專利名稱：感測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用壓電振子例如石英振子，檢測該壓電振子的固有振蕩頻率的變化量，從而感測液體中的感測對象物的感測裝置，該壓電振子在其表面形成有用于吸附感測對象物的吸附層，其與液體接觸，固有振蕩頻率由于該液體中的感測對象物的吸附而變化。

背景技術：
作為感測微量物質的方法，已知使用石英振子的感測裝置。該感測裝置是，在石英振子的表面形成用于吸附感測對象物的吸附層而構成石英傳感器，當感測對象物吸附在石英振子上，具體而言吸附在吸附層上時，其固有振蕩頻率根據該吸附量而變化，利用該點測定感測對象物的有無或者其濃度，該感測裝置的應用范圍廣泛，裝置結構簡單，而且靈敏度高，具有即使是極微量的物質也能夠進行測定的優(yōu)點。因此，在一直以來對包含在血液、尿液等中的傳染病標志物進行分析時，如果使用石英傳感器，則能夠期待代替現有方法的有效的方法。
本申請的申請人，作為石英傳感器的應用對象，研究了例如作為環(huán)境污染物質的二惡英(dioxin)、PCB或血液中的傳染病標志物等，如果通過該方法能夠高精度地測定對象物質則是劃時代的成果。這是因為，在現狀下，例如作為測定二惡英的方法，已知使用氣相色譜質譜分析儀的方法和ELISA法(適用酶聯免疫吸附測定法)，但氣相色譜質譜分析儀的裝置價格極高，因此分析成本也相當高，而且分析需要較長的期間，ELISA法與氣相色譜質譜分析儀相比，裝置價格、分析價格較低，分析所需的時間也較短，但存在分析精度低的問題。
如果不要求很高的測定精度，則制造使用石英傳感器的感測裝置并不困難，但如果要求較高的測定精度，則實際制造十分困難。其理由是，正確地且在短時間內捕捉微小的頻率變化是非常困難的，而且感測物質的吸附以外的對頻率變化的外部干擾較多。
基于上述情況，本申請的申請人開發(fā)了下述技術(專利文獻1)將振蕩電路的頻率信號數字化，對由該數字信號確定的正弦波信號進行正交檢波，制作以根據該正弦波信號與用于檢波的正弦波信號的頻率差確定的速度旋轉的旋轉矢量，通過監(jiān)測該旋轉矢量的速度，能夠以極高的精度檢測頻率變化。但是頻率變化的檢測靈敏度越高，外部干擾對測定誤差造成的影響越大。
使用上述的旋轉矢量的方法，首先向具有石英振子的感測傳感器內供給純水，然后供給包含作為感測對象物的抗原的試液，作為設置于石英振子的吸附層的抗體層與抗原產生抗原抗體反應，從而捕捉到抗原，如后述的實驗例所說明的圖11和圖12所示，頻率下降。但是，能夠觀察到在測量過程中頻率緩緩上升的趨勢，存在難以進行供給試液后的頻率的終點檢測，特別是在抗原濃度較小、頻率變化較小的情況下，存在難以進行頻率的終點檢測的問題。
本發(fā)明者研究其原因，結果得出結論這是由于石英片的自發(fā)熱所造成的，這也能夠根據后述的實驗例推測得出。即，當使石英振子在液體中振動時，石英片的等效串聯電阻增大至例如150歐姆，因此由于流過驅動電流而自發(fā)熱。此處，圖14為石英振子的頻率-溫度特性圖，由于石英振子的自發(fā)熱，頻率沿著三次曲線的特性曲線例如從點a移動至點b，其結果，能夠認為頻率產生了變動。對頻率緩緩上升的現象進行考慮，溫度在圖14的三次曲線的下游側部分滑動，結果與頻率沿著該曲線上升的情況相吻合。
因此，存在即使特意對頻率采用高精度的方法進行檢測，也無法充分發(fā)揮其優(yōu)點的問題。
專利文獻1日本特開2006-258787號公報

