(57)【要約】【課題】  微量に存在する例えばダイオキシンなどの環境汚染物質あるいはマーカータンパク質などを高感度でかつ短時間で感知することのできる感知装置を提供すること【解決手段】  感知物質を吸着するための吸着層がその表面に形成され水晶振動子を用い、この水晶振動子を発振させる発振回路からの例えば９ＭＨｚの周波数信号と例えば１０ＭＨｚの基準周波数信号との周波数差を取り出し、その周波数差である１ＭＨｚの周波数信号を例えば１０逓倍してカウンタによりカウントし、そのカウント値に基づいて感知物質の濃度あるいは有無を検出する。【選択図】  図１           
2006029874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に形成され、感知対象物の吸着により固有振動数が変わるセンサ用振動子を用い、このセンサ用振動子の固有振動数の変化により感知対象物を感知する感知装置において、
前記センサ用振動子を発振させる発振回路と、
基準周波数信号を発生させる基準周波数発生部と、
前記発振回路からの周波数信号と前記基準周波数信号との周波数差を取り出し、その周波数差の周波数信号を出力する周波数差出力手段と、
前記周波数差の周波数信号を逓倍する逓倍手段と、
この逓倍手段で逓倍された周波数信号を計数する計数手段と、を備えたことを特徴とする感知装置。
【請求項２】
周波数差出力手段の後段に前記周波数差の周波数信号を通過させるローパスフィルタを設け、
逓倍手段は、前記ローパスフィルタを通過した周波数信号を増幅すると共に当該周波数信号を逓倍した周波数信号に相当する高調波を含む信号を出力する増幅部により構成されることを特徴とする請求項１記載の感知装置。
【請求項３】
逓倍手段の後段に、当該逓倍手段により逓倍された周波数信号を通過させるフィルタを設けたことを特徴とする請求項１または２記載の感知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に形成され、感知対象物の吸着により固有振動数が変わるセンサ用振動子例えば水晶振動子を用い、このセンサ用振動子の固有振動数の変化分を検出して感知対象物を感知する感知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオテクノロジーの分野あるいは環境保全の分野などにおいては、微量な物質の有無あるいは濃度を検出しなければならない場合が多く、このため微量な汚染物質あるいは有機物の計測技術の確立が望まれている。その感知対象物としては、例えば伝染病の細菌、ダイオキシン、ＰＣＢあるいはマーカー蛋白質やストレスマーカーなどを挙げることができる。汚染物質の中でも最近注目を集めているものとしてダイオキシンがあるが、このダイオキシンを測定する手法としては、高分解能ガスクロマトグラフ質量分析計を用いる公定法（ＪＩＳ）に定められた方法が知られ、またＥＬＩＳＡ法（酵素固定化免疫測定法）が簡易法として知られている。ガスクロマトグラフ質量分析計によれば、１０−１２ｇ／ｍｌオーダの高精度な微量分析を行うことができるが、装置価格が極めて高く、このため分析コストも可成り高いものになっており、更に分析に長い期間を必要とするという欠点がある。またＥＬＩＳＡ法は、ガスクロマトグラフ質量分析計に比べて装置価格、分析価格が低く、分析に要する時間も短いが、分析精度が１０−９ｇ／ｍｌオーダと低いという課題がある。
【０００３】
そこで本発明者は、感知対象物が水晶振動子に付着するとその固有振動数がその付着量に応じて変化することから、ダイオキシンなどの汚染物質の測定装置として水晶振動子に着眼している。一方、水晶振動子を用いて吸着ガスの同定を行う化学センシング装置として特許文献１に記載された技術がある。この装置は、センサ振動子の発振周波数と基準振動子で発生させた基準周波数との差周波数の絶対値を出力させるサンプリング回路と、差周波数を所要の分周比で分周する分周回路と、を設け、その分周出力の周期をクロックパルスによりカウンタでカウントし、カウントされた周期を基にセンサ振動子の発振周波数を演算装置で求めるようにしている。この化学センシング装置によれば、差周波数を求めるようにしているので、測定すべき周波数の絶対値を小さくでき、測定範囲を広げることなく分解能の高い測定が可能になる利点がある。
