JP4464270B2 - 埋込み圧電微小片持ち梁センサー - Google Patents
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Description
本発明は、以下の詳細な説明から、添付図面と共に読解される場合最もよく理解される。慣例に従って、図面の様々な特徴部は尺度どおりにない、ということが強調される。それどころか、様々な特徴部の寸法は、明瞭にするために独断的に拡大又は縮小されている。図面には、図1から図6が含まれている。
本発明は、気体又は液体媒質中の検体の存在及び量を、表面上に形成された感知材料に該媒質を導入することにより検出するための方法及び装置を提供する。微小片持ち梁のアームは、感知素子内に少なくとも部分的に埋め込まれる。検出されるよう求められる検体の存在下で、感知材料は垂直方向を含む体積の膨張又は収縮を受ける。かかる膨張又は収縮は、アームの埋込み部分を垂直方向に動かしそしてアーム上に測定可能なヒズミを加える。
上記の例は本発明によるセンサーの感度の具体的態様を与えるけれども、本発明のセンサーはまた、非埋込み微小片持ち梁センサーと比較される場合堅牢であるように設計される。比較として、一つの例示的具体的態様において、MW90,000のポリビニルアセテートホモポリマー(Polysciences)の約10ミクロンの厚さの膜を、エチルアセテート中でスライドガラスを溶媒浸漬塗布することにより、スライドガラス上に付着させた。次いで、この被覆スライドガラスを8時間風乾した。エポキシ接着剤及びテーパー状ガラスシム(片持ち梁をポリマーに対して適切な位置に置くために)を用いて、ピエゾ抵抗微小片持ち梁(Veeco)を該膜と接触させそして該スライドガラスに結合した。この片持ち梁構築体の抵抗は約2,142オームであった。次いで、この片持ち梁センサーを50Cに1時間温め、そして室温に冷却した。次いで、この片持ち梁の抵抗は2,124オームであると測定され、またSEMにおける検査により、該片持ち梁は該ポリマーともはや接触されていない(おそらく、余分の溶媒は加熱にて除去された故)ことが示された。次いで、このセンサーを25Cにて100ppmのブチルアセテートに暴露し、そして抵抗を監視した。このセンサーは、3分の遅れ後に抵抗増加を示した。この遅れは、ポリマーが十分に膨潤して片持ち梁に接触するのに要する時間に因ると考えられる。上記のセンサーはポリマーの収縮に応答することが可能でない(それがポリマーに機械的に結合されていない故)、ということが注目されるべきである。
比較例1に記載されたのと同じポリマー及び同じタイプの片持ち梁を用いて埋込みセンサーを作製したが、但し片持ち梁を、該ポリマーの約10ミクロン膜とまさに接触するように取り付けた後、やはり溶媒浸漬により該ポリマーの薄層で包んだ。次いで、このセンサーを50Cに24時間の期間高め、そして検査にて依然として包まれていると決定した。100ppmのブチルアセテート蒸気に暴露すると、このセンサーは5秒以内に応答し、しかしてそれが直ちに結合されたことを指摘した。このセンサーはポリマー膜内に埋め込まれている故、それはまた冷却又は化学的相互作用によって引き起こされるポリマーの収縮に応答することができる。
比較例1に記載されたように構築されたセンサーに関して、簡単な応力試験を行った。この試験において、透明テープ片を片持ち梁上に注意深く置き、そして直ちに除去した。片持ち梁は壊れ、そしてセンサーは動作しないようになった。
次いで、実施例1に記載されたように構築されたセンサーに関して、簡単な応力試験を行った。この試験において、透明テープ片を片持ち梁上に注意深く置き、そして直ちに除去した。次いで、片持ち梁を検査し、そして無傷であり且つ動作することが分かった。
Claims (33)
- 少なくとも1種の検体を検出するための埋込み微小片持ち梁であって、
基板に固定して結合された第1端部及び第2端部を有する撓み性アーム、
基板表面に配置された感知材料付着物であって、該撓み性アームの第2端部は、該感知材料付着物内に少なくとも部分的に埋め込められており、しかも該アームは、該感知材料付着物の体積変化に応答して撓むことが可能であり、また、ポリマー、層状の生体分子及び複合物質からなる群から選択されたセンサー材料を含む感知材料付着物、及び
該アームの撓みを測定することが可能な検出手段
