JP2007519004A - 複数の検体の化学分析用ディスポーザルエレメントを備えたハンドヘルド装置 - Google Patents

Abstract

複数の化学又は生物学的物質のオンサイト分析が必要とされているところで、かかる物質の濃度を測定するための携帯型システム及び方法。新規の、また元のハンドヘルドセンサシステムでは、ディスポーザル光学試験エレメントと、光吸収度、ルミネセンス、及び他の形の光に基づく応答の変化によって特定の検体に対する試験エレメントの応答を測定する分光検出器とを使用する。このようにして、試験エレメントの応答を示す反射光強度を使用して、対象検体の濃度を測定することができる。また、センサシステムは、情報処理ユニット又はコンピュータにインターフェースすることもでき、その結果、分析データを電子的に操作又は記憶することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般に、分光光度法による化学物質の分析及び測定の方法及び機器に関し、具体的には、ディスポーザル光学試験エレメント及び分光検出器を用いた複数の物質の定量用携帯型ハンドヘルドセンサシステムに関する。

様々な化学物質が試料中のその存在濃度に比例して光を吸収することが知られている。さらに、かかる物質を透過した光は、その物質の光吸収特性並びに光の伝わる他の媒体の特性によって特徴付けられる吸収スペクトルを有する。かかる吸収スペクトルはプリズムで明らかとなり、分析できる。吸収スペクトルの強度損失及び他の吸収体に起因する部分を差し引くことによって、化学物質のスペクトルを分離し、その素性及び濃度を求めることができる。この差分を求めること、すなわち「参照」は、光源の吸収スペクトル並びに化学物質の非存在下での分光光度成分を求めることによって行われる。誤差を最小限に抑えるため、参照は通常は化学物質の吸光度測定の時間的空間的近傍で行われる。

化学物質の濃度を求めるための電池式携帯型装置が市販されていることは周知である。例としては、Ｈａｃｈ社製の携帯型光度計及びＭｅｒｃｋ社製の携帯型反射率計が挙げられる。光度測定及び反射率測定システムの詳細な総説は、Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ａｎａｌｙｓｉｓ， （Ｙ．Ａ． Ｚｏｌｏｔｏｖ ｅｔ ａｌ．， Ｅｌｓｅｖｉｅｒ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ （２００２））、及びＲｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ， （Ｋｏｓｔｏｖ， Ｙ． ａｎｄ Ｒａｏ， Ｇ．， Ｖｏｌ． ７１， ４３６１， （２０００））の総説に記載されている。かかるシステムの採用によって研究室外での化学分析が可能になる。しかし、以下の分野での改良が依然必要とされている。
１．携帯型計測器での試験には、毒性又は腐食性の試薬を用いるものがある。１回の試験で大量の固体試薬を使用するものもある。例えば、多くのＨａｃｈ試験法では、１つの検体に対して２００ｍｇ以上の固体試薬が使用される。
２．オペレータは、試薬及び試料を測定ユニットに移す必要がある。試料の操作及び試薬の取扱いは化学分析の面倒な部分であり、作業者間の誤差を増大させる。
３．湿式化学分析で得られる液体廃棄物は、法令に従って安全に処分する必要がある。
４．現在利用可能な試験法では、１回の試験で２種以上の互いに無関係な検体を容易に決定することができない。
５．大半の携帯型装置は、データ解釈及び記憶機能を有しているが、大部分の試験結果は依然データベースに手動で転送する必要がある。

多数の検体の半定量分析のために、試験ストリップを使用する他の方法が広く試みられている。この場合、ディスポーザル光学的センサエレメントを用い、光度計で読取ることによって定量結果を得ることができる。ほとんどの場合、１種類の検体だけが光学的センサエレメントで求められる。透過吸光度を測定するので、較正の不要な試験のためのディスポーザル光学的センサエレメントを得るのは困難である。

ディスポーザル化学センサは、当技術分野で周知である。例えば、米国特許第５８３０１３４号には、ディスポーザルモニタリングユニットの使用の結果に部分的に起因するものなど多くの擾乱因子を補償するように設計され、較正段階を必要としない物理化学的パラメータ検出用センサシステムが記載されている。

また、米国特許第５１５６９７２号には、光吸収、光照射、光散乱、光偏光並びに電気化学的測定パラメータ及び圧電的測定パラメータに基づく化学センサが開示されている。

米国特許第６５２８３１８号には、光学的タガント及び化学センサに関する散乱制御照射について開示されている。

参照及び指示薬センサを使用するセンサアレイが知られており、米国特許第４２２５４１０号に記載されている。この場合、センサは、各分析値を直接読取ることができるように個別に較正できる。

米国特許第５７３８９９２号には、参照材料を使用して蛍光導波管センサ測定値を補正する方法が開示されている。米国特許第５６３１１７０号には、導波管に参照試薬でラベル付けすることによる、蛍光導波管センサのための参照法が教示されている。本発明で用いる内部吸光度標準法は、幾つかの面で、従来技術とは基本的に異なる。

第一に、本発明で用いる多角度散乱誘起吸光度検出方式は、膜厚が入射ビーム波長とほぼ同じサイズの薄肉エレメントを使用する従来の減衰全反射（ＡＴＲ）センサとは異なる。これらの薄肉エレメントは、内部参照として働く蛍光物質を含むこともできる。対照的に、本システムは、入射ビーム波長に近い厚さを必要とせず、吸光度に基づく代替の内部参照を使用するより厚い膜エレメントに関する。

２波長法、すなわちデュアルビーム法が分光光度分析で知られている。”Ｒｅｆｅｒｅｎｃｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ Ｗａｖｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ，” （Ｓｔｅｗａｒｔ， Ｇ． ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏｃ． Ｏｆ ＳＰＩＥ， １３１４， ２６２ （１９９０））には、センサ表面の汚染の影響を補償するための２波長法が提案されている。Ｌｏｅｐｐｅｒｔの米国特許第４７６０２５０号には、フィードバック制御光源を使用して、光源の安定性及び構成要素の老化と関連する問題を最小限に抑える環境特性測定用オプトエレクトロニクスシステムについて記載されている。類似のフィードバック制御２波長法が、Ｖｕｒｅｋの米国特許第３７９９６７２号に記載されている。”Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｃｙａｎｉｄｅ ｉｎ Ａｉｒ，” （Ｊａｗａｄ， Ｓ． Ｍ． ａｎｄ Ａｌｄｅｒ， Ｊ． Ｆ．， Ａｎａｌ． Ｃｈｉｍ． Ａｃｔａ ２５９， ２４６ （１９９１））には、デュアルビーム反射分光光度計が記載されている。Ｊａｗａｄ及びＡｌｄｅｒの方法では、２つのＬＥＤが交互に通電される。２波長での出力の比を使用して、シアン化水素検出用センサエレメントのバックグラウンドでの吸収で生じる誤差を低減する。こうした２波長法は、光学的及び機械的構成要素の老化並びに光源の長期安定性の問題に起因する誤差を最小限に抑えるのに有効である。しかし、ディスポーザル試験エレメントの実効光路長のばらつきに関連した誤差は解決されていない。

