(57)【要約】信号源と、測定装置と、第一部分（８）およびドッキングシステムとを含む、流体試料の分析用の圧電センサ装置であって、それは圧電水晶（３２）を露出させるセンサ素子（１０）を受容するための手段（９）を設けた第一部分（８）、及び試料用の流体チャネル（１３）及びフローセル素子（１４）を含む第二部分（１１，１２）を含み、フローセル素子（１４）は好ましくは移動可能であり、かつ凹所と、流体を凹所に導くための入口および出口流体チャネル（４６）を備える。前記第一及び第二部分は閉鎖位置と開放位置との間で互いに対して移動可能であり、閉鎖位置ではフローセル素子（１４）の凹所（４５）が圧電水晶（３２）によって封止状に覆い、フローセルが前記フローセル素子及び前記水晶によって形成されるように配置される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号源と、測定装置と、第一部分（８）および第二部分（１１，１２）を含む構成のドッキングシステムとを含む、流体試料の分析用の圧電センサ装置であって、前記第二部分（１１，１２）は試料用の流体チャネル（１３）を備え、前記第一および第二部分は閉鎖位置と開放位置との間で相互に対して移動可能であり、前記第一部分（８）には、流体試料と接触するように意図された自由にアクセス可能な電極（３３）を有する圧電水晶（３２）を露出させる、センサ素子（１０）を受容するための手段（９）が設けられ、この手段（９）は開口（１７）を備え、そこを介してセンサ素子の結晶がフローセル素子（１４）と接触することができ、前記第二部分（１１，１２）は試料用の流体チャネル（１３）と当接部（４３）を備えたフローセル素子（１４）とを備え、それは外向きに開いた凹所（４５）と、流体を凹所に導くための入口および出口流体チャネル（４６）とを備え、前記凹所（４５）は当接面（４８）によって囲まれ、少なくとも前記当接面および当接面に最も近い当接部（４３）の一部分は、圧電水晶に対して封着することのできる弾性材料から作られ、前記第一および第二部分（８，１１，１２）は、第一および第二部分（８，１１，１２）が開放位置から閉鎖位置へ移動したときに、フローセル素子（１４）の当接部（４３）の上面（４８）がセンサ素子（１０）の露出圧電水晶（３２）と当接する状態になり、それによって閉鎖位置で圧電水晶（３２）がフローセル素子（１４）の凹所（４５）を封止状に覆い、かくしてフローセルが形成されるように構成されるセンサ装置。
【請求項２】
フローセル素子（１４）は可動であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記弾性材料は１０〜９５°のショア硬度を持つことを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記弾性材料は４５〜９５°のショア硬度を持つことを特徴とする請求項３に記載のセンサ装置。
【請求項５】
第一部分（８）は、水晶（３２）が第二部分（１１，１２）のフローセル素子と当接する状態になるように、第二部分（１１，１２）に対して摺動的に移動するように配設されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセンサ装置。
【請求項６】
第一部分（８）はガイドロッド（２８）によって前記閉鎖位置と開放位置の間で案内されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセンサ装置。
【請求項７】
第一部分（８）は直線経路に沿って案内されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のセンサ装置。
【請求項８】
センサ素子（１０）を受容するための手段（９）はスロット（１６）および開口（１７）を設けられたキャビティを有し、前記スロットを通してセンサ素子を挿入することができ、前記開口を通してセンサ素子の結晶がフローセル素子（１４）と接触することができることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のセンサ装置。
【請求項９】
第二部分（１１，１２）は、フローセル素子（１４）が配置される凹所を有する試料提供部（１１）および前記第一部分（８）の移動のための手段（２３，２４）を含む操作部（１２）を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のセンサ装置。
【請求項１０】
前記第一部分（８）の移動のための手段（２３，２４）は、ねじ係合によって第一部分（８）に接続されかつハンドル（２４）によって操作されるねじ（２３）を含むことを特徴とする請求項９に記載のセンサ装置。
【請求項１１】
第二部分は、センサ素子上の電気接点領域との接続用の電気接点（２２）を設けられていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のセンサ装置。
【請求項１２】
電気接点（２２）はばね負荷接触ピンであることを特徴とする請求項１１に記載のセンサ装置。
【請求項１３】
電気接点（２２）は試料提供部（１１）上に配設されることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のセンサ装置。
【請求項１４】
フローセル素子の凹所（４５）は第一電極（３３）の形状に対応する形状を持つことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のセンサ装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の圧電センサ装置用のセンサ素子において、それが圧電水晶（３２）が取り付けられる担持体（３１）を備え、前記結晶が正面と裏面とを有し、前記正面が流体試料と接触するように意図されかつ前部電極（３３）を設けられ、前記裏面が後部電極（４２）を設けられ、両電極が結晶の振動運動を発生するために電気信号を受け取るように適応され、それによって該結晶が結晶（３２）の正面および前部電極（３３）に自由にアクセスできるように担持体上に配設され、圧電センサ装置（４）の第一（８）および第二（１１，１２）部分がそれらの開放位置からそれらの閉鎖位置に移動したときに、圧電センサ装置（４）のフローセル素子（１４）と当接状態になり、それによってそれがフローセル素子の凹所（４５）を封止状に覆い、かくしてフローセル素子と共にフローセル（５０）を形成するように構成されて成るセンサ素子。
