JP6286768B2 - Surface acoustic wave sensor - Google Patents
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Description
本発明は、弾性表面波センサに関する。 The present invention relates to a surface acoustic wave sensor.
液相系のバイオセンサとして、特許文献1に記載のSAW(Surface Acoustic Wave;弾性表面波)センサが知られている。特許文献1記載の弾性表面波センサでは、2つの弾性表面波センサ素子を設け、それぞれの弾性表面センサに個別に基準信号を与え、出力信号(第1の測定信号、第2の測定信号)の差分に基づいて、検体である液体中に含まれる抗原を特定する方式を採用している。 A SAW (Surface Acoustic Wave) sensor described in Patent Document 1 is known as a liquid phase biosensor. In the surface acoustic wave sensor described in Patent Literature 1, two surface acoustic wave sensor elements are provided, a reference signal is individually given to each of the surface acoustic sensors, and output signals (first measurement signal and second measurement signal) are output. Based on the difference, a method for identifying an antigen contained in a liquid as a specimen is adopted.
図5は、検体である液体中に含まれる抗原を特定する方式に用いるSAWセンサ100の平面構造を示す図である。また、図6は、検体である液体中に含まれる抗原を特定する方式について説明するための図である。
図5において、SAWセンサ100_1は、圧電素子基板上に形成される、IDT11−1(送信電極11−1a、送信電極11−1b)、IDT11−2(受信電極11−2a、受信電極11−2b)、チャネル領域(反応領域薄膜)Aを含んで構成される。また、SAWセンサ100_2は、圧電素子基板上に形成される、IDT11−3(送信電極11−3a、送信電極11−3b)、IDT11−4(受信電極11−4a、受信電極11−4b)、チャネル領域(反応領域薄膜)Bを含んで構成される。ここで、圧電素子基板とは、SAWを伝播する基板であり、例えば、水晶基板である。また、検体である液体が導入される検出領域(センサ表面となる領域)は、圧電素子基板と反応領域薄膜との重なる部分となるが、ここでは反応領域薄膜の全面が検出領域となるものとする。すなわち、SAWセンサ100は、SAWセンサ100_1とSAWセンサ100_2とを有し、チャネル領域A、及びチャネル領域Bが、それぞれの検出領域である。
FIG. 5 is a diagram showing a planar structure of the SAW sensor 100 used in a method for identifying an antigen contained in a liquid that is a specimen. FIG. 6 is a diagram for explaining a method for identifying an antigen contained in a liquid as a specimen.
In FIG. 5, the SAW sensor 100_1 includes IDT 11-1 (transmission electrode 11-1a, transmission electrode 11-1b), IDT 11-2 (reception electrode 11-2a, reception electrode 11-2b) formed on the piezoelectric element substrate. ) And a channel region (reaction region thin film) A. In addition, the SAW sensor 100_2 is formed on the piezoelectric element substrate, IDT 11-3 (transmission electrode 11-3a, transmission electrode 11-3b), IDT 11-4 (reception electrode 11-4a, reception electrode 11-4b), A channel region (reaction region thin film) B is included. Here, the piezoelectric element substrate is a substrate that propagates SAW, for example, a quartz substrate. In addition, the detection region (region that becomes the sensor surface) into which the liquid as the specimen is introduced is a portion where the piezoelectric element substrate and the reaction region thin film overlap, but here the entire surface of the reaction region thin film becomes the detection region. To do. That is, the SAW sensor 100 includes the SAW sensor 100_1 and the SAW sensor 100_2, and the channel region A and the channel region B are the detection regions.
図6を参照して、SAWセンサ100を用いた溶液測定に使用するセンサ回路20は、交流信号源21、RFスイッチ22、位相・振幅検出回路23、PC24(Personal Computer)を含んで構成される。図6において、センサ回路20には、SAWセンサ1に代えてSAWセンサ100が取り付けられ、抗原が特定される。
交流信号源21は、正弦波交流信号を生成し、RFスイッチ22を介してSAWセンサ100の送信電極IDT11−1または送信電極IDT11−3のいずれか一方、及び位相・振幅検出回路23に出力する。
位相・振幅検出回路23は、SAWセンサ100の受信電極IDT11−2または受信電極IDT11−4のいずれか一方から入力された検出信号、及び交流信号源21からの正弦波交流信号に基づいて、検出信号の入力までに要した伝播時間による位相変化と振幅の減衰量を検出する。位相・振幅検出回路23は、検出した位相変化と振幅の減衰量をPC24に出力する。PC24は、位相・振幅検出回路23から入力された位相変化と振幅の減衰量に基づいて、表面の抗体と特異的に反応した溶液中の抗原の量と種類を特定する。
Referring to FIG. 6, a sensor circuit 20 used for solution measurement using SAW sensor 100 includes an AC signal source 21, an RF switch 22, a phase / amplitude detection circuit 23, and a PC 24 (Personal Computer). . In FIG. 6, a SAW sensor 100 is attached to the sensor circuit 20 instead of the SAW sensor 1, and an antigen is specified.
The AC signal source 21 generates a sine wave AC signal and outputs it to the transmission electrode IDT 11-1 or the transmission electrode IDT 11-3 of the SAW sensor 100 and the phase / amplitude detection circuit 23 via the RF switch 22. .
The phase / amplitude detection circuit 23 detects based on the detection signal input from either the reception electrode IDT 11-2 or the reception electrode IDT 11-4 of the SAW sensor 100 and the sine wave AC signal from the AC signal source 21. Detects phase change and amplitude attenuation due to propagation time required for signal input. The phase / amplitude detection circuit 23 outputs the detected phase change and amplitude attenuation amount to the PC 24. The PC 24 specifies the amount and type of the antigen in the solution that specifically reacts with the surface antibody based on the phase change and the amplitude attenuation amount input from the phase / amplitude detection circuit 23.
上記の構成により、SAWセンサ100は、以下に説明するように、検体である液体中に含まれる抗原を特定することができる。すなわち、SAWは、圧電素子基板の表面近傍に集中して伝播する音響波である。圧電素子基板は、その表面に物質が吸着すると、その表面の単位体積当たりの質量と粘性が変化する。その結果、SAWの伝播速度と振幅が変化する。従って、SAWの伝播時間が変化し、振幅の減衰量が変化する。検体である液体中に含まれる抗原を特定するには、位相の変化量と振幅の減衰量の変化量を利用して溶液中に含まれる抗原を測定する。 With the above configuration, the SAW sensor 100 can specify an antigen contained in a liquid that is a specimen, as described below. That is, SAW is an acoustic wave that propagates in the vicinity of the surface of the piezoelectric element substrate. When a substance is adsorbed on the surface of the piezoelectric element substrate, the mass and viscosity per unit volume of the surface change. As a result, the propagation speed and amplitude of the SAW change. Therefore, the propagation time of SAW changes, and the amount of amplitude attenuation changes. In order to identify the antigen contained in the liquid as the specimen, the antigen contained in the solution is measured using the amount of change in phase and the amount of change in amplitude attenuation.
まず、SAWセンサ100の測定者は、抗原を含まない溶媒をSAWセンサ100のチャネル領域Bに滴下し、反応領域薄膜上を溶媒で濡らし、SAWの伝播時間による位相変化を測定する(ブランクテスト)。次に、測定者は、抗原を含んだ溶液を、SAWセンサ100のチャネル領域Aに滴下し、その伝播時間による位相変化を測定する。溶媒に対応する位相変化と溶液に対応する位相変化との差が、抗原抗体反応によって反応領域薄膜に生成した抗原抗体結合物に起因する位相の変化量となる。PC24は、ブランクテストをした時の位相変化をメモリ内に記憶しておき、この位相変化と、溶液を滴下して得られる位相変化との差を算出することで、位相の変化量を算出する(差動検出)。PC24は、位相の変化量に基づいて、溶液に含まれる抗原を特定する。振幅の減衰量についても同様であり、振幅の減衰量の変化量に基づいて、溶液に含まれる抗原を特定する(例えば、非特許文献1参照)。 First, the measurer of the SAW sensor 100 drops a solvent not containing an antigen onto the channel region B of the SAW sensor 100, wets the reaction region thin film with the solvent, and measures the phase change due to the SAW propagation time (blank test). . Next, the measurer drops the solution containing the antigen onto the channel region A of the SAW sensor 100 and measures the phase change due to the propagation time. The difference between the phase change corresponding to the solvent and the phase change corresponding to the solution is the amount of phase change caused by the antigen-antibody conjugate produced in the reaction region thin film by the antigen-antibody reaction. The PC 24 stores the phase change at the time of the blank test in the memory, and calculates the difference in phase by calculating the difference between this phase change and the phase change obtained by dropping the solution. (Differential detection). The PC 24 identifies the antigen contained in the solution based on the phase change amount. The same applies to the amount of attenuation of the amplitude, and the antigen contained in the solution is specified based on the amount of change in the amount of attenuation of the amplitude (see, for example, Non-Patent Document 1).
