JPS6123957A - 光応答性レドツクス検出および識別 - 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】 発明の分野 特定の環境中のある物質の存在および／またはその量の
検出は、その環境を監視かつ取シ扱うことを探求する分
野において重要性が増大してきて込る。液状媒質中の種
々の物質を測定する装置の長い歴史にもかかわらず、感
度、効率、経済性および使用の容易性を改良する機会が
なお十分に残っている。種々の検出法のうちで、最近用
いられている１つの装置は、電界効果トランジスター（
ＦＥＴ　）およびその装置の種々の変更物である。

例えば、次の参考文献参照：　Ｓｔｅ’ｎｂｅｒｇ等、
ジャーナル・オツ・コロイド・アンド・インターフェ・
コンピユーテイング（Ｍｅｄ、　Ｂｉｏｌ、　Ｅｎｇ。

−１４４ｓ−ジ；およびＬａｕｋｓおよびＺｅｍｅｌ。

Ｖｏｌ、ＥＤ−２６，Ａ１２（Ｄｅｃｅｍｂｅｒ１９７
９）。

１０９５９−１０９６４ページ。これらの参考文献は、
溶液中の物質を測定するための、半導体装置、とくに電
界効果トランジスターに関する参考文献の単なる例示で
ある。ＦＥＴ装置は商業的に受は入れられておらず、そ
して多くの場合において、融通性に欠ける。化学的検出
器として使用するためには、ＦＥＴは露出されたダート
区域を得ること、および実験的環境においてそれを用い
て作業することがことに困難である。

他の装置に比べて、半導体装置あるいり電気信号に応答
する他の装置はある数の利点を有する。

電気的に応答性の装置は、比較的小さい信号に対して応
答することができる。さらに、種々の技術により、信号
を変調し、そしてバックグラウンドのノイズを減少しあ
るいは実質的に排除することができる。電気的装置はし
ばしば小型化することができるので、比較的小型の装置
を種々の流体中の変化に測定に開発することができる。

先行技術の説明 問題の参考文献は、次のものを包含する：Ｇｒｏｎｅｔ
およびｌｅｗｉｇ　、ネイチュア−（Ｎａｔｕｒｅ）（
１９８２）３００ニア３３−７３５：ＢａｒｄおよびＦ
ａｕｌｋｎｅｒ　、　１９８０゜電気化学的方法−−Ｗ
ｉｌｅｙ　ａｎｄ　５ｏｎｓ　、　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ　
：　ＦａｈｒｅｎｂｒａｃｈおよびＢａｂｅ　、　１９
８３゜太陽電池の基礎−一光Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　）
　＋アカデミツクプレス、ニューヨーク；および半導体
におけ光効果−電解質表面Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　　
５ｕｒｆａｃｅｓ　　、Ｎｏｚｉｋ編ＦＡｍｅｒｉｃａ
ｎ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ　、ワシントン
Ｄ、Ｃ，、１９８１゜また、米国特許第４，２９３，３
１０号およびＰＣＴ出願第ＷＱ、８３１０２６６９号参
照。

複数の部位における照射から生ずる電気信号の測定を含
む、光応答性感知要素、回路および方法が提供され、こ
こで信号は各部位におけるレドックス環境に関して変化
する。光応答性表面上の複数の部位を前もりて決定した
波長範囲の光で照射して分析可能な信号を個々に生し、
ここで媒質の体積は照射された部位に関連する。光応答
性表面は１または２以上の反対電極（ｃｏｕｎｔｅｒｅ
　１ｅｅｔｒｏｄｅ　）に関して分極化されておシ、前
記反対電極は媒質を介して前記光応答性表面と電気的に
変換性の関係にある。

本発明によれば、媒質の個々の部分を同時にあるいは実
質的に同時の決定（ｄｅｔｅｒｍｌｎａｔｉｏｎ　）を
可能とする方法および装置が提供される。この装置は、
信号分析回蕗および電気的に連絡する媒質を介して、少
なくとも１つの反対電極へ電気的に結合された、電極と
してはたらく感光性感知要素を用いる。感光性表面上の
部位は前もって決定した波長の光で個々に照射され、こ
れによ）このような個々の部位における信号は個々に分
析されることができる。前記部位の各々における検出可
能な信号は、各部位における照射の水準および感光性感
知要素内の伝導帯の状態に、感光性表面上の部位に隣接
する流体媒質の結果として関係づけられるであろう。

光応答性電極は少なくとも１つの反対電極に関して分極
化されている。２つＯ電極は電気的に連絡した関係にあ
）、ここで連絡関係を与える媒質は分析すべき媒質と同
一であることができ、あるいは異ることができる。逆ま
たは前方のバイアスで光応答性電極を分極化する回路を
用いて、ここで電流は電気的に連絡する非金属媒質、通
常極性流動性媒質、例えば、水性媒質を介して流れるこ
とができるか、あるいは阻止される。ある場合において
、暗電流が存在するであろうが、他の場合において、有
意な電流が照射の間にのみ生ずるであろう。問題の媒質
の個々の部分の状態を決定するために、前記側々の部分
に近接する部位を照射し、そして生ずる信号を標準に比
較して測定する。

光応答性電極または感知要素または電極は、半導体材料
または光伝導性材料であることができる。

半導体はｐ型またはｎ型であり、そして、適当ならばド
ーピング剤（ｄｏｐａｎｔ　）、例えば、ホウ素、アル
ミニウム、リン、ヒ素、アンチモンなどを用いることが
できる。ドーピングの程度は広く変化することができ、
使用できる広範な種類の商業的に入手可能なドープ型（
ｄｏｐｅｄ　）ウェーファーが存在する。ドーぎング剤
の濃度は通常経験的に変化させて所望の光応答が得られ
、しばしば便宜的な問題であり、そして一般に約１０１
０〜１０２０原子／Ｃｔ、の範囲である；通常シリコン
について、定格は約５〜２０　ｏｈｍ−ｃｍであろう。

光伝導性材料ハクロロガリウムフタロシアニンを包含す
る。

アメリカン・ケミカル・ソシエティー（Ｊ、　Ａｍ。

種々の電気回路を使用して、感知電極の光応答性の変化
を測定することができる。前記変化は媒質の個々の部分
の状態の変化から生ずる。これらの電気回路は、光コン
ダクタンスまたは光キャノ４シタンス、あるいはそれら
の組み合わせにおける変化を主として測定することがで
きる。回路は媒質の状態の小さい変化を検出するために
最大の感度を提供するように、選択されるであろう。こ
れらの測定値は一般に光応答（ｐｈｏｔｏｒｅｓｐｏｎ
ａｅ　）と呼ばれるであろう。

回路から観測される信号は、直流、交流または交流への
直流の作用の変化の結果であることができる。

用いる回路は、異る変数、例えば、ＡＣ振幅、バイアス
電位、ＤＣ振幅、ＬＥＤ振幅のＡＣ成分、ＬＥＤ振幅の
ＤＣ成分などの測定を可能とする。これらの変数は、光
応答に関して電位または光の強さを変化させることによ
ル自動的に相互に関係づけることができる。例えば、バ
イアス電位を変化させて一定のＡＣまたはＤＣ光応答を
維持しかつバイアス電位の変化を測定できる；あるいは
、バイアス電位を固定しかつ定常照明から得られるＤＣ
電流または振幅変調された照明から得られるＡＣ電流を
測定できる；あるいは、ＡＣまたはＤＣ照明の強さを変
化させることによ、９ＡＣまたはＤＣ光応答の振幅を固
定しかつ光の強さを測定できる。

ウェーファーを使用するとき、それは種々の大きさおよ
び形状で入手することができ、例えば、約０．１８の大
長寸法を有するチップサイプから変化し、あるいは１０
０調であることができるウェーファーサイズであること
ができる。この装置は通常少なくとも１つの平滑な表面
または表面の平滑な部分を有し、望ましくは平らであり
、そしてそれらの平滑な区域は照射部位の役目をするで
あろう。ウェーファーは丸く、長方形、細長などである
ことができる。ウェーファーの厚さは一般に約１ｍ１１
以下で、通常約２籠よシ小であ）、そして一般に約０．
０５μ以上、通常０．１６以上であろう。

照射表面は通常関連するマトリックスを有するである。

このマトリックスは少なく七も約２５１Ｑよシ通常少な
くとも約５０Ｘの被膜を含むことができ、これは、その
機能に依存して、実質的に大きくあることができ、通常
１００（ｌｌ’ｉ超えず、より通常５００Ｘ以下である
。大部分について、マトリックスは少なくとも少量の保
護の酸化物または窒化物の被膜あるいは他の保護被膜、
例えば、シリコンの酸化物または窒化物を含むであろう
。

交互にあるじは組み合わせて、表面を広範な種類の有機
シラン、とくにハロダン化物またはエステルと反応させ
ることができ、これにょ上表面の有機被膜を形成するこ
とができる。有機シランは１〜３０個、約１〜２５個の
炭素原子の有機基を有し、これらの基は脂肪族、脂環族
、芳香族または複素環族、あるいはそれらの組み合わせ
であることができ、脂肪族的に飽和または不飽和である
ことができ、あるは極性末端基を有する飽和炭化水素で
あることができ、前記末端基は、次の理由で極性である
：１）電荷、例えば、カルボキシレート、ホスフェート
またはアンモニウム；２）双性イオン、例えば、ベタイ
ン；または３）双極、例えば−３，４−ジニトロフェニ
ル、カルボキシレートエステル、ホスンエートトリエス
テルなど。

炭化水素基金周込る場合、とくに約６〜２４個の炭素原
子の飽和または不飽和の脂肪族基の場合において、第２
一層を用いて二層の膜を形成できる。

脂質を第２Ｆ！ｌの調製に使用することができ、これは
安定な二層状の膜を形成する。あるいは、安定な層状膜
を形成する脂質全両者の層のために使用して、表面への
共有結合を回避することができる。

例示的な群は、リン脂質、スフィンゴミエリン、ガング
リオシド、コレステリック（ｃｂｏｌｅｓｔｅｒｉｅ）
化合物、アシルグリセロール、ワックスなどを包含する
。

重合した脂質の二層を便利に使用することができこれは
予備調製し、そして表面上に配置することができる。例
えば、次の文献を参照：Ｗｅｇｎｅｒｐ節ｖ％Ｒ，Ａ、
　１１＞エルチーファンデーション・コンブ・オン・ケ
ミカル・リサーチ（ＷｅｌｃｈＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ　
Ｃｏｎ、　ｏｎ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ
　）ＸＸＶＩ合成ポリマー　（５ｙｎｔｈｅｔｉｃ　Ｐ
ｏｌｙｍｅｒａ　）　。

Ｎｏｖ、　　１５−１７．１９８２．Ｈｏｕｓｔｏｎ、
　この開示をここに引用によって加える。望ましくは、
重合度は１００チより低く、通常的２０％〜９０チであ
り、これにより実質的な程度の流動性および横方向の拡
散が得られるようにする。必要に応じて、第１層を重合
した層の下に使用することもできる。

種々の他の材料を表面に関して使用することができ、前
記材料は共有的にまたは非共有的に結合することができ
、あるいは表面に隣接させて機械的に保持することがで
きる。材料は天然に産出する材料または合成材料あるい
はそれらの組み合わせであることができる。これらの材
料は、一般に約０．０２５〜１．２７１１１１（約１〜
５０ミル）の厚さの多孔質フィルムを包含し、通常極性
材料、例えば、ニトロセルロース、部分的に加水分解さ
れたポリ酢酸ビニル、Ｉリアクリレート、タンパク質、
多糖類、例えば、アガロースなどである。種々のダル、
例えば、寒天、ポリアクリルアミドなどであることがで
きる。とれらの層は独立の結合成全有するか、あるいは
支持体の光応答性装置に頼ることができる。それらは、
全体的または部分的に、光応答性要素と、直接的に蔦る
いは中間層、例えば、液体層、例えば水性層を介して接
触するであろう。