廃棄可能又はディスポーザル測定装置を備え、さらに１以上のセンサを備えるディスポーザルセンサシステムが、米国特許第５１１４８５９号に開示されている。

さらに、米国特許第６００７７７５号に記載されているように、複数の検体の分析が微細加工センサを用いて行われる。

”Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ−Ｗａｖｅ Ｓｅｎｓｏｒ ｔｏ Ｉｍｍｕｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ＣＫＭＢ，” （Ｓｌｏｖａｃｅｋ， Ｒ．Ｅ．； Ｌｏｖｅ， Ｗ．Ｆ．； Ｆｕｒｌｏｎｇ， Ｓ．Ｃ．， Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ， ２９， ｐｐ． ６７−７１， （１９９５））では、より堅固な、ノンクリティカル表面で扱われるセンサを作成することができることが実証された。こうした検出エレメントは、鈍端のプラスチック製円錐として作製し、検出化学物質をその上に堆積させている。検出エレメントは、プラスチックから射出成形され、営利的な魅力があった。

総じて、公知の既存センサは、フィールド分析用途へのそれらの適用性を制限するいくつかの顕著な欠点を有する。これらの欠点としては、以下のものが挙げられる。
１．正確な読取りには、センサ内での試験ストリップの厳密な位置合わせを必要とする。
２．試験ストリップの品質のばらつき（内蔵試薬濃度、有効光路長及び構成要素の老化）に起因する誤差を低減する必要がある。
３．膨張、収縮又は／及びひび割れなど、試料暴露時の試験エレメントの物理的変化に起因する誤差を低減する必要がある。
４．正確な分析のために、化学センサ応答における定常状態応答を決定する必要がある。
５．不可逆化学物質から動的センサ情報を収集することができない。
６．試料暴露後、不可逆化学物質からリアルタイム情報を収集することができない。
７．センサシステムの定量能力を向上させる、複数の不可逆化学物質からの動的センサ情報を分析することができない。

従来技術における上記の欠点のため、低コストのハンドヘルド型の較正不要なセンサシステムは実施されていない。本発明で開示されるセンサシステムは、上記に概要を示した欠点の解決を目指すものである。具体的には、本発明のセンサは、濃度レベルを定量するために、試料がセンサと反応する際の不可逆センサ化学物質の活動的すなわち動的な応答の変化率を追跡することによって、動的情報を収集することができる。
米国特許第５８３０１３４号明細書 米国特許第５１５６９７２号明細書 米国特許第６５２８３１８号明細書 米国特許第４２２５４１０号明細書 米国特許第５７３８９９２号明細書 米国特許第５６３１１７０号明細書 米国特許第４７６０２５０号明細書 米国特許第３７９９６７２号明細書 米国特許第５１１４８５９号明細書 米国特許第６００７７７５号明細書 米国特許第４０５０８９５号明細書 米国特許第５２９８４２８号明細書 米国特許第６２３０５４５号明細書 Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ａｎａｌｙｓｉｓ， （Ｙ．Ａ． Ｚｏｌｏｔｏｖ ｅｔ ａｌ．， Ｅｌｓｅｖｉｅｒ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ （２００２）） Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ， （Ｋｏｓｔｏｖ， Ｙ． ａｎｄ Ｒａｏ， Ｇ．， Ｖｏｌ． ７１， ４３６１， （２０００）） "Ｒｅｆｅｒｅｎｃｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ Ｗａｖｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ，" （Ｓｔｅｗａｒｔ， Ｇ． ｅｔ ａｌ．， Ｐｒｏｃ． Ｏｆ ＳＰＩＥ， １３１４， ２６２ （１９９０）） "Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｃｙａｎｉｄｅ ｉｎ Ａｉｒ，" （Ｊａｗａｄ， Ｓ． Ｍ． ａｎｄ Ａｌｄｅｒ， Ｊ． Ｆ．， Ａｎａｌ． Ｃｈｉｍ． Ａｃｔａ ２５９， ２４６ （１９９１）） "Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ−Ｗａｖｅ Ｓｅｎｓｏｒ ｔｏ Ｉｍｍｕｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ＣＫＭＢ，" （Ｓｌｏｖａｃｅｋ， Ｒ．Ｅ．； Ｌｏｖｅ， Ｗ．Ｆ．； Ｆｕｒｌｏｎｇ， Ｓ．Ｃ．， Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ， ２９， ｐｐ． ６７−７１， （１９９５））

上記に鑑みて、本発明の目的は、検体濃度の定量のための携帯型ディスポーザルハンドヘルドセンサシステムを提供することである。また、新しい１組の分析前ごとの較正を必要としないシステムを提供することも望ましい。この点に関して、本システムでは、同じセンサエレメント上でデュアル光分析を用いる。その場合、試料応答は、内部参照と比較され、それによって、新しい１組の分析前ごとの較正は必要なくなる。さらに、内部参照を使用することで、装置に対する光学的及び機械的結合要件が著しく減り、試験結果の精度に対する影響を最小限にしながら、製造及び組立てプロセスにおけるコスト的利点がもたらされる。

本発明のもう１つの目的は、分析データを電子的に操作、伝送又は記憶できるように、情報処理ユニット、例えばポケットパーソナルコンピュータ又は無線携帯電話、或いは衛星と通信することができるセンサを提供することである。

なお、本発明は、液体試薬を必要としない汎用光度及び／又は分光試験法を提供する。これにより、試験が簡単になるだけでなく、毒性試薬材料の取扱い及び処分に関する高コストで手間のかかる要件が減少する。

本発明は、化学物質中の検体濃度を測定するための、携帯型ディスポーザルハンドヘルドセンサシステムを提供する。このシステムは、液体試薬が不要で、新しい１組の分析の前ごとの較正を必要としない、汎用光度及び／又は分光試験方法を提供する。システムの主要構成要素は、ディスポーザル試験エレメント上に固定化された薄膜検出試薬、試験エレメントを再現可能な方式で装着するためのアダプタ、及び試験エレメントからの光度応答を励起することができる光源を含む。したがって、このシステムは、市販の光学的光源及び光検出器エレメントと共に、適切な結合装置、固定具、電源、及びシステムがインターフェースをとり、データをコンピュータ或いはその他のディスプレイ、記憶、又は処理ユニットに送信することを可能にする電子回路を含む。このシステムではまた、検出測定中に、試験エレメントを周囲光から隔離する仕切りなど、その主要機能をサポートする追加の機器も企図している。本発明は、単一のマルチセクション試験エレメントで複数の検体を測定するように拡張することができ、化学又は生物学的試料のオンサイト分析が必要な、事実上、あらゆる場所に容易に運ぶことのできる高応答センサシステムを与える。かかる場所の例としては、遠隔の湖又は小川、或いは高いビルの屋上の冷却塔が含まれる。

本発明、並びに従来技術に勝るその利点は、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を読めば明らかとなろう。

本発明は、いくつかの化学物質の反応性特性、例えば、別の化学物質、例えば精選検体と反応して、第１の試薬で化学変化を生じさせ、その結果、元の化学物質含有材料の光吸収特性を変化させる物質の特性を利用することによって、化学物質の濃度測定するための方法及び機器に関する。動作においては、本発明では、特定の検体に対する試験エレメントの応答を、光吸収度、ルミネセンス、光散乱、又はその他の光に基づく応答の変化によって測定する。本発明に記載されている検体は、化学種であるが、本発明はまた、生物検体の相互作用が類似の試験エレメントの応答を誘起する、生物学的システムを含むものと想定することもできる。一例として、かかる生物学的システムは、検体濃度に比例する光応答、例えば、アデノシントリホスファターゼ（ＡＴＰ）に対するルシフェラーゼ応答を誘起する、固定化された酵素でもよい。

