專利名稱：漏聲表面波傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于液相或氣相中的生物或化學(xué)成分檢測的生物傳感器，具體的說是涉及一種漏聲表面波傳感器。
背景技術(shù)：
目前國際上對(duì)漏聲表面波傳感器的研究報(bào)道主要是用于氣體傳感、壓力傳感等領(lǐng)域。
漏聲表面波傳感器其檢測原理是利用了壓電晶體的特殊切向，比如Y方向切割36°旋轉(zhuǎn)、X方向傳播的鉭酸鋰晶體，激發(fā)出漏聲表面波，當(dāng)漏聲表面波傳播路徑表面的質(zhì)量負(fù)載發(fā)生微小改變時(shí)，如靶序列與固定的核酸探針發(fā)生特異性反應(yīng)，傳感器表面的邊界條件將發(fā)生改變，導(dǎo)致漏聲表面波傳播的相位/頻率發(fā)生相應(yīng)的改變，此時(shí)從傳感器輸出換能器提取的電信號(hào)的相位/頻率即可隨之發(fā)生變化，從而可敏感地檢測出與傳感器晶體表面固定的探針發(fā)生特異性反應(yīng)的待測靶序列。
漏聲表面波傳感器具有如下幾個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)1、高靈敏度，高精度由于漏聲表面波器件的叉指換能器的指條寬度可以加工到0.3μm-0.5μm，因此其檢測基頻可高達(dá)100MHz～2GHz，對(duì)于質(zhì)量非常小的病原微生物分子的檢測是非常重要的。而且一般陶瓷或半導(dǎo)體材料制成的傳感器，是以模擬信號(hào)輸出，需經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換才能與計(jì)算機(jī)接口。而漏聲表面波技術(shù)制成的傳感器，工作時(shí)是以頻率或相位信號(hào)輸出，不需經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換便可與計(jì)算機(jī)接口，因而精度更高。2、重復(fù)性及可靠性更好漏聲表面波傳感器中的關(guān)鍵部件——漏聲表面波諧振器或延遲線，制作時(shí)采用了平面復(fù)制的半導(dǎo)體工藝，重復(fù)性極好。而且易集成化、一體化，結(jié)構(gòu)牢固，因而可靠性更好。3、功耗低漏聲表面波90％以上的能量集中在距表面一個(gè)波長左右的深度內(nèi)，因而損耗低。4、結(jié)構(gòu)工藝性好漏聲表面波傳感器是平面結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)靈活；漏聲表面波傳感器的片狀外形使其更易于組合，能比較方便地實(shí)現(xiàn)單片多功能化、智能化；而且安裝容易，能獲得良好的熱性能和機(jī)械性能。相對(duì)于其它類型的傳感器而言，漏聲表面波傳感器具有較好的價(jià)格優(yōu)勢、天生的穩(wěn)定性、敏感性及固有的穩(wěn)定性能，其中一些還能夠以無源無線的方式來實(shí)現(xiàn)傳感。再加上現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展極為迅猛，使得信號(hào)采集、分析系統(tǒng)的自動(dòng)化程度大大提高，這使漏聲表面波傳感器具有了非常廣泛的應(yīng)用前景。但是，目前尚未見其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于液相或氣相中的生物或化學(xué)成分檢測的生物傳感器，希望可為臨床疾病檢測、環(huán)境監(jiān)測提供一種新型的檢測方法。
本發(fā)明涉及一層以壓電材料構(gòu)成傳感器的基底物，該壓電材料可以選擇鉭酸鋰晶體、鈮酸鋰晶體或者石英晶體。優(yōu)選的壓電基體是Y方向切割36°旋轉(zhuǎn)、X方向傳播的鉭酸鋰晶體，在其表面構(gòu)建低損耗延遲線型傳感器，其結(jié)構(gòu)是單基片雙路結(jié)構(gòu)，即在一個(gè)基片上同時(shí)制作檢測和參比兩路延遲線，其中參比延遲線是為了減低非特異性吸附、溫度變化等偽信號(hào)造成的相位或頻率的漂移影響，檢測數(shù)據(jù)的記錄可以采取相位或頻率兩種檢測方案。鉭酸鋰晶體表面的輸入和輸出叉指換能器是為了激發(fā)和接收漏聲表面波。一壓電層被置于壓電基底層和生物敏感層之間，該壓電層優(yōu)選鈦金屬，主要是為了增強(qiáng)壓電基底層和生物敏感層之間的附著力。一生物敏感層被置于壓電層之上，該生物敏感層優(yōu)選金，利用金可以和巰基以及蛋白高親和力結(jié)合的特性，可以結(jié)合上核酸、抗原、抗體等高分子生物活性物質(zhì)作為探針分子，從而特異靈敏地檢測臨床或環(huán)境標(biāo)本中待測的生物或化學(xué)靶分子。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
