JP2012522230A - 電気化学カメラ様式の装置およびその装置の製造方法ならびにその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 化学的又は生化学的な物質を検出するための分子をセンサに結び付ける際に費用の掛かる位置合わせを省略することの可能な装置を提供する。
【解決手段】 液体中の化学的又は生化学的な物質を検出するための本発明による装置１は、多数の電気化学センサ１０を有するセンサアレイ３を備えた第１の支持体２と、第２の支持体とを有する。第２の支持体は、少なくとも１つの機能領域５を有する多孔質層４を含み、少なくとも１つの機能領域５内には、特異的に結合する捕捉分子８が固定されている。少なくとも１つの機能領域５は、少なくとも１つの非機能領域６に直接に隣接して配置されている。少なくとも１つの機能領域５および少なくとも１つの非機能領域６にはそれぞれ、センサアレイ３の複数のセンサ１０が割り当てられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体中の化学的又は生化学的な物質を検出するための電気化学カメラ様式の装置、およびその装置の製造方法、ならびにその装置の使用方法に関する。

液体中の物質の検出は、化学においても生化学においても、次第に重要性を増している。この場合、スペース上の理由から、支持体上にアレイの形で配置された電気化学センサの使用が、ますます増加している。支持体用として使用可能な材料は、例えば、シリコン Ｓｉ、ゲルマニウム Ｇｅ、ガリウムヒ素 ＧａＡｓのような、半導体材料である。これらの材料を使用する場合には、半導体技術によって、電気化学センサの信号処理および信号評価を実行するための回路を、センサアレイが存在するのと同一の支持体上に、集積することが可能である。

支持体材料のＳｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓは、高価であり、またその製造が煩雑なものとなるので、例えばセンサのような構造は極力小さく形成するように企図される。その際、信頼性のある動作態様を保証するように配慮することが必要である。一般に、センサは、マイクロメートル単位の極めて小さい構造幅を有する指状のインターデジタル型電極を有している。その電極材料としては、特に、金、白金、銀／塩化銀、もしくはその他の金属が使用される。それらのセンサは、支持体表面上に、互いに１００ナノメートルから数ミリメートルまでの範囲の間隔を隔てて、規則正しく配置されている。

電極は、液体中の化学的又は生化学的な物質の電気化学的な検出を可能にするために、その物質と相互作用する分子でコーティングされる。その相互作用が、直接又は間接に、電気化学的に検出される。液体中の種々の化学的又は生化学的な物質を検出できるようにするべく、種々のセンサが種々の分子でコーティングされている。

センサもしくは個々の電極のコーティングは、センサへの分子のスポッティングによって行なわれることが多い。しかしながら、そのために、センサおよび電極のサイズが小さくなるにつれて、ますます費用が嵩むようになってきた。ナノメートル範囲の電極サイズの場合には、コーティングをスポッティングによって行うことは、もはや不可能である。電極上に特殊な分子を付着させるためには、例えばフォトリソグラフィのような高価で費用の掛かる方法が用いられる。そのコーティングの際には、装置の緻密な位置合わせが必要であり、これがセンサアレイの製造方法を誤差に敏感なものにすると共に高価なものにする要因となっていた。

本発明の課題は、従来技術に比べて簡易かつ安価に製造できる装置を提供することにある。特に、本発明の課題は、化学的又は生化学的な物質を検出するための分子をセンサに付与する際に費用の掛かる位置合わせを省略することの可能な装置を提供することにある。更に、本発明の課題は、費用の掛かる位置合わせなしに、被検出物質に特異的に結合する分子の助けによって、その分子にセンサを直接的に、又は例えば液体を介して間接的に、結び付けることが可能であり、かつ検出時には、センサが特異的に当該物質を電気化学的に検出することが可能である、装置の製造方法および装置の使用方法を、提供することにある。

上記課題は、装置に関しては、請求項１の特徴によって解決され、装置の製造方法に関しては、請求項１５の特徴によって解決され、装置の使用方法に関しては、請求項１７の特徴によって解決される。

本発明による装置、本発明による方法、および本発明による使用方法の、更に有利な実施態様は、それぞれに付属した従属関係にある下位請求項によって実現される。その場合、代替の従属請求項の特徴は、それぞれに対して関連した下位請求項の特徴、又は、特に複数の関連した下位請求項の特徴と組み合わせることが可能である。

本発明による液体中の化学的又は生化学的な物質を検出するための装置は、第１および第２の支持体を有する。第１の支持体の表面は、多数の電気化学センサを有するセンサアレイを備えている。第２の支持体は、少なくとも１つの機能領域を有する多孔層を備えており、その少なくとも１つの機能領域内には、特異的な結合のための捕捉分子が固定されている。その少なくとも１つの機能領域は、少なくとも１つの非機能領域に対して直接に隣接して配置されている。第１の支持体の表面と第２の支持体の多孔層とが、直接に又は液状および／又はガス状の媒体を介して間接に、互いに接触させられる。少なくとも１つの機能領域と少なくとも１つの非機能領域とにそれぞれ、センサアレイの複数のセンサが割り当てられる。

