JP2005525540A - 回路構造、レドックス再生利用センサー、センサー構造、および、センサー電極によって供給された電流信号の処理方法 - Google Patents

回路構造、レドックス再生利用センサー、センサー構造、および、センサー電極によって供給された電流信号の処理方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、回路構造（１００）、レドックス再生利用センサー、センサー構造、および、センサー電極によって形成された電流信号の処理方法に関するものである。回路構造（１００）は、センサー電極（１０１）と、制御回路（１０２）と、電流源（１０４）とを備えている。この制御回路は、入力部（１０３）を介してセンサー電極に連結されている。電流源は、それを制御回路によって駆動できるように、電流源の制御入力部（１０５）を介して制御回路の制御出力部（１０６）に連結されており、電流源の出力部を介してセンサー電極に連結されている。また、制御回路にその入力部を介して流れる電流信号（１０８）が所定の電流強度範囲外である場合、制御回路の入力部に流れる電流を所定の電流強度値にするように、電流源が生成した電流（１０９）を設定するために、制御回路が電流源を制御するように設定されている。また、制御回路の入力部を介して制御回路に流れる電流信号が、所定の電流強度範囲内である場合、電流源が生成した電流を実際の値に固定するように、制御回路が電流を制御する。さらに、回路構造は、制御回路の入力部を介して制御回路に流れる電流信号が所定の電流強度範囲外であるという事象を検出できる検出ユニット（１１０）を、備えている。

Description

発明の詳細な説明
本発明は、回路構造と、レドックス再生利用センサーと、センサー構造と、センサー電極によって供給された電流信号の処理方法とに関するものである。
図２Ａおよび図２Ｂは、［１］に記述されているようなバイオセンサーチップを示している。このセンサー２００は、金から構成される２つの電極２０１・２０２を備えており、これらの電極は、電気的に絶縁された材料から構成される絶縁層２０３に埋設されている。電極２０１・２０２には、電極端子２０４・２０５が接続されている。この電極端子２０４・２０５により、電極２０１・２０２で、電位（elektronische Potential）が供給される。電極２０１・２０２は、プレーナ型電極として配置されている。各電極２０１・２０３上には、ＤＮＡプローブ分子２０６（捕獲分子(Faengermolekuele)とも呼ばれる）が固着されている（図２Ａ参照）。この固着は、いわゆる金‐硫黄‐結合によって行われる。電極２０１・２０２上には、調査するべき分析物（zu untersuchende Analyt）、例えば、電解液２０７が塗布される。
電解液２０７に、ＤＮＡプローブ分子２０６の配列と相補的な（つまり、キーロック原理（Schluessel-Schloss-Prinzip）に従い捕獲分子と立体的に適合した）塩基配列を有するＤＮＡ鎖２０８が含有されている場合、これらＤＮＡ鎖２０８は、ＤＮＡプローブ分子２０６と２本鎖雑種核酸分子形成する（hybridisieren）（図２Ｂ参照）。
ＤＮＡプローブ分子２０６とＤＮＡ鎖２０８との２本鎖雑種核酸分子形成（Hybridisierung）は、各ＤＮＡプローブ分子２０６の配列と、それに対応するＤＮＡ鎖２０８の配列とが、互いに相補的である場合にのみ起こる。そうではない場合、２本鎖雑種核酸分子形成は起こらない。それゆえ、所定配列のＤＮＡプローブ分子は、特定のＤＮＡ鎖、すなわち、それぞれ相補的な配列を有するＤＮＡ鎖とのみ結合、つまり２本鎖雑種核酸分子形成できる。これにより、センサー２００の選択力が高度になる。
２本鎖雑種核酸分子形成が起こると、図２Ｂから明らかなように、電極２０１・２０２間のインピーダンスの値が変化する。この変化したインピーダンスは、適切な電圧を電極端子２０４・２０５に印加し、そしてその結果として生じた電流を記録する（Erfassens）ことにより、検出される。
２本鎖雑種核酸分子形成すると、電極２０１・２０２間におけるインピーダンスのキャパシタンス成分が減少する。この原因は、ＤＮＡプローブ分子２０６と、ＤＮＡプローブ分子２０６と２本鎖雑種核酸分子形成するＤＮＡ鎖２０８との両方が非導電性であるため、各電極２０１・２０２が、明らかに、ある程度電気的に遮断されるからである。
測定精度を改善するために、多数の電極の組２０１・２０２を使用し、これらを互いに並列接続することが、［２］から知られている。これらは、互いにしっかりとかみ合うように配置されており、その結果、いわゆるインターデジタル電極（Interdigitalelektrode）３００となる（図３Ａに平面図を示し、図３Ｂに、図３Ａの切断線Ｉ‐Ｉ´に沿った図３Ａの断面図を示す）。電極の寸法および電極間の距離は、検出されるべき分子の長さ、すなわち、ＤＮＡ鎖２０８の長さまたはそれ以下、例えば、２００ｎｍおよびそれ以下の範囲となる。
さらに、巨大生体高分子を記録するための酸化還元再生利用工程（Reduktion-/Oxidations-Recycling-Vorgang）に関する基本原理が、例えば［１］および［３］から知られている。酸化還元再生利用工程（以下ではレドックス再生利用工程と記す）について、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃに基づいて以下に詳述する。
図４Ａは、第１電極４０１および第２電極４０２を備える、バイオセンサーチップ（英文では、「チップ」に相当する語句がありませんでした。独文にて確認してください）４００を示す。第１電極４０１および第２電極４０２は、絶縁層４０３に形成されている。金から構成された第１電極４０１上には、固定領域４０４が形成されている。固定領域４０４は、第１電極４０１上においてＤＮＡプローブ分子４０５を固着化させるために用いられる。第２電極上には、このような固定領域は備えられていない。
固着されたＤＮＡプローブ分子４０５の配列と相補的な配列を有するＤＮＡ鎖４０７が、バイオセンサー４００によって記録されると、センサー４００は、調査される溶液４０６に含まれている可能性のあるＤＮＡ鎖４０７が、ＤＮＡプローブ分子４０５の配列と相補的な配列で２本鎖雑種核酸分子形成できるように、調査される溶液（例えば電解液４０６）に接触する。
図４Ｂには、記録されるＤＮＡ鎖４０７が、調査される溶液４０６中に含まれ、かつ、ＤＮＡプローブ分子４０５と２本鎖雑種核酸分子形成する様子が示されている。
調査される溶液中のＤＮＡ鎖４０７は、酵素４０８で標識されている（マーキングは標識のほうがいいと思います）。酵素４０８により、以下に記述する分子を、帯電された部分分子に分解することが可能になる（文章を２つに分けました）。通常、調査される溶液４０６に含まれる確認（ermittelnde）されるＤＮＡ鎖４０７よりも、著しく多い数のＤＮＡプローブ分子４０５が供給されている。
調査される溶液４０６中に含まれる場合のある、ＤＮＡ鎖４０７を、酵素４０８とともに、固着されたＤＮＡプローブ分子４０５と２本鎖雑種核酸分子形成させた後、バイオセンサー４００をすすぐ。この結果、２本鎖雑種核酸分子形成されていないＤＮＡ鎖が除去され、バイオセンサーチップ４００が、調査される溶液４０６によって洗浄される。上記すすぎに用いるすすぎ液、または、後の段階で特別に供給された他の溶液には、帯電していない物質を添加する。この物質は、２本鎖雑種核酸分子形成されたＤＮＡ鎖４０７に沿った酵素４０８によって、陰電荷（elektronischen Ladung）を有する第１部分分子４１０と正の電荷を有する第２部分分子とに分解できる分子を含有している。
陰電荷を有する第１部分分子４１０は、図４Ｃに矢印４１１によって示されているように、正の電荷を有する第１電極４０１に引き寄せられる（図４Ｃ参照）。陰電荷を有する第１部分分子４１０は、正の電位を有する第１電極４０１において酸化され、酸化された部分分子４１３として、陰電荷を有する第２電極４０２に引き寄せられ、再び還元される。還元された部分分子４１４は、正の電位を有する第１電極４０１にもう一度移動する。このようにして、酵素４０６によって発生したそれぞれの荷電粒子の数に比例した電子回路電流が、発生する。
この方法を用いる際に評価される電子パラメータは、図５のグラフ５００に示されているように、時間ｔの関数として、電流の変化値ｍ＝ｄＩ／ｄｔ（ｍ＝ｄＩ／ｄｔは、電流の変化値に係っていると思います。独文にて確認して下さい）である。
図５に、時間５０２に応じた電流５０１の関数を示す。生じた曲線外形（英文では、curve profileです。）（Kurvenverlauf）５０３は、時間経過の影響を受けないオフセット電流Ｉoffset５０４を有している。オフセット電流Ｉoffset５０４は、バイオセンサー４００が理想型ではないために、発生する。オフセット電流Ｉoffsetが生じる基本的な原因は、ＤＮＡプローブ分子４０５を有する第１電極４０１の被覆が理想的になされていない、すなわち、完全な密度で行われていないということである。第１電極４０１がＤＮＡプローブ分子４０５によって十分に密集して被覆されている場合、固着したＤＮＡプローブ分子４０５によって発生するいわゆる２層キャパシタンスに基づき、第１電極４０１と導電性の調査される溶液４０６との間に、主として静電結合（kapazitive elektronische Kopplung）が生じるはずである。しかしながら、被覆が不完全な場合には、特に抵抗成分をも有する寄生電流経路が、第１電極４０１と調査される溶液４０６との間にできてしまう。
しかしながら、酸化還元工程を可能にするためには、ＤＮＡプローブ分子４０５を有する第１電極４０１の被覆は完全である必要はなく、これにより、帯電された部分分子、すなわち陰電荷を有する第１部分分子４１０が、電気力（elektrische Kraft）で、第１電極４０１に引き寄せられる。一方、このようなバイオセンサーの感度をできるだけよくし、かつ同時に寄生的影響を可能な限りわずかにするために、ＤＮＡプローブ分子４０５を有する第１電極４０１の被覆はできるかぎり密集していなければならない。このようなバイオセンサー４００によって決定された測定値の再現性を高めるため、２つの電極４０１・４０２は、常に、レドックス再生利用工程において酸化還元手順を行うための十分に大きな面積を備える必要がある。
巨大生体高分子は、例えば、蛋白質またはペプチドまたはそれぞれ所定配列のＤＮＡ鎖であってもよい。巨大生体高分子として蛋白質またはペプチドを記録するとき、第１分子および第２分子はリガンドである。リガンドは、記録される蛋白質またはペプチドと、例えば対応するリガンドが配置された、それぞれの電極にて結合可能な、結合活性を有する活性物質である。
リガンドとしては、酵素作用物質、薬剤、糖、または、抗体、または、蛋白質またはペプチドと特異的に結合する性能を有している何らかの分子がある。
巨大生体高分子が、バイオセンサーを用いて記録しようとする所定配列を有するＤＮＡ鎖である場合、バイオセンサーを用いて、所定配列を有するＤＮＡ鎖が、ＤＮＡ鎖の配列と相補的な配列を有するＤＮＡプローブ分子と、第１電極上の分子として、２本鎖雑種核酸分子形成することが可能になる。
