JP2015108622A

JP2015108622A - マイクロ流体センサ

Info

Publication number: JP2015108622A
Application number: JP2014233308A
Authority: JP
Inventors: チャンリビン; Libing Zhang
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric SA
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2015-06-11
Also published as: US20150140671A1; DE102014116777A1; CN104655684A; US20170052169A1

Abstract

【課題】高い測定精度を実現するための、薄くて滑らかな電極付着物を備えたマイクロ流体センサを提供する。【解決手段】電気化学的血液テストストリップ等の測定値精度の高いマイクロ流体センサは、毛管作用により被測定流体が流れる複数のチャンネルを備える。１つ又はそれ以上の電極が流路の下方に配置される。流体が電極の上の流路を流れる際に、各電極の間のインピーダンスを測定して、流体特性を求めることができる。測定精度を高くするために、プロセス一貫性の高い印刷プロセスによって、電極付着物の厚さを１０μｍ未満になるように構成でき、これによって電極付着物による流体流れの妨害を低減する。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ流体センサ及びマイクロ流体センサを製造する方法に関する。

マイクロ流体センサは、血液凝固測定、ＤＮＡ分析、ブドウ糖テストなどの電気化学的血液テストストリップとして使用することができる。

マイクロ流体センサは、血液凝固試験又は他の医療目的等の多くの用途で、多くの場合ナノリットルの少量の液体を、分離、検査、及び計量するために用いられている。例えば、米国マサチューセッツ州ウォルサム所在のアリーア社が製造した携帯式ＩＮＲａｔｉｏは、使い捨てセンサストリップを使用して、薬物ワルファリンを摂取する患者の血液凝固時間を測定するようになっている。

多くのマイクロ流体センサは、一対の電極を使用して流体特性を測定することができる。電極間の所定期間にわたるインピーダンスを測定することによって、凝固時間を求めることができる。例えば、米国特許第７,６７４,６１６号「サンプルの特性測定装置及びその方法」には、自動的に収集した血液サンプルを使用した凝固検査装置が開示されている。

正確な測定値を得る能力は、マイクロ流体センサには極めて重大な関心事である。測定精度は、電極の付着物等の多くの異なる要因による影響を受ける場合があり、これは測定インピーダンスに影響を及ぼす可能性がある。

米国特許第７,６７４,６１６号明細書

従って、高い測定精度を実現するための、薄くて滑らかな電極付着物を備えたマイクロ流体センサに対するニーズが存在する。

従って、１つの態様において、本発明は、マイクロ流体センサを提供し、本センサは、カバー層と、基材と該基材の上に形成され１０ミクロン（μｍ）未満の厚さの少なくとも１つの電極とを含む電極層と、流体を受け入れるように構成された少なくとも１つの流路が形成された、カバー層と電極層との間のスペーサ層と、を備える。

好ましくは、少なくとも１つの電極は、送信電極及び受信電極を備える。

好ましくは、送信電極及び受信電極は、送信電極及び受信電極は、送信電極と受信電極との間で、少なくとも１つの流路の流体のインピーダンスを測定するように構成される。

好ましくは、少なくとも１つの電極は、スクリーン印刷を用いて基材の上に形成される。

好ましくは、流路の高さは、５０μｍから１００μｍの間である。

好ましくは、カバー層は、少なくとも１つの流路と界接する複数の貫通孔を備える。

好ましくは、カバー層は、試薬が付着される複数の領域を更に備える。

従って、１つの態様において、本発明は、マイクロ流体センサを組み立てて使用する方法を提供し、本方法は、基材上に導電材料を付着させて１０ミクロン（μｍ）未満の厚さの少なくとも１つの電極を形成する段階と、少なくとも１つの流路が形成されたスペーサ層の第１の表面を、該スペーサ層の少なくとも１つの流路が基材上の少なくとも１つの電極の上を通る状態で、少なくとも１つの電極を有する基板に取り付ける段階と、カバー層をスペーサ層の第２の表面に取り付ける段階と、を含む。

好ましくは、基材の上に導電材料を付着する段階は、導電材料をスクリーン印刷する段階を含む。

好ましくは、基材の上に導電材料を付着する段階は、導電性インクを付着する段階を含む。

好ましくは、基材の上に導電材料を付着する段階は、基材の上に送信電極及び受信電極を形成する段階を含む。

好ましくは、本方法は、流体が送信電極及び受信電極の上を流れることができるように、少なくとも１つの流路に流体を受け入れる段階と、送信電極で所定の周波数及び電圧の交流を受信する段階と、送信電極と受信電極との間のインピーダンスを測定する段階と、を含む。

