JP2008102118A - Ｑｃｍ分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、水晶発振子を利用して、その温度依存性を揃えることにより第一の発振部と第二の発振部の周波数変化差を安定化させる方法があったが、実際には温度依存性だけでは周波数変化差は安定せず、水晶発振器に印加される電圧の変化によって周波数が変化し、また安定するまでに時間がかかっていた。
【解決手段】本発明では、第一の発振部と第二の発振部のそれぞれの周波数対電圧特性が一致する電圧で水晶発振器を駆動することで、電圧の変化に対する周波数変化を安定化させることができ、また水晶発振器を駆動開始した直後であっても、第一の発振部と第二の発振部の周波数変化差が安定することから、迅速かつ正確な測定を可能にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、目的物質を含んだ溶液と水晶発振子の電極上の固定化物質とを反応させて、目的物質との反応により変化した共振周波数から目的物質量を分析するＱＣＭ分析装置に関する。

従来から水晶発振子を利用して、その圧電効果から微量な物質を検出する技術（ＱＣＭ）が知られている。水晶発振子は、その電極表面に物質が吸着すると、その物質の重量に応じて共振周波数が変化する。これを利用すると、極めて微量な物質の重量を、この周波数変化から読み取ることができる。

近年、この水晶発振子を溶液中に浸漬させて、その溶液中の微量物質を検出する手法が利用されている。しかしながら、溶液中における水晶発振子の周波数変化は、物質吸着による周波数変化以外にも温度変化、電圧変化などにより影響を受ける。このため、目的物質のみの周波数変化を得るためには、その他の影響を除外して求める必要がある。この影響を防ぐ方法として、特許文献１に記載するような２つの水晶発振子を利用する方法がある。すなわち、２つのうちの一方をリファレンスの水晶発振子とし、もう一方を測定用の水晶発振子とするものである。この水晶発振子が目的物質を含んだ溶液に浸漬されると、測定用のみの水晶発振子に目的物質が付着し、周波数が変化する。ただし、この周波数変化には目的物質による変化以外にも温度による周波数変化などの影響も含んでいるため、これをリファレンスの水晶発振子の周波数で減算することで、より目的物質のみの周波数変化だけを得ようとするものである。温度依存性の近い水晶発振子を選択し減算することにより、単独の水晶発振子で起こる温度依存性よりも、その影響を軽減させるものである。

特開２００６−３３１９５号公報（５頁、図１）

しかしながら、この方法では温度依存性に対してのみ安定するが、電圧の変化に対する影響は、取り除けていない。特に測定開始初期には電圧が安定せず、その電圧に対する周波数変化も各水晶発振子で異なることから安定しない。また安定させるために、測定開始から放置し安定するまで待つ必要があり、迅速な測定は行えない。
そこで本発明は、周波数安定性を向上させ、また安定するまでの時間を軽減させることを目的とする。

そこで本発明のＱＣＭ分析装置は、以下に示す構成を採用する。

一つの水晶板表面に第一の対向電極と第二の対向電極を有する水晶発振子を有し、第一の対向電極により水晶発振子を発振させる第一の発振回路と、第二の対向電極により水晶発振子を発振させる第二の発振回路とを有し、水晶発振子と第一の発振回路とを第一の発振部とし、水晶発振子と第二の発振回路とを第二の発振部とする水晶発振器を備え、第一の発振部における第一の周波数対電圧特性と、第二の発振部における第二の周波数対電圧特性が一致する電圧を、第一の発振部と第二の発振部にそれぞれ印加することを特徴とする。

第一の発振回路、及び第二の発振回路はそれぞれ、NAND回路、第一の負荷容量、第二の負荷容量、出力容量、帰還抵抗を有することが好ましい。

水晶発振器はカウンター回路に接続され、カウンター回路はCPUに接続され、CPUは表示器と接続されるとともに、第一の発振部、及び第二の発振部とも接続されて、CPUからの切り替え信号に応じて、第一の発振部、及び第二の発振部の発振を開始及び停止することが好ましい。

第一の対向電極の一方と第二の対向電極の一方を封止し、第一の対向電極の他方に目的物質に特異的に結合する固定化物質と非特異吸着を防ぐブロッキング膜を結合させ、第二の対向電極の他方に、ブロッキング膜を結合させた水晶発振子を準備し、水晶発振子を目的物質を含んだ溶液に浸漬させて、第一の発振部の周波数と第二の発振部の周波数との周波数差から目的物質を分析することが好ましい。