光応答性表面または対向する表面に共有的にまたは非共
有的に結合することができるレドックスは、とくに興味
がある。電子伝達剤として作用することができる種々の
化合物を、便利な結合基、例えば、アルキレンシリルハ
ライドまたはエステル全使用して用いることができる。

例えば、Ｆａｕｌｋｎｅｔ　、ケミカル−アンド・エン
ジニアリングーニエーズ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　ａｎｄ　
ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＮｅｗｓ　）　、　Ｆｅｂｒｕ
ａｒｙ　Ｑ　７　＊　１９８４　Ｔ　ＰＰ−２８−４５
参照。ここにはＮ　、　Ｎ’−二置換４，４′−ジピリ
ジル化合物が記載されている。他のシリルハライド置換
化合物を使用でき、これについては後述する。

種々の他の物質を光応答性電極に関連してまた使用する
ことができ、これについては後に詳述する。これらのう
ちには対向する間隔を置いて離れた層、例えば、シート
またはスライドがある。他の物質は特定の相互作用、と
くに特異的に結合性の物質量の錯化を与えるために存在
することができる。これらの物質は光応答性表面、また
は保護被膜、あるいは対向層へ直接または間接に結合す
ることができる。

いかなるフィルムまたは被膜または層も、光応答性表面
を照明する特定の波長の光の透過を妨害すべきではない
。さらに、光応答性表面におけるマトリックスは、イオ
ンあるいは極性の、とくに帯電した物質、例えば、タン
ｔ４り質、脂質、ノイラミン酸、または他の帯電したサ
ツカリドなどの結合または錯化の結果として極性相互作
用を可能とするために必要とする。

マトリックスは、所望の強さおよび表面のある部位にお
ける媒質の状態の特定の変更のために、光を半導体表面
に十分に透過させるかぎシ、いかなる厚さであることも
できる。表面の部位に用いる媒質は、通常イオンを拡散
させるであろう。したがって、固体フィルムを用いる程
度に、これらのライルムは通常多孔質であシかつ液状媒
質中に浸漬して、感知電極表面に隣接してイオンおよび
分子を拡散させて、電極間を電気的に連絡させる。

装置は約１咽２〜約５９　ｃｍ”　、通常的２５　ｃｍ
”より大きい単一の連続的光応答性表面を有することが
でき、あるいは互いに物理的に隔離されているが、同一
回路へ電気的に接続された複数の個々の光応答性表面で
あることができる。個々の単位は通常的Ｑ、　ｌ　ｔｔ
ｓ２〜５ｍ”４たけこれよシ大きく、上限は主として便
利さの１つであるが、ある場合において、大きい表面積
を使用することによ）増大した信号が得られる。個々の
単位は媒質と接触していてもよく、仕切シの存在により
完全にまたは部分的に互いに隔離されておシ、そして前
記仕切シは電気的連絡を可能として、例えば、膜、７リ
ツト壁または仕切υでオシ、表面への距離を部分的にの
み、便利には表面への距離の２５チ〜９゜チを延びＣい
る。このような仕切シは、後述するように、大きい光応
答性表面と一緒に使用することができる。

光応答性表面の異る区域の媒質の接近は、種々の方法で
、隔室を設けることにょシ物理的にコントロールするこ
とができ、隔室はいかなる便利な周辺、円形、正方形な
どのチャンネル（ｃｈａｎｎｓ　１　）を有することも
でき、このチャンネルは円形、曲多くねった形または直
線状、あるいはそれらの組み合わせであることができる
。拡大された区域、例えば、チャンネルは動く溶液の異
る時間における検査を可能とする。チャンネルは晃応答
性表面と関連させてマトリックス中にみそを形成するこ
とによ）設けることができ、そして隔室は光応答性表面
と関連゛させてマトリックス中にくぼみを形成すること
により設けることができる。測定すべき独立の単位の数
は、２以上、通常５以上であり、そして５０以上である
ことができ、そして２５００程度に大きくあることがで
きるであろう。

あるいは、表面仕上げ（ｆａｃｉｎｇ　）の固体フィル
ム、層または板を用いることができ、これらは主要な試
薬を局在化しあるいは適当な構造を与え、これにより光
応答性表面を隔室および／またはチャンネルに分書する
。表面仕げの表面は通常硬質であり、そして透明、不透
明、半透明であることができ、そして金属、セラミック
、ガラスなどであることができる。照射光線に関して半
透明または不透明であり、表面仕上げ板が光応答性表面
に隣接する場合、孔を板の中に形成して種々の部位にお
いて光を透過させることができる。あるいは、光学繊維
を用いて板を通して光を特定の部位へ向けることができ
る。板は不活性材料であって、構造を単に与えるか、あ
るいは変更して種々の物質を表面に結合するようにする
ことができる。これらの物質は媒質のインクレメント部
分の状態の決定に含まれ、こうして個々の部位を与え、
これらの個々の部位は個々に決定され、複数の結果の急
速な決定を可能とする。

光応答性表面の照射はウェーアアーのいずれの側である
こともできる。しかしながら、照射が問題の媒質に関連
する側の反対側で行われる場合、ウェーファーを非常に
薄して、問題の媒地により影響を受ける伝導性帯が光の
照射によりまた影響を受けるようにしなくてはならない
。通常、この場合において、光応答性要素の厚さは約０
．０５μ〜２μであろう。

光源は任意の便利な光源、とくに少なくとも光応答性要
素の付近においであるエネルギーをもつ光源でアク、こ
うして移動性の電荷、すなわち、遊離電子および正孔を
生成するようにする。光源は一般に可視ないし赤外の範
囲において変化する；シリコンについて、これは約１，
１ａＶである。これは約０．１μ〜１μ、よシ通常約０
．３μ〜１μの範囲の波長範囲を与えるであろう。他の
半導体をそれに応じて光源と合致させることができる。

光応答性表面上に色素を薄膜として使用することにより
、よシ低ｂエネルギーの光をレドックス反応と組み合わ
せて使用することができる。パルス輻射についての光お
よび暗い期間は同一であるかあるいは異ることができ、
一般に１０−２〜１０””秒である。特定の部位の照射
の合計時間は臨界的ではなく、１０〜１００秒の範囲で
あることができる。

短い時間に連続または不連続の光を与える任意の光源、
とくに前もって決定した周波数、例えば、１００　Ｈｚ
〜１００　ｋＨｚ、通常１００Ｈｚ〜５０ｋＨｚ　、よ
シ通常１〜２０　ｋＨｚで照射期間中に光をサイクルさ
せることのできる光源を使用することができる。とくに
興味あるものはＬＥＤ列であり、これらは赤色光または
白色光を与えるもの、例えば、タングステンランプを利
用できる。あるいは、単一の光源、例えば、可視領域の
螢光を使用できる；シャッターを使用する場合、ネマチ
ック状態の液晶、格子、光学繊維、チョッパーなどを応
用することもできる。

通常、異る部位を異る時間に照射して、個々の部位に関
連する信号を区別する簡単な方法を得る。

しかしながら、異る部位を同時に照射することができ、
ここで信号を区別できる手段、例えば、移相、交番周波
数、あるいは信号を食い違わせることができる場合、他
の組み合わせを用いる。

上に示したように、本発明は分析すべき１または２以上
の媒質の１または２以上の個々の部分を扱うことができ
、ここで個々の部分または体積は媒質または媒質の特定
の個々の部分の全体の性質を指示することができ、ここ
で個々の部分は性質が互いにならびに全体の媒質と異る
ことができる。

特定の個々の部分に関連する光応答性表面上のある部位
を照射することによ）個々の部分を検査することができ
る。特定の部位における照射は、特定の部位を照射する
光源を使用し７光源および光応答性表面を互いに関して
動かすことにより、あるいは前もって決定したスケジュ
ールに従い光応答性表面の異る部分を照射する複数の光
源、またはそれらの組み合わせ全使用することにより達
成できる。このようにして、媒質の異る部分を処理して
個々の部分の状態ｆ：種々の性質に関して決定し、かつ
大きい体積にわたシ媒質の状態の変化を決定することが
できる。さらに、１または２以上のチャンネルを使用し
、そしであるチャンネル（沿って個々の部分の状態を決
定することができるので、そのチャンネルに沿った個々
の部分の状態の変動を媒質中に生ずる一時的変化に関係
づけることができる。連続的ま、たは不連続的流れの技
術を用いることにより、照射路へ入る前に検出可能な反
応を与える２つの媒質を混合することにより、チャンネ
ルに沿った各照射部位において定常状態を得ることがで
きる。このようにして、あるチャンネルに沿った異る部
位にお込て媒質の定常状態を観測することにより、反応
の状態を決定できる。

こうして、本発明によれば、一時的な事象を実質的同時
に監視することができる。したがって、１または２以上
の光源または光応答性表面を動かすか、あるいは複数の
光源を用いるかを選択することができ、複数の光源は前
もって決定したスケジュールに従い表面を照射し、ある
いは複数の隔離された光応答性表面は同時に照射される
かあるいは異る時間に照射される。

検出可能なレドックス物質の多様性、使用可能な構成の
許容されうる変動、および回路の融通性のために、広範
な種類の系および場合を本発明により扱うことができる
。大部分につ込て、光応答性電気信号を変調する流体は
監視されるが、本発明によれば適当な場合において固体
および半固体を監視することができる。

本発明は種々の流れ、例えば、流出物、自然の水域、化
学処理プラント、精油所、発電所などからの工業的流れ
、空気、または他の流体の監視に用いることができ、こ
こで流体は光応答性電気信号に影響を及ばず成分を有す
るか、あるいはこのような成分を他の物質と組み合わせ
て使用してこのような応答を得ることができる。

光応答性電極はウェーファー菱面に隣接する媒地のレド
ックス電位により影響を受けることができる。種々のレ
ドックス系を使用することができ、このような系は生体
外または生体内の系、例えば、細胞、例えば、微生物、
哺乳動物の細胞など、酵素反応、とくにオキシレダクタ
ーゼ、例えば、グルコースオキシダーゼ、ペルオキシダ
ーゼ、ウリカーゼ、ＮＡＤまたはＮＡＤＰ依存性デヒド
ロｒナーゼ翫自然に産出する電子移動剤、例えば、フエ
リドキシ、フェリチン、チトクロームＣ１およびチトク
ロームｂ２、有機電子供与体および受容体、例えば、メ
チレンブルー、ニトロブルーテトラゾゾリウム、メルド
ラブルー（Ｍｅｌｄｏｌａ　ｂｌｕｅ　）、フェナジン
メトサルフェート、メタロセン、例えば、フェロセニウ
ム、ナフトキノン、Ｎ、Ｎ’−ジメチル４，４′ジピリ
ジルなど、および無機レドックス剤、例えば、フエリニ
およびフェロシアニド、クロロニウムイオン、第一銅お
よび第２銅のアンモニウムハライドなどである。

他の実施態様において、流出流または河川の生物学的酸
素要求量または化学的散票要求量を複数のチャンネルの
使用により監視することができ、流れを多数の個々のチ
ャンネルに分割することができ、ここで異る化学物質を
個々のチャンネル中に導入することができ、ここで化学
物質または反応の生成物は光応答性電気信号を変調する
。レドックス電位の変化が存在すると、変化の割合はチ
ャンネルに沿った異る部位における電気信号の変化を決
定し、そしてその割合を化学的ｌたは生物学的酸素要求
量に関係づけることができる。

この装置を反応、例えば、酵素反応の速度の測定に使用
することができ、ここで酵素反応は媒質のレドックス電
位を変化させる。これは動的方法または静的方法で実施
することができ、ここで動く流れを用いることにより、
速度の決定を実質的に瞬間的に行うことができる。ある
いは、特定の部位に比較的に静止する溶液を準備し、こ
れを不連続的に照射し、そして異る時間に読みを行い、
速度を決定することができる。この装置は酵素が触媒す
る反応速度の決定に使用することができ、ここで酵素は
ウェーファーの表面において発生する電子を使用する過
剰の基質（ｓｕｂ＠ｔｒａｔｅ　）の還元を触媒する。

