(57)【要約】  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。
2007145108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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いないリファレンス用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、それによって、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。
【請求項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。
【請求項３】
前記圧電基板が、３０°〜４０°回転Ｙ板Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ３基板である、請求項１または２に記載の液中物質検出センサ。
【請求項４】
前記センシング用ＳＡＷ素子及び前記リファレンス用ＳＡＷ素子が、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。
【発明の詳細な説明】
【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１０２ａ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を有する樹脂層１０３が積層されている。【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、ＩＤＴ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いない。【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が設けられてい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いないので、検出対象物質の結合による付加質量の増加は生じない。【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における質量付加における表面波の音速の変化が、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】ＷＯ２００６／０２７９４５Ａ１
【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かった。
【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いないリファレンス用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、それによって、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。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素子への質量付加により、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、差動回路からの出力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ＬｉＴａＯ３基板が用いられ、それによって、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。従って、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素子が、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ＳＡＷ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が形成されているＳＡＷ素子を用いて構成されている。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は設けられていない。【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に結合される。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化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、反応膜に固定化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、それによって、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からなる反応膜を、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が、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、バ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ＳＡＷ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ベルの変化により、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、それによって、ｄＰ≧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く、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、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３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とができる。もっとも、好ましくは、３０°〜４０°回転Ｙ板Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ３基板が用いられ、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が、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。【００４０】
また、上記ＳＡＷ素子は、ＳＡＷ共振子であってもよく、ＳＡＷフィルタであってもよい。
【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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【国際調査報告】
2007145108.tif 000008
2007145108.tif 000009
2007145108.tif 000010
2007145108.tif 000011