WO2022196391A1 - 荷重センサおよび荷重検出装置 - Google Patents

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WO2022196391A1
WO2022196391A1 PCT/JP2022/009375 JP2022009375W WO2022196391A1 WO 2022196391 A1 WO2022196391 A1 WO 2022196391A1 JP 2022009375 W JP2022009375 W JP 2022009375W WO 2022196391 A1 WO2022196391 A1 WO 2022196391A1
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WO
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load
vibrating portion
load sensor
pickup
vibrating
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/009375
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English (en)
French (fr)
Inventor
史生 成田
久美 井上
大樹 栗田
シオン 長名
マストゥラ ビンティ ファクルッディン シティ
直人 宮本
将仁 渡辺
大喜 千葉
隆一 小野寺
厳 田山
武信 佐藤
貴司 江幡
Original Assignee
国立大学法人東北大学
東北特殊鋼株式会社
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H13/00—Measuring resonant frequency
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G3/00—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances
    • G01G3/12—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing
    • G01G3/16—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing measuring variations of frequency of oscillations of the body
    • G01G3/165—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/10—Measuring force or stress, in general by measuring variations of frequency of stressed vibrating elements, e.g. of stressed strings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N5/00—Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid
    • G01N5/02—Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid by absorbing or adsorbing components of a material and determining change of weight of the adsorbent, e.g. determining moisture content

Definitions

  • the present invention relates to load sensors and load detection devices for detecting viruses, bacteria or other substances.
  • magnetostrictive elements in which stress increases or decreases in magnetic permeability when a load is applied and magnetostrictive elements in which stress decreases or magnetic permeability decreases or increases when a load is applied are used.
  • a load sensor is disclosed that receives a load and detects a change in the magnetic permeability of each magnetostrictive element when the load is applied to the magnetostrictive element with an electromagnetic pickup, and detects the load from the difference in inductance in the electromagnetic pickup. (See Patent Document 1, for example).
  • the present invention has been made with a focus on such problems, and aims to provide a load sensor and a load detection device capable of detecting the weight of minute substances such as viruses and bacteria.
  • a load sensor comprises a vibrating portion having a magnetostrictive element or a piezoelectric element capable of resonating, and an inverse magnetostrictive effect of the magnetostrictive element or a piezoelectric effect of the piezoelectric element caused by vibration of the vibrating portion. and a substance adsorbent provided in the vibrating portion.
  • the resonance frequency of the vibrating portion decreases and the induced electromotive force of the pickup decreases.
  • the weight of the substance adsorbed on the substance adsorbent can be detected.
  • the presence of minute substances such as viruses and bacteria can also be detected.
  • the vibrating portion vibrates, the substance adsorbent also vibrates, making it easier to adsorb the substance.
  • the substance adsorbent may be one that adsorbs by physical adsorption or one that adsorbs by chemical adsorption.
  • the material adsorbent may consist of virus or bacteria antibodies. In this case, viruses or bacteria can be detected depending on the antibodies. It is preferable that at least a part of the vibrating portion is covered with the substance adsorbent. In this case, it is easy for the substance adsorbent to adsorb the substance.
  • the pickup comprises a coil in which the vibrating portion is arranged. In this case, it is possible to easily detect a decrease in the induced electromotive force due to a decrease in the resonance frequency of the vibrating portion. It is preferable that the vibrating portion is formed by joining the magnetostrictive element and a soft magnetic material.
  • the substance adsorbent may consist of a CD13 antibody.
  • the human coronavirus HCoV-229E can be detected.
  • the magnetostrictive element is made of a plate-shaped Fe--Co alloy
  • the soft magnetic material is made of a plate-shaped Ni-0 to 20% by mass Fe-based alloy or Ni--Co alloy
  • the vibrating part is made of the magnetostrictive element. It is preferable to have a configuration in which one end is supported in a cantilever manner, and is composed of a clad plate with the soft magnetic material. In this case, it is effective to detect the load of minute substances such as viruses and bacteria.
  • the load sensor according to the present invention may be used in environments such as in the air, in water, and in a vacuum.
  • a load detection device includes the aforementioned load sensor, a resonance generator that resonates the vibrating section, and a voltage detection section that detects changes in the induced electromotive force of the pickup.
  • the resonance generator is composed of, for example, a vibrator.
  • the resonance generator may be composed of an AC magnetic field generator that applies an AC magnetic field to the vibrating portion or a piezoelectric material that applies an AC voltage.
  • the load sensor according to the present invention is used to resonate the vibrating portion with the resonance generating device, and the voltage detecting portion detects the change in the induced electromotive force of the pickup, thereby causing the substance adsorbent to adsorb.
  • the load detection device according to the present invention is not limited to those that numerically detect weight, but also includes those that detect the presence of a substance based on changes in weight.
  • a load detection device includes the aforementioned load sensor, a resonance generator that resonates the vibrating portion, and wireless information transmission that wirelessly transmits a signal related to the resonance frequency of the vibrating portion using electromagnetic induction energy generated by the pickup.
  • the resonance frequency of the vibrating portion decreases.
  • a change in the resonance frequency is wirelessly transmitted from the wireless information transmitting unit by the electromagnetic induction energy as a signal. Thereby, the weight of the substance adsorbed on the substance adsorbent can be detected.
  • the wireless information transmission unit includes a rectifier circuit that converts an AC voltage generated by the induced electromotive force of the pickup into a DC voltage, a capacitor that stores electric charge output by the rectifier circuit, and electrostatic energy stored in the capacitor once. and a wireless information transmission circuit that performs wireless transmission using the electrostatic energy when the energy is equal to or greater than the energy required for wireless information transmission.
  • a wireless information transmission circuit that performs wireless transmission using the electrostatic energy when the energy is equal to or greater than the energy required for wireless information transmission.
  • a magnet may be provided to apply a bias magnetic field to the load sensor.
  • the power generation amount of the pickup increases, and the transmission interval of the wireless communication of the wireless information transmission circuit can be shortened, the transmission distance can be extended, or the sensor information can be increased.
  • the load detection device may further include a wireless information receiving circuit that receives wireless information from the wireless information transmitting circuit, and detection means that detects a reception interval of the wireless information receiving circuit. In this case, the weight of the substance adsorbed on the substance adsorbent can be detected from the change in the reception interval detected by the detection means.
  • a load sensor includes two vibrating parts having a magnetostrictive element or a piezoelectric element capable of resonating, and an induced current or an induced voltage due to the inverse magnetostrictive effect of the magnetostrictive element or the piezoelectric effect of the piezoelectric element due to the vibration of the vibrating parts. and a substance adsorbent provided on one of the vibrating portions.
  • adsorption of the substance to the substance adsorbent can be detected by simultaneously vibrating the two vibrating parts and comparing changes in the induced electromotive force of each pickup.
  • the substance adsorbent is composed of CD13 antibody, it is effective because the coronavirus can be detected even during natural vibrations in which the vibrating part does not always vibrate at the same frequency.
  • the load sensor according to the present invention is preferably used by being attached to a vibrating body.
  • Any vibrating body may be used as long as it vibrates. However, in order to efficiently generate an induced current in the pickup, the vibrating body vibrates in the direction of vibration of the vibrating part and has a substantially constant frequency including the natural frequency of the vibrating part. is preferred.
  • the vibrator is, for example, an industrial machine such as a pump or motor.
  • the vibrating portion may be formed by, for example, mass-producing a composite magnetostrictive element in which a soft magnetic material and a magnetostrictive element are joined, and cutting the composite magnetostrictive element into a desired component shape.
  • the magnetostrictive element is preferably made of Fe--Co alloy or Fe--Al alloy.
  • a magnetostrictive element having a large reverse magnetostrictive effect can be easily manufactured by subjecting a relatively inexpensive Fe--Co alloy or Fe--Al alloy to rolling or heat treatment.
  • these magnetostrictive elements have good workability and can be easily subjected to plastic working such as cutting and bending, they can be easily formed into arbitrary shapes.
  • Soft magnetic materials are made of, for example, pure iron, Fe-Ni alloys such as PB permalloy, silicon steel, and electromagnetic stainless steel.
  • the soft magnetic material preferably has a coercive force of 8 A/cm or less, particularly preferably 3 A/cm.
  • the soft magnetic body may consist of a magnetostrictive element having a magnetostriction of a different sign than the magnetostriction of said magnetostrictive element.
  • one of the soft magnetic material and the magnetostrictive element is made of Fe—Co alloy or Fe—Al alloy having positive magnetostriction, and the other is Ni— It may be made of 0 to 20 mass % Fe-based alloy or Ni--Co-based alloy. In this case, an induced current can be efficiently generated in the pickup by utilizing the inverse magnetostrictive effect due to the compressive stress and tensile stress simultaneously generated by the vibration.
  • the soft magnetic material and the magnetostrictive element may be joined by any method such as thermal diffusion joining, hot rolling, hot drawing, adhesive, or welding.
  • thermal diffusion joining hot rolling, hot drawing, adhesive, or welding.
  • the residual stress after bonding at high temperature and cooling facilitates domain wall movement of the magnetostrictive element, promoting magnetization change. Therefore, an induced current can be efficiently generated in the pickup.