プローブ分子（捕獲分子とも呼ばれる）は、リガンドであってもＤＮＡプローブ分子であってもよい。
図５の直線５０３の傾きに相当する上述の値ｍ＝ｄＩ／ｄｔは、測定電流を記録するために用いられる電極の電極面積に比例した値である。したがって、値ｍは、用いられる電極の長さ、例えば、第１電極２０１および第２電極２０２の場合、図２Ａおよび図２Ｂに記している平面に対して垂直に延びた第１電極２０１および第２電極２０２の長さに比例した値である。複数の電極を並列接続する（例えば既知のインターデジタル電極配置（図３Ａ、図３Ｂ参照））と、測定電流の変化値は、それぞれ並列接続された電極数に比例する。
しかしながら、測定電流の変化値の範囲は、様々な影響を受けて非常に大きく変動する。ここでは、センサーによって検出可能な電流範囲を、ダイナミックレンジと呼ぶ。また、５デケード（fuenf Dekaden）の電流強度範囲を所望の値のダイナミックレンジと呼ぶ場合も多い。変動が大きい原因は、センサー形状に加え、生化学的境界条件にある場合もある。したがって、異なるタイプの記録される巨大生体高分子によって、発生した測定信号、すなわち特に測定電流およびその時間的変化値、に関する値の範囲が大きく異なるようになることも可能になる。これにより、再び、後段の均等な測定装置（einheitlicher Mess-Eleltronik）を備えた所定の電極配置に対する要求を有する必要な全ダイナミックレンジが拡大する。
このような回路のダイナミックレンジを大きくするという必要性により、必要なダイナミックレンジを十分正確におよび信頼できるようにするために、測定装置を高価で複雑に設計することになる。
さらに、全測定時間におけるオフセット電流Ｉoffsetの変化値は、測定電流ｍの時間変化値よりもはるかに大きい場合が多い。このような例では、大きな信号の範囲内で、時間に応じて変化する非常に小さな変化値を、非常に正確に測定する必要がある。そのためには、非常に高度な測定機器を用いることが求められる。したがって、測定電流の記録には、コストがかかり、複雑で高価になる。さらに、この事は、センサー構造を縮小しようとすることとは相反するものである。
つまり、ダイナミックレンジに対する要求、及び、それに伴うセンサーにおける事象（Sensor-Ereignissen）を検出するための回路の性能に対する要求は、著しく高い。

回路設計において、用いる要素（ノイズ、パラメータの変化）の非理想性について、これらの非理想性が可能な限り無視できる程度に機能する動作点が、回路中のこれらの構成素子用に選択されるような形で考慮することが知られている。
しかしながら、回路を、大きなダイナミックレンジを越えて駆動しようとすると、ダイナミックレンジ全域を越えた最適な動作点を保つことはますます困難で、かつ複雑であり、コストがかかるだろう。
例えばセンサーにおいて発生するようなわずかな信号電流を、増幅器回路を用いて信号電流を例えば外部器機にさらに流すことができるか、または、内部を定量化できる水準に、上げることができる。
妨害に対する免疫性および利用者への対応の良さのゆえに、センサーと、評価されるシステムとのデジタルインターフェースが有効である。アナログ測定電流は、あらかじめ、センサーの近くでデジタル信号に変わる。このことを、集積アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を用いて行うことができる。わずかなアナログ電流信号をデジタル化するためのこのような集積構想については、例えば[４]に開示されている。
必要なダイナミックレンジを達成するために、ＡＤＣの分解能は適度に大きく、信号／雑音比は十分に高くなければならない。さらに、センサー電極のすぐ近くにこのようなアナログデジタル変換器を集積することは、高い技術的挑戦であり、そのプロセス操作は複雑でコストがかかる。さらに、センサーの信号／雑音比を十分に上げることは、非常に困難である。
本発明の目的は、時間的に非常にわずかに変化した電流に対する検出感度が改善された、誤差に強い回路構造を提供することにある。
この目的を、独立特許請求項の特徴部分における、回路構造と、レドックス再生利用センサーと、センサー構造と、センサー電極を介して形成された電流信号の処理方法とによって、達成する。
本発明は、センサー電極と、入力部を介して上記センサー電極と連結している制御回路と、電流源とを備えた回路構造を提供している。電流源は、上記制御回路により制御可能になるように、電流源の制御入力部を介して上記制御回路の制御出力部に連結され、かつ、電流源の出力部を介して上記センサー電極に連結されている。また、上記制御回路にその入力部を介して流れる電流信号が、所定の電流強度範囲外である場合、上記制御回路が上記電流源を制御して、上記電流源が電流源により発生した電流を設定し、上記制御回路の入力部に流れる電流が所定の電流強度値になるように、上記制御回路が設定されている。さらに、上記制御回路へその入力部を介して流れる電流信号が、所定の電流強度範囲内である場合、上記制御回路が上記電流源を制御して、上記電流源が電流源により発生した電流を実際の値に固定するように、上記制御回路が設定されている。さらに、回路構造は、制御回路の入力部を介して流れ込む電流信号が所定の電流強度範囲外であるという事象（Ereignis）を検出できる検出ユニットを、備えている。
具体的には、センサー電極では、例えば、センサー電極に固着された捕獲分子における、酵素標識を有するＤＮＡ鎖の２本鎖雑種核酸分子形成といった、センサー事象が行われる。このとき、この酵素は、それに適した液体を添加する際に、自由電荷担体（freie Ladungstraeger）を生成する。この自由電荷担体は、センサー電極において電流の流れを生じさせるものである。これにより、センサー電極において、センサー電流は、時間に応じて変化する（例えば図５参照）。このセンサー電流ＩSensorの特徴は、制御回路の入力部を介して流れる電流ＩMessに影響する点にある。また、制御回路は、その入力部を介して流れる電流ＩMessが所定の電流強度範囲外である場合に、制御回路の調整出力部を介して電流源の調整入力部に信号を供給するように、設定されている。この信号は、電流源がその出力部において、制御回路の入力部を介して流れる電流強度ＩMessが所定の電流強度値になるような電流値ＩRangeを、供給するような、信号である。検出ユニットが、制御回路に連結されることが好ましい。この検出ユニットは、制御回路においてその入力部を介して流れる電流信号ＩMessが所定の電流強度範囲外であるという事象を、検出する。これに対して、制御回路の入力部を介して流れ込む電流信号が、所定の電流強度範囲内である場合、制御回路は、その調整出力部に、電流源の調整入力部に供給される信号を生成し、この制御回路は、それによって生成された電流ＩRangeを実際の一定値に保つ。具体的には、所定の電流間隔だけセンサー電流がさらに上昇した場合、検出信号が生成される。このようにして、センサー電極のセンサー事象が記録される。
言い換えると、本発明では、ｐＡ−ｎＡ範囲における最も小さな電流の信号処理を実現する。このとき、アナログ電流信号ＩSensorは、センサーのすぐ近くで、一連の検出信号（例えばパルス）に変わる。つまり、アナログ電流信号ＩSensorを時間的に続いた検出信号に（好ましくは周波数に）変えることにより、デジタル化が行われる。センサーのすぐ近くで信号処理を行うことにより、センサー信号の経路では信号処理ユニットへの妨害的な影響を受けないか、または、わずかにする。これにより、信号／雑音比が高くなる。つまり、有効信号を、センサーのすぐ近くでセンサー信号から取り除く。
さらに、本発明の回路構造を用いて、センサーまたは信号処理ユニットの感度およびダイナミックレンジを、個々のケースの要求に対して柔軟に設定できるという利点がある。図５に示したように、例えば、レドックス再生利用原理を用いてＤＮＡ鎖を検出する場合、２本鎖雑種核酸分子形成事象を、時間的に一定に上昇する信号の流れに変える。測定時間を設定し、超過する度に検出パルスを引き起こす所定の電流強度範囲を設定することによって、感度およびダイナミックレンジを調節できる。したがって、本発明では、（例えば１ｐＡ〜１００ｎＡの電流を記録するために）５デケードの所望の値のダイナミックレンジを、非常に簡単に実現できる。
本発明の回路構造の有効な他の形態において、この回路構造には、さらに、上記検出ユニットに電気的に連結された計数素子（Zaehler-Element）が備えられている。この計数素子は、検出ユニットによって検出された事象の数、および／または、事象の時間的順序を計算するように、設定されている。
この計数素子が、制御回路の入力部に流れている電流が所定の電流強度範囲の上限を越えた場合に、計数読み取り値が所定値だけ上昇するように、設定されていることが好ましい。これに対して、制御回路の入力部に流れている電流が所定の電流強度範囲の下限を下回った場合、計数読み取り値が所定値だけ下がるように、計数素子が設定されていることが好ましい。
上述した計数素子の機能は、センサー電流ＩSensorのセンサー事象によりしだいに増加するというような兆候を、センサー電流が示すというものである。所定の電流強度範囲を超える度に、具体的には、計数読み取り値は所定値（好ましくは「１」）だけ上昇する。これに対して、所定範囲を下回るたびに、計数読み取り値は所定値（好ましくは「１」）だけ下がる。
センサー電流がセンサー事象によってしだいに下がる兆候を示すことと連動して、上記計数素子は、制御回路の入力部に流れている電流が所定の電流強度範囲の上限を上回った場合に、計数読み取り値が所定値だけ下回り、制御回路の入力部に流れている電流が所定の電流強度範囲の下限を下回った場合に、計数読み取り値は所定値だけ上回るように、設定されている。
検出事象がセンサー電極の電流値を上回る場合の電流値の低下は、例えば、ノイズ事象のような妨害事象および寄生的事象のゆえに生じる。
本発明では、検出器が、所定の電流強度範囲を上回るか下回るということを選択的に検出することが好ましく、また、その結果、計数素子の計数読み取り値を高くまたは低く設定することが好ましい。つまり、信号の平均値を自動的に生成し、これによって、ノイズ効果などに起因する誤差を補整する。その結果、検出感度が上がる。
また、電流源は、電圧制御電流源であることが、好ましい。
さらに、制御回路は、その入力部において、電流電圧変換器を備えていることが好ましい。この変換器は、上記制御回路の入力部に供給される電流が電圧信号に変換されるように設定されている。
本発明の回路構造の有効な他の形態では、この回路構造は、集積回路として形成されている。
この回路構造を例えばシリコン基板（例えばウェハー中のチップ）に集積することで、オンチップで（On-Chip）電流信号を処理できるので、検出精度が高くなる。チップ上では、直接、および、センサー電極のすぐ近くで、電流が処理されている。こうすることにより、妨害信号（例えば、伝達経路の増加により増加したノイズ）を、防止する。さらに、本発明の回路構造を例えば半導体基板に集積することにより、回路構造の寸法を縮小できるという利点がある。この縮小化により、巨視的な測定装置を節減するので、コストを下げることができる。
