JP2007147578A

JP2007147578A - 集積化された光検出器及び／又は光源を有するセンサ

Info

Publication number: JP2007147578A
Application number: JP2005357355A
Authority: JP
Inventors: Rene P Helbing; レネ・ピー・ヘルビング
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2007-06-14
Also published as: EP1672356B1; CN1800831B; EP1672356A1; CN1800831A; US20060132786A1; US7280201B2; CA2518633A1

Abstract

【課題】二次的な取り付けや位置合わせを必要とせず大幅に削減されたコスト及びサイズを有するセンサを提供すること。
【解決手段】化学層(32)と可撓性基板(40)上の検出器(36)とを含むラテラルフローセンサ等のセンサ(30)。化学層上に配置された分析物(34)に応じて光信号が生成される。前記検出器が前記光信号を検出することにより分析物の存在、不存在、及び濃度が検出される。検出器は基板上にある。化学層及び基板が互いに積層されて集積化センサが形成される。センサは光源(42)を含むことができる。該光源は、基板上、又は化学層の検出器と反対側に配設することができる。
【選択図】図２

Description

一般に、様々な状態及び身体機能の検出に用いられるバイオセンサ及び化学センサといった多種多様なセンサが存在する。例えば、バイオセンサ及び化学センサは、一般に、家庭での妊娠テスト、血糖値試験、及び薬物検査に用いられる。これらセンサの中には、集積化された光学素子による検出を利用して読み取り可能性及び及び正確性を改善するものもある。

例えば、図１は、特定のタイプのバイオセンサである従来のラテラルフローバイオセンサを例示した図である。ここで図１を参照すると、分析物（すなわち試験を受ける試料）10が化学層12上に配置される。化学層12は、一般に、ラテラルフローバイオセンサに利用される場合、「テスト・ストリップ」と呼ばれる。分析物10は、毛管作用によって、化学層12を横切って側方に検出ゾーン16まで流れ、一般にその結果として、例えば、分析物10に何らかの化学的もしくは物理的変性が加えられ、又は化学層12内又は化学層12上の化学物質又は材料が変性されることになる。この変性に応じて光信号14が生成される。該信号14から、化学層12のゾーン16内における分析物10の存在、不存在、又は濃度を求めることができる。

ラテラルフローバイオセンサの多くのタイプでは、化学層12内又は上の分析物10又は化学物質又は材料の変性によって、ゾーン16内に強度又は波長の吸収変化が生じる。従って、信号14は、人によって視覚的に識別される単純な色の変化である。

しかし、色をベースにした試験は、吸収変化度の判断が難しいので、人が視覚的に定量化するのは困難である。従って、試験で定量的測定（例えば、血糖値試験におけるような）が必要とされる場合には、信号14を読み取るために光検出器が設けられる場合が多い。

例えば、図１の場合、信号14を読み取るために光検出器18が設けられている。該光検出器18は、信号14を検出し、これにより、分析物10の存在、不存在、又は、濃度を検出する。信号14は、光信号であるため、光検出器18は、通常、検出信号14の強度に対応する電気出力を生成するフォトダイオードである。光検出器18は、例えば、該光検出器18の電気出力に対応する読み取り数値又はその他の表示を表示するために外部ディスプレイ装置（図示せず）に接続される。

上述のように、多くのラテラルフローバイオセンサでは吸収変化に応じて信号14が生成される。周囲光が、光検出器18が吸収変化に応じて生成する信号14を検出するのに十分である場合がある。かかる場合には、センサは光源を含まないことが可能である。しかし、周囲光が不十分な場合には、センサ30は、LED又はレーザ等の光源20を含むことになる。

更に、センサによっては信号14を生成するために光源を必要とする。例えば、光源20は、蛍光を生じさせる光を放出し、これにより信号14を発生させる、LED又はレーザとすることが可能である。

センサの性能を向上させるために、光学レンズ及び／又はフィルタとすることが可能な光学要素22,24が設けられる場合が多い。

従来のセンサの場合、光源20、光検出器18、及び光学要素22,24は、組み立てられて機械的固定具により所定位置に保持される個別の相対的に大きな構成要素である。その結果として、センサが過度に大型になり、製造コストが高くなり得る。

