(57)【要約】【課題】液体の化学的含有物または生物学的含有物を検出するセンサを提供する。【解決手段】液体サンプルの含有物を検出するためのセンサアレイは、駆動信号のための接続部（１４，１５）を有する第１電極および第２電極（１０，１１）を備える。第１電極（１０）は、第１物質の層によって被覆され、該第１物質は、そこを通過する電荷またはそこの電位に応じて変化する光学的特性を有している。センサ部位は、駆動信号を受けてそこを通過する電荷またはそこの電位が液体サンプルの組成に応じて変化するように第２物質の島状部（１２）によって形成される。【選択図】図３
2010185872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つのサンプルの少なくとも１つの被分析物を検知する、少なくとも１つのセンサ部位を備えるセンサであって、
上記少なくとも１つのセンサ部位は、少なくとも１つの第１電極と少なくとも１つの第２電極（１１、３５、３８、４０、４４、４５、５３、５７、６４、６９、７３、７７、８２）との間に配置された第１物質および第２物質を備え、上記少なくとも１つの第１電極および上記少なくとも１つの第２電極は、電流を受け取るように構成されており、
上記第２物質（１２、３６、３９、４１、６５、７０、７４、７８、８２）は、上記サンプルと接触し、受け取った上記電流に応じて、上記サンプル中の上記被分析物の存在または量に従って、上記第２物質を通過する電荷または上記第２物質の電位を変化させるように構成されており、
上記第１物質（４７、４８、８１）は、上記第１物質を通過する電荷または上記第１物質の電位の関数で示される光学特性を有することを特徴とするセンサ。
【請求項２】
上記第１物質および上記第２物質は、上記第１電極および上記第２電極の間において、電気的に直列であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
上記第１電極および上記第２電極の少なくとも１つは透明であることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】
上記第１電極および上記第２電極は、無線電気受信機に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項５】
上記無線受信機は、電源に対して電磁結合するためのコイル（６２，６６）を備えていることを特徴とする請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
上記サンプルは、液体サンプルであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項７】
複数のセンサ部位を備えていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項８】
上記複数のセンサ部位は、上記サンプル中の複数の異なる被分析物に対して感度を有することを特徴とする請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
上記少なくとも１つの第１電極は、複数の上記第１電極を備えており、上記第１電極の少なくともいくつかは、互いに接続されていることを特徴とする請求項７または８に記載のセンサ。
【請求項１０】
上記第１電極の少なくともいくつかは、共通のパターニングされていない電極の部分を備えていることを特徴とする請求項９に記載のセンサ。
【請求項１１】
上記第１物質および上記第２物質の一方は、上記共通のパターニングされていない電極上に形成されている層を備えていることを特徴とする請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
上記第１物質および上記第２物質の他方は、上記第１物質および上記第２物質の一方の上に、上記複数のセンサ部位を形成する島状部として形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のセンサ。
【請求項１３】
上記第１電極および上記第２電極（５２、５３）は、上記少なくとも１つのセンサ部位において、互いに入り込んでいることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１４】
上記第１電極および上記第２電極はそれぞれ、上記第１物質および上記第２物質によって被覆されていることを特徴とする請求項１３に記載のセンサ。
【請求項１５】
上記第１電極および上記第２電極は、上記サンプルが上記第２物質に対して接近できるよう隔てて設けられていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１６】
上記第１電極および上記第２電極の少なくとも１つは、上記サンプルが通過する複数の穴（７１）を有することを特徴とする請求項１５に記載のセンサ。
【請求項１７】
上記被分析物それぞれが拡散するように、上記第１電極と上記第２電極との間に配置されるゲルまたは固体（７５）を備えていることを特徴とする請求項１５または１６に記載のセンサ。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれか１項に記載のセンサと、光学特性の値を読み取る光学式読み取り装置との組み合わせ。
【請求項１９】
上記光学式読み取り装置は、上記第１物質に光学放射を照射する放射源（２８）と、上記光学特性の値を検出する検出器（２７）とを備えていることを特徴とする請求項１８に記載の組み合わせ。
【請求項２０】
上記光学放射は、赤外線放射、可視光放射、および紫外線放射の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１９に記載の組み合わせ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンプルの被分析物（検体）を検知するセンサに関する。このようなセンサは、液体の化学的含有物または生物学的含有物を検出するために用いられる。液体の化学的含有物または生物学的含有物を知ることは、健康管理、産業用プロセス制御、および環境モニタリングなどの分野において重要である。このようなセンサは、単一の液体中に含まれる多くの異なる被分析物を独立して測定することが可能な単一のセンサアレイを備えていても良い。本発明はまた、このようなセンサと光学式読み取り装置との組み合わせにも関する。
