(57)【要約】【課題】  バッチ式のＱＣＭによる溶液中の反応測定系において、攪拌機能を具備したまま小容量化を達成すること。【解決手段】  本発明は、浮力により溶液槽底面と接触しないように構成した攪拌子を含むことを特徴とする溶液の攪拌装置及びこれと水晶振動子を含む水晶振動子マイクロバランス法による溶液環境における分子間相互作用の測定装置である。【選択図】      図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮力により溶液槽底面と接触しないように構成した攪拌子を含むことを特徴とする溶液の攪拌装置。
【請求項２】
水晶振動子マイクロバランス法による溶液環境における分子間相互作用の測定装置であって、（ａ）請求項１記載の攪拌装置及び（ｂ）表裏の両面と側面を有する水晶板と、前記水晶板の表面と裏面にそれぞれ設けられた電極と、前記表面に設けられた一方の電極を覆い、前記水晶板の側面にその内壁が接する片面被覆材と、他方の電極が設けられている水晶板の表面と前記内壁との間に設けられた封止材とを備え、前記水晶版が測定時に水平となりかつ前記表面の電極が被検液に接するように配置された水晶振動子を含むことを特徴とする測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
溶液の攪拌装置、特に水晶振動子マイクロバランス法により溶液中の物質検知あるいは測定に用いられる撹拌装置、およびこれを用いた測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子マイクロバランス法（以下ＱＣＭと略記する）は、圧電素子の発振・共振の周波数が該素子表面への物質の付着により変化する事を利用した、微量な物質質量の検知・測定方法として広く知られている技術である（特許文献１及び非特許文献１参照）。
【０００３】
ＱＣＭにおいて実用上のセンサー感度を有する感応部は、該振動子電極部と表面位置的にほぼ一致するため、該電極部そのものの表面あるいは少なくとも該電極部表面を含む領域への膜付着や化学的処理などの修飾を行うことにより、検出部として用いられてきている（特許文献１及び非特許文献１参照）。
【０００４】
該センサーを小容量のサンプル溶液に対して用いる場合においては、フローセルの形状をとるのが一般的である（特許文献２〜特許文献４参照）。しかし、サンプルによっては複数の因子からなる反応を経てようやく目的物が結合するような系も珍しくなく、また、複数反応のステップをＱＣＭで個別に計測したいとの需要も多いが、このとき溶液槽がフローセルの形状であると因子別の逐次添加が困難なため、バッチ方式の小容量測定槽が求められてきた。
【０００５】
ところが、バッチ法でこうした微少結合重量の測定を高感度に計測する場合、被測定対象である添加溶液が極力希釈されない事が重要であるところ、測定槽容量が大きい場合、必然的に希釈倍率が大きくなってしまい、結果的にその倍率分だけ高濃度の被測定溶液でなければ検出ができない事となるので、より小容量の測定槽が求められている。
【０００６】
さらに、バッチ式のＱＣＭによる反応測定系において測定精度を得るためにはサンプル測定槽の攪拌が重要であるが、小容量化において、この攪拌機構によって必要とされる最低限のサンプル液量が規定されてしまい、出願人らの従来の開発製品においては、その小容量化の限界が５００マイクロリットルであった（非特許文献２参照）。
【０００７】
通常前記の攪拌は、金属片をフッ素系樹脂で包埋したマグネチック攪拌子と呼ばれる部品を被攪拌溶液中に入れ、外部から回転する磁界を与えることにより該攪拌子を溶液中で誘導回転させることによりなされる。しかし、この攪拌は、磁力によるものであるため、同時に該攪拌子と外部磁極との間に引力が発生し、なおかつ金属片を包埋していることでその比重も大きく、結果的に該攪拌子は溶液槽の底に押しつけられる状態になっている。
【０００８】
水晶振動子を検出素子として用いたバッチ式のＱＣＭによる反応測定系において、測定溶液の小容量化を行う場合、前記水晶振動子は重力方向に対し水平でなおかつ、溶液槽の底に設置するのが接液面積が不変であるため最も効率的な配置であると考えられる。しかし、ここで前記攪拌子による攪拌を実施すると非常に敏感な水晶板上に押しつけられてこれと接する形で攪拌子が機械的に回転することとなるので、結果として測定周波数に大きなノイズが載る形となってしまっていた。
【特許文献１】特開２００１−１５３７７７号
【特許文献２】特許第２８５１５１０号
【特許文献３】特許第２８５６６５３号
【特許文献４】特許第２９０５０６４号
【非特許文献１】Sauerbrey, G.著 Zeitschrift fur Physik, 1959. 155: p. 206-222.掲載Use of quartz vibration for weighing thin films on a microbalance.
