JP2005538387A - 感光性電極を備える測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】一つの或いは複数の検体物質を同時に検出でき且つ特殊な検体容器を必要としない測定システムを提供すること。
【解決手段】この発明は、一つの容器（１）と感光性電極（３）並びに少なくとも一つの光源（２）を包含する一つ或いは複数の検体を検出する測定システムに関する。
この発明の測定システムは、一つ或いは複数の光源（２）が容器（１）内部に配置されていて、コンパクトで、小さく且つ変調的に構成された測定システムを生じることを特徴とする。好ましくは、感光性電極（３）は容器（１）の壁内にその一部として配置されている。

Description

この発明は、一つの容器と感光性電極並びに少なくとも一つの光源を包含する一つ或いは複数の検体を検出する測定システムに関する。

測定システムを実現する種々の付加物が知られている。特許文献１から光源を備える感光性電極が知られており、この電極では、光源が更に検体溶液と接触している感光性電極の一部を照射する。そのような配列によって検出すべき化学的物質を照射された領域においてのみ検出することが可能である。感光性電極の異なる領域における化学的物質に対して異なる感受性材料と特殊箇所の照明とによってこの方法で複数の検体のためのマルチセンサーが構成されている。

公知の測定システムは基本的に二つのクラスに区分され得る：
第一のクラスの配列では、特許文献１に記載されているように、感光性電極（とその支持構造）と光源が別々に分離して存在するものである。光源は両電極側面の一方に配置されている。受光性電極は検体溶液内に浸漬されて、検体容器の側面から照明されている。 第二クラスの配列では、感光性電極の表面は検体容器の内壁の一部を含む（非特許文献１）ものである。

第一クラスの測定システムでは、検体容器の底が光或いは光線透過できなければならないと言う欠点がある。検体容器の下部には光源用の補助的場所が必要とされる。第二クラスのセンサーでは、一列の要件に検体容器が置かれなければならないと言う欠点がある。これは検体に関して耐腐食性で不活性である。さらに気密に光源に対して密に形成されている。

特許文献２からさらに空気中の一つの或いは複数の微量成分を検出する機能能力のある検査アンテナの形態における無傷レセプターが知られており、空気は特に電解液を介して半導体成分と接続されている。これによって例えばくすぶり燃焼が証明され得る。

技術水準から公知である送光可能な測定システムの小型化は一定の環境条件の下でのみ可能である。電気化学的細胞、培養室内或いはバイオレアクターでの測定は、若干の例のみを挙げると、例えば水道管、川などの流水の中の現地の監視と同様に、莫大な費用の下でのみ可能であり或いは一般的に不可能である。
米国特許第４５９１５５０号明細書 ドイツ特許出願公開第１９５３６３８６号明細書 Haffman,D.G.et al.,1988 年。Science. 140, 1182-1185.

この発明の課題は、一つの或いは複数の検体物質を同時に検出でき且つ特殊な検体容器を必要としない測定システムを提供することである。この測定システムは小型化されて実施でき且つそれにより携帯できる。

この課題は、特許請求項１の特徴事項の全体に基づく測定システムによって解決される。好ましい構成は、その請求項１に従属された特許請求項から明らかになる。

測定システムは一つの容器と一つの感光性電極並びに容器内部の一つの或いは複数の光源を包含する。この処置は場所を節約する構成をもたらす。このシステムは小型化されて且つそれにより携帯可能に形成される。

感光性電極は好ましくは容器の壁に配置され、それでこの容器の壁の一部を意味する。次に、感光性電極は検体を検出するためにこの検体と接触している。そのような携帯可能な測定システムは、通常には、光源を容器内に、感光性電極を容器の壁内に統合することによって特にコンパクトである利点を有する。この方法では、測定システムの所望の小型化が特に良好に実現され得る。

