JP2020159811A - Detection sensor, measurement device, and sample preparing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、検出センサ、測定装置、及び試料調製装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to detection sensors, measuring devices, and sample preparation devices.
金属微粒子に標的物質を捕捉し、標的物質を光学的に検出する手法が知られている。このような検出における検出用試料の作製では、例えば、金属微粒子と標的物質を含む試料とが混合された後、フィルタを用いたフィルタリングにより、標的物質が結合した金属微粒子を含む被検出物が抽出される。抽出された被検出物がフィルタから分離されて検出センサの表面に添加されることにより、検出用試料が作製される。 A method of capturing a target substance in metal fine particles and optically detecting the target substance is known. In the preparation of the detection sample in such detection, for example, after the metal fine particles and the sample containing the target substance are mixed, the object to be detected containing the metal fine particles to which the target substance is bound is extracted by filtering using a filter. Will be done. The extracted sample to be detected is separated from the filter and added to the surface of the detection sensor to prepare a detection sample.
被検出物を確実に検出できる検出センサ、測定装置、及び試料調製装置を提供する。 Provided are a detection sensor, a measuring device, and a sample preparing device capable of reliably detecting an object to be detected.
実施形態は、電磁波の反射率又は透過率の変化によって被検出物を検出する検出装置に用いられる、前記電磁波が照射される表面を備えた検出センサである。検出センサは、超音波発生素子を有する。 An embodiment is a detection sensor provided with a surface irradiated with the electromagnetic wave, which is used in a detection device that detects an object to be detected by a change in the reflectance or transmittance of the electromagnetic wave. The detection sensor has an ultrasonic wave generating element.
本発明の各実施形態について、図面を参照して説明する。なお、複数の表現が可能な各要素に、一つ以上の他の表現の例を付すことがある。しかし、これは、他の表現が付されていない要素について異なる表現がされることを否定するものではないし、例示されていない他の表現がされることを制限するものでもない。また、各図面は実施形態を概略的に示すものであり、図面に示される各要素の寸法は、実施形態の説明と異なることがある。 Each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, one or more examples of other expressions may be attached to each element that can be expressed in a plurality of ways. However, this does not deny that different expressions are used for elements without other expressions, nor does it limit the use of other expressions not illustrated. In addition, each drawing schematically shows an embodiment, and the dimensions of each element shown in the drawing may differ from the description of the embodiment.
本実施形態に係る検出センサを含む測定装置は、例えば試料中の細菌などの測定対象物を含む被検出物を検出して測定対象物の量を測定する。測定装置は、所定の周波数の電磁波を検出センサに照射し、検出センサで反射した電磁波を検出する。測定装置は、被検出物を添加する前の検出センサの反射率と被検出物を添加した後の検出センサの反射率とを測定する。測定装置は、添加前後の反射率の変化から、測定対象物の有無又は量を測定する。 The measuring device including the detection sensor according to the present embodiment detects the object to be measured including the object to be measured such as bacteria in the sample and measures the amount of the object to be measured. The measuring device irradiates the detection sensor with an electromagnetic wave having a predetermined frequency, and detects the electromagnetic wave reflected by the detection sensor. The measuring device measures the reflectance of the detection sensor before the object to be detected and the reflectance of the detection sensor after the object to be detected is added. The measuring device measures the presence or absence or amount of the object to be measured from the change in reflectance before and after the addition.
図１は、測定装置１の一例を示す図である。測定装置１は、検出装置１０と、制御装置２０とを有している。検出装置１０と制御装置２０とは、電気的に接続されている。制御装置２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）又はＦＰＧＡ（Field programmable Gate Array）などのプロセッサを含む。制御装置２０は、検出装置１０の以下に説明される各部における各種動作の制御及び各種演算を行う。 FIG. 1 is a diagram showing an example of the measuring device 1. The measuring device 1 has a detection device 10 and a control device 20. The detection device 10 and the control device 20 are electrically connected to each other. The control device 20 includes a processor such as a CPU (Central Processing Unit), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or an FPGA (Field programmable Gate Array). The control device 20 controls various operations and performs various calculations in each part described below of the detection device 10.
検出装置１０は、電磁波発生源１１と、反射部１２と、検出センサ１３と、ステージ１４と、検出器１５と、試料導入部１６とを有している。これらは、検出装置１０として１つの筐体内に配置されてよい。 The detection device 10 includes an electromagnetic wave generation source 11, a reflection unit 12, a detection sensor 13, a stage 14, a detector 15, and a sample introduction unit 16. These may be arranged in one housing as the detection device 10.
電磁波発生源１１は、検出センサ１３の表面上に電磁波を照射する照射部として、制御装置２０からの制御信号に基づいて所定の周波数の電磁波を出力するように構成されている。電磁波発生源１１が出力する電磁波の周波数は、検出センサ１３の構造に応じて定まる、検出センサ１３の周波数特性に応じて決定される。出力される電磁波は、Ｘ線、紫外線、可視光線、赤外線、マイクロ波、電波等であってよい。例えば、電磁波発生源１１は、紫外線、可視光線、赤外線の波長域の範囲の電磁波を発生する光源であってよい。電磁波発生源１１は、例えば、数テラヘルツ程度の周波数の電磁波を照射するテラヘルツ光源であってよい。 The electromagnetic wave generation source 11 is configured to output an electromagnetic wave having a predetermined frequency based on a control signal from the control device 20 as an irradiation unit that irradiates the surface of the detection sensor 13 with the electromagnetic wave. The frequency of the electromagnetic wave output by the electromagnetic wave generation source 11 is determined according to the frequency characteristic of the detection sensor 13, which is determined according to the structure of the detection sensor 13. The output electromagnetic wave may be X-ray, ultraviolet ray, visible light, infrared ray, microwave, radio wave or the like. For example, the electromagnetic wave generation source 11 may be a light source that generates electromagnetic waves in the wavelength range of ultraviolet rays, visible rays, and infrared rays. The electromagnetic wave generation source 11 may be, for example, a terahertz light source that irradiates an electromagnetic wave having a frequency of about several terahertz.