このような場合において、還元の速度（それゆえ、酵素
の濃度）はウェーファーの表面におけるＤＣ電流（それ
ゆえ、測定される光応答の変化）を決定する。このよう
な場合において（例えば、セイヨウワサビのペルオキシ
ダーゼについて）酵素の濃度は１〜５秒程度に短かい期
間にわたって測定することができる。

また、本発明は、半固体または固体の媒質を使用して、
適当な適合を採用して実施することができる。例えば、
クロマトグラフの層、ダルなどを用いることができ、こ
こでレドックス信号を問題の成分と関係づけられ、ここ
で混合物は薄層クロマトグラフィー、電気泳動、密度勾
配などにより各成分に分離されている。

媒質の特定の媒質の成分の存在の検出に本発明を用いる
ことはとくに興味があシ、ここで成分は化学物質、合成
または天然に産出するもの、例えば、薬物、ホルモン、
タンパク質、ステロイド、受容体、核酸など：あるいは
化学物質の凝集物、例えば、ヌクレオソーム、ウィルス
、細胞、原核物質および真核物質などであることができ
る。これらの決定はしばしば生理学的流体、例えば、血
液、血漿、だ液、脳を髄液、リンパ液、尿などについて
なされるであろう。

ある場合において、このような決定は配位子および受容
体の組み合わせを包含し、ここで配位子および受容体は
互いに特異的親和性を有するので、それらは１対の特異
的結合構盛員を形成する。受容体は大部分抗体、酵素、
または天然に産出する受容体でアシ、そして本発明の日
的に対して核酸を包含するが、配位子はその受容体を利
用できるかあるいはつくることができる任意の化合物で
あることができる。

レドックス反応を与える標識を含むオリゴヌクレオチド
配列を準備することにより、ＤＮＡまたはＲＮＡ配列、
例えば、アレル、突然変異体、換み換え体などを°分析
することができる。例えば、プローブをガラス表面へ結
合させることができ、異るオリゴヌクレオチド配列を異
る部位に存在させる。

ＤＮＡまたはＲＮＡ試料は、二本鎖ポリヌクレオチド、
例えば、ｄ＋５ＤＮＡを変性し、そして機械的に、例え
ば、剪断により、あるいは酵素的に、例えば、１種また
は２種以上のエンドヌクレアーゼにより、５００〜１０
，０００ｎｔの範囲の平均大きさの断片を形成すること
により、調製できる。

次すで、試料を結合したオリゴヌクレオチド配列とホモ
デープレックス（ｈｏｍｏｄｕｐｌｅｘ　）する標識配
列と混合し、こうして標識配列を試料の配列と結合配列
について前もって決定した厳格さの交雑条件下で対抗さ
せる。相同配列がガラス表面に結合配列への交雑の介在
を経て結合するようになるために十分な時間が経過した
後、スライドを取シ出し、洗浄し、そして光応答性表面
に対して並列に配置し、ここで２つの表面の溶解により
標識とのレドックス反応が起こる。

特異的に結合性の対を含む系は、広く変化することがで
き、そして固体表面への結合が存在しない「均質」系、
あるいは結合が存在し、この結合が更新可能または不可
能である「不均質」系を包含することができる。「更新
可能」とは、検定系の活性成分を表面から取シ出し、そ
してそれを異る成分と置換することができることを意図
している。

大部分について、水性緩衝媒質を使用し、これは信号を
発生する物質の性質に依存して軽度にまたは高度に緩衝
されていることができる。種々の緩衝剤、例えば、炭酸
塩、リン酸塩、ホウ酸塩、トリス（ｔｒｉｍ　）、酢酸
塩、バルビタール、ヘペス（Ｈｅｐｅｓ　）などを約０
．０１〜０．５モルの範囲の濃度において使用できる。

有機極性溶媒、例えば、酸素化中性溶媒、例えば、メタ
ノール、エタノール、α−グロノぐノール、アセトン、
ジエチルエーテルなどを約Ｏ〜４０容量チの範囲の量で
存在させることができる。

特異的に結合性の対の検定におりて、ある物質へ複合化
（ｃｏｎｊｕｇａｔａ　）　した標識を存在させ、ここ
で光応答信号の変調を検定される試料中の分析物（ａｎ
ａｌｙｔｓ　）の量に関係づける。この物質は分析物、
分析物類似体、相補的に結合性の構成員またはこれらの
物質のいずれかに結合する物質であることができる。こ
のような物質はある種の免疫グロブリンに対する抗体、
例えば、ネズミの免疫グロブリンに対するヒツジの抗体
を包含する。また、対、とくに−・ゾテンー受容体の対
が包含され、ここでその物質はハゲテン、例えば、ビオ
チン、および標識を含む相反結合性構成員、例えば、ア
ビジンで変性される。こうして、標識は分析物を含む特
異的に結合性の対の一構成員へ、直接または間接に、共
有または非共有的に結合することができる。

光応答電気信号を直接または間接に変調する光応答性部
位に関係するレドックス物質を与える、１種または２種
以上の成分を有することができる系を用いる。実質的に
広範な種類の変調物質を特異的に結合性の検定において
用いることができ、これら物質は触媒反応、例えば、酵
素触媒反応の結果生じうる。

均質系について、結合は検定系の変調を生じさせ、この
変調は光応答電気信号のレドックス変調を生ずることが
必要であるだりである。結合は光応答性表面に近接して
、あるいは光応答性表面から離れて起こることができ、
ここで光応答表面は後に検定系中の検出可能な化合物の
水準を決定するために使用できる。例えば、複数の検定
を別々の容器、例えば、微小力価（ｍ１ｃｒｏｔ１ｔｓ
ｒ　）の板の部内で実施することができ、ここで媒質の
レドツクスミ位は溜の各々において分析物の量に従い変
化する。次いで試料の媒質の各々のアリコートを個々の
隔室へ同時にあるいは系統的に移すことができ、各隔室
はその底として光応答性表面を有する。次いで、個々の
試料を、各隔室を順次に照明し、そして信号を照射され
た試料媒質と関連させて決定することにより、スクリー
ニングする。

あるいは、検定反応の監視は、第８図に示すような複数
の隔室の底に光応答性表面を存在させて、実施できるで
あろう。あるいは、検定は光応答性表面の近くにおいて
、検定媒質を通して距離の一部分のみを延びるある数の
部分的仕切シを設け、そして光応答性表面に隣接させて
試料を導入することにより実施できる。部分的仕切＃）
ヲ使用する場合、隔室は抵抗的に分離しなくてはならな
い。

これは高い抵抗性の溶液を使用し、そして電極を各隔室
に光応答性表面に近接させて配置することにより実施で
きる。検出可能な生成物の形成速度は隔室内の分析物の
量とともに変化するので、既知量の分析物を有する隔室
と試料を含有する隔室との間の差を比較することにより
、結果を標準に関係づけることができる。

均質系の検定は、次の米国特許に記載されているような
検定を包含する：米国特許第３，８１７，８３７号（標
識）（酵素）；同第３，９３５，０７４号（配位子）；
同第４，１６０，６４５号（非酵素触媒）；リポソーム
；同第４，２０８，４７９号（酵素変性剤）；同第４．
２７５，１４９号（粒子）；および同第４．３４１，８
６５号（スイサイド阻害剤）、適当な部分を引用によっ
てここに加える。これらの特許は、酵素レドックス試薬
、およびそれらの組み合わせを包含する。

例えば、商標ＥＭＩＴで販売されている商用検定系が存
在する。この検定は酵素グルコース−６−ホスフェート
デヒドロゲナーゼを用い、この酵素はＮＡＤからＮＡＤ
Ｈを生成する。光応答性表面におりて酸化を起こさせる
ことにより、ＮＡＤＨはＮＡＤに直接にあるいは他のレ
ドックス化合物の中間体を経て転化し、酵素によるＮＡ
ＤＨの形成速度を決定することができる。

均質酵素検定は分析物に対する抗体を使用し、ここで分
析物または分析物類似体も酵素に結合して酵素−分析物
複合体を形成する。分析物に対する抗体が酵素−分析物
複合体へ結合するとき、酵素の活性は実質的に減少する
。こうして、ＮＡＤＨの形成速度を決定し、そして光応
答性部位に隣接する体積中に存在する分析物の量に関係
づけることができる。

この検定を実施するとき、複数の隔室を定める複数の仕
切シを有する光応答性部位を準備することができ、ここ
で検定媒質を仕切シを越えて存在し、ただし各隔室中の
媒質は媒質の残部と抵抗的に分離されている。検定媒質
は酵素複合体および緩衝剤、安定剤、または他の添加剤
を包含し、前記添加剤は系中に検出可能な信号を発生さ
せるために直接に含有されない。抗体、試料、および適
当な媒質を含有する試料溶液を調製し、・この混合物を
インキエ′ベージ冒ンし、次いで適当な隔室に注入する
。次いで、レドックス試薬の生成速度を試料中に存在す
る分析物の量の指示として追跡することかできるであろ
う。

分析物または相反結合性剤の構成員へ複合化した酵素を
準備するほかに、基質、コファクター、スイサイド阻害
剤などを複合化することもできるであろう。種々のこれ
らの技術は前述の米国特許中に開示されている。したが
って、スイサイド阻害剤および分析物からなる複合体を
調製できるであろう。酵素を、表面す１わち光応答性表
面またはそれに隣接する表面に、共有的にまだは非共有
的に結合させることができるであろう。分析物に対する
抗体、試料、スイサイド阻害剤、基質、および検出可能
な生成物の生成に必要な追加の試薬の試料溶液を調製す
る。次いで、この試料溶液を表面に結合した酵素に添加
し、そして酵素の活性を決定できるであろう。

不均質系は、特異的に結合性の対間の複合体（ｃｏｍｐ
ｌｅｘ　）と複合化しない特異的に結合性の対との間の
分離を可能とする。これは固体表面へ結合した特異的に
結合性の対の構成員の一方を準備することにより達成さ
れる。特異的抗体をスライド上の異る部位に有する透明
なスライドを準備し、これによりある試料を複数の分析
物について検定できるであろう。次いで分析物の各々に
対する抗体を溶液に加え、サンドイッチ免疫検定を用い
る。

便利には、抗体はモノクロナル抗体であって交差反応性
を最小とする。次いで、特定の種からの免疫グロブリン
に対して特異的である抗体に酵素複合体を加える。例え
ば、モノクロナル抗体がネズミである場合、ネズミ免疫
グロブリンに対して特異的のウサギ抗体を、レドックス
反応を与える適当な酵素、例えば、ペルオキシダーゼと
複合化することができる。こうして、モノクロナルネズ
ミ抗体が結合した場合にのみ、酵素複合体がまた存在す
る０次いで、透明なスライドを光応答性表面に隣接して
整合させて配置し、こうしてもとの抗体の各々がどこに
存在するかを定める。表面における薄め液状フィルムは
、検出可能な事象を生成するための、酵素との反応の適
当な試薬および基質を提供するであろう。次いで、透明
なスライドを通して表面を順次に照明して、酵素が特定
の部位にお−て結合したかどうかを決定する。各部位は
共通の反対電極に関して分離抵抗性を有するであろう。

このようにして、試料を多数の異る分析物について実質
的に同時に検定して、単一の試料について完全な一組の
決定を得ることかぎ、ここできわめて少量の試料を必要
とするだけであろう。

不均質技術は、次の米国特許に記載されている：米国特
許第３，６５４，０９０号（酵素）；同第３、７９１．
９３２号（酵素）：および同第４．１３４，７９２号（
酵素基質）。これらの特許を適当な部分において引用に
よってここに加える。

