JP2009031233A - マルチチャンネルｑｃｍセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】チャンネル間の相互干渉を抑制し、安定した同時測定ができる。
【解決手段】マルチチャンネルＱＣＭセンサに適用する発振回路は、振動子Ｘの一方の電極を接地して発振動作を得る接地型発振回路とすることで、複数チャンネルで同時に発振動作させるも電磁波が他のチャンネルに伝播し干渉するのを抑制する。
２チャンネル以上のＱＣＭセンサにおいて、複数のチャンネルのうち、１つのチャンネルを測定チャンネルとし、１つのチャンネルを参照チャンネルとし、測定チャンネルの発振周波数と参照チャンネルの発振周波数との差を試料成分の検知・定量周波数信号とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶振動子等の振動子の電極表面を試料ガスや試料溶液に晒したときの振動子の共振周波数やインピーダンス等の電気的特性の変化から試料の成分を検知・定量するＱＣＭ（Ｑｕａｒｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）センサに関し、特に同じ試料から複数の成分を同時に検知・定量するマルチチャンネルＱＣＭセンサに関する。

化学・生化学および電気化学の分野において、反応量や生成物質量を定量することは重要なことであるが、従来装置では極めて微量の反応量に対して十分な検出感度を得ることは難しかった。

近年、ＡＴカット水晶振動子を用いてマイクロバランス原理を応用したケミカル及びバイオセンサーが注目を集めている。ＡＴカット水晶振動子は、その主共振周波数が振動子の板厚と反比例する現象を呈し、その電極面に試料成分が成膜したり、あるいは物質の吸着が起きると表面に存在する物質の単位平面積当たりの重量に対応した周波数のシフトが起きる。

ＱＣＭセンサは、上記の周波数シフト現象を応用したもので、ＡＴカット水晶振動子は広い温度範囲において周波数が安定しているため、安定した検出感度が期待でき、条件が揃えば１〜１０ｎｇの吸着物質の検出がリアルタイムで可能である。（１）式に吸着物質量と周波数のシフト量の関係を示す。

まず、ＡＴカット水晶振動子の共振周波数は、

ｖ_qはさらに、

で表わされる。ここで，ｆ₀：水晶振動子の主共振周波数、ｖ_q：厚みすべり振動の音響波（横波）の伝播速度、ｔ_q：水晶振動子の厚み、μ_q：水晶の剛性率、ρ_q：水晶の密度である。

この主共振を持つ水晶振動子の厚み変化Δｔによる共振周波数変化率Δｆは（１）、（２）式より、

で表わされる。さらに、水晶の厚み変化Δｔは、Δｔ＝Δｍ／ρ_qである。ここで、Δｍは単位表面積当たりの質量変化である。水溶液中にＱＣＭを浸漬すると、溶液の密度及び粘性率が気相中と比べて高い。したがって、厚みすべり振動の音響波が溶液側に減衰して伝わり、共振周波数が減少する。これは、水晶振動子上に有効厚さの液膜層が形成された状態と等価であるとみなすことができる。この液膜層の有効厚さｄ₁は、水溶液がニュートン流体であるとすると、

で近似される。ここで，ｖ₁：水溶液の動粘性率、η₁：水溶液の粘性率、ρ₁：水溶液の密度、ｆ₁：水溶液中の水晶振動子の共振周波数であり，ｖ₁＝μ₁／ρ₁である。

ＱＣＭを溶液中で使用する場合、両電極間の絶縁を保つため、水晶振動子の片面のみを溶液に浸漬する。水晶振動子の片面のみを浸漬する場合、電極の単位面積当たりの見かけの質量変化Δｍ₁は（４）式より、以下の（５）式となる。

ここで、ｆ₁＝ｆ₀として、（５）式を（３）式に代入すれば，溶液に水晶振動子を片面のみ浸漬する場合の共振周波数変化Δｆは、

で表わされる。（６）式から分かるように、全体感度を上げるには主共振周波数ｆ₀を上げることが重要となる。したがって、センサとして用いる水晶振動子の主共振周波数を高くするほど、高感度のセンサとすることができる。

ここで、ＡＴカット水晶振動子は，厚みすべりのモードを使用しているため，主共振周波数ｆ₀はその厚みｔ_qと反比例する。したがって、高周波用の水晶振動子は電極面積が小さく、しかも水晶厚の薄いものが必要となる。水晶振動子を高周波に対応した薄い水晶基板とする場合、基板の中央部のみを薄くする方法が提案されている。