次に図面を参照すると、図１は、ディスポーザル試験エレメント２を備える基本的センサシステムを示しており、試験エレメント２は、ほぼガラス顕微鏡スライドのサイズであり、アダプタ４の上に脱着自在に装着されている。試験エレメント２は、通常は１より大きい屈折率（ｎ_１）をもつ、ガラスや有機高分子材料など、適度に透過的な物質からなる。試験エレメントの一部分は、片側又は両側が、色生成物を生成するために、検体と反応する必要のある試薬を含む、薄い透過的なポリマー皮膜でコートされる。試薬膜は、試験エレメントを浸漬コーティング又はスピンコーティングすることによって、或いは当技術分野で周知の他の手段によって、試験エレメントの上に固定化することができる。試験エレメントの一部のコーティングに加えて、試験エレメント全体をコーティングすることもできることが理解されよう。上記の試薬物質と共に、反応性皮膜コーティングはまた、それによって試薬染料皮膜混合物の屈折率（ｎ_２）をｎ_１より小さく又は大きくすることのできる、内部光吸収度標準、すなわち内部参照を与える役割を果たす、参照染料も含むこともできる。参照染料を皮膜コーティングと混合することで、一定の内部光吸収度標準を有する試薬膜合成物が得られる。言い換えれば、試薬膜合成物の参照染料成分が、第１の光吸収度応答をもたらし、試薬それ自体が第２の光吸収度応答をもたらし、それによって、試薬膜合成物が、入射光エネルギーに対するデュアル光吸収度応答（すなわち、デュアル光応答）をもたらすことを可能にする。しかし、試薬それ自体と違って、参照染料は、検体とは反応しない。したがって、染料のスペクトルプロファイルは、試験エレメントの光学的及び機械的特性が変化していなければ、試験エレメントが別の試験エレメントに変わっても、また試験エレメントが試料に暴露される前後でも、一定のままとなる。さらに、参照染料及び試薬は異なる光吸収度スペクトルを有するので、参照染料のスペクトルプロファイルは、試薬と検体の間の反応に対する試験エレメントの応答を測定するのに使用される、対象の検出波長、又は波長範囲と、目に見えるほどオーバラップしない。かかるオーバラップしない、参照染料と試薬の間の基準応答差を得ることによって、試薬膜合成物は、内部光吸収標準すなわち内部参照を与えて、新しい１組の分析の前ごとの外部較正及び装置較正の必要をなくする内部デュアル光応答をもたらす。以下でより詳しく論じるように、内部参照はまた、装置間の応答のばらつきも最小化し、試験結果精度に与える影響を最小限に抑えながら、製造コスト及び維持コスト的にかなりの利益をもたらすことが理解されよう。その結果、本システムの特性及び特徴は、費用効果的な生産、組立て、及び小型化にとても適している。上記の内部参照は、比色染料であるが、これは多くの可能な実施形態のうちの単に１つである。検体検出化学物質と反応せず、検出スペクトルの範囲外のスペクトル応答を有する標準は、内部標準としての働きをすることができる。この材料は、所望のスペクトル応答を生成し、皮膜のばらつきによる誤差を補正するために使用できる、無機合成物、顔料、染料、或いはマイクロ粒子又はナノ粒子でよい。

図１を再び参照すると、装着アダプタ４は、１以上の光源６を備える。この光源６は、ＬＥＤ、レーザダイオード、又は小型白熱電球など、光エネルギー２１を照射することができる手段であればよい。アダプタ４はさらに、１以上の光検出器８を備える。光検出器８は、光エネルギー２２を検出し、そのエネルギーを、対象の１以上の検体に対する試験エレメントの応答を示す電気出力信号に変換することができる手段であればよい。こうした電気出力信号は、回路線１４を介して信号変換器５に伝送される。フォトダイオード、微細加工光電管、又は光電池など、並びに当技術分野で周知の、多くの市販の光検出器を使用して、所望の性能を実現することができることが理解されよう。

また、アダプタ４は、試験エレメント２を光源６及び光検出器８に対して妥当に再現可能な位置に位置合わせし、配置する役割を果たす固定手段４４を含む。以下でより詳しく論じるように、本発明では、試験エレメントの精密な位置決め及び制御をもたらす固定手段４４を必要としない。むしろ、正確で再現可能な吸光度結果を得るには、光源及び光検出器に関する試験エレメント２の妥当又は適度な制御が有効であり、それによって、製造、保守、及び組立て要件におけるコスト的利点がもたらされることが見いだされた。

動作においては、電源スイッチ９をオンにすると、光源６が非平行で非収束の光ビームを生成する。図３に最も良く示されているように、非平行で非収束の光ビームは、試験エレメントに互いに異なる角度で、すなわち、試験エレメントの臨界角より小さい角度及びそれより大きい角度で、当たる。以下でより詳しく論じるように、この入射光エネルギーの一部分は、試験エレメント上に固定化された試薬膜合成物と反応する。かかる入射光エネルギーが、試薬膜合成物を通り抜けた後、光検出器は、１対の光応答スペクトルを検出することができる。すなわち、光検出器は、内部参照染料だけからの第１の光応答、及び試薬膜それ自体からの第２の光応答を検出し、それによって装置が、入射光−試験エレメント相互作用によるデュアル光応答を検出することが可能となる。このようにして、新しい１組の分析の前ごとの外部較正の必要なしに、試験エレメント光応答スペクトルの変化を検出し、測定することができる。さらに、入射光ビームの非平行で非収束の性質により、固定手段４４による試験エレメントの精密な制御及び位置決めは、比較的正確な試験結果を得るために必ずしも必要ではないことについて示す。むしろ、固定手段４４は、試験エレメント２に対する妥当又は適度な位置制御さえ与えればよく、それによって、製造プロセスにおけるコストが節約される。

アダプタ４は、センサシステムに給電する電池７をさらに備える。しかし、当業者には、センサシステムに給電するための多くの代替手段を使用することもできることが理解されよう。さらに、信号変換器５が信号処理ユニット１０と通信することを可能にする、適切な電子手段が提供され、その結果、光検出器８が発生した電気出力信号を、電子的に処理し、記憶することができる。多くの周知の構成を当技術分野で周知の方式で使用して、インターフェース１２を介して外部処理ユニット１０、例えばハンドヘルドコンピュータ、ＰＤＡ、又はその他の無線伝送装置と通信することのできる一実施形態を含めた、上記の実施形態と同じ性能を実現することができることが理解されよう。さらに、一実施形態は、組込み処理ユニット（図示せず）を使用することもできることが理解されよう。

