JP2007093573A - バイオセンサ計測システム、粘性率測定方法、および微量質量測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 自励振回路を用いた場合であっても高精度な検出が可能なバイオセンサ計測システム、粘性率測定方法、および微量質量測定方法を提供する。
【解決手段】 本発明に係るバイオセンサ計測システム、粘性率測定方法、および微量質量測定方法は、溶液中に浸漬した滑り波型圧電共振子を用いて構成される自励振回路を間欠駆動させる事によって、その自励振動の振幅起動特性から起動時間を測定し、この起動時間より圧電振動子の電気的等価抵抗値を検出し、また飽和周波数値を測定する事により、浸漬溶液の粘性率と共振子の電極表面に吸着する微小質量を検出する事を特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、試料溶液中における滑り波型圧電共振子の自励振時の電気的特性の変化から、溶液の粘性率および、共振子の電極表面等に吸着する化学物質の微量な吸着質量を測定するバイオセンサ計測システム、粘性率測定方法、および微量質量測定方法に関する。

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、例えば家庭で健康状態を少量の検体で定期的に検査したり、屋外での環境測定に応用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滑り波型圧電共振子を使用した滑り波型圧電共振子センサが注目されている。

固体振動における滑り波とは、固体のせん断応力に起因する波動である。この滑り波は、水等の液体に対して、他の振動モードに比較して振動エネルギーを放射しにくいという性質を持っている。それゆえ、滑り波型圧電共振子は液体中にても、電気的自励振動を発生させやすいという大きな特徴がある。この特徴を利用したのが滑り波型圧電共振子センサである。すなわち、この滑り波型圧電共振子センサは、溶液中において、圧電共振子表面に付着した試料の微小な質量や、溶液の粘性率を共振子の電気的特性変化として検出できるという大きな特徴を持っている。この滑り波型圧電共振子センサの代表例が水晶単結晶を用いたＡＴカット水晶振動子センサであって、ＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）型バイオセンサとして認知されているセンサである（例えば、非特許文献１参照。）。ちなみに、このＡＴカット水晶振動子は、その固有振動数として、振動子厚みに依存した厚み滑り振動を持っており、前述の滑り波型圧電共振子としては広く認知されている水晶振動子である。

以下、ＡＴカット水晶振動子を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。図１２−（ａ）、（ｂ）はＡＴカット水晶振動子を用いたＱＣＭ型バイオセンサの概略図であって、ＡＴカット水晶振動子片１２０１の表面上には対向する一対の励振電極１２０２が構成されている。また励振電極１２０２にはリード電極１２０３が一体形成されている。この励振電極１２０２の配置において、このＡＴカット水晶振動子は固有周波数として厚み滑り振動１２０４を誘発する。さらに、一側面の表面に分析対象のみを捕獲する感応膜１２０５が固定化されている。この時、ＡＴカット水晶基板の機械的固有周波数Ｆｒは、分析対象が感応膜により捕獲される微小質量によって変化する。この時、感応膜によって捕獲された微小質量をΔｍとすると、ＡＴカット水晶振動子の固有周波数の変化量ΔＦ₁は、Δｍに比例する事が知られている。この関係式は、Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ（Ｇ．Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ，Ｚ． Ｐｈｙｓ．１５５，１９５９，２０６、非特許文献２）により導かれており、次式で与えられる。

ここで、Ｆｒは水晶振動子の固有周波数、Ａ_eは励振電極１２０２の面積、Ｃ₆₆はＡＴカット水晶振動子片１２０１のせん断弾性係数、ρ_qは水晶の密度である。したがって、固有周波数Ｆ_r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判明している。

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溶液中でＡＴカット水晶振動子振動させると、溶液の粘性率の影響によって、その固有周波数は、減少する。この関係は次式で与えられる。

ここで、η_sは水晶振動子が浸漬される溶液の粘性率、ρ_sは同じく試料溶液の密度である。この固有周波数の変動ΔＦ₂についても、固有周波数Ｆｒが高いほど大きく影響されることが判明している。よって、溶液浸漬による固有周波数の変化量ΔＦ_tは（１）式と（２）式より、

となる。
さらに、浸漬溶液の粘性率によって、ＡＴカット水晶振動子の電気的等価定数のひとつである等価直列抵抗（詳細は後述する）が増加する事が判明している。このとき、電気的等価抵抗値の増加量をΔＲ_mとすると、次式で与えられる。

ここで、Ａ_qは、ＡＴカット水晶振動子片１２０１の表面積、ＫはＡＴカット水晶振動子の電気機械結合係数である。

以上の関係式から、ＱＣＭ型バイオセンサを用いると、固有周波数及び、電気的等価直列抵抗の変化量から、微小質量、粘性率が検出できる事が判明する。すなわち、粘性率には（４）式を用いて、等価抵抗値の変化量から粘性率が検出できる。また微小質量は、観測された固有周波数の変化量、（４）式より決定された粘性率および（３）式を用いて決定される。

