JP2004150879A

JP2004150879A - バイオセンサ用セル

Info

Publication number: JP2004150879A
Application number: JP2002314385A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Ito; 敦伊藤; Motoko Ichihashi; 素子市橋; Atsushi Kira; 敦史吉良; Ko Fuwa; 耕不破; Junpei Yuyama; 純平湯山; Hiroyuki Hirano; 裕之平野; Toru Okuno; 亨奥野; Ken Maehira; 謙前平; Koka Shoji; 光花庄司
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】正確な測定を行うことができ、搭載される圧電素子本来の高性能センサ機能を具現したバイオセンサ用セルを提供する。
【解決手段】バイオセンサ用セル１の試料室５ａの底面として用いられる水晶振動板４の上下両表面のうち、試料室５ａ側に面する上側の表面で、充填用シリコン緩衝材７ａ、７ｂを介して試料室５ａの内壁に接合させ、下側の表面にそれぞれ電極９ａ、９ｂに連なる一対の支持ばね６ａ、６ｂを取付けて水晶振動板４を支持させる。また、バイオセンサ用セル１の液洩れ貯留室５ｂの天井面として用いられる水晶振動板４の上下両表面のうち、下側の表面が面する貯留室５ｂ内にセル１外部からの通気用ピンホール１１を穿設する。さらに、水晶振動板４の替りに、ＡＰＭデバイス、ＦＰＷデバイス及びＳＡＷデバイスなどの板状圧電素子を用いることが可能である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生化学、医療及び食品分野において物質の化学変化を検出するバイオセンサ用セルに関する。特に、ＤＮＡや蛋白質など生体物質の相互作用の検出や抗原抗体反応を応用した測定のための液中センサとして、水晶振動子などの圧電素子を搭載したバイオセンサが用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
水晶振動子に代表される圧電素子に外部電圧を印加すると固有の周波数で共振する。この際の共振周波数はすべり振動によるもので、例えば、圧電素子表面に接する液体試料または圧電素子表面の特性が変化すると、この共振周波数に振動数変化が生じ、これを電気信号として検出することにより試料液体または圧電素子表面の特性変化を計測することができる。
【０００３】
圧電素子を組み込んだ装置単位、即ち、バイオセンサ用セルとして、従来、表面に電極を付着させた水晶振動板と液体試料室の側壁部分とを接着剤により固定し、水晶振動板部分を底面とする試料室として用いるものが知られている。（例えば、特許文献１）。
【０００４】
このものは、試料室側壁部分を水晶振動板部分に圧着させる替りに、接着剤を用いるため、側壁部分の圧接による振動抑制力を除去する。そして、この振動抑制力に起因する振動数変化の変調を防止することを企図している。
【０００５】
しかしながら、接着剤を用いる場合、これが固化する際の放出ガスが水晶振動板表面の電極に付着することで問題が生じる。即ち、近年のＤＮＡや抗原抗体物質の測定では、電極金属に金を用い、この表面に測定対象の生体物質を固定化させることが重要であるが、接着剤による放出ガスが電極に付着すると、この生体物質の固定化量やその際の均一性が低下する。
【０００６】
さらに、接着剤が付着した状態の水晶振動板の温度特性は、例えば、試料溶液の温度が上昇するときに試料の粘性が低下して共振周波数が増大する傾向を示す本来の温度特性と異なることが多い。液体試料に対する測定は、このような本来の温度特性に基づいて行われるため、実際の液体試料の変化が測定結果に反映されないおそれがある。
【０００７】
いずれの場合も、測定の精度や感度が狂うことにより、出力される測定結果の正確性の保証が困難であるという深刻な問題が生じる。
【０００８】
