特開 2023-38736 センサ装置および周波数計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023038736

(43)【公開日】2023-03-17

(54)【発明の名称】センサ装置および周波数計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 5/02 20060101AFI20230310BHJP

【ＦＩ】

G01N5/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021145610

(22)【出願日】2021-09-07

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和元～２年度 国立研究開発法人科学技術振興機構 研究成果展開事業 研究成果最適展開支援プログラム 試験研究タイプ「「その場で分子検出」のためのＩＣカード型微量天秤センサーの開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】304036754

【氏名又は名称】国立大学法人山形大学

(71)【出願人】

【識別番号】502110780

【氏名又は名称】ピエゾパーツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100160543

【弁理士】

【氏名又は名称】河野上 正晴

(74)【代理人】

【識別番号】100170874

【弁理士】

【氏名又は名称】塩川 和哉

(74)【代理人】

【識別番号】100196209

【弁理士】

【氏名又は名称】松崎 義邦

(74)【代理人】

【識別番号】100196829

【弁理士】

【氏名又は名称】中澤 言一

(72)【発明者】

【氏名】吉嶺 浩司

(72)【発明者】

【氏名】古澤 宏幸

(57)【要約】      （修正有）

【課題】簡便な構造で水晶振動子に試料を供給することができ、さらに小型化および軽量化が可能なセンサ装置および周波数測定方法を提供する。
【解決手段】水晶振動子１５と筐体と、端子部４２ａとを備え、水晶振動子１５を載置する載置板部４２と、載置板部４２上に載置された枠体部４３と、枠体部４３上に載置されたカバー部４４とを有し、枠体部４３には、水晶振動子１５を収容する収容室４３ａと、収容室４３ａに連通して形成された溝である試料流入路４３ｂおよび試料流出路４３ｃが形成され、カバー部４４には試料流入路４３ｂに対応する位置に形成された注入口４４ｂと、試料流出路４３ｃに対応する位置に形成された排出口４４ｃが形成されているセンサ装置。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

表面および裏面に電極が形成され、交流電圧が印加されることで振動する水晶振動子と、
前記水晶振動子を収容する筐体と、
前記電極と電気的に接続され、前記筐体の外部との間で電気的に接続される端子部とを備え、
前記筐体は、前記水晶振動子を載置する載置板部と、前記載置板部上に載置された枠体部と、前記枠体部上に載置されたカバー部とを有し、
前記枠体部には、前記水晶振動子を収容する収容室と、前記収容室に連通して形成された溝である試料流入路および試料流出路が形成され、
前記カバー部には、前記試料流入路に対応する位置に形成された注入口と、前記試料流出路に対応する位置に形成された排出口が形成されていることを特徴とするセンサ装置。

【請求項2】

請求項１に記載のセンサ装置であって、
前記枠体部は、ゲル状材料で構成されていることを特徴とするセンサ装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載のセンサ装置であって、
前記カバー部には、前記収容室に対応する位置に作業用開口部が形成されており、前記作業用開口部を覆って着脱自在な蓋部が設けられていることを特徴とするセンサ装置。

【請求項4】

請求項１から３の何れか一つに記載のセンサ装置であって、
前記試料流入路は、前記試料流出路よりも幅が狭く、かつ前記試料流出路よりも短く形成されていることを特徴とするセンサ装置。

【請求項5】

請求項１から４の何れか一つに記載のセンサ装置であって、
前記水晶振動子の前記表面にプローブ分子が固定化されていることを特徴とするセンサ装置。

【請求項6】

表面および裏面に電極が形成され、所定の交流電圧が印加されることで固有振動数ｆ１で振動する水晶振動子と、
前記電極と電気的に接続された端子部と、
前記端子部を介して前記電極に前記所定の交流電圧を印加するとともに、前記水晶振動子の実際の振動周波数ｆ２を測定する周波数測定部とを備え、
前記周波数測定部は、基準周波数ｆ３で発振する基準発振部と、前記基準発振部の振動回数を計測する第１カウンタと、前記水晶振動子の振動回数を計測する第２カウンタとを備え、
前記第２カウンタでの第２計測回数ｃ２が規定回数ｃ３に至るまでの期間ｔと、前記第１カウンタでの第１計測回数ｃ１、および前記基準周波数ｆ３に基づいて、前記振動周波数ｆ２を算出することを特徴とするセンサ装置。

【請求項7】

請求項６に記載のセンサ装置であって、
前記規定回数ｃ３は、付着する試料及び液体に対応する回数Δｃを初期設定値から差し引いたものであることを特徴とするセンサ装置。

【請求項8】

請求項６または７に記載のセンサ装置であって、
前記第１カウンタは、前記基準発振部の振動回数を分周して計測する第１分周回路を備えていることを特徴とするセンサ装置。

【請求項9】

請求項６から８の何れか一つに記載のセンサ装置であって、
前記第２カウンタは、前記水晶振動子の振動回数を分周して計測する第２分周回路を備えていることを特徴とするセンサ装置。

【請求項10】

請求項６から９の何れか一つに記載のセンサ装置であって、
前記固有振動数ｆ１と前記振動周波数ｆ２に基づいて、前記水晶振動子に付着した試料の質量を算出することを特徴とするセンサ装置。

【請求項11】

請求項６から１０の何れか一つに記載のセンサ装置であって、
前記基準発振部の出力を、回路全体を同期させるクロック信号として共有することを特徴とするセンサ装置。

【請求項12】

請求項６から１１の何れか一つに記載のセンサ装置であって、
前記水晶振動子の前記表面にプローブ分子が固定化されていることを特徴とするセンサ装置。

【請求項13】

固有振動数ｆ１の水晶振動子に所定の交流電圧を印加する電圧印加工程と、
基準発振部で基準周波数ｆ３を発振する基準発振工程と、
前記基準発振部の振動を第１計測回数ｃ１として計測する第１計測工程と、
前記水晶振動子の振動を第２計測回数ｃ２として計測する第２計測工程と、
前記第２計測回数ｃ２が規定回数ｃ３に至るまでの期間ｔと、前記第１計測回数ｃ１、および前記基準周波数ｆ３に基づいて、振動周波数ｆ２を算出する振動数算出工程とを備えることを特徴とする周波数計測方法。

【請求項14】

請求項１３の周波数計測方法であって、
前記規定回数ｃ３は、付着する試料及び液体に対応する回数Δｃを初期設定値から差し引いたものであることを特徴とする周波数計測方法。

【請求項15】

請求項１３または１４の周波数計測方法であって、
前記基準発振部を逓倍または分周した出力で同期させることを特徴とする周波数計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、センサ装置および周波数計測方法に関し、特に水晶振動子の周波数変化を用いて試料の質量を測定するセンサ装置および周波数計測方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、微細な試料の質量を測定するためのセンサ装置として、ＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ／水晶振動子マイクロバランス）センサが提案されている（例えば、特許文献１－６を参照）。これらのＱＣＭセンサでは、電圧を印加し振動させた水晶振動子の表面に試料を付着させた際の振動数変化から、試料の質量を算出している。

