(57)【要約】【課題】試料溶液のフローセル（流路）が複雑化、大型化することなく、溶液中の振動波の発生を抑え、これに起因する反射波や気泡の発生を無くす。【解決手段】センサ本体１００は、圧電基板の少なくとも一方の面をエッチングにより掘り込み、この掘り込み部に試料溶液のフローセル部を構成するとともに、底面に電極の一方を形成し、他方の面に電極を形成して振動子部を構成する。  音響インピーダンス整合・音波吸収・減衰部材２００は、試料溶液中を伝播する音波の音響インピーダンスと整合し、さらには、透過した音波を吸収・減衰させる部材で構成し、センサ本体の上部で堀り込み部に面して積層し、該堀り込み部を蓋し、かつ該堀り込み部の両側から試料溶液を注入と排出させる一対の貫通孔２１，２２を設けた構造とする。【選択図】  図１
2006170742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ本体の振動子部に試料溶液を流すフローセル構造を有し、該振動子部に試料溶液中の成分が吸着することによる該振動子部の共振周波数の変化またはインピーダンスの変化から試料成分を検知・定量するフローセル型ＱＣＭセンサにおいて、
前記フローセル構造は、試料溶液中を伝播する音波の音響インピーダンスと整合した部材を有して構成したことを特徴とするフローセル型ＱＣＭセンサ。
【請求項２】
前記フローセル構造は、試料溶液中を伝播する音波の音響インピーダンスと整合し、かつ、透過した音波を吸収・減衰させる部材を有して構成したことを特徴とする請求項１に記載のフローセル型ＱＣＭセンサ。
【請求項３】
前記センサ本体は、圧電基板の少なくとも一方の面をエッチングにより掘り込み、この掘り込み部に試料溶液のフローセル部を構成するとともに、底面に電極の一方を形成し、他方の面に電極を形成して前記振動子部を構成し、
前記部材は、平板状に構成し、前記センサ本体の上部で前記堀り込み部に面して積層し、該堀り込み部を蓋し、かつ該堀り込み部の両側から試料溶液を注入と排出させる一対の貫通孔を設けた構造としたことを特徴とする請求項１または２に記載のフローセル型ＱＣＭセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動子の電極表面を試料ガスや試料溶液に晒したときの水晶振動子の発振周波数の変化やインピーダンスの変化から試料の成分を検知・定量するＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）センサに関し、特に試料溶液成分の検知・定量の応答速度を高めるフローセル型ＱＣＭセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
化学・生化学および電気化学の分野において、反応量や生成物質量を定量することは重要なことであるが、従来装置では極めて微量の反応量に対して十分な検出感度を得ることは難しかった。
【０００３】
近年、ＡＴカット水晶振動子を用いてマイクロバランス原理を応用したケミカル及びバイオセンサーが注目を集めている。ＡＴカット水晶振動子は、その主共振周波数が振動子の板厚と反比例する現象を呈し、その電極面に試料成分が成膜したり、あるいは物質の吸着が起きると表面に存在する物質の単位平面積当たりの重量に対応した周波数のシフトが起きる。
【０００４】
ＱＣＭセンサは、上記の周波数シフト現象を応用したもので、ＡＴカット水晶振動子は広い温度範囲において周波数が安定しているため、安定した検出感度が期待でき、条件が揃えば１〜１０ｎｇの吸着物質の検出がリアルタイムで可能である。（１）式に吸着物質量と周波数シフト量の関係を示す。
【０００５】
【数１】
2006170742.tif 000003
【０００６】
ここで、ΔＦ：共振周波数変化量、Ｆ：共振周波数、Δｔ：水晶板の厚み変化量、ｔ：水晶板の厚み、Δｍ：吸着物質量、ρq：水晶の密度、μ：水晶の弾性率、Ａ：電極面積である。
【０００７】
上記（１）式から分かるとおり、水晶振動子上に吸着した物質のうち、検知・定量できるのは水晶振動子の電極上に吸着した分のみであるため、検知・定量しようとする成分に応じたレセプタは電極表面に形成させることとなる。
【０００８】
