JP2006208284A

JP2006208284A - 微量質量センサ搭載チップ及び微量質量分析システム、並びに微量質量センサ搭載チップの分析方法

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Publication number: JP2006208284A
Application number: JP2005023021A
Authority: JP
Inventors: Haruki Kato; 玄樹加藤; Masataka Araogi; 正隆新荻
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2025-01-31
Also published as: JP4412546B2

Abstract

【課題】チャネルが１つの微量質量センサを用いた簡便な構成で、微小質量の変化を高精度に検出する分析方法を提供する。
【解決手段】圧電基板と、該圧電基板の第１の面に設けられ、特定の化学物質を捕獲する感応膜を固体化可能な第１の電極と、前記第１の面と反対側の第２の面に前記第１の電極と対向して設けられた第２の電極とからなる圧電振動子を用いて該圧電振動子の共振周波数を測定することにより、試料溶液中に含まれる特定の化学物質が前記電極に付着する質量を検出する微量質量センサと、前記第１の電極を経由して前記試料溶液を流す第１の流路と、前記第２の電極を経由して前記試料溶液を流す第２の流路と、からなることを特徴とする微量質量センサ搭載チップおよび、微量質量分析システム、並びに微量質量センサ搭載チップの分析方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶等の圧電材料を用いた振動子の電極表面に生化学物質を固定化し、それに特異的に吸着する酵素、抗体、たんぱく質、ホルモンなどの化学物質を測定するＱＣＭ（ＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）型バイオセンサを用いて微量の質量変化を測定する微量質量センサ搭載チップ及び微量質量分析システム、並びに微量質量センサ搭載チップの分析方法に関し、特に、試料溶液の粘度や密度の変化による影響を補正して試料溶液に含まれる特定の化学物質が吸着する質量の検出を高精度に行なう技術に関する。

近年、Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐと呼ばれる、バイオ検査チップの開発が盛んに行なわれている。これは、流路や反応槽、バルブ、センサ等の要素構造を小さな基板に集積した構成であり、この内部に流れる気体や液体に対して分析処理を行うものである。このようなバイオ検査チップは、コンパクトで安価なため、例えば家庭で人の健康状態を少量の検体で定期的に検査したりすることが可能である。

このバイオ検査チップの構成要素の一つであるセンサ部には、様々な原理を利用したセンサが提案されている。中でも、小型で板状の構成が可能であり、バイオ検査チップへの搭載が容易と想定されるＱＣＭ型バイオセンサの利用が期待されている。

ＱＣＭ型バイオセンサは、圧電振動子（特に水晶振動子）の振動を利用し、圧電振動子表面に付着した試料の微少な質量を測定できるセンサである。以下、水晶振動子（ＡＴカット）をＱＣＭ型バイオセンサとして用いる場合について詳細に説明する。この場合、水晶基板の両側面に形成された一対の電極において、電極の一側面の表面に分析対象のみを捕獲する感応膜を固定化しておく。両電極に交流電圧を印加すると、逆圧電効果により一定の周波数の振動が励起されるが、分析対象が感応膜により捕獲されると、質量増加Δｍを伴い、その結果として水晶振動子の共振周波数がΔｆだけ変動する。このような分析は、ＤＮＡのハイブリダイゼーション反応、抗原‐抗体反応、たんぱく質の結合、酵素反応など、ガス中、液中を含め様々なバイオ反応に利用することができる。

上述の質量増加量Δｍおよび共振周波数の変化量Δｆの関係は、Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ（Ｇ．Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ，Ｚ．Ｐｈｙｓ．１５５，１９５９，２０６）により導かれており、次式で表わすことができる。

ここで、ｆ_０は水晶振動子の基本共振周波数、Ａは電極の面積、μ_ｑは水晶のせん断弾性係数、ρ_ｑは水晶の密度である。したがって、基本共振周波数ｆ_０を高くするほど質量センサとしての感度が高くなることが分かる。

また、液体中でＱＣＭ型バイオセンサを動作させる場合、分析対象などを含む試料溶液に水晶振動子を浸漬することによってさらに共振周波数の低下を招く。この関係は次式で表わされる。

ここで、η_Ｌは水晶振動子が浸漬される試料溶液の粘度、ρ_Ｌは同じく試料溶液の密度である。この共振周波数の変動Δｆ´についても、基本共振周波数ｆ_０が高いほど大きく影響されることが分かる。

上述したＱＣＭ型バイオセンサをより高感度化する目的で、水晶振動子の基本共振周波数ｆ_０を高くすると、式（２）から分かるように、試料溶液の粘度η_Ｌや密度ρ_Ｌの変化により、ＱＣＭ型バイオセンサの共振周波数がより大きく影響されるようになる。
そこで、このような試料溶液の粘度および密度による影響を解決するために、従来の構造としては、例えば、特許文献１に記載の「マルチチャネルバイオセンサ」がある。
以下、特許文献１に記載の「マルチチャネルバイオセンサ」について、図１１を参照して説明する。

