JP2006029874A - Sensor - Google Patents

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Kazuo Akaike
和男 赤池
Mitsuaki Koyama
光明 小山
Kazunori Hasegawa
和徳 長谷川
Shigeru Kurosawa
茂 黒澤
Hidenobu Aizawa
秀信 愛澤
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Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor capable of detecting highly sensitively an environmental pollutant, dioxin, for example, existing in a micro amount, or a marker protein or the like, in a short time. <P>SOLUTION: A frequency difference between, for example, 9MHz of frequency signal from an oscillation circuit for oscillating a quartz oscillator and, for example, 10MHz of reference frequency signal is taken out using the quartz oscillator formed on a surface with an adsorption layer for adsorbing a sensing substance, the 1MHz of frequency signal, that is the frequency difference, is multiplied ten times, for example, to be counted by a counter, and a concentration or the presence of the sensing substance is detected based on the counted value. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に形成され、感知対象物の吸着により固有振動数が変わるセンサ用振動子例えば水晶振動子を用い、このセンサ用振動子の固有振動数の変化分を検出して感知対象物を感知する感知装置に関する。   The present invention uses a sensor vibrator, such as a quartz crystal vibrator, in which an adsorption layer for adsorbing a sensing object is formed on the surface thereof, and the natural frequency changes due to the adsorption of the sensing object. The present invention relates to a sensing device that senses a sensing object by detecting a change in frequency.

バイオテクノロジーの分野あるいは環境保全の分野などにおいては、微量な物質の有無あるいは濃度を検出しなければならない場合が多く、このため微量な汚染物質あるいは有機物の計測技術の確立が望まれている。その感知対象物としては、例えば伝染病の細菌、ダイオキシン、PCBあるいはマーカー蛋白質やストレスマーカーなどを挙げることができる。汚染物質の中でも最近注目を集めているものとしてダイオキシンがあるが、このダイオキシンを測定する手法としては、高分解能ガスクロマトグラフ質量分析計を用いる公定法(JIS)に定められた方法が知られ、またELISA法(酵素固定化免疫測定法)が簡易法として知られている。ガスクロマトグラフ質量分析計によれば、10−12g/mlオーダの高精度な微量分析を行うことができるが、装置価格が極めて高く、このため分析コストも可成り高いものになっており、更に分析に長い期間を必要とするという欠点がある。またELISA法は、ガスクロマトグラフ質量分析計に比べて装置価格、分析価格が低く、分析に要する時間も短いが、分析精度が10−9g/mlオーダと低いという課題がある。 In the field of biotechnology or environmental conservation, it is often necessary to detect the presence or concentration of trace amounts of substances, and therefore, establishment of measurement techniques for trace amounts of pollutants or organic substances is desired. Examples of the sensing target include infectious disease bacteria, dioxins, PCBs, marker proteins, stress markers, and the like. Among the pollutants, there is dioxin that has recently attracted attention. As a method for measuring this dioxin, a method defined in the official method (JIS) using a high-resolution gas chromatograph mass spectrometer is known. An ELISA method (enzyme-immobilized immunoassay) is known as a simple method. According to the gas chromatograph mass spectrometer, it is possible to carry out high-accuracy trace analysis on the order of 10 −12 g / ml, but the price of the apparatus is extremely high, and therefore the analysis cost is considerably high. There is a disadvantage that the analysis requires a long period of time. In addition, the ELISA method is lower in apparatus price and analysis price than the gas chromatograph mass spectrometer and has a short analysis time, but has a problem that the analysis accuracy is as low as 10 −9 g / ml.

そこで本発明者は、感知対象物が水晶振動子に付着するとその固有振動数がその付着量に応じて変化することから、ダイオキシンなどの汚染物質の測定装置として水晶振動子に着眼している。一方、水晶振動子を用いて吸着ガスの同定を行う化学センシング装置として特許文献1に記載された技術がある。この装置は、センサ振動子の発振周波数と基準振動子で発生させた基準周波数との差周波数の絶対値を出力させるサンプリング回路と、差周波数を所要の分周比で分周する分周回路と、を設け、その分周出力の周期をクロックパルスによりカウンタでカウントし、カウントされた周期を基にセンサ振動子の発振周波数を演算装置で求めるようにしている。この化学センシング装置によれば、差周波数を求めるようにしているので、測定すべき周波数の絶対値を小さくでき、測定範囲を広げることなく分解能の高い測定が可能になる利点がある。   Therefore, the present inventor focuses on the crystal resonator as a measuring device for contaminants such as dioxin because the natural frequency changes according to the amount of the object to be detected attached to the crystal resonator. On the other hand, there is a technique described in Patent Document 1 as a chemical sensing device that identifies an adsorbed gas using a crystal resonator. This device includes a sampling circuit that outputs an absolute value of a difference frequency between an oscillation frequency of a sensor vibrator and a reference frequency generated by a reference vibrator, and a frequency dividing circuit that divides the difference frequency by a predetermined frequency dividing ratio. , And the frequency of the divided output is counted by a counter with a clock pulse, and the oscillation frequency of the sensor vibrator is obtained by an arithmetic unit based on the counted period. According to this chemical sensing device, since the difference frequency is obtained, the absolute value of the frequency to be measured can be reduced, and there is an advantage that measurement with high resolution is possible without expanding the measurement range.