CPUは、測定開始時に第一の発振部と第二の発振部に発振最小電圧を印加し、ステップ幅ごとに電圧を上昇させたときのステップ周波数をそれぞれ記録し、電圧変化前後のステップ周波数差が、第一の発振部と第二の発振部で等しい一致電圧を検索した後に、一致電圧を第一の発振部と第二の発振部に印加することが好ましい。

一致電圧は、ステップ周波数差をもっとも小さくする最小一致電圧であることが好ましい。

本発明の分析装置においては、下記に記載する効果を有する。

電圧変化に対する周波数変化、即ち周波数対電圧特性が第一の発振部と第二の発振部で一致する電圧で駆動することにより、第一の発振部と第二の発振部の周波数変化差が安定するので、２CH測定のように差分から反応量を求める場合には、高精度の分析が行える。

また発振回路において駆動する場合、発振開始直後は電圧が安定せず、周波数が安定するまでに時間を要するが、第一の発振部と第二の発振部の周波数対電圧特性が一致する電圧で駆動することにより、電圧が変化していてもそれに伴う周波数変化が一致しているため、高速に安定化させることができる。このため、迅速に測定結果を得ることが可能になる。

さらに測定開始時において、CPUが自動的に第一の発振部と第二の発振部のステップ周波数差の差を求め、もっともステップ周波数差が小さくなる最小一致電圧で駆動することにより、測定のための前設定が必要なく、迅速であると同時に正確な電圧で駆動させることができる。

以下図面を用いて本発明を利用したＱＣＭ分析装置の最適な実施形態を説明する。なお、図面において、同一の参照数字及び記号は同じ又は同様の構成要素を指すものとする。

（第一の実施形態）
本発明の全体構成について図５を用いて説明する。QCMセンサ１は、容器５３内に浸漬されており、容器５３内には目的物質を含んだ溶液５４が入っている。また、容器５３は、恒温槽５９内に配置されており、容器５３内の溶液５４は一定の温度に保たれる。即ち、温度に対する周波数変化を軽減する構成になっている。QCMセンサ１には、第一の発振
回路５７と第二の発振回路５８が接続されており、その出力はNAND回路３０にそれぞれ接続されている。このNAND回路３０は、カウンター回路５０に接続されており、カウンター回路５０は、CPU５１に接続されている。CPU５１は表示器５２に接続され、またCPU５１から第一の発振回路５７と第二の発振回路５８に発振制御信号５５、５６と電圧制御信号８０、８１が出力される。

ここからは、図１、図２を用いて、本発明の実施の形態におけるＱＣＭセンサ１を説明する。図１は平面図であり、図２は図１に示す線Ａ−Ｂに沿う断面図である。水晶板１１は、表面、裏面を有しており、表面には電極３、６、裏面には電極２、５が蒸着されている。電極２と電極３は、水晶板１１を挟んでお互いに対向しており、対向電極２０を形成している。また電極５と電極６も同様に水晶板１１を挟んでお互いに対向しており、対向電極２１を形成している。このような構成の水晶板１１を水晶発振子１９という。水晶発振子１９は、ＡＴカット発振子が好ましく、その温度特性は特に優れている。電極２、電極３、電極５、電極６は、金属の薄い層から構成され、金・クロムや金・ニッケルなどで構成される。水晶板１１の厚さにおいて、その厚さは薄いほど共振周波数を高くすることができるが、薄すぎると水晶板１１が破損したり、不安定な発振をする場合がある。このため、本発明の実施形態においては、４０μｍの厚さの水晶板厚を採用している。その基本共振周波数は、３８ＭＨｚであり、安定に発振する。

図３は、水晶発振子１９が実装されていない状態の基板１２を示す平面図である。電極１５、１６、１７、１８は、水晶発振子１９の電極２、３、５、６と接続するための電極である。電極１５、１６、１７、１８はそれぞれ基板１２の内部配線２２、２３、２４、２５によって電極７、８、９、１０と接続されている。電極７、８、９、１０は、それぞれ外部端子と電気的に接続するために設けられている。図１、図２に示すように、電極３、６は、水晶板１１の表面から端部へ至り、側面を通って下へ延び、そのまま裏面へと続いている。電極２、５は、水晶板１１の裏面のみに配置され、水晶板１１の端部までは至らない。電極２、３、５、６は、電極１５、１６、１７、１８と電気的に接続するための少量の導電接着剤４により接続される。電極７、８、９、１０に、外部からの交流電圧を印加すると、水晶板１１が振動を開始する。基板１２上には撥水剤が塗布され、ＱＣＭセンサ１が溶液に浸漬される際に、溶液中の目的物質が、水晶発振子１９以外の部分に吸着してしまうことを避けるために、水晶発振子１９以外の部分に塗布される。

