CN1844909B - 漏声表面波传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种漏声表面波传感器，优选结构为单基片双路结构，即在一个基片上同时制作检测和参比两路延迟线。其中参比延迟线主要用于减低非特异性物质的吸附。允许漏声表面波在液体介质和气体中进行传播。传感器可用于生物医学或化学组分的检测。

Description

漏声表面波传感器

技术领域

本发明涉及一种适用于液相或气相中的生物或化学成分检测的生物传感器，具体的说是涉及一种漏声表面波传感器。

背景技术

目前国际上对漏声表面波传感器的研究报道主要是用于气体传感、压力传感等领域。

漏声表面波传感器其检测原理是：利用了压电晶体的特殊切向，比如：Y方向切割36°旋转、X方向传播的钽酸锂晶体，激发出漏声表面波，当漏声表面波传播路径表面的质量负载发生微小改变时，如：靶序列与固定的核酸探针发生特异性反应，传感器表面的边界条件将发生改变，导致漏声表面波传播的相位/频率发生相应的改变，此时从传感器输出换能器提取的电信号的相位/频率即可随之发生变化，从而可敏感地检测出与传感器晶体表面固定的探针发生特异性反应的待测靶序列。

漏声表面波传感器具有如下几个重要的优点：1、高灵敏度，高精度：由于漏声表面波器件的叉指换能器的指条宽度可以加工到0.3μm-0.5μm，因此其检测基频可高达100MHz～2GHz，对于质量非常小的病原微生物分子的检测是非常重要的。而且一般陶瓷或半导体材料制成的传感器，是以模拟信号输出，需经模/数转换才能与计算机接口。而漏声表面波技术制成的传感器，工作时是以频率或相位信号输出，不需经过模/数转换便可与计算机接口，因而精度更高。2、重复性及可靠性更好：漏声表面波传感器中的关键部件——漏声表面波谐振器或延迟线，制作时采用了平面复制的半导体工艺，重复性极好。而且易集成化、一体化，结构牢固，因而可靠性更好。3、功耗低：漏声表面波90％以上的能量集中在距表面一个波长左右的深度内，因而损耗低。4、结构工艺性好：漏声表面波传感器是平面结构，设计灵活；漏声表面波传感器的片状外形使其更易于组合，能比较方便地实现单片多功能化、智能化；而且安装容易，能获得良好的热性能和机械性能。相对于其它类型的传感器而言，漏声表面波传感器具有较好的价格优势、天生的稳定性、敏感性及固有的稳定性能，其中一些还能够以无源无线的方式来实现传感。再加上现代计算机技术发展极为迅猛，使得信号采集、分析系统的自动化程度大大提高，这使漏声表面波传感器具有了非常广泛的应用前景。但是，目前尚未见其在生物医学领域的研究报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于液相或气相中的生物或化学成分检测的生物传感器，希望可为临床疾病检测、环境监测提供一种新型的检测方法。

本发明涉及一层以压电材料构成传感器的基底物，该压电材料可以选择钽酸锂晶体、铌酸锂晶体或者石英晶体。优选的压电基体是Y方向切割36°旋转、X方向传播的钽酸锂晶体，在其表面构建低损耗延迟线型传感器，其结构是单基片双路结构，即在一个基片上同时制作检测和参比两路延迟线，其中参比延迟线是为了减低非特异性吸附、温度变化等伪信号造成的相位或频率的漂移影响，检测数据的记录可以采取相位或频率两种检测方案。钽酸锂晶体表面的输入和输出叉指换能器是为了激发和接收漏声表面波。一压电层被置于压电基底层和生物敏感层之间，该压电层优选钛金属，主要是为了增强压电基底层和生物敏感层之间的附着力。一生物敏感层被置于压电层之上，该生物敏感层优选金，利用金可以和巯基以及蛋白高亲和力结合的特性，可以结合上核酸、抗原、抗体等高分子生物活性物质作为探针分子，从而特异灵敏地检测临床或环境标本中待测的生物或化学靶分子。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步详细的说明。

图1是漏声表面波传感器双延迟线平面结构示意图

图2是漏声表面波传感器结构纵截面示意图

图3、图4显示了漏声表面波传感器在气相和液相中的稳定性。

图5显示了漏声表面波传感器在不同离子浓度溶液中的反应。

图6显示了漏声表面波传感器在不同pH溶液中的反应。

图7显示了漏声表面波传感器在不同粘度溶液中的反应。

图8-10显示了漏声表面波传感器对双链DNA病毒的实时检测。

在图1中，1.检测延迟线输入叉指换能器，2.参比延迟线输入叉指换能器，3.检测延迟线输出叉指换能器，4.参比延迟线输出叉指换能器，5.检测延迟线，6.参比延迟线。

在图2中，7.探针，8.金膜，9.压电层(Ti)，10.压电基底物(LiTaO₃晶体)。

具体实施方式

检测和参比双延迟线被构造在同一个压电基体10之上，压电基体之上依次为压电层9和金膜8，压电层优选采用钛(Ti)，金膜优选采用纯金材料。检测延迟线5的金膜表面固定探针7，可敏感地与待测靶分子进行特异性反应。导致漏声表面波传播的频率和相位发生相应的改变，此时从传感器输出换能器3上提取的电信号的频率和相位即可随之发生变化，从而可极为敏感地探测出生物或化学靶分子。

