JP4933956B2

JP4933956B2 - 弾性表面波センサ及び弾性表面波センサを備えた生体分子測定装置。

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Publication number: JP4933956B2
Application number: JP2007130862A
Authority: JP
Inventors: 崇小貝; 博美谷津田
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2027-05-16
Also published as: JP2008286606A

Description

本発明は、検体である液体に応じて弾性表面波（SAW：Surface Acoustic Wave）の伝搬特性が変化する弾性表面波センサ及び弾性表面波センサを備えた生体分子測定装置に関する。

弾性表面波センサは、検体である液体又は液体中に含まれる検体（検査対象となる物質）を検査（又は成分分析）するためのセンサである。この弾性表面波センサは、圧電性基板の表面上に弾性表面波を送受信するための送受信電極部を備えており、圧電性基板の表面を伝搬する弾性表面波の伝搬特性が、その圧電性基板（の弾性表面波の伝搬路）の表面の状態に応じて変化する、という特性を利用したセンサである。このような弾性表面波センサは、環境、食品、医療等の様々な分野で用いられている。

例えば、生体センサの分野では、弾性表面波の伝搬路上に検体を検出するための検出領域を形成したセンサが用いられている。一般的な弾性表面波センサでは、この検出領域には金属層が形成されている。上述したような生体センサでは、その金属層の表面上に更に抗体層が形成されている。このような生体センサは、抗体層に抗原溶液が導入されると、抗原抗体反応により抗原を捕集し、抗原溶液の導入前後で圧電性基板を伝搬する弾性表面波の伝搬特性が変化する。このため、その溶液の導入前後の弾性表面波の伝搬特性の変化を検出することより、捕集された抗原の量や溶液中の抗原の密度を検出することができる。

上述したような弾性表面波センサは、弾性表面波を送受信するための送受信電極部が外気に剥き出しの状態になっている。このため、検出領域に形成された抗体層に液体（検体）が導入されると、剥き出しの状態になっている送受信電極部周辺における雰囲気（例えば湿度）が変化する。このような送受信電極部上の雰囲気の変化は再現性の高いものではなく、したがって、弾性表面波センサを用いたセンシングの再現性そのものを低下させてしまう。このような課題に対しては、例えば、弾性表面波を送受信するための送受信電極部をケースなどにより外部から密閉するよう覆ってしまうという手法が有効である（特許文献１及び２）。

特開２００１−１５３７８１号公報特開２００６−１８４０１１号公報

弾性表面波センサの送受信電極部をケースなどにより外部から密閉するよう覆ってしまうと、そのケースの厚みにより送受信電極部と検出領域の間に金属による層が形成されていない開放構造が生じる。弾性表面波センサは、弾性表面波の伝搬路である送受信電極部と検出領域との間に開放構造が含まれると、バルク波（SSBW：Surface Skimming Bulk Wave）が生じやすくなり、その分だけ伝搬損失が生じやすくなる。

本発明の目的は、以上の課題を解決することにあり、送受信電極部と検出領域との間の伝搬特性が改善された弾性表面波センサ及び弾性表面波センサを備えた生体分子測定装置を実現することにある。

本発明は、圧電性基板と、前記圧電性基板の表面上に所定のパターンで形成され弾性表面波の送信を行う送信電極部と、前記圧電性基板の表面上に所定のパターンで形成され前記弾性表面波の受信を行う受信電極部と、を含む送受信電極部と、前記送信電極部と前記受信電極部との間に形成され、検体である液体が導入される検出領域と、前記送受信電極部を外部から密閉するよう覆う封止ケースと、を備え、前記検出領域に導入された検体である液体に応じて送信電極部から受信電極部への弾性表面波の伝搬特性が変化する弾性表面波センサであって、前記送信電極部と前記検出領域との間及び前記検出領域と前記受信電極部との間のうちの少なくとも一方に金属により形成され、前記弾性表面波のエネルギーを前記圧電性基板の表面に集中させるためのダミー電極部を備えることを特徴とする。

