(57)【要約】  電気化学的流体分析のための装置及び方法が、試験下の流体の体積を収容する深さ寸法を持つチャンバ１２０２と、チャンバ内に配置されて、互いに間隔が置かれた関係で深さ寸法に沿って延在する第１及び第２の電極Ａ１と、第１及び第２の電極の間の横方向のすきまを占める、例えばＥＵＤＲＡＧＩＴといったアニーリングされたポリマーである可溶性の固体とを有する。流体における可溶性固体の電気化学的インピーダンス分光学ＥＩＳにより監視される溶解率は、流体の溶液に存在する対応する分析物の化学濃度に依存する。ある実施形態において、上部マージンを規定するシリコン・ベースの集積回路デバイスは、試験下の流体に対する電極アレイの直接的な露出を可能にするよう、上記上部マージンに沿って配置される電極のアレイを含む。このデバイスはＣＭＯＳ技術を用いて構築される。
2010538292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の電気化学的分析に関する装置であって、
−  試験下の流体の体積を収容する深さ寸法を持つチャンバと、
−  前記チャンバ内に配置され、前記深さ寸法に沿って延在する第１の電極と、
−  前記チャンバ内に配置され、前記第１の電極に対して横に間隔が置かれた関係で前記深さ寸法に沿って延在する第２の電極と、
−  前記第１及び第２の電極の間の前記チャンバ内に配置され、前記深さ寸法の少なくとも一部の範囲まで間にある横方向のすきまを実質的に完全に占めるよう構成される可溶性の固体とを有し、
前記流体内の前記可溶性の固体の溶解率が、前記流体中の溶液に存在する対応する分析物の化学濃度に少なくとも部分的に依存する、装置。
【請求項２】
前記可溶性の固体が、アニーリングされたポリマーである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記可溶性の固体が、前記チャンバの内の前記第１及び第２の電極間の深さ方向の重複の実質的に完全な範囲まで、前記第１及び第２の電極間の前記横方向のすきまを実質的に完全に占める、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記可溶性の固体が、前記深さ方向の重複の前記実質的に完全な範囲を通り前記チャンバの最上位から下方へと前記チャンバを実質的に完全に満たす、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１及び第２の電極の各々が、前記チャンバ内の前記第１及び第２の電極間の深さ方向の重複の範囲まで下方へと延在する前記チャンバの内部壁を少なくとも部分的に規定する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の電極が、接地に接続され、前記深さ方向の重複の範囲まで前記チャンバ内で下方へと延在する実質的に直線的でかつ円筒形の壁を規定し、前記第２の電極は、電源に接続され、前記深さ方向の重複の範囲まで前記チャンバ内で下方へと、前記円筒形の壁と実質的に同軸状に延在する実質的に直線的でかつ柱状の側壁を規定する、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記装置が、上部マージンを規定するシリコン・ベースの集積回路デバイスを含む測定ツールと、前記上部マージンに沿って配置される前記チャンバ、前記第１及び第２の電極並びに前記可溶性の固体のグループ化されたインスタンスのアレイとを有し、前記可溶性の固体の前記インスタンスのそれぞれが、前記試験下の流体に直接露出されることが可能にされ、前記集積回路デバイスは、前記集積回路デバイスが前記第１及び第２の電極の各対になったインスタンスに所定のテスト信号を選択可能に個別的に適用することを可能にし、及び前記信号に応じて、前記流体中の溶液に存在する前記対応する分析物の前記化学濃度を決定するために使用される、前記チャンバの対応するインスタンスに含まれる主流の電気的状態に対応するアナログ信号を受信することを可能にする電極セレクタ・ユニットを更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記主流の電気的状態が、導電率、複素アドミタンス及び複素インピーダンスを有するグループから選択される、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記集積回路デバイスが、前記アナログ信号反応に基づき前記主流の電気的状態の対応する値を決定する測定ユニットを更に含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記集積回路デバイスが、前記電極セレクタ・ユニットを制御し、前記主流の電気的状態の前記決定された値に対応するアナログ信号を前記測定ユニットから受信し、及び前記主流の電気的状態の前記決定された値に基づき、前記流体中の溶液に存在する前記対応する分析物の化学濃度を決定するデータプロセッサ・ユニットを更に含