JP2007163369A - バイオセンサおよび測定・分析システム、並びに、その検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水晶振動子の等価定数のばらつきや電気的特性の個体差が小さく、また、水晶振動子のバランスがよく、電気的特性がよい水晶振動子であるバイオセンサと、それを使用した検査方法を提供する。
【解決手段】矩形のプリント基板７と、プリント基板７の表面に載せた銅箔６と、この銅箔６の上に設けた裏電極３と表電極２との間に挟んだ水晶振動子である水晶ブランク１と、裏電極３と、表電極２の左右２箇所を固定する銀ペースト４と、水晶ブランク１と表電極２とを除いた全体を覆うシリコン５と、それぞれの電極に接続されたリード線８，８と、を備えたことを特徴とするバイオセンサ１０である。
【選択図】図１

Description

本発明は水晶振動子のバイオセンサおよびそれを使用した測定・分析システム、並びに、その検査方法に関する。

図９は従来の技術のバイオセンサを示し、（ａ）は水晶振動子の正面図、（ｂ）はその水晶振動子の背面図、（ｃ）は（ｂ）に示すD−D線の断面図である。
図９の（ａ）に示すように、水晶振動子２０には、水晶板２１の両面に電極２２が取り付けられ、各電極２２にはリード線２３が取り付けられている。図９の（ｂ）に示すように、リード線２３を液体媒体中に浸漬する場合は、接着材によって被覆されている。
図９の（ｃ）に示すように、水晶振動子２０の片面は絶縁性薄板２５が接着剤２４によって接着されている。

また、図１０は従来の技術の測定装置の一例を示す概略図である。図１０に示すように、片面封止型の水晶振動子２０は、発振回路、周波数カウンタおよびデータ処理用のマイクロコンピュータによって構成される測定システムに接続されている。そして、水晶振動子２０は、測定時に反応を行う測定用の恒温セル２７内に設置されている。恒温セル２７内には液体媒体を攪拌するための攪拌子２８を操作するためのマグネットスターラ２９が恒温セル２７の下部に配置されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平０３−７７０６１（３頁の下段右の２〜１３行目、図１〜図３）

しかしながら、従来技術の水晶振動子２０は、接着剤２４によって支えられており、その接着剤２４の塗布時に水晶振動子２０を内側方向に規制するものが無いため、水晶振動子２０の等価定数に大きくばらつきを生じ、電気的特性の個体差が大きくなるという問題があった。
また、水晶振動子２０の上部には接着剤２４（図９の（ｃ）参照）が形成され、さらに、水晶振動子２０の下部には、接着剤２４が施してあるため、水晶振動子２０の接着剤２４の上下のバランスが悪く、電気的特性にもよくないという問題があった。
さらに、容器自身は特別に作らなければならないので厄介であった。

