WO2007004376A1

WO2007004376A1 - 水晶振動子を用いた測定方法及び測定装置

Info

Publication number: WO2007004376A1
Application number: PCT/JP2006/310974
Authority: WO
Inventors: Atsushi Itoh; Motoko Ichihashi
Original assignee: Ulvac, Inc.
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2007-01-11
Also published as: US20090038859A1; EP1898203A4; EP1898203A1; EP1898203B1; US7874211B2; JP2007010519A; JP4669749B2

Abstract

　質量負荷、粘性負荷及び粘弾性負荷のうちの何れかを残りの負荷から分離して測定し、測定対象となる物質の物性の正確な測定をできるようにすることを目的とする。　水晶板の両側に電極を備えた水晶振動子に接触する物質の物性を、前記水晶振動子の周波数変動に基づいて測定する方法であって、前記電極間に電圧を印可した際の水晶振動子のＮ倍波（Ｎ＝１，３，５、・・・（Ｎ＝２ｎ＋１））のうちの少なくとも２つの周波数を使用して、各周波数による共振点付近のコンダクタンスの最大値の１／２を与える周波数Ｆ1，Ｆ2（Ｆ1＜Ｆ2）を用いて、前記物質の物性を測定することを特徴とする。

Description

水晶振動子を用いた測定方法及び測定装置

技術分野

[0001] 本発明は、水晶振動子を使用した測定方法及び測定装置に関する。

背景技術

[0002] 従来、 DNAやタンパク質等の生体物質の相互作用や抗原抗体反応を利用した測定等に QCM (Quartz Crystal Microbalance)が広く使われている。

し力しながら、従来の QCMの場合、共振周波数 Fの変化を測定することにより、水

S

晶振動子への物質の結合量を測定していたが、共振周波数 Fは、質量負荷以外に

S

も、物質の粘性の変化、粘弾性の変化の影響も受けることがあり、これらの 3つ要素について、分離して測定することができな力つた。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] そこで、本発明は、質量負荷、粘性負荷及び粘弾性負荷のうちの何れかを残りの負荷力分離して測定し、測定対象となる物質の物性の正確な測定をできるようにすることを目的とする。

課題を解決するための手段

[0004] 上記課題を解決するために、本発明者は、鋭意検討の結果、下記の知見を得た。

Martinの伝送理論（V.E.Granstaff,S.J.Martin,J.Appl.Phys. 1994,75,1319)から、粘弾性を有する物質が液中で水晶振動子に付着した場合のインダクタンス Zの変化は、式（1)で表される。式中、 ωは角周波数、 ηは液体の粘性、は液体の密度、 hは膜厚、 Gはコンダクタンス、 G'は貯蔵弾性率、 G〃は損失弾性率である。

[数 1]

、 -

Z = (ωρ ₂μ₂ / 2)^1/2 (1 + j) + jcop .h, + ^J ~ )-αΤρ₂η₂ ( ι ) 式（1)から、共振周波数 Fの変化は、式 (2)の通りとなる。

S AF_S =lm(Z) = ωρ₂η₂Ι2)¹¹² (2)

前記共振周波数 Fとなるコンダクタンスを Gとして、その半分 1Z2Gのときの周波数 s

F , F (F <F)となる（図 1)。この半値周波数 (F— F)Z2の変化量は、式（3)で表

1 2 1 2 1 2

される。

[数 3] (₃)

また、一方の周波数 Fの変化は、 F = (F +F )Z2の関係力式 (4)で表される _c

2 1 2

[数 4]

AF₂ - , (4)

ここで膜の粘弾性のモデルである voightモデル G = G'+ iG"

の G'と G〃に適用した場合、式 (4)と式（3)は次式の通りとなる。

[数 5]

(5)

(μ ι + ω η ι)

質量負荷粘弾性項 1

[数 6]

-Ρ₂)/2 = -(ρ₂η₂ω/2)¹¹²

粘性負荷粘弾性項 2 ここで、

[数 7]

ωη、 -し/ , として（Cは変数である。）、 Ν倍のオーバートーン (ここでは、 Ν = 3, 5、 · · ·）に拡張する（ ωを基本波とすると Ν ωが Ν倍波の角周波数となる）と、式（5)及び式 (6)は、次式の通りとなる。尚、 F と F は、 N倍のオーバートーンで振動させた場合の周波

IN 2N

数 (Fと F)である。

[数 7]

(l + CN ) _{Λτ2 2 1}

Δ _r = -Α'ωρ^ + (7)

[数 8]

1/2 1

MF,_N -F_2N)l2 = -{_PlllN_al2) Ν²ο]²ρ₂η₂Η (8)

