(57)【要約】  ｐＨセンサが密閉フルイディックチャネルと、フルイディックチャネル内に存在する電解液と、フルイディックチャネルの外部に設けられた第１の電極と、フルイディックチャネル内に設けられた第２の電極と、フルイディックチャネルとフルイディックチャネルの外部との間に延びる液体接合部とを有する。液体接合部は、フルイディックチャネル内の電解液とフルイディックチャネルの外部を流体結合させるようになっている。ｐＨセンサは、液体接合部と作動結合状態にあり、液体接合部がフルイディックチャネル内の電解液とフルイディックチャネルの外部を流体結合させるかどうかを制御するフルイディックスイッチ又はフルイディックスコントローラを更に有する。
2013511329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐＨセンサであって、
密閉フルイディックチャネルと、
前記フルイディックチャネル内に存在する電解液と、
前記フルイディックチャネルの外部に設けられた第１の電極と、
前記フルイディックチャネル内に設けられた第２の電極と、
前記フルイディックチャネルと前記フルイディックチャネルの外部との間に延びていて、前記フルイディックチャネル内の前記電解液と前記フルイディックチャネルの外部を流体結合させるようになった液体接合部と、
前記液体接合部と作動結合状態にあり、前記液体接合部が前記フルイディックチャネル内の前記電解液と前記フルイディックチャネルの前記外部を流体結合させるかどうかを制御するフルイディックスイッチとを有する、ｐＨセンサ。
【請求項２】
サブストレートと、
前記サブストレートに連結されたカバーとを更に有し、前記カバーと前記サブストレートは、前記フルイディックチャネルを構成するよう協働する、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項３】
前記フルイディックスイッチは、前記フルイディックチャネル内に存在する少なくとも第１の泡を有する、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項４】
前記第１の泡を前記第１の泡が前記液体接合部に接触する第１の位置と前記第１の泡が前記液体接合部に接触しない第２の位置との間で輸送する泡輸送システムを更に有する、請求項３記載のｐＨセンサ。
【請求項５】
前記泡輸送システムは、電極のアレイを有するエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック（electrowetting-on-dielectric）システムを備えた、請求項４記載のｐＨセンサ。
【請求項６】
前記第１の泡は、前記第１の位置では、前記液体接合部及び前記第２の電極に接触し、前記第２の位置では、前記液体接合部又は前記第２の電極に接触しない、請求項４記載のｐＨセンサ。
【請求項７】
前記第１の泡を前記第１の泡が前記液体接合部と電解液との間にバリヤを形成すると共に前記第２の電極と前記電解液との間にバリヤを形成する第１の位置と、前記第１の泡が前記液体接合部と電解液との間にバリヤを形成せず、しかも前記第２の電極と前記電解液との間にバリヤを形成しない第２の位置との間で輸送する泡輸送システムを更に有する、請求項３記載のｐＨセンサ。
【請求項８】
前記第１の泡を前記フルイディックチャネル内に生じさせるよう前記フルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムを更に有する、請求項４記載のｐＨセンサ。
【請求項９】
前記フルイディックチャネル内に少なくとも１つの泡を生じさせて、該泡が前記液体接合部に接触することができるよう前記フルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムと、前記泡が前記液体接合部に接触しないよう前記泡のサイズを減少させるシステムとを更に有する、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項１０】
前記泡のサイズを減少させる前記システムは、前記電極システムに施された触媒を有する、請求項９記載のｐＨセンサ。
【請求項１１】
前記泡を該泡が前記第１の位置において前記液体接合部及び前記第２の電極に接触するよう発生させ、次に、サイズを減少させて前記泡が前記液体接合部又は前記第２の電極に接触しないようにする、請求項１０記載のｐＨセンサ。
【請求項１２】
前記フルイディックチャネル内に少なくとも１つの泡を発生させ、該泡が前記液体接合部と電解溶液との間にバリヤを形成することができると共に前記第２の電極と前記電解液との間にバリヤを形成することができるよう前記フルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムと、前記泡が前記液体接合部と電解液との間にバリヤを形成せず、しかも前記第２の電極と前記電解液との間にバリヤを形成しないよう前記泡のサイズを減少させるシステムとを更に有する、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項１３】
前記サブストレートは、ガラス又はポリマーを含み、前記カバーは、ガラス又はポリマーを含む、請求項２記載のｐＨセンサ。
【請求項１４】
前記第１の電極は、白金、クロム、チタン又は酸化イリジウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項１５】
前記第２の電極は、白金、クロム、チタン、銀及び塩化銀のうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項１６】
前記カバーは、ポリジメチルシロキサンを含む、請求項２記載のｐＨセンサ。
【請求項１７】
前記フルイディックスイッチは、前記第１の泡から間隔を置いて位置すると共に前記基準溶液を介して前記第１の泡に流体力学的に結合された少なくとも第２の泡を有する、請求項４記載のｐＨセンサ。
【請求項１８】
前記電解液は、塩化カリウム溶液又は塩化銀溶液のうちの少なくとも一方を含む、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項１９】
前記第１の泡は、前記電解液中で不混和性の流体を含む、請求項３記載のｐＨセンサ。
【請求項２０】
前記液体接合部は、多孔質ポリマーを含む、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項２１】
前記ｐＨセンサは、体内に植え込み可能であるように構成されている、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項２２】
前記ｐＨセンサは、マイクロスケールｐＨセンサである、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項２３】
前記ｐＨセンサは、１センチメートル未満の寸法を有する、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項２４】
フルイディックコントローラであって、
密閉フルイディックチャネルと、
前記フルイディックチャネル内に存在する液体と、
前記フルイディックチャネルの内部と前記フルイディックチャネルの外部との間に延びる液体接合部と、
前記フルイディックチャネル内に存在する少なくとも第１の泡とを有する、フルイディックコントローラ。
【請求項２５】
前記第１の泡を前記第１の泡が前記液体接合部に接触する第１の位置と前記第１の泡が前記液体接合部に接触しない第２の位置との間で輸送する泡輸送システムを更に有する、請求項２４記載のフルイディックコントローラ。
【請求項２６】
前記泡輸送システムは、電極のアレイを有するエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック（electrowetting-on-dielectric）システムを備えた、請求項２５記載のフルイディックコントローラ。
【請求項２７】
前記第１の泡を前記フルイディックチャネル内に生じさせるよう前記フルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムを更に有する、請求項２５記載のフルイディックコントローラ。
【請求項２８】
前記フルイディックチャネル内に少なくとも１つの泡を生じさせて、該泡が前記液体接合部に接触することができるよう前記フルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムと、前記泡が前記液体接合部に接触しないよう前記泡のサイズを減少させるシステムとを更に有する、請求項２４記載のフルイディックコントローラ。
【請求項２９】
前記泡のサイズを減少させる前記システムは、前記電極システムに施された触媒を有する、請求項２８記載のフルイディックコントローラ。
【請求項３０】
密閉フルイディックチャネル内の液体と前記フルイディックチャネルの外部との流体結合を制御する方法であって、前記フルイディックチャネルは、前記フルイディックチャネルと前記フルイディックチャネルの外部との間に延びる液体接合部を有し、前記液体接合部は、前記フルイディックチャネルと前記外部とを流体結合させるようになっている、方法において、前記液体中で流体不混和性の泡を前記液体接合部と接触関係をなすよう制御可能に位置決めするステップを有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
〔関連出願の説明〕
本願は、２００９年１１月１９日に出願された米国特許仮出願第６１／２６２，８１５号の利益を主張する出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その開示内容を本明細書の一部とする。
【０００２】
以下の情報は、読者が以下に説明する技術及びかかる技術を利用することができる或る特定の環境についての理解を助けるよう提供されている。本明細書で用いられる用語は、本明細書において別段の明示の指定がなければ、任意特定の狭い解釈に限定されるものではない。本明細書に記載された技術文献は、技術及びその背景の理解を容易にすることができる。本明細書において参照により引用する技術文献の全ての開示内容を本明細書の一部とする。
【０００３】
電位差（ポテンシオメトリック）原理を利用した典型的なｐＨセンサは、基準電解液と、検体溶液（この検体溶液のｐＨが測定される）内に浸漬され又はこれと接触状態にある指示電極と、基準電解液中に浸漬された基準電極と、基準電極及び指示電極と電気的接続状態にある測定回路、例えば電位差回路とを含む。電位差回路は、指示電極と基準電極の電位差を測定する。指示電極及び基準電極が浸漬されている電解液相互間のイオン接触により、これら電極相互間の電気的接続が可能である。サンプル又は検体電解液のｐＨ値（これは、サンプル電解液中の水素イオンの濃度に比例する）は、ネルンストの式に従って指示電極のところに生じた電位差と直接的な相関関係にある。
【０００４】
上述の構成では、正確な測定を行う上での重要な条件は、基準電極と基準電解液中に生じた電位差が一定に維持されて電位差回路からの読みが指示電極中の電位差のみ、即ち、電解液中のｐＨだけを表すようにすることにある。この条件を満たすため、一般的な構成では、基準電極を飽和基準電解液中に浸漬させると共に飽和基準電解液とサンプル又は検体電解液との間に位置決めされた小さな「窓」を設け、それにより飽和基準電解液とサンプル又は検体電解液とのイオン接触及びかくして電気的接続をもたらすようにしている。「窓」は、通常、多孔質材料、例えば多孔質ガラスメンブレン、親水性多孔質ポリマーメンブレン等で作られる。「窓」の多孔性により、飽和基準電解液とサンプル又は検体電解液との間に無視できないほどの物質移動が生じ、それにより両方の電解液の交差汚染が生じる。
【０００５】
かかる汚染に起因して生じる飽和基準電解液の希釈は、これが基準電極の電位差を変化させるので大きな問題となる場合がある。汚染は又、ｐＨセンサの安定性を劣化させると共にｐＨセンサの寿命を短くする。ｐＨセンサの寸法を減少させているので（例えば、極めて小さな、マイクロレベルの、マイクロスケールの又はそれよりも小さな寸法に）、問題は、飽和基準電解液の体積がサンプル電解液と比較して極めて小さいので深刻化する。例えば、マイクロスケール又はこれよりも小さなｐＨセンサが人体内に植え込まれて生理学的ｐＨ（例えば、心筋ｐＨ）を測定するために用いられる用途の場合、飽和基準電解液の体積は、ｐＨが測定される心筋組織の体積と比較して極めて小さい。かかるスケールでは、飽和基準電解液は、マクロスケールガラス管型ｐＨセンサの場合よりも極めて迅速に希釈される。