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記装置が、前記流体の溶液に存在する前記対応する分析物の前記化学濃度を絶対較正なしに決定するよう構成される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記集積回路デバイスが、前記集積回路デバイスを少なくとも１つの外部デバイスとインタフェースさせる入力／出力データブロックを更に含み、前記インタフェースさせることは、前記少なくとも１つの外部デバイスに対して、前記化学濃度の値に対応する前記データプロセッサ・ユニットからのデジタル信号を受信し、及び通過させることを含む、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
前記集積回路が、周波数及び振幅の少なくとも１つに関する前記テスト信号を制御する制御ユニットを更に含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１４】
前記グループ化されたインスタンスのアレイに関して、前記可溶性の固体の前記インスタンスが、前記可溶性の固体の複数の変動を示し、各前記変動は、前記流体中の溶液に存在する前記対応する分析物のそれぞれ異なる化学濃度に少なくとも部分的に依存する前記流体内の溶解率に関連付けられる、請求項７に記載の装置。
【請求項１５】
前記グループ化されたインスタンスのアレイに関して、前記可溶性の固体の前記インスタンスが、前記可溶性の固体の複数の変動を示し、各前記変動は、前記流体中の溶液に存在するそれぞれ異なる対応する分析物の化学濃度に少なくとも部分的に依存する前記流体内の溶解率に関連付けられる、請求項７に記載の装置。
【請求項１６】
前記可溶性の固体の前記流体への溶解の開始のとき、少なくとも、前記可溶性の固体が、前記第１及び第２の電極間の前記横方向のすきまを実質的に完全に占めるものでなくなるまでは、前記装置が、前記流体中の溶液に存在する前記分析物の濃度を測定するため動作可能な状態にある、請求項７に記載の装置。
【請求項１７】
前記集積回路デバイスが、ＣＭＯＳダイを含み、前記グループ化されたインスタンスのアレイは、関連する適切なＭＥＭＳプロセスを介して前記上部マージンに沿って形成される、請求項７に記載の装置。
【請求項１８】
前記ＭＥＭＳプロセスが、前記集積回路デバイスと前記グループ化されたインスタンスのアレイとの間の接続性を提供するため、前記上部マージンに沿って金属接点パターンを形成することと、金属堆積及び関連する適切なエッチングの少なくとも１つのインスタンスを介して、前記グループ化されたインスタンスの各々の前記第１及び第２の対電極を形成することとを含む、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記グループ化されたインスタンスの各インスタンスの前記第１及び第２の対電極を形成することが、ＳｉＯ２及びＳｉ３Ｎ４からなるグループから選択される物質層の堆積、並びに関連する適切なエッチングの少なくとも１つのインスタンスを更に含み、チャンバの前記少なくとも１つのインスタンスの前記チャンバが、関連する分析物濃度測定セッションの間に制御目的のために利用されることができるよう、前記グループ化されたインスタンスのチャンバの少なくとも１つのインスタンスは、前記物質層の前記堆積を防止するため適切にマスキングされ、かつ前記可溶性の固体のいずれかもが実質的に存在しないよう更に保たれる、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
チャンバの前記少なくとも１つのインスタンスの各チャンバが、前記試験下の流体で実質的に完全に充填されること、及び関連する分析物濃度測定セッションの間前記試験下の流体における電気的特性の変化を監視するための基準チャンバとして利用されることができることを可能にするよう、前記グループ化されたインスタンスのチャンバの少なくとも１つのインスタンスが、前記可溶性の固体のいずれもが実質的に存在しないよう保たれる、請求項７に記載の装置。
【請求項２１】
流体の電気化学的分析に関する方法において、
可溶性の固体を流体に対して露出させるステップと、
前記流体における前記可溶性の固体の溶解率を測定するステップと、
前記測定された溶解率に基づき前記流体中の溶液に存在する対応する分析物の化学濃度を決定するステップとを有する、方法。
【請求項２２】
プロセッサにより実行されるとき、流体を電気化学的に分析する方法を実行するプログラムを有するコンピュータ可読媒体であって、
流体に対して露出される可溶性の固体の溶解率を測定するステップと、
