JPH02238357A - 表面弾性波利用溶液センサ及び特定物質測定法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明（瓢　表面弾性波利用溶液センサ及びこのセンサ
を用いた特定物質測定法に関する。

［従来の技術］ 従夾　溶液の粘度や溶液中の溶質の濃度、液体の密度を
測定する装置として｛表　回転粘度計や浮力に基づく密
度計等が用いられていた　これらの測定装置はある程度
の量が必要であり、微量の溶液の粘度や密度を測定する
のには不適であっ旭また、生理活性物質の反応性やその
定量を実施する場合も、従来（よ　酵素免疫測定法が用
いられてきたが、被測定物質が直接関与する抗原抗体反
応以外にも反応処理が必要となり極めて長時間の処理操
作の後、初めて測定可能であつ翫従って測定自動化が困
難であり自動化しても複数の前処理を実施してから測定
しなくてはならないため、全体として大型の測定装置と
ならざるを得ない。

［発明が解決しようとする課題］ この問題を解決するものとして、圧電結晶の表面弾性波
発振周波数が圧電結晶表面に付着する物質の質量・密度
に応じて変化する現象を利用することにより、溶液粘度
・密度あるい（友　生理活性物質の反応を、迅速に直接
的に検出する手段が考えられる。

しかし、通常の表面弾性波で（上　圧電結晶を溶液に接
触させると、その主な振動である伝搬面に垂直な振動の
エネルギーが溶液中に放出されてしまい、発振が不可能
となり、発振周波数の測定ができなかった　従って、直
接的に溶液の粘度や濃度等を測定することは出来なかつ
翫 また生理活性物質を圧電結晶表面に結合させて測定する
場合、一旦乾燥させてから測定しなくてはならず、やは
り労力も時間もかかるものとなる。

更に乾燥による測定対象の変質や乾燥程度による水分量
の影響などから測定値が不正確なものとなるおそれがあ
っＬ ［目的］ 本発明｛友　表面弾性波利用溶液センサに、いわゆるす
べり表面波を主として発生させることにより、溶液中で
も発振を可能とさせ、発振周波数の値から溶液の粘度や
濃度、及び抗原抗体といった特定物質の反応性あるいは
定量を、迅速にかつ直接的に検出することを目的とする
。

［課題を解決するための手段］ 第１発明の要旨とするところは、 圧電結晶上に設けられ、　被測定溶液が直接または間接
に接触する表面波伝搬面と、 表面波伝搬面の周囲の圧電結晶上に配置され逆圧電効果
にて表面弾性波を発生させる入力電極と、表面波伝搬面
の周囲の圧電結晶上に配首され表面弾性波を圧電効果に
より電気信号として受信する出力電極と、 からなり、入力電極により発生される表面弾性波として
、表面波伝搬面に平行でかつ伝搬方向に直角な方向１二
粒子変位を持つ、すべり表面波を主として発生すること
を特徴とする表面弾性波利用溶液センサにある。

第２発明の要旨とするところ｛戯 表面波伝搬面に特定物質と特異的に反応する物質を直接
または間接的に結合した第１請求項の表面弾性波利用溶
液センサの表面波伝搬面に被測定溶液を注入して、この
センサの発振周波数の変化を観察すること１こより、被
測定溶液中の特定物質の反応性あるいは定量を行う特定
物質測定法にある。

［作用］ 第１発明｛表　入力電極が、表面弾性波として、表面波
伝搬面に平行でかつ伝搬方向に直角な方向に粒子変位を
持つすべり表面波を、主として発生する．すべり表面波
（飄　表面波伝搬面に直角な振動ではないため、溶液が
接触する表面波伝搬面を伝送されても減衰しにくい。第
１３図に実測値で示すごとく、空気中（ａ）では表面波
伝搬面に垂直な振動のレーリー波Ｌｗｌｔ，　　すべり
表面波Ｓｗと同様に消失しないが、レーリー波Ｌｗは水
中（ｂ）では消失し、すべり表面波Ｓｗの方はほとんど
ｄＢ損失を受けていない。

このため、出力電極は十分な強度ですべり表面波を受信
することができる。従って、第１発明の表面弾性波利用
溶液センサセンサを発振回路に組み込め｛戴　発振が可
能となり、表面波伝搬面に接触している溶液や結合物質
の質量・粘性をその負荷効果により発振周波数に反映さ
せることが出来る。

