DE10397002B4

DE10397002B4 - Biosensor, Biosensorchip und Biosensoreinrichtung

Info

Publication number: DE10397002B4
Application number: DE10397002.9T
Authority: DE
Inventors: Hiroya Ueno; Junji Nakatsuka
Original assignee: Panasonic Healthcare Holdings Co Ltd
Current assignee: PHC Holdings Corp
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2003-06-16
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2023-06-17
Also published as: CN101255455B; US20150053559A1; DE20321777U1; US8568579B2; US20090223817A1; US20150053557A1; US8388820B2; US20100140087A1; DE10397003A5; US8900430B2; US20140008216A1; US9080956B2; US9074997B2; US20090188792A1; US20150060270A1; US9074998B2; US20150021178A1; US7540947B2; US20140008218A1; DE10397016A5

Abstract

Biosensor (210; 230; 230A–D) mit: einer Arbeitselektrode (211), die mit einem zu untersuchenden Fluid während einer Untersuchung in Kontakt ist; einer Gegenelektrode (212), die mit dem zu untersuchenden Fluid während einer Untersuchung in Kontakt ist, wobei die Gegenelektrode und die Arbeitselektrode mit einem Abstand dazwischen angeordnet sind; einem Arbeitselektrodenanschluss (213a), der mit der Arbeitselektrode (211) verbunden ist; einem Gegenelektrodenanschluss (214a), der mit der Gegenelektrode (212) verbunden ist; einem Arbeitselektrodenreferenzanschluss (213b), der mit der Arbeitselektrode (211) verbunden ist; und einem Gegenelektrodenreferenzanschluss (214b), der mit der Gegenelektrode (212) verbunden ist; wobei der Biosensor ferner umfasst: eine erste Leitung (233a), die die Arbeitselektrode (211) mit dem Arbeitselektrodenanschluss (213a) verbindet; eine zweite Leitung (233b), die die Arbeitselektrode (211) mit dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss (213b) verbindet; eine dritte Leitung (234a), die die Gegenelektrode (212) mit dem Gegenelektrodenanschluss (214a) verbindet; und eine vierte Leitung (234b), die die Gegenelektrode (212) mit dem Gegenelektrodenreferenzanschluss (214b) verbindet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Biosensor und eine Biosensoreinrichtung für das elektronische Erfassen der Bindungsreaktion einer biologischen Substanz, etwa eines Oligonukleotids, eines Antigens, eines Enzyms, eines Peptids, eines Antikörpers, eines DNA-Fragments, eines RNA-Fragments, von Glukose, von Laktadsäure oder Cholesterin.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In der jüngeren Vergangenheit wird die Verwendung von biosensorischen Instrumenten, bei denen Wegwerfprobestückchen verwendet werden, jedes Jahr größer, und es wird erwartet, dass dies eine einfache und rasche Untersuchung und Analyse einer speziellen Komponenten in einer biologischen Körperflüssigkeit, etwa Blut, Plasma, Urin, oder Speichel, oder dem gesamten Satz an Proteinen, der in einer Zelle zu einem gewissen Zeitpunkt erzeugt wird, d. h. ein Proteom, ermöglicht. Ferner wird erwartet, dass speziell zugeschnittene medizinische Behandlungen, in denen Personen behandelt werden und diesen entsprechend ihrer SNP-(Abkürzung für Einzelnukleodpolymorphismus)Information Medizinpräparate verabreicht werden, diese in der Zukunft durch eine genetische Diagnose unter Einsatz von Wegwert-DNA-Chips praktiziert werden.
Es wird nun eine konventionelle Biosensoreinrichtung zum Erfassen des Traubenzuckerspiegels, d. h. des Blutglukosespiegels, einer Blutprobe beschrieben, die in der japanischen Patentanmeldung JP H11-509644 beschrieben ist. Zu beachten ist, dass der Begriff „Biosensor”, wie er hierin verwendet ist, sich auf einen Wegwerfanteil einschließlich eines Detektionsabschnitts zum Erfassen einer biologischen Substanz bezieht, dass sich der Begriff „Biosensorchip” auf einen Wegwerfanteil einschließlich eines Biosensors, einer Messschaltung, etc. bezieht, die auf einem Substrat montiert sind. Ferner bezeichnet der Begriff „Biosensoreinrichtung” eine gesamte Einrichtung mit einem Biosensor oder einem Biosensorchip zusammen mit einer Analyseschaltung und anderen Teilen.
45 ist eine Draufsicht, die den Aufbau eines konventionellen Biosensors zeigt. Ein Biosensor 1122, der in der Figur dargestellt ist, enthält eine Arbeitselektrode (Anode) 1101, und einen Gegenelektrode (Kathode) 1102, die der Arbeitselektrode 1101 gegenüberliegt, und ein Untersuchungsmittel (nicht gezeigt), das aus einem Enzym, einem Übermittlungsstoff, etc. hergestellt ist und der untersuchten Komponente angepasst ist, ist auf der Arbeitselektrode 1101 und der Gegenelektrode 1102 aufgebracht. Die Arbeitselektrode 1101 ist mit einem Arbeitselektrodenanschluss 1103 mittels einer Leitung mit einem Leitungswiderstand RP1 verbunden. In ähnlicher Weise ist die Gegenelektrode 1102 mit einem Gegenelektrodenanschluss 1104 über eine Leitung mit einem Leitungswiderstand RM1 verbunden.
43 ist ein Schaltbild, das einen Teil einer konventionellen Biosensoreinrichtung zeigt. Wie in der Fig. dargestellt ist, besitzt die konventionelle Biosensoreinrichtung einen Aufbau, in dem der Arbeitselektrodenanschluss 1103 und der Gegenelektrodenanschluss 1104 des Biosensors 1122, der in 45 dargestellt ist, mit einer Messschaltung 1123 verbunden sind. Beispielsweise enthält die Messschaltung 1123 eine Basisspannungsquelle 1117, einen Abschnitt 1106 zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode, einen Abschnitt 1105 zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode mit einem Strommesser, und eine Signalverarbeitungsschaltung 1121. In der konventionellen Biosensoreinrichtung wird eine Basisspannung für die Arbeitselektrode Vpr1, die von der Basisspannungsquelle 1117 erzeugt wird, in ihrer Impedanz von dem Abschnitt 1105 zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode geändert und dann wird eine Arbeitselektrodenanschlussspannung Vp1 von dem Abschnitt 1105 zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode an den Arbeitselektrodenanschluss 1103 angelegt. Dabei gilt der folgende Ausdruck. Vp1 = Vpr1 (1)
Vp1 und Vpr1 in Gleichung (1) repräsentieren die Potential- oder Spannungswerte. Dies gilt auch für Vm1 und Vmr1 im Folgenden.
Ferner wird eine Gegenelektrodenbasisspannung Vmr1, die von der Basisspannungsquelle 1117 erzeugt wird, in der Impedanz durch den Abschnitt 1106 zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode geändert und anschließend wird eine Gegenelektrodenanschlussspannung Vm1 von dem Abschnitt 1106 zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode an den Gegenelektrodenanschluss 1104 angelegt. Dabei gilt der folgende Ausdruck. Vm1 = Vmr1 (2)
Der Wert des Stromes, der aus dem Arbeitselektrodenanschluss 1103 abfließt, wird durch den Abschnitt 1105 zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode gemessen, und es wird ein Arbeitselektrodenstrompegelsignal s1120, das das Messergebnis kennzeichnet, an die Signalverarbeitungsschaltung 1121 geliefert. Die konventionelle Biosensoreinrichtung berechnet die Konzentration der zu untersuchenden Komponente auf der Grundlage des gemessenen Strompegels und führt einen Vorgang zum Anzeigen eines Ergebnisses oder ähnliches durch. Es gilt ferner Gleichung (3), wobei Vf1 die angelegte Elektrodenspannung zwischen dem Arbeitselektrodenanschluss 1103 und dem Gegenelektrodenanschluss 1104 ist. Vf1 = Vpr1 – Vmr1 (3)
Des weiteren ist Vf die angelegte Sensorspannung zwischen der Arbeitselektrode 1101 und der Gegenelektrode 1102. Wenn ferner die Blutprobe auf den Biosensor 1122 aufgebracht wird, wird eine Ladung entsprechend dem Traubenzuckerspiegel an der Arbeitselektrode 1101 und der Gegenelektrode 1102 erzeugt, wodurch ein Strom zwischen den Elektroden auftritt. Sodann gilt der folgende Ausdruck, wobei If1 der Strom ist, der auf der Seite der Arbeitselektrode 1101 fließt, und If2 der Strom ist, der auf der Seite der Gegenelektrode 1102 fließt. If1 = If2 (4)
Der Traubenzuckerspiegel, d. h. der Blutzuckerspiegel wird erhalten, indem der Strom If1 durch die Messschaltung 1123 ermittelt wird.
44 ist ein Schaltbild, das die konventionelle Biosensoreinrichtung zeigt, die spezielle Schaltungskonfigurationsbeispiele des Abschnitts 1105 zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode und des Abschnitts 1106 zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode enthält. Wie in der Figur dargestellt ist, weist der Abschnitt 1105 zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode eine Schaltungskonfiguration auf, in der ein Rückkopplungswiderstand Rf auf einen inversen Eingang eines Operationsverstärkers zurückgekoppelt ist, und der Abschnitt 1106 zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode besitzt einen Operationsverstärker in einer Konfiguration ohne Verstärkung, d. h. als eine Pufferschaltung, wodurch die zuvor beschriebene Funktion realisiert wird.
46 ist eine Draufsicht, die den Aufbau eines Biosensorchips 1124 in der konventionellen Biosensoreinrichtung, die in 44 dargestellt ist, zeigt. In diesem Beispiel ist lediglich ein Paar bestehend aus dem Biosensor 1122 und der Messschaltung 1123 auf dem gleichen Substrat ausgebildet.
Ferner gilt in der konventionellen Biosensoreinrichtung, die in 43 dargestellt ist, wenn der Biosensor 1122 den Blutzuckerspiegel misst, der folgende Ausdruck für die angelegte Elektrodenspannung Vf1 und die angelegte Sensorspannung Vf, die die Spannungsdifferenz zwischen einer Arbeitselektrodenspannung Vp und einer Gegenelektrodenspannung Vm ist, auf Grund der Anwesenheit der Leitung auf Seite der Arbeitselektrode mit dem Leitungswiderstand Rp1 und der Anwesenheit der Leitung auf der Seite der Gegenelektrode mit dem Leitungswiderstand Rm1. Vf = Vf1 – (Rp1·If1 + Rm1·If2) (5)
Des weiteren gilt für den Strom If1, der auf der Seite der Arbeitselektrode 1101 fließt, und für den Strom If2, der auf der Seite der Gegenelektrode 1102 fließt, der folgende Ausdruck, der auf dem Kirchhoffschen Gesetz beruht. If1 = If2 (6)
Durch Einsetzen der Gleichung (3) und der Gleichung (6) in Gleichung (5) und durch Umordnen des Ausdruckes erhält man den folgenden Ausdruck. Vf = (Vpr1 – Vmr1) – (Rp1 + Rm1)·If1 (7)
Daher kann man erkennen, dass die angelegte Elektrodenspannung (Vpr1 – Vmr1), die von der Messschaltung 1123 dem Biosensor 1122 zugeführt wird, um (Rpr1 + Rm1)·If1 abfällt, die dann gleich der angelegten Sensorspannung Vf ist.
Wie zuvor dargestellt ist, ist es mit der konventionellen Biosensoreinrichtung möglich, in einfacher Weise den Zuckerspiegel in Blut zu untersuchen.
AUFGABEN, DIE VON DER ERFINDUNG ZU LÖSEN SIND
Der Strom If1, der durch die von dem Untersuchungsmittel erzeugten Ladung hervorgerufen wird, verhält sich in Bezug auf den Traubenzuckerspiegel Q und die angelegte Sensorspannung Vf gemäß dem folgenden Ausdruck. If1 = f{Q, Vf} (8)
Daher ergibt das Einsetzen der Gleichung (4) in die Gleichung (3) den folgenden Ausdruck. If1 = f{Q, (Vpr1 – Vmr1) – (Rp1 + Rm1)·If1} (9)
Somit ergibt sich das Problem, dass der von dem Leitungswiderstand Rp1 der Leitung der Arbeitselektrode 1101 und von dem Leitungswiderstand Rm1 der Leitung der Gegenelektrode 1102 hervorgerufene Potentialabfall einen Fehler in dem Strom If1 hervorruft, wodurch ein Fehler in dem endgültigen Blutzuckerspiegel hervorgerufen wird, der mittels der Biosensoreinrichtung gemessen wird.
Im Stand der Technik wird ein Edelmetallmaterial mit geringem Widerstand, etwa Platin (Pt), Gold (Au) oder Silber (Ag) für die Leitung verwendet, um dieses Problem zu lösen. Dies führt jedoch zu einem weiteren Problem, d. h. der Biosensor 1122 ist kostenaufwendig. Da der Biosensorbereich im Wesentlichen zu entsorgen ist, sollte er wünschenswerterweise so kostengünstig wie möglich sein. Daher besteht ein großer Bedarf für neue Mittel zum Reduzieren des Leitungswiderstandes.
Wenn ferner die Biosensoreinrichtung als der Biosensorchip 1124 hergestellt wird, wird ein Mikrostrukturherstellungsverfahren zur Ausbildung der Leitungen verwendet. Ferner wird erwartet, dass Biosensorchips in der Zukunft noch weiter miniaturisiert werden. Dadurch wird der Leitungswiderstand noch stärker anwachsen und wesentliche Fehler hervorrufen, wodurch die Untersuchungsgenauigkeit der Biosensoreinrichtung deutlich vermindert wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das zuvor beschriebene Problem in Stand der Technik zu lösen und einen Biosensor und eine Biosensoreinrichtung bereitzustellen, mit denen eine Untersuchung durchgeführt werden kann, ohne dass das Ergebnis vom Leitungswiderstand einer Leitung beeinflusst wird.
Die Druckschriften CA 2,296,608 A1 , US 4,950,378 A , WO 2002/44705 A1 , US 4,999,582 A und US 5,282,950 A offenbaren weitere Biosensoren nach dem Stand der Technik.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Biosensor gemäß Patentanspruch 1 und einen Biosensorchip gemäß Patentanspruch 11. Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Biosensors bzw. Biosensorchips sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
Ein beispielhafter Biosensor umfasst: eine Arbeitselektrode, die mit einem zu untersuchenden Fluid während einer Untersuchung in Kontakt zu bringen ist; eine Gegenelektrode, die mit dem zu untersuchenden Fluid während einer Untersuchung in Kontakt zu bringen ist, wobei die Gegenelektrode gegenüberliegend zu der Arbeitselektrode mit einem Abstand dazwischen angeordnet ist, der ein Strömen des zu untersuchenden Fluids ermöglicht; einen Arbeitselektrodenanschluss, der mit der Arbeitselektrode verbunden ist; einen Gegenelektrodenanschluss, der mit der Gegenelektrode verbunden ist; und einen Referenzanschluss, der mit der Arbeitselektrode und/oder der Gegenelektrode verbunden ist und durch den während einer Untersuchung im Wesentlichen kein Strom fließt.
