KR20010085629A

KR20010085629A - 광학계 감지 장치

Info

Publication number: KR20010085629A
Application number: KR1020017002471A
Authority: KR
Inventors: 콜빈아더이.; 데일그레고리에이.; 저웩폴사무엘; 레스호제프리씨.; 린로버트더블유.
Original assignee: 추후제출; 센서즈 포 메드슨 앤드 사이언스 인코포레이티드
Priority date: 1998-08-26
Filing date: 1999-08-26
Publication date: 2001-09-07
Also published as: CA2340005C; EP1956365B1; JP2011107129A; ATE394662T1; CY1108216T1; EP2325622A1; DE69938663D1; US6330464B1; WO2000013003A9; DK1956365T3; JP2002523774A; US20020026108A1; US20060149143A1; KR100682488B1; CN1328638A; WO2000013003A1; PT1108207E; EP1956365A2; CN100385232C; JP5207491B2

Abstract

지시 및 기준 채널을 이용하여 검체의 존재 혹은 양을 탐지하는 광학계 센서(10)가 제공된다. 상기 센서는 내부에 내장된 조사선 광원(18)을 가지는 센서 본체(12)를 구비한다. 상기 광원에 의하여 방출된 조사선은 상기 본체의 표면에 인접한 지시 막(3) 지시 분자들(16)과 상호 작용을 한다. 이러한 지시 분지들의 적어도 하나의 광학적 특성은 검체 농도에 따라 변한다. 예를 들면, 형광 지시 분자들의 형광의 수준 혹은 광흡수 지시 분자들에 의하여 흡수된 빛의 양은 검체의 농도의 함수로서 변할 수 있다. 게다가, 상기 광원에 의하여 방출된 조사선은 상기 본체의 표면에 인접한 기준 막 지시 분자들과 상호 작용한다. 이러한 지시 분자들에 의하여 방출되거나 반사된 조사선(예를 들면, 빛)은 상기 센서 본체로 들어가서 내부적으로 반사된다. 상기 센서 본체 내의 감광 요소들은 검체 농도의 정확한 표시를 제공하기 위하여 지시 채널 및 기준 채널 신호 모두를 발생한다. 바람직한 실시예들은 완전히 독립적이고 사람의 생체내에서 사용할 수 있는 크기 및 형태이다. 그러한 실시예는 바람직하게는 검체의 농도를 나타내는 신호를 외부의 착신 수단에게로 전달하는 트랜스미터, 예를 들면 유도자 뿐만 아니라 외부 수단을 이용하여 조사선 광원에 전력을 제공하는 전원, 예를 들면 유도자를 포함한다.

Description

광학계 감지 장치{Optical-based sensing devices}

인용에 의하여 여기에 통합된 미국특허 제5,517,313호는 지시 분자 및 감광 요소, 예를 들면 광검출기를 포함하는 형광학계 감지 장치에 관하여 기술하고 있다. 일반적으로 말하면, 본 발명의 분야에서 지시 분자는 국부적 존재하는 검체에 의해 영향을 받는 하나 이상의 광학적 특성을 가지는 분자들이다. 미국특허 제5,517,313호에 따른 장치에서 광원, 예를 들면 발광 다이오드 ("LED")는 적어도 일부는 형광 지시 분자를 함유하는 한 층의 물질 속에 혹은, 다른 방법으로 적어도일부는 도파층 속에 위치하여 광원에 의하여 방출된 조사선 (빛)이 상기 지시 분자에 충돌하여 형광을 유발한다. 고역 필터는 광원으로부터 산란된 빛을 여파하면서, 지시 분자에 의하여 방출된 형광이 감광 요소 (광검출기)에 도달하도록 한다.

미국특허 제5,517,313호에 기술된 장치에 사용된 지시 분자의 형광은 국부적 존재하는 검체에 의하여 변경, 즉 감소하거나 증대된다. 예를 들면, 착화합물 트리스(4,7-디페닐-1,10-페난트롤린)루테늄(II) 퍼클로레이트의 황적색 형광은 산소의 국부적 존재에 의하여 멈추어진다. 그러므로, 이 착화합물은 산소 센서에서 지시 분자로서 유리하게 사용될 수 있다. 형광 성질이 다양한 다른 검체에 의하여 영향을 받는 지시 분자들은 또한 잘 알려져 있다.

게다가, 흡수 수준이 검체의 존재 혹은 농도에 의하여 영향을 받고, 빛을 흡수하는 지시 분자들 또한 알려져 있다. 예를 들면, 미국특허 제5,512,246호를 참조 하라. 상기 문헌은 인용에 의하여 본 발명에 통합되며, 스펙트럼의 감응이 슈가와 같이 국부적으로 존재하는 폴리히드록시 화합물에 의하여 감소되는 조성물을 개시하고 있다. 그러나, 그러한 광흡수 지시 분자들은 미국특허 제5,517,313호에 개시된 것과 같은 센서 구성 혹은 여기에서 개시되는 것과 같은 센서 구성에서 전에 사용된 적이 없다고 여겨진다.

미국특허 제 5,517,313호에 기술된 센서에서 지시 분자들을 포함하는 물질은 검체를 투과할 수 있다. 따라서, 검체는 주변의 시험 매체로부터 상기 물질로 확산될 수 있고, 그럼으로써 지시 분자의 형광에 영향을 미친다. 광원, 지시 분자를 포함하는 매트릭스 물질, 고역 필터, 및 광검출기는 지시 분자들에 의하여 방출된 형광이 광검출기에 충돌하여 주변 매체내의 검체 농도를 나타낼 수 있는 전기적 신호를 발생하도록 구성되어 있다

미국특허 제5,517,313호에 개시된 감지 장치는 미국특허 제5,517,313호에 대하여 종래의 기술을 구성하는 장치들에 대해 놀라운 개선을 보여준다. 그러나, 대단히 중요한 환경 즉 인체내의 검체를 감지하는 것을 가능케 하는 센서에 대한 필요성이 여전히 남아 있다. 게다가, 더 나은 개선이 이 분야에서 이루어진 결과 더 작고 효과적인 장치를 개발하게 되었다.

본 발명은 1999년 5월 5일 출원된 미국특허 출원번호 제09/304,831호 및 1998년 8월 26일 출원된 미국특허 출원 일련번호 제09/140,747호의 계속출원으로서, 여기에 인용된 바와 같이 인용에 의하여 그 전부가 여기에 통합된다.

본 발명은 액체 혹은 기체 매체에 있는 검체의 존재 혹은 농도를 탐지하는 전기-광학적 감지 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 매끄럽고 둥근, 길게 늘어진, 달결형, 혹은 타원형 형태 (예를 들면, 콩 혹은 제약학적 캡슐 형태) 및 다양한 검체의 원 위치에서의 탐지를 위하여 사람에게 그 장치를 이식하는 것을 허용하는 대단히 소형 크기이며 완전히 자급식인 것에 의해 특징지워지는 광학계 감지 장치에 관한 것이다.

본 발명의 이러한 태양과 다른 태양은 본 발명의 상세한 설명 및 다음의 도면에서 명백해질 것이고, 상기 도면은 예시적인 것으로 주어졌으며 한정적인 것이 아니고, 그 중

도 1은 본 발명에 따른 형광 근거 센서의 개략적인 단면도이다;

도 2는 센서의 도파성을 나타내는 도 1에 보여준 형광 근거 센서의 개략도이다;

도 3은 센서 본체내의 내부반사 그리고 센서/조직 계면 층의 바람직한 구조를 나타내는 도 1의 원형 부분의 상세도이다;

도 4는 내부 조사선 광원에 의하여 발생된 조사선 및 외부 지시 분자에 의하여 방출된 형광에 의하여 센서 본체내의 반사를 나타내는 도 2와 유사한 개략도이다;

도 5는 인간에게 본 발명에 따른 센서를 사용하는 것을 나타내는 개략도이다;

도 6은 라디오루미네센스 광원의 개략적인 단면도이다;

도 7a 및 7b는 본 발명의 다른 측면에 따른 광흡수 지시 분자에 근거한 센서의 작동을 나타내는 개략도이다;

도 8은 매트릭스 층의 구현을 위한 화학식으로서, 식중 매트릭스 층의 중합된 거대분자는 4개의 모노머당 약 1개의 아미노기를 포함한다;

도 9는 본 발명에 따른 매트릭스 층의 가교결합되고 도핑된 부분을 나타낸다;

도 10은 본 발명에 따라 글루코오스에 민감하고, 흡수-변조된 지시 분자, 2,3'-디하이드록시보론-4-하이드록시-아조벤젠 ("Boronated Red")를 도시한다;

도 11은 본 발명에 따라 글루코오스에 민감하고, 흡수-변조된 지시 분자의 부가적인 실시예를 도시한다;

도 12는 지시 분자 및 도핑된 모노머 AEMA를 결합하기 위한 표준적인 만니히(Mannich) 반응을 도시한다;

도 13a 및 13b는 본 발명의 다른 태양에 따라서 굴절률에 근거한 센서의 작동원리를 나타내는 개략도이다;

도 14a는 기준 채널 및 정상적인 지시 채널을 통합하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서의 평면도이다;

도 14b는 도 14a에 보여준 센서의 측면도이다;

도 14c는 기준 채널과 지시 채널을 포함하는 도 14a에 보여준 것과 유사한, 변경된 센서의 부분적인 측면도이다;

도 14d는 도 14c에 보여준 것과 유사한 기준 채널과 지시 채널을 통합하는 본 발명의 다른 실시예의 사시도이다;

도 14e는 외부 물체내에 나타낸 상시 장치를 도 14d에 나타낸 A-A 화살표의 방향에서 취한 단면도이다;

도 14f는 외부 물체내에 나타낸 상기 장치를 도 14d에 나타낸 B-B 화살표의 방향에서 취한 단면도이다;

도 15a는 기준 채널과 지시 채널을 통합하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서의 평면도이다;

도 15b는 도 15a에 보여준 센서의 측면도이다;

도 15c는 기준 채널과 지시 채널을 포함하는 도 15a에 보여준 것과 유사한, 변경된 센서의 측면도이다;

도 16a는 기준 채널과 지시 채널을 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서의 평면도이다;

도 16b는 도 16a에 보여준 센서의 측면도이다;

도 17a는 내부의 캡슐과 외부의 슬리브(sleeve)를 구비한 센서 구조에서 기준 채널과 지시 채널을 통합하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서의 측면도이다;

도 17b는 도 17a에 보여준 센서의 평면도이다;

도 17c는 내부의 캡슐과 외부의 슬리브를 구비한 센서 구조에서 기준 채널과 지시 채널을 통합하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서의 측면도이다;

도 17d는 도 17c에 보여준 센서의 평면도이다;

도 17e는 내부의 캡슐과 외부의 슬리브를 구비한 센서 구조에서 기준 채널과 지시 채널을 통합하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서의 측면도이다;

도 17f는 도 17e에 보여준 센서의 평면도이다;

도 18a는 기준 채널이 없이 내부의 캡슐과 외부의 슬리브를 구비하는 본 발명의 실시예에 따른 센서의 측면도이다;

도 18b는 도 18a에 보여준 센서의 평면도이다;

도 19a-19j는 다양한 포켓(pocket) 배치와 슬리브 구조를 보여주는 여러가지가능한 슬리브 구조의 측면도이다;

도 20a-20b 제거 가능한 필름을 함유하는 감지막을 포함하는 본 발명의 다른 실시예의 평면도와 측면도를 각각 나타낸다; 및

도 21은 흡광도 (예를 들면, 광밀도)를 y축에, 여기파장 (예를 들면, 조사선 광원으로부터 방출된)을 x축에 나타내어 흡광도가 검체의 농도에 따라 변하지 않는 등흡수점 (즉 파장)을 보여주는 그래프 (인용에 의하여 본 발명에 통합된 미국특허 제5,137,833호의 도 10으로부터 편리상 복사하였으며 오직 예시를 목적으로 여기에 제공됨)이다.

도 22(a)는 차폐 슬리브 (차폐 슬러버가 일부 제거된 채로)를 구비하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서의 평면도이다.

도 22(b)는 도 22(a)에 보여준 센서의 측단면도이다.

도 22(c)는 도 22(b)에 보여준 예시의 일부분의 확대도이다.

도 22(d)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서의 측단면도이다.

도 23(a)는 두방향으로 조사선을 방출하는 LED 조사선 광원을 가지는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서의 측단면도이다.

도 23(b)는 도 23(a)에 보여준 예시의 일부분의 확대도이다.

도 23(c)는 도23(a)에 있는 23(C)-23(C) 화살표를 따라 자른 단면 측면도이다.

도 23(d)는 반사기 컵내에 탑재된 통상의 LED 칩을 보여주는 개략적인 측면도이다.

도 24(a)는 도 23(a)에 보여준 실시예의 한 예에 따라 LED의 양면으로부터의 조명을 보여주는 설명용 그래프이다.

도 24(b)는 평평한 표면에 탑재된 기존 LED로부터의 조명을 보여주는 설명용 그래프이다.

도 25(a)는 조사선 광원 (감지막은 생략됨)의 정상 및 바닥부로부터 방출된 조사선을 가지는 센서의 다른 실시예의 측단면도이다.

도 25(b)는 감지막이 센서에 위치한 상태로 도 25(a)에 보여준 실시예의 측단면도이다.

도 26은 광학적으로 투명한 회로 기판을 구비하는 센서의 다른 실시예의 측단면도이다.

도 27(a)는 센서상에 응축을 방지하기 위하여 내부의 가열요소를 구비하는 센서의 다른 실시예의, 도 27(b)의 27-27선을 따라 취한 측단면도이다.

도 27(b)는 도 27(a)에 보여준 센서의 평면도이다.

도 27(c)는 도 27(a)의 센서의 요소들을 보여주는 분해 사시도이다.

도 28(a) 및 28(b)는 도 27(a)-27(c)의 실시예를 예시적으로 구성하여 가스의 부분압력에의 단계적 변화의 실제 시험 데이타를 나타낸다.

일반적으로 본 발명의 제 1태양에 따른 센서는 조사선의 광원 (예를 들면 LED) 및 감광 요소 (예를 들면, 광검출기)가, 도파관으로 기능하는 광전달 센서 본체내에 모두 묻혀 있어 완전히 독립적이다. 지시 분자들은 센서의 외부표면에 위치하고, 예를 들면 상기 표면에 직접 코팅되거나 폴리머 매트릭스 층내에 고정되어 있다. 조사선 광원이 조사선을 방출할 때, 조사선의 대부분은 센서와 주변 매체 (검체가 존재하는 폴리머 매트릭스 혹은 매체)의 계면에서 발생하는 내부 반사로 인해 센서 내에서 반사된다. 조사선이 센서 및 주변 매체와 충돌할 때, 그것은 센서의 표면에 고정되어 있는 지시 분자들과 상호작용을 한다. 지시 분자들에 의해 방출되는 조사선 (즉, 형광 지시 분자의 경우 형광) 혹은 광원에 의하여 방출되고 지시 분자들에 의하여 흡수되지 않은 조사선(예를 들면 광흡수 지시 분자들의 경우) 은 내부 반사로 인해 센서를 통하여 반사된다. 내부적으로 반사된 조사선은 감광 요소와 충돌하여 검체의 존재 및/또는 농도를 나타내는 신호를 발생한다.

본 발명의 이러한 태양에 따른 센서는 조사선 광원이 외부 수단, 예를 들면 전자기파, 초음파 혹은 적외선에 의하여, 혹은 완전히 내부적인 수단, 예를 들면 라디오루미네센스, 혹은 마이크로배터리, 마이크로제너레이터, 피조일렉트릭스 등의 성분에 의하여 동력을 얻게 되는 요소로 구성되어 있다. 상기 센서는 내부적으로 반사된 빛 혹은 다른 조사선의 수준을 나타낼 수 있는 신호를 전달하는 요소를 구비하고 있고, 내부적으로 반사된 조사선의 수준으로부터 검체의 농도를 결정할 수 있다. 그러한 요소는 동력 수용 유도자에서 분리된 유도자일 수도 있고, 또는 같은 유도자로 동력 발생 전자기 에너지를 수용하고 정보를 담고 있는 전자기 신호 파를 전달하는 두가지 역할을 할 수 있다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 센서는 살아 있는 인간의 피하에서의 사용을 가능케 하도록 구성된다. 그러한 목적을 위하여, 본 발명의 이러한 태양에 따라, 센서는 대략 콩 혹은 제약학적으로 사용 가능한 캡슐의 크기와 형태이다. 게다가, 상기 센서는 바람직하게는 상처 조직이 형성되는 것을 방지하거나 검체를 운반하는 혈관형성의 성장을 촉진시켜 상처 조직이 형성되는 것을 극복하는 센서/조직 계면 층이 제공된다. 본 발명의 이러한 태양에 따른 센서의 형태는 본래 및 저절로 이로운 광학적 성질들을 제공한다는 것이 발견되었고, 따라서 그러한 센서는 인간 신체 외의 다른 응용분야, 즉 계면 층 없이 및/혹은 센서로 또는 센서로부터 연장되는 전기적 리드선을 가지는 응용분야에 맞도록 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 태양에 따른 센서는 광원에 의하여 발생된 조사선을 흡수하는 광흡수 (혹은 다른 조사선 흡수) 지시 분자들로 구성된다. 흡수 수준은 검체 농도의 함수로서 변한다. 내부적으로 반사된 조사선의 양을 측정하여, 검체의 농도가 결정될 수 있다.

본 발명의 다른 태양에 따른 센서는 검체 농도를 측정하기 위하여 매체의 농도 및 그것의 굴절률사이의 관계를 이용한다. 검체의 농도가 변함에 따라, 센서가 노출된 매체의 농도가 변하고, 따라서 주변 매체의 굴절율도 변한다. 주변 물질의 굴절율이 변함에 따라, 내부적으로 반사된 빛 (혹은 역으로 센서/매체 계면을 통과하는 빛)의 양 또한 변하고, 이러한 광원의 변화는 센서내에 있는 감광요소에 의하여 측정되어 국부적으로 둘러싸는 검체의 농도와 상관 관계를 갖게 된다.

본 발명의 또 다른 태양에 따라서, (a) 전술한 바와 같이 작동하는 적어도 하나의 검체 감지용 지시 채널; 및 (b) 광 기준 채널로 작용하는 적어도 하나의 부가적 채널을 포함하는 센서가 제공된다. 상기 광 기준 채널은 바람직하게는 (a) 검체의 존재 혹은 농도에 의하여 영향을 받지 않거나 일반적으로 영향을 받지 않는 지시 분자 (즉 검체 감지용 지시 채널의 지시 분자)의 하나 이상의 광 특성(들)을 측정; 및/또는 (b) 검체의 존재 혹은 농도에 의하여 영향을 받지 않거나 일반적으로 영향을 받지 않는 제 2의 조절 지시 분자의 광 특성을 측정한다. 본 발명의 분야에서, 검체의 존재 혹은 농도에 의하여 영향을 받지 않거나 일반적으로 영향을 받지 않는 지시 분자들은 여기에서 조절 지시 분자들로 넓게 칭해진다.

상기 광 기준 채널은 예를 들면 센서 구성에 필수적인 요소의 기능 변화 혹은 경향; 센서에 대한 외부적인 환경 조건; 혹은 이들의 조합을 보상하거나 교정하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 광 기준 채널은 여러가지 중에서 센서의 조사선 광원의 노화; 감광 요소의 성능 혹은 감도에 영향을 미치는 변화; 지시 분자의 손상; 감지체 본체, 지시 매트릭스 등의 조사선 투과율의 변화; 다른 센서 요소의 변화 등에 의하여 유도된 내부 변화를 보상하거나 교정하는 데 사용될 수 있다. 다른 예를 들면, 광 기준 채널은 검체의 존재 혹은 농도에 무관하게 지시 분자의 광학적 특성 혹은 명백한 광학적 특성에 영향을 미칠 수 있는 환경 인자 (예를 들면, 센서 외부의 인자)를 보상하거나 교정하는 데 사용될 수 있다. 이러한 면에서, 예가 되는 외부 인자는 여러가지 중에서 온도 수준; pH 수준; 존재하는 주변의 빛; 센서가 적용되는 매체의 반사력 혹은 혼탁도 등을 포함할 수 있다.

상술한 그리고 다른 태양, 특성 및 이점들은 첨부된 도면과 함께 다음의 기술에 근거하여 더욱 이해될 수 있을 것이다.

초기의 광학계 센서의 실시예

형광 지시 분자의 형광에 근거하여 작동하는 본 발명의 일 태양에 따른 광학계 센서 ("센서") (10)를 도 1에 나타낸다. 센서(10)는 그 1차적인 요소로서 센서 본체(12); 층 전반에 걸쳐 분포하는 형광 지시 물질 (16)을 가지는 센서 본체(12)의 외부면상에 코팅되는 매트릭스 층(14); 지시 분자와 상호 작용하는 파장, 즉 형광 근거 센서의 경우 지시 분자가 형광을 방출하도록 하는 파장의 범위에 걸친 조사선 (여기에서 간단히 "지시 분자와 상호 작용하는 파장에서의 조사선"으로 칭해 짐)을 포함하여 조사선을 방출하는 조사선 광원(18), 예를 들면 LED; 및 감광 요소(20), 예를 들면 형광계 센서의 경우 지시 분자(16)에 의해 방출된 형광에 반응하여 그에 대한 응답으로 지시 분자의 형광 수준을 나타내는 신호를 발생하는 감광 요소(20), 예를 들면 광검출기를 구비한다. 가장 간단한 실시예에서, 지시분자(16)는 센서 본체의 표면에 간단히 코팅될 수도 있다. 그러나, 바람직한 실시예에서, 지시 분자는 매트리스 층내(14)에 포함되고, 상기 매트릭스 층은 종래기술 분야에 알려져 있는 방법에 따라 제조되고 아래에 설명된 바와 같이 센서 본체의 표면에 코팅되는 생체적합성 폴리머 매트릭스를 포함한다. 검체를 투과할 수 있어야 하는 적당한 생체적합성 매트릭스 물질은 유리하게는 선택적으로 투과가능한 - 특히 검체를 - 즉 분자량 컷오프(cut-off) 기능을 하는 메타크릴레이트 및 하이드로겔을 포함한다.

센서(12)는 유리하게는 폴리머가 광학적 도파관으로 작용하도록 센서가 사용되는 매체의 굴절률과 충분히 다른 굴절률을 가지는 적당하고 광학적으로 투과되는 폴리머 물질로부터 형성된다. 바람직한 물질은 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리하이드록시프로필메타크릴레이트 등과 같은 아크릴계 폴리머, 및 등록상표 Lexan하에 팔리고 있는 것과 같은 폴리카보네이트이다. 상기 물질은 상기 장치에 의하여 사용되는 조사선 - 상기 조사선 광원 (18)에 의하여 발생된 조사선 (예를 들면, 조사선 광원이 LED인 실시예에서 적절한 파장에서의 빛) 및, 형광 근거 실시예에서, 지시 분자에 의해 방출된 형광 - 이 그것을 통하여 진행할 수 있게 한다. 도 2에 보여준 바와 같이, 조사선 (예를 들면, 빛)은 조사선 광원(18)에 의하여 방출되고, (적어도 몇몇은) 센서 본체(12)의 표면에서, 예를 들면 위치(22)에서 처럼 내부적으로반사되고, 따라서 센서 본체(12)의 내부를 통하여 앞뒤로 "튕겨져 나간다."

센서 본체 및 주변 매체의 계면으로부처 반사된 빛은 표면에 코팅된 (표면에 직접 코팅되거나 혹은 매트릭스내에 함유된) 지시 분자들과 상호 작용할 수 있고,예를 들면 표면에 코팅된 형광 지시 분자에서 형광을 여기시킬 수 있다는 것이 발견되었다. 게다가, 계면에 수직인 방향에 대하여 측정될 때 반사되기에 너무 적은 각으로 계면을 때리는 빛은 계면을 통과하고 형광 지시 분자의 형광을 여기시킨다. 빛(혹은 다른 조사선) 그리고 계면 및 지시 분자들 사이의 다른 상호 작용 모드들은 센서의 구성 및 적용에 따라서 유용하다는 것이 발견되었다. 그러한 다른 모드는 소실성(evanescent) 여기 및 표면 플라즈몬 공명 형태의 여기를 포함한다.

