JP2009281939A - 圧電センサー及び感知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】感度の点では不利な低周波数例えば９ＭＨｚを用いても、感知対象物を高感度で感知できる圧電センサーを提供すること。
【解決手段】水晶片１１上に形成される励振電極１２ａの表面を、感知物質である抗体の一分子の少なくとも１０倍以上の大きさを持った研削粒子を用いて例えば砥粒を用いた研削処理やブラスト加工を行うことで粗面化し、この励振電極１２ａの上に前記抗原を捕捉する抗体を付着させて圧電センサーを構成する。
【選択図】図７

Description

本発明は、水晶片等を利用した圧電振動子を発振させ、その周波数を測定することにより試料液中の感知対象物の定量を行う感知装置に関するものである。

感知装置は試料液中における微量物質、例えばダイオキシン等の環境汚染物質又はＣ型肝炎ウィルス等の疾病マーカーの有無を化学反応や免疫反応により、感知するための圧電センサーを備えている。この圧電センサーとしては、水晶振動子を利用した水晶センサーが代表的であり、前記感知装置は、当該水晶センサーに電気的に接続された発振回路がこの水晶センサーを発振させることにより、感知対象物の測定をすることが可能となる。

前記水晶センサーは、例えば板状の水晶片に設けた金属電極(励振電極)の表面に特定の感知対象物を認識し、反応を生じる感知物質からなる吸着層が形成されており(図９参照)、この吸着層が試料液に含有される感知対象物を吸着することによる質量変化に基づいて水晶振動子の固有振動数が変動し、この変動する性質を用いて感知対象物の濃度を測定するものである。前記感知物質としては例えば生体物質である抗体が挙げられ、この抗体が感知対象物である抗原を吸着することができる。

前記水晶センサーの測定感度は、発振回路によって発振される周波数に比例しており、この周波数を高くすると測定感度が向上する。しかし、周波数を高くした場合には、計測環境例えば周囲の音や温度等の影響を受け、さらに水晶センサーは液相では粘性が大きいために周波数が高いと発振が不安定になりやすく、こうしたことから測定感度は非常に不安定なものとなってしまう。このため、前記計測環境による影響及び液相での測定感度の安定性を改善するため、周波数の低い状態で水晶センサーを発振させ、高感度で測定することが可能な水晶センサーが望まれているが、測定感度が不足するため十分な測定結果を得ることが難しい。

ところで、特許文献１には励振電極である金電極の表面に細孔を多く設けることにより、微細組織を形成した感知装置が記載されている。しかし、この感知装置は感知対象物と感知物質の化学反応時の過電圧を低下させ、過電圧時に生じるおそれのある電気化学反応を抑制するためのものであるため、前述の問題を解決するためのものではない。又、特許文献２では基板上に微小突起電極を形成することにより、この電極上の表面積を増大させた感知装置が記載されている。しかし、この感知装置は前記微小突起電極に電位を印加することによって、試料液中の電気的に活性な妨害物質を除去し、電気化学的反応の速度を増大させることを目的としているため、前述の問題を解決するためのものではない。

特開 平０８−２２００５５(段落００１４) 特開 ２０００−０９７８９９(段落００１４、００４５)

本発明はこのような事情の下に成されたものであり、その目的は感知対象物を感知するにあたり、感度の向上に寄与できる圧電センサー及びこの圧電センサーを用いた感知装置を提供することにある。

本発明に係る圧電センサーは、圧電片上に形成された電極上に感知物質を付着させ、この感知物質に感知対象物が吸着したことによる圧電片の固有振動数の変化に基づいて感知対象物を感知するための圧電センサーにおいて、
前記電極の表面における感知物質の付着量を増大させるために当該電極の表面が粗面化処理されていることを特徴とする。
また、粗面化処理は、感知物質の一分子の１０倍以上〜１００，０００倍以下である研削粒子を用いて行われた処理であることを特徴とする請求項１記載の圧電センサー。
また、本発明に係る感知装置は、前記圧電センサーと、この圧電センサーを発振させるための発振回路と、この発振回路の発振周波数を測定する手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、圧電センサーの電極の表面が粗面化処理されているため、感知物質の付着量を増大させることができ、このため周囲環境に対して周波数の安定度が高いが、感度が悪い点で不利とされている低周波数領域例えば３５ＭＨｚ以下の周波数領域を使用しても、感度が改善できるため、水晶センサーを設計しやすく、また高感度でかつ安定した測定を行うことができる。