【０００６】
ｐＨセンサ、例えばマイクロスケールｐＨセンサの有効寿命に悪影響を及ぼす別の要因は、基準電極の耐久性である。多くの場合、基準電極の導電性材料は、次第に溶解し、飽和基準電解液中に消費される。基準電極の溶解及び消費中の或る時点において、ｐＨセンサの有効寿命が終わる。
【発明の概要】
【０００７】
一観点では、ｐＨセンサは、密閉フルイディックチャネルと、フルイディックチャネル内に存在する電解液と、フルイディックチャネルの外部に設けられた第１の電極と、フルイディックチャネル内に設けられた第２の電極と、フルイディックチャネルとフルイディックチャネルの外部との間に延びている液体接合部を有している。この液体接合部は、フルイディックチャネル内の電解液とフルイディックチャネルの外部を流体結合させるようになっている。このｐＨセンサはさらに、液体接合部と作動結合状態にあり、液体接合部がフルイディックチャネル内の電解液とフルイディックチャネルの外部を流体結合させるかどうか（又はどの程度までであるか）を制御するフルイディックスイッチ又はフルイディックコントローラを有する。ｐＨセンサは、例えば、サブストレートと、サブストレートに連結されたカバーとを更に有するのが良く、カバーとサブストレートは、フルイディックチャネルを構成するよう協働する。
【０００８】
フルイディックスイッチは、例えば、フルイディックチャネル内に存在する少なくとも第１の泡を有するのが良い。第１の泡は、例えば、基準電解液中で不混和性の流体を含むのが良い。多くの実施形態では、ｐＨセンサは、第１の泡を第１の泡が液体接合部に接触する第１の位置と第１の泡が液体接合部に接触しない第２の位置との間で輸送する泡輸送システムを更に有する。第１の泡は、例えば、第１の位置では、液体接合部及び第２の電極に接触するのが良く、第２の位置では、液体接合部又は第２の電極に接触しないのが良い。多くの実施形態では、第１の泡は、第１の位置では、液体接合部と電解液との間にバリヤを形成すると共に第２の電極と電解液との間にバリヤを形成する。かかる実施形態では、泡は、第２の位置では、第１の泡が液体接合部と電解液との間にバリヤを形成せず、しかも第２の電極と電解液との間にバリヤを形成しない。泡輸送システムは、例えば、電極のアレイを有するエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック（electrowetting-on-dielectric）を含むのが良い。
【０００９】
多くの実施形態では、ｐＨセンサは、例えば、第１の泡をフルイディックチャネル内に生じさせるようフルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムを有するのが良い。
【００１０】
フルイディックスイッチは、例えば、第１の泡から間隔を置いて位置すると共に基準電解液を介して第１の泡に流体力学的に結合された少なくとも第２の泡を有するのが良い。
【００１１】
多くの実施形態では、ｐＨセンサは、例えば、フルイディックチャネル内に少なくとも１つの泡を発生させ、この泡が液体接合部と接触できるようフルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムと、泡が液体接合部と接触しないよう泡のサイズを減少させるシステムとを更に有するのが良い。泡のサイズを減少させるシステムは、例えば、電極システムに施された触媒を有するのが良い。例えば、泡をこの泡が第１の位置において液体接合部及び第２の電極に接触するよう発生させ、次に、サイズを減少させて泡が液体接合部又は第２の電極に接触しないようにするのが良い。多くの実施形態では、電極システムは、フルイディックチャネル内に少なくとも１つの泡を発生させ、この泡が液体接合部と電解溶液との間にバリヤを形成することができると共に第２の電極と電解液との間にバリヤを形成することができるようになっている。かかる実施形態では、泡のサイズを減少させるシステムは、泡が液体接合部と電解液との間にバリヤを形成せず、しかも第２の電極と電解液との間にバリヤを形成しないよう泡のサイズを減少させる。
【００１２】
ｐＨセンサのサブストレートは、例えば、ガラス又はポリマーを含むのが良い。ｐＨセンサのカバーは、例えば、ガラス又はポリマーを含むのが良い。多くの実施形態では、カバー又はサブストレートは、ポリジメチルシロキサンを含む。第１の電極は、例えば、白金、クロム、チタン又は酸化イリジウムのうちの少なくとも１つを含むのが良い。第２の電極は、例えば、白金、クロム、チタン、銀及び塩化銀のうちの少なくとも１つを含むのが良い。
【００１３】
基準電解液は、例えば、例えば溶液中でイオンに解離する塩のような化合物を含むのが良い。基準電解液は、例えば、塩化カリウム溶液又は塩化銀溶液のうちの少なくとも一方を含むのが良い。液体接合部は、例えば、多孔質ポリマーを含むのが良い。
【００１４】
ｐＨセンサは、例えば、マイクロスケール又はこれよりも小さい（例えば、ナノスケール）ｐＨセンサであるのが良い。多くの実施形態において、ｐＨセンサは、１センチメートル未満の寸法（即ち、高さ、幅及び長さ）を有する。ｐＨセンサは、例えば、体内に植え込み可能であるよう構成されているのが良い。
【００１５】
別の観点では、フルイディックコントローラは、密閉フルイディックチャネルと、フルイディックチャネル内に存在する液体と、フルイディックチャネルの内部とフルイディックチャネルの外部との間に延びる液体接合部と、フルイディックチャネル内に存在する少なくとも第１の泡とを有する。この泡が液体接合部と接触する範囲が、フルイディックチャネル内の液体がフルイディックチャネルの外部と流体結合する範囲を定める。泡（液体中で不混和性であるのが良い）は、例えば、フルイディックチャネル内に位置した流体接合部の部分を包囲するのが良く又は流体接合部とフルイディックチャネル内の液体との間にバリヤを形成するのが良く、それにより、液体とフルイディックチャネルの外部との流体結合が阻止される。
【００１６】
フルイディックコントローラ請求項２３は、第１の泡を第１の泡が液体接合部に接触する第１の位置と第１の泡が液体接合部に接触しない第２の位置との間で輸送する泡輸送システムを更に有する。泡輸送システムは、例えば、電極のアレイを有するエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック（electrowetting-on-dielectric）を含むのが良い。フルイディックコントローラは、第１の泡をフルイディックチャネル内に生じさせるようフルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムを更に有するのが良い。
【００１７】
多くの実施形態では、フルイディックコントローラは、フルイディックチャネル内に第１の泡を生じさせて、該第１の泡が液体接合部に接触することができるようフルイディックチャネル内の液体と流体結合状態にある電極システムと、泡が液体接合部に接触しないよう泡のサイズを減少させるシステムとを有する。泡のサイズを減少させるシステムは、例えば、電極システムに施された触媒を有するのが良い。
【００１８】
別の観点では、密閉フルイディックチャネル内の液体とフルイディックチャネルの外部との流体結合を制御する方法であって、フルイディックチャネルは、フルイディックチャネルとフルイディックチャネルの外部との間に延びる液体接合部を有し、液体接合部は、フルイディックチャネルと外部とを流体結合させるようになっている方法は、液体中で流体不混和性の泡を液体接合部と接触関係をなすよう制御可能に位置決めするステップを有する。泡は、例えば、液体をフルイディックチャネルの外部との流体結合状態から外すよう液体接合部と接触状態に位置決めされるのが良い。泡は、例えば、液体をフルイディックチャネルの外部と流体結合状態に置くよう液体接合部との接触状態から外されるのが良い（又は部分的に外されるのが良い）。換言すると、泡は、液体接合部に接触するよう制御可能に又は選択可能に位置決めできる。泡は、例えば、液体をフルイディックチャネルの外部との流体結合状態から実質的に又は完全に外すよう液体接合部と接触状態にあるときに液体接合部と液体との間にバリヤを形成するのが良い。液体がイオン導電性液体であり且つフルイディックチャネルの外部がイオン導電性液体を収容している場合、本発明の方法は、電気的オン／オフスイッチを提供することができる。
【００１９】
本明細書において説明する技術は、その属性及び付随する利点と共に、添付の図面と関連して行われる以下の詳細な説明を考慮すると最も良く理解されよう。なお、添付の図面には、代表的な実施形態が例示として記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ｐＨセンサの実施形態の平面図である。
【図２】図１のｐＨセンサの図１に示されているＡ‐Ａ′線矢視断面図である。
【図３】ｐＨセンサの別の実施形態の断面図である。
【図４】ｐＨセンサの別の実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
原文明細書及び添付の原文特許請求の範囲において用いられている単数形“ａ”、“ａｎ”及び“ｔｈｅ”という単語は、別段の明示の規定がなければ複数を含む。かくして、例えば、“a bubble”という記載は、かかる泡を複数個含むと共に当業者に知られているその均等例を含み、その他同様であり、“the bubble”という記載は、１つ又は２つ以上のかかる泡及び当業者に知られている泡の均等例であり、その他同様である。
【００２２】
図１は、マイクロスケール又はこれよりも小さい（例えば、ナノスケール）寸法に容易に合わせて容易に形成される種々の実施形態としてのｐＨセンサ１０の平面図である。ｐＨセンサと関連して用いられる「マイクロスケール」という用語は、１センチメートル未満の寸法を有するセンサを意味している。多くの実施形態では、ｐＨセンサの寸法は、マイクロ作製技術及び／又はナノ作製技術を受けることができる。多くの実施形態では、基準電解液体積は、２０立方ミリメートル以下であった。
【００２３】
図２は、ｐＨセンサ１０の断面図（図１に示されているＡ‐Ａ′に沿ってとった）である。多くの実施形態では、ｐＨセンサ１０は、例えば、低侵襲技術を用いて体内（即ち、人間又は動物の体内）へのその植え込みを可能にする寸法及び形態に形成可能である。多くの実施形態では、ｐＨセンサの長さ、幅及び高さは、各々、１センチメートル未満であった。かかるマイクロスケールｐＨセンサ１０は、例えば、サンプル電解質又は電解液、サンプル組織等のｐＨを測定するよう種々の用途で利用できる。かかる用途としては、マイクロスケールｐＨセンサ１０が心筋組織、脳組織、肝臓組織、腎臓組織、肺組織等のｐＨを測定するよう利用される医療用途が挙げられる。
【００２４】
図１及び図２の代表的な実施形態では、ｐＨセンサ１０は、サブストレート１２、第１の電極１４、第２の電極１６、泡を輸送するシステム１８、フルイディック閉ループチャネル２０、液体接合部２２、カバー２４、複数個の接続パッド２６ａ〜２６ｅ及び複数個の導体２８ａ〜２８ｅ（図１参照）を有する。
【００２５】
サブストレート１２は、例えば、これが支持する種々の電極及び他の層の作製を受けやすい任意適当な形式の材料を含むのが良い。適当な材料としては、例えば、珪素を主成分とする材料（例えば、シリコン、ガラス等）、珪素を主成分としない材料、ポリマー材料（例えば、ポリジメチルシロキサン又はＰＤＭＳ）及び他の材料が挙げられる。センサが体内に植え込み可能である場合、材料は、例えば、生体適合性であるのが良い。多くの実施形態では、例えば、サブストレート１２は、ガラスサブストレートである。第１の電極１４は、指示又は検出電極として機能し、例えば、任意適当な材料で構成できる。一般に、第１の電極１４のための材料は、広いｐＨ応答範囲、高い感度、迅速な応答時間、低い潜在的なドリフト、撹拌に対する不敏感性、広い温度動作範囲及び広い動作圧力範囲を示すことが望ましい。
