JP3954430B2 - 濃度測定方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は溶液中の微量物質の分析技術の分野に係り、特に、振動子を用いた分析技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、水晶振動子を用いて溶液中に含まれる微量物質を分析する技術が知られている。
【0003】
図8の符号105はその分析に用いられる水晶振動子を示している。
この水晶振動子105は、その表面に電極を有しており、電極表面には、特定の物質と選択的に反応し、その物質を水晶振動子105上に固定する物質が塗布されている。
【0004】
容器111には液体が114が納められており、その液体114中に分析対象の物質を投入し、水晶振動子105を浸漬すると、液体114中の測定対象の物質が水晶振動子105表面と反応し、固定される。
【0005】
例えば、液体114中に抗体が含まれている場合には、水晶振動子105表面に抗原を付着させておくと、液体114中の抗体は抗原と反応し、水晶振動子105表面に付着する。また、水晶振動子105表面にDNAの二本鎖のうちの一方を付着させた場合には、液体114中に含まれる他方が反応し、水晶振動子105表面でDNAが形成される。
【0006】
水晶振動子105は測定回路118に接続され、水晶振動子105が有する固有の共振周波数で発振している。水晶振動子105に測定対象の物質が吸着され、水晶振動子105の重量が増加すると、その増加量に応じて共振周波数が変化する。
【0007】
従って、液体114中に浸漬した水晶振動子105の発振周波数の変化を測定回路118によって経時的に測定すると、測定対象の物質が液体114中に含まれているかどうか、また、含まれている場合にはその濃度が分かる。
【0008】
上記のようなバイオセンサー用に用いられる振動子は、水晶のAT板であり、そのZ軸は、JIS C 6704(1992)に記載されているように、約35°になっている。実際には、Z軸に対する傾きは35°10‘〜15’のものが用いられており、大気中における温度0〜60℃の範囲程度で0〜−0.3ppm/℃と温度特性の良いものが使われている。
【0009】
ところが、液中では、その振動子は、非常に温度特性が悪くなる。図9は、35°12’の27MHzの水晶AT板を大気中で発振させた場合と水中で発振させた場合の周波数の温度依存性を示すグラフである。
【0010】
従来では、その原因として温度変化の影響が疑われており、液温やセンサー温度をペルチェ素子などで測定し、±0.1℃内で温度制御することで、温度変化を除こうとしたが高精度のセンサーは得られていない。
【0011】
また、センサーを2個ならべ、温度変化による周波数変化をキャンセルさせる方法も試みられているが、センサーが倍の数必要となりあまり良い方法ではない。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、発振周波数が温度の影響を受けない分析セルを提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者等は、温度変化が直接温度特性に影響するのではなく、振動子が浸漬された液の粘性が温度によって変化し、その結果、振動子の温度特性が大きく変化することを突き止めた。
【0014】
そして、分析セルの振動子は水の中で用いられるため、水の粘性が温度によって変化する場合に、振動子が、その粘性の影響を消去できる温度特性を有すればよいことになる。
【0015】
図9は、従来技術の水晶AT板の温度変化が発振周波数に与える影響を示したグラフであり、横軸は温度、縦軸はΔF/Fである。図9及び他の図において、符号Fは25℃のときの発振周波数、ΔFは1℃当たりの周波数の変化量である。
【0016】
大気中ではΔF/Fはほぼゼロであるのに対し、水中でのΔF/Fは、15℃から40℃の範囲で−30〜30ppm程度の大きさになっている。15℃から40℃の温度範囲では60ppm変化するから、1℃当たりに変化する周波数の割合は、60/25=2.4ppm/℃である。
【0017】
