JP6086347B2 - 共振型質量センサ - Google Patents
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Description
本発明は、共振型質量センサに関する。
気体や液体に含まれる極微量な化学物質の濃度を測定する方法として、共振型質量センサが開発されている。これは、一定周波数で振動している振動体に他の物質が付着すると、そのわずかな質量変化に伴って共振周波数も変化することを利用している。振動体としては、水晶天秤(Quarts Crystal Microbalance; QCM)などの自励発振式の振動体や、セラミック製の片持ち梁(カンチレバー)等の振動体に圧電素子などの振動子を接合したものが用いられてきた。前者を、自励発振式質量センサと呼ぶと、後者は他励発振式質量センサと呼ぶことができる。
振動体として圧電体の薄膜共振器を備えた自励発振式の質量センサは、例えば特許文献１に開示されている。また、特許文献２には、Ｓｉからなる振動子を静電結合した駆動部により振動させる質量センサが開示されている。
振動体に圧電素子からなる振動子を接合した他励発振式の質量センサは、例えば特許文献３に開示されている。
これらの共振型質量センサに共通して言えることは、被測定物質の質量が小さくなればなるほど、振動体の共振周波数の変化量も小さくなるので、振動体の固定方法、給電方法、温度や湿度などの環境要因が、計測感度限界を左右する。
しかし、従来の質量センサでは、振動体自体に給電されていたり(自励発振式質量センサ、（株）多摩デバイス製、非特許文献１参照)、振動体に機械的に(接着)固定された圧電素子に給電しているので(他励発振式質量センサ)、それらの給電線の保持によって共振現象が阻害され、高感度化を阻んでいた。
また、他励発振式質量センサでは、電気的にではなく磁気的に振動体を励振するもの等もあるが（非特許文献２参照）、振動体と磁気ヘッドとのギャップを厳密に位置決めする必要があった。
http://www.tamadevice.co.jp/9mhz.htm
J. Teva, et al, "A femtogram resolution mass sensor platform, based on SOI electrostatically driven resonant cantilever", Ultramicroscopy, Vol. 106, pp.800−807, 2006
従来の他励発振式質量センサでは、振動体を筐体に固定する必要が生じ、振動体の固定保持によって共振現象が阻害され、高感度化を図れないという課題があった。
本発明は、上記課題に鑑み、他励式で高感度な共振型質量センサを提供することを目的としている。
本発明者は、振動体の両端を自由端とした梁の横振動モードの共振周波数を圧電素子で励起することで、３８．８ｎｇ／Ｈｚの計測感度を有する共振型質量センサが実現できるという知見を得て本発明に想到した。
上記の目的を達成するため、本発明の共振型質量センサは、振動子と、振動子上に載置される振動体と、振動体の共振周波数を検出する検出部と、を備え、振動体と振動子は機械的に結合されておらず、かつ振動体は何れの部材にも機械的に結合されていないことを特徴とする。
上記構成において、振動体の振動は、好ましくは、定在波である。
振動体は、好ましくは、被測定物質の分子認識手段を備えている。分子認識手段は、好ましくは、抗原−抗体反応を用いる。
振動体は、好ましくは、少なくとも一部に磁化可能な部材を含む。磁化可能な部材には、好ましくは、抗体又は抗原を固定化した磁気ビーズが磁気的に吸着される。
前記検出部は、好ましくは、発光素子と受光素子からなり、振動、変位、速度及び加速の何れかの検出手段を備える。
振動体は、好ましくは、被測定物質の分子認識手段を備えている。分子認識手段は、好ましくは、抗原−抗体反応を用いる。
振動体は、好ましくは、少なくとも一部に磁化可能な部材を含む。磁化可能な部材には、好ましくは、抗体又は抗原を固定化した磁気ビーズが磁気的に吸着される。
前記検出部は、好ましくは、発光素子と受光素子からなり、振動、変位、速度及び加速の何れかの検出手段を備える。
本発明の共振型質量センサによれば、振動体の振動子への固定が不要となるので、給電や固定による共振現象への阻害がなく、振動体の形状寸法の設計の制約を無くすことができ、質量変化を高感度で測定できる。さらに、振動体を振動子に固定していないので、振動体の交換が極めて容易となる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る共振型質量センサ１の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本発明の共振型質量センサ１は、振動体２と、振動体２を励起する励起用の振動子３と、励起用の振動子３を駆動する電源４と、振動体２の振動を検出する検出部５と、を含んで構成されている。本発明の共振型質量センサ１の振動体２は、振動子３上に載置される。振動体２と振動子３は機械的に結合されておらず、かつ振動体２は何れの部材にも機械的に結合されていない、つまり、振動体２はどこにも固定化されていない構造を有している。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る共振型質量センサ１の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本発明の共振型質量センサ１は、振動体２と、振動体２を励起する励起用の振動子３と、励起用の振動子３を駆動する電源４と、振動体２の振動を検出する検出部５と、を含んで構成されている。本発明の共振型質量センサ１の振動体２は、振動子３上に載置される。振動体２と振動子３は機械的に結合されておらず、かつ振動体２は何れの部材にも機械的に結合されていない、つまり、振動体２はどこにも固定化されていない構造を有している。
