CN101568820A

CN101568820A - 感测装置

Info

Publication number: CN101568820A
Application number: CNA2007800481940A
Authority: CN
Inventors: 小山光明
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2009-10-28
Also published as: JP2008157751A; EP2098852A1; JP4713459B2; US8434351B2; TWI443338B; WO2008078832A1; TW200835915A; US20100024532A1

Abstract

本发明的目的在于提供一种感测装置，其使用固有振荡频率由于与液体接触及该液体中的感测对象物的吸附而变化的石英振子等压电振子，并且能够抑制伴随频率变化的检测灵敏度的精度提高而产生的不良影响。本发明的感测装置构成为，包括：为了使压电振子振荡，以使驱动电流为0.3mA以下的方式向该压电振子供给振荡驱动电力的振荡电路；和基于上述振荡电路的振荡输出，测定感测对象物的浓度的测定部。根据上述结构，能够抑制压电振子的自发热。因此能够抑制压电振子的振荡频率的变化，结果能够正确地检测出由感测对象物的吸附引起的频率的变化量。

Description

感测装置

技术领域

本发明涉及使用压电振子例如石英振子，检测该压电振子的固有振荡频率的变化量，从而感测液体中的感测对象物的感测装置，该压电振子在其表面形成有用于吸附感测对象物的吸附层，其与液体接触，固有振荡频率由于该液体中的感测对象物的吸附而变化。

背景技术

作为感测微量物质的方法，已知使用石英振子的感测装置。该感测装置是，在石英振子的表面形成用于吸附感测对象物的吸附层而构成石英传感器，当感测对象物吸附在石英振子上，具体而言吸附在吸附层上时，其固有振荡频率根据该吸附量而变化，利用该点测定感测对象物的有无或者其浓度，该感测装置的应用范围广泛，装置结构简单，而且灵敏度高，具有即使是极微量的物质也能够进行测定的优点。因此，在一直以来对包含在血液、尿液等中的传染病标志物进行分析时，如果使用石英传感器，则能够期待代替现有方法的有效的方法。

本申请的申请人，作为石英传感器的应用对象，研究了例如作为环境污染物质的二恶英(dioxin)、PCB或血液中的传染病标志物等，如果通过该方法能够高精度地测定对象物质则是划时代的成果。这是因为，在现状下，例如作为测定二恶英的方法，已知使用气相色谱质谱分析仪的方法和ELISA法(适用酶联免疫吸附测定法)，但气相色谱质谱分析仪的装置价格极高，因此分析成本也相当高，而且分析需要较长的期间，ELISA法与气相色谱质谱分析仪相比，装置价格、分析价格较低，分析所需的时间也较短，但存在分析精度低的问题。

如果不要求很高的测定精度，则制造使用石英传感器的感测装置并不困难，但如果要求较高的测定精度，则实际制造十分困难。其理由是，正确地且在短时间内捕捉微小的频率变化是非常困难的，而且感测物质的吸附以外的对频率变化的外部干扰较多。

基于上述情况，本申请的申请人开发了下述技术(专利文献1)：将振荡电路的频率信号数字化，对由该数字信号确定的正弦波信号进行正交检波，制作以根据该正弦波信号与用于检波的正弦波信号的频率差确定的速度旋转的旋转矢量，通过监测该旋转矢量的速度，能够以极高的精度检测频率变化。但是频率变化的检测灵敏度越高，外部干扰对测定误差造成的影响越大。

使用上述的旋转矢量的方法，首先向具有石英振子的感测传感器内供给纯水，然后供给包含作为感测对象物的抗原的试液，作为设置于石英振子的吸附层的抗体层与抗原产生抗原抗体反应，从而捕捉到抗原，如后述的实验例所说明的图11和图12所示，频率下降。但是，能够观察到在测量过程中频率缓缓上升的趋势，存在难以进行供给试液后的频率的终点检测，特别是在抗原浓度较小、频率变化较小的情况下，存在难以进行频率的终点检测的问题。

本发明者研究其原因，结果得出结论这是由于石英片的自发热所造成的，这也能够根据后述的实验例推测得出。即，当使石英振子在液体中振动时，石英片的等效串联电阻增大至例如150欧姆，因此由于流过驱动电流而自发热。此处，图14为石英振子的频率-温度特性图，由于石英振子的自发热，频率沿着三次曲线的特性曲线例如从点a移动至点b，其结果，能够认为频率产生了变动。对频率缓缓上升的现象进行考虑，温度在图14的三次曲线的下游侧部分滑动，结果与频率沿着该曲线上升的情况相吻合。

