(57)【要約】  水性媒体中の検体１２８を検出するためのセンサユニット１０４が提供される。該センサユニットは、水性媒体を受容するための表面１２４を有する。該表面上に固定された捕捉種１２６が、該検体を可逆的に結合する。検出器１３０は、該検体が該捕捉種に結合させられると、該検体を検出する。該センサユニットは更に、電解アセンブリ１３２を有する。該電解アセンブリは、該表面上の複数の空間的に離隔された導電領域１３４と、該導電領域の少なくとも２つの間に電圧を供給するための電源１３６と、を有する。該電圧は、該表面上の該水性媒体を電気分解するのに十分な電圧である。更に、該センサユニットを有する体液モニタリング装置１０１、及び検体を検出するための方法が提供される。
2021534930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水性媒体中の検体を検出するためのセンサユニットであって、
前記水性媒体を受容するための表面と、
前記検体を可逆的に結合するための、前記表面上に固定された捕捉種と、
前記捕捉種に結合させられた検体を検出、決定又は評価するための検出器と、
電解アセンブリと、
を有し、前記電解アセンブリは、
前記表面上の少なくとも３つの空間的に離隔された導電領域と、
電源と、
を有し、前記電源は、
前記表面上で受容された前記水性媒体を電気分解するのに十分な電圧が、前記少なくとも３つの導電領域の第１の対の組み合わせ間に供給される、第１の設定と、
前記表面上で受容された前記水性媒体を電気分解するのに十分な電圧が、前記第１の対の組み合わせとは異なる、前記少なくとも３つの導電領域の第２の対の組み合わせ間に供給される、第２の設定と、
を実装するよう構成された、センサユニット。
【請求項２】
前記導電領域の少なくとも２つが、互いに噛み合った構成で配置された、請求項１に記載のセンサユニット。
【請求項３】
前記第２の設定において供給される電圧は、前記第１の設定において供給される電圧とは異なる、請求項１又は２に記載のセンサユニット。
【請求項４】
前記導電領域の第２の対の組み合わせは、前記導電領域の第１の対の組み合わせよりも、前記表面上において離れて配置された、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のセンサユニット。
【請求項５】
複数の前記空間的に離隔された導電領域は、導電領域のアレイを有し、隣接する前記導電領域の間の間隔は、大きい間隔と小さい間隔との間で交互となっており、前記電源は、前記大きい間隔により離隔された隣接する導電領域間に、前記水性媒体を電気分解するのに十分な電圧を供給するよう構成され、前記小さい間隔により離隔された前記隣接する導電領域は、互いと同じ極性のものである、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のセンサユニット。
【請求項６】
複数の前記空間的に離隔された導電領域は、導電性ストリップのグリッドを有し、前記電源は、
前記水性媒体を電気分解するのに十分な電圧が、第１の方向に延在する平行なストリップ間に供給される、第１のモードと、
前記水性媒体を電気分解するのに十分な電圧が、前記第１の方向とは異なる第２の方向に延在する平行なストリップ間に供給される、第２のモードと、
を実装するよう構成され、任意に、前記電源は、前記第１のモード及び前記第２のモードを連続的に実装するよう構成された、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のセンサユニット。
【請求項７】
前記電源は、前記導電領域の間の電圧の極性を切り換えるよう構成された、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のセンサユニット。
【請求項８】
前記検出器は、トランスデューサを有し、任意に、前記検出器は、石英結晶共振検出器及び表面プラズモン検出器の少なくとも一方を有する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のセンサユニット。
【請求項９】
前記トランスデューサは、前記空間的に離隔された導電領域の少なくとも幾つかを介して、電気信号を送信及び／又は受信するよう構成された、請求項８に記載のセンサユニット。
【請求項１０】
前記導電領域は、光透過性材料を有する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のセンサユニット。
【請求項１１】
トリガ信号に応答して前記水性媒体を電気分解するよう前記電解アセンブリをトリガするよう構成されたコントローラを有し、任意に、前記コントローラは、所定の間隔で前記コントローラにクロック信号を送信するよう構成されたクロックモジュールを有し、前記トリガ信号は、前記クロック信号を有する、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のセンサユニット。
【請求項１２】
前記コントローラは、前記検出器から受信された信号に応答して、変動信号を生成するよう構成されたセンサ信号変動モジュールを有し、前記トリガ信号は、前記変動信号を有し、任意に、前記信号変動モジュールは、前記検出器の飽和に応答して前記変動信号を生成するよう構成された、請求項１１に記載のセンサユニット。
【請求項１３】
身体パラメータをモニタリングするための更なるセンサを有し、前記更なるセンサは、前記身体パラメータにおける変化に応答してイベント信号を生成するよう構成され、前記トリガ信号は、前記イベント信号を有する、請求項１１又は１２に記載のセンサユニット。
【請求項１４】
身体により生成される水性媒体中の検体を検出するための体液モニタリング装置であって、
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のセンサユニットと、
前記センサユニットの表面に前記水性媒体を供給するための流体収集アセンブリと、
を有し、任意に、前記装置は発汗モニタリング装置である、体液モニタリング装置。
【請求項１５】
水性媒体中の検体を検出するための方法であって、前記方法は、
表面に固定された捕捉種を備えるステップと、
前記検体が前記捕捉種に結合するよう、前記表面上に前記水性媒体を受容するステップと、
前記結合させられた検体を検出、決定又は評価するステップと、
前記表面上に受容された前記水性媒体を電気分解することにより、前記捕捉種から前記検出された検体を解放するステップであって、前記電気分解は、少なくとも３つの導電領域の第１の対の組み合わせ間に、前記水性媒体を電気分解するのに十分な電圧を供給することと、少なくとも３つの導電領域の第２の対の組み合わせ間に、前記水性媒体を電気分解するのに十分な電圧を供給することと、を有し、前記第２の対の組み合わせは前記第１の対の組み合わせとは異なる、ステップと、
を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検体を検出するためのセンサユニット、及びセンサユニットを有する体液モニタリング装置に関する。本発明は更に、検体を検出するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
疾患／健康状態及び快適度を示すバイオマーカの非侵襲的、半連続的及び長期的なモニタリングは、例えば脱水、ストレス、睡眠、子供の健康及び周術期モニタリングのために要求されている。
【０００３】
汗、涙液及び唾液は全て非侵襲的に得ることができる。発汗は、特にアクセス可能な生体液であり、被験者の生理学及び代謝に関する情報の豊富な供給源である。
【０００４】
発汗の臨床的関連成分の幾つかの例は、脱水をモニタリングするためのＮａ＋、Ｃｌ−及び／又はＫ＋、炎症に対する早期警告としての乳酸（敗血症に関連する）、糖尿病患者及び新生児に関するグルコース、並びに睡眠時無呼吸及びストレスモニタリングに関連するコルチゾールである。
【０００５】
しかしながら、１９４０年代及び１９５０年代に有望な結果を示した臨床研究にもかかわらず、信頼性の高い発汗感知の開発は幾つかの問題によって妨げられている。現在まで、発汗分析の影響力の強い用途は、主に嚢胞性線維症診断、薬物及びアルコール乱用テストに限定されてきた。
【０００６】
Mena-Bravo及びde Castroによる「Sweat: A sample with limited present applications and promising future in metabolomics」（J. Pharm. Biomed. Anal.、90、139-147（2014））に要約されているように、発汗感知の結果は非常に変動しやすく、血液及び発汗試料から決定された値間の相関は、種々のバイオマーカについて欠如しているようであることが見出されている。しかしながら、この分野における過去の研究は、バッグ又は織物中に大量の汗を収集するなど、比較的粗い試料技術を含んでいた。斯かる技術の欠点は、この明らかな相関の欠如に寄与する要因であったかもしれない。
【０００７】
