JP3911191B2 - 分析方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は溶液中の微量物質の分析技術の分野に係り、特に、振動子の共振周波数の変化から微量物質の濃度等を分析する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、溶液中に浸漬された振動子の共振周波数を経時的に測定し、溶液中に含まれる微量の物質を分析する技術が知られている。
【0003】
図6の符号105はその分析に用いられる水晶振動子を示している。
この振動子105は、その表面に電極を有しており、電極表面には、特定の物質と選択的に反応し、その物質を振動子105上に固定する薄膜が形成されている。
【0004】
容器111内には、溶媒114が納められており、その溶媒114中に振動子105を浸漬し、分析対象物質が溶解されたサンプル液を溶媒114中に投入すると、溶媒114中に分散あるいは溶解した分析対象物質が振動子105表面と反応し、固定される。
【0005】
例えば、溶媒114中に、分析対象物質として抗体が含まれている場合、予め振動子105表面に抗原の薄膜を形成しておくと、溶媒114中の抗体は抗原と反応し、振動子105表面に付着し、重量が増加する。また、振動子105表面にDNAの二本鎖のうちの一方を付着させ、溶媒中114中に他方を含有させた場合には、振動子105表面でDNAが形成され、重量が増加する。
【0006】
実際の測定を行う場合は、振動子105は、測定回路120内のオシレータ121に接続され、振動子105固有の共振周波数で発振している。振動子105に分析対象の物質が吸着され、重量が増加すると、その増加量に応じて共振周波数が変化する。
【0007】
オシレータ121は周波数カウンタ122に接続され、振動子105の発振周波数が経時的に測定されている。周波数カウンタ122はコンピュータ123に接続され、周波数カウンタ122によって測定された周波数はコンピュータ123に送信され、コンピュータ123内の記憶装置に記憶される。このコンピュータ123によって周波数変化を分析することで、溶媒114中に微量物質が含まれているかどうか、また、含まれている場合にはその濃度が分かる。
【0008】
上記のような振動子105には、水晶板等の圧電素子が用いられるが、圧電素子は、周囲雰囲気の粘性の大きさによって共振周波数が大きく変化する。
【0009】
従って、溶媒114中に投入するサンプル液の粘度が高いと、溶媒114の粘度が増加し、粘度変化が振動子105の共振周波数に影響を与え、その結果、発振周波数がずれてしまう。 また、温度変化によって溶媒114の粘度が変化すると、その粘度変化も共振周波数変化に影響を与え、測定誤差の原因となっている。図7のグラフは、溶媒114として水を用いた場合の、水の粘性変化による周波数変動の影響を示している。
【0010】
このような粘性変化による影響を排除するため、測定用のサンプル液とは別に、粘度は同じであるが分析対象物質を含まない参照用のサンプル液を用意し、参照用のサンプル液にも振動子を浸漬し、粘度変化による周波数変化を求め、測定用のサンプル液に浸漬した振動子の周波数変化の値から指し引いて、測定対象物質の付着による周波数変化の大きさを求めるようにしていた。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような方法は、測定の手間が増すばかりでなく、測定用の振動子と同じ個数の振動子が参照用に必要になるため、コスト高になるという問題があり、解決が望まれている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、所定の共振周波数を有し、前記分析対象物質が付着すると、その付着量によって前記共振周波数が変化する振動子の前記共振周波数の変化量を測定し、付着量変化を求める分析方法であって、前記振動子の共振周波数のうち、基本共振周波数のN倍(Nは1を含む正の奇数)の周波数であるN倍共振周波数を2種類以上選択し、前記選択した2種類のN倍共振周波数の変化量を測定し、測定値から、前記変化量の中に含まれる前記振動子周囲の雰囲気の粘性変化による成分を除去し、前記付着量によって変化する成分を求める分析方法である。
請求項2記載の発明は、前記振動子の共振周波数のうち、N倍の周波数のN倍共振周波数を3種類以上選択し、前記付着量によって変化する振動子の成分を2種類以上求め、平均した値を採用する請求項1記載の分析方法である。
