(57)【要約】  本発明は、光学センサの耐用寿命を延ばす方法を提供する。一態様では、この方法は、センサの放射線源のデューティサイクルが、検体に関するデータを前記センサが定期的に取得する連続期間にわたって１００％未満であるように光学センサを構成する工程を含む。上記の発明の方法によりセンサを動作させることにより、光学センサの指示分子は、センサが物質の存在または濃度に関するデータを供給する必要がある連続期間全体にわたって励起されない。そのため、この方法により、指示分子の寿命が延びる。
2007534967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性化しているときに、ある領域内の物質の存在または濃度に関するデータを取得するように構成されている光学センサの寿命を延ばす方法であって、前記光学センサは（ｉ）前記物質の存在の影響を受ける光学特性を有する指示分子、および（ｉｉ）放射線源を備え、
（ａ）前記光学センサが活性化している期間中前記放射線源のデューティサイクルが０％よりも大きく、１００％よりも小さくなるように構成された光学センサを使用する工程と、
（ｂ）前記領域内のある場所に前記光学センサを配置する工程と、
（ｃ）Ｚを０より大きいとして、工程（ｂ）を実行した後時間Ｚの期間に前記光学センサを活性化する工程と、
（ｄ）前記光学センサが活性化しているときに前記時間Ｚの期間中前記放射線源の前記デューティサイクルが０％よりも大きく、１００％よりも小さくなるように前記放射線源を動作させる工程と、
（ｅ）前記時間Ｚが経過した後、前記光学センサを非活性化する工程とを含む方法。
【請求項２】
前記デューティサイクルは、約５０％以下である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記デューティサイクルは、約１０％以下である請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記デューティサイクルは、約１％以下である請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記デューティサイクルは、約．１％以下である請求項１に記載の方法。
【請求項６】
Ｚは、約．５から約２０分である請求項１に記載の方法。
【請求項７】
Ｚは、約１から約１０分である請求項１に記載の方法。
【請求項８】
Ｚは、約７分である請求項１に記載の方法。
【請求項９】
Ｚは、約２分である請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記光学センサは、約２分おきに約２００ミリ秒の間活性化される請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記放射線源は、前記光学センサが活性化される約２００ミリ秒のうちの約１００ミリ秒の間活性化される請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記指示分子は、蛍光性を有する請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記放射線源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＬＥＤを駆動するために使用される駆動電流は、約３ｍＡ以下である請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記ＬＥＤを駆動するために使用される駆動電流は、約２ｍＡ以下である請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ＬＥＤを駆動するために使用される駆動電流は、約１ｍＡ以下である請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記センサは、さらに、冷却要素を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記指示分子は、吸収型指示分子である請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
ある領域内の物質の存在または濃度に関するデータを供給する光学センサの耐用寿命を延ばす方法であって、前記光学センサは（ｉ）前記物質の存在の影響を受ける光学特性を有する指示分子、（ｉｉ）放射線源、および（ｉｉｉ）光検出器を備え、
（ａ）前記領域内のある場所に前記センサを配置する工程と、
（ｂ）前記センサを活性化し、それにより前記センサを活性状態に置く工程と、
（ｃ）工程（ｂ）を実行した後、特定の周波数範囲内の周波数を有し、特定の振幅範囲内の振幅を有する電磁波を放射線源が出力するように構成された放射線源を使用する工程と、
（ｄ）工程（ｃ）を実行した後、ある時点に前記光検出器の出力から第１の測定結果を取得する工程と、
（ｅ）工程（ｃ）が実行されてから時間Ｙが経過した後、前記センサがまだ活性状態にある間に、前記放射線源が電磁波を出力しないように構成された放射線源を使用するか、または前記放射線源が前記特定の周波数範囲の最低周波数よりも低い周波数を有する、および／または前記特定の振幅範囲の最低振幅よりも小さい振幅を有する電磁波を出力するように構成された放射線源を使用する工程と、
（ｆ）Ｘが０よりも大きく、またＹよりも大きいとして、工程（ｃ）が実行されてから時間Ｘが経過した後、前記センサが活性状態にある間に、前記放射線源が前記特定の周波数範囲内の周波数を有し、前記特定の振幅範囲内の振幅を有する電磁波を出力するように構成された放射線源を使用する工程と、
（ｇ）工程（ｆ）を実行した後、ある時点に前記光検出器の出力から第２の測定結果を取得する工程と、
（ｈ）ＮがＸよりも小さいとして、工程（ｆ）が実行されてから時間Ｎが経過した後、前記センサが活性状態にある間に、前記放射線源が電磁波を出力しないように構成された放射線源を使用するか、または前記放射線源が前記特定の周波数範囲の最低周波数よりも低い周波数を有する、および／または前記特定の振幅範囲の最低振幅よりも小さい振幅を有する電磁波を出力するように構成された放射線源を使用する工程とを含む方法。
【請求項２０】
Ｘは、約５分よりも短い請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
Ｙは、約Ｘ／２よりも短い請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
Ｙは、約Ｘ／１０以下である請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
Ｙは、１秒未満である請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
前記指示分子は、蛍光性を有する請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
前記放射線源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
工程（ｂ）は、前記ＬＥＤを駆動電流で駆動する工程を含み、前記駆動電流は、前記ＬＥＤの駆動電流閾値にほぼ等しい請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記センサを活性化する工程は、前記センサの電気的コンポーネントに電力を供給する工程を含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
ＹおよびＮは、両方とも約１５０ミリ秒であり、Ｘは、約１秒である請求項１９に記載の方法。
