JP4820742B2

JP4820742B2 - Ｑｃｍ測定装置

Info

Publication number: JP4820742B2
Application number: JP2006340895A
Authority: JP
Inventors: 基成芝上; 俊二土屋; 忠正後藤
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-12-19
Also published as: JP2008151683A

Description

この発明は、高感度で微量物質の付着を検出することのできる水晶振動子センサーを用いた測定装置で、特に微量な液体中の微量物質の検出や測定に用いるためのＱＣＭ測定装置に関するものである。

水晶振動子の表面や、それに付着して形成された電極表面に何らかの物質が付着すると、その質量の変化によって、水晶振動子の周波数特性が変化することは、すでによく知られている。この性質を利用して、極めて微量な物質の付着を検出し計測するセンサーが実現されており、これはＱＣＭセンサー（水晶振動子センサー）と呼ばれている。また、このＱＣＭセンサーの表面に物質の付着特性に選択性のある膜を形成して、特定の物質の検出や計測を行うことも行われている。以下では、ＱＣＭセンサーのセンサーヘッドを明示するためにＱＣＭ素子と称する。

また、水晶振動子の周波数特性の変化の検出は、水晶発信器を用いて高周波発振を行い、その発振周波数をカウンターで計測することにより行われている。

電極のみに物質が付着するものとするとき、ＡをＱＣＭセンサーの電極面積、Ｆ₀を発振周波数、ΔＦを物質が付着したことによる周波数の変化値、μを水晶のせん断応力、ｐを水晶の比重、ΔｍをＱＣＭセンサーの質量の変化量、と、するとき、その発信周波数の変化量ΔＦは、以下の関係にあることが知られている。

例えば、直径５ｍｍで基本波の発振周波数が９ＭＨｚの場合は、約１．１ｎｇ／Ｈｚと言われている。また、数１において、発振周波数の２乗にしたがって、質量の変化に対する周波数の変化の係数が増大する。このため、できるだけ高い発信周波数とすることが望ましい。

上記のようなＱＣＭ素子は、通常は、液体中に設置されて測定が行われる。ＱＣＭ素子を液体中に設置する場合は、ＱＣＭ素子を入れた容器を測定しようとする液体で充分に満たす必要があった。

上記の様に、ＱＣＭ素子を入れた容器を測定しようとする液体で充分に満たす必要があるので、測定しようとする液体の量を抑制することが難しかった。本発明は、測定を行うために必要な測定試料の量を抑制することが目的である。

本発明では、ＱＣＭ素子を液体中に設置するのではなく、測定しようとする液体にＱＣＭ素子に接触させた状態で測定するものであり、そのための液体は微量でよいようにするために、液体の表面張力を用いる。

本発明のＱＣＭ測定装置では、被測定液体に親水性あるいは疎水性を示す材料で作られ液滴状の被測定液体の位置を確定する空間的固定手段によって、被測定液体を固定する。このように固定された被測定液体に、ＱＣＭ素子を接触させるが、これには、ＱＣＭ素子の位置を微動装置で制御する。このために、上記の空間的固定手段で固定された被測定液体にＱＣＭ素子を接触させるための可動手段を備える。また、上記のＱＣＭ素子からの信号の周波数を計測する周波数計数手段を備える、この計測結果を、データ処理装置で処理して表示し、あるいは、他のデータ処理装置に転送する。

また、上記の空間的固定手段は、被測定液体に疎水性を示す材料で作られた凹状体つまり皿状であり、この凹状体に被測定液体を設置して、上記のＱＣＭ素子を上記の凹状体の開口部の上から上記の被測定液体に接近させ、上記の被測定液体の最上部で上記のＱＣＭ素子と接触させるものである。

また、上記の空間的固定手段は、被測定液体に親水性を示す材料で作られた単数あるいは複数の針状体を用いて、その落下方向の先端部に上記の被測定液体を液滴として保持するものであって、上記の可動手段は、前記の保持された被測定液体の下からＱＣＭ素子を上記の被測定液体に接近させ、上記の被測定液体の最下部で上記のＱＣＭ素子と接触させるものである。

また、上記の空間的固定手段は、被測定液体に疎水性を示す材料で作られた３以上の複数の針状体を落下方向の概ね１点に集中する様に配置して、その落下方向の先端部に上記の被測定液体を液滴として保持するものであって、上記の可動手段は、前記の保持された被測定液体の下からＱＣＭ素子を上記の被測定液体に接近させ、上記の被測定液体の最下部で上記のＱＣＭ素子と接触させるものである。