好ましくは、インピーダンスを測定する段階は、所定期間のインピーダンスを測定する段階を含む。

好ましくは、本方法は、測定したインピーダンスに基づいて流体特性を計算する段階を含む。

好ましくは、スペーサ層の第１の表面を基材に取り付ける段階は、少なくとも１つの流路が５０μｍから１００μｍの間の高さを有するように構成する段階を含む。

好ましくは、カバー層をスペーサ層の第２の表面へ取り付ける段階は、カバー層が、スペーサ層に形成された少なくとも１つの流路と界接する複数の貫通孔を有するように構成する段階を含む。

好ましくは、カバー層をスペーサ層の第２の表面へ取り付ける段階は、カバー層が流路内に配置された少なくとも１つの付着領域を有するように構成する段階と、少なくとも１つの付着領域に少なくとも１つの試薬を付着する段階と、を更に含む。

好ましくは、スペーサ層は、接着剤を使用して基材及びカバー層に取り付けられる。

本発明の好ましい実施形態は、以下に例示的に添付図面を参照して説明する。図面において、２つ以上の図面に現れる同じ構造、要素，又は部品は全て同じ参照番号が付与される。一般に図示の部品の寸法及び特徴は、便宜上、説明を明確化するために選択されており、必ずしも寸法通りではない。図は、以下に記載されている。

本発明の好ましい実施形態によるマイクロ流体センサの分解図である。図１のマイクロ流体センサの流路を示す。従来技術のセンサの厚い電極付着物を有する流路を示す。従来技術のセンサの厚い電極付着物を有する流路を示す。図１のマイクロ流体センサの流路を示す。図１のマイクロ流体センサの流路を示す。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるマイクロ流体センサ１０を示す。センサ１０は、カバー層１２、スペーサ層１４、及び電極層１６を備える。１つ又は複数の流路２４はスペーサ層１４の切り取りによって形成され、それぞれカバー層１２及び電極層１６によって上部及び下部が定められる。作動時、被測定流体（例えば、血液）は、流路２４を通って移動する。

カバー層１２は、流路２４の上部を取り囲む保護フイルム又はカバー（例えば、プラスチックフイルム）を含む。カバー層１２の開口部又は貫通孔１８は、流体を流路２４に付着させるために用いる。随意的に、カバー層１２は、流路２４の端部に隣接して形成された複数の通気孔２０を有し、流体は、センサ１０から流出することができる。一部の用途において、流体特性を測定するには流体を反応させる必要があり、カバー層１２は追加的に試薬、例えば酵素を付着することができ複数の付着領域２２を備えることができる。例えば、一部の用途において、酵素又は化学試薬（例えば、リン脂質）は血液凝固反応の触媒として用いることができるが、異なる用途において、抗凝血の研究を行うために他の試薬（例えば、クエン酸ナトリウム）を用いることができる。付着領域２２は、スペーサ層１４によって定められる反応ゾーン２８と整列するように構成され、付着された酵素及び／又は他の試薬は、流体と反応することができる。

スペーサ層１４は、電極層１６とカバー層１２との間に配置され、事前に切り取られた流路２４を含む。カバー層１２の入口孔１８を通って入口領域２６に付着した流体は、毛管作用によって流路２４に流入する。また、スペーサ層１４は、入口領域２６から離れた流路２４の端部に複数の反応ゾーン２８を含む。反応ゾーン２８は、カバー層１２の付着領域２２及び通気孔２０に界接するように配置でき、付着領域２２の酵素及び／又は他の試薬は流体と反応することができ、反応した流体は、通気孔２０を通ってセンサ１０から流出することができる。一部の実施形態において、酵素は、凝固反応に触媒作用を及ぼすために用いられ、流体（例えば、血液）のインピーダンスに変化が生じる。

図示の実施形態において、スペーサ層１４は、共通の入口領域２６を有する２本の流路２４を定め、それぞれの反応領域２８で途切れるが、チャンネル２４の数は用途、試験方法、及び／又は使用する測定機構に基づいて変更することができる。

スペーサ層１４の厚さは、流路２４の高さを定める。スペーサ層１４の厚さは、５０ミクロン（μｍ）から１００ミクロンの間であることが好ましい。カバー層１２と電極層１６との間にスペーサ層１４を接着するために、スペーサ層１４は、両面接着テープ又は両面を接着剤で被覆したフィルムキャリアで作ることができる。