実際の測定では、検知・定量したい試料が溶液中に分散されている場合、上記のレセプタ装着水晶振動子を図４または図５に示すセンサ構成で設置することとなる。しかし、これらのセンサ構成では以下の問題がある。
【０００９】
１）図４に示す静置溶液型セルでは、レセプタと検知・定量したい試料との結合は、溶液中の試料の拡散率に律速されるため、反応速度が遅い。
【００１０】
２）図５に示す試料溶液強制撹絆型セルでは、撹拌により試料溶液の拡散律速を抑制する効果はあるが、溶液中の試料成分が必ずしもレセプタである水晶振動子電極上に到達するとは限らない。特に、溶液中の試料成分が希薄になるに従い撹拌効果は減少するものと考えられる。
【００１１】
上記の反応速度を高める方式として、フローセル型に構成したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この文献によるフローセル型の測定装置は、水晶振動子上に溶液を流入および水晶振動子の電極上を流れた溶液を排出させる流路をもつフローセル構造とする。
【００１２】
特許文献１に開示されるフローセル構造は、図６に示すように、アクリル樹脂製の保持基板１上に、水晶振動子２の電極３に対応させた孔を有するシリコーンゴム製の弾性シート４が置かれ、その上に水晶振動子２とフレキシブル基板５とが重ねられる。さらに、水晶振動子２とフレキシブル基板５の上に弾性シート４と同じ形状のシリコーンゴム製の弾性シート６が重ねられる。最上部にアクリル樹脂製のフローセル蓋部７が載せられる。これらは固定ネジ８によって一体に固定される。試料溶液は、フローセル蓋部７に設けた流入口９から水晶振動子２上に注入され、流出口１０から排出される。
【００１３】
強制撹絆型セルの測定例として、図７に示すように、検出物質にＣＲＰ（C-Reactive Protein：Ｃ−反応性蛋白）を用い、撹拌子の回転数を９００ｒｐｍ、溶液量９ｍＬのバッファー溶液中に図中で示された各濃度を添加することで最小検出可能濃度を判定した。これにより、強制撹拌型セルを用いた場合には、明らかに質量付加に起因したＱＣＭの周波数変化が観測できる。ＣＲＰ濃度は１１６０ｎｇ／ｍＬを１０μＬ滴下した時点であり、これは、セル中に投入した総ＣＲＰ量から換算して２.２５ｎｇ／ｍＬ濃度となる。したがって、この系での最小検出可能ＣＲＰ濃度は２.２５ｎｇ／ｍＬとなる。
【００１４】
これに対して、フローセル型では、幅４.４ｍｍ、高さ１.５ｍｍの流路にあらかじめ１.１８５ｎｇ／ｍＬ濃度に調整したＣＲＰ溶液を流速４００μＬ／ｍｉｎの条件で反応させたところ、図８に示すように、短時間で非常に速い反応を示した。
【００１５】
これらの測定例から明らかなように、フローセル構造を用いることで反応時間短縮および低濃度試料の検知・定量測定が可能となる。
【特許文献１】特開平１１−１８３４７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ＱＣＭセンサをフローセル構造へ展開する場合、Zuxuan Lin（Anal.Chem.1995,67,685-693）らにより報告されているとおり、水晶振動子の振動成分である縦波成分が溶液中を伝播し流路壁から反射することに起因した共振周波数の干渉が発生する問題がある。
【００１７】
共振周波数の干渉は、使用する溶液の伝播速度と流路高さに起因する。この検証として、共振周波数３０ＭＨｚの静置溶液型ＱＣＭセンサを用いてその液面の変化から反射波の影響を確認した。図９は１００％エタノールの蒸発による共振周波数の測定結果を、図１０は図９の測定結果を液面高さに対する共振周波数の変化量をプロットしたものを示す。
【００１８】
図９の測定結果は、溶液高さの変化に対する干渉周波数の依存性が現れており、また、溶液高さ（流路高さ）が一定であっても水晶振動子の共振周波数が変化すれば干渉状態が変化することを示唆している。
【００１９】
図１０では、溶液を伝播する反射波の影響を受けないためには、ＱＣＭ表面とフローセル壁をある高さ以上にする必要があることを示唆している。図１０の場合は、溶液を伝播する反射波の影響を受けない液面高さは０.９ｍｍ以上となる。
【００２０】
このことから、反射波を抑制するには、用いる試料溶液ごとに反射波の影響が無視できる位置まで流路高さを大きくしなければならないが、これでは流路体積も大きくなってしまい、反応速度が遅くなる問題がある。
