JPH02122242A - 表面横波装置及び科学測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈発明の技術分野〉 この発明は一般に化学センサに関し、とくに表面横波素
子を用いた化学センサとそれを用いた測定方法とに関す
る。

〈従来技術とその問題点〉 これまで圧電共振子がマイクロ　重量免疫検定装置とし
て用いられてきた（例えばＥ、　Ｒｏｅｄｅｒｅｒａｎ
ｄ　Ｇｌｅｎｎ　Ｊ、Ｂａ５ｔｉａａｎｓ、　”Ｍｉｃ
ｒｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃ　Ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ
　ｗｉｔｈ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｒｙｓｔ
ａｌｓ”　、Ａｎａｌ。

Ｃｈｅｍ、　１９８３．２３３３−２３３６　　　参照
）。表面に付着される質量の変化によって共振周波数シ
フトが起きによって達成される。例えば、特別な抗体が
水晶の表面に結合されると、それらの抗体は対応する抗
原と選択的に結合する。液体中の抗原の濃度はセンサを
その液体に浸し、共振周波数の変化から質量の変化を推
測することによって測定することができる。

質量感度（すなわち、分別（ｆｒａｃｔｉｏｎａ１）周
波数変化を原因となる表面質量密度で割った値）はバル
ク波共振子の質量が減少すると、或いはこれと対応する
が、共振子の厚さが減少すると上昇する。

約２０ＭＨｚの共振周波数に対応する約１００　ミクロ
ンの実際的な下限が製造上の困難さによって生しる。

その結果、バルク波共振子センサの感度が限定される。

質量センサとして音９導波管も用いられてきた。

導波管の表面に付着された質量が導波管からの出力信号
の移相偏移を与える。抗原の濃度はこの移相偏移から決
定することができる。これらの装置はレイリー波（ＳＡ
Ｗ）　、ラム波、表面横波（ＳＴＷ）及び表面スキミン
グ・バルク波（ＳＳＢＷ）を含む異なる波動を利用する
ことができる。レイリー波及びラム波の装置では音響変
位による粒子運動の主成分は導波管の表面に対して垂直
であり、それゆえ伝搬方向に対して垂直である。

ＳＴＷの装置では音響変位による主な粒子速度成分は表
面と平行であり、伝搬方向に対して垂直である。５ＳＢ
ＷはＳＴＷと同じ粒子速度主成分を有しているが、音波
はＳＴＷの場合とは異なり表面でトラップされないので
物質中に回折する。

音響変位による粒子速度の方向は装置を液体中に浸した
ときの装置の性質におおきな影響を及ぼす。音響波伝搬
速度は導波管の総合質量に対する総合スチフネスの比率
の平方根として変化する。

導波管の表面に質量を加えると伝搬速度が低下し、それ
によって装置上の正味移相偏移が対応して変化する。移
相偏移は直接測定することもでき、又はフィードバック
素子として表面音響波装置を含む発振器の周波数の測定
から推定することもできる。

表面波装置では波は装置の表面の近傍領域内にトラップ
されるので、表面上の付加質量に対するこの波の応答は
波がその内部にトラップされた領域内の質量によっての
み左右される。従って、表面波装置の分別質量感度は物
質の厚さの代わりに、導波管への波の浸透深度の関数で
ある。

浸透深度は装置の特性及び波動の種類に応じて、音響波
長の数分の−から、数個におよぶ。音響導波管装置は標
準型の写真食刻技術を用いて数ギガヘルツに及ぶ周波数
にて容易に製造できるので、浸透深度は数ミクロンの大
きさまで縮小でき、従ってこれらの装置の感度は極めて
良くなる。

音響導波管装置内に誘発される分別周波数（又は位相）
の変化は波の浸透深度の厳密な関数であるが、位相の変
化は装置の長さに比例する。最適な長さは波の減衰の度
合いに左右される。このように感度が長さに左右される
ことによって、バルク波共振子よりも感度上の利点が更
に得られる。

