特別WEBコラム 新型コロナウィルス禍に学ぶ応用物理 MEMS水晶振動子マイクロバランス・センシング アブストラクト 荻 博次 大阪大学
ガンやアルツハイマー病など一部の病気では，血液や尿の中に特有のタンパク質やペプチド（アミノ酸が連なったもの）が現れることが知られています．そうした目印となる物質を「バイオマーカー」と呼び，その有無は病気の診断に役立てられます．
新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の場合は，感染直後に体内で作られるIgM抗体や，少し遅れて作られるIgG抗体などがバイオマーカーとして使われます．
バイオマーカーを検知するデバイス（素子）がバイオセンサーです．いくつかの方式があるなかで，電子部品の技術を応用したバイオセンサーが「水晶振動子マイクロバランス・センサー（QCMセンサー）」です．
水晶を薄い板状に加工して交流電圧を印可すると，ある一定の周波数で振動することが知られています．しかも，水晶片に物質が付着して質量が重くなると，発振周波数が低下するという性質があります．
まず，特定のバイオマーカーだけが結合する物質（リガンドと呼ぶ）を水晶片に付着させておきます．リガンドに血液などに含まれるバイオマーカーが結合すると，質量がわずかに重くなって発振周波数が低下し，それを回路で検出してバイオマーカーの量を計測する仕組みです（図）．数ng（ナノグラム）から数十pg（ピコグラム）といったきわめて高い検出感度を実現できるのがQCMセンサーの特長です．
本稿では，半導体表面に機械的な構造を設けるMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて水晶片を10µmにまで薄型化した高感度なQCMセンサーについて説明しています．IgG抗体は6.7pmol/L（1リットルあたり6.7ピコモル濃度），体内の炎症反応を示すC反応性タンパクは10pg/mlなど，きわめて微量のバイオマーカーを検出できることが確認されています．
こうした高感度なセンサーが実用化されれば，より正確かつ早期の診断が可能になるでしょう．また，特定のバイオマーカーに結合するリガンドを見つけられれば新薬の候補にもなります．半導体技術は医学の進歩にもつながっているのです．
