(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電センサーと、圧電センサーに接続され、また出力において出力信号を提供するように適用される発振回路とを含み、前記出力信号は前記発振回路と同じ発振周波数で発振し、前記発振周波数は前記圧電センサーによって実質的に決定され、前記発振回路は前記圧電センサーに対して実質的に一定の駆動信号を維持するための回路を含み、前記回路が、増幅器を通してフィードバックループを形成するために増幅器の入力に出力を接続するフィードバックを有する増幅器を含み、前記フィードバックループが自動利得制御手段を含み、圧電センサーを通過する電流が、自動利得制御手段に制御信号を提供するために発振回路において反映される、分析装置。
【請求項２】
発振回路が線形モードで作動するように構成されている請求項１に記載の分析装置。
【請求項３】
発振回路が、第１の出力および第２の出力を有する駆動増幅器を含み、第１の出力が前記実質的に一定の駆動信号を維持するための前記回路の前記増幅器の入力に接続され、第２の出力が圧電センサーに接続され、第１の出力の信号が、第２の出力に課される負荷のリアクタンスを反映し、第２の出力に設定されるインピーダンスが駆動増幅器の入力および第１の出力の間の利得を制御する請求項１に記載の分析装置。
【請求項４】
自動利得制御手段が整流器、積分器および積分器に応じる可変利得装置を含む請求項１に記載の分析装置。
【請求項５】
自動利得制御手段によって出力される利得制御信号から生成され且つ圧電センサーの「Ｑ」に相関した第２の出力信号のための出力をさらに含む請求項１に記載の分析装置。
【請求項６】
圧電センサーへの駆動信号が、単一の利得を有するバッファによって提供される請求項１に記載の分析装置。
【請求項７】
圧電センサーが２つの端子を有し、２つの端子は能動的に駆動される請求項１に記載の分析装置。
【請求項８】
発振回路が集積回路を含む請求項１に記載の分析装置。
【請求項９】
関心の物質の特徴を測定するための請求項１に記載の分析装置であって、圧電センサーが、圧電センサーの表面に、または圧電センサーの電極に取付けられた前記関心の物質に相互作用する構造または化合物を有する請求項１に記載の分析装置。
【請求項１０】
細胞を検出するための、または生物化学的に活性な化合物を検出するための請求項１に記載の分析装置の使用であって、細胞または生物化学的に活性な化合物が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記細胞または生物化学的に活性な化合物を圧電センサーに接続することによって生じた前記出力信号の周波数変化が観察される請求項１に記載の分析装置の使用。
【請求項１１】
細胞および標的物質の間の相互作用を検出するための請求項１に記載の分析装置の使用であって、細胞および標的物質が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記細胞および標的物質を圧電センサーに接続することによって生じた前記出力信号の周波数変化が観察される請求項１に記載の分析装置の使用。
【請求項１２】
イムノアッセイを行うための請求項１に記載の分析装置の使用であって、抗体および抗原、または受容体およびリガンドを含む溶液が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記溶液の凝集体または凝集塊の沈殿によって生じた前記出力信号の周波数変化が観察される請求項１に記載の分析装置の使用。
【請求項１３】
抗体−抗原凝集のタイターを検出するための請求項１に記載の分析装置の使用であって、抗体および抗原を含む溶液が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記溶液の凝集体または凝集塊の沈殿によって生じた前記出力信号の周波数変化が観察される請求項１に記載の分析装置の使用。
【請求項１４】
溶液中で細菌の特徴をモニターするための請求項１に記載の分析装置の使用であって、細菌を含む溶液が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記細菌の存在によって生じた前記出力信号の周波数変化が観察される請求項１に記載の分析装置の使用。
【請求項１５】
溶液中の細菌濃度を測定するための請求項１に記載の分析装置の使用であって、細菌を含む溶液が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記細菌の存在によって生じた前記出力信号の周波数変化が測定される請求項１に記載の分析装置の使用。
【請求項１６】
液体の粘度および濃度を決定するための請求項１に記載の分析装置の使用であって、前記液体が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記液体を圧電センサーに接続することによって生じた前記出力信号の周波数変化および圧電センサーのＱが測定される請求項１に記載の分析装置の使用。
