JP5405450B2 - センサーボード - Google Patents

Description

本発明は、本体材料を備えており実質的に互いに平行な２つの面を有するプレート状の本体と、少なくとも１つの光学センサーと少なくとも１つの非光学センサーであって、共に本体の同じ面に配置されているセンサーと、を備えているセンサーボードに関する。

この文脈において、センサーボードという用語は、ボードの少なくとも一方の面に２つ又はそれ以上のセンサーを担持している中実材料のボードを意味している。

光学センサーは、幾つかの技術分野における試料分析用の分析装置、例えば、食品及び飲料品又は工業製品の品質を評価するための分析装置で広く使用されている。

血液試料のパラメータの光学的生体外定量は、通常、血液ガス分析器、例えば、デンマーク、コペンハーゲンのRadiometer Medical ApS社により製品名ABL800 FLEXの名で製造販売されている血液ガス分析器、を使用して行われる。これらの分析器では、普通は光学センサーが内蔵型光度計ユニットとして組み込まれているので、空間が必要になり、その上、分析経路が長くなるため、またしても大量の試料が必要になる。

測定に必要な血液の量を最小限に抑えようという傾向、これは、特に、その後も多くの試料が必要になる可能性のある重篤な患者や、使える血液の量が極僅かな新生児の場合に当てはまるが、その様な傾向があるため、例えば、できる限り少ない量で様々なパラメータを分析するためにできる限り多くのセンサーを提供することによって、分析経路を最小化することが求められている。

他の用途でも、最小限の試料量を求める要望は、例えば、試料の抽出元の検体が希少又は高価である場合に関連の出てくることもある。このため、光学センサーを、センサーボード上の他のセンサーと組み合わせることができれば、極めて都合が良い。

本発明の目的は、少なくとも光学センサーを含んでいるセンサーボードであって、所望の分析に必要な全てのセンサーを担持することができ、同時に非常に小型化されたセンサーボードを提供することである。

本発明は、更に、分析経路を最小化し、少ない試料量で信頼性のある結果を得ることができるようにする、センサーボードを提供している。加えて、本発明によるセンサーボードでは、光学センサーが設置されている区域の周囲にシールを必要としないため、製造工程が簡略化でき、漏出の危険性は著しく小さくなる。

本発明による光学センサーボードは、少なくとも１つの一体化された光学センサーを備えており、光学センサーを一体化することにより、センサーに必要な空間が小さくなっている。

而して、本発明によるセンサーボードでは、本体は、本体材料の厚さがＤ_１の第１区域と、本体材料の厚さがＤ_２の第２区域と、を含んでおり、Ｄ_１＞Ｄ_２＞０であり、少なくとも１つの光学センサーは第２区域に配置されている。

第２区域の厚さＤ_２は、第１区域の厚さＤ_１と比べて薄い厚さである。しかしながら、第２区域の厚さＤ_２は、例えば、センサー又は他の材料を担持することに関しては、十分な第２区域強度を提供する厚さである。第２区域はセンサーボードの狭小部分しか占めていないのが望ましく、第２区域はセンサーボードの縁から離して設置されているのが望ましい。こうすれば、確実に、センサーボードは然るべく、使用中、十分な強度を維持することができる。

センサーボードがプレート状であるとは、センサーボードが、薄いプレート又はシートの形状で、望ましくは実質的に矩形の形状を有しているという意味である。

本発明は、不透明なセンサーボードの少なくとも限定された区域の厚さを、一般的全厚Ｄ_１より小さい厚さＤ_２まで薄くすることにより、同センサーボードの当該限定区域を半透明にすることができるという、予期せぬ発見に基づいている。これまでは、センサーボードが半透明になる程厚さを削れば、センサーボードの強度に悪影響が出るものと想定されていた。

上記想定に反して、センサーボードの強度を実質的に維持しながらも、センサーボードの少なくとも限られた区域の厚さを、Ｄ_１＞Ｄ_２＞０として、厚さＤ_２まで削ることができることが、今は明らかになっている。センサーボードの厚さは、第２区域を、厚さＤ_２まで、且つセンサーボードの当該区域が所望の波長の電磁放射にとって十分な半透明性を得る程度まで薄くした。

第２区域の底部分、即ち、残っている材料は、光学センサーシステムにとって半透明な区域を形成していると見なすことができる。このようにして半透明な区域を作り出すことは、充填する必要のある通路が無くなるので、半透明な区域の周囲の充填が不要になるという利点をもたらす。これにより、漏出及び汚染の危険性は著しく小さくなる。