また、この種の従来のバイオセンサ用セルでは、試料室部分への固定面と反対側の圧電素子表面を液洩れ貯留室側に面して配置するのが一般的である。液洩れ貯留室は、セル外部への漏洩液の流出防止を目的の一つとして設けられるものであるが、通常、この貯留室は密閉空間となっている。このため、試料計測時に温度変化が貯留室内部に蓄積され、これにより、圧電素子の上下両表面において計測条件が異なるおそれがある。特に、圧電素子として水晶振動板を用いる場合、感度向上のため板厚を薄く設計する（例えば、２７ＭＨｚのＡＴカットクリスタルでは６０μｍ程度）傾向にあり、水晶振動板の周囲の計測条件を均一に保てないと、所望の感度が得られない。このため、水晶振動板本来の信頼性の高い測定結果を得ることが困難になる。
【０００９】
【特許文献１】
特許第２７２００３５号公報（第２〜３頁、第１〜４図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑み、正確な測定を行うことができ、搭載される圧電素子本来の高性能センサ機能を具現したバイオセンサ用セルを提供することを課題としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、液体試料を注入する試料室の底面として板状圧電素子を用いるバイオセンサ用セルに、圧電素子の上下両表面のうち、試料室側に面する上側の表面で、充填用シリコン緩衝材を介して試料室内壁に接合させ、下側の表面にそれぞれ電極に連なる複数のばね構造を取り付けて圧電素子を支持させるようにした。
【００１２】
これによれば、下側の表面に接続したばね構造により支持された板状圧電素子が、その上側の表面と試料室内壁との間にシリコン緩衝材を充填させた状態で試料室内壁に当接し、これにより試料室の全内壁が隙間なく形成されるので、液洩れが防止された試料室空間を得ることができる。そして、その際の圧電素子と試料室側壁部分とは、上方に付勢されたばね構造とこの付勢を吸収できるように充填されたシリコン緩衝材とにより当接状態で継合するため、振動抑制力による圧電素子の振動数変化の変調発生を防止できる。
【００１３】
この際に用いる充填用シリコン緩衝材は、定形を保った粘性体で、その表面の内外方向に弾性と粘性とを示すものであり、例えば、ジェルテック社の商品名α−ゲルなどを例示することができ、また、シリコンゴムシートなどを使用しても良い。
【００１４】
そして、接着剤を使用しないため、これによる放出ガスを考慮する必要がなく、電極金属への測定対象物の固定化処理に対応できる。したがって、このようなバイオセンサによる測定結果は、圧電素子本来の良好な感度特性を反映した正確なものが得られ、バイオセンサ用セルの性能を高く評価できる。
【００１５】
本発明は、また、液体試料の液洩れ貯留室の天井面として板状圧電素子を用いるバイオセンサ用セルに、圧電素子の上下両表面のうち、下側の表面が面する前記貯留室内にセル外部からの通気用ピンホールを穿設するようにした。
【００１６】
これによれば、貯留室空間が密閉空間でなくなり、液体試料とほぼ同一の外部環境に置かれることになるため、貯留室内部のみの独自の計測条件が発現することはない。そして、これにより、圧電素子の周囲の計測条件が均等になるため、例えば、圧電素子に水晶振動板を用いる場合、所望の高感度での試料計測を行うことができる。即ち、実用的な計測条件下での計測を行えるため、このような圧電素子をセンサとして搭載したバイオセンサ用セルは、圧電素子本来の正確な測定を行うことができ、信頼性の高い測定結果が得られる。
【００１７】
なお、上記したピンホールは、貯留室本来の液洩れ防止目的を妨げるものでない。このため、セル内外の通気のみが可能で液洩れ防止効果を維持できるように、孔径を０．３ｍｍ程度に留めることが望ましい。
【００１８】
これらの場合、板状圧電素子として、水晶振動子、ＡＰＭ（ＡｃｏｕｓｔｉｃＰｌａｔｅＭｏｄｅＳｅｎｓｏｒ）デバイス、ＦＰＷ（ＦｌｅｘｕｒａｌＰｌａｔｅ−ＷａｖｅＳｅｎｓｏｒ）デバイス及びＳＡＷ（ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃ−ＷａｖｅＳｅｎｓｏｒ）デバイスなどを用いることができる。これらは、いずれも、外部電圧の印加により固有の周波数で共振するもので、表面に接する液体試料が変化するときに生じる共振周波数の振動数変化を電気信号として検出することにより、液体中の化学変化等を追跡できるので、高性能センサ機能を備えている。