第１の支持体上にセンサがアレイ状に配置されると共に、第２の支持体の少なくとも１つの機能領域と少なくとも１つの非機能領域とにそれぞれ複数のセンサが割り当てられていることによって、電気化学測定の際には、異なった領域が空間的に分解されて識別されることとなる。第２の支持体に対して第１の支持体を重ね合わせる際の、緻密な位置合わせを、不要とすることができる。

被検出物質を有する液体が第２の支持体内に取り込まれて、センサアレイのセンサの助けによって、電気化学測定が行なわれる際に、機能領域に接触しているセンサは、高められた測定信号を生成する。この高められた信号は、被検出物質と捕捉分子との相互作用の結果として生じる。非機能領域に接触しているセンサは、信号を発生しないか、もしくは背景反応として典型的である小信号のみを生成する。

各領域に割り当てられるセンサが、より多ければ多いいほど、領域の空間的分解および領域への化学的又は生化学的な反応の割り付けが、より正確に行なわれる。この空間的分解は、光学式カメラの解像度に類似している。光学式カメラの、より多い光学的活性ピクセル数によって、撮影される光学画像の、より高い解像度が達成される。被撮影対象物に対するカメラの緻密な調整は、必要でない。撮影された画像のピクセルの輝度値もしくは明度値が、全体観察時に対象物の輪郭をもたらし、その輪郭によって、画像内において対象物を明確に同定することができる。対象物を同定した後に、即ち背景との区別をした後に、対象物の特性を、精確に評価することができる。

本発明による装置は、この光学式カメラに類似した機能を具備しており、電気化学カメラと呼ぶことができる。１つの領域毎に、複数のセンサが割り当てられている。各領域における化学的又は生化学的な反応が、複数のセンサによって測定されて描出される。１つの非機能領域に比べて１つの機能領域内での顕著に異なった反応が、その機能領域に割り当てられたセンサをして、１つの非機能領域に割り当てられたセンサにおいて測定される信号とは異なった信号を、生成せしめることとなる。アレイの形でのセンサの配置と、これに関連する第１の支持体上でのセンサの空間的位置の認識とによって、各領域へのセンサの割り当てに基づいて、異なった領域の位置が区別される。この第１の支持体上でのセンサの空間的配置によって、第２の支持体の多孔質層内の領域の空間的位置を求めることができる。

特に好ましい態様は、本発明による装置の第２の支持体の多孔質層が、互いに空間的に隔てられた少なくとも２つの異なる機能領域を有するようにすることである。この場合、少なくとも１つの領域が、捕捉分子に関して少なくとも１つの他の領域とは異なっているとよい。このようにすることで、異なった化学的又は生化学的な物質の検出が可能となる。

本発明の装置の格別に簡単な構成、および機能領域へのセンサの良好な割り当ては、センサアレイの各センサが第１平面内に配置されている活性面を有し、少なくとも２つの機能領域の表面が第２平面を形成し、第２平面が第１平面に対向配置されている場合に、実現される。第２表面内の各１つの機能領域の表面は、その各１つの機能領域に第１平面内で割り当てられているセンサの活性表面の総和よりも大きくするとよい。この装置の斯様な構成によれば、緻密な位置合わせをしなくても、第１の支持体と第２の支持体とを重ね合わせて接触させる際に、自動的に、それぞれ１つの領域に対する複数のセンサの割り当てが実現される。

捕捉分子が多孔質材料中に空間的に３次元に配分されて固定されているとよい。その結果、多孔質材料内の極めて狭い空間に、格別に多数の捕捉分子を配置し、それらの多数の捕捉分子を、多数の被検出物質に結合することができる。その結果、電気化学測定時の信号雑音比が高くなって、機能領域の信号と非機能領域の信号とに大幅な差異を生じせしめることが可能となる。

電気化学カメラの着想に従って、センサがピクセルアレイの形で規則正しく第１の支持体の表面上に配置されているとよい。これによって、測定信号の空間的割り当てを簡単に評価することが可能となる。

個々のセンサが、矩形の周囲、特に好ましくは正方形の周囲を有するならば、規定された広さの表面上に格別に多くのセンサ活性面を配置することができる。相対的に大きいセンサ活性面によって、良好な信号対雑音比および相対的に大きな測定信号が得られる。

それらの領域に対するセンサの簡単な空間的な割り当ては、隔てられた機能領域がアレイの形で多孔質層内および／又は多孔質層上に配置されていて、そのアレイがそれぞれ互いに殆ど等しい空間的間隔で設けられたｍ個の異なる機能領域を有する場合に、達成される。センサアレイが機能領域に割り当てられたｎ個のセンサを有し、機能領域に割り当てられたセンサの個数ｎが機能領域の個数ｍのｘ倍であり、ｘが２以上であることが、好ましい。機能領域の規則正しい配置と、センサアレイのセンサの割り当てとによって、測定結果の評価およびその測定結果から生じる画像の観察が容易となる。その結果、少ない費用で、センサの信号とセンサの位置の認識と機能領域の相互間隔の認識とから、第２の支持体内の化学的又は生化学な反応の空間的に分解された画像を取得することが可能となり、かつ、その反応を測定信号および／又は領域に割り当てることが可能となる。