【0003】

また、このようなＱＣＭセンサにおいて水晶振動子の表面にホスト分子を固定化し、ホスト分子に付着する物質を適切に設計することで、特定の分子構造やＤＮＡ、生体分子等のみを選択して検出する検出装置として用いることも提案されている（例えば非特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００４－１８４２５６号公報

【特許文献2】特開２００５－２７４１６５号公報

【特許文献3】特開２００７－０５７２９１号公報

【特許文献4】特開２００７－１９２６５０号公報

【特許文献5】特開２００９－２５０８０８号公報

【特許文献6】特開２０１４－１３９５５７号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Hiroshi Yoshimine et al. ”Small Mass-Change Detectable Quartz Crystal Microbalance and Its Application to Enzymatic One-Base Elongation on DNA”, October 4, 2011, Analytical Chemistry 2011, 83, 22, 8741-8747

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述したように、ＱＣＭセンサを用いたセンサ装置では、特定の分子構造やＤＮＡ、生体分子等のみを選択して検出できるため、屋外等にセンサ装置を持ち出して、手軽に検体中のウィルスやガス中の微小物質を検出できることが望まれている。

【0007】

しかし、従来のＱＣＭセンサを用いたセンサ装置では、ＱＣＭセンサの表面に試料を供給するための構造が複雑であり、センサ装置の小型化には限界があった。また、水晶振動子のわずかな振動数の変化を正確に測定するためには、大型で高性能な振動数測定装置を用いる必要があった。また、振動数測定装置の駆動に必要な電力を供給するためには、商用電源か大型の蓄電池を用いる必要があった。そのため、センサ装置を駆動させるためのシステムが大型化し、可搬性を向上させることは困難であった。

【0008】

そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、簡便な構造で水晶振動子に試料を供給することができ、さらに小型化および軽量化が可能なセンサ装置および周波数測定方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、本発明のセンサ装置は、表面および裏面に電極が形成され、交流電圧が印加されることで振動する水晶振動子と、前記水晶振動子を収容する筐体と、前記電極と電気的に接続され、前記筐体の外部との間で電気的に接続される端子部とを備え、前記筐体は、前記水晶振動子を載置する載置板部と、前記載置板部上に載置された枠体部と、前記枠体部上に載置されたカバー部とを有し、前記枠体部には、前記水晶振動子を収容する収容室と、前記収容室に連通して形成された溝である試料流入路および試料流出路が形成され、前記カバー部には、前記試料流入路に対応する位置に形成された注入口と、前記試料流出路に対応する位置に形成された排出口が形成されていることを特徴とする。

【0010】

このような本発明のセンサ装置では、載置板部とカバー部で枠体部を挟み、枠体部に設けられた収容室に水晶振動子を載置することで、試料流入路と試料流出路を介して収容室内に試料を供給できるため、簡便な構造で水晶振動子に試料を供給することができ、さらに小型化および軽量化が可能となる。
また本発明の一態様では、前記枠体部は、ゲル状材料で構成されている。

【0011】

また本発明の一態様では、前記カバー部には、前記収容室に対応する位置に作業用開口部が形成されており、前記作業用開口部を覆って着脱自在な蓋部が設けられている。

【0012】

また本発明の一態様では、前記試料流入路は、前記試料流出路よりも幅が狭く、かつ前記試料流出路よりも短く形成されている。

【0013】

また本発明の一態様では、前記水晶振動子の前記表面にプローブ分子が固定化されている。

【0014】

また、上記課題を解決するために、本発明のセンサ装置は、表面および裏面に電極が形成され、所定の交流電圧が印加されることで固有振動数ｆ１で振動する水晶振動子と、前記電極と電気的に接続された端子部と、前記端子部を介して前記電極に前記所定の交流電圧を印加するとともに、前記水晶振動子の実際の振動周波数ｆ２を測定する周波数測定部とを備え、前記周波数測定部は、基準周波数ｆ３で発振する基準発振部と、前記基準発振部の振動回数を計測する第１カウンタと、前記水晶振動子の振動回数を計測する第２カウンタとを備え、前記第２カウンタでの第２計測回数ｃ２の規定回数ｃ３に至るまでの期間ｔと、前記第１カウンタでの第１計測回数ｃ１、および前記基準周波数ｆ３に基づいて、前記振動周波数ｆ２を算出することを特徴とする。

【0015】

このような本発明のセンサ装置では、水晶振動子の振動回数を第２カウンタで計測し、第２カウンタが第２計測回数ｃ２を計測した場合に、基準発振部の振動回数である第１計測回数ｃ１と基準周波数ｆ３から実際の振動周波数ｆ２を算出するため、簡便な回路構成で正確な周波数を計測でき、小型化および軽量化が可能となる。

【0016】

また本発明の一態様では、前記規定回数ｃ３は、付着する試料及び液体に対応する回数Δｃを初期設定値から差し引いたものである。

【0017】

また本発明の一態様では、前記第１カウンタは、前記基準発振部の振動回数を分周して計測する第１分周回路を備えている。

【0018】

また本発明の一態様では、前記第２カウンタは、前記水晶振動子の振動回数を分周して計測する第２分周回路を備えている。

【0019】

また本発明の一態様では、前記固有振動数ｆ１と前記振動周波数ｆ２に基づいて、前記水晶振動子に付着した試料の質量を算出する。

【0020】

また本発明の一態様では、前記基準発振部の出力を、回路全体を同期させるクロック信号として共有する。

【0021】

また本発明の一態様では、前記水晶振動子の前記表面にプローブ分子が固定化されている。

【0022】

また上記課題を解決するために、本発明の周波数計測方法は、固有振動数ｆ１の水晶振動子に所定の交流電圧を印加する電圧印加工程と、基準発振部で基準周波数ｆ３を発振する基準発振工程と、前記基準発振部の振動を第１計測回数ｃ１として計測する第１計測工程と、前記水晶振動子の振動を第２計測回数ｃ２として計測する第２計測工程と、前記第２計測回数ｃ２が規定回数ｃ３に至るまでの期間ｔと、前記第１計測回数ｃ１、および前記基準周波数ｆ３に基づいて、振動周波数ｆ２を算出する振動数算出工程とを備えることを特徴とする。

