弾性表面波センサー
弾性表面波素子上に反応膜が形成された質量負荷による周波数変化量の測定により検出対象物質を検出もしくは定量する弾性表面波センサーであって、弾性表面波素子自体の構造の改良により感度が高められた弾性表面波センサーを提供する。ＳＨタイプの弾性表面波を利用しており、オイラー角が（０°，０°〜１８°，０°±５°）または（０°，５８°〜１８０°，０°±５°）である回転ＹカットＬｉＴａＯ３基板と、該ＬｉＴａＯ３基板２上に形成されており、Ａｕを主成分とする表面波励振用電極３と、表面波励振用電極３を覆うようにＬｉＴａＯ３基板上に形成されており、検出対象物質または検出対象物質を結合する結合物質を結合する反応膜４とを備え、上記インターデジタル電極３の波長で規格化された膜厚が０．８〜９．５％の範囲とされている、弾性表面波センサー１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、例えば、バイオセンサーやガスセンサーなどに用いられる弾性表面波センサーに関し、より詳細には、ＳＨタイプの表面波を利用しており、付加される質量負荷による周波数変化に基づいて検出対象物質が検出される弾性表面波センサーに関する。
【背景技術】
従来、様々な物質を検出するために、弾性表面波素子を用いた種々の弾性表面波センサーが提案されている。例えば、ＤＮＡや抗体などの生体物質を検出する弾性表面波センサーでは、弾性表面波素子上に特定のＤＮＡや抗体などの生体物質とのみ反応する反応膜が設けられている。上記ＤＮＡや抗体が反応膜と反応し、反応膜に結合され、それによって弾性表面波素子上に質量が負荷される。この質量負荷に起因する周波数変化により、ＤＮＡや抗体の有無や濃度が検出される。
他方、下記の特開平１０−９０２７０号公報には、この種の弾性表面波センサーの一例が開示されている。この先行技術に記載の弾性表面波センサーは、水中に含まれるカビ臭物質である２−ＭＩＢ（２−メチルイソボルネオール）の検出を可能とするものである。図１２に示すように、弾性表面波センサー１０１では、圧電基板１０２上にインターデジタル電極１０３，１０４及び金属薄膜１０５が形成されている。一方のインターデジタル電極１０３と他方のインターデジタル電極１０４との間に増幅器１０６，１０７が接続されており、出力側のインターデジタル電極１０４及び増幅器１０６，１０７の後段に混合器１０８が接続されている。混合器１０８から弾性表面波センサー１０１の出力が取り出されるように構成されている。
この先行技術に記載の弾性表面波センサー１０１では、上記圧電基板１０２の上面において、カンファー・Ｏｖａ複合体が固定化される。このカンファー・Ｏｖａ複合体が反応膜として機能し、カンファー・Ｏｖａ複合体との反応により２−ＭＩＢが検出される。
すなわち、カビ臭原因物質である２−ＭＩＢに類似の構造を有するカンファー及び蛋白質の複合体抗原が、弾性表面波センサー１０１において固定化されている。そして、弾性表面波センサー１０１が、２−ＭＩＢを特異的に結合する抗２−ＭＩＢ抗体を一定濃度で含む被測定溶液中に浸漬され、溶液中に存在している未知濃度の２−ＭＩＢと、上記カンファー・蛋白質複合体抗原とが競合的に反応する。そして、弾性表面波センサー１０１上に固定化されているカンファー・蛋白質複合体抗原に結合した抗２−ＭＩＢ抗体量が、弾性表面波センサーに対する質量負荷による出力変化により求められる。そして、カンファー・蛋白質複合体抗原に結合された抗２−ＭＩＢ抗体量と、２−ＭＩＢが存在しない場合の結合抗体量の差により、被測定溶液中の２−ＭＩＢ濃度が定量される。
上記のように、従来、ＤＮＡ、抗原、抗体などの生体物質や、カビ臭原因となる２−ＭＩＢなどの様々な物質を検出あるいは定量するために、弾性表面波センサーが広く用いられている。この種の弾性表面波センサーでは、検出対象物質に応じた反応膜が圧電基板上に形成され、該反応膜に対する質量負荷による周波数変化により、検出対象物質の検出もしくは定量が行われている。
弾性表面波センサーでは、質量変化が周波数変化として検知される。従って、周波数変化が大きいほど、弾性表面波センサーの感度が高められる。そこで、従来、感度を高めるために、上記のように、検出対象物質に応じた反応膜の構成についての研究が種々行われていた。
しかしながら、従来、この種の弾性表面波センサーにおける弾性表面波素子自体の構造と、弾性表面波センサーの感度との関係についてはあまり着目されてなかった。
【発明の開示】
本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、弾性表面波素子上に反応膜が形成されており、弾性表面波素子への質量負荷の変化により検出対象物質を検出する弾性表面波センサーであって、弾性表面波素子自体の構造を改良することにより、感度が効果的に高められている弾性表面波センサーを提供することにある。
本発明は、弾性表面波素子への微小な質量負荷を周波数変化により検出する弾性表面波センサーであって、ＳＨタイプの弾性表面波を利用しており、オイラー角が（０°，０°〜１８°，０°±５°）または（０°，５８°〜１８０°，０°±５°）である回転ＹカットＬｉＴａＯ３基板と、前記ＬｉＴａＯ３基板上に形成されており、Ａｕを主成分とする表面波励振用電極と、前記表面波励振用電極を覆うように、前記ＬｉＴａＯ３基板上に形成されており、かつ検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質を結合する反応膜とを備え、前記電極の弾性表面波の波長で規格化された膜厚が０．８〜９．５％の範囲にあることを特徴とする。
上記オイラー角は、好ましくは、（０°，１２０°〜１４０°，０°±５°）とされる。
本発明に係る弾性表面波センサーのある特定の局面では、前記反応膜と前記電極との間に形成されており、前記反応膜と前記電極との密着性を高める密着層をさらに備える。
本発明に係る弾性表面波センサーの他の特定の局面では、前記反応膜と前記電極との間に形成されており、前記電極上から電極外の領域に至るように設けられた保護膜をさらに備えられる。
本発明に係る弾性表面波センサーのさらに他の特定の局面では、前記密着層と前記電極との間に形成されており、前記電極上から電極外の領域に至るように設けられた保護膜をさらに備えられる。
本発明に係る弾性表面波センサーの他の特定の局面では、前記電極の弾性表面波の波長で規格化された膜厚が、１．２〜８．５％の範囲にある。
本発明に係る弾性表面波センサーのさらに特定的な局面では、前記電極の弾性表面波の波長で規格化された膜厚が、１．９〜６．６％の範囲にある。
本発明に係る弾性表面波センサーのさらに別の特定の局面では、前記電極の弾性表面波の波長で規格化された膜厚は、３．０〜５．０％の範囲にある。
本発明に係るバイオセンサーは、本発明に従って構成された弾性表面波センサーを用いて構成されており、反応膜が検出対象物質としての生体物質と結合する物質を有し、該生体物質が反応膜表面に結合されることにより、弾性表面波センサーの基板面に負荷される質量が変化するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
図１は、（ａ）〜（ｄ）は、本発明の弾性表面波センサーの測定原理を説明するための図であり、（ａ）は液体中に検出対象物質が存在しない場合の状態を模式的に示す正面断面図、（ｂ）は液体中に検出対象物質が存在しない場合の周波数変化を示す図、（ｃ）は液体中に検出対象物質が存在する場合の模式的正面断面図、（ｄ）は液体中に検出対象物質が存在する場合の周波数変化を説明するための図である。
図２は、実験例１で用意された２ポート型弾性表面波共振子の電極構造を模式的に示す平面図である。