【００２６】
第１の電極１４は、例えば、イオン選択性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）又は金属酸化物電極を含むのが良い。ＩＳＦＥＴは、ソリッドステート集積回路の一部である。ＩＳＦＥＴは、迅速な応答時間（１ミリ秒台）を示し、生体内用途において極めて頑丈である。
【００２７】
金属酸化物電極の場合、第１の電極１４に用いるのに多数の金属酸化物が適している。金属酸化物は、例えば、サブストレート１２に被着され又はサブストレート１２上に形成される導電性（例えば、金属製）層上に成膜されるのが良い。金属酸化物膜又は層（例えば、酸化イリジウム）を例えば種々の技術により作ることができ、かかる技術としては、電位サイクリングによる電気化学的酸化、反応性スパッタリング、陽極電着、熱酸化等が挙げられる。多くの実施形態では、第１の電極１４は、白金及び酸化イリジウムを含む。かかる実施形態の場合、白金をサブストレート１２上に成膜し、酸化イリジウムを白金上に形成し又は成膜するのが良い。他の実施形態によれば、第１の電極１４は、クロム及び酸化イリジウムを含む。かかる実施形態の場合、クロムをサブストレート１２上に形成し、酸化イリジウムをクロム上に形成するのが良い。他の実施形態によれば、第１の電極１４は、チタン及び酸化イリジウムを含む。かかる実施形態の場合、チタンをサブストレート１２上に形成し、酸化イリジウムをチタン上に形成するのが良い。第１の電極１４は、これがｐＨを測定すべきサンプル溶液／電解質（例えば、サンプル組織内に存在する）に接触するよう位置決めされる。
【００２８】
第２の電極１６は、基準電極として機能し、任意適当な種類の材料で構成できる。望ましくは、基準電極１６は、電解液中に一定の又は実質的に一定の電位を維持する。多くの実施形態では、第２の電極１６は、白金及び銀を含む。かかる実施形態の場合、白金を例えばサブストレート１２上に形成し又はこれに成膜し、銀を白金上に形成し又は成膜するのが良い。他の実施形態によれば、第２の電極１６は、白金及び塩化銀を含む。かかる実施形態の場合、白金を例えばサブストレート１２上に形成し又は成膜し、塩化銀を白金上に形成し又は成膜するのが良い。他の実施形態によれば、第２の電極１６は、クロム及び銀を含む。かかる実施形態の場合、クロムを例えばサブストレート１２上に形成し又は成膜し、銀をクロム上に形成するのが良い。他の実施形態によれば、第２の電極１６は、クロム及び塩化銀を含む。かかる実施形態の場合、クロムを例えばサブストレート１２上に形成し又は成膜し、塩化銀をクロム上に形成するのが良い。他の実施形態によれば、第２の電極１６は、チタン及び銀を含む。かかる実施形態の場合、チタンを例えばサブストレート１２上に形成し又は成膜し、銀をチタン上に形成するのが良い。他の実施形態によれば、第２の電極１６は、チタン及び塩化銀を含む。かかる実施形態の場合、チタンを例えばサブストレート１２上に形成し又は成膜し、塩化銀をチタン上に形成し又は成膜するのが良い。第２の電極１６は、これがフルイディック閉ループチャネル２０内の基準溶液と接触関係をなすよう位置決めされる。
【００２９】
泡輸送システム１８及び泡３０，３２は、フルイディックスイッチ又はコントローラ１９として液体接合部２２及びフルイディックチャネル２０内の基準検体溶液と結合関係をなして動作する。フルイディックスイッチ１９は、例えば、ｐＨセンサ１０をオン状態又はオフ状態にするよう動作可能である。フルイディックスイッチ１９は、流体輸送部材、例えば液体接合部２２と基準電解液との間にバリヤを構成するのに適した任意形式のフルイディックスイッチであって良い。多くの実施形態では、フルイディックスイッチ１９は、例えば検体溶液と基準溶液とのイオン性電気的接続を断つことによってｐＨセンサ（又は別のデバイス）をターンオフしたりターンオンしたりするよう動作可能である。フルイディックスイッチ１９は又、検体溶液と基準溶液との間の物質移動を減少させ又はなくすよう動作可能である。
【００３０】
多くの実施形態では、以下に詳細に説明するように、泡輸送システム１８は、例えば、スイッチング機能を実施するようエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック（electrowetting-on-dielectric）原理を利用するのが良い。種々の実施形態によれば、泡輸送システム１８は、例えば、複数個の電極を含むのが良い。図示の実施形態では、泡輸送システムは、３つの電極１８ａ，１８ｂ，１８ｃを含む。泡輸送システム１８は、任意適当な種類の材料で構成可能である。種々の実施形態では、泡輸送システム１８は、白金、絶縁層（例えば、酸化珪素、パリレン等）及び疎水性の層（例えば、フッ化炭素の疎水性層）を含む。かかる実施形態では、白金を例えばサブストレート１２上に形成し又は成膜し、絶縁層及び疎水性層を白金上に形成し又は被着させるのが良い。他の実施形態によれば、泡輸送システム１８は、クロム、絶縁層及び疎水性層を含む。かかる実施形態の場合、クロムを例えばサブストレート１２上に形成し又は成膜し、絶縁層及び疎水性層をクロム上に形成し又は被着させるのが良い。泡輸送システム１８は、これがフルイディック閉ループチャネル２０内の基準溶液と直接的な接触関係をなすよう位置決めされる。
【００３１】
図１及び図２の代表的な実施形態では、フルイディックチャネル２０は、閉ループチャネル２０であり、この閉ループチャネルは、サブストレート１２及びカバー２４によってひとまとめに構成される。フルイディック閉ループチャネル２０は、例えば、任意適当な種類のイオン導電性水溶液を収容するのが良い。例えば、種々の実施形態によれば、フルイディックチャネル２０は、飽和塩化カリウム溶液を収容する。他の実施形態によれば、フルイディックチャネル２０は、飽和塩化銀溶液を収容する。フルイディックチャネルは、閉ループフルイディックチャネルである必要はない。フルイディックチャネルは、１つ又は２つ以上の泡の運動を可能にし、又は泡を以下に説明するようにチャネル内に生じさせる場合、フルイディックチャネルは、１つ又は２つ以上の泡を所望の体積に合わせて形成することができるよう液体の押し退けを可能にする。
【００３２】
図１に示されているように、多くの実施形態では、フルイディック閉ループチャネル２０は、泡輸送システム１８を包囲し、このフルイディック閉ループチャネルは、第１の泡３０及び第２の泡３２を含む。第１の泡３０は、飽和基準溶液を介して第２の泡３２に流体力学的に結合されている。かくして、第１の泡３０を第１の位置から第２の位置に駆動すると、第２の泡３２は、第３の位置から第４の位置に動く。第３の位置は、図１及び図２に実線で示されており、第４の位置は、図１及び図２に破線で示されている。したがって、第１の泡３０は、「マスタ」泡と考えられ、第２の泡３２は、「スレーブ」泡と考えられる。第１の泡３０及び第２の泡３２は、例えば、基準溶液中において不混和性の任意適当な種類の流体材料であって良い。少なくとも泡３２は、例えば、検体溶液中において不混和性であるのが良い。例えば、種々の実施形態によれば、第１の泡３０及び第２の泡３２は、空気、油、空気以外の気体（例えば、水素、酸素、水素と酸素の混合物等）等を含むのが良い。
【００３３】
本明細書で用いられる「泡」という用語は、或る物質（流体）の別の流体（基準電解液）中における小滴又は体積部を意味している。泡は、例えば、チャネル２０内の液体（即ち、飽和基準溶液）中において不混和性である気体又はチャネル２０内の液体中において不混和性である液体で形成されるのが良い。
【００３４】
液体接合部２２は、サンプル又は検体電解液とフルイディック閉ループチャネル２０内に収容された基準溶液（例えば、飽和塩化カリウム）との間に位置決めされ、この液体接合部は、検体電解液とフルイディック閉ループチャネル２０内の基準溶液との間にイオン性電気的接続をもたらす。多くの実施形態では、液体接合部２２は、流体の輸送を生じさせることができる部材であり、かかる液体接合部は、例えば、多孔質又は透過性材料を含むのが良い。例えば、種々の実施形態によれば、液体接合部２２は、親水性多孔質ポリマーを含む。液体接合部２２のための多孔質材料は、例えば、１マイクロメートル未満の孔径を有するのが良い。多くの実施形態では、液体接合部２２は、フルイディック閉ループチャネル２０内の溶液とサンプル電解液との間の物質移動を（例えば、多孔質材料の場合、孔径を制限することによって）制限し又は最小限に抑えるよう設計されている。図２に示されているように、液体接合部２２は、図示の実施形態では、サブストレート１２とカバー２４との間に位置決めされている。
【００３５】
カバー２４は、サブストレート１２に連結されていて、このカバーは、フルイディック閉ループチャネル２０を構成するようサブストレート１２と協働する。カバー２４は、例えば、任意適当な種類の不透過性材料で構成できる。植え込み型ｐＨセンサ１０の場合、カバー２４（及び有機体に接触するｐＨセンサ１０の他のコンポーネント）は、例えば、生体適合性であるのが良い。例えば、種々の実施形態によれば、カバー２４は、ガラス又はポリジメチルシロキサンを含む。カバー２４は、サブストレート１２に任意適当な仕方で連結可能である。例えば、種々の実施形態によれば、カバー２４は、サブストレート１２に接着される。カバー２４がガラスであり、サブストレート１２がＰＤＭＳである幾つかの実施形態では、カバー２４は、表面のＯ2プラズマ処理後にカバー２４とサブストレート１２を互いに単に押し付けるだけでサブストレート１２に容易に結合される。例えば、フルイディックチャネルの幅が比較的広い（例えば、約１ｍｍ以上）である場合、接着剤を用いてカバー２４をサブストレート１２に結合するのが良い。
【００３６】
上述したように、図１及び図２の図示の代表的な実施形態では、複数個の接続要素又はパッド２６ａ〜２６ｅがサブストレート１２に接続されており、これら接続要素又はパッドは、任意適当な種類の導体で構成できる。例えば、種々の実施形態によれば、接続パッド２６ａ〜２６ｅは、白金を含む。他の実施形態によれば、接続パッド２６ａ〜２６ｅは、クロムを含む。他の実施形態によれば、接続パッド２６ａ〜２６ｅは、チタンを含む。他の実施形態によれば、接続パッド２６ａ〜２６ｅは、金を含む。接続パッド２６ａは、導体２８ａを介して第１の電極１４に接続されている。接続パッド２６ｂは、導体２８ｂを介して第２の電極１６に接続されている。接続パッド２６ｃ，２６ｄ，２６ｅは、それぞれ、導体２８ｃ，２８ｄ，２８ｅを介して泡輸送システム１８の電極１８ａ，１８ｂ，１８ｃに接続されている。接続パッド２６ａ，２６ｅは、フルイディックスイッチ１８の第１の電極１４、第２の電極１６及び電極１８ａ，１８ｂ，１８ｃとｐＨセンサ１０の外部に設けられた１つ又は２つ以上の回路との電気的接続を可能にする。図１に示されているように、第１の電極１４及び第２の電極１６は、例えば、測定エレクトロニクス又は回路４０に接続されるのが良く、かかる測定エレクトロニクス又は回路は、例えば、当該技術分野において知られているように電位差計（ポテンショメータ）回路を含むのが良い。泡輸送システム１８の電極１８ａ，１８ｂ，１８ｃは、例えば、制御エレクトロニクス又は回路５０と電気的接続状態にあるのが良い。
【００３７】
複数個の導体２８ａ〜２８ｅは、例えば、サブストレート１２の表面上に形成されるのが良く、これら導体は、第１の電極１４、第２の電極１６及び電極１８ａ〜１８ｃをそれぞれの接続パッド２６ａ〜２６ｅに接続するよう働く。図１に示されると共に上述したように、第１の導体２８ａは、第１の電極１４ａを第１の接続パッド２６ａに接続し、第２の導体２８ｂは、第２の電極１６を第２の接続パッド２６ｂに接続している。同様に、個々の導体２８ｃ〜２８ｅは、泡輸送システム１８の電極１８ａ〜１８ｃをそれぞれ対応の接続パッド２６ｃ〜２６ｅに接続している。導体２８ａ〜２８ｅは、例えば、任意適当な種類の導電性材料で構成できる。例えば、種々の実施形態によれば、導体２８ａ〜２８ｅは、白金を含む。他の実施形態によれば、導体２８ａ〜２８ｅは、クロムを含む。他の実施形態によれば、導体２８ａ〜２８ｅは、チタンを含む。他の実施形態によれば、導体２８ａ〜２８ｅは、金を含む。
【００３８】
