(57)【要約】【課題】  正確なＤＮＡの検査と、圧電単結晶基板の測定精度を向上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、圧電単結晶基板を基板に使用した質量センサと該圧電単結晶基板を保持するホルダを有する質量センサにおいて、該質量センサと該ホルダを一体化し全体を圧電単結晶で形成し、該質量センサの質量センサ素子部分が該質量センサ全体より薄い板厚で形成されており、少なくとも該質量センサ素子の薄い部分を被うホルダが貼り合わさっていることを特徴とする質量センサにより課題を解決する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電単結晶基板を基板に使用した質量センサ素子と該圧電単結晶基板を保持するホルダを有する質量センサにおいて、
該質量センサと該ホルダを一体化し全体を圧電単結晶で形成し、該質量センサの質量センサ素子部分が該質量センサ全体より薄い板厚で形成されており、少なくとも該質量センサ素子の薄い部分を被うホルダが貼り合わさっていることを特徴とする質量センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の質量センサは水晶材料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）を付着させたとき、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（ナノグラム）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値（モル濃度で表した水素イオン濃度の逆数の常用対数）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。
【０００４】
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。
【特許文献１】特開平６−０１８３９４号公報
【特許文献２】特開２００１−１５３７７７号公報
【特許文献３】特開昭６２−０６４９３４号公報
【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】
【０００５】
図６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。
【０００６】
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、この振動姿態を自励する為、センサ素子の主面表裏には対向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。
【０００７】
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。これは、センサ素子の外周寸法に近似したセラミック材料から成る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あるいは円筒を液中に浸積できる構造とし、反対側主面は気相中に露出されているものである。
【０００８】
この構造は、気相、液相を分離することができるが、ホルダの底面ひとつにセンサ素子となる圧電単結晶基板を取り付ける構造をとる。また、質量センサのホルダ材質がセラミック材料であることと、質量センサ素子本体が圧電単結晶基板（水晶材料）ということで、微少の周波数変化を質量変化として検出する測定であることから、正確にＤＮＡ検体の状態変化を計ることが難しい構造となってしまう。
【０００９】
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、圧電単結晶基板を基板に使用した質量センサと該圧電単結晶基板を保持するホルダを有する質量センサにおいて、該質量センサと該ホルダを一体化し全体を圧電単結晶で形成し、該質量センサの質量センサ素子部分が該質量センサ全体より薄い板厚で形成されており、少なくとも該質量センサ素子の薄い部分を被うホルダが貼り合わさっていることを特徴とし、質量センサを圧電単結晶基板である水晶材料で形成した質量センサである。
【００１０】
上記のような質量センサ素子の形態により、検体測定に対する測定精度を向上し、また質量センサ自体の構成を簡略することで質量センサ素子自身の製造工数とコストの低減を実現することから質量センサの設計の自由度を広げることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、質量センサ全体を圧電単結晶基板で構成することにより、質量センサ素子に対する歪み成分を大幅に改善することにより、測定対象物であるＤＮＡの微少な経時変化を正確に測定することが可能となった。その結果、検体測定の自由度を大幅に改善し検体測定作業性を向上することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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式質量センサにおける計測は、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。しかしながら従来の質量センサは質量センサ素子を保持する部分が質量センサ素子とは異なる材料で形成されていることから、感応物質の正確な変化の測定を試みたとき、センサ素子とその保持部との歪み成分により微少な変化の測定が難しい現状にある。本発明では従来の質量センサの不具合点を解消し、微少な検出情報でも正確に質量センサとしての測定機能を確保することができ、作業性が簡便・確実で高精度計測が可能となる。
【実施例１】
【００１３】
以下、添付図面に従って本発明の実施例を説明する。図１に示す本発明の質量センサも動作原理は従来の質量センサ（電極からの引き回し接続は特に図示せず）と同様で、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、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ものである。ここで図１（ａ）は斜視図で図１（ｂ）は断面図である。
