JP5195926B2

JP5195926B2 - 弾性波センサー

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Publication number: JP5195926B2
Application number: JP2010546462A
Authority: JP
Inventors: 耕治藤本; 健二朗岡口
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-01-13
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2029-12-03
Also published as: WO2010082266A1; JPWO2010082266A1

Description

本発明は弾性波センサーに関し、詳しくは、弾性波が伝搬する領域の質量負荷の変化に伴う周波数の変化に基づいて被測定物質を測定する弾性波センサーに関する。

従来、弾性波素子を用いた弾性波センサーが、バイオセンサーやガスセンサーなどに用いられている。

弾性波センサーの動作原理について、図４を参照しながら説明する。図４（ａ）及び（ｃ）の断面図に示すように、弾性波センサー１０１は、圧電基板１０２上に、弾性波素子を形成するためのすだれ状電極であるＩＤＴ（inter-digital transducer）電極１０３と反応膜１０４とが形成され、ＩＤＴ電極１０３は反応膜１０４で覆われている。

図４（ａ）に示すように反応膜１０４上に液体１０５が接すると、ＩＤＴ電極１０３を含む弾性波素子により測定される周波数特性が変化する。例えば、図４（ｂ）の波形図において符号Ａで示す周波数特性から符号Ｂで示す周波数特性に変化する。

図４（ｃ）に示すように反応膜１０４上に接する液体１０５中に、反応膜１０４と結合する物質１０６が存在すると、反応膜１０４に物質１０６が結合することによりＩＤＴ電極１０３への質量負荷が、液体１０５中に物質１０６がない場合よりも、増加する。そのため、ＩＤＴ電極１０３を含む弾性波素子により測定される周波数特性は、図４（ｄ）の波形図において符号Ａで示す周波数特性から符号Ｃで示す周波数特性に変化する。

このように反応膜１０４と結合する物質１０６の有無によって周波数特性Ｂ，Ｃが異なることに基づいて、物質１０６を測定することができる（例えば、特許文献１参照）。

このような質量付加効果は、ＳＨ波を用いた弾性波センサーでは、
Δｆ／ｆ＝−ｋ_２・Δｍ・ｆ・・・（１）
となる。ここで、Δｆ：周波数変化、ｆ：周波数、ｋ_２：圧電基板に依存した係数、Δｍ：面密度、すなわち単位面積あたりの質量変化である（例えば、非特許文献１参照）。

また、図５に示すように、攪拌用弾性波を励振する励振電極２２０，２２２の間に、測定用の弾性波素子２１２の感応膜２１６と基準用の弾性波素子２１４の非感応膜２１８とを形成し、検体を攪拌しながら測定する弾性波センサーが提案されている（例えば、特許文献２）。

国際公開第２００５／００３７５２号パンフレット特開２００７−２５５９８８号公報

塩川祥子、近藤淳、"弾性波センサーの基礎と応用"、第３２回ＥＭシンポジウム予稿集、電気学会、平成１５年５月１５−１６日、ｐ．７７−８４

しかしながら、図５の弾性波センサーのように攪拌用の弾性波素子を用いる場合、攪拌用の弾性波素子によって励振された弾性波がセンシング領域上に伝搬している状態であるため、その振動によってセンシング領域上の被測定物質の付着が減ったり、また、その付着量が安定しないという問題点がある。

本発明は、かかる実情に鑑み、高感度、かつ再現性の良好な弾性波センサーを提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下のように構成した弾性波センサーを提供する。

弾性波センサーは、（ａ）その一方主面側に液体が配置される圧電基板と、（ｂ）前記圧電基板の前記一方主面上に形成され、それぞれＩＤＴ電極を有する、第１及び第２の弾性波素子と、（ｃ）前記第１の弾性波素子の弾性波が伝搬する第１の領域上に配置され、前記液体中に含まれる被測定物質によって前記第１の弾性波素子への質量負荷を変化させる感応物質とを備える。前記圧電基板の前記一方主面側に配置された前記液体が前記第２の弾性波素子によって攪拌され、前記感応物質による前記第１の弾性波素子への前記質量負荷の変化に伴って前記第１の弾性波素子によって測定される周波数が変化する。前記第２の弾性波素子は、前記第２の弾性波素子の弾性波が伝搬する第２の領域が、前記第１の弾性波素子の弾性波が伝搬する前記第１の領域から離れて形成されている。

上記構成において、感応物質は、被測定物質を吸着したり、被測定物質と化学反応を起こしたりして、第１の弾性波素子への質量負荷を変化（増減）させる。この質量負荷の変化に伴って第１の弾性波素子により測定される周波数が変化することに基づいて、被測定物質を測定することができる。第２の弾性波素子は液体を攪拌し、液体中の被測定物質が感応物質に接近する確率を高め、第１の弾性波素子への質量負荷変化を促進する。これによって、被測定物質の測定感度を向上させることができる。