続いて、水晶発振子１９の封止について図１、図３を用いて説明する。まず、封止を行う必要性について説明する。QCMセンサ１は、溶液中で反応実験を行うため溶液にさらされる。この際に、電極２、３及び電極５、６が溶液に接触するとそれぞれの電極同士が導通し、ショートする。このような場合には、電極及び水晶発振子を破損することになる。このようなことから、電極２、３及び電極５、６はお互いに溶液に接触しないような構造が必要となる。

次に封止方法について説明する。基板１２には、あらかじめ弾性体１３が配置されている。弾性体１３は、好ましくは、シリコーン樹脂が適しており、図１に示すように、水晶板１１の外周と同程度の枠で配置される。さらに、その厚さは水晶板１１の厚さ（４０μｍ）程度が好ましい。この弾性体１３に水晶発振子１９をのせると、支持体となる弾性体１３が、水晶発振子１９の振動を大きく阻害することなく柔軟に支持するため、安定した発振を行うことができる。

ここからは水晶発振器４３について図４を用いて説明する。図４の上部の点線で示した回路が第一の発振部３８であり、図４の下部の点線で示した回路が第二の発振部３９を示している。また、これとNAND回路３０を組み合わせて、水晶発振器４３が構成される。第一の発振部３８は、帰還抵抗３５、負荷容量３１、３２、出力容量３７、NAND回路３６、
第一の水晶発振子３３によって構成される。第二の発振部３９は、帰還抵抗３５、負荷容量３１、３２、出力容量３７、NAND回路３６、第二の水晶発振子３４によって構成される。第一の水晶発振子３３と第二の水晶発振子３４は、水晶発振子１９の一部であり、第一の水晶発振子３３は対向電極２０により振動する発振子であり、第二の水晶発振子３４は対向電極２１により振動する発振子である。第一の水晶発振子３３と第二の水晶発振子３４は、それぞれ異なる周波数で振動する。第一の発振部３８から第一の水晶発振子３３を除いた回路を、第一の発振回路５７、第二の発振部３９から第二の水晶発振子３４を除いた回路を、第二の発振回路５８とする。これら帰還抵抗３５、負荷容量３１、３２、出力容量３７を調整することにより、周波数の安定性や絶対値が様々に変化する。また、使用するNAND回路３６の入出力特性によっても変化する。本発明の実施例においては、回路側の負性抵抗値の絶対値が水晶発振子の抵抗分を上回るように設計されている。負性抵抗とは、回路側を回路方程式で表した時の実数部である。また、信号端子４０は第一の発振部３８を発振及び停止させるために使用される端子であり、図５に示すCPU５１からの発振制御信号５５が接続される。また同様に信号端子４１は、第二の発振部３９を発振及び停止させるために使用される端子であり、CPU５１からの発振制御信号５６が接続される。さらに、信号端子４２は、これら第一の発振部３８と第二の発振部３９のいずれか一方の周波数が出力されるようになっている。さらに、図５に示すように第一の発振回路５７と第二の発振回路５８にはCPU５１から電圧制御信号８０と電圧制御信号８１が接続されており、CPU５１からの信号に応じて電圧が変更される。この第一の発振部３８からの出力周波数をF１とし、第二の発振部３９からの出力周波数をF２とする。信号端子４２からの出力は、Ｆ１及びＦ２であり、カウンター回路５０にてカウントされる。

