(57)【要約】  バイオセンサー（４）上の所定の生体分子の存在及び／又は濃度を決定する検出装置（２）が開示される。バイオセンサー（４）は、レーザー光によるフォトダイオード（８）の照射に応じて無線周波数放射を放出し、及びセンサー（４）上の関連生体分子の存在及び／又は濃度に依存した共振周波数を有する共振回路を有する。装置（２）は、センサー（４）を照射するレーザーダイオード（１２）、及びセンサー（４）により放出されたＲＦ放射を受信し、生体分子の存在及び／又は濃度の変化により引き起こされるセンサー（４）により放出されたＲＦ放射の周波数偏差を表す出力信号を供給する受信機（２０、２２）を有する。積分器（２６、３８）、乗算器（３２）及び加算器（２８）は、周波数偏差信号の、レ―ザーダイオード（１２）の出力強度への依存度を減少する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、センサー上の所定の物質の存在及び／又は濃度を検出し、前記センサーは、少なくとも１つの第１の周波数の電磁放射を、少なくとも１つの第２の周波数の電磁放射の照射に応じて放出するために利用され、少なくとも１つの前記第１の周波数は、前記所定の物質の存在及び／又は濃度に依存し、前記装置は：
センサーに電磁放射を照射する放射源；
前記センサーにより放出された電磁放射を受信する受信機；
前記センサー上の前記所定の物質の存在及び／又は濃度の変化により引き起こされる少なくとも１つの前記第１の周波数の変化に依存して出力信号を提供する検出器手段；及び
前記出力信号の前記放射源の出力強度への依存度を減少する調整手段、を有する装置。
【請求項２】
前記調整手段は、前記検出器手段を調整し、前記出力信号に対応する少なくとも１つの前記第１の周波数を調整するために利用される、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記調整手段は、前記出力信号を調整するために利用される、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記調整手段は、前記放射源の出力強度を調整するために利用される、請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記調整手段は、前記放射源の出力強度への依存度を表す調整信号を供給するために利用される、請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記調整手段は、前記出力信号の揺らぎを抑制するために利用される、請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記調整手段は、前記出力信号を積分する積分手段を有する、請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記調整手段は、当該出力信号の変動を表す信号を当該放射源の出力強度と統合する第２の統合手段を有する、請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記検出器手段により検出された最大強度の信号の周波数における揺らぎを減少する第１の安定化手段を更に有する、請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記放射源により出力された最大強度の放射の周波数における揺らぎを減少する第２の安定化手段を更に有する、請求項１記載の装置。
【請求項１１】
前記受信機は、アンテナ及び無線周波数受信機を有する、請求項１記載の装置。
【請求項１２】
測定システムであって、請求項１記載の装置と、少なくとも１つの第１の周波数の電磁放射を、前記放射源を用いた照射に応じて放出するために利用されるセンサーと、を有する測定システム。
【請求項１３】
方法であって、センサー上の所定の物質の存在及び／又は濃度を決定し、前記センサーは、少なくとも１つの第１の周波数の電磁放射を、少なくとも１つの第２の周波数の電磁放射による照射に応じて放出するために利用され、少なくとも１つの前記第１の周波数は、前記所定の物質の存在及び／又は濃度に依存し、前記方法は：
センサーに電磁放射を照射する段階；
前記センサーにより放出された電磁放射を受信する段階；
前記センサー上の前記所定の物質の存在及び／又は濃度の変化により引き起こされる少なくとも１つの前記第１の周波数の変化に依存して出力信号を提供する段階；及び
前記出力信号の前記放射源の出力強度への依存度を減少する段階、を有する方法。
【請求項１４】