振動体２は、後述するように共振現象に最適な形状寸法に加工されている。振動体２は、圧電素子などの振動子３の上に非拘束状態で載置されており、圧電素子が任意の周波数で振動すると、振動体２が、振動体２自身の共振周波数で振動できる構造になっている。圧電素子３に梁状の振動体２の固有周波数付近の交流電圧を印加すると、振動体２は自らの固有の共振周波数で共振する。このようにすれば、振動体２は材質や形状寸法に何ら制約を受けることが無くなるので、設計の自由度は飛躍的に改善できる。
なお、振動体２の振動モードは、定在波型超音波モータのように、ある一定の方向へ移動するような１軸振動等の振動モードとならないように設定される。つまり、振動体２の振動モードは、ある一定の方向へ移動するような振動モードではなく、かつ、その振幅もナノメーター（ｎｍ）オーダーと小さいので、振動体２が振動子３の上から脱離することはない。
液体もしくは気体の被測定サンプルに振動体２が曝されたり、振動体２に付着した場合には、振動体２の質量が増加する。これにより、振動体２の共振周波数が変化し、その変化割合からサンプル中の特定の化学物質濃度を推定することができる。振動体２の共振周波数の変化は、検出部５により検知される。検出部５は、振動体２の共振周波数の計測手段として、発光素子と受光素子からなる光学的な検出手段を使用することができる。光学的な検出手段は、振動体２の周波数、変位、速度、加速度の何れかを測定してもよい。検出部５には、レーザー変位計などを用いることができる。レーザー変位計によれば、振動体２の共振周波数の変化を非接触で計測することができる。
（振動体の振動モード）
本発明の振動体２の振動モードについて説明する。
図２は、本発明の振動体２の形状を説明する斜視図である。
図２に示すように、本発明の振動体２は、例えば、長手方向の寸法である長さｌと、幅ｗと、高さｈと、断面の面積Ａとを有する細長い柱状の梁からなる。本発明の振動体２は、圧電結晶等を用いることができる。圧電結晶としては、水晶、ＰＺＴ等が挙げられる。本発明の振動体２に用いる振動モードは、梁の長手方向に対して垂直に振動する横振動モードであり、その共振周波数（fｎ）は下記（１）式で表される。横振動モードは、曲げ振動とも呼ぶ。
本発明の振動体２の振動モードについて説明する。
図２は、本発明の振動体２の形状を説明する斜視図である。
図２に示すように、本発明の振動体２は、例えば、長手方向の寸法である長さｌと、幅ｗと、高さｈと、断面の面積Ａとを有する細長い柱状の梁からなる。本発明の振動体２は、圧電結晶等を用いることができる。圧電結晶としては、水晶、ＰＺＴ等が挙げられる。本発明の振動体２に用いる振動モードは、梁の長手方向に対して垂直に振動する横振動モードであり、その共振周波数（fｎ）は下記（１）式で表される。横振動モードは、曲げ振動とも呼ぶ。
上記（１）式の符号を以下に示す。
n：振動系のモード次数(図３参照)、
λn：両端自由の条件でλ1＝4.730、λ2＝7.583、λ3＝10.996、
l：振動体２の長さ（ｃｍ）、
E：縦弾性係数 (水晶：9.72×1011) [g/cm・s2] 、
I：断面二次モーメント[cm4] 、
(：密度 (水晶：2.65)[g/cm3] 、
A：梁の断面積 [cm2]
n：振動系のモード次数(図３参照)、
λn：両端自由の条件でλ1＝4.730、λ2＝7.583、λ3＝10.996、
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E：縦弾性係数 (水晶：9.72×1011) [g/cm・s2] 、
I：断面二次モーメント[cm4] 、
(：密度 (水晶：2.65)[g/cm3] 、
A：梁の断面積 [cm2]
本発明の振動体２に用いる横振動モードの他に、梁の伸び縮み振動である縦振動モードと、梁のねじりから生じるねじり振動モードが生じる。本発明の振動体２に用いる横振動モードの周波数は、振動体２の縦振動モード及びねじり振動モードとは異なるように設定される。
梁の伸び縮み振動である縦振動の共振周波数（fｎ）は、下記（２）式で表される。
ここで，λnは両端自由の条件で、λ1＝π，λ2＝2π，λ3＝3π，・・・である。
梁のねじり振動の共振周波数（fｎ）は，下記（３）式で表される。
ここで，λnは両端自由の条件で、λ1＝π、λ2＝2π、λ3＝3π、・・・であり、Ｇは、せん断弾性係数（g/cm・s2）である。ちなみに水晶のＧは、2.95×1011（g/cm・s2）である。
（振動体の横振動のモード次数）
本発明の振動体２における横振動モードのモード次数について説明する。
図３は、本発明の振動体２の両端自由の場合の横振動モードにおけるモード次数を説明する図であり、（ａ）は１次モード、（ｂ）は２次モード、（ｃ）は３次モードを示している。
図３に示すように、本発明の振動体２の両端自由の場合の横振動は定在波であり、１次モードの節の数は２、２次モード節の数は３、３次モード節の数は４である。
本発明の振動体２における横振動モードのモード次数について説明する。
図３は、本発明の振動体２の両端自由の場合の横振動モードにおけるモード次数を説明する図であり、（ａ）は１次モード、（ｂ）は２次モード、（ｃ）は３次モードを示している。
図３に示すように、本発明の振動体２の両端自由の場合の横振動は定在波であり、１次モードの節の数は２、２次モード節の数は３、３次モード節の数は４である。
（振動体の横振動モードの共振周波数）
