JP2713534B2 - 弾性表面波バイオセンサ - Google Patents
弾性表面波バイオセンサInfo
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- JP2713534B2 JP2713534B2 JP4290560A JP29056092A JP2713534B2 JP 2713534 B2 JP2713534 B2 JP 2713534B2 JP 4290560 A JP4290560 A JP 4290560A JP 29056092 A JP29056092 A JP 29056092A JP 2713534 B2 JP2713534 B2 JP 2713534B2
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- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、弾性表面波バイオセ
ンサに関するものである。さらに詳しくは、この発明
は、小型電子デバイス化が可能で、新しいバイオセンサ
として有用な弾性表面波センサに関するものである。
ンサに関するものである。さらに詳しくは、この発明
は、小型電子デバイス化が可能で、新しいバイオセンサ
として有用な弾性表面波センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】従来より、食品、化学、医
療、エレクトロニクス等の諸分野においては、様々な形
状と大きさの導電センサ、あるいはｐＨセンサ等の溶液
センサが使用されてきている。しかしながら、これらの
溶液センサは、各種の分野の計測手段として重要な役割
を果しているにもかかわらず、従来の場合には、高精度
の計測機能を備えつつ、より小型のデバイス化を図るこ
とは極めて困難であった。
療、エレクトロニクス等の諸分野においては、様々な形
状と大きさの導電センサ、あるいはｐＨセンサ等の溶液
センサが使用されてきている。しかしながら、これらの
溶液センサは、各種の分野の計測手段として重要な役割
を果しているにもかかわらず、従来の場合には、高精度
の計測機能を備えつつ、より小型のデバイス化を図るこ
とは極めて困難であった。
【０００３】たとえば、ｐＨセンサとして各種の溶液の
計測に用いているものも、いずれもガラス電極を使用
し、その使用態様にもおのずと制約があった。このた
め、飛躍的にマイクロデバイス化が進む様々な計測手段
とその処理システムとして、このようなガラス電極のｐ
Ｈセンサを一体として組込むことは難しく、これまでの
大きな問題の一つとされていた。
計測に用いているものも、いずれもガラス電極を使用
し、その使用態様にもおのずと制約があった。このた
め、飛躍的にマイクロデバイス化が進む様々な計測手段
とその処理システムとして、このようなガラス電極のｐ
Ｈセンサを一体として組込むことは難しく、これまでの
大きな問題の一つとされていた。
【０００４】一方、この発明の発明者は、各種のセンサ
への応用が可能と考えられる弾性表面波デバイスについ
て検討を進めてきており、その応用の一つとして導電セ
ンサおよびＰＨセンサ等の溶液センサが実現されてき
た。しかしながら、これまでの検討では、小型微細な電
子デバイス化までをも可能とする、高精度なバイオセン
サとしての新しい態様についてはその技術は確立されて
いなかった。
への応用が可能と考えられる弾性表面波デバイスについ
て検討を進めてきており、その応用の一つとして導電セ
ンサおよびＰＨセンサ等の溶液センサが実現されてき
た。しかしながら、これまでの検討では、小型微細な電
子デバイス化までをも可能とする、高精度なバイオセン
サとしての新しい態様についてはその技術は確立されて
いなかった。
【０００５】そこで、この発明は、以上の通りの事情か
ら、弾性表面波デバイスの特徴を生かしつつ、電子デバ
イス化も可能な新しい弾性表面波バイオセンサを提供す
ることを目的としている。
ら、弾性表面波デバイスの特徴を生かしつつ、電子デバ
イス化も可能な新しい弾性表面波バイオセンサを提供す
ることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、たとえば、圧電体等からなるＳ
Ｈモード弾性表面波デバイスであって、ＳＨ−弾性表面
波の伝搬面上に電気的短絡と電気的開放、および試料セ
ルとを設け、この試料セル内に酵素を固定してなること
を特徴とする弾性表面波溶液センサを提供する。
を解決するものとして、たとえば、圧電体等からなるＳ
