TWI443338B - And a sensing means for sensing the sensing object in the liquid - Google Patents

Description

用以感測液體中之感測對象物的感測裝置 發明領域

本發明係有關於一種感測裝置，其係使用於表面形成用以吸附感測對象物之吸附層，與液體接觸，藉該液體中之感測對象物之吸附，固有振動數可改變之諸如水晶振動子之壓電振動子，依前述壓電振動子之固有振動數之變化，感測液體中之感測對象物者。

發明背景

感測微量之物質之方法已知有使用水晶振動子之感測裝置。此感測裝置係於水晶振動子之表面形成用以吸附感測對象物之吸附層，構成水晶感測器，詳而言之，其係利用當感測對象物附著於水晶振動子、更詳而言之為吸附層時，固有振動數隨附著量變化，而測量感測對象物之有無或其濃度者，具有以下優點，即，應用範圍廣，裝置亦為簡易之結構，且因靈敏度高，故極微量之物質亦可測量之優點。因此，迄今，進行血液、尿等所含之傳染病標識之分析時，若使用水晶感測器，可期待為取代習知方法之有效方法。

本案之申請人檢討水晶感測器之適用對象係環境污染物質之戴奧辛、PCB或血液中之傳染病標識等，若以此方法可高精確度地測量對象物質，即為劃時代性。這是由於目前測量戴奧辛之方法已知有使用氣相層析質量分析器之 方法及ELISA法(適用酵素免疫測量法)，氣相層析質量分析器之裝置價格極高，因此，分析成本亦相當高，且分析需長時間，ELISA法之裝置價格、分析價格較氣相層析質量分析器低，分析之時間亦短，但有分析精確度低之課題。

當要求如此高之測量精確度時，製造使用水晶感測器之感測裝置必定非易事，當要求高測量精確度時，現實上製造不易。其理由係基於非常不易正確且短時間地捕捉微小之頻率變化，且除了感測物質之吸附外，頻率變動之外來混亂要因亦多。

本案申請人從此種情況開發了一種技術，其係將振盪電路之頻率信號數位化，正交偵測以該數位信號界定之正弦波信號，作成以對應該正弦波信號與用於偵測之正弦波信號之頻率差之速度旋轉的旋轉向量，監視此旋轉向量之速度，而可高精確度地檢測頻率變化(專利文獻1)。然而，當頻率變化之檢測靈敏度越高時，外來混亂對測量誤差造成之影響越大。

使用上述之旋轉向量之方式，先將純水供給至具有水晶振動子之感測感測器內，接著，供給含有作為感測對象物之抗原之試料液時，設置於水晶振動子之吸附層之抗體層及抗原產生抗原抗體反應，而捕捉抗原，如後述實施例說明之第11圖及第12圖所示，頻率降低。但可看出測量中頻率逐漸上升之傾向，而不易進行因供給試料液造成之頻率之終點檢測，特別是抗原濃度小，頻率變化小時，有不易進行頻率之終點檢測之問題。

本發明人追究此原因之結果，誠如可從後述之實施例推測，所作結論為水晶片之自發熱。即，當使水晶振動子在液體中振動時，水晶片之等效串聯電阻增大為150歐姆，因此，驅動電流流動，而自發熱。在此，第14圖係水晶振動子之頻率-濕度特性圖，因水晶振動子自發熱頻率沿3維曲線特性曲線從a圖移動至b點，結果，頻率變動。從頻率逐漸上升之現象而言，在第14圖之3維曲線之下流側部份，溫度滑動，結果，整合為頻率沿此曲線上升。

因此，即使特別針對頻率採用高精確度之方法，仍有無法充份活用其優點之課題。

專利文獻1 日本專利公開公報2006-258787號

發明概要

本發明即是此種情況下發明者，其目的在於提供一種使用與液體接觸，藉該液體中之感測對象物之吸附，固有振動數可改變之水晶振動子等壓電振動子之感測裝置中，可抑制隨著提高頻率變化檢測靈敏度之精確度產生的不良影響之感測裝置。

