JP5826557B2 - 感知装置及び感知方法 - Google Patents

Description

本発明は例えば圧電振動子上の吸着層に感知対象物が吸着されることにより圧電振動子の周波数が変化することを利用して試料液流体中の感知対象物の濃度等の測定を行う感知装置及び感知方法に関する。

試料流体中の感知対象物、例えば血液中あるいは血清中の微量なタンパク質を感知する方法として、水晶センサを備えた感知装置を用いて感知する方法が知られている。
この感知装置に用いられる水晶振動子の電極の上には、抗原抗体反応を利用して抗原を捕捉するための吸着層が形成されている。そしてこの吸着層に抗原を捕捉し、水晶振動子の発振周波数の変化分を抗原の捕捉量、即ち試料液中の感知対象物の濃度として評価するようにしている。このような感知装置には、水晶センサの周波数の安定性を確保するためにアナログコルピッツ発振回路が好適なものとして用いられる。

感知装置に用いられる水晶センサは、同じ周波数の水晶振動子を利用していても、水晶片や電極の形状が異なり、水晶センサの種別ごとのＣＩ値（クリスタルインピーダンス値）が異なる場合がある。
発振回路を液相中において安定に発振させるためには、水晶振動子のＣＩ値に対し、例えば３倍の発振余裕度が求められる。発振回路の等価直列抵抗に対し、水晶振動子のＣＩ値が相対的に低すぎる場合には、発振の初期安定度や周波数ドリフト、温度特性等に弊害をもたらし、ＣＩ値が相対的に高すぎる場合には、発振余裕度が低くなり、溶液中、特に粘性の大きい溶液中では発振が不安定になる。

そのためアナログコルピッツ発振回路は、水晶センサの特性に合わせた発振回路を設計する必要があり、水晶センサの種別に応じた専用の発振回路を用意しなければならない。この結果、水晶センサの特性改善や性能向上が行われて、新しい水晶センサが開発される度に、また新たな発振回路を設定する必要が生じていた。

特許文献１においては、水晶振動子のＱ値の測定精度を挙げるために電源電圧を調整する構成を記載している。
また、特許文献２においては、発振回路のインバータのサイズを可変な構造とし、外部からの設定によりインバータのサイズを制御し、発振余裕度を確保する技術が記載されている。しかし両文献１、２とも本発明の課題であるＣＩ値の異なる水晶センサを、共通な発振回路で利用可能にする構成については開示されていない。

特開２００８−１８５４５１ 特開２００６−２８７７６５

本発明はこのような事情の下になされたものであり、ＣＩ値が互いに異なる圧電振動子に対して発振回路を共通化できる感知装置及び感知方法を提供することにある。

本発明の感知装置は圧電片に設けられた電極上に試料流体中の感知対象物を吸着する吸着層が形成され、感知対象物の吸着により固有振動数が変わる圧電振動子を有する圧電センサを用い、この圧電振動子の発振周波数に基づいて感知対象物を感知する感知装置において、
互いにＣＩ値の異なる複数種別の圧電振動子に対して共通化された発振回路と、
前記発振回路に駆動用の直流電圧を供給する電圧供給部と、
前記発振回路に接続される圧電振動子の種別情報を取り込むための情報取り込み部と、
前記情報取り込み部で取り込まれた種別情報に基づいて前記駆動用の直流電圧を、前記発振回路の負性抵抗が使用される圧電振動子のＣＩ値に見合う負性抵抗になるように調整する電圧調整部と、
を備えたことを特徴とする。

また本発明の感知装置の前記電圧供給部は、レギュレータであり、
前記電圧調整部は水晶振動子の種別情報とレギュレータを調整するための情報とを対応付けたデータを記憶しているメモリと、
このメモリ内の前記データから、取り込まれた水晶振動子の種別情報に対応する情報を読み出すプログラムと、
を備えたことを特徴としてもよい。