도 3 및 4에 도시하듯이, 형광 지시 분자들(16)에 의하여 방출된 적어도 몇몇의 빛은 지역 30에 예시한 바와 같이 직접 혹은 매트릭스 층 (14)의 최외부 표면 (센서 본체(12)에 대하여)에 의하여 반사된 후, 센서 본체(12)에 들어간다. 그 후, 그러한 형광(28)은 조사선 광원(18)에 의하여 방출된 조사선처럼 센서 본체(12)의 내부 전반에 걸쳐 반사되어, 조사선 광원에 의하여 방출된 조사선처럼, 몇몇은 센서 본체와 주변 매체 사이의 계면을 반사되기에는 너무 작은 각도로 때려서 다시 센서 본체의 밖으로 통과해 나올 것이다. 광원(18)에 의하여 방출된 조사선의 내부 반사 및, 형광 근거 센서의 경우 도 4에 개략적으로 예시한 형광 지시 분자(16)에 의하여 방출된 형광은 감광 요소(20)에 도달하고, 상기 감광 요소는 상기한 내부 빛의 수준을 감지한다.

도 1에 더 예시한 바와 같이, 센서 (10)는 센서 본체의 외부 표면과 매트릭스 층(14) 사이에서 센서 본체(12)의 단부에 형성된 반사 코팅(32)을 또한 포함하여 내부 반사된 조사선 및 형광 지시 분자들에 의해 방출된 조사선 및/또는 빛을 최대화 하거나 증가시킨다. 반사 코팅은, 예를 들면, 페인트 혹은 금속화된 물질 (그러한 금속화된 물질이 아래에 기술된 바와 같이 센서로 및 센서로부터 원격측정 신호의 전달을 방해하지 않는 한)을 사용하여 형성될 수 있다.

도 1에 여전히 더 예시한 바와 같이, 광필터(34)는 바람직하게는 감광 요소 (광검출기, 20)의 광에 민감한 표면상에 제공된다. 종래의 기술에서 알려져 있는 바와 같이, 이 필터는 광원(18)에 의하여 발생된 조사선의 양이 감광 요소(20)의 감광 표면을 때리는 것을 막거나 그 양을 상당히 감소시킨다. 동시에, 필터는 형광 지시 분자에 의하여 방출된 형광이 그것을 통과하여 검출기의 감광 지역을 때리게 한다. 이것은 광원(18)으로부터의 입사 조사선에 기인한다고 여겨질 수 있는 광검출기 신호의 "노이즈"를 감소시킨다.

본 발명의 한 태양에 따라 센서가 특히 개발된 적용예는 - 적당한 오직 한 적용예는 아닐지라도 - 인체내의 다양한 생물학적 검체, 예를 들면 글루코오스, 산소, 독소, 제약 혹은 다른 약제, 호르몬, 및 다른 대사물질인 검체를 측정하는 것이다. 매트릭스 층(14) 및 지시 분자들(16)의 구체적인 조성물은 센서가 사용되어 검출할 특정 검체 및/또는 센서가 사용되어 검체를 검출하는 장소 (예를 들면, 혈액내 혹은 피하 조직내)에 따라서 변할 수 있다. 그러나, 두개의 일정한 요구조건은 매트릭스 층(14)은 지시 분자들이 검체에 노출되는 것을 쉽게하고, 지시 분자들의 광학적 특성 (형광 지시 분자들의 형광 수준)이 지시 분자들이 노출되는 구체적인 검체의 농도의 함수라는 것이다.

인체내의 원 위치에서의 사용을 쉽게하기 위하여, 센서(10)는 매끄럽고, 타원형 혹은 둥근 형태로 만들어진다. 유리한 점은 콩 혹은 제약학적으로 젤라틴 캡슐의 대략적인 크기와 형태를 가지고 있다는 것이며, 즉 길이(L)는 약 500 미크론 내지 약 0.5 인치이고 직경(D)은 약 300 미크론 내지 0.3 인치로 전반적으로 매끄럽고 둥근 표면을 가지고 있다는 것이다. 이러한 구성은 센서(10)가 인체에 이식되는 것을 허용하고, 즉 센서가 본질적인 인체의 기능과 간섭하거나 과도한 통증이나 불쾌감을 유발하지 않고 피부에 혹은 피하 조직속으로 (내장 혹은 혈관 속으로를 포함하여) 이식되는 것을 허용한다.

게다가, 인체(혹은 다른 동물의 육체)내에 이식된 이식 조직편 - 심지어는 "생체적 합성" 물질로 구성된 이식 조직편 - 은 이식 조직편이 자극을 제공한다는 단순한 사실때문에 이식 조직편이 삽입된 유기체내에 "외부 물체 반응"을 어느 정도 야기시킬 것이다. 인체내에 이식된 센서(10)의 경우, 상기 "외부 물체 반응"은 대부분 섬유성 피막형성, 즉 상처 조직의 형성이다. 글루코오스 - 본 발명에 따른 센서들이 검출하는 데 사용되리라 기대되는 일차적인 검체 - 는 상기 섬유성 피막형성에 의하여 방해받는 확산 혹은 전달 속도를 가질 수 있다. 심지어는 대단히 작은 산소 분자 (O₂)도 또한 상기 섬유성 피막형성에 의하여 방해받는 확산 혹은 전달 속도를 가질 수도 있다. 이것은 단지 섬유성 피막형성 (상처 조직)을 형성하는 세포들은 성질상 아주 밀도가 높고 혹은 정상적인 조직과는 다른 대사 특성을 가질 수 있기 때문이다.

생물학적 검체에 대한 이러한 잠재적인 방해를 극복하고 혹은 지시 분자들의 노출을 지연시키기 위하여, 두개의 주요한 접근 방법을 고려하였다. 아마도 가장간단한 한 접근 방법에 의하면, 센서/조직 계면 층 - 지시 분자들이 센서 본체의 표면 바로 위에서 고정될 때 센서 본체 (12)의 표면 및/또는 지시 분자들 위에 가로 놓이는, 혹은 지시 분자들이 매트릭스 층에 포함될 때 매트릭스 층(14)의 표면 위에 가로 놓이는 - 섬유성 피막이 거의 없는 혹은 허용 가능한 수준으로 형성되도록 하는 물질로부터 제조된다. 이러한 특성을 가지는 것으로 문헌에 개시된 그러한 물질들의 두가지 예는 W.L.Gore로부터 입수 가능한 Preclude^TMPeriocardial Membrane 및 Kennedy,"Tailing Polymers for Biological Uses," Chemtech, February 1994, pp.24-31에 기술된 친수체와 공유결합하는 폴리이소부틸렌이다.

다른 방법으로, 특화된 여러층의 생체적 합성 물질로 구성된 센서/조직 계면 층이 센서상에 제공될 수 있다. 예를 들면, 도 3에 보여준 것처럼, 센서/조직 계면 층(36)은 세개의 하부 층(36a, 36b, 36c)을 포함할 수 있다. 조직 성장을 촉진하는 하부 층(36a)은 바람직하게는, 섬유성 세포(39, 상처 조직)가 하부 층상에 축적되더라도 모세관(37)이 속으로 침투하게 하는 생체적 합성 물질로 만들어진다. 수년간 사용되어져 온 GoretexVascular Graft 물질(ePTFE), Dacron(PET) Vascular Graft 물질, 및 고밀도 폴리에틸렌으로 제조된 MEDPOR Biomaterial (POREX Surgical Inc.로부터 입수 가능)이 기초적인 조성, 구멍 크기, 구멍 구성이 조직 및 혈관의 내부 성장을 촉진하여 조직 내부 성장 층이 되게 하는 물질들의 예들이다.

반면에 하부 층(36b)은 바람직하게는 조직 내부 성장을 막도록 조직 내부 성장 하부 층(36a)의 구멍 크기보다 상당히 작은 구멍 크기(5 마이크로미처 이하)를 가지는 생체합성적인 층이다. 하부 층(36b)이 만들어지는 본 발명의 바람직한 물질은 W.L.Gore Inc.로부터 입수 가능한 Preclude Periodical Membrane (전에는 GORE-TEX Surgical Membrane이라고 불림), 이는 확장된 폴리테트라-플루오로에틸렌(ePTFE)으로 구성되어 있다.

세번째의 하부 층(36c)는 분자체로 작용한다. 즉 상기 흥미있는 검체 또는 검체들이 그것을 통과하여 지시 분자들(센서 본체(12)에 직접 코팅되거나 매트릭스 층(14)에 고정된)에 이르도록 하지만 이뮤노글로뷸린, 단백질, 글리코프로테인과 같은 분자들을 제외시키는 분자량 컷오프 기능을 제공한다. 많은 잘 알려져 있는 셀룰로오스 형태의 막 예를 들면 콩팥 투석 여과 캐트리지에 사용되는 종류의 막은 분자량 컷오프 층(36c)으로 사용될 수 있다.

센서/조직 계면 층(36)은 도 3에서 세번째의 분자량 컷오프 층(36)을 포함하는 것으로 기술되고 보여주고 있으나, 매트릭스 층(14), 예를 들면, 메타크릴레이트 혹은 수화된 친수성 아크릴계를 제조하는 폴리머를 선택하는 것이 가능하며, 분리된 하부 층(36c)에 대한 필요성없이 분자량 컷오프 기능을 수행하도록 할 수 있다는 것을 이해하게 될 것이다. 그러나, 상기 두개의 하부 층(36a, 36b)은 외부의 층(36a)이 조직 내부 성장을 촉진하고 내부의 하부 층(36b)이 조직의 내부 성장을 억제하도록 사용되는 것이 추천된다. 왜냐하면, 내부의 층(36b)은 외부 층(36a) 및분자량 컷오프 층 (분리되어 또는 매트릭스 층(14) 자체에 의해 제공되는) 사이에 부가적인 장벽 (혹은 "전필터")로서 기능하기 때문이다. 이는 분자량 컷오프 층이이뮤노글로뷸린, 세포외부의 매트릭스 단백질, 지질 등과 같은 거대분자들에 의하여 막히거나 이상이 생길 가능성을 감소시키고, 따라서 상기 흥미있는 검체 혹은 검체들이 지시 분자들과 접촉하는 속도와 효율을 최대화시킨다. (센서가 생체내에서의 시험에 유용하기 위해서는, 검체 노출 지연 시간, 즉 지시 분자들이 직접 노출되는 검체의 농도가 정상 상태에 달하는데 걸리는 시간이 상대적으로 짧아야, 즉 2 내지 5분정도이어야 한다.) 센서/조직 계면 층을 구성하는 생체합성적인 물질들의 다양한 조합과 순열은 의료 이식 기술 분야에 정통한 당업자에게 명백할 것이다. 결국, 센서/조직 계면 층에 대하여, 악영향을 미치는 반응을 방지하는 것 외에도, 계면 층이 매트릭스 층(14)의 최외곽층으로부터 (형광 지시 분자로부터이건 혹은 조사선 광원(18)로부터이건) 광이 반사되어 센서 본체(12)로 진입하는 것을 증대시킨다.

본 발명에 따른 센서의 다른 태양은 그것이 완전히 독립적일 수도 있다는 것이다. 환언하면, 특정 실시예에서, 센서는 센서에 전기를 공급하거나 (예를 들면 광원(18)을 구동시키기 위하여) 센서로부터 신호를 전달하기 위하여 어떤 전기적 리드선이 센서 안으로나 센서로부터 연장되지 않도록 구성되어 있다. 오히려, 본 발명의 이 태양에 따른 센서는 센서 본체(12)에 완전히 박혀 있거나 피막이 형성되어 있는 전원(40, 도 1) 및 센서 본체에 완전히 박혀 있거나 피막이 형성되어 있는 트랜스미터(42)를 포함한다.

(그러나, 센서(10)의 형태는 우수한 광학적 성질을 제공하도록 본래 및 저절로 발견되었다. 따라서, 센서 본체 내외부로 연장되는 전원 및/또는 신호-전달 리드선을 구비한 센서의 실시예는 또한 본 발명의 범위내에 있다.)

바람직한 실시예에서, 전원(40)은 트랜스미터처럼 유도자이다. 따라서, 센서를 도 5에 보여준 바와 같이 인체 예들 들면 피부(50)와 피하 조직(52) 사이의 인체에 이식할 때, 센서를 생성된 전자기적 조사선 (54) 장에 노출시킴으로써, 예를 들면 센서 주위에 위치한 적절히 구성된 기구(미도시)에 설치된 유도자 코일(56)에 의하여 전원을 가지게 된다 - 즉 조사선 광원은 지시 분자(16)와 상호 작용하는 조사선을 방출하게 할 수 있다. 유사하게, 유도자로서의 트랜스미터(42)는 감광 요소를 때리는 빛의 수준 및 그에 따라 검체의 존재 혹은 농도를 나타내는 전자기장(58)을 발생한다. 상기 전자기장(58)은 외부의 리시버(60)에 의하여 검출될 수 있는 신호를 구성한다. 이 신호는 예를 들면 50 메가헤르츠 신호, 세기 변조된 신호; 주파수 변조된 신호; 디지탈 신호; 혹은 본 분야 기술에 정통한 당업자에게 알려져 있을 수도 있는 다른 형태의 전자기파 신호일 수도 있다.

다른 방법으로, 모든 원격 측정을 위해 하나의 코일 및 하나의 유도자가 사용될 수 있다. 그러한 실시예에서, 코일(56)은 유도자(40)에 전류를 유도하기 위하여 하나의 주파수에서 전자기파(54)를 발생하고, 상기 유도자(40)는 조사선 광원(18)에 전원을 공급하고; 감광 요소(20)에 의하여 감지된 내부적으로 반사된 빛의 양이, 코일(56)에 전류를 유도하는 변조된 전자기파로서 같은 유도자(40)에 의하여 전달된다. 이 변조된 전자기파는 감광 요소(20)에 의하여 유도자(40)를 통하여 흐르는 전류를 검출된 빛의 함수로서 변조함으로써 발생되고 그 결과 유도된 코일(56)에 흐르는 전류를 측정함으로써 검출된다.

다른 방법으로, 상기 시스템은 전원 발생 모드와 신호 전달 모드 사이에서 (빠른 순서로) 전환되도록 구성될 수 있다. 이러한 것과 다른 원격 측정 방법들은 본 분야 기술를 가지고 있는 사람에게 익숙할 것이다. 왜냐하면 그러한 기술들은 예를 들면 센서를 통과하여 건물에 접근할 수 있도록 신호될 수 있는, 때때로 라디오 주파수 식별기로 칭해지는 이식된 집적 회로 칩을 구비하는 "스마트 카드"와 함께 상대적으로 공통적으로 사용되기 때문이다.

조사선 광원(18)을 구동하기 위한 달리 고려된 자급식인 전원은 마이크로배터리; 피조일렉트릭스 (초음파와 같은 기계적 에너지에 노출될 때 전압을 발생시킴); 마이크로제너레이터; 소리(예를 들면 초음파)로 구동되는 발전기; 피부(50)를 통과하는 빛(적외선)에 의하여 전력을 공급받을 수 있는 광전지를 포함한다.

LED 대신에 또 다른 방법으로, 라디오루미네선트 광원이 사용될 수 있다. 도 6에 예시된 바와 같이, 그러한 라디오루미네선트 광원은 그 속에 포함된 방사성 동위원소(82) 예를 들면 트리튬의 샘플을 가지는 봉합된, 광학적으로 투과하는 용기(80) (예를 들면, 원통형의, 구형의 혹은 입방체의) 를 포함한다. 방사성 동위 원소는 상기 용기(80)의 내부 표면에 코팅된 중간체인 발광체 분자(84)를 때리는 베타입자를 방출하며, 따라서 중간체인 발광체 분자들이 빛을 방출하게된다. 베타 입자는 약하여 상기 용기의 벽을 통과하지는 못해도, 중간체인 발광체 분자들에 의하여 방출된 빛은 통과하고 따라서 센서에 지시 분자와 상호 작용하는 빛을 비추고 - 유사하게 LED에게도 빛을 비춘다. 그러한 라디오루미네센스 광 발생 및 유사한 형태의 광 발생은 이 기술 분야에 알려져 있다. 예를 들면, 인용에 의하여 본 발명에 통합된 미국특허 제4,677,008호, 및 역시 인용에 의하여 본 발명에 통합된 Chuang and Arnold,"Radioluminescent Light Source for Optical Oxygen Sensors," 69 Analytical Chemistry No. 10, 189901903, May 15, 1997을 참조하라. LED에 대한 다른 대안으로서, 센서는 미국특허 제5,281,825호에 개시된 전기루미네센트 램프를 사용할 수도 있다.

도 1에 보여준 다른 요소들에 대하여, 온도 센서(64) 및 선택적인 신호 증폭기(66)가 또한 제공된다는 것이 유리한 점이다. 상기 온도 센서(64)는 주변 조직과 지시 분자의 환경의 국부적인 주위 온도를 측정하며 이 정보를 제어 논리 회로(미도시)에 제공한다. 상기 제어 논리 회로는 형광 수준을 예를 들면, 검체 농도 수준과 연관시키며, 따라서 온도 변화에 의하여 영향을 받는 변화에 대하여 출력 신호를 교정한다. 증폭기(66)는 광검출기(20)에 의하여 발생된 신호를 증폭시키는 상대적으로 간단한 이득 회로이다.

본 발명에 따라 센서를 만들기 위하여, 센서의 여러 요소와 회로는 미리 잘라놓은, 0.2 인치 × 0.4 인치 세라믹 (예를 들면, 알루미나) 기판 (70)상에 조립된다. 기판의 두께는 0.020 인치이다. 모든 회로 요소는 예를 들면 Digi-Key, Garret 및 다른 곳에서 입수 가능한 표준적인 표면에 탑재되는 요소들이다. 상기 요소들은 Ablebond로부터 입수 가능한 Ablebond-84와 같은 표준적인 은 전도성 에폭시를 사용하여 기판에 부착된다.

다음으로, 고역 필터를 CVI Laser 및 다른 곳에서 통상적으로 입수 가능한 두부분 고역 필터 에폭시를 도포함으로써 감광 요소에 설치할 수 있다. 상기 필터의 두께는 Rainin Micropipettor를 사용하여 정확도 분배에 의하여 조절된다. 상기 고역 필터 에폭시는 제조자의 지시에 따라 125℃의 오븐에서 2시간 동안 경화시킨다. 유사한 방법으로, 원한다면, 저역 필터도 상업적으로 입수 가능한 저역 에폭시제제를 사용하여 같은 방법으로 조사선 광원 (LED)상에 코팅될 수 있다. 광학 필터의 맞춤 제제도 원하는 흡수 스펙트럼의 염료를 Epotek 에폭시에 첨가함으로써 제조할 수 있다. 상기 도우펀트(dopant)의 적당한 농도는 원하는 스펙트럼 성질들이 얻어질 때까지 분광기로부터 UV-Vis 스캔상의 파장 대 투과도를 모니터함으로써 결정될 수 있다. 그러한 맞춤 제제의 에폭시는 유사한 방법으로 경화될 수 있다. 조립식 유리, 폴리머, 혹은 코팅된 필터도 또한 사용될 수 있고, 전형적인 방법에 따라서 광학적으로 맞는 부착제를 사용하여 감광 요소 또는 장치에 접합될 수 있다.

그 후, 광학 필터 (설치되고 경화되면)를 가지는 회로판은 예를 들면 Lilly No. 4 두 부분 젤라틴 캡슐을 몰드로 사용하여 캡슐화 된다. 다른 젤라틴 캡슐도 또한 사용된다. 속이 빈 캡슐의 길다란 "반쪽"은 똑바로 세워서 선반에 놓는다. 적당한 센서 본체 물질의 광학적으로 깨끗한 수방울의 포팅(potting)을 상기한 바와 같이 첨가하여 부피의 대략 반까지 상기 캡슐을 채운다. 미리 조립된 회로의 기판을 끝을 먼저 상기 캡슐 속에 및 주위를 둘러싸는 (wick around) 광학적 포팅속에 삽입하고, 회로판 어셈블리의 조그만 공간에 삽입하여 공기를 배제하게 하고 따라서 최종 센서 장치에 거품이 후에 생기는 것을 방지한다. 캡슐을 똑 바로 세웠을 때 해당 수준이 캡슐의 정상에 도달할 때까지 마이크로피펫을 사용하여 부가적으로 광학적 포팅을 첨가한다. 상기 일부 어셈블리는 (선반에 의하여 지지되는) 캡슐을종 모양의 유리그릇의 진공하에 두고 캡슐내에 관찰되는 모든 거품이 빠져나갈 때까지 진공하에 세워 둠으로써 가스를 제거한다. 상기 어셈블리를 진공에서 빼어내고 부가적으로 광학적 포팅으로 "위에 첨가 (top off)"하여, 표면 장력으로 그것의 가장자리위에 젤라틴 캡슐의 반을 채우게 하여 반대쪽 단부와 유사한 둥근, 반구형의 돔 형태을 형성하게 한다.

그 후 상기 캡슐을 UV 광 아래에 놓고 수 시간 동안 경화시키고, 경화시간은 사용가능한 UV 광원의 세기에 의존한다. 다른 방법으로 열경화 및 촉매경화도 포팅물질에 따라 사용될 수 있다. 최대한 세기로 경화하는 것은 60℃에서 120 시간 동안 UV 경화 후 어셈블리를 연이어 배양함으로써, 혹은 다른 방법으로 제조자의 지시에 따라 획득될 수 있다.

그 후 젤라틴 몰드는 젤라틴을 용해하기 위하여 수 시간 동안 물속에 캡슐화된 어셈블리를 담궈 놓아 센서 본체로부터 제거될 수 있다. 상기 작업 시간 동안 여러번 물을 갈아주고 세척하면 표면에서 젤라틴을 제거하는 데 도움이 된다. 상기 캡슐은 그 후 코팅 준비를 하기 위해 공기로 (혹은 60℃의 오븐에서) 건조된다.

일단 센서 본체가 완전히 건조되면, 지시 분자들로 코팅한다. 상기 지시 분자들은 이 분야 기술에 공지되어 있는 기술을 사용하여 센서 본체의 표면에 직접 고정될 수도 있고, 혹은 중앙 본체상에 코팅될 매트릭스 층 용액속에 포함될 수도 있다. (형광 지시 분자들을 포함하는 매트릭스 층 용액은 이 분야에 공지되어 있는 방법에 따라 준비될 수도 있다; 광흡수 지시 분자를 함유하는 매트릭스 층 용액은 아래에 기술되어 있는 바와 같이 준비될 수 있다.) 상기 센서를 매트릭스 층으로코팅하는 편리한 방법은 조그만 (예를 들면 32 게이지) 전선을 캡슐화된 회로도의 한 단부에 부착하여 고리를 만드는 것이다. 이것은 같은 UV-경화된 광학적 포팅 물질을 사용하여 수행될 수 있다. 광학적 포팅 약 1 내지 2 마이크로리터를 핸들 전선의 한 단부에 위치시킨다. 캡슐화된 회로를 UV 램프를 끄고 UV 램프 앞에 놓는다. 광학적 포팅을 전선의 끝에 묻힌 전선을 상기 캡슐의 단부에 접촉시키고 UV 램프을 켠다. 소량의 광학적 포팅 "접착제"는 곧 경화되고, 따라서 전선 끝을 상기 캡슐에 부착시킬 것이다. 상기 캡슐은 이제 편리하게 매트릭스 층 용액 (및 적당하게 분리된 지시 분자 용액)에 담궈질 수 있고, 전선을 걸어서 경화시킨다. 상기 전선은 센서기 완전히 조립된 후 간단히 끌어 당김으로써 제거될 수 있다.

일단 지시 분자들이 센서 본체의 표면에 안전하게 결합되면, 직접 표면에 결합되었건 혹은 매트릭스 층내에서 결합되었건, 센서/조직 계면 층은, 센서 본체를 상기 물질의 미리 형성된 불투명한 슬리브에 삽입하고 열이나 에폭시를 사용하여 각각의 말단을 밀봉하거나 혹은, 원하는 센서/조직 계면 층이 시트형태라면, 센서 본체를 물질의 세로방향으로 감고 세로 방향과 단부의 봉합을 열이나 에폭시를 사용하여 봉합함으로써 조립될 수 있다.