図３は、レイリー波及びＳＨ波の初期インピーダンス−周波数特性及び液体中でダンピングされた後のインピーダンス−周波数特性を示す図である。
図４は、実験例において、インターデジタル電極の規格化膜厚を変化させた場合の弾性表面波素子への質量負荷による周波数変化量の経時による変化を示す図である。
図５は、実験例３において、インターデジタル電極の規格化膜厚を変化させ、１０ｎｇ／ｍｍ２の質量負荷を与えた場合の周波数変化量の変化を示す図である。
図６は、ＬｉＴａＯ３基板のオイラー角を種々変更した場合の電極規格化膜厚と周波数変化量との関係を示す図である。
図７は、実験例４において、ＬｉＴａＯ３基板のオイラー角のθを変化させた場合のＰ波、ＳＨ波及びＳＶ波の変位Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の変化を示す図である。
図８は、２ポート型弾性表面波共振子構造による本発明の一実施形態の弾性表面波センサーの挿入損失−周波数特性の一例を示す図である。
図９は、（ａ）及び（ｂ）は、本発明の弾性表面波センサーの変形例を示し、保護膜が設けられている弾性表面波センサーの各模式的正面断面図である。
図１０は、本発明の弾性表面波センサーで用いられる電極構造の一例としての１ポート型表面波共振子の電極構造を示す模式的平面図である。
図１１は、本発明の弾性表面波センサーで用いられる電極構造の他の例としてのトランスバーサル型弾性表面波フィルタの電極構造を示す模式的平面図である。
図１２は、従来の弾性表面波センサーの一例を説明するための模式的平面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
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。
図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波センサーの測定原理を説明するための図である。
本実施形態の弾性表面波センサー１は、ＳＨタイプの表面波を利用しており、オイラー角が（０°，０°〜１８°，０°±５°）または（０°，５８°〜１８０°，０°±５°）である回転ＹカットＬｉＴａＯ３基板２を有する。このＬｉＴａＯ３基板２上に表面波励振用電極としてインターデジタル電極３が形成されている。インターデジタル電極３はＡｕにより構成されている。また、インターデジタル電極３の弾性表面波の波長で規格化された膜厚は０．８〜９．５％の範囲とされている。
上記ＬｉＴａＯ３基板上に反応膜４が形成されている。反応膜４は、検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質を結合する適宜の材料で構成され得る。
弾性表面波センサー１では、例えば、検出対象物質を含まない液体５に浸漬されると、図１（ａ）に示すように、液体５が反応膜４に接触する。この場合、液体５内に検出対象物質が存在しないが、液体５が反応膜４に接触し、ひいてはＬｉＴａＯ３基板２のインターデジタル電極３が形成されている面に質量が負荷されることになる。従って、図１（ｂ）に示すように、液体５に浸漬される前の周波数特性Ａから、液体に浸漬した後の周波数特性Ｂとなるように、周波数が低下する。しかしながら、この場合には、この周波数の変化量は比較的小さい。
これに対して、図１（ｃ）に示すように、検出対象物質６を含有している液体５に弾性表面波センサー１が浸漬された場合には、検出対象物質６が反応膜４に結合される。そのため、ＬｉＴａＯ３基板２のインターデジタル電極３が形成されている面に、反応膜４の表面に結合された検出対象物質６による質量が、単に液体５による増加作用に追加されることになる。
液体５中に検出対象物質６が存在した場合には、検出対象物質６が反応膜４と反応し、反応膜４の表面に結合される。そのため、該検出対象物質６による質量負荷作用により、ＬｉＴａＯ３基板２の表面で励振されたＳＨタイプの表面波への影響が大きくなり、上記のように周波数変化により検出対象物質の有無を検出することができる。
ところで、本実施形態の弾性表面波センサー１の特徴は、ＳＨタイプの表面波を利用していること、上記特定のオイラー角の回転ＹカットＬｉＴａＯ３基板を用いたこと、インターデジタル電極３をＡｕにより形成したこと、並びにインターデジタル電極３の弾性表面波の波長で規格化された膜厚が０．８〜９．５％の範囲にあることにあり、このような構成を採用することにより、後述の実験例から明らかなように、弾性表面波センサー１のセンサー感度が飛躍的に高められている。これを、具体的な実験例に基づき説明する。
（実験例１）
３６°回転Ｙ板ＬｉＴａＯ３基板を用意し、該ＬｉＴａＯ３基板上に、１つのインターデジタル電極と、インターデジタル電極の表面波伝搬方向両側に設けられた反射器とを形成し、１ポート型弾性表面波共振子を作製した。なお、反応膜は形成されていない。
上記インターデジタル電極の表面波の波長で規格化された膜厚を２％とし、この弾性表面波センサーの周波数特性を測定した。図３に実線で、この弾性表面波センサーの初期状態のインピーダンス−周波数特性及び位相−周波数特性を示す。
なお、図３の矢印Ｘ１で示す共振は、レイリー波による共振であり、矢印Ｘ２で示す共振は、ＳＨタイプの表面波の共振である。
図３の破線は、エタノール浸漬後の液中での弾性表面波センサーのインピーダンス・周波数特性及び位相・周波数特性を示す。実線の特性と、破線の特性を比較すれば明らかなように、レイリー波による共振Ｘ１は、液中では励振が弱まっているのに対し、ＳＨタイプの表面波による共振Ｘ２はあまり励振が弱まっていないことがわかる。つまり、レイリー波では液中でセンサーとしては利用できないことがわかる。従って、ＳＨタイプの表面波を利用することにより、液中であっても、確実に弾性表面波センサーとしての機能を得ることができる。
よって、本発明では、上記のように、ＳＨタイプの表面波の応答を利用するように弾性表面波センサーが構成されている。
図７は、オイラー角（０°，θ，０°）のθ（度）が変化された場合のＬｉＴａＯ３基板において生じる表面波の変位を示す図であり、縦軸は規格化された変位量を示す。また、図７の一点鎖線が利用しているＳＨ波の変位Ｕ２を示し、変位Ｕ１はＰ波、変位Ｕ３はＳＶ波の変位を示す。
図７から明らかなように、オイラー角のθが０°〜１８°及び５８°〜１８０°の範囲にある場合、ＳＨ波の変位Ｕ２が大きく、かつ安定しており、ＳＨ波が主に励振される。上記のように液中に浸漬された場合、レイリー波による共振は弱まりやすいのに対し、ＳＨタイプの表面波の共振は弱まり難い。従って、オイラー角のθが０°〜１８°及び５８°〜１８０°の範囲のＬｉＴａＯ３基板を用いることにより、ＳＨ波を十分に励振させることができ、かつ液中に浸漬された場合でもＳＨ波を十分に励振させ得ることがわかる。
さらに、オイラー角のθが１２０°〜１４０°の範囲では、ＳＨ波の共振の近くに現れるＳＶ波の共振の変位Ｕ３が非常に小さいことがわかる。従って、好ましくは、オイラー角のθを１２０〜１４０°の範囲とすることにより、ＳＶ波の影響をあまり受けることなく、液中での特性劣化をより効果的に防ぐことができる。
よって、本発明では、オイラー角のθが０°〜１８°及び５８°〜１８０°、特に好ましくは１２０〜１４０°であるＬｉＴａＯ３基板を用いることにより、液中でも確実に、センサーとしての機能が得られるＳＨ波を利用することができる。
なお、オイラー角のθは、上記のように０°〜１８°または５８°〜１８０°の範囲にあることが必要であるが、オイラー角（０°，０°〜１８°，０°±５°）または（０°，５８°〜１８０°，０°±５°）の範囲であれば、同様の効果を得ることができる。
（実験例２）
