(57)【要約】【課題】  正確なＤＮＡの検査と測定を容易にする質量センサの構造を得る。【解決手段】  課題を解決するために本発明は、センサ素子の基板上に励振電極と独立してモニタ電極を設け、この電極に発生する電荷量が常に一定になるよう制御することで課題を解決する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電単結晶を基板に使用した質量センサ素子において、同一基板上に励振電極と、振動状態を検知するモニタ電極を付加した質量センサ素子を搭載したことを特徴とする質量センサ。
【請求項２】
請求項１記載のモニタ電極を使用して、モニタ電極に捕集される電荷量を電圧の大きさに変換し、励振電極により励振される質量センサ素子の振幅の大きさを認識できることを特徴とする質量センサ。
【請求項３】
請求項２記載のモニタ電極により、モニタ電極に捕集される電荷量、或いは、モニタ電圧が、一定値になるように励振電圧を制御する回路を付加したことを特徴とする質量センサ。
【請求項４】
請求項３において、電荷量（変換された電圧）を一定とする時、その値は、外部から可変可能な基準電圧回路で発生する電圧値により決定され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）を脱着させた時、その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(Quartz Crystal Micro-Balance)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なことや、更に、多成分の同時解析が困難であるなどの問題がある。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、上記のような設備ではこ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時、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）の反応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も可能となる。更に、反応の過程を周波数変化として捉えられるので、周波数変化の様子をリアルタイムで計測したり、記録することでリアルタイム定量解析が可能となる。なお、図３に示すのは従来から用いられる質量センサ素子の構造である。
【０００４】
【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】
ＱＣＭ式質量センサは、特定の振動モードで固有振動をしている有限寸法の圧電単結晶基板上の質量変化が発生すると、それに比例して周波数が変動する現象を用いたものである。今、圧電単結晶を水晶として述べると、水晶素子の質量変化に対する感度が非常に高いことから、近年では、環境ホルモンの含有量計測、抗原−抗体反応、ＤＮＡ-ＲＮＡ、ＤＮＡ-ＤＮＡ結合などによる微少質量変化を周波数変化として観測できるので、微少質量の変化を計測するセンサとして使用されている。
【０００６】
従って、ＱＣＭ式質量センサは、被測定対象物の環境により、気相、液相の雰囲気下でセンサ素子基板表面を露出して使用されるが、どのような場合でも質量の変化のみが正確に、周波数の変化に反映される必要がある。計測時は被測定物以外の物質の付着によるセンサ素子表面の汚染や、環境温度変化などの外部擾乱による影響を極力排除することが必要である。また、ＱＣＭ式質量センサは、微少質量変化を周波数変化として直読することになるので、水晶センサ素子・発振回路由来の発振周波数の初期変動や、周波数ドリフトを最小（安定状態）に保つことが必要で、そのためには、センサ素子の励振に必要なドライブ電圧を、その環境中で安定して発振が持続出来る最小で、かつ、振動振幅を一定の値に維持することが重要となる。
【発明の効果】
【０００７】
従って、ドライブ電圧を制御し、低ドライブ・定振幅でセンサ素子を励振すれば、ドライブ電圧過多による過大振動による機械歪異常や、センサ素子内部の自己発熱により見られる、周波数初期変動、計測中の周波数ドリフト現象の防止や、気相・液相環境を問わず、粘性流体の粘度、比重などの影響を極小にすることが可能となり、センサ素子に由来する擾乱が改善され、発振開始直後に観測される周波数の初期変動現象や、計測中の周波数安定性が向上する。また、ＱＣＭ式質量センサの計測では、多種多様な微少質量変化を計測する(出来る)ため、非測定物質に合わせた適正なドライブ電圧が必要とされる。従って、本特許の質量センサでは、そのドライブ電圧を外部から制御できるように、基準電圧回路を設け、測定開始時に意図的、臨機応変に基準電圧を調整して被測定物に適性なドライブ電圧を設定し、計測中は常にこの振動振幅になるように、センサ素子基板上の励振電極に隣接して備えたモニタ電極により得た電荷量から振動振幅を制御する構造をとる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
ＱＣＭ式質量センサは、微少質量変化を周波数変化として直読することになるので、水晶センサ素子・発振回路由来の発振周波数の初期変動や、周波数ドリフトを最小（安定状態）に保つことが必要で、そのためには、センサ素子の励振に必要なドライブ電圧を、気相・液相の計測環境中で安定した振動が持続出来る適性・最小の電圧の設定と、その振動の振幅が一定の値になるよう維持することが重要なポイントとなる。ＱＣＭ式質量センサは、多種多様な結合、反応などによる微少質量変化を計測することから、非測定物質に合わせた適正なドライブ電圧が必要となる。本発明はこれらを実現するため、センサ素子の基板上に励振電極と独立してモニタ電極を設け、この電極に発生する電荷量が常に一定になるよう制御することを特徴としている。
【０００９】