ここで仮令、機能領域の個数ｍが８、センサの個数ｎが３２であるとき、各機能領域に４個のセンサが割り当てられているならば、又は、機能領域の個数ｍが２４、センサの個数ｎが３８４であるときに、各機能領域に１６個のセンサが割り当てられているならば、又は、機能領域の個数ｍが８から２４までの間にあるとき、センサの個数ｎが３２から３８４までの間にあるならば、容易に製造できる装置の有利な実施態様が、実現されることとなる。

センサは、インターデジタル型電極からなるものとすることができる。電極材料としては、コーティングされていない金電極を使用することができる。この構成の場合、多数の化学的および生化学的な反応生成物を、電気化学的に電流又は電圧からなる大きな信号によって測定することが可能である。電極材料としての金は、長時間に亘ってもなお安定している。

多孔質層は、シートの形（平坦な形）、特に紙の条片の形を有するものとすることができる。多孔質層は、例えば１００マイクロメートルの厚さに形成されて、僅かな平方ミリメートルの面積を有するものとすることができる。機能領域は、条片又は角材、特に、多孔質層を通る多孔質層の横断面軸に沿った互いに隔てられた、ほぼ平行な２つの断面によって仕切られた、直方体状の角材の形で形成され他者として具現化することができる。機能領域の条片又は角材が、多孔質層、特に紙の条片の、長手軸に対して直角方向に配置されたものとするとよい。これによって、例えばグルコース検査又は妊娠検査で使用されているような試験紙に類似した第２の支持体の構成が実現される。

多孔質層は、膜からなるか、又は膜を含み、かつその膜が、特に、セルロース、ニトロセルロース、ラテラルフローペーパー、又は布地からなるものであるとよい。これらの材料は、捕捉分子に結合し、液体を毛細管力によって吸い込んで、その材料を通して輸送することが可能である。これによって、本発明による装置の動作方法のための例えばポンプのような液体輸送装置を、不要にすることが可能となる。

勿論、迅速な又は一様な液体輸送を達成するために、前述の液体輸送装置を付加的に使用することもできる。

捕捉分子としては、特に、抗体又は抗原、アプタマー、ＤＮＡ断片、ＲＮＡ断片、又はペプチド、もしくはこれらの分子の組み合わせを、使用することができる。捕捉分子の選択は、装置によって検出されるべき化学的又は生化学的な物質に依存する。

本発明に係る、多数の電気化学センサから構成されているセンサアレイを含む第１の支持体を有する装置を製造するための方法において、第２の支持体が装着される。その第２の支持体は、多孔質層の内部又は上に、特異的に結合する捕捉分子が固定された少なくとも１つの機能領域を含む。その少なくとも１つの機能領域は、少なくとも１つの非機能領域に直接に隣接して、多孔質層の内部又は上に配置される。この装着によって、少なくとも１つの機能領域と少なくとも１つの非機能領域とにそれぞれ、センサアレイの複数のセンサが割り当てられることとなる。

センサアレイを有する第１の支持体は、再使用可能であると有利である。第２の支持体は、使い捨て物品として使用され、装置の各使用後に交換されるとよい。同一の第１の支持体を用いて、様々に機能化されている第２の支持体によって、様々の検査を実施することができる。同一の第１の支持体を用いて、例えば異なる患者の検体に関する検査を実施することもできる。その際、第２の支持体は、患者検体検査後に、その都度交換される。必要な場合には、第１の支持体が、２つの検査の間に洗浄および消毒される。何故ならば、特に、第１の支持体およびセンサアレイの表面が金およびシリコン酸化物ならば、洗浄剤および消毒剤に対して、ならびにＤＮＡ、ＲＮＡおよび蛋白質を分解する薬剤に対して、極めて高い抵抗力を有するからである。金およびシリコン酸化物は、有機物のコーティングとは異なり、それらによって破壊されることがない。従来技術においてコーティングとしてセンサ上に直接に形成されている、有機物の捕捉分子は、本発明による方法の場合には多孔質の第２の支持体の方に含まれているので、第１の支持体の洗浄の際に損傷されることがない。

本発明による方法は、時系列的に継続される各ステップにて実施される場合に、特に有利である。第１のステップにおいて、少なくとも１つの機能領域が、多孔質層内への薬剤供給、印刷および／又はスポッティングによって形成される。時間的に次に続く第２ステップにおいて、多孔質層が、第１の支持体のセンサアレイと直接的又は間接的に結び付けられる。これは、特に第１の支持体上への第２の支持体の載置によって行なわれる。多孔質層への液体導入時に、少なくとも１つの機能領域および少なくとも１つの非機能領域が、それぞれ複数の割り当てられたセンサに、液体を介して互いに結び付けられる。この場合、結び付け、とは、例えば捕捉分子への被検査物質の結合を示す化学的又は生化学的な反応の反応生成物のような分子が（例えば拡散、又は荷電分子の場合には電界によって）、電気化学センサに到達可能であることを意味する。それによって、物質が捕捉分子に結合した場合に、直接に、又は反応生成物ならば間接に、被検査液体中の化学的又は生化学的な物質の検出が行なわれる。

