JP5138729B2

JP5138729B2 - 感知装置

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Publication number: JP5138729B2
Application number: JP2010124848A
Authority: JP
Inventors: 俊一若松; 友也依田; 啓行茎田; 和歌子忍
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2030-05-31
Also published as: US8646317B2; JP2011022139A; US20100319736A1

Description

本発明は、水晶振動子等の圧電振動子の振動数に基づいて、試料液に含まれる感知対象物を認識、定量するための感知装置に関する。

試料液に含まれる微量物質を検出する感知装置として、水晶振動子を利用した水晶センサが知られており、このような水晶センサでは、水晶振動子に微量物質が吸着すると、その発振周波数（共振周波数）が変わることを検出原理としている。例えばこのような水晶センサは、水晶片に設けた金属電極（励振電極）の表面に、特定の感知対象物を認識し反応を生じる生体物質膜等からなる吸着層を形成して構成される。前記吸着層を試料溶液と接触させると、当該吸着層が試料溶液中に存在する感知対象物と反応して当該感知対象物を吸着し、当該吸着層では質量変化を生じる。この吸着層の質量変化に応じて水晶振動子の固有振動数が変化するため、この作用を用いて感知対象物の濃度が測定されるようになっている。生体物質としては、例えば特定の抗原（感知対象物）と反応する抗体の膜が用いられ、この抗体の膜が当該抗原を吸着する。

特許文献１には、水晶振動子を用いたフロースルーセル方式のセンサが提案されている。このセンサは、保持基板と、溶液の流入通路及び排出通路を有するカバーとの間に、シリコンゴムを介して、電極が形成された水晶振動子を設けるように構成されている。前記シリコンゴムには溶液を収容するための孔部が形成されており、カバーと水晶振動子とシリコンゴムとによりフロースルーセルが構成され、前記流入通路から供給された溶液は水晶振動子の電極上に流通されて、電極と接触した後、流出側から排出されるようになっている。このようなフロースルーセル方式のセンサでは、液体を連続して供給できるため、周波数特性を安定化させることが容易であり、液体の置換をスムースに行うことができて、試料溶液の必要量が少なくて済むという利点がある。

本発明者らは、このようなフロースルーセル方式の水晶センサを用いた感知装置を開発するにあたり、処理能力が高く、かつ精度の高い計測を行うことができるシステムの構築を検討している。なお特許文献１には、フロースルーセル方式センサの構成は記載されているものの、上記課題を解決する手段については記載されておらず、当該特許文献１によっても上記課題は解決できるものではない。

特開平１１−１８３４７９号公報

本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、処理能力が高く、かつ精度の高い計測を行うことができる感知装置を提供することにある。

このため本発明の感知装置は、圧電振動子を含む圧電センサが装着され、当該圧電振動子の一面側に供給路から試料液を流したときの発振周波数に基づいて試料液中の感知対象物を感知する感知装置において、
参照液を前記供給路に供給するために設けられ、参照液の供給流量が可変である参照液供給部と、
この参照液供給部及び前記供給路の間に介在し、試料液を一旦貯留すると共に前記参照液供給部からの参照液により試料液が押し出されて供給路に送り出されるように構成された試料液の貯留用流路と、
前記参照液供給部を試料液の貯留用流路を介さずに前記供給路に接続する参照液供給モードと、前記参照液供給部を試料液の貯留用流路を介して前記供給路に接続する試料液供給モードと、の間での流路の切り替えを行う流路切り替え部と、
前記参照液供給部から前記圧電振動子に参照液を供給した状態で発振周波数が安定したか否かを判断し、安定したと判断したときに、貯留用流路内の試料液を圧電振動子に供給するために前記流路切り替え部を試料液供給モードに切り替えるように制御する手段と、
前記参照液供給部の供給流量を設定するための流量設定部と、
この流量設定部にて設定された参照液の供給流量と、試料液の貯留用流路の容積と、前記供給路の容積と、前記流路切り替え部を試料液供給モードに切り替えた時点と、に基づいて、試料液が圧電振動子に到達する時点と試料液が圧電振動子を通過し終える時点とを求め、前記切り替え時点から試料液が圧電振動子に到達する前までの発振周波数と試料液が圧電振動子を通過した後の発振周波数とを求めて、これら発振周波数の差分を取得する手段と、を備えたことを特徴とする。

この際、前記参照液供給部として送液ポンプを用い、試料液の貯留用流路及び前記供給路の間に介在し、洗浄液を前記貯留用流路に供給するために設けられた洗浄液供給部と、
前記貯留用流路と前記供給路とを接続する液供給モードと、前記貯留用流路と前記洗浄液供給部とを接続する洗浄モードと、の間での流路の切り替えを行うために、前記流路切り替え部の下流側に設けられた下流側流路切り替え部と、を備え、
前記流路切り替え部を試料液供給モードに切り替えると共に、前記下流側流路切り替え部を洗浄モードに切り替え、前記参照液供給部により洗浄液供給部から洗浄液を貯留用流路内に吸引して、当該貯留用流路の洗浄を行うようにしてもよい。

本発明においては、圧電振動子に参照液を供給したときの発振周波数が安定したと判断したときに、流路切り替え部を試料液供給モードに切り替えて試料液を圧電振動子に供給しているので、精度の高い計測を行うことができる。また試料液が圧電振動子に到達する時点と試料液が圧電振動子を通過し終える時点とを自動的に求め、試料液が圧電振動子に到達する前までの発振周波数と試料液が圧電振動子を通過した後の発振周波数とを求めて、これら発振周波数の差分を自動的に取得しているので、計測に関わらない余分な時間の発生を抑えて、高い処理能力を確保することができる。

本発明の実施の形態に係る感知装置の全体の構成を模式的に示す構成図である。前記感知装置に設けられた第１のバルブの切り替え制御を説明する平面図である。前記感知装置に設けられた第２のバルブの切り替え制御を説明する平面図である。前記感知装置に設けられた第３のバルブの切り替え制御を説明する平面図である。前記感知装置に設けられたセンサーユニットの各部品の上面側を示した分解斜視図である。水晶片に設けられた励振電極を示す平面図と底面図である。水晶片に設けられた第１の振動領域と第２の振動領域を示す縦断面図である。前記センサーユニットの縦断面を示す図である。前記押え部材を底面側から示す斜視図である。前記感知装置に設けられる周波数測定部と制御部の一例を示す構成図である。周波数安定化の判断手法を説明する特性図である。測定時間と反応時間を説明する特性図である。前記感知装置の作用を説明するフローチャートである。前記感知装置の作用を示す構成図である。前記感知装置の作用を示す構成図である。押え部材の他の例を示す底面図と、センサーユニットの一部を示す縦断面図である。前記センサーユニットの他の例を示した分解斜視図である。前記感知装置の他の例の全体構成を模式的に示す構成図である。前記感知装置の他の例の作用を説明するフローチャートである。

