JP2022534137A - センサ - Google Patents

Abstract

入口と出口と、入口と出口との間に位置付けられた感知チャンバと、感知チャンバに動作可能に接続された感知要素と、を備えるセンサであって、センサが、延伸性材料から形成された第１のファイバを含み、ファイバが、入口と出口との間に延びる第１のチャネルを含み、感知チャンバが、チャネル内に形成されている、センサ。【選択図】図１

Description

本発明は、センサ、特に、限定的ではないが、生体内感知で使用するための電気センサと光学センサとを組み合わせたセンサに関する。

このタイプのセンサは、診断の分野での特定の用途がある。このタイプのセンサは、以下に特定されるような疾患の検出に適しているが、このタイプのセンサが他の用途で使用できることを理解されたい。

このようなセンサは、人間または動物の呼吸器系での用途がある。肺炎、典型的および非典型的な、肺がん、慢性肺疾患（ＣＯＰＤ、肺気腫および慢性気管支炎を含む）、嚢胞性線維症、喘息、結核、気管支拡張症、サルコイドーシス、および他の疾患などの疾患は、このタイプのセンサを使用して診断され得る。

尿路では、尿路がん、膀胱がん、尿管がん、腎臓がん、腎盂腎炎、尿路感染症、および他の疾患が診断され得る。

本発明の第１の態様によれば、入口と出口、入口と出口との間に位置付けられた感知チャンバ、および感知チャンバに動作可能に接続された感知要素、を備えるセンサが提供され、そのセンサは、延伸性材料から形成された第１のファイバを含み、そのファイバは、入口と出口との間に延びる第１のチャネルを含み、その感知チャンバは、チャネル内に形成されている。

本発明により、生体内診断試験を実施することが可能である。

センサは、ファイバを含んでいるため、寸法が非常に小さくなり得、患者の体の適切な部分へのセンサの挿入が容易になる。

センサは、任意の便利な寸法を有し得、本発明のいくつかの実施形態では、センサを形成するファイバは、０．３ｍの長さである。本発明の他の実施形態では、ファイバは、より長くまたはより短くてもよく、本発明のいくつかの実施形態では、ファイバは、約１ｍの長さである。

センサを形成するファイバの直径は約１ｍｍであり得、本発明のいくつかの実施形態では、それはより小さくてもよい。本発明のいくつかの実施形態では、ファイバの直径は、０．２ｍｍである。

さらに、感知チャンバは、それ自体が第１のファイバ内に形成されるチャネル内に形成されるので、感知チャンバは、センサが位置付けられる環境から保護され得る。特に、感知チャンバは、周囲の環境との摩擦接触による損傷から保護され得る。

本発明の実施形態では、センサは、ファイバに密封的に接続されたシールをさらに含む。シールは、例えば、第１のファイバの壁を含み得るか、またはＵＶ硬化接着剤などのポリマーから形成されたシールを含み得る。

シールは、環境から感知チャンバを保護するのを助ける。

第１のチャネルは、マイクロ流体フローチャネルを含み得る。マイクロ流体フローチャネルは、マイクロ流体接続がファイバの長さに沿って行われることを可能にする。第１のチャネルは、任意の便利なまたは望ましい寸法を有し得、本発明のいくつかの実施形態では、第１のチャネルは、０．０５ｍｍ～０．５ｍｍの範囲内の直径を有する。

本発明の実施形態では、第１のチャネルは、マイクロ流体フローチャネルまたは溝を含む。

言い換えれば、第１のチャネルは、チャネル内に本質的に形成され得るか、またはチャネルとは別に形成され得る形状構成を含み、その形状構成は、流体がチャネルを通過するときにマイクロ流体の流れをもたらす。

本発明の実施形態では、第１のチャネルは、感知チャンバ内の第１のチャネルの壁にエッチングされたパターンを含む。これらのパターンを、本明細書ではマイクロ流体パターンと呼ぶ。マイクロ流体パターンは、流体がセンサを通過するときにマイクロ流体の流れを引き起こす。

マイクロ流体パターンは、任意の望ましい寸法を有し得、本発明のいくつかの実施形態では、マイクロ流体パターンは、約０．０５ｍｍの寸法を有する。本発明の他の実施形態では、マイクロ流体パターンは、より小さくてもよく、より大きくてもよく、本発明の一実施形態では、マイクロ流体パターンは、０．００１ｍｍの寸法を有する。

本発明の実施形態では、センサは、センサの出口に動作可能に接続された第１のポンプを含む。

流体をセンサに流すために、第１のポンプを使用し得る。流体は、入口を介してセンサに入り、次に、感知チャンバに動作可能に接続された感知要素によって流体を分析し得るように、感知チャンバを通過し得る。第１のポンプによって、センサが使用されている状況に適するように、感知要素を通過する液体の流量を変え得る。

本発明の実施形態では、第１のポンプは、シリンジポンプを含む。

本発明のいくつかの実施形態では、第１のポンプには、流体を保持するリザーバに動作可能に接続されたリザーバポンプが含まれる。

本発明のそのような実施形態では、ポンプは、リザーバの圧力を調整するように適合されている。

本発明のいくつかの実施形態では、１つ以上のリザーバに動作可能に接続された１つ以上のシリンジポンプおよび／または１つ以上のリザーバポンプが存在し得る。

シリンジポンプを含む本発明の実施形態では、シリンジポンプは、リニアモータに動作可能に接続されたプランジャを含み得る。リニアモータは、プランジャに一定の速度を提供するように適合され得る。

そのような実施形態では、センサ内に一定の流体の流れが存在することになる。シリンジのプランジャがリニアモータによって押されるか、引っ張られるかに応じて、流れは正または負のいずれかになり得る。言い換えれば、本発明のそのような実施形態では、シリンジポンプは、流体をセンサに流入またはセンサから流出させ得る。

リザーバポンプを含む本発明の実施形態では、リザーバポンプは、調整可能なリザーバ内の圧力を制御するように適合され得る。リザーバポンプによって正圧が加えられると、リザーバに収容されている液体がリザーバから流出することになる。一方、リザーバに負圧がかかると、流体はリザーバに流れ込むことになる。

本発明の実施形態では、リザーバおよびリザーバポンプは、流体管によって接続され得る。そのような流体管が１つ以上存在し得る。流体管は、ポリマーまたはガラスから形成され得るが、他の材料を使用することもできる。

