JP2008157751A

JP2008157751A - 感知装置

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Publication number: JP2008157751A
Application number: JP2006346875A
Authority: JP
Inventors: Mitsuaki Koyama; 光明小山
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2006-12-25
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2026-12-25
Also published as: CN101568820A; WO2008078832A1; JP4713459B2; TWI443338B; EP2098852A1; US20100024532A1; TW200835915A; US8434351B2

Abstract

【課題】液体と接触してその液体中の感知対象物の吸着により固有振動数が変わる水晶振動子などの圧電振動子を用いた感知装置において、周波数変化の検出感度の精度を高くすることに伴う悪影響を抑えた感知装置を提供すること。
【解決手段】本発明の感知装置は、圧電振動子を発振させるために、駆動電流が０．３ｍＡ以下となるように当該圧電振動子に発振駆動電力を供給する発振回路と、前記発振回路の発振出力に基づいて感知対象物の濃度を測定する測定部と、を備えた構成にある。このような構成にすることで、圧電振動子の自己発熱を抑えることができる。そのため圧電振動子の発振周波数の変動が抑えられ、結果として感知対象物の吸着による周波数の変化分を正確に検出することができる。
【選択図】図５

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、液体と接触してその液体中の感知対象物の吸着により固有振動数が変わる圧電振動子例えば水晶振動子を用い、この圧電振動子の固有振動数の変化分を検出して液体中の感知対象物を感知する感知装置に関する。

微量な物質を感知する手法として水晶振動子を用いた感知装置が知られている。この感知装置は、水晶振動子の表面に感知対象物を吸着するための吸着層を形成して水晶センサーを構成し、感知対象物が水晶振動子、詳しくは吸着層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を利用して感知対象物の有無あるいはその濃度を測定するものであり、その応用範囲が広く、装置としても簡易な構成である上、感度が高いことから極微量な物質でも測定できるといった利点がある。そのため従来から血液、尿などに含まれる疫病マーカ物質の分析を行うにあたって、水晶センサーを用いれば従来の手法に代わる有効な手法であることが期待されている。

本願の出願人は、水晶センサーの適用対象として、例えば環境汚染物質であるダイオキシンやＰＣＢあるいは血液中の疫病マーカなどを検討しているが、この手法により高精度に対象物質を測定できれば画期的である。何故なら現状では例えばダイオキシンを測定する手法としては、ガスクロマトグラフ質量分析計を用いる方法及びＥＬＩＳＡ法（適用酵素免疫測定法）が知られているが、ガスクロマトグラフ質量分析計は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し、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、分析精度が低いという課題がある。

ところで、それほど高い測定精度が要求されなければ水晶センサーを用いた感知装置を製造することは困難なことではないが、高い測定精度が要求されるとなると、現実には製造が困難である。その理由は微小な周波数変化を正確にかつ短時間で捉えることが非常に難しく、また感知物質の吸着以外に周波数変動の外乱要因が多いことによる。

こうした事情から本願の出願人は、発振回路の周波数信号をディジタル化し、そのディジタル信号で特定される正弦波信号を直交検波し、当該正弦波信号と検波に用いた正弦波信号との周波数差に応じた速度で回転する回転ベクトルを作成し、この回転ベクトルの速度を監視することで極めて高精度に周波数変化を検出できる技術を開発している（特許文献１）。しかし周波数変化の検出感度が高くなればなるほど、外乱が測定誤差に与える影響が大きくなる。

上述の回転ベクトルの方式を用い、水晶振動子を備えた感知センサー内に先ず純水を供給し、次いで感知対象物となる抗原を含む試料液を供給したところ、水晶振動子に設けられた吸着層である抗体層と抗原とが抗原抗体反応を起こして抗原が捕捉され、後述の実験例で説明する図１１及び図１２に示すように周波数が低下する。ところが測定中に周波数が徐々に上昇する傾向が見られ、試料液を供給したことによる周波数の終点検出が難しく、特に抗原濃度が小さく周波数変化が小さい場合には周波数の終点検出が難しいという問題がある。

