JP2006038584A

JP2006038584A - 化学センサー及び測定装置

Info

Publication number: JP2006038584A
Application number: JP2004217695A
Authority: JP
Inventors: Motoko Ichihashi; 素子市橋; Atsushi Ito; 敦伊藤
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2004-07-26
Filing date: 2004-07-26
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】弾性波素子により構成される化学センサーにおいて、検出部への液接触面積を一定とするとともに、電極側に液状物を移動させないように構成することにより、検出精度を高めた化学センサー及びこれを用いた装置を提供することを目的とする。また、製造効率及び搬送効率の高い化学センサー及びこれを用いた測定装置を提供する。
【解決手段】弾性波素子から構成される化学センサーであって、前記弾性波素子の導波路上に形成された検出部を疎水性部により囲んだことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学・生化学・医療・食料分野などにおいて、圧電材料中及び／又は圧電材料表面を伝播する弾性波を利用して、測定溶液中の特定の物質の検出を行う化学センサー及び測定装置に関するものである。

従来、圧電材料を用いた化学センサーとしては、圧電材料に水晶振動子を用いたＱＣＭ（Quarts Crystal Microbalance）が広く使われており、多くの提案がなされている。
ＱＣＭは、ＡＴカット水晶板の両面に金属電極を形成した水晶振動子の両電極に交互に電圧を印加して圧電現象により厚みすべり振動を生じさせ、電極表面に質量が負荷された際に、共振周波数が低下する現象を利用するものである。前記電極表面に選択性を有する物質を予め吸着させておけば特異的に反応する化学センサーとして利用することができる。また、水晶振動子は、溶液中では振動に伴って流体分子が引きずられ振動の減衰が生じるので、実質的に粘性を質量負荷として検出することもできる。
この水晶振動子は、厚みが薄いほど共振周波数が高くなり、それに伴い質量の検出感度も向上するが、振動子の薄膜化には機械的強度が不足し、制作上限界がある上に使用上の取り扱いも難しくなるという問題があった。

そこで、より高い周波数の振動が得られる素子として、従来フィルターや共振器などの高周波電子デバイスで利用されていた弾性波素子が、化学センサーとして利用されはじめている（特許文献１、非特許文献１）。
弾性波素子としては、レイリー波を利用したＲ−ＳＡＷ（Rayleigh-Surface Acoustic Waves）デバイス、波の進行方向に垂直で基板に平行な横波成分を有する波（ＳＨタイプの波）を利用したラブ波デバイス、ＳＨ−ＳＡＷ（Shear Horizontal-Surface Acoustic Waves）デバイス、ＳＴＷ（Surface Transverse Waves）等があるが、Ｒ−ＳＡＷデバイスは、波の変位が波の進行方向と基板に垂直方向の成分から構成され、溶液測定では溶液中にエネルギーを放射してしまうので、気相中のみで使用される。また、表面弾性波ではないが、表面弾性波同様、櫛形電極（Interdigital Transducer、以下「ＩＤＴ」とする。）によって励起される板波であるラム波を利用したＦＰＷ（Flexural Plate Mode）デバイス、すべり板振動を利用したＳＨ−ＡＰＭ（Shear Horizontal-Acoustic Plate Mode）なども開発されており、ＦＰＷ、ＡＰＭ共に空気中、溶液中での測定が可能である。

上記弾性波素子を用いた化学センサーで測定をする場合、検出部に載置した液状物に溶液を加えていくと、前記弾性波素子の検出部において、液状物の接触面積が変化して、結果的に得られた測定結果にばらつきが生じるという問題があった。更に、液の注入を続けると電極側に液状物が浸入し、波の減衰を引き起こし測定ができなくなるという問題があった。また、検出部にＤＮＡや抗体等の生体物質を固定化させる場合、固定化させる生体物質が液体であるため、測定毎に同じ量の液体を、検出部に同じ面積で接触させる等、高い精度での固定化が難しいという問題があった。

上記の問題に対して、本出願人は、先に検出部の周囲に囲みを設けることを提案した（特願２００４−１８１２７１）。
しかしながら、このような囲みは、部材を基材上に貼り付ける必要があり、製造効率が悪いという問題があった。また、搬送過程において積み重ねることができないため搬送効率が悪いという問題があった。

特開平６−１３３７５９号公報 "A Love wave sensor for (bio) chemical sensing in liquids" , Sensor and Actuators A,43(1994),P38-43

