JP4004473B2 - 回路構成、電気化学センサ、センサ構成、およびセンサ電極を介して電気信号を処理する方法 - Google Patents
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Description
DNAプローブ分子206とDNA鎖208のハイブリダイズは、DNAプローブ分子の配列および対応するDNA鎖208の配列それぞれが互いに相補的である場合にのみ生じる。そうでない場合、ハイブリダイズは生じない。従って、所定の配列を有するDNAプローブ分子は、特定の、すなわち、それぞれ相補的な配列を有するDNA鎖と結合、すなわち、このDNA鎖としかハイブリダイズできず、その結果、センサ200の選択度が高くなる。
[1] Hintsche,R.、Paeschke,M.、Uhlig,A.、Seitz、R.による「Microbiosensors using Electrodes made in Si−technology」(1997年)Frontiers in Biosensorics、Fundamental Aspects、Scheller,FW.、Schubert,F.、Fedrowitz,J.(ees.)、Birkhauser Verlag Basle、Switzerland、267〜283ページ。 [2]Van Gerwen,P.による「Nanoscaled Interdigitated Electrode Arrays for Biochemical Sensors」(1997年)IEEE、International Conference on Solid−State Sensors and Actuators、June 16〜19 1997年、Chicago、907〜910ページ。 [3]Paeschke,M.、Dietrich,F.、Uhlig,A.、Hintsche,R.による「Voltammetric Multichannel Measurements Using Silicon Fabricated Microelectode Arrays」(1996年)、Electroanalysis、Vol.7、No.1、1〜8ページ。 [4]Uster,M.、Loeliger,T.、Guggenbuehl,W.、Jaeckel,H.による「Integrating ADC Using a Single Transistor asIntegrator and Amplifier for Very Low(lfA Minimum)Input Currents」(1996年)Advanced A/D and D/A Conversion Techniques and their Applications、Conference at the University of Strathclyde(Great Britain)July 27〜28、1999年、Conference Publication No.466、86〜89ページ、IEE。
ΔQ=∫Idt (1)
第1のキャパシタとセンサ電極との間の電流の流れIに基づいて、時間tにわたって積算された、第1のキャパシタに印加された電圧ΔUは、関係
ΔQ=CΔU (2)
に従って変化する。
等式(4)が等式(3)に代入され、積分の値が計算された場合、第1の時点t1と第2の時点t2間で増大した電圧は、
U(t)=1/C(Ioffset[t2−t1]+m/2[t2 2−t1 2] (5)
になる。
Δt=t2−t1=(CΔU)/(Ioffset+mt) (6)
であり、この場合、tは、考察されるインターバルの平均時間、すなわち、
t=(t2−t1)/2 (7)
である。
f=Δt−1=Ioffset/(CΔU)+mt/(CΔU) (8)
になる。
Δf=fB−fA=mΔtmeas/(CΔU) (9)
である。
m=ΔfCΔU/Δtmeas (10)
になる。従って、センサの出力周波数の2つの測定値から、計測学的に適切な変数m、具体的には、図5からの電流対時間の曲線プロファイル503の勾配を直接決定することが可能である。
101 センサ電極
102 第1の回路ユニット
103 第2の回路ユニット
104 第1のキャパシタ
105 捕獲分子
106 記録されるべき分子