強調すべきは、本発明の回路構造を半導体基板に集積した結果、この回路構造を、規格化され普及し完成した半導体技術的プロセスを用いて、製造できる。このプロセスを用いることは、品質およびコスト面で有効である。
さらに、本発明は、上記特徴を有する回路構造を備えたレドックス再生利用センサーを提供する。
本発明の回路構造の感度は、上述したように、十分に高くなっている。そして、低濃度の生体高分子を検出する際に通常生じるような非常にわずかな電流を記録することが可能になる。したがって、本発明の回路構造は、図４Ａ、図４Ｂ、および、図４Ｃを参照して特徴を有するレドックス再生利用センサーとして設計されることが好ましい。
さらに、本発明は、上記特徴を有する回路構造を複数備えたセンサー構造を提供する。特に、センサー構造の各回路構造は、レドックス再生利用センサーとして設計されていてもよい。
センサー構造を形成するための複数の回路構造を、例えばほぼマトリックス状の構造に配置することにより、例えば、調査される液体を同時に分析することができる。この液体が例えば様々な生体高分子（例えば様々なＤＮＡ半鎖（DNA-Halbstraenge））を含んでおり、センサー構造の様々なセンサー電極に、様々な種類の捕獲分子が固着する場合、時間的に同時に、様々なＤＮＡ半鎖を検出できる。この同時の分析は、多くの技術領域において、労働時間およびコストを削減する望ましい合理化措置である。したがって、本発明では、調査される液体の分析を、時間を短縮して実現できる。
さらに、センサー電極を介して供給される電流信号の本発明の処理方法について詳述する。また、本発明の回路構造、本発明のレドックス再生利用センサー、および、本発明のセンサー構造を改良して、センサー電極を介して供給される電流信号の処理方法に適用する。
センサー電極を介して供給された電流信号のこの処理方法は、上記特徴を有する回路構造を使用することにより行われる。
この方法では、上記制御回路にその入力部を介して流れる電流信号が、所定の電流強度範囲外である場合、上記制御回路は、上記電流源が電流源により発生した電流を設定し、上記制御回路の入力部に流れる電流が所定の電流強度値になるように、上記電流源を制御する。これに対して、上記制御回路にその入力部を介して流れる電流信号が、上記所定の電流強度範囲内である場合、上記制御回路は、上記電流源が電流源により発生した電流を実際の値に固定するように、上記電流源を制御する。さらに、検出ユニットを用いて、制御回路の入力部を介して制御回路に流れる電流信号が所定の電流強度範囲外であるという事象を、検出する。
有効な他の形態では、制御回路に電気的に接続された計数素子を用いて、事象の数、および／または、事象の時間的順序を計算する
第１の選択肢では、制御回路の入力部に流れている電流が所定の電流強度範囲の上限を上回った場合、計数読み取り値を所定値だけ上昇させる。それに対して、制御回路の入力部に流れている電流が所定の電流強度範囲の下限を下回った場合、計数読み取り値を所定値だけ下げる。
また、他の有効な形態では、制御回路の入力部に流れている電流が所定の電流強度範囲の上限を上回った場合、計数読み取り値を所定値だけ下げ、制御回路の入力部に流れている電流が所定の電流強度範囲の下限を下回った場合、計数読み取り値は所定値だけ上昇させる。
本発明の実施例を、図に示し、さらに詳述する。図１は、本発明の第１実施例に係る回路構造を示す概略図である。図２Ａは、第１駆動状態における従来技術に係るセンサーを示す断面図である。図２Ｂは、第２駆動状態における従来技術に係るセンサーを示す断面図である。図３Ａは、従来技術に係るインターデジタル電極を示す平面図である。図３Ｂは、図３Ａに示した従来技術に係るインターデジタル電極を切断線Ｉ−Ｉ´に沿って切断した図である。図４Ａは、従来技術に係る第１駆動状態において、レドックス再生利用の原理に基づいたバイオセンサーを示す図である。図４Ｂは、従来技術に係る第２駆動状態において、レドックス再生利用の原理に基づいたバイオセンサーを示す図である。図４Ｃは、従来技術に係る第３駆動状態において、レドックス再生利用の原理に基づいたバイオセンサーを示す図である。図５は、レドックス再生利用工程においてセンサー電流を示す関数的流れである。図６はレドックス再生利用工程におけるセンサー電流の関数的流れを示す詳細な図である。図７は、本発明の第２実施例にかかる回路構造を示す概略図である。図８Ａは、図７に示したセンサー電極用に、センサー電流ＩSensorと時間ｔとの関係を概略的に示すグラフである。図８Ｂは、図８Ａに示したグラフ用に、測定電流ＩSensorと時間ｔとの関係を概略的に示すグラフである。図９Ａは、本発明の第３実施例にかかる回路構造を示す概略図である。図９Ｂは、図８Ａに示したグラフ用に、および、図９Ａに示した本発明の回路構造の第３実施例用に、測定電流ＩSensorと時間ｔとの関係を概略的に示すグラフである。図１０Ａは、本発明の第４実施例にかかる回路構造を示す概略図である。図１０Ｂは、図１０Ａに示す本発明の回路構造の第４実施例を示す概略図である。
本発明は、具体的には特に、レドックス再生利用の原理に基づいた電子バイオセンサーのセンサー信号を周波数に直接変換するためのオンチップ集積回路構想を達成する。この周波数を搬送する信号は、デジタルレベルを有する２値の信号である。
本発明におけるセンサー電流信号の周波数変換の基本理念の概略を、図６のグラフ６００に示す。この基本理念は、本発明の回路構造により実現される。
図６に示すグラフ６００の横座標６０２は、時間ｔを示している。グラフ６００の縦座標６０１は、センサー電流ＩSensorを示している。さらに、この図は、電流‐時間グラフ６０３、および、オフセット電流６０４を示している。
電流値Ｉ0および第１時点ｔ0から、電流軸６０１を、理論的には変数ΔＩの等間隔に切断して分割する。第１時点ｔ0と第２時点ｔ１との間の時間間隔では、図示したように、電流‐時間曲線６０３によってｎ×電流間隔ΔＩが広がっている（ueberstrichen）。本発明では、どれだけの完全な部分ｎ、つまり、どの電流間隔ｎΔＩが、第１時点ｔ0と第２時点ｔ１との間の時間間隔においてセンサー電流ＩSensorによって広がっているかを、適切に検出する。すでに紹介した専門語（Nomenklatur）を参照して、測定技術的に関連のある変数は、電流上昇ｍ６０５、つまり、第２時点ｔ１でのセンサー電流Ｉ１から、第１時点ｔ０でのセンサー電流Ｉ０を引いたものを、（時間とともに直線的に上昇する電流用に）広がった時間間隔ｔ１−ｔ０で割る。
ｍ＝（Ｉ１−Ｉ０）／（ｔ１−ｔ０） （１）
電流軸を部分ΔＩに分割することにより、および、他の間隔ΔＩの超過部分を検出することによって、実際に、以下の式によって表される変数ｍ＊を記録する。
ｍ＊（ｔ１）＝ｎΔＩ／（ｔ１−ｔ０） （２）
有限幅の電流間隔ΔＩにおける電流の量子化に起因する相対誤差については、以下の式が重要である。
（ｍ−ｍ＊）／ｍ＝１／（ｎ＋１） （３）
（３）から、ｎを十分大きく選択した場合（つまり、測定時間を十分に長く、または、電流間隔ΔＩを十分に短く選択した場合）、相対誤差を無視できる程に小さくすることができるということがわかる。ｎは、ほぼ、
ｎ≒（Ｉ１−Ｉ０）／ΔＩ （４）
である。
したがって、間隔ΔＩを適切に選択することにより、センサー信号のダイナミックレンジを越えた、十分に大きな値ｎとなる構成を得ることができる。これにより、残りの特性誤差は、無視できるほど小さくなる。
さらに、図１を参照しながら、上記原理に基づいた回路構造１００を、本発明の好ましい第１の実施の形態にしたがって記載する。
回路構造１００は、センサー電極１０１、制御回路１０２、および、電極源１０４を備えている。この制御回路は、入力部１０３を介してセンサー電極１０１に連結されている。電流源１０４は、電流源の制御入力部１０５を介して制御回路１０２の制御出力部１０６に連結されることによって、制御回路１０２によって制御されており、電流源の出力部１０７を介してセンサー電極１０１に連結されている。また、制御回路１０２にその入力部１０３を介して流れる第１電流信号１０８が所定の電流強度範囲外である場合、制御回路１０２の入力部１０３に流れる第１電流信号１０８を所定の電流強度値にするように、電流源１０４が生成した第２電流信号１０９を設定するために、制御回路１０２が電流源１０４を制御するように設定されている。さらに、制御回路１０２にその入力部１０３を介して流れる第１電流信号１０８が、所定の電流強度範囲内である場合、電流源によって生成された第２電流信号１０９を実際の値に固定するために、制御回路１０２が電流源１０４を制御するように設定されている。さらに、回路構造１００は、制御回路１０２の入力部１０３を介して制御回路１０２に流れる第１電流信号１０８が所定の電流強度範囲外であるという事象を検出できる、検出ユニット１１０を、備えている。
さらに、図１に、センサー電極１０１に固着した捕獲分子１１１を示す。また、さらに、これらの捕獲分子１１１と２本鎖雑種核酸分子形成された、酵素標識１１３を有する記録される分子１１２を示す。レドックス再生利用の原理に基づいた、センサー電極１０１と、捕獲分子１１１と、酵素標識１１３を有する記録される分子１１２とのシステムは、センサー電極１０１の第３電流信号１１５を生成する帯電された粒子１１４を、生成する。この第３電流信号１１５（図６に示した電流-時間グラフ６０３に相当する）は、センサー電極１０１の表面で捕獲分子１１１と２本鎖雑種核酸分子形成する記録される粒子１１３の数についての情報を、含んでいる。この回路構造１００を用いて、第３電流信号１１５からセンサー情報を抽出できる。
さらに、本発明の回路構造の正確な機能性について、本発明の第２の実施の形態に係る回路構造７００を示す図７を参照しながら、記載する。
回路構造７００は、センサー電極７０１、制御回路７０２、および、電流源７０４を備えている。この制御回路は、入力部７０３を介してセンサー電極７０１に連結されている。電流源７０４を、その制御入力部７０５を介して制御回路７０２の制御出力部７０６によって制御でき、電流源の出力部７０７を介してセンサー電極７０１に連結している。また、制御回路７０２がその入力部７０３を介して制御回路７０２に流れる測定電流信号ＩMess７０８が所定の電流強度範囲外である場合、制御回路７０２の入力部７０３に流れる測定電流信号ＩMess７０８を所定の電流強度値ＩBase７１０にするように、電流源７０４が生成した補助電流信号（Hilfs-Stromsignal）ＩRange７０９を設定するために、制御回路が電流源７０４を制御するように設定されている。さらに、制御回路７０２にその入力部７０３を介して流れる測定電流信号ＩMess７０８が、所定の電流強度範囲内である場合、電流源７０４が生成した補助電流信号７０９を実際の値に固定するために、制御回路７０２が電流源７０４を制御するように設定されている。さらに、回路構造７００は、制御回路７０２の入力部７０３を介して制御回路７０２に流れる測定電流信号７０８が所定の電流強度範囲外であるという事象を検出できる検出ユニット７１１を、備えている。
