(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析対象物質と反応して重量が変化する反応性薄膜が形成され、前記反応性薄膜の重量に応じて発振周波数が変化するように構成された測定用振動子を用い、前記測定用振動子を前記分析対象物質を含有する水に接触させ、前記測定用振動子の発振周波数を測定し、測定値の変化で前記分析対象物質の濃度の経時変化を測定する濃度測定方法であって、
前記固有の共振周波数が５Ｍ、７Ｍ、９Ｍ、２０Ｍ、２７Ｍ、６０Ｍ、１００Ｍ、１５０ＭＨｚである前記測定用振動子に、カット角が、それぞれ３５°２８’、３５°３４’、３５°３６’、３５°４８’、３５°５５’、３６°１６’、３６°３４’、３６°５３’の水晶振動子を用いる濃度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は溶液中の微量物質の分析技術の分野に係り、特に、振動子を用いた分析技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、水晶振動子を用いて溶液中に含まれる微量物質を分析する技術が知られている。
【０００３】
図８の符号１０５はその分析に用いられる水晶振動子を示している。
この水晶振動子１０５は、その表面に電極を有しており、電極表面には、特定の物質と選択的に反応し、その物質を水晶振動子１０５上に固定する物質が塗布されている。
【０００４】
容器１１１には液体が１１４が納められており、その液体１１４中に分析対象の物質を投入し、水晶振動子１０５を浸漬すると、液体１１４中の測定対象の物質が水晶振動子１０５表面と反応し、固定される。
【０００５】
例えば、液体１１４中に抗体が含まれている場合には、水晶振動子１０５表面に抗原を付着させておくと、液体１１４中の抗体は抗原と反応し、水晶振動子１０５表面に付着する。また、水晶振動子１０５表面にＤＮＡの二本鎖のうちの一方を付着させた場合には、液体１１４中に含まれる他方が反応し、水晶振動子１０５表面でＤＮＡが形成される。
【０００６】
水晶振動子１０５は測定回路１１８に接続され、水晶振動子１０５が有する固有の共振周波数で発振している。水晶振動子１０５に測定対象の物質が吸着され、水晶振動子１０５の重量が増加すると、その増加量に応じて共振周波数が変化する。
【０００７】
従って、液体１１４中に浸漬した水晶振動子１０５の発振周波数の変化を測定回路１１８によって経時的に測定すると、測定対象の物質が液体１１４中に含まれているかどうか、また、含まれている場合にはその濃度が分かる。
【０００８】
上記のようなバイオセンサー用に用いられる振動子は、水晶のＡＴ板であり、そのＺ軸は、ＪＩＳ  Ｃ  ６７０４(１９９２）に記載されているように、約３５°になっている。実際には、Ｚ軸に対する傾きは３５°１０‘〜１５’のものが用いられており、大気中における温度０〜６０℃の範囲程度で０〜−０．３ｐｐｍ／℃と温度特性の良いものが使われている。
【０００９】
ところが、液中では、その振動子は、非常に温度特性が悪くなる。図９は、３５°１２’の２７ＭＨｚの水晶ＡＴ板を大気中で発振させた場合と水中で発振させた場合の周波数の温度依存性を示すグラフである。
【００１０】
従来では、その原因として温度変化の影響が疑われており、液温やセンサー温度をペルチェ素子などで測定し、±０．１℃内で温度制御することで、温度変化を除こうとしたが高精度のセンサーは得られていない。
【００１１】
また、センサーを２個ならべ、温度変化による周波数変化をキャンセルさせる方法も試みられているが、センサーが倍の数必要となりあまり良い方法ではない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、発振周波数が温度の影響を受けない分析セルを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者等は、温度変化が直接温度特性に影響するのではなく、振動子が浸漬された液の粘性が温度によって変化し、その結果、振動子の温度特性が大きく変化することを突き止めた。
【００１４】
そして、分析セルの振動子は水の中で用いられるため、水の粘性が温度によって変化する場合に、振動子が、その粘性の影響を消去できる温度特性を有すればよいことになる。
【００１５】
