(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶振動子を内蔵するセルの注入口から試料溶液を注入し、水晶振動子の電極面に接した試料溶液を排出口から排出する構造のフローセル型ＱＣＭセンサにおいて、
前記排出口に軟性を有するドレインパイプを繋げ、このドレインパイプの先端部にフロート（浮き）を設け、試料溶液と同等の溶液を充填した回収容器の液面に前記フロートを浮かせ、前記ドレインパイプの先端を前記回収容器の「液面に接触」させ、前記ドレインパイプから排出される試料溶液を前記回収容器の溶液と常に連通させておく溶液途切れ防止機構を備えたことを特徴とするフローセル型ＱＣＭセンサ。
【請求項２】
前記ドレインパイプは、伸縮自在にしたスパイラル構造と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】
前記回収容器は、前記ドレインパイプからの試料溶液を回収する小口径の容器と、この容器から溢れた試料溶液を回収する大口径の容器とからなる二重構造としたことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のフローセル型ＱＣＭセンサ。
【請求項４】
前記回収容器は、前記ドレインパイプからの試料溶液の回収量の増大にも液面高さの変化を僅かにする大口径の構成としたことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載のフローセル型ＱＣＭセンサ。
【請求項５】
前記回収容器は、その液面を、前記水晶振動子の電極面の高さに近い位置にした構成を特徴とする請求項１または２のいずれか１項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溶液に晒したときの水晶振動子の発振周波数変化やインピーダンス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、特にフローセル型ＱＣＭセンサの共振周波数の安定化技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学・生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、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。この場合、水晶振動子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。以下に吸着物質量と周波数のシフト量の関係を示す。
【０００５】
まず、ＡＴカット水晶振動子の共振周波数は
【０００６】
【数１】
0004784222.tif 000002
【０００７】
ｖqはさらに、
【０００８】
【数２】
0004784222.tif 000003
【０００９】
で表わされる。ここで，ｆ0：水晶振動子の主共振周波数、ｖq：厚みすべり振動の音響波（横波）の伝播速度、ｔq：水晶振動子の厚み、μq：水晶の剛性率、ρq：水晶の密度である。
【００１０】
この主共振を持つ水晶振動子の厚み変化Δｔによる共振周波数変化率Δｆは（１）、（２）式より
【００１１】
【数３】
0004784222.tif 000004
【００１２】
で表わされる。さらに、水晶の厚み変化Δｔは、Δｔ＝Δｍ／ρqである。ここで、Δｍは単位表面積当たりの質量変化である。
【００１３】
水溶液中にＱＣＭを浸漬すると、溶液の密度及び粘性率が気相中と比べて高い。したがって、厚みすべり振動の音響波が溶液側に減衰して伝わり、共振周波数が減少する。これは、水晶振動子上に有効厚さの液膜層が形成された状態と等価であるとみなすことができる。この液膜層の有効厚さｄ1は、水溶液がニュートン流体であるとすると、
【００１４】
【数４】
0004784222.tif 000005
【００１５】
で近似される。ここで，ｖ1：水溶液の動粘性率、η1：水溶液の粘性率、ρ1：水溶液の密度、ｆ1：水溶液中の水晶振動子の共振周波数であり，ｖ1＝μ1／ρ1である。
【００１６】
ＱＣＭを溶液中で使用する場合、両電極間の絶縁を保つため、水晶振動子の片面のみを溶液に浸漬する。水晶振動子の片面のみを浸漬する場合、電極の単位面積当たりの見かけの質量変化Δｍ1は（４）式より、以下の（５）式となる。
【００１７】
【数５】
0004784222.tif 000006
【００１８】
ここで、ｆ1＝ｆ0として、（５）式を（３）式に代入すれば，溶液に水晶振動子を片面のみ浸漬する場合の共振周波数変化Δｆは、
【００１９】