限定ではなく例を挙げると、光源６は、脱着自在試験エレメント２のすぐ近くの縁部に位置し、その結果、光源から照射される入射光波２１が試験エレメント縁部２３に当たり、その場合、図１に最も良く示されているように、光源からの非平行で非収束の光ビームは複数の異なる角度で試験エレメントに当たる。試験エレメント臨界角は、基板の屈折率（ｎ_２）及び空気の屈折率（ｎ_１）から、式Θ_ｃ＝ｓｉｎ^−１（ｎ_２／ｎ_１）によって計算できることが周知である。ここで、Θ_ｃは臨界角である。次に図３を参照すると、発散光ビーム２１が、約４５°で試験エレメントの縁部に向けられている。光ビーム２１は非収束で非平行であるので、入射光子２１のいくつかは、臨界角より大きい角度で試験エレメント２に当たり、一方、他の入射光子は、臨界角より小さい角度で試験エレメントに当たる。光子２１の入射角が臨界天使Θ_ｃより大きい場合、光ビームは皮膜−空気境界面ですべて反射されることになる。この現象は、全反射と呼ばれる。他方、入射角の光ビーム２１がΘ_ｃより小さい場合、入射光ビームは、皮膜−空気境界面で一部反射されることになる。この現象は、部分反射と呼ばれる。

全反射のケースでは、光ビーム２１の一部分は試験エレメントの皮膜−空気境界面ですべて反射されることになるが、反射された光エネルギーの一部分は、境界面に平行な短い距離を進んだかのように、皮膜に貫入し、基板に再び入ることができる。このエネルギーは、エバネッセント場又はエバネッセント波２０Ｅと呼ばれ、図３に示されている。反応性皮膜コーティング１８は試験エレメント表面上に固定化されているので、エバネッセント波２０Ｅの一部分は、基板−皮膜境界面で皮膜コーティング１８によって吸収（減衰）されることになる。この現象は、減衰全反射（ＡＴＲ）と呼ばれる。部分反射のケースでは、入射光ビーム２１の一部反射された光子は、同様にエバネッセント波２０Ｅを形成し、皮膜コーティングによって吸収されるようにすることができ、一方、残りの反射されなかった光子は、周囲の環境中へと消失する可能性がある。この現象は、減衰部分反射（ＡＰＲ）と呼ばれる。ＡＰＲの有効性を高めるために、反射コーティング１９を試験エレメント端部上に固定化することができ、それによって、試験エレメントの本体に貫入した反射されない入射光２０が、反射コーティング１９に反射し、散乱して試験エレメントを通って戻ることができる。したがって、こうした内部反射された光子２０の一部分は、エバネッセント波を形成し、試験エレメント表面で皮膜コーティング１８と反応するための別の機会、すなわち「第２のチャンス」が与えられる。したがって、本発明は、ＡＴＲからの成分及びＡＰＲからの成分をどちらも含むので、高コストの光学的装置又は結合要件を必要とせずに、入射光ビーム２１の効率を高めることが可能であり、それによって、周知のＡＴＲシステムに勝る点が得られる。

図３を再び参照すると、エバネッセント光波２０Ｅは、試験エレメント表面に沿って伝播し、こうしたエバネッセント光子の一部分は、反応性皮膜１８に含まれる分子と相互作用することが可能である。この相互作用により、エバネッセント光子の一部分が、反応性皮膜分子構造によって吸収される。したがって、反応性皮膜１８によって吸収されずに済むだけ幸運であって、そうでなければ周囲環境へと消失していた光子２２は、試験エレメントから送出されることになり、その場合、光検出器８によって最終的に検出される可能性がある。試験エレメントから最終的に送信される光子２２の数は、入射光ビーム２１の吸光度レベルに依存するので、光検出器によって発生される電気信号を使用して、反応性皮膜の吸収割合を示すことが可能である。最終的な光応答の相対強度を既知の参照データと比べた後は、試料物質の検体濃度を検出し判定することが可能となる。

上述のように、電源スイッチ９をオンにし、光ビーム２０を試験エレメント上に投射したとき、光検出器は試験エレメントからデュアル光応答２２を受け取る。かかる応答曲線が、図５に例示的に示されている。この場合に、線１００は、試験エレメントが試料検体に暴露される前の皮膜コーティングの光応答を表し、線２００は、試験エレメントが試料検体に暴露された後の皮膜コーティングのデュアル光応答を表す。Ａ_０は、波長λ_２単独での、皮膜コーティングの吸収レベルを表す。Ａ_１での第１のピークは、暴露前の波長λ_１での内部参照染料の吸収レベルを表し、Ａ_２は、暴露後の内部参照の吸収レベルを表す。暴露中に試験エレメントの光学的機械的特性が変化していない場合、Ａ_１及びＡ_２の値は同じになる。Ａ_３でのピークは、試験エレメントが試料検体に暴露された後の、波長λ_２での皮膜コーティングの吸収レベルを表す。試料物質が、試料中に存在する物質濃度に比例して光を吸収することがわかっている場合、吸収レベルＡ_３とＡ_０の差が、試料物質の検体濃度に比例することを示すことができる。λ_１を中心とする内部参照の吸光度レベル（Ａ_１及びＡ_２）を考慮に入れることによって、一般式に従って、試薬膜コーティングの吸光度レベルを較正することが可能である。

（１）Ａ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}＝Ａ_３−Ａ_０＋（Ａ_１−Ａ_２）
ここで、Ａ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}は、試薬膜コーティングの正規化された吸光度レベルを表す。ピーク間の比又は曲線の下の面積を比較するなど、多くの代替手順を使用して、応答曲線を正規化することもできることが理解されよう。

吸光度を計算するために、試薬膜がコーティングされる前に、試験エレメントのλ_１及びλ_２での空の信号出力がわかる必要がある。信号センサ応答は、ポリマー皮膜のない試験エレメントを装てんしたときに、フォトダイオード信号を測定することによって得ることができる。空の応答は、プロセッサに記憶することができる。最終的な結果Ａ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}は、空の応答とは無関係であることが、以下のセクションで明らかとなる。空の応答がわかることによって、暴露前の試験エレメントの吸収レベルを、フォトダイオードによって測定されるボルト又はアンペアではなく、吸光度の単位で表すことができる。

動作の好ましい一態様においては、ポリマーコートティングされた試験エレメント２は、固定手段４４によって脱着自在にアダプタ４に装着される。上述のように、固定手段４４は、光源及び光検出器に対して、妥当に再現可能な位置に位置合わせして試験エレメントを配置する。光源及び光検出器に対する、入射光の角度及び試験エレメントの精密な制御は必ずしも必要ない。ばらつきのある照射条件を補償するために、試料試験の現場で１度、オペレータが光源をオンにして、コート試験エレメントからの対応する反射強度を記録する。この段階中に測定される光応答スペクトルを、ベースライン強度と呼ぶ。

ベースライン強度応答が確立された後、オペレータは続いて、コート試験エレメントを化学又は生物学的試料物質に、皮膜コーティングの拡散率に応じて、所与の時間、例えば１〜３分間暴露する。次に、オペレータは、試験エレメントを試料から取り除き、余分な液体試料を試験エレメントから流れ落とし、又は流れ出させる。この段階は、０〜５分かかり得る。この時間後、オペレータは再び光源をオンにして、試料に暴露した試験エレメントからの、対応する反射強度を記録する。この段階中に測定される光応答を、試料強度と呼ぶ。