ＳＡＷ装置は、主要な音響変位成分が液体中の圧縮波と
強く結合するので、液体中にセンサを浸す必要がある用
例では化学センサに適さない。その理由は次のとおりで
ある。固体中のレイリー波の音響伝搬速度はほとんど全
ての場合、液体中の圧縮波の速度よりも大きいので、導
波管の表面ではＳＡＷ装置のレイリー・モードと同相で
ある液体中の放射音響波の方向が常に存在する。その結
果、エネルギがＳＡＷ装置から液体へと放出され、許容
できないほどの挿入損が生ずる。

ラム波装置も同様の理由から化学センサとしては好まし
くない（例えばＲ９門、Ｗｈｉｔｅ、Ｐ、Ｊ、　Ｗｉｃ
ｈｅｒ。

Ｓ、Ｍ、　Ｗｅｎｚｅｌ、ａｎｄ　Ｅ、Ｔ　Ｚｅｌｌｅ
ｒｓ　　”Ｐｌａｔｅ　ＭｏｄｅＵｌｔｒａｓｏｎｉｃ
　０ｓｃｉｌｌａｔｏｒ　５ｅｎｓｏｒｓ　　＋ＩＥＥ
Ｅ　Ｔｒａｎｓ、。

ｖｏｌ、　ＵＰＦＣ−３４，＃２．ｐｐ、１６３．参照
）ラム波装置はＳＡＷ装置と同し主要音響粒子速度を有
している。

しかし導波管の厚さを減らすことによって、モードの速
度を周囲の液体の速度以下に下がることがある。それに
よって位相整合が抑止され、ひいては液体へのエネルギ
放出が抑止される。残念ながら厚さが減少するとラム波
の速度は液体の密度の強い関数となる。この作用によっ
てセンサの質量感度がわるくなる。更に、薄い導波管を
製造することが困難であるのでラム波装置の最大周波数
が制限され、それによってこのような装置の感度が制限
される。

〈発明の目的〉 従って、本発明の目的は表面横波（ＳＴＷ）を用いる装
置によって、上記の欠点を解消した化学センサ技術を提
供することにある。

〈発明の概要〉 図示した好適な実施例に基づき、液体の検査方力信号の
位相又は周波数が監視される。ＳＴＷ装置が所定の溶質
に応じて選択される結合層で被覆されると、この方法で
は、次に溶液中の前記溶質の濃度を測定する。ＳＴＷ装
置に前記結合層がない場合は液体の粘土が測定される。

溶液中の化学センサとして利用するのに適したＳＴＷ装
置も提供される。このセンサは水晶の表面に付着された
質量の変化を検出するため、圧電水晶中の表面横波（Ｓ
ＴＷ）を利用する。このような波は表面に対して垂直な
変位成分をもっていないので、液体中の圧縮波とは結合
しない。液体へエネルギが失われる唯一のメカニズムは
せん断粘性によるものである。化学検出用の液体のせん
断粘性は低いので、ＳＴＷモードの減衰はＳＡＷモード
での放射に起因する減衰よりも数桁低い。

更に、５ＳＢＷモードの回折に起因する減衰よりも大幅
に低い。

ＳＴＷ装置は圧電基板と、−個又は複数の変換器（代表
的にはインターデジタル変換器（ＩＤＴ））と、基板の
表面にモードをトラップする格子又はプレー１−（板状
体）とから成っている。プレートを基本にした表面横波
導波管はラブ導波管としても知られている。１開口ＳＴ
Ｗ装置ではＩＤＴは２つの反射格子に囲まれている。格
子及びＩＤＴの特性及び格子の間隔が共振周波数を決定
する。

２開口装置の場合は一つのＩＤＴが出力として機能し、
格子又はプレートが両者の間隔をつないでいる。

ＩＤＴ及び格子またはプレートは写真食刻技術を利用し
て基板の表面上に堆積される。ＳＴＷ装置では格子又は
プレートは横波モードを表面にトラップ（捕獲）するた
めに必要である。この格子又はプレートによる質量装荷
によって基板表面の波速か低下し７、それによってこの
モードをトラップする機能をはたす。更に、格子又はプ
レートが導電性である場合は、それは基板の表面で電界
を短絡させ、その結果基板の表面の圧電スチフネスが減
少し、更に表面における波の速度が低下する。

