JPS59171846A - 化学分析システム及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、化学薬品及び化学系の分析のための方法及び
装置に関し、より詳細には、特定の化学反応を、反応系
の誘電特性の変化の結果として検知し定量する電気的方
法及び装置て関する。

ここで、了解されるべきことは、本発明の目的のために
、化学薬品分析及び化学系分析は物理化学や有機化学に
共通な定性分析及び定量分析だけでなく、免疫反応、酵
素反応あるいは物質代謝反応などの生化学反応を検知し
定量する生物検定も含まれることである。

サンプルの誘電特性はその化学分析に有用となりうろこ
とは周知である。例えば、相対的て異なる誘電率を有す
る２つの材料の溜液の成分の濃度は、溶液の誘電率を測
定することにより求められる。一般的に、サンプルの誘
電率は、そのサンプルが、コンデンサのプレートを分離
する誘電材料の全部あるいは一部を成すようにされた状
態ておいて容量的手段により測定される。コンデンサの
幾何学的要因と測定キャパシタンスから、サンプルの誘
電率が推定される。次に、この値は、問題の材料の種々
の既知濃度に対する誘電率の値の補正曲線あるいは補正
表と比較される。一般的に、斯かる値は、コンデンサ中
の材料の既知濃度を直接、置換することにより求められ
る。問題の種（例えば、元素、化合物、イオンなど）を
検知したり定量したりする他に、この方法は、相互作用
する種の反応速度の観測にまで拡大できる。

サンプルは平行板コンデンサのプレート間にそう人され
るが、便利な方法としては、例えば、米国特許第２，２
１９，４９７号及び第３，５１５，９８７号に開示され
ているように、共通平面内にある両極を有するコンデン
サとサンプルとを並置する方法がある。測定は、共鳴法
、インピーダンスブリッジなどを用いて行なうのが一般
的である。その結果発生する出力信号を用いて、メータ
、デジタ左表示装置あるいは類似の装置を駆動するので
ある。他の用途の場合、１つ又はそれ以上のプリセット
レベル検知器によってこの信号を観測して警報あるいは
制御の目的に供することもある。斯かる装置は、使用者
側にはほとんど熟練を必要としない特に便利な使い易い
システムとなりうろことが了解されよう。

斯かる技術はプロセス制御（例えば、紙製遺業における
湿度モニタ、バッテリあるいは電気メツキ作業における
電解溶液のモニタなど）あるいは同様の制御環境に用途
を見いだされているが、これまで実施されてきた技術は
汎用性に欠けていた。

容量測定だけでは、多重成分あるいは未知混合物中の物
質を一義的に同定したり、あるいはその濃度や反応性を
定量するには不十分であるのが一般的である。

更に、多くの分析の場合、検知され定量される材料がそ
のサンプルの誘電率に影響を与える他の材料（サンプル
よりも濃度が高く変動することが多い）と−諸に、しか
もごく低濃度にて存在していることがある。分析される
物質と干渉物質との相対濃度によって検知限界と定量精
度が不利な方向に影響を受けるような時には、斯かる干
渉物質の存在は単純な測定技術の有用性を著しく限定す
る。かくして、全信号（背景パルス信号に問題の信号を
足したもの）を増すような高濃度の干渉物質は信号中の
ノイズレベルをも上げるため、その干渉物質が既知かつ
一定の濃度を有するような場合でも、問題の物質の検知
もしくは定量の精度が下ってしまう。この状態は、濃度
が未知であって変動するような干渉物質の場合では更に
悪化する。

発明の目的 従って、本発明の目的は、媒質の誘電特性の容量測定を
通して特定の物質を簡単に且つ一義的に同定し且つ定量
するための方法及び装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、濃度が高（且つ変動する干渉物質
の影響にかなり抵抗性をする分析の方法及び装置を提供
することにある。

発明の概要 上記及び他の諸口的は、少なくとも一部分を、検知され
測定される種と反応性を有するべく選択された材料の薄
層で被覆された薄膜コンデンサによって達成される。分
析を行なうために、容量トランジューサが、定性もしく
は定量分析される液体サンプルあるいは、反応速度を観
察する液体サンプルの中にそう人される。

任意の反応体もしくは触媒を用いて被覆層を形成するこ
とができるが、一般的に生化学反応体は最高の特異性を
呈する。かくして、酵素分析を意図した好ましい実施例
は、問題の酵素の生物基質から成る薄層で被覆した薄膜
コンデンサの形態をとる。酵素触媒反応によりもたらさ
れる生物基質の変化はキャパシタンスの変化を生じ、こ
のキャパシタンス変化を利用することにより、サンプル
中の酵素の存在を示し且つその濃度を定量することがで
きる。

特定の抗原、付着基、抗体、もしくは抗体片を検知し定
量するように意図された別の実施例では、定量される種
と免疫学的に反応する材料から成る薄層が容量構造に固
定される。この実施例の場合、コンデンサに固定された
抗体−抗原錯体の形成Ｌ（よってキャパシタンスが変わ
るため、抗原もしくは抗体の検知及び定量が可能になる
。

他の実施例として、（微生物代謝を検知し定量するため
Ｋ）微生′吻成長媒質を反応層として用いる方法、及び
（ある部類の化学薬品もしくは化学反応を検知するため
に）単純化学反応層を用いる方法があげられろ。

サンプルがコンデンサを被覆している反応層と反応スる
とコンデンサのキャパシタンスに変化が生じろ。反応生
成物の蓄積の速度、従って、キャパシタンス変化速度は
、とりわけ１反応種の濃度に依存する。サンプル中の干
渉的背景物質はシステムの全キャパシタンスに寄与する
が１反応に加わることがない。従って、システムのキャ
パシタンスの変化速度を観測すれば、干渉物質の濃度が
分らなくても問題の種の濃度を推定できることになる。

