JP5225981B2 - Self-excited and self-detecting piezoelectric cantilever sensor for direct detection of airborne analytes in air - Google Patents

Self-excited and self-detecting piezoelectric cantilever sensor for direct detection of airborne analytes in air Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、2007年1月23日出願の米国特許出願第11/625,919号、名称「Self-Exciting, Self-Sensing Piezoelectric Cantilever Sensor」の優先権を主張し、これは本明細書に参照としてその全体が組み込まれる。米国特許出願第11/625,919号は、2006年1月23日出願の米国特許仮出願第60/761,172号、名称「Piezoelectric Cantilever Sensors」および2006年7月11日出願の米国特許仮出願第60/807,020号、名称「Piezoelectric Cantilever Sensors」の優先権を主張する;これらはともに本明細書に参照としてその全体が組み込まれる。本出願はまた、2006年5月10日出願の米国特許仮出願第60/746,951号、名称「Detection of Airborne Pathogens Directly in Air」の優先権も主張し、これも本明細書に参照としてその全体が組み込まれる。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims the priority of US patent application Ser. No. 11 / 625,919, filed Jan. 23, 2007, entitled "Self-Exciting, Self-Sensing Piezoelectric Cantilever Sensor ", which is hereby The entire document is incorporated by reference. U.S. Patent Application No. 11 / 625,919 is filed with U.S. Provisional Application No. 60 / 761,172, filed Jan. 23, 2006, entitled "Piezoelectric Cantilever Sensors" and U.S. Provisional Application No. 60/76, filed Jul. 11, 2006. 807,020, claiming the priority of the name “Piezoelectric Cantilever Sensors”; both of which are hereby incorporated by reference in their entirety. This application also claims priority of US Provisional Application No. 60 / 746,951, filed May 10, 2006, entitled “Detection of Airborne Pathogens Directly in Air”, which is also incorporated herein by reference in its entirety. Is incorporated.

技術分野
本技術分野は一般にセンサーに関し、さらに具体的には、圧電カンチレバーセンサーならびに、圧電カンチレバーセンサーを用いて分析物を検出および測定することに関する。
TECHNICAL FIELD The technical field relates generally to sensors, and more specifically to piezoelectric cantilever sensors and detecting and measuring analytes using piezoelectric cantilever sensors.

背景
カンチレバーセンサーは、センサーの寸法により、マイクロカンチレバーとマクロカンチレバーの大きく2種類に分類することができる。マイクロカンチレバーセンサーは、静的(曲げ)モードおよび動的(共振)モードの両方で用いることができる。静的モードにおいては、カンチレバーアームの変形を測定して、分析物(分析されている物質)が存在するかどうかを決定する。動的モードにおいては、共振周波数を測定して、分析物が存在するかどうかを決定する。マクロカンチレバーセンサーは一般に静的モードでは用いず、これはカンチレバーアームの曲げが多くの場合制限されているからである。マクロカンチレバーセンサーは、液体浸漬状態または気体中または真空下で用いることができる。一般に、カンチレバーセンサーを液体中より気体/真空中で用いる場合に、感度はより高くなる。液体に湿らせることは感度に悪影響を与える傾向がある。しかし、液体媒体中で分析物を測定することには、多くの実際的な用途がある。
Background cantilever sensors can be roughly classified into two types, microcantilevers and macrocantilevers, depending on the sensor dimensions. Microcantilever sensors can be used in both static (bending) and dynamic (resonant) modes. In static mode, the deformation of the cantilever arm is measured to determine whether the analyte (the substance being analyzed) is present. In the dynamic mode, the resonant frequency is measured to determine whether an analyte is present. Macrocantilever sensors are generally not used in static mode because the bending of the cantilever arm is often limited. The macro cantilever sensor can be used in a liquid immersion state or in a gas or under vacuum. In general, the sensitivity is higher when the cantilever sensor is used in gas / vacuum than in liquid. Wetting liquids tends to adversely affect sensitivity. However, there are many practical applications for measuring analytes in liquid media.

既知のマイクロカンチレバーセンサーの1つの種類は、シリコンベースのマイクロカンチレバーセンサーである。代表的なシリコンベースのマイクロカンチレバーセンサーは、共振器として作用するマイクロカンチレバーを含む。マイクロカンチレバーは、マイクロカンチレバーのベースにある外部アクチュエーターにより駆動されて、共振器に振動を発生させる。一般に、振動は外部の光学検波器により検出される。代表的なシリコンベースのマイクロカンチレバーの1つの欠点は、検出に必要な複雑な外部光学部品である。さらに、光学的検出手段は、光学的に透明な試料へのマイクロカンチレバーセンサーの適用を制限するという欠点がある。別の欠点は、外部アクチュエーターによりセンサーに付加される重量および複雑さである。さらに他の欠点は、外部アクチュエーターが、マイクロカンチレバーのベース部にのみ配置可能であることであり、これは、カンチレバーの振動を駆動させる際にその有効性を制限する。シリコンベースのマイクロカンチレバーセンサーのさらなる欠点は、機械的に脆弱であることである。したがって、シリコンベースのマイクロカンチレバーセンサーは、液体流速の高い環境では用いることができない。さらに、代表的なシリコンベースのマイクロカンチレバーセンサーは、液体媒体中では粘性減衰のために検出感度が損われる。   One type of known microcantilever sensor is a silicon-based microcantilever sensor. A typical silicon-based microcantilever sensor includes a microcantilever that acts as a resonator. The micro-cantilever is driven by an external actuator at the base of the micro-cantilever to generate vibration in the resonator. In general, vibration is detected by an external optical detector. One drawback of typical silicon-based microcantilevers is the complex external optics required for detection. Furthermore, the optical detection means has the disadvantage of limiting the application of the microcantilever sensor to optically transparent samples. Another disadvantage is the weight and complexity added to the sensor by an external actuator. Yet another disadvantage is that the external actuator can only be placed on the base of the microcantilever, which limits its effectiveness in driving cantilever vibration. A further disadvantage of silicon-based microcantilever sensors is that they are mechanically fragile. Therefore, silicon-based microcantilever sensors cannot be used in environments with high liquid flow rates. In addition, typical silicon-based microcantilever sensors lose their detection sensitivity in liquid media due to viscous damping.

既知のカンチレバーセンサーの他の種類は、石英ベースの圧電カンチレバーセンサーである。石英は弱圧電性であり、したがってシリコンベースのカンチレバーセンサーと同様に、石英ベースの圧電カンチレバーセンサーは、液体媒体中では粘性減衰のために検出感度が損われる。さらに、石英ベースのセンサーの検出感度は、センサーの平面形状により制限される。   Another type of known cantilever sensor is a quartz-based piezoelectric cantilever sensor. Quartz is weakly piezoelectric, and thus, like silicon-based cantilever sensors, quartz-based piezoelectric cantilever sensors have poor detection sensitivity due to viscous damping in liquid media. Furthermore, the detection sensitivity of quartz-based sensors is limited by the planar shape of the sensor.

従来の圧電カンチレバーは、圧電層の一部または全表面上に非圧電層を取り付けて製造されることが知られている。いくつかの従来の圧電カンチレバーにおいて、圧電層は1つの端で固定され、そのため圧電材料が励振されると、非圧電層が曲がって圧電材料に生じたひずみに対応する。励振周波数が下にある機械構造の固有周波数に等しい場合、共振が起こる。この型の圧電カンチレバーセンサーは、ミリメートルサイズで約100kHzより低い周波数において動作することが知られている。現在、より高い周波数は、カンチレバーセンサーを非常に短く(長さ1.0mm未満)、非常に狭く(幅0.1mm未満)、および非常に薄く(厚さ100μm未満)することによってのみ、得ることができる。しかし、カンチレバーセンサーの寸法を小さくすると、特に幅を狭めると、粘性減衰のために液体媒体中での使用性が損なわれる。減衰は、カンチレバー幅の二乗に逆比例して増加する。   It is known that a conventional piezoelectric cantilever is manufactured by attaching a non-piezoelectric layer on a part or the entire surface of a piezoelectric layer. In some conventional piezoelectric cantilevers, the piezoelectric layer is fixed at one end so that when the piezoelectric material is excited, the non-piezoelectric layer bends to accommodate the strain produced in the piezoelectric material. Resonance occurs when the excitation frequency is equal to the natural frequency of the underlying mechanical structure. This type of piezoelectric cantilever sensor is known to operate at frequencies below about 100 kHz in millimeter size. Currently, higher frequencies can only be obtained by making the cantilever sensor very short (less than 1.0 mm in length), very narrow (less than 0.1 mm in width), and very thin (less than 100 μm in thickness). Can do. However, when the size of the cantilever sensor is reduced, especially when the width is reduced, the usability in the liquid medium is impaired due to viscous damping. Attenuation increases inversely proportional to the square of the cantilever width.

最新のバイオセンシング技術は、蛍光、レーザー、光ファイバーに基づく方法、水晶微量天秤技術、電気化学的酵素免疫測定法、および/または金属粒子への結合に依存する。これらの技術のほとんどは直接的ではなく、定量的でもない。これらの技術の多くはまた、非常に遅い。さらに、前記技術のほとんどは、種々の異なるパラメータを測定する便利な方法を提供可能な、質量変化の測定には役に立たない。   Modern biosensing technologies rely on fluorescence, laser, optical fiber based methods, quartz crystal microbalance technology, electrochemical enzyme immunoassay, and / or binding to metal particles. Most of these techniques are neither straightforward nor quantitative. Many of these techniques are also very slow. Furthermore, most of the techniques are useless for measuring mass changes, which can provide a convenient way to measure a variety of different parameters.

共振周波数に基づく質量センサーには3種類の要素、アクチュエーター(ドライバー)、共振器、および検出器が必要である。質量センサーの1例は、シリコンベースのマイクロカンチレバーであり、これは存在するシリコンベースの手法に容易に統合することができる。シリコンベース・マイクロカンチレバー質量センサーにおいて、マイクロカンチレバーは共振器として作用し、マイクロカンチレバーのベースにある外部のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)アクチュエーターにより駆動されて共振器に振動を発生させ、これを外部の光学検波器によって検出することができる。バイオ関連の検出では、受容体がカンチレバー表面に固定化される。カンチレバー表面に固定化された受容体への抗原の結合は、カンチレバーの質量を増加させ、共振周波数の減少を引き起こす。標的分子の検出は、機械的共振周波数のモニタリングにより実現される。シリコンベースのマイクロカンチレバーは評判がよいが、これらは検出において、複雑な外部の光学部品に依存している。さらにPZT振動ドライバーが、センサーの重量および複雑性に付加される。さらに、外部アクチュエーターは、マイクロカンチレバーのベース部にのみ配置可能であり、これは、カンチレバーの振動を駆動させる際にその有効性を制限する。光学検出手段はまた、光学的に透明な試料への適用を制限する。   A mass sensor based on resonance frequency requires three types of elements: an actuator (driver), a resonator, and a detector. One example of a mass sensor is a silicon-based microcantilever, which can be easily integrated into existing silicon-based approaches. In a silicon-based microcantilever mass sensor, the microcantilever acts as a resonator and is driven by an external lead zirconate titanate (PZT) actuator at the base of the microcantilever to generate vibration in the resonator. It can be detected by an optical detector. In bio-related detection, the receptor is immobilized on the cantilever surface. Binding of the antigen to the receptor immobilized on the cantilever surface increases the mass of the cantilever and causes a decrease in the resonant frequency. Detection of the target molecule is realized by monitoring the mechanical resonance frequency. Silicon-based microcantilevers are popular, but they rely on complex external optics for detection. In addition, PZT vibration drivers add to the weight and complexity of the sensor. Furthermore, the external actuator can only be placed on the base of the micro-cantilever, which limits its effectiveness in driving cantilever vibration. Optical detection means also limit application to optically clear samples.

質量検出に加えて、シリコンベースのマイクロカンチレバーはまた、小分子に対するセンサーとしても用いられており、これは、カンチレバー上に発生した応力を、カンチレバーに付随する受容体上に種を吸着して検出することによる。抗体またはDNA受容体でマイクロカンチレバーの表面を被覆して、標的生体分子に結合させる。標的分子の、マイクロカンチレバー表面の受容体への結合または分離の際に発生する応力は、マイクロカンチレバーのたわみを引き起こし、これは外部の光学要素により、またはカンチレバー表面の圧電抵抗性被覆層上の吸着/応力誘発性DC電圧により、検出することができる。   In addition to mass detection, silicon-based microcantilevers are also used as sensors for small molecules, which detect the stress generated on the cantilever by adsorbing species onto the receptor associated with the cantilever. By doing. The surface of the microcantilever is coated with an antibody or DNA receptor and allowed to bind to the target biomolecule. The stress generated during the binding or separation of the target molecule to the receptor on the microcantilever surface causes the microcantilever to deflect, which is adsorbed by an external optical element or on the piezoresistive coating layer on the cantilever surface / Can be detected by stress-induced DC voltage.

シリコンベースのセンサーに比べて、ミリメートルサイズの圧電カンチレバーセンサーは嵩高くなく、複雑でもない。圧電デバイスは、その短い応答時間および高い圧電係数のために、優れた変換候補である。これらは圧電性であるため、機械的共振の駆動および検出を、共振器内で電気的に便利に行うことができる。現在、圧電バイオセンサーは、検出に厚さモード共振を用いるディスクデバイスである、市販の水晶微量天秤(QCM)に基づく。水晶は弱い圧電材料であるが、層厚さのモニターとして広く用いられ、その理由の一部は、膜作製用の大きい単結晶水晶が利用できるためである。10−9g/cmの最小検出可能質量密度(DMD)を有する5MHzのQCMの典型的な質量検出感度は、約10−8g/Hzであり、ミリメートルサイズの圧電カンチレバーよりも約4桁ほど感度が低い。 Compared to silicon-based sensors, millimeter-sized piezoelectric cantilever sensors are less bulky and less complex. Piezoelectric devices are excellent conversion candidates because of their short response time and high piezoelectric coefficient. Since they are piezoelectric, the drive and detection of mechanical resonance can be conveniently performed electrically within the resonator. Currently, piezoelectric biosensors are based on a commercially available quartz crystal microbalance (QCM), which is a disk device that uses thickness mode resonance for detection. Although quartz is a weak piezoelectric material, it is widely used as a layer thickness monitor, partly because large single crystal quartz for film fabrication can be used. The typical mass detection sensitivity of a 5 MHz QCM with a minimum detectable mass density (DMD) of 10 −9 g / cm 2 is about 10 −8 g / Hz, about 4 orders of magnitude over a millimeter size piezoelectric cantilever. The sensitivity is low.

長さ約100μm、幅数10μm、および厚さ数μmのマイクロカンチレバーが存在する。このようなマイクロカンチレバーは、曲げモードまたは共振モードで検出に用いられる。これらのマイクロカンチレバーの欠点は、その共振特性が粘性減衰のために著しく低下することである。さらに、これらの液体媒体中での使用は、数μl/分の非常に低い流速において実現された。   There are microcantilevers that are about 100 μm long, several tens μm wide, and several μm thick. Such a microcantilever is used for detection in a bending mode or a resonance mode. The disadvantage of these microcantilevers is that their resonance characteristics are significantly degraded due to viscous damping. Furthermore, use in these liquid media has been realized at very low flow rates of a few μl / min.

D. W. CarrおよびH. G. Craigheadの「Fabrication of nanoelectromechanical systems in single crystal silicon using silicon on insulator substrates and electron beam lithography」J. vac. Sci. Technology. B., 15(6), 1997. pp 2760-2763には、数百nmオーダーのメッシュ構造のビームセンサーおよび多重ビームセンサーの製造が開示され、40MHzの高い共振周波数が達成された。2007年1月23日出願の米国の同時係属出願第11/659,919号、名称「Self-Exciting, Self-Sensing Piezoelectric Cantilever Sensor」は、本発明者により共同で発明され、ミリメートルサイズの圧電励振カンチレバーセンサーの液体試料環境における構造および基本操作について述べている。   DW Carr and HG Craighead's `` Fabrication of nanoelectromechanical systems in single crystal silicon using silicon on insulator substrates and electron beam lithography '' J. vac. Sci. Technology. B., 15 (6), 1997. pp 2760-2763 Manufacturing of beam sensors with a mesh structure on the order of several hundred nm and multiple beam sensors has been disclosed, and a high resonance frequency of 40 MHz has been achieved. US copending application No. 11 / 659,919, filed Jan. 23, 2007, entitled “Self-Exciting, Self-Sensing Piezoelectric Cantilever Sensor” Describes the structure and basic operation of the liquid sample environment.

したがって、現在存在するセンサーの検出能力を改善することに対する要求、および空中浮遊種を検出するための改善された能力を有するセンサー提供の要求が存在する。   Accordingly, there is a need to improve the detection capabilities of currently existing sensors, and a need to provide sensors with improved capabilities for detecting airborne species.

概要
自己励振・自己検出型圧電カンチレバー検出装置は、圧電層と、これに取り付けられた非圧電層であって、非圧電層の遠位端が圧電層の遠位端を越えて伸びるか、または圧電層の遠位端が非圧電層の遠位端を越えて伸びるような様式で取り付けられている、前記非圧電層とを含む。すなわち、圧電層は非圧電層に、圧電層と非圧電層が同一の広がりを持たない様式で結合している。本圧電カンチレバー検出装置の種々の構成において、圧電層、非圧電層、または両者は、少なくとも1つのベースに固定されている。電極は、圧電層と動作可能に関連する。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、質量変化を検出するために用いられる。検出装置上の分析物の質量を決定するために、カンチレバーセンサーの機械要素の共振周波数を測定する。測定された共振周波数をベースライン共振周波数と比較して、周波数の差を決定する。周波数の差は、検出装置上の分析物の質量を示す。
Overview A self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever detection device includes a piezoelectric layer and a non-piezoelectric layer attached to the piezoelectric layer, the distal end of the non-piezoelectric layer extending beyond the distal end of the piezoelectric layer, or Said non-piezoelectric layer being attached in such a manner that the distal end of the piezoelectric layer extends beyond the distal end of the non-piezoelectric layer. That is, the piezoelectric layer is bonded to the non-piezoelectric layer in a manner that the piezoelectric layer and the non-piezoelectric layer do not have the same spread. In various configurations of the present piezoelectric cantilever detection device, the piezoelectric layer, the non-piezoelectric layer, or both are fixed to at least one base. An electrode is operably associated with the piezoelectric layer. A self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor is used to detect a change in mass. In order to determine the mass of the analyte on the detection device, the resonance frequency of the mechanical element of the cantilever sensor is measured. The measured resonant frequency is compared with the baseline resonant frequency to determine the frequency difference. The difference in frequency indicates the mass of the analyte on the detection device.

本発明の態様によれば、空中浮遊病原体の空気中での検出は、液体または固体マトリックス中での試料収集を必要とすることなく、実施される。1つの側面によれば、例えば生物学的または化学的物質などの標的分析物の空中検出の方法は、検出装置を空中浮遊分析物に暴露することにより実施される。検出装置上に位置する識別実体は分析物に結合し、分析物が気体中に存在している間に検出可能である。具体的な識別実体の例は、化学物質の検出用の化学コーティングおよび生物物質の検出用の固定化抗体を含む。   According to aspects of the present invention, airborne pathogen detection in air is performed without the need for sample collection in a liquid or solid matrix. According to one aspect, a method for air detection of a target analyte, such as a biological or chemical substance, is performed by exposing the detection device to an airborne analyte. Identification entities located on the detection device bind to the analyte and are detectable while the analyte is present in the gas. Examples of specific identifying entities include chemical coatings for detecting chemical substances and immobilized antibodies for detecting biological substances.

本発明の1つの側面において、検出装置は、圧電層、非圧電層、およびこれら2つの層のどちらかの上に位置する識別実体を含む、センサーを含む。第1の態様において、センサーは、1つの端のみで固定されたカンチレバーアセンブリである。ここで、圧電層はベースに接続され、非圧電層は、圧電層の端に重なり合う様式で取り付けられる。電極は圧電層に取り付けられ、電気的に駆動されて、圧電層に共振を励起する。非圧電層上の識別領域は、気流に暴露された場合に分析物を引き寄せ、圧電層および非圧電層および識別領域の組み合わせにより形成されるカンチレバーの質量変化を引き起こす。ベースライン共振周波数と比較した、分析物が付着した場合の共振周波数の変化を決定し、周波数シフトは、識別実体に保持された分析物の量を示す。   In one aspect of the invention, the detection device includes a sensor that includes a piezoelectric layer, a non-piezoelectric layer, and an identifying entity located on either of these two layers. In the first aspect, the sensor is a cantilever assembly that is secured at only one end. Here, the piezoelectric layer is connected to the base and the non-piezoelectric layer is attached in an overlapping manner to the ends of the piezoelectric layer. The electrode is attached to the piezoelectric layer and is electrically driven to excite resonance in the piezoelectric layer. The identification region on the non-piezoelectric layer attracts the analyte when exposed to the air stream, causing a mass change in the cantilever formed by the combination of the piezoelectric layer and the non-piezoelectric layer and the identification region. The change in resonant frequency when the analyte is attached compared to the baseline resonant frequency is determined, and the frequency shift indicates the amount of analyte retained in the identifying entity.

センサーの構成は、異なる周波数検出点に適合するために変えてもよい。センサーの第2の型は、ビーム(梁)型のセンサーの使用が関与し、ここで非圧電層は両端でベース構造に取り付けられる。圧電層は非圧電層の上に配置され、上記のように、共振に励起される。非圧電層または圧電層どちらかの上の識別実体は、エアロゾル化された分析物への暴露により、質量変化を引き起こし、ビームセンサーの共振周波数の周波数シフトをもたらす。このようにして分析物を検出することができ、その質量が決定される。センサーの第3の型は、ビームセンサーの変形であり、ここで圧電層はビームであり、非圧電層はビームの最上部に取り付けられる。   The sensor configuration may be varied to accommodate different frequency detection points. The second type of sensor involves the use of a beam-type sensor, where the non-piezoelectric layer is attached to the base structure at both ends. The piezoelectric layer is disposed on the non-piezoelectric layer and is excited by resonance as described above. Identification entities on either the non-piezoelectric layer or the piezoelectric layer cause a mass change upon exposure to the aerosolized analyte, resulting in a frequency shift of the resonant frequency of the beam sensor. In this way the analyte can be detected and its mass is determined. A third type of sensor is a variation of the beam sensor, where the piezoelectric layer is a beam and the non-piezoelectric layer is attached to the top of the beam.

空中浮遊分析物を検出する装置は、噴霧器に取り付けられたカンチレバーセンサーを含む暴露管を含み、該噴霧器は分析物をエアロゾル化して、分析物を、センサーを横切る気流中に存在させる。分析器はセンサーの共振周波数を測定し、分析物が気流中に存在するかどうか、およびその量を決定する。   An apparatus for detecting airborne analytes includes an exposure tube that includes a cantilever sensor attached to a nebulizer that aerosolizes the analyte and causes the analyte to be present in an air stream across the sensor. The analyzer measures the resonant frequency of the sensor and determines whether and how much analyte is present in the air stream.

本発明を特徴づける、これらおよび種々の他の利点および新規な特性は、本明細書に付随するクレームに詳細に指摘され、本明細書の一部を構成する。しかし、本発明、その利点およびその使用により得られる目的物のよりよい理解のために、本明細書のさらなる一部を構成する図および付随する記述事項も参照すべきであり、これらには、本発明の好ましい態様の説明および記載がある。   These and various other advantages and novel features that characterize the present invention are pointed out with particularity in the claims appended hereto and form a part of this specification. However, for a better understanding of the invention, its advantages, and the objects obtained by its use, reference should also be made to the figures and accompanying descriptions that form a further part of this specification, including: There is a description and description of preferred embodiments of the invention.