同一表面を反復して使用するとき、特異的に結合性の対
の一構成員を表面に適用し、ここで相補的構成員を分析
物に関係する特異的に結合性の対の一構成員へ複合化す
る０例えば、表面を同一または異る糖類、・・ブテン、
受容体、抗体、または天然に産出する配位子−受容体の
対の構成員で被覆することができるであろう。次いで、
分析物に関係する特異的に結合性の対の構成員を、表面
に結合した物質に対して相補的な結合性構成員と複合化
する。例示のため、表面をサツカリドで被覆し、分析物
に関係する特異的に結合性の対の構成員、例えば、抗原
をレクチンと複合化（ｃｏｎｊｕｇａｔｅ）させる。こ
うして、あるタンノ４り質の分析物に対“　する抗体お
よびレクチンの複合体を調製することができる。抗体−
レクチン複合体の溶液をサツカリド被覆表面へ加えるこ
とにより、抗体は表面へ結合するようになるであろう。

次いで、検定を前述のようにして実′施し、そして検定
が完結した後、サツカリドの濃溶液を添加することによ
り表面から複合化した物質を取シ出す。他の対を使用す
ることができ、ここでレクチンの代わシに、抗体または
自然の受容体を用いることができるであろう。

こうして、単一の表面を使用し、これを反復して更新し
、こうして同一または異る型の検定を各決定後に用いる
ことができる。異る化合物を表面へ異る部位において結
合することによ）、特異的に結合性の対の構成員を特定
の部位へ適当な複合体を用いて向けることができる。

種々の技術を酵素とともに増幅および増大した感度のた
めに用いることができる。補酵素を必要とする酵素ある
いは他の酵素により生産されうる基質を用いることがで
き、酵素間のこの相互作用を［共役（ｃｏｕｐｌｉｎｇ
　）ｊと呼ぶ。例えば、第１酵累をスライドへ結合させ
、そして第２酵素を受容体に対して複合化させることが
できる。こうして、第１酢素は第２酵素のための基質ま
たは補酵素の高い局在化した濃度を提供できるであろう
。

例示的酵素対は、グルコースオキシダーゼおよびセイヨ
ウワサビのペルオキシダーゼ、これは電子伝達化合物を
酸化する作用をすることができる、ヘキソキナーゼまた
はグルコキーゼおよびＧ６ＰＤＨ。

これはグルコースおよびＮＡＤとともにＮＡＤＨ’に生
産することができ、次いでこれを電子伝達剤と共役させ
ることができる、などを包含する。電子伝達剤の形成速
度または瞬間的濃度を分析物の存在に関係づけることが
できる。

酵素触媒以外の触媒、とくにレドックス触媒を使用でき
る。これらの触媒は、フェナジンメトサルフェート、メ
チレンブルー、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド
、メルドラブルー、フラピンモノヌクレオチド、フェリ
ーおよびフェロシアニドなどを包含する。これらの化合
物は酵素または他の触媒化合物と組み合わせて使用して
、光応答性表面においてレドックス電位または電流を得
ることができる。例えば、酵素と複合化する受容体の代
わシに、受容体をフェナジンメトサルフェート、メルド
ラブルー、メチレンブルーなど複合化することができる
。次いでＮＡＤＨおよび電子伝達剤の対（ｃｏｕｐｌｅ
　）を用いることにより、変調された信号は光応答性感
知電極において生成されるであろう。

レドックス試薬を天然に産出する酵素移動系、例えば、
細胞、膜断片と一緒にすることができ、あるいは個々の
構成員を生体外で接合させることができ、あるいは個々
の構成員を独立に媒質中に分散させることができる。こ
うして、増幅を達成することができる。あるいは、無傷
の細胞または細胞断片をレドックス対（ｃｏｕｐｌｅ　
）へのそれらの影響により検出することができる。例え
ば、メチレンブルーを、微生物、例えば、バクテリアを
含有すると思われる媒質へ加えることができ、この媒質
は化学的に還元性である。メチレンブルーの遣元前に、
還元性微生物の存在の指示として急速に検出されうる。

多くの場合において、生理学的流体、とくに血液または
血漿中の自然受容体の存在を決定することは重要であろ
う。通常、受容体は抗体であり、自己免疫病、異質物質
、または感染から生ずる。

この抗体は拮抗検定（ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ　ａａｓ
ａｙ　）において検出することができ、ここで内生抗体
は相補的抗原のための標識抗体と拮抗するか、あるいは
この抗体は表面または粒子へ結合された抗原に標識抗体
を結合するための架橋の役目をする。そうでなければ、
大部分について、抗体の検定は抗原の検出に用いられる
技術に従う。

ある場合において、光応答性表面またはその表面に近接
させることができる他の表面へ、共有的にあるいは非共
有的に結合した脂質の一層または二層を準備することが
望ましいであろう。単一の脂質層はまず脂肪族シリルハ
ライドまたはエステルを用いることによって形成するこ
とができ、ここでシリル化合物は一般に約１２〜２４個
の炭素原子、よシ通常約１２〜２０個の炭素原子の１〜
３の脂肪族鎖を有することができる。さらに、他の物質
をシリル基または脂肪鎖へ結合させて存在させることが
でき、これらの例はアリール基、官能基、例えば、カル
？キシル基、ハロ基、アミン基などである。次いで、表
面を脂質の単層を通して浸漬することにょシ第２層を形
成することができる。

脂質の二層を、また、フエーフア−の親水性表面へ共有
結合させないで、まずシリコンウェーファーを垂直の向
きで〔例えば、ラングミーア（Ｌａｎｇｍｕｉｒ　）の
トラフ内の水性表面上の脂質の単層に対して直角に〕空
気−水界面における液状単層を通して上方に気相中に通
すことによって形成することができる。次いで、ウェー
ファーを前記界面を通して下にかつ前記界面に対して平
行に戻すことにより、二層を形成する。薄い水性ンイル
ムをウェーファー表面と二層との間に維持することがで
きる。

二層は層内の横方向の拡散を許す。分析物、例えば、抗
体に特異的に結合する脂質へ結合した種種の基音形成す
ることができる。異る抗体に結合した異る酵素を存在さ
せることができ、各抗体は細胞表面上の異る抗原につい
て特異的であり、ここで酵素は他の酵素の基質である１
つ酵素の生産物により関係づけられる。こうして酵素は
チャンネリング（ｃｈａｎｎｅｌｉｎｇ　）を提供する
であろう。

細胞の存在は関係する酵素と一緒になって、感知電極か
らの信号を変調できる電子伝達剤の生成または破壊の速
度を増加させる。

本発明の利点の１つは、分光光度測定または螢光検出の
システムと一緒に使用するための化学を用いることがで
きるということである。例えば、ビオチン変性核酸はゾ
ロープとして使用することが記載されている。適当な酵
素をアビゾンに共役させることにより、ある表面へ固定
されたＤＮＡまたはＲＮＡ試料を、ビオチン変性プロー
ブで厳格な交雑条件下に精査することができるであろう
。非特異的に結合したプローブを除去した後、アビジン
酵素複合体およびレドックス系の追加の構成員を加える
。

例えば、酵素１，６−ビスホスフェートアルドラーゼを
標識として使用を使用することができ、そしてフルクト
ース−１，６−ジホスフェートおよびフェリシアニドを
準備する。光応答性表面の性質に依存して、Ｆｅ＋３／
Ｆｅ＋２比の変化を検出することができるであろう。

あるいは、補酵素、例えば、ある酵素および第２レドツ
クス対と一緒にすることができるＦＭＮ、ＦＡＤまたは
ＮＡＤを標識として使用することができ、ここで第２レ
ドツクス対の変換（ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　）
速度全存在する補酵素の量に関係づける。

あるいは、複数の微生物を含有する試料を適当な栄養寒
天グル上に広げ、そしてクローニングすることができる
。グルンスティンーホグネス（Ｇｒｕｎｓｔａｉｎ　−
Ｈｇｎｅｓａ　）技術を用い、細胞をニトロセルロース
の多孔質フィルムヘグル上の細胞の位置と適当に整合さ
せて移し、溶解し、そしてＤＮＡをフィルムへ加熱によ
り固定する。問題の有機体の独特の配列に対して相補的
な配列を有するプローブは、タンパク質、例えば、リプ
レッサー、ロー（ｒｈｏ）、ラムダのＮ部分などにより
特異的に認識される配列を有する二本鎖３′−末端をも
つ部分的一本領とし゛て得られる。このフィルムをプロ
ーブと交雑条件、例えば、５０チの水性食塩ジメチルホ
ルムアルデヒド溶液のもとで接触させ、そして交雑溶液
を取シ出す。フィルムを洗浄した後、媒質のレドックス
電位を変調する反応を触媒する酵素で標識した、特異的
に結合体の受容体を含有する溶液を加える。繊織タンパ
ク質ハ結合するために十分な時間後、フィルムを洗浄し
て非特異的に結合したタンパク質を除去し、そして光応
答性表面に対して並列に密接に対向させて配置する。次
いで、酵素の基質を加え、そして感知電極から得られる
信号を決定する。

微生物を使用して媒質中のバイオスタット（ｂｉｏｓｔ
ａｔ　）または生物致死剤（ｂＩｏｃｌｄｅ　）の存在
を測定することもできる。媒質を生長する微生物と一緒
にし、そして媒質の不存在においてのみ異なる標準と比
較して微生物の生長速度を決定することにより、生物致
死剤の存在を検出することができる。不滅化（ｉｍｍｏ
ｒｔａｌｉｚｅｄ　）１１ｇ乳動物の細胞、例えば、腫
瘍細胞を用いることにより、成長調節剤の存在を検出す
ることもできる。

次の実施例により、主題の方法を説明する。装置、単一
表面または複数の個々の非隣接表面単位、は個々の区域
または隔室を隔離する仕切シを有する。特定の単糖また
はオリゴ糖について特異性のレクチンを有するフィルム
を、前記表面に近接させて用いる。抗体を特定のサツカ
リドで変性し、そして同一または異る配位子についての
抗体を各隔室中に導入し、そして過剰量を洗浄除去する
。

ここで試料を導入し、これは隔室の仕切シからあふれ、
そして相補的配位子は適当な隔室内で結合するようにな
る０次いで試料を洗浄し去ル、そして隔室内の抗体へ結
合した単一または複数の配位子に結合する抗体混合物を
加える。これらの抗体、はすべて単一の源、例えば、マ
ウスから゛のものである。抗体溶液を洗浄し、マウス免
疫グロブリンに対するウサギ抗体とのある酵素の複合体
を加え、隔室壁からあふれさせ、そして隔室内のマウス
免疫グロブリンへ結合させる。次いで、非特異的結合酵
素を洗浄除去し、そして各隔室内の酵素活性を、光応答
的に決定することができる生成物を与える基質の媒質を
各隔室へ加えることにより決定することができる。

他の実施態様において、シリル置脂肪族カルボン酸を介
して各単位の表面へ共有結合−した抗体を有する、個々
の光応客性単位全準備する。次いで試料を抗体と接触さ
せ、試料を洗浄除去し、酵素−複合化−抗体を加える。

結合のための十分な時間後、非特異的結合を除去し、そ
してＮＡＤＨ’５生成する現像剤（ｄｅｖｅｌｏ’ｐｅ
ｒ　）溶液を加える。適当な条件下で、酵素によル生成
されたＮＡＤＨを光応答性電極により直接酸化し、こう
してＮＡＤを再循環させることができる。ＮＡＤＨの形
成速度は、光酸化の結果としての光電流に関係づけられ
る。

表面に隣接する媒質の状態を決定するために、種々の回
路を用いることができる。光応答性感知電極のｉｔかに
、少なくとも１つの反対電極を存在させ、各隔室に別々
の抵抗性通路を用いるか、あるいは装置の各隔室または
チャンネルのために反対電極を存在させることができる
。同一または異なる電極は、制御電極または参照電極と
しての役目をすることができる。

電極の材料が光応答性電極に悪影響を及はさず、電気的
に連絡する媒質により悪影響を受けずかつ好ましくはそ
れに対して感受性でなく、そして電気的に連絡する媒質
に悪影響を及はさないかぎシ、種々の材料の種々の電極
を用いることができる。

例示的電極は、白金、ロジウム、パラジウム、銀−塩化
銀、カロメル、導電性ガラス電極（Ｓｎ０２、Ｉ　ｎＯ
２またはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ））すどを包含
する。ある場合において、電極を電気的に連絡性のシー
ルド、例えば、ゼラチン中に囲むことができる。