本發明係一種感測裝置，其係使用於表面形成用以吸附感測對象物之吸附層，且藉由與液體接觸而吸附該液體中之感測對象物，其固有振動數改變之壓電振動子，依前述壓電振動子之固有振動數之變化，感測液體中之感測對象物者。該感測裝置包含有將振盪驅動電力供給至該壓電 振動子，使驅動電流在0.3mA以下，以使前述壓電振動子振盪之振盪電路；及依前述振盪電路之振盪輸出，測量感測對象物之濃度之測量部。此外，當液體接觸壓電振動子時，前述壓電振動子之等效串聯電阻之值為150Ω以上。

根據本發明，當液體接觸壓電振動子，壓電振動子之等效串聯電阻增大，由於用以使壓電振動子振盪之驅動電流設定為0.3mA以下，故如後述之實驗例所示，可抑制壓電振動子之自發熱。因此，抑制壓電振動子之振盪頻率，結果，可正確檢測感測對象物之吸附之頻率變化量，而可高精確度地測量感測對象物之濃度。

圖式簡單說明

第1圖係顯示本發明包含水晶感測器之感測裝置之實施形態外觀的立體圖。

第2圖係顯示上述實施形態使用之水晶感測器之概略截面圖。

第3圖係顯示上述實施形態使用之水晶振動子及周邊配線之說明圖。

第4圖係顯示上述實施形態之感測裝置之區塊電路圖。

第5圖係顯示上述感測裝置之操作程序之說明圖。

第6圖係顯示測量部一例之塊圖。

第7圖係顯示第6圖所示之電路區塊一部份之結構圖。

第8圖係顯示以第7圖所示之塊圖挑出之旋轉向量之說明圖。

第9圖係顯示以0.1mA之驅動電流之頻率溫度特性為基 準，與10mA之驅動電流之頻率溫度特性之差的特性圖。

第10圖顯示頻率溫度特性之特性圖。

第11圖係顯示抗原抗體反應前後之水晶振動子之振盪頻率狀態的特性圖。

第12圖係顯示抗原抗體反應前後之水晶振動子之振盪頻率狀態的特性圖。

第13圖係顯示頻率時間特性之特性圖。

第14圖係顯示頻率溫度特性之特性圖。

較佳實施例之詳細說明

以下，說明本發明感測裝置之實施形態。首先，就感測裝置全體結構作說明。如第1圖所示，此感測裝置包含有諸如8個之複數水晶感測器1、裝卸自如地裝設於此水晶感測器1之測量器本體100。如第1圖及第2圖所示，前述水晶感測器1係於作為配線基板之印刷基板21上重疊橡膠板22，以堵塞設置於此橡膠片22之凹部23之狀態設置作為壓電振動子之水晶振動子24，進一步，從橡膠板22上裝設上蓋盒25而構成。在此實施形態使用之水晶振動子24係振盪頻率為1~30MHz，在此例中使用176MHz之水晶振動子24。於上蓋盒25形成試料溶液之注入口25a及試料溶液之觀察口25b，從注入口25a注入試料溶液，使試料溶液填滿水晶振動子24上面側之空間。水晶振動子24之下面側藉前述凹部23作為氣密空間，藉此，構成郎格文型水晶感測器。

如第3圖所示，前述水晶振動子24於圓形水晶片20兩面 分別設置電極24a、24b(裡面之電極24b連續形成於表面側之周緣部)，該等電極24a、24b藉由導電性接著劑26分別電性連接於設置於基板21之作為一對導電路徑之印刷配線27。於水晶振動子24之一面、例如電極24a之表面形成用以吸附感測對象物之吸附層(圖中未示)。

接著，使用第4圖，就測量器本體100之內部電路作說明。第4圖中之4係用以使水晶感測器1之水晶振動子振盪之振盪電路，於此振盪電路4之後段藉由緩衝放大器5連接測量部6。前述振盪電路4構成柯匹子型振盪電路，Tr係作為振盪放大元件之電晶體，40、41係構成分割容量成份之電容器，Vc係定電壓電源。關於其他之部位，42~44係電容器，45~48係電阻。49係裝卸自如地連接於水晶感測器1之端子部，設置於第1圖所示之測量器本體100。在此振盪電路4中，設定電路常數，俾使水晶片20之驅動電流在0.3Ma以下。具體言之，調整第4圖所示之電阻45、46、47之電阻值，設定成0.3mA以下。

