JP2005106580A - 質量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 正確なＤＮＡの検査と、圧電単結晶基板の脱着を容易にする質量センサ素子の構造を得る。
【解決手段】 課題を解決するために本発明は、ホルダに該質量センサ素子を保持する保持部が形成され、該質量センサ素子が前記ホルダの側面に配置された形態を有し、側面の壁の数だけ圧電単結晶基板から成る質量センサ素子を配置することで、同時に複数もの検体を測定する構造を有することを特徴とする質量センサにより課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電単結晶基板上に介在する、種々の微少質量（物）を付着させたとき、質量変化を周波数変化の大きさで計測する「Ｓａｕｅｒｂｒｅｙの理論」を用いた、ＱＣＭ式の質量センサに関する。

近年では、地球環境汚染問題や、ヒトの遺伝子解明などの研究が進められており、例えば、環境ホルモン種の同定、抗原−抗体反応、高分子蛋白同士（ＤＮＡ−ＤＮＡ、ＤＮＡ−ＲＮＡ）の結合反応、酵素反応の解析、プロテオーム解析などが盛んに行われている。そして、これら分析手法として、ガスクロマトグラフィ質量分析器（ＧＣ−ＭＳ）、高速液体クロマトグラフ（ＨＰＬＣ）や、表面プラズモン共鳴計測装置（ＳＰＲ）の様な装置が使用されている。これら装置は、大型で高価な設備であると同時に分析感度はかなり高いが、試料の前処理にはかなりの手間と時間が必要だったり、更に、多成分の同時解析が困難などの問題がある。また、常々反応の過程をリアルタイムで観測したいという要求もあるが、上記設備ではそのようなことは不可能である。

抗原−抗体反応、ＤＮＡ−ＲＮＡ結合など、相補的結合反応が生じたとき、重量変化や、誘電率変化が発生する。ＱＣＭ式質量センサでは、このような微少な変化を捉えることが可能である。
圧電単結晶をセンサ素子として使用した質量センサでは、ｎｇレベルの重量測定が可能であることから、抗体（或いは、抗原）をデバイス表面に固定化することで抗原（或いは、抗体）の検知が可能となる。また、ＰＨや導電率についても、導電率変化を音響電気相互作用により検出することが可能となる。

そして、反応の過程を周波数変化として捉えられることから、周波数変化の様子をリアルタイム計測、記録することでリアルタイム定量解析が可能となる。
特開平６−０１８３９４号公報 特開２００１−１５３７７７号公報 特開昭６２−０６４９３４号公報 (1) N.Miura,H.Higabashi,G.Sakai 他: Piezoelectric crystal immunosensor for sensitive detection of methamphetamine(stimulant drug) in human urine Proc. Fourth Int. Meeting on Chemical Sensors, Technical Digest, Tokyo. pp.13-17(1992)

図７に示す質量センサは、抗原−抗体反応、ＤＮＡ−ＲＮＡ結合など、相補的結合反応を捕らえる場合、あらかじめセンサ素子の反応部（通常は、Ａｕ、Ａｌなどの金属電極）上に、対応する抗原や抗体、または、ＤＮＡなどの感応物を付加しておき、この状態で発振回路などにより固有振動周波数で励振させたまま溶液中に浸漬して対象物質との反応や結合の状態により変化する質量変化による周波数変化を計測することになる。

このとき、センサ素子の固有振動の姿態は「厚みすべり振動」であり、この振動姿態を自励する為、センサ素子の主面表裏には対抗して金属電極が必要となる。従って、この構成で溶液中に浸漬すると、２電極間には溶液を介して電気的リークの発生により、不安定、かつ、有限のインピーダンスをもって接続された回路が付加されることとなり、発振周波数は不安定となり計測が困難となる。

この対策として、反応などに寄与しない反対側主面上に絶縁処理を施し溶液中に浸漬することが考えられるが、励振の負荷が大きくなり、容易に発振させることが困難となる。従って、通常、反応主面は溶液中に露出せざるを得ないが、反対側の主面は気相中に露出する構造をとる。
従来の質量センサの構造例を図７に示す。これは、センサ素子の外周寸法に近似した円筒状のホルダの片端に、開口部を塞ぐようにしてセンサ素子をエポキシ系接着剤で固定、円筒内に溶液を導入できる構造とし、反対側主面は気相中に露出されているものである。