【請求項１７】
小さい分子の結合を決定するための請求項１に記載の分析装置の使用であって、小さい分子の結合が生じた物質が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記物質の前記小さい分子を結合することによって生じた前記出力信号の周波数変化が観察される請求項１に記載の分析装置の使用。
【請求項１８】
リガンドの結合を決定するための請求項１に記載の分析装置の使用であって、リガンドの結合が生じた物質が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記物質の前記リガンドを結合することによって生じた前記出力信号の周波数変化が観察される請求項１に記載の分析装置の使用。
【請求項１９】
圧電センサーを駆動する方法であって、該方法が、発振駆動信号を圧電センサーに提供すること、および、駆動信号がほぼ一定のレベルに維持されるように駆動信号を制御することを含み、駆動信号が、圧電センサーの共振周波数によって実質的に決定される周波数を有し、駆動信号が、圧電センサーを通過する電流を反映する電流を生成し且つ利得制御信号を生成するために前記反映された電流を使用することによって制御され、該利得制御信号が、前記駆動信号をほぼ一定のレベルに維持するための自動利得制御フィードバック信号として使用される、方法。
【請求項２０】
圧電センサーが２つの端子を有し、前記発振駆動信号が、圧電センサーの両端子を能動的に駆動することによって提供される請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
駆動信号が集積回路によって提供される請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
圧電センサーと、受動素子を有する発振回路とを含み、該発振回路が、圧電センサーに接続され、且つ出力で出力信号を提供するように適用され、出力信号が発振回路と同じ周波数で発振し、該周波数が圧電センサーによって実質的に決定され、発振回路が、圧電センサーに対する実質的に一定の駆動信号を維持するための自動利得制御フィードバックループを含み、発振回路の受動素子は、発振回路が、使用時に、圧電センサーだけで実質的に決定される周波数で発振するように完全に抵抗性を有する、分析装置。
【請求項２３】
発振回路が、増幅器を通してフィードバックループを形成するために増幅器の入力に出力を接続するフィードバックを有する増幅器を含み、フィードバックループが自動利得制御手段を含む請求項２２に記載の分析装置。
【請求項２４】
自動利得制御手段が整流器、積分器および積分器に応じる可変利得装置を含む請求項２２に記載の分析装置。
【請求項２５】
自動利得制御手段によって出力される利得制御信号から生成され且つ圧電センサーの「Ｑ」に相関した第２の出力信号を提供する出力をさらに含む請求項２２に記載の分析装置。
【請求項２６】
圧電センサーへの駆動信号が、単一の利得を有するバッファによって提供される請求項２２に記載の分析装置。
【請求項２７】
圧電センサーが２つの端子を有し、２つの端子は能動的に駆動される請求項２２に記載の分析装置。
【請求項２８】
発振回路が集積回路を含む請求項２２に記載の分析装置。
【請求項２９】
関心の物質の特徴を測定するための請求項２２に記載の分析装置であって、圧電センサーが、圧電センサーの表面に、または圧電センサーの電極に取付けられた前記関心の物質に相互作用する構造または化合物を有する請求項２２に記載の分析装置。
【請求項３０】
細胞を検出するための、または生物化学的に活性な化合物を検出するための請求項２２に記載の分析装置の使用であって、細胞または生物化学的に活性な化合物が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記細胞または生物化学的に活性な化合物を圧電センサーに接続することによって生じた前記出力信号の周波数変化が観察される請求項２２に記載の分析装置の使用。
【請求項３１】
細胞および標的物質の間の相互作用を検出するための請求項２２に記載の分析装置の使用であって、細胞および標的物質が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記細胞および標的物質を圧電センサーに接続することによって生じた前記出力信号の周波数変化が観察される請求項２２に記載の分析装置の使用。
【請求項３２】
イムノアッセイを行うための請求項２２に記載の分析装置の使用であって、抗体および抗原、または受容体およびリガンドを含む溶液が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記溶液の凝集体または凝集塊の沈殿によって生じた前記出力信号の周波数変化が観察される請求項２２に記載の分析装置の使用。
【請求項３３】
