(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生物学的流体中の電解質を感知するための多層イオン感受性電極デバイスであって、イオノフォアと、0.001ないし２重量％の少なくとも１種の発蛍光団をその中に分散して持っているポリマーマトリックスを含む膜を有し、前記発蛍光団は前記デバイスの性能に１％未満の偏差しか生じさせないことを特徴とする前記デバイス。
【請求項２】
前記発蛍光団は以下に示す構造を有する７−アミノクマリン誘導体の群から選ばれる請求項１のデバイス。
0003595907.tif 000011
式中、R1,R2,R3およびR4は水素、アルキルまたはアルケニル基であり、R5およびR6は水素、アルキル、アルケニル、ハロアルキル、アリール、ハロ、カルボキシアルキル、オキソアルキルまたはシアノである。
【請求項３】
前記発蛍光団はクマリン６またはクマリン314である請求項１のデバイス。
【請求項４】
前記イオノフォアは、塩基イオン、カリウムイオン、リチウムイオン、カルシウムイオン、アグネシウムイオン、炭酸イオン、水素イオンおよびナトリウムイオンよりなる群から選ばれたイオンに対して感受性である請求項１のデバイス。
【請求項５】
前記ポリマーマトリックスは、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニル共重合体、ポリウレタン、メタクリレートポリマー、アクリルポリマー、ポリ塩化ビニルと相溶性のポリマー、およびそれらの混合物よりなる群から選ばれる請求項１のデバイス。
【請求項６】
前記デバイスは、複数の伝導性エレメントをその上に有する平坦な基質と、それを通る複数の空所を有する少なくとも一つの誘電層をさらに含み、各空所は前記伝導性エレメントの一つと連通にあり、前記膜は前記空所に位置決めされそして配置され、そのため前記膜部分と前記伝導性エレメントの間に導通が確立されている請求項１のデバイス。
【請求項７】
生物学的流体中の電解質を感知するための多層イオン感受性電極デバイスであって、少なくとも二つの層を含む膜を有し、前記層の各自は、イオノフォアと、0.001ないし２重量％の少なくとも１種の発蛍光団をその中に分散して持っているポリマーマトリックスを含み、前記発蛍光団は前記デバイスの性能に１％未満の偏差しか生じさせないことを特徴とする前記デバイス。
【請求項８】
生物学的流体中の電解質を感知するための多層イオン感受性電極デバイスであって、上下関係に適用された少なくとも二の層を含む膜を有し、前記層の下層はイオノフォアと、0.001ないし２重量％の少なくとも１種の発蛍光団をその中に分散して持っているポリマーマトリックスを含み、前記発蛍光団は前記デバイスの性能に１％未満の偏差しか生じさせず、前記層の上層はその中に分散した少なくとも１種の放射線吸収剤を持っており、該吸収剤は前記デバイスの性能に１％未満の偏差しか生じさせないことを特徴とする前記デバイス。
【請求項９】
平坦な基質の上に逐次、複数の伝導性エレメント、その中に空胴を形成する複数の空所を有する少なくとも一つの誘電層、およびポリマーマトリックスとイオノフォアと0.001ないし２重量％の少なくとも１種の発蛍光団を含む膜を含むイオン選択性デバイスを組立てる方法であって、前記発蛍光団は前記デバイスの性能に１％未満の偏差しか生じさせず、前記膜は前記空所内に位置決めされ配置されており、前記方法は、
前記基質上に複数の伝導性エレメントを適用すること、
伝導性エレメント上に少なくとも一つの誘電層を適用すること、
誘電層内に形成された空所内に膜を適用し、前記膜部分と前記伝導性エレメントの間に導通を確立すること、
誘電層内に形成された空所の位置決めを決定しそして空所内に膜の適用を制御するのに適した機械ビジョン装置を使用することを含み、前記機械ビジョン装置は最初前記発蛍光団の励起バンドの外側のエネルギーを有する放射線を使用して半完成センサーエレメントの位置を決定するための、そして第２に前記センサー膜に含まれている発蛍光団を励起することができるエネルギーを有する放射線を用いて対応する沈着状態の膜の位置を決定するための照射手段を有しており、
そして前記膜部分と前記伝導性エレメントの間に導通が確立されることを特徴とする前記方法。
【発明の詳細な説明】
本発明の背景
本発明の分野：
本発明は、自動化製造の間に製造された製品の光学的検査に関する。さらに詳しくは、本発明は、光学的検査および層の整列を容易化するため、多層センサー構造に含まれる半透明ポリマー層に標識するための方法に関する。
関連技術の説明：
ヘルスケア分野、特に臨床診断の分野においては、生物学的流体中に存在する種々のイオンおよび代謝物の活性または濃度を測定するためにイオン選択性電極（ISE）センサーが普通に用いられる。ISEセンサーは、サンプル中の関心あるイオンの活性に関連した電位差もしくは電流信号を発生する電位差計測または電流計測電気化学的プロセスを使用する。例えば、ISEセンサーは典型的にはそのような流体中の塩素、カリウム、リチウム、カルシウム、マグネシウム、炭酸、水素およびナトリウムイオン含量を測定するために使用される。一般に、センサー内で発生した信号は電位差分析については関心あるイオンの活性の対数に直線的に依存する。関心あるイオンの活性はその濃度と活性係数の積として定義され、活性係数は一般に既知であるかまたはこの分野で求めることができる。
典型的には、固相ISEセンサーは感知エレメントもしくは電極として固体膜を使用し、この膜は探索しているイオン種に対し高度に選択性であり、そしてこのイオン種に対し変化するイオン伝導度をもって反応する。加えて、慣用のISEセンサーは内部参照電極を含むことができる。使用において、センシング膜の一表面が選択性のイオンの生物学的サンプル溶液に浸漬され、それにより溶液の膜の界面において膜表面を横断して電位差が発生する。電位差計センサーにおいては、この電位差は溶液中のイオンの濃度によって変化し、そしてその大きさは電圧として計測される。センシング膜表面で発生した電圧を、参照イオン溶液を使用して参照電極によって発生した電圧と比較することにより、探索しているイオン種の濃度を計算することができる。望まれる選択性は、しばしば特定のイオンに対するセル膜の透過性を増強するためイオノフォアのようなイオン選択剤をイオン選択性電極の膜へ加えることによって得られる。一般に、イオン選択性膜は、関心あるイオンに対し選択性のイオノフォアを含有する、ポリ塩化ビニルのように重度に可塑化したポリマーマトリックスでつくられている。例えば、イオノフォアのバリノマイシンはカリウムイオンに対し選択性の膜の層へ加えられており、トリフルオロアセチル−ｐ−ブチルベンゼンまたは他のトリフルオロアセトフェノン誘導体は炭酸イオンに対し選択性のイオノフォアとして使用されている。
