JP2005274165A - Ｑｃｍセンサー装置及びセンサー - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のＱＣＭセンサー装置の構造では、容器体に入った溶液を攪拌する際に、容器体自体を揺り動かす方法もしくは容器体内の溶液にプロペラを浸漬する方法を行う必要があった。また、容器自体を揺り動かす方法では攪拌が十分でではなく、プロペラを用いる方法ではプロペラを適当な位置に固定する作業が必要となってくる。
【解決手段】 貯留パッドに試料液体を滴下するだけで、試料液体が液体注入部材に濡れ伝わり、さらに基台と圧電振動子の隙間を通過して液体吸収部材および吸収パッドに吸収される。この時、吸着膜を設けた圧電振動子に試料液体中の目的物質が吸着されその際に圧電振動子の共振周波数の変化を検出することにより目的物質の吸着量を検出することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、所定の共振周波数で振動する圧電振動子上の励振用電極パターンを試料ガスや試料溶液に晒したときの共振周波数やインピーダンス等の電気的特性の変化に基づき、励振用の電極パターン表面に吸着した試料の成分を検知、定量するＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ
Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）センサー装置及びセンサーに関するものである。

近年、圧電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バイオセンサーが注目を集めている。従来のＱＣＭセンサー装置の構造を図１１に基づいて説明する。図１１は従来のＱＣＭセンサー装置の断面構造を示している。このセンサー装置は容器体を構成するアクリル樹脂からなる円筒状のセル２１を有し、セル２１の側壁には圧電振動子１の外径よりも小さい開口部を設けたフランジ部１６が形成されている。圧電振動子１は、その外周部が接着剤によってフランジ部１６の下面に接着固定されており、そして圧電振動子１の励振部分に設けた電極パターン２ａ、２ｂのうち、電極パターン２ｂがフランジ部１６の内側にできる開口部に露呈するようになっている。さらに圧電振動子１の外周部がフランジ部１６に押圧されるように圧電振動子１と台座１７との間にスプリング１８を配設している。台座１７には外部に電極パターン２ａ、２ｂを引き出すための端子ピン１９がガラスシール２０によって固定されており、圧電振動子１の電極パターン２ａ、２ｂは、それぞれスプリング１８を介して端子ピン１９に電気的に接続されている。（例えば特許文献１、特許文献２）

上記のＱＣＭセンサー装置は、圧電振動子１の電極パターン２ｂが形成された面のみを試料液体側に露出させて試料ガスや試料溶液に晒し、電極パターン２ｂに設けた吸着膜（図示せず）に試料成分が吸脱着することにより変動する共振周波数の変化量から試料成分を検知、定量することができる。

さらにこのＱＣＭセンサー装置には試料液体を攪拌するための攪拌部５１が設けられている。攪拌部５１は支持部５２に取り付けられてセル２１の上部開口側から試料液体内に入れられ、上下動して試料液体を攪拌するようになっている。

また他の形態としては、試料液体の入ったセル本体を陽動攪拌機構上に載置し、セル２１自体を揺り動かす構成も提案されている。
特開２００２−３１０８７２号公報（５頁〜８頁、図１、図６、図７、図８） 特開２００２−２７７３６９号公報（４頁〜６頁、図１、図５、図６）

前述したＱＣＭセンサー装置には以下に記載するような問題点がある。

従来のＱＣＭセンサー装置では、容器体であるセルに入った溶液を攪拌する際に、セル自体を揺り動かす機構もしくはセル内の溶液に攪拌部を浸漬して上下に動かして攪拌する機構が提案されているが、セル自体を揺り動かす方法では攪拌が十分でなく、ＱＣＭセンサーに対して検出したい物質の遭遇確率が低下し、安定した性能を有するＱＣＭセンサー装置を得ることが難しかった。

一方、攪拌部を上下に動かして試料液体を攪拌する機構は、試料液体を十分に攪拌することはできるが、攪拌部５１の下側にある圧電振動子１に素早く試料が行くように特別な試料供給経路を設ける必要があり、装置が複雑になっていた。