本発明による装置の使用方法においては、被検出物質を有する液体が第２の支持体上に供給されるが、その第２の支持体は、少なくとも１つの機能領域を有する多孔質層を含み、その少なくとも１つの機能領域は、被検出物質と結合するべく、特異的に結合する捕捉分子が固定されている。その少なくとも１つの機能領域は、多孔質層内において、少なくとも１つの非機能領域に直接に隣接して配置されている。液体が特に毛細管力によって少なくとも部分的に多孔質層を通して輸送され、被検出物質が捕捉分子に特異的に結合し、その結合した物質は、第２の支持体上のセンサアレイの少なくとも１つの機能領域に割り当てられたセンサの助けによって、直接又は間接に、電気化学的に検出される。その際、第２の支持体上のセンサアレイの少なくとも１つの非機能領域に割り当てられたセンサが、その非機能領域内では被検出物質が結合されなかったことを、電気化学的に検出する。

本発明に係る装置の製造方法およびその装置の使用方法についても、上述のような本発明に係る装置に関しての利点がもたらされる。

以下において、従属請求項の特徴による有利な発展的構成を具備した本発明の好ましい実施態様を、次の図に基づいて、更に詳細に説明する。但し、本発明をそれらに限定しようとするものではない。

本発明に係る第１および第２の支持体を備えた装置を分解表示した概略斜視図である。 円形の機能領域を備えた第２の支持体を概略的に示した平面図であって、その下に第１の支持体がセンサアレイと共に存在しているように透視図的に描かれたものである。 第２の支持体が条片又は角材状の機能領域を有するものであること以外は図２と同様の概略平面図である。 図３に対応した装置を概略的に示す断面図である。 第２の支持体が第１の支持体に結合される直前の装置を概略的に示す断面図である。 この装置の、インターデジタル型電極を有するセンサの拡大図示と、機能領域内の検出反応の模式的図示とを、一緒に表した断面図である。

図１は、本発明による装置１を示す。装置１は、第１の支持体２を有し、この支持体２の表面に、電気化学センサ１０を有するセンサアレイ３が形成されている。電気化学センサ１０は、円形に形成されていて、第１の支持体２の表面上に、互いに同じ間隔を隔てて規則正しく配置されている。

第１の支持体２の上部もしくは内部には、電気接続端子部７に対する電気接続が施されているが、これらの電気接続は、簡略化を図るべく、図示されていない。電気接続端子部７は、図示されていない電圧源、ならびに制御／読出しユニット、および／又は、データ処理ユニットへの、支持体２の電気接続を可能にする。電気化学センサ１０は、電気接続端子部７および電気接続を介して、個別に又は並列に、制御および読出しが可能である。センサ１０の、例えば電流−電圧値のような測定信号の処理は、外部の読出し・データ処理ユニットにおいて行なわれる。代替として、電気化学信号を処理しかつその結果を電気信号として電気接触部７を介して図示しない外部の表示ユニットへと出力する集積回路を、第１の支持体の上部又は内部に形成してもよい。

図１に示すとおり、センサアレイ３を有する第１の支持体２の表面の上方には、第２の支持体である多孔質層４が存在する。その多孔質層４には、複数の機能領域５が、互いに同じ間隔を隔ててアレイ状に形成されており、これらの機能領域５内には、捕捉分子８（図６参照）が固定されている。機能領域５は、非機能領域６によって、互いに分離されている。図１に示された機能領域５は、平らなシート状の層内に円形状に形成されている。ここで、シート状とは、１枚の紙に類した形であることを意味する。１つの平面内における多孔質層４の材質の広がりは、その平面に対して垂直な方向の広がりよりも、有意に大きい。それゆえ、図１に示された円形の機能領域５は、円筒状の領域を形成することになるが、しかし、その縦方向の表面は、その基礎面と比較して殆ど無視できるものとなる。

センサ１０の平面に対向するように設定されている機能領域５の基礎面は、１つの平面内に配置されている。以下において機能領域平面と呼ばれるこの平面は、センサアレイのセンサ１０の平面に対して平行である。機能領域平面における１つの機能領域５の表面（つまり基礎面）は、１つのセンサ１０の活性面よりも大きい。この場合、１つのセンサ１０の活性面とは、電気化学測定の際に液体と結び付けられる面のことであり、従って、その面での化学反応もしくはその面を通した電荷通過が可能であることによって、測定に能動的に関与する面のことである。

装置１の使用時には、第２の支持体の多孔質層４は、第１の支持体２の直上にあり、従ってセンサアレイ３の直上にある。装置の使用時に電気接触部７が液体と接触して電気短絡を生じることのないように、電気接触部７は、多孔質層４から隔てられている。電気接触部７は、第１の支持体２の裏面側に配置されていてもよい。図１における破線は、第２の支持体４が第１の支持体２の上に載置される際の、第１の支持体２に対する第２の支持体４の多孔質層の、相対的な空間的対応関係を表している。

