JP2020511673A - バイオ物質分析用電極装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオ物質分析用電極装置の提供。【解決手段】板状の基板に、離隔されて配列された複数の電極が具備され、電極のうち少なくとも一つと電気的に連結されるように、基板に形成されたバイオ物質投入部を具備した電極部と、一面が開放され、電極部を収容する電極収容部を具備したハウジングと、ハウジングに固定された印刷回路基板と、印刷回路基板の一端部に形成され、分析装置に電気的に着脱自在に結合されるコネクタ部と、コネクタ部に電気的に連結され、一端部が印刷回路基板に固定され、他端部が電極部に加圧接触されるように形成された電気伝導性がある物質によって形成され、複数の電極に対応するように配置された連結ピラーと、印刷回路基板の上面と下面とを貫通するように形成され、電極部と連通される投入孔と、を含むことを特徴とするバイオ物質分析用電極装置である。【選択図】図１

Description

本発明は、バイオ物質を分析する装置に着脱自在に結合され、バイオ物質が投入される電極装置に関する。

現代医学と生物学との発展により、ヒト遺伝子情報を正確であって細密に知ることができる。それにより、疾病と関係あるＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質などについての情報がだんだんとさらに多く明らかにされている。

癌のような疾病を早期に診断するために、疾病の初期段階において、疾病と係わる極少量のタンパク質やＤＮＡのようなバイオ物質を、患者の血液や体液から敏感に検出する必要がある。

電子工学と遺伝子工学との発展により、バイオ物質検出に、電子技術が融合される傾向が強くなっている。一般的に、バイオ物質の検出は、バイオチップに、微量のバイオ物質を収容し、光学的な方式や電気化学的方式で、そのバイオ物質に係わる情報を得る。そのようなバイオ物質検出のためのバイオチップに係わる技術の一例が、特許文献１に開示されている。

従来の光学的な方式は、バイオ物質に光源を照射した後、そのバイオ物質から発生する蛍光を分析する。そのような光学的方式は、蛍光分析のために、基準になるバイオ物質のラベリングが必要であるので手間がかかり、分析コストの高いという問題点がある。

一方、特許文献１に開示されているような電気化学的方式は、バイオ物質に電子工学技術を利用した直接デジタル合成（direct digital systhesis）と、トランスインピーダンス増幅器（trans impedance amplifier）を利用したロックイン検出技術（lock-in detection technique）とによって生成された電気信号をバイオ物質に通過させて得た信号を分析することにより、バイオ物質に係わる情報を得ている。

ところで、特許文献１に開示された従来のバイオチップは、ガラス基板に、バイオ物質を反応させるための反応部と、その反応部に電気的に連結されたコネクタが、金または銅のような物質がガラス基板にメッキされた形態で構成されている。該ガラス基板にメッキされた金または銅は、付着力が弱い。従って、バイオチップの反復的な使用により、コネクタが容易に損傷されるという問題点がある。特に、バイオチップのコネクタは、分析のための電子装置のソケットに結合される過程において、物理的に大きい摩擦力を受けることになるので、さらに早く摩耗されるという問題点がある。

韓国登録特許第１２１８９８７号公報

本発明の目的は、前述の問題点を解消するために案出されたものであり、バイオ物質の分析のための電極装置の構造を改善することにより、反復的な使用時、耐久性が顕著に向上したバイオ物質分析用電極装置を提供するところにある。

前記目的を達成するために、本発明の一実施形態によるバイオ物質分析用電極装置は、板状の基板に、離隔されて配列された複数の電極が具備され、前記電極のうち少なくとも一つと電気的に連結されるように、前記基板に形成されたバイオ物質投入部を具備した電極部と、
一面が開放され、前記電極部を収容する電極収容部を具備したハウジングと、
前記ハウジングに固定された印刷回路基板と、
前記印刷回路基板の一端部に形成され、分析装置に電気的に着脱自在に結合されるコネクタ部と、
前記コネクタ部に電気的に連結され、一端部が前記印刷回路基板に固定され、他端部が前記電極部に加圧接触されるように形成された電気伝導性がある物質によって形成され、前記複数の電極に対応するように配置された連結ピラーと、
前記印刷回路基板の上面と下面とを貫通するように形成され、前記電極部と連通される投入孔と、を含む点に特徴がある。

