【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶振動子を用いた分析装置に関するもので、例えば、生体反応を測定する各種分析装置として特に有用である。
【０００２】
【従来の技術】
近年、生化学的な分析あるいは細胞レベルでの分析が重要視され、各種測定法によって分析が試みられている。 その中でも、水晶振動子を用いて行う測定は、生体液である試料に投入され、試料内部の変化を直接検出することから、局部の情報を迅速、かつ、感度よく分析することができる方法として有力視され、実用化の検討も進んでいる。
【０００３】
その一方、溶液中での水晶振動子の微小振動を検出することは非常に難しく、通常の水分濃度測定に用いられる方法では十分対応できず、検出回路や信号処理に種々の工夫や検討がなされている（例えば特許文献１および２参照）。
【０００４】
また、水晶振動子による測定法自体に関しても、高感度化、安定化を図るべく多くの研究開発がなされている中、昨今、ＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）法が注目され、研究面での進歩も著しく、また実用化に対する提案も多くされている（例えば特許文献３参照）。 例えば、試料内における生体反応によって微小質量の変化が生じるが、上記のように試料中の物質の吸着によって変化する振動子の共振周波数が、この質量変化と以下のような相関があることを利用したものである。
Δｆ＝−ｆ _０ ^２ ×Δｍ／（Ｎ×ρ _ａ ×Ａ）＝−Ｃ×Δｍ _ｄ
ここで、ｆ _０ ：共振周波数Ｎ：周波数定数で水晶振動子のカットで決まる定数ρ _ａ ：水晶の密度Ａ：圧電応答をしている部分の面積Ｃ：使用する水晶振動子によって決まる定数Δｍ _ｄ ：単位面積あたりの質量変化【０００５】
具体的には、図１０に示すような、水晶振動子１を帰還素子とした発振回路２を用いた基本構成が良く知られている。 振動子１の表面に吸着した試料中の物質によって電極表面の質量が変化することによって発振周波数が変化し、その変化量から微小質量の変化を検出している。 発振回路２の出力は周波数カウンタ６に入力され、計数結果をデジタル信号としてデータ処理装置７を介して表示部８に表される。 抗原抗体反応の検出などに利用されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−２２５０２１号公報【特許文献２】
特開平１１−１６３６３３号公報【特許文献３】
特開２０００−３３８０２２号公報【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術で述べた分析装置では、以下のような課題が生じることがある。
上記図１０のような発振回路を基本とする構成では、一般に１Ｈｚの周波数の変化を検出するためには１ｓｅｃ必要とし、迅速な検出を行うことが困難であった。
【０００８】
また、特に生体反応にあっては、振動子の微小な質量変化を検出する必要があることから、高い検出感度が要求される。 検出感度を上げるには、計数時間を大きくすれば可能であるが、応答速度が犠牲となるという課題が生じる。 また、水晶片の厚みは周波数と反比例関係にあることから、検出感度を上げる方法として振動子の形状を薄く加工する手法が考えられるが、加工精度の面からも実用化は高い困難性がある。
【０００９】
さらに、より高い周波数で発振回路を構成するには、その発振周波数に対応した特殊な回路・ 部品が必要となり、安定した発振の困難性・コストアップの要因となり、実用化に高い障害となっている。
【００１０】
また、水晶振動子のインピーダンスは、通常、数Ω〜数１００ｋΩの範囲で変化するため、電流測定での高精度測定は非常に困難である。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記のような問題点を解決し、水晶振動子を用いた分析装置において、簡単な手法で、高感度で、迅速かつ汎用性が高く、高い測定精度を有するコンパクトな分析装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す分析装置により上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１３】
本発明は、水晶振動子を用いて生体反応を測定する分析装置であって、該反応による変化量をＱＣＭ法によって検出し、かつ、前記変化量を特定周波数における信号量の変化として検出することを特徴とする。 生体反応に対するＱＣＭ法の優れた特性を活かしつつ、簡便な手法で、迅速かつ高分解能な、コンパクトな分析装置を提供することができる。