前述測量部6可使用利用前述之專利文獻1記載之旋轉向量之方法，測量振盪輸出之頻率，亦可為具有頻率計數器、運算該計數器數之變化量之運算部等之結構。此測量部6之具體電路結構一例後述之。

此外，此例為安裝有8個水晶感測器1之8個通道結構，而形成8個通道準備第4圖所示之電路，切換各通道之輸出，連接於測量部6之結構。

接著，參照第5圖，就此感測裝置之作用作說明。首先， 將水晶感測器1(參照第1圖)插入測量器本體100，於水晶感測器1內充滿不含感測對象物之溶液、例如純水，以求出空白試驗值。當純水充滿水晶感測器1內時，水晶片20之等效串聯電阻之值為150Ω至500Ω左右。對此水晶片20，藉前述振盪電路4，施加振盪驅動電力，俾使前述水晶片20之驅動電流在0.3mA以下、例如0.2Ma。此時，由於純水之黏度較大氣環境大，故如第5圖所示，因純水附著於水晶面，故水晶振動子24之振盪頻率較在大氣環境中使水晶振動子24振盪時低。然後，在對水晶片20施加0.2mA之振盪驅動電力之狀態下，於水晶感測器1內之純水中注入含有諸如戴奧辛之感測對象物的溶液。前述戴奧幸藉戴奧辛抗體之選擇分子捕捉，為水晶振動子24表面之吸附層所捕獲，如第5圖所示，因應其吸附量，水晶振動子24之振盪頻率僅變化△f。如後述之實驗例所說明，水晶振動子24之振盪頻率因抗原抗體反應變化後，頻率不致逐漸上升而呈穩定。然後，求出此時之水晶振動子24之振盪頻率，求出△f，同時，依預先求出之△f與戴奧辛濃度之關係式(校正曲線)，求出戴奧辛之濃度。此濃度顯示於圖中未示之顯示部。此外，亦可比較測出之濃度及預先設定之濃度，若較設定濃度高時，輸出「有」，若較設定濃度低時，則輸出「無」。

根據上述之實施形態，由於將用以使水晶振動子24振盪之驅動電流設定為0.3mA以下、在此例中為0.2mA，故即使水晶振動子24與液體接觸，其等效串聯電阻增大，亦如後述之實驗例所示，可抑制水晶振動子之自發熱。因此， 抑制水晶振動子24之振盪頻率之變動，結果，可正確檢測此例中作為感測對象物之戴奧辛之吸附造成之頻率變化量，而可高精確度地測量戴奧辛之濃度。由於水晶振動子24之自發熱量亦反映於頻率檢測資料，故此發明特別是對如旋轉方向量式般檢測靈敏度極高之裝置為有效。

此外，感測對象物亦可為傳染病標識蛋白質、傳染病之細菌、PCB等。

在此，於第6圖顯示上述測量部6之一例。在第6圖中，81係基準時鐘產生部，為採樣前述開關部之頻率信號，而輸出頻率穩定性極高之頻率信號之時鐘信號。82係A/D(類比/數位)轉換器，藉基準時鐘產生部81之時鐘信號，採樣前述頻率信號，將該採樣值作為數位信號而輸出。關於前述頻率信號之頻率fc及採樣頻率(時鐘信號之頻率)fs，可將fc設定為11MHz，將fs設定為12MHz。此時，以來自A/D轉換器82之作為數位信號之輸出信號界定之頻率信號的基本波為1MHz之正弦波。

於A/D轉換器82之後段依序設置載波移除部83及低通濾波器84。載波移除部83及低通濾波器84係用於挑出以藉A/D轉換器82之數位信號界定之1MHz之正弦波信號之頻率與用於正交檢波之正弦波信號之頻率的差之頻率旋轉之旋轉向量。