上記の分析を続けると、空の応答強度、ベースラインの応答強度、試料の応答強度、及び内部参照の応答強度を表す累積データが処理され、検査中の個々の検体の予想されるスペクトル応答に対応する既知の化学参照データと組み合わされる。以下の実施例１〜５でより詳細に示し論じるように、試験エレメントが検体に暴露された後の光応答の強度を、試験エレメントが検体に暴露される前の光応答の強度と比較することによって、試料物質の検体濃度を測定することが可能となる。

上述のシステムは、従来の光学的装置で実施される光度測定を示している。本発明によって使用される多角度散乱誘起吸光度測定技法の結果、従来の透過測定技法で感度のより高い皮膜の場合に可能な測定よりも、これらの皮膜の場合に正確で再現可能な吸光度測定を行うことが可能となる。これは、従来の透過吸光度測定技法は、「１つのパス」として特徴づけられるからである。すなわち、従来の透過技法における入射光子は、検査中、物質を透過する「１つのパス」を有し、基板を通って伝播するとき、最小限の屈折及び散乱しか伴わず、試験エレメントと反応する単一の機会を光子に与える。それとは対照的に、図３に最も良く示されているように、本発明では、多角度散乱手法を使用し、それにより、入射光子２１は散乱して試験エレメント内に入り、反射コーティング１９に反射し、それによって、一部の入射光子が、試験エレメントを通る「複数のパス」を有することができる。この多角度散乱手法では、エバネッセント光子２０Ｅが、基板の表面の皮膜コーティングと最終的に反応する可能性を高める。したがって、入射光子が、その初期パス上の、基板の表面で消失しなかった場合、同じ光子が散乱して試験エレメントに入り、最終的に基板の表面に反射して戻る可能性が高く、したがって、基板の表面で消失し、最終的に皮膜コーティングによって吸収される別の機会が、かかる光子に提供される。したがって、所与の量の光エネルギーによって、従来の透過率技法に比べて、吸収事象の起こる比率をより大きくし、それによって入射光の相対的吸光度割合を高め、検出装置の最終的な感度を高めることが可能となる。

なお、同じ主要構成要素の多くの構成で、上記の実施形態と同じ性能を実現できる。例えば、本発明の別の実施形態が、図２に例示的に示されている。ここでは、分離領域３及び検出領域５を備えるマルチセクション光学試験エレメント２Ａが、図示されている。分離領域は、いくつかの検出領域で反射され得る散乱された光を吸収することによって、検出領域間のバリアとして働き、それによって、検出領域間の相互干渉ノイズが低減される。各検出領域では、それ自体の内部化学物質を備える、独立の反応性皮膜コーティングを使用する。こうした反応性皮膜コーティング並びにそれらの付随する化学物質はそれぞれ、試料溶液中の個々の当該検体から独立のデュアル光（スペクトル）応答をもたらすのに有効である。したがって、複数の検体を、単一の試験エレメント上で同時に試験することができる。さらに、分離度を高めるために分離領域３に穴を開け、それによって、試験エレメントの有効性を高めることができることが見いだされている。

マルチセクション試験エレメントの動作を円滑にするために、独立の検出領域のそれぞれに対して、独立の光源及び光検出器対を設けることができ、それにより、光源と検出器の対がそれぞれ、いくつかの検出領域のそれぞれからの適切なデュアル光応答を発生させることができることが企図されている。或いは、１つの光源及び光検出器を、独立の検出領域のそれぞれからの適切なデュアル光（スペクトル）応答を発生し、検出するように構成することもできる。このケースでは、いくつかの検出領域のそれぞれが発生する独立の電気信号を、処理ユニット１０で、当技術分野で周知の方式で組み合わせ、多重化して、単一のディスポーザル試験エレメントで、複数の検体を検出し、定量することができる。

図４は、マルチセクション試験エレメントの動作を円滑にする機器について描いている。この機器は、図１に示したシステムの場合と同じ基本的構成要素を有する。図４の例示的な実施形態は、アダプタ４Ａの２つの側面上に装着することのできる、光源６と光検出器８のいくつかの対を含んでいる。マルチセクション試験エレメント２Ａは、固定手段４４の上に装着される。ここで、固定手段４４は、小型移動スライド６６の移動往復台に取り付けられている。移動スライドは、吸光度測定のために、試験エレメントをアダプタの内部に取り出すことを可能にし、試験エレメントを光源／光検出器の対と位置合わせさせる役割を果たす。装置を制御するための適切な電子手段７７が提供され、その結果、光検出器が生成する電気出力信号を電子的に処理し、記憶することができる。

本発明はまた、温度（例えば、サーミスタを使用する）、相対湿度（例えば、静電容量湿度センサを使用する）、及び大気圧（例えば、ＭＥＭＳ圧力センサを使用する）など、周囲の大気条件に関する情報を提供するために使用することができ、当技術分野で周知の、追加のセンサを使用することも企図している。

別の実施形態においては、化学センサシステムで、センサアレイの機能及び定量能力を高めるための、動的パターン認識システムを企図している。センサの、必要とされる環境暴露の終了を示す手段を有することによって、センサアレイの機能は向上する。例えば、センサを引き出す用意ができ、定量情報を提供する用意ができたことを、アラーム（例えば、ビープ音）が示すまで、センサを水試料に浸漬する。かかるシステムの動作原理は、センサ応答の動的信号分析の使用に基づいている。具体的には、本発明におけるセンサは、濃度レベルを定量するために、試料がセンサと反応する際に不可逆センサ化学物質の応答の変化率を追跡することによって、所定期間、動的データを収集することができる。したがって、本発明者らのセンサは、単に試料に暴露され、さらに引き出され、引き出された後に信号が測定されるセンサに比べて、情報がより豊富である。この収集された動的データを分析して、暴露中の信号の、初期傾き、中期傾き及び最終傾きなど、既知のパラメータを得ることができる。こうした動的パラメータを使用して、定常状態応答にいつ達するかを示すことができる。妥当な期間中に定常状態に達することができない場合、動的パラメータを使用して、検体濃度を定量することができる。さらに、化学センサ応答の傾きを、平衡終点よりも敏感にさせ、その結果、ここに記載されたセンサシステムでの感度を高めることができる。

さらに別の実施形態においては、センサは、センサを試料から引き出した後、分析時間の完了を示す別のアラームを有する。このデータは、異なるセンサ領域のそれぞれ異なる信号回復速度によってもたらされ、センサ化学物質、可逆性、及び周囲大気条件に依存する。当業者には理解されるように、多くの適切な電子集積回路及び／又はマイクロプロセッサ手段を、上記のセンサ及びタイマアラーム機能をもたらすように構成して、上述の企図した実施形態の動的センサ応答データの集まりを得ることができる。図１５に示した一実施形態においては、タイマ及びアラーム機能を提供し、センサシステムの制御及び読取りを行うためのＶｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ（登録商標）コンピュータプログラムを開発した。