これらの問題に対処するために、着用可能なセンサを、汗が皮膚から出てくるときに汗とほぼ即座に接触させる努力がなされてきた。ごく最近の例は、Gaoらによる「Fully integrated wearable sensor arrays for multiplexed in situ perspiration analysis」（Nature 529、509-514 (2016)）で提示された装着パッチである。該パッチは、Ｎａ＋、Ｋ＋、グルコース、乳酸及び皮膚温度を測定するためのセンサアレイを含む。しかしながら、この検討の焦点は、明らかに重要ではあるが、汗試料収集に関する問題に対処しないセンサ自体の開発及び統合にある。後者は、主に、数ｃｍ２サイズの吸収パッドを皮膚とセンサとの間に配置することによって行われる。仮定は、十分な発汗が産生される場合（従って、テストは常に、激しく運動する個体に対して行われる）、該パッドが、分析のために発汗を吸収し、新たに生成された発汗が、パッドを再充填し、古い発汗を「すすぐ」ことである。しかしながら、センサの時間依存性応答は、蓄積効果のために、経時的なバイオマーカの実際のレベルを直接反映しないようである。公表されているセンサへのサンプル収集及び提示は、長期間にわたる連続的な信頼性のある感知が困難であるように、十分に制御されない場合がある。斯かるパッチはまた、通常の条件下で、即ち汗腺当たり毎分ナノリットルのオーダーで生成される少量の汗を取り扱うように設計されていないものであり得る。
【０００８】
重篤な慢性状態の患者、術前又は術後の患者、及び高齢者などの高リスク患者に対して、発汗バイオマーカモニタリング装置を用いて継続的にモニタリングすることにより、通常のバイオマーカスポットチェックよりも高い品質の診断情報を、複数の血液サンプルを繰り返し採取することによって通常行われるように提供することができる。斯かる連続的なモニタリングは、病院環境又は他の場所で行うことができる。ヒト汗単独又は皮脂質との混合物は、装着可能な皮膚上装置におけるバイオマーカ測定のための容易にアクセス可能な供給源であり得る。例えば、コレステロールは、心血管疾患の発症におけるリスク上昇と関連する重要なバイオマーカである。炎症マーカ又はサイトカイン、例えばインターロイキン（例えばＴＮＦ−ａ、ＩＬ−６）は、リウマチ性及び乾癬性関節炎、並びに腸疾患における関節損傷の免疫応答及び検出又は疾患モニタリングにおいて重要な役割を果たす。
【０００９】
適切な捕捉種（抗体、アプタマー、分子インプリントポリマーなど）を使用してエクリン／アポクリン汗において検出され得るバイオマーカの例は、尿素、クレアチニン、コレステロール、トリグリセリド、ステロイドホルモン（コルチゾール）、グルコース、メラトニン；ＩＬ−１α、ＩＬ−１β、ＩＬ−６、ＴＮＦα、ＩＬ−８及びＴＧＦ−βＩＬ−６などのサイトカイン、システインプロテイナーゼ、DNAse I、リゾチーム、Ｚｎ−α２−グリコプロテイン、システインに富む分泌プロテイン−３及びデルムシジンを含むペプチド及びタンパク質；並びにＣ型肝炎ウイルスなどの大規模なバイオマーカである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、連続的又は断続的なモニタリングのために、既存の装置に改善が必要である。生体液試料、例えば発汗、唾液、涙液をモニタリングするための装着可能な又はポータブル装置では、関心のある生体液中のバイオマーカ又は検体の検出は、捕捉種がバイオマーカに結合する捕捉種が固定される表面を有するセンサユニットを、装置が含むことを必要とする傾向がある。典型的には、捕捉種は抗体であり、検体は対応する抗原である。しかしながら、表面は、検体で飽和されることがあり、このことは更なる検体検出を妨げる。この問題は、センサユニットが感知寿命及び性能を制限することになるので、斯かる装置を長期間のモニタリングに不適当なものにする可能性がある。
【００１１】
国際特許出願公開WO99/06835A1は、電気化学的制御を伴う全反射蛍光を使用する再生可能なバイオセンサを開示している。
【００１２】
米国特許出願公開US2013/217003A1は、バイオアナライザーによって液体試料の検体含有量を決定するための方法を開示している。
【００１３】
国際特許出願公開WO2016/138087A1は、動的発汗センサ管理システムを開示している。
【００１４】
米国特許出願公開US2005/247559A1は、バイオセンサアレイ及びバイオセンサアレイを動作させるための方法を開示している。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、請求項によって規定される。
【００１６】
一態様によれば、水性媒体中の検体を検出するためのセンサユニットが提供され、該センサユニットは、 水性媒体をその上に受容するための表面と、検体を可逆的に結合するための捕捉種であって、該表面上に固定されている捕捉種と、 捕捉種に結合された検体を検出し、決定し又は評価するための検出器と、該表面上の又は少なくとも該表面に近接する、空間的に分離された少なくとも３つの導電領域と、該表面上に受容された水性媒体を電気分解するのに十分な電圧が、少なくとも３つの導電領域の第１の対の組合せの間に供給される第１の設定と、該表面上に受容された水性媒体を電気分解するのに十分な電圧が、少なくとも３つの導電領域の第２の対の組合せの間に供給され、第２の対の組合せが、第１の対の組合せとは異なる第２の設定と、を実施するように構成された電源と、を有する。
【００１７】
検体を検出するための従来のセンサユニットの検出原理は、表面、即ちセンサ表面上に固定化された捕捉種に依存する。捕捉種は、特定の検体に結合するように選択されても良い。例えば、特定の抗原を捕捉する抗体を表面上に固定化することができ、抗原は目的の検体である。従って、試料が表面に接触すると、捕捉種は、試料中に存在する検体に結合し得る。検体が捕捉種を介して表面に結合されると、表面の様々な特性、例えば光学的及び機械的特性が、検体を含まない表面に対して変化する。
【００１８】
捕捉種への検体の結合の可逆的性質は、検体が原則として捕捉種から遊離され、それによって更なる検体検出のためにセンサ表面を再生することを意味する。例えば、センサ表面の近傍の条件は、例えば、捕捉種−検体複合体を破壊、例えば変性させるために、比較的低いｐＨ (又は比較的高いｐＨ）の溶液で表面をすすぐことによって変更されても良い。代替としては、表面を、捕捉種−検体結合部位を模倣し検体が優先的に結合する化合物の溶液と接触させても良い。更に、検体の放出を引き起こすアロステリック変化を誘導する薬剤を使用することができる。これらの手法の欠点は、再生を行うために試薬、例えば溶出緩衝液に依存することである。センサユニットは、定期的に手動でリフレッシュされなければならないか、又は試薬を含む貯蔵容器を必要とするかのいずれかである。斯かる試薬が表面を再生する要件を除去するか、又は少なくとも最小限にすることが望ましい。
【００１９】
本発明は、水性媒体の電気分解を用いて表面を再生することができ（水は体液の主成分である）、例えば、再生を行うための試薬の必要性を除去又は最小限に抑えることができるという認識に基づいている。この目的のために、センサユニットは、検体を含む水性媒体、即ち試料を電気分解するための電気分解アセンブリを有する。電圧、例えば電圧プロファイルが、表面上の複数の空間的に分離された導電領域の対の組み合わせの間に供給され、各対の組み合わせのそれぞれの導電領域は、従って陽極及び陰極となる。該電圧は、水性媒体を電気分解するのに十分であり、その結果、水素イオンが陽極で生成され、ヒドロキシルイオンが陰極で生成される。従って、陽極に局所的なｐＨを低下させることができ、陰極に局所的なｐＨを上昇させることができる。ｐＨに対するこれらの局所的な変化は、捕捉種−検体複合体の破壊（例えば変性）をもたらし得、例えば、表面の少なくとも一部を再生する。
【００２０】
第１の設定で採用される電圧は、第２の設定で採用される（更なる）電圧と同じであっても、異なるものであっても良い。それぞれの電圧が互いに異なる場合、大きさ及び／又は極性が異なっていても良い。
【００２１】
それぞれの対の組み合わせは、例えば、導電領域間の間隔及び（交番する）導電領域に印加される電圧極性の配置の両方に関して、互いに異なっていても良い。
【００２２】
第１及び第２の設定を実施する電源の能力は、例えば、導電領域が光学的に透過性の材料で作ることができない場合に、特定の支援を受けることができる。表面プラズモン共鳴のような表面の光学的調査（interrogation）を必要とする検出原理が使用される場合、光学的に透過性が不十分である導電領域は、それらの間の領域のみが検体感知のために使用され得ることを意味し得る。しかしながら、導電領域の間に位置する捕捉種は、単一の設定のみが使用される場合、再生の間にｐＨ中性ゾーンと一致する可能性がより高く、斯かるｐＨ中性ゾーンにおいて再生は殆ど又は全く起こらない。第１及び第２の設定は、導電領域の間に位置する捕捉種のより大きな割合が、異なる対の（連続的又は空間的に分離された）導電領域に亘って電圧プロファイルを印加することによって再生され得ることを意味し得る。
【００２３】