本発明に係る圧電センサーの実施形態及びこの圧電センサーを用いた感知装置の実施形態について説明する。図１(ａ)は圧電センサーである水晶センサーに組み込まれる水晶振動子の断面図、同図(ｂ)はこの水晶振動子の概略斜視図である。

図１(ａ)、(ｂ)に示すように圧電振動子である水晶振動子１は、例えば厚さ１〜３００μｍ、好ましくは１８５μｍの圧電片である円形状の水晶片１１、励振電極１２ａ、１２ｂ及び導出電極１３ａ、１３ｂにより構成されている。これら励振電極１２ａ、１２ｂ及び導出電極１３ａ、１３ｂの材料としては例えば金や銀等が用いられる。前記水晶片１１の表面側には箔状の励振電極１２ａが当該水晶片１１の中央部に円形状に形成され、また、箔状の導出電極１３ａが前記励振電極１２ａに接続されている。この導出電極１２ａは、水晶片１１の端面に沿って屈曲し、この水晶片１１の裏面側へ回り込んで形成される。一方、水晶片１１の裏面側にも励振電極１２ｂ及び導出電極１３ｂが表面側と同様の形状を持って形成されている。図１(ｂ)の１７は水晶センサーを発振回路に接続するときの接続端子部を模式的に示したものである。

図２に示すように、水晶片１１はその表面が鏡面状に研磨されており、この表面(鏡面)に例えば金を用いた励振電極１２ａが箔状に設けられている。この励振電極１２ａは例えば融解した金を水晶片１１の表面に蒸着することによって例えば厚さ４００ｎｍに形成される。そして、前記励振電極１２ａの表面は粗面化処理されており、微細な凹部１４が形成されている。具体的には、この凹部１４は感知物質の一分子の１０倍以上〜１００，０００倍以下の大きさを有する研削粒子により研削される。粗面化処理の具体例としては、固定砥粒(砥石)を用いた研削処理あるいは遊離砥粒を用いた研削処理を挙げることができ、この場合前記研削粒子は砥粒に相当 する。

また、粗面化処理としては、気体と一緒に研削粒子を吹き付けるブラス加工法、あるいは液体(スラリーも含む)と一緒に研削粒子を吹き付ける湿式加工法などを挙げることができる。研削粒子が感知物質の一分子の１０倍以下であると感知物質の付着量を増大させる効果が十分に得られないし、また前記一分子の１００，０００以上であると電極表面を増大させる効果が薄れてくる。前記励振電極１２ａ上には感知物質(反応物質)である抗体１５ａが吸着されており、この抗体１５ａによって吸着層１５が形成される。前記抗体１５ａが吸着されていない部位にはブロッキング用の物質(ブロック体)が吸着され、抗原が励振電極１２ａに付着しづらい構成となっている。この例では水晶振動子１の発振時の中心周波数は9.125MHzに設定されている。

図３、図４及び図５は前記水晶振動子１を組み込んだセンサーユニット２を示す図である。３は配線基板であり、この配線基板３は例えばプリント基板により構成され、その表面には電極３１、３２が設けられている。前記電極３１、３２との間には、貫通孔３３が設けられている。この貫通孔３３に水晶振動子１の裏面側の励振電極１２ｂが収まることにより、気密空間３７を形成される(図５参照)。前記配線基板３の後端側には、発振回路に接続するための接続端子部３４、３５が設けられており、夫々導電路を介して前記電極３１、３２に接続されている。３Ａは封止部材であり、この封止部材３Ａは中央に凹部が形成された環状体からなり、前記貫通孔３３の下端を塞いで水晶振動子１の裏面側に気密空間３７を形成する役割を持つものである。