In dieser Anordnung ist der Referenzanschluss vorgesehen, wobei es möglich ist, ein zu untersuchendes Fluid zu untersuchen, ohne dass dies durch den Widerstand zwischen der Arbeitselektrode und dem Arbeitselektrodenanschluss oder dem Widerstand zwischen der Gegenelektrode und dem Gegenelektrodenanschluss beeinflusst wird, wodurch ein Biosensor verwirklicht wird, der Untersuchungen mit hoher Genauigkeit zulässt.
Eine biologische Substanz oder Mikroorganismus, die bzw. der den Zustand einer in dem zu untersuchenden Fluid enthaltenen Substanz ändert, kann auf der Arbeitselektrode und/oder der Gegenelektrode immobil aufgebracht werden. Damit ist es möglich, eine Änderung in dem zu untersuchenden Fluid durch beispielsweise eine katalytische Reaktion eines Enzyms, durch eine Antigen-Antikörper-Reaktion, eine Bindungsreaktion zwischen Genen oder dergleichen zu detektieren. Somit ist es möglich, eine detailliertere Untersuchung im Vergleich zu einer Untersuchung unter Anwendung von Fluoreszenz durchzuführen.
Der Referenzanschluss braucht nur mit der Arbeitselektrode oder der Gegenelektrode verbunden zu sein. Damit ist es möglich, eine hochgenaue Untersuchung mit weniger Komponenten auszuführen im Vergleich zu dem Fall, wenn der Referenzanschluss für die Arbeitselektrode und für die Gegenelektrode vorgesehen ist. Daher ist der Biosensor insbesondere effektiv, wenn eine Verringerung der Herstellungskosten oder eine Verringerung der Fläche erforderlich ist.
Der Biosensor kann ferner umfassen: eine erste Leitung, die die Arbeitselektrode mit dem Arbeitselektrodenanschluss verbindet; eine zweite Leitung, die die Arbeitselektrode oder die Gegenelektrode mit dem Referenzanschluss verbindet; und eine dritte Leitung, die die Gegenelektrode mit dem Gegenelektrodenanschluss verbindet. Damit ist es möglich, eine hochgenaue Untersuchung durch geeignetes Gestalten des Musters dieser Leitungen zu verwirklichen.
Der Referenzanschluss kann umfassen: einen Arbeitselektrodenreferenzanschluss, der mit der Arbeitselektrode verbunden ist; und einen Gegenelektrodenreferenzanschluss, der mit der Gegenelektrode verbunden ist. Damit ist es möglich, eine Untersuchung mit höherer Genauigkeit durchzuführen im Vergleich zu dem Fall, wenn der Referenzanschluss nur für die Arbeitselektrode oder die Gegenelektrode vorgesehen ist.
Der Biosensor kann ferner umfassen: eine vierte Leitung, die die Arbeitselektrode mit dem Arbeitselektrodenanschluss verbindet; eine fünfte Leitung, die die Arbeitselektrode mit dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss verbindet; eine sechste Leitung, die die Gegenelektrode mit dem Gegenelektrodenreferenzanschluss verbindet und eine siebte Leitung, die die Gegenelektrode mit dem Gegenelektrodenanschluss verbindet, wobei von der vierten Leitung, der fünften Leitung, der sechsten Leitung und der siebten Leitung mindestens zwei auf unterschiedlichen Verdrahtungsebenen vorgesehen sind, so dass diese zumindest teilweise miteinander überlappen, wenn sie von oben betrachtet werden. Damit ist es möglich, die Schaltungsfläche zu verringern im Vergleich zu dem Fall, wenn alle Leitungen auf der gleichen Verdrahtungsebene vorgesehen sind.
Die erste Leitung und die zweite Leitung können in unterschiedlichen Verdrahtungsebenen vorgesehen sein. Damit ist es möglich, die Schaltungsfläche zu verringern, indem beispielsweise die Leitungen so angeordnet werden, dass diese miteinander überlappen. Wenn ferner die zweite Leitung und die dritte Leitung in unterschiedlichen Verdrahtungsebenen vorgesehen sind, ist es ebenso möglich, die Schaltungsfläche zu verringern.
Die Arbeitselektrode, die Gegenelektrode, der Referenzanschluss, der Arbeitselektrodenanschluss, der Gegenelektrodenanschluss, die erste Leitung, die zweite Leitung und die dritte Leitung können auf einem Substrat vorgesehen sein; und der Arbeitselektrodenanschluss und/oder der Gegenelektrodenanschluss können auf einer abgewandten Oberfläche des Substrats vorgesehen sein. Damit ist es möglich, eine noch größere Verdrahtungsfläche bereitzustellen, wobei es möglich ist, den Widerstand besser an den Idealwert von 0 Ω anzunähern.
Ferner können der Arbeitselektrodenanschluss und der Gegenelektrodenanschluss in unterschiedlichen Verdrahtungsebenen vorgesehen sein.
Die dritte Leitung kann so vorgesehen sein, dass diese sich über mehrere Verdrahtungsebenen hinweg erstreckt.
Wenn ferner der Referenzanschluss mit nur der Arbeitselektrode oder der Gegenelektrode verbunden ist, kann die Gegenelektrode eine im Wesentlichen kreisförmige Gestalt aufweisen; und ein Teil eines inneren Randes der Arbeitselektrode kann kreisförmig mit einem im Wesentlichen konstanten Abstand zu der Gegenelektrode ausgebildet sein. Damit ist es möglich, die Reaktion des zu untersuchenden Fluids gleichförmig zu gestalten, wobei das auf die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode wirkende elektrische Feld gleichförmig gemacht wird, wodurch die Untersuchungsgenauigkeit verbessert wird.
Alternativ kann die Arbeitselektrode eine im Wesentlichen kreisförmige Gestalt aufweisen; und ein Teil eines inneren Randes der Gegenelektrode kann kreisförmig sein mit einem im Wesentlichen konstanten Abstand zu der Arbeitselektrode. Auch in diesem Falle ist es möglich, die Reaktion des zu untersuchenden Fluids gleichförmig zu gestalten, während das auf die Arbeitselektrode und die Gegenelektrode wirkende elektrische Feld gleichförmig gestaltet wird, wodurch die Untersuchungsgenauigkeit verbessert wird.
Es können mehrere Arbeitselektroden vorgesehen sein; und die Gegenelektroden, wovon jede jeweils einer der Arbeitselektroden gegenüberliegt, können ineinander integriert sein. Damit ist es möglich, die Anzahl der Elektroden zu verringern, wodurch die Herstellungsschritte weniger und die Herstellungskosten geringer werden. Da ferner die Querschnittsfläche der mit dem Gegenelektrodenanschluss verbundenen Leitung vergrößert werden kann, ist es möglich, den Leitungswiderstand auf der Seite des Gegenelektrodenanschluss zu reduzieren.
Es können mehrere Gegenelektroden vorgesehen sein; und die Arbeitselektroden, wovon jede einer zugeordneten Gegenelektrode gegenüberliegt, können ineinander integriert sein. Auch in diesem Falle ist es möglich, die Anzahl der Elektroden zu reduzieren und damit die Herstellungskosten zu verringern.
Eine Querschnittsfläche der dritten Leitung kann größer als jene der ersten Leitung sein. Somit kann der Widerstand der dritten Leitung besser an den Idealwert von 0 Ω angenähert werden.
Ein beispielhafter Biosensorchip umfasst: einen Biosensor: mit einer Arbeitselektrode, die mit einem zu untersuchenden Fluid während einer Untersuchung in Kontakt ist; einer Gegenelektrode, die mit dem zu untersuchenden Fluid während einer Untersuchung in Kontakt ist, wobei die Gegenelektrode der Arbeitselektrode gegenüberliegt und einen Abstand davon aufweist, der ein Strömen des zu untersuchenden Fluids ermöglicht; einem Sensorabschnitt zur Aufnahme des zu untersuchenden Fluids; einem Arbeitselektrodenanschluss, der mit der Arbeitselektrode verbunden ist; einem Gegenelektrodenanschluss, der mit der Gegenelektrode verbunden ist; und einem Referenzanschluss, der mit der Arbeitselektrode und/oder der Gegenelektrode verbunden ist, und durch den im Wesentlichen während einer Untersuchung kein Storm fließt, wobei der Biosensor auf einem Substrat vorgesehen ist; und eine Messschaltung, die mit dem Biosensor verbunden ist und auf einem Substrat vorgesehen ist.
In diesem Aufbau ist der Referenzanschluss mit der Arbeitselektrode und/oder der Gegenelektrode verbunden, wodurch es möglich ist, eine zu untersuchende Substanz in dem zu untersuchenden Fluid zu untersuchen, unabhängig von dem Widerstandswert zwischen der Arbeitselektrode und dem Arbeitselektrodenanschluss oder dem Widerstandswert zwischen der Gegenelektrode und dem Gegenelektrodenanschluss. Daher ist es möglich, eine Untersuchung mit hoher Genauigkeit durchzuführen.
Eine biologische Substanz oder ein Mikroorganismus, die bzw. der einen Zustand einer in dem zu untersuchenden Fluid enthaltenden Substanz ändert, kann auf der Arbeitselektrode und/oder der Gegenelektrode immobil gemacht werden. Damit ist es möglich, eine rasche und detaillierte Untersuchung zu realisieren.
Der Referenzanschluss ist mit der Arbeitselektrode oder der Gegenelektrode verbunden. Damit ist es möglich, eine Untersuchung mit hoher Genauigkeit mit einer kleineren Komponentenanzahl zu verwirklichen.
Beispielsweise kann der Referenzanschluss mit der Arbeitselektrode verbunden sein; und die Messschaltung kann umfassen: einen Abschnitt zu Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode, der mit dem Arbeitselektrodenanschluss verbunden ist und einen Strommesser aufweist. Eine Arbeitselektrodenpotentialreferenzschaltung, die mit dem Referenzanschluss verbunden ist; einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode, der mit dem Gegenelektrodenanschluss verbunden ist; eine Basisspannungsquelle zum Zuführen einer Basisspannung zu der Arbeitselektrodenpotentialreferenzschaltung und dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode; und eine Signalverarbeitungsschaltung zum Verarbeiten eines Strompegelsignals, das von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode entsprechend einem Pegel eines Stroms, der während einer Untersuchung durch den Arbeitselektrodenanschluss fließt, ausgesendet wird.
In einem derartigen Falle ist es vorteilhaft für das Ausführen einer Untersuchung mit hoher Genauigkeit, dass die Arbeitselektrodenpotentialreferenzschaltung ein Signal so erzeugt, dass eine an dem Referenzanschluss angelegte Spannung im Wesentlichen gleich der Basisspannung ist, die der Arbeitselektrodenpotentialreferenzschaltung während einer Untersuchung zugeführt wird.
Der Referenzanschluss kann mit der Gegenelektrode verbunden sein, und die Messschaltung kann umfassen: einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode, der mit dem Arbeitselektrodenanschluss verbunden ist; einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode, der mit dem Gegenelektrodenanschluss verbunden ist und einen Strommesser aufweist; eine Gegenelektrodenpotentialreferenzschaltung, die mit dem Referenzanschluss verbunden ist; eine Basisspannungsquelle zum Zuführen einer Basisspannung zu der Gegenelektrodenpotentialreferenzschaltung und dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode; und eine Signalverarbeitungsschaltung zum Verarbeiten eines Strompegelsignals, das von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode entsprechend einem Pegel eines Stromes ausgegeben wird, der während einer Untersuchung durch den Gegenelektrodenanschluss fließt.
In einem derartigen Falle ist es vorteilhaft, dass die Gegenelektrodenpotentialreferenzschaltung ein Signal so erzeugt, dass eine an den Referenzanschluss angelegte Spannung im Wesentlichen gleich der Basisspannung ist, die der Gegenelektrodenpotentialreferenzschaltung während einer Untersuchung zugeführt wird.
Der Referenzanschluss kann mit der Arbeitselektrode verbunden sein; und die Messschaltung kann umfassen: einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode, der mit dem Arbeitselektrodenanschluss und dem Referenzanschluss verbunden ist und einen Strommesser aufweist; einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode, der mit dem Gegenelektrodenanschluss verbunden ist; eine Basisspannungsquelle zum Zuführen einer Basisspannung zu dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode und zu dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode; und eine Signalverarbeitungsschaltung zum Verarbeiten eines Strompegelsignals, das von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode entsprechend einem Pegel eines Stromes ausgesendet wird, der während einer Untersuchung durch den Arbeitselektrodenanschluss fließt. Damit ist es möglich, eine zu untersuchende Substanz zu testen, ohne die Arbeitselektrodenpotentialreferenzschaltung zu benötigen.
Der Referenzanschluss kann mit der Gegenelektrode verbunden sein; und die Messschaltung kann umfassen: einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode, der mit dem Arbeitselektrodenanschluss verbunden ist; einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode, der mit dem Gegenelektrodenanschluss und dem Referenzanschluss verbunden ist und eine Strommesser aufweist; eine Basisspannungsquelle zum Zuführen einer Basisspannung zu dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode und zu dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode; und eine Signalverarbeitungsschaltung zum Verarbeiten eines Strompegelsignals, das von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode entsprechend einem Pegel eines Stromes ausgegeben wird, der während einer Untersuchung durch den Gegenelektrodenanschluss fließt. Damit ist es möglich, eine zu untersuchende Substanz zu testen, ohne dass die Gegenelektrodenpotentialreferenzschaltung erforderlich ist.
Es können ein Arbeitselektrodenreferenzanschluss, der mit der Arbeitselektrode verbunden ist, und ein Gegenelektrodenreferenzanschluss, der mit der Gegenelektrode verbunden ist, vorgesehen werden. Damit ist es möglich, die Untersuchungsgenauigkeit zu verbessern im Vergleich zu dem Falle, wenn lediglich der Arbeitselektrodenreferenzanschluss oder nur der Gegenelektrodenreferenzanschluss vorgesehen ist.
Die Messschaltung kann umfassen: einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode, der mit dem Arbeitselektrodenanschluss und dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss verbunden ist; einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode, der mit dem Gegenelektrodenanschluss und dem Gegenelektrodenreferenzanschluss verbunden ist; eine Basisspannungsquelle zum Zuführen einer Basisspannung zu dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode und zu dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode; und eine Signalverarbeitungsschaltung zum Verarbeiten eines ersten Strompegelsignals, das von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode entsprechend einem Pegel eines Stromes, der durch den Arbeitselektrodenanschluss fließt, ausgegeben wird, und/oder eines zweiten Strompegelsignals, das von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode entsprechend einem Pegel eines Stromes ausgegeben wird, der während einer Untersuchung durch den Gegenelektrodenanschluss fließt.
