JP4387603B2 - 測定装置及び測定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は測定装置及び測定方法に関し、特に、液体中での水晶振動子の発振周波数を測定して、液体中の成分の分析や反応速度の解析を行う測定装置及び測定方法に関する。
【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７の符号１００に示すような分析装置が用いられている。
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
【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。
【０００８】
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。
【０００９】
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、複数の基準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。
【００１０】
【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、第１、第２の入力端子を有し、前記第１、第２の入力端子間に振動子が接続されたときに、前記振動子の周波数特性に従って発振する発振回路と、前記第１の入力端子に第１の端部が共通に接続された複数のスイッチ素子と、前記スイッチ素子の１個の第２の端部と前記第２の入力端子の間に両端が接続された基準振動子と、前記基準振動子が接続された前記スイッチ素子とは別の前記スイッチ素子の第２の端部に接続される第１の接続端子と、前記第２の入力端子に接続される第２の接続端子と、前記各スイッチ素子の開閉を制御する制御回路とを有し、前記第１、第２の接続端子は、測定振動子の両端とそれぞれ着脱可能に接続できるように構成され、前記基準振動子が接続された状態での前記発振回路の発振周波数は、液体中に浸漬された前記測定振動子が接続された状態での前記発振回路の発振周波数に比して低い測定装置である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の測定装置であって、前記基準振動子は空気中に配置されている。
請求項３記載の発明は、液体中で発振できるように構成された複数の耐水振動子と、前記基準振動子の周波数特性に応じて発振する発振回路と、前記発振回路の発振周波数を測定する測定回路とを備えた測定装置を用いて、前記耐水振動子を液体中に浸漬した状態で、前記耐水振動子の発振周波数を繰り返し測定する測定方法であって、前記耐水振動子の発振周波数の測定中に、少なくとも１回、前記発振回路を、前記耐水振動子よりも発振周波数が低い基準振動子に接続させて、前記基準振動子を発振させることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の測定方法であって、前記耐水振動子を一回ずつ又は複数回ずつ前記発振回路に接続し、その後、前記基準振動子を前記発振回路に接続するように構成されている。
請求項５記載の発明は、請求項３記載の測定方法であって、１個の前記耐水振動子を前記発振回路に接続し、その後、前記基準振動子を前記発振回路に接続するように構成されている。
【００１１】
表面に液体中の特定物質が付着するように構成された耐水振動子を液体中に浸漬した状態で発振回路と接続して耐水振動子を発振させると、耐水振動子表面の液体中の物質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おり(ドリフト現象)、これにより発振回路内の発振安定性が低下して、耐水振動子の発振周波数変化を正確に測定できなくなることがあった。
【００１２】
しかしながら、本発明の測定装置では、スイッチ素子の一個が閉じた状態にあるときに、耐水振動子よりも低い発振周波数で発振し、空気中もしくは液体中で発振し、液体中で発振する振動子に比して発振安定性が高い基準振動子を発振回路に接続させられるように構成されている。
【００１３】
このため、耐水振動子を液体中で発振させて発振回路の発振安定性が低下しても、その後基準振動子を発振させることで、発振回路の発振周波数を一定周波数に復帰させて、発振状態を安定にすることができる。
【００１４】
本発明の測定方法によれば、耐水振動子を液体中に浸漬した状態で、耐水振動子を発振回路に接続して発振させ、その発振周波数を繰り返し測定する間に、少なくとも１回、基準振動子を発振させている。
【００１５】
このように構成することにより、各耐水振動子が発振して発振回路内の発振安定性が低下しても、次いで空気中で振動する基準振動子を発振させると、発振回路の発振周波数は一定周波数に復帰する。その後再び耐水振動子を発振させることにより、常に発振回路の発振周波数が一定周波数に復帰した後に、耐水振動子を発振させることができる。