本発明によるバイオ物質分析用電極装置は、バイオ物質が投入される電極部と、分析装置に反復的に着脱されるコネクタ部との構成を分離することにより、前記コネクタ部の耐久性を強化して向上させ、電極装置の寿命を顕著に向上させるという効果を提供する。また、本発明によるバイオ物質分析用電極装置は、電極部の交換を可能に構成することにより、電極部のみを経済的なコストで製造して交換することができるので、電極装置の製造コストが節減されるという効果を提供する。また、本発明によるバイオ物質分析用電極装置は、印刷回路基板に投入孔を具備することにより、電極部に対するバイオ物質の投入及び除去が容易であり、電極部の再使用が可能であるという長所がある。

本発明の望ましい実施形態によるバイオ物質分析用電極装置の斜視図である。 図１に図示された電極装置の分離斜視図である。 図１に図示されたＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図２に図示された電極部の構造を詳細に示す図面である。 図２に図示されたハウジングの構造を詳細に示す図面である。 図２に図示された連結ピラーの配置構造を詳細に示す図面である。 図１に図示された電極装置がＳＤカードスロットに結合される状態を示す図面である。

以下、本発明による望ましい実施形態について、添付された図面を参照しながら、詳細に説明する。

図１は、本発明の望ましい実施形態によるバイオ物質分析用電極装置の斜視図である。図２は、図１に図示された電極装置の分離斜視図である。図３は、図１に図示されたＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図４は、図２に図示された電極部の構造を詳細に示す図面である。図５は、図２に図示されたハウジングの構造を詳細に示す図面である。図６は、図２に図示された連結ピラーの配置構造を詳細に示す図面である。図７は、図１に図示された電極装置がＳＤカードスロットに結合される状態を示す図面である。

図１ないし図７を参照しながら、本発明の望ましい実施形態によるバイオ物質分析用電極装置１０（以下、「電極装置」とする）は、電気化学的方式によるバイオ物質の分析装置に、着脱自在に結合されるように構成された一種のバイオセンサである。

前記電極装置１０は、電極部２０と、ハウジング３０と、印刷回路基板４０と、コネクタ部５０と、連結ピラー６０と、投入孔４４とを具備する。

前記電極部２０は、板状の基板によって構成される。前記電極部２０は、複数の電極を具備する。複数の電極２２は、互いに離隔されて配列される。本実施形態において、複数の電極２２は、環状に配置される。

本実施形態において、前記電極部２０は、正方形基板によって構成される。前記電極部２０は、前記基板の各縁に沿って、２個の電極が配置される。従って、本実施形態において、前記電極２２は、８個が具備される。

前記電極部２０は、バイオ物質投入部２４を具備する。前記バイオ物質投入部２４は、前記電極のうち少なくとも一つと電気的に連結されるように配置される。本実施形態において、前記バイオ物質投入部２４は、前記基板の中心に配置される。前記バイオ物質投入部２４は、前記基板の中心から一側に偏心された位置にも配置される。前記バイオ物質投入部２４は、ＤＮＡのようなバイオ物質が、マイクロリットル（ｕｌ）単位の微量で投入される部位である。前記バイオ物質投入部２４に投入されるバイオ物質は、後述するコネクタ部５０を介して入力される電気パルス信号と反応し、出力パルスを生成する。前記コネクタ部５０に入力される電気パルス信号は、ＮＩ−ＤＡＱのような汎用デジタル信号変換装置と、直接デジタル信号合成装置（direct digital synthesis device）であるＡＤ９８３７のような汎用信号処理モジュールを介して生成されたアナログ電圧パルス信号である。

前記バイオ物質投入部２４を通過した電気パルス信号は、電流パルス信号に生成され、別途に形成された公知された信号処理素子であるトランスインピーダンス増幅器（trans impedance amplifier）で電圧信号に変換され、ＮＩ−ＤＡＱを介して、デジタル信号に変換される。ＮＩ−ＤＡＱでデジタル信号に変換されたデジタル値は、公知の数学計算プログラムであるＭＡＴＬＡＢを介して、ユーザが活用することができる数値データや映像データにも加工される。

