(57)【要約】【課題】  正確なＤＮＡの検査と、圧電単結晶基板の脱着を容易にする質量センサ素子の構造を得る。【解決手段】  課題を解決するために、本発明は、以上の問題点を解決するためになされたもので、センサ素子を導電体材料と絶縁体材料が交互に連続して配列した高分子弾性体材料により、ホルダ部に脱着可能な状態で、挟持するように固定されるため、センサ素子のみに感応物取り付け作業を施した後に、容易にホルダに取り付けることが可能となり、感応物質や、その取り付け作業の自由度が大きく広がると共に、高分子弾性体材料にはゴム様の弾力性の大きい材料をしようすることで、パッキング性が良く漏液が発生せず、漏洩振動の束縛も無くなり、安定度の高い発振振動を提供することで課題を解決する。【選択図】  図４
2005077231.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電単結晶基板を使用した質量センサにおいて、
ホルダに該質量センサ素子を保持する保持部が形成され、該質量センサ素子の基板表面周囲部を高分子弾性体で挟持する構造の質量センサ。
【請求項２】
請求項１記載の挟持固定する該高分子弾性体の少なくとも一方は、導電体材料と絶縁体材料が交互に連続して配列され、該質量センサ素子上の電極と外部接続端子とを、他電極と分離して接続導通することを特徴とする質量センサ。
【請求項３】
請求項１記載の該高分子弾性体の形態がリング状であることを特徴とする質量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電単結晶基板上に介在する、種々の微少質量（物）を脱着させたとき、質量変化を周波数変化の大きさで計測する「Ｓａｕｅｒｂｒｅｙの理論」を用いた、ＱＣＭ式の質量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年では、地球環境汚染問題や、ヒトの遺伝子解明などの研究が進められており、例えば、環境ホルモン種の同定、抗原−抗体反応、高分子蛋白同士（ＤＮＡ−ＤＮＡ、ＤＮＡ−ＲＮＡ）の結合反応、酵素反応の解析、プロテオーム解析などが盛んに行われている。そして、これら分析手法として、ガスクロマトグラフィ質量分析器（ＧＣ−ＭＳ）、高速液体クロマトグラフ（ＨＰＬＣ）や、表面プラズモン共鳴計測装置（ＳＰＲ）の様な装置が使用されている。これら装置は、大型で高価な設備であると同時に分析感度はかなり高いが、試料の前処理にはかなりの手間と時間が必要だったり、更に、多成分の同時解析が困難などの問題がある。また、常々反応の過程をリアルタイムで観測したいという要求もあるが、上記設備ではそのようなことは不可能である。
【０００３】
抗原−抗体反応、ＤＮＡ−ＲＮＡ結合など、相補的結合反応が生じたとき、重量変化や、誘電率変化が発生する。ＱＣＭ式質量センサでは、このような微少な変化を捉えることが可能である。
圧電単結晶をセンサ素子として使用した質量センサでは、  ｎｇレベル  の重量測定が可能であることから、抗体（或いは、抗原）をデバイス表面に固定化することで抗原（或いは、抗体）の検知が可能となる。また、ＰＨや導電率についても、導電率変化を音響電気相互作用により検出することが可能となる。そして、反応の過程を周波数変化として捉えられることから、周波数変化の様子をリアルタイム計測、記録することでリアルタイム定量解析が可能となる。
【非特許文献１】(1) N.Miura,H.Higabashi,G.Sakai 他: Piezoelectric crystal immunosensor for sensitive detection of methamphetamine(stimulant drug) in human urine Proc. Fourth Int. Meeting on Chemical Sensors, Technical Digest, Tokyo. pp.13-17(1992)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１に示す質量センサは、抗原−抗体反応、ＤＮＡ−ＲＮＡ結合など、相補的結合反応を捕らえる場合、あらかじめセンサ素子の反応部（通常は、Ａｕ、Ａｌなどの金属電極）上に、対応する抗原や抗体、または、ＤＮＡなどの感応物を付加しておき、この状態で発振回路などにより固有振動周波数で励振させたまま溶液中に浸漬して対象物質との反応や結合の状態により変化する質量変化による周波数変化を計測することになる。
