(57)【要約】【課題】マルチセンサ化および高感度化に対応することが可能な、質量測定方法および質量測定装置を提供する。【解決手段】感応膜が塗布された圧電振動片２０の励振電極２２ａの表面に、検体溶液を接触させることにより、検体溶液中の特定物質の質量測定を行う装置であって、励振電極２２ａの表面に検体溶液を吐出する定量吐出手段（インクジェットヘッド）３０と、圧電振動片２０と定量吐出手段３０との相対位置を制御する位置制御手段５０と、圧電振動片２０および定量吐出手段３０を所定の温度下に保持する温度調節手段１８とを備えた構成とした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動片における一方面側の励振電極の表面に感応膜を塗布し、前記励振電極に検体溶液を接触させて、前記検体溶液中の特定物質の質量測定を行う方法であって、
定量吐出手段により、前記励振電極に検体溶液を吐出して接触させることを特徴とする質量測定方法。
【請求項２】
圧電振動片に複数組の励振電極を形成し、前記圧電振動片における一方面側の前記各励振電極の表面に感応膜を塗布し、前記各励振電極に検体溶液を接触させて、前記検体溶液中の特定物質の質量測定を行う方法であって、
定量吐出手段により、前記各励振電極に検体溶液を順次吐出して接触させることを特徴とする質量測定方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の質量測定方法において、
前記励振電極の表面のみに、前記検体溶液を吐出して接触させることを特徴とする質量測定方法。
【請求項４】
感応膜が塗布された圧電振動片の励振電極の表面に、検体溶液を接触させることにより、前記検体溶液中の特定物質の質量測定を行う装置であって、
前記励振電極の表面に検体溶液を吐出する定量吐出手段を備えたことを特徴とする質量測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の質量測定装置において、
前記圧電振動片および前記定量吐出手段を所定の温度下に保持する温度調節手段を備えたことを特徴とする質量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電振動片を用いて検体溶液中の特定物質の有無および濃度等を測定するために用いる質量測定方法および質量測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
食品や生化学、環境などの分野で、特定物質の有無や濃度等を測定するため、水晶振動子マイクロバランス法が利用されている。その具体的な方法は、まず圧電振動片における一方面側の励振電極の表面に、特定物質の感応膜を塗布する。そして、特定物質を含む検体溶液中にその圧電振動片を浸漬する。すると、検体溶液中の特定物質が感応膜と結合し、励振電極の質量が増加する。この励振電極の質量増加にともなって、圧電振動片の共振周波数が低下する。これにより、検体溶液中の特定物質の有無および濃度等を判断することができる。
【０００３】
ところで、圧電振動片を検体溶液中に浸漬する際に、その両面に形成した励振電極が相互に短絡すると、圧電振動片を発振させることができなくなる。そこで、感応膜を塗布しない他方面側の励振電極を被覆部材等で覆うことにより、当該励振電極を検体溶液から封止して、電極間の短絡を防止する必要がある。
【０００４】
図７に、特許文献１に記載された質量測定チップの説明図を示す。なお、図７（１）は平面図であり、図７（２）は図７（１）のＧ−Ｇ線における側面断面図である。この質量測定チップ５０３は、矩形状の圧電平板の両面に円形状の励振電極５２２ａ，５２２ｂを形成した圧電振動片５２０を備えている。また、圧電振動片５２０の一方面側には、絶縁性薄板からなる被覆部材５５０が接着剤５５８によって接着されている。これにより、一方面側の励振電極５２２ｂが検体溶液から封止され、電極間の短絡が防止されている。さらに、各励振電極にはリード線５２４が取り付けられ、リード線５２４の検体溶液に浸漬する部分は接着剤５５８によって被覆されている。