前記測定された溶解率に基づき前記流体中の溶液に存在する対応する分析物の化学濃度を決定するステップとを有する、コンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体内に存在する化学要素の濃度を測定するシステム、デバイス及び方法に関し、より詳細には、分析物の濃度を電気化学的に測定するシステム、デバイス及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体における分析物の化学濃度は、分析物の存在を、測定可能な物理パラメタに変換することにより測定されることができる。例えば、分析物溶液の濃度は、分光学、クロマトグラフィ、熱量測定又は光学蛍光といった技術を介して決定されることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
更に濃度測定技術は、分析物溶液の電気的特徴を探査することを含む。斯かる技術の中には、電量分析が含まれる。他には、電流測定、電解電量測定、及び／又はポテンシオメトリックな滴定が含まれる。斯かる多くの技術は、高度な精度、速度（例えば、スループット）及び効率で実行されることができる。残念なことに、斯かる技術を実行するのに必要とされる装置は、大きく、扱いにくい傾向にある可能性がある。結果として、斯かる装置の使用は一般的に、研究室環境に制限され、電気的特徴の測定を介して濃度の決定を行おうとする分野の技術者には、魅力的なオプションがほとんど残されていないことが多い。
【０００４】
現在までの努力にもかかわらず、特に携帯性及びフィールドでの利用可能性が非常に重要視される用途に関して、分析物濃度の電気化学的測定のための効率的な方法及びシステムに対する必要性が存在している。これら及び他の必要性は、本書に開示される方法及び装置により満たされる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
流体の電気化学的分析のための装置及び方法が、本開示に基づき提供される。
【０００６】
本開示の例示的な実施形態によれば、試験下の流体の体積を収容する深さ寸法を持つチャンバと、上記チャンバ内に配置され、上記深さ寸法に沿って延在する第１の電極と、上記チャンバ内に配置され、上記第１の電極に対して横に間隔が置かれた関係で上記深さ寸法に沿って延在する第２の電極と、上記第１及び第２の電極の間の上記チャンバ内に配置され、上記深さ寸法の少なくとも一部の範囲まで間にある横方向のすきまを実質的に完全に占めるよう構成される可溶性の固体とを含む装置が提供される。上記流体における上記可溶性の固体の溶解率が、上記流体中の溶液に存在する対応する分析物の化学濃度に少なくとも部分的に依存する。
【０００７】
流体の電気化学的分析に関する方法も提供される。本開示の例示的な実施形態によれば、この方法は、可溶性の固体を流体に対して露出させるステップと、上記流体における上記可溶性の固体の溶解率を測定するステップと、上記測定された溶解率に基づき上記流体中の溶液に存在する対応する分析物の化学濃度を決定するステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本開示による分析物濃度測定ツールの実施形態の概略的な表現を示す図である。
【図２】本開示による図１の測定ツールを製作するのに使うことができるＣＭＯＳダイの下向きの斜視図である。
【図３】本開示による金属接触パターンの上部マージンでの形成を介する修正後の図２のＣＭＯＳダイの上面図である。
【図４】図３に示される断面線４−−４に沿って取られる図３の修正後のＣＭＯＳダイの断面図である。
【図５】図３の修正後のＣＭＯＳダイの下向きの斜視図である。
【図６】本開示による対電極のアレイの金属接触パターンでの形成を介する、更なる修正後の図３のＣＭＯＳダイの上面図である。
【図７】図６に示される断面線７−−７に沿って取られる図６の修正後のＣＭＯＳダイの断面図である。
【図８】図６の修正後のＣＭＯＳダイの下向きの斜視図である。
【図９】本開示による誘電性金属層の対電極のアレイでの形成を介する、更なる修正後の図６のＣＭＯＳダイの上面図である。
【図１０】図９に示される断面線１０−−１０に沿って取られる図９の修正後のＣＭＯＳダイの断面図である。
【図１１】図９の修正後のＣＭＯＳダイの下向きの斜視図である。
【図１２】本開示による図１の分析物濃度測定ツールの実施形態を形成するため、円筒形チャンバをポリマー物質で充填し、関連するアニーリング処理をした後の、図９の修正後のＣＭＯＳダイの上面図である。
【図１３】図１２の分析物濃度測定ツールの断面図である。
【図１４】本開示による図１２の分析物濃度測定ツールの流体ポリマー充填されたシリンダの断面図である。
【図１５】本開示による図１２の分析物濃度測定ツールの流体充填されたシリンダの断面図である。
【図１６】図１４の流体ポリマー充填されたシリンダに対応する例示的な電気回路の概略図である。
【図１７】図１５の流体充填シリンダに対応する例示的な電気回路の概略図である。
【図１８】例示的な電気回路の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
流体の電気化学的分析に関する開示された装置及び方法の追加的な有利な特徴、機能及び用途は、特に添付の図面と共に読まれるとき、以下の説明から明らかとなるであろう。
【００１０】
開示されたシステム及び方法を製作し使用する当業者を支援するため、添付図面が参照される。