【００２１】
反射波の抑制方法として、流路の上壁を傾斜させて反射波を水晶振動子に戻さない方法も提案されている（例えば、特表２００４−５０６１９４）。しかし、流路壁を傾斜させることは流路中に気泡を発生させる原因となり、また、気泡の発生が起こらない傾斜角に設定するには水晶振動子の構造に制約がある。
【００２２】
さらに、他の方法として、溶液流路の天井部や側部に、波形の突起物を形成し、反射波拡散に溶液中を伝播する振動（縦波）を拡散させる方法も提案されている（例えば、特開平２００３−２４０６９５号公報）。この場合も、波形の突起物が流路中に気泡を発生させる原因となり、気泡の滞留が測定誤差を招く要因となる。また、波形の突起物は、大きさがμｍオーダになる微細構造とする必要があり、流路の製造上の問題もある。
【００２３】
本発明の目的は、試料溶液のフローセル（流路）が複雑化、大型化することなく、溶液中の振動波の発生を抑え、これに起因する反射波や気泡の発生を無くすことができるフローセル型ＱＣＭセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、前記の課題を解決するため、試料溶液中を伝播する音波の音響インピーダンスと整合する部材、さらには透過した音波を吸収・減衰させる部材を有してフローセル部を構成したもので、以下の構成を特徴とする。
【００２５】
（１）センサ本体の振動子部に試料溶液を流すフローセル構造を有し、該振動子部に試料溶液中の成分が吸着することによる該振動子部の共振周波数の変化またはインピーダンスの変化から試料成分を検知・定量するフローセル型ＱＣＭセンサにおいて、
前記フローセル構造は、試料溶液中を伝播する音波の音響インピーダンスと整合した部材を有して構成したことを特徴とする。
【００２６】
（２）前記フローセル構造は、試料溶液中を伝播する音波の音響インピーダンスと整合し、かつ、透過した音波を吸収・減衰させる部材を有して構成したことを特徴とする。
【００２７】
（３）前記センサ本体は、圧電基板の少なくとも一方の面をエッチングにより掘り込み、この掘り込み部に試料溶液のフローセル部を構成するとともに、底面に電極の一方を形成し、他方の面に電極を形成して前記振動子部を構成し、
前記部材は、平板状に構成し、前記センサ本体の上部で前記堀り込み部に面して積層し、該堀り込み部を蓋し、かつ該堀り込み部の両側から試料溶液を注入と排出させる一対の貫通孔を設けた構造としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
以上のとおり、本発明によれば、試料溶液中を伝播する音波の音響インピーダンスと整合する部材、さらには透過した音波を吸収・減衰させる部材を有してフローセル部を構成したため、以下の効果がある。
【００２９】
（１）試料溶液中を伝播・反射する音波に起因したＱＣＭとの周波数干渉の影響が抑制できるため、高感度な測定が可能となる
（２）試料溶液中を伝播し流路壁で反射する音波の強度（音圧）を低く抑えられるため、フローセルの流路高さを狭く取ることができ、反応速度が向上する。（測定時間の短縮効果）
（３）従来の流路の上壁を傾斜させて反射波を水晶振動子に戻さない方法に比べて、流路壁を傾斜させる構造が不要になり、適用する水晶振動子の構造上の制約を無くすことができる。
【００３０】
（４）従来の溶液流路の天井部や側部に、波形の突起物を形成し、反射波拡散に溶液中を伝播する振動（縦波）を拡散させる方法に比べて、大きさがμｍオーダになる突起物を設けた構造が不要になり、センサの製造が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１は、本発明の実施形態を示すフローセル型ＱＣＭセンサの構成図であり、側断面図で示す。
【００３２】
同図の構成は、フローセル型ＱＣＭセンサ本体１００と、その上に積層した板状の音響インピーダンス整合・音波吸収・減衰部材２００と、さらにその上に積層した板状の試料注入・押さえ治具３００とを具備する。
【００３３】