反射部１２は、例えばミラーである。反射部１２は、例えば、第１の反射面１２Ａと、第２の反射面１２Ｂとを有している。反射部１２は、検出装置１０の内部に、電磁波発生源１１、検出位置（例えば、図１に実線で示される検出センサ１３の位置）にある検出センサ１３及び検出器１５に対して所定の角度で配置されている。例えば、第１の反射面１２Ａが、電磁波発生源１１から出力された電磁波を検出位置にある検出センサ１３に向けて反射するように配置され、第２の反射面１２Ｂが、検出センサ１３で反射した電磁波を検出器１５に向けて反射するように配置されている。すなわち、反射部１２は、電磁波発生源１１から出力された電磁波の光路（進行方向）を調整する。また、反射部１２は、検出センサ１３の表面で反射した電磁波の光路（進行方向）を調整する。 The reflecting unit 12 is, for example, a mirror. The reflecting unit 12 has, for example, a first reflecting surface 12A and a second reflecting surface 12B. The reflecting unit 12 has a predetermined angle with respect to the electromagnetic wave generation source 11, the detection sensor 13 at the detection position (for example, the position of the detection sensor 13 shown by the solid line in FIG. 1) and the detector 15 inside the detection device 10. It is arranged in. For example, the first reflecting surface 12A is arranged so as to reflect the electromagnetic wave output from the electromagnetic wave generation source 11 toward the detection sensor 13 at the detection position, and the second reflecting surface 12B is reflected by the detection sensor 13. It is arranged so as to reflect the generated electromagnetic wave toward the detector 15. That is, the reflecting unit 12 adjusts the optical path (traveling direction) of the electromagnetic wave output from the electromagnetic wave generation source 11. Further, the reflecting unit 12 adjusts the optical path (traveling direction) of the electromagnetic wave reflected on the surface of the detection sensor 13.
検出センサ１３は、被検出物が配置される表面を備えている。検出センサ１３は、ステージ１４上に配置される。ステージ１４は、その上に検出センサ１３を保持する。ステージ１４は、図１に示されるＸ、Ｙ及びＺ方向に可動域を有している。ステージ１４は、モータ等を含む不図示の駆動部により動作される。ステージ１４は、制御装置２０からの制御信号を受けて駆動部が駆動されることにより移動する。ステージ１４は、反射部１２で反射された電磁波を検出センサ１３の表面の任意の位置に照射するために、駆動部によりＸ方向及びＹ方向に移動可能である。また、ステージ１４は、検出センサ１３に照射される電磁波の焦点位置を調整するために、駆動部によりＺ方向に移動可能である。 The detection sensor 13 includes a surface on which an object to be detected is placed. The detection sensor 13 is arranged on the stage 14. The stage 14 holds the detection sensor 13 on the stage 14. The stage 14 has a range of motion in the X, Y, and Z directions shown in FIG. The stage 14 is operated by a drive unit (not shown) including a motor and the like. The stage 14 moves by receiving a control signal from the control device 20 and driving the drive unit. The stage 14 can be moved in the X direction and the Y direction by the driving unit in order to irradiate the electromagnetic wave reflected by the reflecting unit 12 at an arbitrary position on the surface of the detection sensor 13. Further, the stage 14 can be moved in the Z direction by the driving unit in order to adjust the focal position of the electromagnetic wave radiated to the detection sensor 13.
ステージ１４は、Ｘ方向の移動により、試料導入部１６に導かれる。図１には、試料導入部１６と、試料導入部１６に位置している検出センサ１３及びステージ１４が破線で示されている。ステージ１４（及びその上に配置された検出センサ１３）は、例えば、図１に実線で示される検出位置と、図１に破線で示される試料導入位置とに移動可能である。検出位置は、検出センサ１３に電磁波を照射することにより被検出物の検出が行われる位置である。試料導入位置は、被検出物を含む検出用試料を検出センサ１３に導入する動作が行われる位置である。 The stage 14 is guided to the sample introduction unit 16 by moving in the X direction. In FIG. 1, the sample introduction unit 16 and the detection sensor 13 and the stage 14 located in the sample introduction unit 16 are shown by broken lines. The stage 14 (and the detection sensor 13 arranged on the stage 14) can be moved to, for example, the detection position shown by the solid line in FIG. 1 and the sample introduction position shown by the broken line in FIG. The detection position is a position where the detection object is detected by irradiating the detection sensor 13 with an electromagnetic wave. The sample introduction position is a position where the operation of introducing the detection sample including the object to be detected into the detection sensor 13 is performed.
試料導入部１６は、例えば、検出センサ１３の表面への試料の導入、ステージ１４上への検出センサ１３の配置、検出センサ１３の取り外し及び交換をするために、検出装置１０の外部にアクセス可能になっている。試料の導入や検出センサ１３の配置、取り外し、交換等は、制御装置２０により制御されてよく、手動で行われてもよい。 The sample introduction unit 16 can access the outside of the detection device 10 for introducing a sample to the surface of the detection sensor 13, arranging the detection sensor 13 on the stage 14, and removing and replacing the detection sensor 13, for example. It has become. The introduction of the sample, the arrangement, removal, replacement, etc. of the detection sensor 13 may be controlled by the control device 20, or may be performed manually.
検出器１５は、検出センサ１３で反射した電磁波である反射波を検出する。検出器１５は、電磁波をエネルギーなどとしてその強度を検出する。検出器１５は、検出した電磁波の強度を示す検出信号を制御装置２０に出力するように構成されている。つまり、検出器１５は、電磁波発生源１１から放射された電磁波が検出センサ１３で反射したことによる特性変化（例えば、電磁波の反射率の変化）を検出する。 The detector 15 detects a reflected wave, which is an electromagnetic wave reflected by the detection sensor 13. The detector 15 detects the intensity of electromagnetic waves using electromagnetic waves as energy or the like. The detector 15 is configured to output a detection signal indicating the intensity of the detected electromagnetic wave to the control device 20. That is, the detector 15 detects a characteristic change (for example, a change in the reflectance of the electromagnetic wave) due to the electromagnetic wave radiated from the electromagnetic wave generation source 11 being reflected by the detection sensor 13.