１つの実施態−において、２つの電極、スなわち、感知
電極および制御電極が存在する。感知電極と制御電極と
の間の電位は、制御電極へ印加する電位を感知電極に関
して変化させることにより、変化させることができる。

光放射ダイオードまたは他の光源に外部電子回路で電力
を加え、こうして光を放射させることができ、この光は
正規のパターンで、例えば、方形波、サイン波などにお
いて、強さにおいて時間とともに変化させることができ
、こうして時間依存性の応答を感知電極から得ることが
でき、これは感知電極と参照電極との間の一定電位を維
持するために要する電流を制御電極を通して測定するこ
とにより決定することができる。

この相対的配置において、制御電極を通る周期的に変化
する電流のピーク対ピークの振幅は、感知電極における
化学的環境の関数として、および感知電極と制御電極と
の間に印加された電位の関数として変化する。

望ましくは、反対電極を電気的連絡させる、例えば、浸
漬させ、る導電性極性媒質は、少量のレドックス対また
は電子伝達剤を含有するであろう。

なぜなら、ある場合において、前記物質の存在は観測さ
れる信号の安定性を高めるからである。便利には、濃度
は約１ミリモルないし０．１モルの範囲であろう。無機
レドックス対、例えば、Ｆｅ”／Ｆｅ＋２、Ｃｕ　　／
Ｃｕ　　およびＭｎ＋３／Ｍｎ＋２などを用＋２＋１ いることができ、ここで金属イオンを配位子、例えば、
シアノ、アンモニア、ハロなどで錯化することができる
。通常、レドックスまたは電荷移動剤を用いるとき、２
つの電極−一感知電極および反対電極−一のだめの溶液
を塩橋により分離する。

多数の隔室の場合において、各隔室は共通の反対電極に
別々の抵抗性塩橋を介して接続されるであろう。

第１図を参照すると、半導体１０は水性媒質１２の表面
に位置する。リード線１３およびポテンシオスタット１
１、例えば、３６３型ポテンシオスタツト／ガスベンス
タンド（Ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔ　／Ｇａ１ｖｅｎｓ
ｔａｔ　）　ＰＡＲ（Ｐｒ１ｎｃｅｔｏｎ　Ａｐｐｌｉ
ｅｄＲｅｓｅａｒｃｈ　）　ｉＱ半導体電極１０および
制御電極Ｊ５を接続する。ポテンシオスタット１１は、
制°御電極１５および感知電極１０を横切って分極化電
圧を印加する。

この電圧低下は、一部分溶液の抵抗によりおよび一部分
感知電極１０上の酸化物層の有効抵抗によりつくられる
。電流計１６はＩテンジオスタット１１、電極１５、抵
抗性溶液１２、感知電極１０上の酸化物層、感知電極１
０およびリード線１２から成る回路を通る電流を測定す
ｚ０回路３４により制御されるＬＥＤ　３２は前もって
決定した周波数の光の／’Ｐルスを放出する。これらの
光のパルスは、感知電極１０の表面において交番光電流
を誘発する。

操作において、化学的反応は次のように監視することが
できる。適当な還元性物質は感知電極１０の表面におい
て反応して、感知電極１０の表面上の酸化物層の有効抵
抗を低下させる。この低い抵抗はよシ多い直流をループ
を通して電極１５から電極１０へ流し、そして感知電極
１０の表面における電位を減少させる。この電圧電位の
減少は、ＬＥＤ　３２からの光により生ずる誘導交番光
電流を減少きせる。この交番光電流の減少量は、感知電
極１００表面に存在する還元性レドックス化合物の量に
関係づけられる。

直流を単に測定することも可能であるが、本発明の目的
の１つは、共通の電極１０．１５および単一のポテンシ
オスタット１１に接続された別々の隔室内において並列
に媒質１２のようないくつかの媒質を本質的に接続する
ことである（第３図および第８図を参照して後に示す）
。このような配置において、どの隔室が直流を生成して
いるかを検定することは可能ではないであろう。しかし
ながら、交互にオンにされる別々のＬＥＤ　’に使用す
ることにより、オンにされているＬＥＤに対応する隔室
が交流を生じていることが知られる。さらに、順次にＬ
ＥＤを生かさないで、異る周波数の交番電流を異なるＬ
ＥＤに加え、各隔室を異る周波数で識別する。

いくつかの媒質を並列に接続するとき、媒質の抵抗は並
列である。化学的反応により生ずる有効抵抗変化が媒質
を横切る合計の抵抗に比較して小さくないとき、合計の
並列の抵抗は変化し、並列の媒質へ印加される電圧を変
化させるであろう。

印加電圧のこの変化は、並列の媒質中の化学反応の誤っ
た指示を与えるであろう。なぜなら、並列の媒質中の交
番電流は、この電圧変化に従って変化するであろうから
である。この望ましくない結果は、媒質を高度に抵抗性
とし、これにより感知電極の表面における有効抵抗の変
化を比較して小さくシ、かつ電極１５から電極１０への
合計の抵抗の変化を無視できるようにすることによって
、回避することができる。あるいは、電極１５を各隔室
内の媒質に別々の大きい抵抗器により結合することがで
きる。いずれの場合においても、反対電極と媒質の各々
に関連する半導体電極の部位と間にインピーダンスが与
えられる。

交番電流の変化を測定する他の方法は、電極１５および
電極１０の間の直流を変化させて、交番電流を一定に保
持することであ、る、直流の変化量を測定することがで
き、これは化学的反応に関係づけられるであろう。この
方法は光電流をその最も感受性の値に維持することがで
きる（すなわち、所定量の化学的反応が光電流の最大変
化を生成する場合）。これは有利である。なぜなら、光
電流が所定値に到達したとき、充電流対電極１０の表面
における電位の曲線は平担化するので、化学的環境にお
けるそれ以上の変化は光電流の測定可能な変化をもはや
生成しないからである。

第２図を参照すると、直流を変化させて一定の交番電流
を維持する回路、が示されている。この回路は、感知電
極としてはたらくウェーファー４２および制御電極とし
てはたらく白金電極４３を描写する。（抵抗器およびコ
ンデンサは特別に説明されないが、１面に示されている
。）演算増幅器４４は制御ｐドープ型シリコン半導体電
極を通して流れる電流を電圧に変換し、そして信号を帯
域増幅器４６へ供給して望ましくないノイズをろ過して
除去する。帯域増幅器４６は３つの演算増幅器５０．５
２および５４から構成されている。帯域増幅器４６から
の信号は精密整流器５６へ供給される。整流器５６は２
つの演算増幅器６０および６２ならびに２つのダイオー
ド６４および６６を含む。可変フィルター７０は整流さ
れた信号を平滑化するために設けられている。また、フ
ィルター７０はシリコン電極における化学的環境の変−
化に対する回路の応答時間を決定する。電位差計７４お
よび演算増幅器７６を含む制御増幅器７２へ、負の信号
が供給される。電位差計７４は一定に維持すべきＡＣ信
号の振幅を決定する。制御増幅器は白金電極４３におけ
る電位を制御する役目をする。制御増幅器７２へ供給さ
れる負の信夛は、Ｓｔ電極４２のシヌソイド照射に応答
してｐｔおよびＳｉ電極を通る交番電流の振幅に関係づ
けられる。増幅器７６の出力は、Ｐｔ電極４２へ供給し
もどされて、交番電流について一定の振幅を維持するた
めに必要な直流を提供する。

必要なりＣフィードバックを記録するために、制御増幅
器７２からの信号を単位利得増幅器７４へ供給し、この
増幅器７４は出カフεにおいて記録器（図示せず）のた
めの信号を与える。こうして、シリコンウェーファー表
面上の異る隔室内の異る部位は規則的なサイン波のｉ４
ルスで照射され、記録器はｐｔおよびＳｉ電極を通る一
定の振幅の交番電流を維持するために必要な、Ｐｔおよ
びＳｔ電極間の電位の読みで応答するであろう。この回
路は一定の振幅モジー−ルのためのＣＡＭと呼ばれる。

図示しない回路は、前もって決定したスケジュールに従
いウェーファーのシヌソイダル光照射を与える。

使用できる第３の一般的回路は、ＬＥＤ出力のピーク対
ピークの振幅を自動的に変化させて、感知電極および制
御電極の間の一定電位において感知電極の一定の光応答
を維持することを含む。この相対的配置において、°感
知電極における環境に感受性の検出された信号は、ＬＥ
Ｄを通過するピーク対ピーク電流である。

使用できる他の回路は、２つのモードの１つで操作可能
とする。１つのモードにおいて、制御電極と感知電極と
の間の電位は一定に維持され、そして感知電極のシヌン
イダル照明に応答する感知電極を通るシヌソイダル電流
の振幅を、照明部位における感知電極の環境のモニター
として使用される。これはＣＰモードである。第２モー
ドにおいて、この回路は制御電極と感知電極との間の電
極を自動的に変化させて、感知電極を通る一定の振幅の
シヌソイダル電流を維持する。この相対的配置において
、制御電極と感知電極との間の電位は、照明部位におけ
る感知電極のモニターとして使用される。

以下余白 前述の回路は第７図に描写されており、これは第２図の
回路の変更である。この回路において、帯域増幅器４６
からの信号は演算増幅器１５２およびトランジスター１
５８から構成された相感受性検出器１５０へ供給される
。この演算増幅器は、フェアーチャイルド（Ｆａｉｒｃ
ｈｉｌｄ　）　μＡ　７４１増幅器であり、そしてトラ
ンジスターはＮ−チャンネルシリコンＦＥＴ　（Ｒａｄ
ｉｏ　５ｈａｃｋ　２７６−２０３５　）である。可変
フィルター１５４は相感知検出器゛１５０からの整流さ
れた信号を平滑にし、そしてシリコン電極における化学
的環境の変化に対する回路の応答時間を決定する。ＣＡ
Ｍモードにおいて、相感受性検出器１５０からの負の整
流された信号は、電位差計１６０および演算増幅器１６
２を含む制御増幅器１５６へ供給される。電位差計は、
一定に維持すべきＡＣ信号の振幅を選択する。制御増幅
器１５６は、白金電極４３における電位を、第２図の制
御増幅器７２に類似するように、制御するはたらきをし
、単位利得増幅器１６４は増幅器７４内にその相手を有
する。直列のダイオード１６６は白金電極からシリコン
電極へのバイアス電位を最大１．５ｖに制限する。二極
双投スイッチ１７０は回路の操作のモードを選択する（
例えば、ＣＡＭまたはｃｐ）。

ＣＰモードにおいて、相感受性検出器１５０からの負の
整流された信号は増幅器１６４へ供給され、そして記録
器（図示せず）へのターミナル１６５における出力は白
金電極およびシリコーン電極を通るシヌソイダル電流の
振幅に比例する信号である。両者のモードにおいて、集
積回路１７２　（ＩＣＩ　）は、同時に８００　Ｈｚの
サイン波および方形波を生成する。ターミナル１７４（
ビン９）における方形波はトランジスター１５８（Ｑ２
）へ供給されて相感受性検出器への参照信号を与える。

ターミナル１７６（ピン２）からのサイン波は、演算増
幅器１８２を含む移相器１８０へ供給される。

移相された信号は、演算増幅器１８４、）ランシスター
１８６（Ｑｌ）およびＬＥｏ　１８８から構成されたＬ
ＥＤおよびＬＥＤドライバー回路へ容量的に連結されて
いる。ＦＥＤドライバー１９２はＬＥＤ１８８の光出力
を調節可能なりＣ強度値でシヌソイダル方法で変化させ
る。ＤＣ値は電位差計１８９で調節される。