本発明者はこの原因を追究した結果、後述の実験例からも推測できるように、水晶片の自己発熱によるものと結論付けた。即ち、水晶振動子を液体中で振動させると水晶片の等価直列抵抗が例えば１５０オームと大きくなり、このため駆動電流が流れることにより自己発熱する。ここで図１４は水晶振動子の周波数−温度特性図であるが、水晶振動子が自己発熱することにより、周波数が３次曲線の特性カーブに沿って例えば点ａから点ｂに移動しようとし、その結果、周波数が変動していくと考えられる。周波数が徐々に上昇していく現象からすれば、図１４の３次曲線の下流側部分において温度がスライドし、この結果周波数がこのカーブに沿って上昇することと整合する。う
このため、せっかく周波数について高精度な手法を採用しても、その利点を十分に生かしきれないという課題がある。

特開２００６−２５８７８７公報

本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、液体と接触してその液体中の感知対象物の吸着により固有振動数が変わる水晶振動子などの圧電振動子を用いた感知装置において、周波数変化の検出感度の精度を高くすることに伴う悪影響を抑えた感知装置を提供することにある。

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、液体と接触してその液体中の感知対象物の吸着により固有振動数が変わる圧電振動子を用い、前記圧電振動子の固有振動数の変化に基づいて、液体中の感知対象物を感知する感知装置において、
前記圧電振動子を発振させるために、駆動電流が０．３ｍＡ以下となるように当該圧電振動子に発振駆動電力を供給する発振回路と、
前記発振回路の発振出力に基づいて感知対象物の濃度を測定する測定部と、を備えたことを特徴とする。なお、圧電振動子に液体が接触すると、前記圧電振動子の等価直列抵抗の値は例えば１５０Ω以上にもなる。

本発明によれば、圧電振動子に液体が接触すると圧電振動子の等価直列抵抗が大きくなるが、圧電振動子を発振させるための駆動電流が０．３ｍＡ以下となるように設定しているので、後述の実験例に示すように圧電振動子の自己発熱を抑えることができる。そのため圧電振動子の発振周波数の変動が抑えられ、結果として感知対象物の吸着による周波数の変化分を正確に検出することができ、感知対象物の濃度を高精度に計測することができる。

以下に本発明に係る感知装置の実施の形態を説明する。先ず、感知装置の全体構成について説明しておく。この感知装置は、図１に示すように複数例えば８個の水晶センサー１と、この水晶センサー１が着脱自在に装着される測定器本体１００とを備えている。前記水晶センサー１は、図１及び図２に示すように配線基板であるプリント基板２１の上にゴムシート２２を重ね、このゴムシート２２に設けられた凹部２３を塞ぐように圧電振動子である水晶振動子２４が設けられ、更にゴムシート２２の上から上蓋ケース２５を装着して構成されている。上蓋ケース２５には、試料溶液の注入口２５ａと試料溶液の観察口２５ｂとが形成され、注入口２５ａから試料溶液が注入され、水晶振動子２４の上面側の空間に試料溶液が満たされることになる。水晶振動子２４の下面側は前記凹部２３により気密空間とされ、これによってランジュバン型の水晶センサーが構成されることになる。

前記水晶振動子２４は、図３に示すように例えば円形の水晶片２０の両面に夫々電極２４ａ、２４ｂ（裏面側の電極２４ｂは表面側の周縁部に連続形成されている）が設けられ、これら電極２４ａ，２４ｂは導電性接着剤２６を介して基板２１に設けられている一対の導電路であるプリント配線２７に夫々電気的に接続されている。また水晶振動子２４の一面例えば電極２４ａの表面には、感知対象物を吸着するための吸着層（図示せず）が形成されている。

続いて測定器本体１００の内部回路について図４を用いて説明する。図４中の４は水晶センサー１の水晶振動子２４を発振させるための発振回路であり、この発振回路４の後段には、バッファアンプ５を介して測定部６が接続されている。前記発振回路４はコルピッツ型発振回路として構成されており、Ｔｒは発振増幅素子としてのトランジスタ、４０，４１は分割容量成分をなすコンデンサ、Ｖｃｃは定電圧源である。その他の部位については、４２〜４４はコンデンサ、４５〜４８は抵抗である。また４９は水晶センサー１が着脱自在に接続される端子部であり、図１に示す測定器本体１００に設けられている。この発振回路４においては、水晶片２０の駆動電流が０．３ｍＡ以下となるように回路定数が設定されている。具体的には、図４に示す抵抗４５，４６，４７の抵抗値を調整して０．３ｍＡ以下に設定している。

