JP4710914B2 - ポテンショスタット回路、バイオセンサ回路及びセンシング装置 - Google Patents

Description

本発明のいくつかの態様は、一般には、ポテンショスタット回路及びポテンショスタット回路を用いたバイオセンサ回路に関する。本発明は、多数整列したバイオセンシング装置の全域にわたる、異なるセルで順次測定及び同時測定を行うことの出来るポテンショスタット回路を備えた、バイオセンサ回路及びセンシング装置を提供する。

ポテンショスタット回路とは、電気化学分野においてボルタンメトリー技術を実施する際に一般に用いられる測定装置である。サイクリック・ボルタンメトリーはとりわけ有用なボルタンメトリー技術であり、可逆還元−酸化（レドックス）反応の研究に役立っている。このような技術をバイオセンシング分野に応用した場合には、バイオセンサの選択的受容膜（バイオ受容体）の表面と電解液との界面に、可逆レドックス反応が起きる可能性がある。

図５（ａ）から図５（ｃ）に、既知のポテンショスタット回路の３つの例を掲載した。図６は、図５のポテンショスタット回路を用いてサイクリック・ボルタンメトリー測定が行われている最中の試料を、概略的に図示した断面図である。図５について説明すると、ポテンショスタット回路１０００が対向電極ＣＥ、基準電極ＲＥ、及び作用電極ＷＥに接続されている。図６にもっともよく示されている通り、図５（ａ）及び図５（ｃ）では抵抗１０２０として表示され、下文では検体又は電解液１００１と呼ばれる試料入りの緩衝液と、図５（ａ）から図５（ｃ）では並列接続されたキャパシタ及び抵抗１０２５として表示されるバイオ受容体層１０１５とで、前記回路は完成される。図６において、基準電極ＲＥは、例えばＳｉ₃Ｎ₄等の絶縁層１０３０により作用電極ＷＥから隔離されている。基準電極ＲＥは電流を引き込まず、作用電極ＷＥの極めて近くに置かれてバイオ受容体層１０１５の表面電圧を測定し、第１演算増幅器Ａ１用のフィードバック・ループを閉鎖する。フィードバック・ループがいったん閉鎖されると、第１演算増幅器Ａ１における高い利得により、基準電極ＲＥの電圧即ちバイオ受容体層１０１５の表面電圧は、作用電極ＷＥの電圧に対し、図５（ａ）及び図５（ｂ）でサイクリック走査電圧Ｖ_SCAN、又は図５（ｃ）で−（Ｒ₂／Ｒ₁）Ｖ_SCANに等しくなる。

前記バイオ受容体層１０１５は、所定のＤＮＡ鎖又はＲＮＡ鎖と結合するファージ又は酵素、ペプチド、又は別の生物分子等とすることができ、それによって前記各電極が接続された回路の抵抗やキャパシタンスを変化させることが出来る。一般に、バイオ受容体層１０１５は、プローブ及びそれが標的として相互作用する選択生物分子として知られている。キャパシタンスと抵抗の全域にわたり印加される電圧（この場合はサイクリック走査電圧Ｖ_SCAN）の関数としてのキャパシタンス及び抵抗の特性は、バイオ受容体層１０１５として用意されたファージ又は酵素に標的生物分子が結合又は反応すると変化し、前記生物分子の検出を可能にする。具体的に述べると、（基準電極ＲＥにおける電圧として反映された）時間で変動する電圧であって、図５（ａ）及び図５（ｃ）の例ではサイクリック走査電圧Ｖ_SCANに等しい電圧がバイオ受容体層の表面に印加される間、ポテンショスタット回路が作用電極ＷＥの電流を測定する。

図５（ａ）から図５（ｃ）におけるサイクリック走査電圧Ｖ_SCANとして、時間で変動する周期的電圧信号を用いるのが一般的である。これは、ポテンショスタット回路をレドックス反応の測定に用いている場合に有益となる。なぜなら、直流電圧の使用が反応に影響を与える場合があるからである。サイクリック走査電圧Ｖ_SCANが振動するにつれて、最初の半サイクルで界面の還元・酸化反応が促進され、次の半サイクルで界面の酸化・還元反応が促進される。サイクリック走査電圧Ｖ_SCANが変化するにつれて、還元・酸化反応の速度が変化する。濃度勾配によって起きる電荷担体種の拡散により、いくつかの時点で還元反応と酸化反応の速度が最大となる。所要の電荷移動は、作用電極ＷＥにおいて供給／除去される。作用を説明すると、還元と酸化の各反応サイクルは、作用電極ＷＥで測定される時間で変動する「電流フローＩ_OUT（ｔ）」対「サイクリック走査電圧Ｖ_SCAN（ｔ）」のサイクルとして観察される。作用電極ＷＥの電圧は、どの直流基準レベルに保ってもよい。図７に示すとおり、前記回路の出力は、一般に、逆方向のピークを有するヒステリシス・ループである。ヒステリシス・ループの形状により、特定のレドックス反応が起きたかどうか、またそれが可逆反応であり、ユーザーが走査速度依存性を調節することにより反応速度を調べることが出来るかどうかがわかる。ピークの位置と大きさは、レドックス反応による電荷移動の間反応物質が平衡状態を保つ結果であるため、検体中の種の濃度を推論するために用いることが可能である。