また、所定の電流強度範囲は、制御回路７０２の閾値検出器７１２により監視される。図７に示した回路構造７００の実施例では、所定の電流強度範囲、つまりＩBaseとＩBase＋ΔＩとの間の範囲は、参照符号７１３によって示されている。
さらに、図７に、計数素子７１４を示す。この計数素子は、検出ユニット７１１と電気的に接続されており、それによって検出された事象の数および時間的順序を計算するように設定されている。特に、計数素子７１４は、制御回路７０２の入力部７０３を流れる電流が上限を上回る場合、計数読み取り値を所定値「１」まで上げるように、設定されている。
さらに、図７に、センサー電流信号ＩSensor７１５を示す。このセンサー電流信号は、センサー電極７０１におけるセンサー事象によって生成される。
さらに、図７のグラフ７１６・７１７・１７８に、測定電流信号７０８（グラフ７１６）、補助電流信号７０９（グラフ７１７）、および、センサー電流信号７１５（グラフ７１８）の、時間経過を示す。
強調すべきは、グラフ７１６および７１７が、測定電流信号７０８または補助電流信号７０９と時間との、理想的には望ましい関係を示していることである。それに対して、グラフ７１９および７２８は、測定電流信号７０８または補助電流信号７０９と時間との実際の関係を示している。しかし、回路構造７００の構成素子または駆動方法を適切に選択することにより、測定電流信号（グラフ７１９）および補助電流信号７０９（グラフ７１７）と時間との実際の関係が、測定電流信号７０８（グラフ７１６）および補助電流信号７０９（グラフ７１７）の理想的な延びに近似する。さらに、回路構造７００の構成素子の機能性を具体的で簡単に記載するために、測定電流信号７０８および補助電流信号７０９を、グラフ７１６およびグラフ７１７に示したような理想的な延びによって記載できる場合について、記載する。
図７に示した電流源７０４は、電圧制御電流源である。
回路構造７００では、制御回路７０２は、その入力部７０３に、電流電圧変換器７２０を備えている。この変換器は、制御回路７０２の入力部に供給された測定電流信号７０２を電圧信号に変換するように、設定されている。
また、回路構造７００の構成素子は、図７に示していないシリコン基板の中に集積されている。または、構成素子の一部は、シリコン基板上に形成されている。
図７に示した回路構想は、本発明の原理を実現したものである。また、回路理念は、電気接点７２１を介して互いに組み合わされた３つの電流信号ＩMess７０８、ＩRange７０９、ＩSensor７１５に基づいている。
センサー電流ＩSensor７１５は、センサー電極７０１で生じたセンサー事象に起因してセンサー電極７０１から流れる（図１参照）電流を、表している。センサー電流ＩSensor７１５の典型的な時間依存性を、グラフ７１８に示す。ここに示した時間依存性は、ほぼ、上記図６に示した電流‐時間グラフ６０３に相当する。このようなグラフは、例えば、事象を検出する際にレドックス再生利用方法に基づいたものである。また、グラフ７１８には、センサー電流ＩSensor７１５が理論的には間隔ΔＩに分割されていることを、概略的に示す。
測定電流信号ＩMess７０８の特徴は、この電流がＩBaseとＩBase＋ΔＩとの間の一定の電流範囲に限定されている点にある。この電流範囲は、所定の電流強度範囲７１３である。グラフ７１６に示したような測定電流信号ＩMess７０８が上の閾値ＩBase＋ΔＩに達すると、本発明では、制御回路７０２を用いて補助電流信号ＩRange７０９を、測定電流信号７０８を電流範囲の下端（つまり所定の電流強度値ＩBase７１０）まで戻すような閾値に設定する。言い換えると、補助電流信号７０９は、このチャネルの境界を越える電流成分を得ることにより、測定電流信号ＩMess７０８を所定の間隔７１３に制限するために用いられる。
図７に示した実施例では、回路構造７００の所定の電流強度値ＩBase７００を、値０Ａに選択している。また、本発明の回路構造の他の構成では、電流値が０Ａではない所定の電流強度値ＩBase７１０を、有効に選択できる。
３つの電流信号７０８、７０９、および、７１５を電気接点７２１において合流させることにより、
ＩSensor＝ＩMess＋ＩRange （５）
となる。
また、以下に示す回路構造７００の機能によって、センサー事象の分析に関する電流上昇ｍについての情報が、測定電流信号ＩMess７０８に含まれるのに対して、補助電流信号ＩRange７０９は補助機能を果たすことになる。
回路構造７００の２つの動作状態について、以下に詳述する。
第１動作状態{１}では、
ＩMess（ｔ）＝ＩSensor（ｔ）−ＩSensor（ｔ＊）＋ＩBase （６ａ）
ＩRange（ｔ）＝ＩSensor（ｔ＊）−ＩBase （６ｂ）
となる。
第２動作状態{２}では、
ＩMess（ｔ）＝ＩBase （７ａ）
ＩRange（ｔ）＝ＩSensor（ｔ）−ＩBase （７ｂ）
となる。
このとき、ｔは、実際の時点を示し、ｔ＊は、実際の時点ｔの前に存在する特定の時点である。
例えば、第１動作状態{１}に相当する時間間隔を、グラフ７１６、７１７、および、７１８（さらにグラフ７１９）では参照符号７２２で示している。この状態では、補助電流信号ＩRange７０９は、一定で時間に依存しない実際の電流値に固定されている。この電流値は、前の時点ｔ＊で流れたようなセンサー電流ＩSensor（ｔ＊）７１５間の差、および、所定の電流強度値ＩBase７１０によって、固定されている（（６ｂ）参照）。結果として、時点ｔでの測定電流信号ＩMess７０８は、所定の電流強度値ＩBase７１０以上の時点ｔまたはｔ＊でのセンサー電流信号７１５間の差によって、固定されている（（６ｂ）参照）。グラフ７１６に示したような動作状態{１}では、所定の電流強度範囲７１３内の測定電流信号７０８が存在している。
動作状態{２}の特徴は、時点ｔにおいてセンサー電極７０１で生じるセンサー電流信号７１５が所定の電流強度値ＩBase７１０まで低減され、時点ｔでの補助電流信号７０９を生成する（（７ｂ）参照）点にある。それゆえに、測定電流信号ＩMessは、時点ｔにおいて、センサー電流信号ＩSensor７１５とは無関係に、所定の電流強度値ＩBase７１０で存在している（（７ａ）参照）。したがって、上述したように、上記実施例では０Ａを選択した所定の電流強度値ＩBase７１０は、測定電流信号ＩMess７０８の動作範囲の設定に用いられる。ＩBase＝０Ａが選択された上記例では、動作状態{２}では、全センサー電流信号ＩSensor７１５は補助電流信号ＩRange７０９であり、この結果、測定電流信号ＩMess７０８は存在しなくなる。
また、動作状態{２}は、図７において例示的に参照符号７２３で示した、グラフ７１６、７１７、および、７１８に記した時点を特徴としている。具体的には、ここでは、上限ＩBase＋ΔＩを上回った結果、測定電流信号ＩMess７０８の方から、上記測定電流信号ＩMess７０８を所定の電流強度値ＩBase７１０に戻し、（他の）電流強度間隔ΔＩを補助電流信号７０９に与える。
第２動作状態{２}ができる限り短い時間領域（つまり、理想的には時点７２３）を特徴とするということを、理想的には想定しているが、実際には、達成できない場合が多い。グラフ７１９には、実際の第２動作状態{２}７２３ａの時間幅Δｔを示す。しかし、グラフ７１９に示した時間間隔Δｔを、実際には、動作状態{２}の所要時間が動作状態{１}の所要時間に対してわずかに短くなるように、選択できる。しかしながら、回路構造７００の機能を理解するには、第２動作状態{２}７２３ａの有限の所要時間は重要ではない。なぜなら、以下の記載では、基本的に、ある時点において第２動作状態{２}７２３を記述することが想定されるからである。時間間隔Δｔの意味については、（時間の長さΔｔの）検出パルスの発生について以下に記載する際に、再び取り上げる。
両方の動作状態{１}および{２}、７２２、７２３は、回路構造７００における、制御回路７０２および電圧制御電流源７０４によって制御される。
動作状態｛２｝を実現するために、制御回路７０２によって、パラメータｙを用いて、電流源７０４を駆動する。回路構造７００では、このパラメータｙは電圧である。言い換えると、電流源７０４は、電圧制御電流源である。測定電流信号７０８は、電流電圧変換器７２０により、図７に示した回路構造７００では電圧である変数ｘに、変換される。この電圧は、電流電圧変換器７２０の出力の変数であり、制御回路７０２における制御ユニット７２４の入力変数である。制御により、所定の電流強度値の測定電流信号がＩBase＝０Ａ ７１０となる。制御ユニット７２５の他の入力部７２５に供給される信号を用いて、制御ユニット７２４に、この回路構造が動作状態{１}または動作状態{２}のどちらで駆動すべきかという情報を、供給する。
動作状態｛１｝で本発明の回路構造を駆動できるように、制御ユニット７２４は、信号が適切である場合、他の入力部７２５において前の時点（例えばｔ＊）での実際の電圧ｙの制御値が固定されるように、設定されている。補助電流信号ＩRange７０９をこの時間に依存しない制御値によって決定した直後に、動作状態｛１｝は実現される。
回路構造７００の他の領域（つまり、制御回路７０２の閾値検出器７１２、検出ユニット７１１、および、計数素子７１４）が、回路構造７００から動作状態{１}または{２}を実現する時を規定する。閾値検出器７１２に連結された電流電圧変換器７２０を用いて閾値検出器に供給される入力値ｘが、所定の閾値７２６を上回ると、閾値検出器７１２の出力部に、検出ユニット７１１がパルス７２７を生成する信号が、発生し、検出ユニット７１１の入力部に供給される。検出ユニット７１１によって生じたパルス７２７を、制御ユニット７２４の他の入力部７２５に供給する。制御ユニット７２４に供給されたパルスは、測定電流信号ＩMess７０８が値ＩBase＋ΔＩを上回る場合、閾値検出器７１２の所定の閾値７２６を越えることを、制御ユニット７２４に通知する。閾値７２６の上回りは、測定電流信号ＩMess７０８が所定の電流強度範囲７１３を上回った、つまり電流強度値ＩBase＋ΔＩを上回ったという事象に等しい。
強調すべきは、検出ユニット７１１のパルス７２７の時間長は、グラフ７１９において第２動作状態７２３ａの実際の長さとしてΔｔで示されている長さに相当する。この検出ユニット７１１によって生成されたパルス７２７ができる限り短い時間長Δｔ→０を有していることが、有効である。
制御ユニット７２４の他の入力部に供給されたパルス７２７によって、その持続時間Δｔの間に制御ユニット７２４が回路構造７００を制御することになり、それにより、この時間間隔Δｔの間に第２動作状態{２}が維持される。このようなパルス７２７が制御ユニット７２４の他の入力部７２５に存在しない場合、回路構造７００は動作状態{１}の状態にある。