実際に、このＱＣＭ型バイオセンサを使用したセンサシステムにおいては、試料溶液にＡＴカット水晶振動子を浸漬した状態で、その固有周波数及び電気的等価抵抗値を測定する必要がある。そのためには、通常二種類の方法がある。

図１３は第一の測定方法を示す概略図であって、試料溶液１３０２に浸漬されたＱＣＭ型バイオセンサ１３０１に対して、インピーダンスアナライザに代表される周波数掃引機能とインピーダンス測定機能をもった周波数応答特性測定装置１３０３が接続されており、この周波数応答特性測定装置１３０３からＱＣＭ型バイオセンサ１３０１に高周波信号が印加される。その結果、ＱＣＭ型バイオセンサ１３０１の試料溶液１３０２中での周波数応答特性が検出される。この検出された周波数応答特性より、ＱＣＭ型バイオセンサの固有周波数と電気的等価抵抗値がそれぞれ、固有周波数演算処理装置１３０４及び電気的等価定数演算処理装置１３０５にて検出される。

この電気的等価定数演算処理装置１３０５にて測定された電気的等価定数はさらに試料溶液粘性率演算処理装置１３０６に入力され、前述の（４）式を基にして、試料溶液の粘性率が検出される。さらに、この検出された試料溶液の粘性率と先に固有周波数演算処理装置１３０４にて検出された固有周波数は微小質量演算処理装置１３０７に入力され、前述の（１）〜（３）式を基にして微小質量が検出され、最終的にこの微小質量と試料溶液の粘性率は出力装置１３０８にて主力される。この測定方法は、圧電振動子の周波数応答特性を測定する方法を基にした測定方法であって、外部より入力された高周波信号で励振させるという意味で他励振法と呼ばれている測定方法である。

図１４は第二の測定方法を示す概略図であって、図１３と同様に試料溶液１３０２に浸漬されたＱＣＭ型バイオセンサ１３０１に対して、反転増幅回路１４０１が接続されている。通常圧電振動子にこの反転増幅回路１４０１が接続されると、自発的に圧電振動子は電気的固有周波数で励振信号を誘発し、発振周波数として観測できる事が知られている。すなわち、図１３において、反転増幅回路１４０１とＱＣＭ型バイオセンサ１３０１にて自励振回路１４０２が構成されている。また、ＡＴカット水晶振動子を用いた自励振回路より発生するその発振周波数は、ＡＴカット水晶振動子の持つ機械的固有周波数とほぼ等しい事が知られている。

この自励振回路１４０２から出力される発振信号から、自励振周波数演算処理装置１４０３に入力され電気的固有周波数が検出される。同様に発振信号の振幅成分が自励振信号振幅演算処理装置１４０４にて検出される。この自励振信号振幅演算処理装置１４０４にて検出された振幅成分が、電気的等価抵抗演算処理装置１４０５にて入力され、電気的等価抵抗値が検出される。この電気的等価抵抗値が試料溶液粘性率演算処理装置１４０６に入力され、前述の（４）式を基にして、試料溶液の粘性率が検出される。最終的に、この粘性率と先に検出された電気的固有周波数が、微小質量演算処理装置１４０７に入力され、（１）〜（３）式を基にして微小質量が検出され、最終的に出力装置１４０８にて出力される。この方法は圧電振動子の自励振現象を応用していることから、自励振法と呼ばれている。以上がＡＴカット水晶振動子を用いたＱＣＭ型バイオセンサの従来のセンシングシステムの概要である。
Ｈ．Ｍｕｒａｍａｔｓｕ，Ｊ．Ｍ．Ｄｉｃｋｓ，Ｅ．Ｔａｍｉｙａ ａｎｄ Ｉ．Ｋａｒｕｂｅ Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．５９（１９８７）， ２７６０−２７６３ Ｇ．Ｓａｕｅｒｂｒｅｙ，Ｚ． Ｐｈｙｓ．１５５（１９５９），２０６

ＡＴカット水晶振動子を用いたＱＣＭ型バイオセンサシステムは、比較的容易に微小な質量や、溶液の粘性率が測定できる。さらにセンサ自体がコンパクトで安価なために、バイオ検査チップとして、家庭で健康状態を少量の検体で定期的に検査したり、屋外での環境測定等に応用することが可能である事から、近年、非常に注目されているセンサシステムである。

家庭や屋外の測定においては、先に説明した他励振法にては、装置が高価でしかも大規模、さらには消費電力が大きい等の問題点から、家庭用ならびに屋外用には不向きであるので、図１４にて説明したセンサの自励振法が検討されている。ところが、この自励振法においは、自励振の振幅値から粘性率を検出する際の検出精度が悪く、その結果、微小質量の検出精度も悪いという問題があり、産業上大きな問題となっている。すなわち、本発明が解決しようとする課題とは、粘性率の検出精度の向上である。

