WO2007145108A1 - 液中物質検出センサ - Google Patents

Abstract

　液中の検出物質を、より高感度にかつ確実に測定することを可能とする液中物質検出センサを得る。 　ＩＤＴを覆うように、液体中の物質と反応する反応膜が設けられているセンシング用ＳＡＷ素子４を含むセンシング用回路２と、ＩＤＴを有し、反応膜を有していないリファレンス用ＳＡＷ素子６を含むリファレンス用回路３と、センシング用回路２を駆動する第１の信号源８と、リファレンス用回路３を駆動しており、第１の信号源とは別個に構成されている第２の信号源９と、センシング用回路２及びリファレンス用回路３の差動出力を出力する差動回路１０とを備え、第１の信号源８から出力される第１の周波数信号の周波数と、第２の信号源９から出力される第２の周波数信号の周波数とが異なっており、それによって、センシング用ＳＡＷ素子４及びリファレンス用ＳＡＷ素子６の駆動周波数が同じくまたは異ならされている、液中物質検出センサ１。

Description

明 細 書

液中物質検出センサ

技術分野

[0001] 本発明は、表面波素子 (SAW素子)を用いた液中物質検出センサに関し、より詳 細には、センシング用 SAW素子とリファレンス用 SAW素子とを備えた液中物質検出 センサに関する。

背景技術

[0002] 従来、液体中の例えば蛋白質などの検出対象物質を検出するための液中物質検 出センサが種々提案されている。例えば、下記の特許文献 1には、弾性表面波素子 を用いた液中物質検出センサが開示されている。図 5 (a)及び (b)は、特許文献 1に 記載の液中物質検出センサを説明するための平面図及びその要部を示す正面断面 図である。

[0003] 液中物質検出センサ 101は、ベース基板 102を有する。ベース基板 102の上面 10 2aには、一方端縁 102bから隔てられた位置に凹部 102c, 102dが形成されている。 凹部 102c, 102dに、センシング用 SAW素子 104及びリファレンス用 SAW素子 105 がそれぞれ設けられている。そして、ベース基板 102上には、上記凹部 102c, 102d に臨む貫通孔 103b, 103cを有する榭脂層 103が積層されて 、る。

[0004] センシング用 SAW素子 104は、圧電基板と、圧電基板上に形成された IDTと、 ID Tを覆うように形成された反応膜とを有する。反応膜は、試料としての液体中の検出 対象物質と反応し、検出対象物質を結合し得る材料で形成されている。他方、リファ レンス用 SAW素子 105は、圧電基板上に IDTを形成した構造を有する。リファレンス 用 SAW素子 105では、反応膜は設けられて 、な!/、。

[0005] 使用に際しては、上記貫通孔 103b, 103cが設けられている部分が少なくとも液中 に浸漬され、その結果、センシング用 SAW素子 104では、反応膜が検出対象物質と 反応して検出対象物質を結合する。従って、センシング用 SAW素子 104では、 IDT が設けられて 、る部分に加わる質量は、上記検出対象物質の結合により大きくなる。 これに対して、リファレンス用 SAW素子 105では、検出対象物質と反応する反応膜 が設けられて 、な 、ので、検出対象物質の結合による付加質量の増加は生じな 、。

[0006] そして、特許文献 1に記載の液中物質検出センサ 101では、センシング用 SAW素 子 104における質量付カ卩における表面波の音速の変化力 電気信号の変化として 検出される。この場合、センシング用 SAW素子からの出力と、リファレンス用 SAW素 子 105からの出力の差を求めることにより、検出対象物質が高精度に検出され得ると されている。

[0007] また、同様の液中物質検出センサが下記の特許文献 2にも開示されている。

特許文献 1： WO2006/027893A1

特許文献 2： WO2006Z027945A1

発明の開示

[0008] 上記のように、液中物質検出センサ 101では、センシング用 SAW素子 104の出力 信号と、リファレンス用 SAW素子 105からの出力信号との差により、液体中の蛋白質 の有無や濃度などが検出されていた。具体的には、センシング用 SAW素子を含む 発振回路と、リファレンス用 SAW素子を含む発振回路の各発振周波数の差を求める ことにより、検出対象物質の有無や濃度が検出されていた。

