JP2007192650A - Ｑｃｍセンサーおよびｑｃｍセンサー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のＱＣＭセンサー装置の構造では、容器体に入った溶液を攪拌する際に、容器体自体を揺り動かす方法もしくは容器体内の溶液にプロペラを浸漬する方法を行う必要があった。また、容器自体を揺り動かす方法では攪拌が十分でではなく、プロペラを用いる方法ではプロペラを適当な位置に固定する作業が必要となってくる。
【解決手段】本発明のＱＣＭセンサー装置では注入穴に試料液体を滴下するだけで、流路内に試料液体が浸入し、吸収穴によって吸収される。この時、吸着膜を設けた圧電振動子に試料液体中の目的物質が吸着されその際に圧電振動子の共振周波数の変化を検出することにより目的物質の吸着量を知ることが可能となる。試料液体を流動させる際にポンプなどの外部動力を一切使用する必要が無く、非常に簡便なＱＣＭセンサー装置を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、所定の共振周波数で振動する圧電振動子上の励振用電極パターンを試料ガスや試料溶液に晒したときの共振周波数やインピーダンス等の電気的特性の変化に基づき、励振用の電極パターン表面に吸着した試料の成分を検知、定量するＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ
Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）センサー装置及びセンサーに関するものである。

近年、圧電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バイオセンサーが注目を集めている。従来のＱＣＭセンサー装置の構造を図１４に基づいて説明する。図１４は従来のＱＣＭセンサー装置の断面構造を示している。このセンサー装置は容器体を構成するアクリル樹脂からなる円筒状のセル２１を有し、セル２１の側壁には圧電振動子１の外径よりも小さい開口部を設けたフランジ部１６が形成されている。圧電振動子１は、その外周部が接着剤によってフランジ部１６の下面に接着固定されており、そして圧電振動子１の励振部分に設けた電極パターン２ａ、２ｂのうち、電極パターン２ｂがフランジ部１６の内側にできる開口部に露呈するようになっている。さらに圧電振動子１の外周部がフランジ部１６に押圧されるように圧電振動子１と台座１７との間にスプリング１８を配設している。台座１７には外部に電極パターン２ａ、２ｂを引き出すための端子ピン１９がガラスシール２０によって固定されており、圧電振動子１の電極パターン２ａ、２ｂは、それぞれスプリング１８を介して端子ピン１９に電気的に接続されている（例えば特許文献１、特許文献２参照）。

上記のＱＣＭセンサー装置は、圧電振動子１の電極パターン２ｂが形成された面のみを試料液体側に露出させて試料ガスや試料溶液に晒し、電極パターン２ｂに設けた吸着膜（図示せず）に試料成分が吸脱着することにより変動する共振周波数の変化量から試料成分を検知、定量することができる。

さらにこのＱＣＭセンサー装置には試料液体を攪拌するための攪拌部５１が設けられている。攪拌部５１は支持部５２に取り付けられてセル２１の上部開口側から試料液体内に入れられ、上下動して試料液体を攪拌するようになっている。

また他の形態としては、試料液体の入ったセル本体を揺動攪拌機構上に載置し、セル２１自体を揺り動かす構成も提案されている。
特開２００２−３１０８７２号公報（５頁〜８頁、図１、図６、図７、図８） 特開２００２−２７７３６９号公報（４頁〜６頁、図１、図５、図６）

前述したＱＣＭセンサー装置には以下に記載するような問題点がある。

従来のＱＣＭセンサー装置では、容器体であるセルに入った溶液を攪拌する際に、セル自体を揺り動かす機構もしくはセル内の溶液に攪拌部を浸漬して上下に動かして攪拌する機構が提案されているが、セル自体を揺り動かす方法では攪拌が十分でなく、ＱＣＭセンサーに対して検出したい物質の遭遇確率が低下し、安定した性能を有するＱＣＭセンサー装置を得ることが難しかった。

一方、攪拌部を上下に動かして試料液体を攪拌する機構は、試料液体を十分に攪拌することはできるが、攪拌部５１の下側にある圧電振動子１に素早く試料が行くように特別な試料供給経路を設ける必要があり、装置が複雑になっていた。