Wenn insbesondere dann die Signalverarbeitungsschaltung das erste Strompegelsignal und das zweite Strompegelsignal verarbeitet, ist es möglich, eine Untersuchung durchzuführen, indem zwei Strompegelsignal verwendet werden, wodurch die Untersuchungsgenauigkeit verbessert wird.
Das Substrat, auf dem der Biosensor vorgesehen ist, und das Substrat, auf dem die Messschaltung vorgesehen ist, können das gleiche Substrat sein. Damit ist es möglich, den Herstellungsprozess zu vereinfachen.
Der Biosensorchip kann ferner ein gemeinsames Substrat aufweisen; und das Substrat, auf dem der Biosensor vorgesehen ist, und das Substrat, auf dem die Messschaltung vorgesehen ist, können auf dem gemeinsamen Substrat montiert sein. Damit ist es möglich, einen Biosensorchip herzustellen, selbst wenn das Substrat der Messschaltung mit der biologischen Substanz oder dem Mittel, das auf der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode immobil ist, reagiert, oder wenn beispielsweise die Leitungen der Messschaltung und die Leitung des Biosensors nicht in gemeinsame Leitungen zusammenfasst werden können.
Das Substrat, auf dem der Biosensor vorgesehen ist, und das Substrat, auf dem die Messschaltung vorgesehen ist, können aufeinander gestapelt sein. Damit ist es möglich, die Fläche des Biosensorchips weiter zu verringern, wodurch die Herstellungskosten reduziert werden.
Es können mehrere Biosensoren auf dem gleichen Substrat vorgesehen sein und mindestens zwei der Biosensoren können mit der gleichen Messschaltung verbunden sein; und es kann ferner ein Schalter zum Einschalten/Ausschalten einer Verbindung zwischen jedem Biosensor und der Messschaltung zwischen dem Arbeitselektrodenanschluss des Biosensors und der Messschaltung, zwischen dem Referenzanschluss des Biosensors und der Messschaltung und zwischen dem Gegenelektrodenanschluss des Biosensors und der Messschaltung vorgesehen sein. Damit ist es möglich, die Anzahl der erforderlichen Messschaltungen zu verringern, wodurch die benötigte Chipfläche weiter verringert werden kann.
Es können mehrere Biosensoren auf dem gleichen Substrat vorgesehen sein und die Sensorabschnitte zweier Biosensoren können benachbart zueinander angeordnet sein. Dann ist es möglich, mehrere Untersuchungen gleichzeitig durchzuführen, wobei eine sehr geringe Menge der Probe erforderlich ist.
Eine Biosensoreinrichtung der vorliegenden Erfindung kann umfassen: einen Biosensor mit: einer Arbeitselektrode, die mit einem zu untersuchenden Fluid während einer Untersuchung in Kontakt ist; einer Gegenelektrode, die mit dem zu untersuchenden Fluid während einer Untersuchung in Kontakt ist, wobei die Gegenelektrode gegenüberliegend zu der Arbeitselektrode mit einem Abstand dazwischen angeordnet ist, der ein Strömen des zu untersuchenden Fluids ermöglicht; einem Sensorabschnitt zur Aufnahme des zu untersuchenden Fluids; einem Arbeitselektrodenanschluss, der mit der Arbeitselektrode verbunden ist; einem Gegenelektrodenanschluss, der mit der Gegenelektrode verbunden ist; und einem Referenzanschluss, der mit der Arbeitselektrode und/oder der Gegenelektrode verbunden ist und durch den im Wesentlichen während einer Untersuchung kein Strom fließt, wobei der Biosensor auf einem Substrat vorgesehen ist; und eine Messschaltung, die mit dem Biosensor verbunden und auf einem Substrat vorgesehen ist, wobei die Biosensoreinrichtung ausgebildet ist, eine Konzentration einer zu untersuchenden Substanz, die in dem zu untersuchenden Fluid enthalten ist, aus einem Wert eines durch den Arbeitselektrodenanschluss fließenden Stromes und/oder einem Wert eines während einer Untersuchung durch den Gegenelektrodenanschluss fließenden Stromes zu untersuchen. Damit ist es möglich, die Zielsubstanz rascher und mit höherer Genauigkeit gegenüber dem Stand der Technik zu untersuchen.
Der Referenzanschluss kann beispielsweise nur mit der Arbeitselektrode oder nur mit der Gegenelektrode verbunden sein. Damit ist es möglich, eine Untersuchung mit höherer Genauigkeit gegenüber dem Stand der Technik durchzuführen, wobei die Anzahl der Komponenten kleiner ist im Vergleich zu dem Fall, wenn der Referenzanschluss für die Arbeitselektrode und für die Gegenelektrode vorgesehen ist.
Der Referenzanschluss kann umfassen: einen Arbeitselektrodenreferenzanschluss, der mit der Arbeitselektrode verbunden ist; und einen Gegenelektrodenreferenzanschluss, der mit der Gegenelektrode verbunden ist; und die Messschaltung kann enthalten: einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode, der mit dem Arbeitselektrodenanschluss und dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss verbunden ist; einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode, der mit dem Gegenelektrodenanschluss und dem Gegenelektrodenreferenzanschluss verbunden ist; eine Basisspannungsquelle zum Zuführen einer Basisspannung zu dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode und zu dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode; und eine Signalverarbeitungsschaltung zum Prozessieren eines ersten Strompegelsignals, das von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode entsprechend einem Pegel eines Stromes ausgegeben wird, der während einer Messung durch den Arbeitselektrodenanschluss fließt, und/oder eines zweiten Strompegelsignals, das von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode entsprechend einem Pegel eines Stromes ausgegeben wird, der während einer Untersuchung durch den Gegenelektrodenanschluss fließt. Damit ist es möglich, eine Untersuchung durchzuführen, ohne Einfluss des Widerstandes zwischen der Arbeitselektrode und dem Arbeitselektrodenanschluss oder dem Widerstand zwischen der Gegenelektrode und dem Gegenelektrodenanschluss, so dass es möglich ist, die Untersuchungsgenauigkeit zu verbessern im Vergleich zu dem Falle, wenn der Referenzanschluss nur für die Arbeitselektrode oder die Gegenelektrode vorgesehen ist.
Für eine genaue Untersuchung ist es vorteilhaft, dass eine an den Arbeitselektrodenreferenzanschluss angelegte Spannung im Wesentlichen gleich der Basisspannung ist, die dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode während einer Untersuchung zugeführt wird; und eine an den Gegenelektrodenreferenzanschluss angelegte Spannung ist im Wesentlichen gleich der Basisspannung, die während einer Untersuchung dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode zugeführt wird.
Die Biosensoreinrichtung kann ferner eine Schaltung aufweisen, die mit der Messschaltung verbunden ist, um ein von der Messschaltung ausgegebenes Signal zu analysieren. Damit ist es möglich, eine genaue Untersuchung zu verwirklichen.
Der Biosensor und die Messschaltung können auf dem gleichen Chip vorgesehen sein; und der Chip kann durch einen weiteren ersetzt werden. Damit ist es möglich, eine Kontamination zwischen Proben zu vermeiden, wodurch der Untersuchungsvorgang vereinfacht wird.
Die Messschaltung kann ferner aufweisen: einen Strompegelsignalerzeugungsabschnitt zum Empfangen des ersten Strompegelsignals und des zweiten Strompegelsignals, um zu der Signalverarbeitungsschaltung ein drittes Strompegelsignal auszugeben, das einen Pegel eines Stromes repräsentiert, der zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode fließt. Damit ist es möglich, die Konfiguration der Signalverarbeitungsschaltung, die in einer nachfolgenden Stufe vorzusehen ist, zu vereinfachen, wodurch die Größe der Einrichtung reduziert wird.
Der Referenzanschluss kann mit der Arbeitselektrode verbunden sein; und die Messschaltung kann umfassen: einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode, der mit dem Arbeitselektrodenanschluss verbunden ist und einen Strommesser aufweist; eine Arbeitselektrodenpotentialreferenzschaltung, die mit dem Referenzanschluss verbunden ist; einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode, der mit dem Gegenelektrodenanschluss verbunden ist; eine Basisspannungsquelle zum Zuführen einer Basisspannung zu der Arbeitselektrodenpotentialreferenzschaltung und dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode; und eine Signalverarbeitungsschaltung zum Verarbeiten eines Strompegelsignals, das von dem Abschnitt zu Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode entsprechend einem Pegel eines Stromes, der während einer Untersuchung durch den Arbeitselektrodenanschluss fließt, für eine Untersuchung mit hoher Genauigkeit ist es vorteilhaft, dass die Arbeitselektrodenpotentialreferenzschaltung ein Signal so erzeugt, dass die an den Referenzanschluss angelegte Spannung im Wesentlichen gleich zu der Basisspannung ist, die während einer Untersuchung der Arbeitselektrodenpotentialreferenzschaltung zugeführt wird.
Der Referenzanschluss kann mit der Gegenelektrode verbunden sein; und die Messschaltung kann umfassen: einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode, der mit dem Arbeitselektrodenanschluss verbunden ist; einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode, der mit dem Gegenelektrodenanschluss verbunden ist und einen Strommesser aufweist; eine Gegenelektrodenpotentialreferenzschaltung, die mit dem Referenzanschluss verbunden ist; eine Basisspannungsquelle zum Zuführen einer Basisspannung zu der Gegenelektrodenpotentialreferenzschaltung und dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode; und eine Signalverarbeitungsschaltung zum Verarbeiten eines Strompegelsignals, das von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode entsprechend einem Pegel eines Stromes ausgegeben wird, der während einer Untersuchung durch den Gegenelektrodenanschluss fließt.
In einem derartigen Falle ist es vorteilhaft für eine hochgenaue Untersuchung, dass die Gegenelektrodenpotentialreferenzschaltung ein Signal so erzeugt, dass eine an den Referenzanschluss angelegte Spannung im Wesentlichen gleich der Basisspannung ist, die während einer Untersuchung der Gegenelektrodenpotentialreferenzschaltung zugeführt wird.
Der Referenzanschluss kann mit der Arbeitselektrode verbunden sein; und die Messschaltung kann aufweisen: einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode, der mit dem Arbeitselektrodenanschluss und dem Referenzanschluss verbunden ist und einen Strommesser aufweist; einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode, der mit dem Gegenelektrodenanschluss verbunden ist; eine Basisspannungsquelle zum Zuführen einer Basisspannung zu dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode und zu dem Abschnitt zu Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode; und eine Signalverarbeitungsschaltung zum Verarbeiten eines Strompegelsignals, das von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode gemäß einem Pegel eines Stromes ausgegeben wird, der während einer Untersuchung durch den Arbeitselektrodenanschluss fließt.
Der Referenzanschluss kann mit der Gegenelektrode verbunden sein; und die Messschaltung kann umfassen: einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode, der mit dem Arbeitselektrodenanschluss verbunden ist; eine Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode, der mit dem Gegenelektrodenanschluss und dem Referenzanschluss verbunden ist und eine Strommesser aufweist; eine Basisspannungsquelle zum Zuführen einer Basisspannung zu dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode und zu dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode; und eine Signalverarbeitungsschaltung zum Verarbeiten eines Strompegelsignals, das von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode entsprechend einem Pegel eines Stromes ausgeben wird, der während einer Untersuchung durch den Gegenelektrodenanschluss fließt.
Ferner kann die Einrichtung als ganzes als eine Wegwerfeinrichtung vorgesehen sein. Damit ist es möglich, eine Untersuchung in einfacherer Weise durchzuführen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schaltbild, das einen Teil einer Biosensoreinrichtung einer ersten nichterfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
2 ist ein Schaltbild, das einen Teil der Biosensoreinrichtung der ersten Ausführungsform darstellt, wobei spezifische Schaltungskonfigurationen eines Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode und eines Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode vorgesehen sind;
3 ist ein Schaltbild, das einen Teil einer Biosensoreinrichtung der sechsten nichterfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
4 ist ein Schaltbild, das einen Teil der Biosensoreinrichtung der sechsten Ausführungsform darstellt, wobei spezielle Konfigurationen eines Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode und eines Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode vorgesehen sind;
5 ist ein Schaltbild, das einen Teil einer Biosensoreinrichtung der siebten nichterfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
6 ist ein Schaltbild, das einen Teil der Biosensoreinrichtung der siebten Ausführungsform darstellt, wobei spezielle Konfigurationen eines Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode und eines Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode vorgesehen sind;
7 ist ein Schaltbild, das einen Teil der Biosensoreinrichtung der achten nichterfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt,
8 ist ein Schaltdiagramm, das einen Teil der Biosensoreinrichtung der achten Ausführungsform darstellt, wobei spezifische Konfigurationen einer Potentialreferenzspannungsquelle für die Arbeitselektrode und einer Potentialreferenzspannungsquelle mit einem Strommesser für eine Gegenelektrode vorgesehen sind;
9 ist eine Draufsicht, die einen Biosensor der ersten Ausführungsform darstellt;
10 ist eine Ansicht, die den Biosensor der ersten Ausführungsform zeigt, wobei die Leitungen auf mehreren Schichten vorgesehen sind;
11 zeigt eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht, wobei ein Biosensor der zweiten nichterfindungsgemäßen Ausführungsform gezeigt ist;
12 zeigt eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht, wobei ein Biosensor der dritten nichterfindungsgemäßen Ausführungsform gezeigt ist;
13 zeigt eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht, wobei ein Biosensor der vierten nichterfindungsgemäßen Ausführungsform gezeigt ist;
14 zeigt eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht, wobei ein Biosensor der fünften nichterfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt ist;
15 ist eine Draufsicht, die einen Biosensorchip der neunten nichterfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
16 ist eine Draufsicht, die die erste Variante des Biosensorchips der neunten Ausführungsform zeigt;
17 ist eine Draufsicht, die die zweite Variante des Biosensorchips der neunten Ausführungsform darstellt;
18 ist eine Draufsicht, die die dritte Variante des Biosensorchips der neunten Ausführungsform zeigt;
19 ist eine Draufsicht, die einen Biosensorchip der zehnten nichterfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
20 ist eine Querschnittsansicht, die den Biosensorchip der zehnten Ausführungsform zeigt;
21 ist eine Draufsicht, die einen Biosensor der elften nichterfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
22 zeigt eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht, wobei ein Biosensor der zwölften nichterfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt ist;
23 ist eine Draufsicht, die einen Biosensorchip der dreizehnten nichterfindungsgemäßen Ausführungsform zeigt;
24 ist ein Schaltbild, das die Konfiguration eines Biosensorchips der vierzehnten nichterfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
25 ist eine Draufsicht, die den Biosensorchip der vierzehnten Ausführungsform zeigt;
26 ist eine Draufsicht, die einen Biosensorchip der fünfzehnten nichterfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
27 ist eine Schaltungsanordnung, die eine Biosensoreinrichtung der sechszehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
28 ist ein Schaltungsdiagramm, das die Biosensoreinrichtung der sechszehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
29 zeigt Schaltbilder, wobei jeweils ein Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode und ein Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode in der Biosensoreinrichtung der sechszehnten Ausführungsform dargestellt sind;
30 ist ein Schaltbild, das eine Biosensoreinrichtung der siebzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
31 ist ein Schaltbild, das eine Biosensoreinrichtung der achtzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
32 ist eine Draufsicht, die einen Biosensor der neunzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
33 ist eine Draufsicht, die einen Biosensor der zwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
34 ist eine Draufsicht, die einen Biosensor der einundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
35 ist eine Draufsicht, die einen Biosensor der zweiundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
36 ist eine Draufsicht, die einen Biosensorchip der dreiundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
37 ist eine Draufsicht, die einen Biosensorchip der vierundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
38 ist eine Draufsicht, die einen Biosensorchip der fünfundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
39 ist eine Draufsicht, die einen Biosensorchip der sechsundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
40 ist ein Schaltbild, das ein Messschaltungsmodul der sechsundzwanzigsten Ausführungsform zeigt;
41 ist eine Draufsicht, die einen Biosensorchip der siebenundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
42 ist ein Strukturdiagramm, das einen Biosensorchip der achtundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
43 ist ein Schaltbild, das einen Teil einer konventionellen Biosensoreinrichtung darstellt;
44 ist ein Schaltbild, das einen Teil der konventionellen Biosensoreinrichtung darstellt, wobei spezifische Schaltungskonfigurationsbeispiele des Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode und des Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode vorgesehen sind;
45 ist eine Draufsicht, die den Aufbau eines konventionellen Biosensors zeigt;
46 ist eine Draufsicht, die den Aufbau des Biosensorchips in der in 44 gezeigten konventionellen Biosensoreinrichtung darstellt.