【非特許文献２】AffinixQ4 カタログp.2 2003年2月 株式会社イニシアム発行
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
溶液槽の底面に攪拌子を接触させることが好ましくない場合の撹拌、たとえばバッチ式のＱＣＭによる溶液中の反応測定系の攪拌において、小容量化を達成するため水晶振動子をセル底面へ水平設置する際に、底面の水晶に物理的損傷や計測周波数へのノイズ重畳の無い攪拌機能の実現が課題となっていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１は、浮力により溶液槽底面と接触しないように構成した攪拌子を含むことを特徴とする溶液の攪拌装置である（本発明１）。
【００１１】
さらに、本発明の第２は、溶液環境における分子間相互作用測定を行うための水晶振動子マイクロバランス法による測定装置であって、（ａ）請求項１記載の攪拌装置及び（ｂ）表裏の両面と側面を有する水晶板と、前記水晶板の表面と裏面にそれぞれ設けられた電極と、前記表面に設けられた一方の電極を覆い、前記水晶板の側面にその内壁が接する片面被覆材と、他方の電極が設けられている水晶板の表面と前記内壁との間に設けられた封止材とを備え、前記水晶版が測定時に水平となりかつ前記表面の電極が被検液に接するように配置された水晶振動子を含むことを特徴とする測定装置である（本発明２）。
本発明の撹拌装置及び測定装置は、０．００５ml以上、好ましくは０．０１ml以上、より好ましくは０．０１〜２ml、特に好ましくは０．０２〜０．５mlの溶液槽を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明１により、溶液槽の底面に攪拌子を接触させることなく、溶液の撹拌が可能となった。
【００１３】
また、本発明２により、バッチ式のＱＣＭによる溶液中の反応測定系において、水晶に物理的損傷を与えず、計測周波数へのノイズ重畳の無い攪拌機能を具備したまま小容量化を達成することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（本発明１の実施様態）
溶液を攪拌するための攪拌子として、浮力により底面に接触しないものであれば、どのような形状のものでも使用できるが、例えば、チューブ状の軽量材質（１）に磁性体針金（２）を両端封止材（３）で封入した中空構造（４）とにより浮力を得る構造（図１）、もしくは、さらに水面下突出量を低減させるため、ディスク型の基材（５）に磁性体薄片（６）を貼り付け防水コート（７）を施した表面張力浮遊型構造（図２）とすることで、液面及びまたは液中に攪拌子が浮遊し、溶液槽底面に接触しない撹拌装置が実現できる。
【００１５】
本発明における攪拌子は、少なくとも溶液の一部とは接触するが、溶液槽底面には接触しないものであり、このような攪拌子は、攪拌子の比重、溶液の比重、溶液の表面張力、攪拌子の回転のための磁力による吸引力などを考慮して作成できる。
【００１６】
（本発明２の実施様態）
本発明２で使用する水晶振動子は、水性媒体中での使用に特に適したものであり、特開２００１-１５３７７７号公報に記載された水晶振動子である。上記のように構成された水晶振動子は、他方の電極が設けられている水晶板の表面と内壁との間には封止材が設けられているため、一方の電極に溶液が進入し、電極間の短絡を防止できる。封止材は水晶板の側面に接する内壁に接着されているため、必然的に水晶板の端部に封止材が位置することになる。よって、水晶板を発振しやすくできる。
【００１７】
水晶振動子の封止材は、シリコン樹脂等の弾性体であるのが望ましい。封止材が弾性体であると、水晶板の端部も振動することができ、水晶板を発振しやすくできる。
【００１８】
また、水晶振動子は、電極のそれぞれに接続されるリード端子を備え、リード端子は前記片面被覆材に覆われるように構成されるのが望ましく、このように構成された水晶振動子は、リード端子を片面被覆材側にまとめることで製造が容易になる。
【００１９】