[0009] 上記液中物質検出センサ 101では、検出対象物質が存在しない場合、センシング 用 SAW素子 104の特性と、リファレンス用 SAW素子 105の特性が等しいか、同等で あることが強く望まれる。

[0010] ところが、 SAW素子 104, 105では、検出対象物質を含む液体と接触させた場合 に、センシング用 SAW素子を含む発振回路の発振周波数と、リファレンス用 SAW素 子を含む発振回路の周波数との差が接近することがあった。このような場合、双方の 発振が電磁界的に結合し、発振周波数が完全に一致することがあった。そのため、リ ファレンス用 SAW素子を含む発振回路とセンシング用 SAW素子を含む発振回路と の周波数差がゼロとなり、液中の検出対象物質を検出することができな力つた。

[0011] 本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、液体中の検出対象物質をよ り高い感度で検出することを可能とする液中物質検出センサを提供することにある。

[0012] 本発明によれば、圧電基板と、圧電基板上に設けられた IDTと、該 IDTを覆うように 形成されており、かつ液体中の検出対象物質と反応する反応膜が形成されているセ ンシング部分を有するセンシング用 SAW素子を含むセンシング用回路と、圧電基板 と、該圧電基板上に設けられた IDTとを有し、該 IDTを覆うように反応膜が形成され て 、な 、リファレンス用 SAW素子を含むリファレンス用回路と、前記センシング用回 路を駆動する第 1の信号源と、前記リファレンス用回路を駆動しており、前記第 1の信 号源とは別個に構成されて!ヽる第 2の信号源と、前記センシング用回路及び前記リフ アレンス用回路に接続されており、センシング用回路の出力と、リファレンス用回路の 出力との差動出力を出力する差動回路とを備え、第 1の信号源が、第 1の周波数信 号を出力し、第 2の信号源が、第 1の周波数信号とは異なる周波数の第 2の周波数信 号を出力するように構成されており、それによつて、前記センシング用 SAW素子の駆 動周波数と、リファレンス用 SAW素子の駆動周波数とが異ならされていることを特徴 とする液中物質検出センサが提供される。

[0013] 本発明に係る液中物質検出センサにおいては、好ましくは、前記センシング用回路 の出力信号を Ps、前記リファレンス用回路の出力を Pr、前記差動回路による出力を d Pとし、 dP = Pr— Psとしたとき〖こ、 dP≥0となるよう〖こ、第 1,第 2の周波数信号が選ば れている。この場合には、第 1,第 2の周波数信号が dP>0となるように設定されてい るので、液体中の検出対象物質が反応膜に結合し、センシング用 SAW素子への質 量付カ卩により、センシング用 SAW素子のセンシング用回路からの SAW素子の振幅 に基づく出力が低くなる。従って、差動回路力もの出力 dPの大きさにより、検出対象 物質の有無や濃度を高精度にかつ確実に検出することができる。

[0014] 上記圧電基板としては、好ましくは、 30° 〜40° 回転 Y板 X伝搬の LiTaO基板が

3 用いられ、それによつて、液中の検出対象物質を高感度にかつ確実に検出すること ができる。

[0015] センシング用 SAW素子及びリファレンス用 SAW素子は、様々な弾性表面波を用 いた SAW素子により構成することができる。好ましくは、 SH波を主成分とする弾性表 面波を用いた SAW素子が用いられる。その場合には、端面反射型の表面波素子と して、センシング用 SAW素子やリファレンス用 SAW素子を構成することができる。従 つて、センシング用 SAW素子及びリファレンス用 SAW素子の小型化を図ることがで きる。 (発明の効果）

[0016] 本発明では、センシング用 SAW素子及びリファレンス用 SAW素子力 それぞれ、 同じまたは異なる周波数の第 1,第 2の周波数信号により駆動され、センシング用 SA W素子を有するセンシング用回路のセンシング用 SAW素子の振幅レベルに基づく 出力と、リファレンス用 SAW素子を含むリファレンス用回路のリファレンス用 SAW素 子の振幅に基づく出力との差動出力が差動増幅回路で出力される。従って、上記差 動出力により、検出対象物質が結合した際のセンシング用 SAW素子側における質 量付加による周波数の低下に基づく振幅レベルの減少に基づき、検出対象物質の 有無や濃度が検出される。すなわち、発振回路を構成せずに、センシング用 SAW素 子及びリファレンス用 SAW素子の振幅差に基づいて検出対象物質が検出される。 従って、 2つの発振の結合による駆動差や測定精度の低下は生じない。よって、検出 対象物質を、高精度にかつ高い感度で検出することが可能となる。