“生物学的サンプル”とは、分析前に化学的におよび／または物理的に処理、希釈または濃縮された生物学的起源の流体を含む、生物学的起源の任意の流体を意味する。生物学的サンプルの例は、血清、尿、血漿、全血、脳脊髄液、羊水、唾液および涙液を含む。
ISEセンサーの原理の一般的議論は、Foreman  et  al.,“Ion  Selective  Electrodes"Automatic  Chemical  Analysis,Ellis  Horwell  Ltd.,Chichester,England（1975）によって提供される。ISEセンサーは膜材料の性格に従って、分類することができ、そして固相膜電極、ガラス膜電極、荷電イオン選択剤を有する液体膜電極、およびポリマーマトリックス中に保持されたイオノフォアのような電気的に中性なイオン選択剤を含んでいる有機溶液でつくられた膜を有する中性液体膜電極を含んでいる。
慣用のISEセンサーは典型的にはバルキーであり、そして生物学的流体の望ましくない大容積を必要とする傾向にある。これら理由により、小サイズのISEセンサーの開発に向けて多大の注目が集まっている。これら比較的小型のISEセンサーは、例えばフォトリトグラフィーおよび米国特許第No.4,454,007に記載されているようなスクリーン印刷を含む、多層電子部品の製造に採用されている技術に似た技術を使用し、安価に大量生産することができる。そのようなISEセンサーは化学分析に使用するための使い捨てカートリッジまたはセンサーアセンブリの形にすることができ、そして複数の参照エレメントおよび複数のセンサーエレメントをその上に備えた平面基質上に一般に製造される。電気接点は各エレメントのため基質面に配置され、そして流れチャンネルは典型的には分析するサンプルをセンサーエレメントの上を導くように基質参照およびセンサーエレメント上に配置される。液体導管は生物学的サンプルを流れチャンネルへ供給し、そしてISEセンサー装置から除去するのに適応している。ISEセンサー基質は流れチャンネルから圧力が加えられる時無視し得る変形を示す構造的に剛直な材料であるように有利に選択され、そして多層イオンセンサーの層に対する支持体を提供するように電気絶縁体である。基質のための好ましい材料はアルミナである。
完成ISEセンサーの製造は、多数の逐次的製造ステップを含み、該ステップにおいては次々の製造プロセスの間につくられた隣接層内のパターンは前のプロセスによってつくられたパターンと正しく整列していなければならない。これらの継続する製造ステップは性質上かなり複雑であり、そしてスクリーニングもしくは写真マスクを使用する慣用スクリーン印刷と、所望の性能をつくるためペースト状組成物の焼成プロセスを含み得る。これら多数の逐次的作業の各ステップから得られるセンサーのパターンおよび構造は、前のプロセスステップでつくったパターンおよび構造と正確に整列しなければならない。１回の作業の不一致は完成センサーに電気的に開いたもしくは短絡した回路を招来し得る。
最新のISEセンサーに見られるより微細なグリッドおよび接近間隔特徴の使用は、印刷特徴の非常に高度の位置精度を必要とする。それ故、多工程製造プロセスのどの一工程においてもパネルとスクリーニングマスクまたはマシン工具のミスアラインメントから発生し得るパネル上のパターン特徴の不一致は、製造収率へ貢献する特に重要な問題である。製造プロセス全体を通じ製造工程のシーケンスによってつくられるすべての特徴の正確な一致を維持する重要性のため、近代的ISEセンサーはそれらの製造の種々の段階で頻繁に検査されなければならない。
大量生産の量において多層デバイスの逐次製造の間の検査の精度を改良するため、機械ビジョンシステムがしばしば使用される。機械ビジョンシステムは電子的センサーによってデバイスの選択した部分の画像を獲得し、そして画像中の異質の特徴またはマークの存在を決定し、コンピューターの使用によりそのようなマークの合格性を決定する。この技術は共通してソリッドステートCCD（電荷結合デバイス）またはMOS（金属酸化物半導体）タイプの白黒またはカラーテレビジョンカメラを使用する。機械ビジョンシステムの他の部品は、テレビジョンカメラへ取付けたレンズ、および鏡、ビーム分割器（特に同時に光を反射しそして透過できる銀色鏡）、カラーフィルター、偏光器等を含んでいる。これらの追加部品は限られたスペースにおける必要な光学幾何的配置を得るため、画像を得るため、二次元画像を獲得し記憶するため、そしてある形のコンピューターにより画像を処理しそして分析するため、コントラストを増強し、および／または望まない情報を減らすために使用することができる。機械ビジョンシステムはまた、逐次的製造プロセスの“問題区域”を同定し、品質および収率を改良するためにそれらを修正できるように、重要なそして正確なプロセス制御情報を提供することができる。
ISEセンサーの設計においては、探索しているイオン種に対して選択性の多数の固相膜は、周囲のまたは下に横たわる材料から実質上光学的に区別できない、すなわち半透明であるか、または周囲の材料と実質上似た光反射性を有するポリマー膜組成物からなる。それ故、印刷した膜層パターンの完全性、パターンおよびアウトラインは機械ビジョンシステムによって容易に識別できない。そのような場合、一層容易に検出することができる蛍光化合物を使用して材料が同定されるように標識することが知られている。化合物を検出する蛍光技術の使用はこの分野で既知である。蛍光走査により、標識したサンプルは励起波光の光ビームによって刺激され、そして得られる刺激された蛍光発長が検査される。刺激された蛍光は典型的には励起波長と異なる波長または波長帯において発生する。例えばHueton  et  al.,“High  Speed  Fluorescent  Scanne"と題する米国特許No.5,459,325を見よ。近赤外域の光を発射することができる光源が検査すべき材料を照射し、そして標識する蛍光化合物によって放出される波長だけを選択する光フィルターが使用される。