【請求項１６】
電極（３３，４２）は外部接点（２２）に電気的に接続可能であることを特徴とする請求項１５に記載のセンサ素子。
【請求項１７】
圧電結晶は、圧電結晶がフローセル素子の当接時に裏面から担持体によって支持されるように担持体に配設されることを特徴とする請求項１５又は１６に記載のセンサ素子。
【請求項１８】
担持体は平板の形状を有し、１〜１００ｃｍ２、好ましくは５〜３０ｃｍ２、より好ましくは１０〜２０ｃｍ２の表面積を有することを特徴とする請求項１５〜１７のいずれかに記載のセンサ素子。
【請求項１９】
担持体の厚さは０．５〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１５〜１８のいずれかに記載のセンサ素子。
【請求項２０】
各電極（３３，４２）の表面積は、結晶の各面が電極の縁と電極材料によって覆われていない結晶の周縁との間の領域を備えるように、結晶（３２）の表面積より小さいこと、および各電極は結晶の周縁の方へ延びる接続部（３３ａ，４２ａ）を持つことを特徴とする請求項１５〜１９のいずれかに記載のセンサ素子。
【請求項２１】
担持体は前部（３４）と後部（３５）とを備え、それらの間に結晶（３２）が取り付けられ、前記前部は結晶の暴露のための開口（３９）を設けられていることを特徴とする請求項１５〜２０のいずれかに記載のセンサ素子。
【請求項２２】
担持体は、結晶の減衰を避けるように、後部電極（４２）の領域に凹所または開口を含むことを特徴とする請求項１５〜２１のいずれかに記載のセンサ素子。
【請求項２３】
電気的接続手段（４０）は電極の接続部（３３ａ，４２ａ）において電極に接続されることを特徴とする請求項２０〜２２のいずれかに記載のセンサ素子。
【請求項２４】
外部からアクセス可能な電気接触領域（３７）は担持体上に設けられ、その領域は電極の接続部（３３ａ，４２ａ）に電気的に接続されることを特徴とする請求項２０〜２３のいずれかに記載のセンサ素子。
【請求項２５】
電気接触領域（３７）は担持体の前部（３４）上に位置されることを特徴とする請求項２４に記載のセンサ素子。
【請求項２６】
後部電極（４２）の接続部（４２ａ）は、両電極が結晶の正面からアクセス可能であるように、結晶の正面に達することを特徴とする請求項２０〜２５のいずれかに記載のセンサ素子。
【請求項２７】
担持体は後部電極（４２）の領域に開口を含み、第一電極（３３）の接続部（３３ａ）は両電極が結晶の裏面からアクセス可能であるように結晶の裏面に達することを特徴とする請求項２０〜２５のいずれかに記載のセンサ素子。
【請求項２８】
接続部（３３ａ，４２ａ）は外部接点にアクセス可能であることを特徴とする請求項２６又は２７に記載のセンサ素子。
【請求項２９】
前部電極（３３）は試料の分析のための活性物質で被覆されることを特徴とする請求項１５〜２８のいずれかに記載のセンサ素子。
【請求項３０】
着脱自在の保護箔が結晶を覆うように配設されることを特徴とする請求項１５〜２９のいずれかに記載のセンサ素子。
【請求項３１】
着脱自在の保護箔が再封可能であることを特徴とする請求項３０に記載のセンサ素子。
【請求項３２】
請求項１に記載の圧電センサ装置用のフローセル素子（１４）において、それが外向きに開いた凹所（４５）と、流体試料を凹所に導くことのできる入口および出口流体チャネル（４６）とを設けた当接部（４３）を備え、前記凹所（４５）が当接面（４８）によって囲まれ、少なくとも前記当接面および該当接面に最も近い当接部（４３）の一部分が弾性材料から作られ、圧電センサ装置（４）の第一（８）および第二（１１，１２）部分がそれらの開放位置からそれらの閉鎖位置に移動したときに、前記当接部（４３）が請求項１１に記載のセンサ素子（１０）内の圧電水晶（３２）と当接状態になるように適応され、それによって凹所（４５）が結晶によって封止状に覆われ、かくしてセンサ素子（１０）と共にフローセル（５０）を形成するように構成されて成るフローセル素子。
【請求項３３】
前記弾性材料は１０〜９５°のショア硬度を持つことを特徴とする請求項３２に記載のフローセル素子。
【請求項３４】
前記弾性材料は４５〜９５°のショア硬度を持つことを特徴とする請求項３３に記載のフローセル素子。
【請求項３５】
凹所（４５）を囲む当接面（４８）はリッジ（４７）によって構成され、それは平滑上面（４８）を有すること、及び凹所の底は平坦面であることを特徴とする請求項３２〜３４のいずれかに記載のフローセル素子。
【請求項３６】
リッジ（４７）は０．０５〜１ｍｍの幅を有することを特徴とする請求項３５に記載のフローセル素子。
【請求項３７】
凹所は０．０１〜０．５ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．２ｍｍの深さを有することを特徴とする請求項３２〜３６のいずれかに記載のフローセル素子。
【請求項３８】
入口および出口流体チャネル（４６）は凹所の周縁に近接して、かつ相互に直径方向に対向して配設されることを特徴とする請求項３２〜３６のいずれかに記載のフローセル素子。
【請求項３９】
凹所は入口および出口流体チャネル（４６）が配設された延長部（５２）を有することを特徴とする請求項３２〜３８のいずれかに記載のフローセル素子。
【請求項４０】
一体品として作られることを特徴とする請求項３２〜３９のいずれかに記載のフローセル素子。
【請求項４１】
弾性材料はポリウレタン、シリコーン又はＰＤＭＳであることを特徴とする請求項３２〜４０のいずれかに記載のフローセル素子。
【請求項４２】
自由にアクセス可能な圧電水晶（３２）を有するセンサ素子（１０）がフローセル素子（１４）との当接状態にもたらされるフローセルの形成方法であって、フローセル素子（１４）が外向きに開いた凹所（４５）と、流体試料を凹所に導くことのできる入口および出口流体チャネル（４６）とを備え、前記センサ素子および前記フローセル素子は押圧力によって一緒に保持されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電センサ装置、センサ素子、およびセンサ装置で使用されるフローセル素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子マイクロバランス（ＱＣＭ）システムは、水晶の圧電効果を利用する。そのようなシステムでは、ＡＣ電位に接続された二つの電極の間に配置された水晶は、ＡＣ電位の周波数が水晶の発振モードの共振周波数に近い場合、振動し始める。水晶の共振周波数は、温度、圧力、結晶のカット角、機械的応力、および結晶の厚さのような多くのパラメータの関数である。共振周波数は、ソルベリー方程式によって記述されるように、結晶の厚さの平方根に反比例する。