この概要は、選択された概念を単純化した形で紹介するために提供されたものであり、これらについては詳細な説明においてさらに記載される。この概要は、クレームの対象の鍵となる特徴または本質的な特徴を同定することを意図せず、また、クレームの対象の範囲を限定するために用いることも意図しない。
上記の概要および以下の詳細な説明は、添付の図面と併せて読む場合によりよく理解される。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの説明のために、その例示の構造が図面に示されている;しかし、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、開示された特定の方法および手段に限定されるものではない。
This summary is provided to introduce a selection of concepts in a simplified form that are further described in the detailed description. This summary is not intended to identify key features or essential features of the claimed subject matter, nor is it intended to be used to limit the scope of the claimed subject matter.
The foregoing summary, as well as the following detailed description, is better understood when read in conjunction with the appended drawings. For illustration of the self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor, an exemplary structure thereof is shown in the drawings; however, the self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor is limited to the specific methods and means disclosed. Is not to be done.

図1は、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成の図である。FIG. 1 is a diagram of an exemplary configuration of a self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor. 図2は、例示の自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの断面図であり、圧電層に動作可能に関連する電極用の電極配置領域を示す。FIG. 2 is a cross-sectional view of an exemplary self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor, showing electrode placement regions for electrodes operatively associated with the piezoelectric layer. 図3は、例示の自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの断面図であり、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーのベース部内の、例示の電極配置を示す。FIG. 3 is a cross-sectional view of an exemplary self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor, illustrating an exemplary electrode arrangement within the base of the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor. 図4は、例示の自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの断面図であり、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーのベース部の外の、例示の電極配置を示す。FIG. 4 is a cross-sectional view of an exemplary self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor, showing an exemplary electrode arrangement outside the base of the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor. 図5は、圧電層の遠位端が非圧電層の遠位端とぴったり重なっている、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成の図である。FIG. 5 is a diagram of an exemplary configuration of a self-exciting and self-sensing piezoelectric cantilever sensor in which the distal end of the piezoelectric layer is flush with the distal end of the non-piezoelectric layer. 図6は、圧電層の遠位端が非圧電層の遠位端を越えて伸び、圧電層の隣接端が非圧電層の隣接端を越えて伸びている、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成の図である。FIG. 6 shows a self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever in which the distal end of the piezoelectric layer extends beyond the distal end of the non-piezoelectric layer and the adjacent end of the piezoelectric layer extends beyond the adjacent end of the non-piezoelectric layer. FIG. 3 is a diagram of an example configuration of a sensor. 図7は、2つのベース部を有する、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成の図である。FIG. 7 is a diagram of an exemplary configuration of a self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor having two base portions. 図8は、圧電層がどちらのベース部にも取り付けられていない、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの他の例示の構成の図である。FIG. 8 is a diagram of another exemplary configuration of a self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor with no piezoelectric layer attached to either base. 図9は、2つの端で固定された圧電層を有する、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成の図である。FIG. 9 is a diagram of an exemplary configuration of a self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor having a piezoelectric layer fixed at two ends. 図10は、圧電層が2つの部分を有し、その1つが固定された、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成の図である。FIG. 10 is a diagram of an exemplary configuration of a self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor in which the piezoelectric layer has two portions, one of which is fixed. 図11は、圧電層が2つの部分を有し、その1つが固定された、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成の別の図である。FIG. 11 is another view of an exemplary configuration of a self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor, in which the piezoelectric layer has two parts, one of which is fixed. 図12は、圧電層が2つの部分を有し、そのどちらもが固定されていない、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成の図である。FIG. 12 is a diagram of an exemplary configuration of a self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor in which the piezoelectric layer has two portions, neither of which is fixed. 図13は、固定された非圧電部と、固定されていない圧電部とを有する、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成の図である。FIG. 13 is a diagram of an exemplary configuration of a self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor having a fixed non-piezoelectric portion and an unfixed piezoelectric portion. 図14は、非圧電層がどちらのベース部にも取り付けられていない、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの他の例示の構成の図である。FIG. 14 is a diagram of another exemplary configuration of a self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor with no non-piezoelectric layer attached to either base. 図15は、圧電部が、圧電部と異なる幅を有する、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの他の例示の構成の図である。FIG. 15 is a diagram of another exemplary configuration of a self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor in which the piezoelectric portion has a width different from that of the piezoelectric portion. 図16は、圧電層と非圧電層を含む、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成の図であり、ここで圧電層の幅は非圧電層16の幅より狭く、圧電層の遠位端は非圧電層の遠位端を越えて伸び、圧電層の隣接端は非圧電層の隣接端を越えて伸びている。FIG. 16 is a diagram of an exemplary configuration of a self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor including a piezoelectric layer and a non-piezoelectric layer, where the width of the piezoelectric layer is narrower than that of the non-piezoelectric layer 16. The distal end extends beyond the distal end of the non-piezoelectric layer, and the adjacent end of the piezoelectric layer extends beyond the adjacent end of the non-piezoelectric layer. 図17は、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーを利用して、分析物を検出するための例示の方法のフロー図である。FIG. 17 is a flow diagram of an exemplary method for detecting an analyte utilizing a self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor. 図18は、空気中で作動された、図1に示す自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの構成の、例示の共振スペクトルのプロットである。18 is a plot of an exemplary resonance spectrum of the self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor configuration shown in FIG. 1 operated in air. 図19Aは、本発明の方法において有用な圧電カンチレバーセンサーの斜視図である。FIG. 19A is a perspective view of a piezoelectric cantilever sensor useful in the method of the present invention. 図19Bは、本発明の方法において有用な固定圧電励振カンチレバービームセンサーの態様の図である。FIG. 19B is a diagram of an embodiment of a fixed piezoelectric excited cantilever beam sensor useful in the method of the present invention. 図19Cは、本発明の方法において有用な浮動圧電励振カンチレバービームセンサーの態様の図である。FIG. 19C is an illustration of an embodiment of a floating piezoelectric excitation cantilever beam sensor useful in the method of the present invention. 図19Dは、本発明の方法において有用な固定バイモルフ圧電励振カンチレバービームセンサーの態様の図である。FIG. 19D is an illustration of an embodiment of a fixed bimorph piezoelectric excited cantilever beam sensor useful in the method of the present invention. 図19Eは、本発明の方法において有用なオーバーハング型圧電励振カンチレバービームセンサーの態様の図である。FIG. 19E is an illustration of an embodiment of an overhanging piezoelectric excited cantilever beam sensor useful in the method of the present invention. 図19Fは、本発明の方法において有用な固定チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)圧電励振カンチレバービームセンサーの態様の図である。FIG. 19F is an illustration of an embodiment of a fixed lead zirconate titanate (PZT) piezoelectric excited cantilever beam sensor useful in the method of the present invention. 図19Gは、本発明による浮動先端PEMC(ftPEMC)センサーの態様の概略図である。FIG. 19G is a schematic diagram of an embodiment of a floating tip PEMC (ftPEMC) sensor according to the present invention. 図20は、図1に示すものなどのオーバーハング型圧電カンチレバーセンサーの第1の態様の、空気中における共振スペクトルである(図47表1のoPEMC#1参照)。FIG. 20 is a resonance spectrum in air of the first embodiment of the overhang type piezoelectric cantilever sensor such as the one shown in FIG. 1 (see oPEMC # 1 in Table 1 in FIG. 47). 図21は、1に示すオーバーハング型圧電カンチレバーセンサーの第2の態様の、空気中における共振スペクトルである(図47表1のoPEMC#2参照)。FIG. 21 is a resonance spectrum in the air of the second embodiment of the overhang type piezoelectric cantilever sensor shown in FIG. 1 (see oPEMC # 2 in Table 1 in FIG. 47). 図22は、図1に示すオーバーハング型圧電カンチレバーセンサーの第3の態様の、空気中における共振スペクトルである(図47表1のoPEMC#3参照)。FIG. 22 is a resonance spectrum in the air of the third embodiment of the overhang type piezoelectric cantilever sensor shown in FIG. 1 (see oPEMC # 3 in Table 1 in FIG. 47). 図23は、図1に示すオーバーハング型カンチレバーセンサーの第4の態様の、空気中における共振スペクトルである(図47表1のoPEMC#4参照)。FIG. 23 is a resonance spectrum in the air of the fourth embodiment of the overhanging cantilever sensor shown in FIG. 1 (see oPEMC # 4 in Table 1 in FIG. 47). 図24は、図1に示すオーバーハング型カンチレバーセンサーの第5の態様の共振スペクトルである(図47表1のoPEMC#5参照)。FIG. 24 is a resonance spectrum of the fifth embodiment of the overhanging cantilever sensor shown in FIG. 1 (see oPEMC # 5 in Table 1 in FIG. 47). 図25は、100mVで励振された固定PEMCBセンサー(aPEMCB、図19B)の、空気中における、位相角対励振周波数の共振スペクトルプロットである。FIG. 25 is a resonance spectrum plot of phase angle versus excitation frequency in air for a fixed PEMCB sensor (aPEMCB, FIG. 19B) excited at 100 mV. 図26は、浮動PEMCB(fPEMCB#1、図19C)センサーの、空気中100mVの励振電圧における、位相角対励振周波数プロットを用いた共振特性を示す図である。FIG. 26 is a diagram illustrating resonance characteristics of the floating PEMCB (fPEMCB # 1, FIG. 19C) sensor using a phase angle versus excitation frequency plot at an excitation voltage of 100 mV in air. 図27は、固定バイモルフPEMCB(abPEMCB#1、図19D)センサーの、空気中100mVの励振電圧における、位相角対励振周波数プロットを用いた共振スペクトルである。FIG. 27 is the resonance spectrum of a fixed bimorph PEMCB (abPEMCB # 1, FIG. 19D) sensor using a phase angle versus excitation frequency plot at an excitation voltage of 100 mV in air. 図28は、オーバーハング型PEMCB(oPEMCB#1、図19E)センサーの、空気中100mVの電圧で励振された場合の共振スペクトルである。FIG. 28 is a resonance spectrum when an overhanging PEMCB (oPEMCB # 1, FIG. 19E) sensor is excited with a voltage of 100 mV in the air. 図29Aは、空中浮遊炭疽菌検出の実装に用いる装置の図である。FIG. 29A is a diagram of an apparatus used to implement airborne anthrax detection. 図29Bは、空中浮遊炭疽菌検出の実装に用いる装置の図である。FIG. 29B is a diagram of an apparatus used to implement airborne anthrax detection. 図30Aは、空気中で炭疽菌を検出する検出実験の結果を示す図である。FIG. 30A is a diagram showing a result of a detection experiment for detecting anthrax in the air. 図30Bは、対照として無機粒子を用いた、空気中で炭疽菌を検出する検出実験の結果を示す図である。FIG. 30B is a diagram showing the results of a detection experiment for detecting anthrax in the air using inorganic particles as a control. 図31は、図30Aの実験についての検出の確認を示す図である。FIG. 31 is a diagram showing confirmation of detection for the experiment of FIG. 30A. 図32は、本発明の方法により試験されたセンサーの走査型電子顕微鏡写真であり、センサー表面に固定化された炭疽菌胞子を示す。FIG. 32 is a scanning electron micrograph of a sensor tested by the method of the present invention, showing anthrax spores immobilized on the sensor surface. 図33は、本発明の湿度注入器の側面を示す図である。FIG. 33 shows a side view of the humidity injector of the present invention. 図34は、本発明の方法のフロー図である。FIG. 34 is a flow diagram of the method of the present invention. 図35は、センサーのノッチ構造を示す図である。FIG. 35 shows a notch structure of the sensor. 図36は、センサーのサンドイッチ構造を示す図である。FIG. 36 is a diagram showing a sensor sandwich structure. 図37は、センサーの代替のサンドイッチ構造を示す図である。FIG. 37 shows an alternative sandwich structure for the sensor. 図38は、センサー形状について図19Aの代替を示す図である。FIG. 38 shows an alternative to FIG. 19A for sensor geometry. 図39は、図19Aのセンサーの別の代替の構成を示す図である。FIG. 39 illustrates another alternative configuration of the sensor of FIG. 19A. 図40は、図19Fのビーム型構造を示す図である。FIG. 40 is a diagram showing the beam-type structure of FIG. 19F. 図41は、図19Eの代替の構成を示す図である。FIG. 41 is a diagram showing an alternative configuration of FIG. 19E. 図42は、図19Gの代替の構成を示す図である。FIG. 42 shows an alternative configuration of FIG. 19G. 図43は、図42の代替の構成を示す図である。FIG. 43 is a diagram showing an alternative configuration of FIG. 図44は、図36の代替の構成を示す図である。FIG. 44 shows an alternative configuration of FIG. 図45は、層が少なくとも部分的にベースに固定されている、複数層のセンサーの構成を示す図である。FIG. 45 is a diagram illustrating a multi-layer sensor configuration in which the layers are at least partially secured to the base. 図46は、修正されたベースを有する構成を示す図である。FIG. 46 is a diagram showing a configuration having a modified base. 図47は、表1を含む図である。FIG. 47 is a diagram including Table 1. FIG. 図48は、表2を含む図である。48 is a diagram including Table 2. FIG. 図49は、表3を含む図である。FIG. 49 includes Table 3. FIG. 図50は、表4を含む図である。50 is a diagram including Table 4. FIG.

例示の態様の詳細な説明
本明細書に記載の自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、極少量の分析物を検出および測定する能力を提供する。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、液体中に浸漬された分析物、および気体または真空中に含まれる分析物を、検出および測定するために用いることができる。種々の例示の構成において、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、少なくとも1つの圧電層および少なくとも1つの非圧電層を含み、ここで圧電層は非圧電層に、圧電層と非圧電層が同一の広がりを持たない様式で結合している。圧電層、非圧電層、または両者は、少なくとも1つのベースに固定されている。圧電層および非圧電層は、種々の幅、長さおよび厚さであることができる。
Detailed Description of Exemplary Embodiments The self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor described herein provides the ability to detect and measure very small amounts of analyte. Self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensors can be used to detect and measure analytes immersed in a liquid and analytes contained in a gas or vacuum. In various exemplary configurations, a self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor includes at least one piezoelectric layer and at least one non-piezoelectric layer, wherein the piezoelectric layer is a non-piezoelectric layer, and the piezoelectric layer and the non-piezoelectric layer are They are combined in a manner that does not have the same spread. The piezoelectric layer, the non-piezoelectric layer, or both are fixed to at least one base. Piezoelectric and non-piezoelectric layers can be of various widths, lengths and thicknesses.

自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、その上に蓄積された分析物の質量を決定するために用いることができる。1つの例示の態様において、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの一部は媒体中(例えば、液体、気体、真空)に配置される。媒体中にあって、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの共振周波数を測定し、ベースライン共振周波数と比較する。測定された共振周波数とベースライン共振周波数の差は、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーに蓄積された(例えば、結合された、吸着された、吸収された)分析物の質量を示す。   A self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor can be used to determine the mass of the analyte accumulated thereon. In one exemplary embodiment, a portion of the self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor is disposed in the medium (eg, liquid, gas, vacuum). The resonance frequency of the self-excited / self-detecting piezoelectric cantilever sensor in the medium is measured and compared with the baseline resonance frequency. The difference between the measured resonant frequency and the baseline resonant frequency is indicative of the mass of analyte accumulated (eg, bound, adsorbed, absorbed) in the self-excited, self-detecting piezoelectric cantilever sensor.

分析物は、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの非圧電部の表面に、直接または間接的に結合されることができる。分析物の、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの非圧電部への結合は、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの質量の変化、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの剛性の変化、またはこれらの組み合わせを引き起こす。質量および/または剛性の変化は、共振周波数の変化として測定することができ、適切な分析装置、例えばオペアンプ、インピーダンスアナライザー、ネットワークアナライザー、発振回路などにより、モニタリングおよび測定可能である。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの少なくとも一部のみが液体中に浸漬された場合の共振周波数の変化は、検出可能で測定可能である。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの少なくとも一部のみが気体または真空中に浸漬された場合の共振周波数の変化も、検出可能で測定可能である。   The analyte can be directly or indirectly coupled to the surface of the non-piezoelectric portion of the self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor. The coupling of the analyte to the non-piezoelectric part of the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor can be achieved by changing the mass of the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor, changing the stiffness of the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor, Or cause a combination of these. The change in mass and / or stiffness can be measured as a change in resonance frequency and can be monitored and measured by a suitable analyzer, such as an operational amplifier, impedance analyzer, network analyzer, oscillator circuit, and the like. The change in resonance frequency when only at least a part of the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor is immersed in the liquid can be detected and measured. The change in the resonance frequency when only at least a part of the self-excited / self-detecting piezoelectric cantilever sensor is immersed in gas or vacuum can also be detected and measured.

自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、例えば0.1MHz〜6MHzのオーダーなどの高周波数においても動作可能である。これらの高周波数において、Q係数(共振ピーク周波数の、共振ピーク高さの中点におけるピーク幅に対する比率)で10〜100のオーダーの値を、液体浸漬下で得ることができる。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、液体媒体、気体媒体および真空媒体中で比較的高周波数において動作可能である。したがって自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、質量変化に対して極限の感度を提供する。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、媒体中に非常に低濃度で存在する分析物に対して特に好適であり、媒体は例えば、体液、水、および食品材料などである。   The self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor can be operated even at a high frequency such as the order of 0.1 MHz to 6 MHz. At these high frequencies, values of the order of 10-100 can be obtained under liquid immersion in terms of the Q factor (ratio of the resonance peak frequency to the peak width at the midpoint of the resonance peak height). Self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensors can be operated at relatively high frequencies in liquid, gaseous and vacuum media. Thus, the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor provides extreme sensitivity to mass changes. Self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensors are particularly suitable for analytes present in very low concentrations in the medium, such as body fluids, water, and food materials.

本明細書に記載の自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、液体媒体中に浸漬された場合に、100アトグラム/Hz(100×10−18g/Hz)以下もの少量で蓄積された質量における変化を検出する能力を提供する。したがって、質量変化を検出することについて、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの感度は、石英結晶マイクロカンチレバーセンサーより約百万倍、標準の分析装置より約100,000倍、そして従来の3層圧電カンチレバー設計より約10,000倍も高い。 The self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor described in this specification has a mass accumulated in a small amount of 100 attogram / Hz (100 × 10 −18 g / Hz) or less when immersed in a liquid medium. Provides the ability to detect changes. Therefore, the sensitivity of the self-excited and self-detecting piezoelectric cantilever sensor is about 1 million times that of the quartz crystal micro-cantilever sensor, about 100,000 times that of the standard analyzer, and the conventional three layers. About 10,000 times higher than the piezoelectric cantilever design.

自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、その非圧電部に結合した極小濃度の分析物の検出を可能とする。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーを用いると、病原体およびタンパク質は、数個の病原体/mLまでの濃度において、および平均サイズ(60kダルトン、kDa)のタンパク質については、1病原体/mL未満での濃度で検出可能である。さらに、非圧電部の有機または無機官能基に結合する任意の分析物が検出可能である。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、比較的高い流速の媒体中で動作可能である。圧電カンチレバーセンサーは、流速0.5〜10.0mL/分を有する媒体中で動作可能であり、これは、既知の曲げモードマイクロカンチレバーで成功して用いられる流速より、約1000倍速い。   The self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor enables detection of an analyte having a minimum concentration coupled to the non-piezoelectric portion. Using a self-excited, self-detecting piezoelectric cantilever sensor, pathogens and proteins are at concentrations up to several pathogens / mL and for proteins of average size (60 kDalton, kDa) at less than 1 pathogen / mL Detectable by concentration. Furthermore, any analyte that binds to the organic or inorganic functional group of the non-piezoelectric portion can be detected. The self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor can operate in a medium having a relatively high flow rate. Piezoelectric cantilevers can operate in media with a flow rate of 0.5-10.0 mL / min, which is about 1000 times faster than the flow rates successfully used with known bending mode microcantilevers.

本圧電カンチレバーの種々の例示の用途は以下を含む:炭疽菌などのバイオテロリズム剤の検出、大腸菌などの食品媒介病原体の検出、食品および水中の病原体の検出、体液中のある細胞型(例えば、循環する腫瘍細胞)の検出、体液中のバイオマーカー(例えば、特定の病態生理をマークするタンパク質、α−フェトタンパク質、β2−ミクログロブリン、膀胱癌抗原、乳癌マーカーCA−15−3、および他のCA類(癌抗原)、カルシトニン、癌胎児性抗原、その他)の検出、例えばトリニトロトルエン、ジニトロトルエンの存在などの爆発性マーカーの検出、および空気媒介毒素および水媒介毒素の検出。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーはまた、ピコグラムレベルでの生物学的実体の検出および、タンパク質−タンパク質相互作用の、静的および動的両方の状態での検出にも用いることができる。   Various exemplary uses of the present piezoelectric cantilevers include: detection of bioterrorism agents such as Bacillus anthracis, detection of foodborne pathogens such as E. coli, detection of pathogens in food and water, certain cell types in body fluids (eg, Detection of circulating tumor cells), biomarkers in body fluids (eg, proteins that mark specific pathophysiology, α-fetoprotein, β2-microglobulin, bladder cancer antigen, breast cancer marker CA-15-3, and others Detection of CAs (cancer antigens), calcitonin, carcinoembryonic antigen, etc., for example detection of explosive markers such as the presence of trinitrotoluene, dinitrotoluene, and detection of air-borne and water-borne toxins. Self-excited and self-detecting piezoelectric cantilever sensors can also be used to detect biological entities at the picogram level and to detect protein-protein interactions in both static and dynamic states.

病原体、例えば大腸菌は、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーを用いて検出可能である。モデルタンパク質、リポタンパク質、DNAおよび/またはRNAの、1.0フェムトグラム/mL(10−15g)の濃度での、および病原体の、1病原体/mLでの検出もそれぞれ、液体中で直接、標的分析物に特異的な抗体で固定化された自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーを用いて、約1〜2MHzの周波数で測定することにより実現可能である。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、汚染物質が存在する場合でも、擬陽性または擬陰性なしに、標的分析物を検出することができる。本明細書に記載の自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、加工なし、調製なし、濃縮段階なし、および/またはいかなる種類の濃縮なしの生の試料に用いる場合に特に有利である。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーを用いた分析物の検出は、流れる状態のもとで、例えば0.5〜10.0mL/分での、生の試料中で直接行うことができる。クリーンな試料が利用可能である場合、例えば研究室環境などでは、1フェムトグラム/mLでの検出も可能である。この感度は、既知の光学技術に付随する感度より約100倍も高い。 Pathogens such as E. coli can be detected using a self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor. Detection of model protein, lipoprotein, DNA and / or RNA at a concentration of 1.0 femtogram / mL ( 10-15 g) and pathogen at 1 pathogen / mL, respectively, directly in the liquid, This can be realized by measuring at a frequency of about 1 to 2 MHz using a self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor immobilized with an antibody specific to the target analyte. Self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensors can detect target analytes without false positives or false negatives even in the presence of contaminants. The self-exciting and self-sensing piezoelectric cantilever sensor described herein is particularly advantageous when used with raw samples without processing, without preparation, without a concentration step, and / or without any kind of concentration. Analyte detection using a self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor can be performed directly in a raw sample, for example, at 0.5-10.0 mL / min under flowing conditions. When a clean sample is available, for example, in a laboratory environment, detection at 1 femtogram / mL is possible. This sensitivity is about 100 times higher than the sensitivity associated with known optical techniques.

