CN101467034A - 液体中物质检测传感器 - Google Patents

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Abstract

提供一种可以更高灵敏度且准确地测定液体中的检测物质的液体中物质检测传感器。该液体中物质检测传感器(1)具备：含有按照覆盖至少1个IDT的方式来设置与液体中的物质反应的反应膜的感测用SAW元件(12)、及包含第1放大电路(15)的感测用振荡电路(11)；和包含具有至少1个IDT、没有反应膜的参考用SAW元件(22)、及第2放大电路(25)的参考用振荡电路(21)；感测用振荡电路(11)的振荡频率、和参考用振荡电路(21)的振荡频率在设感测用SAW元件及参考用SAW元件所使用的压电基板的机电耦合数为k2(％)时，间隔200×k2(ppm)以上。

Description

液体中物质检测传感器
技术领域
本发明涉及一种使用表面波元件(SAW元件)的液体中物质检测传感器，更详细地涉及具备感测(sensing)用SAW元件和参考(reference)用SAW元件的液体中物质检测传感器。
背景技术
现在，提出各种用于检测液体中的例如蛋白质等检测对象物质的液体中物质检测传感器。例如，在下述的专利文献1中，公开了使用声表面波元件的液体中物质检测传感器。图10(a)及(b)是用于说明专利文献1中记载的液体中物质检测传感器的平面图及表示其主要部件的正面截面图。
液体中物质检测传感器101具有基底基板102。在基底基板102的上表面102a上，在从一方端缘102b隔开的位置上形成凹部102c、102d。在凹部102c、102d中，分别设置感测用SAW元件104及参考用SAW元件105。而且，在基底基板102上层层叠有具有紧邻上述凹部102c、102d的贯通孔103b、103c的树脂层103。
感测用SAW元件104具有压电基板、形成于压电基板上的IDT电极、和覆盖IDT电极而形成的反应膜。反应膜由与作为试料的液体中的检测对象物质反应，耦合检测对象物质得到的材料形成。另外，参考用SAW元件105具有在压电基板上形成IDT电极的结构，在参考用SAW元件105中不设置反应膜。
在使用时，至少将设置了上述贯通孔103b、103c的部分浸渍于液体中，在感测用SAW元件104中，反应膜与检测对象物质反应，并耦合检测对象物质。因此，在感测用SAW元件104中，施加于设置了IDT电极的部分的质量因上述检测对象物质耦合而变大。相反，在参考用SAW元件105中，由于不设置与检测对象物质反应的反应膜，所以不产生基于检测对象物质耦合的附加质量的增加。
而且，在专利文献1所述的液体中物质检测传感器101中，检测感测用SAW元件104中质量附加的声波的音速变化，作为电气信号的变化。这时，可通过求出来自感测用SAW元件的输出、和来自参考用SAW元件105的输出的差，可高精度地检测检测对象物质。
并且，在下述的专利文献2中也公开了相同的液体中物质检测传感器。
专利文献1：WO2006/027893A1
专利文献2：WO2006/027945A1
如上所述，在液体中物质检测传感器101中，利用感测用SAW元件104的输出信号和来自参考用SAW元件105的输出信号的差，检测液体中蛋白质的有无或浓度等。这时，具体地，通过求出含有感测用SAW元件的振荡电路、和含有参考用SAW元件的振荡电路的各振荡频率的差，来检测检测对象物质的有无或浓度。
期望上述液体中物质检测传感器101中，在检测对象物质不存在时，感测用SAW元件104的特性、和参考用SAW元件105的特性等同。
可是，在使SAW元件104、105与含有检测对象物质的液体接触时，含有感测用SAW元件的振荡电路的振荡频率、和含有参考用SAW元件的振荡电路的频率之差接近。这时，双方的振荡电磁耦合，振荡频率完全一致。因此，不能准确且高精度地检测液体中的检测对象物质。并且，既便在双方的振荡不耦合时，测定灵敏度也会因检测对象物质而变小，不能检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液体中物质检测传感器，可消除上述的现有技术的缺点，基于含有感测用SAW元件的振荡电路的振荡频率、和含有参考用SAW元件的振荡电路的振荡频率的耦合的问题难以产生，并以更高的灵敏度检测液体中的检测对象物质。