【００１９】
そして、測定対象の液体試料として、生化学、医療及び食品分野などで用いる生体物質または抗原抗体物質などが好適である。これらの物質が関与する反応は微細で複雑なものが多く、上記した圧電素子によるような高性能センサでなければ捕捉するのが難しいためである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明におけるバイオセンサ用セルの第１の態様を示す略断面図である。セル１の側壁２ａ、２ｂには、アクリルなどの絶縁性プラスチック製パイプを使用し、側壁２ａ、２ｂの上下方向中央よりやや下側に設けられたブラケット部３ａ、３ｂの下方において、両側を側壁２に挟まれた状態で水晶振動板４が略水平に配置される。この水晶振動板４は、ＡＴカットクリスタルから成る６０μｍ程度の板厚で形成されている。この水晶振動板４により、セル１内は、上側空間５ａと下側空間５ｂとに隔離された構造となる。
【００２１】
上側空間５ａは、水晶振動板４を挟む側壁２ａ、２ｂと、底面部分を構成する水晶振動板４の上面とから形成され、試料室として用いられる。水晶振動板４は、その下面から一対の金属製支持ばね６ａ、６ｂとにより支持され、さらに、その上面両端部において、シリコン緩衝材（ジェルテック社製商品名α−ゲル）７ａ、７ｂを充填剤として介在させて、ブラケット部３ａ、３ｂに当接する。シリコン緩衝材（ジェルテック社製商品名α−ゲル）７ａ、７ｂは、定形を保つ粘性流動体であり、その表面の内外方向に弾性と粘性とを示すので、上方に付勢した支持ばね６ａ、６ｂにより支持される水晶振動板４の付勢を緩衝材として吸収でき、これにより、水晶振動板４とブラケット部３ａ、３ｂとは当接状態を保つ。そして、試料室５ａに注入する液体試料が底面たる水晶振動板４の両端部から液洩れすることを防止する。
【００２２】
下側空間５ｂは、水晶振動板４を挟む側壁２ａ、２ｂと、天井部分を構成する水晶振動板４の下面と、セル１本体の台座８とから形成され、液洩れ貯留室として用いられる。試料室５ａには、上記したシリコン緩衝材７ａ、７ｂを充填させて液洩れ対策を行っているが、水晶振動板４が薄く形成され割れやすく、このような事態が生じると、セル１本体の直下に配置される図外のソケットや回路が液体試料により浸潤されるおそれがある。液洩れ貯留室５ｂは、このような漏洩液の流出防止を目的の一つとして設けられている。なお、側壁２ａ、２ｂに対する台座８の取付けは、はめ込みによるものが望ましいが、接着剤による固着としても良い。
【００２３】
水晶振動板４には、その上下両面にそれぞれ、金若しくは白金、またはこれらの合金から成る金属電極９ａ、９ｂが取付けられており、各電極９ａ、９ｂは、それぞれ図外の導線を介して金属製支持ばね６ａ、６ｂの上端部に接続されている。そして、支持ばね６ａ、６ｂの下端部は、台座８内の絶縁碍子（図示せず）を介してセル１本体外に連なる電極導線１０ａ、１０ｂに接続されている。
【００２４】
この際、電極９ａ、９ｂに連なる導線は、台座８内で絶縁碍子により絶縁を保たれているので台座８を金属製としても良く、また、支持ばね６ａ、６ｂの材質として用いる金属は、電気抵抗値を安定して得られるものであれば良く、例えば、銅やアルミ系のものを用いることができる。
【００２５】
このように構成されたバイオセンサ用セル１を用いて、試料室５ａに注入されたＤＮＡなどの生体物質溶液の化学変化を測定する際のセンサ作動を、図２に示すセンサ接続図により説明する。
【００２６】
即ち、図１において電極９ａ、９ｂを載置した水晶振動板４が、図２のセンサに該当し、最初に、このセンサ中の電極に対してパソコンより所定周波数の外部電圧を印加する。この外部電圧を印加した電極により水晶振動板４内に固有の共振周波数が発生し、再び電極において電気信号として検知される。上記したように、図１の水晶振動板４が接する試料室５ａ内で、生体物質溶液に化学変化が生じると水晶振動板の共振周波数に振動数変化が生じる。図２においては、センサ（電極）において検知された電気信号をオシレータに送信し、オシレータおいて、水晶振動板の共振周波数を電気周波数として抽出し、さらに周波数カウンタでその振動数変化を検出する。周波数カウンタで検出された振動数変化は、次にインターフェース（ＲＳ２３２Ｃ）を介してパソコンに送信される。パソコンでは、あらかじめ共振周波数の特定の変動を、測定対象物質の濃度変化などに相関させて入力しておき、送信された共振周波数の振動数変化を試料室内の化学変化として分析を行う。