更に、多くのセンサは、使い捨てセンサであるように意図されている。例えば、センサは、使い捨て式の箱とすることが可能なエンクロージャ25内に設けることが可能である。光源20、光検出器18、及び光学要素22,24のために個々に組み立てられた個別の構成要素を用いると、センサは、使い捨てセンサとしては法外に高価なものになる。

一例として、METRICAは、糖質管理（glycomic control）用のかかる使い捨てセンサを製造している。しかし、該センサは、個別の構成要素、すなわち、個別のLED、個別の光学素子、個別のフォトダイオードから組み立てられる。その結果として、このセンサは、１回限りの使用にしては比較的高価なものになる。

このため、多くの従来のセンサでは、光源20、光検出器18、及び光学要素22,24は、使い捨て式のテスト・ストリップ又は化学層12と共に利用される独立した再利用可能な外部光学系に含まれている。しかし、かかる外部光学系の再利用には多くの欠点がある。例えば、家庭で用いる場合、ユーザは外部光学系とテスト・ストリップを持ち歩かなければならない。たまにしか行わない試験の場合、ユーザは外部光学系の場所を覚えていなければならない。更に、再利用可能な外部光学系については、特に該光学系が医院におけるような複数試験に繰り返し用いられる場合には、各試験間で交差汚染が生じる恐れがある。交差汚染の可能性は、特に薬物検査において厄介であり、この場合、ほんのわずかな交差移動の可能性でさえ、試験結果に対する法的な異議申し立てを招きかねない。

本発明の様々な実施態様によれば、（a）上部に配置された分析物に応じて光信号が生成される化学層と、（b）該光信号を検出することにより分析物の存在、不存在、又は濃度を検出する検出器と、（c）基板とを含む装置が提供され、この場合、前記検出器は前記基板上にあり、前記化学層及び前記基板は互いに積層される。

更に、本発明の様々な実施態様によれば、（a）上部に配置された分析物に応じて光信号が生成される化学層と、（b）該光信号を検出することにより分析物の存在、不存在、又は濃度を検出する、有機フォトダイオード又はアモルファス・シリコンである検出器と、（c）前記化学層状に配置された分析物に応じて前記光信号を生じさせ又は検出させる光を発する有機発光ダイオード（OLED）と、（d）基板とを含む装置が提供され、この場合、前記検出器及び前記OLEDは前記基板上に直接製造され、前記化学層及び前記基板は互いに積層される。

更に、本発明の様々な実施態様によれば、（a）上部に配置された分析物に応じて光信号が生成される化学層と、（b）該光信号を検出することにより分析物の存在、不存在、又は濃度を検出する検出器を含む装置が提供され、この場合、前記化学層と前記検出器は積層により互いに集積化される。

本発明の以上の及び他の態様及び利点については、図面に関連して行う望ましい実施態様の下記説明から明らかになり、理解がより容易になるであろう。

ここで本発明の望ましい本実施態様について言及することにする。その例が図面に例示されており、全体を通じて同様の符号は同様の構成要素を表している。

図２は、本発明の一実施形態によるセンサ30を示す説明図である。図２において、センサ30はラテラルフローバイオセンサである。但し、本発明は、「ラテラルフロー」バイオセンサに制限されるものではなく、「ラテラルフロー」バイオセンサ以外のバイオセンサにも適用可能である。更に、本発明は、「バイオセンサ」であることに制限されるものではなく、バイオセンサ及び化学センサを含む多種多様なセンサに適用可能である。

ここで図２を参照すると、センサ30は化学層32を含む。該化学層32上に分析物34が配置されると、化学層32のゾーン39内に光信号38が生成される。例えば、光信号38は、分析物34の化学的又は物理的変性、又は化学層32内又は化学層32上の化学物質又は材料の化学的又は物理的変性に応じて生成される。検出器36は、該光信号38を検出することにより、分析物34の存在、不存在、又は濃度を検出する。例えば、ある実施態様では分析物34の存在が検出されることになる。別の実施態様では分析物34の濃度が検出されることになる。検出器36は、信号38の十分な検出を可能にするため、ゾーン39に適切に近づけて配置される。検出器36は例えばフォトダイオードである。しかし、本発明は、検出器36がフォトダイオードであることに制限されるものではなく、他の適当な検出器を利用することが可能である。