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ここで、ｆは共振周波数、ρは水晶の密度、ｖは水晶内の剪断波速度、Ａは電極の面積、Δｍは試料の質量である。液体用途で使用される典型的な共振周波数は、１ＭＨｚから５０ＭＨｚの範囲である。結晶は通常、約５〜１０ｍｍの直径を持つ円形または二次形状でＡＴカットされる。電極は通常両面とも金であるが、他の金属も珍しくない。電極は水晶板に比べて非常に薄く、したがって結晶板の一部とみなすことができる。電極の一つに材料を加えるかあるいはそこから材料を除去すると、それは厚くまたは薄くなり、つまり、電極の関連重量が変化する。電極の質量変化の結果、結晶板の共振周波数は減少または増加し、かつ、したがって共振周波数の変化を測定して電極の質量変化を検出することができる。ＱＣＭシステムの質量分解能は、単層の水素の１％未満に相当する１ｐｇ／ｃｍ２もの低さにすることができる。
【０００３】
典型的なＱＣＭ圧電システムは、センサユニットと、試料挿入ユニットと、周波数カウンタと、信号提示装置ならびに緩衝材および廃棄物収納体とを備える。関心のある任意の化学物質を含むことのできる試料は、試料挿入ユニットによってセンサユニット内に導入される。センサユニットは圧電共振子と、センサチャンバと、チャンバに流出入するフローチャネルと、発振回路とを含む。試料は圧電センサ表面との相互作用を誘発し、それは次に、結晶板の振動特性を監視することによって、例えば圧電共振子の周波数の変化を測定することによって、観察することができる。センサユニットによって利用される共振子は、平面圧電結晶である結晶板を含む。結晶板は、その表面に電極および対向電極のための電気接点領域が設けられ、該電極は信号源（例えば交流電源）のみならず測定装置にも接続可能である。測定するために、圧電結晶板は片面を検査対象の液体試料に接触させる。結晶は、その共振周波数および／または振動振幅を変化することによって、検出対象の物質の質量の累積に、または試料の物理的性質の変化に応答する。
【０００４】
圧電センサは、液体試料の粘度の分析に使用することができ、特に化学的および生化学的相互作用の研究に適する。圧電センサを後者の目的に使用する場合、試料に暴露される電極には、試料と相互作用する特定の表面被覆が施される。そのような表面被覆された圧電センサは、例えば表面科学、生物工学研究、および医薬品開発内で使用することができる。他の用途として、環境汚染物、生物化学兵器、および例えば麻薬物質または機能改善薬物（ドーピング）などの違法薬物のような有害ガスまたは物質の探知用のセンサを挙げることができる。当該技術の用途の第三の領域として健康診断があり、そこでヒトの血液または他の体液の分析によって、様々な病気について患者を検査するために、該センサを使用することができる。これらの領域における圧電共振子の使用は、これまでの利用可能なシステムの欠点のため、今まで商業的に受け入れられてこなかった。
【０００５】
圧電共振子によって利用される結晶板は通常、小振動子水晶板である。しかし、小板の構造のため、共振子の共振挙動は、すなわち保持担持体によって引き起こされる小板の機械的張力によって、または電線との接触によって損なわれることがある。
【０００６】
保持担持体に固定された小振動子水晶板の一例が、ＧＢ２１５４０５８Ａに記載されている。小振動子水晶板は、その表面に配置されかつ二つの保持クランプの間に空間的に固定されかつ電気的に接触した電極を備える。この構成の欠点は、相隔たる二つの部品に最小限の力が働くだけでも、部品間に接着された小板に機械的張力が発生し、よってその共振挙動に影響を及ぼすことがあり得ることである。
【０００７】
すでに述べたように、圧電共振子は、例えば媒体中の物質を検出するために、例えば液中の物質の濃度を測定するために、能動センサ素子として有利に使用される。液体で作動する場合、電気的に接触する振動子水晶は、電気的短絡を防止するために、検査対象液体に対し液密に絶縁もしなければならない。そのようなセンサはＥＰ４５３８２０Ｂ１に記載されている。このセンサは、両面を二つのシリコンシールの間に締着されかつさらに導電性接着物質に接触した、小振動子水晶板を備える。しかし、導電性接着剤の使用は、電気接点を分離することができないという結果を招き、それは例えば小振動子水晶板の交換を不可能にするか、あるいは少なくともより高い手先の熟練を必要とする。さらに、小振動子板の全辺を取り囲むシリコンシールは、小板の歪みを防止するために、高精度に設けなければならない。
【０００８】
圧電共振子に基づいて動作し、液中の物質濃度または反応を測定するため、および液体の物理的性質を決定するためのこれらの公知のセンサは、要するに以下の欠点を持つ。
【０００９】
小振動子水晶板は保持手段に接着または締着され、それは機械的張力のために共振子自体の共振挙動を損ねることがあり得る。さらに、小振動子水晶板の表面に接着および定着された電気接点は、特に液中の物質の濃度を測定するために使用される場合、完全には信頼できない。短絡を防止するために注意を払わなければならない。安定かつ均一な接触の品質はこの方法では不可能である。
【００１０】
公知の事例では、圧電共振子には、電気振動回路およびそれぞれ測定システムに接続される電気的接触用の接点領域が、その正面のみならずその裏面にも設けられる。それぞれの電気的接触を持つ筐体への圧電共振子の組込みは困難であり、かつ時間がかかる。特に、小振動子板の片面を試料に接触させることができる保持手段に入れた圧電共振子を使用するときに、良好で安定した品質の電気的性質は不可能である。
【００１１】