感光性電極の表面と裏面は好ましくは容器壁の内面と外面に対応するように容器の壁内に配置されている。

通常には、感光性電極は少なくとも一つの送光可能な検出領域を有する。配列により適切に多くの検体を相互に或いは同時に検出するためには、同様に良好であるが、しかし、多数の送光可能な検出領域或いは測定領域が存在する。その際に、検体は感光性電極の光源から対向位置する側に存在する。感光性電極は検出すべき検体の濃度に関する応答として電気信号を発生させる。感光性電極はそれぞれ照明によって選定される送付可能な測定領域より多く有し得る。この選定と言う概念は一般に検体による交換作用に基づく測定信号の増加或いは減少或いは変化が行われる動作状態に関連する。典型的には測定領域が照明されている。無論、複数の測定領域が同時に照明され得て、信号が前後に或いは並列に読み取ることができる。しかしこの選定と言う概念によって、この領域が測定信号に対して寄与させることだけを意味しない。同様に良くこの領域が例えば偏流影響或いは温度影響を補償するために、内部基準として用いられる。

容器の壁内の感光性電極の配列は、液体内の検査すべき検体に対する一つの或いは複数の光源をもつ容器の内室が密封されているように行われている。密封が可能である：Ｏ−リング、容器壁への直接的な貼り付け又は貼り込み、パッキングゴムなどの交換可能なパッキングは無論、感光性電極が損傷を受けることなしにも交換されることができて、それにより測定システムのモジュール構成が保証されると言う利点を有する。

感光性電極は、半導体基層、特にＳｉ，ＳｉＣ，ＧａＡｓ，ＧａＰから成る半導体基層或いは他の要素半導体或いは結合半導体から成る半導体基層を包含する。この半導体はｎ型，ｐ型或いは真性である。さらに、半導体は、例えばＳｉＯ₂ ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＺｒＯ₂ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ などから成る或いはこれら材料の組合せから成る一つの或いは複数の絶縁層を包含する。これら層は通常には半導体の表面に積層されている。

測定技術的理由から半導体はオーム接点或いは高い導電率をもつ領域を有する。

そのために、感光性電極は一つの或いは複数の検体に対する境界面に少なくとも一つの膜を包含し得る。

この膜は、固体材料及び／又はイオン選定性ポリマーを包含する。しかし膜は生体分子のほかに無傷レセプターさえも包含する。それで、感光性電極はその表面に一つの或いは複数の測定領域を有する。測定領域は検体に向けられた一つの或いは複数の膜によって形成され得る、各この測定領域が適切な光源によって膜に反対に位置する側で活性化される。この場合には、膜は例えば異なる構成或いは感度特性を有するので、異なる信号応答が化学的検体に対して存在する。膜はイオン感知的に反応する（結晶状、ガラス状）よう構成され得るか、或いはイオン選択的ポリマー材料を包含する（光構造を与える材料を含めて）並びに例えば酵素、抗体、抗原、ＤＮＡ、ＲＮＡ及び／又は無傷レセプターのような生体分子を包含する。複数の膜の構成の代わりに、唯一の膜も感光性電極に構成され得る。この場合にこの膜の若干の領域は異なるセンサー特性を有する。例えば種々のイオン透過担体（Ionophore)を膜の種々の領域に配備することができ、その領域はさらに検体の異なる構成要素に対して種々に反応できる。感光性電極自体も、これら種々の領域が一つの或いは複数の検体に対して異なる感度を有するような種類や形式で修正されることができる。この修正により次のことが意図され得る：表面への一定の化学的グループの結合、一定の分子の結合（触媒、酵素、抗体、例えばＤＮＡなどのような核酸）、或いは細胞或いは細胞群或いは無傷レセプターの結合。

組み込むべき一つの或いは複数の光源は容器内部に存在し、感光性電極を照射する。照明は感光性電極の測定領域を形成する。これは、例えば荷電担体の発生或いは電気的導電率の変化のような異なる物理的処理によって達成され得る。

光源は例えばランプ、レザー或いは発光ダイオードのアレイとして配置されている。このアレイの空間的配列は直線、二次元的、規則的、即ちチェス盤形或いはランダムとすることができる。これらランプ、レザー或いはＬＥＤは同じ或いは異なるものとすることが出来る。感光性電極の測定領域だけが必要とされるときに、個々のランプ、レザー或いはＬＥＤが光源として用いられる。

この発明の特に好ましい構成は、個々の光源或いは複数の光源は感光性電極を局部照明する手段を有する。このために、この光源は一つの或いは複数の穿孔円板或いは一つの或いは複数の湾曲された光学繊維を有し得る。回転円板及び／又は繊維は照明中に回転し、感光性電極が局部的に照明されるようになっている。これは、複雑に制御された照明アレイが必要とされないようになっている。

