JP4387602B2 - 分析装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動子の発振周波数の変化から、液体中に含まれる化合物の成分や量を測定する測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、溶液中の化学物質を検出するために、図５の符号１００に示すような分析装置が用いられている。
【０００３】
この分析装置１００は、液体中で発振可能な振動子１０６1〜１０６4を複数個有しており、各振動子１０６1〜１０６4は、測定の際には容器１２０内に納められた分析対象の液体１２１中に浸漬される。
【０００４】
各振動子１０６1〜１０６4は周波数測定装置１０５に接続されており、周波数測定装置１０５内の電子回路により、各振動子１０６1〜１０６4は、各振動子１０６1〜１０６4表面に付着した物質の量に応じた周波数で発振するようになっている。
【０００５】
各振動子１０６1〜１０６4の発振周波数は、周波数測定装置１０５によって測定され、その結果、測定した周波数から各振動子１０６1〜１０６4の表面に付着した物質の量を求めることができる。
【０００６】
この液体１２１中に例えばＤＮＡが含まれる場合には、ＤＮＡはアデニン、シトシン、グアニン、チミンの４種類の塩基によって構成されているから、アデニン、シトシン、グアニン、チミンの各１種類の塩基だけに反応する反応剤層を、それぞれ別の振動子１０６1〜１０６4の表面に形成し、液体１２１中に浸漬すると、各振動子１０６1〜１０６4の反応剤層の表面に、反応時間と各塩基の含有量に応じて反応生成物が付着し、その結果、各振動子１０６1〜１０６4の発振周波数が変化する。
【０００７】
各振動子１０６1〜１０６4の発振周波数の経時変化を個別に観察すると、液体１２１中のアデニン、シトシン、グアニン、チミンの反応剤層に対する反応速度が求まり、その結果から、各塩基の液体１２１中の含有量が分かる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術の分析装置１００では、振動子１０６1〜１０６4同士が一緒に発振するために振動子１０６1〜１０６4同士が干渉し、付着量に応じた正確な発振周波数を得ることが困難である。この干渉は周波数測定装置１０５内の電気的な干渉に起因するため、単に振動子１０６1〜１０６4を別々の容器内に配置しただけでは防止することができない。
【０００９】
また、反応の進行に伴う発振周波数の変化量は微小であるため、干渉が防止できたとしても、振動子１０６1〜１０６4の発振周波数を正確に測定することは困難である。
【００１０】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、複数の振動子の発振周波数の変化を正確に測定できる分析装置を提供することにある。
【００１１】
【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、液体中で発振可能な複数の振動子の周波数特性に応じた周波数で発振する発振回路と、所定の周波数で発振する基準周波数生成回路と、前記発振回路の発振周波数ω1の信号と、前記基準周波数生成回路の発振周波数ω2の信号とから、差の周波数(｜ω1−ω2｜) 低周波成分を含む信号を生成するミキサー回路と、前記低周波成分の信号の周波数を測定する低周波測定回路と、前記各振動子と前記発振回路との間の接続を切り換え、所望の振動子を前記発振回路に接続させるスイッチ回路と、前記発振回路の発振周波数を測定する高周波測定回路と、前記基準周波数生成回路の発振周波数ω 2 と前記高周波測定回路が測定した前記発振周波数との差の周波数｜α｜ が、所定値よりも小さくなるように前記基準周波数生成回路の発振周波数ω 2 を設定する制御回路と、を有する分析装置装置である。
請求項２記載の発明は、前記各振動子は、それぞれ異なる容器中に納められた液体中に浸漬された請求項１項記載の分析装置である。
請求項３に記載の発明は、前記複数の振動子を１個ずつ前記発振回路に繰り返し接続し、接続された前記振動子の周波数特性に応じた周波数で前記発振回路を発振させ、前記各振動子の周波数特性の時間変化を測定するように構成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の分析装置である。
請求項４記載の発明は、前記複数の振動子を１個ずつ前記発振回路に繰り返し接続し、接続された前記振動子の周波数特性に応じた周波数で前記発振回路を発振させ、前記各振動子の周波数特性の時間変化を測定するように構成され、前記各振動子を前記発振回路に接続する毎に、前記高周波測定回路で前記発振回路の発振周波数を測定し、前記高周波測定回路の測定結果に基づいて前記基準周波数生成回路の発振周波数を設定し、前記低周波測定回路で、前記低周波成分の周波数(｜ω1−ω2｜)を測定するように構成された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の分析装置である。
【００１２】
本発明は上記のように構成されており、周波数ω1の信号とその周波数ω1に近接した周波数ω2の基準信号との差の周波数(｜ω1−ω2｜)を生成し、その差の周波数(ω1−ω2)を測定するようになっている(差の周波数(｜ω1−ω2｜)は、元の信号よりも低周波であり、ビート信号と呼ばれている。)。
【００１３】
液体中に浸漬された振動子は、表面に付着する物質の量によって周波数特性が変化するが、その変化量は僅かである。上記のように、既知の周波数の信号との差の周波数の信号を生成し、その信号の周波数を測定するようにすると、変化量を正確に求めることができる。
【００１４】
