WO2008050891A1

WO2008050891A1 - Dispositif de détection

Info

Publication number: WO2008050891A1
Application number: PCT/JP2007/071157
Authority: WO
Inventors: Shunichi Wakamatsu; Mitsuaki Koyama; Hiroyuki Kukita
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co., Ltd.
Priority date: 2006-10-24
Filing date: 2007-10-24
Publication date: 2008-05-02
Also published as: JP4611959B2; EP2103921A1; CN101529223A; JP2008107167A; US20100021346A1

Description

明細書

感知装置

技術分野

【0 0 0 1】

本発明は、感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に形成され、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例えば水晶振動子を用い、この圧電振動子の固有振動数に基づいて感知対象物を感知するための感知装置に関する。背景技術

【0 0 0 2】

微量な物質を感知する手法として水晶振動子を用いた感知装置が知られている。この感知装置は、水晶振動子の表面に感知対象物を吸着するための吸着層を形成して水晶センサを構成し、感知対象物が水晶振動子、詳しくは吸着層に付着するとその固有振動数がその付着量に応じて変化することを利用して感知対象物の有無あるいはその濃度を測定するものであり、その応用範囲が広く、装置としても簡易な構成である上、感度が高いことから極微量な物質でも測定できるといつた利点がある。

【0 0 0 3】

図 1 2は、バイオ関連の感知装置の原理を示す図である。この感知装置においては、水晶片 1 0 1の表面に形成された膜状の励振電極 1 0 2の上に、抗原を抗原抗体反応により捕捉する抗体 1 0 3を吸着層として形成している。このため抗体 1 0 3が抗原 1 0 4を捕捉すると、水晶振動子 1 0 0の固有振動数が変化し、これにより図 1 3に示すように発振回路 1 0 5の発振周波数が変化する。従って周波数検出部 1 0 6によりこの周波数を記録することで、周波数の変化分が分かり、この変化分に基づいて試料液中の抗原 1 0 4の濃度が分かる。

【0 0 0 4】

特許文献 1には、ランジュバン型の水晶振動子を備えた水晶センサが発振回路を含む測定器本体に着脱自在に装着され、水晶センサの液体注入口から試料液を注入し、測定器本体側にて水晶振動子の発振周波数、即ち発振回路からの出力周波数を測定し、その測定結果に基づいて試料液中の例えば感知対象物の濃度を測定することが記載されている。

【0 0 0 5】

しかし抗原 1 0 4が抗体 1 0 3に捕捉されること以外にも水晶振動子 1 0 0の発振周波数は、空調機、人の出入り、天候などの要因による温度変化により変ィ匕する場合がある。また車両の通行、人が室内を歩くときの振動など、測定中に水晶振動子に振動が加わることによつても周波数が変ィ匕することがある。更にまた血液や血清などの粘性の高い試料液においては測定中にその粘度が変化することがあり、その場合には粘度の変化により周波数が変化してしまう。

【0 0 0 6】

測定器側の測定分解能が高くなると、こうしたノイズが測定結果に載ってしまい、精度の高い測定ができなくなる。測定精度が低下する結果、例えば河川に毒性物質が許容濃度を越えて含まれているにもかかわらず「許容濃度以下」と判定されたり、あるいは血液中に癌マーカが存在しないのにもかかわらず「存在する」と判定されたりする場合などが考えられ、その誤認は重大である。

【0 0 0 7】

一方、特許文献 2には、感知対象物を吸着する能力のある吸着層を備えた第 1 の水晶振動子と、感知対象物を吸着する能力のないダミー層を備えた第 2の水晶振動子と、を用い、夫々に接続された第 1の発振回路及ぴ第 2の発振回路の発振出力をへテ口ダイン検波器により混合し、これら発振出力の周波数差に相当する周波数信号をカウンタに導き、周波数をカウントする手法が記載されている。しかしながらこの手法は、ヘテロダイン検波器から取り出された周波数信号には、 2つの周波数のノイズが重畳されており、分解能の高い測定器を用いて微量な感知対象物を測定するには不向きであり、実際の装置に対しては採用し難い手法でめる。

