JP4669749B2 - 水晶振動子を用いた測定方法及び測定装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、従来のQCMの場合、共振周波数FSの変化を測定することにより、水晶振動子への物質の結合量を測定していたが、共振周波数FSは、質量負荷以外にも、物質の粘性の変化、粘弾性の変化の影響も受けることがあり、これらの3つ要素について、分離して測定することができなかった。
Martinの伝送理論(V.E.Granstaff,S.J.Martin,J.Appl.Phys. 1994,75,1319)から、粘弾性を有する物質が液中で水晶振動子に付着した場合のインピーダンスZの変化は、式(1)で表される。式中、ωは角周波数、ηは液体の粘性、ρは液体の密度、hは膜厚、Gはコンダクタンス、G'は貯蔵弾性率、G"は損失弾性率である。
また、オーバートーンの粘性負荷による周波数変化は、基本波の粘性負荷による周波数変化量の√N倍の変化を示すため、式(8)を利用して、例えば、基本波と3倍波における周波数変化量(Δ(F1−F2)/2)の差、即ち、((F11−F21)/2)−((F13−F23)/2√3))を求めると式(10)の通りとなる。
また、式(10)においても、測定系が粘性負荷のみで成り立っている場合には、右辺の値は、理論的には0となるが、粘弾性項2を含む場合は、右辺の値が粘弾性項2の値となる。
Cが決まると、式(9)より、
また、粘弾性のモデルにはこの例ではvoightモデルを用いたが、MaxwellモデルG=G'+iG"=μ+iηやその他のモデルを適用することも可能である。
また、請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の測定方法において、前記各周波数のF2の変化量(ΔF2)の差と、前記各周波数のF1,F2の差の変化量(Δ(F1−F2)/2)の差とから、前記物質の質量負荷、粘性負荷及び粘弾性負荷のいずれかを残りの負荷から分離して測定することを特徴とする。
本発明の測定装置は、請求項3に記載の通り、請求項2に記載の測定方法を使用する測定装置であって、前記各周波数のF2の変化量(ΔF2)の差と、前記各周波数のF1,F2の差の変化量(Δ(F1−F2)/2)の差とをそれぞれグラフ表示することを特徴とする。
図3において、符号1は、本発明の一実施の形態であるバイオセンサー装置を示すものである。
このバイオセンサー装置1は、センサー部2と、ネットワークアナライザ3と、コンピュータ4とを有している。センサー部2及びネットワークアナライザ3の間と、ネットワークアナライザ3及びコンピュータ4の間とには、それぞれケーブル5、6を介して接続されている。また、センサー部2は、水晶振動子を備えている。
信号供給回路13は、周波数を変化させながら交流の入力信号を出力することができるように構成されている。
測定回路14は、水晶振動子7の出力信号や、信号供給回路13から出力される入力信号に基づいて、水晶振動子7の共振周波数や位相等の電気的特性を測定して、コンピュータ4に出力することができるように構成されている。
このようにして、測定回路14は、水晶振動子7の共振周波数を測定し、求められた水晶振動子7の共振周波数は、ケーブル6を介してコンピュータ4に出力される。そして、所定時間が経過後に、コンピュータ4は、信号の供給を停止する。
そして、上記説明した方法により、測定対象となる物質の物性である、質量負荷、粘弾性負荷及び粘性負荷の少なくとも何れかを測定する。
また、本装置は、コンピュータ4のディスプレイに、前記各周波数間のF2の変化量(ΔF2)の差と、前記各周波数間のF1,F2の差の変化量(Δ(F1−F2)/2)の差とをそれぞれグラフ表示する。
バッファー液(生化学用緩衝液であり、主な含有物はNaClやKCl等である)で満たされたセル内に、共振周波数27MHzの水晶振動子を浸漬し、そこへ、アビジン、30merB-DNA、30merC-DNAを順に結合させた。
その際に、水晶振動子を基本波(27MHz)と3倍のオーバートーン(81MHz)で振動させた場合のコンダクタンスGの半値G/2を与える周波数F1とF2を用いて、それぞれのΔF2の変化量とΔ(F1−F2)/2の変化量とを測定した(図7)。
Δ(F1−F2)/2の値が大きく変化する場合には、上記式(6)より、粘性変化及び粘弾性変化が大きく変化していることを示すことから、B-DNAを添加した場合には、粘性変化及び粘弾性変化が大きいことがわかる。
図8は、ΔF2の変化量とΔ(F1−F2)/2の変化量を、voightモデルに適用して上記式(5)及び式(6)に基づいて計算した結果であり、図9は、Maxwellモデルで計算した結果である。
この結果から、添加物の物性である粘性変化及び粘弾性変化を質量付加から分離して測定できることがわかる。また、水晶振動子の金電極表面にアビジンが結合する場合と、B-DNAにC-DNAが結合する場合とを比べると、質量負荷に比べて大きな粘弾性の変化はないが、アビジンにB-DNAが結合する場合には、粘弾性による周波数変化量の割合が他の結合に比べて大きい、即ち、大きな粘弾性変化が生じることがわかる。
2 センサー部
3 ネットワークアナライザ
4 コンピュータ
5 ケーブル
6 ケーブル
7 水晶振動子
8 円形状の結晶板
9a 第一の金電極
10a 第二の金電極
11 樹脂カバー
12 反応材
13 信号供給回路
14 測定回路
15 セル
Claims (3)
- 水晶板の両側に電極を備えた水晶振動子に接触する物質の物性を、前記水晶振動子の周波数変動に基づいて測定する方法であって、前記電極間に電圧を印可した際の水晶振動子のN倍波(N=1,3,5、・・・(N=2n+1))のうちの少なくとも2つの異なる周波数の変化量の差に基づいて、各周波数による共振点付近のコンダクタンスの最大値の1/2を与える周波数F1,F2(F1<F2)を用いて、前記物質の物性を測定することを特徴とする水晶振動子を用いた測定方法。
- 前記各周波数のF2の変化量(ΔF2)の差と、前記各周波数のF1,F2の差の変化量(Δ(F1−F2)/2)の差とから、前記物質の質量負荷、粘性負荷及び粘弾性負荷のいずれかを残りの負荷から分離して測定することを特徴とする請求項1に記載の測定方法。
- 請求項2に記載の測定方法を使用する測定装置であって、前記各周波数のF2の変化量(ΔF2)の差と、前記各周波数のF1,F2の差の変化量(Δ(F1−F2)/2)の差とをそれぞれグラフ表示することを特徴とする測定装置。
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