【０００４】
ところで、差周波数の変化をその周波数信号の周期の変化として捉える場合、例えば差周波数が５０ｋＨｚであって１Ｈｚの分解能を得るためには、上記の周期をカウントするクロックとして２．５ＧＨｚ以上のものが必要となる。そのため特許文献１の技術は、このような高周波のクロックを発生させるのは容易ではないことから、差周波数を例えば２５６分の１に分周するようにしている。
【０００５】
しかしながら上述の装置は、分周回路を多段化するため、位相雑音が増大してしまい、高い測定精度を確保することが困難である。また例えば９ＭＨｚの水晶振動子を用いて０．０１Ｈｚもの微小周波数変化を捉えることを想定すると、分周回路の段数を例えば１０２４段もの多段化を図らなければならないが、そうすると位相雑音がかなり大きなものになってしまう。この結果適用範囲が限定され、ダイオキシンなどのように極めて微量な物質を高い感度で検出することが要求される場合には適用し難い。
【０００６】
一方、差周波数のパルスの周期をカウントする代わりにパルス数そのものをカウントしたとすると、カウンタ側ではカウントするパルスが１パルス変化しないと差周波数の変化を捉えることができないので、０．０１Ｈｚの周波数変化をカウンタで捉えるためには、１パルスの変化として現れるまで測定し続けなければならないことから、１００秒もの長い測定時間を要する。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−２４１９７２号公報の段落００１４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、微量に存在する例えば環境汚染物質や有機物などを高感度でかつ短時間で感知することのできる感知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の感知装置は、感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に形成され、感知対象物の吸着により固有振動数が変わるセンサ用振動子を用い、このセンサ用振動子の固有振動数の変化により感知対象物を感知する感知装置において、
前記センサ用振動子を発振させる発振回路と、
基準周波数信号を発生させる基準周波数発生部と、
前記発振回路からの周波数信号と前記基準周波数信号との周波数差を取り出し、その周波数差の周波数信号を出力する周波数差出力手段と、
前記周波数差の周波数信号を逓倍する逓倍手段と、
この逓倍回路で逓倍された周波数信号を計数する計数手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明のより具体的な例としては、周波数差出力手段の後段に前記周波数差の周波数信号を通過させるローパスフィルタを設け、逓倍手段は、前記ローパスフィルタを通過した周波数信号を増幅すると共に当該周波数信号を逓倍した周波数信号に相当する高調波を含む信号を出力する増幅部により構成される例を挙げることができる。また逓倍手段の後段に、当該逓倍手段により逓倍された周波数信号を通過させるフィルタを設けた構成を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、水晶振動子などのセンサ用振動子を発振させる発振回路からの周波数信号と基準周波数信号との周波数差を取り出し、その周波数差の周波数信号を逓倍してカウントするようにしているため、周波数変化分が微少であってもそれを逓倍していることから、その微少変化分を短時間で捉えることができる。例えば０．０１Ｈｚの周波数変化をカウンタで捉えるためには１００秒かかるところ、周波数変化を１０倍にすれば、１０秒で捉えることができる。