そのため、液面に試料を供給した場合は満遍なく攪拌するまでに時間がかかり、測定時間が長くなっていた。また、測定によっては試料液体の温度を一定にする必要があったが、上記のような攪拌機構では、攪拌部５１を取り付けた柄の部分が試料液体と空気の両方に触れるため、柄によって試料液体の温度が不安定になるという問題があった。

本発明は、目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜と励振電極とを有する圧電振動子１を試料液体に接触させ、前記吸着膜に前記目的物が吸着することにより変化する前記圧電振動子１の共振数端数を検出して前記目定期物質を定量分析するＱＣＭセンサー装置において、試料液体を流動させる際にポンプなどの外部動力を一切使用する必要が無く、非常に簡便なＱＣＭセンサー装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明における圧電振動子の実装構造は、下記記載の構成を採用する。

目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜と励振電極とを有する圧電振動子を試料液体に接触させ、前記吸着膜に前記目的物が吸着することにより変化する前記圧電振動子の共振周波数を検出して前記目的物質を定量分析するＱＣＭセンサー装置において、
前記試料液体を流すための基台と、該基台と所定の隙間を保って配設した前記圧電振動子と、前記試料液体を前記隙間へ所定速度で注入するための液体注入部材と、前記隙間に注入された前記試料液体を排出するための液体吸収部材と、前記励振電極と電気的に接続された外部接続電極とを有するセンサーと、該センサーの前記外部接続電極からの信号を受けて前記目的物質を定量分析する分析装置とから構成されていることを特徴としている。

前記センサーは前記液体注入部材へ流す前記試料液体を一時的に貯留するための貯留パッドと、前記液体吸収部材で排出した前記試料液体を吸収するための吸収パッドをさらに有することを特徴としている。

前記液体注入部材をガラス繊維で構成したことを特徴としている。

前記圧電振動子は前記外部接続端子に接続された配線を有する回路基板に固定されており、前記液体注入部材と前記液体吸収部材は前記回路基板と前記基台と出挟まれていることを特徴としている。

試料液体に含まれた目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜と励振電極を有する圧電振動子と、前記励振電極と電気的に接続した外部接続電極とを有するセンサーにおいて、
前記試料液体を流すための基台と、該基台と所定の隙間を保って配設した前記圧電振動子と、前記試料液体を前記隙間へ所定速度で注入するための液体注入部材と、前記隙間に注入された前記試料液体を排出するための液体吸収部材とを有することを特徴としている。

前記液体注入部材へ流す前記試料液体を一時的に貯留するための貯留パッドと、前記液体吸収部材で排出した前記試料液体を吸収するための吸収パッドを有することを特徴としている。

前記液体注入部材をガラス繊維で構成したことを特徴としている。

前記圧電振動子は前記外部接続端子に接続された配線を有する回路基板に固定されており、前記液体注入部材と前記液体吸収部材は前記回路基板と前記基台とで挟持されていることを特徴としている。

この構造とすることにより、試料液体は基台と圧電振動子とで形成した隙間に集中して流入するので、試料液体中の目的物質は高い確率で圧電振動子に設けた吸着膜に遭遇する機会が増える。さらに試料液体は吸収パッドによってその隙間から徐々に排出されるので、最終的にはほぼすべての試料液体を圧電振動子の吸着膜に遭遇させることができる。それによって吸着膜を設けた圧電振動子に試料液体中の目的物質が吸着されその際に圧電振動子の共振周波数の変化を検出することにより目的物質の吸着量を知ることが可能となる。また、センサー単体では試料液体を流動させる際にポンプなどの外部動力を一切使用する必要が無く、センサー単体は使い捨てできるので 非常に簡便なＱＣＭセンサー装置及びセンサーを得ることができる。

以下図面を用いて本発明の最適な実施形態におけるＱＣＭセンサー装置について説明する。図１、図１０、図１１は、本発明の実施形態に係るＱＣＭセンサーの断面図、図２は圧電振動子１の断面図、図３は圧電振動子１の斜視図、図４〜図６は、圧電振動子１を実装する基板３と、圧電振動子１を実装する基板３へ実装した状態を示す断面図、図７は図１のＡ−Ａ’断面であり、圧電振動子１を実装した基板３を基台７に実装した状態を示す断面図、図８、図９は本発明の実施形態に係わるＱＣＭセンサーの平面状態を示す平面図、図１２は、本発明の実施形態に係わるＱＣＭセンサー装置を示す外観図である。