また、回路構造７００の全回路構成素子が駆動した結果を、グラフ７１６，７１７、および、７１８に示す。測定電流信号ＩMess７０８が値ＩBase＋ΔＩを上回った場合、動作状態{２}によってこの信号ＩMessを所定の電流強度値ＩBase７１０に戻す。こうして上記信号を戻した後、測定電流信号ＩMess７０８は、再び、センサー電流信号ＩSensor７１５によって決定された割合に上昇する。各リセット工程において検出ユニット７１１から生成されたパルス７２７を、制御ユニット７２４の他の入力部７２５に供給するだけではなく、図７に示したように計数素子７１４にも供給する。この計数素子７１４は、パルスの数およびその時間的順序を数える。つまり、計数素子７１４はパルスの数ｎをデジタル形式で記録し、これにより、計数素子７１４では、どのくらいの電流強度の増加ｎΔＩを、記録された測定時間領域において行うかということを、確認できる。
センサー電流信号ＩSensor７１５の超過数と同じ数ｎが、時間領域ｔ０−ｔ１内でΔＩ部分を上回るために、変数Δｔは、２つのリセット工程間の時間と比べて好ましくは非常に小さいことが好ましい。実際には実現されることの多いこの前提のもと、ｎ以上の電流の増加ｍ＊を規定できる。ｎを十分に大きく、または、ΔＩを十分に小さく、または、測定時間を十分に長く選択すると、ｍは、ｍ＊とほぼ同じであると仮定している。
強調すべきは、センサー電極７０１を介して供給されるセンサー電流信号７１５の上記処理方法を、時間間隔Δｔ（つまりパルス７２７の長さ）があまり小さくない場合にも使用できるということである。このような例では、測定技術的に記録される変数ｍ＊を、次の式にしたがって確認できる。
ｍ＊（ｔ１）＝ｎΔＩ／（ｔ１−ｔ０−ｎΔｔ） （８）
強調すべきは、図７に示した回路構造７００とは違って、計数素子７１４を提供する代わりに、パルス７２７の周波数を検出ユニット７１１の出力部で直接記録できる。この周波数には、センサー電流信号ＩSensor７１５の情報が含まれている。
要約すると、回路構造７００の使用に基づいた、センサー電極７０１を介して供給されたセンサー電流信号７１５の処理方法には、以下の工程がある。制御回路７０２にその入力部７０３を介して流れる測定電流ＩMess７０８が所定の電流強度範囲７１３外である場合、制御回路７０２の入力部７０３に流れる測定電流信号ＩMess７０８を所定の電流強度値ＩBase７１０になるように、電流源７０４が生成した電気的補助電流信号ＩRange７０９を設定するために、制御回路７０２が電流源７０４を制御する。さらに、制御回路７０２にその入力部７０３を介して流れる測定電流ＩMess７０８が、所定の電流強度範囲７１３内である場合、電流源７０４がそれによって生成された電気的補助電流信号ＩRange７０９を実際の値に固定するために、制御回路７０２が電流源７０４を制御する。さらに、検出ユニット７１１によって、制御回路７０２にその入力部７０３を介して流れる測定電流信号ＩMess７０８が所定の電流強度範囲７１３外であるという事象を、検出できる。
さらに、図８Ａおよび図８Ｂを参照しながら、本発明の原理がどのように機能しているのか、いつセンサー電流信号ＩSensorがその理想的な線形（図６を比較参照）とは異なっているのか、および、いつ信号の変動（例えばノイズ効果のゆえに）が生じるのかについて、記載する。
図８Ａに，グラフ８００を示す。このグラフの横座標に時間ｔ８０２をとり、縦座標に沿って電気的センサー電流８０１をとる。図８Ａに示したように、センサー‐電流‐時間グラフ８０３は直線ではなく、変動している。
図８Ｂに、他のグラフ８１０を示す。このグラフの横座標に時間ｔ８１２をとる。この時間は、図８Ａの時間８０２に対応している。また、他のグラフ８１０の縦座標に沿って、電気測定電流８１１をとる。さらに、図８Ｂに、本発明の回路構造７００の駆動中に図８Ａに示したセンサー‐電流‐時間グラフ８０３が存在している場合に生じるような、測定‐電流‐時間グラフ８１３を示す。
さらに、図８Ａに電流強度間隔ΔＩ８０４を示す。また、図８Ｂでは、本発明に係る回路構造の機能に適した基本的に所定の電流強度範囲（つまり所定の電流強度値ＩBase８１４とＩBase＋ΔＩとの間の範囲）を、参照符号８１５で示す。
電気的センサー電流ＩSensorが電流強度間隔ΔＩ８０４を超過した後、測定電流８１１がリセットされる。このリセット点８１６を図８Ｂに示す。その数は上述の基本数ｎに相当する。電気的センサー電流８０１を間接的に記録するための回路構造の機能にとって決定的なことに、規定の電流間隔線を何度も越える場合、リセット工程、したがって計数事象（Zaehlvorgang）が正確に生じる。この現象は、センサー電流８０５の測定間隔を、測定電流８１７の測定間隔と比較すると、理解できる。測定間隔８０５、８１７によって固定された時間領域内で、（例えばノイズ効果またはそのようなものの影響を受ける）センサー電流８０５の測定間隔において、この電流は、図８Ａに示した電流間隔線８０６を何度も上回ったり下回ったりする。しかし、図８Ｂから、測定電流８１７の測定間隔に関して、電流間隔線８０６を初めに上回った場合にのみ、リセット点８１６を認識できることが、知られている。つまり、電流間隔線８０６を初めに上回った場合にのみ、計数素子によって計算されたパルスを供給する。また、同じ電流間隔線８０６を上回った全ての場合は、図８Ｂでは、閾値ＩBase＋ΔＩに達しない。
本発明の回路構造に基づいた、センサー電極を介して供給された電流信号の処理方法はまた、信号の変動に対して強い。さらに、電流グラフの上昇を算定する際にこの方法を用いて達成された平均値効果（Mittelungs-Effekt）が、有効である。
図８Ｂに示した測定‐電流‐時間グラフ８１３は、電流値ＩBase＋ΔＩを上回る場合の測定電流８１１には、連続するリセットのゆえに上限があることを示している。しかし、電流の下限はない。
図９Ａに、本発明の第３実施の形態にかかる回路構造９００を示す。この回路構造は、図７に示した回路構造７００の他の形態である。図９Ａにおける回路構造９００の素子で、回路構造７００の構成素子と同じ素子には、同じ参照符号をつけ、さらに、これら素子については詳述しない。
図９Ａに示した回路構造９００は、図７に示した回路構造７００とは異なって、測定電流の下限がある有効な他の形態を有している。
また、回路構造９００は、図７に示した回路構造７００とは違って、以下の構成素子、つまり、制御回路９０１、図７の他の入力部７２５に代わる制御回路の制御ユニット９０５、他の第１入力部９０６ａ、および、他の第２入力部９０６ｂを備えている。また、図９Ａに示した回路構造の検出ユニットは、検出ユニット９０２ａの第１領域、および、検出ユニット９０２ｂの第２領域を備えている。また、回路構造９００の閾値検出器９０３ａは、第１領域および第２領域を備えている。また、電流電圧変換器７２０は、その出力部に供給された電圧信号ｘを、制御ユニット９０５、および、閾値検出器９０３ａの第１領域と閾値検出器９０３ｂの第２領域とに供給する。
また、閾値検出器９０３ａの第１領域は、図７に示した閾値検出器７１２とほぼ同じ機能を有している。電流電圧変換器７２０によって閾値検出器９０３ａの第１領域の入力部に供給された電圧信号ｘが、閾値検出器９０３ａの第１領域の所定の第１閾値９０７ａを上回る場合、閾値検出器は、その出力部に接続された、検出ユニット９０２ａの第１領域の入力部に位置する、閾値検出器９０３ａの第１領域の出力部から、適切な信号を伝達する。検出ユニット９０２ａの第１領域は、制御ユニット９０５の他の第１入力部９０６ａに接続されて計数素子９０４の第１入力部９０４ａに接続された出力部を有している。また、この検出ユニット９０２ａの第１領域は、制御ユニット９０５の他の第１入力部９０６ａに供給されて計数素子９０４の第１入力部９０４ａに供給された第１パルス９０８ａを、有している。第１パルス信号９０８ａによって、制御ユニット９０５の他の入力部９０６ａでは、測定電流信号ＩMess７０８が値ＩBase＋ΔＩから値ＩBaseに戻される。また、第１パルス９０８ａによって、計数素子９０４の第１入力部９０４ａでは、計数素子９０４の計数読み取り値を所定値（例えば「１」）まで上げる。その点では、回路構造９００の機能は、回路構造７００の機能と同じである。
さらに、電流電圧変換器７２０によって生成された、実際の測定電流信号７０８に特有の電圧信号ｘを、閾値検出器９０３ｂの入力部においてその第２領域に供給する。電圧信号ｘが、閾値検出器９０３ｂの第２領域における所定の第２閾値９０７ｂを下回る場合、検出ユニット９０２ｂの第２領域の入力部に接続された閾値検出器９０３ｂの第２領域の出力部において、適切な電気信号が生じ、この信号は検出ユニット９０２ｂの第２領域の入力部に伝送される。この場合、検出ユニット９０２ｂの第２領域から、第２パルス９０８ｂが生じる。検出ユニット９０２ｂの第２領域の出力部は、制御ユニット９０５の他の第２入力部９０６ｂと、計数素子９０４の第２入力部９０４ｂとに接続されている。したがって、第２パルス９０８ｂが、検出ユニット９０２ｂの第２領域で生成する場合、両方の入力部に供給される。上記例は、図９Ｂに、測定電流信号７０８が所定の電流強度範囲９２５の下限ＩBase−ΔＩに達する時点９２７で示した例と同じである。
また、制御ユニット９０５の他の第２入力部９０６ｂから制御ユニット９０５に供給された第２パルス信号９０８ｂは、測定信号ＩMess７０８が所定の電流強度値ＩBase９２４に戻るように、電流源７０４を制御する。計数素子９０４の第２入力部９０４ｂに供給された第２パルス９０８ｂによって、そこで、計数素子９０４ｂの計数読み取り値が所定値（例えば「１」）まで下がる。これにより、リセットパルスを正確に合計できる。なぜなら、時点９２７で生じたリセットパルスが、他の電流強度範囲８０４によるセンサー電流の増加には起因していないからであり、例えばノイズ効果によって戻された電流信号の低下に起因しているからである。
つまり、図９Ａの回路構造９００を用いて、ＩBase−ΔＩとＩBase＋ΔＩとの間の測定電流信号ＩMessを所定の電流強度範囲９２５に制限できる。このように、図９Ａに示した回路構造は、測定電流信号７０８の低減をも正しく検出できるという、回路構造７００の有効な他の形態である。また、回路構造９００の計数素子９０４は、アップダウンカウンター（Vorwaerts-/Rueckwaertszaehler）として形成されている。
さらに、図９Ａの回路構造９００の機能を、図９Ｂのグラフ９２０を参照して説明する。
グラフ９２０の横座標は、時間９２２を示している。縦座標は、測定電流９２１を示している。さらに、このグラフは、図８Ａに示すようなセンサー‐電流‐時間グラフ８０３の場合には、図９Ａに示した回路構造９００を用いて得られるような、測定‐電流‐時間グラフ９２３を示している。測定電流９２１は、変動幅ΔＩが上または下に延びる所定の電流強度値ＩBase９２４の周囲に、所定の電流強度範囲９２５内でとどまる。さらに、図９Ｂに、第１リセット点９２６ａおよび第２リセット点９２６ｂを示す。測定‐電流‐時間グラフ９２３とセンサー‐電流‐時間グラフ８０３との比較によって、第１リセット点が、他の電流強度間隔８０４の範囲でセンサー電流８０１の増加を反映していることが分かる。