格子／プレートがない場合はこのモードは基板内に回折
し、その結果高度の減衰が生ずる。導電性の格子／プレ
ートを付加したことによる質量装荷は波をトラップし、
過度の減衰を抑止する。厚さと密度が同じ場合は、格子
のほうがプレートよりも捕獲力がある。より強くトラッ
プされた波の浸透深度は浅く、電気的結合と質量感度は
たがい。

このセンサを誘電率がたかい液体中で使用すると、液体
はＩＤＴの各々を有効に短絡させることがあり、それに
よってセンサへの、又センサからの電気的結合が大きく
劣化する。それを回避するため、電極は誘電率が低い被
覆によって保護される。格子素子も液体の誘電特性への
前記のような敏感さを軽減するため、ハス・バーに短絡
されるか、または非導電性の物質で形成することができ
る。

液体中の縦の音響モードが除去されたのでこのセンサは
液体の粘性を測定するのに充分な感度を備えている。化
学センサとして機能するため、上部表面上には所望の化
学物質類と選択的に結合する付加層が加えられる。この
ようなセンサがこの種類の化学物質を含む液体中に浸さ
れると、これらの化学物質はセンサの表面と結合し、そ
れによりこの上表面の質量付加を増加させる。例えば、
センサの上表面に抗体を結合し、それによりこのセンサ
は対応する抗原に対して化学的に特定のものとなる。

〈発明の詳細な説明〉 第１図では水晶又はニオブ酸リチウム （Ｌ　ＩＮ　ｂ　０３　　）のような圧電基板１１上に
電極１２’　、　１２”を有するインターデジタル変換
器（ＩＤＴ）１３のような入力変換器と、インターデジ
タル変換器（ＩＤＴ）１３のような出力変換器が形成さ
れている。これらのＩＤＴは代表的には０．１−１．０
　ミクロンの厚さＴ、　１−１００　ミクロンの幅Ｗ、
　、　１−１００　ミクロンの間隔Ｓ、を有している。

第４回の反射格子４９及び４１０は２開口共振子を形成
するため、各ＩＤＴの外縁に任意に配置されている。こ
れらの変換器は公知の写真食刻技術を用いて形成するこ
とができる。

一般に、圧電基板１１用に選択される材料は圧電形でな
ければならず、基板の表面で表面横波のトラッピングが
可能な特殊な水晶カットを有していなければならない。

さらに、（１）音ｇ損が低く（すなわち粘性減衰がひ＜
＜）、（２）変換器に対する液体負荷にする寄生的電気
作用を最小限にするため高い誘電率及び高い電気機械的
結合定数を有し、且つ（３）温度による速度変化が低く
なければならない。水晶の利点は温度による音速の変化
が低いことである。ニオブ酸リチウムの利点はＩＤＴ１
２及び１３に対する圧電結合が良好であることである。

水晶のＳＴ−カット（主としてＳＡＷ素子に使用される
）は伝搬方向を９０′回転させることによってＳＴＷ素
子に使用できる（例えばり、Ｆ、Ｔｈｏｍｐｓｏｎ　　
ａｎｄ　　Ｂ、八、八ｕｌｄ、　　”５ｕｒｆａｃｅ　
　Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｗａｖｅ　Ｐｒｏｐａｇａｔ
ｉｏｎ　Ｕｎｄｅｒ　Ｍｅｔａｌ　ＳｔｒｉｐＧｒａｔ
ｉｎｇｓｌ′＋１９８６　Ｌｌｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　
Ｓｙｍｐ、Ｐｒｏｃ、、ＩＥＥＥＣａｔ、　＃８６ＣＨ
２３７５−４．ｌ１１１．２６１．参照）。ＩＤＴはア
ルミニウム、金又は金属合金の堆積によって形成するこ
とができる。

変換器１２の平面図が第２図に示されており、電極１２
′、及び１２”間の間隔が図示されている。電極１２、
及び１２′、及び１２”間の印加電圧差によってこれら
の電極の間に圧電基板と電気機械的に相互作用する電界
が生成される。上部表面１４上のＩＤＴ１２と１３との
間にＩＤＴ１２．１３の幅と間隔に匹敵する幅Ｗ２及び
間隔Ｓ２を有する金属格子１５が形成されている。この
格子は音響横波を基板の表面にトランプする。検出器の
性能に対する液体の誘電作用を最小限にするため、格子
のフィンガはバス・バーに短絡されることができる。付
着層１６はＩＤＴ１２．１３上部に堆積することができ
る。

