TWI331216B - Sensor for detecting substance in liquid - Google Patents

Description

13,31216 . 啊年斗月4日修正替換頁 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 r 本發明係關於一種使用表面波元件（SAW元件）之液中 • 物質檢測感測器，更詳言之’係關於一種具備感測用表面 波元件與參考用表面波元件之液中物質檢測感測器。 【先前技術】 以往，提出各種用以檢測出液體中的例如蛋白質等檢 測對象物質之液中物質檢測感測器。例如，下述專利文獻1 ® 揭示了使用彈性表面波元件之液中物質檢測感測器。第10(a) 圖及第10(b)圖，係用以說明專利文獻丨所揭示之液中物質 檢測感測器之俯視圖、及顯示其主要部分之前視截面圖。 液中物質檢測感測器101具有底基板1〇2。在底基板 102之上面l〇2a，在距離一側端緣1〇2b之位置形成有凹部 l〇2c，l〇2d。凹部i〇2c，102d分別設有感測用表面波元件 1〇4及參考用表面波元件1〇5。此外，底基板1〇2上積層有 樹脂層1〇3’其具有面對上述凹部l〇2c，102d之貫通孔103b， 看 103c 。 感測用表面波元# 104具有：壓電基板、形成於壓電 基板上之指狀電極（IDT)、及以覆蓋指狀f極之方式形成的 反應膜。反應膜與作為試料之液體中的檢測對象物質產生 反應，以可結合檢測對象物質之材料形成。另一方面，夫 考用表面波元# 1〇5具有於壓電基板上形成指狀電極之構 造，參考用表面波元# 1〇5未設置反應臈。 當使用時 至少將設有上述貫通孔1〇3b，1〇3c之部分 5 1331216 卜年4⑽a修正*換H| : = 鹿感測用表面波1〇4之反應膜與檢測對 象物質產生反應而結合檢測對象物質。是以，感測用表面 波元件_令，施加於設有指狀電極部分之質 測對象物質之結合而變大。彳^ ^ 攻檢 _ 相對於此，由於參考用表面波 …牛105未設置與檢測對象物質產生反應之反應膜，因此 不因檢測對象物質之結合而增加附加質量。 此外，專利文獻1所揭示之液中物質檢測感測器1()1 檢測出感測用表面波…04中之質量附加的表面波 之音速變化來作為電氣訊號的變化。此時，藉由求出感測 用表面波^牛104之輸出與參考用表面波元件1〇5之輸出 的差，此兩精度地檢測出檢測對象物質。 又’相同的液中物質檢測感測器亦揭示於下 獻2。 ▼ π人 專利文獻 1 : W02006/027893A1 專利文獻 2 : W02006/027945A1 【發明内容】 _如上述，液中物質檢測感測器10卜藉由感測用表面波 、件104之輸出訊號與參考用表面波元件105之輸出訊號 的差檢測出液體中之蛋白質的有無或濃度等。此時，具體 2言，藉由求出包含感測用表面波元件之振盪電路、與包 3參考用表面波元件之振盪電路的各振盪頻率的差，檢測 出檢測對象物質的有無或濃度。 上述液中物質檢測感測器101，當檢測對象物質不存在 時，較佳係感測用表面波元件104之特性與參考用表面波 6 1331216 _ 刊年4月K日修正替換頁 元件105之特性相同。 然而’表面波元件1 〇4, 105，當與包含檢測對象物質之 * 液體接觸時，包含感測用表面波元件之振盪電路之振盪頻 ' 率 與包含參考用表面波元件之振盈電路之振盈頻率的差 有時會接近。此時，雙方之振盪係電磁耦合，振盪頻率有 時完全一致。因此，無法確實且高精度地檢測出液體中之 檢剛對象物質。又，即使當雙方之振盪未耦合時，亦會因 φ 檢’則對象物質而有測定靈敏度變小，導致無法檢測的情形。 本發明之目的在於提供一種液中物質檢測感測器，其 消除上述習知技術之缺點，不易產生包含感測用表面波元 件之振盈電路之振盪頻率、與包含參考用表面波元件之振 盡電路之振盪頻率的耦合導致之問題點，能以更高的靈敏 度檢測出液體中之檢測對象物質。 本發明之液中物質檢測感測器，其特徵在於，具備： 感測用振盪電路，包含感測用表面波元件及連接於該感測 • 用表面波元件之第1放大電路’該感測用表面波元件具有 壓電基板，設於壓電基板上之至少！個指狀電極，及以覆 蓋該指狀電極之方式形成、與液體中物質產生反應之反應 膜；以及參考用振盪電路，包含參考用表面波元件及連接 於該參考用表面波元件之第2放大電路，該參考用表面波 疋件具有壓電基板，及設於壓電基板上之至少丨個指狀電 極但不具有反應膜；構成該感測用表面波元件及參考用 表面波元件之壓電基板係由相同的壓電材料構成，當將該 壓電基板之電機耦合係數設為k2(%)時，該感測用振盪電路 7 1331216 -------------- ί γμμίΜ修正替涣员i 之振盈頻率與該參考用振盪電路之振盪頻率隔開2〇〇 X k2(ppm)以上。 本發明之液中物質檢測感測器，較佳係該感測用表面 波το件與該參考用表面波元件具有大致相同的頻率特性。 此犄’由；ίΜ則用表面波元件與參考用表面波元件之特性 差】因此此更兩精度地檢測出液體中之檢測對象物質。 #發明之液中物質檢測感測器，較佳係該感測用振盪 電路及參考用振盪電路係具有使用電感器與電容器之匹配 電路的振1電5^ ’感測用振盈電路之電路常數與參考用振 盪電路之電路常數不同。亦#，使感測用振盪電路之電路 常數與參考用振盪電路之電路常數不同，#此能使感測用 振i電路之振t頻率與參考用振^電路之振盪頻率相異至 200xk2(ppm)以上。 