(57)【要約】【目的】外環境における目的アナライトの存在を除く他のすべての環境的および内的要因に対して測定通路と実質的に同一に応答する参照通路を有するエレクトロオプティカルセンサ装置を提供する。【構成】発光源106と、発光源からの発光を受けて電気信号を出力する第１および第２の感光素子104A,104Bと、発光源からの発光を受けて第１および第２の感光素子にそれぞれ発光を伝えるように配置されており、各々がアナライトの存在に応答する光特性を備えたインジケータ分子を有しているところの第１および第２のインジケータ素子102A,102Bと、第２のインジケータ素子を被覆してこれを装置外の媒体中のアナライト存在に不応答なものとする気密シールチャンバ108とを有する。チャンバには第２のインジケータ素子と接触するアナライト含有流体110が収容される。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光を放射する発光源と、発光源からの発光を受けて電気信号を出力する第１および第２の感光素子と、発光源からの発光を受けて第１および第２の感光素子にそれぞれ発光を伝えるように配置されており、各々がアナライトの存在に応答する光特性を備えたインジケータ分子を有しているところの第１および第２のインジケータ素子とを有してなり、第１のインジケータ素子は装置の外部に晒されていて装置外の媒体中のアナライト存在に応答するが、第２のインジケータは少なくとも部分的に被覆されていて装置外の媒体中のアナライト存在に不応答であることを特徴とする、媒体中のアナライト存在を検出するためのエレクトロオプティカルセンサ装置。
【請求項２】
第２のインジケータ素子を被覆して該第２のインジケータ素子を装置外の媒体中のアナライト存在に対して応答しないものとするアナライト不透過性チャンバを有する、請求項１のセンサ装置。
【請求項３】
アナライト不透過性チャンバが気密シールされたチャンバである、請求項２のセンサ装置。
【請求項４】
第２のインジケータ素子と接触する流体がチャンバに収容されている、請求項２のセンサ装置。
【請求項５】
流体が第２のインジケータ素子と接触するアナライト含有流体である、請求項４のセンサ装置。
【請求項６】
アナライト含有流体が液体である、請求項５のセンサ装置。
【請求項７】
アナライト含有流体が気体である、請求項５のセンサ装置。
【請求項８】
アナライト含有流体中のアナライトが外部媒体において検出すべきアナライトと同一種類のアナライトである、請求項５のセンサ装置。
【請求項９】
アナライト含有流体中のアナライトが外部媒体において検出すべきアナライトとは異なる種類のアナライトである、請求項５のセンサ装置。
【請求項１０】
インジケータ分子が酸素の存在に応答する光特性を有する、請求項１のセンサ装置。
【請求項１１】
インジケータ分子がトリス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（II）過塩素酸塩である、請求項１０のセンサ装置。
【請求項１２】
ハウジングをさらに有し、第１および第２のインジケータ素子と、第１および第２の感光素子と、発光源とがハウジング内に設けられる、請求項２のセンサ装置。
【請求項１３】
ハウジングにアナライト不透過性のカバーが装着され、第２のインジケータ素子を被覆するチャンバの少なくとも一部を形成している、請求項１２のセンサ装置。
【請求項１４】
ハウジングが第１の開口を有し、アナライト不透過性カバーと第２のインジケータ素子が第１の開口の両側に設けられて、それらの間にチャンバを形成している、請求項１３のセンサ装置。
【請求項１５】
アナライト不透過性カバーがプラグと該プラグの頂部から外方に延長するフランジとを有し、該フランジは、第２の開口の回りにおいてハウジングの上面と接する接触面を与えており、気密シールを形成してアナライト含有流体が外部媒体からチャンバ内に流入することを防止する、請求項１４のセンサ装置。
【請求項１６】
アナライト不透過性カバーが金属製である、請求項１３のセンサ装置。
【請求項１７】
アナライト透過性のカバーが第１のインジケータ素子を被覆するようハウジングに装着される、請求項１３のセンサ装置。
【請求項１８】
アナライト透過性カバーに貫通穴が設けられて、第１のインジケータ素子と外部媒体との間の流通を許容している、請求項１７のセンサ装置。
【請求項１９】
ハウジングが第２の開口を有し、アナライト透過性カバーと第１のインジケータ素子が第２の開口の両側に設けられる、請求項１７のセンサ装置。
【請求項２０】
アナライト透過性カバーとアナライト不透過性カバーとが穴を除いて実質的に同様の構成を有する、請求項１８のセンサ装置。
【請求項２１】
第１のインジケータ素子と第１の感光素子が信号通路を形成し、第２のインジケータ素子と第２の感光素子が参照通路を形成する、請求項１のセンサ装置。
【請求項２２】
信号通路と参照通路が単一のチップ状構造体に組み込まれ、そこからリード線が導出されている、請求項２１のセンサ装置。
【請求項２３】
ハウジングが上面と、上面から垂下する側面とを有し、側面の下端は基板の上面に載置されて、ハウジング上面を基板から垂直方向に離れた位置に維持している、請求項１２のセンサ装置。
【請求項２４】
ハウジングと基板との間の領域に導波材料が収容されている、請求項２３のセンサ装置。
【請求項２５】
発光源がＬＥＤである、請求項２５のセンサ装置。
【請求項２６】
アナライト不透過性カバーが熱伝導率に優れた材料で形成され、外部媒体における温度変化と同様の温度変化がチャンバ内にも生ずる、請求項１３のセンサ装置。
【請求項２７】
アナライト不透過性カバーが透明材料で形成されている、請求項１３のセンサ装置。
【請求項２８】
気体が空気である、請求項７のセンサ装置。
【請求項２９】
センサ装置に対する動力がリード線を介して外部動力源から供給される、請求項２１のセンサ装置。
【請求項３０】
センサ装置に対する動力が内部動力源から供給される、請求項１のセンサ装置。
【請求項３１】
内部動力源がバッテリである、請求項３０のセンサ装置。
【請求項３２】
センサ装置に対する動力が、該装置内に形成したインダクション回路を介して外部動力源から供給される、請求項１のセンサ装置。
【請求項３３】
インジケータ分子がグルコースの存在に応答する光特性を有する、請求項１のセンサ装置。
【請求項３４】
発光を放射する発光源と、発光源からの発光を受けて電気信号を出力する第１および第２の感光素子と、発光源からの発光を受けて第１および第２の感光素子にそれぞれ発光を伝えるように配置されており、各々がアナライトの存在に応答する光特性を備えたインジケータ分子を有しているところの第１および第２のインジケータ素子と、第２のインジケータ素子を被覆してこれを装置外の媒体中のアナライト存在に不応答なものとする気密シールチャンバとを有してなり、チャンバには第２のインジケータ素子と接触するアナライト含有流体が収容されることを特徴とする、媒体中のアナライト存在を検出するためのエレクトロオプティカルセンサ装置
【請求項３５】
ハウジングをさらに有し、第１および第２のインジケータ素子と、第１および第２の感光素子と、発光源とがハウジング内に設けられる、請求項３４のセンサ装置。
【請求項３６】
ハウジングにアナライト不透過性のカバーが装着され、第２のインジケータ素子を被覆するチャンバの少なくとも一部を形成している、請求項３４のセンサ装置。
【請求項３７】