従って感知物質を高感度でしかも短時間で感知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明に係る感知装置の実施の形態の全体構成を示す図である。１はセンサ部であり、このセンサ部１はセンサ用振動子である、例えばＡＴカットの基本波周波数が９ＭＨｚ（約９ＭＨｚ）である水晶振動子１１の一方の面を石英などにより密閉すると共に他方の面が露出していて、感知対象物質が存在する容器１０内の溶液１２に例えば浸漬されるランジュバン型振動子として構成されている。前記水晶振動子１１における溶液に接触する面には、感知対象物質を選択的に吸着（捕獲）するための例えば抗体やレセプター分子などからなる吸着層、例えばダイオキシンを吸着するための抗体を含む吸着層が形成されている。１３は水晶振動子１１を発振させる発振回路である。
【００１３】
２は基準周波数発生部であり、周波数の安定度が極めて高い例えば１×１０−９／日程度の１０ＭＨｚの基準周波数信号を出力する。３は、発振回路１３からの周波数信号と基準周波数発生部２からの基準周波数信号との周波数差を取り出し、その周波数差の周波数信号を出力する周波数差出力手段に相当するヘテロダイン検波器である。このヘテロダイン検波器３の後段には、容量素子４１、４２及びインダクタ４３からなるローパスフィルタ（アナログフィルタ）４が接続されている。このローパスフィルタ４は、ヘテロダイン検波器３からの周波数信号に含まれるノイズを除去し、前記周波数差の周波数信号即ち１ＭＨｚの周波数信号を通過させるためのものである。
【００１４】
ローパスフィルタ４の後段には、増幅部であるアンプ５が接続されており、このアンプ５は、ローパスフィルタ４からの周波数信号のレベルを増幅する機能があるが、この増幅時に高調波を発生する。この高調波は、１ＭＨｚの周波数信号の１０逓倍の周波数に相当する高調波も含んでおり、従ってこの例ではアンプ５は逓倍手段に相当する。従ってアンプ５から出力される周波数信号は、前記周波数差の１０倍の周波数信号つまり１ＭＨｚ×１０＝１０ＭＨｚの周波数信号を含んでいる。
【００１５】
アンプ５の後段には、容量素子６１及び抵抗素子６２からなるマッチング回路６を介してフィルタ７１が接続されている。このフィルタ７１は、既述の１０逓倍した周波数信号つまり１０ＭＨｚの周波数信号をターゲットにしたものであり、実質１０ＭＨｚの周波数信号のみを通過させる。フィルタ７１の後段には、増幅部をなすアンプ７２及び計数手段であるカウンタ７３が接続されており、カウンタ７３の後段にはカウント値に基づいてデータ処理を行うデータ処理部７４が設けられている。
【００１６】
次に上述の実施の形態の作用について説明する。水晶振動子１１を例えば純水中に浸漬すると、純水が水晶面に付着したことにより大気雰囲気よりもわずかに発振周波数が低くなった状態で発振する。ここではこの周波数を９ＭＨｚとして説明すると、ヘテロダイン検波器３により基準周波数である１０ＭＨｚの周波数信号と発振回路１３からの９ＭＨｚの周波数信号との周波数差である１ＭＨｚの周波数信号を取り出し、ローパスフィルタ４にてノイズを除去して１ＭＨｚの周波数信号を通過させる。この周波数信号はアンプ５に入力され、アンプ５ではこの周波数信号を増幅するが、この場合アンプ５に入力される信号は正弦波であるため、同時に高調波も発生する。この高調波の中には１ＭＨｚの１０倍の周波数の高調波である１０ＭＨｚの周波数信号も含まれる。そしてアンプ５からの周波数信号をフィルタ７１を通過させると、このフィルタ７１は、１０ＭＨｚの周波数信号を通過させるように構成されているので、フィルタ７１からは１０ＭＨｚの周波数信号が取り出される。この１０ＭＨｚの周波数信号をアンプ７２を通して増幅し、増幅された周波数信号をカウンタ７３にてカウントする。
【００１７】