また、本発明では、前記ダミー電極部は、前記金属を前記送受信電極部側金属と前記検出領域側金属とに分ける所定の間隔のスリットを有し、前記封止ケースは、硬化性樹脂により形成され、検出領域側に最も近い端部が前記スリットを介して前記圧電性基板と接着していることが望ましい。

また、本発明では、前記封止ケースの外部かつ前記圧電性基板の表面上に形成された給電電極部と、前記給電電極部と前記送信電極部又は前記給電電極部と前記受信電極部とを接続するよう前記圧電性基板の表面上に所定のパターンで形成され、前記封止ケースと交差する面に孔が形成された取り出し電極部と、を備え、前記封止ケースは、前記孔を介して前記圧電性基板と接着していることが望ましい。

また、本発明は、上述の弾性表面波センサと、前記送信電極部に対して弾性表面波を送信させるための送信信号を供給する手段と、前記受信電極部が弾性表面波を受信することにより発生する受信信号を検出する手段と、前記送信信号及び受信信号に基づいて前記検出領域に導入された検体である液体を測定する手段と、を有する測定部と、を備えた生体分子測定装置であることを特徴とする。

本発明によれば、送受信電極部と検出領域との間の伝搬特性が改善された弾性表面波センサ及び弾性表面波センサを備えた生体分子測定装置を実現することができる。

以下、本実施形態に係る弾性表面波センサについて、図面を用いて詳細に説明する。図１〜４は、本実施形態に係る弾性表面波センサ（及びその弾性表面波センサを搭載した生体分子測定装置）の構成を示す図である。なお、本実施形態に係る弾性表面波センサは、Ｃ反応性タンパク（抗原）を捕集する生体センサに適用されているものとする。

「第１の実施形態」
図１は、第１の実施形態に係る弾性表面波センサ１００の上面及び断面の構成を示す図である。なお、図１における上面の図は、後述する封止天井１５３（及び１６３）及び接着層１５５（及び１６５）が取り除かれた状態の弾性表面波センサ１００を示す。また、図１における断面の図は、（上面から見て）弾性表面波センサ１００中央の断面図を示す。

図１に示す弾性表面波センサ１００は、圧電性基板１１０と、送信電極部１２０と、受信電極部１３０と、検出領域１４０と、送信電極部側の封止ケース１５０と、受信電極部側の封止ケース１６０と、を備え、さらに、送信電極部側のダミー電極部１７１と、受信電極部側のダミー電極部１７２と、を備えている。

後述するように、弾性表面波センサ１００は、ダミー電極部１７１により送信電極部１２０と検出領域１４０との間の伝搬特性を、ダミー電極部１７２により検出領域１４０と受信電極部１３０との間の伝搬特性を、各々改善している。すなわち、ダミー電極部１７１及び１７２があることで、弾性表面波（SAW）を伝搬し易くしバルク波（SSBW）の発生を抑制している。

ここで、圧電性基板１１０は、その表面上に弾性表面波が励振及び伝搬される基板であり、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ランガサイト等の圧電性素材により形成されている。

送信電極部１２０は、前述した圧電性基板１１０の表面上に櫛歯状のパターンにより形成された金属（例えばＡｕやＡｕ合金など）の電極である。この送信電極部１２０は、所定の周波数（例えば５０ＭＨｚ）の送信信号が入力されることにより、前述した圧電性基板１１０の表面上に弾性表面波を送信（励振）する。なお、送信電極部１２０にて送信される弾性表面波は、横波型弾性表面波（SH-SAW：Shear Horizontal - Surface Acoustic Wave）である。

受信電極部１３０は、前述した送信電極部１２０と同様に、前述した圧電性基板１１０の表面上（送信電極部１２０と同一面上）に櫛歯状のパターンにより形成された金属（同様にＡｕやＡｕ合金など）の電極である。この受信電極部１３０は、圧電性基板１１０を伝搬してきた弾性表面波を受信して所定の周波数の受信信号を出力する。