BESTE ART UND WEISE, DIE VORLIEGENDE ERFINDUNG AUSZUFÜHREN
Mit Bezug zu den Zeichnungen werden nunmehr Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Zu beachten ist, dass gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten in den diversen Ausführungsformen bezeichnen, so dass diese Komponenten nicht wiederholt im Detail beschrieben sind.
ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
1 ist ein Schaltbild, das einen Teil einer Biosensoreinrichtung der ersten Ausführungsform zeigt, und 9 ist eine Draufsicht, die einen Biosensor der ersten Ausführungsform darstellt.
Wie in 9 gezeigt ist, umfasst ein Biosensor 15 der vorliegenden Ausführungsform eine Arbeitselektrode 101, eine Gegenelektrode 102, die gegenüber der Arbeitselektrode 101 angeordnet ist, einen Arbeitselektrodenanschluss 103 und einen Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10, die beide mit der Arbeitselektrode 101 verbunden sind, und einen Gegenelektrodenanschluss 104, der mit der Gegenelektrode 102 verbunden ist. Die Verbindung der Arbeitselektrode 101 mit dem Arbeitselektrodenanschluss 103 und dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10 und die Verbindung zwischen der Gegenelektrode 102 und dem Gegenelektrodenanschluss 104 sind durch Leitungen hergestellt, die aus einem relativ kostengünstigen Metall, etwa Al (Aluminium) oder Cu (Kupfer) aufgebaut sind. Ferner ist die Gegenelektrode 102 mit dem Gegenelektrodenanschluss 104 über eine Leitung mit einer ausreichenden Querschnittsfläche verbunden, wobei ein Leitungswiderstand Rm auf Seite der Gegenelektrode als im Wesentlichen 0 Ω betrachtet werden kann. Damit ist die Querschnittsfläche der Leitung zwischen der Gegenelektrode 102 und dem Gegenelektrodenanschluss 104 größer als jene der Leitung zwischen der Arbeitselektrode 101 und dem Arbeitselektrodenanschluss 103.
Eine Probe, die eine zu untersuchende Substanz enthält, etwa Glukose, wird von außen in einen Reaktionsabschnitt eingeführt, der die Arbeitselektrode 101 und die Gegenelektrode 102 enthält, und die Probe wird untersucht. Wenn Glukose untersucht wird, wenn z. B. eine Blutprobe mit Glukoseoxidase in Kontakt kommt, die auf der Arbeitselektrode 101 und der Gegenelektrode 102 immobil vorliegt, wird Wasserstoffperoxid mittels einer chemischen Reaktion erzeugt und es werden dadurch Elektronen erzeugt. Daraus ergibt sich ein Stromfluss zwischen den Elektroden und der Glukosespiegel wird durch Messen des Stromes untersucht. Zu beachten ist, dass Glukoseoxidase nicht auf den beiden Elektroden immobil gemacht werden muss, sondern dass dies alternativ auf der Arbeitselektrode 101 oder der Gegenelektrode 102 immobil gemacht werden kann.
Die Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, umfasst den Biosensor 15, wie er zuvor beschrieben ist, und eine Messschaltung 16, die mit dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10, dem Arbeitselektrodenanschluss 103 und dem Gegenelektrodenanschluss 104 verbunden ist.
Die Messschaltung 16 umfasst eine Arbeitselektrodenpotentialreferenzschaltung 8, die mit dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10 verbunden ist, einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 105, der mit dem Arbeitselektrodenanschluss 103 verbunden ist und einen Strommesser aufweist, einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 106, der mit dem Gegenelektrodenanschluss 104 verbunden ist, eine Basisspannungsquelle 117, die die Arbeitselektrodenbasisspannung Vpr1 und die Gegenelektrodenbasisspannung Vmr1 der Arbeitselektrodenpotentialreferenzschaltung 8 und dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 106 zuführt, und eine Signalverarbeitungsschaltung 121, die mit dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 105 verbunden ist.
2 ist ein Schaltbild, das die Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform darstellt, wobei diese spezielle Schaltungskonfigurationen des Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 105 und des Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 106 aufweist. Wie in der Fig. dargestellt ist, weist der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 105 eine Schaltungskonfiguration auf, in der ein Rückkopplungswiderstand Rf auf den inversen Eingang eines Operationsverstärkers zurückgekoppelt ist, und wobei der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 106 einen Operationsverstärker aufweist, der in keiner Verstärkerkonfiguration vorgesehen ist, d. h. der in einer Pufferschaltungsanordnung vorgesehen ist, wodurch die zuvor beschriebene Funktion realisiert wird.
Ein Merkmal des Biosensors und der Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform besteht darin, dass die mit der Arbeitselektrode 101 verbundene Elektrode auf zwei Teile aufgeteilt ist, d. h. den Arbeitselektrodenanschluss 103 und den Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10. Die Auswirkung dieses Merkmals wird nachfolgend beschrieben.
Zunächst wird in der Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform die Gegenelektrodenbasisspannung Vmr1, die von der Basisspannungsquelle 117 erzeugt wird, durch den Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 106 in der Impedanz gewandelt, und die anzulegende Spannung Vm1 wird von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 106 dem Gegenelektrodenanschluss 104 zugeführt. Dabei gilt der folgende Ausdruck. Vm1 = Vmr1 (10)
Wenn ferner die Arbeitselektrodenbasisspannung Vpr1, die von der Basisspannungsquelle 117 erzeugt wird, und eine Arbeitselektrodenreferenzanschlussspannung Vp2 von dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10 der Arbeitselektrodenpotentialreferenzschaltung 8 eingespeist werden, erzeugt die Arbeitselektrodenpotentialreferenzschaltung 8 ein Arbeitselektrodensteuersignal S13 so, dass die Spannungsdifferenz 0 Volt beträgt. Die Arbeitselektrodensteuersignalspannung, die die Spannung des Arbeitselektrodensteuersignals S13 repräsentiert, ist Vpr2. Somit gilt der Zusammenhang der folgenden Gleichung. Vp2 = Vpr1 (11) Vp1 = Vpr2 (12)
Ferner wird die Arbeitselektrodensteuersignalspannung Vpr2 in der Impedanz geändert durch den Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 105 und anschließend wird die Arbeitselektrodensteuersignalspannung Vpr2 von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 105 dem Arbeitselektrodenanschluss 103 zugeführt.
Gemäß 1 ist der Leitungswiderstand der Leitung zwischen der Arbeitselektrode 101 und dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10 gleich Rp2 und der Strom des Arbeitselektrodenreferenzanschlusses, der durch die Leitung fließt, ist Ip2.
Der Eingang auf der Seite der Arbeitselektrodenpotentialreferenzschaltung 8, der näher an dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10 liegt, besitzt eine höhere Eingangsimpedanz, und der Strom, der durch den Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10 fließt, ist so, wie dies in der folgenden Gleichung dargestellt ist. Ip2 = 0 (13)
Daher genügen die Arbeitselektrodenreferenzanschlussspannung Vp2 und die Arbeitselektrodenspannung Vp der folgenden Gleichung. Vp2 = Vp (14)
Daher gilt mittels der Gleichungen (10), (11), (13) und (14) die folgende Gleichung für die Sensoranwendungsspannung bzw. die angelegte Sensorspannung Vf. Vf = Vp – Vm = Vp2 – (Vm1 + If2·Rm1) Nun, da Rm1 = 0 Ω Vf = Vp2 – Vm1 = Vpr1 – Vmr1 Daher gilt: Vf = Vpr1 – Vmr1. (15)
Daher ist die als die angelegte Sensorspannung bereitgestellte Spannung Vf stets konstant.
Daher ergibt in der Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform das Einsetzen der Gleichung (15) in die Gleichung (8) den folgenden Ausdruck. If1 = f{Q, (Vpr1 – Vmr1)} Daher If1 = f(Q). (16)
Somit gibt es keinen Einfluss des Leitungswiderstandes Rp1 der Leitung der Arbeitselektrode 101 und es tritt kein Fehler bei dem abschließenden Blutzuckerspiegel auf, der mittels der Biosensoreinrichtung gemessen wird. Die Arbeitselektrodenanschlussspannung Vp1 wird von der Arbeitselektrodenpotentialreferenzschaltung 8 und dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 105 gesteuert, wie dies durch den folgenden Ausdruck gezeigt wird. Vp1 = Vpr2 Daher gilt: Vp1 = Vpr1 + Rp1·If1 (17)
Wie zuvor beschrieben ist, weist die Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform den Biosensor auf, der drei Elektroden besitzt, d. h. den Arbeitselektrodenanschluss und den Arbeitselektrodenreferenzanschluss, die von der Arbeitselektrode abzweigen, und den Gegenelektrodenanschluss, der mit der Gegenelektrode verbunden ist, und die Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Arbeitselektrodenpotentialreferenzschaltung 8 zum Erzeugen des Arbeitselektrodensteuersignals S13 so, dass die Potentialdifferenz zwischen einer Arbeitselektrodenreferenzspannung Vp2 und dem Arbeitselektrodenbasispotential Vpr1 gleich 0 ist, wodurch eine Untersuchung ohne den Einfluss des Leitungswiderstands ausgeführt werden kann. Daher ist es möglich, eine Untersuchung mit höherer Genauigkeit im Vergleich zu der konventionellen Biosensoreinrichtung auszuführen.
Da ferner der untersuchte Werte nicht von dem Leitungswiderstand beeinflusst ist, ist es nicht notwendig, ein teures Edelmetall für die Leitungen zu verwenden, wie dies im Stand der Technik der Fall ist, wodurch die Herstellungskosten reduziert werden.
Zu beachten ist, dass bei der Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform der Strom, der durch den Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 105 fließt, von der Signalverarbeitungsschaltung 121 so bearbeitet wird, um die Konzentration der zu untersuchenden Substanz zu berechnen, und die berechnete Konzentration wird in einem Anzeigeabschnitt (nicht gezeigt) oder ähnlichem dargestellt.
Ferner können in der Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform die Leitungen auf mehrere Schichten verteilt sein.
10 ist eine Ansicht, die den Biosensor der vorliegenden Ausführungsform zeigt, wobei die Leitungen in mehreren Schichten vorgesehen sind. In dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel ist die Leitung, die die Arbeitselektrode 101 mit dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10 verbindet, in einer anderen Schicht vorgesehen, als die Leitung, die mit dem Arbeitselektrodenanschluss 103 verbunden ist, d. h. die beiden Leitungen überlappen sich, wenn diese von oben betrachtet werden.
Mit einem derartigen Aufbau kann die Fläche des Biosensors verringert werden im Vergleich zu jener des Biosensors, der in 9 gezeigt ist. Die Verringerung der Fläche ist vorteilhaft beim Zusammenführen von Biosensoren zur Untersuchung unterschiedlicher Substanzen auf einem Chip, und dies kann auch zu einer Verringerung der Herstellungskosten führen. Beispielsweise können ein Biosensor zum Messen des Traubenzuckerspiegels und ein Biosensor zum Messen der Leberfunktionsindikatoren, etwa GOT und GTP, in mehreren Schichten bzw. Ebenen miteinander verbunden werden, wodurch unterschiedliche Untersuchungen mit einer einzelnen Blutprobe unternommen werden können, wodurch die Belastung für den Patienten verringert wird.
Ferner können Leitungen auf mehreren Ebnen nicht nur für die Leitungen für die Arbeitselektrode, sondern auch für jene der Gegenelektrode eingesetzt werden. Wenn Biosensoren weiterhin in der Größe reduziert werden, wird die Verdrahtungsfläche für die Gegenelektrode verringert, wodurch es schwieriger ist, den Widerstand an 0 Ω anzunähern. Somit kann durch eine Mehrschichtanordnung der Leitungen für die Gegenelektrode, wobei diese in zwei oder mehreren Ebenen bzw. Schichten vorgesehen sind, die Verdrahtungsfläche wesentlich vergrößert werden, so dass der Widerstandswert verringert werden kann.
Zu beachten ist, dass Biosensoreinrichtungen, die gegenwärtig weithin vertrieben werden, solche sind, um Glukose zu untersuchen, wobei Glukoseoxidase oder dergleichen auf der Gegenelektrode und der Arbeitselektrode immobil gemacht ist. Es kann jedoch eine andere Substanz auf den Elektroden immobil gemacht werden, um eine Substanz zu untersuchen, die an der immobil gemachten Substanz anhaftet, oder eine Substanz, die mit der immobil gemachten Substanz reagiert, oder eine Substanz, die zerfällt oder eine Verbindung eingeht mittels einer katalytischen Reaktion mit der immobil gemachten Substanz. Beispielsweise kann eine Einzelstrang-DNA auf den Elektroden immobil gemacht sein, um eine DNA oder eine RNA, die sich mit der immobil gemachten DNA verbindet, zu detektieren. Wenn eine DNA zu einer Doppelstrangstruktur wird, ändert sich deren elektrische Leitfähigkeit, so dass dies elektrisch detektiert werden kann. Dies kann bei Untersuchungen für Krankheiten benutzt werden. Während z. B. ein Test für AIDS Monate erfordert, bevor die Antikörper erzeugt sind, ist es möglich, eine Infektion bald nach der Infektion zu erkennen, indem eine RNA-Untersuchung ausgeführt wird.