本発明の実施形態では、１つ以上の流体管は、センサの入口と出口との間に延びる１つ以上のチャネルに動作可能に接続され得る。

本発明の実施形態では、感知要素は、感知光ファイバの少なくとも一部が感知チャンバによって第１のチャネルに動作可能に接続されるように、センサに沿って延びる感知光ファイバを含む光学センサを含む。

これは、第１のチャネルを通過し、感知要素を通過する流体が、感知光ファイバによって感知され得ることを意味する。

感知光ファイバの少なくとも一部は、感知チャンバ内に露出され得る。これは、第１のチャネルを通過する流体が、感知光ファイバの少なくとも一部も通過することを意味する。

本発明の実施形態では、センサは、複数の感知光ファイバを含み、その感知光ファイバのそれぞれは、各感知光ファイバの少なくとも一部が感知チャンバによって第１のチャネルに動作可能に接続されるように、センサに沿って延びている。

本発明のそのような実施形態では、感知光ファイバのそれぞれの少なくとも一部は、感知チャンバ内に露出され得る。

複数の感知光ファイバを有することにより、当該の診断に関連する完全な分析を得るために、同時に複数の異なる変量を光学的に感知および分析することが可能である。

本発明の実施形態では、感知要素は、電気センサの少なくとも一部が感知チャンバによって第１のチャネルに動作可能に接続されるように、第１のファイバに沿って延びる電気センサを含む。

電気センサは、導電体の形態であり得る。

電気センサが導電体を含む本発明の実施形態では、導電体は、ワイヤの形態であり得る。ワイヤは、感知光ファイバ内に収容され得るか、または任意の感知光ファイバとは別個に得る。

本発明の実施形態では、感知要素は、感知光ファイバおよび電気センサを含む。本発明のいくつかの実施形態では、感知要素は、複数の感知光ファイバおよび／または複数の電気センサを含む。

本発明の実施形態では、センサは、センサに沿って延びる第２のチャネルをさらに含み、この第２のチャネルは、第１のチャネルに動作可能に接続されている。

第２のチャネルは、洗浄チャネルとして使用され得、したがって、センサが使用されていないときに洗浄液がセンサを通過できるようにするための手段として使用され得る。本発明の他の実施形態では、第２のチャネルは、異なる目的を有し得る。本発明のいくつかの実施形態では、第１および第２のチャネルは両方とも、分析する流体をセンサに通過させるために使用される。

第１のチャネルおよび第２のチャネルを含む本発明の実施形態では、センサが感知モードにあるとき、周囲環境からの分析する流体は、入口を介してセンサに入った後、第１のチャネルおよび第２のチャネルの両方を通して引き入れられるかまたは引き込まれ得る。

本発明のそのような実施形態では、センサが洗浄モードにあるとき、洗浄流体は、センサの出口を介して第１のチャネルを通ってフラッシュされ得、またセンサの出口を通って現れる前に、第１のチャネルおよび第２のチャネルの両方を通過し得る。

センサは、第１のチャネルを第２のチャネルに接続するコネクタを含み得る。コネクタは、接続チャネルの形態であり得る。

第２のチャネルを含む本発明の実施形態では、センサは、第２のチャネルに動作可能に接続された第２のポンプをさらに含み得る。本発明のそのような実施形態では、第１のポンプは、第１のチャネルに動作可能に接続され得る。

第２のポンプを含む本発明の実施形態では、第２のポンプは、第１のポンプに関してここでおよび上記で説明したタイプのシリンジポンプまたはリザーバポンプを含み得る。

本発明のそのような実施形態では、第１および第２のポンプは、例えば、センサが動作モードであるか、洗浄モードであるかに応じて、センサを通る流体の適切な流れを作り出すために協働する。

本発明の他の実施形態では、第１のポンプは、第１および第２のチャネルの両方に動作可能に接続され、必要に応じて第１および第２のチャネルの両方を通して流体をポンプで送る働きをする。そのような実施形態では、単一のポンプのみが必要とされる。

本発明の実施形態では、センサは、感知チャンバによって第１のチャネルに動作可能に接続された第３のチャネルを含む。

第３のチャネルは、任意の便利な方法で使用することができ、本発明の実施形態では、第３のチャネルを使用して、センサによって分析される流体と試薬を混合できるようにする。

本発明の実施形態では、センサ要素は、第１のチャネル内に取り外し可能に位置付け可能な第１のプローブ要素を含む。

本発明のそのような実施形態では、感知要素は、第１のファイバとは別個に形成され、第１のファイバから取り外し可能である。

これは、例えば、さまざまなタイプの感知要素を使用する必要がある場合に役立ち得る。次に、第１のプローブ要素は、異なる変量を感知するために、容易に取り外され、異なる第１のプローブ要素と交換され得る。

第１のプローブ要素は、任意の適切な材料から形成され得、例えば、延伸ファイバであり得る。

本発明のそのような実施形態では、第１のプローブ要素は、第１のチャネル内に位置付けられたときに、第１のチャネルとプローブ要素との間にボイドが形成されるように形作られる。本発明のそのような実施形態では、マイクロ流体フローチャネルの一部を形成するマイクロ流体パターンは、第１のプローブ要素と第１のチャネルとの間に形成されたボイドから形成される。

本発明の実施形態では、センサは、第２のチャネル内で取り外し可能に位置付け可能であるように適合された第２のプローブ要素を含む。

本発明の実施形態では、センサは、第１、第２、および第３のチャネルのうちの１つ以上に動作可能に接続された感光性材料を含む。感光性材料は、光で作動するものでも、光に暴露されると膨張する他の材料でもよい。

本発明の実施形態では、感光性材料は、マイクロ流体パターンでパターン化されている。

本発明のいくつかの実施形態では、センサは、センサを感知構成と洗浄構成との間で切り替えるように適合されたスイッチを含む。マイクロ流体フローチャネルが感光性材料を含む本発明の実施形態では、スイッチは、第１のスイッチング光ファイバおよび第２のスイッチング光ファイバを含み得、第１のスイッチング光ファイバは、洗浄チャネルおよび感知要素に動作可能に接続可能であり、第２のスイッチング光ファイバは、排出チャネルおよび感知要素に動作可能に接続されている。