そこで、本発明は、弾性波素子により構成される化学センサーにおいて、検出部への液接触面積を一定とするとともに、電極側に液状物を移動させないように構成することにより、検出精度を高めた化学センサー及びこれを用いた装置を提供することを目的とする。また、製造効率及び搬送効率の高い化学センサー及びこれを用いた測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者等は鋭意検討の結果、下記の通り解決手段を見出した。
即ち、本発明の化学センサーは、請求項１に記載の通り、弾性波素子から構成される化学センサーであって、前記弾性波素子の導波路上に形成された検出部を疎水性部により囲んだことを特徴とする。
本発明の化学センサーは、請求項２に記載の通り、弾性波素子から構成される化学センサーであって、前記弾性波素子の少なくとも電極と導波路を含む領域を疎水性材料により被覆し、導波路上に固定化用膜を設けたことを特徴とする。
また、請求項３に記載の化学センサーは、請求項１又は２に記載の化学センサーにおいて、前記弾性波素子に励起する弾性波を、波の伝播方向に垂直で基板表面に平行な横波成分を有するものとしたことを特徴とする。
また、請求項４に記載の化学センサーは、請求項１又は２に記載の化学センサーにおいて、前記弾性波素子は、ラブ波デバイス、ＳＨ−ＳＡＷデバイス、ＳＴＷデバイス、ＦＰＷデバイス又はＡＰＭデバイスであることを特徴とする。
本発明の測定装置は、請求項５に記載の通り、請求項１乃至４のいずれかに記載の化学センサーを備えることを特徴とする。

本発明によれば、測定中に弾性波素子の電極側への液状物の浸入を防ぐことができる。また、液状物を、検出部に一定の面積で接触させることが可能となり、質量負荷又は粘性負荷を正確に測定することが可能となる。また、検出部の形状や面積を任意に設定することにより、測定に使用する液状物の増減をコントロールすることが可能となり、高価な生体物質等の使用量が微量であっても精度の高い測定ができる。
更に、センサーの構造として、疎水性材料を設けるという極めてシンプルな構造であるため、１枚の基板上に複数の検出部を設けることが容易になる。

上記の通り、本発明は、弾性波素子から構成される化学センサーであって、前記弾性波素子の導波路上に形成された検出部を疎水性部により囲んだものである。これにより、検出部に接触する液状物は、検出部外に移動することがない。尚、本発明において囲むとは、内側の液状物が外側に漏れないようにすることをいい、わずかな切れ込みを設けて、液状物の表面張力によりその部分から外側に液状物が漏れないようにすることまで含まれるものとする。

また、本発明は、弾性波素子から構成される化学センサーであって、前記弾性波素子の少なくとも電極を含む領域を疎水性材料により被覆し、導波路上に固定化用金属膜を設けたものである。これにより、固定化用膜外に液状物が移動することがない。尚、疎水性材料は、前記弾性波素子の表面の全面を被覆することが好ましい。疎水性材料による被覆作業が容易となり、化学センサーの製造コストを低減することができるからである。

本発明において、弾性波素子の導波路上に形成されるものであれば特に制限をするものではないが、円形状にすることが好ましい。これにより、検出部上の液状物が略半球状となり、基板の液状物を振動させる構造とした場合（例えば、基板上に縦波の表面弾性波を励起することが可能な励振部を設ける、或いは、基板全体を振動させるように振動源を付加する場合）には、液状物が矩形状の検出部に比べて角部がないので撹拌されやすくなり、極微量の液状物であっても精度の高い測定ができる。

前記疎水性材料については、疎水性を有する材料であれば特に制限はないが、例えば、シロキサン、ポリイミド、ポリ尿素、フッ素樹脂等のポリマー、より具体的には、信越シリコーン社製の撥水処理オイルＫＦ９９、フッ素シリコーンコーティング剤ＫＰ８０１Ｍ等やこれに準ずるものや、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）をアルコール等に溶解させた溶剤等を使用することができる。
前記疎水性材料を弾性波素子上に設ける方法についても特に制限はないが、例えば、塗布、曝露、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法、メッキ法や浸漬等により設けることができる。尚、前記疎水性材料の膜厚は、通常１００μｍ以下である。

前記固定化用膜については、ＤＮＡや抗体等の生体物質を固定できる膜であれば特に制限はないが、例えば、Ａｕ等の金属膜により形成することができる。

前記弾性波素子としては、圧電基板内又は圧電基板表面に弾性波を励起することができるものであれば特に制限はないが、ラブ波デバイス、ＳＨ−ＳＡＷデバイス、ＳＴＷデバイス、ＦＰＷデバイス又はＡＰＭデバイスとすることが好ましい。前記ラブ波デバイスは、圧電材料であるＳＴカット水晶、ＬｉＴａＯ₃等からなる基板にＡｕ、Ａｌ、Ｃｒ等の金属膜から構成されるＩＤＴを設け、これらの上から、前記基板の横波の伝達速度より遅い速度を有する材質（ＳｉＯ₂、ポリマー等）を層状に設け、波の伝播方向に垂直で、基板表面に平行な横波成分の表面波（ラブ波）を励起することができる構造をしたものである。
前記ＳＨ−ＳＡＷデバイスは、圧電材料であるＡＴカット水晶基板等にＩＤＴのグレーティング（溝）を設けたものであり、基板を伝播するＳＳＢＷ（Surface Skimming Bulk Waves）をグレーティングにより基板表面にトラップし、表面横波（Surface Transverse Waves）を励起することができる構造をしたものである。
前記ＦＰＷデバイスは、圧電材料基板やＺｎＯ膜等の圧電材料薄膜上にＩＤＴを設けたものであり、波の変位が波の伝播方向と基板に垂直方向の成分からなるラム波と呼ばれる板波を励起する構造をしたものである。
前記ＡＰＭデバイスは、圧電材料であるＳＴカット水晶基板上にＩＤＴを設けたものであり、基板表面に沿って基板に平行伝播するＳＨタイプの板波を励起する構造をしたものである。