發(fā)明內容
本發(fā)明基于上述問題提出，其目的在于提供一種感測裝置，其使用固有振蕩頻率由于與液體接觸及該液體中的感測對象物的吸附而變化的石英振子等壓電振子，并且能夠抑制伴隨頻率變化的檢測靈敏度的精度提高而產生的不良影響。
本發(fā)明提供一種感測裝置，其使用壓電振子，基于上述壓電振子的固有振蕩頻率的變化感測液體中的感測對象物，該壓電振子在其表面形成有用于吸附感測對象物的吸附層，并與液體接觸，且固有振蕩頻率由于該液體中的感測對象物的吸附而變化，該感測裝置的特征在于，包括 用于使上述壓電振子振蕩的、以使驅動電流為0.3mA以下的方式向該壓電振子供給振蕩驅動電力的振蕩電路；和 基于上述振蕩電路的振蕩輸出測定感測對象物的濃度的測定部。另外，當液體與壓電振子接觸時，上述壓電振子的等效串聯電阻的值為例如150Ω以上。
根據本發(fā)明，雖然當液體與壓電振子接觸時壓電振子的等效串聯電阻增大，但因為用于使壓電振子振蕩的驅動電流被設定為0.3mA以下，所以如后述的實驗例所示，能夠抑制壓電振子的自發(fā)熱。因此能夠抑制壓電振子的振蕩頻率的變動，結果能夠正確地檢測出由感測對象物的吸附引起的頻率的變化量，能夠高精度地檢測出感測對象物的濃度。



圖1是表示本發(fā)明的包括石英傳感器的感測裝置的實施方式的外觀的立體圖。
圖2是表示在上述實施方式中使用的石英傳感器的概要截面圖。
圖3是表示在上述實施方式中使用的石英振子和周邊配線的說明圖。
圖4是表示上述實施方式的感測裝置的電路框圖。
圖5是表示上述感測裝置的操作順序的說明圖。
圖6是表示測定部的一個例子的框圖。
圖7是表示圖6所示的電路框圖的一部分的結構圖。
圖8是表示利用圖7所示的框圖提取的旋轉矢量的說明圖。
圖9是表示以0.1mA的驅動電流下的頻率溫度特性作為基準，10mA的驅動電流下的頻率溫度特性與其的差的特性圖。
圖10是表示頻率溫度特性的特性圖。
圖11是表示抗原抗體反應前后的石英振子的振蕩頻率的狀態(tài)的特性圖。
圖12是表示抗原抗體反應前后的石英振子的振蕩頻率的狀態(tài)的特性圖。
圖13是表示頻率時間特性的特性圖。
圖14是表示頻率溫度特性的特性圖。

具體實施例方式 以下說明本發(fā)明的感測裝置的實施方式。首先，對感測裝置的整體結構進行說明。如圖1所示，該感測裝置包括多個例如8個石英傳感器1，和自由裝卸地安裝有該石英傳感器1的測定器主體100。上述石英傳感器1構成為，如圖1和圖2所示，在作為配線基板的印刷基板21上重疊橡膠片22，以堵塞設置在該橡膠片22中的凹部23的方式設置有作為壓電振子的石英振子24，進而從橡膠片22之上安裝有上蓋殼體25。作為在該實施方式中使用的石英振子24，能夠使用例如振蕩頻率為1～30MHz，在該例子中為9.176MHz的石英振子24。在上蓋殼體25形成有試劑溶液的注入口25a和試劑溶液的觀察口25b，試劑溶液從注入口25a被注入，使得試劑溶液充滿石英振子24的上表面?zhèn)鹊目臻g。石英振子24的下表面?zhèn)壤蒙鲜霭疾?3成為氣密空間，由此構成郎之萬型的石英傳感器。
如圖3所示，上述石英振子24在例如圓形的石英片20的兩面分別設置有電極24a、24b(背面?zhèn)鹊碾姌O24b與表面?zhèn)鹊闹苓叢窟B接而形成)，這些電極24a、24b通過導電性粘接劑26與設置在基板21上的一對導電通路即印刷配線27分別電連接。此外，在石英振子24的一面例如電極24a的表面，形成有用于吸附感測對象物的吸附層(未圖示)。