以下に記載するように、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの感度は、一つにはそれ自身の幾何学的デザインによる。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの圧電層と非圧電層の相対的な長さと幅が、感度を決定し、また自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーが提供する周波数スペクトルのピーク形状も決定する。以下にさらに詳細に説明するように、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、一緒に結合された圧電層および非圧電層を含み、これらは、圧電層の一部が非圧電層を越えて伸びるか、または非圧電層の一部が圧電層を越えて伸びるか、またはこれらの組み合わせであるような様式で結合される。したがって、圧電層と非圧電層は、同一の広がりを持たない。すなわち、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、非圧電層の表面全体が圧電層の表面全体に結合されてはいない様式で構成されている。   As described below, the sensitivity of a self-exciting, self-detecting piezoelectric cantilever sensor depends in part on its own geometric design. The relative length and width of the piezoelectric and non-piezoelectric layers of a self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor determine the sensitivity, and the peak shape of the frequency spectrum provided by the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor To do. As described in more detail below, a self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor includes a piezoelectric layer and a non-piezoelectric layer coupled together, such that a portion of the piezoelectric layer extends beyond the non-piezoelectric layer. Stretched or bonded in such a way that a portion of the non-piezoelectric layer extends beyond the piezoelectric layer, or a combination thereof. Therefore, the piezoelectric layer and the non-piezoelectric layer do not have the same spread. That is, the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor is configured in such a manner that the entire surface of the non-piezoelectric layer is not coupled to the entire surface of the piezoelectric layer.

自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの感度は、一つにはカンチレバーセンサーの圧電層を動作および検出の両方に用いていること、および自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの圧電層の電気機械的特性による。共振において、振動するカンチレバーは、圧電層の応力を、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーのベース部分に集中させる。これにより、圧電層の抵抗成分に増幅された変化がもたらされ、共振周波数に大きなシフトが生じる。この応力を、低い曲げ係数を有する圧電層の部分(例えばよりフレキシブルな部分)に導くことにより、共振周波数の関連するシフトの探索が可能となって、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの質量における、極めて小さな変化が検出される。例えば、圧電カンチレバーセンサーの圧電層と非圧電層の両方が同じ端において固定されている場合(例えば、エポキシに入れられた場合)、センサーは質量変化に対して感度が低いが、これは、固定端に近接した検出圧電層の曲げ応力が、圧電層のみが固定された場合に比べて小さいからである。これは、組み合わされた2層の曲げ係数が、圧電層のみを固定した場合より高いためである。曲げ係数は、弾性係数と中性軸周りの慣性モーメントの積である。そして慣性モーメントは、厚さの三乗に比例する。   The sensitivity of the self-excited / self-detecting piezoelectric cantilever sensor is, in part, the use of the piezoelectric layer of the cantilever sensor for both operation and detection, and the electrical machine of the piezoelectric layer of the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor. Depends on specific characteristics. In resonance, the vibrating cantilever concentrates the stress of the piezoelectric layer on the base portion of the self-excited / self-detecting piezoelectric cantilever sensor. This causes an amplified change in the resistance component of the piezoelectric layer, resulting in a large shift in the resonant frequency. By directing this stress to a part of the piezoelectric layer with a low bending coefficient (for example, a more flexible part), it is possible to search for a shift associated with the resonance frequency, and the mass of the self-excited and self-detecting piezoelectric cantilever sensor. A very small change in is detected. For example, if both the piezoelectric and non-piezoelectric layers of a piezoelectric cantilever sensor are fixed at the same end (for example, when placed in an epoxy), the sensor is less sensitive to mass changes, which is fixed This is because the bending stress of the detection piezoelectric layer close to the end is smaller than when only the piezoelectric layer is fixed. This is because the bending coefficient of the combined two layers is higher than when only the piezoelectric layer is fixed. The bending modulus is the product of the elastic modulus and the moment of inertia around the neutral axis. The moment of inertia is proportional to the cube of the thickness.

図1は、圧電部14および非圧電部16を含む、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサー12の図である。圧電部は大文字のP、非圧電部は大文字のNPと表示されている。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサー12は、無固定でオーバーハング型の、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの1形態を示す。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサー12が「無固定」と呼ばれるのは、非圧電層16がベース部20に取り付けられていないからである。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサー12が「オーバーハング型」と呼ばれるのは、非圧電層16が圧電層14の遠位端24を越えて伸び、非圧電層16のオーバーハング部分22を作り出しているからである。圧電部14は非圧電部16に、接着部18を介して結合される。圧電部14および非圧電部は、領域23で重なり合っている。接着部18は、圧電部14と非圧電部16の重なり部分の間に位置する。圧電部14は、ベース部20に結合されている。   FIG. 1 is a diagram of a self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor 12 that includes a piezoelectric portion 14 and a non-piezoelectric portion 16. The piezoelectric part is indicated by a capital letter P, and the non-piezoelectric part is indicated by a capital letter NP. The self-exciting / self-detecting type piezoelectric cantilever sensor 12 is an unfixed and overhanging type self-exciting / self-detecting type piezoelectric cantilever sensor. The reason why the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor 12 is called “non-fixed” is because the non-piezoelectric layer 16 is not attached to the base portion 20. The self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor 12 is referred to as “overhanging” because the non-piezoelectric layer 16 extends beyond the distal end 24 of the piezoelectric layer 14 and creates an overhanging portion 22 of the non-piezoelectric layer 16. Because. The piezoelectric portion 14 is coupled to the non-piezoelectric portion 16 via an adhesive portion 18. The piezoelectric portion 14 and the non-piezoelectric portion overlap in the region 23. The bonding portion 18 is located between the overlapping portions of the piezoelectric portion 14 and the non-piezoelectric portion 16. The piezoelectric portion 14 is coupled to the base portion 20.

圧電部14は任意の好適な材料、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛固溶体、チタン酸鉛ストロンチウム、石英シリカ、圧電セラミックチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、および圧電セラミック−ポリマー繊維複合材等を含むことができる。非圧電部16は、任意の好適な材料、例えばガラス、セラミック、金属、ポリマー、および1または2以上のセラミックとポリマーの複合材、例えば二酸化ケイ素、銅、ステンレス鋼、チタン等を含むことができる。   The piezoelectric portion 14 may be any suitable material, such as lead zirconate titanate, lead magnesium niobate-lead titanate solid solution, lead strontium titanate, quartz silica, piezoelectric ceramic lead zirconate titanate (PZT), and piezoelectric ceramic. -Polymer fiber composites can be included. The non-piezoelectric portion 16 can include any suitable material such as glass, ceramic, metal, polymer, and one or more ceramic and polymer composites such as silicon dioxide, copper, stainless steel, titanium, and the like. .

自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、任意の適当な組み合わせの寸法を有する部分を含むことができる。さらに、物理的寸法は一定でなくてもよい。したがって、圧電層および/または非圧電層は先細形状であることができる。例えば、圧電部(例えば圧電部14)の長さ(例えば図1のL)は、約0.1〜約10mmの範囲であることができる。非圧電部(例えば非圧電部16)の長さ(例えば図1のLNP)は、約0.1〜約10mmの範囲であることができる。重なり領域(例えば重なり領域23)は、約0.1〜約10mmの範囲の長さであることができる。圧電部(例えば圧電部14)の幅(例えば図1のW)、および非圧電部(例えば非圧電部16)の幅(例えば図1のWNP)は、約0.1mm〜約4.0mmの範囲であることができる。圧電部の幅(例えば図1のW)は、非圧電部の幅(例えば図1のWNP)と異なっていてもよい。圧電部(例えば圧電部14)の厚さ(例えば図1のT)、および非圧電部(例えば非圧電部16)の厚さ(例えば図1のTNP)は、約0.1mm〜約4.0mmの範囲であることができる。圧電部の厚さ(例えば図1のT)もまた、非圧電部の厚さ(例えば図1のTNP)と異なることができる。 The self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor can include portions having any suitable combination of dimensions. Furthermore, the physical dimensions may not be constant. Accordingly, the piezoelectric layer and / or the non-piezoelectric layer can be tapered. For example, the length (eg, L P in FIG. 1) of the piezoelectric portion (eg, piezoelectric portion 14) can range from about 0.1 to about 10 mm. The length (eg, L NP of FIG. 1) of the non-piezoelectric portion (eg, non-piezoelectric portion 16) can range from about 0.1 to about 10 mm. The overlap region (eg, overlap region 23) can have a length in the range of about 0.1 to about 10 mm. The width (for example, W P in FIG. 1) of the piezoelectric portion (for example, the piezoelectric portion 14) and the width (for example, W NP in FIG. 1) of the non-piezoelectric portion (for example, the non-piezoelectric portion 16) are about 0.1 mm to about 4. It can be in the range of 0 mm. The width of the piezoelectric portion (for example, W P in FIG. 1) may be different from the width of the non-piezoelectric portion (for example, W NP in FIG. 1). The thickness of the piezoelectric portion (eg, piezoelectric portion 14) (eg, T P in FIG. 1) and the thickness of the non-piezoelectric portion (eg, non-piezoelectric portion 16) (eg, T NP in FIG. 1) are about 0.1 mm to about It can be in the range of 4.0 mm. The thickness of the piezoelectric portion (eg, T P in FIG. 1) can also be different from the thickness of the non-piezoelectric portion (eg, T NP in FIG. 1).

図2は、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサー12の断面図であり、圧電部14と動作可能に関連する電極のための、電極配置領域26を示す。電極は、括弧26で示すように、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの圧電部の上の任意の適切な位置に配置することができる。例えば、図3に示すように、電極28は、ベース部20内の圧電部14に結合することができる。または、図4に示すように、電極32は、圧電部14の、ベース部20内以外の任意の位置であってかつ非圧電部16が重なっていない位置に結合することができる。電極は、圧電部14に対して対称的に配置する必要はない。例示の態様において、1つの電極は圧電部14のベース部20内に、他の電極は圧電部14のベース部20以外の位置に、結合することができる。電極、または任意の適切な手段(例えば、誘電手段、無線手段)を用いて、電気信号を圧電部14へと提供し、またはこれから受け取ることができる。1つの例示の態様において、電極は圧電部14に、接着パッドなど(図3の要素30、および図4の要素34)を介して、結合することができる。例示の接着パッドは、化学センシングまたは生物センシングで用いるのに適当な受容体材料および/または吸収材料を不動化することができる、任意の適切な材料(例えば、金、二酸化ケイ素)を含むことができる。   FIG. 2 is a cross-sectional view of the self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor 12 showing an electrode placement region 26 for electrodes operatively associated with the piezoelectric portion 14. The electrodes can be placed at any suitable location on the piezoelectric portion of the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor, as indicated by brackets 26. For example, as shown in FIG. 3, the electrode 28 can be coupled to the piezoelectric portion 14 in the base portion 20. Alternatively, as shown in FIG. 4, the electrode 32 can be coupled to an arbitrary position of the piezoelectric portion 14 other than the inside of the base portion 20 and a position where the non-piezoelectric portion 16 does not overlap. The electrodes need not be arranged symmetrically with respect to the piezoelectric portion 14. In the illustrated embodiment, one electrode can be coupled to the base portion 20 of the piezoelectric portion 14 and the other electrode can be coupled to a position other than the base portion 20 of the piezoelectric portion 14. An electrical signal can be provided to or received from the piezoelectric portion 14 using electrodes, or any suitable means (eg, dielectric means, wireless means). In one exemplary embodiment, the electrode can be coupled to the piezoelectric portion 14 via an adhesive pad or the like (element 30 in FIG. 3 and element 34 in FIG. 4). Exemplary adhesive pads include any suitable material (eg, gold, silicon dioxide) that can immobilize receptor and / or absorbent materials suitable for use in chemical or biological sensing. it can.

電極は、任意の適切な位置に配置することができる。1つの例示の態様において、電極は圧電層14の応力集中の位置近くに、動作可能に配置される。上述したように、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの感度は部分的に、応力を圧電層14に有利に導く(集中させる)ことおよび、この近くに電極を配置することによる。本明細書に記載された自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサー(およびその変形)の構成は、振動関連応力を圧電層14に集中させる傾向がある。共振において、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの幾つかの構成では、振動するカンチレバーは、圧電層14のベース部20に近い部分に応力を集中させる。これにより、圧電層14の抵抗成分に増幅された変化がもたらされ、応力の高い部位において共振周波数の大きなシフトが生じる。この応力を、低い曲げ係数を有する(例えば、よりフレキシブルである)圧電層14の部分に導くことにより、共振周波数の関連するシフトの探索が可能となって、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの質量における、極めて小さな変化が検出される。したがって、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成において、ベース部20近くに位置する圧電層14の厚さは、ベース部20から遠い部分の圧電層14より薄い。これにより、応力を圧電層14のより薄い部分に向けて集中させる傾向となる。例示の構成において、電極を、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーのベース部近くの、振動関連集中応力の位置またはその近くに配置する。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの他の例示の構成において、電極を、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーのベース部への集中応力の近接度に関わりなく、圧電層における集中応力の位置に近接して配置する。   The electrodes can be placed at any suitable location. In one exemplary embodiment, the electrodes are operably disposed near the location of stress concentration in the piezoelectric layer 14. As described above, the sensitivity of the self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor is partly due to the advantageous introduction (concentration) of stress to the piezoelectric layer 14 and the placement of electrodes in the vicinity thereof. The configuration of the self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor (and variations thereof) described herein tends to concentrate vibration-related stress on the piezoelectric layer 14. In resonance, in some configurations of the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor, the vibrating cantilever concentrates stress on a portion near the base portion 20 of the piezoelectric layer 14. As a result, an amplified change is caused in the resistance component of the piezoelectric layer 14, and a large shift of the resonance frequency occurs in a portion where the stress is high. By directing this stress to a portion of the piezoelectric layer 14 having a low bending modulus (eg, more flexible), it is possible to search for a shift associated with the resonant frequency, and a self-excited and self-detecting piezoelectric cantilever sensor. A very small change in the mass of is detected. Therefore, in the exemplary configuration of the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor, the thickness of the piezoelectric layer 14 located near the base portion 20 is thinner than the piezoelectric layer 14 at a portion far from the base portion 20. As a result, the stress tends to be concentrated toward a thinner portion of the piezoelectric layer 14. In the illustrated configuration, the electrodes are placed near or at the location of the vibration-related concentrated stress near the base of the self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor. In another exemplary configuration of a self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor, the electrode is positioned at a concentration stress in the piezoelectric layer regardless of the proximity of the concentrated stress to the base of the self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor. Place in close proximity to.

自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、複数の構成にしたがって構成することができ、これらの幾つかは図5〜図16に示されている。しかし、本明細書に示されている構成は全ての可能な構成を表すものではなく、むしろ自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの構成の代表的な例を表すものであることが理解される。図5は、無固定の自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成36の図であり、ここで圧電部14の遠位端40は、非圧電部16の遠位端38とぴったり重なっている。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサー36を「無固定」と呼ぶのは、非圧電部16がベース部20に取り付けられていないからである。圧電部14は、非圧電部16に接着部18を介して結合される。接着部18は、圧電部14と非圧電部16の重なり部分の間に位置する。圧電部14は、ベース部20に結合される。   The self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor can be configured according to a plurality of configurations, some of which are shown in FIGS. However, it is understood that the configurations shown herein do not represent all possible configurations, but rather represent representative examples of configurations of self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensors. . FIG. 5 is an illustration of an exemplary configuration 36 of a non-fixed self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor, wherein the distal end 40 of the piezoelectric portion 14 is flush with the distal end 38 of the non-piezoelectric portion 16. ing. The reason why the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor 36 is referred to as “unfixed” is because the non-piezoelectric portion 16 is not attached to the base portion 20. The piezoelectric part 14 is coupled to the non-piezoelectric part 16 via an adhesive part 18. The bonding portion 18 is located between the overlapping portions of the piezoelectric portion 14 and the non-piezoelectric portion 16. The piezoelectric part 14 is coupled to the base part 20.

図6は、無固定の自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成42の図であり、ここで圧電部14の遠位端44は、非圧電部16の遠位端46を越えて伸びており、圧電部14の隣接端43は、非圧電部16の隣接端45を越えて伸びている。圧電部14は、非圧電部16に接着部18を介して結合される。接着部18は、圧電部14と非圧電部16の重なり部分の間に位置する。圧電部14は、ベース部20に結合される。   FIG. 6 is an illustration of an exemplary configuration 42 of a non-fixed self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor, where the distal end 44 of the piezoelectric portion 14 extends beyond the distal end 46 of the non-piezoelectric portion 16. The adjacent end 43 of the piezoelectric portion 14 extends beyond the adjacent end 45 of the non-piezoelectric portion 16. The piezoelectric part 14 is coupled to the non-piezoelectric part 16 via an adhesive part 18. The bonding portion 18 is located between the overlapping portions of the piezoelectric portion 14 and the non-piezoelectric portion 16. The piezoelectric part 14 is coupled to the base part 20.

自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーはまた、複数のベース部を含むように構成することもできる。複数のベース部を含む自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成を、図7〜図14に示す。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーを、複数のベース部を含むように構成することは、直感的に分かりにくいが、これは、当業者の期待としては、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの両端を固定することで、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーを複数のベース部に固定した結果自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの変位の制限が生じて、応答の劣化をもたらすからである。2つのベース部を含む自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの構成に関して、1つの例示の態様において、圧電部の変位でなく、圧電部の応力を測定する。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーを、2つのベース部を含むように構成すると、比較的高い媒体流の条件のもとで動作し、優れた質量変化感度を提供可能な、安定で堅固なセンサーが提供される。機械的に堅固な自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーであって、比較的広い範囲の媒体流条件に対し、性能の最小の決定力で耐用できる前記センサーを提供すると共に、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーを2つのベース部を含むように構成することにより、1つのベース部を有する類似寸法のカンチレバーセンサーと比べて、3〜4倍高い(例えば100kHzより高い)基本周波数を提供する。   The self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor can also be configured to include a plurality of base portions. Exemplary configurations of a self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor including a plurality of base portions are shown in FIGS. Although it is difficult to intuitively understand that a self-exciting / self-detecting type piezoelectric cantilever sensor includes a plurality of base portions, this is a self-exciting / self-detecting type piezoelectric cantilever sensor that is expected from those skilled in the art. By fixing both ends of the self-excited / self-detecting piezoelectric cantilever sensor to multiple bases, the displacement of the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor is limited, resulting in degraded response. is there. Regarding the configuration of the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor including two base portions, in one exemplary embodiment, the stress of the piezoelectric portion is measured instead of the displacement of the piezoelectric portion. A self-exciting, self-detecting piezoelectric cantilever sensor that is configured to include two bases can operate under relatively high media flow conditions and provide excellent mass change sensitivity that is stable and robust. A sensor is provided. A mechanically robust self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor that provides the sensor with a minimum deterministic performance for a relatively wide range of media flow conditions, as well as self-exciting and self-detecting By configuring the piezoelectric cantilever sensor to include two base portions, it provides a fundamental frequency that is 3-4 times higher (eg, higher than 100 kHz) as compared to a similarly sized cantilever sensor having one base portion.

図7は、2つのベース部20、50を含む、固定の自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成48の図である。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサー48を「固定」と呼ぶのは、非圧電部16がベース部20に取り付けられているからである。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサー48に示す構成において、圧電部14の隣接端52と非圧電部16の隣接端54の両方は、ベース部20に取り付けられている。圧電部と非圧電部は、任意の適切な手段を介してベース部に取り付けることができる。非圧電部16の遠位端58もまた、ベース部50に取り付けられている。非圧電部16の遠位端58は、圧電部14の遠位端56を越えて伸びている。圧電部14は、非圧電部16に接着部18を介して結合される。接着部18は、圧電部14と非圧電部16の重なり部分の間に位置している。   FIG. 7 is a diagram of an exemplary configuration 48 of a fixed self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor that includes two base portions 20 and 50. The reason why the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor 48 is referred to as “fixed” is that the non-piezoelectric portion 16 is attached to the base portion 20. In the configuration shown in the self-exciting / self-detecting type piezoelectric cantilever sensor 48, both the adjacent end 52 of the piezoelectric portion 14 and the adjacent end 54 of the non-piezoelectric portion 16 are attached to the base portion 20. The piezoelectric part and the non-piezoelectric part can be attached to the base part via any suitable means. A distal end 58 of the non-piezoelectric portion 16 is also attached to the base portion 50. The distal end 58 of the non-piezoelectric portion 16 extends beyond the distal end 56 of the piezoelectric portion 14. The piezoelectric part 14 is coupled to the non-piezoelectric part 16 via an adhesive part 18. The bonding portion 18 is located between the overlapping portions of the piezoelectric portion 14 and the non-piezoelectric portion 16.

図8は、2つのベース部20、50を含む、固定の自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成60の図であり、ここで圧電部14は、ベース部20またはベース部50のどちらにも取り付けられていない。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサー60に示す構成において、非圧電部16の隣接端62はベース部20に取り付けられ、非圧電部16の遠位端64はベース部50に取り付けられている。非圧電部16の隣接端62は、圧電部14の隣接端66を越えて伸び、非圧電部16の遠位端64は、圧電部14の遠位端68を越えて伸びている。圧電部14は、非圧電部16に接着部18を介して結合される。接着部18は、圧電部14と非圧電部16の重なり部分の間に位置している。   FIG. 8 is a diagram of an exemplary configuration 60 of a fixed self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor that includes two base portions 20, 50, where the piezoelectric portion 14 is the base portion 20 or the base portion 50. Neither is attached. In the configuration shown in the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor 60, the adjacent end 62 of the non-piezoelectric part 16 is attached to the base part 20, and the distal end 64 of the non-piezoelectric part 16 is attached to the base part 50. The adjacent end 62 of the non-piezoelectric portion 16 extends beyond the adjacent end 66 of the piezoelectric portion 14, and the distal end 64 of the non-piezoelectric portion 16 extends beyond the distal end 68 of the piezoelectric portion 14. The piezoelectric part 14 is coupled to the non-piezoelectric part 16 via an adhesive part 18. The bonding portion 18 is located between the overlapping portions of the piezoelectric portion 14 and the non-piezoelectric portion 16.

図9は、固定の自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成70の図であり、これは2つのベース部20、50を含み、2つの圧電部14、72を含み、および2つの接着部18、74を含む。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサー70に示す構成において、圧電部14の隣接端76および非圧電部16の隣接端78は、ベース部20に取り付けられている。圧電部72の遠位端80および非圧電部16の遠位端82は、ベース部50に取り付けられている。非圧電部16の隣接端78は、圧電部72の隣接端86を越えて伸びている。非圧電部16の遠位端82は、圧電部14の遠位端84を越えて伸びている。圧電部14の遠位端84と、圧電部72の隣接端86は、その間にスペース88を形成する。圧電部14は、非圧電部16に接着部18を介して結合される。圧電部72は、非圧電部16に接着部74を介して結合される。接着部18および74はそれぞれ、圧電部14と非圧電部16、および圧電部72と非圧電部16の重なり部分の間に位置している。   FIG. 9 is a diagram of an exemplary configuration 70 of a fixed self-exciting and self-sensing piezoelectric cantilever sensor, which includes two base portions 20, 50, two piezoelectric portions 14, 72, and two Bonding portions 18 and 74 are included. In the configuration shown in the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor 70, the adjacent end 76 of the piezoelectric portion 14 and the adjacent end 78 of the non-piezoelectric portion 16 are attached to the base portion 20. The distal end 80 of the piezoelectric portion 72 and the distal end 82 of the non-piezoelectric portion 16 are attached to the base portion 50. The adjacent end 78 of the non-piezoelectric part 16 extends beyond the adjacent end 86 of the piezoelectric part 72. The distal end 82 of the non-piezoelectric portion 16 extends beyond the distal end 84 of the piezoelectric portion 14. A distal end 84 of the piezoelectric portion 14 and an adjacent end 86 of the piezoelectric portion 72 form a space 88 therebetween. The piezoelectric part 14 is coupled to the non-piezoelectric part 16 via an adhesive part 18. The piezoelectric part 72 is coupled to the non-piezoelectric part 16 via an adhesive part 74. The bonding portions 18 and 74 are located between the overlapping portions of the piezoelectric portion 14 and the non-piezoelectric portion 16 and between the piezoelectric portion 72 and the non-piezoelectric portion 16, respectively.