図２には、図１に描かれた本発明による装置１の平面図が概略的に示されている。ここでは、簡略化のために、電気接触部７は示されていない。この図では、第２の支持体の多孔質層４が第１の支持体２に直接に接触している状態が、再現されている。円形の機能領域５を有する第２の支持体４は、その下にあるセンサアレイ３を有する第１の支持体２が、第２の支持体４越しに見えるようにするべく、透視図的に示されている。一般に、第２の支持体４は、視覚的に透明なものとして形成されていることはない。

図２に示されたセンサ１０は、正方形であり、互いに僅かな間隔を隔てて配列されており、この場合、それらのセンサは、光学的画像を撮影するための光学式カメラチップのそれに類似したピクセルアレイを構成する。センサアレイ３は、第２の支持体の多孔質層４と接触するが、基礎状態においては、多孔質層の孔は空気で満たされている。装置が被検査液体を充填される際には、例えば毛細管力によって、被検査液体が相互接続した孔の中へと引き込まれる。その充填が完了した後、センサアレイ３のセンサ１０は、直接的に、又は液体を介して間接的に、第２の支持体の多孔質層４と接触させられる。

図２における機能領域５は、平面図において円形に形成されており、多孔質層４内に、互いに等しい配列間隔でアレイ状に配置されている。その機能領域５内には、捕捉分子が固定されており、それらは一様に配分されて、多孔質材料に結合されている。その結合としては、例えば、クーロン相互作用、共有結合、もしくは小さな孔における大きな分子の可動性の制限によって得られるものなどを採用することが可能である。それらの各機能領域５は、多孔質層４内においてその機能領域平面に沿った視点から見て、関連付けられて形成された１つの非機能領域６によって完全に取り囲まれている。その機能領域平面に対する垂直方向には、機能領域５が、多孔質層４の全体に亘って形成されているされている。

第１の支持体２の上に第２の支持体４を載置した際に、各機能領域５にセンサ１０が割り当てられる。割り当てとは、図２の平面図において、センサ１０が円形の機能領域５の内側にあることを意味する。同様に、第１の支持体２の上に第２の支持体４を載置した際に、非機能領域６にもセンサ１０が割り当てられる。それらのセンサ１０は、図２における非機能領域６の内側であって円形の機能領域５の外側にある。

図２の装置が被検出物質９を含有する液体で満たされると、それら物質９に対して特異的に結合する捕捉分子８が固定されている機能領域５において、被検出物質９は、捕捉分子８（図６参照）に対して特異的に結合することとなる。電気化学測定の際には、この領域に割り当てられているセンサ１０が、被検出物質９の特異的な結合を示す信号を生成する。非機能領域６に割り当てられているセンサ１０は、例えば二重層の形成および電荷反転のような背景反応しか測定しない。被検出物質９が結合されていない機能領域５も同様に、背景反応しか測定しない。例えば、特異的に結合した物質９を検出する際に電界中における反応生成物の拡散および運動によって生じるような誤差は、この観察においては無視することができる。

１つの機能領域５内に固定された特異的な捕捉分子８に被検出物質９が直接的又は間接的に結合することによって、その１つの機能領域５に割り当てられたセンサ１０が、大きな信号、例えば電流測定であれば大きな電流を測定し、かつ、この場合には、非機能領域６におけるセンサ１０は、小さな信号、例えば小さな電流を測定する。円形の機能領域５の円周上にあるセンサ１０は、機能領域５のセンサ１０の信号もしくは電流と、非機能領域６のセンサ１０の信号もしくは電流との間にある信号もしくは電流を測定する。この場合、その信号もしくは電流の規模が、センサ１０と機能領域５との間の共有面についての尺度となる。

第１の支持体２に対して第２の支持体４を接触させる際の、緻密な位置合わせは、省略することができる。センサ１０をアレイ状に配置すると共に、１つの機能領域５と１つの非機能領域６とに、それぞれ１つ以上のセンサ１０を割り当てることによって、その信号に基づいて、電気化学的な測定期間中のセンサに対する領域の相対位置を識別することができる。電気化学的に活性である機能領域５に付加的に導入される物質が、液体中の被検出物質９の結合の電気化学検出を阻止もしくは妨害しないのであれば、それによって、識別を更に改善することが可能である。このようにして、被検出物質が液体中に含まれていないためにその液体からの物質が結合しない機能領域５も、非機能領域６から識別することができる（ネガティブテスト）。

センサ１０は、規則正しい相互間隔を有するアレイ状に配置されている。その間隔は、できるだけ小さく形成されるべきであるが、電気化学測定時の問題点としてのクロストークを抑えて最小限にする値は持たせるべきである。表面に、センサ１０が、より少ない間隔で配置されているほど、電気化学的な空間分解能（カメラの場合の光学的な分解能に類似）および機能領域５の識別性が、より高くなる。そのセンサの間隔の典型的な値は、マイクロメートル範囲、特に１００〜１０００マイクロメートルの範囲にある。より高い分解能のためには、その間隔もナノメートル範囲に形成されるとよい。高い空間分解能を必要としない検査の場合には、ミリメートル範囲からセンチメートル範囲の間隔も可能である。