【0 0 0 8】

特許文献 1

特開 2 0 0 6— 1 8 4 2 6 0 特許文献 2

特開 2 0 0 6— 0 3 3 1 9 5 発明の開示

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、感知対象物を吸着するための吸着層がその表面に形成され、感知対象物の吸着により固有振動数が変わる感知用の圧電振動子が設けられた感知センサを備えた感知装置において、感知対象物の吸着以外の要因による圧電振動子の周波数の変動による測定精度の低下を抑え、感知対象物の感知を精度高く行うことができる感知装置を提供することである。

【0 0 0 9】

本発明は、圧電振動片の表面に電極を設けてなる圧電振動子の固有振動数の変化に基づいて感知対象物を感知する感知装置において、

感知対象物を吸着するための吸着層が電極の表面に形成され、この吸着層による感知対象物の吸着により固有振動数が変わる感知用の圧電振動子を備えた感知センサと、

前記圧電振動子を発振させるための感知用の発振回路と、

感知対象物が吸着されない参照用の圧電振動子を備えた基準センサと、前記参照用の圧電振動子を発振させるための参照用の発振回路と、

前記感知用の発振回路の発振出力と参照用の発振回路の発振出力とを時分割により取り込み、各発振回路の発振出力の周波数を測定するための測定部と、この測定部にて得られた各発振回路の発振出力の周波数に基づいて、感知センサにおける周波数と基準センサにおける周波数との差分の時系列データを作成するデータ作成手段と、を備えたことを特 ί敷とする。

【0 0 1 0】

前記基準センサに用いられる参照用の圧電振動子は、電極の表面に感知対象物が吸着することを防止するために、感知対象物を吸着しないブロック層が当該電極の表面に形成されている構成としてもよい。あるいは例えば前記参照用の圧電振動子は、励振電極の表面が剥き出しの状態であってもよい。【0 0 1 1】

例えば前記感知対象物は抗原であり、前記吸着層はこの抗原と抗原抗体反応を起こす抗体であり、前記ブロック層は、前記抗原抗体反応を起こさない抗体である。

【0 0 1 2】

また他の発明の感知装置は、圧電振動片の表面に電極を設けてなる圧電振動子の固有振動数の変化に基づいて試料液中の感知対象物を感知する感知装置において、

感知対象物を吸着するための吸着層が電極の表面に形成され、この吸着層による試料液中の感知対象物の吸着により固有振動数が変わる感知用の圧電振動子を備えた感知センサと、

前記圧電振動子を発振させるための感知用の発振回路と、

参照用の圧電振動子が設けられ、感知対象物を含まない参照用の液体と接触する基準センサと、

前記参照用の圧電振動子を発振させるための参照用の発振回路と、

前記感知用の発振回路の発振出力と参照用の発振回路の発振出力とを時分割により取り込み、各発振回路の発振出力の周波数を測定するための測定部と、この測定部にて得られた各発振回路の発振出力の周波数に基づいて、感知センサにおける周波数と基準センサにおける周波数との差分の時系列データを作成するデータ作成手段と、を備えたことを特徴とする。

【0 0 1 3】

また前記測定部は、例えば各発振回路の発振出力をディジタルイ匕してその周波数を測定するものであり、感知センサ及び基準センサは、液体が注入されて圧電振動子に接触するように構成された液体収容部を備えていてもよい。

【0 0 1 4】

本発明によれば、感知対象物の吸着により固有振動数が変わる感知用の圧電振動子が設けられた感知センサと、感知対象物が吸着されな、参照用の圧電振動子が設けられた基準センサと、が設けられ、これらのセンサにより発振される出力の周波数の差分の時系列データが作成される。従って感知センサの周波数が、例えば測定雰囲気の温度変化や測定時の振動などの感知対象物の吸着以外の要因により変化することがあっても、その変化が打ち消されるため、高い精度で感知対象物を感知することができる。