107 酵素標識
108 帯電粒子
109 第1の制御ユニット
110 制御可能非リアクタンス性抵抗器
111 第2の制御ユニット
112 パルス
113 さらなるスイッチ
114 電圧源
200 センサ
201 電極
202 電極
203 絶縁体
204 電極端子
205 電極端子
206 DNAプローブ分子
207 電解質
208 DNA鎖
300 インターデジタル電極
400 バイオセンサ
401 第1の電極
402 第2の電極
403 絶縁層
404 第1の電極の保持領域
405 DNAプローブ分子
406 電解質
407 DNA鎖
408 酵素
409 切断可能分子
410 負に帯電した第1の部分分子
411 矢印
412 さらなる溶液
413 酸化された第1の部分分子
414 還元された第1の部分分子
500 グラフ
501 電流
502 時間
503 電流−時間曲線プロファイル
504 オフセット電流
600 回路構成
601 センサ電極
602 第1の回路ユニット
603 第2の回路ユニット
604 第1のキャパシタ
605 ノード
606 カウンタ素子
607 第1の比較器素子
608 第2の電圧源
609 トランジスタ
610 第2の比較器素子
611 第3の電圧源
612 スイッチ
613 パルス送信器
620 回路構成
621 較正デバイス
621a 基準電流源
622 さらなるスイッチ
700 回路構成
701 さらなるセンサ電極
702 第1のセンサ電極
703 第1のトランジスタ
704 第2の電気ノード
705 第1の電圧源
706 第3の電気ノード
707 第4の電気ノード
708 第1のキャパシタンス
709 第5の電気ノード
710 第6の電気ノード
711 第2のキャパシタンス
712 第2の電圧
713 第7の電気ノード
714 第8の電気ノード
715 第3のキャパシタンス
716 第9の電気ノード
717 第10の電気ノード
718 第11の電気ノード
719 第12の電気ノード
720 第13の電気ノード
721 第4のキャパシタンス
722 第5のキャパシタンス
723 第1の電圧源ユニット
724 第2の電圧源ユニット
725 第14の電気ノード
726 第15の電気ノード
727 第3の電圧源
728 第4の電圧源
729 第1の制御信号
730 第2の制御信号
731 第3の制御信号
732 第4の制御信号
733 第5の制御信号
734 第6の制御信号
735 第7の制御信号
736 カウンタユニット
737 第16の電気ノード
738 第17の電気ノード
739 第18の電気ノード
740 第19の電気ノード
741 第20の電気ノード
742 第21の電気ノード
743 第22の電気ノード
744 第6のキャパシタンス
745 第23の電気ノード
746 第7のキャパシタンス
747 第24の電気ノード
748 出力端子
800 非反転入力
801 第1の電気ノード
803 反転入力
804a 第1の端子
804b 第2の端子
804c 第3の端子
805 出力
806 第2の電気ノード
807 キャパシタ
808 第3の電気ノード
810 出力端子
900 第1の電気ノード
901 第1のトランジスタ
902 第2のトランジスタ
903 第2電気ノード
904 第3の電気ノード
905 第4の電気ノード
906 第5の電気ノード
907 第6の電気ノード
908 第3のトランジスタ
909 第4のトランジスタ
910 第7の電気ノード
911 第8の電気ノード
912 第9の電気ノード
913 第5のトランジスタ
914 第10の電気ノード
915 第11の電気ノード
916 第6のトランジスタ
917 第12の電気ノード
918 第7のトランジスタ
919 第13の電気ノード
920 第8のトランジスタ
921 第14の電気ノード
922 第9のトランジスタ
923 第15の電気ノード
924 第10のトランジスタ
925 第16の電気ノード
926 第17の電気ノード
927 第11のトランジスタ
1000 第1の入力
1001 第2の入力
1002 出力
1003 供給入力
1004 第1のトランジスタ
1005 第1の電気ノード
1006 第2のトランジスタ
1007 第2の電気ノード