抗体−抗原凝集のタイターを検出するための請求項２２に記載の分析装置の使用であって、抗体および抗原を含む溶液が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記溶液の凝集体または凝集塊の沈殿によって生じた前記出力信号の周波数変化が観察される請求項２２に記載の分析装置の使用。
【請求項３４】
溶液中で細菌の特徴をモニターするための請求項２２に記載の分析装置の使用であって、細菌を含む溶液が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記細菌の存在によって生じた前記出力信号の周波数変化が観察される請求項２２に記載の分析装置の使用。
【請求項３５】
溶液中の細菌濃度を測定するための請求項２２に記載の分析装置の使用であって、細菌を含む溶液が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記細菌の存在によって生じた前記出力信号の周波数変化が測定される請求項２２に記載の分析装置の使用。
【請求項３６】
液体の粘度および濃度を決定するための請求項２２に記載の分析装置の分析使用であって、前記液体が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記液体を圧電センサーに接続することによって生じた前記出力信号の周波数変化および圧電センサーのＱが測定される請求項２２に記載の分析装置の使用。
【請求項３７】
小さい分子の結合を決定するための請求項２２に記載の分析装置の使用であって、小さい分子の結合が生じた物質が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記物質の前記小さい分子を結合することによって生じた前記出力信号の周波数変化が観察される請求項２２に記載の分析装置の使用。
【請求項３８】
リガンドの結合を決定するための請求項２２に記載の分析装置の使用であって、リガンドの結合が生じた物質が、前記圧電センサーに物理的に接続され、前記物質の前記リガンドを結合することによって生じた前記出力信号の周波数変化が観察される請求項２２に記載の分析装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般に、圧電センサーからなる分析装置である新規な装置、より詳細には、改善された水晶結晶板微量天秤およびその使用に関する。
【０００２】
（背景技術）
水晶結晶板微量天秤は、非常に小さな質量変化を検出および測定するための装置である。その主要な構成要素は、水晶結晶板および該結晶板の共振周波数で出力を生じるために水晶結晶板に連結した発振回路である。典型的には約１０ＭＨｚである出力周波数が、例えば、周波数カウンターを用いて高い精度まで測定される。水晶結晶板は、電子回路で通常使用される結晶板とは異なり、封入されておらず、その環境と相互作用することができる。少量の物質が結晶板に堆積すると、その共振周波数が変化し、堆積した物質の質量の測定が可能となる。典型的に周波数変化は、２、３Ｈｚ〜２、３０Ｈｚのオーダーであり、堆積した物質の質量のナノグラムオーダーでの変化を検出できる。
【０００３】
研究用分析装置における圧電センサーは、典型的に、人工的に成長させた結晶由来の水晶の薄片であるが、トルマリン、酒石酸エチレンジアミン、ＡＤＰ、ＫＤＰおよびロッシェル塩のような他の圧電性物質もまた使用できる。水晶は、化学的に不活性であり、水に不溶性であり、また、比較的温度に反応しないという利点を有する。微量天秤のための典型的な水晶センサー（１０）を図１に示す。水晶結晶板（１６）は、典型的に、対向面に金属電極（１８）を有する円形の「ＡＴ−カット」である。電極は、典型的には、おそらく付着を改良するための下層（sub-layer）を有するスパッタ−処理されている金、銀またはチタンの薄層（２００ｎｍ）である。リード線（１４）は、電極に接着し、また、結晶板に機械的な支持を与え、ならびにセンサーの台座（１２）からある程度隔離し、ワイヤー（１５）を引き出す。結晶板は、典型的に直径約１ｃｍである。結晶板の質量がΔＭだけ変化する場合、空気中、基本周波数（Ｆ）で振動する面積（Ａ）のＡＴ−カット水晶結晶板の共振周波数の変化（ΔＦ）は、およそ：
ΔＦ＝−２．３ｘ１０６Ｆ２ΔＭ／Ａ
によって求められる。
【０００４】
水晶結晶板微量天秤は質量測定に最も頻繁に使用されるが、液体の粘度および／または密度の変化を検出するためにも使用できる。というのも、液体中で振動させると、液体の粘度および／または密度の全てが周波数を生じさせるからである。したがって、液体中に浸漬時の水晶結晶板の周波数におけるシフト（ΔＦ）は：
ΔＦ＝−Ｆ０３／２（ηＬρＬ／πμＱρＱ）１／２
［式中：ΔＦ＝周波数の変化
Ｆ０＝共振周波数
ηＬρＬ＝液体の絶対密度および粘度
ηＱρＱ＝水晶の弾性率および密度］
によって求められる。
【０００５】