これに対して、リセット点９２６ｂは、時点９２７で記録されるセンサー電流８０１が電流強度間隔ΔＩ８０４だけ逆戻りしていることを示している。「＋ΔＩ」事象から生じた第２パルス９０８ｂを、計数素子９０４の前方入力部９０４ａに供給し、「−ΔＩ」事象から生成された第２パルス９０８ｂを、計数素子９０４の後方入力部９０４ｂに供給する。結果として、計数読み取り値９２８は、どの第１リセット点９２６ｂでも、所定値「１」まで上昇する。したがって、図９Ａに示した回路構造９００を用いた場合、センサー電流が望ましくない効果のゆえに一時的に低減するという例においても、パルスを完全に正確に合計できる。
さらに、図１０Ａおよび図１０Ｂを参照しながら、本発明の回路構造１０００の有効な第４実施例について詳述する。
図１０Ａに示した回路構造１０００は、図７に示した回路構造７００を回路技術的に実現させたものである。したがって、回路構造７００と同じ素子として形成されている、回路構造１０００の回路ブロックには、同じ参照符号を付けている。
センサー電流信号７１５が流れ出るセンサー電極７０１は、第１ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００１の一方のソースドレイン領域に連結されている。このソースドレイン領域は、電流電圧変換器７２０を形成している。さらに、電気接点７２１は、第２Ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００２の一方のソースドレイン領域に連結されている。この電気接点７２１と第１ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００１との間には、測定電流信号ＩＭｅｓｓ７０８が流れており、接点７２１と第２ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００２の一方のソースドレイン領域との間には、補助電流信号ＩＲａｎｇｅが流れている。第１ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００１のゲート領域は、第２電気接点１００３に連結されている。第２電気接点１００３は、第３電気接点１００４に連結されている。第３電気接点１００４は、第１演算増幅器１００５の出力部に連結されている。さらに、第３電気接点１００４は、第３ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６の一方のソースドレイン領域に連結されている。第１演算増幅器１００５の非反転入力部は、電気接点７２１に連結されている。第１演算増幅器１００５の非反転入力部は、第１基準電圧源１００７に連結されている。第１ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００１の他方のソースドレイン領域は、第４ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００８の一方のソースドレイン領域に連結されている。
第４ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００８の他のソースドレイン領域は、供給電圧源１００９に連結されている。第４ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００８のゲート領域は、第４電気接点１０１０に連結されている。第４電気接点１０１０は、検出ユニット７１１の出力部および計数素子７１４の入力部に連結されている。さらに、第２電気接点１００３は、第２演算増幅器１０１１の反転入力部に連結されている。第２演算増幅器１０１１の非反転入力部は、第２基準電圧源１０１２に連結されている。第１出力信号１０１３を供給できる第２演算増幅器１０１１の出力部は、検出ユニット７１１の入力部に連結されている。検出ユニット７１１の他の出力部が、第３ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６のゲート領域に連結されている。第３ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６の他のソースドレイン領域は、第５電気接点１０１４に連結されている。第５電気接点１０１４は、第２ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００２のゲート領域とメモリーキャパシタ１０１５とに連結されている。さらに、メモリーキャパシタ１０１５は、第６電気接点１０１６に連結されている。さらに、第６電気接点１０１６は、第２ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００２の他のソースドレイン領域に連結されている。第６電気接点１０１６は、さらに、供給電圧源１００９に連結されている。
第２ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００２およびそれに平行に接続されたメモリーキャパシタ１０１５は、電圧制御電流源７０４を構成している。第１基準電圧源１００７、第１演算増幅器１００５、第３電気接点１００４、および、第３ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６は、制御ユニット７２５を構成している。第２演算増幅器１０１１および第２基準電圧源１０１２は、閾値検出器７１２を構成している。
図１０Ａに示したように、検出ユニット７１１の入力部に閾値検出器７１２から第１出力信号１０１３が供給されているという例において、検出ユニット７１１は、計数素子７１４と第４ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００８のゲート領域とに第１パルス１０１７を供給するように、設定されている。さらに、閾値検出器７１２から検出ユニット７１１に第１出力信号１０１３が供給されているという例において、検出ユニット７１１は、第３ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６のゲート領域に第２パルス１０１８を供給するように、形成されている。
また、カウンター７１４の正確な形態については、図１０Ａ示していない。カウンター７１４は、例えばＪＫ‐フリップフロップから設計された共時的な二重カウンターであってもよい。
検出ユニット７１１の正確な構成については、図１０Ｂを参照しながら、後に詳述する。
また、図７に示した回路構造７００とは異なる図１０Ａに示した回路構造１０００が、電気接点７２１と制御ユニット７２５（正確には制御ユニット７２５の第１演算増幅器１００５の非反転入力部）とを連結するための電気連結手段１０１９を備えているということを、示す。方程式（５）にしたがって合計点としての電気接点７２１の機能を得るために、電流が電気連結手段１０１９を用いて形成されたさらなる線上からなくなることが、保証されている。第１演算増幅器１００５の入力差段階のトランジスタがＭＯＳトランジスタとして形成された場合、この要求は十分に満たされる。
第３および第４ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６、１００８の導通状態に応じて、活性の２つの異なる制御ループ１０２０、１０２１が生じる。
第１演算増幅器１００５の出力部は、第２または第１ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００２、１００１を介して、反転して非反転入力部に連結されている。さらに、第１演算増幅器１００５の開ループ増幅器をＡ１で示す。そして、フィードバックによって、第１演算増幅器１００５が制限されていない間は、
Ｖｏｕｔ＝Ａ１（ＶＫ−ＶＢｉａｓ） （９）
が有効である。
また、Ｖｏｕｔは、第１演算増幅器１００５の出力部から供給される電圧である。ＶＫは電気接点７２１であり、したがって、第１演算増幅器１００５の非反転入力部に供給される電圧である。また、ＶＢｉａｓは、第１基準電圧源１００７から、第１演算増幅器の反転入力部に供給された電圧である。また、簡単に変換すると、
ＶＫ＝ＶＢｉａｓ＋Ｖｏｕｔ／Ａ１ （１０）
となる。
また、大きな開ループ増幅（Ａ１→∞）については、方程式（１０）から、電気接点７２１に供給される電圧が、第１基準電圧源１００７から第１演算増幅器１００５の反転入力部に供給された電圧に等しいということが分かる。
また、電気接点７２１での電位を、第１基準電圧源１００７によって第１演算増幅器１００５の反転入力部において規定された値ＶＢｉａｓに、制御する。この電圧値は、センサー電極７０１において電位を一斉に決定するものであり、レドックス再生利用工程の実現に必要なものである。
さらに、第１制御状態１０２０および第２制御状態１０２１について、具体的に説明する。
初めに、すでに動作状態{１}と示した本発明の回路構造の動作状態に相当する第１制御ループ１０２０について、説明する。
この例は、検出ユニット７１１がその出力部およびその他の出力部において、第１パルス１０１７および第２パルス１０１８を生成しないという例に、相当する。また、図１０Ａにおいて論理値「０」を示す第１パルス１０１７が、一定に保たれた論理値「１」とは違って供給されないことにより、第４ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００８のゲート領域は導通する。図１０Ａに示したように、パルスの持続期間中に論理値「０」からでた論理値「１」が生じる第２パルス１０１８を、検出ユニット７１１が生成しないので、第３ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６のゲート領域は導通しない。第１制御状態１０２０では、第３ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６のゲート領域も導通しない。これに対して、第４ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００８のゲート領域は導通している。
第３ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６のゲート領域が導通していないので、メモリーキャパシタ１０１５、したがって第２ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００２のゲート領域に、一定の電圧が供給される。電気接点７２１にも同様に一定の電圧が供給されるので、時間の影響を受けない補助電流ＩＲａｎｇｅ７０９が第２ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００２のゲート領域を貫いて生じる。したがって、時間によって変化するセンサー電流ＩＳｅｎｓｏｒ７１５は、第１ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００１のゲート領域を介して流れる。第１演算増幅器１００５の出力部の電圧は、第１ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００１のゲート領域の電圧が必要な電流の流れを実現するように、設定されている。
