(57)【要約】【課題】  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、正確な質量変化を周波数変化の大きさで計測することにある。【解決手段】  課題を解決するために、圧電単結晶基板に存在する変曲点の温度を、計測をする温度に対応して設定し、この周波数と温度特性曲線における変曲点位置での傾きを「ゼロ」にする計測方法であり、センサ素子ウェハを水晶原石から切り出すとき、２方向の結晶軸に対し切断角度を設定してウェハ切断をすることにより課題を解決する。【選択図】  図２
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【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素子において、
前記単結晶基板の周波数−温度特性が持つ三次の近似曲線の方程式の変曲点位置の温度を、３０℃から４５℃としたことを特徴とする質量センサ。
【請求項２】
請求項１記載の質量センサ素子において、
前記単結晶基板の周波数−温度特性が持つ曲線の方程式の変曲点位置の曲線の傾き（曲線の１階微分）が「ゼロ」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）を脱着させた時、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】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】
ＱＣＭ(Quartz Crystal Micro-Balance)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の変化が発生すると、それに応じて周波数が変動する現象（Ｓａｕｅｒｂｒｅｙの理論）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、微少質量変化を計測する手段として環境ホルモンの質量計測、抗原−抗体反応、ＤＮＡ−ＲＮＡや、ＤＮＡ−ＤＮＡ反応などを観測できるセンサとして使用されている。従って、このセンサは、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り、計測には、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。
【０００５】
しかし、従来、これらに使用されている水晶センサ素子は、切断方位  （ｙｘｌｗｔ）  ３５.３／０／０度付近で切断された水晶板から加工されており、固有振動するときの振動モードは、厚みすべり振動である。
そして、このセンサ素子の場合、マイナス５０℃からプラス１５０℃までの範囲での周波数−温度特性は、３次の関数  Ｆ（ｔ）  （＝ａＴ３＋ｂＴ２＋ｃＴ＋ｄ）で表すことが出来る。このとき、この関数の変曲点に対応する温度は約２５℃である。（この周波数−温度特性を図１に示す）
【発明の効果】
【０００６】
ところが、「抗原−抗体反応」、「ＤＮＡ−ＤＮＡ結合反応」など、生体系由来の反応の場合は、生体と同じ温度環境で反応を確認できることが望ましく、その適正温度は生体により異なり、例えばヒトの場合は３４℃から３８℃の間、動物などの場合は３８℃から４３℃付近に周波数−温度特性曲線の変曲点を設定し、この位置で三次の近似曲線の１階微分（傾き）を「ゼロ」になる様に設定することで、外部擾乱となる温度変動による周波数変動の影響を抑制することが出来る。このことで、外部擾乱である温度変動由来による周波数変化を最小限に留めることが出来、ＱＣＭ式質量センサにより、極微少質量を正確に計測することが可能となる。
【０００７】
もし、先に述べた様に変曲点温度を２５℃のセンサ素子を使用して、生体と同様な温度での反応による質量変化を計測しようとするなら、図１からも判るように、周波数−温度特性の曲線に於ける１階微分（傾き）は、はるかに大きくなり、外部擾乱である温度変動由来による周波数変化が大きく現れ、避けることが出来ず、質量変化による周波数変化と、温度変動による周波数変化を同時に計測することになり、誤測定を招くことになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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式質量センサに於いて、生体内反応時と同様の温度設定条件で、高精度計測する（出来る）ことは、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於いても、非常に重要であり、メリットがある。本発明は、測定環境を生体内反応と同等温度に合わせた状態で高精度な質量分析をするための手段として、センサ素子の周波数−温度特性曲線の変曲点温度を生体内反応と同等温度に合わせ、かつ、変曲点温度での曲線の１階微分（傾き）を、「ゼロ」となるようにして、外部擾乱である温度変動由来による周波数変化を最小限に留め、質量変化のみを正確に計測できることを特徴とする。