ところで、差周波数の変化をその周波数信号の周期の変化として捉える場合、例えば差周波数が50kHzであって1Hzの分解能を得るためには、上記の周期をカウントするクロックとして2.5GHz以上のものが必要となる。そのため特許文献1の技術は、このような高周波のクロックを発生させるのは容易ではないことから、差周波数を例えば256分の1に分周するようにしている。   By the way, when a change in the difference frequency is regarded as a change in the period of the frequency signal, for example, in order to obtain a resolution of 1 Hz when the difference frequency is 50 kHz, there is a clock of 2.5 GHz or more as the clock for counting the period. Necessary. For this reason, it is not easy for the technique of Patent Document 1 to generate such a high-frequency clock, so that the difference frequency is divided by, for example, 1/256.

しかしながら上述の装置は、分周回路を多段化するため、位相雑音が増大してしまい、高い測定精度を確保することが困難である。また例えば9MHzの水晶振動子を用いて0.01Hzもの微小周波数変化を捉えることを想定すると、分周回路の段数を例えば1024段もの多段化を図らなければならないが、そうすると位相雑音がかなり大きなものになってしまう。この結果適用範囲が限定され、ダイオキシンなどのように極めて微量な物質を高い感度で検出することが要求される場合には適用し難い。   However, since the above-mentioned apparatus has a multi-stage frequency dividing circuit, phase noise increases, and it is difficult to ensure high measurement accuracy. For example, assuming that a minute frequency change of 0.01 Hz is captured using a 9 MHz crystal resonator, the number of stages of the frequency dividing circuit must be increased to, for example, 1024 stages, but the phase noise is considerably large. Become. As a result, the application range is limited, and it is difficult to apply when it is required to detect a very small amount of a substance such as dioxin with high sensitivity.

一方、差周波数のパルスの周期をカウントする代わりにパルス数そのものをカウントしたとすると、カウンタ側ではカウントするパルスが1パルス変化しないと差周波数の変化を捉えることができないので、0.01Hzの周波数変化をカウンタで捉えるためには、1パルスの変化として現れるまで測定し続けなければならないことから、100秒もの長い測定時間を要する。   On the other hand, if the pulse number itself is counted instead of counting the pulse frequency of the difference frequency, the counter side cannot capture the change in the difference frequency unless the pulse to be counted changes by one pulse. In order to capture the change with the counter, since measurement must be continued until it appears as a change of one pulse, a measurement time as long as 100 seconds is required.

特開平6−241972号公報の段落0014Paragraph 0014 of JP-A-6-241972

本発明はこのような事情の下になされたものであり、微量に存在する例えば環境汚染物質や有機物などを高感度でかつ短時間で感知することのできる感知装置を提供することにある。   The present invention has been made under such circumstances, and it is an object of the present invention to provide a sensing device capable of sensing a minute amount of, for example, environmental pollutants and organic substances with high sensitivity and in a short time.

本発明の感知装置は、感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に形成され、感知対象物の吸着により固有振動数が変わるセンサ用振動子を用い、このセンサ用振動子の固有振動数の変化により感知対象物を感知する感知装置において、
前記センサ用振動子を発振させる発振回路と、
基準周波数信号を発生させる基準周波数発生部と、
前記発振回路からの周波数信号と前記基準周波数信号との周波数差を取り出し、その周波数差の周波数信号を出力する周波数差出力手段と、
前記周波数差の周波数信号を逓倍する逓倍手段と、
この逓倍回路で逓倍された周波数信号を計数する計数手段と、を備えたことを特徴とする。
The sensing device of the present invention uses a sensor vibrator in which an adsorption layer for adsorbing a sensing object is formed on the surface thereof, and the natural frequency changes due to the adsorption of the sensing object. In a sensing device that senses a sensing object by changing the number,
An oscillation circuit for oscillating the sensor vibrator;
A reference frequency generator for generating a reference frequency signal;
A frequency difference output means for extracting a frequency difference between the frequency signal from the oscillation circuit and the reference frequency signal and outputting a frequency signal of the frequency difference;
Multiplication means for multiplying the frequency signal of the frequency difference;
And a counting means for counting the frequency signal multiplied by the multiplication circuit.