請求項3記載の発明は、前記振動子を、選択した前記N倍共振周波数で実際に発振させ、前記N倍共振周波数の種類毎に前記変化量を測定する請求項1又は2のいずれか1項記載の分析方法である。
請求項4記載の発明は、前記振動子の周波数とインピーダンスの関係から選択した前記N倍共振周波数の前記変化量を求める請求項1又は2のいずれか1項記載の分析方法である。
【0013】
本発明は上記のように構成されており、振動子を容器内に配置し、希釈液を容器に入れて、希釈液を振動子上に設けられた反応性薄膜に接触させた状態にし、分析対象物質を含むサンプル液を希釈液中に注入すると、分析対象物質が反応性薄膜に付着、吸着、又は反応し、反応性薄膜の重量が変化する。その重量変化により、振動子の共振周波数が変化するので、振動子が発振している周波数を測定することで、反応性薄膜の重量変化、即ち、付着、吸着、又は反応した分析対象物質の量が分かる。
【0014】
実際に測定される振動子の共振周波数は、サンプル液を注入したことによる希釈液の粘度変化や、温度の影響による粘度変化の影響を受け、その結果、共振周波数が変化してしまう。
【0015】
振動子は、基本となる基本共振周波数と、そのN倍(Nは1以上の奇数)のN倍共振周波数で発振することができる。
【0016】
サンプルを投入し、共振周波数が変化する前のN倍共振周波数を初期値F0(N)とし、サンプルを投入し、変化した後のN倍共振周波数をFNとすると、N倍共振周波数FNの変化量ΔFNは、
ΔFN=FN−F0(N)……(1)
である。
【0017】
上記変化量ΔFNの中には、粘性変化による成分ΔFN(粘性)と、吸着や付着による成分ΔFN(吸着)が含まれており、変化量ΔFNは下記(2)式で表される。
ΔFN = ΔFN(粘性)+ ΔFN(吸着)……(2)
【0018】
図5は、N倍共振周波数の変化量ΔFNと、粘性変化による成分ΔFN(粘性)と、重量変化による成分ΔFN(吸着)との関係を示すグラフである。サンプルは、時刻t0で投入されている。
【0019】
上記(2)式右辺の、粘性変化による変化量ΔFN(粘性)と吸着や付着による変化量ΔFN(吸着)は、それぞれ下記(3)、(4)式で表すことができる。
【0020】
ΔFN(粘性)= -N1/2・fq 3/2(ρ1η1/πρqμq)1/2 = N1/2・ΔF1(粘性)……(3)
上記(3)式中、fq:水晶の基本振動数、ρ1:溶液の密度、η1:溶液の粘度、ρq:水晶の密度(2.648g/cm2)、μq:水晶の剪断弾性係数(2.947×1011g/cm・S2)、である。
【0021】
ΔFN(吸着)= -N・2fq 2・m/{A(ρqμq)1/2}= N・ΔF1(吸着)……(4)
上記(4)式中、fq:水晶の基本振動数、ρq:水晶の密度(2.648g/cm2)、μq:水晶の剪断弾性係数(2.947×1011g/cm・S2)、m:質量、A:電極面積、である。
【0022】
上記(2)〜(4)式から、変化量ΔFNは下記(5)式で表すことができる。
ΔFN = ΔFN(粘性)+ ΔFN(吸着) = N1/2・ΔF1(粘性)+ N・ΔF1(吸着)……(5)
【0023】
Nは1以上の奇数であり、所望の値を2種類選択してNを特定し、変化量ΔFNを測定すると、上記(5)式中では、未知数、は右辺のΔF1(粘性)とΔF1(吸着)の2個になる。
【0024】
(5)式は、選択した奇数Nの個数だけ連立するから、結局、異なる奇数Nを2個以上選択して変化量ΔFNを測定すると、成分ΔF1(粘性) と 成分ΔF1(吸着)を求めることができる。
【0025】
例えば、奇数Nとして、1と3を選択し(N=1,3)、1倍共振周波数(基本共振周波数)と3倍共振周波数の変化量ΔF1、ΔF3をそれぞれ求めると、下記2式が連立し、ΔF1(粘性)とΔF1(吸着)を求めることができる。
【0026】
ΔF1 = ΔF1(粘性)+ ΔF1(吸着)……(6)
ΔF3 = 31/2・ΔF1(粘性)+ 3・ΔF1(吸着)……(7)
【0027】
ΔF1(粘性)とΔF1(吸着)は、ΔFNを測定するたびに求まるから、ΔFNを所望の時間間隔で測定すると、ΔF1(粘性)とΔF1(吸着)の時間変化が求まる。
【0028】
【発明の実施の形態】
図1の符号10は本発明を適用できる分析セルの一例である。
この分析セル10は、容器部11内に、振動子50が配置されている。