【0 0 1 5】

他の発明においても、感知対象物を含まない参照用の液体と接触する基準センサが設けられることにより、本発明と同様に精度の高い測定を行うことができる

図面の簡単な説明

図 1は、本発明の実施の形態に係る感知装置の全体構成図である。

図 2は、前記感知装置を構成する水晶センサの縦断側面図である。

図 3は、前記水晶センサを構成する水晶振動子の説明図である。

図 4は、前記感知装置の構成を示すプロック図である。

図 5は、前記水晶振動子の表面の構成を示した説明図である。

図 6は、前記感知装置により測定を行う手順を示すフローチヤ一トである。図 7は、前記感知装置により得られた時系列データのグラフ図である。

図 8は、前記感知装置に含まれる測定回路部のプロック図である。

図 9は、前記測定回路部に含まれるキヤリアリムーブのプロック図である。図 1 0は、図 9に示すブロック図により取り出された回転べクトルを示す説明図である。

図 1 1は、周波数温度特性を示すグラフ図である。

図 1 2は、従来の感知装置の原理を示す説明図である。

図 1 3は、前記感知装置によって検出される周波数の刑事変化を示すグラフである。発明を実施するための最良の形態

【0 0 1 6】

以下に本発明に係る感知装置をバイオ用の感知装置として適用した実施の形態について説明する。先ず感知装置の全体構造について簡単に説明しておく。この感知装置は図 1に示すように、複数例えば 8個の水晶センサ 1と、これら水晶センサ 1が着脱自在に装着される発振回路ュ-ット 3 1と、発振回路ュニット 3 1 に接続される測定器本体 4とを備えている。

【0 0 1 7】

水晶センサ 1は、図 1及ぴ図 2に示すように配線基板例えばプリント基板 2 1 を備えている。このプリント基板 2 1は、開口部 2 3 aが形成されている前記プリント基板 2 1の表面側にはゴムシ一ト 2 2が重ねられ、このゴムシート 2 2には、凹部 2 3が設けられている。ゴムシート 2 2の下面側において、この凹部 2 3に対応する部位は突出しており、その突出部位は前記開口部 2 3 aに嵌合している。そして前記凹部 2 3を塞ぐように圧電振動子である水晶振動子 2 4が設けられている。即ち、水晶振動子 2 4の一面側（下面側）は前記開口部 2 3 a側に向いていることになり、水晶振動子 2 4の下面側は前記凹部 2 3により気密空間とされ、これによつてランジュバン型の水晶センサが構成される。

【0 0 1 8】

更にゴムシート 2 2上から上蓋ケース 2 5が装着されている。上蓋ケース 2 5 には、被測定流体である試料液を注入するための注入口 2 5 aと試料液の観察口 2 5 bとが形成され、注入口 2 5 aから試料液が注入され、水晶振動子 2 4の上面側の空間に試料溶液が満たされることになる（水晶片が試料液に浸漬されることになる。）

【0 0 1 9】

なお、水晶センサ 1の構造としては水晶振動子 2 4を、前記開口部 2 3 aを塞ぐようにプリント基板 2 1の表面に載置するように設け、水晶振動子 2 4の周縁部をゴムシート 2 2により押さえつける構造であってもよい。

【0 0 2 0】

水晶振動子 2 4は、図 3に示すように例えば円形の水晶片 2 0の両面に夫々例えば金からなる電極 2 4 a , 2 4 b (裏面側の電極 2 4 bは表面側の周縁部に連続形成されている）が設けられている。これら電極 2 4 a、 2 4 bは導電性接着剤 2 6を介して基板 2 1に設けられている一対の導電路であるプリント配線 2 7 a， 2 7 bに夫々電気的に接続されている。図中 2は端子部であり、これについては後述する。この水晶振動子 2 4は、基準センサであるか感知センサであるかによって電極 2 4 a上の構造が異なるが、この点については後述する。

【0 0 2 1】

図 4は、前記濃度測定装置のブロック図である。このブロック図において発振回路ュ-ット 3 1に装着される 8個の水晶センサ 1は便宜上 F 0〜F 7の番号を付して示している。水晶センサ F 0は、試料液が注入された際に感知対象物が水晶振動子 2 4に吸着されない基準センサとして構成され、感知対象物の吸着以外の因子による周波数の変化例えば測定雰囲気の温度変化や測定時の振動などによる周波数の変化を検知するために用いられる。

【0 0 2 2】

水晶センサ F 1〜F 7は、試料液中の感知対象物を電極 2 4 aの表面に吸着させることによって周波数の変化を検知する感知センサとして用いられる。図 5 ( a ) は、水晶センサ F 0の水晶振動子 2 4の表面構成の一例である。図中 5 1は感知対象物であり、図中 5 2は、感知対象物 5 1と反応しない抗体（タンパク質 ) からなるブロック層である。このブロック層 5 2は電極 2 4 a表面を被覆し、当該電極 2 4 aの表面への感知対象物 5 1の吸着を防ぐことで水晶振動子 2 4の固有振動数が変化することを防ぐ。