又，本發明之液中物質檢測感測器中，感測用振盪電 路具有第ί微帶線(micro strip line )，參考用振盪電路具有 第2微▼線’藉由使第1微帶線之形狀與第2微帶線之形 狀不同’亦可僅以上述特定頻率差隔開感測用振盪電路之 振盪頻率與參考用振i電路之振i頻率。&時，僅需選擇 微帶線之形狀’ g卩可容^地使感測用振I電路之振盈頻率 與參考用振盪電路之振盪頻率相隔至2〇〇xk2(ppm)以上。 又’本發明之液中物質檢測感測器中’用以使該感測 用振盛電路之振盛頻率與參考用振盪電路之振盪頻率相隔 之阻抗不同來達成。 至〇Xk (ppm)以上之構成’亦能藉由使構成第1、第2放 大電路之第1、第2放大元件 8 1331216 行年4月丨土日修正替換頁 本發明中’該壓電基板，較佳係使用30。〜5〇。旋轉 Y i刀割X傳遞之LiTa〇3基板。此時，能以更高靈敏度測— • 液體中之檢測對象物質的有無或濃度。 • 感測用表面波元件及參考用表面波元件能藉由使用各 種彈性表面波之表面波元件構成。較佳係使用以水平剪力 波為主成刀之彈性表面波的表面波元件，此時，作為端面 反射型之表面波元件，能構成感測用表面波元件或參考用 鲁 元件 疋以，能謀求感測用表面波元件及參考用表 面波元件之小型化。 本發明之液中物質檢測感測器中，由於感測用振盪電 1之振盪頻率與參考用振盪電路之振盪頻率相隔至20〇x (Ppm)以上’因此即使當液體附著於感測用表面波元件及 ^用表面波元件時之頻率變化量的偏差較大時，感測用 電路之振廬與參考用振盪電路之振盪亦不易電磁耦 疋以’依據與液體中之檢測對象物質之反應膜的反應 _ 、、產生之附加質1的變化’能以更高靈敏度且確實地測定 液體中之檢測對象物質的有無或濃度。 【實施方式】 从下’參照圖式說明本發明之具體實施形態，藉此能 更明白本發明。 。。第1圖係顯不本發明一實施形態之液中物質檢測感測 龟路構成之方塊圖。液中物質檢測感測器工具有感測 用振盪電路11與參考用振盪電路21。 €測用振盪電路u ’具有感測用表面波元件12、連接 9 1331216 ___一^ 竹年斗月仏日修替换 ； ____—- 於感測用表面波元件12之電感器電容器組成（LC)匹配電路 13 ’ 14、及第1放大電路1 5。亦即，感測用振盪電路，由電 * 感器電容器組成電路構成之匹配電路13, 14及第1放大電 * 路1 5連接於感測用表面波元件12，構成閉迴路之振盪電路。 另一方面’參考用振盪電路21亦相同，由電感器電容 器組成電路構成之匹配電路23連接於參考用表面波元件22 之一端，同樣地’由電感器電容器組成電路構成之匹配電 路24連接於另一端，第2放大電路25連接於匹配電路23， 24 間。 液中物質檢測感測器1中，差動放大電路2連接於上 述感測用振盪電路1 i及參考用振盪電路21。亦即，感測用 振盪電路11連接於差動放大電路2之一側輸入端，感測用 振盪電路之輸出係輸入該一侧輸入端。另一方面，參考用 振盪電路21連接於差動放大電路2之另一側輸入端，以使 參考用振盪電路21之輸出輸入該另一側輸入端。此外，藉 φ 由差動放大電路2，能得到依據感測用振盪電路之振盪頻率 與參考用振盪電路之振盪頻率之差的頻率差。 上述感測用表面波元件12及參考用表面波元件22，例 如，係使用壓電基板上形成指狀電極之表面波元件構成。 如第2圖概略所示，感測用表面波元件12巾，於壓電基板 12a上面形成有指狀電極12b，以覆蓋該指狀電極之方 式形成反應膜12c。另—方面，如第3圖概略所示參考用 表面波元件22 +，於壓電基板22a上面形成有指狀電極 22b。參考用表面波元件未設置反應膜12c。 10 啊年4月丨日修正替換頁 此外，第2圖及第3圖中，雖於感測用表面波元件Η 心^個指狀電極12b，於參考用表面波元件22中領示 個指狀電極22b，但實際上，感測用表面波元件η及參 用表面波S件22分別具有並排設置於表面波傳遞方向之 固指狀電極。不過，本發明中，感測用表面波元件及來考 用表面波元件亦可為具冑i個指狀電極之表面波元件，亦 可為上述般具有2個以上的指狀電極。 上述感測用表面波元件12中，若與包含檢測對象物質 之液體接觸，則反應膜12c與檢測對象物質產生反應，例 如’蛋白質等檢測對象物f與反應膜…結合。其結果，施 加於指狀電極12b之質量增加。由於該附加質量之變化， 振盪電路Η之輸出頻率產生變化，依據該頻率變化 能測定檢測對象物質的有無或濃度。 上述反應臈12c係由能與液體中之檢測對象物質產生 反應之適當材料構成。例如’當測定液體中之抗原或抗體 時，能使用使抗體或抗原固定化之膜作歧應膜。此時， =體中之抗原或抗體與固定化於反應膜之抗體或抗原結 合’形成免疫複合體’ II此’施加於設有指狀電極部分之 質置產生變動。以此方式，依據檢測對象物質之種類選擇 由適當材料構成之反應膜作為反應膜l2c即可，該適當材 料’係與液體中之檢測對象物質產生反應，使設有指狀電 極口P刀之附加貝里變化。此外，檢測對象物質並不限定於 抗原或抗體’能列舉蛋白質等各種生化物質，但亦不限定 於生化物質，亦可為檢測出各種元素、無機化合物之對象 1331216 $年斗月从日饺正替換 亦即本發明之液中物質檢測感測器雖適用於檢測 出抗原、抗體、或蛋白質等活體成分之生物感測器，但並 不限定於生物感測器，能使詩檢測出各種物質之用途。 又’為除去溫度變化所產生之雜訊等，亦構成有使用 參考用表面波元件22之參考用振盈電路21。亦即，從感測 作盪電路11所獲得之結果，減去參考用振盪電路所 獲得，結果’藉此除去因背景雜訊或溫度變化所產生之_