前記出力信号に対応する少なくとも１つの第１の周波数を調整する段階を有する請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記出力信号を調整する段階を有する請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記センサーに照射する前記電磁放射の出力強度を調整する段階を有する請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
前記出力信号の前記センサーに照射する前記電磁放射の出力強度への依存度を表す調整信号を供給する段階を更に有する請求項１３記載の方法。
【請求項１８】
前記出力信号の揺らぎを減少する段階を更に有する請求項１３記載の方法。
【請求項１９】
前記出力信号を積分する段階を有する請求項１３記載の方法。
【請求項２０】
前記センサーにより放出された検出電磁放射の最大強度の信号の周波数における揺らぎを減少する段階を更に有する請求項１３記載の方法。
【請求項２１】
前記センサーを照射する最大強度の放射の周波数における揺らぎを減少する段階を更に有する請求項１３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサーで所定の物質の存在を検出する装置及び方法に関する。本発明は、詳細にはしかし限定的でなく、レーザー光による照射に応じて無線周波数放射を放出するバイオセンサーを用いて生体分子を検出する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオセンサーは、流動体内の生体分子の存在及び／又は濃度を決定するために用いられる。バイオセンサーは、生体分子の結合部位を有するセンサー素子を有する。従って信号はセンサー表面にある結合部位と流動体内の生化学的組成との相互作用により引き起こされる。標準的に、流動体成分は、具体的にはセンサー素子の表面にある結合部位を形成する分子と結合する。生体分子の例は、タンパク質、ペプチド、核酸、糖質及び脂質である。流動体の例は、単純な緩衝液及び血液、血清、血漿、唾液、尿又は細胞組織のような生体液である。
【０００３】
バイオセンサーカートリッジ内で、センサー素子は結合部位を提供される。検出を助けるため、マーカー又はラベル、例えば小さいビーズ、ナノ粒子、又は特定の蛍光又は磁気特性を有する特別な分子がしばしば用いられる。ラベルは、検体（つまり決定されるべき分子）がセンサーと結合する前又は後に付着される。微小粒子は、しばしば検体を捉えるため固相として用いられる。固相の微小粒子は、ガラス、プラスチック又は天然ゴムのような種々の物質から特定の用途に応じて作られ得る。いくつかの固相の粒子は、それら固相粒子を複雑な検査液又は混合物から分離するため、強磁性物質から作られる。固相微小粒子（又は検体を捉えている他のマーカー）を結合する結合反応の発生は、例えば蛍光性マーカーにより検出され得る。
【０００４】
センサーでの分子の検知は、アッセイとして知られている。このような検定は、種々の形式、例えば結合、サンドイッチアッセイ、競合アッセイ、及び置換アッセイを有する。従来の固相アッセイでは、固相は主に固相と結合する分子を固相と結合しない分子から分離するのに役立つ。分離は、重力、遠心分離、濾過、磁力、フローサイトメトリー、マイクロフルイディクスにより助けられ得る。分離は、アッセイの単一の段階で、又は通常は複数の段階で実行されて良い。
【０００５】
しばしば単一の容器内で及びほぼ同時に、同一のサンプルに対し２つ以上の異なるアッセイを実行することが望ましい。このようなアッセイは、当業者にはマルチプレックスアッセイとして知られている。マルチプレックスアッセイは、同時に分析されているサンプル内の１つ以上の分子の存在又は濃度を決定するため、又は単一の分子の複数の特性、例えば単一のタンパク質分子の複数のエピトープの存在を評価するために実行される。
【０００６】
バイオセンサーは、医師又は検査技師のためのツールを対象とする。医療行為における種々の厳格な規則のため、バイオセンサーは１回のみ使用され、その結果バイオセンサーは安価且つ操作が容易でなければならない。
【０００７】
このようなバイオセンサーの例は、特許文献１に開示されている。特許文献１では、電子チップの形式のバイオセンサーは、フォトダイオード、及び共振回路を有する。共振回路の構成要素のインダクタンス、キャパシタンス又は抵抗値が変動する結果として、共振周波数が変化する。共振回路は、当該構成要素の結合部位における生体分子の結合により生成される。例えば、構成要素は、センサー表面内のフラットコイルであって良い。当該コイルのインダクタンスは、強磁性体ビーズが当該コイルと結合する結果として変化する。このような生体分子の存在は、バイオセンサーのフォトダイオードを照射レーザー光で照射する結果、バイオセンサーにより放出される無線周波数放射を検出することにより決定される。