本発明の感知方法は、圧電片に設けられた電極上に試料流体中の感知対象物を吸着する吸着層が形成され、感知対象物の吸着により固有振動数が変わる圧電振動子を有する圧電センサを用い、この圧電振動子の発振周波数に基づいて感知対象物を感知する感知方法において、
前記圧電振動子を発振させる発振回路に駆動用の直流電圧を供給する工程と、
前記発振回路に接続される圧電振動子の種別情報を取り込む工程と、
前記情報取り込み部で取り込まれた種別情報に基づいて前記駆動用の直流電圧を、前記発振回路の負性抵抗が使用される圧電振動子のＣＩ値に見合う負性抵抗になるように調整する工程と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば感知対象物が圧電振動子に吸着したことによる固有振動数の変化に基づいて感知対象物の濃度測定やその有無の判断を行う装置において、ＣＩ値が互いに異なる複数種別の圧電センサ（圧電振動子）に対して、アナログ発振回路駆動用の直流電圧を調整することで、その負性抵抗の適切化を図っている。従ってＣＩ値が互いに異なる圧電振動子に対してアナログ発振回路を共通化することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る感知装置の全体を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る（a）水晶センサ及び水晶センサに用いられる（b）水晶振動子を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る感知装置の全体の回路を説明するための平面図である。 本発明の感知装置の発振回路と電源供給部の回路を説明するための平面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る感知装置の全体の回路を説明するための平面図である。 本発明の他の実施の形態に係る圧電センサの全体の構成を示す縦断側面図である。

［第１の実施の形態］
圧電センサを用いた感知装置としては、試料液を溜める方式、通流させる方式など種々のものがあるが、この実施の形態では試料液を溜めて計測を行う感知装置について説明する。図１に示すように、感知装置は感知対象物を含む試料溶液が供給される圧電センサの一つである水晶センサ１とこの水晶センサ１が着脱自在に接続される発振回路ユニット２と、この発振回路ユニット２に接続される本体機３と、この本体機３に接続され、周波数測定部３０におけるパラメータの設定及び、周波数情報を表示する役割を果たすパーソナルコンピュータからなるユーザーインターフェイス４と、を備えている。

図２（a）には水晶センサ１の外見が示され同図（b）には水晶センサ１内の水晶振動子の配線が示されている。水晶センサ１は配線基板であるプリント基板６０の上にゴムシート６１を重ね、このゴムシート６１上に圧電振動子に相当する水晶振動子６２を設け、その上から上蓋ケース６３を装着することによって構成されている。水晶振動子６２は、例えば円形の水晶板７１の両面に励振用の電極７２（図２（ｂ）では裏面側の７２は見えない）が設けられ、これら電極７２は夫々プリント基板６０上のプリント配線６６，６７に導電性接着剤等によって電気的に接続されている。一方電極７２の表面側には、感知対象物を吸着するための吸着層７３が形成されている。この吸着層７３は例えば感知対象物である試料溶液中の抗原を抗原抗体反応で捕捉するための抗体から構成される。また上蓋ケース６３には試料溶液の注入口６４と、観察口６５とが形成されている。

この水晶センサ１は既述のように発振回路ユニット２に対してプリント基板６０を抜脱することにより着脱できるように構成されており、この水晶センサ１を差し込むと水晶振動子６２がプリント配線６６，６７を介して発振回路ユニット２の発振回路２０に電気的に接続される。水晶センサ１の使用については、感知対象物を含む試料溶液を注入口６４から水晶センサ１内に注入すると試料溶液中に感知対象物が含まれる場合には、吸着層７３が感知対象物と選択的に反応し、質量負荷効果により、水晶振動子１の発振周波数が変化する。

発振ユニット２は図３に示すようにアナログコルピッツ発振回路からなる発振回路２０と複数種別の水晶センサ１に対して共通化され各水晶センサ１の水晶振動子６２を発振回路２０に接続するための前段側の接続端子２１と、発振回路２０を後述の本体機３の周波数測定部３０にケーブル２３を介して接続するための後段側の接続端子２２と、発振回路２０に駆動用の直流電圧を供給する電圧供給部に相当するレギュレータ５を備えている。

発振回路（アナログコルピッツ発信回路）２０は、図４に示すように増幅部をなすトランジスタ２４及び分割コンデンサＣ１，Ｃ２などを含み電圧供給部であるレギュレータ５から駆動用の直流電圧がトランジスタ２４に供給される。２５は発振回路２０の発振周波数を制御するための制御電圧を供給する端子部、２６はバッファアンプである。水晶振動子６２は水晶センサ１を本体機２の端子部２１に接続することにより、発振回路の一部として機能する。