前記光学センサーは、第２区域に配置されている光学センサーシステムと連絡しているのが望ましい。

光学センサーシステムは、電磁放射のビームを放射するためのエミッターを備えているのが望ましい。放射された電磁放射は、光学センサーシステムの検出器によって直接的又は間接的に検出される。また、検出器は、反射された電磁放射又は電磁放射の変化を検出してもよい。電磁放射は、原理上は、紫外線光、赤外線光、可視光、Ｘ線など、どの様な波長のどの様な電磁放射であってもよい。

無論、センサーボードは、必要に応じて、厚さＤ_２を有する２つ以上の第２区域を、光学センサー用に備えていてもよい。原理上は、厚さＤ_２を有する区域の数は無制限であるが、実用上は、その数は、１から約１２個まで、又は２、３、４、５、６、７、又は８個に制限されるであろう。厚さＤ_２を有する区域は、切削、研削、穿孔、又はレーザー又は音波処理など、従来の手段で作り出すことができ、随意的に底部分に仕上げ研磨を施してもよい。センサーボードは、様々な層を一体に貼り合わせて積層構造にすることによって作り出すこともでき、例えば、第１の薄い半透明な層を、貫通穴を有するより厚い第２の層に重ねた構成でもよい。厚さＤ_２を有する第２区域は、第１の薄い層によって第２の層の貫通穴の位置に形成されることになる。

厚さＤ_２を有する第２区域は、円形断面を有しているのが適しているが、楕円形、方形、矩形などの様な他の断面も適している。

更に、代替実施形態では、センサーボードは、Ｄ_１＜Ｄ_３＜０、且つＤ_３はＤ_２と異なるとして、厚さＤ_３を有する区域を備えることも考えられる。異なる厚さＤ_４、Ｄ_５、Ｄ_６などを有する数個のその様な区域を検討してもよい。この様な実施形態は、例えば、それぞれ厚さＤ_３、Ｄ_４などの異なるボード厚さを必要とする異なる光学センサーを使用する場合に有用であろう。

センサーボードは、センサーボードの第１面に配置されている複数の非光学センサーを備えているのが望ましい。複数の非光学センサーは、同じ面上の１、２、３、４、５、６、７個、又はそれ以上の複数の非光学センサーを備えていてもよい。ここで使用している非光学センサーという用語は、非光学的な尺度を使用して所望のパラメータの量を検出及び測定するために使用されるあらゆる種類のセンサーである。非光学センサーは、通常、１つ又はそれ以上の膜によって閉じられたカプセル内に１つ又はそれ以上の電極を備えている。同じ面に配置されている非光学センサーは、厚膜技法によって貼り付けられているのが望ましい。非光学センサーは、電位差測定センサー及び電流滴定センサーの中から選択されるのが望ましい。

非光学センサーと光学センサーを組み合わせたこの構造によって、それぞれのセンサーが単独でユニットを構成している従来の分析器と比較して、非常に小型化されたユニットが実現される。而して、センサーに必要な空間はより少なくて済み、必要な試料サイズはより小さくて済む。

厚膜装置に適した基材の役目を果たすために、本体材料は耐熱性を有しているのが好適であり、望ましくは２００℃より高い温度、より望ましくは４００℃より高い温度、なお一層望ましくは６００℃より高い温度に対する耐熱性を有しているのが好適である。本体材料は、８００℃より高い温度、或いは、更に１０００℃より高い温度に対しても、耐熱性を有しているものが適している。センサーボードは、セラミック、ガラス、ポリマー、金属、又はそれらの組み合わせの様な数種類の材料で作ることができるが、センサーボードはセラミック材料で作られているのが好適である。セラミック材料は、アルミナ、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化ケイ素、及び類似の材料又はそれらの混合物から選択してもよい。この様な材料は、例えば、電気配線などの担持に関しては、優れた強度と特性を有することが知られている。現時点では、好適なセラミック材料はアルミナであり、これなら厚膜用途向けの優れた基板が得られる。

厚さＤ_１は、通常０．３ｍｍから２．５ｍｍの範囲にあり、０．５ｍｍから１ｍｍの範囲にあるのが望ましい。

本発明によるセンサーボード上の光学センサーの満足な特性を得るには、厚さＤ_２は、約０．５ｍｍより小さいことが望ましい。更に、一層優れた特性を得るには、厚さＤ_２は、約０．０５ｍｍから約０．５ｍｍの範囲内にあるのが望ましい。