また、上記の空間的固定手段は、被測定液体に疎水性を示す材料で作られた平面上あるいは曲面上で上記の被測定液体を保持する手段と、上記の被測定液体に親水性を示す材料で作られた針状体で作られその先端部に上記の被測定液体を留めることで前記被測定液体の水平方向の移動を止める固定手段とからなり、上記の保持手段上にあって上記の固定手段で固定された被測定液体の側面から、ＱＣＭ素子を上記の被測定液体に接触させるものである。

また、上記の針状体のいずれかは、細管であって、前記の細管を用いて微量の被測定液体を供給するものである。

ＱＣＭセンサーを用いた測定装置で測定を行う場合に、従来に比べて、測定しようとする液体の量を抑制することが出来るようになる。

以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同様の構成あるいは同様の機能を有するものについて、同じ符号を用いる場合がある。図１は、本発明のＱＣＭ測定装置の全体を示すブロック図である。可動手段８で測定位置を変えることができるＱＣＭ素子４からの信号の周波数を周波数計測器１０で計測し、このデータの処理を計算器２０で行い、計算器２０で表示するか、他の計算器に転送する。

図２は、空間的固定手段として、被測定液体に疎水性を示す材料（例えばテフロン（登録商標））で作られた凹状体つまり皿状物体の台座２を用いる場合の模式図を示している。図２（ａ）は断面図であり、（ｂ）は鳥瞰図である。この凹状体に液滴状の被測定液体３を設置する。上記のＱＣＭ素子４を上記の凹状体の開口部の上から上記の被測定液体３に接近させ、上記の被測定液体の最上部で上記のＱＣＭ素子４と接触させるものである。ＱＣＭ素子４からは、図１に示した様に、周波数計測器に信号が送られ周波数が計測される。

図３は、被測定液体３に親水性を示す材料で作られた複数の針状体１−１と１−２を用いて、その落下方向の先端部に上記の被測定液体３を保持するものである。ＱＣＭ素子４を前記の保持された被測定液体の下から上記の被測定液体に接近させ、上記の被測定液体３の最下部で上記のＱＣＭ素子４と接触させる。

図４は、上記の空間的固定手段は、被測定液体に疎水性を示す材料で作られた３以上の複数の針状体６−１、６−２、６−３を落下方向の１点に集中する様に配置して、その落下方向の先端部に上記の被測定液体を保持するものである。ＱＣＭ素子４を前記の保持された被測定液体の下から上記の被測定液体に接近させ、上記の被測定液体３の最下部で上記のＱＣＭ素子４と接触させる。

図５は、被測定液体に疎水性を示す材料で作られた斜面の台座２に、上記の被測定液体に親水性を示す材料で作られた針状体１で作られその先端部に上記の被測定液体を留めることで前記被測定液体の水平方向の移動を止める固定手段を示している。上記の保持手段上にあって上記の固定手段で固定された被測定液体３の側面から、ＱＣＭ素子を上記の被測定液体に接触させる。この構成の利点は、測定を終了した被測定液体を容易に除去できる点にある。

図６は、被測定液体に疎水性を示す材料で作られた上に凸の曲面の台座２の不安定な部分に、上記の被測定液体に親水性を示す材料で作られた針状体１でその先端部に上記の被測定液体を留めることで前記被測定液体の水平方向の移動を止める固定手段を示している。上記の保持手段上にあって上記の固定手段で固定された被測定液体３の側面から、ＱＣＭ素子を上記の被測定液体に接触させる。この構成の利点も、測定を終了した被測定液体を容易に除去できる点にある。

図７は、被測定液体に親水性を示す材料で作られた針状体１として、細管７を用いることによって、液滴状の被測定液体３を用意しやすくするものである。前記の細管から液滴状の被測定液体を供給する。これは、図３、５、あるいは６には、容易に適用することができる。

本発明は、測定中の被測定液体の蒸発を防ぐために、高湿度の環境で測定を行う事が望ましい。水以外の被測定液体の場合は、その被測定液体の蒸気圧が飽和状態で測定を行なう。

