JP2012519286A - コンダクタンス検出システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図2c
Description
本出願は、2009年3月4日に出願され、内容全体が引用によって本明細書に組み込まれる米国仮特許出願第61/202,493号に対する優先権を主張するものである。
iext = △VGσ (1)
によって与えられる。フリンジング効果を無視する場合、次式が成立する。
上式で、Gσはσコンダクタンスであり、σは伝導率であり、存在する種の種類及び濃度によって決まり、dAは、外部電流が流れる断面積の要素であり、Lは、外部電流が該要素内を流れる距離である。より一般的には、次式が成立する。
上式で、Lσは、長さ寸法であり、電流が流れる断面積が大きくなり且つ距離が短くなるにつれて大きくなる。数式(3)から、Lσがコンダクタンスの幾何学的増幅係数であることは明らかである。
idisp = △VGε (4)
によって与えられる。フリンジング効果を無視する場合、次式が成立する。
上式で、Gεはεコンダクタンスであり、jはj2 = -1であるような複素数であり、ωは、経時的に正弦的に変化すると仮定される電圧差の角周波数であり、εは誘電率であり、dAは、変位電流が流れる断面積の要素であり、Lは、変位電流が該要素内を流れる距離である。より一般的には、次式が成立する。
上式で、Lεは、長さ寸法であり、電流が流れる断面積が大きくなり且つ距離が短くなるにつれて大きくなる。数式(6)から、Lεが誘電率の幾何学的増幅係数であることは明らかである。
対応する幾何学的増幅係数は0.5mm〜0.8mmの範囲である。Metrohm社から販売されている他の伝導率検出器は、0.1cm-1〜10cm-1の範囲のセル定数と、0.1cmから10cmの範囲の、対応する幾何学的増幅係数とを有する。Hollisらは、米国特許第5,846,708号で、分子検出用の光学及び電気装置を開示している。この特許の図4では、重なり合わないフットプリントを有する電極を含む伝導率検出器が開示されている。したがって、図4に示されているように。フリンジ電界によって検知が行われる。したがって、幾何学的増幅係数は、50ラインx ライン当たり2縁部x 100μm x 400nm / 400 nm又は1cmの数倍である。このように幾何学的増幅係数が小さいと、それに応じて、種が存在することによって生じるコンダクタンス変化が小さくなり、それに応じて、増幅を増大させる必要がある。コンダクタンス変化が小さい場合、検出するのが困難であることがあり、入念な後信号処理が必要になることがあり、一般にノイズの影響を受けやすくなる。
セル構造であって、
一部が導電性を有し、第1の導電構成部材を形成する頂面を有する剛性の構造、
第1の導電構成部材に実質的に重なり、絶縁構成部材によって第1の導電構成部材から間隔を置いて配置された第2の導電構成部材、
化学及び/又は生物種が流れることができる、第1の導電構成部材と第2の導電構成部材との間の一つ又は複数の流路を含み、
第1の導電構成部材、第2の導電構成部材、及び絶縁構成部材が、1メートルを超える幾何学的増幅係数をもたらすように選択された構造を有し、幾何学的増幅係数が、電流が流れることのできる距離に対する、電流が流れることのできる表面積の比に関する係数であるセル構造と、
第1及び第2の導電構成部材の少なくとも一方に結合され、時間依存応答を誘起する時間依存電気信号を生成する電源と、
第1及び第2の導電構成部材の少なくとも一方に結合され、時間依存応答を測定する信号検出器と、
信号検出器に接続され、該相中に化学及び/又は生物種が存在することによって生じるコンダクタンスの変化を判定するマイクロプロセッサとを備えるコンダクタンス検出器を提供する。
一つ又は複数の化学及び/又は生物種について試験されている相を、セル構造内を流動させることと(セル構造が、絶縁構成部材によって第2の導電構成部材から分離された第1の導電構成部材を有する剛性の構造と、化学及び/又は生物種が流れることができる、第1の導電構成部材と第2の導電構成部材との間の一つ又は複数の流路とを含み、第1の導電構成部材、第2の導電構成部材、及び絶縁構成部材が、1メートルを超える幾何学的増幅係数をもたらす構造として選択された構造を有し、幾何学的増幅係数が、電流が流れることのできる距離に対する、電流が流れることのできる表面積の比に関する係数であるセル構造である)、
第1及び第2の導電構成部材の少なくとも一方に時間依存電気信号を印加して時間依存応答を誘起することと、
時間依存応答を測定し、該相中における化学及び/又は生物種の存在によって生じるコンダクタンスの変化を時間依存応答から判定することとを含む方法も提供する。