ここからは、水晶発振子１９の駆動方法について説明する。図４、５に示すように第一の発振部３８はCPU５１からの発振制御信号５５によって、発振と停止を繰り返し、第二の発振部３９はCPU５１からの発振制御信号５６によって、発振と停止を繰り返す。すなわち、NAND回路３０からの出力は、第一の発振部３８か、第二の発振部３９のどちらか一方のみの周波数が交互に出力される。また、第一の発振回路５７と第二の発振回路５８にはCPU５１からの電圧制御信号８０、８１が出力されており、それぞれ同じ電圧もしくは異なる電圧で駆動される。具体的な動作について、図６のタイムチャートを用いて説明する。図６中の横軸は、時間を示している。縦軸は信号レベルを示しており、０から５Vのレベルで変化する。図６に示すとおり、発振制御信号５５は、ある時間間隔で５Vと０Vを繰り返す。時間T２から時間T３、時間T６から時間T７の時に信号レベルは０Vになり、時間０から時間T２、時間T３から時間T６の時に５Vとなって、この後も同様に繰り返される。発振制御信号５６も同様であり、ある時間間隔で５Vと０Vを繰り返す。時間０から時間T１、時間T４から時間T５の時に信号レベルは０Vになり、時間T１から時間T４、時間T５から時間T８の時に５Vとなって、この後も同様に繰り返される。本発明の実施例における水晶発振器４３は、負論理の論理回路で設計されているため、０V時において発振を開始する。逆に５V時には発振が停止する。このため、図６中の時間間隔ΔTf1の時に第一の発振部３８が発振を開始し、信号端子４２から周波数F1を出力する。また、時間間隔ΔTf2の時に第二の発振部３９が発振を開始し、信号端子４２から周波数F2を出力する。時間T1、T2と、時間T3、T4と、時間T5、T6の間には、それぞれ時間間隔ΔTdが設定されており、どちらの発振部も動作しない期間を設けている。これにより、発振を行う場合にはどちらか一方のみしか発振をしないため、お互いの干渉や不安定な周波数変化を防ぐことができる。この時間間隔ΔTf1、ΔTf2はともに同じ時間間隔であり、好ましくは１秒である。ただし、この時間間隔は１秒以外でもかまわない。計測時間を短くするような場合には１秒よりも短くすることもできる。この発振の切り替えに関して、発振の開始と停止をNAND回路によって電子的に行っているため、機械的な切り替えよりも大幅に安定する。また、駆動電圧に関しては５Vに限るものではなく、水晶発振子１９に最適な電圧で駆動される。

交互の周波数F1とF2は、後段のカウンター回路５０により周波数が計測され、CPU５１
に伝送される。CPU５１では、取得周波数F1、F2を減算し、その２CH周波数差ΔFを記録する。そして、２CH周波数変化差ΔFを分析し、その分析結果を表示器５２により表示する。

ここからは、電極３もしくは電極６に形成される固定化物質と目的物質との特異的な反応について説明する。本発明の目的物質としては、特定の物質と特異的に複合体を形成する物であれば特に制限はなく、例えば抗原抗体反応や、相補的なＤＮＡなどを用いることができる。抗原抗体反応により測定される成分としては、ＩｇＧ、インフルエンザＡ抗原、インフルエンザＢ抗原などがあげられる。また、本発明の固定化物質としては、目的物質に特異的に結合するものであれば制限はないが、例えば抗原と抗原に特異的に結合する抗体や、ＤＮＡとＤＮＡに相補的なＤＮＡ等があげられ、それぞれ一方のものが使用できる。

次に水晶発振子１９でおきる２CHによる抗原抗体反応について図７（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図７（ａ）において、抗体６４は抗原６３に特異的に反応する抗体であり、標識物質６２と結合されている。また、図７（ｂ）に示すように、電極３上には抗体６１が結合されており、抗原６３に特異的に反応する第二抗体である。さらに、電極３、及び電極６にはブロッキング膜６０を吸着させておく。ブロッキング膜６０は、好ましくはBSAを用いるが、これに限定されるものではなく、電極表面での反応を妨げるものであれば何でもよい。図７（ｂ）では、電極３上にもブロッキング膜６０を吸着させているが、これは抗原６３以外の物質が物理的な吸着によって電極３上に吸着することを防ぐために行っている。標識物質６２は、目的物質と特異的に結合する抗体と結合するものであれば制限はなく、目的物質の重量の増感物質として使用され、例えば金コロイドやポリスチレンビーズなどが使用できる。標識物質６２は、あらかじめ抗体６４と結合させておき、標識体を形成する。そこに、抗原６３を図７（ａ）のように抗原抗体反応を利用して結合させて、複合体を形成する。このような複合体を、緩衝液と混合して試料溶液を作成しQCMセンサ１を試料溶液に浸漬させて反応させる。ここで緩衝液に用いる緩衝剤は緩衝能を有するものならば特に限定されず、緩衝液として、好ましくはＰＢＳを用いる。図７（ｂ）のように、複合体が近くに来ると、電極３上の抗体６１と抗原６３とが抗原抗体反応により吸着し、電極３上に固定化される。電極６の周辺にも複合体が接触する可能性はあるが、ブロッキング膜６０があることにより、物理的な吸着は発生しない。このため、電極６に関係する第二の発振部３９の出力周波数F２は、物理的な吸着以外による周波数変化をする。これに対し、電極３に関係する第一の発振部３８の出力周波数F１は、出力周波数F２に吸着による周波数変化が加わったものとなる。つまり、出力周波数F１から出力周波数F２を減算することで吸着による周波数変化のみを取得することができるようになる。ここで述べた物理的な吸着以外による周波数変化とは、様々な要因があり、例えば温度による周波数変化、粘度による周波数変化、圧力による周波数変化を含む。このように、２CHの水晶発振子を用いることで、目的物質による周波数変化のみを取得することができる。