電圧は、第１の構成と第２の構成とで異なっていても良い。例えば、電圧は、第１の設定におけるよりも、第２の設定における方が高いか、又は直線的に増加しても良い。代替的又は追加的に、導電領域の第２の対の組み合わせは、導電領域の第１の対の組み合わせよりも、表面上で更に離間して配置されても良い。斯かる手段は、表面の電解再生の程度を増加させるのに役立ち得る。
【００２４】
導電領域は、互いに噛み合った構成、例えば平面上で互いに噛み合った構成で、互いに対して配置されても良い。互いに噛み合った構成は、比較的大きな面積、例えば、数ｍｍ２乃至ｃｍ２のオーダーの電圧を提供するのを助けることができ、一方、水の電気分解による局所的なｐＨ変化が再生を駆動する、表面上の局所性を提供する。同様の効果は、例えば、複数の同心のリング状部分として配置された導電領域を用いて達成されても良い。
【００２５】
複数の空間的に分離された導電領域は、隣接する導電領域間の間隔が、より大きな分離とより小さな分離との間で交互になる導電領域のアレイを含んでも良く、ここで電源は、より大きな分離によって離間された隣接する導電領域に亘って電圧を供給するように構成されても良く、より小さな分離によって離間された隣接する導電領域は、互いに同じ極性である。斯かる構成は、電解再生が起こらない表面上の領域を減少させるのに役立ち得る。これにより、表面の電解再生の度合いを高めることができる。
【００２６】
複数の空間的に分離された導電領域は、導電性ストリップのグリッドを有することができ、電源は、第１の方向に延在する平行ストリップに亘って電圧（プロファイル）が供給される第１のモードと、第２の方向に延在する平行ストリップに亘って電圧が供給され、第２の方向が第１の方向とは異なる第２のモードとを実施するように構成される。電源は、例えば、第１及び第２のモードを連続的に実施するように構成されても良い。従って、表面のより完全な再生を達成することができる。
【００２７】
電源は、少なくとも２つの導電領域にわたる電圧の極性を切り換えるように構成されても良い。特定の抗体−抗原複合体は、例えば、最適な酸性又はアルカリ性ｐＨでのみ変性され得、そうでなければ、大きいｐＨ変動に対して強い。このため電源は、それぞれの導電領域にわたる電圧の極性を切り換えるか、又はより大きなＡＣ電圧をＤＣ電圧に重畳して、電極の極性及び電界の方向を切り換えるように構成されても良い。この極性切り換えは、それぞれの導電領域の両方に近接して位置する捕捉種の再生をもたらし得る。
【００２８】
検出器は、トランスデューサを有しても良い。検出器は、例えば、石英結晶共振検出器及び表面プラズモン検出器のうちの少なくとも１つを含むことができる。代替的に又は追加的に、検出器は、「漏れ（frustrated）」内部全反射検出器を含むことができる。斯かる検出器は、検体の無標識検出を可能にし得る。無標識検出は、検出が試薬の使用に依存しないので、特に有利である。
【００２９】
トランスデューサは、複数の空間的に分離された導電領域のうちの少なくとも幾つかを介して電気信号を送信及び／又は受信するように構成されても良い。検出及び再生の両方のために導電領域を採用することによって、表面の設計を有利に単純化することができる。
【００３０】
導電領域は、捕捉種に結合した検体の光学的検出を可能にするための光学的に透明な材料などの、光透過性材料を有しても良い。
【００３１】
センサユニットは、トリガ信号に応答して水性媒体を電気分解するように電気分解アセンブリをトリガするように構成されたコントローラを有しても良い。このように表面の電解再生をトリガすることは、被験者の長期間の自動モニタリングを可能にする点で有利であり得る。電源がセル又はバッテリを含む場合、電解アセンブリに対する斯かる制御は、セル又はバッテリ寿命を節約するのを補助し得る。
【００３２】
コントローラは、所定の間隔でコントローラにクロック信号を送るように構成されたクロックモジュールを含んでも良く、トリガ信号はクロック信号を含む。
【００３３】
代替的又は付加的に、コントローラは、検出器から受け取った信号に応答して変動信号を生成するように構成されたセンサ信号変動モジュールを含んでも良く、トリガ信号は変動信号を含む。信号変動モジュールは、例えば、検出器の飽和に応じて変動信号を生成するように構成されても良い。検出器信号が劣化又は飽和を示すときに電解再生をトリガすることによって、センサユニットは、検知性能を回復させるよう表面を再生することによって、自動応答を提供することができる。
【００３４】
センサユニットは、身体パラメータをモニタリングするための更なるセンサを含んでも良く、該更なるセンサは、身体パラメータの変化に応答してイベント信号を生成するように構成され、トリガ信号は、イベント信号を含む。従って、表面の再生は、心拍数／呼吸数の上昇又は低下、中核体温の上昇、又は異常な心電図などの生理学的事象によってトリガされ得る。それ故、センサユニットは、被検体の生理学的状態が、斯かる検体感知が診断用途のものであることを示すときに、検体感知のために準備されても良い。
【００３５】
他の態様によれば、身体によって生成された水性媒体中の検体を検出するための体液モニタリング装置が提供され、該装置は、上記で定義されたようなセンサユニットと、水性媒体をセンサユニットの表面に供給するための流体収集アセンブリとを有する。該装置は、例えば発汗モニタリング装置であっても良く、従って水性媒体は汗を含んでも良い。
【００３６】
更なる態様によれば、水性媒体中の検体を検出するための方法であって、表面上に固定化された捕捉種を提供するステップと、検体が捕捉種に結合するように水性媒体を表面上に受容するステップと、結合した検体を検出し、決定し又は評価するステップと、表面上に受容された水性媒体を電気分解することによって捕捉種から検出された検体を放出するステップとを含み、電気分解するステップは、少なくとも３つの導電領域の第１の対の組合せに亘って水性媒体を電気分解するのに十分な電圧を供給するステップと、少なくとも３つの導電領域の第２の対の組合せに亘って水性媒体を電気分解するのに十分な電圧を供給するステップと、を含み、第２の対の組合せは、第１の対の組合せとは異なる、方法が提供される。
【００３７】
本発明の実施例は、添付の図面を参照して、非限定的な例として、より詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】一実施例による体液モニタリング装置を、該装置に含まれるセンサユニットの拡大図を示す挿入図とともに、模式的に示す。
【図２】一実施例によるセンサユニットの捕捉表面の再生を模式的に示す。
【図３】一実施例による互いに噛み合った導電領域を示す。
【図４】他の実施例による互いに噛み合った導電領域を示す。
【図５】一実施例による電解アセンブリの設定を示す。
【図６】他の実施例による電解アセンブリの２つの設定を示す。
【図７】更に他の実施例による電解アセンブリの設定を示す。
【図８】図７に示された電解アセンブリの更なる設定を示す。
【図９】更なる実施例による電解アセンブリのモードを示す。
【図１０】他の実施例によるセンサユニットの捕捉表面の再生を示す。
【図１１】一実施例によるセンサユニットのブロック図を示す。
【図１２】一実施例による方法のフロー図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
詳細な説明及び特定の例は、装置、システム及び方法の例示的な実施例を示しているが、例示のみを目的としたものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではないことを理解されたい。本発明の装置、システム及び方法のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲及び添付の図面からより良く理解されるであろう。図面は単に概略的なものであり、一定の縮尺で描かれていないことを理解されたい。また、同じ参照番号が、同じ又は類似の部分を示すために、図面全体に亘って使用されることを理解されたい。
【００４０】
水性媒体中の検体を検出するためのセンサユニットが提供される。センサユニットは、その上に水性媒体を受容するための表面を有する。表面に固定化された捕捉種は、検体に可逆的に結合する。検出器は、検体が捕捉種に結合したときに検体を検出する。センサユニットは、電解アセンブリを更に有する。電解アセンブリは、センサ表面上の複数の空間的に分離された導電領域と、導電領域のうちの少なくとも２つに亘って電圧を供給するための電源とを有する。該電圧は、表面上に受容された水性媒体を電気分解するのに十分である。
【００４１】
検体を検出するための従来のセンサユニットの検出原理は、表面に固定化された捕捉種に依存する。捕捉種は、特定の検体に結合するように選択されても良い。例えば、特定の抗原を捕捉する抗体を表面上に固定化することができ、抗原は目的の検体である。従って、試料が表面に接触すると、捕捉種は、試料中に存在する検体に結合し得る。検体が捕捉種を介して表面に結合されると、表面の様々な特性、例えば光学的及び機械的特性が、検体を含まない表面に対して変化する。このことは、結合した検体が、適切な検出器を用いて検出、決定又は評価され得ることを意味する。検出工程は、捕捉種への検体の結合から生じる表面の変化をモニタリングすることを含んでも良く、この変化は、検体の濃度に関連する、即ち比例する。