検出装置１０による検出動作について説明する。
例えば、検出装置１０において、制御装置２０からの制御信号に基づく不図示の駆動部の動作により、ステージ１４が試料導入部１６に移動される。試料導入部１６では、検出センサ１３の表面への試料の導入、及びステージ１４上への検出センサ１３の配置が行われる。
The detection operation by the detection device 10 will be described.
For example, in the detection device 10, the stage 14 is moved to the sample introduction unit 16 by the operation of a drive unit (not shown) based on the control signal from the control device 20. The sample introduction unit 16 introduces the sample onto the surface of the detection sensor 13 and arranges the detection sensor 13 on the stage 14.
制御装置２０からの制御信号に基づく駆動部の動作により、ステージ１４及びその上の検出センサ１３が、反射部１２で反射した電磁波が検出センサ１３の表面の所望の位置に照射される検出位置に移動される。 By the operation of the drive unit based on the control signal from the control device 20, the stage 14 and the detection sensor 13 on the stage 14 are moved to the detection position where the electromagnetic wave reflected by the reflection unit 12 is irradiated to a desired position on the surface of the detection sensor 13. Will be moved.
電磁波発生源１１は、制御装置２０からの制御信号に基づいて電磁波Ｌ１を出力する。出力された電磁波Ｌ１は、反射部１２で反射して、検出センサ１３の表面上の被検出物に反射した電磁波Ｌ２が照射される。照射された電磁波Ｌ２は、検出センサ１３で反射して電磁波Ｌ３として反射部１２に戻り、反射部１２で再び反射した電磁波である反射波Ｌ４が検出器１５に到達する。検出器１５は、反射波Ｌ４の強度を検出して、検出した強度に応じた検出信号を制御装置２０に出力する。 The electromagnetic wave generation source 11 outputs the electromagnetic wave L1 based on the control signal from the control device 20. The output electromagnetic wave L1 is reflected by the reflecting unit 12, and the electromagnetic wave L2 reflected on the object to be detected on the surface of the detection sensor 13 is irradiated. The irradiated electromagnetic wave L2 is reflected by the detection sensor 13 and returns to the reflecting unit 12 as the electromagnetic wave L3, and the reflected wave L4 which is the electromagnetic wave reflected again by the reflecting unit 12 reaches the detector 15. The detector 15 detects the intensity of the reflected wave L4 and outputs a detection signal corresponding to the detected intensity to the control device 20.
図２は、検出装置１０による検出原理を説明する図である。検出装置１０は、図２の左に示されるように、検出センサ１３に検出用試料を導入していない場合に、検出センサ１３に電磁波を照射して反射波の強度を検出し、検出した強度に応じた検出信号を制御装置２０に出力する。測定装置１は、例えば、この場合に検出された反射波の強度の、照射した電磁波の強度に対する比を基準反射率とする。また、検出装置１０は、図２の中央又は右に示されるように、検出センサ１３に検出用試料が導入されている場合に、検出センサ１３に電磁波を照射して反射波の強度を検出し、検出した強度に応じた検出信号を制御装置２０に出力する。 FIG. 2 is a diagram illustrating a detection principle by the detection device 10. As shown on the left side of FIG. 2, the detection device 10 irradiates the detection sensor 13 with an electromagnetic wave to detect the intensity of the reflected wave when the detection sample is not introduced into the detection sensor 13, and the detected intensity is detected. The detection signal corresponding to the above is output to the control device 20. The measuring device 1 uses, for example, the ratio of the intensity of the reflected wave detected in this case to the intensity of the irradiated electromagnetic wave as the reference reflectance. Further, as shown in the center or right of FIG. 2, the detection device 10 irradiates the detection sensor 13 with an electromagnetic wave to detect the intensity of the reflected wave when the detection sample is introduced into the detection sensor 13. , The detection signal corresponding to the detected intensity is output to the control device 20.
図３に示される例において、電磁波発生源１１が出力する電磁波の周波数を周波数Ｆ１とする。このとき、被検出物が存在しない場合の検出センサ１３の反射率（破線３１で示される）が、第１の反射率Ｒ１として検出器１５での検出信号から取得される。第１の反射率Ｒ１は、上述の基準反射率である。また、被検出物が存在する場合の検出センサ１３の反射率（一点鎖線３２及び実線３３で示される）が、それぞれ、第２の反射率Ｒ２及び第３の反射率Ｒ３として検出器１５での検出信号から取得される。制御装置２０は、検出器１５で検出したこのような反射率の変化の有無に基づいて、被検出物の有無を特定する。また、制御装置２０は、基準反射率に対する反射率の変化量に基づいて、被検出物に含まれる測定対象物の量又は特性を特定する。すなわち、制御装置２０は、検出器１５で検出した電磁波の特性変化（反射率又は透過率の変化）に基づいて、被検出物中の測定対象物の有無を特定する又は量を測定する。 In the example shown in FIG. 3, the frequency of the electromagnetic wave output by the electromagnetic wave generation source 11 is defined as the frequency F1. At this time, the reflectance of the detection sensor 13 (indicated by the broken line 31) when the object to be detected does not exist is acquired from the detection signal of the detector 15 as the first reflectance R1. The first reflectance R1 is the above-mentioned reference reflectance. Further, the reflectance of the detection sensor 13 (indicated by the alternate long and short dash line 32 and the solid line 33) in the presence of the object to be detected is set as the second reflectance R2 and the third reflectance R3, respectively, in the detector 15. Obtained from the detection signal. The control device 20 identifies the presence / absence of the object to be detected based on the presence / absence of such a change in reflectance detected by the detector 15. Further, the control device 20 specifies the amount or characteristic of the object to be measured contained in the object to be detected based on the amount of change in the reflectance with respect to the reference reflectance. That is, the control device 20 identifies or measures the amount of the object to be measured in the object to be detected based on the change in the characteristics of the electromagnetic wave (change in reflectance or transmittance) detected by the detector 15.