図１１は、複数の補正用チャネルをもつマルチチャネル型ＱＣＭセンサ１０を示す図であり、図１０（ａ）はその上面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡ−Ａ´線における断面図である。１１は平板状の水晶基板であり、この水晶基板１１の両側面に一対の電極（チャネル）が複数形成されている。これらのチャネルのうち、１２は検出用チャネルであり、特定の分析対象のみを捕獲する感応膜が固定化され、１３は補正用チャネルであり、その感応膜が固定化されていない。１４は各チャネルの配線であり、図面記載上、裏面の配線は点線で示してある。

このようなマルチチャネル型ＱＣＭセンサを試料溶液１５に浸漬した場合、試料溶液１５中に、検出用チャネル１２上に固定化した感応膜によって捕獲可能な分析対象が含まれていると、検出用チャネル１２上にその分析対象が捕獲され、その結果として検出用チャネル１２上の質量変化が生じ、共振周波数の変化を通じて、その分析対象の捕獲量が測定できる。しかし、センサ上での化学反応の進行や、環境温度の変動などによって、センサが浸漬される試料溶液１５の粘度や密度に変化が生じると、検出用チャネル１２の共振周波数の変化には、捕獲された分析対象の質量変化だけでなく試料溶液１５の粘度や密度の変化による影響も含まれてしまう。

ここで、試料溶液１５の粘度や密度の変化による影響は、補正用チャネル１３により補正することが可能である。具体的には、特定の分析対象のみを捕獲する感応膜で覆っていない補正用チャネル１３は、試料溶液１５の粘度や密度に変化があれば、式（２）にしたがった共振周波数の低下を示し、変化がなければ共振周波数の変化は生じない。したがって、検出用チャネル１２と補正用チャネル１３との共振周波数の差が、試料溶液１５の粘度や密度の変化による誤差を除いた正味の分析対象の捕獲量であることになる。
Ｇ．Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ，Ｚ．Ｐｈｙｓ．１５５，１９５９，２０６特開２００３−３０７４８１号公報

特許文献１に記載の構成では、試料溶液の粘度および密度による影響を解決するために、水晶基板上に検出用チャネルと補正用チャネルとを形成するので、少なくとも２つのチャネルが必要となる。このようなマルチチャネル型ＱＣＭセンサは、チャネルが１つのＱＣＭセンサに比べて、水晶基板上に形成する電極や配線のパターンが複雑化してしまうという問題があり、マルチチャネル型ＱＣＭセンサの製造は容易でない。

さらに、マルチチャネル型ＱＣＭセンサの各チャネルを同時に発振させると、各チャネルの共振周波数はチャネル相互間の干渉による影響を受けてしまう。また、チャネルごとに順次発振させると、チャネル相互間の干渉を軽減することはできるが、その干渉を完全には排除できない。このようなチャネル相互間の干渉によって、各チャネルの共振周波数の感度が低下してしまうという問題がある。

本発明は、以上の問題点に鑑みなされたもので、チャネルが１つの微量質量センサ（ＱＣＭセンサ）を用いた簡便な構成で、試料溶液の粘度や密度の変化による影響を補正して、試料溶液に含まれる特定の化学物質が微量質量センサに付着するときの微量質量の変化を高精度に検出することができる微量質量センサ搭載チップ、微量質量分析システム、及びその分析方法を提供することを目的とする。

本発明の微量質量センサ搭載チップは、上記課題を解決するために以下のような構成にしたことを特徴としている。すなわち、圧電基板と、該圧電基板の第１の面に設けられた第１の電極と前記第１の面と反対側の第２の面に前記第１の電極と対向して設けられた第２の電極とからなる圧電振動子を用いて該圧電振動子の共振周波数を測定することにより、試料溶液中に含まれる特定の化学物質が前記圧電振動子の前記電極表面に付着した質量を検出する微量質量センサと、前記圧電基板の前記第１の面上に設けられ、前記第１の電極を経由して前記試料溶液を流す第１の流路を有する第１の基板と、前記圧電基板の前記第２の面上に設けられ、前記第２の電極を経由して前記試料溶液を流す第２の流路を有する第２の基板と、からなっている。

さらに、前記第１の電極は、前記化学物質を捕獲する感応膜を固定化して前記化学物質の捕獲量を検出する検出用電極であり、前記第２の電極は、前記試料溶液の粘度・密度の変化にともなう共振周波数の変化分を検出し、前記第１の電極による共振周波数の補正を行う補正用電極である。

さらに、前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、前記第１の基板と接合して前記第１の流路を形成するとともに前記第２の基板と接合して前記第2の流路を形成し、且つ、前記圧電基板を支持する空隙部を有する第３の基板が形成されている。
さらに、前記第１の基板及び前記第２の基板のうち、いずれか一方の基板に前記流路に前記試料溶液を供給する溶液導入口と前記流路から前記試料溶液を排出する溶液排出口とが備えられている。