A(1 + C²N²)

オーバートーンの質量負荷による周波数変化は、基本波の質量負荷による周波数変化量の Ν倍の変化を示すため、式 (7)を利用して、例えば、基本波による質量負荷の変化量（AF )と 3倍波による質量負荷の変化量（AF Ζ3)の差、即ち、 (AF

21 23 21

-AF Ζ3)を求めると式（9)の通りとなる。

23

また、オーバートーンの粘性負荷による周波数変化は、基本波の粘性負荷による周波数変化量の倍の変化を示すため、式 (8)を利用して、例えば、基本波と 3倍波における周波数変化量（A (F— F)Z2)の差、即ち、（(F -F )/2)-((F -

21

F )Z2 3))を求めると式（10)の通りとなる _c

23

[数 9]

[数 10] 2_l)/2— Δ ( ₁₃— ₂₃)/2

式（9)において、測定系が質量負荷のみで成り立つている場合には、右辺の値は、理論的には 0となるが、粘弾性項 1を含む場合には、右辺の値が粘弾性項 1の値となる。また、式（10)においても、測定系が粘性負荷のみで成り立つている場合には、右辺の値は、理論的には 0となる力粘弾性項 2を含む場合は、右辺の値が粘弾性項 2 の値となる。

[0005] ここで式（9)と式（10)の左辺は測定値であるので（9) Z (10)は変数 Cのみの式となり、 Cを求めることができる。

Cが決まると、式（9)より、

[数 11] ρ₂η₂Η

μ、

の項が得られ、式（7)の質量負荷項が求められ、それを式（5)に代入することにより粘弾性項 1も求められる。同様に式 (8)の粘性負荷項も求めることができ、この値を式 (6)に代入することにより粘弾性項 2も求めることができる。従って、式（5)の粘弾性項 1及び質量負荷が得ることができる。また、同様に式 (6)の粘性負荷及び粘弾性項 2 も求めることができる。

[0006] 以上により、基本波と 3倍波で質量負荷、粘性負荷、粘弾性項 1、粘弾性項 2の分離を行ったが、図 2に示すように、 Ν倍波（N= l, 3, 5、 · ' ·（Ν= 2η+ 1) )のうちの少なくとも 2つの組み合わせを使用することができ、例えば、 3倍波と 5倍波の周波数変化量、更には、基本波と 5倍波の周波数変化量及び 3倍波と 7倍波の周波数変化量等の複数の組み合わせで測定することができる。尚、複数の組の周波数変化量を測定する場合には、各組で得られた周波数変化量の平均を求めることによりそれぞれの値の誤差を小さくすることが可能となる。また、 3組以上の場合は最小 2乗法を用いることち可會である。

また、粘弾性のモデルにはこの例では voightモデルを用いたが、 Maxwellモデル G = G' +iG"= μ +i r?やその他のモデルを適用することも可能である。

[0007] 上記知見に基づき、本発明の測定方法は、請求項 1に記載の通り、水晶板の両側に電極を備えた水晶振動子に接触する物質の物性を、前記水晶振動子の周波数変動に基づいて測定する方法であって、前記電極間に電圧を印可した際の水晶振動子の N倍波（N= l, 3, 5、 · ' ·（Ν = 2η+ 1) )のうちの少なくとも 2つの周波数を使用して、各周波数による共振点付近のコンダクタンスの最大値の 1Z2を与える周波数 F , F (Fく F )を用いて、前記物質の物性を測定することを特徴とする。

1 2 1 2

また、請求項 2に記載の本発明は、請求項 1に記載の測定方法において、前記各周波数間の Fの変化量（A F

2 2 )の差と、前記各周波数間の F , Fの差の変化量の

1 2 1

Ζ2( Δ (F— F )Ζ2)の差とから、前記物質の質量負荷、粘性負荷及び粘弾性負荷

1 2

のいずれかを残りの負荷力分離して測定することを特徴とする。

本発明の測定装置は、請求項 3に記載の通り、請求項 2に記載の測定方法を使用する測定装置であって、請求項 2に記載の測定方法を使用する測定装置であって、前記各周波数間の Fの変化量（A F )の差と、前記各周波数間の F , Fの差の変化

2 2 1 2 量の 1Ζ2( Δ (F— F

1 2 )Ζ2)の差とをそれぞれグラフ表示することを特徴とする。発明の効果

[0008] 本発明によれば、水晶振動子を使用した測定において、測定対象となる物質の質量負荷、粘性負荷及び粘弾性負荷のうちの少なくとも 1つを残りの負荷カゝら分離して測定することができるので、測定対象となる物質の正確な測定が可能となる。