僅かの間隔を有するアレイ状のセンサ１０の配置と、センサ１０の活性面よりも遥かに大きな機能領域５および非機能領域６とによって、第１の支持体２の上に第２の支持体４を載置した際に、各機能領域５ならびに各非機能領域６にそれぞれ複数のセンサ１０を割り当てることが保証される、即ち、図２の平面図において各１つの領域５、６の下方にそれぞれ複数のセンサ１０が存在することが保証される。従って、第２の支持体４に対する第１の支持体２の正確な相対位置に関係なく、電気化学測定時には、各領域５、６それぞれで各センサ１０が測定信号を生成することが保証される。その測定信号の大きさは、どのセンサ１０がどの領域５、６に割り当てられているかを評価することによって求められる。センサ１０の全体では、それらのセンサの空間的配置の認識のもとに、第２の支持体４の電気化学画像を得ることができるが、これは光学的なＣＣＤカメラによって対象物を描出する場合の光学画像の場合と類似している。

結果として生じる輪郭、もしくは顕著に異なる信号が測定されるセンサ１０の位置に基づいて、領域５、６を互いに識別し、もしくは互いの境界を定めて空間的に割り当て、そして信号の大きさに基づいて、領域５、６を特定することができる。その信号の大きさは、光学的な白黒画像における灰色値に類似する。輪郭を表す隣接値の大きな差異によって、対象物は（画像内における、例えば顔又は家など）、その背景から識別されることが可能であり、その輪郭内の値のパターンもしくは分布ならびにその輪郭の形状に基づいて、その対象物を特定することができる。また、同様のことが、第２の支持体４の電気化学的画像を生じるセンサアレイ３のセンサ１０の電気化学測定値についても当てはまる。

図３には、第１の支持体２と第２の支持体４の多孔質層とを有する装置が示されており、この装置は、図２の装置とは違って、円形もしくは円筒形の機能領域の代わりに、角材形もしくは条片形の機能領域を有する。図３の支持体４は、図３の左側から右側に向かう長手軸を有する。その図３の平面内において長手軸に対して直角方向に、支持体４は横軸を有する。支持体４もしくは支持体４の多孔質層の横軸は、機能領域５の角材形もしくは条片形の長手軸と一致する。図３に示された機能領域５は、それらの長手軸に沿っても、それらの高さに沿っても、多孔質層の全体に亘って形成されている。代替として、それらの機能領域は、それらの長手軸および／又はそれらの高さに沿って、多孔質材料内又は上において部分的にのみ形成されているようにしてもよい。機能領域５の高さとは、支持体４の長手軸および横軸に対して垂直に形成されている軸に沿った広がりを意味する。

図４には、図３に示された装置の長手軸に沿った横断面図が示されている。第２の支持体４の多孔質層内に形成されている機能領域５および非機能領域６は、第１の支持体２の表側の面に形成されているセンサアレイ３と直接に接触している。多孔質層４を貫通して形成されている機能領域５は、非機能領域６を、空間的に完全に互いに分離されて隔てられた複数の非機能領域６に分けている。機能領域５および非機能領域６が、多孔質層４内において、その長手軸に沿って交互に配置されている。角材状の機能領域５は、直方体を成しており、その直方体の容積内に、捕捉分子８（図６参照）が一様に配分されて固定されている。異なった機能領域６には、異なった捕捉分子８が配置されていてよい。これにより、被検出物質を有する液体から異なった物質９を検出するために、異なった機能領域５が使用される。

図５には、第１の支持体２が第２の支持体４に重ね合わされて接触させられる前又はその後の状態での、図４の装置が示されている。第１の支持体２は、再利用可能なものであり、第２の支持体は使い捨て支持体として取り替えられるものである。従って、例えば異なる患者の患者検体の検査の場合に、コストが節約できる。支持体２が再使用されるまでの間に、その支持体２を洗浄又は消毒するとよい。

図６には、図４に示された装置が、模式的に示されている。被検出物質９を有する被検査液体の液滴が、多孔質層４の上に与えられる。被検査液体は毛細管力によって多孔質層４に吸い込まれ、これにより、多孔質層４は、広域的に又は完全に、被検査液体で満たされるか、もしくは被検査液体を含浸し続ける。機能領域５において固定されている捕捉分子８に被検出物質９が特異的に結合されることとなる。

それに続いて、多孔質層４は、例えば最高純度の水又は緩衝液によって洗浄される。このようにして、結合されていない物質および被検査液体は、多孔質層４から取り除かれる。結合した被検出物質９は、図６に概略的に示されているように、直接に電気化学的な検出を行うことができる。代替として、液体中に溶解したマーカー分子を多孔質層４中に与えるようにするとよい。これらのマーカー分子は、特異的に結合された被検出物質に対して特異的に、即ち被検出物質のみに結合する。その際に、マーカー分子は、電気化学的に直接又は間接に、例えば酸化還元サイクルを介して検出されることが可能である。