可逆化学センサはしばしば、低い応答選択性による影響をこうむり、これは主として非特有の信号変化からの干渉又はノイズによるものであることが周知である。したがって、化学認識の選択性を、不可逆ディスポーザルセンサを用いて高めることができる。不可逆センサ化学物質はしばしば、反応物と当該の化学種の間のより強く選択的な相互作用をもたらし、これは一般に、不可逆センサ化学物質によって得られる利点の１つと見なされている。しかし、センサの動的範囲を広げ、或いは化学干渉を減らすのが有利な場合は、単一の検体を、互いに異なる試薬を含むいくつかのセンサ領域を使用して分析する、或いは組み合わせることで全体的なシステム応答を向上させる優待センサエレメントを使用して分析するのが望ましい可能性がある。可逆試薬に関して既知の欠点があるが、可逆試薬を多試薬検出方式に含めて、全体的なセンサ応答を向上させることができる。可逆及び不可逆プラットフォームをこのように組み合わせることで、高機能なシステムを作成することができる。標準ｐＨ指示薬は、可逆センサ中で一般に使用される化学薬品の一例であり、以下の実施例に記載した塩素試薬は、不可逆化学物質の一例である。非限定的な例として、可逆ｐＨセンサを不可逆塩素センサと組み合わせることで、試料中に存在する他の塩素含有種をさらに確定することが可能となる。

次に以下の実施例を参照すると、次の式による内部参照吸光度標準を使用した場合、正確で再現可能な吸光度結果を得るために、試験エレメント及び光学構成要素の結合及び位置決め要件における精密又は厳密な制御とは異なり、かかる結合及び位置決め要件において、妥当又は適度な制御で有効であることが見いだされている。

（２）Ａ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}＝Ａ_{ｓａｍｐｌｅ}−Ａ_{ｂａｓｅｌｉｎｅ}＋（Ａ_{ｂａｓｅｌｉｎｅ＿ａｔ＿}λ_{ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ}−Ａ_{ｂａｓｅｌｉｎｅ＿ａｔ＿}λ_{ｓａｍｐｌｅ}）
しかし、単一の内部吸光度標準を使用しても、皮膜又は基板品質のばらつき並びに入射ビームに対する試験エレメントの位置合わせに起因するすべての誤差が除去されるわけではないことが認識されよう。これは、各誤差源が、異なる波長における吸収帯域に対して異なる影響を与えるからである。例えば、入射角の変化に起因する吸光度の変化は、化学物質ではなく波長の関数である。これは、光路長が波長に依存するからである。したがって、本発明では、２つ以上の内部標準をもつ参照システムを使用することで精度を高めることができ、或いは、全スペクトルを測定する場合、単一の標準吸収帯域のスペクトルプロファイルを使用することによって精度を高めることができることが認識されよう。ただし、以下の実施例によって実証されるように、単一の内部吸収標準を、ディスポーザル試験ストリップとアダプタの間を結合する、妥当又は適度な機械的制御と共に使用することによって、適度に高レベルの再現可能な測定が実現された。

実施例１
図１４に示すように、Ｆｉｓｈｅｒブランドの透明スライドガラス（寸法３”×１”×０．４１”、Ｆｉｓｈｅｒカタログ番号１２〜５４９）の４つの縁部を、白色ペイントペン（Ｕｎｉ（登録商標）Ｐａｉｎｔ ＰＸ−２０）で塗装した。また、一方の端部付近の領域も、白色ペイントペンで塗装した。ＬＥＤ及び光電池の構成が図１４に示されている。光源は、６６０ｎｍにおけるピーク放射波長をもち、ＲａｄｉｏＳｈａｃｋ（登録商標）から利用可能な視野角が１２°である、５ｍｍ、３０００ｍｃｄの赤色ＬＥＤであった。永久細字Ｓｈａｒｐｉｅ（登録商標）マーカで作成された青色線の互いに異なる濃度の吸光度レベルが、図６に示されている。この場合に、最初の時間間隔０〜２２秒間、光を（青色マーキングのない）空のスライドガラス上に投射した。予想されるように、線５０で示される対応する吸光度レベルは、ほぼゼロである。約２２秒後、１本の青色線がスライドガラス上に描かれ、図に示すように、対応する吸光度レベルが線５１に増大した。約３４秒後、１本目の青色線の上に２本目の青色線が描かれて、スライドガラス上の青色マーキングの濃度が高まった。予想されるように、対応する吸光度レベルは、線５２へと増大した。同様に、約４５秒後、３本目の青色線が追加されて、スライドガラス上の青色マーキングの濃度がさらに高まった。さらに予想されるように、対応する吸光度レベルは、線５３へと増大した。この測定での吸光度は以下のように定義されることが周知である。

（３）Ａ＝ｌｏｇ［（透明スライドガラスでの光電池出力−暗部での出力）／（青色線での出力−暗部での出力）］
ここで、暗部での出力は、光源をオフにしたときの、検出器の定常状態応答である。

この実施例では、光度測定を非常に単純な方式で行うことができることを実証している。しかし、この単純な構成から、多くの設計を作り出すことができる。例えば、干渉フィルタ皮膜を、光検出器に面した領域にコーティングし、或いはそれを反射性ペイントに混合することができ、その結果、所与の吸収帯域に対する吸光度を測定することができる。図２は、こうした設計のうちの１つを示している。

実施例２
この第２の実施例においては、３．７”×０．４９”×０．２１”のポリカーボネート反射エレメントを作製した。ポリカーボネートエレメントの端部は、約５１°の角度に傾斜をつけた。この実施例で使用される吸光度測定用の試験エレメント構成が、図７に示されている。この場合に、Ｏｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓ Ｐ４００−２の６つの光ファイババンドルを使用して、Ｏｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓタングステン−ハロゲンランプからの入射光を提供した。Ｒ４００−７ Ｏｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓ反射プローブを使用して、反射光をＯｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓ ＵＳＢ２０００分光計へと集めた。テトラメチルベンジジン（ＴＭＢ）を含むポリ（２−ヒドロキシエチルメタクリレート）（ＰＨＥＭＡ）皮膜を、ポリカーボネートエレメントの片面上に浸漬コーティングし、すべての波長に対して吸光度がゼロの、空のスペクトルを確立した。ＴＭＢ皮膜をコーティングした後、ポリカーボネートエレメントを図７に示す構成に戻した。この場合に、ベースラインスペクトルが、まず記録された。次に、０．０６ｍｌで０．１ｐｐｍの過亜塩素酸ナトリウム溶液を慎重に塗布して、ＴＭＢ皮膜上の３ｍｍ×１２ｍｍの領域を覆った。ＴＭＢ皮膜上に１分間とどめた後、ＮａＯＣｌ溶液を、ペーパータオルを用いて慎重に除去した。ＮａＯＣｌ溶液をＴＭＢ皮膜上に点在させてから４分後、試料スペクトルを測定した。試料スペクトル１１０及びベースラインスペクトル１２０の両方が、図８に示されている。

実施例３
実施例２と同じＯｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓ分光計システムをこの実施例でも使用した。顕微鏡スライドホルダは、スライドガラスの位置決めを精密に制御した。入射光ファイバプローブを、スライドガラス面に対して約４５°の角度で、スライドガラスの片側に向けた。入射光の約半分は、スライドガラスの下の白色紙に当たり、他の半分は、スライドガラスの縁部に当たった。また、検出プローブも、約４５°の角度をつけ、光の量が分光計を飽和させないように、プローブからスライドまでの距離を調整した。