本発明のそのような実施形態では、センサは、センサの端に端部を有し得、その端部は、感光性材料から形成される。

光感受性材料は、国際特許出願第２０１２／１４２２３５号および第２０１７／１２０５９４号に記載されているタイプの熱作動ポリマーなどの光作動材料であり得る。あるいは、感光性材料は、光に暴露されたときに膨張するように適合された他の任意の材料であり得る。

感光性材料は、センサの露出端に合うように適合されており、したがって、センサの断面寸法と同様の寸法を有する。

端部は、マイクロ流体回路でパターン化され得る。マイクロ流体回路は、レーザ、ＦＩＢ、または古典的なミリングによる硬化またはアブレーション中にポリマーを成形することによって作製され得る。

使用中、センサを感知構成に切り替えるために、第１のスイッチング光ファイバに光が当てられ得る。これにより、感光性材料が膨張し、それによって、感知要素から洗浄チャネルへの流路が遮断される。洗浄構成にセンサを切り替える必要がある場合は、第２のスイッチング光ファイバに光が当てられる。これにより、感光性材料が第２のスイッチング光ファイバ上で膨張し、したがって、感知要素と排出チャネルとの間の流路が遮断される。

本発明の実施形態では、センサは、第１のファイバの近位端に接続可能なデータ分析ユニットをさらに含み、感知光ファイバは、感知要素をデータ分析ユニットに動作可能に接続する。

ここで、本発明は、以下の添付図面を参照して、例示としてのみさらに説明される。
本発明の第１の実施形態によるセンサの概略図である。 図１のセンサの断面図である。 本発明の実施形態によるセンサを組み込んだ診断システムの概略図である。 本発明の実施形態によるセンサの近位端の概略図である。 本発明によるセンサの別の実施形態の近位端の概略図である。 本発明の別の実施形態によるセンサの概略図である。 図６のセンサの断面図である。 それぞれ図７に示すＡ－Ａ、Ｂ－Ｂ、Ｃ－Ｃに沿った断面図である。 同上。 同上。 図６のセンサの一部の概略図であり、感知構成のセンサを示している。 洗浄構成で示された図６のセンサの一部の概略図である。 ３つのチャネルを有する本発明の別の実施形態によるセンサの概略図である。 同上。 同上。 図１３～図１５に丁重に示すセンサの感知構成と洗浄構成の概略図である。 同上。 図１３～図１５に示され、マイクロ流体混合物を含むタイプのセンサの一部の概略図である。 ２つのチャネルを含む本発明の別の実施形態によるセンサの概略図である。 図１９のセンサの分解斜視図である。 図１９のセンサの上面図である。 図２０のセンサの先端の斜視図であり、センサの一部を形成する流体入口を示している。 図１９のセンサの概略図であり、感知領域を示している。 本発明の別の実施形態による、光学的に制御されたバルブを有するセンサの先端の詳細な斜視図である。 開位置にある図２４に示すセンサ先端の一部を形成するバルブの概略図である。 閉位置にある図２５のバルブの概略図である。 それぞれ、感知構成洗浄構成における図２８のセンサの上からの概略図である。 同上。 図１１に示す本発明の実施形態を通る流体の流れを示す概略図である。

最初に図１および図６～図１２を参照すると、本発明の実施形態によるセンサは、全体的に参照番号２によって示されている。センサは、特に図７に示されるように、遠位端２０および近位端２２、ならびに入口４および出口６を含むマイクロ流体センサを含む。センサ２はまた、入口４と出口６との間に位置付けられた感知チャンバ８と、感知要素１０とを含む。本発明のこの実施形態では、感知要素は、複数の感知光ファイバ１２および電気ワイヤ１４を含み、これらのそれぞれは、感知チャンバ８内に部分的に露出されている。

センサ２は、延伸性材料から形成されたファイバ１６を含む。センサ２を形成するために、ファイバ１６は、プリフォームから図６に具体的に示される形状で延伸される。

光学センサ１２および／または電気ワイヤ１４は、延伸プロセス中の同時供給によって、または延伸プロセス後にスライドインすることによって、ファイバの内部に置かれる。

電気ワイヤおよび／または光学センサがセンサ２の内部に置かれると、それらワイヤおよび／または光学センサは、感知チャンバを露出させるためにファイバ材料の一部を除去することによって露出され得る。

マイクロ流体パターニングは、レーザパターニング、ＦＩＢパターニング、成形、マイクロミリングなどの任意の便利な方法を使用して達成され得る。他の方法も適切であり得る。

センサ２は、感知光ファイバ１２および電気ワイヤ１４によって、電気的または光学的に変量を感知するように適合されている。感知は、センサ２の表面の機能化によって達成される。

感知要素は、センサ２の長さに沿ってどこにでも位置付けられ得る。例えば、感知チャンバは、センサ２の長さに沿って、および／またはセンサ２の遠位端２０に、どこにでも位置付けられ得る。したがって、本発明によって、測定ユニットと単一のファイバ１６上のすべての流体入力の両方に接続されたマイクロ流体チップを設計することが可能になった。センサ２の入力は、液体サンプリングが生体内で行われることを可能にする。感知は、マイクロ流体チップの形態であるセンサ２の表面の機能化によって感知チャンバ８の内部に組み込まれる。

センサ２は、一定の正圧または負圧を生成するために、近位端２２で調整可能な圧力リザーバ２９００（図２９に示されている）に接続されている。

感知光ファイバ１２および電極１４によって、測定は、電気的および／または光学的に行われ得る。

したがって、本発明によって、センサ２は、生体内化学感知のために使用され得、ファイバ１６の遠位端は、測定が行われる点に位置付けられ得る。

センサ２のすべての構成要素が単一のファイバ１６内にあるので、制御された実験室のような環境が感知プロセスのために達成される。これは、オープンセンサに悪影響を与えることがあるノイズやその他の相互作用を低減または排除するのに役立つ。さらに、感知チャンバ８は、挿入中および測定プロセス全体を通して機械的損傷から保護されている。

本発明により、すべての接続は単一のファイバを介して提供され、したがって、センサ２はコンパクトで堅牢である。

感知チャンバを通過する感知環境は一定で既知であるため、繰り返し可能な測定と計量可能な測定が可能である。

本発明は、所望の形状でその中に形成された固有の電気的、光学的、および流体的チャネルを有する多材料ファイバ１６を含み得る。

センサ２は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）、レーザパターニング、穴あけ、およびミリングなどの任意の便利な方法を使用して作製され得る。このようなプロセスを使用して、非軸上形状構成をファイバに追加し、チャネル接続または複雑なマイクロ流体の形状構成をセンサ２に組み込むことを可能にし得る。センサ２は、流体がセンサ２を通過することを可能にするための流体管１８をさらに含む。