【００１６】
従って、耐水振動子の発振を長時間繰り返して行う場合でも、常に耐水振動子を接続する前の状態では発振回路の発振周波数が一定周波数に復帰しているので、耐水振動子が発振する際に生じていたドリフト現象の影響が小さくなり、耐水振動子の発振周波数の変化を正確に測定することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の測定装置を図面を用いて説明する。
図１を参照し、符号３は本発明の測定装置を示している。この測定装置３は、発振回路４と、スイッチ回路５と、基準振動子６0と、測定回路１０と、制御回路１８とを有している。
【００１８】
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。
【００１９】
インバータ素子４５の入力端子４７2は、本発明の第２の入力端子の一例であって、後述する共通線２５を介して、水晶発振子から成る基準振動子６0の一端に接続されている。基準振動子６0の他端は、後述するスイッチ回路５を介して発振回路４内に導入され、インバータ素子４５の出力端子を接地電位に接続するコンデンサ４４の高電位側端子４７1に接続されている。このコンデンサ４４の高電位側端子は、本発明の第１の入力端子の一例である。
【００２０】
測定装置３の外部には、複数の容器２０1〜２０4(ここでは４個)と、複数の耐水振動子６1〜６4とが配置されており、各容器２０1〜２０4内には、液体２１1〜２１4がそれぞれ収められている。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。各液体２１1〜２１4中には、それぞれ耐水振動子６1〜６4が１個ずつ浸漬されている。
【００２１】
耐水振動子６1〜６4の構成を図２(ａ)、(ｂ)に示す。図２(ｂ)は耐水振動子６1〜６4から、後述するケースのみを除いた状態を説明する平面図であり、図２(ａ)は図２(ｂ)のＡ−Ａ線断面に対応する図である。この耐水振動子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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、基準振動子本体３０が構成されている。
【００２４】
この基準振動子本体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。
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、基準振動子本体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いる。
【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の芯材である導線部分は、第１、第２の電極膜３１、３２に接続されている。
【００２７】
従って、かかる構成の耐水振動子６1〜６4は、液体２１1〜２１4中に浸漬された場合でも、その液体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２１1〜２１4には接触しないため、液体２１1〜２１4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】
これらの耐水振動子６1〜６4は、それぞれの一端が、第２の接続端子２２12〜２２42を介して上述した基準振動子６0の一端に接続された共通線２５と接続されている。各耐水振動子６1〜６4の他端は、第１の接続端子２２11〜２２41にそれぞれ接続され、第１の接続端子２２11〜２２41は基準振動子６0の他端と同様、スイッチ回路５を介して発振回路４内に導入されている。
【００２９】
スイッチ回路５内には、少なくとも基準振動子６0と及び耐水振動子６1〜６4の合計数と同じ数(ここでは５個)のスイッチ素子５0〜５4が配置されている。
耐水振動子６1〜６4の第１、第２の電極膜３１、３２に接続された配線２３、２４は、その一方の配線２３が、第２の接続端子２２12〜２２42にそれぞれ接続され、それらがともに同じ共通線２５に接続され、他方がそれぞれ第１の接続端子２２11〜２２41に接続され、各第１の接続端子２２11〜２２41がそれぞれスイッチ素子５1〜５4の一端(本発明のスイッチ素子の第２の端部)に接続されている。各配線２３、２４は、それぞれ第１、第２の接続端子２２11〜２２41、２２12〜２２42に着脱可能に接続されており、必要ないときには第１、第２の接続端子２２11〜２２41、２２12〜２２42から耐水振動子６1〜６4を取り外せるようになっている。符号２６は、基準振動子６0及び耐水振動子６1〜６4と、スイッチ素子５0〜５4とをそれぞれ接続する複数の配線を示している。
【００３０】