さらに、第２制御ループ１０２１について説明する。このループは、上述した動作状態｛２｝として示した回路構造１０００の動作状態に相当する。この例では、検出ユニット７１１は、その入力部に供給される適切な第１出力信号１０１３のゆえに、検出ユニットの両方の出力部において、第１パルス１０１７および第２パルス１０１８を生成する。第１パルス１０１８は、図１０Ａに示したように、第３ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６のゲート領域が導通するように、設定されている。これに対して、図１０Ａに示したような第１パルス１０１７は、パルスが持続している間に第４ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００８のゲート領域が導通されないように、設定されている。第４ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００８のゲート領域が導通していないので、第１演算増幅器１００５の出力電圧とは無関係に、なくなっていた測定電流ＩＭｅｓｓ７０８（ＩＭｅｓｓ＝０）が生じる。これに対して、第３ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６のゲート領域は導通しており、この例では、第１演算増幅器１００５の出力電圧は、第２ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００２のゲート電圧であり、したがって、第２ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００２のゲート領域を貫いて流れる補助電流ＩＲａｎｇｅを制御する。第２ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００２のゲート電圧を、補助電流ＩＲａｎｇｅ７０９がセンサー電流ＩＳｅｎｓｏｒ７１５と同じであるように、回路構造１０００によって制御する。また、センサー電極７０１の全センサー電流を、範囲チャネル（Range-Kanal）へ導出する。
したがって、回路構造１０００の動作状態を第２動作状態１０２１から第１動作状態１０２０に変えるということは、第３および第４ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６・１００８の導通状態を、第３ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６が導通しており第４ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００８が導通していない状態から、第３ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６が導通しておらず第４ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００８が導通している状態に、変えることである。
第３ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６が導通しないように切替えられている（独文にて確認して下さい）場合、電圧を用いて、メモリーキャパシタ１０１５の補助電流ＩＲａｎｇｅ７０９を、第２ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００２を介して格納する。したがって、第１動作状態１０２０では、センサー電流ＩＳｅｎｓｏｒ７１５の測定電流ＩＭｅｓｓ７０８は、格納された補助電流ＩＲａｎｇｅ７０９を除いたものである。
第３および第４ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６・１００８の駆動は、検出ユニット７１１の第２パルス１０１８および第１パルス１０１７により行われる。回路構造１０００の第１動作状態１０２０では、センサー電流７１５の増加によって、測定電流ＩＭｅｓｓ７０８が増加する。それに応じて、第１ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００１のゲート電圧は低減される。ゲート電圧が第２演算増幅器１０１１の第２基準電圧源１０１２の電圧値を下回った場合、（比較器として機能する）第２演算増幅器１０１１の出力部では、正のエッジ（positive Flanke）が生じる。
このエッジは、パルスを生成するための検出ユニット７１１を刺激する。すでに記載したように、検出ユニットは、通常の状態では検出ユニット７１１の両方の出力部が動作状態{１}１０２０のスイッチを切り替えるように、設定されている。つまり、第３ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６のゲート領域が導通しておらず、それに対して第４ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００８のゲート領域は導通している。検出ユニット７１１では、第１パルス１０１７および第２パルス１０１８が生じ、所定の時間間隔Δｔの間に第２動作状態{２}を作り出す。この例では、第３ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００６のゲート領域は導通しており、それに対して第４ｐ型ＭＯＳトランジスタ１００８のゲート領域は導通していない。この第２動作状態では、測定電流ＩＭｅｓｓ７０８は値０に戻り、同時に新しい補助電流ＩＲａｎｇｅ７０９を規定する。また、リセット工程の数を、パルス数を計数素子７１４を用いて記録することにより、認識する。このとき、計数素子７１４中のパルスの数または時間順序をデジタルで格納する。
以下に、図１０Ｂを参照しながら、本発明の検出ユニット７１１の実施例について記載する。
図１０Ｂに示した検出ユニット７１１の実施例は、閾値検出器７１２の第１出力信号１０１３から発した、時間領域Δｔの間に論理値「１」の信号を供給する時間長Δｔのパルスの生成方法、および、これに対して、パルスの前後に信号が論理値「０」を得る方法を示している。このようなパルスは、図１０Ａに示したパルス１０１８のことである。例えば、初めに第２パルス１０１８のようなパルスを生成して、このパルスを一定の信号から引くことにより、図１０Ａの第１パルス１０１７を生成できる。
図１０Ｂに示した検出ユニット７１１は、第１入力部１０５１、第２入力部１０５２、および、出力部１０５３を有する、フリップフロップ１０５０を備えている。第１入力部１０５１は、フリップフロップ１０５０のエッジ感度の高い（flankensensitive）入力部であり、この入力部には、図１０Ａに規定され、示された第１出力信号１０１３を供給する。これにより、フリップフロップ１０５０の出力部１０５３を、論理値「０」から論理値「１」にする。フリップフロップ１０５０の出力部１０５３は、電気接点１０５４に連結されている。この電気接点は、オームの抵抗１０５５に連結されている。このオームの抵抗１０５５は、第２電気接点１０５６に連結されている。第２電気接点１０５６は、キャパシタ１０５７に連結されている。さらに、第２電気接点１０５６は、第１増幅器段階１０５８に連結されており、第１増幅器段階１０５８は第２増幅器段階１０５９に連結されている。第２増幅器段階１０５９は、フリップフロップ１０５０の第２入力部１０５２に連結されている。増幅器段階１０５８、１０５９の機能は、フリップフロップ１０５０の第２入力部１０５２に規定された論理レベルを供給するというものである。フリップフロップ１０５０の出力部１０５３の出力エッジを、オームの抵抗１０５６およびキャパシタ１０５７から形成されたＲＣ素子を用いて遅らせ、リセット（Reset）としてフリップフロップ１０５０に用いる。結果として形成されたものは、ＲＣに対して比例した長さΔｔのパルスである。このとき、Ｒは、オームの抵抗１０５５の抵抗値であり、Ｃは、キャパシタ１０５７のキャパシタンスである。したがって、パルス持続を主にＲＣ素子によって決定する。
本明細書では、以下の刊行物を引用している。
［１］Hintsche,R, Paeschke,M, Uhlig,A, Seitz,R (1997年)『Ｓｉ技術によって製造されたマイクロバイオセンサー、最先端のバイオセンサー学、基本原理（Microbiosensors using Electrodes made in Si-technology, Frontiers in Biosensorics, Fundamental Aspects）』Scheller,FW, Schubert,F, Fedrowitz,J編集, Birkhauser出版, バーゼル,スイス、267-283ページ。
［２］van Gerwen,P (1997年)「生化学センサー用のナノ規模のインターデジタル電極アレイ（Nanoscaled Interdigitated Electrode Arrays for Biochemical Sensors）」『ＩＥＥＥ』,ソリッドステートセンサーと作動装置に関する国際会議（International Conference on Solid-State Sensors）, シカゴ,907‐910ページ, 1997年６月16日‐19日
［３］Paeschke,M, Dietrich,F, Uhlig,A, Hintsche,R (1996年)「微小電極アレイによって製造されたシリコンを用いた電圧電流多チャネル測定（Voltammetric Multichannel Measurements Using Silicon Fabricated Microelectrode Arrays）」『電機分析（Electroanalysis）』７巻、１号、１−８ページ。
[４]Uster,M, Loelier,T, Guggenbuehl,W, Jaeckel,H (1999年)「積分器としての単トランジスタを用いた集積ＡＤＣおよび超低量（最低１ｆＡ）入力電流用増幅器」『進化したＡ／ＤおよびＤ／Ａ変換器技術、および、それらの使用（Advanced A/D and D/A Conversion Techniques and Their Applications）』（巣トラスクライド大学（イギリス）の会議（Konferenz der Universitaet Strathclyde）、１９９９年７月２７−２８日、会議出版物４６６号、８６−８９ページ、ＩＥＥ）