【0 0 2 3】

水晶センサ F 0に感知対象物 5 1が吸着しないようにするためには試料液の種類によっては金電極 2 4 aが剥き出しの状態（電極 2 4 aのそのままの状態）であってもよいが、この例では血液あるいは血清中の抗原を感知対象物 5 1としているため、血液中の成分が金電極 2 4 aに吸着されてしまう。そこで血液中の成分が金電極 2 4 aに吸着されないようにするために、電極 2 4 aの表面にある種のタンパク質を付着させている。

【0 0 2 4】

図 5 ( b ) は水晶センサ F 1〜F 7の水晶振動子 2 4の表面構造を示している。これらの励振電極 2 4 a表面には感知対象物 5 1を抗原として、それと選択的に反応して結合する抗体からなる吸着層 5 3が設けられ、これらが抗原抗体反応を起こすことによって水晶振動子 2 4の固有振動数が変化する。なお水晶片 2 0 に励振電極 2 4 aを設けた状態においては、水晶センサ F 0の水晶振動子 2 4と水晶センサ F 1の水晶振動子 2 4とは、同等の周波数温度特性を備えている。

【0 0 2 5】

図 4に戻って、発振回路ュニット 3 1について説明する。発振回路ュニット 3 1は、水晶センサ F 0〜F 7を夫々発振させるための発振回路 3 2を備えており、図 1に示すその差込口に水晶センサ F 0〜F 7が差し込まれることにより、差込口に設けられた端子部 2 0と水晶センサ F 0〜F 7のプリント配線 2 7 a , 2 7 bが電気的に接続され、水晶センサ F 0〜F 7が各発振回路 3 2と電気的に接続され、各水晶振動子 2が発振する。そして各水晶センサ F 0〜F 7の周波数信号が、測定器本体 4へと出力される。

【0 0 2 6】

続いて測定器本体 4について説明する。測定器本体 4は、測定回路部 4 2を備えており、この測定回路部 4 2は、この例では入力信号である周波数信号をディジタル処理して周波数を測定している。測定回路部 4 2の具体的回路構成の一例は、この発明の理解を容易にするために後述することにするが、発振回路 3 2からの周波数信号をアナログディジタル変換 (A/D変換) し、そのディジタル信号に対してある信号処理を行うことにより周波数を検出するようにしている。また測定回路部 4 2の前段には、各水晶センサ F 0〜F 7に対応する発振回路 3 2からの出力信号を順次当該測定回路部 4 2に取り込むための、スィツチ部 4 1 が設けられている。即ちスィッチ部 4 1は、 8つの水晶センサ F 0〜F 7からの周波数信号（8つの発振回路 3 2からの周波数）を時分割して取り込み、これにより測定回路部 4 2にて、 8つの水晶センサ F 0〜F 7の周波数を並行して求めることができるようになつている。例えば後述のように 1秒間を 8つに分割し、各チャンネルの周波数を 1 / 8秒の処理で順次求めていくため、厳密には完全に同時に測定しているわけではないが、 1秒の間で周波数を取得しているため、実質同時に書く水晶センサ F 0〜F 7の周波数を取得しているといえる。

【0 0 2 7】

図 4に戻って、測定器本体 4はデータバス 4 3を備えており、データバス 4 3 には C P U 4 4、データ処理プログラム 4 5、第 1メモリ 4 6、第 2メモリ 4 7 及ぴ既述の測定回路部 4 2が接続されている。また図 1には示していないが、測定器本体 4は、パーソナルコンピュータなどに接続され、データバス 4 2にはモニタなどの表示部 4 8やキーボードなどの入力手段 4 9が接続されている。

【0 0 2 8】

データ処理プログラム 4 5はデータ作成手段であり、後述する各ステップを実施するように構成されている。具体的には、このプログラム 4 5は、測定回路部 4 2から出力される信号に基づいて水晶センサ F 0〜F 7の発振周波数についての時系列データを取得するためのステップ、同一の時間帯における水晶センサ F 0の時系列データと水晶センサ F 1〜F 7の各時系列データとの差分を夫々演算するステップ、その差分についての時系列データを取得するステップ、ユーザーの選択に応じてそのデータを表示部 4 8に表示するステップなどを備えている。

