JP3933340B2

JP3933340B2 - Multi-channel QCM sensor device

Info

Publication number: JP3933340B2
Application number: JP08941099A
Authority: JP
Inventors: 昇小山; 徹立間; 能仁渡辺; 修波戸崎; 薫北寄崎; 方紀羽場; 卓孝野口
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: JP2000283905A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶振動子の電極表面を試料ガスや試料溶液に晒したときの水晶振動子の発振周波数やインピーダンス等の電気的特性の変化から電極表面での試料の成分を検知・定量するＱＣＭ（ＱｕａｒｔｚＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）センサデバイスに係り、特に同じ試料から複数の成分を同時に検知・定量するのに適したマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学・生化学の分野において、反応量や生成物質量を定量することは重要なことであるが、極めて微量の反応量に対して十分な検出感度を得ることは難しかった。
【０００３】
近年、ＡＴカット水晶振動子を用いてマイクロバランス原理を応用したケミカル及びバイオセンサが注目を集めている。ＡＴカット水晶振動子は、その主共振周波数が振動子の板厚と反比例する。この場合、水晶振動子の電極面に試料成分が成膜したり、あるいは物質の吸着が起きると表面に存在する物質の単位平面積当たりの重量に対応した周波数のシフトが起きる。
【０００４】
ＱＣＭセンサは、上記の周波数シフト現象を応用したもので、ＡＴカット水晶振動子は広い温度範囲において周波数が安定しているため、安定した検出感度が期待でき、条件が揃えば１〜１０ｎｇの吸着物質の検出がリアルタイムで可能である。以下に吸着物質量と周波数のシフト量の関係を示す。
【０００５】
まず、ＡＴカット水晶振動子の共振周波数は、下記の（１）、（２）式で表わされる。
【０００６】
【数１】

【０００７】
ここで、ｆ₀：水晶振動子の主共振周波数、ν：水晶中での音速、ｔ_q：水晶の厚さ、μ_q：せん断弾性定数、ρ_q：水晶の密度である。
【０００８】
この主共振周波数ｆ₀を持つ水晶振動子の表面に生じる質量変化Δｍは、主共振周波数と水晶の厚さの関係式を展開してＳａｕｅｒｂｒｅｙの（３）式のようになる。
【０００９】
上記の（３）式において、Δｆは質量付加による周波数変化、Ａ_piezoは電気的有効面積、Ｃ_fは全体感度である。これを液中で使用する際に、Δｆは液の粘度と密度にも影響されるため、（４）式のように書き直される。
【００１０】
ここで、η_Lは溶液の粘性率、ρ_Lは溶液の密度、ω₀＝２πｆ₀である。また、全体感度Ｃ_fは（５）式で表わされる。
【００１１】
上記の（５）式から分るように、全体感度Ｃ_fを上げるには主共振周波数ｆ₀を上げることが重要となる。また、全体感度Ｃ_f自身も周波数の関数であるから、実際に周波数のずれ量Δｆは主共振周波数ｆ₀の３／２乗に依存することになる。
【００１２】
従って、センサとして用いる水晶振動子の主共振周波数を高くするほど、高感度のセンサとすることができる。例えば、図５は、１５ｗｔ％（重量パーセント）のグルコース溶液に浸した水晶振動子の周波数シフト量Δｆを主共振周波数ｆ₀の変化に対してプロットしたものである。主共振周波数ｆ₀が高ければ同じ電極表面の吸着量に対して共振周波数のずれが大きく取れることが分る。
【００１３】
上記のように、ＡＴカット水晶振動子は、厚みすべりのモードを使用しているため、主共振周波数ｆ₀はその厚みｔ_qと反比例する。また、水晶振動子は、十分なγ値（水晶振動子の等価回路では並列容量と直列容量の比、通常はＡＴカットで２５０ぐらいで少ない程よい）を得るためには電極有効面積も周波数に比例して小さくする必要がある。以上の理由で高周波用の水晶振動子は電極面積が小さく、しかも水晶厚の薄いものが必要となる。
【００１４】
一方、ＱＣＭセンサを実現するには、共振周波数を正確に測り、なおかつ振動子表面は試料ガスあるいは試料溶液に晒すという条件を満たすため、図６に示すように、水晶振動子１を容器２内に保持させ、試料に晒す振動子表面のみを露出させてその周辺をＯリング３等でシールし、水晶振動子の電極１Ａ，１Ｂからリード線を使って発振回路またはインピーダンス測定回路４に接続する装置構成になる。
【００１５】
上記のような構成になるＱＣＭセンサは、その水晶振動子を高周波に対応した薄い水晶基板とする場合、シール部にかかる応力により基板が歪んだり割れたりするため、高周波のセンサデバイスは実用化が難しかった。しかし、ＺｕｘｕａｎＬｉｎ等により単一セルでエッチングにより基板の中央部のみを薄くする方法でＱＣＭセンサデバイスを作製する方法が提案されている。この場合、水晶振動子の枠にあたる部分は従来用いられていた５〜６ＭＨｚ相当（０.３ｍｍ程度）の厚みを持っており、シールによって大きな歪みを発生することもない。また、薄板化された部分は電極面積を十分に小さく取ってエネルギートラップが起こっているため、枠の影響を受けにくくすることができる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような方法でセンサ感度を上げるＱＣＭセンサが実現されるが、従来のＱＣＭセンサデバイスは何れも１セル内に１つのセンサしか配置されていない。したがって、従来のＱＣＭセンサは、１サンプルから一度に１つの成分の測定しか行なえない。
【００１７】
このことは、例えば、複数の成分を含む試料溶液から各成分を検知・定量するには、成分毎にそれを検知・定量できるセルを用意し、１セル１サンプルという制約された測定になり、複数の成分測定にはそれだけ測定時間が長くかかるし、測定コストも高くなるという問題がある。
【００１８】