そのような光源と感光性電極の間にさらに一つの或いは複数のレンズは光を集束するように配置されることができる。そのような手段によって特に好ましくは、感光性電極の全く一定の領域だけが集束された光によって（例えばランプ、レザーによって）測定領域として形成され得る作用が達成される。

照明は一定に、交互に、繰り返し或いはパルス状に制御され得る。照明は感光性電極の測定領域を選択する。照明は直接或いは間接に発生されたり、誘導、増幅或いは電気的変調されることができる。発生した信号は一つの或いは複数の検出すべき検体によって変化される。

検体濃度を測定するために使用されるセンサーの出力信号は、電気信号である。この信号は、電流或いは電圧として異なる形態に、例えば直流、交流、反復或いはパルス状信号並びにそれらの変化として現れることができる。その上、検体物質の検出によって生じる振幅、周波数、位相、パルス高さ、パルス長さ及び／又はそれらの変化のような種々の特性値は検出される。有利に検体を測定するために、電流或いは電圧のような電気信号の検出の代わりに、導電率、インピーダンス或いは容量のようなパラメータを使用することができる。

電気信号は典型的には外部測定ユニットを介して読み取られる。この測定ユニットは例えば電圧計、電流計、インピーダンス計、オシロスコープ、デジタルマルチメータ、ロックイン増幅器、積分器、電気化学式分析器或いはコンピユータ（Ａ／Ｄ変換器を備えた）である。同様に、次の追加的器具或いは測定増幅器／測定装置が、使用されることができる：
・光源用の駆動装置或いは電圧供給装置。
・感光性電極の測定領域を装着するためのマルチプレクサ。
・光源を変調させるための発振器或いは関数発生器。
・電気信号を増幅するための前置増幅器。
・電気測定信号の妨害信号成分を除去するための低域、高域、或いは帯域通過フィルタ ・上記装置と成分用の電圧供給装置。

さらに、ポテンシオスタットは、感光性電極における電位の確実な所定の制御と調整を達成するために使用されることができる。そのために、更に、基準電極及び／又は対電極を必要とする。この基準電極及び／又は対電極はセンサーとは別に置くか、或いはセンサーと接続できる。後者の場合に、これらは例えば感光性電極の検体に向いた面に統合される。

この発明の別の構成において、この上記測定ユニットと容器を電気的に接続するために、この容器は光源への導線を備えて感光性電極から測定ユニットまでの開口を有する。一つの或いは複数の検体の検出によって発生された電気信号は測定ユニットを介して読み取られる。

以下において、この発明は、若干の実施例と添付図面に基づいて詳細に説明される。図１はこの発明の測定システムを示し、図２は感光性電極の例を示し、図３と４は感光性電極を局部照明する手段（回転可能な穿孔円板、回転可能な光学繊維）をもつこの発明の光源を示し、図５と６は容器内に一部を配置されている別の制御評価装置をもつ携帯可能な測定システムを示し、図７はこの発明の測定システムを採用した測定ラインの例を示す。

図１はこの発明の測定システムの実施例を示す。これは一つの容器１と、容器１内に配置される二つの光源２と、一つのＯ−リング４を介して容器の壁内に密に組み込まれる一つの感光性電極３とを有する。感光性電極３は例えば１０×１０或いは１５×１５ｍｍ² の面積を有する。感光性電極３の下面は一つの或いは複数の検体に向けられている。それで、感光性電極３のこの面は容器１の外壁と対応する。感光性電極３のこの面に対向位置する他の側面は二つの光源２に向けられ、それで、容器１の内壁と対応する。容器は例えば２０ｍｍの幅と１００ｍｍの高さを有する。この容器１はここでプラスチックシリンダであり、上部分に開口を有する。開口を介して二本の導線は光源２に繋がり、一本の導線は感光性電極３から更に図示されない評価装置まで繋がる。無論、導線の数はここで制限されない。むしろ、必要に応じて複数の導線が光源或いは評価装置に繋がることが出来る。好ましくは、容器の光線透過性材料が完全に断念され得る。この測定システムはコンパクトで、小さく、取り使い易く、それで携帯できる。このために、このシステムはモジュール式に構成される。