レギュレータ５は図４に示すようにレギュレータ用ＩＣ（集積回路）を有し、ＩＣ５０の出力端と接地との間に設けられた電圧調整用の可変抵抗部分として、互いに抵抗値が異なる例えば３つの抵抗Ｒ１〜Ｒ３とこれら抵抗Ｒ１〜Ｒ３を切り替え選択できるスイッチ部５１とが設けられている。このスイッチ部５１は本体機３からの制御信号により切り替えられて、その制御信号に対応する抵抗が選択されることとなる。

図３に戻って本体機３は、発振回路２０に接続端子２２及びケーブル２３を介して接続された周波数測定部３０と、この周波数測定部３０で測定された周波数についてデータ処理を行う機能、及び発振回路ユニット２のレギュレータ５に対して電圧調整用の制御信号を供給する機能などを有する制御部４０と、を備えている。周波数測定部３０としては周波数カウンタを用いてもよいが、本件出願人が既に提案している特開２００６−２５８７８７に記載されている回転ベクトルを利用したディジタル処理技術を用いて周波数を測定するようにしてもよい。

制御部４０はコンピュータからなる。図中の４６はバスであり、バス４６には各種演算を行うＣＰＵ４２、種別情報に応じたレギュレータ５の電圧の設定値を記憶しておくメモリ４４及び、プログラム４３が接続されている。このプログラム４３は、パーソナルコンピュータからなるユーザーインターフェイス４により入力された水晶センサ（水晶振動子）の種別情報に応じて、電圧の設定値を読み出しレギュレータ５の出力電圧を設定するためのステップ群を備えている。なおプログラム４３はプログラム格納部に格納されているが図３には図示しない。

メモリ４４は周波数測定部３０にて測定された発振周波数の時系列データが記憶されるエリアと、水晶センサの種別情報と発振回路２０の駆動電圧（電源電圧）とを対応付けた電圧データと、が記憶されるエリアとを有している。電圧データについて述べる前に、ユーザーインターフェイス４について記載しておくと、ユーザーインターフェイス４は本体機３のメモリ４４内に記憶されている周波数のデータを表示部４１に表示させる機能、及び水晶センサの種別情報をメモリ４４に入力する入力部などを備えている。

次に前記電圧データに関して述べる。感知装置に用いる水晶センサは、同じ周波数でも、その用途によって水晶振動子の電極のサイズが異なるため、ＣＩ値が異なる。
前述のように液相中で発振を行う場合、発振回路２０の負性抵抗は、水晶振動子のＣＩ値の３倍の負性抵抗を持つ回路が推奨されるため、例えば純水中のＣＩ値が１５０Ω、及び４５０Ωの水晶センサを用いて発振させる場合、夫々４５０Ω、１３５０Ωの負性抵抗を持つ発振回路を準備することが好ましい。

ここで本発明者はアナログコルピッツ発振回路の駆動電力を調整することにより負性抵抗を変えることができることを見出した。このため感知装置に用いられる水晶センサ１の種別ごとにその水晶センサ１のＣＩ値（液相中の水晶振動子のＣＩ値）に見合う適切な負性抵抗が得られる駆動電圧値を予め把握しておき、水晶センサの種別と駆動電圧値を設定するための駆動電圧情報とを対応付けたデータ（電圧データ）をメモリ４４に書き込んでおく。この実施の形態では水晶センサ１が３種類あるものとして説明を進めており、レギュレータ５の出力電圧の調整はスイッチ部５１により、抵抗Ｒ１〜Ｒ３のいずれかを選択することにより行われる。即ち駆動電圧情報は３種類の水晶センサ１に対応する適切な電圧値が得られるように、夫々抵抗Ｒ１〜Ｒ３を選択するためのスイッチ部５１の開閉状態を表す切り替え信号を出力するためのデータに相当する。従って制御部４０のＣＰＵ４２がメモリ４４から切り替え信号をスイッチ部５１に出力することにより、対応する駆動電圧により発振回路２０が駆動されることになる。制御部４０のプログラム４３は、駆動電圧設定のための一連の動作を行うためのステップ群を備えている。この実施の形態では、プログラム４３、メモリ４４、スイッチ部５１及び抵抗Ｒ１〜Ｒ３は発振装置２０に供給される駆動用の直流電圧を調整する電圧調整部に相当し、抵抗Ｒ１〜Ｒ３は電圧供給部の一部を兼用しているということができる。