実験例１と同様にして、反応膜を有しない弾性表面波素子を構成した。但し、Ａｕからなるインターデジタル電極の規格化膜厚は、０．４％、２．０％及び５．５％と変化させ、３種類の弾性表面波素子を用意した。参考としてインターデジタル電極の規格化膜厚が２．０％の弾性表面波素子の特性を図８に示す。そして、このようにして用意された３種類の弾性表面波素子を、エタノールに浸漬し、アルカンチオール化合物を１４０μｍｏｌ／ｌの濃度となるように滴下した。
用いたアルカンチオール化合物は、１０−カルボキシ−１−デカンチオールＣＯＯＨ−（ＣＨ２）１０−ＳＨである。
上記アルカンチオール化合物は、末端のＳ原子が電極として使用されているＡｕと反応し、Ａｕ上に自己組織化単分子膜を形成する。この時、形成された自己組織化単分子膜により質量負荷が生じ、上述した実施形態の弾性表面波センサー１の場合と同様に、弾性表面波センサーの周波数が変化する。
結果として、アルカンチオール化合物がインターデジタル電極を構成しているＡｕと反応し、自己組織化単分子膜が形成された。そして、この自己組織化単分子膜の形成による質量負荷作用により、各弾性表面波素子の周波数が変化した。結果を図４に示す。なお、図４の横軸は、上記アルカンチオール化合物を滴下した時点を０とした経過時間（分）を示し、縦軸は、ＳＨタイプの表面波の共振の共振周波数の変化量（ｋＨｚ）を示す。
図４から明らかなように、電極の規格化膜厚が０．４％である場合では、アルカンチオール化合物を滴下してから約４０分後に２０ｋＨｚの周波数低下が見られた。これに対して、規格化膜厚が２．０％及び５．５％では、アルカンチオール化合物を滴下してから約４０分後に４０ｋＨｚの周波数低下が見られた。従って、電極の規格化膜厚を変化させることにより、弾性表面波素子の周波数変化量が変化することがわかる。
なお、上記アルカンチオール化合物による自己組織化単分子膜は、表面波励振用のＡｕからなるインターデジタル電極と強固に結合する。従って、上記自己組織化単分子膜は、本発明の密着層として好適に用いられる。すなわち、密着層を設けることにより、密着層上に形成される反応膜とインターデジタル電極との密着性を効果的に高めることができる。従って、弾性表面波センサーの信頼性を高めることができるとともに、反応膜における質量負荷の変化をより高精度に測定することができる。
なお、密着層を構成する材料は、上記アルカンチオール化合物に限定されず、該アルカンチオール化合物の誘導体、あるいは他の化合物を用いることができる。用いられる他の化合物としては、表面波励振用電極やＬｉＴａＯ３基板に結合され得る任意の化合物からなるものを挙げることができる。
（実験例３）
実験例２の結果を考慮して、電極の規格化膜厚を０〜１０％の範囲で変化させ、実験例２と同様にして弾性表面波素子へのアルカンチオール化合物による質量負荷による周波数変化量を測定した。結果を図５に示す。
図５から明らかなように、電極の規格化膜厚が０．９％〜９．５％の範囲では、周波数変化量は３０ｐｐｍ以上であった。他方、３０ｐｐｍの周波数変化量は、０．９℃の温度変化によって生じる周波数変化量に相当する。従って、電極の規格化膜厚を０．８〜９．５％の範囲とすれば、０．９℃未満の温度変化に対応し得ることがわかる。言い換えれば、０．９℃未満の温度変化が生じたとしても、周波数変化量が温度変化による周波数ばらつき量よりも大きくなるため、０．９℃未満の温度変化が生じたとしても、周波数変化を確実に検出することができる。
また、電極の規格化膜厚が１．２〜８．５％の範囲では、周波数変化量が３５ｐｐｍ以上であり、他方、３５ｐｐｍの周波数変化が起こる温度変化は１℃である。従って、電極の規格化膜厚を１．２〜８．５％の範囲とすれば、１℃の温度変化にも対応し得る弾性表面波センサーを提供することができる。
また、電極の規格化膜厚が１．９〜６．６％の場合には周波数変化量は４５ｐｐｍ以上、３〜５％の場合には５５ｐｐｍ以上である。そして、４５ｐｐｍの周波数変化量を引き起こす温度変化を１．３℃、５５ｐｐｍの周波数変化量をもたらす温度変化は１．６℃である。従って、電極の規格化膜厚１．９〜６．６％、より好ましくは３％とすれば、それぞれ、１．３℃及び１．６℃の温度変化があった場合でも機能し得る弾性表面波センサーを提供することができる。
すなわち、上記のように、電極の規格化膜厚を上述した特定の範囲とすることにより、温度変化による周波数ばらつきの影響があったとしても、有効に機能し得る弾性表面波センサー提供することができる。
（実験例４）
実験例１では、３６°回転Ｙ板ＬｉＴａＯ３基板、すなわちオイラー角で（０°，１２６°，０°）である回転ＹカットＬｉＴａＯ３基板を用いたが、実験例４では、ＬｉＴａＯ３基板のオイラー角と規格化膜厚を変化させ、種々の弾性表面波素子を構成し、実験例２と同様に質量負荷による周波数変化量を測定した。図６に結果を示す。
なお、ＬｉＴａＯ３基板のオイラー角を変更したことを除いては、実験例２で用意した弾性表面波共振子と同様に構成した。
図６はオイラー角のθを変化させた場合の変位を示している。図６から、オイラー角を変化させても規格化膜厚と周波数変化量の関係はあまり変化しないことがわかる。よって、ＳＨ波が主に励振されるオイラー角であればよいことがわかる。
上述した実験例１〜４から明らかなように、オイラー角が（０°，０°〜１８°，０°±５°）または（０°，５８°〜１８０°，０°±５°）であるＬｉＴａＯ３基板上にＡｕを主成分とする表面波励振用電極を形成し、該電極の規格化膜厚を０．８〜９．５％とすれば、ＳＨ波の応答の質量負荷による周波数変化を高精度に測定し得ることがわかる。従って、本発明では、このように構成された弾性表面波素子が用いられ、かつ該弾性表面波素子上に反応膜４（図１参照）が形成されることにより、検出対象物質の検出または定量を高精度に行うことができる。
なお、反応膜自体は特に限定されず、測定される検出対象物質に応じた適宜の反応膜を用いることができる。例えば、前述した特開平１０−９０２７０号公報に記載のように、カビ臭原因とする２−ＭＩＢを検出する場合には、特開平１０−９０２７０号公報に記載のように、２−ＭＩＢに構造の類似したカンファー・蛋白質複合体からなる膜を反応膜として形成すればよい。また、特定のＤＮＡ、抗原または抗体などを検出する場合には、該ＤＮＡ、抗原または抗体と特異的に結合する物質を含有する反応膜を用いればよい。
さらに、反応膜は、検出対象物質と直接反応して検出対象物質を結合するものに限らず、検出対象物質と結合する結合物質と反応して該結合物質を結合するように構成されていてもよい。
本発明のある特定の実施態様では、上記反応膜が、ＤＮＡ、抗原または抗体などの生体物質と結合する物質を有しており、該生体物質が反応膜表面に結合されることにより、弾性表面波センサーの基板面に負荷される質量が変化される、バイオセンサーが提供される。従って、このバイオセンサーを用いることにより、生体物質の検出及び定量を高精度に行うことができる。
なお、好ましくは、図９（ａ）に模式的に示すように、ＬｉＴａＯ３基板２上に形成されたインターデジタル電極３を覆うように、保護膜７が形成され、該保護膜７上に密着層８及び反応膜４が形成される。すなわち、保護膜７を、密着層８と電極３との間に配置することにより、電極３及び誘電体基板２を保護することができる。保護膜７として、例えばＳｉＯ２などの絶縁性材料を用いた場合には、導電性の液体中に弾性表面波センサーを浸漬した場合であっても、電極の所望でない短絡を防止することができる。また、保護膜７は、電極３上だけでなく、電極３以外の領域にも至るように形成されており、それによって保護膜７の上面の全面に密着層８を形成することができ、それによってセンサーの感度を高めることも可能となる。