訊，能正確地測定檢測對象物質的有無或濃度。 又，本實施形態之液中物質檢測感測器丨中，上述感 測用振盈電路u之振錢率與參考用㈣電路21之振盈 頻率係相隔200xk2(ppm)以上。此處，k2係構成感測用表面 波元件12及參考用表面波元件22之壓電基板之電機耗合 係數。此外，感測用表面波㈣12與參考用表面波元件22 係構成為另-晶片元件。不過，構成感測用表面波元件之 壓電基板及指狀電極、與構成參考用表面波元件之壓電基 板及指狀電極係相同。 本實施形態中，如上述， 盪頻率與參考用振盪電路21 由於感測用振盪電路1 1之振 之振盪頻率相隔200xk2(ppm) 以上，因此能以更高靈敏度且更確實地測定液體中之物質 品質。以下更具體說明本實施形態。 針對上述感測用振盪電路n之振盪，以第4圖所示之 開迴路電路作為模式進行檢討。 第4圖所示之開迴路電路具有埠a，b。從埠&向埠b， 連接有第1放大電路15、匹配電路14、感測用表面波元件 12 12、及匹配電路13。該開迴路電路之振盪條件係滿足下式 (1)及(2)。 數學式1 : ’ •振幅條件 |Sab|^〇(db)..................式⑴ 數學式2 : •移送條件

