(57)【要約】【課題】試料測定時及び測定後の処理工程において取り扱い上の制約を軽減できるバイオセンサ用セルを提供する。【解決手段】バイオセンサ用セル１の試料室５ａの底面及び液洩れ貯留室５ｂの天井面として用いられる水晶振動板（ＴＳＭデバイス）４の両端を挟むステー３ａ、３ｂ内に、それぞれねじ孔７ａ、７ｂを上下方向に穿通し、台座８から立設してそれぞれ電極９ａ、９ｂに連なる複数の支持ばね６ａ、６ｂを、それぞれ水晶振動板４の下側の表面に取付けて水晶振動板４を支持し、水晶振動板４とステー３ａ、３ｂと台座８とにより圧電素子ユニットを構成して、ステー３ａ、３ｂのねじ孔７ａ、７ｂでの螺合調整により、圧電素子ユニットをセル１本体から取り外し可能とした。このとき、ＴＳＭデバイスとして用いた水晶振動板４の替りに、ＡＰＭデバイス、ＦＰＷデバイス及びＳＡＷデバイスなどの板状圧電素子を用いることが可能である。【選択図】図１
2004205263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状圧電素子の上下両表面のうち、上側の表面を試料室の底面として用いると共に、下側の表面を液洩れ貯留室の天井面として用いるバイオセンサ用セルにおいて、それぞれ上下方向に穿通したねじ孔を有する一対のステー部材で前記圧電素子の両側面を挟むことにより、前記貯留室の両側壁を形成し、前記貯留室底面から立設して電極に連なる複数のばね構造を、それぞれ前記下側の表面に取り付けて前記圧電素子を支持させ、前記圧電素子と前記両ステー部材と前記貯留室底面とにより圧電素子ユニットを構成して、前記ステー部材のねじ孔での螺合調整により、前記圧電素子ユニットを前記セルから取り外し可能に設けることを特徴とするバイオセンサ用セル。
【請求項２】
前記試料室と前記圧電素子ユニットとの接合部分を撥水加工することを特徴とする請求項１に記載のバイオセンサ用セル。
【請求項３】
前記試料室と前記圧電素子ユニットとの接合部分に、充填用シリコン緩衝材を介在させることを特徴とする請求項１に記載のバイオセンサ用セル。
【請求項４】
前記圧電素子が、ＴＳＭデバイス、ＡＰＭデバイス、ＦＰＷデバイス及びＳＡＷデバイスのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のバイオセンサ用セル。
【請求項５】
前記液体試料が、生化学、医療及び食品分野のいずれかに用いる生体物質または抗原抗体物質であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のバイオセンサ用セル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生化学、医療及び食品分野において物質の化学変化を検出するバイオセンサ用セルに関する。特に、ＤＮＡや蛋白質など生体物質の相互作用の検出や抗原抗体反応を応用した測定のための液中センサとして、水晶振動子などの圧電素子を搭載したバイオセンサが用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
水晶振動子（ＴＳＭデバイス）に代表される圧電素子に、外部電圧を印加すると固有の周波数で共振する。この際の共振周波数は、縦振動、すべり振動、屈伸振動等によるものを合成したもので、例えば、圧電素子表面に接する液体試料の性質または素子表面との相互作用が変化すると、この共振周波数に振動数変化が生じるので、これを電気信号として検出することにより試料液体の化学変化を計測することができる。
【０００３】
圧電素子を組み込んだ装置単位、即ち、バイオセンサ用セルとして、従来、表面に電極を付着させた水晶振動板と液体試料室の側壁部分とを接着剤により固定し、水晶振動板部分を底面とする試料室として用いるものが知られている。（例えば、特許文献１。）
しかしながら、このものは、水晶振動板と試料室側壁部分とが固着されるため、試料測定時及び測定後の処理工程での取り扱いが制約されるという不具合がある。
【０００４】