次に本実施の形態の作用について説明する。今、図３に示す例えば液相におけるＣＩ値が２００Ωの水晶センサ１（１０）を用いて、感知対象物の感知を行うものとすると、まずオペレータがユーザーインターフェイス４により水晶センサ１０の種別情報を入力する。制御部４０のＣＰＵ４２は入力された種別情報に基づいて、メモリ４４の電圧データから駆動電圧情報を読み出し、スイッチ部５１を介してレギュレータ５の電圧調整用の抵抗（例えばＲ１）を選択する。これによりレギュレータ５は、発振回路２０に供給される電源電圧（駆動電圧）の電圧値を水晶センサ１０に対して予め決めておいた値に設定し、負性抵抗を水晶センサ１０の水晶振動子の液層のＣＩ値の３倍に近い値に調整する。この結果、発振回路の発振余裕度は水晶センサ１０のＣＩ値の３倍付近になるため、安定した発振ができる。

この状態で行われる測定の一例について述べておく。先ず水晶センサ１０に参照水、例えば純水を注入し、発振回路２０の周波数が安定した後、試料液を加え、純水の場合の周波数と試料を加えたときの周波数との差を求めて、予め作成した検量線に基づいて試料中の感知対象物の有無、あるいは濃度を求める。この作業はユーザーインターフェイス４により周波数検出部にて検出された周波数をリアルタイムでグラフとして表示させるようにしてもよいし、あるいは本体機３のメモリ４４内に格納された周波数の時系列データを後から読み出してもよい。

次に同じ周波数であって液相におけるＣＩ値が異なる水晶センサに変換する場合には、同様に水晶センサの種別をユーザーインターフェイス４により、種別情報を入力することにより、レギュレータ５の電圧調整用の抵抗が例えばＲ２に切り替えられ、水晶センサに見合う駆動電圧に調整される。

上述のように、本実施の形態の感知装置では、感知対象物が圧力振動子に吸着したことによる固有振動数の変化に基づいて感知対象物の濃度測定やその有無の判断を行う装置において、ＣＩ値が互いに異なる複数種別の圧電センサ（圧電振動子）に対して、アナログ発振回路２０の駆動用の直流電圧を調整することでその負性抵抗の適切化を図っている。従ってＣＩ値が互いに異なる圧電振動子に対してアナログ発振回路２０を共通化することができる。
［第２の実施の形態］
また本発明は電圧供給部としてスイッチングレギュレータを用いてもよい。この場合にはスイッチングレギュレータに用いられるスイッチング素子のオン、オフのデューティー比とスイッチングレギュレータの出力電圧（発振装置２０への供給電圧）とが対応するので、メモリ４４内の電圧データは、水晶センサ１の種別情報と前記デューティー比を設定するためのデータとが対応したものとなる。スイッチングレギュレータは出力電圧を連続的に変えることができることから、新たな種別の水晶センサを追加して使用する場合にもメモリ４４内にその種別と当該水晶センサに対応する駆動電圧に相当するデューティー比のデータとを書き込むことにより対応できる。
［第３の実施の形態］
また第３の実施の形態は、使用する水晶センサ１の種別情報を、ユーザーインターフェイス４からオペレータが入力することに代えて、図５に示すように水晶センサ１０を発振回路ユニット２に接続したときに、水晶センサ１０から発振回路ユニット２を介して制御部４０に入力するように構成している。水晶センサ１０のプリント基板６０には種別情報が書き込まれたメモリを有するＩＣチップ１aが設けられると共に、プリント基板６０にはこのＩＣチップ１aから信号路が伸びている。そして当該信号路の端部には、水晶センサ１０を発振回路ユニット２に差し込んだときに発振回路ユニット２側の専用の端子部２８に接続される端子部２７を設けている。また発振回路ユニット２と本体機３とを接続するケーブル２３内には水晶センサ１０の前記ＩＣチップ１a内のデータを制御部４０に送るための信号路が設けられている。従って水晶センサ１０を発振回路ユニット２に接続したときにＩＣチップ１aから当該水晶センサ１０の種別情報が制御部４０に送られ、制御部４０はこの種別情報に対応する発振回路２０の駆動電圧に対応するデータを読み出してレギュレータ５などの電圧供給部に制御信号を送ることになる。