例えば、被検出物の量が多くなることで、基準反射率に対する反射率の変化量は大きくなる。制御装置２０は、当該変化量に基づいて、測定対象物の量を測定する。例えば、図２及び図３の場合には、基準反射率である第１の反射率Ｒ１に対する変化量が第２の反射率Ｒ２よりも第３の反射率Ｒ３について大きいので、測定対象物の量は、図２の右に示される場合において図２の中央に示される場合よりも多いことがわかる。 For example, as the amount of the object to be detected increases, the amount of change in reflectance with respect to the reference reflectance increases. The control device 20 measures the amount of the object to be measured based on the amount of change. For example, in the case of FIGS. 2 and 3, the amount of change with respect to the first reflectance R1, which is the reference reflectance, is larger for the third reflectance R3 than for the second reflectance R2, so that the amount of the object to be measured. Can be seen to be more in the case shown on the right side of FIG. 2 than in the case shown in the center of FIG.
制御装置２０は、例えば、検出センサ１３に検出用試料を導入していない場合の反射波の検出信号と導入した場合の反射波の検出信号とを比較することにより、検出センサ１３上に被検出物が存在するか否かを判定する。制御装置２０は、比較した２つの検出信号が一致する又は２つの検出信号の差が所定の閾値以下であれば、被検出物がないと判定してよい。制御装置２０は、比較した２つの検出信号の差が所定の閾値よりも大きければ、被検出物を検出したと判定し、さらに、その差に基づいて測定対象物の量を算出してよい。制御装置２０は、例えば、不図示のメモリに予め記憶されている、検出センサ１３についての電磁波の特性変化（周波数特性の変化）と測定対象物の量との関係式から、測定対象物の量を算出する。検出結果及び算出結果は、制御装置２０から表示装置などの外部装置に出力されてよい。 The control device 20 is detected on the detection sensor 13 by comparing, for example, the detection signal of the reflected wave when the detection sample is not introduced into the detection sensor 13 and the detection signal of the reflected wave when the detection sensor 13 is introduced. Determine if an object exists. The control device 20 may determine that there is no object to be detected if the two compared detection signals match or the difference between the two detection signals is equal to or less than a predetermined threshold value. If the difference between the two detected signals compared is larger than a predetermined threshold value, the control device 20 may determine that the object to be detected has been detected, and further calculate the amount of the object to be measured based on the difference. The control device 20 uses, for example, the amount of the object to be measured from the relational expression between the change in the characteristics of the electromagnetic wave (change in the frequency characteristic) of the detection sensor 13 and the amount of the object to be measured, which is stored in advance in a memory (not shown). Is calculated. The detection result and the calculation result may be output from the control device 20 to an external device such as a display device.
図４は、検出用試料に含まれる被検出物４１の一例を示す図である。被検出物４１は、水等の溶媒中に混合された磁性粒子４２と測定対象物４３とが化学反応等によって結合したものである。すなわち、被検出物４１は、磁性粒子４２と測定対象物４３とからなる。磁性粒子４２は、磁性ビーズ等の磁性体であってよい。測定対象物４３は、例えば細菌である。例えば、磁性粒子４２の表面には、測定対象物４３が特異的に反応する表面修飾が予め施されている。図４では、測定対象物４３に特異的に結合する抗体が磁性粒子４２に固定されている。当該抗体により、磁性粒子４２と測定対象物４３とが結合される。 FIG. 4 is a diagram showing an example of the object to be detected 41 included in the detection sample. The object to be detected 41 is a magnetic particle 42 mixed in a solvent such as water and the object to be measured 43 bonded by a chemical reaction or the like. That is, the object to be detected 41 is composed of the magnetic particles 42 and the object to be measured 43. The magnetic particles 42 may be a magnetic material such as magnetic beads. The object to be measured 43 is, for example, a bacterium. For example, the surface of the magnetic particles 42 is preliminarily subjected to surface modification with which the object to be measured 43 specifically reacts. In FIG. 4, an antibody that specifically binds to the measurement object 43 is fixed to the magnetic particles 42. The antibody binds the magnetic particles 42 and the object to be measured 43.
検出センサ１３の構成について、図５Ａ及び図５Ｂを参照して詳述する。図５Ａは、検出センサ１３の一例を示す上面図である。図５Ｂは、検出センサ１３の一例を示す断面図である。図５Ｂは、図５Ａに示されるＶＢ−ＶＢ線における断面を示している。 The configuration of the detection sensor 13 will be described in detail with reference to FIGS. 5A and 5B. FIG. 5A is a top view showing an example of the detection sensor 13. FIG. 5B is a cross-sectional view showing an example of the detection sensor 13. FIG. 5B shows a cross section on the VB-VB line shown in FIG. 5A.
検出センサ１３は、第１の膜１７と、第２の膜１８と、第３の膜２１とを有している。第１の膜１７及び第３の膜２１は、例えば金で形成されている。金以外の導体、例えば、銀、銅、ニッケル、クロム、ゲルマニウムなどの金属、あるいは半導体を用いてもよい。第１の膜１７及び第３の膜２１は、複数の層を備える構造であってもよい。第２の膜１８は、例えばシリコンなどの無機材料、ポリエチレンなどの有機材料で形成されている。例えば、第２の膜１８は、第１の膜１７との接着層としてクロム又はチタンなどの層を備えてもよい。 The detection sensor 13 has a first film 17, a second film 18, and a third film 21. The first film 17 and the third film 21 are made of, for example, gold. Conductors other than gold, for example, metals such as silver, copper, nickel, chromium, germanium, or semiconductors may be used. The first film 17 and the third film 21 may have a structure including a plurality of layers. The second film 18 is made of an inorganic material such as silicon or an organic material such as polyethylene. For example, the second film 18 may include a layer such as chromium or titanium as an adhesive layer with the first film 17.
検出センサ１３では、空隙のない第２の膜１８の上に空隙のある第１の膜１７が設けられている。図５Ａに示されるように、第１の膜１７には、例えばＣ型の空隙１９が多数並べて形成されている。このように、検出センサ１３の表面には、凹凸部を含むパターンが形成されている。図５Ａ及び図５Ｂに示される検出センサ１３は、メタマテリアル共振器の代表例であり、相補型分割リング共振器と呼ばれている。 In the detection sensor 13, a first film 17 having a gap is provided on the second film 18 having no gap. As shown in FIG. 5A, for example, a large number of C-shaped voids 19 are formed side by side on the first film 17. As described above, a pattern including uneven portions is formed on the surface of the detection sensor 13. The detection sensor 13 shown in FIGS. 5A and 5B is a typical example of a metamaterial resonator and is called a complementary split ring resonator.