干渉物質の影響が小さいかあるいは既知であることを条
件にするならば１反応の終点かあるいは開始後のある設
定時間におけるキャパシタンスを観察することにより、
本装置を非弾道モードで用いることができろ。

ここで了解されるべきことは、以上述べた装置は、反応
の特異性に応じ、所望の材料て対しては高度に特異的に
なり、且つサンプル中に存在しそうな干渉物質に対して
はかなり反応が鈍くなる便利で単純な電気的トランスジ
ユーザを有していることである。

本発明の他の目的は、以下、部分的に明らかにされ且つ
部分的に述べられる。従って、本発明は、以下の詳細な
説明に例示される、構造、エレメントの組合せ及び部品
の構成を有する装置並びにいくつかの段階及び斯かる段
階の１つ又はそれ以上と他の段階の各々との関係を含む
ものであり、この装置の応用の範囲については特許請求
の範囲に示すものである。

第１図及び第２図について説明する。これらの図には、
本発明に係る好ましい実施例を構成するトランスジュー
サ１０が示されている。このトランスジューサ１０は、
類似の複数の平行電極１４と互いにからみ合った複数の
等間隔に離間した平行型（夕１２から形成された交錯コ
ンデンサの形態にあるものが好ましい。これらの電極に
垂直に配設された一対の平行離間バス１６及び１８が電
極１２及び１４の互いに離れた端部にそれぞれ電気的に
接続されている。バス１６及び１８にはそれぞれ、電極
１２及び１４から離され、電気的には接続された接触パ
ッド２０が配設されている。

電極１２及び１４、バス１６及び１８、並びに接触パッ
ド２０は、導電性金属薄膜、例えば、クロム、アルミニ
ウム、タングステン、チタン、タンタル、白金、パラジ
ウムなどから構成されろ。

当分野では公知であるが、斯かる薄膜からなるマイクロ
回路は、蒸着法、スパッタリング法、低圧化学蒸着法（
ＬＰＣＶＤ）、プラズマ蒸着法などの多くの方法の任意
の方法により適当な機械的支持体２２の上に蒸着される
。機械的支持体２２は、例えば、サファイヤ、石英、ガ
ラスあるいはアルミナから出来た平肩な磨き仕上げの平
担電気絶縁プレートとして構成されているととが好まし
い。

しかし、以下明らかとなるように、特定の用途の場合、
機械的支持体２２は、サンプル液体がトランスジューサ
１０を通って循還するように有孔性とすることができる
。更にまた、機械的支持体２２は重合体材料とすること
ができ、この場合、電極１２及び１４、バス１６及び１
８、並びに接触バンド２０は、例えばスクリーン印刷技
術でこの支持体２２の上に印刷されろ。

好ましい実施例では、電極１２及び１４、バス１６及び
１８、並びに接触パッド２０はＬ　Ｐ　ＣＶ　Ｄ反応器
におけろ７２０°Ｃでの六フッ化タングステンと水素と
の反応から発生ずるタングステンをサファイヤ支持体２
２上に成長させることによって形成される。この金属は
約２０００オンゲス）。

−ムの厚さまで成長させろ。このコンデンサの導電構造
は標準的なフォトエツチング技術によって線描されろ。

すなわち、このタングステンは最初にフォトレジストで
被覆され、このフォトレジストは次ひて所望のパターン
に露出されろ。現象後、このフォトレジストは洗浄され
て、レジストの未重合化部分が除去され、次に露出して
いるタングステンを適当なエツチング用試薬によって化
学的に溶解する。エツチング後、レジストを適当な溶剤
で除去すると、サファイヤ基板の上にタングステン電極
パターンが残る。各電極は布が０００１インチ（０，０
２５ｍｍ）台にあり、互いに対立する電極が同じ距離だ
け離間している構成を有する（すなわち、電極１２ある
いは電極１４は同類の電極から０．００３インチ（０，
０７５ｍ＋π）離れている）。８０個のタングステン電
極（電極１２及び１４は４０個づつ）及び０．１４０イ
ンチ（３５７朋）のバス間スペースを有するサファイヤ
基板の場合、満足のいく電気性能友達成でき、これによ
り、ｌＯ〜１５ピコファラド台のキャパシタンス（付加
的な処理前）を有するコンデンサが得られる。しかし、
用途が変わっても、コンデンサの形状と寸法の両方及び
そのキャパシタンスも変化することが了解されよう。

第２図を見ると良く分るように、トランスジユーザ１０
は誘電層２４で更に被覆されている。誘電層２４はその
誘電特性を目的として選択されるだけでなく、問題の液
体に無感応となるように選択される。誘電層２４はトラ
ンスジューサの電極１２及び１４並びにバス１６及１８
Ｋかかる機械的、電気的及び化学的保護バリヤとして機
能する。

誘電層２４は、窒化珪素、二酸化珪素、酸窒化珪素、酸
化アルミニウムなどの多種類の公知の材料のうちの任意
の材料からなる。−例として、シラン（ＳｉＨ４）とア
ンモニア（ＮＨ３）との反応によるＬＰＧＶＤによって
窒化珪素を成長する方法があげられる。好適なトランス
ジューサは３５００オングストロ一ム台の厚さを有する
窒化珪素誘電層によって形成されている。また、誘電層
２４は、例えば低圧下でアルゴンと酸素雰囲気中でスパ
ッタリングして蒸着したガラスで構成しても良い。