【請求項２９】
光学センサであって、
物質の存在の影響を受ける光学特性を有する指示分子と、
光源と、
前記光学センサが前記物質の存在または濃度を感知するために使用されている間、一定時間前記光源をオンにし、次いで一定時間前記光源をオフにする工程を繰り返すデューティサイクルコントローラとを備える光学センサ。
【請求項３０】
さらに、前記指示分子から放出された光を受け取る光検出器を備える請求項２９に記載の光学センサ。
【請求項３１】
前記光学センサが前記の物質または濃度を感知するために使用されている間に、前記デューティサイクルコントローラは、ＸをＹよりも大きいとして、時間Ｘおきに時間Ｙ以下の間前記光源をオンにするように構成されている請求項２９に記載の光学センサ。
【請求項３２】
Ｙは、約Ｘ／２以下である請求項３１に記載の光学センサ。
【請求項３３】
Ｙは、約１５０ミリ秒であり、Ｘは、約１秒である請求項３１に記載の光学センサ。
【請求項３４】
Ｙは、約１００ミリ秒であり、Ｘは、約１秒である請求項３１に記載の光学センサ。
【請求項３５】
Ｙは、約５０ミリ秒であり、Ｘは、約１秒である請求項３１に記載の光学センサ。
【請求項３６】
光学センサであって、
物質の存在の影響を受ける光学特性を有する指示分子と、
光源と、
前記光学センサが前記物質の存在または濃度を感知するために使用されている間、一定時間前記光源をオンにし、次いで一定時間前記光源をオフにする工程を繰り返すための制御手段とを備える光学センサ。
【請求項３７】
さらに、前記指示分子から放出された光を受け取る光検出器を備える請求項３６に記載の光学センサ。
【請求項３８】
前記光学センサが前記の物質または濃度を感知するために使用されている間に、前記制御手段は、ＸをＹよりも大きいとして、Ｘ秒おきにＹ秒以下の間前記光源をオンにする請求項３７に記載の光学センサ。
【請求項３９】
Ｙは、約Ｘ／２以下である請求項３８に記載の光学センサ。
【請求項４０】
Ｙは、約１５０ミリ秒であり、Ｘは、約１秒である請求項３８に記載の光学センサ。
【請求項４１】
光学センサであって、
物質の存在の影響を受ける光学特性を有する指示分子と、
オンにされたときに、前記指示分子を照射する光源と、
前記指示分子から放出された光を受け取る光電変換素子と、
前記指示分子の温度を下げるように構成された冷却要素とを備える光学センサ。
【請求項４２】
さらに、前記光学センサが前記物質の存在または濃度を感知するために使用されている間、一定時間前記光源をオンにし、次いで一定時間前記光源をオフにする工程を繰り返すデューティサイクルコントローラとを備える請求項４１に記載の光学センサ。
【請求項４３】
前記光学センサが前記の物質の存在または濃度を感知するために使用されている間に、前記デューティサイクルコントローラは、ＸをＹよりも大きいとして、Ｘ秒おきにＹ秒以下の間前記光源をオンにする請求項４２に記載の光学センサ。
【請求項４４】
Ｙは、約Ｘ／２以下である請求項４３に記載の光学センサ。
【請求項４５】
活性状態にある場合に、連続する時間Ｚの間少なくとも時間Ｘ毎に１回、ある領域内の物質の存在または濃度に関するデータを取得する、前記物質の存在の影響を受ける光学特性を有する指示分子および前記指示分子を励起するための光源を備える、光学センサの耐用寿命を延ばす方法であって、
前記領域内のある場所に前記光学センサを置く工程と、
ＹがＺよりも小さいとして、前記時間Ｚの間の前記時間Ｙ以下の総時間内に前記指示分子を励起する工程とを含む方法。
【請求項４６】
Ｙは、約ｚ／２よりも小さい請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
Ｙは、約ｚ／１０よりも小さい請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
Ｙは、約ｚ／１００よりも小さい請求項４５に記載の方法。
【請求項４９】
前記領域内のある場所に前記光学センサを置く工程は、人間に前記光学センサを埋め込む工程を含む請求項４５に記載の方法。
【請求項５０】
前記物質は、生物学的検体である請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記生物学的検体は、グルコースである請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
Ｚは、約１０分よりも短い請求項４５に記載の方法。
【請求項５３】
Ｘは、約１秒である請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
光学センサの耐用寿命を決定する方法であって、
（ａ）光源から放出された光に指示分子を連続的に曝す工程と、
（ｂ）前記指示分子の出力強度を定期的に決定する工程と、
（ｃ）前記指示分子の出力強度が所定の量だけ低下するのに要する時間を決定する工程と、
（ｄ）前記光学センサの光源が点灯している１日当たりの平均予想時間を決定する工程と、
（ｅ）工程（ｃ）において決定された時間を工程（ｄ）において決定された時間で除算することにより前記耐用製品寿命を決定する工程とを含む方法。
【請求項５５】
光学センサの光源の最大デューティサイクルを決定する方法であって、
（ａ）光源から放出された光に指示分子を連続的に曝す工程と、
（ｂ）前記指示分子の出力強度を定期的に決定する工程と、
（ｃ）前記指示分子の出力強度が所定の量だけ低下するのに要する時間を決定する工程と、
（ｄ）前記センサの総累積活性化時間を決定する工程と、
（ｅ）工程（ｃ）において決定された時間を工程（ｄ）において決定された時間で除算することにより最大デューティサイクルを決定する工程とを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物資の存在の影響を受ける光学特性を有する、放射線源、光検出器、および指示分子を使用して特定の物質の存在または濃度を検出するセンサに関する。このようなセンサは、ここでは「光学センサ」と呼ばれる。一態様では、本発明は、光学センサの耐用寿命を延長するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
開示が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第５，５１７，３１３号では、放射線源（例えば、発光ダイオード−「ＬＥＤ」）、蛍光指示分子、および光電変換素子（例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ、または他の光検出器）を含む検出デバイスについて説明している。検出デバイスは、さらに、高域または帯域通過フィルタを備えることもできる。大まかに言うと、本発明の分野の背景状況において、指示分子は、特定の物質の局所的存在の影響を受ける１つまたは複数の光学特性を有する分子である。開示が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６，３３０，４６４号では、さらに、光学系検出デバイスについて説明している。
【０００３】
米国特許第５，５１７，３１３号によるデバイスでは、放射線源（「光」源ともいう）は、放射線源により放射された放射線（例えば、電磁波の可視光または他の波長）が蛍光指示分子に当たり、それにより、指示分子が蛍光を発するように配置される。高域フィルタは、指示分子により放出された放射線が光電変換素子に到達し、その一方で光源から散乱線を除去するように構成される。
【０００４】