相補型分割リング共振器は、所定の周波数帯の電磁波が照射されたときに、特徴的な反射特性を示す。すなわち、電磁波が照射されたとき、第１の膜１７のＣ型の空隙１９がある部分は、電気的にＬＣ回路のように振る舞う。このため、このＬＣ回路の共振周波数の近傍の周波数において、照射された電磁波は、相補型分割リング共振器と強く相互作用し、吸収される。その結果、相補型分割リング共振器は、ＬＣ回路の共振周波数の近傍で反射率が低下する反射特性を示す。 Complementary split ring resonators exhibit characteristic reflection characteristics when irradiated with electromagnetic waves in a predetermined frequency band. That is, when the electromagnetic wave is irradiated, the portion of the first film 17 having the C-shaped void 19 electrically behaves like an LC circuit. Therefore, at a frequency near the resonance frequency of this LC circuit, the irradiated electromagnetic wave strongly interacts with the complementary split ring resonator and is absorbed. As a result, the complementary split ring resonator exhibits a reflection characteristic in which the reflectance decreases in the vicinity of the resonance frequency of the LC circuit.
相補型分割リング共振器に被検出物である物質が付着したとき、当該物質がＬＣ回路の主に容量成分を変化させる。その結果、当該ＬＣ回路の共振周波数が変化する。図３を参照して説明したように、相補型分割リング共振器に被検出物があるか否かに応じて、反射率の周波数特性が変化する。 When a substance to be detected adheres to the complementary split ring resonator, the substance mainly changes the capacitance component of the LC circuit. As a result, the resonance frequency of the LC circuit changes. As described with reference to FIG. 3, the frequency characteristic of the reflectance changes depending on whether or not there is an object to be detected in the complementary split ring resonator.
この周波数特性の変化を利用することで、相補型分割リング共振器は、検出センサ１３として機能する。例えば、検出装置１０の電磁波発生源１１が出力する電磁波の周波数は、ＬＣ回路の共振周波数の近傍の周波数に設定される。電磁波発生源１１から出力された電磁波は、検出センサ１３に照射される。検出器１５は、検出センサ１３で反射した電磁波を検出する。制御装置２０は、検出された電磁波の強度に基づいて、検出センサ１３上の物質の有無又は量などを特定する。 By utilizing this change in frequency characteristics, the complementary split ring resonator functions as a detection sensor 13. For example, the frequency of the electromagnetic wave output by the electromagnetic wave generation source 11 of the detection device 10 is set to a frequency near the resonance frequency of the LC circuit. The electromagnetic wave output from the electromagnetic wave generation source 11 is applied to the detection sensor 13. The detector 15 detects the electromagnetic wave reflected by the detection sensor 13. The control device 20 specifies the presence / absence or amount of a substance on the detection sensor 13 based on the intensity of the detected electromagnetic wave.
なお、上述の検出センサ１３の構成は一例である。検出センサ１３の空隙の形状はＣ型に限定されないし、空隙の配置も図示されるものに限定されない。空隙の形状は他の形状であってよいし、空隙の配置は規則的又は周期的な配置であればよい。 The configuration of the detection sensor 13 described above is an example. The shape of the voids of the detection sensor 13 is not limited to the C type, and the arrangement of the voids is not limited to the one shown in the figure. The shape of the voids may be other shapes, and the arrangement of the voids may be a regular or periodic arrangement.
電磁波の反射率の変化を検出することで被検出物を検出する検出装置１０の構成及び検出原理を説明してきたが、検出装置はこれに限定されない。電磁波の周波数特性の変化を利用して被検出物を検出する装置が利用されてよい。例えば、検出装置として、検出センサの裏面の反射特性に基づいて被検出物を検出する検出装置、検出センサの透過特性に基づいて被検出物を検出する検出装置などの他の検出装置が用いられてよい。 Although the configuration and detection principle of the detection device 10 for detecting an object to be detected by detecting a change in the reflectance of an electromagnetic wave have been described, the detection device is not limited to this. A device that detects an object to be detected by utilizing a change in the frequency characteristic of an electromagnetic wave may be used. For example, as a detection device, another detection device such as a detection device that detects an object to be detected based on the reflection characteristic of the back surface of the detection sensor and a detection device that detects an object to be detected based on the transmission characteristic of the detection sensor is used. You can.
検出センサ１３は、超音波発生素子５１を有している。すなわち、検出センサ１３と超音波発生素子５１とが一体化されている。例えば、矩形の超音波発生素子５１が、検出センサ１３の第１の膜１７上に、Ｃ型の空隙１９の周囲を囲むように配置され、さらに超音波発生素子５１上に第３の膜２１が形成されている。つまり、超音波発生素子５１が、検出センサ１３の表面上に、凹凸部を含むパターン全体の外周を囲むように配置され、第１の膜１７及び第３の膜２１に挟まれている。 The detection sensor 13 has an ultrasonic wave generating element 51. That is, the detection sensor 13 and the ultrasonic wave generating element 51 are integrated. For example, a rectangular ultrasonic wave generating element 51 is arranged on the first film 17 of the detection sensor 13 so as to surround the circumference of the C-shaped gap 19, and further, a third film 21 is placed on the ultrasonic wave generating element 51. Is formed. That is, the ultrasonic wave generating element 51 is arranged on the surface of the detection sensor 13 so as to surround the outer circumference of the entire pattern including the uneven portion, and is sandwiched between the first film 17 and the third film 21.
超音波発生素子５１は、制御装置２０からの制御信号に基づいて、不図示の駆動回路により電極として作用する第１の膜１７及び第３の膜２１より電圧が印加されることで駆動される。超音波発生素子５１は、圧電歪定数ｄ３１又はｄ３３の圧電セラミックスなどの圧電材料からなる圧電アクチュエータであってよい。超音波発生素子５１は、例えば、ｄ３１の振動モード（超音波発生素子５１の厚み方向、すなわちＺ方向に伸縮する振動モード）又はｄ３３の振動モード（超音波発生素子５１の長さ方向、すなわちＸ方向又はＹ方向に伸縮する振動モード）を用いて、Ｚ方向に超音波を発生する。 The ultrasonic wave generating element 51 is driven by applying a voltage from a first film 17 and a third film 21 that act as electrodes by a drive circuit (not shown) based on a control signal from the control device 20. .. The ultrasonic wave generating element 51 may be a piezoelectric actuator made of a piezoelectric material such as piezoelectric ceramics having a piezoelectric strain constant d31 or d33. The ultrasonic wave generating element 51 is, for example, a vibration mode of d31 (a vibration mode that expands and contracts in the thickness direction of the ultrasonic wave generating element 51, that is, the Z direction) or a vibration mode of d33 (the length direction of the ultrasonic wave generating element 51, that is, X). A vibration mode that expands and contracts in the direction or the Y direction) is used to generate ultrasonic waves in the Z direction.