【０００５】
このとき、センサ素子の固有振動の姿態は「厚みすべり振動」であり、この振動姿態を誘発する為、センサ素子の主面表裏には対抗して金属電極が必要となる。従って、この構成で溶液中に浸漬すると、２電極間には溶液を介して電気的リークの発生により、不安定、かつ、有限のインピーダンスをもって接続された回路が付加されることとなり、発振周波数は不安定となり計測が困難となる。
【０００６】
この対策として、反応などに寄与しない反対側主面上に絶縁処理を施し溶液中に浸漬することが考えられるが、励振の負荷が大きくなり、容易に発振させることが困難となる。従って、通常、反応主面は溶液中に露出せざるを得ないが、反対側の主面は気相中に露出する構造をとる。
従来の質量センサの構造例を図１に示す。これは、センサ素子の外周寸法に近似した円筒状のホルダの片端に、開口部を塞ぐようにしてセンサ素子をエポキシ系接着剤で固定、円筒内に溶液を導入できる構造とし、反対側主面は気相中に露出されているものである。
【０００７】
この構造は、気相、液相を分離することができるが、既にエポキシ接着剤で固定されているため、計測前に感応物を付加させる作業の困難性や、制限されたりする問題、また、小型化への対応では、センサ素子周辺部とは言え、主振動の伝播波が減衰し切れず残存する部位を硬く固定することは、著しく振動の安定性を劣化させることになる。
【０００８】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたもので、センサ素子を導電体材料と絶縁体材料が交互に連続して配列した高分子弾性体により、ホルダ部に脱着可能な状態で、挟持するように固定されるため、センサ素子のみに感応物取り付け作業を施した後に、容易にホルダに取り付けることが可能となり、感応物質や、その取り付け作業の自由度が大きく広がると共に、高分子弾性体にはゴム材の弾力性の大きい材料をしようすることで、パッキング性が良く漏液が発生せず、漏洩振動の束縛も無くなり、安定度の高い発振振動を提供する事が出来る。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、センサ素子単独で感応物質の付加処理が可能となるため、取り扱いが簡便で、感応物質材料の自由度、作業性が向上する。また、導電体材料と絶縁体材料が交互に連続して配列した、ゴム材の高分子弾性体でセンサ素子の外週部を表裏から挟持する構造は、ホルダへの脱着が容易、かつ、確実であり、ソフト支持・高パッキング性のため、センサとして高い周波数安定度を確保すると共に漏液対策も可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
抗原−抗体反応や、ＤＮＡ−ＤＮＡ結合反応など、生体系由来の相補的結合反応を計測するＱＣＭ式質量センサに於ける計測は、このセンサが、リアルタイム定量解析も可能であり、反応形態を解析する上においても、非常に重要であり、メリットがある。種類の異なる多くの感応物質を扱い、マトリックス的に解析を試みるとき、センサ素子の反応部（通常は、Ａｕ、Ａｌなどの金属電極）上には、それに応じて多種類の感応物質を固定させる必要がある。本発明では、このようなとき、センサ素子単体での処理が可能となり、作業性が簡便・確実であるため高精度計測が可能となる、またソフト支持・高パッキング構造のため、センサとして高い周波数安定度を確保すると共に漏液対策も可能となることを特徴とする質量センサである。
【実施例１】
【００１１】
以下、添付図面に従って本発明の実施例を説明する。図２は、圧電単結晶基板１の主面両面に電極２を形成してなる本発明の質量センサに使用される質量センサ素子３の斜視図（図２（ａ））、及び、断面図（図２（ｂ））を示す。本素子の振動姿態は「厚みすべり振動」であり、溶液の粘性や密度に応じて周波数を選定する。このとき、基本波の周波数を変える方法や、オーバトーン振動で周波数を変更する方法が用いられ通常、数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚの振動が多く使用される。図２（ａ）は、センサ素子上に金属電極２を形成した一例を示し、図２（ｂ）には、溶液に浸漬する方の金属電極２に対し、感応物質を付加した例である。