また、ＱＣＭセンサには応答速度を高めること、換言すれば測定時間の短縮方式として、フローセル型に構成し、さらにマルチチャンネル化したものを本願出願人は既に提案している（例えば、特許文献１参照）。

このフローセル型マルチチャンネルＱＣＭセンサのセル構造例を図４に示す。同図にはセル構造を（ａ）上面図と、このＡ−Ａ’線に沿った（ｂ）側断面図で示す。鏡面仕上げされた水晶基板１１の両面に、フッ酸などを用いた化学エッチング法により２チャンネル分の掘り込み部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄを形成する。両掘り込み部１２Ａ，１２Ｃの底面には電極１３Ａ，１３Ｃを形成し、これら電極１３Ａ，１３Ｃと対向させて掘り込み部１２Ｂ，１２Ｄの底面にそれぞれ電極１３Ｂ，１３Ｄを形成する。電極１３Ａ〜１３Ｄは、同じ対向位置で同じ形状（半径）にされ、それぞれリード電極１４Ａ〜１４Ｄを通して外部接続端子１５Ａ〜１５Ｄに接続される。

掘り込み部１２Ａ，１２Ｂの面形状は電極１３Ａ，１３Ｂを形成できるだけの大きさ（半径）にされ、掘り込み部１２Ｃ，１２Ｄの形状は試料ガス又は試料溶液を流すための流路を確保できる面形状と深さをもつ構造にされる。掘り込み部１２Ｃ，１２Ｄは、図示では、中心部が電極１３Ｃ，１３Ｄの部位になるトラック形状平面とされ、一方のコーナ部が試料ガス又は試料溶液の注入部にされ、他方のコーナ部がそれらの排出部にされる。

以上の構造としたフローセル型マルチチャンネルＱＣＭセンサによれば、フローセル構造による測定時間の短縮に加えて、２チャンネル化したセル構造によって試料の一度の注入で２項目の同時測定ができ、測定時間をほぼ半減できる。また、１つの水晶基板を２チャンネル化したセル構造によって、２つの水晶振動子を使って並列的に測定する場合に比べて水晶振動子の個体間のばらつきがなくなり安定性の高い計測が可能となるし、１つの水晶振動子を使って２回測定する場合に比べて試料溶液の調整によるばらつきもなくなり安定性の高い計測が可能となる。

図５は、図４に示す水晶振動子を組み込んだフローセル型マルチチャンネルＱＣＭセンサの組み立て構造を示す。水晶振動子２０は、例えば、図４に示す水晶基板に振動子部を形成するとともに掘り込みによって流路部を形成した一体セル構造の２チャンネル構成とする。設置台（保持基板）２１は、４隅にガイドピン２１Ａが植設され、内周部に電気的接続用スプリングピン２１Ｂが植設される。デバイス位置決めスペーサ２２は、中央部には水晶振動子２０の外周部に嵌め合わせできる切り込み部２２Ａを有し、４隅にはガイドピン２１Ａに遊びを持たせて挿通させる孔２２Ｂを有して設置台２１に積層される。水晶振動子２０は、スペーサ２２の切り込み部２２Ａに合わせて設置台２１に載せることで、その裏面に引き出した外部接続端子１５Ａ〜１５Ｄがそれぞれスプリングピン２１Ｂに圧接されて電気的接続が確保される。

シリコーンゴム製のパッキン２３は、水晶振動子２０の掘り込み部１２Ｃ，１２Ｄの両側位置にそれぞれ試料ガスまたは試料溶液を連通させるための孔２３Ａを有して水晶振動子２０の上に載置される。試料２分割ブロック２４は、４隅にガイドピン２１に遊びを持たせて挿通させる孔２４Ａを有し、さらに水晶振動子２０の２チャンネル分の試料注入口および排出口位置に開口部を有し、これら開口部に試料を一括注入および開口部から試料を一括排出する管路２４Ｂ，２４Ｃを形成し、パッキン２３の上から水晶振動子２０に被せられ、水晶振動子２０に試料の一括注入と一括排出を可能にする。

加圧ブロック２５は、４隅にガイドピン２１に遊びを持たせて挿通させる孔２５Ａを有し、ブロック２４の上に載せることで、スペーサ２２と水晶振動子２０とパッキン２３とブロック２４の積層にその重量で加圧する。

