(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶基板の表面に複数の電極を隣接させて形成し、各電極の裏面に対向電極を形成し、水晶基板の一方の面の電極表面を試料ガスや試料溶液に晒したときの各電極別の主共振周波数の変化またはインピーダンスの変化から試料の成分を各電極別に検知・定量するマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスにおいて、
前記水晶基板は、試料に晒される面を縁部を残して掘り下げ、その外周部が電極形成部よりも高くなる平坦面を有し、この平坦面に複数の電極を形成し、この掘り下げた平坦面を試料溜めとした構造とし、この裏面の対向電極が形成される面を掘り下げた凹部をもつ構造としたことを特徴とするマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイス。
【請求項２】
水晶基板の表面に複数の電極を隣接させて形成し、各電極の裏面に対向電極を形成し、水晶基板の一方の面の電極表面を試料ガスや試料溶液に晒したときの各電極別の主共振周波数の変化またはインピーダンスの変化から試料の成分を各電極別に検知・定量するマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスにおいて、
前記水晶基板は、試料に晒される面を縁部を残して掘り下げ、その外周部が電極形成部よりも高くなる平坦面を有し、この掘り下げた平坦面を試料溜めとした構造とし、この裏面の対向電極が形成される面を掘り下げた凹部をもつ構造とし、一方の面に形成する電極を１つの共通電極としたことを特徴とするマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶振動子の電極表面を試料ガスや試料溶液に晒したときの水晶振動子の発振周波数やインピーダンス等の電気的特性の変化から電極表面での試料の成分を検知・定量するＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）センサデバイスに係り、特に同じ試料から複数の成分を同時に検知・定量するのに適したマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学・生化学の分野において、反応量や生成物質量を定量することは重要なことであるが、極めて微量の反応量に対して十分な検出感度を得ることは難しかった。
【０００３】
近年、ＡＴカット水晶振動子を用いてマイクロバランス原理を応用したケミカル及びバイオセンサが注目を集めている。ＡＴカット水晶振動子は、その主共振周波数が振動子の板厚と反比例する。この場合、水晶振動子の電極面に試料成分が成膜したり、あるいは物質の吸着が起きると表面に存在する物質の単位平面積当たりの重量に対応した周波数のシフトが起きる。
【０００４】
ＱＣＭセンサは、上記の周波数シフト現象を応用したもので、ＡＴカット水晶振動子は広い温度範囲において周波数が安定しているため、安定した検出感度が期待でき、条件が揃えば１〜１０ｎｇの吸着物質の検出がリアルタイムで可能である。以下に吸着物質量と周波数のシフト量の関係を示す。
【０００５】
まず、ＡＴカット水晶振動子の共振周波数は、下記の（１）、（２）式で表わされる。
【０００６】
【数１】
0003933340.tif 000002
【０００７】
ここで、ｆ0：水晶振動子の主共振周波数、ν：水晶中での音速、ｔq：水晶の厚さ、μq：せん断弾性定数、ρq：水晶の密度である。
【０００８】
この主共振周波数ｆ0を持つ水晶振動子の表面に生じる質量変化Δｍは、主共振周波数と水晶の厚さの関係式を展開してＳａｕｅｒｂｒｅｙの（３）式のようになる。
【０００９】
上記の（３）式において、Δｆは質量付加による周波数変化、Ａpiezoは電気的有効面積、Ｃfは全体感度である。これを液中で使用する際に、Δｆは液の粘度と密度にも影響されるため、（４）式のように書き直される。
【００１０】
ここで、ηLは溶液の粘性率、ρLは溶液の密度、ω0＝２πｆ0である。また、全体感度Ｃfは（５）式で表わされる。
【００１１】
上記の（５）式から分るように、全体感度Ｃfを上げるには主共振周波数ｆ0を上げることが重要となる。また、全体感度Ｃf自身も周波数の関数であるから、実際に周波数のずれ量Δｆは主共振周波数ｆ0の３／２乗に依存することになる。
【００１２】
従って、センサとして用いる水晶振動子の主共振周波数を高くするほど、高感度のセンサとすることができる。例えば、図５は、１５ｗｔ％（重量パーセント）のグルコース溶液に浸した水晶振動子の周波数シフト量Δｆを主共振周波数ｆ0の変化に対してプロットしたものである。主共振周波数ｆ0が高ければ同じ電極表面の吸着量に対して共振周波数のずれが大きく取れることが分る。
【００１３】