上記の共通線２５と、各スイッチ素子５0〜５4の共通に接続された端子(本発明のスイッチ素子の第１の端部)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いる。各スイッチ素子５0〜５4は、制御回路１８からの制御命令により閉じた状態又は開いた状態にできるように構成されており、スイッチ素子５0〜５4のいずれか１個を閉じた状態にすると、２個のコンデンサ４３、４４の高電圧側端子の間が、基準振動子６0又は複数の耐水振動子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。
【００３１】
図３は、１個の基準振動子６0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。
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、基準振動子６0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ように構成されている。なお、ここでは基準振動子６0が発振回路４に接続された場合を説明したが、耐水振動子６1〜６4が発振回路４に接続された場合の回路構成及び動作も、耐水振動子６1〜６4の発振周波数が基準振動子６0の発振周波数よりも高いこと以外については同様である。なお、ここでは基準振動子６0の発振周波数を２５ＭHzとし、耐水振動子６1〜６4の発振周波数を２７ＭHzとしている。
測定回路１０は周波数カウンタを有しており、発振回路４から出力された信号の発振周波数を測定するように構成されている。
【００３２】
上述した測定装置３で、化学物質の分析を行うには、分析対象である試料の溶液である液体２１1〜２１4中に、耐水振動子６1〜６4を浸漬させておく。
すると、各耐水振動子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。
【００３３】
反応剤層３５の付着物の量と各耐水振動子６1〜６4の発振周波数との間には相関関係があるので、複数の耐水振動子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耐水振動子６1〜６4の発振周波数変化を記録し、制御回路１８がその発振周波数変化を解析することにより、各液体２１1〜２１4中の特定の物質が反応剤層３５と反応する際の反応速度を求めることができる。
【００３４】
図４は、上記測定手順の一例を説明するためのタイミングチャートであって、スイッチ素子５0〜５4の閉じた状態及び開いた状態を示している。
最初に、スイッチ素子５0が所定時間Δｔだけ閉じ、閉じたスイッチ素子５0に接続された測定装置３内の基準振動子６0が所定時間Δｔだけ発振する。以下で、基準振動子６0を発振させる動作をキャリブレーション動作と称する。
【００３５】
次に、スイッチ素子５1が所定時間Δｔだけ閉じ、そのスイッチ素子５1に接続され、液体２１1中に浸漬された耐水振動子６1に交流信号が供給され、所定時間Δｔだけ発振する。
【００３６】
次いで、スイッチ素子５2、５3、５4が、所定時間Δｔずつ順次閉じ、液体２１2、２１3、２１4中にそれぞれ浸漬された耐水振動子６2、６3、６4に順次交流信号が供給され、それぞれが所定時間Δｔずつ順次発振する。このように、耐水振動子６1〜６4を発振させる動作を以下で測定動作と称する。
【００３７】
その後、再びスイッチ素子５0が所定時間Δｔだけ閉じ、基準振動子６0が所定時間Δｔだけ発振し、キャリブレーション動作をする。
それ以降は、上述した測定動作と、キャリブレーション動作とを、分析が終了するまで繰り返して行う。
【００３８】
各スイッチ素子５0〜５4のうち、いずれか一個が所定時間Δｔだけ閉じると、閉じたスイッチ素子５0〜５4に接続された基準振動子６0又は耐水振動子６1〜６4のうちいずれか一個に交流信号が供給され、その基準振動子６0又は耐水振動子６1〜６4が所定時間Δｔだけ発振する。
【００３９】
耐水振動子６1〜６4の発振周波数は、測定回路１０によって検出される。検出された発振周波数は、随時制御回路１８に出力される。制御回路１８は各耐水振動子６1〜６4の発振周波数の時間変化を検出し、各耐水振動子６1〜６4に付着する物質の反応速度を求める。
【００４０】
耐水振動子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おり(ドリフト現象)、これにより発振回路４内の発振安定性が低下して、耐水振動子６1〜６4の発振周波数変化を正確に測定できなくなることがある。
【００４１】