本発明に係るバイオセンサ計測システム、粘性率測定方法、および微量質量測定方法は、溶液中に浸漬した滑り波型圧電共振子を用いて構成される自励振回路を間欠駆動させる事によって、その自励振動の振幅起動特性から起動時間を測定し、この起動時間より圧電振動子の電気的等価抵抗値を検出し、また飽和周波数値を測定する事により、浸漬溶液の粘性率と共振子の電極表面に吸着する微小質量を検出する事を特徴とするものである。

図１１は、本発明の効果を示す特性図であって、滑り波型圧電共振子としてＡＴカット水晶振動子を用いた本発明に基づく間欠駆動型自励振回路における起動時間と浸漬溶液の粘性率の相関を示した相関図である。図１１において縦軸は、本発明の係る自励振の起動時間Ｔ_r、横軸は浸漬溶液の粘性率η_sである。

この図１１において縦軸の原点に近いほうがＴ_r値は小さく、原点から離れるほどＴ_r値は大きくなる。詳細については後述するが、Ｔ_r値が大きいということは自励振回路における振幅起動時間が長く、溶液中に浸漬された滑り波型圧電共振子の電気的等価抵抗値が大きいという事を意味している。一方、横軸の浸漬溶液の粘性率η_sが大きいということは粘性率が大きいという事を意味している。すなわち粘性率が大きいという事は、Ｔ_r値が大きいという事であり、これらの関係を考慮して図１１を見た場合、Ｔ_r値と粘性率η_sは、高度な相関関係を有していると見なす事が可能である。従って、この図１１からわかる通り、本発明は、精度よく浸漬溶液の粘性率を測定する事が可能となるので、簡便、高精度及び小型のバイオセンサ計測システムが供給でき、その結果、家庭で健康状態を定期的に検査したり、屋外での環境測定等に応用することが可能となる。

図１に、本発明に係るバイオセンサ計測システムの構成を示すブロック図を示す。滑り波型圧電共振子１０１は試料溶液１０２が満たされた溶液槽１０３に浸漬されている。この滑り波型圧電共振子１０１は、反転増幅回路１０４に接続されており、この反転増幅回路１０４と厚み滑り型共振子１０１によって自励振回路１０５が構成されている。電源１０６は、間欠駆動回路１０７を通して、反転増幅回路１０４に供給される。この間欠駆動回路１０７によって自励振回路１０５が間欠駆動される。この時、間欠駆動回路１０７は、所望の駆動間隔で電源電圧を間欠供給させる機能をもっている。また、負性抵抗可変装置１０８が反転増幅回路１０４に接続されている。この負性抵抗可変装置１０８によって、浸漬溶液１０２の粘性率に見合った負性抵抗値が選択される。

自励振回路１０５を間欠駆動させる事によって、自励振回路１０５にて誘発される自励振信号の起動特性が、起動特性測定装置１０９にて検出される。この起動特性測定装置１０９で検出された起動特性は、本発明に係る粘性率演算処理装置１１０に入力される。粘性率演算処理装置１１０は、飽和振幅値演算処理装置１１１、起動時間演算処理装置１１２、等価抵抗値演算処理装置１１３及び粘性率演算装置１１４より構成されている。この時、飽和振幅値演算処理装置１１１では、自励振動の飽和振幅値と共に該飽和振幅値に対応する振幅飽和時間が決定される。

飽和周波数演算処理装置１１５には、先に起動特性測定装置１０９にて測定された自励振動の起動特性と、飽和振幅値演算処理装置１１１にて演算処理された振幅飽和時間が入力され、この両者から飽和周波数が検出される。粘性率演算処理装置１１０より検出された浸漬溶液の粘性率は粘性率出力装置１１６にて出力されると共に、吸着質量演算処理装置１１７に入力される。この吸着質量演算処理処置１１７には、飽和周波数演算処理装置１１５にて検出された飽和周波数も入力される。この吸着質量演算処理装置１１７は、飽和周波数と粘性率から厚み滑り方圧電共振子の電極部に形成された感応膜に吸着した付加質量が演算処理され、付加質量出力装置１１８にて出力される。以上が本発明に係る本発明に係るバイオセンサ計測システムの構成である。

次に本発明に係る粘性率演算処理装置１１０で行われる演算処理の原理的説明を行う。
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、圧電共振子を用いた自励振回路に関する電気的等価回路を示す回路図である。図２（ａ）は、滑り波型圧電共振子１０１と反転増幅回路１０４にて構成された図１に記載の自励振回路１０５の等価回路図である。この図において、反転増幅回路１０４は、負性抵抗２０１、能動容量２０２及び固定容量２０３で構成されている。ここで、負性抵抗２０１は通常の抵抗値とは違い、等価的に負の値をもち、さらに誘発される自励振電流２０４の振幅値に大きく依存する事が知られている。それゆえ、図中の表記として−ρ（ｉ₀）の表記を用いている。ここで自励振電流２０４の振幅値がｉ₀である。同様に、能動容量２０２の値も自励振電流の振幅値ｉ₀によって変化する。しかし、その影響は本発明に係る演算処理に対して、無視できるので固定値と見なして問題ない。