振動体２の材料を水晶とし、梁の長さが４ｍｍ、幅が０．４ｍｍ、高さが０．４ｍｍのときの縦振動モードの１〜３次モードの共振周波数を上記（１）式を用いて計算した。計算結果を縦振動モード及びねじり振動と共に表１に纏めて示す。
振動体２の材料を水晶とし、梁の長さが４ｍｍ、幅が０．４ｍｍ、高さが０．４ｍｍのときの縦振動モードの１〜３次モードの共振周波数を上記（１）式を用いて計算した。計算結果を縦振動モード及びねじり振動と共に表１に纏めて示す。
表１に示すように、振動体２の横振動モードの共振周波数は、モード次数が増すと増加し、かつ、縦振動モード及びねじり振動とは異なる共振周波数であることが分かる。
本発明の共振型質量センサ１によれば、振動体２の振動子３への機械的な固定を不要とすることで、給電や固定による共振現象の阻害がなく、振動体２の形状寸法の設計の制約を無くすことができ、質量変化を高感度で測定できる。さらに、振動体２を振動子３に機械的に固定していないので、振動体２の交換が、極めて容易となる。
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る共振型質量センサ１０の構成を示すブロック図である。
図４に示すように、この第２の実施形態の共振型質量センサ１０が、図１の共振型質量センサ１と異なるのは、振動体の表面に抗体等の分子認識素子１６が固定化されて抗体固定化振動体１２として構成されている点である。つまり、被測定物質の分子認識手段１６を備えている。分子認識手段１６としては、例えば抗体１６ａと抗原からなり、これにより抗原−抗体反応で特定の分子を捕捉する。図示の場合、抗体１６ａ等の分子認識素子１６は、振動体１２表面の自由端などの振幅が大きい位置に固定されている。分子認識手段１６となる抗体及び／又は抗原が振動体１２の表面に固定化されてもよい。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る共振型質量センサ１０の構成を示すブロック図である。
図４に示すように、この第２の実施形態の共振型質量センサ１０が、図１の共振型質量センサ１と異なるのは、振動体の表面に抗体等の分子認識素子１６が固定化されて抗体固定化振動体１２として構成されている点である。つまり、被測定物質の分子認識手段１６を備えている。分子認識手段１６としては、例えば抗体１６ａと抗原からなり、これにより抗原−抗体反応で特定の分子を捕捉する。図示の場合、抗体１６ａ等の分子認識素子１６は、振動体１２表面の自由端などの振幅が大きい位置に固定されている。分子認識手段１６となる抗体及び／又は抗原が振動体１２の表面に固定化されてもよい。
（抗体の固定化方法）
振動体１２に抗体１６ａを固定する方法について説明する。
振動体１２の表面に金属薄膜を被覆し、この金属被膜上に分子層オーダーの分子膜をスパッタ法等により形成し、この分子膜に抗体１６ａを修飾することにより振動体１２に抗体１６ａを固定することができる。金属薄膜としては、密着層と密着層上に形成される白金（Ｐｔ）膜を用いることができる。密着層は、ＴｉやＣｒ等が挙げられる。分子層オーダーの分子膜としては、自己組織化単分子膜（以下、ＳＡＭ膜と呼ぶ。）を用いることができる。
振動体１２に抗体１６ａを固定する方法について説明する。
振動体１２の表面に金属薄膜を被覆し、この金属被膜上に分子層オーダーの分子膜をスパッタ法等により形成し、この分子膜に抗体１６ａを修飾することにより振動体１２に抗体１６ａを固定することができる。金属薄膜としては、密着層と密着層上に形成される白金（Ｐｔ）膜を用いることができる。密着層は、ＴｉやＣｒ等が挙げられる。分子層オーダーの分子膜としては、自己組織化単分子膜（以下、ＳＡＭ膜と呼ぶ。）を用いることができる。
（抗体の固定化方法の具体例）
抗体１６ａの固定化方法の一例を説明する。
梁状の振動体１２の一面には、チタン（Ｔｉ）と白金(Ｐｔ、５００Å)を、スパッタ法により成膜する。白金表面に抗体１６ａを固定化するには、ＳＡＭ膜を形成し、ＳＡＭ膜に抗体１６ａを修飾する。ＳＡＭ膜と抗体１６ａの結合にはアミンカップリング法を用いた。また、余計なタンパクが付着して測定に影響が無いように、エタノールアミン水溶液でのブロッキングと、ウシ血清アルブミン（Bolvine Serum albumin、以下ＢＳＡと呼ぶ。）水溶液でのブロッキングも施した。
抗体１６ａの固定化方法の一例を説明する。
梁状の振動体１２の一面には、チタン（Ｔｉ）と白金(Ｐｔ、５００Å)を、スパッタ法により成膜する。白金表面に抗体１６ａを固定化するには、ＳＡＭ膜を形成し、ＳＡＭ膜に抗体１６ａを修飾する。ＳＡＭ膜と抗体１６ａの結合にはアミンカップリング法を用いた。また、余計なタンパクが付着して測定に影響が無いように、エタノールアミン水溶液でのブロッキングと、ウシ血清アルブミン（Bolvine Serum albumin、以下ＢＳＡと呼ぶ。）水溶液でのブロッキングも施した。
以下に，梁状振動体１２にＳＡＭ膜を形成して抗体１６ａを修飾する工程の一例を、さらに詳しく説明する。
（１）有機物の除去：電極の表面をピラニア溶液に１５分間浸漬し、有機物を除去する。
（２）保管方法：蒸留水で洗浄した直後、窒素ガスで乾燥させ、ＳＡＭ膜形成まで蒸留水に浸漬させ保管する。この保管は、１時間以内とした。
（３）ＳＡＭ膜の形成：エタノールで溶解した１ｍｍｏｌ／Ｌ（１０-3モル／リットル）の5-Carboxy-1-decanethiol（５−カルボキシ−１−デカンチオール）を滴下し、２５℃の恒温槽内において１時間浸漬させる。
（４）未反応物の除去：エタノールで電極表面を洗浄し未反応物を除去する。