図１及び図２に示されている代表的な実施形態の作用を説明すると、第１の電極１４をサンプル電解質（又はサンプル組織）に暴露する。ｐＨセンサ１０がオフ状態にあるとき（流体スイッチ１９を介して）、第１の泡３０は、泡輸送システム１８の「最も左側」の（図の向きで見て）電極１８ａ上に位置決めされ、第２の泡３２は、液体接合部２２に当てて位置決めされる。第１の泡３０及び第２の泡３２の位置決めは、例えば、任意適当な仕方で実現できる。例えば、種々の実施形態によれば、エレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック技術を利用すると、第１の泡３０及び第２の泡３２をそれぞれの位置に動かすことができる。かかる実施形態の場合、泡輸送システム１８の「最も右側」の電極１８ｃ及び「中間」電極１８ｂの順次作動を利用することができ、それにより、第１の泡３０及び第２の泡３２は、ｐＨセンサ１０のオフ状態と関連したそれぞれの位置に動く。
【００３９】
第２の泡３２は、オフ状態位置では、例えば、第２の電極１６及び液体接合部２２上にバリヤを形成し、サンプル電解質とフルイディック閉ループチャネル２０内の飽和溶液との間の流体／電気（イオン）接続を効果的に阻止し、それにより飽和溶液中への第２の電極１６の溶解を減少させ又は阻止すると共に液体接合部２２を通じた質量交換を減少させ又は阻止する。第２の泡３２が上述のオフ状態位置にあるとき、不混和性相インタフェース（例えば、気‐液又は液‐液不混和性インタフェース）が液体接合部２２の細孔の表面内又は表面のところに第２の泡３２とサンプル電解質との間に形成される。相相互間、例えば気相と液相との間の界面張力は、フルイディック閉ループチャネル２０中へのサンプル電解質の漏れを減少させ又は阻止するよう働く。ｐＨセンサ１０をオフ状態に維持することにより、オン状態に常時維持されるセンサと比較して、ｐＨセンサ１０の有効寿命が延びる。
【００４０】
ｐＨレベルを測定する場合、ｐＨセンサ１０をオン状態に切り替える。オン状態に切り替えるには、第２の泡３２をこれが第２の電極１６及び液体接合部２２上にバリヤを形成することがないよう動かし、それによりサンプル電解質とフルイディック閉ループチャネル２０内の飽和溶液との電気的接続を確立させることができる。種々の実施形態によれば、第１の泡３０に流体力学的に結合された第２の泡３２は、第１の泡３０を泡輸送システム１８の「最も左側」の電極１８ａから遠ざけることにより第２の電極１６及び液体接合部２２から遠ざけられる。
【００４１】
第１の泡３０を、任意適当な仕方で泡輸送システム１８の「最も左側」の電極１８ａから遠ざけることができる。例えば、種々の実施形態によれば、エレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック原理を利用して第１の泡３０を動かし、それにより第２の泡３２を動かす。エレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック装置又はシステムでは、電極のアレイをプログラムして順次作動させることにより泡を輸送する。
【００４２】
かかる実施形態の場合、泡輸送システム１８の「最も左側」の電極１８ａの作動は、第１の泡３０を泡輸送システム１８の「最も左側」の電極１８ａから遠ざけて泡輸送システム１８の「最も右側」の電極１８ｃに近づけるよう働く。第１の泡３０を泡輸送システム１８の「最も右側」の電極１８ｃに向かって動かすことにより、第２の泡３２は、第２の電極１６及び液体接合部２２から遠ざかり、それにより第２の電極１６及び液体接合部２２上のバリヤを除く。バリヤが除かれることにより、サンプル電解質とフルイディック閉ループチャネル２０内の飽和溶液との流体／電気（イオン）接続を確立することができる。
【００４３】
上述した仕方で、エネルギー消費量を極めて少なくした状態でオフ状態とオン状態に迅速に切り替えることができる。オフ状態の間、バリヤを第２の電極１６及び液体接合部２２上に形成し、オン状態の間のみ、第２の電極１６及び液体バリヤ２２をフルイディック閉ループチャネル２０の飽和基準溶液に暴露することにより、第２の電極１６の溶解及び液体接合部２２を通じた質量交換が減少し又は最小限に抑えられ、それにより、ｐＨセンサ１０の有効寿命が延びる。
【００４４】
図１に概略的に示されているように、少なくとも１つの電力源６０、例えばバッテリがセンサエレクトロニクス４０及び制御エレクトロニクス５０と電気的接続関係をなして設けられるのが良い。電源６０は、例えば、図１の実施形態では、センサエレクトロニクス４０、制御エレクトロニクス５０及び泡輸送システム１８に電力供給するために使用できる。多くの実施形態では、ｐＨセンサ１０は、例えば、外部装置７０を介して作動可能であると共に／或いは制御可能であるのが良く、この外部装置７０は、例えば制御エレクトロニクス５０と通信結合状態にあるトランシーバ５２と（例えば、無線又はＲＦ信号を介してワイヤレスで）通信する。制御エレクトロニクス５０は、例えば、泡３０，３２が上述したように動いてｐＨセンサ１０が或る所定の時間サイクルで且つ／或いは外部信号（例えば、ｐＨセンサ１０が植え込まれた体の外部に位置する）に応答してｐＨを測定することができるよう（例えば、１つ又は２つ以上のプログラムされたプロセッサを介して）プログラムされているのが良い。ｐＨセンサ１０を作動させ又はイネーブルにすると、センサエレクトロニクス４０によりｐＨの読みが得られる。センサエレクトロニクス４０は、制御エレクトロニクス５０と通信結合状態にあり、この制御エレクトロニクス５０は、泡輸送システム１８の制御を行う。測定値がいったん得られると、ｐＨセンサ１０をオフ状態にし又は上述したように泡輸送システム１８の制御により非動作状態にするのが良い。ｐＨの測定値は、例えば、使用に（例えば、トランシーバ５２を介して体外への伝送のために又は例えば治療器具を含む場合もある別の植え込みシステムによる使用のために）供せられるのが良い。
【００４５】
本発明の幾つかの実施形態では、ｐＨセンサは、オン状態とオフ状態との間での切り替わりを行うための単一の泡を有する。例えば、図３は、チャネル１２０（カバー１２４とサブストレート１１２との間に形成されている）内に位置する単一の泡１３２がフルイディックスイッチ又はコントローラ１１９として作動するよう第２又は基準電極１１６及び液体接合部１２２（ｐＨセンサ１０と関連して説明されている）上にバリヤを形成するために用いられている別の代表的な実施形態としてのｐＨセンサ１１０を示している。上述したように、液体接合部２２を覆うバリヤを形成し又は生じさせることにより、検体溶液（これは、第１又は指示電極１１４に接触している）とチャネル２０内の基準溶液とのイオン性電気的接続が断たれ又は阻止されるオフ状態が作られる。さらに、オフ状態では、泡１３２は、検体溶液と基準溶液との間の物質移動を減少させ、最小限に抑え又はなくす。オフ状態は更に、基準溶液内における電極１１６の溶解を減少させる。泡３２が電極１１６を覆うほど十分なサイズのものである場合、電極１１６と基準溶液との間の溶解（物質移動）を一段と減少させ、最小限に抑え又はなくすことができる。かくして、第２の電極１１６の溶解及び液体接合部１２２を介する物質移動は、オン状態の間だけしか相当な程度まで起こらず、それによりｐＨセンサ１１０の有効寿命が延びる。
【００４６】
図３の実施形態では、酸素と水素の混合物である気泡３２が、互いに比較的近接して（例えば、幾つかの実施形態では、約４μｍの範囲内に）位置決めされているアノード１４２及びカソード１４４を用いて電気分解により生じる。図３に示されている実施形態では、泡輸送システム１１８（例えば、エレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリックシステム）がフルイディックチャネル１２０の頂面上に位置決めされている。泡輸送システム１１８は、例えば、カバー１２４の内面上（即ち、フルイディックチャネル１２０の頂面上）に位置決めされた電極１１８ａ〜１１８ｅのアレイを有するのが良い。図示の実施形態では、泡１３２を作るために用いられる電解電極（即ち、アノード１４２及びカソード１４４）は、サブストレート１１２上に配置されている。泡１３２（又は、例えばｐＨセンサ１０と関連して説明した複数個の泡）を作るためには、例えば、アノード／カソード対、例えばアノード１４２及びカソード１４４相互間に約５Ｖの電位差を加えるのが良い。
【００４７】
フルイディックスイッチ１１９の動作にあたり、まず最初に、アノード１４２及びカソード１４４（フルイディックチャネル１２０内の最も右側の破線を参照されたい）を用いた電気分解により泡１３２を発生させる。生じた泡のサイズは、例えば、電位差が加えられる時間の制御により調節されるのが良い。流体スイッチ１１９をオフ状態にするために、泡輸送システム１１８により泡１３２を輸送してこれが液体接合部１２２を覆うようにし（フルイディックチャネル１２０内の最も左側の破線を参照されたい）、そして、幾つかの実施形態では、これが基準電極１２２を覆うようにする。流体スイッチをオン状態にするために、泡輸送システム１１８により泡１３２を輸送し、これが液体接合部１２２と基準電極１１６をいずれも覆わないようにする。
【００４８】
図４は、チャネル２２０（カバー２２４とサブストレート２１２との間に形成されている）内の単一の泡２３２がｐＨセンサ１０，１１０と関連して説明したように第２又は基準電極２１６及び液体接合部２２２上にバリヤを形成し、フルイディックスイッチ２１９として動作するよう用いられる別の代表的な実施形態としてのｐＨセンサ２１０を示している。上述したように、液体接合部２２２を覆うバリヤを形成し又は生じさせることにより、検体溶液（これは、第１又は指示電極２１４に接触している）とチャネル２２０内の基準溶液とのイオン性電気的接続が断たれ又は阻止されるオフ状態が作られる。泡２３２が電極２１６を覆うほど十分なサイズのものである場合、電極２１６と基準溶液との間の溶解（物質移動）を一段と減少させ、最小限に抑え又はなくすことができる。
【００４９】
フルイディックスイッチ２１９の動作にあたり、まず最初に、アノード２４２及びカソード２４４（フルイディックチャネル１２０内の最も右側の破線を参照されたい）を用いた電気分解により泡２３２を発生させる。上述したように、生じた泡のサイズは、例えば、電位差が加えられる時間の制御により調節されるのが良い。流体スイッチ２１９をオフ状態にするために、泡２３２をこれが液体接合部２２２を覆うサイズで、幾つかの実施形態では、これが基準電極２２２を覆うサイズで発生させる。次に、フルイディックスイッチをオン状態にするために、アノード２４２及びカソード２４４を用いた電気分解プロセスの逆を行うことにより泡２３２のサイズを減少させ又は泡を完全になくし、これが液体接合部１２２と基準電極１１６をいずれも覆うことがないようにする。泡を減少させ又はなくすために、触媒を用いて逆プロセスにおけるエネルギー障壁を低くするのが良い。水素及び酸素の泡を含む泡２３２の場合、例えば白金（Ｐｔ）を触媒として用いるのが良い。多くの実施形態では、アノード２４２及びカソード２４４は、例えば触媒材料、例えばＰｔを含むよう製作されるのが良い。電位をアノード２４２及びカソード２４４に加えた場合、泡３２が大きくなる。電位を遮断すると、泡２３２が縮む。変形実施形態では、触媒、例えばＰｔ源をアノード２４２及びカソード２４４と別個に設けるのが良い。
【００５０】
フルイディックスイッチ又はコントローラ、例えばフルイディックスイッチ又はコントローラ１９，１１９，２１９は、例えば、流体を輸送することができるようにする部材（例えば、多孔質ポリマー部材、透過性メンブレン等のような多孔質又は透過性部材）を横切る流体結合、イオン電導及び／又は物質移動を制御することが望ましい他の装置で利用できる。
【００５１】
上述の説明及び添付の図面は、現時点において代表的な実施形態の多くの実施例を記載している。本発明の精神から逸脱しないで又はその範囲を超えないで上述の教示に照らして設計上の種々の改造例、追加例、及び変形例が当業者には明らかであり、本発明の範囲は、上述の説明ではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。特許請求の範囲に記載された本発明の文言上の範囲及びその均等範囲に属するあらゆる変更及び変形は、本発明の範囲に含まれるものである。
【図１】
2013511329.tif 000003