第２発明（戯　この表面弾性波利用溶液センサの表面波
伝搬面に特定物質と特異的に反応する物質を直接または
間接的に結合している。このため、この物質に対して特
定物質が結合するとその負荷効果により、発振周波数が
変化する。この変化を観察すれば特定物質の反応性ある
いは定量が可能となる。

し実施例］ 次に実施例について説明する。第１図は第１発明の第１
実施例の表面弾性波利用溶液センサ１の構成を示すもの
である。この溶液センサ］は主に圧電結晶板３とその周
囲に一体成形されているブラスチック（シリコンゴム等
）製のケーシング５とから形成されている。溶液センサ
１の測定部７は直接、圧電結晶板３の表面が外部に露出
されている。

また圧電結晶板３の表面には第３図に示すごとく測定部
７を挟んで入力側インターデジタル型トランスデューサ
−９と出力側インターデジタル型トランスデューサ−１
１とが配置されている。この各インター・・デジタル型
トランスデューサー（以下ＩＤＴと略す。）９．１１は
ケーシング５に覆われているので外部には露呂していな
い。各ＩＤＴ９．１１は櫛歯状の電極９　ａ，　　９　
ｂ，　　１　１　ａ，１ｌｂの組合せから構成されてい
る。入力側ＩＤＴ９の一方の電極９ａはリード線１３を
介して電圧信号の入力を受け、逆圧電効果１二で圧電結
晶板３に表面弾性波を発生させる。出力側ＩＤＴＩＩの
一方の電極１１ａは圧電効果により発生した電圧信号を
リー　ド線１５を介して出力する。各ＩＤＴ９，１１の
内の他方の電極９ｂ，ｌｌｂはリード線１’／．’′−
１ｆｔ，て接地されている。

圧電結晶板３１表　表面弾性波のべ　すべり表面波を主
として発生させるよう構成されている。このような圧電
結晶板自身は一般的に知られている．例えｌｉ　　■Ｌ
ｉＴａ０，３６゜回転Ｙ板でＸ伝搬モードの圧電結晶板
、■×カットＬ　ｉＴａ○３１５０゜伝搬モードの圧電
結晶板といったものが用いられる。

このような構成で、入力側＋［）Ｔ９から、信号入力リ
ード線１３を介して一方の電極９ａに、制御された周波
数の電圧信号を与えることにより、表面弾性波のべ　特
にすべり表面波を主として発生させるこ゛とが出来る。

従って、測定部７が液体に接触していても、その測定部
７を介して出力側ＩＤＴＩＩに表面弾性波を伝達させる
ことが出来る。このとき測定部７に対する負荷効果の違
いが、すべり表面波の周波数毎１二異なった影響を示す
。

この影響の違いを例え［ｉ　　発振する周波数ピークの
違いとして測定することができ、測定部７が接触してい
る被測定溶液の状態の変化を測定できる。

砥　他の形状として第２図のごとくに表面弾性波利用溶
液センサ２１を構成することもできる。

圧電結晶板２３、ケーシング２５、測定部２７、ｌＤＴ
２９，３１及びリード線３３，　　３５．　　３７（瓢
　程度や位置の差はあるが、すべて第１図の実施例と同
一の機能を果たす。従って第１図の説明をもって、この
説明に代える。

瀝定』 第４図に示すごとく、上記表面弾性波利用溶液センサ２
］を用いて、グリセリン水溶液の濃度測定を実施Ｌ．　
ｆ−．用いる溶液センサ２１の測定部２７は１０ｌＴｒ
ｎ×６ｎ′Ｉとし、ケーシング２５はシリコンゴムとし
Ｌ　また圧電結晶板２３１ｔ，ＬｉＴａ０３３６゜回転
Ｙ板でＸ伝搬モードのものを用いた，　　ＩＤＴ２９，
３１は交差幅２ｎｖｎ，　　対数２０、伝搬距離１０ｎ
ｙｎとした　交差幅とは櫛歯状電極の歯の並んでいる部
分の長さであり、対数とはその櫛歯の対の数である。ま
た中心周波数は５１．１ＭＨｚのデジタル信号、　ｌＤ
Ｔ２９，３１は圧電結晶２３上にＣｒを第１層として蒸
着し、更にその上に第２層としてＡｕを蒸着したもので
ある。

また伝搬面、即ち測定部２７も同様にＣｒとＡｕとで被
覆されて防食処理がなされている．測定系の構成未　２
つの表面弾性波利用溶液センサ２１Ｒ，２１Ｓが用意さ
礼　出力側ＩＤＴ３１からの出力を受けて増幅し再度入
力側ＩＤＴ２９に返すアンプ４１．４３を備える２つの
発振系と、各発振系からの周波数の出力差をとる差動出
力回路４５と、周波数カウンタ４７と、を備えている。