（５）活性化：蒸留水で洗浄後、ＮＨＳ（Ｎ−ヒドロキシこはく酸イミド）水溶液，ＷＳＣ（１−エチル−３−（３−ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド）水溶液の混合溶液（１：１）を滴下し、２５℃の恒温槽内において１時間浸漬させる。
（６）抗体１６ａの固定：リン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳと呼ぶ。）で洗浄後、ＰＢＳで希釈した抗体１６ａを滴下し、２５℃の恒温槽内において３０分間浸漬させる。
（７）不活性化：ＰＢＳで洗浄後、２５℃の恒温槽内において２０％エタノールアミン水溶液に１時間浸漬し、残った活性エステルを不活性化する。
（８）ブロッキング処理：蒸留水で洗浄後、１％ＢＳＡ水溶液を滴下し、４℃で９０分間浸漬する。
（１）有機物の除去：電極の表面をピラニア溶液に１５分間浸漬し、有機物を除去する。
（２）保管方法：蒸留水で洗浄した直後、窒素ガスで乾燥させ、ＳＡＭ膜形成まで蒸留水に浸漬させ保管する。この保管は、１時間以内とした。
（３）ＳＡＭ膜の形成：エタノールで溶解した１ｍｍｏｌ／Ｌ（１０-3モル／リットル）の5-Carboxy-1-decanethiol（５−カルボキシ−１−デカンチオール）を滴下し、２５℃の恒温槽内において１時間浸漬させる。
（４）未反応物の除去：エタノールで電極表面を洗浄し未反応物を除去する。
（５）活性化：蒸留水で洗浄後、ＮＨＳ（Ｎ−ヒドロキシこはく酸イミド）水溶液，ＷＳＣ（１−エチル−３−（３−ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド）水溶液の混合溶液（１：１）を滴下し、２５℃の恒温槽内において１時間浸漬させる。
（６）抗体１６ａの固定：リン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳと呼ぶ。）で洗浄後、ＰＢＳで希釈した抗体１６ａを滴下し、２５℃の恒温槽内において３０分間浸漬させる。
（７）不活性化：ＰＢＳで洗浄後、２５℃の恒温槽内において２０％エタノールアミン水溶液に１時間浸漬し、残った活性エステルを不活性化する。
（８）ブロッキング処理：蒸留水で洗浄後、１％ＢＳＡ水溶液を滴下し、４℃で９０分間浸漬する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る共振型質量センサ１０における振動体１２の共振周波数の時間変化を示す図であり、図６は、抗原抗体反応時における振動体１２の共振周波数の変化を示す図である。
図５に示すように、共振型質量センサ１０では、振動体１２が液体又は気体の被測定サンプルに曝されると、被測定サンプルに含まれる特定の分子、例えば抗原１６ｂが抗原−抗体反応のような免疫反応（イムノアッセイとも呼ばれている。）によって捕捉され、振動体１２の質量が増加する。その結果、図６に示すように、振動体１２の共振周波数が低下する。その変化割合から被測定サンプル中の特定の化学物質濃度を推定することができる。振動体１２の共振周波数の変化は、図１の共振型質量センサ１と同様に検出部５により検知される。例えば、検出部５としてレーザー変位計などを用いた場合には、振動体１２の共振周波数の変化を非接触で計測することができる。
尚、上記説明においては、梁状振動体１２にＳＡＭ膜を形成して抗体１６ａを修飾したが、梁状振動体１２に抗原１６ｂを修飾してもよい。
図５に示すように、共振型質量センサ１０では、振動体１２が液体又は気体の被測定サンプルに曝されると、被測定サンプルに含まれる特定の分子、例えば抗原１６ｂが抗原−抗体反応のような免疫反応（イムノアッセイとも呼ばれている。）によって捕捉され、振動体１２の質量が増加する。その結果、図６に示すように、振動体１２の共振周波数が低下する。その変化割合から被測定サンプル中の特定の化学物質濃度を推定することができる。振動体１２の共振周波数の変化は、図１の共振型質量センサ１と同様に検出部５により検知される。例えば、検出部５としてレーザー変位計などを用いた場合には、振動体１２の共振周波数の変化を非接触で計測することができる。
尚、上記説明においては、梁状振動体１２にＳＡＭ膜を形成して抗体１６ａを修飾したが、梁状振動体１２に抗原１６ｂを修飾してもよい。
本発明の共振型質量センサ１０では、上記した被測定サンプルに含まれる特定の分子の質量の測定が終了した後、抗体１６ａを固定化した振動体１２を再利用することができる。使用済みの抗体固定化振動体１２を、所定濃度の抗原解離液に浸すと、例えば数分で被測定分子である抗原１６ｂが除去され、他励発振式の共振型質量センサ１０を再利用できるようになる。抗原解離液の濃度は、測定する抗原１６ｂの種類によって決めることができる。
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係る共振型質量センサ２０の構成を示すブロック図である。
図７に示す共振型質量センサ２０が、図１の共振型質量センサ１と異なるのは、振動体２２が磁性特性を有している点である。振動体２２には、磁性を帯びた被測定サンプルを磁力により吸着して、磁性を帯びた被測定サンプルの質量を測定することができる。磁性を帯びた被測定サンプとしては、例えば、抗原１６ｂを含むサンプル溶液と、抗体１６ａと磁気粒子、例えば磁気ビーズ２６とからなる磁気ビーズ溶液と、を混合した磁性を帯びた被測定サンプル溶液を用いることができる（図１１参照）。
図７は、本発明の第３の実施形態に係る共振型質量センサ２０の構成を示すブロック図である。
図７に示す共振型質量センサ２０が、図１の共振型質量センサ１と異なるのは、振動体２２が磁性特性を有している点である。振動体２２には、磁性を帯びた被測定サンプルを磁力により吸着して、磁性を帯びた被測定サンプルの質量を測定することができる。磁性を帯びた被測定サンプとしては、例えば、抗原１６ｂを含むサンプル溶液と、抗体１６ａと磁気粒子、例えば磁気ビーズ２６とからなる磁気ビーズ溶液と、を混合した磁性を帯びた被測定サンプル溶液を用いることができる（図１１参照）。