この場合、測定対象の振動子の発振周波数は、反応時間に応じて変化するため、基準信号の周波数ω2も変化させる必要がある。
【００１５】
本発明の分析装置では、振動子の周波数を直接測定し、振動子の実際の発振周波数ω1に近く、且つ、振動子の実際の発振周波数ω1に対して大小関係が明らかな周波数ω2で基準周波数生成回路を発振させ、差の周波数(｜ω1−ω2｜)の信号を生成しているので、振動子の発振周波数が変化しても、差の周波数(｜ω1−ω2｜)の大きさを所定範囲内に納めることができる。
【００１６】
また、複数の振動子を別々の容器内に配置し、１個の発振回路を順番に各振動子に接続して、各振動子の発振周波数を求めている。従って、二個以上の振動子が一緒に発振する期間が無く、振動子間の干渉が起こらない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の測定方法及び測定装置を図面を用いて説明する。
図１を参照し、符号３は本発明の分析装置を示している。この分析装置３は、スイッチ回路５と、発振回路４と、測定回路１０と、制御回路１８とを有している。
【００１８】
分析装置３の各回路５、４、１０、１８が納められた筺体の外部には、複数の容器２０1〜２０4(ここでは４個)が配置されており、各容器２０1〜２０4内には、液体２１1〜２１4がそれぞれ納められている。この液体２１1〜２１4には、検出対象の一種類又は複数種類の化合物が溶解されている。
【００１９】
各液体２１1〜２１4中には、それぞれ振動子６1〜６4が１個ずつ浸漬されている。この振動子６1〜６4の断面図を、図３(ａ)に示す。
【００２０】
各振動子６1〜６4は、水晶板３４と、第１、第２の電極膜３１、３２と、反応剤層３５と、ケース３６とを有している。
【００２１】
第１、第２の電極膜３１、３２は、互いに電気的に絶縁された状態で、水晶板３４の表面側と裏面側にそれぞれ形成されており、水晶板３４の中央位置の部分にだけ、水晶板３４を挟んで向かい合わせに配置されている。
【００２２】
反応剤層３５は、第１の電極の表面の水晶板３４の中央位置の部分に配置されており、水晶板３４と第１、第２の電極膜３１、３２と、反応剤層３５とで、振動子本体３０が構成されている。
【００２３】
この水晶子本体３０は、第１の電極膜３１側の面を外部空間に露出させた状態で、ケース３６の開口部分に配置されている。
【００２４】
ケース３６の底面は、第２の電極膜３２とは非接触の状態で向かい合っており、ケース３６の開口部の周囲は、水晶振動子本体３０の表面に密着されている。従って、ケース３６底面と第２の電極膜３２との間で形成される空間は、ケース３６の外部から密閉されてる。
【００２５】
第２の電極膜３２の一部は、水晶板３４の表面側にまで回り込んでいるが、この部分もケース３６の内部に納められている。従って、第２の電極膜３２はケース３６の外部には露出していない。
【００２６】
ケース３６には、絶縁被覆を有する配線２３、２４が水密に挿入されており、各配線２３、２４の導線部分は、第１、第２の電極膜３１、３２に接続されている。
【００２７】
従って、振動子６1〜６4を液体２１1〜２１4中に浸漬した場合は、液体２１1〜２１4と第１の電極膜３１及び反応剤層３５は接触するのに対し、第２の電極膜３２や配線２３、２４内部の導線は液体には接触しないため、液体によって、第１、第２の電極膜３１、３２間が短絡することはなく、第１、第２の電極膜３１、３２間に電圧を印加できるようになっている。
【００２８】
なお、振動子６1〜６4の構成は、上述の構造に限定されるものではない。例えば、図３(ｃ)の符号６1'〜６4'に示すような構造でもよい。
【００２９】
この振動子６1'〜６4'は液体２１1〜２１4中に露出する第１の電極３１の一部が水晶板３４の裏面側に回り込んでおり、裏面側に位置する第２の電極３２は、表面側には回り込んでいない。振動子６1〜６4、６1'〜６4'は、ケース３６と第１、第２の電極３１、３２又は水晶板３４と密着する部分が劣化しやすい。その部分は、図３(ｃ)の矢示の部分である。振動子６1'〜６4'は、上記構造の振動子６1〜６4よりも劣化しにくく、耐久性が高い。
【００３０】
上記のような各振動子６1〜６4、６1'〜６4'は、反応剤層３５の種類を変えることにより、色々な種類の化合物を検出できるようになっている。
【００３１】
ここで、複数の振動子６1〜６4(又は振動子６1'〜６4'：以下符号６1'〜６4'で示した振動子に関する説明は省略する。)を用い、同じ液体に含まれている異なる化合物の量を検出する場合には、各容器２０1〜２０4内に、それぞれ同じ液体２１1〜２１4を配置し、検出対象の化合物に応じた反応剤層３５を有する振動子６1〜６4を、各液体２１1〜２１4内に浸漬させる。
【００３２】
他方、異なる液体２１1〜２１4内に含まれる同種類の化合物の量を検出場合には、各容器２０1〜２０4内に、検査対象の液体２１1〜２１4をそれぞれ配置し、同種類の反応剤層３５を有する振動子６1〜６4を、それぞれ各液体２１1〜２１4内に浸漬させる。
【００３３】
スイッチ回路５内には、少なくとも振動子６1〜６4の個数と同じ数のスイッチ素子５1〜５4が配置されている。
【００３４】
各振動子６1〜６4の第１、第２の電極膜３１、３２に接続された配線２３、２４は、図１に示すように、一方が、同じ共通線２５に接続され、他方がそれぞれスイッチ素子５1〜５4の一端に接続されている。符号２６は、振動子６1〜６4とスイッチ素子５1〜５4とを接続する複数の配線を示している。
【００３５】
各スイッチ回路５1〜５4の他端は互いに接続されており、その互いに接続された部分と共通線２５は、後段の発振回路４内に導入されている。
【００３６】
