(57)【要約】【課題】  表面弾性波素子の外部から振動を加えることなく、バッファー液等の溶液と被検出物との混合物、或いは、液状の被検出物が数十μｌ以下という微少量であっても十分に攪拌することができ、正確な測定を可能な表面弾性波素子、バイオセンサー装置及び表面弾性波素子を用いた測定方法を提供する。【解決手段】  横波の表面弾性波を基板上に励起して、検出部に載置された被検出物の物性を前記横波の特性の変化により測定するための表面弾性波素子であって、前記検出部に縦波の表面弾性波を励起するために、前記基板上に縦波用励振部を設けたことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
横波の表面弾性波を基板上に励起して、前記基板上の検出部に載置された被検出物の物性を前記横波の特性の変化により測定するための表面弾性波素子であって、前記検出部に縦波の表面弾性波を励起するために、前記基板上に縦波用励振部を設けたことを特徴とする表面弾性波素子。
【請求項２】
前記縦波用励振部と、前記横波を励起するための横波用励振部とは同一であることを特徴とする請求項１に記載の表面弾性波素子。
【請求項３】
前記横波の方向に対して直交する方向に、前記縦波用励振部を配置したことを特徴とする請求項１に記載の表面弾性波素子。
【請求項４】
前記表面弾性波素子の横波は、ラブ波又はＳＨ波であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の表面弾性波素子。
【請求項５】
前記縦波は、レイリー波又は変形レイリー波であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の表面弾性波素子。
【請求項６】
前記基板をＳＴ−カット水晶、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂＯ3、Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7、Ｌａ3Ｇａ5ＳｉＯ14又はＫＮｂＯ3で構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の表面弾性波素子。
【請求項７】
前記基板上に、前記検出部として、前記基板表面よりも遅い表面弾性波を生じさせる固体膜層を形成し、更に、その上に、固定化用金属膜を積層したことを特徴とする請求項６に記載の表面弾性波素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の表面弾性波素子を備えることを特徴とするバイオセンサー装置。
【請求項９】
表面弾性波素子の基板上に、横波の表面弾性波を励起し、前記基板上の検出部に載置された溶液に対して、被検出物を添加して、前記被検出物の物性を前記横波の特性の変化により測定するための測定方法であって、前記検出部に縦波の表面弾性波を励起することにより前記溶液と被検出物とを攪拌しながら、前記横波の特性の変化に基づいて前記被検出物の特性を測定することを特徴とする測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面弾性波素子により液体中に含まれる微量物質を測定する表面弾性波素子、バイオセンサー装置及び表面弾性波素子による測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＮＡ・タンパク質など生体物質の相互作用の測定や抗原抗体反応を応用した測定に表面弾性波素子が使用されている。
前記表面弾性波素子による測定は、検出部にバッファー液（生化学用緩衝液であり、主な含有物はＮａＣｌやＫＣｌ等である）を滴下しておき、そこに、測定対象となる試料を添加し、この試料溶液に対して櫛形電極により構成された励振部（ＩＤＴ）によりラブ波やＳＨ波等の横波を励起し、この横波の周波数変化等を受信用ＩＤＴによって取得することにより行われる。
その際、例えば、試料がバッファー液の底に淀んだり、液面に浮き出したりして、当初滴下しておいたバッファー液の量と、添加された試料に含まれる測定対象物の終濃度が一定とならないと、正確な測定をすることができない。
これを解決するための１つの方法として、測定に際して、バッファー液が注入される容器内に攪拌棒を入れて、その中の溶液を機械的に上下方向に振動させたり、或いは、回転させたり等する方法がある（例えば、特許文献１）。
しかしながら、この方法により攪拌するためには、容器内の溶液の量が３００μｌ程度は必要で、数十μｌ以下の微量の溶液では攪拌することは困難であり、微量の被検出物を正確に測定することはできなかった。
また、他の方法として、圧電素子やモータを使用して、表面弾性波素子全体を振動させて、バッファー液と試料とを攪拌する方法がある。
