を定量的に計測する手段を備えることとするものである。
【0017】
また、請求項4に記載のごとく、
前記半導体の厚さは、前記パルスレーザー光の照射する位置で該パルスレーザーの波長と該半導体の種類によって決定される光侵入長と同等の大きさとするものである。
【0018】
また、請求項5に記載のごとく、
前記被検出物質を含む溶液の電位を安定させる手段として、溶液中に銀/塩化銀参照電極を設置するものである。
【0019】
また、請求項6に記載のごとく、
前記銀/塩化銀参照電極と半導体の間に電圧を印加することで、被検出物質の前記物質感応膜との反応に対する前記パルス電磁波の振幅強度の変化率を増加させる、こととするものである。
【0020】
また、請求項7に記載のごとく、
前記物質検出プレートの前記半導体上に複数の物質感応膜がアレイ状に作製されるとともに、
前記パルスレーザー光を2次元的に走査して照射する手段を備え、
前記パルスレーザー光を2次元的に走査して照射する手段によって、順次、前記パルスレーザー光を前記物質感応膜の各配置箇所に対して照射し、
前記照射によって発生されるパルス電磁波の振幅強度を、順次、計測するものである。
【0021】
また、請求項8に記載のごとく、
前記パルスレーザー光として波長が300ナノメートル以上、2ミクロン以下であることとするものである。
【0022】
また、請求項9に記載のごとく、
前記パルス電磁波に含まれる周波数の成分は、10ギガヘルツから100テラヘルツまでの範囲に含まれることとするものである。
【0023】
また、請求項10に記載のごとく、
前記物質感応膜として、酵素を固定化した膜を備えることとするものである。
【0024】
また、請求項11に記載のごとく、
前記物質感応膜として、抗原を固定化した膜を備えることとするものである。
【0025】
また、請求項12に記載のごとく、
前記半導体として、前記パルスレーザー光を透過する絶縁体基板上に、半導体薄膜を作製したものを使用することとするものである。
【0026】
また、請求項13に記載のごとく、
半導体と、
前記半導体上に作製される絶縁体と、
前記絶縁体上に作製される複数の物質感応膜と、
から構成される物質検出プレートと、
前記物質検出プレートに装着されて、溶液を前記物質感応膜と接触させるための溶液セルと、
から測定セルを構成し、
前記溶液セルに溶液を注入し、
前記半導体における、前記絶縁体とは反対側であって、かつ、前記物質感応膜に対応する位置に、パルスレーザー光を照射し、
前記パルスレーザー光の照射によって発生するパルス電磁波の振幅強度を測定する、
物質検出方法とする。
【発明の効果】
【0029】
本発明によれば、物質検出プレートにパルスレーザー光を照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を発生させ、その振幅強度を計測することで、被検出物質の有無を検出する定性的な評価や、定量的な評価を行うことができる。
【0030】
したがって、物質検出プレートは、被検出物質ごとに電極を作製する必要がなく、安価で構造が非常に簡単である。
【0031】
さらに、パルスレーザー照射位置より発生するパルス電磁波を計測するために、物質検出プレート上のどの位置について計測を行う場合であっても、前記LAPSのように校正を行うことなしに、高精度かつ定量的な計測が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0032】
以下、本発明の最良の実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には、同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【0033】
図1に、本発明の物質検出装置の実施例を示す。
この物質検出装置1では、半導体上に物質感応膜を作製した物質検出プレート5と、被検出物質を含む溶液を前記物質感応膜の表面へ接触させる手段(溶液セル6)と、溶液の電位を安定させる手段(後述する参照電極31(図6)と、前記物質検出プレート5にパルスレーザー光を照射することで、照射位置における被検出物質の量に依存する振幅強度を持ったパルス電磁波を発生させる手段(パルスレーザー光源2)と、前記パルス電磁波の振幅強度を計測する手段(検出・変換装置4)と、前記振幅強度より、被検出物質の有無を判定する手段(制御・解析装置8)を備える構成とするものである。以下、原理、及び、装置構成の詳細について説明する。
