JPH05505455A - 培地特性のアセス装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 培地特性のアセス装置 本発明は特にではあるが、流体培地に限らない培地の性質をアセスする装置に関 する。

流体の性質をアセスする装置のよく知られる形態は、そのチップ附近をエンチー ムもしくはアンチボデーでコートされた光ファイバーで構成されている。コート されたチップが流体と接触して、エンチーム触媒反応が局所加熱とファイバーの 伸張を起こし、インターフェロンを用いながら、ファイバー長さと隣接するレフ ァレンスファイバーの長さとを比較して伸張率と反応率が計測される。公知の装 置は温度が一定せず、操作を光ファイバーの伸張にたよっており、その空間が限 られる不便さがある。

本発明の目的は、上述の不都合を排除し、事実上これを軽減する培地の性質をア セスする新規な改良された形態の装置を提供することにある。これは、−例とし て化学反応により引き起こされた局所加熱が、振動部材の共振周波数を変化させ １周波数における変化が性質のアセスメントもしくは計測となるような装置を用 いて行われる。

本発明によれば、密閉チャンバー内に配置され前記チャンバーを形成する構造部 分にマウントされた少なくとも一つの振動エレメントと、前記振動エレメントに エキサイトエネルギーを譲ってその共振周波数を振動させる手段と、振動エレメ ントの振動周波数をモニタし検出する手段と、チャンバー構造の外面にマウント され培地との接触を可能にするセンサ手段とからなる培地特性のアセス装置を提 供し、前記センサ手段は特性を有する前記培地と接触すると熱活性され、これに より、チャンバーの温度を変化させ、モニタ並びに検出手段によりその変化がモ ニタされ検出される振動エレメントの共振周波数が、前記培地特性の存在のアセ スメントを提供する。

培地の性質は温度、バイオマス、ＰＨもしくは熔解ガス含有（率）である。この 代りに、性質は、エンチームを含むセンサ手段と接合可能な、アンチボディー。

アンチジエン、もしくはバービチュレートなどの天然もしくは合成ケミカルもし くは生物種の培地内に存在する。

前記エネルギーは好ましくは軽量であり、電気的にもしくは超音波でも代用でき る。

振動エレメントは半導体ウェハーから生成され、光学エキサイテーシゴンが用い られるとオプチカルファイバーデリバリ手段と相対的に設置されてファプリーペ ローキャビティー（空洞）を形成するので、エネルギーが続くとエレメントは自 己振動するか、デリバリ手段に適用されたフィードバックドライブシステムによ りエレメントは（デリバリ手段で空洞を形成せず）共振振動状態に維持される。

デリバリ手段が電気エネルギーをプリバーすると、前記デリバリ手段と集積手段 とをリンクするトラックをもつ導電電極のパターンが振動エレメントに被さり、 さらに前記振動エレメントを共振振動に誘発し、静電および／または電磁力を用 いて前記振動を検出するよう配置される。この配置が前記振動エレメントに用い られる場所は導電材料製であり、導電性でも、そうでなくてもよい。

前記構造の基質は局所的にＮ゛をドープしたＮタイプであり、順番に正にチャー ジされるＮ°接点拡散に備えたメタライゼーションにより作製される。負をチャ ージされる別のメタライゼーションは、振動エレメントが一部を形成するＰ゛を ドープした層と接触する。メタライゼーションは、そのメタル表面に、サプライ エンドが電源と接触し、別のエンドが前記Ｎ″並びにＰ゛層とコネクトされるト ラックを備えていたシリカポストを介して電源にコネクトされる。

デリバリ手段と集積手段はファイバー光線ガイド手段もしくはアコースティック ガイド培地を含む、このファイバー光線ガイド手段、もしくはいずれかはチャン バー構造にヒニーズ又は別のものは接着されるシングルオプチカルファイバーか らなる０代りに、前記デリバリ手段と集積手段は、前記アコースティックガイド と導電トラックとの組合わせを有し、フィードバックドライブシステムとなる。