図9に示す構成70についての種々の代替的例示構成においては、圧電部14、72の1つのみが、それぞれのベース部20、50に取り付けられる。例えば、図10に示した1つの例示の構成においては、圧電部14がベース部20に取り付けられ、圧電部72はベース部50に取り付けられていない。別の例示の構成においては、図11に示すように、圧電部72がベース部50に取り付けられ、圧電部14はベース部20に取り付けられていない。さらに別の例示の構成においては、図12に示すように、圧電部14も圧電部72も、それぞれのベース部20、50に取り付けられていない。圧電層が複数の部分からなっている種々の例示の構成において、電極は任意の1または2以上の圧電部に取り付けることができる。例えば、図9、図10、図11および図12に示す例示の構成において、電極は圧電部14、圧電部72、またはこれらの組み合わせに取り付けることができる。   In various alternative exemplary configurations for the configuration 70 shown in FIG. 9, only one of the piezoelectric portions 14, 72 is attached to the respective base portion 20, 50. For example, in one exemplary configuration shown in FIG. 10, the piezoelectric portion 14 is attached to the base portion 20, and the piezoelectric portion 72 is not attached to the base portion 50. In another exemplary configuration, as shown in FIG. 11, the piezoelectric portion 72 is attached to the base portion 50 and the piezoelectric portion 14 is not attached to the base portion 20. In yet another exemplary configuration, neither the piezoelectric part 14 nor the piezoelectric part 72 is attached to the respective base parts 20 and 50 as shown in FIG. In various exemplary configurations where the piezoelectric layer is comprised of multiple portions, the electrodes can be attached to any one or more piezoelectric portions. For example, in the exemplary configurations shown in FIGS. 9, 10, 11, and 12, the electrodes can be attached to the piezoelectric portion 14, the piezoelectric portion 72, or a combination thereof.

図13は、2つのベース部20、50を含む、固定の自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成90の図であり、ここで圧電部14はベース部20に取り付けられ、非圧電部16はベース部50に取り付けられている。圧電部14は、非圧電部16に接着部18を介して結合される。接着部18は、圧電部14と非圧電部16の重なり部分の間に位置している。非圧電部16の遠位端98は、圧電部14の遠位端96を越えて伸びている。圧電部14の隣接端92は、非圧電部16の隣接端94を越えて伸びている。   FIG. 13 is a diagram of an exemplary configuration 90 of a fixed self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor that includes two base portions 20, 50, where the piezoelectric portion 14 is attached to the base portion 20 and is non-piezoelectric. The part 16 is attached to the base part 50. The piezoelectric part 14 is coupled to the non-piezoelectric part 16 via an adhesive part 18. The bonding portion 18 is located between the overlapping portions of the piezoelectric portion 14 and the non-piezoelectric portion 16. The distal end 98 of the non-piezoelectric portion 16 extends beyond the distal end 96 of the piezoelectric portion 14. The adjacent end 92 of the piezoelectric portion 14 extends beyond the adjacent end 94 of the non-piezoelectric portion 16.

図14は、2つのベース部20、50を含む、固定の自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成100の図であり、ここで非圧電部16は、ベース部20とベース部50のどちらにも取り付けられていない。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサー100に示す構成において、圧電部14の隣接端102は、ベース部20に取り付けられており、圧電部14の遠位端104は、ベース部50に取り付けられている。圧電部14の隣接端102は、非圧電部16の隣接端106を越えて伸びており、圧電部14の遠位端104は、非圧電部16の遠位端108を越えて伸びている。圧電部14は、非圧電部16に接着部18を介して結合される。接着部18は、圧電部14と非圧電部16の重なり部分の間に位置している。   FIG. 14 is a diagram of an exemplary configuration 100 of a fixed self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor that includes two base portions 20, 50, where the non-piezoelectric portion 16 includes a base portion 20 and a base portion 50. Neither is attached. In the configuration shown in the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor 100, the adjacent end 102 of the piezoelectric portion 14 is attached to the base portion 20, and the distal end 104 of the piezoelectric portion 14 is attached to the base portion 50. Yes. The adjacent end 102 of the piezoelectric portion 14 extends beyond the adjacent end 106 of the non-piezoelectric portion 16, and the distal end 104 of the piezoelectric portion 14 extends beyond the distal end 108 of the non-piezoelectric portion 16. The piezoelectric part 14 is coupled to the non-piezoelectric part 16 via an adhesive part 18. The bonding portion 18 is located between the overlapping portions of the piezoelectric portion 14 and the non-piezoelectric portion 16.

図15は、圧電部14と非圧電部16を含む、無固定の自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成110の図であり、ここで圧電部の幅Wは、非圧電部の幅WNPより小さい。図15に示す構成110は、図1に示した構成12に類似であるが、ただし、WはWNPより小である。したがって、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサー110は、無固定のオーバーハング型自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの態様を示す。圧電部14は、非圧電部16に接着部(図15には接着部は示されず)を介して結合される。接着部は、圧電部14と非圧電部16の重なり部分の間に位置している。圧電部14はベース部20に結合される。 Figure 15 includes a piezoelectric portion 14 and the non-piezoelectric portion 16 is a diagram of an exemplary configuration 110 of the non-fixed self-exciting, self-sensing piezoelectric cantilever sensor, width W P Here piezoelectric unit, the non-piezoelectric portion Less than the width WNP . Structure 110 shown in FIG. 15 is similar to the arrangement 12 shown in FIG. 1, however, W P is less than W NP. Therefore, the self-exciting / self-detecting type piezoelectric cantilever sensor 110 shows an aspect of an unfixed overhanging type self-exciting / self-detecting type piezoelectric cantilever sensor. The piezoelectric part 14 is coupled to the non-piezoelectric part 16 via an adhesive part (the adhesive part is not shown in FIG. 15). The bonding portion is located between the overlapping portions of the piezoelectric portion 14 and the non-piezoelectric portion 16. The piezoelectric portion 14 is coupled to the base portion 20.

図16は、圧電部14と非圧電部16を含む、無固定の自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの例示の構成112の図であり、ここで圧電部の幅Wは非圧電部の幅WNPより小さく、および圧電部14の遠位端114は、非圧電部16の遠位端116を越えて伸びており、圧電部14の隣接端118は、非圧電部16の隣接端120を越えて伸びている。図16に示す構成112は、図6に示した構成42に類似であるが、ただし、WはWNPより小である。圧電部14は、非圧電部16に接着部(図16には接着部は示されず)を介して結合される。接着部は、圧電部14と非圧電部16の重なり部分の間に位置している。圧電部14はベース部20に結合される。 Figure 16 includes a piezoelectric portion 14 and the non-piezoelectric portion 16 is a diagram of an exemplary configuration 112 of the non-fixed self-exciting, self-sensing piezoelectric cantilever sensor, wherein the width W P of the piezoelectric portion of the non-piezoelectric portion Less than the width W NP and the distal end 114 of the piezoelectric portion 14 extends beyond the distal end 116 of the non-piezoelectric portion 16, and the adjacent end 118 of the piezoelectric portion 14 is adjacent to the adjacent end 120 of the non-piezoelectric portion 16. It extends beyond. Structure 112 shown in FIG. 16 is similar to the arrangement 42 shown in FIG. 6, however, W P is less than W NP. The piezoelectric portion 14 is coupled to the non-piezoelectric portion 16 via an adhesive portion (the adhesive portion is not shown in FIG. 16). The bonding portion is located between the overlapping portions of the piezoelectric portion 14 and the non-piezoelectric portion 16. The piezoelectric portion 14 is coupled to the base portion 20.

図17は、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーを用いた、分析物を検出するための例示の方法のフロー図である。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、ステップ120において提供される。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、上記に従って構成するか、またはこれらの任意の適切な変形に従って構成することができる。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーは、ステップ122において分析物を受け取るよう準備する。例示の態様において、分析物の誘引物質を自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの非圧電部に適用する。誘引物質は分析物に特異的である。したがって、誘引物質は標的分析物を引き付けるが、他の物質は引き付けない。例えば、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの非圧電部は、以下を引き付けるための誘引物質を含むことができる:炭疽菌などのバイオテロリズム剤、大腸菌などの食品媒介病原体、食品および水中の病原体、体液中の細胞型(例えば、循環する腫瘍細胞)、体液中のバイオマーカー(例えば、特定の病態生理をマークするタンパク質、α−フェトタンパク質、β2−ミクログロブリン、膀胱癌抗原、乳癌マーカーCA−15−3、および他のCA類(癌抗原)、カルシトニン、癌胎児性抗原、その他)、例えばトリニトロトルエン、ジニトロトルエンなどの爆発性マーカー、空気媒介毒素および水媒介毒素、タンパク質などの生物学的実体、およびこれらの組み合わせ。   FIG. 17 is a flow diagram of an exemplary method for detecting an analyte using a self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor. A self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor is provided in step 120. The self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor can be configured according to the above or according to any suitable variation thereof. The self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor prepares to receive the analyte at step 122. In the illustrated embodiment, the analyte attractant is applied to a non-piezoelectric portion of a self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor. The attractant is specific for the analyte. Thus, the attractant attracts the target analyte but not other substances. For example, the non-piezoelectric part of a self-excited, self-detecting piezoelectric cantilever sensor can include an attractant to attract: bioterrorism agents such as Bacillus anthracis, foodborne pathogens such as E. coli, food and aquatic pathogens Cell types in body fluids (eg circulating tumor cells), biomarkers in body fluids (eg proteins marking specific pathophysiology, α-fetoprotein, β2-microglobulin, bladder cancer antigen, breast cancer marker CA- 15-3, and other CAs (cancer antigens), calcitonin, carcinoembryonic antigen, etc.), eg explosive markers such as trinitrotoluene, dinitrotoluene, biological media such as air-borne and water-borne toxins, proteins, etc. Entities, and combinations thereof.

自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーを、ステップ124において媒体に暴露する。媒体は、任意の適切な媒体、例えば液体、気体、液体と気体の組み合わせ、または真空などを含むことができる。媒体は、広い範囲の流動状態を示すことができる。標的分析物が媒体中に存在する場合、標的分析物は、誘引物質で処理された自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの非圧電部に蓄積する。上記のように、標的分析物が自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの非圧電部に蓄積(例えば結合)すると、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの剛性の変化、および/または自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの質量の増加をもたらし、これにより自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの共振周波数が減少する。   A self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor is exposed to the medium in step 124. The medium can include any suitable medium, such as a liquid, a gas, a combination of liquid and gas, or a vacuum. The medium can exhibit a wide range of flow conditions. When the target analyte is present in the medium, the target analyte accumulates in the non-piezoelectric portion of the self-excited, self-detecting piezoelectric cantilever sensor treated with the attractant. As described above, when the target analyte accumulates (for example, couples) in the non-piezoelectric portion of the self-excited / self-detecting piezoelectric cantilever sensor, a change in rigidity of the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor and / or self-exciting / This causes an increase in the mass of the self-detecting piezoelectric cantilever sensor, thereby reducing the resonant frequency of the self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor.

自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの共振周波数は、ステップ126で測定する。共振周波数は、任意の適切な手段により、例えばオペアンプ、インピーダンスアナライザー、ネットワークアナライザー、発振回路などにより、測定することができる。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの圧電部の圧電材料が励振されると、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの非圧電部が曲がって、圧電材料に生じたひずみに対応する。励振周波数が下にある機械構造の固有周波数に等しい場合、共振が起こる。   In step 126, the resonance frequency of the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor is measured. The resonance frequency can be measured by any appropriate means, such as an operational amplifier, an impedance analyzer, a network analyzer, an oscillation circuit, and the like. When the piezoelectric material of the piezoelectric portion of the self-exciting / self-detecting type piezoelectric cantilever sensor is excited, the non-piezoelectric portion of the self-exciting / self-detecting type piezoelectric cantilever sensor is bent to correspond to the strain generated in the piezoelectric material. Resonance occurs when the excitation frequency is equal to the natural frequency of the underlying mechanical structure.

測定した共振周波数を、ステップ128においてベースライン共振周波数と比較する。ベースライン共振周波数は、分析物が蓄積していない、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの共振周波数である。測定した共振周波数とベースライン共振周波数の間の周波数の差(周波数シフト)が計測されない場合(ステップ130において)、ステップ132において、分析物が検出されなかったと決定する。測定した共振周波数とベースライン共振周波数の間の周波数の差が計測された場合は(ステップ130において)、ステップ134において、分析物が検出されたこと、すなわち分析物が媒体中に存在することを決定する。ステップ136において、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの非圧電部に蓄積された分析物の質量を、ステップ130で計測した周波数シフトに応じて決定する。   The measured resonance frequency is compared with the baseline resonance frequency in step 128. The baseline resonance frequency is the resonance frequency of a self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor in which no analyte is accumulated. If the frequency difference (frequency shift) between the measured resonant frequency and the baseline resonant frequency is not measured (in step 130), it is determined in step 132 that no analyte has been detected. If a frequency difference between the measured resonant frequency and the baseline resonant frequency is measured (in step 130), then in step 134 it is determined that the analyte has been detected, ie that the analyte is present in the medium. decide. In step 136, the mass of the analyte accumulated in the non-piezoelectric part of the self-exciting / self-detecting piezoelectric cantilever sensor is determined according to the frequency shift measured in step 130.

自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの種々の構成を利用して、種々の実験が実施されている。図18は、図1に示す、空中で作動された自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの構成12の、例示の共振スペクトルのプロット137である。幅Wおよび幅WNPは、それぞれ約2mmである。プロット137は、励振電圧100mVでの、位相角(励振電圧と励振電流の間)対励振周波数を示す。第1共振周波数モード140は、およそ150〜200kHzの間で起こり、第2共振周波数モード142は、およそ250〜300kHzの間で起こった。共振スペクトルは、約980kHz、2.90MHzおよび4.60MHzにおいて、高次の特性ピークを示す。 Various experiments have been carried out using various configurations of self-excited / self-detecting piezoelectric cantilever sensors. FIG. 18 is an exemplary resonance spectrum plot 137 of the self-excited self-detecting piezoelectric cantilever sensor configuration 12 operated in air shown in FIG. The width Wp and the width WNP are each about 2 mm. Plot 137 shows the phase angle (between excitation voltage and excitation current) versus excitation frequency at an excitation voltage of 100 mV. The first resonant frequency mode 140 occurred between approximately 150-200 kHz, and the second resonant frequency mode 142 occurred between approximately 250-300 kHz. The resonance spectrum shows high order characteristic peaks at about 980 kHz, 2.90 MHz and 4.60 MHz.

性質係数を、共振周波数の、ピーク高さの中点におけるピーク幅に対する比率として決定した。その結果、性質係数は、共振ピークの鮮鋭度の測度である。実験により、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの性質係数は、センサーが真空から液体流の環境までの異なる環境中に置かれた場合にも、大幅に減少しないことが示された。実験により、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの種々の構成のQ値は、ピークが検出された位置でのそれぞれの周波数モードに依存して、一般に10〜70の範囲であることも示された。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの種々の構成は、真空、空気および流れを含む粘性の環境中で用いられた場合に、一般にそのQ値は20%〜35%を超えて減少しなかった。性質係数の全体的な値における比較的小さなこの損失は、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの持つ能力、すなわち化学物質および種々の生物学的項目を、水および血流を含む粘性の環境中で正確に検出する能力を反映するものである。   The property factor was determined as the ratio of the resonant frequency to the peak width at the midpoint of the peak height. As a result, the property factor is a measure of the sharpness of the resonance peak. Experiments have shown that the property factor of self-excited and self-detecting piezoelectric cantilever sensors is not significantly reduced when the sensors are placed in different environments, from vacuum to liquid flow environments. Experiments have also shown that the Q value of various configurations of self-excited and self-detecting piezoelectric cantilever sensors is generally in the range of 10-70 depending on the respective frequency mode at the position where the peak is detected. It was. Various configurations of self-excited and self-detecting piezoelectric cantilever sensors generally did not reduce their Q value by more than 20% to 35% when used in viscous environments including vacuum, air and flow. . This relatively small loss in the overall value of the property factor is due to the ability of the self-excited and self-detecting piezoelectric cantilever sensor, ie chemicals and various biological items, in viscous environments including water and blood flow. It reflects the ability to detect accurately with.

実験により、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの感度は、その寸法の関数であることが示された。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの形状寸法における特定の変化は、センサーの質量変化感度を増強し、したがって、低濃度の分析物を検出するセンサーの応答を強化する。共振スペクトル、すなわち空気中の位相角対励振周波数のプロットは、それぞれ102±0.05、970±0.05、および1810±0.05kHzにおいて、優勢な曲げモード共振ピークを示した。自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの形状寸法を変えることにより、センサーの共振特性が強化された。対応する曲げ共振モードは、より高い周波数で起こり、より大きい位相角を有し、これは自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの共振ピークが、より感度が高く、減衰がより少ないことを示唆した。   Experiments have shown that the sensitivity of a self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor is a function of its dimensions. Certain changes in the geometry of a self-exciting, self-detecting piezoelectric cantilever sensor enhance the sensor's mass change sensitivity and thus enhance the response of the sensor to detect low concentrations of analyte. The plot of resonance spectrum, ie, phase angle in air versus excitation frequency, showed dominant bending mode resonance peaks at 102 ± 0.05, 970 ± 0.05, and 1810 ± 0.05 kHz, respectively. By changing the geometry of the self-excited and self-detecting piezoelectric cantilever sensor, the resonance characteristics of the sensor were enhanced. The corresponding bending resonance mode occurs at higher frequencies and has a larger phase angle, suggesting that the resonance peak of the self-excited and self-detecting piezoelectric cantilever sensor is more sensitive and less damped. .

1つの例示の実験において、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーの質量変化感度を測定した。既知の質量のパラフィンワックスを、自己励振・自己検出型圧電カンチレバーセンサーのガラス表面に付加し、共振周波数の変化を用いて、g/Hzで表した質量感度を計算した。液体中での質量変化感度を、直接測定した;さらに、質量を付加する前後における共振周波数の変化に対する、既知の質量の比率も測定した。液体中で測定した共振モードの質量感度は、1.5×10−15g/Hzと決定された。 In one exemplary experiment, the mass change sensitivity of a self-exciting and self-detecting piezoelectric cantilever sensor was measured. A known mass of paraffin wax was added to the glass surface of a self-excited and self-detecting piezoelectric cantilever sensor, and the mass sensitivity expressed in g / Hz was calculated using the change in resonance frequency. The mass change sensitivity in the liquid was measured directly; in addition, the ratio of the known mass to the change in resonant frequency before and after adding mass was also measured. The mass sensitivity of the resonance mode measured in the liquid was determined to be 1.5 × 10 −15 g / Hz.

圧電カンチレバーセンサーの空中浮遊分析物検出への適用
出願人は、気相における標的分析物の検出に関する、公表された情報を見出せなかった。本発明は、気相における標的分析物の、分析物をセンサー内の識別実体に結合することによる検出に関する。識別実体は、標的分析物への親和性を示す。生物学的識別実体の例は、ポリクローナルおよびモノクローナル抗体、単鎖抗体(scFv)、アプタマー(標的分子を検出するために特異的に開発された合成DNA)、組換えおよび天然ファージなどを含む。1つの態様において、例えば本明細書に記載されたような周波数変換法を用いる場合、検出器は、空中浮遊分析物の濃度を検出するための識別実体として、固定化抗体を使用する。固定化抗体は、識別実体として、空中検出のために用いるセンサー表面に取り付けられる抗体である。この種類の空中検出は、細菌、ウィルス、接合子嚢、プリオンおよび胞子を含む病原体などの生物学的物質、および化学物質などの非生物学的物質の、迅速で正確な検出を提供する。細菌、胞子などの生物学的脅威、および爆発性または毒性化学物質などの化学的脅威を検出することができる。
Application of piezoelectric cantilever sensors to airborne analyte detection Applicants failed to find published information regarding the detection of target analytes in the gas phase. The present invention relates to the detection of a target analyte in the gas phase by binding the analyte to an identifying entity in a sensor. The discriminating entity indicates affinity for the target analyte. Examples of biological identification entities include polyclonal and monoclonal antibodies, single chain antibodies (scFv), aptamers (synthetic DNA specifically developed to detect target molecules), recombinant and natural phages, and the like. In one embodiment, the detector uses an immobilized antibody as an identifying entity to detect the concentration of airborne analyte, for example when using frequency conversion methods as described herein. An immobilized antibody is an antibody attached to a sensor surface used for air detection as an identification entity. This type of airborne detection provides for rapid and accurate detection of biological materials such as pathogens including bacteria, viruses, oocysts, prions and spores, and non-biological materials such as chemicals. Biological threats such as bacteria, spores, and chemical threats such as explosive or toxic chemicals can be detected.

本発明の1つの側面において、上記などの識別実体を用いた分析物の空中検出は、センサーの被覆表面などの識別実体を有するセンサーを、気流に暴露することにより実施される。気流は、分析物を含んでいても含んでいなくてもよい。気流が分析物を含まない場合は、検出は期待されない。しかし、気流中に分析物が存在する場合は、分析物は識別実体に結合し、センサーの特性に影響を与える。変化した特性は、現在センサーに結合している分析物の存在を検出する変換器を用いて、検出することができる。特に、変換器機構は、光学、周波数、キャパシタンス、電気導電性、曲げモード、または静的モードのカンチレバーを介して、操作することができる。変換器機構は、センサーの特性の変化を、分析物の識別抗体への結合の結果として決定することができる。その結果、変化した特性(すなわち、寸法、周波数、質量、キャパシタンス、電気導電性、曲げモード等)が検出および定量化される。一旦定量化されると、識別実体に結合した分析物の量は、当分野に知られた計算手段、例えばコンピュータ、組み込み型プロセッサまたはデジタルもしくはアナログ回路などを用いて、決定することができる。かかる変換器機構の1つは周波数であり、ここでセンサーの機械的共振は、分析物がセンサーの識別表面に結合すると変化する。周波数変換を用いた態様の例を下に示す。しかし、他の変換機構も、上に記したように可能である。   In one aspect of the invention, analyte aerial detection using an identification entity such as described above is performed by exposing a sensor having an identification entity, such as a coated surface of the sensor, to an air stream. The airflow may or may not contain the analyte. If the airflow does not contain the analyte, detection is not expected. However, if an analyte is present in the air stream, the analyte will bind to the identifying entity and affect the characteristics of the sensor. The altered property can be detected using a transducer that detects the presence of the analyte currently bound to the sensor. In particular, the transducer mechanism can be operated via optics, frequency, capacitance, electrical conductivity, bending mode, or static mode cantilevers. The transducer mechanism can determine changes in sensor properties as a result of binding of the analyte to the identifying antibody. As a result, altered properties (ie, dimensions, frequency, mass, capacitance, electrical conductivity, bending mode, etc.) are detected and quantified. Once quantified, the amount of analyte bound to the identifying entity can be determined using computational means known in the art, such as a computer, an embedded processor, or a digital or analog circuit. One such transducer mechanism is frequency, where the mechanical resonance of the sensor changes as the analyte binds to the identification surface of the sensor. An example of an embodiment using frequency conversion is shown below. However, other conversion mechanisms are possible as noted above.