この型の保持手段はフロースルーセルとも呼ばれ、それはすでに電気的に接触している小振動子水晶板を接続電極に接続するユニットである。さらに、定められた供給および排出チャネルが設けられ、それを介して試料を選択的に圧電共振子に供給し、かつ再び排出することができる。この型のフロースルーセルの場合、ユーザは結晶の交換に多くの時間および手先の熟練を必要とする。特に、バイオセンサの分野では、検出対象の各々異なる物質が特製フロースルーセルを必要とするので、交換がしばしば必要になる。これらの問題を克服しようとして、米国特許第６１９６０５９号に記載されるように、共振子はフロースルーセル内に一体化されるようになった。しかし、そのような一体化されたフロースルーセルは取り扱いが容易であるかもしれないが、高精度で製造しなければならない。別の欠点は、共振子をフローセルに接着する前に、電極領域の表面被覆を実行しなければならず、また使用後にフローセル全体を処分しなければならないことである。加えて、接着工程が表面被覆と相互作用し、表面被覆の所望の機能が無効になる危険性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、信頼できる分析結果を出し、安価な使い捨て部品を有し、かつ取り扱い易い圧電センサ装置を提供することである。
【００１３】
本発明の目的は、相互関連部分が相互作用してフローセルを形成する圧電センサ装置によって達成される。相互関連部分の第一は、圧電結晶を保持するセンサ素子である。相互関連部分の第二は、使用中に試料が導かれる凹所と、少なくとも上部が弾性材料から作られる当接部とを備えたフローセル素子である。両方の相互関連部分は、分析前に一つに合わせたときに、フローセル素子の凹所がセンサ素子の結晶によって覆われ、こうしてフローセルが形成されるように設計される。相互関連部分は、押圧力によって一つに維持され、したがって接着剤または機械的固定手段が不要である。フローセル素子の当接部の少なくとも一部分、つまり結晶と接触する表面（当接面）およびその表面に隣接するフローセル素子の部分は弾性材料から作られるので、フローセル素子は結晶を破損することなく結晶に対して封着することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明はしたがって、信号源と、測定装置と、第一部分および第二部分を含む構成のドッキングシステムとを含む、流体試料の分析用の圧電センサ装置を提供する。第二部分は試料用の流体チャネルを備え、前記第一および第二部分は閉鎖位置と開放位置との間で相互に対して移動可能である。さらに、第一部分には、流体試料と接触するように意図された自由にアクセス可能な電極を有する圧電水晶を露出させる、センサ素子を受容するための手段が設けられる。この手段は開口を備え、そこを介してセンサ素子の結晶がフローセル素子と接触することができる。第二部分は試料用の流体チャネルと当接部を備えたフローセル素子とを備え、それは外向きに開いた凹所と、流体を凹所に導くための入口および出口流体チャネルとを備える。凹所は当接面によって囲まれ、少なくとも前記当接面および該当接面に最も近い当接部の一部分は、圧電水晶に対して封着することのできる弾性材料から作られる。第一および第二部分は、第一および第二部分が開放位置から閉鎖位置へ移動したときに、フローセル素子の当接部の当接面がセンサ素子の露出圧電水晶と当接する状態になり、それによって閉鎖位置で圧電水晶がフローセル素子の凹所を封止状に覆い、こうしてフローセルが形成されるように構成される。
【００１５】
米国特許第６１９６０５９Ｂ１号にあるような、複数の構成部品から成るフローセルを使用する従来の液体接続システムと比較して、製造コストが低下する。センサ結晶は単回使用専用に作成され、使用後に処分しなければならないので、これは本質的な利点である。加えて、フローセルを組み立てるためにユーザが個人的技量を持つ必要がないので、本発明のセンサ装置は取扱いが非常に容易である。
【００１６】
本発明はまた、圧電水晶が取り付けられる担持体を備えた、圧電センサ装置内の流体試料の分析用のセンサ素子において、前記結晶が正面と裏面とを有し、前記正面が流体試料と接触するように意図されかつ前部電極を設けられ、前記裏面が後部電極を設けられ、両電極が結晶の振動運動を発生するために電気信号を受け取るように適応され、該結晶が結晶の正面および前部電極に自由にアクセスできるように担持体上に配設され、圧電センサ装置の第一および第二部分がそれらの開放位置からそれらの閉鎖位置に移動したときに、圧電センサ装置のフローセル素子と当接状態になり、それによってそれがフローセル素子の凹所を封止状に覆い、こうしてフローセル素子と共にフローセルを形成するように構成されて成るセンサ素子にも関する。
【００１７】
本発明はまた、外向きに開いた凹所と、流体試料を凹所に導くことのできる入口および出口流体チャネルとを備えたフローセル素子であって、前記凹所が当接面によって囲まれ、少なくとも前記当接面および該当接面に最も近い当接部の一部分が弾性材料から作られ、圧電センサ装置の第一および第二部分がそれらの開放位置からそれらの閉鎖位置に移動したときに、前記当接部が上述したセンサ内の圧電水晶と当接状態になり、それによって凹所が結晶によって封止状に覆われ、こうしてセンサ素子と共にフローセルを形成するように構成されて成るフローセル素子にも関する。
【００１８】
本発明はまた、上述したフローセル素子を備えたフローセルであって、凹所が上述したセンサ素子の結晶によって覆われて成るフローセルにも関する。
【００１９】
本発明を今から、添付の図面を参照することによって詳細に説明する。
図１は、典型的な圧電共振子分析システムのブロック図を示す。
図２ａは、閉鎖位置にある本発明の第一の好適な実施形態に係る圧電センサ装置の部分断面斜視図を示す。
図２ｂは、圧電センサ装置が開放位置にある、図２ａと同様の図を示す。
図３は、本発明の一実施形態に係る図２ａ、ｂの装置で使用されるセンサ素子の斜視図を示す。
図４は、センサ装置で使用されるセンサ素子の別の実施形態の斜視図を示す。
図５は、金属保持体を備える水晶板の斜視図を示す。
図６ａは、水晶板の斜視図を示す。
図６ｂは、図６ａの水晶板の断面図を示す。
図７は、本発明のフローセル素子の斜視図を示す。