マルチチャネル・ポテンショスタット回路は、マトリックス状の試料の分析、又はマトリックス状のバイオ受容体を用いた試料分析を行うために必要である。図８に、既知のマルチチャネル・ポテンショスタット回路の例を示す。図８について説明すると、多数の異なるマトリックス要素、セル「１」、セル「２」、セル「Ｎ」が、それぞれ共通の検体又は電解液を共有している。このような配置で、各マトリックス要素としてのセル「１」、セル「２」、…、セル「Ｎ」の各対向電極ＣＥは互いに接続されている。即ち、単一の対向電極ＣＥが効率的に用いられている。各マトリックス要素は、バイオ受容体層（図８に図示せず）の表面近くに配置された基準電極ＲＥと、前記バイオ受容体層に関する電流感度やダイナミック・レンジなどの特定の特性を有する作用電極ＷＥとを備えている。各マトリックス要素は対向電極ＣＥと各基準電極ＲＥとの間のフィードバック・ループを共有しているため、基準電極ＲＥを所要のサイクリック走査電圧Ｖ_SCANに保とうとすれば、一度に一つのマトリックス要素しか使用することが出来ない。従って、マトリックス要素の選択と測定は順次に行わなければならない。

セルに印加するサイクリック走査電圧Ｖ_SCANは、一般に、各セルにつき数秒から数百秒の測定時間を必要とする。ＤＮＡチップの場合、セル数は千個をはるかに上回る場合があり、各セルの測定と読み出しが順次行われるにつれて、累積時間が何時間にもわたる可能性がある。また、リピート可能な出力を得るためにはサイクル数が大きくなり、測定時間をさらに長くする。さらにまた、そのように長い測定期間を経る間には一部の試料に劣化や分解が起きるかもしれないため、試料を安定状態に保つために費用のかかる措置が必要となる。そこで本発明は、使用中に基準電極と作用電極との間でフィードバック・ループが閉鎖されるポテンショスタット回路と、前記ポテンショスタット回路を用いて各セルの効率的な順次測定と同時測定とを可能にしたバイオセンサ回路を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係わるポテンショスタット回路は、第１の入力端子で走査電圧を、第２の入力端子で基準電極の電圧を受け取り、出力端子で出力電圧を生成し、作用電極に反映させるための第１差動増幅器を含み、使用中に、ポテンショスタット回路のフィードバック・ループが基準電極と作用電極との間で閉じられる。

好ましくは、前記第１差動増幅器の出力電圧は、出力端子と第２入力端子との間に負のフィードバックを有する第１演算増幅器の第１の入力端子に印加され、作用電極は、第１演算増幅器の第２の入力端子に接続されて第１演算増幅器の第１の入力端子の電圧に保たれる。

より好ましくは、前記第１入力端子は非反転入力端子であり、前記第２入力端子は反転入力端子である。

前記ポテンショスタット回路には、前記第１演算増幅器の出力端子に接続された第１入力端子と、第１演算増幅器の第１入力端子に接続された第２入力端子とを有する第２差動増幅器がさらに備わっていてもよい。

その場合に、前記第２差動増幅器の第１入力端子は反転入力端子であり、第２入力端子は非反転入力端子であってもよい。

前記ポテンショスタット回路は、前記基準電極に接続された第１入力端子と、前記第１演算増幅器の第２端子に接続された出力端子とを有する第３演算増幅器をさらに含んでもよい。

また本発明の他の態様に係わるバイオセンサ回路は、対向電極と、基準電極と、作用電極と、ポテンショスタット回路と、を含み、前記ポテンショスタット回路が第１入力端子において走査電圧を、第２入力端子において前記基準電極の電圧を受け取り、出力端子において出力電圧を生成して前記作用電極に反映させるものであり、前記基準電極と前記作用電極との間でフィードバック・ループが閉鎖される、ことを特徴とする。
このバイオセンサ回路は、対向電極と、基準電極と、作用電極と、ポテンショスタット回路と、を含み、前記ポテンショスタット回路は、第１の入力端子、第２の入力端子及び第１の出力端子を有する第１の差動増幅器と、第３の入力端子、第４の入力端子及び第２の出力端子を有する第２の差動増幅器と、を含み、前記第１の入力端子には走査電圧に基づく第１の信号が入力され、前記第２の入力端子には前記基準電極の電位に基づく第２の信号が入力され、前記第３の入力端子には前記作用電極の電位に基づく第３の信号が入力され、前記第４の入力端子には前記第１の出力端子の電位に基づく第４の信号が入力され、前記第３の入力端子と前記第２の出力端子との間には抵抗が接続され、 前記基準電極と前記作用電極との間でフィードバック・ループが閉鎖されることを特徴とする。

また本発明の他の態様に係わるバイオセンサ回路は、複数の対向電極と、複数の基準電極と、複数の作用電極と、複数の第１スイッチと、複数の第２スイッチと、シフトレジスタと、ポテンショスタット回路と、を含み、前記複数の基準電極が前記複数の第１スイッチの第１端子に接続され、前記複数の作用電極が前記複数の第２スイッチの第１端子に接続され、前記ポテンショスタット回路が第１入力端子において走査電圧を、第２入力端子において前記複数の第１スイッチの第２端子の電圧を受け取り、出力端子において出力電圧を生成して前記複数の第２スイッチの第２端子に反映させるものであり、前記シフトレジスタの出力が前記複数の第１スイッチのゲート端子と前記複数の第２スイッチのゲート端子に接続され、前記ポテンショスタット回路が順次読み出しを行えるよう、前記複数の第１スイッチのひとつと前記複数の第２スイッチのひとつとを選択することができるものである、ことを特徴とする。