前記測定部６は、例えば既述の特許文献１に記載されている回転ベクトルを用いた手法を用いて発振出力の周波数を測定することができるが、例えば周波数カウンタ、そのカウンタ数の変化分を演算する演算部等を備えた構成としてもよい。この測定部６の具体的な回路構成の一例については後述する。
なお、この例では水晶センサー１が８個取り付けられる８チャンネル構成になっており、図４に示す回路が８チャンネル用意され、各チャンネルの出力が切り替えられて測定部６に接続される構成となっている。

続いてこの感知装置の作用について図５を参照しながら説明する。先ず、水晶センサー１（図１参照）を測定器本体１００に差込み、例えばブランク値を求めるために感知対象物が含まれていない溶液例えば純水を水晶センサー１内に満たす。水晶センサー１内に純水が満たされると、水晶片２０の等価直列抵抗の値は例えば１５０Ωないし５００Ω程度になる。そしてこの水晶片２０に対して前記発振回路４により前記水晶片２０の駆動電流が０．３ｍＡ以下例えば０．２ｍＡとなるように発振駆動電力を印加する。このときの水晶振動子２４の発振周波数は、図５に示すように純水が水晶面に付着することにより大気雰囲気で水晶振動子２４を発振させた場合よりも低くなる。次に水晶片２０に０．２ｍＡの発振駆動電力を印加した状態で水晶センサー１内の純水中に、感知対象物例えばダイオキシンが含まれている溶液を注入する。前記ダイオキシンは抗ダイオキシン抗体による選択的な分子捕捉により水晶振動子２４の表面の吸着層に捕獲され、図５に示すようにその吸着量に応じて水晶振動子２４の発振周波数がΔｆだけ変化する。後述の実験例で説明するように抗原抗体反応により水晶振動子２４の発振周波数が変化した後は、周波数が徐々に上昇することなく安定する。そして、このときの水晶振動子２４の発振周波数を求め、Δｆを求めると共に、予め求めておいたΔｆとダイオキシンの濃度との関係式（検量線）に基づいてダイオキシンの濃度が求められる。この濃度は例えば図示しない表示部に表示される。なお、検出した濃度と予め設定した濃度とを比較して、設定濃度よりも高ければ「有り」、設定濃度よりも低ければ「無し」として出力するようにしてもよい。

上述の実施の形態によれば、水晶振動子２４を発振させるための駆動電流が０．３ｍＡ以下この例では０．２ｍＡとなるように設定しているので、水晶振動子２４が液体と接触してその等価直列抵抗が大きくなっても後述の実験例に示すように水晶振動子２４の自己発熱を抑えることができる。そのため水晶振動子２４の発振周波数の変動が抑えられ、結果として感知対象物この例ではダイオキシンの吸着による周波数の変化分を正確に検出することができ、ダイオキシンの濃度を高精度に計測することができる。特に回転ベクトル方式のように検出感度が極めて高い装置に対しては、水晶振動子２４の自己発熱分も周波数検出データに反映されることから、この発明は有効である。
なお、感知対象物としては、例えば疫病マーカ蛋白質、伝染病の細菌、ＰＣＢ等であってもよい。

ここで上述した測定部６の一例を図６に示す。図６において、８１は基準クロック発生部であり、前記スイッチ部からの周波数信号をサンプリングするために周波数の安定性が極めて高い周波数信号であるクロック信号を出力する。８２はＡ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器であり、前記周波数信号を基準クロック発生部８１からのクロック信号によりサンプリングしてそのサンプリング値をディジタル信号として出力する。前記周波数信号の周波数ｆｃとサンプリング周波数（クロック信号の周波数）ｆｓとについては、例えばｆｃを１１ＭＨz、ｆｓを１２ＭＨｚに設定することができる。この場合、Ａ／Ｄ変換器６１からのディジタル信号である出力信号で特定される周波数信号の基本波は１ＭＨｚの正弦波となる。