厚さＤ_２は、センサーボードの材料からルミネッセンスが生じて光学的測定を妨害する可能性を抑制できるだけの薄さであるのが望ましい。これにより、光学的システムのエラー発生源が減る。

本発明による或る好適な実施形態では、センサーボードは、厚さＤ_２の第２区域に少なくとも部分的には重なる発光団の層で被覆されている。発光団は、センサーボードの厚さＤ_２を有する区域に直接貼り付けられているのが望ましい。

或る好適な実施形態では、センサーボードの厚さＤ_２は、センサーボードの材料からルミネッセンスが生じて発光団から生じるルミネッセンスの測定を妨害する可能性を防止するか、或いは少なくとも大幅に低減するか又は抑制するように、十分に薄くなっている。この様にすれば、測定の更なるエラー発生源を解消することができる。

光学センサーシステムは、発光団によって生成されるルミネッセンスを検出するための検出器を備えているのが望ましい。電気放射を印加するためのエミッターは、例えば、発光ダイオード又は電球であってもよい。照射源は、約５１９ｎｍの範囲の波長の電気放射を印加するのが望ましい。発光団によって生成されるルミネッセンスを検出するための手段は、例えば、発光団によって生成される、波長が例えば約６７２ｎｍ以内の放射を検出することができる光学検出器が適している。発光団の材料は、試料と接触しているセンサーボードの面に貼り付けられ、試料内の成分が励起した発光団の材料を抑制し、励起状態の持続時間が短縮されるようになっているのが望ましい。

更に、センサーボードの或る好適な実施形態では、厚さＤ_２は、発光団を励起するように調整された波長を有する電磁放射のビームの大部分が、センサーボードの厚さＤ_２の位置を透過できるように十分に薄くなっている。

センサーボードの別の好適な実施形態では、光学センサーは酸素を測定するよう意図されており、発光団は、そのルミネッセンスが酸素で抑制される種類のものが望ましい。センサーボードが、例えば、血液の様な生理学的流体について測定するよう意図されている場合、数あるパラメータの中でも血中の酸素含有量を求めるのが望ましい。

ルミネッセンスの抑制に基づく光学的方法を用いて試料内の分子酸素の含有量を求めることは、数年前から知られている。一般に、これらの方法は、適した発光団を酸素含有試料と接触させ照明に暴露した状態で、発光団のルミネッセンス強度及び／又はルミネッセンス持続時間を測定する段階を含んでいる。ルミネッセンスの抑制の基本的な特徴は、発光団の励起されてルミネッセンスを出している電子状態を酸素分子との衝突によって不活性化させることである。励起電子状態の発光団分子の平均数が酸素分子との相互作用によって減ってゆくにつれ、ルミネッセンス強度と発光団の励起状態持続時間は減少する。減少の大きさは、以下のシュテルン−フォルマーの式により、発光団と接触している酸素分子の数と関係付けられる。

Ｍ^０／Ｍ＝１÷Ｋ_ｓｖ［Ｏ_２］
上式のＭ^０とＭは、それぞれ、酸素が存在しない状態と酸素が存在する状態での発光団のルミネッセンス強度又は励起状態持続時間を表す。［Ｏ_２］は、測定されたＭ値に対応する分子酸素の濃度を示す。Ｋ_ＳＶは、所謂シュテルン−フォルマー定数である。この式を使用し、酸素含有量が既知の試料と相関付けることによって、試料の酸素含有量を求めることができる。所謂ルミネッセンスの抑制による血中又は他の媒体中の酸素含有量の測光定量は、Jensenらへの米国特許第５，２４２，８３５号から知られており、同特許は、個々の試料の酸素定量のための生体外的方法による、単純な試料取り扱い原理に基づく、酸素の測光分析を開示している。米国特許第５，２４２，８３５号を、参考文献としてここに援用する。

光学センサーは、流体試料に含まれる成分の分圧を検出するために、発光団層が流体試料と流体接触した状態に、配置されるように作られている。而して、発光団層は、分析経路の、分析される試料と接触する部分であるのが好適である。

酸素濃度を求める場合には、発光団層として好適な材料は、パラジウム−ポリフィリン、例えば、パラジウム（ＩＩ）−テトラフェニルポルフィリン（ＰｄＴＰＰ）又はパラジウム（ＩＩ）−（ペンタフルオロフェニル）−ポルフィリン（ＰｄＴＦＰＰ）、を備えているのが望ましい。