さて、通常の試料作製では、磁性粒子４２を含む溶液に測定対象物４３を含む試料が混合されることにより被検出物４１が形成された後、フィルタリング、洗浄、分離、抽出及び滴下工程が行われる。各工程について、図９を参照して説明する。各工程は、制御装置２０の制御により測定装置１で行われてよいし、手動で行われてもよい。なお、測定装置１により試料作製が行われる場合には、測定装置１は試料調製装置と称されてよい。 By the way, in normal sample preparation, after a sample containing a measurement target 43 is mixed with a solution containing magnetic particles 42 to form a sample to be detected 41, filtering, washing, separation, extraction and dropping steps are performed. Will be. Each step will be described with reference to FIG. Each step may be performed by the measuring device 1 under the control of the control device 20, or may be performed manually. When the sample is prepared by the measuring device 1, the measuring device 1 may be referred to as a sample preparing device.
まず、フィルタ１００によるフィルタリングが行われる。フィルタ１００は、多数の孔１０２が設けられた平板状の基材１０１により構成された、一般的な濾材である。孔１０２は、基材１０１を貫く貫通孔である。孔１０２の大きさ、すなわち孔径は、磁性粒子４２と測定対象物４３とからなる被検出物４１は通さないが、測定対象物４３と結合していない磁性粒子４２、すなわち夾雑物は通す大きさに設定されている。例えば、制御装置２０が、測定対象物４３が結合した磁性粒子４２と測定対象物４３が結合していない単体の磁性粒子４２とを含む溶液をフィルタ１００に移動させて、フィルタ１００に当該溶液を添加する。これにより、濾別処理が行われる。フィルタリングにより、フィルタ１００の基材１０１上には主に被検出物４１が残る。 First, filtering by the filter 100 is performed. The filter 100 is a general filter medium composed of a flat base material 101 provided with a large number of holes 102. The hole 102 is a through hole that penetrates the base material 101. The size of the holes 102, that is, the pore diameter, is such that the magnetic particles 42 composed of the magnetic particles 42 and the object to be measured 43 do not pass through, but the magnetic particles 42 that are not bonded to the object to be measured 43, that is, impurities, pass through. Is set to. For example, the control device 20 moves the solution containing the magnetic particles 42 to which the measurement object 43 is bound and the single magnetic particles 42 to which the measurement object 43 is not bonded to the filter 100, and transfers the solution to the filter 100. Added. As a result, the filtration process is performed. By filtering, the object to be detected 41 mainly remains on the base material 101 of the filter 100.
続いて、フィルタリング後のフィルタ１００が洗浄される。例えば、制御装置２０が、フィルタリング後のフィルタ１００に緩衝液などの溶液を添加する。当該添加により、フィルタリング後もフィルタ１００に残っている単体の磁性粒子４２が孔１０２を通過し、フィルタ１００が洗浄される。緩衝液に代わって純水等が用いられてもよい。洗浄により、フィルタ１００の基材１０１上には残渣として被検出物４１が残る。 Subsequently, the filtered filter 100 is washed. For example, the control device 20 adds a solution such as a buffer solution to the filtered filter 100. By the addition, the single magnetic particles 42 remaining in the filter 100 even after filtering pass through the pores 102, and the filter 100 is washed. Pure water or the like may be used instead of the buffer solution. By washing, the object to be detected 41 remains as a residue on the base material 101 of the filter 100.
洗浄後、フィルタ１００から被検出物４１が分離される。被検出物４１が残ったフィルタ１００が溶液１１０に晒されることにより、被検出物４１がフィルタ１００から分離される。例えば、制御装置２０が、被検出物４１が残ったフィルタ１００を溶液１１０中に移動させることにより、被検出物４１がフィルタ１００から分離される。 After cleaning, the object to be detected 41 is separated from the filter 100. When the filter 100 on which the object to be detected 41 remains is exposed to the solution 110, the object to be detected 41 is separated from the filter 100. For example, the control device 20 moves the filter 100 in which the object to be detected 41 remains into the solution 110, so that the object to be detected 41 is separated from the filter 100.
被検出物４１の分離後、溶液１１０中から被検出物４１を含む液滴又は所定量の溶液が抽出されて、当該液滴又は所定量の溶液が検出センサ１３上に滴下される。これにより、検出用試料の作製が完了する。 After the object to be detected 41 is separated, a droplet containing the object to be detected 41 or a predetermined amount of solution is extracted from the solution 110, and the droplet or a predetermined amount of solution is dropped onto the detection sensor 13. This completes the preparation of the detection sample.
フィルタ１００から被検出物４１を分離する際に、フィルタ１００に付着したままであったり、一旦分離されたもののフィルタ１００に再付着したりしてフィルタ１００から分離されない被検出物４１が存在しうる。このような被検出物４１が存在すると、検出センサ１３上に滴下される液滴又は所定量の溶液に含まれる被検出物４１の量が少なくなりうる。それ故、検出結果に誤差が生じうる。 When the object 41 to be detected is separated from the filter 100, there may be an object 41 to be detected that remains attached to the filter 100 or is once separated but reattached to the filter 100 and is not separated from the filter 100. .. In the presence of such an object to be detected 41, the amount of the object to be detected 41 contained in the droplet or a predetermined amount of solution dropped on the detection sensor 13 can be reduced. Therefore, an error may occur in the detection result.