【0034】
はじめにレーザーパルス照射による電磁波の発生原理を説明する。半導体中の電場Eが存在する場所に、バンドギャップよりも大きなエネルギーをもつレーザー光を照射すると、光励起による電子・正孔対が生成し、その電子・正孔対が電場Eによって加速されるために電流が発生する。レーザー光が連続光の場合は、定常的な電流が流れるが、レーザー光がパルス光の場合には、励起された電子・正孔対はある一定の時間で緩和し、電流も流れなくなるため、光パルスの幅と緩和時間に依存して、パルス状の電流が流れる。古典電磁気学のMaxwellの方程式から導出される下記(1)式によれば、半導体に流れる電流に時間変化が発生した場合、該半導体より電磁波が放射される。
【0035】
【数1】
JP0004360687B2_000002t.gif

【0036】
上記(1)式において、Eemissionは、電磁波の電界ベクトル、Jは、光電流密度ベクトル、nは、光励起された電子・正孔対の密度、eは、素電荷量、vは、光が照射された位置における半導体中の電場Elocalによって加速された電子・正孔対のドリフト速度、μは、電荷の移動度である。
【0037】
(1)式からわかるように、発生する電磁波の振幅強度は、光が照射された位置における半導体中の電場Elocalに比例する。
【0038】
次に、溶液中の被検出物質が半導体上に作製される物質検出プレートの表面に存在した場合に、パルスレーザー光の照射によって前記半導体から発生される前記パルス電磁波の振幅強度が変化する理由を説明する。
【0039】
まず、特定の被検出物質に感応する物質感応膜に、被検出物質を含む溶液が接すると、溶液の水素イオン濃度が変化する。すなわち、物質感応膜に接する溶液のpHが変化する。
【0040】
例えば、ウレアーゼ(酵素)を含む物質感応膜では、触媒作用により、尿素が加水分解され、アンモニアが発生し、pHが上昇することが知られている。
【0041】
図2は、物質検出プレートのエネルギーバンド分布の模式図であり、図中のECは伝導帯であり、EVは価電子帯である。絶縁体22と半導体23の境界には、空乏層が形成される。空乏層とは、キャリアが存在しない領域であり、該空乏層には局所電界Eが形成されている。したがって、外部から電圧を印加しなくても、空乏層には定常的に電界が存在していることになる。この空乏層に光を照射し、電子・正孔対を生成すると、(1)式にしたがって、電磁波が発生する。
【0042】
ここで、局所電界Eの向き及び大きさは、絶縁体と半導体の境界の状態や、半導体の特性によって変わることがある。しかしながら、電磁波発生の原理において特に重要な点は、局所電界Eが形成されていることである。
【0043】
そして、図2に示すごとく、溶液中の水素イオン濃度(溶液のpH)が変化すると、物質感応膜21に吸着する水素イオンと水酸基イオンの密度が変化し、物質感応膜21の表面の電荷が変化することで、絶縁体22と半導体23の境界に形成される空乏層の局所電界Eも変化し、局所電荷Eに比例する前記パルス電磁波の振幅強度も変化することになる。
【0044】
以上のように、パルスレーザー光を照射することにより発生する電磁波の振幅強度を直接計測することで、被検出物質ごとに信号を読み出す電極を作製することなく被検出物質を検出することができることになる。
【0045】
以上の原理を用い、図1に示す装置構成によって、被検出物質の検出が行われる。
図1は、本実施例の物質検出装置の概略図である。この図に示すように、本実施例の物質検出装置1は、照射装置、検出・変換装置4、及び制御・解析装置8を備える。
【0046】
図1において照射装置は、走査台7、パルスレーザー光源2、及び、集光装置3からなり、物質検出プレート5の特定の位置に所定の波長を有するパルスレーザー光9を照射する機能を有する。
【0047】
さらに、照射装置は、パルスレーザー光9を2次元的に走査して照射する機能を有する。つまり、前記走査台7において、前記物質検出プレート5を移動させつつ、パルスレーザー光9を前記物質検出プレート5に向けて照射する機能を有している。
【0048】