アナライト透過性のカバーが第１のインジケータ素子を被覆するようハウジングに装着される、請求項３４のセンサ装置。
【請求項３８】
アナライト透過性カバーに貫通穴が設けられて、第１のインジケータ素子と外部媒体との間の流通を許容している、請求項３７のセンサ装置。
【請求項３９】
第１のインジケータ素子と第１の感光素子が信号通路を形成し、第２のインジケータ素子と第２の感光素子が参照通路を形成する、請求項３４のセンサ装置。
【請求項４０】
各々がアナライトの存在に応答する光特性を備えたインジケータ分子を有する第１および第２のインジケータ素子が発光源からの発光を受けて一対の感光素子に発光を伝えるように配置されており、第２のインジケータ素子はアナライト不透過性のカバーに被覆されていて装置外の媒体中のアナライト存在に対して不応答なものとされているエレクトロオプティカルセンサ装置を準備し、第１のインジケータ素子に媒体を接触させ、発光源を駆動して第１および第２のインジケータ素子に発光を放射し、第１および第２のインジケータ素子の光反応を光学的に検出し、この光反応に基づき、第２のインジケータ素子から検出された反応を参照として用いて第１および第２のインジケータ素子の両方に対して影響を与える変数をキャンセルすることによって、サンプル中の少なくとも一つの目的アナライトの存在または濃度を決定する、媒体中の目的アナライトの検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体または気体媒体中のアナライトの存在または濃度を検出するためのエレクトロオプティカルセンサ装置に関する。より詳しくは、この発明は、液体または気体媒体中のアナライトの存在に応答する信号通路と媒体中のアナライトの存在に応答しない参照通路とを有するエレクトロオプティカルセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１の開示内容をここに参照する。この特許には、インジケータ分子の蛍光発光を利用してアナライトの存在および量を検出するエレクトロオプティカルセンサ装置が記述されている。大雑把に言えば、本発明の技術分野の関連においては、インジケータ分子とはアナライトの局在によって影響を受ける一またはより多くの光学特性を有する分子である。特許文献１による装置実施例では、インジケータ分子を含有する材料層の内部に少なくとも部分的に光源が配置され、該光源からの照射時にインジケータ分子が蛍光発光する。あるいは、光源は導波層の内部に少なくとも部分的に配置され、該光源から発せられた光がインジケータ分子に衝突して蛍光発光させる。ハイパスフィルタにより、光源からの散乱光を除去し、インジケータ分子からの蛍光発行が感光素子まで届くようにする。
【特許文献１】
米国特許第５５１７３１３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記述された装置に用いられるインジケータ分子の蛍光発光はアナライトの局在によって変動、すなわち減衰または増幅する。たとえば、錯体トリス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（II）過塩素酸塩のオレンジおよび赤色がかった蛍光発光は酸素の局在によって消滅する。このため、この錯体は酸素センサにおけるインジケータ分子として有意に用いられる。様々な他のアナライトによって影響される蛍光発光特性を有するインジケータ分子もまた公知である。
【０００４】
特許文献１に記述されたセンサ装置において、インジケータ分子を含有する物質はアナライトに浸透可能である。すなわち、アナライトは周囲の試験媒体からこの物質に拡散し、これによってインジケータ分子の蛍光発光に影響を与える。光源とインジケータ分子含有物質とハイパスフィルタと光検出センサとから装置構成され、インジケータ分子からの蛍光発光が光検出センサを励起して、周囲媒体内のアナライト濃度を表示する電気信号を発生させる。
【０００５】
単一の変数、たとえばアナライト濃度に基づく測定を正確に行うためには、アナライト濃度の結果が、該装置の動作に影響を与える可能性のある他のすべての変数から隔離されるように、センサ装置を設計しなければならない。これを行うための一つの方法は、他のすべての影響的変数をトランデューサを用いて個別に測定し、相関関係が良く定義され且つ予測可能であり、これらの素子に対して数学的に補正できるものと推測することである。重要なことに、この方法は影響的変数を個別に測定するための手段と、該変数の挙動を時間軸で記述し予測する詳細な数学モデルとを必要とする。
【０００６】
インジケータ分子としてルテニウム−トリス−ビフェニルフェナントロリンを例にして説明すると、たとえば、インジケータ蛍光発光と酸素濃度との関係は下記のシュテルン−フォルマー（Stern-Volmer）式によって記述される。
Ｉ／Ｉ０＝ １＋ＫＳＶ｛ｐＯ２｝
上記式において、Ｉ／Ｉ０は強度比、ｐＯ２は酸素濃度、ＫＳＶはシュテルン−フォルマー定数を示す。このタイプのインジケータを用いて構成されたセンサからの出力が、酸素を除くすべての変数を隔離した環境から検出されると、図１に示すようなプロットが見られる。図示されるようなシュテルン−フォルマーのプロットを用いて、酸素（アナライト）の存在または非存在下における強度を測定し、曲線にプロットしてＸ軸から対応する酸素濃度を決定することができる。
【０００７】
しかしながら、ＫＳＶは温度の関数であり、ほとんどの実際上の適用において試験媒体の温度は実質的に変化するものと考えられる。しかも温度は急速に変化することがある。ＫＳＶの温度応答性を考慮して、シュテルン−フォルマーの関係を異なる温度に対応させた一連の曲線として示すと図２のようになる。
【０００８】
温度のような第２の変数の導入は第１の変数（すなわちアナライト濃度）の測定をより一層困難にする。測定された強度値から酸素濃度を正確に導き出すために用いるべきシュテルン−フォルマー曲線がどれであるかを知るには、温度を正確に測定しなければならない。
【０００９】
さらに別の影響変数の一例は信号ドリフトである。ドリフトは多数の要因、知られているものもあるが中には知られていないものをも含む多数の要因によって影響を受けるので、温度よりも予測が困難である。このような多くのドリフトの事例の一つは、ルテニウム・トリス−ビフェニルフェナントロリンをインジケータとする場合に光酸化によって示される。光酸化ないし光ブリーチングは、インジケータと周囲の酸素との間で反応（主として光化学反応）が起こるときに生ずる滅損（デグラデーション）である。ルテニウム・トリス−ビフェニルフェナントロリンのインジケータの場合は一重項酸素によって光滅損が生ずる。この滅損反応の結果として、インジケータ分子構造の電子核共有変質が永続的に行われる。インジケータ分子が酸化されると、その公知の特性および目的アナライトに対する応答性が失われる。光酸化による可変ドリフト成分が図２に示される先の温度依存変数の上に重なると、図３に示すような複雑な曲線となる。図３は、わずか３つの変数、すなわち変化する酸素濃度、変化する温度、および光酸化滅損によって進行するドリフトの結果として変化する振幅の３つの変数の影響下でのシュテルン−フォルマー類似曲線を示す。温度とセンサが受ける滅損量を知らない限り、どの曲線を用いて酸素濃度を特定すべきかを判断することができない。
【００１０】