Alternativ kann eine biologische Substanz, etwa diverse Enzyme, auf den Elektroden immobil gemacht werden, oder es kann ein Mikroorganismus auf den Elektroden immobil gemacht werden. Zum Beispiel kann ein Mikroorganismus, der Kohlendioxid assimiliert, immobil gemacht werden, um Kohlendioxid im Blut nachzuweisen. Zum beachten ist, dass der Begriff „biologische Substanz”, wie er hierin verwendet ist, sich auf Protein, Aminosäuren, Gene und andere organische Materialien im Allgemeinen bezieht, die im Körper eines lebenden Organismus enthalten sind.
Ferner ist es möglich, einen detaillierteren Untersuchungswert mit einer elektrischen Untersuchung als mit einer Farbuntersuchung unter Ausnutzung der Fluoreszenz zu erhalten. Daher ist die Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform, die eine präzise Untersuchung ermöglicht, nützlich beim Erstellen eines Behandlungsplanes.
Zu beachten ist, dass in der Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform lediglich der Biosensor 15 oder der Biosensor mit der Messschaltung 16 entsorgbar sind. Alternativ kann die Einrichtung einschließlich des Anzeigeabschnitts und diverser anderer Einheiten entsorgbar sein.
Zu beachten ist ferner, dass obwohl es möglich ist, eine 4-Anschluss-Struktur mit einem Gegenelektrodenreferenzanschluss auf der Seite der Gegenelektrode zu verwenden, der Biosensor der vorliegenden Ausführungsform im Vergleich mit einer Ausführungsform mit einer 4-Elektrodenstruktur eine geringere Anzahl an Komponenten erfordert, wodurch es möglich ist, die Kosten zu verringern und die Verdrahtungsfläche zu vergrößern. Wenn im Gegensatz dazu eine höhere Genauigkeit erforderlich ist, ist eine 4-Anschluss-Biosensoreinrichtung vorzuziehen. Dies wird detaillierter in den nachfolgenden Ausführungsformen beschrieben.
Zu beachten ist, dass in dem Biosensor der vorliegenden Ausführungsform der Arbeitselektrodenanschluss und der Arbeitselektrodenreferenzanschluss Abzweigungen von der Arbeitselektrode sind. Alternativ kann die Leitung, die mit dem Arbeitselektrodenanschluss verbunden ist und die Leitung, die mit dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss verbunden ist, einen Teil einer Leitung gemeinsam aufweisen, die sich ab einem gewissen Punkt in zwei Leitungen aufteilt.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORMEN
11 zeigt eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht, wobei ein Biosensor 70 der zweiten Ausführungsform dargestellt ist.
Wie in der Fig. gezeigt ist, umfasst der Biosensor der vorliegenden Ausführungsform die Arbeitselektrode 101, die Gegenelektrode 102, die gegenüber der Arbeitselektrode 101 angeordnet ist, den Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10 und den Arbeitselektrodenanschluss 103, der mit der Arbeitselektrode 101 verbunden ist, und den Gegenelektrodenanschluss 104, der mit der Gegenelektrode 102 verbunden ist.
Ein Merkmal des Biosensor der vorliegenden Ausführungsform liegt darin, dass der mit der Gegenelektrode 102 verbundene Gegenelektrodenanschluss 104 sich durch die Struktur von der Oberfläche, auf der die Arbeitselektrode 101 ausgebildet ist, bis zur hinteren Oberfläche erstreckt, wodurch die gesamte hintere Oberfläche als der Gegenelektrodenanschluss dient.
Mit einem derartigen Aufbau ist es möglich, den Wert des Leitungswiderstands Rm1 auf Seite des Gegenelektrodenanschluss noch weiter zu verringern, ohne die Größe des Biosensors zu ändern, wodurch ein hochgenauer Biosensor verwirklicht wird.
Wie zuvor beschrieben ist, besitzt der Biosensor der vorliegenden Ausführungsform eine 3-Elektroden-Struktur mit der Arbeitselektrode, dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss und der Gegenelektrode, wobei sich der Gegenelektrodenanschluss durch die Struktur von der Oberfläche, auf der die Arbeitselektrode ausgebildet ist, zur hinteren bzw. gegenüberliegenden Oberfläche erstreckt, wodurch die gesamte hintere Oberfläche als die Gegenelektrode dient, so dass eine hochgenaue Untersuchung möglicht ist.
DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
12 zeigt eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht, wobei ein Biosensor der dritten Ausführungsform dargestellt ist.
Wie in der Figur gezeigt ist, umfasst der Biosensor der vorliegenden Ausführungsform die im Wesentlichen kreisförmige Gegenelektrode 102, die konzentrisch ringförmige Arbeitselektrode 101, die die Gegenelektrode 102 mit einem konstanten Abstand umgibt, wobei der Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10 und der Arbeitselektrodenanschluss 103 mit der Arbeitselektrode 101 verbunden sind und wobei der Gegenelektrodenanschluss 104 mit der Gegenelektrode 102 verbunden ist. Der Gegenelektrodenanschluss 104 erstreckt sich von der Oberfläche, auf der die Arbeitselektrode 101 ausgebildet ist, zu der hinteren Oberfläche durch die Struktur hindurch und erstreckt sich über die gesamte hintere Oberfläche.
In dem Biosensor der vorliegenden Ausführungsform ist die Arbeitselektrode 101 in konzentrischer Form gestaltet, wobei ein Enzym und eine zu untersuchende Substanz miteinander in gleichförmiger Weise zur Reaktion gebracht werden können. Ferner ist das auf die Arbeitselektrode einwirkende elektrische Feld gleichförmig gestaltet, so dass es möglich ist, die Genauigkeit der Untersuchung weiter zu verbessern.
Ferner ist der Gegenelektrodenanschluss 104 so vorgesehen, dass sich dieser über die gesamte hintere Oberfläche erstreckt, wie dies in der zweiten Ausführungsform der Fall ist, wodurch der Widerstand auf Seite der Gegenelektrode verringert wird und damit die Untersuchungsgenauigkeit verbessert wird.
Somit ist es mit dem Biosensor der vorliegenden Ausführungsform möglich, eine Untersuchung mit einer deutlich höheren Genauigkeit im Vergleich zum Stand der Technik durchzuführen.
Zu beachten ist, dass obwohl die Arbeitselektrode 101 in einer konzentrischen Form in dem Biosensor der vorliegenden Ausführungsform dargestellt ist, diese alternativ eine teilweise kreisförmige Form, beispielsweise eine Halbkreisform, annehmen kann, um das auf die Arbeitselektrode einwirkende elektrische Feld gleichförmig zu machen.
VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM
13 ist eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht, wobei ein Biosensor der vierten Ausführungsform dargestellt ist. Wie in der Fig. gezeigt ist, umfasst ein Biosensor 72 der vorliegenden Ausführungsform die Arbeitselektrode 101, die Gegenelektrode 102, die in gegenüberliegender Weise zu der Arbeitselektrode angeordnet ist, den Arbeitselektrodenanschluss 103, der mit der Arbeitselektrode 101 verbunden ist und so vorgesehen ist, um sich über die gesamte hintere Oberfläche zu erstrecken, und den Gegenelektrodenanschluss 104 und einen Gegenelektrodenreferenzanschluss 3, der mit der Gegenelektrode 102 verbunden ist.
Es kann eine 3-Elektrodenstruktur erhalten werden, indem eine Referenzelektrode auf der Seite der Gegenelektrode vorgesehen wird, wie in der vorliegenden Ausführungsform. Ferner ist es in diesem Falle auch möglich, eine hochgenaue Untersuchung durchzuführen, da der Widerstand der Leitungen den Untersuchungswert nicht beeinflussen, wie dies in der ersten Ausführungsform beschrieben ist. Somit ist es möglich, ein preisgünstiges Metall für die Leitungen zu verwenden, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden. Zu beachten ist, dass in dem in 13 gezeigten Beispiel der Arbeitselektrodenanschluss 103 über die gesamte hintere Oberfläche ausgebildet ist, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf der die Arbeitselektrode 101 ausgebildet ist, wodurch der Widerstandswert auf Seite der Arbeitselektrode auf einen deutlich kleineren Wert abgesenkt wird. Zu beachten ist jedoch, dass es nicht notwendig ist, den Arbeitselektrodenanschluss 103 auf der hinteren Oberfläche vorzusehen.
Wie zuvor beschrieben ist, ist es mit dem Biosensor der vorliegenden Ausführungsform möglich, ein hochgenaue Untersuchung zu verwirklichen. Da das Problem des Leitungswiderstands bei Miniaturisierung gelöst werden kann, nimmt die Untersuchungsgenauigkeit nicht ab, selbst wenn die Biosensoren weiter in der Größe reduziert werden.
FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM
14 zeigt eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht, wobei ein Biosensor der fünften Ausführungsform dargestellt ist. Wie in der Fig. gezeigt ist, umfasst ein Biosensor 73 der vorliegenden Ausführungsform die im Wesentlichen kreisförmige Arbeitselektrode 101, die Gegenelektrode 102, die die Arbeitselektrode mit einem konstanten Abstand umgibt, den Arbeitselektrodenreferenzanschluss und den Arbeitselektrodenanschluss 103, der mit der Arbeitselektrode 101 verbunden ist und auf der hinteren Oberfläche des Substrats vorgesehen ist, und den Gegenelektrodenanschluss 104, der so vorgesehen ist, dass dieser sich über die gesamte obere Oberfläche des Substrats erstreckt.
In dem Biosensor 73 der vorliegenden Ausführungsform sind die Arbeitselektrode 101 und der innere Rand der Gegenelektrode 102, der die Arbeitselektrode 101 umgibt zueinander konzentrisch ausgebildet, wobei ein Enzym und eine zu untersuchende Substanz miteinander in gleichförmiger Weise zur Reaktion gebracht werden können. Ferner ist das auf die Elektrode einwirkende elektrische Feld gleichförmig gemacht, so dass die Untersuchungsgenauigkeit weiter verbessert wird.
Da ferner der Gegenelektrodenanschluss 104 so vorgesehen ist, um sich über die gesamte obere Oberfläche des Substrats zu erstrecken, ist es möglich, den Widerstand Rm1 auf Seite der Gegenelektrode auf einen sehr geringen Wert herabzusetzen. Daher liefert der Biosensor der vorliegenden Ausführungsform eine erhöhte Untersuchungsgenauigkeit.
Damit ist es möglich, eine Biosensor zu verwirklichen, mit dem eine hochgenaue Untersuchung ausgeführt werden kann, indem die Arbeitselektrode und der innere Rand der Gegenelektrode zueinander konzentrisch sind und indem der Gegenelektrodenanschluss 104 auf der oberen Oberfläche des Substrats vorgesehen ist.
SECHSTE AUSFÜHRUNGSFORM
3 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen Teil einer Biosensoreinrichtung der sechsten Ausführungsform darstellt, und 4 ist ein Schaltbild, das einen Teil der Biosensorausrichtung der vorliegenden Ausführungsform mit speziellen Anordnungen eines Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 29 und eines Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 28 zeigt.
Wie in 3 dargestellt ist, umfasst die Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform den Biosensor 15 und die Messschaltung 16, die mit dem Biosensor 15 verbunden ist.
Der Biosensor 15 umfasst die Arbeitselektrode 101, die Gegenelektrode 102, die der Arbeitselektrode 101 gegenüberliegt, den Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10 und den Arbeitselektrodenanschluss 103, die mit der Arbeitselektrode 101 verbunden sind, und den Gegenelektrodenanschluss 104, der mit der Gegenelektrode 102 verbunden ist. Die Arbeitselektrode 101 ist mit dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10 und dem Arbeitselektrodenanschluss 103 mittels Leitungen, die aus Cu, Al oder dergleichen hergestellt sind, verbunden.
Ferner umfasst die Messschaltung 16 den Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 29, der mit dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10 und dem Arbeitselektrodenanschluss 103 verbunden ist und einen Strommesser aufweist, den Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 28, der mit dem Gegenelektrodeanschluss 104 verbunden ist, die Basisspannungsquelle 117, die die Arbeitselektrodenbasisspannung Vpr1 dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 29 und die Gegenelektrodenbasisspannung Vmr1 dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 28 zuführt, und die Signalverarbeitungsschaltung 121 zum Verarbeiten des Stromes, der dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 29 eingeprägt wird. Der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 29 ist eine Strom/Spannungs-Wandlerschaltung, die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift 11-154833 ( US-Patent Nr. 5,986,910 ) offenbart ist.
In der Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform wird die Gegenelektrodenbasisspannung Vmr1, die von der Basisspannungsquelle 117 erzeugt wird, in der Impedanz mittels dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 28 geändert und anschließend wird die Gegenelektrodenanschlussspannung Vm1 von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 28 bereitgestellt. Zu dieser Zeit gilt der folgende Ausdruck. Vm1 = Vmr1 (18)
Des weiteren werden die Arbeitselektrodenbasisspannung Vpr1 und die Arbeitselektrodensteuersignalspannung Vp1 dem Arbeitselektrodenanschluss 103 so zugeführt, dass die Spannungsdifferenz zwischen diesen beiden im Wesentlichen 0 Volt beträgt. Daher gilt der folgende Ausdruck. Vp2 = Vpr1 (19)
Der Wert des Stromes, der aus dem Arbeitselektrodenanschluss 103 herausfließt, wird von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 29 gemessen, und es wird ein Arbeitselektrodenstrompegelsignal s120, das das Ergebnis der Messung repräsentiert, der Signalverarbeitungsschaltung 121 eingespeist. Auf der Grundlage des gemessenen Strompegels wird die Konzentration der zu untersuchenden Komponente berechnet und ein Ergebnis wird angezeigt oder dergleichen.
Da ferner der Eingang des Arbeitselektrodenreferenzanschlusses 10 und des Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 29 eine hohe Impedanz aufweist, gilt für den durch die Referenzelektrode fließenden Strom die folgende Gleichung. Ip2 = 0 (20)
Daher erfüllen die Arbeitselektrodenreferenzspannung Vp2 und die Arbeitselektrodenspannung Vp die folgende Gleichung. Vp2 = Vp (21)
Daher gilt in Verbindung mit den Gleichungen (18), (19), (20) und (21) der folgende Ausdruck für die angelegte Sensorspannung Vf. Vf = Vp – Vm = Vp2 – (Vm1 + If2·Rm1) Da nun Rm1 = 0 Ω ist gilt Vf = Vp2 – Vm1 = Vpr1 – Vmr1. Daher gilt Vf = Vpr1 – Vmr1 (22)
Somit ist die als die angelegte Sensorspannung Vf angelegte Spannung immer konstant. Daher ergibt in der folgenden sechsten Ausführungsform das Einsetzen der Gleichung (22) in die Gleichung (8) den folgenden Ausdruck. If1 = f{Q, (Vpr1 – Vmr1)} daher gilt If1 = f(Q). (23)
Daher gibt es keinen Einfluss des Leitungswiderstandes Rp1 der Leitung, die die Arbeitselektrode 101 mit dem Arbeitselektrodenanschluss 103 verbindet, und es entsteht kein Fehler beispielsweise im Blutzuckerspiegel, der von der Biosensoreinrichtung ermittelt wird.