このため、或る好適な実施形態では、光学センサーは、試料内の酸素含有量を測定するように作られている。

発光団を励起するように調整された波長を有する電磁放射のビームを放射するためのエミッターは、センサーボードの厚さＤ_２の第２区域のセンサーを担持していない面に設けられているのが望ましい。この実施形態では、エミッターと検出器は、センサーボートの同じ面に設けられており、而して、ボードと光学センサーが接続し易くなっている。

代わりに、２つの相対するセンサーボードを、第１面が互いに向き合い、厚さＤ_２の第２区域同士が、電磁ビームが両センサーボードの厚さＤ_２の区域を透過できるように、互いに向き合うように、配置してもよい。

この様な構成では、センサーボードは、１つ又はそれ以上の電気化学センサーも含んでいる光学測定セルとして機能することができる。この実施形態では、一方又は両方のセンサーボードが、１つ又はそれ以上の電気化学センサーを担持していてもよい。このやり方では、１つ又はそれ以上の光学センサー及び１つ又はそれ以上の電気化学センサーが小体積内に納まるため、結果的に、より少量の試料を光学センサーシステムで測定することができるようになる。

本発明は、少なくとも１つの光学センサーが光学的検出器システムと相互に作用し合う、センサーボードの使用法にも関する。

センサーボードは、流体試料内の酸素分圧を測定するのに有用である。特に、血液試料内の酸素分圧の測定に光学センサーボードを使用するのは好都合である。このため、光学センサーボードは、血液試料内の酸素含有量の測光生体外定量に使用するのに適している。

これより図面を参照しながら、本発明を更に詳細に説明してゆく。

本発明によるセンサーボードを示している。 本発明によるセンサーボードを示している。 本発明によるセンサーボードを適用した光学センサーシステムの断面を示している。 光学センサーシステムの或る代替実施形態を示している。 光学センサーシステムの別の代替実施形態を示している。

図１には、本発明に従って使用されるセンサーボード１の図を示している。センサーボード１は、面６（下を向いていて図では確認できない）と面３を有している。２つの面６及び３は、実質的に平行であり、両者の間の距離は、センサーボード１の５と表示されている全厚Ｄ_１を画定している。面３には、センサーボード１は、下方向の限界が底部分４によって定められている凹部２を有している。底部分４の厚さは、凹部２の場所でセンサーボードの全厚Ｄ_１を削った結果であり、この厚さは、底部分４を電磁ビームに対して十分に透明とする厚さＤ_２まで薄くなっている。

図２は、面６の側から見たセンサーボード１を示している。厚さＤ_２を有するセンサーボード１の区域は、発光団８の層で被覆されている。センサーボード１の第１面６の上には、５つの電気化学センサー要素７が表示されている。

図１及び図２に描かれているセンサーボードは、優れた強度を提供するセラミック酸化アルミニウムで作られている。センサーボードは、長さ約４．３ｍｍ、幅約８ｍｍ、厚さＤ_１約０．８ｍｍの寸法を有している。厚さＤ_２は、約０．１ｍｍである。センサーボード１の薄い厚さＤ_２を有する部分を構成している凹部２の直径は、約２．８ｍｍである。凹部２は、ダイヤモンドドリルでセンサーボード１を第２面３から第１面６に向けて穿孔することによって形成されている。センサー要素７は、厚膜技法によって貼り付けられている。

図３は、面３に凹部２があり凹部２に底部分４が設けられたセンサーボード１を備えている光学センサーシステムの断面を示している。面６上の底部分４の区域には発光団８の層が貼り付けられている。底部分４の上方には、電磁放射源９と、傍らの、発光団８からのルミネッセンスを検出するための検出器１０が示されている。ボードの５と表示されている厚さＤ_１が、明瞭に示されている。また、センサーボード１の面６は、所望のパラメータの定量のためのセンサー要素７を備えている。センサー要素７は、厚膜技法で貼り付けられている。図３は、更に、チャネル１４の分析経路を構成している部分である相対するボード１３も示している。ボード１３は、同様に、センサー要素１７を備えている。発光団８の層と、２つのボード１と１３のセンサー要素７と１７は、チャネル１４を流れる試料と直接接触する。

図４は、光学センサーシステムの或る代替実施形態を示している。このシステムは、本発明による２つの相対するボード１と１ａを備えており、両ボードは、それぞれ、センサーボード１及び１ａの５及び５ａと示されている全厚Ｄ_１と比べると、薄くなっている厚さＤ_２の底部分４及び４ａを有する凹部２及び２ａを有している。更に、センサーボード１の第２面６側は、厚さＤ_２の区域４を覆うように発光団８で被覆されており、且つセンサー要素７を備えている。