【0023】

また本発明の一態様では、前記規定回数ｃ３は、付着する試料及び液体に対応する回数Δｃを初期設定値から差し引いたものである。

【0024】

また本発明の一態様では、前記基準発振部の出力を逓倍した信号または第１分周回路の出力信号をクロック信号として分配し、回路全体を同期させることを行う。

【発明の効果】

【0025】

本発明では、簡便な構造で水晶振動子に試料を供給することができ、さらに小型化および軽量化が可能なセンサ装置および周波数測定方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の第１実施形態に係るセンサ装置１０を示す図であり、図１（ａ）はセンサ装置全体の構成を示す模式図であり、図１（ｂ）は回路部分の構成を示すブロック図である。

【図2】第１実施形態で使用する水晶振動子１５の詳細を説明する模式図であり、図２（ａ）は石英単結晶を示し、図２（ｂ）は切り出し角度を示し、図２（ｃ）は水晶振動子１５の外観を示している。

【図3】カウンタユニット部２４の構成例を示すブロック図である。

【図4】周波数計測方法について動作の違いを説明する模式図であり、図４（ａ）は比較例１を示し、図４（ｂ）は比較例２を示し、図４（ｃ）は実施例を示している。

【図5】筐体１４の構造を示す模式図であり、図５（ａ）は模式平面図であり、図５（ｂ）はＡ－Ａ位置での模式断面図であり、図５（ｃ）は模式分解斜視図であり、図５（ｄ）は部分拡大平面図である。

【図6】センサ装置１０をバイオセンサとして用いる場合を示した模式図である。

【図7】図６に示したバイオセンサの検出結果を示すグラフである。

【図8】プローブ分子の固定化とバイオセンサとしての動作をさらに詳細に説明する工程図である。

【図9】既存の装置を用いたプローブ分子の固定とバイオセンサとしての動作を示すグラフであり、図９（ａ）はニュートラアビジンによる修飾を示し、図９（ｂ）はプローブ分子としてビオチン化ＤＮＡ５２の固定とプローブ分子の固定反応を阻害する単独のビオチン分子の追加を示し、図９（ｃ）は相補鎖ＤＮＡとミスマッチＤＮＡの供給による振動数変化を示している。

【図10】第２実施形態のセンサ装置１０において、水晶振動子１５のプローブ分子として抗体を用い、抗原の検出を行う場合を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態に係るセンサ装置１０を示す図であり、図１（ａ）はセンサ装置全体の構成を示す模式図であり、図１（ｂ）は回路部分の構成を示すブロック図である。図１（ａ）に示すように、センサ装置１０は、ケース部１１と、バッテリー部１２と、回路基板１３と、筐体１４と、水晶振動子１５とを備えている。

【0028】

ケース部１１は、センサ装置１０を構成する各部を収容して保持する外殻であり、略直方体形状を有している。ケース部１１を構成する材料は限定されず、公知の樹脂材料や金属材料、セラミックス材料等を用いることができる。また、ケース部１１のサイズや形状は限定されないが、縦５４ｍｍ、横８６ｍｍ程度の交通系ＩＣカードサイズで構成することもできる。

【0029】

バッテリー部１２は、電力を貯蔵して回路基板１３に供給する電源部材であり、例えばアルカリ乾電池等の一次電池やリチウムイオン電池等の二次電池を用いることができる。必要に応じてバッテリー部１２に充電回路を備えて、外部電源からの給電による充電を行える構成としてもよい。

【0030】

回路基板１３は、バッテリー部１２からの電力で動作する電気回路を搭載した部材である。回路基板１３の具体的な構造は限定されず、従来公知のプリント配線基板等を用いることができる。回路基板１３の一部にはコネクタ部（図示省略）が搭載されており、コネクタ部を介して筐体１４内の水晶振動子１５と回路基板１３上の電気回路が電気的に接続可能とされている。

【0031】

筐体１４は、内部に水晶振動子１５を収容するとともに、回路基板１３と水晶振動子１５との間の電気的接続を確保する部材である。また、筐体１４には水晶振動子１５に対して検出対象である試料を含んだガスや液体を供給する流路が形成されている。筐体１４の詳細な構造は後述する。

【0032】

水晶振動子１５は、石英の単結晶を切り出して表面と裏面に電極を形成した部材であり、両面の電極に所定の交流電圧を印加することで圧電効果により固有振動数で発振する電子部品である。水晶振動子１５の両面の電極は、端子部を介して回路基板１３のコネクタ部と電気的に接続されており、回路基板１３から供給された交流電圧で発振するとともに、回路基板１３に振動数に応じた電圧変動が伝達される。ここで、水晶振動子１５の固有振動数とは、水晶振動子１５の表面および裏面に電極を形成した状態で、所定の交流電圧を印加した際に水晶振動子１５が発振する周波数である。

【0033】

回路基板１３上には水晶振動子１５を発振させてその振動数を計測するための電気回路が構成されている。図１（ｂ）に示したように回路基板１３上の電気回路には、レギュレータ２１と、温度補償水晶発振器２２と、情報処理部２３と、カウンタユニット部２４と、反転増幅インバータ部２５と、波形変換インバータ部２５’と、無線通信部２６が含まれている。レギュレータ２１、温度補償水晶発振器２２、情報処理部２３、カウンタユニット部２４、反転増幅インバータ部２５および波形変換インバータ部２５’の組み合わせは、本発明における周波数測定部を構成している。

【0034】

レギュレータ２１は、バッテリー部１２から供給された電力の電圧値を一定に制御するための部分である。レギュレータ２１の具体的な構成は限定されず、従来公知のリニアレギュレータやスイッチングレギュレータを用いることができる。レギュレータ２１で所定の電圧値に変換された電力は、回路基板１３上の各部に供給される。

【0035】

温度補償水晶発振器２２は、水晶振動子１５とは別の石英単結晶を用いて、基準周波数で発振する部分である。また、温度補償水晶発振器２２には温度補償機能が搭載されており、環境温度の変化によらず外気温が－４０～＋８５℃の温度範囲において安定して基準周波数で発振を継続することができる。温度補償機能を実現するための方法は従来公知のものを用いることができる。温度補償水晶発振器２２の発振周波数は本発明における基準周波数に相当しており、一例としては３２ＭＨｚ等を用いることができる。温度補償水晶発振器２２は基準周波数で発振するため、本発明における基準発振部に相当している。ここでは温度補償水晶発振器２２をカウンタユニット部２４と別に設けた例を示しているが、後述するようにカウンタユニット部２４内に温度補償水晶発振器２２を含めてもよい。

【0036】

また、温度補償水晶発振器２２は、回路全体を同期するためのクロック信号の発生源である。温度補償水晶発振器２２の出力は逓倍または分周され、クロック信号として後述する情報処理部２３とカウンタユニット部２４に分配される。情報処理部２３とカウンタユニット部２４を含む回路全体は、温度補償水晶発振器２２の出力する安定したクロック信号をもとに同期して作動させることができる。