Ｈモード弾性表面波デバイスであって、ＳＨ−弾性表面
波の伝搬面上に電気的短絡と電気的開放、および試料セ
ルとを設け、この試料セル内に酵素を固定してなること
を特徴とする弾性表面波溶液センサを提供する。
【０００７】すなわち、この発明は、ＳＨモード弾性表
面波センサとしてその伝搬面を電気的に短絡(Short) に
すると機械的影響のみにより、また電気的に開放(Open)
にすると機械的影響の他に電気的影響によって波が摂動
を受けることが見出されたことから、この後者の知見に
基づいて完成されたものである。つまり、伝搬面が開放
(Open)の場合、固／液界面を伝搬するＳＨ−ＳＡＷは負
荷液体により機械的・電気的摂動を受けることになる。
そこで、短絡および開放の伝搬面上に同一液体を負荷す
る場合には、機械的影響は双方で打ち消され、得られる
出力は電気的影響のみを含んでいることになる。このた
め、高精度での計測が可能となる。
面波センサとしてその伝搬面を電気的に短絡(Short) に
すると機械的影響のみにより、また電気的に開放(Open)
にすると機械的影響の他に電気的影響によって波が摂動
を受けることが見出されたことから、この後者の知見に
基づいて完成されたものである。つまり、伝搬面が開放
(Open)の場合、固／液界面を伝搬するＳＨ−ＳＡＷは負
荷液体により機械的・電気的摂動を受けることになる。
そこで、短絡および開放の伝搬面上に同一液体を負荷す
る場合には、機械的影響は双方で打ち消され、得られる
出力は電気的影響のみを含んでいることになる。このた
め、高精度での計測が可能となる。
【０００８】この発明においては、上記の通りの伝搬面
上の電気的摂動のみを検知することができるが、各種の
溶液等の液体の電気的特性を表わすパラメータは比誘電
率ε r と導電率σである。そこで、複素誘電率εt を導
入して次のように定義する。
上の電気的摂動のみを検知することができるが、各種の
溶液等の液体の電気的特性を表わすパラメータは比誘電
率ε r と導電率σである。そこで、複素誘電率εt を導
入して次のように定義する。
【０００９】
【数１】
【００１０】摂動前の基準状態では、
【００１１】
【数２】
【００１２】とし、これが摂動を受けると、
【００１３】
【数３】
【００１４】となる。これにより生じる波の伝搬速度お
よび減衰の摂動量は次式で与えられる。
よび減衰の摂動量は次式で与えられる。
【００１５】
【数４】
【００１６】ここで、（ΔＶ／Ｖｏ）１ｓｃは基準液体
（たとえば純水）負荷時の短絡(Short) 、開放(Open)の
速度変化率で、Ｖｏは開放(Open)の伝搬速度である。ま
た、
（たとえば純水）負荷時の短絡(Short) 、開放(Open)の
速度変化率で、Ｖｏは開放(Open)の伝搬速度である。ま
た、
【００１７】
【数５】
【００１８】は、試料溶液の誘電率、
【００１９】
【数６】
【００２０】は、基準液体の誘電率である。そして、
【００２１】
【数７】
【００２２】は、基板の実効誘電率である。以上の関係
において、（ΔＶ／Ｖ）としての速度変化率は、溶液の
物理化学的特性としての導電率、ｐＨ等と相関性を有し
ている。そして、この速度変化から、高精度なｐＨ、導
電性等の物性が検出される。実際に、ＳＨ−ＳＡＷセン
サを用いてｐＨの異なる溶液の水に対する測定結果は、
上記（ΔＶ／Ｖ）速度変化率の対数表現として図１の通
りの線形関係として示される。これによって、ＳＨ−Ｓ
ＡＷセンサがｐＨを検出可能であることがわかる。同時
に、このことは、ｐＨ変化とともなう化学反応の検出に
も、このＳＨ−ＳＡＷセンサが有効であることを示して
いる。
において、（ΔＶ／Ｖ）としての速度変化率は、溶液の
物理化学的特性としての導電率、ｐＨ等と相関性を有し
ている。そして、この速度変化から、高精度なｐＨ、導
電性等の物性が検出される。実際に、ＳＨ−ＳＡＷセン
サを用いてｐＨの異なる溶液の水に対する測定結果は、
上記（ΔＶ／Ｖ）速度変化率の対数表現として図１の通
りの線形関係として示される。これによって、ＳＨ−Ｓ
ＡＷセンサがｐＨを検出可能であることがわかる。同時
に、このことは、ｐＨ変化とともなう化学反応の検出に
も、このＳＨ−ＳＡＷセンサが有効であることを示して
いる。
【００２３】そこで、この発明では、センサ表面に酵素
を固定化して新しいバイオセンサを実現している。酵素
基質反応時に生じるｐＨ変化によってバイオセンシング
を可能としているのである。しかもこの発明は、ＳＨ−
弾性表面波デバイスとして電子デバイス化が可能であ
る。