【背景技術】
【０００２】
センサアレイはしばしば、液体の生物学的含有物または化学的含有物を判定するために用いられる。例えば、特定の配列における多くの異なるＤＮＡ鎖を独立して検出するために設計された多くのアレイが存在し、例えばナノゲン（Ｎａｎｏｇｅｎ）社のナノチップ（Ｎａｎｏｃｈｉｐ（登録商標））およびアフィメトリックス（Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ）社のジェネチップ（Ｇｅｎｅｃｈｉｐ（登録商標））がある。また、多くの異なるタンパク質分子を検出するために設計された、例えば、インビトロジェン（ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）社のプロトアレイ（ＰｒｏｔｏＡｒｒａｙ（登録商標））およびシグマアルドリッチ（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ）社のパノラマ（Ｐａｎｏｒａｍａ（登録商標））のようなアレイ、または血液における異なる成分を検出するために設計された、例えばアボット（Ａｂｂｏｔｔ）社のＩ-スタットチップ（Ｉ-Ｓｔａｔ（登録商標）  ｃｈｉｐ）のようなアレイも存在する。
【０００３】
特定の被分析物の存在を検出するために、センサに用いられる多くの異なる方法が存在する。特に、所定の被分析物は、被分析物を含む該液体と接触する電極の電気的特性の変化によって検出されてもよい。被分析物を検出するために利用され得る広範な異なる電気的方法が存在する。これらは、被分析物に伴う電気化学反応による電荷の取り込みまたは放出を監視することを含む。これらはまた、感作電極における小さな信号電気特性の変化、例えば電気インピーダンスの変化を、電極と被分析物とが相互作用するときに監視することを含む。
【０００４】
センサアレイは多くの検知のためのピクセル（ｐｉｘｃｅｌ）からなっていてもよく、５〜１０，０００個のピクセルのアレイがこの分野では知られている。一例を、添付の図面の図１に示す。センサアレイ１はセンサチップの形状でガラス、プラスティック、または他の物質の一片の上に形成される。電気的検知を行うために、各センサピクセルにおいて流れる電流は個別に測定されなければならない。この測定は、典型的には、センサアレイとは分離した読み取り装置２によって行われる。したがって、センサチップ自体は、読み取り装置を各ピクセルに電気的に接続することを可能にする複数の電気的相互接続部３を有しなければならない。同様のシステムは、例えばＵＳ５８３７４５４（１９９８年１１月１７日公開）、ＵＳ５８７１９１８（１９９９年２月１６日公開）、ＵＳ６０１７６９６（２０００年１月２５日公開）、およびＵＳ７１７２８９７（２００６年７月２０日公開）に記載されている。
【０００５】
図１に示すチップは、安価で使い捨て可能なセンサチップを必要とする大量市場での有用性を制限する多くの問題を有する。これらの問題は、チップが多くのオフチップ電気的相互接続部を有するという事実に由来する。
【０００６】
読み取り装置２内において、各電気相互接続部３と電極４との間に電気的接続が形成される必要がある。電気相互接続部はサイズが小さい傾向があり、接続上の機械的不良、または、全ての電気的接続を行うように正しくチップを揃えることができないという重大な虞がある。チップを揃えることが難しいため、熟練した技師が要求され、装置の一般的な使用が妨げられる。
【０００７】
多くの相互接続部は、材料、パターニング、および機械設備のコストのために、チップの製造コストを増加させる。相互接続部はまた、金メッキを必要とすることがある。高まる製造の複雑さはまた、収率を低下させることもある。さらに、多くの相互接続部は、より多くのチップ領域を必要とし、さらにコストを増加する。
【０００８】
信号電流が流れる電気相互接続部はまた、電気的短絡によってトラブルとなる傾向がある。これにより、液体残渣が隣接する相互接続線の間において、部分的に通電するブリッジを形成することがある。チップと読み取り装置とは、電気的接続を行うために密接して配置される必要があり、これにより、液体から読み取り装置への有害な汚染を拡大し、特に血液等の生物学的液体を用いる場合に汚染を拡大してしまうリスクがある。
【０００９】
複数の電気相互接続部の問題を幾通りか述べてきた。１つのアプローチとして、添付の図面の図２に開示するように、行および列電極の相互接続部に「ピクセル」を形成することが挙げられる。ピクセル５は、行電極６と列電極７との間の相互接続部に形成される。各行電極は、オフチップ相互接続部８を有し、各列電極はオフチップ相互接続部９を有する。このようにして、ｎ個のピクセルに対して相互接続部の数を２√ｎまで減少することができる。このアプローチは、例えばＵＳ５８４６７０８（１９９８年１２月８日公開）に記載されている。しかしながら、１００個のピクセルの小幅なサイズのアレイでさえ、このアプローチでは２０個のオフチップ相互接続部を必要とする。
【００１０】
電気相互接続部の数を減らすための他のアプローチとしては、電気的な多重化回路をセンサチップ自体に追加することが挙げられる。このような処理は、例えばＵＳ５８４６７０８、ＵＳ５８９１６３０（１９９９年４月６日公開）、ＵＳ７１５０９９７（２００５年７月２１日公開）、ＵＳ７１７２８９７に記載されている。これらのアプローチでは、各多重化回路は少数のオフチップ相互接続部を有し、より多くのピクセルの電気的測定を可能にする。多重化回路の使用によって、必要とされるオフチップ相互接続部の数を少量に抑えることができ、チップを揃える確実性および困難性を緩和する。しかしながら、電気的回路の集積、従来のＣＭＯＳタイプまたはポリシリコンの薄層の使用によって、各チップのコストおよび複雑さは大きく増加する。
【００１１】
これらのことから、大量市場における安価で使い捨て可能なセンサアレイチップを製造するために、オフチップ相互接続部の数を減らす低コストの方法に対する必要性が依然としてある。
【発明の概要】
【００１２】