ガラスは、ＬＰＣＶＤ反応器中で成長するシラン（Ｓｉ
Ｈ４）と亜酸化窒素（Ｎ２０）又は二酸化炭素（ＣＯ２
）との反応による化学蒸着によって成長させても良い。

当業者は、重合体材料を含む他の任意の数の材料を用い
ても誘電層２４を生成できることを了解されよう。

以下に更匠詳細に説明するように、トランスジューサ１
０には更て、電極１２及び１４の少なくとも一部を覆う
反応性被覆２６が配設される。反応性被覆２６は検知さ
れるかあるいは定量されろ特定の材料との反応性に基づ
いて選択される。すなわち、検討される特定の反応に加
わるからである。かくして、反応性被覆２Ｇは、検知さ
れるかあるいは定量される材料との反応に加わる反応体
もしくは触媒ということになる。ここで了解されること
は、問題の種の存在をマスクしあるいはその定量を用土
する傾向πあるサンプルに存在しそうな他の物質と反応
しないようなものとして反応性被覆２６を選択すること
も好ましいことである。

問題の材料あるいは反応て対する特異性が大きな反応体
あるいは触媒でもまた特異性が小さな反応体あるいは触
媒でも本発明は実施できるが、反応性被覆２６の特異性
が大きい程、検知や定量に誤差が出る可能性が少なくな
ることが了解されよう−０一般に自然界では大抵の特異
反応は生化学的であり、従って、本発明の好ましい実施
例は生化学的反応性被覆２６を用いている。かくして、
好ましい実施例では、反応性被覆２６は、抗原や付着素
（ホルモン、アルカロイド、ステロイドなどを含む）の
分析のために抗体あるいは反応性抗体片（Ｆａｂ）の被
覆を含む。また、抗体（あるいはＦａｂ）の分析に対し
ては、反応性被覆２６は抗原又は付着基でありうる。更
に、酵素の分析に対しては、適当な生化学基質が反応性
被覆に用いられる。

反応性被覆２６とサンプルとの反応の結果起きるトラン
スジューサのキャパシタンスの変化を求めるためにトラ
ンスジューサ１０は適当な回路と共え用いられる。トラ
ンスジューサ１ｏと共に用いられる適当なブリッジ回路
の一例が第３図の略図に示されている。センサ１０の作
動を明確にする必要な程度しか説明されていないこの回
路は、Ｄ、Ｒ，Ｈａｒｒｉｓｏｎ　、　Ｗ、Ｊ、　Ｋｅ
ｒｗｉｎ　及びＧ、Ｌ、　５ｈａｆｆｅｒ　　Ｋよって
１９７０年１２月号のＴｈｅ　　Ｒｅｖｉｅｗ　　ｏｆ
　５ｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　　Ｉｎｓｔｒｗｍｅｎｔｓ（
科学機器評論）　（Ｖｏｌ、　４１、扁１２、ｐｐｌ　
７８３　ｆｆ　）　Ｋ初めて記されている。トランジュ
ーサ１０（可変コンデンサとして略示）及び基準コンデ
ンサ３２がダイオード３４と等価抵抗３６に接続されて
おり、これてよりダイオードインピーダンスブリッジを
形成している。ダイオード３４は二重り−ド３８の片側
に対して平行に且つ極性を逆にして取付けられている。

二重り一部３８の同じ側はカップリングコンデンサ４２
を通して信号発生器４．ＯＫ結合されている。ボルトメ
ータ４４が信号発生器４０とカップリングコンデンサ４
２に平行に且つ二重リードにまたがって接続さ、！ｔて
いる。二重リードの第２ラインは、ダイオード３４ｖＣ
接続された直列接続抵抗３６間及び平行直列接続トラン
スジユーザ１０と基準コンデンサ３２との間の中央にタ
ップされてし・ろ。信号発生器４０が始動すると、トラ
ンスジユーザ１０と基準コンデンサ３２のキャパシタン
スのＭＫＪｔ例し且つこの２つのキャパシタンスの和に
反比例する直流電圧がボルトメータ４４の両端ｆ現われ
る。

しかし、被覆２６に接するあるいはこれと反応する媒質
の誘電特性あるいは斯かる反応の反応生成物を測定する
ために、１つ又はそれ以上のトランスジューサ１０を他
の回路と共に用いても良いことが了解されよう。

作動原理について説明すると、トランスジューサ１０の
反応性被覆２６が分析される液体のサンプルに接触する
よウテ配置される。反応性被覆２６と液体サンプルとの
反応の結果、反応性被覆２６とこの被覆に接しているサ
ンプル（あるいは、反応性被覆が触媒の場合はサンプル
のみ）の組成に変化が生じろ。これらの変化の結果、ト
ランスジューサのキャパシタンスの変化を観察できるの
である。何となれば、より一般的な場合、反応性被覆２
６とこれに接している液体の寸法と誘電特性が変化する
からである。最も単純な場合、これらの変化が起きる速
度は拡散によって、従って、反応種の濃度によって制限
される。

実施例 先ず、はじめに断っておくが以下の実施例は、あくまで
も例示して説明するためのものであって、本発明を限定
するために与えられるのではない。

各実施例において、他にことわらない限り、容量トラン
スジユーザ１００基本的構造は上に述べたように構成さ
れ寸法取りされた８０電極型コンデンサ（電極１２と電
極１４はそれぞれ４０個）であった。電極はサファイヤ
支持体の上に配設されたタングステンであり、窒化珪素
不動態層が被覆された。その結果得られた各トランスジ
ューサの次の処理前のキャパシタンスは１０〜１５ピコ
ファラド台であった。一般的に、稀釈サンプルに接触さ
れると、これらの各トランスジューサのキャパシタンス
は中間ラジオ周波数で観測して１００〜３００ピコフア
ラドの近辺にまで増加した。