【００１１】
コンパクトな大きさであるよう、経済的に製造できるよう、及び配置するのに便利であるよう適合されることができる、流体の電気化学的分析のための装置が提供される。流体の電気化学的分析のための装置の例示的な実施形態は、試験下の流体の体積を収容する深さ寸法を持つチャンバと、そのチャンバ内に配置され、互いに対して横方向に間隔を空けて配置されるその深さ寸法に沿って延在する一対の電極とを含む。可溶性の固体が、電極の間のチャンバ内に配置され、チャンバの深さ寸法の少なくとも一部の範囲まで、その間にある横方向のすきまを占める。流体に含まれる可溶性固体の溶解率は、流体中の溶液に存在する対応する分析物の化学濃度に少なくとも部分的に依存する。可溶性固体が流体に溶解する範囲まで、溶解する固体により発生される流体が空隙を充填する。可溶性固体は流体と比較して貧弱な導体であるので、可溶性固体の溶解は電極の間の導電率の増加をもたらす。導電率の変化率は更に、流体中の溶液に溶解する固体及び実際の分析物濃度の特性に依存する。
【００１２】
本開示による可溶性固体としての使用に適した物質は、例えば、Ｈ＋濃度（即ちｐＨ）といった注目する化学要素又は活性種の溶液における濃度に依存する個別の可溶性を呈する市販の物質、タンパク質、アミノ酸、ブドウ糖、酵素及び他の注目する分析物を含む。本開示による可溶性固体として使用される例示的な物質は、例えばDegussa GmbHにより製造されるEUDRAGITアクリルポリマーといったｐＨ依存の溶解率を示すポリマーと、例えばAlizyme plc（ケンブリッジ、英国）により使用されるアゾポリマーといった結腸酵素の存在に依存する溶解率を示すポリマーとを含む。
【００１３】
本開示による流体の電気化学的分析のための装置及び方法は、試験下の流体に存在する大量の化学要素に関する濃度を測定するのに使用されることができる。本開示の実施形態において、斯かる装置及び方法は、流体内で混合される複合物の濃度に基づき特定の可溶性を備えるポリマーに依存し、複素導電率測定に基づき可溶性の正確な測定を可能にする電子デバイスを含む。電子デバイスの寿命は、本開示の実施形態に基づき制限されることができ、デバイスの処理パラメタにより制御されることができる。
【００１４】
本開示のある実施形態によれば、小さく、単純で、エネルギー効率的な「ラボオンチップ」ソリューションが与えられ、このソリューションは、通常研究室での使用に限定されるより大きなかさばるシステムより優れるとまではいかなくても、少なくともそれと同等のフィールドでの反応時間を持つ。斯かる装置は、集積回路（ＩＣ）電子デバイスの使用を介して実現されることができる。このＩＣ電子デバイスは、ＩＣ電子デバイスに関連付けられるダイの表面でＭＥＭＳプロセスを介して作られる閉じ込め型（confined）マイクロ・シリンダーのアレイと結合される。斯かる装置は、試験下の流体中の溶液における活性種の化学濃度に対する既知のエッチング率を持つポリマーで満たされる。
【００１５】
説明目的のため本書では、開示される装置及び方法が、試験下の流体中の溶液における分析物濃度を測定するツールを参照して詳細に説明される。しかしながら、開示されるシステム及び方法は、当業者であれば容易に明らかであるように、様々な分析物に関する実現を含む広い範囲の適用可能性を持つ。本開示の１つの例示的な実施形態においては、この装置は、ｐＨがある閾値を上回るまで溶けないポリマーの形の可溶性固体を含む。結果として、試験下の流体がこの閾値を上回るｐＨを持たない場合、電極間の導電率は増加しない。試験下の流体のｐＨが適用可能な閾値を越える場合、電極間の導電率は、試験下の流体の実際のｐＨ値と可溶性ポリマーの下限閾値ｐＨとの間の差に比例して有利に増加することになる。
【００１６】
更に、本開示の１つの例示的な実施形態によれば、この装置は、試験下の流体のｐＨが閾値以下でない場合溶けないポリマーの形の可溶性固体を含む。結果として、試験下の流体がこの閾値以下のｐＨを持たない場合、電極間の導電率は増加しない。試験下の流体のｐＨが適用可能な閾値以下である場合、電極間の導電率は、試験下の流体の実際のｐＨ値と可溶性ポリマーの上限閾値ｐＨとの間の差に比例して有利に増加することになる。従って、可溶性の固体が間に配置される電極間での導電率における変化率を監視することにより、ｐＨ限界値及び実際のｐＨ値のいずれか、又はその両方が得られることができる。
【００１７】
可溶性が濃度に依存するという原理に基づき、流体を電気化学的に分析する装置が使用されるとき、電極の各対の間の導電率は、時間の関数として測定されることができ、導電率の変化率が、試験下の流体中の溶液に存在する分析物の濃度値を得るのに使用されることができる。電気化学的に流体を分析する斯かる装置の１つのユニークな利点は、この装置が絶対較正なしに作動されることができる点にある。例えば試験下の流体の全体の伝導率といった製造プロセス及び環境条件における変動が、電極間の絶対導電率における変動を生じさせる可能性がある。しかしながら、これらの変動は、試験下の流体中の溶液に存在する分析物の濃度値の取得と干渉しない。なぜなら、濃度値は、導電率の絶対値ではなく、導電率の変化率により決定されるからである。もちろん、斯かる装置は、導電率における環境変化を説明するため、基準電極と共に使用されることができる。