【0037】

情報処理部２３は、予め定められたプログラムに従って情報処理を行い、回路基板１３上の電子回路の各部を制御する演算部であり、ＣＰＵ（中央演算処理装置：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等で実現される。また、情報処理部２３は回路基板１３上の電子回路の各部から情報を取得してプログラムに従って演算処理を行う。情報処理部２３には、メモリー装置や入出力装置、表示装置などが接続され、プログラムやデータの記録、演算結果の出力や表示等を行うこととしてもよい。

【0038】

カウンタユニット部２４は、水晶振動子１５に交流電圧を印加して発振させた際に、水晶振動子１５の振動回数を計測する部分である。カウンタユニット部２４が計測した水晶振動子１５の振動回数の情報は、情報処理部２３に伝達される。

【0039】

反転増幅インバータ部２５は、水晶振動子１５の発振により生じた正弦波の振動を反転増幅し、波形変換インバータ部２５’は、増幅した正弦波の電圧変動を方形波に変換するための部分である。正弦波の振動を波形変換インバータ部２５’で方形波に変換することで、カウンタユニット部２４が水晶振動子１５の振動回数をデジタル情報としてカウントする。ここでは２つの反転増幅インバータ部２５および波形変換インバータ部２５’をカウンタユニット部２４と別に設けた例を示しているが、後述するようにカウンタユニット部２４内に２つの反転増幅インバータ部２５および波形変換インバータ部２５’を含めてもよい。

【0040】

無線通信部２６は、センサ装置１０の外部に設けられた装置と情報処理部２３との間で情報通信を行う部分である。無線通信部２６の具体的な構成や規格は限定されず、例えば赤外線通信、携帯電話網を用いた通信、近距離無線通信等の公知の技術を用いることができる。

【0041】

図１（ａ）（ｂ）に示したように、本実施形態のセンサ装置１０は、ケース部１１内にバッテリー部１２、回路基板１３、筐体１４および水晶振動子１５を収容して、無線通信部２６で外部と情報通信可能とされている。したがってセンサ装置１０は、電源装置を別途用意せずにバッテリー部１２に貯蔵された電力のみで動作させることができ、得られた測定結果を無線通信部２６を介して収集することができる。

【0042】

図２は、本実施形態で使用する水晶振動子１５の詳細を説明する模式図であり、図２（ａ）は石英単結晶を示し、図２（ｂ）は切り出し角度を示し、図２（ｃ）は水晶振動子１５の外観を示している。図２（ａ）（ｂ）に示したように、水晶振動子１５はｘｚ平面をx軸周りに回転させた面のうち石英単結晶のｒ面に対してθ度傾斜した方向に切り出すＡＴカットが用いられる。ＡＴカットで用いられる代表的な傾斜角度θは２度５８分であるが、本実施形態では傾斜角度θとして２度５９分３０秒±１５秒の範囲で傾斜した方向から切り出す。この傾斜角度θでは、２５℃近傍での温度変化による水晶振動子１５の周波数変化率が小さく、室温付近で一定の周波数を得られる。切り出された水晶振動子１５の表面と裏面には、それぞれ電極１５ａ、１５ｂを形成する。

【0043】

図３は、カウンタユニット部２４の構成例を示すブロック図である。図３に示すようにカウンタユニット部２４は、発振回路３１と温度補償水晶発振器３６に接続され、分周回路３２と、水晶振動カウンタ３３と、比較器３４と、レジスタ３５と、分周回路３７と、基準振動カウンタ３８と、レジスタ３９とを備えている。

【0044】

発振回路３１は、水晶振動子１５に所定の交流電圧を印加して水晶振動子１５を発振させるとともに、水晶振動子１５の発振によって生じた電圧変動を分周回路３２に伝達する部分である。発振回路３１には図１で示した反転増幅インバータ部２５および波形変換インバータ部２５’を含んでいる。発振回路３１の具体的構成は限定されず、水晶振動子１５を発振させる公知の回路構成を用いることができる。発振回路３１の具体的な発振周波数は限定されないが、一例としてはＤＮＡの検出に用いる場合には２７ＭＨｚ以上を用いることができる。また、タンパク質等を検出する場合には９ＭＨｚ以上を用いることができる。

【0045】

分周回路３２は、発振回路３１から伝達された水晶振動子１５の振動による電圧変動を分周して水晶振動カウンタ３３に伝達する。分周回路３２の一例としては、１／８の分周が挙げられ、発振回路３１からの４回のパルス周期に対応して１回のハイ信号を出力しそれに続く４回のパルス周期に対応した１回のロー信号を出力するものを用いることができる。発振回路３１と水晶振動カウンタ３３の間に分周回路３２を設けることで、水晶振動カウンタ３３としてビット数が少なく低周波数で動作する部品を用い、小型化や省電力化を図ることができる。分周回路３２は本発明における第２分周回路に相当している。

【0046】

水晶振動カウンタ３３は、分周回路３２から出力された電圧変動の立ち上がりまたは立ち下がりの回数を計測する部分であり、本発明における第２カウンタに相当している。水晶振動カウンタ３３で計測された計測回数出力は、後述するように比較器３４でレジスタ３５に記録された値と比較される。また、比較器３４から水晶振動カウンタ３３に一致出力が出力された場合には、カウントをリセットして計測を再開する。

【0047】

比較器３４は、水晶振動カウンタ３３が計測した計測回数の出力と、レジスタ３５に記録された規定回数の値とを比較し、両者の値が一致した場合に一致出力を水晶振動カウンタ３３、基準振動カウンタ３８およびレジスタ３９に対して出力する。この出力をトリガーとして、基準振動カウンタ３８からレジスタ３９にデータの転送が行われる。

【0048】

レジスタ３５は、水晶振動カウンタ３３の計測回数と比較される規定回数の値を記録しておく記憶部である。記録される規定回数とは、水晶振動子１５の固有振動数を分周回路３２で分周した値であり、一例として固有振動数が２７ＭＨｚでｒ１＝１／８の分周比率の場合には、３３７万５千回である。

【0049】

温度補償水晶発振器３６は、温度補償機能が搭載されて、温度によらず基準周波数で発振する部分である。温度補償水晶発振器３６の発振周波数は本発明における基準周波数に相当しており、一例としては３２ＭＨｚ等を用いることができる。温度補償水晶発振器３６は基準周波数で発振するため、本発明における基準発振部に相当している。

【0050】

分周回路３７は、温度補償水晶発振器３６から伝達された基準周波数による電圧変動を分周して基準振動カウンタ３８に伝達する。分周回路３７の一例としては、ｒ２＝１／２の分周が挙げられ、温度補償水晶発振器３６からの１回のパルス周期に対応して１回のハイ信号を出力しそれに続く１回のパルス周期に対応した１回のロー信号を出力するものを用いることができる。温度補償水晶発振器３６と基準振動カウンタ３８の間に分周回路３７を設けることで、基準振動カウンタ３８としてビット数が少なく低周波数で動作する部品を用い、小型化や省電力化を図ることができる。分周回路３７は本発明における第１分周回路に相当している。