為易了解說明挑出旋轉向量之作用，而令以A/D轉換器82之數位信號界定之正弦波信號為Acos(ω0t+θ)。另一方面，如第7圖所示，載波移除部83具有對前述正弦波信號乘 上cos(ω0t)之乘法部83a及對前述正弦波信號乘上-sin(ω0t)之乘法部83b。即，藉進行此種運算，可進行正交檢波。乘法部83a之輸出及乘法部83b之輸出分別以式(2)及式(3)表示。

Acos(ω0t+θ)‧cos(ω0t)=1/2‧Acosθ+1/2{cos(2ω0t)‧cosθ+sin(2ω0t)‧sinθ}………(2) Acos(ω0t+θ)‧-sin(ω0t)=1/2‧Asinθ-1/2{sin(2ω0t)‧cosθ+cos(2ω0t)‧sinθ}………(3)

因而，藉使乘法部83a之輸出及乘算部83b之輸出分別通過低通濾波器84a及84b，可去除2ω0t之頻率信號，故結果，可從低通濾波器挑出1/2‧Acosθ及1/2Asinθ。

當以Acos(ω0t+θ)表示之正弦波信號之頻率變化時，Acos(ω0t+θ)便成為Acos(ω0t+θ+ω1t)。其中，ω1為遠小於ω0者。因而，1/2‧Acosθ成為1/2‧Acos(θ+ω1t)，1/2‧Asinθ成為1/2‧Asin(θ+ω1t)。即，從低通濾波器84取得之輸出係對應於正弦波信號[Acos(ω0t+θ)]之頻率變化量ω1/2π之信號。即，該等值係將以藉A/D轉換器82之數位信號界定之1MHz之正弦波信號之頻率與用於正交檢波之正弦波信號之頻率ω0/2π的差之頻率族轉之以複數顯示時之實數部份(I)及虛數部份(Q)。

第8圖係顯示此旋轉向量者，其旋轉向量之角速度為ω1。因而，當前述正弦波信號之頻率未變化時，ω1t為零，故此旋轉向量之旋轉速度為零，感測對象物為水晶振動子24所吸附，水晶振動子之頻率產生變化，藉此，當前述正弦波信號之頻率變化時，以對應該變化量之旋轉速度旋轉。

而對應於感測對象物質不存在時之水晶振動子之振盪頻率的角速度與用於正交檢波之正弦波信號之角速度一致的情形相當少，故實際上，分別求出對應於感測對象物質不存在時之水晶振動子之振盪頻率的旋轉向量之角速度與對應於感測對象物質存在時之水晶振動子之振盪頻率的旋轉向量之角速度，求出角速度之差。此旋轉向量之角速度之差係對應於以水晶振動子吸附感測對象物質引起之水晶振動子之頻率變化量的值。

實施例

接著，就為確認本發明效果而進行之實驗作敘述。

＜第1實驗例＞

進行了將驅動電流作各種改變而求出水晶振動子24之頻率溫度特性之實驗，在該資料中就驅動電流為10mA進行了檢討。第9圖係顯示以0.1mA之驅動電流之頻率溫度特性為基準，與10mA之驅動電流之頻率溫度特性之差。第10圖係顯示驅動電流為0.1mA之頻率溫度特性與驅動電流為10mA之頻率溫度特性。如第10圖所示，當令85℃之0.1mA之驅動電流之頻率為f1時，根據第9圖，可知85℃之10mA之驅動電流之頻率為f1+0.7×10^-6 。此f1+0.7×10^-6 之頻率在驅動電流為0.1mA時，在溫度為(85+△t)℃之處測出，相對於此，在驅動電流為10mA時，則在溫度為85℃之處測出。因而，當驅動電流大時，如第10圖所示，頻率溫度特性偏離至低溫側(在第10圖中為左側)。即，如第10圖所示，可知在驅動電流為10mA時，原本應在(85+△t)℃測出之頻率 (f1+0.7×10^-6 )在溫度為85℃之處測出。即，雖然周圍之溫度為85℃，水晶振動子24之頻率仍為對應於(85+△t)℃之溫度之大小。此原因可推測為因所驅動之水晶振動子24之自發熱(內部發熱)，溫度僅上升△t。因而，當驅動電流增加時，可說是水晶振動子24之內部溫度增加。