因此，存在即使特意对频率采用高精度的方法进行检测，也无法充分发挥其优点的问题。

专利文献1：日本特开2006-258787号公报

发明内容

本发明基于上述问题提出，其目的在于提供一种感测装置，其使用固有振荡频率由于与液体接触及该液体中的感测对象物的吸附而变化的石英振子等压电振子，并且能够抑制伴随频率变化的检测灵敏度的精度提高而产生的不良影响。

本发明提供一种感测装置，其使用压电振子，基于上述压电振子的固有振荡频率的变化感测液体中的感测对象物，该压电振子在其表面形成有用于吸附感测对象物的吸附层，并与液体接触，且固有振荡频率由于该液体中的感测对象物的吸附而变化，该感测装置的特征在于，包括：

用于使上述压电振子振荡的、以使驱动电流为0.3mA以下的方式向该压电振子供给振荡驱动电力的振荡电路；和

基于上述振荡电路的振荡输出测定感测对象物的浓度的测定部。另外，当液体与压电振子接触时，上述压电振子的等效串联电阻的值为例如150Ω以上。

根据本发明，虽然当液体与压电振子接触时压电振子的等效串联电阻增大，但因为用于使压电振子振荡的驱动电流被设定为0.3mA以下，所以如后述的实验例所示，能够抑制压电振子的自发热。因此能够抑制压电振子的振荡频率的变动，结果能够正确地检测出由感测对象物的吸附引起的频率的变化量，能够高精度地检测出感测对象物的浓度。

附图说明

图1是表示本发明的包括石英传感器的感测装置的实施方式的外观的立体图。

图2是表示在上述实施方式中使用的石英传感器的概要截面图。

图3是表示在上述实施方式中使用的石英振子和周边配线的说明图。

图4是表示上述实施方式的感测装置的电路框图。

图5是表示上述感测装置的操作顺序的说明图。

图6是表示测定部的一个例子的框图。

图7是表示图6所示的电路框图的一部分的结构图。

图8是表示利用图7所示的框图提取的旋转矢量的说明图。

图9是表示以0.1mA的驱动电流下的频率温度特性作为基准，10mA的驱动电流下的频率温度特性与其的差的特性图。

图10是表示频率温度特性的特性图。

图11是表示抗原抗体反应前后的石英振子的振荡频率的状态的特性图。

图12是表示抗原抗体反应前后的石英振子的振荡频率的状态的特性图。

图13是表示频率时间特性的特性图。

图14是表示频率温度特性的特性图。

具体实施方式

以下说明本发明的感测装置的实施方式。首先，对感测装置的整体结构进行说明。如图1所示，该感测装置包括：多个例如8个石英传感器1，和自由装卸地安装有该石英传感器1的测定器主体100。上述石英传感器1构成为，如图1和图2所示，在作为配线基板的印刷基板21上重叠橡胶片22，以堵塞设置在该橡胶片22中的凹部23的方式设置有作为压电振子的石英振子24，进而从橡胶片22之上安装有上盖壳体25。作为在该实施方式中使用的石英振子24，能够使用例如振荡频率为1～30MHz，在该例子中为9.176MHz的石英振子24。在上盖壳体25形成有试剂溶液的注入口25a和试剂溶液的观察口25b，试剂溶液从注入口25a被注入，使得试剂溶液充满石英振子24的上表面侧的空间。石英振子24的下表面侧利用上述凹部23成为气密空间，由此构成郎之万型的石英传感器。

如图3所示，上述石英振子24在例如圆形的石英片20的两面分别设置有电极24a、24b(背面侧的电极24b与表面侧的周边部连接而形成)，这些电极24a、24b通过导电性粘接剂26与设置在基板21上的一对导电通路即印刷配线27分别电连接。此外，在石英振子24的一面例如电极24a的表面，形成有用于吸附感测对象物的吸附层(未图示)。

接着使用图4对测定器主体100的内部电路进行说明。图4中的4是用于使石英传感器1的石英振子24振荡的振荡电路，测定部6经由缓冲放大器5连接在该振荡电路4的后部。上述振荡电路4构成为科耳皮兹(Colpitts)型振荡电路，Tr是作为振荡增幅元件的晶体管，40、41是作为分割电容成分的电容器，Vcc为恒定电压源。关于其他部位，42～44为电容器，45～48为电阻。此外49为能够自由装卸地与石英传感器1连接的端子部，设置在图1所示的测定器主体100上。在该振荡电路4中设定电路常数，使得石英片20的驱动电流为0.3mA以下。具体而言，调整图4所示的电阻45、46、47的电阻值，从而将其设定为0.3mA以下。