本発明のより具体的な例としては、周波数差出力手段の後段に前記周波数差の周波数信号を通過させるローパスフィルタを設け、逓倍手段は、前記ローパスフィルタを通過した周波数信号を増幅すると共に当該周波数信号を逓倍した周波数信号に相当する高調波を含む信号を出力する増幅部により構成される例を挙げることができる。また逓倍手段の後段に、当該逓倍手段により逓倍された周波数信号を通過させるフィルタを設けた構成を挙げることができる。   As a more specific example of the present invention, a low-pass filter that passes the frequency signal of the frequency difference is provided after the frequency difference output unit, and the multiplication unit amplifies the frequency signal that has passed through the low-pass filter and the frequency. An example may be given in which the amplifier is configured to output a signal including a harmonic corresponding to a frequency signal obtained by multiplying the signal. Moreover, the structure which provided the filter which allows the frequency signal multiplied by the said multiplication means to pass after the multiplication means can be mentioned.

本発明は、水晶振動子などのセンサ用振動子を発振させる発振回路からの周波数信号と基準周波数信号との周波数差を取り出し、その周波数差の周波数信号を逓倍してカウントするようにしているため、周波数変化分が微少であってもそれを逓倍していることから、その微少変化分を短時間で捉えることができる。例えば0.01Hzの周波数変化をカウンタで捉えるためには100秒かかるところ、周波数変化を10倍にすれば、10秒で捉えることができる。従って感知物質を高感度でしかも短時間で感知することができる。   In the present invention, a frequency difference between an oscillation circuit that oscillates a sensor resonator such as a crystal resonator and a reference frequency signal is extracted, and the frequency signal of the frequency difference is multiplied and counted. Even if the frequency change is small, the frequency change is multiplied, so that the small change can be captured in a short time. For example, it takes 100 seconds to capture a frequency change of 0.01 Hz with a counter, but if the frequency change is 10 times, it can be captured in 10 seconds. Therefore, the sensing substance can be sensed with high sensitivity and in a short time.

図1は本発明に係る感知装置の実施の形態の全体構成を示す図である。1はセンサ部であり、このセンサ部1はセンサ用振動子である、例えばATカットの基本波周波数が9MHz(約9MHz)である水晶振動子11の一方の面を石英などにより密閉すると共に他方の面が露出していて、感知対象物質が存在する容器10内の溶液12に例えば浸漬されるランジュバン型振動子として構成されている。前記水晶振動子11における溶液に接触する面には、感知対象物質を選択的に吸着(捕獲)するための例えば抗体やレセプター分子などからなる吸着層、例えばダイオキシンを吸着するための抗体を含む吸着層が形成されている。13は水晶振動子11を発振させる発振回路である。   FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of an embodiment of a sensing device according to the present invention. Reference numeral 1 denotes a sensor unit. The sensor unit 1 is a transducer for a sensor. For example, one surface of a crystal unit 11 having an AT-cut fundamental wave frequency of 9 MHz (about 9 MHz) is sealed with quartz or the like, and the other side. These surfaces are exposed, and are configured as, for example, a Langevin type vibrator immersed in the solution 12 in the container 10 in which the substance to be detected exists. The surface in contact with the solution in the crystal unit 11 includes an adsorption layer made of, for example, an antibody or a receptor molecule for selectively adsorbing (capturing) a sensing target substance, for example, an adsorption containing an antibody for adsorbing dioxin. A layer is formed. An oscillation circuit 13 oscillates the crystal unit 11.