もう一つの生じ得る誤差は励起光レベルの変化によるものである。励起光源はインジケータから検出される蛍光発光を直接的に供給するものであるから、光源におけるあらゆる変動や減衰は測定誤差に直結する。センサ電源の一瞬の変動や、光源自体の単純な動作寿命減衰によっても光源ドリフトが生ずる。センサから供給されたデータに基づいて正確なアナライト測定を行うためには、このドラフトを補正する手段が必要となる。
【００１１】
以上より理解されるように、単一のアナライトを測定する目的でエレクトロオプティカルセンサ装置を設計するためには、運動性分子の安定性、および測定誤差を導くような影響要因を補正するための手段を設けることが必要となる。これらの影響要因は複雑であり且つ高度に相互依存している。たとえば、温度が上昇すると、光酸化による滅損速度が増大する傾向にある。上述の３つの影響要因の他にも、多くの既知および未知の影響要因が存在する。結果として、エレクトロオプティカルセンサ装置による測定精度に直接影響を与える相互関連変数群を理解することはきわめて困難である。
【００１２】
潜在的変数のマトリクスを補正する一つの方法は、外環境内に存在するアナライトを除くすべての変数に対して応答性を有する参照通路を形成することである。参照通路からの出力を用い、たとえばセンサ通路および参照通路からの出力比を考慮することによって、センサ通路に対する上記変数の影響を排除することができる。外環境内のアナライト量に変化がなければ、この比は時間経過によっても一定に維持され、したがって、この比をグラフ化すれば平坦な線で示される。このことは、出力比に生ずる変化は外環境内のアナライト量変化のみに由来するものであることを意味している。
【００１３】
アナライト測定中に参照通路を上記のように用いることについては幾つかの例が公知となっている。たとえば、ここにその全開示内容が参照として引用されるところの米国特許第３６１２８６６号公報に記載の蛍光酸素センサは、測定通路と同一のインジケータ化学物質を含有するが、ワニスでコーティングすることにより酸素不浸透性とした点で測定通路とは異なる設計とされた参照通路を有している。ここにその全開示内容が参照として引用されるところの１９９９年８月２６日出願の「Optical-Based Sensing Devices」と題する米国特許出願第０９／３８３１４８号（２００１年１２月１１日に米国特許第６３３０４６４号として成立）に記載の別の蛍光酸素センサは、センサないし信号通路と同一のベース化学物質で始まるが、たとえば酸素不浸透製剤量でコーティングされることによって酸素拡散を遮断するよう処理される参照通路を有している。
【００１４】
この試みは、しかしながら、出力比を考慮しても除去することのできない別の相違を通路間に誘発する可能性がある。たとえば参照通路からの出力がコーティング材料の反射率によって増減する可能性が生ずる。各通路のゲインステージを同一に設計すると、反射率の差によって一方が他方よりも実質的に高いレベルで動作する。さらに、蛍光発光と同一波長で外環境に存在し得る周辺光は参照通路には捕捉されない可能性が高く、したがって相殺することができない。
【００１５】
インジケータ材料ないしマトリクスがセンサ通路の支配的特性を生成するのに対し、参照通路の特性はコーティングの表面化学性状によって支配されるという事実によって、もう一つの相違が生ずる。ダストや凝縮(condensation)に対する感受性、化学的適合性(chemical compatibility)、あるいは摩耗などによってさらに別の相違も生じ得る。
【００１６】
表面乱流（surface turbulence）によって引き起こされる機械的ミクロ熱の影響が、コーティング被覆で保護された参照通路における相違となることもまた考慮すべき事項である。さらに、比吸収（specific absorption）または拡散特性も相違しているかも知れない。コーティングによる光の散乱および吸収の影響はインジケータ分子上の励起フラックスを強めるので、光酸化速度は大きく相違するものと考えられる。この結果として、光ブリーチング速度が異なり、参照通路を用いることによる根幹的利点が失われる。
【００１７】
重要なことは、コーティング材料内のアナライトの固有溶解性（inherent solubility）が参照通路によって見られる濃度を確立すると言うことである。たとえばアナライトが酸素である場合、酸素に対するコーティング材料の固有溶解性は、コーティング材料と参照通路の上面との間の界面で維持される酸素レベルである。この溶解性が結果として空気中の酸素濃度よりも遙かに低い平衡濃度を生じさせるものと推測すると、参照通路は比較的低酸素の環境を見ることになる。したがって低酸素環境であるかのように作動する。インジケータ分子が上述のようなルテニウム錯体である場合、酸素消滅と蛍光発光強度との間の反比例によって、センサベースライン上では参照通路の蛍光発光は信号通路よりも遙かに強いものとなる。さらに、この例では参照通路と平衡に酸素がほとんど存在しないのが通例であるため、（既述した光散乱の影響を超える）光酸化速度は、空気中酸素に対するコーティング中酸素の比によって低下する。初期の適用においてインジケータマトリクス内のコーティング材料の化学成分を一部または全面的に変更することによる該化学成分との間のあらゆる反応は、信号通路に対する反応特性を変化させる。
【００１８】
図４は前出の米国特許第６３３０４６４号公報に記載されるものと概して同一タイプのオプティカルセンサ装置１０を示し、ハウジング１６内において基板１４上に載置されたＬＥＤよりなる励起源１２と、ハウジングに形成した開口２０Ａ，２０Ｂの上に重ねて設けられた一対のインジケータメンブレン１８Ａ，１８Ｂと、ＬＥＤの両側に配置された一対の感光素子２２Ａ，２２Ｂとを有する。両インジケータメンブレンは同一のベース化学物質を有するが、図４の右側に示されるインジケータメンブレン１８Ｂは酸素不透過性材料２４でコーティングされ、参照通路を形成している。
【００１９】
図５は、図４に示すタイプのセンサ装置についての実際の試験結果を示すグラフであり、一定の酸素濃度を有する周囲の空気にセンサ装置を所定時間晒したときに信号通路と参照通路とに顕著に相違するレスポンスが生ずることを示している。ここに示されるように、信号通路と参照通路の出力比は所望される平坦ラインではなく、増加する関数で示されており、測定結果の解釈を複雑なものとしている。
【００２０】
上記に加えて、アナライト検出中に参照を用いる他の方法も公知である。たとえば、ここにそれらの全開示内容が参照のために引用されるところの米国特許第４８６１７２７号公報および米国特許第５１９０７２９号公報に記載される酸素センサは、２つの異なる波長を発散する２つの異なるランタニド系インジケータ化学物質、すなわち酸素によって減衰するテルビウム系インジケータと酸素によっては大きな影響を受けないユーロピウム系インジケータとを用いている。ここにその全開示内容を参照のために引用されるところの米国特許第５０９４９５９号に記載される酸素センサでは、単一のインジケータ物質がある波長で発光せしめられ、この分子からの蛍光発光を、酸素に対する応答性が異なる２つの発光スペクトルに亘って測定する。ここでは、酸素応答性の小さい方の発光スペクトルが２つの発光強度の比をとるための参照として用いられている。ここにそれらの全開示内容を参照のために引用されるところの米国特許第５４６２８８０号および米国特許第５７２８４２２号に記載される発光分析型蛍光酸素検出方法は、酸素によっては実質的に影響されず且つインジケータ分子に近似した光分解速度を有する参照分子を用いている。さらに、ここにその全開示内容を参照のために引用されるところの「ANALYST」第１２１巻３３９−３４３頁（Muller. B. et al., 1996年3月）に記載される溶解二酸化炭素用蛍光センサによれば、青色ＬＥＤ光源が光ファイバーカプラーを通ってインジケータ通路および別の参照感光素子に向けられており、該参照感光素子でＬＥＤ光強度変化を検出している。