図10は、発振周波数が5MHz、9MHz、20MHz、27MHz、60MHz、100MHz、150MHzの各水晶AT板を水中に浸漬したとき、水の粘性変化が各AT板の周波数変化に与えるに影響を示すグラフである。これらの横軸はAT板の発振周波数、縦軸は発振周波数の1℃当たりの変化率であり、15℃から40℃の間の周波数の変化量を温度変化量25℃(=40℃−15℃)でわり算した値である。
【0018】
これらの水晶AT板は、大気中での周波数変化がほぼゼロであるが、水中では1.4ppm/℃(5MHzの水晶AT板)から約8.5ppm/℃の大きさになっている。
【0019】
従って、大気中で−1.4ppm/℃から−8.5ppm/℃の周波数変化率の振動板が得られれば、その負の周波数変化率が水の粘性による正の周波数変化率を相殺し、水中で、周波数変化がほぼゼロになる。
【0020】
下記は、5MHz〜150MHzの水晶AT板の水中での周波数変化と、その周波数変化を相殺するためのカット角(Z軸に対する傾き)を示した表である。
【0021】
【表1】
【0022】
本発明は上記知見に基いて創作されたものであり、その請求項1に記載された発明は、分析対象物質と反応して重量が変化する反応性薄膜が形成され、前記反応性薄膜の重量に応じて発振周波数が変化するように構成された測定用振動子を用い、前記測定用振動子を前記分析対象物質を含有する水に接触させ、前記測定用振動子の発振周波数を測定し、測定値の変化で前記分析対象物質の濃度の経時変化を測定する濃度測定方法であって、前記固有の共振周波数が5M、7M、9M、20M、27M、60M、100M、150MHzである前記測定用振動子に、カット角が、それぞれ35°28’、35°34’、35°36’、35°48’、35°55’、36°16’、36°34’、36°53’の水晶振動子を用いる濃度測定方法である。
【0023】
本発明は上記のように構成されており、容器部に分析対象の液体を入れ、振動子上に設けられた反応性薄膜に分析対象物質を接触させると、分析対象物質が反応性薄膜に付着、吸着、又は反応し、反応性薄膜の重量が変化し、その結果、振動子の共振周波数が変化する。
【0024】
分析セルは、振動子が有する共振周波数で発振するので、発振周波数を測定することで、反応性薄膜の重量変化、即ち、付着、吸着、又は反応した分析対象物質の量が分かる。
【0025】
しかしながら振動子の共振周波数は、反応性薄膜の重量変化の他、浸漬された液体の粘性からも影響を受け、その結果、温度が変化し、粘度の大きさが変化すると共振周波数も変化してしまう。
【0026】
液体の粘度変化が振動子に与える影響の大きさは、振動子の共振周波数の大きさにも影響され、液体に水を用いた場合、固有の共振周波数が5MHzで大気中での変化率がゼロである振動子では液中での変化率は1.4ppm/℃であり、150MHzの振動子では約8.5ppm/℃である。
【0027】
従って、振動子が有する共振周波数が5MHzから150MHzの間にある振動子を水中に浸漬する場合、その振動子の大気中での発振周波数の温度による変化率を−1.4ppmから−8.5ppmの範囲に設定すると、その振動子は、液中で変化率がゼロになる。
【0028】
具体的には、先ず、大気中での変化率がゼロである試験用振動子を作成し、その試験用振動子を液中に浸漬して変化率を測定する。その変化率が+Pで表される場合、大気中での変化率が−Pである振動子を作成すると、その振動子を液中に浸漬したときに、変化率が相殺し合い、ゼロになる。即ち、予め大気中での変化率がゼロである試験用振動子の液中での変化率を測定しておき、分析セルに用いる振動子の大気中での変化率を、試験用振動子の液中の変化率と絶対値が略等しく、符号が逆の値に設定すると、液中での変化率がほぼゼロの振動子を得ることができる。
【0029】
このような振動子は、液中に浸漬したとき、温度によって液の粘度が変化しても、粘度変化による発振周波数の変化率がちょうどゼロになるので、発振周波数が温度変化の影響を受けない。従って、液中に含まれる物質の濃度等を発振周波数の変化で測定する分析セルに適している。
【0030】
【発明の実施の形態】