振動体２２としては、少なくとも一部に磁化可能な部材を含んで構成することができる。この磁化可能な部材には、抗体１６ａ又は抗原１６ｂが吸着した磁気ビーズ２６が磁気的に吸着されてもよい。振動体としては、強磁性体の振動体２２を用いることができる。振動体２２の材料となる強磁性体は、例えば、軟鉄，ケイ素鋼，フェライト，コバルト，ニッケル，アルニコ等である。
（強磁性振動体の作製方法）
図８は、強磁性振動体２２の作製方法を示す図である。
図８に示すように、強磁性材料からなる振動体を所定の共振周波数が得られる形状に加工して強磁性振動体２２を作製し、次に作製した強磁性振動体２２を、永久磁石２８や電磁石で磁化し、つまり、着磁することにより作製できる。
図８は、強磁性振動体２２の作製方法を示す図である。
図８に示すように、強磁性材料からなる振動体を所定の共振周波数が得られる形状に加工して強磁性振動体２２を作製し、次に作製した強磁性振動体２２を、永久磁石２８や電磁石で磁化し、つまり、着磁することにより作製できる。
図９は、図７に示す共振型質量センサ２０の振動体の変形例を示す断面図である。
図９に示すように、この強磁性振動体２３は、非磁性の振動体２に磁性薄膜２９を被覆した構成を有している。非磁性の振動体２は、図１に示す振動体２と同様に、圧電結晶等を用いることができる。圧電結晶としては、水晶、ＰＺＴ等が挙げられる。
図９に示すように、この強磁性振動体２３は、非磁性の振動体２に磁性薄膜２９を被覆した構成を有している。非磁性の振動体２は、図１に示す振動体２と同様に、圧電結晶等を用いることができる。圧電結晶としては、水晶、ＰＺＴ等が挙げられる。
（強磁性振動体の別の作製方法）
図１０は、図９の強磁性振動体２３の作製方法を示す図である。
図１０に示すように、強磁性振動体２３は、以下の工程により作製される。
（１）非磁性材料からなる振動体２を所定の共振周波数が得られる形状に加工して非磁性振動体２を作製する。
（２）作製した非磁性振動体２に磁性薄膜２９を形成する。磁性薄膜２９は、圧電結晶等からなる非磁性振動体２上に、鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ）等やこれらの合金からなる強磁性体蒸着法やスパッタ法を用いて形成される。
（３）作製した強磁性振動体２３を、永久磁石２８や電磁石で磁化し、つまり、着磁することにより作製できる。
図１０は、図９の強磁性振動体２３の作製方法を示す図である。
図１０に示すように、強磁性振動体２３は、以下の工程により作製される。
（１）非磁性材料からなる振動体２を所定の共振周波数が得られる形状に加工して非磁性振動体２を作製する。
（２）作製した非磁性振動体２に磁性薄膜２９を形成する。磁性薄膜２９は、圧電結晶等からなる非磁性振動体２上に、鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ）等やこれらの合金からなる強磁性体蒸着法やスパッタ法を用いて形成される。
（３）作製した強磁性振動体２３を、永久磁石２８や電磁石で磁化し、つまり、着磁することにより作製できる。
図１１（ａ）〜（ｄ）は、第３の実施形態に係る共振型質量センサ２０の使用方法を説明する図である。
最初に抗原抗体反応を調べるために、上記の磁性を帯びた被測定サンプル溶液３１を調製する（図１１（ａ）参照）。磁性を帯びた被測定サンプル溶液３１は、磁気ビーズ溶液３２と、サンプル溶液３３とからなる。磁気ビーズ溶液３２には、抗体の１６ａを予め吸着させた磁気ビーズ２６が含有されている。一方、サンプル溶液３３には抗体被計測対象物である抗原１６ｂが含有されている。磁気ビーズ溶液３２とサンプル溶液３３の適量をよく混合させ、磁性を帯びた被測定サンプル溶液３１として調製する。
次に、磁性を帯びた被測定サンプル溶液３１を振動体２２上に滴下し、振動体２２の表面に吸着させ、よく乾燥させ、磁性を帯びた被測定サンプルを振動体２２に吸着する（図１１（ｂ）参照）。
振動体２２に吸着した被測定サンプルの共振周波数変化を測定する（図１１（ｃ）参照）。さらに、予め、磁気ビーズ溶液３２のみを振動体２２又は同２３に滴下し、よく乾燥させ、その際の共振周波数を測定しておく。次に、磁性を帯びた被測定サンプル溶液３１を振動体２２又は同２３に滴下し、よく乾燥させ、その際の共振周波数の変化を算出することにより抗原１６ｂの質量を測定することが可能となる。振動体２２としては、図９に示す振動体２３でもよい。以下の説明でも同様である。
最初に抗原抗体反応を調べるために、上記の磁性を帯びた被測定サンプル溶液３１を調製する（図１１（ａ）参照）。磁性を帯びた被測定サンプル溶液３１は、磁気ビーズ溶液３２と、サンプル溶液３３とからなる。磁気ビーズ溶液３２には、抗体の１６ａを予め吸着させた磁気ビーズ２６が含有されている。一方、サンプル溶液３３には抗体被計測対象物である抗原１６ｂが含有されている。磁気ビーズ溶液３２とサンプル溶液３３の適量をよく混合させ、磁性を帯びた被測定サンプル溶液３１として調製する。
次に、磁性を帯びた被測定サンプル溶液３１を振動体２２上に滴下し、振動体２２の表面に吸着させ、よく乾燥させ、磁性を帯びた被測定サンプルを振動体２２に吸着する（図１１（ｂ）参照）。
振動体２２に吸着した被測定サンプルの共振周波数変化を測定する（図１１（ｃ）参照）。さらに、予め、磁気ビーズ溶液３２のみを振動体２２又は同２３に滴下し、よく乾燥させ、その際の共振周波数を測定しておく。次に、磁性を帯びた被測定サンプル溶液３１を振動体２２又は同２３に滴下し、よく乾燥させ、その際の共振周波数の変化を算出することにより抗原１６ｂの質量を測定することが可能となる。振動体２２としては、図９に示す振動体２３でもよい。以下の説明でも同様である。