次に図２（ｂ）は、厚み滑り型共振子１０１の電気的等価定数を説明する回路図である。滑り波型圧電共振子１０１は、電気的には４個の構成要素から成り立っている。すなわち、等価抵抗２０５、等価容量２０６、等価インダクタンス２０７及び電極間容量２０８であって、それぞれＲ_m、Ｃ_m、Ｌ_m及びＣ₀の記号を用いている。この電気的等価定数をもちいて、滑り波型圧電共振子の固有周波数Ｆ_rは、次式で近似的に決定できる。

また、浸漬溶液中における等価抵抗Ｒ_mは、溶液浸漬前の等価抵抗値をＲ₀とすると、（４）式を考慮して、次式で与えられる。

図３は図２（ａ）で説明した反転増幅回路１０４の負性抵抗２０１と自励振電流２０４の振幅値ｉ₀の関係を示した特性図であって、縦軸は負性抵抗値ρ、横軸は自励振回路１０５にて誘発される自励振電流２０４の振幅値ｉ₀である。ちなみに縦軸の値は負性抵抗値の絶対値という意味でρとしてあり、実際は負の値を持っている。ρの値は、自励振電流の増加に従って、減少する傾向にあり、自励振電流が０の時に最大値を持っている。この最大値が図３に記載のρ_mである。

以下、図２及び図３を用いて、厚み滑り型圧電振動子の自励振動の起動特性について説明する。図２において、厚み滑り型圧電振動子１０１に生じる自励振電流２０４をｉ、その振幅値を前述の様にｉ₀、さらに時間をｔとすると、

と書ける。ここでＦは周波数である。この自励振電流の振幅ｉ₀、周波数Ｆ共に時間ｔの関数である。まず自励振電流２０４の電流振幅ｉ₀は、詳細な理論的説明は省略するが、以下の時間ｔに関する微分方程式に従って変化する事が判明している。

ここで、Ｌ_m、Ｃ₀、Ｒ_mは図２（ｂ）に記載の厚み滑り型圧電振動子１０１の電気的等価定数であって、それぞれ等価インダクタンス２０７、電極間容量２０８及び等価抵抗２０８である。また、ρ（ｉ₀）は図２（ａ）及び図３に記載の負性抵抗２０１である。さらにＣＬは自励振回路１０５の負荷容量であって、図２（ａ）に記載の能動容量２０２と固定容量２０３の合成容量であって、

で決定される。この（８）式が厚み滑り型圧電振動子の自励振電流の振幅の起動特性を決定する微分方程式である。自励振電流が時間と共に増大する条件、すなわち、自励振動が誘発される条件は、図３の特性図と（８）式を考慮すれば、

である。また、自励振動が安定な状態に到達すると自励振電流２０４の振幅値ｉ₀は飽和し、一定値になる。この飽和振幅値をｉ_mとすると、ｉ_mは次式で決定される。

図３及び（８）式を考慮すると、振幅値ｉ₀が小さい時は、（８）式で与えられる振幅値の時間変化率は大きいので、振幅は急激に立ち上がり、振幅が飽和値ｉ_mに近くなると振幅値の時間変化率は小さくなるので、振幅の立ち上がりは小さくなり、十分な時間が経過すると飽和値ｉ_mに収斂するという傾向がわかる。

次に、（５）式の周波数Ｆに関しては、振幅値と同様に詳細な理論的説明は省略するが、飽和する振幅に連動して、Ｆも一定値に飽和する。この飽和値をＦ_mとすると

となる。このＦ_mが自励振回路における飽和周波数であり、一般に、自励振周波数または発振周波数として認知されている物理量である。（１）から（３）式で決定される微少質量や粘性による固有周波数Ｆ_rの変化は、この自励振回路の飽和周波数Ｆ_mの変化として検出できる。

試料溶液１０２に浸漬された滑り波型圧電共振子１０１の等価抵抗値Ｒ_mは、（４）式にて示した様に、その粘性の影響によって増加する。この等価抵抗の増加は、（８）式で決定される起動特性に変化を与える。それゆえ、この起動特性を検出する事で、粘性率を検出できる事になる。

図４は、（８）式で決定される本発明に係る起動特性の定性的な特性図であって、図４（ａ）
における縦軸は励振電流の振幅ｉ₀、横軸は時間Ｔである。時間が十分に長くなると振幅値は飽和し、その値が図記載のｉ_mである。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）記載の起動特性より演算処理された特性図であって、その縦軸は（８）式にて与えられる励振電流の振幅ｉ₀の時間微分値ｄｉ₀／ｄＴである。これらの特性図において、起動特性を代表する起動時間Ｔｒは、図４（ａ）においては、前記ｉｍ値の半分の値を示す時間τ_A、図４（ｂ）においては、励振電流の振幅振幅ｉ₀の時間微分値ｄｉ₀／ｄＴが最大値となる時間τ_B、である。本発明に係る粘性率を計測するための起動時間は、前記時間τ_A、τ_Bは、本発明に係る粘性率と高度の相関を持つ事が判明している。