実施例１ 窒化珪素不動態層を覆うクロム酸カリウム（Ｋ２ＣｒＯ
４）の反応性被覆を用いてトランスジューサを作成した
。この作業は、水平に保たれたトランスジューサの窒化
珪素面の上に０．２５重量係のクロム酸カリウム水溶液
の一滴をピペットで落とし、次にこのトランスジューサ
を窒素乾燥箱の中で３５分間、乾燥することによりなさ
れた。

一連の実験の中で、クロム酸カリウム層は、脱イオン水
に接触させられると同時に、硝酸銀（０，００４チと０
．０３２％の両方）、硝酸ナトリウム（０，０２５％）
、硝酸カリウム（０，０２５％）及び塩化カリウム（０
，０２５％）の水溶液に接触させられた。各テストにお
いて、溶液の一滴が水平コンデンサの上に落され、キャ
パシタンスの変化が観測された。

脱イオン水を用いたテストを除く全てのテストにおいて
、キャパシタンスの増加が観測された。

すなわち、キャパシタンス（・マ、液体サンプル＋７）
　適用後の約１分以内に急激にピーク値に達し、次に数
分間にわたって除々に高い一定値に落ちつくのである。

水を用いたテストの場合、キャパシタンスの減少が観測
された。すなわち、キャパシタンスは数分間の後に低い
一定値に落ちつくのである。

濃度が高い方の硝酸銀溶液と硝酸ナトリウム（クロム酸
カリウムと反応する）の場合は両方共、観測されたキャ
パシタンス変化は硝酸カリウムと塩化カリウム（クロム
酸カリウムとは反応しない）の場合の観測値より高かっ
た。しかし、これら全てのテストはキャパシタンスの増
加を示したのである。２つの濃度の硝酸銀溶液の場合、
著るしく異なるキャパシタンスが観測された。すなわち
、濃度が高い方のサンプルの最終キャパシタンスは２乗
はども低い方のサンプルの最終キャパシタンスを超えた
のである。これらのテストは全て、数回繰返されたが、
全く似た結果が得られた。

異なる濃度の反応種を用いて他にも数々のテストが行な
われた。キャパシタンスは濃度に対して非直線関係に変
化することが見い出されたが（低濃度に対しては最大感
度を示し、高濃度に対しては飽和状態の傾向にある）、
結果は再現性があった。すなわち、これは、補正測定を
行なえば定量が可能であることを示している。

実施例１は、ある部類の種を池の部類の種から検知する
ために広範囲の反応を用いることを示している。次の実
施例は更に特異性が高くなっており、生化学反応に依存
している例である。

実施例２ １つのトランスジューサにコラーゲンを被覆しく活性セ
ンサとして作用するため）且つ別のトランスジューサに
トリプシンを被覆（対照として作用）することによって
、コラゲナーゼの検知て好適な一対のトランスジューサ
を作成した。各コンデンサは別々に被覆された。被覆を
行なうために、コンデンサを７０°Ｇ［５分間加熱した
。０５モル酢酸中に２呼／υＪの濃度を有するうさぎの
皮膚から取られた■型コラーゲンを含むコラーゲン溶液
の一滴をマイクロピペットによって１方のコンデンサの
電極領域の上に落した。同様てして、５０ｍモルトリス
、Ｑ、２モルＮａｃ１．　１ｍモルＣａＣｌ２　及び０
０２％Ｎａ５Ｎ　　の緩衝溶液中の０．０２％トリプシ
ンからなるトリプシン溶液の一滴を他方のコンデンサの
上に落した。次にこれら両方のトランスジューサを振っ
て、大部分の液体を除去し、わずかにタンパク質の薄膜
がそれぞれのトランスジユーザの所定部分に残るように
した。

これらのトランスジューサはオーブンに入れて５分間７
０°Ｃにて乾燥し、次に、乾燥窒素箱に入れて室温にま
で自然冷却して、テストに備えた。

このように作成されたコンデンサは、１ｍモルトリス、
０２モ）Ｉ／ＮａＣ１，１ｒＩＬモルＣａＣｌ２及び０
．０２９１ｒＮａ３ＨのｐＨ７，４の緩衝溶ＩＫ浸され
。

且つ同じ緩衝溶り、ｖｃ、　２　ｒａｙ／−の割合で混
合された１７９ユニツト／■の初期活性度を有するコラ
ゲナーゼの混合物に浸された。これらの混合物はたえず
攪拌され且つ３７°ＣＶＣ加熱された。

一対のコラーゲン被覆コンデンサ及びトリグシン破覆コ
ンテンサが前に示したように相互接続された。緩衝溶液
にだけ浸した時、ボルトメータ４４で観測して電圧の差
によって真個げられるようにこの２つのセンサ間の容量
差は一定のままであった。しかし、この２つのコンデン
サをコラゲナーゼ溶液中に入れた時、コラーゲン被覆コ
ンデンサのキャパシタンスに即座の変化が観察された。

この変化は単調であった。すなわち、急激に開始しく約
１００ρｆ／−＝＝）、次に５分間にわたって減速して
２５０ｐｆの一定の高キヤパシタンス値に落ちついた。

実施例３ 一対のコンデンサの上にペプシンとコラゲナーゼ（対照
として）をそれぞれ室温にてマイクロピペットで落し、
次に余分な液体を振落し、次にこの薄タンパク被覆を乾
燥窒素箱中で１時間てわたって室温にて自然乾燥するこ
とにより、ペグシン−ＢＳＡ反応による牛属崩清アルブ
ミン（ＢＳＡ）の検知用に設計された一対のトランスジ
ューサを作成した。コラゲナーゼは実施例２と同じよう
にして作成された。ペプシンは０５モル酢酸に５０ｍｇ
　／ｌｎｌの割合で稀釈された。テストの目的のために
、コラゲナーゼ被覆コンデンサはペプシン被覆コンデン
サのキャパシタンスの略半分にナルように寸法取りされ
た。なお、その周囲温度におけるキャパシタンスは６ピ
コフアラドに観測された。