Z Sab = 36〇xn(deg).........式（2) 式中，η係整數 亦即’為了產生振盪’必須設定感測用振盪電路丨丨之 電輅常數’以使迴路增益為〇dB以上，移相為〇。該電路 數， 13 例如’可例舉出調整放大電路1 5之放大率或匹配電路 亦，14之電感L或電容c之值。接著，選擇該電路常數， '、印設定電路常數以滿足式⑴及（2)，藉此能使感測用振盪 電路1 1振盪，且能設定其振盪頻率。

例如，當使用36。Y切割χ傳遞之UTa〇3基板作為壓 電基板時，調整電感L或電容c之值以滿足式（1)及（2)，且 使感測用振i電路u之振盈頻率較參考用振藍電路U :二亦即’藉由調整匹配電路13, 14之電感成分L或電容 奸入 上述，亦即能使檢測對象物質未與反應膜 搞湯费初期狀癌之感;則用振盛電路11之振I頻率較參考用 之#湯路21之振後頻率低。此外，使該感測用振盈電路11 二：頻:上與t考，……頻率的差為 猎此此防止兩者耦合，高精度地進行測定。 13 1331216 替染頁

—--__I 此外，36°Y切割X傳遞之LiTaCh之電機耦合係數k2(%) 為5.0(%)。是以，所謂l〇〇〇ppm以上係指滿足200xk2(ppm)。 亦即’如第5圖所示’在初期狀態下，調整感測用振 盪電路11及參考用振盪電路21之電路常數，以使兩者之 振盪頻率差為-lOOppm、一 50ppm、或 + 800ppm、+ lOOOppm ’製作複數種液中物質檢測感測器。接著，將該等 液中物質檢測感測器浸潰於試料之PBS(PHOSPHAT£