ＩＣ１７２からの方形波長は、ＩＣ１７２からのサイン
波と同期させてＦＥＴ　１５８をオンにする。

ＦＩＴ　１５　Ｂがオンにされると、増幅器１５２への
信号入力は単位利得で逆転され、そしてＦＥＴ　１５　
Ｂがオフにされると、等しい信号が増幅器１５２０入力
へ供給されるので、出力は再び単一利得を有するが逆転
されない。信頼性をもって整流される信号の部分のみは
、ＦＥＴ１５８における参照信号と同一の周波数をもち
かつその周波数にある相中の部分にある。サイン波およ
び方形波を同期化させて保持するために、移相器１８０
を調整して回路ループを通るサイン波の移相を補償する
ことができる。

ある場合において、シリコン電極が暗いかあるいは非変
調波により照明される条件のもとで、シリコン電極を通
過する電流のＤＣ成分を監視することが望ましい。この
相対的配置において、回路はＣＰモードで操作され、そ
して演算増幅器１９０　（、Ａ　１　）の出力はｆ過さ
れて信号のＡＣ成分を除去され、そして得られる電圧は
記録器へ供給される。このようにして、記録器への電圧
はシリコン電極を通る電流のＤＣ成分に比例する。

第３図は、回路へ針金８２により接続されたシリコンウ
ェーファー８０を有しかつ容器８４内に説明された典型
的な装置の断面を示す。容器８４は複数の隔室８６を有
し、ここで異る検定試料が存在する。隔室壁８８は一般
に約０．５〜５個の厚さであろう。隔室の各々内で反応
が進行するにつれて、とくに反応がウェーファー表面に
隣接して起こる場合、生成物が生成し、これはウェーア
ブ−表面９０へ拡散する。例えば、レドックス反応の場
合において、隔室内で生成された生成物は表面９０へ移
動し、そして反応によりあるいは表面電位を発生させる
ことによυ、表面の応答に影響を及ぼす。このようにし
て、個々の隔室８６に関連するウェーファー表面９０上
の種々の部位から得られる信号の間に干渉は比較的はと
んど存在しない。透明または半透明の窓９３はシリコン
表面９０から支持体９４により分離されている。窓９３
は透明な導体のインジウムスズ酸化物９７により被覆さ
れており、これは制御電極として作用する。隔室９９は
隔室８６における変化により影響を受けず、これにより
検定の間溶液の組成は実質的に一定に維持される。ＬＥ
Ｄの列９２は表面９０上の関連する部位へ隔室８６を通
して順次に照明を与える。信号は照明期間に関連して読
まれる。

第４図は、複数のチャンネルを用いる装置の下方に見た
部分分解線図である。ハウジング１００は、入ロマニフ
ォールド１０４およヒ出ロマニフオールド１０６を有す
る複数のチャンネル１０．２を有する。複数の制御反対
電極１１０は、窓１１１の内表面上にチャンネル１０２
の底において析出されている。各チャンネルに関連する
複数の入口１１２は、試料を特定のチャンネルへ導入す
るために設けられている。試料はマニホールド１０４か
らの検定媒質と混合し、そして混合物はチャンネル１０
２全通して進行する。チャンネルの基部は光応答性電極
１１４である。気泡を試料の後に導入して、試料混合物
を後続する流体から分離することができる。ＬＥＤ列（
図示せず）を設けて、チャンネルの各々を前もって定め
た点において照明する。この点はチャンネルよシ上の十
分に遠くに存在させ、これにより要求する抵抗の低下が
チャンネル中の溶液により発生されるようにする。

そうでないと、別の抵抗器を各反対電極１１０へ加えな
くてはならない。チャンネル１０２を通過する試料の検
定媒質の流れと光応答性電極１１４を接触させ、そして
チャンネルを充填して反対電極１１０との接触が存在す
るようにする。

このモードにおいて、反応を触媒して検定媒質のレドッ
クス電位を変化させる酵素を使用する、均質検定技術を
用いることができるであろう。各チャンネル内の反応速
度は、そのチャンネルの照明時における光応答の減衰度
に関係づけることができる。こうして、各チャンネルに
おける酵素活性の変化速度を決定し、そして試料の検定
媒質中の分析物の濃度に関係づけることができる。チャ
ンネルを通る検定媒質の連続流はチャンネルを洗浄し、
そしてチャンネルを次の決定のために回復する役目をす
る。あるいは、種々の弁を囲いることにより、媒質を洗
浄液と交換して、チャンネルをそのもとの状態に回復さ
せることができる。

第５図は、複数の部位を有する応答表面の線図である。

これらの部位は互いに絶縁されているが、共通ゐ母線に
接続されている。応答表面は検定媒質のだめの独立の隔
室を有する。この装置は、１のラインのみの光応答性半
導体１２２を有するとして示されている容器１２０を有
する。光応答性半導体は、抵抗器１２５を介して共通の
母線１２４と電気的に接触している。共通の母線１２４
は、適当な回路への接続のためのリード線１２６へ接続
されている。入口１３２へ接続された複数の管１３０は
、溶液を隔室１３６へ導入する。隔室の各々はディバイ
ダー（ｄｉｖｉｄｅｒ　）１３６に上り分離されている
。管１３０は三方弁１４０を有するので、洗浄溶液また
は共通の溶液は入口１４２により導入されあるいは抜き
出されることができる。

弁１３４を適当に操作することにより、同一溶液を隔室
の各々へ同時に導入しあるいはそれから抜き出し、均一
性を保証することができる。個々の試料人口１４４を各
隔室に設け、これによって試料溶液は他の試料から汚染
されないで隔室１３４へ直接導入される。共通の反対電
極１４６を用い、複数の部位において導入して各光応答
性装置から電極１４６の接点へ距離を平均にする。これ
らの電極は回路（図示せず）へ接続されており、この回
路に共通の母線が接続されている。ＬＥＤの列１５０を
設け、この列は個々のＬＥＤ　１５２を有し、これら０
ＬＥＤ　１５２は前もって決定したスケジュールに従っ
て隔室を順次に照明するように制御されているので、観
測される信号を特定の隔室に関係づけることができる。

光応答性装置１２２の各各は暗色の線１５４で示される
特異的に結合性の層で被覆されている。次の実施例の目
的で、この層は特異的レクチンが存在するサツカリド層
であつだ０ 検定を次のように実施できるであろう：マーフォールド
１５６を使用して、弁１４０を配置し、これにより酵素
、例えば、レクチンへ複合化したコレステロールエステ
ラーゼを含有する溶液を入口１３２から隔室の各々へ同
時に導入できるようにした。インクベーションのだめの
十分人時間後、溶液を入口１３２から抜き出し、そ゛し
て隔室の各各を適当な緩衝洗浄溶液で洗浄した。未知の
試料または分析物に対する標準の抗体、例えば、モルフ
イン、コレステロールエステ７−セ阻害剤ヘノモルフイ
ン複合体、コレステロールオキシダーゼ、セイヨウワサ
ビのペルオキシダーゼおよびメチレンブルーを、電子伝
達剤として含有する個々の試料を調製する。また、コレ
ステロールエラスターゼの基質を含め、そしてこの溶液
をｐＨ６，７に緩衝する。次いで隔室の各々を緩衝溶液
で部分的に充填し、次いで試料人口１４４から試料を導
入し、隔室からあふれさせ、これにより反応電極１４６
との均一な電気的接触がなされるようにする。

コレステロールエステルの加水分解ハコレスチロールを
生成し、これは酸化されてＨ２Ｏ２を生成し、このＨ２
Ｏ２はメチレンゾル−を酸化し、この反応はセイヨウワ
サビのペルオキシダーゼにより触媒される。メチレンゾ
ル−は光応答性表面に隣接させて照射するとき信号を変
調する。阻害される酵素の量は試料中の分析物の量に直
接比例するであろう。々ぜなら、分析物に対する抗体へ
結合した酵素阻害剤複合体は酵素の阻害において不活性
であるからである。問題の濃度範囲において検出可能な
信号を得るために十分な時間反応させた後、隔室を順次
に照射し、そして信号を回路（図示せず）により検出す
る。十分な時間後、１または２以上の読みがなされたと
き、弁１３４を回転させて入口１３２を入口１４２と接
続することにより、入口１３２および入口１４２を経て
溶液を各隔室から抜き出すことによって、検定の決定を
停止する。

検定媒質を除去しかつ隔室を洗浄した後、濃厚なサツカ
リド溶液をそれぞれ隔室の各々の中に導入し、これによ
り酵素のすべてを表面から除去してしまう。次いで隔室
を洗浄溶液で洗浄して結合しないサツカリドのすべてを
除去し、次いで酵素−レクチン複合体を導入して、検定
を実施するために隔室をもとの状態に回復させる＠ 第８図は、変更した微小力価の板２００゛を用いる追加
の実施態様を示す。板２００は複数の溜２０２を有し、
検定媒質２０４は各溜２０２中に存在する。板２００は
複数の仕切９２０６をホウ素ｐドープ型シリコンウェー
ファー２１０を有し、これらのウェーファーに適当な回
路（図示せず）への接続のだめの電気リード線が結合さ
れている。

電極容器２１４は、検定媒質２０４中に伸びる複数の突
起２２０を有する半固体の電気的に導電性リード線２１
６を支持する。突起２２０の各々は導体２１６の残部に
関して高い抵抗性を有して、６溜２０２に必要な抵抗を
与える。半固体のＩＪ　−ド線２１６は光に対して実質
的に透明であり、そして容器２１４を含む適当な型内に
おいて１．５〜３”重量−の寒天塩化ナトリウム水溶液
を調製し、次いで寒天が硬化した後屋の部分を除去する
ことにより作ることができる。寒天のような多糖類以外
のポリマー物質、例えば、ポリ酢酸ビニル、とくに部分
的に加水分解されたポリ酢酸ビニル、ポリアクリレート
などを増粘剤として使用できる。

複数の光源２２２を備準し、これらをリード線２２４を
介して回路（図示せず）へ接続し、これにより光源の各
々′が時間限定および信号、例えば、一定の連続的信号
、パルス信号、シヌソイダル信号などに関して個々に制
御できるようにする。

塩橋２２６は、反対電極２３＝２、例えば、白金電極が
浸漬されている電解質溶液２３０とめ電気的連絡を与え
る。シリコン電極２１０および白金電極２３２は回路（
図示せず）を介して接続されている。

レドックス反応に参加することができる分子の存在を監
視するだめのこの装置の使用を明らかにするために、以
下の実験を実施した。信号をシリコンウェーファーの照
明部位に隣接する化学種により特別に変調されること、
および隣接するが照明されない部位における同様な種の
存在および不存在は無視されうることを、また、明らか
にする。

特に示さないかぎシ、以下の節において説明する実験は
、その表面に隣接させて２つの流体充填開口端チャンネ
ルを有する単一の光応答性半導体電極と一緒に、ＣＡＭ
制御装置を使用した。半導体の電極は、銅線へはんだ付
けされた５、　１　ｃｍ　（２インチ）の直径のＰ１１
１型７〜１４オームの「ペン・プライム（Ｐｒｎ　Ｐｒ
ｉｍｅ　）　Ｊホウ素ドープ型シリコンウェーファーで
あり、電気的接触はインノウムーガリウム混合物を使用
して行った。チャンネルを構成するため、ウェーファー
を光学的に透明々ガーネットウェーファーへ、両面に接
着剤を有しかつ厚さが７０μであるテープの３ストリツ
プにより固定する。その時この寸法はチャンネルの深さ
であり、他の寸法は幅０．５ｃｒｎおよび長さ３ｍであ
る。次いで露出したガーネットの表面を、２つの２５Ｗ
２０部位を除去して、光学的に不透明の黒色電気テープ
でおおう。これらの２つの透明部位は各々２つのチャン
ネルの一方および２つのＬＥＤの一方に隣接する。この
相対的配置は、対向する連続のシリコンウェーファー表
面の部位特異性（およびチャンネル特異性）の照明を可
能とする。半導体電極は、２つのチャンネルの両者が４
０〜５０ｍ１の０．１モルのリン酸塩緩衝液、−６，７
〜６，８、の同一浴中に数ミリメートルだけ浸漬するよ
うな方法で配置する。白金電極はこの同一浴中にあるい
は４０〜５０−の０．１モルのリン酸緩衝液を含有する
隣接浴中に配置され、後者の浴に好ましくはほぼ０２ミ
リモルのに４（Ｆｅ　（ＣＮ）６］およびほぼ０３ミリ
モルのＫｓ　［Ｆ　ｅ　（ＣＮ　）　６：］を加える。