【００１４】
具体的には、前記検出手段が、水晶振動子と組み合わされた発振回路、コンパレータ回路、フィルタ回路および周波数カウント回路からなることを特徴とする。 こうした簡便な回路構成によって、迅速かつ高分解能な、コンパクトな分析装置が可能となる。
【００１５】
また、水晶振動子を用いて生体反応を測定する分析装置であって、該反応による変化量をＱＣＭ法によって検出し、かつ、前記変化量をインピーダンス変化として検出することを特徴とする。 生体反応に対するＱＣＭ法の優れた特性を活かしつつ、非常に簡単な手法で、高感度で高精度の分析装置を提供することができる。
【００１６】
具体的には、前記検出手段が、水晶振動子に交流電圧を印加する手段および該水晶振動子と並列に配された交流電圧を検出する手段からなることを特徴とする。 こうした簡便な手段によって、微小な変化量を感度よく処理することが出来、高精度な分析装置が可能となる。
【００１７】
ここで、前記水晶振動子の周波数特性と交わる周波数特性を有する受動素子回路を直列に接続した回路を形成し、該直列回路と水晶振動子のインピーダンスが最小となる周波数から少しずれた周波数の交流電圧を印加したときの水晶振動子の両端に生じた電圧の変化によって、前記水晶振動子の変化量を検出することが好適である。 こうした構成によって、検出感度の飛躍的向上を図ることができるとともに、測定値の高いＳ／Ｎ比を確保することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
本発明は、水晶振動子を用いて生体反応を測定する分析装置であって、該反応による変化量をＱＣＭ法によって検出し、かつ、前記変化量を特定周波数における信号量の変化として検出することを特徴とする。 つまり、本発明者は、水晶振動子表面の物質の状態変化による質量変化を発振周波数の変化として取り出すことができるＱＣＭ法の優れた特性を活かし、物質の変化に敏感な特定周波数に着目してその変化量を測定することで、非常に高分解能な検出が可能となることを見出したもので、簡便な手法によって、迅速かつ感度の高い、コンパクトな分析装置を提供することができる。 また、周波数の変化を信号出力とすることで、伝送時のロスも少なく、フィルタリングが容易でノイズの影響を低減できるという効果も大きい。
【００１９】
特に、水晶振動子の変化量を基本周波数だけでなく、その高調波周波数成分までカウントすることによって、変化量の分解能を高めるとともに、質量変化に伴う周波数変化に対する検出感度の向上を図ることができる。
【００２０】
具体的には、前記検出手段が、水晶振動子と組み合わされた発振回路、コンパレータ回路、フィルタ回路および周波数カウント回路からなることを特徴とする。 本発明者は、矩形波が高調波を含む性質を利用し、水晶振動子回路出力を矩形波として処理した後、特定の周波数についてカウントすることで、質量変化に伴う周波数変化に対する検出感度が向上することを見出したもので、簡便な回路構成によって、迅速かつ高分解能な、コンパクトな分析装置が可能となる。
【００２１】
図１に、本発明の検出手段の基本構成の一例を示す。 水晶振動子１に接続された発振回路２からの出力を、コンパレータ回路３およびフリップフロップ回路４によって矩形波に変換した後、フィルタ回路５に入力して特定周波数の信号のみを取り出して周波数カウント回路６により計数をする。 計数結果はデジタル信号としてデータ処理装置７を介して表示部８に表される。
【００２２】
ここで、発振回路２は温度補償型の発振回路であることが好適である。 検出直後の安定な温度特性を有する発振周波数信号を得ることによって、測定系全体の温度特性をよくするとともに、後段の信号処理段階での複雑な温度補償や測定部の温度調節などを省略することができる。 コンパレータ回路３およびフリップフロップ回路４は、分周機能付きのクロック用水晶発振器の回路とすることが好適であり、発振回路２からの出力を正確にデューティ５０％の矩形波に変換することができる。 このとき、発振回路２からの出力周波数をｆ _０とすると、矩形波の周波数はｆ _０ ／２となる。 図１においては、フリップフロップ回路を含む検出系を例示したが、基本周波数波およびその高調波を計数するための必須要素ではない。 しかし、フリップフロップ回路は正確な矩形波を得るための回路であり、本発明の目的である測定精度の向上を達成するためには好適な手段といえる。
【００２３】