図面の簡単な説明

[0017] [図 1]図 1は、本発明の第 1の実施形態に係る液中物質検出センサを説明するための ブロック図である。

[図 2]図 2は、センシング用 SAW素子の構造を模式的に示す断面図である。

[図 3]図 3は、リファレンス用 SAW素子の構造を模式的に示す断面図である。

[図 4]図 4は、 SAW素子の出力の周波数特性を示す図である。

[図 5]図 5 (a)及び (b)は、従来の液中物質検出センサの一例を示す平面図及びその 要部を示す正面断面図である。

符号の説明

[0018] 1…液中物質検出センサ

2…センシング用回路

3· ··リファレンス用回路

4…センシング用 SAW素子

4a…圧電基板

4b- --IDT

4c…反応膜 5…第 1の出力レベル検出回路

6· ··リファレンス用 SAW素子

7…第 2の出力レベル検出回路

8…第 1の信号源

9…第 2の信号源

発明を実施するための最良の形態

[0019] 以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発 明を明らかにする。

[0020] 図 1は、本発明の一実施形態に係る液中物質検出センサの回路構成を示すブロッ ク図である。

[0021] 本発明の液中物質検出センサを説明する。

[0022] 図 1に示すように、本実施形態の液中物質検出センサ 1は、センシング用回路 2及 びリファレンス用回路 3を有する。センシング用回路 2は、センシング用 SAW素子 4に 第 1の出力レベル検出回路 5が接続された構成を有する。リファレンス用回路 3は、リ ファレンス用 SAW素子 6に第 2の出力レベル検出回路 7が接続された構造を有する

[0023] 上記センシング用 SAW素子 4及びリファレンス用 SAW素子 6は、例えば、圧電基 板上に IDTが形成されて ヽる SAW素子を用いて構成されて 、る。図 2に略図的に示 すように、センシング用 SAW素子 4では、圧電基板 4aの上面に IDT4bが形成されて おり、該 IDT4bを覆うように反応膜 4cが形成されている。他方、リファレンス用 SAW 素子 6では、図 3に略図的に示すように、圧電基板 6a上に IDT6bが形成されている。 リファレンス用 SAW素子では、反応膜 4cは設けられて 、な 、。

[0024] 上記センシング用 SAW素子 4では、検出対象物質を含む液体に接触されると、反 応膜 4cが、検出対象物質と反応し、例えばタンパク質などの検出対象物質が反応膜 4c〖こ結合される。その結果、 IDT4bに加わる質量が増加する。この付加質量の変化 により、検出対象物質の有無や濃度が測定される。

[0025] 上記反応膜 4cは、液中の検出対象物質と反応し得る適宜の材料からなる。例えば 、液中の抗原または抗体を測定する場合、抗体または抗原を固定ィ匕した膜を反応膜 として用いることができる。この場合には、反応膜に固定ィ匕された抗体または抗原に 液中の抗原または抗体が結合され、免疫複合体が形成され、それによつて、 IDTが 設けられている部分に加える質量が変動することとなる。このように、反応膜 4cとして は、液中の検出対象物質と反応し、 IDTが設けられている部分への付加質量を変化 させる適宜の材料力もなる反応膜を、検出対象物質の種類に応じて選択すればよい なお、検出対象物質としては、抗原や抗体に限らず、蛋白質などの様々な生化学 物質を挙げることができるが、生化学物質に限らず、様々な元素、無機化合物を検 出する対象物質としてもよい。すなわち、本発明に係る液中物質検出センサは、抗原 、抗体、または蛋白質などの生体成分を検出するバイオセンサとして好適に用いられ る力 バイオセンサに限らず、ガスセンサ等の様々な物質を検出する用途に用いられ 得る。

