JP2013511329A - pHセンサ - Google Patents
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Abstract
pHセンサが密閉フルイディックチャネルと、フルイディックチャネル内に存在する電解液と、フルイディックチャネルの外部に設けられた第1の電極と、フルイディックチャネル内に設けられた第2の電極と、フルイディックチャネルとフルイディックチャネルの外部との間に延びる液体接合部とを有する。液体接合部は、フルイディックチャネル内の電解液とフルイディックチャネルの外部を流体結合させるようになっている。pHセンサは、液体接合部と作動結合状態にあり、液体接合部がフルイディックチャネル内の電解液とフルイディックチャネルの外部を流体結合させるかどうかを制御するフルイディックスイッチ又はフルイディックスコントローラを更に有する。
Description
〔関連出願の説明〕
本願は、2009年11月19日に出願された米国特許仮出願第61/262,815号の利益を主張する出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その開示内容を本明細書の一部とする。
本願は、2009年11月19日に出願された米国特許仮出願第61/262,815号の利益を主張する出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その開示内容を本明細書の一部とする。
以下の情報は、読者が以下に説明する技術及びかかる技術を利用することができる或る特定の環境についての理解を助けるよう提供されている。本明細書で用いられる用語は、本明細書において別段の明示の指定がなければ、任意特定の狭い解釈に限定されるものではない。本明細書に記載された技術文献は、技術及びその背景の理解を容易にすることができる。本明細書において参照により引用する技術文献の全ての開示内容を本明細書の一部とする。
電位差(ポテンシオメトリック)原理を利用した典型的なpHセンサは、基準電解液と、検体溶液(この検体溶液のpHが測定される)内に浸漬され又はこれと接触状態にある指示電極と、基準電解液中に浸漬された基準電極と、基準電極及び指示電極と電気的接続状態にある測定回路、例えば電位差回路とを含む。電位差回路は、指示電極と基準電極の電位差を測定する。指示電極及び基準電極が浸漬されている電解液相互間のイオン接触により、これら電極相互間の電気的接続が可能である。サンプル又は検体電解液のpH値(これは、サンプル電解液中の水素イオンの濃度に比例する)は、ネルンストの式に従って指示電極のところに生じた電位差と直接的な相関関係にある。
上述の構成では、正確な測定を行う上での重要な条件は、基準電極と基準電解液中に生じた電位差が一定に維持されて電位差回路からの読みが指示電極中の電位差のみ、即ち、電解液中のpHだけを表すようにすることにある。この条件を満たすため、一般的な構成では、基準電極を飽和基準電解液中に浸漬させると共に飽和基準電解液とサンプル又は検体電解液との間に位置決めされた小さな「窓」を設け、それにより飽和基準電解液とサンプル又は検体電解液とのイオン接触及びかくして電気的接続をもたらすようにしている。「窓」は、通常、多孔質材料、例えば多孔質ガラスメンブレン、親水性多孔質ポリマーメンブレン等で作られる。「窓」の多孔性により、飽和基準電解液とサンプル又は検体電解液との間に無視できないほどの物質移動が生じ、それにより両方の電解液の交差汚染が生じる。
かかる汚染に起因して生じる飽和基準電解液の希釈は、これが基準電極の電位差を変化させるので大きな問題となる場合がある。汚染は又、pHセンサの安定性を劣化させると共にpHセンサの寿命を短くする。pHセンサの寸法を減少させているので(例えば、極めて小さな、マイクロレベルの、マイクロスケールの又はそれよりも小さな寸法に)、問題は、飽和基準電解液の体積がサンプル電解液と比較して極めて小さいので深刻化する。例えば、マイクロスケール又はこれよりも小さなpHセンサが人体内に植え込まれて生理学的pH(例えば、心筋pH)を測定するために用いられる用途の場合、飽和基準電解液の体積は、pHが測定される心筋組織の体積と比較して極めて小さい。かかるスケールでは、飽和基準電解液は、マクロスケールガラス管型pHセンサの場合よりも極めて迅速に希釈される。
pHセンサ、例えばマイクロスケールpHセンサの有効寿命に悪影響を及ぼす別の要因は、基準電極の耐久性である。多くの場合、基準電極の導電性材料は、次第に溶解し、飽和基準電解液中に消費される。基準電極の溶解及び消費中の或る時点において、pHセンサの有効寿命が終わる。
一観点では、pHセンサは、密閉フルイディックチャネルと、フルイディックチャネル内に存在する電解液と、フルイディックチャネルの外部に設けられた第1の電極と、フルイディックチャネル内に設けられた第2の電極と、フルイディックチャネルとフルイディックチャネルの外部との間に延びている液体接合部を有している。この液体接合部は、フルイディックチャネル内の電解液とフルイディックチャネルの外部を流体結合させるようになっている。このpHセンサはさらに、液体接合部と作動結合状態にあり、液体接合部がフルイディックチャネル内の電解液とフルイディックチャネルの外部を流体結合させるかどうか(又はどの程度までであるか)を制御するフルイディックスイッチ又はフルイディックコントローラを有する。pHセンサは、例えば、サブストレートと、サブストレートに連結されたカバーとを更に有するのが良く、カバーとサブストレートは、フルイディックチャネルを構成するよう協働する。
フルイディックスイッチは、例えば、フルイディックチャネル内に存在する少なくとも第1の泡を有するのが良い。第1の泡は、例えば、基準電解液中で不混和性の流体を含むのが良い。多くの実施形態では、pHセンサは、第1の泡を第1の泡が液体接合部に接触する第1の位置と第1の泡が液体接合部に接触しない第2の位置との間で輸送する泡輸送システムを更に有する。第1の泡は、例えば、第1の位置では、液体接合部及び第2の電極に接触するのが良く、第2の位置では、液体接合部又は第2の電極に接触しないのが良い。多くの実施形態では、第1の泡は、第1の位置では、液体接合部と電解液との間にバリヤを形成すると共に第2の電極と電解液との間にバリヤを形成する。かかる実施形態では、泡は、第2の位置では、第1の泡が液体接合部と電解液との間にバリヤを形成せず、しかも第2の電極と電解液との間にバリヤを形成しない。泡輸送システムは、例えば、電極のアレイを有するエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック(electrowetting-on-dielectric)を含むのが良い。
多くの実施形態では、pHセンサは、例えば、第1の泡をフルイディックチャネル内に生じさせるようフルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムを有するのが良い。
フルイディックスイッチは、例えば、第1の泡から間隔を置いて位置すると共に基準電解液を介して第1の泡に流体力学的に結合された少なくとも第2の泡を有するのが良い。
多くの実施形態では、pHセンサは、例えば、フルイディックチャネル内に少なくとも1つの泡を発生させ、この泡が液体接合部と接触できるようフルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムと、泡が液体接合部と接触しないよう泡のサイズを減少させるシステムとを更に有するのが良い。泡のサイズを減少させるシステムは、例えば、電極システムに施された触媒を有するのが良い。例えば、泡をこの泡が第1の位置において液体接合部及び第2の電極に接触するよう発生させ、次に、サイズを減少させて泡が液体接合部又は第2の電極に接触しないようにするのが良い。多くの実施形態では、電極システムは、フルイディックチャネル内に少なくとも1つの泡を発生させ、この泡が液体接合部と電解溶液との間にバリヤを形成することができると共に第2の電極と電解液との間にバリヤを形成することができるようになっている。かかる実施形態では、泡のサイズを減少させるシステムは、泡が液体接合部と電解液との間にバリヤを形成せず、しかも第2の電極と電解液との間にバリヤを形成しないよう泡のサイズを減少させる。
pHセンサのサブストレートは、例えば、ガラス又はポリマーを含むのが良い。pHセンサのカバーは、例えば、ガラス又はポリマーを含むのが良い。多くの実施形態では、カバー又はサブストレートは、ポリジメチルシロキサンを含む。第1の電極は、例えば、白金、クロム、チタン又は酸化イリジウムのうちの少なくとも1つを含むのが良い。第2の電極は、例えば、白金、クロム、チタン、銀及び塩化銀のうちの少なくとも1つを含むのが良い。
基準電解液は、例えば、例えば溶液中でイオンに解離する塩のような化合物を含むのが良い。基準電解液は、例えば、塩化カリウム溶液又は塩化銀溶液のうちの少なくとも一方を含むのが良い。液体接合部は、例えば、多孔質ポリマーを含むのが良い。
pHセンサは、例えば、マイクロスケール又はこれよりも小さい(例えば、ナノスケール)pHセンサであるのが良い。多くの実施形態において、pHセンサは、1センチメートル未満の寸法(即ち、高さ、幅及び長さ)を有する。pHセンサは、例えば、体内に植え込み可能であるよう構成されているのが良い。
別の観点では、フルイディックコントローラは、密閉フルイディックチャネルと、フルイディックチャネル内に存在する液体と、フルイディックチャネルの内部とフルイディックチャネルの外部との間に延びる液体接合部と、フルイディックチャネル内に存在する少なくとも第1の泡とを有する。この泡が液体接合部と接触する範囲が、フルイディックチャネル内の液体がフルイディックチャネルの外部と流体結合する範囲を定める。泡(液体中で不混和性であるのが良い)は、例えば、フルイディックチャネル内に位置した流体接合部の部分を包囲するのが良く又は流体接合部とフルイディックチャネル内の液体との間にバリヤを形成するのが良く、それにより、液体とフルイディックチャネルの外部との流体結合が阻止される。
フルイディックコントローラ請求項23は、第1の泡を第1の泡が液体接合部に接触する第1の位置と第1の泡が液体接合部に接触しない第2の位置との間で輸送する泡輸送システムを更に有する。泡輸送システムは、例えば、電極のアレイを有するエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック(electrowetting-on-dielectric)を含むのが良い。フルイディックコントローラは、第1の泡をフルイディックチャネル内に生じさせるようフルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムを更に有するのが良い。
