基于新型声表面波单端对谐振器的生物传感器

齐晓琳，刘建生，何世堂，梁 勇

(1.中国科学院 声学研究所，北京100190；2.中国科学院大学，北京100490)

0 引言

声表面波(SAW)传感器是近年来发展起来的一种新型微声传感器，具有灵敏度高,易于集成和小型化,成本低,可大量生产等优点，具有极大的应用潜力[1-2]。近10多年来，SAW生物传感器被广泛应用在生物检测方面，如蛋白质检测、DNA检测、细菌检测和小分子检测等[3-5]。其中，金黄色葡萄球菌是一种兼性厌氧革兰氏阳性细菌，由Dr. Alexander Ogston于1880年发现。它在环境中广泛分布，可引起许多疾病，从轻微的皮肤感染到危及生命的疾病，如脓肿[6]、肺炎[7]、脑膜炎[8]、心内膜炎[9]和败血症[10]。目前采用表面等离子体共振、荧光光谱、石英晶体微天平、电化学等方法来实现快速检测金黄色葡萄球菌。Xu等[11]采用SAW传感器定量检测了金黄色葡萄球菌，通过实验对比发现,采用Love波检测可得更高灵敏度和更低检测下限。其采用的器件为延迟线结构，可提供单独的成膜区域，覆盖膜材料所引起声波衰减相对较小。但SAW延迟线插入损耗相对较大，品质因数Q较低。SAW 谐振器具有高Q和低损耗的优点，由它作为频控元件组成的振荡器易起振，且能获得良好的频率稳定度[12-13]，但谐振器很难提供单独的敏感膜成膜区域，限制了需要活性金膜的自组装敏感膜成膜方式的应用。因此，本文设计了一种新型SAW单端对谐振器，通过在叉指换能器(IDT)中间内置敏感区域，克服了传统谐振器的敏感膜成膜区域问题。同时在沉积敏感膜时避免敏感膜接触到叉指指条，以保证换能器性能和高品质因数不受影响，从而获得良好的频率稳定性，进而有助于提高SAW传感器的检测灵敏度和检测下限[14]。最后，采用此结构对金黄色葡萄球菌进行初步的检测实验。

1 SAW响应机理

SAW是一种在固体表面传播的非弹性色散波。由于其能量高度集中，大部分外界的扰动(如温度、湿度、质量、电磁场等)都会对SAW的速度及频率等参量产生影响。与传统敏感元件相比，SAW器件具有尺寸小，价格低，精度、灵敏度及分辨率高等优点，从而在传感器领域得到了广泛的应用。根据微扰理论，SAW共振频率变化量满足:

[(λ+μ)/(λ+2μ)]

(1)

式中：k1，k2为压电晶体的材料常数；ρ，h分别为敏感膜的密度和厚度，ρh=ΔMs/A(Ms为敏感膜的质量，A为敏感膜的面积)为单位面积上敏感膜质量；f0为器件中心频率；vR为瑞利波的波速；λ，μ皆为膜材料的Lamé常数。

只考虑质量负载效应，质量变化(ΔMs)与共振频率变化量Δf间的关系为

(2)

式中：C为与基片材料相关的耦合常数；f0为器件中心频率。

由式(2)可看出，单位面积质量的变化与传感器频率信号输出的偏移量呈线性关系。因此，通过观察频率信号的变化，可实现对金黄色葡萄球菌浓度的检测。

2 新型谐振器结构的设计与仿真

对于SAW传感器，影响其灵敏度和检测下限的因素主要是SAW振荡器的频率稳定度，即短期、中期和长期频率稳定性。影响短期频率稳定性的主要因素是SAW器件的损耗、Q值及放大器噪声系数等。而影响中期频率稳定性的主要因素通常是SAW器件压电基片温度特性，振荡器电路元件的老化直接影响振荡器的长期频率稳定性[14]。因此，针对金黄色葡萄球菌生物传感器，本文设计了新型SAW单端对谐振器，结构如图1所示。采用的128°-YXLiNbO3压电基片具有较高的机电耦合系数和相速度，金IDT覆盖在压电基片上。与传统SAW谐振器结构相比，其创新点在于IDT中间去掉部分叉指用于沉积敏感膜和检测目标物，这样可保证IDT的使用寿命，同时具有高品质因数的优点。