本発明の実施形態によるセンサ２は、広範囲の用途を有するが、医療分野内で特に有用である。

図３を参照すると、図１に示されるタイプのセンサ２を含む医療診断システム３０が概略的に示されている。図示の実施形態では、カテーテル３２は、センサ２を分析器３４に接続する働きをする。カテーテル３２は、インターフェースボックス３６に接続され、センサ２は、カテーテルを通ってファイバインターフェースボックス３６まで延びている。光ファイバ１２、電気ワイヤ１４、および流体管１８は、ファイバインターフェースボックス３６を通過して分析器３４に到達する。分析器３４は、例えば、モニタ３８およびキーボード４０の形態であり得るユーザインターフェース３８、４０を含む。

ユーザインターフェース３８、４０および分析器３４などの構成要素のサイズは、センサ２が置かれている用途に適合するように変化し得る。

図示の実施形態では、センサ２は、患者の口を介して患者の肺に挿入されている。しかしながら、本発明の実施形態によるセンサは、身体の適切な部分で測定を行うために、自然または他の方法で、他の開口部を通して挿入されるように適合され得る。

特に図３から分かるように、ファイバ１６の近位端２２は、ファイバインターフェースボックス３６に接続されており、ファイバ１６の遠位端２０は、患者の体内に適切に位置付けられる。

ここで図４および図５を参照すると、本発明の実施形態によるセンサ２がどのようにファイバインターフェースボックス３６に接続され得るかを図示するために、本発明の２つの実施形態によるセンサの近位端がより詳細に示されている。

最初に図４を参照すると、本発明の実施形態によるセンサ４０２の近位端４２２が示されている。本発明のこの実施形態では、センサ４０２は、第１のチャネル４０４および第２のチャネル４０６を含む。チャネル４０４、４０６は、以下でより詳細に説明される。

ファイバはさらに、電気コネクタ４０８および接続ケーブル４１０を介して電気測定ステーション４１２に接続されている電気ワイヤ１４を含む。

流体管１８は、それぞれシリンジポンプ４１４および４１６に接続されている。

ここで図５に目を向けると、本発明の別の実施形態によるセンサ５０２が示されている。センサ４０２の部分と同様のセンサ５０２の部分には、参照を容易にするために対応する参照番号が与えられている。

本発明のこの実施形態では、センサ５０２は、光ファイバコネクタ５０８を介して光学分光セットアップ５１２に接続された光ファイバ１２を含む。

本発明のいくつかの実施形態では、電気ワイヤ（または電極）１４および光ファイバ１２の両方が、本発明の実施形態によるセンサ内に存在するであろう。そのようなセンサは、所望の形状でその中に形成された固有の電気的、光学的、および流体的チャネルを有する多材料ファイバを含み得る。

ここで図６～図１２および図２９を参照すると、センサ６０２の形態の本発明の実施形態が示されている。本発明のこの実施形態では、センサ６０２は、入口４および２つの出口６を含む。入口４と出口６との間に位置付けられているのは、感知要素１０がその中に露出している感知チャンバ８である。感知要素１０は、電気ワイヤ１４の一部を含む。

センサ６０２はまた、マイクロ流体チャネルを形成する第１のチャネル６０４と、第２のチャネル６０６とを含む。第１および第２のチャネル６０４、６０６は、接続チャネル６０８によって接続されている。センサ６０２は、シール６１０を形成する熱収縮ポリマーから形成されたカバー２３によって密封されている。これにより、集束イオンビームまたはレーザパターニングなどの技術を使用して、センサ６０２の表面を容易に機械加工することが可能となる。

第１のチャネル６０４は、入口４および第１の出口６に動作可能に接続されている。第２のチャネル６０６は、接続チャネル６０８によって第１のチャネル６０４に動作可能に接続され、第２の出口６にも接続されている。図４および図５に示されるタイプの１つ以上のポンプは、チャネル６０４、６０６のそれぞれに動作可能に接続されている。

電極１４を機能化するために、各電極の表面は、５０ｍＭの硫酸で電気化学的に洗浄される。次に、電極を乾燥させ、導電性白金ナノ粒子の層を電極上に堆積させて、電極の表面積を増加させる。

次に、ニトロフェニルオクチルエーテルなどのイオン部位、ｐＨイオノフォア、ナトリウム、カリウム、カルシウムイオノフォアなどの特定の目的の分析物に特異的なイオノフォアを含む、イオン感受性カクテル。

酵素感知の場合、グルタルアルデヒドを使用してウシ血清アルブミンに架橋される目的の分析物に敏感な酵素を使用して、異なるカクテルをドロップキャストする。ポリウレタンなどの生体適合性膜層のいくつかの層は、保護と長寿命の応答を達成するために最後に堆積される。

良好な密封を確実にするために、カバー２３は、熱収縮性ポリマーから作製され得る。本発明のそのような実施形態では、センサ２には、初めに、緩く熱収縮性カバーが取り付けられる。次に、センサが加熱され、カバーがファイバの周囲でしっかりと収縮する。

他の実施形態では、機能化のステップは、センサ２が密封された後に実施され得る。

測定を行うために、周囲環境からの流体は、入口４を介してセンサ６０２に流入させられ、１つ以上のポンプ（図２９に詳細に示されている）によって感知要素１０上で感知チャンバ８を通って引き込まれる。感知構成では、図１１に示されるように、サンプリングされる流体は、図１１の矢印１１０、１１２によって示されるように、第１および第２のチャネル６０４、６０６の両方に沿って流される。

本発明のこの実施形態では、第１のチャネル６０２は、一定の正圧または負圧を生成するために、その近位端で調整可能な圧力リザーバ２９００（図２９）に接続されている。

感知構成では、電極は、センサ６０２を通して引き込まれる液体を分析するために電気化学的測定を実施するために使用される。

感知構成では、図１１に示すように、１つ以上のポンプがチャネル６０４および６０６を通って吸引を行い、図１１に示されるように、分析対象の流体を周囲の環境から入口４を介してかつ第２のチャネル６０４、６０６を通ってセンサ６０２へと引き込む、または吸引する。