しかしながら、表面弾性波素子上の溶液だけではなく、素子全体を振動させるために効率的でなく、しかも、外部からの振動は、検出部と測定系とを接続する電気的な接点に劣化等の悪影響を与え、更に、電気的ノイズを生じさせるために正確な測定をすることが困難であった。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３１０８７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明は、上記問題を解決するために、表面弾性波素子の外部から振動を加えることなく、バッファー液等の溶液と被検出物との混合物、或いは、液状の被検出物が数十μｌ以下という微少量であっても十分に攪拌することができ、正確な測定を可能な表面弾性波素子、バイオセンサー装置及び表面弾性波素子を用いた測定方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明者等は鋭意検討の結果、下記の通り解決手段を見出した。
即ち、本発明の表面弾性波素子は、請求項１に記載の通り、横波の表面弾性波を基板上に励起して、検出部に載置された被検出物の物性を前記横波の特性の変化により測定するための表面弾性波素子であって、前記検出部に縦波の表面弾性波を励起するために、前記基板上に縦波用励振部を設けたことを特徴とする。
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の表面弾性波素子において、前記検出部において、前記縦波用励振部と、前記横波を励起するための横波用励振部とは同一であることを特徴とする。
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１に記載の表面弾性波素子において、前記横波の方向に対して直交する方向に、前記縦波用励振部を配置したことを特徴とする。
また、請求項４に記載の本発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の表面弾性波素子において、前記横波は、ラブ波又はＳＨ波であることを特徴とする。
また、請求項５に記載の本発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の表面弾性波素子において、前記縦波は、レイリー波又は変形レイリー波であることを特徴とする。
また、請求項６に記載の本発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の表面弾性波素子において、前記基板をＳＴカット水晶、ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂＯ3、Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7、Ｌａ3Ｇａ5ＳｉＯ14又はＫＮｂＯ3で構成したことを特徴とする。
また、請求項７に記載の本発明は、請求項６に記載の表面弾性波素子において、前記基板上に、前記検出部として、前記基板表面よりも遅い表面弾性波を生じさせる固体膜層を形成し、更に、その上に、固定化用金属膜を積層したことを特徴とする。
本発明のバイオセンサー装置は、請求項８に記載の通り、請求項１乃至７のいずれかに記載の表面弾性波素子を備えることを特徴とする。
また、本発明の測定方法は、請求項９に記載の通り、表面弾性波素子の基板上に、横波の表面弾性波を励起し、前記基板上の検出部に載置された溶液に対して、被検出物を添加して、前記被検出物の物性を前記横波の特性の変化により測定するための測定方法であって、前記検出部に縦波に表面弾性波を励起することにより前記溶液と被検出物とを攪拌しながら、前記横波の特性の変化に基づいて前記被検出物の特性を測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、測定用の横波に加えて、更に、攪拌用の縦波を表面弾性波素子に励起させることにより、検出部に載置されたバッファー液等の溶液と被検出物との混合物、或いは、液状の被検出物を攪拌できるので、微少量の被検出物の測定を正確に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明に使用される表面弾性波素子は、基板上に横波の表面弾性波を励起して、基板上の検出部に載置された被検出物により変化した周波数等に基づいて、前記被検出物の質量負荷や粘性負荷等の物性を検知することができる構造のものであればよい。このため、表面弾性波素子を構成する基板についても、圧電基板、或いは、絶縁基板に圧電薄膜を設けたもの等特に制限するものではない。