ここからは、周波数対電圧特性について図８、図９、図１３、図１４、図１５を用いて説明する。図１３は、PBS中の第一の発振部３８と第二の発振部３９における各電圧時の周波数変化８２、８３をそれぞれ示している。図８、図９は、PBS中の第一の発振部３８における第一の周波数対電圧特性７０と第二の発振部３９における第二の周波数対電圧特性７１を示しており、縦軸をステップ幅２０ｍVで変化させたときのステップ周波数差（Hz/２０mV）、横軸を変化電圧範囲として示した図である。この変化電圧範囲とは、図１３に示す周波数変化８２、８３の電圧の変化範囲を示しており、周波数対電圧特性とはステップ幅２０mＶで変化させたときの電圧変化前後の周波数変化差、すなわちステップ周波数差（Hz/２０mV）を示したものである。本実施例では、ステップ幅を２０mＶとしているが、これに限るものではなくステップ周波数差が明確であれば良い。また、駆動電圧はNA
ND回路３０、３６に印加されており、図５に示す電圧制御信号８０、８１により電圧が変更できる。図８は、第一の周波数対電圧特性７０と第二の周波数対電圧特性７１が良好な例であり、その回路パラメータは、帰還抵抗３５が１２０kΩ、負荷容量３１、３２がともに２２pF、出力容量３７が２２pFである。図１４は、図８の第一の周波数対電圧特性７０と第二の周波数対電圧特性７１の差をとったもので、縦軸をそれぞれの発振部のステップ周波数差の差、横軸を変化電圧範囲としている。図９は、第一の周波数対電圧特性７０と第二の周波数対電圧特性７１がずれている例であり、帰還抵抗３５は１２０KΩ、負荷容量３１、３２がともに２２pF、出力容量３７が６ｐFである。図１５は、第一の周波数対電圧特性８４と第二の周波数対電圧特性８５の差をとったもので、縦軸をそれぞれの発振部のステップ周波数差の差、横軸を変化電圧範囲としている。図１４においては、どの変化電圧範囲においても第一の周波数対電圧特性７０と第二の周波数対電圧特性７１との差が±１Ｈｚ／ｍＶ（±２０Ｈｚ／２０ｍＶ）以内に入っている。特に３．４０Vから３．４２Vの範囲においては、第一の発振部３８で６２３Ｈｚの周波数変化をし、第二の発振部３９で６２６Ｈｚの周波数変化をしている。つまり、その差は、０．１５Ｈｚ／ｍＶ（３Ｈｚ／２０ｍＶ）であり、１Ｈｚ／ｍＶ以内に十分入っている。これに比較して図１５の場合、小さくても３．４８Ｖから３．５０Ｖに変化させたときで、第一の発振部３８で６５０Ｈｚの周波数変化をし、第二の発振部３９で７２０Ｈｚの周波数変化をするため、その差は３．５Ｈｚ／ｍＶ（７０Ｈｚ／２０ｍＶ）である。また、大きい場合では３．３８Ｖから３．４０Ｖに変化させたときで、第一の発振部３８で７３０Ｈｚの周波数変化をし、第二の発振部３９で１１４０Ｈｚの周波数変化をするため、その差は約２１Ｈｚ／ｍＶ（４１０Ｈｚ／２０ｍＶ）近い値になっている。このように設計する回路パラメータによって、第一の周波数対電圧特性７０と第二の周波数対電圧特性７１の一致の仕方が異なる。この回路パラメータは、帰還抵抗３５が１０K〜１MΩ、負荷容量３１、３２が１８〜３２pＦ、出力容量３７が１０〜３２pＦの範囲内で調整されることが好ましい。また、ここで説明される第一の周波数対電圧特性７０と第二の周波数対電圧特性７１が一致するとは、その差が±１Ｈｚ／ｍＶ（±２０Ｈｚ／２０ｍＶ）以内に入ることであり、図１４で示す点線の範囲以内である。実際の分析において周波数分解能が１Ｈｚであることから、この値以内に入る必要がある。また、現在使用している電源の安定性は１ｍＶであり、これよりも高精度の電源を使用する場合には、１Ｈｚ／ｍＶよりも大きな値でもかまわない。さらに、本実施例では、第一の発振部３８と第二の発振部３９の電源が同じであるが、電源の安定性に対して、１Ｈｚ以内の変化であれば異なる電源で駆動することもでき、CPU５１からの電圧制御信号８０、８１により異なる電圧で駆動する。