測定時間を短縮しようとするものとして、マルチチャンネルタイプのＱＣＭセンサがある。このセンサは、基板ホルダーに複数の水晶振動子を取り付け、各水晶振動子上にプローブを移動操作し、各水晶振動子での試料成分のデータを得る装置構成になる。
【００１９】
しかし、このマルチチャンネルタイプのＱＣＭセンサは、プローブの移動操作による電界印加になり、プローブと各水晶振動子の相対位置のずれが発振周波数やインピーダンスを変化させてしまう。このため、従来のマルチチャンネルタイプＱＣＭセンサは、水晶振動子の共振周波数等の測定条件を正確に維持するための装置構成が難しく、結果的に安定した測定が望めないという問題がある。
【００２０】
したがって、本発明は、センサ部をマルチチャンネル化しながら安定した測定を可能にし、しかもセンサ部の主共振周波数を高周波化することにより高精度測定を可能にしたマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスを提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
従来の技術で述べたように、高感度なセンサを得るためには、基板厚を薄くした高周波振動子を用いる必要があるが、機械的強度から薄板化が制約される。例えば、５ＭＨｚ位の主共振周波数を持つものでは、図６のように、試料雰囲気を測定回路部分から分離を行なうためにシールドを施す場合、水晶基板の割れや歪みを少なくするためには、少なくとも０.２５ｍｍ以上の基板厚が必要となる。
【００２２】
また、従来のＱＣＭセンサデバイスは１サンプルから一度に１つの成分の測定しか行なえない。
【００２３】
このような課題を解決するＱＣＭセンサデバイスとして、本願出願人等はマルチチャンネル化したＱＣＭセンサデバイスを既に提案している。
【００２４】
このマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスは、図７に平面図（ａ）と断面図（ｂ）で示すように、水晶基板１０の周辺部は厚くしてその機械強度を確保し、４チャンネル分の電極１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄとそれらの裏面電極１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄが形成される振動子部分を水晶基板１０の両面からエッチング処理で薄くした構造とすることで高周波化を図る。
【００２５】
例えば、５ＭＨ_Z位の主共振周波数をもつ厚みにした１インチ角の基板の両面に、各電極膜の形成部分を主共振周波数が１０ＭＨ_Z以上になる厚みにまでエッチングした構造とする。
【００２６】
また、上記のマルチチャンネル構造の各電極１１Ａ〜１１Ｄには、検知・定量しようとするサンプルの成分毎に異なるレセプターを固定化することにより、１サンプルで電極別に異なる成分を一度に検知・定量することを可能にし、しかも、従来のプローブの移動操作機構を不要にする。
【００２７】
例えば、試料に晒される側の電極１１Ａ〜１１Ｄの表面には、試料から検知・定量しようとする成分に応じた互いに異なるレセプターが形成される。例えば、電極１１Ａには「はしか」のウイルスを検知・定量するための「抗はしかウイルス抗体」が固定化され、電極１１Ｂにはインフルエンザの抗体を検知・定量するためのインフルエンザ抗原が固定化されることで、異なるウイルスの検知・定量を一度に行うことができる。
【００２８】
ここで、ＱＣＭセンサデバイスは、電極面を試料溶液に晒して検知・定量測定を行った後、次回の測定に備えて試料に晒された電極をもつ基板面の洗浄を必要とする。この洗浄は、例えば、電解液から銀等を電極面に析出させた場合、析出したときと逆方向に電流を流し、析出した物質等を電極面から離脱させる。その後、酸性溶液（例えばフッ酸）により水晶基板面を洗浄する。
【００２９】
この洗浄において、上記のマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスは、電極１１Ａ〜１１Ｄ部が掘り下げられた構造のため、前回の測定に使用された試料溶液や試料ガス及び析出された試料成分を完全に除去するのが難しくなる。特に、マルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスでは、多チャンネル化を図るほど、基板面に多数箇所で凹凸部が形成され、完全な洗浄が一層難しくなる。これら電極面等への成分の残留は次回の測定精度に影響を及ぼす恐れがある。
【００３０】
そこで、本発明は、マルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスにおいて、試料に晒される基板面を平坦構造とすることでその面の洗浄を確実、容易にしたもので、以下の構成を特徴とする。
【００３１】
（第１の発明）
水晶基板の表面に複数の電極を隣接させて形成し、各電極の裏面に対向電極を形成し、水晶基板の一方の面の電極表面を試料ガスや試料溶液に晒したときの各電極別の主共振周波数の変化またはインピーダンスの変化から試料の成分を各電極別に検知・定量するマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスにおいて、
前記水晶基板は、試料に晒される面を縁部を残して掘り下げ、その外周部が電極形成部よりも高くなる平坦面を有し、この平坦面に複数の電極を形成し、この掘り下げた平坦面を試料溜めとした構造とし、この裏面の対向電極が形成される面を掘り下げた凹部をもつ構造としたことを特徴とする。
【００３３】
（第２の発明）
水晶基板の表面に複数の電極を隣接させて形成し、各電極の裏面に対向電極を形成し、水晶基板の一方の面の電極表面を試料ガスや試料溶液に晒したときの各電極別の主共振周波数の変化またはインピーダンスの変化から試料の成分を各電極別に検知・定量するマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスにおいて、