また、このパルスレーザー光9は、図3に示すごとく、物質検出プレート5に複数配置される物質感応膜21a・21b・21c・21dのそれぞれの位置に対応して、半導体23に対して照射されるものであり、前記走査台7にて物質検出プレート5、及び、溶液セル6を動かすことによって、パルスレーザー光9が照射される位置に、順次、半導体23の各物質感応膜21a・21b・21c・21dが配置されるようにし、各物質感応膜21a・21b・21c・21dに対応する半導体23の各位置から、順次、パルス電磁波10を発生させることとしている。
【0049】
なお、本発明はこの実施例の構成に限定されず、図示しない揺動ミラーにより、パルスレーザー光9を物質検出プレート5の上で2次元的に走査して照射してもよい。
【0050】
また、図1に示すごとく、本実施例では、パルスレーザー光9とパルス電磁波10の経路によってなす面を略水平面、即ち、図1は上面視の構成であり、この構成を側面から見た場合に、前記パルスレーザー光9とパルス電磁波10が略水平面をなすような配置構成としているが、各装置の形状及び固定方法によって適宜設定することが望ましく、前記略水平面を構成する必要はない。
【0051】
前記パルスレーザー光9の物質検出プレート5への入射角は、パルスレーザー光9の有する波長が、物質検出プレート5の半導体へ最も吸収される角度とすることが好ましい。ただし、各装置の形状及び固定方法によっては、この角度に限定する必要はなく、特に限定されるものではない。
【0052】
前記パルスレーザー光源2は、パルスレーザー光9を発生可能なモード同期チタンサファイアレーザ、又はフェムト秒ファイバーレーザであるのがよい。
また、このパルスレーザー光9の波長は、300ナノメートル(300nm=0.3μm)以上、2ミクロン(2μm)以下の範囲に含まれるものであり、時間平均のエネルギーが0.1mW以上、10W以下であり、パルス幅が1フェムト秒(1fs=0.001ps)以上、10ピコ秒(10ps)以下であるのがよい。
すなわち、電磁波の励起に際しては、光源として時間の幅の小さなパルスレーザー光を用いることにより、半導体及び溶液に大きな影響を及ぼさない状態で、電磁波の励起ができる。なお、半導体及び溶液に熱的影響を及ぼさない最大光パルス幅は、約10ピコ秒と見積ることができる。
【0053】
図1において検出・変換装置4は、例えば、電磁波検出ボローメーター、又は、半導体光スイッチであり、パルスレーザー光9の照射位置から放射されるパルス電磁波10を検出して、電磁波の電場振幅の時間波形に対応した時間的に変化する電圧信号に変換するものである。また、前記パルス電磁波10に含まれる周波数の成分は、10ギガヘルツから100テラヘルツまでの範囲に含まれることとし、これにより、一般的な構成の検出・変換装置4の利用が可能となる。
【0054】
制御・解析装置8は、前記検出・変換装置4で変換した電圧信号から、被検出物質の有無の検出、及び、定量的な測定といった解析を行うものである。また、本実施例では、制御・解析装置8は、本明細書中に説明する制御や解析の実行を可能とするコンピュータであり、走査台7、検出・変換装置4、及び、パルスレーザー光源2の制御も併せて行うものである。
【0055】
図3は、前記物質検出プレート5の概要図である。物質検出プレート5には、物質感応膜21(21a・21b・21c・21d)と絶縁体22と半導体23と透明基板24とが備えられる。
【0056】
尚、物質感応膜21は、溶液のpHのみを計測する場合は、必要としない。
【0057】
また、物質感応膜21(21a・21b・21c・21d)は、被検出物質の種類と同じ種類のものが同一基板上に作製され、被検出物質の種類の数と物質感応膜21の種類の数が同一となる。例えば、被検出物質が40種類ある場合には、40個の物質感応膜21が設けられる。また、この他、被検出物質が20種類ある場合であって、各被検出物質の種類について二つの物質感応膜、即ち、合計40個の物質感応膜21を設けて、測定の精度の向上を図ることとしてもよい。
【0058】