[0026] また、温度変化によるノイズなどを除去するために、リファレンス用 SAW素子 6を有 するリファレンス用回路 3も用いられている。すなわち、センシング用回路 2で得られ た結果から、リファレンス用回路 3で得られた結果を差し引くことにより、ノ ックグラウン ドノイズや温度変化によるノイズを除去して、正確に検出対象物質の有無や濃度を測 定することができる。

[0027] また、第 1の出力レベル検出回路 5及び第 2の出力レベル検出回路 7は、センシン グ用 SAW素子 4及びリファレンス用 SAW素子 6の出力としての振幅レベルを検出す る。また、センシング用 SAW素子 4には、第 1の信号源 8が接続されており、すなわち 第 1の信号源 8から第 1の周波数信号がセンシング用 SAW素子 4に与えられるように 、第 1の信号源 8がセンシング用 SAW素子 4に接続されている。この第 1の周波数信 号により、センシング用 SAW素子 4が駆動される。

[0028] 他方、第 2の信号源 9が、リファレンス用 SAW素子 6に接続されている。第 2の信号 源 9は、第 1の周波数信号とは異なる周波数の第 2の周波数信号を出力する。リファ レンス用 SAW素子 6は、第 2の周波数信号により駆動される。

[0029] 第 1の出力レベル検出回路 5の出力端が、差動増幅器 10の一方入力端に接続さ れており、第 2の出力レベル検出回路 7の出力端が、差動増幅器 10の他方入力端に 接続されている。差動増幅器 10において、第 1,第 2の出力レベル検出回路 5, 7の 出力差 dp = Pr— Psが検出される。なお、 Psは、第 1の出力レベル検出回路 5の出力 レベルであり、 Prは、第 2の出力レベル検出回路 7の出力レベルである。すなわち、 本実施形態では、センシング用回路 2を駆動する第 1の信号源 8と、リファレンス用回 路 3を駆動する第 2の信号源 9とが別個に構成されている。そして、センシング用 SA W素子 4及びリファレンス用 SAW素子 6の駆動周波数が異なるように、第 1の信号源 8から出力される第 1の周波数信号と、第 2の信号源 9から出力される第 2の周波数信 号とが異ならされている。

[0030] 本実施形態では、所定の周波数信号を出力する第 1,第 2の信号源 8, 9により、セ ンシング用 SAW素子 4及びリファレンス用 SAW素子 6が直接駆動される。すなわち 、発振回路を構成していないので、発振の結合による誤動作や感度の低下は生じな い。従って、より高感度でかつ高精度に液中物質を検出することが可能となる。

[0031] 本実施形態における検出対象物質の測定原理を説明する。 SAW素子では、ある 特定の信号の周波数を入力した場合、その出力は、図 4に示すように、周波数分布 を有する。センシング用 SAW素子において、反応膜に検出対象物質が反応により結 合した場合、センシング用 SAW素子では、 IDT構成部分への付加質量が増大する 。この付加質量の変化により、センシング用 SAW素子では、音速が変化し周波数が 変化する。その結果、図 4に示すように、周波数の変化により振幅レベルが変化する 。この振幅レベルの変化、すなわちセンシング用 SAW素子の出力としての振幅レべ ルの変化により、検出対象物質の有無や濃度が検出される。さらに、本実施形態に おいても、リファレンス用 SAW素子の出力としての振幅レベルを Prとし、センシング 用 SAW素子の振幅としての出力を Psとした場合、差動増幅回路 10により、差動出 力 dP = Pr— Psが出力される。この dPの値により、液中の検出対象物質の有無や濃 度が高精度に検出され得る。

[0032] また、本実施形態では、第 1,第 2の周波数信号が、上記のように異ならされている 。これを、図 4を参照して説明する。図 4に示すように、周波数 faにおける振幅レベル と、周波数 fbにおける振幅レベルとは異なっている。

[0033] すなわち、上記第 1の信号源 8から出力される第 1の周波数信号として、例えば上 記周波数 faを選択し、第 2の信号源 9から出力される第 2の信号として fbの周波数の 信号を出力したとする。この場合、センシング用 SAW素子 4が、周波数 faの第 1の周 波数信号で駆動され、リファレンス用 SAW素子 6は、周波数 fbの第 2の周波数信号 で駆動されることになる。