前記水晶基板は、試料に晒される面を縁部を残して掘り下げ、その外周部が電極形成部よりも高くなる平坦面を有し、この掘り下げた平坦面を試料溜めとした構造とし、この裏面の対向電極が形成される面を掘り下げた凹部をもつ構造とし、一方の面に形成する電極を１つの共通電極としたことを特徴とする。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態を示すマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスの平面図（ａ）と断面図（ｂ）であり、４チャンネル構成の場合である。
【００３６】
水晶基板２０は、４角形で一様な厚みを持つＡＴカット水晶で構成される。水晶基板２０の表裏面には、その四方に対向して円形の電極（金や白金など）２１Ａ〜２１Ｄと、その裏面電極２２Ａ〜２２Ｄが形成され、各電極２１Ａ〜２１Ｄ、２２Ａ〜２２Ｄはそれぞれリード線２３Ａ〜２３Ｄ等で基板周辺の端子に引き出される。
【００３７】
なお、水晶基板２０の電極形成面の厚みは、前記の式（１）（２）に従った主共振周波数ｆ₀（５ＭＨ_Zや１０ＭＨ_Z）に応じて決定される。また、電極の面積は前記の式（３）〜（５）での感度を決める要素として決定される。
【００３８】
このような構造のセンサデバイスを使ったマルチチャンネルＱＣＭセンサを構成するには、前記の図６と同様に、一方の面を試料に晒す構造にされる。この試料に晒される側の電極２１Ａ〜２１Ｄの表面には、試料から検知・定量しようとする成分に応じた互いに異なるレセプターが形成される。
【００３９】
また、各電極２１Ａ〜２１Ｄ、２２Ａ〜２２Ｄから引き出された端子は、個別の発振回路またはインピーダンス測定回路に接続または１つの発振回路またはインピーダンス測定回路に時分割で切り替え接続され、電極２１Ａ〜２１Ｄ側が試料に晒された場合の発振周波数変化またはインピーダンス変化が個々に計測される。
【００４０】
ここで、本実施形態のマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスが図７と異なる部分は、試料に晒される電極２１Ａ〜２１Ｄを形成する水晶基板面は平坦にされ、裏面に形成する電極２２Ａ〜２２Ｄ側の水晶基板面は主振動周波数の関係から掘り下げた凹部をもつ構造にされる。
【００４１】
この構造により、マルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスを使った測定では、水晶基板２０は電極２１Ａ〜２１Ｄの形成面が試料に晒される。そして、測定後の水晶基板２０の洗浄は、電極２１Ａ〜２１Ｄの形成面に対して行う。この洗浄に際して、電極２１Ａ〜２１Ｄの形成面は、凹凸部のない平坦構造になるため、試料成分等の残留物を完全に取り除くのが容易になる。
【００４２】
図２は、本発明の他の実施形態を示すマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスの平面図（ａ）と断面図（ｂ）であり、４チャンネル構成の場合である。
【００４３】
同図が図１と異なる部分は、試料に晒される水晶基板面に形成する電極を１つの共通電極２１とした点にある。
【００４４】
この共通電極２１は、一か所のリード線２３で基板周辺の端子に引き出される。また、共通電極２１は、その裏面電極２２Ａ〜２２Ｄに対向する部分に、試料から検知・定量しようとする成分に応じた互いに異なるレセプターが境界を有して形成される。
【００４５】
本実施形態においても、前記の図１のものと同様に、洗浄に際して、共通電極２１の形成面は、凹凸部のない平坦構造になるため、試料成分等の残留物を完全に取り除くのが容易になる。
【００４６】
これに加えて、本実施形態では、水晶基板面に電極を形成するのに、一方の面には１つの共通電極２１の形成で済み、製造が容易になる。すなわち、電極の形成は、水晶基板の一面に金を蒸着した後、フォトリソグラフィー法や化学エッチング法などにより各チャンネルのパターニングを行うが、共通電極の形成にはパターニングが不要となり、裏面電極のみパターニングすることで済む。
【００４７】
また、本実施形態では、測定に際して、電極から引き出された端子を、個別の発振回路またはインピーダンス測定回路に接続または１つの発振回路またはインピーダンス測定回路に時分割で切り替え接続するのに、共通電極２１から引き出された端子は１カ所になり、これら接続又は切り替え接続が容易になる。
【００４８】
さらにまた、本実施形態では、試料に晒される水晶基板面のほぼ全面が共通電極（金電極）２１で覆われているため、試料と水晶基板が直接に接触することがなく、水晶基板をその汚染や腐食から保護することが可能である。
【００４９】
以上のような構造（図１、図２）としたマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスは、試料に晒される面が平坦構造になるため、図７の構造に比べてその洗浄が容易であるが、平坦構造であるがために振動が基板面全体に伝搬し、チャンネル間の干渉の有無やチャンネル毎の定量性が低下することが予想されるが、これら干渉の発生や定量性の低下は起きないことを実験で確認した。
【００５０】
この実験に使用したマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスは、図７及び図１、図２の４チャンネル構造で、水晶基板２０の厚さは２２７μｍ、電極形成部（凹部）の厚さが１６７μｍで直径が８ｍｍ、電極の直径が４.５ｍｍ（共通電極は全面）とし、各チャンネルの共振周波数が１０ＭＨ_Zのものとした。
【００５１】
そして、各チャンネルに水を滴下したり、あるいは電解液中で銀を電気化学的に析出させるなどしてチャンネル間の干渉の有無や定量性について調べた。このためのインピーダンス測定はネットワークアナライザを用い、発振周波数については発振器と周波数カウンタを用いた。以下、チャンネル間の干渉等について個別に説明する。
【００５２】
（１）チャンネル間の干渉