米国特許No.4,983,817は、その反射度が変動し得る背景上のルミネセントなそして実質上透明なバーコードの読取りに関する。バーコードのルミネセントなそして非ルミネセントな部分の両方からの光反射に相当する電気信号が望む読取りを提供するように解読される最終信号を提供するように処理される。
米国特許NO.5,095,204は、バルク材料または成形物体をそれらの外観もしくは性質を永久的に変えることなく紫外線下で見ることおよび同定することができるように処理または修飾するシステムおよび方法を提供する。
米国特許NO.5,461,136は、近赤外蛍光化合物の一種以上を添加することによって熱可塑性ポリマー材料をマーキングまたは標識する方法、およびボトルのような熱可塑性容器の混合物を分離または選別する方法に関する。またそのような化合物もしくは残基で標識された熱可塑性ポリマー組成物と、近赤外蛍光マーカーとして有用ないくつから新規化合物が提供される。
しかしながらセンサー膜の検査へ慣用の機械ビジョンシステムの適用の欠点は、光学的に識別し得るようにするために蛍光化合物の添加による、センサー膜の性能劣化である。ISEセンサー膜の選択性および感受性はその化学的成分およびそれらの相対的バランスに臨界的に依存する。従って、センサー膜へセンサーの分析性能を妨害しない量で添加することができるが、しかし整列した層を正しく区別し、そして製造プロセスから発生した膜欠陥を同定するために必要な蛍光を提供する、発蛍光団のような化学的に不活性な成分に対する需要が発生した。
本発明の概要
本発明は、蛍光化合物もしくは残基を含むポリマー組成物、およびそのような組成物の使用により材料の層を容易に検出可能とするために有用なそのような組成物からなる物体を提供することにより、先行技術機械ビジョン分析技術の問題を解決する。また、本発明の実施において発蛍光団マーカーとして有用なクマリン化合物が提供される。このため本発明の組成物は、センサーの種々の成分を検査しそして評価できるように、そしてその製造のためのプロセスをセンサーの性能を減ずることなく最適化できるように、センサーの種々の成分を可視化するための改良されたメカニズムを提供する。
【図面の簡単な説明】
本発明は類似の参照数字は類似の部品を指示するいくつかの図面を参照してより良く理解されるであろう。
図１は、本発明を具体化する複数のセンサーデバイスの平面図であり、図1aは本発明を具体化するセンサーデバイスの断面図である。
図2aおよび2bは、図１のセンサーデバイスの単一のセンシングエレメントの断面図である。
図３は、本発明の実施からの機械ビジョン検査の結果を表わすチャートである。
図４は、異なる一致状況を例証する、図2bのセンサーデバイスの単一センシングエレメントの平面図である。
図５は、図１のセンサーの単一センシングエレメントの整列寸法を示す断面図である。
図6,7および８は、異なる一致状況を例証する、図４のセンサーデバイスの単一センサーエレメントの平面図である。
図9aおよび9bは、本発明の実施に有用な機械ビジョンシステムの概略図である。
図10は、本発明を実施する方法を図解するフローチャートである。
本発明の詳細て説明
図１は、規則的パターンに配列した多数の個々のセンサーベース21を含むセンサー基体20を示し、これらベースは自動化製造設備によるハンドリングに適した連続成形単一製造片上へ規則的パターンを刻線することによって区画される。製造プロセスが終了した後、センサーベース21は多数の個々のセンサーに分離することができる。センサーベース21の各自は、電気接点パッド23で終わるパターンで沈着した複数の導通路25を含む１個のセンサーデバイス22をその上に平面配置に集積されており、導通路25はセンサーエレメント30に始まり、センサーエレメント30は個々の層24,26および28（図2aおよび2bに最良に見られる）よりなる。センサーエレメント30は参照または測定役割のどちらかを実行するように設計され、好ましくは線状に配置されたセンサーエレメントの列に配置され、参照機能センサーエレメント30Rであるセンサーエレメント30は列の一方の側にあり、検体のための測定センサーエレメント30Mであるセンサーエレメント30は列の他の側にある。
商業的使用において、センサーエレメント30は有利には、参照機能センサーエレメント30Rおよび測定機能センサーエレメント30M上に配置されたみぞ33を有し、各みぞの一端において合流し、それによって液体流れチャンネル（図示せず）を区画する流れチャンネル部材31（図1aを見よ）と組合せて化学分析機内で使用することができる。センサー膜層26の上面は、みぞ33を通って供給される生物学的サンプル液と流体および電解質とこのように接触にある。サンプル液中の検体の量は、一方のセンサーデバイスを検体の既知量を含んでいる参照溶液へ露出し、他方を検体の未知量を含んでいるサンプル溶液へ露出して、センサーデバイスを対で使用することによって決定することができる。本発明の譲受人へ譲渡された米国特許NO.5,284,568はそのようなデバイスの一例である。良く知られた較正技術を使用し、サンプル液中の検体のレベルを決定するためアッセイは測定の比較もしくは応差法において実施することができる。