Ａ／Ｄ変換器８２の後段には、キャリアリムーブ８３及びローパスフィルタ８４がこの順に設けられている。キャリアリムーブ８３及びローパスフィルタ８４は、Ａ／Ｄ変換器８２からのディジタル信号により特定される例えば１ＭＨｚの正弦波信号の周波数と、直交検波に用いられる正弦波信号の周波数との差の周波数で回転する回転ベクトルを取り出すために用いられている。

回転ベクトルを取り出す作用をわかりやすく説明するために、Ａ／Ｄ変換器８２からのディジタル信号により特定される正弦波信号をＡcos（ω０ｔ＋θ）とする。一方、キャリアリムーブ８３は、図７に示すように前記正弦波信号に対してcos（ω０ｔ）を掛け算する掛け算部８３ａと前記正弦波信号に対して−sin（ω０ｔ）を掛け算する掛け算部８３ｂとを備えている。即ちこのような演算をすることにより直交検波される。掛け算部８３ａの出力及び掛け算部８３ｂの出力は夫々（２）式及び（３）式により表される。

Ａcos（ω０ｔ＋θ）・cos（ω０ｔ）
＝１／２・Ａcosθ＋１／２｛cos（２ω０ｔ）・cosθ＋sin（２ω０ｔ）・sinθ｝……（２）
Ａcos（ω０ｔ＋θ）・−sin（ω０ｔ）
＝１／２・Ａsinθ−１／２｛sin（２ω０ｔ）・cosθ＋cos（２ω０ｔ）・sinθ｝……（３）
従って掛け算部８３ａの出力及び掛け算部８３ｂの出力を夫々ローパスフィルタ８４ａ及び８４ｂを通すことにより、２ω０ｔの周波数信号は除去されるので、結局ローパスフィルタ８４からは１／２・Ａcosθと１／２・Ａsinθとが取り出される。

そしてＡcos（ω０ｔ＋θ）で表される正弦波信号の周波数が変化すると、Ａcos（ω０ｔ＋θ）はＡcos（ω０ｔ＋θ＋ω１ｔ）となる。ただしω１はω０よりも十分小さいものとする。従って１／２・Ａcosθは１／２・Ａcos（θ＋ω１ｔ）となり、１／２・Ａsinθは１／２・Ａsin（θ＋ω１ｔ）となる。即ち、ローパスフィルタ８４から得られた出力は、正弦波信号［Ａcos（ω０ｔ＋θ）］の周波数の変化分ω１／２πに対応する信号である。つまりこれらの値は、Ａ／Ｄ変換器８２からのディジタル信号により特定される正弦波信号の周波数と直交検波に用いた正弦波信号の周波数ω０／２πとの差の周波数で回転する回転ベクトルを複素表示したときの実数部分（Ｉ）及び虚数部分（Ｑ）である。

図８はこの回転ベクトルを表した図であり、この回転ベクトルは角速度がω１である。従って前記正弦波信号の周波数が変化しなければ、ω１ｔはゼロであるからこの回転ベクトルの回転速度はゼロであるが、水晶振動子２４に感知対象物質が吸着されて水晶振動子の周波数が変化し、これにより前記正弦波信号の周波数が変化すると、その変化分に応じた回転速度で回転することになる。

ところで感知対象物質が存在しないときの水晶振動子の発振周波数に対応する角速度が直交検波に用いた正弦波信号の角速度に一致することはかなり稀であることから、実際には、感知対象物質が存在しないときの水晶振動子の発振周波数に対応する回転ベクトルの角速度と感知対象物質が存在するときの水晶振動子の発振周波数に対応する回転ベクトルの角速度とを夫々求め、その角速度の差が求められる。この回転ベクトルの角速度の差は、水晶振動子に感知対象物質が吸着したことによる水晶振動子の周波数の変化分に対応する値である。