差動出力回路４５及び周波数カウンタ４７からの信号は
データ処理系としてのコンピュータ４９に入力されて、
所定の演算処理の後、表示及び記憶がなされる。一方の
表面弾性波利用溶液センサ２１Ｒは温度補償用であり、
ポリエチレン被膜５１で覆われており、ポリエチレン被
膜５１内部は木で満たされている。他方の表面弾性波利
用溶液センサ２１Ｓは測定用であり、直接，資料容器５
３内のグリセリン溶液５５に浸されている．この様な構
成｛二で、アンプ４１．４３の出力により発振系が発振
すると、コンピュータ４９は温度補償側の出力を差し引
いた測定側の出力を，差動出力回路４５から入力し、そ
の出力値を表示あるいは記憶する．この出力値を０．　
　４０，　　６０，７０．８０重量％の各グリセリン水
溶液毎に測定しへ　その測定データをラグランジェ補間
して濃度較正曲線を作成した　その結果を第５図の点線
に示す。

これに対し、別個に２０．　　４０，　　５０，　　６
０，７０，７５．８０重量％のグリセリン水溶液につい
て３回測定し旭　その結果を第５図のグラフ上に示す．
図からも判るように本装置による測定は極めて精度が良
いことが判る。

尚、従来のセンサを用いた測定システムで（よ測定その
ものが液体中では不可能である。

第６図は同装置により、グリセリン水溶液及びサツ力ロ
ース水溶液の濃度、温度を変化させた際の発振周波数変
化を表し、横軸は濃度を粘性換算しその平方根をとって
いる．これによりセンサ２１の発振周波数変化は粘性変
化に依存していることが判る．粘性１　　（ｍＰ　ａ　
−　ｓ）　”あたり、約２ＫＨｚの発振周波数変化があ
ることが判る。

本測定装置ではデータ処理精度が３００Ｈｚであるので
、０．　　１　５　（ｍＰａ　−　ｓ）ｌ２の精度レベ
ル、即ちグリセリン濃度で０．５〜５重量％の精度で測
定することが可能である。また本装置での粘性の測定限
界は約５００　（ｍＰａ　−　ｓ）”である。これは２
０ｄＢアンプ使用時で３５°Ｃの１００％グリセリンの
粘度に該当する。

第７図はセンサ２１Ｒをポリエチレンで覆わずに、２つ
のセンサ２１Ｒ，２１Ｓを全く同一の条件に置いた場合
の発振周波数差を測定したものである。実線は水中での
差動出力値を示し、三角マークはセンサ２１Ｓの単独の
出力値を示し、更に０，６０．８０重量％のグリセリン
溶液中での差動出力値もｒＱＪ，　　ｒ５Ｊ，　　ｒ３
Ｊの数字で同時に示す。図から判るように温度的にも濃
度的にも差動出力は安定しており、ポリエチレンを用い
た温度補償が有効であることが判る。勿浪　温度補償を
コンピュータ４９の演算により実施すれ｛戯参照用のセ
ンサ２１Ｒを用いなくとも、測定用センサ２１Ｓのみで
も良い。

尚、単にセンサ２１を１つとして、グリセリン、サツ力
ロース、ブドウ糖及びペーパーの水溶液について測定し
た場合の、発振周波数変化を第８図に示す。ペーパー水
溶液は実際には紙を水中に分散した分散液であるが、通
常の水溶液と同様に混合比に依存した発振周波数の変化
を測定できた随　測定部７，２７１＆　　直接、圧電結
晶表面が露出していてもよく、前述のごとく防食用金属
で被覆してもよい。また、測定感度を向上させるため１
：，被測定溶液に対して親和性の高い物質で被覆してお
いてもよい。

次に第２発明の一実施例について説明する。ここで用い
られる測定装置６１は第９図に示すごとくである。圧電
結晶板６３の表面には矩形の測定部６５を挟んで４つの
ＩＤＴ６７，６９，７１．７３が設けられている．　Ｉ
ＤＴ６７，６９，７１．７３と圧電結晶板６３とは測定
部６５のみを露出して、透明な絶縁樹脂７４で覆われて
いる。圧電結晶板は主にすべり表面波を発生するように
構成されているので、各発振系のアンプ７５．７７の作
用により、入力側ＩＤＴ６７，７１が出力側ＤＴ６９，
　　７３に向けてすべり表面波が出力さ札発振可能とな
っている。各発振系の発振信号はバンドパスフィルタ７
９．８１により所定の範囲の周波数域のみが差動出力回
路８３に出力さ札　その周波数差を示す信号がコンピュ
ータ８５に読み込まれて、演算処理がなさ札　結果がＣ
ＲＴやブノンタに出力されるように構成されている。