ブランクテストによる測定以外に差動検出としては、以下の方法を用いることが可能である。チャネル領域Aは検体である抗原を検出するため、抗原に対応した分子認識を行う抗体を固定しておく。また、チャネルB領域は、抗原に対応した分子認識を行わない膜を固定しておく、または、分子認識を行う抗原に対応した抗体を固定した後にその抗体の抗体としての機能を不活性化させる膜を固定しておく。 In addition to the measurement by the blank test, the following method can be used as the differential detection. In the channel region A, in order to detect an antigen as a specimen, an antibody that performs molecular recognition corresponding to the antigen is immobilized. In addition, the channel B region fixes a membrane that does not perform molecular recognition corresponding to the antigen, or inactivates the function of the antibody as an antibody after fixing the antibody corresponding to the antigen that performs molecular recognition. Keep the membrane fixed.
測定者は、抗原を含んだ溶液を、SAWセンサ100のチャネル領域Aとチャネル領域B共に滴下し、その伝搬時間による位相変化を測定する。チャネル領域Bは分子認識を行わないため抗原を含まない溶媒のみの変化となり、チャネル領域Aはチャネル領域Bでの溶媒の変化と抗原抗体結合物に起因する位相の変化量となる。上記、チャネル領域Aとチャネル領域Bの変化は抗原抗体結合物に起因する位相の変化量のみとして検出可能である(差動検出)。 The measurer drops the solution containing the antigen together with the channel region A and the channel region B of the SAW sensor 100, and measures the phase change due to the propagation time. Since the channel region B does not perform molecular recognition, only the solvent not containing the antigen changes, and the channel region A becomes the amount of change in the solvent in the channel region B and the phase change caused by the antigen-antibody conjugate. The change in the channel region A and the channel region B can be detected only as a phase change amount caused by the antigen-antibody conjugate (differential detection).
しかしながら、上述した方式では、大きな外乱による変化量によって、目的とする抗原を特定するための変化量が検出できなくなるという問題があった。ここで言う大きな外乱とは、SAWセンサ100が空気に晒されている空気負荷の状態から、サンプル(抗原を含む溶液)を滴下される状態に変化する際に生じる変化をいう。弾性表面波センサは、溶液の有する密度や粘性を検出するため、サンプルの滴下により、常に大きな変化、すなわち外乱が発生する。上述した検体である液体中に含まれる抗原を特定する方式では、チャネル領域A、及びチャネル領域Bにおいて、略同じ量の外乱が生じる。そのため、この外乱による変化量にばらつきがなければ、チャネル領域Aにおいて生じる抗原抗体反応での変化量からチャネル領域Bにおいては発生しない抗原抗体反応での変化量の差分を算出し、抗原の特定が可能となる。 However, the above-described method has a problem that a change amount for specifying the target antigen cannot be detected due to a change amount due to a large disturbance. The large disturbance here refers to a change that occurs when the SAW sensor 100 is changed from an air-loaded state in which the SAW sensor 100 is exposed to air to a state in which a sample (solution containing an antigen) is dropped. Since the surface acoustic wave sensor detects the density and viscosity of the solution, a large change, that is, a disturbance always occurs when the sample is dropped. In the above-described method for identifying the antigen contained in the liquid that is the specimen, the channel region A and the channel region B cause substantially the same amount of disturbance. Therefore, if there is no variation in the amount of change due to this disturbance, the difference between the amount of change in the antigen-antibody reaction that does not occur in the channel region B is calculated from the amount of change in the antigen-antibody reaction that occurs in the channel region A. It becomes possible.
しかしながら、外乱による変化量はチャネル領域Aにおいて生じる抗原抗体反応での変化量に比べて大きいため、外乱による変化量のばらつきも抗原抗体反応での変化量のばらつきに比べて大きくなる。従って、外乱による変化量のばらつきが大きく、抗原抗体反応での変化量と同じ程度になると、抗原抗体反応での変化量を検出できず、目的とする抗原を特定するための変化量が検出できなくなってしまう。 However, since the amount of change due to the disturbance is larger than the amount of change in the antigen-antibody reaction that occurs in the channel region A, the variation in the amount of change due to the disturbance is also larger than the variation in the amount of change in the antigen-antibody reaction. Therefore, if the amount of change due to disturbance is large and the same amount as the amount of change in the antigen-antibody reaction, the amount of change in the antigen-antibody reaction cannot be detected, and the amount of change to identify the target antigen can be detected. It will disappear.
また、上述した差動検出では、チャネル領域Aとチャネル領域Bとで、個別の表面構造が必要となるため、測定が煩雑であるという問題があった。つまり、チャネル領域Aでは、抗原を含んだ溶液を滴下し、一方、チャネル領域Bでは抗原を含まない溶媒を滴下することになるため、滴下するものを取り換える作業が必要となり、測定が煩雑になるという問題があった。
また、略同じ量の外乱による変換量をそのままキャンセルするため、チャネル領域Aとチャネル領域Bは同じ面積で構成する必要があるため、SAWセンサ100のサイズが増大するという問題があった。
Further, the above-described differential detection has a problem that the measurement is complicated because separate surface structures are required for the channel region A and the channel region B. That is, in the channel region A, a solution containing an antigen is dropped, while in the channel region B, a solvent that does not contain an antigen is dropped. Therefore, it is necessary to replace the dropped one, and the measurement becomes complicated. There was a problem.
Further, since the conversion amount due to the substantially same amount of disturbance is canceled as it is, it is necessary to configure the channel region A and the channel region B with the same area.
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、測定の精度を向上できるとともに、簡易に測定でき、かつ、検出領域の小さい弾性表面波センサを提供する。 The present invention has been made in view of the above points, and provides a surface acoustic wave sensor that can improve measurement accuracy, can be easily measured, and has a small detection region.
(1)本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、測定対象における目標の変化量が外乱による変化量に対して小さな場合において、差動検出を行うために、第1弾性表面波素子と、第2弾性表面波素子とを有し、前記第2弾性表面波素子の伝搬距離を前記第1弾性表面波素子の伝搬距離に対して、前記第2弾性表面波素子での測定対象の変化量を弾性表面波センサの検出限界より小さく設定する、ことを特徴とする弾性表面波センサである。
(2)また、本発明の一態様は、測定対象における目標の変化量が外乱による変化量に対して小さな場合において、差動検出を行うために、第1弾性表面波素子と、第2弾性表面波素子とを有し、前記第2弾性表面波素子の伝搬距離を前記第1弾性表面波素子の伝搬距離に対して、外乱と測定対象の変化量の比率と、前記第2弾性表面波素子での測定対象の変化量を弾性表面波センサの検出限界より小さく設定する、ことを特徴とする弾性表面波センサである。
(3)また、本発明の一態様は、上記の弾性表面波センサにおいて、1つの入力電極と、2つの出力電極により構成される、ことを特徴とする。
(4)また、本発明の一態様は、上記の弾性表面波センサにおいて1つの入出力電極と、反射器により構成される、ことを特徴とする。
(5)また、本発明の一態様は、測定対象における目標の変化量が抗原抗体反応による変化であり、外乱による変化量が、負荷が空気である状態と負荷が試料用水である状態との間における変化である、ことを特徴とする。
(1) The present invention has been made to solve the above-described problems, and one aspect of the present invention provides differential detection when a target change amount in a measurement target is small relative to a change amount due to a disturbance. In order to carry out, a first surface acoustic wave element and a second surface acoustic wave element are provided, and the propagation distance of the second surface acoustic wave element is set to the propagation distance of the first surface acoustic wave element. The surface acoustic wave sensor is characterized in that a change amount of a measurement object in the two surface acoustic wave elements is set smaller than a detection limit of the surface acoustic wave sensor.