本発明に係る感知装置の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の感知装置の全体構成を示す構成図であり、当該感知装置は、参照液貯留部である緩衝液貯留部１１、試料液供給部１２、第１のバルブ１３、第２のバルブ１４、第３のバルブ１５、センサーユニット２、発振回路６Ａ、６Ｂ、周波数測定部６１及び制御部１００を備えている。

前記緩衝液貯留部１１は緩衝液例えばリン酸バッファを貯留する手段であり、前記試料液供給部１２は試料液である例えば血液や血清を貯留すると共に、これらの下流側に設けられた供給路に向けてこれら液体を所定の流量で供給する手段である。試料液供給部１２としては例えばピペットやシリンジが用いられる。この試料液供給部１２からの試料液の供給は手動で行うようにしてもよいし、制御部１００からの指令に基づいて自動で行うようにしてもよい。

前記緩衝液貯留部１１の後段には脱気処理部１６を介して第１のバルブ１３が設けられている。前記脱気処理部１６を設ける理由は、緩衝液貯留部１１に貯留されている緩衝液中の溶存気体が気化し、センサ上あるいはフロースルーセル内に気泡が発生すると、圧力変化や対流変化が生じてセンサの発振が不安定になるおそれがあり、これを防ぐためである。前記第１のバルブ１３は緩衝液供給部例えばシリンジポンプ１０と３方向バルブとを組み合わせて構成されている。前記緩衝液供給部としては、シリンジポンプ１０の他、ペリスタポンプ等の送液ポンプを用いることができる。

前記第１のバルブ１３は、例えば図１及び図２に示すように４つのポートＰ１１〜Ｐ１４を備えていて、これらの内、ポートＰ１２は脱気処理部１６を介して緩衝液貯留部１１と供給路７１により接続され、ポートＰ１４は供給路７２により後段の第２のバルブ１４に接続されている。前記シリンジポンプ１０は、緩衝液貯留部１１内に貯留された緩衝液を吸引して保持すると共に、所定の供給流量で緩衝液を供給するように構成されている。緩衝液の供給流量は可変であり、後述するように作業者により適宜設定される。

この第１のバルブ１３は、図２（ａ）に示すようにポートＰ１１とポートＰ１２とを接続する吸引モードにバルブを設定して緩衝液貯留部１１から所定量の緩衝液をシリンジポンプ１０内に吸引し、図２（ｂ）に示すようにポートＰ１１とポートＰ１４とを接続する送液モードにバルブを設定して、前記シリンジポンプ１０内の緩衝液を供給路７２に向けて送液するように構成されている。またポートＰ１１とポートＰ１３とを接続してシリンジポンプ１０内に空気を取り込むこともできるようになっている。

ここでシリンジポンプ１０においては、ピストンの引き込み量を調整することにより、当該ポンプ１０内への緩衝液の吸引量が調整され、またピストンの押圧量を調整することにより、緩衝液を供給路７２内に送液する際の供給流量が制御される。このポンプ１０内に吸引する緩衝液の量や、供給路７２内に向けて送液する緩衝液の供給流量は、後述する制御部１００において作業者により入力された設定値に基づいて前記ピストンの引き込み量や押圧量を制御することにより調整される。

前記第２のバルブ１４は流路切り替え部に相当し、例えばインジェクションバルブより構成される。この第２のバルブ１４は例えば図１及び図３に示すように、６つのポートＰ２１〜Ｐ２６と、試料液を貯留する貯留用流路をなすインジェクションループ１４ａとを備えている。これらの内、ポートＰ２６は前記供給路７２に接続され、ポートＰ２２は供給路７３を介して試料液供給部１２に接続されている。またポートＰ２１はインジェクションループ１４ａの一端側、ポートＰ２４はインジェクションループ１４ａの他端側に夫々接続されている。さらにポートＰ２５は供給路７４を介して後段の第３のバルブ１５に接続され、ポートＰ２３は排出路７５を介して廃液槽１７に接続されている。

そして図３（ａ）に示すように、ポートＰ２１とポートＰ２２、ポートＰ２３とポートＰ２４、ポートＰ２５とポートＰ２６とを接続する緩衝液供給モードにバルブを設定することにより、前記第１のバルブ１３からの供給路７２をインジェクションループ１４ａを介さずに供給路７４に接続する。このモードでは、インジェクションループ１４ａを介さずに緩衝液が供給路７４を介して第３のバルブ１５に向けて送液される。またこのモードでは試料液供給部１２から試料液をインジェクションループ１４ａ内に導入することも行われ、この際インジェクションループ１４ａの容積を超えた試料液が導入された場合には、試料液はインジェクションループ１４ａから押し出されて排出路７５を介して廃液槽１７に排出される。

また図３（ｂ）に示すように、ポートＰ２１とポートＰ２６、ポートＰ２２とポートＰ２３、ポートＰ２４とポートＰ２５とを接続する試料液供給モードにバルブを設定することにより、前記第１のバルブ１３からの供給路７２をインジェクションループ１４ａを介して供給路７４に接続する。このモードでは、緩衝液をインジェクションループ１４ａ内に導入することにより、インジェクションループ１４ａ内に予め貯留されている試料液を押し出すようにして、試料液を供給路７４を介して第３のバルブ１５に向けて送液する。