図２はシリコン半導体板２２上のオーム接点２１を包含し並びに絶縁体２３と絶縁体２３上の三つの異なる膜２４を備える感光性電極を示す。この膜２４はオーム接点の上部に配置されている光源により照射され、検体との反応によって検出可能な信号を発する。

図３と４はこの発明の光源の二つの実施態様を示す。図３において、回転可能な穿孔円板３２は感光性電極３と光源２の間に配置されている。回転可能な穿孔円板３２は感光性電極３を局部照明する手段として用いられる。円板が回転すると、感光性電極３の所定領域だけが光源２によって測定領域として形成される。

図４において、感光性電極３は湾曲された光学繊維４２によって局部照明される。繊維４２の回転の際に感光性電極３の一部だけが照射され、それによってさらに測定領域が形成される。

図３と４に示された光源３２と４２は、感光性電極３が局部的にだけ照明されるように直接に繋がる。それ故に、そのような光源の選択の際に複雑に制御される照明アレイを断念され得る。これは測定システムの別の小型化に繋がるものである。

追加的に、レンズ（図示されていない）が光を集束するために回転可能な穿孔円板３２或いは繊維４２の付近において配置されている。

この箇所では、光源の配列が図１、３と４に限定されていないことが指摘されている；感光性電極３を照明する全構成は光源として考慮できる。

図５と６は測定配列における携帯可能な二つの実施態様を示す。図１と２の参照符号は図５と６において一部だけ図示されている。

図５において、二つのＬＥＤ２は光源としてマルチプレクサ５６によって選定され、変調された光を発生するためにＬＥＤ駆動装置５７を介して接続される。変調された光の周波数は発振器５８によって設定される。ＬＥＤ２の光は感光性電極３の測定領域を照射され、交流の光電流を発生し、その振幅がポテンシオスタット５１のバイアス電圧と測定領域内の検体構成の密度とに依存する。そして、この交流の光電流は前置増幅器５２で増幅され、その直流成分は高域通過フィルタ５３を介して次第に弱められる。最後に、交流の光電流の振幅は電流計５４によって測定される。基準電極５５は携帯可能な測定システムの別の成分を意味する。検出中に感光性電極３は容器１の壁内に一つの或いは複数の検体と接触される。一つの或いは複数の検体は容器内の液体５９に存在する。

図５に図示された測定構造のこれら成分の幾つかは、小型化されて統合された構成によって測定システムの容器１内に配置され得る。これは、小型化可能性に関して有利であるだけでなく、導線長さに関する電気信号の妨害と雑音を低減することが問題である場合にも効果的である。

図６は多くの想像できる可能な実施態様の内の一つを示し、それには、上記機能は既に統合されて存在する。図６の参照符号は以下のとおり意味する：
１ 容器
２ 光源としての二つのＬＥＤ
３ 感光性電極
４ Ｏ−リング
６１ 高域通過フィルタ
６２ 前置増幅器
６３ 発信器
６４ ＬＥＤ駆動装置
６５ マルチプレクサ ６６ センサー出力
６７ 電位制御
６８ ＬＥＤ選択

そして、容器１は特に好ましく且つコンパクトな方法で例えば高域通過フィルタ６１、前置増幅器６２、発信器６３、ＬＥＤ駆動装置６４とマルチプレクサ６５のような一つの或いは複数の検体の検出するために必要な別の構成部材を含んでいる。この発明はこれに制限されない。別の必要な構成要素を容器１内に統合して、巧みな配列によって携帯可能な測定システムの別の小型化を達成することが想像できる。

図７は異なるｐＨ濃度用の感光性センサー領域の測定曲線の例を示す。使用されたｐＨ値に応じて、Ｉ／Ｕ（光電流ー電圧）特性曲線は電圧軸線に沿って位置がずれている。このずれは、センサー信号として読み取られることができる。

この発明の測定システムを示す。 感光性電極の例を示しす。 感光性電極を局部照明する手段（回転可能な穿孔円板、回転可能な光学繊維）をもつこの発明の光源を示す。 感光性電極を局部照明する手段（回転可能な穿孔円板、回転可能な光学繊維）をもつこの発明の光源を示す。 容器内に一部を配置されている別の制御評価装置をもつ携帯可能な測定システムを示す。 容器内に一部を配置されている別の制御評価装置をもつ携帯可能な測定システムを示す。 この発明の測定システムを採用した測定ラインの例を示す。