【図２】
2013511329.tif 000004
【図３】
2013511329.tif 000005
【図４】
2013511329.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月24日(2012.8.24)
【手続補正１】
【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】
ｐＨセンサであって、
密閉フルイディックチャネルと、
前記フルイディックチャネル内に存在する電解液と、
前記フルイディックチャネルの外部に設けられた第１の電極と、
前記フルイディックチャネル内に設けられた第２の電極と、
前記フルイディックチャネルと前記フルイディックチャネルの外部との間に延びていて、前記フルイディックチャネル内の前記電解液と前記フルイディックチャネルの外部を流体結合させるようになった液体接合部と、
前記液体接合部と作動結合状態にあり、前記液体接合部が前記フルイディックチャネル内の前記電解液と前記フルイディックチャネルの前記外部を流体結合させるかどうかを制御するフルイディックスイッチとを有する、ｐＨセンサ。
【請求項２】
サブストレートと、
前記サブストレートに連結されたカバーとを更に有し、前記カバーと前記サブストレートは、前記フルイディックチャネルを構成するよう協働する、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項３】
前記フルイディックスイッチは、前記フルイディックチャネル内に存在する少なくとも第１の泡を有する、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項４】
前記第１の泡を前記第１の泡が前記液体接合部に接触する第１の位置と前記第１の泡が前記液体接合部に接触しない第２の位置との間で輸送する泡輸送システムを更に有する、請求項３記載のｐＨセンサ。
【請求項５】
前記泡輸送システムは、電極のアレイを有するエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック（electrowetting-on-dielectric）システムを備えた、請求項４記載のｐＨセンサ。
【請求項６】
前記第１の泡は、前記第１の位置では、前記液体接合部及び前記第２の電極に接触し、前記第２の位置では、前記液体接合部又は前記第２の電極に接触しない、請求項４記載のｐＨセンサ。
【請求項７】
前記第１の泡を前記第１の泡が前記液体接合部と電解液との間にバリヤを形成すると共に前記第２の電極と前記電解液との間にバリヤを形成する第１の位置と、前記第１の泡が前記液体接合部と電解液との間にバリヤを形成せず、しかも前記第２の電極と前記電解液との間にバリヤを形成しない第２の位置との間で輸送する泡輸送システムを更に有する、請求項３記載のｐＨセンサ。
【請求項８】
前記第１の泡を前記フルイディックチャネル内に生じさせるよう前記フルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムを更に有する、請求項４記載のｐＨセンサ。
【請求項９】
前記フルイディックチャネル内に少なくとも１つの泡を生じさせて、該泡が前記液体接合部に接触することができるよう前記フルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムと、前記泡が前記液体接合部に接触しないよう前記泡のサイズを減少させるシステムとを更に有する、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項１０】
前記泡のサイズを減少させる前記システムは、前記電極システムに施された触媒を有する、請求項９記載のｐＨセンサ。
【請求項１１】
前記泡を該泡が前記第１の位置において前記液体接合部及び前記第２の電極に接触するよう発生させ、次に、サイズを減少させて前記泡が前記液体接合部又は前記第２の電極に接触しないようにする、請求項１０記載のｐＨセンサ。
【請求項１２】
前記フルイディックチャネル内に少なくとも１つの泡を発生させ、該泡が前記液体接合部と電解溶液との間にバリヤを形成することができると共に前記第２の電極と前記電解液との間にバリヤを形成することができるよう前記フルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムと、前記泡が前記液体接合部と電解液との間にバリヤを形成せず、しかも前記第２の電極と前記電解液との間にバリヤを形成しないよう前記泡のサイズを減少させるシステムとを更に有する、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項１３】
前記サブストレートは、ガラス又はポリマーを含み、前記カバーは、ガラス又はポリマーを含む、請求項２記載のｐＨセンサ。
【請求項１４】
前記第１の電極は、白金、クロム、チタン又は酸化イリジウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項１５】
前記第２の電極は、白金、クロム、チタン、銀及び塩化銀のうちの少なくとも１つを含む、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項１６】
前記カバーは、ポリジメチルシロキサンを含む、請求項２記載のｐＨセンサ。
【請求項１７】
前記フルイディックスイッチは、前記第１の泡から間隔を置いて位置すると共に前記基準電解液を介して前記第１の泡に流体力学的に結合された少なくとも第２の泡を有する、請求項４記載のｐＨセンサ。
【請求項１８】
前記電解液は、塩化カリウム溶液又は塩化銀溶液のうちの少なくとも一方を含む、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項１９】
前記第１の泡は、前記電解液中で不混和性の流体を含む、請求項３記載のｐＨセンサ。
【請求項２０】
前記液体接合部は、多孔質ポリマーを含む、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項２１】
前記ｐＨセンサは、体内に植え込み可能であるように構成されている、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項２２】
前記ｐＨセンサは、マイクロスケールｐＨセンサである、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項２３】
前記ｐＨセンサは、１センチメートル未満の寸法を有する、請求項１記載のｐＨセンサ。
【請求項２４】
フルイディックコントローラであって、
密閉フルイディックチャネルと、
前記フルイディックチャネル内に存在する液体と、
前記フルイディックチャネルの内部と前記フルイディックチャネルの外部との間に延びる液体接合部と、
前記フルイディックチャネル内に存在する少なくとも第１の泡とを有する、フルイディックコントローラ。
【請求項２５】
前記第１の泡を前記第１の泡が前記液体接合部に接触する第１の位置と前記第１の泡が前記液体接合部に接触しない第２の位置との間で輸送する泡輸送システムを更に有する、請求項２４記載のフルイディックコントローラ。
【請求項２６】
前記泡輸送システムは、電極のアレイを有するエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック（electrowetting-on-dielectric）システムを備えた、請求項２５記載のフルイディックコントローラ。
【請求項２７】
前記第１の泡を前記フルイディックチャネル内に生じさせるよう前記フルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムを更に有する、請求項２５記載のフルイディックコントローラ。
【請求項２８】
前記フルイディックチャネル内に少なくとも１つの泡を生じさせて、該泡が前記液体接合部に接触することができるよう前記フルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムと、前記泡が前記液体接合部に接触しないよう前記泡のサイズを減少させるシステムとを更に有する、請求項２４記載のフルイディックコントローラ。
【請求項２９】
前記泡のサイズを減少させる前記システムは、前記電極システムに施された触媒を有する、請求項２８記載のフルイディックコントローラ。
【請求項３０】
密閉フルイディックチャネル内の液体と前記フルイディックチャネルの外部との流体結合を制御する方法であって、前記フルイディックチャネルは、前記フルイディックチャネルと前記フルイディックチャネルの外部との間に延びる液体接合部を有し、前記液体接合部は、前記フルイディックチャネルと前記外部とを流体結合させるようになっている、方法において、前記液体中で流体不混和性の泡を前記液体接合部と接触関係をなすよう制御可能に位置決めするステップを有する、方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
〔関連出願の説明〕
本願は、２００９年１１月１９日に出願された米国特許仮出願第６１／２６２，８１５号の利益を主張する出願であり、この米国特許仮出願を参照により引用し、その開示内容を本明細書の一部とする。
【０００２】
以下の情報は、読者が以下に説明する技術及びかかる技術を利用することができる或る特定の環境についての理解を助けるよう提供されている。本明細書で用いられる用語は、本明細書において別段の明示の指定がなければ、任意特定の狭い解釈に限定されるものではない。本明細書に記載された技術文献は、技術及びその背景の理解を容易にすることができる。本明細書において参照により引用する技術文献の全ての開示内容を本明細書の一部とする。
【０００３】
電位差（ポテンシオメトリック）原理を利用した典型的なｐＨセンサは、基準電解液と、検体溶液（この検体溶液のｐＨが測定される）内に浸漬され又はこれと接触状態にある指示電極と、基準電解液中に浸漬された基準電極と、基準電極及び指示電極と電気的接続状態にある測定回路、例えば電位差回路とを含む。電位差回路は、指示電極と基準電極の電位差を測定する。指示電極及び基準電極が浸漬されている電解液相互間のイオン接触により、これら電極相互間の電気的接続が可能である。サンプル又は検体電解液のｐＨ値（これは、サンプル電解液中の水素イオンの濃度に比例する）は、ネルンストの式に従って指示電極のところに生じた電位差と直接的な相関関係にある。
【０００４】
上述の構成では、正確な測定を行う上での重要な条件は、基準電極と基準電解液中に生じた電位差が一定に維持されて電位差回路からの読みが指示電極中の電位差のみ、即ち、電解液中のｐＨだけを表すようにすることにある。この条件を満たすため、一般的な構成では、基準電極を飽和基準電解液中に浸漬させると共に飽和基準電解液とサンプル又は検体電解液との間に位置決めされた小さな「窓」を設け、それにより飽和基準電解液とサンプル又は検体電解液とのイオン接触及びかくして電気的接続をもたらすようにしている。「窓」は、通常、多孔質材料、例えば多孔質ガラスメンブレン、親水性多孔質ポリマーメンブレン等で作られる。「窓」の多孔性により、飽和基準電解液とサンプル又は検体電解液との間に無視できないほどの物質移動が生じ、それにより両方の電解液の交差汚染が生じる。
【０００５】
かかる汚染に起因して生じる飽和基準電解液の希釈は、これが基準電極の電位差を変化させるので大きな問題となる場合がある。汚染は又、ｐＨセンサの安定性を劣化させると共にｐＨセンサの寿命を短くする。ｐＨセンサの寸法を減少させているので（例えば、極めて小さな、マイクロレベルの、マイクロスケールの又はそれよりも小さな寸法に）、問題は、飽和基準電解液の体積がサンプル電解液と比較して極めて小さいので深刻化する。例えば、マイクロスケール又はこれよりも小さなｐＨセンサが人体内に植え込まれて生理学的ｐＨ（例えば、心筋ｐＨ）を測定するために用いられる用途の場合、飽和基準電解液の体積は、ｐＨが測定される心筋組織の体積と比較して極めて小さい。かかるスケールでは、飽和基準電解液は、マクロスケールガラス管型ｐＨセンサの場合よりも極めて迅速に希釈される。
【０００６】