図６は、前記起動時間Ｔ_rと等価抵抗値Ｒ_mの関係を示す特性図であって、（８）式より計算された計算値である。なお、計算にあたり、表１に記載した電気的等価定数値をもつ固有周波数１９．２ＭＨｚのＡＴカット水晶振動子を想定している。また、図６は、図４（ｂ）記載の起動時間τ_Bを基に作成してものであるが、図４（ａ）記載の起動時間τ_Aを基に作成しても、まったく同様な傾向を持つ特性図が得られる事は言うまでもない。

自励振回路の負性抵抗は、図５にて示すようにρ_mを代表値として１ＫΩと２ＫΩの二種類を用いた。さらにＣ_L値は１００ｐＦの値である。さらに図７は、前記ｉ_mと等価抵抗値Ｒ_mの関係を示す特性図であって、図６と同様の条件下で計算された計算値である。ちなみに、図７は、図１４で説明した自励振の振幅値より、試料溶液の粘性率を検出する方法に対応している。

図６において、起動時間Ｔ_rと等価抵抗Ｒ_mの関係は、特性曲線６０１及び特性曲線６０２にて示すように、ρ_mの値で大きく異なっている。ここでρ_m＝１ＫΩに対応する曲線が特性曲線６０１、ρ_m＝２ＫΩに対応する曲線が特性曲線６０２である。さらに、Ｒ_m値がρ_m値に接近した領域、すなわち、特性曲線６０１では領域Ｉ、特性曲線６０２では領域ＩＩで、その勾配が非常に大きくなっている。ちなみに、その勾配は、領域Ｉでは４０μＳ／Ω、領域ＩＩでは１５μＳ／Ω、であって、計測できる通常の時間分解能に比較して十分に大きな値と見なす事ができ、十分な等価抵抗値の検出精度を持っている事が判明した。さらに、想定される試料溶液の粘性率にたいして、適切な負性抵抗値を選択する事によって、検出感度が自由に選択できる事も判明した。

それに対して、図７にて示す、飽和電流振幅値ｉ_mと等価抵抗Ｒ_mの関係は、特性曲線７０１及び特性曲線７０２にて示すように、双方ともほぼ直線とみなせる。ここでρ_m＝１ＫΩに対応する曲線が特性曲線７０１、ρ_m＝２ＫΩに対応する曲線が特性曲線７０２である。さらに、両特性曲線の勾配は３μＡ／Ω〜８μＡ／Ωとなっている。通常の高周波信号に関する計測分解能から比較するとこの数値では、十分な検出精度が得られない事が判明している。すなわち、図６と図７を比較する事によって、本発明に係る自励振回路によって誘発される自励振電流の起動特性を検出する事によって、従来の方法に比較した高精度な粘性率計測ができる事が判明した。以上が、粘性率演算処理装置１１０で行われる演算処理の原理的説明とその原理的特徴である。

以下で、図１に記載の本発明に係るバイオセンサ計測システムの構成における主要部分の説明を行う。まず第一番目に、図１に記載の自励振回路１０５とその周辺装置について説明する。図８は反転増幅回路と滑り波型圧電共振子にて構成された自励振回路の実施例であって、この実施例を参考にして図１に記載の自励振回路１０５とその周辺装置について、より具体的に説明する。図８に記載の自励振回路８０１（図１に記載の自励振回路１０５に相当。）はトランジスタを用いた反転増幅回路と滑り波型圧電共振子１０１にて構成された自励振回路の実施例である。本発明に係る起動特性測定装置８０３（図１に記載の起動特性測定装置１０９に相当。）は滑り波型圧電共振子に誘発される自励振電流を測定するために、基準抵抗８０２の両端に接続されている。また、各トランジスタを駆動させるためのバイアス電圧は間欠駆動回路８０４（図１に記載の間欠駆動回路１０７に相当。）を介在して電源１０６と接続されており、この間欠駆動回路８０４によって、バイアス電圧が間欠駆動され、その結果、自励振回路８０１が間欠駆動される。負性抵抗可変装置８０５（図１に記載の負性抵抗可変装置１０８に相当。）は、本図記載の自励振回路を構成する抵抗及び容量値等を変化させる事で、自励振回路８０１の負性抵抗を可変させる事が可能である。

図９は反転増幅回路と滑り波型圧電共振子にて構成された他の自励振回路の実施例であって、図９に記載の自励振回路９０１（図１に記載の自励振回路１０５に相当。）はＣＭＯＳインバーターを用いた反転増幅回路と滑り波型圧電共振子１０１にて構成された自励振回路の実施例である。本発明に係る起動特性測定装置９０３（図１に記載の起動特性測定装置１０９に相当。）は滑り波型圧電共振子に誘発される自励振電流を測定するために、基準抵抗９０２の両端に接続されている。また、各ＣＭＯＳを駆動させるための駆動電圧は間欠駆動回路９０４（図１に記載の間欠駆動回路１０７に相当。）を介在して電源１０６と接続されており、この間欠駆動回路９０４によって、バイアス電圧が間欠駆動され、その結果、自励振回路９０１が間欠駆動される。負性抵抗可変装置９０５（図１に記載の負性抵抗可変装置１０８に相当。）は、本図記載の自励振回路を構成する抵抗及び容量値等を変化させる事で、自励振回路９０１の負性抵抗を可変させる事が可能である。