前記第３のバルブ１５は下流側流路切り替え部に相当し、例えば６方向バルブより構成されていて、例えば図１及び図４に示すようにポートＰ３０〜Ｐ３６を備えている。これらの内、ポートＰ３０は前記供給路７４を介して第２のバルブ１４と接続され、またポートＰ３１は後述するセンサーユニット２に液体を供給する本発明の供給路をなす液供給管２８に接続されている。そしてポートＰ３３は排出路７８を介して廃液槽１７に接続され、ポートＰ３５、ポートＰ３６は夫々純水供給路７６，洗浄液供給路７７を介して純水を貯留する純水貯留部１８、洗浄液である例えばＳＤＳ（Sodium Dodecyl Sulfate:ドデシル硫酸ナトリウム）貯留する洗浄液貯留部１９に夫々接続されている。この例では洗浄液供給路７７及び洗浄液貯留部１９により洗浄液供給部が構成されている。また後述するセンサーユニット２における液排出管２９は廃液槽１７に接続されている。

そして図４（ａ）に示すように、ポートＰ３０とポートＰ３１とを接続する液供給モードにバルブを設定することにより、第２のバルブ１４からの供給路７４とセンサーユニット２の液供給管２８とを接続して、緩衝液や試料液をセンサーユニット２へ向けて送液し、図４（ｂ）に示すように、ポートＰ３０とポートＰ３３とを接続する排出モードに設定することにより、試料液等を廃液槽１７へ向けて排出するように構成されている。またポートＰ３０とポートＰ３６とを接続する洗浄モードにバルブを切り替えることにより、前記洗浄液供給路７７と前記第２のバルブ１４との間の供給路７４とを接続し、ポートＰ３０とポートＰ３５とを接続するようにバルブを切り替えることにより、前記純水供給路７６と前記供給路７４とを接続するように構成されている。

続いて圧電センサである水晶センサを備えたセンサーユニット２について説明する。図５はセンサーユニット２の各部品の上面側を示した分解斜視図であり、このようにセンサーユニット２は支持体２１、配線基板３、水晶振動子４、押え部材５、液給排用カバー２４の各部品がこの順に下から重ね合わされることにより構成されている。

前記水晶センサは、配線基板３上に圧電振動子である水晶振動子４を設けて構成されている。この水晶振動子４は、図６に示すように、圧電片である円形板状の水晶片４１の表面及び裏面の中央部に、当該水晶片４１を励振させるための励振電極４２，４３を設けて構成されている。この例では、表面側に設けられた励振電極４２は、長手方向（図５，図６中Ｙ方向）に伸びる略短冊状の２つの励振電極４２Ａ，４２Ｂ（第１の励振電極４２Ａ、第２の励振電極４２Ｂ）を備えており、これら励振電極４２Ａ，４２Ｂは幅方向（図５，図６中Ｘ方向）に間隔を開けて互いに平行に設けられている。またこれら励振電極４２Ａ，４２Ｂの長手方向の一端側は電極膜４２Ｃにより接続されている。この電極膜４２Ｃには導出電極４４が接続され、この導出電極４４は水晶片４１の一端側の周縁に向かって引き出されると共に、端面に沿って屈曲され、裏面側に回り込むように形成されている。これら励振電極４２Ａ、４２Ｂ、電極膜４２Ｃ及び導出電極４４は夫々一体的に形成されている。

一方裏面側に設けられた励振電極４３は、表面側の２つの励振電極４２Ａ，４２Ｂに対して水晶片４１を挟んで対向するように、これら２つの励振電極４２Ａ，４２Ｂと同様のレイアウトで形成されている。この例では、図７に示すように、共通の水晶片４１上において、励振電極４２Ａ，４３Ａが形成された領域により第１の振動領域４Ａが構成され、励振電極４２Ｂ，４３Ｂが形成された領域により第２の振動領域４Ｂが構成されることになる。

これら２つの振動領域４Ａ，４Ｂの内、一方側例えば第１の振動領域４Ａの励振電極４２Ａ，４３Ａは感知対象物を検出するための反応電極として用いられ、他方側例えば第２の振動領域４Ｂの励振電極４２Ｂ，４３Ｂはリファレンス電極として用いられる。このため第１の振動領域４Ａにおける表面側（試料液に接触する側）の励振電極４２Ａの上には、図７に示すように、感知対象物を吸着する吸着物質を含む吸着層４６が形成されている。このように形成することにより、第２の振動領域４Ｂの励振電極４２Ｂには感知対象物が吸着しないので、感知対象物の吸着前後における各領域４Ａ，４Ｂの発振周波数を比べることにより、試料液の粘度や感知対象物以外の物質の付着による周波数変化を抑えて、吸着層４６に吸着した感知対象物の量に対応する発振周波数の変化（低下分）を感知できることになる。

前記配線基板３は例えばプリント基板により構成され、この配線基板３には前記水晶振動子４の裏面側の励振電極４３Ａ，４３Ｂが臨む気密空間をなす凹部のための貫通孔３１が形成されており、その口径は前記励振電極４３Ａ，４３Ｂが収まる大きさに形成されている。また当該配線基板３の表面における貫通孔３１の周囲には、電極３２，電極３３，電極３４が互いに間隔をおいて設けられている。これら電極３２，３３，３４は、水晶振動子４が配線基板３の上に配置されたときに、夫々裏面側の励振電極４３Ａ、表面側から裏面側に回り込んだ導出電極４４、裏面側の励振電極４３Ｂに電気的に接続されるように形成される。配線基板３の後端側には接続端子部３５，３６，３７が設けられており、各々導電路を介して前記電極３２，３３，３４に電気的に接続されていて、この内前記接続端子部３６はアースに接続されている。

前記押え部材５は、弾性部材例えばシリコンゴムを用いて配線基板３に対応した形状に形成され、図８に示すように押え部材３の周縁領域５０の下面は配線基板３における水晶振動子４の外側の領域に接触している。この押え部材５は、水晶振動子４を配線基板３側に押さえ付けると共に、励振電極４２Ａ，４２Ｂ上に液体収容空間５１を区画形成する役割を果たすものである。このため図９に押え部材５の底面図を示すように、押え部材５の底面には励振電極４２Ａ，４２Ｂを囲むように例えば円形の凹部５２が形成されている。また押え部材５の上面には、前記液体収容空間５１に液体を供給するための供給路５３と、液体収容空間５１から液体を排出するための排出路５４とが形成されている。

前記支持体２１には、配線基板３の形状に合わせた凹部２２が形成されると共に、その上面の一部には突起２３が形成されている。前記配線基板３は前記凹部２２に収容される。一方液給排用カバー２４の下面には凹部２５が形成されており、この凹部２５と支持体２１側に設けられた突起２３とが嵌合することで支持体２１に対して位置決めされるようになっている。