本发明的液体中物质检测传感器具备：感测用振荡电路，包含具有压电基板、设置于压电基板上的至少1个IDT、覆盖该IDT地形成的、与液体中的物质反应的反应膜的感测用SAW元件、和连接与该感测用SAW元件的第1放大电路；和参考用振荡电路，包含具有压电基板和设置于压电基板上的至少1个IDT、没有反应膜的参考用SAW元件、和连接于该参考用SAW元件的第2放大电路；构成所述感测用SAW元件及参考用SAW元件的压电基板由相同的压电材料构成，在设该压电基板的机电耦合系数为k2(％)时，所述感测用振荡电路的振荡频率、和所述参考用振荡电路的振荡频率间隔200×k2(ppm)以上。
本发明的液体中物质检测传感器中，优选所述感测用SAW元件和所述参考用SAW元件具有大致相同的频率特征。这时，因感测用SAW元件和参考用SAW元件的特性差较小，所以可更高精度地检测液体中的检测对象物质。
在本发明的液体中物质检测传感器中，优选所述感测用振荡电路及参考用振荡电路是具有使用LC的匹配电路的振荡电路，感测用振荡电路的电路常数和参考用振荡电路的电路常数不同。即可通过使感测用振荡电路的电路常数和参考用振荡电路的电路常数不同，使感测用振荡电路的频率和参考用振荡电路的振荡频率相差200×k2(ppm)以上。
并且，也可在本发明的液体中物质检测传感器中，通过感测用振荡电路具有第1微带线，参考用振荡电路具有第2微带线，第1微带线的形状和第2微带线的形状不同，将感测用振荡电路的振荡频率和参考用振荡电路的振荡频率仅间隔上述特定的频率差。这时，通过只选择微带线形状，可容易地将感测用振荡电路的振荡频率和参考用振荡电路的振荡频率间隔200×k2(ppm)以上。
并且，也可在本发明的液体中物质检测传感器中，上述感测用振荡电路的振荡频率和参考用振荡电路的振荡频率间隔200×k2(ppm)以上的结构通过使构成第1、第2放大电路的第1、第2放大元件的阻抗不同来实现。
在本发明中，作为上述压电基板，最好使用30°～50°旋转Y板X传输的LiTaO3基板。这时，可进一步高精度地测定液体中检测对象物质的有无或浓度。
感测用SAW元件及参考用SAW元件可由使用各种声表面波的SAW元件构成。优选使用以SH波为主要成分的声表面波的SAW元件，这时，作为端面反射型的表面波元件，可构成感测用SAW元件或参考用SAW元件。因此，可谋求感测用SAW元件及参考用SAW元件的小型化。
(发明效果)
在本发明的液体中物质检测传感器中，由于感测用振荡电路的振荡频率和参考用振荡电路的振荡频率间隔200×k2(ppm)以上，所以既便在液体附着于感测用SAW元件及参考用SAW元件时的频率变化量的偏差较大时，感测用振荡电路的振荡和参考用振荡电路的振荡也难以电磁耦合。因此，根据液体中与检测对象物质的反应膜反应导致的附加质量的变化，可以以更高的灵敏度且准确地测定液体中检测对象物质的有无或浓度。
附图说明
图1是用于说明本发明的一实施方式的液体中物质检测传感器的框图。
图2是示意性地表示感测用SAW元件的结构的截面图。
图3是示意性地表示参考用SAW元件的结构的截面图。
图4是表示用于说明本发明的一实施方式的感测用振荡电路的振荡条件的开环电路模块的电路图。
图5是表示本发明的一实施方式的液体中物质检测传感器及用于比较而准备的频率差df为-100ppm、-50ppm、+800ppm及1000ppm的液体中物质检测传感器的振荡电路的频率差的时间变化图。
图6是表示在频率差df为570ppm的用于比较而准备的液体中物质检测传感器中双方的振荡电路的频率差的时间变化图。
图7是表示本发明的一实施方式中，感测用振荡电路和参考用振荡电路的频率差df为1320ppm时的频率差的时间变化图。
图8是表示本发明的一实施方式的液体中物质检测传感器及现有例的液体中物质检测传感器的灵敏度的时间变化图。
图9是感测用振荡电路及参考用振荡电路具有微带线的变形例的液体中物质检测传感器的框图。
图10(a)及(b)是表示现有的液体中物质检测传感器一例的平面图及表示其主要部件的正面截面图。