本発明の第１実施例に係る回路構造を示す概略図である。 第１駆動状態における従来技術に係るセンサーを示す断面図である。 第２駆動状態における従来技術に係るセンサーを示す断面図である。 従来技術に係るインターデジタル電極を示す平面図である。 図３Ａに示した従来技術に係るインターデジタル電極を切断線Ｉ−Ｉ´に沿って切断した図である。 従来技術に係る第１駆動状態において、レドックス再生利用の原理に基づいたバイオセンサーを示す図である。 従来技術に係る第２駆動状態において、レドックス再生利用の原理に基づいたバイオセンサーを示す図である。 従来技術に係る第３駆動状態において、レドックス再生利用の原理に基づいたバイオセンサーを示す図である。 レドックス再生利用工程においてセンサー電流を示す関数的流れである。 レドックス再生利用工程におけるセンサー電流の関数的流れを示す詳細な図である。 本発明の第２実施例にかかる回路構造を示す概略図である。 図７に示したセンサー電極用に、センサー電流ＩSensorと時間ｔとの関係を概略的に示すグラフである。 図８Ａに示したグラフ用に、測定電流ＩSensorと時間ｔとの関係を概略的に示すグラフである。 本発明の第３実施例にかかる回路構造を示す概略図である。 図８Ａに示したグラフ用に、および、図９Ａに示した本発明の回路構造の第３実施例用に、測定電流ＩSensorと時間ｔとの関係を概略的に示すグラフである。 本発明の第４実施例にかかる回路構造を示す概略図である。 図１０Ａに示す本発明の回路構造の第４実施例を示す概略図である。
符号の説明
１００ 回路構造
１０１ センサー電極
１０２ 制御回路
１０３ 入力部
１０４ 電流源
１０５ 調整入力部
１０６ 調整入力部
１０７ 出力部
１０８ 第１電流信号
１０９ 第２電流信号
１１０ 検出ユニット
１１１ 捕獲分子
１１２ 記録される分子
１１３ 酵素
１１４ 帯電された粒子
１１５ 第３電流信号
２００ センサー
２０１ 電極
２０２ 電極
２０３ 絶縁体
２０４ 電極端子
２０５ 電極端子
２０６ ＤＮＡプローブ分子
２０７ 電解液
２０８ ＤＮＡ鎖
３００ インターデジタル電極
４００ バイオセンサー
４０１ 第１電極
４０２ 第２電極
４０３ 絶縁層
４０４ 第１電極の固定領域
４０５ ＤＮＡプローブ分子
４０６ 電解液
４０７ ＤＮＡ鎖
４０８ 酵素
４０９ 分裂可能な分子
４１０ 負電荷の第１部分分子
４１１ 矢印
４１２ 他の解決法
４１３ 酸化された第１部分分子
４１４ 還元された第１部分分子
５００ グラフ
５０１ 電流
５０２ 時間
５０３ 電流‐時間グラフ
５０４ オフセット電流
６００ グラフ
６０１ 電気センサー電流
６０２ 時間
６０３ 電流‐時間グラフ
６０４ オフセット電流
６０５ 電流-時間グラフの傾斜
７００ 回路構造
７０１ センサー電極
７０２ 制御回路
７０３ 入力部
７０４ 電流源
７０５ 調整入力部
７０６ 調整出力部
７０７ 出力部
７０８ 測定電流信号
７０９ 補助電流信号
７１０ 電流強度値
７１１ 検出ユニット
７１２ 閾値検出器
７１３ 所定の電流強度範囲
７１４ 計数素子
７１５ センサー電流信号
７１６ グラフ
７１７ グラフ
７１８ グラフ
７１９ グラフ
７２０ 電流電圧変換器
７２１ 電気節点
７２２ 第１動作状態
７２３ 第２駆動状態
７２３ａ 実際の第２駆動状態
７２４ 制御ユニット
７２５ 他の入力部
７２６ 所定の閾値
７２７ パルス
７２８ グラフ
８００ グラフ
８０１ 電気センサー電流
８０２ 時間
８０３ センサー-電流‐時間グラフ
８０４ 電流強度間隔
８０５ センサー電流の測定間隔
８０６ 電流間隔線
８１０ グラフ
８１１ 電気測定電流
８１２ 時間
８１３ 測定‐電流‐時間グラフ
８１４ 所定の電流強度値
８１５ 所定の電流強度範囲
８１６ リセット点
８１７ 測定電流の測定間隔
９００ 回路構造
９０１ 制御回路
９０２ａ 検出ユニットの第１領域
９０２ｂ 検出ユニットの第２領域
９０３ａ 閾値検出器の第１領域
９０３ｂ 閾値検出器の第２領域
９０４ 計数素子
９０４ａ 第１入力部
９０４ｂ 第２入力部
９０５ 制御ユニット
９０６ａ 他の第１入力部
９０６ｂ 他の第２入力部
９０７ａ 所定の第１閾値
９０７ｂ 所定の第２閾値
９０８ａ 第１パルス
９０８ｂ 第２パルス
９２０ グラフ
９２１ 電圧測定電流
９２２ 時間
９２３ 測定‐電流‐時間グラフ
９２４ 所定の電流強度値
９２５ 所定の電流強度範囲
９２６ａ 第１リセット点
９２６ｂ 第２リセット点
９２７ 時点
９２８ 計数読み取り値
１０００ 回路構造
１００１ 第１ｐ型ＭＯＳトランジスタ
１００２ 第２ｐ型ＭＯＳトランジスタ
１００３ 第２電気接点
１００４ 第３電気接点
１００５ 第１演算増幅器
１００６ 第３ｐ型ＭＯＳトランジスタ
１００７ 第１基準電圧源
１００８ 第４ｐ型ＭＯＳトランジスタ
１００９ 供給電圧源
１０１０ 第４電気接点
１０１１ 第２演算増幅器
１０１２ 第２基準電圧源
１０１３ 第１出力信号
１０１４ 第５電気接点
１０１５ メモリーキャパシタ
１０１６ 第６電気接点
１０１７ 第１パルス
１０１８ 第２パルス
１０１９ 電気接続剤
１０２０ 第１制御ループ
１０２１ 第２制御ループ
１０５０ フリップフロップ
１０５１ 第１入力部
１０５２ 第２入力部
１０５３ 出力部
１０５４ 電気接点
１０５５ オームの抵抗
１０５６ 第２電気接点
１０５７ キャパシタ
１０５８ 第１インバータ段階
１０５９ 第２インバータ段階

Claims (17)

  1. 回路構造であって、
    センサー電極と、
    入力部を介して上記センサー電極と連結している制御回路と、
    電流源であって、上記制御回路により制御可能になるように、電流源の制御入力部を介して上記制御回路の制御出力部に連結され、かつ、電流源の出力部を介して上記センサー電極に連結されている、電流源と、を備え、
    上記制御回路にその入力部を介して流れる電流信号が、所定の電流強度範囲外である場合、制御回路が電流源を制御し、この制御により電流源がその発生電流を調整することによって、制御回路の入力部に所定の電流強度値の電流が流れるようになっており、
    上記制御回路へその入力部を介して流れる電流信号が、所定の電流強度範囲内である場合、上記制御回路が上記電流源を制御し、この制御により発生した電流を実際の値に固定するようになっており、
    上記制御回路にその入力部を介して流れる電流信号が所定の電流強度範囲外であるという、事象を検出できる検出ユニットを備える、回路構造。
  2. さらに、計数素子を備え、上記計数素子は、上記検出ユニットに電気的に連結され、かつ、上記検出ユニットにより検出された事象の数、および／または、事象の時間的順序を計算するように設定されている、請求項１に記載の回路構造。
  3. 上記制御回路の入力部に流れている電流が所定の電流強度範囲の上限を越えた場合に、計数読み取り値が所定値だけ上昇するように、計数素子が設定されている、請求項２に記載の回路構造。
  4. 上記制御回路の入力部に流れている電流が所定の電流強度範囲の下限を下回った場合に、計数読み取り値が所定値だけ下がるように、計数素子が設定されている、請求項３に記載の回路構造。
  5. 上記制御回路の入力部に流れている電流が所定の電流強度範囲の上限を上回った場合に、計数読み取り値が所定値だけ下がるように、計数素子が設定されている、請求項２に記載の回路構造。
  6. 上記制御回路の入力部に流れている電流が所定の電流強度範囲の下限を下回った場合に、計数読み取り値が所定値だけ上昇するように、計数素子が設定されている、請求項５に記載の回路構造。
  7. 上記電流源が電圧制御電流源である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の回路構造。
  8. 上記制御回路がその入力部において電流電圧変換器を備え、
    上記電流電圧変換器は、上記制御回路の入力部に供給される電流が電圧信号に変換されるように設定されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の回路構造。
  9. 集積回路として設計されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の回路構造。
  10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の回路構造を備えた、レドックス再生利用センサー。
  11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載回路構造を複数備えたセンサー構造。
  12. センサー電極を介して供給される電流信号の処理方法であって、
    センサー電極と、
    入力部を介して上記センサー電極と連結している制御回路と、
    電流源であって、上記制御回路により制御可能になるように、電流源の制御入力部を介して上記制御回路の制御出力部に連結され、かつ、電流源の出力部を介して上記センサー電極に連結されている、電流源と、を備え、
    上記制御回路にその入力部を介して流れる電流信号が、所定の電流強度範囲外である場合、制御回路が電流源を制御し、この制御により電流源がその発生電流を調整することによって、制御回路の入力部に所定の電流強度値の電流が流れるようになっており、
    上記制御回路へその入力部を介して流れる電流信号が、所定の電流強度範囲内である場合、上記制御回路が上記電流源を制御し、この制御により発生した電流を実際の値に固定するようになっており、
    上記制御回路にその入力部を介して流れる電流信号が所定の電流強度範囲外であるという、事象を検出できる検出ユニットを備える回路構造を有し、
    上記回路構造において、
    上記制御回路にその入力部を介して流れる電流信号が、所定の電流強度範囲外である場合、上記制御回路は、上記電流源がその発生電流を調整することによって、制御回路の入力部に流れる電流が所定の電流強度値になるように、上記電流源を制御し、
    上記制御回路にその入力部を介して流れる電流信号が、上記所定の電流強度範囲内である場合、上記制御回路は、上記電流源がその発生電流を実際の値に固定するように、上記電流源を制御し、
    上記検出ユニットは、上記制御回路にその入力部を介して流れる電流信号が所定の電流強度範囲外であるという事象を検出する、方法。
  13. 上記制御回路に電気的に接続された計数素子を用いて、上記事象の数、および／または、上記事象の時間的順序を計算する、請求項１２に記載の方法。
  14. 上記制御回路の入力部に流れている電流が所定の電流強度範囲の上限を上回った場合、計数読み取り値を所定値だけ上昇させる、請求項１３に記載の方法。
  15. 上記制御回路の入力部に流れている電流が所定の電流強度範囲の下限を下回った場合、計数読み取り値を所定値だけ下げる、請求項１４に記載の方法。
  16. 上記制御回路の入力部に流れている電流が所定の電流強度範囲の上限を上回った場合、計数読み取り値を所定値だけ下げる、請求項１３に記載の方法。
  17. 上記制御回路の入力部に流れている電流が所定の電流強度範囲の下限を下回った場合、計数読み取り値を所定値だけ上昇させる、請求項１６に記載の方法。
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