(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の共振周波数を有し、前記分析対象物質が付着すると、その付着量によって前記共振周波数が変化する振動子の前記共振周波数の変化量を測定し、付着量変化を求める分析方法であって、
前記振動子の前記共振周波数のうち、基本共振周波数のＮ倍(Ｎは１を含む正の奇数)の周波数であるＮ倍共振周波数を２種類以上選択し、
前記選択した２種類のＮ倍共振周波数の変化量を測定し、測定値から、前記変化量の中に含まれる前記振動子周囲の雰囲気の粘性変化による成分を除去し、前記付着量によって変化する成分を求める分析方法。
【請求項２】
前記振動子の共振周波数のうち、Ｎ倍の周波数のＮ倍共振周波数を３種類以上選択し、
前記付着量によって変化する振動子の成分を２種類以上求め、平均した値を採用する請求項１記載の分析方法。
【請求項３】
前記振動子を、選択した前記Ｎ倍共振周波数で実際に発振させ、前記Ｎ倍共振周波数の種類毎に前記変化量を測定する請求項１又は２のいずれか１項記載の分析方法。
【請求項４】
前記振動子の周波数とインピーダンスの関係から選択した前記Ｎ倍共振周波数の前記変化量を求める請求項１又は２のいずれか１項記載の分析方法。
【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、振動子の共振周波数の変化から微量物質の濃度等を分析する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、溶液中に浸漬された振動子の共振周波数を経時的に測定し、溶液中に含まれる微量の物質を分析する技術が知られている。
【０００３】
図６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、その物質を振動子１０５上に固定する薄膜が形成されている。
【０００４】
容器１１１内には、溶媒１１４が納められており、その溶媒１１４中に振動子１０５を浸漬し、分析対象物質が溶解されたサンプル液を溶媒１１４中に投入すると、溶媒１１４中に分散あるいは溶解した分析対象物質が振動子１０５表面と反応し、固定される。
【０００５】
例えば、溶媒１１４中に、分析対象物質として抗体が含まれている場合、予め振動子１０５表面に抗原の薄膜を形成しておくと、溶媒１１４中の抗体は抗原と反応し、振動子１０５表面に付着し、重量が増加する。また、振動子１０５表面にＤＮＡの二本鎖のうちの一方を付着させ、溶媒中１１４中に他方を含有させた場合には、振動子１０５表面でＤＮＡが形成され、重量が増加する。
【０００６】
実際の測定を行う場合は、振動子１０５は、測定回路１２０内のオシレータ１２１に接続され、振動子１０５固有の共振周波数で発振している。振動子１０５に分析対象の物質が吸着され、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】
オシレータ１２１は周波数カウンタ１２２に接続され、振動子１０５の発振周波数が経時的に測定されている。周波数カウンタ１２２はコンピュータ１２３に接続され、周波数カウンタ１２２によって測定された周波数はコンピュータ１２３に送信され、コンピュータ１２３内の記憶装置に記憶される。このコンピュータ１２３によって周波数変化を分析することで、溶媒１１４中に微量物質が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】
上記のような振動子１０５には、水晶板等の圧電素子が用いられるが、圧電素子は、周囲雰囲気の粘性の大きさによって共振周波数が大きく変化する。
【０００９】
従って、溶媒１１４中に投入するサンプル液の粘度が高いと、溶媒１１４の粘度が増加し、粘度変化が振動子１０５の共振周波数に影響を与え、その結果、発振周波数がずれてしまう。  また、温度変化によって溶媒１１４の粘度が変化すると、その粘度変化も共振周波数変化に影響を与え、測定誤差の原因となっている。図７のグラフは、溶媒１１４として水を用いた場合の、水の粘性変化による周波数変動の影響を示している。
【００１０】