【0 0 2 9】

'次にこのように構成された感知装置の作用を説明するが、本発明の感知装置の特徴の一つは基準センサと感知センサとを用いることにあり、その使い方としては種々のパターンがある。例えば 7個の感知センサである水晶センサ F 1〜F 7 のすべてに同じ試料液を入れ、各水晶センサ F 1〜F 7の周波数と基準センサである水晶センサ F 0の周波数との差を求める使い方、あるいは 7個の水晶センサ F 1〜F 7に互いに異なる試料液を入れ、同様にして周波数差を求める使い方などがある。前者の場合には、得られた 7つの周波数差のデータを比較して、例えばこれら周波数差の平均値を周波数差データとして取り扱うことになる。後者の場合には 7種類の試料液についての周波数差データが一括して求まることになる。更にはまた水晶センサ F 1〜F 7の一つと水晶センサ F 0とを用いこれらに同じ試料液を入れ、残りのチャンネルは用いないという使い方もある。このような使用方法の選択はユーザー側のニーズや試料液の種類、測定の目的などによって適宜選択されることになる。

【0 0 3 0】

ここでは血液あるいは血清中のある種の抗原の濃度を求める手法の一例について図 6及ぴ図 7を参照しながら述べる。先ず水晶センサ F 0及ぴ水晶センサ F 1 〜F 7を発振回路ュニット 3 1の差込み口に差し込む。これにより各チャンネルの発振回路 3 2が発振する。そして各発振出力がスィッチ部 4 1により順次、測定回路部 4 2に取り込まれ、測定回路部 4 2にて AZD変換され、各ディジタル値が信号処理されて 8チヤンネルの周波数信号の各周波数が略同時に（例えば 1 / 8秒ずつずれて）求められ、第 1メモリ 4 6に記憶される。

【0 0 3 1】

次いで水晶センサ F 0及び水晶センサ F 1〜F 7に希釈液である例えば食塩水を注入する（ステップ S 1 ) 。これにより水晶振動子 2 4の環境雰囲気が気相から液相に変わり、各チャンネルの周波数が低くなる。一方互いに異なる人体から採取した血清を例えば 1 0◦倍に希釈液例えば食塩水で希釈しておき、こうして得られた 7つの試料液を用意しておく。そしてこれら 7つの試料液を夫々水晶センサ F 1〜F 7に注入すると共に、そのうちの一つの試料液を水晶センサ F 0にも注入する (ステップ S 2 ) 。こうして各チヤンネルについて (水晶センサ F 0 〜F 7について）、発振出力の周波数の時系列データが第 1メモリ 4 6に記憶されると共に、水晶センサ F 0の周波数と水晶センサ F 1〜F 7の各周波数との差分が演算され、これら差分の時系列データが第 2メモリ 4 7に記憶される（ステップ S 3 ) 。差分の周波数は、水晶センサ F 0〜F 7間での周波数を順次取り込むタイミングの中で求めるようにしてもよい。例えば水晶センサ F 0の周波数（ f 0 ) を取り込み、次いで水晶センサ F 1の周波数（f 1 ) を取り込んだ後、 f 0から f 1を差し引いて、その差分を第 2メモリ 4 7に書き込み、続いて水晶センサ F 2の周波数（f 2 ) を取り込んだ後、 f 0から f 2を差し引いてその差分を第 2メモリ 4 7に書き込むといった手法でもよい。あるいは各チャンネルの周波数の時系列データを取得した後、これらデータの時間軸を合わせて、所定のタィミングにおいて前記差分を演算し、前記差分の時系列よりデータを作成してもよい。