通常、水晶振動子の振幅を制御するには、水晶振動子の出力端子に発生する電圧をモニタ信号として扱い、この信号をＡＧＣ回路などに導入し、発振器の励振電圧を制御して振幅を一定に保持する方法が一般的である。本発明において、センサ素子の振幅の大きさを検出するモニタ電極を独立して設けた理由は、計測環境が粘性流体（気相・液相を含め）であり、その環境中に表面を露出して置かれるセンサ素子の振幅の様子は、センサ素子の出力端子の電気信号をモニタ信号とするより、一度機械振動を介した後に電気信号に変換する手法の方が、粘性、比重などの環境条件の成分を含んだ信号として取り出すことができるため、実状に合った確度の高いモニタ信号を得ることが可能となる。
【００１０】
また、露出されたセンサ素子は、測定環境の粘性、比重などの変化により励振条件の適正値が異なる。従って、本特許の質量センサでは、適正ドライブ電圧を外部から制御できるように、電圧が可変できる基準電圧発生回路を設け、この電圧により測定開始時に意図的、かつ、臨機応変にドライブ電圧を調整し被測定物に適合したドライブ電圧を設定し、計測中は常に、このドライブ電圧で発生する振動振幅と同一となること、すなわちセンサ素子基板上のモニタ電極により得た電荷量が一定になる様に振動振幅制御をする構造をとる。
【実施例】
【００１１】
図１は、本発明のセンサ素子を示す。回転Ｙ板を用いた圧電単結晶基板１（例えば水晶基板などの圧電材料で図面の主面形状は円形であるが、形状は円形にこだわらない。）の表裏面に励振電極２を、片面の励振電極２の周囲にモニタ電極３を配置する。この励振電極２構造体は、チタン下地に金の２重薄膜を、蒸着或いはスパッタなどとするが、材料の種類はこの他に、下地膜としてクロム、ニクロム、アルミなどが、更に上層膜としては、チタン、アルミ、白金黒、ＳｉＯ２、銅、ポリスチレンなどが利用される。モニタ電極３には、振動により同一面内にある励振電極２との間に、振動振幅の大きさに比例して発生する平行電界による電荷が発生し、これがセンサ素子の振幅を制御するモニタ信号となる。この様にセンサ素子は３端子構造をとる。なお、図１に示す圧電単結晶基板１の表裏に形成する励振電極２はほぼ同じ面積の電極で構成するが、励振電極２の電極面積が異なっていても構わない。
【００１２】
図２では、この質量センサの回路構成例を述べる。回路は、大きく４パートに分離することが出来る。第１はセンサ素子のモニタ電極端子（Ｍ）を入力とする「励振振幅検出部」、これはセンサ素子の振動振幅に比例し、励振ゲイン制御電圧を介して振幅が一定になるように増幅回路の増幅率を調整する。第２は計測環境に適合した基準（バイアスとして使用）の励振ゲインを決める「励振基準電圧決定のための制御電圧発生部」。第３にこれら２種類の電圧において、「励振基準電圧決定のための制御電圧」を基準として、「励振振幅検出電圧」にマイナス１を乗算して加算する「励振ゲイン制御電圧発生部」と、第４に「励振ゲイン制御電圧」により励振ゲインを可変できる「発振回路部」から構成される。発振回路部には、センサ素子の励振用電極２端子（Ｓ１）（Ｓ２）が接続され、外部環境の変化に捕らわれず、計測開始時に設定された励振振幅を維持するように励振ゲインが制御される。
【００１３】
ここで上述の回路構成（図２）の動作を説明する。ＱＣＭ質量センサは通常発振回路を使用し、励振用電極Ｓ１、Ｓ２にセンサ素子の２端子を接続して発振させる方法をとる。Ｓ１端子からの信号はＩ／Ｖ変換回路により電流を電圧に変換している。そのとき、計測環境の異なる例えば気相、液相、液相中でも粘度や、比重が異なるとその環境変化に応じて感度条件が異なる。
【００１４】
本発明ではセンサ素子上にモニタ電極を形成し、振動がセンサ基板内を伝搬するとき、前記環境条件が付加されて信号伝達が行われる。従って、モニタ電極端子（Ｍ）には環境条件が付加された信号（電荷量）が発生し、Ｑ／Ｖ変換回路によりこの電荷量を電圧に変換し増幅されて取り込まれ、フィルタでノイズを除去した後整流回路で直流電圧に変換される。そして、この直流電圧が絶えず一定になるように励振ゲインが調整されることが特徴である。なお、前述した様に環境条件により適切な励振ゲインは異なるので外部より励振用基準電圧制御回路により適応した基準値になるように調節を行う構造をとる。
【００１５】
また、モニタ電極を励振信号系と別に独立して設けることで図面には描画していないが、モニタ電圧（電流）は計測環境（粘度や比重など）の影響を受けるので励振信号と比較することで位相差を確認できるため、位相差の状況を予め取得したデータをメモリ回路に蓄積しておき、モニタ信号（Ｍ）の結果と比較し補正することで測定環境に合わせて励振振幅を調整することも可能となる。
【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ために用いられるもので、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測定に対して広く利用でき、測定時の作業効率を容易にし、測定精度に関しても従来に比べ向上させることを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本特許のセンサ素子の外形主面（図１（ａ））及び断面図例（図１（ｂ））とそれをシンボル表記（図１（ｃ））で示した概念図である。
【図２】本特許の質量センサの駆動回路構成の一例を示すブロック図である。
【図３】従来のセンサ素子の外形主面（図３（ａ））及び断面図例（図３（ｂ））とそれをシンボル表記（図３（ｃ））で示した概念図である。
【符号の説明】
【００１８】
１    圧電単結晶基板
２    励振電極
３    モニタ電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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