また、自動的に被測定液体を供給する装置と、測定終了時に用いるための被測定液体を自動的に除去する装置と、を設けることにより、連続して測定する事ができる装置を実現することは容易である。

本発明の実施の形態を示すブロック図である。空間的固定手段として、被測定液体に疎水性を示す材料で作られた凹状体つまり皿状物体の台座を用いる場合の模式図を示す図である。被測定液体に親水性を示す材料で作られた複数の針状体を用いて、その落下方向の先端部に上記の被測定液体を保持する場合を示す模式図である。被測定液体に疎水性を示す材料で作られた３以上の複数の針状体を落下方向の１点に集中する様に配置して、その落下方向の先端部に上記の被測定液体を保持する場合を示す模式図である。被測定液体に疎水性を示す材料で作られた斜面の台座に、上記の被測定液体に親水性を示す材料で作られた針状体で作られその先端部に上記の被測定液体を留めることで前記被測定液体の水平方向の移動を止める場合を示す模式図である。被測定液体に疎水性を示す材料で作られた上に凸の曲面の台座の不安定な部分に、上記の被測定液体に親水性を示す材料で作られた針状体でその先端部に上記の被測定液体を留めることで前記被測定液体の水平方向の移動を止める場合を示す模式図である。被測定液体に親水性を示す材料で作られた針状体として、細管７を用いる場合を示す模式図である。

符号の説明

１、１−１、１−２、１−３親水性を示す針状体
２台座
３被測定液体
４ＱＣＭ素子
５信号発生器
６−１、６−２、６−３疎水性を示す針状体
７細管
８可動手段
１０周波数計測器
２０計算機

Claims

被測定液体に親水性あるいは疎水性を示す材料で作られ液滴状の被測定液体の位置を確定する空間的固定手段と、
ＱＣＭ素子と、
上記の空間的固定手段で固定された被測定液体に上記のＱＣＭ素子を接触させるための可動手段と、
上記のＱＣＭ素子からの信号の周波数を計測する周波数計数手段と、を備え、
上記の空間的固定手段で固定した被測定液体にＱＣＭ素子を接触させ、前記ＱＣＭ素子から出力される信号の周波数を計測し、計測結果を表示、あるいは転送することを特徴とするＱＣＭ測定装置。
上記の空間的固定手段は、被測定液体に疎水性を示す材料で作られた凹状体であり、
上記の可動手段は、上記のＱＣＭ素子を上記の凹状体の開口部の上から上記の被測定液体に接近させ、上記の被測定液体の最上部で上記のＱＣＭ素子と接触させるものであることを特徴とする請求項１に記載のＱＣＭ測定装置。
上記の空間的固定手段は、被測定液体に親水性を示す材料で作られた単数あるいは複数の針状体を用いて構成され、その落下方向の先端部に上記の被測定液体を液滴として保持するものであって、
上記の可動手段は、前記の保持された被測定液体の下からＱＣＭ素子を上記の被測定液体に接近させ、上記の被測定液体の最下部で上記のＱＣＭ素子と接触させるものであることを特徴とする請求項１に記載のＱＣＭ測定装置。
上記の空間的固定手段は、被測定液体に疎水性を示す材料で作られた３以上の複数の針状体の先端を落下方向の概ね１点に集中する様に配置したものであり、その落下方向の先端部に上記の被測定液体を液滴として保持するものであって、
上記の可動手段は、前記の保持された被測定液体の下からＱＣＭ素子を上記の被測定液体に接近させ、上記の被測定液体の最下部で上記のＱＣＭ素子と接触させるものであることを特徴とする請求項１に記載のＱＣＭ測定装置。
上記の空間的固定手段は、被測定液体に疎水性を示す材料で作られた平面上あるいは曲面上で上記の被測定液体を液滴として保持する手段と、上記の被測定液体に親水性を示す材料で作られた針状体で作られその先端部に上記の被測定液体を留めることで前記被測定液体の水平方向の移動を止める固定手段とからなり、
上記の保持手段上にあって上記の固定手段で固定された被測定液体の側面から、ＱＣＭ素子を上記の被測定液体に接触させる事を特徴とする請求項１に記載のＱＣＭ測定装置。
上記の針状体のいずれかは、細管であって、前記の細管を用いて被測定液体を供給することを特徴とする請求項２、３あるいは４のいずれかに記載のＱＣＭ測定装置。