例えば、近年のＤＮＡや抗原抗体物質の反応測定では、電極金属に用いた金の表面に測定対象の生体物質を固定化させ、このように固定化された物質を反応前後でセル外に取り出して電子顕微鏡観察などの観察を行うことが多いが、上記のようにセル内に水晶振動板が固着されると、セル外での観測を要請されたとき、即時対応することが難しい。
【０００５】
また、例えば、生体物質でも脂質膜やＬＢ（Langmuir-Blodgett）膜などを測定する場合は、純水中に測定物質を投入した際に形成される表面膜を、膜下層の水分子による配向を保ちながら採取する処理工程があるが、固着された構造のセル内では側壁部分が邪魔になり、効率良く処理を行うことが難しい。
【０００６】
その他にも、例えば、電極に用いる金や白金などの金属は、経年劣化などにより定期的に交換する必要があるが、上記のように固着構造のセルでは消耗品以外の部品も破棄することになり、耐久品部分の再利用が困難である。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２７２００３５号公報（第２〜３頁、第１〜４図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑み、試料測定時及び測定後の処理工程において取り扱い上の制約を軽減できるバイオセンサ用セルを提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、板状圧電素子の上下両表面のうち、上側の表面を試料室の底面として用いると共に、下側の表面を液洩れ貯留室の天井面として用いるバイオセンサ用セルに対して、それぞれ上下方向に穿通したねじ孔を有する一対のステー部材で圧電素子の両側面を挟むことにより各ステーで貯留室の両側壁を形成し、貯留室底面から立設して電極に連なる複数のばね構造を、それぞれ下側の表面に取り付けて圧電素子を支持させ、さらに、圧電素子と両ステー部材と貯留室底面とにより圧電素子ユニットを構成して、ステー部材のねじ孔での螺合調整により、圧電素子ユニットをセル本体から取り外し可能とした。
【００１０】
これによれば、下側の表面で上方に付勢されたばね構造により支持された板状圧電素子が、その上側の表面と試料室内壁とで当接した状態となり、これにより試料室の全内壁が隙間なく形成されるので、液洩れが防止された試料室空間を得ることができる。
【００１１】
その一方で、板状圧電素子の下側では、上下方向に穿通したねじ孔を有する一対のステー部材で圧電素子の両側面を挟むことにより各ステーで貯留室の両側壁を形成し、この圧電素子とこれを挟む両ステー部材と貯留室底面とにより圧電素子ユニットを構成する。
【００１２】
そして、各ステー部材のねじ孔での螺合具合の調整、即ち、固定ねじを緩める、あるいは、締めるといった動作を行うことにより、この圧電素子ユニットをセル本体から取り外すことができる。したがって、上記した試料測定時及び測定後の処理工程における取り扱い上の利便性が向上し、種々の処理工程への対応が容易になる。
【００１３】
この場合、試料室と圧電素子ユニットとの接合部分を撥水加工することで、上記した試料室空間での液洩れ防止効果が向上する。
【００１４】
また、この接合部分に充填用シリコン緩衝材を介在させることにより、圧電素子ユニットと試料室側壁部分とは、上方に付勢されたばね構造とこの付勢を吸収できるように充填されたシリコン緩衝材とにより当接状態で継合する。このようにすると、上記の液洩れ防止効果の向上が得られるだけでなく、振動抑制力の作用を防止できる。この振動抑制力は、水晶振動板などの圧電素子に対する圧接によるもので、圧電素子の振動数変化の変調要因となることから、圧電素子で構成されるセンサ機能から排除すべきものである。
【００１５】
なお、上記充填用シリコン緩衝材は、定形を保った粘性流動体で、その表面の内外方向に弾性と粘性とを示すものであり、例えば、ジェルテック社の商品名α-ゲルなどを好適例とすることができ、また、シリコンゴムシートなどを使用しても良い。
【００１６】