そこで、本発明は、これらの問題点を抜本的に解決するために創案されたものであり、水晶振動子の等価定数のばらつきや電気的特性の個体差が小さく、また、水晶振動子のバランスがよく、電気的特性がよい水晶振動子であるバイオセンサと、それを使用した検査方法を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、矩形のプリント基板（７）と、前記プリント基板（７）表面上に載せた銅箔（６）と、前記銅箔（６）の上に形成された裏電極（３）と表電極（２）との間に挟んだ水晶振動子である水晶ブランク（１）と、前記裏電極（３）と、前記表電極（２）の左右２箇所を固定する銀ペースト（４）と、前記水晶ブランク（１）と前記表電極（２）とを除いた全体を覆うシリコン樹脂（５）と、それぞれの電極に接続されたリード線（８，８）と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のバイオセンサ（１１）であって、前記矩形のプリント基板（７）の表面上と、前記プリント基板（７）の裏面上との両面に水晶ブランク（１）を設けたこと特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のバイオセンサ（１２）であって、前記銅箔（６）と前記裏電極（３）との間に、前記シリコン樹脂（５）と前記銀ペースト（４）を装填したことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項２に記載のバイオセンサ（１１）を使用した測定・分析システムであって、前記バイオセンサ（１１）と、発振回路（１６）と、同軸ケーブルで接続された周波数カウンタ（１７）と、この周波数カウンタ（１７）に接続されたデータ処理を行うパーソナルコンピュータ（１８）と、から構成され、前記バイオセンサ（１１）の一面のバイオセンサ（１０）を測定側として、この測定側から得られるデータと、
他面の前記バイオセンサ（１０）を標準側として、この標準側から得られるデータと、の差分から測定・分析することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、バイオセンサ（１１）と、発振回路（１６）と、同軸ケーブルで接続された周波数カウンタ（１７）と、この周波数カウンタ（１７）に接続されたデータ処理を行うパーソナルコンピュータ（１８）とにより構成された検査方法は、プリント基板（７）の表面と裏面の両面にバイオセンサ（１０）を備えた前記バイオセンサ（１１）であり、一方のバイオセンサ（１０）を測定側として、この測定側からのデータと、他方のバイオセンサ（１０）を標準側として、この標準側からのデータと、の差分を測定・分析することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、矩形のプリント基板と、プリント基板の表面上に載せた銅箔と、前記銅箔の上に形成された裏電極と表電極との間に挟んだ水晶振動子である水晶ブランクと、裏電極と、表電極の左右２箇所を固定する銀ペーストと、水晶ブランクと表電極とを除いた全体を覆うシリコンと、それぞれの電極に接続されたリード線と、を備えたことにより、銅箔上に接着剤を塗布することで定量の塗布が可能になり、製造上のばらつきを極端に抑えることができ、個体差を小さくできる。また、銅箔に接着剤のストッパーの役目を持たせることができるので、製造上の個体差を小さくできる。さらに、片面封止側の空間の高さ寸法は銅箔の厚みで決まり、製造上の個体差を小さくできる。
つまり、水晶振動子の等価定数のばらつきや電気的特性の個体差が小さく、また、水晶振動子のバランスがよく、電気的特性がよい水晶振動子であるバイオセンサを提供することができる。

また、そのほかの効果を列挙すると、
１．従来の片面封止では専用の容器を用意し、裏面の電極部近辺が中空になるように組み立てなければならなかったのに対し、本発明のバイオセンサは、プリント基板をベースにして、その表面上に銅箔をエッチングし、銅箔と銅箔の間に上に水晶ブランクを実装することにより、容易に従来の容器に代わる容器を形成できる。
２．プリント基板の両面銅箔のものを使用すると、簡単にプリント基板の両面に水晶ブランクを実装できるので、従来の容器を作る方法と比較すると、格段に簡単にできる。
３．プリント基板を使用することにより、一度に大量のエッチングをすることができることから、大量生産に最適である。
４．プリント基板のパターン設計で考慮すれば、パターンに沿ったシリコンの塗布や、パターン間へシリコンの塗布ができるため、個体差の小さいＱＣＭが製造できる。
５．プリント基板の銅箔の厚みで封止裏面の空間容積が決まってしまうので、個体差を極力小さくできる。

請求項２に係る発明によれば、矩形のプリント基板の表面上と、プリント基板の裏面上との両面に水晶ブランクを設けたことにより、プリント基板の両面におのおの水晶振動子である水晶ブランクが設けられたことから、データの差を分析できる信号とノイズの比が小さいデータが得られるため、その結果として、検査精度の向上を図ることができる。

請求項３に係る発明によれば、銅箔の上に裏電極の間に、シリコンと銀ペーストを装填したことにより、水晶振動子をより弾性のある物質で支えることになり、Ｑ値（Ｑ＝２πＦ＊Ｌ１／Ｃｉ）が大きくなり、水晶の共振の度合いが大きくできる。