（例えばスパッタ又は蒸着による）。層１６は素子１１
−１５を化学物質の腐食から防御するため強く結合され
、密閉性があることが必要である。この層は１０−１０
００オングストロームの厚さＴ２を有している。化学セ
ンサとして機能する実施例の場合、層１６は格子１５上
に堆積される化学的に選択された結合層１８用に良好な
結合面となるものか選択される。二酸化シリコン（Ｓｉ
Ｏ７）はＳｉＯ□と種々の化学的に選択された成分を結
合することに関する文献が多いので好適である。層１８
は一般に数ミクロンまでの単層（抗体結合層用）の厚さ
Ｔ４を有している。

厚い遮蔽層１７はＴＤＴ１２．１３上に堆積される。

この遮蔽層は二つの目的を果たす。一つはＩＤＴを腐食
から防護するためＩＤＴ上を密封しなければならない。

もう一つの目的はＩＤＴの電極の短絡を基本的に防止し
なければならない。水を基本にした任★の溶液内で化学
センサとして使用する場合は、ＩＤＴは前記の水溶液の
影響に晒される。

この誘電率は比較的高いので（７５程度）、水はＩＤＴ
の電極の容量性短絡を起こすことがある。

これを防止するため、層１７は水がＩＤＴ電極からの電
界を基板１１から強く引きつけることを防止するために
充分な厚さ（すなわちＩＤＴ内の間隔よりも大きい厚さ
Ｔ、）を持つ必要がある。製造を容易にするため、層１
７はさらに写真食刻で容易にパターン化できる必要があ
る。層１７の可能な一つの選択はシリコン・ゴムである
。

位相感度センサの場合、位相偏移量は装置の長さしにほ
ぼ比例する。一方、出力変換器１３における信号の強さ
はＬの減少指数関数である。このように、粘性による減
衰のため、信号／ノイズ比はＬの減少指数関数として変
化する。このような競合する作用同士のバランスは検出
器が振幅減衰率（ネーバ／メーター）の逆数に相当する
Ｌを有することによって得られる。

結合層１８の特定の選択はこの化学的センサにより検出
される化学物質の種類によって左右される。

基本的に、前記層は付着層１６と強く結合する必要があ
り、且つ検出される化学物質の種類と選択的に結合する
ものでなければならない。気体及び液体クロマトグラフ
の分野で多くのこのような化学物質が知られている。例
えば、気体クロマトグラフ（ＣＣ）及び液体クロマトグ
ラフ（ＬＣ）の固定位相は複数の種類の化学物質用に選
択されるが、単一の化学物質には特定されない。更に、
結合層１８が抗体である場合、それはこの抗体と結合す
る抗原に対して高度に特殊なものとなる。抗原に応答し
て、動物の免疫系は抗原の異なる部分に対して抗体分子
の集まりを生成しくそれぞれをモノクロ ０ナ一ル抗体と称する）、各分子は細胞を生成する単一
クローンから誘導される。モノクロナール抗体のこのよ
うな混合をポリクロナール抗体と称する。

このように結合層１８はモノクロナール抗体またはポリ
クロナール抗体のいずれでもよい。生物学的用途ではこ
れらの非共有結合は通常はイオン結合、水素結合及びフ
ァン・デル・ワールス結合である。

結合層１８は更に付着層１６と検出される化学物質との
固い連結をも形成する。この連結の固さが滅この質量負
荷により発生される周波数偏移又は位相遅延を検出する
関連電子装置の感度によって決定される。

このＳＴＷセンサは核酸検査に利用できる。この用途で
は結合層はそれぞれが核酸の１ストランド（ｓｔｒａｒ
ｌｄ）の一部である同一分子から成っている。核酸内で
はこれらのストランド各々は相補ストランド断片に共有
結合されている。従って、このセンサは検査中の液体内
の前記相補ストランド断片の濃度を検出する。