図1の符号10は本発明の分析セルの一例である。
この分析セル10は、容器部11内に、振動子50が配置されている。
図2(a)は振動子50の平面図であり、同図(b)はそのA−A線截断面図である。
【0031】
振動子50は、振動板53と、該振動板53の表面と裏面に配置された第1、第2の発振電極51、52とを有している。
【0032】
振動板53は、厚さ数mmの水晶のAT板であり、X軸に平行であって、r面に対して約3°傾いており、且つ、Z軸から35°28’以上36°53’以下の範囲で傾いている。
【0033】
第1、第2の発振電極51、52は金属膜がパターニングされて構成されており、振動板53に密着配置されている。振動板53は円形であり、第1、第2の発振電極51、52の形状は、振動板53の中央部分に於いて、円形に形成されている。第1、第2の発振電極51、52は、他の部分では幅狭の導線状になっている。
【0034】
また、第1、第2の発振電極51、52の振動板53の中央位置の部分では、一方電極の真裏位置に、他方の電極が配置されている。即ち、振動板53の中央部分は第1、第2の発振電極51、52によって挟まれている。
【0035】
振動板53が第1、第2の発振電極51、52で挟まれた部分の第1の発振電極51の表面には、特定の分析対象物質と反応し、その物質を、固定、吸着、又は付着させる反応性薄膜54が形成されている。
【0036】
容器部11は、それぞれ石英等の絶縁材料から成り、円筒形の側壁部16と、円形の底板17とを有している。
【0037】
振動板53は、側壁部16の開口と平行な状態で側壁部16内に固定されている。即ち、振動板53の外周部分は側壁部16の壁面に密着しており、液密な状態になっている。
【0038】
底板17は、容器部11の両端の開口のうちの、振動板53の裏面側、即ち、反応性薄膜54が位置する面とは反対の面側の開口に配置されており、その開口を閉塞しており、他方、反応性薄膜54が位置する面の開口は開放されており、振動板53の反応性薄膜54が配置された面が容器部11の底面となっている。
【0039】
第1の発振電極51の一部は、反応性薄膜54が配置された面とは反対側の裏面にまで引き回されており、そして、第1、第2の発振電極51、52は、その裏面位置に於いて、リード56、57にそれぞれ接続されている。このリード56、57は、底板17を貫通し、容器部11の外部に導出されている。
【0040】
上記のような分析セル10を用い、特定の分析対象物質を含有する液体を分析する場合、先ず、その分析対象物質と反応する反応性薄膜54を有する分析セル10を用意し、その分析セル10の容器11内に液体を入れ、更に、分析対象の物質を投入する。
【0041】
図3の符号14はその状態の液体を示しており、符号13は蒸発防止用の蓋である。
【0042】
この状態では、液体14は、振動子50上に蓄えられ、容器11内に止まっており、振動子50よりも下方の底板17側には漏出しない。
【0043】
また、この状態では、反応性薄膜54は液体14と接触しているので、液体14中に含まれる分析対象物が反応性薄膜54と反応し、反応性薄膜54の重量が増加する。その増加速度は分析対象物の濃度に依存する。
【0044】
分析セル10の、底板17外部に導出されたリード56、57は、分析装置20に接続されている。この分析装置20は、オシレータ21と、周波数カウンタ22と、計算機23とを有しており、第1、第2の発振電極51、52の間には、オシレータ21によって電圧が印加され、振動子50は固有の共振周波数で発振しており、その発振の周波数は周波数カウンタ22によって計測され、所定の時間間隔で計算機23内に記憶されている。
【0045】
発振周波数は、反応性薄膜54の重量が増加すると低下する。重量の増加速度は、液体14内の分析対象物質の濃度に比例しているので、発振周波数の変化を経時的に測定することで、分析対象物質の濃度が分かる。
【0046】
振動板に27MHzの従来の水晶AT板(35°12’)を用いた振動子と、27MHzの本発明の水晶AT板(35°31’,35°53’,36°13’)を用いた振動子について、大気中での温度変化による周波数変化ΔF/Fを測定した。
