水晶センサー及び感知装置

【課題】液相中における測定でも気相中の測定時におけるＱ値との差が小さく、感知対象物を高感度で検出することのできる水晶センサーを提供すること。
【解決手段】その一面（ＸＺ’面）に捕捉層（吸着層）１２が形成されたＡＴカットの水晶板１１を備え、前記捕捉層１２に感知対象物が吸着されることによる水晶振動子１０の周波数の変化分に基づいて感知対象物を検出する水晶センサー１において、前記水晶振動子１０に捕捉層１２が形成された面（ＸＺ’面）のＺ’方向の互いに対向する端面（ＸＹ’面）に、水晶板１１を発振させるための電極１３を形成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液相中において感知対象物を高い信頼性で測定することができる水晶センサー及び感知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
微量物質を感知し、測定する感知センサーとしては例えば水晶振動子を用いた水晶センサーが利用されている。水晶センサーは、水晶板の表面に吸着層が形成され、この吸着層の表面に感知対象物が付着すると、当該付着した感知対象物の重さの分だけ質量付加効果により水晶の固有振動数が変化し、この変化する性質を利用して感知対象物の濃度を測定するセンサーである。前記吸着層としては、例えばタンパク質などの抗体が用いられ、抗原抗体反応を利用して試料液中例えば血液中の抗原の吸着（反応による捕捉）が行われる。
【０００３】
前記水晶センサーに用いられる水晶振動子としては、例えば特許文献１に開示されているように、ＡＴカットの水晶板の表面及び裏面に電極が形成された垂直電界励振タイプと呼ばれる水晶振動子が知られており、この場合、表面側の電極に吸着層が形成されている。この種の水晶振動子、例えば９ＭＨｚの水晶振動子では気相中での等価回路の直列抵抗が例えば１０Ω程度であるが、液相中例えば純水中では前記直列抵抗が２００〜３００Ω程度となる。前記水晶振動子を備えた水晶センサーでは、溶液の粘性により前記直列抵抗が変化するが、液相中での直列抵抗が小さいことから粘性による変化分が大きくなり、このため発振させたときの共振周波数の変化に影響を与え、測定結果の信頼性が低下してしまう。前記直列抵抗の変化分が共振周波数に影響を与えないか、または無視できる程小さくするためには、水晶センサーを水晶振動子の直列抵抗が大きな値例えば３ｋΩの値を取るように構成すればよい。
【０００４】
一方、垂直電界励振タイプの水晶振動子は、気相中に比べ液相中におけるＱ値（ｆ_０/Δｆ：ｆ_０は共振周波数、Δｆは共振曲線において共振電流の最大値の１/√２に相当する周波数帯域（共振曲線の幅）である。）が低く、例えば大気中ではＱ値は約６００００であるが、水中ではＱ値は２０００程度までに低下する。一般にＱ値が低いと水晶振動子の安定性が悪く、電子雑音が大きいことから、水晶振動子を用いて液相での測定においても、こうした課題が内在しているということができ、このため更なる高い信頼性を確保できる技術が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−７８１８１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は試料液中の感知対象物を測定するにあたり、高い信頼性が得られる水晶センサー及び感知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の水晶センサーは、ＡＴカットの水晶板の板面に試料液中の感知対象物を捕捉するための捕捉層が形成され、この捕捉層に感知対象物が捕捉されたことによる水晶板の固有振動数が変化し、その変化に基づいて感知対象物を感知する水晶センサーにおいて、
前記水晶板における互いに対向する端面に、当該水晶板を振動させるための電極を設けたことを特徴とする。
【０００８】
また、水晶センサーは以下の構成を取って良い。
１．前記水晶板の板面には、前記電極とは絶縁された金属層が形成され、前記捕捉層はこの金属層に形成されている構成。