フィードバックドライブシステムは、またハイゲイン増幅器とカウンターも有す る。

センサー手段は発熱、吸熱状態で培地と化学的に反応し１選択されたエンチーム からなり、アセスされる特性はエンチームの基質である。センサー手段は、拡散 バリアを有する。センサー手段は、チャンバー構造の外面をコーティングした形 である。コーティングは、置き換え可能である。

化学物質中の性質の高濃度は、発熱反応と基質１度との割合に非線形が存在する ので、エンチーム反応で計測しえない。この様な基質は、触媒によって認められ る　′顕著な′濃度を減らしながら、触媒とアセスされる培地との間にセンサー 手段内の拡散バリアを含有して計測されうる。典型的な拡散バリアは化学的不活 性プラスチック薄膜である。

好ましくは、化学反応中に局所的に温度変化を引き起こすセンサー手段が、最も 自然に発生することが認められ、合成化学物質と生物種のいくつがと多数の異な る性質がアセスされる。

密閉されることでチャンバーは温気を受け付けない。本装置、特に密閉チャンバ ー構造はセンサー手段の位置より熱隔離される。

本発明装置は、食品並びに発酵産業での加工制御の連続モニタや、病院で患者の 診察層並びに検査を補うのに至急結果が必要なヒトの診断でのサンプル分析を分 離するための、例えば、温度並びにＰＨの計測といった幅広い適用に用いられる 。

マイクロミニチュア構成の装置は非常にポータプルで、例えば、自動車事故救急 隊による使用では重要になりうる。マイクロミニチュアサイズはまたアクセスが 困難な、またミクロの手術での人体の内部に使用されうる。センサー手段造は装 置の全体コストを抑えてバッチ生成できる。

本発明の実施例を添付図面に基づき説明する。

第１図は本発明による装置の＆１図を示す；第２図は本発明の好ましい実施例を 示す；第３図は第２図に示す実施例の部分詳細図；１１４図は本発明の別の実施 例を示す；ｊ１５　Ａ、第５Ｂ図は静電駆動装置を用いた本発明の別の実施例の 側面並びに平面図； 第６Ａ、！６８図は電磁駆動装置を泪いた本発明のさらに別の実施例を示す；１ ！７Ａ、第７Ｂ図は超音波装置を用いた本発明のさらに別の実施例を示す；第８ Ａ−１８Ｂ、１８ｃ図は第５Ａ、第５Ｂ図に説明する実施例の変更例を示す；第 １図に関し、培地１３の特性をアセスする装置１ｏは、デリバリ手段１４がら発 生し密閉チャンバー１５内に設置した振動エレメント１６に生じるエネルギー１ ２を利用する。エレメント１６は、チャンバー１５を形成する構造９にマウント され、二ネルキー１２によってその共振周波数に振動を引き起こされる。構造９ の外面にマウントされたセンサー手段１８は熱活性化しえてセンサー手段が感知 する培地１３の特性と接触するとＷ４造９の温度に変化を起こす。構造９の温度 変化は振動エレメント１６の共振周波数を変化させ、振動感知エネルギー１２′ （反動エキサイトエネルギー１２もしくはセパレートソースからのエネルギー） が集積手段１９で検知されたエレメント１６の新しい共振周波数にモジュールさ れる。培地１３に接触するセンサー手段１８で引き起こされた温度変化の前後に 振動エレメント１６の共振周波数が比較され、変化が培地１３の前記特性の存在 のアセスメントとなる。

第２図並びに第３図は、流体培地１３Ａの過酸化水素の集積をアセスする本発明 の好ましい実施例２０を示す。便宜上レーザ光線ｊｌ１４Ａから発生する光線１ ２Ａであるエネルギーは、光学ファイバー波長ガイド１１から直接半導体ウェハ ー９Ａから生成される振動エレメントＬＥＡに流れる。光線１２Ａは、シンクロ されて１例えばフィードバックループを操作する反射光線１２′Ａのモジュール を使ってコントロールされる繰り返し速さまでパルスされて、エレメント１６Ａ をその共振周波数にまで連続して振動させる。