【数６】
0004784222.tif 000007
【００２０】
で表わされる。（６）式から分かるように、全体感度を上げるには主共振周波数ｆ0を上げることが重要となる。したがって、センサとして用いる水晶振動子の主共振周波数を高くするほど、高感度のセンサとすることができる。
【００２１】
ここで、水晶振動子の電極面を試料溶液に晒す手法としては、容器中の試料溶液に水晶振動子を浸漬し、電極面を試料溶液で晒すために試料溶液を攪拌する方法であった。しかし、この測定方法では、多くの試料溶液を必要とし、電極面を試料溶液で十分に晒すには時間がかかるし、短時間に測定しようとすると晒しが不十分で安定した測定ができない、さらに複数の試料溶液を切り替えた連続的な測定ができないなどの不都合があった。
【００２２】
これら課題を解消しようとするフローセル構造のＱＣＭセンサは、水晶振動子を内蔵するセルの注入口から試料溶液を注入し、水晶振動子の電極面に接した試料溶液を排出口から排出する構造としている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【００２３】
図６は、フローセル構造のＱＣＭセンサの構成例を示す。容器１には試料の入口部２と出口部３を設け、内部には上下のＯリング４と円孔５を有するセンサ固定治具６からなる支持体でもってセンサ振動子７を配置したフローセル構造とする。測定に供された試料は入口部２から円孔５を通り、センサ振動子７の表面を晒し、出口部３から排出する。８は振動子のリード線の引き出し孔。
【特許文献１】特開２００４−２４５６１３号公報
【特許文献２】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】
【００２４】
ＡＴカット水晶振動子は、厚みすべりモードを使用しているため、主共振周波数ｆ0はその厚みｔqと反比例する。したがって、前記のように、高周波水晶振動子は水晶基板厚の薄いものが必要となる。
【００２５】
一方、溶液中で適用するＱＣＭセンサを実現するには、共振周波数を正確に測り、なおかつ振動子のどちらか一方の表面に試料溶液を晒すという条件を満たさなければならない。また、前記の（３）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のみであるため、微量な成分あるいは少量の試料溶液から迅速・高感度に検知・定量するためには、前記のフローセル型ＱＣＭセンサ方式が好適となる。
【００２６】
この種のフローセル型ＱＣＭセンサを採用した計測システムの構成例を図７に示す。同図において、フローセル型ＱＣＭセンサ１１は、容器１２下部に水晶振動子１３を配置し、容器１２には試料溶液の注入口１４および排出口１５を設けたフローセル構造とする。水晶振動子１３の表面と裏面に対向して設けた一対の電極１６、１７は、発振回路１８の振動子電極に接続しておき、発振回路１８は水晶振動子１３を振動子として発振動作をする。周波数カウンタ１９は、発振回路１８の発振周波数を計数値とするカウンタ動作をする。パソコン２０はカウンタ１９の計数値から水晶振動子の振動周波数の変化として計測データを得、画面等に表示する。
【００２７】
このシステム構成において、測定に際しては、送液ポンプ２１によって試料溶液を注入口１４から容器内に注入し、水晶振動子１３の電極１６面を流れた試料溶液を排出口１５から排出させる。試料溶液の排出には排出口１５から回収容器２２へ滴下させる。
【００２８】
上記のような計測システムに使用するフローセル型ＱＣＭセンサは、セル内に試料溶液を送液、セルから試料溶液を排出することで発生するセル内圧力変化により薄い水晶基板が歪み、機械的に振動している水晶振動子の共振周波数を変動させることとなる。
【００２９】
この圧力変化の１つの要因は、ドレイン（排出口）から排出される試料溶液のドレイン先端で生じる液滴およびその落下にあることを見い出し、実験で確認した。図８には、３０ＭＨｚＱＣＭを用いて、純水（１８ＭΩ／ｃｍオーダ）を２０μＬ／ｍｉｎの速度で送液したときの発振周波数の測定例を示し、周波数の測定は０.１ｓｅｃ間隔で行った。図中の約２０ｓｅｃ間隔で現れる周波数ピークは液滴落下時に対応している。
【００３０】
この周波数変動（周波数ドリフト）は、周波数カウンタ１９またはパソコン２０側の感度を下げておけば無視できるが、これでは計測システムの精度低下になる。また、パソコン２０側の周波数信号処理機能として、周波数ドリフトを補正・解析するソフトウェアを増設することが考えられるが、計測システムの複雑化、コストアップ、データ解析の時間遅れなどの問題が残る。
【００３１】