【００１８】
本開示の実施形態による試験下の流体中の溶液における分析物濃度を測定する装置１００が、図１に示される。この装置１００は、シリコン・ベースの集積回路（ＩＣ）１０２を含むことができる。ＩＣ１０２は、入力／出力（１０）データブロック１０４、データプロセッサ及び制御ユニット（ＤＰＣＵ）１０６、振幅及び周波数制御ユニット（ＡＦＣＵ）１０８、複素アドミタンス測定ユニット（ＣＡＭＵ）１１０、並びに電極セレクター（ＥＳ）１１２を組み込むことができる。装置１００は更に、電極アレイ（ＥＡ）１１４を含むことができる。
【００１９】
ＩＯ１０４は、外部デバイスに対する回路のインタフェースでもよい。ＥＡ１１４は、ＩＣ１０２の上部マージン又は表面に存在する電極のマトリクスである。ＥＡ１１４の各電極は、ＣＡＭＵ１１０の対応する測定ポートにＥＳ１１２ブロックを通り接続されることができる。ＥＡ１１４の他の全ての電極は、接地されることができる。ＥＳ１１２は、ＥＡ１１４から単一電極の選択を可能にするアナログスイッチのアレイとすることができる。ＣＡＭＵ１１０は、ＥＡ１１４から選択された電極で接続される回路の複素アドミタンスを測定することができる。テスト信号の周波数及び振幅は、ＡＦＣＵ１０８により制御及び／又は課されることができる。ＤＰＣＵ１０６は、ＣＡＭＵ１１０により提供されるアナログ信号を受信することができ、このアナログ信号をデジタル値に変換することができる。ＤＰＣＵ１０６は更に、斯かるデジタル値を格納及び／又は処理し、ＡＦＣＵ１０８から動作周波数及び振幅に関する決定をし、それに従ってＥＳ１１２を作動させることができる。試験下の流体の溶液に存在する１つ又は複数の分析物の濃度に関する測定結果をＩＯ１０４に転送するため、ＤＰＣＵ１０６が更に使用されることができる。
【００２０】
本開示の実施形態によれば、図２に示されるＣＭＯＳダイ２００は、図１のＩＣ１０２を実現することができる。例えば、ＣＭＯＳダイ２００は、（例えば、図１のＩＯ１０４に関連付けられる）回路の入力／出力インタフェースに関連付けられるアレイ状の接点２０４を周辺部に持つことが特徴的な上部マージン２０２を含むことができる。
【００２１】
ＭＥＭＳプロセスは、本開示による図１の装置１００の実施形態を形成するため、図２のＣＭＯＳダイ２００を修正及び／又は変換するのに利用されることができる。斯かるプロセスの例が、図３〜１３を参照して以下図示及び説明される。
【００２２】
ここで図３、４及び５を参照すると、修正されるＣＭＯＳダイ３００は、本発明に基づき、ＩＣ（例えば、図１のＩＣ１０２）と電極アレイ（例えば、図１のＥＡ１１４）との間の電気的相互接続を可能にするよう動作可能なダイ３００の上部マージン３０４で接点パターン３０２を形成するため、従来の金属堆積プロセス及び関連する適切なパターニングを介して図２のＣＭＯＳダイ１０２を修正することにより、形成されることができる。
【００２３】
次に図６、７及び８を参照すると、修正ＣＭＯＳダイ６００は、マスク６０２を形成するため、適切なアルミニウム−シリコン堆積及び（例えば、非常に選択的なＲＩＥを用いる）エッチング・プロセスを介して図３の修正ＣＭＯＳダイ３００を更に修正することにより形成されることができる。マスク６０２は、試験下の流体の少ない体積を収容するチャンバ６０４のアレイを含むことができる。各チャンバは、接地に接続される円筒形のマイクロ・バレル６０６と、柱状の中心電極６０８とを含むことができる。中心電極６０８は、マイクロ・バレル６０６内に配置されることができ、更に、（例えば、深さ方向に）同軸及び／又は同延とすることができる。
【００２４】
ここで図９、１０及び１１を参照すると、修正ＣＭＯＳダイ９００は、例えば、図６のマスク６０２上に誘電体物質層９０２を形成するため、適切な物質層の堆積及びエッチング・プロセスを介して図６の修正ＣＭＯＳダイ６００を更に修正することにより、形成されることができる。例えば、誘電体物質層９０２は、ＳｉＯ２−Ｓｉ３Ｎ４層とすることができる。図６のチャンバ６０４の１つ又は複数は、誘電体物質層９０２がそれに延在するのを防止するため、このステップの間、マスキングされることができる。例えば、斯かる４つのチャンバ（例えば、誘電物質の層９０２を欠くチャンバ）が、ダイ９００の個別の角９０４、９０６、９０８、９１０に配置されることができ、及び／又は（例えば、測定制御機能の一部として）空気アドミタンスを測定するために用いられることができる。
【００２５】