また本発明の他の態様に係わるセンシング装置は、前記バイオセンサ回路を複数含み、前記複数のバイオセンサ回路の各々は、同時読み出しが可能であってもよい。

前記センシング装置は、好ましくは、１本の入力ラインを各ポテンショスタット回路が共有し、走査電圧を受け取る。あるいは、それぞれのポテンショスタット回路が、それぞれの入力ラインに接続されて走査電圧を受け取るようにしてもよい。

本発明のポテンショスタット回路及びそれを用いたバイオセンサ回路は、測定時間が短縮され、効率が向上したバイオセンシング技術を実現する。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
図１（ａ）に示すように、本発明の第１の実施形態は、バイオセンサ回路１を含み、バイオセンサ回路１は、セルとしての３端子電気化学セル、差動増幅器、及び電流−電圧変換器で構成され、作用電極ＷＥと基準電極ＲＥとの間にフィードバック電圧信号経路が形成され、フィードバック・ループが閉鎖されている。前記３端子電気化学セルは、対向電極ＣＥ、基準電極ＲＥ、及び作用電極ＷＥを用いて形成されている。対向電極ＣＥは、Ｖ_BIASで示すバイアス電圧３に接続された第１電圧源レール２に接続されている。第１抵抗４は、対向電極ＣＥと基準電極ＲＥとの間に接続され、少なくとも１つの標的分子を含む電解液である。図６の場合と同様に、基準電極ＲＥは作用電極ＷＥに近接して絶縁体（図１に図示せず）上に配置されており、作用電極ＷＥは、図１（ａ）において抵抗とキャパシタの並列配置６で表わされたバイオ受容層の上に配置されている。

基準電極ＲＥは、ポテンショスタット回路５に接続されている。電流を殆ど又は全く引き込まない基準電極ＲＥは、１の利得を有する第１差動増幅器ＤＡ１の第２入力端子としての非反転入力端子ＤＡ１ｂと配線８によって接続されている。第１差動増幅器ＤＡ１の第１入力端子としての反転入力端子ＤＡ１ａは、走査電圧としてのサイクリック走査電圧Ｖ_SCANを供給するための第２電圧源レール１８に接続されている。第１差動増幅器ＤＡ１の出力端子ＤＡ１ｃは、接続部３４を介して、電流−電圧変換器として構成された第１演算増幅器ＯＡ１の第１入力端子としての非反転入力端子ＯＡ１ａに接続されている。

第１演算増幅器ＯＡ１の第２入力端子としての反転入力端子ＯＡ１ｂは、接続部２８において作用電極ＷＥに接続されている。また、接続部２９において、第１演算増幅器ＯＡ１の出力端子ＯＡ１ｃと、前記電流−電圧変換器中の負のフィードバック抵抗としての第２抵抗２６の第１端子２６ａとが接続されている。第２抵抗２６の第２端子２６ｂは、作用電極ＷＥと第１演算増幅器ＯＡ１の第２入力端子としての反転入力端子ＯＡ１ｂとの間にある接続部２８に接続されている。

接続部２９において、第１演算増幅器ＯＡ１の出力端子ＯＡ１ｃと、第２差動増幅器ＤＡ２の第１入力端子としての反転入力端子ＤＡ２ａに接続されている。また、第２差動増幅器ＤＡ２の第２入力端子としての非反転入力端子ＤＡ２ｂは、接続部３４を介して、第１差動増幅器ＤＡ１の出力端子ＤＡ１ｃと、第１演算増幅器ＯＡ１の第１入力端子としての非反転入力端子ＯＡ１ａとに接続されている。第２差動増幅器ＤＡ２の出力端子ＤＡ２ｃは出射部（図１に図示せず）に接続されている。

図１（ｂ）について説明すると、ポテンショスタット回路５は、走査電圧としてのサイクリック走査電圧Ｖ_SCAN、基準電極ＲＥの電圧、及び作用電極ＷＥによって引き込まれた電流ｉという各入力を有する略ブロック図として表わされている。またポテンショスタット回路５は、出力電圧Ｖ_OUTを生成するために出力端子５ｄも備えている。

（実施形態２）
図２について説明すると、本発明の第２の実施形態はバイオセンサ回路１を含み、バイオセンサ回路１は、セルとしての３端子電気化学セル、各差動増幅器、及び電流−電圧変換器を備え、作用電極ＷＥと基準電極ＲＥとの間にフィードバック電圧信号経路が形成され、フィードバック・ループが閉鎖されている。前記３端子電気化学セルは、対向電極ＣＥ、基準電極ＲＥ、及び作用電極ＷＥを用いて形成されている。対向電極ＣＥは、システム接地に等しいバイアス電圧３に接続された第１電圧源レール２に接続されている。第１抵抗４は、対向電極ＣＥと基準電極ＲＥとの間に接続され、少なくとも１つの標的生物分子を含む電解液である。図６の場合と同様に、基準電極ＲＥは作用電極ＷＥに近接して絶縁体（図２に図示せず）の上に配置され、作用電極ＷＥは、図２において抵抗とキャパシタの並列配置６により表わされるバイオ受容層の上に配置されている。