最初に、本実施形態のＱＣＭセンサー装置で使用するＱＣＭセンサー単体について説明する。図１に示すように、目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜と励振電極とを有する圧電振動子１を試料液体に接触させ、前記吸着膜に前記目的物が吸着することにより変化する前記圧電振動子１の共振数端数を検出して前記目定期物質を定量分析するＱＣＭセンサーは、前記試料液体を流すための基台７と、該基台７と所定の隙間を保って配設した前記圧電振動子１と、前記試料液体を前記隙間へ所定速度で注入するための液体注入部材１０と、前記隙間に注入された前記試料液体を排出するための液体吸収部材１１と、前記励振電極と電気的に接続された外部接続電極とを有する。また前記センサーは前記液体注入部材１０へ流す前記試料液体を一時的に貯留するための貯留パッド１２と、前記液体吸収部材１１で排出した前記試料液体を吸収するための吸収パッド１３を有している。

次に、本実施形態におけるＱＣＭセンサーの製造工程について図１から図８及び図１１を用いて説明する。まず、図２に示すように水晶板からなる圧電振動子１をエッチングやダイシングなどの方法により任意の大きさに形成し、メタルマスクを用いてスパッタリング法や真空蒸着法により水晶板上に金属薄膜を形成することにより、圧電振動子１上に励振用の電極パターン２ａ、２ｂを形成する。

図３は圧電振動子１の斜視図であるが、点線は裏面の電極パターン２ａの状態を表している。励振用の電極パターン２ｂは、後述の図４に示した基板３上に設けた配線４ｂと電気的な接続を行うため、その接続配線が励振用の電極パターン２ａと同一の面になるように、圧電振動子１の側面を回り込むように形成されている。

本実施形態では圧電振動子１としてＡＴ水晶板を用い、大きさが５ｍｍ角で厚みが５０μｍのものを使用し、励振用の電極パターン２ａ、２ｂが３ｍｍ角となるような金パターンを０．２μｍの厚みで形成した。

次に図４に示すように、圧電振動子１を実装する基板３には、ガラス繊維とエポキシ樹脂で形成したガラスエポキシ基板を使用している。基板３の一方の面には配線４ａ、４ｂが形成されており、スルーホールを介して裏面側の配線と接続している。本実施形態では厚みが０．５ｍｍの基板３を使用し、配線４ａ、４ｂとスルーホールは銅、ニッケル、金の三層構造となっている。

次に図５に示すように、圧電振動子１上に設けた励振用の電極パターン２ａ、２ｂと基板３上に設けた配線４ａ、４ｂとを導電接着剤や異方性導電シートなどの接続材料５を用いて電気的な接続を行う。

本実施形態では接続材料５として、シリコーン接着剤中に銀やパラジウムなどの導電粒子を含有した導電接着剤を用いており、それをディスペンサで基板３の配線４ａ、４ｂ上に塗布し、圧電振動子１の励振用の電極パターン２ａ、２ｂと配線４ａ、４ｂとの位置あわせを行い、熱処理により導電接着剤を硬化させて、電気的接続を行った。

さらに図６に示すようにエポキシ、シリコーン、ポリウレタンなどの封止材６を圧電振動子１の外周部にディスペンサを用いて塗布しており、封止材６を硬化させることによって、圧電振動子１と基板３との隙間が水密に密封される。

本実施形態では硬化後に柔らかく、圧電振動子１を変形させるような応力発生させない常温硬化型のシリコーン接着剤を封止材６として使用した。

基板３上に実装された圧電振動子１の電極パターン２ｂ部分には、特定の物質を吸着させる吸着膜（図示せず）を形成しておく。この吸着膜は、吸着させたい物質に合わせて抗体などを塗布および乾燥させることにより形成する。