上述测定部6，能够利用例如在前述的专利文献1中记载的使用旋转矢量的方法测定振荡输出的频率，也可以采用例如具有频率计数器、和对其计数的变化量进行运算的演算部等的结构。在后面叙述该测定部6的具体的电路结构的一个例子。

另外，在该例子中，采用安装有8个石英传感器1的八通道结构，图4所示的电路构成为：准备有8个通道，能够切换各通道的输出并使其与测定部6连接。

接着参照图5对该感测装置的作用进行说明。首先，将石英传感器1(参照图1)插入测定器主体100，例如为了求取空白值，使不包含感测对象物的溶液例如纯水充满石英传感器1内。当石英传感器1内充满纯水时，石英片20的等效串联电阻的值为例如150Ω～500Ω左右。然后，对该石英片20从上述振荡电路4施加振荡驱动电力，使得上述石英片20的驱动电流为0.3mA以下例如0.2mA。因为此时纯水的粘度比大气气氛大，所以如图5所示，由于纯水附着在石英面上，石英振子24的振荡频率比在大气气氛中使石英振子24振荡的情况下的振荡频率更低。接着，在已对石英片20施加0.2mA的振荡振动电力的状态下，向石英传感器1内的纯水中注入包含感测对象物例如二恶英的溶液。上述二恶英通过抗二恶英抗体的选择性的分子捕捉被石英振子24的表面的吸附层捕获，如图5所示，根据其吸附量，石英振子24的振荡频率变化Δf。如后述的实验例所说明的，在石英振子24的振荡频率由于抗原抗体反应而变化之后，频率不会缓缓上升而是稳定的。求取此时的石英振子24的振荡频率，求取Δf，并基于预先求得的Δf与二恶英的浓度的关系式(标定曲线)求得二恶英的浓度。该浓度显示在例如未图示的显示部中。另外，也可以将检测出的浓度和预先设定的浓度进行比较，如果比设定浓度高则输出“有”，如果比设定浓度低则输出“无”。

根据上述实施方式，用于使石英振子24振荡的驱动电流设定为0.3mA以下，在该例子中为0.2mA，因此，即使石英振子24与液体接触，其等效串联电阻增大，也能够如后述的实验例所示抑制石英振子24的自发热。因此能够抑制石英振子24的振荡频率的变动，结果能够正确地检测出因感测对象物(在本例中为二恶英)的吸附而引起的频率的变化量，能够高精度地测量二恶英的浓度。特别是旋转矢量方式这样的检测灵敏度极高的装置，石英振子24的自发热部分也会反映在频率检测数据中，因此本发明对其是有效的。

另外，作为感测对象物，也可以例如是传染病标志蛋白质、传染病的细菌、PCB等。

此处，在图6中表示上述的测定部6的一个例子。在图6中，81是基准时钟产生部，为了对来自上述开关部的频率信号进行采样，输出频率的稳定性极高的频率信号即时钟信号。82是A/D(模拟/数字)变换器，对上述频率信号利用来自基准时钟产生部81的时钟信号进行采样，并将其采样值作为数字信号输出。关于上述频率信号的频率fc和采样频率(时钟信号的频率)fs，例如能够将fc设定为11MHz，将fs设定为12MHz。在此情况下，由作为来自A/D变换器61的数字信号的输出信号确定的频率信号的基波为1MHz的正弦波。

在A/D变换器82的后部，载波去除器83和低通滤波器84按照该顺序被设置。载波去除器83和低通滤波器84用于提取旋转矢量，该旋转矢量以由来自A/D变换器82的数字信号确定的例如1MHz的正弦波信号的频率与在正交检波中使用的正弦波信号的频率的差的频率旋转。

为了简单易懂地说明提取旋转矢量的过程，令由来自A/D变换器82的数字信号确定的正弦波信号为Acos(ω0t+θ)。另一方面，如图7所示，载波去除器83包括对上述正弦波信号乘以cos(ω0t)的乘法计算部83a，和对上述正弦波信号乘以-sin(ω0t)的乘法计算部83b。即通过这样的运算而进行正交检波。乘法计算部83a的输出和乘法计算部83b的输出分别由(2)式和(3)式表示。