基準電極ＲＥ及び作用電極ＷＥはポテンショスタット回路５に接続されている。基準電極ＲＥは、第１増幅器Ａ１、第２増幅器Ａ２、第５増幅器Ａ５、並びに第１インピーダンス負荷１０、第２インピーダンス負荷１４、第３インピーダンス負荷２０、及び第４インピーダンス負荷２４を備えた第１差動増幅器ＤＡ１又は第３差動増幅器ＤＡ３の第２入力端子としての非反転入力端子ＤＡ１ｂと配線８で接続されている。第１差動増幅器ＤＡ１又は第３差動増幅器ＤＡ３の第２入力端子としての非反転入力端子ＤＡ１ｂは、高い開ループ利得を有する第１増幅器Ａ１の非反転入力により形成される。第１増幅器Ａ１は、第１増幅器Ａ１の反転入力端子を第１増幅器Ａ１の出力端子Ａ１ｃに接続部４３において接続することにより単位利得電圧フォロワとして動作するよう構成されている。第１増幅器Ａ１と全く同じ第５増幅器Ａ５に、入力オフセット電圧を補償するため、反転入力端子に接続された第１増幅器Ａ１の出力を与えることが好ましい。第５増幅器Ａ５の非反転入力端子は、第１差動増幅器ＤＡ１の第１入力端子としての反転入力端子ＤＡ１ａを形成し、サイクリック走査電圧Ｖ_SCANをもたらす第２電圧源レール１８に接続されている。第２増幅器Ａ２の非反転入力端子と接続されている接続部１２は、第１インピーダンス負荷１０の第１端子１０ａと第２インピーダンス負荷１４の第１端子１４ａに接続されている。第１インピーダンス負荷１０の第２端子１０ｂは、第１増幅器Ａ１の出力端子と接続部４３で接続されている。第２インピーダンス負荷１４の第２端子１４ｂは、システム接地１６に接続されている。第２増幅器Ａ２の反転入力端子と接続されている接続部２２は、第３インピーダンス負荷２０の第１端子２０ａと第４インピーダンス負荷２４の第１端子２４ａに接続されている。第４インピーダンス負荷２４の第２端子２４ｂは、第２増幅器Ａ２の出力端子と接続部４６において接続されている。第３インピーダンス負荷２０の第２端子２０ｂは、第５増幅器Ａ５の出力端子と接続部４５において接続され、事実上、ノードとしての第２電圧源レール１８でサイクリック走査電圧Ｖ_SCANに接続されている。第３インピーダンス負荷２０の第１端子２０ａは、第２増幅器Ａ２の反転入力端子と接続部２２において接続されている。第１インピーダンス負荷１０、第２インピーダンス負荷１４、第３インピーダンス負荷２０及び第４インピーダンス負荷２４に同じ値を与え、第１差動増幅器ＤＡ１又は第３差動増幅器ＤＡ３の出力端子ＤＡ１ｃは接続部３４に接続され、接続部３４においてＶ_RE−Ｖ_SCANに等しい出力電圧Ｖ₂を得ることが好ましい。

第１演算増幅器ＯＡ１には、第３増幅器Ａ３が含まれている。きわめて高い開ループ利得を有する第３増幅器Ａ３の反転入力端子と接続されている接続部２８は、作用電極ＷＥに接続されている。Ｒ_FBで示すフィードバック抵抗としての第２抵抗２６の第２端子２６ｂは、第３増幅器Ａ３の反転入力端子として接続部２８で接続され、第３増幅器Ａ３の出力端子ＯＡ１ｃが接続部２９で接続されて電流−電圧変換器を形成する。第３増幅器Ａ３の高い開ループ利得が、反転入力と非反転入力における電圧を等しくする。その結果、基準電極ＲＥと作用電極ＷＥとの間の局所的電圧差は、

により、バイオ受容体の界面でのレドックス反応に起因する電流ｉが発生する。この電流ｉは、作用電極ＷＥからＲ_FBで示すフィードバック抵抗としての第２抵抗２６を通って接続部２９へと流れ、接続部２９にＶ_WE−ｉＲ_FBの電圧を発生させる。

第２差動増幅器ＤＡ２には第４増幅器Ａ４が含まれ、第４増幅器Ａ４の非反転入力端子と接続されている接続部４０は、第５インピーダンス負荷３２の第１端子３２ａと第６インピーダンス負荷３６の第１端子３６ａとに接続されている。第５インピーダンス負荷３２の第２端子３２ｂは、第１演算増幅器ＯＡ１の非反転入力端子としての接続部３４に接続されている。第６インピーダンス負荷３６の第２端子３６ｂは、システム接地３８に接続されている。第４増幅器Ａ４の反転入力端子と接続されている接続部４４は、第７インピーダンス負荷３０の第１端子３０ａと第８インピーダンス負荷４２の第１端子４２ａに接続されている。第７インピーダンス負荷３０の第２端子３０ｂは、第１演算増幅器ＯＡ１の出力端子ＯＡ１ｃを形成する接続部２９に接続されている。第８インピーダンス負荷４２の第２端子４２ｂは、第４増幅器Ａ４の出力端子ＯＡ１ｃと接続部４７において接続されている。全てのインピーダンス負荷の値を等しくし、第４増幅器Ａ４においてｉＲ_FBに等しい出力電圧Ｖ_OUTを得ることが好ましい。