図８及び図９記載の自励振回路の構成は、使用する試料溶液の粘性率、圧電共振子の周波数等によって便宜変更可能である事はいうまでもなく、単なる設計事項にすぎない。第二番目として、図１に記載の起動特性測定装置１０９から出力される起動出力波形について説明する。図１０は、本発明に係る起動特性測定装置１０９によって測定された自励振波形と間欠駆動回路１０７によって変化する駆動電圧波形について説明する図である。縦軸は出力強度、横軸は時間である。間欠動作は時刻Ｔ₁とＴ₂を開始時刻として、双方共に時間間隔ΔＴで駆動電圧が自励振回路１０５に供給される。駆動電圧波形１００１の内、第一回目の駆動状態が駆動状態１００２であり、第二回目の駆動状態が駆動状態１００３である。この時、駆動状態１００２に対応して出力される自励振波形が自励振波形１００４、駆動状態１００３に対応して出力される自励振波形が自励振波形１００８である。この時、駆動状態１００２は、時刻Ｔ₁における浸漬溶液１０２と滑り波型圧電共振子１０１との反応状態、駆動状態１００３は時刻Ｔ₂における両者の反応状態を反映している。

本発明に係る図１に記載の起動特性測定装置１０９から出力される起動出力波形が、この図１０記載の駆動電圧波形１００１、自励振波形１００４及び自励振波形１００８に代表される駆動電圧波形と自励振波形である。この図１０は、時刻Ｔ₁と時刻Ｔ₂において、浸漬溶液の粘性率及び吸着する微小質量の変化を測定するための模式図である。

第三番目として、本発明に係る粘性率演算処理装置１１０を構成する各構成装置について説明する。まず、第一の構成装置である飽和振幅値演算処理装置１１１では、図１０に記載の自励振波形の包絡線が決定される。すなわち、図１０に記載の包絡線１００５と包絡線１００９であって、前者は駆動状態１００２に対応し、後者は駆動状態１００３に対応している。さらに、この包絡線の情報に基づき、十分に励振振幅が飽和する領域を検出する。すなわち、図１０に記載の飽和領域１００６及び飽和領域１０１０である。この決定された飽和領域にて、飽和振幅値が決定される。この飽和振幅値が図１０に記載の飽和振幅値１００７及び飽和振幅値１０１１である。

第二の構成装置である起動時間演算処理装置１１２は、前記の包絡線１００５、包絡線１０１０及び駆動電圧波形１００１を用いて、起動時間を求めるための演算処理を行う装置である。起動時間Ｔｒは、励振電流の振幅ｉ₀の時間微分値ｄｉ₀／ｄＴが最大値となる時間と定義される。すなわち、図１０記載の包絡線１００５と包絡線１０１０を時間に対して微分し、その値が最大値となる時刻である。この時刻が図記載の時刻Ｔ_a、時刻Ｔ_bである。この二つの時刻を用いて、駆動状態１００２における起動時間Ｔ_r1は、

となる。同様に、駆動状態１００３における起動時間Ｔ_r2は

となる。

以上は、図４（ｂ）で説明した起動時間τ_Bを基に構成された演算処理であるが、図４（ａ）記載の起動時間τ_Aを基にする場合は、図１０記載の飽和振幅値１００７、飽和振幅値１０１１より、両者の半値幅に対応する時刻から、起動時間Ｔ_r1、Ｔ_r2を求めてもよい。この両者の優劣を決定する判断基準は、起動時間と本発明に係る粘性率の相関性であって、その相関性が高い方を採用すべきである。この相関性は、演算処理部を構成する装置、さらには、図８及び図９記載の回路構成に依存するので、単なる設計事項にすぎない。

第三の構成装置である等価抵抗演算処理装置１１３は、前記起動時間Ｔ_r1及びＴ_r2を用いて、駆動状態１００２及び駆動状態１００３における等価抵抗値を求めるための演算処理を行う装置である。等価抵抗値Ｒ_mを決定するために、（８）式を基にする。すなわち、負性抵抗可変装置１０８にて設定された自励振回路１０５の負性抵抗曲線及び負荷容量値Ｃ_L、及びあらかじめ記録されている滑り波型圧電共振子１０１の等価インダクタンス２０７及び電極間容量２０８の値（すなわち、Ｌ_mとＣ₀の値）を基に、（８）式を数値的に解く事により等価抵抗Ｒ_mが決定される。この決定された等価抵抗値は、駆動状態１００２においてはＲ_m1、駆動状態１００１においてはＲ_m2である。