センサのタイプによっては、センサに光源を含む必要のないものもある。例えば、センサによっては、検出器36がゾーン39における吸収変化を検出できるものもある。周囲光が、検出器36が該変化を検出するのに十分である場合もある。周囲光が十分であれば、センサに光源を含む必要がない。そうでない場合には、光源を設けることが可能である。

しかし、センサの中には、光源を含まなければならないものがある。例えば、一部のセンサは、信号38を生成するために光源を必要とする。その一例として、蛍光により信号38を生成させるために光源が必要となる場合がある。

信号38の生成又は検出に光源が必要とされる場合、センサ30は光源42を含むことになる。光源42は例えば発光ダイオード（LED）である。LEDは周知のものである。しかし、光源42は、LEDであることに制限されるものではなく、他の適当なタイプの光源を利用することが可能である。

センサ30はまた基板40を含む。基板40は、該基板40上の要素を互いに接続し、又は必要があれば外部要素を該基板40上の要素に接続するための、導電素子（図示せず）を含む。基板40は、例えば可撓性基板（例えばポリイミド基板等）である。かかる基板は周知のものである。しかし、基板40は、可撓性基板であることに制限されるものではなく、またポリイミド基板であることに制限されるものでもなく、他の適当な基板を利用することが可能である。

検出器36は基板40上にある。図２の実施態様で、センサ30が光源42も含む場合には、基板40上に光源42が存在することになる。例えば、検出器36及び光源42は、基板40に接合され又は他の任意の適当な態様で基板に取り付けられる。化学層32及び基板40は互いに積層される。本発明の他の実施態様では、検出器36及び光源42を化学層32の反対側に配置することが可能である。このため、２つの光学層（すなわち一方の層が検出器36を含み、他方の層が光源42を含む）が１つの化学層に接合される。

分離層44を利用して、化学層32と光源42及び検出器36のような光学要素との間に必要な光学的な分離を提供することが可能であり、該光学的な分離は、光源42と検出器36が化学層32の同じ側に取り付けられる場合には特に重要である。例えば、化学層32と基板40との間に分離層44を設けて、該分離層44が、化学層32と検出器36との間、及び化学層32と光源42との間にくるようにすることが可能である。該分離層44は、例えば、基板40の上面における別個のプラスチック片又は透明のコンフォーマルコーティングとすることが可能である。ここで、「透明」とは、分離層44が信号38にとって「透明」であることを表しており、必ずしも人間の目にとって「透明」である必要はない。例えば、光源42が赤外光を放出する場合、分離層44は、人間の目にとって黒色となり得る。化学層32、分離層44、及び基板40は、互いに積層される。

本発明は、適切な検出器36（例えば表面実装フォトダイオード等）、適当な光源（例えば表面実装LED等）、及び適当な基板（例えばポリイミド製の可撓性基板等）を使用することにより、化学層32、検出器36、及び光源42を１つのユニットに集積化し、例えば、使い捨てセンサとして利用することが可能なものである。かかる使い捨てセンサは、従来のセンサに比べると比較的安価になる。更に、かかる使い捨てセンサは、従来のセンサと比べると、二次的な取り付けや位置合わせを必要としないため、コスト及びサイズが大幅に削減されることになる。更に、検出器38が化学層32に近接しているので、本発明の様々な実施態様による使い捨てセンサは、集光用の光学素子を必要としない可能性がある。

基板40上における光源42及び検出器36の集積化は、例えば、フレックス・テクノロジ（flex technology）に基づくものである。一般に、フレックス・テクノロジは、可撓性基板に電子要素を集積化させるために利用される。フレックス・テクノロジは、既知のところであり、例えば、CMOSカメラのような様々な電子要素の低コスト製造に適用されてきた。例えば、従来のフレックス・テクノロジの範囲内で、カメラIC及び任意の必要な受動要素が、カメラをPC基板に接続するために用いられる可撓性基板上に直接実装される。

図３は、本発明の一実施形態による集積化ディスプレイ装置を有するセンサ30を示した説明図である。同図を参照すると、ディスプレイ装置50が基板40上にある。例えば、ディスプレイ装置50は、基板40に接合され又は任意の他の適当な態様で基板に取り付けられる。ディスプレイ装置50は、検出器36によって検出される信号38に対応する結果を表示する。ディスプレイ装置50は、例えば、オン又はオフになって、はい又はいいえを示す光を生じるだけの場合もある。又は、ディスプレイ装置50は、例えば分析物の濃度に対応する、例えば読み取り数値を示す場合もある。ディスプレイ装置50は、例えば、発光ダイオード（LED）、有機発光ダイオード（OLED）、又は液晶ディスプレイである。しかし、ディスプレイ装置50は、LED、OLED、又は液晶ディスプレイに制限されるものではなく、任意の適当なディスプレイ装置を利用することが可能である。