検出領域１４０は、金属層１４１と、抗体層１４３と、を有している。この金属層１４１は、例えば送信電極部１２０や受信電極部１３０と同様にＡｕやＡｕ合金などにより形成されている。また、抗体層１４３は、自己組織化膜（例えばシステアミン及びグルタルアルデヒド等）を介して金属層１４１と結合した抗体の層である。この検出領域１４０には、後述するように、検体である液体（例えばＣ反応性タンパクを含む溶液）が導入される。

送信電極部側の封止ケース１５０は、封止壁１５１と、封止天井１５３と、接着層１５５と、を備えている。この封止ケース１５０は、前述した送信電極部１２０を外部から密閉して送信電極部１２０上に空間を形成するように覆うケースである。これにより、検出領域１４０における雰囲気（例えば湿度）の変化があったとしても送信電極部１２０は、その影響を受けにくくなる（又はその影響を全く受けなくなる）。

封止壁１５１は、前述した送信電極部１２０を覆う壁である。また、封止壁１５１は、感光性樹脂（例えばＳＵ−８等の感光性エポキシ樹脂）により形成されており、フォトリソグラフィにより形成される。前述した感光性樹脂は前述した圧電性素材との接着性が高く密封度を上げるのに好適である。

なお、封止壁１５１の形成におけるフォトリソグラフィのプロセスとしては、（１）弾性表面波センサ上に感光性樹脂を塗布（２）マスキング及び露光（３）洗浄又はエッチング、というプロセスがある。

封止天井１５３は、前述した封止壁１５１上側を塞ぎ外部から密閉するための天井である。この封止天井１５３は、封止壁１５１上側を塞ぐものであれば何でもよいが、センシングに対する影響の小さいガラス基板などが好ましい。

接着層１５５は、封止壁１５１と封止天井１５３との間に設けられ、封止壁１５１と封止天井１５３とを接着するための層である。なお、この接着層１５５は、封止壁１５１と、封止天井１５３と、の間を密封して接着できればどのような素材でできていてもよい。

また、受信電極部側の封止ケース１６０は、前述した送信電極部側の封止ケース１５０と同様な構成である。すなわち、封止ケース１６０は、封止壁１６１と、封止天井１６３と、接着層１６５と、を備えており、前述した受信電極部１３０を外部から密封して受信電極部１３０上に空間を形成するように覆うケースである。これにより、検出領域１４０における雰囲気の変化があったとしても受信電極部１３０は、その影響を受けにくくなる。

送信電極部側のダミー電極部１７１は、送信電極部１２０と検出領域１４０との間に金属（例えばＡｕやＡｕ合金など）により圧電性基板１１０の表面上に形成された電極部である。また、図１の断面で示される構造図のように、送信電極部側のダミー電極部１７１は、送信電極部側の封止ケース１５０の封止壁１５１の底面と接着している。後述するように、この送信電極部側のダミー電極部１７１が、送信電極部１２０と検出領域１４０との間の弾性表面波（SAW）を伝搬し易くしバルク波（SSBW）の発生を抑制している。なお、コスト等の観点から、ダミー電極部１７１の形成は、送信電極部１２０、受信電極部１３０及び金属層１４１の形成と共に行うのが好ましい。

受信電極部側のダミー電極部１７２は、前述の送信電極部側のダミー電極部１７１と同様な構成である。すなわち、受信電極部側のダミー電極部１７２は、検出領域１４０と受信電極部１３０との間に金属（同様にＡｕやＡｕ合金など）により圧電性基板１１０の表面上に形成され、受信電極部側の封止ケース１６０の封止壁１６１の底面と接着している。同様に、この受信電極部側のダミー電極部１７２が、検出領域１４０と受信電極部１３０との間の弾性表面波（SAW）を伝搬し易くしバルク波（SSBW）の発生を抑制している。ダミー電極部１７２についても同様に、送信電極部１２０、受信電極部１３０及び金属層１４１の形成と共に形成するのが好ましい。なお、このダミー電極部１７１及び１７２は、少なくとも一方あればよい（好ましくは両方あるとよい）。

次に、図１に示す弾性表面波センサ１００の動作について説明する。弾性表面波センサ１００は、図示しない信号発生器により送信電極部１２０に所定の周波数（例えば５０ＭＨｚ）の信号が入力されると、圧電性基板１１０の表面上に弾性表面波（SH-SAW）を送信（励振）する。このように送信された弾性表面波は、送信電極部１２０から受信電極部１３０の方向（及びその逆方向）に対して伝搬する。

