JP2005538388A - 一つ又は複数の検体を検査するための光電性の電極を持つ測定システム用の光源 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、一つ又は複数の検体を検査するための光電性の電極（３）を持つ測定システム用の光源（２）に関する。
【解決手段】この光源（２）は、光電性の電極（３）を局所的に照明するための手段を有する。その手段として、特に、光電性の電極（３）を局所的に照明するために機能する曲がった光ファイバー（４２）又は回転可能な開口円盤（３２）が配備される。それによって、有利には光電性の電極（３）を局所的に照明するための複雑に制御される照明アレイを使用しなくても済む。それによって、測定システムが、持ち運び可能及び小型化可能となる。そのような光源（２）を広くセンサー又は顕微鏡に、特に顕微鏡に、例えば走査型顕微鏡に採用するのが有利である。

Description

この発明は、一つ又は複数の検体を検査するための光電性の電極を持つ測定システム用の光源に関する。

特許文献１により、光源を有する光電性の電極が周知であり、そこでは、光源は、またもや検体溶液と接触している光電性の電極の一部を照射している。そのような構成では、照明されている領域においてのみ、検査対象の化学物質を検出することができる。この方法では、光電性の電極の異なる領域における化学物質に対して反応する様々な材料と特定の場所への照明とによって、複数の検体に対するマルチセンサーを構成することができる。

周知の測定システムは、基本的に二つの部類に分類することができる。

第一には、特許文献１に記載されているような、光電性の電極（及びその支持構造）と光源が別々に分離して配置されている構成である。光源は、電極の二つの側面の中の一つの側面の方に配置されている。光電性の電極は、検体溶液の中に浸されており、検体の容器の側から照明されている。

第二には、光電性の電極の表面が、検体の容器の内壁の一部に含まれている構成である（非特許文献１）。

そのような測定構成用の光源としては、例えばランプ、レーザー又は発光ダイオードが考えられる。そのような測定システムを用いて、照明アレイを用いた照明によって、光電性の電極上に多数の測定領域を規定して、複数の検体を検査することができる。このアレイの空間的な配列は、直線的、二次元的、規則的、すなわち例えばチェス盤形、あるいはランダムとすることができる。これらのランプ、レーザー又はＬＥＤは、同じ又は異なるものとすることができる。

欠点としては、そのような照明アレイは大きくて、光を局所的に照射するためには、個々の光源（ランプ、ＬＥＤ、レーザー）を、例えばマルチプレクサのような追加の制御機器によって選定して、別個の駆動装置によって駆動しなければならい。

従って、従来技術で周知の照明位置を変えられる測定システムの小型化は、一定の環境条件下でのみ可能である。数個のサンプルだけを指定する電気化学的な細胞、培養器内又はバイオリアクターでの測定は、例えば水道管、川などの流水の中でのオンサイト・モニターと同じ位、大きな負担においてのみ可能であるか、又は一般的に不可能である。
米国特許第４，５９１，５５０号明細書 Haffman, D. G. et al., 1988. Science. 140, 1182-1185

この発明の課題は、照明アレイを使用しなくても済ますことができて、それでもなお光電性の電極の局所的な照明を可能とする、一つ又は複数の検体を検査するための光電性の電極を持つ測定システム用の光源を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴全体にもとづく光源によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項により明らかにされている。

この一つ又は複数の検体を検査するための光電性の電極を持つ測定システム用の光源は、有利には光電性の電極を局所的に照明するための手段を有する。

この光源は、有利には光電性の電極を局所的に照明するための手段として、一つ又は複数の回転可能な開口円盤あるいは一つ又は複数の曲がった光ファイバーを持つことができる。この回転円盤及び／又はファイバーは、照明している間回転しており、光電性の電極が局所的に照明されることとなる。このことは、複雑に制御される照明アレイを不要とするものである。

そのような光源と光電性の電極間には、更に光を集束するための一つ又は複数のレンズを配置することができる。そのような手段を用いて、特に有利には（例えばランプ、ＬＥＤからの）光を集束することによって、光電性の電極の完全に一定の領域だけを測定領域として規定するという作用が達成される。

この照明は、光電性の電極の測定領域を選定することとなる。照明は、直接的又は間接的に生成したり、誘導、増幅又は電気的に変調することができる。生成した信号は、検査対象の検体によって変化させられる。

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、電流又は電圧として様々な形で、例えば直流、交流、反復、あるいはパルス形の信号やそれらの変化として現れることができる。そして、検体物質の検査によって生じる振幅、周波数、位相、パルスの高さ、パルスの長さ及び／又はそれらの変化などの様々な特性値が検査される。有利には、検体を測定するために、電流又は電圧などの電気信号を検出する代わりに、導電率、インピーダンス又は容量などのパラメータを使用することができる。