しかしながら、本発明の測定装置３は、空気中もしくは液体中で発振する基準振動子６0を有しており、各耐水振動子６1〜６4を順次１個ずつ発振させる測定動作を行った後、空気中もしくは液体中で発振する基準振動子６0を発振させるキャリブレーション動作を行っている。一般に振動子は、液体中で振動する場合よりも、空気中で振動する場合のほうが発振安定性が高いので、測定動作において発振安定性の低い耐水振動子６1〜６4を発振させることにより発振回路４の発振安定性が低下しても、その後キャリブレーション動作をすることで、発振回路４の発振周波数は一定になり、発振が安定な状態に復帰する。このように、キャリブレーション動作と測定動作とを交互に繰り返すと、耐水振動子６1〜６4が発振する測定動作の直前には、常に発振回路４の発振が安定な状態に復帰しているので、耐水振動子６1〜６4のみを順次繰り返し発振させる場合に比して発振回路４の発振安定性の低下は少ない。従って、ドリフト現象の影響が少なくなり、耐水振動子６1〜６4の発振周波数変化を正確に測定することができる。
【００４２】
又、各基準振動子６0又は耐水振動子６1〜６4は、上述したようにスイッチ回路５により、順次一個ずつ所定時間Δｔだけ閉じるように構成されているので、各基準振動子６0又は耐水振動子６1〜６4が、同時に二個以上発振することはない。このため、二個以上の耐水振動子６1〜６4が同時に発振して相互に干渉しあうことがないので、かかる干渉により発振安定性が低下することがなく、精度の高い測定ができる。
【００４３】
なお、図４のタイミングチャートでは、測定動作として各耐水振動子６1〜６4が順次１回ずつ発振する動作を説明したが、本発明の測定動作はこれに限られるものではなく、例えば、各耐水振動子６1〜６4を順次所定回数ずつ発振させる動作を測定動作としてもよい。図５は、その一例を示すタイミングチャートであり、各耐水振動子６1〜６4が順次３回ずつ発振した場合を示している。
【００４４】
また、各耐水振動子６1〜６4が１個発振する動作を測定動作として、この測定動作がキャリブレーション動作と交互に切り替わるように構成してもよい。図６のタイミングチャートにその一例を示す。この場合には測定装置３内の基準振動子６0と接続されたスイッチ素子５0と、耐水振動子６1〜６4にそれぞれ接続されたスイッチ素子５1〜５4のいずれか１個とが、交互に閉じている。
【００４５】
この場合には、耐水振動子６1〜６4が発振する直前には、基準振動子６0が発振しており、個々の耐水振動子６1〜６4が発振する直前は、常に発振回路４内の発振周波数は安定した状態にあるので、図４、図５で示した動作に比して、ドリフト現象の影響がさらに少なくなり、測定精度がさらに高くなる。
【００４６】
また、各耐水振動子６1〜６4の一方の配線は、第２の接続端子２２12〜２２42を介してともに共通線２５に接続され、その共通線２５がインバータ素子４５の入力端子に接続されているが、本発明はこれに限られるものではなく、第２の接続端子２２12〜２２42を個別にインバータ素子４５の入力端子４７2に接続するように構成してもよい。
【００４７】
また、本発明において、各スイッチ素子５0〜５4を導通させて基準振動子６0及び各耐水振動子６1〜６4を発振させる順番は図４〜図６のタイミングチャートに示したものに限られるものではなく、耐水振動子６1〜６4を繰り返し発振させて発振周波数の測定をする動作中に、少なくとも１回基準振動子６0が発振するように構成されていればよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、精度の高い分析が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の測定装置を説明する図
【図２】(ａ)：本実施形態の測定装置に用いられる耐水振動子の構成を説明する断面図
(ｂ)：本実施形態の測定装置に用いられる耐水振動子からケースのみを除いた状態を説明する平面図
【図３】発振回路と基準振動子の接続状態を説明するための回路図
【図４】本実施形態の測定装置の動作を説明する第１のタイミングチャート
【図５】本実施形態の測定装置の動作を説明する第２のタイミングチャート
【図６】本実施形態の測定装置の動作を説明する第３のタイミングチャート
【図７】従来の測定装置を説明する図
【符号の説明】
３……測定装置 ４……発振回路 ５……スイッチ回路 ５0〜５4……スイッチ素子 ６0……基準振動子 ６1〜６4……耐水振動子 １０……測定回路 １８……制御回路 ２２11〜２２41……第１の接続端子 ２２12〜２２42……第２の接続端子
【発明の属する技術分野】
本発明は測定装置及び測定方法に関し、特に、液体中での水晶振動子の発振周波数を測定して、液体中の成分の分析や反応速度の解析を行う測定装置及び測定方法に関する。
【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７の符号１００に示すような分析装置が用いられている。
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
【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。
【０００８】
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。
【０００９】