上記のように、ＡＴカット水晶振動子は、厚みすべりのモードを使用しているため、主共振周波数ｆ0はその厚みｔqと反比例する。また、水晶振動子は、十分なγ値（水晶振動子の等価回路では並列容量と直列容量の比、通常はＡＴカットで２５０ぐらいで少ない程よい）を得るためには電極有効面積も周波数に比例して小さくする必要がある。以上の理由で高周波用の水晶振動子は電極面積が小さく、しかも水晶厚の薄いものが必要となる。
【００１４】
一方、ＱＣＭセンサを実現するには、共振周波数を正確に測り、なおかつ振動子表面は試料ガスあるいは試料溶液に晒すという条件を満たすため、図６に示すように、水晶振動子１を容器２内に保持させ、試料に晒す振動子表面のみを露出させてその周辺をＯリング３等でシールし、水晶振動子の電極１Ａ，１Ｂからリード線を使って発振回路またはインピーダンス測定回路４に接続する装置構成になる。
【００１５】
上記のような構成になるＱＣＭセンサは、その水晶振動子を高周波に対応した薄い水晶基板とする場合、シール部にかかる応力により基板が歪んだり割れたりするため、高周波のセンサデバイスは実用化が難しかった。しかし、Ｚｕｘｕａｎ  Ｌｉｎ等により単一セルでエッチングにより基板の中央部のみを薄くする方法でＱＣＭセンサデバイスを作製する方法が提案されている。この場合、水晶振動子の枠にあたる部分は従来用いられていた５〜６ＭＨｚ相当（０.３ｍｍ程度）の厚みを持っており、シールによって大きな歪みを発生することもない。また、薄板化された部分は電極面積を十分に小さく取ってエネルギートラップが起こっているため、枠の影響を受けにくくすることができる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような方法でセンサ感度を上げるＱＣＭセンサが実現されるが、従来のＱＣＭセンサデバイスは何れも１セル内に１つのセンサしか配置されていない。したがって、従来のＱＣＭセンサは、１サンプルから一度に１つの成分の測定しか行なえない。
【００１７】
このことは、例えば、複数の成分を含む試料溶液から各成分を検知・定量するには、成分毎にそれを検知・定量できるセルを用意し、１セル１サンプルという制約された測定になり、複数の成分測定にはそれだけ測定時間が長くかかるし、測定コストも高くなるという問題がある。
【００１８】
測定時間を短縮しようとするものとして、マルチチャンネルタイプのＱＣＭセンサがある。このセンサは、基板ホルダーに複数の水晶振動子を取り付け、各水晶振動子上にプローブを移動操作し、各水晶振動子での試料成分のデータを得る装置構成になる。
【００１９】
しかし、このマルチチャンネルタイプのＱＣＭセンサは、プローブの移動操作による電界印加になり、プローブと各水晶振動子の相対位置のずれが発振周波数やインピーダンスを変化させてしまう。このため、従来のマルチチャンネルタイプＱＣＭセンサは、水晶振動子の共振周波数等の測定条件を正確に維持するための装置構成が難しく、結果的に安定した測定が望めないという問題がある。
【００２０】
したがって、本発明は、センサ部をマルチチャンネル化しながら安定した測定を可能にし、しかもセンサ部の主共振周波数を高周波化することにより高精度測定を可能にしたマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスを提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
従来の技術で述べたように、高感度なセンサを得るためには、基板厚を薄くした高周波振動子を用いる必要があるが、機械的強度から薄板化が制約される。例えば、５ＭＨｚ位の主共振周波数を持つものでは、図６のように、試料雰囲気を測定回路部分から分離を行なうためにシールドを施す場合、水晶基板の割れや歪みを少なくするためには、少なくとも０.２５ｍｍ以上の基板厚が必要となる。
【００２２】
また、従来のＱＣＭセンサデバイスは１サンプルから一度に１つの成分の測定しか行なえない。
【００２３】
このような課題を解決するＱＣＭセンサデバイスとして、本願出願人等はマルチチャンネル化したＱＣＭセンサデバイスを既に提案している。
【００２４】
このマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスは、図７に平面図（ａ）と断面図（ｂ）で示すように、水晶基板１０の周辺部は厚くしてその機械強度を確保し、４チャンネル分の電極１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄとそれらの裏面電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄが形成される振動子部分を水晶基板１０の両面からエッチング処理で薄くした構造とすることで高周波化を図る。
【００２５】
例えば、５ＭＨZ位の主共振周波数をもつ厚みにした１インチ角の基板の両面に、各電極膜の形成部分を主共振周波数が１０ＭＨZ以上になる厚みにまでエッチングした構造とする。