接合部分の関する上記いずれの場合も、圧電素子ユニットの取り外し機能を確保しつつ、試料室空間の液洩れ防止効果を確実にしたものである。このため、上記した処理工程時の取り扱い上の利点を損なうことはない。
【００１７】
これらの場合、板状圧電素子として、ＴＳＭデバイス（水晶振動子）、ＡＰＭ（Acoustic Plate Mode Sensor）デバイス、ＦＰＷ（Flexural Plate-Wave Sensor）デバイス及びＳＡＷ（Surface Acoustic-Wave Sensor）デバイスなどを用いることができる。これらは、いずれも、外部電圧の印加により固有の周波数で共振するもので、表面に接する液体試料が変化するときに生じる共振周波数の振動数変化を電気信号として検出することにより、液体中の化学変化等を追跡できるので、高性能センサ機能を備えている。
【００１８】
そして、測定対象の液体試料として、生化学、医療及び食品分野などで用いる生体物質または抗原抗体物質などが好適である。これらの物質が関与する反応は微細で複雑なものが多く、上記した圧電素子によるような高性能センサでなければ捕捉するのが難しいためである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のバイオセンサ用セルを示す略断面図である。セル１の上方の側壁２ａ、２ｂには、アクリルなどの絶縁性プラスチック製パイプを使用し、側壁２ａ、２ｂの下端部において、略水平に配置された水晶振動板（ＴＳＭデバイス）４の両端を組合せて挟んだ状態のステー３ａ、３ｂが取付けられている。水晶振動板４は、ＡＴカットクリスタルから成る６０μｍ程度の板厚で形成されている。そして、水晶振動板４により、セル１内が、上側空間５ａと下側空間５ｂとに隔離された構造となる。
【００２０】
上側空間５ａは、側壁２ａ、２ｂと、底面部分を構成する水晶振動板４の上面とから形成され、試料室として用いられる。水晶振動板４は、その下面から一対の金属製支持ばね６ａ、６ｂとにより支持され、さらに、その上面において、フッ素コーティングなどの撥水加工を施した側壁２ａ、２ｂ下端部に当接する。
【００２１】
このとき、側壁２ａ、２ｂ下端部と水晶振動板４上面の接合部に、シリコン緩衝材（ジェルテック社製商品名α-ゲル）を介在させても良い。シリコン緩衝材は、定形を保つ粘性流動体であり、その表面の内外方向に弾性と粘性とを示すので、上方に付勢した支持ばね６ａ、６ｂにより支持される水晶振動板４の付勢を緩衝材として吸収でき、これにより、水晶振動板４とブラケット部３ａ、３ｂとは当接状態を保つことができ、また、充填材として、試料室５ａに注入する液体試料が底面たる水晶振動板４の両端部から液洩れすることを防止する。
【００２２】
また、側壁２ａ、２ｂの外縁下端部は、ステー３ａ、３ｂ内にそれぞれ穿設されたねじ孔７ａ、７ｂからの固定ねじ７ｃ、７ｄが螺合できるように加工されている。
【００２３】
下側空間５ｂは、水晶振動板４を挟むステー３ａ、３ｂと、天井部分を構成する水晶振動板４の下面と、セル１本体の台座８とから形成され、液洩れ貯留室として用いられる。試料室５ａには、上記した撥水加工やシリコン緩衝材の充填により液洩れ対策を行っているが、水晶振動板４が薄く形成され割れやすく、このような事態が生じると、セル１本体の直下に配置される図外のソケットや回路が液体試料により浸潤されるおそれがある。液洩れ貯留室５ｂは、このような漏洩液の流出防止を目的の一つとして設けられている。なお、側壁２ａ、２ｂに対する台座８の取付けは、はめ込みによるものが望ましいが、接着剤による固着としても良い。
【００２４】
そして、ステー３ａ、３ｂの上下方向にそれぞれねじ孔７ａ、７ｂが設けられているので、固定ねじ７ｃ、７ｄにより側壁２ａ、２ｂへの取付けが可能となっている。即ち、上記した液洩れ貯留室５ｂを形成する、ステー３ａ、３ｂと水晶振動板４と台座８とで圧電ユニットを構成すると、固定ねじ７ｃ、７ｄを緩めたり、または、締めたりすることにより、セル１は、圧電ユニットを本体から着脱可能にした構造となる。
【００２５】