本実施形態では、フィルタ１００から被検出物４１を分離する際に、検出センサ１３上に形成した超音波発生素子５１が、溶液１１０中で超音波を発生する。発生した超音波により、フィルタ１００に捕捉されていた被検出物４１が溶液１１０中に全て解離する。 In the present embodiment, when the object to be detected 41 is separated from the filter 100, the ultrasonic wave generating element 51 formed on the detection sensor 13 generates ultrasonic waves in the solution 110. The generated ultrasonic waves dissociate all the objects to be detected 41 captured by the filter 100 into the solution 110.
図６Ａ及び図６Ｂは、本実施形態における試料作製について説明する図である。図６Ａは、試料作製の一例を示すフローチャートである。図６Ｂは、試料作製の様子を例示する図である。 6A and 6B are diagrams illustrating sample preparation in this embodiment. FIG. 6A is a flowchart showing an example of sample preparation. FIG. 6B is a diagram illustrating a state of sample preparation.
ＡＣＴ１において、制御装置２０は、上述したような、フィルタ１００によるフィルタリングを実行する。制御装置２０は、測定対象物４３が結合した磁性粒子４２と測定対象物４３が結合していない単体の磁性粒子４２とを含む溶液をフィルタ１００に移動させて、フィルタ１００に当該溶液を添加する。これにより、濾別処理が行われる。ＡＣＴ１のフィルタリングにより、フィルタ１００の基材１０１上には主に被検出物４１が残る。 In ACT1, the control device 20 executes filtering by the filter 100 as described above. The control device 20 moves a solution containing the magnetic particles 42 to which the measurement object 43 is bound and the single magnetic particles 42 to which the measurement object 43 is not bonded to the filter 100, and adds the solution to the filter 100. .. As a result, the filtration process is performed. Due to the filtering of ACT1, the object to be detected 41 mainly remains on the base material 101 of the filter 100.
ＡＣＴ２において、制御装置２０は、上述したような、フィルタリング後のフィルタ１００の洗浄を実行する。ＡＣＴ２の洗浄により、フィルタ１００の基材１０１上には残渣として被検出物４１が残る。 In ACT2, the control device 20 performs cleaning of the filter 100 after filtering as described above. By cleaning the ACT2, the object to be detected 41 remains as a residue on the base material 101 of the filter 100.
ＡＣＴ３において、制御装置２０は、被検出物４１が残っているフィルタ１００を溶液１１０中に移動させる。ここで、溶液１１０が入っている容器の底面には、超音波発生素子５１を備える検出センサ１３が配置されている。溶液１１０中では、例えば、被検出物４１が付着しているフィルタ面が超音波発生素子５１と向い合わせにされる。制御装置２０は、不図示の駆動回路に駆動信号を送信することで、超音波発生素子５１に超音波Ｕを発生させる。発生した超音波Ｕは、溶液１１０中の粒子に振動を引き起こす。フィルタ１００に付着している被検出物４１に振動が伝達することにより、被検出物４１がフィルタ１００から分離される。分離された被検出物４１は、例えば、溶液１１０中を沈降して検出センサ１３上に堆積する。表面に被検出物４１が堆積した検出センサ１３を溶液１１０中から取り出すことにより、検出用試料の作製が完了する。 In ACT3, the control device 20 moves the filter 100 in which the object to be detected 41 remains into the solution 110. Here, a detection sensor 13 including an ultrasonic wave generating element 51 is arranged on the bottom surface of the container containing the solution 110. In the solution 110, for example, the filter surface to which the object to be detected 41 is attached is made to face the ultrasonic wave generating element 51. The control device 20 generates ultrasonic waves U in the ultrasonic wave generating element 51 by transmitting a drive signal to a drive circuit (not shown). The generated ultrasonic wave U causes vibrations in the particles in the solution 110. The vibration is transmitted to the object to be detected 41 adhering to the filter 100, so that the object to be detected 41 is separated from the filter 100. The separated object 41 is settled in the solution 110 and deposited on the detection sensor 13, for example. The preparation of the detection sample is completed by taking out the detection sensor 13 in which the object to be detected 41 is deposited on the surface from the solution 110.
このように、制御装置２０は、試料調製装置の制御部として、超音波発生素子５１から超音波を発生させることと、発生した超音波により、被検出物４１が捕捉されたフィルタ１００から被検出物４１を分離させて、表面上に被検出物４１が配置された検出センサ１３を取得することと、を制御する。 As described above, the control device 20 generates ultrasonic waves from the ultrasonic wave generating element 51 as a control unit of the sample preparation device, and is detected by the filter 100 in which the object to be detected 41 is captured by the generated ultrasonic waves. It controls that the object 41 is separated to acquire the detection sensor 13 in which the object 41 to be detected is arranged on the surface.
以上説明したように、本実施形態では、検出センサ１３上に超音波発生素子５１が形成されている。フィルタ１００から被検出物４１を分離する際に、溶液１１０中で超音波発生素子５１が超音波を発生することで、フィルタ１００に超音波の影響を与える。超音波により、フィルタ１００に捕捉されていた被検出物４１が全て解離される。フィルタ１００から被検出物４１が確実に分離されることができる。したがって、溶液１１０にフィルタ１００で捕捉した被検出物４１を全て抽出して被検出物４１を確実に検出できる検出センサ１３、及び測定装置１を提供することができる。 As described above, in the present embodiment, the ultrasonic wave generating element 51 is formed on the detection sensor 13. When the object to be detected 41 is separated from the filter 100, the ultrasonic wave generating element 51 generates ultrasonic waves in the solution 110, which affects the filter 100 with ultrasonic waves. All the objects to be detected 41 captured by the filter 100 are dissociated by ultrasonic waves. The object to be detected 41 can be reliably separated from the filter 100. Therefore, it is possible to provide the detection sensor 13 and the measuring device 1 capable of extracting all the objects to be detected 41 captured by the filter 100 into the solution 110 and reliably detecting the objects to be detected 41.
また、溶液１１０が入っている容器の底面に配置した検出センサ１３の超音波発生素子５１が超音波を発生することで、フィルタ１００に付着している被検出物４１が検出センサ１３上に堆積する。通常の試料作製の工程における抽出及び滴下の工程を削減できる。試料調製装置における試料作製に要する時間の短縮が見込まれる。 Further, the ultrasonic wave generating element 51 of the detection sensor 13 arranged on the bottom surface of the container containing the solution 110 generates ultrasonic waves, so that the object to be detected 41 adhering to the filter 100 is deposited on the detection sensor 13. To do. It is possible to reduce the extraction and dropping steps in the normal sample preparation process. It is expected that the time required for sample preparation in the sample preparation device will be shortened.