2は基準周波数発生部であり、周波数の安定度が極めて高い例えば1×10−9/日程度の10MHzの基準周波数信号を出力する。3は、発振回路13からの周波数信号と基準周波数発生部2からの基準周波数信号との周波数差を取り出し、その周波数差の周波数信号を出力する周波数差出力手段に相当するヘテロダイン検波器である。このヘテロダイン検波器3の後段には、容量素子41、42及びインダクタ43からなるローパスフィルタ(アナログフィルタ)4が接続されている。このローパスフィルタ4は、ヘテロダイン検波器3からの周波数信号に含まれるノイズを除去し、前記周波数差の周波数信号即ち1MHzの周波数信号を通過させるためのものである。 Reference numeral 2 denotes a reference frequency generation unit that outputs a reference frequency signal of 10 MHz of, for example, about 1 × 10 −9 / day, which has extremely high frequency stability. Reference numeral 3 denotes a heterodyne detector corresponding to frequency difference output means for extracting the frequency difference between the frequency signal from the oscillation circuit 13 and the reference frequency signal from the reference frequency generator 2 and outputting the frequency signal of the frequency difference. A low-pass filter (analog filter) 4 including capacitive elements 41 and 42 and an inductor 43 is connected to the subsequent stage of the heterodyne detector 3. This low-pass filter 4 is for removing noise contained in the frequency signal from the heterodyne detector 3 and allowing the frequency signal of the frequency difference, that is, the frequency signal of 1 MHz to pass through.

ローパスフィルタ4の後段には、増幅部であるアンプ5が接続されており、このアンプ5は、ローパスフィルタ4からの周波数信号のレベルを増幅する機能があるが、この増幅時に高調波を発生する。この高調波は、1MHzの周波数信号の10逓倍の周波数に相当する高調波も含んでおり、従ってこの例ではアンプ5は逓倍手段に相当する。従ってアンプ5から出力される周波数信号は、前記周波数差の10倍の周波数信号つまり1MHz×10=10MHzの周波数信号を含んでいる。   An amplifier 5 that is an amplifying unit is connected to the subsequent stage of the low-pass filter 4, and this amplifier 5 has a function of amplifying the level of the frequency signal from the low-pass filter 4, but generates a harmonic during this amplification. . This harmonic includes a harmonic corresponding to a frequency multiplied by 10 of the frequency signal of 1 MHz, and therefore, in this example, the amplifier 5 corresponds to a multiplication means. Therefore, the frequency signal output from the amplifier 5 includes a frequency signal 10 times the frequency difference, that is, a frequency signal of 1 MHz × 10 = 10 MHz.

アンプ5の後段には、容量素子61及び抵抗素子62からなるマッチング回路6を介してフィルタ71が接続されている。このフィルタ71は、既述の10逓倍した周波数信号つまり10MHzの周波数信号をターゲットにしたものであり、実質10MHzの周波数信号のみを通過させる。フィルタ71の後段には、増幅部をなすアンプ72及び計数手段であるカウンタ73が接続されており、カウンタ73の後段にはカウント値に基づいてデータ処理を行うデータ処理部74が設けられている。   A filter 71 is connected to the subsequent stage of the amplifier 5 via a matching circuit 6 including a capacitive element 61 and a resistive element 62. This filter 71 targets the frequency signal multiplied by 10 described above, that is, a frequency signal of 10 MHz, and allows only a frequency signal of 10 MHz to pass through. An amplifier 72 that forms an amplifying unit and a counter 73 that is a counting unit are connected to the subsequent stage of the filter 71, and a data processing unit 74 that performs data processing based on the count value is provided to the subsequent stage of the counter 73. .

次に上述の実施の形態の作用について説明する。水晶振動子11を例えば純水中に浸漬すると、純水が水晶面に付着したことにより大気雰囲気よりもわずかに発振周波数が低くなった状態で発振する。ここではこの周波数を9MHzとして説明すると、ヘテロダイン検波器3により基準周波数である10MHzの周波数信号と発振回路13からの9MHzの周波数信号との周波数差である1MHzの周波数信号を取り出し、ローパスフィルタ4にてノイズを除去して1MHzの周波数信号を通過させる。この周波数信号はアンプ5に入力され、アンプ5ではこの周波数信号を増幅するが、この場合アンプ5に入力される信号は正弦波であるため、同時に高調波も発生する。この高調波の中には1MHzの10倍の周波数の高調波である10MHzの周波数信号も含まれる。そしてアンプ5からの周波数信号をフィルタ71を通過させると、このフィルタ71は、10MHzの周波数信号を通過させるように構成されているので、フィルタ71からは10MHzの周波数信号が取り出される。この10MHzの周波数信号をアンプ72を通して増幅し、増幅された周波数信号をカウンタ73にてカウントする。   Next, the operation of the above embodiment will be described. When the crystal unit 11 is immersed in, for example, pure water, it oscillates in a state where the oscillation frequency is slightly lower than that in the atmosphere due to the adhesion of pure water to the crystal surface. Here, when this frequency is assumed to be 9 MHz, the heterodyne detector 3 takes out a frequency signal of 1 MHz that is a frequency difference between a 10 MHz frequency signal that is a reference frequency and a 9 MHz frequency signal from the oscillation circuit 13, and supplies it to the low pass filter 4. The noise is removed and the 1 MHz frequency signal is passed. This frequency signal is input to the amplifier 5 and the amplifier 5 amplifies the frequency signal. In this case, since the signal input to the amplifier 5 is a sine wave, harmonics are generated at the same time. This harmonic includes a frequency signal of 10 MHz, which is a harmonic of 10 times the frequency of 1 MHz. When the frequency signal from the amplifier 5 is passed through the filter 71, the filter 71 is configured to pass the 10 MHz frequency signal, so that the 10 MHz frequency signal is extracted from the filter 71. The 10 MHz frequency signal is amplified through an amplifier 72, and the amplified frequency signal is counted by a counter 73.