【０００８】
本発明では、上記説明した表面弾性波素子の基板上に、縦波用励振部を設けることにより、検出部に載置された被検出物とバッファー液等の溶液や液状の被検出物を縦波により攪拌させることができるものである。
この縦波用励振部は、横波の伝播方向と交差するように配置してもよいし、横波を励起する横波用励振部と共用するようにしてもよい。交差して配置する場合には、縦波により攪拌をしながら、横波によって測定することができるので、短い測定時間で正確な測定が可能となる。また、横波用励振部と共用する場合には、表面弾性波素子上の励振部の構成が簡素化される。尚、この場合には、縦波と横波とを時分割的に交互に発生させる必要がある。
前記縦波用励振部を設ける位置は、基板上であれば特に制限されるものではないが、検出部において前記した横波の方向に対して直交する方向に前記縦波用励振部を配置することが好ましい。基板上に複数の検出部を配置した場合に、隣接する検出部に対して１つの縦波用励振部により縦波を伝播することができるからである。また、圧電基板として、ＳＴ−カットの水晶を使用した場合には、Ｙ軸方向に横波用励振部を配置すると、Ｘ軸方向に縦波用励振部が位置することになり、縦波の振幅が最大とものとなるので、縦波による攪拌効果を最大に得ることができるからである。
【０００９】
尚、本発明において、横波の表面弾性波とは、波の伝播方向に垂直で基板表面に平行な横波成分の表面波をいい、例えば、ラブ波、ＳＳＢＷ、ＢＧＳＷ、ＳＴＷ、ＬＳＡＷ等が該当する。
また、縦波の表面弾性波とは、変位が進行方向と深さ方向成分をもつ波をいい、レイリー波、又は層構造での変形レイリー波等が該当する。
【００１０】
上記説明した縦波用励振部は、既存の表面弾性波素子の構造を利用して製造することができ、既存の表面弾性波素子の一例として、ラブ波デバイス、ＳＨ−ＳＡＷデバイス、ＳＴＷデバイス等が挙げられる。
前記ラブ波デバイスは、ＳＴカット水晶等からなる基板表面にＩＤＴを設け、前記基板表面に前記基板の横波の伝播速度より遅い表面弾性波を生じさせる固体膜層（ＳｉＯ2、或いは、ＰＭＭＡ、ポリミド、ポリ尿素等のポリマー）を層状に設け、波の伝播方向に垂直で、基板表面に平行な横波の成分の表面波（ラブ波）を励起することができるものをいう。
また、ＳＨ−ＳＡＷデバイスは、ＩＤＴをＬｉＴａＯ3（３６°回転Ｙ板Ｘ伝播、Ｘカット１５０°伝播）等上に設け、波の伝播方向に垂直で、基板表面に平行な横波成分の表面波（圧電表面すべり波等）を励起することができるものをいう。
【００１１】
また、本発明のバイオセンサー装置は、上記した表面弾性波素子を備えたものである。バイオセンサー装置を構成する装置としては、従来と同様に、表面弾性波素子に検出用の横波を励起することができる発振器と、励起された横波の周波数等を測定することができる分析装置と、縦波を励起することができる発振器とを少なくとも備えていればよい。尚、縦波用の発振器と横波用の発振器は、共用することも可能である。また、分析装置として、前記横波を励起するための発振器を一体としたネットワークアナライザやインピーダンスアナライザーを使用することもできる。
【実施例】
【００１２】
次に、本発明の一実施例について図面に基づいて説明する。
図１は、本発明のバイオセンサー装置の構成例である。
符号４０で示される表面弾性波素子は、分析装置２０に接続される。分析装置２０は所望の交流信号を表面弾性波素子４０に出力し、その周波数下での表面弾性波素子４０の周波数やコンダクタンス等を測定できるように構成されている。制御装置３０は、分析装置２０の動作を制御し、分析装置２０が表面弾性波素子４０に出力する信号の周波数を変化させるとともに、分析装置２０から送られる周波数と測定結果の周波数とを対応させ、演算結果とともに記憶するように構成されている。また、制御装置３０は、図中４で示される発振器を介して後述する表面弾性波素子４０の縦波用励振部１０（図２）とも接続されており、この縦波用励振部１０を制御するように構成されている。尚、分析装置２０は、ネットワークアナライザやインピーダンスアナライザ等として市販されているものである。また、発振器４は、レイリー波を励起するための信号を発振するもので、８０ＭＨｚの周波数で２０ｄＢｍの信号を発振するものを本実施例では使用している。
【００１３】
前記表面弾性波素子４０は、図２に示すように、厚み０．５ｍｍ、３３度３０分回転水晶ＳＴ−カットウエーハ５を、図３に示すように板状に形成して圧電基板４とし、この上に、横波励起用の励振部６と、前記横波の変化を電気信号に変換するための受信部７と、前記励振部６と受信部７との間の弾性波伝播路の表面に形成された検出部８とを設けて構成される。
【００１４】