多くの実施形態では、フルイディックコントローラは、フルイディックチャネル内に第1の泡を生じさせて、該第1の泡が液体接合部に接触することができるようフルイディックチャネル内の液体と流体結合状態にある電極システムと、泡が液体接合部に接触しないよう泡のサイズを減少させるシステムとを有する。泡のサイズを減少させるシステムは、例えば、電極システムに施された触媒を有するのが良い。
別の観点では、密閉フルイディックチャネル内の液体とフルイディックチャネルの外部との流体結合を制御する方法であって、フルイディックチャネルは、フルイディックチャネルとフルイディックチャネルの外部との間に延びる液体接合部を有し、液体接合部は、フルイディックチャネルと外部とを流体結合させるようになっている方法は、液体中で流体不混和性の泡を液体接合部と接触関係をなすよう制御可能に位置決めするステップを有する。泡は、例えば、液体をフルイディックチャネルの外部との流体結合状態から外すよう液体接合部と接触状態に位置決めされるのが良い。泡は、例えば、液体をフルイディックチャネルの外部と流体結合状態に置くよう液体接合部との接触状態から外されるのが良い(又は部分的に外されるのが良い)。換言すると、泡は、液体接合部に接触するよう制御可能に又は選択可能に位置決めできる。泡は、例えば、液体をフルイディックチャネルの外部との流体結合状態から実質的に又は完全に外すよう液体接合部と接触状態にあるときに液体接合部と液体との間にバリヤを形成するのが良い。液体がイオン導電性液体であり且つフルイディックチャネルの外部がイオン導電性液体を収容している場合、本発明の方法は、電気的オン/オフスイッチを提供することができる。
本明細書において説明する技術は、その属性及び付随する利点と共に、添付の図面と関連して行われる以下の詳細な説明を考慮すると最も良く理解されよう。なお、添付の図面には、代表的な実施形態が例示として記載されている。
原文明細書及び添付の原文特許請求の範囲において用いられている単数形“a”、“an”及び“the”という単語は、別段の明示の規定がなければ複数を含む。かくして、例えば、“a bubble”という記載は、かかる泡を複数個含むと共に当業者に知られているその均等例を含み、その他同様であり、“the bubble”という記載は、1つ又は2つ以上のかかる泡及び当業者に知られている泡の均等例であり、その他同様である。
図1は、マイクロスケール又はこれよりも小さい(例えば、ナノスケール)寸法に容易に合わせて容易に形成される種々の実施形態としてのpHセンサ10の平面図である。pHセンサと関連して用いられる「マイクロスケール」という用語は、1センチメートル未満の寸法を有するセンサを意味している。多くの実施形態では、pHセンサの寸法は、マイクロ作製技術及び/又はナノ作製技術を受けることができる。多くの実施形態では、基準電解液体積は、20立方ミリメートル以下であった。
図2は、pHセンサ10の断面図(図1に示されているA‐A′に沿ってとった)である。多くの実施形態では、pHセンサ10は、例えば、低侵襲技術を用いて体内(即ち、人間又は動物の体内)へのその植え込みを可能にする寸法及び形態に形成可能である。多くの実施形態では、pHセンサの長さ、幅及び高さは、各々、1センチメートル未満であった。かかるマイクロスケールpHセンサ10は、例えば、サンプル電解質又は電解液、サンプル組織等のpHを測定するよう種々の用途で利用できる。かかる用途としては、マイクロスケールpHセンサ10が心筋組織、脳組織、肝臓組織、腎臓組織、肺組織等のpHを測定するよう利用される医療用途が挙げられる。
図1及び図2の代表的な実施形態では、pHセンサ10は、サブストレート12、第1の電極14、第2の電極16、泡を輸送するシステム18、フルイディック閉ループチャネル20、液体接合部22、カバー24、複数個の接続パッド26a〜26e及び複数個の導体28a〜28e(図1参照)を有する。
サブストレート12は、例えば、これが支持する種々の電極及び他の層の作製を受けやすい任意適当な形式の材料を含むのが良い。適当な材料としては、例えば、珪素を主成分とする材料(例えば、シリコン、ガラス等)、珪素を主成分としない材料、ポリマー材料(例えば、ポリジメチルシロキサン又はPDMS)及び他の材料が挙げられる。センサが体内に植え込み可能である場合、材料は、例えば、生体適合性であるのが良い。多くの実施形態では、例えば、サブストレート12は、ガラスサブストレートである。第1の電極14は、指示又は検出電極として機能し、例えば、任意適当な材料で構成できる。一般に、第1の電極14のための材料は、広いpH応答範囲、高い感度、迅速な応答時間、低い潜在的なドリフト、撹拌に対する不敏感性、広い温度動作範囲及び広い動作圧力範囲を示すことが望ましい。
第1の電極14は、例えば、イオン選択性電界効果トランジスタ(ISFET)又は金属酸化物電極を含むのが良い。ISFETは、ソリッドステート集積回路の一部である。ISFETは、迅速な応答時間(1ミリ秒台)を示し、生体内用途において極めて頑丈である。
金属酸化物電極の場合、第1の電極14に用いるのに多数の金属酸化物が適している。金属酸化物は、例えば、サブストレート12に被着され又はサブストレート12上に形成される導電性(例えば、金属製)層上に成膜されるのが良い。金属酸化物膜又は層(例えば、酸化イリジウム)を例えば種々の技術により作ることができ、かかる技術としては、電位サイクリングによる電気化学的酸化、反応性スパッタリング、陽極電着、熱酸化等が挙げられる。多くの実施形態では、第1の電極14は、白金及び酸化イリジウムを含む。かかる実施形態の場合、白金をサブストレート12上に成膜し、酸化イリジウムを白金上に形成し又は成膜するのが良い。他の実施形態によれば、第1の電極14は、クロム及び酸化イリジウムを含む。かかる実施形態の場合、クロムをサブストレート12上に形成し、酸化イリジウムをクロム上に形成するのが良い。他の実施形態によれば、第1の電極14は、チタン及び酸化イリジウムを含む。かかる実施形態の場合、チタンをサブストレート12上に形成し、酸化イリジウムをチタン上に形成するのが良い。第1の電極14は、これがpHを測定すべきサンプル溶液/電解質(例えば、サンプル組織内に存在する)に接触するよう位置決めされる。
第2の電極16は、基準電極として機能し、任意適当な種類の材料で構成できる。望ましくは、基準電極16は、電解液中に一定の又は実質的に一定の電位を維持する。多くの実施形態では、第2の電極16は、白金及び銀を含む。かかる実施形態の場合、白金を例えばサブストレート12上に形成し又はこれに成膜し、銀を白金上に形成し又は成膜するのが良い。他の実施形態によれば、第2の電極16は、白金及び塩化銀を含む。かかる実施形態の場合、白金を例えばサブストレート12上に形成し又は成膜し、塩化銀を白金上に形成し又は成膜するのが良い。他の実施形態によれば、第2の電極16は、クロム及び銀を含む。かかる実施形態の場合、クロムを例えばサブストレート12上に形成し又は成膜し、銀をクロム上に形成するのが良い。他の実施形態によれば、第2の電極16は、クロム及び塩化銀を含む。かかる実施形態の場合、クロムを例えばサブストレート12上に形成し又は成膜し、塩化銀をクロム上に形成するのが良い。他の実施形態によれば、第2の電極16は、チタン及び銀を含む。かかる実施形態の場合、チタンを例えばサブストレート12上に形成し又は成膜し、銀をチタン上に形成するのが良い。他の実施形態によれば、第2の電極16は、チタン及び塩化銀を含む。かかる実施形態の場合、チタンを例えばサブストレート12上に形成し又は成膜し、塩化銀をチタン上に形成し又は成膜するのが良い。第2の電極16は、これがフルイディック閉ループチャネル20内の基準溶液と接触関係をなすよう位置決めされる。
泡輸送システム18及び泡30,32は、フルイディックスイッチ又はコントローラ19として液体接合部22及びフルイディックチャネル20内の基準検体溶液と結合関係をなして動作する。フルイディックスイッチ19は、例えば、pHセンサ10をオン状態又はオフ状態にするよう動作可能である。フルイディックスイッチ19は、流体輸送部材、例えば液体接合部22と基準電解液との間にバリヤを構成するのに適した任意形式のフルイディックスイッチであって良い。多くの実施形態では、フルイディックスイッチ19は、例えば検体溶液と基準溶液とのイオン性電気的接続を断つことによってpHセンサ(又は別のデバイス)をターンオフしたりターンオンしたりするよう動作可能である。フルイディックスイッチ19は又、検体溶液と基準溶液との間の物質移動を減少させ又はなくすよう動作可能である。
多くの実施形態では、以下に詳細に説明するように、泡輸送システム18は、例えば、スイッチング機能を実施するようエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック(electrowetting-on-dielectric)原理を利用するのが良い。種々の実施形態によれば、泡輸送システム18は、例えば、複数個の電極を含むのが良い。図示の実施形態では、泡輸送システムは、3つの電極18a,18b,18cを含む。泡輸送システム18は、任意適当な種類の材料で構成可能である。種々の実施形態では、泡輸送システム18は、白金、絶縁層(例えば、酸化珪素、パリレン等)及び疎水性の層(例えば、フッ化炭素の疎水性層)を含む。かかる実施形態では、白金を例えばサブストレート12上に形成し又は成膜し、絶縁層及び疎水性層を白金上に形成し又は被着させるのが良い。他の実施形態によれば、泡輸送システム18は、クロム、絶縁層及び疎水性層を含む。かかる実施形態の場合、クロムを例えばサブストレート12上に形成し又は成膜し、絶縁層及び疎水性層をクロム上に形成し又は被着させるのが良い。泡輸送システム18は、これがフルイディック閉ループチャネル20内の基準溶液と直接的な接触関係をなすよう位置決めされる。
図1及び図2の代表的な実施形態では、フルイディックチャネル20は、閉ループチャネル20であり、この閉ループチャネルは、サブストレート12及びカバー24によってひとまとめに構成される。フルイディック閉ループチャネル20は、例えば、任意適当な種類のイオン導電性水溶液を収容するのが良い。例えば、種々の実施形態によれば、フルイディックチャネル20は、飽和塩化カリウム溶液を収容する。他の実施形態によれば、フルイディックチャネル20は、飽和塩化銀溶液を収容する。フルイディックチャネルは、閉ループフルイディックチャネルである必要はない。フルイディックチャネルは、1つ又は2つ以上の泡の運動を可能にし、又は泡を以下に説明するようにチャネル内に生じさせる場合、フルイディックチャネルは、1つ又は2つ以上の泡を所望の体積に合わせて形成することができるよう液体の押し退けを可能にする。