このような粘性変化による影響を排除するため、測定用のサンプル液とは別に、粘度は同じであるが分析対象物質を含まない参照用のサンプル液を用意し、参照用のサンプル液にも振動子を浸漬し、粘度変化による周波数変化を求め、測定用のサンプル液に浸漬した振動子の周波数変化の値から指し引いて、測定対象物質の付着による周波数変化の大きさを求めるようにしていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような方法は、測定の手間が増すばかりでなく、測定用の振動子と同じ個数の振動子が参照用に必要になるため、コスト高になるという問題があり、解決が望まれている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、所定の共振周波数を有し、前記分析対象物質が付着すると、その付着量によって前記共振周波数が変化する振動子の前記共振周波数の変化量を測定し、付着量変化を求める分析方法であって、前記振動子の共振周波数のうち、基本共振周波数のＮ倍(Ｎは１を含む正の奇数)の周波数であるＮ倍共振周波数を２種類以上選択し、前記選択した２種類のＮ倍共振周波数の変化量を測定し、測定値から、前記変化量の中に含まれる前記振動子周囲の雰囲気の粘性変化による成分を除去し、前記付着量によって変化する成分を求める分析方法である。
請求項２記載の発明は、前記振動子の共振周波数のうち、Ｎ倍の周波数のＮ倍共振周波数を３種類以上選択し、前記付着量によって変化する振動子の成分を２種類以上求め、平均した値を採用する請求項１記載の分析方法である。
請求項３記載の発明は、前記振動子を、選択した前記Ｎ倍共振周波数で実際に発振させ、前記Ｎ倍共振周波数の種類毎に前記変化量を測定する請求項１又は２のいずれか１項記載の分析方法である。
請求項４記載の発明は、前記振動子の周波数とインピーダンスの関係から選択した前記Ｎ倍共振周波数の前記変化量を求める請求項１又は２のいずれか１項記載の分析方法である。
【００１３】
本発明は上記のように構成されており、振動子を容器内に配置し、希釈液を容器に入れて、希釈液を振動子上に設けられた反応性薄膜に接触させた状態にし、分析対象物質を含むサンプル液を希釈液中に注入すると、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する。その重量変化により、振動子の共振周波数が変化するので、振動子が発振している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。
【００１４】
実際に測定される振動子の共振周波数は、サンプル液を注入したことによる希釈液の粘度変化や、温度の影響による粘度変化の影響を受け、その結果、共振周波数が変化してしまう。
【００１５】
振動子は、基本となる基本共振周波数と、そのＮ倍(Ｎは１以上の奇数)のＮ倍共振周波数で発振することができる。
【００１６】
サンプルを投入し、共振周波数が変化する前のＮ倍共振周波数を初期値Ｆ0(Ｎ)とし、サンプルを投入し、変化した後のＮ倍共振周波数をＦNとすると、Ｎ倍共振周波数ＦNの変化量ΔＦNは、
ΔＦN＝ＦN−Ｆ0(Ｎ)……(１)
である。
【００１７】
上記変化量ΔＦNの中には、粘性変化による成分ΔFN(粘性)と、吸着や付着による成分ΔFN(吸着)が含まれており、変化量ΔＦNは下記(２)式で表される。
ΔFN = ΔFN(粘性)+ ΔFN(吸着)……(２)
【００１８】
図５は、Ｎ倍共振周波数の変化量ΔＦNと、粘性変化による成分ΔFN(粘性)と、重量変化による成分ΔFN(吸着)との関係を示すグラフである。サンプルは、時刻ｔ0で投入されている。
【００１９】
上記(２)式右辺の、粘性変化による変化量ΔFN(粘性)と吸着や付着による変化量ΔFN(吸着)は、それぞれ下記(３)、(４)式で表すことができる。
【００２０】
ΔFN(粘性)= -N1/2・fq3/2(ρ1η1/πρqμq)1/2 = N1/2・ΔF1(粘性)……(３)
上記(３)式中、ｆq：水晶の基本振動数、ρ1：溶液の密度、η1：溶液の粘度、ρq：水晶の密度(2.648ｇ／cm2)、μq：水晶の剪断弾性係数(2.947×1011ｇ／cm・Ｓ2)、である。
【００２１】
ΔFN(吸着)= -N・2fq2・m/｛A(ρqμq)1/2｝= N・ΔF1(吸着)……(４)
上記(４)式中、ｆq：水晶の基本振動数、ρq：水晶の密度(2.648ｇ／cm2)、μq：水晶の剪断弾性係数(2.947×1011ｇ／cm・Ｓ2)、ｍ：質量、Ａ：電極面積、である。
【００２２】
上記(２)〜(４)式から、変化量ΔＦNは下記(５)式で表すことができる。
ΔFN = ΔFN(粘性)+ ΔFN(吸着) = N1/2・ΔF1(粘性)+ N・ΔF1(吸着)……(５)
【００２３】
Ｎは１以上の奇数であり、所望の値を２種類選択してＮを特定し、変化量ΔFNを測定すると、上記(５)式中では、未知数、は右辺のΔF1(粘性)とΔF1(吸着)の２個になる。
【００２４】
(５)式は、選択した奇数Ｎの個数だけ連立するから、結局、異なる奇数Ｎを２個以上選択して変化量ΔＦNを測定すると、成分ΔF1(粘性) と 成分ΔF1(吸着)を求めることができる。