この構造は、気相、液相を分離することができるが、ホルダの底面ひとつにセンサ素子となる圧電単結晶基板を取り付ける構造であるために、一度に同時に複数の検体を計ることが難しい構造となってしまう。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたもので、ホルダに該質量センサ素子を保持する保持部が形成され、該質量センサ素子が前記ホルダの側面に配置された形態を有し、側面の壁の数だけ圧電単結晶基板から成る質量センサ素子を配置することで、同時に複数の検体を測定する構造を有することを特徴とし、検体測定回数の工数削減と検体測定の自由度を広げることができる。

本発明は、一度の検体測定で多量の測定を可能とすることから検体測定の自由度を大幅に改善し検体測定作業性を向上することができる。

抗原−抗体反応や、ＤＮＡ−ＤＮＡ結合反応など、生体系由来の相補的結合反応を計測するＱＣＭ式質量センサに於ける計測は、このセンサが、リアルタイム定量解析も可能であり、反応形態を解析する上においても、非常に重要であり、メリットがある。種類の異なる多くの感応物質を扱い、マトリックス的に解析を試みるとき、センサ素子の反応部（通常は、Ａｕ、Ａｌなどの金属電極）上には、それに応じて多種類の感応物質を固定させる必要がある。本発明では、このようなとき、センサ素子単体での処理が可能となり、作業性が簡便・確実であるため高精度計測が可能となる。

以下、添付図面に従って本発明の実施例を説明する。図１に示す本発明の質量センサも動作原理は従来の質量センサ（電極からの引き回し接続は特に図示せず）と同様で、抗原−抗体反応、ＤＮＡ−ＲＮＡ結合など、相補的結合反応を捕らえる場合、あらかじめセンサ素子の反応部（通常は、Ａｕ、Ａｌなどの金属電極）上に、対応する抗原や抗体、または、ＤＮＡなどの感応物を付加しておき、溶液中に浸漬すると、２電極間には溶液を介して電気的リークの発生により、不安定、かつ、有限のインピーダンスをもって接続された状態で発振回路などにより固有振動周波数で励振させたまま溶液中に浸漬して対象物質との反応や結合の状態により変化する質量変化による周波数変化を計測するものである。

構造としては、圧電単結晶基板を使用した質量センサにおいて、ホルダに該質量センサ素子３を保持する保持部が形成され、該質量センサ素子３が前記ホルダの側面４に配置された形態を有した構造を特徴とするもので、該ホルダ形状は複数の側面４を有し、ホルダは内部溶液を蓄えることができる形状にしたものである。図１は本発明の基本的な概念図であり、側面を４つ持った四角形を一例とする。なお、ホルダの材質についてはセラミックなどを用いて形成するものである。

具体的な構造を図２に示す。図２は、圧電単結晶基板１の主面両面に電極２を形成してなる本発明の質量センサに使用される質量センサ素子３を図１で示す４つの側面４の各面に形成する概念を示した斜視図である。各側面４に圧電単結晶基板１を貼り合わせ、圧電単結晶基板１のホルダ内部の電極部には検体を付加してある。この本素子の振動姿態は「厚みすべり振動」であり、この状態でホルダ内部に満たす溶液の粘性や密度に応じて周波数を選定する。このとき、基本波の周波数を変える方法や、オーバトーン振動で周波数を変更する方法が用いられ通常、数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚの振動が多く使用される。なお、圧電単結晶基板１の金属電極２の形成方法については、通常、感応物質は、スピンコート、蒸着、沈着、ＬＢ膜形成などが用いられる。

図３は本発明の他の実施例を示す斜視図である。図１では本発明の基本的な質量センサ素子３の構造を説明したが、図３ではホルダの内壁部に仕切板１０を配置できる分割溝を構成したことを説明するものであり、圧電単結晶基板１を使用した質量センサにおいて、ホルダに該質量センサ素子３を保持する保持部が形成され、該質量センサ素子３が前記ホルダの側面４に配置された形態を有し、該ホルダの側面内壁を分割する構造となっていることを特徴とする質量センサを描画するものである。