４は水晶押さえ部材であり、この水晶押さえ部材４は水晶振動子１を配線基板４へ押さえ付けて、当該水晶振動子１の位置を固定するものである。図５に示すように、水晶押さえ部材４の下面には、水晶振動子１の周縁を配線基板３側に押さえ付けると共に、励振電極１２ａ上に液受け空間を区画するための環状突起４１が設けられている。また、水晶押さえ部材４の上面には開口部４２が形成されており、この開口部４２は環状突起４１に囲まれる空間に連通している。さらに、開口部４２の周側面４３と水晶振動子１の上面により区画される空間は、試料液を収容するための液収容空間４４を成している。６は支持体であり、この支持体６は配線基板３を収容する凹部６１を有しており、この凹部６１には係合突起６２が形成され、配線基板３の係合孔３６及び水晶押さえ部材４の係合孔４５に係合し、配線基板３と水晶押さえ部材４を固定することができる。

５は液供排用カバーであり、この液供排用カバー５は、図５に示すように下面に形成された凹部５１と、支持体６に設けられた突起６３とが嵌合することにより支持体６に固定される。前記液供排用カバー５には液体例えば試料液の流路５２ａ、５２ｂが夫々斜め上方より液収容空間４４に連通して設けられている。これら流路５２ａ、５２ｂの上端は夫々液供給管５３ａ、液排出管５３ｂに接続されている。５４ａは供給ポートをなすネジ部材であり、このネジ部材５４ａは、中央部に液供給管５３ａが挿入される貫通孔が開いており、液供排用カバー５にネジ止めされることで液供給管５３ａを固定しかつ液漏れを防止している。又、排出ポートをなすネジ部材５４ｂも同様に構成され、液排出管５３ｂを固定しかつ液漏れを防止している。

以上において、水晶振動子１、配線基板３及び封止部材３Ａは水晶センサーに相当するものであり、そして、水晶振動子１の裏面側は気密雰囲気に曝されることから、この水晶センサーはランジュバン型水晶センサーを構成していることになる。

続いて、本発明の実施形態に係る感知装置の全体構成について説明する。図６に示すように、感知装置はセンサーユニット２、発振回路７１、恒温チャンバー７２、測定回路部７３、表示装置７４、緩衝液供給部７５、試料液供給部７６、供給液切替部７７、廃液貯留部７８、ポンプ７９及び制御部１００から構成されている。

前記発振回路７１は、配線基板３に設けられている接続端子部３４、３５に電気的に接続され、配線基板３を介して水晶振動子１を発振することが可能である。恒温チャンバー７２はセンサーユニット２と発振回路７１ａの周囲の温度を一定に保ち測定結果を安定にするものである。測定回路部７３は、発振回路７１からの周波数の信号をアナログ/デジタル変換し、所定の信号処理を行って周波数信号の周波数を計測する。前記発振回路７１は筐体７１ａ内に設けられ、また測定回路部７３はこの筐体とは別の筐体内に設けられており、両筐体はケーブルで接続されている。さらに、測定回路部７３は測定結果を表示する表示装置７４にケーブルで接続されている。

緩衝液供給部７５、試料液供給部７６は夫々供給路７５ａ、７６ａを介して供給液切替部７７に接続されている。この供給液切替部７７は液供給管５３ａに接続され、液供給管５３ａに対して供給路７５ａ、７６ａを切り替え接続する役割を持つ。また、ポンプ７９はセンサーユニット２内の液体を液排出管５３ｂ、排出路７８ａを介して廃液貯留部７８に排出するためのものである。また、これら供給液切替部７７及びポンプ７９は制御部１００により制御されている。

次に、本発明の実施形態に係る作用を説明する。前述したように、励振電極１２ａ上には抗体１５ａからなる吸着層１５が形成しているものとする。先ず、緩衝液供給部７５よりセンサーユニット２へ緩衝液例えばリン酸バッファを供給する。当該緩衝液は供給路７５ａ、供給液切替部７７及び液供給管５３ａを介してセンサーユニット２へ流れてゆき、このセンサーユニット２内部の液収容部４４に供給されると同時に、この液収容部４４から液排出管５３ｂ、ポンプ７９及び排出路７８ａを介して廃液貯留部７８へ排出される。