空中浮遊分析物の検出用の周波数変換の1つの態様において、圧電励振ミリメートルサイズカンチレバー(PEMC)センサーは、その高い感度により、空中浮遊種の検出に有用であることが、本発明者らにより見出された。例えば抗体またはDNA分子などの認識実体を用いて調製したPEMC表面は、病原体、タンパク質または生体分子であってよい標的分析物に応答する。かかる事象はカンチレバーの質量変化を引き起こし、これは共振周波数の変化として現れ、適切な分析器によりモニタリング可能である。好適な分析器は、ロックイン増幅器、インピーダンスアナライザー、ネットワークアナライザーまたは発振回路を含んでよい。   In one aspect of frequency conversion for the detection of airborne analytes, we have found that piezoelectrically excited millimeter sized cantilevers (PEMC) sensors are useful for detecting airborne species due to their high sensitivity. It was issued. For example, a PEMC surface prepared with a recognition entity such as an antibody or DNA molecule responds to a target analyte, which can be a pathogen, protein or biomolecule. Such an event causes a change in the mass of the cantilever, which appears as a change in resonant frequency and can be monitored by a suitable analyzer. Suitable analyzers may include lock-in amplifiers, impedance analyzers, network analyzers or oscillator circuits.

本出願において、空中浮遊病原体の検出のための技術が記載される。1つの側面は、標的有機体または分子を、空気中で、識別分子を含むPEMCセンサーに接触させて、標的有機体または分子の存在を検知する方法を含む。本発明の1つの利点は、これが、液体媒体中の標的有機体または分子を検出用に収集することなく、実施できることである。伝統的なアプローチでは、センサーを液体環境中に配置する。発振表面などの動的な検出表面は、望ましくない粒子状汚染物質の付着に抵抗することが知られている。PEMCセンサーは、気体流と接触している間振動しているため、化学結合付着のみが生じることができ、これによって、気流試料中の気体が運ぶ粒子状汚染物質による擬陽性を減少させるか、または取り除く。PEMCセンサーが、その動作によって検出における汚染物質の除外に特異性を提供できるため、この原理は本発明の利点となる。   In this application, techniques for the detection of airborne pathogens are described. One aspect includes a method of contacting a target organism or molecule in air with a PEMC sensor that includes a discriminating molecule to detect the presence of the target organism or molecule. One advantage of the present invention is that it can be performed without collecting target organisms or molecules in a liquid medium for detection. Traditional approaches place the sensor in a liquid environment. Dynamic sensing surfaces such as oscillating surfaces are known to resist the deposition of unwanted particulate contaminants. Since the PEMC sensor vibrates while in contact with the gas stream, only chemical bond deposition can occur, thereby reducing false positives due to particulate contaminants carried by the gas in the airflow sample, or remove. This principle is an advantage of the present invention because the PEMC sensor can provide specificity for the exclusion of contaminants in its detection by its operation.

本発明の1つの態様において、低速度流域において流れる気流に対して、センサー表面の位置および/また向きを特定する。好ましくは、約0.01〜約30m/sの気流速度を検出に用いる。低速度流域は、標的種と結合用のセンサー表面の間に、増加した接触時間を提供する。標的種とセンサー表面の間の接触時間は、気流に相対的なセンサー表面の特定の位置および向きによっても、増大させることができる。好ましくは、センサー表面は気流に実質的に垂直に配置するが、ただし他の向きもまた可能である。胞子のセンサー上の抗原への結合親和性は、局所湿度に依存する可能性がある。湿度を10〜95%の範囲に維持することで十分な結合を提供し、95%の値で、優れた結合親和性を提供する。結合は0.01〜30m/sの気流速度範囲で観察されるが、この範囲の下限はより高い結合反応速度を示す。幾つかの態様においては、0.01〜10m/sの気流速度が許容可能な速度であった。   In one aspect of the present invention, the position and / or orientation of the sensor surface is identified for airflow flowing in a low velocity region. Preferably, an air velocity of about 0.01 to about 30 m / s is used for detection. The low velocity basin provides increased contact time between the target species and the binding sensor surface. The contact time between the target species and the sensor surface can also be increased by the specific position and orientation of the sensor surface relative to the airflow. Preferably, the sensor surface is positioned substantially perpendicular to the airflow, although other orientations are possible. The binding affinity of the spore to the antigen on the sensor may depend on local humidity. Maintaining humidity in the range of 10-95% provides sufficient binding, and a value of 95% provides excellent binding affinity. Bonding is observed in the air velocity range of 0.01-30 m / s, but the lower limit of this range indicates a higher binding reaction rate. In some embodiments, an air velocity of 0.01-10 m / s was acceptable.

本発明の方法は、空気1リットル当たり胞子40個という低い濃度での炭疽菌胞子を、液体またはゲルマトリックスベースの試料を調製する必要なしに直接測定することにより、検出することが実証された。   The method of the present invention has been demonstrated to detect anthrax spores at concentrations as low as 40 spores per liter of air by directly measuring without the need to prepare liquid or gel matrix based samples.

図19A〜19Gは、本発明の方法において用いることができる、種々の圧電カンチレバーセンサーの態様を示す。本出願における図は、別に指示がない限り正確な縮尺ではなく、図は概念を表すことを指摘する。図19A〜19Gにおいて、各センサーは、圧電層14(Pと表示)、接着層18(圧電層と非圧電層の重なり部分の間に位置する)、および先端として伸びている部分を含む非圧電層16(NPと表示)から構成される。ベース20には、圧電層14が取り付けられる。ベース20は、一般に電極(図示されず)またはいくつかの他の類似の手段を、圧電層14への連結と共に有するが、ただし、電極が圧電層14に連結していれば、電極はベース20に連結する必要はない。電極は圧電層14の任意の位置に配置することができる。また、金、SiO、受容体材料を固定化できる材料、および/または化学的センシングまたはバイオセンシングで用いるのに適した吸収材料で作られた結合パッドも存在してよい。当業者は、図19A〜19Gに記載されたデザインは可能な形状の一部に過ぎないことを理解する。したがって、これらのデザインの変形は本出願の範囲内である。例えば、センサーの非圧電部は、1つまたは多くの離散数において、圧電層の全幅またはその一部にわたって、圧電層に取り付けられてよい。 19A-19G show various piezoelectric cantilever sensor embodiments that can be used in the method of the present invention. It is noted that the figures in this application are not to scale unless otherwise indicated, and that the figures represent a concept. 19A-19G, each sensor is a non-piezoelectric including a piezoelectric layer 14 (denoted P), an adhesive layer 18 (located between the overlapping portions of the piezoelectric and non-piezoelectric layers), and a portion extending as a tip. It consists of layer 16 (labeled NP). A piezoelectric layer 14 is attached to the base 20. The base 20 generally has an electrode (not shown) or some other similar means with a connection to the piezoelectric layer 14, provided that the electrode is connected to the piezoelectric layer 14, the electrode is the base 20. There is no need to link to The electrode can be disposed at any position on the piezoelectric layer 14. Further, gold, SiO 2, the material can be immobilized receptor material, and / or bond pads made of absorbent material may also be present which are suitable for use in chemical sensing or biosensing. Those skilled in the art will appreciate that the designs described in FIGS. 19A-19G are just some of the possible shapes. Accordingly, these design variations are within the scope of this application. For example, the non-piezoelectric portion of the sensor may be attached to the piezoelectric layer in one or many discrete numbers across the entire width of the piezoelectric layer or a portion thereof.

カンチレバーまたはビーム(単純または複合)センサーは、PZT層のAC電気的励振により機械的に振動される。励振周波数が機械的共振周波数またはその高次モードに一致する場合、振動の大きさ(平衡からの偏向)は、それより低いかまたは高い周波数におけるよりも大きくなる。したがって、共振において、PZTは、非共振周波数におけるレベルより高い応力レベルを経験する。PZTの応力レベルはその長さに沿って変化し、モードの形状に依存する。モードの形状はまた、カンチレバーの曲げ係数にも依存する。例えば図19Aを参照すると、R部での曲げ係数は、S部での曲げ係数よりも大幅に大きい。励振電極はんだ点の位置が、高い応力の位置またはこれに近い位置であることは、これが電気インピーダンスによる測定においてより大きい信号を与えるために有利である。自由端カンチレバーまたはビームセンサーの感度は、高い共振周波数においてより高い。図19A〜19Gおよび図35〜46に描かれた種々の例示の構造は、60kHz〜6MHzの範囲において基本高次共振モードを実現するよう設計されたものである。離散的な非圧電層の位置は、一定の高次モードが強化され、強度において非曲げモードが低下するように、設計することができる。   The cantilever or beam (simple or compound) sensor is mechanically oscillated by AC electrical excitation of the PZT layer. If the excitation frequency matches the mechanical resonance frequency or its higher order mode, the magnitude of the vibration (deflection from equilibrium) will be greater than at lower or higher frequencies. Thus, at resonance, PZT experiences higher stress levels than those at non-resonant frequencies. The stress level of PZT varies along its length and depends on the mode shape. The mode shape also depends on the bending factor of the cantilever. For example, referring to FIG. 19A, the bending coefficient in the R portion is significantly larger than the bending coefficient in the S portion. It is advantageous that the location of the excitation electrode solder point is at or near a high stress location because this gives a larger signal in the measurement by electrical impedance. The sensitivity of the free end cantilever or beam sensor is higher at high resonance frequencies. The various exemplary structures depicted in FIGS. 19A-19G and FIGS. 35-46 are designed to achieve fundamental higher order resonant modes in the range of 60 kHz to 6 MHz. The positions of the discrete non-piezoelectric layers can be designed such that certain higher order modes are enhanced and the non-bending modes are reduced in strength.

圧電層14は、チタン酸ジルコン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛固溶体、チタン酸ストロンチウム鉛、石英シリカ、圧電セラミックチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)または圧電セラミック−ポリマー1−3繊維複合材から構成することができる。非圧電層16は、セラミック、金属、ポリマーならびに1種または2種以上のセラミック、金属およびポリマーの複合材から、例えば二酸化ケイ素、銅、ステンレス鋼、およびチタンから、構成することができる。非圧電層は、従来の圧電カンチレバーの非圧電層を構成するために用いられる任意の既知の材料を用いて、構成することができる。電極は、任意の好適な従来の電極であってよい。1つの態様において、電極は、種々の圧電カンチレバーセンサーの暴露環境に基づき、絶縁されても、絶縁されていなくてもよい。   Piezoelectric layer 14 is composed of lead zirconate titanate, lead magnesium niobate-lead titanate solid solution, lead strontium titanate, quartz silica, piezoelectric ceramic lead zirconate titanate (PZT), or piezoelectric ceramic-polymer 1-3 fiber composite. It can consist of Non-piezoelectric layer 16 may be composed of ceramic, metal, polymer and one or more ceramic, metal and polymer composites, such as silicon dioxide, copper, stainless steel, and titanium. The non-piezoelectric layer can be constructed using any known material used to construct the non-piezoelectric layer of conventional piezoelectric cantilevers. The electrode may be any suitable conventional electrode. In one aspect, the electrodes may or may not be insulated based on the exposure environment of the various piezoelectric cantilever sensors.

検出は、装置の発振(すなわち共振周波数)を測定し、測定した発振(共振周波数)をベースライン発振(共振周波数)と比較して、周波数シフトを決定することにより達成される。決定された周波数シフトは次に、センサーの圧電層または非圧電層の1つに溶着された識別実体に付着した分析物の存在を決定するために用いる。圧電層、非圧電層および識別実体の組み合わせはカンチレバーを構成し、これは、圧電層に取り付けられた電極によって励振されると振動する。   Detection is accomplished by measuring the oscillation (ie, resonant frequency) of the device and comparing the measured oscillation (resonant frequency) with the baseline oscillation (resonant frequency) to determine the frequency shift. The determined frequency shift is then used to determine the presence of an analyte attached to an identification entity welded to one of the piezoelectric or non-piezoelectric layers of the sensor. The combination of the piezoelectric layer, the non-piezoelectric layer, and the identifying entity constitutes a cantilever that vibrates when excited by an electrode attached to the piezoelectric layer.

本発明の1つの側面は、表面に直接または間接的に結合できる任意の分析物を測定するための、装置および方法である。分析物の結合は、質量変化または剛性変化のどちらかまたは両方を引き起こす。これらの変化は、共振周波数の変化として測定することができ、適切な分析装置、例えばロックイン増幅器、インピーダンスアナライザー、ネットワークアナライザーまたは発振回路などにより、モニタリング可能である。本発明の態様は、圧電カンチレバーの新規な形状デザインを含む。従来の圧電カンチレバーは、圧電層の全表面を非圧電層に取り付けることにより製造される。いくつかの従来の圧電カンチレバーにおいては、圧電層は1つの端で固定され、そのため圧電材料が励振されると、非圧電層が曲がって圧電材料に生じたひずみを適合させる。励振周波数が下にある機械構造の固有周波数に等しい場合、共振が起こる。この型の圧電カンチレバーセンサーは、ミリメートルサイズで約100kHzより低い周波数における動作に優れている。より高い周波数は、カンチレバーセンサーを非常に短く(1mm未満)することによってのみ、可能である。   One aspect of the invention is an apparatus and method for measuring any analyte that can bind directly or indirectly to a surface. Analyte binding causes either or both mass or stiffness changes. These changes can be measured as changes in the resonant frequency and can be monitored by a suitable analyzer, such as a lock-in amplifier, impedance analyzer, network analyzer or oscillator circuit. Aspects of the invention include a novel shape design for piezoelectric cantilevers. Conventional piezoelectric cantilevers are manufactured by attaching the entire surface of a piezoelectric layer to a non-piezoelectric layer. In some conventional piezoelectric cantilevers, the piezoelectric layer is fixed at one end so that when the piezoelectric material is excited, the non-piezoelectric layer bends to accommodate the strain produced in the piezoelectric material. Resonance occurs when the excitation frequency is equal to the natural frequency of the underlying mechanical structure. This type of piezoelectric cantilever sensor is excellent in operation at frequencies below about 100 kHz in the millimeter size. Higher frequencies are only possible by making the cantilever sensor very short (less than 1 mm).

従来の圧電カンチレバーの他の種類は、圧電材料が1つの端で固定されていないものを含む。これはいわゆる「無固定圧電カンチレバー」である。無固定圧電カンチレバーは、100kHzを超える値においてその第1曲げモード共振を示し、一方従来の固定カンチレバーは、2〜60kHzにおいてその第1曲げモード共振を示す。第2曲げモード共振は一般に200kHzの範囲にあり、より高いモードは400kHz、800kHzおよび潜在的にはさらに高い周波数にも存在する。   Other types of conventional piezoelectric cantilevers include those where the piezoelectric material is not fixed at one end. This is a so-called “non-fixed piezoelectric cantilever”. Unfixed piezoelectric cantilevers exhibit their first bending mode resonance at values above 100 kHz, while conventional stationary cantilevers exhibit their first bending mode resonance at 2-60 kHz. The second bending mode resonance is generally in the 200 kHz range, with higher modes also present at 400 kHz, 800 kHz and potentially higher frequencies.

10より高いQ値を示す任意のモードは、実用上便利である。Q値は、共振ピーク周波数の、ピーク高さの中点における共振ピーク幅に対する比率である。しかし、高いQ値を示す全てのモードが、感度の高い検出を提供するわけではない。空気と水、および空気と真空の間の共振周波数の差は、感度の測度を与えるが、これは密度の差が共振周波数における周波数シフトを引き起こすからである。多くの圧電カンチレバーセンサーにおいて、空気から真空へと媒体を変化させると、センサーの個別の形状により、4〜25kHzの共振周波数変化を引き起こす。   Any mode that exhibits a Q value higher than 10 is practically convenient. The Q value is the ratio of the resonance peak frequency to the resonance peak width at the midpoint of the peak height. However, not all modes that exhibit high Q values provide sensitive detection. The difference in resonance frequency between air and water, and air and vacuum gives a measure of sensitivity because the difference in density causes a frequency shift at the resonance frequency. In many piezoelectric cantilever sensors, changing the medium from air to vacuum causes a resonant frequency change of 4-25 kHz due to the individual shape of the sensor.

圧電層と非圧電層の相対的な長さおよび幅が感度を決定し、またセンサーが提供する周波数スペクトルのピークの形状も決定する。これは、本明細書に図として含まれている種々の圧電カンチレバーセンサーのスペクトルから見ることができる。   The relative lengths and widths of the piezoelectric and non-piezoelectric layers determine the sensitivity, and also determine the shape of the frequency spectrum peak provided by the sensor. This can be seen from the spectrum of various piezoelectric cantilever sensors included as diagrams in this specification.

本発明は、圧電カンチレバー表面に結合する、極小濃度の分析物の検出も可能とする。実施例には、病原体およびタンパク質の検出が、空気中低い濃度において示されている。さらに、PEMC表面の有機または無機の官能基に結合する、任意の分析物が検出可能である。したがって、化学的および生物学的剤の両方が、PEMCに基づくデバイスを用いて、空中環境中で検出可能である。   The present invention also allows for the detection of very low concentrations of analyte that bind to the piezoelectric cantilever surface. In the examples, detection of pathogens and proteins is shown at low concentrations in the air. In addition, any analyte that binds to organic or inorganic functional groups on the PEMC surface can be detected. Thus, both chemical and biological agents can be detected in the air environment using devices based on PEMC.

本発明のカンチレバーについては種々の潜在的用途があり、例えば、炭疽菌などのバイオテロリズム剤の検出、空中浮遊病原体の検出、例えばトリニトロトルエン、ジニトロトルエンの存在などの爆発性マーカーの検出、および空中浮遊毒素の検出などである。本発明の圧電カンチレバーはまた、ピコグラムレベルでの生物学的実体の検出および、タンパク質−タンパク質相互作用の、静的および動的両方の状態での検出にも用いることができる。   The cantilevers of the present invention have a variety of potential uses, such as detection of bioterrorism agents such as Bacillus anthracis, detection of airborne pathogens such as detection of explosive markers such as the presence of trinitrotoluene, dinitrotoluene, and airborne For example, detection of airborne toxins. The piezoelectric cantilevers of the present invention can also be used to detect biological entities at the picogram level and to detect protein-protein interactions in both static and dynamic states.

使用用途の例として、ある種の化学的コーティングに高い親和性を有する非生物学的実体が存在し、したがってPEMCまたはPEMCBセンサーなどの空中浮遊分析物センサーを、毒性または爆発性化学物質の検出などの非生物学的用途にも用いることができる。例えば、識別実体としてaSXFA−[ポリ(1−(4−ヒドロキシ−4−トリフルオロメチル−5,5,5−トリフルオロ)ペント−1−エニル)メチルシロキサン]のポリマーコーティングを用いて、2,4−ジニトロトルエン(DNT)を検出することができる。また、識別実体として分子的にインプリントされたポリマー(MIP)を用いて、トリニトロトルエン(TNT)などの爆発物および、2,4−ジリニトロトルエン(2,4−DNT)などの爆発痕跡物を検出することができる。   Examples of applications include non-biological entities that have a high affinity for certain chemical coatings, and therefore airborne analyte sensors such as PEMC or PEMCB sensors, for detecting toxic or explosive chemicals, etc. It can also be used for non-biological applications. For example, using a polymer coating of aSXFA- [poly (1- (4-hydroxy-4-trifluoromethyl-5,5,5-trifluoro) pent-1-enyl) methylsiloxane] as an identifying entity, 4-dinitrotoluene (DNT) can be detected. Also, using molecularly imprinted polymers (MIP) as identification entities, explosives such as trinitrotoluene (TNT) and explosive traces such as 2,4-dilinitrotoluene (2,4-DNT) Can be detected.

図19Aは、無固定オーバーハング型の圧電カンチレバーセンサー(oPEMC)の態様710を示す。このセンサー710を「無固定」と呼ぶのは、非圧電層16がベースに取り付けられていないからである。このセンサーを「オーバーハング型」と呼ぶのは、非圧電層16が圧電層14の遠位端を越えて伸び、非圧電層16のオーバーハング部分を作り出しているからであり、この非圧電層16は圧電層からオーバーラップ領域18により隔てられている。ベース20は、圧電層14の近接端を保持する役割を果たす。   FIG. 19A shows an embodiment 710 of a non-fixed overhang type piezoelectric cantilever sensor (oPEMC). This sensor 710 is referred to as “unfixed” because the non-piezoelectric layer 16 is not attached to the base. This sensor is referred to as “overhanging” because the non-piezoelectric layer 16 extends beyond the distal end of the piezoelectric layer 14 and creates an overhanging portion of the non-piezoelectric layer 16. 16 is separated from the piezoelectric layer by an overlap region 18. The base 20 serves to hold the proximal end of the piezoelectric layer 14.

本発明は、全ての好適な寸法を有するセンサーを包含する。例えば、圧電層14、非圧電層16およびオーバーラップ領域18のそれぞれは、0.1〜10mmの長さの範囲であってよい。圧電層14および非圧電層16の幅は、上記の長さに対して、0.1mm〜4mmの範囲であってよい。圧電層14の幅は、非圧電層16の幅と異なっていてもよい。   The present invention encompasses sensors having all suitable dimensions. For example, each of the piezoelectric layer 14, the non-piezoelectric layer 16, and the overlap region 18 may range from 0.1 to 10 mm in length. The widths of the piezoelectric layer 14 and the non-piezoelectric layer 16 may be in the range of 0.1 mm to 4 mm with respect to the above length. The width of the piezoelectric layer 14 may be different from the width of the non-piezoelectric layer 16.

典型的には、オーバーハング型圧電カンチレバーセンサー710の非圧電層16は、長さが約0.1mm〜約10.0mmの間、幅が約0.1mm〜約4.0mmの間である。圧電層14は、長さが約0.1mm〜約10.0mmの間、または幅が約0.25mm〜約4.0mmの間であってよい。層18は、層14と層16の間の重なりに相当し、オーバーハング型圧電カンチレバーセンサーの特定の構造に依存して、長さが約0.1mm〜約10mmの間、または長さが約0.1mm〜約5.0mmの間であってよい。   Typically, the non-piezoelectric layer 16 of the overhanging piezoelectric cantilever sensor 710 is between about 0.1 mm and about 10.0 mm in length and between about 0.1 mm and about 4.0 mm in width. Piezoelectric layer 14 may have a length between about 0.1 mm and about 10.0 mm, or a width between about 0.25 mm and about 4.0 mm. Layer 18 corresponds to the overlap between layers 14 and 16 and is between about 0.1 mm and about 10 mm in length, or about length, depending on the particular construction of the overhanging piezoelectric cantilever sensor. It may be between 0.1 mm and about 5.0 mm.

オーバーハング型圧電カンチレバーセンサー710の幅は、約0.1mm〜約4.0mmの間であってよい。圧電カンチレバー710の厚さは、約0.1mm〜約1.0mmの間であってよい。図47の表1は、図19Aに相当するオーバーハング型PEMCデバイスの幾つかの寸法の例を示す。図47の表1において、長さの寸法a、b、およびcは図19Aの記号に対応する。   The width of the overhang type piezoelectric cantilever sensor 710 may be between about 0.1 mm and about 4.0 mm. The thickness of the piezoelectric cantilever 710 may be between about 0.1 mm and about 1.0 mm. Table 1 in FIG. 47 shows examples of some dimensions of the overhanging PEMC device corresponding to FIG. 19A. In Table 1 of FIG. 47, length dimensions a, b, and c correspond to the symbols in FIG. 19A.