【００２５】
例えば、奇数Ｎとして、１と３を選択し(Ｎ＝１，３)、１倍共振周波数(基本共振周波数)と３倍共振周波数の変化量ΔＦ1、ΔＦ3をそれぞれ求めると、下記２式が連立し、ΔF1(粘性)とΔF1(吸着)を求めることができる。
【００２６】
ΔF1 = ΔF1(粘性)+ ΔF1(吸着)……(６)
ΔF3 = ３1/2・ΔF1(粘性)+ ３・ΔF1(吸着)……(７)
【００２７】
ΔF1(粘性)とΔF1(吸着)は、ΔFNを測定するたびに求まるから、ΔFNを所望の時間間隔で測定すると、ΔF1(粘性)とΔF1(吸着)の時間変化が求まる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１の符号１０は本発明を適用できる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。
【００２９】
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。
振動子５０は、水晶板等の圧電素子で構成された振動板５３と、該振動板５３の表面に配置された第１の発振電極５１と、裏面に第２の発振電極５２とを有している。
【００３０】
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に密着して配置されている。振動板５３は円形に形成されており、第１、第２の発振電極５１、５２は、振動板５３の中央部分に於いて振動板５３よりも小径の円形形状に形成され、振動板５３の中央位置では、第１、第２の発振電極５１、５２の一方電極の真裏位置に、他方の電極が位置するようになっている。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。他方、第１、第２の発振電極５１、５２は、他の位置では幅狭の導線状になっている。
【００３１】
第１の発振電極５１の中央部分には、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。
【００３２】
容器部１１は、それぞれ石英等の絶縁材料から成る側壁部１６と底板１７とを有している。側壁部１６は円筒形形状になっており、振動板５３は、側壁部１６の開口と平行にされて側壁部１６内に固定されている。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。
【００３３】
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側の面側の開口は底板１７によって閉塞されている。
【００３４】
第１の発振電極５１は、振動板５３の表面側に配置されているが、その一部は、裏面側まで引き回されている。そして、第１、第２の発振電極５１、５２は、振動板５３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、外部に導出されている。
【００３５】
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溶液を分析する場合、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、分析対象の溶液を入れる。図３の符号１４はその溶液を示しており、符号１３は蒸発防止のための蓋である。
【００３６】
この状態では、液体１４は、振動子５０上に蓄えられ、振動子５０よりも下方の底板１７側には漏出しない。
【００３７】
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。
【００３８】
分析セル１０の、底板１７外部に導出されたリード５６、５７は、測定装置２０に接続されている。
【００３９】
この測定装置２０は、切替器２１と、第１、第２のオシレータ２２ａ、２２ｂと、周波数カウンタ２３と、計算機２４とを有している。
【００４０】
分析セル１０は、切替器２１により、第１のオシレータ２２ａ又は第２のオシレータ２２ｂのいずれか一方に接続するように構成されている。ここでは、２本のリード５６、５７のうち、一方のリード５７は、共通線となって第１、第２のオシレータ２２ａ、２２ｂの両方に接続されており、他方のリード５６が、切替器２１によって、いずれか一方のオシレータに接続されるようになっている。
【００４１】
切替器２１が、第１のオシレータ２２ａと第２のオシレータ２２ｂを切り換える時間は任意に設定できるように構成されているが、ここでは、切り換え時間は１秒に設定され、切替器２１は、第１、第２のオシレータ２２ａ、２２ｂを、１秒毎に交代して分析セル１０に接続するようにされている。