また、前記物質感応膜21として、酵素を固定化した膜を備えることにより、この酵素と反応する被検出物質が溶液中に存在する場合には、酵素と被検出物質の反応によりpHが変化し、当該物質感応膜21の存在する位置から発生するパルス電磁波10の振幅強度が変化する。この振幅強度の変化を捉えることによって、被検出物質を検出できることになる。このように、物質感応膜21を酵素にて構成することにより、一つの物質検出プレート5(測定セル20)にて幅広い種類の物質の検出を行うことが可能となる。
【0059】
また、前記物質感応膜21として、抗原を固定化した膜を備えることにより、この抗原と反応する被検出物質(抗体)が溶液中に存在する場合には、抗原と被検出物質(抗体)の反応により感応膜表面の電荷が変化し、当該物質感応膜21の存在する位置から発生するパルス電磁波10の振幅強度が変化する。この振幅強度の変化を捉えることによって、被検出物質(抗体)を検出できることになる。このように、物質感応膜21を抗原にて構成することにより、これに対応する抗体の検出を行うことが可能となり、物質検出装置1を、いわゆる生物センサとして利用可能となる。
【0060】
また、前記物質感応膜21(21a・21b・21c・21d)は、図3、及び、図4に示すごとく、規定の間隔Lをあけて、複数列、複数行を形成するように配置される、即ち、アレイ状に配置されることとする。ここで規定の間隔Lをあけるのは、図3に示すごとく、例えば、物質感応膜21aにおける反応によるイオンの増減が、隣に位置する物質感応膜21bに影響してしまうと、該物質感応膜21bへのパルスレーザー光9の照射によって発生するパルス電磁波10の振幅強度に影響して、物質感応膜21bの被検出物質の定性的・定量的な測定について正確な結果を得られなくなるためである。
【0061】
また、各物質感応膜21の大きさ(前記半導体23に対する投影面積)は、前記パルスレーザー光9の照射範囲に対応して設計される。即ち、パルスレーザー光9の照射範囲よりも広くなるように、各物質感応膜21の大きさが設計される。
【0062】
また、図3に示すごとく、前記半導体23には絶縁体22の膜が形成され、該絶縁体22上に前記物質感応膜21(21a・21b・21c・21d)が配置される。本実施例では、前記絶縁体22の厚さを約270ナノメートル、半導体23の厚さを約150ナノメートルとしたが、半導体23の厚さは、パルスレーザー光9の波長と半導体23の種類によって決定される光侵入長と同等の大きさとするのが望ましい。尚、光侵入長は、半導体23についての光吸収係数の逆数である。例えば、パルスレーザー光9の波長が790ナノメートルであり、半導体23の種類が高抵抗のシリコンである場合、半導体23の厚さは約2ミクロン程度とすることで、効率よくパルス電磁波10を発生させることができる。
【0063】
また、図3に示すごとく、前記透明基板24は、半導体23と絶縁体22と物質感応膜21(21a・21b・21c・21d)を作製するときに必要である。さらに、物質検出プレート5の機械強度を保つためにも必要である。実施例では、透明基板24としてサファイアが用いられている。また、図に示すように、前記透明基板24上に半導体23が配置され、その半導体23上に前記絶縁体22が配置され、その絶縁体22上に前記物質感応膜21が配置される。
【0064】
また、図3に示すごとく、前記パルスレーザー光9は、前記物質検出プレート5の前記物質感応膜21(21a・21b・21c・21d)が作製される面の反対側から照射されるものである。このために、物質検出プレート5に設けられる半導体として、前記パルスレーザー光9を透過する絶縁体基板(透明基板24)上に、半導体膜(半導体23)を作製したものが使用される。
【0065】
また、図3に示すごとく、リード線25が半導体23と電気的に接触されており、必要に応じて半導体23に電圧を印加することができるようになっている。これにより、半導体内の空乏層の幅を制御することができる。
【0066】
また、前記絶縁体22の上に窒化シリコンなどの保護膜を作製することによれば、溶液中のイオンが絶縁体22の中へ浸透し、検出信号が不安定になることを防ぐことができる。
【0067】
また、図3に示すごとく、前記物質検出プレート5には、前記物質感応膜21(21a・21b・21c・21d)の側に、溶液セル6が装着される。この溶液セル6は、軸方向の一側端面が開放され、他側端面が閉じられる筒状容器であって、開放された端面から溶液を注ぎ、その開放を前記物質検出プレート5の物質感応膜21側の表面にて塞がれて、密閉空間が形成されるようにするものである。