【０００５】
図８に、従来の質量測定装置の説明図を示す。質量測定装置５０１において、上述した質量測定チップ５０３は外部の発振回路５４０に接続されている。質量測定は、励振電極５２２ａの表面に上述した感応膜（不図示）を塗布した上で、質量測定チップ５０３を検体溶液７中に浸漬して行う。まず、発振回路５４０により質量測定チップ５０３の圧電振動片を発振させ、周波数カウンタ５により圧電振動片の共振周波数を測定する。上述したように、検体溶液中の特定物質が感応膜と結合し励振電極の質量が増加すると、圧電振動片の共振周波数が低下する。そこで、コンピュータ６によりこの共振周波数の低下量等を解析して、検体溶液中の特定物質の有無および濃度等を算出する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−１３８１２５号公報
【特許文献２】
特開２０００−３３８０２２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、圧電振動片を検体溶液中に浸漬して使用する場合には、感応膜を塗布しない励振電極を被覆部材等で覆うことにより、当該励振電極を検体溶液から封止して、電極間の短絡を防止する必要がある。したがって、多くの製造コストを必要とするという問題がある。また、圧電振動片を検体溶液中に浸漬して使用する場合には、多くの検体溶液が必要となり、微量の検体溶液中に含まれる質量測定を行うことができないという問題がある。
【０００８】
近時、質量測定装置にはマルチセンサ化が要求されている。質量測定装置のマルチセンサ化とは、同時に多種類の特定物質の質量測定を可能にすることをいう。質量測定チップをマルチセンサ化するには、複数の振動部を有する圧電振動片を形成し、各振動部の励振電極にそれぞれ異なる感応膜を塗布する。しかし、このような圧電振動片を検体溶液に浸漬して使用するには、大量の検体溶液が必要になる。また、各励振電極の短絡を防止するための被覆部材が大がかりなものとなり、多大な製造コストが必要となる。このような理由から、質量測定装置のマルチセンサ化に対応できないという問題がある。
【０００９】
一方、質量測定装置には高感度化が要求されている。質量測定装置を高感度化するには、圧電振動片を高周波化する必要がある。しかし、高周波の圧電振動片を検体溶液に浸漬した状態で使用すると、圧電振動片のインピーダンスが増加し、発振が不安定になるという問題がある。したがって、高感度の質量測定に対応することができないという問題がある。
【００１０】
本発明は上記問題点に着目し、製造コストの削減が可能であり、微量の検体溶液中に含まれる特定物質の質量測定が可能であり、またマルチセンサ化および高感度化に対応することが可能な、質量測定方法および質量測定装置の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る質量測定方法は、圧電振動片における一方面側の励振電極の表面に感応膜を塗布し、前記励振電極に検体溶液を接触させて、前記検体溶液中の特定物質の質量測定を行う方法であって、定量吐出手段により、前記励振電極に検体溶液を吐出して接触させる構成とした。
【００１２】
この場合、下側の励振電極と短絡するおそれがないので、下側の励振電極を検体溶液から封止するための被覆部材が不要となり、製造コストを削減することができる。また、大量の検体溶液が不要となり、微量の検体溶液中に含まれる特定物質の質量測定を行うことができる。加えて、検体溶液の吐出位置および吐出量を正確に制御することができるので、高精度の質量測定が可能である。
【００１３】
さらに、圧電振動片の一部のみに検体溶液が接触するので、圧電振動片の発振が検体溶液の影響によって妨げられることが少なくなる。これにより、高周波の圧電振動片でも安定して発振させることができる。これにともなって、高周波の圧電振動片を利用することが可能となり、質量測定の高感度化に対応することができる。
【００１４】