( 2 ) Further, according to one aspect of the present invention, the first surface acoustic wave element and the second elasticity are used to perform differential detection when the target change amount in the measurement target is small relative to the change amount due to the disturbance. A surface acoustic wave element, a propagation distance of the second surface acoustic wave element with respect to a propagation distance of the first surface acoustic wave element, a ratio of a change amount of a disturbance and a measurement object, and the second surface acoustic wave The surface acoustic wave sensor is characterized in that a change amount of a measurement object in the element is set to be smaller than a detection limit of the surface acoustic wave sensor.
( 3 ) Further, one embodiment of the present invention is characterized in that the surface acoustic wave sensor includes one input electrode and two output electrodes.
( 4 ) One embodiment of the present invention is characterized in that the surface acoustic wave sensor includes one input / output electrode and a reflector.
( 5 ) Further, according to one aspect of the present invention, the target change amount in the measurement target is a change due to the antigen-antibody reaction, and the change amount due to the disturbance is a state in which the load is air and a state in which the load is sample water. It is a change between.
本発明によれば、測定の精度を向上できるとともに簡易に測定でき、かつ、検出領域の小さい弾性表面波センサを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a surface acoustic wave sensor that can improve measurement accuracy, can be easily measured, and has a small detection region.
(第1の実施形態)
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図1は、本実施形態に係るSAWセンサ1(弾性表面波センサ)の概略的な上面図である。また、図2は、SAWセンサ1の概略的な断面図である。なお、図1において、図5と同一の部分には同一の符号を付している。また、図2は、図1に示すSAWセンサ1_1(第1弾性表面波素子)をSAWの伝搬方向に沿って切断した場合の断面図を示している。
図1に示すように、SAWセンサ1は、同じ圧電素子基板10上に形成されるSAWセンサ1_1、及びSAWセンサ1_2(第2弾性表面波素子)を有している。また、図1、及び図2を参照して、SAWセンサ1_1は、送信電極11−1a、送信電極11−1b、受信電極11−2a、受信電極11−2b、反応領域薄膜12(チャネル領域A)、多孔性基材13、封止構造14_1、及び封止構造14_2を含んで構成される。また、SAWセンサ1_2は、送信電極11−3a、送信電極11−3b、受信電極11−4a、受信電極11−4b、反応領域薄膜(チャネル領域R)、多孔性基材13、封止構造14_3(図1、2において不図示)、及び封止構造14_4(図1、2において不図示)を含んで構成される。
圧電素子基板は、SAWを伝播する基板であり、例えば、水晶基板である。
(First embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic top view of a SAW sensor 1 (surface acoustic wave sensor) according to the present embodiment. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the SAW sensor 1. In FIG. 1, the same parts as those in FIG. FIG. 2 shows a cross-sectional view of the SAW sensor 1_1 (first surface acoustic wave element) shown in FIG. 1 cut along the SAW propagation direction.
As shown in FIG. 1, the SAW sensor 1 includes a SAW sensor 1_1 and a SAW sensor 1_2 (second surface acoustic wave element) formed on the same piezoelectric element substrate 10. 1 and 2, the SAW sensor 1_1 includes a transmission electrode 11-1a, a transmission electrode 11-1b, a reception electrode 11-2a, a reception electrode 11-2b, a reaction region thin film 12 (channel region A). ), A porous substrate 13, a sealing structure 14_1, and a sealing structure 14_2. The SAW sensor 1_2 includes a transmission electrode 11-3a, a transmission electrode 11-3b, a reception electrode 11-4a, a reception electrode 11-4b, a reaction region thin film (channel region R), a porous substrate 13, and a sealing structure 14_3. (Not shown in FIGS. 1 and 2) and a sealing structure 14_4 (not shown in FIGS. 1 and 2).
The piezoelectric element substrate is a substrate that propagates SAW, for example, a quartz substrate.
送信電極11−1a、及び送信電極11−1bは、送信側電極部を構成する櫛歯状のパターンにより形成された金属電極である。また、送信電極11−3a、及び送信電極11−3bは、送信側電極部を構成する櫛歯状のパターンにより形成された金属電極である。以下、送信電極11−1a、及び送信電極11−1bを総称してIDT11−1と呼び、送信電極11−3a、及び送信電極11−3bを総称してIDT11−3と呼ぶものとする。
また、受信電極11−2a、及び受信電極11−2bは、受信側電極部を構成する櫛歯状のパターンにより形成された金属電極である。また、受信電極11−4a、及び受信電極11−4bは、受信側電極部を構成する櫛歯状のパターンにより形成された金属電極である。以下、受信電極11−2a、及び受信電極11−2bを総称してIDT11−2と呼び、受信電極11−4a、及び受信電極11−4bを総称してIDT11−4と呼ぶものとする。
IDT11−1、及びIDT11−2(総称してIDT11_1と呼ぶ)、IDT11−3、及びIDT11−4(総称してIDT11_2と呼ぶ)は、それぞれ圧電素子基板上に構成される電極である。IDT11_1、IDT11_2は、それぞれ対向した一対の電極である。IDT11_1、IDT11_2、IDT11−3、及びIDT11−4は、それぞれ例えばアルミニウム薄膜によって構成される。
The transmission electrode 11-1a and the transmission electrode 11-1b are metal electrodes formed by a comb-like pattern constituting the transmission-side electrode unit. The transmission electrode 11-3a and the transmission electrode 11-3b are metal electrodes formed by a comb-like pattern that constitutes the transmission-side electrode unit. Hereinafter, the transmission electrode 11-1a and the transmission electrode 11-1b are collectively referred to as IDT 11-1, and the transmission electrode 11-3a and the transmission electrode 11-3b are collectively referred to as IDT 11-3.
In addition, the reception electrode 11-2a and the reception electrode 11-2b are metal electrodes formed by a comb-like pattern constituting the reception-side electrode unit. The reception electrode 11-4a and the reception electrode 11-4b are metal electrodes formed by a comb-like pattern that constitutes the reception-side electrode unit. Hereinafter, the reception electrode 11-2a and the reception electrode 11-2b are collectively referred to as IDT 11-2, and the reception electrode 11-4a and the reception electrode 11-4b are collectively referred to as IDT 11-4.
IDT11-1, IDT11-2 (collectively referred to as IDT11_1), IDT11-3, and IDT11-4 (collectively referred to as IDT11_2) are electrodes configured on the piezoelectric element substrate, respectively. IDT11_1 and IDT11_2 are a pair of electrodes facing each other. IDT11_1, IDT11_2, IDT11-3, and IDT11-4 are each made of, for example, an aluminum thin film.
図2を参照して、多孔性基材13は、反応領域薄膜12に接して設けられる基材である。多孔性基材13は、例えばニトロセルロースなどの物質から構成される。多孔性基材13は、反応領域薄膜12を完全に覆うように固定される。多孔性基材13は、例えば、反応領域薄膜12の外側の四隅に接着して固定される。多孔性基材13は、滴下された溶液を保持し、その内部、及び表面に溶液を浸潤させる。
多孔性基材13は、滴下された溶液を、毛細管現象により多孔性基材13内及び反応領域薄膜12の表面に移送し、保持する。
つまり、SAWセンサ1_1は、滴下された溶液を多孔性基材13内部及び反応領域薄膜12の表面に保持する。
With reference to FIG. 2, porous substrate 13 is a substrate provided in contact with reaction region thin film 12. The porous substrate 13 is made of a material such as nitrocellulose. The porous substrate 13 is fixed so as to completely cover the reaction region thin film 12. For example, the porous base material 13 is bonded and fixed to the outer four corners of the reaction region thin film 12. The porous substrate 13 holds the dropped solution, and infiltrates the solution into the inside and the surface thereof.
The porous substrate 13 transfers and holds the dropped solution to the inside of the porous substrate 13 and the surface of the reaction region thin film 12 by capillary action.
That is, the SAW sensor 1_1 holds the dropped solution inside the porous substrate 13 and the surface of the reaction region thin film 12.