請求項４に係る発明によれば、バイオセンサと、発振回路と、同軸ケーブルで接続された周波数カウンタと、この周波数カウンタに接続されたデータ処理を行うパーソナルコンピュータと、から構成され、バイオセンサの一面のバイオセンサを測定側として、この測定側から得られるデータと、他面の前記バイオセンサを標準側として、この標準側から得られるデータと、の差分から測定・分析することにより、より簡単で、しかも正確な測定と分析システムを提供することができる。

請求項５に係る発明によれば、バイオセンサと、発振回路と、同軸ケーブルで接続された周波数カウンタと、この周波数カウンタに接続されたデータ処理を行うパーソナルコンピュータとにより構成された検査方法は、プリント基板の表面と裏面の両面にバイオセンサを備えた前記バイオセンサである。一方のバイオセンサは測定側として、この測定側からのデータと、他方のバイオセンサは標準側として、この標準側からのデータと、の差分を測定・分析する。前記バイオセンサはプリント基板の表面と裏面上にバイオセンサを設けた両面型であり、同時に浸漬し、同時に引き上げることができるため、従来の２個を別々にした方法とは異なり、２個の水晶ブランクが一体化された構成になっているので、水晶ブランクが置かれた環境（温度、液中の圧力、外部振動、ノズルなど）が全く同一であり、２個のデータの差は、純粋な反応信号のみとすることができる。この結果、測定精度の飛躍的な向上を図ることができる。

本発明のバイオセンサは、ＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）と呼ばれるバイオセンサである。このバイオセンサは、水晶振動子の周波数の変化量を測定することで、生体のＤＮＡ（遺伝子）や、抗体抗原反応、つまり、免疫反応の有無の検査や、リガンドレセプター、におい等の有無を質量の変化として捉えること等が知られている。

水晶振動子の基本構造においては、電極は金である。この電極に測定対象物を結合させて、周波数の変化を検出する。免疫反応測定の場合は、電極の表面に生体分子である抗体を付着させておいて、選択的抗原を注入すれば、特異的に反応が起きる。他の抗原は結合しないことから、抗体抗原反応が起きると質量の変化が起きる。つまり、反応によって質量が増えるので、質量変化を高感度に捉え、この増えた質量を周波数変化に置き換えて検証することができる。

図８は水晶振動子の周波数の変動を示すグラフである。図８に示すように、周波数Ｆは、もともとの基礎となる標準周波数Ｆであり、そこへ、例えば、抗原を注入（インジェクション）すると、抗体に抗原が結合する。その結果、周波数Ｆ_１まで下がり、図８に示すグラフのようになる。その下がった周波数の量（ΔＦ＝Ｆ−Ｆ_１）を算出すれば、反応による結合量を求めることができる。本発明は、このような測定・分析を行う測定・分析システムでもある。

例えば、Ｆ＝４０ＭＨｚ、ΔＦ＝１Ｈｚの場合をサブレー（ＳＡＵＥＲＢＲＥＹ）の式を使用して計算で求める。
サブレーの式…ΔＦ＝−Ｆ^２・Δｍ／ＮρＡ ………（１）
Ｆ＝基本周波数[Ｈｚ] 、Ｎ＝167000[Ｈｚ・ｃｍ] （伝搬定数）
Ａ＝電極面積[ｃｍ^２] 、ρ＝2.65ｇ／ｃｍ^３ （水晶密度）
Δｍ質量を求めるため、（１）式に代入すると、
Δｍ＝14.6775×１０Ｅ−１２＝14.7ｐｇ
となり、１Ｈｚ当り抗原の質量変化は、14.7ｐｇ（14.7ピコｇ）と、求めることができる。

＜第１実施の形態＞
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１の（ａ）は第１実施の形態の水晶振動子の斜視図、（ｂ）は図１の（ａ）に示すａ部を拡大した平面図である。図１の（ａ）に示すように、平面視でプリント基板７は、矩形をなし、先端に丸みを付したプリント基板（７）で形成されている。また、その後端から、２本のリード線８，８が延設されており、先端部には円盤状の水晶ブランク１を覆うように表電極２と裏電極３が配置され、それぞれのリード線８，８に接続されている。
サイズは、２０×６×０．８ｍｍであるが、これ以上大きくてもよいし、小さくても構わない。