また、本発明の測定装置は、上記弾性波素子に電圧を印加して、前記信号の特性を測定するためのインピーダンスアナライザやネットワークアナライザ等を備えることにより構成することができる。

次に、本発明の実施例を図面を参照にして説明する。

（実施例１）
図１は、本実施例の化学センサーの基本構成となる弾性波素子１０のラブ波デバイスを示すもので、厚み０．５ｍｍ、３３°３０’回転水晶ＳＴ−カットウエーハからなる圧電基板１の上に、励振部２と、受信部３とを設けることにより構成される。
前記励振部２は、弾性波を励起するためのもので、夫々７５対の櫛形電極を組み合わせて構成される。この櫛形電極は、圧電基板１上に、厚み５０ｎｍのＣｒ膜と、厚み１５０ｎｍのＡｕ膜とを順にスパッタリング法により積層した後、フォトリソグラフィにより不要な金属膜部分をドライエッチングにより除去して形成される。また、受信部３は、励起された弾性波を受信するためのもので、励振部２と同様にして形成される。尚、櫛形電極の櫛部の幅及び櫛部の間隔は、夫々１０μｍとし、励起される弾性波の波長は４０μｍとしている。
前記励振部２及び受信部３が形成された圧電基板１の表面には、ガイドレイヤー４として厚み３μｍ程度のＳｉＯ₂膜が積層され、このガイドレイヤー４上に、厚み２０ｎｍのＣｒ膜を介して、矩形状の固定化用のＡｕ膜が厚み１００ｎｍで積層される。
尚、本実施例におけるＣｒ膜は、Ａｕ膜の密着性を高めるためのものであるが、密着性を良くすることができるものであれば特に制限されるものでなく、Ｔｉ膜等も利用することができる。

上記構成の弾性波素子１０を、検出部５をマスクで被覆し、シリコーン系接着剤が硬化する際に発するシロキサンの蒸気により表面にシロキサンを付着させ、検出部５を疎水性部で囲み、図２に示す本実施例の化学センサー３０を得る。尚、シロキサン等の疎水性材料の付着については、疎水性とすることができるものであれば、基板の表面を被覆するように付着させること、或いは、分散して付着させることのいずれでもよい。
本実施例の化学センサー３０によれば、測定中に励振部２や受信部３を構成する櫛形電極が液状物に浸されることがなく、検出面積も一定とすることができるため精度の高い測定が可能となる。

尚、上記実施例では、検出部５は矩形状に形成しているが、図３に示すように検出部５は、円形状としてもよい。検出部を円形状とすれば、検出部上の液状物が略半球状となり、測定の際に液状物を撹拌する場合には、液状物全体が撹拌されやすくなるので、極微小の液状物で測定が可能となる。

（実施例２）
次に、他の実施例について図４を参照して説明する。
本実施例の化学センサー３０は、弾性波素子１０の表面全てに、疎水性材料６であるシロキサン膜を積層し、厚み５０ｎｍのＣｒ膜を介して、Ａｕからなる固定化用膜を厚み１００ｎｍで積層して構成したものであり、この構成以外は実施例１と同様にしたものである。
本実施例の化学センサー３０によれば、導波路上に設けられた固定化用膜以外に液状物が移動することがないため、精度の高い測定が可能となる。

実施例において使用される弾性波素子の説明図（（ａ）平面図、（ｂ）断面図）本発明の一実施例である化学センサーの説明図（（ａ）平面図、（ｂ）断面図）同実施例の検出部の変形例を示す説明図本発明の他の実施例である化学センサーの説明断面図

符号の説明

１基板
２励振部
３受信部
４ガイドレイヤー
５検出部
６疎水性材料
１０弾性波素子
３０化学センサー

Claims

弾性波素子から構成される化学センサーであって、前記弾性波素子の導波路上に形成された検出部を疎水性部により囲んだことを特徴とする化学センサー。
弾性波素子から構成される化学センサーであって、前記弾性波素子の少なくとも電極と導波路を含む領域を疎水性材料により被覆し、導波路上に固定化用膜を設けたことを特徴とする化学センサー。
前記弾性波素子に励起する弾性波を、波の伝播方向に垂直で基板表面に平行な横波成分を有するものとしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の化学センサー。
前記弾性波素子は、ラブ波デバイス、ＳＨ−ＳＡＷデバイス、ＳＴＷデバイス、ＦＰＷデバイス又はＡＰＭデバイスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の化学センサー。
請求項１乃至４のいずれかに記載の化学センサーを備えることを特徴とする測定装置。