Acos(ω0t+θ)·cos(ω0t)

＝1/2·Acosθ+1/2{cos(2ω0t)·cosθ+sin(2ω0t)·sinθ}……(2)

Acos(ω0t+θ)·-sin(ω0t)

＝1/2·Asinθ-1/2{sin(2ω0t)·cosθ+cos(2ω0t)·sinθ}……(3)

接着，通过使乘法计算部83a的输出和乘法计算部83b的输出分别通过低通滤波器84a和84b，除去2ω0t的频率信号，因此，结果从低通滤波器84提取了1/2·Acosθ和1/2·Asinθ。

当以Acos(ω0t+θ)表示的正弦波信号的频率变化时，Acos(ω0t+θ)变为Acos(ω0t+θ+ω1t)。其中ω1相比于ω0充分小。于是1/2·Acosθ成为1/2·Acos(θ+ω1t)，1/2·Asinθ成为1/2·Asin(θ+ω1t)。即，从低通滤波器84得到的输出为与正弦波信号[Acos(ω0t+θ)]的频率的变化量ω1/2π对应的信号。即，上述值是对旋转矢量进行复数表示时的实数部分(I)和虚数部分(Q)，该旋转矢量以由来自A/D变换器82的数字信号确定的正弦波信号的频率与在正交检波中使用的正弦波信号的频率ω0/2π的差的频率旋转。

图8是表示该旋转矢量的图，该旋转矢量的角速度为ω1。因此，如果上述正弦波信号的频率不变化，则ω1t为0，该旋转矢量的旋转速度为0，当感测对象物质吸附在石英振子24上，石英振子的频率变化，由此上述正弦波信号的频率变化时，该旋转矢量以与该变化量对应的旋转速度旋转。

但是，与不存在感测对象物质时的石英振子的振荡频率对应的角速度与在正交检波中使用的正弦波信号的角速度一致的情况极为少见，因此，实际上，能够分别求出与不存在感测对象物质时的石英振子的振荡频率对应的旋转矢量的角速度，和与存在感测对象物质时的石英振子的振荡频率对应的旋转矢量的角速度，从而求取该角速度的差。该旋转矢量的角速度的差是与由于感测对象物质吸附在石英振子上而引起的石英振子的频率的变化量对应的值。

实施例

接着叙述为了确认本发明的效果而进行的实验。

<实施例1>

对驱动电流进行各种变化，进行求取石英振子24的频率温度特性的实验，对该数据中驱动电流为10mA的情况进行研究。图9表示以0.1mA的驱动电流下的频率温度特性为基准，10mA的驱动电流下的频率温度特性与其的差。图10表示驱动电流为0.1mA时的频率温度特性和驱动电流为10mA时的频率温度特性。如图10所示，当设85℃下0.1mA的驱动电流时的频率为f1时，根据图9可知85℃下10mA的驱动电流时的频率为f1+0.7×10^-6。该f1+0.7×10^-6的频率在驱动电流为0.1mA时，在温度为(85+Δt)℃的位置被检测出，与此相对，在驱动电流为10mA时，在温度为85℃的位置被检测出。由此可知，在驱动电流较大的情况下，如图10所示，频率温度特性在表观上向低温侧(在图10中为左侧)偏移。即可知，如图10所示，在驱动电流为10mA时，原本应该在(85+Δt)℃检测得出的频率(f1+0.7×10^-6)在温度为85℃的位置被检测得到。即，虽然周围的温度为85℃，但石英振子24的频率成为与(85+Δt)℃的温度对应的大小。能够推测其原因是由于已驱动的石英振子24的自发热(内部发热)使温度上升了Δt。从而，可以说当驱动电流增加时，石英振子24的内部温度增加。

<实施例2>

(实施例1-1)

在使用上述感测装置的感测对象物的测定中，向石英传感器1内供给规定量的纯水，施加振荡驱动电力，使得石英片20的驱动电流为0.2mA。接着，在已对石英片20施加了0.2mA的驱动电流的状态下，向石英传感器1内的纯水中注入规定量的含有100μg/ml的CRP抗体的PBS溶液(磷酸缓冲液)。然后观察抗原抗体反应前后的石英振子24的振荡频率的状态。其状态如图11所示。另外，在该测定中使用振荡频率为9.176MHz的石英振子24。

(比较例1-1)

除了以使石英片20的驱动电流为0.5mA的方式调整振荡驱动电力之外，使纯水和试液的供给量与实施例1-1相同地进行感测对象物的测定。然后观察抗原抗体反应前后的石英振子24的振荡频率的状态。其状态如图11所示。