図８は、本発明のフローセルの断面図を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の圧電センサ装置は、液体中の化学物質および化学反応を感知するための、図１に示す分析システムの一部とするように意図されている。そのような分析システムはデータを管理しかつ提示するためのコンピュータ（ＰＣ）１と、周波数カウンタ２と、試料挿入ユニット３と、センサ装置４と、緩衝液収納体５と、廃棄物収納体６とを備える。
【００２１】
図２ａおよび２ｂは、本発明の好適な実施形態に係る圧電センサ装置４を示す。該装置は、センサ素子１０を受容するための手段９が設けられた第一部分８と、試料用の流体チャネル１３およびフローセル素子１４を備えた第二部分１１、１２とを含むドッキングシステムを備える。フローセル素子は可動であることが好ましい。第一および第二部分は、閉鎖位置（図２ａ）と開放位置（図２ｂ）との間で相互に対して移動可能である。センサ素子１０は、両面を電極材で部分的に被覆された圧電水晶板３２（図３参照）を露出させる。電極の一つは自由にアクセス可能であり、かつ試料に暴露させるように意図されており、したがってこの電極の電極材は試料の成分と相互作用する。もう一つの電極は対向電極として機能する。図７に別個に示す可動フローセル素子１４は、凹所４５と、試料流体を該凹所に導くための入口および出口流体チャネル４６を備える。凹所４５はフローセル素子の当接部４３に設けられ、当接面４８によって囲まれる。当接面を含む当接部の部分および当接面に最も近い部分は、圧電水晶を破損することなくそれに対して封着するのに十分な弾力性がある弾性材料から作られる。センサ装置の第一部分８および第二部分１１、１２は、第一および第二部分が開放位置から閉鎖位置へ移動したときに、当接部４３の当接面である上面４８がセンサ素子１０の露出圧電水晶３２と当接し、それによって閉鎖位置で凹所４５が圧電水晶３２によって封止状に覆われ、こうしてフローセル素子および水晶によってフローセルが形成されるように構成される。フローセルの部分つまり圧電結晶および凹所４５を持つフローセル素子の当接部４３は、下でさらに詳述するように、センサ装置の第一および第二部分（８；１１、１２）によって加えられる押圧力によって一つに保持され、したがって、接着剤または機械的固定手段が不要である。フローセル素子の設計については下でさらに詳述する。
【００２２】
装置はさらに、電気信号を電極に送信するための信号源１５を含む。信号源および電極は電気回路を形成し、結晶板３２の振動特性は、信号源に接続された測定装置によって、例えば結晶共振周波数の変化を測定することによって監視される。
【００２３】
センサ素子受容手段９は、スロット１６を介して外部からアクセス可能なキャビティを有し、該スロットを通してセンサ素子１０を挿入することができる。それは開口１７をも有し、そこを通してセンサ素子の結晶板がフローセル素子１４と接触することができる。受容部９の底には、漏れが生じた場合に溢液を防止するために、排液穴を設けることが好ましい。
【００２４】
第一部分８、つまりセンサ装置のドッキングシステムのセンサ受容部は、第二部分１１、１２に摺動可能に装着される可動部品として構成し、その後固定することが好ましい。センサ受容部８はしたがって、開放位置と、水晶板３２が第二部分１１、１２のフローセル素子と当接状態になる閉鎖位置との間で、第二部分１１、１２に対して摺動的に移動可能とすることができる。代替的に、第一部分８を固定する一方で、第二部分１１、１２を可動部として構成することもできる。
【００２５】
装置の第二部分１１、１２は今度は、一つの試料提供部１１および一つの操作部１２を含む。試料提供部はフローセル素子１４が挿入される凹所１８を有する。凹所は、センサ素子に対して反対の方向を向いた着脱自在のフローセル素子１４の挿入部４４の寸法と一致するように適応される。凹所１８の寸法は、フローセル素子が摩擦によって保持されるように、挿入部１４よりわずかに小さいことが好ましい。フローセル素子はねじまたは機械的手段によって取り付けることもできる。試料提供部は、フローセル内外への試料の導通のために二つの貫通穴１９を有する。貫通穴は一端が外部からアクセス可能であり、他端は凹所１８の底部に通じる。フローチャネル管１３は、管が部分的にフローセル素子１４のフローチャネル４６内に挿入されるように、貫通穴内に挿入され、かつ凹所１８から外に延びるように配設することができることが好都合である。試料は、フローチャネルの入口と出口との間の圧力差によって、フローチャネルに供給される。圧力差はシリンジまたはポンプによって達成することができる。フローチャネル管は、ＰＥＥＫまたはステンレス鋼のような試料内に挿入される材料から作られ、０．１〜１ｍｍの内径を有する。試料提供部にはまた、センサ素子の電気接点領域との接続用の電気接点２２も設けられる。接点は、１０〜２００ｇ、好ましくは２５〜７５ｇのばね力を持つばね負荷接触ピンであることが好ましい。
【００２６】
操作部１２は、ねじ係合によってセンサ受容部８に接続されかつねじに固定されたハンドル２４によって操作される、操作ねじ２３を含む。操作部１２は、ナット２６に適合するキャビティ２５を有する。操作ねじ２３は、軸方向運動無しに操作部に対し回転することができるように、操作部１２に取り付けられる。ねじのねじ山は、センサ素子受容部８の穴２７の雌ねじ山と係合する。ねじ２３が回転すると、センサ素子受容部８は回転方向に応じて試料提供部１１の方向またはそこから遠ざかる方向に直線移動する。移動は手動的に、またはモータおよび電子制御システムにより自動的に実行される。フローセル素子に対する圧電結晶の位置決めが非常に正確であることが重要である。結晶板の精密嵌合を達成するために、センサ素子受容手段９は、ばね２９によってばね負荷され操作部１２の滑り軸受３０によって操縦される三つのガイドロッド２８上に装着され、直線経路に沿って閉鎖位置と開放位置との間で案内される。ねじ２３および穴２７のねじ山は非常に低いピッチを有し、それは結晶板をフローセル素子に対して押し付ける力の非常に厳密な調整を可能にする。フローセル素子に対する結晶板の押圧力は、水晶板の過度の沈み込みを防止するためにできるだけ低くしなければならないが、フローセルを十分に封着するように、つまり試料漏れが発生しないように、十分に高くしなければならない。力は、フローセル素子に対して選択される材料の材料硬度に依存し、分析で使用するように意図された所望の流体の試験試料、例えば水でセンサ装置を実行することによって、実験的に決定することができる。