本実施形態では、検出センサ１３と超音波発生素子５１とが一体化されている。一体化することで、導電体からなる第１の膜１７を、検出センサ１３を構成する膜及び超音波発生素子５１に電圧を印加するための電極として使用することができる。 In this embodiment, the detection sensor 13 and the ultrasonic wave generating element 51 are integrated. By integrating, the first film 17 made of a conductor can be used as an electrode for applying a voltage to the film constituting the detection sensor 13 and the ultrasonic wave generating element 51.
なお、検出センサ１３に設けられる超音波発生素子の形状及び配置は、図５Ａ及び図５Ｂに示されるものに限定されない。図７は、検出センサ１３の他の例を示す上面図である。例えば、円形の超音波発生素子５１Ａが、Ｃ型の空隙１９の周囲を囲むように配置されてよい。つまり、超音波発生素子５１Ａは、検出センサ１３の表面上に、凹凸部を含むパターン全体の外周を囲むように配置されてよい。検出センサ１３に設けられたパターン（例えばＣ型の空隙１９）の外周に、空隙１９を囲むようにして環状の超音波発生素子５１を設けてよい。 The shape and arrangement of the ultrasonic wave generating elements provided in the detection sensor 13 are not limited to those shown in FIGS. 5A and 5B. FIG. 7 is a top view showing another example of the detection sensor 13. For example, the circular ultrasonic wave generating element 51A may be arranged so as to surround the circumference of the C-shaped gap 19. That is, the ultrasonic wave generating element 51A may be arranged on the surface of the detection sensor 13 so as to surround the outer circumference of the entire pattern including the uneven portion. An annular ultrasonic wave generating element 51 may be provided on the outer periphery of the pattern (for example, the C-shaped gap 19) provided in the detection sensor 13 so as to surround the gap 19.
図８Ａは、検出センサ１３の他の例を示す断面図である。図８Ｂは、検出センサ１３の他の例を示す上面図である。複数の超音波発生素子５１Ｂが、検出センサ１３に設けられたＣ型の空隙１９などのパターンと並ぶようにして配置されてよい。例えば、図８Ａ及び図８Ｂでは、Ｃ型の空隙１９と超音波発生素子５１Ｂとが交互に（１つおきに）並べて配置されている。Ｃ型の空隙１９の間に超音波発生素子５１Ｂを配置することで、超音波を発生した際にそこに被検出物が集まりやすくなる。交互の配置以外にも、種々の配置が可能である。 FIG. 8A is a cross-sectional view showing another example of the detection sensor 13. FIG. 8B is a top view showing another example of the detection sensor 13. A plurality of ultrasonic wave generating elements 51B may be arranged so as to be aligned with a pattern such as a C-shaped gap 19 provided in the detection sensor 13. For example, in FIGS. 8A and 8B, the C-shaped voids 19 and the ultrasonic wave generating elements 51B are arranged alternately (every other) side by side. By arranging the ultrasonic wave generating element 51B between the C-shaped voids 19, it becomes easy for the object to be detected to collect there when ultrasonic waves are generated. In addition to the alternate arrangement, various arrangements are possible.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
１…測定装置、１０…検出装置、１１…電磁波発生源、１２…反射部、１３…検出センサ、１４…ステージ、１５…検出器、１６…試料導入部、２０…制御装置、４１…被検出物、４２…磁性粒子、４３…測定対象物、５１…超音波発生素子。 1 ... Measuring device, 10 ... Detection device, 11 ... Electromagnetic wave source, 12 ... Reflector, 13 ... Detection sensor, 14 ... Stage, 15 ... Detector, 16 ... Sample introduction unit, 20 ... Control device, 41 ... Detected Object, 42 ... Magnetic particles, 43 ... Object to be measured, 51 ... Ultrasonic wave generating element.
Claims (6)
前記超音波発生素子は、前記表面上に、前記パターン全体の外周を囲むように配置されている、請求項１に記載の検出センサ。 A pattern including uneven portions is formed on the surface of the detection sensor.
The detection sensor according to claim 1, wherein the ultrasonic wave generating element is arranged on the surface so as to surround the outer periphery of the entire pattern.
前記超音波発生素子は、前記表面上に、前記パターンの前記凹凸部と並べて配置されている、請求項１に記載の検出センサ。 A pattern including uneven portions is formed on the surface of the detection sensor.
The detection sensor according to claim 1, wherein the ultrasonic wave generating element is arranged side by side with the uneven portion of the pattern on the surface.
前記表面上の前記被検出物に電磁波を照射する照射部と、
前記電磁波の反射率又は透過率の変化を検出する検出器と、
前記検出器で検出した前記電磁波の特性変化に基づいて、前記被検出物中の測定対象物の有無を特定する又は量を測定する制御部と、を具備する、測定装置。 The detection sensor according to any one of claims 1 to 4,
An irradiation unit that irradiates the object to be detected on the surface with electromagnetic waves,
A detector that detects changes in the reflectance or transmittance of electromagnetic waves,
A measuring device including a control unit for specifying the presence or absence of a measurement object in the object to be measured or measuring the amount based on a change in the characteristics of the electromagnetic wave detected by the detector.
前記超音波発生素子から超音波を発生させることと、
発生した前記超音波により、被検出物が捕捉されたフィルタから前記被検出物を分離させて、前記表面上に前記被検出物が配置された前記検出センサを取得することと、
を制御する制御部を含む、試料調製装置。 A detection sensor used in a detection device that detects an object to be detected by a change in the reflectance or transmittance of an electromagnetic wave, the detection sensor having a surface irradiated with the electromagnetic wave, and having an ultrasonic wave generating element.
To generate ultrasonic waves from the ultrasonic wave generating element,
By separating the object to be detected from the filter in which the object to be detected is captured by the generated ultrasonic waves, the detection sensor in which the object to be detected is arranged on the surface is acquired.
A sample preparation device including a control unit that controls.
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