この発明の特に有利な実施形態においては、使用する光源を容器内に置いて、光電性の電極を照明する。この措置によって、通常測定システムの更なる小型化が実現されるという作用が生じる。

この場合、光電性の電極は、有利には容器の壁面に配置され、従ってこの容器の壁面の一部となっている。そして、検体を検査するために、光電性の電極を検体と接触させる。このような持ち運びできる測定システムは、通常光源を容器内に、光電性の電極を容器の壁面に統合することによって、特にコンパクトになるという利点を有する。この方法により、測定システムの所望の小型化を特に良好に実現することができる。

光電性の電極の前面及び背面は、有利には容器の壁面の内側及び外側に該当するように、容器の壁面に配置される。

通常、この光電性の電極は、照明位置を変えられる少なくとも一つの検査領域を有する。しかし、同様に好ましくは、照明位置を変えられる多数の検査又は測定領域を存在させて、相応の構成により、多くの検体を順番に又は同時に検査することもできる。この場合、検体は、光電性の電極の光源とは反対側に在る。この光電性の電極は、検査対象の検体の濃度に対する応答として電気信号を発生する。この光電性の電極は、特にそれぞれ照明によって選定される一つ以上の位置指定可能な測定領域を持つことができる。この「選定」という概念は、一般的に検体との相互作用によって測定信号の増加、減少又は変化のどれかが起こる動作状態と関連している。この場合、典型的には一つの測定領域が照明される。もちろん、複数の測定領域を同時に照明することも、信号を順番に又は並行して読み出すこともできる。しかし、この「選定」という概念では、この領域が測定信号に寄与するということだけを意味するものではない。同様に好ましくは、この領域は、例えばドリフト又は温度の影響を補償するために、内部の基準として機能することができる。

この容器の壁面への光電性の電極の配置は、液体内にある検査対象の検体に対する光源を持つ容器の内部空間が密閉されるように行われる。可能な密閉手段は、Ｏリング、容器壁面への直接的な貼り付け又は貼り込み、密閉用ゴムなどである。もちろん、交換可能な密閉手段は、光電性の電極を損傷させることなく交換することも可能であり、それによって測定システムのモジュラー構造が保証されるという利点を有する。

この光電性の電極は、半導体基質、特にＳｉ，ＳｉＣ，ＧａＡｓ，ＧａＰあるいは別の元素又は化合物半導体から成る半導体基質を有する。この半導体は、ｎ型、ｐ型又は真性とすることができる。更に、この半導体は、例えばＳｉＯ₂ ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＺｒＯ₂ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ 等あるいはそれらの組み合わせから成る一つ又は複数の絶縁層を持つことができる。これらの層は、一般的に半導体の表面上に積層される。

測定技術的な理由から、この半導体は、オーム接点又は高い導電率を持つ領域を有する。

更に、この光電性の電極は、一つ又は複数の検体に対する境界面上に少なくとも一つの膜組織を持つことができる。

この膜組織は、固体材料及び／又はイオン選択性ポリマーを有する。しかし、この膜組織は、生体分子のほか無傷の受容体さえも有することができる。従って、この光電性の電極は、その表面上に一つ又は複数の測定領域を有することとなる。これらの測定領域は、検体に向けられた一つ又は複数の膜組織によって境界を定めることができ、その際これらの各測定領域は、膜組織とは反対の側を相応の光源により活性化される。この場合、これらの膜組織は、例えば異なる構成又は感度特性を有し、その結果化学検体に対して、異なる信号応答が存在することとなる。この膜組織は、イオン選択性の反応を持つ（結晶性、ガラス性の）固体材料から構成するか、（光電性に構造化可能な材料を含む）イオン選択性のポリマー材料を有するか、あるいは例えば酵素、抗体、抗原、ＤＮＡ、ＲＮＡ及び／又は無傷の受容体などの生体分子を持つことができる。

複数の膜組織を形成する代わりに、光電性の電極上に、単一の膜組織を形成することもできる。この場合、この膜組織の幾つかの領域は、異なるセンサー特性を有する。この膜組織の異なる領域に、例えば様々なイオン透過担体を配備することができ、これらは、またもや検体の異なる構成部分に対して様々な反応を示すことができるものである。この光電性の電極自体も、この異なる領域が検体に対して異なる感度を持つような形で改修することができる。この改修とは、その表面上への一定の化学的なグループの結合、一定の分子（触媒、酵素、抗体、例えばＤＮＡなどの核酸等）の結合あるいは細胞や細胞群や無傷の受容体の結合を意味する。