本発明の第１側面によると、１つのサンプルの少なくとも１つの被分析物を検知する、少なくとも１つのセンサ部位を備えるセンサであって、上記少なくとも１つのセンサ部位は、少なくとも１つの第１電極と少なくとも１つの第２電極との間に配置された第１物質および第２物質を備え、上記少なくとも１つの第１電極および上記少なくとも１つの第２電極は、電流を受け取るように構成されており、上記第２物質は、上記サンプルと接触し、受け取った上記電流に応じて、上記サンプル中の上記被分析物の存在または量に従って、上記第２物質を通過する電荷または上記第２物質の電位を変化させるように構成されており、上記第１物質は、上記第１物質を通過する電荷または上記第１物質の電位の関数で示される光学特性を有する。
【００１３】
上記第１物質および上記第２物質は、上記第１電極および上記第２電極の間において、電気的に直列であってもよい。
【００１４】
上記第１電極および上記第２電極の少なくとも１つは透明であってもよい。
【００１５】
上記第１電極および上記第２電極は、無線電気受信機に接続されていてもよい。上記無線受信機は、電源に対して電磁結合するためのコイルを備えてもよい。
【００１６】
上記サンプルは、液体サンプルであってもよい。
【００１７】
上記センサは、複数のセンサ部位を備えてもよい。上記複数のセンサ部位は、上記サンプル中の複数の異なる被分析物に対して感度を有してもよい。上記第１電極の少なくともいくつかは、互いに接続されていてもよい。上記第１電極の少なくともいくつかは、共通のパターニングされていない電極の部分を有してもよい。
【００１８】
上記第１物質および上記第２物質の一方は、上記共通のパターニングされていない電極上に形成されている層を備えていてもよい。上記第１物質および上記第２物質の他方は、上記第１物質および上記第２物質の一方の上に、上記複数のセンサ部位を形成する島状部として形成されてもよい。
【００１９】
上記第１電極および上記第２電極（５２、５３）は、上記少なくとも１つのセンサ部位において、互いに入り込んでいてもよい。上記第１電極および上記第２電極はそれぞれ、上記第１物質および上記第２物質によって被覆されてもよい。
【００２０】
上記第１電極および上記第２電極は、上記サンプルが上記第２物質に対して接近できるよう隔てて設けられていてもよい。上記第１電極および上記第２電極の少なくとも１つは、上記サンプルが通過する複数の穴を有してもよい。上記センサは、上記被分析物それぞれが拡散するように、上記第１電極と上記第２電極との間に配置されるゲルまたは固体を備えてもよい。
【００２１】
本発明の第２側面によると、上記第１側面に記載のセンサと、光学特性の値を読み取る光学式読み取り装置との組み合わせが提供される。
【００２２】
上記光学式読み取り装置は、上記光学式読み取り装置は、上記第１物質に光学放射を照射する放射源と、上記光学特性の値を検出する検出器とを備えてもよい。上記光学放射は、赤外線放射、可視光放射、および紫外線放射の少なくとも１つであってもよい。
【００２３】
これにより、１つ以上のセンサ部位を有するセンサアレイを提供することができる。一実施形態において、各センサ部位は、共通液体サンプルと接触する少なくとも２つの電極を有している。第１電極は、通過する電荷またはそこの電位に応じて光学特性を変化させる第１物質の層によって被覆される。第１電極または第２電極は、通過する電荷またはそこの電位が、印加された駆動信号に対して、液体サンプルの組成に応じて変化するように生物学的にまたは化学的に感度を有する第２物質の層によって被覆される。
【００２４】
第１物質および第２物質は、電極によって形成される同じ電気的回路内にあるため、第１物質を通過する電荷または第１物質の電位は、第２物質の電気的特性によって影響され、上記電気的特性は液体の含有物によって影響される。第１物質の光学特性は、第１物質を通過する電荷または第１物質の電位に依存するので、第１物質の光学特性は、液体の含有物を示す。
【００２５】
アレイにおける各センサ部位の第１物質の光学特性は、光学的に測定されてもよい。この測定から、各部位におけるセンサ反応が確認される。このようにして、液体の含有物についての情報を推測することができる。
【００２６】
電気的駆動信号は、センサアレイが機能するように、センサアレイに印加される。必要に応じて、各センサ部位からの各第１電極は、他の第１電極と互いに接続されてもよい。このように、駆動信号は、アレイ内において単一の相互接続部を介して全ての第１電極に同時に印加される。さらに、各センサ部位からの各第２電極は、他の第２電極に互いに接続されてもよい。このように、装置内において全ての電極を駆動するために必要とされる相互接続部の数は、２つほどにまで減らしてもよい。これによって、第１電極と第２電極との間の物質が１つのセンサ部位と次のセンサ部位とにおいて異なった動きをするのを妨げず、液体を通して、または、第１物質および第２物質層を通して電気的結合を与えることを完全には達成できない。これは、センサ部位の物理的分離という形によって、または、特に単純な実施としては、電極間のギャプをセンサ部位におけるサイズおよび／または間隔と相対して十分に小さくすることによって達成し得る。このような構成に対する限定的なケースとしては、各電極が相互接続部と組み合わさり、２つの対向する導電性物質の均一なシートを形成し、それぞれのセンサ部位は、第２物質の変化する組成の差別堆積によって形成される。
【００２７】
駆動信号は、無線によってセンサアレイに送られてもよい。
【００２８】
第１物質は、第１物質を通過する電荷、または、第１物質の電位の指標のみとして機能するかわりに、液体サンプルの組成に対する特定の化学的または生物学的な反応を有することを求められていない。第１物質はまた、第２物質と直接接触することを求められていない。
【００２９】
第１物質もしくは第２物質、またはその両方は、それらが被分析物含有液体と接触するのであれば、電極の一部に埋め込まれる、または電極の一部を有してもよい。
【００３０】
これによって、通過する電荷またはそこの電位の変化に応じて光学特性を変化する物質が、センサアレイにおける各部位に追加される技術を提供することができる。各センサ部位の電気的反応はこれによって光信号に変換される。各部位における光信号は、光学的に読み取ることができる。
【００３１】