【0051】

基準振動カウンタ３８は、分周回路３７から出力された電圧変動の立ち上がりまたは立ち下がりの回数を計測する部分であり、本発明における第１カウンタに相当している。基準振動カウンタ３８は、比較器３４から一致出力が出力されるまでカウントを継続する。比較器３４から一致出力が出力された場合には、その時点での計測回数をレジスタ３９に保存するとともに、カウントをリセットして計測を再開する。

【0052】

レジスタ３９は、基準振動カウンタ３８に比較器３４から一致出力が出力された時の計測回数を記録する記憶部である。レジスタ３９に記録された基準振動カウンタ３８の計測回数は、情報処理部２３で読み取られて水晶振動子１５の単位時間当たりの振動回数（実際の振動周波数）を算出するために用いられる。

【0053】

次に、水晶振動子１５における実際の振動周波数を算出する方法について説明する。まず初めに電圧印加工程では、固有振動数ｆ１の水晶振動子１５に所定の交流電圧を印加して水晶振動子１５を発振させる。このとき、水晶振動子１５の発振によって生じた電圧変動は、発振回路３１によって方形波に変換されて分周回路３２に伝達され、所定の分周比率で変換されて水晶振動カウンタ３３に伝達される。

【0054】

また電圧印加工程と並行して、基準発振工程で温度補償水晶発振器３６で基準周波数ｆ３を発振させる。このとき、温度補償水晶発振器３６の発振によって生じた電圧変動は分周回路３７に伝達され、所定の分周比率で変換されて基準振動カウンタ３８に伝達される。この電圧印加工程と基準発振工程は、測定期間中は継続して実行される。

【0055】

次に、水晶振動カウンタ３３の開始タイミングに同期させて、基準振動カウンタ３８のカウントを開始する。基準振動カウンタ３８での第１計測回数ｃ１の計測は本発明における第１計測工程に相当し、水晶振動カウンタ３３での第２計測回数ｃ２計測は本発明における第２計測工程に相当している。第１計測工程と第２計測工程は、第２計測回数ｃ２が規定回数ｃ３と等しくなるまで繰り返される。

【0056】

水晶振動カウンタ３３で計測している第２計測回数ｃ２が、レジスタ３５に記録された規定回数ｃ３と等しくなった場合には、比較器３４は一致信号を出力して、その時点での第１計測回数ｃ１がレジスタ３９に記録される。また、基準振動カウンタ３８と水晶振動カウンタ３３の計測回数はリセットされる。

【0057】

次に、振動数算出工程で情報処理部２３は、第２計測回数ｃ２と、レジスタ３９に記録されている第１計測回数ｃ１と、温度補償水晶発振器３６の基準周波数ｆ３に基づいて、水晶振動子１５の実際の振動周波数ｆ２を算出する。より詳細には、第１段階として、水晶振動カウンタ３３が第２計測回数ｃ２をカウントするに要した時間ｔについて、基準周波数ｆ３と第１計測回数ｃ１と分周比率ｒ２から、ｔ＝ｃ１／（ｒ２×ｆ３）として算出する。次に第２段階として、実際の振動周波数ｆ２について、ｆ２＝ｃ２／（ｒ１×ｔ）として算出する。

【0058】

つまり、水晶振動子１５の振動数を分周した計測数である第２計測回数ｃ２が、規定回数ｃ３まで到達する時間ｔの期間だけ基準振動カウンタ３８で第１計測回数ｃ１をカウントすることで、温度補償水晶発振器３６の振動数から時間ｔを算出する。これにより、分周回路３２および分周回路３７を介在させて水晶振動子１５および温度補償水晶発振器３６の振動回数を計測しても、正確な時間と振動数を算出することができる。また、分周回路３２および分周回路３７を用いることで、基準振動カウンタ３８と水晶振動カウンタ３３としてビット数が少なく低周波数で動作する低消費電力のものを用いることができ、省電力化を図ることができる。

【0059】

実際の測定では、水晶振動子１５が試料の付着および液体と接触することで水晶振動子１５の振動周波数ｆ２は減少し、結果として第２計測回数ｃ２が規定回数ｃ３と等しくなるまでの時間は長くなる。振動周波数ｆ２の計測を所定時間毎に繰り返し行う測定の場合、時間ｔが所定時間を超えることがないように、あらかじめ振動周波数ｆ２の減少に対応する回数Δｃを初期設定値から差し引いて規定回数ｃ３を設定することで、所定時間毎に繰り返し行う測定が可能となる。ここで、規定回数ｃ３の初期設定値とは、水晶振動子１５に液体等の流体や試料が付着していない状態で、所定時間（一例として１秒間）における水晶振動子１５の振動周波数ｆ２によって定まる回数である。

【0060】

液体等の流体との接触および試料の付着に基づいて差し引くべき回数Δｃは、既報のKanazawaの式（例えば、K．Keiji Kanazawa et al. ”Frequency of a Quartz Microbalance in Contact with Liquid”, October 29, 1984, Analytical Chemistry 1985, 57, 1771-1772を参照）およびSaurbreyの式（例えばGunter Sauerbrey ” Verwendung von Schwingquarzen zur Wagung dunner Schichten und zur Mikrowagung”, April, 1959, Zeitschrift fur Physik， 1959, 155, 206-222を参照）を用いて決定することができる。例えば水晶振動子１５の固有振動数が２７ＭＨｚであるとき、液体等の流体との接触および試料の付着に対応するΔｃは１００００回を１／８とした１２５０回とすることができる。

【0061】

また情報処理部２３または外部演算装置は、振動数算出工程で算出した水晶振動子１５の実際の振動周波数ｆ２から、質量算出工程で水晶振動子１５に付着した試料の質量を算出する。具体的な質量の算出方法は限定されず、従来のＱＣＭセンサで用いられてきた各種方法を用いることができる。このとき、水晶振動子１５の表面に固定化したプローブ分子の質量や、プローブ分子に結合する標的分子の質量、水晶振動子１５に供給される試料を含んだ流体（ガスまたは液体）の影響による負荷周波数の変化等を参照して質量の算出を行うことが好ましい。

【0062】

図４は、周波数計測方法について動作の違いを説明する模式図であり、図４（ａ）は比較例１を示し、図４（ｂ）は比較例２を示し、図４（ｃ）は実施例を示している。図中の中段に示したブロック図は各例における回路構成を示している。また、図中の下段に示したタイミングチャートは、水晶振動カウンタ３３での計測を模式的に示している。また、図中の上段に示したタイミングチャートは、基準振動カウンタ３８での計測を模式的に示している。また、何れの例においても温度補償水晶発振器３６が３２ＭＨｚの基準周波数で発振し、分周回路３７の分周比率ｒ２＝１／２とし、水晶振動子１５の固有振動数が２７ＭＨｚであるとする。