BUFFERED SALINE :填酸缓衝生理食鹽水）。該試料係不 含檢測對象物質之液體。其結果，由第5圖可知，當頻率 差為一lOOppm、— 50PPm、及+ 800ppm時，可知隨經過時 間而沒有頻率差，亦即，在10秒以内，沒有頻率差。相對 於此，可知當感測用振盪電路U之振盪頻率與參考用振盪 電路之振盛頻率在初期狀態下為1 〇〇〇ppm時，頻率差保持 一定’不會隨時間經過而變小。此係由於感測用振盛電路 η之振錢率與參考用振盪電路21之振㈣率充分相隔， 兩者未輕合之關係。亦即，當兩者之頻率差未％胸ppm 時’由第4圖可知’隨時間經過，感測用振盈電路u之振 ㈣率與參考用振以路21之振㈣率的振_合，兩者 有頻率差。 然而，電機輕合係數與頻帶宽係正比關係。是以，每 =生上述耗合之頻率差設為“時，設壓電基板之電機： 二=為k2(%) ’則將叫㈣設為電機耗合係數^ 二^係比較例常數)即可，由第5圖之結果可知，設 （㈣即可。亦即，心切割χ傳遞之以⑽ 14 1331216 - 啊44月A日修正 基板，其電機耦合係數k2為5.0%，由第5圖之結果可知， 由於設感測用振盪電路丨丨之振盪頻率與參考用振盪電路幻 之振盪頻率的差df為loooppm以上即可，因此，由該等結 • 果可知，藉由設df^k2x200(ppm)能防止參考用振盪電路與 感測用振盪電路之振盪耦合，藉此能更確實地檢測出液體 中的物質。以下參照第6〜8圖具體說明此。 準備設df為I320ppm之上述液中物質檢測感測器i、 及用以比較之設df為57〇之習知例之液中物質檢測感測 器，準備PBS作為試料，進行測定。第8圖係顯示當使用 上述實施形態及習知例之液中物質檢測感測器時之靈敏度 的時間變化的圖。此外，第8圖之縱軸係依據靈敏度之規 格化頻率，橫軸係時間。 由第8圖可知，本實施形態與習知例相較，由於感測 用振盪電路11之振盪頻率與參考用振盪電路21之振盪頻 率不致’因此能以更高靈敏度進行測定物質之檢測。 • 此外，第6圖係顯示上述習知例情形之感測用振盪電 路1 1與參考用振盪電路21間之頻率差df之時間變化，第 7圖係顯示上述實施形態之液中物質檢測感測器之頻率差 df之時間變化。由第6圖可知’習知例中，經過3〇秒後， 頻率差變成0，相對於此，上述實施形態中，頻率差保持— 定’為 1320ΡΡΓηΓ(：。 是以，本實施形態之液中物質檢測感測器中由於在 感測用振盈電路U與參考用振盪電@ 21之間，振盈不易 電磁耦合，因此能以更高靈敏度且更確實地檢測出液體中 15 1331216 物質的有無或濃度。

關於感測用振盪電路i ! 及參考用振盪電路21之振

力控制1C之回授容量之方法等各種方法 l路21之振盪 L或C之方法

器4i般’亦可為感測用振篕電路11A具有第i微帶線42, 參考用振蘯電路21A具有第2微帶線43。&時，使第】微 帶線42之形狀與第2微帶線43之形狀在寬度或長度等不 同，藉此將感測用振盪電路U之振盪頻率與參考用振盪電 路21之振盪頻率相隔200xk2(ppm)以上即可。 又，第1、第2放大電路υ，25分別具有第}、第之放 大元件，亦可使第1放大元件之阻抗與第2放大元件之阻 抗不同，藉此將感測用振盪電路n之振盪頻率與參考用振 盛電路21之振盪頻率相隔200xk2(ppm)以上。 上述實施形態中’雖使用36。Y切割X傳遞之UTa〇3 基板作為壓電基板，但壓電基板並不特別限定於此，能由 其他晶格之LiTaCh基板或LiNbCh基板等適當之壓電單鈇 晶、或壓電陶究構成。不過，較佳係使用30。〜40。γ切 割X傳遞之LiTa〇3基板，藉此能以高靈敏度且確實地測定 液體中之檢測對象物質。 此外’使用於上述實施形態之表面波元件並不特別限 定，雖能使用利用雷利（Rayleigh)波或水平剪力波（SH波）等 16 1331216 朽年4月/t日修正替換頁 件，但當使用以水平剪力波為 能構成端面反射型之表面波裝 各種彈性表面波之表面波元件 主成分之彈性表面波時，能 置疋以’此謀求液中物質檢測感測器之小型化。 又，上述表面波元件亦可為表面波諧振器，亦可為表 面波濾波器。 ’ 【圖式簡單說明】 第1圖係用以說明本發明一實施形態之液中物質檢測 感測器之方塊圖。 第2圖係以示意方式顯示感測用表面波元件構造之截 第3圖係以示意方式顯示參考用表面波元件構造之截 第4圖係顯示用以說明本發明一實施形態之感測用振 盪電路之振盪條件之開迴路之電路模式之電路圖。 第5圖係顯不本發明一實施形態之液中物質檢測感測