次に、振動体２２の磁性を無くすこと、つまり消磁により、振動体２２に付着した磁性を帯びた被測定サンプルを振動体２２から取り外すことができる（図１１（ｄ）参照）。
抗原抗体反応を使用したバイオセンサとしては，振動体２２のセンシング部分（自由端）に抗体１６ａを固定化しておき、抗原抗体反応で特定の分子を捕捉する。振動体２２に被測定物質（抗原１６ｂ）が捕捉されると，その質量に応じて共振周波数が低くなるため（図５参照）、周波数変化から微量な質量変化を求めることができる（図６参照）。
第３の実施形態に係る共振型質量センサ２０によれば、振動体２２の磁性を消磁することにより振動体２２に付着した磁性を帯びた被測定サンプルを、振動体２２から取り外すことができる。このため振動体２２の再利用がより一層容易となる(図１１（ｄ）参照)。この方法では、抗体１６ａを修飾した磁気ビーズ２６を変更すれば、同一の振動体２２で複数の被測定物質の測定が可能となる。
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
（振動体の製作）
最初に図１の振動体２の作製を行った。振動体２の材質をＡＴカットの水晶板とし、横振動モードの１次モードの共振周波数が１４０〜１６０ｋＨｚ程度となるように、０．４ｍｍ×０．４ｍｍ×５ｍｍの寸法とした。ＡＴカットの水晶板は、水晶のＺ軸から３５°１５’傾けた面に平行にカットされた板である。図１２は、作製した振動体２の外観を示す光学像である。
最初に図１の振動体２の作製を行った。振動体２の材質をＡＴカットの水晶板とし、横振動モードの１次モードの共振周波数が１４０〜１６０ｋＨｚ程度となるように、０．４ｍｍ×０．４ｍｍ×５ｍｍの寸法とした。ＡＴカットの水晶板は、水晶のＺ軸から３５°１５’傾けた面に平行にカットされた板である。図１２は、作製した振動体２の外観を示す光学像である。
図１３は、実施例で作製した共振型質量センサ１の構成を示すブロック図である。
図１３に示すように、共振型質量センサ１は、振動体２及び振動子３と、振動体２及び振動子３が載置されるＸＹＺテーブル６と、振動子３を駆動する発振器４ａと、検出部５と、観察部７と、を含んで構成されている。振動子３は、直径が２０ｍｍで、厚さが０．５ｍｍの円板形状の圧電素子（ＮＥＣトーキン（株）製、材質、Ｎ２１）を使用した。検出部５は、レーザードップラー振動計５ａ(電子技研工業（株）、Ｖ１００−Ｓ)とオシロスコープ５ｂとで構成されている。観察部７は、ＣＣＤカメラ７ａ（（株）キーエンス製、ＶＨ−５０００）とモニタ用のディスプレー７ｂとで構成されている。
図１３に示すように、共振型質量センサ１は、振動体２及び振動子３と、振動体２及び振動子３が載置されるＸＹＺテーブル６と、振動子３を駆動する発振器４ａと、検出部５と、観察部７と、を含んで構成されている。振動子３は、直径が２０ｍｍで、厚さが０．５ｍｍの円板形状の圧電素子（ＮＥＣトーキン（株）製、材質、Ｎ２１）を使用した。検出部５は、レーザードップラー振動計５ａ(電子技研工業（株）、Ｖ１００−Ｓ)とオシロスコープ５ｂとで構成されている。観察部７は、ＣＣＤカメラ７ａ（（株）キーエンス製、ＶＨ−５０００）とモニタ用のディスプレー７ｂとで構成されている。
圧電素子からなる振動子３とＸＹＺテーブル６（シグマ光機（株）、ＴＳＤ-８０５Ｓ）との間にはスポンジ８が挿入されており、振動子３の振動を妨げないようにされている。以下の説明では、振動子３は圧電素子として説明する。
レーザードップラー振動計５ａのスポット径は４０μｍである。ＣＣＤカメラ７ａで観察しながらＸＹＺテーブル６の位置を調整することで、レーザードップラー振動計５ａにより振動体２の自由端の振動速度を計測するよう位置決めをした。
圧電素子３には、発振器４ａ（岩通計測（株）、ＳＧ−４１０４）で交流電圧を印加し、圧電素子３を振動させた。圧電素子３の振動を受けることで，その上に置かれた梁状の振動体２が共振する。つまり、圧電素子に梁状振動体２の固有周波数付近での交流電圧を加えると、振動体２は自らの固有周波数で共振する。この振動体２の振動速度特性をレーザードップラー振動計５ａを用いて測定した。
オシロスコープ（岩通計測（株）製、ＤＳ−５１２０Ｂ）により発振器４の出力信号とレーザードップラー振動計５ａで測定した振動速度を観察した。
（共振型質量センサの周波数特性）
共振型質量センサ１の基本特性を評価するために、共振周波数と負荷質量の関係を測定した。振動体２の端に板おもり(景山産業(株)製、厚さ０．１ｍｍ)を負荷として接着固定し、周波数特性を測定した。測定条件を纏めて表２に示す。
共振型質量センサ１の基本特性を評価するために、共振周波数と負荷質量の関係を測定した。振動体２の端に板おもり(景山産業(株)製、厚さ０．１ｍｍ)を負荷として接着固定し、周波数特性を測定した。測定条件を纏めて表２に示す。
図１４は、振動体２の共振周波数と負荷質量の関係を示す図である。図の横軸は負荷質量（ｍｇ）を、縦軸は周波数を示している。測定値（◇印）に対する近似直線を実線で示している。表３に負荷質量に対する共振周波数の測定値を示す。
図１４及び表３に示すように、負荷質量が無い場合の共振周波数は、１４２．５ｋＨｚであり、負荷質量の増大に伴って共振周波数が低下することが分かった。
図１４及び表３に示すように、負荷質量が無い場合の共振周波数は、１４２．５ｋＨｚであり、負荷質量の増大に伴って共振周波数が低下することが分かった。
（蛋白質を用いた質量測定）