【0063】

図４（ａ）に示した比較例１では、温度補償水晶発振器３６の振動回数をタイマーとして用い、発振回路３１と水晶振動カウンタ３３の間に分周回路を介在させない場合を示している。この場合には、温度補償水晶発振器３６の振動が３２００万回に到達した時点、つまり分周回路３７から出力が１６００万回であることを基準振動カウンタ３８で計測した時点で１秒間が算出される。この１秒間において、水晶振動子１５の振動を水晶振動カウンタ３３が計測することで、実施の振動周波数ｆ２を算出している。しかし、約２７ＭＨｚの振動回数を計測するためには、水晶振動カウンタ３３のビット数が２７００万回以上を計測できる２５ビット以上であり、かつ水晶振動カウンタ３３を２７ＭＨｚ以上の高周波で駆動する必要があり、高性能なカウンタ装置を用いるため消費電力が高くなるという問題が生じる。また、高性能なカウンタ装置を水晶振動カウンタ３３として用いた場合であっても、１秒間のうち最後の１回に満たない振動だけ誤差Ｅ１が発生することは避けられない。

【0064】

図４（ｂ）に示した比較例２では、温度補償水晶発振器３６の振動回数をタイマーとして用い、発振回路３１と水晶振動カウンタ３３の間に分周回路３２を介在させた場合を示している。分周回路３２の分周比率はｒ１＝１／８とする。この場合にも、温度補償水晶発振器３６の振動が３２００万回に到達した時点、つまり分周回路３２から出力が１６００万回であることを基準振動カウンタ３８で計測した時点で１秒間が算出される。この１秒間において水晶振動カウンタ３３が計測する回数は、約２７ＭＨｚの１／８である約３．３７５ＭＨｚであり、水晶振動カウンタ３３のビット数は２２ビットおよび４ＭＨｚ程度の低周波数駆動で十分となり、カウンタ装置の消費電力を低減できる。しかし、１秒間のうち最後の１回に満たない振動に相当する誤差Ｅ２が発生し、１／８に分周しているだけ誤差が大きくなるという問題が発生する。

【0065】

図４（ｃ）に示した実施例では、水晶振動子１５の振動回数をタイマーとして用い、発振回路３１と水晶振動カウンタ３３の間に分周回路３２を介在させた場合を示している。分周回路３２の分周比率はｒ１＝１／８とする。分周回路３２を用いるため、水晶振動カウンタ３３のビット数は２２ビットおよび４ＭＨｚ程度の低周波数駆動で十分となり、カウンタ装置の消費電力を低減できる。この場合には、分周回路３２からの出力を水晶振動カウンタ３３が計測して、規定回数ｃ３に到達した時点の時間をｔとしている。規定回数ｃ３を２７ＭＨｚの１／８である３３７万５千回に設定するとこの規定回数ｃ３を８倍したものは、水晶振動子１５の固有振動数ｆ１であるため、時間ｔは約１秒となる。ここで、分周回路３２を用いて振動数をカウントしているが、時間を正確に１秒測定しておらず、振動回数を基準に時間ｔを決定しているため、一回に満たない振動は含まれず、正確に振動回数を計測することができる。

【0066】

同時に、正確に規定回数ｃ３を計測している時間ｔの間に、基準振動カウンタ３８では分周回路３７の出力を第１計測回数ｃ１として計測しており、基準周波数ｆ３と第１計測回数ｃ１から時間ｔを算出できる。具体的には、ｃ１／ｒ２が約３２００万回であり、さらにそれを基準周波数ｆ３である３２ＭＨｚで除算する。このとき、時間ｔの最後の１回に満たない振動によって誤差Ｅ３が生じるが、ｃ１＞＞ｃ２にすることで時間ｔの誤差は極めて小さいものとなる。したがって、分周回路３２および分周回路３７を用いて、水晶振動カウンタ３３および基準振動カウンタ３８の消費電力を低減しながらも、時間ｔを正確に算出して水晶振動子１５の実際の振動周波数ｆ２を正確に算出することができる。

【0067】

実施例のセンサ装置１０において、バッテリー部１２として電圧３．８Ｖ、容量６０ｍＡｈのリチウムイオン電池を用い、筐体１４の流路内部を水で満たした状態で測定を継続したところ、約４時間の動作時間を得られた。

【0068】

次に、水晶振動子１５を収容している筐体１４の構造について詳細に説明する。図５は、筐体１４の構造を示す模式図であり、図５（ａ）は模式平面図であり、図５（ｂ）はＡ－Ａ位置での模式断面図であり、図５（ｃ）は模式分解斜視図であり、図５（ｄ）は部分拡大平面図である。図５に示すように、センサ装置１０の筐体１４は、裏面フィルム４１と、載置板部４２と、枠体部４３と、カバー部４４と、蓋部４５を備えている。

【0069】

裏面フィルム４１は、載置板部４２の裏面側に貼り付けられた、載置板部４２を保護するためのフィルム状の部材である。裏面フィルム４１を構成する材料は限定されないが、必要に応じて樹脂フィルムや金属フィルム等を用いることができる。ここでは裏面フィルム４１を載置板部４２と別体で用意した例を示しているが、載置板部４２の耐久性が十分に確保できる場合には裏面フィルム４１を省略してもよい。

【0070】

載置板部４２は、表面に水晶振動子１５および枠体部４３が載置され、裏面に裏面フィルム４１が貼り付けられた略板状の部材である。また、水晶振動子１５の電極１５ａ、１５ｂと電気的に接続される配線層が表面に形成されており、配線層の端部には端子部４２ａが設けられている。載置板部４２を構成する材料は限定されず、プリント配線基板に用いられるガラスエポキシ樹脂や、プリント基板材料用液晶ポリマー材料、紙フェノール樹脂、紙エポキシ樹脂、アルミニウムおよびその合金、セラミックス、ポリイミド樹脂等を用いることができる。後述するように枠体部４３をゲル状材料で構成する場合には、載置板部４２としてポリイミド樹脂を用いることが好ましい。端子部４２ａは、筐体１４を回路基板１３に電気的に接続する部分であり、回路基板１３上に搭載されたコネクタ部４２ｂに篏合する形状とされている。