デバイス内で使用される指示分子の蛍光は、特定の物質の局所的存在により変調される（つまり、減衰または増強される）。例えば、錯体トリス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）過塩素酸ルテニウム（ＩＩ）のオレンジ色の蛍光  は、酸素の局所的存在により減衰される。したがって、この錯体は、酸素センサ内で指示分子として使用することができる。蛍光特性がさまざまな他の物質の影響を受ける指示分子も知られている。さらに、光を吸収し、吸収レベルが特定の物質の存在または濃度の影響を受ける、指標分子も知られている。例えば、開示が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第５，５１２，２４６号では、スペクトル応答が糖類などのポリヒドロキシル化合物の局所的存在により減衰される配合体を開示している。
【０００５】
都合のよいことに、デバイスの光電変換素子は、そこに入射する光の量の知られている関数である信号を出力するように構成される。そのため、高域フィルタでは、指示分子からの光のみを感光素子に到達させることができるため、光電変換素子は、指示分子から来る光の量の関数である信号を出力する。また、指示分子から来る光の量は、局所物質の濃度の関数であるため、光電変換素子により出力される信号は、局所物質の濃度を示すように較正されることが可能である。この方法により、特定の物質の存在または濃度を検出することができる。
【０００６】
上述したような光学センサを商業化する際に特に問題となるのは、保管および／または稼働寿命の有効期間を規定することである。このようなセンサで通常使用される標準的な電子コンポーネントの耐用寿命は１０年以上を超え、ほとんどの市販製品には十分である。しかし、これらのハイブリッドセンサの化学的コンポーネント（例えば、指示分子）も、商業利用の実用的基準を満たすために長期寿命製品安定性を維持しなければならない。
【０００７】
しかし残念なことに、光触媒酸化（光酸化または光退色ともいう）は、多くの指示分子とともに生じる通常の光化学反応である。この反応では、指示分子が電磁エネルギーの特定の入射波長により励起されると、電子が励起エネルギー状態に高められる。励起状態にある間、分子は雰囲気酸素との反応を受け、その結果酸素がその分子の分子構造に不可逆的に付加される。酸化された生成物種は、典型的には、もはや蛍光を発せず、したがって、有用でなくなる。
【０００８】
分子がこの「非機能」状態にある場合、分子は、光退色されるという。この光退色反応の典型的な半減期は、数時間程度である。数時間以内に光退色する指示分子の一実施例は、アントラセンである（光酸化生成物、アントラキノンは蛍光性でない）。
【０００９】
物質の存在を認識し測定可能な信号に変換するコンポーネントとして蛍光指示分子を使用するセンサは、光退色（または光酸化）により引き起こされる信号の劣化および最終的な喪失により耐用寿命を制限される。光学センサのマイクロ電子工学コンポーネントの耐用寿命は、１０年を超える場合があるが、重要な指示化学成分の半減期は、数時間ないし数日続きうる。コンポーネント稼働寿命におけるこのような不適合は、最終的には、生成物を指示化学作用のより短い耐用寿命に制限する。
【００１０】
したがって、このような生成物の商業化を可能にするコンポーネント寿命のこれらの極端な不適合を補償する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、既存の技術の上記および他の欠点を克服するシステムおよび方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一態様では、本発明は、活性化させたときに、連続する期間の間、時間Ｘ（例えば、秒、分、時間）毎に少なくとも１回特定の領域内の物質の存在または濃度に関するデータを取得するように構成された光学センサの耐用寿命を延ばす方法を提供する。この方法は、（ａ）光学センサが活性化している期間中放射線源のデューティサイクルが０％よりも大きく、１００％よりも小さくなるように光学センサを構成する工程と、（ｂ）領域内のある場所に光学センサを配置する工程と、（ｃ）Ｚを０より大きいとして、工程（ｂ）を実行した後時間Ｚの期間に光学センサを活性化する工程と、（ｄ）光学センサが活性化しているときに時間Ｚの期間中放射線源のデューティサイクルが０％よりも大きく、１００％よりも小さくなるように放射線源を動作させる工程と、（ｅ）時間Ｚが経過した後、光学センサを非活性化する工程とを含む。
【００１３】
上記の発明の方法によりセンサを動作させることにより、光学センサの指示分子は、センサが活性化している連続期間全体にわたって照射を受けない。したがって、この方法は、指示分子の耐用寿命を延ばし、それにより、光学センサの耐用製品寿命が延びる。
【００１４】
本発明の他の実施形態では、ある領域内の物質の存在または濃度に関するデータを供給する、（ｉ）物質の存在の影響を受ける光学特性を有する指示分子、（ｉｉ）放射線源、および（ｉｉｉ）光検出器を備える光学センサの耐用寿命を延ばす方法は、（ａ）領域内のある場所にセンサを配置する工程と、（ｂ）センサを活性化し、それによりセンサを活性状態に置く工程と、（ｃ）工程（ｂ）を実行した後、特定の周波数範囲内の周波数を有し、特定の振幅範囲内の振幅を有する電磁波を放射線源が出力するように放射線源を構成する工程と、（ｄ）工程（ｃ）を実行した後、ある時点に光検出器の出力から第１の測定結果を取得する工程と、（ｅ）工程（ｃ）が実行されてから時間Ｙが経過した後、センサがまだ活性状態にある間に、放射線源が電磁波を出力しないように放射線源を構成するか、または放射線源が特定の周波数範囲の最低周波数よりも低い周波数を有する、および／または特定の振幅範囲の最低振幅よりも小さい振幅を有する電磁波を出力するように放射線源を構成する工程と、（ｆ）Ｘが０よりも大きく、またＹよりも大きいとして、工程（ｃ）が実行されてから時間Ｘが経過した後、センサが活性状態にある間に、放射線源が特定の周波数範囲内の周波数を有し、特定の振幅範囲内の振幅を有する電磁波を出力するように放射線源を構成する工程と、（ｇ）工程（ｆ）を実行した後、ある時点に光検出器の出力から第２の測定結果を取得する工程と、（ｈ）ＮがＸよりも小さいとして、工程（ｆ）が実行されてから時間Ｎが経過した後、センサが活性状態にある間に、放射線源が電磁波を出力しないように放射線源を構成するか、または放射線源が特定の周波数範囲の最低周波数よりも低い周波数を有する、および／または特定の振幅範囲の最低振幅よりも小さい振幅を有する電磁波を出力するように放射線源を構成する工程とを含む。
【００１５】
都合のよいことに、上述の方法では、ＹおよびＮはＸ／２以下としてよい。本発明の方法によりセンサを動作させることにより、放射線源は、光検出器の測定の期間中に「オフ」にされるか、または照度を落とされ、したがって、光学センサの指示分子は、センサが活性化している間、連続的に照射を受けず、そのため指示分子の寿命が延びる。
【００１６】
他の実施形態では、活性状態にある場合に、連続する時間Ｚの間少なくとも時間Ｘ毎に１回、ある領域内の物質の存在または濃度に関するデータを取得する、物質の存在の影響を受ける光学特性を有する指示分子および指示分子を励起するための光源を備える、光学センサの耐用寿命を延ばす方法は、領域内のある場所に光学センサを置く工程と、ＹがＺよりも小さいとして、時間Ｚの間の時間Ｙ以下の総時間内に指示分子を励起する工程とを含む。
【００１７】
他の態様では、本発明は、センサの放射線源のデューティサイクルを制御するように構成されたデューティサイクルコントローラを有する光学センサを実現する。センサが活性化された期間中にセンサの放射線源のデューティサイクルを１００％から１００％未満のある割合に下げることにより、指示分子の累積照射時間は短縮され、それにより、光酸化の割合が減少し、したがって、指示分子の寿命が延びる。