路的頻率差的時間變化的圖。 第6圖係顯示頻率差df為57〇ppm之用以比較而準備 之液中物質檢測感測器之雙方振盪電路的頻率差的時間變 化的圖。 第7圖係顯示本發明一實施形態中，當感測用振盪電 路與參考用振盪電路之頻率差“為132〇ppm時的頻率差的 時間變化的圖。 17 第 器及習圖。 圖係顯示本發明 知例之液中物質檢 一實施形態之液中物質檢測感測 測感測器的靈敏度的時間變化的 圖係感測用振盥電路及參考用振盡電路具有微帶 線之憂幵> 例之液中物質檢測感測器之方塊圖。 第1 0圖（a)及（b)係顯示習知液中物質檢測感測器一例 之俯視圖、及顯示其主要部分之前視截面圖。 【主要元件符號說明】

1 液中物質檢測感測器 2 差動放大電路 11 感測用振盪電路 1 1 A 感測用振盪電路 12 感測用表面波元件 12a 壓電基板 12b 指狀電極 12c 反應膜 13, 14 匹配電路 15 第1放大電路 21 參考用振盪電路 21 A 參考用振盪電路 22 參考用表面波元件 22a 壓電基板 22b 指狀電極 23, 24 匹配電路 18 1331216 月久日修ι£替换頁， 25 第2放大電路 41 液中物質檢測感測器 42, 43 第1、第2微帶線 101 液中物質檢測感測器 102 底基板 102a 底基板之上面 102b 一側端緣 102c, 102d 凹部 103 樹脂層 103b, 103c 貫通孔 104 感測用表面波元件 105 參考用表面波元件 a, b 埠 19

Claims (1)

1331216 月’厶日 第096107621號專利申請案，申請專利範圍替換本（99年4 十、申請專利範圍： 1.一種液争物質檢測感測器，其特徵在於，具備： 感測用振盪電路，包含感測用表面波元件及連接於該 感測用表面波元件之第1放大電路，該感測用表面波元件 具有壓電基板，設於壓電基板上之至少丨個指狀電極，及 以覆蓋該指狀電極之方式形成、與液體中物質產生反應之 反應膜；以及 參考用振盪電路，包含參考用表面波元件及連接於該 參考用表面波元件之第2放大電路，該參考用表面波元件 具有壓電基板，及設於壓電基板上之至少i個指狀電極， 但不具有反應膜； 構成該感測用表面波元件及參考用表面波元件之壓電 基板係由相同的壓電材料構成，當將該壓電基板之電機耦 合係數设為k2(%)時，該感測用振盪電路之振盪頻率與該參 考用振盪電路之振盪頻率隔開200xk2(ppm)以上。 2. 如申請專利範圍第1項之液申物質檢測感測器其 中’該感測用表面波元件與該參考用表面波元件具有大致 相同的頻率特性。 3. 如申請專利範圍第1或2項之液中物質檢測感測器， 其中’該感測用振盪電路及參考用振盪電路係具有使用電 感器與電容器之匹配電路的振盪電路，感測用振盪電路之 電路常數與參考用振盪電路之電路常數不同。 4. 如申請專利範圍第1或2項之液中物質檢測感測器， 其中’該感測用振盪電路具有第1微帶線，該參考用振盪 20 1331216 _ . m 4月/έ曰修正替換頁 電路具有第2微帶線，第1微帶線之形狀與第2微帶線之 形狀不同。 • 5.如申請專利範圍第1或2項之液中物質檢刺感測器， *其中，該第卜第2放大電路分別具有第卜第2放大元件， 第1放大元件之阻抗與第2放大元 凡件之阻抗不同。 ' 6.如申請專利範圍第1戍2 Jg + , Έι, « 竿匕固矛i :¾ 2項之液中物質檢測感測器， 其中，該壓電基板係30。〜50。旋轉γ切割χ傳遞之 LiTa03 基板。 • 7_如申請專利範圍第1或2項之液中物質檢測感測器， 其中，該感測用表面波元件及該參考用表面波元件，係使 用以水平剪力波為主成分之彈柹矣 丄；#。 评性表面波的表面波凡仟 十一、圖式： 如次頁。 21 1331216 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（1 )圖。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明： 1 液 中 物 質 檢 測 感 測器 2 差 動 放 大 電 路 11 感 測 用 振 盡 電 路 感 測 用 表 面 波 元 件 13, 14 匹 配 電 路 15 第 1 放 大 電 路 21 參考 用 振 盪 電 路 參考 用 表 面 波 元 件 23, 24 匹 配 電 路 25 第 2 放 大 電 路 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

(無）