また、圧電振動片に複数組の励振電極を形成し、前記圧電振動片における一方面側の前記各励振電極の表面に感応膜を塗布し、前記各励振電極に検体溶液を接触させて、前記検体溶液中の特定物質の質量測定を行う方法であって、定量吐出手段により、前記各励振電極に検体溶液を順次吐出して接触させる構成とした。
【００１５】
これにより、下側の励振電極を検体溶液から封止するための大がかりな被覆部材が不要となり、製造コストを削減することができる。また、複数の振動部を有するマルチセンサ型の圧電振動片を使用する場合でも、大量の検体溶液が不要となり、微量の検体溶液中に含まれる特定物質の質量測定を行うことができる。なお、検体溶液の吐出位置および吐出量を正確に制御することができるので、高精度の質量測定が可能である。これらにより、質量測定のマルチセンサ化に対応することができる。
【００１６】
なお、前記励振電極の表面のみに、前記検体溶液を吐出して接触させる構成としてもよい。この場合、検体溶液は感応膜の塗布されていない部分には接触しない。したがって、質量測定の精度を向上させることができる。
【００１７】
一方、本発明にかかる質量測定装置は、感応膜が塗布された圧電振動片の励振電極の表面に、検体溶液を接触させることにより、前記検体溶液中の特定物質の質量測定を行う装置であって、前記励振電極の表面に検体溶液を吐出する定量吐出手段を備えた構成とした。これにより、製造コストの削減が可能となり、微量の検体溶液中に含まれる特定物質の質量測定が可能となり、またマルチセンサ化および高感度化に対応することが可能となる。
【００１８】
また、前記圧電振動片および前記定量吐出手段を所定の温度下に保持する温度調節手段を備えた構成としてもよい。これにより、励振電極の表面に塗布した感応膜と検体溶液中の特定物質との反応に対する温度変化による影響を最小限にすることができるので、質量測定の精度を向上させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る質量測定方法および質量測定装置の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。なお、以下に記載するのは本発明の実施形態の一態様にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２０】
図１に、第１実施形態に係る質量測定装置の説明図を示す。質量測定装置１は、感応膜が塗布された圧電振動片２０の励振電極２２ａの表面に、検体溶液を接触させることにより、検体溶液中の特定物質の質量測定を行う装置であって、励振電極２２ａの表面に検体溶液を吐出する定量吐出手段３０と、圧電振動片２０および定量吐出手段３０を所定の温度下に保持する温度調節手段１８とを備えたものである。
【００２１】
第１実施形態に係る質量測定装置は、従来の質量測定装置を高感度化したものである。質量測定装置の感度は、次式で表すことができる。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
ただし、ｄｆは圧電振動片の共振周波数の変化量、ｆ０は圧電振動片の共振周波数の初期値、ρは圧電材料の密度、μは圧電材料のせん断応力、ｄｍは励振電極に結合した特定物質の質量、Ａは励振電極の面積である。上式からわかるように、圧電振動片の共振周波数の初期値ｆ０が高いほど、その変化量ｄｆが大きくなり、質量測定装置が高感度化する。例えば、ｆ０を従来の２７ＭＨｚから１５０ＭＨｚまで高周波化すれば、感度を３０倍にすることができる。そして圧電振動片を高周波化するには、圧電振動片の振動部における肉厚を薄くすればよい。
【００２４】