【００１８】
他の態様では、本発明は、指示分社の温度を低くするように構成される冷却システム有する光学センサを実現する。指示分子の温度を低くすると、光酸化率が減少し、それにより、指示分子の耐用寿命が延びる。
【００１９】
他の態様では、本発明は、光学センサの光源に対する最大デューティサイクルを決定する方法を提供する。一実施形態では、この方法は、（ａ）好ましくは光学センサの光源と同じ、または実質的に類似の光源から放出された光を指示分子に連続的に照射する工程と、（ｂ）指示分子の出力強度を定期的に決定する工程と、（ｃ）指示分子の出力強度が所定の量だけ低下するのに要する時間を決定する工程と、（ｄ）センサの総累積活性化時間を決定する工程と、（ｅ）工程（ｃ）において決定された時間を工程（ｄ）において決定された時間で除算することにより最大デューティサイクルを決定する工程とを含む。
【００２０】
さらに他の態様では、本発明は、光学センサの耐用寿命を決定する方法を提供する。一実施形態では、この方法は、（ａ）好ましくは光学センサで使用される光源と実質的に類似の、または同一の光源から放出された光を指示分子に連続的に照射する工程と、（ｂ）指示分子の出力強度を定期的に決定する工程と、（ｃ）指示分子の出力強度が所定の量だけ低下するのに要する時間を決定する工程と、（ｄ）光学センサ内で使用される光源が点灯している１日当たりの平均予想時間を決定する工程と、（ｅ）工程（ｃ）において決定された時間を工程（ｄ）において決定された時間で除算することにより耐用製品寿命を決定する工程とを含む。
【００２１】
本発明の上記および他の特徴および利点、さらに本発明の好ましい実施形態の構造および動作について、付属の図面を参照しつつ詳しく説明する。
【００２２】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部をなす付属の図面は、本発明のさまざまな実施形態を示しており、その説明とともに、さらに、本発明の原理を説明し、当業者が本発明を実施し利用できるようにするために使用される。図面では、類似の参照番号は、同一または機能的に類似の要素を示す。さらに、参照番号の一番左の数字で、その参照番号が最初に出現する図面を識別する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、物質１０１の存在または濃度を検出するための代表的な従来の光学センサ１００の概略図を示す。センサ１００は、指示分子１０２、光源１０４、および光電変換素子１０６（または「光検出器１０６」）を備える。図１のグラフから、指示分子１０２は、物質の存在および濃度を測定可能な信号（例えば、光検出器１０６からの測定可能な電流出力１０８）に変換する際の重要な要素であることがわかる。
【００２４】
上述のように、光酸化により、指示分子はセンサ１００の「最弱」コンポーネントとなる。つまり、光酸化により、指示分子は、センサ１００の他のコンポーネントよりも早く劣化する。光源１０４および光検出器１０６などの周辺のコンポーネントは、典型的には１０年を超える耐用寿命を有する。しかし、指示分子は、数時間または数日以内に典型的な動作条件の下で劣化しうる。これは図２に例示され、この図は、典型的な動作条件（つまり、一定温度、一定照度および一定雰囲気酸素濃度）の下にある従来の指示分子の典型的な信号劣化のグラフを示す概略図である。図２に示されているように、指示分子から放出される放射線の強度は、短時間のうちに著しく減少する。
【００２５】
指示分子は、最弱連結であるため、従来のセンサの寿命も、数時間または数日程度である。しかし、本発明では、センサの耐用寿命を延長する光学センサおよび方法を提供する。
【００２６】
典型的な光学センサ（例えば、センサ１００を参照）では、電気光学コンポーネントは、従来のマクロおよび／またはマイクロ電子ディスクリートデバイスである。センサのこれらのコンポーネントおよび他の非化学的コンポーネントは、下流の増幅回路とともに、回路設計に固有のベースライン電子雑音レベルを有する。また、このようなシステムには、何らかの光暗雑音がありうる。この雑音は、いくぶんランダムであるが、典型的には、比較的一定領域内にある。図３は、例示的な暗騒音プロファイルを示す概略図である。
【００２７】
この一定の背景雑音に対し、十分な明快さで物質の濃度に直接比例する信号を区別することが可能でなければならない。平均された信号振幅と平均雑音振幅との比は、信号対雑音比（ＳＮＲ）と呼ばれる。所定の用途に適しているＳＮＲの数値は、さらに、設計全体を支配する他の要因に依存する。一般に、高いＳＮＲは、低いＳＮＲよりも好ましい。重要なのは、設計で達成されるＳＮＲのレベルは、デバイスを使用して測定を行える精度および分解能を定めるという点である。図４（Ａ）は、図２と３の重ね合わせである。
【００２８】
図４（Ａ）は、光化学劣化により弱まる信号とともに比較的一定の雑音背景を示す。これら２つのグラフの単純な比は、図４（Ｂ）にＳＮＲ対時間で示されている。図４（Ｂ）からわかるように、ＳＮＲは、信号を破壊する光酸化に直接比例して腐食される。ＳＮＲ曲線が下がるとともに時刻（Ｔ）のＳＮＲのいくつかの定義済み数値で、センサは使用不可になるが、それは、分解能および精度に対する仕様がもはや満たし得ないかあらである。時刻（Ｔ）は、センサの耐用寿命であり、これは、システム内に存在する指示分子である、最も不安定なコンポーネントの寿命により決定される。
【００２９】
センサのＳＮＲの劣化に影響を与えるいくつかの要因を識別した。それぞれの因子に対する好ましい範囲または設定は、センサの動作の好ましい包絡線を定義するために使用することができる。次いで、この包絡線は、デバイスの寿命を延長することができる動作パラメータを定める。因子について以下で説明する。
因子１：温度
温度は、指示分子、したがって光学センサの耐用寿命を決定する基本的な、直接的影響力を有する因子である。光酸化は、他のすべてのものと同様の化学反応であるため、温度の影響を説明する第１の主モデルは、アレニウスの式である。温度を高くすると、反応速度が高まり、その結果、指示分子の劣化が早まることがわかった。センサ信号劣化に対する温度上昇の効果は、図５に示されている。
【００３０】
図５から、温度が上昇すると、蛍光種と酸素との間の光化学反応が高まり、したがって、蛍光強度に基づく信号振幅は、それに比例して減少することがわかる。図６は、固定された経過動作時間に対するセンサＳＮＲ対温度のグラフを示す概略図である。
【００３１】
したがって、一態様では、本発明は、センサの温度、または指示分子１０２の温度を、センサの設計に対し他の制約条件が与えられた場合に寿命に対する最適な条件を規定する一定の値に維持する冷却システム７０２を有するセンサ７００（図７を参照）を実現する。例えば、いくつかの要件で、センサ７００が１０℃（５０°Ｆ）から２１．１℃（７０°Ｆ）までの間で動作しなければならないことが指定されている場合、冷却システム７０２は、１０℃（５０°Ｆ）〜２１．１℃（７０°Ｆ）の範囲内で寿命に関して最適な温度である１０℃（５０°Ｆ）に温度を維持するように構成することができる。デバイスの温度に下限がない用途では、−２８．９℃（２０°Ｆ）と低い温度に下げられることを見いだした。
【００３２】
一実施形態では、冷却システム７０２は、半導体コンポーネントを冷却するために使用されるようなペルチェ型チップデバイスを含むか、またはそのようなペルチェ型チップデバイスからなるようにすることができる。他の実施形態では、冷却システム７０２は、液体窒素またはその他の冷媒を含むか、または液体窒素またはその他の冷媒からなるようにできる。
因子２：光源と指示分子との間の分離距離