また、図５及び図８に示すように液供排用カバー２４には、前記供給路５３に連通する液供給路２６及が設けられると共に、排出路５４に連通する液排出路２７が設けられており、これら液供給路２６、液排出路２７には夫々液供給管２８、液排出管２９が接続されている。図中２０Ａは供給ポート、２０Ｂは排出ポートである。

以上において、水晶振動子４及び配線基板３は本発明の圧電センサに相当する。そして水晶振動子４の裏面側は気密雰囲気に曝されており、従ってこの圧電センサはランジュバン型水晶センサを構成していることになる。このような第１及び第２の振動領域４Ａ，４Ｂは、図１０に示すように、配線基板３に形成されている接続端子部３５，３７に接続された信号線を介して、第１の振動領域４Ａ及び第２の振動領域４Ｂから各々発振周波数を取り出すために、これらに対して夫々直列に接続されたコルピッツ型の第１の発振回路６Ａ、第２の発振回路６Ｂに電気的に接続されている。これら第１の発振回路６Ａ及び第２の発振回路６Ｂにはスイッチ部６０を介して周波数測定部６１が接続されており、これら第１及び発振回路６Ａ，６Ｂからの発振出力（周波数信号）はスイッチ部６０により交互に周波数測定部６１に取り込まれるように構成されている。前記周波数測定部６１は、公知の回路である周波数カウンターにより周波数を検出するものであってもよいが、例えば特開２００６−２５８７８７号に記載されているように、周波数信号をＡ／Ｄ変化し、キャリアムーブにより処理して前記周波数信号の周波数で回転する回転ベクトルを生成し、この回転ベクトルの速度を求めるといった手法を利用したものであってもよく、このようなディジタル処理による測定部を利用した方が周波数の検出精度が高いので好ましい。

こうして得られた周波数信号は、制御部１００におけるプログラム格納部６３格納されたプログラムにより、例えば１ｓｅｃ毎にサンプリングされて時系列データとして記憶部６４に格納される。ここで図中６２はバスであり、前記制御部１００及びバス６２は夫々コンピュータから構成され、前記制御部１００は、前記プログラム格納部６３、記憶部６４、ＣＰＵ６５、入力手段６６及び表示部６７等を備えている。

前記プログラム格納部６２には、時系列データのサンプリングを行うためのステップ群を備えたプログラム８１の他に、各バルブの切り替えシーケンスを行うステップ群を備えたプログラム８２、前記時系列データに基づいて試料液をセンサーユニット２に供給したときに、周波数低下分（周波数差）を求めるためのステップ群を備えたプログラム８３、緩衝液をセンサーユニット２に供給しているときに周波数の安定化を判断するためのステップ群を備えたプログラム８４、試料液が水晶振動子４に到達する時点、及び試料液が水晶振動子４を通過し終える時点とを演算するステップ群を備えたプログラム８５、及びセンサーユニット２からの発振周波数に異常があるか否かを判断するステップ群を備えたプログラム８６等が格納されている。

先ず周波数安定化判断プログラム８４について説明すると、このステップ群では、水晶振動子４の発振周波数が安定化したか否かは、例えば以下の（１）式に示すＡｌｌａｎＤｅｖｉａｔｉｏｎの式に基づいて計算される。

この（１）式中ｙ_ｋは各サンプリング区間毎のｋ番目のサンプリング時における周波数、ｍは各サンプリング区間に含まれるサンプリング数（ｋ，ｍ：正数）であり、この例ではセンサーユニット２に緩衝液を供給してサンプリングを開始してから例えば１秒後に発振周波数の差（ｙ_ｋ＋１−ｙ_ｋ）が演算され、この発振周波数の差を２乗した値を測定時間が経過するまで（ｍ個の周波数を取得するまで）加算して２ｍで割った結果である測定結果σ^２が算出される。なお前記測定時間は、後述する時間演算プログラムにて演算される。こうして図１１に示すように、サンプリングを開始してから時間の経過と共に発振周波数が安定していくにつれて上記の測定結果σ^２が所定の値に小さくなっていくので、上記のプログラム８４は、この測定結果σ^２が予め設定された周波数許容値よりも小さくなった時に周波数が安定化したと判断し、第２のバルブ１４に試料液の供給許可信号を出力するように構成されている。このような周波数の安定化の判断は、例えば第１の振動領域４Ａの発振周波数について、または第１の振動領域４Ａ及び第２の振動領域４Ｂの双方の発振周波数について行われる。

続いて前記時間演算プログラム８５について説明すると、試料液が水晶振動子４に到達する時点とは、試料液が液収容空間５１に到達する時点をいい、前記第２のバルブ１４が前記試料液供給モードに切り替えられた時点と、前記インジェクションループ１４ａの下流端から前記液収容空間５１の上流端に至る第１の流路の容積と緩衝液の供給流量とに基づいて演算される。

つまり試料液は、第２のバルブ１４が前記試料液供給モードに切り替えられた時点からセンサーユニット２に向けて送液されることになるが、このとき試料液は緩衝液により押し出されるようにしてインジェクションループ１４ａから流れていくので、緩衝液の供給流量が試料液の供給流量に相当する。一方前記インジェクションループ１４ａの下流端から前記液収容空間５１の上流端に至る第１の流路は、インジェクションループ１４ａの下流端に接続される供給路７４、第３のバルブ１５、液供給管２８、液供給路２６、供給路５３より構成されている。この第１の流路の容積については予め把握されているため、ここを通過する試料液の供給流量が分かれば、第２のバルブ１４が試料液供給モードに切り替えられた時点から試料液が液収容空間５１に到達する時点Ｔ１即ち、吸着層４６と感知対象物との間で反応が開始される反応開始時点までの時間が演算できる。具体的には、前記第１の流路全体の容積が６０μリットル、試料液の供給流量が６０μリットル／分であれば、前記反応開始時点Ｔ１は、第２のバルブ１４が試料液供給モードに切り替えられてから６０秒後ということになる。

また試料液が水晶振動子４を通過し終える時点とは、インジェクションループ１４ａ内の全ての試料液が液収容空間５１を通過し終える時点をいい、前記第２のバルブ１４が前記試料液供給モードに切り替えられた時点と、前記インジェクションループ１４ａの容積と、前記インジェクションループ１４ａの下流端から前記液収容空間５１の下流端に至る第２の流路の容積と、緩衝液の供給流量とに基づいて演算される。この場合インジェクションループ１４ａは試料液により満たされているので、インジェクションループ１４ａの容積が試料液の容積に相当する。