水晶結晶板微量天秤は、バイオセンサーとして、すなわち、バイオセンサーの一部として使用するか、または生物学的起源の物質に感受性である装置として使用することができる。典型的に、センサーの一方の電極または両電極の一部は、標的生物分子または細胞と結合可能な物質で被覆されている。かかる受容体を標的（「リガンド」）化合物に曝すと、リガンドは基質に結合し、センサーの質量変化（ΔＭ）および／または局所的な微環境における粘度／密度変化およびその結果として生じる周波数の変化を引き起こす。
【０００６】
既知の水晶結晶板微量天秤の感度および有効度における改善に対する一般的な要望がある。より詳細には、従来の微量天秤の発振器駆動回路は、特にセンサーが液体中に浸漬している場合、安定性および精度を欠く。結晶板表面が液体中に浸漬するとき、結晶板の「Ｑ」（共振の鋭さ、言い換えれば、１サイクルあたりに散逸されたエネルギーの規準）は実質的に低下し、共振周波数はわずかにシフトするであろう。Ｑの低下は、液体がエネルギーを吸収することによって引き起こされるダンピング効果によるものであり；共振周波数の変化は、結晶板表面上の液体の動的質量によるものである。結晶板が共振する場合、そのインピーダンスは、ほとんど無限大から約５０−２００Ωへ低下し；浸漬時には、共振でのインピーダンスは１００ｋΩまたはそれ以上とすることができる。装置が液体中および液体外の両方でセンサーを用いて作動できるためには、幅広い範囲のインピーダンスにわたってセンサーの共振周波数を正確に決定するための幅広い動的範囲の系を提供する必要がある。水晶結晶板微量天秤は液体中または空気中のいずれでも作動できたが、該系がいずれかの媒体中でセンサーを用いて作動する必要のある場合、困難になる。さらに、液体中で操作する場合、従来の装置は、しばしば、おそらく浸漬したセンサーのより幅広い共振およびより大きなエネルギーに関係して、安定性、感度および精度の欠如を示す。この不確実性のいくつかを克服するための努力として、作用している結晶板と対照の結晶板の周波数を比較する、二元適合の（dual matched）発振器の使用が挙げられる（Dunham G.C., Benson N.H., Petalenz D.およびJanata J., Anal. Chem. 67(1995) 267-272）。
【０００７】
また、治療的利益の可能性のある化合物の迅速な評価のための改善されたスクリーニング法に対する要望がある。医薬品会社は、典型的に、何千もの化合物を合成し、次いで、それをスクリーニングして、標的分子と相互作用するものを同定する。典型的には、１または他の標的およびリガンドを放射性または蛍光タグで標識するが、かかる技術は時間がかかり、高価で、危険な物質を取り扱う必要があり、標識は受容体−リガンド相互作用を干渉するかもしれない。したがって、さらなる課題は、改善されたスクリーニング法に対する要望であり、水晶結晶板微量天秤は該分野においていくつかの利益を約束する。しかしながら、このような関係においては、流動する液体中でさえも安定であり、該配置において、即時にモニターされるべき結晶板電極の表面上での生物分子相互作用を可能にするのに十分な感度のあるセンサー−発振器系を有することが望ましい。
【０００８】
図２は、Barnes C., Sensors and Actuators A., 29 (1991) 59-69から知られる水晶結晶板微量天秤用の発振回路（２０）を示す。水晶結晶板（２４）は、ＣＭＯＳ変換器（２２）の出力をその入力に接続しているフィードバック経路において直列で接続され、それにより発振器を形成する。１−トランジスターバッファー回路（２６）は発振器に連結され、２８にて出力を周波数カウンターに供給する。発振器は、１．７〜２０ＭＨｚの範囲で作動するであろうが、先行技術では、その発振器は１４ＭＨｚでBarnesによって使用された。該回路を用いる水晶結晶板微量天秤は、上記のような欠点を示す。本発明は、改善された発振回路を提供することによって従来の系の課題を解決しようとするものである。
【０００９】
（発明の開示）
したがって、発明者らは、圧電センサーと該センサーの共振周波数によって実質的に決定される周波数で発振し、出力にて発振周波数の出力信号を提供するために該センサーに連結した発振回路とからなり、その発振回路が圧電センサーに対して実質的に一定の駆動信号を維持するための手段を組み込んでいることを特徴とする分析装置を記載する。好ましい具体例において、分析装置は、水晶結晶板微量天秤である。好ましくは、実質的に一定の駆動信号が発振器のフィードバックループ内のＡＧＣ手段によって維持され、そこからの利得制御信号を圧電センサーのＱの指標として使用することができる。正弦波は装置により大きな精度、感度および安定性を提供するので、センサーに対する駆動信号は、実質的に正弦波であることが望ましい。これは、信号利得および減衰を提供するフィードバックループにおける全ての素子が実質的に線形方式で作動するように配置されることを保証することによって達成できる。
【００１０】