送信電極部１２０から検出領域１４０に伝搬する弾性表面波は、送信電極部側のダミー電極部１７１を介して伝搬される。このとき、送信電極部１２０から送信された弾性表面波の主なエネルギーは、弾性表面波が比較的伝搬し易い（金属で形成された）ダミー電極部１７１に弾性表面波（SH-SAW）として伝搬していく。このため、相対的にダミー電極部１７１下の（圧電性素材で形成された）圧電性基板１１０に発生するバルク波（SSBW）が減る。したがって、送信電極部１２０から検出領域１４０への挿入損失が低減されて弾性表面波センサ１００の伝搬特性が改善される。

同様に検出領域１４０から受信電極部１３０に伝搬される弾性表面波は、主なエネルギーが（金属で形成された）受信電極部側のダミー電極部１７２を介して弾性表面波（SH-SAW）として伝搬され、検出領域１４０から受信電極部１３０への挿入損失が低減されて弾性表面波センサ１００の伝搬特性が改善される。

受信電極部１３０では、受信した弾性表面波に応じた受信信号が出力される。ここで外部装置等により、送信電極部１２０に入力した送信信号と、受信電極部１３０から出力された受信信号と、を比較することにより、送信電極部１２０から受信電極部１３０までの信号の伝搬特性（例えば位相特性等）が取得される。

次に、検体である抗原を含む溶液（Ｃ反応性タンパクを含む溶液）が検出領域１４０に導入される（なお、ここで言う「導入」は、主に溶液の滴下などを示すが、後述するような溶液の中に弾性表面波センサ１００を浸す場合も含まれる）。検出領域１４０に形成された抗体層１４３は、抗原抗体反応により、導入された溶液から抗原を捕集する。また、このように捕集された抗原により、検出領域１４０の表面の状態が変化する。

このように、検出領域１４０の表面の状態が変化したのち、前述したのと同様な手法で弾性表面波センサ１００における弾性表面波の伝搬特性を取得する。このように取得した検体導入後の弾性表面波の伝搬特性と、前述した検体導入前の弾性表面波の伝搬特性と、を比較し、その伝搬特性の変化を検出することにより、捕集した抗原の量または密度（又は濃度）を検出することができる。

また、前述したように、弾性表面波センサ１００の表面上の伝搬特性が改善されているため、従来に比べて、受信信号の信号対雑音比ＳＮＲが改善される。これにより、本実施形態に係る弾性表面波センサ１００は、より精度の良い測定をすることが出来る。さらに、本実施形態に係る弾性表面波センサ１００は、上述のように圧電性基板上の伝搬特性が改善されるため、送信信号を微弱信号にすることも可能である。これにより、消費電力の低減化や検体に与える影響（例えば熱など）の最小化なども実現することができる。

また、弾性表面波センサ１００は、検出領域１４０に検体である抗原を含む溶液が導入されたことにより、その近辺の雰囲気（例えば湿度）が変化する。一方、送信電極部１２０及び受信電極部１３０の近辺は、前述したように送信電極部側の封止ケース１５０及び受信電極部側の封止ケース１６０により外部から遮蔽されている。これにより、送信電極部１２０及び受信電極部１３０は、検出領域１４０に溶液が導入されたことによる雰囲気の変化の影響を受けることがない。

このように、本実施形態に示す弾性表面波センサでは、送信電極部と検出領域との間及び検出領域と受信電極部との間のうちの少なくとも一方に金属により形成され、弾性表面波のエネルギーを圧電性基板の表面に集中させるためのダミー電極部を備えることにより、送信電極部から受信電極部への伝搬特性を改善することができる。また、本実施形態に示す弾性表面波センサのダミー電極部は、送受信電極部を形成する際に一緒に形成することができるため、その製造も容易である。