負圧を設定することによって、外部液体は、開口部２４からチャネル内を流れ、電極１４を通過する。

対照的に、図１２に示されるように、センサ６０２が洗浄構成にある場合、１つ以上のポンプは、矢印１２０、１２２によって示されるように、チャネル６０６を通って吸引およびチャネル６０４を通ってフラッシングを引き起こす。洗浄溶液は、入口４およびチャネル６０４を介してセンサの中に引き入れられ得、センサを通って引き込まれ、チャネル６０６を通って排出され得る。このようにして生成された流れのために、洗浄液が入口４を介して出るのを防ぐ、チャネル６０４を通って行われるフラッシングに起因して、洗浄溶液が環境に漏れることはない。

洗浄モードでは、リザーバは、チャネル６０４を通ってかつ開口部２４を通って生体内環境に流れる洗浄溶液で満たされ得る。したがって、洗浄液は生理食塩水などの生体適合性のある溶液である必要がある。

リザーバの圧力を正圧に上げることにより、センサを通して洗浄溶液が引き込まれ得る。

センサ６０２内の流れは、図２９にさらに詳細に示されている。

センサ６０２での流れは、リザーバ２９００の圧力を調整する、シリンジポンプ２９０２またはリザーバポンプ２９０４のいずれかによって制御され得る。本発明のいくつかの実施形態では、シリンジポンプ２９０２とリザーバポンプ２９０４が混在し得る。

本発明のこの実施形態では、チャネル６０４、６０６のそれぞれは、シリンジポンプ２９０２またはリザーバ２９００のいずれかに接続されている。

シリンジポンプ２９０２は、プランジャ２９０６を含み、その動きは、リニアモータ（図示せず）によって制御される。リニアモータは、プランジャに一定の速度を提供し、プランジャはシリンジポンプ２９０２の外側に一定の流体の流れを引き起こす。流れは、プランジャ２９０６がリニアモータによって押し込まれるかまたは引っ張られるかに応じて、正または負のいずれかになり得る。

リザーバポンプ２９０４は、密封されているリザーバ２９００内の空気の圧力を制御する。圧力は、リザーバ２９００内の流体に作用して、流体の流れを引き起こす。ポンプ２９０４によって正圧が加えられると、流体は、リザーバ２９００からセンサ６０２に向かって流れ出る。

リザーバポンプ２９０４によって負圧が加えられると、流体は、センサ６０２からリザーバ２９００に流れる。

リザーバ２９００およびシリンジポンプ２９０２は、それぞれ流体管２９０８および２９１０によってセンサ６０２に接続されている。管２９０８、２９１０は、ポリマーまたはガラスなどの任意の適切な材料から作製され得るが、他の材料もまた適切であり得る。管２９０８、２９１０は、それぞれチャネル６０４、６０６に接続されている。リザーバ２９００、シリンジポンプ２９０２、センサ６０２の間の流体の効率的な流れを確実にするために、それぞれの流体管２９０８、２９１０、およびチャネル６０４、６０６の間にシールが形成される。

図２９に示される実施形態では、流体は、入口４を介してセンサ６０２に入り、次いで、チャネル６０４、６０６を介して、リザーバ２９０４およびシリンジポンプ２９０２に向かって流れる。

センサ６０２は、電気化学的感知機構として使用され得る。

電解質および生体分子などの異なる標的の電気化学的検出は、センサ６０２を使用することによって１つのプラットフォーム上で実現することができる。センサ６０２の一部を形成するマイクロ流体は、電極の表面での流体のより良い制御を確実にする。

動作の原理は、電位またはインジケータ電極がゼロ電流条件下で参照電極に対して測定されるセットアップを含む。固体イオン選択性電極は、目的のイオンの難溶性塩に基づいている。膜電位の変化は、分析物の濃度に比例する。

生体分子検出の場合、インジケータ電極には酵素層と外側保護層があり、動作範囲が制限される。電流出力の変化の検出は、目的の分析物の濃度に比例する。

電気化学的検出の別の重要な方法は、電極表面への抗体の固定化によるものであり、これは、固定化されたタンパク質の量およびタンパク質の電流信号に影響を与える。マイクロ流体ベースの電気化学的感知は、非常に感度が高く、迅速で、特定の検出方法である。時間の経過に伴う電流出力の変化は、分析物の濃度に比例する。本発明の一実施形態では、センサは、抗体、受容体タンパク質、生体模倣材料、またはシグナルトランスデューサにインターフェースで接続されたＤＮＡなどの生物学的認識要素を含む親和性バイオセンサとして使用され得、測定された信号は、分析物の濃度に関連する。電気化学的検出は、信号を読み取るためのより安価な手段を提供する。電気化学的レポータと電解質が正しく選択されている場合、電気信号は、時間の経過とともに安定しており、光学的検出と比較して干渉が少なくなり得る。

ここで図１３～図１８を参照すると、本発明の別の実施形態が示されている。この実施形態は、３つのチャネル１４０４、１４０６、および１４０８を含むセンサ１４０２を含む。センサ１４０２は、図６～図１２に示される実施形態を参照して上記で説明されたものと同様の方法を使用して形成される。チャネル１４０４、１４０６、および１４０８のそれぞれは、熱収縮ポリマーによって密封されている。センサ１４０２は、任意の便利な手段によって、例えば、先端１４０１で液体ポリマー液滴を与えることによって密封される、センサ先端部分１４０１をさらに含む。ポリマーは、ポリマーの選択に応じて毛細管力によってマイクロ流体チャネルに自然に適合し、時間、熱、またはＵＶ暴露で硬化（固化）され得る。

熱収縮ポリマーとセンサの先端でのポリマーとが与えられると、熱収縮ポリマーが貫通されて開口１４２０を形成する。これにより、外部環境からマイクロ流体への入力が可能になる。

第１のチャネル１４０４は、その中に、マイクロ流体フロー構造１４１０と、それを通って延びる感知要素１４１４を含む感知チャンバ１４１２とを形成している。チャネル１４０４は、図６～図１２を参照して上記で説明したチャネル６０４と同様である。センサ１４０２は、複数の感知光ファイバ１４１２を含み、その一部は、感知要素１４１４として機能するように感知チャンバ１４１２内に露出されている。感知チャンバ１４１２はまた、導電体もまた感知要素１４１４の一部を形成するために使用され得るように、電極１４１６を含み得る。