(实施例2-1)

除了向石英传感器1内的纯水中注入规定量的含有10μg/ml的CRP抗体的PBS溶液之外，使纯水的供给量和驱动电流与实施例1-1相同地进行感测对象物的测定。然后观察抗原抗体反应前后的石英振子24的振荡频率的状态。其状态如图12所示。

(比较例2-1)

除了进行调整使得驱动电流为0.5mA之外，使纯水和试液的供给量与实施例2-1相同地进行感测对象物的测定。然后观察抗原抗体反应前后的石英振子24的振荡频率的状态。其状态如图12所示。

(结果和对其的分析研究)

图11和图12的纵轴为振荡频率f，横轴为时间t。其中，在图11和图12中的时间t1处向石英传感器1内的纯水中注入上述试液。如图11和图12所示，在由抗原抗体反应引起的石英振子24的振荡频率的变化结束之后，从时间t2到时间t3的石英振子24的振荡频率，在实施例1-1和实施例2-1中大致稳定，与此相对，在比较例1-1和比较例2-1中缓缓上升。此外，如图12所示，可知在实施例2-1和比较例2-1中由于抗原浓度较小，频率变化非常小。因此，通过进行调整使得驱动电流为0.2mA，能够正确地测定抗原抗体反应前的石英振子24的振荡频率与抗原抗体反应后的石英振子24的振荡频率的差。

<实施例3>

(实施例3-1)

在上述感测装置中，进行调整使得驱动电流为0.1mA，在25℃的大气气氛中使石英振子24振荡，测定该情况下的石英振子24的振荡频率。另外，在该测定中使用振荡频率为9.176MHz的石英振子24。

(实施例3-2)

除了进行调整使得驱动电流为0.2mA之外，与实施例1同样地测定石英振子24的振荡频率。

(实施例3-3)

除了进行调整使得驱动电流为0.3mA之外，与实施例1同样地测定石英振子24的振荡频率。

(比较例3-1)

除了进行调整使得驱动电流为0.5mA之外，与实施例1同样地测定石英振子24的振荡频率。

(比较例3-2)

除了进行调整使得驱动电流为7.0mA之外，与实施例1同样地测定石英振子24的振荡频率。

(结果和对其的分析研究)

图13是表示25℃的大气气氛中的实施例3-1、实施例3-2、实施例3-3、比较例3-1和比较例3-2的频率时间特性的特性图。图13中的纵轴为频率偏差(×10^-6)，横轴为时间(秒)。如图13所示，可知在实施例3-1、实施例3-2和实施例3-3中频率几乎没有变化，是稳定的。另一方面，在比较例3-1中没有看到频率的较大的变化，但频率达到稳定的时间与实施例3-1、实施例3-2和实施例3-3相比更长。此外，在比较例3-2中看到了频率的较大的变化，并且频率达到稳定的时间与实施例3-1、实施例3-2和实施例3-3相比非常长。该实验结果为在大气气氛中使石英振子24振荡的情况下的结果，在上述实验例1中，根据在液体中使石英振子24振荡所得的数据能够确认，通过将驱动电流调整为0.2mA能够使频率稳定，能够将图12所示的实验结果作为在液体中使石英振子24振荡的情况下的结果，相关联地进行分析研究。如图12所示，在使驱动电流为0.3mA的情况下，从测定开始的数十秒间会产生一定程度的频率扰动，之后频率达到稳定，从而可知，在上述感测装置中，为了正确地检测出感测对象物的浓度，使石英片20的驱动电流为0.3mA以下是有效的。另外，关于驱动电流的下限值，只要石英振子24能够正常振荡，则对驱动电流的大小没有限制。因此，无需规定驱动电流的下限值。

Claims

1.一种感测装置，其使用压电振子，基于所述压电振子的固有振荡频率的变化，感测液体中的感测对象物，该压电振子在其表面形成有用于吸附感测对象物的吸附层，其与液体接触，固有振荡频率由于该液体中的感测对象物的吸附而变化，该感测装置的特征在于，包括：

用于使所述压电振子振荡的、以使驱动电流为0.3mA以下的方式向该压电振子供给振荡驱动电力的振荡电路；和

基于所述振荡电路的振荡输出，测定感测对象物的浓度的测定部。

2.如权利要求1所述的感测装置，其特征在于：

所述压电振子的等效串联电阻的值为150Ω以上。