少量の赤色染料を含むＰＨＥＭＡ皮膜を、永久赤色Ｓｈａｒｐｉｅ（登録商標）マーカから回収した。赤色染料の溶液を、速度制御や表示をもたない磁気かくはん機を改変したスピナで、実施例１の場合と同様にスライドガラス上にスピンコーティングした。スピナの加速度、最終的なスピン速度、及びスピン持続時間は制御しなかった。赤色染料を、内部吸光度標準として使用する。赤色染料は、λ_ｍａｘ＝５３５ｎｍを中心とする吸収帯域をもち、これは、塩素に対するＴＭＢ反応応答の吸収帯域（青色反応製品、λ_ｍａｘ＝６７０ｎｍ）とはオーバラップしない。

スライドをＮａＯＣｌ溶液に浸漬する前に、ＴＭＢでのベースラインスペクトルを測定した。ＮａＯＣｌ溶液に９０秒浸漬させた後、スライドガラスを取り除き、スライドガラス表面上の溶液が流れ落ちるように、縦向きの姿勢で２分間保持した。この場合に、スライドガラスをＮａＯＣｌ溶液から取り除いた後、試料スペクトルを１５０秒記録した。

上記の手順に従って、合計１１枚のスライドを使用して、ＮａＯＣｌ溶液の３つの異なる濃度レベルで、吸光度値を測定した。スライド１〜４を、独立に０．１０ｐｐｍ溶液に浸漬し、スライド５〜７を独立に０．２５ｐｐｍ溶液に浸漬し、スライド８〜１１を独立に０．５０ｐｐｍ溶液に浸漬した。参照補正の前後のλ＝６５０ｎｍでの吸光度値が、以下の表１に列挙されている。式１に従って参照補正を行った後は、各濃度レベルごとの標準偏差が、著しく小さくなることに留意されたい。

スライド８〜１１及びそれらの対応するベースラインスペクトルからの４つのスペクトルが、図９に提示されている。

式１による参照補正後のすべての１１スペクトルが、図１０に示されている。図１０は、式１で表される内部吸光度標準による結果の正規化により、誤差が減少し、表１に列挙された結果が確認されることを、グラフで実証している。

図１１は、当技術分野で周知の、吸光度レベルと濃度レベルの間の線形関係を確認する較正曲線を示している。

この実施例で得られた結果から、以下のいくつかの結論を引き出すことができる。
１．適切な位置制御だけでは、低吸光度測定に必要とされる精度を保証することができない。
２．内部吸光度標準を使用して、式１に従ってスペクトルを補正することで、スライドガラス寸法、皮膜品質、及び入射ビーム角などの実験パラメータにおけるばらつきに起因する誤差が低減される。
３．多角度散乱誘起吸光度は、透過吸光度よりも敏感である。λ＝５３５ｎｍでの透過吸光度値（０．０１４）と比較して、１０倍の吸光度が、本発明の多角度散乱誘起構成で実現される。より長い波長では、さらに大きい増加が予想できることに留意されたい。

実施例４
この実施例で使用する皮膜は、実施例３で使用した皮膜に比べて、わずかに低い濃度の内部参照染料を含んでいた。これらの皮膜は、実施例３で用いたのと同じ手順で調製したが、異なるバッチで生成した。同様に、実験構成は、実施例３に使用したのと同じであるが、ただし、スライド位置は、Ｓｈａｒｐｉｅ（登録商標）マーカで引いた２本の（２）垂直線に対してスライドを位置合わせすることによって、単に大まかに制御した。

参照補正の前後のスペクトル応答が、ベースラインスペクトル応答と共に、それぞれ図１２及び１３に示されている。スライドガラス位置の適切な制御を確保しないで得た測定値では、内部吸光度標準による参照補正にもかかわらず、誤差が大きくなることは明らかである。それでもなお、スライドの位置を精密に制御せず、皮膜を異なるバッチで異なるポリマー溶液から調製したにもかかわらず、６５０ｎｍでの吸光度値０．１７７、０．１８５、及び０．２０９が、実施例３から得られた０．１７９±０．００３の平均値とよく一致することに留意されたい。このように一致することは、特に本発明の一目的、すなわち、ディスポーザル試験エレメントによって、追加の較正段階なしで検体濃度の定量を行うことに鑑みて、重要である。

実施例５
センサ構造
実施例５に使用される例示的なハンドヘルドセンサシステムの概略図が、図１５に示されている。この場合に、デジタルバススイッチ１５２（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、ＳＮ７４ＣＢＴＬＶ）及びコンピュータ１５１（Ｄａｔａｑ ＣＦ２、Ｃ−Ｃｕｂｅｄ Ｌｉｍｉｔｅｄデータ収集カードを備えたＤｅｌｌ Ａｘｉｏｍ Ｐｏｃｋｅｔ ＰＣ）に接続された、基本的な検出ユニット１５０が図示されている。デジタルバススイッチ１５２は、直流電力をフォトダイオード８に供給し、フォトダイオードからの出力を読取り可能にしながら、コンピュータがＬＥＤ６のオン／オフを可能にするために使用した。Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ（登録商標）コンピュータプログラムを開発して、センサシステムを制御しその読取りを行った。

実施例５に使用した例示的な検出ユニット１５０の透視図が図１６に示されている。この場合に、検出ユニット１５０は、３つのサブアセンブリ、すなわち、部品Ａ、部品Ｂ、部品Ｃの組合せを備えるものとして説明することができる。

部品Ａは、エレメント１６０、１６１、及び１６２を備える。部品Ｂは、エレメント６、８、１６３、及び１６４を備える。部品Ｃは、エレメント１８、１９、及び１６７を備える。

部品Ａの構築においては、１／２インチ即時チューブ−パイプ間アダプタ１６１のねじの部分を取り除き、１／４インチ圧縮管継手ナット１６２を、改変したアダプタ１６１の表面上に接着した。長さ４インチの、外径１／２ステンレススチールチューブ１６０を、改変したアダプタのゴム製Ｏリング／圧縮管継手１６１Ｃに挿入して、光を通さない区画を形成する。

部品Ｂの構築においては、１／４インチチューブ−パイプ間圧縮管継手１６３のオス部分を取り除き、図１６に最も良く示されているように、改変した継手の開口が分割されるように、片側を黒色に塗った薄いポリカーボネートシート１６４を、エポキシ接着剤で改変した継手に固定した。５ｍｍの２色ＬＥＤ６（ＬＣ ＬＥＤ Ｎ５００ＴＧＲ４Ｄ）を、ポリカーボネートシート上に接着した。ＬＥＤ６の焦点経路は、継手１６３の垂直中心にほぼ平行である。図１６に示すように、フォトダイオード８（Ｔｏａｓ ＴＳＲ２５７）を、フォトダイオードの集光レンズが継手の軸から約４５°の角度でオフセットとなるように、ポリカーボネートシートの他の側に取り付けた。上記構築後、ＬＥＤ及びフォトダイオードを、１インチ径ＰＶＣチューブ（図１６には図示されていない）の内部に密封した。

部品Ｃの構築においては、アクリル棒（直径０．２５インチ、長さ３．２０インチ）１６７を、実施例３で用いた塩素に敏感な試薬１８を含むＰＨＥＭＡ皮膜でコーティングした。棒材の端面に、反射性の白色ペイント１９を塗布した。