図９は、従来技術の水晶ＡＴ板の温度変化が発振周波数に与える影響を示したグラフであり、横軸は温度、縦軸はΔＦ／Ｆである。図９及び他の図において、符号Ｆは２５℃のときの発振周波数、ΔＦは１℃当たりの周波数の変化量である。
【００１６】
大気中ではΔＦ／Ｆはほぼゼロであるのに対し、水中でのΔＦ／Ｆは、１５℃から４０℃の範囲で−３０〜３０ｐｐｍ程度の大きさになっている。１５℃から４０℃の温度範囲では６０ｐｐｍ変化するから、１℃当たりに変化する周波数の割合は、６０／２５＝２．４ｐｐｍ／℃である。
【００１７】
図１０は、発振周波数が５ＭＨｚ、９ＭＨｚ、２０ＭＨｚ、２７ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、１００ＭＨｚ、１５０ＭＨｚの各水晶ＡＴ板を水中に浸漬したとき、水の粘性変化が各ＡＴ板の周波数変化に与えるに影響を示すグラフである。これらの横軸はＡＴ板の発振周波数、縦軸は発振周波数の１℃当たりの変化率であり、１５℃から４０℃の間の周波数の変化量を温度変化量２５℃(＝４０℃−１５℃)でわり算した値である。
【００１８】
これらの水晶ＡＴ板は、大気中での周波数変化がほぼゼロであるが、水中では１．４ｐｐｍ／℃(５ＭＨｚの水晶ＡＴ板)から約８．５ｐｐｍ／℃の大きさになっている。
【００１９】
従って、大気中で−１．４ｐｐｍ／℃から−８．５ｐｐｍ／℃の周波数変化率の振動板が得られれば、その負の周波数変化率が水の粘性による正の周波数変化率を相殺し、水中で、周波数変化がほぼゼロになる。
【００２０】
下記は、５ＭＨｚ〜１５０ＭＨｚの水晶ＡＴ板の水中での周波数変化と、その周波数変化を相殺するためのカット角(Ｚ軸に対する傾き)を示した表である。
【００２１】
【表１】
0003954430.tif 000002
【００２２】
本発明は上記知見に基いて創作されたものであり、その請求項１に記載された発明は、分析対象物質と反応して重量が変化する反応性薄膜が形成され、前記反応性薄膜の重量に応じて発振周波数が変化するように構成された測定用振動子を用い、前記測定用振動子を前記分析対象物質を含有する水に接触させ、前記測定用振動子の発振周波数を測定し、測定値の変化で前記分析対象物質の濃度の経時変化を測定する濃度測定方法であって、前記固有の共振周波数が５Ｍ、７Ｍ、９Ｍ、２０Ｍ、２７Ｍ、６０Ｍ、１００Ｍ、１５０ＭＨｚである前記測定用振動子に、カット角が、それぞれ３５°２８’、３５°３４’、３５°３６’、３５°４８’、３５°５５’、３６°１６’、３６°３４’、３６°５３’の水晶振動子を用いる濃度測定方法である。
【００２３】
本発明は上記のように構成されており、容器部に分析対象の液体を入れ、振動子上に設けられた反応性薄膜に分析対象物質を接触させると、分析対象物質が反応性薄膜に付着、吸着、又は反応し、反応性薄膜の重量が変化し、その結果、振動子の共振周波数が変化する。
【００２４】
分析セルは、振動子が有する共振周波数で発振するので、発振周波数を測定することで、反応性薄膜の重量変化、即ち、付着、吸着、又は反応した分析対象物質の量が分かる。
【００２５】
しかしながら振動子の共振周波数は、反応性薄膜の重量変化の他、浸漬された液体の粘性からも影響を受け、その結果、温度が変化し、粘度の大きさが変化すると共振周波数も変化してしまう。
【００２６】
液体の粘度変化が振動子に与える影響の大きさは、振動子の共振周波数の大きさにも影響され、液体に水を用いた場合、固有の共振周波数が５ＭＨｚで大気中での変化率がゼロである振動子では液中での変化率は１．４ｐｐｍ／℃であり、１５０ＭＨｚの振動子では約８．５ｐｐｍ／℃である。
【００２７】
従って、振動子が有する共振周波数が５ＭＨｚから１５０ＭＨｚの間にある振動子を水中に浸漬する場合、その振動子の大気中での発振周波数の温度による変化率を−１．４ｐｐｍから−８．５ｐｐｍの範囲に設定すると、その振動子は、液中で変化率がゼロになる。
【００２８】
具体的には、先ず、大気中での変化率がゼロである試験用振動子を作成し、その試験用振動子を液中に浸漬して変化率を測定する。その変化率が＋Ｐで表される場合、大気中での変化率が−Ｐである振動子を作成すると、その振動子を液中に浸漬したときに、変化率が相殺し合い、ゼロになる。即ち、予め大気中での変化率がゼロである試験用振動子の液中での変化率を測定しておき、分析セルに用いる振動子の大気中での変化率を、試験用振動子の液中の変化率と絶対値が略等しく、符号が逆の値に設定すると、液中での変化率がほぼゼロの振動子を得ることができる。