  • the soft magnetic material and the magnetostrictive element may be joined with a load applied.
  • the residual stress when the load is released after joining facilitates the domain wall movement of the magnetostrictive element and accelerates the magnetization change, so that an induced current can be efficiently generated in the pickup.
  • the vibrating portion may have one or more portions where stress is concentrated when vibrating.
  • the portion where stress is concentrated can be formed, for example, by changing the cross-sectional shape along the length of the vibrating portion.
  • the vibrating portion may be formed by joining a solid other than a soft magnetic material, such as stainless steel or wood, to a magnetostrictive element by thermal diffusion bonding, hot rolling, or hot drawing.
  • the vibrating portion may be formed by bonding a solid body and a magnetostrictive element with an adhesive or by welding under a load. In these cases, the residual stress facilitates the domain wall movement of the magnetostrictive element and accelerates the magnetization change, even if it is inferior to the case of using a soft magnetic material, so that an induced current can be efficiently generated in the pickup. can be done.
  • a load sensor and a load detection device capable of detecting the weight of minute substances such as viruses and bacteria.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a load detection device according to an embodiment of the invention
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a load sensor according to an embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the resonance frequency of the vibrating portion and the induced electromotive force (output voltage) of the pickup measured by the load detection device shown in FIG. 2
  • 3 is a graph showing the relationship between the frequency shift of the vibrating portion and the weight of the substance adsorbent measured by the load detection device shown in FIG. 2
  • 3 is a graph showing the relationship between the induced electromotive force (output voltage) of the pickup measured by the load detection device shown in FIG. 2 and the weight of the substance adsorbent.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the resonant frequency of the vibrating portion being detected by the load detecting device shown in FIG. 2 and the induced electromotive force (output voltage) of the pickup;
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of a method of adsorbing silica particles used as a simulated virus.
  • FIG. 3 is a graph showing experimental results of detection of silica particles used as simulated viruses by the load detection device shown in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a microphotograph of (A) the front surface and (B) a microphotograph of the back surface of the substance adsorbent to which silica particles are adsorbed, which is used as a simulated virus by the load detection device shown in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of a load detection device according to Example 4 of the present invention; It is a schematic diagram showing the configuration of a load detection device of Example 5 of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing a processing step of biofunctionalization of the vibrating portion used in the load detection device of Example 5 of the present invention;
  • FIG. 11A is a schematic diagram showing a setup state of a sensing test of the load detection device of Example 5 of the present invention, and FIG. It is the graph which shows (a) the output voltage of a vibration part of the load detection apparatus of Example 5 of this invention, (b) the graph which shows the output electric power of a vibration part, and the relationship of load resistance.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the frequency and the output voltage of the load detection device of Example 5 of the present invention before and after incubation with HCoV-229E virus for 1 hour.
  • the load detection device has a resonance generator 1, a load sensor 2, a data logger 3, and a computer 4.
  • the resonance generator 1 consists of a vibrator.
  • the resonance generator 1 is connected to the function generator 12 via the power amplifier 11 .
  • the function generator 12 outputs a sine wave signal with a constant amplitude and an arbitrary frequency, and the signal amplified by the power amplifier 11 is output to the resonance generator 1 .
  • the resonance generator 1 receives the amplified signal and vibrates at a constant amplitude.
  • the load sensor 2 has a vibrating portion 21 , a pickup 22 and a substance adsorbent 23 .
  • the vibrating portion 21 is composed of a clad plate in which a magnetostrictive body in the shape of an elongated rectangular plate and a soft magnetic body of the same shape are superimposed over the entire plane and joined together.
  • the vibrating section 21 has an energy harvesting function.
  • the soft magnetic body is made of a magnetic material different from that of the magnetostrictive element, such as Ni-0 to 20% by mass Fe alloy (including pure Ni), Ni—Co alloy, or pure iron.
  • the magnetostrictive element is made of Fe--Co alloy or Fe--Al alloy, for example. Note that the vibrating portion 21 may be made of a piezoelectric element.
  • the vibration part 21 is supported by being attached to the resonance generator 1 at one end in a cantilever shape.
  • the vibration part 21 can resonate with the vibration of the resonance generator 1 .
  • the pickup 22 is composed of a coil in which the vibrating portion 21 is arranged, and generates an induced current by the inverse magnetostrictive effect of the magnetostrictive element caused by the vibration of the vibrating portion 21 .
  • the substance adsorbent 23 is made of an antibody against viruses or bacteria, and is attached to the vibrating portion 21 so as to cover the free end side of the vibrating portion 21 . The size and mounting position of the substance adsorbent 23 can be appropriately set.
  • the data logger 3 and computer 4 constitute a voltage detection section that detects changes in the induced electromotive force (output voltage) of the pickup 22 .
  • the data logger 3 saves the induced electromotive force data of the pickup 22 and transmits it to the computer 4 .
  • the computer 4 detects changes in the induced electromotive force of the pickup 22 based on the data from the data logger 3 .
  • a function generator 12 outputs a sine wave signal having a constant amplitude and an arbitrary frequency, and a power amplifier 11 amplifies the signal and outputs the amplified signal to the resonance generator 1 .
  • the resonance generator 1 receives the amplified signal and vibrates at a constant amplitude.
  • the vibrating portion 21 resonates due to the vibration of the resonance generator 1, the substance adsorbent 23 also vibrates, making it easier to adsorb the substance.
  • the resonance frequency of the vibrating portion 21 decreases and the induced electromotive force (output voltage) of the pickup 22 changes.
  • the data logger 3 saves data on the induced electromotive force of the pickup 22
  • the computer 4 detects changes in the induced electromotive force of the pickup 22 based on the data from the data logger 3 .
  • the weight of the substance adsorbed on the substance adsorbent 23 can be detected.
  • the magnetostrictive element and the vibrating portion 21 it is possible to detect weights on the order of micrograms or nanograms.
  • viruses or bacteria can be detected according to antibodies, and the presence of microscopic substances such as viruses and bacteria can also be detected. Detection of SARS-CoV-2 is also possible using an antibody to severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV-2) as the antibody.
  • a proof mass (weight) with a mass of 1, 2, 4, 7, and 10 mg is attached to the free end of an Fe—Co/Ni clad plate cantilever with a length of 50 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 0.2 mm. and one without the proof mass attached.
  • a paper masking tape was used for the proof mass.
  • the adhesive of the masking tape constitutes the substance adsorbent.
  • a pickup coil having a number of turns of about 4200 and a coil resistance of 7.47 k ⁇ was prepared and attached to a base, and a vibrating portion was placed therein so as to generate an induced current by the vibration of the vibrating portion.
  • the vibrator was attached to the vibrator so that the free length was 33 mm, and forced displacement vibration was applied by the vibrator.
  • the induced electromotive force (output voltage) Vpp was recorded by a data logger (Keyence NR-500, Keyence Co., Japan) at a sampling period of 100 ⁇ s. The results are shown in FIGS. 3 to 5.
  • FIG. 1 The results are shown in FIGS. 3 to 5.
  • FIG. 4 shows the frequency shift due to the proof mass versus the weight of the proof mass and the corresponding surface stress. It can be seen that the frequency shift decreases linearly with increasing weight or stress. A weight increase of 1 mg decreased the frequency by about 0.75 Hz.
  • FIG. 5 shows the relationship between the induced emf (output voltage) and the weight of the proof mass and the corresponding surface stress.
  • the induced electromotive force decreased by about 12 mV with a weight of 1 mg. From the obtained results, it was confirmed that the weight of the proof mass could be detected by the load detector. In particular, it was found that a weight of about 1 mg can be detected from a change of 12 mV in the induced electromotive force.
  • the induced electromotive force of the magnetostrictive element increases in proportion to the number of turns of the coil. Therefore, by increasing the number of coil turns, a smaller weight can be detected.
  • the plume mass is not used in the configuration of Example 1, and the surface of the cantilever of the vibrating portion is covered with the biomolecule recognition element.
  • An antibody can be used for the biomolecule recognition element.
  • AC alternating current
  • FIG. 6 when an antigen binds to the antibody immobilized on the surface of the vibrating portion, the fundamental resonance frequency f0 of the vibrating portion without antigen binding decreases to f1. This resonant frequency shift can be monitored using a pickup coil.
  • the vibrating part functions as a bending vibration energy harvesting device, and when there is no antigen adsorption on the antibody, the collected power can be sent to big data at any time for air conditioning.
  • energy harvesting vibrating parts that receive bending vibrations play the role of biosensors without requiring an alternating magnetic field. A few ⁇ W to mW of power is required to drive the sensor and communicate data.
  • batteries are used for many sensors, it becomes a very big social problem in terms of environment, resources, and cost. For this reason, energy harvesting, which recovers power from unused energy (vibration, heat, light, radio waves, etc.) widely present in the natural environment, has attracted attention. It is also expected to be used as power for driving sensors and data communication.
  • the load detection device can be used as a self-powered virus sensor using resonance phenomenon.
  • FIG. 7 Silica particles were used as simulated viruses.