1008 第3のトランジスタ
1009 第3の電気ノード
1010 第4のトランジスタ
1011 第4の電気ノード
1012 第5のトランジスタ
1013 第5の電気ノード
1014 第6のトランジスタ
1015 第7のトランジスタ
1016 第6の電気ノード
1017 第8のトランジスタ
1018 第7の電気ノード
1019 第9のトランジスタ
1020 第10のトランジスタ
1021 第8の電気ノード
1022 第9の電気ノード
1023 第11のトランジスタ
1024 第12のトランジスタ
1100 カウンタ素子
1101 第1の入力
1102 第2の入力
1103 第3の入力
1104 第4の入力
1105 第5の入力
1106 第1の出力
1107 第2の出力
1108 第1の電気ノード
1109 第1のトランジスタ
1110 第2のトランジスタ
1111 第2の電気ノード
1112 第3の電気ノード
1113 第3のトランジスタ
1114 第4のトランジスタ
1115 第4の電気ノード
1116 第5の電気ノード
1117 第5のトランジスタ
1118 第6の電気ノード
1119 第7の電気ノード
1120 第6のトランジスタ
1121 第8の電気ノード
1122 第7のトランジスタ
1123 第8のトランジスタ
1124 第9の電気ノード
1125 第10の電気ノード
1126 第11の電気ノード
1127 第9のトランジスタ
1128 第12の電気ノード
1129 第10のトランジスタ
1130 第13の電気ノード
1131 第14の電気ノード
1132 第15の電気ノード
1133 第16の電気ノード
1134 第11のトランジスタ
1135 第12のトランジスタ
1136 第13のトランジスタ
1137 第17の電気ノード
1138 第18の電気ノード
1139 第19の電気ノード
1140 第14のトランジスタ
1141 第20の電気ノード
1142 第15のトランジスタ
1143 第21の電気ノード
1144 第22の電気ノード
1145 第16のトランジスタ
1146 第17のトランジスタ
1147 第23の電気ノード
1148 第18のトランジスタ
1149 第24の電気ノード
1150 第19のトランジスタ
1151 第25の電気ノード
1152 第20のトランジスタ
1153 第26の電気ノード
1154 第21のトランジスタ
1200 センサ構成
1201 回路構成
1202 チップ
Claims (21)
- センサ電極と、
該センサ電極に電気的に結合された第1の回路ユニットと、
第1のキャパシタを有する第2の回路ユニットと
を備えた回路構成物であって、
該第1の回路ユニットは、該センサ電極の電位と所定の所望の電位との整合が存在するように、該第1のキャパシタと該センサ電極とを結合することによって、該所定の所望の電位付近の所定の第1の基準範囲内に該センサ電極の電位を保持し、
該第1のキャパシタの電位が第2の基準範囲の外側であると該第2の回路ユニットが検出した場合には、該第2の回路ユニットは、該第1のキャパシタを第1の基準電位にする、回路構成物。 - 前記第2の回路ユニットに電気的に結合されたカウンタ素子をさらに備え、該カウンタ素子は、イベントの数および/またはイベントの時間配列をカウントする、請求項1に記載の回路構成物。
- 前記カウンタ素子は、互いに時間間隔をおいた少なくとも2つのタイムインターバルで前記イベントの時間配列を登録する、請求項2に記載の回路構成物。
- 前記第1の回路ユニットに結合された較正デバイスをさらに備え、該較正デバイスは、前記回路構成物を較正し、
該較正デバイスによって第2の基準電位が該第1の回路ユニットに印加され、該第1の回路ユニットは、該較正デバイスまたは前記センサ電極のいずれかに結合されている、請求項1に記載の回路構成物。 - 前記第1の回路ユニットは、2つの入力と1つの出力とを有する第1の比較器素子を有し、
第1の入力は、該第1の入力が前記センサ電極の電位にあるように、該センサ電極に結合されており、
第2の入力は、前記所望の電位を規定する第3の基準電位にあり、