一部が導電性を有し、該相から絶縁された第1の導電構成部材を形成する頂面を有する第1の剛性構造と、
該相から絶縁された第2の導電構成部材と、
第1又は第2の導電構成部材によって生成される変位電流が内部を流れるゲル構成部材と、
化学及び/又は生物種が流れることのできるゲル構成部材内の流路と、
第1及び第2の導電構成部材の少なくとも一方に結合され、時間依存応答を誘起する時間依存電気信号を生成する電源と、
第1及び第2の導電構成部材の少なくとも一方に結合され、時間依存応答を測定する信号検出器、及び信号検出器に接続され、該相中に化学及び/又は生物種が存在することによって生じるコンダクタンスの変化を判定するプロセッサと、
信号検出器に接続され、化学及び/又は生物種が存在することによって生じるコンダクタンスの変化を判定するように構成されたプロセッサとを備えるコンダクタンス検出器を提供する。
一つ又は複数の化学及び/又は生物種を含む該相を実質的に平面状の電気泳動ゲル構成部材内を流動させることと(実質的に平面状の電気泳動ゲル構成部材が、該相から絶縁された第1の導電構成部材と該相から絶縁された第2の導電構成部材との間に配置され、第1又は第2の導電構成部材によって生成される変位電流がゲル構成部材内を流れ、化学及び/又は生物種がゲル構成部材内の流路内を流れる)、
時間依存電気信号を印加して第1及び第2の導電構成部材の少なくとも一方の時間依存応答を誘起し、第1又は第2の導電構成部材によって変位電流が生成されることと、
時間依存応答を測定し、測定された時間依存応答を処理して、該相中に化学及び/又は生物種が存在することによって生じるコンダクタンスの変化を判定することとを含む方法も提供する。
U.S. PATENT DOCUMENTS
United States Patent No. Issued Inventor
4,814,690 3/1989 Melcher et al.
5,045,798 9/1991 Hendrick
6,242,264 B1 6/2001 Natan et al.
6,458,327 B1 10/2002 Vossmeyer
6,824,974 B2 11/2004 Pisharody et al.
6,764,583 B2 7/2004 Miles
4,920,047 4/1990 Giaever et al.
6,773,926 B1 8/2004 Freund et al.
4,301 ,401 11/1981 Roof et al.
6,995,348 B2 2/2006 Bradley et al.
5,852,495 12/1998 Parce
6,489,785 B2 12/2002 McAllister
6,491 ,805 B1 12/2002 Gordon et al.
6,441 ,625 B1 8/2002 McAllister et al.
6,632,400 10/2003 Brennen et al.
6,159,353 12/2000 West et al.
5,194,133 3/1993 Clark et al.
6,045,676 4/2000 Mathies et al.
5,949,899 9/1999 Ng
5,410,412 4/1995 Gombocz et al.
5,100,529 3/1992 Fujii
4,930,893 6/1990 Manian
4,728, 882 3/1988 Stanbro
4,822,566 4/1989 Newman
5,846,708 12/1998 Hollis et al.
6,846,639 B2 1/2005 Miles et al.
6,764,583 B2 7/2004 Miles
6,824,974 B2 11/2004 Pisharody et al.
U.S. Patent Publication Published Inventor
0238112 A1 10/2007 Sohn et al.
0192653 A1 12/2002 Stetter et al.
0227373 A1 10/2005 Flandre et al.
PCT Publication Published Inventor
WO 2007/104163 A1 9/2007 Suganuma et al
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・Wang et al "Movable contactless-conductivity detector for microchip capillary electrophoresis" Anal. Chem. (2003) 4475-4479.