前記第２の流路とは、前記第１の流路と液収容空間５１とを合わせたものになる。そして前記第２の流路の容積に試料液の容積を合わせたものを、試料液の流量で除することにより、前記第２のバルブ１４が前記試料液供給モードに切り替えられた時点から、前記インジェクションループ１４ａ内に貯留された全ての試料液が液収容空間５１から排出されるまでの時点Ｔ２つまり反応終了時点までの時間が演算される。具体的には、第２の流路全体の容積を６６μリットル、試料液の容積を１２０μリットル、試料液の供給流量を６０μリットル／分とすると、前記反応終了時点Ｔ２は、第２のバルブ１４が試料液供給モードに切り替えられた時点から１８０秒後ということになる。

そしてこの演算結果に基づいて、図１２に示すように、試料液が液収容空間５１に到達する前例えば前記到達時点Ｔ１の３０秒前の時点Ｔ１０と、試料液が液収容空間５１を通過した後例えば通過し終える時点Ｔ２の３０秒後の時点Ｔ２０とを求めて、周波数差取得プログラム８３に、これらの時点Ｔ１０，Ｔ２０の発振周波数を取得して、これら発振周波数の差分を取得する旨の信号を出力する。
前記試料液が液収容空間５１に到達する前とは、例えば前記到達時点Ｔ１から１０秒前〜３０秒前程度に設定され、試料液が液収容空間５１を通過した後とは、例えば通過し終える時点Ｔ２から１０秒後〜３０秒後程度に設定される。

これに基づいて周波数差取得プログラム８３では、前記時点Ｔ１０における第１の発振回路６Ａの発振周波数Ａ０と、前記時点Ｔ１０における第２の発振回路６Ｂの発振周波数Ｂ０を取得すると共に、前記時点Ｔ２０における第１の発振回路６Ａの発振周波数Ａ１と、前記時点Ｔ２０における第２の発振回路６Ｂの発振周波数Ｂ１を取得して、これらの差分データである{（Ａ１−Ａ０）―（Ｂ１−Ｂ０）}を演算する。
この実施形態では、プログラム８５及び８３は演算部に相当する。

また時間演算プログラム８５では前記測定時間についても演算されるが、この測定時間とは、図１２に示すように、試料液が液収容空間５１に到達する前に発振周波数を取得する時点Ｔ１０から、試料液が液収容空間５１を通過した後に発振周波数を取得する時点Ｔ２０までの時間であり、反応時間とは、水晶振動子４上に試料液を供給し続けている時間であって、試料液が液収容空間５１に到達するＴ１から、試料液が液収容空間５１を通過し終える時点Ｔ２までの時間である。

さらに前記異常判断プログラム８６は、センサーユニット２において水晶振動子４を発振させてからの発振周波数をモニターし、この発振周波数に異常があるか否かを判断する機能を備えた手段である。前記発振周波数に異常があるか否かについては、発振周波数が１ｓｅｃ毎にサンプリングされているので、このサンプリングされた発振周波数が急激に変化したときには、異常が発生したと判断される。ここでいう急激に変化するとは発振周波数が±０．１％以上変化したときをいうが、水晶振動子４に緩衝液や試料液を供給を開始した時点では既述のように発振周波数が大きく変化し、これらの場合の発振周波数の概ねの変化分については予め把握されているため、これらのタイミングでの発振周波数の変化分を考慮して判断される。そして発振周波数に異常があると判断したときには、前記表示部６７にてアラーム出力信号を出力して、表示部６７にてアラーム表示を行うと共に、シリンジポンプ１０の駆動停止信号を出力して、水晶振動子４への緩衝液や試料液の供給停止等を行う。この際第３のバルブ１５をＰ３３位置に切り替えるようにしてもよい。

前記入力手段６６は、緩衝液の供給流量を設定する流量設定部を兼用しており、緩衝液の供給流量の設定や、表示部６７にて表示された洗浄ボタンや送気ボタンをＯＮ状態に設定することにより、洗浄工程や送気工程を実行できるように構成されている。また表示部６７には、例えば計測終了の旨や、洗浄工程終了や送気工程終了の旨等も表示される。

この実施の形態では、水晶振動子４に緩衝液を供給した状態で発振周波数が安定したか否かを判断し、安定したと判断したときに、貯留用流路内の試料液を圧電振動子に供給するために、第２のバルブ１４試料液供給モードに切り替えるように制御する手段は、前記周波数安定化判断プログラム８４と、バルブ切り替えプログラム８２とにより構成され、試料液が水晶振動子に到達する時点と試料液が水晶振動子を通過し終える時点とを求め、試料液が水晶振動子に到達する前までの発振周波数と試料液が水晶振動子を通過した後の発振周波数とを求めて、これら発振周波数の差分を取得する手段は、周波数差取得プログラム８３と時間演算プログラム８５とにより構成される。

次に感知装置の作用について、図１３及び図１４を参照して説明する。先ず、センサーユニット２内に水晶振動子４を装着し、このセンサーユニット２を気密に一体化すると共に、配線基板に形成された接続端子３５〜３７を介して振動領域４Ａ，４Ｂと発振回路６Ａ、６Ｂとを夫々電気的に接続する。そして、例えば作業者は、測定を行う試料液に応じて、緩衝液の供給流量を設定する（ステップＳ１）と共に、試料液をインジェクションループ１４ａを満たすように供給しておく。

次いで、各発振回路６Ａ、６Ｂにより所定の周波数例えば３０ＭＨｚで水晶振動子４（振動領域４Ａ，４Ｂ）の発振を開始すると共に、緩衝液貯留部１１内の緩衝液をシリンジポンプ１０内に吸引する。そして例えば第１のバルブ１３〜第３のバルブ１５を夫々図１４（ａ）に示す位置に設定して（このとき第２のバルブ１４は緩衝液供給モードに設定されている）、第１のバルブ１３からの供給路７２を、インジェクションループ１４ａを介さずに第２のバルブ１４の下流側の供給路７４に接続し、緩衝液を第３のバルブ１５及び液供給管２８を介してセンサーユニット２の液収容空間５１内に供給する（ステップＳ２）。なお緩衝液はシリンジポンプ１０により一旦ポンプ１０内に吸引しておき、ここから設定された供給流量で送液される。