図1に示されているように、多くの実施形態では、フルイディック閉ループチャネル20は、泡輸送システム18を包囲し、このフルイディック閉ループチャネルは、第1の泡30及び第2の泡32を含む。第1の泡30は、飽和基準溶液を介して第2の泡32に流体力学的に結合されている。かくして、第1の泡30を第1の位置から第2の位置に駆動すると、第2の泡32は、第3の位置から第4の位置に動く。第3の位置は、図1及び図2に実線で示されており、第4の位置は、図1及び図2に破線で示されている。したがって、第1の泡30は、「マスタ」泡と考えられ、第2の泡32は、「スレーブ」泡と考えられる。第1の泡30及び第2の泡32は、例えば、基準溶液中において不混和性の任意適当な種類の流体材料であって良い。少なくとも泡32は、例えば、検体溶液中において不混和性であるのが良い。例えば、種々の実施形態によれば、第1の泡30及び第2の泡32は、空気、油、空気以外の気体(例えば、水素、酸素、水素と酸素の混合物等)等を含むのが良い。
本明細書で用いられる「泡」という用語は、或る物質(流体)の別の流体(基準電解液)中における小滴又は体積部を意味している。泡は、例えば、チャネル20内の液体(即ち、飽和基準溶液)中において不混和性である気体又はチャネル20内の液体中において不混和性である液体で形成されるのが良い。
液体接合部22は、サンプル又は検体電解液とフルイディック閉ループチャネル20内に収容された基準溶液(例えば、飽和塩化カリウム)との間に位置決めされ、この液体接合部は、検体電解液とフルイディック閉ループチャネル20内の基準溶液との間にイオン性電気的接続をもたらす。多くの実施形態では、液体接合部22は、流体の輸送を生じさせることができる部材であり、かかる液体接合部は、例えば、多孔質又は透過性材料を含むのが良い。例えば、種々の実施形態によれば、液体接合部22は、親水性多孔質ポリマーを含む。液体接合部22のための多孔質材料は、例えば、1マイクロメートル未満の孔径を有するのが良い。多くの実施形態では、液体接合部22は、フルイディック閉ループチャネル20内の溶液とサンプル電解液との間の物質移動を(例えば、多孔質材料の場合、孔径を制限することによって)制限し又は最小限に抑えるよう設計されている。図2に示されているように、液体接合部22は、図示の実施形態では、サブストレート12とカバー24との間に位置決めされている。
カバー24は、サブストレート12に連結されていて、このカバーは、フルイディック閉ループチャネル20を構成するようサブストレート12と協働する。カバー24は、例えば、任意適当な種類の不透過性材料で構成できる。植え込み型pHセンサ10の場合、カバー24(及び有機体に接触するpHセンサ10の他のコンポーネント)は、例えば、生体適合性であるのが良い。例えば、種々の実施形態によれば、カバー24は、ガラス又はポリジメチルシロキサンを含む。カバー24は、サブストレート12に任意適当な仕方で連結可能である。例えば、種々の実施形態によれば、カバー24は、サブストレート12に接着される。カバー24がガラスであり、サブストレート12がPDMSである幾つかの実施形態では、カバー24は、表面のO2プラズマ処理後にカバー24とサブストレート12を互いに単に押し付けるだけでサブストレート12に容易に結合される。例えば、フルイディックチャネルの幅が比較的広い(例えば、約1mm以上)である場合、接着剤を用いてカバー24をサブストレート12に結合するのが良い。
上述したように、図1及び図2の図示の代表的な実施形態では、複数個の接続要素又はパッド26a〜26eがサブストレート12に接続されており、これら接続要素又はパッドは、任意適当な種類の導体で構成できる。例えば、種々の実施形態によれば、接続パッド26a〜26eは、白金を含む。他の実施形態によれば、接続パッド26a〜26eは、クロムを含む。他の実施形態によれば、接続パッド26a〜26eは、チタンを含む。他の実施形態によれば、接続パッド26a〜26eは、金を含む。接続パッド26aは、導体28aを介して第1の電極14に接続されている。接続パッド26bは、導体28bを介して第2の電極16に接続されている。接続パッド26c,26d,26eは、それぞれ、導体28c,28d,28eを介して泡輸送システム18の電極18a,18b,18cに接続されている。接続パッド26a,26eは、フルイディックスイッチ18の第1の電極14、第2の電極16及び電極18a,18b,18cとpHセンサ10の外部に設けられた1つ又は2つ以上の回路との電気的接続を可能にする。図1に示されているように、第1の電極14及び第2の電極16は、例えば、測定エレクトロニクス又は回路40に接続されるのが良く、かかる測定エレクトロニクス又は回路は、例えば、当該技術分野において知られているように電位差計(ポテンショメータ)回路を含むのが良い。泡輸送システム18の電極18a,18b,18cは、例えば、制御エレクトロニクス又は回路50と電気的接続状態にあるのが良い。
複数個の導体28a〜28eは、例えば、サブストレート12の表面上に形成されるのが良く、これら導体は、第1の電極14、第2の電極16及び電極18a〜18cをそれぞれの接続パッド26a〜26eに接続するよう働く。図1に示されると共に上述したように、第1の導体28aは、第1の電極14aを第1の接続パッド26aに接続し、第2の導体28bは、第2の電極16を第2の接続パッド26bに接続している。同様に、個々の導体28c〜28eは、泡輸送システム18の電極18a〜18cをそれぞれ対応の接続パッド26c〜26eに接続している。導体28a〜28eは、例えば、任意適当な種類の導電性材料で構成できる。例えば、種々の実施形態によれば、導体28a〜28eは、白金を含む。他の実施形態によれば、導体28a〜28eは、クロムを含む。他の実施形態によれば、導体28a〜28eは、チタンを含む。他の実施形態によれば、導体28a〜28eは、金を含む。
図1及び図2に示されている代表的な実施形態の作用を説明すると、第1の電極14をサンプル電解質(又はサンプル組織)に暴露する。pHセンサ10がオフ状態にあるとき(流体スイッチ19を介して)、第1の泡30は、泡輸送システム18の「最も左側」の(図の向きで見て)電極18a上に位置決めされ、第2の泡32は、液体接合部22に当てて位置決めされる。第1の泡30及び第2の泡32の位置決めは、例えば、任意適当な仕方で実現できる。例えば、種々の実施形態によれば、エレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック技術を利用すると、第1の泡30及び第2の泡32をそれぞれの位置に動かすことができる。かかる実施形態の場合、泡輸送システム18の「最も右側」の電極18c及び「中間」電極18bの順次作動を利用することができ、それにより、第1の泡30及び第2の泡32は、pHセンサ10のオフ状態と関連したそれぞれの位置に動く。
第2の泡32は、オフ状態位置では、例えば、第2の電極16及び液体接合部22上にバリヤを形成し、サンプル電解質とフルイディック閉ループチャネル20内の飽和溶液との間の流体/電気(イオン)接続を効果的に阻止し、それにより飽和溶液中への第2の電極16の溶解を減少させ又は阻止すると共に液体接合部22を通じた質量交換を減少させ又は阻止する。第2の泡32が上述のオフ状態位置にあるとき、不混和性相インタフェース(例えば、気‐液又は液‐液不混和性インタフェース)が液体接合部22の細孔の表面内又は表面のところに第2の泡32とサンプル電解質との間に形成される。相相互間、例えば気相と液相との間の界面張力は、フルイディック閉ループチャネル20中へのサンプル電解質の漏れを減少させ又は阻止するよう働く。pHセンサ10をオフ状態に維持することにより、オン状態に常時維持されるセンサと比較して、pHセンサ10の有効寿命が延びる。
pHレベルを測定する場合、pHセンサ10をオン状態に切り替える。オン状態に切り替えるには、第2の泡32をこれが第2の電極16及び液体接合部22上にバリヤを形成することがないよう動かし、それによりサンプル電解質とフルイディック閉ループチャネル20内の飽和溶液との電気的接続を確立させることができる。種々の実施形態によれば、第1の泡30に流体力学的に結合された第2の泡32は、第1の泡30を泡輸送システム18の「最も左側」の電極18aから遠ざけることにより第2の電極16及び液体接合部22から遠ざけられる。
第1の泡30を、任意適当な仕方で泡輸送システム18の「最も左側」の電極18aから遠ざけることができる。例えば、種々の実施形態によれば、エレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック原理を利用して第1の泡30を動かし、それにより第2の泡32を動かす。エレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック装置又はシステムでは、電極のアレイをプログラムして順次作動させることにより泡を輸送する。
かかる実施形態の場合、泡輸送システム18の「最も左側」の電極18aの作動は、第1の泡30を泡輸送システム18の「最も左側」の電極18aから遠ざけて泡輸送システム18の「最も右側」の電極18cに近づけるよう働く。第1の泡30を泡輸送システム18の「最も右側」の電極18cに向かって動かすことにより、第2の泡32は、第2の電極16及び液体接合部22から遠ざかり、それにより第2の電極16及び液体接合部22上のバリヤを除く。バリヤが除かれることにより、サンプル電解質とフルイディック閉ループチャネル20内の飽和溶液との流体/電気(イオン)接続を確立することができる。
上述した仕方で、エネルギー消費量を極めて少なくした状態でオフ状態とオン状態に迅速に切り替えることができる。オフ状態の間、バリヤを第2の電極16及び液体接合部22上に形成し、オン状態の間のみ、第2の電極16及び液体バリヤ22をフルイディック閉ループチャネル20の飽和基準溶液に暴露することにより、第2の電極16の溶解及び液体接合部22を通じた質量交換が減少し又は最小限に抑えられ、それにより、pHセンサ10の有効寿命が延びる。