図７及び図１、図２の構造で、上記の形状のセンサデバイスについて、チャンネルＡ〜Ｄのいずれかに水を滴下したときの、チャンネルＡのインピーダンス特性の変化を観測した。その結果、下記の表に示すように、チャンネルＡに水を滴下したときのみ、共振周波数の変化ΔＦ及び等価回路の抵抗値の変化ΔＲ₁などにノイズレベルを越える変化がみられ、他のチャンネルに水を滴下した場合にはチャンネルＡには変化が見られなかった。また、図１および図２のセンサデバイスは、図７のものとでは差異が少なく、振動が他のチャンネルに伝搬せず、チャンネル間の干渉がないことが確認された。
【００５３】
【表１】

【００５４】
（２）チャンネル毎の定量性
０.２Ｍ過塩素酸を含む１ｍＭ硝酸銀水溶液中で、チャンネルＡ〜Ｄのいずれかに銀を析出させ（定電流：１μＡ）、チャンネルＡにおけるインピーダンス特性、あるいは発振周波数の変化を測定した。
【００５５】
その結果、図３に示すように、チャンネルＡに電解析出させたときのみ、周波数等の変化を観測することができた。また、このときの周波数変化は、Ｓａｕｅｒｂｒｅｙの式から予測される値（理論値）とほぼ一致した。
【００５６】
これらのことから、図１、図２の構造のセンサデバイスは、図７のものと同様に、各チャンネルは独立した振動子として質量変化の定量的評価に使用できることが確認された。
【００５７】
図４は、本発明の他の実施形態を示すマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスの平面図（ａ）と断面図（ｂ）であり、４チャンネル構成の場合である。
【００５８】
同図が図１と異なる部分は、試料に晒される側の水晶基板面を縁部を残して掘り下げた平坦面に電極２１Ａ〜２１Ｄを形成した点にある。
【００５９】
本実施形態は、水晶基板の表裏面に対向させて形成する電極のうち、試料に晒される電極の形成部分を掘り下げた構造とし、この掘り下げ部分を試料溜めにするものである。
【００６０】
本実施形態は、測定対象試料が溶液になる場合に適用できるものであり、電極２１Ａ〜２１Ｄの形成部に試料溜めができるよう基板面を縁部を残して掘り下げ、その外周部が電極形成部よりも高くなる構造としている。
【００６１】
以上の構造になるマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイスにおいては、前記の実施形態の構造に比べて、試料に晒される面には基板周辺部で凹部が形成されるが、電極間には凹凸部がなく、図７のものに比べてその洗浄が容易になる。
【００６２】
しかも、縁部の作用により、基板上の試料溶液が基板周辺に流れ出すことを防止できる。また、基板周辺に付着する電極接着剤等が試料溶液に混入したり反応するのを防止できる。
【００６３】
なお、試料溜めをもつ構造は、図２の構造のものにも適用できる。つまり、共通電極２１を形成する面を試料溜めができる深さまで掘り下げた構造とすることができる。
【００６４】
以上までの各実施形態において、試料に晒されない電極側を１つの共通電極にして同等の作用効果を得ることができる。例えば、図１の構造において裏面電極２２Ａ〜２２Ｄを１つの共通電極とすること、図２の構造において試料に晒される面にチャンネル毎の電極を設け、裏面電極を１つの共通電極とすること、図４の構造において裏面電極２２Ａ〜２２Ｄを１つの共通電極とすることができる。
【００６５】
また、実施形態では、４チャンネルの場合を示すが、９チャンネルなど多チャンネルＱＣＭセンサデバイスとすることができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、試料に晒される電極形成部の面を平坦構造にしたため、試料に晒された電極形成部の洗浄が確実、容易になり、しかも、平坦構造にしてチャンネル間の干渉が発生することなく、定量性にも影響なく、各チャンネルを独立した振動子とすることができ、高精度の繰り返し測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイス。
【図２】本発明の他の実施形態を示すマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイス。
【図３】実施形態における周波数変化の測定結果。
【図４】本発明の他の実施形態を示すマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイス。
【図５】ＱＣＭセンサによる周波数シフト特性の例。
【図６】ＱＣＭセンサデバイスの収納装置の例。
【図７】本発明に係るマルチチャンネルＱＣＭセンサデバイス。
【符号の説明】
１０、２０…水晶基板
１１Ａ〜１１Ｄ、２１Ａ〜２１Ｄ…試料に晒される電極
１２Ａ〜１２Ｄ、２２Ａ〜２２Ｄ…裏面電極
２１…共通電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a QCM for detecting and quantifying a sample component on an electrode surface from a change in electrical characteristics such as an oscillation frequency and impedance of the crystal resonator when the electrode surface of the crystal resonator is exposed to a sample gas or a sample solution. The present invention relates to a (Quartz Crystal Microbalance) sensor device, and more particularly to a multi-channel QCM sensor device suitable for simultaneously detecting and quantifying a plurality of components from the same sample.