チャネル１４０４、１４０６、１４０８のそれぞれは、コネクタ１４０５を介して互いに動作可能に接続されている。チャネル１４０８は、排出チャネルとして機能し、チャネル１４０６は試薬チャネルとして機能する。

チャネル１４０４および１４０６は、一定の正圧または負圧を生成するために、調整可能な圧力リザーバ（図２９）に接続されている。コネクタ１４０５は、チャネル１４０８に接続されており、このチャネルは、加圧リザーバにも接続されている。

チャネル１４０８がセンサ１４０２を取り巻く液体と混合する液体で満たされるように、加圧されたリザーバは、チャネル１４０８に接続する。混合液体は、例えば、感知環境が、特定の生体要素に固定され、かつ電極１４１２によって検出され得る血液および／またはタンパク質を含む状況において、マイクロ流体センサの遮断を防ぐための抗凝固剤であり得る。

混合流をセンサ１４０２の感知領域１４０８に向けるために、リザーバの負圧がチャネル１４０４に接続された入力に設定される。

次に、電気化学的感知は、電極１４１２によって行われ得る。

図１６に示されるような感知構成では、分析する流体は、入口１４０２を介してセンサに引き込まれる。このように引き込まれた流体サンプルは、矢印１６０によって示される経路でセンサを通過し、添加剤がサンプルと混合され得る混合領域を通過し、次にチャネル１４０４に沿って通り、感知領域１４１２を通り、チャネル１４０４の端にある出口１５０を介して出る。

経路１６０、１６２は比較的長い。これにより、チャネルを満たしている流体サンプルが完全に混合されることを確実にする。センサ１４０２は、その中の流体の非乱流を確実にし、したがって、拡散プロセスを介して混合が行われることを可能にするために、長い経路が必要とされる。

拡散混合プロセスを改善するために、経路１６０のより回旋状の形状を他の実施形態で使用することができる。

流体のサンプルの一部は、矢印１６４によって示されるように、排出チャネル１４０６を介して出て行き得る。

感知構成では、試薬または他の添加剤は、チャネル１４０８の端にある入口を介して１４０２でセンサに入り得る。次に、試薬は、ポンプによってセンサを通って引き入れられ、分析するサンプルと混合されて、流体サンプルに関して上記で説明されたように矢印１６０、１６２によって特定される同じ経路に沿ってセンサを通過し得る。

したがって、チャネル１４０８は、サンプルが試験される前に、例えば、添加剤をサンプルと混合するために使用され得る。

図１７に示されるような洗浄構成では、感知チャネル１４０４はまた、センサがサンプルを測定するために使用されていないときに、洗浄溶液がセンサ１４０２を通過することを可能にするために使用され得る。洗浄構成では、洗浄溶液は、ポンプ（図示せず）によってセンサ１４０２に引き込まれ、矢印１６６の方向にセンサ１４０２を通過することになる。

これは、調整可能な圧力リザーバによって負圧を設定することで達成され得る。

ここで図１８に目を向けると、白血球および循環腫瘍細胞からの赤血球および血小板の分離に適した本発明の実施形態が示されている。この実施形態のセンサは、全体的に、参照番号１８０２によって示されている。この実施形態は、センサ１８０２が３つのチャネル１８０４、１８０６、および１８０８を含むという点で、図１３～図１７に示される実施形態と同様である。チャネル１８０４は、洗浄チャネルであり、チャネル１８０６は、緩衝チャネルである。

センサ１８０２は、前の実施形態を参照して上記で説明した方法を使用して形成される。具体的には、センサ１８０２は、４つの電極または光ファイバを含むファイバを引き込むことによって形成され、それにより、これらの電極または光ファイバはチャネル１８０４、１８０６、１８０８のうちの１つの下に位置付けられる。

集束イオンビーム（ＦＩＢ）を使用してファイバを開き、ウィンドウを形成して、チャネルのうちの１つ内の適切な位置に電極を位置付ける。

次に、チャネルの端をＵＶ硬化性レジストで密封し得る。

次に、電極および／または光ファイバを機能化することができる。

本発明のこの実施形態では、チャネルは、熱収縮ポリマーを使用することによって外部環境から隔離されている。

ここで図１９～図２３を参照すると、本発明の別の実施形態によるセンサ２００２が概略的に示されている。

センサ２００２は、分析する流体の一定の流れで動作するように適合されており、センサ２００２を通過する流体を連続的に感知することができる。

センサ２００２は、側方感知光ファイバ２００４、および先端感知光ファイバ２００６を含む。先端感知光ファイバ２００６は、適切な長さに切断されたマルチモード光ファイバから形成されている。長さは、口腔、鼻腔、脳、開放切開などの浅い領域で使用する場合は１０～１５ｃｍであり得、肺、腸、肝臓、胃などの深い領域で使用する場合は、３０ｃｍ～１ｍであり得る。

次に、ファイバを取り巻くポリマー保護ジャケットを、ファイバストリッパを使用して取り除き得る。次に、光ファイバの端の先端を、ファイバクリーバを使用して劈開し得る。

次に、ファイバを、３Ｄプリントされたファイバホルダ内に配置し、クランプする。直接レーザ書き込み、またはフェムト秒近赤外レーザによるファイバの先端の微細構造のフォトレジストの２光子重合（２ＰＰ）を行う。そのステップの後、プロピレングリコールメチルエーテルアセテートなどの現像液中での出現による重合微細構造の成長を行う。

次に、微細構造を、金属堆積技術によって、金や銀などの貴金属の約１００ｎｍの薄層で金属化する。適切な技術には、電子ビーム蒸着、熱蒸着、スパッタリングなどが含まれる。

これらのステップが実施された後、ファイバは、図２０に示すセンサ２００６として機能する準備が整う。

側方感知光ファイバ２００４は、ファイバが３Ｄプリンタファイバホルダ内に置かれてクランプされ得る点まで、同様のステップを使用して形成される。

この時点で、約１～２ｃｍの長さを有する光ファイバのクラッドの長さを取り除いて、ファイバのコアを露出させる。クラッドは、コアの周囲の全体、または一方向にのみ取り除かれ得る。クラッドは、フッ化アンモニウムまたはフッ化水素酸などを使用する化学エッチングなどの任意の適切な技術を使用して、または機械的研磨もしくはミリング技術によって取り除かれ得る。

