基于新型聲表面波單端對諧振器的生物傳感器

齊曉琳，劉建生，何世堂，梁 勇

(1.中國科學院 聲學研究所，北京100190；2.中國科學院大學，北京100490)

0 引言

聲表面波(SAW)傳感器是近年來發(fā)展起來的一種新型微聲傳感器，具有靈敏度高,易于集成和小型化,成本低,可大量生產(chǎn)等優(yōu)點，具有極大的應用潛力[1-2]。近10多年來，SAW生物傳感器被廣泛應用在生物檢測方面，如蛋白質(zhì)檢測、DNA檢測、細菌檢測和小分子檢測等[3-5]。其中，金黃色葡萄球菌是一種兼性厭氧革蘭氏陽性細菌，由Dr. Alexander Ogston于1880年發(fā)現(xiàn)。它在環(huán)境中廣泛分布，可引起許多疾病，從輕微的皮膚感染到危及生命的疾病，如膿腫[6]、肺炎[7]、腦膜炎[8]、心內(nèi)膜炎[9]和敗血癥[10]。目前采用表面等離子體共振、熒光光譜、石英晶體微天平、電化學等方法來實現(xiàn)快速檢測金黃色葡萄球菌。Xu等[11]采用SAW傳感器定量檢測了金黃色葡萄球菌，通過實驗對比發(fā)現(xiàn),采用Love波檢測可得更高靈敏度和更低檢測下限。其采用的器件為延遲線結構，可提供單獨的成膜區(qū)域，覆蓋膜材料所引起聲波衰減相對較小。但SAW延遲線插入損耗相對較大，品質(zhì)因數(shù)Q較低。SAW 諧振器具有高Q和低損耗的優(yōu)點，由它作為頻控元件組成的振蕩器易起振，且能獲得良好的頻率穩(wěn)定度[12-13]，但諧振器很難提供單獨的敏感膜成膜區(qū)域，限制了需要活性金膜的自組裝敏感膜成膜方式的應用。因此，本文設計了一種新型SAW單端對諧振器，通過在叉指換能器(IDT)中間內(nèi)置敏感區(qū)域，克服了傳統(tǒng)諧振器的敏感膜成膜區(qū)域問題。同時在沉積敏感膜時避免敏感膜接觸到叉指指條，以保證換能器性能和高品質(zhì)因數(shù)不受影響，從而獲得良好的頻率穩(wěn)定性，進而有助于提高SAW傳感器的檢測靈敏度和檢測下限[14]。最后，采用此結構對金黃色葡萄球菌進行初步的檢測實驗。

1 SAW響應機理

SAW是一種在固體表面?zhèn)鞑サ姆菑椥陨⒉?。由于其能量高度集中，大部分外界的擾動(如溫度、濕度、質(zhì)量、電磁場等)都會對SAW的速度及頻率等參量產(chǎn)生影響。與傳統(tǒng)敏感元件相比，SAW器件具有尺寸小，價格低，精度、靈敏度及分辨率高等優(yōu)點，從而在傳感器領域得到了廣泛的應用。根據(jù)微擾理論，SAW共振頻率變化量滿足:

[(λ+μ)/(λ+2μ)]

(1)

式中：k1，k2為壓電晶體的材料常數(shù)；ρ，h分別為敏感膜的密度和厚度，ρh=ΔMs/A(Ms為敏感膜的質(zhì)量，A為敏感膜的面積)為單位面積上敏感膜質(zhì)量；f0為器件中心頻率；vR為瑞利波的波速；λ，μ皆為膜材料的Lamé常數(shù)。

只考慮質(zhì)量負載效應，質(zhì)量變化(ΔMs)與共振頻率變化量Δf間的關系為

(2)

式中：C為與基片材料相關的耦合常數(shù)；f0為器件中心頻率。

由式(2)可看出，單位面積質(zhì)量的變化與傳感器頻率信號輸出的偏移量呈線性關系。因此，通過觀察頻率信號的變化，可實現(xiàn)對金黃色葡萄球菌濃度的檢測。

2 新型諧振器結構的設計與仿真

對于SAW傳感器，影響其靈敏度和檢測下限的因素主要是SAW振蕩器的頻率穩(wěn)定度，即短期、中期和長期頻率穩(wěn)定性。影響短期頻率穩(wěn)定性的主要因素是SAW器件的損耗、Q值及放大器噪聲系數(shù)等。而影響中期頻率穩(wěn)定性的主要因素通常是SAW器件壓電基片溫度特性，振蕩器電路元件的老化直接影響振蕩器的長期頻率穩(wěn)定性[14]。因此，針對金黃色葡萄球菌生物傳感器，本文設計了新型SAW單端對諧振器，結構如圖1所示。采用的128°-YXLiNbO3壓電基片具有較高的機電耦合系數(shù)和相速度，金IDT覆蓋在壓電基片上。與傳統(tǒng)SAW諧振器結構相比，其創(chuàng)新點在于IDT中間去掉部分叉指用于沉積敏感膜和檢測目標物，這樣可保證IDT的使用壽命，同時具有高品質(zhì)因數(shù)的優(yōu)點。