図1に概略的に示されているように、少なくとも1つの電力源60、例えばバッテリがセンサエレクトロニクス40及び制御エレクトロニクス50と電気的接続関係をなして設けられるのが良い。電源60は、例えば、図1の実施形態では、センサエレクトロニクス40、制御エレクトロニクス50及び泡輸送システム18に電力供給するために使用できる。多くの実施形態では、pHセンサ10は、例えば、外部装置70を介して作動可能であると共に/或いは制御可能であるのが良く、この外部装置70は、例えば制御エレクトロニクス50と通信結合状態にあるトランシーバ52と(例えば、無線又はRF信号を介してワイヤレスで)通信する。制御エレクトロニクス50は、例えば、泡30,32が上述したように動いてpHセンサ10が或る所定の時間サイクルで且つ/或いは外部信号(例えば、pHセンサ10が植え込まれた体の外部に位置する)に応答してpHを測定することができるよう(例えば、1つ又は2つ以上のプログラムされたプロセッサを介して)プログラムされているのが良い。pHセンサ10を作動させ又はイネーブルにすると、センサエレクトロニクス40によりpHの読みが得られる。センサエレクトロニクス40は、制御エレクトロニクス50と通信結合状態にあり、この制御エレクトロニクス50は、泡輸送システム18の制御を行う。測定値がいったん得られると、pHセンサ10をオフ状態にし又は上述したように泡輸送システム18の制御により非動作状態にするのが良い。pHの測定値は、例えば、使用に(例えば、トランシーバ52を介して体外への伝送のために又は例えば治療器具を含む場合もある別の植え込みシステムによる使用のために)供せられるのが良い。
本発明の幾つかの実施形態では、pHセンサは、オン状態とオフ状態との間での切り替わりを行うための単一の泡を有する。例えば、図3は、チャネル120(カバー124とサブストレート112との間に形成されている)内に位置する単一の泡132がフルイディックスイッチ又はコントローラ119として作動するよう第2又は基準電極116及び液体接合部122(pHセンサ10と関連して説明されている)上にバリヤを形成するために用いられている別の代表的な実施形態としてのpHセンサ110を示している。上述したように、液体接合部22を覆うバリヤを形成し又は生じさせることにより、検体溶液(これは、第1又は指示電極114に接触している)とチャネル20内の基準溶液とのイオン性電気的接続が断たれ又は阻止されるオフ状態が作られる。さらに、オフ状態では、泡132は、検体溶液と基準溶液との間の物質移動を減少させ、最小限に抑え又はなくす。オフ状態は更に、基準溶液内における電極116の溶解を減少させる。泡32が電極116を覆うほど十分なサイズのものである場合、電極116と基準溶液との間の溶解(物質移動)を一段と減少させ、最小限に抑え又はなくすことができる。かくして、第2の電極116の溶解及び液体接合部122を介する物質移動は、オン状態の間だけしか相当な程度まで起こらず、それによりpHセンサ110の有効寿命が延びる。
図3の実施形態では、酸素と水素の混合物である気泡32が、互いに比較的近接して(例えば、幾つかの実施形態では、約4μmの範囲内に)位置決めされているアノード142及びカソード144を用いて電気分解により生じる。図3に示されている実施形態では、泡輸送システム118(例えば、エレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリックシステム)がフルイディックチャネル120の頂面上に位置決めされている。泡輸送システム118は、例えば、カバー124の内面上(即ち、フルイディックチャネル120の頂面上)に位置決めされた電極118a〜118eのアレイを有するのが良い。図示の実施形態では、泡132を作るために用いられる電解電極(即ち、アノード142及びカソード144)は、サブストレート112上に配置されている。泡132(又は、例えばpHセンサ10と関連して説明した複数個の泡)を作るためには、例えば、アノード/カソード対、例えばアノード142及びカソード144相互間に約5Vの電位差を加えるのが良い。
フルイディックスイッチ119の動作にあたり、まず最初に、アノード142及びカソード144(フルイディックチャネル120内の最も右側の破線を参照されたい)を用いた電気分解により泡132を発生させる。生じた泡のサイズは、例えば、電位差が加えられる時間の制御により調節されるのが良い。流体スイッチ119をオフ状態にするために、泡輸送システム118により泡132を輸送してこれが液体接合部122を覆うようにし(フルイディックチャネル120内の最も左側の破線を参照されたい)、そして、幾つかの実施形態では、これが基準電極122を覆うようにする。流体スイッチをオン状態にするために、泡輸送システム118により泡132を輸送し、これが液体接合部122と基準電極116をいずれも覆わないようにする。
図4は、チャネル220(カバー224とサブストレート212との間に形成されている)内の単一の泡232がpHセンサ10,110と関連して説明したように第2又は基準電極216及び液体接合部222上にバリヤを形成し、フルイディックスイッチ219として動作するよう用いられる別の代表的な実施形態としてのpHセンサ210を示している。上述したように、液体接合部222を覆うバリヤを形成し又は生じさせることにより、検体溶液(これは、第1又は指示電極214に接触している)とチャネル220内の基準溶液とのイオン性電気的接続が断たれ又は阻止されるオフ状態が作られる。泡232が電極216を覆うほど十分なサイズのものである場合、電極216と基準溶液との間の溶解(物質移動)を一段と減少させ、最小限に抑え又はなくすことができる。
フルイディックスイッチ219の動作にあたり、まず最初に、アノード242及びカソード244(フルイディックチャネル120内の最も右側の破線を参照されたい)を用いた電気分解により泡232を発生させる。上述したように、生じた泡のサイズは、例えば、電位差が加えられる時間の制御により調節されるのが良い。流体スイッチ219をオフ状態にするために、泡232をこれが液体接合部222を覆うサイズで、幾つかの実施形態では、これが基準電極222を覆うサイズで発生させる。次に、フルイディックスイッチをオン状態にするために、アノード242及びカソード244を用いた電気分解プロセスの逆を行うことにより泡232のサイズを減少させ又は泡を完全になくし、これが液体接合部122と基準電極116をいずれも覆うことがないようにする。泡を減少させ又はなくすために、触媒を用いて逆プロセスにおけるエネルギー障壁を低くするのが良い。水素及び酸素の泡を含む泡232の場合、例えば白金(Pt)を触媒として用いるのが良い。多くの実施形態では、アノード242及びカソード244は、例えば触媒材料、例えばPtを含むよう製作されるのが良い。電位をアノード242及びカソード244に加えた場合、泡32が大きくなる。電位を遮断すると、泡232が縮む。変形実施形態では、触媒、例えばPt源をアノード242及びカソード244と別個に設けるのが良い。
フルイディックスイッチ又はコントローラ、例えばフルイディックスイッチ又はコントローラ19,119,219は、例えば、流体を輸送することができるようにする部材(例えば、多孔質ポリマー部材、透過性メンブレン等のような多孔質又は透過性部材)を横切る流体結合、イオン電導及び/又は物質移動を制御することが望ましい他の装置で利用できる。
上述の説明及び添付の図面は、現時点において代表的な実施形態の多くの実施例を記載している。本発明の精神から逸脱しないで又はその範囲を超えないで上述の教示に照らして設計上の種々の改造例、追加例、及び変形例が当業者には明らかであり、本発明の範囲は、上述の説明ではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。特許請求の範囲に記載された本発明の文言上の範囲及びその均等範囲に属するあらゆる変更及び変形は、本発明の範囲に含まれるものである。
〔関連出願の説明〕
本願は、2009年11月19日に出願された米国特許仮出願第61/262,815号の利益を主張する出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その開示内容を本明細書の一部とする。
本願は、2009年11月19日に出願された米国特許仮出願第61/262,815号の利益を主張する出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その開示内容を本明細書の一部とする。
以下の情報は、読者が以下に説明する技術及びかかる技術を利用することができる或る特定の環境についての理解を助けるよう提供されている。本明細書で用いられる用語は、本明細書において別段の明示の指定がなければ、任意特定の狭い解釈に限定されるものではない。本明細書に記載された技術文献は、技術及びその背景の理解を容易にすることができる。本明細書において参照により引用する技術文献の全ての開示内容を本明細書の一部とする。
電位差(ポテンシオメトリック)原理を利用した典型的なpHセンサは、基準電解液と、検体溶液(この検体溶液のpHが測定される)内に浸漬され又はこれと接触状態にある指示電極と、基準電解液中に浸漬された基準電極と、基準電極及び指示電極と電気的接続状態にある測定回路、例えば電位差回路とを含む。電位差回路は、指示電極と基準電極の電位差を測定する。指示電極及び基準電極が浸漬されている電解液相互間のイオン接触により、これら電極相互間の電気的接続が可能である。サンプル又は検体電解液のpH値(これは、サンプル電解液中の水素イオンの濃度に比例する)は、ネルンストの式に従って指示電極のところに生じた電位差と直接的な相関関係にある。
上述の構成では、正確な測定を行う上での重要な条件は、基準電極と基準電解液中に生じた電位差が一定に維持されて電位差回路からの読みが指示電極中の電位差のみ、即ち、電解液中のpHだけを表すようにすることにある。この条件を満たすため、一般的な構成では、基準電極を飽和基準電解液中に浸漬させると共に飽和基準電解液とサンプル又は検体電解液との間に位置決めされた小さな「窓」を設け、それにより飽和基準電解液とサンプル又は検体電解液とのイオン接触及びかくして電気的接続をもたらすようにしている。「窓」は、通常、多孔質材料、例えば多孔質ガラスメンブレン、親水性多孔質ポリマーメンブレン等で作られる。「窓」の多孔性により、飽和基準電解液とサンプル又は検体電解液との間に無視できないほどの物質移動が生じ、それにより両方の電解液の交差汚染が生じる。
かかる汚染に起因して生じる飽和基準電解液の希釈は、これが基準電極の電位差を変化させるので大きな問題となる場合がある。汚染は又、pHセンサの安定性を劣化させると共にpHセンサの寿命を短くする。pHセンサの寸法を減少させているので(例えば、極めて小さな、マイクロレベルの、マイクロスケールの又はそれよりも小さな寸法に)、問題は、飽和基準電解液の体積がサンプル電解液と比較して極めて小さいので深刻化する。例えば、マイクロスケール又はこれよりも小さなpHセンサが人体内に植え込まれて生理学的pH(例えば、心筋pH)を測定するために用いられる用途の場合、飽和基準電解液の体積は、pHが測定される心筋組織の体積と比較して極めて小さい。かかるスケールでは、飽和基準電解液は、マクロスケールガラス管型pHセンサの場合よりも極めて迅速に希釈される。