【0071】

枠体部４３は、載置板部４２上に載置されて内部に水晶振動子１５を収容する空間を形成された枠状の部材である。枠体部４３には、収容室４３ａと、試料流入路４３ｂと、試料流出路４３ｃとが形成されており、収容室４３ａ内に水晶振動子１５が収用される。枠体部４３を構成する材料は限定されず、樹脂材料やセラミックス材料等の絶縁材料を用いることができるが、ゲル状材料で構成して載置板部４２の表面に貼り付けることが好ましい。ゲル状材料で枠体部４３を構成すると、載置板部４２およびカバー部４４との密着性が向上し、検出対象である流体の漏洩を効果的に抑制することができる。また、ゲル状材料が柔軟性を有することで、検出対象である流体を注入する際の圧力が緩和されて好ましい。本実施形態では枠体部４３をゲル状材料で構成して、各部を直接貼り合わせた例を示したが、各部との間に粘着層や接着剤層を介在させてもよい。

【0072】

収容室４３ａは、枠体部４３に設けられた略円形状の貫通孔であり、中心に水晶振動子１５の表面が位置するように収容される。収容室４３ａの外周の一部からは試料流入路４３ｂおよび試料流出路４３ｃが延出して形成されている。収容室４３ａは、後述するように検出対象である流体（液体またはガス）が充填され、流体に含まれる検出対象が水晶振動子１５に固定化されたプローブ分子に付着するための空間を構成している。

【0073】

試料流入路４３ｂは、後述する注入口４４ｂ直下の位置から収容室４３ａまで連通して形成された溝であり、検出対象である流体を収容室４３ａ内に導入する経路である。試料流出路４３ｃは、後述する排出口４４ｃ直下の位置から収容室４３ａまで連通して形成された溝であり、検出対象である流体を収容室４３ａ内から外部に排出する経路である。

【0074】

図５（ａ）（ｄ）に示したように、試料流入路４３ｂは幅が試料流出路４３ｃよりも狭く形成されており、長さも試料流出路４３ｃよりも短く形成されている。これにより、試料流入路４３ｂから供給された検出対象である液体は、速やかに収容室４３ａに到達し、収容室４３ａから試料流出路４３ｃを経て外部に排出されやすくなる。また、検出対象である流体が液体である場合には、表面張力によって液体が試料流出路４３ｃよりも試料流入路４３ｂ側に引き寄せられ、気泡の混入を防止できる。また、試料流入路４３ｂの断面積は試料流出路４３ｃよりも小さいため、液体の蒸発が抑制されて収容室４３ａ内において検出対象の濃度が高まることを防止できる。

【0075】

カバー部４４は、枠体部４３上に載置されるフィルム状の部材である。図５（ａ）～図５（ｄ）に示したように、カバー部４４には作業用開口部４４ａと、注入口４４ｂと、排出口４４ｃが形成されている。カバー部４４を構成する材料は限定されず、樹脂フィルムや金属フィルム等を用いることができる。枠体部４３をゲル状の材料で構成した場合には、枠体部４３との密着性を向上させるためにポリイミドフィルムを用いることが好ましい。作業用開口部４４ａは、収容室４３ａに対応した位置に形成された開口部である。作業用開口部４４ａは、収容室４３ａと略同形状に形成されることで、カバー部４４を枠体部４３に貼り付けた際に、収容室４３ａの内部をカバー部４４の上方に露出させる。注入口４４ｂは、試料流入路４３ｂの端部に対応する位置に形成された開口部である。排出口４４ｃは、試料流出路４３ｃの端部に対応する位置に形成された開口部である。

【0076】

蓋部４５は、作業用開口部４４ａを覆ってカバー部４４上に着脱自在に配置された板状の部材である。蓋部４５の構成は限定されないが、フィルム状部材の下面に粘着性のゲル状材料が貼り付けられた構造を用いることが好ましい。蓋部４５をカバー部４４に貼り付けた状態では、作業用開口部４４ａが覆われて収容室４３ａ内の空間は気密または液密に保たれ、内部から検出対象である流体が漏洩しない。蓋部４５をカバー部４４から取り外した状態では、作業用開口部４４ａが開放されて収容室４３ａの内部空間に対して作業者がアクセスすることが可能となる。作業用開口部４４ａが開放された状態では、水晶振動子１５の表面も外部からアクセス可能になるため、表面に固定化されたプローブ分子を除去する作業や、表面に新たなプローブ分子を固定化する作業などを実施可能となる。したがって、着脱自在な蓋部４５で作業用開口部４４ａを覆う構造により、センサ装置１０の用途変更やメンテナンス作業を容易に行うことが可能となる。

【0077】

図５に示した筐体１４を回路基板１３に接続し、水晶振動子１５を発振させた状態で収容室４３ａ内に検出対象である流体を注入する。具体的には、マイクロピペッター等を用いて試料を含んだ液体を注入口４４ｂから注入する。注入された液体は、注入口４４ｂから試料流入路４３ｂを経て収容室４３ａに充填され、収容室４３ａが満たされた後に試料流出路４３ｃおよび排出口４４ｃを経て外部に排出される。このとき、収容室４３ａに充填されて滞留している液体に含まれる試料がプローブ分子に付着した場合には、水晶振動子１５の質量が変化するため振動周波数ｆ２が変化する。したがって、振動周波数ｆ２の変化によってターゲットの有無や質量を検出することができる。

【0078】

図６は、センサ装置１０をバイオセンサとして用いる場合を示した模式図である。図６（ａ）に示したように、センサ装置１０の水晶振動子１５には表面と裏面にそれぞれ電極１５ａ、１５ｂが形成されている。図６（ｂ）に示したように、表面側の電極１５ａに、ニュートラアビジン５１を固定化し、ビオチン５２ａで修飾されたビオチン化ＤＮＡ５２の一方の鎖状構造をニュートラアビジン５１に固定する。図６（ｃ）に示したように、塩基配列の一部を改変してビオチン化ＤＮＡ５２に対して相補的配列でないＤＮＡ５４を収容室４３ａに投入しても、ビオチン化ＤＮＡ５２とＤＮＡ５４は二重鎖を形成せず、水晶振動子１５の質量は変化しないため、振動周波数ｆ２も変化しない。それに対して図６（ｄ）に示したようにビオチン化ＤＮＡ５２に対して相補的配列であるターゲットのＤＮＡ５５を収容室４３ａに投入すると、ビオチン化ＤＮＡ５２とＤＮＡ５５は二重鎖を形成するため水晶振動子１５の質量が変化して振動周波数ｆ２が変化する。

【0079】

図７は、図６に示したバイオセンサの検出結果を示すグラフである。横軸は試料を含んだ液体を収容室４３ａに注入してからの経過時間を示し、縦軸は水晶振動子１５の振動数変化を示している。図７では、ターゲットのＤＮＡ５５を投入してからの経過を実線で示し、１塩基を変位させたＤＮＡ５４を投入してからの経過を破線で示している。またグラフ中に矢印で示した時間に液体の注入を行っており、注入動作中は収容室４３ａ内での液体の流れや圧力によって振動数に一時的な変化が生じている。