２．前記水晶板の端面に設けられた電極を第１の電極とすると、当該水晶板の両板面の各々の一部に互いに対向する第２の電極が設けられ、前記第１の電極及び第２の電極は互いに電気的に接続されている構成。
３．前記第１の電極及び第２の電極は、水晶板上で互いに電気的に接続されている構成。
本発明に係る感知装置は、前記水晶センサーと、当該水晶センサーに接続された発振回路と、この発振回路からの周波数信号を測定するための測定部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＡＴカットの水晶板を用いた水晶センサーにおいて、水晶板の板面に捕捉層を設けると共に板面におけるＺ’方向に互いに対向する端面に電極を設けて平衡電界励振タイプの水晶振動子を構成しているため、液相中においても高いＱ値が得られ、このため周波数の安定性が高く試料液中の感知対象物の信頼性の高い測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る水晶センサーを示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る水晶センサーに組み込まれる水晶振動子を示す斜視図及び断面図である。
【図３】前記水晶センサーの一部を構成するプリント基板の上面図である。
【図４】前記水晶センサーを示す縦断面図及び拡大図である。
【図５】前記水晶センサーを示す上面図である。
【図６】本発明に係る感知装置を示す斜視図である。
【図７】前記水晶センサーを用いて測定を行った測定結果の一例である。
【図８】前記感知装置を示す構成図である。
【図９】他の実施の形態に係る水晶センサーを示す縦断面図である。
【図１０】他の実施の形態に係る水晶板を示す斜視図である。
【図１１】他の実施の形態に係る水晶センサーを示す斜視図である。
【図１２】他の実施の形態に係る水晶板を示す斜視図である。
【図１３】他の実施の形態に係る感知装置の一部を示す構成図である。
【図１４】前記感知装置の測定結果の一例を説明する説明図である。
【図１５】他の実施の形態に係る水晶板及び水晶センサーを示す斜視図である。
【図１６】他の実施の形態に係る水晶センサーを示す縦断面図である。
【図１７】他の実施の形態に係る水晶板を示す斜視図及び側面図である。
【図１８】他の実施の形態に係る水晶板を示す斜視図及び側面図である。
【図１９】他の実施の形態に係る水晶板を示す斜視図及び側面図である。
【図２０】他の実施の形態に係る水晶板を示す斜視図及び側面図である。
【図２１】他の実施の形態に係る水晶板を示す斜視図及び側面図である。
【図２２】他の実施の形態に係る水晶板を示す斜視図及び側面図である。
【図２３】他の実施の形態に係る水晶板を示す斜視図及び側面図である。
【図２４】他の実施の形態に係る水晶板を示す斜視図及び側面図である。
【図２５】他の実施の形態に係る水晶板を示す斜視図及び側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態に係る水晶センサーを説明する。図１に示すように、水晶センサー１は水晶振動子１０、プリント基板２及びカバー体３を備えている。前記水晶振動子１０は、図２に示すように例えばＡＴカットの短冊状の水晶板１１であり、長辺が水晶のＸ軸に沿って伸び、短辺が水晶のＺ’軸（Ｚ軸を３５°１５’傾けた軸）に沿って伸び、厚さ方向が水晶のＹ’軸（Ｙ軸を３５°１５’傾けた軸）となっている。この水晶振動子１０の水晶板１１の一方の板面（図２（ａ）では上面：ＸＺ’面）には、金属層１１ａ（図２（ｂ）参照）が円形状に形成され、当該金属層１１ａの表面に例えば感知対象物である抗原を抗原抗体反応により、捕捉するための捕捉層（吸着層）１２が形成されている。前記金属層１１ａは、例えば密着層であるクロム（Ｃｒ）の上に金を積層して構成されている。前記水晶板１１におけるＺ’方向の互いに対向する端面には当該水晶板１１を発振させるための電極１３が形成されており、またこれら電極１３は、下端部が水晶板１１の他面側（図２（ａ）の下面側）まで回りこみ、後述のプリント基板の導電路に接続できるようになっている。前記金属層１１ａ及び電極１３は例えばフォトリソグラフィーにより同時に形成される。また、水晶板１１における捕捉層１２の外縁領域であって、後述のカバー体の円筒体の下端部に対向する部位には、撥水性層１４が環状に形成されている。この撥水性層１４は、円筒体の下端部との間の隙間から試料液が流出するのを防止するためのものである。