지금까지 보여주고 기술된 본 발명에 따른 센서(10)의 실시예는 하나의 조사선 광원(18) (LED)과 감광 요소(20, 광검출기)를 구비하고 있고, 따라서 하나의 검체의 검출을 허용할지라도, 다른 구성과 요소도 가능하다. 예를 들면, 각각 두개 이상의 검체의 존재나 농도를 감지하기 위하여, 두개 이상의 감광 요소들이 상기 세라믹 기판(70)상에 제공되고, 각각은 다른 자신의 트랜스미터(42)를 가지도록 두개 이상의 다른 형태의 지시 분자들이 제공될 수 있다. 각각의 감광 요소는 각각의 지시 분자들로부터 나온 빛이 통과하도록 디자인된 자신의 필터(34)를 가질수 있다. 유사하게, "두개의 채널" 실시예는 두개의 다른 감지 방법에 의하여 검체의 농도를 측정하도록 개발될 수도 있다. 예를 들면, 하나의 그러한 실시예에서, 지시 분자들 중의 몇몇은 형광 지시 분자들이고 나머지는 조사선 흡수 지시 분자 (아래에 기술하는 바와 같이)일 수 있다. 두개의 분리된 감광 요소는 각각 자신의 적당한 필터를 구비하며 - 하나는 형광 지시 분자들에 의하여 방출된 형광을 측정하고 다른 하나는 광원에 의하여 발생되고 센서 전반에 걸쳐 반사된 조사선을 측정하도록 제공되며 조사선 흡수 지시 분자들에 의하여 약간은 흡수된다. 부가적으로, 다른 형태의 감광 요소, 예를 들면 포토레지스터, 포토트랜지스터, 포토다이오드, 포토달링턴, 광전지, 양극 절연의 음극 포토다이오드, 면적이 큰 포토다이오드, 아바란취(avalanche) 다이오드, 전하 결합 장치 등이 사용될 수 있다.

게다가, 본 발명에 따른 센서가 지시 분자들의 형광에 근거하여 기능하는 것으로 주로 전술되었지만, 본 발명은 그렇게 한정되지는 않는다. 본 발명의 다른 태양에 따라, 본 발명에 따른 센서 구조물은 광흡수 지시 분자들의 광흡수 특성에 근거하여 작동할 수도 있다. 본 발명의 이 태양에 따른 센서는 위에서 참조된 미국특허 제5,517,313호에 보여준 것과 같은 센서 구조물을 사용할 수 있다; 보다 바람직하게는 전술한 바와 같이 콩 혹은 제약학적인 젤라틴 캡슐의 구조물을 사용한다.

도 7a 및 7b에 예시한 바와 같이, 본 발명의 이 태양에 따른 센서(110)는 어떤 검체에도 노출되지 않을 때, 광흡수 지시 분자들(116) (이들은 바람직하게는 매트릭스 층(14)에 고정되어 있다)은 특정 범위의 파장내에 들어가고 센서 본체로부터 통과해 나오는, 조사선 광원에 의하여 발생된 소정량의 조사선(빛)(119)을 흡수하고, 흡수되지 않은 조사선(121)은 센서 본체내로 반사되어 들어간다. 광흡수 지시 분자들(116)이 검체 분자들(117)에 노출되도록 상기 센서(110)가 검체에 노출될 때, 지시 분자들의 광흡수 성질들은 영향을 받는다. 예를 들면, 도 7b에 보여준 바와 같이, 센서 본체(12)로 반사되어 들어오는 빛(121)의 세기가 증가하도록 지시 분자들(116)의 광흡수 용량은 감소한다. 센서 내부의 빛의 수준은 상술한 바와 같이 감광 요소(미도시)에 의하여 측정된다.

광흡수 지시 분자에 근거한 센서는 다양하게 농도가 알려져 있는 흥미있는 다양한 검체들의 조명 세기 수준을 결정함으로써 보정되어야 한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 게다가, 측정되는 조사선(빛)이 광원 자체에 의하여 방출되는 조사선이기 때문에, 조사선 광원이 대단히 넓은 범위의 방출 프로파일을 가지고 있고 광흡수 지시 분자들이 대단히 좁은 범위의 흡수 파장을 가지고 있다면, 고역, 저역, 대역 필터가 감광 요소에 제공되어 오직 이 범위의 파장을 가지는 조사선이 감광 요소에 의하여 감지되도록 할 수 있다는 것을 더 이해할 것이다.

광흡수 성질들이 다양한 검체들에 의하여 영향을 받는 지시 분자들은 이 분야의 기술에서 공지되어 있다. (그러나, 위에서 지적한 바와 같이, 그러한 광흡수 지시 분자들은 여기에 혹은 미국특허 제5,517,313호에 개시된 바와 같이 센서 구조물과 함께 결합되어사용된 적이 없다.) 예를 들면, 미국특허 제5,512,246호는 광흡수 능력이 글루코오스의 국부적인 농도의 함수로 변하는 광흡수 지시 분자들을 개시하고 있다. 특히, 글루코오스의 국부적인 농도가 증가함에 따라, 파장 515 나노미터에서 지시 분자들의 광흡수 능력이 감소한다. 따라서, 그러한 지시 분자들이 여기에 개시된 콩 혹은 캡슐형태의 센서 구조물과 함께 사용된다면, 그 파장에서 빛에 의한 내부 조명의 수준은 증가할 것이다. 그러면 국부적인 글루코오스 농도 수준은 그 파장에서 조명의 수준으로부터 결정될 수 있다.

다른 검체들에 반응하는 광흡수 지시 분자들은 예를 들면 페놀프탈레인에 의하여 예시되는 바와 같이 이 분야의 기술에 잘 알려져 있고, 상기 페놀프탈레인은 pH의 변화에 따라 색이 변한다.

형광 지시 분자에 근거한 센서에서 그러한 것처럼, 광흡수 지시 분자들을 사용하는 센서는 센서 본체의 표면에 직접 배치되는 지시 분자들을 구비할 수도 있다. 그러나, 도 7a 및 7b에 도시한 바와 같이, 지시 분자들은 매트릭스 층(114)내에 고정되는 것이 바람직하다.

매트릭스 층(114)은 하이드록시에틸메타크릴레이트(HEMA)를 포함하여 다양한 유기성 모노머의 낮은 밀도의 중합에 의하여 제조될 수 있다. HEMA는 PolyScience (Warrington, Pensylvania) 및 Sigma (St. Louis, Missouri)와 같은 업체로부터 광범위하게 입수 가능하고, 이 분야의 기술에서 널리 알려져 있고 이해되는 바와 같이, 모노머들을 가열하거나 자외선에 노출시킴으로써 중합될 수 있다.

한 바람직한 실시예에서, 광흡수 지시 분자들(116)은 상기 HEMA를, 도핑한 모노머, 예를 들면 아미노에틸메타크릴레이트(AEMA)와 반응시켜 상기 매트릭스 층(114)내에 고정시킬 수 있다. 중합 도중, AEMA는 측쇄의 아미노기를 매트릭스층(114)에 주입한다. AEMA이외의 모노머들은 또한 아미노프로필메타크릴레이트 (APMA) 및 다른 측쇄 그룹을 가지고 아미노 그룹과 나머지 모노머 사이의 탄소수가 변하는 다른 상업적으로 입수 가능한 모노머를 포함하여, 매트릭스 층(114)의 제조 중에 사용될 수 있다. 일차 아민 그룹을 포함하는 모노머(예를 들면 AEMA) 외에도, 이차 아민 그룹을 포함하는 모노머들도 상기 매트릭스 층(114)을 형성하는 데 사용될 수 있다. 다른 방법으로, 아미노 그룹 외의 측쇄 가교 결합 그룹도 지시 분자들(116)을 매트릭스 층(114)의 폴리머 물질에 공유 결합시키는 데 또한 사용될 수도 있다. 다른 측쇄 가교 결합 그룹은 설퍼하이드릴 (-SH), 카르복실 (COOH), 알데히드 (COH), 하이드록실 (OH), 시아노(CN), 에테르, 및 에폭시 그룹을 포함한다.

소정 범위의 도핑율이 지시 분자들(116)을 고정시키는 데 사용될 수 있지만, 약 1:4 내지 약 1:20의 AEMA 대 HEMA의 도핑율이 바람직하다. 매트릭스 층(114)은 매트릭스 층(114)의 전체적인 중합된 거대분자에 있어서 세분자의 HEMA 당 화학양론적으로 하나의 측쇄 아미노 그룹을 가지도록 제공된다. 이것은 도 8의 화학식에 예시되어 있다.

매트릭스 층(114)의 폴리머 물질은 바람직한 실시예에서 가교 결합 그룹으로서 이관능성 폴리(에틸렌 글리콜)(n)디메타크릴레이트를 사용하는 방법을 포함하여, 이 분야의 기술에 알려져 있는 표준적인 가교 결합 방법에 의하여 가교 결합될 수도 있다. 상기 가교 결합 그룹이 상기 모노머의 초기 배합 중에 표준적인 관행에서처럼 첨가될 수도 있다. 이것 및 다른 가교 결합 그룹은 PolyScience (Warrington, Pa.)로부터 상업적으로 입수 가능하다. 상기 변수 (n)은 1부터 1000이상까지 변할 수 있지만, 본 발명의 바람직한 실시예에서 n=1000이다. 상기 변수 (n)는 상기 매트릭스 층(114)의 원하는 밀도, 다공성 및 친수성 성질에 따라 변할 수 있다.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 매트릭스 층(114)의 부분을 예시하고, 이것은 측쇄 아미노 도핑된 모노머 (AEMA), HEMA 주쇄, 및 이관능성 가교 결합 그룹을 포함한다.

매트릭스 층(114)은 검체(예를 들면 글루코오스)가 광흡수 지시 분자들 (116)에 접근하는 것을 허용하는 것; 상기 지시 분자들(116)이 여과되는 것을 방지하기 위하여 그들을 고정하는 것; 본 발명의 광학 시스템의 안정성을 유지하는 것; 원하는 검체이외의 분자들의 다공성 매트릭스에 고유하지 않은 결합 정도를 최소화 하는 것; 원하는 검체보다 큰 분자들의 접근을 제한하는 것; 및 상기 다공성 매트릭스 물질이 하나 이상의 부가적인 생체적 합성 계면 층을 지지하게 하는 것을 포함하여, 본 발명에 여러가지의 이점을 제공한다. 매트릭스 층(114)은 또한 센서 본체(12)와 광학적으로 양립할 수 있고, 지시 분자들(116)의 여기, 방출, 흡수, 혹은 굴절율 파장(들)을 전달할 수 있다.

지시 분자들(116)을 매트릭스 층(114)내에 고정시키는 다양한 방법은 문헌에 기술되어 있고, 기계적인 포획에서 공유결합 고정에 이르기까지 변할 수 있다. 예를 들면, A.P.Turner,Biosensors, pp.85-99, Oxford Science Publication, 1987을 참조하라.

바람직한 실시예에서, 지시 분자들(116)은 상기 매트릭스 층(114)내에 공유결합으로 고정될 수도 있는, 글루코오스에 민감하고, 흡수도-변경된 지시 분자들이다. 중합 중에, 지시 분자들(116)은 일차 측쇄 아민 그룹을 통하여 폴리머 주쇄에 공유결합으로 부착되고 그들은 함께 매트릭스 층(114)을 형성한다. 이러한 형태의 고정화는 다른 형태의 지시 분자들 및 폴리머 주쇄상의 다른 측쇄 그룹들을 사용하여 다양한 방법에 적용가능하다. 글쿠코오스에 민감하고 흡수도-변경된 지시 분자들은 도 10에 도시한 2,3'-디하이드록시보론-4-하이드록시-아조벤젠 ("Boronated Red"로 또한 알려져 있음)을 포함한다. 글루코오스는 미국특허 제5,512,246호에 기술되어 있는 바와 같이 지시 분자들(116)과 상호 작용할 수 있다. 본 발명에 사용되는 다른 유사하게 준비된 바람직한 지시 분자(116)는 도 11에 도시되어 있다.

도 10 및 11에 보여준 지시 분자들(116)을 매트릭스 층(114)에 고정시키는 바람직한 방법에서, 페놀 그룹의 오르소 수소 위치 (도 10 및 11에 도시된 지시 분자들에서 "*"로 표시됨)는 만니히 반응을 사용하여 아미노알킬화 된다. 만니히 반응은 유기화학 분야에서 케톤, 에스테르, 페놀, 및 다른 유기성 화합물의 소정의 수소들이 포름알데히드와 아민의 존재하에서 축합되는 반응으로서 알려져 있다. 상기 만니히 반응을 수행하는 시약은 Pierce Chemicals를 포함하는 많은 화학 시약 제공 회사로부터 입수 가능하다. 지시 분자들(116)을 AEMA에 결합시키는 표준적인 만니히 반응은 도 12에 도시되어 있다. AEMA 및 HEMA를 매트릭스 층(114)의 폴리머 주쇄에 공중합시킴으로써, 지시 분자들(116)은 상기 매트릭스 층(114)의 폴리머 물질에 결합될 수 있고 검체, 예를 들면 글루코오스에 접근할 수 있게 된다.

지시 분자들(116)은 HEMA와 공중합시키기 전에 우선 지시 분자들(116)을AEMA와 결합시키는 것을 포함하여, 다양한 방법으로 매트릭스 층(114)의 폴리머 물질에 결합될 수 있다. 다른 방법으로, 우선 지시 분자들(116)을 폴리라이신의 측쇄 아민 그룹에 고정시킴으로써 지시 분자들(116)의 비공유결합의 기계적인 포획을 사용할 수도 있다. 그 후 미리 고정된 폴리라이신/지시 분자 전구체를 공중합 전에 HEMA와 혼합할 수 있다. 메타크릴레이트의 중합시, 상기 폴리라이신/지시기 분자 착화합물은 메타크릴레이트 매트릭스내에 포획하고 반면에 지시 분자들(116)은 폴리라이신에 동시에 공유 결합하여 고정된 채로 남겨둘 수 있다.

상기 센서(110)는 달리 상기한 바와 같이 제조될 수 있다.

본 발명의 세번째 태양에 따른 센서는 전술한 콩 혹은 열을 잘 흡수하지 않는 캡슐형태의 구조물(결코 그러한 구조물에 한정되지는 않지만)을 이용하여 센서가 배치된 매체의 굴절률 (혹은 사용되면, 센서를 캡슐화한 매트릭스의 굴절률)의 변화에 근거하여 검체의 존재 혹은 농도를 감지하는 것을 쉽게 한다. 일반적으로, 계면을 때리는 빛의 입사각 (계면에 수직인 선에 대하여 측정됨)이 임계각 θ_c보다 작으면, 굴절율 n₁을 가지는 제 1매체를 통하여 진행하는 빛은 굴절율 n₂를 가지는 제 2매체와 제 1매체 사이의 계면을 통과할 것이다; 반면에, 입사각이 임계각 θ_c보다 큰 각으로 계면을 때리는 빛은 제 1매체내에서 내부 반사를 일으킬 것이다. 임계각 θ_c=sin^-1(n₂/n₁)이다. 따라서, n₁>>n₂하여 (n₂/n₁)이 영에 가까와서 임계각이 영이 가까운 경우, 빛은 거의 전부 제 1매체내에서 내부적으로 반사될 것이다. 역으로, n₁=n₂하여 임계각이 90^o인 경우, 제 1매체내에서의 내부 반사는 없을 것이고 모든 빛은 계면을 통과하여 제 2매체로 입사할 것이다.

이 원리는 여기에 개시된 센서 구조물의 경우 도 13a 및 13b에 개략적으로 예시되어 있다. 도 13a에서, 센서 본체의 굴절율 n₁은 주변 매체의 굴절율 n₂보다 상당히 크다. 따라서, 정확히 수직인 각 이외의 입사각으로 계면을 때리는, 광원(18)에 의하여 발생된 모든 내부 빛 - 센서 본체의 도파관 성질때문에 그 빛은 0^o내지 90^o의 모든 가능한 입사각을 가질 것이다 - 은 센서 본체내에서 내부로 반사될 것이고 감광 요소(20)에 의하여 감지될 것이다. 반면에, 굴절율 n₂가 센서 본체의 굴절율과 같은, 도 13b에 보여준 바와 같은 경우, 임계각은 90^o일 것이고 (즉, 센서 본체와 주변 매체 사이의 계면에 접하는 경우), 따라서 광원(18)에 의하여 발생되는 모든 빛은 센서 본체(12)로부터 통과되어 나가고, 어느 (거의 모든) 빛도 감광 요소(20)에 의하여 감지되지 않을 것이다.

일반적으로 매체의 굴절율은 매체의 밀도와 함께 증가하므로, 센서가 노출되는 검체의 농도을 결정하기 위하여 임계각과 상대 굴절률들 사이의 관계를 이용하는 것이 가능하다. 예를 들면, 센서 본체가 흥미있는 검체를 선택적으로 투과할 수 있는 (크기 배제, 전하 배제, 혹은 선택 투과도에 의하여) 막(미도시)속에서 캡슐화된다면, 상기 막의 밀도는 검체가 막속으로 확산됨에 따라 증가될 것이다. 이것은 더 많은 빛이 센서 본체 밖으로 통과해 나가게 하고, 적은 양의 빛이 감광 요소를 때리게 한다. 환언하면, 검체 농도가 증가하면, 내부 반사의 수준은 감소할 것이고, 이러한 감소는 측정되어 국부적인 검체의 농도와 관계지을 수 있다.

단백질, 호르몬 등과 같은 몇몇 생물학적 물질은 물에 녹지 않고 따라서 상기 막을 통과하지 못한다는 것을 주의해야 한다. 그러나, 글루코오스, 염, 및 다른 적은 분자량의 화합물은 막속으로 확산되어 들어 갈 수 있는 일차적인 대사 검체이고, 따라서 굴절에 근거한 센서를 사용하여 가장 효과적으로 측정되는 검체들이다.

굴절에 근거한 센서의 가장 기초적인 실시예에서, 주변 막은 사용될 필요가 없다. 그러한 기초적인 실시예는 농도가 변하는 유일한 물질이 흥미 있는 검체뿐일 경우에 사용될 수 있다. 예를 들면, 샴페인 혹은 와인이 숙성됨에 따라, 슈가함량은 감소하고, 밀도도 감소하고 따라서 유체의 상대 굴절률도 감소한다. 따라서, 본 발명의 이 태양에 따른 센서는 처리중에 샴페인 병이나 와인 통에 넣을 수 있고, 샴페인이나 와인이 숙성되면서 슈가의 함량을 측정하는 데 사용될 수 있다. 다른 잠재적인 적용예는 용기내의 액체의 수준을 결정하는 것 혹은 연료 오일내의 습기의 양을 측정하는 것이다.

마지막으로, 본 발명의 다양한 태양들의 구체적인 실시예들이 전술되었지만, 이러한 실시예의 여러가지 변형이 당업자들에게 생각될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러한 변형 및 변경도 또한 다음의 청구항의 범위에 들게 되어 있다.

본 발명의 부가적인 실시예들

본 발명의 다른 실시예에서, (a) 상기한 바와 같이 작용하는 적어도 하나의 검체 감지 지시 채널; 및 (b) 광학적 기준 채널로 작용하는 적어도 하나의 부가적인 채널을 포함하는 센서가 제공된다. 광학적 기준 채널은 바람직하게는 (a) 검체의 존재나 농도에 의하여 영향을 받지 않거나 일반적으로 받지 않는 지시 분자들 (상기 검체 지시 채널의 지시 분자들)의 하나 이상의 광학적 특성(들)을 측정하고/하거나; 및/또는 (b) 검체의 존재나 농도에 의하여 영향을 받지 않거나 일반적으로 받지 않는 제 2의 조절 지시 분자의 하나 이상의 광학적 특성(들)을 측정한다. 예를 들면, 광학적 기준 채널은 일반적으로 지시 채널처럼 작용할 수 있다. 본 적용예에서, 검체의 존재나 농도에 의하여 영향을 받지 않거나 일반적으로 받지 않는 지시 분자들은 여기에서 조절 지시 분자들로 넓게 칭해진다.

예를 들면, 광학적 기준 채널은 (1) 센서의 구성에 본질적인 요소 작용의 변화 및 경향; 및/또는 (2) 센서 외부의 환경적인 조건들을 보상하거나 교정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들면, 광학적 기준 채널은 다른 것들 중에서 센서의 조사선 광원의 노화; 감광 요소의 성능 혹은 감도에 영향을 미치는 변화; 지시 분자들의 손상 혹은 변화; 센서 혹은 지시 매트릭스 층 등의 조사선 투과도의 변화; 다른 센서 요소들의 변화 등에 의하여 유도된 내부 변수들을 보상하거나 교정하는 데 사용될 수 있다. 다른 예에서, 광학적 기준 채널은 또한 검체의 존재 혹은 농도에 무관하게 지시 분자들의 광학적 특성들 혹은 명백한 광학적 특성들에 영향을 미칠 수도 있는 환경적 인자들 (예를 들면, 센서 외부의 인자들)을 보상하거나 교정하는 데 사용될 수 있다. 이러한 측면에서, 예가 되는 외부 인자들은 다른 것들 중 온도 수준; pH 수준; 주변에 존재하는 빛; 센서가 적용되는 매체의 반사도 혹은 혼탁도 등을 포함할 수 있다.

다음의 기술에서, 이미 기술된 실시예의 부분과 유사한 부분에는 유사한 참조 번호가 주어지고, 다음 실시예 중 어느 것에서나 적당한 경우 유사한 부분들에 대해 전술한 모든 대체 방법들과 변형들을 또한 사용한다.

지시 채널 및 기준 채널을 따로 만드는 다양한 방법을 사용할 수 있지만, 다음 단락들에서 많은 예시적인 방법들에 대하여 토론한다. 이러한 방법들 및 다른 방법들은 본 개시에 근거하여 명백한 것처럼 이하에서 기술되는 센서 실시예 중 어느 것에서 사용될 수 있다.

우선, 지시 막 (예를 들면, 아래에 기술된 막(14')과 같은 막)은 예를 들면 산소에 민감한 형광 지시 분자들과 같이 특정 검체에 민감하고 그 검체를 투과할 수 있는 물질내에 포함된 지시 분자들을 포함할 수 있는 반면에 기준 막(예를 들면, 아래에 기술된 막(14")과 같은 막)은 그 검체를 투과할 수 없는 물질내에 포함된 같은 지시 분자들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 산소의 경우, 상기 지시 막은 산소가 자유롭게 통과하여 지시 분자들과 접촉하도록 (한 예를 들면, 산소를 매우 쉽게 투과하는 실리콘 고무가 지시 막으로 사용될 수 있다.) 지시 분자들을 함유하는 산소 투과 가능한 매트릭스를 가질 수 있다. 그 결과, 기준 채널에서 얻어진 값의 요동은 검체(예들 들어 산소)의 존재나 농도에 실질적으로 기인되지 않아야 하나, 오히려, 전술한 바와 같이, 예를 들면 (1) 센서 자체에 본질적인 변수 혹은 (2) 외부 환경 인자들에 기인되어야 한다.

검체를 실질적으로 투과하지 못하는 물질들 (즉, 기준 채널을 위하여)은 예를 들면, a) 실질적으로 원소들의 투과를 억제하는 물질(예를 들면, 아래에 기술된미국특허 제3,612,866호를 참조, 여기서는 기준 채널이 니스로 코팅되어 있다); 및 b) 선택 투과 가능한 막, 여기서 상기 조절 지시 분자들은 선택 투과 가능한 매트릭스내에 위치하여 그 매트릭스는 소정의 원소가 통과하게 하는 한편 특정 검체와 같은 소정의 다른 원소를 차단한다 (한 예로서, 상기 매트릭스는 양전하를 띠는 분자들을 차단하는 한편 음전하를 띠는 분자들이 통과하게 한다);을 포함할 수 있다.