電極層１６は、絶縁体基材３２上に電極付着物３０を含む。絶縁体基材３２は、ポリエステル、ポリカーボネート、又はポリイミドプラスチックフイルムなどの柔軟性の誘電層とすることができる。基材３２は、流路２４の底面を定め、７５μｍから２５０μｍの間の厚さであることが好ましい。電気化学的分析に用いられる一部の本実施形態において、電極付着物３０用の電極材料は銀／塩化銀を含み、これは非分極特性に起因して使用することができる。塩化銀に対する銀の比率は、９９：１から１：９９までの範囲とすることができる。例えば、市販のＤｕＰｏｎｔ５８７０インクは、銀／塩化銀比率が８０：２０の電極インクである。電極付着物のために他の種類の材料及び組合せを使用することができる。

電極付着物３０は、限定されるものではないが、印刷、被覆、又は噴霧を含む追加プロセスによって絶縁体基材３２に付着させることができる。一部の実施形態において、電極付着物３０は、スクリーン印刷を用いて付着され、液体インクは、開発された回路パターンを有するメッシュによってスクリーニングされて絶縁体基材３２上へ付着する。付着後、熱プロセス（例えば、ＩＲオーブン、コンベヤ付きオーブンなど）を用いてインクを固化する。

好ましくは、電極付着物３０は、２つ又はそれ以上の電極を備える。例えば、図示した実施形態において、電極付着物３０は、送信電極３０１及び受信電極３０２を備える。送信電極３０１は、交流（ＡＣ）信号発生ユニット（図示せず）などの電流源に接続するように構成される。ＡＣ信号は、電極のレドックス反応を防止するためにＤＣ信号の代わりに使用することができるが、これは電極を分極化し信号ドリフトにつながる場合がある。作動時、ＡＣ発生装置は、所定の周波数及び電圧の交流を送信電極３０１に送るように構成されている。一部の実施形態において、交流電流は、１５Ｖ未満で１キロヘルツ（ｋＨｚ）から１００ｋＨｚの間の周波数を有するように構成される。受信電極３０２は、信号を受信する手段（図示せず）に接続するように構成される。送信電極３０１及び受信電極３０２は流路２４の下側を通る。従って、作動時、送信電極３０１と受信電極３０２と間のインピーダンスを測定でき、流路２４を通る流体の特性を計算するために使用する。

図２は、図１のマイクロ流体センサ１０の１つの流路２４を示す。流路２４は、両側をスペーサ層１４、上側をカバー層１２、下側を電極層１６で規定される。流体が入口領域２６と反応ゾーン２８との間の流路２４を通る際に、流体は、送信電極３０１及び受信電極３０２の上を通る。組成、流速、流体厚さ等の流体の特性は、電極３０１と３０２との間のインピーダンスに影響を与える可能せいがある。従って、電極３０１と３０２との間のインピーダンスは、各電極の間の流体の特性（例えば、所定期間の流速、凝固など）を示唆することができる。

反応ゾーン２８内の液量、流路２４を通る流体の流下時間、及び電極３０１と３０２との間の距離は、インピーダンス測定の精度を決定する際の重要な因子である。従って、流路２４を通る流体流を妨げる又は阻止する可能性のある因子は最小にする必要がある。１つの因子は、流体流路２４の高さと比べた電極付着物の厚さである。例えば、既存の血液凝固測定用マイクロ流体センサは、通常、電極付着物の厚さが全流路高さ約８０μｍに比べて１０μｍから２０μｍである。流体が流路を通る際、電極付着物は障壁として作用して流れを妨げ、流体流の速度及び容積に影響を及ぼす可能性があるので、測定したインピーダンスが変わる可能性がある。厚い電極付着物は、流体が各電極を横切って流れる際に流路２４の高さを事実上低くする。

他の因子は、電極付着物の表面粗さである。電極表面が不均一なプロファイルを呈する場合、表面粗さによって電極表面上の流体流れが妨げられる妨害される場合がある。このことは、流体流が低速となり空気トラッピングを生じる可能性のある流路の側壁近くでは特と問題となる。

例えば、図３Ａは、流体の流れ方向に対して直交する平面に沿ったデュポン５８７０インクなどの市販のインクを使用した厚い電極付着物の断面を示し、図３Ｂは流体の流れ方向に対して直交する平面に沿った、電極付着物の表面セクションの走査プロファイルを示す。図から分かるように、電極付着物は流路の相当な領域を占めており、多くの山谷を備えた表面を有する。これは障壁として作用し流体の流れを妨げ、測定されたインピーダンス及び計算された流体特性に影響を及ぼす。