【0047】
図4は、その測定結果を示すグラフであり、各水晶AT板の温度に対する周波数変化ΔF/Fの傾きは負であり、36°13’、35°53’、35°31’の各水晶AT板の15℃〜40℃の間のΔF/Fの変化率は、−5.1ppm/℃、−3.4ppm/℃、−2.2ppm/℃であり、温度特性の係数が負になっている。
【0048】
上記の35°12’、35°31’、35°53’、36°13’の各水晶AT板を水中に浸漬して温度特性を測定した。その結果を図5のグラフに示す。
【0049】
水の粘性による影響が負の係数の温度特性によって補償され、ほぼゼロか、又は負の傾きになる。
【0050】
その結果、分析セルによる微量物質の測定から温度の影響が排除される。図6は、本発明の、35°53’、共振周波数27MHzの水晶AT板を用いた分析セルを、純水中に浸漬して発振させた場合の発振周波数の変動分の経時変化を示すグラフである。図7は、従来技術の、35°12’、共振周波数27MHzの水晶AT板を用いた分析セルの場合のグラフである。本発明の水晶AT板の方が、発振周波数の変動が少なくなっているのが分かる。
【0051】
以上は、水晶AT板(ATカットの水晶振動子)を例にとって説明したが、他のカット角、例えば、BT、SC、STカットなどで得た水晶板であっても、本発明に含まれる。材料は水晶に限定されるものではなく、所定の共振周波数を有し、電気的に発振可能なものが含まれる。
【0052】
また、上記実施例では振動板53は水晶で構成したが、本発明は水晶に限定されるものではなく、一定の共振周波数を有し、液中に浸漬されて発振できる材料であれば含まれる。更に、上記実施例では、振動子50の片面のみ液体14に接触したが、液体14内に振動子50を投入する等により、振動子50の両面を液体に接触させてもよい。
【0053】
また、本発明は、APM(ACOUSTIC PLATE MODE SENSOR),FPW(FLEXURAL PLATE−WAVE SENSOR),SAW(SOURFACE ACOUSTIC−WAVE SENSOR)等、液中で発振する振動子に広く適用することができる。
【0054】
【発明の効果】
温度の影響により、液体の粘度が変化しても、粘度の温度変化が振動子の発振周波数に与える影響は、振動子の温度特性による発振周波数変化が打ち消すため、発振周波数から温度による影響が消去される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の分析セルの一例
【図2】(a):その分析セルの振動子の平面図 (b):そのA−A線截断面図
【図3】その分析セルを用いた測定方法を説明するための図
【図4】カット角が異なる水晶AT板を大気中で発振させたときの発振周波数の温度特性を示すグラフ
【図5】その水晶AT板を純水中に浸漬して発振させたときの発振周波数の温度特性を示すグラフ
【図6】本発明の分析セルの発振周波数の安定性を示すグラフ
【図7】従来技術の分析セルの発振周波数の安定性を示すグラフ
【図8】従来技術の分析セル
【図9】水晶T板の発振周波数の温度依存性を示すグラフ
【図10】水の粘性変化が発振周波数に与える影響を示すグラフ
【符号の説明】
10……分析セル
50……振動子
51……第1の発振電極
52……第2の発振電極
53……振動板
54……反応性薄膜
Claims (1)
- 分析対象物質と反応して重量が変化する反応性薄膜が形成され、前記反応性薄膜の重量に応じて発振周波数が変化するように構成された測定用振動子を用い、前記測定用振動子を前記分析対象物質を含有する水に接触させ、前記測定用振動子の発振周波数を測定し、測定値の変化で前記分析対象物質の濃度の経時変化を測定する濃度測定方法であって、
前記固有の共振周波数が5M、7M、9M、20M、27M、60M、100M、150MHzである前記測定用振動子に、カット角が、それぞれ35°28’、35°34’、35°36’、35°48’、35°55’、36°16’、36°34’、36°53’の水晶振動子を用いる濃度測定方法。
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