接著使用圖4對測定器主體100的內部電路進行說明。圖4中的4是用于使石英傳感器1的石英振子24振蕩的振蕩電路，測定部6經由緩沖放大器5連接在該振蕩電路4的后部。上述振蕩電路4構成為科耳皮茲(Colpitts)型振蕩電路，Tr是作為振蕩增幅元件的晶體管，40、41是作為分割電容成分的電容器，Vcc為恒定電壓源。關于其他部位，42～44為電容器，45～48為電阻。此外49為能夠自由裝卸地與石英傳感器1連接的端子部，設置在圖1所示的測定器主體100上。在該振蕩電路4中設定電路常數，使得石英片20的驅動電流為0.3mA以下。具體而言，調整圖4所示的電阻45、46、47的電阻值，從而將其設定為0.3mA以下。
上述測定部6，能夠利用例如在前述的專利文獻1中記載的使用旋轉矢量的方法測定振蕩輸出的頻率，也可以采用例如具有頻率計數器、和對其計數的變化量進行運算的演算部等的結構。在后面敘述該測定部6的具體的電路結構的一個例子。
另外，在該例子中，采用安裝有8個石英傳感器1的八通道結構，圖4所示的電路構成為準備有8個通道，能夠切換各通道的輸出并使其與測定部6連接。
接著參照圖5對該感測裝置的作用進行說明。首先，將石英傳感器1(參照圖1)插入測定器主體100，例如為了求取空白值，使不包含感測對象物的溶液例如純水充滿石英傳感器1內。當石英傳感器1內充滿純水時，石英片20的等效串聯電阻的值為例如150Ω～500Ω左右。然后，對該石英片20從上述振蕩電路4施加振蕩驅動電力，使得上述石英片20的驅動電流為0.3mA以下例如0.2mA。因為此時純水的粘度比大氣氣氛大，所以如圖5所示，由于純水附著在石英面上，石英振子24的振蕩頻率比在大氣氣氛中使石英振子24振蕩的情況下的振蕩頻率更低。接著，在已對石英片20施加0.2mA的振蕩振動電力的狀態(tài)下，向石英傳感器1內的純水中注入包含感測對象物例如二惡英的溶液。上述二惡英通過抗二惡英抗體的選擇性的分子捕捉被石英振子24的表面的吸附層捕獲，如圖5所示，根據其吸附量，石英振子24的振蕩頻率變化Δf。如后述的實驗例所說明的，在石英振子24的振蕩頻率由于抗原抗體反應而變化之后，頻率不會緩緩上升而是穩(wěn)定的。求取此時的石英振子24的振蕩頻率，求取Δf，并基于預先求得的Δf與二惡英的濃度的關系式(標定曲線)求得二惡英的濃度。該濃度顯示在例如未圖示的顯示部中。另外，也可以將檢測出的濃度和預先設定的濃度進行比較，如果比設定濃度高則輸出“有”，如果比設定濃度低則輸出“無”。
根據上述實施方式，用于使石英振子24振蕩的驅動電流設定為0.3mA以下，在該例子中為0.2mA，因此，即使石英振子24與液體接觸，其等效串聯電阻增大，也能夠如后述的實驗例所示抑制石英振子24的自發(fā)熱。因此能夠抑制石英振子24的振蕩頻率的變動，結果能夠正確地檢測出因感測對象物(在本例中為二惡英)的吸附而引起的頻率的變化量，能夠高精度地測量二惡英的濃度。特別是旋轉矢量方式這樣的檢測靈敏度極高的裝置，石英振子24的自發(fā)熱部分也會反映在頻率檢測數據中，因此本發(fā)明對其是有效的。
另外，作為感測對象物，也可以例如是傳染病標志蛋白質、傳染病的細菌、PCB等。