このように、ＳｉＯ２などからなる保護膜７を設けた場合、上記密着層８を構成する材料としては、アルカンチオール化合物ではなく、例えば、（ＣＨ３Ｏ）３ＳｉＣ３Ｈ６ＯＣＨ２ＣＨＣＨ２Ｏなどのメトキシシラン化合物を用いることが好ましい。メトキシ基ＣＨ３Ｏは、ＳｉＯ２などの無機物に対する密着性に優れていることによる。
また、図９（ａ）では、電極３と密着層８との間に保護膜７が設けられていたが、図９（ｂ）に示すように、密着層８を有しない弾性表面波装置においても、保護膜７を設けてもよい。図９（ｂ）に示す弾性表面波装置では、保護膜７は、電極３と反応膜４との間に形成されている。この場合においても、ＳｉＯ２などの絶縁性材料からなる保護膜を用いることにより、電極３の所望でない短絡を防止することができる。また、保護膜７が、電極３の上面だけでなく、電極３の外部にも至るように形成されているので、保護膜７上の全面に反応膜４を形成することができ、感度を高めることができる。
また、本発明に係る弾性表面波センサーを用いて検出対象物質を測定する場合、好ましくは、反応膜を有しないことを除いては、本発明の弾性表面波センサーと同様に構成された弾性表面波装置をリファレンスとして用いてもよい。その場合には、本発明に従って構成された弾性表面波センサーにおける液体浸漬時の周波数変化と、リファレンスとして用意された上記弾性表面波装置における液体浸漬時の周波数変化との差を求めることにより、液体浸漬による周波数変化量を無視することができ、検出対象物質または上記結合物質の反応膜への付着による周波数変化のみを高精度に測定することができる。
なお、本発明における弾性表面波センサーにおいて、弾性表面波素子を構成する表面波励振用電極の形状については特に限定されない。例えば、図１０に示すように、１つのインターデジタル電極２１と、反射器２２，２３とを有する１ポート型表面波共振子となるように表面波励振用電極が構成されていてもよい。また、図１１に示すように、インターデジタル電極３１，３２を表面波伝搬方向において隔てて配置してなるトランスバーサル型の弾性表面波フィルタ３０を構成してもよい。なお、トランスバーサル型の弾性表面波フィルタ３０を構成した場合、必要に応じて、インターデジタル電極３１，３２間に金属薄膜３３を配置してもよい。
【産業上の利用可能性】
本発明に係る弾性表面波センサーでは、ＳＨタイプの表面波を利用しており、オイラー角が（０°，０°〜１５°，０°±５°）または（０°，５８°〜１８０°，０°±５°）である回転ＹカットＬｉＴａＯ３基板上にＡｕを主成分とし、波長で規格化された膜厚が０．８〜９．５％の範囲にある表面波励振用電極が形成されている弾性表面波素子を用いているため、該弾性表面波素子のＬｉＴａＯ３基板面に付与される質量の変化による周波数特性の変化が高精度に検出され得る。従って、該ＬｉＴａＯ３基板に形成された表面波励振用電極を覆うように反応膜が形成されているので、該反応膜と反応して結合される検出対象物質あるいは前述した結合物質と結合されている検出対象物質の反応膜への結合による質量負荷を周波数特性の変化量として高精度に検出することができる。従って、検出対象物質に応じた様々な反応膜を用いた弾性表面波センサーにおいて、弾性表面波素子自体の構造の工夫により、感度を大幅に高めることが可能となる。
すなわち、従来の弾性表面波センサーでは、反応膜の工夫によりセンサー感度の向上が図られていたが、本発明では、反応膜が形成される弾性表面波素子自体の構造の工夫により感度を高めることができる。
また、表面波励振用電極がＡｕを主成分とするので、Ａｕが他の物質と反応し難いため、弾性表面波センサーの汚染が生じ難く、かつ経時による特性の劣化が生じ難い。
また、反応膜と表面波励振用電極との間に、反応膜と電極との密着性を高める密着層がさらに形成されている場合には、信頼性に優れた弾性表面波センサーを提供することができるとともに、反応膜における質量負荷をより高精度に検出することができる。
また、電極と反応膜との間または電極と密着層との間に保護膜がさらに形成されている場合には、保護膜が絶縁性材料で構成されている場合、導電性液体に浸漬された場合に起こり得る所望でない短絡を防止することができる。また、保護膜が電極上及び電極外に至るように形成されているので、保護膜上の全面に反応膜や密着層を形成することができ、それによって感度を高めることができる。
上記密着層が、末端にＳ原子を有するアルカンチオールにより構成されている場合には、密着層がＡｕからなる電極に強固に結合し、自己組織化単分子膜を形成する。従って、密着層上に反応層を形成することにより、反応膜を弾性表面波素子に強固に結合することができる。
表面波励振用電極の規格化膜厚が１．２〜８．５％の範囲、より好ましくは１．９〜６．６％の範囲、さらにより好ましくは３．０〜５．０の範囲とされている場合には、弾性表面波センサーの感度をより一層効果的に高めることができる。
本発明に係るバイオセンサーは、本発明に従って構成された弾性表面波装置を用いて構成されているため、反応膜が検出対象物質としての生体物質と特異的に結合する物質を有しているので、生体物質が反応膜表面に結合されることにより弾性表面波センサーの基板面に負荷される質量が変化し、従って生体物質を本発明のバイオセンサーを用いることにより高精度に検出もしくは定量することができる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【技術分野】
本発明は、例えば、バイオセンサーやガスセンサーなどに用いられる弾性表面波センサーに関し、より詳細には、ＳＨタイプの表面波を利用しており、付加される質量負荷による周波数変化に基づいて検出対象物質が検出される弾性表面波センサーに関する。
【背景技術】
従来、様々な物質を検出するために、弾性表面波素子を用いた種々の弾性表面波センサーが提案されている。例えば、ＤＮＡや抗体などの生体物質を検出する弾性表面波センサーでは、弾性表面波素子上に特定のＤＮＡや抗体などの生体物質とのみ反応する反応膜が設けられている。上記ＤＮＡや抗体が反応膜と反応し、反応膜に結合され、それによって弾性表面波素子上に質量が負荷される。この質量負荷に起因する周波数変化により、ＤＮＡや抗体の有無や濃度が検出される。
他方、下記の特開平１０−９０２７０号公報には、この種の弾性表面波センサーの一例が開示されている。この先行技術に記載の弾性表面波センサーは、水中に含まれるカビ臭物質である２−ＭＩＢ（２−メチルイソボルネオール）の検出を可能とするものである。図１２に示すように、弾性表面波センサー１０１では、圧電基板１０２上にインターデジタル電極１０３，１０４及び金属薄膜１０５が形成されている。一方のインターデジタル電極１０３と他方のインターデジタル電極１０４との間に増幅器１０６，１０７が接続されており、出力側のインターデジタル電極１０４及び増幅器１０６，１０７の後段に混合器１０８が接続されている。混合器１０８から弾性表面波センサー１０１の出力が取り出されるように構成されている。
この先行技術に記載の弾性表面波センサー１０１では、上記圧電基板１０２の上面において、カンファー・Ｏｖａ複合体が固定化される。このカンファー・Ｏｖａ複合体が反応膜として機能し、カンファー・Ｏｖａ複合体との反応により２−ＭＩＢが検出される。
すなわち、カビ臭原因物質である２−ＭＩＢに類似の構造を有するカンファー及び蛋白質の複合体抗原が、弾性表面波センサー１０１において固定化されている。そして、弾性表面波センサー１０１が、２−ＭＩＢを特異的に結合する抗２−ＭＩＢ抗体を一定濃度で含む被測定溶液中に浸漬され、溶液中に存在している未知濃度の２−ＭＩＢと、上記カンファー・蛋白質複合体抗原とが競合的に反応する。そして、弾性表面波センサー１０１上に固定化されているカンファー・蛋白質複合体抗原に結合した抗２−ＭＩＢ抗体量が、弾性表面波センサーに対する質量負荷による出力変化により求められる。そして、カンファー・蛋白質複合体抗原に結合された抗２−ＭＩＢ抗体量と、２−ＭＩＢが存在しない場合の結合抗体量の差により、被測定溶液中の２−ＭＩＢ濃度が定量される。