発明者らは、さらに、発振駆動信号をセンサーに提供することからなる流体媒体中で発振圧電センサーの特徴を測定する方法であって、さらに、流体媒体中での変化にもかかわらず、およそ一定レベルで維持されるように駆動信号を制御することを特徴とする方法を記載する。
【００１１】
また、発明者らは、圧電センサーと；該センサーによって実質的に決定される周波数で発振し、第一の出力信号を発振周波数で提供するために該センサーに連結された発振回路とからなる分析装置であって、その発振回路が該センサーの「Ｑ」に相関した第二の出力信号を提供するための手段を含むことを特徴とする装置を記載する。
【００１２】
発明者らは、さらに、圧電センサーの共振周波数によって実質的に決定される周波数で発振し、出力にて発振周波数の出力信号を提供するための圧電センサーを含む発振回路であって、増幅器を介してフィードバックループを形成するためにその出力を増幅器の入力に連結しているフィードバックを有する増幅器を含み、該フィードバックループが圧電センサーに対して実質的に一定の駆動信号を維持するための自動利得制御（ＡＧＣ）手段を組み込んでいることを特徴とする発振回路を記載する。
【００１３】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明のこれらおよび他の態様のより完全な理解を促進するために、添付の図面を参照し、単なる例示によっていくつかの具体例をここに記載する。
【００１４】
発振器は、一般に、増幅器にフィードバックを備えることにより構成される。発振条件は、ループ利得が１または１より大きくなること、およびループ利得位相シフトが０である（または２πの整数倍）ことである。後者の条件は、増幅器およびフィードバックネットワークを介して伝搬する信号が発振周波数で１以上の全サイクルの位相の遅れを経験すべきであるという要件を示す。水晶結晶板は、そのインピーダンスが０である直列の共振周波数およびそのインピーダンスが無限大である並列のわずかにより高い共振周波数を有し；典型的に水晶結晶板を組み込んでいる回路は、結晶板の並列共振周波数近くで発振する。
【００１５】
図３において、改善された発振器の概念的ブロック線図を示す。該回路において、利得は増幅器（３２）および自動利得制御（ＡＧＣ）手段（３３、３４）によって提供される。ＡＧＣ手段は、コントロール入力（３５）によって制御可能な利得（増幅／減衰）を有する可変利得手段（増幅器または減衰器）（３３）を含む。さらに、それは、回路由来の出力信号レベルを検知し、検知したレベルに応じて可変利得手段を制御するための手段（３４）を含む。回路における利得は、利得／減衰素子（３３）の出力を増幅器（３２）の入力に接続するライン（３８）によって提供される。発振器の共振周波数を決定する水晶結晶板（３１）は、増幅器（３２）の出力と事実上のアースであってもよいアース点との間に接続される。別法では、回路は、結晶板が直列に接続されるように配置できる。表示される並列に接続した配置において、結晶板（３１）が適当に回路の共振周波数を決定できるためには、駆動する回路の出力インピーダンスが結晶板のそれと異なっていてはならない。したがって、増幅器が低出力インピーダンスを有する場合、結晶板は抵抗器を介して駆動されることができ；別法では、増幅器（３２）は、高出力インピーダンスを有する相互コンダクタンス増幅器であってもよい。従来の発振器は、一般に、さらに容量性および／または誘導性の同調素子を結晶板に対し、および／またはフィードバック経路（３８）において直列および／または並列で含む。しかしながら、図３に記載の回路において、発振器の周波数が結晶板の共振周波数のみによって決定されることが可能なほどの大きさであるように、かかる付加的な素子を最少に減ずることが好ましい。好ましい具体例において、発振器駆動回路の受動素子は、漂遊キャパシタンスを無視して、略完全に抵抗性を示すことがわかるであろう。
【００１６】
ループ利得は、増幅器（３２）およびＡＧＣ手段（３３）の組み合わせによって提供され；これらの素子の１つまたは他方が、利得のいくつかまたはすべてを提供してもよい。実施において、増幅器（３２）の出力が共振周波数で結晶板（３１）を駆動し、該周波数での信号が出力（３６）で現れる。出力（３６）での信号レベルは、ループ利得を制御するためのＡＧＣ手段（３３）の利得制御入力（３５）に連結されたレベル検知手段（３４）によってモニターされる。ＡＧＣ手段（３３）の出力は増幅器（３２）の入力にフィードバックするので、発振周波数での実質的に一定の駆動が結晶板（３１）に対して維持される。実質的に一定の信号レベルは、また、出力（３６）でも維持される。水晶結晶板微量天秤または類似の装置で使用される場合、一般的な場合は圧電センサーのいずれかの形態である水晶結晶板に対する駆動信号のレベルを維持することは、多くの利点を提供する。改善された駆動回路は、センサー発振を維持することができるが、該センサーは異なるまたは変化する環境、例えば、空気、液体および流れている液体の範囲内にある。液体中、上記のように、付加的なダンピングがセンサーのＱを減少させ、図３の系において、発振器が自動的にこのＱの減少を補正する。