次に図１２及び１３を参照すると、分析物濃度測定ツール１２００が示される。例えば、ツール１２００は、図１の分析物濃度測定ツール１００を実現するために実施されることができる。ツール１２００は、（以下に更に説明される）流体ポリマー充填されたシリンダ又はチャンバ１２０２を形成するため、図６のチャンバ６０４の１つ又は複数を類似する及び／又は異なるポリマーで充填し、及び適切なアニーリング・プロセスを実行することを介して、図９の修正ＣＭＯＳダイ９００を更に修正することにより、形成されることができる。この場合、斯かるポリマーそれぞれの溶解率は、試験下の流体中の溶液における同じ又は異なる化合物の１つ又は複数に対して特有とすることができる。図９の角に配置されたチャンバ９０４、９０６、９０８、９１０は、測定制御機能の一部として空気アドミタンスを測定する目的のため、ポリマーで満たされないままにされることができる。同様に、本書において流体充填シリンダ又はチャンバ１２０６とも呼ばれるチャンバ１２０６の全ての列１２０４は、下記により詳細に説明する通り、試験下の流体のアドミタンスを測定する目的のため、ポリマーで満たされないままにされることができる。
【００２６】
ツール１２００は、例えば、図１のＩＣ１０２を実現することができるＩＣ１２０８と、図１のＥＡ１１４を実現することができるＭＥＭＳ領域１２１０とを含む。ＭＥＭＳ領域１２１０は、試験下の流体に対して露出されるよう構成されることができる。一方、その内部に配置される電気回路及び／又は機能が試験下の流体からのダメージから守られるよう、ＩＣ１２０８は構成されることができる。
【００２７】
次に図１４を参照すると、試験下の流体から流体１４００に露出されるとき、チャンバ１２０２内の可溶性固体１４０２（例えば、ポリマー）が、試験下の流体中の溶液に存在する分析物により溶解される。図１４は、中に含まれる可溶性固体１４０２がｈｆｌｕｉｄに等しいエッチング値までエッチングされた後の、流体ポリマー充填されたシリンダ（ＦＰＣ）１２０２を通る垂直断面を与える。図１５は、流体充填シリンダ（ＦＣ）１２０６を通る垂直断面を与える。試験下の流体に露出されるとき、可溶性の固体を含まない（例えば、ポリマーを含ない）流体充填シリンダ１２０６が、流体１５００で満たされる。図１２のツール１２００は、特定の時間間隔でＭＥＭＳ領域１２１０のＦＰＣ１２０２及びＦＣ１２０６の全てに対する複素アドミタンスを測定し、すべてのＦＰＣ１２０２から、ＦＰＣ１２０２内のポリマー及びＦＣ１２０６内の流体の電気的特性と、すべてのタイプのポリマーに関するエッチング率とを推定する。エッチング率に基づき、試験下の流体内の活性化学種の濃度が決定されることができる。ＦＰＣ１２０２内のポリマーが試験下の流体内で完全に溶かされない限り、斯かる決定をする能力は持続されることができる。
【００２８】
ＦＰＣ１２０２及びＦＣ１２０６に関する例示的な電気等価回路１６００、１７００が、それぞれ図１６及び１７に与えられる。
【００２９】
ＦＰＣ１２０２が、その種のすべての化学濃度に特有なエッチング率により異なるポリマーで充填されると仮定すると、試験下の流体の溶液に存在する種の濃度の、時間ｔｊでの決定を可能にするため、本開示によるプロセッサ（例えば、図１のＤＰＣＵ１０６）により以下のアルゴリズムが実行可能である。
【００３０】
Ｖｐｒｏｖｅは、
2010538292.tif 000003
である電圧源である。ここで、
2010538292.tif 000004
が成り立つ。Ｖ０は、振幅であり、ωは角周波数であり、φは、位相であり、ｔは時間である。（電圧源Ｖｐｒｏｖｅにより見られる）図８からの回路の複素インピーダンスは、
2010538292.tif 000005
であり、ここで
2010538292.tif 000006
が成り立つ。レジスタは、周波数依存ではない（電圧源周波数は、流体又はポリマー内の最小イオン回転周波数より小さい）。
【００３１】
静電容量及び抵抗は、同軸モデルを用いて算出される。繰り返しになるが、
□  抵抗ρの物質で満たされる長さｌの同軸ケーブルの、半径Ｒｉの内側電極と半径ＲＯの出力電極との間で測定される抵抗は、
2010538292.tif 000007
であり、
□  相対的な誘電率εｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃの誘電体を持つ物質で満たされる長さｌの同軸ケーブルの、半径Ｒｉの内側電極と半径ＲＯの出力電極との間で測定される静電容量は、
2010538292.tif 000008
である。
【００３２】
興味深いことに、この同軸ケーブルに関連付けられる時定数は、ケーブルのいかなる幾何学的なパラメタからも独立しており、
2010538292.tif 000009
となる。
【００３３】
以下の表記が使用される。即ち、
2010538292.tif 000010
である。
【００３４】
式（２）により例示される静電容量に関する表現は、
2010538292.tif 000011
となる。
【００３５】
すべての静電容量は、ｈｆｌｕｉｄの線形関数である。
【００３６】
式（２）により例示される抵抗に関する表現は、
2010538292.tif 000012
となる。
【００３７】
すべての導電率は、ｈｆｌｕｉｄの線形関数である。
【００３８】
ステップ１：空気中でのデバイス
【００３９】
ＦＰＣは、ポリマーだけで満たされる。