続いて、第一の周波数対電圧特性７０と第二の周波数対電圧特性７１が一致した変化電圧範囲内で駆動させた場合の２ＣＨ周波数変化差について、図１０を用いて説明する。ここで、２ＣＨ周波数変化差とは、第一の発振部３８の周波数変化と第二の発振部３９の周波数変化との差をとったものである。図１０は、PBS溶液中において、図８と図９の回路パラメータでそれぞれ駆動した場合の駆動開始１０分間の２CH周波数変化差を示すグラフであり、横軸は時間で単位は分、縦軸は２ＣＨ周波数変化差で単位はＨｚである。また、グラフのデータは、実際のデータを１０個分程度で平均化した値をプロットしている。ともに駆動電圧は３．４１Vであり、折れ線７２は、図８の回路パラメータを使用した２CH周波数変化差であり、折れ線７３は、図９の回路パラメータを使用した２CH周波数変化差である。図１０の２つの折れ線のうち、折れ線７２は、駆動直後に８Hz程度上昇するものの、その後は±１．５Hz程度で安定している。これに対し、折れ線７３は、駆動直後に１７Hz程度まで上昇し、その後もドリフトを続けて変化している。このように、良好なパラメータの発振回路で安定した変化電圧範囲内の電圧で駆動すると、駆動開始直後から安定する。これは、単純に２CH周波数変化差の安定性を向上させるだけでなく、早期に安定することから迅速な測定においても対応することができる。なお、実験の傾向からすると、駆動開始１〜２分程度で２CH周波数変化差は安定することがわかっている。

ここからは、測定開始時における電圧制御の仕組みについて図１６を用いて説明する。まず、水晶発振子１９が接続されるとただちに発振最小電圧が印加される。発振最小電圧とは、あらかじめ分かっている２つの発振部の駆動最小電圧Vminのことである。この電圧からあるステップ幅ΔVで電圧を変化させていき、発振最大電圧Vmaxまで電圧を上昇させる。このときのVminをV0としVmaxをVNとする。また、V0+ΔVをV1、V1+ΔVをV2、・・・、V（N-1）+ΔVをVNとし、各電圧時の周波数は、第一の発振部３８でV1時の周波数をf11、V2時の周波数をf12、・・・、VN時の周波数をf1Nとし、第二の発振部３９でV1時の周波数をf21、V2時の周波数をf22、・・・、VN時の周波数をf2Nとする。また、ステップ周波数差については、第一の発振部３８でΔf11=f12-f11、Δf12=f13-f12、・・・、Δf1(N-1)=f1N-f1(N-1)とし、第二の発振部３９でΔf21=f22-f21、Δf22=f23-f22、・・・、Δf2(N-1)=f2N-f2(N-1)とする。さらに、ステップ周波数差の差については、ΔｆS１＝Δf２１−Δｆ１１、ΔfS2=Δｆ２２−Δｆ１２、・・・、ΔfＳ(Ｎ-1)=Δｆ２（N-1）−Δｆ１（N-1）とする。

CPU５１は、各電圧時における周波数を記録し、発振最大電圧Vmaxまで終了するとステップ周波数差、及びステップ周波数の差を演算する。続いて、このステップ周波数差の差の中で±２０（Hz/20mV）以内の電圧を検索する。このときの電圧を一致電圧Vｔとする。実際には、図１４にも示したように、一致電圧は複数存在する。この一致電圧の中で、ステップ周波数差の値をもっとも小さくする電圧を最小一致電圧Vgとして、最終的な駆動電圧は最小一致電圧VgでNAND回路３０、３６を駆動する。図１４で説明すると、Vgは３．４０Vが選択される。これは、電圧変動時の周波数変化が少ないだけでなく、各発振部のステップ周波数差が一致している電圧で駆動することであり、安定性が高い測定結果を得ることができるためである。