「第２の実施形態」
次に、第２の実施形態に係る弾性表面波センサについて説明する。上述した第１の実施形態に係る弾性表面波センサは、送信電極部側のダミー電極部（又は受信電極部側のダミー電極部）は、金属（例えばＡｕやＡｕ合金など）により形成されており、感光性樹脂（例えばＳＵ−８等の感光性エポキシ樹脂）により形成された封止ケースの底面と接着している。

一般的に、金属（特にＡｕ）と感光性樹脂（特にＳＵ−８）とは接着性が高いものではない。このため、温度や湿度更には経年的な変化に伴い送信電極部側のダミー電極部（又は受信電極部側のダミー電極部）と封止ケースとの接着性が損なわれると、接着部のひび割れやこれに伴う剥離などを引き起こし易くなってしまう。そこで、本実施形態に係る弾性表面波センサでは、送信電極部側のダミー電極部（又は受信電極部側のダミー電極部）と封止ケースとの接着性を高め、接着部のひび割れやこれに伴う剥離などに対する耐性を高める。以下、これについて説明する。

図２は、第２の実施形態に係る弾性表面波センサ２００の構成の上面及び断面を示す図である。図２に示す弾性表面波センサ２００が前述した弾性表面波センサと異なる点は、以下のように、送信電極部側のダミー電極部２７１（及び受信電極部側のダミー電極部２７２）に、封止ケース２５０及び２６０と圧電性基板２１０とを直接接続するためのスリットが設けられている点である。

すなわち、ダミー電極部２７１（及びダミー電極部２７２）は、それを形成する金属を送受信電極部側金属と検出領域側金属とに分ける所定の間隔のスリット２７５（及び２７６）を有している。また、封止ケース２５０（及び２６０）は、硬化性樹脂により形成され、検出領域２４０側に最も近い端部がスリット２７５（及び２７６）を介して圧電性基板２１０と接着している。

これにより、図２に示す弾性表面波センサ２００は、ダミー電極部２７１（又はダミー電極部２７２）と封止壁２５１（又は２６１）との接着性を高め、接着部のひび割れやこれに伴う剥離などに対する耐性を高めている。なお、封止ケース２５０（及び２６０）を形成する硬化性樹脂としては、ＵＶ硬化性のエポキシ樹脂が好適であるが、これに限らず他の樹脂であってもよい。

さらに、ダミー電極部２７１（及びダミー電極部２７２）は、それを形成する金属を所定の間隔で格子状に設けた構成にしてもよい。これにより、封止ケース２５０（及び２６０）は、検出領域２４０側に最も近い端部だけでなく、その格子のスリット間からも圧電性基板２１０に接着することができ、より接着性を高めることができる。なお、前述した格子状の間隔は、伝搬特性なども考慮し適宜設計するのが望ましい。

「第３の実施形態」
次に、第３の実施形態に係る弾性表面波センサについて説明する。図３は、第３の実施形態に係る弾性表面波センサ３００の構成の上面及び断面を示す図である。また、図３のＡ部は、後述する取り出し電極部３９０の拡大図である。図３に示す弾性表面波センサ３００が前述した弾性表面波センサと異なる点は、後述する取り出し電極部３９０に封止ケース３５０及び３６０と圧電性基板３１０とを直接接続するためのスリットが設けられている点である。

給電電極部３８０は、封止ケース３５０（及び３６０）の外部かつ圧電性基板３１０の表面上に金属により形成されている。また、取り出し電極部３９０は、給電電極部３８０と送信電極部３２０（又は受信電極部３３０）を接続するよう圧電性基板３１０の表面上に所定のパターンで形成されている。さらに、この取り出し電極部３９０は、封止ケース３５０（及び３６０）と交差する面（Ａ）に孔３９１が形成されている。そして、封止ケース３５０（及び３６０）は、この孔３９１を介して圧電性基板３１０と接着している。

これにより、封止ケース３５０（及び３６０）の外部に信号を引き出す際に必要となる取り出し電極部３９０を封止ケース３５０（及び３６０）と交差するよう形成しても、封止ケース３５０（及び３６０）は、この孔３９１を介して圧電性基板３１０と接着しているため、その接着性を確保することができる。