さらに、前記第３の基板は、前記溶液導入口または前記溶液排出口と前記流路とを接続する貫通穴状の連通部を有している。

さらに、前記基板は、前記流路毎に前記溶液導入口と前記溶液排出口とを有している。
さらに、前記第３の基板は、前記第１の流路と前記第２の流路とを連通する貫通穴状の連通部を有している。

さらに、前記基板は、前記流路中に該流路の遮断または開通を行うバルブ機構を有している。

さらに、前記圧電基板は水晶基板である。

また、本発明の微量質量分析システムは、上記課題を解決するために以下のような構成にしたことを特徴としている。すなわち、上述した微量質量センサ搭載チップと、前記流路を流れる前記試料溶液の送液を行うポンプと、前記バルブ機構と前記ポンプとを制御する送液制御部と、前記圧電振動子の共振周波数を測定して前記化学物質の捕獲量を分析する分析処理部と、を具備している。

また、本発明の微量質量センサ搭載チップの分析方法は、上記課題を解決するために以下のようなステップを含むことを特徴としている。すなわち、上述した微量質量センサ搭載チップにおいて、前記試料溶液を前記第２の流路のみに流し、前記圧電振動子の共振周波数を測定して補正信号を取得するステップと、前記試料溶液を前記第１の流路のみに流し、前記圧電振動子の共振周波数を測定して、検出信号を取得するステップと、前記試料溶液の粘度・密度の変化による前記検出信号に含まれた誤差成分を前記補正信号によって補正するステップと、からなっている。

本発明の微量質量センサ搭載チップ及び微量質量分析システム、並びにその分析方法によると、マルチチャネル型ＱＣＭセンサのような電極・配線構造が複雑で、しかも、チャネル相互間の干渉が生じるセンサを必要とせず、チャネルが１つのＱＣＭセンサを用いた簡便な構成で、試料溶液の粘度および密度の変化による誤差成分を補正することができ、試料溶液に含まれる特定の化学物質がＱＣＭセンサに付着するときの微量質量の変化を高精度に検出することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。
［実施例１］
図１および図２は、本発明の第１の実施例の微量質量センサ搭載チップ１００を示した図であり、図１（ａ）は微量質量センサ搭載チップ１００の斜視図を示し、図１（ｂ）は微量質量センサ搭載チップ１００の分解斜視図を示し、図２（ａ）は微量質量センサ搭載チップ１００の上面図を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ´線における断面図を示している。また、図３は、微量質量センサ搭載チップ１００にＱＣＭセンサとして搭載される水晶振動子２００を示した図であり、図３（ａ）は水晶振動子２００の上面図を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ´線における断面図を示している。

微量質量センサ搭載チップ１００に搭載された水晶振動子２００について、図３を参照して説明する。水晶振動子２００は、試料溶液に含まれる酵素、抗体、たんぱく質、ホルモンなどの化学物質の微量質量の変化を測定するためのバイオセンサであり、水晶基板２０１の両側面に、検出用電極２０２と補正用電極２０３と配線２０４とを形成して構成されている。さらに、検出用電極２０２の表面には、試料溶液中に含まれる特定の化学物質のみを捕獲する感応膜２０５が固定化されている。一方、補正用電極２０３の表面には、感応膜２０５を固定化しない。感応膜２０５の一例として、水晶振動子２００を抗原‐抗体反応のバイオセンサとして応用する場合、検出用電極２０２上に、自己組織化膜（Ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄｍｏｎｏｌａｙｅｒ、以下ＳＡＭ）を形成した後、特定の抗原のみを捕獲する抗体をＳＡＭに固定化させる。このバイオセンサの応用例には、抗原‐抗体反応のほか、様々な生化学反応に応用できるが、検出用電極２０２上に固定化する感応膜２０５には、分析対象となる試料溶液に含まれる特定の化学物質のみに吸着することのできる物質を用いる。