  • a test piece having a gold surface was attached to the vibrating part, and silica particles were detected by the silica particle adsorption method.
  • a 10 mM 11-mercaptoundecanoic acid (11-MUA) ethanol solution was allowed to react on the gold surface of the test piece under a nitrogen gas atmosphere overnight at room temperature, followed by rinsing with ethanol. Resonant frequencies were measured.
  • 11-MUA 11-mercaptoundecanoic acid
  • Powders of iron (Fe) and cobalt (Co) were melted in a high-frequency induction vacuum melting furnace and cast.
  • the ingots produced were hot forged into slabs.
  • the slab was processed into a plate having a thickness of 0.1 mm by hot and cold rolling, and the rolled plate was cut.
  • a nickel (Ni) plate with a thickness of 0.1 mm was also produced in the same procedure as the Fe—Co alloy plate.
  • a clad plate was formed by diffusion-bonding an Fe—Co plate having a positive magnetostrictive property and a Ni plate having a negative magnetostrictive property.
  • An Fe—Co/Ni clad plate with a thickness of 0.2 mm was cut into a predetermined shape.
  • One end of the prepared Fe—Co/Ni clad plate having a thickness of 0.2 mm and a width of 5 mm was attached to a vibration shaker (ET-132, Labworks Inc., USA) as shown in FIG.
  • the free length was 34 mm. Bending vibration was performed on a shaker driven by a function generator (33250A, Agilent Technologies, Japan) and a power amplifier (PA-151, Labworks Inc, USA).
  • the Fe--Co/Ni clad plate was surrounded by a pickup coil of 28000 turns and a resistance of 11.7 kilohms, and the output voltage Vout of the clad plate was monitored using a data logger (NR-500, Keyence, Japan).
  • the output power Pout from the clad plate was evaluated using the output voltage Vout and load resistance R at the resonance frequency.
  • FIG 11 shows a schematic diagram of energy storage and a wireless communication system.
  • the same Fe--Co/Ni clad plate as in Example 4 was used for the vibrating portion.
  • the radio information transmitting section is composed of a circuit for transmitting signals at a direct current (DC) voltage of 2.0 V, and is connected to the clad plate.
  • the capacity of the capacitor is 1000 ⁇ F.
  • a rectifying circuit is connected between the clad plate and the wireless information transmitting section, which converts AC voltage generated in the Fe--C/Ni clad plate by bending vibration into DC voltage and stores it in a capacitor.
  • the DC voltage accumulated by the capacitor was measured with a voltmeter.
  • the received signal and its time were recorded on a personal computer. Experiments were performed when the bias field was 0 and 10 mT. A neodymium magnet was used for the bias magnetic field.
  • HCV-229E Human coronavirus 229E
  • a retrovirus purification mini kit (trade name "ViraTrap", Cat. V1172-02, Biomiga Inc.) was used as the purification kit.
  • HCoV-229E detection test an experiment to detect pseudo-virus particles was attempted to investigate the mass detection performance of the Fe—Co/Ni clad plate.
  • CD13/aminopeptidase N is a 150-160 kDA type II glycoprotein that is a membrane peptidase. It is a widely expressed exoenzyme with multiple functions (expressed as a dimer extending 10.5 nm on multiple cell surfaces). CD13 cleaves the N-terminal amino acids from peptides, induces peptide inactivation or degradation, is a biomarker for acute myeloid leukemia, and is involved in tumor invasion. It also functions as a receptor for HCoV-229E spike glycoprotein binding, initiating cell entry and infection. The receptor-binding domain of HCoV-229E has evolved with higher binding affinity (from ⁇ 440 nm to ⁇ 30 nm) compared to before.
  • CD13 is often used as a receptor for HCoV-229E in cell-based assays or as a receptor for the HCoV-229E spike protein, methods using only CD13 to function as a bioreceptor for HCoV-229E itself is a novel method.
  • CD13 was used as a novel biorecognition layer for HCoV-229E, and the feasibility of this capture method was first confirmed using fluorescence microscopy and aminosilane-treated glass slides (using a glutaraldehyde cross-linking method to extract CD13). immobilized on the slide glass surface).
  • a fluorescent dye (trademark “Alexa Fluor 488”)-labeled anti-His-tag antibody was used as a fluorescent label and bound to the His-tagged CD13-modified glass slide surface. Steric hindrance by the virus prevents binding of the fluorescent label. This means that a decrease in fluorescence signal indicates successful virus binding.
  • FIG. 12 shows a schematic diagram of the biofunctionalization of the Fe—Co/Ni coated plate.
  • Gold (Au) films were sputtered on both sides of a clad plate having a length of 30 mm, a width of 5 mm, and a thickness of 0.2 mm to promote biofunctionalization and prevent surface rust.
  • the Fe--Co/Ni-coated plate was then washed by immersion in Milli-Q, acetone, isopropanol, and 99.5% ethanol in that order.
  • the Fe--Co/Ni-coated plate was soaked overnight at room temperature (RT) in 10 mM 11-mercaptoundecanoic acid (11-MUA, 2 mL in ethanol, Sigma-Aldrich) in a 2-mL tube covered with aluminum.
  • 11-MUA formed a self-assembled monolayer (SAM) with —COOH groups on the surface.
  • SAM self-assembled monolayer
  • the Fe--Co/Ni-coated plates were rinsed first with ethanol and then with MES (2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid) buffer (pH 5.5).
  • the Fe--Co/Ni-coated plate was then soaked in CD13 protein solution overnight at room temperature for virus detection experiments.
  • CD13 25 ⁇ g/mL
  • MES buffer phosphate buffered saline, pH 7.4
  • the Fe—Co/Ni clad plate was rinsed with PBS (phosphate buffered saline, pH 7.4) to remove unreacted CD13.
  • the CD13-modified clad plate was then subjected to a bovine serum albumin (BSA) blocking step (see bottom of Figure 12).
  • BSA bovine serum albumin
  • Figure 13a shows the HCoV-229E sensing test setup. Experiments were performed using Fe-Co/Ni clad plates under bending vibration. CD13 was immobilized using a self-assembled monolayer of —COOH groups that form amide bonds with —NH2 groups on CD13. The output voltage and frequency were measured. The feasibility of HCoV-229E sensing with clad plates was confirmed.
  • the surface of the Fe—Co/Ni clad plate was incubated with a fluorescent dye (trademark “Alexa Fluor 488”) labeled anti-His tag antibody (1 ⁇ g/mL, in PBS solution) at 34° C. for 1 hour. (See Figure 13b).
  • a fluorescent dye trademark “Alexa Fluor 488” labeled anti-His tag antibody (1 ⁇ g/mL, in PBS solution) at 34° C. for 1 hour.
  • the Au surface was rinsed with PBS to remove unreacted anti-His tag antibody and then observed under a fluorescence microscope (Olympus) equipped with filters for Ex: 460-490 nm and Em: 510 nm. did. Fluorescent images were viewed using exposures of 250, 400 or 700 ms and usually 10 ⁇ magnification.
  • FIG. 14a shows the output voltage (peak-to-peak voltage Vp-p) of the Fe—Co/Ni clad plate obtained in the vibration energy harvesting test at 115 Hz to 117 Hz. The output voltage was about 8.4 V at a resonance frequency of 116 Hz.
  • FIG. 15a shows the relationship between the DC voltage stored on the capacitor and the time for the Fe—Co/Ni clad plate in the absence of a bias magnetic field of 115 and 116 Hz.
  • the accumulated DC voltage increases over time. It can be seen that at resonance (116 Hz), the accumulated DC voltage reaches about 1.9 V after about 670 seconds and then drops off. This is because the signal was wirelessly transmitted to the remote PC. Here, the signal is the time the voltage dropped. After that, charging starts again and the DC voltage rises. After about 980 seconds, the accumulated DC voltage again reached about 1.9 V and dropped for the second wireless communication. The third radio transmission was found to be approximately 1270 seconds later.
  • the clad plate can transmit signals with the power obtained by bending vibration, and the signal transmission interval can be monitored without using a battery. In other words, it is possible to detect deviations from resonance from the time interval over which the signal is transmitted wirelessly.
  • the Fe--Co/Ni clad plate can detect the adhesion of substances from the time interval information.
  • FIG. 15b shows the relationship between the DC voltage stored on the capacitor and the time for the Fe—Co/Ni clad plate under a bias magnetic field of 10 mT at 116 Hz.
  • the accumulated DC voltage rose, reaching approximately 1.9 V for a short time, and the signal was transmitted by radio. Even after wireless communication, the accumulated DC voltage hardly drops and maintains about 2.6V.
  • the first signal was sent after about 20 seconds and continued to be sent every 10 seconds thereafter.
  • the shortest transmission interval of the wireless information transmission circuit was set to 10 seconds. This indicates that the energy required for one wireless communication was accumulated within 10 seconds.
  • Immobilization of CD13 on APS glass slides should not affect its receptor binding ability with the HCoV-229E spike glycoprotein because the receptor binding domain is in a different location.
