齊曉琳，劉建生，何世堂，梁 勇

(1.中國科學(xué)院 聲學(xué)研究所，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，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(diǎn)，具有極大的應(yīng)用潛力[1-2]。近10多年來，SAW生物傳感器被廣泛應(yīng)用在生物檢測方面，如蛋白質(zhì)檢測、DNA檢測、細(xì)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(xì)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(xué)等方法來實(shí)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(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)，可提供單獨(dú)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(diǎn)，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(dú)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(yīng)用。因此，本文設(shè)計(jì)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(shí)在沉積敏感膜時(shí)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(jìn)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(jié)構(gòu)對金黃色葡萄球菌進(jìn)行初步的檢測實(shí)驗(yàn)。

1 SAW響應(yīng)機(jī)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(dòng)(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(jià)格低，精度、靈敏度及分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，從而在傳感器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(fù)載效應(yīng)，質(zhì)量變化(ΔMs)與共振頻率變化量Δf間的關(guān)系為

(2)

式中：C為與基片材料相關(guān)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(guān)系。因此，通過觀察頻率信號的變化，可實(shí)現(xiàn)對金黃色葡萄球菌濃度的檢測。

2 新型諧振器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了新型SAW單端對諧振器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用的128°-YXLiNbO3壓電基片具有較高的機(jī)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(jié)構(gòu)相比，其創(chuàng)新點(diǎn)在于IDT中間去掉部分叉指用于沉積敏感膜和檢測目標(biāo)物，這樣可保證IDT的使用壽命，同時(shí)具有高品質(zhì)因數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)以上創(chuàng)新設(shè)計(jì)，結(jié)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(yīng)分析，可得到此結(jié)構(gòu)的歸一化輸入導(dǎo)納，從而得到參數(shù)fsc+、fsc-、foc+和foc+，進(jìn)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(jié)構(gòu)為例，提取的歸一化COM參量如表1所示。

表1 周期結(jié)構(gòu)的COM參量

實(shí)際SAW器件可劃分為若干具有周期或準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)的部分，每一部分可用一個(gè)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(gè)聲端口變量間的關(guān)系以散射矩陣(S矩陣)參數(shù)來描述，而電端變量以導(dǎo)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(guān)系的矩陣單元?jiǎng)t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(luò)參量轉(zhuǎn)換關(guān)系，由Y可導(dǎo)出單端對SAW諧振器的理論頻響為

(3)

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

本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)單端對諧振器結(jié)構(gòu)，與圖2(a)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)S11，結(jié)果如圖3所示。對比圖3中兩條曲線可看出，本文所設(shè)計(jì)的新型單端對諧振器的Q高于傳統(tǒng)單端對諧振器結(jié)構(gòu)的Q。

圖3 兩種不同結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)的仿真對比

3 實(shí)驗(yàn)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(xì)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(xì)胞成像儀下觀察結(jié)果，如圖4所示。

圖4 熒光細(xì)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(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)中對指條厚為190 nm的新型SAW諧振器進(jìn)行了制備。SAW器件的制備采用半導(dǎo)體平面加工工藝，如圖5所示。最終制得的SAW諧振器實(shí)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(luò)分析儀測量制作的新型單端對諧振器的響應(yīng)頻率，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，如圖7所示。由圖可知，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度高，在諧振頻率附近插入損耗最大。該諧振器的實(shí)際測量諧振頻率為39.614 MHz，對應(yīng)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(shí)又提供了單獨(dú)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(yīng)的仿真與實(shí)驗(yàn)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(fù)載不同質(zhì)量的金黃色葡萄球菌所對應(yīng)的諧振器頻率偏移量。分別重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，將3次測量結(jié)果取平均值，并繪制頻率響應(yīng)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(fù)載的增加而不斷增大。通過曲線擬合分析可得，實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)較好的線性特性，擬合系數(shù)為0.954 14。

圖8 負(fù)載不同質(zhì)量金黃色葡萄球菌對應(yīng)的頻率偏移曲線

3 結(jié)束語

本文研究了采用新型聲表面波單端對諧振器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。本文使用的一種新型諧振器結(jié)構(gòu)，具有提供單獨(dú)敏感區(qū)域的優(yōu)點(diǎn)，避免敏感膜污染叉指指條的電極，同時(shí)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(shí)驗(yàn)研究加以證明。同時(shí)，利用該器件初步檢測了不同質(zhì)量負(fù)載金黃色葡萄球菌的頻率偏移量，通過實(shí)驗(yàn)得到頻率偏移與質(zhì)量負(fù)載呈線性增長關(guān)系。在以后工作中，將結(jié)合外圍振蕩電路構(gòu)成SAW生物傳感器，并將修飾選擇性敏感膜，可用來實(shí)現(xiàn)細(xì)菌的實(shí)時(shí)特異性檢測。