【００２１】
さらに、ここにその全開示内容を参照のために引用されるところの米国特許第４５８００５９号に記載される蛍光発光ベースのセンサは、励起光源の強度変化を測定するために参照用光測定セルを有している（特にコラム１０の１行目以降を参照）。さらにまた、ここにその全開示内容を参照のために引用されるところの米国特許第４６１７２７７号に記載される吸光度ベースの一酸化炭素センサでは、参照用素子を用いて光源からの光を参照用光電池に反射させ、不可逆的な変色を観測することによって、測定素子の交換時期を検出している。
【００２２】
これらの状況において、本発明が解決しようとする課題は、外環境における目的アナライトの存在を除く他のすべての環境的および内的要因に対して測定通路と実質的に同一に応答する参照通路を有するエレクトロオプティカルセンサ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の第１の観点は、概して、発光源からの励起発光を受け且つその結果として生ずる発光を一対の感光素子に送るよう位置付けられた一対のインジケータ素子を有して構成されるところの、周囲の流体（すなわち液体または気体の媒体）中のアナライトの存在およびその濃度を検出するためのエレクトロオプティカルセンサ装置によって特徴付けられる。各インジケータ素子は、アナライトの存在に応答する光学特性を有するインジケータ分子を含むが、そのうちの一つのインジケータ素子はアナライト不透過性のチャンバによって被覆されており、該インジケータ素子は外環境に存在するアナライトには応答しないものとされ、したがって、該インジケータ素子は両方のインジケータ素子に対して影響を与える周囲および系内の変数を打ち消すための参照として用いられる。チャンバは、好ましくは参照インジケータ素子と接触するアナライト含有流体を収容し、このため、インジケータ素子は名目的に同一の条件で動作する。外部媒体中のアナライトを測定するために用いられるインジケータ素子もまた被覆されることが好ましいが、アナライトとインジケータ素子との直接接触を許容するものでなければならない。
【００２４】
参照は、センサ装置の構造に固有の部品操作における変化ないしドリフト、センサの外側の環境条件、あるいはこれらの組み合わせを補填ないし補正するために使用することができる。たとえば、多くの要因の中でもとりわけ、発光源の経時劣化、感光素子の性能ないし感光性に影響を与える変化、インジケータ分子の劣化、インジケータ分子の光透過率の変化などによって誘発される内的変数を補填または補正するために参照を使用することができる。他の例では、アナライトの存在ないし濃度にかかわらずインジケータ分子の光学特性または見掛け上の光学特性に影響を与える可能性のある環境変数（たとえば温度など装置の外側に要因によって影響される変数）を補填または補正するために参照を使用することができる。
【００２５】
本発明の他の観点は、概して、発光を放射する発光源と、発光を受けて電気信号を出力するように構成された第１および第２の感光素子と、発光源からの発光を受けて第１および第２の感光素子にそれぞれ発光を伝えるように配置されており、各々がアナライトの存在に応答する光特性を備えたインジケータ分子を有しているところの第１および第２のインジケータ素子と、第２のインジケータ素子の少なくとも一部を被覆して第２のインジケータ素子を装置外の媒体に存在するアナライトに対して不感応なものとするアナライト不透過性チャンバとを有し、第１および第２の感光素子からの出力比を用いて外部媒体中のアナライトの存在および濃度を測定するように構成されたエレクトロオプティカルセンサ装置であることによって特徴付けられている。
【００２６】
センサ装置のチャンバにはアナライト含有流体を充填することができる。この流体は液体（水など）であっても気体（空気など）であってもよい。アナライト含有流体は外部媒体と同じものであっても異なるものであってもよい。アナライトが気体である場合、チャンバ流体中のアナライト分圧は周囲の媒体中のアナライト分圧の予測範囲内であることが好ましい。
【００２７】
好適なインジケータ分子の一例を挙げれば、トリス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（II）過塩素酸塩である。
【００２８】
装置は、第１および第２のインジケータ素子と、第１および第２の感光素子と、発光源とを収容するハウジングを含むことができる。アナライト不透過性のカバーをハウジングに装着して、少なくともチャンバの一部によって第２のインジケータ素子を被覆する構成を採用することができる。開口がハウジングに形成されている場合、第２のインジケータ素子とカバーを該開口の両側に設けて、それらの間にチャンバを形成することができる。該開口内に延長するプラグをカバーに設けることができる。カバーは任意の適当な材料で形成することができるが、好ましくは金属製である。必要であれば、アナライト透過性の第１のカバーを第１のインジケータ素子を被覆するようにハウジングに設けることができる。第１のカバーを貫通する穴を設け、第１の光学インジケータ素子と外部媒体との間の流通を許容する構成とすることができる。ハウジングに第１および第２の開口を形成し、第１の開口の両側に第１のインジケータ素子と第１のアナライト透過性カバーを設け、第２の開口の両側に第二のインジケータ素子と第２のアナライト不透過性カバーを設けてそれらの間にチャンバを形成した構成としてもよい。第１および第２のカバーは穴を除いては実質的に近似した形状とすることが好ましい。
【００２９】
本発明のさらに別の観点は、概して、流体媒体に晒された第１のインジケータ素子と、少なくとも部分的にアナライト不透過性チャンバに覆われていて流体媒体中のアナライト存在に対する応答性を持たない第２のインジケータ素子とを有し、第２のインジケータ素子を用いて両インジケータ素子に対して影響を与える環境変数および内的変数を相殺するための参照として用いるように構成されたエレクトロオプティカルセンサ装置を用いて、流体媒体中のアナライトを検出する方法として特徴付けられる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、外環境における目的アナライトの存在を除く他のすべての環境的および内的要因に対して測定通路と実質的に同一に応答する参照通路を有するエレクトロオプティカルセンサ装置を提供することができる。
【００３１】
さらに、従来技術に対する本発明の利点として、測定精度の向上、インジケータ素子の機構的保護の向上、製造の容易性および汚染防止が挙げられる。
【００３２】