そのため、液面に試料を供給した場合は満遍なく攪拌するまでに時間がかかり、測定時間が長くなっていた。また、測定によっては試料液体の温度を一定にする必要があったが、上記のような攪拌機構では、攪拌部５１を取り付けた柄の部分が試料液体と空気の両方に触れるため、柄によって試料液体の温度が不安定になるという問題があった。

本発明は、目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜と励振電極とを有する圧電振動子を試料液体に接触させ、吸着膜に目的物が吸着することにより変化する圧電振動子の共振周波数を検出して目的物質を定量分析するＱＣＭセンサー装置において、試料液体を流動させる際にポンプなどの外部動力を一切使用する必要が無く、非常に簡便なＱＣＭセンサー装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明における圧電振動子の実装構造は、下記記載の構成を採用する。

本発明のＱＣＭセンサーは、目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜と励振電極を有する圧電振動子と、励振電極と電気的に接続した外部接続電極とを有するＱＣＭセンサーであって、
試料液体を流すための凹部を設けた基板と、試料液体を注入するための注入穴と、注入された試料液体を吸収するための吸収穴とを設けたカバーとを有することを特徴としている。

本発明のＱＣＭセンサーは、目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜と励振電極を有する圧電振動子と、励振電極と電気的に接続した外部接続電極とを有するＱＣＭセンサーであって、
試料液体を流すための基板と、試料液体を注入するための注入穴と、試料液体の流路となる凹部および注入された試料液体を吸収するための吸収穴とを設けたカバーとを有することを特徴としている。

本発明のＱＣＭセンサー装置は、目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜と励振電極とを有する圧電振動子を試料液体に接触させ、吸着膜に目的物質が吸着することにより変化する圧電振動子の共振周波数を検出して目的物質を定量分析するＱＣＭセンサー装置であって、
試料液体を流すための凹部を設けた基板と、試料液体を注入するための注入穴と、注入された試料液体を吸収するための吸収穴とを設けたカバーと、励振電極と電気的に接続された外部接続電極とを有するＱＣＭセンサーと、ＱＣＭセンサーの外部接続電極からの信号を受けて目的物質を定量分析する分析装置とを有することを特徴としている。

本発明のＱＣＭセンサー装置は、目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜と励振電極とを有する圧電振動子を試料液体に接触させ、吸着膜に目的物質が吸着することにより変化する圧電振動子の共振周波数を検出して目的物質を定量分析するＱＣＭセンサー装置であって、
試料液体を流すための基板と、試料液体を注入するための注入穴と、注入された前記試料液体を吸収するための吸収穴と、試料液体を流すための凹部とを設けたカバーと、前記励振電極と電気的に接続された外部接続電極とを有するＱＣＭセンサーと、ＱＣＭセンサーの外部接続電極からの信号を受けて目的物質を定量分析する分析装置とを有することを特
徴としている。

本発明のＱＣＭセンサー装置およびＱＣＭセンサーは、上記ＱＣＭセンサー装置およびＱＣＭセンサーであって、基板またはカバーに設けた凹部に吸収部材を配置することが好ましい。

本発明のＱＣＭセンサー装置は、目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜と励振電極とを有する圧電振動子を試料液体に接触させ、吸着膜に目的物が吸着することにより変化する圧電振動子の共振周波数を検出して目的物質を定量分析するＱＣＭセンサー装置であって、試料液体を流すための凹部を設けた基板と、基板と所定の隙間を保って配設した圧電振動子と、試料液体を注入するための注入穴と、注入された試料液体を吸収するための吸収穴とを設けたカバーと、励振電極と電気的に接続された外部接続電極とを有するＱＣＭセンサーと、ＱＣＭセンサーの外部接続電極からの信号を受けて目的物質を定量分析する分析装置とを有することを特徴としており、この構造とすることにより、注入穴から注入された試料液体が基板とカバーとで形成した隙間に集中して流入するので、試料液体中の目的物質は高い確率で圧電振動子に設けた吸着膜に遭遇する機会が増える。

さらに試料液体は吸収穴によってその隙間から徐々に吸収されるので、最終的にはほぼすべての試料液体を圧電振動子の吸着膜に遭遇させることができる。それによって吸着膜を設けた圧電振動子に試料液体中の目的物質が吸着されその際に圧電振動子の共振周波数の変化を検出することにより目的物質の吸着量を知ることが可能となる。また、センサー単体では試料液体を流動させる際にポンプなどの外部動力を一切使用する必要が無く、センサー単体は使い捨てできるので 非常に簡便なＱＣＭセンサー装置及びセンサーを得ることができる。