発明を実施するための最良の形態

[0009] 本発明では、 Ν倍波（N= l, 3, 5、 · · · 2η+ 1)のうちの少なくとも 2つの周波数を使用するものである。尚、 Ν倍波による共振周波数には、 Ν倍波の共振周波数以外にも、 Ν倍波の共振周波数の近傍の周波数も含まれ、例えば、 ± 500kHz程度の範囲をスキャンすることまで含まれる。

[0010] また、周波数変化の測定に関しては、振動子が直列共振状態にあるときのコンダクタンス Gの半分の大きさの半値コンダクタンスを与える半値周波数 F , F (F <F )を

1 2 1 2 使用する。

図面の簡単な説明

[0011] [図 1]共振周波数とコンダクタンスとの関係を示すグラフ

[図 2]基本波と N倍波のコンダクタンスの関係を示すグラフ

[図 3]本発明の一実施の形態であるバイオセンサー装置の説明図

[図 4]同装置の水晶振動子の平面図 (a)、同断面図 (b)

[図 5]同装置構成の説明図 [図 6]バイオセンサー装置のセルの説明図

[図 7]本発明の一実施例の測定結果を示すグラフ

[図 8]同実施例の他の測定結果を示すグラフ

[図 9]同実施例の他の測定結果を示すグラフ

符号の説明

[0012] 1 バイオセンサー装置

2 センサー部

3 ネットワークアナライザ

4 コンピュータ

5 ケーブル

6 ケーブル

7 水晶振動子

8 円形状の結晶板

9a 第一の金電極

10a 第二の金電極

11 榭脂カバー

12 反応材

13 信号供給回路

14 測定回路

15 セル

[0013] 以下、図面を参照して、本発明の一実施の形態について説明する。尚、本発明は、この実施の形態に制限されるものではない。

図 3において、符号 1は、本発明の一実施の形態であるノィォセンサー装置を示すものである。

このバイオセンサー装置 1は、センサー部 2と、ネットワークアナライザ 3と、コンビュータ 4とを有している。センサー部 2及びネットワークアナライザ 3の間と、ネットワークアナライザ 3及びコンピュータ 4の間とには、それぞれケーブル 5、 6を介して接続されている。また、センサー部 2は、水晶振動子を備えている。 [0014] センサー部 2に備えられる水晶振動子は、図 4 (a)、 (b)にその平面図と断面図とをそれぞれ示すように、円形状に形成された石英製の結晶板 8の表面側と裏面側と〖こそれぞれ第一の金電極 9aと第二の金電極 10aと備えている。尚、図示される金電極 9a、 10aは、円形状に構成され、それぞれにリード線 9b、 10bが連接されている。裏面側の第二の金電極 10aは、図 4 (b)に示すように榭脂カバー 11により被覆されており、水晶振動子 7を溶液中に入れた状態でも、裏面側の第二の金電極 10aが溶液に曝されず、発振できるように構成されている。他方、表面側の第一の金電極 9a表面には、特定の成分と反応し、その成分を吸着するように構成された反応材 12が配置されており、測定時に試料溶液と接触することになる。

[0015] また、ネットワークアナライザ 3は、図 5に示すように、信号供給回路 13と測定回路 1 4とを有して!/、る。

信号供給回路 13は、周波数を変化させながら交流の入力信号を出力することができるように構成されている。

測定回路 14は、水晶振動子 7の出力信号や、信号供給回路 13から出力される入力信号に基づいて、水晶振動子 7の共振周波数や位相等の電気的特性を測定して、コンピュータ 4に出力することができるように構成されて！、る。

[0016] コンピュータ 4は、測定された水晶振動子 7の周波数特性等の電気的特性に基づいて、試料溶液中の成分の反応速度などを求め、成分の分析をすることができるように構成されている。

[0017] 上述した構成のバイオセンサー装置 1により、例えば、血液等試料溶液中の特定成分と、水晶振動子 7の表面に配置された反応材 12との反応状態を分析する手順について以下に説明する。

[0018] まず、図 6に示すように、水晶振動子 7を底部に備えた円筒形状のセル 15内に試料溶液 8を注入し、水晶振動子 7が試料溶液 8中に浸漬された状態で、ネットワークアナライザ 3を起動し、コンピュータ 4から制御信号を出力する。出力された制御信号に基づいて、信号供給回路 13から出力された入力信号が、ケーブル 5を介してセンサ一部 2に出力される。