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Claims (29)
- ある相中の一つ又は複数の化学及び/又は生物種の伝導率及び/又は誘電定数を検出するコンダクタンス検出器において、
セル構造であって、
一部が導電性を有し、第1の導電構成部材を形成する頂面を有する剛性構造、
前記第1の導電構成部材に実質的に重なり、絶縁構成部材によって前記第1の導電構成部材から間隔を置いて配置された第2の導電構成部材、
前記化学及び/又は生物種が流れることができる、前記第1の導電構成部材と前記第2の導電構成部材との間の一つ又は複数の流路を含み、
前記第1の導電構成部材、前記第2の導電構成部材、及び前記絶縁構成部材が、1メートルを超える幾何学的増幅係数をもたらすように選択された構造を有し、前記幾何学的増幅係数が、電流が流れることのできる距離に対する、前記電流が流れることのできる表面積の比に関する係数である、セル構造と、
前記第1及び第2の導電構成部材の少なくとも一方に結合され、時間依存応答を誘起する時間依存電気信号を生成する電源と、
前記第1及び第2の導電構成部材の少なくとも一方に結合され、前記時間依存応答を測定する信号検出器と、
前記信号検出器に接続され、前記相中に前記化学及び/又は生物種が存在することによって生じるコンダクタンスの変化を判定するマイクロプロセッサとを備えるコンダクタンス検出器。 - 前記信号検出器は、前記相中に前記化学及び/又は生物種が存在することによる、シグマコンダクタンスの変化に関する同相成分である前記第1の時間依存応答の第1の成分及びイプシロンコンダクタンスの変化に関する位相外れ成分である第2の成分の一方又は両方を測定するように構成される、請求項1に記載のコンダクタンス検出器。
- 前記電源は、複数の時間依存性を有する複数の時間依存信号を生成する生成装置を含み、前記電源は、前記複数の時間依存信号を組み合わせ、複数の時間依存性を有する時間依存応答を誘起するように構成される、請求項1又は2に記載のコンダクタンス検出器。
- 前記剛性構造は、シリコン、ガラス、シリカ、アルミナ、プリント基板、酢酸塩、カプトン、及びプラスチックのいずれかで形成された基板を備える、請求項1、2、又は3に記載のコンダクタンス検出器。
- 前記コンダクタンス検出器の前記流路のうちの少なくとも一つの流路の流れ面は、前記相中の前記化学及び/又は生物種と相互作用する化学及び/又は生物官能基で官能基化され、前記流れ面、前記第1の導電構成部材、及び前記第2の導電構成部材は互いに近接しており、前記化学及び/又は生物種の前記存在によって、前記シグマコンダクタンスに顕著な任意の変化を生じさせ、及び/又は前記イプシロンコンダクタンスに前記の変化を生じさせる、請求項1から4のいずれか一項に記載のコンダクタンス検出器。
- 前記セル構造は、ハウジング内に交換可能に収納されるか或いはマイクロ流体プラットフォームに収納される、請求項1から5のいずれか一項に記載のコンダクタンス検出器。
- 前記化学及び/又は生物種の存在を検査中の前記相は、チューブ又はアダプタによって前記セル構造に送られる、請求項1から6のいずれか一項に記載のコンダクタンス検出器。
- 前記信号検出器又は前記マイクロプロセッサは、少なくとも一つの相関方法を適用して前記コンダクタンス検出器の信号対雑音比を向上させるようにプログラムされる、請求項1から7のいずれか一項に記載のコンダクタンス検出器。
- 前記相関方法は、フーリエ変換、ロックイン技術、ウェーブレット分析、アダマール変換、Shah畳み込みフーリエ変換分析、又は畳み込み法のうちの一つを含む、請求項8に記載のコンダクタンス検出器。
- クロマトグラフィ装置のクロマトグラフィ試料出力に接続され、前記相中に前記化学及び/又は生物種が存在することによって生じる前記シグマコンダクタンスの前記変化及び/又は前記イプシロンコンダクタンスの前記変化による前記クロマトグラフィ装置からの前記クロマトグラフィ試料出力に存在する任意の化学及び/又は生物種を検出する、請求項1から9のいずれか一項に記載のコンダクタンス検出器。
- 前記クロマトグラフィ装置は、ガスクロマトグラフィ装置、薄層クロマトグラフィ装置、高速液体クロマトグラフィ装置、超高速液体クロマトグラフィ装置、又はフラッシュクロマトグラフィ装置である、請求項10に記載のコンダクタンス検出器。