ウシの血清から精製した蛋白質であるＢＳＡを、振動体２に付着させ、そのときの共振周波数変化を測定した。
ＢＳＡをリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）で希釈し、ＢＳＡ溶液とし、０．５％ＢＳＡ溶液、３．０％ＢＳＡ溶液、５．０％ＢＳＡ溶液を調製した。ＢＳＡ溶液の総蛋白分析には、総蛋白質量キット（Bio−Rad 社製、DCプロテインアッセイ）とマイクロプレートリーダー（Perkin Elmer Inc.社製、ARVO MX）を用いた。
図１５は、ＢＳＡの付着工程を示す図である。図１５に示すように、振動体２が試料台４１上に載置され、次に、５μｌのＢＳＡ溶液４３を振動体２に滴下した。振動体２に滴下したＢＳＡ溶液４３を、１時間放置して乾燥することにより、ＢＳＡ４４が振動体２に付着する。試料台４１から振動体２を剥離することによりＢＳＡ４４を付着した振動体２が得られる。
ウシの血清から精製した蛋白質であるＢＳＡを、振動体２に付着させ、そのときの共振周波数変化を測定した。
ＢＳＡをリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）で希釈し、ＢＳＡ溶液とし、０．５％ＢＳＡ溶液、３．０％ＢＳＡ溶液、５．０％ＢＳＡ溶液を調製した。ＢＳＡ溶液の総蛋白分析には、総蛋白質量キット（Bio−Rad 社製、DCプロテインアッセイ）とマイクロプレートリーダー（Perkin Elmer Inc.社製、ARVO MX）を用いた。
図１５は、ＢＳＡの付着工程を示す図である。図１５に示すように、振動体２が試料台４１上に載置され、次に、５μｌのＢＳＡ溶液４３を振動体２に滴下した。振動体２に滴下したＢＳＡ溶液４３を、１時間放置して乾燥することにより、ＢＳＡ４４が振動体２に付着する。試料台４１から振動体２を剥離することによりＢＳＡ４４を付着した振動体２が得られる。
図１６は、振動体２の質量変化と共振周波数変化の関係を示す図である。図において、横軸は質量変化Δｍ（ｍｇ）、縦軸は共振周波数変化Δｆ（ｋＨｚ）である。表４に、質量変化と共振周波数変化の関係を纏めて示す。
表４に示すように、ＰＢＳ溶液を付着した場合の質量変化は０．０３ｍｇであり、周波数変化は、１．２７ｋＨｚであった。
０．５％ＢＳＡ溶液４３を付着した場合の質量変化は０．０４ｍｇであり、共振周波数変化は、１．５９ｋＨｚであった。
３．０％ＢＳＡ溶液４３を付着した場合の質量変化は０．０７ｍｇであり、共振周波数変化は、２．８８ｋＨｚであった。
５．％ＢＳＡ溶液４３を付着した場合の質量変化は０．０９ｍｇであり、共振周波数変化は、３．４２ｋＨｚであった。
表４に示すように、ＰＢＳ溶液を付着した場合の質量変化は０．０３ｍｇであり、周波数変化は、１．２７ｋＨｚであった。
０．５％ＢＳＡ溶液４３を付着した場合の質量変化は０．０４ｍｇであり、共振周波数変化は、１．５９ｋＨｚであった。
３．０％ＢＳＡ溶液４３を付着した場合の質量変化は０．０７ｍｇであり、共振周波数変化は、２．８８ｋＨｚであった。
５．％ＢＳＡ溶液４３を付着した場合の質量変化は０．０９ｍｇであり、共振周波数変化は、３．４２ｋＨｚであった。
上記の測定結果から、ＢＳＡ溶液４３を付着したときの質量の計測感度は、３１．２５ｎｇ／Ｈｚと求まった。なお、振動体２の両端にそれぞれ同じ質量のおもりを載置させて測定した質量の計測感度は、３８．８８ｎｇ／Ｈｚであった。
図１７は、振動体２を示す断面図であり、（ａ）は、おもり４５が載置された振動体２、（ｂ）は、ＢＳＡ溶液４３を付着した振動体である。
図１７に示すように、ＢＳＡ溶液４３を付着したときの質量感度が、おもり４５を載置した場合よりも小さいのは、ＢＳＡ溶液４３が振動体２の全体面に付着し、この付着範囲が振動体２全体に広まったことから振動体２の振動時の断面二次モーメントが異なったためと考えられる。
図１７に示すように、ＢＳＡ溶液４３を付着したときの質量感度が、おもり４５を載置した場合よりも小さいのは、ＢＳＡ溶液４３が振動体２の全体面に付着し、この付着範囲が振動体２全体に広まったことから振動体２の振動時の断面二次モーメントが異なったためと考えられる。
（唾液に含まれる総蛋白質の濃度測定）
次に、唾液に含まれる総蛋白の濃度測定について説明する。
唾液の採取は、以下のように行った。
（１）４名の被検者から、唾液を採取した。
（２）採取した唾液を遠心分離し、上澄み３００μｌを取り出した。
（３）総蛋白分析には、総蛋白質量キット（Bio−Rad社製、DCプロテインアッセイ）とマイクロプレートリーダー（Perkin Elmer Inc.社製、ARVO MX）を用いた。最も濃度の高い唾液を選択し、以下の実験に用いた。
図１８は、別途測定しておいた総蛋白濃度とマイクロプレートリーダーの吸光度の関係を示す検量線である。
図１８に示す相関関係を用いて、吸光度を総蛋白濃度に換算した。
（４）選択した唾液（サンプル溶液）は、遠心エバポレータを用いて濃縮し（３７℃、１５〜３０分）、２倍濃縮、４倍濃縮のサンプル溶液を作った。
次に、唾液に含まれる総蛋白の濃度測定について説明する。
唾液の採取は、以下のように行った。
（１）４名の被検者から、唾液を採取した。
（２）採取した唾液を遠心分離し、上澄み３００μｌを取り出した。
（３）総蛋白分析には、総蛋白質量キット（Bio−Rad社製、DCプロテインアッセイ）とマイクロプレートリーダー（Perkin Elmer Inc.社製、ARVO MX）を用いた。最も濃度の高い唾液を選択し、以下の実験に用いた。
図１８は、別途測定しておいた総蛋白濃度とマイクロプレートリーダーの吸光度の関係を示す検量線である。
図１８に示す相関関係を用いて、吸光度を総蛋白濃度に換算した。