アレイが光学的に読み取られるため、各部位における電気的信号の測定は必要ない。これにより、従来技術で述べたように、複数のオフチップ内部連絡電極を有する必要性が取り除かれる。相互接続部の数は、最小限の２まで減少し、それらは電気出力を供給する。内部連絡の大部分を取り除くと、機械的信頼性が向上し、製造をよりコストのかからないものにし、収率を上げ、熟練していない人員によってセンサアレイを扱うことが可能となる。さらに、従来技術で分かるように、相互接続部の減少を達成するために、オンチップ多重化回路を用いる必要がない。オンチップ多重化回路を取り除くことは、製造をよりコストのかからないものにし、収率を増加する。
【００３２】
センサアレイの光学的読み取りを達成するコストのかからない方法を提供することができる。これにより、安価で使い捨て可能な、一般使用に適したセンサアレイチップの製造が可能になる。このようなチップは、大量市場において有利である。
【００３３】
電気的駆動信号は、個々の装置からセンサチップへ送られる。本発明の実施形態において、駆動信号は、センサチップと装置とが密接に接触している必要がないように無線で送られる。これは、例えば血液による何らかの汚染物質がセンサチップから装置にわたることがないので有効である。
【００３４】
本発明の追加の目的、特徴、および長所は、以下の説明で明らかになるであろう。また、本発明の有効性は、図面を参照して以下の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来技術のセンサチップおよび読み取り装置の模式図である。
【図２】従来技術の行および列対応センサチップの模式図である。
【図３】第１物質によって被覆されるパターニングされない電極と、第２物質の島状部を有するパターニングされない電極とを有するセンサの設計を示す図である。
【図４】液体中の被分析物を電気的に検出するために、インピーダンス分光法を用いるセンサ部位の、単純化した等価回路図である。
【図５】液体中の被分析物を電気的に検出するために、電気化学反応を用いるセンサ部位の、単純化した等価回路図である。
【図６】送信または蛍光発光におけるセンサチップを撮像するための光形状を示す図である。
【図７】反射または蛍光発光におけるセンサチップを撮像するための光形状を示す図である。
【図８】画像センサが、画像の分析も行う演算装置によってどのように制御され得るかを示す図である。
【図９】２つのパターニングされない電極を有し、そのうちの１つは第１物質によって被覆され、上面に堆積した第２物質の島状部を有するセンサチップの設計を示す図である。
【図１０】２つのパターニングされない電極を有し、そのうちの１つまたは両方は、第１物質によって被覆され、１つまたは両方は、上面に堆積する第２物質の島状部を有するセンサチップの設計を示す図である。
【図１１】上面に堆積する第２物質を有する１つの電極と、第１物質によって被覆される複数の電極とを有するセンサチップの設計を示す図である。
【図１２】ピクセルを区切るためにパターニングされる１つまたは両方の電極を有するセンサチップの設計を示す図である。
【図１３】パターニングされた両方の電極を有し、そのうちの１つの電極は第１物質の複数組成によって被覆されるピクセルを有するセンサチップの設計を示す。
【図１４】互いに入り込んでいる電極を有するピクセルを形成するためにパターニングされる１つの電極を有するセンサチップの設計を示す図である。
【図１５】それぞれが１つ以上のピクセルに接続される複数オフチップ相互接続部を有するセンサチップの設計を示す図である。
【図１６】駆動信号の無線受信のためのアンテナを有するセンサチップの設計を示す図である。
【図１７】２つの電極からなり、そのうちの１つはワイヤによって他の電極と接続される無線受信用アンテナを有するセンサチップの設計を示す図である。
【図１８】多孔性電極を有するセンサチップの設計を示す図である。
【図１９】電解質含有ゲルで満たされたセンサチップの設計を示す図である。
【図２０】フローセルに配備するためのセンサチップの設計を示す図である。
【図２１】実施例１で用いられるセンサピクセルの設計を示す図である。
【図２２】銀の表面を有する電極に対する独自の化学結合の模式図である。
【図２３】化学物質と化学的に感度を有する第２物質との間の反応の進行が、第１物質に光を透過させることによって監視できることを示す図である。
【図２４】第１物質の光透過率の成分が、センサピクセルの抵抗に対応することを示す図である。
【図２５】第１物質の光透過率の成分が、センサピクセルの電気容量に対応することを示す図である。
【００３６】
「パターニングされない電極」という用語は、絶縁領域が形成されない、平坦で連続した導電体のシートを意味する。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
〔実施形態１〕
図３は、本発明の第１実施形態を構成するセンサアレイチップの構造を示す。電極１０および電極１１は、導電物質の連続した小片である。電極１０および電極１１の少なくとも１つは透明である。適切な電極材料としては、金属、導電性金属酸化物、合金、半導体、および当該分野で知られる他の物質が含まれる。適切な透明電極材料としては、インジウム酸化錫（ＩＴＯ）、他の導電性金属酸化物、および当該分野で知られる他の物質が含まれる。
【００３８】
電極１０は、第１物質を通過する電荷または第１物質の電位に応じて変化する光学特性を有する第１物質の層によって被覆される。第１物質は、好ましくは、エレクトロクロミックとして知られる物質であり、導電性ポリマー、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、遷移金属酸化物、有機金属錯体、および当該分野で知られる他のエレクトロクロミック物質が含まれる。しかしながら、電荷フローまたは電位に対して光学特性の変化を示すどのような物質でも適している。第１物質は、スピンコーティング、電気重合、ドロップキャスティング、スクリーンプリンティング、スタンピング、蒸着、または当該分野で知られる適切な堆積方法によって堆積し得る。
【００３９】