本発明の目的は、計測感度を下げることなく、また周波数ドリフトの補正・解析手段を不要にして、試料溶液の排出に因るセル内圧力変化を抑制し、水晶振動子の共振周波数の安定化を図ったフローセル型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】
【００３２】
本発明は、試料溶液の排出口にドレインパイプを繋げ、このドレインパイプの先端部を、試料溶液と同等の溶液を充填した回収容器の「溶液中に沈め」または「液面に接触」させ、ドレインパイプから排出される試料溶液を回収容器の溶液と常に連通させておく溶液途切れ防止機構を設けることで、排出経路での試料溶液の途切れを無くした連続的な流れを得、これによって従来の試料溶液の液滴形成・落下によるセル内圧力変化を抑制し、水晶振動子の共振周波数の安定化を図るもので、以下の構成を特徴とする。
【００３４】
（２）水晶振動子を内蔵するセルの注入口から試料溶液を注入し、水晶振動子の電極面に接した試料溶液を排出口から排出する構造のフローセル型ＱＣＭセンサにおいて、
前記排出口に軟性を有するドレインパイプを繋げ、このドレインパイプの先端部にフロート（浮き）を設け、試料溶液と同等の溶液を充填した回収容器の液面に前記フロートを浮かせ、前記ドレインパイプの先端を前記回収容器の「液面に接触」させ、前記ドレインパイプから排出される試料溶液を前記回収容器の溶液と常に連通させておく溶液途切れ防止機構を備えたことを特徴とする。
【００３５】
（３）前記ドレインパイプは、伸縮自在にしたスパイラル構造としたことを特徴とする。
【００３６】
（４）前記回収容器は、前記ドレインパイプからの試料溶液を回収する小口径の容器と、この容器から溢れた試料溶液を回収する大口径の容器とからなる二重構造としたことを特徴とする。
【００３７】
（５）前記回収容器は、前記ドレインパイプからの試料溶液の回収量の増大にも液面高さの変化を僅かにする大口径の構成としたことを特徴とする。
【００３８】
（６）前記回収容器は、その液面を、前記水晶振動子の電極面の高さに近い位置にした構成を特徴とする。
【発明の効果】
【００３９】
以上のとおり、本発明によれば、以下の効果がある。
【００４０】
（１）溶液途切れ防止機構を設けたため、溶液排出に因るセル内圧力変化を抑制することができ、水晶振動子の共振周波数の安定化を図ることができる。
【００４１】
（２）高い周波数分解能をもった計測が可能となり、試料成分のより高感度な検知・定量が可能となる。
【００４２】
（３）周波数ドリフトの補正解析が不要となり、データ解析時間の短縮が図れる。また、システムの簡素化、コストダウンを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
（実施形態１）
図１は、本実施形態のフローセル型ＱＣＭ計測システムを示す。同図が図７と異なる部分は、フローセルの試料溶液排出口１５にドレインパイプ２３を繋げ、試料溶液と同等の溶液を予め充填した回収容器２２の溶液中に、ドレインパイプ２３の先端部２３Ａを「溶液中に沈め」または「液面に接触」させた溶液途切れ防止機構を備えた構成とする。
【００４４】
この構成により、ドレインパイプ２３から排出される試料溶液が回収容器２２の溶液と常に連通しており、排出経路での試料溶液の途切れを無くした連続的な流れを得ることができる。この結果、従来の試料溶液の液滴形成・落下によるセル中の圧力変化を抑制し、これに伴う水晶振動子の共振周波数の変動を抑制することができる。また、試料成分の検知・定量に感度を高めた高精度測定が可能となる。
【００４５】
図２は、３０ＭＨｚＱＣＭを用いて、図８と同様の測定条件、つまり純水（１８ＭΩ／ｃｍオーダ）を２０μＬ／ｍｉｎの速度で送液し、周波数の測定は０.１ｓｅｃ間隔で行ったときの発振周波数の測定例を示す。図８に比べて、共振周波数ｆ0±２Ｈｚ程度の高い周波数安定性を得ることができた。
【００４６】
（実施形態２）
図１の構成において、試料溶液を送液し続けるに従い回収容器中の液面高さが上昇し、それに伴う圧力（静水圧）上昇に起因したＱＣＭセンサの共振周波数変動（単調減少）が起きる。例えば、底面積１ｃｍ2の回収容器を用いた場合、試料溶液を１ｍＬ送液することで液面は１ｍｍ上昇する。この液面上昇は、試料溶液が純水である場合に０.５ｇｆ／ｃｍ2の圧力となり、３０ＭＨｚＱＣＭセンサの場合、共振周波数で約２０Ｈｚの変化に相当する。この変化は、ＱＣＭセンサを用いた評価において、反応量を定量するために実施する反応前後のべースライン測定で周波数の傾きとして現れる。この傾きは、定量性を低下させるものであるため、測定後に解析処理を実施して傾き補正する必要がある。この処理は、ランニングコストやイニシャルコストを上げることとなる。