本発明２では、本発明１のいずれかの攪拌子を用い、センサー本体は、例えば、図３及び図４に示した形状を有し、水晶を発振させるための電気的配線（１５）を内層に有するセラミックを基材（８）とし、前記電気的配線の水晶実装側電極部分（１０，１４）と、前記水晶上に形成された電気的接続のための電極部分（１２，１３）とを、導電性ペースト（１６）によって電気的に接続するように前記基材上に水晶振動子を実装搭載し、さらに該振動子の周縁部を低透水性の樹脂（封止材）（１７）にてシールし、水晶振動子裏面側に溶液が侵入せず、電極接続部が溶液に接しないように実装する。
【００２０】
該センサー本体上に溶液を水晶上に保持するための縁壁（片面被覆材）（１８）を設け（図４）、温度保持のための外囲器（２０，２１）でさらにこれら全体を囲む。外囲器底面は下部に配設されるペルチェ素子とアルミブロックとよりなる温度調節器の熱を伝導するため、アルミブロック（２２）により構成し、これと接するように水平に設置されるセンサー本体および外囲器内部の空間を温度調節器の設定温度と概略等しくなるよう構成する（図５、図６）。
【００２１】
外囲器上部はサンプル溶液の蒸散を防ぐため蓋構造（２１）とし、その一部に開閉可能のサンプル注入口（２３）を設置し得る。
【００２２】
前記温度調節器に磁気攪拌機能を併せ持つもの（２９）を使用することにより、前記浮遊型攪拌子は外部磁界によって回転させることができる。
【００２３】
計測操作はセンサー本体の水晶上に浮遊型攪拌子を載せた上で外囲器を閉じ、外囲器上部のサンプル注入口から測定溶液を滴下することで測定できるものとし得る。追加で注入される被検サンプルについても、同様に注入ができ、注入後前記注入口を閉とすることにより、測定溶液の蒸散を防止する事が可能である（図７）。
【００２４】
センサーの発振周波数計測には、株式会社イニシアム製ＱＣＭ装置「AFFINIX Q」を回路最適化加工の上で用い得る。
【００２５】
上記構成により、小容量のバッチ式ＱＣＭ装置が実現できる。
【実施例】
【００２６】
実施例１  中空構造の攪拌子
中空構造の浮遊型攪拌子は、外径２mm、内径１mm、長さ５mmのポリプロピレン製チューブの中に、直径０．５mm、長さ３．５mmの軟鉄針金を挿入し、両端をエチレンビニルアルコールよりなるホットメルト接着剤により封止する事で、中空構造の気密及び針金の固定をおこなって作成した。
【００２７】
実施例２  表面張力浮遊型の攪拌子
表面張力浮遊型の攪拌子は、外径４．５mm、厚み０．８mmのポリプロピレン製ディスク上に粘着テープを用いて、長さ４mm、幅１mm、厚み０．２mmの軟鉄薄片の固定を行い、さらに表面にはシリコーン系樹脂を全面にわたって薄く塗布し防水シールをして作成した。
【００２８】
実施例３  攪拌装置
実施例１又は２の浮遊型攪拌子を用い、これを、溶液として深さ約１mmのリン酸緩衝生理食塩水溶液（以後、ＰＢＳと略記）上で、かつ磁気型撹拌装置（クールスターラーＣＰＳ−３０；アズワン株式会社（旧株式会社井内盛栄堂）製）の上面から約１０mmに位置するよう設置したところ、浮遊したまま回転が認められ、周囲溶液も攪拌されていることが確認された。
【００２９】
実施例４  測定装置
水晶振動子として２７ＭHzの基本振動数を持ち、感応部たる表面電極は直径２．５mmで、その配線は水晶板側面を経て裏面に回し込まれている構造である外径８．９mmの略円形素子を用い、外径９．２mmのセラミック基材の窪みにこれを配置実装した。電気的接続は両極とも導電性ペーストを用いて行い、表面外周には低透水性の樹脂としてシリコーン系樹脂を全周にわたって塗布し防水シールとした。前記窪みに被検溶液を保持するための縁壁として、ここでは長さ１０mm、内径１０mmのポリプロピレン製チューブを、該セラミックの窪みの外周にシリコーン系樹脂を用いて接着した。該縁壁はセンサー本体に接着せず、外囲器の蓋に予め配設し、その下面を防水樹脂パッキンとすることで弾性による封止も可能である。また、セラミック基材の窪み深さを変えることで縁壁の機能を基材に具備させることもまた可能である。