発振回路４は、インバータ素子４５と、該インバータ素子４５の帰還抵抗４１と、インバータ素子４５の入力端子と出力端子とをそれぞれ接地電位に接続させるコンデンサ４３、４４とを有しており、インバータ素子４５の出力端子は、バッファ素子４６を介して、後段の測定回路１０に接続されている。符号４２は、発振止めの抵抗素子であり、インバータ素子４５の出力端子と、その出力端子を接地電位に接続させるコンデンサ４４の高電圧側の端子の間に挿入されている。
【００３７】
上記の共通線２５と、スイッチ素子５1〜５4の共通に接続された端子とは、それぞれコンデンサ４３、４４の高電圧側の端子に接続されており、スイッチ素子５1〜５4のいずれか１個を閉成状態にすると、２個のコンデンサ４３、４４の間が、複数の振動子６1〜６4のいずれか一個によって接続されるようになっている。
【００３８】
図４は、１個の振動子６によってコンデンサ４３、４４間が接続された状態の等価回路を示している。
【００３９】
この等価回路から分かるように、インバータ素子４５に電力が供給されると、２個のコンデンサ４３、４４が充電され、第１、第２の電極膜３１、３２間に電圧が印加される。この状態では、インバータ素子４５は、振動子６のリアクタンス成分とコンデンサ４３、４４のキャパシタンス成分の大きさに従った周波数で発振し、バッファ素子４６を介して、測定回路１０にその周波数の信号を出力する。
【００４０】
測定回路１０は、ミキサー回路１３と、ローパスフィルタ１４と、基準周波数生成回路１２と、高周波測定回路(カウンター)１１と、低周波測定回路１５とを有している。発振回路４のバッファ素子４６から出力された信号は、高周波測定回路１１に入力され、先ず、発振回路４の発振周波数の概略値が測定される。
【００４１】
高周波測定回路１１で測定された周波数の概略値は制御回路１８に出力され、制御回路１８は基準周波数生成回路１２を制御し、測定した概略値に近い周波数の基準周波数で基準周波数生成回路１２を発振させる。
【００４２】
この基準周波数で発振した周波数の信号と、発振回路４から出力される信号とはミキサー回路１３に入力される。
【００４３】
ミキサー回路１３は、入力された２種類の信号をミックスし、ローパスフィルタ１４を介して低周波測定回路１５に出力する。ここで、発振回路４から入力される信号をｃｏｓ((ω＋α)ｔ)とし、基準周波数生成回路１２から入力される信号をｃｏｓ(ωｔ)とすると(ｔは時間を表す。)、ミキサー回路１３内でｃｏｓ(ωｔ)・ｃｏｓ((ω＋α)ｔ)なる式で表される交流信号が生成される。
【００４４】
この式は、ｃｏｓ(ωｔ)とｃｏｓ((ω＋α)ｔ)を乗算した形式になっており、この式で表される交流信号は、三角関数の性質に従うと、ｃｏｓ((２・ω＋α)ｔ)で表される高周波成分の信号と、ｃｏｓ(αｔ)で表される低周波成分の信号の和に等しい。
【００４５】
ミキサー回路１３内で生成された信号は、ローパスフィルタ１４に入力され、高周波成分の信号ｃｏｓ((２・ω＋α)ｔ)が除去され、低周波測定回路１５に低周波成分の信号ｃｏｓ(αｔ)だけが入力される。即ち、低周波測定回路１５には、発振回路４の信号ｃｏｓ((ω＋α)ｔ)と、基準周波数生成回路１２の信号ｃｏｓ(ωｔ)の差の周波数｜α｜の低周波成分の信号が入力される。
【００４６】
低周波測定回路１５は、この低周波成分の信号の周波数を測定し、その値と基準周波数生成回路１２の出力信号の周波数とから、発振回路４が出力する信号の周波数が求められる。具体的には、基準周波数生成回路１２の出力信号の周波数が、発振回路４の出力信号の周波数よりも小さい場合には、発振回路４の出力信号に低周波成分の信号の周波数を加算し、逆の場合には減算する。
【００４７】
例えば、高周波測定回路１１による発振回路４の発振周波数の測定値が５ＭＨｚを超えており、基準周波数生成回路１２を５ＭＨｚの周波数で発振させた場合には、基準周波数生成回路１２の発振周波数は、発振回路４の実際の発振周波数よりも低くなる。従って、実際の発振回路４の発振周波数を求めるためには、低周波測定回路１５で求めた低周波成分の信号の周波数｜α｜を、基準周波数生成回路１２の設定周波数５ＭＨｚに加算すればよい。低周波成分の周波数｜α｜が１０ｋＨｚであれば、発振回路４の正確な発振周波数は５．０１ＭＨｚとなる。
【００４８】
低周波測定回路１２の分解能には上限があるが、その分解能は、差の周波数｜α｜を測定するために割り当てることができるから、同じ分解能で発振回路４の発振周波数を測定する場合に比べ、正確な周波数測定を行うことができる。
【００４９】
また、基準周波数生成回路１２の発振周波数は制御回路１８によって制御されており、その発振周波数を、差の周波数｜α｜が所定値よりも小さくなるように設定できるから、低周波測定回路１２の分解能を有効に活用することができる。求めた周波数の値は制御回路１８内に記憶される。
【００５０】
以上のように、スイッチ回路５内のスイッチ素子５1〜５4により、１個の振動子６を発振回路４に接続し、その振動子６に関する発振回路４の発振周波数を測定したら、スイッチ素子５1〜５4を切り換え、別の振動子６を発振回路４に接続し、上記と同じ手順で低周波成分の周波数を求め、その周波数と基準周波数生成回路１２の発振周波数とから、発振回路４に接続された振動子６に関する発振周波数を求める。
【００５１】
各振動子６1〜６4が液体２１1〜２１4に浸漬されている状態では、各振動子６1〜６4の反応剤層３５の種類に対応する化合物が反応剤層３５表面に反応し、反応時間に応じて反応剤層３５の付着物の量が増減する。
【００５２】
反応剤層３５の付着物の量と各振動子６1〜６4の発振周波数との間には相関関係があるので、複数の振動子６1〜６4に対して発振周波数の測定を繰り返し行い、経時時間に対する各振動子６1〜６4の発振周波数変化を記録すると、反応速度を求めることができる。
【００５３】