【0 0 3 2】

続いて、例えばユーザーが入力手段 4 9により、水晶センサ F 1〜F 7の中から水晶センサ F 0との差分データを表示したいものについて選択すると（ステツプ S 4 ) 、第 2メモリ 4 7の時系列データの中から、選択された差分データを表示部 4 8にグラフ化して表示する（ステップ S 5 ) 。例えば水晶センサ F 1が選択された場合、図 7 ( c ) に示すように、感知センサである水晶センサ F 1と基準センサである水晶センサ F 0との差分データのグラフが表示部 4 8に表示される。この図 7 ( c ) の差分データの取得経緯に関して述べると、図 7 ( a ) 、 ( b ) に示すように先ず水晶センサ F 0， F 1の周波数は、 B寺刻 t 1にて希釈液を注入することで低くなる。なお先の説明では水晶センサ F 0， F 1への希釈液の注入のタイミングは同時ではないが、希釈液を注入後、周波数が安定した後、水晶センサ F 1に対して試料液を注入していることから、希釈液及ぴ試料液のいずれについても便宜上同時に注入しているものとして記載した。そして時刻 t 2に水晶センサ F 0、 F 1に対して試料液を注入すると、水晶センサ F 0については試料液中の抗原は水晶振動子 2 4に吸着（捕捉）されないが、水晶振動子 F 1については抗原が吸着される。従って水晶センサ F 0の周波数は試料液を注入したことに起因して変化しないが、水晶センサ F 0の周波数から水晶センサ F 1の周波数を差し引いた差分周波数は図 7 ( c ) に示すように時刻 t 2にて低下することとなる。

【0 0 3 3】

こうした一連の操作の過程で環境温度が変化したり、振動が加わったりあるいは試料液（血清）の粘度が変化しても、その変化に起因する周波数の変動は水晶センサ F O， F 1の両方に発生する。このため前記差分周波数における周波数の低下は、抗原が水晶振動子 2 4に吸着されたことだけに起因するものである。なお図 7 ( c ) において、差分周波数の安定時は縦軸の「0」の位置になっているが、これは希釈液のみが入っているときの水晶センサ F 0 , F 1の差分を加算してオフセットをキヤンセルしたことに基づくものであり、オフセットをキャンセルさせずに表示させても測定になんら影響を及ぼすものではなレ、。

【0 0 3 4】

ユーザーはこのように表示された差分データと、予め求められた濃度と周波数変化分とを表す検量線と、を用レ、て水晶センサ F 1〜 F 7に注入された試料液に含まれる目的とする抗原の濃度を測定することができる。

【0 0 3 5】

この実施形態によれば、目的とする抗原が吸着されない基準センサである水晶センサ F 0と、前記抗原の吸着により固有振動数が変化する水晶振動子 2 4を備えた水晶センサ F 1〜 F 7と、が設けられ、これら水晶センサ F 0と水晶センサ F 1〜F 7との間の発振周波数の差分の時系列データを求めている。このため測定雰囲気の温度変化や測定中の振動などの水晶センサ F 1〜F 7の抗原の吸着以外の要因により起こる周波数変化が打ち消される、この結果、精度の高い抗原の感知やその濃度の測定を行うことができる。

【0 0 3 6】

以上において、水晶センサ F 0は、感知対象物を含まない参照用の液体を注入してもよく、この場合には水晶振動子 2 4としては既述のようにプロック層 5 2 を形成せずに金電極 2 4 aが剥き出しのままであってもよいし、あるいは水晶センサ F 1〜F 7と同様に抗体が形成されたものを用いてもよい。

【0 0 3 7】

参照用の液体としては試料液の希釈液や純水などを用いることができる。この場合には水晶振動子 2 の表面状態がどうであれ、抗原抗体反応が起こらないので、既述の実施形態と略同様の作用効果が得られる。しかしながら試料液の粘度が測定中に変化する場合、例えば血液の検査などについては、先の実施形態の手法の方が好ましい。例えば河川の水質検査のように粘度の時間的変化が実質起こらない場合にはこうした水晶センサを基準センサとして用いることができる。なお上述の例では血清を希釈したものを試料液としているが、血液を希釈したものを用いてもよい。

【0 0 3 8】

また本発明は感知対象物の濃度と水晶振動子 2 4の周波数変化との関係を示す検量線を作成するときに用いてもよい。更にまた本発明の感知装置は液体中の感知対象物に限らず、気体中の感知対象物を感知するものであってもよい。そしてまた感知対象物の感知は濃度を知る目的に限らず、その有無を調べる目的であつてもよい。

【0 0 3 9】

ここで水晶センサ F 0〜F 7の周波数信号の周波数をディジタル的に測定するための測定回路部として好ましい構成について図 8に具体例を挙げておく。 6 1は基準ク口ック発生部であり、前記スィツチ部 41からの周波数信号をサンプリングするために周波数の安定性が極めて高い周波数信号であるクロック信号を出力する。 62は /^/0 (アナログ Zディジタル）変換器であり、前記周波数信号を基準クロック発生部 6 1からのクロック信号によりサンプリングしてそのサンプリング値をディジタル信号として出力する。前記周波数信号の周波数を f cとサンプリング周波数（クロック信号の周波数) f sとについては、例えば f cを 1 lMHz、 f sを 1 2MHzに設定することができる。この場合、 AZD変換器 62からのディジタル信号である出力信号で特定される周波数信号の基本波は 1 MH zの正弦波となる。