第２物質は電極１１上に堆積して複数の島状部１２を形成し、センサ部位を形成する。各第２物質は、液体サンプルの組成に応じて、印加される駆動信号に対して、第２物質を通過する電荷または第２物質の電位が変化するように、生物学的に、または化学的に感度を有する。各島状部は、異なる被分析物に対するセンサ部位のアレイを形成するために、異なる第２物質を有してもよい。第２物質は、被分析物含有液体の任意の組成と関連する任意の物質を有してもよい。このような物質としては、金属に限定されないが、半導体、絶縁体、複合材料、あるいは、生物細胞のような化学的または生物学的物質または系（system）が含まれる。複合材料としては、レドックス媒介物質化合物が含まれるものが挙げられる。複合材料はまた、電場応答性高分子（ＥＡＰ）または高分子電解質を含んだ、ゾルゲル法のマトリックスまたはポリマーに分散あるいは結合される化学系を含み得る。第２物質の堆積は、ドロップキャスティング、スクリーンプリンティング、インクジェットプリンティング、電解析出、スタンピング、マスク蒸着、または当該分野で知られる他の適切な堆積方法によって達成され得る。
【００４０】
各電極は共通の連続したパターニングの施されていない導電体であるため、個別センサ部位は、電極１１の一部の上に堆積された複数の第２物質の島状部１２の存在によって形成される。各センサ部位が隣接する部分とは独立して作動するために、電極間の分離部分１３は、島状部１２のサイズおよび／または間隔に対して十分小さい必要がある。
【００４１】
２つの電極は、不活性プラスティックのスペーサーによって、フレームに堅く支持されることによって、または他の任意の方法によって、一定の距離を有して分離した状態で支持される。分析される被分析物含有液体は、電極の間に導入される。液体は、注入、ポンピング、拡散、毛管充填、または他の方法によってセルに充填される。
【００４２】
相互接続部１４および相互接続部１５は、電気的駆動信号を印加する読み取り装置に接続される。相互接続部１４および相互接続部１５は、センサチップの端部における任意の部分に配置されてもよく、どのようなサイズであってもよい。駆動信号は、固定的な、単一の配列または周期的な波形を有することが好ましい。当該分野で知られる広範囲な電気的および電気化学的検知技術におけるいずれの技術を、各センサ部位における被分析物を検出するために用いてもよい。特に適切な技術としては、インピーダンス分光法、クロノアンペロメトリー、周期的ボルタンメトリー、リニアスイープボルタンメトリー、ＡＣボルタンメトリー、およびテンサメトリーが含まれる。
【００４３】
図４に、各センサ部位に対する単純化された等価回路を、インピーダンス分光法が被分析物と第２物質との間の反応を監視するために用いられる例を示す。インピーダンス１６は、電極１０のインピーダンス（Ｚ電極）を示す。抵抗１７は、第１物質の抵抗（Ｒ第１物質）を示す。抵抗１８は、液体の抵抗（Ｒ液体）を示す。インピーダンス１９は、第２物質の島状部１２によって覆われた電極１１の一部のインピーダンス（Ｚ電極）を示す。駆動信号２０が印加される。第２物質１２および液体の被分析物の間に発生する反応は、インピーダンス１９を変化させる。インピーダンス１９が変化するにつれて、第１物質抵抗１７を通過する電荷、またはそこを横切る電圧はこれにより変化する。これにより、第２物質１２と液体の被分析物との間の反応が発生するとき、第１物質からの光信号が変化する。
【００４４】
図５に、各センサ部位に対する単純化された等価回路を、被分析物と第２物質との間の電気化学的反応によって電流が生成される例を示す。インピーダンス２１は、電極１０のインピーダンス（Ｚ電極）を示す。抵抗２２は、第１物質の抵抗（Ｒ第１物質）を示す。抵抗２３は、液体の抵抗（Ｒ液体）を示す。電流源２４は、第２物質と液体の被分析物との間に発生する（インピーダンスＺ第２物質と等価である）電気化学的反応による電流を示す。インピーダンス２５は、電極１１のインピーダンス（Ｚ電極）を示す。駆動信号２６が印加される。第１物質抵抗２２を通過する電荷、またはそれを横切る電圧は、電気化学的反応２４による電流が変化するときに変化する。このため、第１物質からの光信号は変化する。
【００４５】
電荷フロー、または第一物質にわたって印加される電位に対して変化する第１物質の光学特性は、透過、反射、または蛍光であることが好ましい。これは、透過または反射の絶対値における変化、または蛍光の絶対強度における変化、または特性のスペクトル形態における変化であり得る。電荷フローまたは印加電位に対して変化し得る他の光学特性としては、拡散、分極した光の回転、第２および第３高調波の発生、および当該分野で知られる特性が挙げられる。
【００４６】
図６に、透明電極に適したセンサチップを撮像する（interrogating）、１つの考えうる透過光形状を示す。画像センサ２７は、光学式読み取り装置の一部を形成し、ＣＣＤ（電荷結合装置）、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）撮像器、フォトダイオードアレイ、またはセンサアレイから発する光の強度を測定できる同様の撮像装置を有する。画像センサ２７は、センサアレイを適切なサイズの検出器上において撮像するように一連のレンズを有してもよい。画像センサ２７は、顕微鏡を有してもよい。画像センサ２７は、アレイから発する光のスペクトル分解を行うためにフィルタまたは格子を有してもよい。
【００４７】
光学式読み取り装置はまた、好ましい実施形態において、適切な強度の光と、第１物質の透過スペクトルによって可変的に減衰され得る、または第１物質の蛍光を励起し得るスペクトルを生成する光源２８を有する。光源２８は、ＬＥＤ（発光ダイオード）またはＬＥＤアレイ、ランプ、レーザー、または上記アレイを点灯する他の適切な光源および適切な光学を有してもよい。光源２８は、赤外線放射、可視光放射、および紫外線放射の少なくとも１つを含む光学放射の放射源を構成する。
【００４８】
図７は、センサチップを撮像する（interrogating）、１つの考えうる反射光形状を示す。正面電極２９は透明で、後部電極３０は反射型である。各電極は第１物質で覆われていてもよい。光源２８からの光は、第１物質の反射スペクトルによって減衰される、または、光が第１物質の蛍光を励起する。画像センサ２７は、センサアレイの画像を記録する。光形状は、ここで示される２つに限定されず、他の適切な光形状を用いてもよい。
【００４９】
光源２８もしくは画像センサ２７、またはその両方はスキャニング装置であってもよく、任意の時にアレイの一部のみを点灯および撮像してもよい。
【００５０】
図８は、外部読み取り装置の一部を形成する画像センサ３１を示す。画像センサは演算装置３２によって制御されてもよい。演算装置は、画像センサに、センサアレイの１つ以上の画像を記録するように命令する。上記画像は映像の形態をとってもよい。そして、演算装置はアレイの画像を分析し、各ピクセルにおけるセンサ反応３３を演算する。そして、必要に応じて液体の組成を判定するためにこの情報がさらに用いられる。