두번째로, 지시 막은 예를 들면 글루코오스에 민감한 형광 지시 분자들과 같이 특정 검체에 민감하고 그 검체를 투과할 수 있는 물질내에 포함된 지시 분자들을 포함할 수 있는 반면에, 기준 막은 그 검체를 투과할 수 있는 물질로서 같은 지시 분자들을 포함하지 않으나 오히려, 본질적으로, 그 검체에 반응하지 않는 조절 지시 분자들을 포함하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 검체가 글루코오스이고 그러한 글루코오스가 액체일 때(예를 들면, 혈액, 혈청, 조직 사이의 유체 등 혹은 다른 유체와 같은), 그러한 글루코오스를 투과하지 않는 물질내에 상기 조절 지시 분자들을 넣는 것은 pH 등의 변화와 같이 다른 인자를 차단하는 부가적인 영향을 미치기 쉬워 전술한 제 1 실시예는 바람직하지 못할 것이다. 따라서, 이 두번째의 기초적인 방법에서, 검체는 투과하도록 허용되나, 기준 채널에서 선택된 조절 지시 분자들이 그 검체와 실질적으로 반응하지 않도록 선택된다. 그 결과, 기준 채널에 의하여 측정된 요동은 실질적으로 그 검체의 존재 혹은 농도의 변화에 기인되지 않도록 해야 한다.

검체와 반응하지 않는 몇몇 예시적이고 한정적이지 않은 조절 지시 분자들의 예는 다음과 같이 만들어 질 수 있다. 우선, 1999년 3월 11에 출원되고, 또한 본양수인이 소유하는 치환된 리간드를 포함하는 형광성 란타니드 금속 킬레이트 착물에 의한 검체들의 검출(Detection of Analytes by Fluorscent Lanthanide Metal Chelate Complexes Containing Substituted Ligands)이라는 제하의 미국특허출원 일련번호 제09/265,979호를 참조하고, 그기에 개시된 전 내용은 참조에 의하여 본 발명에 통합되고 (이것은 1998년 3월 11일에 출원된 미국특허출원 일련번호 제09/037,960호의 계속출원이며, 그기에 개시된 전 내용이 참조에 의하여 본 발명에 또한 통합된다.) 글루코오스에 결합되는 것을 쉽게하는 데 사용되는 인식 요소 예를 들면 붕산, HO-B-OH에 대하여 기술한다. 몇몇 예로서, 예를 들면 글루코오스와 실질적으로 반응하지 않는 조절 지시 분자들은 상기 인식 요소를 생략하거나 변형함으로써 제조될 수 있다고 여겨진다.

특히, 상기 '960 출원은 다음 화학식을 가지는 형광 란타나이드 금속 킬레이트 착화합물을 가지는 지시 분자들을 기술한다:

M(--Ch(-R_x))_y

여기서 M은 란타나이드 금속 이온을 나타내고; Ch는 리간드를 포함하는 킬레이트, 바람직하게는 β-디케톤 혹은 그의 질소 유사체, 디하이드록시, 카르복실 배위 헤테로사이클, 에놀, 마크로바이사이클릭 크립탄드 (즉, 케이지 형태의 리간드), 페닐포스폰산, 혹은 폴리아미노-폴리카르복실산 중의 하나 이상을 포함하는 유기성 리간드를 나타낸다. 상기 유기성 리간드 Ch는 또한 질소, 황 및 결합된 카르복실의 헤태로사이클의 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 유기성 리간드Ch는 벤질, 나프틸, 안트릴, 페난트릴, 혹은 테트라실 그룹을 포함하는 방향족, 카르보사이클릭 혹은 헤테로사이클릭 부분뿐만 아니라 바람직하게는 탄소수 1 내지 10 원자를 포함하는 알칸 혹은 알켄기 중의 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 게다가, M과 착화합물을 형성하는 하나 이상의 킬레이터들은 같을 수도 있거나 다른 킬레이터의 혼합물 (소위 "혼합된 리간드 혹은 3원 킬레이트들) 일 수 있다. R은 검체 고유의 인식 요소를 나타내고, 그 중 하나 이상은 상기 킬레이트 화합물의 하나 이상 리간드에 결합하지만, 상기 킬레이트 화합물의 모든 리간드에 결합될 필요는 없다. 바람직한 실시예에서, R은 보론화된 그룹이거나 글루코오스 혹은 다른 시스-디올 화합물을 검출하는 보론화된 그룹을 포함하는 화합물일 수 있다. X는 하나 이상의 킬레이터들의 각각에 결합하는 인식 요소들 R의 수를 나타낸다. X는 0 내지 8의 정수이고, 본발명의 소정의 바람직한 실시예에서, X=0 내지 4 혹은 X=0 내지 2이다. 부가적으로, 하나 이상의 킬레이트에 대하여 X>0인 한, 하나 이상의 킬레이트 각각에 결합하는 인식 요소들 R의 수는 같거나 다를 수 있다. Y는 M과 착화합물을 형성하는 킬레이터들의 수를 나타내고, 1 내지 4의 정수일 수 있다. 본 발명의 소정의 바람직한 실시예에서, Y=1, Y=3, 혹은 Y=4이다. 따라서, 이러한 예시적인 경우에서 검체와 실질적으로 반응하지 않는 조절 지시 분자들을 만들기 위하여, 상기 인식 요소 R은 이 기술에 정통한 사람들에 의하여 상기한 바와 같이 생략되거나 변경될 수 있다.

세번째로, 분리 지시 채널 및 기준 채널 표시를 얻는 다른 방법은 특정 파장혹은 주파수 (예를 들면, 도 21에 예시적인 목적으로 보여준 한정적이지 않는 예에서 약 440 nm)에서 등흡수점을 가지는 지시 분자를 이용하는 것을 포함한다. 등흡수점은 예를 들면 흡수도가 검체의 존재 혹은 농도에 무관하게 같은 점 (실질적으로 특정 파장)을 포함한다. 다시 말하면, 조사선 광원이 조사선, 예를 들면 빛을 어떤 범위의 주파수에 걸쳐 방출할 때, 소정의 주파수에서 광흡수도는 검체의 존재나 농도에 따라 변하지만, 등흡수점에서의 광흡수도는 실질적으로 그러한 검체의 존재나 농도에 무관하게 일정할 것이다. 따라서, 이 세번째의 예에서, 지시 및 기준 채널들은 특정의 등흡수점을 가지는 지시 분자들을 포함할 수 있다 (예를 들면, 같은 지시 분자들이 각 채널에 사용될 수 있다). 상기 지시 채널은 아래에 토론되는 감광 요소 (예를 들면, 광검출기, 20-1)에 대한 필터 (예를 들면, 아래에 토론되는 필터(34)를 참조하라)를 포함할 수 있어, 등흡수점 밖의 빛이 감광 요소에 (예를 들면, 도 21에서 약 500 nm에서) 의하여 감지되게 한다. 또 한편으로는, 기준 채널은 아래에 토론되는 감광 요소 (예를 들면, 광검출기, 20-2)에 대하여 필터(예를 들면, 아래의 34)를 포함할 수 있어, 실질적으로 등흡수점에서의 빛이 투과하여 감광 요소 (20-2)에 의하여 감지되게 한다. 그 결과, 기준 채널에 검출된 어떤 변화도 대부분 검체의 존재 혹은 농도에 무관해야 하며, 이상에서 토론된 바와 같이, 기준점으로서 사용될 수 있다. 그러한 등흡수점을 가지는 다른 지시 분자들은 쉽게 쓸 수 있는 특정의 적용예에 근거하여 사용될 수 있다. 많은 예들 중 몇몇으로서, 많은 알려져 있는 문헌들 중 (a) M. Uttamial,et. al.,A Fiber-Optic Carbon Dioxide Sensor for Fermentation Monitoring,BIOTECHNOLOGY, Vol.19, pp.597-601(June 1995) (CO₂감지를 위하여 하이드록시피레네트리술폰산(HTPS) (및 또한 세미나프토로다플루오르(SNARF))를 토론하고 있음), 이 문헌에 개시된 전부가 참조에 의하여 본 발명에 통합된다; (b) A.Mills,et. al.,Fluorescence Plastic Thin-film Sensor for Carbon Dioxide, ANALYST, Vol.118, pp.839-843 (July 1993) (Department of Chemistry, University of College of Swansea, Singleton Park, Swansea UK) (CO₂감지를 위하여 HTPS 지시기에 대해 토론함), 이 문헌에 개시된 전부가 참조에 의하여 본 발명에 통합된다; (c) 미국특허 제5,137,833호 (약 440nm에서 등흡수점을 가지는 글루코오스 지시기를 보여 줌, 예를 들면 본 발명의 도 21에 도시된 상기 '833 특허의 도 10을 참조하라), 이 문헌에 개시된 전부가 참조에 의하여 본 발명에 통합된다.

등흡수점을 가지는 지시 분자들을 사용할 때, 조사선 광원들 (예를 들면, LED들)의 수는 상황에 따라 변할 수 있지만, 소정의 경우 복수의 조사선 광원들 (예를 들면, LED들)을 사용하는 것이 때때로 바람직할 수도 있다. 예를 들면, 때때로 하나의 조사선 광원 (예를 들면, LED)은 등흡수점 주변의 파장에서 충분한 빛을 제공하지 못할 수도 있어, 그러한 파장에서 충분한 빛을 제공하기 위하여 부가적인 LED를 포함하는 것이 바람직할 수도 있다.

본 발명의 기준 채널과 지시 채널은 사용될 구체적인 적용예에 따라 여기에 기술되고 이 분야 기술에 알려져 있는 물질들을 사용할 수 있다.

검체 검출 중 기준 혹은 조절을 사용하는 여러가지 예는 이분야의 기술에 알려져 있다. 예를 들면, 참조에 의하여 본 발명에 통합된 미국특허 제3,612,866호는 산소가 투과하지 못하도록 기준 채널이 니스로 코팅된 것을 제외하고는, 측정 채널과 같은 지시 화학 물질을 함유하는 기준 채널을 구비하는 형광 산소 센서에 대하여 기술하고 있다. 참조에 의하여 본 발명에 통합된 미국특허 제4,861,727호 및 제5,190,729호는 두개의 다른 파장에서 방출하는 두개의 다른 란타나이트계 지시 화학물질, 즉 산소에 의하여 억제되는 테르븀계 지시기 및 산소에 의하여 대부분 영향을 받지않는 유로퓸계 지시기를 사용하는 산소 센서에 대하여 기술하고 있다. 참조에 의하여 본 발명에 통합된 미국특허 제5,094,959호는 하나의 지시 분자가 소정의 파장에서 빛을 방출하고 그 분자에 의하여 방출된 형광은 산소에 대하여두개의 다른 민감도를 가지는 두개의 다른 방출 스펙트럼에 걸쳐 측정되는 산소 센서에 대하여 기술하고 있다. 구체적으로, 산소에 덜 민감한 방출 스펙트럼은 상기 두개의 방출 세기들의 비율을 정하는 기준으로 사용된다. 참조에 의하여 본 발명에 통합된 미국특허 제5,462,880호 및 제5,728,422호는 산소에 의하여 실질적으로 영향을 받지 않고 상기 지시 분자에 유사한 광분해율을 가지는 기준 분자를 사용하는 조사선측정 형광 산소 감지 방법에 대하여 기술하고 있다. 부가적으로, 참조에 의하여 본 발명에 통합된 Muller, B.et. al., ANALYST, Vol. 121, pp.339-343(March 1996)은 용해된 CO₂에 대한 형광 센서에 대해서 기술하고, 블루 LED 빛이 파이버 광학 결합기를 통하여 지지 채널 및 상기 LED 광 세기의 변화를 검출하는 분리된 기준 광검출기로 안내된다.

부가적으로, 참조에 의하여 본 발명에 통합된 미국특허 제4,580,059호는 여기 광원의 세기의 변화를 측정하기 위하여 기준 광 측정 전지(33)를 포함하는 형광계 센서에 대하여 기술한다 - 예를 들면 칼럼 10, 줄 1, 이하를 참조하라. 참조에 의하여 본 발명에 통합된 미국특허 제4,617,277호는 일산화 탄소에 대하여 흡수계 센서에 대하여 기술하고, 기준 요소(12)는 광원(14)으로부터의 빛을 기준 광전지로 반사하여 측정 요소(10)가 비가역적인 색변화에 기인한 교체를 필요로 하는 시기를 결정한다.

여기에 기술된 많은 실시예는 형광 지시 분자들의 사용을 참조하여 토론되었으나, 이러한 기술된 실시예들은 현재의 구체적인 상황에 따라 어떤 형태의 지시 분자들 혹은 그 조합을 사용하도록 변경될 수 있다는 것이 본 개시에 기초하여 쉽게 이해되어야 한다. 예를 들면, 막 (14', 14", 아래에 토론됨) 전술한 것들과 같은 광흡수 지시 분자들을 모두 포함할 수 있다. 다른 예로서, 어떤 상황에서는, 지시 혹은 기준 막 (14' 혹은 14") 중의 하나에서 형광 지시 분자들을 사용하는 것이 가능하다. 반면에, 지시 혹은 기준 막 (14' 혹은 14") 중의 다른 것에서 광흡수 지시 분자들을 사용한다; 그러나, 대부분의 경우, 지시 및 기준 막 (14' 및 14")은 모두 여기에 기술되는 것처럼 유사한 지시 분자들을 사용한다.

전술한 바 외에도, 다양한 다른 조절 방법들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 다양한 다른 실시예들에서, 상기 조절 채널은 지시 채널에 있는 지시 분자들과 완전히 무관한 물질을 사용할 수 있다. 예를 들면, 그러한 측면에서, 상기 기준 막의 물질은 예를 들면 반사도, 온도, pH, 및/또는 다른 다양한 인자들 중 하나 이상에대하여 바람직한 특성을 단지 가질 수도 있다. 지적할 수 있는 것은, 소정의 실시예에서, 기준 막은 어떤 상응하는 "화학물질"도 포함하지 않을 수 있으나, 예를 들면 다만 반사도를 감시하는 데 사용될 수 있다 (예를 들면, 이것은 LED가 희미한지 혹은 예를 들면 막의 표면이 어떤 방식으로 영향을 받고 있는지를 평가하는 데 사용될 수 있다).

이 적용예에서 개시된 실시예들 중 어느 하나에서 하나 이상의 기준 채널을 통합할 수 있다는 것을 고려한다. 기준 지시기를 통합하는 다양한 바람직한 센서의 실시예가 아래에서 토론된다. 다음 실시예에서 몇몇 대체적인 방법과 변형들이 아래에서 기술되지만, 유사한 참조 번호가 이미 기술한 실시예에서의 유사한 부분에 주어지고, 그런 유사한 부분들에 대하여 위에서 기술된 모든 대체적인 방법과 변형들은 또한 적당하면 다음 실시예 중 어느 하나에서 사용될 수 있다.

도 14(a)-14(b)는 광학적 기준 채널을 통합하는 센서 (10)의 제 1 실시예를 예시한다. 보여진 바와 같이, 상기 센서(10)는 바람직하게는 센서 본체(12); 막 전반에 걸쳐 분포되어 있는 형광 지시 분자들을 가지는 지시 막(14'); 막 전반에 걸쳐 분포되어 있는 형광 조절 지시 분자들을 가지는 기준 막(14"); 예를 들면 전술한 것과 유사한 하나의 LED와 같은 조사선 광원(18); 예를 들면, 전술한 감광 요소에 유사하게 만들어진 지시 채널 감광 요소(20-1); 유사한 기준 채널 감광 요소(20-2); (여기에 탑재된 예시적인 회로 요소(70i)를 개략적으로 보여주는) 회로 기판(70); 예를 들면 보여준 유도 전원 코일과 같은 전원(40); 예를 들면 보여준 트랜스미터 코일과 같은 트랜스미터(42)를 포함한다. 여기에 기술된 실시예 중의 어느 하나에서, 예를 들면, 막(14' 및 14")은 위에서 토론된 매트릭스 층의 실시예 중 어느 하나에 유사한 물질들로 제조될 수 있거나 지시 분자들이 내부에 포함거나 그 위에 지시 분자들이 코팅될 수 있는 다른 적당한 물질들을 포함할 수 있다. 막(14' 및 14") (및/또는 센서 본체)은 또한 원한다면 전술한 층(36)의 실시예 중의 어느 하나에 유사한 센서/조직 계면 층을 포함할 수 있다. 이 예시된 실시예는 또한 많은 다른 부가적인 요소, 예를 들면 필터(34) (예를 들면, 블루와 같은 LED에 의하여 방출된 빛의 파장 혹은 파장의 스펙트럼을 제외하기 위하여, 그리고 레드와 같은 형광 물질에 의하여 방출되는 파장 혹은 파장의 스펙트럼의 통과를 허용하기 위하여); 방지장치(130) (예를 들면, 지시 채널과 기준 채널로부터 방사된 빛의 "크로스톡(cross-talk)"을 억제하기 위하여); 감광 요소들 각각의 창 주위의 마스크(35); 및/또는 온도 센서(64)(예를 들면 전술한 바와 같이)를 포함할 수 있다.

작동시, 센서(12)는 도 1-13에서 보여준 실시예들을 참조하여 전술한 것에 유사하게 기능한다. 그러나, 두개의 분리된 감기기 표시는 a) 지시기 표시(지시 막(14') 및 감광 요소(20-1)를 포함하는 채널을 통하여); 및 b) 기준 표시(기준 막(14") 및 감광 요소(20-2)를 포함하는 채널을 통하여)를 제공하도록 얻어질 수 있다. 그러면, 상기 기준 표시는 예를 들면 더 정확한 센서 표시를 제공하는 데 사용될 수 있다.

도 14(a)-14(b)에 도시된 장치의 예시적인 작동은 다음과 같다. 우선, 전원(40)은 조사선 방출기(18), 예를 들면 LED가 조사선을 방출하게 한다. 상기 조사선은 센서내에서 진행하여 지시 막(14') 및 기준 막(14")에 도달한다 (일반적으로 화살표에 의하여 보여준 바와 같이). 그 후, 이러한 각각의 막들내의 분자들이 여기, 예들 들면 형광을 방출하고, 빛은 그로부터 방사되고(화살표에 의하여 보여준 바와 같이) 각각의 감광 요소(20-1, 20-2)에 의하여 수용된다. 이 작동은 본질적으로 이상에서 기술한 실시예를 참조하여 기술된 것과 같고, 따라서 반복하지 않는다. 막들(14' 및 14")로부터 방출된 빛 사이의 "크로스톡"을 제거하거나 감소시키기 위하여, 방지장치(130)를 포함할 수 있다. 상기 방지장치는 바람직하게는 감광 요소들에 영향을 미칠수 있는 조사선을 투과하지 않는다 - 예를 들면, 흑색 혹은 유사물로 칠해 진다. 예를 들면 이러한 방법으로 하나의 조사선 광원, 예를 들면 LED를 두개의 "채널"을 위하여 사용할 수 있다.

상기 센서는 본 개시에 근거하여 이 분야의 기술에 정통한 당업자들에 의하여 다양한 방법으로 조립될 수 있는 한편, 도 14(a)-14(b)에 보여준 센서를 제조하는 한 예시적인 방법은 다음과 같다. 초기에, 많은 공급자들에 의하여 쉽게 조립될 수 있는 알루미늄 세라믹 기판을 회로도 기판(70)을 위하여 제공한다. 부가적으로, 예를 들면, 유도자를 전원(40) 및 트랜스미터(42)로서 제공한다. 유도자 및 구별되는(discreet) 요소들은 통상적으로 입수 가능한 납땜질 접착제 혹은 전도성 에폭시를 사용하는 것과 같이 기판에 전기적으로 연결될 수 있다. 부가적으로, 다른 전자 요소는 예를 들면 한 바람직한 예 Ablestick Electronic Materials로부터 입수되는 ABLEBOND 84와 같은 전도성 에폭시를 이용하여 부착될 수 있다. 그 후, 상기 요소들은 회로도 연결을 완성하기 위하여 전선으로 결합될 수 있다. 예를 들면Advanced Photonics, Inc.로부터 부품번호 150-20-003와 같은 실리콘 포토다이오드들은 바람직하게는 감광 요소(20-1, 20-2)로서 제공되고, 바람직하게는 볼본드(ball bond) 및 전도성 에폭시를 사용하여 플립 칩(flip chip) 탑재될 수 있다. 부가적으로, 기판에 있는 감광 요소 구멍들의 모서리는 바람직하게는 예를 들면 Epoxy Technology, Inc.로부터 입수된 E320 같은 흑색의 불투명 및 비전도성 물질로 마스킹된다. 예를 들면, CVI Laser Corp.으로부터 입수된 LP-595와 같은 광학적 필터 물질이 바람직하게는 포토다이오드 구멍들 (예를 들면, 기판(70)내에 잘려진 구멍들)에 위치되어 조사선 광원으로부터 빛을 감소시키고/시키거나 주변의 빛을 감소시킨다. 사용된 조사선 광원은 예를 들면, 블루 혹은 자외선 밴드의 빛을 방출하는 LED일 수 있다. 그 후, 이 회로 어셈블리 구조물은 바람직하게는 광학적으로 투명한 캡슐화 물질로 성형된다. 상기 캡슐화 물질은 도파관으로 작용하는 것을 도울 수 있고 회로소자의 환경적 보호물을 제공할 수 있다. 그 후, 지시 및 기준 감지막은 상기 캡슐내의 포켓(pocket)내에 (예를 들면, 상기 캡슐의 주변의 움푹한 곳 내에) 부착될 수 있다. 예를 들면, 포켓들을 캡슐속에서 성형하고 감지 막을 그속에 넣음으로써, 혹은 지시 막들을 캡슐에 넣기 전에 몰드속에 넣고 캡슐화 도중에 상기 막 주위에 포켓을 형성함으로써 이러한 부착이 이루어질 수 있다. 지적된 바와 같이, 이것은 단지 하나의 바람직한 구조물 제조 방법이고 상기 센서는 다양한 방법으로 구성될 수 있다. 부가적으로, 여기에 보여준 실시예들은 오직 두개의 채널 (지시 채널 및 기준 채널)을 가지지만, 다른 실시예는 복수의 지시 및/또는 복수의 기준 채널을 포함할 수 있다.

도 14(a)-(b)에 도시한 구조물은 다양한 방법으로 변경될 수 있다는 것을 고려한다. 예를 들면, 도 14(c)에 보여준 바와 같이, 상기 장치는 회로도(70)가 전기적 리드선 혹은 접촉(71)을 통하여처럼 보여준 바와 같이 유연한 회로 (예를 들면, 케이블)에 고정되도록 변경될 수 있다. 예를 들면, 이것은 회로도가 예를 들면 (a) 외부의 전원으로부터 센서 속으로 전원을 전달하기 위한; (b) 센서로부터 나오는 신호를 외부의 리시버로 전달하기 위한; 및/또는 (c) 다른 목적을 위한 경우에서처럼 상기 캡슐 혹은 그 유사물의 본체로부터 연장되는 것을 허용한다. 다른 예로서, 또한 도 14(c)에 보여준 바와 같이, 상기 회로도는 반드시 상기 콩속에 완전히 캡슐화 될 필요는 없다. 이러한 측면에서, 예를 들면 상기 센서(10)는, 보여준 바와 같이, 외부 덮개(3') 및 예를 들면, 예시된, 빗금 친, 감광요소 그리고 지시 및 기준 막사이의 부분내에 형성된 캡슐화된 도파관 부분 (12')을 포함할 수 있다. 덜 바람직하지만, 상기 센서(10)의 내부는 또한 예를 들면 원하는 파장의 빛, 예를 들면 광자가 통과하여 진행할 수 있는 공기 혹은 심지어는 액체 혹은 다른 매체와 같은 가스를 함유하는 회로도를 위한 공동을 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 빛이 상기 막들로부터 감광 요소로의 진행을 보장하기 위하여 지시 및 기준 막의 물질의 굴절율과 같거나 비슷한 굴절율을 가지는 도파관 물질이 제공된다. 하나의 예시적인, 한정적이지 않은 구성에서, 도파관 부분(12')은 PMMA 물질 (즉, 폴리(메틸메타크릴레이트))로부터 제조될 수 있고, 회로도판(70)은 세라믹 물질로 제조될 수 있고, 기준 코팅(14")은 에폭시에 Ru(루테늄)을 함유할 수 있고, 지시 코팅(14')은 실리콘에 Ru를 함유할 수 있고, 방지장치(130)는 흑색의 에폭시 물질로 제조될 수있고, 조사선 광원(18)은 LED일 수 있고, 외부 덮개(3')는 유리물질로 제조될 수 있다.