例えば、各振動子６1〜６4を添字の番号順に測定し、最後の振動子６4の発振周波数を測定した後、最初の振動子６1の発振周波数の測定に戻り、反応が終了するか、所定時間が経過するまで測定を継続する。
【００５４】
図２は、上記測定手順を説明するためのタイミングチャートである。Ｔ1〜Ｔ4は、振動子６1〜６4の測定タイミングを示すグラフであり、各グラフＴ1〜Ｔ4を構成する線分の立ち上りが測定開始を示し、下降が測定終了を示している。各振動子６1〜６4の測定時間のうち、符号ｔ1は高周波測定回路１１を用いた発振周波数の概略値の測定時間を示しており、符号ｔ2は低周波測定回路１５を用いた低周波成分の周波数の測定時間を示している。符号ｔ3は、高周波測定から低周波測定に切り替わる時間を示している。
【００５５】
また、符号ｔ4は各振動子６1〜６4を測定する期間の間の間隔であり、スイッチ素子５1〜５4を切り換える時間も含まれている。符号ｔ5は、振動子６1〜６4の測定が一巡した後、最初に測定した振動子６1に測定順序を戻す時間である。
【００５６】
本発明の分析装置３では、上述したように、各振動子６1〜６4を順番に発振回路４に接続するため、各振動子６1〜６4は、発振回路４に接続されていないときには、第１、第２の電極膜３１、３２には電圧は印加されず、発振しない。
【００５７】
即ち、本発明の分析装置３では、各振動子６1〜６4は間欠的に発振するように構成されている。
【００５８】
振動子６1〜６4を液体中に浸漬して発振させた場合、反応剤層３５表面の付着量に変化が無くても、発振開始後、時間の経過に伴って発振周波数が変化することが確認されている(ドリフト現象)。
【００５９】
本発明の分析装置３では、発振開始から時間ｔ1＋ｔ3＋ｔ2の間だけ振動子６1〜６4が発振しており、発振開始から時間ｔ1＋ｔ3が経過する毎に低周波成分を測定するようになっている。従って、各振動子６1〜６4は連続的には発振せず、また、発振開始から一定時間経過する毎に、各振動子６1〜６4の周波数を測定するので、ドリフト現象の影響を受けずに、振動子６1〜６4の発振周波数変化を正確に測定することができる。
【００６０】
測定に要する時間ｔ1＋ｔ3＋ｔ2は数ミリ秒〜数十秒であり、各振動子６1〜６4の１個当たりの測定周期は、０．１秒〜数十秒である。また、時間ｔ4と時間ｔ5は、各々数μ秒〜数十ミリ秒である。発振周波数の変化は、継続して１時間以上測定するため、時間ｔ1〜ｔ5の大きさが振動子６1〜６4毎に異なっていたり、時間ｔ1〜ｔ5を変更しても、ドリフト現象の影響は無視できる。
【００６１】
なお、上記測定手順では、ミキサー回路１３から出力された信号の低周波成分の周波数を測定する前に、各振動子６1〜６4毎に周波数の概略値を測定し直しており、基準周波数生成回路１２の発振周波数と、発振回路４の発振周波数の大小関係は予め分かっている。
【００６２】
基準周波数生成回路１２の発振周波数を、発振回路４の発振周波数よりも小さく設定した場合には、発振回路４の発振周波数に低周波成分の信号の周波数を加算すれば、発振回路４の発振周波数を求めることができ、逆に、基準周波数生成回路１２の発振周波数を発振回路４の発振周波数よりも大きく設定した場合には、基準周波数生成回路１２の発振周波数から低周波成分の信号の周波数を減算すれば、発振回路４の発振周波数を求めることができる。
【００６３】
なお、振動子６1〜６4上の反応剤層３５の反応の進行に従って、発振回路４の発振周波数が単調に変化する場合であって、周波数が低下するか、又は増加するかが予め分かっている場合には、高周波測定回路１１によって発振回路４の発振周波数を測定せず、基準周波数生成回路１２の発振周波数を、前回の測定で求めた発振周波数に設定すると、基準周波数生成回路１２の発振周波数と発振回路４の発振周波数の大小関係は定まるから、差分の低周波成分の周波数を求め、加算又は減算により、発振回路４の発振周波数を求めることができる。
【００６４】
【発明の効果】
複数の振動子の発振周波数の変化を正確に測定できるので、分析精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の分析装置を説明するための図
【図２】その分析装置の測定手順を示すタイミングチャート
【図３】(ａ)：本発明の分析装置に用いられる振動子の断面図 (ｂ)：その振動子のケースを除いた状態の平面図 (ｃ)：本発明の分析装置に用いることができる他の振動子の例の断面図
【図４】発振回路と振動子の接続状態を説明するための回路図
【図５】従来技術の分析装置
【符号の説明】
４……発振回路
５……スイッチ回路
６1〜６4、６1'〜６4'……振動子
１２……基準周波数生成回路
１１……高周波測定回路
１３……ミキサー回路
１４……ローパスフィルタ
１５……低周波測定回路
２０1〜２０4……容器
２１1〜２１4……液体
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動子の発振周波数の変化から、液体中に含まれる化合物の成分や量を測定する測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、溶液中の化学物質を検出するために、図５の符号１００に示すような分析装置が用いられている。
【０００３】
この分析装置１００は、液体中で発振可能な振動子１０６1〜１０６4を複数個有しており、各振動子１０６1〜１０６4は、測定の際には容器１２０内に納められた分析対象の液体１２１中に浸漬される。
【０００４】
各振動子１０６1〜１０６4は周波数測定装置１０５に接続されており、周波数測定装置１０５内の電子回路により、各振動子１０６1〜１０６4は、各振動子１０６1〜１０６4表面に付着した物質の量に応じた周波数で発振するようになっている。
【０００５】