次に図１のＡ−Ａ’間の断面図である図７に示すように、圧電振動子１を実装した基板３と基台７とをスペーサー８を介して接着することにより、圧電振動子１と基台７の間に所定の隙間を設けることができる。この時、スペーサー８の厚みにより隙間の高さｈを調整することが可能であり、試料液体が通過できる範囲で自由に変更することができる。本実施形態では高さｈが約３０μｍとなるよう厚さ１００μｍのスペーサー８を使用したが、特に限定されるものではない。スペーサー８の材質はアクリルを使用し、接着剤９として常温硬化型のシリコーン接着剤を使用した。基台７としては材質に特に制限はないが、本実施形態ではガラス板を使用した。

図１に示す如く、液体注入側基板３と基台７の隙間には、液体注入部材１０を差し込み、液体排出側の基板３と基台７の隙間には、液体吸収部材１１を差し込むように配設している。貯留パッド１２は液体注入部材１０と一部重なるように配置し、両面テープまたは粘着テープなどで基台７に固定し、吸収パッド１３は同様に液体吸収部材１１と一部重なるように配置し、両面テープまたは粘着テープで基台７に固定している。

液体注入部材１０と液体吸収部材１１は、圧電振動子１を実装した基板３と基台７とをスペーサー８を介して接着する際にあらかじめ両面テープなどで基台７に配置しておき、基板３と基台７とで挟み込んでしまってもかまわない。

液体注入部材１０および液体吸収部材１１は濾紙、ガラス繊維、メンブレンフィルターなどを用いることができるが、本実施形態では液体注入部材１０に液体貯留力の低いガラス繊維を使用することで基板３と基台７の隙間に試料液体が流れ込み易くしており、液体吸収部材１１にメンブレンフィルターを使用することにより基板３と基台７の隙間から排
出される試料液体の速度を調整した。また貯留パッド１２および吸収パッド１３については液体を貯留および吸収できる繊維状のものであれば特に制限はない。

図８は、上記方法で形成したＱＣＭセンサーを、基台７を透過して見た場合の平面図である。液体吸収部材１１は、目の細かいものを使用するか、幅を細くすることで、吸収パッド１３に試料液体が吸収される速度を遅くすることが可能である。これによって、試料液体中の目的物質が吸着膜に吸着される最適な排出速度に調整することが可能となっている。

図１１は上記のＱＣＭセンサーをケース１４内に設置した状態を示す断面図、図１２はＱＣＭセンサーと分析装置１５の関係を示す外観図である。ケース１４は、試料液体を滴下する部分に貯留パッド１２を露呈する開口部が設けられている。基板３上の配線４ａ、４ｂは、外部の分析装置１５と電気的に接続するため、基板３の配線４ａ、４ｂをケース１４の外に突出させており、この配線４ａ、４ｂが配設された基板３を分析装置１５の所定のコネクタ部に接続することにより、分析装置１５が分析測定するようになっている。

以上の構造とすることにより、貯留パッド１２に試料液体を滴下するだけで、試料液体が液体注入部材１０に濡れ伝わり、さらに基台７と圧電振動子１の隙間を通過して液体吸収部材１１および吸収パッド１３に吸収される。この時、吸着膜を設けた圧電振動子１に試料液体中の目的物質が吸着されその際に圧電振動子１の共振周波数の変化を検出することにより目的物質の吸着量を知ることが可能となる。試料液体を流動させる際にポンプなどの外部動力を一切使用する必要が無く、非常に簡便なＱＣＭセンサー装置を得ることができる。

図１２に示すように、ケース１４で構成されたＱＣＭセンサーは、分析装置１５のコネクタにより簡単に脱着できるので、ＱＣＭセンサー部分を交換するだけで複数の試料の分析を容易に行うことができる。

なお、上記実施形態のＱＣＭセンサーでは図７、図８に示したように、液体注入部材１０から流出した試料液体は二つのスペーサー８で規制された流路を通過するようになっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図９の平面図に示す斜線部分のような形状の撥水膜２２を基台７上にパターンニングしておくことで、試料液体の流路を制御することが可能であり、試料液体の流れを圧電振動子１の励振部分の電極パターン２ｂに集中させることができる。これにより、試料液体中の目的物質が励振部分の電極パターン２ｂ上に形成した吸着膜に遭遇する機会が増えるので、より精度の高い測定が可能となる。