【００１２】
前記プリント基板２は、図３に示すようにその表面の一端側から他端側に向けて導電路２１ａ、２１ｂが平行に設けられている。また導電路２１ａ、２１ｂの一端側は後述するスペーサ側の電極と接続するための電極２２ａ、２２ｂとして形成され、導電路２１ａ、２１ｂの他端側は後述する発振回路の接続端子部と接続するための接続端子の役割を有する。
【００１３】
図１及び図４（ａ）に示すように、前記プリント基板２の一端側領域を覆うように角型の箱状のカバー体３が設けられている。ここでプリント基板２の長さ方向に伸びる両縁を夫々左縁、右縁と呼ぶとすると、カバー体３の３辺は夫々プリント基板２の一端縁、左縁、右縁に沿って形成される。前記カバー体３とプリント基板２との間には、夫々左縁及び右縁に沿って伸びる例えば樹脂やゴム等からなる短冊状のスペーサ５１ａ、５１ｂが介在している。前記水晶振動子１０は電極が設けられていない、互いにＸ方向に対向する縁部が、プリント基板２の左縁（右縁）と平行になるように、スペーサ５１ａ、５１ｂに跨って設けられ、当該スペーサ５１ａ、５１ｂとの接触位置は後述する試料液の液収容空間よりも外側である。
【００１４】
スペーサ５１ａ、５１ｂの上下両面には電極（図示せず）が形成され、図４（ａ）に示すように、これら電極を互いに接続するために当該スペーサ５１ａ、５１ｂの厚さ方向に導電路５２ａ、５２ｂが設けられている。前記スペーサ５１ａ、５１ｂの上面側の電極は、水晶振動子１０の下面側の電極１３（図２（ｂ）参照）に接触し、スペーサ５２ａ、５２ｂの下面側の電極はプリント基板２の導電路２１ａ、２１ｂの端部（電極）２２ａ、２２ｂと夫々接触している。従ってプリント基板２の導電路２１ａ、２１ｂに電圧を印加すると水晶振動子１０の電極１３に電圧が印加されることになる。
【００１５】
図４及び図５に示すように、カバー体３の中央部は開口しており、開口縁から下方へ向けて円筒体３１が伸びている。この円筒体３１の下縁は水晶振動子１０の表面よりもわずか上方に位置するように形成されている。前記円筒体３１と水晶振動子１０の表面とで囲まれる領域は試料液を収納する液収容空間３２を構成している。また、円筒体３１は撥水性の部材で構成され、水晶板１１の表面に形成された既述の撥水性層１４とにより試料液を弾き、その表面張力で試料液が液収容空間３２より前記円筒体３１の下縁と水晶振動子１０の表面との隙間を介して外側へ漏れ出さないようになっている（図４（ｂ）参照）。
【００１６】
次に、感知装置６を説明する。図６に示すように、感知装置６は前記水晶センサー１と、この水晶センサー１が着脱自在に装着される発振回路を含む発振回路ユニット４と、測定器本体６１及び例えばパーソナルコンピュータ６２を含む測定部と、を備えている。前記水晶センサー１は、プリント基板２の端子部（導電路）２１ａ、２１ｂが発振回路ユニット４の端子部４９に接続され、当該発振回路ユニット４例えば同軸ケーブルを介して測定器本体６１と電気的に接続される。前記発振回路ユニット４内の発振回路はコルピッツ型発振回路ユニットとして構成されており、水晶センサー１の水晶振動子１０を発振させる役割を有する。図８中Ｔｒは発振増幅素子としてのトランジスタ、４０、４１は分割容量成分をなすコンデンサ、Ｖｃｃは定電圧源である。その他の部位については、４２〜４４はコンデンサ、４５〜４８は抵抗である。前記発振回路ユニット４の後段にはバッファアンプ６３を介して測定器本体６１が接続されている。前記測定器本体６１は、発振回路ユニット４の発振出力の周波数に関する信号を測定する機能を備えている。周波数の測定手法としては周波数カウンタを用いてもよいが、周波数信号を直交検波して、当該周波数信号の周波数と検波を用いた周波数信号の周波数との差の周波数で回転する回転ベクトルを計算し、この回転ベクトルの位相の変化を回転ベクトルの速度として評価し、この速度を求める手法であってもよい。