ｐＨセンサ、例えばマイクロスケールｐＨセンサの有効寿命に悪影響を及ぼす別の要因は、基準電極の耐久性である。多くの場合、基準電極の導電性材料は、次第に溶解し、飽和基準電解液中に消費される。基準電極の溶解及び消費中の或る時点において、ｐＨセンサの有効寿命が終わる。
【発明の概要】
【０００７】
一観点では、ｐＨセンサは、密閉フルイディックチャネルと、フルイディックチャネル内に存在する電解液と、フルイディックチャネルの外部に設けられた第１の電極と、フルイディックチャネル内に設けられた第２の電極と、フルイディックチャネルとフルイディックチャネルの外部との間に延びている液体接合部を有している。この液体接合部は、フルイディックチャネル内の電解液とフルイディックチャネルの外部を流体結合させるようになっている。このｐＨセンサはさらに、液体接合部と作動結合状態にあり、液体接合部がフルイディックチャネル内の電解液とフルイディックチャネルの外部を流体結合させるかどうか（又はどの程度までであるか）を制御するフルイディックスイッチ又はフルイディックコントローラを有する。ｐＨセンサは、例えば、サブストレートと、サブストレートに連結されたカバーとを更に有するのが良く、カバーとサブストレートは、フルイディックチャネルを構成するよう協働する。
【０００８】
フルイディックスイッチは、例えば、フルイディックチャネル内に存在する少なくとも第１の泡を有するのが良い。第１の泡は、例えば、基準電解液中で不混和性の流体を含むのが良い。多くの実施形態では、ｐＨセンサは、第１の泡を第１の泡が液体接合部に接触する第１の位置と第１の泡が液体接合部に接触しない第２の位置との間で輸送する泡輸送システムを更に有する。第１の泡は、例えば、第１の位置では、液体接合部及び第２の電極に接触するのが良く、第２の位置では、液体接合部又は第２の電極に接触しないのが良い。多くの実施形態では、第１の泡は、第１の位置では、液体接合部と電解液との間にバリヤを形成すると共に第２の電極と電解液との間にバリヤを形成する。かかる実施形態では、泡は、第２の位置では、第１の泡が液体接合部と電解液との間にバリヤを形成せず、しかも第２の電極と電解液との間にバリヤを形成しない。泡輸送システムは、例えば、電極のアレイを有するエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック（electrowetting-on-dielectric）を含むのが良い。
【０００９】
多くの実施形態では、ｐＨセンサは、例えば、第１の泡をフルイディックチャネル内に生じさせるようフルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムを有するのが良い。
【００１０】
フルイディックスイッチは、例えば、第１の泡から間隔を置いて位置すると共に基準電解液を介して第１の泡に流体力学的に結合された少なくとも第２の泡を有するのが良い。
【００１１】
多くの実施形態では、ｐＨセンサは、例えば、フルイディックチャネル内に少なくとも１つの泡を発生させ、この泡が液体接合部と接触できるようフルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムと、泡が液体接合部と接触しないよう泡のサイズを減少させるシステムとを更に有するのが良い。泡のサイズを減少させるシステムは、例えば、電極システムに施された触媒を有するのが良い。例えば、泡をこの泡が第１の位置において液体接合部及び第２の電極に接触するよう発生させ、次に、サイズを減少させて泡が液体接合部又は第２の電極に接触しないようにするのが良い。多くの実施形態では、電極システムは、フルイディックチャネル内に少なくとも１つの泡を発生させ、この泡が液体接合部と電解溶液との間にバリヤを形成することができると共に第２の電極と電解液との間にバリヤを形成することができるようになっている。かかる実施形態では、泡のサイズを減少させるシステムは、泡が液体接合部と電解液との間にバリヤを形成せず、しかも第２の電極と電解液との間にバリヤを形成しないよう泡のサイズを減少させる。
【００１２】
ｐＨセンサのサブストレートは、例えば、ガラス又はポリマーを含むのが良い。ｐＨセンサのカバーは、例えば、ガラス又はポリマーを含むのが良い。多くの実施形態では、カバー又はサブストレートは、ポリジメチルシロキサンを含む。第１の電極は、例えば、白金、クロム、チタン又は酸化イリジウムのうちの少なくとも１つを含むのが良い。第２の電極は、例えば、白金、クロム、チタン、銀及び塩化銀のうちの少なくとも１つを含むのが良い。
【００１３】
基準電解液は、例えば、例えば溶液中でイオンに解離する塩のような化合物を含むのが良い。基準電解液は、例えば、塩化カリウム溶液又は塩化銀溶液のうちの少なくとも一方を含むのが良い。液体接合部は、例えば、多孔質ポリマーを含むのが良い。
【００１４】
ｐＨセンサは、例えば、マイクロスケール又はこれよりも小さい（例えば、ナノスケール）ｐＨセンサであるのが良い。多くの実施形態において、ｐＨセンサは、１センチメートル未満の寸法（即ち、高さ、幅及び長さ）を有する。ｐＨセンサは、例えば、体内に植え込み可能であるよう構成されているのが良い。
【００１５】
別の観点では、フルイディックコントローラは、密閉フルイディックチャネルと、フルイディックチャネル内に存在する液体と、フルイディックチャネルの内部とフルイディックチャネルの外部との間に延びる液体接合部と、フルイディックチャネル内に存在する少なくとも第１の泡とを有する。この泡が液体接合部と接触する範囲が、フルイディックチャネル内の液体がフルイディックチャネルの外部と流体結合する範囲を定める。泡（液体中で不混和性であるのが良い）は、例えば、フルイディックチャネル内に位置した流体接合部の部分を包囲するのが良く又は流体接合部とフルイディックチャネル内の液体との間にバリヤを形成するのが良く、それにより、液体とフルイディックチャネルの外部との流体結合が阻止される。
【００１６】
フルイディックコントローラは、例えば、第１の泡を第１の泡が液体接合部に接触する第１の位置と第１の泡が液体接合部に接触しない第２の位置との間で輸送する泡輸送システムを更に有するのがよい。泡輸送システムは、例えば、電極のアレイを有するエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック（electrowetting-on-dielectric）を含むのが良い。フルイディックコントローラは、第１の泡をフルイディックチャネル内に生じさせるようフルイディックチャネル内の基準電解液と流体結合状態にある電極システムを更に有するのが良い。
【００１７】
多くの実施形態では、フルイディックコントローラは、フルイディックチャネル内に第１の泡を生じさせて、該第１の泡が液体接合部に接触することができるようフルイディックチャネル内の液体と流体結合状態にある電極システムと、泡が液体接合部に接触しないよう泡のサイズを減少させるシステムとを有する。泡のサイズを減少させるシステムは、例えば、電極システムに施された触媒を有するのが良い。
【００１８】
別の観点では、密閉フルイディックチャネル内の液体とフルイディックチャネルの外部との流体結合を制御する方法であって、フルイディックチャネルは、フルイディックチャネルとフルイディックチャネルの外部との間に延びる液体接合部を有し、液体接合部は、フルイディックチャネルと外部とを流体結合させるようになっている方法は、液体中で流体不混和性の泡を液体接合部と接触関係をなすよう制御可能に位置決めするステップを有する。泡は、例えば、液体をフルイディックチャネルの外部との流体結合状態から外すよう液体接合部と接触状態に位置決めされるのが良い。泡は、例えば、液体をフルイディックチャネルの外部と流体結合状態に置くよう液体接合部との接触状態から外されるのが良い（又は部分的に外されるのが良い）。換言すると、泡は、液体接合部に接触するよう制御可能に又は選択可能に位置決めできる。泡は、例えば、液体をフルイディックチャネルの外部との流体結合状態から実質的に又は完全に外すよう液体接合部と接触状態にあるときに液体接合部と液体との間にバリヤを形成するのが良い。液体がイオン導電性液体であり且つフルイディックチャネルの外部がイオン導電性液体を収容している場合、本発明の方法は、電気的オン／オフスイッチを提供することができる。
【００１９】
本明細書において説明する技術は、その属性及び付随する利点と共に、添付の図面と関連して行われる以下の詳細な説明を考慮すると最も良く理解されよう。なお、添付の図面には、代表的な実施形態が例示として記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ｐＨセンサの実施形態の平面図である。
【図２】図１のｐＨセンサの図１に示されているＡ‐Ａ′線矢視断面図である。
【図３】ｐＨセンサの別の実施形態の断面図である。
【図４】ｐＨセンサの別の実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
原文明細書及び添付の原文特許請求の範囲において用いられている単数形“ａ”、“ａｎ”及び“ｔｈｅ”という単語は、別段の明示の規定がなければ複数を含む。かくして、例えば、“a bubble”という記載は、かかる泡を複数個含むと共に当業者に知られているその均等例を含み、その他同様であり、“the bubble”という記載は、１つ又は２つ以上のかかる泡及び当業者に知られている泡の均等例であり、その他同様である。
【００２２】
図１は、マイクロスケール又はこれよりも小さい（例えば、ナノスケール）寸法に容易に合わせて容易に形成される種々の実施形態としてのｐＨセンサ１０の平面図である。ｐＨセンサと関連して用いられる「マイクロスケール」という用語は、１センチメートル未満の寸法を有するセンサを意味している。多くの実施形態では、ｐＨセンサの寸法は、マイクロ作製技術及び／又はナノ作製技術を受けることができる。多くの実施形態では、基準電解液体積は、２０立方ミリメートル以下であった。
【００２３】
図２は、ｐＨセンサ１０の断面図（図１に示されているＡ‐Ａ′に沿ってとった）である。多くの実施形態では、ｐＨセンサ１０は、例えば、低侵襲技術を用いて体内（即ち、人間又は動物の体内）へのその植え込みを可能にする寸法及び形態に形成可能である。多くの実施形態では、ｐＨセンサの長さ、幅及び高さは、各々、１センチメートル未満であった。かかるマイクロスケールｐＨセンサ１０は、例えば、サンプル電解質又は電解液、サンプル組織等のｐＨを測定するよう種々の用途で利用できる。かかる用途としては、マイクロスケールｐＨセンサ１０が心筋組織、脳組織、肝臓組織、腎臓組織、肺組織等のｐＨを測定するよう利用される医療用途が挙げられる。
【００２４】
代表的な実施形態では、ｐＨセンサ１０は、サブストレート１２、第１の電極１４、第２の電極１６、泡を輸送するシステム１８、フルイディック閉ループチャネル２０、液体接合部２２、カバー２４、複数個の接続パッド２６ａ〜２６ｅ及び複数個の導体２８ａ〜２８ｅ（図１参照）を有する。
【００２５】
サブストレート１２は、例えば、これが支持する種々の電極及び他の層の作製を受けやすい任意適当な形式の材料を含むのが良い。適当な材料としては、例えば、珪素を主成分とする材料（例えば、シリコン、ガラス等）、珪素を主成分としない材料、ポリマー材料（例えば、ポリジメチルシロキサン又はＰＤＭＳ）及び他の材料が挙げられる。センサが体内に植え込み可能である場合、材料は、例えば、生体適合性であるのが良い。多くの実施形態では、例えば、サブストレート１２は、ガラスサブストレートである。第１の電極１４は、指示又は検出電極として機能し、例えば、任意適当な材料で構成できる。一般に、第１の電極１４のための材料は、広いｐＨ応答範囲、高い感度、迅速な応答時間、低い潜在的なドリフト、撹拌に対する不敏感性、広い温度動作範囲及び広い動作圧力範囲を示すことが望ましい。
【００２６】
第１の電極１４は、例えば、イオン選択性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）又は金属酸化物電極を含むのが良い。ＩＳＦＥＴは、ソリッドステート集積回路の一部である。ＩＳＦＥＴは、迅速な応答時間（１ミリ秒台）を示し、生体内用途において極めて頑丈である。
【００２７】