上記構成によれば、液体中の被測定物質を測定するための感応物質は、第１の弾性波素子の弾性波が伝搬する第１の領域上に配置され、感応物質には、液体を攪拌するための第２の弾性波素子の弾性波が伝搬しない。そのため、液体を攪拌するための第２の弾性波素子の弾性波が液体中の被測定物質を測定するための感応物質に伝搬する場合と比べ、感応物質が被測定物質に接近又は接触する時間が長くなり、被測定物質の付着等による質量負荷変化が促進され、測定感度が向上する。また、被測定物質の付着量等が安定する。

したがって、被測定物質を高精度に、かつ、再現性よく測定することができる。

好ましくは、前記第２の弾性波素子は、前記ＩＤＴ電極の振動伝搬方向両側に配置された反射器を有する共振子型の弾性波素子である。

この場合、第１及び第２の弾性波素子を互いに近づけ、隣接するように配置して、被測定物質の測定感度を向上させることができる。すなわち、攪拌用の第２の弾性波素子の弾性波は反射器の間に閉じ込められるため、第２の弾性波素子を第１の弾性波素子を近づけて配置しても、第１の弾性波素子の弾性波が伝搬する第１の領域上に配置された感応物質には、第２の弾性波素子の弾性波が伝搬しないようにして、被測定物質の測定感度を高めることができる。また、第１及び第２の弾性波素子を近づけることによって、液体の攪拌による測定感度向上効果を高めることができる。

好ましくは、前記第１の弾性波素子の弾性波の振動伝搬方向と、前記第２の弾性波素子の弾性波の振動伝搬方向とが、間隔を設けて平行である。

この場合、第１及び第２の弾性波素子を互いに近づけ、隣接するように配置して、被測定物質の測定感度を向上させることができる。すなわち、第１の弾性波素子の弾性波の振動伝搬方向と第２の弾性波素子の弾性波の振動伝搬方向とが同一直線上に重ならないため、第１及び第２の弾性波素子を互いに隣接して配置しても、第１の弾性波素子の弾性波が伝搬する第１の領域上に配置された感応物質に第２の弾性波素子の弾性波が伝搬しないようにして、被測定物質の測定感度を高めることができる。また、第１及び第２の弾性波素子を近づけることによって、液体の攪拌による測定感度向上効果を高めることができる。

また、本発明は、弾性波センサーを用いた測定方法を提供する。

弾性波センサーを用いた測定方法は、上記各構成の弾性波センサーを用いて液体中の被測定物質を測定する。前記圧電基板の前記一方主面側に液体を配置し、前記液体を前記第２の弾性波素子によって攪拌しながら、前記第１の弾性波素子により所定時間経過前後の周波数を測定する。前記所定時間経過中に前記第２の弾性波素子の駆動を停止する。

上記方法において、第１の弾性波素子は、周波数を測定する所定時間経過前後において駆動され、所定時間経過中には駆動が停止されている。第１の弾性波素子の弾性波が伝搬する第１の領域上に配置された感応物質は、所定時間経過中に第１の弾性波素子からの弾性波による振動が発生しなくなり、被測定物質と接近又は接触しやすくなり、質量負荷の変化が促進される。したがって、高感度に、かつ再現性よく、被測定物質を測定することができる。

本発明によれば、高感度、かつ再現性の良好な弾性波センサーを提供することができる。

弾性波センサーの構成を示す概略図である。（実施例１、２）弾性波センサーの動作を説明する模式図である。（実施例１）弾性波センサーの周波数変化のグラフである。（実施例１）弾性波センサー測定原理を示す断面図及びグラフである。（従来例１）弾性波センサーの模式図である。（従来例２）。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図３を参照しながら説明する。

＜実施例１＞本発明の実施例１の弾性波センサーについて、図１（ａ）、図２及び図３を参照しながら説明する。

図１（ａ）は、実施例１の弾性波センサーの構成を模式的に示す断面図である。図１（ａ）に示すように、実施例１の弾性波センサーは、圧電基板の同一面上に、２つの弾性波素子１０，２０が互いに隣接するように形成されている。

弾性波素子１０，２０は、それぞれ、ＩＤＴ電極１１，２１と、ＩＤＴ電極１１，２１の振動伝搬方向両側に配置された反射器１６，１８；２６，２８とを有する。ＩＤＴ電極１１，２１は、それぞれ互いに間挿し合う複数本の電極指を有する一対のくし形電極１２，１４；２２，２４により構成されている。くし形電極１２，１４；２２，２４は、不図示の測定回路又は駆動回路に接続される。