前記ハウジング３０は、前記電極部２０を収容して固定する部材である。

前記ハウジング３０は、一面が開放された電極収容部３２を具備する。前記電極収容部３２には、前記電極部２０が嵌め込まれて収容される。前記ハウジング３０は、電気的に不導体である合成樹脂によっても製造される。前記ハウジング３０は、器具挿入部３４を具備する。前記器具挿入部３４は、前記電極収容部３２に隣接するように形成される。前記器具挿入部３４は、前記電極収容部３２に収容された電極部２０の分離時、器具が挿入されるように空間を形成したものである。本実施形態において、前記電極収容部３２は、正方形状の凹状溝部によって構成される。また、前記器具挿入部３４は、前記電極収容部３２の各頂点部位にそれぞれ形成される。前記ハウジング３０は、後述する印刷回路基板４０との結合のために、複数の結合溝３６が具備される。前記結合溝３６の内周面には、雌ねじ部が形成される。本実施形態において、前記結合溝３６は、４ヵ所が具備される。

前記印刷回路基板４０は、前記ハウジング３０に固定される。前記印刷回路基板４０は、一方向に長く形成された板状の部材である。前記印刷回路基板４０は、電気的に不導体である本体の一面に、回路導線部４２が形成された部材である。前記回路導線部４２は、メッキとエッチングとの工程組み合わせによっても形成される。前記印刷回路基板４０は、締結ボルト３８が前記印刷回路基板４０を貫通し、前記ハウジング３０に形成された前記結合溝３６に螺合されるものであり、前記ハウジング３０と堅固に固定される。

前記コネクタ部５０は、前記印刷回路基板４０の一端部に形成される。前記コネクタ部５０は、前記回路導線部４２と電気的に連結される。前記コネクタ部５０は、前記印刷回路基板４０の本体表面に、銅または金のように電気伝導性にすぐれる金属物質をメッキして形成する。前記コネクタ部５０が、印刷回路基板４０に一体に形成される場合、従来のガラス基板にコネクタ部が形成される構造に比べ、耐久性が顕著に向上する。前記コネクタ部５０は、別途のバイオ物質分析装置に、電気的に着脱自在に結合される。前記コネクタ部５０は、ＳＤカードスロットと互換されるように構成することが望ましい。一般的には、ＳＤカードスロットは、電子機器に広く使用されているインターフェース構造であるので、部品の供給が容易であり、廉価であるという長所がある。

前記連結ピラー６０は、前記コネクタ部５０に電気的に連結される。前記連結ピラー６０の一端部は、前記印刷回路基板４０に固定される。前記連結ピラー６０の他端部は、前記電極部２０に加圧接触されるように形成される。さらに具体的には、前記連結ピラー６０は、前記電極部２０に形成された電極２２に加圧されるように配置される。前記連結ピラー６０は、電気伝導性がある物質によって形成される。例えば、前記連結ピラー６０は、銅、アルミニウム、金、銀などによっても製造される。前記連結ピラー６０は、複数の前記電極２２に対応するように配置される。本実施形態において、前記連結ピラー６０は、前記電極２２の配置に対応するように、環状に配置される。前記連結ピラー６０は、固定部６２と可動部６４とを含む。

前記固定部６２は、前記回路導線部４２と電気的に連結される。また、前記固定部６２は、前記印刷回路基板４０に機械的に固定される。前記固定部６２は、カンチレバー形態に、前記印刷回路基板４０から前記電極部２０に向けて突出される。

前記可動部６４は、前記固定部６２にスライディング自在に結合される。前記可動部６４は、前記固定部６２から、前記電極２２に向けて弾性加圧されるように結合される。前記固定部６２と前記可動部６４は、例えば、コイルスプリングのような弾性部材６６を媒介にも結合される。前記可動部６４は、前記コネクタ部５０と前記電極部２０との電気的な連結が常時良好に維持されるようにする役割を行う。また、前記可動部６４は、前記連結ピラー６０を製作する過程で発生する公差を吸収することにより、電極装置１０の組み立て品質を優秀に維持することができる作用効果を提供する。