を固定化して新しいバイオセンサを実現している。酵素
基質反応時に生じるｐＨ変化によってバイオセンシング
を可能としているのである。しかもこの発明は、ＳＨ−
弾性表面波デバイスとして電子デバイス化が可能であ
る。
【００２４】もちろん、この発明のセンサの構成素材や
固定化酵素、その固定化方法、対象とする基質系につい
ては特に限定はなく、各種のものが使用される。以下、
実施例を示し、さらに詳しくこの発明のバイオセンサに
ついて説明する。
固定化酵素、その固定化方法、対象とする基質系につい
ては特に限定はなく、各種のものが使用される。以下、
実施例を示し、さらに詳しくこの発明のバイオセンサに
ついて説明する。
【００２５】
【実施例】図２に例示したように、液体試料セルを備
え、電気的短絡と電気的開放とを施したデバイスを用い
た。３６°回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ3 上を伝搬する弾
性表面波で粒子変位が伝搬方向に垂直で伝搬面に平行な
モード（ＳＨモード）を有している。
え、電気的短絡と電気的開放とを施したデバイスを用い
た。３６°回転Ｙ板Ｘ伝搬ＬｉＴａＯ3 上を伝搬する弾
性表面波で粒子変位が伝搬方向に垂直で伝搬面に平行な
モード（ＳＨモード）を有している。
【００２６】固定化する酵素としては尿素分解酵素(ure
ase)を、基質として尿素(urea)を用いた。尿素は酵素に
より分解されるとアンモニウムイオンと重炭酸イオンと
を生成する。酵素を固相化する方法は様々あるが、ここ
ではタンパク質の架橋剤であるグルタルアルデヒド（Ｇ
Ａ）を用い、牛血製アルブミン（ＢＳＡ）と酵素を架橋
させる手法を用いた。
ase)を、基質として尿素(urea)を用いた。尿素は酵素に
より分解されるとアンモニウムイオンと重炭酸イオンと
を生成する。酵素を固相化する方法は様々あるが、ここ
ではタンパク質の架橋剤であるグルタルアルデヒド（Ｇ
Ａ）を用い、牛血製アルブミン（ＢＳＡ）と酵素を架橋
させる手法を用いた。
【００２７】実際に行った膜作成法は、次の操作からな
るものとした。 １）基板を洗浄後、１ｗｔ％のγアミノプロピルトリエ
トキシシラン水溶液をスピナー塗布（１５００ｒｐｍ，
３０秒）し、１１０℃で５分加熱（シラン処理）、 ２）５ｗｔ％ＧＡ水溶液、２０ｗｔ％urease水溶液およ
び２８ｗｔ％ＢＳＡ／５０ｍＭ ＰＩＰＥＳ−ＮａＯＨ
水溶液を２：３：５で混合してスピナー塗布（２０００
ｒｐｍ，５０秒）、 ３）２時間室温で乾燥。
るものとした。 １）基板を洗浄後、１ｗｔ％のγアミノプロピルトリエ
トキシシラン水溶液をスピナー塗布（１５００ｒｐｍ，
３０秒）し、１１０℃で５分加熱（シラン処理）、 ２）５ｗｔ％ＧＡ水溶液、２０ｗｔ％urease水溶液およ
び２８ｗｔ％ＢＳＡ／５０ｍＭ ＰＩＰＥＳ−ＮａＯＨ
水溶液を２：３：５で混合してスピナー塗布（２０００
ｒｐｍ，５０秒）、 ３）２時間室温で乾燥。
【００２８】この酵素固定化デバイスをセンサとして用
い、図３に示した位相差法により測定を行った。発振器
の励振周波数は５１．７ＭＨｚとした。図２中のａはレ
ファレンスを、また、ｂはセンシングポートを示してい
る。測定には両性イオン緩衝液であるヘペス水溶液を用
い、ＮａＯＨ水溶液を加えてｐＨ＝７．５に調整した。
このバッファの導電率は０．２２５Ｓ／ｍである。測定
では、バッファ中に尿素を溶かして基質溶液とした。図
４は、尿素−ウレアーゼ反応の時間応答測定結果を示し
ている。縦軸は速度変化である。測定では、最初にバッ
ファ溶液を２００μｌ滴下（図中１）し、安定した後に
４２．４ｍＭの尿素溶液を１００μｌを加えた（同
２）。この図４より明らかなように、約２分で平衡状態
になることが分かる（同３：尿素−ウレアーゼ反応）。
この場合の尿素濃度は１４．１ｍＭである。次に、尿素
溶液の濃度を変え同様の測定を行った。その結果、図５
のように尿素溶液滴下１分後の、尿素溶液濃度に対する
速度変化を示す検量線が得られた。
い、図３に示した位相差法により測定を行った。発振器
の励振周波数は５１．７ＭＨｚとした。図２中のａはレ
ファレンスを、また、ｂはセンシングポートを示してい
る。測定には両性イオン緩衝液であるヘペス水溶液を用
い、ＮａＯＨ水溶液を加えてｐＨ＝７．５に調整した。
このバッファの導電率は０．２２５Ｓ／ｍである。測定
では、バッファ中に尿素を溶かして基質溶液とした。図
４は、尿素−ウレアーゼ反応の時間応答測定結果を示し
ている。縦軸は速度変化である。測定では、最初にバッ
ファ溶液を２００μｌ滴下（図中１）し、安定した後に
