JP6568126B2 - 検体センサおよび検体センシング方法 - Google Patents
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Description
(1)検体検出部の質量が単調増加し、ヘテロダイン方式により前記検出信号から前記リファレンス信号を差し引いて前記検出信号を得た場合
(2)前記検体検出部の質量が単調減少し、ヘテロダイン方式により前記リファレンス信号から前記検出信号を差し引いて前記検出信号を得た場合
(3)前記検体検出部の質量が単調増加し、ヘテロダイン方式により前記検出信号から前記リファレンス信号を差し引いて前記検出信号を得た場合
(4)前記検体検出部の質量が単調減少し、ヘテロダイン方式により前記リファレンス信号から前記検出信号を差し引いて前記検出信号を得た場合
そして、(1)または(2)の場合には、前記計測信号の強度の時間的変化が減少であれば正の、増加であれば負の前記位相変化候補値を位相変化値として出力する。(3)または(4)の場合には、前記計測信号の強度の時間的変化が減少であれば負の、増加であれば正の前記位相変化候補値を位相変化値として出力する。検出量算出部は、前記位相変化値に基づき、前記検体の検出量を算出する。
(1)検体検出部の質量が単調増加し、ヘテロダイン方式により前記検出信号から前記リファレンス信号を差し引いて前記検出信号を得た場合
(2)前記検体検出部の質量が単調減少し、ヘテロダイン方式により前記リファレンス信号から前記検出信号を差し引いて前記検出信号を得た場合
(3)前記検体検出部の質量が単調増加し、ヘテロダイン方式により前記検出信号から前記リファレンス信号を差し引いて前記検出信号を得た場合
(4)前記検体検出部の質量が単調減少し、ヘテロダイン方式により前記リファレンス信号から前記検出信号を差し引いて前記検出信号を得た場合
そして、(1)または(2)の場合には、前記計測信号の強度の時間的変化が減少であれば正の、増加であれば負の前記位相変化候補値を位相変化値とする。同様に、(3)または(4)の場合には、前記計測信号の強度の時間的変化が減少であれば負の、増加であれば正の前記位相変化候補値を位相変化値とする。算出工程は、前記位相変化値に基づき、前記検体の検出量を算出する。
図1は、検体センサ100の原理を説明するための概略図である。検体センサ100は、図1に示すように検出素子110と、リファレンス素子120と、計測部140と、検出量計算部150と、を有する。
(1)検体検出部111の質量が単調増加し、ヘテロダイン方式により検出信号からリファレンス信号を差し引いて前記検出信号を得た場合
(2)検体検出部111の質量が単調減少し、ヘテロダイン方式によりリファレンス信号から検出信号を差し引いて検出信号を得た場合
(3)検体検出部111の質量が単調増加し、ヘテロダイン方式により検出信号からリファレンス信号を差し引いて検出信号を得た場合
(4)検体検出部111の質量が単調減少し、ヘテロダイン方式によりリファレンス信号から検出信号を差し引いて検出信号を得た場合
検体検出部111の質量が単調増加する場合には、リファレンス信号に比べて検出信号の位相が遅れる。このため、リファレンス信号から検出信号を差し引くと、位相変化は単調増加する。逆に、検出信号からリファレンス信号を差し引くと、位相変化は単調減少する。
次に図2を用いて、検体センサ100の原理を具体化した検体センサ100Aの構成について説明する。
上述の例では、検体用流路となる空間20の延伸方向と、検出素子110Aおよびリファレンス素子120Aにおける弾性波の伝搬方向とが直交するように、各構成要素を配置した例を用いて説明したが、図6に示す検体センサ100Bのように平行であってもよい。
上述の例では、検体用流路となる空間20は、検出素子110Aおよびリファレンス素子120Aで共有している例を用いて説明したが、図7に示す検体センサ100Cのように、検出素子110A,リファレンス素子120Aそれぞれに対して専用の空間20を設けてもよい。なお、図7に示す例では、空間20への流入口18は個別に設けているが、流入口を2つの検体用流路で共有してもよい。また、図7に示す例では、図6と同様に弾性波の伝搬方向と検体用流路との延伸方向とが一致する例を示しているが、弾性波の伝搬方向と流体用通路の延伸方向とが直交するものであってもよい。