各振動子１０６1〜１０６4の発振周波数は、周波数測定装置１０５によって測定され、その結果、測定した周波数から各振動子１０６1〜１０６4の表面に付着した物質の量を求めることができる。
【０００６】
この液体１２１中に例えばＤＮＡが含まれる場合には、ＤＮＡはアデニン、シトシン、グアニン、チミンの４種類の塩基によって構成されているから、アデニン、シトシン、グアニン、チミンの各１種類の塩基だけに反応する反応剤層を、それぞれ別の振動子１０６1〜１０６4の表面に形成し、液体１２１中に浸漬すると、各振動子１０６1〜１０６4の反応剤層の表面に、反応時間と各塩基の含有量に応じて反応生成物が付着し、その結果、各振動子１０６1〜１０６4の発振周波数が変化する。
【０００７】
各振動子１０６1〜１０６4の発振周波数の経時変化を個別に観察すると、液体１２１中のアデニン、シトシン、グアニン、チミンの反応剤層に対する反応速度が求まり、その結果から、各塩基の液体１２１中の含有量が分かる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術の分析装置１００では、振動子１０６1〜１０６4同士が一緒に発振するために振動子１０６1〜１０６4同士が干渉し、付着量に応じた正確な発振周波数を得ることが困難である。この干渉は周波数測定装置１０５内の電気的な干渉に起因するため、単に振動子１０６1〜１０６4を別々の容器内に配置しただけでは防止することができない。
【０００９】
また、反応の進行に伴う発振周波数の変化量は微小であるため、干渉が防止できたとしても、振動子１０６1〜１０６4の発振周波数を正確に測定することは困難である。
【００１０】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、複数の振動子の発振周波数の変化を正確に測定できる分析装置を提供することにある。
【００１１】
【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、液体中で発振可能な複数の振動子の周波数特性に応じた周波数で発振する発振回路と、所定の周波数で発振する基準周波数生成回路と、前記発振回路の発振周波数ω1の信号と、前記基準周波数生成回路の発振周波数ω2の信号とから、差の周波数(｜ω1−ω2｜) 低周波成分を含む信号を生成するミキサー回路と、前記低周波成分の信号の周波数を測定する低周波測定回路と、前記各振動子と前記発振回路との間の接続を切り換え、所望の振動子を前記発振回路に接続させるスイッチ回路と、前記発振回路の発振周波数を測定する高周波測定回路と、前記基準周波数生成回路の発振周波数ω 2 と前記高周波測定回路が測定した前記発振周波数との差の周波数｜α｜ が、所定値よりも小さくなるように前記基準周波数生成回路の発振周波数ω 2 を設定する制御回路と、を有する分析装置装置である。
請求項２記載の発明は、前記各振動子は、それぞれ異なる容器中に納められた液体中に浸漬された請求項１項記載の分析装置である。
請求項３に記載の発明は、前記複数の振動子を１個ずつ前記発振回路に繰り返し接続し、接続された前記振動子の周波数特性に応じた周波数で前記発振回路を発振させ、前記各振動子の周波数特性の時間変化を測定するように構成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の分析装置である。
請求項４記載の発明は、前記複数の振動子を１個ずつ前記発振回路に繰り返し接続し、接続された前記振動子の周波数特性に応じた周波数で前記発振回路を発振させ、前記各振動子の周波数特性の時間変化を測定するように構成され、前記各振動子を前記発振回路に接続する毎に、前記高周波測定回路で前記発振回路の発振周波数を測定し、前記高周波測定回路の測定結果に基づいて前記基準周波数生成回路の発振周波数を設定し、前記低周波測定回路で、前記低周波成分の周波数(｜ω1−ω2｜)を測定するように構成された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の分析装置である。
【００１２】
本発明は上記のように構成されており、周波数ω1の信号とその周波数ω1に近接した周波数ω2の基準信号との差の周波数(｜ω1−ω2｜)を生成し、その差の周波数(ω1−ω2)を測定するようになっている(差の周波数(｜ω1−ω2｜)は、元の信号よりも低周波であり、ビート信号と呼ばれている。)。
【００１３】
液体中に浸漬された振動子は、表面に付着する物質の量によって周波数特性が変化するが、その変化量は僅かである。上記のように、既知の周波数の信号との差の周波数の信号を生成し、その信号の周波数を測定するようにすると、変化量を正確に求めることができる。
【００１４】
この場合、測定対象の振動子の発振周波数は、反応時間に応じて変化するため、基準信号の周波数ω2も変化させる必要がある。
【００１５】
本発明の分析装置では、振動子の周波数を直接測定し、振動子の実際の発振周波数ω1に近く、且つ、振動子の実際の発振周波数ω1に対して大小関係が明らかな周波数ω2で基準周波数生成回路を発振させ、差の周波数(｜ω1−ω2｜)の信号を生成しているので、振動子の発振周波数が変化しても、差の周波数(｜ω1−ω2｜)の大きさを所定範囲内に納めることができる。
【００１６】
また、複数の振動子を別々の容器内に配置し、１個の発振回路を順番に各振動子に接続して、各振動子の発振周波数を求めている。従って、二個以上の振動子が一緒に発振する期間が無く、振動子間の干渉が起こらない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の測定方法及び測定装置を図面を用いて説明する。
図１を参照し、符号３は本発明の分析装置を示している。この分析装置３は、スイッチ回路５と、発振回路４と、測定回路１０と、制御回路１８とを有している。
【００１８】