[0002]
[Prior art]
In the field of chemistry and biochemistry, it is important to quantify the amount of reaction and the amount of product, but it has been difficult to obtain sufficient detection sensitivity for a very small amount of reaction.
[0003]
In recent years, chemical and biosensors that apply the microbalance principle using AT-cut quartz resonators have attracted attention. The main resonance frequency of the AT cut crystal resonator is inversely proportional to the plate thickness of the resonator. In this case, when a sample component is formed on the electrode surface of the crystal resonator or adsorption of a substance occurs, a frequency shift corresponding to the weight per unit plane area of the substance existing on the surface occurs.
[0004]
The QCM sensor is an application of the frequency shift phenomenon described above. Since the AT-cut quartz resonator has a stable frequency over a wide temperature range, a stable detection sensitivity can be expected. Substance detection is possible in real time. The relationship between the amount of adsorbed material and the amount of frequency shift is shown below.
[0005]
First, the resonance frequency of the AT cut crystal resonator is expressed by the following equations (1) and (2).
[0006]
[Expression 1]

[0007]
Here, f _{0 is} the main resonance frequency of the crystal resonator, ν is the speed of sound in the crystal, t _{q is} the thickness of the crystal, μ _{q is the} shear elastic constant, and ρ _q is the density of the crystal.
[0008]
The mass change Δm generated on the surface of the crystal resonator having the main resonance frequency f ₀ is expressed by the Sauerbrey equation (3) by developing the relational expression between the main resonance frequency and the thickness of the crystal.
[0009]
In the above equation (3), Δf is a frequency change due to mass addition, A _piezo is an electrical effective area, and C _f is an overall sensitivity. When this is used in the liquid, Δf is also affected by the viscosity and density of the liquid, and thus is rewritten as in equation (4).
[0010]
Here, η _L is the viscosity of the solution, ρ _L is the density of the solution, and ω ₀ = 2πf ₀ . The overall sensitivity C _f is expressed by the equation (5).
[0011]
As can be seen from the above equation (5), it is important to increase the main resonance frequency f ₀ in order to increase the overall sensitivity C _f . Further, since the overall sensitivity C _f itself is a function of frequency, the frequency shift amount Δf actually depends on the 3/2 power of the main resonance frequency f ₀ .
[0012]
Therefore, the higher the main resonance frequency of the crystal resonator used as the sensor, the higher the sensitivity of the sensor. For example, FIG. 5 is a plot of the frequency shift amount Δf of a crystal resonator immersed in a 15 wt% (weight percent) glucose solution against the change in the main resonance frequency f ₀ . It can be seen that if the main resonance frequency f ₀ is high, a large deviation in resonance frequency can be obtained with respect to the amount of adsorption on the same electrode surface.
[0013]
As described above, since the AT-cut quartz resonator uses the thickness slip mode, the main resonance frequency f ₀ is inversely proportional to the thickness t _q . In addition, in order to obtain a sufficient γ value (ratio of parallel capacitance to series capacitance in the equivalent circuit of a quartz crystal, usually less than about 250 with AT cut), the effective area of the electrode is proportional to the frequency. It is necessary to make it smaller. For these reasons, a high-frequency crystal resonator requires a small electrode area and a thin crystal thickness.
[0014]
On the other hand, in order to realize the QCM sensor, since the resonance frequency is accurately measured and the condition that the surface of the vibrator is exposed to the sample gas or the sample solution is satisfied, as shown in FIG. The surface of the vibrator exposed to the sample is exposed, and its periphery is sealed with an O-ring 3 or the like, and connected to the oscillation circuit or the impedance measurement circuit 4 from the electrodes 1A and 1B of the crystal vibrator using lead wires. Device configuration.
[0015]
When the QCM sensor having the above-described configuration is a thin quartz substrate corresponding to a high frequency, the substrate is distorted or cracked due to the stress applied to the seal portion. was difficult. However, a method of manufacturing a QCM sensor device by a method of thinning only the central portion of a substrate by etching with a single cell by Zuxuan Lin et al. In this case, the portion corresponding to the frame of the crystal resonator has a thickness corresponding to 5 to 6 MHz (about 0.3 mm) which has been used conventionally, and no great distortion is generated by the seal. In addition, since the thinned portion has a sufficiently small electrode area and an energy trap occurs, it can be hardly affected by the frame.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
Although the QCM sensor for increasing the sensor sensitivity is realized by the above method, all the conventional QCM sensor devices have only one sensor arranged in one cell. Therefore, the conventional QCM sensor can measure only one component from one sample at a time.
[0017]
For example, in order to detect and quantitate each component from a sample solution containing a plurality of components, a cell capable of detecting and quantifying each component is prepared, and the measurement is limited to one sample per cell. Measurement of a plurality of components has problems that it takes a long measurement time and the measurement cost is high.
[0018]
There is a multi-channel type QCM sensor as an attempt to shorten the measurement time. This sensor has a device configuration in which a plurality of crystal resonators are attached to a substrate holder, a probe is moved on each crystal resonator, and sample component data in each crystal resonator is obtained.