マーカー分子は、ラベル、例えばマーカー分子に結合された酵素ラベルを備えるようにすることができる。電気化学検出の際に、例えば酵素ラベルにおいて基質分子が変換され、特に、遊離体から生成物へと変換される。活性のセンサ表面もしくは電極において、変換された基質分子（生成物）が酸化もしくは還元され、その際に、電極を介して、電荷移動又は電極近くの電荷変化（特に、電流又は電圧変化）を測定することができる。センサが、互いに逆極性（正＋／負−）の少なくとも２つの電極から構成される場合には、一方の電極（＋）においては生成物が酸化されて酸化生成物（Ｏｘ）となり、他方の電極（−）においてはその酸化生成物が再び還元されて還元生成物（Ｒｅｄ）となる。

その電極において変換された電荷量は、時間に依存した測定を行うことが可能であり、かつ、それは酵素ラベルにおける遊離体から生成物への変換に対する尺度、従って捕捉分子８への被検出物質９の特異的結合の尺度となるものである。捕捉分子によって検出されて特定されるべき被検出物質９が被分析液中に存在する場合にのみ、時間に依存した電荷変換が、割り当てられたセンサにおいて成されて、測定が行われることとなる。

図６に拡大して示されているように、結合された被検出物質９を検出するためのセンサ１０は、電気化学電極からなるものであるか、もしくはそれを含むものである。その電気化学電極は、例えばインターデジタル電極として形成されているとよい。インターデジタル電極は、櫛状に形成され、２つの電極の隣接する突出部分の間隔が、例えば１マイクロメートルであり、突出部分の幅が、それぞれ例えば１マイクロメートルであるとよい。センサ１０は、２つの互いに噛み合うように配置された櫛状のインターデジタル電極からなり、センサ１０は、例えば１５０マイクロメートルの直径を有する。

指形の金電極は、液中において化学的に格別に不活性であり、電気化学的な電流測定用および／又は電圧測定用の動作電極として好適である。そのうちでも特に、電流測定法、電圧測定法、電荷測定法、又はインピーダンス分光法が、測定法として使用される。基準電極および対向電極としては、同様に金電極、又は例えば白金、又は銀／塩化銀のような材料からなる電極を使用することができる。

センサ１０の電極は、半導体技術の標準的なプロセスを用いて、フォトリソグラフィで簡便に製造することができる。第１の支持体２のための材料としては、シリコンが好適であるが、その他にも、例えばゲルマニウム、ガリウムヒ素、およびその他の半導体のような材料、ならびに、プラスチック、エポキシ樹脂又はプリント配線基板のような絶縁体材料なども適している。第１の支持体２は、図２に示されているように、チップとして形成することが可能であり、電極の下方に、又はチップの別の領域内に、測定された電流−電圧信号を処理するための電子回路が集積化されるとよい。センサ１０、絶縁部（例えば、シリコン酸化物又はフォトラック）、集積回路、および接触部を有する第１の支持体２の製造時には、半導体技術における通常の方法が、第１の支持体２を低コストで製造することを可能にする。

例えば妊娠検査、グルコース検査および尿ならびに血液検査用に入手可能であるような、市販の試験紙を、第２の支持体４として使用することが可能である。第２の支持体４の多孔質層は、特に、ニトロセルロース、紙、又は布地から作られるか、これらの材料を含むとよい。

この装置は、流量セルにおいて使用可能であり、あるいは、ハウジング内に組み込むことができる。格別に低コストのハウジングは、プラスチックから作製することができる。温度による反応を制御するために、冷却および／又は加熱装置を設けるようにすることも可能である。

１ 本発明による装置
２ 支持体
３ センサアレイ
４ 第２の支持体（多孔質層）
５ 機能領域
６ 非機能領域
７ 電気接続端子部
８ 捕捉分子
９ 被検出物質
１０ 電気化学センサ

Claims (16)