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、複数の基準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。
【００１０】
【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、第１、第２の入力端子を有し、前記第１、第２の入力端子間に振動子が接続されたときに、前記振動子の周波数特性に従って発振する発振回路と、前記第１の入力端子に第１の端部が共通に接続された複数のスイッチ素子と、前記スイッチ素子の１個の第２の端部と前記第２の入力端子の間に両端が接続された基準振動子と、前記基準振動子が接続された前記スイッチ素子とは別の前記スイッチ素子の第２の端部に接続される第１の接続端子と、前記第２の入力端子に接続される第２の接続端子と、前記各スイッチ素子の開閉を制御する制御回路とを有し、前記第１、第２の接続端子は、測定振動子の両端とそれぞれ着脱可能に接続できるように構成され、前記基準振動子が接続された状態での前記発振回路の発振周波数は、液体中に浸漬された前記測定振動子が接続された状態での前記発振回路の発振周波数に比して低い測定装置である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の測定装置であって、前記基準振動子は空気中に配置されている。
請求項３記載の発明は、液体中で発振できるように構成された複数の耐水振動子と、前記基準振動子の周波数特性に応じて発振する発振回路と、前記発振回路の発振周波数を測定する測定回路とを備えた測定装置を用いて、前記耐水振動子を液体中に浸漬した状態で、前記耐水振動子の発振周波数を繰り返し測定する測定方法であって、前記耐水振動子の発振周波数の測定中に、少なくとも１回、前記発振回路を、前記耐水振動子よりも発振周波数が低い基準振動子に接続させて、前記基準振動子を発振させることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の測定方法であって、前記耐水振動子を一回ずつ又は複数回ずつ前記発振回路に接続し、その後、前記基準振動子を前記発振回路に接続するように構成されている。
請求項５記載の発明は、請求項３記載の測定方法であって、１個の前記耐水振動子を前記発振回路に接続し、その後、前記基準振動子を前記発振回路に接続するように構成されている。
【００１１】
表面に液体中の特定物質が付着するように構成された耐水振動子を液体中に浸漬した状態で発振回路と接続して耐水振動子を発振させると、耐水振動子表面の液体中の物質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おり(ドリフト現象)、これにより発振回路内の発振安定性が低下して、耐水振動子の発振周波数変化を正確に測定できなくなることがあった。
【００１２】
しかしながら、本発明の測定装置では、スイッチ素子の一個が閉じた状態にあるときに、耐水振動子よりも低い発振周波数で発振し、空気中もしくは液体中で発振し、液体中で発振する振動子に比して発振安定性が高い基準振動子を発振回路に接続させられるように構成されている。
【００１３】
このため、耐水振動子を液体中で発振させて発振回路の発振安定性が低下しても、その後基準振動子を発振させることで、発振回路の発振周波数を一定周波数に復帰させて、発振状態を安定にすることができる。
【００１４】
本発明の測定方法によれば、耐水振動子を液体中に浸漬した状態で、耐水振動子を発振回路に接続して発振させ、その発振周波数を繰り返し測定する間に、少なくとも１回、基準振動子を発振させている。
【００１５】
このように構成することにより、各耐水振動子が発振して発振回路内の発振安定性が低下しても、次いで空気中で振動する基準振動子を発振させると、発振回路の発振周波数は一定周波数に復帰する。その後再び耐水振動子を発振させることにより、常に発振回路の発振周波数が一定周波数に復帰した後に、耐水振動子を発振させることができる。
【００１６】
従って、耐水振動子の発振を長時間繰り返して行う場合でも、常に耐水振動子を接続する前の状態では発振回路の発振周波数が一定周波数に復帰しているので、耐水振動子が発振する際に生じていたドリフト現象の影響が小さくなり、耐水振動子の発振周波数の変化を正確に測定することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の測定装置を図面を用いて説明する。
図１を参照し、符号３は本発明の測定装置を示している。この測定装置３は、発振回路４と、スイッチ回路５と、基準振動子６0と、測定回路１０と、制御回路１８とを有している。
【００１８】
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。
【００１９】