弾性波素子１０，２０は、それぞれの弾性波（弾性表面波など）の振動伝搬方向が同一直線上に重なるように形成されている。弾性波素子１０，２０は、共振子型の弾性波素子であり、反射器１６，１８；２６，２８の間に振動が閉じ込められようになっている。すなわち、第１の弾性波素子１０の弾性波が伝搬する第１の領域と、第２の弾性波素子２０の弾性波が伝搬する第２の領域が離れるように形成されている。

図示していないが、第１の弾性波素子１０の弾性波が伝搬する第１の領域上には、被測定物質を吸着したり、被測定物質と化学反応を起こしたりして、第１の弾性波素子への質量負荷を変化（増減）させる感応物質が配置されている。

弾性波センサーは、例えば不図示の液溜め部や流路の底面に配置され、弾性波センサー上には液体が配置され、第１の弾性波素子１０の弾性波が伝搬する第１の領域上に配置された感応物質は液体に接する。この液体中に被測定物質が含まれていると、第１の弾性波素子１０への質量負荷が変化（増減）し、弾性波の伝搬特性が変化するため、第１の弾性波素子１０により測定される周波数特性が変化する。この変化に基づいて、被測定物質を測定することができる。

第２の弾性波素子２０は液体を攪拌し、液体中の被測定物質が感応物質に接近する確率を高め、第１の弾性波素子１０に対する質量負荷変化を促進する。

第２の弾性波素子２０により励振された弾性波は、第１の弾性波素子１０の振動領域に伝搬しないため、第１の弾性波素子１０上に形成された感応物質は、液体を攪拌するための弾性波素子の弾性波が感応物質に伝搬する場合と比べ、被測定物質に接近又は接触する時間が長くなる。そのため、被測定物質による質量負荷変化が促進され、測定感度が向上する。

次に、弾性波センサーの作製例について、図２の模式図を参照しながら説明する。

図２（ａ）に示すように、圧電基板２の同一面上にセンシング用の弾性波素子１０と攪拌用の弾性波素子２０とが形成され、センシング用の弾性波素子２０上に抗体３０が配置された弾性波センサーを準備する。図示していないが、圧電基板２上に、弾性波素子１０，２０を覆うようにＳｉＯ_２膜を形成し、シランカップリング剤をＳｉＯ_２膜上に形成し、その後抗体３０を付与する。

次いで、図２（ｂ）に示すように、圧電基板２上に、被測定物質である抗原４０が含まれている検体を、滴下、もしくはフローする。

そして、図２（ｃ）に示すように抗原４０が抗体３０に捕らわれると、センシング用の弾性波素子１０の周波数が変化する。

攪拌用の弾性波素子２０は、検体を攪拌するため、常時発振させることにより、抗体３０による抗原４０の捕捉を促進する。

センシング用の弾性波素子１０の周波数は、連続的に測定しても、間欠的に測定してもよい。連続的に測定する場合には、センシング用の弾性波素子１０を常時発振させる必要がある。間欠的に測定する場合には、測定時以外は発振を停止してもよい。

図３のグラフは、弾性波素子１０，２０間の距離と、所定時間経過前後の周波数変化との関係を示すグラフである。◆は、所定時間経過中もセンシング用の弾性波素子１０を常時発振させた場合の測定結果である。■は、所定時間経過中、すなわち所定時間経過前後において測定を行うとき以外は、センシング用の弾性波素子１０の駆動（発振）を停止した場合の測定結果である。

図３のグラフの横軸は、センシング用の弾性波素子１０と攪拌用の弾性波素子２０との中心間距離である。縦軸は、周波数変化Δｆであり、センシング用の弾性波素子１０により所定時間経過前に測定した周波数ｆ１、所定時間経過後に測定した周波数ｆ２とすると、Δｆ＝（ｆ１−ｆ２）／ｆ１である。

図３によると、攪拌用の弾性波素子２０をセンシング用の弾性波素子１０に近づけるほど、測定感度が向上することが分かる。これは、攪拌用の弾性波素子２０をセンシング用の弾性波素子１０に近づけるほど、検体が攪拌された効果が大きくなり、検体中の抗原４０が抗体３０に付着する確率が増えるためと考えられる。