【００２６】
また、上記のマルチチャンネル構造の各電極１１Ａ〜１１Ｄには、検知・定量しようとするサンプルの成分毎に異なるレセプターを固定化することにより、１サンプルで電極別に異なる成分を一度に検知・定量することを可能にし、しかも、従来のプローブの移動操作機構を不要にする。
【００２７】
例えば、試料に晒される側の電極１１Ａ〜１１Ｄの表面には、試料から検知・定量しようとする成分に応じた互いに異なるレセプターが形成される。例えば、電極１１Ａには「はしか」のウイルスを検知・定量するための「抗はしかウイルス抗体」が固定化され、電極１１Ｂにはインフルエンザの抗体を検知・定量するためのインフルエンザ抗原が固定化されることで、異なるウイルスの検知・定量を一度に行うことができる。
【００２８】
ここで、ＱＣＭセンサデバイスは、電極面を試料溶液に晒して検知・定量測定を行った後、次回の測定に備えて試料に晒された電極をもつ基板面の洗浄を必要とする。この洗浄は、例えば、電解液から銀等を電極面に析出させた場合、析出したときと逆方向に電流を流し、析出した物質等を電極面から離脱させる。その後、酸性溶液（例えばフッ酸）により水晶基板面を洗浄する。
【００２９】
この洗浄において、上記のマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスは、電極１１Ａ〜１１Ｄ部が掘り下げられた構造のため、前回の測定に使用された試料溶液や試料ガス及び析出された試料成分を完全に除去するのが難しくなる。特に、マルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスでは、多チャンネル化を図るほど、基板面に多数箇所で凹凸部が形成され、完全な洗浄が一層難しくなる。これら電極面等への成分の残留は次回の測定精度に影響を及ぼす恐れがある。
【００３０】
そこで、本発明は、マルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスにおいて、試料に晒される基板面を平坦構造とすることでその面の洗浄を確実、容易にしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００３１】
（第１の発明）
水晶基板の表面に複数の電極を隣接させて形成し、各電極の裏面に対向電極を形成し、水晶基板の一方の面の電極表面を試料ガスや試料溶液に晒したときの各電極別の主共振周波数の変化またはインピーダンスの変化から試料の成分を各電極別に検知・定量するマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスにおいて、
前記水晶基板は、試料に晒される面を縁部を残して掘り下げ、その外周部が電極形成部よりも高くなる平坦面を有し、この平坦面に複数の電極を形成し、この掘り下げた平坦面を試料溜めとした構造とし、この裏面の対向電極が形成される面を掘り下げた凹部をもつ構造としたことを特徴とする。
【００３３】
（第２の発明）
水晶基板の表面に複数の電極を隣接させて形成し、各電極の裏面に対向電極を形成し、水晶基板の一方の面の電極表面を試料ガスや試料溶液に晒したときの各電極別の主共振周波数の変化またはインピーダンスの変化から試料の成分を各電極別に検知・定量するマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスにおいて、
前記水晶基板は、試料に晒される面を縁部を残して掘り下げ、その外周部が電極形成部よりも高くなる平坦面を有し、この掘り下げた平坦面を試料溜めとした構造とし、この裏面の対向電極が形成される面を掘り下げた凹部をもつ構造とし、一方の面に形成する電極を１つの共通電極としたことを特徴とする。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態を示すマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスの平面図（ａ）と断面図（ｂ）であり、４チャンネル構成の場合である。
【００３６】
水晶基板２０は、４角形で一様な厚みを持つＡＴカット水晶で構成される。水晶基板２０の表裏面には、その四方に対向して円形の電極（金や白金など）２１Ａ〜２１Ｄと、その裏面電極２２Ａ〜２２Ｄが形成され、各電極２１Ａ〜２１Ｄ、２２Ａ〜２２Ｄはそれぞれリード線２３Ａ〜２３Ｄ等で基板周辺の端子に引き出される。
【００３７】
なお、水晶基板２０の電極形成面の厚みは、前記の式（１）（２）に従った主共振周波数ｆ0（５ＭＨZや１０ＭＨZ）に応じて決定される。また、電極の面積は前記の式（３）〜（５）での感度を決める要素として決定される。
【００３８】
このような構造のセンサデバイスを使ったマルチチャンネルＱＣＭセンサを構成するには、前記の図６と同様に、一方の面を試料に晒す構造にされる。この試料に晒される側の電極２１Ａ〜２１Ｄの表面には、試料から検知・定量しようとする成分に応じた互いに異なるレセプターが形成される。