エレメント１６Ａは、凹みの床のしたをカット（又はトンネル）されたブリッジ 型にされるかシリコンウェハー内にウェルを形成されており、エレメント１６Ａ を内蔵するチャンバー１５Ａは、波長ガイド１１に粘着されたウェハー９Ａの上 面で密閉される。エレメント１６Ａはウェハー９Ａの残りの厚さで培＃！１１３ Ａから物理的に絶線されるので培地１３Ａの物理的性質（例えば、ビスコ−シテ ィ）は、エレメント１６＾のモーションに直接影響しない。ウェハー９Ａは、シ リコンの一つもしくはこれ以上のオキサイドの形式である横に延長するバリア１ ７により通常エンクローズされ、熱絶縁される。カタラーゼなどの化学的カタリ ストを含む重合ゲル形式のセンサー手段１８Ａは、ウェハー９Ａのノンサーマル に囲まれた外面に備えられ、チャンバー構造内部の温度変化を起こして培地１３ Ａの過酸化水素との接触に発熱状態を反応する。

３１３図の構造は下面に斜線で示した直径５００ミクロンの半球状キャビティを 形成してセンサー手段１８Ａを導入する７５０ミクロン厚みのシリコンウェハー から生成され、振動エレメント１８Ａは、ウェハーのトップ面下に距離をおいて 描かれたビームである。一般にこれはエリアあたりチップを７５０　Ｘ　７５０ ミクロン提供する。チップの側壁外面は、シリコンオキサイドの層１７と熱絶縁 され、結果的にチップの最小面積が手段１３Ａと接触し、最大面積がカタラーゼ を内蔵するゲルと接触する。

従って過酸化水素基板と反応してカタラーゼで発生して熱は、優先的にシリコン ウェハー９Ａに直行し、その熱導電性が比較的高度であり、チップ内に計測可能 な温度変化を起こす結果となる。−例として、厚み１００ミクロンのコーティン グのシリコンオキサイドでは、１°にオーダーの温度変化が実際得られる。シリ コンオキサイドに代るポリスチレンの場合、事実上高い温度変化が起る。シリコ ンウェハーから生成した！３図の構造形態は、ピラミッド型に切頭され（半球よ り描きやすい理由による）下方にウェルを形成された下面キャビティーを有し、 振動エレメントもピラミッド型に切頭されるものである。振動エレメントはシン グルスパンのビームもしくはダブルスパンのビーム（これによりダブルチューニ ングフォーク共振構造型を形成する）である。

波長ガイド１１は適宜接着材を介してシリコンウェハー９Ａにヒユーズしたシン グルオプチカルファイバーである。エレメント１６Ａから反射した光線１２’Ａ は波長ガイド１１に集積され、フォトダイオード１９Ａで検知される。フォトダ イオード１９Ａに結合した公知の電子的装置１９Ｂを用いて、振動エレメント１ ６Ａの初期共振周波数と変化された共振周波数が比較される。この比較から、カ タラーゼ１８＾と過酸化水素との間の化学的活性率が決定され、一般のカタラー ゼ濃度として、培地１３Ａにおける過酸化水素の濃度が発見されうる。

！１１３図に符号をもって説明する装置は、サイズがマイクロミニチュアであり 、サーマルマスが低く、即刻反応する。すなわち、温度変化に対し１００マイク ロセコンドあたり、ケルビン度　１ス１０−３と同等の程度かこれ以下である。

Ｉ！４図は培Ｉ＠５７の環境温度の変化が予測される際の、培地５７の特性をア セスする方法を提供する本発明の別の実施例５０を示す。装置５０は２つの隣接 する振動エレメント５１Ａ、　５１Ｂを有し、各々は別個のシリコンウェハーに より形成され、オプチカルファイバーをボンドされた別個の密閉チャンバー５２ Ａ、５２Ｂ内に配置される。