符号说明
1 液体中物质检测传感器
2 差动放大电路
11 感测用振荡电路
12 感测用SAW元件
13、14 匹配电路
15 第1放大电路
21 参考用振荡电路
22 参考用SAW元件
23、24 匹配电路
25 第2放大电路
41 液体中物质检测传感器
42、43 第1、第2微带线
a、b 端口
具体实施方式
下面，通过参照附图，说明本发明的具体实施方式，使本发明变得清楚。
图1是表示本发明的一实施方式的液体中物质检测传感器的电路结构的框图。液体中物质检测传感器1具有感测用振荡电路11、和参考用振荡电路21。
感测用振荡电路11具有感测用SAW元件12、连接于感测用SAW元件12的LC匹配电路13、14、和第1放大电路15。即在感测用振荡电路中，将由LC电路构成的匹配电路13、14及第1放大电路15连接于感测用SAW元件12，构成闭环振荡电路。
另外，参考用振荡电路21也一样，将由LC电路构成的匹配电路23连接于参考用SAW元件22的一端，同样地将由LC电路构成的匹配电路24连接于另一端，将第2放大电路25连接于匹配电路23、24之间。
在液体中物质检测传感器1中，将差动放大电路2连接于上述感测用振荡电路11及参考用振荡电路21。即将感测用振荡电路11连接于差动放大电路2的一方输入端，将感测用振荡电路的输出供给该一方输入端。另外，将参考用振荡电路21连接于该另一输入端，以将参考用振荡电路21的输出供给差动放大电路2的另一方输入端。然后，通过差动放大电路2得到基于感测用振荡电路的振荡频率、和参考用振荡电路产生的振荡频率之差的频率差。
上述感测用SAW元件12及参考用SAW元件22例如使用在压电基板上形成IDT的SAW元件来构成。如图2简图所示，在感测用SAW元件12中，在压电基板12a的上表面形成IDT12b，覆盖该IDT12b地形成反应膜12c。另外，在参考用SAW元件22中，如图3简图所示，在压电基板22a上形成IDT电极22b。在参考用SAW元件中不设置反应膜12c。
另外，在图2及图3中，对感测用SAW元件12图示了1个IDT12b，对参考用SAW元件22中图示1个IDT22b，但实际上，感测用SAW元件12及参考用SAW元件22分别具有沿表面波传输方向并排设置的2个IDT。可是，在本发明中，感测用SAW元件及参考用SAW元件既可是具有1个IDT的表面波元件，也可如上所示，是具有2个以上的IDT的表面波元件。
若上述感测用SAW元件12接触于含有检测对象物质的液体，则反应膜12c与检测对象物质反应，反应膜12c与例如蛋白质等检测对象物质耦合。结果，加于IDT12b的质量增加。根据该附加质量的变化，感测用振荡电路11的输出频率变化，根据该频率变化，测定检测对象物质的有无或浓度。
上述反应膜12c由可与液体中的检测对象物质反应得到的适当材料构成。例如，在测定液体中的抗原或抗体时，可将固化抗体或抗原的膜用作反应膜。这时，液体中的抗原或抗体在反应膜中与固化的抗体或抗原耦合，形成免疫复合体，由此，加于设置IDT的部分的质量变动。这样，作为反应膜12c，只要对应于检测对象物质的种类，选择与液体中的检测对象物质反应、使对设置IDT的部分的附加质量变化的适当材料构成的反应膜即可。另外，作为检测对象物质，不限于抗原或抗体，可列举蛋白质等各种生化物质，但不限于生化物质，也可为检测各种元素、无机化合物的对象物质。即，虽然本发明的液体中物质检测传感器适宜用作检测抗原、抗体、或蛋白质等活体成分的生物传感器，但不限于生物传感器，可在检测各种物质的用途中使用。
并且，为了去除温度变化导致的噪音等，也可构成使用了参考用SAW元件22的参考用振荡电路21。即，可通过从由感测用振荡电路11得到的结果中减去由参考用振荡电路21得到的结果，去除背景噪音或温度变化导致的噪音后，正确地测定检测对象物质的有无或浓度。
此外，在本实施方式的液体中物质检测传感器1中，上述感测用振荡电路11的振荡频率、和参考用振荡电路21的振荡频率间隔200×k2(ppm)以上。这里，k2是构成感测用SAW元件12及参考用SAW元件22的压电基板的机电耦合系数。并且，将感测用SAW元件12和参考用SAW元件22构成为不同芯片部件。可是，构成感测用SAW元件的压电基板及IDT电极、和构成参考用SAW元件的压电基板及IDT电极相同。