次に、露出したコアのセクションは、金、銀、プラチナ、および銅を含むがこれらに限定されない、金属の層または異なる金属の複数の層でコーティングされる。

金を使用する場合、金の層とファイバとの適切な接着を容易にするために、金を蒸着する前に、約５ｎｍの厚さのクロムの初期層をファイバのコアに蒸着させ得る。

これらのステップに従うことにより、センサ２００４が形成される。

本発明のこの実施形態では、先端感知光ファイバ２００６は、表面増強ラマン分光法感知（ＳＥＲＳ）を実施するために使用され、一方、側方感知光ファイバ２００４は、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）感知を実行するように適合される。

ＳＰＲ光学感知は、局所屈折率の変化に基づいている。これは、特定の要素を検出するために、このように感知するように適合されたファイバが化学的に機能化されなければならないことを意味する。

一方、ＳＥＲＳ感知は、特定の要素を識別するためにデータベースと照合できる特性スペクトルを測定する。これは、ＳＥＲＳを機能化せずに使用できることを意味する。ただし、細菌、細胞、またはタンパク質などの特定の要素に対する測定の感度を高めるために、機能化を実行することもできる。

ファイバを機能化させるために、感知領域の最上部の金属層は、金属コーティング領域をこれらの材料の溶液／懸濁液に曝露することによって目的の分析物を感知することを目的とする化学的、生化学的、またはナノ粒子部分でコーティングされる。化学的感知の部分には、クラウンエーテル、カリックスアレーン、その他の合成イオノフォア、色素などが含まれるが、これらに限定されない。生物学的感知の生化学的部分には、抗体、抗原、タンパク質、生物学的イオノフォアなどが含まれるが、これらに限定されない。ナノ粒子は、ＬＳＰＲ（局所表面プラズモン共鳴）感知を促進し、これらのナノ粒子は、金、銀などであり得る。さらに、これらのナノ粒子は、感知のために化学的または生化学的部分で機能化される。感知を可能にする化学物質および／または生化学物質の溶液／懸濁液は、標準的な化学技術を使用して、光ファイバの１つ以上の金属コーティングされた領域を機能化するために使用される。次に、溶媒または水または生物学的緩衝液による洗浄／水洗ステップが、標準的な化学的技術を使用して達成され、機能化された感知領域／ナノ粒子領域が分析物感知用に準備されることを確実にする。

この機能化ステップは、メインファイバでのアセンブリの前だけでなく、ファイバのマイクロ流体接続を使用してコーティング溶液とリンス溶液を提供することにより、以下のステップ６の後に行うこともできる。

センサ２００２は、以下に記載されるステップを使用して組み立てられ得る。
１．マイクロチャネル＋サポートファイバを引く（２０１０）
２．センサファイバをチャネルに配置する（２００８）。チャネルは、ファイバよりも大きく設計されているため、チャネルとファイバとの間にマイクロ流体の運河を可能にする間隔が維持される
３．熱収縮チューブ２０１５への２００４、２００６、および２０１０のアセンブリの挿入
４．流体送達のための望ましい開口部を有するマイクロ機械加工または３Ｄプリントされたキャップ２０２０でアセンブリのヘッドを閉じる
５．熱収縮チューブ２０１５を熱収縮させる
６．このアセンブリは、図１９の構成要素２００２になる。

ファイバ２００４および２００６は一緒になって、センサ２００２の感知要素の一部を形成する。光ファイバ２００４および２００６は、センサ２００２の本体部分２０１０に形成されたチャネル２００８内に適合するように形作られる。

チャネル２００８の形状に対するファイバ２００４および２００６の形状は、ファイバ２００４および２００６がチャネル２００８内に位置付けられるとき、マイクロ流体チャネルが、ファイバ２００４、２００６とそれぞれのチャネル２００８との間に存在するギャップによって各チャネル２００８内に形成される。チャネル２００８は、マイクロ流体チャネル溝が形成されるファイバ２０１２内に形成される。これらのマイクロ流体チャネル溝は、センサ２００２の感知チャンバを形成する。

図示の実施形態では、チャネル２００８が、本体部分２０１０の下端２０１４に向かって深くなるように設計されている場合。これにより、ファイバ２００６は、マイクロ流体チャネルを形成する溝壁から離れて保持されることになる。

先端感知光ファイバ２００６については、以下に説明するように感知チャンバが形成される。

本発明のこの実施形態では、センサは、ファイバ２００４、２００６のそれぞれと係合可能なキャップ２２０をさらに含む。ファイバ２００４と２００６の両方のための流体入口は、キャップ２０２０に形成されている。センサの外側からの流体の流れが感知領域を通過することを確実にするために、軸上のおよび側方の開口部がファイバ上に設計されている。適切な吸入流量を確保するために、軸上のおよび側方の開口部の直径は調整され得る。開口部が小さいほど、流量が少なくなる。

センサの近位端でシリンジまたは圧力ポンプを使用することにより、一定の流体の流れが達成される。一定の流れは、センサ２００２を通って負圧を作り出すことによって達成される。これにより、周囲環境から入口を通って流れ、先端感知領域と側方感知領域にそれぞれ通過する流体の一定の流れが生じる。

ここで図２４～図２８を参照すると、本発明の別の実施形態によるセンサ２４０２が示されている。

センサ２４０２は、ポリマーファイバ２４０４から形成され、チャネル（この場合は５つのチャネル）２４０６、２４０８、２４１０、２４１２および２４１４で形成される。ファイバ２４１６は、チャネル２４１４内に置かれる。本発明のこの実施形態では、ファイバは、先端で感知するように準備されており、したがって、図１９～図２３に示され、上記で説明されたプローブ２００６と同様である。ファイバ２４１８および２４２０は、それぞれチャネル２４１０および２４１２に適合されている。

ファイバをそれぞれのチャネル内の所定の位置に維持し、漏れを防ぐために、接着剤を使用して、それぞれのファイバとそれが保持されているチャネルとの間の空間を埋める。端部２４２２は、熱作動性ポリマーなどの光作動性材料、またはそれが光に暴露されると膨張する他の任意の材料から形成される。端部２４２２は、センサ２４０２の端面２４２４に合うように切断される。

端部２４２２は、前の実施形態に関して上記で説明したマイクロ流体パターンと同様のマイクロ流体パターンでパターン化される。これにより、マイクロ流体チャネル２４２４が形成される。

