JP2004264256A

JP2004264256A - 質量測定方法および質量測定装置

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Publication number: JP2004264256A
Application number: JP2003057501A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Maeda; 佳男前田; Sachihiro Kobayashi; 祥宏小林; Seiichiro Ogura; 誠一郎小倉
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-03-04
Filing date: 2003-03-04
Publication date: 2004-09-24

Abstract

【課題】圧電振動片を安定して発振させることにより、質量測定の高感度化に対応することが可能な、質量測定方法および質量測定装置を提供する。
【解決手段】感応膜が塗布された励振電極２２ｂを下側に向けて圧電振動片２０をほぼ水平に保持し、圧電振動片２０における下側の励振電極２２ｂの表面のみに検体溶液７を接触させて、検体溶液中の特定物質の質量測定を行う構成とした。なお検体溶液７は、チューブ１２の上端から吐出させて励振電極２２ｂに接触させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、質量測定方法および質量測定装置に係り、特に圧電振動片を用いて検体溶液中の特定物質の濃度等を測定する質量測定方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
食品や生化学、環境などの分野で、特定物質の有無や濃度等を測定するため、水晶振動子マイクロバランス法が利用されている。その具体的な方法は、まず圧電振動片における一方の励振電極の表面に、特定物質の感応膜を塗布する。そして、特定物質を含む検体溶液中にその圧電振動片を浸漬する。すると、検体溶液中の特定物質が感応膜と結合し、励振電極の質量が増加する。この励振電極の質量増加にともなって、圧電振動片の共振周波数が低下する。これにより、検体溶液中の特定物質の有無を判断することができる。
【０００３】
ところで、圧電振動片を検体溶液中に浸漬する際に、その両面に形成した励振電極が相互に短絡すると、圧電振動片を発振させることができなくなる。そこで、感応膜を塗布しない他方の励振電極を被覆部材等で覆うことにより、当該励振電極を検体溶液から封止して、電極間の短絡を防止する必要がある。
【０００４】
図５に、特許文献１に記載された質量測定チップの説明図を示す。なお、図５（１）は平面図であり、図５（２）は図５（１）のＧ−Ｇ線における側面断面図である。この質量測定チップ５０３は、矩形状の圧電平板の両面に円形状の励振電極５２２ａ，５２２ｂを形成した圧電振動片５２０を備えている。また、圧電振動片５２０の一方面側には、絶縁性薄板からなる被覆部材５５０が接着剤５５８によって接着されている。これにより、一方面側の励振電極５２２ｂが検体溶液から封止され、電極間の短絡が防止されている。さらに、各励振電極にはリード線５２４が取り付けられ、リード線５２４の検体溶液に浸漬する部分は接着剤５５８によって被覆されている。
【０００５】
図６に、従来の質量測定装置の説明図を示す。質量測定装置５０１において、上述した質量測定チップ５０３は外部の発振回路５４０に接続されている。質量の測定は、励振電極５２２ａの表面に上述した感応膜（不図示）を塗布した上で、質量測定チップ５０３を検体溶液７中に浸漬して行う。まず、発振回路５０４により質量測定チップ５０３の圧電振動片を発振させ、周波数カウンタ５により圧電振動片の共振周波数を測定する。上述したように、検体溶液中の特定物質が感応膜と結合し励振電極の質量が増加すると、圧電振動片の共振周波数が低下する。そこで、コンピュータ６によりこの共振周波数の低下量等を解析して、検体溶液中の特定物質の有無および濃度等を算出する。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１３８１２５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近時、質量測定には高感度化が要求されている。質量測定を高感度化するには、圧電振動片を高周波化する必要がある。しかし、高周波の圧電振動片を検体溶液に浸漬した状態で使用すると、圧電振動片のインピーダンスが増加し、発振が不安定になるという問題がある。したがって、質量測定の高感度化に対応することができないという問題がある。
【０００８】
本発明は上記問題点に着目し、圧電振動片を安定して発振させることにより、質量測定の高感度化に対応することが可能な、質量測定方法および質量測定装置の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る質量測定方法は、感応膜が塗布された圧電振動片の励振電極の表面に、検体溶液を接触させることにより、前記検体溶液中の特定物質の質量測定を行う方法であって、感応膜が塗布された前記励振電極を下側に向けて前記圧電振動片をほぼ水平に保持し、前記圧電振動片における下側の励振電極に前記検体溶液を接触させる構成とした。
【００１０】
この場合、圧電振動片の一部のみに検体溶液が接触するので、圧電振動片の発振が検体溶液の影響によって妨げられることが少なくなる。これにより、高周波の圧電振動片でも安定して発振させることができる。これにともなって、高周波の圧電振動片を利用することが可能となり、質量測定の高感度化に対応することができる。
【００１１】
また、圧電振動片における下側の励振電極のみに検体溶液を接触させるので、上側の励振電極と短絡するおそれがない。したがって、上側の励振電極を検体溶液から隔離するための被覆部材が不要となり、製造コストを削減することができる。さらに、圧電振動片の下側から励振電極に検体溶液を接触させるので、励振電極と検体溶液との接触面積を一定に保持することができる。したがって、質量測定の精度を向上させることができる。
【００１２】
また、前記下側の励振電極の表面のみに前記検体溶液を接触させてもよい。この場合、検体溶液は感応膜の塗布されていない部分には接触しない。したがって、質量測定の精度を向上させることができる。
【００１３】
一方、本発明に係る質量測定装置は、感応膜が塗布された圧電振動片の励振電極の表面に、検体溶液を接触させることにより、前記検体溶液中の特定物質の質量測定を行う装置であって、ほぼ水平に保持した前記圧電振動片における下側の励振電極に対して前記検体溶液を接触させる検体溶液供給手段を有する構成とした。これにより、高周波の圧電振動片でも安定して発振させることが可能となり、質量測定の高感度化に対応することができる。
【００１４】
また前記検体溶液供給手段は、前記圧電振動片の下方から前記圧電振動片に向かって前記検体溶液を供給するポンプと、前記検体溶液を上端から吐出して前記圧電振動片における下側の励振電極に接触させるチューブとを有する構成としてもよい。また前記ポンプは、定量吐出ポンプであってもよい。これにより、励振電極と検体溶液との接触面積を一定に保持することが可能となる。また、圧電振動片の励振電極の表面のみに検体溶液を接触させることも可能となる。したがって、質量測定の精度を向上させることができる。
【００１５】
また、前記圧電振動片および前記検体溶液供給手段を所定の温度下に保持する温度調節手段を有する構成としてもよい。これにより、励振電極の表面に塗布した感応膜と検体溶液中の特定物質との反応に対する温度変化による影響を最小限にすることができるので、質量測定の精度を向上させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る質量測定方法および質量測定装置の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。なお、以下に記載するのは本発明の実施形態の一態様にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００１７】
図２に、本実施形態に係る質量測定装置の説明図を示す。本実施形態に係る質量測定装置１は、圧電振動片２０の下方から圧電振動片２０に向かって検体溶液７を供給し、圧電振動片２０における下側の励振電極２２ｂに検体溶液７を接触させる検体溶液供給手段１０と、圧電振動片２０および検体溶液供給手段１０を所定の温度下に保持する温度調節手段１８とを有するものである。
【００１８】
本実施形態に係る質量測定装置は、従来の質量測定装置を高感度化したものである。質量測定装置の感度は、次式で表すことができる。
【数１】