[0034] 従って、第 1,第 2の出力レベル検出回路 5, 7で検出される出力レベルは、初期状 態において異なることになる。本実施形態では、上記差動出力 dP≥0となるように、 第 1,第 2の周波数信号が選択されている。従って、反応膜に、液中の検出対象物質 が結合し、付加質量が増加した場合、センシング用 SAW素子 4の振幅が低下するよ うに、第 1,第 2の周波数信号が選択されている。

[0035] 言い換えれば、第 1の周波数信号が、図 4の振幅が極大となる周波数よりも低域側 に、第 1の周波数信号が位置されていることになるため、反応膜に液中の検出対象 物質が結合して付加質量が増加した場合、確実に dPを大きくすることができ、検出 対象物質をより高感度で検出することができる。

[0036] もっとも、第 1,第 2の周波数信号は、 dP≥0となるように、選択される必要は必ずし もない。すなわち、第 1,第 2の周波数信号の周波数差を異ならせ、それによつて、 d P≥0となるように、第 1,第 2の周波数信号を選択することにより、高精度に液中物質 を検出することができる。

[0037] なお、上記出力レベル検出回路 5, 7が用いられていたが、出力レベル検出回路 5 , 7は設けられずともよぐセンシング用 SAW素子 4及びリファレンス用 SAW素子 6の 出力がただちに差動増幅器 10に与えられてもよい。

[0038] なお、上記実施形態に用いられる SAW素子用の圧電基板としては、特に限定され ず、 LiTaO、 LiNbOなどの適宜の圧電単結晶あるいは圧電セラミックスを用いるこ

3 3

とができる。もっとも、好ましくは、 30° 〜40° 回転 Y板 X伝搬の LiTaO基板が用い

3 られ、その場合には、より高い感度で、液中の検出対象物質を確実に検出することが できる。

[0039] 上記実施形態で用いられる SAW素子 4, 6については特に限定されず、レイリー波 や SH波などの様々な弾性表面波を利用した SAW素子を用いることができる力 SH 波を主成分とする弾性表面波を用いた場合、端面反射型の表面波装置を構成する ことができる。従って、液中物質検出センサの小型化を図ることができる。

また、上記 SAW素子は、 SAW共振子であってもよぐ SAWフィルタであってもよい

Claims

請求の範囲

[1] 圧電基板と、圧電基板上に設けられた IDTと、該 IDTを覆うように形成されており、 かつ液体中の検出対象物質と反応する反応膜が形成されているセンシング部分を 有するセンシング用 SAW素子を含むセンシング用回路と、

圧電基板と、該圧電基板上に設けられた IDTとを有し、該 IDTを覆うように反応膜 が形成されて ヽな 、リファレンス用 SAW素子を含むリファレンス用回路と、

前記センシング用回路を駆動する第 1の信号源と、

前記リファレンス用回路を駆動しており、前記第 1の信号源とは別個に構成されて いる第 2の信号源と、

前記センシング用回路及び前記リファレンス用回路に接続されており、センシング 用回路の出力と、リファレンス用回路の出力との差動出力を出力する差動回路とを備 え、

第 1の信号源が、第 1の周波数信号を出力し、第 2の信号源が、第 1の周波数信号 とは異なる周波数の第 2の周波数信号を出力するように構成されており、それによつ て、前記センシング用 SAW素子の駆動周波数と、リファレンス用 SAW素子の駆動周 波数とが異ならされていることを特徴とする、液中物質検出センサ。

[2] 前記センシング用回路の出力信号を Ps、前記リファレンス用回路の出力信号を Pr 、前記差動回路による出力信号を dPとし、 dP = Pr— Psとしたときに、 dP≥0となるよ うに、第 1,第 2の周波数信号が選ばれている、請求項 1に記載の液中物質検出セン サ。

[3] 前記圧電基板が、 30° 〜40° 回転 Y板 X伝搬の LiTaO基板である、請求項 1ま

3

たは 2に記載の液中物質検出センサ。

[4] 前記センシング用 SAW素子及び前記リファレンス用 SAW素子力 SH波を主成分 とする弾性表面波を用いた SAW素子である、請求項 1〜3のいずれか 1項に記載の 液中物質検出センサ。