を含む、埋込み微小片持ち梁。 - 該アームが、該アームが撓む時に変化する少なくとも1つの測定可能な物理的性質を含み、そして該検出手段が、該少なくとも1つの測定可能な物理的性質における変化を測定することが可能である、請求項1に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該検出手段が、該アームの該撓みの測定を容易にするための電気回路を含む、請求項1に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該検出手段が、該アームの該撓みを測定可能な電気信号に変換することが可能な変換器を含む、請求項1に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該アームが、その中及びその上の一方において形成されたピエゾ抵抗部材を含み、そして該検出手段が、該撓みに因る該ピエゾ抵抗部材の抵抗変化を測定することが可能な電気回路を含む、請求項1に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該ピエゾ抵抗部材がチタン酸バリウムを含む、請求項5に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該感知材料付着物が、更なる基板上に配置されている、請求項1に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該撓み性アームが、該感知材料付着物内に埋め込まれており且つ静止位置にある時に該表面に本質的に平行に配置される、請求項1に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該感知材料付着物が、ポリマーから形成された且つ該少なくとも1種の検体への暴露にて垂直方向の体積変化を受ける化学センサーを含む、請求項1に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該感知材料付着物が、層状の生体分子及び複合物質のどちらか一方から形成された且つ該少なくとも1種の検体を吸着しそして該吸着の結果として垂直方向において体積的に変化することが可能な生物学的センサーを含む、請求項1に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該生物学的センサーが、抗体及び抗体含有複合物のどちらか一方を含む、請求項10に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該少なくとも1種の検体が、該抗体に引きつけられるウイルスを含む、請求項11に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該生物学的センサーがチオール化一本鎖DNAを含み、しかも該チオール化一本鎖DNAが、金基板上に配置されているか又は複合物質内に含有されているかのどちらか一方である、請求項10に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該少なくとも1種の検体が、二本鎖DNAの相補的DNA鎖を含む、請求項13に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該感知材料付着物が、ポリビニルアセテート(PVA)、ポリイソブチレン(PIB)、ポリエチレンビニルアセテート(PEVA)、ポリ(4−ビニルフェノール)、ポリ(スチレン−コ−アリルアルコール)、ポリ(メチルスチレン)、ポリ(N−ビニルピロリドン)、ポリ(スチレン)、ポリ(スルホン)、ポリ(メチルメタクリレート)及びポリ(エチレンオキシド)から成る群から選択された少なくとも1種のポリマーマトリックス材料を含む、請求項1に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該感知材料付着物が、酢酸ニッケル及び過塩素酸リチウムから成る群から選択された少なくとも1種の検体感受性ドーパントを含む、請求項1に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該感知材料付着物が、表面上に形成された別個の材料パッドを含む、請求項1に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該撓み性アームが、その構成成分として窒化ケイ素を含む、請求項1に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該少なくとも1種の検体が、気体媒質及び液体媒質の一方内に含められる、請求項1に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該撓み性アームが、10ミクロンから50ミクロンの範囲の厚さ、25ミクロンから75ミクロンの範囲の幅及び100ミクロンから200ミクロンの範囲の長さを含む、請求項1に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 該検出手段が、該アームの該撓みの程度を測定することが可能である、請求項1に記載の埋込み微小片持ち梁。