図１の（ｃ）は（ｂ）に示すＡ−Ａ線の断面図である。
図１の（ｃ）に示すように、プリント基板７上に銅箔６を載せ、この銅箔６の上に裏電極３と、水晶ブランク１と、裏電極３とを挟み、左右の２箇所に銀ペースト４で固定し、これを挟むようにして、シリコン樹脂５で覆っている。
そして、重ね合わせた裏電極３と、水晶ブランク１と、表電極２とを、平面視で楕円状に形成された銀ペースト４，４によって左右の２箇所に固定されている様子が分かる。

水晶ブランク１は直径がφ９〜４．５ｍｍであり、厚みは２８０〜３３μｍである。これは６〜５０ＭＨｚ（基本波）が可能である。
なお、検体液に差し込むタイプをディップタイプといい、センサが容器の底面あるいは側面などにあらかじめ設置されているタイプをウェルタイプと呼んでいる。

表電極２と裏電極３の電極は、金（ＡＵ）の他、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミニューム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニクロム（ＮｉＣｒ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）等であってもよい。このようにすることにより、１つ目の効果は、従来の片面封止では専用の容器を用意し、裏面の電極部近辺が中空になるように組み立てなければならなかったのに対し、本発明のバイオセンサは、プリント基板をベースにして、その表面上の銅箔をエッチングし、銅箔と銅箔の間に上に水晶ブランクを実装することにより、容易に従来の容器に代わる容器を形成できる。２つ目の効果は、プリント基板の両面銅箔のものを使用すると、簡単にプリント基板の両面に水晶ブランクを実装できるので、従来の容器を作る方法と比較すると、格段に簡単にできる。３つ目の効果は、プリント基板を使用することにより、一度に大量のエッチングをすることができることから、大量生産に最適である。４つ目の効果は、プリント基板のパターン設計で考慮すれば、パターンに沿ったシリコンの塗布や、パターン間へシリコンの塗布ができるため、個体差の小さいＱＣＭが製造できる。５つ目の効果は、プリント基板の銅箔の厚みで封止裏面の空間容積が決まってしまうので、個体差を極力小さくできる。

＜第２実施の形態＞
図２は第２実施の形態を示し、図１の（ｂ）に示すＡ−Ａ線の断面図である。なお、すでに図１において説明した構成と同じ構成には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。図２に示すように、バイオセンサ１１の断面図と、図１の（ｃ）に示す断面図との相違点は、図１の（ｃ）に示すバイオセンサ１０がプリント基板７の表面に重ねて配置されているのに対し、この第２実施の形態に示すバイオセンサ１１は、これをプリント基板７の両面に２個のバイオセンサ１０，１０が配置されている点にある。
つまり、一方のバイオセンサを液中に浸漬して反応させ、他方のバイオセンサを反応させないようにすることにより、それらの反応の差分を求めて結果を得るＱＣＭのバイオセンサ１０である。
したがって、プリント基板７の両面におのおの水晶振動子である振動ブランク１を取り付けることにより、２つのデータの差を分析することができる信号と、ノイズの比が小さいデータが得られるため、その結果として、検査精度の向上を図ることができる。

図３は、図１の（ｃ）に示す断面の変形例を示す切断図である。図３に示すように、このバイオセンサ１０′は、銅箔６と裏電極３との間に、シリコン樹脂５と銀ペースト４が装填されている。
この作用効果は、シリコン樹脂の弾性素質により水晶ブランク１が物理的運動と弾性により自由度が増し、発振しやすさの目安となるＱ値が増加する。また、シリコンの塗布量や位置が規制されることにより、個体差をより少なくできる。