本発明のオーバーハング型圧電カンチレバーセンサー710は、一般に、10〜120kHzにおいて第1曲げモード共振周波数モードピークを示し、120〜250kHzにおいて第2曲げモード共振周波数モードピークを示す。   The overhang type piezoelectric cantilever sensor 710 of the present invention generally exhibits a first bending mode resonance frequency mode peak at 10 to 120 kHz and a second bending mode resonance frequency mode peak at 120 to 250 kHz.

図19B〜19Fは、本発明による圧電励振カンチレバービームセンサーの種々の態様を示し、これらは成功してセンシング応答を提供することが実証されたものである。カンチレバービームセンサーは、図19Aのオーバーハング型センサーと全て同じ要素を含み、それに加えて第2ベース50も含み、この第2ベース50には、圧電層14と非圧電層16のうちの少なくとも1つが固定される。図19B〜19Dにおいて、非圧電層16は両方のベース(20、50)に取り付けられて、「ビーム」を形成する。図19Eにおいては、ビームは、圧電層14をベース20に取り付け、非圧電層16を接着層18を介して圧電層14に取り付け、および非圧電層16をベース50に取り付けて形成される。図19Fの構成717において、ビームは、圧電層14を両方のベース(20、50)に取り付けて形成される。   19B-19F illustrate various aspects of a piezoelectric excited cantilever beam sensor according to the present invention, which have been demonstrated to successfully provide a sensing response. The cantilever beam sensor includes all the same elements as the overhang type sensor of FIG. 19A, and additionally includes a second base 50, which includes at least one of the piezoelectric layer 14 and the non-piezoelectric layer 16. One is fixed. 19B-19D, the non-piezoelectric layer 16 is attached to both bases (20, 50) to form a "beam". In FIG. 19E, the beam is formed with the piezoelectric layer 14 attached to the base 20, the non-piezoelectric layer 16 attached to the piezoelectric layer 14 via the adhesive layer 18, and the non-piezoelectric layer 16 attached to the base 50. In configuration 717 of FIG. 19F, the beam is formed with the piezoelectric layer 14 attached to both bases (20, 50).

圧電層および非圧電層の2つの端の固定は、3mmのガラスロッドまたはタングステンロッドを用いて行った。支持ロッドの曲げ係数がセンサーのビームよりはるかに大きい限り、良好なピーク形状が観察される。固定のための他の好適な方法もまた、用いることができる。   The two ends of the piezoelectric layer and the non-piezoelectric layer were fixed using a 3 mm glass rod or tungsten rod. As long as the bending factor of the support rod is much larger than the sensor beam, a good peak shape is observed. Other suitable methods for fixation can also be used.

図19B〜19Fのカンチレバービームセンサーのデザインは、直感的にはわかりにくく、何故ならば、当業者の期待としては、ビームの両端の取り付けは、ベース(20、50)への取り付けの結果としてカンチレバーの変位が制限されるために、劣化した応答を提供する、ということだからである。言い換えれば、従来のカンチレバーでは、カンチレバーの1つの端は自由端であり、すなわちベースに取り付けられず、これによりセンサーの応答を増加させるために、センシングの間のカンチレバーのより大きい変位を可能とする。   The design of the cantilever beam sensor of FIGS. 19B-19F is not intuitive, because, as one skilled in the art expects, the attachment of both ends of the beam is a result of the attachment to the base (20, 50). This is because it provides a degraded response because of the limited displacement. In other words, in a conventional cantilever, one end of the cantilever is a free end, i.e. not attached to the base, thereby allowing greater displacement of the cantilever during sensing to increase the sensor response. .

図19Gは、浮動先端PEMC(ftPEMC)センサーと呼ばれる、図19Aのオーバーハング型形状についての代替の態様719を示す。図19B〜19Fのセンサーと異なり、図19Gの構造は1つのベース20のみの取り付けを有する。この構成および他の構成の性能結果について、以下にさらに記載する。   FIG. 19G shows an alternative embodiment 719 for the overhanging shape of FIG. 19A, referred to as a floating tip PEMC (ftPEMC) sensor. Unlike the sensors of FIGS. 19B-19F, the structure of FIG. 19G has only one base 20 attachment. The performance results of this configuration and other configurations are further described below.

図19B〜19Fの2つのベース(20、50)の「ビーム」構造に戻ると、圧電層での応力測定が、圧電層の変位の測定よりも、カンチレバーの両端がベース(20、50)に固定されたカンチレバー「ビーム」センサーの使用を許容することが見出された。さらに、本発明のカンチレバービームセンサーは、より高い基本モード(>100kHz)、流動条件のもとでの安定で頑健な性能および、低試料濃度の検出を可能とする優れた質量変化感度を提供する。   Returning to the “beam” structure of the two bases (20, 50) of FIGS. 19B-19F, stress measurement at the piezoelectric layer shows that both ends of the cantilever are at the base (20, 50) rather than measurement of the displacement of the piezoelectric layer. It has been found to allow the use of a fixed cantilever “beam” sensor. Furthermore, the cantilever beam sensor of the present invention provides higher fundamental mode (> 100 kHz), stable and robust performance under flow conditions, and excellent mass change sensitivity that allows detection of low sample concentrations. .

本発明の1つの利点は、上記の図19A〜19Gのデザインが機械的に頑健であり、流動条件に対して性能の最小の劣化で耐えることである。第2の利点は、基本周波数が、カンチレバー構造の類似寸法のセンサーより3〜4倍高いことである。   One advantage of the present invention is that the designs of FIGS. 19A-19G above are mechanically robust and withstand minimal degradation in performance against flow conditions. The second advantage is that the fundamental frequency is 3 to 4 times higher than a similarly sized sensor with a cantilever structure.

以下に記載する図20〜31は、本発明によるオーバーハング型圧電励振ミリメートルサイズカンチレバー(oPEMC)センサーの異なる態様を用いて行った種々の実験の結果を示す。図47の表1は、オーバーハング型PEMC(oPEMC)デバイスの寸法および共振周波数を示す。図2は、例えば図19Aに示すものなどのオーバーハング型圧電カンチレバーセンサーの第1の態様の、空気中で作動させた場合の代表的な共振スペクトルを示す(図47表1のoPEMC#1参照)。図2は、励振電圧100mVにおける、位相角対励振周波数のプロットを示す。第1共振周波数モードは一般に150〜200kHzで起こり、第2共振周波数モードは250〜300kHzで起こった。共振スペクトルは、高次特性ピークを、約980kHz、2.90MHzおよび4.60MHzにおいて、幅2mmの複合PZTカンチレバーについて示す。オーバーハングなしの、類似の無固定圧電カンチレバー構造と比べて、5MHzまでのベースラインはわずかに安定性が高く、観察された共振周波数の多くはより高かった。さらに、980kHzの特性ピークの性質係数(Q)は、オーバーハング型の態様について3倍高く、4.60MHzの特性ピークの性質係数(Q)は、2倍の係数で低かった。   20-31, described below, show the results of various experiments performed using different embodiments of an overhanging piezoelectric excited millimeter size cantilever (oPEMC) sensor according to the present invention. Table 1 in FIG. 47 shows the dimensions and resonant frequencies of overhanging PEMC (oPEMC) devices. FIG. 2 shows a typical resonance spectrum of the first embodiment of an overhang type piezoelectric cantilever sensor such as that shown in FIG. 19A when operated in air (see oPEMC # 1 in Table 1 in FIG. 47). ). FIG. 2 shows a plot of phase angle versus excitation frequency at an excitation voltage of 100 mV. The first resonant frequency mode generally occurred at 150-200 kHz, and the second resonant frequency mode occurred at 250-300 kHz. The resonance spectrum shows higher order characteristic peaks for a composite PZT cantilever with a width of 2 mm at about 980 kHz, 2.90 MHz and 4.60 MHz. Compared to a similar unfixed piezoelectric cantilever structure without overhangs, the baseline up to 5 MHz was slightly more stable and many of the observed resonant frequencies were higher. Furthermore, the characteristic coefficient (Q) of the characteristic peak at 980 kHz was three times higher for the overhang type embodiment, and the characteristic coefficient (Q) of the characteristic peak at 4.60 MHz was low at a factor of two.

図21は、図19Aに示すオーバーハング型圧電カンチレバーセンサーの第2の態様の、空気中で作動させた場合の代表的な共振スペクトルを示す(図47表1のoPEMC#2参照)。図21は、励振電圧100mVにおける、位相角対励振周波数のプロットを示す。第1共振周波数モードは一般に150〜200kHzで起こり、第2共振周波数モードは250〜300kHzで起こった。このオーバーハング型圧電カンチレバーセンサーの第2の態様の共振スペクトルは、高次特性ピークを、約980kHz、2.90MHzおよび4.60MHzにおいて、幅2mmの複合PZTカンチレバーについて示す。オーバーハング部、すなわちオーバーハング型圧電カンチレバーセンサーのこの態様の図19Aの部分16は、oPEMC#1のオーバーハング部より3倍大きく、これは、第1共振周波数モードおよび850〜900kHzで起こった共振周波数モードにいくらかの減衰を引き起こした可能性がある。   FIG. 21 shows a typical resonance spectrum when the second embodiment of the overhang type piezoelectric cantilever sensor shown in FIG. 19A is operated in air (see oPEMC # 2 in Table 1 in FIG. 47). FIG. 21 shows a plot of phase angle versus excitation frequency at an excitation voltage of 100 mV. The first resonant frequency mode generally occurred at 150-200 kHz, and the second resonant frequency mode occurred at 250-300 kHz. The resonance spectrum of the second embodiment of this overhanging piezoelectric cantilever sensor shows higher order characteristic peaks at about 980 kHz, 2.90 MHz and 4.60 MHz for a composite PZT cantilever with a width of 2 mm. The portion 16 of FIG. 19A of this embodiment of the overhang, ie overhang type piezoelectric cantilever sensor, is three times larger than the overhang of oPEMC # 1, which is the resonance that occurred in the first resonant frequency mode and 850-900 kHz. It may have caused some attenuation in the frequency mode.

図22は、オーバーハング型圧電カンチレバーセンサーの第3の態様の、空気中で作動させた場合の共振スペクトルを示す(図47表1のoPEMC#3参照)。図22は、励振電圧100mVにおける、位相角対励振周波数のプロットを示す。第1共振周波数モードは一般に150〜200kHzで起こり、明白な第2共振周波数モードはなかった。オーバーハング型圧電カンチレバーセンサーのこの態様の共振スペクトルは、高次特性ピークを、約1.81MHzおよび1.95MHzにおいて、幅1mmの複合PZTカンチレバーについて示す。オーバーハングなしの無固定の構造と比べると、オーバーハング型構造の1.81MHzでの共振ピークは明示されるが、2.5MHzを超える他の全てのピークは減衰する。   FIG. 22 shows a resonance spectrum when the third embodiment of the overhang type piezoelectric cantilever sensor is operated in air (see oPEMC # 3 in Table 1 in FIG. 47). FIG. 22 shows a plot of phase angle versus excitation frequency at an excitation voltage of 100 mV. The first resonant frequency mode generally occurred at 150-200 kHz, and there was no obvious second resonant frequency mode. The resonance spectrum of this embodiment of the overhang piezoelectric cantilever sensor shows higher order characteristic peaks at about 1.81 MHz and 1.95 MHz for a composite PZT cantilever with a width of 1 mm. Compared to an unfixed structure without overhangs, the resonance peak at 1.81 MHz of the overhang structure is clearly shown, but all other peaks above 2.5 MHz are attenuated.

図23は、本発明によるオーバーハング型圧電カンチレバーの第4の態様の、共振周波数スペクトルを示す(図47表1のoPEMC#4参照)。図23の共振周波数スペクトルは、セラミックPZTで構成された圧電層の、幅1mmのオーバーハング型カンチレバーを用いて得た。スペクトルは、空気中で100mV信号を用いてカンチレバーを励振して得た。特性ピークは、250kHz、650kHz、850kHz、1.65MHzおよび4.65MHzにおいて得られた。   FIG. 23 shows a resonance frequency spectrum of the fourth embodiment of the overhang type piezoelectric cantilever according to the present invention (see oPEMC # 4 in Table 1 in FIG. 47). The resonance frequency spectrum of FIG. 23 was obtained by using an overhang type cantilever having a width of 1 mm of a piezoelectric layer made of ceramic PZT. The spectrum was obtained by exciting the cantilever with a 100 mV signal in air. Characteristic peaks were obtained at 250 kHz, 650 kHz, 850 kHz, 1.65 MHz and 4.65 MHz.

図24は、本発明によるオーバーハング型圧電カンチレバーの第5の態様の、共振周波数スペクトルを示す(図47表1のoPEMC#5参照)。図24の共振周波数スペクトルは、セラミックPZTで構成された圧電層の、幅1mmのオーバーハング型カンチレバーを用いて得た。カンチレバーの部分(a)を短くすることにより、リストされた全周波数に対して減衰したピークを得た。スペクトルは、空気中で100mVの信号用いてカンチレバーを励振して得た。特性ピークは、200kHz、1.0MHz、1.55MHz、1.90MHzおよび4.50MHzにおいて得られた。さらに、この態様の寸法で、オーバーハング型圧電カンチレバーにより1.00MHzにおいて感度の高い共振モードが得られた。   FIG. 24 shows the resonance frequency spectrum of the fifth embodiment of the overhang type piezoelectric cantilever according to the present invention (see oPEMC # 5 in Table 1 in FIG. 47). The resonance frequency spectrum of FIG. 24 was obtained by using an overhang type cantilever having a width of 1 mm and a piezoelectric layer made of ceramic PZT. By shortening the cantilever part (a), attenuated peaks were obtained for all listed frequencies. The spectrum was obtained by exciting the cantilever with a 100 mV signal in air. Characteristic peaks were obtained at 200 kHz, 1.0 MHz, 1.55 MHz, 1.90 MHz and 4.50 MHz. Further, with the dimensions of this aspect, a resonance mode with high sensitivity was obtained at 1.00 MHz by the overhang type piezoelectric cantilever.

1つの態様において、圧電カンチレバーセンサーは、石英シリカおよび、圧電セラミックチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)または圧電セラミック−ポリマー1−3繊維複合材のどちらかから、製造した。1つの態様において、非圧電層は従来の材料から、例えばセラミック、金属、ポリマーならびに1種または2種以上のセラミック、金属およびポリマーの複合材から、例えば二酸化ケイ素、銅、ステンレス鋼、およびチタンなどから構成した。   In one embodiment, a piezoelectric cantilever sensor was fabricated from quartz silica and either piezoelectric ceramic lead zirconate titanate (PZT) or piezoelectric ceramic-polymer 1-3 fiber composite. In one embodiment, the non-piezoelectric layer is from conventional materials such as ceramics, metals, polymers and composites of one or more ceramics, metals and polymers, such as silicon dioxide, copper, stainless steel, and titanium. Consists of.

図48の表2は、図47の表1にリストされた、異なる圧電カンチレバーセンサーに対する対応する共振ピークの品質係数(Q)を示す。品質係数は、共振ピーク周波数の、ピーク高さの中点におけるピーク幅に対する比率として決定した。そのため、品質係数は共振ピークの先鋭度の測度である。上記の実験において、オーバーハング型圧電カンチレバーセンサーの品質係数は、センサーが真空中から空気流環境までの異なる環境中に置かれた場合にも、大きく減少しないことが示された。   Table 2 of FIG. 48 shows the corresponding resonance peak quality factor (Q) for the different piezoelectric cantilever sensors listed in Table 1 of FIG. The quality factor was determined as the ratio of the resonant peak frequency to the peak width at the midpoint of the peak height. Thus, the quality factor is a measure of the sharpness of the resonance peak. In the above experiments, it has been shown that the quality factor of an overhanging piezoelectric cantilever sensor is not significantly reduced when the sensor is placed in a different environment, from a vacuum to an air flow environment.

オーバーハング型圧電カンチレバーセンサーのQ値は、ピークが検出されるそれぞれの周波数モードに依存して、一般に10〜70の範囲であることが観察される。オーバーハング型圧電カンチレバーセンサーが真空中、空気中、および流れを含む粘性の環境中で用いられる場合、一般にそのQ値は20%〜35%を超えて減少しない。   It is observed that the Q value of an overhang type piezoelectric cantilever sensor is generally in the range of 10 to 70, depending on the respective frequency mode in which the peak is detected. When an overhang type piezoelectric cantilever sensor is used in a viscous environment including vacuum, air, and flow, its Q value generally does not decrease by more than 20% to 35%.

ここで図19B〜19Fの構成の性能を考察する。図25は、図19Bの固定圧電励振ミリメートルサイズカンチレバービーム(aPEMCB)センサー711の、空気中で100mVで励振された場合の、位相角対励振周波数のプロット、すなわち代表的な共振スペクトルを示す。第1のピークは基本共振モードであり、これは一般に200〜300kHzで起こった。第2のピークは第2共振モードであり、これは通常、700kHz〜1MHzの周波数範囲である。aPEMCB共振スペクトルは、電極をインピーダンスアナライザ(Agilent, HP4192A)に接続することにより測定した;該インピーダンスアナライザは、励振電圧100mVで目的の周波数範囲におけるインピーダンス、位相角および振幅比の連続測定のために、パーソナルコンピュータにインターフェースを介して接続されたものである。   Now consider the performance of the configurations of FIGS. 19B-19F. FIG. 25 shows a plot of phase angle versus excitation frequency, ie, a typical resonance spectrum, when excited at 100 mV in air for the fixed piezoelectric excited millimeter size cantilever beam (aPEMCB) sensor 711 of FIG. 19B. The first peak is the fundamental resonance mode, which generally occurred at 200-300 kHz. The second peak is the second resonance mode, which is typically in the frequency range of 700 kHz to 1 MHz. The aPEMCB resonance spectrum was measured by connecting the electrodes to an impedance analyzer (Agilent, HP4192A); the impedance analyzer was used for continuous measurement of impedance, phase angle and amplitude ratio in the frequency range of interest with an excitation voltage of 100 mV. It is connected to a personal computer via an interface.

図26は、図19Cの浮動圧電励振ミリメートルサイズカンチレバービーム(fPEMCB#1)センサー712の、空気中で100mVで励振された場合の、位相角対励振周波数のプロットを用いた共振特性を示す。一般に、基本共振モードは200〜250kHzで起こり、第2モードの周波数は800kHz〜1MHzで起こった。各共振ピークに対する品質係数を、図50の表4に挙げる。   FIG. 26 shows the resonance characteristics of the floating piezoelectric excited millimeter size cantilever beam (fPEMCB # 1) sensor 712 of FIG. 19C using a plot of phase angle versus excitation frequency when excited at 100 mV in air. In general, the fundamental resonance mode occurred at 200-250 kHz, and the frequency of the second mode occurred at 800 kHz-1 MHz. The quality factor for each resonance peak is listed in Table 4 in FIG.

図27は、図19Dの固定バイモルフ圧電励振ミリメートルサイズカンチレバービーム(abPEMCB#1)センサー713の、空気中で100mVの励振電圧の場合の、位相角対励振周波数のプロットを用いた、代表的な共振スペクトルを示す。基本共振周波数は200kHzで起こり、第2モードは700kHzで起こった。全センサーの構造種類についての物理的寸法および品質係数は、それぞれ表3および表4に示される。   FIG. 27 is a representative resonance using a plot of phase angle versus excitation frequency for the fixed bimorph piezoelectric excited millimeter-sized cantilever beam (abPEMCB # 1) sensor 713 of FIG. 19D for an excitation voltage of 100 mV in air. The spectrum is shown. The fundamental resonant frequency occurred at 200 kHz and the second mode occurred at 700 kHz. The physical dimensions and quality factors for all sensor construction types are shown in Table 3 and Table 4, respectively.

図28は、図19Eのオーバーハング型ビームPEMCB(oPEMCB#1)センサー715の、空気中で100mVの電圧で励振された場合の、共振スペクトルを示す。図19B、19C、19Dおよび19Eの固定、浮動、および固体バイモルフおよびオーバーハング型のPEMCセンサーの、寸法および共振周波数はそれぞれ、図49の表3に一覧表示されている。ここで、PEMCBセンサーの形状を変化させることにより、共振周波数のピーク位置は特定の要求に対して調節できることがわかる。したがって、圧電層14および非圧電層16の位置、およびこれらがビームベース20、50に固定か無固定か、およびどの材料でビームを構成するかの選択により、生物学的および化学的検出の決定のための広い範囲の共振周波数の選択が可能となる。   FIG. 28 shows the resonance spectrum of the overhanging beam PEMCB (oPEMCB # 1) sensor 715 of FIG. 19E when excited in air with a voltage of 100 mV. The dimensions and resonant frequencies of the fixed, floating, and solid bimorph and overhanging PEMC sensors of FIGS. 19B, 19C, 19D, and 19E are listed in Table 3 of FIG. 49, respectively. Here, it can be seen that by changing the shape of the PEMCB sensor, the peak position of the resonance frequency can be adjusted to specific requirements. Thus, biological and chemical detection decisions depend on the location of the piezoelectric layer 14 and non-piezoelectric layer 16, and whether they are fixed or non-fixed to the beam bases 20, 50, and which material comprises the beam. A wide range of resonance frequencies can be selected.

図49の表3は、図25〜28で用いたPEMCBセンサーのmm単位で表示した物理的寸法および、空気中での基本モードの共振周波数を示す。PZTおよびガラスの長さは、それぞれ図19B〜19Fにおける層14および16の寸法である。幅および厚さは、各層の寸法である。PEMCBセンサーは、圧電セラミックチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)および石英シリカから製造された。   Table 3 in FIG. 49 shows the physical dimensions in mm of the PEMCB sensor used in FIGS. 25-28 and the fundamental mode resonance frequencies in air. The lengths of PZT and glass are the dimensions of layers 14 and 16 in FIGS. 19B-19F, respectively. Width and thickness are the dimensions of each layer. The PEMCB sensor was made from piezoelectric ceramic lead zirconate titanate (PZT) and quartz silica.

ここに記載されたベース2つのカンチレバービームデバイスからの、異なる形状を有する別の種類のPEMCセンサーを図19Gに示し、これも製造して試験した。新しい形状719である、浮動先端PEMCセンサー(ftPEMC)は、厚さ127μmのPZT単シートおよび厚さ180μmの石英カバー四角形を用いて製造した。用いたPZT層は、図19Aのベースセンサープラットフォームに用いたものと同じである。カンチレバーの自由端は、1.50±0.05×1±0.05mm(長さ×幅)のガラス層を、4±0.05×1±0.05mm(長さ×幅)のPZT層の1端に、非導電性接着剤で結合して設計した。もう1つの端においては、長さ1.70±0.05mmのPZT層をガラス管内にエポキシ樹脂接着した。その結果、カンチレバーの自由端は、0.8mmの暴露されたPZT層を有する。上部および下部電極は、長さ1.7mmのPZT層上に、エポキシ接着の前に、BNCカプラーにはんだ付けされた30ゲージの銅製ワイヤを用いて作製した。カンチレバーの自由端のPZT層は、厚さ8μmのポリウレタン層で絶縁した。1.50±0.05×1±0.05mmのガラス層は、抗体固定化および抗原検出用の表面を提供する。 Another type of PEMC sensor with different shapes from the two base cantilever beam devices described herein is shown in FIG. 19G and was also manufactured and tested. A new shape 719, a floating tip PEMC sensor (ftPEMC), was fabricated using a 127 μm thick PZT single sheet and a 180 μm thick quartz cover square. The PZT layer used is the same as that used for the base sensor platform of FIG. 19A. The free end of the cantilever consists of a glass layer of 1.50 ± 0.05 × 1 ± 0.05 mm 2 (length × width), 4 ± 0.05 × 1 ± 0.05 mm 2 (length × width) It was designed by bonding to one end of the PZT layer with a non-conductive adhesive. At the other end, a 1.70 ± 0.05 mm long PZT layer was epoxy-bonded into the glass tube. As a result, the free end of the cantilever has an exposed PZT layer of 0.8 mm. The top and bottom electrodes were made using 30 gauge copper wire soldered to a BNC coupler on a 1.7 mm long PZT layer prior to epoxy bonding. The PZT layer at the free end of the cantilever was insulated with a polyurethane layer having a thickness of 8 μm. A glass layer of 1.50 ± 0.05 × 1 ± 0.05 mm 2 provides a surface for antibody immobilization and antigen detection.