シングルサーマルバリアは２つの構造を囲んで一体にする。光線デリバリ手段５ ３、従来のレーザから発生する光線が両チャンバーにデリバリされ、両エレメン ト５１Ａ、５１Ｂを励磁して共振させ、振動エレメント５１Ａ、５１Ｂから反射 して（５４）光線集積手段５６に検知される。センサー手段５５はチャンバー５ ２Ａを形成する横這の外面に備えられ、第２図並びに第３図に示す実施例と類似 した形態で振動エレメント５１Ａに影響する（センサー手段５５が反応する培＃ ！！５７の両温度並びに培地の特性によって影響される）が、センサー手段は、 チャンバー５２Ｂを形成する構造の外面から離されているので、振動エレメント ５１Ｂが培地５７の環境温度によってのみ影響される。培地５７の環境温度のど の様な変化もこれで別々に検知、サブトラクトされ、培地の特性を温度と独立し てアセスする。

第５Ａ図、第５Ｂ図は静電駆動共振バイオセンサ６０の側面、平面図を示す、バ イオセンサ６０はセンサー手段６６をキャリーするシリコンウェハー６４Ａとそ のトップ面がウェハー６４Ａのトップ面と接近した振動ニレメンと６５からなる 。ウェハー６４Ａのトップ面に（エレメント６５にではなく）、少なくとも部分 的にエレメント６５に被さるよう配置された遮断導電電極６１を合体した構造を 固定する。電極６１はオキサイドシリコンキャリア６２Ａに蒸着され、エレメン ト６５を内蔵するウェハー６４＾のウェルであるウィンドウを有するオキサイド シリコン層６２によってカバーされる。

ウェハーへの導電サポートの固着は、好ましくはボンドによる。便宜上導電サポ ートは振動エレメントを合体する構造より小さいバルクであり１層６２は、導電 による熱ロスを減少するよう動作する熱絶縁材である。さらに導電型！ｉ６１は 、その断面を最小にする。電極６１は、サポート６２Ａにそってターミナル６８ Ａから延長し、振動エレメント６５に被さるポイント６３で終結する。電極６１ は、ポイント６３と間隔をおいたポイント６７から連続し、高ゲイン増幅器６８ とカウンタ６９に結合する。ウェハー６４ＡはＮ゛であり、Ｐ−となるべくボロ ンとドープされ、アースされる。電極６１の駆動部への電圧Ｖのアプリケーショ ン（主としてノイズ電圧）はポイント６３を含む導電部分とエレメント６５との 間の容量によりＰｏをドープされたエレメント６５を静電偏向する。この偏向が 、ポイント６７を含む導電部と導電エレメント６５との間に連続的に確立される 変動容量を用いて、モニタされる。変動する容量による電８！６１の検知部分で のチャージの変化が増幅器６８により増幅され、ターミナル６８Ａにフィードバ ックされて回路が効果的にオシレータとなる。振動回路が時間ユニットあたりの 振動エレメント６５の偏向数をカウントするカウンタ６９にコネクトされる。

前述の実施例において説明したように、基板６４Ａ上にコートされた適宜培地セ ンサー６６と接触すると、構造６４に局所的加熱を起こし、エレメント６５の振 動周波数が６７と６５との間の容量によりモニタされる様変化する。オシレータ の振動周波数の変化はカウンタ６９でカウントされ、初期の値と比較され培地の 特性のアセスメントとなる。

ＷＳＡ図並びに％！６１１１図は、本発明の別の実施例を示し、励磁エネルギー は、第５Ａ図並びに第５Ｂ図のごとく依然として電気的であるが振動エレメント の偏向を引き起こす力は静電よりもむしろ電磁的である。構造６４は、第５Ａ図 並びに第５Ｂ図のものと！［似するが構造６４に被さるコンダクタが違ったレイ アウトを有し、振動エレメント６５に電気的に結合するので電流がエレメント６ ５を流れる。導電電極７１がオキサイドされたシリコンキャリア７２Ａ上に蒸着 され、そのほとんどにシリコンオキサイドのカバリング７２を有するが、振動エ レメント６５の範囲はカバリング７２が存在しない。コンダクタ７１は、平行す る導電部分７７Ａ、７７Ｂまで分岐された電流ドライブエンド７３を有し、この 導電部分は、カバリング７２の厚みによって導電部分から距離をおかれた振動エ レメント６５の長さを覆い、これににそって延長する。しかし、ポイント７３か らのそれらのエンドリモートにおいて、部分７７Ａ、７７Ｂがカバーリング７２ の厚みを越して、ポイントＸでのエレメント６５の一端に隣接する構造６４のＰ ｏ域との電気的接点にまで延長する。エレメント６５の別のエンドは、アースと コネクトされる。このようにドライブエンド７３は一方向に２つの平行電流を流 し、エレメント６５は対向方向に総合的電流を流し、従ってエレメント６５は電 磁的に誘発され電流の最適なパルスと共振する。ドライブエンド７３ではシング ルソードを使えるが、リードの並列が振動エレメントをスキュー形態で可動させ るので望ましくない。キャリアー７２Ａに蒸着した第２導電電便７８は第５Ａ図 、１！　５Ｂ図にポイント６７を内蔵する導電部分として説明したのと同様の状 態で電子的移動を検知する機能を果たす。