本発明は、適当なディスプレイ装置50（例えばLED又は液晶ディスプレイ等）を利用することによって、化学層32、検出器36、光源42、及びディスプレイ装置50を１つの積層化されたユニットへと集積化し、例えば、使い捨てセンサとして利用することが可能である。かかる使い捨てセンサは、別個の要素及び独立した外部ディスプレイ装置を用いる従来のセンサと比べると、比較的安価なものとなる。

図２及び図３には示していないが、偏光子、光フィルタ、及びその他の測定をサポートする要素といった適当な要素は、所望の場合には、光源42及び／又は検出器36と協働するように光センサ内に集積化させることが可能である。これらの要素は、例えば、基板40に接合し、又は化学層32と基板40との間に１つの層として配設することができ、また化学層32及び基板40と共に積層化させることも可能である。かかる要素に適した材料の選択は、本明細書の開示に鑑みて、当業者の技能範囲内であろう。

本発明の実施態様によれば、光源42、検出器36、及び基板40として使用するのに適した材料が選択された場合、光源42及び検出器36は基板40上に直接製造することが可能である。例えば、光源42及び検出器36は有機材料から製造する（例えば光源42をOLEDとし検出器36を有機フォトダイオードとする）ことが可能である。代替案として、検出器36は、例えば、アモルファス・シリコンのような材料から製造することが可能である。更に、基板40は、例えば、ポリイミド基板のような可撓性基板とすることが可能である。かかる材料を選択すると、光源42及び検出器36を基板40上に直接製造することが可能になる。その結果として、センサは、潜在的に低コストの製造方法で製造することが可能になる。例えば、可撓性基板のような基板上に、例えば、OLEDのような光源を製造することは、既知のところである。例えば、可撓性基板のような基板上に直接、例えば、有機フォトダイオード又はアモルファス・シリコンのような検出器を製造することは、既知のところである。

図２又は図３には示していないが、一般にセンサ上には電源も設けられる。本開示に鑑み、当業者は、かかるセンサに集積化される電源が理解されるであろう。

更に、図３には示していないが、基板40上には、ディスプレイ装置50による利用に備えて、検出器36の出力信号を処理するための処理装置を設けることも可能である。本開示に鑑みて、当業者には、こうしたセンサにおける処理装置が理解されるであろう。

図２及び図３のセンサ30は、ラテラルフローバイオセンサであり、分析物34が化学層32を横切って側方に流れ、このためゾーン39内に信号38が生成される。しかし、本発明は、ラテラルフローバイオセンサではないセンサにも適用される。

例えば、図４及び図５には、本発明の更なる実施態様によるセンサ60が示されている。該センサ60はラテラルフローセンサではない。ここで図４及び図５を参照すると、分析物（図４及び図５には図示せず）がゾーン39内に直接配置されると、これにより、信号38が生成される。そのほかの点では、図４及び図５のセンサ60は、それぞれ、図２及び図３のセンサ30と同様である。

図２〜図５の場合、光源42及び検出器36は、互いに化学層32の同じ側にある。しかし、実施態様によっては、光源42及び検出器36は、互いに化学層32の反対側に位置することも可能である。

例えば、図６及び図７には、化学層32の反対側に光源及び検出器を有するセンサが示されている。図６及び図７を参照すると、光源42が別個の基板70上に設けられている。基板70は、例えば、ポリイミド基板のような、例えば、可撓性基板とすることが可能である。しかし、基板70は、可撓性基板又はポリイミド基板であることに制限されるものではない。化学層32は基板40,70間に挟まれている。図６及び図７では、分離層44が示されているが、分離層は必要ではない場合が多く、光源42と検出器36が化学層32の反対側にある場合にはなくすことが可能である。更に、基板40又は70上に、図３及び図５のディスプレイ装置50のようなディスプレイ装置を配置することが可能である。