図2aに最良に見られるように、各センサーエレメント30は第１の誘電層24と、導通電極路25と接触してその上に形成された第２の誘電層28を含み、層24および28はその中に空所のパターンを有し、パターン中の空所は文字“D"によって総体に示した井戸状の空胴を形成するように整列している。図2bに見られるように、次に層24および28中に空所によって形成された空胴Ｄ内にセンサー膜26を適用することができ、そして電極路25と接触して配置される。好ましくは慣用の肉厚フィルムスクリーン印刷技術および適当な乾燥手段を使用する、そのようなデバイスを製作するプロセスは、例えば本発明の譲受人へ譲渡された米国特許No.4,454,007に記載されているように、この分野において良く知られている。例として、E.I.du  Pont  de  Nemours＆Co.,Wilmington,Delawareから入手し得る慣用の銀導体ペーストシリーズQS175を使用し、最初に導体層22を沈着し、次に典型的には慣用のセラミック誘電ペースト、例えばシリーズQS482を使用して第１の誘電層24を沈着し、例えばシリーズ482の第２の誘電層28を沈着、最後にセンサー膜層26を沈着する。誘電層24および28の目的は、センサー膜層の最小に必要な厚みを収容するのに十分な一般に20ないし40ミクロンの間の深さの空胴Ｄ（図2aおよび2bを見よ）を確立することである。任意に、一般に伝導性金属および伝導性金属塩化合物よりなる界面層を導体／膜界面を安定化するために導体層25とセンサー膜層26の間に配置することができる。
一般に関心あるイオンに対するイオノフォアと、このイオノフォアを溶解することができる化合物と、一種以上のバインダー材料よりなる支持マトリックスを含む、種々のイオン選択性膜組成物を膜層26のために使用することができる。マトリックスは、イオノフォアおよび溶媒と組合せてフィルムを横断する検体イオン移動度を産生するのに十分な透過性のフィルムを形成することができる任意の材料であることができる。米国特許No.5,401,377は、電気導体と直接接触するイオン感受性部材を有するISEセンサーの製造に有用な種々の化学的成分および適用可能な製造プロセスについての情報を含んでおり、そして一般に技術の状態の指標である。
有用なイオノフォアは、ヘミスフェランド、クラウンエーテル、モネンシンおよびそのエステル（例えばメチルモネンシン）およびこの分野で既知の他のもののようなイオンキャリアを含む。イオノフォアはまた、ポリマーイオン交換材料のようなイオン交換体と、そして水不溶性塩を含む。イオノフォアの選択は測定すべきキオンの性格に依存するであろう。例えばカリウムに対しバリノマイシン、ナトリウムに対してメチルモネンシン、塩素に対しトリ−ｎ−ドデシルメチルアンモニウム等である。イオノフォアは一種以上の有機溶媒によって溶解され、それによってナトリウムイオン移動度を提供する。もし支持マトリックスとして疎水性バインダーを使用するならば、溶媒はバインダーと相溶性でなければならない。溶媒はしばしばこの分野においてキャリア溶媒として同定される。有用な溶媒はフタル酸エステル、セバチン酸エステル、芳香族および脂肪族エーテル、リン酸エステル、混合芳香族および脂肪族ホスホネート、アジピン酸エステル、ニトロ化エーテルまたはエステルまたはそれらの混合物、およびこの分野で既知の他のものである。ポリマーマトリックスは、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニルの共重合体、ポリウレタン、メタクリレートポリマー、アクリルポリマー、およびポリ塩化ビニルと相溶性のポリマーおよびそれらの混合物であり、ポリ塩化ビニルが一般に好ましい。
疎水性バインダー材料、イオノフォアおよび可溶化溶媒を含む有用な膜は、既知のフィルムコーティング、または流延またはスクリーン印刷技術を使用して製造される。ポリ塩化ビニル、カルボキシル化ポリ塩化ビニル、ポリ（スチレン−コ−スチレンスルホン酸）、ポリ（塩化ビニル−コ−スチレンスルホン酸）、ポリ（塩化ビニル−コ−スチレンスルホン酸）、ポリ（塩化ビニル−コ−スチレンカルボン酸）等のような合成および天然ポリマー材料を含む材料を有利に使用することができる。高分子量ポリ塩化ビニルが本発明の実施に成功して使用された。有用な可塑剤は２−エチルヘキシルアジペートおよび／またはジオクチルセバケートを含む。そのようなポリマー材料の使用について遭遇する一問題はそれらの光学的特性の結果として発生する。特にそのようなポリマー材料の光透過率は一般に商業的光学検査システムに使用されている照明システムに対して実質上透明である値の範囲内に入る。関連する問題は、膜の光反射率が下に横たわる誘電層および／または基体材料の反射率に実質上等しい範囲内に入り、それによりビジョンシステムが膜と誘電層の間を信頼して識別できなくする時に発生する。層の間の不適切なコントラストの問題は下層から識別して蛍光を発するように修飾された膜と組合せて蛍光を検出するように設計された光学的検査システムの使用によって解決することができる。
この用途に好ましくは発蛍光団のクラスはクマリン類である。これらは、ローダミンまたはフルオレセイン類に比較して、センサーの精度を妨害しないように見える。クマリン類のうち、いくつかのメンバーは、それらの構造類似性からまたはこれらの製品の販売元の仕様書により提供されるスペクトルまたは蛍光データからは予知されないすぐれた蛍光効率を持つことが発見された。本発明の好ましい発蛍光団は一般に以下の構造を有する７−アミノクマリン類から選ばれる。
0003595907.tif 000002
式中、R1,R2,R3およびR4は水素，アルキルまたはアルケニル基であり、R5およびR6は、水素、アルキル、アルケニル、ハロアルキル、アリール、ハロ、カルボキシアルキル、オキソアルキルまたはシアノ置換基である。好ましいクマリン６すなわち３−（2'−ベンゾチアゾリル）−７−N,N−ジエチルアミノクマリンは、それを使用して製造されたISEセンサーの有用性を劣化することなく膜中のすぐれた蛍光を有することが発見された。クマリン６の構造を以下に示す。
0003595907.tif 000003
他の好ましいクマリンは、クマリン314すなわち1,2,4,5−テトラヒドロ−3H,6H,10H−９−カルボエトキシ−ベンゾピラノ〔9,9a−gh〕キノリジン−10−オンである。
0003595907.tif 000004
蛍光センサー膜
材料