【実施例】
【０００９】
まず、このセンサ素子の作製法について触れる。本センサ素子作製には２つの課題がある。その１つは、変曲点の温度を計測をする温度に対応して設定することであり、２つ目は、この周波数−温度特性曲線の変曲点位置での傾きを「ゼロ」にするための製作技法である。これらは、センサ素子ウェハを水晶原石から切り出すとき、２方向の結晶軸に対し切断角度を設定してウェハ切断をする方法で解決することが出来る。
【００１０】
以下にその方法について述べる。本センサ素子に使用する水晶は、図２（ａ）に示す「Ｙ板」を、図２（ｂ）の様にＺ軸を中心にφだけ回転させた後、更に、図２（ｃ）のように、新しく出来たＸ’軸を中心にθだけ回転させて出来る回転Ｙ板をセンサ素子ウェハとして使用する。この時、回転角φは、図３に示すように変曲点温度を変更することができる。また、回転角θは、特性曲線の変曲点位置での傾き度合いを変更し、その傾きを「ゼロ」にすることができる。そのようにして作製した質量センサ素子の周波数−温度特性曲線の一例を図４に示す。これは、３７℃に変曲点温度を持ち、その変曲点温度での特性曲線の傾きを、「ゼロ」にしたもので、支持系などの変動要因の影響を含め、（ｙｘｌｗｔ）３４.８／１０.５／０度となった。
【００１１】
以下に、この質量センサ素子を用いて計測する例を述べる。ＱＣＭ式質量センサ素子を使用した質量センサは、相補的結合反応が生じた時の微少重量変化を正確に計測するもので、その精度について、Ｓａｕｅｒｂｒｅｙの式  （１式）からその分解能を導出してみると、
ｄＦ＝−ｄＭ（Ｆ）２／ＡρＫｆ・・・・・・  （１式）
ここで、  Ｋｆ＝１／２・ＳＱＲ（Ｃ／ρ）
ｄＦ  ：質量変化前後の周波数の差（Ｈｚ）
ｄＭ  ：質量変動量（ｇ）
Ｆ  ：センサ素子の周波数（Ｈｚ）
Ａ  ：センサ素子主面の電極表面積（ｃｍ２）
ρ  ：センサ素子の密度（ｇ／ｃｍ３）
Ｃ  ：弾性定数
より、もしセンサ素子の周波数（Ｆ）を２７ＭＨｚとしたとき、、電極面積（Ａ）１ｃｍ２に於いて、ｄＦが１Ｈｚ  変化した場合に相当する質量変化量（ｄＭ）は０．６ｎｇとなることが理解できる。
しかし、周波数変動は、質量変化だけではなく外部擾乱となる温度変化によっても左右されることから、本特許のような対策を講じないと外部擾乱による誤測定を誘発することとなる。
【００１２】
図５は、本ＱＣＭ式質量センサ素子を使用した微少質量計測装置の一例である。これらは、ＱＣＭ式質量センサ素子をプラスチック製の反応容器の底部に円周部を介して接着固着し、このセンサ素子を境に反応容器の上側には、反応物を含む溶液が入れられる構造であり、この反応容器と高安定定励振発振器は、高精度に温度制御された恒温チャンバに収納され、更に、高安定周波数標準発生機により、基準周波数が制御された周波数カウンタにより周波数計測が行われ、その結果はコンピュータに取り込まれ、必要な処理をするものである。
【００１３】
これに使用した質量センサ素子は、基本波周波数が約９ＭＨｚであり、励振をさせるために、極微少のＴｉ薄膜を下地として、その上にＡｕ膜をスパッタなどで構築したもので、この金属材料は、反応物に応じて、Ａｌ、Ｃｕなどを使用することもある。また、周波数についても溶液の性状により基本波のみならず、３ｒｄ、５ｔｈなど、オーバートーン周波数に切り替えることで、粘性や、密度が異なる場合でも、反応による周波数変化を正確に捕らえることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
本発明のＱＣＭ式質量センサは、センサ素子の変曲点温度を計測環境温度に合わせて、かつ、その周波数−温度特性曲線の変曲点での曲線の傾き（１階微分）を「ゼロ」にすることで、外部擾乱を排除し、反応環境に即した状態でリアルタイム観察・計測を可能にしながら、結合反応が生じた時の微少重量変化を正確に計測することが可能なため、気相環境での環境ホルモンの同定、検出、液相環境での抗原−抗体反応、高分子・タンパク（ＤＮＡ−ＲＮＡ反応、ＤＮＡ−ＤＮＡ反応）の結合と解離、酵素反応のリアルタイム定量解析、プロテオーム解析、創薬研究・新薬の開発などに有効である。なお、本願の実施例では三次曲線の例を示したが、四次曲線であっても、三次に近似した曲線であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来のＱＣＭ式質量センサ素子の周波数−温度特性を示す特性図である。
【図２】本質量センサ素子を作製するときの切断方位を示す概念図である。
【図３】変曲点温度と切断方位（φ）との関係を示すグラフである。
【図４】本質量センサ素子の周波数−温度特性を示す特性図である。
【図５】本質量センサ素子を使用した質量センサの構成図である。
【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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