pHセンサ、例えばマイクロスケールpHセンサの有効寿命に悪影響を及ぼす別の要因は、基準電極の耐久性である。多くの場合、基準電極の導電性材料は、次第に溶解し、飽和基準電解液中に消費される。基準電極の溶解及び消費中の或る時点において、pHセンサの有効寿命が終わる。
一観点では、pHセンサは、密閉フルイディックチャネルと、フルイディックチャネル内に存在する電解液と、フルイディックチャネルの外部に設けられた第1の電極と、フルイディックチャネル内に設けられた第2の電極と、フルイディックチャネルとフルイディックチャネルの外部との間に延びている液体接合部を有している。この液体接合部は、フルイディックチャネル内の電解液とフルイディックチャネルの外部を流体結合させるようになっている。このpHセンサはさらに、液体接合部と作動結合状態にあり、液体接合部がフルイディックチャネル内の電解液とフルイディックチャネルの外部を流体結合させるかどうか(又はどの程度までであるか)を制御するフルイディックスイッチ又はフルイディックコントローラを有する。pHセンサは、例えば、サブストレートと、サブストレートに連結されたカバーとを更に有するのが良く、カバーとサブストレートは、フルイディックチャネルを構成するよう協働する。
フルイディックスイッチは、例えば、フルイディックチャネル内に存在する少なくとも第1の泡を有するのが良い。第1の泡は、例えば、基準電解液中で不混和性の流体を含むのが良い。多くの実施形態では、pHセンサは、第1の泡を第1の泡が液体接合部に接触する第1の位置と第1の泡が液体接合部に接触しない第2の位置との間で輸送する泡輸送システムを更に有する。第1の泡は、例えば、第1の位置では、液体接合部及び第2の電極に接触するのが良く、第2の位置では、液体接合部又は第2の電極に接触しないのが良い。多くの実施形態では、第1の泡は、第1の位置では、液体接合部と電解液との間にバリヤを形成すると共に第2の電極と電解液との間にバリヤを形成する。かかる実施形態では、泡は、第2の位置では、第1の泡が液体接合部と電解液との間にバリヤを形成せず、しかも第2の電極と電解液との間にバリヤを形成しない。泡輸送システムは、例えば、電極のアレイを有するエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック(electrowetting-on-dielectric)を含むのが良い。
多くの実施形態では、pHセンサは、例えば、第1の泡をフルイディックチャネル内に生じさせるようフルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムを有するのが良い。
フルイディックスイッチは、例えば、第1の泡から間隔を置いて位置すると共に基準電解液を介して第1の泡に流体力学的に結合された少なくとも第2の泡を有するのが良い。
多くの実施形態では、pHセンサは、例えば、フルイディックチャネル内に少なくとも1つの泡を発生させ、この泡が液体接合部と接触できるようフルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムと、泡が液体接合部と接触しないよう泡のサイズを減少させるシステムとを更に有するのが良い。泡のサイズを減少させるシステムは、例えば、電極システムに施された触媒を有するのが良い。例えば、泡をこの泡が第1の位置において液体接合部及び第2の電極に接触するよう発生させ、次に、サイズを減少させて泡が液体接合部又は第2の電極に接触しないようにするのが良い。多くの実施形態では、電極システムは、フルイディックチャネル内に少なくとも1つの泡を発生させ、この泡が液体接合部と電解溶液との間にバリヤを形成することができると共に第2の電極と電解液との間にバリヤを形成することができるようになっている。かかる実施形態では、泡のサイズを減少させるシステムは、泡が液体接合部と電解液との間にバリヤを形成せず、しかも第2の電極と電解液との間にバリヤを形成しないよう泡のサイズを減少させる。
pHセンサのサブストレートは、例えば、ガラス又はポリマーを含むのが良い。pHセンサのカバーは、例えば、ガラス又はポリマーを含むのが良い。多くの実施形態では、カバー又はサブストレートは、ポリジメチルシロキサンを含む。第1の電極は、例えば、白金、クロム、チタン又は酸化イリジウムのうちの少なくとも1つを含むのが良い。第2の電極は、例えば、白金、クロム、チタン、銀及び塩化銀のうちの少なくとも1つを含むのが良い。
基準電解液は、例えば、例えば溶液中でイオンに解離する塩のような化合物を含むのが良い。基準電解液は、例えば、塩化カリウム溶液又は塩化銀溶液のうちの少なくとも一方を含むのが良い。液体接合部は、例えば、多孔質ポリマーを含むのが良い。
pHセンサは、例えば、マイクロスケール又はこれよりも小さい(例えば、ナノスケール)pHセンサであるのが良い。多くの実施形態において、pHセンサは、1センチメートル未満の寸法(即ち、高さ、幅及び長さ)を有する。pHセンサは、例えば、体内に植え込み可能であるよう構成されているのが良い。
別の観点では、フルイディックコントローラは、密閉フルイディックチャネルと、フルイディックチャネル内に存在する液体と、フルイディックチャネルの内部とフルイディックチャネルの外部との間に延びる液体接合部と、フルイディックチャネル内に存在する少なくとも第1の泡とを有する。この泡が液体接合部と接触する範囲が、フルイディックチャネル内の液体がフルイディックチャネルの外部と流体結合する範囲を定める。泡(液体中で不混和性であるのが良い)は、例えば、フルイディックチャネル内に位置した流体接合部の部分を包囲するのが良く又は流体接合部とフルイディックチャネル内の液体との間にバリヤを形成するのが良く、それにより、液体とフルイディックチャネルの外部との流体結合が阻止される。
フルイディックコントローラは、例えば、第1の泡を第1の泡が液体接合部に接触する第1の位置と第1の泡が液体接合部に接触しない第2の位置との間で輸送する泡輸送システムを更に有するのがよい。泡輸送システムは、例えば、電極のアレイを有するエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック(electrowetting-on-dielectric)を含むのが良い。フルイディックコントローラは、第1の泡をフルイディックチャネル内に生じさせるようフルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムを更に有するのが良い。
多くの実施形態では、フルイディックコントローラは、フルイディックチャネル内に第1の泡を生じさせて、該第1の泡が液体接合部に接触することができるようフルイディックチャネル内の液体と流体結合状態にある電極システムと、泡が液体接合部に接触しないよう泡のサイズを減少させるシステムとを有する。泡のサイズを減少させるシステムは、例えば、電極システムに施された触媒を有するのが良い。
別の観点では、密閉フルイディックチャネル内の液体とフルイディックチャネルの外部との流体結合を制御する方法であって、フルイディックチャネルは、フルイディックチャネルとフルイディックチャネルの外部との間に延びる液体接合部を有し、液体接合部は、フルイディックチャネルと外部とを流体結合させるようになっている方法は、液体中で流体不混和性の泡を液体接合部と接触関係をなすよう制御可能に位置決めするステップを有する。泡は、例えば、液体をフルイディックチャネルの外部との流体結合状態から外すよう液体接合部と接触状態に位置決めされるのが良い。泡は、例えば、液体をフルイディックチャネルの外部と流体結合状態に置くよう液体接合部との接触状態から外されるのが良い(又は部分的に外されるのが良い)。換言すると、泡は、液体接合部に接触するよう制御可能に又は選択可能に位置決めできる。泡は、例えば、液体をフルイディックチャネルの外部との流体結合状態から実質的に又は完全に外すよう液体接合部と接触状態にあるときに液体接合部と液体との間にバリヤを形成するのが良い。液体がイオン導電性液体であり且つフルイディックチャネルの外部がイオン導電性液体を収容している場合、本発明の方法は、電気的オン/オフスイッチを提供することができる。
本明細書において説明する技術は、その属性及び付随する利点と共に、添付の図面と関連して行われる以下の詳細な説明を考慮すると最も良く理解されよう。なお、添付の図面には、代表的な実施形態が例示として記載されている。
原文明細書及び添付の原文特許請求の範囲において用いられている単数形“a”、“an”及び“the”という単語は、別段の明示の規定がなければ複数を含む。かくして、例えば、“a bubble”という記載は、かかる泡を複数個含むと共に当業者に知られているその均等例を含み、その他同様であり、“the bubble”という記載は、1つ又は2つ以上のかかる泡及び当業者に知られている泡の均等例であり、その他同様である。
図1は、マイクロスケール又はこれよりも小さい(例えば、ナノスケール)寸法に容易に合わせて容易に形成される種々の実施形態としてのpHセンサ10の平面図である。pHセンサと関連して用いられる「マイクロスケール」という用語は、1センチメートル未満の寸法を有するセンサを意味している。多くの実施形態では、pHセンサの寸法は、マイクロ作製技術及び/又はナノ作製技術を受けることができる。多くの実施形態では、基準電解液体積は、20立方ミリメートル以下であった。
図2は、pHセンサ10の断面図(図1に示されているA‐A′に沿ってとった)である。多くの実施形態では、pHセンサ10は、例えば、低侵襲技術を用いて体内(即ち、人間又は動物の体内)へのその植え込みを可能にする寸法及び形態に形成可能である。多くの実施形態では、pHセンサの長さ、幅及び高さは、各々、1センチメートル未満であった。かかるマイクロスケールpHセンサ10は、例えば、サンプル電解質又は電解液、サンプル組織等のpHを測定するよう種々の用途で利用できる。かかる用途としては、マイクロスケールpHセンサ10が心筋組織、脳組織、肝臓組織、腎臓組織、肺組織等のpHを測定するよう利用される医療用途が挙げられる。
代表的な実施形態では、pHセンサ10は、サブストレート12、第1の電極14、第2の電極16、泡を輸送するシステム18、フルイディック閉ループチャネル20、液体接合部22、カバー24、複数個の接続パッド26a〜26e及び複数個の導体28a〜28e(図1参照)を有する。