ここからは、実際の測定方法について説明する。まず、図７（ｂ）に示すように電極３に目的物質に特異的に反応する固定化物質６１を結合させ、さらにブロッキング膜６０であるBSAを形成させる。参照用電極となる電極６にはブロッキング膜６０であるBSAのみを結合させておく。このように形成したQCMセンサ１を、図５のように容器５３に浸漬させる。QCMセンサ１が装置に接続されると、ただちにCPU５１から電圧制御信号８０、８１が出力されて、それぞれの発振部に発振最小電圧Vminが印加される。その後は、各ステップ幅の電圧で発振最大電圧Vmaxまで電圧を変化させ、各周波数を記録するとともに、ステップ周波数差及びステップ周波数差の差を演算を行う。このステップ周波数差とステップ周波数差の差から最小一致電圧Vgを検索し、最小一致電圧VgでNAND回路３０、３６を駆動する。これらの演算は、CPU５１内で自動的に行われて、最小一致電圧Vgが印加される。このときの容器５３内には溶液５４としてPBSを使用する。この容器５３内に、図７（ａ）のような目的物質６３を含む複合体を注入する。すると、容器５３内のＱＣＭセンサ１にこの目的物質６３を含む複合体が接触し、電極３上に形成された固定化物質６１と目的物質６３が抗原抗体反応により吸着する。電極６にも複合体は接触するが、ブロッキング膜６０であるＢＳＡが形成されているため、物理吸着は起きない。この結果、目的物質６３を含む複合体は、電極３にのみ吸着することになる。この時の変化の仕方について、図１１、図１２で説明する。図１１の横軸は時間、縦軸は第一の発振部３８と第二の発振部３９の出力周波数Ｆ１、Ｆ２の変化を示す。図１２の横軸は時間、縦軸はＦ１とＦ２との周波数変化差、すなわち２ＣＨ周波数変化差を示している。０時間からＴ１時間までは、ＰＢＳに浸漬した状態であり、お互いに同じ周波数変化をする。このため、図１２のように２ＣＨ周波数変化差は０のままである。これは、第一の周波数対電圧特性７０と第二の周波数対電圧特性７１が一致する変化電圧範囲で駆動するためであり、２つの周波数Ｆ１とＦ２との周波数変化は安定し、安定にかかる時間も短い。もし、２つの周波数Ｆ１とＦ２の周波数変化がずれてしまうと、そのずれた量が誤差となる。Ｔ１時間において、目的物質６３を含む複合体が注入されると、図１１のようにＦ１、Ｆ２ともに異なる周波数変化で減少する。ブロッキング膜６０であるＢＳＡのみが結合された電極６の周波数変化であ
るＦ２が、目的物質６３を注入後に変化しているのは、複合体の吸着によるものではなく、粘度や注入した複合体の温度などの変化によるものである。２ＣＨ周波数変化差としてみると、図１２のような減少を示し、複合体の吸着による変化以外のものは減算された変化が得られる。このときの２ＣＨ周波数変化差ΔＦが電極３に複合体が吸着したことによる変化となる。この出力周波数Ｆ１、Ｆ２はカウンター回路５０を通じて、ＣＰＵ５１で記憶される。ＣＰＵ５１では、Ｆ１とＦ２の変化の減算を行い、図１２に示すような２ＣＨ周波数変化差ΔＦを求める。この求めた２ＣＨ周波数変化差ΔＦから以下のSauerbreyの式１のΔＦに代入すると、電極３上に吸着した複合体の量を求めることができる。

ΔＦ＝−２×Ｆｒｅ×Δｍ/(Ａ×√(μ×ρ))（式１）

ここで、Ｆｒｅは複合体吸着前の基本共振周波数、Ａは電極の面積、μは水晶発振子のせん断弾性係数、ρは水晶発振子の密度、Δｍは重量変化である。また、複合体の量がわかれば、目的物質と標識体の質量比から、目的物質の量が求まる。これらの計算は、ＣＰＵ５１により行われ、表示部５２にその結果が表示される。

先の測定方法において、電極３上に固定化物質を結合させて電極６には結合させていないが、電極６上に固定化物質を結合させて電極３上に結合させない方法でもどちらでも良い。