도 14(d)는 유사한 부분에 유사한 번호를 가진 도 14(c)의 센서와 유사한 센서(10)의 사시도이다. 도 14(e) 및 14(f)는 상기 센서가 매체 B(예를 들면, 액체, 가스, 등)에 삽입된 도 14(d)에 보여준 실시예의 두께와 길이로 절단한 단면도이다. 도 14(f)에 보여준 바와 같이, 유연한 회로 혹은 케이불(70')은 상기 매체 B의 외부 표면으로부터 전술한 바와 같이 리모트 전원, 리시버 혹은 다른 장치(미도시)로 연장되도록 제조될 수 있다. 도 14(e) 및 14(f)에 보여준 바와 같이, 센서 본체(12)는 전술한 바와 같은 캡슐화된 도파관 물질을 포함할 수 있고, 혹은 캡슐화된 도파관 물질은 도 14(c)에 보여준 것과 유사한 부분(12')에 있을 수 있고, 혹은 덜 바람직하지만, 다른 물질을 전술한 바와 같이 사용할 수 있다.

도 15(a)-15(b)는 도 14(a)-14(b)에 보여준 것과 유사한 본 발명의 부가적인 실시예를 보여준다. 여기서 조사선 광원(18)은 두개의 분리된 조사선 광원, 예를 들면 대(18m)상에 지지된 LED들 (18-1 및 18-2)으로서 제공된다. 보여준 바와 같이, LED(18-1)는 지시 막(14')으로 향하게 되어 있고, 반면에 LED(18-2)는 기준 막(14")으로 향하게 되어 있다. 보여준 바와 같이, 방지장치는 다시금, 이 경우는 LED들 사이에 포함되는 것이 바람직하다. 복수의 조사선 광원, 예를 들면 LED들이 이 실시예에서 사용되기 때문에 조사선 광원, 예를 들면 LED들 (18-1 및 18-2)은 같은 것일 수도 있고, 예를 들면 같은 빛을 방출하고 혹은 상황에 따라서 다를 수도 있다.

복수의 조사선 광원, 예를 들면 LED들이 사용되는 실시예에서, 소정의 고려사항이 언급되는 것이 바람직하다. 하나의 조사선 광원, 예를 들면 LED가 사용될 때, 노화 혹은 그속의 다른 인자들이 동시에 두개의 채널에 영향을 미칠 수도 있다. 그러나 복수의 조사선 광원이 사용될 때 (예를 들면, 채널당 각각 하나씩) 조사선 광원이 다르다는 것이 채널사이에 약간의 차이를 유발할 수 있다. 따라서, 그러한 경우, a) 각 채널당 유사한 조사선 광원을 제공하는 단계를 밟고/밟거나; b) 조사선 광원을 서로에 대하여 캘리브레이션을 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, LED들이 LED 칩들로 잘라진 실리콘 웨이퍼로부터 (전형적으로 조그만 LED 칩의 배열로 잘라진 약 3-8인치의 직경을 가지는 평평한 사각형 웨이퍼로부터) 형성될 때, 상기 LED들은 바람직하게는 사각형 웨이퍼내에서 인접한 LED들로부터 선택되고 혹은 바람직하게는 상기 웨이퍼로부터 잘려진 배열내에서 서로 가까운 거리내에 (예를 들면, 약 1/2 인치, 혹은 더 바람직하게는 약 1/4 인치, 더욱 바람직하게는 약 1/8 인치, 혹은 더더욱 바랍직하게는 1/16 인치내에) 있는 것으로부터 선택된다. 그러한 방식으로, 선택된 LED의 품질은 서로 비슷해야 한다. 부가적으로, 칩들 사이에 차이가 있는 복수의 칩을 사용하는 경우, 바람직하게는 LED 칩 사이에 정상적인 캘리브레이션은 알려져 있는 시험 조건하에서 어떤 차이든 확인하도록 초기에 수행된다. 여기에 기술되는 바와 같이, 몇몇 경우 복수의 조사선 광원을 제공하는 것이 소정의 이점 - 예를 들면 a) 복수의 광원들은 원하는 위치의 조명을 쉽게 하고/하거나; 복수의 광원들은 몇몇 경우 아래에 기술된 바와 같이 채널 사이의 크로스톡을 감소하도록 앞뒤로 토글(toggle)될 수 있다;는 이점을 가진다.

도 15(a)-15(b)에 보여준 장치는 예를 들면 도 14(a)-14(b)에 보여준 장치와 같은 방식으로 사용될 수 있다. 방치장치(13) 대신에 혹은 부가적으로, 상기 막(14' 및 14")으로부터 방출된 빛 사이의 크로스톡을 더 감소하기 위하여, 두개의 조사선 광원, 예를 들면 LED들 (18-1 및 18-2)이 각각의 LED들 사이에서 앞뒤로 방출된 빛을 교대하도록 작동할 수 있다. 예를 들면, LED(18-1)를 일초의 일부분 동안 작동시키고 그 후 LED(18-2)를 일초의 일부분 동안 작동시키는 등, 하나가 작동하는 짧은 시간 동안 다른 하나는 꺼져 있다. 그러한 방식으로, 크로스톡은 실질적으로 감소된다. 다른 대안으로, 상기 장치는 지시 채널 및 기준 채널의 표시 사이에 지연 시간을 제공하도록 되어 있다 (예를 들면, 지시 막은 피코-초 소멸되고 반면에 기준 막은 나노-초 소멸되고 혹은 그 역으로 작동되어 분리된 채널 표시가 조사선 방출에서 시간적인 차이에 기인하여 수행된다.)

도 15(b)는 중앙 축이 각각 기판(70)의 일반적으로 수평의 상부 표면으로부터 약 25 도의 각도 θ에 있는 LED들을 보여 주고 있지만, 이러한 각도는 원하는 대로 선택될 수 있고 바로 몇몇 예에서처럼 상황에 따라서 약 0 내지 90도 사이에서 변할 수 있다. 예를 들면, 몇몇 바람직한 실시예에서, 상기 각도 θ는 약 60 도 이하이거나, 달리는 약 45 도 이하이다.

도 15(a)-15(b)에 예시된 구조물은 도 14(a)-14(b)에 보여준 실시예와 유사하게 다양한 방법으로 변경될 수 있다는 것을 고려한다. 예를 들면, (a) 전기적 리드선 혹은 접촉(71)을 통하는 경우와 같이 보여준 유연한 회로(예를 들면, 케이블)을 포함하고; (b) 센서(10)에 완전 캡슐화된 내부 혹은 캡슐화된 도파관부분(12')이 그 속에 형성된 일부가 캡슐화된 내부를 제공하고; (c) 등에 의한 것처럼, 도 15(c)는 도14(c)에 보여준 것과 같은 변형들도 또한 만들어질 수 있다. 한 예에서, 및 한정적이지 않은 구조물에서, 도파관 부분(12')은 PMMA 물질로부터 제조될 수 있고, 회로판(70)은 세라믹 FR4 회로 카드로부터 제조될 수 있고, 조사선 광원(18)은 두개의 LED를 포함할 수 있고, 대(18m)는 Cu(구리) LED 대일 수 있고, 외부 덮개(3')는 유리물질로 제조될 수 있다. 한 바람직한 실시예에서, 보여준 바와 같이, 낮은 굴절율 층(12")이 또한 감광 요소 (20-1 및 20-2) 상부의 필터(34)위에 제공될 수 있다. 다시 한번, 상기 장치는 본 개시에 근거하여 다양하게 구성될 수 있고 전술한 것은 많은 예시적인 구조의 한 예에 불과하다.

도 15(b)에 보여준 바와 같이, 지시 막(14') 및 기준 막(14")은 본체(12)의 표면에 있는 포켓 혹은 유사물내에 형성될 수 있다. 다른 방법으로, 상기 막(14' 및 14")은 또한 본체의 표면에 및 포켓 혹은 그 유사물 밖에 형성될 수 있다. 그러나, 포켓 혹은 유사물의 용도는 사용 중 상기 막(14' 및 14")을 보호하는 것을 도울수 있고/있거나 상기 막이 본체의 측면으로부터 밖으로 돌출해 나오는 것을 방지할 수 있다 (예를 들면, 돌출부를 제거하면 예를 들면 센서가 투관침 관 혹은 유사물을 통하여 환자 속에 삽입되는 경우와 같이 취급을 쉽게 할 수 있다). 상기한 바와 같이, 센서(10)는 또한 예를 들면 여기에 기술된 모든 물질과 같은 예를 들면 생체합성적인 물질로 제조된, 그 위 혹은 일부 그 위 (및/또는 상기 막(14' 및 14")위)에 센서/조직 계면 층을 포함할 수 있다.

도 16(a)-16(b)는 도 15(a)-15(b)에 보여준 것과 유사한 본 발명의 부가적인 실시예를 보여준다. 여기서 조사선 광원(18)은 두개의 분리된 조사선 광원, 예를 들면 각각 회로도 판(70)의 반대쪽 측면상의 대(18m1 및 18m2)에 지지된 LED들 (18-1 및 18-2)로서 제공될 수 있다. 보여준 바와 같이, LED(18-1)는 지시 막(14')으로 향하게 되고 반면에 LED(18-2)는 기준 막(14")으로 향하게 된다. 이러한 방식으로, 예를 들면, 회로도 판(70)은 실제로 크로스 톡을 감소하거나 제거하기 위한 방지장치로서 작동할 수 있다. 도 15(a)-15(c)에 보여준 실시예의 경우에서와 같이, 상기 각도 θ는 원하는 대로 선택될 수 있고 약 0 및 90 도 사이가 바람직하고 - 몇몇 바람직한 실시예에서는 45 도 이하이다.

도 16(a)-16(b)에 보여준 장치는 예를 들면 도 15(a)-15(b)에 보여준 장치와 같은 방식으로 사용될 수 있다. 부가적으로, 도 16(a)-16(b)에 보여준 실시예는 또한 도 15(a)-15(b)에 보여준 실시예에 대하여 전술한 바와 같은 방식들 중의 하나에서 변경될 수 있다. 보여준 바와 같이, 기판(70)의 상부 및 하부 표면은 또한 바람직하게는 보여준 바와 같이 표시된 부분(35)을 포함할 수 있다. 상기 조사선 광원 (18-1 및 18-2)은 바람직하게는 이러한 표시된 부분(35)내에 위치될 수 있다. 도 16(a)-16(b)에 보여준 실시예에서, 감광요소(20-1 및 20-2)는 각각의 막(14' 및 14")과 같은 쪽은 회로판(70)에 설치되고, 반면에 이전 예에서 기판(70)은 잘려 나간 부분을 구비하고, 상기 잘려 나간 부분을 통하여 조사선, 예를 들면 빛은 감광 요소로 통과한다. 게다가, 도 16(a)-16(b)에 보여준 실시예에서, 필터 물질(34)은 바람직하게는 그러한 잘려 나간 부분내보다 오히려 이러한 감광 요소의 상부에 제공된다. 여기에 보여주는 다양한 예들은 본 개시에 근거하여 이 분야의 기술의 당업자에 의하여 상황에 따라서 변경될 수 있다. 한 예로서, 이전 예에서의 감광 요소는 도 16(b)에 보여준 것과 유사한 방법으로 (예를 들면 판의 한쪽에) 판(70)의 정상부에 설치될 수 있다. 도 17(a)-17(f)는 (a) 감광 요소들을 포함하는 내부 캡슐 등; 및 (b) 센서 막을 가지는 외부 슬러브로 만들어진 복수의 채널 센서의 부가적인 실시예를 예시한다.

도 17(a)를 참조하면, 센서(10)는 캡슐(3") 내부에 전자 부품을 가지는 것을 보여 준다. 상기 캡슐은 바람직하게는 유리로 제조되나, 아래에 기술되는 적당한 물질로 제조될 수 있다. 상기 캡슐은 원한다면 생체합성 물질로부터 제조될 수 있다, 다른 예로서, St. Paul, MN 소재의 Electronic Animal Identification Capsules of Detron-Fearing Company의 그것과 같은 소다 석회 유리 캡슐 물질을 사용할 수도 있다. 바람직하게는 상기 캡슐은 밀봉하듯이 봉합된다. 보여준 바와 같이, 슬리브(S)는 바람직하게는 유리캡슐의 외부 표면 주위에 위치한다. 상기 슬리브(S)는 바람직하게는 지시 막(14') 및 기준 막(14")(예를 들면, 글루코오스 등을 감지하기 위한 형광 막)을 포함한다. 전자 회로는 전술한 실시예 중 어느 하나에서 사용된 것과 유사할 수 있다. 바람직한 구성에서, 전자 회로는 상기 장치로의 전원 유도를 쉽게 하는 부품; 형광염료에 사용되는 여기 광원; 광검출을 위한 수단; 라디오 주파수 (RF) 혹은 외부 판독기로의 수동적인 유도성 원격측정을 통한 신호 변환 수단을 포함한다. 전술한 바람직한 실시예의 경우와 같이, 한 예시적인 구성에서, 전체 센서(10)는 환자의 피부아래에 이식되도록 구성된다. 상기 장치로의 전원 유도를 쉽게 하기 위한 부품은 바람직하게는 외부의 자기장 발생기로부터회로에 전원을 공급하기 위하여 필요한 전압과 전류을 발생하는 유도 코일(40)을 포함한다. 유도 코일(40)은 예를 들면 세라믹 회로판(70) 혹은 회로판의 단부 (보여준 바와 같이)에 설치된다. 다른 방법으로, 유도 코일은 외부 자기장 발생기와 가장 잘 연계시키기 위하여 복수의 위치에 다양한 방향으로 사용될 수 있다.

조사선 광원, 예를 들면 LED들(18-1 및 18-2)은 바람직하게는 지시 막(14' 및 14") (예를 들면, 형광염료 지역)을 광자 (화살포 A1으로 보여준 바와 같이) 로 여기시키기에 적당한 기판(70)상에 설치된다. 전술한 바와 같이, 광자는 바람직하게는 막(14' 및 14")을 여기시켜 형광을 발생시키고 (화살표 A2에 의하여 보여준 것처럼), 상기 발생된 형광은 각각 감광 요소 (20-1 및 20-2)에 의하여 검출된다. 게다가, 다른 부품은 증폭기 IC (70A) 및 다양한 수동적인 부품(70B)을 포함하여 감광 요소 세기를 원격 측정 코일상에 변환시키기 위하여 증폭 및 변조 회로를 제공한다.

상기 장치를 구성하는 한 바람직한 방법은, 단하나만 예를 들면, 다음과 같다. 우선, 전자 회로는 유리튜브(3")에 위치하고, 상기 유리튜브는 초기에 왼쪽단부(E)가 개방되어 있다. 바람직하게는, 상기 유리는 한 실시예에서 Kimble Glass에 위하여 제조된 형태 1의 보로실리케이트 유리 N51A와 같은 보로실리케이트 유리이다. (다양한 유리와 다른 물질이 다른 실시예에서 사용될 수 있다.) 전자 회로를 상기 유리 튜브(3") 내부에 위치한 후, 내부는 캡슐화하는 도파관 물질(12')로 12L에 쇄선으로 표시된 수준까지 일부 채운다. 이상에서 기술된 바와 같이, 캡슐화하는 도파관 물질은 예를 들면, 빛(A-1)이 막 표면(14' 및 14")에 광학적으로 연계되고, 형광 신호(A-2)가 다시 감광요소(20-1 및 20-2)에 광학적으로 연계되는 것을 돕는다. 이상에서 기술하고 혹은 이 분야의 기술에 알려져 있는 광학적으로 모든 적당한 도파관 물질이 사용될 수 있다. 위에서와 같이, 캡슐화하는 도파관 물질은 또한 상기 유리 튜브(3")의 전체 내부를 통하여 또한 도포될 수 있고, 혹은 덜 바람직한 실시예에서, 상기 유리튜브는 도파관으로서의 공기 혹은 다른 물질로 완전히 채워질 수 있다. 몇몇 바람직한 실시예에서, 도파관 물질은 하나 이상의 다음 물질: 실리콘; GE RTV 615; PMMA; 혹은 NOLAND 63과 같은 광학적 접착제를 포함할 수 있다.

그 후, 캡슐(3")은 바람직하게는 상기 캡슐을 닫도록 단부(E)에 봉합된다. 바람직하게는 상기 캡슐은 매끄러운 둥근 단부와 밀봉된 봉합을 제공하기 위하여 단부(E)에서 불꽃으로 봉합된 유리캡슐이다. 바람직하게는, 상기 캡슐을 봉합하기 전에, 상기 전자 장치는 습기를 제거하기 위하여 처리된다. 예를 들면, 상기 장치는 (예를 들면, 약 75℃ 이상에서 12 시간 동안) 구워질 수 있고 상기 장치 및 그 요소로부터 어떤 잔류하는 습기든 날려 보내기 위해 질소 대기하에 놓을 수 있다. 그 후, 원하면, 다음 조립 단계 - 예를 들면, 상기 감지 막을 도포하는 단계로 진입하기 전에 조립된 장치에 전원을 공급하고 시험할 수 있다. 한 예시적인 구성에서, 특히 생체내에서의 사용을 위해, 도 17(a)에 보여준 길이(ℓ)는 약 10-15 mm, 및 더 바람직하게는 약 12.5 mm일 수 있고, 반면에 두께(h)는 약 2-3 mm, 및 더 바람직하게는 2.5 mm일 수 있다. 다른 바람직한 실시예에서, 센서는 상당히 작을 수 있다 - 예를 들며, 전술한 바람직한 크기의 범위를 참조하라 (예를 들면, 약 500미크론 내지 약 0.5 인치의 길이 등). 그러나, 본 발명은 상황에 따라 어떤 크기와 형태로도 조립될 수 있다는 것이 명백해져야 한다.

이 실시예의 한 이점은 감지 막(14' 및 14")은 위에 기술한 조립과정을 따라서 센서상에 예를 들면 그 위에 위치될 수 있는 분리된 조각으로 제조될 수 있다는 것이다. 이러한 방식으로, 막 제조 단계는 전자 및 캡슐 제조 단계로부터 분리될 수 있는 이점이 있다.

한 바람직한 실시예에서, 슬리브(S)는 플라스틱 물질로 만들어 질수 있다 (예를 들면, 바람직하게는 폴리에틸렌으로 만들어 질 수 있고, 가장 바람직하게는 의료 등급 폴리에틸렌(예를 들면 UHMWPE(ultra high molecular weight polyethylene))으로 만들어 질 수 있다. 상기 슬리브는 상황과 센서의 구체적인 용도에 따라 적당한 물질로부터 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 센서가 생체내에서 사용될 때, 상기 슬리브는 생체합성 물질로부터 구성될 수 있다 - 몇몇 부가적인 바람직한 한적적이지 않은 생체합성 물질의 예는 폴리프로필렌, PMMA, 폴리프로필렌, 폴리술폰, 세라믹, 하이드로겔, 실리콘 고무 및 유리를 포함한다. 슬리브 (S)는 바람직하게는 슬리브의 내부 직경이 캡슐에 꼭 맞도록 크기를 가진 주입 성형된 플라스틱이다. 상기 캡슐상에 조립될 때, 상기 슬리브(S)는 바람직하게는 캡슐(3")에서 쉽게 빠져 나오지 않도록 기계적으로 꼭 낄 수 있도록 충분한 신축성을 가진다. 상기 슬리브(S)는 바람직하게는 지시 막(14' 및 14")을 수용하도록 (예를 들면, 기계적으로 상기 막들을 포획하도록) 구멍, 포켓, 공간(H)을 형성한다. 예를 들면, 형광 염료 포켓(H)은 상기 슬리브에 성형된 곳에 쉽게 삽입된다. 도 19(a)-19(i)는 다양한 실시예에서 사용될 수 있는 여러가지 슬리브(S)상에 상기 구멍 등 (H)의 다양한 배치를 보여준다. 지적할 수 있듯이, 상기 슬리브(S)는 캡슐상에 설치될 때, 상기 구멍등이 각각의 감광 요소 (20-1 및 20-2)와 충분히 정렬될 수 있도록 구성되어야 한다. 도 17(a)-17(b)에 보여준 장치는 바람직하게는 도 19(e)에 보여준 것과 같이 구성된 - 예를 들면, 상기 구멍들 (H)은 감광요소의 표면상에 실질적으로 배치되는 달걀 형태를 가지는 슬리브를 구비한다. 다른 방법으로, 이상에서 토론된 바와 같이 덜 바람직하지만, 상기 지시 막은 슬리브의 주위 표면상에 (그로부터 밖으로 돌출하도록) 그를 위한 그러한 포켓없이 형성될 수 있다.

외부 슬리브(S)를 사용하는 다른 이점은 슬리브를 위해 사용되는 상기 물질들 (예를 들면 위에서 토론된 바와 같이) 피하조직이 결합되도록 양호한 의료 등급의 표면을 가질수 있다는 것이다. 이점은, 상기 센서가 사람에게 (혹은 다른 동물에게) 이식되는 형태일 때 상기 장치가 요동 및 이동하는 것을 방지하게 할 수 있다는 유리한 점이 있다. 부가적으로, 그러한 성형된 슬리브의 모서리의 자연적인 분리선 및 거치른 정도는 또한 그러한 요동 및 이동을 방지하게 할 수 있다. 이식 후 요동 혹은 이동의 방지는 몇몇 실시예에서 매우 중요하다 - 예를 들면, 유도 전원 및 원격 측정 코일이 이식된 장치와 외부의 판독기 사이의 최적의 정렬을 유지하도록 한다.

다른 대체적인 구성들에서, 상기 슬리브(S)는 또한 튜브의 형태로 (예를 들면, 아래에 토론된, 도 19(i)에 보여준 것처럼 실린더 속으로) 돌출될 수도 있고, 캡슐에 압축되어 맞춰지도록 할 수 있다. 게다가, 상기 슬리브(S)는 또한 캡슐(3")상으로 열에 의하여 줄어드는 튜브속에 형성될 수 있다. 막 포켓(H)은 또한 성형, 자르기, 레이져 처리 혹은 레이져 드릴링(drilling)에 의하여 그속에 형성될 수 있다. 부가적으로, 몇몇 디자인에서, 수천개의 레이져 기계 구멍들 (H)을 상기 슬리브(S)의 측벽에 조립할 수 있다.

막 슬리브(S)를 사용하는 다른 이점은 제조, 취급, 저장 중 및 가장 중요하게는 몇몇 바람직한 실시예에서 수행되는 바와 같이 투관침을 통하여 피하조직으로 주입하는 동안 지시 및 기준 막을 보호하는 능력이다. 상기 센서를 금속 투관침을 통하여 이식하는 중 기계적인 힘과 운동은, 표면이 충분히 보호되지 않으면 상기 장치의 외부를 손상시킬 수도 있다.

다양한 예시적인 막 슬리브가 기술되었지만, 여러가지 다른 막 물질, 크기, 위치, 기하학적인 디자인, 제조 방법 등이 상기한 견지에서 이 분야의 당업자들에 의하여 사용될 수 있다.

다시 한번, 상기 부품들의 센서내에서의 배치는 또한 이 분야의 당업자들에 의하여 변경될 수 있다. 예를 들면, 도 17(c)-17(d)는 지시 막(14') 및 기준 막(14")이 회로판(70)의 같은 쪽에 있고, 하나의 조사선 광원(18), 예를 들면 LED를 가지는 도 17(a)-17(b)에 보여준 실시예와 유사한 - 도 14(a)-14(c)에 보여준 실시예와 유사한 - 두번째의 실시예를 보여준다. 도 14(a)-14(c) 및 도 17(a)-17(b)에 대하여 위에 기술한 모든 적용 변형예들은 도 17(c)-17(d)에 보여준 실시예에 적용될 수 있다.