【００２７】
次に、図３の略断面図により、本発明におけるバイオセンサ用セルの第２の態様を示す。図１のバイオセンサ用セルと異なるのは、液洩れ貯留室５ｂの側壁２ａ、２ｂのいずれかから、セル１本体の外部に通じる、孔径０．３ｍｍ程度のピンホール１１を貫通させたことである。そして、図３のバイオセンサ用セル１を用いるときのセンサ作動も、図２のセンサ接続図に示すものである点も、同様である。
【００２８】
図４は、ピンホール１１有無の各場合の水晶振動板温度特性として、ＡＴカット型水晶振動板に接する液体試料の液温と水晶振動板の共振周波数変化との相関を示すグラフ図である。ピンホールがある場合、ＡＴカット本来の温度特性を示すが、ピンホールがない場合、温度特性が本来のものと逆相関となり、さらに周波数変化が大きくなることが分る。
【００２９】
これは、図２の液洩れ貯留室５ｂを密閉空間とすると、この空間内に外部環境から独立した計測条件が発現し、これにより、水晶振動板の周囲の計測条件が均等になることが妨げられて、所望条件の測定が困難になることを示している。なお、本実施の形態において、ピンホールの孔径を０．３ｍｍ程度としたのは、セル内外の通気のみ可能とし、貯留室の液洩れ防止機能を妨げないためである。
なお、本実施の形態においては、振動数変化を生じさせるものとして水晶振動板を用いたが、同様の機構を有するＡＰＭデバイス、ＦＰＷデバイス及びＳＡＷデバイスなどの板状圧電素子を用いることができる。
【００３０】
また、本実施の形態においては、測定試料として、ＤＮＡなどの生体物質溶液を用いたが、抗原抗体物質試料などでも良く、これ以外にも、液体試料として提供可能なものであれば、生化学、医療、食品などの分野を問わず幅広い試料測定が可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のバイオセンサ用セルは、圧電素子に対して、圧着による振動抑制力や、接着剤の放出ガスによる電極汚染や温度特性の変動を生じさせずに、試料室空間を確保できるので、圧電素子本来の正確な測定が可能になる。
【００３２】
また、このバイオセンサ用セルの液洩れ貯留室は、ピンホールによりセル外部と通気されているため、圧電素子周囲の計測条件が均等になり、本来の正確な測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のバイオセンサ用セルの第１の態様を示す略断面図
【図２】センサ接続図
【図３】本発明のバイオセンサ用セルの第２の態様を示す略断面図
【図４】ピンホールの有無に対応する水晶振動子の共振周波数変化の温度特性を示すグラフ図
【符号の説明】
１バイオセンサ用セル
４水晶振動板
５ａ試料室
５ｂ液洩れ貯留室
６ａ、６ｂ支持ばね
７ａ、７ｂ充填用シリコン緩衝材
９ａ、９ｂ金属電極
１１通気用ピンホール

Claims

液体試料を注入する試料室の底面として板状圧電素子を用いるバイオセンサ用セルにおいて、前記圧電素子の上下両表面のうち、前記試料室側に面する上側の表面で、充填用シリコン緩衝材を介して前記試料室の内壁に接合させ、下側の表面にそれぞれ電極に連なる複数のばね構造を取り付けて該圧電素子を支持させることを特徴とするバイオセンサ用セル。
液体試料の液洩れ貯留室の天井面として板状圧電素子を用いるバイオセンサ用セルにおいて、前記圧電素子の上下両表面のうち、下側の表面が面する前記貯留室内にセル外部からの通気用ピンホールを穿設することを特徴とするバイオセンサ用セル。
前記圧電素子が、水晶振動子、ＡＰＭデバイス、ＦＰＷデバイス及びＳＡＷデバイスのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載のバイオセンサ用セル。
前記液体試料が、生化学、医療及び食品分野のいずれかに用いる生体物質または抗原抗体物質であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のバイオセンサ用セル。