インバータ素子４５の入力端子４７2は、本発明の第２の入力端子の一例であって、後述する共通線２５を介して、水晶発振子から成る基準振動子６0の一端に接続されている。基準振動子６0の他端は、後述するスイッチ回路５を介して発振回路４内に導入され、インバータ素子４５の出力端子を接地電位に接続するコンデンサ４４の高電位側端子４７1に接続されている。このコンデンサ４４の高電位側端子は、本発明の第１の入力端子の一例である。
【００２０】
測定装置３の外部には、複数の容器２０1〜２０4(ここでは４個)と、複数の耐水振動子６1〜６4とが配置されており、各容器２０1〜２０4内には、液体２１1〜２１4がそれぞれ収められている。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。各液体２１1〜２１4中には、それぞれ耐水振動子６1〜６4が１個ずつ浸漬されている。
【００２１】
耐水振動子６1〜６4の構成を図２(ａ)、(ｂ)に示す。図２(ｂ)は耐水振動子６1〜６4から、後述するケースのみを除いた状態を説明する平面図であり、図２(ａ)は図２(ｂ)のＡ−Ａ線断面に対応する図である。この耐水振動子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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、基準振動子本体３０が構成されている。
【００２４】
この基準振動子本体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。
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、基準振動子本体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いる。
【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の芯材である導線部分は、第１、第２の電極膜３１、３２に接続されている。
【００２７】
従って、かかる構成の耐水振動子６1〜６4は、液体２１1〜２１4中に浸漬された場合でも、その液体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２１1〜２１4には接触しないため、液体２１1〜２１4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】
これらの耐水振動子６1〜６4は、それぞれの一端が、第２の接続端子２２12〜２２42を介して上述した基準振動子６0の一端に接続された共通線２５と接続されている。各耐水振動子６1〜６4の他端は、第１の接続端子２２11〜２２41にそれぞれ接続され、第１の接続端子２２11〜２２41は基準振動子６0の他端と同様、スイッチ回路５を介して発振回路４内に導入されている。
【００２９】
スイッチ回路５内には、少なくとも基準振動子６0と及び耐水振動子６1〜６4の合計数と同じ数(ここでは５個)のスイッチ素子５0〜５4が配置されている。
耐水振動子６1〜６4の第１、第２の電極膜３１、３２に接続された配線２３、２４は、その一方の配線２３が、第２の接続端子２２12〜２２42にそれぞれ接続され、それらがともに同じ共通線２５に接続され、他方がそれぞれ第１の接続端子２２11〜２２41に接続され、各第１の接続端子２２11〜２２41がそれぞれスイッチ素子５1〜５4の一端(本発明のスイッチ素子の第２の端部)に接続されている。各配線２３、２４は、それぞれ第１、第２の接続端子２２11〜２２41、２２12〜２２42に着脱可能に接続されており、必要ないときには第１、第２の接続端子２２11〜２２41、２２12〜２２42から耐水振動子６1〜６4を取り外せるようになっている。符号２６は、基準振動子６0及び耐水振動子６1〜６4と、スイッチ素子５0〜５4とをそれぞれ接続する複数の配線を示している。
【００３０】
上記の共通線２５と、各スイッチ素子５0〜５4の共通に接続された端子(本発明のスイッチ素子の第１の端部)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いる。各スイッチ素子５0〜５4は、制御回路１８からの制御命令により閉じた状態又は開いた状態にできるように構成されており、スイッチ素子５0〜５4のいずれか１個を閉じた状態にすると、２個のコンデンサ４３、４４の高電圧側端子の間が、基準振動子６0又は複数の耐水振動子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。
【００３１】
図３は、１個の基準振動子６0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。
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、基準振動子６0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ように構成されている。なお、ここでは基準振動子６0が発振回路４に接続された場合を説明したが、耐水振動子６1〜６4が発振回路４に接続された場合の回路構成及び動作も、耐水振動子６1〜６4の発振周波数が基準振動子６0の発振周波数よりも高いこと以外については同様である。なお、ここでは基準振動子６0の発振周波数を２５ＭHzとし、耐水振動子６1〜６4の発振周波数を２７ＭHzとしている。