本構成のへ　圧電結晶板６３とｌＤＴ６７，６９，７１
．　　７３とからなる部分が、第１発明の表面弾性波利
用溶液センサを２つ並べたものに該当する。このセンサ
の発振周波数特性は第１２図に示すごとくであるが、バ
ンドパスフィルタ７９，８１１飄　この丙　最大ビーク
Ｐの周波数５１ＭＨ２前後を通過させている。

矩形の測定部６５は測定領域６５Ｓと参照領域６５Ｒと
に分かれている。　ｌＤＴ６７．６９が測定領域６５Ｓ
にすべり表面波を生じさせ、測定領域６５Ｓでの被測定
物の負荷特性を測定している。

またｌＤＴ７１．　　７３が参照領域６５Ｒにすべり表
面波を生じさせ、参照領域６５Ｒでの参照負荷特性を測
定している。

二の装置を用いて、第２発明の一実施例としての、蛋白
質を特定物質として検出する測定を説明する。

まず測定領域６５Ｓに、検出する蛋白質に対する抗体を
感作しておく。直接、圧電結晶板６３の表面あるいはそ
の防食被膜上に抗体を含むバッファ溶液を塗布して物理
吸着により感作させてもよいが、例えば測定部６５の全
面に、抗体が結合しやすいグルタルアルデヒドを塗布し
ておき、測定領域６５Ｓのみに抗体を含むバッファ溶液
を塗布して、間接的に抗体を感作してもよい。

次に測定部６５全体に、抗原を含む溶液を滴下する。こ
のことにより抗原抗体反応が生じ、測定領域６５Ｓの発
振周波数が変化する。このセンサ６１の発振周波数の変
化を観察することにより、被測定溶液中の生理活性物質
の反応性あるいは定量が可能となる。

具体的に、抗ヒトα−フエトプロテインを抗体として測
定領域６　５　Ｓ　Ｉ：感作させ、　ヒトα−フエトプ
ロテインの濃度が４０ｍｇ／ｄｌである血清を３０μ１
滴下した場合の経時測定結果を第１０図に示す。血清の
滴下以胤　次第に発振周波数が上昇して行くのが判る。

即ち、抗原抗体反応が進行するのに応じて、その質量効
果により発振周波数が上昇してゆくことになる。

この測定結果を分析すると、次第に質量効果が大きくな
っていることから、血清中の抗ヒトα一フエトプロテイ
ンの抗原の存在が判明する。また反応開始から所定時間
後の発振周波数変化と濃度との関係を表す較正曲線を予
め求めておけ（云　所定時間後にヒトα−フエトプロテ
インの濃度を決定することが出来る。

尚、第１０図の発振周波数の変化を表す直線（よ抗原の
濃度が高いほど勾配が大きくなる。従って、反応初期に
おいても、その勾配を求めることにより、抗原の濃度を
決定することが出来る。例えば従来の酵素免疫測定法で
は一回の測定に平均３時間が必要であったが、本実施例
の方法によれ（ｆ，１０〜２５分程で濃度を決定するこ
とが可能となる。

第１１図に示すごとく、反応から所定時間後の結合状態
（よ　抗原（５角形で示す）の濃度が低い場合｛上　抗
体（Ｙ形で示す）との結合数も少なく、質量による発振
周波数に及ぼす負荷効果は小さいが、濃度が中、高とな
るに応じて当然１：，所定時間内に抗体に結合する抗原
数も多くなり質量による負荷効果が増すことになる。

また，高い発振周波数の信号を検出に用いるほど、負荷
効果は顕著に現札　上記直線は急勾配となる。従って、
アンプ７５．７７やバンドパスフィルタ７９．８１を調
節して検畠される発振周波数を高く設定すれ［ｆ．　　
一層明確に早期に抗原の濃度が判明する。例えば５分で
濃度を決定することも可能である。従って、病院などで
の血液検査の当日の診断にも、その結果を反映させるこ
とができ、迅速適切な医療に貢献できる。更に測定は表
面弾性波利用溶液センサに検体を滴下するだけでよいの
で、特別な知識や技術を要せず、精度の高い測定値が簡
単に得られる。