上記のように、従来、ＤＮＡ、抗原、抗体などの生体物質や、カビ臭原因となる２−ＭＩＢなどの様々な物質を検出あるいは定量するために、弾性表面波センサーが広く用いられている。この種の弾性表面波センサーでは、検出対象物質に応じた反応膜が圧電基板上に形成され、該反応膜に対する質量負荷による周波数変化により、検出対象物質の検出もしくは定量が行われている。
弾性表面波センサーでは、質量変化が周波数変化として検知される。従って、周波数変化が大きいほど、弾性表面波センサーの感度が高められる。そこで、従来、感度を高めるために、上記のように、検出対象物質に応じた反応膜の構成についての研究が種々行われていた。
しかしながら、従来、この種の弾性表面波センサーにおける弾性表面波素子自体の構造と、弾性表面波センサーの感度との関係についてはあまり着目されてなかった。
【発明の開示】
本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、弾性表面波素子上に反応膜が形成されており、弾性表面波素子への質量負荷の変化により検出対象物質を検出する弾性表面波センサーであって、弾性表面波素子自体の構造を改良することにより、感度が効果的に高められている弾性表面波センサーを提供することにある。
本発明は、弾性表面波素子への微小な質量負荷を周波数変化により検出する弾性表面波センサーであって、ＳＨタイプの弾性表面波を利用しており、オイラー角が（０°，０°〜１８°，０°±５°）または（０°，５８°〜１８０°，０°±５°）である回転ＹカットＬｉＴａＯ３基板と、前記ＬｉＴａＯ３基板上に形成されており、Ａｕを主成分とする表面波励振用電極と、前記表面波励振用電極を覆うように、前記ＬｉＴａＯ３基板上に形成されており、かつ検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質を結合する反応膜とを備え、前記電極の弾性表面波の波長で規格化された膜厚が０．８〜９．５％の範囲にあることを特徴とする。
上記オイラー角は、好ましくは、（０°，１２０°〜１４０°，０°±５°）とされる。
本発明に係る弾性表面波センサーのある特定の局面では、前記反応膜と前記電極との間に形成されており、前記反応膜と前記電極との密着性を高める密着層をさらに備える。
本発明に係る弾性表面波センサーの他の特定の局面では、前記反応膜と前記電極との間に形成されており、前記電極上から電極外の領域に至るように設けられた保護膜をさらに備えられる。
本発明に係る弾性表面波センサーのさらに他の特定の局面では、前記密着層と前記電極との間に形成されており、前記電極上から電極外の領域に至るように設けられた保護膜をさらに備えられる。
本発明に係る弾性表面波センサーの他の特定の局面では、前記電極の弾性表面波の波長で規格化された膜厚が、１．２〜８．５％の範囲にある。
本発明に係る弾性表面波センサーのさらに特定的な局面では、前記電極の弾性表面波の波長で規格化された膜厚が、１．９〜６．６％の範囲にある。
本発明に係る弾性表面波センサーのさらに別の特定の局面では、前記電極の弾性表面波の波長で規格化された膜厚は、３．０〜５．０％の範囲にある。
本発明に係るバイオセンサーは、本発明に従って構成された弾性表面波センサーを用いて構成されており、反応膜が検出対象物質としての生体物質と結合する物質を有し、該生体物質が反応膜表面に結合されることにより、弾性表面波センサーの基板面に負荷される質量が変化するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
図１は、（ａ）〜（ｄ）は、本発明の弾性表面波センサーの測定原理を説明するための図であり、（ａ）は液体中に検出対象物質が存在しない場合の状態を模式的に示す正面断面図、（ｂ）は液体中に検出対象物質が存在しない場合の周波数変化を示す図、（ｃ）は液体中に検出対象物質が存在する場合の模式的正面断面図、（ｄ）は液体中に検出対象物質が存在する場合の周波数変化を説明するための図である。
図２は、実験例１で用意された２ポート型弾性表面波共振子の電極構造を模式的に示す平面図である。
図３は、レイリー波及びＳＨ波の初期インピーダンス−周波数特性及び液体中でダンピングされた後のインピーダンス−周波数特性を示す図である。
図４は、実験例において、インターデジタル電極の規格化膜厚を変化させた場合の弾性表面波素子への質量負荷による周波数変化量の経時による変化を示す図である。
図５は、実験例３において、インターデジタル電極の規格化膜厚を変化させ、１０ｎｇ／ｍｍ２の質量負荷を与えた場合の周波数変化量の変化を示す図である。
図６は、ＬｉＴａＯ３基板のオイラー角を種々変更した場合の電極規格化膜厚と周波数変化量との関係を示す図である。
図７は、実験例４において、ＬｉＴａＯ３基板のオイラー角のθを変化させた場合のＰ波、ＳＨ波及びＳＶ波の変位Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３の変化を示す図である。
図８は、２ポート型弾性表面波共振子構造による本発明の一実施形態の弾性表面波センサーの挿入損失−周波数特性の一例を示す図である。
図９は、（ａ）及び（ｂ）は、本発明の弾性表面波センサーの変形例を示し、保護膜が設けられている弾性表面波センサーの各模式的正面断面図である。
図１０は、本発明の弾性表面波センサーで用いられる電極構造の一例としての１ポート型表面波共振子の電極構造を示す模式的平面図である。
図１１は、本発明の弾性表面波センサーで用いられる電極構造の他の例としてのトランスバーサル型弾性表面波フィルタの電極構造を示す模式的平面図である。
図１２は、従来の弾性表面波センサーの一例を説明するための模式的平面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
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。
図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る弾性表面波センサーの測定原理を説明するための図である。
本実施形態の弾性表面波センサー１は、ＳＨタイプの表面波を利用しており、オイラー角が（０°，０°〜１８°，０°±５°）または（０°，５８°〜１８０°，０°±５°）である回転ＹカットＬｉＴａＯ３基板２を有する。このＬｉＴａＯ３基板２上に表面波励振用電極としてインターデジタル電極３が形成されている。インターデジタル電極３はＡｕにより構成されている。また、インターデジタル電極３の弾性表面波の波長で規格化された膜厚は０．８〜９．５％の範囲とされている。
上記ＬｉＴａＯ３基板上に反応膜４が形成されている。反応膜４は、検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質を結合する適宜の材料で構成され得る。
弾性表面波センサー１では、例えば、検出対象物質を含まない液体５に浸漬されると、図１（ａ）に示すように、液体５が反応膜４に接触する。この場合、液体５内に検出対象物質が存在しないが、液体５が反応膜４に接触し、ひいてはＬｉＴａＯ３基板２のインターデジタル電極３が形成されている面に質量が負荷されることになる。従って、図１（ｂ）に示すように、液体５に浸漬される前の周波数特性Ａから、液体に浸漬した後の周波数特性Ｂとなるように、周波数が低下する。しかしながら、この場合には、この周波数の変化量は比較的小さい。