【００４０】
ＦＣは、空気で満たされる。
【００４１】
テストシリンダは、空気で満たされる。
【００４２】
空気における（εａｉｒ＝１）テストシリンダのアドミタンス
2010538292.tif 000013
を測定することは、ＦＰＣ及びＦＣ内の誘電体の厚みの実験的な決定を可能にし、
2010538292.tif 000014
となる。
【００４３】
空気で満たされる（
2010538292.tif 000015
）ＦＣのアドミタンスは、
2010538292.tif 000016
である。
【００４４】
空気中で実行される測定は、εｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ及びＩｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃという２つの臨界値の決定を可能にした。
【００４５】
空気中で（ｈｆｌｕｉｄ＝０）ＦＰＣを測定すると、
2010538292.tif 000017
となる。
【００４６】
2010538292.tif 000018
及び
2010538292.tif 000019
に対する値を、式（７）でｈｆｌｕｉｄ＝０として与えられる表現と交換すると、
2010538292.tif 000020
となる。
【００４７】
ステップ２：デバイスが流体に浸漬された後の任意の時間における流体及びポリマー・アドミタンスの測定
流体がポリマーをエッチングし、ＦＰＣのｈｆｌｕｉｄに関する調整が行われたと仮定する。
【００４８】
ＦＣ複素アドミタンスは、
2010538292.tif 000021
をもたらす。
【００４９】
ＦＰＣ複素アドミタンスは、
2010538292.tif 000022
及び
2010538292.tif 000023
をもたらす。
【００５０】
すると、
2010538292.tif 000024
となる。
【００５１】
この複素インピーダンス測定方法を用いると、ＦＰＣｈｆｌｕｉｄ内のポリマーのエッチングは、ＦＰＣのインピーダンスの初期値（空気中でのＦＰＣ）及び隣接するＦＰＣ測定に基づき算出される。これは、時間に対してポリマー電気パラメタが変動することを解決するものではない。
【００５２】
周波数強打方法（frequency swipe method）を見てみる。同じｈｆｌｕｉｄに対して、ＡＭＡの測定の周波数は、複素アドミタンスの極及びゼロより大きい限度内で変化される。
【００５３】
ＦＣに関して、
2010538292.tif 000025
が成り立つ。
【００５４】
ＦＣのインピーダンスの測定された絶対値が、
2010538292.tif 000026
に配置される極及びゼロを有する。ここで、
2010538292.tif 000027
である。
【００５５】
ＦＣの複素インピーダンスの絶対値のボード線図から、
2010538292.tif 000028
及び
2010538292.tif 000029
が抽出されることができる。これは、ρｆｌｕｉｄ及びεｆｌｕｉｄを解くことに等しい。
【００５６】
ＦＰＣ内のポリマーのパラメタを抽出するのに、同じ手順が使用されることになり、
2010538292.tif 000030
が成り立つ。
2010538292.tif 000031
に対する極及びゼロは、
2010538292.tif 000032
のボード線図から推定されることができる。従って、流体の測定の間の任意の時間でρｐｏｌｙｍｅｒ及びεｐｏｌｙｍｅｒが抽出されることができる。
【００５７】
化学活性種濃度の決定
以下の特性を持つ、上述のアドミタンス測定アレイ（ＡＭＡ）を考える。
□  Ｎｃｙｌｉｎｄｅｒｓ  ｘ  Ｎｃｙｌｉｎｄｅｒｓシリンダの（必須ではない）正方形のアレイを考える。
□  ＡＭＡの４つのシリンダは、Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２誘電体では覆われず、Ａｌ電極を覆う誘電体の特性（εｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ、ｔｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）を（空気中で）測定するために用いられる。
□  Ｎｃｙｌｉｎｄｅｒ＝ＮＦＣ，ｃｙｌｉｎｄｅｒシリンダー（上の４と異なる）は、いずれのポリマーでも充填されない。
□  Ｎｐｏｌｙｍｅｒ−Ｎｃｙｌｉｎｄｅｒｓ  ｘ  Ｎｃｙｌｉｎｄｅｒｓ−ＮＦＣ，ｃｙｌｉｎｄｅｒ−４のシリンダは、Ｎｐｏｌｙｍｅｒの異なるタイプのポリマーで充填される。
□  すべてのポリマーは、試験下の流体に含まれる特定の化学種に対して化学的感度が良い。例えば、試験下の流体が濃度Ｃｓｐｅｃｉｅを持つＮｓｐｅｃｉｅ活性種に限ると仮定する。シリンダにおけるポリマー
2010538292.tif 000033
が、流体内の活性種と反応する。反応の結果、ポリマーは、溶液内で可溶性になる。可溶性の率は、
2010538292.tif 000034