上述の例では、検出素子110Aとリファレンス素子120Aとでは、圧電性を有する基板を共有している例を用いて説明したが、検出素子11A用の素子基板と、リファレンス素子120A用のリファレンス素子基板とを別体としてもよい。この場合には、確実に検出素子110Aとリファレンス素子120Aとの間でのクロストークを抑制することができる。このような場合には、素子基板とリファレンス素子基板とを保持する別体の基体を設ければよい。
上述の例では、第1IDT電極5a,第2IDT電極6a,リファレンス第1IDT電極5b,およびリファレンス第2IDT電極6bはそれぞれ近接配置されたパッド9に迂回することなく接続されているが、図8に示す検体センサ100Dのように、第2IDT電極6aを構成する一対の櫛歯状電極のうち基準電位に接続されない側の電極とパッドとの間にπ/2遅延線32を設けてもよい。検体センサ100Aはヘテロダイン方式で信号処理を行なうため、信号は正弦曲線を描くものとなる。このため、0°と±180°とで傾きが小さくなり感度が低くなる。しかしながら、検体センサにおいて0°付近は、検体検出による信号変化の立ち上がり部分に相当することが多く、高い感度で測定することが望まれる。そこで、第2IDT電極6aのうちミキサに接続される側の電極にπ/2遅延線32を設けることで、信号の位相をずらし0°付近の感度を高めることができる。
以上の例では、検出素子110およびリファレンス素子120からの信号を直接ミキサ130で合成した例について説明した。これに対して、図9に示す検体センサ100Eに示すように、検体素子110とミキサ130との間およびリファレンス素子120とミキサ130との間それぞれに、ローノイズアンプ132を配置している。すなわち、計測部140Eは、ローノイズアンプ132とミキサ130とローパスフィルタ131とを含むものとなる。
検体センサ100Eとローノイズアンプ132を有さない検体センサ100とで同一検体を測定した。具体的には、SAWの中心周波数を414MHzとし、IDT電極5,6をAlで300nmの厚みで形成し、保護膜4をSiO2で100nmの厚みで形成し、第1IDT電極5aとIDT電極6aとの間の距離を300λ(ただし、λは第1IDT電極5aにより励振され、金属膜7を伝搬するSAWの波長とする)とした。また、検体中の標的濃度が100nM,200nM,500nMの検体を用意し、検体センサに供給した。また、参考例として、ベクトルネットワークアナライザ(VNA)でも測定した。
検体センサにおける検体センシング方法を説明する。
まず標的を備えた検体を、標的の吸着または標的との反応に応じて質量が増加する検出素子の検体検出部と、標的を吸着または反応しないリファレンス素子のリファレンス検出部とに供給する検体溶液供給工程を行なう。
次に、検体検出部の質量変化に応じた交流信号である検出信号と、リファレンス検出部からの検出信号に対する、交流信号であるリファレンス信号とからヘテロダイン方式によって得た計測信号を得る。
そして最後に、決定された位相変化値に基づき、検体の検出量を算出する算出工程と、を有する。
2・・・板状体
3・・・カバー
4・・・保護膜
5a・・・第1IDT電極
5b・・・リファレンス第1IDT電極
6a・・・第2IDT電極
6b・・・リファレンス第2IDT電極
7a,7b・・・金属膜
8・・・配線
9・・・パッド
10・・・短絡電極
11a,11b・・・第1振動空間
12a,12b・・・第2振動空間
20・・・空間
31・・・基準電位線
32・・・π/2遅延線
Claims (26)
- 検体が備える標的の吸着または前記標的との反応に応じて変化する検体検出部を有し、前記検体検出部の変化に応じた検出信号を出力する検出信号出力部と、
前記検出信号に対する基準信号であるリファレンス信号を出力するリファレンス信号出力部と、
前記検出信号および前記リファレンス信号からヘテロダイン方式によって得た計測信号から2つの位相変化候補値を求めるとともに、前記検体検出部の変化および前記計測信号の時間的変化に基づいて前記2つの位相変化候補値のうちいずれかを位相変化値として出力する、計測部と、を備える検体センサ。 - 前記計測信号の時間的変化は、間隔を空けて少なくとも2回測定することによって得る、請求項1に記載の検体センサ。