- 電気泳動装置の電気泳動試料出力に接続され、前記相中に前記化学及び/又は生物種が存在することによって生じる前記シグマコンダクタンスの前記変化及び/又は前記イプシロンコンダクタンスの前記変化による前記電気泳動装置からの前記電気泳動試料出力に存在する前記化学及び/又は生物種を検出する、請求項1から9のいずれか一項に記載のコンダクタンス検出器。
- 前記電気泳動装置は、ゲル装置、毛細管装置、又はマイクロチャネル電気泳動装置である、請求項12に記載のコンダクタンス検出器。
- 前記セル構造は、絶縁構成部材内に配置され、前記化学及び/又は生物種の存在を検査中の前記相が前記セル構造内を流れるときに流入することのできる複数のキャビティを含む、請求項1から13のいずれか一項に記載のコンダクタンス検出器。
- 前記時間依存応答は、フーリエ変換、ウェーブレット分析、微分、及びハイパスフィルタリングのいずれか又は組合せを含む時間領域分析技術を使用して、前記相の組成が変化することによる前記時間依存応答への寄与に対する、前記化学及び/又は生物種による前記時間依存応答への寄与を強調するように処理される、請求項1から14のいずれか一項に記載のコンダクタンス検出器。
- ある相中に分散され、かつ、一体化された実質的に平面状のゲル電気泳動装置によって分離された一つ又は複数の化学及び/又は生物種の伝導率及び/又は誘電定数を検出するコンダクタンス検出器であって、
一部が導電性を有し、前記相から絶縁された第1の導電構成部材を形成する頂面を有する第1の剛性構造と、
前記相から絶縁された第2の導電構成部材と、
前記第1又は第2の導電構成部材によって生成される変位電流が内部を流れるゲル構成部材と、
前記化学及び/又は生物種が流れることのできる前記ゲル構成部材内の流路と、
前記第1及び第2の導電構成部材の少なくとも一方に結合され、時間依存応答を誘起する時間依存電気信号を生成する電源と、
前記第1及び第2の導電構成部材の少なくとも一方に結合され、前記時間依存応答を測定する信号検出器、及び前記信号検出器に接続され、前記相中に前記化学及び/又は生物種が存在することによって生じるコンダクタンスの変化を判定するプロセッサと、
前記信号検出器に接続され、前記化学及び/又は生物種が存在することによって生じるコンダクタンスの変化を判定するように構成されたプロセッサとを備えるコンダクタンス検出器。 - 前記第1及び第2の導電構成部材は、実質的に平面状のゲル電気泳動装置に沿った様々な位置に配置された複数の電極対を備え、それによって、
前記電源及び信号検出器は前記各電極対に結合され、
前記プロセッサ及び前記信号検出器は、各電極対に近接して、前記相中の前記化学及び/又は生物種が存在することによって生じるコンダクタンスの変化を判定するように構成される、請求項16に記載のコンダクタンス検出器。 - 各対の第1及び第2の電極が、実質的に重なり合うように、それぞれ、前記第1の剛性構造及び第2の剛性構造上に配置され、
前記第1及び第2の剛性構造はスペーサによって間隔を置いて配置され、
分離すべき前記化学及び/又は生物種を含む前記相が内部を流れる前記ゲル構成部材は、前記第1の剛性構造と前記第2の剛性構造との間に配置される、請求項17に記載のコンダクタンス検出器。 - 前記第1及び第2の剛性構造は、シリコン、ガラス、シリカ、アルミナ、プリント基板、酢酸塩、カプトン、及びプラスチックのいずれかで形成される、請求項18に記載のコンダクタンス検出器。
- 前記電源及び前記信号検出器は、マルチプレクサを使用して前記各電極対に結合される、請求項17、18、又は19に記載のコンダクタンス検出器。
- ある相中の一つ又は複数の化学及び/又は生物種の伝導率及び/又は誘電定数を検出する方法において、
前記一つ又は複数の化学及び/又は生物種を検査中の相をセル構造内で流動させるステップであって、前記セル構造が、絶縁構成部材によって第2の導電構成部材から分離された第1の導電構成部材を有する剛性構造と、前記化学及び/又は生物種が流れることができる、前記第1の導電構成部材と前記第2の導電構成部材との間の一つ又は複数の流路とを含み、前記第1の導電構成部材、前記第2の導電構成部材、及び前記絶縁構成部材が、1メートルを超える幾何学的増幅係数をもたらすように選択された構造を有し、前記幾何学的増幅係数が、電流が流れることのできる距離に対する、前記電流が流れることのできる表面積の比に関する係数である、ステップと、