Die Arbeitselektrodenanschlussspannung Vp1 wird von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 29 gemäß dem folgenden Ausdruck gesteuert. Vp1 = Vpr1 + Rp1·If1 (24)
Die Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der Biosensoreinrichtung der ersten Ausführungsform dahingehend, dass die Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform den Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 29 aufweist, der sowohl mit dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10 als auch mit dem Arbeitselektrodenanschluss 103 verbunden ist. Mit diesem Aufbau ist es möglich, den Kondensator zur Stabilisierung der Schaltung wegzulassen, wobei die gesamte Schaltungsfläche verringert werden kann.
Somit ist es auch in diesem Aufbau, in dem der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 29 auch als die Arbeitselektrodenpotentialreferenzschaltung dient, auch möglich, eine hochgenaue Biosensoreinrichtung zu realisieren, die nicht von dem Leitungswiderstand auf Seite der Arbeitselektrode beeinflusst wird.
Zu beachten ist, dass ein Operationsverstärker als ein spezielles Beispiel des Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 29 gezeigt ist, bei dem der invertierende Eingang mit dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10, der nicht invertierende Eingang mit der Basisspannungsquelle 117 und der Ausgang mit dem Arbeitselektrodenanschluss 103 verbunden ist, wie dies in 4 gezeigt ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Konfiguration eingeschränkt.
SIEBENTE AUSFÜHRUNGSFORM
5 ist ein Schaltungsdiagramm, das einen Teil einer Biosensoreinrichtung der siebten Ausführungsform zeigt, und 6 ist ein Schaltbild, das einen Teil der Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform zeigt, wobei diese spezielle Ausbildungen eines Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 19 und eines Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 17 zeigt.
Wie in 5 dargestellt ist, umfasst die Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform den Biosensor 72 und die Messschaltung 16, die mit dem Biosensor 72 verbunden ist.
Der Biosensor 72 umfasst die Arbeitselektrode 101, die Gegenelektrode 102, die gegenüberliegend zu der Arbeitselektrode 101 vorgesehen ist, den Arbeitselektrodenanschluss 103, der mit der Arbeitselektrode 101 verbunden ist, und den Gegenelektrodenanschluss 104 und den Gegenelektrodenreferenzanschluss 3, die mit der Gegenelektrode 102 verbunden sind. Die Querschnittsfläche der Leitung, die die Arbeitselektrode 101 mit dem Arbeitselektrodenanschluss 103 verbindet, ist ausreichend groß, so dass der Leitungswiderstand im Wesentlichen auf 0 Ω eingestellt werden kann. Der Biosensor 72 umfasst den Gegenelektrodenreferenzanschluss 3 in gleicher Weise wie der Biosensor der vierten Ausführungsform.
Ferner umfasst die Messschaltung 16 den Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 19, der mit dem Arbeitselektrodenanschluss 103 verbunden ist, den Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 17, der mit dem Gegenelektrodenanschluss 104 verbunden ist und einen Strommesser aufweist, eine Gegenelektrodepotentialreferenzschaltung 1, die mit dem Gegenelektrodenreferenzanschluss 3 verbunden ist, die Basisspannungsquelle 117, die die Arbeitselektrodenbasisspannung Vpr1 dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 19 und die Gegenelektrodenbasisspannung Vmr1 der Gegenelektrodenpotentialreferenzschaltung zuführt, und die Signalverarbeitungsschaltung 121 zum Verarbeiten eines Gegenelektrodenstrompegelsignals s18, das von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 17 entsprechend dem eingespeisten Strom ausgegeben wird.
In der Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform wird die von der Basisspannungsquelle erzeugte Arbeitselektrodenbasisspannung Vpr1 in der Impedanz mittels dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 19 in der Impedanz geändert und die Arbeitselektrodenanschlussspannung Vp1 wird von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 19 dem Arbeitselektrodenanschluss 103 zugeführt. Dabei gilt der folgende Ausdruck. Vp1 = Vpr1 (25)
Wenn ferner die Gegenelektrodenbasisspannung Vmr1, die von der Basisspannungsquelle 117 erzeugt wird, und eine Arbeitselektrodenreferenzanschlussspannung Vm2 der Gegenelektrodenpotentialreferenzschaltung 1 eingespeist werden, erzeugt die Gegenelektrodenpotentialreferenzschaltung 1 ein Gegenelektrodensteuersignal s6 so, dass die Spannungsdifferenz zwischen diesen beiden 0 Volt beträgt. Die Spannung des Gegenelektrodensteuersignals s6 (Arbeitselektrodensteuersignalspannung) ist Vmr2. Dabei gilt der folgende Ausdruck. Vm2 = Vmr1 (26) Vm1 = Vmr2 (27)
In 5 wird der aus dem Gegenelektrodenanschluss 104 herausfließende Strom von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 17 gemessen und das Ergebnis wird der Signalverarbeitungsschaltung 121 in Form des Gegenelektrodenstrompegelsignals s18 zugeführt. Daraufhin wird auf der Grundlage des gemessenen Strompegels die Konzentration der zu untersuchenden Komponente berechnet und das Ergebnis wird angezeigt oder dergleichen.
Wie in der ersten Ausführungsform, die zuvor beschrieben ist, gilt für die angelegte Sensorspannung Vf der folgende Ausdruck. Vf = Vp – Vm = Vp1 – (Vm2 + If1·Rp1) Da nun Rp1 = 0 Ω, gilt Vf = Vp1 – Vm2 = Vpr1 – Vmr1. Daher gilt Vf = Vpr1 – Vmr1. (28)
Da Vpr1 und Vmr1 konstant sind, ist die angelegte Sensorspannung Vf stets konstant. Daher ergibt in der vorliegenden Ausführungsform das Einsetzen der Gleichung (28) in die Gleichung (8) den folgenden Ausdruck. If2 = f{Q, (Vpr1 – Vmr1)} Daher gilt If2 = f(Q). (29)
Daher beeinflusst der Leitungswiderstand Rm1 der Leitung auf Seite der Gegenelektrode 102 nicht den Strom If2, der durch den Gegenelektrodenanschluss 104 fließt, so dass kein Fehler in dem endgültigen Blutzuckerspiegel entsteht, wenn dieser von der Biosensoreinrichtung gemessen wird.
Die Gegenelektrodenanschlussspannung Vm1 wird von der Gegenelektrodenpotentialreferenzschaltung 1 und dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 17 gemäß der dargestellten folgenden Gleichung gemessen. Vm1 = Vmr2 Daher gilt Vm1 = Vmr1 – Rm1·If2. (30)
Somit kann man erkennen, dass in der siebten Ausführungsform es möglich ist, eine hochgenaue Untersuchung durchzuführen, unabhängig von dem Widerstand der Leitungen, selbst wenn eine Drei-Elektroden-Struktur verwendet wird, die auf der Seite der Gegenelektrode den Gegenelektrodenanschluss 104 und den Gegenelektrodenreferenzanschluss 3 aufweist. Ferner ist eine geringere Anzahl an Komponenten im Vergleich zu dem Fall erforderlich, in welchem beispielsweise vier oder mehr Elektroden vorgesehen sind, so dass es möglich ist, eine hochpräzise Biosensoreinrichtung bei geringen Kosten zu verwirklichen.
Ferner besitzt in dem speziellen in 6 dargestellten Schaltungsbeispiel der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 17 eine Schaltungskonfiguration, in der ein Rückkopplungswiderstand Rg20 auf den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers zurückgekoppelt ist, und der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 19 besitzt einen Operationsverstärker ohne Verstärkung bzw. mit Verstärkungsfaktor 1, d. h. dieser ist in einer Pufferschaltungskonfiguration vorgesehen. Auf diese Weise liefern der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 17 und der Abschnitt zum Anlegen der Spannung an die Arbeitselektrode 19 die zuvor beschriebenen Funktionsweisen. Zu beachten ist, dass der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 17 und der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 19 alternativ unterschiedliche Schaltungskonfigurationen aufweisen können.
ACHTE AUSFÜHRUNGSFORM
7 ist ein Schaltdiagramm, das einen Teil einer Biosensoreinrichtung der achten Ausführungsform darstellt, und 8 ist ein Schaltbild, das einen Teil der Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform zeigt, die spezielle Konfigurationen eines Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 31 und eines Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 30 aufweist.
Wie in 7 dargestellt ist, umfasst die Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform den Biosensor 72 und die Messschaltung 16, die mit dem Biosensor 72 verbunden ist.
Der Aufbau des Biosensors 72 ist der gleiche wie in der siebten Ausführungsform.
Die Messschaltung 16 umfasst den Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 39, den Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 30, der mit dem Gegenelektrodenanschluss 104 und dem Gegenelektrodenreferenzanschluss 3 verbunden ist und einen Strommesser aufweist, die Basisspannungsquelle 117, die die Arbeitselektrodenbasisspannung Vpr1 dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 31 und die Gegenelektrodenbasisspannung Vmr1 dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 30 zuführt, und die Signalverarbeitungsschaltung 21, zum Verarbeiten des Gegenelektrodenstrompegelsignals s18 von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 30.
Die Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der siebten Ausführungsform dahingehend, dass die Gegenelektrodenpotentialreferenzschaltung 1 fehlt und der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 30 sowohl mit dem Gegenelektrodenanschluss 104 als auch dem Gegenelektrodenreferenzanschluss 3 verbunden ist.
In der Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform, die in 7 gezeigt ist, werden die Gegenelektrodenbasisspannung Vmr1 und die Gegenelektrodenreferenzanschlussspannung Vm2 des Gegenelektrodenreferenzanschlusses 3 beide dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 30 eingespeist, und die Gegenelektrodensteuersignalspannung Vmr2 wird dem Gegenelektrodenanschluss 104 so zugeführt, dass die Spannungsdifferenz zwischen diesen beiden 0 Volt beträgt. Dabei gilt der folgende Ausdruck Vm2 = Vmr1 (31)
Des weiteren wird die Arbeitselektrodenbasisspannung Vpr1 durch den Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 31 in der Impedanz umgewandelt und die Spannung Vp1 wird von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 31 dem Arbeitselektrodenanschluss 103 zugeführt. Dabei gilt der folgende Ausdruck. Vp1 = Vpr1 (32)
Andererseits wird der durch den Gegenelektrodenanschluss 104 fließende Strom durch den Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 30 gemessen und das Gegenelektrodenstrompegelsignal s18, das das Messergebnis repräsentiert, wird der Signalverarbeitungsschaltung 121 zugeführt. Danach berechnet die Einrichtung die Konzentration der zu untersuchenden Komponente und ein Ergebnis wird angezeigt oder dergleichen.
Wie in der zuvor beschriebenen sechsten Ausführungsform gilt für die angelegte Sensorspannung Vf der Ausdruck. Vf = Vp – Vm = Vp1 – (Vm2 + If1·Rp1), da nun Rp1 = 0 Ω ist, gilt Vf = Vp1 – Vm2 = Vpr1 – Vmr1 Daher gilt Vf = Vpr1 – Vmr1. (33)
Somit ist die angelegte Sensorspannung Vf eine konstante Spannung.
Daher ergibt das Einsetzen des Ausdruckes (33) in Gleichung (8) den folgenden Ausdruck. If2 = f{Q, (Vpr1 – Vmr1)}, daher gilt If2 = f(0). (34)
Daher wird der von der Biosensoreinrichtung gemessene Blutzuckerspiegel nicht von dem Leitungswiderstand Rm1 der Leitung auf Seite der Gegenelektrode 102 beeinflusst, so dass kein Fehler auftritt.
Wie zuvor beschrieben ist, ist es auch möglich, eine hochgenaue Untersuchung zu verwirklichen, wenn der Gegenelektrodenreferenzanschluss 3 und der Gegenelektrodenanschluss 104 beide mit dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 30 verbunden sind.
Ferner besitzt in dem in 8 dargestellten speziellen Schaltungsbeispiel der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 30 einen Operationsverstärker, bei dem der invertierende Eingang mit dem Gegenelektrodenreferenzanschluss 3, der nicht invertierende Eingang mit der Arbeitselektrodenbasisspannung Vmr1 und der Ausgang mit dem Arbeitselektrodenanschluss 103 verbunden ist. Dies repräsentiert eine Spannungs/Strom-Wandlerschaltung, wie sie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift 11-154833 ( US-Patent Nr. 5,986,910 ) offenbart ist. Zu beachten ist, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diesen Aufbau eingeschränkt ist.
NEUNTE AUSFÜHRUNGSFORM
Es wird nun ein Biosensorchip der neunten Ausführungsform beschrieben.
15 ist eine Draufsicht, die den Biosensorchip der vorliegenden Ausführungsform darstellt. 16 ist eine Draufsicht, die die erste Variante des Biosensorchips der vorliegenden Ausführungsform zeigt, 17 ist eine Draufsicht, die die zweite Variante des Biosensorchips der vorliegenden Ausführungsform zeigt und 18 ist eine Draufsicht, die die dritte Variante des Biosensorchips der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
Wie in 15 gezeigt ist, besitzt ein Biosensorchip 35 der vorliegenden Ausführungsform einen Aufbau, in welchem der Biosensor der ersten Ausführungsform, die in 9 dargestellt ist, und die Messschaltung 16 auf dem gleichen Substrat vorgesehen sind. Der Biosensor und die Messschaltung 16 werden mittels Mikrofabrikationsverfahren hergestellt und die Leitung, die die Arbeitselektrode 101 mit dem Arbeitselektrodenanschluss 103 und dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10 verbindet, und die Leitung, die die Gegenelektrode 102 mit dem Gegenelektrodenanschluss 104 verbindet, sind als Dünnfilme ausgebildet. Ferner sind die Leitung auf der Seite der Gegenelektrode und jene auf der Seite der Arbeitselektrode aus einem relativ preisgünstigen Metall, etwa Aluminium oder Kupfer hergestellt.
Ferner kann der Biosensorchip 35 der vorliegenden Ausführungsform von der Einrichtung abnehmbar sein und als Wegwerfprodukt ausgebildet sein.
Somit ist es durch Integrieren des Biosensors und der Messschaltung 16 in einen einzelnen Chip möglich, die Größe des Untersuchungsabschnitts zu reduzieren, und es ist möglich, den Biosensorchip in kostengünstiger Weise unter Ausnutzung bekannter Massenproduktionstechniken herzustellen.
Zu beachten ist, dass wenn die Leitungen unter Anwendung von Mikrofabrikationstechniken hergestellt werden, die Leitungen als dünne Filme ausgebildet werden, wodurch die Leitungswiderstände Rp1, Rm1 und Rp2 vergrößert werden. In der Biosensoreinrichtung der vorliegenden Erfindung wird jedoch eine Hochpräzisionsmessung verwirklich, unabhängig von dem Leitungswiderstand, wobei es möglich ist, einen Biosensorchip zu verwirklichen, der für eine hochpräzise Messung verwendbar ist und dabei preisgünstig ist. Da ferner die Größe gering ist, kann die Gesamtgröße der Biosensoreinrichtung verringert werden.