- 検体を検出するための埋込み微小片持ち梁のアレイであって、
表面上に形成された複数個の別個の感知材料付着物、
対応する複数個の撓み性アーム、しかも各撓み性アームは基板に固定して結合された第1端部、張出し部分及び対応する感知材料付着物内に少なくとも部分的に埋め込められた第2端部を有し、各撓み性アームは、該対応する感知材料付着物における体積変化に応答して撓むことが可能であり、及び
各撓み性アームの撓みを測定することが可能な検出手段
を含み、前記複数個の別個の感知材料付着物の少なくとも一つが、ポリマー、層状の生体分子及び複合物質からなる群から選択されたセンサー材料を含む、埋込み微小片持ち梁のアレイ。 - 各感知材料付着物が、その他の感知材料付着物とは異なる、請求項22に記載の埋込み微小片持ち梁のアレイ。
- 該撓み性アームの各々が、共通の基板に固定して結合された一つの端部を有し、そして該表面が、該共通の基板に隣接して置かれた更なる基板上に形成されている、請求項23に記載の埋込み微小片持ち梁のアレイ。
- 該複数個の別個の感知素子の各感知材料付着物が、異なる検体の存在に応答して体積変化を受ける、請求項22に記載の埋込み微小片持ち梁のアレイ。
- 各撓み性アームが、その中及びその上の一方においてピエゾ抵抗素子を含み、そして該検出手段が、該対応する感知材料付着物における体積変化に因る撓みの結果としての各ピエゾ抵抗素子の抵抗変化を測定するための電気サーキットリーを含む、請求項22に記載の埋込み微小片持ち梁のアレイ。
- 各々の該撓み性アームが、該アームが撓む時に変化する少なくとも1つの測定可能な物理的性質を含み、そして該検出手段が、各撓み性アームの該少なくとも1つの測定可能な物理的性質における変化を測定することが可能である、請求項22に記載の埋込み微小片持ち梁のアレイ。
- 各々の該別個の感知材料付着物が、少なくとも1種の検体に対して実質的に異なって体積的に変化するよう設計されている、請求項22に記載の埋込み微小片持ち梁のアレイ。
- 媒質内の検体を検出する方法であって、
基板に固定して結合された第1端部を有する撓み性微小片持ち梁アームを準備し、しかも該微小片持ち梁アームを静止位置に配置し、
感知材料付着物を該アームに隣接して基板表面上に形成し且つ該アームの第2端部を該感知材料付着物中に少なくとも部分的に埋め込み、しかも該感知材料付着物は、該検体の存在に応答して垂直方向の膨潤及び垂直方向の収縮の少なくとも一方が可能であり、該垂直方向の膨潤は該微小片持ち梁アームの上方への撓みを引き起こしそして該垂直方向の収縮は該微小片持ち梁アームの下方への撓みを引き起こし、ここで該感知材料付着物が、ポリマー、層状の生体分子及び複合物質からなる群から選択されたセンサー材料を含み、
該検体を含有する媒質を該感知素子に導入し、しかも該媒質は液体及び蒸気の一方であり、そして
該微小片持ち梁アームの該撓みを測定する
ことを含む方法。 - 該微小片持ち梁アームが、該微小片持ち梁アームが撓む時に変化する少なくとも1つの測定可能な物理的性質を含み、そして該測定が、該少なくとも1つの測定可能な物理的性質における変化を測定することを含む、請求項29に記載の方法。
- 該微小片持ち梁アームが、その中及びその上の一方においてピエゾ抵抗部材を含み、そして該測定が、該上方への撓み及び該下方への撓みの一方の結果としての該ピエゾ抵抗部材の抵抗変化を測定することを含む、請求項29に記載の方法。
- 該微小片持ち梁アームが、該ピエゾ抵抗部材に結合した2つの導線を含み、そして該測定が、該2つの導線間の抵抗を測定することを含む、請求項31に記載の方法。
- 該測定が、該工程の開始前後の各々において、該ピエゾ抵抗部材の抵抗を測定することを含む、請求項31に記載の方法。
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