である同型関数を備えるポリマーのエッチング率に関連付けられる。ここで、
ｒｋｓは、種ｓと反応するポリマーｋのエッチング率である。
2010538292.tif 000035
は、活性種濃度Ｃｓと濃度閾値Ｃｋｓ、ｔｈｒｅｓｈｏｌｄとの間の差のヘビサイド関数であり、この閾値を超えるとポリマーｋが種ｓと反応する。
2010538292.tif 000036
は、濃度Ｃｓの種ｓによるポリマーｋのエッチング率を表す単調増加関数である。
□  流体内のすべての種Ｎｓｐｅｃｉｅに反応する間、ポリマーｋに対する総エッチング率は、種当たりのポリマーのエッチング率の合計であり、
2010538292.tif 000037
となる。ここで、
2010538292.tif 000038
が成り立つ。
【００５８】
ＡＭＡ構造体は、空気中で測定され、すべてのＮｐｏｌｙｍｅｒの特性は、
2010538292.tif 000039
として格納される。
【００５９】
ＡＭＡ構造体は、テスト下の溶液に浸漬される。ここでは、任意の時点で、ＡＭＡの表面における任意の活性種の濃度勾配は存在しないと仮定される。従って、すべてのシリンダは、同じ時間に任意の種に対する濃度値の同じ値を「見る」。
【００６０】
アドミタンス測定回路は、すべてのシリンダ（流体ポリマー充填シリンダ（ＦＰＦ）及び流体充填シリンダ（ＦＣ））に対してサンプル率Ｓですべての複素アドミタンスを測定し、
2010538292.tif 000040
を算出する。
□  上で得られた値に基づいて、隣接するＦＣ及びＰＦＣに含まれる流体パラメタが同じであると仮定すると（即ちＡＭＡ表面での濃度勾配がない）、すべてのＦＰＣに対して
2010538292.tif 000041
が算出される。
【００６１】
時間ｔｊでのエッチング率は、
2010538292.tif 000042
と近似されることができる。
【００６２】
従って、任意の時間ｔｊに対して、
2010538292.tif 000043
が得られる。
【００６３】
上記の関係は、マトリクス形式で表されることができる。
2010538292.tif 000044
は、時間ｔｊでの、測定されるエッチング率マトリクスである。
2010538292.tif 000045
は、時間ｔｊでの濃度マトリクスであり、決定されることになる量である。
2010538292.tif 000046
は、種ｉと反応するポリマーｋに関する濃度閾値であり、既知である。
2010538292.tif 000047
は、種ｉと反応するポリマーｋに関するエッチング率関数マトリクスであり、既知である。
2010538292.tif 000048
は、正規化された濃度マトリクスである。
【００６４】
式（２４）からの式の系は、
2010538292.tif 000049
として記述されることができる。
【００６５】
マトリクス
2010538292.tif 000050
が、逆行列を持つ場合、即ち
2010538292.tif 000051
であるとき、この式は、
2010538292.tif 000052
となる。
【００６６】
いくつかの線形変換の後、
2010538292.tif 000053
が得られる。
【００６７】
これは、Ｎｅ個の未知の
2010538292.tif 000054
を備えるＮｅ個の式の系を表す。これは、マトリクス
2010538292.tif 000055
が逆行列を持つ限り、ユニークな解を持つ。
【００６８】
本発明が図示され、特定の実施形態を参照して本書において説明されたが、本発明は開示される詳細に限定されること意図するものではない。むしろ、本発明を逸脱することなく、請求項の均等の範囲に含まれる詳細においてさまざまな変形がなされることができる。
【図１】
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【図２】
2010538292.tif 000057
【図３】
2010538292.tif 000058
【図４】
2010538292.tif 000059
【図５】
2010538292.tif 000060
【図６】
2010538292.tif 000061
【図７】
2010538292.tif 000062
【図８】
2010538292.tif 000063
【図９】
2010538292.tif 000064
【図１０】
2010538292.tif 000065
【図１１】
2010538292.tif 000066
【図１２】
2010538292.tif 000067
【図１３】
2010538292.tif 000068
【図１４】
2010538292.tif 000069
【図１５】
2010538292.tif 000070
【図１６】
2010538292.tif 000071
【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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