＜第2實施例＞

(第1-1實施例) 在使用上述感測裝置之感測對象物測量中，將預定量純水供給至水晶感測器1內，施加振盪驅動電力，以使水晶片20之驅動電流為0.2mA。接著，在對水晶片20施加0.2mA之驅動電流之狀態下，於水晶感測器1內之純水中注入預定量含有100μg/ml之PBS溶液(磷酸緩衝溶液)。觀察抗原抗體反應前後之水晶振動子24之振盪頻率之狀態。於第11圖顯示該狀態。此外，在此測量使用頻率為9.176MHz之水晶振動子24。

(第1-1比較例) 除了調整振盪驅動電力，以使水晶片20之驅動電流為0.5mA外，純水及試料液之供給量與第1-1實施例相同，進行感測對象物之測量。觀察抗原抗體反應前後之水晶振動子24之振盪頻率之狀態。於第11圖顯示該狀態。

(第2-1實施例) 除了於水晶感測器1內之純水中注入預定量含有10μg/mlCRP抗體之PBS溶液外，純水之供給量及驅動電流與第1-1實施例相同，進行感測對象物之測量。然後，觀察抗原 抗體反應前後之水晶振動子24之振盪頻率之狀態。於第12圖顯示該狀態。

(第2-1比較例) 除了將驅動電流調整成0.5mA外，純水及試料液之供給量與第2-1實施例相同，進行感測對象物之測量。然後，觀察抗原抗體反應前後之水晶振動子24之振盪頻率之狀態。於第12圖顯示該狀態。

(結果及考察) 第11圖及第12圖之縱軸係振盪頻率f，橫軸係時間t。此外，在第11圖及第12圖中，在時間t1，於水晶感測器1內之純水中注入上述試料液。如第11圖及第12圖所示，在抗原抗體反應之水晶振動子24之頻率變化結束後，從時間t2至時間t3之水晶振動子24之頻率在第1-1實施例及第2-1實施例略為穩定，相對於此，在第1-1比較例及第2-1比較例則逐漸上升。如第12圖所示，可知在第2-1實施例及第2-1比較例，由於抗原濃度小，故頻率變化非常小。因而，藉將驅動電流調整成0.2mA，可正確測量抗原抗體反應前之水晶振動子24之振盪頻率與抗原抗體反應後之水晶振動子24之頻率之差。

＜第3實驗例＞

(第3-1實施例) 在上述感測裝置中，將驅動電流調整成0.1mA，在25℃之大氣中使水晶振動子24振盪，測量此時之水晶振動子24之振盪頻率。此外，此測量使用振盪頻率9.176MHz之水晶振動子24。

(第3-2實施例)

除了將驅動電流調整成0.2mA外，其餘與第3-1實施例同樣地測量水晶振動子24之振盪頻率。

(第3-3實施例)

除了將驅動電流調整成0.3mA外，其餘與第3-1實施例同樣地測量水晶振動子24之振盪頻率。

(第3-1比較例)

除了將驅動電流調整成0.5mA外，其餘與第3-1實施例同樣地測量水晶振動子24之振盪頻率。

(第3-2比較例)

除了將驅動電流調整成7.0mA外，其餘與第3-1實施例同樣地測量水晶振動子24之振盪頻率。

(結果及考察)