サブストレート12は、例えば、これが支持する種々の電極及び他の層の作製を受けやすい任意適当な形式の材料を含むのが良い。適当な材料としては、例えば、珪素を主成分とする材料(例えば、シリコン、ガラス等)、珪素を主成分としない材料、ポリマー材料(例えば、ポリジメチルシロキサン又はPDMS)及び他の材料が挙げられる。センサが体内に植え込み可能である場合、材料は、例えば、生体適合性であるのが良い。多くの実施形態では、例えば、サブストレート12は、ガラスサブストレートである。第1の電極14は、指示又は検出電極として機能し、例えば、任意適当な材料で構成できる。一般に、第1の電極14のための材料は、広いpH応答範囲、高い感度、迅速な応答時間、低い潜在的なドリフト、撹拌に対する不敏感性、広い温度動作範囲及び広い動作圧力範囲を示すことが望ましい。
第1の電極14は、例えば、イオン選択性電界効果トランジスタ(ISFET)又は金属酸化物電極を含むのが良い。ISFETは、ソリッドステート集積回路の一部である。ISFETは、迅速な応答時間(1ミリ秒台)を示し、生体内用途において極めて頑丈である。
金属酸化物電極の場合、第1の電極14に用いるのに多数の金属酸化物が適している。金属酸化物は、例えば、サブストレート12に被着され又はサブストレート12上に形成される導電性(例えば、金属製)層上に成膜されるのが良い。金属酸化物膜又は層(例えば、酸化イリジウム)を例えば種々の技術により作ることができ、かかる技術としては、電位サイクリングによる電気化学的酸化、反応性スパッタリング、陽極電着、熱酸化等が挙げられる。多くの実施形態では、第1の電極14は、白金及び酸化イリジウムを含む。かかる実施形態の場合、白金をサブストレート12上に成膜し、酸化イリジウムを白金上に形成し又は成膜するのが良い。他の実施形態によれば、第1の電極14は、クロム及び酸化イリジウムを含む。かかる実施形態の場合、クロムをサブストレート12上に形成し、酸化イリジウムをクロム上に形成するのが良い。他の実施形態によれば、第1の電極14は、チタン及び酸化イリジウムを含む。かかる実施形態の場合、チタンをサブストレート12上に形成し、酸化イリジウムをチタン上に形成するのが良い。第1の電極14は、これがpHを測定すべきサンプル溶液/電解質(例えば、サンプル組織内に存在する)に接触するよう位置決めされる。
第2の電極16は、基準電極として機能し、任意適当な種類の材料で構成できる。望ましくは、基準電極16は、電解液中に一定の又は実質的に一定の電位を維持する。多くの実施形態では、第2の電極16は、白金及び銀を含む。かかる実施形態の場合、白金を例えばサブストレート12上に形成し又はこれに成膜し、銀を白金上に形成し又は成膜するのが良い。他の実施形態によれば、第2の電極16は、白金及び塩化銀を含む。かかる実施形態の場合、白金を例えばサブストレート12上に形成し又は成膜し、塩化銀を白金上に形成し又は成膜するのが良い。他の実施形態によれば、第2の電極16は、クロム及び銀を含む。かかる実施形態の場合、クロムを例えばサブストレート12上に形成し又は成膜し、銀をクロム上に形成するのが良い。他の実施形態によれば、第2の電極16は、クロム及び塩化銀を含む。かかる実施形態の場合、クロムを例えばサブストレート12上に形成し又は成膜し、塩化銀をクロム上に形成するのが良い。他の実施形態によれば、第2の電極16は、チタン及び銀を含む。かかる実施形態の場合、チタンを例えばサブストレート12上に形成し又は成膜し、銀をチタン上に形成するのが良い。他の実施形態によれば、第2の電極16は、チタン及び塩化銀を含む。かかる実施形態の場合、チタンを例えばサブストレート12上に形成し又は成膜し、塩化銀をチタン上に形成し又は成膜するのが良い。第2の電極16は、これがフルイディック閉ループチャネル20内の基準溶液と接触関係をなすよう位置決めされる。
泡輸送システム18及び泡30,32は、フルイディックスイッチ又はコントローラ19として液体接合部22及びフルイディックチャネル20内の基準検体溶液と結合関係をなして動作する。フルイディックスイッチ19は、例えば、pHセンサ10をオン状態又はオフ状態にするよう動作可能である。フルイディックスイッチ19は、流体輸送部材、例えば液体接合部22と基準電解液との間にバリヤを構成するのに適した任意形式のフルイディックスイッチであって良い。多くの実施形態では、フルイディックスイッチ19は、例えば検体溶液と基準溶液とのイオン性電気的接続を断つことによってpHセンサ(又は別のデバイス)をターンオフしたりターンオンしたりするよう動作可能である。フルイディックスイッチ19は又、検体溶液と基準溶液との間の物質移動を減少させ又はなくすよう動作可能である。
多くの実施形態では、以下に詳細に説明するように、泡輸送システム18は、例えば、スイッチング機能を実施するようエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック(electrowetting-on-dielectric)を利用するのが良い。種々の実施形態によれば、泡輸送システム18は、例えば、複数個の電極を含むのが良い。図示の実施形態では、泡輸送システムは、3つの電極18a,18b,18cを含む。泡輸送システム18は、任意適当な種類の材料で構成可能である。種々の実施形態では、泡輸送システム18は、白金、絶縁層(例えば、酸化珪素、パリレン等)及び疎水性の層(例えば、フッ化炭素の疎水性層)を含む。かかる実施形態では、白金を例えばサブストレート12上に形成し又は成膜し、絶縁層及び疎水性層を白金上に形成し又は被着させるのが良い。他の実施形態によれば、泡輸送システム18は、クロム、絶縁層及び疎水性層を含む。かかる実施形態の場合、クロムを例えばサブストレート12上に形成し又は成膜し、絶縁層及び疎水性層をクロム上に形成し又は被着させるのが良い。泡輸送システム18は、これがフルイディック閉ループチャネル20内の基準溶液と直接的な接触関係をなすよう位置決めされる。
図1及び図2の代表的な実施形態では、フルイディックチャネル20は、閉ループチャネル20であり、この閉ループチャネルは、サブストレート12及びカバー24によってひとまとめに構成される。フルイディック閉ループチャネル20は、例えば、任意適当な種類のイオン導電性水溶液を収容するのが良い。例えば、種々の実施形態によれば、フルイディックチャネル20は、飽和塩化カリウム溶液を収容する。他の実施形態によれば、フルイディックチャネル20は、飽和塩化銀溶液を収容する。フルイディックチャネルは、閉ループフルイディックチャネルである必要はない。フルイディックチャネルは、1つ又は2つ以上の泡の運動を可能にし、又は泡を以下に説明するようにチャネル内に生じさせる場合、フルイディックチャネルは、1つ又は2つ以上の泡を所望の体積に合わせて形成することができるよう液体の押し退けを可能にする。
図1に示されているように、多くの実施形態では、フルイディック閉ループチャネル20は、泡輸送システム18を包囲し、このフルイディック閉ループチャネルは、第1の泡30及び第2の泡32を含む。第1の泡30は、飽和基準溶液を介して第2の泡32に流体力学的に結合されている。かくして、第1の泡30を第1の位置から第2の位置に駆動すると、第2の泡32は、第3の位置から第4の位置に動く。第3の位置は、図1及び図2に実線で示されており、第4の位置は、図1及び図2に破線で示されている。したがって、第1の泡30は、「マスタ」泡と考えられ、第2の泡32は、「スレーブ」泡と考えられる。第1の泡30及び第2の泡32は、例えば、基準溶液中において不混和性の任意適当な種類の流体材料であって良い。少なくとも泡32は、例えば、検体溶液中において不混和性であるのが良い。例えば、種々の実施形態によれば、第1の泡30及び第2の泡32は、空気、油、空気以外の気体(例えば、水素、酸素、水素と酸素の混合物等)等を含むのが良い。
本明細書で用いられる「泡」という用語は、或る物質(流体)の別の流体(基準電解液)中における小滴又は体積部を意味している。泡は、例えば、チャネル20内の液体(即ち、飽和基準溶液)中において不混和性である気体又はチャネル20内の液体中において不混和性である液体で形成されるのが良い。
液体接合部22は、サンプル又は検体電解液とフルイディック閉ループチャネル20内に収容された基準溶液(例えば、飽和塩化カリウム)との間に位置決めされ、この液体接合部は、検体電解液とフルイディック閉ループチャネル20内の基準溶液との間にイオン性電気的接続をもたらす。多くの実施形態では、液体接合部22は、流体の輸送を生じさせることができる部材であり、かかる液体接合部は、例えば、多孔質又は透過性材料を含むのが良い。例えば、種々の実施形態によれば、液体接合部22は、親水性多孔質ポリマーを含む。液体接合部22のための多孔質材料は、例えば、1マイクロメートル未満の孔径を有するのが良い。多くの実施形態では、液体接合部22は、フルイディック閉ループチャネル20内の溶液とサンプル電解液との間の物質移動を(例えば、多孔質材料の場合、孔径を制限することによって)制限し又は最小限に抑えるよう設計されている。図2に示されているように、液体接合部22は、図示の実施形態では、サブストレート12とカバー24との間に位置決めされている。
カバー24は、サブストレート12に連結されていて、このカバーは、フルイディック閉ループチャネル20を構成するようサブストレート12と協働する。カバー24は、例えば、任意適当な種類の不透過性材料で構成できる。植え込み型pHセンサ10の場合、カバー24(及び有機体に接触するpHセンサ10の他のコンポーネント)は、例えば、生体適合性であるのが良い。例えば、種々の実施形態によれば、カバー24は、ガラス又はポリジメチルシロキサンを含む。カバー24は、サブストレート12に任意適当な仕方で連結可能である。例えば、種々の実施形態によれば、カバー24は、サブストレート12に接着される。カバー24がガラスであり、サブストレート12がPDMSである幾つかの実施形態では、カバー24は、表面のO2プラズマ処理後にカバー24とサブストレート12を互いに単に押し付けるだけでサブストレート12に容易に結合される。例えば、フルイディックチャネルの幅が比較的広い(例えば、約1mm以上)である場合、接着剤を用いてカバー24をサブストレート12に結合するのが良い。