センサ本体１００は、例えば、図２または図３に上面図（ａ）と側断面図（ｂ）で示すフローセル構造とする。図２では、水晶基板の両面を掘り込み、これら掘り込み部の底面になる水晶基板面にそれぞれ電極を形成するとともに、一方の掘り込み部はその側面になる水晶基板面に試料溶液を流すための流路部（フローセル部）を形成した、流路部と振動子部の一体構造とする。図３では、試料溶液に晒されない面に彫り込み部を設けない構造とする。
【００３４】
図２の構造を詳細に説明する。鏡面仕上げされた水晶基板１１の両面に、フッ酸などを用いた化学エッチング法により掘り込み部１２Ａ，１２Ｂを形成する。掘り込み部１２Ａの底面には電極１３Ａを形成し、この電極１３Ａと対向させて掘り込み部１２Ｂの底面に電極１３Ｂを形成する。電極１３Ａ，１３Ｂは、同じ対向位置で同じ形状（半径）にされ、それぞれリード電極１４Ａ，１４Ｂを通して外部接続端子１５Ａ，１５Ｂに接続される。掘り込み部１２Ａの面形状は電極１３Ａを形成できるだけの大きさ（半径）にされ、掘り込み部１２Ｂの形状は試料溶液を流すための流路を確保できる面形状と深さをもつ構造にされる。掘り込み部１２Ｂは、図示では、中心部が電極１２Ｂの部位になるトラック形状平面とされ、一方のコーナ部が試料溶液の注入部にされ、他方のコーナ部がそれらの排出部にされる。
【００３５】
センサ本体１００の上部（試料溶液を流す面）に積層する音響インピーダンス整合・音波吸収・減衰部材２００は、センサ本体１００の試料溶液の注入部および排出部に面して、上下方向に一対の貫通孔２１，２２を設けた構成とする。同様に、試料注入・押さえ治具３００は、音響インピーダンス整合・音波吸収・減衰部材２００の貫通孔２１，２２と同じ位置に、上下方向に一対の貫通孔３１，３２を設けた構成とする。
【００３６】
以上の構成になるフローセル型ＱＣＭセンサは、フローセル型ＱＣＭセンサ本体１００の上に音響インピーダンス整合・音波吸収・減衰部材２００を載置し、その上に試料注入・押さえ治具３００を載せることにより、貫通孔２１と３１が連通してセンサ本体１００の試料溶液の注入部までの連通路が形成され、排出部から貫通孔２２と３２までの連通路が形成される。この状態で、貫通孔３１から試料溶液を注入すれば、貫通孔３１から２１を経てセンタ本体１００の掘り込み部１２Ｂの片方のコーナ部に流入し、さらに電極１３Ｂ面上になるフローセル部を経て他方のコーナ部まで流れ、最後に貫通孔２２から３２を経て排出させることができる。すなわち、フローセル型ＱＣＭセンサを実現することができる。
【００３７】
ここで、音響インピーダンス整合・音波吸収・減衰部材２００は、その貫通孔２１，２２およびセンサ本体の１００の窪み部の上部を蓋する面に接触して試料溶液が流れることで、これらの部分に接触して流れる試料溶液中を伝播する音波を透過・吸収させる部材構成とする。これにより、溶液中の振動波の発生を抑え、これに起因する反射波や気泡の発生を抑制する。これらの抑制ができる理由を以下に説明する。
【００３８】
溶液中を伝播する音波を流路壁中に透過させるには、溶液と流路壁（部材２００）材料の音響インピーダンスを整合させることが重要である。このことについて、図９および図１０に示した１００％エタノールの蒸発による反射波の影響結果を例にとり説明する。まず、水晶振動子より発生した音波は媒質１であるエタノール中を伝播し、媒質２となる大気（１ａｔｍ、２０℃）との境界面に達する。ここで、ｌ００％エタノールと大気の音響インピーダンスの違いから大部分の音波は反射される。音響インピーダンス（Ｚ）はその物質の密度（ρ）と音速度（ｃ）を掛けた値であり、音波が異なる媒質との境界面で反射する割合は以下の（２）式で求められる。
［数２］
Ｒ＝（Ｚ2−Ｚ1）／（Ｚ1＋Ｚ2）      …（２）
ここで、Ｚは物質の固有音響インピーダンスであり、それぞれの添え字は媒質１および媒質２を表している。この反射された音波は溶液中を逆向きに伝播し、水晶振動子に戻され水晶振動子の共振周波数と干渉する。また、溶液中を伝播する音波は伝播距離と周波数の２乗に比例して吸収される。ここで用いた水晶振動子の共振周波数は３０ＭＨｚであり、それぞれの物質の２０℃における音響インピーダンスおよび試料溶液の吸収係数を表一１および表２に示す。
【００３９】
【表１】
2006170742.tif 000004
【００４０】
【表２】
2006170742.tif 000005
【００４１】
この吸収係数（α）は以下の（３）式より求めることができる。
［数３］