このような構造にすることで、図４に示すように各側面４に形成する圧電単結晶基板１のホルダ内壁に検体を埋める作業時に、他の側面に形成する圧電単結晶基板１に埋める検体作業時に影響を及ぼすことを回避するものである。特に検体が流体であった場合には、図４に描画するように仕切板１０を配置することで、図中Ａ部のような区切り部分がホルダ内壁に構成できることで作業効率の向上が図れ、実用性と機能性を考慮しても該ホルダの内壁には該ホルダの側面内壁を分割することができる構造にすることで質量センサの使い勝手を向上することができる。

そして質量センサ素子３は、あらかじめセンサ素子の反応部（通常は、Ａｕ、Ａｌなどの金属電極）上に、対応する抗原や抗体、または、ＤＮＡなどの感応物を付加しておき、この状態で発振回路などにより固有振動周波数で励振させたまま溶液中に浸漬して対象物質との反応や結合の変化を測定するときの一連の質量センサ素子３の保持と調整を簡略化することができる。

図５は本発明の質量センサを用いて質量を計測する装置の構成図の例である。図５で示す構成は、発振回路共々、温度変動の影響を除外する目的で、正確に温度制御された恒温槽内に置かれ、更に、測定に使用される溶液もこの恒温槽の温度条件で管理される。周波数の計測には、周波数カウンタが用いられるが、カウンタの基準は、Ｒｂ発振、及び高安定水晶発振器で作られた信号を使用することが望ましい。周波数カウンタで得られたデータはコンピュータで、希望するアルゴリズムで処理が出来る構造となっている。なお、本発明の特徴であるホルダの側面４に圧電単結晶基板１を形成することから、一つの質量センサ素子３を構成するホルダで複数の検体測定ができることから、上記の発振回路の前段には切替器を加える必要がある。あるいは、圧電基板単結晶ごとに発振器を接続してもよい。

図６には本発明の特徴を活かし質量センサ素子３のホルダの外形の多角形を示した、図１の矢印Ｖ方向から見たホルダ形状の概念図である。図６に示すように圧電単結晶基板１を形成する側面４を増やすことで、一度の検体測定に対して複数のＤＮＡと同一溶液との状態変化を簡易的に測定することができる。図６（ａ）では図１の本発明の基本的なホルダ構造を示し、図６（ｂ）では５角形の場合の例を示し、図６（ｃ）では８角形の場合のホルダ形状を示したものであるが、基本的には多角形であれば本実施例に示す以外の形状であれば事足りることになる。なお、この場合当然のことながら測定回路には圧電単結晶基板１に見合った切替器を必要とするのは言うまでも無い。勿論、圧電基板単結晶ごとに発振器を接続してもよい。

以上本発明の実施例に記載のとおり、ホルダの側面に圧電単結晶基板１を形成することから、特に図示はなされていないが圧電単結晶基板１の固定部分にはホルダ内部の溶液が漏れ出さないようにシール構造となっていることは言うまでもない。

本センサは、溶液内での反応、結合に対する質量変化を計測する例について述べてきたが、例えば、ダイオキシンなどの環境汚染物質の含有量計測のような気相中の計測に関しても有効であり、多種多様の感応物質の加工の簡便性や、一度に測定するときの作業効率などを容易することが可能となる。

本発明の液相計測質量センサの一例を示す概念図である。 本発明の質量センサ素子の構造を示す斜視図である。 本発明の他の特徴を示す斜視図である。 本発明の図３で説明する斜視図を更に分かりやすく説明する斜視図である。 本発明の質量センサ素子を用いた質量計測装置の構成例を示す概念図である。 本発明の特徴である質量センサ素子のホルダ形状が多角形であることを示すホルダ形状の概念図である。 従来の液相計測質量センサの一例を示す概念図である。

符号の説明

１ 圧電単結晶基板
２ 電極
３ 質量センサ素子
４ ホルダの側面

Claims (3)

1. 圧電単結晶基板を使用した質量センサにおいて、
   ホルダに該質量センサ素子を保持する保持部が形成され、該質量センサ素子が前記ホルダの側面に配置された形態を有した構造を特徴とする質量センサ。
2. 請求項１記載の該ホルダ形状は、複数の側面を有することを特徴とする質量センサ。
3. 請求項１記載の該ホルダの内壁には、該ホルダの側面内壁を分割する構造となっていることを特徴とする質量センサ。

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