続いて、緩衝液供給部７５が緩衝液をセンサーユニット２へ供給し続けている状態で、試料液供給部７６より試料液をセンサーユニット２の液収容部４４へ供給する。このとき試料液は液収容部４４を流れ、廃液貯留部７８へ排出される。そして、試料液に含まれるおそれのある感知対象物である抗原１６は、水晶振動子１の吸着層１５を構成する抗体１５ａに抗原抗体反応により吸着(捕捉)される。励振電極１２ａの表面は既述のように粗面化されていて粗面化処理に用いた研削粒子に応じた大きさ(開口部の広さ及び深さ)の凹部１４が形成されているため、その表面積が増大して抗体１５ａの付着量が多いため、抗原１６の吸着量(反応量)も多くなる(図７)。

一方、発振回路７１はセンサーユニット２内の水晶振動子１を発振させ、その発振された周波数信号はケーブルを介して測定回路部７３へ送信される。当該測定回路部７３は受信した周波数信号をアナログ/デジタル変換し、所定の信号処理を行って周波数を計測すると共に計測結果を表示装置７４へ出力する。周波数は緩衝液をセンサーユニット２へ流しているときは概ね安定しているが、試料液を流したときには試料液中に含まれる抗原１６が抗体１５ａに吸着されることによる質量変化に伴って変動する。そして、緩衝液に対応する水晶振動子１の周波数と、試料液に対応する水晶振動子１の周波数との差を算出し、その後例えば試料液の濃度を順次変えて測定することにより複数のデータを取得できることから、例えばこれらデータをプロットすることで検量線を作成することができる。

一つのプロットを取得した後、例えば作業者により試料液の交換が行われる。試料液の切り替え時には、緩衝液をセンサーユニット２へ流すことで古い試料液を押し出すことができる。その後、緩衝液を流した状態のままで、新しい試料液がセンサーユニット２へ供給される。なお、この感知装置の使い方の一例として検量線を作成する例を挙げたが、予め検量線を作成した後、未知の試料液をセンサーユニット２に流し、既述の周波数差と検量線とに基づいて試料液中の抗原濃度を測定する使い方であってもよい。

上述の実施形態によれば、励振電極１２ａの表面が粗面化処理されているため、抗体１５ａの付着量を増大させることができる。従って、当該抗体１５ａにより構成される吸着層１５はより多くの抗原１６を吸着することが可能となる。このため、周囲の環境に対して周波数の安定度が高いが感度が悪いことで不利とされている低周波領域例えば３５ＭＨｚ以下の周波数領域を使用しても、感度が向上するため、水晶センサーを用いた計測環境の構築や水晶センサーの設計が容易となり、また高感度でかつ安定した測定を行うことができる。本発明では水晶センサーの発振周波数が限定されるものではないが、３５ＭＨｚを超える周波数では使用環境の変化による周波数の不安定性が顕在化しやすいことから、３５ＭＨｚ以下であることが好ましい。

また、本発明においては、図８に示すように水晶片１１の表面についても粗面化処理を行い、当該表面に電極を形成した後、当該電極の表面に対して粗面化処理を行ってもよい。この場合、電極を形成するときに、下地である水晶片１１の表面の粗さが電極の表面に転写されるように、電極の厚さに応じて水晶片１１を粗くしておくことにより、粗面化処理された後の電極の表面の凹凸形状が複雑になるため、言い換えれば水晶片１１の粗面の状態が電極の表面状態に重畳された格好になるため、抗原１６の付着量をより一層増大できる。なお、この実施形態では水晶片１１を研削後、水晶片１１を円形状とするために例えばフッ酸でエッチングするため、前述の凹部１４が平坦化するおそれがある。
（実施例１）

本発明に係る実施形態の効果を確認するため、励振電極１２ａを鏡面加工した場合と凹部１４を形成させた場合(以下、研削処理した場合)の反応量の比較実験を行った。前記励振電極１２ａの直径φを8.7mmとし、この励振電極１２ａを鏡面加工した場合の表面積は19.63mm²であった。一方、メッシュ加工した場合の表面積は555.69mm²であった。従って、メッシュ加工した場合には表面積が約28.16倍に増加した。