この後者のモードにおいて、白金電極を含有する浴をシ
リコン電極を含有する浴へ、２％の寒天で固化した半飽
和ＫＣ１溶液の塩橋により接続する。このイオンのレド
ックス対は白金電極の可逆性を促進し、これはある用途
についてドリフト（ｄｒｉｆｔ）を減少しかつ電気安定
性を増加するために重要な測定する。

前述のモードにおいて、印加した電位は典型的には−６
００ｍＶ　〜−１０００ｍＶであり、ここでＡＣ光応答
性は前もって選択した値に固定されている。

ウェーファーに隣接する多数のチャンネルまたは隔室の
構造は、１まだは２以上の「実験」試料と１またけ２以
上の「参照」試料との比較を促進する。２チヤンネルの
シリコンウェーファー／ガーネット装置（前述したもの
）を用いると、前述の２つの部位の交互の照明により、
本質的に連続的基準で両者のチャンネルを監視すること
が可能である。参照試料で変更された光応答は、実験試
料により変更された光応答から、次のようにして自動的
に減じられることができる。すなわち、両者のチャンネ
ルを連続的かつ相から１８０°だけはずしてシヌソイド
的に照明し、第１図に示しだ回路を使用し、必要に応じ
て参照電極および制御電極を一緒にショートさせて、交
番電流の振幅を記録する。

酸化性（電子受容性）分子の濃度を測定しかつレドック
ス反応を監視するためのこの装置の使用を明らかにする
ために、以下の実験を実施しだ。

白金電極の可逆性は前述のように促進され、そしてシリ
ゴ°ンウェーファー／ガーネットウェーファーのアセン
ブリー（２つのチャンネルを有する）を使用した。０．
０３３モルのＦ　ｅ　（ＣＮ）　ｔ、”／Ｆｅ（ＣＮ）
へ０１モルのＮａＣ４０，０１４モルのリン酸塩のレド
ックス溶液を調製した。このレドックス溶液を前述の装
置のチャンネルに導入した。印加電圧のミリボルト対Ｆ
ｅ　　／Ｆｅ　　濃度のｔａｇをプロットしＳ勾配４９
　ｍＶ／単位をもつ直線が得られた（第６図）。

照明部位において発生した応答は、その部位に隣接する
チャンネル内のレドックス溶液により変更され、そして
平行の照明しないチャンネルへ異るＦｅ＋２／Ｆｅ＋３
値の溶液の添加による干渉は無視することができた。

ほかの実験において、物質メチレンブルー（ＭＢ）をシ
リコンウェーファーと連絡する電子伝達剤として使用し
た。特記しないかぎり、ＭＢは５μｇ／／Ｉｎｔであり
、そして希釈剤はこれらの実験についてリン酸塩緩衝食
塩水溶液であった。ＭＢを５μ９／ゴでシリコンウェー
ファー／ガーネットウェーファーのアセンブリーのチャ
ンネルへ導入したとき、約−９０ｍＶの一時的な（約３
０秒）の印加電位信号が記録される。ＮＡＤＰＨを１〜
／ｒｆＬｌにおいてＭＢ浴溶液前もって混合し、そして
約５分間放置する（空気をほとんど含まない密閉容器内
で）と、記録された一時的信号は約−８ｍＶである。変
化する濃度のＮＡＤＰＨを使用すると、ＮＡＤＰＨ濃度
の測定はこの技術により可能であることが示された。

また、酵素、セイヨウワサビの橡ルオキシグーゼ（ＨＲ
ＰＯ）の濃度を同様な技術により測定することができる
。５μ９７ｍｌのＭＢおよび０．１５％のＨ２Ｏ２を種
々の濃度のＨＲＰＯ（０，００５〜５０μｇ／ｍｌ）と
−緒に使用して、高い値に数時間維持された印加電位信
号を記録した。典型的な実験において、この装置への試
薬の添加後１分に測定された維持信号は、０．００５お
よび５０　ｔｔ９／ｍｌのＨＲＰＯについてそれぞれ−
８０ｍＶおよび−４７０ｍＶであった（中間の印加電位
値は中間のＨＲＰＯ濃度について得られた）。対照的に
、ＨＲＰＯの不存在において、ＭＢ＋Ｈ２Ｏ２はＭＢ単
独に特徴的な一時的な３０秒の信号を生成し、この信号
は装置の添加後１分で基準線の値に減衰した。

ＭＢを牛乳へ５μｇ／Ｔｎｌの最終濃度において加え、
そしてこの混合物をこの装置へ導入すると、高いＭＢ依
存性印加電位信号が得られる。この信号の振幅は、牛乳
中で生長する旦、　Ｃｏ１Ａの存在により有意に減少す
る。このことはバクテリアの生長をこのような方法で監
視できることが示される。牛乳は声メーターで監視した
ときＰＨを変化させず、このことにより信号はＰＨ変化
により減少しないが、ＭＢの化学的還元により減少する
ことが示される。

また、同様な技術を用いてＨ２Ｏ２の濃度を測定できる
。これを明らかにするために案出した実験において、Ｍ
ＢおよびＨＲＰＯを各々５μｇ／ｍｌにおいて一緒に使
用した。この混合物をこの装置へ導入する前にＨ２Ｏ２
を添加（種々の濃度で）添加すると、６μＭのＨ２Ｏ２
において観測される一時的信号（−１５０ｍＶ）はその
不存在において観測されるもの（−９０ｍＶ）よシ約５
０％大きいことが示された。

同様な技術を用いてグルコースを検定した。この場合に
おいて、グルコース（種々の濃度において）を５μυ値
の酵素グルコースオキシダーゼ（Ｇｏ）に導入し、そし
て室温において４０分間放置した。この時、ＭＢおよび
ＨＲＰＯを各物質について５μｆ／／ｍｌの最終濃度が
得られるようにして加え、そしてこれらの溶液を順次に
この装置に導入した。１．５５　ｔ４／Ｉｒｄｌ　（約
８μＭ）のグルコースで、一時的印加電圧信号はその不
存在で観則されたそれよυ約５０係大きかった。

上から明らかなように、検定はコレステロールオキシダ
ーゼ、ガラクトースオキシダーゼ、ウリカーゼ、キサン
チンオキシダーゼのような酵素の基質について１０μＭ
よシ大きい水準に実施でき、あるいは酵素自体は検定さ
れる種であることができる。上に示した酵素はＨ２Ｏ２
の形成に関連するが、Ｈ２０□の形成を含まない他の酵
素を検定することもできるであろう。

０．３ｖより大きい印加電位値（シリコンから白金へ）
において、ＭＢを導入する（その酸化された形態におい
て）と、ウェーファーが照明されるときおよびそれが照
明されないときの両者において、シリコンウェーファー
からＭＢへの電子の正味の流れが生ずる。０，３ｖより
低い印加電位値（シリコンから白金へ）において、ＭＢ
を含有する流体に近接する部位においてウェーファーを
照明したときにはじめて、正味の電子の流れが検出され
る。したがって、この回路をＣＰモードにおいて０．３
ｖより低い印加電位値（シリコンから白金へ）で用いる
場合、異る部位においてウェーファーを照明したとき直
流を測定することにより、酸化されたＭＢ濃度を部位特
異的に決定することができる。ＮＡＤＰＨまたはＮＡＤ
Ｈのような物質で前もって化学的に還元されたＭＢは、
シリコンウェーファーからの電子によりもはや還元され
えない。

ウェーファーの照明時に測定される直流は、表１に示す
ように、酸化されたＭＢａ度に対して０〜１２５８Ｍの
範囲について比例することが示された。

以下余白 表１ 引用した用途のいずれかについて適当な回路を使用する
とき、レドックス対からの光信号はチャンネル特異的で
ある。異るチャンネル中の異るレドックス組成物は単一
の一体構成の表面上で、本質的に同時に、決定すること
ができろうまた、１つのチャンネル中の１つの性質、例
えば、レドックス、および異るチャンネル中の異る性質
、例えば、−を測定することが可能である。