【００３９】
また、各電極２１Ａ〜２１Ｄ、２２Ａ〜２２Ｄから引き出された端子は、個別の発振回路またはインピーダンス測定回路に接続または１つの発振回路またはインピーダンス測定回路に時分割で切り替え接続され、電極２１Ａ〜２１Ｄ側が試料に晒された場合の発振周波数変化またはインピーダンス変化が個々に計測される。
【００４０】
ここで、本実施形態のマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスが図７と異なる部分は、試料に晒される電極２１Ａ〜２１Ｄを形成する水晶基板面は平坦にされ、裏面に形成する電極２２Ａ〜２２Ｄ側の水晶基板面は主振動周波数の関係から掘り下げた凹部をもつ構造にされる。
【００４１】
この構造により、マルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスを使った測定では、水晶基板２０は電極２１Ａ〜２１Ｄの形成面が試料に晒される。そして、測定後の水晶基板２０の洗浄は、電極２１Ａ〜２１Ｄの形成面に対して行う。この洗浄に際して、電極２１Ａ〜２１Ｄの形成面は、凹凸部のない平坦構造になるため、試料成分等の残留物を完全に取り除くのが容易になる。
【００４２】
図２は、本発明の他の実施形態を示すマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスの平面図（ａ）と断面図（ｂ）であり、４チャンネル構成の場合である。
【００４３】
同図が図１と異なる部分は、試料に晒される水晶基板面に形成する電極を１つの共通電極２１とした点にある。
【００４４】
この共通電極２１は、一か所のリード線２３で基板周辺の端子に引き出される。また、共通電極２１は、その裏面電極２２Ａ〜２２Ｄに対向する部分に、試料から検知・定量しようとする成分に応じた互いに異なるレセプターが境界を有して形成される。
【００４５】
本実施形態においても、前記の図１のものと同様に、洗浄に際して、共通電極２１の形成面は、凹凸部のない平坦構造になるため、試料成分等の残留物を完全に取り除くのが容易になる。
【００４６】
これに加えて、本実施形態では、水晶基板面に電極を形成するのに、一方の面には１つの共通電極２１の形成で済み、製造が容易になる。すなわち、電極の形成は、水晶基板の一面に金を蒸着した後、フォトリソグラフィー法や化学エッチング法などにより各チャンネルのパターニングを行うが、共通電極の形成にはパターニングが不要となり、裏面電極のみパターニングすることで済む。
【００４７】
また、本実施形態では、測定に際して、電極から引き出された端子を、個別の発振回路またはインピーダンス測定回路に接続または１つの発振回路またはインピーダンス測定回路に時分割で切り替え接続するのに、共通電極２１から引き出された端子は１カ所になり、これら接続又は切り替え接続が容易になる。
【００４８】
さらにまた、本実施形態では、試料に晒される水晶基板面のほぼ全面が共通電極（金電極）２１で覆われているため、試料と水晶基板が直接に接触することがなく、水晶基板をその汚染や腐食から保護することが可能である。
【００４９】
以上のような構造（図１、図２）としたマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスは、試料に晒される面が平坦構造になるため、図７の構造に比べてその洗浄が容易であるが、平坦構造であるがために振動が基板面全体に伝搬し、チャンネル間の干渉の有無やチャンネル毎の定量性が低下することが予想されるが、これら干渉の発生や定量性の低下は起きないことを実験で確認した。
【００５０】
この実験に使用したマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスは、図７及び図１、図２の４チャンネル構造で、水晶基板２０の厚さは２２７μｍ、電極形成部（凹部）の厚さが１６７μｍで直径が８ｍｍ、電極の直径が４.５ｍｍ（共通電極は全面）とし、各チャンネルの共振周波数が１０ＭＨZのものとした。
【００５１】
そして、各チャンネルに水を滴下したり、あるいは電解液中で銀を電気化学的に析出させるなどしてチャンネル間の干渉の有無や定量性について調べた。このためのインピーダンス測定はネットワークアナライザを用い、発振周波数については発振器と周波数カウンタを用いた。以下、チャンネル間の干渉等について個別に説明する。
【００５２】
（１）チャンネル間の干渉
図７及び図１、図２の構造で、上記の形状のセンサデバイスについて、チャンネルＡ〜Ｄのいずれかに水を滴下したときの、チャンネルＡのインピーダンス特性の変化を観測した。その結果、下記の表に示すように、チャンネルＡに水を滴下したときのみ、共振周波数の変化ΔＦ及び等価回路の抵抗値の変化ΔＲ1などにノイズレベルを越える変化がみられ、他のチャンネルに水を滴下した場合にはチャンネルＡには変化が見られなかった。また、図１および図２のセンサデバイスは、図７のものとでは差異が少なく、振動が他のチャンネルに伝搬せず、チャンネル間の干渉がないことが確認された。