前記励振部６は、測定のための横波を励起するためのもので、ＳＴ−カットウエーハ５のＹ軸方向に形成される。この励振部６は、夫々７５対の櫛形電極６ａ，６ｂから構成され、この櫛形電極６ａ，６ｂは、図３（ｂ）に断面図を示すように、圧電基板４上に、厚み５０ｎｍのクロム膜と、厚み１５０ｎｍのＡｕ膜とを順にスパッタリング法により積層した後、フォトリソグラフィにより不要な金属膜部分をドライエッチングにより除去して形成される。櫛形電極６ａ，６ｂの幅ｗ及び間隔ｓは、夫々１０μｍに形成されており、励振される表面弾性波の波長λ（λ＝２（ｗ＋ｓ））は４０μｍとなる。また、受信部７も、励振部６と同様にして形成される。
【００１５】
本実施例では、前記した横波を励起させるための励振部６以外に、検出部８の試料溶液を攪拌するための縦波励起用の励振部１０，１０が、ＳＴ−カットウエーハ５のＸ軸方向に、検出部８を挟むようにして設けられている。縦波励起用の励振部１０は、励振部６及び受信部７と同材料の夫々５０対の櫛形電極１０ａ，１０ｂから構成され、各電極１０ａ，１０ｂの幅ｗ及び間隔ｓは夫々１０μｍに形成されており、励振される表面弾性波の波長λは４０μｍである。
【００１６】
前記横波用励振部６、受信部７及び縦波励起用の励振部１０，１０が形成された圧電基板４の全面に亘って、厚み３μｍ程度のＳｉＯ2膜からなるガイドレイヤー層１２が形成されており、このガイドレイヤー層１２上の励振部６と受信部７との間には、厚み２０ｎｍのクロム膜と、厚み１００ｎｍのＡｕ膜とが順に積層され、受信部８を構成する固定化用膜９が形成される。尚、本実施例では、検出部８の周縁部、即ち、検出部８以外のガイドレイヤー層１２上に、シリコーン系接着剤が硬化する際に発するシロキサンの蒸気によりシロキサンが付着されている。これにより、撥水効果が得られ、バッファー液や液状の被検出物等が検出部８以外に拡がることを防ぐことができるようにされている。
【００１７】
上記構成により、表面弾性波素子１は、圧電基板４のＹ軸方向に１２５ＭＨｚのラブ波を励起され、また、Ｘ軸方向に８０ＭＨｚのレイリー波を励起されることになる。
【００１８】
次に、上記構成のバイオセンサー装置により測定する方法の一例を説明する。
まず、表面弾性波素子４０の検出部８に１５０μｌの純水を載置して、分析装置２０の出力側から１２５ＭＨｚの交流信号を１ＭＨｚの範囲で発振して、横波用励振部６に入力し、圧電基板４の表面に横波を励起させる。
この状態で、前記検出部７に被検出物を添加すると、横波用励振部６で励振されたラブ波の速度が変動し、横波用受信部７で検波され電気信号に変換されて、分析装置２０の入力側に入力され、１秒ごとに測定して周波数等の変化が分析装置２０に記録される。
【００１９】
上記測定の際に、制御装置３からの指示で発振器４により縦波励振部１０，１０を励振させると、図４（ａ）に示すように、レイリー波により、純水と被検出物との混合液状物１１内が攪拌されることになる。この時、ラブ波は、図４（ｂ）に示すように被検出物の質量負荷や粘性負荷の影響を受けることになる。
【００２０】
尚、上記実施例では、検出部８の両側に対向して縦波用励振部１０，１０を配置したが、検出部８のバッファー液や液状の被検出物を攪拌できるものであれば、その配置及び縦波用励振部１０の数は限定されるものではない。従って、例えば、図５に示すように、検出部８の一方の側は励振部１０を配置するようにしてもよい。
【００２１】
また、上記実施例では、表面弾性波素子４０上に検出部８を１つ設けた例を説明したが、図６に示すように検出部８を複数設けるようにしてもよい。この場合、励振部１０は、図６（ａ）に示すように隣接する検出部８，８間に１つだけ設けるようにしてもよいし、図６（ｂ）に示すように、各検出部８の両側に設けるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のバイオセンサー装置の構成例の説明図
【図２】本発明の表面弾性波素子のＳＴ−カット水晶の説明図
【図３】本発明の表面弾性波素子の説明図
【図４】本発明の表面弾性波素子による測定の際の縦波と横波の説明図
【図５】本発明の表面弾性波素子の変形例の説明図
【図６】本発明の表面弾性波素子の変形例の説明図
【符号の説明】
【００２３】
４    発振器
５    ＳＴ−カットウエーハ
６    励振部
７    受信部
８    検出部
９    固定化用膜
１０    縦波用励振部
１１    混合液状物
１２    ガイドレイヤー層
２０    分析装置
３０    制御装置
４０    表面弾性波素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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