다른 예로서, 도 17(e)-17(f)는 지시 막(14') 및 기준 막(14")이 회로판(70)의 같은 쪽에 있으나, 도 15(a)-15(c)에 보여준 실시예와 유사하게 두개의 조사선 광원(18-1 및 18-2), 예를 들면 LED들을 가지나, 상기 LED들은 예시된 예에서 더 떨어져 있는 도 17(a)-17(c)에 보여진 실시예에 유사한 다른 실시예를 보여준다. 도 15(a)-15(c) 및 도 17(a)-17(c)에 대하여 위에 기술한 모든 적용 변형예들은 도 17(c)-17(d)에 보여준 실시예에 적용될 수 있다.

위에서 기술된 실시예들은 하나의 지시 채널 및 하나의 기준 채널을 포함할 수 있지만, 위에서 지적한 바와 같이, 위에서 기술한 다양한 실시예들은 복수의 지시 막들 (예를 들면, 같은 혹은 다른 검체들을 측정하는) 및/또는 복수의 기준 막들 (예를 들면, 같은 혹은 다른 광학적 성질들을 측정하는 )을 포함하도록 변경될 수 있다. 게다가, 도 17(a)-17(f)에 보여준 것과 같은 두 부분 구성을 가지는 센서(10)의 공급에 관계되는 원리들은 그러한 기준 채널을 사용하지 않는 위에 기술된 기초적인 센서내에서 사용될 수 있다 - 예를 들면, 도 18(a)-18(b)는 기준 채널 표시없이 도 1-13에 대하여 위에서 기술한 감각 표시를 얻기 위하여 사용되는 하나의 감광 요소(20)와 하나의 광원(18)을 가지는 실시예를 보여준다.

도 18(a)-18(b)는 기준 지시가 없는 것으로 기술되었지만, 하나의 광원 및/또는 하나의 감광 요소를 가지는 장치는 여전히 몇몇 실시예에서 분리된 지시 및 기준 표시를 제공하는 데 사용될 수 있다, 예를 들면 a) 하나의 LED는 지시 및 기준 채널 표시를 교대하기 위하여 다른 주파수에서 교대로 방출할 수 있다; b) 지시 및 기준 막이 조사선 방출의 다른 주파수 특성을 가지는 경우, 감광 요소에 대한 필터가 그러한 다른 주파수가 감광 요소에 도달하는 것을 교대하도록 변경될 수 있다; c) 지시 및 기준 막이 조사선 방출의 다른 시간 특성을 가지는 경우, 상기 장치는 지시 및 기준 채널을 위하여 지연된 시간에 판독을 가능하도록 변경될 수 있다 (예를 들면, 상기 지시 채널은 피코-초 소멸을 가지고 반면에 상기 기준 채널은 나노-초 소멸을 가질 수 있고, 그 역도 가능하다); d) 등.

위에 기술한 바와 같이, 도 19(a)-19(i)는 다른 슬리브(S) 및 포켓(H) 디자인의 몇몇 예들을 보여준다. 도 17(c)-17(f)에 보여준 장치는 바람직하게는 상기 포켓(H)이 각각의 감광 요소위에 쉽게 정렬되도록 구성된 도 19(e)에 보여준 것과 유사한 슬리브(S)를 포함한다는 것을 지적한다. 게다가, 슬리브 디자인은 슬리브(S)가 양쪽 단부에서 개방되어 있고 캡슐위로 미끄러질 수 있는 튜브속에 형성되는 도 19(i)에 보여준 것과 같다. 부가적으로, 복수의 슬리브들이, 두개의 슬리브(S)가 상기 캡슐의 반대쪽위에 맞도록 되어 있는 도 19(a)에 보여준 것처럼 (예를 들면, 각각이 각각의 막을 포함하도록) 사용될 수 있다. 포켓들은 상기 슬리브(S)의 주변에 제공되는 도 19(d), 19(g), 및 19(h)에 보여준 것과 같은 실시예에서, 상기 슬리브는 슬리브와 캡슐을 감광 요소가 회로판(70)의 한 쪽에 있는 (예를 들면, 두개의 채널이 사용될 때, 슬리브의 왼쪽 측면을 향하는 포켓이 기준 막들을 포함할 수 있고 반면에 오른 쪽에 있는 포켓은 지시 막들을 포함할 수 있는) 소정의 실시예에서 정확하게 배향될 필요 없이 캡슐 위로 응용될 수 있다. 다시 한번, 이것들은 단지 예시적인 디자인에 불과하고 다양한 다른 슬리브 및/또는 포켓 디자인이 당업자에 의하여 제조될 수 있다.

도 19(j)는 슬리브가 외부의 환상 플랜지(F)를 가지도록 제조된 본 발명의또 다른 실시예를 보여준다. 상기 환상의 플랜지(F)는 바람직하게는 보여준 바와 같이 센서의 측면으로부터 밖으로, 수평으로, 자연적으로 (예를 들면, 무리없이) 연장되도록 형성된다. 바람직하게는, 상기 플랜지(F)는 흡수 가능한 혹은 생분해 가능한 물질로 제조된다. 도 19(j)에 보여준 실시예는 예를 들면 이동을 방지하는 것이 바람직한 적용예에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 심지어 연결 조직이 시간에 걸쳐 상기 센서를 제자리에 유지시키도록 기대될 때, 이 실시예는 연결조직의 성장 전에 적당한 위치를 잡고 유지시키는 것을 쉽게 한다. 즉, 환상의 플랜지는 그것이 적용되거나 삽입되는 (예를 들면, 환자의 내부와 같이) 매체내에서 센서의 요동을 방지하게 할 수 있다. 가장 바람직한 한 실시예에서, 상기 플랜지는 유연하고 (예를 들면, 투관침 튜브(TT)속으로 화살표(A)의 방향으로 삽입시 도 19(j)의 쇄선으로 보여준 위치로) 구부러 질 수 있어 상기 센서는 환자에게 삽입될 수 있다. 그 후, 상기 센서를 환자에게 투관침 튜브를 통하여 삽입하고 투관침 튜브(TT)를 끌어 낸 후, 상기 플랜지(F)는 그것의 원형을 되찾을 것이고 (혹은 실질적으로 그 형태를 되찾을 것이고) 상기 센서가 적당히 삽입된 위치에 유지되는 것을 쉽게 한다. 지적된 바와 같이, 상기 플랜지(F)는 바람직하게는 흡수 가능한 혹은 생분해 가능한 물질로 제조되어 소정의 기간 후에 상기 플랜지는 퇴화될 것이다 - 예를 들면 그래서 상기 센서는 a) 쉽게 제거될 수 있고; b) 다른 방법을 통하여 제 자리에 유지될 수 있고 (예를 들면, 위에서 기술된 바와 같이 모세관 성장을 통하여와 같이); 및/또는 c) 다른 이유를 위한 것일 수 있다. 다른 실시예에서, 복수의 플랜지(F)가 사용될 수 있다. 다른 대체적인 실시예에서, 상기 플랜지(F)는 상기 센서의 둘레 주위를 오직 일부만 연장될 수 있다. 도 19(j)에 보여준 슬리브(S)는 바람직하게는 각각의 지시 및 조절 지시 분자들을 (예를 들면, 포켓들(H)내의 막들내에) 위에서 기술한 바와 같이 포함할 수 있다. 그러나, 환상의 플랜지 (F)는 여기에 기술된 실시예 중의 어느 경우, 심지어는 그러한 슬리브가 포함되지 않은 경우에도 센서 주위에 제공될 수 있다는 것을 고려한다. 그러한 측면에서, 하나 이상의 (예를 들면, 바람직하게는 생분해 가능한) 플랜지(F)가 비슷한 기능과 목적을 위하여 여기에 기술된 센서 중의 어느 하나의 외부에 부착될 수 있다. 환상의 플랜지(F)가 일반적으로 평평한 것으로 (예를 들면 일반적으로 사각형 단면을 가지는) 보여지지만 , 상기 플랜지(F)는 또한 다른 모양의 단면을 가질 수도 있다 - 예를 들면, 봉합물질의 밴드(바람직하게는 생분해 가능한)를 센서 주위에 두를 수 있다. 상기 플랜지(F)가 바람직하게는 보여준 바와 같이 안과 밖으로 구부러 질 수 있지만, 어떤 실시예에서는 상기 플랜지 혹은 밴드는 그러한 능력 없이도 제조될 수 있다.

특정의 센서 구조 (및 특히 센서에서 지시 막(14')와 기준 막(14")의 특정 위치)는 일부 센서가 사용되는 특정 환경에 기초하여 선택될 수 있다는 것을 고려한다. 지적할 수 있듯이, 상기 지시 분자들 (즉, 지시 막에 있는) 및 상기 조절 지시 분자들 (즉 기준 막에 있는)은 실질적으로 동일한 환경 (즉 감지될 검체를 함유하는 환경)에 노출되어야 한다. 따라서, 센서상의 막 위치들은 일부 사용 방법에 의존할 것이다. 예로서, a) 센서가 그 장축을 수직으로 시험될 검체가 용액내에서 깊이에 따라 변한다면 (예를 들면 와인 병 등의 내부), 예를 들면 감광 요소들이비슷한 축상의 위치에 있으나 센서의 반대쪽에 있어 상기 막(14' 및 14")은 비슷한 수직 고도에 배치될 수 있는 도 16-17에 보여준 센서 구조 중 하나를 사용하는 것이 바람직할 수도 있다; 반면에 b) 센서가 예를 들면 그것의 축이 환자의 피부에 일반적으로 평행하게 피하조직에서 사용된다면, 예를 들면 도 14(a) 혹은 15(a)에 보여준 센서들 중 하나를 사용하는 것이 바람직할 수도 있다. 다른 인자들 중, 막들(14' 및 14") (및 그러한 막을 포함하는 포켓(H))의 크기와 위치는 또한 일부 선택된 조사선 광원(들), 예를 들면 LED(들)의 시야에 의존할 것이다는 것을 이해해야 한다.

도 20(a)-20(b)는 상기 슬리브(S)가 제거 가능한 필름(F)에 의하여 교체될 수 있다는 것을 제외하고는 도 17(c)-17(d)에 보여준 실시예에 유사한 다른 실시예를 보여준다. 보여준 바와 같이, 필름 (F)은 지시 막(14') 및 기준 막(14")을 필름 상에 포함한다. 슬리브(S)의 경우와 같이, 막(14' 및 14")은 바람직하게는 포켓내에 형성되나, 덜 바람직하지만, 상기 막은 또한 필름 표면상에 형성될 수도 있다. 필름(F)은 필름 자체의 끈적거림 혹은 접착력을 통하여 혹은 지시 막들로 및 막들로부터의 조사선 (빛)의 전달에 영향을 미치지 않을 접착제 (한 예로서, 3M사에 의하여 제조된 POST-IT(등록상표) 노우트에 사용되는 것과 같은 접착제가 필름(F)과 캡슐(3")사이에 사용될 수 있다)를 사용하여 캡슐에 부착 및 탈착 가능한 것이 바람직하다. 필름(F)은 바람직하게는, 보여준 바와 같이, 캡슐(3")의 적당한 위치에서 지시 막(14') 및 기준 막(14")을 지지하기에 충분히 큰 크기이다. 보여준 바와 같이, 필름(F)을 제거하기 위하여, 사람의 피부로부터 BAND-AID(등록상표) 접착제를 제거하는 방식으로 한쪽 모서리(C)를 당겨 필름(F)을 제거할 수 있다.

이상에서 보여준 여러가지 다른 실시예는 또한 슬리브(S)대신에 필름(F)을 포함하도록 변경될 수 있다. 부가적으로, 사각형 필름이 보여줬지만, 상기 필름은 다른 모양과 형태로 실제 상황에 따라 구성될 수 있다. 부가적으로, 복수의 필름이 또한 기준 및 지시 막을 위한 분리된 막을 포함하는 경우와 같이 사용될 수 있다.

따라서, 도 20(a)-20(b)에 보여준 실시예 및 다양한 그 변형들은 위에서 기술된 제거 가능한 슬리브 (S)를 사용하는 실시예에 적용될 수 있는 것과 유사한 다양한 이점을 가질 수 있다. 이 실시예에서, 슬리브(S')는 외부의 빛으로부터의 차단을 제공하도록 구성되어 있다. 형광 글루코오스 센서의 경우와 같은 센서와 연관된 두개의 문제들은 조사선 광원(18)에 의하여 방출된 것 외의 빛에 관여한다. 한가지 광원은 햇빛 및 인공빛과 같은 주변의 광원이다. 충분한 세기를 가진 빛은 잠재적으로 센서를 포화시키고 형광을 감지하는 데 쓸모없게 한다. 부가적으로, 대부분의 인공광원은 상당한 AC(시간에 따라 변하는) 요소를 가지고 있다; 필터 기술을 사용하여 이러한 광원의 노이즈를 감소시킬 수 있지만, 그것은 여전히 얻어진 신호의 질을 좋게하거나 낮출 수 있다. 다른 산재하는 광원은 센서 외부의 물질의 형광 방출이다. 이러한 후자의 문제는 결과적인 신호가 일반적으로 전자적으로 지시 형광으로부터 여과될 수 없다는 면에서 특히 어렵다. 도 22(a)-22(c)에 보여준 실시예는 외부의 광의 간섭으로부터 이러한 효과를 실질적으로 제거하는 데 사용될 수 있다.

한 바람직한 구성에서, 슬리브(S')는 그것의 외부 표면으로부터 상기 막(14'및 14")에로 통과하여 연장되는 복수의 조그만 구멍들(H)을 포함하는 물질의 실질적으로 광학적으로 불투명하고, 실질적으로 반사하지 않는 층으로부터 형성된다. 한 예시적인 실시예에서, 슬리브(S')는 예를 들면 본체(12)에 열에 의하여 줄어드는 흑색의 테플론 튜브로 제조될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 슬리브(S')는 적당한 모든 물질로부터 형성될 수 있다. 구멍들(H)은 바람직하게는 조사선 광원으로부터 상기 막(14' 및 14")까지 빛이 전파되는 각각의 방향 (RL)을 가로지르는 및 바람직하게는 실질적으로 방향에 수직인 각도 (예를 들면, 각들 θ₁및 θ₂)에 형성된다. 각 구멍 (H)의 직경은 바람직하게는 빛이 조사선 광원(18)으로부터 직접 통과하여 센서로부터 나오는 것을 실질적으로 방지하기에 충분히 작고, 그러나 바람직하게는 검체가 막(14' 및 14")으로 확산 혹은 투과하기에 충분히 크다. 구멍(H)의 수는 바람직하게는 상대적으로 검체가 상기 막으로 확산하는 것을 제한하지 않도록 선택된다. 따라서, 약간의 주변 빛(AL)은, 도 22(c)를 보라, 이 상기 구멍들을 통하여 상기 센서로 들어 갈 수 있지만, 그것을 통한 주변 빛의 투과는 대부분 감소되어야 한다.

도 22(d)는 다른 대체적인 실시예를 보여주고, 여기서 내부 유리 캡슐(3")은 내부 막(14') 및 기준 막(14")이 상기 두개의 캡슐 사이에 있고 레이져 기계 구멍들 (h)이 검체(예를 들면, 글루코오스)가 지시 막(14')으로의 이동을 허용하여 외부 캡슐을 통하도록 외부의 유리 캡슐(3") (다른 실시예들은 외부의 유리 슬리브를 사용할 수 있다)내에서 사용될 수 있다. 다른 내부 부품들 (예를 들면, 도 16(a)-16(b)에 보여준 것에 유사한)이 포함될 수도 있다는 것이 본 개시에 근거하여 명백해야 한고, 따라서 그러한 부품들은 도 22(d)에 대하여 더 기술되거나 보여주지 않는다.

도 23(a)-23(c)는 하나의 LED(18)가 지시 막(14')에 있는 지시 분자들과 기준 막(14")에 있는 조절 지시 분자들을 모두 여기하는 데 사용될 수 있는 본 발명의 또 다른 실시예를 보여준다.

전형적으로, LED들 (예를 들면, LED 칩)은 반도체 물질 (18-C) (예를 들면, 에피택시)의 결정성 층을 기판 물질(18-S)상에 성장시켜 제조된다. LED 칩들은 대단히 작게 제조될 수 있다 - 예를 들면, 반도체 층의 전체 두께는 약 10 μm 이하, 혹은 심지어는 약 5 μm 이하, 혹은 심지어 더 얇을 수 있다. 전형적으로, 반도체 층이 형성되는 기판은 상당히 더 두껍다 - 예를 들면, 약 50 μm 이상, 혹은 심지어는 100 μm 이상, 혹은 심지어 더 두꺼울 수 있다.

LED들은 전통적으로 LED 칩이 설치된 표면 (예를 들면, 반사기 컵 표면)에 대향하는 LED의 정상면 (18-A) 으로부터 빛을 방출하는 데 사용된다. 도 23(d)에 개략적으로 보여준 바와 같이, LED 칩(18)은 전형적으로 상부 방향 (UD)으로 빛 투과를 보장하는 반사기 컵(18-RC)내에 위치한다. 도 23(d)에 보여준 바와 같이, 하나 이상의 전선들 (18-W)이 전형적으로 상기 칩(18)의 정상 표면 (18-A)에 연결된다(예를 들면, 금 접촉을 통하여). 부가적으로, 기판(18-S)는 전형적으로 반도체 물질에 의하여 전달된 빛이 기판내에서 내부적으로 반사되고 반사기(18-RC)에서 반사되어 LED(18-B)의 기저를 통하여 전달되는 것을 방지하도록 실질적으로 투명하다. 사실상, LED 칩은 LED 칩의 정상 표면 (18-A)으로부터 외부 방향으로 빛이 방출되기 위한 것임이 이 분야 기술에서 일반적으로 고려되어져 왔다.

그러나, 본 발명자들은 LED 칩(18)이 LED 칩의 정상면(18-A) 및 기저면(18-B) 양면으로부터 빛을 효과적으로 방출하도록 제조되었다는 것을 발견하였다. 한 바람직한 실시예에서, 도 23(a)-23(c)에서 보여준 바와 같이, LED 칩(18)은 회로판(70)의 정상표면를 횡단하게 설치된 (예를 들면, 보여준 바와 같이 대(18m)상에) 실질적으로 투명한 기판 (적절한 투명한 기판은 예를 들면 사파이어, 실리콘 카바이드 및 다른 적절한 물질들을 포함한다) 상에 형성된다 (바람직하게는, LED의 정상 및 기저 표면 (18-A 및 18-B)은 일반적으로 지시 및 기준 채널의 조명을 최대화 하고/하거나 센서 본체의 내부 조명을 최대화하도록 배열된다). 바람직하게는, 마스크(34)는 또한 지시 채널 및 기준 채널 사이의 크로스톡을 억제하도록 포함된다.

이러한 방식으로, 하나의 LED는 지시 막(14') 및 기준 막(14") 모두를 조명하는 데 효과적으로 사용될 수 있다. 도 24(b)는 편리하게 불투명하고 평평한 표면위에 설치될 때, 알려져 있는 LED로부터 조명장의 예시적인 예이다. 각도 0 내지 180도 평평한 LED 칩의 정상 표면에 평행한 반면 90도는 거기에 수직이다. 보여준 바와 같이, 조명은 실질적으로 오직 LED 칩의 한 쪽으로부터이다 - 즉, 정상면(18-A)으로부터이다. 대조적으로, 도 24(a)는 LED 칩(18)의 상부 및 하부면(18-A 및 18-B)을 통하여 달성될 수 있는 조명의 한 예를 예시한다. 도 24(a)는 0도부터 90도까지의 오른쪽면은 LED의 기저(18-B)를 통하여 투과된 빛을 나타낸다, 반면에 0도부터 -90도까지의 왼쪽면은 LED의 정상(18-A)을 통하여 투과된 빛을 나타낸다. 따라서, 이 예에 보여준 바와 같이, 많은 양의 빛은 실제로 LED의 기저면(18-B)으로부터 방출된다. 이 예시적인 경우, 더 많은 양의 빛이 실제로 LED의 기저면(18-B)으로부터 방출되고, 그것은 아마도 전선, 전기적 접촉 (전형적으로 예를 들면 하나 이상의 금 접촉이 LED 칩(18)의 정상에 가해진다), 혹은 LED칩의 정상면의 위에 있는 다른 물질들의 존재에 기인한 것일 수도 있다. 도 24(a)에 보여준 측정은 Labsphere(North Sutton, N.H.)에 의하여 제작된 MODEL LED-1100(등록상표) Gonometric 분석기를 사용하여 이루어 졌다. 도 24(a)에서 사용된 LED는 Nichia Chemical industries, LTD. (Tokyo, Japan 소재)에 의한 #NSHU550E(등록상표) LED 이었다. 도 24(b)에 사용된 LED는 Cree Research, Inc. (Durham, N.C. 소재)로부터의 C470-9(등록상표)이었다.

빛이 전형적으로 지시 및 조절 지시 분자들을 하나의 LED로 여기시키는 LED의 정상면(18-A) 및 기저면(18-B)인 것으로 고려되는 것에 의하여 방사되는 이러한 실시예에서, 바람직하게는 충분한 양의 빛이 양 채널을 충분히 조명하도록 LED의 상하부로 전달된다. 바람직하게는, 한 면으로부터 전달되는 빛의 양은 다른 쪽으로부터 전달되는 빛의 양의 약 6배 이하이고, 혹은 더 바람직하게는 약 4배 이하, 혹은 더욱 바람직하게는 약 2배 이하, 및 더욱 바람직한 실시예에서는 대략 비슷하다. 그러나, LED 상하부로 방사되는 빛의 양은 상황에 따라 상당히 변할 수 있다.

도 25(a)-25(b)는 a) 지시 막(14)을 포함하는 센서 본체의 주변을 둘러싸는 기계처리된 주변의 리세스(12C)를 가지는 센서 본체; b) 조사선 광원(18) 아래의구멍 혹은 창(70H)을 가지는 기판(70); 및 c) 센서 본체의 주변으로 연장되는 일반적으로 삼각형의 단면을 가지는 광학적 굴절기(D)를 구비하는 다른 실시예에 따른 센서(10)를 보여준다. 이 실시예는 그 외에는 도 14(a)-14(b)에 보여준 것과 유사하다. 전기적 및 다른 부품(미도시)은 위에서 기술한 바와 유사하고, 따라서 도 25(a)-25(b)에 대하여 더 설명을 요하지는 않는다.

도 25(a)-25(b)에 보여준 실시예에서, 광원(18)은 위에서 기술한 실시예에서와 같이 그것의 정상 및 기저면(18-A 및 18-B) 을 통하여 조사선을 방출한다. 화살표에 의하여 보여준 조사선 (L)은 센서내에서 위에서 기술한 실시예에서와 같이 반사된다. 보여준 바와 같이, 상기 창 혹은 구멍(70H)은 조사선 광원의 정상 및 기저면으로부터의 조사선이 검출에 사용되도록 하는 방식으로 센서 본체내에서 반사된다. 보여준 바와 같이, 센서 본체(12)는 바람직하게는 조사선 광원으로부터 일반적으로 수직으로 방출된 조사선 (즉, 정상면 위 혹은 지저면 아래)이 더 나은 분포와 내부 반사 및/또는 조사선이 지시 막의 외부 지역으로 향하도록 보장하기 위하여 수평으로 반사되도록 위치한 조사선 굴절기(D)를 포함한다. 도 25(a)-25(b)에서 보여준 실시예는 지시 및 조절 채널 양자를 포함하지만, 상기 조절 채널은 다른 실시예에서 생략될 수 있고/있거나 다른 실시예에 대하여 여기에 기술된 다른 어떤 실시예는 또한 적당한 경우 도 25(a)-25(c)에 보여준 실시예에 적용될 수 있다는 것을 본 개시에 근거하여 당업자는 이해해야만 한다.