α＝（１／２d）ｌｏｇ（Ｉ0／Ｉd）  …（３）
この（３）式は、はじめの音圧Ｉ0がｄ（ｍ）先でＩdに減少することを意味している。
【００４２】
この実験系において、反射波の影響を受けない１００％エタノールの液面高さ０.９ｍｍでの水晶振動子に戻ってくる反射波の音圧は、発生源での音圧の約８６％となる。したがって、１００％エタノールを用いた場合には、水晶振動子に戻ってくる反射波の音圧が８６％以下となる音響インピーダンスをもった材料で流路壁を構成すれば良い。また、媒質２である流路整構成材料中へ透過した音波が媒質３との境界で反射し水晶振動子に戻ってこないようにするために、流路構成材料は音波の吸収・減衰が大きいゴム系の材料を選定することが望ましい。
【００４３】
このことから、例えば、溶液に１００％エタノールを用いた場合には、図１の構成では音波吸収・減衰部材２００の材料に音響インピーダンスが１００％エタノールとほぼ整合された例えばブチルゴムを用いれば反射波の影響を受けない流路高さを、大気中の場合の０.９ｍｍよりも小さく設定することが可能となる。この１００％エタノール／ブチルゴムの組み合わせによる境界反射率は２４.６％である。
【００４４】
尚、この実施形態は上記の組み合わせに限らず、例えば免疫測定を例にとって言えば、例えば試料に１０％牛血清アルブミン溶液を用いた場合には、例えばシリコーンゴムを用いることが望ましい。
【００４５】
したがって、本実施形態は、音響インピーダンス整合・音波吸収・減衰部材２００として、試料と流路材料の音響インピーダンスを整合させて溶液中を伝播する音波を境界面で反射させない構造とし、且つ、流路材料中に透過した音波を吸収・減衰させることができる材料を選定する。これにより、溶液中の振動波の発生を抑え、これに起因する反射波や気泡の発生を無くすことができる。
【００４６】
また、本実施形態では、従来の流路の上壁を傾斜させて反射波を水晶振動子に戻さない方法に比べて、流路壁を傾斜させる構造が不要になり、適用する水晶振動子の構造上の制約を無くすことができる。
【００４７】
さらに、本実施形態では、従来の溶液流路の天井部や側部に、波形の突起物を形成し、溶液中を伝播する振動（縦波）を拡散させる方法に比べて、大きさがμｍオーダになる突起物を設けた構造が不要になり、センサの製造が容易になる。
【００４８】
尚、音響インピーダンス整合・音波吸収・減衰部材２００とセンサ本体１００の寸法や流路高さは実際に使用する試料により変動するため、適宜に設計の変更等を行うことになる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態を示すフローセル型ＱＣＭセンサの構成図。
【図２】実施形態におけるセンサ本体１００の構造例。
【図３】実施形態におけるセンサ本体１００の構造例。
【図４】従来の静置溶液型セル構造。
【図５】従来の溶液強制撹拌溶液型セル構造。
【図６】従来のフローセル型ＱＣＭセンサの分解斜視図。
【図７】溶液強制撹拌溶液型セルを用いた抗原抗体反応例。
【図８】フローセル型ＱＣＭセンサを用いた抗原抗体反応例。
【図９】１００％エタノールの蒸発による水晶振動子の共振周波数変化の例。
【図１０】１００％エタノールの液面高さ（溶液量）に対する共振周波数の反射波依存性の例。
【符号の説明】
【００５０】
１００  フローセル型ＱＣＭセンサ本体
２００  音響インピーダンス整合・音波吸収・減衰部材
３００  試料注入・押さえ治具
２１，２２，３１，３２  貫通孔
１１、１１Ａ、１１Ｂ  水晶基板
１２Ａ、１２Ｂ  掘り込み部
１３Ａ、１３Ｂ  電極
１４Ａ、１４Ｂ  リード電極
１５Ａ、１５Ｂ  外部接続端子
【図１】
2006170742.tif 000006
【図２】
2006170742.tif 000007
【図３】
2006170742.tif 000008
【図４】
2006170742.tif 000009
【図５】
2006170742.tif 000010
【図６】
2006170742.tif 000011
【図７】
2006170742.tif 000012
【図８】
2006170742.tif 000013
【図９】
2006170742.tif 000014
【図１０】
2006170742.tif 000015