分析装置３の各回路５、４、１０、１８が納められた筺体の外部には、複数の容器２０1〜２０4(ここでは４個)が配置されており、各容器２０1〜２０4内には、液体２１1〜２１4がそれぞれ納められている。この液体２１1〜２１4には、検出対象の一種類又は複数種類の化合物が溶解されている。
【００１９】
各液体２１1〜２１4中には、それぞれ振動子６1〜６4が１個ずつ浸漬されている。この振動子６1〜６4の断面図を、図３(ａ)に示す。
【００２０】
各振動子６1〜６4は、水晶板３４と、第１、第２の電極膜３１、３２と、反応剤層３５と、ケース３６とを有している。
【００２１】
第１、第２の電極膜３１、３２は、互いに電気的に絶縁された状態で、水晶板３４の表面側と裏面側にそれぞれ形成されており、水晶板３４の中央位置の部分にだけ、水晶板３４を挟んで向かい合わせに配置されている。
【００２２】
反応剤層３５は、第１の電極の表面の水晶板３４の中央位置の部分に配置されており、水晶板３４と第１、第２の電極膜３１、３２と、反応剤層３５とで、振動子本体３０が構成されている。
【００２３】
この水晶子本体３０は、第１の電極膜３１側の面を外部空間に露出させた状態で、ケース３６の開口部分に配置されている。
【００２４】
ケース３６の底面は、第２の電極膜３２とは非接触の状態で向かい合っており、ケース３６の開口部の周囲は、水晶振動子本体３０の表面に密着されている。従って、ケース３６底面と第２の電極膜３２との間で形成される空間は、ケース３６の外部から密閉されてる。
【００２５】
第２の電極膜３２の一部は、水晶板３４の表面側にまで回り込んでいるが、この部分もケース３６の内部に納められている。従って、第２の電極膜３２はケース３６の外部には露出していない。
【００２６】
ケース３６には、絶縁被覆を有する配線２３、２４が水密に挿入されており、各配線２３、２４の導線部分は、第１、第２の電極膜３１、３２に接続されている。
【００２７】
従って、振動子６1〜６4を液体２１1〜２１4中に浸漬した場合は、液体２１1〜２１4と第１の電極膜３１及び反応剤層３５は接触するのに対し、第２の電極膜３２や配線２３、２４内部の導線は液体には接触しないため、液体によって、第１、第２の電極膜３１、３２間が短絡することはなく、第１、第２の電極膜３１、３２間に電圧を印加できるようになっている。
【００２８】
なお、振動子６1〜６4の構成は、上述の構造に限定されるものではない。例えば、図３(ｃ)の符号６1'〜６4'に示すような構造でもよい。
【００２９】
この振動子６1'〜６4'は液体２１1〜２１4中に露出する第１の電極３１の一部が水晶板３４の裏面側に回り込んでおり、裏面側に位置する第２の電極３２は、表面側には回り込んでいない。振動子６1〜６4、６1'〜６4'は、ケース３６と第１、第２の電極３１、３２又は水晶板３４と密着する部分が劣化しやすい。その部分は、図３(ｃ)の矢示の部分である。振動子６1'〜６4'は、上記構造の振動子６1〜６4よりも劣化しにくく、耐久性が高い。
【００３０】
上記のような各振動子６1〜６4、６1'〜６4'は、反応剤層３５の種類を変えることにより、色々な種類の化合物を検出できるようになっている。
【００３１】
ここで、複数の振動子６1〜６4(又は振動子６1'〜６4'：以下符号６1'〜６4'で示した振動子に関する説明は省略する。)を用い、同じ液体に含まれている異なる化合物の量を検出する場合には、各容器２０1〜２０4内に、それぞれ同じ液体２１1〜２１4を配置し、検出対象の化合物に応じた反応剤層３５を有する振動子６1〜６4を、各液体２１1〜２１4内に浸漬させる。
【００３２】
他方、異なる液体２１1〜２１4内に含まれる同種類の化合物の量を検出場合には、各容器２０1〜２０4内に、検査対象の液体２１1〜２１4をそれぞれ配置し、同種類の反応剤層３５を有する振動子６1〜６4を、それぞれ各液体２１1〜２１4内に浸漬させる。
【００３３】
スイッチ回路５内には、少なくとも振動子６1〜６4の個数と同じ数のスイッチ素子５1〜５4が配置されている。
【００３４】
各振動子６1〜６4の第１、第２の電極膜３１、３２に接続された配線２３、２４は、図１に示すように、一方が、同じ共通線２５に接続され、他方がそれぞれスイッチ素子５1〜５4の一端に接続されている。符号２６は、振動子６1〜６4とスイッチ素子５1〜５4とを接続する複数の配線を示している。
【００３５】
各スイッチ回路５1〜５4の他端は互いに接続されており、その互いに接続された部分と共通線２５は、後段の発振回路４内に導入されている。
【００３６】
発振回路４は、インバータ素子４５と、該インバータ素子４５の帰還抵抗４１と、インバータ素子４５の入力端子と出力端子とをそれぞれ接地電位に接続させるコンデンサ４３、４４とを有しており、インバータ素子４５の出力端子は、バッファ素子４６を介して、後段の測定回路１０に接続されている。符号４２は、発振止めの抵抗素子であり、インバータ素子４５の出力端子と、その出力端子を接地電位に接続させるコンデンサ４４の高電圧側の端子の間に挿入されている。
【００３７】
上記の共通線２５と、スイッチ素子５1〜５4の共通に接続された端子とは、それぞれコンデンサ４３、４４の高電圧側の端子に接続されており、スイッチ素子５1〜５4のいずれか１個を閉成状態にすると、２個のコンデンサ４３、４４の間が、複数の振動子６1〜６4のいずれか一個によって接続されるようになっている。
【００３８】
図４は、１個の振動子６によってコンデンサ４３、４４間が接続された状態の等価回路を示している。
【００３９】
この等価回路から分かるように、インバータ素子４５に電力が供給されると、２個のコンデンサ４３、４４が充電され、第１、第２の電極膜３１、３２間に電圧が印加される。この状態では、インバータ素子４５は、振動子６のリアクタンス成分とコンデンサ４３、４４のキャパシタンス成分の大きさに従った周波数で発振し、バッファ素子４６を介して、測定回路１０にその周波数の信号を出力する。