「第４の実施形態」
次に、第４の実施形態に係る弾性表面波センサを備えた生体分子測定装置について説明する。前述した弾性表面波センサは、送受信電極部が封止ケースで覆われており、検体である溶液に浸けるディップ型のセンサとしても適用できる。

図４は、第４の実施形態に係る弾性表面波センサ４００を備えた生体分子測定装置の構成を示す図である。この生体分子測定装置は、前述した弾性表面波センサ４００と、その弾性表面波センサ４００への入出力信号を処理する測定部５００と、を備えている（弾性表面波センサ４００は、前述した弾性表面波センサ１００〜３００のいずれかと同様なものであればよい）。

測定部５００は、その内部に、弾性表面波センサ４００の送信電極部に対して弾性表面波を送信させるための送信信号を供給する回路と、弾性表面波センサ４００の受信電極部が弾性表面波を受信することにより発生する受信信号を検出する回路と、送信信号及び受信信号に基づいて弾性表面波センサ４００が浸けられた検体である溶液６００を測定する回路と、を有している。前述したように、弾性表面波センサ４００は、その伝搬特性が改善されているため、溶液６００に浸されたとしても、検体を精度良く検出することができる。

第１の実施形態に係る弾性表面波センサの構成を表す図である。第２の実施形態に係る弾性表面波センサの構成を表す図である。第３の実施形態に係る弾性表面波センサの構成を表す図である。第４の実施形態に係る弾性表面波センサを備えた生体分子測定装置の構成を表す図である。

符号の説明

１００，２００，３００，４００弾性表面波センサ、１１０，２１０，３１０圧電性基板、１２０，２２０，３２０送信電極部、１３０，２３０，３３０受信電極部、１４０，２４０，３４０検出領域、１５０，１６０，２５０，２６０，３５０，３６０封止ケース、１７１，１７２，２７１，２７２，３７１，３７２ダミー電極部。

Claims

圧電性基板と、
前記圧電性基板の表面上に所定のパターンで形成され弾性表面波の送信を行う送信電極部と、前記圧電性基板の表面上に所定のパターンで形成され前記弾性表面波の受信を行う受信電極部と、を含む送受信電極部と、
前記送信電極部と前記受信電極部との間に形成され、検体である液体が導入される検出領域と、
前記送受信電極部を外部から密閉するよう覆う封止ケースと、
を備え、
前記検出領域に導入された検体である液体に応じて送信電極部から受信電極部への弾性表面波の伝搬特性が変化する弾性表面波センサであって、
前記送信電極部と前記検出領域との間及び前記検出領域と前記受信電極部との間のうちの少なくとも一方に金属により形成され、前記弾性表面波のエネルギーを前記圧電性基板の表面に集中させるためのダミー電極部を備えることを特徴とする弾性表面波センサ。
請求項１に記載の弾性表面波センサであって、
前記ダミー電極部は、前記金属を前記送受信電極部側金属と前記検出領域側金属とに分ける所定の間隔のスリットを有し、
前記封止ケースは、硬化性樹脂により形成され、検出領域側に最も近い端部が前記スリットを介して前記圧電性基板と接着していることを特徴とする弾性表面波センサ。
請求項１又は２に記載の弾性表面波センサであって、
前記封止ケースの外部かつ前記圧電性基板の表面上に形成された給電電極部と、
前記給電電極部と前記送信電極部又は前記給電電極部と前記受信電極部とを接続するよう前記圧電性基板の表面上に所定のパターンで形成され、前記封止ケースと交差する面に孔が形成された取り出し電極部と、
を備え、
前記封止ケースは、前記孔を介して前記圧電性基板と接着していることを特徴とする弾性表面波センサ。
請求項１から３のいずれかに記載の弾性表面波センサと、
前記送信電極部に対して弾性表面波を送信させるための送信信号を供給する手段と、前記受信電極部が弾性表面波を受信することにより発生する受信信号を検出する手段と、前記送信信号及び受信信号に基づいて前記検出領域に導入された検体である液体を測定する手段と、を有する測定部と、
を備えることを特徴とする生体分子測定装置。