【００１４】
図１には質量センサ素子の本体部分を示すもので、構造としては圧電単結晶基板を使用した質量センサにおいて、該質量センサ全体を圧電単結晶で形成し、質量センサ素子の部分は該質量センサ全体の板厚よりも薄くした形態で、質量センサを圧電単結晶基板である水晶材料で形成した質量センサである。なお、外形寸法の一例としてはＬ＝５０ｍｍ、Ｗ＝１０〜２０ｍｍである。
【００１５】
そして、図２に示すように質量センサ素子を挟むようにホルダ４も圧電単結晶基板で形成し質量センサを構成するもので、質量センサ全体を圧電単結晶基板で形成したときに、質量センサ素子となる部位は振動し易くするために、該質量センサの質量センサ素子部分が該質量センサ全体より薄い板厚で形成されており、その状態を形成するために該質量センサ素子１とホルダ４との少なくとも２枚貼り合わさった形態であることも特徴とするものである。なお、図２の図面中に点線で描画する質量センサ素子の上方にも圧電単結晶基板を配置することで、質量センサ素子の電極引き回しを保護する構造を採ることができ有効である。ここで図２（ａ）は斜視図で図２（ｂ）は断面図で、各基板の厚みは実際と異なり厚みを誇張して描画したものである。
【００１６】
図３は本発明の一実施例を示した水晶振動板の斜視図（図３（ａ））と断面図（図３（ｂ））である。なお、本実施例に示す振動子は、発振周波数を５〜３０ＭＨｚを想定しており質量センサ素子３の厚みは５５〜３３５μｍを例とし、前記の厚みまでは圧電結晶基板１を機械加工や化学加工（エッチング）を用いて加工する。エッチングはドライエッチングや薬液によるウエットエッチングのどちらを用いても構わない。
【００１７】
圧電結晶基板１の大きさはＬ＝５０ｍｍ、Ｗ＝１０〜２０ｍｍとして振動部分である質量センサ素子３については、圧電単結晶基板１のＷ寸法よりも小さければその形状の大きさに拘るものでは無い。圧電単結晶基板１を加工し質量センサ素子３を形成することによって、接着剤による振動漏れが減少し、高感度でかつ装置性能の信頼性と歩留まりの向上を図ることができる。
【００１８】
本発明の質量センサ素子は、素子を構成する圧電単結晶基板のほぼ中央部には、厚みすべり振動モードの基本波を励振するために質量センサ素子３の主面表裏に対向して金属電極２が形成されている。金属電極膜は密着膜としてＴｉ、Ｎｉ、ＮｉＣｒなどと電極材としてＡｕまたはＡｌなどを蒸着法またはスパッタリング法を用いて金属電極膜を堆積させる。
【００１９】
そして図３に示すように、質量センサ全体を圧電単結晶で形成し、質量センサ素子の部分は質量センサ全体の板厚よりも薄くした形態で、質量センサを圧電単結晶基板である水晶材料で形成した質量センサであることから、圧電センサを少なくとも２つの圧電単結晶基板の貼り合わせで実現した形態を表現するものである。なお、質量センサを形成している圧電単結晶基板を挟み込む基板（質量センサ素子３を構成する基板）は振動する部分の厚みと同等か、あるいは薄いものとする。そしてこれらの基板を貼り合わせるのには、実際の測定の際に影響を与えない絶縁性の接着剤を用いる。
【００２０】
以上のように質量センサ素子の振動部である薄い部分を形成する平板と、その周囲全体を形成する部分との少なくとも２つの圧電単結晶基板を貼り合わせることでひとつの質量センサを構成するものである。本実施例では素子の全面をホルダに貼り合わせているが、最低限素子部分（薄い部分）を圧電単結晶基板で被うことでも十分である。
【００２１】
以上のように質量センサ素子としてＤＮＡを吸着させ、溶液中でその状態変化を圧電単結晶基板の周波数変化で測定する質量センサを実現するのに必要な質量センサ素子の電極からの引き回し電極などを、図３に示すような形態で構成すると前記の引き回し電極を２枚の圧電単結晶基板で挟み込むことができるため、質量センサを溶液中に浸す測定方法では大変有力な構造として使うことができる。
ここで図４に本発明の質量センサの測定状態の概念図を示す。図４からも分かるように、質量センサ素子３の電極部２にＤＮＡなどの検体を塗り、この部分を溶液に浸すことで検体変化を周波数の変化として捉えるものである。
【実施例２】
【００２２】
図５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一例である。図５で示す構成は、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できる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
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に対する測定ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の質量センサ素子の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明の質量センサの構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の質量センサの概念図を説明する斜視図と断面図である。
【図４】本発明の質量センサを用いた検体測定の状態を示す概念図である。
【図５】本発明の質量センサ素子を用いた質量計測装置の構成例を示す概念図である。
【図６】従来の液相計測質量センサの一例を示す概念図である。
【符号の説明】
【００２５】
１    圧電単結晶基板
２    電極
３    質量センサ素子
４    ホルダ
【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】
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