上述およびその他の目的、特徴および利点は添付図面に関連して下記詳細な記述を参照することにより十分に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明によるエレクトロオプティカルセンサ装置１００が図６および図７に示されている。センサ装置１００は、概して、インジケータ素子１０２Ａと感光素子１０４Ａを備えた信号通路と、インジケータ素子１０２Ｂと感光素子１０４Ｂを備えた参照通路と、これら信号通路および参照通路の両方に対して励起発光を与える発光源１０６とを有する。インジケータ素子１０２Ａ，１０２Ｂは各々、アナライトの局在によって影響される一またはより多くの光学特性を有するインジケータ分子を含有するインジケータ層（レイヤ）ないし膜（メンブレン）を有する。信号通路のインジケータメンブレン１０３Ａは装置の外部に露出し、したがって外環境ないし媒体中のアナライトの局在に応答する。参照通路のインジケータメンブレン１０３Ｂはその周囲を覆われており、したがって外環境中のアナライトの局在に対して応答しない。その他の点においてはメンブレンは同様であるので、信号通路および参照通路からの出力比は両通路に共通の変化、たとえばセンサ装置に固有の動作上の変化および／またはセンサ装置の外の環境変化などの変化を打ち消す。センサ装置の上記観点は、前述の米国特許第６３３０４６４号公報に記述されるデュアルチャネルエレクトロオプティカルセンサ装置に用いられるものと近似している。しかしながら、本発明によれば、センサ装置１００は気密シールされたチャンバ１０８を形成するように構成されており、このチャンバは好ましくはアナライト含有流体１１０を収容してこれを参照通路のインジケータメンブレン１０３Ｂと直接接触させる。チャンバ１０８内の流体１１０が外環境に含有されるアナライトと同一タイプのアナライトを含むものである場合、この構成によれば、発光源の変化に対する参照通路の応答経過時間、外環境温度およびメンブレンの光酸化は、これらに対する信号通路の応答と実質的に同一または近似したものとなる。同時に、気密シールは参照通路を外環境中のアナライトの濃度変化から隔離し、上述の信号／参照通路出力比を用いることによってアナライト濃度以外の環境要因を打ち消すことができる。
【００３４】
図示の実施形態では、センサ装置１００の信号／参照通路が一つのチップ状パッケージに収容され、該パッケージからのリード線１１２を介して動力、信号などをセンサ装置に入力しおよび／またはセンサ装置から出力するようになっている。図示のパッケージは、長方形のプリント基板の敬樹を有する装置基板１１４と、この基板の両端に沿って配列された２列のリード線１１２と、リード線列の間において基板上に設けられたハウジング１１６とを有する。好適な実施形態によれば、基板１１４はアルミナセラミックで形成される。離れた部品は基板と電気接続され、このための手法としては慣用のはんだ付けペーストや、Ablestick Electronic Materials社による「ABLEBOND（登録商標） 84」などの導電性エポキシを用いることができる。
【００３５】
ハウジング１１６は、概して長方形の上面１１８と、その両端から垂下する２つの側面１２０Ａ，１２０Ｂとを有する。側面１２０Ａ，１２０Ｂの下端は基板１１４の上面に載置され、上面１１８を基板から垂直方向に離隔した位置に保持している。ハウジング１１６は環境保護に留意しつつ適当な材料を用いて形成することができるが、上面１１８を基板から垂直方向に離隔した平行面上に正確に保持するために、比較的硬質なプラスチックまたは金属材料で形成することが好ましい。ハウジング１１６と基板１１４との間の領域は空間であってよいが、好ましくはこの領域に導波管を収容する。導波管としては、良好な光学特性を有する「Epoxy Technologies 301」（商標名）などを用いることができるが、もちろん他の適当な材料を用いてもよい。完成された光通路（すなわち発光源、インジケータメンブレンおよび感光素子の間の光通路）は、最小の内部反射ロスで最大の光キャプチャが得られるような屈折率を有することが好ましい。
【００３６】
ハウジング１１６の上面１１８を貫通する第１および第２の開口１２２Ａ，１２２Ｂがインジケータメンブレン１０３Ａ，１０３Ｂに通ずる離れた位置に形成されている。これらの開口１２２Ａ，１２２Ｂは好ましくは上面１１８上に対称に配置され、インジケータメンブレン１０３Ａ，１０３Ｂが近似した条件に置かれるようにしている。図示実施形態では、開口１２２Ａ，１２２Ｂはいずれもハウジング１１６の長手軸に沿って、上面１１８の両端から等距離位置に形成されている。開口１２２Ａ，１２２Ｂは同一の円孔であって、インジケータ素子１０２Ａ，１０２Ｂよりも幾らか小径のものとして示されているが、これら開口の形状および／または寸法は異なるタイプの素子を収容するために変えることができる。
【００３７】
インジケータ素子１０２Ａ，１０２Ｂはハウジング１１６の内部においてその上面１１８に形成された開口１２２Ａ，１２２Ｂに近接して配置される。この実施形態に示されるインジケータ素子１０２Ａ，１０２Ｂは各々長方形基板１０５Ａ，１０５Ｂを有しており、これら長方形基板は開口１２２Ａ，１２２Ｂよりも幾分大きく、その周縁部を開口回りのハウジング１１６の内面に固着して気密シールを形成できるようにされている。上述のように、インジケータ素子１０２Ａ，１０２Ｂはまた、アナライトの局在によって影響を受ける一またはより多数の光学特性を有するインジケータ分子を含んでいる。インジケータ分子は好ましくは、各基板１０５Ａ，１０５Ｂの中央部に開口１２２Ａ，１２２Ｂと整列して形成されたメンブレンまたはレイヤ１０３Ａ，１０３Ｂの一部分である。メンブレン基板１０５Ａ，１０５Ｂは好ましくは同一材料で形成され且つ同一厚みを有しており、インジケータ素子が同様の熱特性を示すようにしている。一例として、メンブレン基板はホウケイ酸ガラスなどの透光性材料で形成され、その中にインジケータ分子を固定ないし捕捉するゾル−ゲルまたはＯｒｍｏｓｉｌと呼ばれる無機ポリマーサポートマトリクスを有する。これらの物質および技法は公知であり、たとえば「Tailoring of Sol-Gel Films for Optical Sensing of Oxygen in Gas and Aqueous Phase」, McDonagh et al, Analytical Chemistry, Vol.70, No.1, 1998年1月1日,45-50頁； 「Organically Modified Sol-Gel Sensors」, Lev. O, Analytical Chemistry, Bol.67, No.1, 1995年1月1日； 「Development of a LED-based Fibre Optic Oxygen Sensor Using a Sol-Gel Derived Coating」, MacCraith et al, SPIE, Vol.2293, 110-120頁, 1994年； 「Ormosil Thin Films for Chemical Sensing Platforms, Krihak et al, SPIE, Vol.2836, 105-115頁, 1996年に記載されている。これらの開示内容のすべてをここに参照のために引用する。これらのタイプの材料を、当業界において公知である各種の技術、たとえばディッピング（dipping）、スワビング(swabbing)、スキージング(squeegeeing)、シルクスクリーニング（silk screening）、パッドプリント(pad printing)、気相蒸着法（vapor deposition）、インクジェットプリント(ink-jet printing)などによって該当するインジケータ素子基材に適用することができる。他の実施形態によれば、インジケータメンブレンを装置のカバー、封止材（encapsulant）あるいは他の部品に直接取り付けるなどによって、インジケータ素子のいずれか一方または両方を専用の基板なしに形成することができる。