【００１７】
次に上述の構成を備えた水晶センサー１及び感知装置６を用いて感知対象物例えば血液あるいは血清中のある種の抗原の濃度の測定を行う工程を説明する。先ず、感知装置６の発振回路ユニット４の差込み口に水晶センサー１を差し込み、この差し込みによりプリント基板２の端子部（導電路）２１ａ、２１ｂと発振回路ユニット４の端子部４９とが電気的に接続される。そして、発振回路ユニット４により水晶振動子１０を発振させ、発振された周波数信号は測定部本体６２に取り込まれる。そして、測定者が水晶センサー１のカバー体３の開口部より例えば食塩水を希釈液として注入すると液収容空間３２が食塩水で満たされ、水晶振動子１０の雰囲気が気相から液相に変わり、このときの周波数が測定される。続いて、血清をそのままあるいは例えば食塩水で希釈した試料溶液を前記開口部より水晶センサー１の液収容空間３２に注入すると当該試料溶液に含有されている抗原が吸着層の抗体に抗原抗体反応により捕捉される。この抗原抗体反応が進行し、質量負荷効果により周波数の値が低下する。そして、例えば測定器本体６１に接続されたパーソナルコンピュータ６２により、図７に示すように例えば７４Ｈｚの周波数の変化分を求め、例えば予め作成しておいた検量線に基づいて感知対象物の濃度を検出する。
【００１８】
以上において前記カバー体３の円筒体３１の下端部は図９に示すように外方側に屈曲されてフランジ状に形成されていてもよい。
【００１９】
また、前記金属層１１ａの形状を長方形状に形成して、図１０に示すようにこの上に捕捉層１２を形成してもよい。この場合、図１１に示すように捕捉層１２の形状に合わせるためカバー体３の開口部は長方形状に開口し、開口縁から角状の筒体３１が伸び出るように設けられている。
【００２０】
上述の実施の形態によれば、水晶センサー１にＡＴカットの水晶板１１を用い、この水晶板１１の板面に捕捉層１２を設けると共に板面におけるＺ’方向に互いに対向する端面に電極１３を設けて平衡電界励振タイプの水晶振動子１０を構成しているため、液相中においても高いＱ値が得られ、このため周波数の安定性が高く感知対象物について信頼性の高い測定を行うことができる。
【００２１】
次に、本発明の他の実施の形態に係る水晶センサーを説明する。図１２に示すように、水晶センサー１に用いられる水晶板１１の端面の中央部には弾性境界層を成す溝部１００が形成され、この溝部１００により水晶板１１は第１の振動領域（左側の領域）１０１と第２の振動領域（右側の領域）１０２の２つに分割されている。前記第１の振動領域１０１における水晶板１１の板面には金属層を介して感知対象物と反応しない抗体からなるブロック層１０３が形成され、夫々端面には電極１３ａが形成されている。前記第２の振動領域１０２における水晶板１１の板面には金属層１１ａを積層して捕捉層１２が形成され、夫々端面には電極１３ｂが形成されている。また、電極１３ａ、１３ｂは水晶板１１の他面側（下面側）まで回し込まれている。
【００２２】
そして、水晶センサー１が測定器本体部６２に差し込まれることにより、第１の振動領域１０１側の一方の電極１３ａは発振回路１１１に接続されると共に他方の電極１３ａは接地され、また第２の振動領域１０２側の一方の電極１３ｂは発振回路１１２に接続されると共に他方の電極１３ｂは接地される。
【００２３】
このような水晶センサー１では、第１の振動領域は感知対象物の吸着による変化を受けず、試料溶液の濃度に依存しない、温度のみにより変化する発振周波数「Ｆ０」を測定でき（図１４の（ａ））、また第２の振動領域では感知対象物を吸着することによる試料溶液の濃度、温度による発振周波数「Ｆ１」を測定することができる（図１４の（ｂ））。そして、水晶板１１の周囲に温度変化が生じた場合でも、前記発振周波数「Ｆ０」及び「Ｆ１」は、同一の条件で温度変化の影響を受けることとなる。従って、発振周波数の差分「Ｆ１−Ｆ０」を計算することにより、温度変化による周波数変化を取り除いた信頼性の高い測定結果を得ることができる（図１４の（ｃ））。