上記の水晶振動子２００が搭載された微量質量センサ搭載チップ１００について、図１および図２を参照して説明する。微量質量センサ搭載チップ１００は、第１の流路形成基板１０１と、第２の流路形成基板１０２との間に、水晶振動子２００を実装した水晶実装基板１０３が積層された構造となっている。第１の流路形成基板１０１、第２の流路形成基板１０２および水晶実装基板１０３は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの樹脂を使用して作製する。また、それぞれの基板は、Ｏ_２プラズマ処理または接着剤を用いて、互いに位置を合わせて接合することによって積層構造を形成する。各々の基板について説明すると、第１の流路形成基板１０１には、貫通穴と溝と凹部とを形成することによって、試料溶液が供給される溶液導入口１０４、１０５と、試料溶液が排出される溶液排出口１０６、１０７と、試料溶液が流れる第１の流路１０８と、水晶振動子２００の検出用電極２０２が配置されて試料溶液の測定が行なわれる第１の反応槽１０９とが設けられている。第２の流路形成基板１０２には、第１の流路形成基板１０１と同様に、試料溶液が流れる第２の流路１１０と、水晶振動子２００の補正用電極２０３が配置されて試料溶液の測定が行なわれる第２の反応槽１１１とが設けられている。水晶実装基板１０３には、水晶振動子２００を実装するための空隙部１１２と、第２の流路１１０と溶液導入口１０５および溶液排出口１０７とを連通するための貫通穴状の連通部１１３、１１４とが設けられている。具体的には、溶液導入口１０４と、溶液排出口１０６と、第１の反応層１０９とが連通するように第１の流路１０８は形成されている。さらに、溶液導入口１０５と、溶液排出口１０７と、第２の反応層１１１と、連通部１１３、１１４とが連通するように第２の流路１１０は形成されている。このような構成にすると、溶液導入口１０４、１０５および溶液排出口１０６、１０７を通じて、すべて第１の流路形成基板１０１側から試料溶液を導入／排出でき、かつ、第２の流路形成基板１０２側をステージ上に固定できるため、微量質量センサ搭載チップ１００の送液を容易に行なうことが可能となる。なお、水晶振動子２００は、Ｏ_２プラズマ処理または接着剤を用いて空隙部１１２のエッジ部に接合して実装する。接着剤を使用する場合、硬化硬度が比較的小さなシリコーン系などの接着剤が望ましい。また、水晶振動子２００の検出用電極２０２は第１の反応槽１０９内に、補正用電極２０３は第２の反応槽１１１内に配置されているが、検出用電極２０２が第２の反応槽１１１内に、補正用電極２０３が第１の反応槽１０９内に配置されていてもよい。

上記の微量質量センサ搭載チップ１００を含む微量質量分析システム３００について、図４を参照して説明する。図４は、本発明の第１の実施例の微量質量分析システム３００を示した構成図である。微量質量分析システム３００は、微量質量センサ搭載チップ１００と、微量質量センサ搭載チップ１００に試料溶液を供給するために試料溶液が溜められた供給タンク３０１と、微量質量センサ搭載チップ１００から試料溶液を吸引することによって試料溶液の送液を行なうためのポンプ３０２と、ポンプ３０２によって微量質量センサ搭載チップ１００から吸引された試料溶液が蓄積される廃液タンク３０３と、微量質量センサ搭載チップ１００の第１の流路１０８および第２の流路１１０に供給される試料溶液を通過／遮断させるためのバルブ３０４、３０５と、ポンプ３０２およびバルブ３０４、３０５の動作を制御することによって試料溶液の送液の制御を行なう送液制御部３０６と、微量質量センサ搭載チップ１００に搭載された水晶振動子２００を発振させ、その共振周波数を測定することによって、試料溶液の粘度・密度の変化と試料溶液に含まれる特定の化学物質（分析対象）が検出用電極２０２上で捕獲される質量とを検出して、さらにその検出結果に基づいて、試料溶液の粘度・密度の変化による誤差成分を除いた試料溶液に含まれる分析対象の正味の捕獲量の分析を行なう分析処理部３０７とで構成されている。

微量質量センサ搭載チップ１００の溶液導入口１０４、１０５には、それぞれバルブ３０４、３０５を介して供給タンク３０１が接続され、微量質量センサ搭載チップ１００の溶液排出口１０６、１０７には、廃液タンク３０３を経てポンプ３０２が接続されている。また、ポンプ３０２およびバルブ３０４、３０５には、送液制御部３０６が接続され、微量質量センサ搭載チップ１００に搭載された水晶振動子２００には、分析処理部３０７が接続されている。このような構成にすると、試料溶液の送液および送液制御を行ないながら、水晶振動子２００の共振周波数を測定することによって、試料溶液に含まれる分析対象が検出用電極２０２上で捕獲される正味の質量を検出することができる。