前記投入孔４４は、前記印刷回路基板４０の上面と下面とを貫通するように形成される。前記投入孔４４は、前記電極部２０と連通される。さらに具体的には、前記投入孔４４は、前記バイオ物質投入部２４と連通される。ユーザは、前記投入孔４４を介して、微量のバイオ物質を、前記電極部２０に投入するか、あるいはその電極部２０に投入されたバイオ物質を除去することができる。バイオ物質の投入は、ピペットのような道具を使用することができる。該バイオ物質の除去は、綿棒のような道具を使用することができる。

以下では、前述のような構成要素を含んだバイオ物質分析用電極装置１０の使用方法について、例で挙げて説明しながら、本発明の作用効果について詳細に説明する。

ＤＮＡの濃度は、一定周波数値を有した電気パルス信号により、印加によって発生するインピーダンスと密接な相関関係があると知られている。図１を参照し、ＤＮＡのようなバイオ物質を電極装置に投入する場合について説明する。

ピペットにより、微細な液状のバイオ物質を電極装置に投入する場合、前記投入孔４４を介して、前記バイオ物質投入部２４に、微量のバイオ物質を投入する。そして、前記コネクタ部５０を分析装置に結合する。前記コネクタ部５０は、ＳＤカードスロットと互換性を有するので、ＳＤカードスロットを具備した分析装置に容易に結合することができる。そして、公知された電気信号処理処置であるＮＩ−ＤＡＱと、デジタル信号合成装置であるＡＤ９８３７とを介して、特定の周波数値を有したアナログ電圧信号を、前記コネクタ部５０に印加する。前記コネクタ部５０に印加されたアナログパルス電圧信号は、前記回路導線部４２と前記連結ピラー６０とを介して、前記電極部２０に伝達される。前記電極部２０に伝達されたアナログパルス電圧信号は、前記バイオ物質投入部２４に投入されたバイオ物質を通過しながら、インピーダンス（抵抗）により、入力パルスと異なるパルス信号を発する。前記バイオ物質投入部２４で発生した出力パルスは、前記連結ピラー６０と前記回路導線部４２とを介して、前記コネクタ部５０にフィードバックされる。前記コネクタ部５０を介して出力される電気パルス信号は、分析装置内に具備されたトランスインピーダンス増幅器を通過しながら、電流パルス信号が電圧パルス信号に変換される。前記トランスインピーダンス増幅器で出力された電圧パルス信号は、アナログ信号として、公知された信号処理装置であるＮＩ−ＤＡＱに入力された後、ＭＡＴＬＡＢのような数学計算プログラムを利用し、ユーザが容易に理解することができる数値または映像データに加工される。

そのような過程において、前記電極装置１０は、分析装置に電気的に連結されるコネクタ部５０が、バイオ物質が投入される電極部２０と物理的に分離されるように構成される。それにより、前記電極装置１０が、反復的に分析装置と結合されたり分離されたりすることにより、前記コネクタ部５０には、摩擦力が反復的に発生する。ところで、前記コネクタ部５０は、合成樹脂からなる印刷回路基板４０の一端部に形成されるので、ガラス基板の表面にコネクタ部を形成する従来の電極装置構造に比べ、耐久性を顕著に高めることができる。すなわち、合成樹脂表面にコネクタ部を形成することは、ガラス基板にコネクタ部を形成することより、さらに高い強度と強い接着力とを有する。それにより、電極装置１０の反復的な使用時、耐久性が従来の電極装置に比べ、向上するという効果がある。

また、本発明の電極装置１０は、分析装置と反復的に接触していない電極部のみを交換自在に構成するので、電極部２０の製造コストが高価ではないという長所がある。また、電極部２０のみを交換すれば、半永久的に電極装置１０を使用することができるという点において従来の構造に比べて有利である。

そのように、本発明によるバイオ物質分析用電極装置は、バイオ物質が投入される電極部と、分析装置に反復的に着脱されるコネクタ部との構成を分離することにより、前記コネクタ部の耐久性を強化させて向上させ、電極装置の寿命を顕著に向上させるという効果を提供する。また、本発明によるバイオ物質分析用電極装置は、電極部の交換を自在に構成することにより、電極部のみを経済的なコストで製造して交換することができるので、電極装置の製造コストが節減されるという効果を提供する。また、本発明によるバイオ物質分析用電極装置は、印刷回路基板に投入孔を具備することにより、電極部に対するバイオ物質の投入及び除去が容易であり、電極部の再使用が可能であるという長所がある。