続いて、抗体１５ａであるAnti Human IgGをPBS(リン酸バッファ溶液)に溶解させ、濃度を100μg/mlとした抗体含有液とし、この抗体含有液を鏡面加工した励振電極１２ａに供給すると、反応量(Hz)は１回目：173.00、２回目：150.41であった。なお、ここでいう反応量とは、PBSのみ(抗体が含まれていない)に水晶センサーを接触させた場合の周波数と、抗体含有液に水晶センサーを接触させた場合の周波数との差分である。一方、前記抗体含有液をメッシュ加工した励振電極１２ａに供給すると、反応量(Hz)は１回目：214.02、２回目：219.69であった。このことより、メッシュ加工即ち表面積を増大させた方が、励振電極１２ａに吸着される抗体１５ａの量が多いことがわかる。

続いて、抗原１６であるHuman IgGをPBSに溶解させて、濃度を100μg/mlとした試料液を用いて、この試料液を鏡面加工した励振電極１２ａに供給すると反応量(Hz)は１回目：91.65、２回目：89.54であった。一方、前記試料液をメッシュ加工した励振電極１２ａに供給した場合の反応量(Hz)は1回目：127.91、２回目：126.16であった。この結果、メッシュ加工の場合の方が反応量が多いため、高感度で測定できていることがわかる。なお、本実験では液の流速は５０μl/minとし、緩衝液にpH7.2のPBSを用いた。
（実施例２）

抗体含有液、試料液、液の流速及び緩衝液の条件を同じにして、励振電極１２ａの電極の大きさを変化させた場合の比較実験を行った。先ず、励振電極１２ａの直径φを3.0mmとしたときは、抗体１５ａの反応量(Hz)は95.43、抗原１６の反応量(Hz)は84.06となった。続いて、直径φを5.0mmとしたときは、抗体１５ａの反応量(Hz)は129.36、抗原１６の反応量(Hz)は96.55となった。従って、直径φを3.0mmから5.0mmへ大きくした場合は抗体１５ａ及び抗原１６の反応量は共に増大した。

次に、直径φを7.0mmとしたときは、抗体１５ａの反応量(Hz)は138.01、抗原１６の反応量(Hz)は92.10となった。従って、直径φを5.0mmから7.0mmへ大きくした場合は抗体１５ａの反応量は増大したが、抗原１６の反応量は減少した。以上の実験の結果、励振電極１２ａの直径を大きく(表面積を増大)すると抗体１５ａの反応量が増大することがわかる。

本発明の実施形態に係る水晶振動子の断面図及び斜視図である。 前記水晶振動子の断面を拡大した模式図である。 本発明の実施形態に係るセンサーユニットの外観斜視図である。 前記センサーユニットの分解斜視図である。 前記センサーユニットの縦断面図である。 本発明の実施形態に係る感知装置の構成を示す説明図である。 抗体が抗原を吸着する様子を模式的に説明する図である。 他の実施の形態に係る水晶振動子の断面図である。 従来の水晶振動子の縦断面図である。

符号の説明

１ 水晶振動子
１１ 水晶片
１２ａ、ｂ 励振電極
１４ 凹部
１５ 吸着層
１５ａ 抗体
１６ 抗原
２ センサーユニット
３ 配線基板
４ 水晶押さえ部材
４４ 液収容部
５ 液供排用カバー
６ 支持部材
７１ 発振回路
７３ 測定回路部

Claims (3)

1. 圧電片上に形成された電極上に感知物質を付着させ、この感知物質に感知対象物が吸着したことによる圧電片の固有振動数の変化に基づいて感知対象物を感知するための圧電センサーにおいて、
   前記電極の表面における感知物質の付着量を増大させるために当該電極の表面が粗面化処理されていることを特徴とする圧電センサー。
2. 粗面化処理は、感知物質の一分子の１０倍以上〜１００，０００倍以下である研削粒子を用いて行われた処理であることを特徴とする請求項１記載の圧電センサー。
3. 請求項１または２に記載の圧電センサーと、この圧電センサーを発振させるための発振回路と、この発振回路の発振周波数を測定する手段と、を備えたことを特徴とする感知装置。

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