実施例２のトリプンノテスト溶液とコラゲナーゼテスト
溶液の他に、牛属血清アルブミンのテスト溶液、すなわ
ち、０５モル酢酸の２ミリグラムＢＳＡ／７ｎｌ溶液と
、０５モル酢酸の２ミリグラムコラーゲン（Ｉ型うさぎ
皮膚）／ｒｎｌ溶液を調製した。

ペプシン被覆トランスジューサをコラーゲン溶液とＢＳ
Ａ溶液に浸したところ、前者には実質的尾何の反応も示
さなかったが、後者へ浸した際には、ブリッジ回路の両
端に現われる直線的変化電圧によって裏付けられるよう
に安定的に変化するキャパシタンスを示シタ。

コラケナーゼ被覆センサをトリプシン、コラーゲン及び
コラゲナーゼにそれぞれ接触させたところ、トリプシン
への接触に際しては何ら変化を示さず、コラーゲンとコ
ラゲナーゼへの接触に際しては、逆感知の変化及び略等
しい（例えば２５ｐｆ／ｍＩＮ）速度を示した。

実施例２及び３は、基質あるいは酵素の濃度に反応する
トランスジユーザはトランスジューサに酵素又はその基
質をそれぞれ被覆することによって実現されろことを証
明している。

反応性被覆として酵素よりも基質を用いた方が好ましい
ことが注目されよう。何となハ、ば、斯かる実施例の方
が高い（従って、反応制限的でない）基質濃度になり、
「０次」反応を確保できるからである。しかし、上に述
べたよって、どちらの構造も可能である。

実施例４ 一対のトランスジューサに人体のアルブミンの反応性被
覆と人体の友好血性因子（因子８）の反応性被覆をそれ
ぞれ配設した。なお後者のトランスジューサは対照とし
て意図された。これらの被覆は、０．０２　ｇ／ｌｎｉ
　−０，９％ＮαＣｔ　の等しい重量対容積濃度の溶液
中でそれぞれ調製されたアルブミン溶液と因子８溶液か
ら適用された。各トランスジユーザは溶液の一滴を適用
してから余分の溶液を振落して、薄膜を残すことによっ
て作成された。次に各トランスジューサをランプの下で
加熱して、残液を蒸発させた。５分又は１０分後に、蒸
発の完了が観察され、タンパクの特有の白い膜が各トラ
ンスジューサ上て見られた。

これらのトランスシューサバ０．９　％　Ｎａ、ＣＩ　
ＩＶ溶液の１０イ中に浸漬した。この溶液は約２０℃に
保たれ、テスト中は絶えず攪拌された。測定に際しては
、各！・ランスジューサはコンデンサブリッジ知接続さ
れ、得られた２つの信号は記録する前に差別された。回
路は各コンデンサのブリッジ回路からの信号を近似的に
平衡させるためにバランスを保たれた。

最初の１０分間か１５分間にわたって、両方のチャンネ
ルに安定した近似的に等しいドリフトが観察された。こ
れは、おそらくトランスジューサの外観から裏付けられ
るようにしタンパク被膜のある部分が溶液の中に除去さ
れたためであろう。

１５分間の終点において、これらの回路はゼロに再調整
された。この平衡の後、Ｑ、　ｌ　ＣＣの１０チャギ人
体アルブミン抗血清をマイクロピペットで１ＱｙｕのＮ
ａＣ１溶液中に落して、０．１％有効濃度の抗血清を調
製した。この抗血清を添加した１分以内に、アルブミン
被覆トランスジューサのドリフトがその傾斜を逆転させ
、これに対して、因子８の被覆ｌ・ランスジューサは変
化なして゛ドリフトを継続した。

実施例５ ［Ｄａｉｓｙ　　２　Ｊの登録商標でニュージャシー州
のラリタンの０ｒｔｌｂｏ　Ｐｈａｒｍａｃｅｎｔｉｃ
ａｌ　Ｃｏｒｐ−０γａｔｉｏｎ　から販売されている
家庭用妊娠テストキットの試薬として得られる人体絨毛
性性腺刺激ホルモンに対するうさぎ抗血清（ＨＣＧ抗血
清）の蒸留水溶液を用いてトランスジューサを作成した
。この試薬の一滴をマイクロピペットでセンサ表面の」
二ニ落し、次に余分の試薬を振り落し、次に乾燥室−素
箱中で自然乾燥させた。

得られたｌ・ランスジューサをキャパシタンスブリッジ
回路に接続し、乾燥ＨＣＧ抗血清を一番上に向けて水平
状態に置いた。

ＨＣＧ含有サンプルの場合、朝一番の尿サンプルを妊娠
３ケ月の女性から採取した。対照サンプルは男性から採
取した。

トランスジューサのテストは、対照サンプル又はＨＣＧ
含有含有ダンプル滴をマイクロピペットで落して、セン
サを脱イオン水で洗浄し、次にテスト間中に窒素雰囲気
中で乾燥する方法で対照サンプルとＨＣＧ含有サンプル
に連続的に接触させることにより行なわれる。全てのテ
ストの場合、キャパシタンスは増加したが、ＨＣＧ含有
サンプルの場合、約２分間の誘導時間が観測された。

実施例４及び５は、本発明に従って作成されたトランス
ジユーザは抗原−抗体反応を検知するために抗体被覆又
は抗原被覆のどちらかを含むということの例として与え
られている。