此處，在圖6中表示上述的測定部6的一個例子。在圖6中，81是基準時鐘產生部，為了對來自上述開關部的頻率信號進行采樣，輸出頻率的穩(wěn)定性極高的頻率信號即時鐘信號。82是A/D(模擬/數字)變換器，對上述頻率信號利用來自基準時鐘產生部81的時鐘信號進行采樣，并將其采樣值作為數字信號輸出。關于上述頻率信號的頻率fc和采樣頻率(時鐘信號的頻率)fs，例如能夠將fc設定為11MHz，將fs設定為12MHz。在此情況下，由作為來自A/D變換器61的數字信號的輸出信號確定的頻率信號的基波為1MHz的正弦波。
在A/D變換器82的后部，載波去除器83和低通濾波器84按照該順序被設置。載波去除器83和低通濾波器84用于提取旋轉矢量，該旋轉矢量以由來自A/D變換器82的數字信號確定的例如1MHz的正弦波信號的頻率與在正交檢波中使用的正弦波信號的頻率的差的頻率旋轉。
為了簡單易懂地說明提取旋轉矢量的過程，令由來自A/D變換器82的數字信號確定的正弦波信號為Acos(ω0t+θ)。另一方面，如圖7所示，載波去除器83包括對上述正弦波信號乘以cos(ω0t)的乘法計算部83a，和對上述正弦波信號乘以-sin(ω0t)的乘法計算部83b。即通過這樣的運算而進行正交檢波。乘法計算部83a的輸出和乘法計算部83b的輸出分別由(2)式和(3)式表示。
Acos(ω0t+θ)·cos(ω0t) ＝1/2·Acosθ+1/2{cos(2ω0t)·cosθ+sin(2ω0t)·sinθ}……(2) Acos(ω0t+θ)·-sin(ω0t) ＝1/2·Asinθ-1/2{sin(2ω0t)·cosθ+cos(2ω0t)·sinθ}……(3) 接著，通過使乘法計算部83a的輸出和乘法計算部83b的輸出分別通過低通濾波器84a和84b，除去2ω0t的頻率信號，因此，結果從低通濾波器84提取了1/2·Acosθ和1/2·Asinθ。
當以Acos(ω0t+θ)表示的正弦波信號的頻率變化時，Acos(ω0t+θ)變?yōu)锳cos(ω0t+θ+ω1t)。其中ω1相比于ω0充分小。于是1/2·Acosθ成為1/2·Acos(θ+ω1t)，1/2·Asinθ成為1/2·Asin(θ+ω1t)。即，從低通濾波器84得到的輸出為與正弦波信號[Acos(ω0t+θ)]的頻率的變化量ω1/2π對應的信號。即，上述值是對旋轉矢量進行復數表示時的實數部分(I)和虛數部分(Q)，該旋轉矢量以由來自A/D變換器82的數字信號確定的正弦波信號的頻率與在正交檢波中使用的正弦波信號的頻率ω0/2π的差的頻率旋轉。
圖8是表示該旋轉矢量的圖，該旋轉矢量的角速度為ω1。因此，如果上述正弦波信號的頻率不變化，則ω1t為0，該旋轉矢量的旋轉速度為0，當感測對象物質吸附在石英振子24上，石英振子的頻率變化，由此上述正弦波信號的頻率變化時，該旋轉矢量以與該變化量對應的旋轉速度旋轉。
但是，與不存在感測對象物質時的石英振子的振蕩頻率對應的角速度與在正交檢波中使用的正弦波信號的角速度一致的情況極為少見，因此，實際上，能夠分別求出與不存在感測對象物質時的石英振子的振蕩頻率對應的旋轉矢量的角速度，和與存在感測對象物質時的石英振子的振蕩頻率對應的旋轉矢量的角速度，從而求取該角速度的差。該旋轉矢量的角速度的差是與由于感測對象物質吸附在石英振子上而引起的石英振子的頻率的變化量對應的值。
實施例 接著敘述為了確認本發(fā)明的效果而進行的實驗。