未乾燥膜を製造するために使用されるセンサー設計、基質およびポリマーペーストは、本発明の譲受人へ譲渡され、そしてここに参照として取り入れる米国特許出願08/318,959に記載されている方法に従って製造された。ローダミン6G,塩化メチレン、イソホロン、カルボキシル化ポリ塩化ビニル、シリカ、トリドデシルメチルアンモニウムクロライド、およびグリシドキシプロピルトリメチルシランはAldrich  Chemical  Cl.（Milwaukee,Wisconsin）から商業的に入手し得る。
クマリン類はAcros  Orgamics（New  Jersey）から商業的に入手した。ナトリウムイオノフォア（Fluke  III）、バリノマイシン、ジオクチルアジペートおよびカリウムテトラ（クロロフェニル）ボレートはFluka  Chemika−Bio  Chemika（Ronkonkoma,New  York）から入手することができる。
完成したセンサーアセンブリの性能は、Dade  Chemistry  Systems（Newark,Delaware）から得られるDimensionTMAR臨床化学システムで標準作業プロトコールを使用してテストされた。紫外スペルトルは、Hewlett  Packard  Co.（Palo  Alto,California）から入手できるHPモデル8452ダイオートアレイ分光光度計を使用して得られた。
ISEセンサーの分析性能：
電解質試験は、Dade  Chemistry  Systems  Inc.,Newark,Delawareから得た、ポンプ、較正剤、センサーカートリッジおよび適切なソフトウエアを備えたDimensionTMシステムに集積センサー列を装備することによって実施された。この試験は、最初カートリッジを各電解質の２レベルについて較正し、次に水性緩衝化電解質よりなるテストサンプルのパネルと、そして血清対照製品の３サンプルを試験することによって実施された。較正液および検証液はDade  Chemistry  Systems  Inc.から入手し、そして対照製品はCiba−Corning  Co.の市販Multiqual試薬である（Medfield,Maine）。水性緩衝化サンプルはDadeの市販‘verifier  1"（V1）および“verifier  2"（V2）である。対照製品は多段レベル濃度1,2および３それぞれMQ1,MQ2およびMQ3を持っていた。検証液濃度は重量分析的に決定された純ナトリウムおよびカリウム塩の量に基づいた標準と比較することによって決定された。対照製品濃度割当ては、発蛍光団なしでつくられたセンサーの多ロットとの比較によって決定された。
実施例１  膜ペースト製造
1A:非蛍光ペースト組成物：
発蛍光団添加前のイオン選択性膜を製造するためのペーストは、以下の表１に掲げた成分を混合することによって製造された。
0003595907.tif 000005
1B:蛍光ペースト組成物
実施例1Aの完成ペースト組成物へ250μg/mLに等しい発蛍光団濃度が得られるように発蛍光団を添加した。溶媒（イソホロンおよびジクロロメタン）の除去後、濃度はナトリウムセンサー膜中約710μg/gであった。表２に示す発蛍光団を次に評価した。
0003595907.tif 000006
実施例２
2A:ローダミン含有センサー
実施例1B,表２による、ローダミン6G250μg/mLを含有するナトリウム、カリウムおよび塩化物ペーストを使用してセンサーがつくられた。結果を下の表３に示す。
0003595907.tif 000007
イオノフォアに比較して発蛍光団の低い濃度にもかかわらず、ナトリウムセンサーの性能はローダミン含有組成物に対して不満足であった。センサー膜のその成分に対する感受性のため、ローダミンのあるレベルはナトリウムセンサーの性能を妨害することが予期されたので、この実施例においてテストした低レベルが実証れさた程妨害することは驚くべきことである。較正スロープは、発蛍光団を添加しない時の典型的な応答57〜60mV/10進に比較して50mV/10進未満であった。またカリウム応答は、発蛍光団なしのセンサーに割当てた値に比較して、MQ2およびMQ3の結果について少なくとも１標準偏差だけ僅かに上昇した。
2B:フルオレセイン含有センサー
実施例1Bと同様に、発蛍光団としてフルオレセイン250μg/mLを含有するナトリウム、カリウムおよび塩化物ペーストを用いてセンサーを製造した。これらのセンサーを実施例2Aと同じ検証剤および対照製品を使用し、同じテストパネルへかけた。結果を以下の表４に示す。
0003595907.tif 000008
すべての場合、フルオレセイン添加センサーは、発蛍光団なしのセンサーについて得られるものに匹敵する較正スロープを与えた。ナトリウムセンサーは対照製品MQ1,MQ2およびMQ3について不正確な結果を与えた。結果は、発蛍光団なしのセンサーに比較して、５〜7mV/Lだけ上昇した。
2C:クマリン６含有センサー
実施例1B.3と同じ方法で、250μg/mLのクマリン６を含むナトリウム、カリウムおよび塩化物ペーストを製造した。これらを以前に用いた同じ検証剤および対照製品のテストパネルへかけた。結果を下の表５に示す。
0003595907.tif 000009
センサーのすべては検証剤および対照製品の両方について正確な結果を与えた。較正スロープも満足であった。
実施例３
3A:クマリン蛍光：
発蛍光団含有膜のサンプルをスペクトル研究のために製造した。これらは、シランカップリング剤およびFluka IIIイオノフォアを省いた二つの変更を加えて実施例1Bに記載したナトリウムペーストの処方を用いてつくられた。ペースト中の発蛍光団の濃度は250μg/mLであった。
0003595907.tif 000010
3B:膜蛍光応答
ペーストサンプル3A.1および3A.2をセラミック基質のあらかじめつくったウエル中へ分配した。後で記載する装置を使用し、未乾燥膜を照明し、そして光学エレメントへ取付けたビデオ画像装置で見た。画像は256グレースケールレベルを有するピクセル応答を与えるようにデジタル化された。選択した発蛍光団からの蛍光応答の量の指標である、デジタル化ピクセル値を図３に膜を横切る横位置の関数して示す。このグラフの左端から出発して、カーブの第１の部分は、蛍光膜ペーストを適用しなかったセラミック誘電の低いバックグランドピクセル応答を示す。左手の垂直点線はペーストでカバーされた区域の境界縁を指示する。グラフを横切って続いている、センサーを表すピクセルスケール応答は急峻に最高レベルへ上昇し、最大膜厚の区域でプラトウに達し、次に膜の右側のバックグランド応答レベルへ下降する。