検体濃度を測定するのに使用するセンサーの出力信号は、電気信号である。この信号は、電流又は電圧として様々な形で、例えば直流、交流、反復、あるいはパルス形の信号やその変化として現れることができる。そして、検体物質の検査によって生じる振幅、周波数、位相、パルスの高さ、パルスの長さ及び／又はそれらの変化などの様々な特性値が検査される。有利には、検体を測定するために、電流又は電圧などの電気信号を検出する代わりに、導電率、インピーダンス又は容量などのパラメータを使用することができる。

この電気信号は、典型的には外部の測定ユニットによって読み出される。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、電気化学分析器又は（Ａ／Ｄコンバータを備えた）コンピュータとすることができる。同様に、以下の計器又は測定増幅器／機器を追加して使用することができる。
・光源用の駆動装置又は電圧供給装置
・光電性の電極の測定領域に移動させるためのマルチプレクサ
・光源を変調可能とするための発振器又は関数発生器
・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、高域又は帯域通過フィルター
・前述した装置及び構成機器用の電圧供給装置
更に、光電性の電極における電位を確実に所定のとおり制御及び調整できるようにするために、ポテンシオスタットを使用することができる。そのためには、更に基準電極及び／又は対電極が必要である。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、又はセンサーと一緒にすることができる。後者の場合、これらは、例えば光電性の電極の検体の方を向いた側面に統合することができる。

この発明の別の実施形態において、容器をこの当該の測定ユニットと電気的に接続するために、この容器は、光源への導線と光電性の電極から測定ユニットへの導線用の開口部を有する。一つ又は複数の検体の検査によって生じる電気信号は、この測定ユニットによって読み出される。

以下において、幾つかの実施例と添付図面にもとづき、この発明をより詳しく説明する。

図１は、この発明にもとづく測定システムの実施例を示す。この実施例は、一つの容器１、この容器１内に配置された二つの光源２、ならびにＯリング４によって密閉された形で、この容器の壁面に組み込まれた一つの光電性の電極３を有する。この光電性の電極３は、例えば１０ｘ１０又は１５ｘ１５ｍｍ² の面積を有する。この光電性の電極３の下側は、検体の方向を向いている。従って、光電性の電極３のこの側面は、容器１の外壁に該当する。この側面とは反対の光電性の電極３の別の側面は、二つの光源２の方向を向いており、従って容器１の内壁に該当する。この容器１は、例えば２０ｍｍの幅と例えば１００ｍｍの高さを有する。ここでは、この容器１は、プラスチック製のシリンダーであり、その上部に一つの開口部を有する。この開口部を通して、光源２への二本の導線と光電性の電極３への一本の導線が、図示されていない別の評価装置に繋がっている。当然のことながら、導線の数は、これに制限されるものではない。むしろ、必要に応じて、より多くの導線を光源又は評価装置に繋げることができる。有利には、容器１に対して、光線を透過する材料を完全に使用せずに済ますことができる。この測定システムは、コンパクトで、小さく、扱い易く、そのため持ち運び可能である。更に、このシステムは、モジュ−ル式に構成されている。光源２は、有利には光電性の電極３を局所的に照明するための手段を持つことができる。

図２は、シリコン半導体基質２２上の一つのオーム接点２１、ならびに一つの絶縁体２３とこの絶縁体２３上の三つの異なる膜組織２４とを有する、光電性の電極を図示している。これらの膜組織２４は、オーム接点の上方に配置された、この発明による光源によって照明されて、検体との反応によって検査可能な電気信号を発生する。

図３と４は、この発明によるそのような光源の二つの実施構成を示している。図３では、光電性の電極３と光源２の間に、一つの回転可能な開口円盤３２が配置されている。この回転可能な開口円盤３２は、光電性の電極３を局所的に照明するための手段として機能する。この円盤が回転すると、光源２によって、光電性の電極３の一定の領域だけが測定領域として規定されることとなる。

図４では、光電性の電極３は、曲がった光ファイバー４２を用いて局所的に照明されている。このファイバー４２を回転させると、光電性の電極３の一部だけが照明されて、それによって、またもや測定領域が規定されることとなる。

図３と図４に図示された光源３２と４２は、直ちに光電性の電極３が局所的にだけ照明されるという結果につながるものである。そのため、そのような光源を選定することにより、複雑に制御される照明アレイを使用せずに済ますことができる。このことは、測定システムの更なる小型化に繋がるものである。

更に、回転可能な開口円盤３２又はファイバー４２の近傍に、光を集束するための（図示していない）レンズを配置することができる。

ここでは、光源の構成は、図１，３及び４に限定されるものではなく、光源として、光電性の電極３を照明するための如何なる構造をも考え得ることを指摘しておく。

図５と６は、測定構成における持ち運び可能な測定システムの二つの実施構成を示している。図１と２の符号は、図５と６では一部のみ記載されている。

図５では、光源としての二つのＬＥＤ２が、変調された光を照射するために、マルチプレクサ５６を用いて選定され、ＬＥＤ駆動装置５７によって駆動される。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、光電性の電極３の一つの測定領域を照明し、交流の光電流を発生させ、その振幅は、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造の密度に依存する。そして、この交流の光電流は、前置増幅器５２で増幅されて、その直流成分は、高域通過フィルター５３によって除去される。最後に、交流の光電流の振幅が、電流計５４で測定される。基準電極５５は、この持ち運び可能な測定システムの追加構成部品である。検査の間、容器１の壁面にある光電性の電極３は、検体と接触している。検体は、別の容器の溶液５９内に在る。