【００３０】
実計測例として図７に示すとおり、センサー本体の水晶上に実施例１又は２の浮遊型攪拌子を載せたのち外囲器を閉じ、温度調節機能付き撹拌装置（クールスターラーＣＰＳ−３０；アズワン株式会社（旧株式会社井内盛栄堂）製）上に設置の上、発振回路に接続した。
【００３１】
実施例５  測定例
実施例４の測定装置において、外壁上部のサンプル注入口から１００マイクロリットルのＰＢＳを水晶上に滴下し周波数測定を開始した上で計測値の安定化を待った。計測値の時間変化が分あたり平均１Hz以下となった時点で、金電極への吸着があるタンパク系ブロッキング剤として知られている雪印乳業株式会社製「ブロックエース」溶液の原液を２マイクロリットル注入し、前記注入口を閉として周波数変化を記録した。その結果を、ブロックエース注入時の周波数・時刻を０として図８に示す。約８００Hzの周波数変化の後、飽和・安定した。
【００３２】
図９に、同様の吸着反応を既存の８ミリリットル開放キュベットにおいて実施した例を比較として示す。
【００３３】
図８及び９に示されるように、両者ともほぼ同等の飽和吸着量を示したことから、本発明が小容量化によっても、ＱＣＭとしての重量変化検出性能において遜色ないものと確認された。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明により、水晶振動子をセル底面へ水平設置する際に、底面の水晶に物理的損傷や計測周波数へのノイズ重畳の無い攪拌機能の実現が可能であり、溶液槽の底面に攪拌子を接触させることが好ましくない場合の撹拌、たとえばバッチ式のＱＣＭによる溶液中の反応測定系の攪拌において、小容量化を達成するため水晶振動子をセル底面へ水平設置することができる。
【００３５】
本発明は、ＱＣＭ装置において被検溶液量を少なくできるので、保温・攪拌機構の小型化からセンサーあたりの装置サイズを低減できることにもつながり、マルチチャネル装置の小型化において有効である。
【００３６】
また、分子間相互作用の測定をより少量のサンプルによって実施できることになり、創薬、食品衛生、環境ホルモン評価などの分野において、微量サンプル化による総合的な感度向上によって計測可能な物質が広がるために、より有効・安全な製品開発の促進に対し評価手段として寄与するものと期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】中空型浮遊攪拌子の断面図である。
【図２】ディスク型浮遊攪拌子の鳥瞰図である。
【図３】センサー本体を示した平面図である。
【図４】縁壁（片面被覆材）を装着したセンサー本体を示した断面図である。
【図５】開状態の外囲器を示した平面図である。
【図６】閉状態の外囲器を示した平面図である。
【図７】実施例による計測装置の断面図である。
【図８】実施例による計測結果を示す図である。
【図９】従来例の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１：樹脂チューブ材（ポリプロピレン）
２：磁性体針金（軟鉄）
３：封止材
４：空間（空気室）
５：ディスク撹拌子基材（ポリプロピレン）
６：磁性体薄片（軟鉄）
７：コーティング（シリコーン樹脂：表面のみ）
８：セラミック基材
９：水晶板
１０：表面電極
１１：電極配線
１２：接続電極（水晶側）
１３：接続電極（基材側）
１４：裏面電極
１５：内層配線（セラミック基材）
１６：導電性ペースト
１７：防水シール
１８：縁壁（片面被覆材）
１９：接着剤
２０：外囲器外壁
２１：外囲器蓋
２２：アルミブロック
２３：サンプル注入口
２４：センサー本体設置部
２５：サンプル注入口蓋
２６：センサー本体
２７：浮遊型撹拌子
２８：パッキング
２９：温調機能付撹拌装置（クールスターラー）
３０：被検溶液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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