これに対して、図１（ｃ）に示すように、検出対象物質６を含有している液体５に弾性表面波センサー１が浸漬された場合には、検出対象物質６が反応膜４に結合される。そのため、ＬｉＴａＯ３基板２のインターデジタル電極３が形成されている面に、反応膜４の表面に結合された検出対象物質６による質量が、単に液体５による増加作用に追加されることになる。
液体５中に検出対象物質６が存在した場合には、検出対象物質６が反応膜４と反応し、反応膜４の表面に結合される。そのため、該検出対象物質６による質量負荷作用により、ＬｉＴａＯ３基板２の表面で励振されたＳＨタイプの表面波への影響が大きくなり、上記のように周波数変化により検出対象物質の有無を検出することができる。
ところで、本実施形態の弾性表面波センサー１の特徴は、ＳＨタイプの表面波を利用していること、上記特定のオイラー角の回転ＹカットＬｉＴａＯ３基板を用いたこと、インターデジタル電極３をＡｕにより形成したこと、並びにインターデジタル電極３の弾性表面波の波長で規格化された膜厚が０．８〜９．５％の範囲にあることにあり、このような構成を採用することにより、後述の実験例から明らかなように、弾性表面波センサー１のセンサー感度が飛躍的に高められている。これを、具体的な実験例に基づき説明する。
（実験例１）
３６°回転Ｙ板ＬｉＴａＯ３基板を用意し、該ＬｉＴａＯ３基板上に、１つのインターデジタル電極と、インターデジタル電極の表面波伝搬方向両側に設けられた反射器とを形成し、１ポート型弾性表面波共振子を作製した。なお、反応膜は形成されていない。
上記インターデジタル電極の表面波の波長で規格化された膜厚を２％とし、この弾性表面波センサーの周波数特性を測定した。図３に実線で、この弾性表面波センサーの初期状態のインピーダンス−周波数特性及び位相−周波数特性を示す。
なお、図３の矢印Ｘ１で示す共振は、レイリー波による共振であり、矢印Ｘ２で示す共振は、ＳＨタイプの表面波の共振である。
図３の破線は、エタノール浸漬後の液中での弾性表面波センサーのインピーダンス・周波数特性及び位相・周波数特性を示す。実線の特性と、破線の特性を比較すれば明らかなように、レイリー波による共振Ｘ１は、液中では励振が弱まっているのに対し、ＳＨタイプの表面波による共振Ｘ２はあまり励振が弱まっていないことがわかる。つまり、レイリー波では液中でセンサーとしては利用できないことがわかる。従って、ＳＨタイプの表面波を利用することにより、液中であっても、確実に弾性表面波センサーとしての機能を得ることができる。
よって、本発明では、上記のように、ＳＨタイプの表面波の応答を利用するように弾性表面波センサーが構成されている。
図７は、オイラー角（０°，θ，０°）のθ（度）が変化された場合のＬｉＴａＯ３基板において生じる表面波の変位を示す図であり、縦軸は規格化された変位量を示す。また、図７の一点鎖線が利用しているＳＨ波の変位Ｕ２を示し、変位Ｕ１はＰ波、変位Ｕ３はＳＶ波の変位を示す。
図７から明らかなように、オイラー角のθが０°〜１８°及び５８°〜１８０°の範囲にある場合、ＳＨ波の変位Ｕ２が大きく、かつ安定しており、ＳＨ波が主に励振される。上記のように液中に浸漬された場合、レイリー波による共振は弱まりやすいのに対し、ＳＨタイプの表面波の共振は弱まり難い。従って、オイラー角のθが０°〜１８°及び５８°〜１８０°の範囲のＬｉＴａＯ３基板を用いることにより、ＳＨ波を十分に励振させることができ、かつ液中に浸漬された場合でもＳＨ波を十分に励振させ得ることがわかる。
さらに、オイラー角のθが１２０°〜１４０°の範囲では、ＳＨ波の共振の近くに現れるＳＶ波の共振の変位Ｕ３が非常に小さいことがわかる。従って、好ましくは、オイラー角のθを１２０〜１４０°の範囲とすることにより、ＳＶ波の影響をあまり受けることなく、液中での特性劣化をより効果的に防ぐことができる。
よって、本発明では、オイラー角のθが０°〜１８°及び５８°〜１８０°、特に好ましくは１２０〜１４０°であるＬｉＴａＯ３基板を用いることにより、液中でも確実に、センサーとしての機能が得られるＳＨ波を利用することができる。
なお、オイラー角のθは、上記のように０°〜１８°または５８°〜１８０°の範囲にあることが必要であるが、オイラー角（０°，０°〜１８°，０°±５°）または（０°，５８°〜１８０°，０°±５°）の範囲であれば、同様の効果を得ることができる。
（実験例２）
実験例１と同様にして、反応膜を有しない弾性表面波素子を構成した。但し、Ａｕからなるインターデジタル電極の規格化膜厚は、０．４％、２．０％及び５．５％と変化させ、３種類の弾性表面波素子を用意した。参考としてインターデジタル電極の規格化膜厚が２．０％の弾性表面波素子の特性を図８に示す。そして、このようにして用意された３種類の弾性表面波素子を、エタノールに浸漬し、アルカンチオール化合物を１４０μｍｏｌ／ｌの濃度となるように滴下した。
用いたアルカンチオール化合物は、１０−カルボキシ−１−デカンチオールＣＯＯＨ−（ＣＨ２）１０−ＳＨである。
上記アルカンチオール化合物は、末端のＳ原子が電極として使用されているＡｕと反応し、Ａｕ上に自己組織化単分子膜を形成する。この時、形成された自己組織化単分子膜により質量負荷が生じ、上述した実施形態の弾性表面波センサー１の場合と同様に、弾性表面波センサーの周波数が変化する。
結果として、アルカンチオール化合物がインターデジタル電極を構成しているＡｕと反応し、自己組織化単分子膜が形成された。そして、この自己組織化単分子膜の形成による質量負荷作用により、各弾性表面波素子の周波数が変化した。結果を図４に示す。なお、図４の横軸は、上記アルカンチオール化合物を滴下した時点を０とした経過時間（分）を示し、縦軸は、ＳＨタイプの表面波の共振の共振周波数の変化量（ｋＨｚ）を示す。
図４から明らかなように、電極の規格化膜厚が０．４％である場合では、アルカンチオール化合物を滴下してから約４０分後に２０ｋＨｚの周波数低下が見られた。これに対して、規格化膜厚が２．０％及び５．５％では、アルカンチオール化合物を滴下してから約４０分後に４０ｋＨｚの周波数低下が見られた。従って、電極の規格化膜厚を変化させることにより、弾性表面波素子の周波数変化量が変化することがわかる。
なお、上記アルカンチオール化合物による自己組織化単分子膜は、表面波励振用のＡｕからなるインターデジタル電極と強固に結合する。従って、上記自己組織化単分子膜は、本発明の密着層として好適に用いられる。すなわち、密着層を設けることにより、密着層上に形成される反応膜とインターデジタル電極との密着性を効果的に高めることができる。従って、弾性表面波センサーの信頼性を高めることができるとともに、反応膜における質量負荷の変化をより高精度に測定することができる。
なお、密着層を構成する材料は、上記アルカンチオール化合物に限定されず、該アルカンチオール化合物の誘導体、あるいは他の化合物を用いることができる。用いられる他の化合物としては、表面波励振用電極やＬｉＴａＯ３基板に結合され得る任意の化合物からなるものを挙げることができる。
（実験例３）
実験例２の結果を考慮して、電極の規格化膜厚を０〜１０％の範囲で変化させ、実験例２と同様にして弾性表面波素子へのアルカンチオール化合物による質量負荷による周波数変化量を測定した。結果を図５に示す。
図５から明らかなように、電極の規格化膜厚が０．９％〜９．５％の範囲では、周波数変化量は３０ｐｐｍ以上であった。他方、３０ｐｐｍの周波数変化量は、０．９℃の温度変化によって生じる周波数変化量に相当する。従って、電極の規格化膜厚を０．８〜９．５％の範囲とすれば、０．９℃未満の温度変化に対応し得ることがわかる。言い換えれば、０．９℃未満の温度変化が生じたとしても、周波数変化量が温度変化による周波数ばらつき量よりも大きくなるため、０．９℃未満の温度変化が生じたとしても、周波数変化を確実に検出することができる。