  • fluorescence assays with incubation periods of 1 and 24 hours. A sham-competitive binding assay was applied by incubating HCoV-229E on CD13-modified APS slides. Next, when a fluorescent dye (trademark “Alexa Fluor 488”) labeled anti-His tag antibody is incubated, steric hindrance by the virus can prevent the fluorescent probe from binding to the His tag of CD13. Therefore, fluorescence decreases when the virus binds to CD13.
  • Figure 16 shows the fluorescence image of HCoV-229E and the corrected total fluorescence.
  • fluorescence decreases after 1 hour incubation of virus, but not after 24 hours incubation. A 1 hour incubation was sufficient for the virus to bind to CD13, but a 24 hour incubation induced an increase in nonspecific binding as indicated by the high CTFs of PBS and BSA in the negative controls. rice field.
  • fluorescence images show an increase in aggregated fluorescence signal at 24 hours compared to 1 hour incubation, indicating that longer viral incubations resulted in complete CD13 protein completion. may have influenced sex and induced clustering. The amide bond that immobilizes the CD13 protein is very stable upon cross-linking. Therefore, a 1 hour virus incubation period was used for CD13-virus binding conformation.
  • Virus detection was tested by magnetostriction measurements.
  • the Fe—Co/Ni clad plates were measured before and after incubation in the HCoV-229E sample solution at 33-34° C. and 4% CO 2 for 1 hour.
  • a significant drop of about 0.3 Hz in resonance frequency was observed from 144.7 Hz to 144.4 Hz (see FIG. 17).
  • the virus solution had no specific defined concentration and that the virus titer was about 3
  • an estimated frequency change of 0.1 Hz per virus titer was obtained.
  • Detection of HCoV-229E using Fe--C0/Ni clad plates was then performed by first confirming CD13-virus binding using fluorescence microscopy. Two CD13-modified clad plates were incubated for 1 hour at 33-34° C. and 4% CO 2 in separate sample solutions with or without HCoV-229E, respectively. After further incubation with a fluorescent dye (trademark “Alexa Fluor 488”)-labeled anti-His-tag antibody, the clad plate was observed using a fluorescence microscope (see Figure 18a). As seen in Figure 18b, the plotted results similarly showed a decrease in fluorescence after incubation with virus compared to incubation without virus, indicating successful binding of virus to the CD13-modified cladding plate. is shown.
  • CD13 can be used as a bioreceptor for detecting HCoV-229E using fluorescence microscopy and pseudo-competitive binding assays.
  • a novel biorecognition method for CD13 has also been tentatively successful in magnetostrictive cantilever biosensors.

Abstract

【課題】ウイルスや細菌のような微小な物質の重量も検出可能な荷重センサおよび荷重検出装置を提供する。 【解決手段】振動部を共振させる共振発生装置１と、荷重センサ２と、ピックアップの誘導起電力の変化を検出する電圧検出部とを有する。荷重センサ２は振動部とピックアップと物質吸着体とを有する。振動部は共振可能な磁歪素子を有する。ピックアップは振動部の振動による磁歪素子の逆磁歪効果で誘導電流を発生する。物質吸着体は振動部に設けられている。物質吸着体はウイルスまたは細菌の抗体から成る。振動部は物質吸着体により少なくとも一部が覆われている。ピックアップは振動部を内部に配置したコイルから成る。振動部は磁歪素子と軟磁性体とを接合して成る。

Description

荷重センサおよび荷重検出装置
　本発明は、ウイルス、細菌またはその他の物質を検出するための荷重センサおよび荷重検出装置に関する。
　従来、荷重が付加された際に応力が増加して透磁率が増加しまたは減少する磁歪素子と、荷重が付加された際に応力が減少して透磁率が減少しまたは増加する磁歪素子とで荷重を受け、磁歪素子に荷重が付加された際の各磁歪素子の透磁率変化を各々電磁的ピックアップで検知し、電磁的ピックアップでのインダクタンスの差により荷重を検出する荷重センサが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６－２４１９２０号公報
　しかしながら、特許文献１に記載の荷重センサでは、ウイルスや細菌のような微小な物質の重量は検出しにくいという課題があった。
　本発明は、このような課題に着目してなされたもので、ウイルスや細菌のような微小な物質の重量も検出可能な荷重センサおよび荷重検出装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明に係る荷重センサは、共振可能な磁歪素子または圧電素子を有する振動部と、前記振動部の振動による前記磁歪素子の逆磁歪効果または前記圧電素子の圧電効果で誘導電流または誘導電圧を発生するピックアップと、前記振動部に設けられた物質吸着体とを、有することを特徴とする。
　本発明に係る荷重センサでは、振動部を共振させたとき物質吸着体に物質が吸着して重量が増加すると、振動部の共振周波数が減少し、ピックアップの誘導起電力が低下する。その誘導起電力の変化を検出することにより、物質吸着体に吸着した物質の重量を検出することができる。ウイルスや細菌のような微小な物質の存在も検出可能である。振動部が振動することにより、物質吸着体も振動して物質を吸着させやすくなる。物質吸着体は、物理吸着により吸着させるものでも、化学吸着により吸着させるものでもよい。
　前記物質吸着体はウイルスまたは細菌の抗体から成ってもよい。この場合、抗体に応じたウイルスまたは細菌を検出することができる。
　前記振動部は前記物質吸着体により少なくとも一部が覆われていることが好ましい。この場合、物質吸着体に物質を吸着させやすい。