第７Ａ図、＄７Ｂ図は超音波バイオセンサー８０を示し、第７Ｂ図に詳しく説明 するように、その低いほうのエンドにヘッド８４をもつ波長ガイド８３のトップ に位置された超音波トランスデユーサ８２にコネクトされたオシレータ８１を有 する。ヘッド８４は、Ｐ−どなるよう前述の実施例のようにボロンでドープされ た振動エレメント８５を有するウェハーからなる。センサー８６は、アセスされ る培地に接触する外面を有する。オキサイドされたシリコン８７ＡのＩＩＩの層 は、エレメント８５の上のエリアを除いてウェハーのトップ面に配置される。シ ングル導電メタリックストリップ８９が１！１の層８７Ａに被さる第２のシリコ ンオキサイド層８７Ｂの下方に蒸着され、ＩＩ２のシリコン層８７Ｂの上面が波 長ガイド８３と接触する。オシレータ８１により決定される周波でトランスデユ ーサ８２によって発生する超音波が波長ガイド８３をパスダウンし、振動エレメ ント８５を共振振動に励磁する。振動エレメント８５とストリップ８９がワイヤ ９０を通じて検知システムにコネクトされるのでエレメントの振動による振動エ レメント８５（縦動きをする）とメタリックストリップ８９との間の容量の変化 が検知される。

エレメント８５の振動を維持するには、超音波の周波数が変更される必要がある 場合オシレータ８１にコントロール信号を提供する増幅器９１を有するフィード バックシステムに検知システムを結合する。図示はしていないが、好ましくは、 カウンターが増幅器とオシレータとに平行に結合されえて、エレメントの振動の 周波数解読をさせる。シリカは光線と超音波を均等に効果的に導入でき、例えば 波長ガイド８３はシリカ製オプチカルファイバーであるので、振動のオプチカル 検索が超音波励磁と結合する。

ｊ１５　Ａ図、第５Ｂ図の実施例の変更例を第８Ａ図、第８Ｂ図、第８ＣＩＨに 示し１個々では励磁は、電気による。ｌｌＳＢ図では、Ｎタイプ基板１０６は下 面キャビティーを有して特性センス手段を動かし、上面ウェルを有してブリッジ １０４式で共振エレメントを結合する。ブリッジ１０４は基板１０６の一部に拡 散されるＰｏ　ドープ域１０４Ａの一部をなす。同じく基板１０日に拡散される のはＮ°コンタクト拡散層であるが、これはＰｏ　域１０４Ａから距離をおかれ るのでＰｌ　ジャンクションが形成される。

導電メタルパッド１００が層１００Ｂ配置され導電メタルパッド１引が領域１０ ４Ａに配置されてり、Ｃ，バイアスボルトがこれらのパッド１００，１０１に流 され、振動エレメント１０４を振動させる。バイアスボルトは、その最下端がブ リッジ１０４を内蔵するウェルのカバーとなりシリコン１０３の干渉層によって ブリッジ１０４の上に離されているシリカボスト１０２の表面に形成したメタル トラック１００Ａ、　ｌ０ＩＡを介してパッド１００、１０１にデリバされる。