第四の構成装置である粘性率演算装置１１４は、前記等価抵抗値Ｒ_m1及びＲ_m2を用いて、浸漬溶液の粘性率を求めるための演算処理を行う装置である。あらかじめ記録されている滑り波型圧電共振子１０１の溶液浸漬前の等価抵抗値Ｒ₀、固有周波数Ｆ_r、共振子形状、電気機械結合係数及び浸漬溶液の密度と（６）式を用いて、浸漬溶液の粘性率が決定される。この決定された粘性率が、駆動状態１００２においてはη_S1、駆動状態１００１においてはη_S2である。この時、η_S1とη_S2に差があれば、浸漬溶液の化学的成分と滑り波型圧電共振子１０１の感応膜が反応する事によって、浸漬溶液の粘性率が変化した事にほかならない。この決定された粘性率または粘性率の変化量が、粘性率出力装置１１６によって出力される。

第四番目として、本発明に係る飽和周波数演算処理装置１１５について説明する。この飽和周波数演算処理装置１１５は、図１０に記載の飽和領域における自励振周波数、すなわち飽和周波数を決定するための演算処理装置である。飽和領域における自励振周波数を決定するために、飽和振幅値演算処理装置１１１にて決定された飽和領域１００６と飽和領域１０１０に基づいて、飽和周波数が計測される。この決定された飽和周波数が駆動状態１００２においてはＦ₁、駆動状態１００３においてはＦ₂である。

第五番目として吸着質量演算処理装置１１７について説明する。この吸着質量演算処理装置１１７は、滑り波型圧電共振子１０１の感応膜に吸着する微少質量を決定するための装置である。吸着する微少質量を決定するために、粘性率演算装置１１４にて決定された駆動状態１００２での粘性率η_S1、駆動状態１００３での粘性率η_S2と、（１）式と（２）式をもちいて、吸着質量が決定される。この決定された吸着質量が駆動状態１００２においてはΔｍ₁、駆動状態１００３においてはΔｍ₂である。この時、粘性率と同様にΔｍ₁とΔｍ₂に差があれば、浸漬溶液と滑り波型圧電共振子１０１の感応膜が反応する事によって、吸着量が変化した事にほかならない。この決定された吸着量または粘性量の変化量が、吸着質量出力装置１１８によって出力される。

以上の演算処理は時刻Ｔ₁と時刻Ｔ₂の二時点で間欠駆動を行う演算処理を中心に説明したが、二時点ではなく、さらに数多くの時点で間欠駆動を行う事によって、吸着質量及び粘性率の時系列的変化が測定できる事はいうまでもない。通常、図１０における自励振波形の振幅及び周波数が飽和する時間は数１０ｍＳ（ミリ秒）以下である。それゆえ間欠駆動の時間間隔は数百ｍＳ程度まで短縮する事は可能である。さらに、滑り波型圧電共振子の感応膜と浸漬溶液との反応時間（吸着時間）はこの間欠駆動の時間間隔に比較して非常におそい。それゆえ、間欠駆動の時間間隔をある程度狭める事によって、ほぼ連続的な変化が測定できる。また、負性抵抗曲線を負性抵抗可変装置１０８にて変化させる機能を付加させる事によって、自由に粘性率の検出感度を選択できるので、浸漬溶液の種類によらず高感度の粘性率の検出ができ、その結果、吸着する微小質量の高感度検出が実現できる。

本発明の効果を示す図１１は前述のとおり、ＡＴカット水晶振動子を用いたＱＣＭ型バイオセンサを用いた結果であるが、より、自励振周波数が高い水晶単結晶を用いた滑り波型弾性表面波共振子（ＳＨ波水晶ＳＡＷ共振子）を用いる事によって、さらに高感度なセンサシステムが実現できる事になる。このＳＨ波水晶ＳＡＷ共振子を用いる場合、その振動モードが水晶表面に局在する滑り波モードとなる事で、先に説明した（１）〜（４）式をそのまま用いる事はできないが、間欠駆動型自励振回路から得られる起動時間を用いる事によって、高精度、高感度の粘性率が測定できる事に変わりはない。

本発明に係るバイオセンサ計測システムの構成を示すブロック図 圧電共振子を用いた自励振回路に関する電気的等価回路を示す回路図 本発明に係る負性抵抗と自励振電流の振幅値ｉ₀の関係を示した特性図 本発明に係る起動特性の定性的な特性図 本発明に係る起動特性を計算するための負性抵抗曲線図 本発明に係る起動時間Ｔ_rと等価抵抗値Ｒ_mの関係を示す特性図 振幅飽和値ｉ_mと等価抵抗値Ｒ_mの関係を示す特性図 本発明に係る自励振回路の実施例 本発明に係る自励振回路の他の実施例 本発明に係る起動特性測定装置にて測定された自励振波形と駆動電圧波形 の特性図 本発明の効果を示す特性図 ＡＴカット水晶振動子を用いたＱＣＭ型バイオセンサに概略図 従来の他励振法によるセンシングシステムを説明するための概念図 従来の自励振によるセンシングシステムを説明するための概念図