第１差動増幅器ＤＡ１及び第３差動増幅器ＤＡ３の実施は、図２に示す実施形態に限られるものではない。第１差動増幅器ＤＡ１と第３差動増幅器ＤＡ３は共に、単位利得を得たそれぞれの入力の差に等しい出力を供給しなければならない。第１差動増幅器ＤＡ１は基準電極ＲＥから最小限の電流を引き込まなければならず、第３差動増幅器ＤＡ３は、次の段階に向けて十分な出力電流を供給しなければならない。設計を単純化すると、第１差動増幅器ＤＡ１は、第３差動増幅器ＤＡ３の反転入力と非反転入力の両方に電圧フォロワとして構成されて電流を最小化する第１増幅器Ａ１と第５増幅器Ａ５とを、第３差動増幅器ＤＡ３に追加したものである。第５増幅器Ａ５はあっても無くてもよいが、ある方が好ましい。何故なら、第１増幅器Ａ１と第５増幅器Ａ５とのマッチド・ペアはこれらの演算増幅器が継承したオフセット電圧の解除を可能にし、従って差動増幅器として構成された第２増幅器Ａ２での出力エラーが少なくなると考えられるからである。

（実施形態３）
図３は、本発明の第３の実施形態の要部を示す図である。本発明の第３の実施形態は第２の実施形態と同じであるが、ただインピーダンス負荷を全て容量性負荷で実装している点だけが異なる。全ての容量性負荷をＣに等しくすることが好ましい。

（実施形態４）
図４（ａ）は、本発明の第４の実施形態の要部を示す図である。本実施形態のバイオセンサ回路１は、整列された複数の対向電極ＣＥ、複数の基準電極ＲＥ、複数の作用電極ＷＥ、複数の電解液、及び複数のバイオ受容体層を備えて本実施形態の順次読み出しを行うために配置されている。

複数の対向電極ＣＥは、アース接地又は直流電圧源としてのバイアス電圧３に接続された第１電圧源レール２に接続されている。各対向電極ＣＥは、各第２端子４ｂが各基準電極ＲＥに接続された各第１抵抗４の、各第１端子４ａに接続されている。各第１抵抗４は、標的生物分子を少なくとも１つ含んだ電解液である。図７に図示されたものと同様に、各基準電極ＲＥは各作用電極ＷＥに近接して各絶縁体（図４（ａ）に図示せず）上に配置されており、各作用電極ＷＥは、図４（ａ）では抵抗とキャパシタの並列配置６で表わされた各バイオ受容体層の隣に配置されている。

各基準電極ＲＥはそれぞれの第１スイッチとしての第１トランジスタ５０の第１端子５０ａに接続されており、第１トランジスタ５０のゲート端子５０ｃはシフト・レジスタ５２に接続され、第２端子５０ｂはポテンショスタット回路５の第２入力端子５ｂに接続されている。各作用電極ＷＥはそれぞれの第２スイッチとしての第２トランジスタ５４の第１端子５４ａに接続されており、第２トランジスタ５４のゲート端子５４ｃはシフト・レジスタ５２に接続され、第３端子５４ｂはポテンショスタット回路５の第３入力端子５ｃに接続されている。ポテンショスタット回路５には第１入力端子５ａがあり、第２電圧源レール１８に接続されてサイクリック走査電圧Ｖ_SCANを受け取る。サイクリック走査電圧Ｖ_SCANはシフト・レジスタ５２の入力端子５２ａにも印加される。ポテンショスタット回路５には、生成された出力電圧Ｖ_OUTを出力するための出力端子５ｄが備わっている。

（実施形態５）
図４（ｂ）は、本発明の第５の実施形態の要部を示す図である。本実施形態のバイオセンサ回路１は、整列された複数の対向電極ＣＥ、複数の基準電極ＲＥ、複数の作用電極ＷＥ、複数の電解液、複数のバイオ受容体層、及び複数のポテンショスタット回路５を備え、本発明の第５の実施形態の同時読み出しを行うために配置されている。

各対向電極ＣＥは、アース接地又は直流電圧源としてのバイアス電圧３に接続された第１電圧源レール２に接続されている。各対向電極ＣＥは、各第２端子４ｂが各基準電極ＲＥに接続された各第１抵抗４の各第１端子４ａに接続されている。各第１抵抗４は、標的生物分子を少なくとも１つ含む電解液である。図７に図示されたものと同様に、各基準電極ＲＥは各作用電極ＷＥに近接して絶縁体（図４（ｂ）では図示せず）上に配置され、各作用電極ＷＥは図４（ｂ）でレジスタとキャパシタの並列配置６により表わされた各バイオ受容体層の隣に配置されている。

各基準電極ＲＥは、それぞれのポテンショスタット回路５の第２入力端子５ｂに接続され、各作用電極ＷＥはそれぞれのポテンショスタット回路５の第３入力端子５ｃに接続されている。各ポテンショスタット回路５は、サイクリック走査電圧Ｖ_SCANを受け取る第１入力端子５ａと生成された出力電圧Ｖ_OUTを出力するための出力端子５ｄとを備えている。