ただし、ｄｆは圧電振動片の共振周波数の変化量、ｆ_０は圧電振動片の共振周波数の初期値、ρは圧電材料の密度、μは圧電材料のせん断応力、ｄｍは励振電極に結合した特定物質の質量、Ａは励振電極の面積である。上式からわかるように、圧電振動片の共振周波数の初期値ｆ_０が高いほど、その変化量ｄｆが大きくなり、質量測定装置が高感度化する。例えば、ｆ_０を従来の２７ＭＨｚから１５０ＭＨｚまで高周波化すれば、感度を３０倍にすることができる。そして圧電振動片を高周波化するには、圧電振動片の振動部における肉厚を薄くすればよい。
【００１９】
図３に、ディスク型圧電振動片の説明図を示す。なお、図３（１）は図３（２）のＡ−Ａ線における側面断面図であり、図３（２）は底面図である。圧電振動片２０は、水晶等の圧電材料を平板状に切り出し、その中央部の両面に励振電極２２ａ，２２ｂを形成したものである。例えば、この圧電振動片２０の共振周波数は１５０ＭＨｚであり、圧電振動片２０の厚さは６２μｍである。なお、圧電材料平板２１の外形は円形状に限られず、矩形状であってもよい。一方、圧電材料平板２１の周縁部には、励振電極２２ａ，２２ｂと導通する接続電極２４ａ，２４ｂを形成する。なお、各電極はＡｕ／ＣｒまたはＡｇ／Ｃｒの２層によって構成する。そして、この圧電振動片２０における下面の励振電極２２ｂの表面に感応膜を塗布して、圧電振動片２０をほぼ水平に配置する。感応膜は、検出すべき特定物質の分子のみと結合する物質であり、特定物質に対応して選択する。
【００２０】
図４に、逆メサ型圧電振動片の説明図を示す。なお、図４（１）は図４（２）のＢ−Ｂ線における側面断面図であり、図４（２）は底面図である。高周波の圧電振動片２０として、いわゆる逆メサ型圧電振動片１２０を使用してもよい。逆メサ型圧電振動片１２０は、圧電材料平板１２１の中央に凹部を形成して薄肉化し、その薄肉部の両面に励振電極１２２ａ，１２２ｂを形成したものである。圧電振動片１２０の周縁の厚肉部には、励振電極１２２ａ，１２２ｂと導通する接続電極１２４ａ，１２４ｂを形成する。このような逆メサ型圧電振動片では、周縁の厚肉部により中央の薄肉振動部が保護されるので、外力による振動部の破壊を防止することができる。これにより、高周波の圧電振動片が利用可能となり、質量測定装置を高感度化することができる。
【００２１】
一方、図２に示すように、圧電振動片２０の下方に検体溶液供給手段１０を設ける。検体溶液供給手段１０は、主に、検体溶液７を充填した検体溶液槽１６と、その検体溶液槽１６から圧電振動片２０に向かって検体溶液７を供給するポンプ１４と、圧電振動片における下側の励振電極に検体溶液を接触させるチューブ１２とによって構成する。
【００２２】
チューブ１２として、塩化ビニル等で構成された毛細チューブを使用する。後述するように、チューブ１２から吐出した検体溶液７は、励振電極２２ｂの表面のみに接触させる。そこで、吐出した検体溶液７を励振電極２２ｂの表面のみに接触させ得るように、チューブ１２の直径およびチューブ１２の先端と励振電極２２ｂとの距離を設定する。そのチューブ１２の下端部は、ポンプ１４の吐出し口に接続する。ポンプ１４として、脈動がなく常時一定量の検体溶液を吐出すことが可能な、ダイヤフラムポンプ等の定量吐出しポンプを使用する。
【００２３】
ところで、水晶振動子マイクロバランス法は、感応膜と特定物質との結合に適した所定の温度下で実施する必要がある。そこで、上述した圧電振動片２０および検体溶液供給手段１０を所定の温度下に保持する温度調節手段１８を設ける。温度調節手段１８として、圧電振動片２０および検体溶液供給手段１０を内部に収容可能な恒温槽を使用する。これにより、検体溶液自体を含む検体溶液供給手段１０の全体を、効率的かつ正確に所定の温度下に保持することができる。なお、圧電振動片２０や検体溶液供給手段１０の各部にヒータ等を設けて、それぞれ別個に温度調節することも可能である。
【００２４】
そして、図２に示すように、圧電振動片２０を外部の発振回路４０に接続する。発振回路４０は、圧電振動片２０の励振電極に通電して圧電振動片２０を発振させるものである。また、発振回路４０は周波数カウンタ５に接続する。周波数カウンタ５は、圧電振動片２０の共振周波数を測定するものである。また、周波数カウンタ５はコンピュータ６に接続する。コンピュータ６は、周波数カウンタ５が測定した共振周波数から、圧電振動片２０の励振電極２２ｂに付着した特定物質の質量を算出するものである。加えて、特定物質の付着量の経時変化から検体溶液中の特定物質の濃度等を解析し得るようにコンピュータ６を構成するのが好ましい。
【００２５】
次に、本実施形態に係る質量測定装置の使用方法について説明する。