金属酸化物電極の場合、第１の電極１４に用いるのに多数の金属酸化物が適している。金属酸化物は、例えば、サブストレート１２に被着され又はサブストレート１２上に形成される導電性（例えば、金属製）層上に成膜されるのが良い。金属酸化物膜又は層（例えば、酸化イリジウム）を例えば種々の技術により作ることができ、かかる技術としては、電位サイクリングによる電気化学的酸化、反応性スパッタリング、陽極電着、熱酸化等が挙げられる。多くの実施形態では、第１の電極１４は、白金及び酸化イリジウムを含む。かかる実施形態の場合、白金をサブストレート１２上に成膜し、酸化イリジウムを白金上に形成し又は成膜するのが良い。他の実施形態によれば、第１の電極１４は、クロム及び酸化イリジウムを含む。かかる実施形態の場合、クロムをサブストレート１２上に形成し、酸化イリジウムをクロム上に形成するのが良い。他の実施形態によれば、第１の電極１４は、チタン及び酸化イリジウムを含む。かかる実施形態の場合、チタンをサブストレート１２上に形成し、酸化イリジウムをチタン上に形成するのが良い。第１の電極１４は、これがｐＨを測定すべきサンプル溶液／電解質（例えば、サンプル組織内に存在する）に接触するよう位置決めされる。
【００２８】
第２の電極１６は、基準電極として機能し、任意適当な種類の材料で構成できる。望ましくは、基準電極１６は、電解液中に一定の又は実質的に一定の電位を維持する。多くの実施形態では、第２の電極１６は、白金及び銀を含む。かかる実施形態の場合、白金を例えばサブストレート１２上に形成し又はこれに成膜し、銀を白金上に形成し又は成膜するのが良い。他の実施形態によれば、第２の電極１６は、白金及び塩化銀を含む。かかる実施形態の場合、白金を例えばサブストレート１２上に形成し又は成膜し、塩化銀を白金上に形成し又は成膜するのが良い。他の実施形態によれば、第２の電極１６は、クロム及び銀を含む。かかる実施形態の場合、クロムを例えばサブストレート１２上に形成し又は成膜し、銀をクロム上に形成するのが良い。他の実施形態によれば、第２の電極１６は、クロム及び塩化銀を含む。かかる実施形態の場合、クロムを例えばサブストレート１２上に形成し又は成膜し、塩化銀をクロム上に形成するのが良い。他の実施形態によれば、第２の電極１６は、チタン及び銀を含む。かかる実施形態の場合、チタンを例えばサブストレート１２上に形成し又は成膜し、銀をチタン上に形成するのが良い。他の実施形態によれば、第２の電極１６は、チタン及び塩化銀を含む。かかる実施形態の場合、チタンを例えばサブストレート１２上に形成し又は成膜し、塩化銀をチタン上に形成し又は成膜するのが良い。第２の電極１６は、これがフルイディック閉ループチャネル２０内の基準溶液と接触関係をなすよう位置決めされる。
【００２９】
泡輸送システム１８及び泡３０，３２は、フルイディックスイッチ又はコントローラ１９として液体接合部２２及びフルイディックチャネル２０内の基準検体溶液と結合関係をなして動作する。フルイディックスイッチ１９は、例えば、ｐＨセンサ１０をオン状態又はオフ状態にするよう動作可能である。フルイディックスイッチ１９は、流体輸送部材、例えば液体接合部２２と基準電解液との間にバリヤを構成するのに適した任意形式のフルイディックスイッチであって良い。多くの実施形態では、フルイディックスイッチ１９は、例えば検体溶液と基準溶液とのイオン性電気的接続を断つことによってｐＨセンサ（又は別のデバイス）をターンオフしたりターンオンしたりするよう動作可能である。フルイディックスイッチ１９は又、検体溶液と基準溶液との間の物質移動を減少させ又はなくすよう動作可能である。
【００３０】
多くの実施形態では、以下に詳細に説明するように、泡輸送システム１８は、例えば、スイッチング機能を実施するようエレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック（electrowetting-on-dielectric）を利用するのが良い。種々の実施形態によれば、泡輸送システム１８は、例えば、複数個の電極を含むのが良い。図示の実施形態では、泡輸送システムは、３つの電極１８ａ，１８ｂ，１８ｃを含む。泡輸送システム１８は、任意適当な種類の材料で構成可能である。種々の実施形態では、泡輸送システム１８は、白金、絶縁層（例えば、酸化珪素、パリレン等）及び疎水性の層（例えば、フッ化炭素の疎水性層）を含む。かかる実施形態では、白金を例えばサブストレート１２上に形成し又は成膜し、絶縁層及び疎水性層を白金上に形成し又は被着させるのが良い。他の実施形態によれば、泡輸送システム１８は、クロム、絶縁層及び疎水性層を含む。かかる実施形態の場合、クロムを例えばサブストレート１２上に形成し又は成膜し、絶縁層及び疎水性層をクロム上に形成し又は被着させるのが良い。泡輸送システム１８は、これがフルイディック閉ループチャネル２０内の基準溶液と直接的な接触関係をなすよう位置決めされる。
【００３１】
図１及び図２の代表的な実施形態では、フルイディックチャネル２０は、閉ループチャネル２０であり、この閉ループチャネルは、サブストレート１２及びカバー２４によってひとまとめに構成される。フルイディック閉ループチャネル２０は、例えば、任意適当な種類のイオン導電性水溶液を収容するのが良い。例えば、種々の実施形態によれば、フルイディックチャネル２０は、飽和塩化カリウム溶液を収容する。他の実施形態によれば、フルイディックチャネル２０は、飽和塩化銀溶液を収容する。フルイディックチャネルは、閉ループフルイディックチャネルである必要はない。フルイディックチャネルは、１つ又は２つ以上の泡の運動を可能にし、又は泡を以下に説明するようにチャネル内に生じさせる場合、フルイディックチャネルは、１つ又は２つ以上の泡を所望の体積に合わせて形成することができるよう液体の押し退けを可能にする。
【００３２】
図１に示されているように、多くの実施形態では、フルイディック閉ループチャネル２０は、泡輸送システム１８を包囲し、このフルイディック閉ループチャネルは、第１の泡３０及び第２の泡３２を含む。第１の泡３０は、飽和基準溶液を介して第２の泡３２に流体力学的に結合されている。かくして、第１の泡３０を第１の位置から第２の位置に駆動すると、第２の泡３２は、第３の位置から第４の位置に動く。第３の位置は、図１及び図２に実線で示されており、第４の位置は、図１及び図２に破線で示されている。したがって、第１の泡３０は、「マスタ」泡と考えられ、第２の泡３２は、「スレーブ」泡と考えられる。第１の泡３０及び第２の泡３２は、例えば、基準溶液中において不混和性の任意適当な種類の流体材料であって良い。少なくとも泡３２は、例えば、検体溶液中において不混和性であるのが良い。例えば、種々の実施形態によれば、第１の泡３０及び第２の泡３２は、空気、油、空気以外の気体（例えば、水素、酸素、水素と酸素の混合物等）等を含むのが良い。
【００３３】
本明細書で用いられる「泡」という用語は、或る物質（流体）の別の流体（基準電解液）中における小滴又は体積部を意味している。泡は、例えば、チャネル２０内の液体（即ち、飽和基準溶液）中において不混和性である気体又はチャネル２０内の液体中において不混和性である液体で形成されるのが良い。
【００３４】
液体接合部２２は、サンプル又は検体電解液とフルイディック閉ループチャネル２０内に収容された基準溶液（例えば、飽和塩化カリウム）との間に位置決めされ、この液体接合部は、検体電解液とフルイディック閉ループチャネル２０内の基準溶液との間にイオン性電気的接続をもたらす。多くの実施形態では、液体接合部２２は、流体の輸送を生じさせることができる部材であり、かかる液体接合部は、例えば、多孔質又は透過性材料を含むのが良い。例えば、種々の実施形態によれば、液体接合部２２は、親水性多孔質ポリマーを含む。液体接合部２２のための多孔質材料は、例えば、１マイクロメートル未満の孔径を有するのが良い。多くの実施形態では、液体接合部２２は、フルイディック閉ループチャネル２０内の溶液とサンプル電解液との間の物質移動を（例えば、多孔質材料の場合、孔径を制限することによって）制限し又は最小限に抑えるよう設計されている。図２に示されているように、液体接合部２２は、図示の実施形態では、サブストレート１２とカバー２４との間に位置決めされている。
【００３５】
カバー２４は、サブストレート１２に連結されていて、このカバーは、フルイディック閉ループチャネル２０を構成するようサブストレート１２と協働する。カバー２４は、例えば、任意適当な種類の不透過性材料で構成できる。植え込み型ｐＨセンサ１０の場合、カバー２４（及び有機体に接触するｐＨセンサ１０の他のコンポーネント）は、例えば、生体適合性であるのが良い。例えば、種々の実施形態によれば、カバー２４は、ガラス又はポリジメチルシロキサンを含む。カバー２４は、サブストレート１２に任意適当な仕方で連結可能である。例えば、種々の実施形態によれば、カバー２４は、サブストレート１２に接着される。カバー２４がガラスであり、サブストレート１２がＰＤＭＳである幾つかの実施形態では、カバー２４は、表面のＯ2プラズマ処理後にカバー２４とサブストレート１２を互いに単に押し付けるだけでサブストレート１２に容易に結合される。例えば、フルイディックチャネルの幅が比較的広い（例えば、約１ｍｍ以上）である場合、接着剤を用いてカバー２４をサブストレート１２に結合するのが良い。
【００３６】
上述したように、図１及び図２の図示の代表的な実施形態では、複数個の接続要素又はパッド２６ａ〜２６ｅがサブストレート１２に接続されており、これら接続要素又はパッドは、任意適当な種類の導体で構成できる。例えば、種々の実施形態によれば、接続パッド２６ａ〜２６ｅは、白金を含む。他の実施形態によれば、接続パッド２６ａ〜２６ｅは、クロムを含む。他の実施形態によれば、接続パッド２６ａ〜２６ｅは、チタンを含む。他の実施形態によれば、接続パッド２６ａ〜２６ｅは、金を含む。接続パッド２６ａは、導体２８ａを介して第１の電極１４に接続されている。接続パッド２６ｂは、導体２８ｂを介して第２の電極１６に接続されている。接続パッド２６ｃ，２６ｄ，２６ｅは、それぞれ、導体２８ｃ，２８ｄ，２８ｅを介して泡輸送システム１８の電極１８ａ，１８ｂ，１８ｃに接続されている。接続パッド２６ａ，２６ｅは、泡輸送システム１８の第１の電極１４、第２の電極１６及び電極１８ａ，１８ｂ，１８ｃとｐＨセンサ１０の外部に設けられた１つ又は２つ以上の回路との電気的接続を可能にする。図１に示されているように、第１の電極１４及び第２の電極１６は、例えば、測定エレクトロニクス又は回路４０に接続されるのが良く、かかる測定エレクトロニクス又は回路は、例えば、当該技術分野において知られているように電位差計（ポテンショメータ）回路を含むのが良い。泡輸送システム１８の電極１８ａ，１８ｂ，１８ｃは、例えば、制御エレクトロニクス又は回路５０と電気的接続状態にあるのが良い。
【００３７】
複数個の導体２８ａ〜２８ｅは、例えば、サブストレート１２の表面上に形成されるのが良く、これら導体は、第１の電極１４、第２の電極１６及び電極１８ａ〜１８ｃをそれぞれの接続パッド２６ａ〜２６ｅに接続するよう働く。図１に示されると共に上述したように、第１の導体２８ａは、第１の電極１４を第１の接続パッド２６ａに接続し、第２の導体２８ｂは、第２の電極１６を第２の接続パッド２６ｂに接続している。同様に、個々の導体２８ｃ〜２８ｅは、泡輸送システム１８の電極１８ａ〜１８ｃをそれぞれ対応の接続パッド２６ｃ〜２６ｅに接続している。導体２８ａ〜２８ｅは、例えば、任意適当な種類の導電性材料で構成できる。例えば、種々の実施形態によれば、導体２８ａ〜２８ｅは、白金を含む。他の実施形態によれば、導体２８ａ〜２８ｅは、クロムを含む。他の実施形態によれば、導体２８ａ〜２８ｅは、チタンを含む。他の実施形態によれば、導体２８ａ〜２８ｅは、金を含む。
【００３８】
図１及び図２に示されている代表的な実施形態の作用を説明すると、第１の電極１４をサンプル電解質（又はサンプル組織）に暴露する。ｐＨセンサ１０がオフ状態にあるとき（流体スイッチ１９を介して）、第１の泡３０は、泡輸送システム１８の「最も左側」の（図の向きで見て）電極１８ａ上に位置決めされ、第２の泡３２は、液体接合部２２に当てて位置決めされる。第１の泡３０及び第２の泡３２の位置決めは、例えば、任意適当な仕方で実現できる。例えば、種々の実施形態によれば、エレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック技術を利用すると、第１の泡３０及び第２の泡３２をそれぞれの位置に動かすことができる。かかる実施形態の場合、泡輸送システム１８の「最も右側」の電極１８ｃ及び「中間」電極１８ｂの順次作動を利用することができ、それにより、第１の泡３０及び第２の泡３２は、ｐＨセンサ１０のオフ状態と関連したそれぞれの位置に動く。