図８に示されている光学センサ８００などの光学センサでは、光束密度は、表面の一点における単位面積当たりの光束である。例えば、光の単位がアインシュタイン（１モルの光子、つまり１アボガドロ数の光子として定義される）の場合、単位面積当たりのアインシュタインが束を意味する。指示分子１０２のその点における単位面積当たりの光子数の密度は、ここでは目的に合わせて実効光束密度である。戻って説明すれば、光束密度は、光束発散度（以下参照）または実用上は光源強度と呼ばれる用語に関係する。逆二乗の法則により、光子強度（または光束）は、光源１０４と指示分子１０２が取り付けられた表面８０２との間の分離距離（ｄ）の平方で減少する。
【００３３】
因子の「マトリクス」または集合全体の中の単一の因子として扱われるが、分離距離（ｄ）に対する実効的、実用的で好ましい動作範囲は、０から２．５センチメートル（ｃｍ）であると決定した。０での範囲の低端は、指示分子が光源１０４の表面上に直接、または中に取り付けられる設計を表す。範囲の遠端（２．５ｃｍ）は、光束をより低いレベルに維持するために光解離性の高い蛍光種に適した設計を表す。しかし、本発明によるセンサは、この特定の範囲に限定されない。
因子３：光束発散度、光源強度、電力、または駆動電流
光源の光束発散度は、発光源（例えば、白熱灯、固体、有機、無機、ＬＥＤ、または任意の光源）の表面における光束密度の尺度である。光束密度は、上述のように、実または虚の任意の表面に対し、また光源からの任意の距離（ｄ）で定義されうる。光束発散度は、発光源の表面またはこの場合はｄ＝０で定められる光束である。これにより、光源の強度は、（ｄ）で定められた光束密度に関連付けられる。電子または電気光学的光源の強度はさらにその光源の駆動電流にも直接関係するので、光源用の電気的駆動電流を介して光源強度を制御することが可能であり、また実用的である（電子的以外の光源も可能であることに留意されたい）。駆動電流と光源強度との間のこの関係は、単純なものであり、図９に例示されている。
【００３４】
図９に例示されている関係は、軽減曲線とも呼ばれ、光源および光源のメーカーに特有のものである場合がある。しかし、このデータは、特定の選択された光源について組立加工業者側が用意する。駆動電流は、さらに、光源の電力も制御することに留意されたい。発光電力は、通常、ワット（および他の単位）で表される。一実施例で使用されるような固体電子源であれば、典型的には、電流および軽減曲線に応じてマイクロワットからミリワットの範囲内に収まるであろう。光源の性能限界の範囲内にある電力は、標準の家庭用減光スイッチとかなり似た方法で駆動電流を制限することにより制御し、設定することができる。単位は混乱しがちであるが、単純な変換により、電力も上述のように光酸化率に直接関連付けることができる。
【００３５】
所定距離（ｄ）において駆動電流と光酸化率との間に上述の関係が与えられた場合、好ましい駆動電流は、安定した光源出力が得られる可能な最も低い駆動電流である。発光ダイオード（ＬＥＤ）などの典型的な固体光源の場合、この値は、今のところ、０．５ｍＡと低い値であってよい。これらのデバイスがより効率的なものとなるにつれ、この駆動電流閾値は減少する可能性がある。
【００３６】
光学センサの寿命に影響を及ぼす因子についてさらに説明する前に、これまで説明した因子（例えば、温度（Ｔ）、分離距離（ｄ）、および駆動電流（Ｉｄｒｉｖｅ））をセンサシステム１０００（図１０を参照）の状況においてさらに例示するのは有益である。図１０は、これまでに説明した概念をまとめたものである。
【００３７】
図１０は、指示分子１０２が上にまたは中に置かれる表面８０２取り囲まれた、または部分的に取り囲まれた光源１０４を有するセンサシステム１０００を例示している。センサシステム１０００は、さらに、光源１０４、および光源１０４に供給される駆動電流（Ｉｄｒｉｖｅ）を調節するために使用される電流コントローラ１０１４に電力を供給するための電源１０１２（例えば、電池またはその他の電源）を備える。センサ１０００は、さらに、冷却システム７０２（図７に例示されているような）も備えることができる。オペレータまたは処理デバイスは、電流コントローラ１０１４を構成し、それにより、駆動電流の量を設定することができる。
【００３８】
上述のように、駆動電流は、光源強度を設定し、光源強度は、距離（ｄ）および逆二乗の法則を通じて光束密度を設定し、光束密度は、指示分子の光酸化率に直接比例する。したがって、光源１０４に供給される駆動電流の調整は、光源強度を設定し、光源強度は、逆二乗の法則が適用される固定された距離（ｄ）を通じて、光束を定め、光束は、光酸化率、したがって信号劣化率を設定する。
【００３９】
図１１は、システムの分離距離（ｄ）および温度（Ｔ）が一定に保たれる場合の、センサシステム１０００の寿命対光源駆動電流のグラフを示す概略図である。図１１は、単純化された図であるが、これにより光学センサの寿命を延ばす際の複数の因子のうちの１つを明確に理解できる。
【００４０】
多くの場合、「ｄ」は設計により固定される。つまり、光学センサの用途により、ｄの許容可能範囲が決定され、いくつかの場合には、これは小さな範囲であってもよい。例えば、光学センサが生体内で使用される場合、センサの適切なサイズ、したがってｄは制限される。ｄが固定されると、この値を使用して本明細書で説明されている他の因子（例えば、駆動電流）を評価し、さらに設計および最適な動作パラメータを用意することが可能である。
【００４１】
定数ｄは、蛍光種表面での光束を定める。ｄにより定義された表面における光束および電力は、同義語であることに留意されたい。上述のように、ｄが０から２．５ｃｍの間に収まるように固定すべきである１つの好ましい範囲を決定した。この情報を使用して駆動電流を設定することで、代表的なＬＥＤ光源の電流は、光源を活性化する最低源流である閾値（図９）から固体光源に対するメーカーの定格電流のほぼ２倍の値までの範囲であると決定した。例えば、典型的なＳｉＣまたはＧａＮベースのＬＥＤでは、これらの駆動電流は、約０．５ミリアンペアから約４０ミリアンペアまでの範囲である。他の実施形態では、駆動電流は、好ましくは約０．８から約３ミリアンペアであり、最も好ましくは約１から２ミリアンペアまでである。将来、光源メーカーがさらに効率的な光源を組み立てた場合、これらの範囲は変わりうる。
【００４２】
指示分子を使用するセンサの寿命に影響を及ぼす２つの追加の因子は、（１）入力発光源エネルギー、および（２）デューティサイクルである。次に、それぞれについて、以下で説明する。
因子４：入力発光源エネルギー（または波長）
光子のエネルギーは、式Ｅ＝ｈｆにより周波数に関連付けられているが、ただし、「Ｅ」は、光子のエネルギーであり、「ｈ」は、「プランク定数」であり、「ｆ」は、周波数である。周波数は、波長に逆比例する。したがって、波長の短い光子は、波長の長い光子よりもエネルギーが高い。典型的な蛍光励起は、約２００ｎｍからほとんど５００ｎｍまでの範囲の波長で生じる（ただし、近赤外線までの励起波長に対する分子およびメカニズムが知られている）。蛍光吸収および発光スペクトルは、本質的に、エネルギーのグラフであり、スペクトルは、おおよそ、蛍光種の特定の分子構造内のエネルギー最大値に対応する最適吸収または発光ピーク波長を中心とするガウス分布である。センサ内で使用することが可能なほとんどの蛍光種について、指示分子自体により、最適な波長（または場合によっては、複数の波長）が決定される。そのため、センサの設計者または使用者は、（複数の）光源の（複数の）波長を選択する自由度が制限されている。
因子５：光源のデューティサイクル