【００４２】
検体用量応答曲線の高感度線形レジーム内での正確な検出を確実にするために、捕捉種は、比較的高い会合速度、即ち、単位時間当たりの比較的高い数の結合事象、及び低い解離速度、即ち、単位時間当たりの比較的低い数の減衰事象を示す必要があり得る。しかしながら、表面は、検体で飽和になり、更なる検体が結合し得る利用可能な捕捉種が存在しないようになり得る。この飽和の問題は、関連する感知寿命及び性能が制限されるため、センサユニットを断続的又は連続的な長期モニタリングに使用することを妨げる可能性がある。表面が飽和するのを防ぎ、検体応答曲線が線形領域に維持される、長期モニタリングを可能にするために、表面は、定期的な洗浄及び再生を必要とし得る。
【００４３】
捕捉種への検体の結合の可逆的性質は、検体が捕捉種から遊離され得、それによって更なる検体検出のために表面を再生することを意味する。例えば、センサ表面の近傍の条件は、例えば、捕捉種−検体複合体を破壊、例えば変性させるために、比較的低いｐＨ(又は比較的高いｐＨ）の溶液で表面をすすぐことによって変更されても良い。代替としては、センサ表面を、捕捉種−検体結合部位を模倣し、検体が優先的に結合する化合物の溶液と接触させることができる。更に、検体の放出を引き起こすアロステリック変化を誘導する薬剤を使用することができる。これらの手法の欠点は、再生を行うために試薬、例えば溶出緩衝液に依存することである。センサユニットは、定期的に手動でリフレッシュされなければならないか、又は試薬を含む貯蔵容器を必要とするかのいずれかである。斯かる試薬が表面を再生する要件を除去するか、又は少なくとも最小限にすることが望ましい。
【００４４】
本発明は、水の電気分解を用いて、表面を再生することができ、例えば、再生を行うための試薬の必要性を除去又は最小限に抑えることができるという認識に基づいている。この目的のために、センサユニットは、検体を含む水性媒体、即ち試料を電気分解するための電気分解アセンブリを有する。電圧が、表面上の複数の空間的に分離された導電領域のうちの少なくとも２つに亘って供給され、少なくとも２つの導電領域は、従って陽極及び陰極となる。電圧は、水を電気分解するのに十分であり、その結果、水素イオンが陽極で生成され（式１）、ヒドロキシルイオンが陰極で生成される（式２）。従って、陽極に局所的なｐＨを低下させることができ、陰極に局所的なｐＨを上昇させることができる。ｐＨに対するこれらの局所的な変化は、捕捉種−検体複合体の破壊（例えば変性）をもたらし得、例えば、表面の少なくとも一部を再生する。
２Ｈ２Ｏ（ｌ）→ Ｏ２(g)＋４Ｈ＋(ａｑ)＋４ｅ−  （式１）
４Ｈ２Ｏ（１）＋４ｅ−→２Ｈ２(ｇ)＋４ＯＨ−（ａｑ）  （式２）
【００４５】
図１は、その意図された使用による体液モニタリング装置１０１のその場での構成１００を概略的に示す。図１に示される装置１０１は、発汗モニタリング装置であるが、このことは単に説明の目的のためであり、ここで説明される原理は、汗以外の体液、例えば唾液、涙液などをモニタリングするのに適用可能である。
【００４６】
装置１０１は、水性媒体、即ち試料をセンサユニット１０４に供給する流体収集アセンブリ／段１０２を有する。流体収集アセンブリ／段１０２は、試料をセンサユニット１０４に搬送する相互接続された流体チャネル１０６を有するマイクロ流体システムを有することができる。このようにして、試料は、流体収集アセンブリ１０２を介して、センサユニット１０４に間接的にアクセスするものとみなすことができる。
【００４７】
代替的な非限定的な実施例においては、センサユニット１０４は、身体と直接接触しても良く、即ち、センサユニット１０４へ試料を輸送するために流体収集アセンブリが不要であっても良い。従って、センサユニット１０４は、試料生体液、例えば発汗に直接さらされても良い。斯かる装置１０１は、従って「開いた」センサシステムとみなすことができる。斯かる開いたシステムの寿命は制限され得るが、斯かる開いたシステムは、生物汚損を減少させるか、又は防止さえするという利点を有し得る（即ち、開いたセンサシステムに含まれ得るマイクロ流体チャネルがより少ないか、又は全くないため）。低いｐＨ、例えば水電気分解によって提供される局所的な酸性ｐＨは、例えば斯かるシステムでの細菌増殖を妨げ得る。
【００４８】
図１に示された例においては、装置１０１は、皮膚１０７上にパッチを含む。水性媒体は、装置１０１が取り付けられる皮膚１０７の孔１０８から排泄される発汗に含まれる。装置１０１は、適切な生体適合性接着剤又は固定ストラップを使用するなど、任意の適切な方法で、皮膚１０７に取り付けられても良い（例えば接着されても良い）。
【００４９】
図１に示される流体収集アセンブリ１０２は、皮膚１０７から汗を受容する試料取り込みチャネル１０６を有する。試料取り込みチャネル１０６は、皮膚装着部材１１０を介して皮膚１０７に連結されても良い。それぞれの試料取り込みチャネル１０６からの試料は、試料前処理段階１１４で前処理される前に、組み合わされて試料収集アセンブリ／段１０２を形成する。前処理は、例えば試料の濾過を含むことができる。
【００５０】
弁１１６は、流量センサ１１８と組み合わせて、装置１０１内の試料の流れを制御しても良い。装置１０１は、１つ以上の貯蔵された試薬をセンサユニット１０４に供給するための試薬供給部１２０を含んでも良いが、センサ再生のために斯かる試薬を使用する必要性は、先に説明したように、最小限に抑えられても良いし、除去されても良い。流体収集アセンブリ１０２は、発汗試料中に存在するバイオマーカの潜在的に僅かな量、例えばナノモル量のため、検体濃縮段１２２を更に含むことができる。
【００５１】
試料がセンサユニット１０４に到達すると、試料はセンサユニット１０４の表面１２４に接触し、このことは図１の挿入図により詳細に示されている。捕捉種１２６は、表面１２４上に固定化される。従って、表面１２４は、その上に固定化された捕捉種１２６が、試料に含まれる検体１２８と可逆的に結合する能力のために、「捕捉表面」と呼ばれ得る。図１の挿入図は、それぞれの検体１２８に結合する捕捉種１２６の各々を概略的に示す。
【００５２】
表面１２４上の捕捉種１２６の単層が図１に示されており、これは結合した検体１２８の検出、例えば光学的検出を助けることができる。しかしながら、これは限定を意図するものではなく、検出器１３０が捕捉種１２６に結合した検体１２８を検出することができれば、捕捉種１２６の任意の数の層が表面１２４上に設けられても良い。
【００５３】
捕捉種１２６に結合した検体１２８では、表面１２４から最も遠い検体１２８の表面１２４から端部までの距離１３１は、捕捉種１２６及び検体１２８のサイズ特性に応じて、例えば５ｎｍ乃至５０ｎｍ、例えば約２０ｎｍであり得る。
【００５４】
捕捉種１２６は、センサユニット１０４が感知することを意図される特定の検体１２８に従って選択されても良い。関連する検体１２８は、例えば、尿素、クレアチニン、コレステロール、トリグリセリド、ステロイドホルモン、例えばコルチゾール、グルコース及びメラトニンのような、例えば９００ｇ／モル未満の分子量を有する、小分子化合物を含む。
【００５５】
薬物分子のような他の小分子化合物もまた、任意捕捉種１２６で捕捉され得る。しかしながら、サンドイッチ免疫測定法のような特定の免疫測定法は、斯かる小分子化合物については除外され得る。なぜなら、斯かる小分子は、単一の結合部位のみを有し得るからである。更に、無標識検出において使用される場合、小分子は、小さな信号変化のみを誘導し得、このことは、装置１０１についての望ましくない高い検出限界を意味し得る。
【００５６】
捕捉種１２６は、ペプチド及びタンパク質などの他の分子タイプに結合するように選択されても良い。タンパク質の場合、捕捉種１２６は、捕捉種１２６が適切な結合部位を含むタンパク質のエピトープを介して可逆的に結合することができる。捕捉種１２６は例えば、ＩＬ−１α、ＩＬ−１β、ＩＬ−６、ＴＮＦ−α、ＩＬ−８及びＴＧＦ−βＩＬ−６のようなサイトカイン、システインプロテイナーゼ、DNAse I、リゾチーム、Ｚｎ−α２−グリコプロテイン、システインに富む分泌タンパク質−３及びデルムシジンなどに結合するように選択され得る。タンパク質結合は例えば、ウイルスのような比較的大きなバイオマーカの表面１２４への結合及び検出を可能にし得る。このことは、Ｃ型肝炎ウイルスのような或る種のウイルスが汗腺で複製し、汗の中に放出されることがあるので、汗の感知に特に関係がある。
【００５７】
一般に検体１２８、特に例えば９００ｇ／ｍｏｌを超える分子量を有する比較的大きな検体１２８は、検体１２８の捕捉種１２６への結合に関連するパラメータを測定することによって検出することができる。
【００５８】
原則として、例えば脂質を含む特定の三次元構造を有する任意の分子又は巨大分子を、適切に選択された捕捉種１２６に結合させることができる。
【００５９】