【００１７】
また、結晶板に対して実質的に正弦波の駆動信号を提供することも重要であることが見出された。結晶板が、例えば、液体によってダンピングされる場合、有意に正弦形でない波または矩形波がそれを駆動する場合、結晶板が上音の周波数にホップする傾向がある。該傾向は、正弦波の駆動で減少する。したがって、発振器駆動およびフィードバック循環（図３において、増幅器（３２）およびＡＧＣ手段（３３））は、好ましくはリニアーである。下記の好ましい具体例において、発振器の関連した部分における全ての増幅器、すなわち、結晶板に対して高周波数の駆動を提供することに関与する増幅器はリニアーであり、ひずみの少ないことが好ましい。
【００１８】
上記の特徴は、特に「異なる」または液体環境において、より正確にセンサーの共振周波数を追跡することにおいて発振器を補助し、したがって、改善された感度および使用の強度を有する水晶結晶板微量天秤を提供する。さらに、該発振器の設計は、例えば、リガンドと結晶板およびその上の基質との結合を検出する場合に起こるような周波数変化をより容易に追跡することができる。
【００１９】
ＡＧＣ制御信号のレベルがセンサーの「Ｑ」に相関できること、したがって、該制御信号がまた、分離した出力（３７）で提供されることが見出された。図６に記載した詳細な回路において、センサーのＱ値に比例したＤＣレベルはこの出力で提供される。また、センサーのＱ値が経験的に、センサーが浸漬している流体の粘度に関連し、したがって、該粘度の直接の指標を提供するためにＱ出力を使用できることが見出された。したがって、本発明の好ましい具体例において、周波数の変化およびＱ値をモニターし、該センサーを使用する分析に供した物質についての有用な情報を得る。
【００２０】
図３において、結晶板（３１）は、増幅器出力と並列に接続して示されているが、当業者は、結晶板を回路内の他の位置で接続できること、および例えば、直列に接続できることを理解するであろう。
【００２１】
ここで、図４ａを引用して、図３の概念的配列に基づいて、発振器（４０）の好ましい具体例のブロック線図を示す。概念系と同様に、図４ａの発振器は、増幅器（４６）によって駆動される圧電センサー（４２）を含むが、好ましい系において、該増幅器は単一の利得を有し、バッファーとして働く。図示される具体例において、増幅器／バッファー（４６）は２つの出力を有し、その１つはセンサー（４２）を駆動し、もう１つは、入力（５０）によって制御される電圧であり、電圧制御減衰器として作動する２−象限（two-quadrant）掛け算器（multiplier）（４８）に入る１の入力を形成する。特定の具体例において、増幅器（４６）は、水晶結晶板（４２）に対する電流駆動を提供し、該電流は入力が２−象限掛け算器に入ることを反映している。図４ａの配列において、センサー（４２）の第２の端子はまた、増幅器（４６）に類似の増幅器（４４）によって駆動され、その増幅器は出力を２−象限掛け算器（４８）の第二入力に供給する。さらに、増幅器（４４）は好ましくは、単一の利得バッファーである。掛け算器（４８）の出力は、さらに、増幅器（５２）、好ましくは演算増幅器によって増幅され、図３の概念的配列におけるように、正のフィードバック経路（６４）が増幅器／バッファー（４６）の入力に対して提供される。増幅器（５２）の出力は、出力端子（６２）で利用することができ、これは、周波数カウンターに入る入力用の発振周波数での信号を提供する。
【００２２】
増幅器（５２）の出力は、また、信号レベルを検出する整流器手段（５４）に連結されており、インテグレーター／コンパレーター（５６）は、とりわけ、信号レベルの変化を平滑にし、多くのサイクルを積分する。出力（６２）での信号レベルは、調節手段（５８）で設定される信号レベルと比較され、好ましくは、それは電位差計である。インテグレーター（５６）の出力は、出力信号出力（５２）を略一定のレベルを維持するために、および圧電センサー（４２）に対する駆動信号を維持するために、「利得」制御入力（５０）（好ましい具体例において、減衰制御入力）に連結される。該制御信号は、好ましい具体例、ＤＣレベルにおいて、出力（６０）で利用可能であり、センサーのＱに比例する。
【００２３】
点線（６６）に囲まれる素子は、単一集積回路パッケージにおいて入手可能であり、それは、回路素子間の釣り合いを改善し、減少した回路の大きさおよび電力消費という付加的な利益を提供する。National Semiconductor Corporationより入手可能なComlinear  ＣＬＣ５２０またはＣＬＣ５２２のような集積回路が使用できる。発振器出力を調整し、振幅対照電圧および「セル利得制御入力」と称することのできるものに適用した結果と比較した場合、結晶板共振のまわりの実質的に純粋な正弦波の発振では、ループ利得に対して厳重な制御が得られる。センサーのＱが低下する場合、出力が減少し、したがって、利得セルに対して入力が増加し、補正するためにループ利得が増加し、そのように共振が一定に保たれる。図４ａの回路において、２−象限掛け算器（４８）は「利得セル」として機能する。フィードバック経路（６４）は、正のフィードバックを適用し、したがって、回路は圧電センサーの共振周波数で共振する。