〔実施形態２〕
図９は、センサチップの構成を示す。電極３４は、第１物質または第２物質によって被覆されない。電極３５は、第１物質の層によって被覆される。電極３５上の第１物質の層の上面には、第２物質の島状部３６が複数堆積され、センサ部位を形成している。図４および図５の等価回路から、任意のセンサ部位における第２物質の位置は、センサ部位の機能を変化させないことが明らかである。
〔実施形態３〕
図１０は、センサチップの構成を示す。電極３７および電極３８の少なくとも１つは、第１物質によって被覆されている。電極３７および電極３８の少なくとも１つは、センサ部位を形成するために堆積された第２物質の島状部３９を複数有する。図４および図５の等価回路から、任意のセンサ部位における第１物質または第２物質の位置は、センサ部位の機能を変化させないことは明らかである。
〔実施形態４〕
図１１は、センサチップの構成を示す。電極４０は、導電性物質の一片を備え、センサ部位を形成するために堆積された第２物質の島状部４１を複数有する。電極４２は２つ以上の分離した電極を有する。電極４２は第１物質によって被覆される。各電極４２の上の第１物質層の正確な組成は異なってもよい。
【００５１】
代わりとして、電極４０は第１物質によって被覆されてもよく、電極４２はそれらの上に堆積した第２物質の島状部を有してもよい。
【００５２】
代わりとして、第２物質の島状部は、電極の上面に堆積されてもよく、電極は上記代わりの構成のいずれかにおける第１物質を有する。
〔実施形態５〕
図１２は、センサチップの構成を示す。電極４３はパターニングされず、第１物質によって被覆される。電極４４は、センサ部位を区切るように、フォトリソグラフィー、マスク蒸着、スクリーンプリンティング、または他の技術を用いてパターニングされ、第２物質は、電極４４上で区切られたセンサ部位において堆積する。
【００５３】
代わりとして、第１物質を有する電極４３はまた、ピクセルを区切るためにパターニングされる。
〔実施形態６〕
図１３は、センサチップの構成を示す。電極４５は、センサ部位を区切るためにパターニングされ、第２物質は、区切られたセンサ部位において堆積する。電極４６は、センサ部位を区切るためにパターニングされる。２つ以上の異なる第１物質は、異なるセンサ部位上において被覆される（例えば４７および４８）。
〔実施形態７〕
図１４は、センサチップの構成を示す。プレート４９は、ガラス、プラスティック、または同様の物質からなるプレートを有する。電極５０は、センサ部位を区切るためにパターニングされる。各センサ部位５１は互いに入り込んでいる電極を有するのが好ましい。各センサ部位において、１つの電極（例えば５２）は第１物質によって被覆される。もう一方の電極（例えば５３）は、その上に堆積した第２物質を有する。この場合の第１電極はまた、第１物質上に堆積した第２物質を有してもよい。
【００５４】
第１物質５２を有する電極は互いに接続され、オフチップコンタクト５４に接続される。第２物質５３を有する電極は互いに接続され、オフチップコンタクト５５に接続される。
【００５５】
プレート４９および電極５０は、不活性プラスティックのスペーサーによって、フレームに堅く支持されることによって、または他の任意の方法によって、一定の距離を有して分離した状態で支持されてもよい。分析される被分析物含有液体は、電極とプレートとの間に導入される。
【００５６】
代わりに、プレート４９は省略されてもよく、センサチップは電極５０のみを有してもよい。被分析物含有液体はチップ上に垂らしてもよく、チップを液体に浸してもよく、または、液体とチップとを接触させるための他の方法を用いてもよい。
〔実施形態８〕
図１５は、センサチップの構成を示す。電極５６は第１物質によって被覆される。電極５７は、センサ部位を区切るためにパターニングされている。そして、第２物質はセンサ部位の上に堆積する。電極５７の上のセンサ部位は複数のオフチップ相互接続部５８に接続される。各部位はその相互接続部を有してもよく、または、複数部位は同じ相互接続部に接続されてもよい。上記複数相互接続部によって、異なるセンサ部位において異なる駆動信号を用いることができる。
【００５７】
代わりとして、第１物質を有する電極５６はまた、パターニングされ、１つ以上のオフチップ相互接続部を有してもよい。
〔実施形態９〕
図１６は、センサチップの構成を示す。プレート５９は、ガラス、プラスティック、または同様の材料からなるプレートを有する。電極６０は、センサ部位を区切るためにパターニングされる。各センサ部位６１は、互いに入り込んでいる電極を有することが好ましい。各センサ部位において、１つの電極が第１物質によって被覆される。もう一方の電極は、その上に堆積した第２物質を有する。この場合の第１電極はまた、第１物質上に堆積した第２物質を有してもよい。
【００５８】
電極６０は、オフチップ電気相互接続部を有しない。その代わり、空中線またはアンテナ６２が、例えば電磁結合のためのコイルの形態を有し、チップにパターニングされ、または取り付けられる。上記空中線は駆動信号および入力電圧を外部装置から無線手段によって受信する。上記チップは上記外部装置に電磁結合されることが好ましい。
〔実施形態１０〕
図１７は、センサチップの構成を示す。電極６３は第１物質によって被覆される。電極６４は、その上に堆積された第２物質の島状部６５を複数有する。電極６４はオフチップ電気相互接続部を有さない。空中線６６は、駆動信号および入力電圧を外部装置から無線手段によって受信する。上記チップは上記外部装置に電磁結合されることが好ましい。
【００５９】
ワイヤ６７は空中線６６の一端を他の電極６３に接続する。このように、両電極は空中線から駆動信号を受信する。ワイヤ６７は自由な状態にあってもよく、プラスティックフレームまたは他の位置に埋め込まれてもよい。
【００６０】
代わりとして、電極６３および電極６４のいずれか、または両方はパターニングされてもよく、上記電極のいずれか、または両方は第１物質または第２物質のいずれかによって被覆されてもよい。
〔実施形態１１〕
図１８は、センサチップの構成を示す。電極６８は第１物質によって被覆される。電極６９は、その上に堆積された第２物質の島状部７０を複数有する。１つ、または両方の電極は、被分析物含有液体がチップ内部へ入り込み得るように多孔性である、または複数の孔７１を有する。