また、液体注入部材１０および液体吸収部材１１を配置する位置は、図１では基板３と基台７の間に挟まれるように記載したが、圧電振動子１と基台７に挟まれるような位置でも問題はなく、図１０に示すように液体注入部材１０が基板３と基台７の間に配置され、液体吸収部材１１が圧電振動子１と基台７の間に配置されたものでもかまわない。

本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサー装置の実装構造を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサー装置の圧電振動子を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサー装置の圧電振動子を示す斜視図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサー装置の基板を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサー装置の圧電振動子と基板を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサー装置の圧電振動子と基板を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ’断面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサー装置の平面状態を示す平面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサー装置の平面状態を示す平面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサー装置を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサー装置を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサー装置のを示す外観図である。 従来例における圧電振動子の実装構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 圧電振動子
２ａ、２ｂ 電極パターン
３ 基板
４ａ、４ｂ 配線
５ 接続材料
６ 封止材
７ 基台
８ スペーサー
９ 接着剤
１０ 液体注入部材
１１ 液体吸収部材
１２ 貯留パッド
１３ 吸収パッド
１４ ケース
１５ 分析装置
１６ フランジ部
１７ 台座
１８ スプリング
１９ ピン
２０ ガラスシール
２１ セル
２２ 撥水膜
５１ 攪拌部
５２ 支持部

Claims (9)

1. 目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜と励振電極とを有する圧電振動子を試料液体に接触させ、前記吸着膜に前記目的物が吸着することにより変化する前記圧電振動子の共振周波数を検出して前記目的物質を定量分析するＱＣＭセンサー装置において、
   前記試料液体を流すための基台と、該基台と所定の隙間を保って配設した前記圧電振動子と、前記試料液体を前記隙間へ所定速度で注入するための液体注入部材と、前記隙間に注入された前記試料液体を排出するための液体吸収部材と、前記励振電極と電気的に接続された外部接続電極とを有するセンサーと、該センサーの前記外部接続電極からの信号を受けて前記目的物質を定量分析する分析装置とから構成されたＱＣＭセンサー装置。
2. 前記センサーは前記液体注入部材へ流す前記試料液体を一時的に貯留するための貯留パッドと、前記液体吸収部材で排出した前記試料液体を吸収するための吸収パッドをさらに有する請求項１記載のＱＣＭセンサー装置。
3. 前記液体注入部材をガラス繊維で構成したことを特徴とする請求項２記載のＱＣＭセンサー装置。
4. 前記圧電振動子は前記外部接続端子に接続された配線を有する回路基板に固定されており、前記液体注入部材と前記液体吸収部材は前記回路基板と前記基台と出挟まれていることを特徴とする請求項１記載のＱＣＭセンサー装置。
5. 試料液体に含まれた目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜と励振電極を有する圧電振動子と、前記励振電極と電気的に接続した外部接続電極とを有するセンサーにおいて、
   前記試料液体を流すための基台と、該基台と所定の隙間を保って配設した前記圧電振動子と、前記試料液体を前記隙間へ所定速度で注入するための液体注入部材と、前記隙間に注入された前記試料液体を排出するための液体吸収部材とを有するセンサー。
6. 前記液体注入部材へ流す前記試料液体を一時的に貯留するための貯留パッドと、前記液体吸収部材で排出した前記試料液体を吸収するための吸収パッドを有する請求項５記載のセンサー。
7. 前記液体注入部材をガラス繊維で構成したことを特徴とする請求項６記載のセンサー。
8. 前記圧電振動子は前記外部接続端子に接続された配線を有する回路基板に固定されており、前記液体注入部材と前記液体吸収部材は前記回路基板と前記基台とで挟持されていることを特徴とする請求項５記載のセンサー。
9. 前記基台は、前記試料液体の流路を形成するための撥水膜を有することを特徴とする請求項５記載のセンサー。

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