【0068】
図5は、別実施形態の物質検出プレートをあらわす概略図である。この実施形態では、前記透明基板24を備える代わりに、半導体23の厚みを増して、機械強度を保っている。実施例では、半導体23の厚さは600ミクロンである。半導体23は、研磨あるいはエッチング処理によって、物質感応膜21e・21fの反対側の方向から取り除かれ、物質感応膜21e・21fの下の箇所27・27では、薄くなるように構成される。実施例での厚さは、2~3ミクロンである。
【0069】
また、この図5に示す実施例では、半導体23に断面視においてテーパー状の空間部26・26を形成して、物質感応膜21e・21fに対応する箇所27・27における半導体23の厚さが薄く形成されるものである。この空間部26・26の形状は、前記箇所27・27に前記パルスレーザー光9が直接に照射され、前記パルス電磁波10が前記検出・変換装置4に直接到達することを可能とする形状とすることが望ましい。即ち、前記空間部26・26の断面視における開口角度28を、前記パルスレーザー光9及びパルス電磁波10が前記箇所27・27以外の半導体23の部位と干渉しないように設計することが望ましい。換言すれば、前記開口角度28を、パルスレーザー光9とパルス電磁波10の間に形成される角度より大きくすることが望ましい。
【0070】
また、図6は、溶液が物質検出プレート5Aの表面に接するようにするための溶液セル6Aの例について示す概略図である。被検出物質の含まれた溶液は、溶液流入口32より注入され、検査後に不要となった溶液は、溶液排出口33より排出される。また、側面視において物質感応膜が形成される面が略垂直となるように設置される物質検出プレート5Aに、溶液セル6Aを装着した状態において、前記溶液流入口32が下側、前記溶液排出口30が上側に配置され、前記溶液流入口32から溶液が注入されると、その溶液高さが徐々に高まって、前記溶液排出口33から排出される。
【0071】
また、図6に示すように、この例の溶液セル6Aは、軸方向の一方の端面6bが開放され、他方の端面6cが閉じられた筒状部材であって、略垂直に設置される物質検出プレート5Aの図示せぬ物質感応膜が設置される面に対し、前記端面6bが設置され、前記物質検出プレート5Aによって、前記端面6bの開口が塞がれる。このようにして、前記溶液流入口32、及び、前記溶液排出口33を除き、前記溶液セル6Aが密閉された状態となって、該溶液セル6Aに注入される溶液を物質検出プレート5Aの表面に設けられる物質感応膜に接触させることができる。
【0072】
また、図6の側面視に示す溶液セル6Aにおいて、前記物質検出プレート5A側に配置される前記端面6bと、その反対側の端面6cは略平行となるように設計され、かつ、前記端面6cが前記端面6bよりも高い位置に配置される。さらに、側面視において、前記端面6b・6cの上下の端部は、それぞれ、輪郭線6d・6eで結ばれ、これら端面6b・6c、及び、輪郭線6d・6eにより、前記物質検出プレート5A側の端面6bが反対の端面6cよりも低い位置に配置される平行四辺形が形成される。
【0073】
さらに、図6に示すごとく、前記溶液流入口32は、前記物質検出プレート5Aの近傍に配置される一方、前記溶液排出口33はその溶液セル6A内の開口33aが、前記物質検出プレート5Aの最上位置5aよりも上に配置される。この配置構成により、前記溶液流入口32より溶液が注入され、その液高さが上昇して前記最上位置5aに達した後においては、必ず、この最上位置5aよりも高い位置に液面が位置することになり、前記物質検出プレート5Aの物質感応膜が配置される側の表面全体に対して溶液を接触させることが可能となる。これにより、溶液中の被検出物質を確実に物質検出プレート5の物質感応膜に対して接触させることが可能となり、測定精度を向上させることが可能となる。
【0074】
また、図6に示すごとく、前記端面6cから溶液セル6A内に参照電極31が挿入される。この参照電極31は、飽和塩化カリウム溶液に浸された銀・塩化銀電極である。そして、参照電極31とリード線25の間には電圧源が設置されており、電圧を印加することが可能であり、前記被検出物質を含む溶液の電位を安定させる手段として機能するものである。尚、この参照電極31は、図1、図3、図4、又は、図5に示される溶液セル6の構成についても、該溶液セル6に挿入されて、電位安定化手段として利用することができる。