【００４２】
第１のオシレータ２２ａの内部回路の時定数は、分析セル１０の振動子５０を基本共振周波数(１倍波)で共振させるように設定されており、第２のオシレータ２２ａの内部回路の時定数は、振動子を基本共振周波数の３倍の共振周波数(３倍共振周波数)で発振させるように設定されている。
【００４３】
従って、振動子５３は１秒毎に、基本共振周波数Ｆ1と３倍共振周波数Ｆ3で発振する。それらの周波数Ｆ1、Ｆ3は、周波数カウンタ２３によって測定され、測定結果が計算機２４によって記憶される。
【００４４】
計算機２４内部には、振動子５３が第１、第２のオシレータ２２ａ、２２ｂに接続されたときの基本共振周波数の初期値Ｆ0(N=1)と、３倍共振周波数の初期値Ｆ0(N=3)とが記憶されており、測定した共振周波数Ｆ1、Ｆ3と、初期値Ｆ0(N=1)、Ｆ0(N=3)の差、即ち、ΔＦ1＝Ｆ1−Ｆ0(N=1)、ΔＦ3＝Ｆ3−Ｆ0(N=3)を求めると、下記再掲(６)、(７)式、
ΔF1 = ΔF1(粘性)+ ΔF1(吸着)……(６)
ΔF3 = ３1/2・ΔF1(粘性)+ ３・ΔF1(吸着)……(７)
が得られる。
【００４５】
そして、(６)、(７)式から、ΔF1(吸着)が求められるので、結局、共振周波数の変化量中の、吸着や付着等による重量変化に起因する成分ΔF1(吸着)は、１秒間隔で求められる。そして、成分ΔF1(吸着)の時間変化から、溶液中に含まれる分析対象物質の濃度が分かる。
【００４６】
図４は、上記切替器２１を有する測定装置２０に替え、ネットワークアナライザ３３を用いた測定装置３０を分析セル１０に接続した例である。
【００４７】
ネットワークアナライザ３３は、分析セル１０に出力する信号の周波数を連続的に変化させ、インピーダンスを測定することができるから、分析セル１０内の振動子の、周波数とインピーダンスの関係を求め、Ｎ倍共振周波数の変化を測定することができる。
【００４８】
例えば、１倍、３倍、５倍の共振周波数に注目し、それらの変化を計算機３４に出力し、１倍、３倍、５倍の共振周波数の変化量ΔＦ1、ΔＦ3、ΔＦ5を求めると、再掲(６)、(７)式と、５倍共振周波数による(８)式の３式が連立する。
【００４９】
ΔF1 = ΔF1(粘性)+ ΔF1(吸着)……(６)
ΔF3 = ３1/2・ΔF1(粘性)+ ３・ΔF1(吸着)……(７)
ΔF5 = ５1/2・ΔF1(粘性)+ ５・ΔF1(吸着)……(８)
【００５０】
上記(６)〜(８)式のうち、(６)式と(７)式の組合せ、(７)式と(８)式の組合せ、(８)式と(６)式の組合せの各組合せから、成分ΔＦ1(吸着)の値が３種類求まる。それらを平均した値を、成分ΔＦ1(吸着)とすると、誤差を低減することができる。
【００５１】
なお、上記分析セル１０では、振動子５０の片面にだけ液体が接触していたが、両面に接触させて測定しても良い。
【００５２】
また、上記振動子５０には水晶振動子を用いたが、本発明は水晶に限定されるものではなく、ＡＰＭ（ＡＣＯＵＳＴＩＣ  ＰＬＡＴＥ  ＭＯＤＥ  ＳＥＮＳＯＲ）・ＦＰＷ（ＦＬＥＸＵＲＡＬ  ＰＬＡＴＥ−ＷＡＶＥ  ＳＥＮＳＯＲ）・ＳＡＷ（ＳＯＵＲＦＡＣＥ  ＡＣＯＵＳＴＩＣ−ＷＡＶＥ  ＳＥＮＳＯＲ）でも適用することができる。
【００５３】
【発明の効果】
粘性の影響を消去できるので、正確な分析を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いられる分析セルの一例
【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】切替器を用いた測定方法を説明するための図
【図４】ネットワークアナライザを用いた測定方法を説明するための図
【図５】ΔFN と ΔFN(粘性) と ΔFN(吸着)の関係を示すグラフ
【図６】従来技術の水晶振動子による分析方法を説明するための図
【図７】粘性が振動子の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    １１……容器部    ２０、３０……測定装置    ５０……振動子
【図１】
0003911191.tif 000002
【図２】
0003911191.tif 000003
【図３】
0003911191.tif 000004
【図４】
0003911191.tif 000005
【図５】
0003911191.tif 000006
【図６】
0003911191.tif 000007
【図７】
0003911191.tif 000008