本実施形態によるバイオセンサ回路１の作用について述べると、各対向電極ＣＥは固定された接地電位に保たれる。バイオセンサ回路１は、第１抵抗４で表わされる複数の検体又は複数の電解液と、抵抗とキャパシタの並列配置６で表わされた複数のバイオ受容体層により完成する。各電流がセルとしての各３端子電気化学セルを通りぬけるにつれて、各基準電極ＲＥは各電圧Ｖ_REに自動調整される。各電流を引き込むことなく、この電圧は電圧フォロワとして構成された各第１増幅器Ａ１（図２及び図３参照）の第２入力端子としての非反転入力端子ＤＡ１ｂに検出され、各第１増幅器Ａ１の出力端子と接続されている接続部４３にコピーされて各３端子電気化学セルの動作が混乱するのを防ぐ。その後、各第１増幅器Ａ１の出力電圧は各第２増幅器Ａ２（図２及び図３参照）の非反転入力端子と接続されている接続部１２に印加される。

図２及び図３に示すように、サイクリック走査電圧Ｖ_SCANが各第２増幅器Ａ２の反転入力端子と接続されている接続部２２に印加される。各第２増幅器Ａ２及びそれに対応する第１インピーダンス負荷１０、第２インピーダンス負荷１４、第３インピーダンス負荷２０、及び第４インピーダンス負荷２４は単位利得を有する各第３差動増幅器ＤＡ３を構成して出力電圧Ｖ₂＝（Ｖ_RE−Ｖ_SCAN）を供給し、各出力電圧Ｖ₂は各第３増幅器Ａ３の非反転入力端子と接続されている接続部３４に印加される。

各作用電極ＷＥの電圧は、各第３増幅器Ａ３に「仮想接地理論」を応用することにより、各第２増幅器Ａ２の出力電圧Ｖ₂によって制御と調整が行われる。各第３増幅器Ａ３における高い開ループ利得と各第２抵抗２６を負のフィードバックに使用することにより、各第３増幅器Ａ３の反転入力端子と接続されている接続部２８及び非反転入力端子と接続されている接続部３４における各電圧は事実上等しくなる。従って、各作用電極ＷＥの電圧はＶ₂＝（Ｖ_RE−Ｖ_SCAN）に等しい。各作用電極ＷＥで引き込まれた電流は、電流−電圧変換器として構成された各第３増幅器Ａ３により、出力電圧＝（Ｖ₂−ｉＲ_FB）に変換される。前記出力電圧は、各第４増幅器Ａ４及びそれに対応する第７インピーダンス負荷３０、第５インピーダンス負荷３２、第８インピーダンス負荷４２、第６インピーダンス負荷３６で構成される各第１演算増幅器ＯＡ１の出力端子と接続されている接続部２９に印加される。この各第１演算増幅器ＯＡ１の非反転入力端子と接続されている接続部３４は、各第２増幅器Ａ２の出力端子と接続部４６で接続されている。その結果、Ｖ_OUT＝ｉＲ_FBにより得られる各出力電圧Ｖ_OUTが生成される。

当然のことながら、図１に示した実施形態も同様に動作することが理解されるであろう。

本発明の順次読み出しに用いられる図４（ａ）のバイオセンサ回路１の作用について述べると、図４（ａ）のバイオセンサ回路１は、ポテンショスタット回路５の他に、シフト・レジスタ５２及び複数の第１スイッチとしての第１トランジスタ５０、複数の第２スイッチとしての第２トランジスタ５４を有することを特徴とする。複数の対向電極ＣＥは、固定された接地電位又は任意の直流電圧に保たれている。図１から図３までを参照しながら説明した上記ポテンショスタット回路５は、サイクリック走査電圧Ｖ_SCAN、基準電極の電圧Ｖ_RE、及び作用電極ＷＥが引き込んだ電流ｉという各入力を有し、出力電圧Ｖ_OUTを生成するブロック図で表わされる。

個別のセルを順次読み出すために、シフト・レジスタ５２は、第１トランジスタ５０及び第２トランジスタ５４のそれぞれのゲート電極に信号を印加することにより、前記個別セルの基準電極ＲＥと作用電極ＷＥとを選択する。基準電極ＲＥの電圧Ｖ_REと同じ電圧がバイオ受容体層の表面に確認され、また図１から図３までの説明に関連して上述したとおり、作用電極ＷＥの電圧Ｖ_WEは、電流−電圧変換を担当する演算増幅器（第１演算増幅器ＯＡ１又は第３増幅器Ａ３）の仮想接地により、Ｖ_RE−Ｖ_WE＝Ｖ_SCANとなるように制御することが可能である。シフト・レジスタ５２は、連続した個々のセルを順次選択することが出来る。

本発明の同時読み出しに用いられる図４（ｂ）のバイオセンサ回路１の作用について説明すると、図４（ｂ）のバイオセンサ回路１は、ポテンショスタット回路５がＮ個存在することを特徴とする。共通の第１電圧源レール２は、固定された接地電位又は任意の直流電圧源としてのバイアス電圧３に保たれる。各ポテンショスタット回路５には個別の閉じたフィードバック・ループが備わっているため、各セルの出力電圧Ｖ_OUT（Ｖ_OUT1，Ｖ_OUT2，…，Ｖ_OUTN）を同時に読み出すことが出来る。この配置により、検体の入った検査容器の中にバイオセンサ回路１を沈ませ、その後で各ポテンショスタット回路５に生成された出力電圧Ｖ_OUT（Ｖ_OUT1，Ｖ_OUT2，…，Ｖ_OUTN）を同時に読み出すことが可能となる。隣接したセルの間で起きる反応物質の化学的クロストークは、物理間隔を十分とることによって防止することが出来る。