水晶振動板４には、その上下両面にそれぞれ、金若しくは白金、またはこれらの合金から成る金属電極９ａ、９ｂが取付けられており、各電極９ａ、９ｂは、それぞれ図外の導線を介して金属製支持ばね６ａ、６ｂの上端部に接続されている。そして、支持ばね６ａ、６ｂの下端部は、台座８内の絶縁碍子（図示せず）を介してセル１本体外に連なる電極導線１０ａ、１０ｂに接続されている。
【００２６】
この際、電極９ａ、９ｂに連なる導線は、台座８内で絶縁碍子により絶縁を保たれているので台座８を金属製としても良く、また、支持ばね６ａ、６ｂの材質として用いる金属は、電気抵抗値を安定して得られるものであれば良く、例えば、銅やアルミ系のものを用いることができる。
【００２７】
このように構成されたバイオセンサ用セル１を用いて、試料室５ａに注入されたＤＮＡなどの生体物質溶液の化学変化を測定する際のセンサ作動を、図２に示すセンサ接続図により説明する。
【００２８】
即ち、図１において電極９ａ、９ｂを載置した水晶振動板４が、図２のセンサに該当し、最初に、このセンサ中の電極に対してパソコンより所定周波数の外部電圧を印加する。この外部電圧を印加した電極により水晶振動板４内に固有の共振周波数が発生し、再び電極において電気信号として検知される。上記したように、図１の水晶振動板４が接する試料室５ａ内で、生体物質溶液に化学変化が生じると水晶振動板の共振周波数に振動数変化が生じる。図２においては、センサ（電極）において検知された電気信号をオシレータに送信し、オシレータおいて、水晶振動板の共振周波数を電気周波数として抽出し、さらに周波数カウンタでその振動数変化を検出する。周波数カウンタで検出された振動数変化は、次にインターフェース（ＲＳ２３２Ｃ）を介してパソコンに送信される。パソコンでは、あらかじめ共振周波数の特定の変動を、測定対象物質の濃度変化や温度変化などに相関させて入力しておき、送信された共振周波数の振動数変化を試料室内の化学変化として認識及び分析を行う。
【００２９】
そして、上記のセンサ作動による測定終了後は、図１において、試料室５ａ内の試料溶液を適当な手段により排出し、固定ねじ７ｃ、７ｄを緩めて圧電素子ユニットを取り外すことで、水晶振動板４上の電極９ａに固定化された生体物質の電子顕微鏡観察などへの移行がスムーズに行える。
【００３０】
また、経年劣化などにより水晶振動板４上の電極９ａ、９ｂを交換する際も、固定ねじ７ｃ、７ｄを緩めて圧電素子ユニットを取り外し、消耗品部分のみを交換することで、セル１内の耐久性部品の再利用が可能となる。
【００３１】
なお、本実施の形態においては、振動数変化を生じさせるものとして水晶振動板（ＴＳＭデバイス）を用いたが、同様の機構を有するＡＰＭデバイス、ＦＰＷデバイス及びＳＡＷデバイスなどの板状圧電素子を用いることができる。
【００３２】
また、本実施の形態においては、測定試料として、ＤＮＡなどの生体物質溶液を用いたが、抗原抗体物質試料などでも良く、これ以外にも、液体試料として提供可能なものであれば、生化学、医療、食品などの分野を問わず幅広い試料測定が可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のバイオセンサ用セルは、液洩れ貯留室を包囲して形成する、圧電素子とステー部材と貯留室底面とで構成する圧電ユニットを、ステー部材に設けたねじ孔での螺合調整により取り外し可能とするので、試料測定時及び測定後に必要な処理工程での取り扱いの利便性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のバイオセンサ用セルの第１の態様を示す略断面図
【図２】センサ接続図
【符号の説明】
１          バイオセンサ用セル
３ａ、３ｂ  ステー
４          水晶振動板（ＴＳＭデバイス）
５ａ        試料室
５ｂ        液洩れ貯留室
６ａ、６ｂ  支持ばね
７ａ、７ｂ  ねじ孔
７ｃ、７ｄ  固定ねじ
８          台座（貯留室底面）
９ａ、９ｂ  金属電極
【図１】
2004205263.tif 000003
【図２】
2004205263.tif 000004