도 26은 실질적으로 광학적으로 투명한 회로 기판(70)을 구비하는 센서(10)의 다른 실시예를 보여준다. 상기 실질적으로 광학적으로 투명한 회로 기판(70)은조사선이 기판(70)을 통과하게 한다. 이것은 여기 조사선 및 형광 지시기의 한정적이지 않은 예에서 센서 본체(12) 전반에 걸쳐 방출 조사선의 투과를 쉽게하고, 더 많은 조사선이 감광 부재들에 의하여 수용되게 한다. 그 결과, 신호 검출 지역은 (예를 들면, 감광 요소들의 정상 및 기저면에서의 신호 포획에 의하여) 실질적으로 신호 검출을 증대시키기 위하여 증가될 수 있다.

바람직하게는 조사선 광원(18)은 조사선이 또한 조사선 광원의 기저면으로부터 방출되는 방식으로 상기 기판(70) 상에 설치된다. 도 26에 보여진 실시예는, 따라서, 일반적으로 조사선 광원(18)의 정상 및 기저면으로부터 방출된 조사선에 대하여 도 23(a)-23(c)에 보여준 것에 유사하다. 다른 방법으로, 조사선은 정상 혹은 기저면 중 어느 하나로부터 전달될 수 있다. 상기 조사선 광원은 바람직하게는 빛을 기판으로 안내하도록 광학적 기판(예를 들면 광학적 에폭시의 경우와 같이)에 광학적으로 연계되는 LED를 포함한다.

광학적으로 투명한 기판(70)은 예를 들면 사파이어, 수정, 실리콘 카바이드, GaN 혹은 금속화에 의하여 패턴화 될 수 있는 다른 무기성 기판 물질으로 제조될 수 있다. 다른 유기성 폴리머 물질들도 또한 기판을 조립하는 데 사용될 수 있다. 프린트된 혹은 에칭된 전자 회로의 제조물을 지지할 수 있는 모든 실질적으로 투명한 물질은 이 응용에 사용될 수 있다. 본 개시에 근거하여 당업자에게 명백한 다른 적당한 물질도 또한 사용될 수 있다. 한 예시적이나 한정적이지 않은 구성에서, 상기 기판(70)은 수정으로 제조될 수 있다. 많은 매각인들은 그러한 기판들이 고주파 응용에서와 같이 원격통신 업계에서 다른 연관되지 않은 적용예에서 유리하기 때문에 수정 기판을 제공한다. 예를 들면, MIC Technologies(등록상표) (Aeroflex Company, 797 Turnpike St. North Andover, MA01845)는 회로도 기판 선택으로서 수정 기판을 제공한다. 그 후, 실질적으로 광학적으로 투명한 기판은 이 분야 기술에 잘 알려져 있는 방법에 사용되어 표준적인 혼성 회로 부착 방법(예를 들면, 전도성 에폭시, 납땜질, 전선 결합, 비전도성 에폭시 등)을 사용하여 부품을 부착한다. 일단 모든 부품들이 부착되면, 전체 회로는 예를 들면 모노머 용액에 담궈지고 그 후 폴리머 반응이 열 또는 조사선을 이용하여 개시되어 도파관 폴리머 (예를 들면 PMMA)(즉 위에서 기술된 바와 같이) 내에 완성되고 닫혀지고 봉합된 회로가 형성된다.

위에서 지적한 바와 같이, 도 26에 보여준 실시예는 바람직하게는 감광 요소들의 정상 및 기저로 향하는 조사선을 검출하는 감광 요소들을 포함한다. 전형적으로, 감광 요소들은 그들의 정상면으로 향하는 조사선만을 검출할 수 있다. 하나의 바람직한 구성에서, 감광 요소는 포토레지스터를 포함한다.

포토레지스터는 감광 화학 물질을 회로내에 위치시키는 간단한 화학적 증착 과정에 의하여 일상적으로 조립된다. 광자가 증착된 물질의 표면을 접촉할 때, 저항의 변화가 일어나서 회로는 입사하는 빛의 세기의 함수로 그것의 저항을 변화시킨다. 전형적으로, 포토레지스터 물질은 세라믹과 같은 불투명한 기판상에 증착된다. 이것은 결과물인 포토레지스터 장치로 하여금 오직 한 방향에서 민감하게 한다. 왜냐하면 빛은 기저면 (즉 기판에 인접한 면)으로부터 불투명한 기판을 투과할 수 없기 때문이다.

포토레지스터 검출기의 통상적인 응용에서, 이 "한방향의 구성"이면 충분하다. 그러나, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 여기 및 방출 빛은 센서 전반에 걸쳐 분산된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서의 두가지 지적할 만한 목적은 지시 막에 입사하는 여기 광원으로부터의 빛의 양을 최대화시키고 감광 요소에 의하여 포획되는 형광 신호 빛의 양을 최대화하는 것이다. 이러한 목적에 반하여, (세라믹, 폴리이미드, 파이버유리, 등과 같은) 불투명한 회로 기판은 센서 전반에 걸쳐 진행하는 것으로부터 빛의 상당한 양을 방지할 수 있고, 따라서 센서의 전체 민감도를 감소시킬 수 있다. 반면에, 도 26에 예시된 실시예는 이러한 목적을 대단히 진척시킨다. 검출기 물질을 실질적으로 투명한 기판상에 증착시킴으로써, 상기 기판은 넓은 지역의 포획 도파관으로서 기능할 수 있고, 따라서 예를 들면 부가적인 신호 빛을 감광 요소에 전달할 수 있다. 게다가, 조사선 광원 (예를 들면 LED)을 실질적으로 투명한 기판상에 설치함으로써, 여기 광원으로부터 방사된 실질적으로 모든 조사선 (예를 들면, 빛)은 센서 전반에 걸쳐 일정하게 진행될 수 있고, 따라서 더 일정하게 및 더 큰 전원 효율을 가지고 지시 막으로 향할 수 있다.

도 26에 보여준 실시예는 물론 포토레지스트 검출기에 한정되지 않으나, 적당한 경우 예를 들면 포토다이오드, 트랜지스터, 달링턴 등과 같은 다른 감광 요소가 사용될 수 있다.

조사선이 감광 요소의 양면에서 수용될 때, 고역 필터 (34A 및 34B)는 바람직하게는 예를 들면 형광 방출 조사선으로부터 여기 조사선을 분리시키기 위하여 감광 요소(20-1 및 20-2) 위아래에 제공될 수 있다. 고역 필터는, 원한다면, 감광요소의 스펙트럼 민감도를 조절하는 데 사용될 수 있다. 고역 필터는 예를 들면 CVI Laser로부터 입수 가능한 것과 같은 필터 에폭시 및 도 1에 보여준 실시예에 대하여 위에 기술한 다른 것을 응용하여 감광 요소의 양면에 설치될 수 있다.

필터(34A 및 34B)보다 혹은 외에, 감광 요소는 특정 파장에 민감하게 변경된, 예를 들면 튜닝될 수 있는 물질로 제조될 수 있다. 감광 요소는 따라서 예를 들면 조사선 광원으로부터의 여기 조사선보다는 오히려 형광 방출 조사선을 실질적으로 감지하도록 튜닝될 수 있다. 이러한 측면에서, 포토레지스터 검출기는 화학적으로 특정의 파장에 상당히 민감하도록 튜닝될 수 있고, 따라서 분리된 필터 요소에 대한 필요성을 감소하거나 제거한다. 적당한 물질은 쉽게 상업적으로 입수 가능하다. 공지된 장치들이 예를 들면 Silonex Inc.(등록상표) (2150 Ward Ave. Montreal, Quebec, Canada H4M 1T7)에 의하여 생산되고 판매된다. 상기 장치에서 정점 파장에서의 세기는 불순물의 변하는 비율 및 카드뮴 설파이드계내 (및 다른 것)의 혼합 비율에 근거하여 조정되고 최적화된다.

도 26의 실시예를 참조하여 토론되었지만, 여기에 기술된 "튜닝가능한" 감광 요소들은 또한 본 발명의 다른 실시예에서 기술된 실시예들 중 어느 하나에 통합되는 것이 유리하다.

도 26에 보여준 실시예는 바람직하게는 이상에서 기술된 실시예처럼 작동한다. 불필요한 반복을 피하기 위하여, 도 16에 보여준 센서의 요소들, 예를 들면 전자 부품 등은 미도시되고/되거나 이 실시예와 관련하여 기술되지 않는다. 도 26에 보여준 실시예는 적당한 경우 여기에 기술된 다른 실시예들 중 어느 하나에서와 같은 방식으로 당업자에 의하여 변경될 수 있다는 것을 고려한다.

도 27(a)-27(c)는 내부 히터를 가지는 센서(1000)의 다른 실시예를 보여준다. 예시된 예에서, 센서(1000)는 도파관 내부에 완전히 내장된 회로 기판을 꼭 포함할 필요는 없다. 그러나, 이 실시예의 히터는 여기에 기술된 실시예들 중 어느 하나 혹은 어떤 다른 적당한 센서 하우징에서 사용될 수 있다는 것을 고려한다. 예시된 예에서, 센서(1000)는 일반적으로 사각형의 구성을 가지고 전선(1110)에 거기로부터 연장되는 칩과 같은 구조를 가지고 있다. 상기 전선들은 센서로 및/혹은 센서로부터 전원, 신호 등을 제공하는 데 사용될 수 있다.

도 27(a)-27(c)에 보여준 실시예는 예를 들면 습한 가스내의 검체를 검출하고 측정하는 데 구체적인 이점을 가지는 여러가지 특유한 디자인 특성을 통합하고 있다. 바람직한, 그러나 한적적이지 않은 예에서, 예시된 장치는 산소 센서로서 사용된다. 예시적인 적용예는 사람 혹은 동물의 호흡 도중 호흡당 산소의 측정- 예를 들면, 센서는 흡입시 차가운/건조한 공기에 노출되고 호기시 따뜻하고/습한 호기에 노출된다-을 포함하나 이들에 한정되지 않는다. 예시된 디자인은 예를 들면온도와 물 증기(습도)의 변화의 모든 상태 중의 산소 함량을 정확히 측정할 수 있다. 예시된 예가 바람직하게는 산소의 측정에 사용되지만 다른 예들은 다른 검체를 측정하는 데 사용될 수 있다 - 예를 들면 이산화 탄소, 다른 기체, 혹은 여러가지 가스들의 측정을 위한 민감한 막이 사용될수 있다.

요약하면, 예시된 예에서, 센서(1000)는 구멍(1220)과 네개의 매달려 있는 측벽(1230)을 가지는 정상 벽(1210)을 구비하는 덮개(1200)를 포함한다. 상기 덮개의 기저는 기판(700)의 정상에 꼭 맞아서 박스와 같은 둘러 싸는 것을 형성하도록 구성되어 있다. 보여준 바와 같이, 기판(700)은 감광 요소(20-1 및 20-2), 조사선 광원(18) 및 다른 전자부품(미도시), 및 그 위에 설치된 가열 요소(1400)를 구비한다. 예시된 실시예에서, 상기 가열 요소(1400)는 감광 요소(20-1 및 20-2)위로 연장된다. 상기 가열 요소는 잘려나간 구멍(1410)을 구비하고 있어, 바람직하게는 상기 가열 요소상에 위치한 막(14-1 및 14-2)을 광원(18)으로부터의 조사선이 통과하게 한다. 보여준 바와 같이, 상기 막은 바람직하게는 덮개(1200)내의 구멍(1220)을 통하여 노출된다. 가열 요소, 센서 막, 및 기판 사이의 전 지역(R)은 바람직하게는 이상에서 기술된 실시예에서와 같은 도파관 물질을 포함한다.

가열 요소(1400)는 적당한 물질(예를 들면 열전도성 물질(들)), 예를 들면 구리 합금, 다른 열전도성 금속 혹은 유사물로 만들어 질 수 있다. 가열 요소(1400)는 적당한 열적 성질을 가지는 모든 물질로 만들어 질 수 있다. 가열 요소(1400)를 가열하기 위하여, 기판(700)은 바람직하게는 기판상에 열을 가열 요소로 전달하는 복수의 열발생기(710) (예를 들면 열저항기 혹은 반도체 저항기)를 포함할 수 있다. 예시된, 그러나 한정적이지 않은 실시예에서, 네개의 열저항기 (710)가 사용된다. 열저항기(710)는 바람직하게는 열을 가열 요소로 전달하는 가열요소의 측면에 인접하게(예를 들면, 접촉하게 혹은 충분히 가깝게) 위치할 수 있다.

가열 요소(1400)는 예를 들면 다음 두가지 목적에 부합하도록 작용한다: 1) 신호 및 기준 막(14-1 및 14-2)을 실질적으로 같은 열적 평형상태로 유지시키는 목적; 및/또한 상기 막(14-1 및 14-2)을 측정하고자 하는 습한 가스의 이슬점 이상의 온도로 가열하는 목적. 사람의 호흡을 모니터하는 예에서, 이 온도값은 예를 들면 약 37℃를 약간 초과할 수 있다. 하나의 예시적인 구성에서, 본 발명은 열저항기(710) 및 피드백 서미스터(711)를 사용하여 약 40℃의 열적 세트 포인트(set point)를 사용한다. 예시적인 구성에서, 열저항기(710)는 평행한 네게의 390 옴 1/2 W의 표면에 설치된 저항기를 포함한다. 대체적인 실시예에서, 다른 수의 열저항기(710) 및/또는 다른 형태의 열저항기(710) (스크린된 저항기, 두꺼운 필름 저항기, 열 테이프, 등)가 사용될 수 있다. 지적할 만한 온도 조절 방법은 온도 조절을 위한 하나 이상의 서미스터, 서모카플, RTD, 및/또는 다른 고체상의 온도 측정 장치를 사용한다. 그러나 바람직한 실시예들은 저렴한 비용의 견지에서 서미스터(711)를 사용한다.

막 표면을 가열하는 지적할 만한 이점은 센서의 표면에 습기가 응축하는 것을 방지하는 것이다. 응축 층이 형성되면, 상기 응축 층은 광학적 산란 및 센서 표면에서 수차를 유발하고, 이것은 예를 들면 형광 세기 모드에 기초한 측정을 사용할 때 실질적으로 측정 정확도를 감소시킨다. 상기 응축 층은 또한 센서의 기체 상태의 반응시간을 감소시킬 수 있다. 왜냐하면 센서 표면에서의 질량 확산 성질이 변화될 수 있기 때문이다. 형광염료의 시간에 대한 소멸 혹은 상태 성질을 측정함으로써, 센서의 정확도는 측정이 실질적으로 세기의 변화에 의하여 영향을 받지 않기 때문에 개선될 수 있다. 그러나 측정의 시간에 대한 소멸 혹은 상 모드는 이것이 센서의 표면에서 확산되기 때문에, 어떤 반응 시간도 완화시키지 않는다.

이러한 실시예는 다른 적용예에서뿐 아니라 예를 들면 산소 센서와 같은 바람직한, 그러나 한정적이지 않은 실시예에서 사용되는 특히 유리한 다른 지적할 만한 이점을 제공할 수 있다. 특히, 이 실시예의 중요한 이점은 센서가 산소 및 CO₂와 같은 중요한 호흡 가스의 단계적 변화에 대단히 빨리 반응하는 능력이다. 이러한 실시예로, 100 밀리초 혹은 더 빠른 반응율 (몇몇은 30-40 밀리초)을 달성할 수 있고, 호흡 가스 함량의 거의 실시간 측정을 가능케 한다 (여기서; 반응 시간은 문제시 되는 가스의 부분압력의 단계적 변화를 적용시 센서의 출력이 10%로부터 90%의 정상상태로 변하는데 요구되는 사간으로 정의된다).

이 실시예가 예를 들면 흡입 및 호기된 호흡 가스로부터 실질적으로 실시간 파형 및 산소 수준을 관찰하고 측정하는 능력은 중요한 의료상의 유용성을 가지고 있다. 이러한 빠른 반응 특성을 가지는 호흡 가스 센서는 예를 들면 호흡기 가스의 흡입 및 방출을 결정하기 위한 흐름 혹은 부피 측정용 장치와 함께 사용될 수 있어, 대사율 (열량 소모량), (1870년에 Adolph Fick의 이론에서 먼저 기술된) Fick 원리에 근거한 간접적인 심장의 출력, 폐의 기능, 및 쇼크의 시작과 같은 중요한 의료적인 변수를 측정하게 한다. 이러한 많은 의료상의 진단상의 결정은 호기의 마직막 끝에 호흡 가스의 (파마지막의 pO₂혹은 pCO₂로 알려져 있는) 부분압력을 측정하는 것을 필요로 한다. 정상적인 호기의 마지막 및 다음 호흡의 흡입 사이의 시간의 양은 대단히 짧기때문에, 대단히 빠른 반응 센서가 연이은 다름 호흡의 신선한 공기의 흡입에 의하여 아직 영향 받지 않는 파마지막의 농도를 측정하는 데 중요할수 있다. 가스의 농도 변화에 충분히 빠른 반응시간을 가지는 센서를 가지는 외에도, 센서는 흡입 및 호기 가스의 온도 및 습도 수준의 변화에 똑 같이 빠르게 상쇄하는 능력을 또한 가지고 있어야 한다. 바람직한 실시예에서, 이것은 예시된 바와 같이 기준 채널을 사용함으로써 달성되었다. 본 발명은 또한 의료상의 진단 방법이 침해하지 않는 방식으로 및 현재 기술에서 유사한 측정을 하기 위하여 현재 달리 사용되는 비싼 검사 장비의 필요성없이 수행되도록 할 수 있는 이점을 또한 가지고 있다.

도 28(a) 및 28(b)는 도 27(a)-27(c)의 실시예의 예시적인 구성에서 가스의 부분압력의 단계적 변화의 실제적인 시험 데이타를 예시한다. 특히, 도 28(a) 및 28(b)는 산소 센서로서의 한정적이지 않은 예에 사용되는 본 실시예의 구성을 이용하는 실제적인 반응 시간의 측정들을 도시한다. 도 28(a)는 주변 공기(약 21%의 산소)로부터 보증된 압축 가스 실린더로부터 공급된 100% 산소까지의 단계적 변화에 대한 상기 센서의 반응 시간을 측정한 것이다 (센서의 낮은 검체 농도로부터 높은 검체 농도로의 반응시간은 전형적으로 "회복시간"으로 불리운다). 도 28(b)은 보증된 압축 가스 실린더로부터 공급된 100% 질소로부터 주변 공기로의 단계적 변화에 대한 같은 센서의 반응시간을 측정한 것이다. 상기 회복시간 및 반응시간은 이러한 예시적이나 한정적이지 않은 예에서 Tektronix Model TDS(등록상표) 두개의 채널 오실로스코프로 측정한 결과, 각각 약 41.2 및 32.1 밀리초 (보여주는 바와 같이)이었다. 바람직하게는, 회복 및 반응 시간은 약 100 밀리초 이하, 더 바람직하게는 80 밀리초 이하, 더욱 바람직하게는 약 60 밀리초 이하이다. 바람직한 실시예는 약40 내지 80 밀리초의 범위를 가진다.

작동시, 센서(1000)는 이상에서 기술한 두개의 채널 실시예와 같이 작동한다. 그러나, 이 실시예에서 열 발생기(710)는 열을 센서 내부 및 막(14-1 및 14-2) 내부로 확산하는 확산기로 작용하는 가열 요소(1400)로 열을 분산한다.

덮개(1200)는 바람직하게는 절연체로부터, 예를 들면 플라스틱 혹은 유사물과 같은 일래스토머로부터 형성된다. 이러한 방식으로, 덮개(2000)는 열을 보존하고 상기 막들의 온도를 유지하게 한다. 그 결과, 상기 히터는 작동 전원만큼 열심히 일하거나 작동전원 만큼 전력을 소비할 필요가 없다. 예시한 실시예에서, 막(14-1 및 14-2)은 또한 바람직하게는 도 27(a)에 보여준 바와 같이 조립되었을 때 구멍(1220)의 정상 표면아래로 움푹 들어가서 상기 막들이 외부 인자에 영향을 받거나 혹은 손상될 가능성이 적다. 덮개(1200)는 예를 들면 사출성형함으로써 혹은 다른 적당한 수단에 의하여 제조될 수 있다.

덮개(1200)는 선택적이고 몇몇 경우에는 제거될 수 있다. 그러나, 상기 덮개(1200)는, 그것이 가열 요소(1400)의 절연 성질을 유리하게 제공하여, 검체가 함유된 매체에서 특히 빠른 열적 변화 및/또는 높은 흐름 속도의 조건하에서, 작은 가열 요소를 사용케하고 열이 감지 및 기준 막으로 일정하게 분산되도록 개선하기 때문에, 있는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 덮개는 바람직하게는 가열 요소의 성능을 돕고/돕거나 막 표면으로 가스를 향하게 하기 위하여 센서 위에 설치된다.

지적한 바와 같이, 센서(1000)는 바람직하게는 두개의 감광 요소(20-1 및 20-2)를 사용한다. 바람직하게는, 감광 요소(20-1)는 지시 채널 막(14-1)으로부터의 산소 신호 형광을 검출하고, 감광 요소(20-2)는 기준 채널 막(14-2)으로부터의 신호를 검출한다. 바람직하게는, 기준 채널 막(14-2)은 실질적으로 산소에 민감하지 않으나, 신호 채널 막(14-1)이 민감한 정도와 실질적으로 같은 정도로 온도에 민감하다. 이것은 상기 장치가 온도와 수증기 변화때문에 사람이나 다른 동물의 변동하는 호흡(즉, 흡기/호기)을 검출하는 데 사용된다. 이 실시예로, 지시 및 기준 채널의 온도 평형은 가열 요소(1400)을 통하여 유지될 수 있다.

예시된 예에서, 막(14-1 및 14-2)은 각각 바람직하게는 실질적으로 같은 두께를 가지는 보로실리케이트 유리 기판으로 제조된다. 따라서, 바람직하게는, 막(14-1 및 14-2)은 비슷한 열적 성질을 가진다. 기체상태의 산소 혹은 용해된 산소 혹은 다른 가스들을 감지하는 바람직한 매트릭스는 졸-겔 혹은 오르모실이라 불리는 무기성 폴리머 지지 매트릭스이고, 그속에 지시 분자들이 고정되거나 포획된다. 이러한 물질과 기술은 잘 알려져 있다 (예를 들면, McDonagh et al., "Tailoring of Sol-Gel Films for Optical Sensing of Oxygen in Gas and Aqueous Phase", Analytical Chemistry, Vol. 70, No. 1, Jan. 1, 1998, pp.45-50; Lev. O. "Organically Modified Sol-Gel Sensors", Analytical Chemistry, Vol.67, No.1, Jan.1, 1995; MacCraith et. al., "Development of a LED-based Fibre Optic Oxygen Sensor Using a Sol-Gel-Derived Coating", SPIE, Vol.2293, pp.110-120('94); Shahriari et.al., "Ormosil Thin Films for Chemical Sensing Platforms", SPIE, Vol.3105, pp.50-51('97); Krihak et. al., "Fiber Optic Oxygen Sensors Based on the Sol-Gel Coating Technique". SPIE, Vol.2836,pp.105-115('96)를 보라. 이 모든 참조 문헌에 개시된 것은 참조에 의하여 본 발명에 통합된다). 이러한 형태의 막은 이 분야의 기술에 알려져 있는 많은 기술, 예를 들면, 담금, 스와빙(swabbing), 스퀴징(squeegeeing), 실크 스크린닝, 패드 프린팅, 증착, 잉크-젯 프린팅 등과 같은 방법에 의하여 적당한 기판에 도포될 수 있다. 이러한 형태의 막은 또한 적당한 경우 여기에 기술된 분 발명의 다른 실시예에 유리하게 통합될 수 있다.

따라서, 바람직하게는, 각 막은 각 막에서 같은 기초적인 화학을 사용하는 박막 졸-겔 매트릭스 코팅내에 코팅되는 유리 (예를 들면, 보로실리케이트 유리) 기판으로 형성된다. 바람직하게는, 기준 막(14-2)은 산소 확산을 방지하기 위하여 더 처리된다. O₂를 감지하는 이 실시예의 예들에서, 바람직한 지시 분자들은 예를 들면 전부 본 발명에 참조에 의하여 통합된 미국특허 제5,517,313호의 17째줄 제 1칼럼에 토론된 트리스(4,7-디페닐-1,10-펜안트롤린)루테늄(II)퍼클로레이트 분자를 포함한다. 상기 막들은 본 발명의 다른 실시예에서 위에 제시한 다른 다양한 물질들을 포함할 수 있다고 여겨진다.