符号の説明

１０１：滑り波型圧電共振子
１０２：試料溶液
１０３：溶液層
１０４：反転増幅回路
１０５：自励振回路
１０６：電源
１０７：間欠駆動回路
１０８：負性抵抗可変装置
１０９：起動特性測定装置
１１０：粘性率演算処理装置
１１１：飽和振幅値演算処理装置
１１２：起動時間演算処理装置
１１３：等価抵抗値演算処理装置
１１４：粘性率演算装置
１１５：飽和周波数演算処理装置
１１６：粘性率出力装置
１１７：吸着質量演算処理装置
１１８：吸着質量出力装置

Claims (10)

1. 試料溶液中の特定物質を吸着する感応膜が形成された励振電極を有する滑り波型圧電共振子と、該滑り波型圧電共振子に接続された反転増幅回路とからなる自励振回路を用いて、前記感応膜に吸着される微量質量を測定するバイオセンサ計測システムにおいて、
   前記自励振回路を間欠駆動させて自励振動の振幅値と周波数値に係わる起動特性を測定する起動特性測定部と、
   測定された前記起動特性のうちの振幅特性から前記自励振回路が起動してから所定の振幅値に達するまでの起動時間を算出し、算出した値を用いて前記試料溶液の粘性率を演算する粘性率演算処理部と、
   測定された前記起動特性のうちの周波数特性から前記自励振回路の波形振幅が飽和する時点での周波数値を検出し、検出した前記周波数値と演算して得られた前記粘性率とを用いて前記感応膜に吸着される前記微量質量値を算出する吸着質量演算処理部と、
   からなることを特徴とするバイオセンサ計測システム。
2. 前記粘性率演算処理部は、測定された前記起動特性のうちの振幅特性から前記振幅が飽和した時点での飽和振幅値を算出する飽和振幅値演算処理部と、前記自励振回路が起動してから該飽和振幅値よりも小さい所定の振幅値に達するまでの起動時間を算出する起動時間演算処理部と、算出された前記起動時間の値を用いて前記滑り波型圧電共振子の等価抵抗値を算出する等価抵抗値演算処理部と、算出された前記等価抵抗値を用いて前記試料溶液の粘性率を演算する粘性率演算部と、からなることを特徴とする請求項１に記載のバイオセンサ計測システム。
3. 前記所定の振幅値は、振幅値の時間微分値が最大値となる振幅値である事を特徴とする請求項２に記載のバイオセンサ計測システム。
4. 前記所定の振幅値は、前記飽和振幅値の半分の値となる振幅値である事を特徴とする請求項２に記載のバイオセンサ計測システム。
5. 前記自励振回路に接続され、前記試料溶液の前記粘性率に対応するように負性抵抗値が変化する負性抵抗可変装置を更に有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のバイオセンサ計測システム。
6. 前記滑り波型圧電共振子は、水晶単結晶を用いたＡＴカット型共振子であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のバイオセンサ計測システム。
7. 前記滑り波型圧電共振子は、水晶単結晶を用いた滑り波型弾性表面波共振子であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のバイオセンサ計測システム。
8. 試料溶液の粘性率を測定する粘性率測定方法であって、
   滑り波型圧電共振子を試料溶液中で自励振動させ、間欠駆動させて得られる前記自励振動の振幅値と周波数値に係わる起動特性を測定する第１のステップと、
   測定された前記起動特性のうちの振幅特性から前記自励振動が起動してから所定の振幅値に達するまでの起動時間を測定する第２のステップと、
   測定された前記起動時間の値と、事前に求めた前記滑り波型圧電共振子の等価抵抗値とを用いて演算することにより前記試料溶液の粘性率を算出して測定する第３のステップと、
   からなることを特徴とする粘性率測定方法。
9. 試料溶液中の特定物質を吸着する感応膜が形成された励振電極を有する滑り波型圧電共振子の前記感応膜に吸着される微量質量を測定する微量質量測定方法であって、
   滑り波型圧電共振子を前記試料溶液中で自励振動させ、間欠駆動させて得られる前記自励振動の振幅値と周波数値に係わる起動特性を測定するステップと、
   測定された前記起動特性のうちの振幅特性から前記自励振動が起動してから所定の振幅値に達するまでの起動時間を測定し、測定した前記起動時間の値を用いて前記試料溶液の粘性率を演算するステップと、
   測定された前記起動特性のうちの周波数特性から前記自励振動の波形振幅が飽和する時点での周波数値を検出し、検出した前記周波数値と演算して得られた前記粘性率とを用いて前記感応膜に吸着される前記微量質量値を算出して測定するステップと、
   からなることを特徴とする微量質量測定方法。
10. 試料溶液の粘性率を演算する前記ステップは、測定された前記起動特性のうちの振幅特性から前記自励振動が起動してから所定の振幅値に達するまでの起動時間を測定する第１のステップと、測定された前記起動時間の値と、事前に求めた前記滑り波型圧電共振子の等価抵抗値とを用いて演算することにより前記試料溶液の粘性率を算出して測定する第２のステップと、からなることを特徴とする請求項９に記載の微量質量測定方法。

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