1. 第１および第２の支持体（２，４）を備えた、液体中の化学的又は生化学的な物質を検出するための装置（１）であって、第１の支持体（２）の表面が、多数の電気化学センサ（３）を有するセンサアレイを含み、第２の支持体が、少なくとも１つの機能領域（５）を備えた多孔質層（４）を有し、その少なくとも１つの機能領域（５）内に、特異的に結合する捕捉分子（８）が固定され、その少なくとも１つの機能領域（５）が、少なくとも１つの非機能領域（６）に直接に隣接して配置され、第１の支持体（２）の表面と第２の支持体（４）の多孔質層とが、直接に、もしくは液状および／又はガス状の媒体を介して間接に、互いに接触させられる装置（１）において、
   少なくとも１つの機能領域（５）と少なくとも１つの非機能領域（６）とに、それぞれセンサアレイ（３）の複数のセンサ（１０）が割り当てられている
   ことを特徴とする装置。
2. 多孔質層（４）が、互いに空間的に隔てられた少なくとも２つの異なる機能領域（５）を有し、特に少なくとも１つの領域が、捕捉分子（８）に関して少なくとも１つの他の領域とは異なる
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. センサアレイ（３）の各アレイ（１０）が活性面を有し、それらのセンサの活性面が、第１平面内に配置されており、上述の少なくとも２つの機能領域（５）の表面が、第２平面を形成し、第２平面が、第１平面に対向して配置されており、第２平面内の各１つの機能領域（５）の表面が、それぞれその機能領域（５）に割り当てられているセンサ（１０）の第１平面内に存在する活性面の総和よりも大きい
   ことを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 捕捉分子（８）が、多孔質材料内に、空間的に３次元配分されて、固定されている
   ことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の装置。
5. センサ（１０）が、矩形の周囲、特に正方形の周囲を有する、および／又は、ピクセルアレイの形で規則正しく第１の支持体（２）の表面上に配置されている
   ことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の装置。
6. 多孔質層（４）の内部および／又は上に、複数の機能領域（５）が、間隔を隔ててアレイ状に配置されていて、それらは、それぞれ互いに殆ど等しい空間的間隔を有するｍ個の機能領域（５）を配置してなるものである
   ことを特徴とする請求項１から５の１つに記載の装置。
7. センサアレイ（３）が、機能領域（５）に割り当てられているｎ個のセンサを有し、機能領域（５）に割り当てられているセンサ（１０）の個数ｎが、機能領域（５）の個数ｍのｘ倍であり、かつそのｘが、２以上である
   ことを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 機能領域（５）の個数ｍが８、センサ（１０）の個数ｎが３２であり、各機能領域（５）に４個のセンサ（１０）が割り当てられており、又は機能領域（５）の個数ｍが２４、センサ（１０）の個数ｎが３８４であり、各機能領域（５）に１６個のセンサ（１０）が割り当てられている、又は、機能領域（５）の個数ｍが８から２４までの間に、センサ（１０）の個数ｎが３２から３８４までの間にある
   ことを特徴とする請求項７記載の装置。
9. 機能領域（５）が、条片又は角材の形で、特に、多孔質層（４）を通る多孔質層（４）の横断面軸に沿ったほぼ平行な互いに隔てられた２つの断面によって仕切られた直方体形の角材の形で形成されている
   ことを特徴とする請求項１から５の１つに記載の装置。
10. センサ（１０）が、インターデジタル電極から構成されている、および／又は、コーティングされていない金電極から構成されている
    ことを特徴とする請求項１から９の１つに記載の装置。
11. 第２の支持体（４）の多孔質層が、膜、特にセルロース、ニトロセルロース、ラテラルフローペーパー又は布地からなる膜を含む
    ことを特徴とする請求項１から１０の１つに記載の装置。
12. 多孔質層（４）が、シートの形、特に、紙の条片の形を有する
    ことを特徴とする請求項１から１１の１つに記載の装置。
13. 捕捉分子（８）が、抗体又は抗原、又はアプタマー、又はＤＮＡ断片、又はＲＮＡ断片、又はペプチドを含む
    ことを特徴とする請求項１から１２の１つに記載の装置。
14. 多数の電気化学センサ（１０）から構成されたセンサアレイ（３）を有する第１の支持体（２）上に第２の支持体が装着され、第２の支持体が、多孔質層（４）の内又は上に、特異的に結合する捕捉分子（８）が固定された少なくとも１つの機能領域（５）を含み、その少なくとも１つの機能領域（５）が少なくとも１つの非機能領域（６）に直接に隣接して多孔質層（４）の内又は上に配置され、前記装着によって、少なくとも１つの機能領域（５）と、少なくとも１つの非機能領域（６）とに、それぞれセンサアレイ（３）の複数のセンサ（１０）が割り当てられる
    ことを特徴とする、請求項１から１３の１つに記載の装置（１）を製造するための方法。
15. 第１のステップにおいて、少なくとも１つの機能領域（５）が、多孔質層（４）内への薬剤供給、印刷および／又はスポッティングによって形成され、それに時系列的に続く第２ステップにおいて、特に、第１の支持体（２）上への第２の支持体の載置によって、多孔質層（４）が第１の支持体（２）のセンサアレイ（３）と直接的又は間接的に重ね合わされて、多孔質層（４）への液体導入時に、少なくとも１つの機能領域（５）および少なくとも１つの非機能領域（６）が、それぞれ複数の割り当てられたセンサ（１０）に液体を介して互いに接触させられる
    ことを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 被検出物質（９）を有する液体が、第２の支持体（２）の上に供給され、第２の支持体（２）は、少なくとも１つの機能領域（５）を有する多孔質層（４）を含み、その少なくとも１つの機能領域（５）内には、被検出物質（９）に対して特異的に結合する捕捉分子（８）が固定されており、その少なくとも１つの機能領域（５）が、少なくとも１つの非機能領域（６）に直接に隣接して多孔質層（４）内に配置されており、液体が、特に毛細管力によって、少なくとも部分的に多孔質層（４）を通して輸送され、被検出物質（９）が、捕捉分子（８）に特異的に結合し、結合した物質（９）が、第２の支持体上のセンサアレイ（３）の少なくとも１つの機能領域（５）に割り当てられたセンサ（１０）の助けによって、直接又は間接に電気化学的に検出され、第２の支持体上のセンサアレイ（３）の少なくとも１つの非機能領域（６）に割り当てられたセンサ（１０）が、当該非機能領域（６）内で被検出物質（９）が結合されなかったことを電気化学的に検出する
    ことを特徴とする請求項１から１３の１つに記載の装置（１）の使用方法。

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