以下図面を用いて本発明の最適な実施形態におけるＱＣＭセンサー装置について説明する。図１は、本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサーの実装構造を示し、図１３におけるＡ−Ａ’断面図である。図１２は、本発明の実施形態に係るＱＣＭセンサーの断面図、図２は圧電振動子１の断面図、図３は圧電振動子１の斜視図、図４〜図７は、圧電振動子１を実装する基板３と、圧電振動子１を実装する基板３へ実装した状態を示す断面図、図８は図１３のＢ−Ｂ’断面であり、圧電振動子１を実装した基板３とカバー７とを貼り合わせた状態を示す断面図、図９は基板３上に塗布する封止材の位置を示す平面図、図１０と図１１はカバー７を示す斜視図および断面図、図１２は吸収部材１２を配置した場合のＱＣＭセンサーの断面図、図１３は、本発明の実施形態に係わるＱＣＭセンサー装置を示す外観図である。

最初に、本実施形態のＱＣＭセンサー装置で使用するＱＣＭセンサー単体について説明する。図１に示すように、目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜（図示せず）と励振電極とを有する圧電振動子１を試料液体に接触させ、前記吸着膜に前記目的物が吸着することにより変化する前記圧電振動子１の共振周波数を検出して前記目的物質を定量分析するＱＣＭセンサーは、目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜と励振電極とを有する圧電振動子を試料液体に接触させ、前記吸着膜に前記目的物が吸着することにより変化する前記圧電振動子の共振周波数を検出して前記目的物質を定量分析するＱＣＭセンサー装置であって、前記試料液体を流すための凹部１０を設けた基板３と、該基板３と所定の隙間を保って接続材料と封止材６を用いて配設した前記圧電振動子１と、前記試料液体を前記隙間へ注入するための注入穴８と、前記隙間に注入された前記試料液体を吸収するための吸収穴９とを設けたカバー７と、基板３とカバー７を接着するための封止材６とを有している。

次に、本実施形態におけるＱＣＭセンサーの製造工程について図２から図１２を用いて説明する。まず、図２に示すように水晶板からなる圧電振動子１をエッチングやダイシングなどの方法により任意の大きさに形成し、メタルマスクを用いてスパッタリング法や真空蒸着法により水晶板上に金属薄膜を形成することにより、圧電振動子１上に励振用の電極パターン２ａ、２ｂを形成する。

図３は圧電振動子１の斜視図であるが、点線は裏面の電極パターン２ａの状態を表している。励振用の電極パターン２ｂは、後述の図４に示した基板３上に設けた配線４ｂと電気的な接続を行うため、その接続配線が励振用の電極パターン２ａと同一の面になるように、圧電振動子１の側面を回り込むように形成されている。

本実施形態では圧電振動子１としてＡＴ水晶板を用い、大きさが５ｍｍ角で厚みが５０μｍのものを使用し、励振用の電極パターン２ａ、２ｂが３ｍｍ角となるような金パターンを０．２μｍの厚みで形成した。

次に図４に示すように、圧電振動子１を実装する基板３には、ガラス繊維とエポキシ樹脂で形成したガラスエポキシ基板を使用している。基板３の一方の面には配線４ａ、４ｂが形成されており、スルーホールを介して裏面側の配線と接続している。本実施形態では厚みが０．５ｍｍの基板３を使用し、配線４ａ、４ｂとスルーホールは銅、ニッケル、金の三層構造となっている。

さらに基板３には次に図５に示すように凹部１０を設けており、これにより基板３にカバー７を接着することで試料液体の流れる流路となる。この凹部１０は基板３上に感光性樹脂を塗布し露光現像により流路となる部分の感光性樹脂を除去するようにして形成する方法や、凹部分を開口したプラスチックフィルムを粘着剤または接着剤で貼り付けるといった方法で形成する。