【００２４】
図４ｂは、入力増幅器（４６）に対する接続を示す。該増幅器は、１つの入力（４６Ａ）を有するが２つの出力（４６Ｂおよび４６Ｃ）を有する点で通常どおりである。該増幅器の機能は上記したが、その機能を調べるもう一つ別の均等な方法を考えることが有用である。出力（４６Ｂ）は、第二の（中間）出力（４６Ｃ）に負わせられる負荷のリアクタンスを反映し、その結果、出力（４６Ｃ）上にあるインピーダンスは入力（４６Ａ）と出力（４６Ｂ）の間の利得を制御する。好ましい具体例において、４６Ａと４６Ｃの間に単一の利得があるが、４６Ａと４６Ｂの間に可変利得がある。増幅器／バッファー（４４）も同様である。
【００２５】
図５は、図４ａのブロック線図にしたがって構成された基本的な発振回路の詳細な回路図を示す。図４ないし７において、同様な素子が同じ参照番号によって示される。したがって、図４ａの主要な素子は図５において示すことができ、すなわち、結晶板（４２）、増幅器（４４）および（４６）、減衰／利得制御入力（５０）を有する掛け算器（４８）、増幅器（５２）、正のフィードバック経路（６４）、整流手段（５４）、インテグレーター／コンパレーター（５６）および出力レベル調整手段（５８）である。
【００２６】
２つの入力バッファー（４４）および（４６）は入力電圧を差動入力電圧および結晶板（４２）の利得設定インピーダンス値の関数である電流に変換する。次いで、該電流は、利得段階（示されない）に反映され、電圧制御された２−象限掛け算器（４８）によって減衰され、その後、フィードバック抵抗器（Ｒ４）によって設定される利得を有する出力増幅器（５２）によって電圧に変換される。したがって、入力、出力および利得制御信号は全て電圧である。
【００２７】
発振周波数での出力を（６２）で得、点線（６６）内にある構成成分は、集積回路内で得ることができる。図示される詳細な回路において、増幅器（４６）は反転入力を有するが、増幅器（４４）は非反転入力を有することが示され、増幅器（５２）は演算増幅器であることが示される。整流器手段（５４）はその最も単純な単一ダイオードとすることができ、インテグレーター／コンパレーター（５６）はさらに、単一演算増幅器から構成することができる。当業者は、これらの基本的な回路素子に多くの変更を加えることが可能であることに気付くであろう。例えば、他の整流素子またはより精巧な全波整流器を整流器手段に使用することができた。多くの慣用的な変更が積分手段（５６）において可能であり、同調素子を結晶板とおよび／またはフィードバックループ（６４）において直列または並列で組み込むことができ、または別法では、付加的な反応性（誘導性または容量性または抵抗性）構成成分をこれらの位置に含ませることができる。
【００２８】
図６は、実施上の器具において望ましい種々の付加を組み込んでいる具体例の詳細な回路を示す。該回路は、Ｑ出力（６０）および周波数出力（６２）に対し、各々、増幅器／緩衝器（７０）および（７２）の付加を有する図５のそれと密接に対応することがわかる。付加的な（低域）濾波（６８）もまた、増幅器（５２）の出力からその反転（「−」）入力に戻る第二フィードバック経路において組み込まれた。正および負の５ボルトの電力供給（７４）もまた、示される。図６において、センサー（４２）に対する接続は端子（７６）および接続ワイヤー（７８）を介してなされる。ワイヤー（７８）は、例えば、スクリーンドケーブルまたはバランスドツイストペア型接続であってもよい。単一コネクターであってもよいコネクター（７６）は、従来の実施にしたがって、比較的低レベルの高周波数（１−１００ＭＨｚ）信号に適当であるように選択される。
【００２９】
図７は、接続（７６）およびワイヤー（７８）を介して流体入口および出口接続部（８１）を有する流動セル（８０）中の結晶板センサー（４２）に連結した発振器（４０）を含む完全な水晶結晶板微量天秤の一例を示す。イオン性の、したがって伝導性の流体を用いて使用される場合、系の性能を改善するために、フローセルは、好ましくは、セル中を流れている流体がセンサーの１つの面のみと接触するように配置されるが、センサーはまた、流体浴中で作動するように配置されていてもよい。
【００３０】
周波数出力（６２）は、１Ｈｚのオーダーの分解能を有するデジタル周波数カウンター（８４）に連結され；Ｑ出力（６０）はデジタルボルト計（８６）に連結される。図８は、Ｏ環（９４）と（９６）の間にサンドイッチされたリード線（９０）を有し、カバースリップ（９８）上にある水晶結晶板（８８）を有するセンサーの別の配列を示す。該配置は、部分的に液体で満たすことができるウェル（９２）を提供し；より単純な配置によりカバースリップ（９８）および下方のＯ環（９６）を省くことができる。一般的にいうと、酸化する傾向が減じるため、金のセンサー電極が好ましい。