非限定的な実施例においては、検体１２８は抗原であっても良く、捕捉種１２６は抗体を含んでも良い。免疫グロブリン（ＩｇＧ）は例えば、表面１２４上に固定化するための適切な抗体であり得る。ＩｇＧは、ヒト循環系における最も一般的な型の抗体である。抗体は、広範囲の分子を捕捉するために使用され得る。抗体構造は、一般に、定常ドメイン（Ｆｃ）及び抗原結合ドメイン（Ｆａｂ）を含むが、例えば、Ｆａｂ部分のみ、又はＦａｂ部分の一部分を含む他の形態が使用され得る。抗原は、例えば、タンパク質及び多糖を含み得る。
【００６０】
それ自体既知であるように、抗体は、ウイルスのような外来侵入種と戦うために産生されるタンパク質を含む。いわゆる「鍵と鍵穴（lock and key）」相互作用は、抗原を抗体に選択的に結合する。抗体と抗原との間の結合の強度は、「親和性」と呼ばれる。親和性は、抗体の関連結合部位における抗原と抗体との間の引力及び斥力の合計に相当する。引力は、少なくとも部分的に、結合部位における引力抗原−抗体相互作用の数によって決定される。
【００６１】
抗体と抗原との間の水素結合、静電相互作用、ファンデルワールス力、疎水性相互作用などの非共有相互作用は、抗原の抗体への結合が可逆的であることを意味する。従って、抗体の電荷及び／又は構成への調節は、誘引性の抗原−抗体相互作用の数を減少させ得る。更に、反発力の合計は例えば、それぞれ抗体及び抗原の正味の電荷変化のために、増加され得る。従って、抗原と抗体との間の「嵌合」は、抗原が抗体から放出されるように、斯かる調整を行うことによって破壊され得る。
【００６２】
捕捉種１２６は、例えば、特定の標的分子に結合するオリゴヌクレオチド又はペプチド分子であるアプタマーを含み得る。抗体の場合のように、アプタマーは、検体１２８に対して必要な親和性を達成するために、それらの三次元配置に依存する。
【００６３】
他の例においては、捕捉種１２６は、抗原でインプリントされたポリマーである分子インプリントポリマー、又は抗原の一部を含むことができる。斯かる材料は、必要な「鍵と鍵穴」構造を達成するために、抗原の三次元形状を補完する三次元構成を有する腔を含み得る。分子インプリントポリマーは、ｐＨ変化のためにその構造を変化させることができる。一例は、ｐＨ感受性パントプラゾールインプリントポリマーであり、ｐＨに従って薬物を結合又は放出することが知られている。
【００６４】
捕捉種１２６は、任意の適切な様式で表面１２４上に固定化され得る。非限定的な実施例においては、適切なメルカプタンリンカーを使用して、捕捉種１２６を金表面１２４に繋ぎ；リンカーは、硫黄−金相互作用を介して表面１２４にグラフトされ、捕捉種１２６は、リンカーにグラフトされる（例えば、共有結合される）。表面１２４上に捕捉種１２６を固定化する多数の代替手段は、当業者には直ちに明らかであろう。
【００６５】
センサユニット１０４は、検体１２８が捕捉種１２６に結合したときに検体１２８を検出するための検出器１３０を有する。検出器１３０は例えば、表面１２４を含む本体に含まれても良く、例えば、一体化されても良い。
【００６６】
結合した検体１２８を検出するために、任意の適切な検出器１３０を使用することができる。一実施例においては、検出器１３０はトランスデューサを含む。トランスデューサは例えば、一対の導電領域の間に圧電材料を含んでも良い。従って、検出器１３０は、検体１２８が捕捉種１２６を介してそこに結合されたときに、表面１２４への微妙な変化を検出するための音響マイクロセンサを含むことができる。
【００６７】
非限定的な実施例においては、検出器１３０は、水晶振動子検出器、表面プラズモン検出器、及び「漏れ（frustrated）」内部全反射検出器のうちの少なくとも１つを含んでも良い。斯かる検出器１３０は、検体１２８の無標識検出を可能にし得る。無標識検出は、標識及び／又は二次結合の使用に依存しないので、特に有利であり、単純な試料溶出処理は、センサユニット１０４への新鮮な水性媒体の供給を通して可能にされ得る。汗自体を溶離剤として使用して、汗を系に流すことによって、結合していない検体を表面から除去又は運び去ることができる。
【００６８】
石英結晶検出器１３０の場合、表面１２４は、電極、例えば金電極を含むことができる。電極及び石英は、トランスデューサ配置を構成する。表面１２４の単位面積当たりの質量変動は、石英結晶の共振周波数の任意の変化を測定することによって決定されても良い。斯かる変化は、表面１２４上に固定化された捕捉種１２６に結合するか又はそこから放出される検体１２８に対応し得る。
【００６９】
電解アセンブリ１３２がセンサユニット１０４に含まれる。電解アセンブリ１３２は、表面１２４上の複数の空間的に分離された導電領域１３４を含む。導電領域１３４は、図１の挿入図に示されるように、間隔１３５だけ離間される。間隔１３５は、例えば、約１．５ｍｍなど、０．１ｍｍ乃至３ｍｍの範囲とすることができる。
【００７０】
一実施例においては、検出器１３０のトランスデューサは、導電領域１３４の少なくとも一部を介して電気信号を送信及び／又は受信するように構成されても良い。このようにして、導電領域１３４は、感知モード及び再生モードで利用されても良い。検出及び再生の両方に導電領域１３４を使用することによって、表面１２４の設計を有利に簡略化することができる。
【００７１】
例えば、検出器１３０が石英結晶検出器を含む場合、導電領域１３４は、捕捉種１２６への検体１２８の結合、例えば結合動態を測定するために、感知モードにおいて電極として使用されても良い。再生モードでは、導電領域１３４は、表面１２４上の水性媒体を電気分解するための刺激電極１３８、１４０として使用することができる。
【００７２】
一実施例においては、導電領域１３４は、光透過性材料、例えばインジウムスズ酸化物又はポリ（３，４‐エチレンジオキシチオフェン）：ポリ（４‐スチレンスルホネート）などの透明な導電性材料で形成することができる。斯かる光透過性の導電性材料は、利用可能な感知領域を最大にし、再生された捕捉種１２６の無標識検出のための光学的検出器１３０の使用を可能にし得る。
【００７３】
導電領域１３４でパターン化された表面１２４は、任意の適切な技術を用いて製造されても良い。例えば、印刷電子、薄膜技術、レーザアブレーションなどの分野から、適切なパターン化方法論が知られている。導電領域１３４には、非光透過性の材料を代替的に又は追加的に採用することができる。捕捉種１２６の光学的調査は、捕捉種１２６が固定されている表面１２４の領域の間に導電領域１３４を配置することによって、導電領域１３４が光学的に透過性でない場合に補助されても良い。
【００７４】
電解アセンブリ１３２は、導電領域１３４のうちの少なくとも２つの間に電圧を供給するための電源１３６を更に備え、後者は従って、陽極１３８及び陰極１４０を構成する。電圧は、表面１２４上に受容された試料に含まれる水を電気分解するのに十分な直流電圧であっても良い。電解アセンブリ１３２を用いた表面１２４の再生については、図２を参照してより詳細に説明する。
【００７５】
図１に示される電源１３６は、セル又はバッテリを含み、このことは、装着可能な又は携帯型の装置１０１内でのセンサユニット１０４の適用を容易にし得る。代替的又は付加的に、電源１３６は、センサユニット１０４を主電源の電源に接続するための電圧信号発生器及び／又は適当な部品、例えば変圧器を含んでも良い。従って、主電源は、電源１３６に含まれる電池又はバッテリを充電するために使用されても良く、及び／又は変圧器と組み合わせて使用されて、電極１３８、１４０に必要な直流電圧を供給しても良い。
【００７６】
図１に示す装置１０１は、センサユニット１０４を制御するための、例えばマルチプレクサを含む制御電子機器を含むコントローラ１４２を含む。電源１３６の少なくとも幾つかの構成要素は、例えばコントローラ１４２に含まれても良い。
【００７７】
コントローラ１４２は、例えば、センサユニット１０４によって取得されたデータを遠隔モニタリングワークステーション（図示せず）に送信するための通信モジュール１４４を更に含むことができる。通信モジュール１４４は、代替的に又は追加的に、遠隔モニタリングワークステーション上でユーザによって入力された調節信号を受信することができる。非限定的な実施例においては、通信モジュール１４４は、データを表示又はロギングし、装置１０１を制御するのに適したソフトウェアがロードされたタブレット又はモバイル装置と無線で送受信することができる。
【００７８】
基準センサ１５０は、例えば装置１０１に追加的に含まれても良い。センサユニット１０４の下流では、図１に示す装置１０１は、流体輸送システム１４６を有し、該システムは、装置１０１を通して試料を輸送するのを補助し得る。通気口１４８を設けて、装置１０１内に存在する任意の空気、又は他のガス、例えば電気分解中に生成されるガスを通気することができる。
【００７９】
（任意の）基準センサ１５０及び流体輸送システム１４６、例えばマイクロ流体輸送システムは、マイクロ流体生化学センサの分野でそれ自体既知の構成要素であり、単に簡潔さのためここでは更に説明しない。
【００８０】