在本实施方式中，如上所示，由于感测用振荡电路的振荡频率、和参考用振荡电路21的振荡频率间隔200×k2(ppm)以上，所以可更高灵敏度、且更准确地测定液体中的物质的品质。对其更具体地说明。
就上述感测用振荡电路11的振荡而言，将图4示出的开环电路作为模块来研究。
图4示出的开环电路具有端口a、b。从端口a向端口b连接有第1放大电路15、匹配电路14、感测用SAW元件12及匹配电路13。该开环电路振荡的条件满足下述的式(1)及(2)。
[式1]
振幅条件
|Sab|≥0(dB)…式(1)
[式2]
传递条件
∠Sab＝360×n(deg)…式(2)
其中，n为整数。
即，为了振荡，必需设定感测用振荡电路11的电路常数，以使环路增益为0dB以上，移相为0。作为该电路常数，例如列举调整放大电路15的放大率或匹配电路13、14的电感L或电容C的值。然后，可通过选择该电路常数，即通过设定电路常数，以满足式(1)及(2)，来使感测用振荡电路11振荡，且设定该振荡频率。
例如，在将36°Y截止X传输的LiTaO3基板用作压电基板时，只要调整电感L或电容C的值，以满足式(1)及(2)，且使感测用振荡电路11的振荡频率比参考用振荡电路21低即可。即，可通过调整匹配电路13、14的电感部分L或电容部分C的值，如上所述，即，可以使在检测对象物质与反应膜未耦合的初始状态中的感测用振荡电路11的振荡频率比参考用振荡电路21的振荡频率低。而且，可通过设该感测用振荡电路11的振荡频率和参考用振荡电路21的振荡频率的差为1000ppm以上，来防止两者耦合，从而进行高精度地测定。
并且，36°Y截止X传输LiTaO3的机电耦合系数k2(％)为5.0(％)。因此，1000ppm以上是指满足200×k2(ppm)。
即，如图5所示，调整感测用振荡电路11及参考用振荡电路21的电路常数，以使两者的振荡频率差在初始状态中为-100ppm、-50ppm、或+800ppm或+1000ppm，制作多种液体中物质检测传感器。然后，将这些液体中物质检测传感器浸渍于作为试料的PBS(PHOSPHATE BUFFEREDSALINE：磷酸缓冲生理盐水)中。该试料是不含检测对象物质的液体。结果，从图5可知，频率差为-100ppm、-50ppm、及+800ppm时，随着时间经过，频率差消失，即在10秒以内，频率差消失。与此相对，可知感测用振荡电路11的振荡频率、和参考用振荡电路的振荡频率在初始状态下为1000ppm时，频率差仍恒定不变，未随时间经过而变小。认为这是因为感测用振荡电路11的振荡频率和参考用振荡电路21的振荡频率充分间隔，两者未耦合。即认为在两者的频率差不足1000ppm时，从图4可知，随着时间经过，感测用振荡电路11的振荡、和参考用振荡电路21的振荡耦合，两者的频率差会消失。
可是，机电耦合系数和频带宽度成正比关系。因此，在设未产生上述耦合的频率差为df时，若设压电基板的机电耦合系数为k2(％)，则只要设df(ppm)为机电耦合系数k2×A(ppm)以上(A为比较例常数)即可。从图5的结果可知，只要df≧k2×200(ppm)即可。即在36°Y截止X传输LiTaO3基板中，机电耦合系数k2为5.0％，从图5的结果可知，由于只要使感测用振荡电路11的振荡频率、和参考用振荡电路21的振荡频率之差df为1000ppm以上即可，所以从结果可知，通过设df≧k2×200(ppm)，防止参考用振荡电路和感测用振荡电路的振荡耦合，由此，可更准确地检测液体中物质。参考图6～8来具体说明。
作为上述液体中物质检测传感器1，在df为1320ppm时，并为了比较，准备df为570ppm的现有例的液体中物质检测传感器，准备PBS作为试料，进行测定。图8是表示使用上述实施方式及现有例的液体中物质检测传感器时的灵敏度的时间变化的图。另外，图8的纵轴是对应于灵敏度的归一化频率，横轴为时间。
从图8可知，在本实施方式中，与现有例相比，由于感测用振荡电路11的振荡频率、和参考用振荡电路21的振荡频率不一致，所以可以更高灵敏度进行测定物质的检测。