次に本発明の効果を確認するために行った実験について述べる。
＜実験例１＞
駆動電流を種々変えて水晶振動子２４の周波数温度特性を求める実験を行ったが、そのデータのうち駆動電流が１０ｍＡについて検討を行った。図９は０．１ｍＡの駆動電流における周波数温度特性を基準とし、１０ｍＡの駆動電流における周波数温度特性との差を示している。図１０は駆動電流が０．１ｍＡの周波数温度特性と駆動電流が１０ｍＡの周波数温度特性を示している。図１０に示すように８５℃における０．１ｍＡの駆動電流の周波数をｆ１とすると、８５℃における１０ｍＡの駆動電流の周波数は図９によりｆ１＋０．７×１０^−６であることが分かる。このｆ１＋０．７×１０^−６の周波数は駆動電流が０．１ｍＡでは、温度が（８５＋Δｔ）℃のところで検出されるのに対して駆動電流が１０ｍＡでは温度が８５℃のところで検出されている。従って、駆動電流が大きい場合には、図１０に示すように周波数温度特性は見かけ上低温側（図１０において左側）にずれていることになる。即ち、図１０に示すように駆動電流が１０ｍＡでは本来（８５＋Δｔ）℃で検出しなければならない周波数（ｆ１＋０．７×１０^−６）を、温度が８５℃のところで検出していることが分かった。水晶振動子の発振周波数は温度に依存しているため、この原因は、駆動した水晶振動子２４の自己発熱（内部発熱）によってΔｔだけ温度が上昇したと推測する。即ち、駆動電流が増えると水晶振動子２４の内部温度が増加すると言える。

＜実験例２＞
（実施例１−１）
上述した感知装置を用いた感知対象物の測定において、水晶センサー１内に純水を所定量供給し、水晶片２０の駆動電流が０．２ｍＡとなるように発振駆動電力を印加した。続いて、水晶片２０に０．２ｍＡの駆動電流を印加した状態で水晶センサー１内の純水中に、ＣＲＰ抗体が１００μｇ／ｍｌ含まれているＰＢＳ溶液（リン酸緩衝液）を所定量注入した。そして抗原抗体反応前後の水晶振動子２４の発振周波数の様子を観察した。その様子を図１１に示す。
（比較例１−１）
水晶片２０の駆動電流が０．５ｍＡとなるように発振駆動電力を調整した他は、実施例１−１と純水及び試料液の供給量を同じにして感知対象物の測定を行った。そして抗原抗体反応前後の水晶振動子２４の発振周波数の様子を観察した。その様子を図１１に示す。
（実施例２−１）
水晶センサー１内の純水中に、ＣＲＰ抗体が１０μｇ／ｍｌ含まれるＰＢＳ溶液を所定量注入した他は、実施例１−１と純水の供給量及び駆動電流を同じにして感知対象物の測定を行った。そして抗原抗体反応前後の水晶振動子２４の発振周波数の様子を観察した。その様子を図１２に示す。
（比較例２−１）
駆動電流を０．５ｍＡとなるように調整した他は、実施例２−１と純水及び試料液の供給量を同じにして感知対象物の測定を行った。そして抗原抗体反応前後の水晶振動子２４の発振周波数の様子を観察した。その様子を図１２に示す。

（結果及び考察）
図１１及び図１２の縦軸は発振周波数ｆであり、横軸は時間ｔである。なお、図１１及び図１２において時間ｔ１で水晶センサー１内の純水中に上記試料液を注入している。図１１及び図１２に示すように抗原抗体反応による水晶振動子２４の発振周波数の変化が終了した後において、時間ｔ２から時間ｔ３までの水晶振動子２４の発振周波数は、実施例１−１及び実施例２−１では略安定しているのに対して、比較例１−１及び比較例２−１では徐々に上昇している。また図１２に示すように、実施例２−１及び比較例２−１では抗原濃度が小さいため周波数変化が非常に小さいことが分かる。従って、駆動電流を０．２ｍＡとなるように調整することで、抗原抗体反応前の水晶振動子２４の発振周波数と抗原抗体反応後の水晶振動子２４の発振周波数との差を正確に測定することができる。