測定手順
実施例５に使用した測定手順は、以下の段階を含む。
１．（ａ）アクリル棒１６７（部品Ｃ）を圧縮管継手アセンブリ（部品Ａ、Ｂ）内へと装てんし、ステンレススチールチューブ１６０を即時チューブ−パイプ間アダプタ１６１に入れる。（ｂ）Ｐｏｃｋｅｔ ＰＣ画面上のボタンをクリックする。（ｃ）Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ（登録商標）コンピュータプログラムが、緑色光（５２５ｎｍ）、続いて赤色光（６３０ｎｍ）をオンにし、緑色光及び赤色光がオンになる間に、フォトダイオードからそれぞれの読み（Ｇ_ｏ及びＲ_ｏ）を得る。
２．（ａ）ステンレススチールチューブ１６０をアダプタ１６１から取り除き、棒材１６７を試料溶液内に６０秒間浸漬する。（ｂ）棒材を溶液から引き出し、残存溶液を適切に拭き取り、除去する。（ｃ）棒材を空気中で２分間乾かす。
３．（ａ）ステンレススチールチューブ１６０をアダプタ１６１に戻す。（ｂ）Ｐｏｃｋｅｔ ＰＣ画面上の適切なボタンをクリックして、出力Ｇ及びＲをそれぞれフォトダイオードから読取る。緑色光及び赤色光は連続してオンにすることに留意されたい。
４．式２で吸光度を計算する。

Ａ＝ｌｏｇ（Ｒ_ｏ／Ｒ）−ｌｏｇ（Ｇ_ｏ／Ｇ） （２）
式２は、数学的に式１と等価であることに留意されたい。これらの測定の結果が表２に列挙され、また較正曲線として図１７に描画されている。

以上、本明細書を、特許法での必要に従い、本発明を実施する最良の形態を含むように記載してきたが、本発明は、最良の形態又は本明細書に記載されるその他の特定の実施形態に限定されるものではない。本発明の広さは、添付の特許請求の範囲に適用される、文字通りで等価な解釈によってのみ判定されるものとする。

本発明の一実施形態によるハンドヘルドセンサシステムの透視図である。 本発明の代替実施形態によるマルチセクションディスポーザル光学エレメントの正面図である。 本発明の一実施形態によるディスポーザル試験エレメントの透視図である。 マルチセクション試験エレメントを使用する、本発明の一実施形態によるハンドヘルドセンサシステムの透視図である。 単一の検体からのデュアル波長応答の一例を示す図である。 異なるインク濃度の光への暴露によるスペクトル応答の変化を示す、一連の吸収レベルの一例を示す図である。 本発明によって提示される一例による別の測定構成の透視図である。 ポリカーボネート反射エレメントで得られるベースラインスペクトル及び試料スペクトルの一例を示す図である。 それにより光学エレメントの位置が精密に制御された、０．５ｐｐｍのＮａＯＣｌでの参照補正前の試料スペクトルの一例を示す図である。 それにより光学エレメントの位置が精密に制御された、０．５ｐｐｍのＮａＯＣｌでの参照補正後の試料スペクトルの一例を示す図である。 表１にリストされた参照補正吸光度の較正曲線の一例を示す図である。 それにより光学エレメントの位置が精密に制御されなかった、０．５ｐｐｍのＮａＯＣｌでの参照補正前の試料スペクトルの一例を示す図である。 それにより光学エレメントの位置が精密に制御されなかった、０．５ｐｐｍのＮａＯＣｌでの参照補正後の試料スペクトルの一例を示す図である。 実施例１に使用される測定構成の概略図である。 実施例５のハンドヘルドセンサシステムの概略図である。 実施例５のハンドヘルドセンサの透視図である。 実施例５に記載のハンドヘルドセンサで得られる較正曲線である。

Claims (14)

1. 化学又は生物学的物質の検体濃度の測定システムであって、当該システムが、
   ａ．装着アダプタと、
   ｂ．アダプタに脱着自在に装着される試験エレメントと、
   ｃ．試験エレメント上に固定化された試薬膜であって、１以上の内部参照標準を含む試薬膜と、
   ｄ．アダプタに取り付けられ、表面に対する臨界角より大きい反射角で光の一部が表面に当たる発散光ビームを照射し得る１以上の光源であって、光ビームが試験エレメント及び試薬膜からのデュアル光応答を誘起するのに有効な１以上の光源と、
   ｅ．アダプタに取り付けられ、デュアル光応答を検出し得る１以上の光検出器であって、デュアル光応答を示す電子信号応答を発生させることができる、１以上の光検出器と、
   ｆ．電子信号応答を処理、記憶、伝送し、光源を制御するための電子回路手段と
   を備えるシステム。
2. 内蔵クロック手段をさらに備えていて、デュアル光応答からの動的データを所定期間収集することができる、請求項１記載のシステム。
3. 期間を示す内蔵アラーム手段をさらに備える、請求項２記載のシステム。
4. 試験エレメントが、複数の分離領域及び検出領域を備えるマルチセクション試験エレメントである、請求項２記載のシステム。
5. マルチセクション試験エレメントが、多孔マルチセクション試験エレメントである、請求項４記載のシステム。
6. マルチセクション試験エレメントが、２〜５００個の検出領域を有する、請求項５記載のシステム。
7. 検出領域が不可逆である、請求項６記載のシステム。
8. 検出領域の一部が可逆で、一部が不可逆である、請求項６記載のシステム。
9. 化学又は生物学的物質の検体濃度の測定方法であって、
   ａ．１以上の内部参照標準に試薬膜を設ける段階と、
   ｂ．１層の膜を試験エレメント上に固定化して、膜コート試験エレメントを得る段階と、
   ｃ．試験エレメント内部で内部反射及び多角度散乱を起こしてコート試験エレメントからのデュアル参照光応答を誘起するのに有効な光エネルギーをコート試験エレメント上に照射する段階と、
   ｄ．コート試験エレメントを試料物質に所定期間暴露し、次いで物質から暴露した試験エレメントを取り除いて、サンプル試験エレメントを得る段階と、
   ｅ．サンプル試験エレメントからのデュアル試料光応答を誘起するのに有効な光エネルギーをサンプル試験エレメント上に照射する段階と、
   ｆ．参照及び試料光応答データを収集、処理して、光吸収応答を計算する段階と、
   ｇ．光吸収応答を利用して、物質中の検体濃度を検出、定量する段階と
   を含む方法。
10. 光応答からの動的データを所定期間収集する段階をさらに含む、請求項９記載の方法。
11. 期間、光吸収応答の初期傾き、中期傾き及び最終傾きを求めるために動的データを分析する段階をさらに含む、請求項１０記載の方法。
12. 光吸収応答を正規化することによって光吸収応答を誤差補正する、請求項９記載の方法。
13. 正規化を、Ａ_{ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ}＝Ａ_{ｓａｍｐｌｅ}−Ａ_{ｂａｓｅｌｉｎｅ}＋（Ａ_{ｂａｓｅｌｉｎｅ＿ａｔ＿}λ_{ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ}−Ａ_{ｂａｓｅｌｉｎｅ＿ａｔ＿}λ_{ｓａｍｐｌｅ}）の式に従って行う、請求項１２記載の方法。
14. コート試験エレメントが複数の光吸収応答を得ることができるマルチセクション試験エレメントであり、物質中の複数の検体濃度を検出、定量するために、複数の光吸収応答を処理して多重化する、請求項９記載の方法。

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