図２は、表面１２４の再生を模式的に示す。捕捉種１２６の全てが検体１２８に複合体化されると、表面１２４は飽和状態になり得る。この飽和度は、図２の左端のペインに示されている。表面１２４を再生するプロセスは、図２において矢印１５２の方向に左から右に描かれている。導電領域１３４は、表面１２４上に設けられ、該導電領域１３４は、電源１３６が導電領域１３４の間に電圧を供給するときに、電極１３８、１４０を構成する。この直流電圧は、試料が表面１２４に接触したときに、試料の水性媒体に含まれる水を電気分解するのに十分である。
【００８１】
汗試料の場合、水性媒体は、希塩化ナトリウム溶液に相当し得る。生理学的塩化ナトリウム濃度は、発汗中約５０ｍｍｏｌ／ｌ（血漿中１４０ｍｍｏｌ／ｌ）であり得る。緩衝液中で使用される典型的な塩化ナトリウム濃度は、０．９重量％である。斯かる希塩化ナトリウム溶液の電気分解は、陽極１３８で生成される酸素ガス（式１）及び陰極１４０で生成される水素ガス（式２）の水の電気分解に近似し得る。より高濃度の塩化ナトリウム溶液の電気分解は、それ自体既知のように、陽極１３８で塩素ガスが生成されることをもたらし得る。形成されたガスの一部は、通気口１４８を用いてシステムから再吸収又は除去することができる。酸素ガスは通常、別のドナーイオン（Ｎａ＋、Ｃｌ‐）が存在する場合、又は塩化ナトリウム濃度が高い場合には発生しない。水素ガスは発汗によって吸収されるか、又はナノバブルに変換される。形成された気泡は、再吸収され得るか、又は任意のマイクロ流体流を妨害するには小さすぎ得るので、それらは、センサの作動を妨害し得ない（特に、電気分解がセンサを再生するために使用されるため）。即ち、バイオマーカ測定は、電気分解の間に生成された少量の気体の生成が水性媒体（汗）中に再吸収／溶解されてから或る期間の後、生じ得る。
【００８２】
Nernstによれば、水の電気分解は標準条件、即ち標準温度（２７３．１５Ｋ）及び標準圧力（１００ｋＰａ，１ｂａｒ）下で約１．２３Ｖより大きい電圧で起きる。一実施例においては、電極１３８、１４０の間の電圧は、例えば３乃至４．５Ｖの範囲内であっても良い。
【００８３】
図２の中央のペインに示されるように、水の電気分解は、陽極１３８と陰極１４０との間に形成される過渡的な水素イオン（Ｈ＋）及びヒドロキシルイオン（ＯＨ−）の濃度勾配を生じ得る。陽極１３８に近接した局所化された酸性ゾーンは、酸性ゾーン内の捕捉種１２６から検体１２８が遊離されることをもたらし得る。代替的又は追加的に、陰極１４０の近位の局所化されたアルカリゾーンは、検体１２８がアルカリゾーン中の捕捉種１２６から遊離されることをもたらし得る。捕捉種１２６と検体１２８との間の結合が、水の電気分解から生じる、より酸性及び／又はよりアルカリ性のｐＨによって破壊されるかどうかは、例えば結合部位の性質に依存し得る。
【００８４】
抗体−抗原複合体の変性のための好適なｐＨは、酸性範囲、例えばｐＨ２乃至３の範囲であっても良いが、変性はアルカリ性条件下で行っても良い。局所的なｐＨ変化は、例えば捕捉種１２６における立体配座変化を駆動し得る。例えば、捕捉種１２６が抗体を含む場合、ｐＨの局所的変化は、抗体タンパク質の二次又は三次構造のアンフォールディング（unfolding）を誘発し得る。
【００８５】
例えば、溶出緩衝液の典型的なｐＨ値である、例えばｐＨ３からｐＨ１２までの局所的なシフトは、１０５Ｖ／ｍのオーダーの電場を生成する電圧パルス（１２乃至１２０Ｖ、パルス持続時間０．１乃至１ｍｓ、５乃至２０パルス）を使用して達成され得ることが示されている。体上又は身体に位置決めするためのセンサユニット１０４においてこの原理を適用する場合、センサユニット１０４が例えば口の内側に位置する場合であっても、安全な動作を保証するために、電気化学的条件を選択しても良い。
【００８６】
ｐＨ３で表面１２４を再生するのに必要なエネルギーは、ファラデーの電気分解の法則を用いて計算することができる（式３）：
ｎ＝（（Ｉ・ｔ）／Ｆ）・（１／ｚ）＝Ｑ／ (Ｆ・ｚ）  （式３）
ここで、ｎは電気分解中に電極で変化した水のモル数であり、Ｆはファラデー定数９６４８５Ｃ／モルであり、Ｑは水を通過した合計電荷をクーロン（Ｃ）で表したものであり、Ｉは電流であり、ｔは定電流が印加された時間であり、ｚはイオン当たりに移動した電子の数である（Ｏ２の場合、ｚ＝４）。
【００８７】
センサユニット１０４の体積は、例えば１０−２ｍｍ３（１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０−４ｍｍ）とすることができる。
【００８８】
ｐＨ３の場合、水素イオンの濃度は０．００１ｍｏｌ／Ｌ又は１ｎｍｏｌ／ｍｍ３である。センサユニット１０４の１０−２ｍｍ３の体積に対して、３のｐＨを達成するために必要な水素イオンのモル数は０．０１ｎｍｏｌである。式１（電気分解は水素に対する酸素の１：４のモル比をもたらす）を使用して、０．０１ｎｍｏｌの水素イオン当たり０．００２５ｎｍｏｌのＯ２が生成され、即ち、ｎ＝０．００２５ｎｍｏｌである。
【００８９】
式３を用いると、１０−２ｍｍ３のセンサ捕捉ユニットの体積でｐＨ３を得るためには、Ｑ＝ｎ・Ｆ・ｚ＝０．００２５ｎｍｏｌ×９６４８５Ｃ／ｍｏｌ×４≒１μＣが必要である。
【００９０】
１μＣは、例えば１μＡの電流を１秒間、又は１０μＡの電流を０．１秒間使用して提供され得る。
電力＝電圧×電流＝３Ｖ×１０μＡ＝３０μＷ。
エネルギー＝電力×時間＝３０μＷ×０．１ｓ＝３μＪ。
【００９１】
従って、身体上又は体内におけるセンサユニット１０４の電解再生のための電力要件（駆動電位：３Ｖ、電流：０．１乃至１０μＡ、電流密度≒０．０２乃至０．２μＡ／ｍｍ２、磁場強度≒１０３Ｖ／ｍ）は、容易に満たすことができ、ＥＮ４５５０２−１及びＥＮ６０６０１−１に準拠した能動型埋め込み医療装置の安全要件に適合することができる。それ故、装置１０１及びセンサユニット１０４は、身体上又は体内の様々なモニタリング用途で使用するのに安全であり得る。例えば、間質液へのアクセスを容易にするために、センサユニット１０４を皮膚の下に配置することが望ましい場合がある。この点において、有害な生物学的影響は、斯かる埋め込み装置１０１又はセンサユニット１０４についての医療装置安全性の観点から非常にありそうにないと考えられることに留意されたい。
【００９２】
例えば、３ＶのＤＣ電圧は、身体上又は体内で使用することが安全であり得る。深部脳刺激インプラント及びペースメーカは、典型的には、数ボルトの電圧を使用するバッテリによって駆動される。ＥＮ６０６０１‐１及びＥＮ４５５０２‐１によれば、人間の心臓と直接接触する能動型医療装置は、１０μＡ未満の患者漏れ電流を有するべきである。例えば、ペースメーカの場合、周囲の組織への直流漏れ電流は、過剰な電解効果を防止するために１００ｎＡを超えないことが必要とされ得る。
【００９３】
例えば、０．１乃至１０μＡの電流を使用して、１０秒乃至０．１秒間表面１２４を再生し、それによって、上記で計算したように、１０−２ｍｍ３体積中のｐＨ３に必要な１μＣの目標電荷Ｑを得ることができる。結果として得られる電流密度は従って、０．２μＡ／ｍｍ２未満であっても良く、従ってＥＮ４５５０２−１に記載される臨界値０．７５μＡ／ｍｍ２よりも小さくても良い。
【００９４】
細胞溶解を誘導するための臨界電場強度Ｅは、１０５Ｖ／ｍのオーダーであり得る。電極間隔１３５を１．５ｍｍ、電圧を水の電気分解に十分であり得る電圧３Ｖと仮定すると、結果としての磁場強度は、細胞の分解に対する臨界磁場強度より２桁小さい２０００Ｖ／ｍであり得る。
【００９５】
表面１２４の再生中に望ましくないほど高い検体１２８濃度が局所的に蓄積するリスクを低減するために、電圧を徐々に増加させることによってｐＨを漸進的に変化させても良い。代替の例においては、電圧は、比較的短いパルス又はバーストで印加されても良く、このことは、パルスが安全に実施され得ることを条件として、表面１２４再生のための局所的なｐＨ変化を誘導するために好ましい場合がある。
【００９６】
水の電気分解から生じるローカルｐＨ変化が捕捉種１２６からの検体１２８の放出を引き起こすと、捕捉種１２６は、図２の右端のペインに示されるように、表面１２４に付着したままであり得る。水の電気分解に起因する局所的なｐＨ変化の過渡的な性質のために、ｐＨは電解再生前のｐＨに戻り得る。捕捉種１２６の結合部位は、このようにして回復され、更なる検体１２８を結合するために完全に機能したままであり得る。
【００９７】
斯くして、表面１２４の水の電気分解に基づく再生は、電気的及び生物学的に安全であり、過剰な電力消費を回避する方法で達成され得る。それ故、表面１２４は、定期的に再生され、それによって、検体１２８の適切に高い測定感度を維持しながら、センサユニット１０４の寿命及び再使用の可能性を向上させることができる。更に、表面１２４を再生するための試薬（例えば溶出緩衝液）の必要性は、最小限にされ得るか又は除去され得る。
【００９８】
電気分解の間のガス（Ｈ２、Ｏ２又はＣｌ２など）の形成（式１及び２を参照）は、十分な精度及び信頼性で結合検体１２８の検出を排除しないことがある。気体、特にＨ２は、水性媒体中に吸収され得る。例えば、発汗のモニタリングの場合、気体は汗に溶解されても良い。代替としては、気体、特にＨ２は、検出に影響を及ぼさないか、又は最小限しか及ぼさない「ナノバブル」を形成しても良い。吸収された気泡又はナノバブルは、装置１０１内のマイクロ流体の流れを妨害するには小さすぎるものとなり得る。