つぎに、本発明のバイオセンサを使用した測定・分析システムについて説明する。
図４は、測定・分析システムの構成を示す構成図である。
図４に示すように、２個のバイオセンサ１０，１０と、２個の発振回路１６，１６と、同軸ケーブルで接続された周波数カウンタ１７と、周波数カウンタ１７に接続されたデータ処理を行うパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１８とから構成されている。それぞれの電極に接続されたリード線８ａ、８ｂを発振回路１６に接続する。この発振回路１６から同軸ケーブルを介して周波数カウンタ１７に接続され、その周波数カウンタ１７にはパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１８が接続されている。

この測定・分析システムは、プリント基板７の両面に取り付けられた２個のバイオセンサ１０で、一方は生体修飾されたバイオセンサ（１０）で、他方は単なる液中振動子として働くことになる。これらの２つの振動子を別々の発振回路１６，１６で発振させ、おのおのの周波数出力を周波数カウンタ１７の入力１、入力２に入力し、周波数カウンタ１７の出力は、Ｆ１−Ｆ２として出力２をとり出し、それをパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１８によってデータ処理して解析するシステムとなっている。
つまり、生体反応（結合）以外は、温度、圧力、外部ノズル、等の変化・影響が両方の水晶ブランク（水晶振動子）に拘わるので、その差を除去すれば、反応以外の影響を取り除くことができる。

バイオセンサ１１の両側にはバイオセンサ１０とバイオセンサ１０が設けられている。その電極は電気的に絶縁が保たれるように封止してあるＱＣＭのバイオセンサ（１０）であり、ワンチップ化としたバイオセンサ１１を実現させたところに大きな特徴がある。
一面（表面）のバイオセンサ１０を測定側とする。他面（裏面）のバイオセンサ１０を標準側とする。一面（表面）のバイオセンサ１０（測定側）の表電極２の表面には、たとえば、免疫測定の場合は、生体分子である抗体を付着させておき、他面（裏面）のバイオセンサ１０（標準側）には、抗体を付着させないことにするとよい。
そうすると、一面（表面）のバイオセンサ１０（測定側）の表電極の表面には、選択的抗原が付着して反応が起きる。このように、抗体抗原反応が起きると質量変化を起こすことになる。しかし、他面（裏面）のバイオセンサ１０（標準側）には、前もって抗体を付着させないため、抗原は付着しないことから、両者の周波数に差分が生じ、サブレーの式により、前記したように、抗原の質量を求めることができる。

図８に示すように、もともとの発振周波数Ｆの中で、抗原をインジェクトすると、抗体に抗原が特異的に結合する。その結果として周波数が下がり、周波数Ｆ_１となる。これは、周波数が減少したので、反応が起きた、と判定してもよい。そのような緊急を要する判定の測定・分析を行うこともできる測定・分析システムである。

この測定・分析システムを使用した検査方法によって求めたデータを説明する。
図５は、免疫反応の前処理による周波数のシフトを示すグラフである。縦軸に周波数変化（ＨＺ）、横軸に時間をとると、周波数のシフトＥは、金電極の化学修飾による周波数変化を表している。また、つぎの周波数のシフトＦは、抗体の固定化による周波数変化を表している。このように、前処理による質量の増加が、その処理ごとに周波数の変化として捉えることができ、その着膜量、または、固定化量が判る。

図６は、免疫反応による周波数シフトを示すグラフである。このグラフの中に記載した矢印は、抗原溶液の滴下を示している。このように、抗原溶液の滴下を行うことで、結合反応が起き、最後には飽和してしまうことが判る。

なお、本発明はその技術思想の範囲内で種々の改造、変更が可能である。例えば、図７
は、図１の（ｃ）に示す断面のもう１つの変形例を示し、（ａ）平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＣ−Ｃ線の切断図である。図７の（ｂ）に示すように、バイオセンサ１０″は、プリント基板７の上面には銅箔６が設けられ、その銅箔６の上に裏電極３と、水晶ブランク１と、表電極２とを重ね、左右２箇所を固定する銀ペースト４で固定する。そして、水晶ブランク１と表電極２とを除いた全体を覆うシリコン樹脂５の代わりに樹脂１５によって覆っても構わない。