図２に、逆メサ型圧電振動片の説明図を示す。なお、図２（１）は平面図であり、図２（２）は図２（１）のＡ−Ａ線における側面断面図である。圧電振動片２０として、いわゆる逆メサ型圧電振動片を使用する。逆メサ型圧電振動片２０は、水晶等の圧電材料を平板状に切り出し、その両面中央部に凹部を形成して薄肉化し、その薄肉部の両面に励振電極２２ａ，２２ｂを形成したものである。圧電振動片２０の周縁の厚肉部２１には、励振電極２２ａ，２２ｂと導通する接続電極２４ａ，２４ｂを形成する。なお、各電極はＡｕ／ＣｒまたはＡｇ／Ｃｒの２層によって構成する。このような逆メサ型圧電振動片では、周縁の厚肉部により中央の薄肉振動部が保護されるので、外力による振動部の破壊を防止することができる。これにより、高周波の圧電振動片が利用可能となり、質量測定装置を高感度化することができる。
【００２５】
そして、この圧電振動片２０における上面の励振電極２２ａの表面に感応膜を塗布して、圧電振動片２０をほぼ水平に配置する。感応膜は、検出すべき特定物質の分子のみと結合する物質であり、特定物質に対応して選択する。
【００２６】
一方、図１に示すように、検体溶液を吐出する定量吐出手段３０を圧電振動片２０の上方に設ける。定量吐出手段３０として、いわゆるインクジェットヘッドを使用する。なお、定量吐出手段３０は所定量の検体溶液を所定位置に吐出できるものであればよく、ピエゾ方式やバブルインクジェット方式、サーマルインクジェット方式など、インクジェットの方式は問わない。したがって、熱影響を受けやすい検体溶液の場合には、ピエゾ方式を採用すればよい。その他の場合には、ヘッド構造を簡略化できるバブルインクジェット方式やサーマルインクジェット方式を採用すればよい。
【００２７】
図３に、ピエゾ方式のインクジェットヘッドの側面断面図を示す。このインクジェットヘッド３０は、主に、ガラス基板３２、シリコン基板３６およびシリコン等からなるノズルプレート３８で構成する。シリコン基板３６とノズルプレート３８との間にインク室４２を形成して検体溶液を封入する。このインク室４２に隣接するノズルプレート３８には、ノズル３９を形成する。一方、インク室４２の壁面を構成するシリコン基板３６を薄肉化して、振動板３７を形成する。そして、振動板３７とガラス基板３２との間に、ピエゾ（圧電）素子３４を配置する。なお、ピエゾ素子３４の両端面には、駆動用の電極３３，３５を配置する。この駆動用電極３３，３５によりピエゾ素子３４に電圧を印加すると、ピエゾ素子が膨張する。これにより、振動板３７がインク室４２を圧縮し、インク室４２内の検体溶液がノズル３９から吐出される。
【００２８】
図４に、位置制御手段の斜視図を示す。圧電振動片２０の励振電極を定量吐出手段３０のノズル直下に配置するため、位置制御手段５０を設ける。定量吐出手段３０は、シャフト５６に対して摺動自在に取り付けるとともに、図示しないタイミングベルト等に固定して、Ｘ方向に沿って移動可能とする。一方、圧電振動片２０を載置するトレイ５２は、シャフト５４に対して摺動自在に取り付けるとともに、図示しないタイミングベルト等に固定して、Ｙ方向に沿って移動可能とする。また、圧電振動片２０および定量吐出手段３０の両方または一方の位置を検知するＣＣＤカメラ等の画像認識手段５８を設ける。
【００２９】
位置制御の具体的な手順は、まず圧電振動片２０をトレイ５２に載置して、定量吐出手段３０の下方に移動させる。次に、画像認識手段５８により圧電振動片２０を撮像して、圧電振動片２０の現在位置を検知する。そして、圧電振動片２０の励振電極が定量吐出手段３０のノズル直下に位置するように、定量吐出手段３０をＸ方向に移動させるとともに、圧電振動片２０を載置したトレイ５２をＹ方向に移動させる。これにより、検体溶液を励振電極上に正確に吐出させることができる。なお、圧電振動片の位置を固定しつつ、定量吐出手段をＸＹ両方向に移動させるように、位置制御手段を構成してもよい。
【００３０】
ところで、水晶振動子マイクロバランス法は、感応膜と特定物質との結合に適した所定の温度下で実施する必要がある。そこで、上述した圧電振動片２０および定量吐出手段３０を所定の温度下に保持する温度調節手段１８を設ける。温度調節手段１８として、圧電振動片２０および定量吐出手段３０を内部に収容可能な恒温槽を使用する。これにより、検体溶液を含む定量吐出手段３０の全体を、効率的かつ正確に所定の温度下に保持することができる。なお、圧電振動片２０や定量吐出手段３０の各部にヒータ等を設けて、それぞれ別個に温度調節することも可能である。