また、電極の規格化膜厚が１．２〜８．５％の範囲では、周波数変化量が３５ｐｐｍ以上であり、他方、３５ｐｐｍの周波数変化が起こる温度変化は１℃である。従って、電極の規格化膜厚を１．２〜８．５％の範囲とすれば、１℃の温度変化にも対応し得る弾性表面波センサーを提供することができる。
また、電極の規格化膜厚が１．９〜６．６％の場合には周波数変化量は４５ｐｐｍ以上、３〜５％の場合には５５ｐｐｍ以上である。そして、４５ｐｐｍの周波数変化量を引き起こす温度変化を１．３℃、５５ｐｐｍの周波数変化量をもたらす温度変化は１．６℃である。従って、電極の規格化膜厚１．９〜６．６％、より好ましくは３％とすれば、それぞれ、１．３℃及び１．６℃の温度変化があった場合でも機能し得る弾性表面波センサーを提供することができる。
すなわち、上記のように、電極の規格化膜厚を上述した特定の範囲とすることにより、温度変化による周波数ばらつきの影響があったとしても、有効に機能し得る弾性表面波センサー提供することができる。
（実験例４）
実験例１では、３６°回転Ｙ板ＬｉＴａＯ３基板、すなわちオイラー角で（０°，１２６°，０°）である回転ＹカットＬｉＴａＯ３基板を用いたが、実験例４では、ＬｉＴａＯ３基板のオイラー角と規格化膜厚を変化させ、種々の弾性表面波素子を構成し、実験例２と同様に質量負荷による周波数変化量を測定した。図６に結果を示す。
なお、ＬｉＴａＯ３基板のオイラー角を変更したことを除いては、実験例２で用意した弾性表面波共振子と同様に構成した。
図６はオイラー角のθを変化させた場合の変位を示している。図６から、オイラー角を変化させても規格化膜厚と周波数変化量の関係はあまり変化しないことがわかる。よって、ＳＨ波が主に励振されるオイラー角であればよいことがわかる。
上述した実験例１〜４から明らかなように、オイラー角が（０°，０°〜１８°，０°±５°）または（０°，５８°〜１８０°，０°±５°）であるＬｉＴａＯ３基板上にＡｕを主成分とする表面波励振用電極を形成し、該電極の規格化膜厚を０．８〜９．５％とすれば、ＳＨ波の応答の質量負荷による周波数変化を高精度に測定し得ることがわかる。従って、本発明では、このように構成された弾性表面波素子が用いられ、かつ該弾性表面波素子上に反応膜４（図１参照）が形成されることにより、検出対象物質の検出または定量を高精度に行うことができる。
なお、反応膜自体は特に限定されず、測定される検出対象物質に応じた適宜の反応膜を用いることができる。例えば、前述した特開平１０−９０２７０号公報に記載のように、カビ臭原因とする２−ＭＩＢを検出する場合には、特開平１０−９０２７０号公報に記載のように、２−ＭＩＢに構造の類似したカンファー・蛋白質複合体からなる膜を反応膜として形成すればよい。また、特定のＤＮＡ、抗原または抗体などを検出する場合には、該ＤＮＡ、抗原または抗体と特異的に結合する物質を含有する反応膜を用いればよい。
さらに、反応膜は、検出対象物質と直接反応して検出対象物質を結合するものに限らず、検出対象物質と結合する結合物質と反応して該結合物質を結合するように構成されていてもよい。
本発明のある特定の実施態様では、上記反応膜が、ＤＮＡ、抗原または抗体などの生体物質と結合する物質を有しており、該生体物質が反応膜表面に結合されることにより、弾性表面波センサーの基板面に負荷される質量が変化される、バイオセンサーが提供される。従って、このバイオセンサーを用いることにより、生体物質の検出及び定量を高精度に行うことができる。
なお、好ましくは、図９（ａ）に模式的に示すように、ＬｉＴａＯ３基板２上に形成されたインターデジタル電極３を覆うように、保護膜７が形成され、該保護膜７上に密着層８及び反応膜４が形成される。すなわち、保護膜７を、密着層８と電極３との間に配置することにより、電極３及び誘電体基板２を保護することができる。保護膜７として、例えばＳｉＯ２などの絶縁性材料を用いた場合には、導電性の液体中に弾性表面波センサーを浸漬した場合であっても、電極の所望でない短絡を防止することができる。また、保護膜７は、電極３上だけでなく、電極３以外の領域にも至るように形成されており、それによって保護膜７の上面の全面に密着層８を形成することができ、それによってセンサーの感度を高めることも可能となる。
このように、ＳｉＯ２などからなる保護膜７を設けた場合、上記密着層８を構成する材料としては、アルカンチオール化合物ではなく、例えば、（ＣＨ３Ｏ）３ＳｉＣ３Ｈ６ＯＣＨ２ＣＨＣＨ２Ｏなどのメトキシシラン化合物を用いることが好ましい。メトキシ基ＣＨ３Ｏは、ＳｉＯ２などの無機物に対する密着性に優れていることによる。
また、図９（ａ）では、電極３と密着層８との間に保護膜７が設けられていたが、図９（ｂ）に示すように、密着層８を有しない弾性表面波装置においても、保護膜７を設けてもよい。図９（ｂ）に示す弾性表面波装置では、保護膜７は、電極３と反応膜４との間に形成されている。この場合においても、ＳｉＯ２などの絶縁性材料からなる保護膜を用いることにより、電極３の所望でない短絡を防止することができる。また、保護膜７が、電極３の上面だけでなく、電極３の外部にも至るように形成されているので、保護膜７上の全面に反応膜４を形成することができ、感度を高めることができる。
また、本発明に係る弾性表面波センサーを用いて検出対象物質を測定する場合、好ましくは、反応膜を有しないことを除いては、本発明の弾性表面波センサーと同様に構成された弾性表面波装置をリファレンスとして用いてもよい。その場合には、本発明に従って構成された弾性表面波センサーにおける液体浸漬時の周波数変化と、リファレンスとして用意された上記弾性表面波装置における液体浸漬時の周波数変化との差を求めることにより、液体浸漬による周波数変化量を無視することができ、検出対象物質または上記結合物質の反応膜への付着による周波数変化のみを高精度に測定することができる。
なお、本発明における弾性表面波センサーにおいて、弾性表面波素子を構成する表面波励振用電極の形状については特に限定されない。例えば、図１０に示すように、１つのインターデジタル電極２１と、反射器２２，２３とを有する１ポート型表面波共振子となるように表面波励振用電極が構成されていてもよい。また、図１１に示すように、インターデジタル電極３１，３２を表面波伝搬方向において隔てて配置してなるトランスバーサル型の弾性表面波フィルタ３０を構成してもよい。なお、トランスバーサル型の弾性表面波フィルタ３０を構成した場合、必要に応じて、インターデジタル電極３１，３２間に金属薄膜３３を配置してもよい。
【産業上の利用可能性】
本発明に係る弾性表面波センサーでは、ＳＨタイプの表面波を利用しており、オイラー角が（０°，０°〜１５°，０°±５°）または（０°，５８°〜１８０°，０°±５°）である回転ＹカットＬｉＴａＯ３基板上にＡｕを主成分とし、波長で規格化された膜厚が０．８〜９．５％の範囲にある表面波励振用電極が形成されている弾性表面波素子を用いているため、該弾性表面波素子のＬｉＴａＯ３基板面に付与される質量の変化による周波数特性の変化が高精度に検出され得る。従って、該ＬｉＴａＯ３基板に形成された表面波励振用電極を覆うように反応膜が形成されているので、該反応膜と反応して結合される検出対象物質あるいは前述した結合物質と結合されている検出対象物質の反応膜への結合による質量負荷を周波数特性の変化量として高精度に検出することができる。従って、検出対象物質に応じた様々な反応膜を用いた弾性表面波センサーにおいて、弾性表面波素子自体の構造の工夫により、感度を大幅に高めることが可能となる。