光源の波長とは異なり、光学センサの設計におけるもう１つのエネルギー構成要素であり、上述の光子エネルギーとは異なる（が、関係がある）光源デューティサイクルは、可変であり、センサ設計者／使用者の制御下にある。光源のデューティサイクルは、指示分子から測定値を得るために必要に応じて光源が指示分子を照射するように機能している時間の割合である。ある最小デューティサイクル以上では、必要なデータ出力に関する光学センサの性能は、デューティサイクルの変化の影響を大きく、または全く、受けることはない。そのため、光学センサの設計者／使用者は、光学センサの性能に悪影響を及ぼすことを心配せずに、光源のデューティサイクルを非常に自由に選択することができる。後述のように、光源のデューティサイクルを下げることで、指示分子の実効寿命を大幅に延長し、したがって、センサの寿命を延ばすことができる。
【００４３】
光学センサでは、光源から出力された放射線エネルギーの全部および累積のエネルギーが、指示分子の光酸化の全範囲を推し進める。言い換えると、光がない場合には、光酸化はないということである。時間経過に対する累積電力（または表面の光束）がエネルギーである。放射エネルギーの典型的な単位は、ジュールであり、エネルギー（ジュール）＝ワット（電力）×秒となる。
【００４４】
光源を発光させる際のエネルギーの消費率である電力（エネルギー／時間）は、指示分子の光酸化率に直接関連している。したがって、高出力電源は、低出力電源に比べてより高速に指示分子を光退色する。上の式からわかるように、電力制御する一方法は、エネルギーがシステムに投入される率を制御することである。光学センサの場合、電力を制御する一方法は、光源のデューティサイクルを制御することである。
【００４５】
光学センサでは、光学センサが「活性化している」（例えば、電力を消費している）期間全体にわたって動作しているか、または「オン」であることは一般的には不要であることを発見した。多くの用途において、光学センサは、日に数回、短時間の間だけ活性化していればよい。例えば、一実施形態では、光学センサは、約７分間、日約５回活性化している。しかし、いくつかの実施形態では、光学センサは、１日２４時間活性化している（つまり、連続的に活性化している）必要がある。
【００４６】
例えば、光検出器１０６からの測定値が、光学センサが活性化している期間に１秒に１回必要な場合、光学センサが活性化している期間全体にわたって光源がオンである必要はない。その代わりに、センサ回路によっては、１秒毎に１／１０秒の間光源をオンにするだけで十分と思われる。このシナリオでは、センサの耐用期間にわたってシステムに投入された累積エネルギーは１／１０に減るであろう。同様に、光源が１秒毎に１／１００だけ給電された場合、システムに投入されるエネルギーは、１／１００に減るであろう。電力は累積光酸化、したがって信号振幅の低下、したがってＳＮＲの低下に直接関係しているため、投入エネルギーを１／１００に減らすと、この単一因子についてデバイスの寿命は１００倍に延びる。
【００４７】
センサが活性化している期間中の光源の適切なデューティサイクルは、用途特有のものである。一用途では、センサが活性化しているときに、光検出器１０６からの測定値は、ほぼ２分おきに取られる。センサおよびサポート電子回路（例えば、光検出器１０６）は、１００ミリ秒つまり１／１０秒の期間内に正確な測定値を取ることができる十分な高速性を有する。２分間のうち１／１０秒間センサ光源に給電することで、エネルギー低減係数は、１２０秒／０．１秒＝１２００倍となる。この係数は、そのまま、蛍光種の光酸化信号劣化に対抗して連続動作の場合と比べてセンサの製品寿命が１２００倍延長されることを意味する。
【００４８】
デューティサイクルは、オン時間の割合として表されることが多い。そこで、上記の実施例だと、約０．０８％のデューティサイクルとなる。異なる製品、異なる設計、および異なる指示分子については、約５０％および潜在的にそれ以上のデューティサイクルが有用である。下端では、１×１０（ｅｘｐ−５）％と低くても、非常に低いレベルに対する分数パーセンテージが有用である。
【００４９】
本発明の他の実施形態では、センサは、ほぼ２分おきに、ＬＥＤオン時間のうちの約５０ミリ秒間だけオンになる。この実施形態は、グルコースセンサについても有用な場合がある。
【００５０】
図１２は、本発明の他の実施形態による光学センサ１２００を示す図である。センサ１２００は、センサ７００と同一であるが、ただし、センサ１２００は、さらに、デューティサイクルコントローラ１２０２および電流コントローラ１０１４を備える。センサ１２００のコンポーネントは、ハウジング（図に示されていない）内に封入されるのが好ましい。指示分子は、ハウジングの表面上、またはハウジングの表面の中に入れることができる。
【００５１】
デューティサイクルコントローラ１２０２は、ハードウェア単独で、またはハードウェアとソフトウェアとを組み合わせて実装することができる。デューティサイクルコントローラ１２０２は、光源１０４のデューティサイクルを制御する。いくつかの実施形態では、センサ１２００の使用者は、デューティサイクルコントローラ１２０２を構成することにより光源１０４のデューティサイクルを設定することができる。これらの実施形態では、デューティサイクルコントローラ１２０２、使用者がコントローラを構成または設定することを可能にするインターフェイス１２０４を備える。図１７は、光源１０４の動作を制御するために使用することができる例示的な回路を示す回路図である。
【００５２】
図１３は、本発明の一実施形態によるプロセス１３００を例示する流れ図である。プロセス１３００は、活性化している場合に、連続する時間Ｚの間、時間単位Ｘ毎に少なくとも１回、領域内の物質の存在または濃度に関するデータを取得するように構成された光学センサ（例えば、センサ１２００）の寿命を延ばすプロセスである。ＸおよびＺは、秒から分、時までの範囲内とすることができる。
【００５３】
プロセス１３００、工程１３０２で開始することができ、その場合、光学センサは、センサの放射線源のデューティサイクルが、センサが時間単位Ｘ毎に少なくとも１回、データを取得する必要がある場合に、時間Ｚの間、１００％未満となるように構成される。工程１３０４で、センサは、領域内のある場所に置かれる。工程１３０４は、工程１３０２の前または後に実行することができる。光学センサのいくつかの用途において、Ｘは、約１秒であり、Ｚは、約７分である。他の用途では、Ｘは１秒程度、Ｚは７分程度としてよい。また、いくつかの用途では、時間Ｚに対するデューティサイクルは、５０％未満であるが、他の用途では、デューティサイクルは、０．００００１％以下と低くなる場合がある。工程１３０６で、センサは、活性化され、時間Ｚの間、活性状態のままである。センサは、外部電源からそのセンサに給電することにより活性化することができる。
【００５４】
工程１３０８で、センサが活性化している時間Ｚの間、放射線源のオン、オフが何回か繰り返される。つまり、放射線源のデューティサイクルが０％よりも大きく、１００％よりも小さくなるように動作する。いくつかの特定の実施形態では、デューティサイクルは、５０％未満である。工程１３１０で、工程１３０６が実行されたときから時間ｚが経過した後、センサは、非活性化される。次に、センサは、一定期間何もしない場合がある（工程１３１２）。工程１３１２の後、プロセスは、工程１３０６に戻ることができる。
【００５５】
図１４は、特定の領域内の物質の存在または濃度を感知する、本発明の他の実施形態による、プロセス１４００を例示する流れ図である。プロセス１４００は、工程１４０２から始まることができ、そこでは、光学センサは、その領域内の所望の場所に配置される（例えば、生体内に埋め込まれる）。工程１４０３で、センサが活性化される。例えば、センサは、外部電源からそのセンサに給電することにより活性化することができる。