測定回路１０は周波数カウンタを有しており、発振回路４から出力された信号の発振周波数を測定するように構成されている。
【００３２】
上述した測定装置３で、化学物質の分析を行うには、分析対象である試料の溶液である液体２１1〜２１4中に、耐水振動子６1〜６4を浸漬させておく。
すると、各耐水振動子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。
【００３３】
反応剤層３５の付着物の量と各耐水振動子６1〜６4の発振周波数との間には相関関係があるので、複数の耐水振動子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耐水振動子６1〜６4の発振周波数変化を記録し、制御回路１８がその発振周波数変化を解析することにより、各液体２１1〜２１4中の特定の物質が反応剤層３５と反応する際の反応速度を求めることができる。
【００３４】
図４は、上記測定手順の一例を説明するためのタイミングチャートであって、スイッチ素子５0〜５4の閉じた状態及び開いた状態を示している。
最初に、スイッチ素子５0が所定時間Δｔだけ閉じ、閉じたスイッチ素子５0に接続された測定装置３内の基準振動子６0が所定時間Δｔだけ発振する。以下で、基準振動子６0を発振させる動作をキャリブレーション動作と称する。
【００３５】
次に、スイッチ素子５1が所定時間Δｔだけ閉じ、そのスイッチ素子５1に接続され、液体２１1中に浸漬された耐水振動子６1に交流信号が供給され、所定時間Δｔだけ発振する。
【００３６】
次いで、スイッチ素子５2、５3、５4が、所定時間Δｔずつ順次閉じ、液体２１2、２１3、２１4中にそれぞれ浸漬された耐水振動子６2、６3、６4に順次交流信号が供給され、それぞれが所定時間Δｔずつ順次発振する。このように、耐水振動子６1〜６4を発振させる動作を以下で測定動作と称する。
【００３７】
その後、再びスイッチ素子５0が所定時間Δｔだけ閉じ、基準振動子６0が所定時間Δｔだけ発振し、キャリブレーション動作をする。
それ以降は、上述した測定動作と、キャリブレーション動作とを、分析が終了するまで繰り返して行う。
【００３８】
各スイッチ素子５0〜５4のうち、いずれか一個が所定時間Δｔだけ閉じると、閉じたスイッチ素子５0〜５4に接続された基準振動子６0又は耐水振動子６1〜６4のうちいずれか一個に交流信号が供給され、その基準振動子６0又は耐水振動子６1〜６4が所定時間Δｔだけ発振する。
【００３９】
耐水振動子６1〜６4の発振周波数は、測定回路１０によって検出される。検出された発振周波数は、随時制御回路１８に出力される。制御回路１８は各耐水振動子６1〜６4の発振周波数の時間変化を検出し、各耐水振動子６1〜６4に付着する物質の反応速度を求める。
【００４０】
耐水振動子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おり(ドリフト現象)、これにより発振回路４内の発振安定性が低下して、耐水振動子６1〜６4の発振周波数変化を正確に測定できなくなることがある。
【００４１】
しかしながら、本発明の測定装置３は、空気中もしくは液体中で発振する基準振動子６0を有しており、各耐水振動子６1〜６4を順次１個ずつ発振させる測定動作を行った後、空気中もしくは液体中で発振する基準振動子６0を発振させるキャリブレーション動作を行っている。一般に振動子は、液体中で振動する場合よりも、空気中で振動する場合のほうが発振安定性が高いので、測定動作において発振安定性の低い耐水振動子６1〜６4を発振させることにより発振回路４の発振安定性が低下しても、その後キャリブレーション動作をすることで、発振回路４の発振周波数は一定になり、発振が安定な状態に復帰する。このように、キャリブレーション動作と測定動作とを交互に繰り返すと、耐水振動子６1〜６4が発振する測定動作の直前には、常に発振回路４の発振が安定な状態に復帰しているので、耐水振動子６1〜６4のみを順次繰り返し発振させる場合に比して発振回路４の発振安定性の低下は少ない。従って、ドリフト現象の影響が少なくなり、耐水振動子６1〜６4の発振周波数変化を正確に測定することができる。
【００４２】
又、各基準振動子６0又は耐水振動子６1〜６4は、上述したようにスイッチ回路５により、順次一個ずつ所定時間Δｔだけ閉じるように構成されているので、各基準振動子６0又は耐水振動子６1〜６4が、同時に二個以上発振することはない。このため、二個以上の耐水振動子６1〜６4が同時に発振して相互に干渉しあうことがないので、かかる干渉により発振安定性が低下することがなく、精度の高い測定ができる。
【００４３】