圖1是漏聲表面波傳感器雙延遲線平面結(jié)構(gòu)示意2是漏聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)縱截面示意3、圖4顯示了漏聲表面波傳感器在氣相和液相中的穩(wěn)定性。
圖5顯示了漏聲表面波傳感器在不同離子濃度溶液中的反應(yīng)。
圖6顯示了漏聲表面波傳感器在不同pH溶液中的反應(yīng)。
圖7顯示了漏聲表面波傳感器在不同粘度溶液中的反應(yīng)。
圖8-10顯示了漏聲表面波傳感器對(duì)雙鏈DNA病毒的實(shí)時(shí)檢測。在圖1中，1.檢測延遲線輸入叉指換能器，2.參比延遲線輸入叉指換能器，3.檢測延遲線輸出叉指換能器，4.參比延遲線輸出叉指換能器，5.檢測延遲線，6.參比延遲線。
在圖2中，7.探針，8.金膜，9.壓電層(Ti)，10.壓電基底物(LiTaO3晶體)。
具體實(shí)施例方式
檢測和參比雙延遲線被構(gòu)造在同一個(gè)壓電基體10之上，壓電基體之上依次為壓電層9和金膜8，壓電層優(yōu)選采用鈦(Ti)，金膜優(yōu)選采用純金材料。檢測延遲線5的金膜表面固定探針7，可敏感地與待測靶分子進(jìn)行特異性反應(yīng)。導(dǎo)致漏聲表面波傳播的頻率和相位發(fā)生相應(yīng)的改變，此時(shí)從傳感器輸出換能器3上提取的電信號(hào)的頻率和相位即可隨之發(fā)生變化，從而可極為敏感地探測出生物或化學(xué)靶分子。
實(shí)施例1在圖2中，在同一基片上制備了檢測和參比兩路延遲線，每個(gè)延遲線由一個(gè)漏聲表面波震蕩器構(gòu)成，延遲線在真空環(huán)境下采用離子濺射等方法在反應(yīng)區(qū)域表面鍍制金膜，參比延遲線可有效地消除溫度、震動(dòng)等外界因素以及非特異吸附等生物學(xué)因素對(duì)檢測結(jié)果造成的影響。叉指換能器指條寬度加工到0.3μm-0.5μm，用真空鍍膜的方法先在基片表面鍍上一層金屬膜，再利用光刻技術(shù)刻出叉指電極的圖形，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是插入損耗小，體積小。
實(shí)施例2圖3表示雙通道傳感器的檢測通道從氣相到液相中相位的變化a傳感器處于氣相，b傳感器處于液相。圖4表示雙通道傳感器的參比通道從氣相到液相的變化a傳感器處于氣相，b傳感器處于液相。傳感器的檢測和參比兩個(gè)通道在氣相、液相中的相位變化只有±0.5度，說明傳感器的穩(wěn)定性很好，換能器發(fā)出的電信號(hào)相位受外界環(huán)境的影響較小。
實(shí)施例3圖5顯示了不同Na+離子濃度對(duì)檢測通道和參比通道相位變化的影響。傳感器檢測通道在不同離子濃度溶液中，換能器發(fā)出的電信號(hào)相位有明顯的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在檢測通道中傳感器所處溶液中的離子濃度越高，相位變化越大，且變化呈上升的趨勢，離子濃度與相位的變化呈顯著性差異p＜0.05；但參比通道在不同離子濃度溶液中的相位變化基本是一致的，大約只有2-3度的變化，說明離子濃度與相位變化之間沒有顯著性差異p＞0.05；將檢測通道換能器發(fā)出的信號(hào)相位減去非特異性的吸附，即兩通道相位差的變化曲線，與檢測通道相位的變化曲線較一致p＜0.05，說明雙通道漏聲表面波傳感器特異性較好，符合我們的預(yù)期結(jié)果。
實(shí)施例4圖6顯示了溶液pH值對(duì)檢測通道和參比通道相位變化的影響。溶液的酸堿度對(duì)傳感器的影響較大，檢測通道的相位隨pH值增大而發(fā)生較大變化，但在酸性溶液中特別是pH＜6.4時(shí)相位雖然逐漸變大，但變化幅度較小。當(dāng)pH＞6.4時(shí)傳感器相位變化較大，有顯著性差異p＜0.05；相比之下參比通道在不同的pH溶液中相位的變化無顯著性差異p＞0.05。說明傳感器的特異性較好，能夠吸附非特異性物質(zhì)對(duì)傳感器的干擾，減少外界環(huán)境對(duì)傳感器的影響。