＜実験例３＞
（実施例３−１）
上述した感知装置において、駆動電流を０．１ｍＡとなるように調整し、２５℃の大気雰囲気で水晶振動子２４を発振させて、この場合における水晶振動子２４の発振周波数を測定した。
（実施例３−２）
駆動電流を０．２ｍＡとなるように調整した他は、実施例１と同様にして水晶振動子２４の発振周波数を測定した。
（実施例３−３）
駆動電流を０．３ｍＡとなるように調整した他は、実施例１と同様にして水晶振動子２４の発振周波数を測定した。
（比較例３−１）
駆動電流を０．５ｍＡとなるように調整した他は、実施例１と同様にして水晶振動子２４の発振周波数を測定した。
（比較例３−２）
駆動電流を７．０ｍＡとなるように調整した他は、実施例１と同様にして水晶振動子２４の発振周波数を測定した。

（結果及び考察）
図１３は、２５℃の大気雰囲気中における実施例３−１、実施例３−２、実施３−３、比較例３−１及び比較例３−２の周波数時間特性を示す特性図である。図１３中の縦軸は周波数偏差（×１０^−６）であり、横軸は時間（秒）である。図１３に示すように実施例３−１、実施例３−２及び実施例３−３では周波数に殆ど変化がなく安定していることが分かる。一方、比較例３−１では周波数に大きな変化は見られないが、周波数の安定する時間が実施例３−１、実施例３−２及び実施例３−３に比べて長い。また比較例３−２では周波数に大きな変化が見られると共に、周波数が安定する時間が実施例３−１、実施例３−２及び実施例３−３に比べて非常に長い。この実験結果は大気雰囲気中で水晶振動子２４を発振させた場合の結果であるが、上述した実験例１において液体中で水晶振動子２４を発振させたデータにおいて駆動電流を０．２ｍＡに調整することで周波数が安定していることを確認しているため、図１２に示す実験結果は液体中で水晶振動子２４を発振させた場合の結果として関連付けて考察することができる。従って、図１２に示すように駆動電流を０．３ｍＡとした場合には、測定開始から数十秒のところで若干の周波数のみだれが生じたが、その後は周波数が安定していることから、上述した感知装置において感知対象物の濃度を正確に検出するためには、水晶片２０の駆動電力を０．３ｍＡ以下とすることが有効であることが分かる。

本発明に係る水晶センサーを含む感知装置の実施の形態の外観を示す斜視図である。上記実施の形態に用いられる水晶センナーを示す概略断面図である。上記実施の形態に用いられる水晶振動子及び周辺の配線を示す説明図である。上記実施の形態の感知装置を示すブロック回路図である。上記感知装置の操作手順を示す説明図である。測定部の一例を示すブロック図である。図６に示す回路ブロックの一部を示す構成図である。図７に示すブロック図により取り出された回転ベクトルを示す説明図である。０．１ｍＡの駆動電流における周波数温度特性を基準とし、１０ｍＡの駆動電流における周波数温度特性との差を示す特性図である。周波数温度特性を示す特性図である。抗原抗体反応前後の水晶振動子の発振周波数の様子を示す特性図である。抗原抗体反応前後の水晶振動子の発振周波数の様子を示す特性図である。周波数時間特性を示す特性図である。周波数温度特性を示す特性図である。

符号の説明

１水晶センサー
２０水晶片
２４水晶振動子
２４ａ，２４ｂ電極
４発振回路
４９端子部
５バッファアンプ
６測定部
１００測定器本体

Claims

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、液体と接触してその液体中の感知対象物の吸着により固有振動数が変わる圧電振動子を用い、前記圧電振動子の固有振動数の変化に基づいて、液体中の感知対象物を感知する感知装置において、
前記圧電振動子を発振させるために、駆動電流が０．３ｍＡ以下となるように当該圧電振動子に発振駆動電力を供給する発振回路と、
前記発振回路の発振出力に基づいて感知対象物の濃度を測定する測定部と、を備えたことを特徴とする感知装置。
前記圧電振動子の等価直列抵抗の値が１５０Ω以上であることを特徴とする請求項１に記載の感知装置。