Zu beachten ist, dass nicht nur der Biosensor der ersten Ausführungsform, sondern auch ein beliebiger anderer der oben beschriebenen Biosensoren zusammen mit der Messschaltung in einem Chip integriert werden kann.
Des weiteren kann in dem Biosensorchip der vorliegenden Ausführungsform das gemeinsame benutzte Substrat ein beliebiges Substrat sein, zu denen ein Halbleitersubstrat, ein Siliziumsubstrat, ein SOI-(Silizium auf Isolator)Substrat, ein SOS(Silizium auf Saphire)Substrat, ein isolierendes Substrat, etwa ein Glassubstrat, etc. gehören können. Zu beachten ist jedoch weiterhin, dass es notwendig ist, ein Substrat zu wählen, das nicht mit Enzymen und Reaktionsstoffen, die auf die Elektroden des Biosensors aufgebracht werden, reagiert.
Ferner kann auch ein Biosensor, in welchem die Leitungen in mehreren Schichten ausgebildet sind, wie in 10 dargestellt ist, auf dem gemeinsamen Substrat mit der Messschaltung 16 vorgesehen werden, wie dies in 16 gezeigt ist. Durch Ausbilden der Leitungen auf mehreren Schichten kann die Fläche des Biosensors weiter verringert werden, wodurch es möglich ist, einen noch kleineren Biosensorchip 37 herzustellen.
Alternativ können die Biosensoren, die in 11 und 12 gezeigt sind, mit der Messschaltung 16 auf dem gleichen Substrat vorgesehen werden, wie dies in 17 gezeigt ist. Ein Biosensorchip 80 dieser Variante enthält ein gemeinsames Substrat, das von der Messschaltung 16 ebenfalls benutzt wird, und es sind ein Substrat mit einem darauf vorgesehenen Biosensor und ein Substrat mit der Messschaltung 16 auf dem gemeinsamen Substrat montiert. Ein Gegenelektrodenanschluss ist so vorgesehen, um sich über die gesamte hintere Oberfläche des Substrats mit dem darauf vorgesehenen Biosensor zu erstrecken.
Wie ferner in 18 gezeigt ist, kann selbst ein Biosensor, in welchem zwei Elektroden, d. h. die Gegenelektrodenreferenzelektrode und der Gegenelektrodenanschluss, die in 13 und 14 gezeigt sind, mit der Gegenelektrode verbunden sind, auf dem gleichen gemeinsamen Substrat mit der Messschaltung 16 vorgesehen werden. Insbesondere ein Substrat mit dem darauf angebrachten Biosensor und ein Substrat mit der darauf vorgesehenen Messschaltung 16 sind auf dem gleichen Substrat montiert.
ZEHNTE AUSFÜHRUNGSFORM
19 ist eine Draufsicht, die einen Biosensorchip 40 der zehnten Ausführungsform zeigt, und 20 ist eine Querschnittsansicht, die den Biosensorchip der vorliegenden Ausführungsform darstellt.
Wie in 19 und in 20 gezeigt ist, umfasst der Biosensorchip 40 der vorliegenden Ausführungsform einen Sensorchip 38 mit einem Biosensor mit drei Elektroden, der darauf ausgebildet ist, einen Messschaltungschip 42 mit einer darauf ausgebildeten Messschaltung und ein gemeinsames Substrat 60, das den Sensorchip 38 und den Messschaltungschip 48 trägt. Der Gegenelektrodenanschluss 104, der Arbeitselektrodenanschluss 103 und der Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10 des Biosensors sind mit dem Messschaltungschip 43 mittels Verbindungsdrähten 39 verbunden.
Wenn das Substrat mit der darauf vorgesehenen Messschaltung eine geringe Affinität zu einem untersuchenden Mittel in dem Biosensor mit einem Enzym und einem Mediator aufweist oder mit diesem eine Reaktion eingeht, ist es schwierig, ein derartiges Substrat auf dem gemeinsamen Substrat zusammen mit dem Substrat mit der darauf vorgesehenen Messschaltung 16 bereitzustellen, wie dies in dem Biosensorchip der Fall ist, der in 15 gezeigt ist. Daher wird eine Struktur mit Chip auf Chip in der vorliegenden Ausführungsform verwendet. Bei dem Biosensorchip 40 der vorliegenden Ausführungsform können ein Substrat mit einem darauf vorgesehenen Biosensor und ein Substrat mit einer darauf vorgesehenen Messschaltung in beliebiger Weise kombiniert werden.
Ferner gibt es Fälle, in denen die gleiche Substanz, aus dem die Signalleitung der Messschaltung 16 hergestellt ist, nicht für die Leitungen des Biosensors auf Grund der Art des Enzyms oder des Mediators, die der zu untersuchenden Komponente angepasst sind, verwendet werden kann. Auch in einem derartigen Falle ist eine Anordnung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform verwendbar und es ist mit einer derartigen Konfiguration möglich, einen ausreichend kleinen Biosensorchip zu realisieren.
Mit einem Aufbau mit Chip auf Chip, wie in der vorliegenden Ausführungsform, kann ein beliebiger Biosensor als ein kleiner Chip hergestellt werden. Da ferner keine speziellen Herstellungsschritte beteiligt sind, ist es möglich, die Herstellungskosten gering zu halten.
Zu beachten ist, dass bei dem Biosensorchip der vorliegenden Ausführungsform der Sensorchip 38 und der Messschaltungschip 43 auf dem gemeinsamen Substrat 60 angeordnet sind. Der Messschaltungschip 43 kann jedoch direkt auf dem Sensorchip 38 ohne Verwendung des gemeinsamen Substrats 60 angeordnet sein. Alternativ kann der Biosensorchip einen Aufbau mit Chip auf Chip aufweisen, wobei der Sensorchip 38 auf dem Messschaltungschip 43 angeordnet ist.
Obwohl der Sensorchip und der Messschaltungschip miteinander mittels Drähten in der vorliegenden Ausführungsform verbunden sind, kann alternativ die obere Fläche des Sensorchips und die obere Fläche des Messschaltungschips so angeordnet werden, dass diese einander zugewandt sind und diese können dann miteinander durch Löthöcker verbunden werden. Des weiteren können die Chips alternativ miteinander durch ein Ballgitterarray (abgekürzt BGA) miteinander verbunden werden. Wenn eine Anschlussfläche oder eine Elektrode, die durch das Substrat hindurchgeht, vorgesehen ist, können alternativ Chips aufeinander gestapelt werden und können dennoch miteinander mittels der durchgehenden Elektrode verbunden werden. Mit diesem Verfahren wird der Signalübertragungsweg verkürzt, wobei ein entsprechender Fehler weiter verringert werden kann.
ELFTE AUSFÜHRUNGSFORM
21 ist eine Draufsicht, die einen Biosensor der elften Ausführungsform darstellt.
Wie in 21 gezeigt ist, umfasst ein Biosensor 74 der vorliegenden Ausführungsform zwei Biosensoren mit jeweils drei Elektroden, die auf dem gleichen Substrat ausgebildet sind, wobei jeder den Arbeitselektrodenanschluss 103, den Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10 und den Gegenelektrodenanschluss 104 aufweist, wie dies beispielsweise in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, und wobei die zwei Gegenelektrodenanschlüsse 104 zusammen als ein gemeinsamer Anschluss ausgebildet sind. Da die beiden Gegenelektrodenanschlüsse 104 als ein gemeinsamer Anschluss vorgesehen sind, ist die Anzahl der Elektroden verringert, wodurch es möglich ist, die Größe, die Herstellungskosten und dergleichen des Biosensors zu verringern.
Somit können durch Anordnen zweier Biosensoren, die unterschiedliche Untersuchungsmittel anwenden, die aus Enzymen, Mediatoren, etc. entsprechend den unterschiedlichen zu untersuchenden Komponenten hergestellt sind, unterschiedliche Faktoren gleichzeitig untersucht werden, so dass eine Vielzahl von Testabläufen gleichzeitig durchgeführt werden kann und somit die Belastung für den Patienten verringert werden kann. Die Anzahl der Arten von Biosensoren, die auf einer einzelnen Biosensoreinrichtung zu montieren ist, ist nicht auf eine spezielle Anzahl beschränkt, solange es zwei oder mehr sind. Für praktische Zwecke ist es z. B. vorteilhaft, es zu ermöglichen, dass mit einem einzelnen Biosensorchip mehrere Testabläufe durchgeführt werden können, die zum Diagnostizieren einer speziellen Krankheit erforderlich sind, oder es zu ermöglichen, rasch eine regelmäßige medizinische Untersuchung mit einem einzelnen Biosensorchip durchzuführen. Zu diesem Zwecke können drei oder mehr Biosensoren auf dem gleichen Substrat hergestellt werden, obwohl in 21 ein Beispiel mit lediglich zwei auf dem gleichen Substrat ausgebildeten Biosensoren gezeigt ist.
Ferner ist der Biosensorchip mit den darauf montierten Biosensoren abnehmbar, wodurch es möglich ist, selektiv unterschiedliche Biosensorchips entsprechend dem Zweck der Untersuchung zu verwenden, wobei die gleiche Anordnung der Einrichtung verwendet werden kann.
Zu beachten ist, dass, obwohl die Gegenelektrodenanschlüsse als ein gemeinsamer Anschluss in dem Biosensor der vorliegenden Ausführungsform zusammengefasst sind, alle Elektroden, die zusammengefasst werden können, als eine gemeinsame Elektrode ausgebildet werden können. Beispielsweise können durch die Anordnung zweier Biosensoren mit drei Elektroden in einem symmetrischen Muster benachbarte Arbeitselektrodenreferenzanschlüsse 10 miteinander zu einem gemeinsamen Anschluss zusammengefasst werden.
ZWÖLFTE AUSFÜHRUNGSFORM
22 zeigt eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht, wobei ein Biosensor 75 der zwölften Ausführungsform dargestellt ist.
Wie in der Figur gezeigt ist, umfasst der Biosensor 75 der vorliegenden Ausführungsform zwei Biosensoren der zweiten Ausführungsform, die auf dem gleichen Substrat ausgebildet sind, wobei die zwei Gegenelektrodenanschlüsse 104 zu einem gemeinsamen Anschluss zusammengefasst sind. Somit wird ein gemeinsamer Gegenelektrodenanschluss 104, der mit den beiden Gegenelektroden 102 verbunden ist, so vorgesehen, dass dieser sich über die gesamte hintere Oberfläche des Biosensors 75 erstreckt.
Ferner können in einem Biosensor, in welchem der Gegenelektrodenanschluss so vorgesehen ist, dass dieser sich über die gesamte hintere Oberfläche erstreckt, zwei oder mehr Biosensoren zusammen angeordnet werden, wobei die Gegenelektrodenanschlüsse zu einem gemeinsamen Anschluss zusammengefasst werden, so dass es möglich ist, unterschiedliche zu untersuchende Substanzen gleichzeitig zu untersuchen, während die Anzahl der Elektroden verringert und die Größe reduziert wird. Da die Anzahl der Elektroden verringert ist, wird zudem der Herstellungsprozess vereinfacht. Durch Zusammenfassen der Gegenelektrodenanschlüsse der Biosensoren zu einem gemeinsamen Anschluss ist es möglich, einen noch größere Fläche bereitzustellen und den Widerstandswert besser an den idealen Wert von 0 Ω anzunähern.
Zu beachten ist, dass, obwohl zwei Biosensoren in der vorliegenden Ausführungsform miteinander angeordnet sind, drei oder mehr Biosensoren alternativ miteinander angeordnet werden können.
Wenn ferner mehrere Biosensoren miteinander angeordnet sind, wobei in jedem die Gegenelektrode so vorgesehen ist, um sich über die gesamte obere Fläche des Substrats zu erstrecken, wie dies in der fünften Ausführungsform der Fall ist, können die Gegenelektrodenanschlüsse zu einem gemeinsamen Anschluss zusammengefasst werden.
Wenn die Leitungen oder Elektroden auf Seite der Gegenelektrode oder auf Seite der Arbeitselektrode auf mehreren Schichten ausgebildet sind, können zwei oder mehrere Biosensoren in einen einzelnen Biosensor integriert werden.
DREIZEHNTE AUSFÜHRUNGSFORM
23 ist eine Draufsicht, die einen Biosensorchip 81 der dreizehnten Ausführungsform zeigt.
Wie in der Figur dargestellt ist, umfasst der Biosensorchip 81 der vorliegenden Ausführungsform zwei Biosensoren und die Messschaltungen 16, die mit den entsprechenden Biosensor verbunden sind, wobei die Biosensoren jeweils einen Sensorabschnitt 131 mit drei Elektroden, d. h. dem Arbeitselektrodenanschluss 103, dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10 und dem Gegenelektrodenanschluss 104, aufweist. Die Biosensoren und die Messschaltungen 16 sind auf dem gleichen Substrat vorgesehen. Ferner sind die Gegenelektrodenanschlüsse 104 der benachbarten Biosensoren in einen gemeinsamen Anschluss integriert.
Jeder der Biosensoren kann eine unterschiedliche Substanz untersuchen, wobei es möglich ist, mehrere Untersuchungen gleichzeitig auszuführen.
Zu beachten ist, dass obwohl in 23 ein Beispiel gezeigt ist, in dem jeder Biosensor und die Messschaltung 16 nebeneinander angeordnet sind, die vorliegende Erfindung auch durch einen alternativen Aufbau verwirklich werden kann, beispielsweise einem Aufbau, in welchem ein Chip mit einer darauf ausgebildeten Messschaltung auf einen Biosensor gestapelt wird. In einem derartigen Falle können die Messschaltung und der Biosensor miteinander mittels eines Drahtes, einem BGA oder Durchkontaktierungen, die durch das Substrat gehen, verbunden werden.
VIERZEHNTE AUSFÜHRUNGSFORM
24 ist ein Schaltdiagramm, das einen Biosensorchip 82 der vierzehnten Ausführungsform zeigt, und 25 ist eine Draufsicht, die den Biosensorchip 82 darstellt.
Wie in 24 gezeigt ist, umfasst der Biosensorchip 82 der vorliegenden Ausführungsform einen ersten Biosensor 58, einen zweiten Biosensor 59 und ein Messschaltungsmodul 57, das mit dem ersten Biosensor 58 und dem zweiten Biosensor 59 verbunden ist.
Wie in 25 dargestellt ist, umfassen der erste Biosensor 58 und der zweite Biosensor 59 jeweils einen Arbeitselektrodenanschluss, einen Arbeitselektrodenreferenzanschluss und eine Gegenelektrode, wobei die Gegenelektroden der Biosensoren miteinander verbunden sind.