図４Ａは、流体の流れ方向に対して直交する平面に沿った流路２４の断面を示し、電極付着物は１０μｍ未満に形成され、一方、図４Ｂは、流体の流れ方向に対して直交する平面に沿った電極付着物３０の表面セクションの走査プロファイルを示す。これは米国マサチューセッツ州のＰａｒｌｅｘＵＳＡ社から入手可能なＰａｒｌｅｘインクＰＦ０４６などの特定の市販のスクリーン印刷可能な導電性インクを使用すれば実現することができる。具体的な実施形態によれば、電極付着物の厚さは５μｍ以下に形成される。図４Ａに示すように、より薄い電極付着物３０によって、流路２４に流体流のためのより多くの空間が可能になり、流れに対する電極付着物３０の影響を低減することができる。更に、図４Ｂに示すように、電極付着物３０の表面がより滑らかであり、付着物の山と谷との間の変動もより小さく、電極付着物３０による流体流れの何らかの妨害が更に少なくなる。

例示的に、表１はＤｕＰｏｎｔ５８７０インク及びＰａｒｌｅｘＰＦ０４６インクを利用した電極付着物の厚さ及び厚さの変動を示し、マイクロドロップゲージを用いて４０のサンプル点の測定値を集め、各サンプル点で電極付着物の平均厚さを測定した。表１は４０のサンプル点の平均厚さ、最小及び最大厚さを示す。表１から分かるように、ＤｕＰｏｎｔ５８７０インクの場合は厚さ分散が３０％を超えるのに比べて、ＰａｒｌｅｘＰＦ０４６インクを用いたスクリーン印刷を使用すると、１０％未満の電極付着物の平均厚さ変動を実現することができる。

表１

表２は、一対のサンプルに関する電極付着物の山から谷までの最大変動を示し、ＤｕＰｏｎｔ５８７０インク及びＰａｒｌｅｘＰＦ０４６インクを使用した場合の付着物の粗さを特徴付けており、測定値は、ＣｏｎｔｏｕｒＧＴ―Ｘ８光学式表面形状測定器（米国アリゾナ州トゥーソン所在のブルーカー社）を使用して収集した。山から谷までの最大Ｘ−プロファイル変動は、Ｘ方向（流路幅）平面に沿った電極付着物の最大の山と最小の谷との間の厚さの差を測定し、一方、山から谷までの最大Ｙ―プロファイル変動は、Ｙ方向（流体流れ方向と平行の）平面に沿った電極付着物の最大の山と最小の谷との間の距離を測定した。このデータは、ＰＦ０４６インクのより薄い付着物と比較すると、ＤｕＰｏｎｔ５８７０インクのより厚い付着物は非常に粗い表面形態を有することを明示する。

表２

一部の実施形態において、プロトロンビン時間（ＰＴ）試験は、ワルファリン治療中の血液の凝固傾向を決定するために用いられる。ＰＴ試験は、血液又は血漿の組織因子誘発による凝固時間を測定することができ、長期にわたる凝固時間は、外因経路の凝固因子の１つ又はそれ以上に対する阻害剤の存在、又は凝固因子の１つが不足していることを示唆できる。場合によっては、ＰＴ時間は、抗凝固性治療（例えば、クマリン薬物治療）中の患者、又はビタミンＫ欠乏又は肝臓機能不全の患者では長期にわたる場合がある。従って、ＰＴ試験で外因系凝固経路の評価を可能にすることができる。検査時、プロトロンビンなどのＰＴ測定用試薬（例えば、組み換え型又は精製された）は、反応ゾーン２８に対応するカバー層１２上の付着領域２２に付着する。ＰＴの凝固分析は、単独で、又はマイクロ流体センサ１０上の反応ゾーン２８で活性化凝固時間（ＡＣＴ）、活性化部分プロトロンビン時間（ＡＰＴＴ）、トロンビン凝固時間（ＴＣＴ）及び自動溶血性試験（ＡＨＴ）などの他の分析と組み合わせて実施できる。

ＰＴ試験の結果は以下の式に従って国際標準化比（ＩＮＲ）に変換できる。

測定したＰＴ結果をプロットしてＩＮＲ標準と関連付けることができ、小さな変動係数（ＣＶ）の結果は、結果がより正確であることを示唆する。従って、ＣＶ値は、センサ信号の品質及び性能を評価するのに用いることができる。表３は、異なる電極インクを使用したマイクロ流体センサのＩＮＲのＣＶ比率を示す。より薄く、より滑らかな電極付着物はＣＶが小さく、結果的により正確な測定値をもたらし得ることが分かる。
表３

本出願の説明及び特許請求の範囲において、「備える」、「含む」、「含有する」、「有する」の各動詞及びその変形形態は、規定された要素又は特徴の存在を特定するために、包括的な意味で使用され、追加の要素又は特徴の存在を排除するものではない。