前記振動領域４Ａ，４Ｂの発振周波数は、周波数測定部６１においてサンプリングされ、緩衝液が供給されると所定の値に低下していく。この時の水晶振動子４の発振周波数は、発振直後に発振状態が不安定であることから変動し、その後時間の経過と共に安定化していくことになる。そして既述のように、発振周波数が安定しているか否か判断され（ステップＳ３）、周波数が安定化したと判断されると（ステップＳ４）、図１４（ｂ）に示すように第２のバルブ１４が試料液供給モードに切り替えられる（ステップＳ５）。

これにより第１のバルブ１３からの供給路７２を、インジェクションループ１４ａを介して第２のバルブ１４の下流側の供給路７４に接続する。こうして緩衝液をインジェクションループ１４ａ内に供給し、この緩衝液によりインジェクションループ１４ａ内の試料液が押し出されて、前記液収容空間５１内に供給される(ステップ６)。そして前記試料液が水晶振動子４に到達する前の時点Ｔ１０の発振周波数Ａ０、Ｂ０を取得し（ステップＳ７）、次いで試料液が水晶振動子４を通過した後の時点Ｔ２０の発振周波数Ａ１、Ｂ１を取得して（ステップＳ８）、これら発振周波数の差分データである{（Ａ１−Ａ０）―（Ｂ１−Ｂ０）}を取得する（ステップＳ９）。

ここで液収容空間５１内に試料液が供給され、励振電極４２Ａの吸着層４６に感知対象物が接触すると、例えば抗原抗体反応や化学反応などにより吸着層４６に感知対象物が吸着して、水晶振動子４（振動領域４Ａ）の発振周波数が質量負荷効果により低下していく。そして前記反応時間に亘って試料液を液収容空間５１に供給することにより、吸着層４６には試料液中の感知対象物の濃度に応じた量の感知対象物が吸着し、水晶振動子４（励振電極４２Ａ）の発振周波数が所定の値に低下することになる。従って前記時点Ｔ２０では、全ての試料液の供給された後であるので、吸着層４６には試料液中の感知対象物の濃度に応じた感知対象物が吸着している。

こうして得られた差分データは、試料液の粘度や、感知対象物以外の物質の付着等の周波数の変動分を補償した、感知対象物の吸着だけに起因する周波数の差分である。この値は、例えば試料液中の感知対象物の濃度と周波数の低下分との対応関係を表す検量線の作成や、あるいは予め作成されていた検量線に照らし合わせて試料液中の感知対象物の濃度や、感知対象物の有無を検出する場合に用いられる。

こうして前記差分データを取得した後、例えば表示部６７に「計測終了」の旨を表示する。この後作業者は、送気工程を実行するときには、入力手段６６において「送気ボタン」をＯＮ状態に設定し、洗浄工程を実施するときには、入力手段６６において「洗浄ボタン」をＯＮ状態に設定する。

続いて送気工程について説明する。「送気ボタン」がＯＮ状態に設定されると、例えば流路系を図１４（ｂ）に示す状態に設定するように、第１〜第３バルブ１３〜１５が切り替わり、シリンジポンプ１０内に残存している緩衝液を全て送液して、当該緩衝液を液収容空間５１を介して廃液槽１７に排出する。次いで第１のバルブ１３をポートＰ１１とポートＰ１３とを接続するように切り替えてシリンジポンプ１０内に所定量の空気を取り込み、次いで流路系を図１４（ｂ）に示す状態に設定して、シリンジポンプ１０により空気を当該流路系に供給する。これにより液収容空間５１を含む流路内に残存する液体成分が空気により押し出される。こうして予め設定された時間、シリンジポンプ１０により流路内に空気を供給した後、例えば表示部６７に「送気工程終了」の旨を表示する。この送気工程においては、例えばシリンジポンプ１０内に取り込まれる空気の量や、流路系に供給される空気の供給流量、供給時間等は予め設定しておく。このように送気工程を行なうことにより、流路内に残存する液体成分が空気の送気により吹き飛ばされ、こうして液収容空間５１内に残存する試料液や緩衝液が効率よく除去されるので、センサーユニット２を常に衛生的に良好な状態で保つことができる。

続いて洗浄工程について説明する。「洗浄ボタン」がＯＮ状態に設定されると、流路系を図１５（ａ）に示す状態に設定するように、第１〜第３バルブ１３〜１５（第３のバルブ１５は洗浄モード設定される）が切り替わり、前記インジェクションループ１４ａと前記洗浄液供給路７７とが供給路７４を介して接続されると共に、インジェクションループ１４ａとシリンジポンプ１０とが供給路７２を介して接続される。そしてシリンジポンプ１０により洗浄液供給部１９内の洗浄液を例えばインジェクションループ１４ａの上流端まで引き込んだ後、図１５（ｂ）に示すように、第３のバルブ１５を排出モードに切り替え、シリンジポンプ１０によりインジェクションループ１４ａ内の洗浄液を廃液槽１７に排出する。この洗浄工程では、インジェクションループ１４ａ内に洗浄液が通流するので、インジェクションループ１４ａ内の付着物が洗浄液により洗い流され、除去される。

この洗浄工程の後には、例えばリンス工程が実施される。このリンス工程は、例えば第３のバルブ１５を前記供給路７４と純水供給路７６とが接続されるように切り替えると共に、その他の流路系を図１５（ａ）に示す状態に設定し、シリンジポンプ１０により純水をインジェクションループ１４ａの上流端まで吸引する。次いで図１５（ｂ）に示すように、第３のバルブ１５を切り替え、シリンジポンプ１０によりインジェクションループ１４ａ内の純水を当該流路を介して廃液槽１７に排出する。これによりインジェクションループ１４ａ内に残存する洗浄液が純水により洗い流される。この洗浄工程やリンス工程においては、例えばシリンジポンプ１０内により吸引する洗浄液や純水の量や、流路系に送液される洗浄液や純水の供給流量等は予め設定しておく。

ここで通常は、前記送気工程については例えば計測終了時に行われ、洗浄工程については１日１回のメンテナンス時に行われるが、これら送気工程、洗浄工程については、前記水晶振動子４における計測が終了した後、所定のタイミングでいずれか一方又は両方を自動的に行うようにしてもよい。ここで両方行うときには、先ず送気工程を行った後、続いて洗浄工程を行うことが好ましい。