【００３１】
そして、図１に示すように、圧電振動片２０を外部の発振回路４０に接続する。発振回路４０は、圧電振動片２０の励振電極に通電して圧電振動片２０を発振させるものである。また、発振回路４０は周波数カウンタ５に接続する。周波数カウンタ５は、圧電振動片２０の共振周波数を測定するものである。また、周波数カウンタ５はコンピュータ６に接続する。コンピュータ６は、周波数カウンタ５が測定した共振周波数から、圧電振動片２０の励振電極２２ａに付着した特定物質の質量を算出するものである。加えて、特定物質の付着量の経時変化から検体溶液中の特定物質の有無および濃度等を解析し得るようにコンピュータ６を構成するのが好ましい。
【００３２】
次に、第１実施形態に係る質量測定装置の使用方法について説明する。
図１に示すように、まず定量吐出手段３０の下方に圧電振動片２０を配置する。その際、位置制御手段５０により、圧電振動片２０と定量吐出手段３０との相対位置制御を行って、圧電振動片２０の上側の励振電極２２ａを定量吐出手段３０のノズル直下に配置する。次に、温度調節手段１８を作動させて、圧電振動片２０および検体溶液を含む定量吐出手段３０を所定の温度下に保持する。
【００３３】
質量測定を行うには、まず発振回路４０から圧電振動片２０に通電して圧電振動片２０を発振させる。また、周波数カウンタ５により圧電振動片２０の共振周波数を連続的に計測しておく。次に、定量吐出手段３０のノズルから検体溶液を吐出し、圧電振動片２０の上側の励振電極２２ａに接触させる。検体溶液が励振電極２２ａに接触すると、検体溶液中の特定物質が励振電極表面の感応膜と結合する。これにより、励振電極２２ａの質量が増加して、圧電振動片２０の共振周波数が低下する。この共振周波数の低下量等をコンピュータ６で解析することにより、特定物質の有無および濃度等を算出することができる。
【００３４】
なお、検体溶液が励振電極２２ａの表面のみに接触するように、定量吐出手段３０からの検体溶液の吐出量を設定すれば、検体溶液は感応膜の塗布されていない部分には接触しない。これにより、検体溶液中の特定物質の質量を正確に把握することができる。一方、定量吐出手段３０を使用するので、励振電極に吐出した検体溶液量を正確に把握することができる。以上により、検体溶液中の特定物質の濃度を直接的に算出することが可能となり、質量測定の精度を向上させることができる。
【００３５】
以上に詳述した第１実施形態に係る質量測定方法および質量測定装置により、高感度化に対応することが可能となる。
すなわち第１実施形態では、定量吐出手段により、圧電振動片の上側の励振電極に検体溶液を吐出させて質量測定を行う構成とした。この場合、下側の励振電極と短絡するおそれがないので、下側の励振電極を検体溶液から封止するための被覆部材が不要となり、製造コストを削減することができる。また、大量の検体溶液が不要となり、微量の検体溶液中に含まれる特定物質の質量測定を行うことができる。加えて、検体溶液の吐出位置および吐出量を正確に制御することができるので、高精度の質量測定が可能である。
【００３６】
さらに、圧電振動片の一部のみに検体溶液が接触するので、圧電振動片の発振が検体溶液の影響によって妨げられることが少なくなる。これにより、高周波の圧電振動片でも安定して発振させることができる。これにともなって、高周波の圧電振動片を利用することが可能となり、質量測定の高感度化に対応することができる。
【００３７】
次に、第２実施形態について説明する。
図５および図６に、第２実施形態で使用する圧電振動片の説明図を示す。図５は図６のＣ−Ｃ線における側面断面図であり、図６（１）は平面図であり、図６（２）は底面図である。第２実施形態に係る質量測定方法は、圧電振動片１２０に複数組の励振電極１２２ａ，１２２ｂを形成し、その圧電振動片１２０における一方面側の各励振電極１２２ａの表面に感応膜を塗布し、その各励振電極１２２ａに検体溶液を接触させて、検体溶液中の特定物質の質量測定を行う方法であって、定量吐出手段により、前記各励振電極１２２ａに検体溶液を順次吐出して接触させるものである。なお、第１実施形態と同様の構成となる部分については、その説明を省略する。