このとき形成する凹部１０は図１１に記載するように、基板３側ではなくカバー７側に形成しても同様の効果が得られ、どちらに形成するかは制限されるものではない。

次に図６に示すように、圧電振動子１上に設けた励振用の電極パターン２ａ、２ｂと基板３上に設けた配線４ａ、４ｂとを導電接着剤や異方性導電シートなどの接続材料５を用いて電気的な接続を行う。

本実施形態では接続材料５として、シリコーン接着剤中に銀やパラジウムなどの導電粒子を含有した導電接着剤を用いており、それをディスペンサで基板３の配線４ａ、４ｂ上に塗布し、圧電振動子１の励振用の電極パターン２ａ、２ｂと配線４ａ、４ｂとの位置あわせを行い、熱処理により導電接着剤を硬化させて、電気的接続を行った。

さらに図７に示すようにエポキシ、シリコーン、ポリウレタンなどの封止材６を圧電振動子１の外周部にディスペンサを用いて塗布しており、封止材６を硬化させることによって、圧電振動子１と基板３との隙間が水密に密封される。

本実施形態では硬化後に柔らかく、圧電振動子１を変形させるような応力を発生させない常温硬化型のシリコーン接着剤を封止材６として使用した。

基板３上に実装された圧電振動子１の電極パターン２ｂ部分には、特定の物質を吸着させる吸着膜（図示せず）を形成しておく。この吸着膜は、吸着させたい物質に合わせて抗体などを塗布および乾燥させることにより形成する。

次に図１３のＢ−Ｂ’間の断面図である図８に示すように、圧電振動子１を実装した基板３とカバー７とを封止材を用いて接着することにより、基板３に設けた凹部１０が隙間として残り、試料液体が流れる流路を設けることができる。基板３側に塗布する封止材は圧電振動子１の外周部に塗布したものと同じ常温硬化型のシリコーン接着剤を使用し、図９に示すように基板３に形成した凹部１０の外周に沿って塗布し、基板３とカバー７とを重ねることで流路を形成している。

この時、基板３に設ける凹部１０の深さにより隙間の高さｈが決まるので、試料液体が通過できる範囲で自由に変更することができる。本実施形態では高さｈが約３０μｍとなるよう基板に設ける凹部の深さを１００μｍとしたが、特に限定されるものではない。カバー７としては材質に特に制限はないが、図１０に示すような注入穴８と吸収穴９を設けたアクリル板を本実施形態では使用した。

カバー７に設ける注入穴８と吸収穴９の大きさは、注入穴８の場合直径５ｍｍ程度の穴を設け、吸収穴９の場合直径０．２ｍｍ程度の穴をドリルで切削加工して形成し、吸収穴９の数については試料液体の量によって適当な数を設けた。

また、基板３に設けた凹部１０は図１１に記載するように、基板３側ではなくカバー７側に形成しても同様の効果が得られ、どちらに形成するかは制限されない。

以上の工程を行うことで図１に示すような流路型のＱＣＭセンサーが完成する。このＱＣＭセンサーの構造は主に圧電振動子１、基板３、カバー７から構成されており、非常に簡便な構造となっている。さらにポンプなどの外部動力を一切使用せずに試料液体を圧電振動子１を配置した流路に流すことが可能であり、それによって吸着膜を設けた圧電振動子１に試料液体中の目的物質が吸着されその際に圧電振動子１の共振周波数の変化を検出することにより目的物質の吸着量を知ることが可能となる。

また上記に示すＱＣＭセンサーに図１２に示す様に基板３上に設けた凹部１０のカバー７に形成した吸水穴９を設けた部分に吸収部材１２を配置しておくことで、試料液体が吸収部材に染み込む速度が試料液体の流速となるので、吸収部材のきめの細かさを変更することにより試料液体の流速を制御することが可能となる。本実施形態ではメンブレンフィルターを吸収部材１２として使用した。

図１３はＱＣＭセンサー１３と分析装置１５の関係を示す外観図である。主に圧電振動子１、基板３、カバー７で構成されているＱＣＭセンサー１３は、試料液体を滴下する注入穴８と試料液体を吸収する吸収穴９が設けられている。基板３上の配線４ａ、４ｂは、外部の分析装置１５と電気的に接続するため、基板３の配線４ａ、４ｂをケースカバー７の外に突出させており、この配線４ａ、４ｂが配設された基板３を分析装置１５の所定のコネクタ部に接続することにより、分析装置１５が分析測定するようになっている。