通常、感応物質は、スピンコート、蒸着、沈着、ＬＢ膜形成などで形成される。
【００１２】
図３は、導電体材料と絶縁体材料が交互に連続して配列した、ゴム材の高分子弾性体４については、数十ミクロンから百ミクロン厚みの導電体材料と絶縁体材料が交互に、長手方向（ひも状）に配列・形成され、両終端部を接合して、リング状の形状に成形したもので、この断面およびリングの形状は、通常円形であるが、特に其の形状はこだわらない。ただし、センサ素子の主面外周部２面を挟持する構造であるので、板厚の中心を通り板厚に平行な面に対し、対象に配置されることが望ましい。
センサ素子上の電極２と外部電極とは、この長手方向に導電体材料と絶縁体材料が交互に配列したリング状のゴム材の高分子弾性体４の導電部を介して接続され、発振動作を可能としている。この交互に配置する導電体材料と絶縁体材料により質量センサ素子上の電極と外部接続端子との他電極とが分離して接続導通させることができる。
【００１３】
図４は、本質量センサ素子３をホルダに組み込んだときの様子の構造を断面図で表したもので、ホルダの片側端付近の内周径部を大きくして、リング状のゴム材の高分子弾性体４が入るようにし、段違い部分で固定できる構造となっている。この高分子弾性体４は、溶液に接することになるので全体が絶縁体で作製される。その次にセンサ素子を反応面を溶液側になるように入れた後、導電体材料と絶縁体材料が交互に配列したリング状のゴム材の高分子弾性体４を入れ、ストッパにより規格化された圧力で固定する。このとき、高分子弾性体４は、適度につぶされてホルダ内周部にあらかじめ作製された電極と導通して、センサ素子と外部（発振器）との導通が確立する。
【００１４】
図６は、本発明の質量センサを用いて質量を計測する装置の構成図の例である。ただし、質量センサ部は断面を示す。上記構造で作製された質量センサは、発振回路共々、温度変動の影響を除外する目的で、正確に温度制御された恒温槽内に置かれ、更に、測定に使用される溶液もこの恒温槽の温度条件で管理される。周波数の計測には、周波数カウンタが用いられるが、カウンタの基準は、Ｒｂ発振、及び、高安定水晶発振器で作られた信号を使用することが望ましい。周波数カウンタで得られたデータはコンピュータで、希望するアルゴリズムで処理が出来る構造となっている。
【実施例２】
【００１５】
なお本発明の他の実施例として、図５に示すように圧電単結晶基板１上の電極２両方が気相環境を実現するホルダ構造であっても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本センサは、溶液内での反応、結合に対する質量変化を計測する例について述べてきたが、例えば、ダイオキシンなどの環境汚染物質の含有量計測のような気相中の計測に関しても有効であり、多種多様の感応物質の加工の簡便性や、センサ素子の支持がソフトに固定できるため、非常に安定した周波数が得られるため、計測環境が気相・液相を問わず、正確な測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来の液相計測質量センサの一例を示す概念図である。
【図２】本発明に使用するセンサ素子を示す部分拡大図である。
【図３】リング状ゴム材料の高分子弾性体の概念図である。
【図４】本質量センサの構造を示す断面図である。
【図５】本発明の他の実施例である気相環境で使用する質量センサの一例を示す概念図である。
【図６】微少質量計測装置の構成例を示す概念図である。
【符号の説明】
【００１８】
１    圧電単結晶基板
２    電極
３    質量センサ素子
４    高分子弾性体（リング状）
【図１】
2005077231.tif 000003
【図２】
2005077231.tif 000004
【図３】
2005077231.tif 000005
【図４】
2005077231.tif 000006
【図５】
2005077231.tif 000007
【図６】
2005077231.tif 000008