この実施形態では、マイクロ流体パターンは、硬化中に端部２４２２を形成するポリマーを成形することによって、またはレーザ、ＦＩＢ、もしくは古典的なミリングによるアブレーションによって形成される。

端部２４２２は、接着剤を使用するなどの任意の便利な手段によってセンサ２４０２に適合され得る。

チャネル２４０６は、試験する液体をセンサ２４０２に引き付けるために、真空力を絶えず生成するために、押し下げポンプ（図示せず）に接続される。チャネル２４０８は、周囲圧力で洗浄液に接続される。

ここで図２５を参照すると、チャネル２４１２に適合されたファイバ２４２０を通って光は照射されない。これは、ポリマー端部２４２２が図２５に示される形状を維持することを意味する。これは次に、液体がチャネル２４１４を通過し得ることを意味する。

ここで図２６に目を向けると、光は、チャネル２４１２内の光ファイバ２４２０を通って照射される。これは、ファイバ２４１６の先端２４２４に近い領域で端部２４２２を形成するポリマーの膨張をもたらす。この膨張により、ポリマーが端部２４２２を形成してチャネル空間を満たし、それによってチャネル２４１４を遮断することになる。この状況では、流体はチャネル２４１４を通過することができない。

感知中、ファイバ２４２０を介して向けられた光はオフに切り替えられる。これにより、マイクロ流体チップ２４３０の外側と端部２４２２との間にチャネルが作成される。これにより、センサ２４０２を取り巻く液体は、開口部２４３４を介してセンサに入り、次に、図２７に示されるように、センサ２４０２の端部２４２２に作成された感知領域を通過することが可能になる。

洗浄ステップ中、光は最初にファイバ２４２０に向けられて、感知領域と周囲環境との間の接続を閉じる。

この時点で、ファイバ２４１８に向けられた光は、排出チャネルとして機能するチャネル２４０６とチャネル２４０８との間のアクセスを開くために停止される。これにより、図２８に示すように、洗浄液がチャネル２４０６に引き込まれ、次に感知領域を通過する。

感知プロセスが完了すると、次に、洗浄液の流れを停止するために、光がファイバ２４１８に向けられる。

Claims (22)

1. 入口と出口と、前記入口と前記出口との間に位置付けられた感知チャンバと、前記感知チャンバに動作可能に接続された感知要素と、を備えるセンサであって、前記センサが、延伸性材料から形成された第１のファイバを含み、前記ファイバが、前記入口と前記出口との間に延びる第１のチャネルを含み、前記感知チャンバが、前記チャネル内に形成されている、センサ。
2. 前記第１のファイバに密封的に接続されたシールをさらに備える、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記第１のチャネルが、マイクロ流体フローチャネルを含む、請求項１または２に記載のセンサ。
4. 前記第１のチャネルが、前記感知チャンバ内の前記第１のチャネルの壁にエッチングされたパターンを含む、請求項３に記載のセンサ。
5. 前記出口に動作可能に接続された第１のポンプをさらに備える、先行請求項のいずれか一項に記載のセンサ。
6. 前記第１のポンプが、シリンジポンプを含む、請求項５に記載のセンサ。
7. 前記第１のポンプが、流体を保持するリザーバに動作可能に接続されたリザーバポンプを含む、請求項５または６に記載のセンサ。
8. 前記感知要素が、感知光ファイバの少なくとも一部が前記感知チャンバによって前記第１のチャネルに動作可能に接続されるように、前記センサに沿って延びる前記感知光ファイバを含む、光センサを備える、先行請求項のいずれか一項に記載のセンサ。
9. 複数の感知光ファイバであって、各感知光ファイバの少なくとも一部が前記感知チャンバによって前記第１のチャネルに動作可能に接続されるように、各感知光ファイバが前記センサに沿って延びる、複数の感知光ファイバを備える、先行請求項のいずれか一項に記載のセンサ。
10. 電気センサであって、前記電気センサの少なくとも一部が前記感知チャンバによって前記第１のチャネルに動作可能に接続されるように、前記第１のファイバに沿って延びる、電気センサを備える、先行請求項のいずれか一項に記載のセンサ。
11. 第２のチャネルであって、前記センサに沿って延び、前記第１のチャネルに動作可能に接続されている、第２のチャネルをさらに備える、先行請求項のいずれか一項に記載のセンサ。
12. 前記第２のチャネルに動作可能に接続された第２のポンプをさらに備える、請求項１１に記載のセンサ。
13. 前記第１のポンプが前記第１のチャネルに動作可能に接続されている、請求項１２に記載のセンサ。
14. 前記感知チャンバによって前記第１のチャネルに動作可能に接続された第３のチャネルをさらに備える、先行請求項のいずれか一項に記載のセンサ。
15. さらに、前記感知要素が、前記第１のチャネル内に取り外し可能に位置付けられた第１のプローブ要素を含む、先行請求項のいずれか一項に記載のセンサ。
16. 前記第２のチャネル内で取り外し可能に位置付けられるように適合された第２の延伸ファイバを含む、先行請求項のいずれか一項に記載のセンサ。
17. 前記センサが、前記第１、第２、および第３のチャネルのうちの１つ以上に動作可能に接続された感光性材料を含む、先行請求項のいずれか一項に記載のセンサ。
18. 前記感光性材料が、マイクロ流体パターンでパターン化されている、請求項１７に記載のセンサ。
19. 前記センサを感知構成と洗浄構成との間で切り替えるように適合されたスイッチを含む、先行請求項のいずれか一項に記載のセンサ。
20. 第１のスイッチング光ファイバおよび第２のスイッチング光ファイバを含むスイッチであって、前記第１のスイッチング光ファイバが、洗浄チャネルおよび前記感知要素に動作可能に接続可能であり、前記第２のスイッチング光ファイバが、排出チャネルおよび感知要素に動作可能に接続されている、スイッチを備える、請求項１７～１９のいずれか一項に記載のセンサ。
21. 前記センサが、前記感光性材料から形成された端部を含む、請求項１７～２０のいずれか一項に記載のセンサ。
22. 前記第１のファイバの近位端に接続されたデータ分析ユニットを備え、前記感知光ファイバが、前記感知要素を前記データ分析ユニットに動作可能に接続する、先行請求項のいずれか一項に記載のセンサ。

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