【０００８】
この種類のバイオセンサーは、蛍光反応に頼るセンサーからより、正確なデータを容易に得る。しかしながらこの種類のバイオセンサーは、検出される生体分子の存在及び／又は濃度に依存していると同時に、共振回路の共振周波数もバイオセンサーのフォトダイオードを照射するレーザー光源の強度に依存するという欠点に苦しんでいる。この結果、バイオセンサーを用いる如何なる測定の精度も有意に制限されるか、又は信号処理構成要素がセンサー素子に追加されなければならず、センサーの価格と大きさを有意に増大する。これは、有意な不利点である。なぜならこの種類のバイオセンサーは、標準的に１回の使用を対象とした使い捨て製品であるからである。更に、センサーを用いる測定の精度は、バイオセンサーを製造するために用いられる集積回路製造過程の処理能力により制限される。またオンチップの周波数安定化構成要素が追加されなければならず、これもまたバイオセンサーの製品の価格を増大する。
【特許文献１】国際公開第２００４／０５３４９１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の好適な実施例は、より低価格でバイオセンサーの製品を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の態様によると、装置であって、センサー上の所定の物質の存在及び／又は濃度を検出する装置が提供される。当該センサーは、少なくとも１つの第１の周波数の電磁放射を、少なくとも１つの第２の周波数の電磁放射の照射に応じて放出するために利用される。少なくとも１つの前記第１の周波数は、当該所定の物質の存在及び／又は濃度に依存する。当該装置は、
センサーに電磁放射を照射する放射源、
当該センサーにより放出された電磁放射を受信する受信機、
当該センサー上の当該所定の物質の存在及び／又は濃度の変化により引き起こされる少なくとも１つの当該第１の周波数の変化に依存して出力信号を提供する検出器手段、及び
当該出力信号の当該放射源の出力強度への依存度を減少する調整手段、を有する。
【００１１】
当該装置の一部を形成する、当該出力信号の当該放射源の出力強度への依存度を減少する調整手段を設けることにより、センサーの共振周波数を調整し放射源の出力強度の変動を補償する構成要素をセンサー上に設ける必要を回避するという利点を提供する。これはまた、より低価格のセンサーを製造可能にするという利点を提供する。
【００１２】
調整手段は、当該検出器手段を調整し、当該出力信号に対応する少なくとも１つの当該第１の周波数を調整するために利用されて良い。
【００１３】
調整手段は、当該出力信号を調整するために利用されて良い。
【００１４】
調整手段は、当該放射源の出力強度を調整するために利用されて良い。
【００１５】
これは、システムの動作周波数を、干渉信号及び信号対雑音比の観点から最も有利な周波数に合わせることを可能にし、同時にセンサー上の信号処理構成要素を設ける必要を回避し、従ってセンサーの製品の価格を最小化するという利点を提供する。
【００１６】
調整手段は、当該出力信号の当該放射源の出力強度への依存度を表す調整信号を供給するために利用されて良い。
【００１７】
調整手段は、当該出力信号の揺らぎを抑制するために利用されて良い。
【００１８】
これはまた、雑音により引き起こされる歪みを低減可能にするという利点を提供する。
【００１９】
調整手段は、当該出力信号を積分する積分手段を有して良い。
【００２０】
調整手段は、当該出力信号の変動を表す信号を当該放射源の出力強度と積分する第２の積分手段を有して良い。
【００２１】
装置は、当該検出器手段により検出された最大強度の信号の周波数における揺らぎを減少する第１の安定化手段を更に有して良い。
【００２２】
装置は、当該放射源により出力された最大強度の放射の周波数における揺らぎを減少する第２の安定化手段を更に有して良い。
【００２３】
受信機は、アンテナ及び無線周波数受信機を有して良い。
【００２４】
本発明の別の態様によると、以上に定められた装置と、少なくとも１つの第１の周波数の電磁放射を当該放射源を用いた照射に応じて放出するために利用されるセンサーと、を有する測定システムが提供される。
【００２５】