前記第1及び第2の導電構成部材の少なくとも一方に時間依存電気信号を印加して時間依存応答を誘起するステップと、
前記時間依存応答を測定し、前記相中に前記化学及び/又は生物種が存在することによって生じるコンダクタンスの変化を前記時間依存応答から判定するステップとを含む方法。 - 前記セル構造は、一部が導電性を有し、前記第1の導電構成部材を形成する頂面を有する前記剛性構造を備え、前記第2の導電構成部材は、前記第1の導電構成部材に実質的に重なり、前記絶縁構成部材によって前記第1の導電構成部材から間隔を置いて配置される、請求項21に記載の方法。
- 前記時間依存応答は、前記相中に前記化学及び/又は生物種が存在することによる、シグマコンダクタンスの変化に関する同相成分である前記第1の時間依存応答の第1の成分及びイプシロンコンダクタンスの変化に関する位相外れ成分である第2の成分の一方又は両方を測定するように構成された信号検出器によって測定される、請求項21又は22に記載の方法。
- 前記時間依存電気信号は、複数の時間依存性を有する複数の時間依存信号を生成して組み合わせる生成装置を含む電源を使用して印加され、前記電源は、前記複数の時間依存信号を組み合わせ、複数の時間依存性を有する時間依存応答を誘起するように構成される、請求項21、22、又は23に記載の方法。
- 前記剛性構造は、シリコン、ガラス、シリカ、アルミナ、プリント基板、酢酸塩、カプトン、及びプラスチックのいずれかで形成された基板を備える、請求項21、22、23、又は24に記載の方法。
- 前記コンダクタンス検出器の前記流路のうちの少なくとも一つの流路の流れ面は、前記相中の前記化学及び/又は生物種と相互作用する化学及び/又は生物官能基で官能基化され、前記流れ面、前記第1の導電構成部材、及び前記第2の導電構成部材は、互いに近接しており、前記化学及び/又は生物種の前記存在によって、前記シグマコンダクタンスに顕著な任意の変化を生じさせ、及び/又は前記イプシロンコンダクタンスに前記の変化を生じさせる、請求項21から24のいずれか一項に記載の方法。
- ある相中に分散され、かつ、一体化された実質的に平面状のゲル電気泳動装置によって分離された一つ又は複数の化学及び/又は生物種の伝導率及び/又は誘電定数を検出する方法であって、
前記一つ又は複数の化学及び/又は生物種を含む前記相を実質的に平面状の電気泳動ゲル構成部材内で流動させるステップであって、前記実質的に平面状の電気泳動ゲル構成部材が、前記相から絶縁された第1の導電構成部材と前記相から絶縁された第2の導電構成部材との間に配置され、前記第1又は第2の導電構成部材によって生成される変位電流がゲル構成部材内を流れ、前記化学及び/又は生物種が前記ゲル構成部材内の流路内を流れるステップと、
時間依存電気信号を印加して前記第1及び第2の導電構成部材の少なくとも一方の時間依存応答を誘起し、前記第1又は第2の導電構成部材によって変位電流が生成されるステップと、
前記時間依存応答を測定し、前記測定された時間依存応答を処理して、前記相中に前記化学及び/又は生物種が存在することによって生じるコンダクタンスの変化を判定するステップとを含む方法。 - 前記第1及び第2の導電構成部材は、前記実質的に平面状のゲル電気泳動装置に沿った様々な位置に配置された複数の電極対を備え、それによって、
前記電源及び信号検出器は前記各電極対に結合され、
前記プロセッサ及び前記信号検出器は、各電極対に近接して、前記相中の前記化学及び/又は生物種が存在することによって生じるコンダクタンスの変化を判定するように構成される、請求項27に記載の方法。 - 各対の第1及び第2の電極が、実質的に重なり合うように、それぞれ、前記第1の剛性構造及び第2の剛性構造上に配置され、
前記第1及び第2の剛性構造はスペーサによって間隔を置いて配置され、
分離すべき前記化学及び/又は生物種を含む前記相が内部を流れる前記ゲル構成部材は、前記第1の剛性構造と前記第2の剛性構造との間に配置される、請求項28に記載の方法。
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