実施例６ ウイスコンシン州のマジソンのＧＩＢＣＯ専売の特許で
あるＴｒｇｔｉｃ　Ｓｏｙ　Ａｇａｒ　　として販売さ
れている大豆カゼイン消化寒天からなる反応性被覆をト
ランスジューサに配設した。この寒天ゲルを無菌ナイフ
で単一トランスジューサの寸法に且つ約０００５インチ
（０，１２５ｍｍ）の厚さを有するシートに切断した。

得られたトランスジューサをテスト用に３５°Ｃ±］０
Ｃに加熱した密閉容器に封入して、このトランスジュー
サを用いて一連のテストを行なった。

１組のテストの前に、ベトす皿に入った寒天を人間の唾
液で汚染し、暗室に３７°Ｃにて１８時間培養した。こ
の培養期間の終点において、培養基の約３分の１が微生
物の成長を支えているのが観察された。成長が見えろと
ころで覆われた約４分の１程度の切片をこの汚染媒質か
ら採取して、これを１組のトランスジューサの被覆に用
いた。これらのトランスジユーザを未汚染寒天で被覆し
たトランスジューサと電気的て比較した。汚染トランス
ジューサと未汚染トランスジユーザの両方のキャパシタ
ンスが経時変化することが観測されたが（故意に汚染し
なかったトランスジューサでさえも湿気や微生物の成長
の影響を反映することが考えられる）、汚染トランスジ
ューサの方が変化速度が少なくとも２乗程度は高いこと
が観測されｌこ。

別の組のテストの場合、無菌大豆カゼイン消化寒天を用
いて一対のトランスジユーザを被覆した。

そして、そのうち１方のトランスジユーザな人間の唾液
で汚染した。これらのトランスジユーザは３７°Ｃ±１
℃て加熱された密閉容器に封入された。

約３０分後に、上記の唾液を一方のセンサに適用し、両
トランスジユーザのキャパシタンスの変化速度が実質的
に等しいととが観測された。４０分後、汚染コンデンサ
のキャパシタンスの変化速度が未汚染コンデンサの速度
の約２倍て加速していることが観測された。なお、加速
度自体も経時的に増加した。

実施例６は微生物と培養基との相互作用による微生物成
長の検知の例として与えられろ。

ここて了解されろことは１種々の修正が本発明に係る装
置と方法になされることである。従って、上記の実施例
では、反応性被覆２６は単にトランスジューサ１０に被
覆して乾燥するだけであったが、他の任意の手段を用い
て反応性被覆２６をトランスジューサて取付けても良い
。例えば１反応性被覆２６はトランスジューサ」０に化
学的に伺げることができる。かくして、反応性被覆２６
が抗原もしくは抗体である場合、被覆の抗体−抗原錯体
の形成の活性度を妨害しないように誘電層２４に共有的
に付着できる。例としてあげると、免疫グログリフＧ（
１ｇＧ）などの抗体をそのカルボキシル末端によって３
−アミンブロピルトリメトギシシランなどのシリル化合
物によって珪素含有材料に付着させて、抗体の抗原反応
性アミン末端を放出ずろことができる。誘電層２４の表
面を調製し、シリル化合物をその表面に伺げ、次にシリ
ルカップリングてよってガラスに抗体を共有結合させる
方法については、Ｗｅａｔａｌｌ　　（米国特許第３．
６　ｓ　２，７６１号）によって説明されている。

この中では、他のシリル化合物の説明や、カルホギシ基
、アミン基、及び、抗体や抗原（あるいはそれらの片〕
を含む池のタンパクの反応性基を種々の無機材料に共有
結合させる方法の説明も行なわれている。抗原や抗体（
及び他のタンパク）をポリマーに固定する大規模な技術
も存在しており、当業者は、抗原もしくは抗体のカップ
リング部位を重合誘電層にも与えられることを了ｊｌｌ
’ｉｌしよう。

かくして、例えば、誘電層２４がナイロン（ポリアミド
）からなる場合、カップリングは分子鎖の炭素又は窒素
のどちらかに結合した水素に対する適当なラジカルの置
換の形態をとりうる。

ここでまた注目されることは、反応性被覆２６をトラン
スジューサ１ｏに結合するカップリング材料は、抗体−
抗原結合プロセスの立体障害を極小にするためて、誘電
層２４と反応性材料の反応性部分との］−分な分離を確
立すべく、当技術において良く知られているように、ス
ペーサ基を含むこともてきる。例えば、カップリング拐
料は、例えば、ペプチド結合によって誘電層２４に結合
され且つ遊離−次アミンと、タンパク部分のカルボキシ
あるいはアミン末端に共有結合するだめの遊離カルホキ
シ基を与える１、６ジアミノヘキザン又は６アミノヘキ
サン酸の場合は、ポリエチレン鎖を含む。これらのカッ
プリングＵＮのどちらも末端間に６炭素鎖を与えるため
、誘電層２４がら反応性被覆２６の反応性部位の対応す
る距離の離間、Ｊζ増シている。類似の適当なカップリ
ング材料及びスペーサ材料は免疫学的検定及び親和力ク
ロマトグラフィの分野では公知である。