【００５３】
【表１】
0003933340.tif 000003
【００５４】
（２）チャンネル毎の定量性
０.２Ｍ過塩素酸を含む１ｍＭ硝酸銀水溶液中で、チャンネルＡ〜Ｄのいずれかに銀を析出させ（定電流：１μＡ）、チャンネルＡにおけるインピーダンス特性、あるいは発振周波数の変化を測定した。
【００５５】
その結果、図３に示すように、チャンネルＡに電解析出させたときのみ、周波数等の変化を観測することができた。また、このときの周波数変化は、Ｓａｕｅｒｂｒｅｙの式から予測される値（理論値）とほぼ一致した。
【００５６】
これらのことから、図１、図２の構造のセンサデバイスは、図７のものと同様に、各チャンネルは独立した振動子として質量変化の定量的評価に使用できることが確認された。
【００５７】
図４は、本発明の他の実施形態を示すマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスの平面図（ａ）と断面図（ｂ）であり、４チャンネル構成の場合である。
【００５８】
同図が図１と異なる部分は、試料に晒される側の水晶基板面を縁部を残して掘り下げた平坦面に電極２１Ａ〜２１Ｄを形成した点にある。
【００５９】
本実施形態は、水晶基板の表裏面に対向させて形成する電極のうち、試料に晒される電極の形成部分を掘り下げた構造とし、この掘り下げ部分を試料溜めにするものである。
【００６０】
本実施形態は、測定対象試料が溶液になる場合に適用できるものであり、電極２１Ａ〜２１Ｄの形成部に試料溜めができるよう基板面を縁部を残して掘り下げ、その外周部が電極形成部よりも高くなる構造としている。
【００６１】
以上の構造になるマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスにおいては、前記の実施形態の構造に比べて、試料に晒される面には基板周辺部で凹部が形成されるが、電極間には凹凸部がなく、図７のものに比べてその洗浄が容易になる。
【００６２】
しかも、縁部の作用により、基板上の試料溶液が基板周辺に流れ出すことを防止できる。また、基板周辺に付着する電極接着剤等が試料溶液に混入したり反応するのを防止できる。
【００６３】
なお、試料溜めをもつ構造は、図２の構造のものにも適用できる。つまり、共通電極２１を形成する面を試料溜めができる深さまで掘り下げた構造とすることができる。
【００６４】
以上までの各実施形態において、試料に晒されない電極側を１つの共通電極にして同等の作用効果を得ることができる。例えば、図１の構造において裏面電極２２Ａ〜２２Ｄを１つの共通電極とすること、図２の構造において試料に晒される面にチャンネル毎の電極を設け、裏面電極を１つの共通電極とすること、図４の構造において裏面電極２２Ａ〜２２Ｄを１つの共通電極とすることができる。
【００６５】
また、実施形態では、４チャンネルの場合を示すが、９チャンネルなど多チャンネルＱＣＭセンサデバイスとすることができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、試料に晒される電極形成部の面を平坦構造にしたため、試料に晒された電極形成部の洗浄が確実、容易になり、しかも、平坦構造にしてチャンネル間の干渉が発生することなく、定量性にも影響なく、各チャンネルを独立した振動子とすることができ、高精度の繰り返し測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイス。
【図２】本発明の他の実施形態を示すマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイス。
【図３】実施形態における周波数変化の測定結果。
【図４】本発明の他の実施形態を示すマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイス。
【図５】ＱＣＭセンサによる周波数シフト特性の例。
【図６】ＱＣＭセンサデバイスの収納装置の例。
【図７】本発明に係るマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイス。
【符号の説明】
１０、２０…水晶基板
１１Ａ〜１１Ｄ、２１Ａ〜２１Ｄ…試料に晒される電極
１２Ａ〜１２Ｄ、２２Ａ〜２２Ｄ…裏面電極
２１…共通電極
【図１】
0003933340.tif 000004
【図２】
0003933340.tif 000005
【図３】
0003933340.tif 000006
【図４】
0003933340.tif 000007
【図５】
0003933340.tif 000008
【図６】
0003933340.tif 000009
【図７】
0003933340.tif 000010