【００２９】
このような振動子は、液中に浸漬したとき、温度によって液の粘度が変化しても、粘度変化による発振周波数の変化率がちょうどゼロになるので、発振周波数が温度変化の影響を受けない。従って、液中に含まれる物質の濃度等を発振周波数の変化で測定する分析セルに適している。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１の符号１０は本発明の分析セルの一例である。
この分析セル１０は、容器部１１内に、振動子５０が配置されている。
図２(ａ)は振動子５０の平面図であり、同図(ｂ)はそのＡ−Ａ線截断面図である。
【００３１】
振動子５０は、振動板５３と、該振動板５３の表面と裏面に配置された第１、第２の発振電極５１、５２とを有している。
【００３２】
振動板５３は、厚さ数ｍｍの水晶のＡＴ板であり、Ｘ軸に平行であって、ｒ面に対して約３°傾いており、且つ、Ｚ軸から３５°２８’以上３６°５３’以下の範囲で傾いている。
【００３３】
第１、第２の発振電極５１、５２は金属膜がパターニングされて構成されており、振動板５３に密着配置されている。振動板５３は円形であり、第１、第２の発振電極５１、５２の形状は、振動板５３の中央部分に於いて、円形に形成されている。第１、第２の発振電極５１、５２は、他の部分では幅狭の導線状になっている。
【００３４】
また、第１、第２の発振電極５１、５２の振動板５３の中央位置の部分では、一方電極の真裏位置に、他方の電極が配置されている。即ち、振動板５３の中央部分は第１、第２の発振電極５１、５２によって挟まれている。
【００３５】
振動板５３が第１、第２の発振電極５１、５２で挟まれた部分の第１の発振電極５１の表面には、特定の分析対象物質と反応し、その物質を、固定、吸着、又は付着させる反応性薄膜５４が形成されている。
【００３６】
容器部１１は、それぞれ石英等の絶縁材料から成り、円筒形の側壁部１６と、円形の底板１７とを有している。
【００３７】
振動板５３は、側壁部１６の開口と平行な状態で側壁部１６内に固定されている。即ち、振動板５３の外周部分は側壁部１６の壁面に密着しており、液密な状態になっている。
【００３８】
底板１７は、容器部１１の両端の開口のうちの、振動板５３の裏面側、即ち、反応性薄膜５４が位置する面とは反対の面側の開口に配置されており、その開口を閉塞しており、他方、反応性薄膜５４が位置する面の開口は開放されており、振動板５３の反応性薄膜５４が配置された面が容器部１１の底面となっている。
【００３９】
第１の発振電極５１の一部は、反応性薄膜５４が配置された面とは反対側の裏面にまで引き回されており、そして、第１、第２の発振電極５１、５２は、その裏面位置に於いて、リード５６、５７にそれぞれ接続されている。このリード５６、５７は、底板１７を貫通し、容器部１１の外部に導出されている。
【００４０】
上記のような分析セル１０を用い、特定の分析対象物質を含有する液体を分析する場合、先ず、その分析対象物質と反応する反応性薄膜５４を有する分析セル１０を用意し、その分析セル１０の容器１１内に液体を入れ、更に、分析対象の物質を投入する。
【００４１】
図３の符号１４はその状態の液体を示しており、符号１３は蒸発防止用の蓋である。
【００４２】
この状態では、液体１４は、振動子５０上に蓄えられ、容器１１内に止まっており、振動子５０よりも下方の底板１７側には漏出しない。
【００４３】
また、この状態では、反応性薄膜５４は液体１４と接触しているので、液体１４中に含まれる分析対象物が反応性薄膜５４と反応し、反応性薄膜５４の重量が増加する。その増加速度は分析対象物の濃度に依存する。
【００４４】
分析セル１０の、底板１７外部に導出されたリード５６、５７は、分析装置２０に接続されている。この分析装置２０は、オシレータ２１と、周波数カウンタ２２と、計算機２３とを有しており、第１、第２の発振電極５１、５２の間には、オシレータ２１によって電圧が印加され、振動子５０は固有の共振周波数で発振しており、その発振の周波数は周波数カウンタ２２によって計測され、所定の時間間隔で計算機２３内に記憶されている。
【００４５】