- 前記計測信号の時間的変化は、連続的に測定することによって得る、請求項1または2に記載の検体センサ。
- 前記位相変化値に基づいて前記検体の検出量を算出する検出量算出部をさらに備える請求項1〜3のいずれかに記載の検体センサ。
- 前記計測部は、
前記検体検出部の質量が増加するとともに、前記リファレンス信号から前記検出信号を差し引いて前記計測信号を得た場合、または、前記検体検出部の質量が減少するとともに、前記検出信号から前記リファレンス信号を差し引いて前記計測信号を得た場合には、前記計測信号の時間的変化が減少であれば前記2つの位相変化候補値のうち値が大きい方を、増加であれば前記2つの位相変化候補値のうち値が小さい方を位相変化値として出力し、あるいは、
前記検体検出部の質量が増加するとともに、前記検出信号から前記リファレンス信号を差し引いて前記計測信号を得た場合、または、前記検体検出部の質量が減少するとともに、前記リファレンス信号から前記検出信号を差し引いて前記計測信号を得た場合には、前記計測信号の時間的変化が減少であれば前記2つの位相変化候補値のうち値が小さい方を、増加であれば前記2つの位相変化候補値のうち値が大きい方を位相変化値として出力する、請求項1〜4のいずれかに記載の検体センサ。 - 前記2つの位相変化候補値は、一方が正で他方が負である、請求項1〜5のいずれかに
記載の検体センサ。 - 前記検体を前記検出信号出力部および前記リファレンス信号出力部に順にまたは同時に供給可能な検体用流路をさらに備える、請求項1〜6のいずれかに記載の検体センサ。
- 前記検体用流路は、前記検体を前記検出信号出力部および前記リファレンス信号出力部に順にまたは同時に供給可能である、請求項7に記載の検体センサ。
- 前記リファレンス信号出力部は、前記標的を吸着しないまたは前記標的と反応しないリファレンス測定部を有する、請求項1〜8のいずれかに記載の検体センサ。
- 前記検出信号出力部は、圧電性を有する検出素子基板と、前記検出素子基板上に配置された前記検体検出部と、前記検体検出部に向かって第1弾性波を発生させる検出第1IDT電極と、前記検体検出部を通過した前記第1弾性波を受ける検出第2IDT電極とを有する、請求項1〜9のいずれかに記載の検体センサ。
- 前記検出信号は、前記検体検出部を通過した前記第1弾性波を前記検出第2IDT電極で受けて得られた交流信号である、請求項10に記載の検体センサ。
- 前記リファレンス信号出力部は、圧電性を有するリファレンス素子基板と、前記リファレンス素子基板上に配置された前記リファレンス測定部と、前記リファレンス測定部に向かって第2弾性波を発生させるリファレンス第1IDT電極と、前記リファレンス測定部を通過した前記第2弾性波を受けるリファレンス第2IDT電極とを有する、請求項9を引用する請求項10に記載の検体センサ。
- 前記リファレンス信号は、前記リファレンス測定部を通過した前記第2弾性波を前記リファレンス第2IDT電極で受けて得られた交流信号である、請求項12に記載の検体センサ。
- 前記検出素子基板と前記リファレンス素子基板とが一体に形成されており、
前記検体検出部、前記検出第1IDT電極および前記検出第2IDT電極が配置された検出素子領域と、前記リファレンス測定部、前記リファレンス第1IDT電極および前記リファレンス第2IDT電極が配置されたリファレンス素子領域との間に、基準電位線をさらに備える、請求項12に記載の検体センサ。 - 前記検出第1IDT電極、前記検出第2IDT電極、前記リファレンス第1IDT電極および前記リファレンス第2IDT電極は、それぞれ一対の櫛歯状電極からなり、前記一対の櫛歯状電極の一方がそれぞれ前記基準電位線に接続されている、請求項14に記載の検体センサ。
- 検体が備える標的の吸着または前記標的との反応に応じて変化する検体検出部を有し、前記検体検出部の変化に応じた検出信号を出力する検出信号出力部と、
前記検出信号に対する基準信号であるリファレンス信号を出力するリファレンス信号出力部と、
前記検出信号および前記リファレンス信号からヘテロダイン方式によって得た計測信号から2つの位相変化候補値を求めるとともに、前記検体検出部の変化および前記計測信号の時間的変化に基づいて前記2つの位相変化候補値のうちいずれかを位相変化値として出力する、計測部と、