【0040】

A/D変換器 6 2の後段には、キヤリアリムーブ 6 3及びローパスフィルタ 6 4がこの順に設けられている。キャリアリムーブ 6 3及びローパスフィルタ 64 は、 AZD変^^ 62からのディジタル信号により特定される例えば 1 MHzの正弦波信号の周波数と、直交検波に用いられる正弦波信号の周波数との差の周波数で回転する回転べクトルを取り出すために用いられている。

【004 1】

回転べクトルを取り出す作用をわかりやすく説明するために、 A/D変換器 6 2からのディジタル信号により特定される正弦波信号を Acos («0t + Θ) とする。一方、キャリアリムープ 6 3は、図 9に示すように前記正弦波信号に対して cos (ωθ を掛け算する掛け算部 6 3 aと前記正弦波信号に対して一 sin (ωθ t) を掛け算する掛け算部 6 3 bとを備えている。即ちこのような演算をすることにより直交検波される。掛け算部 6 3 aの出力及び掛け算部 6 3 bの出力は夫々（2) 式及ぴ（3) 式により表される。

【0042】

Acos (ωθ t + ϋ · cos (ωθ t )

= 1 / 2 · Acos Θ + 1/2 {cos (2 ωθ t) - cos Θ +sin (2 ωθ t ) · sin0 } …… （2)

Acos (ωθ t + Θ ) - -sin (ωθ t )

= 1 /2 · Asin0— 1/2 {sin (2 ωθ t ) · cos Θ +cos (2 ωθ t) · sin0 } …… (3)

【0043】

従って掛け算部 6 3 aの出力及び掛け算部 63 bの出力を夫々ローパスフィルタ 64 a及ぴ 64 bを通すことにより、 2 ωθ tの周波数信号は除去されるので、結局ローパスフィルタ 64からは 1 2 · Acos Θと 1/2 · Asin6とが取り出される。

【0044】

そして Acos (ωθΐ + Θ) で表される正弦波信号の周波数が変化すると、 Aco s (ωθΐ + Θ) は Acos (ωθί + θ +ω1 t) となる。ただし ωΐは ωθよりも十分小さいものとする。従って 1Z2 ' Acos0は 1Z2 - Acos (θ +ω1 t) となり、 1Z2 · Asin0は 1ノ2 · Asin (0 +ω1 t) となる。即ち、ローパスフィルタ 84から得られた出力は、正弦波信号 [Acos (c Ot + θ) ] の周波数の変化分 ωΐ/2 πに対応する信号である。つまりこれらの値は、 A/D変換器 62からのディジタル信号により特定される正弦波信号の周波数と直交検波に用いた正弦波信号の周波数 ω 0/2 πとの差の周波数で回転する回転するべクトルを複素表示したときの実数部分（I) 及ぴ虚数部分（Q) である。

【0045】

図 10はこの回転べクトルを表した図であり、この回転べクトルは角速度が ω 1である。従って予め回転べクトルが停止しているときの AZD変換器 6 2の入力周波数を求めておけば、測定時に回転べクトルの角速度 ωΐを求められることにより、発振回路 3 2の周波数が分かる。ローパスフィルタ 64の後段に設けられた周波数演算部 6 5は、前記回転ベクトルの角速度 ωΐを求め、その値に基づいて発振回路 32の発振周波数を演算する部分である。なお回転べクトルを用いた測定回路部について詳しくは特開 2006-25 8 78 7に記載されている。

【0046】

そして A/D変換器 6 2には、 1 Ζ 8秒ずつ順次ずれて各水晶センサ F 0〜 F 7の周波数信号が取り込まれ、従って周波数演算部 65では例えば水晶センサ F 0に対応する回転べクトルを 1/8秒間監視して、具体的には演算クロックのタィミングごとに回転べクトルの変化を捉えて 1 / 8秒間という時間帯の周波数として評価してもよい。同様にして周波数演算部 65は次の 1Z 8秒間において次の水晶センサ F 1の周波数を求め、こうして 1秒間に 8チヤンネル分の周波数を求める。なおキャリアリムーブ 63から周波数演算部 65に至るまでの回路部を 8チャンネル分用意して、各回路部で夫々各チャンネルの周波数を求めるようにしてもよい。