（実施形態６）
図４（ｃ）は、本発明の第６の実施形態の要部を示す図である。本実施形態によれば、上記同時読み出しに用いるバイオセンサ回路１の各々のポテンショスタット回路５に対し、走査電圧としてのサイクリック走査電圧Ｖ_SCAN1，Ｖ_SCAN2，…，Ｖ_SCANNが別々に印加される。この場合、各ポテンショスタット回路５にそれぞれ異なる値のサイクリック走査電圧Ｖ_SCAN1，Ｖ_SCAN2，…，Ｖ_SCANNを印加することが可能となる。

上記の解説は例として述べたものに過ぎず、本発明の範囲を逸脱することなく修正が可能であることは、当業者には十分にお分かりのことと思う。

例えば、図１にはポテンショスタット回路５を単純化して図示したが、リセット・スイッチを適宜用いることも出来る。図４（ａ）から図４（ｃ）に図示した各ポテンショスタット回路５では、１個の対向電極を使うことが可能である。図４（ａ）から図４（ｃ）のバイオセンサ回路１は単一のチップ又は基板上に配置することが可能であるが、セル領域が広いため、追加の回路を組み込んでオートゼロ増幅器、ピーク検出・弁別装置、及びディジタル化装置を備えることも可能である。

入力するサイクリック走査電圧Ｖ_SCANの形状は三角波に限らない。鋸波、正弦波、方形波、又はマーク対スペース比の変化するパルスであってもよい。サイクリック走査電圧Ｖ_SCANはサイクリック交流電圧に限らない。サイクリック走査電圧Ｖ_SCANは、第２増幅器Ａ２ではなく直流差動増幅器に印加する定電圧とすることも出来る。本実施形態においては、周知の技術として、抵抗その他のインピーダンス負荷を採用して第１インピーダンス負荷１０、第２インピーダンス負荷１４、第３インピーダンス負荷２０、及び第４インピーダンス負荷２４の代用とした。第４増幅器Ａ４の代わりに直流差動増幅器を用いることも可能である。

本発明のポテンショスタット回路及びそれを用いたバイオセンサ回路は、医療、環境、食品など、バイオセンサ回路による測定を必要とするあらゆる分野の産業に利用することが可能である。とりわけ、効率的な測定を必須とする分野のバイオセンシング技術に大きな進歩をもたらすことができる。

（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るバイオセンサ回路での使用に適したポテンショスタット回路を備えたバイオセンサ回路の回路図、（ｂ）は、上記第１の実施形態に係るバイオセンサ回路での使用に適したポテンショスタット回路の概略ブロック図。 本発明の第２の実施形態に係るバイオセンサ回路での使用に適したポテンショスタット回路を備えたバイオセンサ回路の回路図。 本発明の第３の実施形態に係るバイオセンサ回路での使用に適したポテンショスタット回路を備えたバイオセンサ回路の回路図。 （ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る順次読み出しに用いられるバイオセンサ回路の回路図、（ｂ）は、本発明の第５の実施形態に係る同時読み出しに用いられるバイオセンサ回路の回路図、（ｃ）は、本発明の第６の実施形態に係る同時読み出しに用いられるバイオセンサ回路の回路図。 既知のポテンショスタット回路の回路図。 既知のサイクリック・ボルタンメトリー測定が行われている資料液とバイオ受容層との界面を示す、電気化学セルの概略断面図。 既知のサイクリック・ボルタンメトリー測定が行われている試料の理論的測定結果を示す概略図。 既知のマルチチャネル・ポテンショスタット回路を示す回路図。

符号の説明

１…バイオセンサ回路、２…第１電圧源レール、３…直流電圧源としてのバイアス電圧、４…第１抵抗、４ａ，１０ａ，１４ａ，２０ａ，２４ａ，２６ａ，３０ａ，３２ａ，３６ａ，４２ａ，５０ａ，５４ａ…第１端子、４ｂ，１０ｂ，１４ｂ，２０ｂ，２４ｂ，２６ｂ，３０ｂ，３２ｂ，３６ｂ，４２ｂ，５０ｂ…第２端子、５…ポテンショスタット回路、５ａ…第１入力端子、５ｂ…第２入力端子、５ｃ…第３入力端子、５ｄ，Ａ１ｃ，ＤＡ１ｃ，ＤＡ２ｃ，ＯＡ１ｃ…出力端子、６…並列配置、８…配線、１０…第１インピーダンス負荷、１２，２２，２８，２９，４０，４３，４４，４５，４６，４７…接続部、１４…第２インピーダンス負荷、１６，３８…システム接地、１８…ノードとしての第２電圧源レール、２０…第３インピーダンス負荷、２４…第４インピーダンス負荷、２６…負のフィードバック抵抗としての第２抵抗、３０…第７インピーダンス負荷、３２…第５インピーダンス負荷、３４…非反転入力端子としての接続部、３６…第６インピーダンス負荷、４２…第８インピーダンス負荷、５０…第１スイッチとしての第１トランジスタ、５０ｃ，５４ｃ…ゲート端子、５２…シフト・レジスタ、５２ａ…入力端子、５４…第２スイッチとしての第２トランジスタ、５４ｂ…第３端子、Ａ１…第１増幅器、Ａ２…第２増幅器、Ａ３…第３増幅器、Ａ４…第４増幅器、Ａ５…第５増幅器、ＣＥ…対向電極、ＤＡ１…第１差動増幅器、ＤＡ１ａ，ＤＡ２ａ…第１入力端子としての反転入力端子、ＤＡ１ｂ，ＤＡ２ｂ…第２入力端子としての非反転入力端子、ＤＡ２…第２差動増幅器、ＤＡ３…第３差動増幅器、ｉ…電流、ＯＡ１…第１演算増幅器、ＯＡ１ａ…第１入力端子としての非反転入力端子、ＯＡ１ｂ…第２入力端子としての反転入力端子、ＲＥ…基準電極、Ｖ₂，Ｖ_OUT1，Ｖ_OUT2，Ｖ_OUT，Ｖ_OUTN…出力電圧、Ｖ_RE，Ｖ_WE…電圧、Ｖ_SCAN1，Ｖ_SCAN2，Ｖ_SCAN，Ｖ_SCANN…走査電圧としてのサイクリック走査電圧、ＷＥ…作用電極。