　前記ピックアップは前記振動部を内部に配置したコイルから成ることが好ましい。この場合、振動部の共振周波数の減少による誘導起電力の低下を容易に検出することができる。
　前記振動部は前記磁歪素子と軟磁性体とを接合して成ることが好ましい。この場合、磁歪素子の逆磁歪効果が大きく、ピックアップに誘導電流を効率よく発生させることができる。
　前記物質吸着体は、ＣＤ１３抗体から成ってもよい。この場合、ヒトコロナウイルスＨＣｏＶ－２２９Ｅを検出することができる。
　前記磁歪素子は板状のＦｅ－Ｃｏ系合金から成り、前記軟磁性体は板状のＮｉ－０～２０質量％Ｆｅ系合金またはＮｉ－Ｃｏ系合金から成り、前記振動部は前記磁歪素子と前記軟磁性体とのクラッド板から成り、片持ち梁状に一端が支持される構成を有していることが好ましい。
　この場合、ウイルスや細菌のような微小な物質の荷重を検出するのに効果的である。
　本発明に係る荷重センサは、空気中のほか、水中、真空中などの環境で使用されてもよい。
　本発明に係る荷重検出装置は、前述の荷重センサと、前記振動部を共振させる共振発生装置と、前記ピックアップの誘導起電力の変化を検出する電圧検出部とを、有することを特徴とする。
　前記共振発生装置は、例えば振動機から成る。前記共振発生装置は、前記振動部に交流磁界を印加する交流磁界発生装置または交流電圧を印加する圧電材料から成ってもよい。
　本発明に係る荷重検出装置では、本発明に係る荷重センサを用いて共振発生装置により振動部を共振させ、電圧検出部でピックアップの誘導起電力の変化を検出することにより、物質吸着体に吸着した物質の重量を検出することができる。本発明に係る荷重検出装置は、重量を数値的に検出するものに限られず、重量の変化により物質の存在を検出するものも含まれる。
　本発明に係る荷重検出装置は、前述の荷重センサと、前記振動部を共振させる共振発生装置と、前記ピックアップが発電する電磁誘導エネルギーにより前記振動部の共振周波数に関する信号を無線送信する無線情報送信部とを有していてもよい。
　この場合、物質吸着体に物質が吸着して重量が増加すると、振動部の共振周波数が減少する。その共振周波数の変化を信号として前記電磁誘導エネルギーにより前記無線情報送信部から無線送信する。これにより物質吸着体に吸着した物質の重量を検出することができる。
　前記無線情報送信部は、前記ピックアップの誘導起電力による交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記整流回路が出力する電荷を蓄積するコンデンサと、前記コンデンサが蓄積する静電エネルギーが１回の無線情報送信に必要なエネルギー以上のときに前記静電エネルギーにより無線送信する無線情報送信回路とを有することが好ましい。
　この場合、物質吸着体に物質が吸着して重量が増加すると、ピックアップの誘導起電力が低下し、前記コンデンサが電荷を蓄積する速度が低下する。このため、無線情報送信回路の送信間隔が変化し、その変化を検出することにより物質吸着体に吸着した物質の重量を検出することができる。
　前記荷重センサにバイアス磁場を印加する磁石を有していてもよい。
　この場合、前記ピックアップの発電量が増大し、前記無線情報送信回路の前記無線通信の送信間隔を短くする、あるいは送信距離を延ばす、あるいはセンサ情報を増やすことができる。
　本発明に係る荷重検出装置は、さらに、前記無線情報送信回路から無線情報を受信する無線情報受信回路と、前記無線情報受信回路の受信間隔を検出する検出手段とを有していてもよい。
　この場合、検出手段が検出した受信間隔の変化から物質吸着体に吸着した物質の重量を検出することができる。
　本発明に係る荷重センサは、共振可能な磁歪素子または圧電素子を有する２つの振動部と、前記振動部の振動による前記磁歪素子の逆磁歪効果または前記圧電素子の圧電効果で誘導電流または誘導電圧を発生する２つのピックアップと、前記振動部の一方に設けられた物質吸着体とを、有していてもよい。
　この場合、２つの振動部を同時に振動させ、各ピックアップの誘導起電力の変化を比較することにより、物質吸着体への物質の吸着を検出することができる。特に、物質吸着体がＣＤ１３抗体から成るとき、振動部が常に同じ周波数で振動するとは限らない自然界の振動中でもコロナウイルスを検出可能になるため、効果的である。
　本発明に係る荷重センサは、振動体に取り付けて好適に使用される。振動体は、振動するものであればいかなるものであってもよいが、ピックアップに誘導電流を効率良く発生させるために、振動部の振動方向に振動し、振動部の固有振動数を含むほぼ一定の周波数で振動するものが好ましい。振動体は、例えば、ポンプやモーターなどの産業用機械などである。なお、振動部は、例えば、軟磁性体と磁歪素子とを接合したものを複合型磁歪素子として大量生産し、その複合型磁歪素子から所望の部品形状に切り出して形成してもよい。
　本発明に係る荷重センサで、前記磁歪素子は、Ｆｅ－Ｃｏ系合金またはＦｅ－Ａｌ系合金から成ることが好ましい。この場合、比較的安価なＦｅ－Ｃｏ系合金またはＦｅ－Ａｌ系合金に圧延加工や熱処理を施すことにより、逆磁歪効果が大きい磁歪素子を容易に製造することができる。また、これらの磁歪素子は、加工性が良く、切削加工や曲げ加工などの塑性加工が容易であるため、容易に任意の形状にすることができる。
　軟磁性体は、例えば、純鉄やＰＢパーマロイに代表されるＦｅ－Ｎｉ系合金、ケイ素鋼、電磁ステンレス鋼などから成る。軟磁性体は、保磁力が８Ａ／ｃｍ以下であることが好ましく、３Ａ／ｃｍであることが特に好ましい。軟磁性体は、前記磁歪素子の磁歪とは異なる符号の磁歪を有する磁歪素子から成っていてもよい。これらの材料として、例えば、前記軟磁性体および前記磁歪素子のいずれか一方が、正の磁歪を有するＦｅ－Ｃｏ系合金またはＦｅ－Ａｌ系合金から成り、他方が、負の磁歪を有するＮｉ－０～２０質量％Ｆｅ系合金またはＮｉ－Ｃｏ系合金から成っていてもよい。この場合、振動によって同時に発生する圧縮応力および引張応力による逆磁歪効果を利用し、ピックアップに誘導電流を効率よく発生させることができる。
　前記軟磁性体と前記磁歪素子とは、熱拡散接合，熱間圧延加工、熱間引抜加工、接着剤または溶接など、いかなる方法により接合されていてもよい。特に、熱拡散接合、熱間圧延加工または熱間引抜加工により接合されている場合、高温で接合して冷却した後の残留応力により、磁歪素子の磁壁移動が容易になり、磁化変化が促進されるため、ピックアップに誘導電流を効率よく発生させることができる。
　前記軟磁性体と前記磁歪素子とは、負荷を加えた状態で接合されていてもよい。この場合、接合後に負荷を解除したときの残留応力により、磁歪素子の磁壁移動が容易になり、磁化変化が促進されるため、ピックアップに誘導電流を効率よく発生させることができる。
　前記振動部は、振動したときに応力集中する部分を１箇所以上有していてもよい。この場合、振動時の応力集中部付近の磁束密度の変化を大きくすることができ、応力集中する位置とピックアップの位置とを調整することにより、ピックアップの誘導電流の発生効率を高めることができる。応力集中する部分は、例えば、振動部の長さ方向に沿って断面形状を変化させることにより、形成することができる。
　振動部は、軟磁性体以外の固体、例えばステンレス、木材などと磁歪素子とを熱拡散接合，熱間圧延加工または熱間引抜加工により接合して成っていてもよい。振動部は、固体と磁歪素子とを、負荷を加えた状態で接着剤または溶接により接合して成っていてもよい。これらの場合、軟磁性体を使用したときに比べて劣ったとしても、残留応力により磁歪素子の磁壁移動が容易になり、磁化変化が促進されるため、ピックアップに誘導電流を効率よく発生させることができる。
　本発明によれば、ウイルスや細菌のような微小な物質の重量も検出可能な荷重センサおよび荷重検出装置を提供することができる。