ペーストでカバーされない区域のバックグランド照明からの応答は約45単位のピクセル応答値を与えた。これは図３に示した結果を与えるようにウエット膜に見られる値から差し引かれた。好ましいクマリン６を使用する実施例3A.1についての応答は、驚くべきことに他の実施例3A.2よりも約４倍強力であった。
センサーアセンブリ
図４は、１個のセンサーエレメント30の拡大したそしていくらか単純化した図であり、図５の断面図と合わせて、ここに詳しく記載した７−アミノクマリンのグループから選ばれた少なくとも１種の好ましいクマリン発蛍光団を少なくとも0.01％および約２％未満を分散したイオン交換イオノフォアを有する、表１のポリマーマトリックス組成物を使用してつくられた単一センサーエレメントのために得られた典型的パターン整列を図示する。センサーエレメント30の適正機能のためには、センサー膜層26は誘導層24および28と整列しそして重なり、あらかじめ定めた最小寸法を上廻る環状リング重複区域32を形成することが重要である。同時に、センサー膜26は下に横たわる伝導路層25と電気的接触になければならない。デバイス21が約１インチ×２インチ（2.54cm×5.08cm）の寸法である場合、環状リング32区域は0.050×0.200インチ（0.127cm×0.508cm）の寸法を有する楕円であり、“a"および“b"として示した重なり寸法は理想的には例えば0.001ないし0.020インチ（0.00254〜0.0508cm）の範囲内である。環状リング32区域によって形成される重なりの最小寸法は、適切な作動安定性を提供するために必要な重なり寸法として決定される。不適切な重なりは流体チャンネル34に含まれるテスト流体がセンサー膜層26の下に拡散し、そして伝導層22と直接誤った電気的接続を確立する可能性を増す。
図6,7および８は刻印した特徴の位置不正確性から生じ得る種々の欠陥のいくつかを図示する。センサーペースト層の誤アラインメントから発生し得るパターン特徴の不一致は、図７に文字“c"で示したセンサー膜層26中に生じたピンホール、不一致のため図６に文字“d"で示したセンサー膜層26の不完全被覆、および図８のセンサー膜の不完全適用による文字“e"で示したセンサー膜層26の不完全被覆を含んでいる。
本発明の実施に使用される好ましい機械ビジョンシステムは、一般にホストコンピューターと必要なデジタル画像処理作業を実行するためのソフトウエア実行アプリケーションを有する特別目的処理ハードウエアよりなる。そのようなシステムは、Omron  Electronics（Schaumburg,Illinois）、Allen  Bradley（Milwaukee,Wisconsin）、およびPPTVision（Minneapolis,Minnesota）のような販売元から入手し得る。含まれる原理は、例えば“Digital  Image  Processing",Gerge  A.Baxes,John  Wiliy＆Sons,Inc.,New  Yorkに説明されているように良く知られている。特に、助けのない観察によっては実質上同じに見える二つの画像間の小さな変動を決定するために画像差別技術が採用される。この技術を用い、二つの画像をピクセル毎に比較し、同一である画像部分はゼロへ引算されることができる。しかしながら異なる画像部分はゼロ以外の信号を得るであろう。画像の周囲のまわりのピクセル距離、画像内部のピクセル区域、画像の長軸および短軸のピクセル距離、画像内部に存在するホールの数のカウント、ホールの総ピクセル面積等に従った画像の外観を特徴化する対象物形状測定を決定するため、慣用の画像増強および解析技術を採用することができる。これらのピクセル値とあらかじめ定めた最大および最小合格絶対値との比較が膜センサー層の品質を判定するために使用される。これらの技術はこの分野で良く知られている。
本発明の特徴は、（１）発蛍光団励起バンド外の放射エネルギーを使用して半完成センサーエレメントの位置を決定するため、および（２）センサー膜26に含まれる発蛍光団を励起し得る放射エネルギーを使用して対応する沈着したセンサー膜ペーストの位置を決定するために、センサーを照明する二重放射手段の使用である。これは最上層センサー膜26を適用する前の半完成センサー膜30（図2aに示したような）と、最上層センサー膜を適用した後の完成センサー膜30（図2bに示したような）の間の比較を許容する。この比較は、画像獲得手段に対しセンサー膜が実質上透明を保つように選定された放射線を有する第１の照明手段と、センサー膜が画像獲得手段に対し実質上可視化されるように選定された放射線を有する第２の照明手段との組合せによって達成される。センサー膜の画像から注意をそらすことなしに放射線を選択するために適切なフィルターが含まれる。センサーエレメント30の表面画像の画像の獲得、増強および解析のための手段（図示せず）は、フレームグラッバーおよびマイクロプロセッサー、およびメニューのユーザー相互作用またはコンピューター制御システムにより所望の膜適用および検査のためのシステムのマイクロプロセッサー使用コンピューターの可変プログラミングを許容するインターフェース手段を含む。このシステムは、好ましくは、センサーエレメント30を機械ビジョンシステムへ輸送し提示する、ピースパーツ製造に典型的な慣用の材料ハンドリングシステムと組合せられる。これらのメカニズム、それらの設置および使用は当業者には知られている。