[0019]
However, in this multi-channel type QCM sensor, an electric field is applied by a moving operation of the probe, and a shift in the relative position between the probe and each crystal resonator changes the oscillation frequency and impedance. For this reason, the conventional multi-channel type QCM sensor has a problem that it is difficult to configure the apparatus for accurately maintaining the measurement conditions such as the resonance frequency of the crystal resonator, and as a result, stable measurement cannot be expected.
[0020]
Accordingly, the present invention provides a multi-channel QCM sensor device that enables stable measurement while making the sensor unit multi-channel, and enables high-precision measurement by increasing the main resonance frequency of the sensor unit. Objective.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
As described in the prior art, in order to obtain a highly sensitive sensor, it is necessary to use a high-frequency vibrator having a thin substrate thickness, but the reduction in thickness is limited by mechanical strength. For example, in a case having a main resonance frequency of about 5 MHz, as shown in FIG. 6, in order to reduce the crack and distortion of the quartz substrate when the shield is applied to separate the sample atmosphere from the measurement circuit portion, at least A substrate thickness of 0.25 mm or more is required.
[0022]
Further, the conventional QCM sensor device can measure only one component from one sample at a time.
[0023]
As a QCM sensor device for solving such a problem, the applicant of the present application has already proposed a multi-channel QCM sensor device.
[0024]
In this multi-channel QCM sensor device, as shown in a plan view (a) and a cross-sectional view (b) in FIG. 7, the peripheral portion of the quartz substrate 10 is thickened to ensure its mechanical strength, and the electrodes 11A for four channels are provided. , 11B, 11C, and 11D and their

back electrodes

12A, 12B, 12C, and 12D are made thin by etching from both sides of the quartz substrate 10 to increase the frequency.
[0025]
For example, on both sides of the substrate 1 inch square was thick having a main resonant frequency of 5MH _Z position, the forming part of each of the electrode films is the main resonance frequency is etched structure to a thickness equal to or greater than 10 MHz _Z.
[0026]
In addition, a different receptor is immobilized on each of the components of the sample to be detected / quantified on each of the electrodes 11A to 11D having the multi-channel structure, so that different components can be detected / quantified at a time for each electrode in one sample. This eliminates the need for a conventional probe movement operation mechanism.
[0027]
For example, different receptors are formed on the surfaces of the electrodes 11A to 11D on the side exposed to the sample according to the components to be detected and quantified from the sample. For example, “anti-measles virus antibody” for detecting and quantifying “measles” virus is immobilized on electrode 11A, and influenza antigen for immobilizing and detecting influenza antibody is immobilized on electrode 11B. By doing so, different viruses can be detected and quantified at once.
[0028]
Here, the QCM sensor device needs to clean the substrate surface having the electrode exposed to the sample in preparation for the next measurement after performing the detection and quantitative measurement by exposing the electrode surface to the sample solution. In this cleaning, for example, when silver or the like is deposited on the electrode surface from the electrolytic solution, an electric current is passed in the direction opposite to that when the silver is deposited, and the deposited substance or the like is separated from the electrode surface. Thereafter, the quartz substrate surface is washed with an acidic solution (for example, hydrofluoric acid).
[0029]
In this cleaning, the multi-channel QCM sensor device has a structure in which the electrodes 11A to 11D are dug down, so that the sample solution and sample gas used for the previous measurement and the deposited sample components are completely removed. Becomes difficult. In particular, in a multi-channel QCM sensor device, as the number of channels increases, uneven portions are formed at many locations on the substrate surface, and complete cleaning becomes more difficult. Residual components on these electrode surfaces may affect the accuracy of the next measurement.
[0030]
Therefore, the present invention is a multi-channel QCM sensor device in which the substrate surface exposed to the sample has a flat structure so that the surface can be cleaned easily and has the following structure.
[0031]
(First invention)
A plurality of electrodes are formed adjacent to the surface of the quartz substrate, a counter electrode is formed on the back surface of each electrode, and the electrode surface on one side of the quartz substrate is exposed to the sample gas or sample solution. In a multi-channel QCM sensor device that detects and quantifies sample components for each electrode from changes in main resonance frequency or impedance,
The quartz substrate has a flat surface in which the surface exposed to the sample is dug out leaving an edge, and the outer peripheral portion is higher than the electrode forming portion, and a plurality of electrodes are formed on the flat surface, and the dug flat surface It is characterized by having a structure in which the surface is a sample reservoir, and a structure having a recess formed by dug down the surface on which the counter electrode on the back surface is formed.
[0033]
(Second invention)
A plurality of electrodes are formed adjacent to the surface of the quartz substrate, a counter electrode is formed on the back surface of each electrode, and the electrode surface on one side of the quartz substrate is exposed to the sample gas or sample solution. In a multi-channel QCM sensor device that detects and quantifies sample components for each electrode from changes in main resonance frequency or impedance,
The quartz substrate has a flat surface in which the surface exposed to the sample is dug down leaving an edge, and the outer peripheral portion is higher than the electrode forming portion, and the deep flat surface is used as a sample reservoir. The counter electrode is formed in a structure having a recessed portion dug down, and the electrode formed on one surface is a common electrode.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1A is a plan view of a multi-channel QCM sensor device showing an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view of the multi-channel QCM sensor device.