図６及び図７には、長さが基板40よりも大幅に短い基板70が示されている。本発明は、基板40に関する特定の長さ又はサイズを有する基板70に制限されるものではない。本発明の幾つかの実施態様では、基板70にウィンドウ（図示せず）を設け、該ウィンドウを通って分析物を化学層32上に配置できるようにすることが可能である。

様々なやり方で動作する多種多様なセンサが存在する。本発明は、いかなる特定のタイプのセンサにも制限されるものではない。本発明は、とりわけ、バイオセンサ及び化学センサに適用可能である。更に、センサに利用可能な多種多様な化学層又はテスト・ストリップが存在し、これらの化学層又はテスト・ストリップは、様々な基礎的化学物質で、及び、様々な作用のメカニズムに従って機能する。本発明は、いかなる特定のタイプの化学層又はテスト・ストリップ、いかなる基礎的化学物質、又は、いかなる特定の作用メカニズムにも制限されるものではない。

本発明の望ましい実施態様の幾つかについて示し、解説してきたが、当業者には明らかなように、その範囲が請求項及びその同等物で定義された本発明の原理及び精神を逸脱することなく、これらの実施態様に変更を施すことが可能である。

従来のラテラルフローバイオセンサを示す説明図である（従来技術）。本発明の一実施形態によるセンサを示す説明図である。本発明の一実施形態による集積化されたディスプレイ装置を有するセンサを示す説明図である。本発明の更なる実施態様によるセンサを示す説明図である。本発明の更なる実施態様によるセンサを示す説明図である。本発明の一実施形態による化学層の反対側に光源と検出器を有するセンサを示す説明図である。本発明の一実施形態による化学層の反対側に光源と検出器を有するセンサを示す説明図である。

符号の説明

32 化学層
34 分析物
36 検出器
40 基板
42 光源
44 分離層
50 ディスプレイ装置
70 第２の基板

Claims

上部に配置された分析物(34)に応じて光信号が生成される化学層(32)と、
前記光信号を検出することにより前記分析物の存在、不存在、又は濃度を検出する検出器(36)と、
基板(40)と
を備えており、前記検出器が前記基板上にあり、前記化学層と前記基板とが互いに積層されている、装置。
前記化学層上に配置された分析物に応じて前記光信号を生成させ又は検出させる光を発する光源(42)を有し、該光源が前記基板上にある、請求項１に記載の装置。
前記化学層と前記検出器との間に位置するよう前記化学層と前記基板との間に配置された分離層(44)を更に含み、前記化学層、前記分離層、及び前記基板が互いに積層される、請求項１又は請求項２に記載の装置。
前記基板(40)が第１の基板(40)であり、
第２の基板(70)と、
前記化学層上に配置された前記分析物に応じて前記光信号を生成させ又は検出させる光を発する光源(42)と
を更に含み、
前記光源が前記第２の基板上にあり、
前記化学層が前記第１の基板と前記第２の基板との間に挟まれており、
前記第１の基板、前記化学層、及び前記第２の基板が互いに積層されている、
請求項１に記載の装置。
前記基板が可撓性基板である、請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の装置。
前記検出器がフォトダイオードである、請求項１ないし請求項５の何れか一項に記載の装置。
前記光源が発光ダイオード(LED)である、請求項２又は請求項４に記載の装置。
前記検出器(36)が有機フォトダイオード又はアモルファス・シリコンであり、
前記光源(42)が有機発光ダイオード(OLED)であり、
前記検出器及び前記光源が前記基板上に直接製造され、前記化学層と前記基板とが互いに積層されている、請求項２に記載の装置。
前記基板(40)上に配設され、及び前記検出器により検出された前記信号に対応する結果を表示する、ディスプレイ装置(50)を更に含む、請求項１ないし請求項８の何れか一項に記載の装置。
上部に配置された分析物(34)に応じて光信号を生成させる化学層(32)と、
前記光信号を検出することにより前記分析物の存在、不存在、又は濃度を検出する検出器(36)と
を備えており、前記化学層と前記検出器とが積層により互いに集積化されている、装置。
前記化学層上に配置された分析物に応じて前記光信号を生成させ又は検出させる光を発する光源(42)を更に含み、前記化学層、前記検出器、及び前記光源が積層によって互いに集積化されている、請求項１０に記載の装置。