また本測定方法によれ［１　　従来の酵素免疫測定法が
最終的な抗原濃度のみを検出したのと異なり、時間経過
による抗原抗体反応の過程も判り、各種の抗原抗体反応
のメカニズムの解明にも役立つ。

上記実施例は抗体を測定領域６５Ｓに固定させていたが
、抗原を測定領域６５Ｓに固定させて抗体を含む溶液を
滴下するようにしてもよい。また抗原抗体以外に、特異
的に特定の物質と反応するものとして、アセチルコリン
レセブターとアセチルコリンとの特異反応、ｃＤＮＡと
特定のＤＮＡとの特異反応あるいは酵素と特定の基質と
の特異反応等があるが、これらもいずれか一方を測定領
域６５Ｓに固定させれ（戯　反応性を測定したりまたは
自己もしくは相手方を定量できる。

し発明の効果］ 第１発明の表面弾性波利用溶液センサは、出力電極が、
表面弾性波として、表面波伝搬面に平行でかつ伝搬方向
１二直角な方向に粒子変位を持つ、すべり表面波を主と
して発生する。従って液体中でも振動が減衰しにくいの
で、その表面に接触・結合する物質の粘度や密度あるい
は質量をその負荷効果により周波数に反映でき、かつそ
の周波数の検出が可能となる。このため、直接的にかつ
迅速に溶液の濃度・粘度を測定できる。

第２発明の特定物質測定法｛良　表面弾性波利用溶液セ
ンサの表面波伝搬面に特定物質と特異的に反応する物質
を直接または間接的に結合させているので、この物質に
対して結合する特定物質の負荷効果により、発振周波数
が変化する。従ってその発振周波数変化を測定するだけ
で、直接的にかつ迅速に特定物質の定量が可能となる。

更にリアルタイムに反応の時間的経過も追跡できるので
、反応性やそのメカニズムの判明にも役立つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１発明一実施例の表面弾性波利用溶液センサ
の全体構成医　第２図は外形の異なる実施例の全体構成
は　第３図は要部説明医　第４図は表面弾性波利用溶液
センサを利用１一だ測定システム医　第５図はグリセリ
ン水溶液の濃度較正曲線と実測データとの比較グラフ、
第６図は粘度と発振周波数変化との関係を示すグラフ、
第７図は温度補償の有効性を示すグラフ、第８図は単一
の表面弾性波利用溶液センサにより各種水溶液を測定し
たグラフ、第９図は第２発明の特定物質測定法に用いら
れる表面弾性波利用溶液センサシステムの構成医　第１
０図は抗ヒトα−フエ１プロデインとヒトα−フエトプ
ロテインとの反応測定経過を示すグラフ、第１１図は濃
度により抗原抗体反応の状態が異なる二との説明医　第
１２図は表面弾性波利用溶液センサの発振周波数特性を
示すグラフ、第１３図は空気中と水中とでレー１ルー波
とすべり表面波との損失の違いを表すグラフである。 １，　　２１，　　２１Ｒ，　　２１Ｓ・・・表面弾性
波利用溶液センサ ３，２３．６３・一圧電結晶板 ７，２７．６５・・・測定部（表面波伝搬面）９，　　
２９，　　６７．７１　・・入力側インターデジタル型
トランスデューサ−（入力電極） １１，３１，６９．７３・・・出力側インターデジタル
型トランスデューサ−（出力電極） ４５．８３・・・差動出力回路 ４１，４３，７５．７７・・・アンプ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　圧電結晶上に設けられ、被測定溶液が直接または間
   接に接触する表面波伝搬面と、 表面波伝搬面の周囲の圧電結晶上に配置され逆圧電効果
   にて表面弾性波を発生させる入力電極と、表面波伝搬面
   の周囲の圧電結晶上に配置され表面弾性波を圧電効果に
   より電気信号として受信する出力電極と、 からなり、入力電極により発生される表面弾性波として
   、表面波伝搬面に平行でかつ伝搬方向に直角な方向に粒
   子変位を持つ、すべり表面波を主として発生することを
   特徴とする表面弾性波利用溶液センサ。 ２　表面波伝搬面に特定物質と特異的に反応する物質を
   直接または間接的に結合した第１請求項の表面弾性波利
   用溶液センサの表面波伝搬面に被測定溶液を注入して、
   このセンサの発振周波数の変化を観察することにより、
   被測定溶液中の特定物質の反応性あるいは定量を行う特
   定物質測定法。