本発明の更に別の態様によると、センサー上の所定の物質の存在及び／又は濃度を決定する方法が提供される。センサーは、少なくとも１つの第１の周波数の電磁放射を、少なくとも１つの第２の周波数の電磁放射による照射に応じて放出するために利用される。少なくとも１つの当該第１の周波数は、当該所定の物質の存在及び／又は濃度に依存する。当該方法は、
センサーに電磁放射を照射する段階、
当該センサーにより放出された電磁放射を受信する段階、
当該センサー上の当該所定の物質の存在及び／又は濃度の変化により引き起こされる少なくとも１つの当該第１の周波数の変化に依存して出力信号を提供する段階、及び
当該出力信号の当該放射源の出力強度への依存度を減少する段階、を有する。
【００２６】
方法は、当該出力信号に対応する少なくとも１つの第１の周波数を調整する段階を有して良い。
【００２７】
方法は、当該出力信号を調整する段階を有して良い。
【００２８】
方法は、当該センサーに照射する当該電磁放射の出力強度を調整する段階を有して良い。
【００２９】
方法は、当該出力信号の当該センサーに照射する当該電磁放射の出力強度への依存度を表す調整信号を供給する段階を更に有して良い。
【００３０】
方法は、当該出力信号の揺らぎを減少する段階を更に有して良い。
【００３１】
方法は、当該出力信号を積分する段階を有して良い。
【００３２】
方法は、センサーにより放出された検出電磁放射の最大強度の信号の周波数における揺らぎを減少する段階を更に有して良い。
【００３３】
方法は、センサーを照射する最大強度の放射の周波数における揺らぎを減少する段階を更に有して良い。
【００３４】
本発明の好適な実施例は、単なる例であり如何なる限定も意味しない例を用い、添付の図面を参照しより詳細に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１を参照する。システム２は、試験流動体内の生体分子の存在及び／又は濃度を決定し、バイオセンサー４及び検出装置６を有する。センサー４は、フォトダイオード８、フォトダイオード８により電力を供給される共振回路１０、及びアンテナ（示されない）を有する光電池を有する電子チップの形式である。アンテナは、検出装置６のレーザーダイオード１２の形式の光源からのレーザー光を用いたフォトダイオードの照射に応じ、センサー４に無線周波数を放出可能にする。
【００３６】
バイオセンサー４の共振回路は、特許文献１に開示された種類である。共振回路は、例えば共振回路のコイルの表面近くの超常磁性体ダイナビーズがコイルのインダクタンスの増加及び従って共振回路の共振周波数の減少を引き起こす結果として、共振回路の共振周波数が検出されている生体分子の存在及び／又は濃度に依存するよう構成される。
【００３７】
検出装置６は、センサー４を照射するレーザーダイオード１２を有する。レーザーダイオード１２の出力パワーは、順方向検知フォトダイオード１６とループフィルター１８とを有するレーザーパワー調整制御ループ１４を用い安定化される。このように、順方向検知フォトダイオード１６がレーザーダイオード１２からの放出光の出力強度の変化を検出すると、制御信号が生成され、レーザーダイオード１２の出力の揺らぎを最小化する。
【００３８】
検出装置６はまた、バイオセンサー４から無線周波数を受信するアンテナ２０、及びアンテナ２０から入力信号を受信し及びセンサー４から受信した放射の周波数と受信機２２の受信周波数との間の周波数偏差を表す出力信号を生成する同調無線周波数受信機２２を有する。当該周波数偏差は、第１の積分器２６と第１の加算器２８とを有する自動周波数制御ループ２４を用いゼロまで減少される。
【００３９】
ループフィルター１８への入力信号は、レーザーダイオード１２による放出光の出力強度の変動を表し、そして相関器３０及び第１の乗算器３２へ入力される。相関器は、ループフィルター１８の入力信号と受信機２２により出力された周波数偏差との間の差を決定し及び差分信号を生成する第２の加算器３４を有する。差分信号は、ループフィルター１８の入力と一緒に第２の乗算器３６を通る。第２の乗算器３６の出力は第２の積分器３８へ入力される。第２の積分器３８の積分された出力は、第１の乗算器へ、ループフィルター１８の入力信号と一緒に入力される。また乗算器３２の出力は、ＲＦ受信機２２の微調整を調整するため、周波数制御ループ２８の加算器２８へ入力される。
【００４０】
第１の積分器２６は、レーザーダイオード１２の出力強度が実質的に一定に保たれる期間にわたりセンサー４により放出されたＲＦ放射の平均周波数を表す出力信号を生成するために用いられ得る。同様に、第２の積分器３８は、受信機２２により出力された周波数変動信号の、レーザーダイオード１２の出力強度の揺らぎへの依存度をあらわす信号を生成するために用いられ得る。