<實施例1> 對驅動電流進行各種變化，進行求取石英振子24的頻率溫度特性的實驗，對該數據中驅動電流為10mA的情況進行研究。圖9表示以0.1mA的驅動電流下的頻率溫度特性為基準，10mA的驅動電流下的頻率溫度特性與其的差。圖10表示驅動電流為0.1mA時的頻率溫度特性和驅動電流為10mA時的頻率溫度特性。如圖10所示，當設85℃下0.1mA的驅動電流時的頻率為f1時，根據圖9可知85℃下10mA的驅動電流時的頻率為f1+0.7×10-6。該f1+0.7×10-6的頻率在驅動電流為0.1mA時，在溫度為(85+Δt)℃的位置被檢測出，與此相對，在驅動電流為10mA時，在溫度為85℃的位置被檢測出。由此可知，在驅動電流較大的情況下，如圖10所示，頻率溫度特性在表觀上向低溫側(在圖10中為左側)偏移。即可知，如圖10所示，在驅動電流為10mA時，原本應該在(85+Δt)℃檢測得出的頻率(f1+0.7×10-6)在溫度為85℃的位置被檢測得到。即，雖然周圍的溫度為85℃，但石英振子24的頻率成為與(85+Δt)℃的溫度對應的大小。能夠推測其原因是由于已驅動的石英振子24的自發(fā)熱(內部發(fā)熱)使溫度上升了Δt。從而，可以說當驅動電流增加時，石英振子24的內部溫度增加。
<實施例2> (實施例1-1) 在使用上述感測裝置的感測對象物的測定中，向石英傳感器1內供給規(guī)定量的純水，施加振蕩驅動電力，使得石英片20的驅動電流為0.2mA。接著，在已對石英片20施加了0.2mA的驅動電流的狀態(tài)下，向石英傳感器1內的純水中注入規(guī)定量的含有100μg/ml的CRP抗體的PBS溶液(磷酸緩沖液)。然后觀察抗原抗體反應前后的石英振子24的振蕩頻率的狀態(tài)。其狀態(tài)如圖11所示。另外，在該測定中使用振蕩頻率為9.176MHz的石英振子24。
(比較例1-1) 除了以使石英片20的驅動電流為0.5mA的方式調整振蕩驅動電力之外，使純水和試液的供給量與實施例1-1相同地進行感測對象物的測定。然后觀察抗原抗體反應前后的石英振子24的振蕩頻率的狀態(tài)。其狀態(tài)如圖11所示。
(實施例2-1) 除了向石英傳感器1內的純水中注入規(guī)定量的含有10μg/ml的CRP抗體的PBS溶液之外，使純水的供給量和驅動電流與實施例1-1相同地進行感測對象物的測定。然后觀察抗原抗體反應前后的石英振子24的振蕩頻率的狀態(tài)。其狀態(tài)如圖12所示。
(比較例2-1) 除了進行調整使得驅動電流為0.5mA之外，使純水和試液的供給量與實施例2-1相同地進行感測對象物的測定。然后觀察抗原抗體反應前后的石英振子24的振蕩頻率的狀態(tài)。其狀態(tài)如圖12所示。
(結果和對其的分析研究) 圖11和圖12的縱軸為振蕩頻率f，橫軸為時間t。其中，在圖11和圖12中的時間t1處向石英傳感器1內的純水中注入上述試液。如圖11和圖12所示，在由抗原抗體反應引起的石英振子24的振蕩頻率的變化結束之后，從時間t2到時間t3的石英振子24的振蕩頻率，在實施例1-1和實施例2-1中大致穩(wěn)定，與此相對，在比較例1-1和比較例2-1中緩緩上升。此外，如圖12所示，可知在實施例2-1和比較例2-1中由于抗原濃度較小，頻率變化非常小。因此，通過進行調整使得驅動電流為0.2mA，能夠正確地測定抗原抗體反應前的石英振子24的振蕩頻率與抗原抗體反應后的石英振子24的振蕩頻率的差。
<實施例3> (實施例3-1) 在上述感測裝置中，進行調整使得驅動電流為0.1mA，在25℃的大氣氣氛中使石英振子24振蕩，測定該情況下的石英振子24的振蕩頻率。另外，在該測定中使用振蕩頻率為9.176MHz的石英振子24。