【００３８】
酸素検出用に適したインジケータ分子は、前記特許文献１のコラム１，１６−１９行に記載されるトリス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（II）過塩素酸塩分子である。メンブレンは前述の米国特許第６３３０４６４号公報に記述されるような各種の他の材料を含み得る。
【００３９】
発光源１０６は、各インジケータ素子１０２Ａ，１０２Ｂ上のインジケータ分子を励起するに適した箇所において基板１１４上に取り付けられる。通路間の同質性を維持するため、発光源１０６は各インジケータ素子１０２Ａ，１０２Ｂから等距離の位置に配置されることが好ましい。あらゆる好適な発光源が使用可能であるが、ＬＥＤが好ましい。発光源から発せられる発光の波長は用いられるインジケータ分子のタイプに依存する。たとえば、先に引用したルテニウム分子の場合、発光源は紫外線バンドにおいてたとえば４６０ｎｍで光を発することが好ましい。図示の発光源１０６は感光素子１０４Ａ，１０４Ｂとインジケータ素子１０２Ａ，１０２Ｂとの中間に配置されているが、信号／参照通路メンブレンに対して適切な励起を与えるものであれば、その他の位置に発光源を配置してもよい。
【００４０】
感光素子１０４Ａ，１０４Ｂは、発光源１０６の両側にインジケータ素子１０２Ａ，１０２Ｂと概して整列するよう、装置基板１１４上に取り付けられる。感光素子としてはAdvanced Photonics, Inc.社の「150-20-002」（商標名）のようなシリコンフォトダイオードが好適に用いられ、好ましくはボールボンド（ball bonds）および導電性エポキシを用いてフリップチップ実装する。好ましくは光フィルタ１２４Ａ，１２４Ｂが各感光素子に設けられる。一例として、各光フィルタは、CVI Laser Corporation社から入手可能な「LP-595」（商標名）フィルタ樹脂などのハイパスフィルタエポキシを用いて形成され、ルテニウム分子からの蛍光発光に対応してたとえば６００ｎｍカットオフを有する。他例において、各光フィルタは市販のフィルタシートストックから形成することもできる。光フィルタは好ましくはインジケータメンブレンからの蛍光発光を、発光源の励起エネルギーから分離する。別例の実施形態によれば、各光フィルタは所定帯域を外れる波長を拒絶する帯域フィルタを用いて形成することができる。帯域フィルタは多くの供給元から提供されていて容易に市場で入手可能であり、周辺光で装置を動作可能とする。
【００４１】
カバー１２６Ｂがインジケータ素子１０２Ｂと間隔をおいて参照通路開口１２２Ｂの上に設けられ、気密シールされたチャンバ１０８を形成している。このチャンバは、参照通路を外環境中のアナライト濃度変化から隔離すると同時に、参照通路がセンサ装置の外側の他の環境変化（たとえば温度）やセンサ装置に固有の動作変化（たとえば光低下や電源変動）に対して信号通路と同じように応答するようにしている。図示実施形態では、参照通路カバー１２６Ｂは、開口１２２Ｂ内にフィットするような形状を有する円筒形プラグ１２８Ｂと、このプラグの上端から径方向外側に延長する円形フランジ１３０Ｂとを有する。図７に最良に示されるように、プラグ１２８Ｂは開口１２２Ｂに上方から押し込み装着され、ハウジング壁１１８の厚み方向に延長するが、該プラグの底面とインジケータメンブレンとの間に空隙が確保されている。プラグ１２８Ｂの頂部から径方向外方に延長する円形フランジ１３０Ｂは、開口１２２Ｂの周縁を完全に取り囲むハウジング１１６上面部分と接する下方環状接触面を有し、気密シールを形成して、アナライト含有流体が外環境からチャンバに移動することを防止する。参照通路カバー１２６Ｂはあらゆる好適な材料で形成可能であるが、チャンバ内の流体が外環境内の流体と同様の温度変化を受けるものとするために、良好な熱伝導性を備えたアナライト不透過性材料で形成されることが好ましい。また、高い反射率を有する材料で形成することも有利である。カバーのための好適な材料を例示すれば、真鍮、アルミおよび鉄であるが、これらに限定されるものではない。プラスチックやセラミクスなどの絶縁材料または半絶縁材料もまた使用可能である。外環境が、目的とする波長に合致するバックグラウンド発光を含むときは、カバーを透明材料で形成して該バックグラウンド発光を打ち消すようにすることが好ましい。カバー１２６Ｂは気密シールを生成することができるものであればいかなる技術を用いてハウジング１１６に固定してもよいが、特定のハウジングおよびカバーの材料に適した接着剤を用いて接着することが好ましい。
【００４２】
気密チャンバ１０８が参照インジケータ素子１０２Ｂの上方に存在することにより、通路は、流体が充満している空隙による断熱とカバー１２６Ｂによる反射光とに起因するアンバランス状態となる。これらの要因を補填するため、センサ装置１００は信号通路開口１２２Ａの上方に任意の信号通路カバー１２６Ａを設けたものとして示されている。信号通路カバー１２６Ａは上述の参照通路カバー１２６Ｂと略同様であるが、信号通路インジケータ素子１０２Ａと外環境内の流体との間の直接接触を許容するよう変更されている。図示実施形態では、カバー１２６Ａには該カバーを貫通する穴１３２が形成されている。参照通路カバー１２６Ｂの反射率と熱特性に近似させるため、穴１３２は、好ましくは開口１２２Ａの寸法よりも十分に小さく形成される（たとえば開口領域の約５０％未満）。単一の穴１３２が示されているが、信号通路カバー１２６Ａに形成される通路ないし穴の数は任意である。これに代えて、または穴に加えて、環状接触面を横切る溝を、プラグに形成した縦溝または開口に連通して形成して、信号通路のインジケータ素子１０２Ａと外環境との間の流通を可能にするようにしてもよい。
【００４３】
センサ装置１００はこの開示に基づいて当業者が様々な方法で製造することが可能であるが、図６および図７に示す装置の製造方法の一例は以下の通りである。回路基板１１４は注文製造してもよいが、多数の供給元から市場入手可能なタイプ（たとえばアルミナセラミックまたはグラスファイバ）とすることが好ましい。アンプ、フィルタおよびインダクタなどの部品を含む回路はあらゆる従来公知の手法によって基板１１４上に形成することができ、たとえば公知のはんだ付けペーストや前出のAblestick Electronic Materials社による「ABLEBOND（登録商標） 84」などの導電性エポキシを用いてこれらの部品を基板上に直接実装することができる。続いて必要に応じて回路部品を配線して回路接続を完成することができる。Advanced Photonics, Inc.社の「150-20-002」（商標名）のようなシリコンフォトダイオードを感光素子１０４Ａ，１０４Ｂとして用い、好ましくはボールボンドおよび導電性エポキシを用いて基板上にフリップチップ実装する。フィルタ１２４Ａ，１２４Ｂは、CVI Laser Corporation社から入手可能な「LP-595」（商標名）などの光フィルタ材料を用い、あるいは市場入手可能なシートストックを用いて作ることができる。フィルタ１２４Ａ，１２４Ｂは別個に形成して感光素子１０４Ａ，１０４Ｂに接合してもよく、あるいは感光素子上に直接形成してもよい。前述のように、発光源１０６は感光素子１０４Ａ，１０４Ｂの間にインジケータ素子１０２Ａ，１０２Ｂと対称的な関係となるように基板１１４上に配置することが好ましい。