【００４１】
図１の実施例の動作は、以下に説明される。
【００４２】
較正段階では、センサー４が中性の液体（つまり検出されるべき生体分子を有さない）内に置かれた場合、レーザーダイオード１２の出力強度の変動と結果として生じる受信機２２により出力される周波数偏差信号の変化との間の関係が決定される。これは、相関器２０の出力を長期にわたり積分し積分器３８の出力でレーザーダイオード１２の出力の変化と受信機２２により出力された周波数偏差信号の変化との間の相関係数を表す信号を生成することにより達成される。これは、適切な信号を乗算器３２から出力させ、レーザーダイオード１２の出力強度の揺らぎに応じて受信機２２の微調整を調整する。更に、周波数偏差信号は、ＲＦ放射と受信機２２の受信周波数との間の周波数偏差を安定化するために用いられる。
【００４３】
図２に示される測定段階は、平均オフセット信号が乗算器３２及び加算器２８に印加されるよう、積分器２６、３８の出力を一定に保つことにより次に実行される。そしてセンサー４は、対象の生体分子の存在及び／又は濃度が決定されるべき試験液内に置かれる。検出されている生体分子の存在、例えばセンサーの近くの超常磁性体ビーズの存在を示す関連ラベル又はマーカーの存在は、センサー４の共振回路の共振周波数の減少を引き起こし、その結果として受信機２２により出力された周波数偏差信号は生体分子の存在及び／又は濃度を表す。このように、システムは較正され、高価なオンチップ信号処理構成要素を設けることを必要とせず、レーザーダイオード１２の出力強度の変動を補償し得る。システムはまた、センサー４と受信機２２との間の必要な周波数ロックを実行可能にする。
【００４４】
図３を参照する。図３では、図１及び図２の実施例と共通の部分は、同様の参照符号で示されるが、１００だけ増加されている。図３は、本発明の別の実施例を示す。図３に示す測定段階では、積分器１２６の出力は、一定に保たれ、微調整信号を受信機１２２へ供給する。積分器１３８の出力は、乗算器１３２へ入力される。またループフィルター１１８の入力信号は、乗算器１３２の他の入力へ入力される。乗算器１３２の出力は、制御信号として加算器１４０へ入力され、レーザーダイオード１１２の出力強度の変動を考慮するため、受信機１２２により出力される周波数偏差信号を調整する。
【００４５】
図４及び図５は本発明の別の実施例を示す。図４及び図５では、図１及び図２の実施例と共通の部分は、同様の参照符号で示されるが、２００だけ増加されている。図３は、本発明の別の実施例を示す。先ず図４を参照する。較正段階では、レーザーダイオード２１２の出力強度は、ＲＦ受信機２２の周波数偏差信号を介し制御され、バイオセンサーチップ２０４に受信機２２２の中心周波数において発振を引き起こさせ、チップに良好な信号対雑音比を与える領域で及び／又は測定に悪影響を及ぼし得る干渉信号の存在なしに動作させる。受信機２２２により出力された周波数偏差信号は、積分器２４２により積分される。そして積分器２４２の出力は、レーザーダイオード２１２の出力強度の変動の、受信機２２２により出力される周波数偏差信号の変動への依存を表し、当該周波数変動を減少するため、加算器を介しループフィルター２１８へ入力される。
【００４６】
図５に示される測定段階では、積分器２４２からの出力信号はゼロボルト信号を積分器の入力に印加することにより一定に保たれ、そしてセンサー２０４は試験液内に置かれる。センサーチップ２０４は、次に照射される。そして受信機２２２により出力される周波数偏差信号は、センサー２０４の関連生体分子の存在及び／又は濃度を示す。
【００４７】
当業者には、以上実施例は単に例として及び如何なる限定的意味ではなく説明されたこと、及び複数の変形及び変更が請求の範囲に定められた本発明の範囲から逸脱することなく可能であることが明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施例の検出装置の、較正段階中の、バイオセンサーを備えた概略図である。
【図２】測定段階中の図１の装置の概略図である。
【図３】測定段階中の本発明の第２の実施例の概略図である。
【図４】較正段階中の本発明の第３の実施例の概略図である。
【図５】測定段階中の図４の実施例の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2008519279.tif 000008
2008519279.tif 000009