【００５６】
工程１４０４で、センサが活性化された後、センサの光源はオンにされる（例えば、光源は、最低の光束発散度を有するように構成される）。工程１４０５で、光源がオンにされたある時点において、光検出器１０６の出力が測定され、好ましくは記録される。工程１４０４が実行された後時間Ｙほどしてから実行される工程１４０６で、光源はオフにされる。
【００５７】
工程１４０８で、プロセス１４００が完了したかどうかについて判定される。例えば、プロセス１４００は、工程１４０４が最初に実行されてから時間Ｚが経過したときに完了している可能性がある。プロセスが完了した場合、センサは非活性化される（工程１４１０）。センサが非活性化された後、センサは、後から再活性化することができる。例えば、いくつかの実施形態では、センサは、１年のうち毎日５回活性化する必要がある。そこで、これらの実施形態では、センサは、非活性化されてから約５時間後に再活性化される。
【００５８】
このプロセスが完了しない場合、プロセスは工程１４０４に戻るが、ただし、工程１４０４が最後に実行されてから時間Ｘほど経過した後に限る（工程１４１２）。
【００５９】
工程１４０４〜１４０６は、典型的には、ほぼ与えられた期間Ｚの間繰り返される（つまり、センサは、非活性化される前に、ほぼ時間Ｚの間活性化している）。プロセス１４００では、Ｘは、０よりも大きく、Ｙは、好ましくはＸよりも小さく、Ｘは、Ｚよりも小さい。いくつかの用途では、Ｙは、Ｘ／２以下である。他の用途では、Ｙは、Ｘ／１０以下とすることができる。
【００６０】
期間Ｚ（つまり、センサが活性化している期間）にわたる放射線源の構成は、図１５に例示されている。図１５に示されているように、ｔ＝０、ｔ＝Ｘ、ｔ＝２Ｘなどで、光源は、時間Ｙの間活性化され、次いで、時間Ｘ−Ｙの間非活性化される。図１５は周期関数を示しているが、関数は、周期的である必要もなく、またＹまたはＸが期間Ｚにわたって一定のままである必要もない。
【００６１】
プロセス１４００を実行することにより、光源は光学センサが活性化している間連続して「オン」ではないため、光学センサの指示分子の耐用寿命は延長されうる。
【００６２】
図１６は、物質の存在または濃度を感知する、本発明の他の実施形態による、プロセス１６００を例示する流れ図である。プロセス１６００は、工程１６０２から始まるが、そこでは、光学センサは所望の場所に配置される。工程１６０３で、センサが活性化される。
【００６３】
工程１６０４で、光学センサの光源は、特定の周波数範囲内の周波数および特定の振幅範囲内の振幅（つまり、強度）を有する電磁波を出力するように構成される。工程１６０５で、光学センサの光検出器の出力からの測定結果は、工程１６０４が実行された後、好ましくは工程１６０６が実行される前のある時点において取得される。
【００６４】
工程１６０４が実行されてから時間Ｙが経過した後実行される工程１６０６で、光源は、電磁波を出力しないように構成されるか、または光源は、特定の周波数範囲内にない周波数を有し、および／または特定の振幅範囲内の最低振幅よりも低い振幅を有する電磁波を出力するように構成される。電磁波の振幅は、工程１６０６で放射されたとすれば、特定の振幅範囲内の最低振幅よりも小さいのが好ましい。
【００６５】
工程１６０８で、センサが十分に長い期間動作していたかの判定が行われる。動作していた場合、センサは、非活性化されるが（工程１６１０）、動作していない場合、プロセスは、工程１６０６の実行から測定された時間Ｘの遅延の後、工程１６０４に戻る。工程１６１０の後、プロセスは、一定の時間経過後工程１６０３に戻ることができる。
【００６６】
プロセス１４００のように、プロセス１６００は、特に工程１６０６で、光源が、電磁波を出力しないように、または比較的小さな振幅および／または低い周波数を有するそのような電磁波を出力するように構成される場合に光学センサの指示分子の寿命を大きく延ばすことができる。
【００６７】
図１７は、センサの光源を制御するために使用することができる回路の一実施例を示す回路図である。この非制限的な実施例では、抵抗器Ｒ１およびＲ２は、フィルタコンデンサＣ２を含み、比較器Ｕ１入力ピン５にコンデンサとともに基準電圧を供給する分圧器である。電力が最初に回路に印加されると、コンデンサＣ１が放電する。比較器Ｕ１の正の入力ピン５が負の入力ピン６よりも高い場合、出力ピン７は、電流制限抵抗器Ｒ４を通じて電圧を発光ＬＥＤ  Ｄ１に供給する。コンデンサＣ１は、抵抗器Ｒ３を通して、印加された電圧へ向かって蓄電する。Ｃ１電圧が基準電圧を通過すると、Ｕ１の負入力ピン６は、正の入力ピン５よりも高くなる。次に、Ｕ１出力ピン７は−ｖに落ちて、ＬＥＤ  Ｄ１をオフにする。
【００６８】
他の基準電圧も使用することが可能である。例えば、商業電圧基準集積回路またはツェナーダイオードを使用することが可能である。また、ＯＰアンプなどの他のデバイスを、図１７に示されている比較器の代わりに使用することも可能である。
【００６９】
光学センサの動作に関係する上述のプロセスに加えて、本発明は、さらに、光源の所望のデューティサイクルを決定するプロセスおよび光学センサの耐用製品寿命を決定するプロセスを実現する。
【００７０】
図１８は、ＬＥＤがＹｍＡの電流により駆動される、光学センサのＬＥＤに対する所望のデューティサイクルを決定するプロセス１８００を例示する流れ図である。プロセス１８００は、工程１８０２から始まることができ、そこで、光学センサとともに使用される指示分子が識別される。工程１８０４で、ＹｍＡの電流駆動されるＬＥＤから放出された光に連続的に曝されたときに指示分子の出力強度が元の出力強度のＸ％まで低下するのに要する時間が、決定されるが、ただし、ＹｍＡは、光学センサが活性化されたときに使用される駆動電流である。
【００７１】
工程１８０６で、センサの総累積活性化時間が決定される。例えば、センサが３６５日の間毎日７分間ずつ５回活性化されるように設計されている場合、センサの総累積活性化時間は（７×５×３６５＝１２７７５分）となる。工程１８０８で、ＬＥＤのデューティサイクルは、工程１８０４で決定された時間を工程１８０６で決定された時間により除算することで決定される。したがって、デューティサイクルは、センサが活性化している期間中、ＬＥＤがオンである時間の割合である。
【００７２】
図１９は、光学センサの耐用製品寿命を決定するプロセス１９００を例示する流れ図であり、センサは、オンにされたときにＹｍＡの電流で駆動されるＬＥＤを有し、ＬＥＤは、毎日同じ時間だけオンにされ、耐用製品寿命は、センサの指示分子の出力強度が元の出力強度のＸ％まで低下するのに要する時間として定義される。
【００７３】
プロセス１９００は、工程１９０２から始まることができ、そこで、光学センサとともに使用される指示分子が識別される。工程１９０４で、ＹｍＡの電流駆動されるＬＥＤから放出された光に連続的に曝されたときに指示分子の出力強度が元の出力強度のＸ％まで低下するのに要する時間が、決定されるが、ただし、ＹｍＡは、光学センサが活性化されたときに使用される駆動電流である。
【００７４】
工程１９０６で、ＬＥＤが毎日オンになる総時間数が決定される。工程１９０８で、耐用製品寿命は、工程１９０４で決定された時間を工程１９０６で決定された時間により除算することで決定される。例えば、工程１９０４で決定された時間が１００００分であり、ＬＥＤが毎日１０分以下の間オンになる場合、センサの耐用製品寿命は、約１００００／１０＝１０００日となる。
【００７５】