該第1の比較素子は、該センサ電極の電位が該所定の所望の電位付近の前記所定の第1の基準範囲内に保持されるように、該第1の比較素子の出力において電気信号を生成する、請求項1に記載の回路構成物。 - 前記第1の回路ユニットは、可変の非リアクタンス性抵抗器を有し、該可変の非リアクタンス性抵抗器は、前記センサ電極の電位が前記所定の所望の電位付近の前記所定の第1の基準範囲内に保持されるように、該センサ電極を前記第2の回路ユニットの前記第1のキャパシタに結合する、請求項1に記載の回路構成物。
- 前記第1の回路ユニットは、前記第1の比較素子の出力に結合されたゲート領域を有するトランジスタと、前記センサ電極に結合された第1のソース/ドレイン領域と、前記第1のキャパシタに結合された第2のソース/ドレイン領域とを有する、請求項5に記載の回路構成物。
- 前記第2の回路ユニットは、2つの入力と1つの出力とを有する第2の比較器素子を有し、
第1の入力は、該第1の入力が前記第1のキャパシタの電位にあるように、該第1のキャパシタに結合されており、
第2の入力は、前記第2の電気的基準範囲を規定する第4の基準電位にあり、
該第2の比較器素子は、前記第1のキャパシタの電位が該第4の基準電位を超過した場合には、該第1のキャパシタが該第1の基準電位にされるように、該第2の比較器素子の出力において電気信号を生成する、請求項5に記載の回路構成物。 - 前記第2の回路ユニットは、2つの入力と1つの出力とを有する第2の比較器素子を有し、
第1の入力は、該第1の入力が前記第1のキャパシタの電位にあるように、該第1のキャパシタに結合されており、
第2の入力は、前記第2の電気的基準範囲を規定する第4の基準電位にあり、
該第1のキャパシタの電位が該第4の基準電位未満に降下した場合には、該第1のキャパシタが該第1の基準電位にされるように、該第2の比較器素子は、該第2の比較器素子の出力において電気信号を生成する、請求項5に記載の回路構成物。 - 前記第1の比較器素子および/または前記第2の比較器素子は、動作増幅器である、請求項8に記載の回路構成物。
- 前記第1の比較器素子および/または前記第2の比較器素子は、動作増幅器である、請求項9に記載の回路構成物。
- 前記第2の回路ユニットは、少なくとも1つの第2のキャパシタを有し、該少なくとも1つの第2のキャパシタまたは前記第1のキャパシタのいずれか1つ、あるいは、該キャパシタの少なくとも2つが、前記回路構成物に同時に接続されるように、前記回路構成物はセットアップされる、請求項1に記載の回路構成物。
- 集積回路として設計されている、請求項1に記載の回路構成物。
- 請求項1に記載の回路構成物を備えている電気化学センサ。
- 請求項1に記載の複数の回路構成物を備えているセンサ構成物。
- 前記複数の回路構成物の各々は、自律的に動作するセンサ素子としてセットアップされる、請求項15に記載のセンサ構成物。
- 前記複数の回路構成物は、実質的にマトリクス形状で構成されている、請求項15に記載のセンサ構成物。
- 中央駆動回路と、
中央供給回路と、および/または
中央読み出し回路とを有し、該回路(単数または複数)は、前記複数の回路構成物のうちの少なくとも一部分に結合されている、請求項15に記載のセンサ構成物。 - センサ電極と該センサ電極に電気的に結合された第1の回路ユニットと第1のキャパシタを有する第2の回路ユニットとを有する回路構成物において、該センサ電極を介して提供される電流信号を処理する方法であって、該方法は、
該センサ電極の電位と所定の所望の電位との整合が存在するように、該第1のキャパシタと該センサ電極とを結合することによって、該所定の所望の電位付近の所定の第1の基準範囲内に該センサ電極の電位を保持するステップと、
該第1のキャパシタの電位が第2の基準範囲の外側にある場合には、該第2の回路ユニットが、
このイベントを検出するステップと、
該第1のキャパシタを該第1の基準電位にするステップと
を包含する、方法。 - 前記イベントの時間配列は、前記第2の回路ユニットに電気的に結合されたカウンタ素子によってカウントされる、請求項19に記載の方法。
- 前記カウンタ素子は、互いに時間間隔をあけた少なくとも2つのタイムインターバルで前記イベントの時間配列を登録するために用いられる、請求項20に記載の方法。
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