本発明の実施の形態の荷重検出装置を示す概略図である。 本発明の実施の形態の荷重センサを示す概略図である。 図２に示す荷重検出装置により測定された振動部の共振周波数とピックアップの誘導起電力（出力電圧）との関係を示すグラフである。 図２に示す荷重検出装置により測定された振動部の周波数シフトと物質吸着体の重量との関係を示すグラフである。 図２に示す荷重検出装置により測定されたピックアップの誘導起電力（出力電圧）と物質吸着体の重量との関係を示すグラフである。 図２に示す荷重検出装置により検出中の振動部の共振周波数とピックアップの誘導起電力（出力電圧）との関係を示すグラフである。 模擬ウイルスに用いたシリカ粒子の吸着方法の説明図である。 図２に示す荷重検出装置による模擬ウイルスに用いたシリカ粒子の検出実験結果を示すグラフである。 図２に示す荷重検出装置による模擬ウイルスに用いたシリカ粒子を吸着させた物質吸着体の（Ａ）表面の顕微鏡写真および（Ｂ）裏面の顕微鏡写真である。 本発明の実施例４の荷重検出装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施例５の荷重検出装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施例５の荷重検出装置で用いた振動部の生体機能化の処理工程を示す概略図である。 本発明の実施例５の荷重検出装置の（ａ）センシングテストのセットアップ状態を示す概略図、（ｂ）センシングテスト後の振動部の処理工程を示す概略図である。 本発明の実施例５の荷重検出装置の（ａ）振動部の出力電圧を示すグラフ、（ｂ）振動部の出力電力と負荷抵抗の関係を示すグラフである。 本発明の実施例５の荷重検出装置の（ａ）振動部にバイアス磁場がない場合のコンデンサに蓄積された直流（ＤＣ）電圧と時間との関係を示すグラフ、（ｂ）振動部にバイアス磁場がある場合のコンデンサに蓄積された直流（ＤＣ）電圧と時間との関係を示すグラフである。 （ａ）ＨＣｏＶ－２２９Ｅウイルスの１時間のインキュベーション後の蛍光画像と、ウイルスなしの蛍光画像と、ＰＢＳおよびＢＳＡ処理後の蛍光画像、（ｂ）ＨＣｏＶ－２２９Ｅウイルスの２４時間のインキュベーション後の蛍光画像と、ウイルスなしの蛍光画像と、ＰＢＳおよびＢＳＡ処理後の蛍光画像、（ｃ）条件ごとの補正した全蛍光を示すグラフである。 本発明の実施例５の荷重検出装置の、ＨＣｏＶ－２２９Ｅウイルスの１時間のインキュベーション前後の周波数と出力電圧との関係を示すグラフである。 （ａ）ＣＤ１３を固定化した振動部を、ＨＣｏＶ－２２９Ｅウイルスを含まない溶液中で１時間インキュベートした後の蛍光画像と、ＨＣｏＶ－２２９Ｅウイルスを含む溶液中で１時間インキュベートした後の蛍光画像、（ｂ）各条件の補正した全蛍光を示すグラフである。
　以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
　図１に示すように、荷重検出装置は、共振発生装置１と荷重センサ２とデータロガー３とコンピュータ４とを有している。
　共振発生装置１は、振動機から成る。共振発生装置１は、パワーアンプ１１を介してファンクションジェネレータ１２に接続されている。ファンクションジェネレータ１２は振幅が一定の任意の周波数の正弦波信号を出力し、パワーアンプ１１が増幅した信号を共振発生装置１に出力する。共振発生装置１は、その増幅信号を入力して一定の振幅で振動するようになっている。
　図２に示すように、荷重センサ２は、振動部２１とピックアップ２２と物質吸着体２３とを有している。
　振動部２１は、細長い長方形板状の磁歪体と同一形状の軟磁性体とを、平面全体を重ね合わせて接合したクラッド板から成っている。振動部２１は、エナジーハーベスト機能を備えている。軟磁性体は、例えば、Ｎｉ－０～２０質量％Ｆｅ系合金（純Ｎｉを含む）、Ｎｉ－Ｃｏ系合金または純鉄など、磁歪素子とは異なる種類の磁性材料から成っている。磁歪素子は、例えば、Ｆｅ－Ｃｏ系合金またはＦｅ－Ａｌ系合金から成っている。なお、振動部２１は、圧電素子から成っていてもよい。
　振動部２１は、片持ち梁状に一端が共振発生装置１に取り付けられて支持されている。振動部２１は、共振発生装置１の振動と共振可能である。
　ピックアップ２２は、振動部２１を内部に配置したコイルから成り、振動部２１の振動による磁歪素子の逆磁歪効果で誘導電流を発生するようになっている。物質吸着体２３は、ウイルスまたは細菌の抗体から成り、振動部２１の自由端側を覆って振動部２１に取り付けられている。物質吸着体２３の大きさと取付け位置は、適宜、設定可能である。
　データロガー３およびコンピュータ４は、ピックアップ２２の誘導起電力（出力電圧）の変化を検出する電圧検出部を構成する。データロガー３は、ピックアップ２２の誘導起電力のデータを保存し、コンピュータ４に送信する。コンピュータ４は、データロガー３からのデータに基づき、ピックアップ２２の誘導起電力の変化を検出する。
　次に作用について説明する。
　荷重検出装置において、ファンクションジェネレータ１２から振幅が一定の任意の周波数の正弦波信号を出力し、パワーアンプ１１により増幅した信号を共振発生装置１に出力する。共振発生装置１は、その増幅信号を入力して一定の振幅で振動する。共振発生装置１の振動により振動部２１が共振することにより、物質吸着体２３も振動して物質を吸着させやすくなる。荷重センサ２の物質吸着体２３にウイルスなどの物質が吸着して重量（荷重）が増加すると、振動部２１の共振周波数が減少し、ピックアップ２２の誘導起電力（出力電圧）が変化する。
　データロガー３がピックアップ２２の誘導起電力のデータを保存し、コンピュータ４がデータロガー３からのデータに基づき、ピックアップ２２の誘導起電力の変化を検出する。その誘導起電力の変化を検出することにより、物質吸着体２３に吸着した物質の重量を検出することができる。磁歪素子および振動部２１の最適設計により、マイクログラムオーダーまたはナノグラムオーダーの重量を検出可能である。また、抗体に応じたウイルスまたは細菌を検出することができ、ウイルスや細菌のような微小な物質の存在も検出可能である。抗体に重症急性呼吸器症候群コロナウイルス（ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２）の抗体を用いて、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２の検出も可能である。
　振動部となる長さ５０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのＦｅ－Ｃｏ／Ｎｉクラッド板カンチレバーの自由端側に、質量１、２、４、７、１０ｍｇのプルーフマス（錘）をそれぞれ取り付けたものと、プルーフマスを取り付けないものとを準備した。プルーフマスには、紙製のマスキングテープを用いた。実施例では、マスキングテープの粘着剤が物質吸着体を構成している。巻数が約４２００、コイル抵抗が７．４７ｋΩのピックアップコイルを準備して基台に取り付け、振動部の振動により誘導電流を発生するよう振動部をその内部に配置した。振動機に振動部を自由長が３３ｍｍとなるよう取り付け、振動機で強制変位振動を加えた。誘導起電力（出力電圧）Ｖｐｐを、データロガー（Ｋｅｙｅｎｃｅ　ＮＲ－５００、Ｋｅｙｅｎｃｅ　Ｃｏ．、Ｊａｐａｎ）によってサンプリング周期１００μｓで記録した。
　その結果を図３～図５に示す。
　図３に示すように、プルーフマスのない振動部の共振周波数は約１０７．１Ｈｚであった。プルーフマスの重量が増加すると、共振周波数が減少し、最大誘導起電力（最大出力電圧）がわずかに増加した。図４は、プルーフマスによる周波数シフトとプルーフマスの重量および対応する表面応力の関係を示す。周波数シフトが重量または応力の増加に伴って直線的に減少することがわかる。１ｍｇの重量増加により、周波数が約０．７５Ｈｚ減少した。
　図５は、誘導起電力（出力電圧）とプルーフマスの重量および対応する表面応力の関係を示す。誘導起電力は、１ｍｇの重量で約１２ｍＶ減少した。
　得られた結果から、荷重検出装置によりプルーフマスの重量を検出できることが確認できた。特に、誘導起電力の１２ｍＶの変化から約１ｍｇの重量を検出できることがわかった。磁歪素子の誘導起電力は、コイルの巻数に比例して増加する。したがって、コイルの巻数を増やすことによって、より小さい重量を検出可能である。
　荷重検出装置を磁歪バイオセンサとして使用する場合、実施例１の構成でプルーマスを使用せず、振動部のカンチレバーの表面を生体分子認識素子で覆っておく。生体分子認識素子には、抗体を用いることができる。振動部に交流（ＡＣ）磁界を印加すると、磁歪効果により屈曲振動を起こし、物理的な共振を示す。図６に示すように、振動部の表面に固定化された抗体に抗原が結合すると、抗原結合のない振動部の基本共振周波数ｆ０はｆ１に低下する。この共振周波数のシフトは、ピックアップコイルを使用して監視できる。
　振動部は曲げ振動エネルギーハーベスティングデバイスとして機能し、抗体に抗原の吸着がない場合、収集された電力はいつでもビッグデータにエアコンディションを送ることができる。特に、曲げ振動を受けるエネルギーハーベスティング用の振動部は、交流磁界を必要とせずにバイオセンサの役割を果たす。センサを駆動してデータを通信するには、数μＷ～ｍＷの電力が必要である。多数のセンサにバッテリーを使用する場合、環境、リソース、コストの面で非常に大きな社会問題になる。このため、自然環境に広く存在する未利用エネルギー（振動、熱、光、電波など）から電力を回収するエネルギーハーベスティングが注目されている。また、センサ駆動やデータ通信用の電力としての活用も期待されている。荷重検出装置は、共振現象を利用したセルフパワーウイルスセンサとして使用可能である。
　実施例１の構成の荷重検出装置で模擬ウイルスの検出実験を行った。模擬ウイルスとしてシリカ粒子を用いた。振動部に金表面を有する試験片を取り付け、シリカ粒子吸着方法によりシリカ粒子を検出した。シリカ粒子吸着方法では、図７に示すように、試験片の金表面に１０ｍＭの１１－メルカプトウンデカン酸（１１－ＭＵＡ）エタノール溶液を窒素ガス雰囲気下、室温で一晩反応させ、エタノールですすぎ、共振周波数を測定した。
　次に、０．１５ＭのＥＤＣと０．０５Ｍのスルホ－ＮＨＳのＭＥＳ緩衝液（ｐＨ５．５）溶液を室温で４時間反応させ、ＭＥＳ緩衝液ですすいで試験片表面を活性化させた。１μｍ、５０ｍｇ／ｍＬのシリカ粒子を１２時間反応させ、リン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）ですすぎ、共振周波数を測定した。