アセンブリの外表面はポリスチレン製の熱絶縁＃１０８でカバーされる。

基板１０６と領域１０４＾の間のジャンクションに容量が発生し、ブリッジ１０ ４の振動で起る容量変化は、第５図の説明と同様の状態で検索可能である。

素材特性感知ｌｌＩ造は、本発明のすべての実施例に関し共通である。すなわち 、励磁デリバリ並びに振動シグナル集積手段は変更されうる。オプチカル、静電 。

電！並びに超音波システムを開示してきた。

検知ヘッドのエリアは、マイクロミニチュアであり、培地のシングルポイントを 効果的に計測する。培地が多量の場合、シングルポイント計測はバルクでは代用 出来ない、培地をとおして配置された多数のセンサーをマルチプレクサするか。

センスヘッドの有効エリアを増加することで培地のさらに正確な特性アセスメン トがなされうる。

解読の精度をさらに改良するには、大気中への熱ロスを減少させながら装置全体 に熱絶縁スリーブを備えうる。振動エレメントの熱膨張材と膨張率を変更して検 知能力が変更されうる。

オプチカル励磁を用いた前述の実施例において、集積手段で集光された反射光線 はデリバリ手段から元来発散し、その本来の目的はエレメントを振動に励磁する ことである。しかし、オプチカル、アコースティック、もしくは電気的励磁をの 何れを用いようとも、集積手段は特に集積計測システム用に備えた分割光源から 発散する反射光線を国際公開〜０．　Ｗｏ　８６１０５２７１に記載した状態で 集積する。

ミＣｔ 第夕８図 国際調査報告 １□１．＾−１−ｍ　ＰＣＴ／ＧＢ　９０１０１６１５国際調査報告 ＧＢ　９００１６１５ Ｓ＾　４１５６２

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．密閉チャンバー内に位置して前記チャンバーを形成する構造の一部にマウン トされた少なくとも一つの振動エレメントと、前記振動エレメントにエキサイト エネルギーを送ってエレメントに共振周波数を振動させる手段と、振動エレメン トの振動周波数をモニタし検出する手段と、チャンバー外面にマウントされ培地 との接触を可能にするセンサ手段とからなる培地特性をアセスする装置であって 、前記センサ手段は特性を有する前記培地と接触すると熱活性され、これにより 、チャンバー内の温度を変化させ、モニタ並びに検出手段によりその変化がモニ タ検出される振動エレメントの共振周波数が前記培地特性の存在をアセスする培 地特性をアセスする装置。
2. ２．センサー手段は発熱、吸熱状態で培地と化学的に反応する請求項１に記載の 培地特性をアセスする装置。
3. ３．センサ手段は選択されたエンチームからなりアセスされる特性はエンチーム の基板である請求項１または２に記載の培地特性をアセスする装置。
4. ４．センサ手段は拡散バリアからなる請求項３に記載の培地特性をアセスする装 置。
5. ５．エキサイトエネルギーをデリバーする手段は光源並びにファイバーオプティ ック光線ガイドである前記いずれかの項に記載の培地特性をアセスする装置。
6. ６．エキサイトエネルギーをデリバーする手段は、電線と電気的エネルギー導電 体からなり、少なくとも振動エレメントも電気的に導電される請求項１〜４のい ずれかに記載の培地特性をアセスする装置。
7. ７．電気エネルギー導電体は振動エレメントから距離をおかれ、これに対するエ キサイテーションが静電的に確立される請求項６に記載の培地特性をアセスする 装置。
8. ８．電気エネルギー導電体は振動エレメントと通電し、これに対するエキサイテ ーションが電電的に確立される請求項６に記載の培地特性をアセスする装置。
9. ９．エキサイトエネルギーをデリバーする手段は超音波エネルギー源並びに超音 波エネルギー波長ガイドからなる請求項１〜４に記載の培地特性をアセスする装 置。
10. １０．モニター並びに検知手段は振動エレメントから反射された光線を受光する 手段からなる前述のいずれかの請求項に記載の培地特性をアセスする装置。
11. １１．モニター並びに検知手段は振動エレメントと結合する静電感知回路からな り、前記エレメントは導電往である請求項１〜９に記載の培地特性をアセスする 装置。