Claims (10)

1. 基準電極と、
   作用電極と、
   第１差動増幅器と、を含み、
   前記第１差動増幅器が第１入力端子において走査電圧を、第２入力端子において前記基準電極の電圧を受け取り、出力端子において出力電圧を生成して前記作用電極に反映させるものであり、
   前記基準電極と前記作用電極との間でフィードバック・ループが閉鎖されることを特徴とするポテンショスタット回路。
2. 第１演算増幅器を含み、
   前記第１演算増幅器の第１入力端子に前記第１差動増幅器の前記出力電圧が印加され、
   前記第１演算増幅器の出力端子と前記第１演算増幅器の第２入力端子との間に負のフィードバックがあり、
   前記第１演算増幅器の第２入力端子に前記作用電極が接続され、前記作用電極が前記第１演算増幅器の第１入力端子の電圧に保たれるものであることを特徴とする請求項１に記載のポテンショスタット回路。
3. 前記第１演算増幅器の第１入力端子が非反転入力端子であり、前記第１演算増幅器の第２入力端子が反転入力端子であることを特徴とする請求項２に記載のポテンショスタット回路。
4. 第２差動増幅器を含み、
   前記第２差動増幅器の第１入力端子が前記第１演算増幅器の前記出力端子に接続され、
   前記第２差動増幅器の第２入力端子が前記第１演算増幅器の前記第１入力端子に接続されるものであることを特徴とする請求項２に記載のポテンショスタット回路。
5. 前記第２差動増幅器の第１入力端子が反転入力端子であり、前記第２差動増幅器の第２入力端子が非反転入力端子であることを特徴とする請求項４に記載のポテンショスタット回路。
6. 第３差動増幅器を含み、
   前記第３差動増幅器の第１入力端子が前記基準電極に接続され、
   前記第３差動増幅器の出力端子が前記第１演算増幅器の第２入力端子に接続されるものであることを特徴とする請求項２に記載のポテンショスタット回路。
7. 対向電極と、
   基準電極と、
   作用電極と、
   ポテンショスタット回路と、を含み、
   前記ポテンショスタット回路は、第１の入力端子、第２の入力端子及び第１の出力端子を有する第１の差動増幅器と、第３の入力端子、第４の入力端子及び第２の出力端子を有する第２の差動増幅器と、を含み、
   前記第１の入力端子には走査電圧に基づく第１の信号が入力され、
   前記第２の入力端子には前記基準電極の電位に基づく第２の信号が入力され、
   前記第３の入力端子には前記作用電極の電位に基づく第３の信号が入力され、
   前記第４の入力端子には前記第１の出力端子の電位に基づく第４の信号が入力され、
   前記第３の入力端子と前記第２の出力端子との間には抵抗が接続され、
   前記基準電極と前記作用電極との間でフィードバック・ループが閉鎖されることを特徴とするバイオセンサ回路。
8. 複数の対向電極と、
   複数の基準電極と、
   複数の作用電極と、
   複数の第１スイッチと、
   複数の第２スイッチと、
   シフトレジスタと、
   複数のポテンショスタット回路と、を含み、
   前記複数のポテンショスタット回路の各々は、請求項１乃至６のいずれかに記載のポテンショスタット回路であり、
   前記複数の基準電極が前記複数の第１スイッチの第１端子に接続され、
   前記複数の作用電極が前記複数の第２スイッチの第１端子に接続され、
   前記ポテンショスタット回路が前記第１入力端子において走査電圧を、前記第２入力端子において前記複数の第１スイッチの第２端子に電気的に接続され、出力端子において出力電圧を生成して前記複数の第２スイッチの第２端子に反映させるものであり、
   前記シフトレジスタの出力が前記複数の第１スイッチのゲート端子と前記複数の第２スイッチのゲート端子に接続され、前記ポテンショスタット回路が順次読み出しを行えるよう、前記複数の第１スイッチのひとつと前記複数の第２スイッチのひとつとを選択することができるものであることを特徴とするバイオセンサ回路。
9. 請求項７に記載のバイオセンサ回路を複数含み、前記複数のバイオセンサ回路の各々が同時に読み出しを行えるよう構成されるものであることを特徴とするセンシング装置。
10. 前記複数のバイオセンサ回路の各々の前記ポテンショスタット回路の入力端子が、同一の入力ラインに接続されているものであることを特徴とする請求項９に記載のセンシング装置。

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