【００２４】
また、本発明の他の実施の形態に係る水晶センサーは、図１５に示すようにプリント基板２の一端側領域に上部が開口した筐体２０１を設けている。この筐体２０１内の両端部には各々プリント基板２の幅方向に伸びる水晶板１１を載置するための載置部材２０２が設けられている。水晶振動子１０は、電極１３の形成された端面が載置部材２０２と直交するように、当該載置部材２０２に載置され、例えば導電性接着剤で固定される。前記水晶振動子１０の捕捉層１２は既述の既述の実施の形態と同様に水晶板１１の端面の電極１３とは分離された（絶縁された）金属層の表面に形成されている。そして載置部材２０２の表面には図１６に示すように導電路２０３ａ、２０３ｂが形成されているため、水晶板１１が載置部材２０２に載置されることで、水晶板１１の下面側まで回し込まれた電極１３と導電路２０３ａ、２０３ｂの一端とが接続される。導電路２０３ａ、２０３ｂの他端は筐体２０１の底部より引き出されて、プリント基板２の２１ａ、２１ｂに夫々接続される。本実施の形態では、水晶板１１の端面（電極１３が形成された面）と筐体２０１の側壁とに隙間があることより、液収容空間２０４は水晶板１１の捕捉層１２の形成された面と筐体２０１とで囲まれる空間のみでなく、水晶板１１の下面（裏面）と筐体２０１とで囲まれる空間も含まれることになる。
【００２５】
以下に水晶振動子の他の例について記載しておく。図１７〜図２０に示す水晶振動子１０の捕捉層１２は、いずれも金属層を介さずに水晶板１１上に形成されているが、先の実施の形態のように水晶板１１の端面の電極と分離して水晶板１１の板面に金属層を形成し、その上に積層された構成としてもよい。また、図１７（ａ）、（ｂ）の例では水晶板１１の端面の幅方向全体に電極３１１を形成した領域と、この電極３１１から引き出され、端面の幅方向中央部に電極３１１を形成した領域と、を設け、主に前者の電極により水晶板１１を振動させ、また後者の電極は外部の電極との接続をとるために利用している。
【００２６】
図１８（ａ）、（ｂ）の例では、電極３２１を水晶板１１の端面における一端側及び他端側に間隔をおいて設け、各電極３２１は水晶板１１の下面に回し込まれている。即ちこの例では水晶板１１のＺ’方向に互いに対向する電極の組が水晶板１１の長さ方向に２組形成されたことになる。この場合各組の電極のうち同じ端面に形成された２つの電極は例えば共通の導電路に接続される。図１９（ａ）、（ｂ）に示した例は、図１８に示した同じ端面に形成された２つの電極に対して、図１７の構造を適用したものである。また、水晶振動子は水晶板１１の両面に捕捉層１２を設けても良く、その例として図１９の構成に適用した例を図２０に示しておく。
【００２７】
また、図２１〜図２４に示す例は、電極が水晶板１１の端面のみならず板面（上面）における左縁及び右縁に沿って設けられ、更に水晶板１１の下面おいても左縁及び右縁に沿って設けられている。これら一群の例は捕捉層１２が水晶板１１の板面全体に設けられていることから、板面に形成された電極３４１ａ、３４１ｂ（３５１ａ、３５２ａ）上にも設けられた状態となっていることから、導電路からは、平行電界励振による周波数信号に、垂直電界励振による周波数信号が重畳された周波数信号が得られる。従って、より高感度に周波数信号を検出することができる。ここで図２１及び図２２の例は、水晶板１１の上面における電極の大きさと下面における電極の大きさとが互いに異なり、垂直電界励振を起こす電極の組がいわば非対称となっている。これに対して図２３及び２４の例は水晶板１１の上面における電極の大きさと下面における電極の大きさとが同じであり、垂直電界励振を起こす電極の組がいわば対称となっている。また、図２１〜図２３は捕捉層１２を水晶板１１の一面側に設けた例であり、図２４は捕捉層１２を水晶板の両面に設けた例である。