【0075】
以上のように、図1、図3、図4、及び、図5に示すごとく、前記物質検出プレート5は、半導体23と、前記半導体23上に作製される絶縁体22と、前記絶縁体22上に作製される複数の物質感応膜21と、から構成されるものである。
【0076】
また、図1、図3、図4、及び、図5に示すごとく、前記測定セル20は、半導体23と、前記半導体23上に作製される絶縁体22と、前記絶縁体22上に作製される複数の物質感応膜21と、から構成される物質検出プレート5と、前記物質検出プレートに装着されて、溶液を前記物質感応膜と接触させるための溶液セル6と、を具備するものである。
【0077】
そして、以上のように構成される物質検出プレート5、及び、測定セル20は、簡易な構成であって、大量生産が可能な構成であり、これにより、製造コストも低く抑えることが可能であることから、被検出物質の解析完了後には廃棄する、即ち、使い捨てによる運用も実現可能である。また、この運用により、測定セル20についての清潔性が確保され、正確な解析が実現可能となる。
【0078】
図7は、前記参照電極31と前記リード線25の間に印加された電圧(横軸)と、前記パルスレーザー光9の照射によって生じるパルス電磁波10の振幅強度(縦軸)の関係をあらわすグラフである。このグラフからわかるように、印加電圧が略2.0ボルトから4.5ボルトの範囲においては、グラフ上の電圧—電磁波強度線が直線的(線形)で、かつ、傾きが大きいものとなり、この範囲において電圧を印加し、パルス電磁波10を測定することによれば、パルス電磁波10の変化を線形的に得ることが可能となる。このため、被検出物質の検出を行う場合は、グラフ上の電圧—電磁波強度線が、直線に近く、かつ、傾きが大きくなるように、電圧を印加するほうが好ましく、例えば、印加電圧を約2.3ボルトとすることによれば、前記物質感応膜21に被検出物質が接触し、反応により電圧変化が生じた際には、この電圧変化に基づく電磁波の振幅の強度変化を、前記制御・解析装置8にて確実に捉えることが可能となり、検出効率を最適化することができる。即ち、銀/塩化銀の参照電極31と前記半導体23の間に電圧を印加することで、被検出物質の前記物質感応膜との反応に対する前記パルス電磁波10の振幅強度の変化率を増加させることとし、検出効率を向上させることができるのである。
【0079】
また、図8は本実施例の構成において、ある溶液のpH(横軸)と、検出された前記パルス電磁波10の振幅強度(縦軸)の関係をあらわすグラフである。pHの増加と共に、前記パルス電磁波10の振幅強度が線形に変化していることがわかる。この図から、前記物質感応膜21による被検出物質の分解によって変化するpHを、前記パルス電磁波10によって非接触で定量的に検出することができることがわかり、これによれば、前記被検出物質の濃度を定量的に測定することが可能となる。
【0080】
以上のように物質検出装置1を構成し、溶液に含まれる被検出物質の測定を次のようにして行う。
図3に示すごとく、物質検出プレート5に溶液が満たされた溶液セル6を装着して一つの測定セル20が構成される。この測定セル20を、図1に示すごとく、走査台7上の規定の位置に設置し、前記制御・解析装置8の制御によって、パルスレーザー光9の照射位置と、前記物質感応膜21のうちの一つが一致するように、走査台7上において、測定セル20が移動させられる。
【0081】
そして、制御・解析装置8は、前記パルスレーザー光源2により、前記物質検出プレート5の半導体23における、前記絶縁体22とは反対側であって、かつ、前記物質感応膜21(例えば、21a(図3))に対応する位置に、パルスレーザー光9を照射させる。このパルスレーザー光9の照射によって生じるパルス電磁波10が検出・変換装置4によって検出され、制御・解析装置8では、その検出結果を取り込んで、パルス電磁波10の振幅強度から、物質感応膜21での反応の有無や、反応の度合いが検出される。
【0082】