上述の実施の形態においては、共通の水晶片に第１の振動領域４Ａと第２の振動領域４Ｂとを形成し、第１の励振電極４２Ａを反応電極として用い、第２の励振電極４２Ｂをリファレンス電極として用いれば、これら振動領域４Ａ，４Ｂを試料液と接触させたときの両者の発振周波数Ａ１，Ｂ１においては、試料液の粘度や、試料液中の感知対象物以外の物質の付着による周波数の変化量は互いに同じであるため、両者の発振周波数の差分を取ることにより、これらに伴う周波数の変化量は相殺することができる。このためこれら振動領域４Ａを試料液及び緩衝液と接触させたときの両者の発振周波数Ａ１，Ａ０の差分（Ａ１−Ａ０）と、振動領域４Ｂを試料液及び緩衝液と接触させたときの両者の発振周波数Ｂ１，Ｂ０の差分（Ｂ１−Ｂ０）とを比較したときの、これら差分の変化量{（Ａ１−Ａ０）−（Ｂ１−Ｂ０）}は、試料液中の感知対象物の量に起因する周波数変化分とみなすことができるので、信頼性の高い発振周波数の変化量を取得することができる。

またセンサーユニット２に緩衝液を供給してから周波数が安定するか否かを判断し、周波数が安定したときに、第２のバルブ１４を切り替えて、センサーユニット２に試料液を供給するようにしたので、処理能力が高く、かつ精度の高い計測を行うことができる。つまりバルブの切り替えやシリンジポンプの駆動を作業者がマニュアルにて行なうと、作業者によって、バルブの切り替えやポンプの駆動のタイミングが異なるため、緩衝液供給後周波数が安定する前に、センサーユニット２に試料液を供給してしまって、精度の高い計測を行うことができなくなってしまったり、緩衝液供給後周波数が安定した後もセンサーユニット２に緩衝液を供給し続けて、計測時間を無駄に長くしてしまうことがある。これに対して上述の構成によれば、センサーユニット２に緩衝液を供給してから発振周波数が安定したときに、直ちにセンサーユニット２に供給される液体が緩衝液から試料液に自動的に切り替えられるので、取得される発振周波数のデータが精度の高いものとなり、また余分な緩衝液の供給を抑えて、計測時間の長時間化を防ぎ、こうして高い処理能力を確保することができる。

また洗浄液をシリンジポンプ１０で吸引してインジェクションループ１４ａ内に引き込み、次いでシリンジポンプ１０により当該洗浄液を廃液槽１７に向けて排出することによって、インジェクションループ１４ａ内の洗浄を容易かつ短時間で行うことができる。この際シリンジポンプ１０を用いることにより、インジェクションループ１４ａ内への洗浄液の吸引流量や、インジェクションループ１４ａからの洗浄液の排出流量を調整でき、試料液の種類に応じて、インジェクションループ１４ａへの付着量が多い場合には、例えば前記流量を大きくして洗浄力を大きくする等といった制御を容易に行うことができる。

この洗浄工程では、洗浄液をシリンジポンプ１０内の手前まで引き込んだり、第２のバルブ１４を緩衝液供給モードに設定して洗浄液を引き込んで、緩衝液を供給する流路の洗浄を行うようにしてもよい。このように流路内に残存する付着物を十分に除去することにより、水晶振動子４への試料液中の感知対象物以外の物質の付着が抑えられ、精度の高い発振周波数の計測を行うことができる。

さらにまた異常判断プログラム８５において、発振回路６Ａ，６Ｂの発振周波数に異常があるか否かを判断し、異常が発生したときには、アラーム表示を行なうと共に、シリンジポンプ１０の駆動を停止して、試料液や緩衝液の供給を停止しているので、液漏れや水晶センサの異常等のトラブルを直ちに発見でき、速やかに対処作業を実施することができる。これにより何らかのトラブルが発生しても、トラブルにより計測を行うことができない時間を最小限に止めることができる。

以上において本発明は、第１の励振電極４Ａ及び第２の励振電極４Ｂ上に個別の液収容空間５１Ａ，５１Ｂが形成された水晶センサに対しても適用できる。この場合前記押え部材５は、図１６に押え部材５の底面図（図１６（ａ））と縦断面図（図１６（ｂ））とを示すように、その底面において、２つの励振電極４２Ａ，４２Ｂの周囲を夫々個別に囲む第１の環状突起５５Ａと第２の環状突起５５Ｂとを備えるように構成され、水晶振動子４の表面に押え部材５を押しつけることによって、第１の励振電極４２Ａ及び第２の励振電極４２Ｂの表面に夫々第１の液体収容空間５１Ａ及び第２の液体収容空間５１Ｂを構成する。

前記第１の液体収容空間５１Ａと第２の液体収容空間５１Ｂには夫々第１の供給路５３Ａ及び第２の供給路５３Ｂを介して液体が供給されると共に、こうして供給された液体は第１の排出路５４Ａ及び第２の排出路５４Ｂを介して排出される。図１７に示すように、前記液供排用カバー２４には第１の液供給管２８Ａ及び第２の液供給管２８Ｂが接続され、これらは前記第１の供給路５３Ａ及び第２の供給路５３Ｂに液供給路２６Ａ，２６Ｂを介して夫々連通している。さらに前記液供排用カバー２４には第１の液排出管２９Ａ及び第２の液排出管２９Ｂが接続され、これらは液排出路２７Ａ，２７Ｂを介して第１の排出路５４Ａ及び第２の排出路５４Ｂに夫々連通している。そして図１８に示すように、第３のバルブ１５のポートＰ３１は前記第１の液供給管２８Ａに接続され、ポートＰ３２は前記第２の液供給管２８Ｂに接続されている。