なお、図４のタイミングチャートでは、測定動作として各耐水振動子６1〜６4が順次１回ずつ発振する動作を説明したが、本発明の測定動作はこれに限られるものではなく、例えば、各耐水振動子６1〜６4を順次所定回数ずつ発振させる動作を測定動作としてもよい。図５は、その一例を示すタイミングチャートであり、各耐水振動子６1〜６4が順次３回ずつ発振した場合を示している。
【００４４】
また、各耐水振動子６1〜６4が１個発振する動作を測定動作として、この測定動作がキャリブレーション動作と交互に切り替わるように構成してもよい。図６のタイミングチャートにその一例を示す。この場合には測定装置３内の基準振動子６0と接続されたスイッチ素子５0と、耐水振動子６1〜６4にそれぞれ接続されたスイッチ素子５1〜５4のいずれか１個とが、交互に閉じている。
【００４５】
この場合には、耐水振動子６1〜６4が発振する直前には、基準振動子６0が発振しており、個々の耐水振動子６1〜６4が発振する直前は、常に発振回路４内の発振周波数は安定した状態にあるので、図４、図５で示した動作に比して、ドリフト現象の影響がさらに少なくなり、測定精度がさらに高くなる。
【００４６】
また、各耐水振動子６1〜６4の一方の配線は、第２の接続端子２２12〜２２42を介してともに共通線２５に接続され、その共通線２５がインバータ素子４５の入力端子に接続されているが、本発明はこれに限られるものではなく、第２の接続端子２２12〜２２42を個別にインバータ素子４５の入力端子４７2に接続するように構成してもよい。
【００４７】
また、本発明において、各スイッチ素子５0〜５4を導通させて基準振動子６0及び各耐水振動子６1〜６4を発振させる順番は図４〜図６のタイミングチャートに示したものに限られるものではなく、耐水振動子６1〜６4を繰り返し発振させて発振周波数の測定をする動作中に、少なくとも１回基準振動子６0が発振するように構成されていればよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、精度の高い分析が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の測定装置を説明する図
【図２】(ａ)：本実施形態の測定装置に用いられる耐水振動子の構成を説明する断面図
(ｂ)：本実施形態の測定装置に用いられる耐水振動子からケースのみを除いた状態を説明する平面図
【図３】発振回路と基準振動子の接続状態を説明するための回路図
【図４】本実施形態の測定装置の動作を説明する第１のタイミングチャート
【図５】本実施形態の測定装置の動作を説明する第２のタイミングチャート
【図６】本実施形態の測定装置の動作を説明する第３のタイミングチャート
【図７】従来の測定装置を説明する図
【符号の説明】
３……測定装置 ４……発振回路 ５……スイッチ回路 ５0〜５4……スイッチ素子 ６0……基準振動子 ６1〜６4……耐水振動子 １０……測定回路 １８……制御回路 ２２11〜２２41……第１の接続端子 ２２12〜２２42……第２の接続端子
Claims (5)
- 第１、第２の入力端子を有し、前記第１、第２の入力端子間に振動子が接続されたときに、前記振動子の周波数特性に従って発振する発振回路と、
前記第１の入力端子に第１の端部が共通に接続された複数のスイッチ素子と、
前記スイッチ素子の１個の第２の端部と前記第２の入力端子の間に両端が接続された基準振動子と、
前記基準振動子が接続された前記スイッチ素子とは別の前記スイッチ素子の第２の端部に接続される第１の接続端子と、
前記第２の入力端子に接続される第２の接続端子と、
前記各スイッチ素子の開閉を制御する制御回路とを有し、
前記第１、第２の接続端子は、測定振動子の両端とそれぞれ着脱可能に接続できるように構成され、
前記基準振動子が接続された状態での前記発振回路の発振周波数は、液体中に浸漬された前記測定振動子が接続された状態での前記発振回路の発振周波数に比して低い測定装置。 - 前記基準振動子は空気中に配置された請求項１記載の測定装置。
- 液体中で発振できるように構成された複数の耐水振動子と、
前記基準振動子の周波数特性に応じて発振する発振回路と、
前記発振回路の発振周波数を測定する測定回路とを備えた測定装置を用いて、前記耐水振動子を液体中に浸漬した状態で、前記耐水振動子の発振周波数を繰り返し測定する測定方法であって、
前記耐水振動子の発振周波数の測定中に、少なくとも１回、前記発振回路を、前記耐水振動子よりも発振周波数が低い基準振動子に接続させて、前記基準振動子を発振させることを特徴とする測定方法。 - 前記耐水振動子を一回ずつ又は複数回ずつ前記発振回路に接続し、
その後、前記基準振動子を前記発振回路に接続するように構成された請求項３記載の測定方法。 - １個の前記耐水振動子を前記発振回路に接続し、
その後、前記基準振動子を前記発振回路に接続するように構成された請求項３記載の測定方法。
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