上記の微量質量分析システム３００を用いた分析方法の一例として、抗原‐抗体反応を分析する場合について、図５および図６を参照して説明する。図５は、本発明の第１の実施例の微量質量分析システム３００を用いる分析方法を示したフローチャートであり、図６は、図５のフローチャートに基づいて微量質量センサ搭載チップ１００の水晶振動子２００を示した拡大図である。なお、水晶振動子２００の検出用電極２０２上には、図６（ａ）に示すように、感応膜２０５として、ＳＡＭ４０１を形成した後、特定の抗原４０２のみを捕獲する抗体４０３をＳＡＭ４０１にあらかじめ固定化させている。まず、バルブ３０４を閉じてバルブ３０５を開き、ポンプ３０２を作動させる。これにより、図６（ｂ）に示すように、供給タンク３０１内に溜められた抗原４０２を含む試料溶液は、第２の流路１１０および第２の反応層１１１を経て廃液タンク３０３まで吸引されて送液されるため、補正用電極２０３上を通過する。そして、このときの水晶振動子２００の共振周波数の変化（信号Ａ）を分析処理部３０７で測定する（ステップ５０１）。なお、バルブ３０４を閉じているので、試料溶液は第１の流路１０８および第１の反応層１０９に流入せず、検出用電極２０２は空気と接した状態である。したがって、信号Ａには、試料溶液の粘度および密度の変化による共振周波数変化の成分のみが含まれていることになる。次に、バルブ３０４、３０５を閉じ、第２の流路１１０および第２の反応層１１１内に残留している試料溶液を廃液タンク３０３まで導いて吸引することによって完全に除去する（ステップ５０２）。こうして、補正用電極２０３を空気と接した状態にする。続いて、バルブ３０５を閉じてバルブ３０４を開き、供給タンク３０１内に溜められた試料溶液を、第１の流路１０８および第１の反応層１０９を経て廃液タンク３０３まで吸引して送液する。これにより、図６（ｃ）に示すように、試料溶液は検出用電極２０２上を通過するので、試料溶液に含まれる抗原４０２が検出用電極２０２に固定化されている抗体４０３と結合反応（抗原‐抗体反応）を生じて検出用電極２０２上に捕獲される。この際、水晶振動子２００の共振周波数の変化（信号Ｂ）を分析処理部３０７で測定する（ステップ５０３）。なお、バルブ３０５を閉じているので、試料溶液は第２の流路１１０および第２の反応層１１１に流入せず、補正用電極２０３は空気と接した状態である。したがって、信号Ｂには、検出用電極２０２上に捕獲された抗原４０２の質量変化と試料溶液の粘度・密度変化とによる共振周波数変化の成分が含まれていることになる。そして、信号Ｂから信号Ａを減算することによって、信号Ｃ（＝信号Ｂ−信号Ａ）を分析処理部３０７で導出する（ステップ５０４）。信号Ｃは、信号Ｂに含まれている試料溶液の粘度・密度変化による成分を信号Ａによって除去したものであるので、検出用電極２０２上で捕獲された抗原４０２による正味の質量変化であることになる。なお、ステップ５０１で、バルブ３０５を閉じてバルブ３０４を開き、試料溶液を第１の流路１０８および第１の反応層１０９に送液し、信号Ｂを測定して、ステップ５０２で、バルブ３０４、３０５を閉じ、第１の流路１０８および第１の反応層１０９内に残留している試料溶液を除去して、ステップ５０３で、バルブ３０４を閉じてバルブ３０５を開き、試料溶液を第２の流路１１０および第２の反応層１１１に送液し、信号Ａを測定して、ステップ５０４で信号Ｃを導出してもよい。

以上、本実施形態によれば、一対の電極（１つのチャネル）を形成した水晶振動子（ＱＣＭセンサ）を用いた簡便な構成で、試料溶液の粘度および密度の変化による誤差成分を補正することができるため、試料溶液に含まれる特定の化学物質がＱＣＭセンサに吸着するときの微量質量の変化を高精度に検出することが可能となる。
［実施例２］
図７および図８は、本発明の第２の実施例の微量質量センサ搭載チップ６００を示した図であり、図７（ａ）は微量質量センサ搭載チップ６００の斜視図を示し、図７（ｂ）は微量質量センサ搭載チップ６００の分解斜視図を示し、図８（ａ）は微量質量センサ搭載チップ６００の上面図を示し、図８（ｂ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ´線における断面図を示している。