【００３８】
第２実施形態で使用する圧電振動片１２０は、図５に示すように、水晶等の圧電材料を平板状に切り出し、その両面の対応する位置に複数の凹部を形成して薄肉化し、各薄肉部の表裏両側に励振電極１２２ａ，１２２ｂを形成したものである。なお、表裏一対の励振電極１２２ａ，１２２ｂを形成した部分が、それぞれ振動部１２１として機能する。
【００３９】
この圧電振動片１２０において、図６（１）に示す表側には、各励振電極１２２ａに対応する複数の接続電極１２４ａを周縁部に形成する。一方、図６（２）に示す裏側には、全ての励振電極１２２ｂと導通する共通接続電極１２４ｂを周縁部に形成する。なお質量測定を行う際には、裏側の共通接続電極１２４ｂは、図１に示す発振回路４０に常時接続しておく。そして、質量測定を行う振動部１２１に対応する表側の接続電極１２４ａを、順次発振回路４０に接続して質量測定を行う。
そして、この圧電振動片１２０の表側における各励振電極１２２ａの表面に、それぞれ異なる特定物質と結合する感応膜を塗布する。
【００４０】
この圧電振動片と定量吐出手段との相対的な位置制御は、以下の手順で行う。まず、図４に示す圧電振動片２０の代わりに、上述した圧電振動片１２０をトレイ５２に載置して、定量吐出手段３０の下方に移動させる。次に、画像認識手段５８により圧電振動片の現在位置を検知する。そして、質量測定を行う振動部の励振電極が、定量吐出手段３０のノズル直下に位置するように、定量吐出手段３０をＸ方向に移動させるとともに、圧電振動片を載置したトレイ５２をＹ方向に移動させる。この移動作業を、質量測定を行う振動部の全てについて行う。これにより、質量測定を行う各振動部の励振電極上に、検体溶液を正確に吐出させることができる。
【００４１】
第２実施形態に係る質量測定方法および質量測定装置により、マルチセンサ化に対応することができる。
すなわち第２実施形態では、圧電振動片に複数組の励振電極を形成し、その圧電振動片における一方面側の各励振電極の表面に感応膜を塗布し、定量吐出手段により前記各励振電極に検体溶液を順次吐出して、検体溶液中の特定物質の質量測定を行う構成とした。これにより、下側の励振電極を検体溶液から隔離するための大がかりな被覆部材が不要となり、製造コストを削減することができる。また、複数の振動部を有するマルチセンサ型の圧電振動片を使用する場合でも、大量の検体溶液が不要となり、微量の検体溶液中に含まれる特定物質の質量測定を行うことができる。なお、検体溶液の吐出位置および吐出量を正確に制御することができるので、高精度の質量測定が可能である。これらにより、質量測定のマルチセンサ化に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る質量測定装置の説明図である。
【図２】逆メサ型圧電振動片の説明図である。
【図３】ピエゾ方式インクジェットヘッドの側面断面図である。
【図４】位置制御手段の説明図である。
【図５】マルチセンサ型圧電振動片の側面断面図である。
【図６】マルチセンサ型圧電振動片の平面図および底面図である。
【図７】従来の質量測定チップの説明図である。
【図８】従来の質量測定装置の説明図である。
【符号の説明】
１…質量測定装置
５…周波数カウンタ
６…コンピュータ
１８…温度調節手段
２０…圧電振動片
２１…厚肉部
２２ａ，２２ｂ…励振電極
２４ａ，２４ｂ…接続電極
３０…定量吐出手段
４０…発振回路
５０…位置制御手段
【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】
2004245719.tif 000009
【図７】
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【図８】
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