바람직하게는, 조사선 광원은 그것의 광출력이 지시 및 기준 채널 막(14-1 및 14-2)으로 지역(R)내에 도파관 물질을 통하여 도파되도록 설치된 LED (예를 들면, 블루)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 도파관 물질은 다른 적당한 물질이 또한 사용될 수 있지만, 양호한 광학적 특성을 가지는 Epoxy Technology 301(등록상표)이다. 바람직하게는 막들로부터 방출된 형광도 유사하게 기판(700)상에 설치된 감광 요소(20-1 및 20-2)로 도파된다, 바람직하게는, 광학적 필터(34)는 각각의 감광 요소들에게 제공된다. 위에서 기술된 바와 같이, 예시적인 실시예에서, 각각의 광학적 필터(34)는 예를 들면 감광 요소 주변에 600 nm 컷오프를 가지는 CVI Laser로부터 입수 가능한 필터 레진과 같은 필터 에폭시를 포함할 수 있다. 다른 적당한 필터들은 위에서 기술한 바와 같이 사용될 수 있다. 광학적 필터(34)는 바람직하게는 막으로부터 방출된 형광을 조사선 광원(18) (예를 들면, 블루 LED)의 여기 에너지로부터 분리시킨다. 전술한 바에 의하여 이해되어야 하듯이, 가장 바람직하게는, 완전한 광학적 경로는 (예를 들면 지역(R)에 있는 도파관 물질과 막들 (14-1 및 14-2) 사이의) 최소의 내부 반사 손실로 최대의 빛을 포획하는 것이 일어나도록 굴절율이 일치된 것이다.

도 27(a) 및 27(b)는 감광 요소(20-1 및 20-2) 그리고 지시 및 기준 막(14-1 및 14-2) 사이의 중앙에 위치한 여기 광원을 보여주지만, 여기 광원(18)은, 충분한 여기가 지시 및 기준 막(14-1 및 14-2)에 제공되는 한, 달리 위치될 수도 있다.

여기에 기술된 다른 실시예들의 경우와 같이, 도 27(a)-27(b)에 보여준 실시예는 다향한 방법으로 변경될 수도 있다는 것을 고려한다. 예를 들면, 가열 요소는 조절 채널이 사용되지 않는 실시예들에서 제공될 수 있다. 게다가, 지적된 바와 같이, 내부 히터는 센서의 주변에 응축을 감소시키기 위하여, 특히 막들 혹은 유사믈을 감지할 때, 다양한 센서 구조물내에서 적용될 수 있다. 예를 들면, 가열 코일, 전선 혹은 유사물은 센서내에, 바람직하게는 적어도 일부 지시 막의 위치에 인접하게 분포될 수 있다.

위에서 지적한 바와 같이, 본 발명의 다양한 태양의 구체적인 실시예가 기술되었지만, 이러한 실시예의 많은 변형과 변경이 당업자에 의하여 가능하다. 예를 들면, 위에 기술된 다양한 실시예의 태양은 본 개시에 근거하여 당업자에게 명백할 수 있듯이 위에 기술된 다른 실시예에 적용되거나 서로 교환될 수도 있다; 예를 들면, 다양한 실시예들이 이상에서 기술된 하나 이상의 지시 분자들 (혹은 달리 알려져 있는 것)을 가지도록 변경될 수 있고, 여기에 개시된 하나 이상의 조절 기준 방법들 (혹은 달리 알려져 있는 것)을 사용하도록 변경될 수 있다. 다른 예로서, 전자제품 등의 다양한 변경이 당업자에 의하여 본 개시에 근거하여 가능하다, 예를 들면 다양한 부품들이 IC 칩에 통합될 수 있거나 다른 알려져 있는 변경 혹은 기술들이 본 발명의 하나 이상을 유지하면서 사용될 수 있다.

게다가, 센서들이 외부의 장치에 의하여 전원이 공급되고/되거나 외부의 장치와 소통하는 경우, 외부의 장치는 상황에 따라서 다양한 형태로 제조될 수 있다 - 예를 들면, 외부의 장치는 환자의 팔목에 인접하게 이식된 센서와 함께 사용될 수 있는 (예를 들면, 팔목시계와 유사한) 팔목에 설치된 것; 환자의 히프나 허리에 인전하게 이식된 센서와 함께 사용될 수 있는 (예를 들면, 통상의 "비퍼"에 유사한) 벨트나 바지에 설치된 것; 예를 들면 환자가 잠잘 때 판독하기 쉽도록 개인이 담요에 인접하게 이식된 장치를 가지고 있어 그 위에 누울 수 있는 (예를 들면, 전기 담요와 유사한) 내부의 전자 부품을 가지는 담요; 센서가 가까이 위치하거나 인접하게 둘 수 있는 어떤 구조 및/또는 센서에 인접하게 둘 수 있는 어떤 구조; 혹은 다양한 다른 구조 및 디자인을 포함할 수 있다.

게다가, 위에서 기술된 바와 같이, 다양한 실시예들의 센서들은 여러가지 적용예들 및 환경에서 - 예를 들면, 감지되는 하나 이상의 검체를 가지는 환경에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 다양한 실시예들은 다양한 매체들 - 가스(예를 들면, 공기 및/또는 다른 가스들), 액체, 고체, 그들의 조합 등을 포함하여 - 내에서 사용될 수 있다. 부가적으로, 여기에 기술된 다양한 실시예들은 다양한 적용예 및예를 들면 의료업계 (예를 들면, 센서가 예를 들면 환자나 동물의 내부에 삽입되는 경우); 식품업계 (예를 들면, 센서가 액체 (예를 들면, 와인, 맥주, 등과 같은 알콜올을 함유하는 음료수와 알코올을 함유하지 않는 음료수와 같은 음료수; 및 다른 다양한 액체); 크림; 고체; 등 속에 삽입되는 경우); 소비자 제품업계 (예를 들면, 그러한 감지 기능이 적절히 사용될 수 있는 경우); 및 여기에 기술되고 본 개시에 근거하여 명백한 다른 업계에서와 같은 다양한 업계들에서 쉽게 사용될 수 있다.

따라서, 다양한 적용예들, 변형들 및 변경들이 다음의 청구항의 범위내에서 당업자에 의하여 만들어 질 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims

센서 본체를 둘러싸는 외부 표면을 구비하는 닫힌 센서 본체;

상기 센서 본체내에서 조사선을 방출하는 상기 센서 본체내의 조사선 광원;

상기 센서 본체에 위치하여 상기 조사선 광원으로부터 진행된 조사선을 수용하고 상기 센서 본체로 조사선을 전달하는, 검체의 존재 혹은 농도에 의하여 영향을 받는 광학적 특성을 가지는 지시 요소;

상기 센서 본체에 위치하고 그 센서 본체내에 조사선을 수용하도록 위치하며, 상기 지시 요소로부터 수용한 조사선에 반응하는 신호를 방출하는 감광 요소; 및

상기 감광 요소에 의하여 수용된 몇몇의 조사선이 상기 감광 요소를 때리기 전에 상기 센서 본체내에서 내부적으로 반사되도록 구성된 상기 센서 본체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 매체내에 있는 검체의 존재 혹은 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 광학계 센서.
제 1항에 있어서, 상기 센서는 상기 센서 본체내에 포함된 전원과 상기 센서 본체내에 포함된 트랜스미터를 가지고 있어 자급식인 것을 특징으로 하는 센서.
제 2항에 있어서, 적어도 하나의 상기 전원 및 상기 트랜스미터가 외부 수단에 의하여 전력이 공급되는 것을 특징으로 하는 센서.
제 2항에 있어서, 적어도 하나의 상기 전원 및 상기 트랜스미터가 유도자를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 4항에 있어서, 상기 트랜스미터는 상기 센서 본체의 외부에 위치한 신호 픽업 장비에 의하여 검출될 수 있는 전자기적인 조사선을 발생하는 유도자를 포함하고 상기 전원은 유도자를 포함하고 상기 조사선 광원은 상기 센서 본체의 외부에서 발생되는 조사선 전자기장에 그 센서를 노출시킴으로써 조사선을 방출하게 하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 1항에 있어서, 상기 센서내의 회로도는 상기 센서의 외부의 둘레 표면을 통하여 연장되는 어떤 리드선이나 전선없이 상기 센서내에 완전히 포함되는 것을 특징으로 하는 센서.
제 1항에 있어서, 상기 조사선 광원 및 상기 감광 요소는 완전히 상기 센서 본체에 포함된 회로 기판상에 설치되는 것을 특징으로 하는 센서.
제 1항에 있어서, 상기 지시 요소는 상기 센서 본체의 표면에 인접하게 분포된 지시 분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 8항에 있어서, 상기 지시 분자들은 감지되는 검체를 투과하는 지시 막 내에 포함되는 것을 특징으로 하는 센서.
제 8항에 있어서, 상기 지시 분자들은 형광 지시 분자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 10항에 있어서, 상기 지시 분자들은 상기 지시 분자들이 노출된 검체의 농도의 함수인 형광 특성을 가지고, 상기 지시 막은 상기 조사선 광원으로부터 방출전 조사선이 상기 지시 분자들과 상호 작용하게 하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 11항에 있어서, 상기 감광 요소는 상기 지시 분자들에 의하여 방출된 형광을 감지하고, 상기 검출된 형광의 특성을 나타내는 반응신호를 제공하며 그에 따라 검체의 존재 혹은 농도를 나타내도록 구성된 것을 특징으로 하는 센서.
제 8항에 있어서, 상기 지시 분자들의 광학적 특성들은 산소의 농도의 함수로서 변하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 8항에 있어서, 상기 지시 분자들은 광흡수 지시 분자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 14항에 있어서, 상기 감광 요소는 상기 조사선 광원에 의하여 방출되고 상기 지시 분자들에 의하여 흡수되지 않는 조사선을 검출하도록 배치되고 상기 검출된 흡수되지 않은 조사선의 양을 나타내는 반응 신호를 제공하여 그에 따라 상기 검체의 존재 혹은 농도를 니타내도록 구성된 것을 특징으로 하는 센서.
제 14항에 있어서, 상기 광원에 의하여 방출되고 상기 광흡수 지시 분자들에 의하여 흡수된 파장의 조사선이 상기 감광 요소와 충돌하고, 상기 광원에 의하여 방출되고 상기 광흡수 지시 분자들에 의하여 흡수된 파장이 아닌 조사선이 상기 감광 요소와 충돌하는 것을 막는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 8항에 있어서, 상기 지시 분자들의 광학적 특성이 글루코오스의 농도의 함수로서 변하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 8항에 있어서, 상기 지시 분자들은 특정의 파장에서 실질적으로 등흡수점을 가지는 지시 분자들을 포함하고 기준 채널이 등흡수점에서 실질적으로 빛을 검출하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 8항에 있어서, 상기 지시 분자들이 소실성 여기에 의해 상기 조사선 광원에 의하여 방출되는 조사선과 상호 작용하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 8항에 있어서, 상기 지시 분자들이 표면 플라즈몬 공명 형태의 여기에 의해 상기 조사선 광원에 의하여 방출되는 조사선과 상호 작용하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 8항에 있어서, 상기 지시 분자들은 직접적인 조명에 의해 상기 조사선 광원에 의하여 방출된 조사선과 상호 작용하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 1항에 있어서, 상기 센서는 상기 센서가 동물의 체내에 배치될 수 있는 길게 늘어진, 둥근 형태인 것을 특징으로 하는 센서.
제 22항에 있어서, 상기 센서는 전장이 약 500 미크론 내지 약 0.5 인치이고 직경이 약 300 미크론 내지 약 0.3 인치인 것을 특징으로 하는 센서.
제 1항에 있어서, 상기 센서 본체의 적어도 일부분 주위에 센서/조직 계면 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 24항에 있어서, 상기 조직/센서 계면 층은 섬유층의 캡슐화 혹은 상처 조직의 형성을 지연시키는 것을 특징으로 하는 센서.
제 24항에 있어서, 상기 조직/센서 계면 층은 내부에 조직 성장을 촉진시키는 하부층을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 26항에 있어서, 상기 조직 성장은 혈관형성을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 24항에 있어서, 상기 조직/센서 계면 층이 분자량 컷오프 기능을 수행하는 분자 체의 하부 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 24항에 있어서, 상기 지시 요소는 지시 분자들을 포함하고 상기 조직/센서 계면 층은 세포나 거대분자들이 상기 지시 분자들과 접촉하는 것을 방지하는 한편 상기 검체가 상기 지시 분자들과 접촉하게 하도록 선택적으로 투과하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 24항에 있어서, 상기 조직/센서 계면 층이 생체적합성인 것을 특징으로하는 센서.
제 8항에 있어서, 상기 센서 본체는 적어도 상기 감광 요소와 상기 지시 분자들 사이의 지역을 캡슐화하는 광학적으로 투과성인 캡슐화 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 8항에 있어서, 상기 센서 본체는 적어도 상기 조사선 광원과 상기 지시 분자들 및 상기 지시 분자들과 상기 감광 요소 사이의 지역을 캡슐화하는 광학적으로 투과성인 캡슐화 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 8항에 있어서, 상기 센서 본체는 캡슐 껍질을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 8항에 있어서, 상기 지시 분자들은 상기 센서 본체의 표면에 코팅된 매트릭스 층내에 배치되고, 상기 매트릭스 층은 검체를 투과하고 상기 매트릭스 층은 조사선 광원에 의하여 방출된 조사선이 내부로 들어가게 하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 10항에 있어서, 상기 지시 분자들에 의하여 방출되고 상기 센서 본체로 통과해 들어가는 형광이 상기 감광 요소와 충돌하게 하고, 상기 광원에 의하여 방출된 조사선이 상기 감광 요소와 충돌하는 것을 실질적으로 막는 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 감직기.
제 1항에 있어서, 상기 센서 본체내에서 상기 광원에 의하여 방출된 조사선 및/또는 상기 지시 분자들에 의하여 방출된 형광의 반사를 증대시키기 위하여 상기 센서 본체의 표면의 부분위에 배치된 반사 증대 층을 더 포함하고 상기 센서 본체로 통과해 들어가는 것을 특징으로 하는 센서.
제 1항에 있어서, 상기 조사선 광원은 광방출 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 1항에 있어서, 상기 조사선 광원이 라디오루미네센트 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 8항에 있어서, 상기 지시 분자들은 상기 센서 본체의 표면상에 배치된 다른 제 1 및 제 2 지시 분자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 39항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 지시 분자들은 각각 상기 매체내의 같은 검체의 농도의 변화들에 상응하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 40항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 지시 분자들은 검체의 존재나 농도에 의하여 영향을 받는 같은 광학적 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 센서.
제 40항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 지시 분자들이 검체의 존재나 농도에 의하여 영향을 받는 다른 광학적 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 센서.
제 39항에 있어서, 상기 제 1 지시 분자들은 상기 매체내의 제 1 검체의 농도의 변화들에 상응하고, 상기 제 2 지시 분자들은 상기 매체내의 제 2 검체의 농도의 변화들에 상응하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 43항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 지시 분자들이 검체의 존재나 농도에 의하여 영향을 받는 같은 광학적 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 센서.
제 43항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 지시 분자들이 검체의 존재나 농도에 의하여 영향을 받는 다른 광학적 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 센서.
제 8항에 있어서, 상기 지시 분자들이 상기 센서 본체의 표면상에 배치된 제 1 및 제 2 지시 분자들을 포함하고, 상기 제 1 지시 분자들은 상기 제 1 지시 분자들이 노출되는 검체의 농도의 변화들에 상응하는 광학적 특성을 가지며, 상기 제 2 지시 분자들은 상기 제 2 지시 분자들이 노출되는 검체의 농도의 변화들에 상응하는 광학적 특성을 가지고;

상기 조사선 광원은 상기 제 1 지시 분자들과 그들의 검체에 상응하는 광학적 특성에 따라 상호 작용하는 조사선을 방출하는 광원 및 상기 제 2 지시 분자들과 그들의 검체에 상응하는 광학적 특성에 따라 상호 작용하는 조사선을 방출하는 광원을 포함하고; 및

상기 감광 요소는 상기 센서 본체내에 내장된 제 1 및 제 2 감광 요소를 포함하고, 상기 제 1 감광 요소는 상기 제 1 지시 분자들이 그들과 상호 작용하는 조사선과의 상호 작용의 수준을 나타내는 반응신호를 제공하고 그에 따라 상기 제 1 지시 분자들이 노출된 검체의 존재 혹은 농도를 나타내고, 상기 제 2 감광 요소는 상기 제 2 지시 분자들이 그들과 상호 작용하는 조사선과의 상호 작용의 수준을 나타내는 반응신호를 제공하며, 그에 따라 상기 제 1 지시 분자들이 노출된 검체의 존재 혹은 농도를 나타내는 것을 특징으로 하는 센서.
제 1항에 있어서, 상기 지시 분자가 검체의 존재 혹은 농도에 의하여 영향을 받는 광학적 특성이 검체를 함유하는 매체의 굴절률에 대한 상기 굴절률비율의 함수로서 및 그에 따라 상기 매체내의 상기 검체의 농도의 함수로서 변하는 상기 센서 본체를 통과해 나오는 조사선의 양을 포함하고, 상기 센서 본체를 통과하는 조사선의 적어도 일부는 상기 센서 본체를 통과하기 전에 상기 센서 본체내에서 내부적으로 반사되도록, 센서 본체의 표면에 일정한 굴절율을 가지는 상기 센서 본체의 일부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 1항에 있어서, 상기 센서 본체에 위치하고 기준 채널 표시를 제공하기 위한 검체의 존재 혹은 농도에 의하여 실질적으로 영향을 받지 않는 조사선을 수용하도록 위치한 기준 감광 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 48항에 있어서, 상기 지시 요소는 상기 센서 본체의 주변에 인접한 지시막 내에 배치된 지시 분자들을 포함하고, 상기 지시 막은 검체의 존재 혹은 농도에 의하여 영향을 받고 상기 조사선 광원으로부터 조사선을 수용하도록 위치한 지시 분자들을 함유하묘, 그리고 상기 센서 본체의 주변에 인접하게 배치되고 상기 조사선 광원으로부터 조사선을 수용하도록 위치한 기준 막을 포함하고, 상기 기준 막은 상기 검체의 존재 혹은 농도에 의하여 실질적으로 영향을 받지 않는 것을 특징으로 하는 센서.
제 49항에 있어서, 상기 지시 막은 감지되는 검체를 투과하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 49항에 있어서, 상기 기준 막은 실질적으로 상기 검체를 투과하지 않는 것을 특징으로 하는 센서.
제 49항에 있어서, 상기 기준 막이 선택 투과하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 49항에 있어서, 상기 기준 막이 상기 검체를 투과하지만, 실질적으로 상기 검체에 상응하지 않는 조절 지시 분자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 49항에 있어서, 상기 기준 막이 조절 지시 분자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 48항에 있어서, 조사선 광원으로서 적어도 두개의 LED들을 구비하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 48항에 있어서, 상기 조사선 광원이 하나의 LED인 것을 특징으로 하는 센서.
제 49항에 있어서, 상기 조사선 광원은 LED의 정상면이 일반적으로 상기 지시 및 기준 막들의 하나를 향하고 LED의 기저면은 일반적으로 상기 지시 및 기준 막들의 다른 하나를 향하고, 상기 LED는 상기 LED의 정상면과 기저면 양면을 통하여 상기 지시 및 기준 막들을 충분히 조명하는 빛을 방출하도록 설치된 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 57항에 있어서, 상기 조사선 광원과 상기 감광 요소는 실질적으로 투명한 기판상에 설치된 것을 특징으로 하는 센서.
제 1항에 있어서, 상기 조사선 광원은 빛이 LED의 정상면과 기저면으로부터 방출되도록 설치된 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 59항에 있어서, 상기 센서 본체의 주변으로 연장되는 일반적으로 삼각형의 단면을 가지고 상기 LED로부터 방출된 빛을 굴절하도록 위치한 광학적 굴절기을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 59항에 있어서, 상기 LED는 그 LED의 기저면으로부터 방출된 조사선이 통과하는 구멍 혹은 창을 구비하는 회로 판에 설치된 것을 특징으로 하는 센서.
제 1항에 있어서, 상기 감광 요소 및 상기 조사선 광원은 실질적으로 광학적으로 투명한 기판상에 설치된 것을 특징으로 하는 센서.
제 62항에 있어서, 상기 감광 요소는 그것의 정상면과 기저면에 부딪히는 조사선, 상기 실질적으로 광학적으로 투명한 기판을 통과하여 상기 기저면에 부딪히는 조사선을 검출하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 48항에 있어서, 상기 감광 요소, 상기 기준 감광 요소, 및 상기 조사선 광원은 실질적으로 광학적으로 투명한 기판상에 설치되는 것을 특징으로 하는 센서.
제 64항에 있어서, 상기 감광 요소는 그것의 정상면과 기저면에 부딪히는 조사선, 상기 실질적으로 광학적으로 투명한 기판을 통과하여 상기 기저면에 부딪히는 조사선을 검출하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 1항에 있어서, 상기 센서 본체내부에 히터를 포함하고 상기 히터는 상기 센서의 주변상에 응축을 제한하도록 구성된 것을 특징으로 하는 센서.
제 66항에 있어서, 상기 센서는 약 100 밀리초 이하의 센서 반응 시간을 제공하도록 변경된 것을 특징으로 하는 센서.
제 67항에 있어서, 상기 센서 반응 시간이 약 60 밀리초 이하인 것을 특징으로 하는 센서.
제 67항에 있어서, 상기 검체가 산소인 것을 특징으로 하는 센서.
제 1항에 있어서, 상기 센서는 약 100 밀리초 이하의 센서 반응 시간을 제공하도록 변경된 것을 특징으로 하는 센서.
제 49항에 있어서, 적어도 하나의 상기 막들은 졸-겔 혹은 오르모실 무기성 폴리머 지지 매트릭스로 제조된 것을 특징으로 하는 센서.
제 49항에 있어서, 상기 센서 본체는 상기 지시 막 및 상기 기준 막 중 적어도 하나를 함유하는 주변의 슬리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 8항에 있어서, 상기 센서 본체는 상기 지시 분자들을 함유하는 주변의 슬리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
제 73항에 있어서, 상기 슬리브는 상기 지시 및 기준 막들이 제거되고 교체될 수 있도록 제거 가능한 것을 특징으로 하는 센서.
제 73항에 있어서, 상기 슬리브는 엘리스토머 물질로 제조된 것을 특징으로 하는 센서.
매체내의 검체의 존재 혹은 농도를 측정하는 광학계 센서로서, 상기 매체는 상기 매체내의 상기 검체의 농도의 함수로서 변하는 제 1 굴절율을 가지고, 상기 센서는:

제 2 굴절율과 표면을 가지고, 광학적 도파관으로 기능하는 광학적으로 투과성 센서 본체;

조사선 광원이 조사선 광원에 의하여 방출된 조사선이 상기 센서 본체내에서 진행하도록 상기 센서 본체내에 내장되어 있는, 조사선을 방출하는 조사선 광원;

상기 조사선 광원에 의하여 방출된 조사선에 상응하고, 상기 센서 본체내에 내장되어 있는 감광 요소를 포함하고,

상기 광원에 의하여 방출된 조사선의 양은 상기 센서 본체를 통과하고,상기센서 본체를 통과하는 조사선 양은 상기 제 1 및 제 2 굴절율의 비율의 함수 및 따라서 상기 매체내의 상기 검체의 농도의 함수로서 변하고, 상기 센서 본체를 통과하는 조사선의 적어도 일부는 상기 센서를 통과하기 전에 상기 센서 본체내에서 내부적으로 반사되는 것을 특징으로 하고; 및

상기 센서 본체를 통과하지 않는 조사선은 상기 감광 요소에 의하여 검출되고, 상기 감광 요소에 의하여 검출된 존재하지 않는 조사선의 일부는 상기 감광 요소와 충돌하기 전에 상기 센서 내에서 내부적으로 반사되는 것을 특징으로 하는 광학계 센서.