【００９９】
更に、再生と後続する検出との間に遅延を使用して、検出前に少量の気体を溶解させることができる。代替的に又は追加的に、電解ガスは、気体通気口１４８を介して、及び／又はセンサユニット１０４のチャネル又は孔を介して、放出されても良い。非限定的な実施例においては、斯かる気体は、疎水性メッシュの開口を介してセンサユニット１０４から放出されても良い。気体が表面１２４から逃げると、結合した検体１２８の検出における斯かる気体のいかなる干渉も回避することができる。
【０１００】
図３は、一実施例による、互いに噛み合った導電領域１３４を示す。図３は、表面１２４の平面図を示しており、捕捉種１２６（図３には示されていない）は、表面１２４に対して垂直に配向されている。電源１３６が導電領域１３４に亘ってＤＣ電圧を供給するとき、図２に関連して前述したように、それぞれの導電領域１３４の一方が陽極１３８となり、それぞれの導電領域１３４の他方が陰極１４０となる。
【０１０１】
図４は、別の実施例による、互いに噛み合った導電領域１３４を示す。この場合、表面１２４には、複数の互いにかみ合った部分が設けられている。図３及び図４に示す櫛状の互いに噛み合った電極１３８、１４０は、図２に関連して前述したように、水の電気分解から生じる局所的なｐＨ変化が、捕捉種１２６−検体１２８複合体の結合動態を破壊することによって、表面１２４の再生を駆動する局所性を、表面１２４に提供しながら、例えば数ｃｍ２のオーダーの比較的大きな面積に、電圧を提供するのを助けることができる。
【０１０２】
同様の効果は、例えば、複数の同心のリング状部分として配置された導電領域１３４を使用して達成されても良い。斯かる構成は、例えば前述したように感知モードにおける石英結晶共振検出器１３０の電極として、それぞれの感知モード及び再生モードにおいて、導電領域１３４の二重使用を容易にし得る。
【０１０３】
図５及び図６に示される実施例においては、導電領域１３４は、光透過性であっても良く、それによって、先に記載されたように、検体１２８の無標識検出を可能にする。他の非限定的な実施例においては、金のような非光透過性材料を導電領域１３４に採用することができる。
【０１０４】
一実施例によると、複数の空間的に分離された導電領域１３４は、少なくとも３つの導電領域１３４を含み、電源１３６は、少なくとも第１の設定と第２の設定とを実施するように構成される。第１の設定では、少なくとも３つの導電領域１３４の第１の対の組み合わせの間に電圧が生成される。第２の設定では、少なくとも３つの導電領域１３４の第２の対の組み合わせの間に電圧が印加される。第２の対の組み合わせは、第１の対の組み合わせとは異なる。
【０１０５】
電源１３６は例えば、それぞれの設定間を切り換えるための適切なスイッチ構成を含んでも良い。スイッチ装置は、ユーザによって手動で制御されても良く、及び／又は、例えばコントローラ１４２を介して自動的に操作されても良い。
【０１０６】
電圧がそれぞれの電極１３８、１４０間に提供される場合、ｐＨ中性ゾーンがそれらの間に存在し得、ここで検体１２８は捕捉種１２６に結合されたままである。電源１３６が第１の設定及び第２の設定を実施するように構成されることによって、再生を行うのに十分に低い（又は高い) ｐＨにさらされない表面１２４の有効面積を低減することができる。異なる設定が連続的に適用される場合、表面は完全に再生され得る。
【０１０７】
電源１３６が第１及び第２設定を実施する能力は、例えば、導電領域１３４が光学的に透過性の材料で作ることができない場合に、特定の補助を受けることができる。表面プラズモン共鳴のような表面の光学的調査を必要とする検出原理が使用される場合、不十分な光学的透過性である導電領域１３４は、それらの間の領域のみが検体感知のために使用され得ることを意味し得る。また、層の厚さも役割を果たし得る。表面プラズモン共鳴の場合、一過性の場が、光強度の指数関数的減少を伴って液体中に浸透し、従って、生成された信号は、例えば透明層が表面の上にあるとき、表面から更に離れてより低くなる。しかしながら、導電領域１３４の間に位置する捕捉種１２６は、単一の設定のみが使用される場合、再生中にｐＨ中性ゾーンと一致する可能性がより高く、斯かるｐＨ中性ゾーンでは再生が殆ど又は全く起こらない。第１及び第２の設定は、導電領域１３４の間に位置する捕捉種１２６のより大きな割合が再生され得ることを意味し得る。
【０１０８】
従って、導電領域１３４の斯かる連続的な活性化は、ｐＨ中性ゾーンをシフトさせることができ、それによって、例えば、単一の設定のみが使用された場合よりも、より大きな割合の表面１２４が再生されることを可能にする。
【０１０９】
図５は、一実施例による電解アセンブリ１３２の、電解前の基準設定（左上図）、及び５つの異なる設定を示す。図５は、設定を概略的に示すために、捕捉面１２４を通る断面図を提供する。第１の設定は、図５の右上側に示されている。この非限定的な実施例においては、陽極１３８におけるローカル酸性ｐＨは、検体１２８を捕捉種１２６から遊離させる。パターン化領域１５４は、酸性ｐＨを有する局所に対応する正電荷（イオン）雲を示す。陰極１４０に近接する、負電荷（イオン）雲に対応するパターン化されていない領域１５６によって示される、アルカリ性ｐＨを持つ局所性は、本例においては、検体１２８が捕捉種１２６から放出されることをもたらさない。更に、再生は、それぞれの電極１３８、１４０の間、特にその中間のｐＨ中性領域では起こらないこととなり得る。
【０１１０】
種々の第２の設定（単独又は連続的に使用される）が、図５の中央及び下の行に示される。第２の設定におけるそれぞれの電極１３８、１４０は、第１の設定におけるそれぞれの電極１３８、１４０よりも互いに離間されても良い。第２の設定においては、ｐＨ中性ゾーンの位置が第１の設定とは第２の設定で異なるため、第１の設定で検体１２８と以前に複合体を形成したままであった捕捉種１２６を再生することができる。この特定の例においては全て等しい電解電圧の使用を共通して持つ種々の設定が、捕獲表面の逐次再生につながる。
図６は、第１の設定（図６の左側）よりも第２の設定（図６の右側）において、それぞれの電極（導電領域）１３８、１４０にかかるより高い電圧が使用されることを除いて、図５に示されるものと同様の第１及び第２の設定を示す。図６に概略的に描写されるように、それぞれの設定において等しい電圧が使用された図５とは対照的に、第２の設定におけるより高い電圧は、第１の設定において明白な正電荷雲１５４に対して、正電荷雲１５４を延長することができ、これにより、第２の設定への切り換え時に、更なる捕捉種１２６が再生される。
【０１１１】
一実施例においては、導電領域１３４は、隣接する導電領域１３４間の間隔が、より大きい間隔とより小さい間隔との間で交互に切り替わる、導電領域１３４のアレイを含んでも良い。この実施例は図７に模式的に示されている。
【０１１２】
電源１３６は、図７に示される電極対１５８、１６０及び１６２を形成するような、より大きな分離によって間隔を置かれた隣接する導電領域１３４間に電圧を供給するように構成されても良い。更に、より小さな分離によって離間される隣接する導電領域１３４は、互いに同じ極性であっても良い。斯かる構成は、電解再生が生じない可能性のある領域を減少させるのを補助し得る、より近接して間隔を置いた隣接する導電領域１３４に関連する電荷雲１５６を最小化するのを補助し得る。従って、同じ又は反対の極性の電極間に比較的広い空間を有する斯かる非対称電極配置は、表面１２４が再生される効率を高めることができる。
【０１１３】
図７に示す例においては、より小さな間隔で離間された隣接する導電領域１３４は、陰極１４０に対応し、検体１２８は、陰極１４０に局所的なアルカリ性ｐＨで捕捉種１２６から遊離されない。他方、より広く離間された陽極１３８は、検体１２８が捕捉種１２６から解放される比較的広い酸性局所性（イオン雲１５４）をもたらし得る。
【０１１４】
より広く間隔をとった陰極１４０（従って、より狭く間隔をとった陽極１３８）は、例えば、アルカリ性ｐＨでの解離、即ち陰極１４０での解離が、酸性ｐＨでの解離よりも有利である場合に、捕捉種１２６から検体１２８を解放するための同様の効果をもたらすことができることに留意されたい。
【０１１５】
図８は、図７に示される電解アセンブリ１３２の更なる設定を示す。図８では、図７に示される設定において、電極対１５８、１６０、１６２のいずれよりも更に離れた別の電極対１６４の間に電圧が印加される。更に、図８に示される更なる設定において、更なる電極対１６４の間の電圧は、図７に示される設定において、電極対１５８、１６０、１６２の対の間に印加される電圧よりも高くなり得る。このことは、図６に関連して前述したシナリオと同様に、表面１２４のより大きな再生度を可能にすることができる。
【０１１６】
別の実施例においては、導電領域１３４は、導電性ストリップのグリッドとして配置されても良い。斯かるグリッドの平面図は、図９のペインＡ）、Ｂ）及びＣ）に模式的に描かれている。
【０１１７】