図9aは、本発明のセンサー膜組成物によって可能化されるセンサー基質21の検査を実施するための機械ビジョンを使用するそのような例示的センサー製造システムを示し、基質21は慣用のコンピューター制御“ｘ−ｙ−z"位置決めテーブル29上に載置されている。放射線源、好ましくはScholly  Fiberoptik  GmbH（ドイツ）から得たモデルＤ−7918が一般に300ないし700nmの範囲の波長を有する放射線パターンL1を提供するために採用される。第１のフィルター14例えば約500nmより大きい波長を持つ光だけが通過するようなバンドパス特性を有するOriel  Instruments（Stratford,Connecticut）により製造されたモデル51302が、半完成基質21、特に導体層25および二つの誘電層24および28を照明するように、放射線パターンL1をさえ切りそしてフィルターするために光源13へ接近して配置される。このフィルターされた放射線パターンL1はリングライト、例えばRam  Optical  Inspection（Huntington  Beach,Colifornia）により製造されるモデル10−1602−03により、基質21に対し直交する方向によって規定される光軸に対して約20ないし40度の角度においてセンサー基質21を照明するために分布される。
シャットル装置９は、第２のフィルター15、例えばセンサー膜26に含まれるクマリン発蛍光団を励起するように選定された照明を提供する、好ましくは約400ないし500nmの間を中心とする狭いバンドパスフィルター特性を有する第２のフィルター15であるOriel製のモデル57530で第１のフィルター14を置き換えるのに適合している。放射線放出フィルター17,例えばクマリン発蛍光団の代表的励起波長より大きい波長、好ましくは約400ないし800nmを有する放射線だけを選択するバンドパスフィルター特性を有するOriel製のモデル51302は、励起した発蛍光団により放出された放射線を遮断するため画像獲得手段の前に配置される。このようにセンサー膜26内の標識発蛍光団によって放出された波長を有する放射線のみが第２のフィルター15を使用する時画像獲得手段18上に入射される。画像獲得手段18は、好ましくは適当な光学エレメントを備えた、非同期フレームリセット能力を有する高解像ソリッドステートMOS（金属酸化物半導体）タイプ、例えばソニー（株）（日本東京）製モデルXC77を含む。この能力は、画像獲得手段18がピクセルあたり約0.0003インチの空間解像力をもってセンサーエレメント30の画像を捕捉することを許容する。センサーエレメント30の他のサイズ／形状の変更は、単に画像獲得手段18および異なる光学エレメント11の垂直位置の調節によって対応し得る。
図9bに示した代替具体例においては、第２の照明源16,例えばRam  Optical  Inspection製のモデル50−3500−00は、画像獲得手段18によって捕捉されたビームの分割部分および通常基質に入射する反射部分の光軸内に配置されたビーム分割器15,例えばEsco  Prodncts（Oak  Ridge,New  Jersey）製モデル0102020を通る一般に550ないし650nmの波長範囲の放射線ビームを提供するために採用される。もし図9aに示した好ましい配置と組合せて使用されるならば、この代替具体例は、センサー基質21および層24,25,26および28の表面粗さおよび光吸収／反射特性に応じて、最高度の画像コントラストおよび捕捉を提供するため、二つの光源13および16のどちらかの基質上の角度ある入射および正常な入射放射線の最適組合せを許容する。画像獲得手段18およびフレームグラッバー19の電子回路の配列および管理は広く知られており、そして種々の画像比較のルーチンも良く知られている。
図10は、センサー膜層26適用のための半完成センサー基質21上の標的区域の決定、センサー膜層26内の適用欠陥および適用したセンサー膜層26の不一致の検出のためのプロセスのフローチャートである。このプロセスはさらにコンピューター22へ修正情報を提供するのに適応している。このプロセスにおいて、センサー膜の所望のポジショニングに関する情報は、導体層25と第１および第２の誘電層24および28のみが基質21上にプリントされた図2aを示すような半完成基質21が工程102で指示した、バンドパスフィルター14でフィルターされた放射線で照明されることによって決定される。画像獲得手段18はこのように半完成センサーエレメントの頂表面の画像を獲得し、ボツクス102および104に示すように、センサー膜26を適用すべき誘電層24および28によって形成された空胴Ｄ（図2a）の各自の位置を決定することができる。
コンピューター22が空胴Ｄの精密な位置を決定した後、膜ペースト適用作業が開始され膜適用手段（図示せず）が、ボックス106に示すように、空胴Ｄ内にセンサー膜ペーストのあらかじめ定めた量およびパターンを適用する。慣用の整列技術がセンサーエレメント21上の適正な整列に膜ペーストを適用するように適用手段を制御するために使用され、そのため各空洞Ｄは一より多くない伝導エレメントと連通にあり、膜26は前記膜部分26と伝導エレメント25の間に連通が確立されるように前記空所内に位置決めされ、配置される。膜組成物の適用は、Asymtek（Carlsbad,California）,Otto  Engineering（Carpentersvill,Illinois）およびCamalot  Systems（Haverhill,Maine）のような販売元から入手し得る設備により分配技術を用いて行われる。
後の膜検査モードにおいて、検査されるセンサーエレメント21は、画像捕捉システムがセンサーエレメント30へ適用されたセンサー膜26の画像を獲得しそしてボックス108に示すように、発蛍光団の励起領域にある放射線を用いて照明される。本発明に用いられるコンピューター22およびフレームグラッバー19は、ボックス110においてデジタル画像の解析のための能力を提供する。それ故、コンピューター22は、ボックス112に示すように、センサー26の画像を以前ボックス102において発生させた空胴Ｄの画像に関して解析し、ボックス114に示すように、センサー膜26の適用のエラーから発生する二つの画像間の慣用の欠陥および寸法分析をすることによって一致する整合度を決定することができる。その後の慣用の整列技術は、ボックス116に示すように、膜ペーストの適用をセンサーエレメント30上の適正な整列に制御するために採用される。