【0047】

ここで感知センサにおける水晶振動子が試料液に接触して抗原抗体反応が終了したときの周波数を F_2Laaとし、基準センサにおける水晶振動子が試料液に接触してその周波数が安定したときの周波数を F i Lとすると、両者の周波数差は次の式で表される。

【0048】

【数 1】

^UlF 1.2L =一 ¹ F 2Laa - F IL

= (Fr₂ -dFr, -dFr_lx) 1+ , 、

f JlL

【0049】

ただし F r₂， F _{Γ ι}は夫々感知センサ側の水晶振動子の直列共振周波数及ぴ基準センサ側の水晶振動子の直列共振周波数であり、 d F r ₂， d F r_xは夫々感知センサ側の水晶振動子の周波数が液体の粘度により低下する分及ぴ基準センサ側の水晶振動子の周波数が液体の粘度により低下する分であり、（d ί/ ϊ ) ₂い

(d f /f ) _1Lは夫々感知センサ側の水晶振動子の温度特性による周波数の変化分及び基準センサ側の水晶振動子の温度特性による周波数の変化分である。また d F r_2Xは感知センサ側の水晶振動子が抗原を捕捉したことによる周波数の変化分である。なお（d f /f ) _2L及び（d f/f ) _1Lは、 Tを温度とすると夫々次のように表される（下記（1) 式及ぴ（2) 式）。

【0050】

(d f/f ) _2L = a_2L · T³ + b_2L + T² + c_2L+T+d_2L … (1)

(d f/f ) _1L = a_1L - T³ + b_1L+T² + c_1L+T+d_1L … （2) 【0051】

両水晶振動子の直列共振周波数の差を 590 H zとし、抗原抗体反応が起こつたことによる周波数の低下分（dF r_2X) を 3. 29 kHzとしてシミュレーシヨンをすると、両水晶振動子の周波数差 (dF r_12L) の周波数温度特性は図 1 1に示すようになり、 20°C〜40°Cの範囲で周波数の変動分は約 0. 2p pm ときわめて小さいことが確認されている。

Claims

請求の範囲

1 . 圧電振動片の表面に電極を設けてなる圧電振動子の固有振動数の変化に基づいて感知対象物を感知する感知装置において、

前記圧電振動子を発振させるための感知用の発振回路と、

前記感知用の発振回路の発振出力と参照用の発振回路の発振出力とを時分割により取り込み、各発振回路の発振出力の周波数を測定するための測定部と、この測定部にて得られた各発振回路の発振出力の周波数に基づいて、感知センサにおける周波数と基準センサにおける周波数との差分の時系列データを作成するデータ作成手段と、を備えたことを特徴とする感知装置。

2 . 前記基準センサに用いられる参照用の圧電振動子は、電極の表面に感知対象物が吸着することを防止するために、感知対象物を吸着しないブロック層が当該電極の表面に形成されていることを特徴とする請求項 1記載の感知装置。

3 . 前記感知対象物は抗原であり、前記吸着層はこの抗原と抗原抗体反応を起こす抗体であり、前記プロック層は、前記抗原抗体反応を起こさない抗体であることを特徴とする請求項 2記載の感知装置。

4 . 前記参照用の圧電振動子は、電極の表面が剥き出しの状態であることを特徴とする請求項 1記載の感知装置。

5 . 圧電振動片の表面に電極を設けてなる圧電振動子の固有振動数の変化に基づいて試料液中の感知対象物を感知する感知装置において、

前記圧電振動子を発振させるための感知用の発振回路と、参照用の圧電振動子が設けられ、感知対象物を含まなレ、参照用の液体と接触する基準センサと、

6 . 前記測定部は、各発振回路の発振出力をディジタル化してその周波数を測定するものであることを特徴とする請求項 1または 5に記載の感知装置。

7 . 感知センサ及び基準センサは、液体が注入されて圧電振動子に接触するように構成された液体収容部を備えていることを特徴とする請求項 1または 5に記載の感知装置。