すなわち、従来の弾性表面波センサーでは、反応膜の工夫によりセンサー感度の向上が図られていたが、本発明では、反応膜が形成される弾性表面波素子自体の構造の工夫により感度を高めることができる。
また、表面波励振用電極がＡｕを主成分とするので、Ａｕが他の物質と反応し難いため、弾性表面波センサーの汚染が生じ難く、かつ経時による特性の劣化が生じ難い。
また、反応膜と表面波励振用電極との間に、反応膜と電極との密着性を高める密着層がさらに形成されている場合には、信頼性に優れた弾性表面波センサーを提供することができるとともに、反応膜における質量負荷をより高精度に検出することができる。
また、電極と反応膜との間または電極と密着層との間に保護膜がさらに形成されている場合には、保護膜が絶縁性材料で構成されている場合、導電性液体に浸漬された場合に起こり得る所望でない短絡を防止することができる。また、保護膜が電極上及び電極外に至るように形成されているので、保護膜上の全面に反応膜や密着層を形成することができ、それによって感度を高めることができる。
上記密着層が、末端にＳ原子を有するアルカンチオールにより構成されている場合には、密着層がＡｕからなる電極に強固に結合し、自己組織化単分子膜を形成する。従って、密着層上に反応層を形成することにより、反応膜を弾性表面波素子に強固に結合することができる。
表面波励振用電極の規格化膜厚が１．２〜８．５％の範囲、より好ましくは１．９〜６．６％の範囲、さらにより好ましくは３．０〜５．０の範囲とされている場合には、弾性表面波センサーの感度をより一層効果的に高めることができる。
本発明に係るバイオセンサーは、本発明に従って構成された弾性表面波装置を用いて構成されているため、反応膜が検出対象物質としての生体物質と特異的に結合する物質を有しているので、生体物質が反応膜表面に結合されることにより弾性表面波センサーの基板面に負荷される質量が変化し、従って生体物質を本発明のバイオセンサーを用いることにより高精度に検出もしくは定量することができる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性表面波素子への微小な質量負荷を周波数変化により検出する弾性表面波センサーであって、
ＳＨタイプの弾性表面波を利用しており、
オイラー角が（０°，０°〜１８°，０°±５°）または（０°，５８°〜１８０°，０°±５°）である回転ＹカットＬｉＴａＯ３基板と、
前記ＬｉＴａＯ３基板上に形成されており、Ａｕを主成分とする表面波励振用電極と、
前記表面波励振用電極を覆うように、前記ＬｉＴａＯ３基板上に形成されており、かつ検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質を結合する反応膜とを備え、
前記電極の弾性表面波の波長で規格化された膜厚が０．８〜９．５％の範囲にある、弾性表面波センサー。
【請求項２】
前記ＬｉＴａＯ３基板のオイラー角が（０°，１２０°〜１４０°，０°±５°）である、請求項１に記載の弾性表面波センサー。
【請求項３】
前記反応膜と前記電極との間に形成されており、前記反応膜と前記電極との密着性を高める密着層をさらに備える、請求項１または２に記載の弾性表面波センサー。
【請求項４】
前記反応膜と前記電極との間に形成されており、前記電極上から電極外の領域に至るように設けられた保護膜をさらに備える、請求項１に記載の弾性表面波センサー。
【請求項５】
前記密着層と前記電極との間に形成されており、前記電極上から電極外の領域に至るように設けられた保護膜をさらに備える、請求項３に記載の弾性表面波センサー。
【請求項６】
前記電極の弾性表面波の波長で規格化された膜厚が、１．２〜８．５％の範囲にある、請求項１〜５のいずれかに記載の弾性表面波センサー。
【請求項７】
前記電極の弾性表面波の波長で規格化された膜厚が、１．９〜６．６％の範囲にある、請求項６に記載の弾性表面波センサー。
【請求項８】
前記電極の弾性表面波の波長で規格化された膜厚が、３．０〜５．０％の範囲にある、請求項７に記載の弾性表面波センサー。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の弾性表面波センサーを用いて構成されており、前記反応膜が検出対象物質としての生体物質と結合する物質を有し、該生体物質が前記反応膜表面に結合されることにより、弾性表面波センサーの基板面に付加される質量が変化する、バイオセンサー。
【請求項１】
弾性表面波素子への微小な質量負荷を周波数変化により検出する弾性表面波センサーであって、
ＳＨタイプの弾性表面波を利用しており、
オイラー角が（０°，０°〜１８°，０°±５°）または（０°，５８°〜１８０°，０°±５°）である回転ＹカットＬｉＴａＯ３基板と、
前記ＬｉＴａＯ３基板上に形成されており、Ａｕを主成分とする表面波励振用電極と、
前記表面波励振用電極を覆うように、前記ＬｉＴａＯ３基板上に形成されており、かつ検出対象物質または検出対象物質と結合する結合物質を結合する反応膜とを備え、
前記電極の弾性表面波の波長で規格化された膜厚が０．８〜９．５％の範囲にある、弾性表面波センサー。
【請求項２】
前記ＬｉＴａＯ３基板のオイラー角が（０°，１２０°〜１４０°，０°±５°）である、請求項１に記載の弾性表面波センサー。
【請求項３】
前記反応膜と前記電極との間に形成されており、前記反応膜と前記電極との密着性を高める密着層をさらに備える、請求項１または２に記載の弾性表面波センサー。
【請求項４】
前記反応膜と前記電極との間に形成されており、前記電極上から電極外の領域に至るように設けられた保護膜をさらに備える、請求項１に記載の弾性表面波センサー。
【請求項５】
前記密着層と前記電極との間に形成されており、前記電極上から電極外の領域に至るように設けられた保護膜をさらに備える、請求項３に記載の弾性表面波センサー。
【請求項６】
前記電極の弾性表面波の波長で規格化された膜厚が、１．２〜８．５％の範囲にある、請求項１〜５のいずれかに記載の弾性表面波センサー。
【請求項７】
前記電極の弾性表面波の波長で規格化された膜厚が、１．９〜６．６％の範囲にある、請求項６に記載の弾性表面波センサー。
【請求項８】
前記電極の弾性表面波の波長で規格化された膜厚が、３．０〜５．０％の範囲にある、請求項７に記載の弾性表面波センサー。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の弾性表面波センサーを用いて構成されており、前記反応膜が検出対象物質としての生体物質と結合する物質を有し、該生体物質が前記反応膜表面に結合されることにより、弾性表面波センサーの基板面に付加される質量が変化する、バイオセンサー。
【国際公開番号】ＷＯ２００５／００３７５２
【国際公開日】平成１７年１月１３日（２００５．１．１３）
【発行日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１１３０４（Ｐ２００５−５１１３０４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００５０７７
【国際出願日】平成１６年４月８日（２００４．４．８）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１７年１月１３日（２００５．１．１３）
【発行日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００５０７７
【国際出願日】平成１６年４月８日（２００４．４．８）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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