このように出願人は、ISEセンサー膜のその化学的成分に対する感受性にもかかわらず、ある種の発蛍光団は塩化物、カリウムおよびナトリウムセンサーへの性能を妨害することなくセンサー膜26の組成へ有利に添加し得ることを発見した。そのような発蛍光団設計に満たされるべき発蛍光団のための二つの主要な要求は、第１に添加する膜の分析性能の１％偏差以上を生ずることにより妨害してはならないこと、そして第２に環境照明のもとでセンサーのバックグランド部分に関して区別できる光学的コントラストを提供するように膜内で十分に蛍光性であることである。
発蛍光団の第１の要求は、発蛍光団を有しない組成物で決定した検体濃度に比較して測定した検体の量の１％未満の偏差を発生することである。使用し得るセンサー膜の組成面要求の一般的理解は存在するが、しかし組成物の変化および成分の特定濃度および化学構造の影響は良くわかっていない。ISEセンサーは膜の表面層の組成に対し高度に感受性であることが知られているので、実施例に使用されている発蛍光団の比較的低い濃度において特に、何故ある発蛍光団は妨害しそして他のものは妨害しないかは明らかでなく、理解できない。発蛍光団はペースト中0.025％の濃度であるが、ナトリウムおよびカリウムに特異性のイオノフォアは約１％であり、イオノフォアは発蛍光団よりも濃度において約40倍高い。ISEセンサーの膜中のイオン種の存在はセンサーの可性能に悪影響を有するものと予期される。しかしながら、活性イオンキャリアの2.5％未満濃度において性能の検出可能な低下があることは驚くべきことである。この低い濃度においてさえも、上のローダミンおよびフルオレセイン実施例は、ナトリウムセンサーに予期されない許容できない妨害を示す。これらの結果は先行技術から期待される結果と反対である。先行技術においては、ある種のイオン種は性能を改善することが期待される。例えば、フルオレセイン、親油性アニオンの場合、期待される効果は、Lindner,Erno,et  al.,“Response  of  Site−controolled,Plasticized  Membrane  Electrodes",Analytical  Chemistry,60（1988）:295−301に記載された理論に基づいて、特異性の改善である。この低い濃度においてさえも、上のローダミンおよびフルオレセイン実施例は予期されない許容できない妨害をナトリウムセンサーにおいて示す。アミノクマリンはその天然状態において電荷を持っていないが、センサー性能を妨害するイオン性生成物を得る副反応がそれらとセンサー膜の他の成分の間におこったのかも知れない。アミノクマリンはそのような副反応がおこらないように十分に化学的に不活性であることは自明ではない。
第２に、膜はその蛍光と迷走環境光源からの反射照明に起因するバックグランド画像との間の正確な識別を許容する光の量を放出するのに十分な量の励起光源を捕捉しなければならないので、膜内に十分に高い濃度の発蛍光団が必要である。不幸にも、発蛍光団の蛍光はこれらの条件を満たすのに要する濃度において自己消光に感受的にあることが知られている。自己消光はこの分野における一般的術語であり、そして発蛍光団濃度が上昇するときに見られる減少する蛍光量子収率の現象をいう。この自己消光に責任あるプロセスは原理的に解っているが、しかし再び特定の組成物の有用性を正確に予見するには十分でない。
発蛍光団の選択に直面する他の困難性は、自己消光に加え、非特異性の化学的プロセスが発蛍光団と、膜のセンサーカップリング剤の誘電への共有結合を提供するために使用されるシランカップリング剤の間の結合の間に発生することである。これら非特異性化学的プロセスは一般に蛍光収率を予知できない量で減らすように作用する。
驚くべきことに、ある種の発蛍光団は、実施例に示したようにセンサー膜26へ首尾よく添加された。クマリン群の発蛍光団からの化合物は、後で記載するように、膜の電気化学的応答の１％以上の妨害を生ずることなく、通常透明なセンサーペーストから検出し得る蛍光を発光させるのに有効であることが証明された。実施例に使用した染料はすべて共通溶媒中低い濃度においては強力に蛍光性である。例えば、前に記載した二つのクマリンの蛍光の量子収率は、クマリン６については85％，クマリン314については77％（Eastman  Laser  Products  Pataservice  Publication  JJ−169,1977,Kodak  Opticl  Products,Eeastman  Kodak  Company,Rochester,New  York）である。ローダミンおよびフルオレセイン組成物は、低濃度においてそれらから得られる蛍光に基づいてISEセンサーに有用であると期待されたが、しかしながら前に記載した実験テストは予期に反してそれらはそれらの低濃度においてセンサーの分析性能に１％以上のエラーを発生させることが決定された。
イオン選択性電極の種々の成分の可視化を増強するため他のセンサー膜組成を使用することは本発明の範囲内である。例えば上下関係に続いて適用される二つの膜層に異なる２種の発蛍光団を使用することにより、二つの層の相対的整列および完全性の光学的比較をここに記載した実質上同じ画像獲得および解析技術を使用して実施することができる。代わって、下層に発蛍光団を使用し、そして上層に入射光を実質上ブロックすることができる光吸収剤を使用することにより、ここに記載した画像獲得および解析技術を使用して二つの層の相対的整列および完全性を決定することができる。剤、例えば不活性フタロシアニン色素も膜層の性能に１％未満の偏差を生じさせるに違いない。
ここに開示した本発明の具体例は本発明の原理の例証であり、そして本発明のなお範囲内である他の修飾を使用できることを理解すべきである。従って本発明は明細書に詳しく示し記載した具体例に制限されない。
【図１】
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【図１ａ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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