　その結果を図８に示す。図８に示すように、反応後、反応前に比べて共振周波数が８５．０Ｈｚから８３．７Ｈｚに変化した。誘導起電力（出力電圧）は、８５Ｈｚで１．２７６Ｖから０．９７５Ｖに変化し、３００ｍＶ減少した。このことから、シリカ粒子の付着が検出された。図９に示す顕微鏡観察結果からも、シリカ粒子を確認することができた。
　鉄（Ｆｅ）とコバルト（Ｃｏ）の粉末を高周波誘導真空溶解炉で溶解し、鋳造した。製造されたインゴットは、スラブに熱間鍛造された。その後、熱間および冷間圧延により厚さ０．１ｍｍの板状にスラブを加工し、圧延板を切断した。厚さ０．１ｍｍのニッケル（Ｎｉ）板もＦｅ－Ｃｏ合金板と同じ手順で作製した。正の磁歪特性を有するＦｅ－Ｃｏ板と負の磁歪特性を有するＮｉ板とを拡散結合させてクラッド板を形成した。厚さ０．２ｍｍのＦｅ－Ｃｏ／Ｎｉクラッド板を所定の形状に切断した。
　作製した厚さ０．２ｍｍ、幅５ｍｍのＦｅ－Ｃｏ／Ｎｉクラッド板の一端を、図１０に示すように振動振とう機（ＥＴ－１３２、Ｌａｂｗｏｒｋｓ　Ｉｎｃ．、ＵＳＡ）に取り付けた。自由長は３４ｍｍであった。曲げ振動は、関数発生器（３３２５０Ａ、ＡｇｉｌｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、日本）とパワーアンプ（ＰＡ－１５１、Ｌａｂｗｏｒｋｓ　Ｉｎｃ、米国）によって駆動されるシェーカーで行った。Ｆｅ－Ｃｏ／Ｎｉクラッド板を２８０００ターン、抵抗１１．７キロオームのピックアップコイルで囲み、データロガー（ＮＲ－５００、キーエンス、日本）を用いてクラッド板の出力電圧Ｖｏｕｔをモニターした。シェーカーの振幅Ａは周波数ｆとともに変化するが、加えられた加速度ａ＝Ａ（２πｆ）２＝１７０ｍ／ｓｅｃ２であった。次に、クラッド板からの出力電力Ｐｏｕｔを、共振周波数での出力電圧Ｖｏｕｔと負荷抵抗Ｒを使用して評価した。
　図１１にエネルギー貯蔵と無線通信システムの概略図を示す。振動部には、実施例４と同じＦｅ－Ｃｏ／Ｎｉクラッド板を使用した。無線情報送信部は、直流（ＤＣ）電圧２．０Ｖで信号を伝送する回路から成り、クラッド板に接続されている。コンデンサの容量は１０００μＦである。曲げ振動によりＦｅ－Ｃ／Ｎｉクラッド板で発生した交流電圧を直流電圧に変換し、コンデンサに蓄積する整流回路がクラッド板と無線情報送信部との間に接続されている。コンデンサが蓄積する直流電圧を電圧計で測定した。また、受信した信号とその時刻をパソコンに記録した。バイアス磁場が０および１０ｍＴのときに実験を行った。バイアス磁場には、ネオジム磁石が用いられた。
　実験には、ヒトコロナウイルス２２９Ｅ（ＨＣｏＶ－２２９Ｅ）を用いた。精製キットには、レトロウイルス精製ミニキット（商品名「ＶｉｒａＴｒａｐ」、Ｃａｔ．Ｖ１１７２－０２、Ｂｉｏｍｉｇａ　Ｉｎｃ．）を使用した。ＨＣｏＶ－２２９Ｅ検出テストの前に、Ｆｅ－Ｃｏ／Ｎｉクラッド板の質量検出性能を調査するため、疑似ウイルス粒子を検出する実験を試みた。
　ＣＤ１３／アミノペプチダーゼＮ（ＡＰＮ）は、膜ペプチダーゼである１５０～１６０ｋＤＡのII型糖タンパク質である。複数の機能を持つ、広く発現している外部酵素（複数の細胞表面に１０．５ｎｍ伸びる二量体として発現）である。ＣＤ１３は、ペプチドからＮ末端アミノ酸を切断し、ペプチドの不活性化または分解を誘発し、急性骨髄性白血病のバイオマーカーであり、腫瘍浸潤に関与する。また、ＨＣｏＶ－２２９Ｅスパイク糖タンパク質結合の受容体としても機能し、細胞への侵入と感染を開始する。ＨＣｏＶ－２２９Ｅの受容体結合ドメインは、以前と比較してより高い結合親和性を持つように進化した（～４４０ｎｍから～３０ｎｍ）。ＣＤ１３は、細胞ベースのアッセイでＨＣｏＶ－２２９Ｅの受容体として、またはＨＣｏＶ－２２９Ｅスパイクタンパク質の受容体としてよく使用されるが、ＣＤ１３のみを使用してＨＣｏＶ－２２９Ｅ自体のバイオ受容体として機能させる方法は新規な方法である。
　ＣＤ１３をＨＣｏＶ－２２９Ｅの新規生体認識層として使用し、このキャプチャー法の実行可能性は、蛍光顕微鏡とアミノシラン処理スライドガラスを使用して最初に確認された（グルタルアルデヒド架橋法を使用してＣＤ１３をスライドガラス表面に固定した）。蛍光色素（商標「Ａｌｅｘａ　Ｆｌｕｏｒ　４８８」）標識抗Ｈｉｓタグ抗体を蛍光標識として使用し、Ｈｉｓタグ付きＣＤ１３修飾スライドガラス表面に結合させた。ウイルスによる立体障害は、蛍光標識の結合を妨げる。これは、蛍光シグナルの減少がウイルス結合の成功を示していることを意味する。
　図１２にＦｅ－Ｃｏ／Ｎｉ被覆板の生体機能化の概略図を示す。長さ３０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのクラッド板の両面に金（Ａｕ）フィルムでスパッタし、生体機能化を促進し、表面の錆びを防止した。次に、Ｆｅ－Ｃｏ／Ｎｉで覆われた板を、Ｍｉｌｌｉ－Ｑ、アセトン、イソプロパノール、９９．５％エタノールの順に浸漬して洗浄した。
　Ｆｅ－Ｃｏ／Ｎｉ被覆板を、アルミニウムで覆った２ｍＬ試験管内の１０ｍＭ　１１－メルカプトウンデカン酸（１１－ＭＵＡ、エタノール中２ｍＬ、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ製）に室温（ＲＴ）で一晩浸した。１１－ＭＵＡは、表面に－ＣＯＯＨ基を持つ自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）を形成した。Ｆｅ－Ｃｏ／Ｎｉで覆われた板は、最初にエタノールで、次にＭＥＳ（２－（Ｎ－モルホリノ）エタンスルホン酸）緩衝液（ｐＨ５．５）ですすがれた。次に、ＭＥＳ緩衝液（ｐＨ５．５）中の４０ｍＭ　ＥＤＣ（１－エチル－３－［３－ジメチルアミノプロピル］カルボジイミド）および１０ｍＭ　スルホ－ＮＨＳ（Ｎ－ヒドロキシスルホスクシンイミド）に浸漬した。室温で２時間、光から保護するためにＡｌ箔で覆った。ＥＤＣ／ＮＨＳは、－ＣＯＯＨ基と反応して、アミン反応性のスルホ－ＮＨＳエステルを形成した（図１２の上段を参照）。
　次に、Ｆｅ－Ｃｏ／Ｎｉで覆われた板を、ウイルス検出実験のためにＣＤ１３タンパク質溶液に室温で一晩浸した。ＣＤ１３（２５μｇ／ｍＬ）も同様にＭＥＳバッファーで希釈した。Ｆｅ－Ｃｏ／Ｎｉクラッド板をＰＢＳ（リン酸緩衝生理食塩水、ｐＨ７．４）ですすぎ、未反応のＣＤ１３を除去した。次に、ＣＤ１３で修飾されたクラッド板に、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）ブロッキングステップを行った（図１２の下段を参照）。
　図１３ａにＨＣｏＶ－２２９Ｅセンシングテストのセットアップを示す。実験は、曲げ振動下でＦｅ－Ｃｏ／Ｎｉクラッド板を使用して実施された。ＣＤ１３は、ＣＤ１３上の－ＮＨ２基とアミド結合を形成する－ＣＯＯＨ基の自己組織化単分子膜を使用して固定化された。出力電圧と周波数を測定した。クラッド板によるＨＣｏＶ－２２９Ｅセンシングの実現可能性が確認された。
　ＨＣｏＶ－２２９Ｅセンシングテスト後、Ｆｅ－Ｃｏ／Ｎｉクラッド板の表面を、蛍光色素（商標「Ａｌｅｘａ　Ｆｌｕｏｒ　４８８」）標識抗Ｈｉｓタグ抗体（１μｇ／ｍＬ、ＰＢＳ溶液中）とともに３４℃で１時間インキュベートした（図１３ｂを参照）。図１３ｂでは、Ａｕ表面をＰＢＳでリンスして未反応の抗Ｈｉｓタグ抗体を除去してから、Ｅｘ：４６０～４９０ｎｍおよびＥｍ：５１０ｎｍ～用のフィルターを備えた蛍光顕微鏡（Ｏｌｙｍｐｕｓ社製）で観察した。蛍光画像は、２５０、４００または７００ミリ秒の露光と通常１０倍の倍率を使用して観察された。
［結果］
　図１４ａに１１５Ｈｚ～１１７Ｈｚの振動エネルギーハーベスティング試験で得られたＦｅ－Ｃｏ／Ｎｉクラッド板の出力電圧（ピークツーピーク電圧Ｖｐ－ｐ）を示す。共振周波数１１６Ｈｚで、出力電圧は約８．４Ｖであった。図１４ｂは、１１６ＨｚでのＦｅ－Ｃｏ／Ｎｉクラッド板の出力電力と負荷抵抗の関係を示している。出力電力は、負荷抵抗Ｒの増加とともに増加し、Ｒ＝３２ｋΩで最大に達し、その後減少した。得られた最大電力は約０．４１４ｍＷ（１２ｍＷ／ｃｍ３）であった。
　図１５ａは、コンデンサに蓄積された直流電圧と、１１５および１１６Ｈｚのバイアス磁場がない場合のＦｅ－Ｃｏ／Ｎｉクラッド板の時間との関係を示している。蓄積される直流電圧は、時間の経過とともに増加する。共振状態（１１６Ｈｚ）では、蓄積される直流電圧が約６７０秒後に約１．９Ｖに達し、その後低下することがわかる。これは、信号がリモートＰＣにワイヤレスで送信されたためである。ここで、信号は電圧が低下した時間である。その後、再び蓄電が始まり、直流電圧が上昇する。約９８０秒後、蓄積される直流電圧は再び約１．９Ｖに達し、２回目の無線通信のために低下した。３回目の無線通信は約１２７０秒後であることがわかった。一方、共振周波数から外れた１１５Ｈｚでは、直流電圧の回復に時間がかかり、約９３０秒後に最初の信号が無線で送信された。周波数が共振周波数から離れるにつれて、出力電圧のピークツーピーク電圧（Ｖｐ－ｐ）は低くなり、直流電圧を回復するためにより多くの時間が必要になる。その結果、信号が送信される間隔が長くなる。この無線通信システムを利用することで、クラッド板は曲げ振動で得られる電力で信号を伝送でき、電池を使わずに信号の伝送間隔を監視することができる。言い換えれば、信号が無線で送信される時間間隔から、共振状態からの偏差を検出することが可能である。たとえば、Ｆｅ－Ｃｏ／Ｎｉクラッド板に物質が付着すると、クラッド板の重量が変化し、共振周波数が変化する。したがって、Ｆｅ－Ｃｏ／Ｎｉクラッド板は、時間間隔の情報から物質の付着を検出できる。