また周波数差出力手段はヘテロダイン検波器3に限らず、ディジタル的に前記周波数差の周波数信号を取り出すものであってもよく、その周波数信号が矩形波である場合にも前記ローパスフィルタ4にて例えば1MHzの周波数信号が通過するときに波形が鈍るので、この周波数信号がアンプ5を通過するときにやはり高調波が発生し、10倍の周波数信号が得られる。   Further, the frequency difference output means is not limited to the heterodyne detector 3 and may be one that digitally extracts the frequency signal of the frequency difference. Even when the frequency signal is a rectangular wave, the low-pass filter 4 Since the waveform is blunt when a 1 MHz frequency signal passes, harmonics are also generated when the frequency signal passes through the amplifier 5, and a 10-fold frequency signal is obtained.

データ処理部74においては、例えば測定時間を1秒に設定したとすると、1秒間のカウント値を記憶し、これをブランク値とする。このブランク値は、例えば1秒間のカウント値を順次記憶し、その時系列の値の平均値としてもよいが、カウント値が安定した時点のカウント値を用いてもよい。なおブランク値としては、予め求めておいてそれを記憶して使用してもよい。ここでは説明を容易にするために、記憶されているブランク値を10MHzとして説明を進めていく。   In the data processing unit 74, for example, if the measurement time is set to 1 second, the count value for 1 second is stored, and this is set as a blank value. As this blank value, for example, count values for 1 second are sequentially stored, and an average value of the time series values may be used. Alternatively, a count value at the time when the count value is stabilized may be used. The blank value may be obtained in advance and stored and used. Here, in order to facilitate the description, the description will be made assuming that the stored blank value is 10 MHz.

今、容器10内の溶液12中に、感知対象物例えばダイオキシンが含まれている溶液を供給して攪拌すると、ダイオキシンが水晶振動子11の表面の抗体からなる吸着層に選択的に捕獲され、その吸着量に応じて水晶振動子11の共振周波数(固有振動数)がΔfだけ変化する。このため発振回路13からの発振周波数が9MHz−Δfとなり、このためヘテロダイン検波器3からの周波数信号の周波数は1MHz+Δfとなる。この周波数は既述のように10逓倍されるので、10MHz+10Δfとなり、カウンタ73にてカウントされる。例えば測定時間を1秒とした場合、データ処理部74では、1秒間のカウント値である10MHz+10Δfと予め記憶されているブランク値である例えば10MHzとを比較演算し、10Δfが周波数の変化分として求められる。   Now, when a sensing object, for example, a solution containing dioxin is supplied into the solution 12 in the container 10 and stirred, the dioxin is selectively captured by the adsorption layer made of antibodies on the surface of the crystal unit 11, The resonance frequency (natural frequency) of the crystal unit 11 changes by Δf according to the amount of adsorption. For this reason, the oscillation frequency from the oscillation circuit 13 is 9 MHz−Δf, and therefore the frequency of the frequency signal from the heterodyne detector 3 is 1 MHz + Δf. Since this frequency is multiplied by 10 as described above, it becomes 10 MHz + 10Δf and is counted by the counter 73. For example, when the measurement time is 1 second, the data processing unit 74 compares 10 MHz + 10Δf, which is a count value for 1 second, with, for example, 10 MHz, which is a blank value stored in advance, and 10Δf is obtained as a change in frequency. It is done.