【００２７】
センサ装置の操作部１２は、結晶がフローセル素子と当接する位置に達したときに、経験的に決定された適切な力でねじを固定するロック装置をも備えることが好ましい。そのような装置は、ねじ２３のスロット内に入るナット２６のばね負荷ロックピンから構成することができる。ねじおよびナットの代替物として、センサ受容部の移動のために油圧または空気圧シリンダを使用することができる。
【００２８】
センサ装置は、幾つかのフローセルを有しその各々が結晶板とフローセル素子の当接によって形成される、マルチチャネルシステムとして構成することができる。一実施形態では、センサ装置は、フローセル毎に一つのセンサ素子受容手段９と、各センサ素子用の対応するフローセル素子とを含む。別の実施形態では、単一センサ素子上に多数の結晶板を設けることができ、各結晶板は試料受容部上に対応フローセル素子を有する。フローセル素子は、各々が別個の入口および出口チャネルを有する幾つかのフローセル凹所を備えるように形作ることもできる。フローセルは並列または直列に結合することができる。フローセルを並列に結合した場合、多数の並列センサラン（ｓｅｎｓｏｒ  ｒｕｎ）を同時に実行することができる。異なるフローセルの結晶板は異なる特定の被覆を持つことができ、よって試料中の異なる物質を検出する機会が得られる。フローセルを直列に結合した場合、これは特に実践的である。
【００２９】
センサ装置は任意選択的に、電磁遮蔽および温度調整用の手段を設けることができる。
【００３０】
センサ装置で使用されるセンサ素子を図３および４に示す。センサ素子は、圧電水晶板３２が取り付けられる担持体３１を備える。担持体は平板の形状を有し、１〜１００ｃｍ２、好ましくは５〜３０ｃｍ２、より好ましくは１０〜２０ｃｍ２の表面積を有する。担持体の厚さは０．５〜１０ｍｍである。担持体に取り付けられる結晶は、図５および６では担持体無しで示され、正面３２および裏面（図示せず）を有する。正面３２は流体試料と接触するように意図され、前部電極３３が設けられる。また、裏面には、対向電極として機能する後部電極が設けられる。電極は金で作成することが好ましい。両電極は、結晶の振動運動を発生するための電気信号を受け取るように適応される。結晶は、結晶３２の正面および前部電極３３が試料と接触するために自由にアクセス可能である一方、対向電極が試料と接触しないように担持板の方向に向けられるように、担持体上に配設される。図３に示した実施形態では、担持体は、略平坦な平滑表面を有する単一の矩形平板から構成される。
【００３１】
図４に示すセンサ素子の別の実施形態では、担持体は前部３４と後部３５とを備え、それらの間に結晶３２が取り付けられる。両部は同じ幅および長さを有し、前部には、結晶を試料に暴露させるための開口３６が設けられ、かつ電気接触領域３７を露出させるアパーチャも設けられ、こうして試料提供部の電気接点２２が電気接触領域３７に外部からアクセス可能になる。
【００３２】
その設計に関係なく、担持体は、結晶の自由振動を可能にするために、後部電極の領域に凹所または開口を含む。担持体が開口を備える場合、結晶の裏面から電極に電気的に接触することもできる。凹所または開口は、圧電結晶がフローセル素子に対して押し付けられるときに、担持体が圧電結晶の周縁を裏面から支持するように設計される。担持体のこの支持機能は、結晶板がフローセル素子と当接する押圧力にさらされたときに、フローセル素子によって結晶板に対して加えられる封着力をさらに均衡させる。担持体はまた、受容手段内のセンサ素子の正しい位置を確実にするように意図された、ロックピンを挿入するためのアパーチャ３８をも設けることが好ましい。
【００３３】
各電極３３の表面積は結晶の表面積より小さく、結晶の面積の１０〜９０％であることが好ましい。したがって、結晶の各面は、電極縁と電極材によって被覆されない結晶周縁との間の領域を備える。電極と保持板との間に電気接点を得ることができるために、電極の接続部３３ａが結晶周縁に向かって延び、こうして導電性であるが振動しない電極の延長部を呈する。
【００３４】
両電極３３は、それらの接続部３３ａによって外部接点２２に電気的に接続可能である。図３に示す実施形態では、結晶板は、接触脚３９を介して電極と試料提供部の電気接点２２との間の電気的接触をも提供する、保持体７によって保持される。保持体付きの結晶が図５にも示される。保持体は、アパーチャを有しそこに結晶の周縁が挿入される、二つの金属保持板４０を備える。電気的接触ををさらに改善するために、保持板を電極にはんだ付けすることもできる。保持板は取付板４１に取り付けられ、接触脚３９に電気的に接続される。保持板４０およびそれらのそれぞれの接触脚３９は、一体品として作成することが好ましい。結晶付きの保持体７は、接触脚に試料提供部の電気接点２２が直接接触することができるように、担持体上に配設される。この実施形態では、結晶が担持板の平坦面によって支持されるように、担持体には、保持体を部分的に受容することのできる凹所が設けられる。図４に示された後部３５および前部３４を備えたセンサ素子の実施形態では、両部に保持体用の凹所が設けられる。試料提供部の電気接点２２が接触脚と接触することができるように、前部のアパーチャは接触脚３９のすぐ前に配置される。
【００３５】
別の実施形態では、結晶板は担持体に直接取り付けられる。つまり保持体を使用しない。結晶板は、単板担持体を使用する場合は、例えば接着剤によって担持体に取り付けられる。二重板担持体が使用される場合、結晶板は、希望するならば接着剤取付を追加的に使用し、担持体の後部と前部との間に締着することができる。接着剤は密封機能を持たず、かつ結晶板の試料とは接触しない面に塗布されるので、接着剤が検出を損ねることは無い。本発明のこの実施形態における接着剤または締着手段の使用はしたがって、先行技術に開示されているフローセル素子手段に結晶を固定する目的を有する、接着剤または締着の使用と肩を並べるものではない。二重板担持体を使用する場合、結晶面上の電極の接触は次いで、試料提供部の電気接点２２の直接接触によって実行される。これは、電気接点２２が接続部３３を介して限られた力で電極面に直接接触することのできるばね負荷接触ピンを使用することによって結晶面に達することができるように、電気接点２２を配設することによって達成することができる。