センサーボード１の第２面３側には、電磁放射用のエミッター９が設けられている。センサーボード１ａの第２面３ａ側には、検出器１０が設けられている。

図５は、図４の実施形態に類似した光学センサーシステムの別の実施形態を示しており、符号は光学的システムの同じ部分を指している。図４の光学センサーシステムは、厚さＤ_２を有する区域が発光団で被覆されておらず、２つのセンサーボート１と１ａの間の空間が光学的測定セルの機能を果たしている点で、図５の光学センサーシステムとは区別される。而してボード１の第２面３に配置されているエミッター９から放射された電磁放射は、空間１２内の試料を透過し、透過した放射は、ボード１ａの第２面３ａに配置されている検出器１０によって検出される。また、この実施形態では、センサーボード１ａは、センサー要素７ａを備えている。

無論、センサーボードは、分析素子、ポンプ、及び熱要素などの様な他の多くの部品を備えている分析装置の一部であり、それらの部品は全て当業者にはよく知られており、当業者であれば、センサーボードをそれら他の部品とどの様に組み合わせるかにも精通しているはずである。更に、当業者は、本発明によるセンサーボード及びそれらと連絡する光学センサーシステムの更なる実施形態を指し示すこともできるであろう。

１ センサーボード
１ａ、１３ ボード
２、２ａ 凹部
３、３ａ 第２面
４、４ａ 底部分
５、５ａ 全厚
６ 第１面
７、７ａ、１７ センサー要素
８ 発光団
９ エミッター
１０ 検出器
１２ 空間
１４ チャネル

Claims (14)

1. センサーボードにおいて、
   本体材料を備えており実質的に互いに平行な２つの面を有するプレート状の本体と、
   少なくとも１つの光学センサーと少なくとも１つの非光学センサーであって、共に前記本体の同じ面に配置されているセンサーと、を備えており、
   前記本体は、前記本体材料の厚さが所望の波長の電磁放射に対して不透明となるＤ _１ である第１区域と、前記本体材料の厚さが前記所望の波長の電磁放射に対して半透明となるＤ _２ である第２区域と、を含んでおり、Ｄ_１＞Ｄ_２＞０であり、前記少なくとも１つの光学センサーは、前記本体の前記第２区域を透過する前記所望の波長の電磁放射を受け取るため前記第２区域に配置され、前記少なくとも１つの非光学センサーは前記第１区域に配置された電気化学センサーである、センサーボード。
2. 前記少なくとも１つの非光学センサーは、電位差測定センサー及び電流滴定センサーの中から選択されている、請求項１に記載のセンサーボード。
3. 前記少なくとも１つの非光学センサーは、厚膜技法によって作られている、請求項１又は２に記載のセンサーボード。
4. 前記本体には、複数の非光学センサーが配置されている、請求項１から３の何れかに記載のセンサーボード。
5. 前記本体材料は、２００℃より高い温度、４００℃より高い温度、及び、６００℃より高い温度のいずれかの温度に対する耐熱性を有している、請求項１から４の何れかに記載のセンサーボード。
6. 前記プレート状の本体はセラミック材料で作られている、請求項１から５の何れかに記載のセンサーボード。
7. 前記厚さＤ_１は、０．８ｍｍから２．５ｍｍの範囲にある、請求項６に記載のセンサーボード。
8. 前記厚さＤ_２は、０．４ｍｍ未満である、請求項６又は７に記載のセンサーボード。
9. 前記厚さＤ_２は、０．０５ｍｍから０．３ｍｍの範囲内にある、請求項６から８の何れかに記載のセンサーボード。
10. 前記光学センサーは、酸素センサーである、請求項１から９の何れかに記載のセンサーボード。
11. 前記少なくとも１つの光学センサーは、発光団の層を備えている、請求項１から１０の何れかに記載のセンサーボード。
12. 前記発光団は、そのルミネッセンスが酸素によって抑制される、請求項１１に記載のセンサーボード。
13. 前記発光団層は、パラジウムポルフィリンを備えている、請求項１２に記載のセンサーボード。
14. 前記少なくとも１つの光学センサーは、光学的検出器システムと相互に作用し合う、請求項１から１３の何れかに記載のセンサーボードの使用法。

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