　図１５ｂは、コンデンサに蓄積された直流電圧と、１１６Ｈｚで１０ｍＴのバイアス磁場下でのＦｅ－Ｃｏ／Ｎｉクラッド板の時間との関係を示している。蓄積された直流電圧が上昇し、短時間で約１．９Ｖに達し、信号は無線で送信された。無線通信後も、蓄積された直流電圧はほとんど低下せず、約２．６Ｖを維持する。最初の信号は、約２０秒後に送信され、その後１０秒ごとに送信され続けた。ここで、無線情報送信回路の最短送信間隔は１０秒に設定した。これは、１回の無線通信に必要なエネルギーが１０秒以内に蓄積されたことを示している。
　ＣＤ１３のＡＰＳスライドガラスへの固定化は、受容体結合ドメインが別の場所にあるため、ＨＣｏＶ－２２９Ｅスパイク糖タンパク質との受容体結合能力に影響を与えてはならない。これを確認し、ＣＤ１３のＨＣｏＶ－２２９Ｅへの結合を評価するために、１時間および２４時間のインキュベーション期間を伴う蛍光アッセイを使用した。ＨＣｏＶ－２２９ＥをＣＤ１３修飾ＡＰＳスライドガラス上でインキュベートすることにより、疑似競合結合アッセイを適用した。次に蛍光色素（商標「Ａｌｅｘａ　Ｆｌｕｏｒ　４８８」）標識抗Ｈｉｓタグ抗体をインキュベートすると、ウイルスによる立体障害により、蛍光プローブがＣＤ１３のＨｉｓタグに結合するのを防ぐことができる。このため、ウイルスがＣＤ１３に結合すると、蛍光が減少する。
　図１６にＨＣｏＶ－２２９Ｅの蛍光画像と補正した全蛍光を示す。図１６（ｃ）に見られるように、ウイルスの１時間のインキュベーション後は蛍光が減少するが、２４時間のインキュベーションでは減少しない。ウイルスがＣＤ１３に結合するには、１時間のインキュベーションで十分であったが、ネガティブコントロールのＰＢＳおよびＢＳＡのＣＴＦが高いことからわかるように、２４時間のインキュベーションでは非特異的結合の増加が誘導された。さらに、図１６（ａ）および（ｂ）に見られるように、蛍光画像は１時間のインキュベーションと比較して２４時間で凝集した蛍光シグナルの増加を示し、より長いウイルスインキュベーション時間がＣＤ１３タンパク質の完全性に影響を及ぼし、クラスター化を誘発した可能性がある。ＣＤ１３タンパク質を固定化するアミド結合は、架橋によって非常に安定している。したがって、１時間のウイルスインキュベーション期間をＣＤ１３－ウイルス結合コンフォメーションに使用した。
　ウイルスの検出は磁歪測定でテストされた。Ｆｅ－Ｃｏ／Ｎｉクラッド板は、ＨＣｏＶ－２２９Ｅサンプル溶液中で３３～３４℃および４％ＣＯ２で１時間インキュベートする前後に測定した。１４４．７Ｈｚから１４４．４Ｈｚに約０．３Ｈｚの共振周波数の大幅な低下が見られた（図１７参照）。ウイルス溶液には特定の定義された濃度がなく、ウイルス力価が約３であると仮定すると、ウイルス力価あたり０．１Ｈｚの推定周波数変化が得られた。
　次に、Ｆｅ－Ｃ０／Ｎｉクラッド板を使用したＨＣｏＶ－２２９Ｅの検出は、最初に蛍光顕微鏡を使用してＣＤ１３－ウイルス結合を確認することによって実行された。２枚のＣＤ１３修飾クラッド板を、ＨＣｏＶ－２２９Ｅを含むまたは含まない別々のサンプル溶液中で、それぞれ３３～３４℃および４％ＣＯ２で１時間インキュベートした。蛍光色素（商標「Ａｌｅｘａ　Ｆｌｕｏｒ　４８８」）標識抗Ｈｉｓタグ抗体とさらにインキュベートした後、蛍光顕微鏡を使用してクラッド板を観察した（図１８ａ参照）。図１８ｂに見られるように、プロットされた結果は、ウイルスなしのインキュベーションと比較して、ウイルスとのインキュベーション後の蛍光の減少を同様に示し、ウイルスがＣＤ１３修飾クラッド板にうまく結合していることを示している。
　以上のとおり、ＣＤ１３を蛍光顕微鏡と疑似競合結合アッセイ法を使用してＨＣｏＶ－２２９Ｅを検出するためのバイオ受容体として使用できることが確認できた。ＣＤ１３を磁歪測定用の磁歪ＦｅＣｏ／Ｎｉカンチレバーに適用した結果、ＣＤ１３の新しい生体認識法が磁歪カンチレバーバイオセンサーでも暫定的に成功した。また、磁歪材料特有の高エネルギーハーベスティング能力を利用して、直流電圧を蓄え、その電力で無線情報を送信することに成功した。バイアス磁場を印加することにより、より多くの記憶容量があることが確認された。シリカ粒子を疑似ウイルスとして用いた実験では、濃度が高くなるにつれて共振周波数の変化量が大きくなり、ウイルスセンサーとしての適用性が確認された。ＨＣｏＶ－２２９Ｅを用いた実験では、反応前後の共振周波数の変化が見られ、観察結果とは明らかな違いがあった。これらを組み合わせて種々の振動を利用した環境発電を行うと同時に、ウイルスの検出や変化の発生の情報伝達も可能である。
　１　共振発生装置、２　荷重センサ、３　データロガー、４　コンピュータ、１１　パワーアンプ、１２　ファンクションジェネレータ、２１　振動部、２２　ピックアップ、２３　物質吸着体

Claims (17)

  1. 　共振可能な磁歪素子または圧電素子を有する振動部と、
    　前記振動部の振動による前記磁歪素子の逆磁歪効果または前記圧電素子の圧電効果で誘導電流または誘導電圧を発生するピックアップと、
    　前記振動部に設けられた物質吸着体とを、
    　有することを特徴とする荷重センサ。
  2. 　前記物質吸着体はウイルスまたは細菌の抗体から成ることを特徴とする請求項１記載の荷重センサ。
  3. 　前記振動部は前記物質吸着体により少なくとも一部が覆われていることを特徴とする請求項２記載の荷重センサ。
  4. 　共振可能な磁歪素子または圧電素子を有する２つの振動部と、
    　前記振動部の振動による前記磁歪素子の逆磁歪効果または前記圧電素子の圧電効果で誘導電流または誘導電圧を発生する２つのピックアップと、
    　前記振動部の一方に設けられた物質吸着体とを、
    　有することを特徴とする荷重センサ。
  5. 　前記ピックアップは前記振動部を内部に配置したコイルから成ることを、特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の荷重センサ。
  6. 　前記物質吸着体はＣＤ１３抗体から成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の荷重センサ。
  7. 　前記振動部は前記磁歪素子と軟磁性体とを接合して成ることを、特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の荷重センサ。
  8. 　前記磁歪素子は板状のＦｅ－Ｃｏ系合金から成り、前記軟磁性体は板状のＮｉ－０～２０質量％Ｆｅ系合金またはＮｉ－Ｃｏ系合金から成り、前記振動部は前記磁歪素子と前記軟磁性体とのクラッド板から成り、片持ち梁状に一端が支持される構成を有していることを、特徴とする請求項７記載の荷重センサ。
  9. 　前記物質吸着体はＣＤ１３抗体から成ることを特徴とする請求項８記載の荷重センサ。
  10. 　請求項１乃至４のいずれか１項に記載の荷重センサと、前記振動部を共振させる共振発生装置と、前記ピックアップの誘導起電力の変化を検出する電圧検出部とを、有することを特徴とする荷重検出装置。
  11. 　前記共振発生装置は振動機から成ることを、特徴とする請求項１０記載の荷重検出装置。
  12. 　前記共振発生装置は前記振動部に交流磁界を印加する交流磁界発生装置または交流電圧を印加する圧電材料から成ることを、特徴とする請求項１０記載の荷重検出装置。
  13. 　請求項１乃至４のいずれか１項に記載の荷重センサと、前記振動部を共振させる共振発生装置と、前記ピックアップの誘導電流または誘導電圧により前記振動部の共振周波数に関する信号を無線送信する無線情報送信部とを有することを、特徴とする荷重検出装置。
  14. 　前記無線情報送信部は、前記ピックアップの誘導起電力による交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記整流回路が出力する電荷を蓄積するコンデンサと、前記コンデンサが蓄積する静電エネルギーが１回の無線情報送信に必要なエネルギー以上のときに前記静電エネルギーにより無線送信する無線情報送信回路とを有することを、特徴とする請求項１３記載の荷重検出装置。
  15. 　前記物質吸着体はＣＤ１３抗体から成ることを特徴とする請求項１４記載の荷重検出装置。
  16. 　前記荷重センサにバイアス磁場を印加する磁石を有することを特徴とする請求項１４記載の荷重検出装置。
  17. 　前記無線情報送信回路から無線情報を受信する無線情報受信回路と、前記無線情報受信回路の受信間隔を検出する検出手段とを有することを、特徴とする請求項１４記載の荷重検出装置。
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