[0036]
The quartz substrate 20 is formed of an AT-cut quartz having a quadrangular shape and a uniform thickness. On the front and back surfaces of the quartz substrate 20, circular electrodes (gold, platinum, etc.) 21A to 21D and back electrodes 22A to 22D are formed facing the four sides, and the electrodes 21A to 21D and 22A to 22D are respectively formed. The lead wires 23A to 23D and the like are pulled out to terminals around the substrate.
[0037]
The thickness of the electrode formation surface of the quartz substrate 20 is determined according to the formula (1) according to (2) the main resonance frequency f ₀ (5MH _Z and 10 MHz _Z). The area of the electrode is determined as an element that determines the sensitivity in the above formulas (3) to (5).
[0038]
In order to construct a multi-channel QCM sensor using a sensor device having such a structure, a structure in which one surface is exposed to a sample is formed as in FIG. Different receptors are formed on the surfaces of the electrodes 21 </ b> A to 21 </ b> D on the side exposed to the sample according to the components to be detected and quantified from the sample.
[0039]
In addition, the terminals drawn from the electrodes 21A to 21D and 22A to 22D are connected to individual oscillation circuits or impedance measurement circuits, or are switched and connected to one oscillation circuit or impedance measurement circuit in a time-sharing manner. The oscillation frequency change or impedance change when exposed to the sample is individually measured.
[0040]
Here, the multi-channel QCM sensor device of the present embodiment is different from FIG. 7 in that the crystal substrate surface on which the electrodes 21A to 21D to be exposed to the sample are formed is flat, and the crystal on the electrodes 22A to 22D side formed on the back surface. The substrate surface is structured to have a recess dug down from the relationship of the main vibration frequency.
[0041]
With this structure, in the measurement using the multi-channel QCM sensor device, the crystal substrate 20 has the surfaces on which the electrodes 21A to 21D are formed exposed to the sample. Then, the quartz substrate 20 after measurement is cleaned on the formation surfaces of the electrodes 21A to 21D. At the time of this cleaning, the surfaces on which the electrodes 21A to 21D are formed have a flat structure with no uneven portions, so that it is easy to completely remove residues such as sample components.
[0042]
FIG. 2 is a plan view (a) and a cross-sectional view (b) of a multi-channel QCM sensor device showing another embodiment of the present invention, which is a case of a 4-channel configuration.
[0043]
1 is different from FIG. 1 in that an electrode formed on the surface of the quartz substrate exposed to the sample is a common electrode 21.
[0044]
The common electrode 21 is drawn out to a terminal around the substrate by one lead wire 23. In addition, the common electrode 21 is formed at a portion facing the back electrodes 22A to 22D with different receptors having boundaries based on components to be detected and quantified from the sample.
[0045]
Also in the present embodiment, as in the case of FIG. 1 described above, the surface on which the common electrode 21 is formed has a flat structure without uneven portions during cleaning, and therefore it is easy to completely remove residues such as sample components. become.
[0046]
In addition to this, in this embodiment, in order to form the electrode on the quartz substrate surface, it is only necessary to form one common electrode 21 on one surface, which facilitates manufacture. In other words, the electrodes are formed by depositing gold on one surface of a quartz substrate and then patterning each channel by photolithography or chemical etching. However, patterning is not necessary for forming the common electrode, and only the back electrode is patterned. Just do it.
[0047]
Further, in the present embodiment, the common electrode 21 is used to connect the terminals drawn from the electrodes to individual oscillation circuits or impedance measurement circuits or to switch and connect to one oscillation circuit or impedance measurement circuit in a time division manner during measurement. The terminal pulled out from one becomes one place, and these connection or switching connection becomes easy.
[0048]
Furthermore, in this embodiment, almost the entire surface of the quartz substrate exposed to the sample is covered with the common electrode (gold electrode) 21, so that the sample and the quartz substrate are not in direct contact with each other. It is possible to protect against contamination and corrosion.
[0049]
The multi-channel QCM sensor device having the structure as described above (FIGS. 1 and 2) has a flat structure on the surface exposed to the sample. Therefore, the cleaning is easier than the structure of FIG. However, it is expected that vibration will propagate to the entire substrate surface, and the presence or absence of interference between channels and the quantitativeness of each channel will be reduced. Confirmed by experiment.
[0050]
The multi-channel QCM sensor device used in this experiment has the four-channel structure shown in FIGS. 7, 1, and 2, the quartz substrate 20 has a thickness of 227 μm, the electrode forming portion (concave portion) has a thickness of 167 μm, and the diameter is 8 mm. , the diameter of the electrode is set to 4.5 mm (the common electrode is entirely), the resonant frequency of each channel were of 10 MHz _Z.
[0051]
Then, water was dropped into each channel, or silver was electrochemically deposited in the electrolytic solution, and the presence or absence of interference between channels and the quantitative property were examined. For this purpose, a network analyzer was used for impedance measurement, and an oscillator and a frequency counter were used for the oscillation frequency. Hereinafter, interference between channels will be described individually.
[0052]
(1) Inter-channel interference With the structure shown in FIGS. 7 and 1 and 2, the change in impedance characteristics of channel A when water is dropped on any of channels A to D in the sensor device having the above shape. Observed. As a result, as shown in the table below, only when water is dropped on channel A, the resonance frequency change ΔF, the equivalent circuit resistance change ΔR _1, etc. show changes exceeding the noise level. When water was dropped on the channel A, no change was observed in the channel A. Moreover, the sensor device of FIG. 1 and FIG. 2 has little difference from that of FIG. 7, and it has been confirmed that vibration does not propagate to other channels and there is no interference between channels.