そのようなばね負荷接触ピンは市販されている。結晶は結晶の両面に二つの電極を有するので、電極は接触ピンとの直接接触を可能にする特殊設計を持つことができる。電極４２の一つはしたがって、図６ａおよび６ｂに示すように、結晶の周縁から結晶板の縁をまたいで結晶板の反対側の面まで延びる部分４２ａを含むように設計される。この設計により、電極の一つの接触領域４２ａは、結晶板の反対側の面、およびもう一つの電極３３と同一面上に位置する。これは、結晶板の片面から両電極３３、４２に接触することを可能にする。電極は結晶板の正面つまりフローセル側から、あるいは裏面つまり対向電極側から電気的に接触することができる。裏面で電極に接触すると、結晶の非流体側には接触ピンに利用可能な空間がより多くあるという利点がある。この場合、担持体は、結晶の裏面をも露出する開口を有し、ばね負荷電気接点が操作部に設けられる。したがって結晶は両側からドッキングする。
【００３６】
しかし、電極は結晶のフローセル側で接触することが最も有利である。これは、結晶板を正面からドッキングする必要があるだけなので、センサ装置のあまり複雑でない構成を可能にする。したがって装置は、より少ない可動部品を含む。電気接点２２が電極の接触領域に達するための空間はほとんど無い。電気接点２２が両方の接続部３３ａ、４２ａに達することを可能にするために、フローセル側の電極の電気接続部３３ａは、結晶の周縁に達し、かつ希望する場合には結晶縁をまたぐようにも設計される。ばね負荷電気接触ピンは次いで、結晶の周縁の電極の導電性であるが振動しない延長部とより容易に接触することができる。
【００３７】
保持体無しで結晶板を使用する別の実施形態では、担持体は、電極を電気接触領域３７に接続する印刷導電パターンを有する。
【００３８】
本発明のセンサ装置は、特に生化学の分野で、化学物質および化学的相互作用／反応の検出に特に有用である。その場合、結晶の正面の前部電極３３には、分析対象の物質または反応に特異的な活性物質が被覆される。表面被覆は、結晶板を担持体に取り付ける前に、電極表面に塗布することができるが、取付後に実行することもでき、用途によってはその方が有利であるかもしれない。
【００３９】
センサ素子は、結晶を覆い、したがって電極表面を汚れおよび機械的損傷から守るように構成された、着脱自在の保護箔のような保護カバーを設けることが好ましい。保護箔は、センサ素子が受容手段内に挿入されたときに、剥離されるように構成することができる。保護箔は再封可能であることが好ましい。代替的に、分析の実行に関連して、センサ素子がセンサ装置のセンサ素子受容手段内に挿入されるときに、押しのけられるように構成されたスライドカバーを使用することができる。
【００４０】
スライドカバーは、分析後にセンサ素子がセンサ装置から取り出されるときに、カバーを閉鎖位置に押し戻す作動弾性手段に関連して、センサ素子内に配設することが好ましい。この構成はさらにユーザが試料に接触することを防止し、それは、感染性であるかもしれない試料、例えば血液試料の分析にセンサ装置が使用される場合に、特に有利である。
【００４１】
フローセル素子１４は、相互に重ね合わされた当接部４３および挿入部４４を備える。当接部は、電極３３の形状に実質的に一致する断面を有する円筒形の幾何学的形状を有する。二重板担持体を使用する場合、当接部の断面は、当接部を開口３６内に挿入しかつしたがって結晶板に達することができるように、センサ素子の前部の開口３６より小さくしなければならない。フローセル素子の挿入部４３もまた円筒形の幾何学的形状を有し、その断面は、センサ装置の試料提供部における凹所１８の底に適合する形状を有する。挿入部４３の断面は、凹所１８に対応するものである限り、任意の形状とすることができる。断面は、フローセル素子だけを凹所に挿入することができ、入口および出口チャネル４６は流体チャネル１３のすぐ前に配置されるようにすることが好ましい。上述の通り、挿入部は、フローセル素子を摩擦によって保持することができるように、凹所よりわずかに大きくすべきである。挿入部の基部は例えば矩形とすることができる。当接部４３および挿入部４４は、相互に取り付けられた別個の部品とすることができるが、一体品として作成することが最も有利である。
【００４２】
フローセル素子１４の当接部４３には、外向きに開いた凹所４５と、流体試料を凹所に導くことができる入口および出口流体チャネル４６が設けられる。凹所４５は当接面４８によって囲まれ、平坦面である底を有する。本発明の一実施形態では、面４８は平滑上面つまり当接面４８を有するリッジ４７によって構成される。凹所４５の深さ、つまりリッジの高さは０．０１〜０．５ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．２ｍｍである。リッジの平滑上面４８は０．０５〜１ｍｍの幅を有する。
【００４３】
少なくとも当接面４８およびその面に最も近い当接部の部分は、弾性材料から作られる。弾性材料の厚さは、結晶を破損したり他の仕方で損傷することなく、フローセル素子を結晶面に対して効果的に封着するために、当接面に十分な弾力性を提供するのに十分な大きさとしなければならない。満足のいく結果を得るために必要な当接部の弾性部分の厚さは弾性材料の選択に依存し、一般的には少なくとも１００ｎｍである。少なくともフローセル素子のリッジ４７は弾性材料から作られることが好ましいが、フローセル素子全体を弾性材料の一体品として作ると、フローセル素子の製造が簡素化されるので、さらにいっそう好ましい。
【００４４】
上述の通り、弾性に関係するフローセル素子または少なくとも当接面の材料の選択は、圧電センサ装置の性能にとって非常に重要である。硬すぎる材料は結晶を破損するか、あるいは作成されたフローセルの漏れを引き起こすおそれがある。軟らかすぎる材料は、弾性材料の不十分な機械的安定性のため、再生不可能なフローセルの形状を生じるおそれがあり、かつ結晶の振動を過度に減衰するおそれがある。フローセル素子の弾性材料の選択を行うときは、多数の要素を考慮に入れなければならない。第一に、結晶面３２の表面粗度は、当接面４８の表面粗度と同様に、フローセルを十分に密閉するのに必要な弾性に影響する。より粗い表面はより高弾性の材料を必要とする。第二に、フローセルの化学的表面特性、つまり結晶表面の化学的表面特性、システムで使用される流体および弾性材料自体の化学的特性が、弾性材料要素の選択に対し影響を持つ。例えば、水のような極性流体は、フローセル素子および結晶の表面が疎水性である場合、フローセル内に容易に包含することができる。これは、そのような場合、漏れの危険性なしに、より低弾性の材料を使用することができることを意味する。第三に、システム全体の圧力の低下も、必要とされる弾性に影響を及ぼす。つまり、高い圧力低下はよりよく密閉されたフローセルを必要とし、それは、より高い圧力低下がより高弾性の材料を必要とすることを意味する。適切な弾性材料は例えばＰＵＲ、シリコーン、またはＰＤＭＳ等である。