以上の構造とすることにより、注入穴８に試料液体を滴下するだけで、流路内に試料液体が浸入し、吸収穴９によって吸収される。この時、吸着膜を設けた圧電振動子１に試料液体中の目的物質が吸着されその際に圧電振動子１の共振周波数の変化を検出することにより目的物質の吸着量を知ることが可能となる。試料液体を流動させる際にポンプなどの外部動力を一切使用する必要が無く、非常に簡便なＱＣＭセンサー装置を得ることができる。

また、図１３に示すように、ＱＣＭセンサーは、分析装置１５のコネクタにより簡単に脱着できるので、ＱＣＭセンサー 部分を交換するだけで複数の試料の分析を容易に行う
ことができる。

本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサーの実装構造を示し、図１３におけるＡ−Ａ’断面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサーの圧電振動子を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサーの圧電振動子を示す斜視図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサーの基板を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサーの基板を示す斜視図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサーの圧電振動子と基板を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサーの圧電振動子と基板を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサーの実装構造を示し、図１３におけるＢ−Ｂ’断面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサーの基板を示す平面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサーのカバーを示す斜視図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサーのカバーを示す断面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサーの実装構造を示す断面図である。 本発明の実施形態におけるＱＣＭセンサー装置を示す斜視図である。 従来例における圧電振動子の実装構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 圧電振動子
２ａ、２ｂ 電極パターン
３ 基板
４ａ、４ｂ 配線
５ 接続材料
６ 封止材
７ カバー
８ 注入穴
９ 吸収穴
１０ 凹部
１１ 分析装置
１２ 吸収部材
１３ ＱＣＭセンサー
１６ フランジ部
１７ 台座
１８ スプリング
１９ ピン
２０ ガラスシール
２１ セル
５１ 攪拌部
５２ 支持部

Claims (6)

1. 目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜と励振電極とを有する圧電振動子と、前記励振電極と電気的に接続した外部接続電極とを有するＱＣＭセンサーであって、
   前記試料液体を流すための凹部を設けた基板と、前記試料液体を注入するための注入穴および注入された前記試料液体を吸収するための吸収穴とを設けたカバーとを有するＱＣＭセンサー。
2. 目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜と励振電極とを有する圧電振動子と、前記励振電極と電気的に接続した外部接続電極とを有するＱＣＭセンサーであって、
   前記試料液体を流すための基板と、前記試料液体を注入するための注入穴、試料液体の流路となる凹部および注入された前記試料液体を吸収するための吸収穴とを設けたカバーとを有するＱＣＭセンサー。
3. 前記基板または前記カバーに設けた凹部に吸収部材を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＱＣＭセンサー。
4. 目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜と励振電極とを有する圧電振動子を試料液体に接触させ、前記吸着膜に前記目的物質が吸着することにより変化する前記圧電振動子の共振周波数を検出して前記目的物質を定量分析するＱＣＭセンサー装置であって、
   前記試料液体を流すための凹部を設けた基板と、前記試料液体を注入するための注入穴および注入された前記試料液体を吸収するための吸収穴とを設けたカバーと、前記励振電極と電気的に接続された外部接続電極とを有するＱＣＭセンサーと、該ＱＣＭセンサーの前記外部接続電極からの信号を受けて前記目的物質を定量分析する分析装置とを有するＱＣＭセンサー装置。
5. 目的物質を選択的に吸着させるための吸着膜と励振電極とを有する圧電振動子を試料液体に接触させ、前記吸着膜に前記目的物質が吸着することにより変化する前記圧電振動子の共振周波数を検出して前記目的物質を定量分析するＱＣＭセンサー装置であって、
   前記試料液体を流すための基板と、前記試料液体を注入するための注入穴、注入された前記試料液体を吸収するための吸収穴および前記試料液体を流すための凹部とを設けたカバーと、前記励振電極と電気的に接続された外部接続電極とを有するＱＣＭセンサーと、該ＱＣＭセンサーの前記外部接続電極からの信号を受けて前記目的物質を定量分析する分析装置とを有するＱＣＭセンサー装置。
6. 前記基板または前記カバーに設けた凹部に吸収部材を備えることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のＱＣＭセンサー装置。

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