フィルタ回路５はバンドパスフィルタが好適で、奇数高調波（３、５、７、・・、２ｎ＋１）を含む矩形波から周波数ｆ _０ ／２の高調波信号を選択的に取り出すとともに、フィルタ特性を切り替えることによって、基本周波数ｆ _０の１．５、２．５、３．５、・・、（２ｎ＋１）／２倍の周波数の信号を取り出すことができる。 バンドパスフィルタは、一般に、抵抗Ｒ、コイルＬ、コンデンサＣの各素子からなるパッシブフィルタ回路を用いることが多いが、演算増幅器を用いたバンドパスフィルタ回路（アクティブフィルタ回路）、携帯電話やＰＨＳなどでよく使われているクリスタルフィルタやＳＡＷフィルタも使用可能である。
【００２４】
これを周波数カウント回路６に入力し計数することで、基本周波数および奇数高調波の信号を得ることができ、分解能を高めるとともに検出感度の向上を図ることができる。
【００２５】
なお、上記の基本構成に基づき、水晶振動子１と発振回路２の１ブロック化、あるいは水晶振動子１、発振回路２、コンパレータ回路３およびフリップフロップ回路４の１ブロック化等の構成も可能であることはいうまでもない。
【００２６】
また、水晶振動子を用いて生体反応を測定する分析装置であって、該反応による変化量をＱＣＭ法によって検出し、かつ、前記変化量をインピーダンス変化として検出することを特徴とする。 水晶振動子を等価回路で表現すると、図２のようになる。 本発明者は、生体反応によって変化する質量に関連して図２のＬｓに相当するインダクタンスが変化することに注目し、水晶振動子の「周波数−インピーダンス特性」を詳細に測定することによって、微小質量変化を精度よく検出することができることを見出したもので、生体反応に対するＱＣＭ法の優れた特性を活かしつつ、非常に簡単な手法で、高感度で高精度の分析装置を提供することができる。
【００２７】
つまり、図２において、ｒは等価直列抵抗を表し、水晶片の内部摩擦等による損失に相当する。 また、Ｃｓは等価直列コンデンサを表し、水晶片の撓みつまりコンプライアンスに相当し、Ｌｓは等価直列インダクタンスを表し、振動部分の質量に相当する。 Ｃｐは並列コンデンサを表す。 ここで、水晶振動子の反応前の特性を記憶し、反応による微小質量が増加した後の特性と比較しその差を演算することで、微小質量の変化つまり反応量の測定が可能となる。
【００２８】
具体的には、前記検出手段が、水晶振動子に交流電圧を印加する手段および該水晶振動子と並列に配された交流電圧を検出する手段からなることを特徴とする。 つまり、上記の等価回路におけるインダクタンスの変化を取り出すように、水晶振動子に交流電圧を印加するとともに、出力側の交流電圧の周波数の変化を検出するものである。
【００２９】
本発明の基本構成の一つを図３に示す（第２構成例）。 直列抵抗Ｒを介して交流電源９から交流電圧が水晶振動子１の両端に印加され、質量変化に伴う周波数変化を、水晶振動子１の両端の電圧から検出するものであり、当該電圧は交流電圧計１０によって検出される。 後述の＜実施例＞に示すように、このような簡便な回路構成による手段によって、微小な変化量を感度よく処理することができ、高精度な分析装置が可能となる。
【００３０】
また、本発明の別の実施例を図４に示す（第３構成例）。 高周波電圧の測定は浮遊容量や接続ケーブルなどの影響を受けやすく、図３のような基本構成だけでは、現実に精度よく測定することは難しい。 従って、水晶振動子１の両端の電圧をダイオードＤで整流し、コンデンサＣでフィルタリングを行った後に電圧を測定することで、こうした影響を排除することが好ましい。 特に、図４の構成は、受動素子のみの構成であり、また、浮遊容量の値も配置が決まれば定まるものであることから、安定な測定が可能となる。
【００３１】
＜実施例＞
図５のようなインピーダンス特性（既述のように、数Ω〜数１００ｋΩの範囲で変化する）を有する水晶振動子（２０ＭＨｚ、ＡＴカット）を、図３のような構成の回路に設け、直列抵抗Ｒ：３３ｋΩとして交流電圧５Ｖを印加した場合をシミュレートした結果を図６に示す。
【００３２】
図６（Ａ）のように周波数に対するピークのズレが生じ、両者の差を求め拡大すると図６（Ｂ）のようになる。 変化前のピークを少しズラした周波数域において変化が最大となることがわかり、１Ｈｚに相当する変化が電圧実効値で約１ｍＶ程度の変化として検出可能となる。 このときの水晶振動子は、等価回路として、等価直列容量Ｃｓ：２５．７ｆＦ、等価インダクタンスＬｓ：２４６ｍＨ、等価抵抗ｒ：１０Ω、並列容量Ｃｐ：３．５７１ｐＦの各値とする。
【００３３】
上記結果から判るように、実際の測定においては、それほど細かな周波数のステップに分けて検出する必要がなく、むしろ上記最大変化域で検出できれば応答速度は非常に速くすることができる。 つまり、測定周波数範囲が広ければ、それだけ処理時間も長く、また、周波数ステップが多ければ処理時間も長くなるが、本発明では、こうした処理を非常に短くすることができるため、測定時間を大幅に短縮することができる。