ここでΔfが0.1Hzであるとした場合、図2に示すように水晶振動子11の共振周波数が9,000,000Hzから8,999,999.9Hzに変化するので、基準周波数信号との周波数差は1,000,000.1Hzとなる。周波数差を本発明のように10逓倍することなくそのままカウントしたとすると、カウンタ73におけるカウントの最小単位は1パルスであるから、この周波数差をカウントしようとすると、図3に示すように0.1Hzが1パルスとして現れる時間つまり10秒必要になる。   If Δf is 0.1 Hz, the resonance frequency of the crystal unit 11 changes from 9,000,000 Hz to 8,999,999.9 Hz as shown in FIG. The frequency difference is 1,000,000.1 Hz. If the frequency difference is counted as it is without being multiplied by 10 as in the present invention, the minimum unit of counting in the counter 73 is 1 pulse. Therefore, when this frequency difference is counted, as shown in FIG. It takes 10 seconds for 1 Hz to appear as one pulse.

これに対して周波数差を10逓倍した場合には、カウンタ73に入力される周波数は10MHz+10Δf、つまり10,000,001Hzであるから、周波数差をカウントするのに必要な時間は図4に示すように1秒になる。そしてデータ処理部24においては、そのカウント値と既述のブランク値とを比較すると、10Δfである1Hzの変化分を検出することができる。10逓倍した周波数の変化分が1Hzであること(1Hz大きくなったこと)は、水晶振動子11の周波数が0.1Hz低くなったことであり、9MHzの水晶振動子11における0.1Hzの変化分を検出できたことになる。このように周波数の変化分が検出できると、例えば予め作成しておいた検量線に基づいて例えば水晶振動子11が浸漬されている溶液中のダイオキシン濃度が分かり、従って容器10内に供給した測定対象となる溶液中のダイオキシン濃度が検出できることになる。この濃度は図示しない表示手段に表示されることになる。この例では、データ処理部74が周波数の変化分を検出して感知物質を感知する手段に相当する。   On the other hand, when the frequency difference is multiplied by 10, the frequency input to the counter 73 is 10 MHz + 10Δf, that is, 10,000,001 Hz. Therefore, the time required to count the frequency difference is as shown in FIG. 1 second. Then, in the data processing unit 24, when the count value is compared with the blank value described above, it is possible to detect a change of 1 Hz that is 10Δf. The change of the frequency multiplied by 10 is 1 Hz (1 Hz is increased) means that the frequency of the crystal unit 11 is reduced by 0.1 Hz, and the change of 0.1 Hz in the 9 MHz crystal unit 11 is changed. The minute could be detected. When the change in frequency can be detected in this way, for example, the concentration of dioxin in a solution in which the quartz crystal resonator 11 is immersed can be known based on a calibration curve prepared in advance, and therefore the measurement supplied into the container 10 is obtained. The dioxin concentration in the target solution can be detected. This density is displayed on a display means (not shown). In this example, the data processing unit 74 corresponds to a means for detecting a sensing substance by detecting a change in frequency.

なおこの感知装置では、ダイオキシン濃度を表示する濃度センサとして構成してもよいが、検出した周波数の変化分と予め設定した閾値とを比較し、閾値よりも低ければダイオキシンが無いと判断し、閾値よりも高ければダイオキシンが有ると判断する手段を設けて、ダイオキシンが有るか否かを表示する有無センサとして構成してもよい。   This sensing device may be configured as a concentration sensor that displays the dioxin concentration. However, the detected frequency change is compared with a preset threshold, and if it is lower than the threshold, it is determined that there is no dioxin. If it is higher than that, a means for determining that dioxin is present may be provided to constitute a presence sensor for displaying whether dioxin is present.

また上述の例では測定時間を1秒としたが10秒としてもよい。この場合には、水晶振動子11の周波数変化について0.01Hzの変化を検出でき、その周波数変化率は概ね10−8 であって、10ピコグラムの吸着に相当するので極めて微少濃度の感知対象物質を検出することができる。例えば測定感度がナノグラムからピコグラムレベルまで拡張することができる。この場合において10逓倍しない構成では、カウンタ73でその変化を認識するためには100秒もの時間がかかってしまい、例えば実際の装置として多数のサンプルについて検査する場合には、可成り長い時間がかかってしまう。 In the above example, the measurement time is 1 second, but it may be 10 seconds. In this case, it is possible to detect a change of 0.01 Hz with respect to the frequency change of the crystal unit 11, and the frequency change rate is approximately 10 −8 , which corresponds to the adsorption of 10 picograms. Can be detected. For example, measurement sensitivity can be extended from nanogram to picogram levels. In this case, in the configuration in which the multiplication is not performed by 10, it takes 100 seconds for the counter 73 to recognize the change. For example, when a large number of samples are inspected as an actual apparatus, it takes a considerably long time. End up.