(實施例3-2) 除了進行調整使得驅動電流為0.2mA之外，與實施例1同樣地測定石英振子24的振蕩頻率。
(實施例3-3) 除了進行調整使得驅動電流為0.3mA之外，與實施例1同樣地測定石英振子24的振蕩頻率。
(比較例3-1) 除了進行調整使得驅動電流為0.5mA之外，與實施例1同樣地測定石英振子24的振蕩頻率。
(比較例3-2) 除了進行調整使得驅動電流為7.0mA之外，與實施例1同樣地測定石英振子24的振蕩頻率。
(結果和對其的分析研究) 圖13是表示25℃的大氣氣氛中的實施例3-1、實施例3-2、實施例3-3、比較例3-1和比較例3-2的頻率時間特性的特性圖。圖13中的縱軸為頻率偏差(×10-6)，橫軸為時間(秒)。如圖13所示，可知在實施例3-1、實施例3-2和實施例3-3中頻率幾乎沒有變化，是穩(wěn)定的。另一方面，在比較例3-1中沒有看到頻率的較大的變化，但頻率達到穩(wěn)定的時間與實施例3-1、實施例3-2和實施例3-3相比更長。此外，在比較例3-2中看到了頻率的較大的變化，并且頻率達到穩(wěn)定的時間與實施例3-1、實施例3-2和實施例3-3相比非常長。該實驗結果為在大氣氣氛中使石英振子24振蕩的情況下的結果，在上述實驗例1中，根據在液體中使石英振子24振蕩所得的數據能夠確認，通過將驅動電流調整為0.2mA能夠使頻率穩(wěn)定，能夠將圖12所示的實驗結果作為在液體中使石英振子24振蕩的情況下的結果，相關聯地進行分析研究。如圖12所示，在使驅動電流為0.3mA的情況下，從測定開始的數十秒間會產生一定程度的頻率擾動，之后頻率達到穩(wěn)定，從而可知，在上述感測裝置中，為了正確地檢測出感測對象物的濃度，使石英片20的驅動電流為0.3mA以下是有效的。另外，關于驅動電流的下限值，只要石英振子24能夠正常振蕩，則對驅動電流的大小沒有限制。因此，無需規(guī)定驅動電流的下限值。
權利要求
1.一種感測裝置，其使用壓電振子，基于所述壓電振子的固有振蕩頻率的變化，感測液體中的感測對象物，該壓電振子在其表面形成有用于吸附感測對象物的吸附層，其與液體接觸，固有振蕩頻率由于該液體中的感測對象物的吸附而變化，該感測裝置的特征在于，包括
用于使所述壓電振子振蕩的、以使驅動電流為0.3mA以下的方式向該壓電振子供給振蕩驅動電力的振蕩電路；和
基于所述振蕩電路的振蕩輸出，測定感測對象物的濃度的測定部。
2.如權利要求1所述的感測裝置，其特征在于
所述壓電振子的等效串聯電阻的值為150Ω以上。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種感測裝置，其使用固有振蕩頻率由于與液體接觸及該液體中的感測對象物的吸附而變化的石英振子等壓電振子，并且能夠抑制伴隨頻率變化的檢測靈敏度的精度提高而產生的不良影響。本發(fā)明的感測裝置構成為，包括為了使壓電振子振蕩，以使驅動電流為0.3mA以下的方式向該壓電振子供給振蕩驅動電力的振蕩電路；和基于上述振蕩電路的振蕩輸出，測定感測對象物的濃度的測定部。根據上述結構，能夠抑制壓電振子的自發(fā)熱。因此能夠抑制壓電振子的振蕩頻率的變化，結果能夠正確地檢測出由感測對象物的吸附引起的頻率的變化量。
文檔編號G01N5/02GK101568820SQ20078004819
公開日2009年10月28日 申請日期2007年12月25日 優(yōu)先權日2006年12月25日
發(fā)明者小山光明 申請人:日本電波工業(yè)株式會社