なお、図４は２チャンネル構造の場合を示すが、４チャンネルや９チャンネルのマルチチャンネル構造のＱＣＭセンサも提案されている（例えば、特許文献２，３参照）
特開２００５−３３１４４５号 特開２０００−２８３９０５号 特開２０００−３３８０２２号

従来のマルチチャンネルＱＣＭセンサは、各チャンネルの水晶振動子と、これを共振素子として発振する発振回路の接続をある時聞間隔毎に切換え、チャンネル毎の発振周波数等を測定していた。これは、同一溶液中に浸漬されたＱＣＭを同時に発振させると、溶液中を個々のＱＣＭから発振された電磁波が伝播し干渉してしまうことを避ける目的であった。このように、個々のチャンネルをある時間間隔で測定する手法では、必要な測定データ間隔の制約からせいぜい８チャンネル程度のマルチ化が限界であった。

また、ＱＣＭセンサは質量付加以外にも、（６）式に示したように溶液の粘性変化や溶液のｐＨ変化などの影響を受けることも知られており、この影響をキャンセルするには参照用のＱＣＭセルを設ける必要があり、この場合は多チャンネル化がますます難しくなる。

本発明の目的は、チャンネル間の相互干渉を抑制し、安定した同時測定ができるマルチチャンネルＱＣＭセンサを提供することにある。

本発明は、振動子を組み込んで発振動作を得る発振回路を、振動子の一方の電極を接地して発振動作を得る接地型発振回路とすることで、複数チャンネルで同時に発振動作させるも電磁波が他のチャンネルに伝播し干渉するのを抑制し、安定した同時測定ができるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）圧電基板とこの基板面に形成した振動子電極によって構成する振動子を、１つの圧電基板上に複数チャンネル分設け、各振動子の一方の電極を試料ガスまたは試料溶液で晒したときの各振動子の共振周波数の変化またはインピーダンスの変化から試料成分を検知・定量するマルチチャンネルＱＣＭセンサにおいて、
前記各チャンネルの振動子を共振素子として発振する発振回路を複数設け、かつ各発振回路は振動子の一方の電極を接地させた接地型発振回路に構成し、複数の振動子と発振回路を同時に発振動作させて複数のチャンネル別に試料成分を同時に検知・定量することを特徴とする。

（２）前記各振動子は、試料成分に晒される電極を接地させて接地型発振回路に接続する構成を特徴とする。

（３）前記複数のチャンネルのうち、１つのチャンネルを測定チャンネルとし、１つのチャンネルを参照チャンネルとし、測定チャンネルの発振周波数と参照チャンネルの発振周波数との差を試料成分の検知・定量周波数信号とする構成を特徴とする。

（４）前記複数の振動子に対して、１つの発振回路を時間的に切り替えて発振動作させる構成を特徴とする。

（５）前記振動子は、電極面に試料成分を流すフローセル型構造にしたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、振動子を組み込んで発振動作を得る発振回路を、振動子の一方の電極を接地して発振動作を得る接地型発振回路とするため、多チャンネルの各チャンネルを同時に発振動作させるも電磁波が他のチャンネルに伝播し干渉するのを抑制し、安定した同時測定ができる。

また、複数のチャンネルのうち、１つのチャンネルを測定チャンネルとし、１つのチャンネルを参照チャンネルとし、チャンネル間の周波数変化量として取り出すことで、測定精度を高めることができる。

図１は、本発明のマルチチャンネルＱＣＭセンサに適用する発振回路図であり、１チャンネル分の発振回路を示す。

図１の（ａ）〜（ｃ）に示す発振回路中、ＴＲは増幅素子としてのトランジスタであり、Ｘは水晶振動子であり、これらと回路素子（抵抗、コンデンサ、インダクタ）によって発振回路を形成し、水晶振動子Ｘの負性抵抗を利用して発振動作を得る。

水晶振動子Ｘと発振部（増幅素子としてのトランジスタとインピーダンス素子としてのコンデンサやインダクタ）との接続は、一体的に最短距離で接続した構成とする。例えば、発振部はプリント基板上に回路形成され、このプリント基板面に水晶振動子Ｘが取り付ける。

さらに、発振回路は、水晶振動子Ｘの一方の電極を接地できる接地型発振回路に構成する。例えば、図１では、水晶振動子Ｘの外部接続端子のうち、試料溶液に晒される電極（溶液暴露電極面）につながる外部接続端子を接地側端子とする。