上の結果から明らなように、本発明の装置および方法は
、電気的光応答を変調できるレドックス媒質中で広範な
種類の物質を測定するだめの精確な、急速なかつ効率よ
い方法を提供する。本発明の装置は、脂質、グルおよび
固体物質とともに使用するために適合させることができ
る。この装置は大きい数の試料を実質的に同時に測定し
、急速な読み出しを用い、冗長性を可能として、精確な
結果を保証し、そして決定の付随する標準化を提供する
だめに使用できる。この方法は静止的（非流動性）媒質
または動的（流動性）媒質とともに使用できる。さらに
、この方法は速度の決定に使用できる。種々の型の分離
技術、例えば、電気泳動、サウザーン・プロット（５ｏ
ｕｔｈｅｒｎ　ｂｔｏｔ）、ゾラーク形成などを監視ま
だは分析することができ、ここで特異的部位を信号およ
び表面上の位置の変動に従って定めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法において使用する第１の典型的
な回路である。 第２図は、光応答性表面からの光信号を前もって決定し
た値に自動的に維持する、第２の典型的な回路である。 第３図は、多数の隔室をサンプリングするだめの光応答
装置の断面線図である。 第４図は、光応答装置ととも使用するだめのマニフォー
ルドの部分的に破壊した線図である。 第５図は、光応答装置および関連する試料取り扱システ
ムの線図である。 第６図は、レドックス組成を変化させて観測された電圧
のグラフである。 第７図は、一定の電位または一定の振幅の維持の変更を
可能とする第３の典型的な回路である。 第８図は、複数の溜および個々の溜と連絡する共通のグ
ル電解質を有する実施態様の断面線図である。 図中、１０は半導体電極であり、１１はポテンショスタ
ットであり、１２は水性媒質であり、１５は電極であり
、そして３２はＬＦＪＤである。 以下余白 図面祐浄蕎（内ｄζ−変更なし） ＦＩＧ、　　５゜ ＦＩＧ、　　４゜ Ｆ１ａ−６ Ｒθニー、ｐ　　　　　　　／９２” 手続補正書（方式） 】、事件の表示 昭和６０年特許願第８９１１３号 ２、　発明の名称 光応答性レトソクス検出および識別 ３、補正をする者 事件との関係　　　　特許出願人 名称　モレキュラー　ディハイセス コーポレイション ４、代理人 住所　〒１０５東京都港区虎ノ門−丁目８番１０号５、
補正命令の日付 ６、補正の対象 （１）願書の１−出願人の代表著」の欄（２）委任状 （３）図面 （４）明細書 ７、補正の内容 １１１　＋２１別紙の通り （３）図面の浄書（内容に変更なし） （４）明細書の浄書（内容に変更なし）８、添付書類の
目録 （１１訂正願書　　　　　　　　　　　　１通（２）　
　委任状及び訳文　　　　　　　　各１通（３）浄書図
面　　　　　　　　　　　　１ｉｆｆｉ（４）浄書明細
書　　　　　　　　　　　１通ＱＱ−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、異なる部位において、光応答性要素の照射から生ず
   る電気信号を変更できるレドックス物質の複数の決定を
   行う光応答装置であって、前記装置は、 照射受容表面を有する光応答性要素と、 前記表面上の少なくとも２つの部位を照射する照射手段
   と、 反対電極と、 前記要素において前記反対電極に関する電位をつくる手
   段と、 それぞれ前記２つの部位の第１および第２のものと連絡
   させて電気的に応答性の媒質を保持する第１および第２
   の容器手段と、 前記部位の各々と前記反対電極との間にインピーダンス
   を与えることのできる手段と、 ある部位の照射の間に電気的光応答を測定できる手段と
   、 からなることを特徴とする光応答装置。 ２、前記光応答性要素は一体構造のドープ型シリコン半
   導体ウェーファーである特許請求の範囲第１項記載の装
   置。 ３、前記照射受容表面に対して密に間隔を置いた平行な
   並列の関係で透明シートを含む特許請求の範囲第１項記
   載の装置。 ４、前記照明手段は光パルスを与えるようにプログラミ
   ングされたＬＥＤ列である特許請求の範囲第１項記載の
   装置。 ５、前記要素の一部分は前記媒質と接触するための脂質
   の二層状層である特許請求の範囲第１項記載の装置。 ６、前記脂質の二層状層は、前記照明受容表面上に被覆
   されており、そして前記層へ結合された特異的結合性対
   の構成員を有する特許請求の範囲第５項記載の装置。 ７、前記容器手段の各々はチャンネルであり、前記チャ
   ンネルの各々はある照明部位と関連している特許請求の
   範囲第１項記載の装置。 ８、前記容器手段の各々は隔室であり、前記隔室の各々
   はある照明部位と関連している特許請求の範囲第１項記
   載の装置。 ９、前記インピーダンスを与えることのできる手段は前
   記反対電極の複数の抵抗性部分からなり、各抵抗性部分
   は前記部位の１つに近接している特許請求の範囲第１項
   記載の装置。 １０、前記インピーダンスを与えることのできる手段は
   前記媒質を保持することのできる前記第１および第２の
   容器手段からなり、前記媒質は抵抗性である特許請求の
   範囲第１項記載の装置。 １１、前記光応答を決定する手段は、前記照射手段の強
   さを変化させて一定の光応答を維持しかつ前記変化の量
   を測定する手段からなる特許請求の範囲第１項記載の装
   置。 １２、前記光応答を決定する手段は、前記照射手段の強
   さを交番信号で変化させかつ前記光応答性要素中に生ず
   るＡＣ電流を測定する手段からなる特許請求の範囲第１
   項記載の装置。 １３、前記光応答を決定する装置は、前記電位を変化さ
   せ一定の光応答を維持しかつ前記電位の変化を測定する
   手段からなる特許請求の範囲第１項記載の装置。 １４、前記光応答を決定する装置は、前記電位および前
   記照明手段の強さを固定して維持しかつ光応答のＤＣ成
   分を測定する手段からなる特許請求の範囲第１項記載の
   装置。 １５、異なる部位において、光応答性要素の照射から生
   ずる電気信号を変更できるレドックス物質の複数の決定
   を行う光応答装置であって、前記装置は、 照射受容表面を有する光応答性一体構造のドープ型シリ
   コン半導体ウェーファーと、 前記表面上の少なくとも２つの部位を交番信号で順次に
   照明する手段と、 反対電極と、 前記反対電極に関して前記ウェーファーにおいて電位を
   つくる手段と、 抵抗性の電気的応答性媒質を保持する第１および第２の
   容器手段と、ここで前記物質をそれぞれ前記２つの部位
   の第１および第２のものと連絡して決定される、 ある部位が照明されている間、前記電位を変化させて一
   定の光応答を維持しかつ前記変動の量を測定することに
   より、電気的光応答を決定する手段と、 からなることを特徴とする光応答装置。 １６、前記決定手段は、 交番電気光応答信号を整流して整流された信号を生成す
   る手段と、 前記反対電極に前記整流された信号に比例するフィード
   バック信号を与える手段と、 からなる特許請求の範囲第１５項記載の装置。 １７、前記決定手段は、さらに、 前記交番電気光応答信号をろ過する手段と、前記整流さ
   れた信号をろ過する手段と、 を含む特許請求の範囲第１５項記載の装置。 １８、電気回路を経る反対電極への共通のリード線を有
   する光応答性要素を使用し、複数のある体積の電気的に
   応答性の媒質中のレドックス物質を実質的に同時に決定
   する方法であって、前記物質は前記光応答を変調するこ
   とができ、前記方法は、前記要素の光応答性表面上の複
   数の部位と前記反対電極との間に前記電気的に応答性の
   媒質を介して、インピーダンスを有する別々の電気的連
   絡を維持し、 前記表面を前記部位において異る時に前もって決定した
   順序で定められた時間の期間前記部位の各々において照
   明し、各部位は前記体積の異る１つと関連し、そして 前記回路により、前記体積の各々中の前記物質の存在を
   、前記照射から生ずる光応答への前記物質の作用により
   決定する、 ことを特徴とする方法。 １９、前記回路は、前記要素を前記反対電極に関して分
   極化する手段と、前記表面の照射の間前記分極化の水準
   を回復するために必要な電流を測定する手段とを含む特
   許請求の範囲第１８項記載の方法。 ２０、前記回路は光の強さを前記光応答に関して変化さ
   せる手段を含む特許請求の範囲第１８項記載の方法。 ２１、前記回路は、前記光応答性要素と反対電極との間
   の電位を固定し、そして前記照射の強さを固定しかつ光
   応答のＤＣ成分を決定する手段を含む特許請求の範囲第
   １８項記載の方法。 ２２、前記物質は酵素反応の結果である特許請求の範囲
   第１８項記載の方法。 ２３、前記酵素はオキシドレダクターゼである特許請求
   の範囲第２２項記載の方法。 ２４、前記オキシドレダクターゼはペルオキシダーゼで
   ある特許請求の範囲第２３項記載の方法。 ２５、前記酵素はデヒドロゲナーゼである特許請求の範
   囲第２３項記載の方法。 ２６、前記物質は前記酵素の生成物により１種または２
   種以上の中間化合物を経て間接的に還元または酸化され
   る特許請求の範囲第２２項記載の方法。 ２７、前記物質は無機イオンである特許請求の範囲第１
   ８項記載の方法。 ２８、前記光応答性要素は一体構成のドープ型半導体で
   ある特許請求の範囲第１８項記載の方法。 ２９、前記体積は少なくとも１つの流れの一部分である
   特許請求の範囲第１８項記載の方法。 ３０、前記体積の各々は他の体積と物理的に分離されて
   いる特許請求の範囲第１８項記載の方法。 ３１、前記物質はメチレンブルー、メルドラブルーまた
   はフェナジンメソサルフェートである特許請求の範囲第
   １８項記載の方法。 ３２、前記回路は前記要素および前記反対電極を前もっ
   て決定した電位差に維持し、そして前記表面の照射時に
   前記電位を回復するために必要な電流を測定する特許請
   求の範囲第１８項記載の方法。 ３３、試料中の分析物の存在を決定する方法であって、
   前記分析物は配位子および受容体から成る第１特異的結
   合性対の一構成員であり、前記方法は、 ａ）照射表面を有する光応答性電極、 ｂ）反対電極、 ｃ）前記光応答性電極および前記反対電極を接続しかつ
   前記電極を前もって決定した電位に維持する電気回路、 ｄ）前記反対電極と前記表面上の複数の部位との間の別
   々の抵抗性連結を提供する手段、ｅ）特異的結合性対の
   一構成員を結合する結合表面、前記表面は前記照射表面
   であるかあるいは前記照射表面に対して密に間隔を置い
   て離れた並列関係にある対向面である、および ｆ）前記第１特異的結合性対の前記構成員の一方を前記
   表面へ特異的に結合させる特異的結合手段、 を使用し、前記方法は、 水性検定媒質中において、成分を前記特異的結合手段と
   組み合わせ、前記検定の成分は試料、標識を含む特異的
   結合性対の構成員を包含し、ここで標識を含む特異的結
   合性対の構成員は、前記第１対の一構成員であるか、あ
   るいは前記第１対の一構成員に、直接または間接に、結
   合することができ、ここで前記標識はレドックス電位の
   変化により前記光応答性電極の電気的光応答を変調する
   ことのできる系の一構成員、および前記系の追加の構成
   員であり、 前記照射表面上の前記複数の部位を、前記組み合わされ
   た成分つ個々の体積に関して異る時間において前もって
   決定したスケジュールに従い照射し、そして 前記系により変調された電気的光応答を、前記回路によ
   り、前記試料中の前記分析物の存在の指示として決定す
   る、 ことを特徴とする方法。 ３４、前記光応答性半導体はドープ型一体構成シリコン
   ウェーファーである特許請求の範囲第３３項記載の方法
   。 ３５前記特異的結合手段は第２配位子および受容体であ
   る特許請求の範囲第３３項記載の方法。 ３６、前記第２配位子および受容体はサッカリドおよび
   レクチンである特許請求の範囲第３５項記載の方法。 ３７、前記第２配位子および受容体は配位子および自然
   の受容体または抗体である特許請求の範囲第３５項記載
   の方法。 ３８、前記標識は酵素である特許請求の範囲第３３項記
   載の方法。 ３９、媒質中の酵素基質の存在を決定する方法であって
   、前記基質の生成物は検出可能なレドックス電位を直接
   または間接に生成できる生成物を生成し、前記方法は、 ａ）照明表面を有する光応答性半導体電極、ｂ）少なく
   とも１つの反対電極、 ｃ）前記光応答性電極および前記反対電極を接続しかつ
   前記電極を前もって決定した電位の関係に維持する電気
   回路、 ｄ）前記酵素を複数の部位において結合する結合表面、 を使用し、前記方法は、 前記反対電極と前記部位の各々と間に別々の抵抗性連結
   を形成し、 前記部位の各々における前記酵素を、前記基質および酵
   素触媒反応に必要な追加の成分を含有する水性媒と接触
   させ、 前記照射表面上の前記部位を異なる時間において前もっ
   て決定したスケジュールに従い照射し、そして 前記系により変調された電気的光応答を、前記回路によ
   り、存在する前記基質の量の測度として決定する、 ことを特徴とする方法。 ４０、前記酵素はセイヨウワサビのペルオキシダーゼで
   ある特許請求の範囲第３９項記載の方法。 ４１、前記酵素はグルコースオキシダーゼである特許請
   求の範囲第３９項記載の方法。 ４２、媒質中の１種または２種以上の微生物の存在を決
   定する方法であって、前記方法は、 ａ）複数の部位を有する照射表面を有する光応答性電極
   、 ｂ）少なくとも１つの反対電極、 ｃ）前記光応答性電極および前記反対電極を接続しかつ
   前記電極を前もって決定した電位関係に維持する電気回
   路、 を使用し、前記方法は、 前記反対電極および電気部位を別々の抵抗性連結を形成
   し、 前記微生物が生存しうる状態を維持しかつ前記媒質の検
   出可能なレドックス電位の変化により、前記光応答性電
   極の光応答を変調することができる少なくとも１種の代
   謝生産物を生産する条件下で、前記媒質を前記部位の各
   々において接触させ、前記照射表面上の前記部位を異る
   時間において前もって決定したスケジュールに従い照明
   し、そして 前記代謝生産物により変調された電気的光応答を、前記
   回路により、ある微生物の存在の指示として決定する、 ことを特徴とする方法。 ４３、前記微生物は前記部位に対して並列に特異的受容
   体により結合されている特許請求の範囲第４２項記載の
   方法。 ４４、媒質中の分析物の存在を検出する方法であって、
   前記方法は、 ａ）複数の部位を有する照射表面を有する光応答性電極
   、 ｂ）少なくとも１つの反対電極、 ｃ）前記光応答性電極および前記反対電極を接続しかつ
   前記電極を前もって決定した電位関係に維持する電気回
   路、 を使用し、前記方法は、 前記反対電極と前記部位の各々との間の別々の抵抗性連
   結を形成し、 前記媒質を前記部位の各々において接触させ、ここで前
   記媒質はセイヨウワサビのペルオキシダーゼ、過酸化水
   素およびメチレンブルーを含有し、そして前記媒質中の
   セイヨウワサビのペルオキシダーゼの量を前記媒質中の
   分析物の量に関係づけ、前記セイヨウワサビのペルオキ
   シダーゼはメチレンブルーの酸化を触媒し、 前記照射表面上の前記部位を異る時間において前もって
   決定したスケジュールに従い照射し、そして 電気的光応答を前記部位におけるメチレンブルーの保持
   の結果として決定する、 ことを特徴とする方法。