第１実施の形態を示し、（ａ）は水晶振動子の斜視図、（ｂ）は図１の（ａ）に示すａ部を拡大した平面図、（ｃ）は（ｂ）に示すＡ−Ａ線の断面図である。 第２実施の形態を示し、図１の（ｂ）に示すＡ−Ａ線の断面図である。 図１の（ｃ）に示す断面の変形例を示す切断図である。 測定・分析システムの構成を示す構成図である。 免疫反応の前処理による周波数シフトを示すグラフである。 免疫反応による周波数シフトを示すグラフである。 図１の（ｃ）に示す断面のもう１つの変形例を示し、（ａ）平面図、（ｂ）は（ａ）に示すＣ−Ｃ線の切断図である。 水晶振動子の周波数の変動を示すグラフである。 従来の技術のバイオセンサを示し、（ａ）は水晶振動子の正面図、（ｂ）はその水晶振動子の背面図、（ｃ）は（ｂ）に示すD−D線の断面図である。 従来の技術の測定装置の一例を示す概略図である。

符号の説明

１ 水晶ブランク
２ 表電極
３ 裏電極
４ 銀ペースト
５ シリコン樹脂
６ 銅箔
７ プリント基板
８ リード線
９ ケース
１０，１０′，１０″，１１ バイオセンサ
１５ 樹脂
１６ 発振回路
１７ 周波数カウンタ
１８ パーソナルコンピュータ（ＰＣ）

Claims (5)

1. 矩形のプリント基板（７）と、
   前記プリント基板（７）の表面に載せた銅箔（６）と、
   前記銅箔（６）の上に形成された裏電極（３）と表電極（２）との間に挟んだ水晶振動子である水晶ブランク（１）と、
   前記裏電極（３）と、前記表電極（２）の左右２箇所を固定する銀ペースト（４）と、
   前記水晶ブランク（１）と前記表電極（２）とを除いた全体を覆うシリコン樹脂（５）と、
   それぞれの電極に接続されたリード線（８，８）と、
   を備えたことを特徴とするバイオセンサ（１０）。
2. 前記矩形のプリント基板（７）の表面上と、前記プリント基板（７）の裏面上との両面に水晶ブランク（１）を設けたこと特徴とする請求項１に記載の両面型のバイオセンサ（１１）。
3. 前記銅箔（６）と前記裏電極（３）との間に、前記シリコン樹脂（５）と前記銀ペースト（４）を装填したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバイオセンサ（１２）。
4. 前記バイオセンサ（１１）と、
   発振回路（１６）と、
   同軸ケーブルで接続された周波数カウンタ（１７）と、
   この周波数カウンタ（１７）に接続されたデータ処理を行うパーソナルコンピュータ（１８）と、から構成され、
   前記バイオセンサ（１１）の一面のバイオセンサ（１０）を測定側として、この測定側から得られるデータと、
   他面の前記バイオセンサ（１０）を標準側として、この標準側から得られるデータと、の差分から測定・分析することを特徴とする請求項２に記載のバイオセンサ（１１）を使用した測定・分析システム。
5. バイオセンサ（１１）と、発振回路（１６）と、同軸ケーブルで接続された周波数カウンタ（１７）と、この周波数カウンタ（１７）に接続されたデータ処理を行うパーソナルコンピュータ（１８）とにより構成された検査方法は、
   プリント基板（７）の表面と裏面の両面にバイオセンサ（１０）を備えた前記バイオセンサ（１１）であり、
   一方のバイオセンサ（１０）を測定側として、この測定側からのデータと、
   他方のバイオセンサ（１０）を標準側として、この標準側からのデータと、
   の差分を測定・分析することを特徴とするバイオセンサ（１１）を使用した検査方法。

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