４２．４ｍＭの尿素溶液を１００μｌを加えた（同
２）。この図４より明らかなように、約２分で平衡状態
になることが分かる（同３：尿素−ウレアーゼ反応）。
この場合の尿素濃度は１４．１ｍＭである。次に、尿素
溶液の濃度を変え同様の測定を行った。その結果、図５
のように尿素溶液滴下１分後の、尿素溶液濃度に対する
速度変化を示す検量線が得られた。
【００２９】図５に示す測定結果において、実際の測定
に用いたurea溶液最低濃度０．２７ｍＭの時の速度変化
は−０．７５８×１０-4であった。デバイスの遅延時間
温度係数（ＴＣＤ）が約１ｐｐｍ／℃（測定値）である
ことより、１ｐｐｍの速度変化が検出限界となる。この
値より３．０３×１０-3ｍＭの尿素溶液が検出限界と推
定される。実際の人間の血液中には通常３．３〜６．７
ｍＭの尿素が含まれており、腎臓病や心臓病になるとこ
の値が増加する。それゆえ、このＳＨ−ＳＡＷバイオセ
ンサは十分検出可能となる。
に用いたurea溶液最低濃度０．２７ｍＭの時の速度変化
は−０．７５８×１０-4であった。デバイスの遅延時間
温度係数（ＴＣＤ）が約１ｐｐｍ／℃（測定値）である
ことより、１ｐｐｍの速度変化が検出限界となる。この
値より３．０３×１０-3ｍＭの尿素溶液が検出限界と推
定される。実際の人間の血液中には通常３．３〜６．７
ｍＭの尿素が含まれており、腎臓病や心臓病になるとこ
の値が増加する。それゆえ、このＳＨ−ＳＡＷバイオセ
ンサは十分検出可能となる。
【００３０】もちろん、この発明は、以上の例によって
限定されるものではない。さらに各種の態様が可能であ
り、試料が少量でも有効な電子デバイスとして可能であ
る。
限定されるものではない。さらに各種の態様が可能であ
り、試料が少量でも有効な電子デバイスとして可能であ
る。
【００３１】
【発明の効果】この発明により、以上詳しく説明した通
り、弾性表面波デバイスによって、高精度で、小型な、
バイオセンサが実現される。
り、弾性表面波デバイスによって、高精度で、小型な、
バイオセンサが実現される。
【図１】ＳＨ−ＳＡＷセンサによるｐＨ検定線図であ
る。
る。
【図２】この発明のセンサデバイスを例示した平面図で
ある。
ある。
【図３】位相差法による測定系を示したブロック構成図
である。
である。
【図４】実施例としての尿素−ウレアーゼ反応の時間応
答図である。
答図である。
【図５】尿素濃度と伝搬速度変化との相関図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−256753（ＪＰ，Ａ) ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣＴＵＡ ＴＯＲＳ Ｂ 20 Ｐ．199−203 （1994)
Claims (1)
- 【請求項１】 ＳＨモード弾性表面波デバイスであっ
て、ＳＨ−弾性表面波の伝搬面上に電気的短絡と電気的
開放、および試料セルとを設け、この試料セル内に酵素
を固定してなることを特徴とする弾性表面波バイオセン
サ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4290560A JP2713534B2 (ja) | 1992-10-28 | 1992-10-28 | 弾性表面波バイオセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4290560A JP2713534B2 (ja) | 1992-10-28 | 1992-10-28 | 弾性表面波バイオセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06133759A JPH06133759A (ja) | 1994-05-17 |
| JP2713534B2 true JP2713534B2 (ja) | 1998-02-16 |
Family
ID=17757614
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4290560A Expired - Fee Related JP2713534B2 (ja) | 1992-10-28 | 1992-10-28 | 弾性表面波バイオセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2713534B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013065789A1 (ja) * | 2011-11-01 | 2013-05-10 | 日本無線株式会社 | 弾性表面波センサ |