図９のペインＡ）は、再生前のセンサユニット１０４を示し、検体１２８は捕捉種１２６に結合されている。図９のペインＢ）及びＣ）は、電源１３６によってそれぞれ実施される第１及び第２のモードを概略的に示す。ペインＢに示される第１のモードでは、電圧は、第１の方向に延在する平行なストリップ１３８、１４０間に供給される。図９に示す状況では、陽極１３８の局所的酸性ｐＨ及び陰極１４０の局所的アルカリ性ｐＨにおいて、検体１２８が捕捉種１２６から遊離されるが、捕捉種１２６及び検体１２８の性質に応じて、酸性のみ又はアルカリ性のみの再生も考えられる。
【０１１８】
しかしながら、表面１２４の再生は、それぞれの電極１３８、１４０の各々の間の中性領域１６６では起こらない。このため、図９のペインＣ）に示すように、電源１３６は、第２の方向に延在する平行なストリップの間に（等しいか又は異なる大きさの）電圧が供給される第２のモードを実施するように更に構成される。第２の方向は、第１の方向とは異なる。例えば、第１及び第２の方向は、図９の例に示すように、互いに垂直であっても良い。第２のモードは、表面１２４の更なる再生をもたらし得る。
【０１１９】
従って、表面１２４のほぼ完全な再生は、導電領域１３４を順次活性化すること、即ち、グリッドの電極サブセグメントを順次「クロッキング（clocking）」することによって達成され得る。
【０１２０】
一実施例においては、電源１３６は、少なくとも２つの導電領域１３４の間の電圧の極性を切り換えるように構成されても良い。図１０は、斯かる極性スイッチを有するセンサユニット１０４の表面１２４の再生を示す。図１０のＡ）において、検体１２８は、再生の前に捕捉種１２６に結合される。図１０のＢ）では、陽極１３８及び陰極１４０を提供するように、それぞれの導電領域１３４の間に電圧が供給される。Ｂ）における電圧は、捕捉種１２６からの検体１２８の解離を引き起こすのに必要な局所的ｐＨ変化を提供するために、十分な期間、例えば０．１時間乃至１０時間の間、印加されても良い。しかしながら、図１０に示す状況では、表面１２４は、電極の１つ、この場合は陽極１３８の近傍でのみ再生される。この点において、例えば、特定の抗体−抗原複合体は、最適な酸性又はアルカリ性ｐＨでのみ変性され得、そうでなければ、大きいｐＨ変動に対して頑強である。この理由のため、電源１３６は、図１０のＣ）に示されるように、それぞれの導電領域１３４の間の電圧の極性を切り換えるように構成され得る。この極性切り換えは、それぞれの導電領域１３４の両方の近位に位置する捕捉種１２６の再生をもたらし得る。
【０１２１】
図１１は、一実施例によるセンサユニット１０４のブロック図を示す。センサユニット１０４は、水性媒体を電気分解するために電気分解アセンブリ１３２をトリガするように構成されたコントローラ１４２を有する。コントローラ１４２と電解アセンブリ１３２との間の図１１に示される矢印は、表面１２４を再生するために電解アセンブリ１３２の電源１３６をトリガするための調節信号を表すことを意図している。
【０１２２】
センサユニット１０４は、クロックモジュール１６８、センサ信号変動モジュール１７０、及び更なるセンサ１７２のうちの少なくとも１つを更に含むことができる。
【０１２３】
クロックモジュール１６８は、所定の間隔で、例えば１時間毎又は１２時間毎に、コントローラ１４２にクロック信号１６９を送信するように構成されても良い。コントローラ１４２は、電解アセンブリ１３２をトリガして、クロック信号１６９に応じて表面１２４を再生することができる。このようにして、表面１２４の周期的な再生は、センサユニット１０４の一貫した性能を保証することができる。
【０１２４】
センサ信号変動モジュール１７０は、検出器１３０から受け取った信号１７５に応答して変動信号１７１を生成するように構成することができる。コントローラ１４２は、変動信号１７１に応答して表面１２４を再生するように電解アセンブリ１３２をトリガすることができる。従って、表面１２４の再生は、検出器１３０から受け取った検体捕捉種の結合による信号１７５の変化に応答してトリガされても良い。
【０１２５】
非限定的な実施例においては、表面１２４の再生は、検出器１３０から受信された信号１７５が検出器１３０の飽和を示すときにトリガされても良い。捕捉種１２６への検体１２８の結合は、例えば、結合についてのラングミュア（Langnuir）動力学モデルに従うことができ、従って結合は、飽和度を示す偏差部分が後に続く線形吸着曲線に従うことができる。変動信号１７１は、例えば検出器１３０が飽和しているか又は所定の閾値を上回っていることを信号１７５が示す場合に、トリガされても良い。検出器１３０が飽和状態になったときに再生をトリガすることによって、検出器１３０が線形吸着レジームにあるときの一定の測定値が確保され、例えばより正確で信頼性のある検知性能を達成することができる。
【０１２６】
非限定的な実施例においては、変動信号１７１は、例えば汚染又は生物付着のためにセンサ性能が劣化したことをユーザに警告するために、コントローラ１４２に音響及び／又は光学アラーム１７４を追加的にトリガさせ得る。表面１２４の再生がアラーム１７４の停止を引き起こさない場合、ユーザは、センサユニット１０４を交換すべきであることを警告されても良い。
【０１２７】
センサユニット１０４は、身体パラメータをモニタリングするための更なるセンサ１７２を備えても良い。例えば、更なるセンサ１７２は、患者の心拍数、呼吸数、中核体温及び心電図のうちの少なくとも１つをモニタリングすることができる。イベント信号１７３は、心拍数／呼吸数の上昇又は低下、中核体温の上昇、又は異常な心電図などの生理学的イベントに応答して、更なるセンサ１７２によって生成され得る。イベント信号１７３は、表面１２４の再生をトリガすることができる。従って、センサユニット１０４は、被検体の生理学的状態が、斯かる検体感知が診断用途のものであることを示すときに、検体感知のために準備されても良い。
【０１２８】
より一般的には、適切な信号１６９、１７１、１７３に応答して表面１２４の電解再生をトリガすることは、被験者の長期間の自動モニタリングを可能にする点で有利であり得る。電源１３６がセル又はバッテリを含む場合、電解アセンブリ１３２に対する斯かる制御は、セル又はバッテリの寿命を節約するのを補助し得る。
【０１２９】
図１２は、一実施例による方法２００のフロー図を示す。方法２００は、水性媒体、例えば汗、唾液、涙液など中の検体を検出するためのものである。ステップ２０２では、捕捉種が固定化された表面が提供される。表面及び捕捉種は、例えば、図１乃至１１に関連して上述された表面１２４及び捕捉種１２６であり得る。
【０１３０】
ステップ２０４において、水性媒体を表面に受容し、それによって検体が捕捉種に結合することを可能にする。結合された検体は、ステップ２０６において、例えば図１に関連して上述した検出器１３０を用いて検出される。
【０１３１】
該検出に続いて、検体は、表面上に受け取られた水性媒体の水を電気分解することによって、ステップ２０８において捕捉種から放出される。水の電気分解は、表面の酸性及びアルカリ性の局所性を生成し、このことは先に記載されたように、検体を捕捉種から解離させ得る。電気分解は、例えば上述の実施例のいずれかの電気分解アセンブリ１３２を使用して実施することができる。
【０１３２】
本発明は、皮膚１０７に取り付けられた携帯型又は装着可能な試料装置１０１における生体液／バイオマーカの長期モニタリングに適用することができる。必要に応じて、センサユニット１０４の再生は、例えば、重篤な慢性状態を有する患者、術後回復中の患者、及び高齢者のような高リスク患者のモニタリングを容易にし得る。
【０１３３】
図面、説明及び添付される請求項を読むことにより、請求される本発明を実施化する当業者によって、開示された実施例に対する他の変形が理解され実行され得る。請求項において、「有する（comprising）」なる語は他の要素又はステップを除外するものではなく、「１つの（a又はan）」なる不定冠詞は複数を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に利用されることができないことを示すものではない。請求項におけるいずれの参照記号も、請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ）】
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【図９Ｂ）】
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【図９Ｃ）】
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【図１０Ａ）】
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【図１０Ｂ）】
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【図１０Ｃ）】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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