また周波数差出力手段はヘテロダイン検波器３に限らず、ディジタル的に前記周波数差の周波数信号を取り出すものであってもよく、その周波数信号が矩形波である場合にも前記ローパスフィルタ４にて例えば１ＭＨｚの周波数信号が通過するときに波形が鈍るので、この周波数信号がアンプ５を通過するときにやはり高調波が発生し、１０倍の周波数信号が得られる。
【００１８】
データ処理部７４においては、例えば測定時間を１秒に設定したとすると、１秒間のカウント値を記憶し、これをブランク値とする。このブランク値は、例えば１秒間のカウント値を順次記憶し、その時系列の値の平均値としてもよいが、カウント値が安定した時点のカウント値を用いてもよい。なおブランク値としては、予め求めておいてそれを記憶して使用してもよい。ここでは説明を容易にするために、記憶されているブランク値を１０ＭＨｚとして説明を進めていく。
【００１９】
今、容器１０内の溶液１２中に、感知対象物例えばダイオキシンが含まれている溶液を供給して攪拌すると、ダイオキシンが水晶振動子１１の表面の抗体からなる吸着層に選択的に捕獲され、その吸着量に応じて水晶振動子１１の共振周波数（固有振動数）がΔｆだけ変化する。このため発振回路１３からの発振周波数が９ＭＨｚ−Δｆとなり、このためヘテロダイン検波器３からの周波数信号の周波数は１ＭＨｚ＋Δｆとなる。この周波数は既述のように１０逓倍されるので、１０ＭＨｚ＋１０Δｆとなり、カウンタ７３にてカウントされる。例えば測定時間を１秒とした場合、データ処理部７４では、１秒間のカウント値である１０ＭＨｚ＋１０Δｆと予め記憶されているブランク値である例えば１０ＭＨｚとを比較演算し、１０Δｆが周波数の変化分として求められる。
【００２０】
ここでΔｆが０．１Ｈｚであるとした場合、図２に示すように水晶振動子１１の共振周波数が９，０００，０００Ｈｚから８，９９９，９９９．９Ｈｚに変化するので、基準周波数信号との周波数差は１，０００，０００．１Ｈｚとなる。周波数差を本発明のように１０逓倍することなくそのままカウントしたとすると、カウンタ７３におけるカウントの最小単位は１パルスであるから、この周波数差をカウントしようとすると、図３に示すように０．１Ｈｚが１パルスとして現れる時間つまり１０秒必要になる。
【００２１】
これに対して周波数差を１０逓倍した場合には、カウンタ７３に入力される周波数は１０ＭＨｚ＋１０Δｆ、つまり１０，０００，００１Ｈｚであるから、周波数差をカウントするのに必要な時間は図４に示すように１秒になる。そしてデータ処理部２４においては、そのカウント値と既述のブランク値とを比較すると、１０Δｆである１Ｈｚの変化分を検出することができる。１０逓倍した周波数の変化分が１Ｈｚであること（１Ｈｚ大きくなったこと）は、水晶振動子１１の周波数が０．１Ｈｚ低くなったことであり、９ＭＨｚの水晶振動子１１における０．１Ｈｚの変化分を検出できたことになる。このように周波数の変化分が検出できると、例えば予め作成しておいた検量線に基づいて例えば水晶振動子１１が浸漬されている溶液中のダイオキシン濃度が分かり、従って容器１０内に供給した測定対象となる溶液中のダイオキシン濃度が検出できることになる。この濃度は図示しない表示手段に表示されることになる。この例では、データ処理部７４が周波数の変化分を検出して感知物質を感知する手段に相当する。
【００２２】
なおこの感知装置では、ダイオキシン濃度を表示する濃度センサとして構成してもよいが、検出した周波数の変化分と予め設定した閾値とを比較し、閾値よりも低ければダイオキシンが無いと判断し、閾値よりも高ければダイオキシンが有ると判断する手段を設けて、ダイオキシンが有るか否かを表示する有無センサとして構成してもよい。
【００２３】
また上述の例では測定時間を１秒としたが１０秒としてもよい。この場合には、水晶振動子１１の周波数変化について０．０１Ｈｚの変化を検出でき、その周波数変化率は概ね１０−８  であって、１０ピコグラムの吸着に相当するので極めて微少濃度の感知対象物質を検出することができる。例えば測定感度がナノグラムからピコグラムレベルまで拡張することができる。この場合において１０逓倍しない構成では、カウンタ７３でその変化を認識するためには１００秒もの時間がかかってしまい、例えば実際の装置として多数のサンプルについて検査する場合には、可成り長い時間がかかってしまう。