光学センサの所望のデューティサイクルを決定するプロセスの非制限的実施例について以下で説明する。この実施例によれば、光学センサは、３６５日（１年）にわたり、毎日５回、それぞれ７分間使用されるのが望ましい。毎回使用時に、ＬＥＤは、試料毎に合計１５０ｍｓの時間の間、オンであり、試料は使用時に１秒に１回発生する。ＬＥＤは、方形波により駆動され、したがって、５０％のデューティサイクルを持つ。この用途では、センサの出力強度が、初期出力強度に比べて、いくつかの条件の下で１年の間に元の出力強度の１０％以内に留まることを必要とする。
【００７６】
ＬＥＤオン時間の長さは、以下のように、この実施例について計算することができる。
【００７７】
１）１年以内では、（３６５日／年）×（５回使用／日）＝１，８２５回使用／年となる。
【００７８】
２）それぞれの試料は１秒間隔で発生するため、１分当たりの試料数は６０である。
【００７９】
３）（６０試料／分）×（７分／使用）＝４２０試料／使用となる。
【００８０】
４）上の式１および３を使用すると、センサは、（４２０試料／使用）×（１，８２５使用／年）＝７６６，５００試料／年となる。
【００８１】
５）試料毎に、センサのＬＥＤは、１５０ｍｓの間オンになっている。
【００８２】
６）式４および５から、得られるセンサのＬＥＤオン時間は、（７６６，５００試料／年）×（１５０ｍｓ／試料）＝１１４，９７５，０００ｍｓ／年となる。
【００８３】
７）式６から、５０％のデューティサイクルで、１１４，９７５，０００ｍｓ／年＝１１４，９７５秒／年＝３１．９４時間ＬＥＤオン時間／年となる。
【００８４】
そのため、この用途で必要なのは、５０％のデューティサイクルでＬＥＤを約３１．９４時間連続して稼働させ、しかも、センサの出力強度を元の値の１０％以内に留められることである。
【００８５】
この実施例では、１ｍＡでのセンサ出力強度対ＬＥＤ動作時間から、センサ出力強度は、５０％のデューティサイクルで、２３時間の連続使用において元の値の９０％まで低下することがわかる。これは、この特定の用途については十分なＬＥＤオン時間とはいえないので、デューティサイクルは、補正するように変更できる。例えば、デューティサイクルを２５％（または値の半分）に変更すると、ＬＥＤオン時間は半分に短縮され、指示分子の光退色の量が減る。センサの寿命は、この特定の実施例では、元の寿命の倍近いものとなる。
【００８６】
５０％デューティサイクルは、ＬＥＤを駆動する方形波の使用から生じる。電磁波のサイクル毎に、ＬＥＤ駆動信号は、特定の持続時間、「ｔ」秒の間、オンであり、次いで、同じ持続時間、「ｔ」秒の間、スイッチオフであり、次いで、「ｔ」秒の間、スイッチオンになり、というように続き、オンとオフを交互に繰り返す。時間の半分で、オンであり、時間の半分で、オフである。これは、例えば、サイクルの１／４でオン、サイクルの３／４でオフとなるように変更することができる。この場合、ＬＥＤオン時間は、同じ使用条件に関して半分にされ、そのため、より長く稼働させることができ、しかも、１０％の低下限度内に留まりうる。
【００８７】
この実施例で取りあげた時間が短縮されると、ＬＥＤの総オン時間数は減少し、そのため、指示分子の強度を維持することによりセンサの寿命が延長する。例えば、デバイスが使用される１年の日数を減らし、１日の使用回数を減らし、使用毎の試料数を減らし、サンプリング時にＬＥＤがオンである時間の長さを短縮し、ＬＥＤ駆動のデューティサイクルを減らすことで、センサの寿命を延ばせる。単純な公式を使用して、１年間の総ＬＥＤオン時間を求めることができる。
【００８８】
１年間の総ＬＥＤオン時間＝（デバイスが使用される１年間の日数）×（１日当たりの使用回数）×（使用毎の試料数）×（サンプリング時にＬＥＤがオンになっている時間の長さ）×（ＬＥＤドライブのデューティサイクル）
本明細書で説明されている光学センサは、特定の用途または動作環境に限定されない。例えば、本発明によるセンサは、人間に埋め込むことができ、また人体のさまざまな生物学的検体（例えば、グルコース、酸素、毒素など）を測定するために使用することができる。
【００８９】
これまで本発明のさまざまな実施形態／変更形態について説明してきたが、実施例としてのみ提示されており、限定することを意図していないことは理解されるであろう。したがって、本発明の程度および範囲は、上述の例示的な実施形態により制限されるのではなく、請求項およびその等価物によってのみ定義されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】例示的な光学センサのいくつかのコンポーネントを示す図である。
【図２】典型的な動作条件の下にある従来の指示分子の典型的な信号劣化のグラフを示す概略図である。
【図３】例示的な暗騒音プロファイルを示す概略図である。
【図４】図４（Ａ）は、図２と図３とを重ね合わせた図である。
【００９１】
図４（Ｂ）は、ＳＮＲ対時間のグラフである。
【図５】センサ信号劣化に対する温度上昇の影響を示す図である。
【図６】固定された経過動作時間に対するセンサＳＮＲ対時間のグラフを示す概略図である。
【図７】本発明の一実施形態による光学センサのいくつかのコンポーネントを示す図である。
【図８】本発明の他の実施形態による光学センサのいくつかのコンポーネントを示す図である。
【図９】駆動電流と光源強度との間の関係を示す概略図である。
【図１０】本発明の他の実施形態による光学センサのいくつかのコンポーネントを示す図である。
【図１１】システムの分離距離（ｄ）および温度（Ｔ）が一定に保たれる場合の、光学センサ寿命対光源駆動電流のグラフを示す概略図である。
【図１２】本発明の他の実施形態による光学センサのいくつかのコンポーネントを示す図である。
【図１３】本発明の一実施形態によるプロセスを例示する流れ図である。
【図１４】本発明の他の実施形態によるプロセスを例示する流れ図である。
【図１５】本発明の一実施形態により動作する光学センサ光源の例示的なデューティサイクルを示す概略図である。
【図１６】本発明の他の実施形態によるプロセスを例示する流れ図である。
【図１７】センサの光源を制御するために使用することができる例示的な回路を示す回路図である。
【図１８】デューティサイクルを決定するプロセスを示す流れ図である。
【図１９】光学センサの耐用製品寿命を決定するプロセスを示す流れ図である。
【図１】
2007534967.tif 000003
【図２】
2007534967.tif 000004
【図３】
2007534967.tif 000005
【図４】
2007534967.tif 000006
【図５】
2007534967.tif 000007
【図６】
2007534967.tif 000008
【図７】
2007534967.tif 000009
【図８】
2007534967.tif 000010
【図９】
2007534967.tif 000011
【図１０】
2007534967.tif 000012
【図１１】
2007534967.tif 000013
【図１２】
2007534967.tif 000014
【図１３】
2007534967.tif 000015
【図１４】
2007534967.tif 000016
【図１５】
2007534967.tif 000017
【図１６】
2007534967.tif 000018
【図１７】
2007534967.tif 000019
【図１８】
2007534967.tif 000020
【図１９】
2007534967.tif 000021
【国際調査報告】
2007534967.tif 000022
2007534967.tif 000023
2007534967.tif 000024
2007534967.tif 000025
2007534967.tif 000026