【００２８】
このように平行電界励振だけでなく垂直電界励振を起こす電極の構造は図２あるいは図１２に示す実施の形態に適用してもよいが、垂直電界励振の度合いを大きくするとＱ値が低くなることから、高いＱ値を確保できるように垂直電界励振の度合いを設定することが望ましい。例えば図２５に示すように、水晶板１１の両面において、水晶板１１の端面に形成した電極３６１に連続する電極３６１は左右両縁部のみに形成すると共にこれら電極３６１における水晶板１１の上面側の電極上に捕捉層１２を形成して、そして水晶板１１の上面側には、端面側の電極３６１とは分離された金属層１１ａを形成してこの金属層１１ａの上に捕捉層１２を設ける構成としている。
【００２９】
次に、本発明の実施形態に係る水晶センサーの測定実験を行った。
実験方法
実験に使用する水晶センサーには実施の形態で説明した図１８、図２０及び図２２の３種類の水晶振動子を使用し、測定環境には大気中とリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ:Phosphate buffered saline）中とで水晶センサーの等価回路定数（直列抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、キャパシタンス２２及びＱ値）の測定を行った。
【００３０】
測定結果
測定結果を以下の表に示す。表１は図１８の水晶振動子、表２は図２０の水晶振動子、表３は図２３の水晶振動子を夫々水晶センサーに用いて測定を行った場合の結果を示した表である。また、測定雰囲気が気相から液相に変わった時の周波数の差分は、図１８の水晶振動子では１３１Ｈｚ、図２０の水晶振動子では１３２Ｈｚ、図２３の水晶振動子では６４Ｈｚであった。
【００３１】
考察
図１８、図２０及び図２３のどの水晶振動子においても直列抵抗（Ｒ）がわずかに変化しているが、その変化を無視できる程に水晶振動子の直列抵抗が大きいことが分かる。また、Ｑ値が大気中とＰＢＳ中とを比較しても概ね同じであることから、液相中でも周波数の安定性が高く、感知対象物を高精度に検出できることが分かる。
＜表１＞

＜表２＞

＜表３＞

【符号の説明】
【００３２】
１水晶センサー
１０水晶振動子
１１水晶板
１２捕捉層
１３電極
２プリント基板
２１ａ、ｂ導電路
３カバー体
３１円筒体
３２液収容空間
４発振回路ユニット
５１ａ、ｂスペーサ
６感知装置
６１測定器本体

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＴカットの水晶板の板面に試料液中の感知対象物を捕捉するための捕捉層が形成され、この捕捉層に感知対象物が捕捉されたことによる水晶板の固有振動数が変化し、その変化に基づいて感知対象物を感知する水晶センサーにおいて、
前記水晶板における互いに対向する端面に、当該水晶板を振動させるための電極を設けたことを特徴とする水晶センサー。
【請求項２】
前記水晶板の板面には、前記電極とは絶縁された金属層が形成され、前記捕捉層はこの金属層に形成されていることを特徴とする請求項１記載の水晶センサー。
【請求項３】
前記水晶板の端面に設けられた電極を第１の電極とすると、当該水晶板の両板面の各々の一部に互いに対向する第２の電極が設けられ、前記第１の電極及び第２の電極は互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の水晶センサー。
【請求項４】
前記第１の電極及び第２の電極は、水晶板上で互いに電気的に接続されていることを特徴とする請求項３記載の水晶センサー。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一つに記載の水晶センサーと、この水晶センサーに接続された発振回路と、この発振回路からの周波数信号を測定するための測定部と、を備えたことを特徴とする感知装置。

【図１】