微量質量センサ搭載チップ６００について、図７および図８を参照して説明する。微量質量センサ搭載チップ６００は、第１の流路形成基板６０１と、第２の流路形成基板６０２との間に、前述の実施例１と同様の構成の水晶振動子２００を実装した水晶実装基板６０３が積層された構造となっている。第１の流路形成基板６０１、第２の流路形成基板６０２および水晶実装基板６０３は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの樹脂を使用して作製する。また、それぞれの基板は、Ｏ_２プラズマ処理または接着剤を用いて、互いに位置を合わせて接合することによって積層構造を形成する。各々の基板について説明すると、第１の流路形成基板６０１には、貫通穴と溝と凹部とを形成することによって、試料溶液が供給される溶液導入口６０４と、試料溶液が排出される溶液排出口６０６と、試料溶液が流れる第１の流路６０８と、水晶振動子２００の検出用電極２０２が配置されて試料溶液の測定が行なわれる第１の反応槽６０９と、第１の流路６０８に供給される試料溶液を通過／遮断させるバルブ７０４とが設けられている。第２の流路形成基板６０２には、第１の流路形成基板６０１と同様に、試料溶液が流れる第２の流路６１０と、水晶振動子２００の補正用電極２０３が配置されて試料溶液の測定が行なわれる第２の反応槽６１１と、第２の流路６１０に供給される試料溶液を通過／遮断させるバルブ７０５とが設けられている。水晶実装基板６０３には、水晶振動子２００を実装するための空隙部６１２と、第２の流路６１０と溶液導入口６０４および溶液排出口６０６とを連通するための貫通穴状の連通部６１３、６１４とが設けられている。具体的には、溶液導入口６０４と、溶液排出口６０６と、第１の反応層６０９とが連通するように第１の流路６０８は形成され、さらに、溶液導入口６０４と、溶液排出口６０６と、第２の反応層６１１と、連通部６１３、６１４とが連通するように第２の流路６１０は形成されている。このような構成にすると、溶液導入口６０４および溶液排出口６０６を通じて、すべて第１の流路形成基板６０１側から試料溶液を導入／排出でき、かつ、第２の流路形成基板６０２側をステージ上に固定できるため、微量質量センサ搭載チップ６００の送液を容易に行なうことが可能となる。なお、水晶振動子２００は、Ｏ_２プラズマ処理または接着剤を用いて空隙部６１２のエッジ部に接合して実装する。接着剤を使用する場合、硬化硬度が比較的小さなシリコーン系などの接着剤が望ましい。また、水晶振動子２００の検出用電極２０２は第１の反応槽６０９内に、補正用電極２０３は第２の反応槽６１１内に配置されているが、検出用電極２０２が第２の反応槽６１１内に、補正用電極２０３が第１の反応槽６０９内に配置されていてもよい。

上記の微量質量センサ搭載チップ６００を含む微量質量分析システム８００について、図９を参照して説明する。図９は、本発明の第２の実施例の微量質量分析システム８００を示した構成図である。微量質量分析システム８００は、微量質量センサ搭載チップ６００と、微量質量センサ搭載チップ６００に試料溶液を供給するために試料溶液が溜められた供給タンク８０１と、微量質量センサ搭載チップ６００から試料溶液を吸引することによって試料溶液の送液を行なうためのポンプ８０２と、ポンプ８０２によって微量質量センサ搭載チップ６００から吸引された試料溶液が蓄積される廃液タンク８０３と、ポンプ８０２と微量質量センサ搭載チップ６００内に形成されたバルブ７０４、７０５との動作を制御することによって試料溶液の送液の制御を行なう送液制御部８０６と、微量質量センサ搭載チップ６００に搭載された水晶振動子２００を発振させ、その共振周波数を測定することによって、試料溶液の粘度・密度の変化と試料溶液に含まれる特定の化学物質（分析対象）が検出用電極２０２上で捕獲される質量とを検出して、さらにその検出結果に基づいて、試料溶液の粘度・密度の変化による誤差成分を除いた試料溶液に含まれる分析対象の正味の捕獲量の分析を行なう分析処理部８０７とで構成されている。微量質量センサ搭載チップ６００の溶液導入口６０４には、供給タンク８０１が接続され、微量質量センサ搭載チップ１００の溶液排出口６０６には、廃液タンク８０３を経てポンプ８０２が接続されている。また、ポンプ８０２と微量質量センサ搭載チップ６００内に形成されたバルブ７０４、７０５とには、送液制御部８０６が接続され、微量質量センサ搭載チップ１００に搭載された水晶振動子２００には、分析処理部８０７が接続されている。このような構成にすると、試料溶液の送液および送液制御を行ないながら、水晶振動子２００の共振周波数を測定することによって、試料溶液に含まれる分析対象が検出用電極２０２上で捕獲される正味の質量を検出することができる。

本実施例の微量質量分析システム８００と実施例１の微量質量分析システム３００との異なる点について説明する。実施例１の微量質量分析システム３００では、バルブ３０４、３０５が微量質量センサ搭載チップ１００に外付けされているが、本実施例の微量質量分析システム８００では、バルブ７０４、７０５が微量質量センサ搭載チップ６００に内蔵されている。したがって、本実施例の微量質量分析システムは、バルブが微量質量センサ搭載チップ内に組み込まれた構成であるため、実施例１に比べてシステムを小型化することが可能となる。