攪拌用の弾性波素子２０とセンシング用の弾性波素子１０とが相対的に大きく離れているときには、所定時間経過中にもセンシング用の弾性波素子１０を常時発振させた場合の方が、所定時間経過前後において測定を行うとき以外はセンシング用の弾性波素子１０の駆動（発振）を停止した場合よりも、測定感度がよくなる。これは、センシング用の弾性波素子１０の発振によっても検体が攪拌され、攪拌不足が補われ、検体中の抗原４０が抗体３０に付着する確率が相対的に大きくなるためと考えられる。

一方、攪拌用の弾性波素子２０とセンシング用の弾性波素子１０とが相対的に接近しているときには、所定時間経過前後において測定を行うとき以外はセンシング用の弾性波素子１０の駆動（発振）を停止した場合の方が、測定感度がよくなる。これは、攪拌用の弾性波素子２０により十分に検体が攪拌されている状態では、センシング用の弾性波素子１０の発振を停止して抗体３０が振動しないようにすることで、検体中の抗原４０が抗体３０に接近又は接触する時間が長くなり、抗原４０の捕捉が促進されるためと考えられ。

＜実施例２＞実施例２の弾性波素子について、図１（ｂ）を参照しながら説明する。

実施例２の弾性波素子は、実施例１の弾性波素子と略同様に構成されている。以下、実施例１と同じ部分には同じ符号を用い、実施例１との相違点を中心に説明する。

図１（ｂ）に示すように、実施例２の弾性波センサーは、センシング用の弾性波素子１０と攪拌用の弾性波素子２０の配置態様が、実施例１の弾性波センサーと異なる。すなわち、弾性波素子１０，２０は、それぞれの弾性波の振動伝搬方向が間隔を設けて平行になるように形成されている。

実施例２の弾性波センサーは、弾性波素子１０，２０を互いに近づけ、隣接するように配置して、被測定物質の測定感度を向上させることができる。すなわち、弾性波素子１０，２０を近づけることによって、液体の攪拌による測定感度向上効果を高めることができる。弾性波素子１０，２０を互いに隣接して配置しても、センシング用の弾性波素子１０の弾性波が伝搬する第１の領域上に配置された不図示の感応物質には、攪拌用の弾性波素子２０の弾性波が伝搬しないため、被測定物質の測定感度を高めることができる。

＜まとめ＞以上に説明したように、センシング用の弾性波素子と攪拌用の弾性波素子とを、それぞれの弾性波が干渉しないように隣接して配置することで、高感度、かつ再現性の良好な弾性波センサーを提供することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変更を加えて実施することが可能である。

例えば、圧電基板の同一面上に形成する２つの弾性波素子は、それぞれの弾性波が伝搬する振動領域が離れていれば、それぞれの弾性波の振動伝搬方向の延長線が同一直線上や平行に限らず、交差するように形成してもよい。

１０弾性波素子
１１ＩＤＴ電極
１２，１４くし形電極
１６，１８反射器
２０弾性波素子
２１ＩＤＴ電極
２２，２４くし形電極
２６，２８反射器
３０抗体
４０抗原

Claims

その一方主面側に液体が配置される圧電基板と、
前記圧電基板の前記一方主面上に形成され、それぞれＩＤＴ電極を有する、第１及び第２の弾性波素子と、
前記第１の弾性波素子の弾性波が伝搬する第１の領域上に配置され、前記液体中に含まれる被測定物質によって前記第１の弾性波素子への質量負荷を変化させる感応物質と、
を備え、
前記圧電基板の前記一方主面側に配置された前記液体が前記第２の弾性波素子によって攪拌され、前記感応物質による前記第１の弾性波素子への前記質量負荷の変化に伴って前記第１の弾性波素子によって測定される周波数が変化する、弾性波センサーであって、
前記第２の弾性波素子は、前記第２の弾性波素子の弾性波が伝搬する第２の領域が、前記第１の弾性波素子の弾性波が伝搬する前記第１の領域から離れて形成されたことを特徴とする、弾性波センサー。
前記第２の弾性波素子は、前記ＩＤＴ電極の振動伝搬方向両側に配置された反射器を有する共振子型の弾性波素子であることを特徴とする、請求項１に記載の弾性波センサー。
前記第１の弾性波素子の弾性波の振動伝搬方向と、前記第２の弾性波素子の弾性波の振動伝搬方向とが、間隔を設けて平行であることを特徴とする、請求項１に記載の弾性波センサー。
請求項１、２又は３に記載の弾性波センサーを用いて液体中の被測定物質を測定する方法であって、
前記圧電基板の前記一方主面側に液体を配置し、前記液体を前記第２の弾性波素子によって攪拌しながら、前記第１の弾性波素子により所定時間経過前後の周波数を測定し、
前記所定時間経過中に前記第２の弾性波素子の駆動を停止することを特徴とする、弾性波センサーを用いた測定方法。