（４）選択した唾液（サンプル溶液）は、遠心エバポレータを用いて濃縮し（３７℃、１５〜３０分）、２倍濃縮、４倍濃縮のサンプル溶液を作った。
（５）サンプル溶液５μｌを水晶からなる振動体２に滴下し、２５℃で１時間乾燥させた。
（６）図１３に示す共振型質量センサ１を用いて、唾液を付着させた振動体２の共振スペクトルを、以下の条件においてスペクトラムアナライザで測定した。
印加電圧：７．０７[Ｖ]
測定範囲：共振周波数の前後５[ｋＨｚ]
（７）洗剤を用いて水晶からなる振動体２に付着しているサンプルを洗浄した。
（８）水晶からなる振動体２を乾燥させた。
（９）（１）〜（８）の手順を各サンプルで行った。
（６）図１３に示す共振型質量センサ１を用いて、唾液を付着させた振動体２の共振スペクトルを、以下の条件においてスペクトラムアナライザで測定した。
印加電圧：７．０７[Ｖ]
測定範囲：共振周波数の前後５[ｋＨｚ]
（７）洗剤を用いて水晶からなる振動体２に付着しているサンプルを洗浄した。
（８）水晶からなる振動体２を乾燥させた。
（９）（１）〜（８）の手順を各サンプルで行った。
図１９は、総蛋白濃度０．２（ｍｇ／μｌ）の唾液を用いた時の振動体２の共振スペクトルを、スペクトラムアナライザで測定した結果を示す図である。図の横軸は周波数（ｋＨｚ）、左縦軸は振幅（×１０-5ｍ／ｓ）、右縦軸は位相（°）である。振動体２の共振周波数は、付着物が無い時の１４３ｋＨｚから１４５．７ｋＨｚに２.７ｋＨｚ変化したことが分かる。
図２０は、サンプル溶液の総蛋白濃度と振動体２の共振周波数の関係を示す図である。図の縦軸は共振周波数変化（ｋＨｚ）、横軸は総蛋白濃度（ｇ／ｍｌ）である。図２０に示すように、共振周波数変化ｆ（ｋＨｚ）は、下記（４）式で表される。
ここで、ＴＰは、総蛋白濃度（ｇ／ｍｌ）である。
図２０に示すように、総蛋白濃度が０．１（ｇ／ｍｌ）における共振周波数変化が１．３１７２ｋＨｚであるので、総蛋白濃度の計測感度は、７６．２（μｇ／ｍｌ）／Ｈｚと求まる。共振周波数変化の測定に用いたレーザードップラー振動計５ａの周波数分解能は１ｍＨｚ（１０-3Ｈｚ）であるので、計測可能な総蛋白濃度は、７６．２（ｎｇ／ｍｌ）と推定される。
上記結果から、本発明の共振型質量センサ１によれば、唾液中に含有される微量な蛋白質の濃度を測定できる計測感度を有していることが分かった。
本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
１，１０，２０：共振型質量センサ
２，１２，２２，２３：振動体
３：振動子
４：電源
４ａ：発振器
５：検出部
５ａ：レーザードップラー振動計
５ｂ：オシロスコープ
６：ＸＹＺテーブル
７：観察部
７ａ：ＣＣＤカメラ
７ｂ：モニタ用のディスプレー
８：スポンジ
１２：抗体固定化振動体
１６：分子認識素子
１６ａ：抗体
１６ｂ：抗原
２２，２３：強磁性振動体
２４：磁気粒子
２６：磁気ビーズ
２８：永久磁石
２９：磁性薄膜
３１：磁性を帯びた被測定サンプル溶液
３２：磁気ビーズ溶液
３３：サンプル溶液
４１：試料台
４３：ＢＳＡ溶液
４４：ＢＳＡ
４５：おもり
２，１２，２２，２３：振動体
３：振動子
４：電源
４ａ：発振器
５：検出部
５ａ：レーザードップラー振動計
５ｂ：オシロスコープ
６：ＸＹＺテーブル
７：観察部
７ａ：ＣＣＤカメラ
７ｂ：モニタ用のディスプレー
８：スポンジ
１２：抗体固定化振動体
１６：分子認識素子
１６ａ：抗体
１６ｂ：抗原
２２，２３：強磁性振動体
２４：磁気粒子
２６：磁気ビーズ
２８：永久磁石
２９：磁性薄膜
３１：磁性を帯びた被測定サンプル溶液
３２：磁気ビーズ溶液
３３：サンプル溶液
４１：試料台
４３：ＢＳＡ溶液
４４：ＢＳＡ
４５：おもり
Claims (7)
- 振動子と、
上記振動子上に載置される振動体と、
上記振動体の共振周波数を検出する検出部と、
を備え、
上記振動体と上記振動子は機械的に結合されておらず、かつ、該振動体は何れの部材にも機械的に結合されていないことを特徴とする、共振型質量センサ。 - 前記振動体の振動は、定在波であることを特徴とする、請求項１に記載の共振型質量センサ。
- 前記振動体は、被測定物質の分子認識手段を備えていることを特徴とする、請求項１又は２の何れかに記載の共振型質量センサ。
- 前記分子認識手段は、抗原−抗体反応で特定の分子を捕捉することを特徴とする、請求項３に記載の共振型質量センサ。
- 前記振動体は、少なくとも一部に磁化可能な部材を含むことを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の共振型質量センサ。
- 前記磁化可能な部材には、抗体及び／又は抗原を固定化した磁気ビーズが磁気的に吸着されることを特徴とする、請求項５に記載の共振型質量センサ。
- 前記検出部は、発光素子と受光素子からなり、周波数、変位、速度、及び加速度の何れかの検出手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の共振型質量センサ。
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|---|---|---|---|
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- 2013-02-16 JP JP2013028481A patent/JP6086347B2/ja active Active
- 2013-11-15 US US14/081,573 patent/US9023283B2/en active Active
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