【００４４】
インジケータ素子１０２Ａ，１０２Ｂおよびカバー１２６Ａ，１２６Ｂはあらゆる好適な手法でハウジング１１６に取り付けることができるが、各材料に適した接着剤を用いて接着することが好ましい。ハウジングを製造する一つの好適な方法は、メンブレンに含まれるインジケータ分子がハウジング内の開口１２２Ａ，１２２Ｂを通ってハウジングの外側を向くようにインジケータ素子１０２Ａ，１０２Ｂをハウジング１１６の内面に接合し、カバー１２６Ａ，１２６Ｂをハウジングの外面に開口を覆うように接合することである。好ましくは、参照通路カバー１２６Ｂを接合または他の方法でシールする工程は、測定が行われる環境に対して適切な特性を有する環境内で行われる。あるいはまた、チャンバには外部媒体とは異なる媒体を充満させてもよい（気体アナライトの場合、チャンバ内のアナライト分圧が外部媒体内の予期されるアナライト分圧の範囲内である限りにおいて）。たとえば、空気を充満した参照チャンバを備えた装置を用いることで、水や血液などの液体媒体に広い分圧範囲で溶解する酸素を効果的に検出できることが確認されている。
【００４５】
ハウジング１１６はあらゆる従来公知の手法で基板１１４に取り付けることができるが、接着剤を用いて接合することが好ましい。透光性封止材１３４をハウジング１１６と基板１１４との間の空間Ｒに注入して導波管として機能させ、カバー１２６Ａ，１２６Ｂとともに回路に対する環境保護を付与することができる。ハウジング１１６が比較的可撓性の材料で形成される場合、封止材１３４はさらにメンブレンや感光素子などの光部品の空間整列（spatial alignment）を維持するのに貢献する。
【００４６】
図６および図７に示すエレクトロオプティカルセンサ装置１００の例示的動作は下記のとおりである。媒体中のアナライト濃度を測定するために、センサ装置１００を目的とする環境または媒体内に配置する。一例として、環境は呼吸回路内の空気であり、アナライトは酸素である。測定を必要とするとき、動力を発光源１０６に供給してセンサ装置内に発光を発する。図示実施形態ではリード線１１２を介して外部動力源から動力を供給する。しかしながら、バッテリなどの内部動力源から動力を供給したり、あるいはここに参照のために引用する前出米国特許第６３３０４６４号公報に記載のセンサ装置に形成されるインダクション回路を介して外部動力源から動力を供給することも可能である。
【００４７】
発光源１０６から放出された発光は、図７に矢印で示されるようにセンサ装置を伝搬し、信号メンブレン１０３Ａおよび参照メンブレン１０３Ｂの両方に到達する。これらメンブレンに収容されたインジケータ分子が該発光によって励起され、同じく図７に矢印で示されるように光をセンサ装置に発散する。インジケータメンブレン１０３Ａ，１０３Ｂからの発光はアナライトの局在によって変化（すなわち減衰または増幅）する。たとえば、錯体トリス（４，７−ジフェニル−１，１０−フェナントロリン）ルテニウム（II）過塩素酸塩のオレンジおよび赤色がかった蛍光発光は酸素の局在によって消滅することが知られている。上述のように、センサ装置において、信号通路は外環境ないし媒体に露出しているのに対し、シールされたチャンバ１０８には参照メンブレン１０３Ｂと直接接触するアナライトが適当な濃度で含まれた流体１１０が収容されている。したがって、信号メンブレン１０３Ａからの発光の変動は外環境に存在するアナライトの量変動によって部分的に影響を受けるのに対して、参照メンブレン１０３Ｂからの発光は温度、光酸化、動力源の変動などの他の変動要因によってのみ変動する。ハウジング１１６内の各開口１２２Ａ，１２２Ｂを被覆するカバー１２６Ａ，１２６Ｂは実質的に同一の機構を有するので、これらの他の変動要因は両方の通路に対して同様に影響を与える。
【００４８】
気体アナリストの場合、上述のセンサ装置はアナライトの分圧を測定する。センサ装置は分圧を測定するが、望むならば公知の技術を用いて直ちに濃度に返還することができる。
【００４９】
各インジケータ素子１０２Ａ，１０２Ｂからの光はセンサ装置内を通り、フィルタ１２４Ａ，１２４Ｂを介して対応する感光素子１０４Ａ，１０４Ｂに到達する。フィルタ１２４Ａ，１２４Ｂは、発光源からの散乱光（および環境によっては信号と干渉する可能性のある周辺光）を濾過除去し、インジケータ分子からの発光が感光素子１０４Ａ，１０４Ｂに到達することを許容するように構成されている。感光素子１０４Ａ，１０４Ｂはインジケータ素子１０２Ａ，１０２Ｂからの光を受けてそれぞれ電気出力を発生する。これらの出力はリード線１１２を介して外部装置に直接送出して処理してもよく、および／または送信前にセンサ装置１００内の回路を用いて内部処理してもよい。外環境内のアナライト濃度以外の変動要因は信号通路および参照通路の両方に同様に影響を与えるので、信号通路出力と参照通路出力の比を考慮することによってこれらの変動要因は相殺され、外環境内のアナライト濃度のみに比例した出力が得られる。
【００５０】
図８は、図６および図７に示すセンサ装置１００において参照チャンバに空気を充填して信号通路および参照通路からの出力を測定した実際の試験データを示す。図４に示すようにセンサ装置１００に関して記述した同一の条件の下で試験を行った。この図から明らかなように、装置１００の参照通路出力Ａと信号通路出力Ｂは環境変化および系内変化に対して経時的に同様に応答するので、これらの出力比Ｃは外的媒体内のアナライト濃度変化がなければ常にフラットな線になる。したがって、この比を用いてアナライト変動にのみ比例する出力を与えることができる。
【００５１】
図６および図７に示すセンサ装置１００は様々に変形可能であることを理解しなければならない。たとえば、パッケージングのサイズおよび／または形状は様々な用途に適合するように変更することができる。パッケージングは、無線周波数（ＲＦ）送信機および受信機を用いて構成された無線接続（これに限定されない）を含む外部装置に対する接続を行うために、図示のリード線やその他の接続手段を備えている。装置はバッテリなどの内部動力源によって、またはリード線、インダクションあるいはその他の機構を通じて接続される外部動力源によって作動する。
【００５２】
装置の様々な特徴の形状および構成もまた変更可能である。たとえば、ハウジングの上面に形成される開口は図示の円形のほか、長方形あるいはその他のいかなる形状であってもよい。開口はハウジングのいかなる場所に設けられてもよいが、発光源に対して対称的に配置して信号通路と参照通路との間の同質性を確保することが好ましい。同様に、インジケータ素子も図示の長方形に限らず、円形あるいはその他のいかなる形状であってもよい。インジケータメンブレンは基板上に支持して設けてもよいし、あるいは装置の他の部分、たとえばカバー上に配置してもよい。独立したメンブレン基板が用いられる場合、これを図示のように板状部材として、装置の内部部品間の空間に導波材料を充填することができるが、その他の適当な形状を有するものとしてもよい。さらに、インジケータ素子は、ハウジングの上面の上方または下方、ハウジング上面に形成した開口内、封止材に形成したポケット内などの任意の位置に設けることができる。また、信号通路メンブレンおよび参照通路メンブレンから発光される光同士のクロストーク（cross talk）を阻止するために、インジケータ素子間に隔壁を設けることができる。この隔壁は、感光素子に影響を与え得る光を通さないものであることが好ましい。