【0080】

図７に示したように１塩基を変位させたＤＮＡ５４では、液体を注入してからの振動数の変化が小さい。それに対して、ターゲットのＤＮＡ５５では、液体を注入した直後から振動数変化が継続しており、時間経過とともにニュートラアビジン５１に固定されたプローブのビオチン化ＤＮＡ５２との二重鎖が増加し、水晶振動子１５の質量が徐々に増加していることが確認できる。したがって、本実施形態のセンサ装置１０を用いることで、選択的にターゲットであるＤＮＡ５５を高精度に検出することができる。

【0081】

図８は、プローブ分子の固定化とバイオセンサとしての動作をさらに詳細に説明する工程図である。はじめに、水晶振動子１５の電極１５ａ表面に３，３－ジチオジプロピオン酸を作用させ、カルボキシル基を導入する。次に、Ｎ－ヒドロキシスクシンイミド（ＮＮＨＳ）と１－エチル－３－［３－（ジメチルアミノ）プロピル］カルボジイミド（ＥＤＣ）をカルボキシル基に作用させて電極１５ａ表面に活性化エステルを形成させる。次に、ニュートラアビジンを作用させニュートラアビジンを固定する。次に、ビオチン化したＤＮＡ５２をニュートラアビジンに結合させてプローブ分子を固定する。試料として相補鎖ＤＮＡが供給された場合には、プローブ分子のＤＮＡと二重鎖を形成して水晶振動子１５の振動数が変化する。一方で、試料として塩基配列の一部を変換した相補的配列でないミスマッチＤＮＡが供給された場合には、プローブ分子のＤＮＡと二重鎖を形成しないため、水晶振動子１５の振動数は変化しない。

【0082】

図９は、既存の装置を用いたプローブ分子の固定とバイオセンサとしての動作を示すグラフであり、図９（ａ）はニュートラアビジンによる修飾を示し、図９（ｂ）はビオチン化ＤＮＡの固定とその固定量を調節するためビオチン化ＤＮＡ５２の固定反応を阻害する単独のビオチン分子の追加を示し、図９（ｃ）は相補鎖ＤＮＡとミスマッチＤＮＡの供給による振動数変化を示している。図９（ａ）に示したように、１０ｍｇ／ｍｌの濃度のニュートラアビジンを含んだ溶液をバイオセンサ収容室内に３μｌ注入すると、直ちに水晶振動子１５の表面にニュートラアビジンが固定化されて水晶振動子１５の振動数が変化し、３０～４０分経過後に十分な量の固定化が完了したことがわかる。

【0083】

次に、図９（ｂ）に示したように、１０μＭのビオチン化ＤＮＡ５２をバイオセンサ収容室内に２．５μｌ注入すると、ニュートラアビジン５１とビオチン化ＤＮＡ５２が結合して振動数が変化する。その後、１ｍＭのビオチン分子をバイオセンサ収容室内に１μｌ注入すると、ニュートラアビジン５１のビオチン結合部位にビオチン５２ａが結合してビオチン化ＤＮＡ５２の結合が阻害されるため振動数の変化が止まり、ビオチン化ＤＮＡ５２の固定量を調節することができる。

【0084】

次に、図９（ｃ）に示すように、バイオセンサ収容室内に１０μＭの相補鎖ＤＮＡ５５とミスマッチＤＮＡ５４を時間経過とともに２．５μｌ、２．５μｌ、５μｌ、５μｌずつ注入する。図９（ｃ）に実線で描いているように、ミスマッチＤＮＡ５４を注入した場合にはプローブのＤＮＡと二重鎖を形成しないため、振動数はほとんど変化していないことがわかる。それに対して破線で描いているように、相補鎖ＤＮＡ５５を注入した場合には、３回目の注入までは振動数が変化するが、所定量以上の注入を行っても振動数が変化しなくなっている。これは、ニュートラアビジン５１に結合させたビオチン化ＤＮＡ５２の量よりも過剰な相補鎖ＤＮＡ５５が供給されても、二重鎖による相補鎖ＤＮＡ５５の捕捉が行われず、水晶振動子１５上の質量が変化しないためである。

【0085】

上述したように、本発明のセンサ装置１０では、載置板部４２とカバー部４４で枠体部４３を挟み、枠体部４３に設けられた収容室４３ａに水晶振動子１５を載置することで、試料流入路４３ｂと試料流出路４３ｃを介して収容室４３ａ内に試料を供給できるため、簡便な構造で水晶振動子１５に試料を供給することができ、さらに小型化および軽量化が可能となる。

【0086】

また、水晶振動子１５の振動回数を水晶振動カウンタ３３で計測し、水晶振動カウンタ３３が第２計測回数ｃ２を計測した場合に、温度補償水晶発振器３６の振動回数である第１計測回数ｃ１と基準周波数ｆ３から実際の振動周波数ｆ２を算出するため、簡便な回路構成で正確な周波数を計測でき、小型化および軽量化が可能となる。

【0087】

（第２実施形態）
次に、本発明のセンサ装置の第２実施形態について図１０を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１０は、本実施形態のセンサ装置１０において、水晶振動子１５のプローブ分子として抗体を用い、抗原の検出を行う場合を示す模式図である。図１０に示したように本実施形態では、水晶振動子１５の電極１５ａ上に抗体６１をプローブ分子として固定化する。収容室４３ａ内に抗原６２を含む液体を注入すると、プローブ分子である抗体６１に抗原６２が結合し、水晶振動子１５質量が増加して振動数が変化する。したがって、本実施形態ではセンサ装置１０で簡便に抗原検査を行うことが可能である。

【0088】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0089】

１０…センサ装置
１１…ケース部
１２…バッテリー部
１３…回路基板
１４…筐体
１５…水晶振動子
１５ａ，１５ｂ…電極
２１…レギュレータ
２２，３６…温度補償水晶発振器
２３…情報処理部
２４…カウンタユニット部
２５…反転増幅インバータ部
２５’…波形変換インバータ部
２６…無線通信部
３１…発振回路
３２…分周回路
３３…水晶振動カウンタ
３４…比較器
３５，３９…レジスタ
３７…分周回路
３８…基準振動カウンタ
４１…裏面フィルム
４２…載置板部
４２ａ…端子部
４２ｂ…コネクタ部
４３…枠体部
４３ａ…収容室
４３ｂ…試料流入路
４３ｃ…試料流出路
４４…カバー部
４４ａ…作業用開口部
４４ｂ…注入口
４４ｃ…排出口
４５…蓋部
５１…ニュートラアビジン
５２…ビオチン化ＤＮＡ
５２ａ…ビオチン
５４，５５…ＤＮＡ
６１…抗体
６２…抗原

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】