発振周波数は、反応性薄膜５４の重量が増加すると低下する。重量の増加速度は、液体１４内の分析対象物質の濃度に比例しているので、発振周波数の変化を経時的に測定することで、分析対象物質の濃度が分かる。
【００４６】
振動板に２７ＭＨｚの従来の水晶ＡＴ板(３５°１２’)を用いた振動子と、２７ＭＨｚの本発明の水晶ＡＴ板(３５°３１’，３５°５３’，３６°１３’)を用いた振動子について、大気中での温度変化による周波数変化ΔＦ／Ｆを測定した。
【００４７】
図４は、その測定結果を示すグラフであり、各水晶ＡＴ板の温度に対する周波数変化ΔＦ／Ｆの傾きは負であり、３６°１３’、３５°５３’、３５°３１’の各水晶ＡＴ板の１５℃〜４０℃の間のΔＦ／Ｆの変化率は、−５．１ｐｐｍ／℃、−３．４ｐｐｍ／℃、−２．２ｐｐｍ／℃であり、温度特性の係数が負になっている。
【００４８】
上記の３５°１２’、３５°３１’、３５°５３’、３６°１３’の各水晶ＡＴ板を水中に浸漬して温度特性を測定した。その結果を図５のグラフに示す。
【００４９】
水の粘性による影響が負の係数の温度特性によって補償され、ほぼゼロか、又は負の傾きになる。
【００５０】
その結果、分析セルによる微量物質の測定から温度の影響が排除される。図６は、本発明の、３５°５３’、共振周波数２７ＭＨｚの水晶ＡＴ板を用いた分析セルを、純水中に浸漬して発振させた場合の発振周波数の変動分の経時変化を示すグラフである。図７は、従来技術の、３５°１２’、共振周波数２７ＭＨｚの水晶ＡＴ板を用いた分析セルの場合のグラフである。本発明の水晶ＡＴ板の方が、発振周波数の変動が少なくなっているのが分かる。
【００５１】
以上は、水晶ＡＴ板(ＡＴカットの水晶振動子)を例にとって説明したが、他のカット角、例えば、ＢＴ、ＳＣ、ＳＴカットなどで得た水晶板であっても、本発明に含まれる。材料は水晶に限定されるものではなく、所定の共振周波数を有し、電気的に発振可能なものが含まれる。
【００５２】
また、上記実施例では振動板５３は水晶で構成したが、本発明は水晶に限定されるものではなく、一定の共振周波数を有し、液中に浸漬されて発振できる材料であれば含まれる。更に、上記実施例では、振動子５０の片面のみ液体１４に接触したが、液体１４内に振動子５０を投入する等により、振動子５０の両面を液体に接触させてもよい。
【００５３】
また、本発明は、ＡＰＭ（ＡＣＯＵＳＴＩＣ  ＰＬＡＴＥ  ＭＯＤＥ  ＳＥＮＳＯＲ），ＦＰＷ（ＦＬＥＸＵＲＡＬ  ＰＬＡＴＥ−ＷＡＶＥ  ＳＥＮＳＯＲ），ＳＡＷ（ＳＯＵＲＦＡＣＥ  ＡＣＯＵＳＴＩＣ−ＷＡＶＥ  ＳＥＮＳＯＲ）等、液中で発振する振動子に広く適用することができる。
【００５４】
【発明の効果】
温度の影響により、液体の粘度が変化しても、粘度の温度変化が振動子の発振周波数に与える影響は、振動子の温度特性による発振周波数変化が打ち消すため、発振周波数から温度による影響が消去される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の分析セルの一例
【図２】(ａ)：その分析セルの振動子の平面図    (ｂ)：そのＡ−Ａ線截断面図
【図３】その分析セルを用いた測定方法を説明するための図
【図４】カット角が異なる水晶ＡＴ板を大気中で発振させたときの発振周波数の温度特性を示すグラフ
【図５】その水晶ＡＴ板を純水中に浸漬して発振させたときの発振周波数の温度特性を示すグラフ
【図６】本発明の分析セルの発振周波数の安定性を示すグラフ
【図７】従来技術の分析セルの発振周波数の安定性を示すグラフ
【図８】従来技術の分析セル
【図９】水晶Ｔ板の発振周波数の温度依存性を示すグラフ
【図１０】水の粘性変化が発振周波数に与える影響を示すグラフ
【符号の説明】
１０……分析セル
５０……振動子
５１……第１の発振電極
５２……第２の発振電極
５３……振動板
５４……反応性薄膜
【図１】
0003954430.tif 000003
【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】
0003954430.tif 000009
【図８】
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【図９】
0003954430.tif 000011
【図１０】
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