つまりこの実施の形態に係る感知装置は、高い分解能を得ながら短時間で測定できるという効果がある。ところでこのような効果だけを狙うのであれば、水晶振動子の発振周波数を9MHzの10倍である90MHzとすればよいが、そうすると90MHzをカウントできるカウンタ73を用いなければならず、カウンタ73の構成が複雑になるし、そのクロックの発生源もかなり高価なものになり、現実的ではない。これに対しこの実施の形態では、水晶振動子11の発振周波数を一旦ビートダウンしてつまり9MHzから1MHzに落として、この1MHzの周波数信号を10逓倍しているので、カウンタ73として簡易なものを用いることができる。   That is, the sensing device according to this embodiment has an effect that measurement can be performed in a short time while obtaining high resolution. By the way, if only such an effect is aimed, the oscillation frequency of the crystal resonator may be set to 90 MHz which is 10 times 9 MHz. In that case, a counter 73 capable of counting 90 MHz must be used. Becomes complicated and the source of the clock becomes quite expensive, which is not realistic. In contrast, in this embodiment, the oscillation frequency of the crystal unit 11 is once beat-down, that is, dropped from 9 MHz to 1 MHz, and the frequency signal of 1 MHz is multiplied by 10. Therefore, a simple counter 73 is used. Can be used.

なお水晶振動子の発振周波数としては9MHzのものに限られないが、例えば5MHzから155MHzのものが好ましい。また逓倍数は10逓倍に限られるものではない。   Note that the oscillation frequency of the crystal unit is not limited to 9 MHz, but preferably, for example, 5 MHz to 155 MHz. Further, the multiplication number is not limited to 10 multiplication.

本発明においては、水晶振動子11を溶液中に浸漬することに限られず、溶液を水晶振動子11の表面に垂らすようにしてもよく、またダイオキシン以外の環境汚染物質例えばPCB(ポリ塩化ビフェニール)などを感知するものであってもよいし、あるいはウイルスを感知するものであってもよいし、マーカータンパク質などを感知するものであってもよい。更にまた本発明は、液体中に存在する物質の感知に限られるものではなく、大気中に存在する物資を感知するものであってもよく、石油の臭い検知、火災時の煙検知、あるいはサリンガスなどの毒ガスの検知、部品内のガスの検知、半導体製造工場などのクリーンルーム内のガスの検知など種々の分野にて適用できる。   In the present invention, the crystal resonator 11 is not limited to being immersed in the solution, and the solution may be hung on the surface of the crystal resonator 11, and environmental pollutants other than dioxins such as PCB (polychlorinated biphenyl). It may be one that senses or the like, or one that senses a virus, or one that senses a marker protein or the like. Furthermore, the present invention is not limited to sensing substances present in a liquid, but may sense substances present in the atmosphere, such as oil odor detection, fire smoke detection, or sarin gas. It can be applied in various fields such as detection of poisonous gas such as, detection of gas in parts, and detection of gas in a clean room such as a semiconductor manufacturing factory.