上記の微量質量分析システム８００を用いた分析方法の一例として、抗原‐抗体反応を分析する場合について、図１０を参照して説明する。図１０は、本発明の第２の実施例の微量質量分析システム８００を用いる分析方法を示したフローチャートである。なお、水晶振動子２００の検出用電極２０２上には、感応膜２０５として、ＳＡＭ４０１を形成した後、特定の抗原４０２のみを捕獲する抗体４０３をＳＡＭ４０１にあらかじめ固定化させている（図６（ａ）参照）。まず、バルブ７０４を閉じてバルブ７０５を開き、ポンプ８０２を作動させる。これにより、供給タンク８０１内に溜められた抗原４０２を含む試料溶液は、第２の流路６１０および第２の反応層６１１を経て廃液タンク８０３まで吸引されて送液されるため、補正用電極２０３上を通過する（図６（ｂ）参照）。そして、このときの水晶振動子２００の共振周波数の変化（信号Ａ）を分析処理部８０７で測定する（ステップ９０１）。なお、バルブ７０４を閉じているので、試料溶液は第１の流路６０８および第１の反応層６０９に流入せず、検出用電極２０２は空気と接した状態である。したがって、信号Ａには、試料溶液の粘度および密度の変化による共振周波数変化の成分のみが含まれていることになる。次に、バルブ７０４、７０５を閉じ、第２の流路６１０および第２の反応層６１１内に残留している試料溶液を廃液タンク８０３まで導いて吸引することによって完全に除去する（ステップ９０２）。こうして、補正用電極２０３を空気と接した状態にする。続いて、バルブ７０５を閉じてバルブ７０４を開き、供給タンク８０１内に溜められた試料溶液を、第１の流路６０８および第１の反応層６０９を経て廃液タンク８０３まで吸引して送液する。これにより、試料溶液は検出用電極２０２上を通過するので、試料溶液に含まれる抗原４０２が検出用電極２０２に固定化されている抗体４０３と結合反応（抗原‐抗体反応）を生じて検出用電極２０２上に捕獲される（図６（ｃ）参照）。この際、水晶振動子２００の共振周波数の変化（信号Ｂ）を分析処理部８０７で測定する（ステップ９０３）。なお、バルブ７０５を閉じているので、試料溶液は第２の流路６１０および第２の反応層６１１に流入せず、補正用電極２０３は空気と接した状態である。したがって、信号Ｂには、検出用電極２０２上に捕獲された抗原４０２の質量変化と試料溶液の粘度・密度変化とによる共振周波数変化の成分が含まれていることになる。そして、信号Ｂから信号Ａを減算することによって、信号Ｃ（＝信号Ｂ−信号Ａ）を分析処理部８０７で導出する（ステップ９０４）。信号Ｃは、信号Ｂに含まれている試料溶液の粘度・密度変化による成分を信号Ａによって除去したものであるので、検出用電極２０２上で捕獲された抗原４０２による正味の質量変化であることになる。なお、ステップ９０１で、バルブ７０５を閉じてバルブ７０４を開き、試料溶液を第１の流路６０８および第１の反応層６０９に送液し、信号Ｂを測定して、ステップ９０２で、バルブ７０４、７０５を閉じ、第１の流路６０８および第１の反応層６０９内に残留している試料溶液を除去して、ステップ９０３で、バルブ７０４を閉じてバルブ７０５を開き、試料溶液を第２の流路６１０および第２の反応層６１１に送液し、信号Ａを測定して、ステップ９０４で信号Ｃを導出してもよい。

以上、本実施形態によれば、一対の電極（１つのチャネル）を形成した水晶振動子（ＱＣＭセンサ）を用いた簡便な構成で、試料溶液の粘度および密度の変化による誤差成分を補正することができるため、試料溶液に含まれる特定の化学物質がＱＣＭセンサに吸着するときの微量質量の変化を高精度に検出することが可能となる。さらに、本実施形態の微量質量分析システムでは、バルブが微量質量センサ搭載チップ内に組み込まれた構成であるため、前述した実施例１に比べてシステムを小型化することができる。

本発明の第１の実施例の微量質量センサ搭載チップ１００を示す説明図である。本発明の第１の実施例の微量質量センサ搭載チップ１００を示す説明図である。微量質量センサ搭載チップ１００に搭載される水晶振動子２００を示す説明図である。本発明の第１の実施例の微量質量分析システム３００の構成を示す説明図である。本発明の第１の実施例の微量質量分析システム３００を用いた分析方法を示すフローチャートである。図５のフローチャートに基づいて微量質量センサ搭載チップ１００の水晶振動子２００を示す説明図である。本発明の第２の実施例の微量質量センサ搭載チップ６００を示す説明図である。本発明の第２の実施例の微量質量センサ搭載チップ６００を示す説明図である。本発明の第２の実施例の微量質量分析システム８００の構成を示す説明図である。本発明の第２の実施例の微量質量分析システム８００を用いた分析方法を示すフローチャートである。従来例のマルチチャネル型ＱＣＭセンサ１０の構造を示す説明図である。