符号の説明

１．．．．．容器
２．．．．．光源
３．．．．．感光性電極
４．．．．．Ｏ−リング
２１．．．．．オーム接点
２２．．．．．シリコン半導体板
２３．．．．．絶縁体
２４．．．．．膜
３２．．．．．回転可能な穿孔円板
４２．．．．．湾曲された光学繊維
５１．．．．．ポテンシオスタット
５２．．．．．前置増幅器
５３．．．．．高域通過フィルタ
５４．．．．．電流計
５５．．．．．基準電極
５６．．．．．マルチプレクサ
５７．．．．．ＬＥＤ駆動装置
５８．．．．．発振器
５９．．．．．溶液
６１．．．．．高域通過フィルタ
６２．．．．．前置増幅器
６３．．．．．発振器
６４．．．．．ＬＥＤ駆動装置
６５．．．．．マルチプレクサ
６６．．．．．センサー出力
６７．．．．．制御電位
６８．．．．．ＬＥＤ選択

Claims (20)

1. 一つの容器（１）と感光性電極（３）並びに少なくとも一つの光源（２）を包含する一つ或いは複数の検体を検出する測定システムにおいて、一つ或いは複数の光源（２）が容器（１）内部に配置されていることを特徴とする測定システム。
2. 感光性電極（３）は容器（１）の壁内に配置されているか、或いは容器（１）の壁の一部を意味することを特徴とする請求項１の記載の測定システム。
3. 感光性電極（３）の表面と裏面は容器（１）の内面と外面に対応することを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれか一項に記載の測定システム。
4. 感光性電極（３）は一つ或いは複数の検体を検出するために少なくとも一つの送光可能な領域を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の測定システム。
5. 感光性電極（３）はＯ−リング（４）を介して或いは一つの別のパッキングを介して容器（１）の壁内に埋め込められることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の測定システム。
6. 一つ或いは複数の光源（２）が感光性電極（３）を局部照明する手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の測定システム。
7. 光源（２）は感光性電極（３）を局部照明する手段として一つの回転可能な穿孔円板（３２）を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の測定システム。
8. 光源（２）は感光性電極（３）を局部照明する手段として湾曲した光学繊維（４２）を有することを特徴とする請求項６或いは請求項７に記載の測定システム。
9. 一つ或いは複数の光源（２）と感光性電極（３）の間に光を集束する少なくとも一つのレンズが配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の測定システム。
10. 容器（１）は別の評価ユニットに連結する一つの開口を包含することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の測定システム。
11. 感光性電極（３）は半導体基層（２２）、特にＳｉ，ＳｉＣ，ＧａＡｓ，ＧａＰから成る半導体基層或いは他の要素半導体或いは結合半導体から成る半導体基層を包含することを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の測定システム。
12. 感光性電極（３）はＳｉＯ₂ ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＺｒＯ₂ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ から成る或いはこれら材料の組合せから成る一つ或いは複数の絶縁層（２３）を包含することを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の測定システム。
13. 感光性電極（３）はオーム接点（２１）を有することを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか一項に記載の測定システム。
14. 感光性電極（３）は一つの検体を検出する少なくとも一つの膜（２４）を包含することを特徴とする請求項１乃至請求項１３のいずれか一項に記載の測定システム。
15. 膜（２４）は固体材料及び／又はイオン選定性ポリマーを包含することを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか一項に記載の測定システム。
16. 膜（２４）は生体分子、特に無傷レセプターを包含することを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか一項に記載の測定システム。
17. 一つ或いは複数の検体の検出によって発生した電気信号を選別する測定ユニットを包含することを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれか一項に記載の測定システム。
18. 感光性電極（３）に一定の電圧を発生させるポテンシオスタット（５１）を包含することを特徴とする請求項１乃至請求項１７のいずれか一項に記載の測定システム。
19. 容器（１）は更に一つ或いは複数の検体を検出するために必要な構成要素（６１，６２，６３，６４，６５）を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項１８のいずれか一項に記載の測定システム。
20. 測定システムは携帯可能に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１９のいずれか一項に記載の測定システム。

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