本発明のＱＣＭ分析装置におけるＱＣＭセンサの構造の平面図である。 本発明のＱＣＭ分析装置におけるＱＣＭセンサの構造であり、図１のＡ−Ａ間で切断した断面図である。 本発明のＱＣＭ分析装置におけるＱＣＭセンサの水晶発振子が実装されていない状態の基板を示す図である。 本発明のＱＣＭ分析装置における発振回路を示す回路図である。 本発明のＱＣＭ分析装置における構成を示すブロック図である。 本発明のＱＣＭ分析装置における駆動方法を説明するタイムチャートである。 本発明のＱＣＭ分析装置において、ＱＣＭセンサでおきる抗原抗体反応について説明した図である。 本発明のＱＣＭ分析装置において、発振回路を良好なパラメータで設計した場合の周波数対電圧特性を示すグラフである。 本発明のＱＣＭ分析装置において、発振回路を良好でないパラメータで設計した場合の周波数対電圧特性を示すグラフである。 本発明のＱＣＭ分析装置において、発振回路を良好なパラメータで設計した場合の初期１０分間の２ＣＨ周波数変化差を示すグラフである。 本発明のＱＣＭ分析装置において、抗原抗体反応を行った場合のＦ１とＦ２の変化を示すグラフである。 本発明のＱＣＭ分析装置において、抗原抗体反応を行った場合の周波数変化差を示すグラフである。 本発明のＱＣＭ分析装置において、発振回路を良好なパラメータで設計した場合の各電圧時の周波数変化を示すグラフである。 本発明のＱＣＭ分析装置において、発振回路を良好なパラメータで設計した場合のステップ周波数差の差を示すグラフである。 本発明のＱＣＭ分析装置において、発振回路を良好でないパラメータで設計した場合のステップ周波数差の差を示すグラフである。 本発明のＱＣＭ分析装置において、測定開始時における最小一致電圧Vgを印加するまでの流れを説明する図である。

符号の説明

１ ＱＣＭセンサ
３０、３６ ＮＡＮＤ回路
３１、３２ 負荷容量
３５ 帰還抵抗
３７ 出力容量
４３ 水晶発振器
５０ カウンター回路
５１ ＣＰＵ
５２ 表示部
５７ 第一の発振回路
５８ 第二の発振回路

Claims (5)

1. 一つの水晶板表面に第一の対向電極と第二の対向電極を有する水晶発振子を有し、前記第一の対向電極により前記水晶発振子を発振させる第一の発振回路と、前記第二の対向電極により前記水晶発振子を発振させる第二の発振回路とを有し、前記水晶発振子と前記第一の発振回路とを第一の発振部とし、前記水晶発振子と前記第二の発振回路とを第二の発振部とする水晶発振器を備え、前記第一の発振部における第一の周波数対電圧特性と、前記第二の発振部における第二の周波数対電圧特性が一致する電圧を、前記第一の発振部と前記第二の発振部にそれぞれ印加するQCM分析装置。
2. 前記水晶発振器はカウンター回路に接続され、該カウンター回路はCPUに接続され、該CPUは表示器と接続されるとともに、前記第一の発振部、及び前記第二の発振部とも接続されて、前記CPUからの切り替え信号に応じて、前記第一の発振部、及び前記第二の発振部の発振を開始または停止することを特徴とする請求項１に記載のQCM分析装置。
3. 前記CPUは、測定開始時に前記第一の発振部と前記第二の発振部に発振最小電圧を印加し、ステップ幅ごとに電圧を上昇させたときのステップ周波数をそれぞれ記録し、電圧変化前後のステップ周波数差が、前記第一の発振部と前記第二の発振部で等しい一致電圧を検索した後に、該一致電圧を前記第一の発振部と前記第二の発振部に印加することを特徴とする請求項２に記載のQCM分析装置。
4. 前記一致電圧は、前記ステップ周波数差をもっとも小さくする最小一致電圧であることを特徴とする請求項３に記載のQCM分析装置。
5. 前記第一の対向電極の一方と前記第二の対向電極の一方を封止し、前記第一の対向電極の他方に目的物質に特異的に結合する固定化物質と非特異吸着を防ぐブロッキング膜を結合させ、前記第二の対向電極の他方に、前記ブロッキング膜を結合させた前記水晶発振子を準備し、前記目的物質を含んだ溶液に前記水晶発振子を浸漬させて、前記第一の発振部の周波数と前記第二の発振部の周波数との周波数差から前記目的物質を分析することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のQCM分析装置。

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