【００４０】
測定回路１０は、ミキサー回路１３と、ローパスフィルタ１４と、基準周波数生成回路１２と、高周波測定回路(カウンター)１１と、低周波測定回路１５とを有している。発振回路４のバッファ素子４６から出力された信号は、高周波測定回路１１に入力され、先ず、発振回路４の発振周波数の概略値が測定される。
【００４１】
高周波測定回路１１で測定された周波数の概略値は制御回路１８に出力され、制御回路１８は基準周波数生成回路１２を制御し、測定した概略値に近い周波数の基準周波数で基準周波数生成回路１２を発振させる。
【００４２】
この基準周波数で発振した周波数の信号と、発振回路４から出力される信号とはミキサー回路１３に入力される。
【００４３】
ミキサー回路１３は、入力された２種類の信号をミックスし、ローパスフィルタ１４を介して低周波測定回路１５に出力する。ここで、発振回路４から入力される信号をｃｏｓ((ω＋α)ｔ)とし、基準周波数生成回路１２から入力される信号をｃｏｓ(ωｔ)とすると(ｔは時間を表す。)、ミキサー回路１３内でｃｏｓ(ωｔ)・ｃｏｓ((ω＋α)ｔ)なる式で表される交流信号が生成される。
【００４４】
この式は、ｃｏｓ(ωｔ)とｃｏｓ((ω＋α)ｔ)を乗算した形式になっており、この式で表される交流信号は、三角関数の性質に従うと、ｃｏｓ((２・ω＋α)ｔ)で表される高周波成分の信号と、ｃｏｓ(αｔ)で表される低周波成分の信号の和に等しい。
【００４５】
ミキサー回路１３内で生成された信号は、ローパスフィルタ１４に入力され、高周波成分の信号ｃｏｓ((２・ω＋α)ｔ)が除去され、低周波測定回路１５に低周波成分の信号ｃｏｓ(αｔ)だけが入力される。即ち、低周波測定回路１５には、発振回路４の信号ｃｏｓ((ω＋α)ｔ)と、基準周波数生成回路１２の信号ｃｏｓ(ωｔ)の差の周波数｜α｜の低周波成分の信号が入力される。
【００４６】
低周波測定回路１５は、この低周波成分の信号の周波数を測定し、その値と基準周波数生成回路１２の出力信号の周波数とから、発振回路４が出力する信号の周波数が求められる。具体的には、基準周波数生成回路１２の出力信号の周波数が、発振回路４の出力信号の周波数よりも小さい場合には、発振回路４の出力信号に低周波成分の信号の周波数を加算し、逆の場合には減算する。
【００４７】
例えば、高周波測定回路１１による発振回路４の発振周波数の測定値が５ＭＨｚを超えており、基準周波数生成回路１２を５ＭＨｚの周波数で発振させた場合には、基準周波数生成回路１２の発振周波数は、発振回路４の実際の発振周波数よりも低くなる。従って、実際の発振回路４の発振周波数を求めるためには、低周波測定回路１５で求めた低周波成分の信号の周波数｜α｜を、基準周波数生成回路１２の設定周波数５ＭＨｚに加算すればよい。低周波成分の周波数｜α｜が１０ｋＨｚであれば、発振回路４の正確な発振周波数は５．０１ＭＨｚとなる。
【００４８】
低周波測定回路１２の分解能には上限があるが、その分解能は、差の周波数｜α｜を測定するために割り当てることができるから、同じ分解能で発振回路４の発振周波数を測定する場合に比べ、正確な周波数測定を行うことができる。
【００４９】
また、基準周波数生成回路１２の発振周波数は制御回路１８によって制御されており、その発振周波数を、差の周波数｜α｜が所定値よりも小さくなるように設定できるから、低周波測定回路１２の分解能を有効に活用することができる。求めた周波数の値は制御回路１８内に記憶される。
【００５０】
以上のように、スイッチ回路５内のスイッチ素子５1〜５4により、１個の振動子６を発振回路４に接続し、その振動子６に関する発振回路４の発振周波数を測定したら、スイッチ素子５1〜５4を切り換え、別の振動子６を発振回路４に接続し、上記と同じ手順で低周波成分の周波数を求め、その周波数と基準周波数生成回路１２の発振周波数とから、発振回路４に接続された振動子６に関する発振周波数を求める。
【００５１】
各振動子６1〜６4が液体２１1〜２１4に浸漬されている状態では、各振動子６1〜６4の反応剤層３５の種類に対応する化合物が反応剤層３５表面に反応し、反応時間に応じて反応剤層３５の付着物の量が増減する。
【００５２】
反応剤層３５の付着物の量と各振動子６1〜６4の発振周波数との間には相関関係があるので、複数の振動子６1〜６4に対して発振周波数の測定を繰り返し行い、経時時間に対する各振動子６1〜６4の発振周波数変化を記録すると、反応速度を求めることができる。
【００５３】
例えば、各振動子６1〜６4を添字の番号順に測定し、最後の振動子６4の発振周波数を測定した後、最初の振動子６1の発振周波数の測定に戻り、反応が終了するか、所定時間が経過するまで測定を継続する。
【００５４】
図２は、上記測定手順を説明するためのタイミングチャートである。Ｔ1〜Ｔ4は、振動子６1〜６4の測定タイミングを示すグラフであり、各グラフＴ1〜Ｔ4を構成する線分の立ち上りが測定開始を示し、下降が測定終了を示している。各振動子６1〜６4の測定時間のうち、符号ｔ1は高周波測定回路１１を用いた発振周波数の概略値の測定時間を示しており、符号ｔ2は低周波測定回路１５を用いた低周波成分の周波数の測定時間を示している。符号ｔ3は、高周波測定から低周波測定に切り替わる時間を示している。
【００５５】
また、符号ｔ4は各振動子６1〜６4を測定する期間の間の間隔であり、スイッチ素子５1〜５4を切り換える時間も含まれている。符号ｔ5は、振動子６1〜６4の測定が一巡した後、最初に測定した振動子６1に測定順序を戻す時間である。
【００５６】