根據(jù)以上創(chuàng)新設計，結合耦合模理論[15-16]和有限元軟件COMSOL建立周期柵陣的三維模型[17]。通過模態(tài)分析、諧響應分析，可得到此結構的歸一化輸入導納，從而得到參數(shù)fsc+、fsc-、foc+和foc+，進而得到傳播速度、耦合系數(shù)和激發(fā)系數(shù)。通過靜態(tài)分析可得到靜電場能量，因此，靜電電容也可確定。以波長λ=100 μm、指條寬度a=λ/4、指條厚度h= 190 nm的周期結構為例，提取的歸一化COM參量如表1所示。

表1 周期結構的COM參量

實際SAW器件可劃分為若干具有周期或準周期結構的部分，每一部分可用一個P矩陣來表示，如圖2所示。圖中，Pt為兩邊叉指換能器IDT的長度，Pd為叉指換能器之間間隙的長度，Pg為反射柵的長度。P矩陣只考慮其邊界上的物理量，其P矩陣元可由COM方程的解得到。在P矩陣中，2個聲端口變量間的關系以散射矩陣(S矩陣)參數(shù)來描述，而電端變量以導納矩陣(Y矩陣)來描述，描述電端口變量和聲端口變量之間關系的矩陣單元則反映了電能和聲能間的相互轉(zhuǎn)換。

圖2 單端對諧振器P矩陣級聯(lián)示意圖

根據(jù)網(wǎng)絡參量轉(zhuǎn)換關系，由Y可導出單端對SAW諧振器的理論頻響為

(3)

式中：Y11，Y22為輸入導納；Y12，Y21為轉(zhuǎn)移導納；Z0=50 Ω為電端口的特性阻抗。

本結構的IDT兩側(cè)的指條數(shù)均為100，中間間隔為60λ，兩側(cè)的反射柵指條數(shù)均為100。換能器與反射柵的間距為0.5λ，聲孔徑為50λ。圖2(b)結構為傳統(tǒng)單端對諧振器結構，與圖2(a)結構相比去掉了中間間隔區(qū)域。利用提取的耦合模參量，通過上述P矩陣級聯(lián)的方式，分別得到兩種結構的頻率響應S11，結果如圖3所示。對比圖3中兩條曲線可看出，本文所設計的新型單端對諧振器的Q高于傳統(tǒng)單端對諧振器結構的Q。

圖3 兩種不同結構頻率響應的仿真對比

3 實驗與討論

將金黃色葡萄球菌(ATCC 6538)從80 ℃超低溫冰箱取出融化，取20 μL細菌放入15 mL離心管中,再向其加入3 mL Luria-Bertani液體培養(yǎng)基，擰上蓋子(注意不要擰緊)，用封口膜封好后放于37 ℃的搖床內(nèi),以175 r/min的轉(zhuǎn)速培養(yǎng)18～20 h將其染色并稀釋100倍，再在ZOE熒光細胞成像儀下觀察結果，如圖4所示。

圖4 熒光細胞成像儀下的金黃色葡萄球菌

根據(jù)第2節(jié)中的仿真設計，實驗中對指條厚為190 nm的新型SAW諧振器進行了制備。SAW器件的制備采用半導體平面加工工藝，如圖5所示。最終制得的SAW諧振器實物圖如圖6所示。

圖5 SAW器件加工流程

圖6 新型SAW諧振器器件

采用網(wǎng)絡分析儀測量制作的新型單端對諧振器的響應頻率，并與仿真結果進行對比分析，如圖7所示。由圖可知，仿真結果與實驗結果吻合度高，在諧振頻率附近插入損耗最大。該諧振器的實際測量諧振頻率為39.614 MHz，對應的插入損耗為16.69 dB，Q=3 561.65。由圖還可知，該諧振器具備換能器的高品質(zhì)因數(shù)特性，同時又提供了單獨的敏感區(qū)域，保證叉指電極區(qū)域不受污染。

圖7 新型諧振器頻率響應的仿真與實驗對比圖

采用微量移液槍量取2 μL體積濃度為109/mL的金黃色葡萄球菌水溶液，滴涂在單端對諧振器中間敏感區(qū)域，待水溶液蒸發(fā)干燥后，得到了對于負載不同質(zhì)量的金黃色葡萄球菌所對應的諧振器頻率偏移量。分別重復3次實驗，將3次測量結果取平均值，并繪制頻率響應曲線如圖8所示。由圖可發(fā)現(xiàn)，頻率偏移量隨著金黃色葡萄球菌質(zhì)量負載的增加而不斷增大。通過曲線擬合分析可得，實驗結果呈現(xiàn)較好的線性特性，擬合系數(shù)為0.954 14。

圖8 負載不同質(zhì)量金黃色葡萄球菌對應的頻率偏移曲線

3 結束語

本文研究了采用新型聲表面波單端對諧振器結構作為敏感元件的金黃色葡萄球菌生物傳感器。傳統(tǒng)SAW金黃色葡萄球菌生物傳感器采用延遲線結構。本文使用的一種新型諧振器結構，具有提供單獨敏感區(qū)域的優(yōu)點，避免敏感膜污染叉指指條的電極，同時保證換能器性能和高品質(zhì)因數(shù)不受影響，并通過理論仿真和實驗研究加以證明。同時，利用該器件初步檢測了不同質(zhì)量負載金黃色葡萄球菌的頻率偏移量，通過實驗得到頻率偏移與質(zhì)量負載呈線性增長關系。在以后工作中，將結合外圍振蕩電路構成SAW生物傳感器，并將修飾選擇性敏感膜，可用來實現(xiàn)細菌的實時特異性檢測。