SAWセンサ1_1では、多孔性基材13内を移送された溶液は、反応領域薄膜12の特定の領域を濡らす。ここで、特定の領域とは、多孔性基材13と反応領域薄膜12との重なる部分によって面積が定められる領域である。例えば、反応領域薄膜12の全面を多孔性基材13で覆う場合、反応領域薄膜12の全領域となる。本実施形態では、反応領域薄膜12の全領域を、図1に示すように、チャネル領域Aと呼ぶものとする。
溶液中の抗原は、チャネル領域A上に担持された抗体と反応し、チャネル領域A上の特定領域に抗原抗体結合物を生成する。
すなわち、チャネル領域Aでは、その表面に抗原を含んだ液体試料を滴下することにより、チャネル領域A上に担持された抗体と、液体試料中の抗原との間で抗原抗体反応が起こる。その結果、チャネル領域A上には、チャネル領域A上に担持した抗体と抗原が結合した抗原抗体結合物が生成する。なお、チャネル領域Aは、金以外であっても抗体を担持できるものであればいかなるものでもよい。
In the SAW sensor 1_1, the solution transferred in the porous substrate 13 wets a specific region of the reaction region thin film 12. Here, the specific region is a region whose area is determined by the overlapping portion of the porous substrate 13 and the reaction region thin film 12. For example, when the entire surface of the reaction region thin film 12 is covered with the porous substrate 13, the entire region of the reaction region thin film 12 is obtained. In the present embodiment, the entire region of the reaction region thin film 12 is referred to as a channel region A as shown in FIG.
The antigen in the solution reacts with the antibody carried on the channel region A to generate an antigen-antibody conjugate in a specific region on the channel region A.
That is, in the channel region A, an antigen-antibody reaction occurs between the antibody carried on the channel region A and the antigen in the liquid sample by dropping a liquid sample containing the antigen on the surface thereof. As a result, an antigen-antibody conjugate in which the antibody carried on the channel region A and the antigen are bound to each other is generated on the channel region A. The channel region A may be anything other than gold as long as it can carry antibodies.
SAWセンサ1_2においては、SAWセンサ1_1と同様に、多孔性基材13内を移送された溶液は、反応領域薄膜の特定の領域を濡らす。例えば、反応領域薄膜の全面を多孔性基材13で覆う場合、反応領域薄膜の全領域となる。本実施形態では、反応領域薄膜の全領域を、図1に示すように、チャネル領域Rと呼ぶものとする。
溶液中の抗原は、チャネル領域Aと同じように、チャネル領域R上に担持された抗体と反応し、チャネル領域R上の特定領域に抗原抗体結合物を生成する。
すなわち、チャネル領域Rでは、チャネル領域Aと同じように、その表面に抗原を含んだ液体試料を滴下することにより、チャネル領域R上に担持された抗体と、液体試料中の抗原との間で抗原抗体反応が起こる。その結果、チャネル領域R上には、チャネル領域R上に担持した抗体と抗原が結合した抗原抗体結合物が生成する。なお、チャネル領域Rは、金以外であっても抗体を担持できるものであればいかなるものでもよい。
In the SAW sensor 1_2, similarly to the SAW sensor 1_1, the solution transferred through the porous substrate 13 wets a specific region of the reaction region thin film. For example, when the entire surface of the reaction region thin film is covered with the porous substrate 13, the entire region of the reaction region thin film is formed. In the present embodiment, the entire region of the reaction region thin film is referred to as a channel region R as shown in FIG.
Similar to the channel region A, the antigen in the solution reacts with the antibody carried on the channel region R to generate an antigen-antibody conjugate in a specific region on the channel region R.
That is, in the channel region R, as in the channel region A, a liquid sample containing an antigen is dropped on the surface thereof, so that an antibody supported on the channel region R and an antigen in the liquid sample are separated. An antigen-antibody reaction occurs. As a result, an antigen-antibody conjugate in which an antibody carried on the channel region R and an antigen are bound to each other is generated on the channel region R. The channel region R may be anything other than gold as long as it can carry an antibody.
また、本実施形態において、チャネル領域A、及びチャネル領域RのSAWの伝搬方向の長さは、チャネル領域Aに比べてチャネル領域Rの方が短く設定されている。以下では、図1に示すように、チャネル領域AのSAWの伝搬方向の長さを長さL1、チャネル領域RのSAWの伝搬方向の長さを長さL2とする。なお、長さL2の長さL1に対する比率の設定の仕方については後述する。 In this embodiment, the length of the channel region A and the channel region R in the SAW propagation direction is set shorter in the channel region R than in the channel region A. In the following, as shown in FIG. 1, the length of the SAW propagation direction in the channel region A is defined as length L1, and the length of the SAW propagation direction in the channel region R is defined as length L2. A method of setting the ratio of the length L2 to the length L1 will be described later.
図2を参照して、SAWセンサ1_1における送信電極部側の封止構造14−1は、封止壁15−1と封止天井16−1とを備えている。なお、封止壁15−1と封止天井16−1との間には両者を接着するための接着層が設けられるが、図2においては省略している。封止壁15−1は、IDT11−1を覆う壁であり、圧電素子基板10上に矩形状に形成される。封止壁15−1は、例えば感光性樹脂により構成される。
また、封止天井16−1は、封止壁15−1の上側を塞ぎ、IDT11−1を外部から密閉するための天井である。封止天井16−1は、封止天井16−1の平面領域内に封止壁15−1が収まるように封止壁15−1の上側に配置される。封止天井16−1は、例えばガラス基板で構成される。なお、封止壁15−1と封止天井16−1との間には、不図示の接着層が設けられ、封止壁15−1と封止天井16−1との間を密封して接着する。
封止構造14−1は、IDT11−1を外部から密閉してIDT11−1上に空間を形成するように覆い、IDT11−1が液体と接触することを防ぐ封止構造である。
With reference to FIG. 2, the sealing structure 14-1 on the transmission electrode side in the SAW sensor 1 </ b> _ <b> 1 includes a sealing wall 15-1 and a sealing ceiling 16-1. In addition, although the contact bonding layer for adhere | attaching both is provided between the sealing wall 15-1 and the sealing ceiling 16-1, it is abbreviate | omitting in FIG. The sealing wall 15-1 is a wall that covers the IDT 11-1 and is formed in a rectangular shape on the piezoelectric element substrate 10. The sealing wall 15-1 is made of, for example, a photosensitive resin.
Moreover, the sealing ceiling 16-1 is a ceiling for closing the upper side of the sealing wall 15-1 and sealing the IDT 11-1 from the outside. The sealing ceiling 16-1 is disposed on the upper side of the sealing wall 15-1 so that the sealing wall 15-1 is accommodated in the planar area of the sealing ceiling 16-1. The sealed ceiling 16-1 is made of, for example, a glass substrate. An adhesive layer (not shown) is provided between the sealing wall 15-1 and the sealing ceiling 16-1, and the space between the sealing wall 15-1 and the sealing ceiling 16-1 is sealed. Glue.
The sealing structure 14-1 is a sealing structure that covers the IDT 11-1 from the outside so as to form a space on the IDT 11-1 and prevents the IDT 11-1 from coming into contact with the liquid.
また、SAWセンサ1_1における受信電極部側の封止構造14−2は、封止構造14−1と同様に、封止壁15−2と封止天井16−2とを備え、IDT11−2を外部から密閉してIDT11−2上に空間を形成するように覆い、IDT11−2が液体と接触することを防ぐ封止構造である。
これら封止構造14−1、及び封止構造14−2により、検出領域における雰囲気(例えば湿度)の変化があったとしても、IDT11−1、及びIDT11−2は、その影響を受けにくくなる。
SAWセンサ1_2は、SAセンサ1_1と同様に、IDT11_3を保護するため、封止構造14−1と同様の封止構造14−3、IDT11_3を保護する封止構造14−2と同様の封止構造14−4を有している。
Further, the sealing structure 14-2 on the receiving electrode portion side in the SAW sensor 1_1 includes a sealing wall 15-2 and a sealing ceiling 16-2 in the same manner as the sealing structure 14-1, and includes an IDT 11-2. It is a sealing structure that covers the IDT 11-2 so as to form a space on the IDT 11-2 and prevents the IDT 11-2 from coming into contact with the liquid.
Even if there is a change in the atmosphere (for example, humidity) in the detection region, the IDT 11-1 and the IDT 11-2 are less affected by the sealing structure 14-1 and the sealing structure 14-2.
The SAW sensor 1_2, like the SA sensor 1_1, protects the IDT 11_3, so that the sealing structure 14-3 is the same as the sealing structure 14-1, and the sealing structure 14-2 is the same as the sealing structure 14-2 that protects the IDT 11_3. 14-4.