本発明に係る装置及び方法には他の修正も可能であるこ
とが了解されよう。かくして、種々の反応性被覆を有す
る多重トランスジューサを用いると、いくつかの種を定
量したりあるいはいくつかの存在しそうな材料の１つで
あると思われる未知材料を同定したりする多重分析やパ
ネル型分析を実行できる。斯かる装置の最も簡単な型式
を第４図に示す。この図には、トランスジューサ１０が
共通の支持体１１６を有する一対の互いに入り組んだコ
ンデンサ１１２及び１１４を含んでいる状態が示されて
いる。コンデンサ１１２及び１１４は全ての点で、トラ
ンスジューサＩＯＫ関して前に述べたコンデンサと構造
的に同じである。ただ異なる点は、コンデンサ１１２及
び１１４には反応性被覆１１８及び１２０がそれぞれ配
設されていることである。反応性被覆１１８及び１２０
は異なる反応性を有するように選択される。例えば、反
応性被覆１１８及び１２０は、当技術では公知であるよ
うに異なるインヒビタを含むことも可能な異なる培養基
とすることができ、これにより、第６図の装置を混合フ
ロラ中の特定のバクテリアの検知及び定量にまで拡大す
ることができる。かくして、反応性被覆１１８及び１２
０は、一方が付加的にインヒビタを含むことを除いて、
互いに組成の点では類似している。例えば、クリスタル
バイオレット又はペニシリンを反応性被覆１１８に組込
むことができ、これによりダラム陰性種に影響せずにグ
ラム陽性バクテリアの成長を阻止することができる。同
様にして、亜テルル酸カリウムを培養基に添加すること
により、ダラム陰性種の成長を阻止することができる。

微生物学技術では公知であるようにインヒビタもしくは
必要な栄養素をそれぞれ含有した更に別の選択媒質を用
いることができる。同様にして、種々の酵素基板を用い
て比較分析を実行することができ、且つ種々の化学反応
性被覆を用いて、系統的な定性分析を実行することがで
きる。共通の支持体を有する個別コンデンサ及び種々の
反応性被覆の数は意図された分析に合わせるために明確
に変化できる。ここでまた了解されることは、トランス
ジューサ１１０の構成は、例えば米国特許出願第３９９
，１２６号に教示されているように、予め設定された濃
度の基準液を有する別々のコンバートメン）［複数のコ
ンデンサのうちの１つが含まれるように配慮されている
ことである。

更に別の代替コンデンサの構造が第５図て示されている
。トランスジューサ２１０は、トランスジューサ１０と
構造的にほぼ類似している。ただ注目すべき相違点は、
被覆２４が行なっているように電極の上に単純にまたが
ってし・るのではなく、各電極１２及び１４（及びバス
１６及び１８）を囲む絶縁誘電被覆２２４があることで
ある。誘電被覆２２４は被覆２４と類似の組成からなる
。反応性層２２６は、層２６と類似の組成であるが、支
持体２２２の電極１２と電極１４の間に入るように適用
される。斯かる構造は、支持体２２２の上に誘電材料の
層、導電材料の層、及び反応性材料の層を連続的に析出
させることにより（及び必要に応じてエツチングするこ
とにより）作ることができる。この方法は、印刷回路や
マイクロ回路製造技術者には了解されるところである。

この代替構造によると、トランスジューサ１０の構造よ
りも１層２２６とサンプルとの反応の結果のキャパシタ
ンスの変化が大きくなる。ここでまた了解されろことは
、この構造に多孔性支持体２２２及び反応性層２２６を
付けるとトランスジューサ２１０にサンプルを循環させ
ることができることで゛ある。

また更に、特定の用途の場合、以下の配慮が必要である
。それは、トランスジューサ１０の電極をサンプルから
電気的に絶縁すると同時に、誘電層２４と反応性被覆２
６による直列キャパシタンスの値を高くするという構造
であるが、これは複数の誘電被覆であって、その一方は
誘電率を目的に選択され、他方はその絶縁特性を目的に
選択された誘電被覆を含むような構造修正によって達成
される。多重層誘電被覆の例として、前にも記したよう
に、内部層は窒化珪素の層（室温誘電率〜８６、抵抗率
〜１０１６Ω−Ｃ７ｎ）とすることができ。

この窒化珪素の層にはポリイミドが被覆される（室温誘
電率〜３４、抵抗率〜１０１７Ω−ＣＴＬ）、この後者
の層は反応性被覆２６で被覆されろ。斯かる多重層を用
いると、多様な直列レジスタンス及びキャパシタンスが
達成されることが了解される。

ここでまた当業者には明白なことは、本開示の範囲から
免税することなく、他の多様な修正が本発明に可能であ
ることである。かくして、前にも触れたよ５１Ｃ１測定
用コンデンサ及び基準コンデンサのキャパシタンスは互
いに異なるように選択できる。この場合も、誘電層３１
は省略できろ。

更に、これらのコンデンサの幾何要因はここに示したも
のとは異なることを注記すべきである。

くし状の互いに入り組んだ電極構造は必要ではなく、例
えば、複数の同心円配列電極で代替しても良い。コンデ
ンサの構成はマイクロ回路技術で行う必要はなく、その
代りに電極やバスは例えばスクＩＪ−ニング法で基板上
に印刷することができる。