上記の任意のPEMCまたはPEMCBデバイスは、抗体またはDNAなどの識別実体でPEMCまたはPEMCBデバイスが被覆された場合には、センサーを形成することができる。適切な被覆により、得られるセンサーの被覆は空中浮遊病原体、空中浮遊タンパク質または空中浮遊生物学的剤などの標的分析物を引き寄せ、これに結合する。1つの態様において、空中浮遊炭疽菌(BA)胞子の直接検出を、固定化BA抗原で被覆したミリメートルサイズPZTカンチレバーセンサー(PEMC)を用いて検討した。BAの被覆PEMCセンサーへの付着は、付加されたBAの質量によるPEMCデバイスでの周波数変化として検出されるが、これは、付着したBAが質量に影響を及ぼし、したがってカンチレバーデバイスの機械的共振に影響するためである。   Any of the above PEMC or PEMCB devices can form a sensor when the PEMC or PEMCB device is coated with an identifying entity such as an antibody or DNA. With appropriate coating, the resulting sensor coating attracts and binds to the target analyte, such as airborne pathogens, airborne proteins or airborne biological agents. In one embodiment, direct detection of airborne Bacillus anthracis (BA) spores was investigated using a millimeter size PZT cantilever sensor (PEMC) coated with immobilized BA antigen. The adhesion of BA to the coated PEMC sensor is detected as a frequency change in the PEMC device due to the mass of the added BA, which affects the mass of the cantilever device, thus affecting the mass of the cantilever device. It is because it affects.

1つの態様において、実験装置は、PEMCセンサーをそのガラス表面を気流に向けて垂直に浮遊させた、水平管を含む。石英表面はシラニル化され(silanylated)、続いて病原体BAに特異的なウサギ抗BAが固定化され、空気中に42〜278,000胞子/Lを含む流れる気流(11cm/s)に暴露された。BAは、軸流噴霧器を用いてセンサーの上流に導入した。噴霧器中のBA溶液の濃度は、コールターカウンターMultisizer IIを用いて測定した。センサーは、2×5mmのホウケイ酸ガラスを0.5mmオフセットでラミネートした2×5mmのPZTから製造し、非導電性エポキシベースに固定した。   In one embodiment, the experimental device includes a horizontal tube with a PEMC sensor suspended vertically with its glass surface directed toward the air stream. The quartz surface was silanylated and subsequently a rabbit anti-BA specific for pathogen BA was immobilized and exposed to a flowing air flow (11 cm / s) containing 42-278,000 spores / L in the air. . BA was introduced upstream of the sensor using an axial flow nebulizer. The concentration of the BA solution in the nebulizer was measured using a Coulter counter Multisizer II. The sensor was made from 2 × 5 mm PZT laminated with 2 × 5 mm borosilicate glass with a 0.5 mm offset and secured to a non-conductive epoxy base.

図29Aは、空中浮遊炭疽菌(BA)をPEMC型センサーに流して空中浮遊BAを検出するのに用いる装置100を示す。湿度ゼロの状態に調整した供給空気110(A0)は、2つの流れに分割される。1つの流れは空気弁110(A1)を用いて、噴霧器121に脱イオン化した水中の既知の濃度のBAを供給する。噴霧器121は、約5μmの液体粒子を生成する。低ずり噴霧器を用いて、BA胞子が噴霧器中を流れる際の損傷を防ぐ。液体粒子は、2”パイプを通して約1〜200lpmに調節可能な調節式空気弁115(A2)から作り出される空気により、運ばれる。図29Aの構成において、2つの流れはミキサー123で混合され、エアロゾル化されたBAを1m/sの速度で運ぶが、これより高い速度も可能である。PEMCセンサーは、図29Bに示すように、「T型」暴露管アセンブリ125に垂直の様式で挿入され、インピーダンスアナライザ131および共振周波数データを30秒毎に収集するパーソナルコンピュータに、インターフェイスを介して接続される。流れるバイオエアロゾルの湿度および温度は、連続してモニタリングする。周期的に、出口の流れを市販のSASS2000空気捕集装置140を用いてサンプリングし、該装置は5mlの液体試料を提供する。これらの試料は、別の装置のPEMCセンサーを用いて分析するか、またはその粒子サイズと分布を、コールターカウンターを用いて決定する。SASS2000空気捕集装置は、RS−232インターフェイスとパーソナルコンピュータ150を用いて、モニタリングする。   FIG. 29A shows an apparatus 100 used to detect airborne BA by flowing airborne anthrax (BA) through a PEMC type sensor. Supply air 110 (A0) adjusted to a state of zero humidity is divided into two flows. One stream uses air valve 110 (A1) to supply atomizer 121 with a known concentration of BA in deionized water. The nebulizer 121 produces about 5 μm liquid particles. A low shear atomizer is used to prevent damage as the BA spores flow through the atomizer. The liquid particles are carried by the air created from the adjustable air valve 115 (A2) adjustable from about 1 to 200 lpm through a 2 ″ pipe. In the configuration of FIG. 29A, the two streams are mixed in a mixer 123 and aerosol A higher speed is possible, although the PEMC sensor is inserted in a “T-type” exposure tube assembly 125 in a vertical manner, as shown in FIG. The impedance analyzer 131 and a personal computer that collects resonance frequency data every 30 seconds are connected via an interface. The humidity and temperature of the flowing bioaerosol are continuously monitored. Periodically, the outlet stream is sampled using a commercially available SASS 2000 air collection device 140, which provides a 5 ml liquid sample. These samples are analyzed using a PEMC sensor from another device, or their particle size and distribution are determined using a Coulter counter. The SASS2000 air collection device monitors using the RS-232 interface and the personal computer 150.

図29Bのフローセル125は、気体流入力部1251、気流ボディ部1252、排気開口部1253、およびセンサー搭載部1253を含む。センサー搭載部の中のセンサー1254は、垂直方向に調節可能に配置することができ、ボディ1252を通る気流中へのセンサーの浸透深さが調節される。1つの態様において、センサーはカンチレバーセンサーの識別実体を気流方向に直角に暴露するよう配置され、識別実体の、気流中の要素への暴露を最大化する。   The flow cell 125 of FIG. 29B includes a gas flow input part 1251, an airflow body part 1252, an exhaust opening 1253, and a sensor mounting part 1253. The sensor 1254 in the sensor mounting portion can be arranged to be adjustable in the vertical direction, and the penetration depth of the sensor into the airflow passing through the body 1252 is adjusted. In one embodiment, the sensor is arranged to expose the identification entity of the cantilever sensor at right angles to the direction of airflow to maximize the exposure of the identification entity to elements in the airstream.

図29Aの構成を用いて、センサーの定常状態周波数応答を、初めに湿った空気(RH=85±3%およびT=23±0.3℃)を2.4lpmの流速で流すことにより、実現した。噴霧器の充填は4mL中1000万個の胞子であり、これを15分間噴霧すると、278,000胞子/空気1Lの気相濃度を生成する。PZTカンチレバーの周波数は、その質量および温度、および周辺気体の流体力学特性の関数である。空中浮遊BAに暴露されると、共振周波数は、被覆されたカンチレバーデバイスへの胞子の付着により700Hzに減少した。検出後にセンサーをPBSに浸し、付着したBAを低pH緩衝液を用いて解放することにより、BA付着を確認した。胞子の解放から得られる周波数変化は350kHzであった。温度および湿度効果による周波数変化は、1℃当たり60Hz、および相対湿度(RH)1%当たり2Hzであった。   Using the configuration of FIG. 29A, a steady state frequency response of the sensor is achieved by first flowing wet air (RH = 85 ± 3% and T = 23 ± 0.3 ° C.) at a flow rate of 2.4 lpm. did. The nebulizer fill is 10 million spores in 4 mL, which when sprayed for 15 minutes produces a gas phase concentration of 278,000 spores / liter of air. The frequency of a PZT cantilever is a function of its mass and temperature and the hydrodynamic properties of the surrounding gas. When exposed to airborne BA, the resonant frequency was reduced to 700 Hz due to spore attachment to the coated cantilever device. After detection, the sensor was immersed in PBS, and the attached BA was released using a low pH buffer solution, thereby confirming the BA attachment. The frequency change resulting from spore release was 350 kHz. Frequency changes due to temperature and humidity effects were 60 Hz per degree C and 2 Hz per 1% relative humidity (RH).

PEMCセンサーは、検出に用いる構造および振動モード依存して、10フェムトグラムの感度を有することができる。図30Aの結果については、2つのセンサーを用いた。センサー1は、278,000胞子/空気1L(湿度95%、24C)の濃度で流れるBA胞子に暴露された場合に、760Hzの応答を与えた。同じ胞子濃度を用いて、センサー2はほとんど同じ応答である760Hzシフトを与えた。図30Aはまた、同じモードを検出に用いた場合に、類似構造の異なるセンサーによる別のランの間の、優れた再現性を示す。このように、BA胞子の定量的および再現可能な、成功した検出が観察された。   The PEMC sensor can have a sensitivity of 10 femtograms depending on the structure and vibration mode used for detection. For the results in FIG. 30A, two sensors were used. Sensor 1 gave a response of 760 Hz when exposed to BA spores flowing at a concentration of 278,000 spores / liter of air (humidity 95%, 24C). Using the same spore concentration, sensor 2 gave a 760 Hz shift that was almost the same response. FIG. 30A also shows excellent reproducibility between different runs with different sensors of similar structure when the same mode is used for detection. Thus, successful quantitative and reproducible detection of BA spores was observed.

図30Bは、4つのセンサーを暴露した結果を示す。センサー1(1006)およびセンサー2(1008)は、BA胞子を検出する識別実体を用いて調製した。対照センサー1002および1004は、同じ識別実体を用いて同様に調製した。図30Bは、センサー1およびセンサー2の間の、1Lの気体当たり278,000胞子の環境中で胞子を検出する場合の、結果の整合性を示す。センサープロット1002は、0.2〜0.6μmサイズのケイ酸アルミニウム粒子である無機粒子の、対照の注入に対するセンサー応答を示す。センサープロット1002は、予想されたように、実質的な応答がないことを示す。センサープロット1004は、清浄な空気環境に対するセンサー応答を示す。予想されたように、実質的な応答はないことを指摘する。このことは、PEMC/PEMCBセンサーを用いる分析物の検出は、用いる識別実体に非常に特異的であり、したがってそのように構成されたセンサーは、非標的物質に対して感度が低いことを証明する。   FIG. 30B shows the results of exposing four sensors. Sensor 1 (1006) and sensor 2 (1008) were prepared using identification entities that detect BA spores. Control sensors 1002 and 1004 were similarly prepared using the same discriminating entity. FIG. 30B shows the consistency of the results when detecting spores between sensor 1 and sensor 2 in an environment of 278,000 spores per liter of gas. Sensor plot 1002 shows the sensor response of inorganic particles, 0.2-0.6 μm sized aluminum silicate particles, to a control injection. Sensor plot 1002 shows no substantial response, as expected. Sensor plot 1004 shows the sensor response to a clean air environment. Point out that there is no substantial response, as expected. This demonstrates that the detection of analytes using PEMC / PEMCB sensors is very specific to the discriminating entity used, and thus the so configured sensor is less sensitive to non-target substances. .

PEMCセンサーは、質量、温度および流体密度の変化に応答する。システムの温度、湿度(質量および密度効果)および圧力(密度)の変動は、病原体の検出をマスクして隠し得る。PEMCセンサーのデザインは、これらのマスク効果を最小化する。PEMCデバイスの周波数は、胞子が噴霧器からセンサーまで移動する時間の間に応答したことを指摘する。BAを検出するための時間は、2分のオーダーである。   PEMC sensors respond to changes in mass, temperature and fluid density. Variations in system temperature, humidity (mass and density effects) and pressure (density) can mask and mask pathogen detection. The PEMC sensor design minimizes these mask effects. It is noted that the frequency of the PEMC device responded during the time that the spores traveled from the nebulizer to the sensor. The time for detecting BA is on the order of 2 minutes.

上に述べたように、PEMCセンサーへのBA付着の検出の確認は、低pH緩衝液中での解放により行った。顕微鏡による直接観察も確認に用いた。低pH緩衝液による確認において、付着の解放に対する比率2:1は、空気対液体質量変化に対する他の報告と整合する。BAのエアロゾル化の確認は、噴霧器が供給する粒子サイズの解析および、図29Aの構成において空気捕集装置(SASS200)により捕捉された排気の解析を介して行った。SASS2000は、注入された空中浮遊BAの約30%を捕捉する。検出の確認結果は、図31に示す。   As stated above, confirmation of BA adhesion to the PEMC sensor was confirmed by release in a low pH buffer. Direct observation with a microscope was also used for confirmation. In confirmation with a low pH buffer, the 2: 1 ratio to release of adhesion is consistent with other reports for air to liquid mass change. Confirmation of aerosolization of BA was performed through analysis of the particle size supplied by the nebulizer and analysis of exhaust gas captured by the air collection device (SASS200) in the configuration of FIG. 29A. SASS2000 captures about 30% of the injected airborne BA. The confirmation result of the detection is shown in FIG.

図30Aに示す実験を行った後、1Lの空気試料当たり278,000胞子に暴露されたセンサーを、解放緩衝液(pH2.2)に挿入し、共振周波数を測定した。このpHにおいて、抗原はセンサー表面から解放され、質量の減少は共振周波数を増加させ、周波数の減少が確かにBAの付着によるものであることを確認した。この確認を図31に示す。   After performing the experiment shown in FIG. 30A, a sensor exposed to 278,000 spores per liter of air sample was inserted into the release buffer (pH 2.2) and the resonant frequency was measured. At this pH, the antigen was released from the sensor surface, and a decrease in mass increased the resonant frequency, confirming that the decrease in frequency was indeed due to BA adhesion. This confirmation is shown in FIG.

BA付着のさらなる確認は、顕微鏡での直接検査により行った。図32の走査型電子顕微鏡写真は、空中浮遊炭疽菌の検出実験の1つにおいて用いた、壊されたカンチレバーを示す。センサーは、SEMの台座への搭載を可能とするために壊され、次に顕微鏡分析に用いられた。図32の上の図は、下の図に示されたセンサー表面の領域内での検出に用いられた炭疽菌胞子の存在を示す。これらの顕微鏡写真は、炭疽菌抗原が、センサー表面上に化学的に固定化された抗体に結合することを示す。   Further confirmation of BA adhesion was performed by direct inspection with a microscope. The scanning electron micrograph of FIG. 32 shows a broken cantilever used in one of the airborne anthrax detection experiments. The sensor was broken to allow mounting on the pedestal of the SEM and then used for microscopic analysis. The upper diagram of FIG. 32 shows the presence of anthrax spores used for detection in the area of the sensor surface shown in the lower diagram. These micrographs show that the anthrax antigen binds to the antibody chemically immobilized on the sensor surface.

先に指摘したように、PEMCセンサーは、気体流と接触している間振動しており、化学的結合による付着のみが起こり得て、これにより、気流試料中の気体が運ぶ粒子による汚染からの擬陽性を低減するかまたは取り除く。気相実験を、0.2〜6.0ミクロンの粘土粒子を不活性の汚染物として用いて行った。汚染物への暴露からは、センサー出力に何の変化も観察されなかった。これはまた、不活性の汚染物はPEMC表面にその動作中付着しないことも確認する。   As pointed out above, the PEMC sensor vibrates while in contact with the gas stream and can only adhere due to chemical bonding, thereby preventing contamination from particles carried by the gas in the airflow sample. Reduce or eliminate false positives. Vapor phase experiments were conducted using 0.2-6.0 micron clay particles as inert contaminants. No change in sensor output was observed from exposure to contaminants. This also confirms that inert contaminants do not adhere to the PEMC surface during its operation.

したがって、本発明のセンサーが、バイオテロ剤の検出、空中浮遊病原体の検出、DNTなどのTNTのマーカーの検出、空中浮遊毒素の検出、および好適に調製されたPEMCまたはPEMCB表面に結合する任意の他の標的分析物の検出に用いることができることが、例を用いて理解され示される。本発明のセンサーはまた、複数のセンサーが1つのデバイスに、複数の異なる分析物を同時に検出するために配置される、センサーアレイに実装することもできる。この方式で、本発明のセンサーは、例えば、気体中の未知の種を同定するため、または気体中の複数の異なる分析物の存在を示すために、用いることができる。   Thus, the sensor of the present invention detects bioterrorism agents, detection of airborne pathogens, detection of markers of TNT such as DNT, detection of airborne toxins, and any other that binds to a suitably prepared PEMC or PEMCB surface. It can be understood and shown by way of example that it can be used for the detection of target analytes. The sensor of the present invention can also be implemented in a sensor array where multiple sensors are placed on a single device to detect multiple different analytes simultaneously. In this manner, the sensor of the present invention can be used, for example, to identify unknown species in a gas or to indicate the presence of multiple different analytes in a gas.

上に指摘したように、検出は湿度に影響される。特に、非常に低い湿度は結合親和性に悪影響を及ぼす。したがって、空中浮遊分析物センサーに付随して給湿を含むことが有利である。図33は、図29Bの空中センサーを用いた構成を示す。この態様において、気体ポンプ305は空気注入口を有し、チャンバー、容器、または部屋などの空気試料から空気を取り込み、取込み空気を給湿機310にポンプ注入する。給湿機310は、ポンプ注入された空気にある量の湿度を加えて、フローセル125のPEMCまたはPEMCBセンサーが、取り込み空気に含まれる標的分析物と良好に反応するようにする。PEMC/PEMCBフローセル125は次に、空気315を安全な場所に排気する。フローセル125のセンサーは、インピーダンスアナライザ131およびフローセルから共振周波数データを収集するパーソナルコンピュータ135を用いて測定される。図33は、フローセル内のPEMC/PEMCBセンサーの、分析物の空中検出のための簡易な適用である。   As pointed out above, detection is sensitive to humidity. In particular, very low humidity adversely affects binding affinity. It is therefore advantageous to include humidification associated with an airborne analyte sensor. FIG. 33 shows a configuration using the air sensor of FIG. 29B. In this embodiment, the gas pump 305 has an air inlet, takes air from an air sample such as a chamber, container, or room and pumps the intake air into the humidifier 310. The humidifier 310 applies a certain amount of humidity to the pumped air so that the PEMC or PEMCB sensor of the flow cell 125 reacts well with the target analyte contained in the intake air. The PEMC / PEMCB flow cell 125 then exhausts the air 315 to a safe location. The sensor of the flow cell 125 is measured using an impedance analyzer 131 and a personal computer 135 that collects resonant frequency data from the flow cell. FIG. 33 is a simple application of the PEMC / PEMCB sensor in the flow cell for airborne detection of analytes.

図34は、本発明の側面を含む方法のフロー図を示す。方法は、空中浮遊分析物の、PEMC型センサー(PEMCおよびPEMCB型を含む)を用いた検出に関する。方法は、PEMC型センサーをステップ2120において提供することから開始される。これらのセンサーは、図19A〜19Gに示す任意の種類および変形を含むことができる。これらの種類は、図19Aおよび19Gに示す1つのベースのカンチレバー型、図19B〜19Dに示す非圧電ビームを有する2つのベースのビーム型センサー、図19Fに示す圧電ビームを有するビーム型センサー、および図19Eに示す重なった層構造のものを含む。   FIG. 34 shows a flow diagram of a method comprising aspects of the present invention. The method relates to the detection of airborne analytes using PEMC type sensors (including PEMC and PEMCB types). The method begins by providing a PEMC type sensor at step 2120. These sensors can include any type and variation shown in FIGS. These types include one base cantilever type as shown in FIGS. 19A and 19G, two base beam type sensors with non-piezoelectric beams as shown in FIGS. 19B-19D, beam type sensors with piezoelectric beams as shown in FIG. 19F, and The layered structure shown in FIG. 19E is included.

次に、エアロゾル化された標的分析物を、ステップ2122において、気流中でセンサーに渡す。ここで、分析物を引き寄せる識別実体が、分析物を有する気流に直角に配置されているのが好ましい。気流への暴露により、識別実体は標的分析物を捕捉することができる。次に、PEMCセンサーを、ステップ2124で電極を介して励起して発振させる。カンチレバーアセンブリまたはビームアセンブリの発振周波数は、識別実体が収集した分析物を含む、アセンブリの質量に依存する。センサーの発振周波数(すなわちカンチレバーアセンブリの共振周波数)は、ステップ2126で測定する。測定されたカンチレバーアセンブリの発振周波数は、次にステップ2128で、カンチレバーアセンブリの固有(共振)ベースライン周波数と比較する。かかる比較は、パーソナルコンピュータ、内蔵プロセッサ、アナログまたはデジタル回路を含む計算手段、または手計算により行うことができる。   Next, the aerosolized target analyte is passed to the sensor in airflow at step 2122. Here, it is preferable that the identification entity that draws the analyte is arranged at right angles to the airflow having the analyte. Upon exposure to the air stream, the identification entity can capture the target analyte. Next, the PEMC sensor is excited to oscillate through the electrodes in step 2124. The oscillation frequency of the cantilever assembly or beam assembly depends on the mass of the assembly, including the analyte collected by the identification entity. The oscillation frequency of the sensor (ie, the resonant frequency of the cantilever assembly) is measured at step 2126. The measured oscillation frequency of the cantilever assembly is then compared at step 2128 with the natural (resonant) baseline frequency of the cantilever assembly. Such a comparison can be made by a personal computer, a built-in processor, calculation means including analog or digital circuits, or by manual calculation.

周波数シフトは、決定ステップ2130で検出する。周波数シフトがステップ2132でのように検出されない場合は、次に、識別実体上に分析物が存在しないとの決定がなされる。これは、気流試料が純粋であるか、または識別実体が気流中のいかなる分析物とも適合しない場合に起こる。周波数シフトが検出された場合は、ステップ2134において標的分析物が検出されたことが決定される。さらに、分析物の具体的な量(すなわち、識別実体上に付着した分析物の質量)が、ステップ2136で決定される。このステップは、周波数シフトの大きさを調査し、この大きさを、PEMCセンサーの共振周波数を変化させるのに必要な分析物の質量と相関させることにより行う。分析物の液体ベースのサンプリングの場合に必要な、特別の調製は行われなかったことを指摘する。また、上記の方法には、液体ベースの分析物検出と比べて、特別の濃縮段階または濃縮段階は含まれない。   The frequency shift is detected at decision step 2130. If no frequency shift is detected as in step 2132, then a determination is made that there is no analyte on the identity entity. This occurs when the airflow sample is pure or the discriminating entity is not compatible with any analyte in the airflow. If a frequency shift is detected, it is determined in step 2134 that the target analyte has been detected. In addition, a specific amount of analyte (ie, the mass of analyte deposited on the identifying entity) is determined at step 2136. This step is done by examining the magnitude of the frequency shift and correlating this magnitude with the mass of analyte required to change the resonant frequency of the PEMC sensor. It is pointed out that the special preparation required for liquid-based sampling of analytes was not performed. Also, the above method does not include a special concentration step or concentration step compared to liquid-based analyte detection.