IDT11−1、及びIDT11−3のいずれか一方は、RFスイッチ22を介して正弦波交流信号が入力される。IDT11−1、及びIDT11−3のいずれか一方は、入力された正弦波交流信号に対応するSAWを圧電素子基板の表面に励起する。IDT11−2、及びIDT11−4のいずれか一方は、圧電素子基板10の表面を伝播してきたSAWを電気信号に変換する。IDT11−2、及びIDT11−4のいずれか一方は、受信した電気信号(検出信号と呼ぶ)を後述する位相・振幅検出回路23に出力する。
SAWセンサ1の測定者が、例えば、チャネル領域A、チャネル領域Rの上の多孔性基材に溶液を滴下すると、それぞれの多孔性基材は、滴下された溶液を、毛細管現象により多孔性基材の内部及びチャネル領域A、チャネル領域Rのそれぞれの表面に移送し、保持する。
つまり、多孔性基材が、平面視において検出領域に重ならない部分を有していても、多孔性基材が溶液をチャネル領域A、チャネル領域Rの表面に移送し、保持することで、チャネル領域A、チャネル領域Rを、滴下された溶液により濡らすことができる。
Any one of IDT 11-1 and IDT 11-3 receives a sine wave AC signal via the RF switch 22. One of IDT 11-1 and IDT 11-3 excites SAW corresponding to the input sinusoidal AC signal on the surface of the piezoelectric element substrate. One of IDT 11-2 and IDT 11-4 converts the SAW propagated on the surface of the piezoelectric element substrate 10 into an electrical signal. One of IDT 11-2 and IDT 11-4 outputs the received electrical signal (referred to as a detection signal) to a phase / amplitude detection circuit 23 described later.
When the measurer of the SAW sensor 1 drops a solution onto, for example, the porous substrate on the channel region A and the channel region R, each porous substrate removes the dropped solution by a capillary phenomenon by a capillary phenomenon. It is transported and held inside the material and on the respective surfaces of the channel region A and channel region R.
That is, even if the porous substrate has a portion that does not overlap the detection region in plan view, the porous substrate transfers the solution to the surface of the channel region A and the channel region R and holds the channel. Region A and channel region R can be wetted by the dropped solution.
SAWセンサ1を用いた溶液測定には、図6に示すセンサ回路20が使用される。
センサ回路20は、SAWセンサ1、交流信号源21、RFスイッチ22、位相・振幅検出回路23、PC24を含んで構成される。
交流信号源21は、例えば、250MHzの正弦波交流信号を発生する。この正弦波交流信号は、RFスイッチ22によりSAWセンサ1のIDT11−1、及びIDT11−3のいずれか一方と、位相・振幅検出回路23とに出力する。
なお、SAWセンサ1から出力される信号に含まれる主とする信号以外の直達波や他のバルク波などを含むノイズ等の妨害信号が十分に小さい場合には、交流信号源21からの正弦波交流信号は連続波でよい。しかしながら、直達波やバルク波などを含むノイズ等の妨害信号が大きい場合には、正弦波交流信号を周期的なバースト信号に変換して、SAWセンサ1に入力してもよい。このバースト信号の周期は、例えば、SAWが圧電素子基板10の表面のIDT11−1からIDT11−2までの間を進行するのに要する時間より大きくなるようにする。バースト信号に変換するには、図示しない既知のバースト回路を交流信号源21の直後に直列に挿入する。
A sensor circuit 20 shown in FIG. 6 is used for solution measurement using the SAW sensor 1.
The sensor circuit 20 includes a SAW sensor 1, an AC signal source 21, an RF switch 22, a phase / amplitude detection circuit 23, and a PC 24.
The AC signal source 21 generates, for example, a 250 MHz sine wave AC signal. This sine wave AC signal is output by the RF switch 22 to either the IDT 11-1 or IDT 11-3 of the SAW sensor 1 and the phase / amplitude detection circuit 23.
In the case where interference signals such as noise including direct waves other than the main signal included in the signal output from the SAW sensor 1 and other bulk waves are sufficiently small, a sine wave from the AC signal source 21 is used. The AC signal may be a continuous wave. However, when a disturbance signal such as a noise including a direct wave or a bulk wave is large, the sine wave AC signal may be converted into a periodic burst signal and input to the SAW sensor 1. The period of the burst signal is set to be longer than the time required for the SAW to travel between IDT 11-1 and IDT 11-2 on the surface of the piezoelectric element substrate 10, for example. In order to convert to a burst signal, a known burst circuit (not shown) is inserted in series immediately after the AC signal source 21.
位相・振幅検出回路23は、SAWセンサ1のIDT11−2、及びIDT11−4のいずれか一方から入力された検出信号、及び交流信号源21から入力された正弦波交流信号に基づいて、SAWが圧電素子基板を伝播するのに要した時間である伝播時間による位相変化と振幅変化を算出する。具体的には、位相・振幅検出回路23は、正弦波交流信号の入力から、検出信号の入力までに要した伝播時間による位相変化と振幅の減衰量を検出する。位相・振幅検出回路23は、検出した位相変化と振幅の減衰量をPC24に出力する。
PC24は、位相・振幅検出回路23から入力された位相変化と振幅の減衰量に基づいて、表面の抗体と特異的に反応した溶液中の抗原の量と種類を判定し、判定結果を表示する。
The phase / amplitude detection circuit 23 generates a SAW signal based on a detection signal input from one of the IDT 11-2 and IDT 11-4 of the SAW sensor 1 and a sine wave AC signal input from the AC signal source 21. A phase change and an amplitude change according to the propagation time, which is the time required to propagate through the piezoelectric element substrate, are calculated. Specifically, the phase / amplitude detection circuit 23 detects a phase change and an amplitude attenuation amount due to a propagation time required from the input of the sine wave AC signal to the input of the detection signal. The phase / amplitude detection circuit 23 outputs the detected phase change and amplitude attenuation amount to the PC 24.
The PC 24 determines the amount and type of the antigen in the solution that specifically reacts with the surface antibody based on the phase change and amplitude attenuation input from the phase / amplitude detection circuit 23 and displays the determination result. .
ここで、SAWの位相変化と振幅の減衰量について説明する。SAWは、圧電素子基板10の表面近傍に集中して伝播する音響波である。圧電素子基板10は、その表面に物質が吸着すると、その表面の単位体積当たりの質量と粘性が変化する。その結果、SAWの伝播速度と振幅が変化する。従って、SAWの伝播時間が変化し、振幅の減衰量が変化する。本実施形態では、位相の変化量と振幅の減衰量の変化量を利用して溶液中に含まれる抗原を測定する。
具体的には、SAWセンサ1の測定者は、従来と相違して、図1に示すチャネル領域A、及びチャネル領域Rのいずれの領域にも、その上にある多孔性基材に抗原を含んだ溶液を滴下し、チャネル領域A、及びチャネル領域Rの上を溶液で濡らし、SAWの伝播時間による位相変化をチャネル毎に測定する。チャネル領域Aにおける位相変化とチャネル領域Rにおける位相変化との差が、抗原抗体反応によってチャネル領域Aに生成した抗原抗体結合物に起因する位相の変化量となる。
Here, the phase change of SAW and the attenuation amount of amplitude will be described. SAW is an acoustic wave that propagates in the vicinity of the surface of the piezoelectric element substrate 10 in a concentrated manner. When a substance is adsorbed on the surface of the piezoelectric element substrate 10, the mass and viscosity per unit volume of the surface change. As a result, the propagation speed and amplitude of the SAW change. Therefore, the propagation time of SAW changes, and the amount of amplitude attenuation changes. In the present embodiment, the antigen contained in the solution is measured using the amount of phase change and the amount of amplitude attenuation.
Specifically, unlike the prior art, the measurer of the SAW sensor 1 includes the antigen in the porous substrate on the channel region A and the channel region R shown in FIG. The solution is dropped, the channel region A and the channel region R are wetted with the solution, and the phase change due to the SAW propagation time is measured for each channel. The difference between the phase change in the channel region A and the phase change in the channel region R is the amount of phase change caused by the antigen-antibody conjugate produced in the channel region A by the antigen-antibody reaction.
PC24は、チャネル領域Aの位相変化をメモリ内に記憶しておき、この位相変化と、チャネル領域Rの位相変化との差を算出することで、位相の変化量を算出する。PC24は、位相の変化量に基づいて、溶液に含まれる抗原を特定する。振幅の減衰量についても同様であり、振幅の減衰量の変化量に基づいて、溶液に含まれる抗原を特定する。 The PC 24 stores the phase change of the channel region A in a memory, and calculates the amount of phase change by calculating the difference between this phase change and the phase change of the channel region R. The PC 24 identifies the antigen contained in the solution based on the phase change amount. The same applies to the attenuation amount of the amplitude, and the antigen contained in the solution is specified based on the change amount of the attenuation amount of the amplitude.