【００５３】
ハウジングは装置の様々な部品を支持するためのいかなる形状を有するものであってもよい。たとえば、ハウジングは、基板から延長する一または複数の壁を有することができ、この壁によってインジケータ素子を感光素子に対して離れた位置に支持する。励起源、インジケータ素子および感光素子の間の空間には導波材料で形成された封止材を充填することが好ましい。封止材を用いると、この封止材がハウジングとして機能して、壁を用いる必要なしに、機能部品を支持することができる。
【００５４】
酸素測定のために蛍光性インジケータ分子を使用することが記述されているが、目的とするアナライトに応じて他のタイプのインジケータ分子やそれらの組み合わせを用いてもよいことが理解されなければならない。たとえば、ここにその開示内容が参照として引用されるところの米国特許第５５１２２４６号公報に記述されるような光吸収性インジケータ分子を用いて、グルコースを含む糖質などのポリヒドロキシル化合物の測定に用いることができる。他の例として、ここにそれらの開示内容が参照として引用されるところの米国特許第６３４４３６０号公報、２００１年１２月28日出願の米国特許出願第１０／０２９１８４号の公開公報、２００１年１２月28日出願の米国特許出願第１０／０２８８３１号の公開公報および２００２年３月１４日出願の米国特許仮出願第６０／３６３８８５号の公開公報などに記述されたインジケータ分子を用いて、グルコースを含む糖質などのビシナルジオール、ポリヒドロキシル化合物の測定に用いることができる。場合によっては、一方のメンブレンに蛍光性インジケータ分子を用いるとともに、他方のメンブレンには光吸収性インジケータ分子を用いることも可能である。しかしながら、多くの場合、信号メンブレンと参照メンブレンには上述したような同じインジケータ分子が用いられる。
【００５５】
好ましくは、参照通路と信号通路の両方は、センサ装置ハウジングに形成した対応する開口上に設けられるカバーを有する。信号通路カバーは参照通路カバーと同様であることが好ましいが、適切な同質性が実現されるならば顕著に異なる設計がなされてもよい。信号通路はまた、望むならばカバーなしで動作するものであってもよい。参照通路カバーおよび信号通路カバーは、ハウジング表面と面一に設けられる平板状部材、ハウジング表面の近くに空間を形成する凸面部材、ハウジング内の開口にフィットするプラグ、並びにこれらの任意の組み合わせを有することができる。カバーはまたハウジングと一体である一部として形成してもよい。
【００５６】
別の実施形態によれば、同一のハウジング内または同一基板上に設けられる異なるハウジング内に多数の発光源（たとえばＬＥＤ）を配置した装置構成とすることができる。さらに別の実施形態では、装置を、（たとえば同一または異なるアナライトを測定するために）複数の信号メンブレンおよび／または（たとえば同一または異なる光学特性を測定するために）複数の参照メンブレンを含むように変更することができる。さらに、ここに示される実施形態では２つの通路（すなわち信号通路と参照通路）が用いられているが、他の実施形態では多数の信号通路および／または参照通路を有することができる。
【００５７】
この装置が吸入および吐出される呼気から酸素レベルを測定できる能力を有することは医学的にきわめて有用である。たとえば、この装置を流量または重量測定装置とともに用いて呼気の吸入および排出を決定することができ、これによって、代謝率（カロリー消費）、フィック原理（1870年にAdolph Fickによって最初にその理論が記述された）に基づく間接拍出量（indirect cardiac output）、呼吸機能、電気ショック治療の開始（onset of shock）などの重要な医学的パラメータの測定を可能にする。これらの医学的診断上の決定の多くは、息を吐く最後の時点における分圧呼気（呼気終末酸素濃度値または呼気終末二酸化濃度値として知られている）の測定を必要とする。図示実施形態は酸素測定に好適に用いられるものであるが、たとえば異なるインジケータメンブレンを用いることによってこのセンサ装置を他のアナライト検出用に変更することは容易である。
【００５８】
本発明のセンサ装置は、検知すべき一または複数のアナライトを有するいかなる環境においても使用可能である。たとえば、この装置は固体、液体または気体の媒体あるいはこれらの組み合わせからなる媒体内で使用可能である。参照チャンバには外部媒体に対応した媒体を充填することが好ましいが、いかなるタイプの媒体を充填してもよい。たとえば、シールされた参照チャンバに空気を充填したセンサ装置を用いて液体環境内の酸素濃度を測定することができることが実験の結果示された。場合によってはチャンバ内を真空とすることが望まれるかも知れない。
【００５９】
センサ装置を用いて蛍光発光強度を測定するものとして記述したが、この装置を用いて蛍光発光の減衰時間を測定することによってアナライトの存在および濃度を検出することも可能である。
【００６０】
以上に本発明を詳細に記述したが、本発明は記述した特定の実施形態に限定されるものではない。発明概念から逸脱しない限りにおいて、ここに記述した特定の実施形態に対する多数の変形や改変が当業者によって可能であることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】酸素濃度と蛍光性酸素インジケータ分子によって発生する光強度との間のシュテルン−フォルマー関係を示すグラフである。
【図２】シュテルン−フォルマー関係に対する温度の影響を示すグラフである。
【図３】シュテルン−フォルマー関係に対する温度および光強度低下の組み合わせによる経時的影響を示すグラフである。
【図４】アナライトの拡散を防止するためにコーティングされた光参照通路を有する従来技術によるエレクトロオプティカルセンサ装置を示す側面図である。
【図５】図４に示すエレクトロオプティカルセンサ装置の信号通路と参照通路について温度と光減衰の経時的影響を示すグラフである。
【図６】本発明によるエレクトロオプティカルセンサ装置を示す一部破断斜視図である。
【図７】このエレクトロオプティカルセンサ装置の細部を示す図６中７−７線による断面図である。
【図８】図６および図７に示すエレクトロオプティカルセンサ装置の信号通路と参照通路について温度と光減衰の経時的影響を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
１００  センサ装置
１０２Ａ，１０２Ｂ  インジケータ素子
１０３Ａ，１０３Ｂ  インジケータメンブレン（レイヤ）
１０４Ａ，１０４Ｂ  感光素子
１０６  発光源
１０８  気密チャンバ
１１０  アナライト含有流体
１１４  基板
１１６  ハウジング
１２２Ａ，１２２Ｂ  開口
１２６Ａ，１２６Ｂ  カバー
１３２  穴
【図１】
2004529352.tif 000003
【図２】
2004529352.tif 000004
【図３】
2004529352.tif 000005
【図４】
2004529352.tif 000006
【図５】
2004529352.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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