實(shí)施例5圖7顯示了溶液粘度對(duì)檢測通道和參比通道相位變化的影響。在pH7.0的不同濃度的甘油PBS溶液中，兩個(gè)通道換能器發(fā)出的信號(hào)相位都有顯著的差異，隨著溶液粘度的增加，檢測通道的相位變化逐漸增大，相位變化有顯著性差異p＜0.05，說明檢測通道的相位與溶液的粘度具有顯著的線性關(guān)系；參比通道的相位隨著溶液的粘度增大也發(fā)生了微弱的變化，說明溶液的粘度對(duì)傳感器的參比通道也有一定的影響，相位變化有顯著性差異p＜0.05，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著溶液的粘度逐步變大，液體對(duì)傳感器的應(yīng)力就越來越大，即液體的阻尼效應(yīng)越明顯。
實(shí)施例6圖8-10顯示了在加入靶序列進(jìn)行核酸雜交時(shí)，檢測通道和參比通道具有明顯不同的相位響應(yīng)。圖8表示加入靶序列后檢測通道相位的變化，圖9表示加入靶序列后參比通道相位的變化，圖10表示加入靶序列后兩通道相位差的變化。首先傳感器在氣相和液相中的穩(wěn)定性均較好，在檢測通道的是人工設(shè)計(jì)的HPV探針，可與加入的靶序列特異性結(jié)合，相位發(fā)生明顯的變化；參比通道加入的是PBS緩沖液，不可能與靶序列發(fā)生特異性的堿基互補(bǔ)反應(yīng)，所以相位幾乎沒有發(fā)生變化。兩個(gè)通道之間的相位差Δd才是真正反映因質(zhì)量的吸附而引起的相位改變，通過這種差值檢測技術(shù)可以有效的去除外界環(huán)境的干擾。
從上面的描述可以看出，本發(fā)明提供了一種特殊的傳感器結(jié)構(gòu)，具有很多的重大優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明創(chuàng)新性地將物理學(xué)領(lǐng)域的檢測手段引入到生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的檢測中，用于液相或氣相中的生物或化學(xué)成分的檢測。從而為臨床上疾病的早期診斷及環(huán)境監(jiān)測提供一種新的檢測方法和思路。
權(quán)利要求
1.一種漏聲表面波傳感器，適用于液相或氣相中的生物或化學(xué)成分的檢測，其特征包括一層以壓電材料構(gòu)成的基底物；至少一對(duì)輸出及輸入叉指換能器位于壓電基底物上，叉指換能器之間是檢測反應(yīng)區(qū)域；一層壓電層位于基底物上；一層金膜位于壓電層上；一層生物敏感層固定于金膜上。
2.如權(quán)利要求1中的一種漏聲表面波傳感器，其特征在于優(yōu)選鉭酸鋰單晶體，分子式為LiTaO3，為傳感器壓電基底物，鉭酸鋰在Y方向切割36°旋轉(zhuǎn)、X方向傳播漏聲表面波。
3.如權(quán)利要求1中的一種漏聲表面波傳感器，其特征在于傳感器優(yōu)選制備成檢測和參比雙延遲線結(jié)構(gòu)，減低非特異性吸附、溫度變化等偽信號(hào)造成的影響。
4.如權(quán)利要求1中的一種漏聲表面波傳感器，其特征在于延遲線兩端分別有輸入叉指換能器和輸出叉指換能器，構(gòu)成低損耗延遲線型傳感器。
5.如權(quán)利要求1中的一種漏聲表面波傳感器，其特征在于壓電層優(yōu)選采用鈦金屬。
6.如權(quán)利要求1中的一種漏聲表面波傳感器，其特征在于采用一定的理化方法將探針固定在漏聲表面波傳感器表面，固定好的探針可與待檢生物或化學(xué)分子特異性地結(jié)合，用于液相或氣相中的生物或化學(xué)成分的檢測。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種漏聲表面波傳感器，優(yōu)選結(jié)構(gòu)為單基片雙路結(jié)構(gòu)，即在一個(gè)基片上同時(shí)制作檢測和參比兩路延遲線。其中參比延遲線主要用于減低非特異性物質(zhì)的吸附。允許漏聲表面波在液體介質(zhì)和氣體中進(jìn)行傳播。傳感器可用于生物醫(yī)學(xué)或化學(xué)組分的檢測。
文檔編號(hào)G01N33/50GK1844909SQ20061005790
公開日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月27日
發(fā)明者陳鳴, 府偉靈, 王云霞 申請(qǐng)人:中國人民解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院