このような接地型発振回路を採用することで、接地側の電極とその接地点までの接続線からの高周波分の放射／伝播を抑制し、チャンネル間の相互干渉を抑制する。これにより、各チャンネルを同時に連続して発振させるも、各チャンネルでの発振動作に影響を受けることなく、安定した発振および周波数測定ができる。

なお、図１に示す接地型発振回路に対して、水晶振動子の両電極をフロート状態にしたフロート型発振回路は、図２の（ａ）または（ｂ）に示す回路構成になり、水晶振動子Ｘの両電極間において交流成分が伝播するため、電解液などの導電性溶液中に浸漬した場合、各チャンネル間で相互干渉が発生する。

図３は、２チャンネル構成のＱＣＭセンサにおいて、一方のチャンネルを参照チャンネルとする場合の実施形態を示す。水晶振動子Ｘ１が接続される接地型発振回路１Ａは、測定チャンネルとし、その水晶振動子Ｘ１の電極が試料溶液に晒され、試料成分により周波数シフトした発振出力を得る。水晶振動子Ｘ２が接続される接地型発振回路１Ｂは、参照チャンネルとし、その水晶振動子Ｘ２の電極が試料溶液に晒されるが、試料成分による質量変化を伴うことなく、水晶振動子Ｘ２が試料溶液に晒された状態での振動周波数の発振出力を得る。

これら接地型発振回路１Ａ、１Ｂの両発振出力は、ヘテロダイン検波器２によって参照チャンネルと測定チャンネルの周波数差を試料成分の検知・定量周波数信号とする。これにより、溶液の粘性変化や溶液のｐＨ変化などの影響をキャンセルした高精度の測定ができる。

なお、以上までの実施形態では２チャンネル構成の水晶振動子と接地型発振回路によるマルチチャンネルＱＣＭセンサを示すが、４チャンネルや９チャンネルにした多チャンネルＱＣＭセンサ構成とし、相互干渉を抑制しながら、連続した同時測定ができる。

また、振動子毎に発振回路を設ける構成に限らず、複数の振動子に対して１つの発振回路を時間的に切り替える構成、例えば８チャンネル構成に対して４つの発振回路を設けた構成とすることもできる。

本発明の実施形態を示す発振回路図。 フロート型発振回路図。 他の実施形態を示す２チャンネルＱＣＭの構成図。 フローセル型マルチチャンネルＱＣＭセンサのセル構造。 フローセル型マルチチャンネルＱＣＭセンサの分解斜視図。

符号の説明

Ｘ、Ｘ１、Ｘ２ 水晶振動子
１Ａ、１Ｂ 接地型発振回路
２ ヘテロダイン検波器

Claims (5)

1. 圧電基板とこの基板面に形成した振動子電極によって構成する振動子を、１つの圧電基板上に複数チャンネル分設け、各振動子の一方の電極を試料ガスまたは試料溶液で晒したときの各振動子の共振周波数の変化またはインピーダンスの変化から試料成分を検知・定量するマルチチャンネルＱＣＭセンサにおいて、
   前記各チャンネルの振動子を共振素子として発振する発振回路を複数設け、かつ各発振回路は振動子の一方の電極を接地させた接地型発振回路に構成し、複数の振動子と発振回路を同時に発振動作させて複数のチャンネル別に試料成分を同時に検知・定量することを特徴とするマルチチャンネルＱＣＭセンサ。
2. 前記各振動子は、試料成分に晒される電極を接地させて接地型発振回路に接続する構成を特徴とする請求項１に記載のマルチチャンネルＱＣＭセンサ。
3. 前記複数のチャンネルのうち、１つのチャンネルを測定チャンネルとし、１つのチャンネルを参照チャンネルとし、測定チャンネルの発振周波数と参照チャンネルの発振周波数との差を試料成分の検知・定量周波数信号とする構成を特徴とする請求項１または２に記載のマルチチャンネルＱＣＭセンサ。
4. 前記複数の振動子に対して、１つの発振回路を時間的に切り替えて発振動作させる構成を特徴とする請求項１または２に記載のマルチチャンネルＱＣＭセンサ。
5. 前記振動子は、電極面に試料成分を流すフローセル型構造にしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のマルチチャンネルＱＣＭセンサ。

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