以上、望ましい実施形態を挙げ、本発明について説明したが、本発明は、そのような例によって限定されるものではなく、本発明の技術的思想を外れない範疇内で、多様な形態の実施形態が具体化されるであろう。

前記目的を達成するために、本発明の一実施形態によるバイオ物質分析用電極装置は、
板状の基板に、離隔されて配列された複数の電極が具備され、前記電極のうち少なくとも一つと電気的に連結されるように、前記基板に形成されたバイオ物質投入部を具備した電極部と、
一面が開放され、前記電極部を収容する電極収容部を具備したハウジングと、
前記ハウジングに固定された印刷回路基板と、
前記印刷回路基板の一端部に形成され、分析装置に電気的に着脱自在に結合されるコネクタ部と、
前記コネクタ部に電気的に連結され、一端部が前記印刷回路基板に固定され、他端部が前記電極部に加圧接触されるように形成された電気伝導性がある物質によって形成され、前記複数の電極に対応するように配置された連結ピラーと、
前記印刷回路基板の上面と下面とを貫通するように形成され、前記電極部と連通される投入孔と、を含む点に特徴がある。

前記電極は、環状に離隔されて配列され、前記バイオ物質投入部は、前記基板の中心に形成され、
前記連結ピラーは、前記複数の電極に対応するように環状に配置されることが望ましい。

前記連結ピラーは、前記印刷回路基板に固定された固定部と、
前記固定部にスライディング自在に結合され、前記固定部から前記電極に向けて弾性加圧される可動部と、を含むことが望ましい。

前記電極収容部に隣接するように形成され、前記電極収容部に収容された電極部の分離時、器具が挿入される器具挿入部を具備することが望ましい。

前記コネクタ部は、ＳＤカードスロットと互換されるように構成されることが望ましい。

前記電極部は、正方形基板によって構成され、前記基板の各縁に沿って、２個の電極が配置されることが望ましい。

Claims (6)

1. 板状の基板に、離隔されて配列された複数の電極が具備され、前記電極のうち少なくとも一つと電気的に連結されるように、前記基板に形成されたバイオ物質投入部を具備した電極部と、
   一面が開放され、前記電極部を収容する電極収容部を具備したハウジングと、
   前記ハウジングに固定された印刷回路基板と、
   前記印刷回路基板の一端部に形成され、分析装置に電気的に着脱自在に結合されるコネクタ部と、
   前記コネクタ部に電気的に連結され、一端部が前記印刷回路基板に固定され、他端部が前記電極部に加圧接触されるように形成された電気伝導性がある物質によって形成され、前記複数の電極に対応するように配置された連結ピラーと、
   前記印刷回路基板の上面と下面とを貫通するように形成され、前記電極部と連通される投入孔と、を含むことを特徴とするバイオ物質分析用電極装置。
2. 前記電極は、環状に離隔されて配列され、前記バイオ物質投入部は、前記基板の中心に形成され、
   前記連結ピラーは、前記複数の電極に対応するように環状に配置されることを特徴とする請求項１に記載のバイオ物質分析用電極装置。
3. 前記連結ピラーは、前記印刷回路基板に固定された固定部と、
   前記固定部にスライディング自在に結合され、前記固定部から前記電極に向けて弾性加圧される可動部と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のバイオ物質分析用電極装置。
4. 前記電極収容部に隣接するように形成され、前記電極収容部に収容された電極部の分離時、器具が挿入される器具挿入部を具備することを特徴とする請求項１に記載のバイオ物質分析用電極装置。
5. 前記コネクタ部は、ＳＤカードスロットと互換されるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のバイオ物質分析用電極装置。
6. 前記電極部は、正方形基板で構成され、前記基板の各縁に沿って、２個の電極が配置されることを特徴とする請求項１に記載のバイオ物質分析用電極装置。

Images