【００６１】
被分析物含有液体が電極６９を通じて入り込み得るので、電極６８および電極６９の端部は互いに封止されてもよい。
【００６２】
代わりとして、電極６８および電極６９の一方または両方は、パターニングされてもよく、上記電極の一方または両方は、第１物質または第２物質のいずれかによって被覆されても良い。
〔実施形態１２〕
図１９は、センサチップの構成を示す。電極７２は第１物質によって被覆される。電極７３は、その上に堆積された第２物質の島状部７４を複数有する。
【００６３】
電極７２および電極７３の間のギャップは、電解質を保持できる、または、電解質特性を有するゲルまたは固形物７５によって満たされる。ゲルまたは固形物は、高分子電解質、ゾルゲル物質、ポリマー薄膜、その他を含む物質を有してもよい。ゲルまたは固形物の存在によって、空中の被分析物がゲルに拡散し、センサアレイに検出されるようにすることが可能である。
【００６４】
代わりとして、電極７２および電極７３の一方または両方は、パターニングされてもよいし、上記電極の一方または両方は、第１物質または第２物質のいずれかによって被覆されてもよい。
〔実施形態１３〕
図２０は、液体セルにおいて使用されるセンサチップの構成を示す。電極７６は第１物質によって被覆される。電極７７は、その上に堆積された第２物質の島状部７８を複数有する。
【００６５】
２つの電極は、不活性プラスティックのスペーサーによって、フレームに堅く支持されることによって、または他の任意の方法によって、一定の距離を有して分離した状態で支持される。検知される被分析物含有液体７９は、セルを通じて流され、センサ部位を通り過ぎる。
【００６６】
代わりとして、電極７６および電極７７の一方または両方は、パターニングされてもよく、上記電極の一方または両方は、第１物質または第２物質のいずれかによって被覆されてもよい。
〔実施例１〕
本実施例は、第１物質によって被覆された電極を有するセンサピクセルの操作に関する。センサアレイは、多くのこのようなピクセルから組み立てられると考えてもよい。図２１は、センサピクセルの設計を示す。被分析物含有液体は、インジウム酸化錫からなる電極８０と、銀の表面を有する電極８２との間に含まれる。電極８０は透明で、電極８２は、内部で機械加工された穴８３を有する。ガラスプレート８４によってピクセルは完成する。
【００６７】
電極８０は、第１物質８１の層によって被覆され、ポリアニリン（エメラルジン塩-Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ社より入手）を含む。電極８２は、このピクセルにおいて化学反応第２物質である銀の表面を有する。
【００６８】
ＬＥＤ８６からの赤色光８５は、セルを透過し、透過光の強度を測定するフォトダイオード８７に到達する。駆動エレクトロニクス８８は、２００ｍＶ（電極８０において陽極）の方形波電圧を電極の間に３Ｈｚで印加する。駆動エレクトロニクス８８はまた、ピクセルの電気インピーダンスを測定する。
【００６９】
上記ピクセルは、ｐＨ４の０．１Ｍリン酸緩衝液の水溶液によって満たされる。この実験の間、専用化学物質Ｃ１の５μＭ溶液が導入される。Ｃ１は銀の第２物質に結合することが知られていて、電極の電気インピーダンスにおける変化を引き起こす。図２２は、化学物質Ｃ１（９０）が導入される前（８９）、Ｃ１が導入された直後（９１）、およびＣ１と電極８２の銀の表面との間の反応が完了してから長時間経過後（９２）の電極表面８２を示す。上記反応が完了するまで電極８２の表面において蓄積されるＣ１の量は増加し、その電気インピーダンスを変化させる。
【００７０】
駆動エレクトロニクス８８によって印加される方形波電圧によって、電極が帯電および放電するときに電流がセルを通過して流れる。この電流に伴う電荷によって、第１物質はその色を変化させ、これによってその透過スペクトルを変化させる。透過スペクトルにおけるこの変化によって、フォトダイオード８７に注がれる光８５の強度は変化する。
【００７１】
図２３における曲線９３は、実験中に駆動エレクトロニクス８８によって測定される、ピクセルにおける電気抵抗Ｒを示す。これは、以下のようなインピーダンスを示すピクセルを仮定して算出される。
【００７２】
【数１】
2010185872.tif 000003
【００７３】
Ｚはインピーダンスを表し、Ｃは電気容量を表し、ωは駆動信号の周波数を表す。
【００７４】
図２３における曲線９４は、合計した光強度が得られる実験の間、フォトダイオード８７によって記録される光強度の同相成分を示す。
【００７５】
【数２】
2010185872.tif 000004
【００７６】
図２３では、線９５の左側の時間において、センサピクセルにはリン酸緩衝液しかなく、抵抗および光同相データは時間とともに大きく変化するわけではない。線９５の右側について、化学物質Ｃ１が導入され、ピクセル抵抗Ｒ（数１）および光強度ａ（数２）の両方は、同様の特徴形状を有して変化する。これは、Ｃ１と銀の第２物質との反応が、セル電流を電気的に測定する代わりに、第１物質の光透過率によって監視できることを示している。
【００７７】
図２４において、曲線９６は、第１物質からの光透過率信号ａ（数２）の同相成分がピクセルの電気抵抗Ｒ（数１）に対応することを示している。図２５において、曲線９７は、異相光透過率信号ｂ（数２）がセルの電気容量Ｃ（数１）に対応することを示している。Ｃ１と銀の第２物質との間の結合反応は、ピクセルの電気的特性を記録する代わりに、第１物質の光学特性を記録することによってはっきりと監視することができる。
【００７８】
本発明は、上記実施形態の説明に限定されず、当業者によって請求項の範囲内で変更が可能である。異なる実施形態に開示された技術的手段の適切な組み合わせに基づく実施形態は、本発明の技術的範囲に含まれる。
【００７９】
発明の詳細な説明の項において説明した実施形態および具体的な実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような実施形態および具体的実施形態にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求の範囲内で、いろいろと変更して実施することができるものである。
【図１】