另外，图6表示上述现有例时的感测用振荡电路11和参考用振荡电路21之间的频率差df的时间变化，图7表示上述实施方式的液体中物质检测传感器的频率差df的时间变化。从图6可知，在现有例中，经过30秒后频率差为0，与此相对，在图7示出的本实施方式中，频率差仍为1320ppm/℃恒定。
因此，在本实施方式的液体中物质检测传感器中，由于在感测用振荡电路11和参考用振荡电路21之间振荡难以电磁耦合，所以可以更高灵敏度且准确地检测有无液体中物质的有无或浓度。
就感测用振荡电路11及参考用振荡电路21的振荡频率的调整而言，如上所述，除调整匹配电路的L或C外，可使用插入电阻R、或使电路结构部件间的连接部的布线长、线宽、与接地电位间的间隙等变化的方法、由功率控制IC反馈电容的方法等的各种方法。
并且，如图9中简图示出的变形例的液体中物质检测传感器41那样，也可构成为使感测用振荡电路11A具有第1微带线42，使参考用振荡电路42具有第2微带线43。这时，只要通过使第1微带线42的形状、和第2微带线43的形状的宽度或长度等不同，将感测用振荡电路11的振荡频率、和参考用振荡电路的振荡频率间隔200×k2(ppm)以上即可。
并且，也可第1、第2放大电路15、25分别构成为具有第1、第2放大元件，通过使第1放大元件的阻抗、和第2放大元件的阻抗不同，将感测用振荡电路11的振荡频率、和参考用振荡电路21的振荡频率间隔200×k2(ppm)以上。
虽然在上述实施方式中，将36°Y截止X传输的LiTaO3用作压电基板，但压电基板不限于此，可由其他结晶方位的LiTaO3基板或LiNbO3基板等适当的压电单晶、或压电陶瓷构成。可是，优选使用30°～40°Y截止X传输的LiTaO3基板，由此，可以高灵敏度且准确地测定液体中的检测对象物质。
另外，上述实施方式中使用的SAW元件不特别限定，可使用利用瑞利波或SH波等各种声表面波的SAW元件，但在使用以SH波为主要成分的声表面波时，可构成端面反射型的表面波装置。因此，可谋求液体中物质检测传感器的小型化。
并且，上述SAW元件既可是SAW谐振器，也可是SAW滤波器。

Claims (7)

1、一种液体中物质检测传感器，具备：
感测用振荡电路和参考用振荡电路，
所述感测用振荡电路，包含：
感测用SAW元件，具有压电基板、设置于压电基板上的至少1个IDT、按照覆盖该IDT的方式形成的与液体中的物质反应的反应膜、和
第1放大电路，与该感测用SAW元件连接；
所述参考用振荡电路，包含：
参考用SAW元件，具有压电基板、以及设置于压电基板上的至少1个IDT、没有反应膜、和
第2放大电路，与该参考用SAW元件连接；
构成所述感测用SAW元件及参考用SAW元件的压电基板由相同的压电材料构成，在设该压电基板的机电耦合系数为k2(％)时，所述感测用振荡电路的振荡频率、和所述参考用振荡电路的振荡频率间隔200×k2(ppm)以上。
2、根据权利要求1所述的液体中物质检测传感器，其特征在于：
所述感测用SAW元件和所述参考用SAW元件具有大致相同的频率特性。
3、根据权利要求1或2所述液体中物质检测传感器，其特征在于：
所述感测用振荡电路及参考用振荡电路是具有使用了LC的匹配电路的振荡电路，感测用振荡电路的电路常数和参考用振荡电路的电路常数不同。
4、根据权利要求1或2所述的液体中物质检测传感器，其特征在于：
所述感测用振荡电路具有第1微带线，所述参考用振荡电路具有第2微带线，第1微带线的形状和第2微带线的形状不同。
5、根据权利要求1或2所述的液体中物质检测传感器，其特征在于：
所述第1、第2放大电路分别具有第1、第2放大元件，第1放大元件的阻抗和第2放大元件的阻抗不同。
6、根据权利要求1～5中任意一项所述的液体中物质检测传感器，其特征在于：
所述压电基板是30°～50°旋转Y板X传输的LiTaO3基板。
7、根据权利要求1～6中任意一项所述的液体中物质检测传感器，其特征在于：
所述感测用SAW元件及所述参考用SAW元件是使用以SH波为主要成分的声表面波的SAW元件。
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