上述したように、図1及び図2の図示の代表的な実施形態では、複数個の接続要素又はパッド26a〜26eがサブストレート12に接続されており、これら接続要素又はパッドは、任意適当な種類の導体で構成できる。例えば、種々の実施形態によれば、接続パッド26a〜26eは、白金を含む。他の実施形態によれば、接続パッド26a〜26eは、クロムを含む。他の実施形態によれば、接続パッド26a〜26eは、チタンを含む。他の実施形態によれば、接続パッド26a〜26eは、金を含む。接続パッド26aは、導体28aを介して第1の電極14に接続されている。接続パッド26bは、導体28bを介して第2の電極16に接続されている。接続パッド26c,26d,26eは、それぞれ、導体28c,28d,28eを介して泡輸送システム18の電極18a,18b,18cに接続されている。接続パッド26a,26eは、泡輸送システム18の第1の電極14、第2の電極16及び電極18a,18b,18cとpHセンサ10の外部に設けられた1つ又は2つ以上の回路との電気的接続を可能にする。図1に示されているように、第1の電極14及び第2の電極16は、例えば、測定エレクトロニクス又は回路40に接続されるのが良く、かかる測定エレクトロニクス又は回路は、例えば、当該技術分野において知られているように電位差計(ポテンショメータ)回路を含むのが良い。泡輸送システム18の電極18a,18b,18cは、例えば、制御エレクトロニクス又は回路50と電気的接続状態にあるのが良い。
複数個の導体28a〜28eは、例えば、サブストレート12の表面上に形成されるのが良く、これら導体は、第1の電極14、第2の電極16及び電極18a〜18cをそれぞれの接続パッド26a〜26eに接続するよう働く。図1に示されると共に上述したように、第1の導体28aは、第1の電極14を第1の接続パッド26aに接続し、第2の導体28bは、第2の電極16を第2の接続パッド26bに接続している。同様に、個々の導体28c〜28eは、泡輸送システム18の電極18a〜18cをそれぞれ対応の接続パッド26c〜26eに接続している。導体28a〜28eは、例えば、任意適当な種類の導電性材料で構成できる。例えば、種々の実施形態によれば、導体28a〜28eは、白金を含む。他の実施形態によれば、導体28a〜28eは、クロムを含む。他の実施形態によれば、導体28a〜28eは、チタンを含む。他の実施形態によれば、導体28a〜28eは、金を含む。
図1及び図2に示されている代表的な実施形態の作用を説明すると、第1の電極14をサンプル電解質(又はサンプル組織)に暴露する。pHセンサ10がオフ状態にあるとき(流体スイッチ19を介して)、第1の泡30は、泡輸送システム18の「最も左側」の(図の向きで見て)電極18a上に位置決めされ、第2の泡32は、液体接合部22に当てて位置決めされる。第1の泡30及び第2の泡32の位置決めは、例えば、任意適当な仕方で実現できる。例えば、種々の実施形態によれば、エレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック技術を利用すると、第1の泡30及び第2の泡32をそれぞれの位置に動かすことができる。かかる実施形態の場合、泡輸送システム18の「最も右側」の電極18c及び「中間」電極18bの順次作動を利用することができ、それにより、第1の泡30及び第2の泡32は、pHセンサ10のオフ状態と関連したそれぞれの位置に動く。
第2の泡32は、オフ状態位置では、例えば、第2の電極16及び液体接合部22上にバリヤを形成し、サンプル電解質とフルイディック閉ループチャネル20内の飽和溶液との間の流体/電気(イオン)接続を効果的に阻止し、それにより飽和溶液中への第2の電極16の溶解を減少させ又は阻止すると共に液体接合部22を通じた質量交換を減少させ又は阻止する。第2の泡32が上述のオフ状態位置にあるとき、不混和性相インタフェース(例えば、気‐液又は液‐液不混和性インタフェース)が液体接合部22の細孔の表面内又は表面のところに第2の泡32とサンプル電解質との間に形成される。相相互間、例えば気相と液相との間の界面張力は、フルイディック閉ループチャネル20中へのサンプル電解質の漏れを減少させ又は阻止するよう働く。pHセンサ10をオフ状態に維持することにより、オン状態に常時維持されるセンサと比較して、pHセンサ10の有効寿命が延びる。
pHレベルを測定する場合、pHセンサ10をオン状態に切り替える。オン状態に切り替えるには、第2の泡32をこれが第2の電極16及び液体接合部22上にバリヤを形成することがないよう動かし、それによりサンプル電解質とフルイディック閉ループチャネル20内の飽和溶液との電気的接続を確立させることができる。種々の実施形態によれば、第1の泡30に流体力学的に結合された第2の泡32は、第1の泡30を泡輸送システム18の「最も左側」の電極18aから遠ざけることにより第2の電極16及び液体接合部22から遠ざけられる。
第1の泡30を、任意適当な仕方で泡輸送システム18の「最も左側」の電極18aから遠ざけることができる。例えば、種々の実施形態によれば、エレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック原理を利用して第1の泡30を動かし、それにより第2の泡32を動かす。エレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック装置又はシステムでは、電極のアレイをプログラムして順次作動させることにより泡を輸送する。
かかる実施形態の場合、泡輸送システム18の「最も左側」の電極18aの作動は、第1の泡30を泡輸送システム18の「最も左側」の電極18aから遠ざけて泡輸送システム18の「最も右側」の電極18cに近づけるよう働く。第1の泡30を泡輸送システム18の「最も右側」の電極18cに向かって動かすことにより、第2の泡32は、第2の電極16及び液体接合部22から遠ざかり、それにより第2の電極16及び液体接合部22上のバリヤを除く。バリヤが除かれることにより、サンプル電解質とフルイディック閉ループチャネル20内の飽和溶液との流体/電気(イオン)接続を確立することができる。
上述した仕方で、エネルギー消費量を極めて少なくした状態でオフ状態とオン状態に迅速に切り替えることができる。オフ状態の間、バリヤを第2の電極16及び液体接合部22上に形成し、オン状態の間のみ、第2の電極16及び液体接合部22をフルイディック閉ループチャネル20の飽和基準溶液に暴露することにより、第2の電極16の溶解及び液体接合部22を通じた質量交換が減少し又は最小限に抑えられ、それにより、pHセンサ10の有効寿命が延びる。
図1に概略的に示されているように、少なくとも1つの電力源60、例えばバッテリがセンサエレクトロニクス40及び制御エレクトロニクス50と電気的接続関係をなして設けられるのが良い。電源60は、例えば、図1の実施形態では、センサエレクトロニクス40、制御エレクトロニクス50及び泡輸送システム18に電力供給するために使用できる。多くの実施形態では、pHセンサ10は、例えば、外部装置70を介して作動可能であると共に/或いは制御可能であるのが良く、この外部装置70は、例えば制御エレクトロニクス50と通信結合状態にあるトランシーバ52と(例えば、無線又はRF信号を介してワイヤレスで)通信する。制御エレクトロニクス50は、例えば、泡30,32が上述したように動いてpHセンサ10が或る所定の時間サイクルで且つ/或いは外部信号(例えば、pHセンサ10が植え込まれた体の外部に位置する)に応答してpHを測定することができるよう(例えば、1つ又は2つ以上のプログラムされたプロセッサを介して)プログラムされているのが良い。pHセンサ10を作動させ又はイネーブルにすると、センサエレクトロニクス40によりpHの読みが得られる。センサエレクトロニクス40は、制御エレクトロニクス50と通信結合状態にあり、この制御エレクトロニクス50は、泡輸送システム18の制御を行う。測定値がいったん得られると、pHセンサ10をオフ状態にし又は上述したように泡輸送システム18の制御により非動作状態にするのが良い。pHの測定値は、例えば、使用に(例えば、トランシーバ52を介して体外への伝送のために又は例えば治療器具を含む場合もある別の植え込みシステムによる使用のために)供せられるのが良い。
本発明の幾つかの実施形態では、pHセンサは、オン状態とオフ状態との間での切り替わりを行うための単一の泡を有する。例えば、図3は、チャネル120(カバー124とサブストレート112との間に形成されている)内に位置する単一の泡132がフルイディックスイッチ又はコントローラ119として作動するよう第2又は基準電極116及び液体接合部122(pHセンサ10と関連して説明されている)上にバリヤを形成するために用いられている別の代表的な実施形態としてのpHセンサ110を示している。上述したように、液体接合部122を覆うバリヤを形成し又は生じさせることにより、検体溶液(これは、第1又は指示電極114に接触している)とチャネル120内の基準溶液とのイオン性電気的接続が断たれ又は阻止されるオフ状態が作られる。さらに、オフ状態では、泡132は、検体溶液と基準溶液との間の物質移動を減少させ、最小限に抑え又はなくす。オフ状態は更に、基準溶液内における電極116の溶解を減少させる。泡132が電極116を覆うほど十分なサイズのものである場合、電極116と基準溶液との間の溶解(物質移動)を一段と減少させ、最小限に抑え又はなくすことができる。かくして、第2の電極116の溶解及び液体接合部122を介する物質移動は、オン状態の間だけしか相当な程度まで起こらず、それによりpHセンサ110の有効寿命が延びる。
図3の実施形態では、酸素と水素の混合物である気泡132が、互いに比較的近接して(例えば、幾つかの実施形態では、約4μmの範囲内に)位置決めされているアノード142及びカソード144を用いて電気分解により生じる。図3に示されている実施形態では、泡輸送システム118(例えば、エレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリックシステム)がフルイディックチャネル120の頂面上に位置決めされている。泡輸送システム118は、例えば、カバー124の内面上(即ち、フルイディックチャネル120の頂面上)に位置決めされた電極118a〜118eのアレイを有するのが良い。図示の実施形態では、泡132を作るために用いられる電解電極(即ち、アノード142及びカソード144)は、サブストレート112上に配置されている。泡132(又は、例えばpHセンサ10と関連して説明した複数個の泡)を作るためには、例えば、アノード/カソード対、例えばアノード142及びカソード144相互間に約5Vの電位差を加えるのが良い。
フルイディックスイッチ119の動作にあたり、まず最初に、アノード142及びカソード144(フルイディックチャネル120内の最も右側の破線を参照されたい)を用いた電気分解により泡132を発生させる。生じた泡のサイズは、例えば、電位差が加えられる時間の制御により調節されるのが良い。流体スイッチ119をオフ状態にするために、泡輸送システム118により泡132を輸送してこれが液体接合部122を覆うようにし(フルイディックチャネル120内の最も左側の破線を参照されたい)、そして、幾つかの実施形態では、これが基準電極122を覆うようにする。流体スイッチをオン状態にするために、泡輸送システム118により泡132を輸送し、これが液体接合部122と基準電極116をいずれも覆わないようにする。