質量測定を開始する前に、図２に示す温度調節手段１８を作動させて、圧電振動片２０および検体溶液７を含む検体溶液供給手段１０を所定の温度に保持しておく。質量測定を行うには、まず発振回路４０から圧電振動片２０に通電して圧電振動片２０を発振させる。また、周波数カウンタ５により圧電振動片２０の共振周波数を連続的に計測しておく。次に、ポンプ１４を運転して、検体溶液槽１６から圧電振動片２０に向かって検体溶液７を供給する。そして、図１に示すように、チューブ１２の上端から検体溶液７を吐出し、圧電振動片２０における下側の励振電極２２ｂに検体溶液７を接触させる。なお、検体溶液７が励振電極２２ｂの表面のみに接触するように、ポンプにおける検体溶液７の吐出し量を設定しておく。また、励振電極２２ｂに接触した後の検体溶液７は、チューブ１２の外周面に沿って落下させる。
【００２６】
検体溶液７が励振電極２２ｂに接触すると、検体溶液７中の特定物質が励振電極表面の感応膜と結合する。これにより、励振電極２２ｂの質量が増加して、圧電振動片２０の共振周波数が低下する。この共振周波数の低下量等をコンピュータ６で解析することにより、特定物質の有無および濃度等を算出することができる。
【００２７】
なお、励振電極２２ｂの表面のみに検体溶液７を接触させるので、検体溶液は感応膜の塗布されていない部分には接触しない。これにより、検体溶液７中の特定物質の質量を正確に把握することができる。一方、定量吐出しポンプを使用するので、単位時間に励振電極に接触した検体溶液量を正確に把握することができる。以上から、検体溶液７中の特定物質の濃度を直接的に算出することができる。これにより、質量測定の精度を向上させることができる。
【００２８】
以上に詳述した本実施形態に係る質量測定装置および質量測定方法により、圧電振動片を安定して発振させることが可能となる。
【００２９】
すなわち、本実施形態では、感応膜が塗布された励振電極を下側に向けて圧電振動片をほぼ水平に保持し、圧電振動片における下側の励振電極に検体溶液を接触させる構成とした。この場合、圧電振動片の一部のみに検体溶液が接触するので、圧電振動片の発振が検体溶液の影響によって妨げられることが少なくなる。これにより、高周波の圧電振動片でも安定して発振させることができる。これにともなって、高周波の圧電振動片を利用することが可能となり、質量測定の高感度化に対応することができる。
【００３０】
また、圧電振動片における下側の励振電極のみに検体溶液を接触させるので、上側の励振電極と短絡するおそれがない。したがって、上側の励振電極を検体溶液から隔離するための被覆部材が不要となり、製造コストを削減することができる。さらに、圧電振動片の下側から励振電極に検体溶液を接触させるので、励振電極と検体溶液との接触面積を一定に保持することができる。これにより、質量測定の精度を向上させることができる。
【００３１】
近時では、同時に多種類の特定物質を測定可能とするため、質量測定装置のマルチセンサ化が求められている。上述した実施形態では、１種類の特定物質の測定を行う場合について説明したが、本発明に係る質量測定装置および質量測定方法は、同時に多種類の特定物質の測定を行う場合にも適用することができる。具体的には、まず複数の圧電振動片にそれぞれ種類の異なる感応膜を塗布して、各圧電振動片を並べて配置する。そして、検体溶液槽から各圧電振動片に対して、複数のチューブにより検体溶液を供給する。これにより、質量測定装置のマルチセンサ化に対応することができる。
【００３２】
なお実施形態では、本発明に係る質量測定装置をバイオセンサとして使用する方法について述べたが、本発明に係る質量測定装置は、例えば粘度計やイオンセンサ、においセンサなどに使用することも可能である。まず、粘度計として使用する場合には、質量測定チップの下側の励振電極に被測定流体を接触させる。この場合、被測定流体の粘度の増加とともに、圧電振動片のインピーダンスが増加して共振周波数が変化する。したがって、被測定流体の粘度を検知することができる。一方、イオンセンサとして使用する場合には、感応膜としてイオン吸着物質を塗布すればよい。またにおいセンサとして使用する場合には、感応膜としてにおい成分の吸着物質を塗布すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る質量測定方法の説明図である。
【図２】実施形態に係る質量測定装置の説明図である。
【図３】ディスク型圧電振動片の説明図である。
【図４】逆メサ型圧電振動片の説明図である。
【図５】従来の質量測定チップの説明図である。
【図６】従来の質量測定装置の説明図である。
【符号の説明】
７………検体溶液、１２………チューブ、２０………圧電振動片、２２ｂ………励振電極。