この場合には、インジェクションループ１４ａ内に貯留されている試料液は半量ずつ第１の液収容空間５１Ａと、第２の液収容空間５１Ｂに夫々送液されるので、時間演算プログラム８５により、試料液が水晶振動子４に到達する時点として、試料液が第１の液収容空間５１Ａに到達する時点Ｔ３と、試料液が第２の液収容空間５１Ｂに到達する時点Ｔ４の両方が演算され、試料液が水晶振動子４を通過した時点としては、試料液が第１の液収容空間５１Ａを通過した時点Ｔ５と、試料液が第２の液収容空間５１Ｂを通過した時点Ｔ６の両方が演算される。そして試料液が第１及び第２の液収容空間５１Ａ，５１Ｂに到達する時点Ｔ３，時点Ｔ４の例えば１０秒前が、前記第１及び第２の液収容空間５１Ａ，５１Ｂに到達する前の時点Ｔ３０，時点Ｔ４０とされ、試料液が第１及び第２の液収容空間５１Ａ，５１Ｂを通過した時点Ｔ５，Ｔ６の例えば１０秒後が第１及び第２の液収容空間５１Ａ，５１Ｂを通過した後の時点Ｔ５１、Ｔ６１とされる。この演算に用いられる第１及び第２の液収容空間５１Ａ，５１Ｂに供給される試料液の容積は、夫々インジェクションループ１４ａの容積の半分である。

そして計測を行うときには、例えば図１９に示すように、先ず緩衝液の供給流量を設定する（ステップＳ１１）と共に、試料液をインジェクションループ１４ａ内を満たすように供給しておく。次いで流路系を図１４（ａ）に示す状態に設定して緩衝液を第１の液収容空間５１Ａ内に供給して発振周波数が安定化したか否かを判断し（ステップＳ２）、安定したと判断すると第３のバルブ１５を第２の液収容空間５１Ｂに液を供給する位置に切り替え、緩衝液を第２の液収容空間５１Ｂ内に供給して発振周波数が安定したか否かを判断する（ステップＳ１３）。

そして安定したと判断すると、第２のバルブ１４を試料液供給モードに切り替えて、インジェクションループ１４ａ内の試料液を第１の液収容空間５１Ａ内に供給し、前記試料液が水晶振動子４（第１の液収容空間５１Ａ）に到達する前の時点Ｔ３０の発振周波数Ａ０と、試料液が第１の液収容空間５１Ａを通過した後の時点Ｔ５１の発振周波数Ａ１を取得する（ステップＳ１４）。こうしてインジェクションループ１４ａの半量の試料液を第１の液収容空間５１Ａに供給した後、第３のバルブ１５を切り替えて残りの試料液を第２の液収容空間５１Ｂ内に供給し、前記試料液が水晶振動子４（第２の液収容空間５１Ｂ）に到達する前の時点Ｔ４０の発振周波数Ｂ０と、試料液が第２の液収容空間５１Ｂを通過した後の時点Ｔ６１の発振周波数Ｂ１を取得する（ステップＳ１５）。次いで例えば夫々の発振回路６Ａ，６Ｂ毎の発振周波数の差分（Ａ１−Ａ０），（Ｂ１−Ｂ０）を求め、これらの差分データである{（Ａ１−Ａ０）―（Ｂ１−Ｂ０）}を取得する（ステップＳ１６）。

以上において本発明では、試料液として血液や血清等に限らず、河川などの環境水などであってもよい。また感知対象物としては、疾患検査等の測定に適用するＣＲＰ（Ｃリアクティブ・プロテイン）などであってもよいし、環境汚染物質であってもよい。環境汚染物質としては例えばダイオキシンを挙げることができる。また試料液として血液、血清を用いる場合には、参照液として緩衝液を用いることが好ましい。しかし参照液は緩衝液に限られず、例えば純水や食塩水などであってもよい。

１１緩衝液貯留部
１２試料液供給部
１３第１のバルブ
１４第２のバルブ
１５第３のバルブ
２センサーユニット
２８（２８Ａ，２８Ｂ）液供給管
２９（２９Ａ，２９Ｂ）液排出管
３配線基板
４水晶振動子
４Ａ第１の振動領域
４Ｂ第２の振動領域
４１水晶片
４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂ励振電極
５押え部材
５１（５１Ａ，５１Ｂ）液体収容空間
６Ａ，６Ｂ発振回路
６１測定回路部
１００制御部

Claims

圧電振動子を含む圧電センサが装着され、当該圧電振動子の一面側に供給路から試料液を流したときの発振周波数に基づいて試料液中の感知対象物を感知する感知装置において、
参照液を前記供給路に供給するために設けられ、参照液の供給流量が可変である参照液供給部と、
この参照液供給部及び前記供給路の間に介在し、試料液を一旦貯留すると共に前記参照液供給部からの参照液により試料液が押し出されて供給路に送り出されるように構成された試料液の貯留用流路と、
前記参照液供給部を試料液の貯留用流路を介さずに前記供給路に接続する参照液供給モードと、前記参照液供給部を試料液の貯留用流路を介して前記供給路に接続する試料液供給モードと、の間での流路の切り替えを行う流路切り替え部と、
前記参照液供給部から前記圧電振動子に参照液を供給した状態で発振周波数が安定したか否かを判断し、安定したと判断したときに、貯留用流路内の試料液を圧電振動子に供給するために前記流路切り替え部を試料液供給モードに切り替えるように制御する制御部と、
前記参照液供給部の供給流量を設定するための流量設定部と、
この流量設定部にて設定された参照液の供給流量と、試料液の貯留用流路の容積と、前記供給路の容積と、前記流路切り替え部を試料液供給モードに切り替えた時点と、に基づいて、試料液が圧電振動子に到達する時点と試料液が圧電振動子を通過し終える時点とを求め、前記切り替え時点から試料液が圧電振動子に到達する前までの発振周波数と試料液が圧電振動子を通過した後の発振周波数とを求めて、これら発振周波数の差分を取得する演算部と、を備えたことを特徴とする感知装置。
前記参照液供給部として送液ポンプを用い、
試料液の貯留用流路及び前記供給路の間に介在し、洗浄液を前記貯留用流路に供給するために設けられた洗浄液供給部と、
前記貯留用流路と前記供給路とを接続する液供給モードと、前記貯留用流路と前記洗浄液供給部とを接続する洗浄モードと、の間での流路の切り替えを行うために、前記流路切り替え部の下流側に設けられた下流側流路切り替え部と、を備え、
前記流路切り替え部を試料液供給モードに切り替えると共に、前記下流側流路切り替え部を洗浄モードに切り替え、前記参照液供給部により洗浄液供給部から洗浄液を貯留用流路内に吸引して、当該貯留用流路の洗浄を行うことを特徴とする請求項１記載の感知装置。