これらの図５に図示された測定構造の構成部品の中の幾つかは、小型化・一体化した構成として測定システムの容器１内に配置することができる。これは、小型化できることに関して有利であるだけでなく、導線の長さによ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、多くの考え得る実施構成の中の一つを示しており、そこでは、前述した機能が既に一体化されて存在している。図６の符号は、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 光電性の電極
４ Ｏリング
６１ 高域通過フィルター
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

そして、容器１は、特に有利でコンパクトな方法では、例えば高域通過フィルター６１、前置増幅器６２、発振器６３、ＬＥＤ駆動装置６４及びマルチプレクサ６５などの検体を検査するのに必要な追加の部品をその中に含んでいる。この発明は、これに限定されるものではない。更に必要な部品を容器１内に統合して、巧みに配置することによって、持ち運び可能な測定システムの更なる小型化を達成するのが有利である。当然のことながら、図５と６の実施例では、多数の光源を持つ照明アレイを使用することもできる。しかし、同様に好ましくは、図３又は図４で図示されたような光源によって、光電性の電極の局所的な領域を選定することも可能である。

図７は、異なるｐＨ濃度に対する光電性のセンサー領域の測定曲線の例を示している。Ｉ／Ｕ（光電流−電圧）特性曲線は、適用するｐＨ値に応じて、電圧軸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出すことができる。

この発明による局所的に照明するための手段を持つ光源は、その利用に際して、ここに図示した測定システムに限定されるものではない。むしろ、そのような光源（２）を広くセンサー及び／又は顕微鏡に、例えば走査型顕微鏡に採用するのが有利である。

少なくとも一つの検体を検査するための測定システム。 光電性の電極の例。 この発明による光電性の電極を局所的に照明するための手段（回転可能な開口円盤）を持つ光源。 この発明による光電性の電極を局所的に照明するための手段（回転可能な光ファイバー）を持つ光源。 一部を容器内に配置した追加の制御・評価装置を持つ持ち運び可能な測定システム。 一部を容器内に配置した追加の制御・評価装置を持つ持ち運び可能な測定システム。 この発明による測定システムを用いて記録した一連の測定例。

符号の説明

１ 容器
２ 光源
３ 光電性の電極
４ Ｏリング
２１ オーム接点
２２ シリコン半導体基質
２３ 絶縁体
２４ 膜組織
３２ 回転可能な開口円盤
４２ 曲がった光ファイバー
５１ ポテンシオスタット
５２ 前置増幅器
５３ 高域通過フィルター
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 高域通過フィルター
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 (10)

1. 一つ又は複数の検体を検査するための光電性の電極（３）を持つ測定システム用の光源（２）において、
   この光源（２）が、この光電性の電極（３）を局所的に照明するための手段を有することを特徴とする光源。
2. 当該の光電性の電極（３）を局所的に照明するための手段として、少なくとも一つの回転可能な開口円盤（３２）を有する請求項１に記載の光源。
3. 当該の光電性の電極（３）を局所的に照明するための手段として、少なくとも一つの曲がった光ファイバー（４２）を有する請求項１又は２に記載の光源。
4. 当該の光源が、光を集束するためのレンズを有することを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の光源。
5. 請求項１から４までのいずれか一つに記載の少なくとも一つの光源を有する、一つ又は複数の検体を検査するための光電性の電極（３）を持つ測定システム。
6. 一つの容器（１）を有し、その中に一つの光源（２）又は複数の光源（２）を配置した請求項５に記載の測定システム。
7. 一つ又は複数の検体を検査する際に生じる電気信号を読み出す測定ユニットを有する請求項５又は６に記載の測定システム。
8. 当該の光電性の電極（３）に一定の電圧を印加するためのポテンシオスタット（５１）を有する請求項５から７までのいずれか一つに記載の測定システム。
9. 当該の容器（１）が、その中に一つ又は複数の検体を検査するのに必要な追加の部品（６１，６２，６３，６４，６５）を有することを特徴とする請求項５から８までのいずれか一つに記載の測定システム。
10. 当該の光電性の電極（３）が、当該の容器（１）の壁面に配置されているか、あるいは当該の容器（１）の壁面の一部となっていることを特徴とする請求項５から９までのいずれか一つに記載の測定システム。

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