【００４５】
したがって、フローセル素子の最適な硬度つまり最適な弾性を、システムの特性によって決めることは困難である。ほとんどの場合、弾性材料は１０〜９５°のショア硬度、好ましくは４５〜９５°のショア硬度を持つべきである。フローセル素子の弾性材料の４５ないし５５°ショアの弾性範囲は、最も頑健なシステムを形成する。この範囲内の弾性を選択すると、多くの様々な種類の流体ならびに様々な表面特性の結晶およびフローセル素子を受け入れることのできるシステムが形成される。該システムはまた、システム全体の様々な圧力低下のみならず、比較的粗い表面の結晶およびフローセル素子をも取り扱うことができる。
【００４６】
使用中、フローセル素子の当接面は、結晶板が凹所を覆い、それによってフローセルが形成されるように、センサ素子の結晶板の表面に当接する。リッジ４７は、センサ電極として使用するように意図された電極３３の形状に一致する形状を持たなければならない。凹所は電極表面よりわずかに大きくすべきである。例えば、円形電極の場合、リッジもまた略円形形状を持つ必要があり、内縁４９によって形成される円は電極のプラスｘの半径を持つ必要がある。ここでｘは０〜１ｍｍであり、好ましくは０．１〜０．５ｍｍの範囲である。リッジの薄い寸法を安定させ、かつ結晶表面との接触面積を最小化するために、リッジにテーパ付き形状を与え、より幅広の基部およびより幅狭の表面４８を提供することができる。
【００４７】
電極における脈動を防止するために、試料フローが電極の周縁でフローセルに流入するように、凹所の底には、入口および出口流体チャネル４６が、凹所の周縁に近接して、かつ相互に直径方向に対向して配設される。一実施形態では、凹所は入口および出口流体チャネル４６が配設された延長部５２を有する。この構成により、試料は結晶の電極表面の外側からフローセルに流入し、電極表面上を流動し、電極表面の外側からフローセルから流出することができる。したがってリッジは、電極の縁に非常に近接して、結晶の表面に当接することができる。この結果、フローセル内のずっと優れた流動特性が得られる。
【００４８】
図８に示すように、フローチャネル４６は、センサ装置の試料提供部の凹所１８内に挿入されるフローセル素子の面から、フローセル５０を形成する凹所４５まで、フローセル素子内を走る。試料はフローチャネル４６の一つに供給され、フローセルを通過した後、もう一つのフローチャネルを通して排出される。フローチャネルは、フローセルに対し反対の方向を向いた端がフローセルに最も近い端より大きい直径を有する。したがって、試料供給管２１の端５１を受容しかつ密閉するように適応された、円筒形キャビティが設けられる。これらの円筒形キャビティは、零デッドボリュームで圧搾嵌合（ｓｑｕｅｅｚｅ−ｆｉｔ  ｊｏｉｎｔ）を達成するために、試料供給管の直径よりわずかに小さい直径を持つことが好ましい。したがって、零デッドボリュームを持ち、加えて流動に最小流体歪みを生じる流体接続が達成され、分散が低減され、かつしたがってより高品質の分析が達成される。
【００４９】
センサ装置の動作において、分析手順の開始時にそれは開放位置にある。センサ素子１０、４０は、センサ素子受容手段９内に挿入される。検出または分析対象の物質または反応に特異的な感知電極の被覆を有するセンサ素子が選択される。センサ受容部８は次いで、センサ素子の結晶板がフローセル素子に当接し、かつセンサ素子３７の接触領域が接触ピン２２と接触するまで、ねじ２３によって試料提供部１１に向かって移動される。今やフローセル５０が形成され、センサ電極および測定装置との電気的接触が確立された状態である。試料がフローチャネル管２１およびフローチャネル４６の一つを介して、フローセルに供給される。試料がフローセル内を通過するときに、検出対象の成分がセンサ電極表面の被覆と相互作用または反応し、それによって電極の共振周波数が変化する。測定装置は共振周波数の変化を登録する。分析が完了すると、センサ受容部８は試料提供部１１から離れて開放位置に移動し、使用されたセンサ素子は取り外される。今やセンサ装置は新しいセンサ素子を使用する用意が整っている。分析によっては、流体チャネルおよび再使用可能なフローセル素子１４は、例えばフローセルに水またはいずれかの他の適切な洗浄媒体を導くことによって洗浄される。希望する場合、フローセル素子１４を取り外して交換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】典型的な圧電共振子分析システムのブロック図を示す。
【図２】図２ａは、閉鎖位置にある本発明の第一の好適な実施形態に係る圧電センサ装置の部分断面斜視図を示す。図２ｂは、圧電センサ装置が開放位置にある、図２ａと同様の図を示す。
【図３】本発明の一実施形態に係る図２ａ、ｂの装置で使用されるセンサ素子の斜視図を示す。
【図４】センサ装置で使用されるセンサ素子の別の実施形態の斜視図を示す。
【図５】金属保持体を備える水晶板の斜視図を示す。
【図６】図６ａは、水晶板の斜視図を示す。図６ｂは、図６ａの水晶板の断面図を示す。
【図７】本発明のフローセル素子の斜視図を示す。
【図８】本発明のフローセルの断面図を示す。
【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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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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