本発明の分析装置３では、上述したように、各振動子６1〜６4を順番に発振回路４に接続するため、各振動子６1〜６4は、発振回路４に接続されていないときには、第１、第２の電極膜３１、３２には電圧は印加されず、発振しない。
【００５７】
即ち、本発明の分析装置３では、各振動子６1〜６4は間欠的に発振するように構成されている。
【００５８】
振動子６1〜６4を液体中に浸漬して発振させた場合、反応剤層３５表面の付着量に変化が無くても、発振開始後、時間の経過に伴って発振周波数が変化することが確認されている(ドリフト現象)。
【００５９】
本発明の分析装置３では、発振開始から時間ｔ1＋ｔ3＋ｔ2の間だけ振動子６1〜６4が発振しており、発振開始から時間ｔ1＋ｔ3が経過する毎に低周波成分を測定するようになっている。従って、各振動子６1〜６4は連続的には発振せず、また、発振開始から一定時間経過する毎に、各振動子６1〜６4の周波数を測定するので、ドリフト現象の影響を受けずに、振動子６1〜６4の発振周波数変化を正確に測定することができる。
【００６０】
測定に要する時間ｔ1＋ｔ3＋ｔ2は数ミリ秒〜数十秒であり、各振動子６1〜６4の１個当たりの測定周期は、０．１秒〜数十秒である。また、時間ｔ4と時間ｔ5は、各々数μ秒〜数十ミリ秒である。発振周波数の変化は、継続して１時間以上測定するため、時間ｔ1〜ｔ5の大きさが振動子６1〜６4毎に異なっていたり、時間ｔ1〜ｔ5を変更しても、ドリフト現象の影響は無視できる。
【００６１】
なお、上記測定手順では、ミキサー回路１３から出力された信号の低周波成分の周波数を測定する前に、各振動子６1〜６4毎に周波数の概略値を測定し直しており、基準周波数生成回路１２の発振周波数と、発振回路４の発振周波数の大小関係は予め分かっている。
【００６２】
基準周波数生成回路１２の発振周波数を、発振回路４の発振周波数よりも小さく設定した場合には、発振回路４の発振周波数に低周波成分の信号の周波数を加算すれば、発振回路４の発振周波数を求めることができ、逆に、基準周波数生成回路１２の発振周波数を発振回路４の発振周波数よりも大きく設定した場合には、基準周波数生成回路１２の発振周波数から低周波成分の信号の周波数を減算すれば、発振回路４の発振周波数を求めることができる。
【００６３】
なお、振動子６1〜６4上の反応剤層３５の反応の進行に従って、発振回路４の発振周波数が単調に変化する場合であって、周波数が低下するか、又は増加するかが予め分かっている場合には、高周波測定回路１１によって発振回路４の発振周波数を測定せず、基準周波数生成回路１２の発振周波数を、前回の測定で求めた発振周波数に設定すると、基準周波数生成回路１２の発振周波数と発振回路４の発振周波数の大小関係は定まるから、差分の低周波成分の周波数を求め、加算又は減算により、発振回路４の発振周波数を求めることができる。
【００６４】
【発明の効果】
複数の振動子の発振周波数の変化を正確に測定できるので、分析精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の分析装置を説明するための図
【図２】その分析装置の測定手順を示すタイミングチャート
【図３】(ａ)：本発明の分析装置に用いられる振動子の断面図 (ｂ)：その振動子のケースを除いた状態の平面図 (ｃ)：本発明の分析装置に用いることができる他の振動子の例の断面図
【図４】発振回路と振動子の接続状態を説明するための回路図
【図５】従来技術の分析装置
【符号の説明】
４……発振回路
５……スイッチ回路
６1〜６4、６1'〜６4'……振動子
１２……基準周波数生成回路
１１……高周波測定回路
１３……ミキサー回路
１４……ローパスフィルタ
１５……低周波測定回路
２０1〜２０4……容器
２１1〜２１4……液体
Claims (4)
- 液体中で発振可能な複数の振動子の周波数特性に応じた周波数で発振する発振回路と、
所定の周波数で発振する基準周波数生成回路と、
前記発振回路の発振周波数ω1の信号と、前記基準周波数生成回路の発振周波数ω2の信号とから、差の周波数(｜ω1−ω2｜) 低周波成分を含む信号を生成するミキサー回路と、
前記低周波成分の信号の周波数を測定する低周波測定回路と、
前記各振動子と前記発振回路との間の接続を切り換え、所望の振動子を前記発振回路に接続させるスイッチ回路と、
前記発振回路の発振周波数を測定する高周波測定回路と、
前記基準周波数生成回路の発振周波数ω 2 と前記高周波測定回路が測定した前記発振周波数との差の周波数｜α｜ が、所定値よりも小さくなるように前記基準周波数生成回路の発振周波数ω 2 を設定する制御回路と、
を有する分析装置装置。 - 前記各振動子は、それぞれ異なる容器中に納められた液体中に浸漬された請求項１項記載の分析装置。
- 前記複数の振動子を１個ずつ前記発振回路に繰り返し接続し、接続された前記振動子の周波数特性に応じた周波数で前記発振回路を発振させ、前記各振動子の周波数特性の時間変化を測定するように構成された請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の分析装置。
- 前記複数の振動子を１個ずつ前記発振回路に繰り返し接続し、接続された前記振動子の周波数特性に応じた周波数で前記発振回路を発振させ、前記各振動子の周波数特性の時間変化を測定するように構成され、
前記各振動子を前記発振回路に接続する毎に、前記高周波測定回路で前記発振回路の発振周波数を測定し、
前記高周波測定回路の測定結果に基づいて前記基準周波数生成回路の発振周波数を設定し、
前記低周波測定回路で、前記低周波成分の周波数(｜ω1−ω2｜)を測定するように構成された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の分析装置。
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