以上において本発明は、例えば第１の実施の形態におけるスイッチ部５１の切り替え用の作動部を発振回路ユニット２に設け、オペレータがこの作動部により使用する水晶センサの種別に応じた抵抗（Ｒ１〜Ｒ３のいずれか）を選択するようにしてもよい。この場合には当該作動部が水晶センサの種別情報の読み込み部に相当する。

また本発明の感知装置は試料液を溜めるタイプの圧電センサを用いた感知装置に限らず、試料液を流すフロータイプの圧電センサを用いた感知装置でもよい。図６にこのような感知装置が示されている。

図６中、１００は上部材、１０１は下部材、１０２はプリント基板、１０３は水晶振動子、１０５は水晶片、１０６、１０７は電極、１０８は押圧部材、１０９は給液ポート、１１０は排液ポートである。上部材１００は下部材１０１に対して分離可能に構成され、水晶振動子１０３を交換できるようになっている。このフロータイプの測定ユニットでは、試料液は給液ポート１０９から水晶振動子１０３の表面側の空間を介して排液ポート１１０側に流れ、参照液あるいは試料液を通流させながら水晶振動子１０３の発振周波数を測定する。この種の感知装置においては、例えば感知対象物の種類や測定濃度範囲などに応じて水晶振動子１０３の表面側の通液空間の高さを変え、その高さに応じて水晶振動子１０３の電極１０６、１０７のサイズや形状を変えることがあり、本発明ではその場合においても発振回路を共通化できることから有効な技術である。

また１枚の水晶片に励振電極を２対設け、一方の対においては電極上に感知対象物を吸着する吸着層を設けると共に、他方の対に置いては吸着層を設けない構成とし、これら２対の発振周波数を夫々測定してその周波数を感知対象物の濃度として評価するシステムが知られている。他方の電極の対に対応する水晶振動領域は、温度変化により固有振動数が変わるが、感知対象物の存在によっては固有振動数が変わらない。このため両電極対に対応する水晶振動領域の周波数差に応じた値を評価することにより温度変化に基づく測定誤差が少なくなる。このような水晶振動子を用いる場合にも本発明を適用することができる。

１ 水晶センサ
２ 発振回路ユニット
２０ 発振回路
３ 本体機
３０ 周波数測定部
４ ユーザーインターフェイス
４０ 制御部
５ レギュレータ

Claims (3)

1. 圧電片に設けられた電極上に試料流体中の感知対象物を吸着する吸着層が形成され、感知対象物の吸着により固有振動数が変わる圧電振動子を有する圧電センサを用い、この圧電振動子の発振周波数に基づいて感知対象物を感知する感知装置において、
   互いにＣＩ値の異なる複数種別の圧電振動子に対して共通化された発振回路と、
   前記発振回路に駆動用の直流電圧を供給する電圧供給部と、
   前記発振回路に接続される圧電振動子の種別情報を取り込むための情報取り込み部と、
   前記情報取り込み部で取り込まれた種別情報に基づいて前記駆動用の直流電圧を、前記発振回路の負性抵抗が使用される圧電振動子のＣＩ値に見合う負性抵抗になるように調整する電圧調整部と、
   を備えたことを特徴とする感知装置。
2. 前記電圧供給部は、レギュレータであり、
   前記電圧調整部は水晶振動子の種別情報とレギュレータを調整するための情報とを対応付けたデータを記憶しているメモリと、
   このメモリ内の前記データから、取り込まれた水晶振動子の種別情報に対応する情報を読み出すプログラムと、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の感知装置。
3. 圧電片に設けられた電極上に試料流体中の感知対象物を吸着する吸着層が形成され、感知対象物の吸着により固有振動数が変わる圧電振動子を有する圧電センサを用い、この圧電振動子の発振周波数に基づいて感知対象物を感知する感知方法において、
   前記圧電振動子を発振させる発振回路に駆動用の直流電圧を供給する工程と、
   前記発振回路に接続される圧電振動子の種別情報を取り込む工程と、
   前記情報取り込み部で取り込まれた種別情報に基づいて前記駆動用の直流電圧を、前記発振回路の負性抵抗が使用される圧電振動子のＣＩ値に見合う負性抵抗になるように調整する工程と、
   を備えたことを特徴とする感知方法。

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