分析物の検出において品質の対照またはさらなる精度を提供するために、図33には示されていないが、対照センサーと分析物を検出する測定センサーとの間で比較がなされる。例えば、対照センサーは、標的分析物に対する識別実体を有さないことを除いて、測定センサーと同一であるのが好ましい。測定センサーと同じ気流に暴露された場合、対照センサーの共振周波数変化は、測定センサーの共振周波数から区別でき、正確な結果を提供する。   To provide quality control or additional accuracy in analyte detection, a comparison is made between a control sensor and a measurement sensor that detects the analyte, although not shown in FIG. For example, the control sensor is preferably the same as the measurement sensor except that it does not have an identifying entity for the target analyte. When exposed to the same airflow as the measurement sensor, the resonant frequency change of the control sensor can be distinguished from the resonant frequency of the measurement sensor, providing accurate results.

追加のセンサー構成
図35〜47の全ての構成は、気体または液体媒体中の分析物を検出するために用いることができるセンサーの構成に、図19A〜19Gの構成同様に有用である。したがって、図35〜47の構成の用途は、本明細書において、空中浮遊化学物質または生物製剤の検出のために記載されたものと同様である。図35〜47は、図19A〜19Gのものと、いくつかの特性を共有する。例えば指示されている場合には、ベース要素20が存在して、ここに圧電14(P)型の要素または非圧電16型の要素のどちらかが取り付けられる。接着層18は、P型層14をNP型層16から隔てる。図35〜47には、点30において圧電14型の要素の種々の位置に接続されて、カンチレバー構造またはビーム構造を励振させる、電極28が示される。図35〜47は、PEMCおよびPEMCBデバイスと共に実装可能な広い範囲の構成を示す。それらの各々の簡単な説明は以下である。
Additional Sensor Configurations All configurations in FIGS. 35-47 are useful for sensor configurations that can be used to detect analytes in gaseous or liquid media, as in FIGS. 19A-19G. Thus, the uses of the configuration of FIGS. 35-47 are similar to those described herein for detection of airborne chemicals or biologics. FIGS. 35-47 share some characteristics with those of FIGS. 19A-19G. For example, where indicated, a base element 20 is present, to which either a piezoelectric 14 (P) type element or a non-piezoelectric 16 type element is attached. The adhesive layer 18 separates the P-type layer 14 from the NP-type layer 16. In FIGS. 35-47, an electrode 28 is shown connected to various locations of a piezoelectric 14 type element at point 30 to excite a cantilever or beam structure. Figures 35-47 illustrate a wide range of configurations that can be implemented with PEMC and PEMCB devices. A brief description of each of them is below.

図35は、NP部16がP部14と接触している、PEMCまたはPEMCBセンサーの構成を示す。NP層16(TNP)の厚さは、NP層14の長さに沿って可変であることができ、TNPは高感度センサーを支持するように設計できる。この構成において、NP層14のノッチ部の曲げ係数は、NP層14のより厚い部分のそれよりも小さい。PおよびNP層を含む自由端のカンチレバーアームのみが示されているが、図35の構成は、中心線A−Aについて鏡像の形に複製してもよい。図35のこの鏡像複製は、ビーム型(PEMCB)センサーの対称性を示す。図35〜47には中心線が描かれている幾つかの例があり、ここで、形状描写は、自由端カンチレバーまたはビーム型構造のセンサーのどちらかであることができる。さらに、電極ワイヤ28、および端子30の配置およびノッチの幅についての基本情報全ては、この構成および他の全ての構成に適用される。 FIG. 35 shows a configuration of a PEMC or PEMCB sensor in which the NP unit 16 is in contact with the P unit 14. The thickness of the NP layer 16 (T NP ) can be variable along the length of the NP layer 14 and the T NP can be designed to support a sensitive sensor. In this configuration, the bending coefficient of the notch portion of the NP layer 14 is smaller than that of the thicker portion of the NP layer 14. Although only the free end cantilever arms including P and NP layers are shown, the configuration of FIG. 35 may be replicated in the form of a mirror image about the centerline AA. This mirror image replica of FIG. 35 shows the symmetry of the beam-type (PEMCB) sensor. There are several examples in FIGS. 35-47 in which the centerline is drawn, where the profiling can be either a free end cantilever or a beam-type sensor. Further, all basic information about the placement of electrode wires 28 and terminals 30 and the width of the notches applies to this and all other configurations.

図36は、2層のNP16を示す:1つは上に、1つは下にあり、NP1の曲げ係数(EI)がNP2のそれと同じではない場合に、効果的に用いることができる。ここで、図36のNP1およびNP2の名称は、2つのNP層が形状および材質において異なってよいことを示す。例えば、NP1はNP2より小さいか、または異なる形状であることができる。またNP1はガラスで作ることができ、一方NP2はセラミックで作ることができる。図35の場合と同様に、中心線A−Aについての鏡像は、ビーム構造を生成する。この場合、距離Xは0以上であり、Pが鏡像のアンカーに連続的であるか、または2つに別れた部分であることを意味する。X>0の場合、Pの一方または両方の部分を励振できるが、しかし後者の場合は、2つの励振は同期することができる。図37は、2つの側面を除いて図36と同様の構成を示す。図37において、P1およびP2を有することは対称軸を作るため、NP1=NP2である。A−Aについての鏡像はビーム構造を作り出す。この場合、Xは0以上である。これは、Pが鏡像のアンカーについて連続的であるか、または、2つに別れた部分であることを意味する。X>0の場合、Pの一方または両方の部分を励振できるが、しかし後者の場合は、2つの励振は同期させるのが好ましい。   FIG. 36 shows a two-layer NP16: one can be used effectively if one is on top and one is on the bottom, and the bending modulus (EI) of NP1 is not the same as that of NP2. Here, the names NP1 and NP2 in FIG. 36 indicate that the two NP layers may differ in shape and material. For example, NP1 can be smaller than NP2 or have a different shape. NP1 can also be made of glass, while NP2 can be made of ceramic. Similar to the case of FIG. 35, the mirror image about the centerline A-A produces a beam structure. In this case, the distance X is equal to or greater than 0, meaning that P is continuous to the mirror image anchor, or is a part separated into two. If X> 0, one or both parts of P can be excited, but in the latter case the two excitations can be synchronized. FIG. 37 shows a configuration similar to FIG. 36 except for two side surfaces. In FIG. 37, having P1 and P2 creates an axis of symmetry, so NP1 = NP2. The mirror image for A-A creates the beam structure. In this case, X is 0 or more. This means that P is continuous with respect to the mirror image anchor, or is a two-part. If X> 0, one or both portions of P can be excited, but in the latter case, the two excitations are preferably synchronized.

図38は、NP16型材料の追加部分を除き、図19Aと同様の構成を示す。この構造の図19Aに対する利点は、共振周波数ピーク位置についてよりよい制御が実現でき、望ましくないモードの減衰に構成が効果的でありえることである。NP1(16)は、NP2(16)と、所望の特性に依存して、同じかまたは異なることができる。図38の自由端カンチレバー構造は、NP2の遠位端をベース要素に単純に固定することにより、ビーム構造に変換できる。また、図38でNP2と記された部分は単に、P型材料の部分から電極を取り除き(レーザー切断、化学エッチングなど)、P型材料の励振不能な部分を用いることにより作製できることも指摘する。   FIG. 38 shows a configuration similar to FIG. 19A except for the additional portion of NP16 type material. The advantage of this structure over FIG. 19A is that better control over the resonant frequency peak position can be achieved and the configuration can be effective in undesired mode attenuation. NP1 (16) can be the same or different from NP2 (16) depending on the desired properties. The free end cantilever structure of FIG. 38 can be converted to a beam structure by simply securing the distal end of NP2 to the base element. It is also pointed out that the part indicated as NP2 in FIG. 38 can be produced simply by removing the electrode from the part of the P-type material (laser cutting, chemical etching, etc.) and using the part where the P-type material cannot be excited.

図39は、NP1の追加を除き、図19Aと同様の構成を示す。ここでNP1は、P型層の代わりにベース20に結合している。この構成は改善された信号をもたらし、なぜならば、図19Aの構成とは異なり、Pの近接端には束縛がなく、その信号エネルギーの幾分かは散逸せず、そのためより大きな信号を発生するからである。別の言い方をすれば、図19Aからの信号エネルギーの幾分かは、近接端が束縛されているために失わる可能性がある。図39の構成は、図19Aのそれに対して改善を示す。図35〜37の構成におけると同様に、中心線A−Aについて鏡像を付加することにより、ビーム構造を作製することができる。   FIG. 39 shows the same configuration as FIG. 19A except for the addition of NP1. Here, NP1 is bonded to the base 20 instead of the P-type layer. This configuration results in an improved signal because, unlike the configuration of FIG. 19A, the proximal end of P is unconstrained and some of its signal energy is not dissipated, thus generating a larger signal. Because. In other words, some of the signal energy from FIG. 19A can be lost because the proximal end is constrained. The configuration of FIG. 39 shows an improvement over that of FIG. 19A. As in the configurations of FIGS. 35 to 37, a beam structure can be produced by adding a mirror image about the center line AA.

図40は、PおよびNP領域を逆にしたものを付加し、P型の層14を付加したことを除いて、図19Fと同様の構成を示す。この構成は改善された信号をもたらすことができ、なぜならば、Pの近接端は、その信号エネルギーの幾分かが散逸しないように、束縛されていないからである。したがって、より大きな信号が生成される。図41は、NP1を加えたことを除き、図19Eと同様の構成を示す。この構成は改善された信号をもたらすことができ、なぜならば、Pの近接端は、その信号エネルギーの幾分かが散逸しないように、束縛されていないからである。したがって、より大きな信号が生成される。図42は、NP層の曲げ係数(EI)が長さLの関数として変化することを除き、図19Gと同様の構成を示す。このパラメータを変化させることにより、電極位置に集中する応力を増加させることによる、感度の強化が達成される。これを実現する1つの実際的な方法は、図43に示すように、NP層を複数の分離した部分から構成し、これらの部分は、空の空間または低係数の代替材料である隣接部分に沿って、その幅が異なることができる。ビーム構造は、図42または図43のどちらかにおいて、A−Aについて鏡像を加えることにより、作製される。   FIG. 40 shows the same configuration as FIG. 19F except that the inverted P and NP regions are added and the P-type layer 14 is added. This configuration can result in an improved signal because the proximal end of P is not constrained so that some of its signal energy is not dissipated. Therefore, a larger signal is generated. FIG. 41 shows the same configuration as FIG. 19E except that NP1 is added. This configuration can result in an improved signal because the proximal end of P is not constrained so that some of its signal energy is not dissipated. Therefore, a larger signal is generated. FIG. 42 shows a configuration similar to FIG. 19G except that the bending coefficient (EI) of the NP layer varies as a function of length L. By changing this parameter, enhancement of sensitivity is achieved by increasing the stress concentrated at the electrode position. One practical way of accomplishing this is to construct the NP layer from a number of separate parts, as shown in FIG. 43, which are either empty spaces or adjacent parts that are low coefficient alternative materials. Along its width can vary. The beam structure is created by adding a mirror image of AA in either FIG. 42 or FIG.

図44は、上部NP層が、長さの関数として変化する曲げ係数(EI)と、長さの関数として変化する下部層を有すること除き、図36と同様の構成である。これは、図43の効果的な鏡像であるが、しかし、下部層は上部層と異なっており、共振構造を作っている。図44において、上部および下部層は、P層が図37に示すようにサンドイッチ構造である場合にのみ、同一であることができる。図45は、電極の点に応力を十分に集中させて、高感度の応答を生成する構成である。しかし、これはNP16の位置のために、さらに安定な応答を与える。ビーム構造は、A−A中心線について鏡像化することにより作製することができる。図46は、短縮したベース20のために、製造性について有用な構造である。しかし、これはより多くの望ましくない振動モードを提供する。ビーム構造は、A−A中心線について鏡像化することにより作製することができる。   FIG. 44 is the same configuration as FIG. 36 except that the upper NP layer has a bending coefficient (EI) that varies as a function of length and a lower layer that varies as a function of length. This is an effective mirror image of FIG. 43, but the lower layer is different from the upper layer, creating a resonant structure. 44, the upper and lower layers can be the same only when the P layer has a sandwich structure as shown in FIG. FIG. 45 shows a configuration in which stress is sufficiently concentrated on the electrode points to generate a highly sensitive response. However, this gives a more stable response due to the position of NP16. The beam structure can be made by mirroring the AA centerline. FIG. 46 is a useful structure for manufacturability because of the shortened base 20. However, this provides more undesirable vibration modes. The beam structure can be made by mirroring the AA centerline.

本発明の多くの特性および利点が、発明の構造および機能の詳細と共に前述の説明に示されているが、この開示は説明のみであり、特に、部品の形状、寸法および配置の事項における変更を、本発明の原理内で、添付のクレームが表現されている用語の広い一般的な意味により指示される全ての範囲まで、詳細にわたって作製できることが理解されるべきである。   Although many features and advantages of the present invention have been set forth in the foregoing description, together with details of the structure and function of the invention, this disclosure is illustrative only and, in particular, changes in the form, size and arrangement of parts may be made. It should be understood that, within the principles of the invention, the appended claims may be made in detail to the full extent indicated by the broad general meaning of the terms expressed.

Claims (21)

以下のステップを含む、標的分析物を検出するための方法:
センサーを媒体流中に実装すること、ここで該センサーは、
第1端および第2端を有する圧電層、ここで第1端はベースに近い側でありベースに取り付けられており、
第1端および第2端を有する非圧電層、ここで非圧電層の一部は圧電層と重なりこれに取り付けられており、非圧電層はベースに取り付けられておらず
非圧電層に付随する識別実体、ここで圧電層、非圧電層、および識別実体の組み合わせは、カンチレバー部を構成し、および
圧電層に動作可能に取り付けられた電極、ここで電極からの電気刺激は、カンチレバー部を振動させる、
を含み;
カンチレバーの識別実体を、媒体流中の標的分析物に暴露すること;
カンチレバーの発振周波数を測定すること;および
測定した発振周波数をベースライン発振周波数と比較して、識別実体上の標的分析物の存在を示す周波数シフトを決定すること。
A method for detecting a target analyte comprising the following steps:
Mounting the sensor in the media stream , where the sensor
Piezoelectric layer having a first end and a second end, wherein the first end is attached to the base is the side close to the base over the scan,
A non-piezoelectric layer having a first end and a second end, wherein a portion of the non-piezoelectric layer overlaps and is attached to the piezoelectric layer, and the non-piezoelectric layer is not attached to the base ;
The identification entity associated with the non-piezoelectric layer, where the combination of the piezoelectric layer, the non-piezoelectric layer, and the identification entity comprises a cantilever portion and an electrode operably attached to the piezoelectric layer, where electrical stimulation from the electrode Vibrates the cantilever part,
Including:
Exposing the identity of the cantilever to the target analyte in the media stream;
Measuring the oscillation frequency of the cantilever; and comparing the measured oscillation frequency with a baseline oscillation frequency to determine a frequency shift indicative of the presence of the target analyte on the identifying entity.
圧電層が、直線状に配置された圧電部と非圧電部の両方を含むものである、請求項1に記載の方法。 Piezoelectric layer is intended to include both piezoelectric portions and non-piezoelectric portions arranged in a straight line, The method of claim 1. 非圧電層が、間隔を空けて直線状に配置された複数の非圧電部を含む、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the non-piezoelectric layer includes a plurality of non-piezoelectric portions arranged in a straight line at intervals. 識別実体上に存在する標的分析物の量を決定すること;
をさらに含む、請求項1に記載の方法。
Determining the amount of target analyte present on the identifying entity;
The method of claim 1, further comprising:
識別実体が、抗体、DNA分子、アプタマー、ファージおよび生化学的試薬からなる群の1つから選択され、および選択物が、天然および合成により構成されたものからなる群の1つである、請求項1に記載の方法。   The identification entity is selected from one of the group consisting of antibodies, DNA molecules, aptamers, phages and biochemical reagents, and the selection is one of the group consisting of natural and synthetic constructs Item 2. The method according to Item 1. 識別実体が、標的分析物を識別し結合する抗体である、請求項5に記載の方法。   6. The method of claim 5, wherein the identification entity is an antibody that identifies and binds to the target analyte. 標的分析物が、抗体と結合することによりカンチレバーセンサー表面に化学的に固定化される、請求項6に記載の方法。   7. The method of claim 6, wherein the target analyte is chemically immobilized on the cantilever sensor surface by binding to an antibody. カンチレバーの識別実体を標的分析物に暴露することが、識別実体を、媒体流中の生物学的物質および化学物質からなる群の1種に暴露することを含む、請求項1に記載の方法。   2. The method of claim 1, wherein exposing the cantilever identifying entity to the target analyte comprises exposing the identifying entity to one of the group of biological and chemical substances in the media stream. 複数のセンサーをセンサーアレイとして使用すること、ここでアレイ内の複数のセンサーの各々は媒体流に暴露されて、少なくとも1種の分析物を検出する、
をさらに含む、請求項1に記載の方法。
The use of multiple sensors as a sensor array, wherein each of the plurality of sensors in the array are exposed to the medium flow, detecting at least one analyte,
The method of claim 1, further comprising:
少なくとも1種の分析物が、複数の周波数シフトを測定することにより検出され、1つの周波数シフトは使用されたセンサーのそれぞれに対するものである、請求項9に記載の方法。 The method according to claim 9, wherein at least one analyte is detected by measuring a plurality of frequency shifts, one frequency shift being for each of the sensors used . 的分析物を検出するための装置であって、
センサーと、分析器とを含み、
ここで前記センサーは、
第1端および第2端を有する圧電層、ここで第1端はベースに近い側でありベースに取り付けられており、
第1端および第2端を有する非圧電層、ここで非圧電層の一部は圧電層と重なりこれに取り付けられており、非圧電層はベースには取り付けられておらず
非圧電層に付随する識別実体、ここで圧電層、非圧電層および識別実体の組み合わせは、カンチレバー部を構成し、および
圧電材料に動作可能に取り付けられた電極、ここで電極からの電気刺激は、カンチレバー部を振動させる、
を含むものであり;
前記分析器は、
共振周波数データをセンサーから収集する分析器であって、センサーの測定した共振周波数をベースライン共振周波数と比較して周波数変化を決定し、該周波数変化は、センサーの識別実体上に収集された標的分析物の質量を示すものである、前記装置
An apparatus for detecting a target analyte,
Including a sensor and an analyzer,
Wherein the sensor is,
A piezoelectric layer having a first end and a second end, wherein the first end is near the base and is attached to the base;
A non-piezoelectric layer having a first end and a second end, wherein a portion of the non-piezoelectric layer overlaps and is attached to the piezoelectric layer, the non-piezoelectric layer not attached to the base and associated with the non-piezoelectric layer The identification entity, where the combination of piezoelectric layer, non-piezoelectric layer and identification entity constitutes the cantilever part, and the electrode operably attached to the piezoelectric material, where electrical stimulation from the electrode vibrates the cantilever part Let
That there is in Dressings containing;
The analyzer is
An analyzer that collects resonant frequency data from a sensor, comparing the measured resonant frequency of the sensor with a baseline resonant frequency to determine a frequency change, the frequency change being a target collected on the sensor's identification entity The apparatus, which indicates the mass of an analyte.
センサーのアレイをさらに含み、アレイ中の各センサーは、少なくとも1種の分析物の存在および量を決定するために分析器に周波数情報を提供する、請求項11に記載の装置。   The apparatus of claim 11, further comprising an array of sensors, wherein each sensor in the array provides frequency information to the analyzer to determine the presence and amount of at least one analyte. 以下を含む、請求項1に記載の方法:
基本共振周波数を有するカンチレバー検出デバイスの表面を、固定化抗体で被覆すること;
被覆表面を媒体流に暴露すること、ここで、媒体流が分析物を含む場合は、固定化抗体に適合する分析物は被覆表面に結合し;
カンチレバー検出デバイスの発振周波数を測定すること;
識別実体に結合した分析物の量を決定すること。
The method of claim 1, comprising:
Coating the surface of a cantilever detection device having a fundamental resonance frequency with an immobilized antibody;
Exposing the coated surface to the media stream, where if the media stream contains an analyte, an analyte compatible with the immobilized antibody binds to the coated surface;
Measuring the oscillation frequency of the cantilever detection device;
Determining the amount of analyte bound to an identifying entity.
識別実体が、固定化抗体、アプタマー、組み換えファージ、およびDNA分子からなる群の1種を有し;
計算手段と接続した変換器機構を用いて、識別実体に結合した分析物の量を決定することをさらに含む、請求項13に記載の方法。
The identifying entity has one of the group consisting of immobilized antibodies, aptamers, recombinant phages, and DNA molecules;
14. The method of claim 13, further comprising determining the amount of analyte bound to the identifying entity using a transducer mechanism connected to the computing means.
圧電層が、2つの圧電層を含む、請求項11に記載の装置。   The apparatus of claim 11, wherein the piezoelectric layer comprises two piezoelectric layers. 非圧電層が、間隔を空けて直線状に配置された複数の非圧電部を含む、請求項11に記載の装置。   The apparatus according to claim 11, wherein the non-piezoelectric layer includes a plurality of non-piezoelectric parts arranged in a straight line at intervals. 電極の電気的励振が、圧電層に機械的振動を引き起こし、ここで共振での振動は、非共振での振動よりも、高いレベルの応力をセンサーに与え;および
ここで圧電層への電極の取り付けは、圧電層の他の点と比べて圧電層における電気インピーダンスの増加を示す圧電層上の応力が集中する点に近接している、
請求項11に記載の装置。
The electrical excitation of the electrodes causes mechanical vibrations in the piezoelectric layer, where vibrations at resonance apply a higher level of stress to the sensor than vibrations at non-resonance; and where the electrode's to the piezoelectric layer The attachment is close to the point where stress on the piezoelectric layer is concentrated , indicating an increase in electrical impedance in the piezoelectric layer compared to other points in the piezoelectric layer,
The apparatus of claim 11.
電気インピーダンスの増加が、圧電層上での対応する応力の増加をものである、請求項17に記載の装置。 Increase in electrical impedance, it is intended to display the corresponding increases in stress in the piezoelectric layer, according to claim 17. 標的分析物の検出を強化することが、センサーの曲げ係数を変化させて応力集中を発生させ応力集中が起きた電極取り付け点における応力および電気インピーダンスを増強することにより達成される、
請求項11に記載の装置。
Enhancing the detection of the target analyte is achieved by changing the bending factor of the sensor to generate a stress concentration and enhancing the stress and electrical impedance at the electrode attachment point where the stress concentration occurred .
The apparatus of claim 11.
標的分析物の検出を強化することが、圧電層の形状および非圧電層の形状を選択して応力集中を発生させ応力集中が起きた電極の位置においてセンサーの少なくとも1つの基本高次モードを実現することにより達成され、ここで少なくとも1つの基本高次モードは、共振におけるインピーダンスおよび性質係数(quality factor)の関数である、
請求項11に記載の装置。
Enhancing the detection of the target analyte selects the shape of the piezoelectric layer and the shape of the non-piezoelectric layer to generate a stress concentration, and at least one fundamental higher order mode of the sensor at the location of the electrode where the stress concentration occurs. Wherein at least one fundamental higher-order mode is a function of impedance and quality factor at resonance,
The apparatus of claim 11.
センサーの非屈曲モードが、少なくとも1つの高次モードに比べて振幅強度において低減され;および
非屈曲モードが、電極位置での屈曲モード共振におけるインピーダンスに感知可能な寄与を与えない、
請求項20に記載の装置。
The non-bending mode of the sensor is reduced in amplitude intensity compared to at least one higher order mode; and the non-bending mode does not provide a appreciable contribution to the impedance in the bending mode resonance at the electrode location;
The apparatus of claim 20.
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