[0019] 水晶振動子 7に信号供給回路 13から入力信号が供給されると、入力信号が供給された水晶振動子 7は、入力信号に応じて出力信号を出力する。出力信号は、図 5に示すように、ケーブル 5を介してネットワークアナライザ 3に出力され、ネットワークアナライザ 3内の測定回路 14に入力される。そして、測定回路 14は、入力信号が供給された水晶振動子 7の出力信号の信号強度 (ここでは、発振周波数の振幅に相当する )を検出する。

[0020] 前記信号供給回路 13は、入力信号の周波数を所定の周波数範囲内で変化させ、測定回路 14は、入力信号の周波数が変化するごとに、出力信号の信号強度を検出する。その結果、入力信号の周波数と、出力信号の信号強度との関係を求める。このようにして、測定回路 14は、水晶振動子 7の共振周波数を測定し、求められた水晶振動子 7の共振周波数は、ケーブル 6を介してコンピュータ 4に出力される。そして、所定時間が経過後に、コンピュータ 4は、信号の供給を停止する。

[0021] 本実施の形態では、以上の測定をまず、水晶振動子 7の基本波により行い、基本波による共振周波数を決定する。そして、測定された共振周波数に基づいて、 N倍の共振周波数を使用して上記基本波による測定と同様の測定を行う。

そして、上記説明した方法により、測定対象となる物質の物性である、質量負荷、粘弾性負荷及び粘性負荷の少なくとも何れカゝを測定する。

また、本装置は、コンピュータ 4のディスプレイに、前記各周波数間の Fの変化量（

2

A F ( Δ (F— F

2 )の差と、前記各周波数間の F , Fの差の変化量の

1 2 1Ζ2 1 2 )Ζ2)の差とをそれぞれグラフ表示する。

実施例

[0022] 次に、本発明の一実施例について説明する。

ノッファー液 (生化学用緩衝液であり、主な含有物は NaClや KC1等である）で満たされたセル内に、共振周波数 27MHzの水晶振動子を浸漬し、そこへ、アビジン、 30 merB- DNA、 30merC- DNAを順に結合させた。

その際に、水晶振動子を基本波（27MHz)と 3倍のオーバートーン (81MHz)で振動させた場合のコンダクタンス Gの半値 GZ2を与える周波数 Fと Fを用いて、それ

1 2

ぞれの A Fの変化量と Δ (F— F )Z2の変化量とを測定した (図 7)。

2 1 2

Δ (F F )Z2の値が大きく変化する場合には、上記式 (6)より、粘性変化及び粘弾性変化が大きく変化していることを示すことから、 B-DNAを添加した場合には、粘性変化及び粘弾性変化が大きいことがわ力る。

図 8は、 A Fの変化量と Δ (F F ) Z2の変化量を、 voightモデルに適用して上記

2 1 2

式（5)及び式（6)に基づいて計算した結果であり、図 9は、 Maxwellモデルで計算した結果である。

この結果から、添加物の物性である粘性変化及び粘弾性変化を質量付加から分離して測定できることがわかる。また、水晶振動子の金電極表面にアビジンが結合する場合と、 B-DNAに C- DNAが結合する場合とを比べると、質量負荷に比べて大きな粘弾性の変化はないが、アビジンに B-DNAが結合する場合には、粘弾性による周波数変化量の割合が他の結合に比べて大きい、即ち、大きな粘弾性変化が生じることがわかる。

産業上の利用可能性

本発明は、 DNAやタンパク質等の生体物質の相互作用や抗原抗体反応を利用した測定等に利用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 水晶板の両側に電極を備えた水晶振動子に接触する物質の物性を、前記水晶振動子の周波数変動に基づいて測定する方法であって、前記電極間に電圧を印可した際の水晶振動子の N倍波（N= l, 3, 5、 · ' ·（Ν = 2η+ 1) )のうちの少なくとも 2つの周波数を使用して、各周波数による共振点付近のコンダクタンスの最大値の 1Z2 を与える周波数 F , F (F <F )を用いて、前記物質の物性を測定することを特徴と

1 2 1 2

する水晶振動子を用いた測定方法。

[2] 前記各周波数間の Fの変化量（ Δ F )の差と、前記各周波数間の F , Fの差の変

2 2 1 2 化量の 1Ζ2( Δ (F— F )Ζ2)の差とから、前記物質の質量負荷、粘性負荷及び粘

1 2

弾性負荷のいずれかを残りの負荷力分離して測定することを特徴とする請求項 1に記載の測定方法。

[3] 請求項 2に記載の測定方法を使用する測定装置であって、前記各周波数間の Fの

2 変化量（A F

2 )の差と、前記各周波数間の F , Fの差の変化量の

1 2 1Ζ2( Δ (F— F )

1 2

Ζ2)の差とをそれぞれグラフ表示することを特徴とする測定装置。