| JP2013096867A (ja) * | 2011-11-01 | 2013-05-20 | Japan Radio Co Ltd | 弾性表面波センサ |
| JP2013096866A (ja) * | 2011-11-01 | 2013-05-20 | Japan Radio Co Ltd | 弾性表面波センサ |
| JP2013130526A (ja) * | 2011-12-22 | 2013-07-04 | Japan Radio Co Ltd | 弾性表面波センサ |
| JP2017130975A (ja) * | 2017-04-14 | 2017-07-27 | 日本無線株式会社 | 弾性表面波センサ |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB0026021D0 (en) * | 2000-10-24 | 2000-12-13 | Univ Cambridge Tech | Sensing apparatus and method |
| US7816837B2 (en) | 2003-07-04 | 2010-10-19 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Surface acoustic wave sensor |
| JP4504106B2 (ja) * | 2004-06-11 | 2010-07-14 | 株式会社アルバック | 表面弾性波素子による測定方法 |
| JP2006003267A (ja) * | 2004-06-18 | 2006-01-05 | Ulvac Japan Ltd | 弾性波素子及びこれを備えるバイオセンサ装置 |
| JP2006038584A (ja) * | 2004-07-26 | 2006-02-09 | Ulvac Japan Ltd | 化学センサー及び測定装置 |
| EP1788385A4 (en) | 2004-09-10 | 2014-04-09 | Murata Manufacturing Co | SENSOR FOR DETECTING A SUBSTANCE IN A LIQUID AND DEVICE FOR DETECTING A SUBSTANCE IN A LIQUID IN USE THEREOF |
| JP6128764B2 (ja) * | 2012-06-27 | 2017-05-17 | 京セラ株式会社 | バイオセンサ、検出方法、検出システム及び検出装置 |
-
1992
- 1992-10-28 JP JP4290560A patent/JP2713534B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ＳＥＮＳＯＲＳ ＡＮＤ ＡＣＴＵＡＴＯＲＳ Ｂ ２０ Ｐ．１９９−２０３（１９９４） |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013065789A1 (ja) * | 2011-11-01 | 2013-05-10 | 日本無線株式会社 | 弾性表面波センサ |
| JP2013096867A (ja) * | 2011-11-01 | 2013-05-20 | Japan Radio Co Ltd | 弾性表面波センサ |
| JP2013096866A (ja) * | 2011-11-01 | 2013-05-20 | Japan Radio Co Ltd | 弾性表面波センサ |
| US9678042B2 (en) | 2011-11-01 | 2017-06-13 | Japan Radio Co., Ltd. | Surface acoustic wave sensor |
| JP2013130526A (ja) * | 2011-12-22 | 2013-07-04 | Japan Radio Co Ltd | 弾性表面波センサ |
| JP2017130975A (ja) * | 2017-04-14 | 2017-07-27 | 日本無線株式会社 | 弾性表面波センサ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06133759A (ja) | 1994-05-17 |
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