符号の説明

１０マルチチャネル型ＱＣＭセンサ
１１水晶基板
１２検出用チャネル
１３補正用チャネル
１４配線
１５試料溶液
１００微量質量センサ搭載チップ
１０１第１の流路形成基板
１０２第２の流路形成基板
１０３水晶実装基板
１０４溶液導入口
１０５溶液導入口
１０６溶液排出口
１０７溶液排出口
１０８第１の流路
１０９第１の反応槽
１１０第２の流路
１１１第２の反応槽
１１２空隙部
１１３連通部
１１４連通部
２００水晶振動子
２０１水晶基板
２０２検出用電極
２０３補正用電極
２０４配線
２０５感応膜
３００微量質量分析システム
３０１供給タンク
３０２ポンプ
３０３廃液タンク
３０４バルブ
３０５バルブ
３０６送液制御部
３０７分析処理部
４０１ＳＡＭ（自己組織化膜）
４０２抗原
４０３抗体
６００微量質量センサ搭載チップ
６０１第１の流路形成基板
６０２第２の流路形成基板
６０３水晶実装基板
６０４溶液導入口
６０６溶液排出口
６０８第１の流路
６０９第１の反応槽
６１０第２の流路
６１１第２の反応槽
６１２空隙部
６１３連通部
６１４連通部
７０４バルブ
７０５バルブ
８００微量質量分析システム
８０１供給タンク
８０２ポンプ
８０３廃液タンク
８０６送液制御部
８０７分析処理部

Claims

圧電基板と、該圧電基板の第１の面に設けられた第１の電極と前記第１の面と反対側の第２の面に前記第１の電極と対向して設けられた第２の電極とからなる圧電振動子を用いて該圧電振動子の共振周波数を測定することにより、試料溶液中に含まれる特定の化学物質が前記圧電振動子の前記電極表面に付着した質量を検出する微量質量センサと、
前記圧電基板の前記第１の面上に設けられ、前記第１の電極を経由して前記試料溶液を流す第１の流路を有する第１の基板と、
前記圧電基板の前記第２の面上に設けられ、前記第２の電極を経由して前記試料溶液を流す第２の流路を有する第２の基板と、からなることを特徴とする微量質量センサ搭載チップ。
前記第１の電極は、前記化学物質を捕獲する感応膜を固定化して前記化学物質の捕獲量を検出する検出用電極であり、前記第２の電極は、前記試料溶液の粘度・密度の変化にともなう共振周波数の変化分を検出し、前記第１の電極による共振周波数の補正を行う補正用電極であることを特徴とする請求項１に記載の微量質量センサ搭載チップ。
更に、前記第１の基板と前記第２の基板との間に設けられ、前記第１の基板と接合して前記第１の流路を形成するとともに前記第２の基板と接合して前記第２の流路を形成し、且つ、前記圧電基板を支持する空隙部を有する第３の基板とからなることを特徴とする請求項１または２に記載の微量質量センサ搭載チップ。
前記第１の基板及び前記第２の基板のうち、いずれか一方の基板に前記流路に前記試料溶液を供給する溶液導入口と前記流路から前記試料溶液を排出する溶液排出口とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の微量質量センサ搭載チップ。
前記第３の基板は、前記溶液導入口または前記溶液排出口と前記流路とを接続する貫通穴状の連通部を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の微量質量センサ搭載チップ。
前記基板は、前記流路毎に前記溶液導入口と前記溶液排出口とを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の微量質量センサ搭載チップ。
前記第３の基板は、前記第１の流路と前記第２の流路とを連通する貫通穴状の連通部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の微量質量センサ搭載チップ。
前記基板は、更に、前記流路中に該流路の遮断または開通を行うバルブ機構を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の微量質量センサ搭載チップ。
前記圧電基板は、水晶基板であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の微量質量センサ搭載チップ。
請求項１から９のいずれかに記載の微量質量センサ搭載チップと、前記流路を流れる前記試料溶液の送液を行うポンプと、前記バルブ機構と前記ポンプとを制御する送液制御部と、前記圧電振動子の共振周波数を測定して前記化学物質の捕獲量を分析する分析処理部と、を具備することを特徴とする微量質量分析システム。
圧電基板と、該圧電基板の第１の面に設けられ、特定の化学物質を捕獲する感応膜を固体化可能な第１の電極と、前記第１の面と反対側の第２の面に前記第１の電極と対向して設けられた第２の電極とからなる圧電振動子を用いて該圧電振動子の共振周波数を測定することにより、試料溶液中に含まれる特定の化学物質が前記電極に付着する質量を検出する微量質量センサと、前記第１の電極を経由して前記試料溶液を流す第１の流路と、前記第２の電極を経由して前記試料溶液を流す第２の流路とからなる微量質量センサ搭載チップの分析方法であって、
前記試料溶液を前記第２の流路のみに流し、前記圧電振動子の共振周波数を測定して補正信号を取得するステップと、前記試料溶液を前記第１の流路のみに流し、前記圧電振動子の共振周波数を測定して、検出信号を取得するステップと、前記試料溶液の粘度・密度の変化による前記検出信号に含まれた誤差成分を前記補正信号によって補正するステップと、からなることを特徴とする微量質量センサ搭載チップの分析方法。