【００３４】
ここで、前記水晶振動子の周波数特性と交わる周波数特性を有する受動素子回路を直列に接続した回路を形成し、該直列回路と水晶振動子のインピーダンスが最小となる周波数から少しずれた周波数の交流電圧を印加したときの水晶振動子の両端に生じた電圧の変化によって、前記水晶振動子の変化量を検出することが好適である。 上記のような基本構成における直列抵抗に代え、抵抗とコイルまたはコンデンサを直列に接続し、このコイルまたは容量と水晶振動子の主共振周波数から反共振周波数を超える特性との直列共振現象を利用することによって、より高い検出感度を得ることができたものである。 こうした構成によって、検出感度の飛躍的向上を図ることができるとともに、測定値の高いＳ／Ｎ比を確保することが可能となる。
【００３５】
図７に、本発明の第４の構成例を示す。 交流電源９と水晶振動子１の間に抵抗Ｒ _１とコイルＬを受動素子として設けたもので、水晶振動子１とコイルＬとの直列共振現象により回路に流れる電流が増大することから検出回路の両端に生じる電圧が大きくなり、検出感度の上昇を図ることができる。
【００３６】
図８に、上記のコイルに代わりコンデンサを接続した構成例を示す（第５構成例）。 抵抗Ｒ _１とコンデンサＣ _１が受動素子として働き、水晶振動子１との共振により、上記構成例と同様の効果を得ることができ、検出感度の上昇を図ることができる。
【００３７】
図９は、共振回路を用いたさらに別の構成例を示す（第６構成例）。 いわゆるコルピッツ型無調整発振回路を構成するもので、２次コイルＬ _２と、それと並列に配された水晶振動子１とで共振現象を発生させると、水晶振動子１の周波数変動によって共振特性が変化することから水晶振動子１の両端の電圧を倍電圧整流することで検出感度の上昇を図ることができる。 消費電力が少ない点も優位である。
【００３８】
以上、水晶振動子を用いて生体反応を測定する分析装置について、いくつかの構成例を基に説明を行ったが、本発明はこれらの例に限定されるものでないことはいうまでもない。 本発明は、広く、ＱＣＭ法が適用される分析装置あるいはその応用が可能な分析装置全般に、利用することが可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明を適用した分析装置であっては、生体反応に対するＱＣＭ法の優れた特性を活かしつつ、水晶振動子の変化量を特定周波数における信号量の変化として検出することで、迅速かつ高分解能な、コンパクトな分析装置を提供することができる。
【００４０】
具体的には、前記検出手段が、発振回路などからなる簡便な回路構成によって、迅速かつ高分解能な、コンパクトな分析装置が可能となる。
【００４１】
また、本発明に係る分析装置では、生体反応に対するＱＣＭ法の優れた特性を活かしつつ、水晶振動子の変化量をインピーダンス変化として検出することで、高感度で高精度の分析装置を提供することができる。
【００４２】
具体的には、前記検出手段が、水晶振動子に交流電圧を印加する手段および該水晶振動子と並列に配された交流電圧を検出する手段からなる簡便な手段によって、微小な変化量を感度よく処理することが出来、高精度な分析装置が可能となる。
【００４３】
ここで、水晶振動子を含む共振回路に受動素子回路を配した回路を形成し、前記共振回路の両端に生じる電圧変化によって、前記水晶振動子の変化量を検出することによって、検出感度の飛躍的向上を図ることができるとともに、測定値の高いＳ／Ｎ比を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る分析装置の第１の構成例を示す説明図である。
【図２】水晶振動子を等価回路で表現した説明図である。
【図３】本発明に係る分析装置の第２の構成例を示す説明図である。
【図４】本発明に係る分析装置の第３の構成例を示す説明図である。
【図５】水晶振動子の特性を示した説明図である。
【図６】本発明に係る分析装置例における検出信号を示す説明図である。
【図７】本発明に係る分析装置の第４の構成例を示す説明図である。
【図８】本発明に係る分析装置の第５の構成例を示す説明図である。
【図９】本発明に係る分析装置の第６の構成例を示す説明図である。
【図１０】従来技術に係る分析装置の構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 水晶振動子２ 発振回路３ コンパレータ回路４ フリップフロップ回路５ フィルタ回路６ 周波数カウンタ回路７ データ処理装置８ 表示部９ 交流電源１０ 交流電圧計