[发明专利]信号增强的薄膜体声波谐振器

说明书

通过质量放大和高频率操作来增强薄膜体声学波谐振(TFBAR)传感器的灵敏度。

相关申请

本申请要求了2013年3月15日提交的、美国临时专利申请号为61/790,076的专利申请的权益。

技术领域

本发明除其他以外总体涉及通过质量加载介导的放大元件的薄膜体声波谐振器(TFBAR)的信号增强。

背景技术

例如薄膜体声波谐振器(TFBAR)这样的压电装置和例如石英晶体微天平(QCM)的类似技术已经在一段时间以来用作质量检测器。压电谐振器的一种应用是用在检测非常小量的材料中。在这样的应用中作为传感器使用的压电谐振器有时被称作“微天平”。压电谐振器典型地构造为夹在两个电极层之间的晶体或多晶压电材料的薄平层。当用作传感器时，谐振器暴露于被检测的材料，从而容许材料结合在谐振器的表面。

检测结合在传感谐振器的表面上的材料的量的一种传统方式是将谐振器作为振荡器在它的谐振频率操作。由于被检测的材料结合在谐振器的表面，谐振器的振荡频率降低。测量可能由材料在谐振器的表面的结合所引起的谐振器振荡频率的变化并且将该变化用于计算结合在谐振器上的材料的量或材料在谐振器表面的累积率。

在空气中作为材料传感器的压电谐振器的灵敏度理论上与谐振频率的平方成比例。因此，基于普通的石英晶体谐振器的材料传感器的灵敏度被它们相对低的振荡频率所限制，该振荡频率典型地从几MHz变化到约100MHz。薄膜谐振器(TFR)技术的发展可以潜在地产生具有明显增强的灵敏度的传感器。薄膜谐振器通过在基底上沉积例如AlN或ZnO的压电材料的薄膜而形成。由于在薄膜谐振器内压电层的大约几微米的小厚度，薄膜谐振器的谐振频率约为1GHz。高的谐振频率以及相应的高灵敏度使得薄膜谐振器在物质传感应用中变得实用。但即使是薄膜谐振器的质量灵敏度在特定分析物的检测中还是受限的，例如生物分析物。

先前已经描述了压电谐振传感器在免疫测定法中的使用。通常在免疫测定中的质量变化归因于抗原和抗体之间的免疫反应的基于压电的免疫测定法在一些情况下会遭受差的灵敏度和低的检测限制。因此，本该领域中存在对于基于压电的特异性结合的测定的需求，在测定中分子识别组件和它的目标分析物之间的反应能够被放大以提供更灵敏的测定。

这样的示例在美国专利号为4,999,284、由沃德等在1991年3月12日发表的专利中示出，该专利公开了一种石英晶体微天平测定的使用方法，其中测定物在石英晶体微天平(QCM)表面上或其附近的结合通过包括酶的结合物来测定。该酶可以催化底物向产物的转化，产物能够积累在QCM的表面上或与QCM的表面反应从而引起质量变化并且因此改变谐振频率。

发明内容

本发明除其他以外描述了用于增强在高频率操作的TFBAR的灵敏度的信号放大。

在实施例中，用于检测样品中的分析物的方法包括使分析物或分析物和关联了标签的分析物分子、第一识别组件以及关联了信号放大元件的第二识别组件接触，从而产生包含第一识别组件和关联了信号放大元件的第二识别组件的复合物。第一识别组件相对于薄膜体声波谐振器(TFBAR)的表面固定并且配置用于选择性地结合分析物、关联了标签的分析物分子、或标签、或结合到第二识别组件的这些结合分子中的任何一个或多个。关联了信号放大元件的第二识别组件配置用于选择性地结合分析物、关联了标签的分析物分子、或标签、或任何结合到第一识别组件的这些分子、或它们的组合中的一个或多个。该方法进一步包括在将前驱体转化为在TFBAR的表面增加质量的放大分子的状况下将关联后的信号放大元件与一种或多种放大前驱体接触。增加的质量是由放大分子在表面的沉积、放大分子与分析物、关联了标签的分析物分子、第一识别组件或关联了放大元件的第二识别组件中的一种或多种的结合等所引起的。该方法也包括获取在TFBAR的表面增加的质量(例如分析物、关联了信号放大元件的第二识别组件以及放大分子的质量)的测量值。