次に、チャネル領域RのSAWの伝搬方向の長さL2を、チャネル領域AのSAWの伝搬方向の長さL1に対して、どのような比率で設定するかについて、詳述する。
なお、以下の説明において、実測のデータとして非特許文献1に記載の実験データを用いる。
まず、本実施形態のチャネル領域Aを例にとると、負荷が空気である状態(溶液が滴下されず、SAWセンサ1が空気に晒されている初期状態、以下空気負荷ともいう)から、負荷が試料用水である状態(例えば、SAWセンサ1に純水を滴下した状態、以下純水負荷ともいう)に移行すると、入力信号に対する出力信号の位相の変化量は20.4dBから38.4dBへと変化する(非特許文献1のFig.3.(a)参照)。すなわち、外乱を受けることによるチャネル領域Aの位相の変化量は18dB(=38.4dB−20.4dB)である。
Next, the ratio of the length L2 in the SAW propagation direction of the channel region R to the length L1 of the SAW propagation direction in the channel region A will be described in detail.
In the following description, experimental data described in Non-Patent Document 1 is used as actually measured data.
First, taking the channel region A of the present embodiment as an example, the load is from the state where the load is air (the initial state where the solution is not dripped and the SAW sensor 1 is exposed to air, hereinafter also referred to as air load). Shifts to a state where water is sample water (for example, a state where pure water is dripped onto the SAW sensor 1, hereinafter also referred to as a pure water load), the amount of change in the phase of the output signal with respect to the input signal changes from 20.4 dB to 38.4 dB (See FIG. 3. (a) of Non-Patent Document 1). That is, the amount of change in the phase of the channel region A due to the disturbance is 18 dB (= 38.4 dB-20.4 dB).
また、チャネル領域Aを、抗原としてHSA(ヒトの血清アルビン)を含む溶液で濡らしたことによる位相の変化量が、Fig.7.(b)に示す検量線に示されている。この検量線は、横軸はHSAの濃度(μg/ml)を示し、縦軸は単位辺りの損失Δα/kを示している。例えば、HSA濃度10μg/mlでは、単位辺りの損失Δα/kは、30ppmとなっている。単位辺りの損失Δα/kは、下記式により、チャネル領域Aにおける位相の変化量である損失A[dB]に変換可能である。
すなわち、
Δα/k=−Aλ×106/(L×8.686×2π)
である。
ここで、Lは滴下する表面の伝搬距離(すなわち、上記L1)であり、λはSAWの波長であり、8.686は所謂Napaerと呼ばれるエネルギー量の単位変換の際の定数である。なお、これらの変換は、図6に示す位相・振幅検出回路23で行うものとする。
例えば、単位辺りの損失Δα/kが30ppmの場合、上記変換式により、チャネル領域Aでの位相の変化量は0.5dBとなる。
In addition, the amount of phase change caused by wetting channel region A with a solution containing HSA (human serum alvin) as an antigen is shown in FIG. 7). It is shown in the calibration curve shown in (b). In this calibration curve, the horizontal axis indicates the concentration of HSA (μg / ml), and the vertical axis indicates the loss Δα / k per unit. For example, when the HSA concentration is 10 μg / ml, the loss Δα / k per unit is 30 ppm. The loss Δα / k per unit can be converted into a loss A [dB] that is a phase change amount in the channel region A by the following equation.
That is,
Δα / k = −Aλ × 10 6 /(L×8.686×2π)
It is.
Here, L is the propagation distance of the dropping surface (ie, L1), λ is the SAW wavelength, and 8.686 is a so-called Napaer constant for unit conversion of energy. These conversions are performed by the phase / amplitude detection circuit 23 shown in FIG.
For example, when the loss Δα / k per unit is 30 ppm, the amount of phase change in the channel region A is 0.5 dB according to the above conversion equation.
ここで、チャネル領域Aでは目的の変化である、抗原抗体反応による小さな変化(上記例では0.5dBの変化量)を検出し、チャネル領域Rでは外乱による大きな変化(上記例では18dBの変化量)を検出するためには、長さL2は長さL1に対して1/36倍の比率であればよい。
例えば、非特許文献1に記載のバイオセンサでは伝搬距離6mmのため、チャネル領域Aの長さL1をL1=6mmとして、チャネル領域Rの長さL2を6mm×1/36=0.167mmとすればよい。このようにすれば、図6に示すセンサ回路20によるSAWセンサ1の測定限界を0.05dB/divとした場合、チャネル領域Rでの抗原抗体反応による位相の変化量は0.5dB×1/36=0.0193dBとなり、チャネル領域Rにおけるバイオ変化(抗原抗体反応)による位相の変化量は測定系により無視することが可能となる。
Here, a small change (0.5 dB change amount in the above example) due to an antigen-antibody reaction, which is a desired change, is detected in the channel region A, and a large change (18 dB change amount in the above example) due to a disturbance in the channel region R. ) May be detected at a ratio of 1/36 times the length L1.
For example, since the biosensor described in Non-Patent Document 1 has a propagation distance of 6 mm, the length L1 of the channel region A is set to L1 = 6 mm, and the length L2 of the channel region R is set to 6 mm × 1/36 = 0.167 mm. That's fine. In this way, when the measurement limit of the SAW sensor 1 by the sensor circuit 20 shown in FIG. 6 is 0.05 dB / div, the amount of phase change due to the antigen-antibody reaction in the channel region R is 0.5 dB × 1 / 36 = 0.0193 dB, and the phase change amount due to the bio-change (antigen-antibody reaction) in the channel region R can be ignored by the measurement system.
以上を概念的にまとめるため、センサ1において、チャネル領域Aでの外乱による位相の変化量(センサ回路20による検出値)をCPext、チャネル領域Aでの抗原抗体反応による位相の変化量(センサ回路20による検出値)をCPreaとする。
すなわち、チャネル領域Aにおける位相の変化量CP_Aは、
CP_A=CPext+CPrea
となる。
一方、位相の変化量CP_Bは、
CP_B=(チャネル領域Rでの外乱による位相の変化量)+(チャネル領域Rでの抗原抗体反応による位相の変化量)
=CPext×(L2/L1)+CPrea×(L2/L1)
となる。
In order to conceptually summarize the above, in sensor 1, the amount of phase change due to disturbance in channel region A (detected value by sensor circuit 20) is CPext, and the amount of phase change due to antigen-antibody reaction in channel region A (sensor circuit) The detection value by 20) is CPrea.
That is, the phase change amount CP_A in the channel region A is
CP_A = CPext + CPrea
It becomes.
On the other hand, the amount of phase change CP_B is:
CP_B = (phase change amount due to disturbance in channel region R) + (phase change amount due to antigen-antibody reaction in channel region R)
= CPext × (L2 / L1) + CPrea × (L2 / L1)
It becomes.
チャネル領域Rでの外乱による位相の変化量は、CPext×(L2/L1)となり、この値はチャネル領域Aでの外乱による位相の変化量に比べ、測定値自体が小さいので、ばらつきの量が小さく、センサ回路20における位相・振幅検出回路23において検出され、PC24に入力される。
一方、チャネル領域Rでの抗原抗体反応による位相の変化量は、CPrea×(L2/L1)となり、この値はチャネル領域Aでの外乱による位相の変化量とは異なり、測定限界以下の値となるので、センサ回路20における位相・振幅検出回路23では検出されず、PC24には入力されない。
The amount of change in phase due to disturbance in the channel region R is CPext × (L2 / L1), and this value is smaller than the amount of change in phase due to disturbance in the channel region A. Small, detected by the phase / amplitude detection circuit 23 in the sensor circuit 20 and input to the PC 24.
On the other hand, the amount of phase change due to the antigen-antibody reaction in the channel region R is CPrea × (L2 / L1). This value is different from the amount of phase change due to disturbance in the channel region A, and is a value below the measurement limit. Therefore, it is not detected by the phase / amplitude detection circuit 23 in the sensor circuit 20 and is not input to the PC 24.