そして、制御・解析装置8は、一つの物質感応膜21についてのパルス電磁波10の検出が行われると、前記走査台7を制御して、測定セル20を移動させ、他の物質感応膜21についてのパルスレーザー光9の照射を行う。このように、物質検出装置1においては、前記物質検出プレートの前記半導体上に複数の物質感応膜がアレイ状に作製されるとともに、前記パルスレーザー光を2次元的に走査して照射する手段(走査台7、パルスレーザー光源2)を備え、前記パルスレーザー光を2次元的に走査して照射する手段(走査台7、パルスレーザー光源2)によって、順次、前記パルスレーザー光を前記物質感応膜の各配置箇所に対して照射し、前記照射によって発生されるパルス電磁波の振幅強度を、順次、計測するものである。
【0083】
そして、制御・解析装置8は、前記パルス電磁波10の振幅強度より被検出物質の量を定量的に計測する手段として機能するものであり、各物質感応膜21での反応の有無(電磁波振幅強度の変化の有無)や、反応の度合い(電磁波振幅強度の変化の量)を検出し、被検出物質の解析を行うものである。
【0084】
そして、このようにして行われる被検出物質の解析については、前述のように、物質感応膜21での反応の有無により、パルス電磁波10の振幅強度が変化することから、このパルス電磁波10の強度変化の有無から、被検出物質の存在の有無といった定性的な解析が行えることになる。
【0085】
また、前述のように、前記物質感応膜21による被検出物質の分解によって溶液のpHが変化し、これによって、発生するパルス電磁波10の振幅強度が変化することから、このパルス電磁波10の強度変化の大小から、被検出物質の濃度を測定するといった、定量的な解析が行えることになる。
【0086】
また、この定量的な解析につき、パルスレーザー光9の照射時間と被検出物質の濃度変化との相関を解析することによれば、物質感応膜21における被検出物質の分解の速度や、その速度変化の挙動についての解析を行うことも可能となる。例えば、反応開始時の分解速度が非常に遅いが、一定の分解が進んだ後は、分解速度が急激に上昇するといった挙動を把握するといった反応過程を分析することも可能となり、また、その反応過程をパルス電磁波10の波長強度からリアルタイムに分析することが可能となる。
【0087】
さらに、以上の一連の解析においては、測定セル20を一度セットした後は、走査台7にて測定セル20を順次移動させて、各物質感応膜21に対応する位置にパルスレーザー光9を照射することで、各被検出物質についての解析を実施することができ、作業性がよく、短時間で、効率よく多くの解析データを得ることが可能となる。また、被検出物質と物質感応膜との反応を直接検出することができるので、ラベルフリーの物質検出が可能となる。
【0088】
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【0089】
本発明によれば、生体物質間の相互作用反応(抗原-抗体、酵素反応、アレルギー反応等)を高スループットで検出する装置を実現することができる。また、利用分野として、臨床検査、テーラーメイド医療、医学研究、医薬品開発、環境汚染物質評価、食品安全管理などの分野において、幅広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0090】
【図1】本発明に係る物質検査装置の概略図である。
【図2】本発明に係る物質検出プレートのエネルギーバンド分布の模式図である。
【図3】本実施形態の物質検出プレートの概略図である。
【図4】物質感応膜の配置例について示す概略図である。
【図5】本実施形態の物質検出プレートの異なる形態をあらわす概略図である。
【図6】本実施形態の溶液セルの他の構成の概略図である。
【図7】参照電極とリード線の間に印加された電圧(横軸)とパルス電磁波の振幅強度(縦軸)の関係をあらわすグラフである。
【図8】pH(横軸)とパルス電磁波の振幅強度(縦軸)の関係をあらわすグラフである。
【符号の説明】
【0091】
1 物質検出装置
2 パルスレーザー光源
3 集光装置
4 検出・変換装置
5 物質検出プレート
6 溶液セル
7 走査台
8 制御・解析装置
9 パルスレーザー光
10 パルス電磁波
11 制御信号線
21 物質感応膜
22 絶縁体
23 半導体
24 透明基板
25 リード線
31 参照電極
32 溶液流入口
33 溶液排出口
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7