図4は、チャネル220(カバー224とサブストレート212との間に形成されている)内の単一の泡232がpHセンサ10,110と関連して説明したように第2又は基準電極216及び液体接合部222上にバリヤを形成し、フルイディックスイッチ219として動作するよう用いられる別の代表的な実施形態としてのpHセンサ210を示している。上述したように、液体接合部222を覆うバリヤを形成し又は生じさせることにより、検体溶液(これは、第1又は指示電極214に接触している)とチャネル220内の基準溶液とのイオン性電気的接続が断たれ又は阻止されるオフ状態が作られる。泡232が電極216を覆うほど十分なサイズのものである場合、電極216と基準溶液との間の溶解(物質移動)を一段と減少させ、最小限に抑え又はなくすことができる。
フルイディックスイッチ219の動作にあたり、まず最初に、アノード242及びカソード244(フルイディックチャネル120内の最も右側の破線を参照されたい)を用いた電気分解により泡232を発生させる。上述したように、生じた泡のサイズは、例えば、電位差が加えられる時間の制御により調節されるのが良い。流体スイッチ219をオフ状態にするために、泡232をこれが液体接合部222を覆うサイズで、幾つかの実施形態では、これが基準電極222を覆うサイズで発生させる。次に、フルイディックスイッチをオン状態にするために、アノード242及びカソード244を用いた電気分解プロセスの逆を行うことにより泡232のサイズを減少させ又は泡を完全になくし、これが液体接合部222と基準電極216をいずれも覆うことがないようにする。泡を減少させ又はなくすために、触媒を用いて逆プロセスにおけるエネルギー障壁を低くするのが良い。水素及び酸素の泡を含む泡232の場合、例えば白金(Pt)を触媒として用いるのが良い。多くの実施形態では、アノード242及びカソード244は、例えば触媒材料、例えばPtを含むよう製作されるのが良い。電位をアノード242及びカソード244に加えた場合、泡232が大きくなる。電位を遮断すると、泡232が縮む。変形実施形態では、触媒、例えばPt源をアノード242及びカソード244と別個に設けるのが良い。
フルイディックスイッチ又はコントローラ、例えばフルイディックスイッチ又はコントローラ19,119,219は、例えば、流体を輸送することができるようにする部材(例えば、多孔質ポリマー部材、透過性メンブレン等のような多孔質又は透過性部材)を横切る流体結合、イオン電導及び/又は物質移動を制御することが望ましい他の装置で利用できる。
上述の説明及び添付の図面は、現時点において代表的な実施形態の多くの実施例を記載している。本発明の精神から逸脱しないで又はその範囲を超えないで上述の教示に照らして設計上の種々の改造例、追加例、及び変形例が当業者には明らかであり、本発明の範囲は、上述の説明ではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。特許請求の範囲に記載された本発明の文言上の範囲及びその均等範囲に属するあらゆる変更及び変形は、本発明の範囲に含まれるものである。
Claims (30)
- pHセンサであって、
密閉フルイディックチャネルと、
前記フルイディックチャネル内に存在する電解液と、
前記フルイディックチャネルの外部に設けられた第1の電極と、
前記フルイディックチャネル内に設けられた第2の電極と、
前記フルイディックチャネルと前記フルイディックチャネルの外部との間に延びていて、前記フルイディックチャネル内の前記電解液と前記フルイディックチャネルの外部を流体結合させるようになった液体接合部と、
前記液体接合部と作動結合状態にあり、前記液体接合部が前記フルイディックチャネル内の前記電解液と前記フルイディックチャネルの前記外部を流体結合させるかどうかを制御するフルイディックスイッチとを有する、pHセンサ。 - サブストレートと、
前記サブストレートに連結されたカバーとを更に有し、前記カバーと前記サブストレートは、前記フルイディックチャネルを構成するよう協働する、請求項1記載のpHセンサ。 - 前記フルイディックスイッチは、前記フルイディックチャネル内に存在する少なくとも第1の泡を有する、請求項1記載のpHセンサ。
- 前記第1の泡を前記第1の泡が前記液体接合部に接触する第1の位置と前記第1の泡が前記液体接合部に接触しない第2の位置との間で輸送する泡輸送システムを更に有する、請求項3記載のpHセンサ。
- 前記泡輸送システムは、電極のアレイを有するエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック(electrowetting-on-dielectric)システムを備えた、請求項4記載のpHセンサ。
- 前記第1の泡は、前記第1の位置では、前記液体接合部及び前記第2の電極に接触し、前記第2の位置では、前記液体接合部又は前記第2の電極に接触しない、請求項4記載のpHセンサ。
- 前記第1の泡を前記第1の泡が前記液体接合部と電解液との間にバリヤを形成すると共に前記第2の電極と前記電解液との間にバリヤを形成する第1の位置と、前記第1の泡が前記液体接合部と電解液との間にバリヤを形成せず、しかも前記第2の電極と前記電解液との間にバリヤを形成しない第2の位置との間で輸送する泡輸送システムを更に有する、請求項3記載のpHセンサ。
- 前記第1の泡を前記フルイディックチャネル内に生じさせるよう前記フルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムを更に有する、請求項4記載のpHセンサ。
- 前記フルイディックチャネル内に少なくとも1つの泡を生じさせて、該泡が前記液体接合部に接触することができるよう前記フルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムと、前記泡が前記液体接合部に接触しないよう前記泡のサイズを減少させるシステムとを更に有する、請求項1記載のpHセンサ。
- 前記泡のサイズを減少させる前記システムは、前記電極システムに施された触媒を有する、請求項9記載のpHセンサ。
- 前記泡を該泡が前記第1の位置において前記液体接合部及び前記第2の電極に接触するよう発生させ、次に、サイズを減少させて前記泡が前記液体接合部又は前記第2の電極に接触しないようにする、請求項10記載のpHセンサ。
- 前記フルイディックチャネル内に少なくとも1つの泡を発生させ、該泡が前記液体接合部と電解溶液との間にバリヤを形成することができると共に前記第2の電極と前記電解液との間にバリヤを形成することができるよう前記フルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムと、前記泡が前記液体接合部と電解液との間にバリヤを形成せず、しかも前記第2の電極と前記電解液との間にバリヤを形成しないよう前記泡のサイズを減少させるシステムとを更に有する、請求項1記載のpHセンサ。
- 前記サブストレートは、ガラス又はポリマーを含み、前記カバーは、ガラス又はポリマーを含む、請求項2記載のpHセンサ。
- 前記第1の電極は、白金、クロム、チタン又は酸化イリジウムのうちの少なくとも1つを含む、請求項1記載のpHセンサ。
- 前記第2の電極は、白金、クロム、チタン、銀及び塩化銀のうちの少なくとも1つを含む、請求項1記載のpHセンサ。
- 前記カバーは、ポリジメチルシロキサンを含む、請求項2記載のpHセンサ。
- 前記フルイディックスイッチは、前記第1の泡から間隔を置いて位置すると共に前記基準溶液を介して前記第1の泡に流体力学的に結合された少なくとも第2の泡を有する、請求項4記載のpHセンサ。
- 前記電解液は、塩化カリウム溶液又は塩化銀溶液のうちの少なくとも一方を含む、請求項1記載のpHセンサ。
- 前記第1の泡は、前記電解液中で不混和性の流体を含む、請求項3記載のpHセンサ。
- 前記液体接合部は、多孔質ポリマーを含む、請求項1記載のpHセンサ。
- 前記pHセンサは、体内に植え込み可能であるように構成されている、請求項1記載のpHセンサ。
- 前記pHセンサは、マイクロスケールpHセンサである、請求項1記載のpHセンサ。
- 前記pHセンサは、1センチメートル未満の寸法を有する、請求項1記載のpHセンサ。
- フルイディックコントローラであって、
密閉フルイディックチャネルと、
前記フルイディックチャネル内に存在する液体と、
前記フルイディックチャネルの内部と前記フルイディックチャネルの外部との間に延びる液体接合部と、
前記フルイディックチャネル内に存在する少なくとも第1の泡とを有する、フルイディックコントローラ。 - 前記第1の泡を前記第1の泡が前記液体接合部に接触する第1の位置と前記第1の泡が前記液体接合部に接触しない第2の位置との間で輸送する泡輸送システムを更に有する、請求項24記載のフルイディックコントローラ。
- 前記泡輸送システムは、電極のアレイを有するエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック(electrowetting-on-dielectric)システムを備えた、請求項25記載のフルイディックコントローラ。
- 前記第1の泡を前記フルイディックチャネル内に生じさせるよう前記フルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムを更に有する、請求項25記載のフルイディックコントローラ。
- 前記フルイディックチャネル内に少なくとも1つの泡を生じさせて、該泡が前記液体接合部に接触することができるよう前記フルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムと、前記泡が前記液体接合部に接触しないよう前記泡のサイズを減少させるシステムとを更に有する、請求項24記載のフルイディックコントローラ。
- 前記泡のサイズを減少させる前記システムは、前記電極システムに施された触媒を有する、請求項28記載のフルイディックコントローラ。
- 密閉フルイディックチャネル内の液体と前記フルイディックチャネルの外部との流体結合を制御する方法であって、前記フルイディックチャネルは、前記フルイディックチャネルと前記フルイディックチャネルの外部との間に延びる液体接合部を有し、前記液体接合部は、前記フルイディックチャネルと前記外部とを流体結合させるようになっている、方法において、前記液体中で流体不混和性の泡を前記液体接合部と接触関係をなすよう制御可能に位置決めするステップを有する、方法。
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