2010185872.tif 000005
【図２】
2010185872.tif 000006
【図３】
2010185872.tif 000007
【図４】
2010185872.tif 000008
【図５】
2010185872.tif 000009
【図６】
2010185872.tif 000010
【図７】
2010185872.tif 000011
【図８】
2010185872.tif 000012
【図９】
2010185872.tif 000013
【図１０】
2010185872.tif 000014
【図１１】
2010185872.tif 000015
【図１２】
2010185872.tif 000016
【図１３】
2010185872.tif 000017
【図１４】
2010185872.tif 000018
【図１５】
2010185872.tif 000019
【図１６】
2010185872.tif 000020
【図１７】
2010185872.tif 000021
【図１８】
2010185872.tif 000022
【図１９】
2010185872.tif 000023
【図２０】
2010185872.tif 000024
【図２１】
2010185872.tif 000025
【図２２】
2010185872.tif 000026
【図２３】
2010185872.tif 000027
【図２４】
2010185872.tif 000028
【図２５】
2010185872.tif 000029
【手続補正書】
【提出日】平成22年3月15日(2010.3.15)
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つのサンプルの少なくとも１つの被分析物を検知する、少なくとも１つのセンサ部位を備えるセンサであって、
上記少なくとも１つのセンサ部位は、少なくとも１つの第１電極と少なくとも１つの第２電極との間に配置された第１物質および第２物質を備え、上記少なくとも１つの第１電極および上記少なくとも１つの第２電極は、電流を受け取るように構成されており、
上記第２物質は、上記サンプルと接触し、受け取った上記電流に応じて、上記サンプル中の上記被分析物の存在または量に従って、上記第２物質を通過する電荷または上記第２物質の電位を変化させるように構成されており、
上記第１物質は、上記第１物質を通過する電荷または上記第１物質の電位の関数で示される光学特性を有することを特徴とするセンサ。
【請求項２】
上記第１物質および上記第２物質は、上記第１電極および上記第２電極の間において、電気的に直列であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
上記第１電極および上記第２電極の少なくとも１つは透明であることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】
上記第１電極および上記第２電極は、無線受信機に接続されており、
上記無線受信機は、電源に対して電磁結合するためのコイルを備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項５】
上記サンプルは、液体サンプルであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項６】
複数のセンサ部位を備えており、
上記複数のセンサ部位は、上記サンプル中の複数の異なる被分析物に対して感度を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項７】
上記少なくとも１つの第１電極は、複数の上記第１電極を備えており、上記第１電極の少なくともいくつかは、互いに接続されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のセンサ。
【請求項８】
上記第１電極の少なくともいくつかは、共通のパターニングされていない電極の部分を備えていることを特徴とする請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
上記第１物質および上記第２物質の一方は、上記共通のパターニングされていない電極上に形成されている層を備えていることを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
上記第１物質および上記第２物質の他方は、上記第１物質および上記第２物質の一方の上に、上記複数のセンサ部位を形成する島状部として形成されていることを特徴とする請求項９に記載のセンサ。
【請求項１１】
上記第１電極および上記第２電極は、上記少なくとも１つのセンサ部位において、互いに入り込んでいることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１２】
上記第１電極および上記第２電極はそれぞれ、上記第１物質および上記第２物質によって被覆されていることを特徴とする請求項１１に記載のセンサ。
【請求項１３】
上記第１電極および上記第２電極は、上記サンプルが上記第２物質に対して接近できるよう隔てて設けられていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項１４】
上記第１電極および上記第２電極の少なくとも１つは、上記サンプルが通過する複数の穴を有することを特徴とする請求項１３に記載のセンサ。
【請求項１５】
上記被分析物それぞれが拡散するように、上記第１電極と上記第２電極との間に配置されるゲルまたは固体を備えていることを特徴とする請求項１３または１４に記載のセンサ。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか１項に記載のセンサと組み合わされた、光学特性の値を読み取る光学式読み取り装置。
【請求項１７】
上記第１物質に光学放射を照射する放射源と、上記光学特性の値を検出する検出器とを備えていることを特徴とする請求項１６に記載の光学式読み取り装置。
【請求項１８】
上記光学放射は、赤外線放射、可視光放射、および紫外線放射の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１７に記載の光学式読み取り装置。
【外国語明細書】
2010185872000001.pdf