根据以上创新设计，结合耦合模理论[15-16]和有限元软件COMSOL建立周期栅阵的三维模型[17]。通过模态分析、谐响应分析，可得到此结构的归一化输入导纳，从而得到参数fsc+、fsc-、foc+和foc+，进而得到传播速度、耦合系数和激发系数。通过静态分析可得到静电场能量，因此，静电电容也可确定。以波长λ=100 μm、指条宽度a=λ/4、指条厚度h= 190 nm的周期结构为例，提取的归一化COM参量如表1所示。

表1 周期结构的COM参量

实际SAW器件可划分为若干具有周期或准周期结构的部分，每一部分可用一个P矩阵来表示，如图2所示。图中，Pt为两边叉指换能器IDT的长度，Pd为叉指换能器之间间隙的长度，Pg为反射栅的长度。P矩阵只考虑其边界上的物理量，其P矩阵元可由COM方程的解得到。在P矩阵中，2个声端口变量间的关系以散射矩阵(S矩阵)参数来描述，而电端变量以导纳矩阵(Y矩阵)来描述，描述电端口变量和声端口变量之间关系的矩阵单元则反映了电能和声能间的相互转换。

图2 单端对谐振器P矩阵级联示意图

根据网络参量转换关系，由Y可导出单端对SAW谐振器的理论频响为

(3)

式中：Y11，Y22为输入导纳；Y12，Y21为转移导纳；Z0=50 Ω为电端口的特性阻抗。

本结构的IDT两侧的指条数均为100，中间间隔为60λ，两侧的反射栅指条数均为100。换能器与反射栅的间距为0.5λ，声孔径为50λ。图2(b)结构为传统单端对谐振器结构，与图2(a)结构相比去掉了中间间隔区域。利用提取的耦合模参量，通过上述P矩阵级联的方式，分别得到两种结构的频率响应S11，结果如图3所示。对比图3中两条曲线可看出，本文所设计的新型单端对谐振器的Q高于传统单端对谐振器结构的Q。

图3 两种不同结构频率响应的仿真对比

3 实验与讨论

将金黄色葡萄球菌(ATCC 6538)从80 ℃超低温冰箱取出融化，取20 μL细菌放入15 mL离心管中,再向其加入3 mL Luria-Bertani液体培养基，拧上盖子(注意不要拧紧)，用封口膜封好后放于37 ℃的摇床内,以175 r/min的转速培养18～20 h将其染色并稀释100倍，再在ZOE荧光细胞成像仪下观察结果，如图4所示。

图4 荧光细胞成像仪下的金黄色葡萄球菌

根据第2节中的仿真设计，实验中对指条厚为190 nm的新型SAW谐振器进行了制备。SAW器件的制备采用半导体平面加工工艺，如图5所示。最终制得的SAW谐振器实物图如图6所示。

图5 SAW器件加工流程

图6 新型SAW谐振器器件

采用网络分析仪测量制作的新型单端对谐振器的响应频率，并与仿真结果进行对比分析，如图7所示。由图可知，仿真结果与实验结果吻合度高，在谐振频率附近插入损耗最大。该谐振器的实际测量谐振频率为39.614 MHz，对应的插入损耗为16.69 dB，Q=3 561.65。由图还可知，该谐振器具备换能器的高品质因数特性，同时又提供了单独的敏感区域，保证叉指电极区域不受污染。

图7 新型谐振器频率响应的仿真与实验对比图

采用微量移液枪量取2 μL体积浓度为109/mL的金黄色葡萄球菌水溶液，滴涂在单端对谐振器中间敏感区域，待水溶液蒸发干燥后，得到了对于负载不同质量的金黄色葡萄球菌所对应的谐振器频率偏移量。分别重复3次实验，将3次测量结果取平均值，并绘制频率响应曲线如图8所示。由图可发现，频率偏移量随着金黄色葡萄球菌质量负载的增加而不断增大。通过曲线拟合分析可得，实验结果呈现较好的线性特性，拟合系数为0.954 14。

图8 负载不同质量金黄色葡萄球菌对应的频率偏移曲线

3 结束语

本文研究了采用新型声表面波单端对谐振器结构作为敏感元件的金黄色葡萄球菌生物传感器。传统SAW金黄色葡萄球菌生物传感器采用延迟线结构。本文使用的一种新型谐振器结构，具有提供单独敏感区域的优点，避免敏感膜污染叉指指条的电极，同时保证换能器性能和高品质因数不受影响，并通过理论仿真和实验研究加以证明。同时，利用该器件初步检测了不同质量负载金黄色葡萄球菌的频率偏移量，通过实验得到频率偏移与质量负载呈线性增长关系。在以后工作中，将结合外围振荡电路构成SAW生物传感器，并将修饰选择性敏感膜，可用来实现细菌的实时特异性检测。