【0029】
図2(a)は振動子50の平面図であり、同図(b)はそのA−A線截断面図である。
振動子50は、水晶板等の圧電素子で構成された振動板53と、該振動板53の表面に配置された第1の発振電極51と、裏面に第2の発振電極52とを有している。
【0030】
第1、第2の発振電極51、52は金属膜がパターニングされて構成されており、振動板53に密着して配置されている。振動板53は円形に形成されており、第1、第2の発振電極51、52は、振動板53の中央部分に於いて振動板53よりも小径の円形形状に形成され、振動板53の中央位置では、第1、第2の発振電極51、52の一方電極の真裏位置に、他方の電極が位置するようになっている。即ち、振動板53の中央部分は第1、第2の発振電極51、52によって挟まれている。他方、第1、第2の発振電極51、52は、他の位置では幅狭の導線状になっている。
【0031】
第1の発振電極51の中央部分には、特定の分析対象物質と反応し、その物質を、固定、吸着、又は付着させる反応性薄膜54が形成されている。
【0032】
容器部11は、それぞれ石英等の絶縁材料から成る側壁部16と底板17とを有している。側壁部16は円筒形形状になっており、振動板53は、側壁部16の開口と平行にされて側壁部16内に固定されている。振動板53の外周部分は側壁部16の壁面に密着しており、液密な状態になっている。
【0033】
容器部11の両端の開口のうちの、振動板53の裏面側、即ち、反応性薄膜54が位置する面とは反対側の面側の開口は底板17によって閉塞されている。
【0034】
第1の発振電極51は、振動板53の表面側に配置されているが、その一部は、裏面側まで引き回されている。そして、第1、第2の発振電極51、52は、振動板53の裏面位置に於いて、リード56、57にそれぞれ接続されている。このリード56、57は、底板17を貫通し、外部に導出されている。
【0035】
上記のような分析セル10を用い、特定の分析対象物質を含有する溶液を分析する場合、先ず、その分析対象物質と反応する反応性薄膜54を有する分析セル10を用意し、その分析セル10の容器11内に、分析対象の溶液を入れる。図3の符号14はその溶液を示しており、符号13は蒸発防止のための蓋である。
【0036】
この状態では、液体14は、振動子50上に蓄えられ、振動子50よりも下方の底板17側には漏出しない。
【0037】
反応性薄膜54は液体14と接触しているので、液体14中に含まれる分析対象物が反応性薄膜54と反応し、反応性薄膜54の重量が増加する。その増加速度は分析対象物の濃度に依存する。
【0038】
分析セル10の、底板17外部に導出されたリード56、57は、測定装置20に接続されている。
【0039】
この測定装置20は、切替器21と、第1、第2のオシレータ22a、22bと、周波数カウンタ23と、計算機24とを有している。
【0040】
分析セル10は、切替器21により、第1のオシレータ22a又は第2のオシレータ22bのいずれか一方に接続するように構成されている。ここでは、2本のリード56、57のうち、一方のリード57は、共通線となって第1、第2のオシレータ22a、22bの両方に接続されており、他方のリード56が、切替器21によって、いずれか一方のオシレータに接続されるようになっている。
【0041】
切替器21が、第1のオシレータ22aと第2のオシレータ22bを切り換える時間は任意に設定できるように構成されているが、ここでは、切り換え時間は1秒に設定され、切替器21は、第1、第2のオシレータ22a、22bを、1秒毎に交代して分析セル10に接続するようにされている。
【0042】
第1のオシレータ22aの内部回路の時定数は、分析セル10の振動子50を基本共振周波数(1倍波)で共振させるように設定されており、第2のオシレータ22aの内部回路の時定数は、振動子を基本共振周波数の3倍の共振周波数(3倍共振周波数)で発振させるように設定されている。
【0043】
従って、振動子53は1秒毎に、基本共振周波数F1と3倍共振周波数F3で発振する。それらの周波数F1、F3は、周波数カウンタ23によって測定され、測定結果が計算機24によって記憶される。
【0044】
計算機24内部には、振動子53が第1、第2のオシレータ22a、22bに接続されたときの基本共振周波数の初期値F0(N=1)と、3倍共振周波数の初期値F0(N=3)とが記憶されており、測定した共振周波数F1、F3と、初期値F0(N=1)、F0(N=3)の差、即ち、ΔF1=F1−F0(N=1)、ΔF3=F3−F0(N=3)を求めると、下記再掲(6)、(7)式、