【００３９】
第２の泡３２は、オフ状態位置では、例えば、第２の電極１６及び液体接合部２２上にバリヤを形成し、サンプル電解質とフルイディック閉ループチャネル２０内の飽和溶液との間の流体／電気（イオン）接続を効果的に阻止し、それにより飽和溶液中への第２の電極１６の溶解を減少させ又は阻止すると共に液体接合部２２を通じた質量交換を減少させ又は阻止する。第２の泡３２が上述のオフ状態位置にあるとき、不混和性相インタフェース（例えば、気‐液又は液‐液不混和性インタフェース）が液体接合部２２の細孔の表面内又は表面のところに第２の泡３２とサンプル電解質との間に形成される。相相互間、例えば気相と液相との間の界面張力は、フルイディック閉ループチャネル２０中へのサンプル電解質の漏れを減少させ又は阻止するよう働く。ｐＨセンサ１０をオフ状態に維持することにより、オン状態に常時維持されるセンサと比較して、ｐＨセンサ１０の有効寿命が延びる。
【００４０】
ｐＨレベルを測定する場合、ｐＨセンサ１０をオン状態に切り替える。オン状態に切り替えるには、第２の泡３２をこれが第２の電極１６及び液体接合部２２上にバリヤを形成することがないよう動かし、それによりサンプル電解質とフルイディック閉ループチャネル２０内の飽和溶液との電気的接続を確立させることができる。種々の実施形態によれば、第１の泡３０に流体力学的に結合された第２の泡３２は、第１の泡３０を泡輸送システム１８の「最も左側」の電極１８ａから遠ざけることにより第２の電極１６及び液体接合部２２から遠ざけられる。
【００４１】
第１の泡３０を、任意適当な仕方で泡輸送システム１８の「最も左側」の電極１８ａから遠ざけることができる。例えば、種々の実施形態によれば、エレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック原理を利用して第１の泡３０を動かし、それにより第２の泡３２を動かす。エレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリック装置又はシステムでは、電極のアレイをプログラムして順次作動させることにより泡を輸送する。
【００４２】
かかる実施形態の場合、泡輸送システム１８の「最も左側」の電極１８ａの作動は、第１の泡３０を泡輸送システム１８の「最も左側」の電極１８ａから遠ざけて泡輸送システム１８の「最も右側」の電極１８ｃに近づけるよう働く。第１の泡３０を泡輸送システム１８の「最も右側」の電極１８ｃに向かって動かすことにより、第２の泡３２は、第２の電極１６及び液体接合部２２から遠ざかり、それにより第２の電極１６及び液体接合部２２上のバリヤを除く。バリヤが除かれることにより、サンプル電解質とフルイディック閉ループチャネル２０内の飽和溶液との流体／電気（イオン）接続を確立することができる。
【００４３】
上述した仕方で、エネルギー消費量を極めて少なくした状態でオフ状態とオン状態に迅速に切り替えることができる。オフ状態の間、バリヤを第２の電極１６及び液体接合部２２上に形成し、オン状態の間のみ、第２の電極１６及び液体接合部２２をフルイディック閉ループチャネル２０の飽和基準溶液に暴露することにより、第２の電極１６の溶解及び液体接合部２２を通じた質量交換が減少し又は最小限に抑えられ、それにより、ｐＨセンサ１０の有効寿命が延びる。
【００４４】
図１に概略的に示されているように、少なくとも１つの電力源６０、例えばバッテリがセンサエレクトロニクス４０及び制御エレクトロニクス５０と電気的接続関係をなして設けられるのが良い。電源６０は、例えば、図１の実施形態では、センサエレクトロニクス４０、制御エレクトロニクス５０及び泡輸送システム１８に電力供給するために使用できる。多くの実施形態では、ｐＨセンサ１０は、例えば、外部装置７０を介して作動可能であると共に／或いは制御可能であるのが良く、この外部装置７０は、例えば制御エレクトロニクス５０と通信結合状態にあるトランシーバ５２と（例えば、無線又はＲＦ信号を介してワイヤレスで）通信する。制御エレクトロニクス５０は、例えば、泡３０，３２が上述したように動いてｐＨセンサ１０が或る所定の時間サイクルで且つ／或いは外部信号（例えば、ｐＨセンサ１０が植え込まれた体の外部に位置する）に応答してｐＨを測定することができるよう（例えば、１つ又は２つ以上のプログラムされたプロセッサを介して）プログラムされているのが良い。ｐＨセンサ１０を作動させ又はイネーブルにすると、センサエレクトロニクス４０によりｐＨの読みが得られる。センサエレクトロニクス４０は、制御エレクトロニクス５０と通信結合状態にあり、この制御エレクトロニクス５０は、泡輸送システム１８の制御を行う。測定値がいったん得られると、ｐＨセンサ１０をオフ状態にし又は上述したように泡輸送システム１８の制御により非動作状態にするのが良い。ｐＨの測定値は、例えば、使用に（例えば、トランシーバ５２を介して体外への伝送のために又は例えば治療器具を含む場合もある別の植え込みシステムによる使用のために）供せられるのが良い。
【００４５】
本発明の幾つかの実施形態では、ｐＨセンサは、オン状態とオフ状態との間での切り替わりを行うための単一の泡を有する。例えば、図３は、チャネル１２０（カバー１２４とサブストレート１１２との間に形成されている）内に位置する単一の泡１３２がフルイディックスイッチ又はコントローラ１１９として作動するよう第２又は基準電極１１６及び液体接合部１２２（ｐＨセンサ１０と関連して説明されている）上にバリヤを形成するために用いられている別の代表的な実施形態としてのｐＨセンサ１１０を示している。上述したように、液体接合部１２２を覆うバリヤを形成し又は生じさせることにより、検体溶液（これは、第１又は指示電極１１４に接触している）とチャネル１２０内の基準溶液とのイオン性電気的接続が断たれ又は阻止されるオフ状態が作られる。さらに、オフ状態では、泡１３２は、検体溶液と基準溶液との間の物質移動を減少させ、最小限に抑え又はなくす。オフ状態は更に、基準溶液内における電極１１６の溶解を減少させる。泡１３２が電極１１６を覆うほど十分なサイズのものである場合、電極１１６と基準溶液との間の溶解（物質移動）を一段と減少させ、最小限に抑え又はなくすことができる。かくして、第２の電極１１６の溶解及び液体接合部１２２を介する物質移動は、オン状態の間だけしか相当な程度まで起こらず、それによりｐＨセンサ１１０の有効寿命が延びる。
【００４６】
図３の実施形態では、酸素と水素の混合物である気泡１３２が、互いに比較的近接して（例えば、幾つかの実施形態では、約４μｍの範囲内に）位置決めされているアノード１４２及びカソード１４４を用いて電気分解により生じる。図３に示されている実施形態では、泡輸送システム１１８（例えば、エレクトロウェッティング・オン・ダイエレクトリックシステム）がフルイディックチャネル１２０の頂面上に位置決めされている。泡輸送システム１１８は、例えば、カバー１２４の内面上（即ち、フルイディックチャネル１２０の頂面上）に位置決めされた電極１１８ａ〜１１８ｅのアレイを有するのが良い。図示の実施形態では、泡１３２を作るために用いられる電解電極（即ち、アノード１４２及びカソード１４４）は、サブストレート１１２上に配置されている。泡１３２（又は、例えばｐＨセンサ１０と関連して説明した複数個の泡）を作るためには、例えば、アノード／カソード対、例えばアノード１４２及びカソード１４４相互間に約５Ｖの電位差を加えるのが良い。
【００４７】
フルイディックスイッチ１１９の動作にあたり、まず最初に、アノード１４２及びカソード１４４（フルイディックチャネル１２０内の最も右側の破線を参照されたい）を用いた電気分解により泡１３２を発生させる。生じた泡のサイズは、例えば、電位差が加えられる時間の制御により調節されるのが良い。流体スイッチ１１９をオフ状態にするために、泡輸送システム１１８により泡１３２を輸送してこれが液体接合部１２２を覆うようにし（フルイディックチャネル１２０内の最も左側の破線を参照されたい）、そして、幾つかの実施形態では、これが基準電極１２２を覆うようにする。流体スイッチをオン状態にするために、泡輸送システム１１８により泡１３２を輸送し、これが液体接合部１２２と基準電極１１６をいずれも覆わないようにする。
【００４８】
図４は、チャネル２２０（カバー２２４とサブストレート２１２との間に形成されている）内の単一の泡２３２がｐＨセンサ１０，１１０と関連して説明したように第２又は基準電極２１６及び液体接合部２２２上にバリヤを形成し、フルイディックスイッチ２１９として動作するよう用いられる別の代表的な実施形態としてのｐＨセンサ２１０を示している。上述したように、液体接合部２２２を覆うバリヤを形成し又は生じさせることにより、検体溶液（これは、第１又は指示電極２１４に接触している）とチャネル２２０内の基準溶液とのイオン性電気的接続が断たれ又は阻止されるオフ状態が作られる。泡２３２が電極２１６を覆うほど十分なサイズのものである場合、電極２１６と基準溶液との間の溶解（物質移動）を一段と減少させ、最小限に抑え又はなくすことができる。
【００４９】
フルイディックスイッチ２１９の動作にあたり、まず最初に、アノード２４２及びカソード２４４（フルイディックチャネル１２０内の最も右側の破線を参照されたい）を用いた電気分解により泡２３２を発生させる。上述したように、生じた泡のサイズは、例えば、電位差が加えられる時間の制御により調節されるのが良い。流体スイッチ２１９をオフ状態にするために、泡２３２をこれが液体接合部２２２を覆うサイズで、幾つかの実施形態では、これが基準電極２２２を覆うサイズで発生させる。次に、フルイディックスイッチをオン状態にするために、アノード２４２及びカソード２４４を用いた電気分解プロセスの逆を行うことにより泡２３２のサイズを減少させ又は泡を完全になくし、これが液体接合部２２２と基準電極２１６をいずれも覆うことがないようにする。泡を減少させ又はなくすために、触媒を用いて逆プロセスにおけるエネルギー障壁を低くするのが良い。水素及び酸素の泡を含む泡２３２の場合、例えば白金（Ｐｔ）を触媒として用いるのが良い。多くの実施形態では、アノード２４２及びカソード２４４は、例えば触媒材料、例えばＰｔを含むよう製作されるのが良い。電位をアノード２４２及びカソード２４４に加えた場合、泡２３２が大きくなる。電位を遮断すると、泡２３２が縮む。変形実施形態では、触媒、例えばＰｔ源をアノード２４２及びカソード２４４と別個に設けるのが良い。
【００５０】
フルイディックスイッチ又はコントローラ、例えばフルイディックスイッチ又はコントローラ１９，１１９，２１９は、例えば、流体を輸送することができるようにする部材（例えば、多孔質ポリマー部材、透過性メンブレン等のような多孔質又は透過性部材）を横切る流体結合、イオン電導及び／又は物質移動を制御することが望ましい他の装置で利用できる。
【００５１】
上述の説明及び添付の図面は、現時点において代表的な実施形態の多くの実施例を記載している。本発明の精神から逸脱しないで又はその範囲を超えないで上述の教示に照らして設計上の種々の改造例、追加例、及び変形例が当業者には明らかであり、本発明の範囲は、上述の説明ではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。特許請求の範囲に記載された本発明の文言上の範囲及びその均等範囲に属するあらゆる変更及び変形は、本発明の範囲に含まれるものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2013511329.tif 000007
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2013511329.tif 000008
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
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【国際調査報告】
2013511329.tif 000010
2013511329.tif 000011