【００４７】
そこで、本実施形態では、回収容器の液面上昇による周波数変動を軽減させる構成を提案する。この構成は、図３に示すように、フローセルの試料溶液排出口に軟性を有するドレインパイプ２４を繋げ、このドレインパイプ２４の先端部２４Ａにフロート（浮き）２５を設け、試料溶液と同等の溶液を充填した回収容器２２の液面にフロート２５を浮かせ、ドレインパイプ２４の先端部２４Ａを回収容器２２の「溶液中に沈め」または「液面に接触」させた溶液途切れ防止機構を備えた構成とする。
【００４８】
この構成により、試料溶液の送液が進み、回収容器２２の液面高さ上昇にフロート２５の高さが追従し、ドレインパイプ２４の先端位置での圧力（静水圧）を一定に維持し、これによってＱＣＭセンサの共振周波数変動（単調減少）を抑制することができる。
【００４９】
具体例としては、軟性を持たせたドレインパイプ２４として、内径φ＝０.５ｍｍのシリコーンチューブを用い、フロート２５には直径３ｍｍ程度の球状に加工した低密度ポリスチレンを用いる。この場合、純水送液により液面が１ｍｍ上昇した場合の圧力上昇は、ドレインパイプ壁と流体との摩擦抵抗を無視した場合に約２×１０-4ｇｆ／ｃｍ2となる。この圧力変化は、１Ｈｚオーダーの分解能で周波数計測する場合には無視できる範囲となる。
【００５０】
なお、ドレインパイプ２４は、軟性をもつシリコーンチューブに限らず、ポリウレタンチューブなど他の材質のものに置換できる。さらに、図４に溶液排出機構の要部構成を示すように、ドレインパイプ２６は、伸縮自在のスパイラル部を有する構造とすることで、フロート２５の高さ位置変化の吸収を確実にすることができる。
【００５１】
また、ドレインパイプの水深位置を一定とする構造のひとつとしてフロートを採用したが、これ以外にも、液面を検知し、その情報を元にドレインパイプ水深位置を一定に保つ作動装置を設けることも可能である。
【００５２】
また、ドレインパイプの水深位置を一定にする他の構成例として、図５に示すように、回収容器はドレインパイプ２４の先端部のフロート２５を浮かせて試料溶液を回収する小口径の容器２２Ａと、この容器から溢れた試料溶液を回収する大口径の容器２２Ｂとからなる二重容器構造とする。この構成により、小口径の容器２２Ａでの液面変化（高さ位置変化）をほぼ零、つまりドレインパイプ水深位置を常に一定にする。さらに、他の構成としては、試料溶液の回収量の増大にも液面高さの変化を僅かにする大口径の回収容器とすることができる。これら構成は、実施形態１における回収容器として適用することで、試料溶液の回収量の増加にも回収容器の液面高さを常に一定にすることができる。
【００５３】
また、実施形態１または２において、回収容器の液面を水晶振動子の電極面の高さに近い位置にした構成が好ましい。この構成により、電極面の高さに対して回収容器の液面が高い場合、セル内の液圧が高くなり、水晶振動子の歪み量が増えるのを防止する。同様に、電極面の高さに対して回収容器の液面が低すぎる場合、ドレインパイプ内に気泡が発生して試料溶液の流れに途切れを起こすのを防止する。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施形態１を示すフローセル型ＱＣＭ計測システム。
【図２】実施形態１における３０ＭＨｚＱＣＭの発振周波数の測定例。
【図３】本発明の実施形態２を示すフローセル型ＱＣＭ計測システム。
【図４】溶液排出機構の要部構成。
【図５】ドレインパイプの水深位置を一定にする他の構成例。
【図６】フローセル構造のＱＣＭセンサの構成例。
【図７】フローセル型ＱＣＭセンサの計測システムの構成例。
【図８】３０ＭＨｚＱＣＭの発振周波数の測定例（従来）。
【符号の説明】
【００５５】
１１  フローセル型ＱＣＭセンサ
１２  容器
１３  水晶振動子
１４  注入口
１５  排出口
１６、１７  電極
１８  発振回路
１９  周波数カウンタ
２０  パソコン
２１  送液ポンプ
２２  回収容器
２３、２４、２６  ドレインパイプ
２５  フロート
【図１】
0004784222.tif 000008
【図２】
0004784222.tif 000009
【図３】
0004784222.tif 000010
【図４】
0004784222.tif 000011
【図５】
0004784222.tif 000012
【図６】
0004784222.tif 000013
【図７】
0004784222.tif 000014
【図８】
0004784222.tif 000015