PC24には、チャネル領域Rの位相の変化量として、ばらつきの小さいチャネル領域Rでの外乱による位相の変化量CPext×(L2/L1)が入力され、測定限界以下の値であるチャネル領域Rでの抗原抗体反応による位相の変化量CPrea×(L2/L1)は入力されない。PC24は、このように入力される、ばらつきの小さい外乱による位相の変化量CPext×(L2/L1)を、(L1/L2)倍して、つまりばらつきが少ないまま元の外乱の量に戻して、これをチャネル領域Aにおける位相の変化量CP_Aから減算する。これにより、PC24は、チャネル領域Aでの抗原抗体反応による位相の変化量(センサ回路20による検出値)から、抗原を特定することができる。 The phase change amount CPext × (L2 / L1) due to the disturbance in the channel region R having a small variation is input to the PC 24 as the phase change amount of the channel region R. The amount of phase change CPrea × (L2 / L1) due to the antigen-antibody reaction is not input. The PC 24 multiplies the phase change amount CPext × (L2 / L1), which is input in this way due to disturbance with small variation, to return to the original amount of disturbance with little variation. This is subtracted from the phase change amount CP_A in the channel region A. Thereby, the PC 24 can specify the antigen from the amount of phase change (detected value by the sensor circuit 20) due to the antigen-antibody reaction in the channel region A.
上記のように、本実施形態のSAWセンサ1では、基準信号を入力し、抗原抗体反応が生じることにより第1の測定信号を出力するSA1センサ1_1と、基準信号を入力し、第1弾性表面波素子と同じ前記抗原抗体反応が生じることにより第2の測定信号を出力する第2弾性表面波素子と、を有している。SAWセンサ1は、第1の測定信号と第2の測定信号との位相差、及び振幅比とから抗原抗体反応における変化量を検出して抗原を特定する弾性表面波センサであって、SA1センサ1_1の基準信号を伝搬させる方向の長さL1とSA1センサ1_2の基準信号を伝搬させる方向の長さL2との比率が、SA1センサ1_1における抗原抗体反応において目標とする変化量と、SA1センサ1_1における負荷が空気である状態と負荷が試料用水である状態との間における変化量との比率に応じて設定される、ことを特徴とする。 As described above, in the SAW sensor 1 of the present embodiment, the reference signal is input, the SA1 sensor 1_1 that outputs the first measurement signal when the antigen-antibody reaction occurs, the reference signal is input, and the first elastic surface And a second surface acoustic wave element that outputs a second measurement signal when the same antigen-antibody reaction as that of the wave element occurs. The SAW sensor 1 is a surface acoustic wave sensor that identifies an antigen by detecting a change amount in an antigen-antibody reaction from a phase difference and an amplitude ratio between a first measurement signal and a second measurement signal. The ratio between the length L1 in the direction in which the reference signal 1_1 is propagated and the length L2 in the direction in which the reference signal of the SA1 sensor 1_2 is propagated is a target change amount in the antigen-antibody reaction in the SA1 sensor 1_1, and the SA1 sensor 1_1. It is set according to the ratio of the amount of change between the state in which the load is air and the state in which the load is sample water.
なお、測定限界の値の例えば5倍の値(弾性表面波センサの検出限界値に応じて定まる値)を、測定しやすい損失のレンジと設定して、上記例で言えば0.05dB×5/18dB以下の値とすれば、チャネル領域Bでのバイオ変化は上記と同様無視できる。すなわち、(長さL1/長さL2)を、弾性表面波センサの検出限界値に応じて定まる値の、チャネル領域Aにおける空気負荷と純水負荷との間における変化量に対する値(比率)以下とすれば、上記説明と同様、チャネル領域Aでの抗原の特定を行うことができる。 For example, in the above example, a value of 5 times the measurement limit value (a value determined according to the detection limit value of the surface acoustic wave sensor) is set as a loss range that is easy to measure. If the value is equal to or less than / 18 dB, the bio-change in the channel region B can be ignored as described above. That is, (length L1 / length L2) is equal to or less than the value (ratio) of the value determined according to the detection limit value of the surface acoustic wave sensor with respect to the amount of change between the air load and the pure water load in the channel region A. Then, the antigen can be identified in the channel region A as described above.
本実施形態のSAWセンサ1によれば、チャネル領域Rにおける外乱による変化量のばらつきを抑えることができるので、チャネル領域Aにおける抗原抗体反応での変化量を検出しやすくなり、目的とする抗原を特定するための変化量を検出しやすくすることが可能となる。
また、上述した差動検出では、チャネル領域Aとチャネル領域Rとで、同じ表面構造にできるので、測定が簡易化できる。つまり、チャネル領域A、Bいずれの領域においてもチャネル領域上の多孔性機材に抗原を含んだ溶液を滴下すればよいため、測定を容易に行うことができる。
また、略同じ量の外乱による変換量をそのままキャンセルせず、チャネル領域Rの変化量の値を(長さL1/長さL2)倍すればよいため、チャネル領域Rはチャネル領域Aより小さい面積で構成できるため、SAWセンサ1の検出領域の占有率を低減できる。
このように、本発明によれば、測定の精度を向上できるとともに、簡易に測定でき、かつ、検出領域の小さい弾性表面波センサを提供することができる。
According to the SAW sensor 1 of the present embodiment, variation in the amount of change due to disturbance in the channel region R can be suppressed, so that the amount of change in the antigen-antibody reaction in the channel region A can be easily detected, and the target antigen can be detected. It becomes possible to easily detect the amount of change for identification.
Further, in the above-described differential detection, the channel region A and the channel region R can have the same surface structure, so that the measurement can be simplified. That is, in both the channel regions A and B, since the solution containing the antigen only needs to be dropped onto the porous material on the channel region, the measurement can be easily performed.
Further, the amount of change in the channel region R may be multiplied by (length L1 / length L2) without canceling the conversion amount caused by the substantially same amount of disturbance, so that the channel region R is smaller in area than the channel region A. Therefore, the occupation rate of the detection area of the SAW sensor 1 can be reduced.
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a surface acoustic wave sensor that can improve measurement accuracy, can be easily measured, and has a small detection region.
(第2の実施形態)
以下、図面を参照しながら本発明の第2の実施形態について説明する。
なお、以下に示す各実施形態の説明では、図面において前述と同様な構成については同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施形態では、チャネル領域Aを有するSAWセンサ2_1と、チャネル領域Rを有するSAWセンサ2_2とにおいて、入力電極を共通とする構成について説明する。
(Second Embodiment)
The second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
In the following description of each embodiment, the same components as those described above are denoted by the same reference numerals in the drawings, and description thereof is omitted.
In the present embodiment, a configuration in which an input electrode is shared between the SAW sensor 2_1 having the channel region A and the SAW sensor 2_2 having the channel region R will be described.
図3は、本発明の第2の実施形態に係るSAWセンサ2の構成を示す模式図である。
図3に示すように、SAWセンサ2はSAWセンサ2_1とSAWセンサ2_2とを有する。
図3に示すSAWセンサ2では、図1に示すSAWセンサ1に対して、SAWセンサ1_1のIDT11−1(送信電極11−1a、及び送信電極11−1b)とSAWセンサ1_2のIDT11−3(送信電極11−3a、及び送信電極11−3b)とを共通とし、IDT11−1としている。また、共通化されたIDT11−1を間に挟んで、チャネル領域Aとチャネル領域Rとが互いに反対側に配置されている。
測定に関する方法は、第1の実施形態において説明した測定方法と同じであり、図6に示すセンサ回路20を用いて測定され、チャネル領域Aにおける抗原が特定される。
SAWセンサ2では、入力電極を削減できるので、サイズの小さい弾性表面波センサを提供することができる。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the SAW sensor 2 according to the second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 3, the SAW sensor 2 includes a SAW sensor 2_1 and a SAW sensor 2_2.
In the SAW sensor 2 shown in FIG. 3, compared to the SAW sensor 1 shown in FIG. 1, the IDT 11-1 (transmission electrode 11-1a and transmission electrode 11-1b) of the SAW sensor 1_1 and the IDT 11-3 of the SAW sensor 1_2 ( The transmission electrode 11-3a and the transmission electrode 11-3b) are made common and are IDT11-1. Further, the channel region A and the channel region R are arranged on opposite sides with the common IDT 11-1 interposed therebetween.
The measurement method is the same as the measurement method described in the first embodiment, and measurement is performed using the sensor circuit 20 shown in FIG.
Since the SAW sensor 2 can reduce the number of input electrodes, a surface acoustic wave sensor with a small size can be provided.