实施例1

在图2中，在同一基片上制备了检测和参比两路延迟线，每个延迟线由一个漏声表面波震荡器构成，延迟线在真空环境下采用离子溅射等方法在反应区域表面镀制金膜，参比延迟线可有效地消除温度、震动等外界因素以及非特异吸附等生物学因素对检测结果造成的影响。叉指换能器指条宽度加工到0.3μm-0.5μm，用真空镀膜的方法先在基片表面镀上一层金属膜，再利用光刻技术刻出叉指电极的图形，这种结构的优点是插入损耗小，体积小。

实施例2

图3表示双通道传感器的检测通道从气相到液相中相位的变化a：传感器处于气相，b：传感器处于液相。图4表示双通道传感器的参比通道从气相到液相的变化a：传感器处于气相，b：传感器处于液相。传感器的检测和参比两个通道在气相、液相中的相位变化只有±0.5度，说明传感器的稳定性很好，换能器发出的电信号相位受外界环境的影响较小。

实施例3

图5显示了不同Na⁺离子浓度对检测通道和参比通道相位变化的影响。传感器检测通道在不同离子浓度溶液中，换能器发出的电信号相位有明显的变化。实验结果显示，在检测通道中传感器所处溶液中的离子浓度越高，相位变化越大，且变化呈上升的趋势，离子浓度与相位的变化呈显著性差异p＜0.05；但参比通道在不同离子浓度溶液中的相位变化基本是一致的，大约只有2-3度的变化，说明离子浓度与相位变化之间没有显著性差异p＞0.05；将检测通道换能器发出的信号相位减去非特异性的吸附，即两通道相位差的变化曲线，与检测通道相位的变化曲线较一致p＜0.05，说明双通道漏声表面波传感器特异性较好，符合我们的预期结果。

实施例4

图6显示了溶液pH值对检测通道和参比通道相位变化的影响。溶液的酸碱度对传感器的影响较大，检测通道的相位随pH值增大而发生较大变化，但在酸性溶液中特别是pH＜6.4时相位虽然逐渐变大，但变化幅度较小。当pH＞6.4时传感器相位变化较大，有显著性差异p＜0.05；相比之下参比通道在不同的pH溶液中相位的变化无显著性差异p＞0.05。说明传感器的特异性较好，能够吸附非特异性物质对传感器的干扰，减少外界环境对传感器的影响。

实施例5

图7显示了溶液粘度对检测通道和参比通道相位变化的影响。在pH7.0的不同浓度的甘油PBS溶液中，两个通道换能器发出的信号相位都有显著的差异，随着溶液粘度的增加，检测通道的相位变化逐渐增大，相位变化有显著性差异p＜0.05，说明检测通道的相位与溶液的粘度具有显著的线性关系；参比通道的相位随着溶液的粘度增大也发生了微弱的变化，说明溶液的粘度对传感器的参比通道也有一定的影响，相位变化有显著性差异p＜0.05，实验结果表明随着溶液的粘度逐步变大，液体对传感器的应力就越来越大，即液体的阻尼效应越明显。

实施例6

图8-10显示了在加入靶序列进行核酸杂交时，检测通道和参比通道具有明显不同的相位响应。图8表示加入靶序列后检测通道相位的变化，图9表示加入靶序列后参比通道相位的变化，图10表示加入靶序列后两通道相位差的变化。首先传感器在气相和液相中的稳定性均较好，在检测通道的是人工设计的HPV探针，可与加入的靶序列特异性结合，相位发生明显的变化；参比通道加入的是PBS缓冲液，不可能与靶序列发生特异性的碱基互补反应，所以相位几乎没有发生变化。两个通道之间的相位差Δd才是真正反映因质量的吸附而引起的相位改变，通过这种差值检测技术可以有效的去除外界环境的干扰。

从上面的描述可以看出，本发明提供了一种特殊的传感器结构，具有很多的重大优点。本发明创新性地将物理学领域的检测手段引入到生物医学、环境医学领域的检测中，用于液相或气相中的生物或化学成分的检测。从而为临床上疾病的早期诊断及环境监测提供一种新的检测方法和思路。

Claims (6)

1.一种漏声表面波传感器，适用于液相或气相中的生物或化学成分的检测，其特征包括：一层以压电材料构成的基底物，至少一对输出及输入叉指换能器位于基底物上，叉指换能器之间是检测反应区域；所述检测反应区域中，一层压电层位于基底物上；一层金膜形成生物敏感层固定在压电层上。

2.如权利要求1的一种漏声表面波传感器，其特征在于：使用钽酸锂单晶体，分子式为LiTaO₃，为传感器压电基底物，钽酸锂在Y方向切割36°旋转、X方向传播漏声表面波。

3.如权利要求1的一种漏声表面波传感器，其特征在于：传感器制备成检测和参比双延迟线结构，减低伪信号造成的影响。

4.如权利要求3的一种漏声表面波传感器，其特征在于：延迟线两端分别有输入叉指换能器和输出叉指换能器，构成低损耗延迟线型传感器。

5.如权利要求1的一种漏声表面波传感器，其特征在于：压电层采用钛金属。

6.如权利要求1的一种漏声表面波传感器，其特征在于：采用一定的理化方法将探针固定在金膜的表面，固定好的探针可与待检生物或化学分子特异性地结合，用于液相或气相中生物或化学成分的检测。

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