この最後の修正の場合、基板はポリマー材料とすること
ができろことも了解されよう。

ここでまた以下のことが了解されるべきである。

すなわち１以上の実施例は説明用であり、本発明を制限
するものではないこと、また、本システムは、液体や気
体を含む多様な流体に適しており、溶液や懸濁液中の多
種の無機材料、有機材料及び生物材料の濃度の測定に適
しており、汚染物質などの検知に適しており、且つ個別
サンプルや流れにおける化学プロセスのモニタに適して
いることである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る好ましい実施例であるトランス
ジューサの正面図、第２図は、第１図のトランスジユー
ザのｆｉ１２−２についてのトランスジューサの一部分
の拡大部分断面図、第３図は、第１図及び第２図のトラ
ンスジューサとの使用に好適な回路の略図、第４図は、
本発明に係るトランスジューサの代替実施例の正面図、
第５図は、第１図のトランスジューサの代替実施例の第
２図に類似の拡大部分断面図。 １０．１１０，２１０　・・・分析装＃（トランスジユ
ーザ） １２．１４，１１２，１１４・・・　導電部材２２．１
１６，２２２・・・支持構造体２４．２２４　　・・・
誘電体 ２’６，１１８，１２０，２２６・・・反応層特許出願
人　　レオナード・ニス・レイモンド（外１名） ；′−： 代理人　弁理士湯浅恭−ｊ′ｉ （外４名） 手　　続　　純　　正　　書 昭和５９年ノ　月）−３日 特許庁長官　若杉和夫　　殿− １事件の表示 ２発明の名称 化学分析ンステム及び方法 ろ、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所 ４゜代理人 ６袖正の内簀 （１）明細書中、下記の補正を行う。 頁　　　　行　　　　補正前　　　　　　補正後９　　
１８　　イ」着基　　　　　　ハシテン１０　　　２６
ｔ〜体　　　　　　　複合体２０’１１．１９　　不動
γル　　　　　　パン−ご一ンヨン２２　１１　２乗は
ども　　　　〔削除〕２２　１２　　を　　　　　　　
　の２倍を２４　　２　　わ丁かに　　　　　　〔削除
〕２４　　２　　薄；ＩＱ　　　　　　　　薄膜のみ２
４　　　７　　１　　　　　　　　　５０２６　１７　
　感知　　　　　　　方向２７　１１　　友好血性　　
　　　抗血友病６１　　　１８　　　男何呈度　　　　
　　　　　イ音６２　２０　　付　　　　　　　　〔削
除〕６３　　１　　ける　　　　　　　結合さセるろろ
　　　ろ　　錯体　　　　　　　複合体ろろ　　　６　
　活性度　　　　　　反応性ろろ　　　４　　イＪ’　
／ｉ“１１　　　　　　　　結合乙ろ　　　　５　　グ
ロタリン　　　　　グロノ′リンろろ　　１９　　大規
模な　　　　　〔削除〕ろろ　　２Ｄ　　カップリング
　　　結合３４　　６　　カップリング　　　結合６４
　　４　１で対する　　　　　を ４４　　５　　ラジカルの置換　　基で置換したの 乙６２．７．’１５　　インヒビタ　　　　抑制剤３６
　１７　　基板　　　　　　　基質ろ９　　４　　この
場合も、　　　繰り返すがろ９　１４　　ろ１　　　　
　　２４または２２４ろ９　１５　　要因　　　　　　
　的形状ろ９　　１６　　　ｔ、ｃること　　　　　な
ってもよ℃・こと以　　　　上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）流体中の化学種又は生物種が検知又は定量されろ
   、あるいは流体中の化学反応又は生化学反応が観察され
   る化学分析、生物分析等を含む分析群から選択された分
   析を実行するための装置において、 実質的に非導電性の材料からなる支持構造体と、 該支持構造体の上知配設された複数の並置導電部材と、 前記流体から該導電部材を電気的に絶縁するべく配設さ
   れた少なくとも１つの誘電体であって、前記流体に関し
   て実質的に化学的に不活性な物質からなる誘電体と、 前記導電部材に接するように配設され且つ前記導電部材
   から前記誘電体によって分離された反応性層であり、分
   析される種との反応に加わるように選択された反応性層
   と、の組合せを含むことを特徴とする装置。 （２）該反応性層が酵素に対する基質を含むことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。 （３）該反応性層が抗体を含むことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項に記載の装置。 （４）該反応性層が反応性抗体片を含むととを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の装置。 （５）該反応性層か抗原を含むことを特徴とする特許請
   求の節囲第１項に記載の装置ｔ。 （６）該反応性層が付着基を含むことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の装置。 （７）該反応性層が微生物培養基を含むことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の装置。 （８ン　　流体中の複数の化学種又は生物種の相対濃度
   がそれらの多様な反応性によって求められる化学分析、
   生物検定などを含む分析群から選択された分析を実行す
   る装置において。 実質的に導電性を有する材料からなる支持構遺体と、 それぞれが該支持構造体上に配設された複数の並置導電
   部材からなる複数のコンデンサと、前記流体から該導電
   部材を電気的に絶縁するべく配設された少なくとも１つ
   の誘電体であって、前記流体に関して実質的に化学的に
   不活性な物質からなる誘電体と、 各々がそれぞれのキャパシタの前記導電部材に対立すべ
   く配設され且つ該導電部材から該誘電体によって分離さ
   れた複数の反応性層であって、分析される種との選択さ
   れた且つ変化する反応に加わるように選ばれる反応性層
   と、を荊合せて含むことを特徴とする装置。 （９）該反応性層が複数の酵素に対する基質を含むこと
   を特徴とする特許請求の範囲第８項に記載の装置。 （１０）　　該反応性層が複数の抗体を含むことを特徴
   とする特許請求の範囲第８項に記載の装置。 （１１）該反応性層が複数の反応性抗体片を含むことを
   特徴とする特許請求の範囲第８項に記載の装置。 （１２）　　該反応性層が複数の抗原を含むことを特徴
   とする特許請求の範囲第８項に記載の装置。 （１３）　　該反応性層が複数の付着基を含むことを特
   徴とする特許請求の範囲第８項に記載の装置。 （１４）　　該反応性層が複数の微生物培養基を含むこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第８項に記載の装置。 （１５）　　流体中の化学種又は生物種が検知又は定量
   される。あるいは流体中の化学反応又は生物反応が観察
   される化学分析、生物分析等を含む分析群から選択され
   た分析を実行するための方法において、 分析される種との反応に加わるように選択された反応性
   誘電体を少なくとも一部に含む誘電体を、コンデンサの
   少なくとも一部に供給する段階と、 前記反応性誘電体を分析されるサンプルに接触させる段
   階と、 前記コンデンサのキャパシタンスの変化な観測する段階
   と、を連続して含むことを特徴とする前記の方法。