Claims

感応膜が塗布された圧電振動片の励振電極の表面に、検体溶液を接触させることにより、前記検体溶液中の特定物質の質量測定を行う方法であって、
感応膜が塗布された前記励振電極を下側に向けて前記圧電振動片をほぼ水平に保持し、前記圧電振動片における下側の励振電極に前記検体溶液を接触させることを特徴とする質量測定方法。
請求項１に記載の質量測定方法において、
前記下側の励振電極の表面のみに前記検体溶液を接触させることを特徴とする質量測定方法。
感応膜が塗布された圧電振動片の励振電極の表面に、検体溶液を接触させることにより、前記検体溶液中の特定物質の質量測定を行う装置であって、
ほぼ水平に保持した前記圧電振動片における下側の励振電極に対して前記検体溶液を接触させる検体溶液供給手段を有することを特徴とする質量測定装置。
請求項３に記載の質量測定装置であって、
前記検体溶液供給手段は、前記圧電振動片の下方から前記圧電振動片に向かって前記検体溶液を供給するポンプと、前記検体溶液を上端から吐出して前記圧電振動片における下側の励振電極に接触させるチューブとを有することを特徴とする質量測定装置。
請求項４に記載の質量測定装置であって、
前記ポンプは、定量吐出ポンプであることを特徴とする質量測定装置。
請求項３ないし５のいずれかに記載の質量測定装置であって、
前記圧電振動片および前記検体溶液供給手段を所定の温度下に保持する温度調節手段を有することを特徴とする質量測定装置。