【００２４】
つまりこの実施の形態に係る感知装置は、高い分解能を得ながら短時間で測定できるという効果がある。ところでこのような効果だけを狙うのであれば、水晶振動子の発振周波数を９ＭＨｚの１０倍である９０ＭＨｚとすればよいが、そうすると９０ＭＨｚをカウントできるカウンタ７３を用いなければならず、カウンタ７３の構成が複雑になるし、そのクロックの発生源もかなり高価なものになり、現実的ではない。これに対しこの実施の形態では、水晶振動子１１の発振周波数を一旦ビートダウンしてつまり９ＭＨｚから１ＭＨｚに落として、この１ＭＨｚの周波数信号を１０逓倍しているので、カウンタ７３として簡易なものを用いることができる。
【００２５】
なお水晶振動子の発振周波数としては９ＭＨｚのものに限られないが、例えば５ＭＨｚから１５５ＭＨｚのものが好ましい。また逓倍数は１０逓倍に限られるものではない。
【００２６】
本発明においては、水晶振動子１１を溶液中に浸漬することに限られず、溶液を水晶振動子１１の表面に垂らすようにしてもよく、またダイオキシン以外の環境汚染物質例えばＰＣＢ（ポリ塩化ビフェニール）などを感知するものであってもよいし、あるいはウイルスを感知するものであってもよいし、マーカータンパク質などを感知するものであってもよい。更にまた本発明は、液体中に存在する物質の感知に限られるものではなく、大気中に存在する物資を感知するものであってもよく、石油の臭い検知、火災時の煙検知、あるいはサリンガスなどの毒ガスの検知、部品内のガスの検知、半導体製造工場などのクリーンルーム内のガスの検知など種々の分野にて適用できる。
【実施例】
【００２７】
本発明の装置の効果を確認するために次のような実験を行った。ＡＴカットの水晶片の両面に、クロム及び金の２層構造の電極を形成し、その一方の面を密閉してランジュバン型水晶振動子を構成し、密閉されていない面に形成されている電極面上にマウスから得た抗体を約５０Åの厚さで塗布し、吸着層とした。このようにして作られた水晶振動子（水晶センサ）を図１の実施の形態の感知装置に組み込み、当該水晶振動子を超純水中に浸漬し、カウンタ７３により発振周波数Ｆ１を９ＭＨｚに対して０．１Ｈｚの桁まで測定した。続いてこの超純水中にヤギから得た抗原を入れ、発振周波数Ｆ２を同様に０．１Ｈｚの桁まで測定した。Ｆ１に対してＦ２は０．５Ｈｚ低かった。これを下記式（１）の周波数の変化率で表すと、
ｄｆ／ｆ＝（Ｆ２−Ｆ１）／Ｆ１            （１）
変化率は、Ｆ１が約９ＭＨｚであるから、０．０５５ｐｐｍとなる。従って周波数の微少な変化を１秒で読みとることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る感知装置の実施の形態の全体構成を示すブロック図である。
【図２】水晶振動子の発振周波数の変化を示す説明図である。
【図３】水晶振動子の発振周波数が変化したときに、本発明のように１０逓倍せずにカウントする場合の時間的長さを示す説明図である。
【図４】水晶振動子の発振周波数が変化したときに、実施の形態のように１０逓倍してカウントする場合の時間的長さを示す説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１１      水晶振動子
１３      発振回路
２        基準周波数発生部
３        ヘテロダイン検波器
４        ローパスフィルタ
５        アンプ
７１      フィルタ
７２      アンプ
７３      カウンタ
【図１】
2006029874.tif 000003
【図２】
2006029874.tif 000004
【図３】
2006029874.tif 000005
【図４】
2006029874.tif 000006