本発明の装置の効果を確認するために次のような実験を行った。ATカットの水晶片の両面に、クロム及び金の2層構造の電極を形成し、その一方の面を密閉してランジュバン型水晶振動子を構成し、密閉されていない面に形成されている電極面上にマウスから得た抗体を約50Åの厚さで塗布し、吸着層とした。このようにして作られた水晶振動子(水晶センサ)を図1の実施の形態の感知装置に組み込み、当該水晶振動子を超純水中に浸漬し、カウンタ73により発振周波数F1を9MHzに対して0.1Hzの桁まで測定した。続いてこの超純水中にヤギから得た抗原を入れ、発振周波数F2を同様に0.1Hzの桁まで測定した。F1に対してF2は0.5Hz低かった。これを下記式(1)の周波数の変化率で表すと、
df/f=(F2−F1)/F1 (1)
変化率は、F1が約9MHzであるから、0.055ppmとなる。従って周波数の微少な変化を1秒で読みとることができる。
In order to confirm the effect of the apparatus of the present invention, the following experiment was conducted. An electrode having a two-layer structure of chromium and gold is formed on both surfaces of an AT-cut crystal piece, and one of the surfaces is sealed to form a Langevin type crystal resonator, and an electrode formed on an unsealed surface On the surface, an antibody obtained from a mouse was applied in a thickness of about 50 mm to form an adsorption layer. The crystal resonator (crystal sensor) thus manufactured is incorporated in the sensing device of the embodiment of FIG. 1, the crystal resonator is immersed in ultrapure water, and the oscillation frequency F1 is set to 9 MHz by the counter 73. And measured to the order of 0.1 Hz. Subsequently, the antigen obtained from the goat was put in this ultrapure water, and the oscillation frequency F2 was similarly measured to the order of 0.1 Hz. F2 was 0.5 Hz lower than F1. When this is expressed by the frequency change rate of the following formula (1),
df / f = (F2-F1) / F1 (1)
The change rate is 0.055 ppm because F1 is about 9 MHz. Therefore, a minute change in frequency can be read in one second.

本発明に係る感知装置の実施の形態の全体構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole structure of embodiment of the sensing apparatus which concerns on this invention. 水晶振動子の発振周波数の変化を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the change of the oscillation frequency of a crystal oscillator. 水晶振動子の発振周波数が変化したときに、本発明のように10逓倍せずにカウントする場合の時間的長さを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the time length in the case of counting, without multiplying by 10 like this invention, when the oscillation frequency of a crystal oscillator changes. 水晶振動子の発振周波数が変化したときに、実施の形態のように10逓倍してカウントする場合の時間的長さを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the time length in the case of counting by multiplying 10 like an embodiment, when the oscillation frequency of a crystal oscillator changes.

符号の説明Explanation of symbols

11 水晶振動子
13 発振回路
2 基準周波数発生部
3 ヘテロダイン検波器
4 ローパスフィルタ
5 アンプ
71 フィルタ
72 アンプ
73 カウンタ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Crystal oscillator 13 Oscillation circuit 2 Reference frequency generation part 3 Heterodyne detector 4 Low pass filter 5 Amplifier 71 Filter 72 Amplifier 73 Counter

Claims (3)

感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に形成され、感知対象物の吸着により固有振動数が変わるセンサ用振動子を用い、このセンサ用振動子の固有振動数の変化により感知対象物を感知する感知装置において、
前記センサ用振動子を発振させる発振回路と、
基準周波数信号を発生させる基準周波数発生部と、
前記発振回路からの周波数信号と前記基準周波数信号との周波数差を取り出し、その周波数差の周波数信号を出力する周波数差出力手段と、
前記周波数差の周波数信号を逓倍する逓倍手段と、
この逓倍手段で逓倍された周波数信号を計数する計数手段と、を備えたことを特徴とする感知装置。
An adsorption layer for adsorbing the sensing object is formed on the surface thereof, and a sensor vibrator whose natural frequency is changed by the adsorption of the sensing object is used, and the sensing object is detected by a change in the natural frequency of the sensor vibrator. In the sensing device that senses
An oscillation circuit for oscillating the sensor vibrator;
A reference frequency generator for generating a reference frequency signal;
A frequency difference output means for extracting a frequency difference between the frequency signal from the oscillation circuit and the reference frequency signal and outputting a frequency signal of the frequency difference;
Multiplication means for multiplying the frequency signal of the frequency difference;
A sensing device comprising: counting means for counting frequency signals multiplied by the multiplication means.
周波数差出力手段の後段に前記周波数差の周波数信号を通過させるローパスフィルタを設け、
逓倍手段は、前記ローパスフィルタを通過した周波数信号を増幅すると共に当該周波数信号を逓倍した周波数信号に相当する高調波を含む信号を出力する増幅部により構成されることを特徴とする請求項1記載の感知装置。
A low-pass filter that allows the frequency signal of the frequency difference to pass after the frequency difference output means is provided,
2. The multiplication means comprises an amplifying unit that amplifies the frequency signal that has passed through the low-pass filter and outputs a signal including a harmonic corresponding to the frequency signal obtained by multiplying the frequency signal. Sensing device.
逓倍手段の後段に、当該逓倍手段により逓倍された周波数信号を通過させるフィルタを設けたことを特徴とする請求項1または2記載の感知装置。






3. The sensing device according to claim 1, further comprising a filter that allows the frequency signal multiplied by the multiplication means to pass after the multiplication means.






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