本発明の特定の特徴は、明確化するため、別々の実施形態に関連して説明されるが、単一の実施形態の組み合わせでも提示できることを理解されたい。逆に、本発明の様々な特徴は、簡潔さのために、単一の実施形態に関連して説明されるが、別々に又は何らかの適切な部分的組み合わせで提示できる。

前述の実施形態は例示的に提示され、当業者には、特許請求範囲に明示された本発明の範囲を逸脱することなく様々な他の変更態様が明らかなはずである。

12 カバー層
14 スペーサ層
16 電極層
18 貫通孔
20 通気孔
22 付着領域
24 流路
26 入口領域
28 反応ゾーン
30 電極付着物
301 送信電極
302 受信電極
32 絶縁体基材

Claims

マイクロ流体センサであって、
カバー層と、
基材と、該基材の上に形成され、１０ミクロン（μｍ）未満の厚さの少なくとも１つの電極とを含む電極層と、
流体を受け入れるように構成された少なくとも１つの流路が形成された、前記カバー層と前記電極層との間のスペーサ層と、
を備えるマイクロ流体センサ。
前記少なくとも１つの電極は、送信電極及び受信電極を備える、請求項１に記載のマイクロ流体センサ。
前記送信電極及び前記受信電極は、前記送信電極と前記受信電極との間で、前記少なくとも１つの流路の流体のインピーダンスを測定するように構成された、請求項２に記載のマイクロ流体センサ。
前記少なくとも１つの電極は、スクリーン印刷を用いて前記基材の上に形成される、請求項１、２、又は３に記載のマイクロ流体センサ。
前記少なくとも１つの流路の高さは、５０μｍから１００μｍの間である、請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロ流体センサ。
前記カバー層は、前記少なくとも１つの流路と界接する複数の貫通孔を備える、請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロ流体センサ。
前記カバー層は、試薬が付着される複数の領域を更に備える、請求項６に記載のマイクロ流体センサ。
マイクロ流体センサを組み立てて使用する方法であって、
基材上に導電材料を付着させて１０ミクロン（μｍ）未満の厚さの少なくとも１つの電極を形成する段階と、
少なくとも１つの流路が形成されたスペーサ層の第１の表面を、該スペーサ層の前記少なくとも１つの流路が前記基材上の前記少なくとも１つの電極の上を通る状態で、前記少なくとも１つの電極を有する前記基板に取り付ける段階と、
カバー層を前記スペーサ層の第２の表面に取り付ける段階と、
を含む方法。
前記基材の上に前記導電材料を付着する段階は、前記導電材料をスクリーン印刷する段階を含む、請求項８に記載の方法。
前記基材の上に前記導電材料を付着する段階は、導電性インクを付着する段階を含む、請求項８に記載の方法。
前記基材の上に前記導電材料を付着する段階は、前記基材の上に送信電極及び受信電極を形成する段階を含む、請求項８、９、又は１０に記載の方法。
前記流体が前記送信電極及び前記受信電極の上を流れることができるように、前記少なくとも１つの流路に流体を受け入れる段階と、
前記送信電極で所定の周波数及び電圧の交流を受信する段階と、
前記送信電極と前記受信電極との間のインピーダンスを測定する段階と、
を更に含む、請求項１１に記載の方法。
前記インピーダンスを測定する段階は、所定期間のインピーダンスを測定する段階を含む、請求項１２に記載の方法。
前記測定したインピーダンスに基づいて流体特性を計算する段階を更に含む、請求項１２に記載の方法。
前記スペーサ層の前記第１の表面を前記基材に取り付ける段階は、前記少なくとも１つの流路が５０μｍから１００μｍの間の高さを有するように構成する段階を含む、請求項８から１４のいずれか１項に記載の方法。
前記カバー層を前記スペーサ層の前記第２の表面へ取り付ける段階は、前記カバー層が、前記スペーサ層に形成された前記少なくとも１つの流路と界接する複数の貫通孔を有するように構成する段階を含む、請求項８から１５のいずれか１項に記載の方法。
前記カバー層を前記スペーサ層の前記第２の表面へ取り付ける段階は、前記カバー層が前記流路内に配置された少なくとも１つの付着領域を有するように構成する段階と、少なくとも１つの付着領域に少なくとも１つの試薬を付着する段階と、を更に含む、請求項８から１６のいずれか１項に記載の方法。
前記スペーサ層は、接着剤を使用して前記基材及び前記カバー層に取り付けられる、請求項８から１７のいずれか１項に記載の方法。