ΔF1 = ΔF1(粘性)+ ΔF1(吸着)……(6)
ΔF3 = 31/2・ΔF1(粘性)+ 3・ΔF1(吸着)……(7)
が得られる。
【0045】
そして、(6)、(7)式から、ΔF1(吸着)が求められるので、結局、共振周波数の変化量中の、吸着や付着等による重量変化に起因する成分ΔF1(吸着)は、1秒間隔で求められる。そして、成分ΔF1(吸着)の時間変化から、溶液中に含まれる分析対象物質の濃度が分かる。
【0046】
図4は、上記切替器21を有する測定装置20に替え、ネットワークアナライザ33を用いた測定装置30を分析セル10に接続した例である。
【0047】
ネットワークアナライザ33は、分析セル10に出力する信号の周波数を連続的に変化させ、インピーダンスを測定することができるから、分析セル10内の振動子の、周波数とインピーダンスの関係を求め、N倍共振周波数の変化を測定することができる。
【0048】
例えば、1倍、3倍、5倍の共振周波数に注目し、それらの変化を計算機34に出力し、1倍、3倍、5倍の共振周波数の変化量ΔF1、ΔF3、ΔF5を求めると、再掲(6)、(7)式と、5倍共振周波数による(8)式の3式が連立する。
【0049】
ΔF1 = ΔF1(粘性)+ ΔF1(吸着)……(6)
ΔF3 = 31/2・ΔF1(粘性)+ 3・ΔF1(吸着)……(7)
ΔF5 = 51/2・ΔF1(粘性)+ 5・ΔF1(吸着)……(8)
【0050】
上記(6)〜(8)式のうち、(6)式と(7)式の組合せ、(7)式と(8)式の組合せ、(8)式と(6)式の組合せの各組合せから、成分ΔF1(吸着)の値が3種類求まる。それらを平均した値を、成分ΔF1(吸着)とすると、誤差を低減することができる。
【0051】
なお、上記分析セル10では、振動子50の片面にだけ液体が接触していたが、両面に接触させて測定しても良い。
【0052】
また、上記振動子50には水晶振動子を用いたが、本発明は水晶に限定されるものではなく、APM(ACOUSTIC PLATE MODE SENSOR)・FPW(FLEXURAL PLATE−WAVE SENSOR)・SAW(SOURFACE ACOUSTIC−WAVE SENSOR)でも適用することができる。
【0053】
【発明の効果】
粘性の影響を消去できるので、正確な分析を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いられる分析セルの一例
【図2】(a):その分析セルの振動子の平面図 (b):そのA−A線截断面図
【図3】切替器を用いた測定方法を説明するための図
【図4】ネットワークアナライザを用いた測定方法を説明するための図
【図5】ΔFN と ΔFN(粘性) と ΔFN(吸着)の関係を示すグラフ
【図6】従来技術の水晶振動子による分析方法を説明するための図
【図7】粘性が振動子の発振周波数に与える影響を示すグラフ
【符号の説明】
10……分析セル 11……容器部 20、30……測定装置 50……振動子
Claims (4)
- 所定の共振周波数を有し、前記分析対象物質が付着すると、その付着量によって前記共振周波数が変化する振動子の前記共振周波数の変化量を測定し、付着量変化を求める分析方法であって、
前記振動子の前記共振周波数のうち、基本共振周波数のN倍(Nは1を含む正の奇数)の周波数であるN倍共振周波数を2種類以上選択し、
前記選択した2種類のN倍共振周波数の変化量を測定し、測定値から、前記変化量の中に含まれる前記振動子周囲の雰囲気の粘性変化による成分を除去し、前記付着量によって変化する成分を求める分析方法。 - 前記振動子の共振周波数のうち、N倍の周波数のN倍共振周波数を3種類以上選択し、
前記付着量によって変化する振動子の成分を2種類以上求め、平均した値を採用する請求項1記載の分析方法。 - 前記振動子を、選択した前記N倍共振周波数で実際に発振させ、前記N倍共振周波数の種類毎に前記変化量を測定する請求項1又は2のいずれか1項記載の分析方法。
- 前記振動子の周波数とインピーダンスの関係から選択した前記N倍共振周波数の前記変化量を求める請求項1又は2のいずれか1項記載の分析方法。
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