【００３１】
図７に示されるような水晶結晶板微量天秤は、種々の目的に用いることができる。装置は、特に、センサーが浸漬している液体の密度および粘度に感受性であり、大きな風袋のように最初に入れた物質を考慮する必要がある場合でさえも、小さな質量変化を検出することができる。１の実際に構成される回路は、１／４Ｈｚ／日まで安定であることが見出され、対照結晶板の必要性を除去する。装置はまた、従来の水晶結晶板微量天秤を用いて可能なものより非常に小さな分子量のリガンドの結合を検出することができ、可能性のある薬剤候補物質の直接的なスクリーニングを可能にする。例えば、本明細書に記載される回路は、６００より小さい分子量のリガンド、例えば、グルコースのような１８０以下の分子量のリガンドの結合の検出が可能である。
【００３２】
装置は、改善されたイムノアッセイ装置を提供するために使用することができる。典型的なイムノアッセイは、抗原の抗体への結合、または受容体のリガンドへの結合を検出することを含む。Bayston試験（Bayston R., J. Clin. Path., 25 (1972) 718-720）として知られる１のイムノアッセイ法は、目に見える沈殿物を生産する凝集体（aggregate）または凝集塊（clump）を形成するための溶液中における抗体−抗原結合過程に依存する。該過程は、水晶結晶板微量天秤を用いてモニターすることができ、それは、抗体および抗原を支持している媒体の粘度および密度の変化に応答すると考えられる。これらの変化は、センサーの共振周波数における低下を引き起こし、最大の低下は、完全な凝集点で起こり、したがって、水晶結晶板微量天秤は凝集のタイターの検出を単純化する。
【００３３】
改善された水晶結晶板微量天秤は、溶液中の細菌の特徴をモニターするために使用することができる。例えば、圧電センサーの一の面をスタフィロカッカス・エピデルミデス（Staphylococcus Epidermidis）のような細菌が結合するフィブロネクチンでコートする。微量天秤は、また、試料の連続的なアッセイを可能にするために、例えば、溶液中の細胞数を決定するために、即時モニタリング系に必要とされる感度および強度を有する。かかる配置において、センサーの共振周波数のシフトは、周波数シフトと細菌濃度の対数との間でおおよそ線形の関係を示しながら細菌濃度に関連することが見出された。該例および以前の例の両方において、電極表面の領域における溶液粘度および密度における局所的変化は、センサーの共振周波数に影響すると考えられる。該効果は種が結晶板表面へ実際に直接に結合しない場合であっても存在するが、振動するセンサーのまわりの液体に対する局所的な修飾にすぎないと考えられる。
【００３４】
装置は、また、それら結合および同様の過程が完全または実質的に完全な細胞において起こる場合、結合および同様の過程を研究するために使用することができる。細胞は、センサー上で生育でき、その後、細胞表面での結合および輸送メカニズムに起因する小さな付加的な質量変化を所望により、イン・ビボでモニターできる。これは、おそらく、結晶板の共振周波数の大きな変化に追随し、同時に、発振を維持し、非常に小さな質量変化に対する該系の感度を維持することのできる発振回路の能力のためである。同様に、比較的厚い多層構造、例えば、タンパク質の２０層が結合事象がモニターされる前に構築されることができる。
【００３５】
本発明の可能な応用のいくつかの例が与えられるが、多くの他の別法が関連する分野の技術者に明らかであり、本発明は記載の具体例に限定されないことが理解されるべきである。同様に、記載の発振回路の多くの他の効果的な別法の配置が考えられ、さらに、回路の設計は記載および説明された特定の型に限定されないことが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  微量天秤の典型的な水晶結晶板センサーを示す。
【図２】  既知の水晶結晶板発振回路を示す。
【図３】  改善された発振回路の概念的ブロック線図を示す。
【図４ａ】  本発明による発振器の好ましい具体例のブロック線図を示す。
【図４ｂ】  発振器用の入力増幅器を示す。
【図５】  本発明による発振器の第１の具体例の詳細な回路図を示す。
【図６】  本発明による第２の具体例の詳細な回路図を示す。
【図７】  改善された発振回路を組み込んでいる水晶結晶板微量天秤を示す。
【図８】  水晶結晶板センサーセルを示す。
【図１】
0004700810.tif 000002
【図２】
0004700810.tif 000003
【図３】
0004700810.tif 000004
【図４ａ】
0004700810.tif 000005
【図４ｂ】
0004700810.tif 000006
【図５】
0004700810.tif 000007
【図６】
0004700810.tif 000008
【図７】
0004700810.tif 000009
【図８】
0004700810.tif 000010