前記検体を前記検出信号出力部および前記リファレンス信号出力部に順にまたは同時に供給可能な検体用流路と、
を備え、
前記検出信号出力部は、圧電性を有する検出素子基板と、前記検出素子基板上に配置された前記検体検出部と、前記検体検出部に向かって第1弾性波を発生させる検出第1IDT電極と、前記検体検出部を通過した前記第1弾性波を受ける検出第2IDT電極とを有し、
前記リファレンス信号出力部は、圧電性を有するリファレンス素子基板と、前記リファレンス素子基板上に配置されたリファレンス測定部と、前記リファレンス測定部に向かって第2弾性波を発生させるリファレンス第1IDT電極と、前記リファレンス測定部を通過した前記第2弾性波を受けるリファレンス第2IDT電極とを有し、
前記検体用流路の延伸方向は、前記第1弾性波および前記第2弾性波の伝播方向と平行である、検体センサ。 - 前記検出信号出力部および前記リファレンス信号出力部と前記計測部との間に位置し、
前記計測信号をヘテロダイン方式で得る前の前記検出信号または前記リファレンス信号を通過させるπ/2遅延線をさらに備える、請求項1〜16のいずれかに記載の検体センサ。 - 前記検出信号出力部および前記リファレンス信号出力部と前記計測部との間にそれぞれ配置され、前記検出信号および前記リファレンス信号をそれぞれ増幅するローノイズアンプをさらに備える、請求項1〜17のいずれかに記載の検体センサ。
- 標的を備えた検体を、前記標的の吸着または前記標的との反応に応じて変化する、検出信号出力部の検体検出部に供給する検体供給工程と、
前記検体検出部の変化に応じた検出信号と前記検出信号に対する基準信号であるリファレンス信号出力部のリファレンス信号とからヘテロダイン方式によって得た計測信号から、2つの位相変化候補値を求めるとともに、前記検体検出部の変化および前記計測信号の時間的変化に基づいて前記2つの位相変化候補値のうちいずれかを位相変化値として出力する、計測工程と、を備える検体センシング方法。 - 前記計測信号の時間的変化は、間隔を空けて少なくとも2回測定することによって得る、請求項19に記載の検体センシング方法。
- 前記計測信号の時間的変化は、連続的に測定することによって得る、請求項19または20に記載の検体センシング方法。
- 前記位相変化値に基づいて前記検体の検出量を算出する算出工程と、をさらに備える、請求項19〜21のいずれかに記載の検体センシング方法。
- 前記計測工程は、
前記検体検出部の質量が増加するとともに、前記リファレンス信号から前記検出信号を差し引いて前記計測信号を得た場合、または、前記検体検出部の質量が減少するとともに、前記検出信号から前記リファレンス信号を差し引いて前記計測信号を得た場合には、前記計測信号の時間的変化が減少であれば前記2つの位相変化候補値のうち値が大きい方を、増加であれば前記2つの位相変化候補値のうち値が小さい方を位相変化値として出力し、あるいは、
前記検体検出部の質量が増加するとともに、前記検出信号から前記リファレンス信号を差し引いて前記計測信号を得た場合、または、前記検体検出部の質量が減少するとともに、前記リファレンス信号から前記検出信号を差し引いて前記計測信号を得た場合には、前記計測信号の時間的変化が減少であれば前記2つの位相変化候補値のうち値が小さい方を、増加であれば前記2つの位相変化候補値のうち値が大きい方を位相変化値として出力
する、請求項19〜22のいずれかに記載の検体センシング方法。 - 前記2つの位相変化候補値は、一方が正で他方が負である、請求項19〜23のいずれかに記載の検体センシング方法。
- 前記計測工程は、前記検出信号および前記リファレンス信号のそれぞれを増幅する工程と、増幅した前記検出信号および前記リファレンス信号に基づいてヘテロダイン方式によって前記計測信号を得る工程とを有する、請求項19〜24のいずれかに記載の検体センシング方法。
- 前記リファレンス信号出力部は、前記標的を吸着しないまたは前記標的と反応しないリファレンス測定部を有する、請求項19〜25のいずれかに記載の検体センシング方法。
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