(第3の実施形態)
以下、図面を参照しながら本発明の第3の実施形態について説明する。
本実施形態では、SAWセンサ3_1と、SAWセンサ3_2とにおいて、入力電極を共通とし、また、チャネル領域についても共通とする構成について説明する。
図4は、本発明の第3の実施形態に係るSAWセンサ3の構成を示す模式図である。
図4に示すように、SAWセンサ3はSAWセンサ3_1とSAWセンサ3_2とを有する。
図4に示すSAWセンサ3では、図1に示すSAWセンサ1に対して、SAWセンサ1_1のIDT11−1(送信電極11−1a、及び送信電極11−1b)とSAWセンサ1_2のIDT11−3(送信電極11−3a、及び送信電極11−3b)とを共通とし、IDT11−1としている。また、共通化されたIDT11−1と、SAWセンサ3_1のIDT11−2(受信電極11−2a、及び受信電極11−2b)、及びSAWセンサ3_2のIDT11−4(受信電極11−4a、及び受信電極11−4b)電極との間に、チャネル領域Aとチャネル領域Rとを共通化したチャネル領域Cが設けられる。
(Third embodiment)
The third embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
In the present embodiment, a configuration in which the SAW sensor 3_1 and the SAW sensor 3_2 have a common input electrode and a common channel region will be described.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the SAW sensor 3 according to the third embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 4, the SAW sensor 3 includes a SAW sensor 3_1 and a SAW sensor 3_2.
In the SAW sensor 3 shown in FIG. 4, compared to the SAW sensor 1 shown in FIG. 1, the IDT 11-1 (transmission electrode 11-1a and transmission electrode 11-1b) of the SAW sensor 1_1 and the IDT 11-3 of the SAW sensor 1_2 ( The transmission electrode 11-3a and the transmission electrode 11-3b) are made common and are IDT11-1. Also, the common IDT 11-1, the IDT 11-2 (receiving electrode 11-2a and receiving electrode 11-2b) of the SAW sensor 3_1, and the IDT 11-4 (receiving electrode 11-4a and receiving) of the SAW sensor 3_2 are received. Between the electrode 11-4b), a channel region C in which the channel region A and the channel region R are shared is provided.
なお、IDT11−2、及びIDT11−4の高さ(SAWの伝搬方向と垂直な方向の長さ)は、IDT11−1に比べておおよそ半分に設定され、SAWセンサ3の高さがIDT11−1の高さとなるように設定される。
測定に関する方法は、第1の実施形態において説明した測定方法と同じであり、図6に示すセンサ回路20を用いて測定され、チャネル領域Aにおける抗原が特定される。
SAWセンサ2では、入力電極を省略できるとともに、チャネル領域を共通化できるので、さらにサイズの小さい弾性表面波センサを提供することができる。また、チャネル領域C上の多孔性基材に、抗原を含む溶液を滴下すれば、SAWセンサ3_1のチャネル領域とSAWセンサ3_2のチャネル領域において抗原抗体反応が起きるので、測定の際、抗原を含む溶液を滴下するという作業を繰り返し行う必要がなくなり、簡易な測定を行うことができる。
The height of IDT 11-2 and IDT 11-4 (the length in the direction perpendicular to the SAW propagation direction) is set to approximately half that of IDT 11-1, and the height of SAW sensor 3 is set to IDT 11-1. It is set to be the height of.
The measurement method is the same as the measurement method described in the first embodiment, and measurement is performed using the sensor circuit 20 shown in FIG.
In the SAW sensor 2, since the input electrode can be omitted and the channel region can be shared, a surface acoustic wave sensor having a smaller size can be provided. In addition, when a solution containing an antigen is dropped on the porous substrate on the channel region C, an antigen-antibody reaction occurs in the channel region of the SAW sensor 3_1 and the channel region of the SAW sensor 3_2. It is not necessary to repeat the operation of dropping the solution, and simple measurement can be performed.
以上、図面を参照してこの発明の実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。例えば、上記の各実施形態では、送信電極及び受信電極を用いた例を示したが、受信電極の代わりにSAWの反射体(反射器)を設け、送信電極が受信電極の機能を兼ねるようにしてもかまわない。 The embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to the above-described one, and various design changes and the like can be made without departing from the scope of the present invention. Is possible. For example, in each of the above embodiments, an example using the transmission electrode and the reception electrode has been shown. However, a SAW reflector (reflector) is provided instead of the reception electrode so that the transmission electrode also functions as the reception electrode. It doesn't matter.
また、実施形態の説明では、測定対象の変化を抗原抗体反応、外乱を空気と水の場合としている。しかしながら、測定対象の変化は、抗原抗体反応に限られることはない。また、外乱は、空気と水の場合に限らず、他に温度による特性変化や、対象以外の抗原による非特異的な変化、などであってもよい。すなわち、本願発明は、測定対象における目標の変化量が外乱による変化量に対して小さな場合において、適用可能な発明である。 In the description of the embodiment, the change of the measurement target is an antigen-antibody reaction, and the disturbance is air and water. However, the change in the measurement target is not limited to the antigen-antibody reaction. The disturbance is not limited to air and water, but may be other characteristic changes due to temperature, non-specific changes due to antigens other than the target, and the like. In other words, the present invention is applicable when the target change amount in the measurement target is smaller than the change amount due to the disturbance.
また、実施形態の説明では、図2に示すように、多孔性基材13を設置しているが、これは必ずしも必要ではない。多孔性基材13を設けずに、溶液を反応領域薄膜12の表面へ滴下することは可能である。 Moreover, in description of embodiment, although the porous base material 13 is installed as shown in FIG. 2, this is not necessarily required. It is possible to drop the solution onto the surface of the reaction region thin film 12 without providing the porous substrate 13.
1,2,3,100…SAWセンサ、10…圧電素子基板、11…電極、12…反応領域薄膜、13…多孔性基材、20…センサ回路、21…交流信号源、22…RFスイッチ、23…位相・振幅検出回路、24…PC 1, 2, 3, 100 ... SAW sensor, 10 ... piezoelectric element substrate, 11 ... electrode, 12 ... reaction region thin film, 13 ... porous substrate, 20 ... sensor circuit, 21 ... AC signal source, 22 ... RF switch, 23 ... Phase / amplitude detection circuit, 24 ... PC
Claims (5)
差動検出を行うために、第1弾性表面波素子と、第2弾性表面波素子とを有し、
前記第2弾性表面波素子の伝搬距離を前記第1弾性表面波素子の伝搬距離に対して、前記第2弾性表面波素子での測定対象の変化量を弾性表面波センサの検出限界より小さく設定する、
ことを特徴とする弾性表面波センサ。 When the target change amount in the measurement target is small compared to the change amount due to disturbance,
In order to perform differential detection, a first surface acoustic wave element and a second surface acoustic wave element are included.
The propagation distance of the second surface acoustic wave element is set to be smaller than the detection limit of the surface acoustic wave sensor with respect to the propagation distance of the first surface acoustic wave element. To
A surface acoustic wave sensor.
差動検出を行うために、第1弾性表面波素子と、第2弾性表面波素子とを有し、
前記第2弾性表面波素子の伝搬距離を前記第1弾性表面波素子の伝搬距離に対して、外乱と測定対象の変化量の比率と、前記第2弾性表面波素子での測定対象の変化量を弾性表面波センサの検出限界より小さく設定する、
ことを特徴とする弾性表面波センサ。 When the target change amount in the measurement target is small compared to the change amount due to disturbance,
In order to perform differential detection, a first surface acoustic wave element and a second surface acoustic wave element are included.
The propagation distance of the second surface acoustic wave element with respect to the propagation distance of the first surface acoustic wave element, the ratio of the disturbance and the amount of change of the measurement object, and the amount of change of the measurement object in the second surface acoustic wave element Is set smaller than the detection limit of the surface acoustic wave sensor,
A surface acoustic wave sensor.
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の弾性表面波センサ。 Consists of one input electrode and two output electrodes,
The surface acoustic wave sensor according to claim 1 , wherein the surface acoustic wave sensor is provided.
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の弾性表面波センサ。 Consists of one input / output electrode and a reflector.
The surface acoustic wave sensor according to claim 1 , wherein the surface acoustic wave sensor is provided.
外乱による変化量が、負荷が空気である状態と負荷が試料用水である状態との間における変化である、
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の弾性表面波センサ。 The target change amount in the measurement target is the change due to the antigen-antibody reaction,
The amount of change due to disturbance is a change between a state where the load is air and a state where the load is sample water.
The surface acoustic wave sensor according to any one of claims 1 to 4 , wherein the surface acoustic wave sensor is provided.
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