このセンサを再利用可能にするには、層１８と検出され
る化学物質との結合は簡便な化学装置によって可逆性が
得られなければならない。使い捨て式センサの場合はこ
のような限定は必要ない。この装置の代表的な寸法は次
のとうりである：長さ１０　ｍｍ　、幅３ｍｍの素子を
厚さ０．５ｍの基板上に配する。第３図には格子１５（
第１図）の代わりにラブ・プレートを使用した別の実施
例が示されている。

上部表面１４の運動はこの上部表面とほぼ平行であるの
で液体サンプル中の圧縮モードへのこの運動の結合は著
しく小さい。この結合が小さいのでこのセンサは液体サ
ンプルの粘性測定用に使用するのが実際的である。粘性
センサの場合、層１６はセンサを保護するために利用さ
れ、層１８は必要ない（何故ならばセンサはこの動作モ
ード特有のものではないからである）。この用例では位
相偏移又は周波数が測定されるのではなく、液体のせん
断粘度による過剰挿入損失が測定される。

このＳＴＷ化学センサは従来技術とその問題の欄で述べ
たバルク波、ＳＡＷ、及びラム波装置のそれぞれの感度
の１０７．１０３、及び１０２倍の感度を備えている。

このような感度の上昇は主としてＳＴＷセンサが数百メ
ガヘルツの周波数で動作可能であることによるものであ
る。第５図には別の１開口共振子の実施例が示されてい
る。この実施例では、一対の格子５９と５１０との間に
単一のＩＤＴが含まれている。付着層５６と結合層５８
は試験中の溶液内の特定の溶質又は数種類の溶質と選択
的に結合することができる。これらの二つの格子は二重
の機能を果たす。それらはこの装置内で音波を反射する
ことによって前記格子間の共振子空洞の寸法を規定する
。更に、それらの層は表面でＳＴＷ波をトラップするの
で、結合層５８に選択的に結合する溶質による質量負荷
は基板５１の上部表面における音波の速度に影響を及ぼ
し、それによって試験中の溶液に浸された装置の共振周
波数の変化を測定することによって、この溶質の濃度を
検出することができる。ここに開示された特定のＳＴＷ
装置の他に、これらの化学センサとして使用可能な別の
周知のＳＴＷ装置もある。

第６図には液体の粘度又は化学的濃度を測定するための
方法の各段階が示されている。溶質の濃度を測定する場
合、溶質と選択的に結合する結合層を有するＳＴＷ装置
が検査中の液体に浸される（段階６］）ＳＴＷ装置の入
力に検査信号が供給され（段階６２）　、ＳＴＷ装置か
らの出力信号が監視されて溶質の濃度を計算するために
利用される（段階６４）このＳＴＷ装置は結合層を備え
ることも出来るが、粘度だけを測定する場合は前記結合
層は備えられない。

第７Ａ図乃至第７Ｃ図は出力信号の周波数がこのセンサ
によって選択的に検出される溶質の液体中の濃度を表示
する形式の二つの実施例を示している。　　　　更に出
力信号の位相が此の濃度を示す第３の実施例も図示して
いる。溶液中の各種の溶質の化学的濃度を決定する場合
、段階６１で、検出される各種の化学物質用に化学的に
選択される結合層１８を有するＳＴＷ装置が使用される
。溶液中の特定の溶質の化学的濃度を決定する場合は６
１で、検出される溶質に化学的特定される結合層１８を
有するＳＴＷ装置が使用される。

第８図は液体の粘度を検出するのに適した実施例を示し
ている。液体の粘性はＳＴＷ装置内での表面音波を減衰
する作用を行う。従って、第８回の装置には周知の振幅
の信号を提供する信号源８１が備えられている。この信
号はＳＴＷ装置８２に供給され、出力信号の振幅がメー
ター８３によって測定される。第６図に示されているよ
うに、段階６４で溶質の濃度又は液体粘度を計算する前
に出力信号の基準値の減算ができるように、測定方法に
追加段階６１゛乃至６３”を加えてもよい。これは粘性
の測定に特に有効であるが、その理由は小さい出力信号
値が出力信号の無視しえない一部である基線修正を含む
ことができるからである。段階６１゜６３゛　ではＳＴ
Ｗ装置は空気のような基準流体内に浸され、ＳＴＷ装置
の入力変換器に検査信号が供給され、ＳＴＷ出力信号が
監視される。次に段階６４で測定されたこれらの出力信
号の振幅が検査中の液体の粘性を計算するために利用さ
れる。