第13圖係顯示在25℃大氣環境中之第3-1實施例、第3-2實施例、第3-3實施例、第3-1比較例及第3-2比較例之頻率時間特性之特性圖。第13圖中之縱軸為頻率偏差(×10^-6 )，橫軸為時間(秒)。如第13圖所示，可知在第3-1實施例、第3-2實施例、第3-3實施例中，頻率幾乎無變化而穩定。另一方面，在第3-1比較例中，無法看出頻率有大變化，但頻率穩定之時間較第3-1實施例、第3-2實施例、第3-3實施例長。在第3-2比較例中，可看出頻率有大變化，同時，頻率穩定之時間遠較第3-1實施例、第3-2實施例、第3-3實施例長。此實驗結果為在大氣環境中，使水晶振動子24振盪之結果，在上述第1實驗例中，由於在液體中使水晶振動子24振 盪之資料中確認了將驅動電流調整為0.2mA，頻率穩定，故第13圖所示之實驗結果與使水晶體振動子24在液體中振盪時之結果具相關性而可考察。因而，如第13圖所示，當令驅動電流為0.3mA時，從測量開始經過數十秒之處產生些微之頻率之混亂，之後頻率穩定。在上述感測裝置中，為正確檢測感測對象物之濃度，令水晶片20之驅動電流為0.3mA以下為有效。此外，關於驅動電流之下限值，只要水晶振動子24正常振盪，驅動電流之大小並無限制。因而，無規定驅動電流之下限值之意義。

1‧‧‧水晶感測器

4‧‧‧振盪電路

5‧‧‧緩衝放大器

6‧‧‧測量部

20‧‧‧水晶片

21‧‧‧印刷基板

22‧‧‧橡膠板

23‧‧‧凹部

24‧‧‧水晶振動子

24a‧‧‧電極

24b‧‧‧電極

25‧‧‧上蓋盒

25a‧‧‧注入口

25b‧‧‧觀察口

26‧‧‧導電性接著劑

27‧‧‧印刷配線

40‧‧‧電容器

41‧‧‧電容器

42‧‧‧電容器

43‧‧‧電容器

44‧‧‧電容器

45‧‧‧電阻

46‧‧‧電阻

47‧‧‧電阻

48‧‧‧電阻

49‧‧‧端子部

81‧‧‧基準時鐘產生部

82‧‧‧A/D轉換器

83‧‧‧載波移除部

83a‧‧‧乘法部

83b‧‧‧乘法部

84、84a、84b‧‧‧低通濾波器

100‧‧‧測量器本體

Tr‧‧‧電晶體

Vc‧‧‧定電壓電源

第1圖係顯示本發明包含水晶感測器之感測裝置之實施形態外觀的立體圖。

第2圖係顯示上述實施形態使用之水晶感測器之概略截面圖。

第3圖係顯示上述實施形態使用之水晶振動子及周邊配線之說明圖。

第4圖係顯示上述實施形態之感測裝置之區塊電路圖。

第5圖係顯示上述感測裝置之操作程序之說明圖。

第6圖係顯示測量部一例之塊圖。

第7圖係顯示第6圖所示之電路區塊一部份之結構圖。

第8圖係顯示以第7圖所示之塊圖挑出之旋轉向量之說明圖。

第9圖係顯示以0.1mA之驅動電流之頻率溫度特性為基準，與10mA之驅動電流之頻率溫度特性之差的特性圖。

第10圖顯示頻率溫度特性之特性圖。

第11圖係顯示抗原抗體反應前後之水晶振動子之振盪頻率狀態的特性圖。

第12圖係顯示抗原抗體反應前後之水晶振動子之振盪頻率狀態的特性圖。

第13圖係顯示頻率時間特性之特性圖。

第14圖係顯示頻率溫度特性之特性圖。

Claims (1)

1. 一種用以感測液體中之感測對象物的感測裝置，係使用其表面形成有用以吸附感測對象物之吸附層，且藉由與液體接觸而吸附該液體中之感測對象物，改變其固有振動數之壓電振動子，來依前述壓電振動子之固有振動數之變化，感測液體中之感測對象物者，其特徵在於包含有：振盪電路，係以該壓電振動子放置於液體中時驅動電流在0.2mA以上、0.3mA以下的方式，將振盪驅動電力供給至該壓電振動子，以使前述壓電振動子振盪者；及測量部，係依前述振盪電路之振盪輸出，測量感測對象物之濃度者，且前述壓電振動子與液體接觸時該壓電振動子之等效串聯電阻之值為150Ω以上。