[0053]
[Table 1]

[0054]
(2) Quantitative characteristics for each channel In a 1 mM silver nitrate aqueous solution containing 0.2 M perchloric acid, silver is deposited on any of channels A to D (constant current: 1 μA), and impedance characteristics in channel A or oscillation frequency The change of was measured.
[0055]
As a result, as shown in FIG. 3, changes in frequency and the like could be observed only when electrolytic deposition was performed on channel A. Further, the frequency change at this time almost coincided with the value (theoretical value) predicted from the Sauerbrey equation.
[0056]
From these facts, it was confirmed that the sensor device having the structure of FIGS. 1 and 2 can be used for quantitative evaluation of mass change as an independent vibrator in each channel, as in the case of FIG.
[0057]
FIG. 4 is a plan view (a) and a cross-sectional view (b) of a multi-channel QCM sensor device showing another embodiment of the present invention, which is a case of a 4-channel configuration.
[0058]
1 is different from FIG. 1 in that the electrodes 21A to 21D are formed on a flat surface obtained by digging the quartz substrate surface exposed to the sample, leaving an edge.
[0059]
In the present embodiment, among the electrodes formed to face the front and back surfaces of the quartz substrate, the electrode forming portion exposed to the sample is dug down, and the dug down portion is used as a sample reservoir.
[0060]
The present embodiment can be applied when the sample to be measured is a solution, and the substrate surface is dug down leaving the edge so that the sample can be stored in the formation portions of the electrodes 21A to 21D, and the outer peripheral portion thereof is the electrode formation portion. The structure is higher than that.
[0061]
In the multi-channel QCM sensor device having the above structure, the surface exposed to the sample has a recess in the periphery of the substrate as compared to the structure of the above embodiment, but there is no uneven portion between the electrodes, The cleaning becomes easier than that of FIG.
[0062]
Moreover, the edge solution can prevent the sample solution on the substrate from flowing out around the substrate. Further, it is possible to prevent the electrode adhesive or the like adhering to the periphery of the substrate from being mixed into the sample solution or reacting.
[0063]
The structure having the sample reservoir can also be applied to the structure shown in FIG. That is, a structure in which the surface on which the common electrode 21 is formed is dug down to a depth where the sample can be stored can be obtained.
[0064]
In each of the embodiments described above, an equivalent effect can be obtained by setting the electrode side not exposed to the sample as one common electrode. For example, in the structure of FIG. 1, the back electrodes 22A to 22D are used as one common electrode. In the structure of FIG. 2, an electrode for each channel is provided on the surface exposed to the sample, and the back electrode is used as one common electrode. In the structure of FIG. 4, the back electrodes 22A to 22D can be made one common electrode.
[0065]
In the embodiment, the case of 4 channels is shown, but a multi-channel QCM sensor device such as 9 channels can be used.
[0066]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the surface of the electrode forming portion exposed to the sample has a flat structure, cleaning of the electrode forming portion exposed to the sample is surely and easily performed. Therefore, each channel can be made an independent vibrator without causing any interference, and high-precision repeated measurement is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a multi-channel QCM sensor device showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a multi-channel QCM sensor device showing another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a measurement result of frequency change in the embodiment.
FIG. 4 is a multi-channel QCM sensor device showing another embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows an example of frequency shift characteristics by a QCM sensor.
FIG. 6 shows an example of a storage device for a QCM sensor device.
FIG. 7 is a multi-channel QCM sensor device according to the present invention.
[Explanation of symbols]
10, 20 ... Quartz substrates 11A-11D, 21A-21D ... Electrodes 12A-12D, 22A-22D exposed to sample ... Back electrode 21 ... Common electrode

Claims

A plurality of electrodes are formed adjacent to the surface of the quartz substrate, a counter electrode is formed on the back surface of each electrode, and the electrode surface on one side of the quartz substrate is exposed to the sample gas or sample solution. In a multi-channel QCM sensor device that detects and quantifies sample components for each electrode from changes in main resonance frequency or impedance,
The quartz substrate has a flat surface in which the surface exposed to the sample is dug out leaving an edge, and the outer peripheral portion is higher than the electrode forming portion, and a plurality of electrodes are formed on the flat surface, and the dug flat surface A multi-channel QCM sensor device having a structure in which the surface is a sample reservoir and a structure in which a surface on which the counter electrode on the back surface is formed is dug down.

A plurality of electrodes are formed adjacent to the surface of the quartz substrate, a counter electrode is formed on the back surface of each electrode, and the electrode surface on one side of the quartz substrate is exposed to the sample gas or sample solution. In a multi-channel QCM sensor device that detects and quantifies sample components for each electrode from changes in main resonance frequency or impedance,
The quartz substrate has a flat surface in which the surface exposed to the sample is dug out leaving an edge, and the outer peripheral portion is higher than the electrode forming portion, and the flat surface thus dug is a sample reservoir. The multi-channel QCM sensor device is characterized in that it has a structure having a recessed portion in which the surface on which the counter electrode is formed is dug down, and the electrode formed on one surface is a common electrode.