また、第６図のフローのうち、基準値の計を行う部分を
第９図に更に詳しく示した。

〈発明の効果〉 以上詳述したように、本発明の表面横波音響波技術によ
り、従来より数桁高感度の化学センサが得られることに
なり、実用に供して極めて有益である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の５ＴＷｆｉ波管センサの横断面図であ
る。 第２図は代表的ＩＤＴの上面図である。 第３図は第１図におけると同型のＳＴＷセンサ（但し、
金属格子に替えてラブ・プレートが負荷しである）の横
断面図である。 第４図は２開口ＳＴＷ共振子センサの横断面図である。 第５図は１開口ＳＴＷ共振子センサの横断面図である。 第６図はＳＴＷ装置を液浸して液体粘性／溶質濃度の測
定方法を説明するためのフロー図である。 第７Ａ図乃至第７Ｃ図はＳＴＷ装置内の伝搬速度の変化
を周波数や位相の変化に変換するための二つの実施例の
説明図である。 第８図は、ＳＴＷ装置で液体の粘度を測定するための一
実施例を説明するための図である。 第９図は第６回の測定のフローにおける基準値の決定を
行う部分の詳細図である。 １１：圧電基板 １２．１３：インターデジタル変換器 １４：上部表面 １５：金属格子 １６：付着層 １７：遮蔽層 １８：結合層

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）以下の（ａ）及至（ｃ）のステップより成る液体
   の性質を測定するための化学測定方法。 （ａ）入力と出力を有する表面横波装置を前記液体に浸
   すステップ。 （ｂ）前記入力に入力信号を印加するステップ。 （ｃ）前記出力において出力信号を検出するステップ。
2. （２）前記表面横波装置が結合層を備えず、さらにつぎ
   のステップ（ｄ１）を有する請求項１記載の化学測定方
   法。 （ｄ１）前記出力信号の関数として前記液体の粘度を計
   算するステップ。
3. （３）前記表面横波装置が、前記液体に溶解する所定の
   溶質類に選択的に結合する層で覆われた表面を備え、さ
   らにつぎのステップ（ｄ２）をを有する請求項１記載の
   化学測定方法。 （ｄ２）前記所定の溶質類の濃度を前記出力信号の関数
   として計算するステップ。
4. （４）前記表面横波装置が、抗体とそれに関連する抗原
   から成るグループより選ばれた結合層で覆われた表面を
   備え、前記ステップ（ｄ２）における前記計算された前
   記濃度が該グループの他方の物質の濃度である請求項３
   記載の化学測定方法。
5. （５）前記表面横波装置が、核酸の１ストランドの断片
   である基本的に同一分子から成る結合層で覆われた表面
   を備え、前記計算された前記濃度が前記結合層の断片に
   相補的な核酸ストランド断片の濃度である請求項３記載
   の化学測定方法。 下記（ａ）及至（ｄ）より成る液体中のセンサに適した
   表面横波装置。
6. （６）（ａ）上部表面を備えた圧電基板。 （ｂ）前記上部表面に設けた少くとも１つの変換器。 （ｃ）前記少くとも１つの変換器を覆う遮蔽層。 該遮蔽層は前記液体によって前記変換器が 短絡されるのを実質的に避けるために十分 な厚さを備える。 （ｄ）前記上部表面に前記圧電基板内の音響波をトラッ
   プするための手段。
7. （７）前記変換器が間隔Ｓ＿１で離隔した複数の素子を
   備え、前記遮蔽層が少くとも前記間隔Ｓ＿１のオーダの
   厚さを有する請求項５記載の表面横波装置。
8. （８）前記上部表面層上に前記液体中で検出されるべき
   溶質類に結合する結合層を備えるようにした請求項５記
   載の表面横波装置。