Das Messschaltungsmodul 57 umfasst die Messschaltung 16, die mit dem ersten Biosensor 58 und dem zweiten Biosensor 59 verbunden ist, eine erste Gruppe von Schaltern 54, die zwischen dem Arbeitselektrodenanschluss und dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss des ersten Biosensors 58 und der Messschaltung 16 vorgesehen ist, eine zweite Gruppe von Schaltern 56, die zwischen dem Arbeitselektrodenanschluss und dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss des zweiten Biosensors 59 und der Messschaltung 16 vorgesehen ist, und eine Auswahlsteuerschaltung 52 zum Ein/Ausschalten der ersten Gruppe von Schaltern 54 und der zweiten Gruppe von Schaltern 56.
Die Auswahlsteuerschaltung 52 liefert ein Verbindungssteuersignal s53 zur Steuerung des Schaltens der ersten Gruppe von Schaltern 54 und ein Verbindungssteuersignal s55 zum Steuern des Schaltens der zweiten Gruppe von Schaltern 56. Insbesondere wenn eine Untersuchung mittels des ersten Biosensors 58 durchgeführt wird, werden die erste Gruppe von Schaltern 54 und die zweite Gruppe von Schaltern 56 ein- bzw. ausgeschaltet, wohingegen, wenn eine Untersuchung mittels des zweiten Biosensors 59 durchgeführt wird, die erste Gruppe von Schaltern 54 bzw. die zweite Gruppe von Schaltern 56 aus- bzw. eingeschaltet wird.
Mit dem Biosensorchip 82 der vorliegenden Ausführungsform kann eine Untersuchung mit lediglich einer Messschaltung für zwei Biosensoren durchgeführt werden, wodurch es möglich ist, mehrere Substanzen zu untersuchen und die Chipfläche weiter zu verringern. Des weiteren ist es mit diesem Aufbau möglich, die Herstellungskosten zu senken.
In dem Biosensorchip der vorliegenden Ausführungsform können die erste Gruppe von Schaltern 54 und die zweite Gruppe von Schaltern 56 einen gewissen Ein-Widerstand aufweisen. Da jedoch der Ein-Widerstand in äquivalenter Weise in dem Leitungswiderstand der Leitung des Biosensors enthalten ist, wird die Untersuchungsgenauigkeit in der vorliegenden Schaltungskonfiguration nicht beeinträchtigt.
Zu beachten ist, dass zwei Biosensoren auf dem gleichen Substrat in dem Biosensor der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet sind, wobei alternativ drei oder mehr Biosensoren auf dem gleichen Substrat gebildet sein können. Da ferner ein Messvorgang der Biosensoren mittels eines Schalters ausgewählt werden kann, können drei oder mehrere Biosensoren mit einer einzelnen Messschaltung verbunden werden.
Obwohl der erste Biosensor 58, der zweite Biosensor 59 und das Messschaltungsmodul 57 in der vorliegenden Ausführungsform auf dem gleichen Substrat aufgebildet sind, können alternative Chips mit jeweils einem Biosensor oder einem Messschaltungsmodul auf einem gemeinsamen Substrat montiert werden.
Alternativ können mehrere Chips aufeinandergestapelt werden und mittels eines BGA, einer Durchkontaktierung oder einem Draht miteinander verbunden werden.
Zu beachten ist, dass obwohl der Biosensorchip der vorliegenden Ausführungsform einen Biosensor mit drei Elektroden mit einem Arbeitselektrodenanschluss, einem Arbeitselektrodenreferenzanschluss und einem Gegenelektrodenanschluss aufweist, der Biosensorchip alternativ einen Biosensor mit drei Elektroden mit einem Arbeitselektrodenanschluss, einem Gegenelektrodenanschluss und einer Gegenelektrodenreferenzelektrode aufweisen kann.
FÜNFZEHNTE AUSFÜHRUNGSFORM
26 ist eine Draufsicht, die einen Biosensorchip 83 der fünfzehnten Ausführungsform zeigt.
Wie in 26 dargestellt ist, umfasst der Biosensorchip 83 der vorliegenden Ausführungsform zwei Biosensoren und eine Messschaltung 50, die mit den beiden Biosensoren verbunden ist, auf dem gleichen Substrat, wobei jeder Biosensor den Arbeitselektrodenanschluss 103, den Arbeitselektrodenreferenzanschluss 10, den Gegenelektrodenanschluss 104 und den Sensorabschnitt 131 für die Reaktion mit einer zu untersuchenden Flüssigkeit aufweist.
Ein Merkmal des Biosensorchips 83 der vorliegenden Ausführungsform liegt darin, dass die Sensorabschnitte 131 der Biosensoren, die den unterschiedlichen zu untersuchenden Komponenten entsprechen, benachbart zueinander vorgesehen sind. Der Reaktionsabschnitt enthält eine Gegenelektrode und eine Arbeitselektrode, auf der ein Untersuchungsmittel, das aus einem Enzym, einem Mediator, etc. hergestellt ist, aufgebracht ist.
In dem Biosensorchip der vorliegenden Ausführungsform sind die Reaktionsabschnitte der beiden Biosensoren benachbart zueinander angeordnet, wobei zwei unterschiedliche Untersuchungen ausgeführt werden können, indem lediglich ein einzelner Tropfen einer Blutprobe aufgebracht wird. Somit wird die Struktur des Abtropfabschnitts des Biosensors vereinfacht. Ferner ist lediglich eine sehr geringe Blutprobenmenge erforderlich, wodurch hinsichtlich der Blutabnahme nur geringe Anforderungen auftreten.
Zu beachten ist, dass in dem Biosensorchip der vorliegenden Ausführungsform Reaktionsabschnitte von drei oder mehr unterschiedlichen Biosensoren alternativ benachbart zueinander vorgesehen werden können. Dann ist es möglich, drei oder mehr Untersuchungen mit einer einzelnen Abtropfsektionsstruktur durchzuführen. Des weiteren ist es möglich, die erforderliche Blutprobenmenge zu reduzieren.
Obwohl die zuvor beschriebenen Ausführungsformen sich an einen Biosensor, der drei Anschlüsse aufweist, sowie an einen Biosensorchip und eine Biosensoreinrichtung mit dem Chip richten, betreffen diese und nachfolgende Ausführungsformen Beispiele, in denen der Biosensor vier Anschlüsse besitzt.
SECHZEHNTE AUSFÜHRUNGSFORM
27 und 28 zeigen jeweils eine Schaltungskonfiguration einer Biosensoreinrichtung der sechzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in diesen Figuren dargestellte Biosensoreinrichtung umfasst einen Biosensor 210 der vorliegenden Erfindung, der daran angebracht ist, wobei eine Messschaltung 220 und der Biosensor 210 elektrisch miteinander verbunden sind. Der Aufbau des Biosensors 210 wird später beschrieben. Zu beachten ist, dass zusätzlich zu dem Biosensor 210 und der Messschaltung 220, wie sie hierin beschrieben ist, die Biosensoreinrichtung ferner eine Datenanalyseeinrichtung, einen Untersuchungsergebnisanzeigeabschnitt, etc. aufweist, wie dies nach Bedarf erforderlich ist.
Die Messschaltung 220, die in 27 gezeigt ist, umfasst einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221a zum Anlegen der Spannung Vp1 (entspricht der ”ersten Arbeitselektrodenspannung” der vorliegenden Erfindung) an den Arbeitselektrodenanschluss 213a (entspricht dem ”ersten Arbeitselektrodenanschluss” der vorliegenden Erfindung) des Biosensors 210, einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222 zum Anlegen der Spannung Vm1 (entspricht der ”ersten Gegenelektrodenspannung” der vorliegenden Erfindung) an einen Gegenelektrodenanschluss 214a (entspricht dem ”ersten Gegenelektrodenanschluss” der vorliegenden Erfindung) des Biosensors 210, eine Basisspannungsquelle 223 zum Zuführen einer Spannung Vpr (entspricht der ”Arbeitselektrodenbasisspannung” der vorliegenden Erfindung) und einer Spannung Vmr (entspricht der ”Gegenelektrodenbasisspannung” der vorliegenden Erfindung) zu dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221a bzw. dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222, und eine Signalverarbeitungsschaltung 224 zum Verarbeiten eines Arbeitselektrodenstrompegelsignals CV1, das von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221a ausgegeben wird.
Andererseits umfasst die Messschaltung 220, die in 28 gezeigt ist, einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221 und einen Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222a anstelle des Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 221a bzw. des Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222, und die Signalverarbeitungsschaltung 224 verarbeitet ein Gegenelektrodenstrompegelsignal CV2, das von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222a ausgegeben wird.
Der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221 dient als Referenz für die Spannung Vp2 eines Arbeitselektrodenreferenzanschlusses 213b des Biosensors 210. Der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221 dient nur als Referenz für die Spannung Vp2, und die Eingangsimpedanz ist hoch, wodurch der Strom Ip2, der durch den Arbeitselektrodenreferenzanschluss 213 fließt, im Wesentlichen Null ist. Daher ergibt sich kein Spannungsabfall auf Grund des Widerstandswertes Rp2 des Arbeitselektrodenreferenzanschlusses 213b und die Spannung Vp2 und die Spannung Vp (entspricht der ”zweiten Arbeitselektrodenspannung” der vorliegenden Erfindung) können als gleich zueinander betrachtet werden. Somit dient im Wesentlichen der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 2221 als Referenz für die Spannung Vp einer Arbeitselektrode 211 über den Arbeitselektrodenreferenzanschluss 213b und die Spannung Vp1 wird so erzeugt, dass die Spannung Vp mit der gegebenen Spannung Vpr übereinstimmt.
Zusätzlich zu der Funktion des Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221, der zuvor beschrieben ist, besitzt der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221a die Funktion des Messens des Arbeitselektrodenstromes If1, der durch den Arbeitselektrodenanschluss 213a fließt, und der Abschnitt gibt das Arbeitselektrodenstrompegelsignal CV1 entsprechend dem gemessenen Pegel des Arbeitselektrodenstromes If1 aus.
Der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222 dient als Referenz für die Spannung Vm2 eines Gegenelektrodenanschlusses 241b (entspricht dem ”zweiten Gegenelektrodenanschluss” der vorliegenden Erfindung) des Biosensors 210. Der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222 dient lediglich als Referenz für die Spannung Vm2, und die Eingangsimpedanz ist hoch, so dass ein Strom Im2, der durch den Gegenelektrodenanschluss 214b fließt, im Wesentlichen gleich Null ist. Daher ergibt sich kein Spannungsabfall auf Grund eines Widerstandwertes Rm2 des Gegenelektrodenanschlusses 214b, und die Spannung Vm2 und eine Spannung Vm (entspricht der ”zweiten Gegenelektrodenspannung” der vorliegenden Erfindung) können als gleich zueinander betrachtet werden. Somit dient im Wesentlichen der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222 als Referenz für die Spannung Vm einer Gegenelektrode 212 mittels des Gegenelektrodenanschlusses 214b und es wird die Spannung Vm1 so erzeugt, dass die Spannung Vm mit der gegebenen Spannung Vmr übereinstimmt.
Zusätzlich zu der oben beschriebenen Funktion besitzt der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222a die Funktion des Messens des Gegenelektrodenstromes If2, der durch den Gegenelektrodenanschluss 214a fließt, und der Abschnitt gibt das Gegenelektrodenstrompegelsignal CV2 entsprechend dem gemessenen Pegel des Gegenelektrodenstromes If2 aus.
29 zeigt einige Schaltungsbeispiele der Abschnitte zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221 und 221a und der Abschnitte zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222 und 222a. Die Konfigurationen der in der Figur dargestellten Schaltungen wird nachfolgend beschrieben.
29(a) zeigt ein Schaltungsbeispiel des Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221 oder des Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222. Der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221 oder der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222, die in der Figur dargestellt sind, besitzen eine Konfiguration, in der das Ausgangssignal einer Spannungsreferenzschaltung 430 anstelle der Spannung Vpr oder der Spannung Vmr einer gegenelektrodenseitigen Spannungsquelle 1106 der in 44 gezeigten konventionellen Messschaltung 1123 zugeführt wird. Der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221 wird nunmehr als eine Beispiel beschrieben.
Die Spannungsreferenzschaltung 430 ist ein Operationsverstärker, dessen invertierender Eingang und nichtinvertierender Eingang mit den Spannungen Vp2 bzw. Vpr beaufschlagt sind. Die Spannungsreferenzschaltung 430 gibt eine Spannung so aus, dass die Spannung Vp2 und die Spannung Vpr einander gleich sind. Ein Operationsverstärker als Spannungsquelle 420 empfängt diese Spannung an seinem Eingang und gibt die Spannung Vp1 entsprechend der eingespeisten Spannung aus.
29(b) zeigt ein Schaltungsbeispiel des Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221a oder des Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222a. Der in der Fig. dargestellte Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221a oder der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222a besitzt eine Konfiguration, in der das Ausgangssignal der Spannungsreferenzschaltung 430 anstelle der Spannung Vpr1 oder der Spannung Vmr1 der Spannungsquelle 210 in der in 44 gezeigten konventionellen Biosensoreinrichtung zugeführt wird. Es wird nun als ein Beispiel der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221a beschrieben.
Ein Operationsverstärker, der die Spannungsreferenzschaltung 430 repräsentiert, gibt eine Spannung so aus, dass die Eingangsspannungen, d. h. die Spannung Vp2 und die Spannung Vpr, einander gleich sind. Die Ausgangsspannung wird dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers, der die Spannungsquelle 420 repräsentiert, zugeführt. Im negativen Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers ist ein Widerstandselement vorgesehen, so dass das Arbeitselektrodenstrompegelsignal CV1 entsprechend dem Pegel des Arbeitselektrodenstroms If1, der durch das Widerstandselement fließt, ausgegeben wird.
29(c) zeigt ein Schaltungsbeispiel des Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221a oder des Abschnitts zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222. Der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221a oder der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222a, die in der Figur dargestellt sind, enthalten die Spannungsreferenzschaltung 430 und eine Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 440. Diese Schaltung besitzt eine ähnliche Konfiguration wie die Spannungs/Strom-Wandlerschaltung, die beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegungsschrift 11-154833 oder in dem US-Patent mit Nr. 59-86910 offenbart ist. Es wird nun der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221a als ein Beispiel beschrieben.
Die Spannungsreferenzschaltung 430 gibt die Spannung Vp1 so aus, dass die Eingangssignale, d. h. die Spannung Vp2 und die Spannung Vpr, einander gleich sind. Die Spannungs/Strom-Wandlerschaltung 440 empfängt als Eingangssignal ein Signal zum Steuern des Ausgangssignals der Spannungsreferenzschaltung 430 und gibt das Arbeitselektrodenstrompegelsignal CV1 aus.
Nachfolgend werden die Spannung, die dem Biosensor 210 mittels der Messschaltung 220 der vorliegenden Ausführungsform zugeführt wird, und der Strom, der von der Messschaltung 220 gemessen wird, erläutert.
Die Spannung Vp1 wird von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221 oder 221a so erzeugt, dass die Spannung Vp und die Spannung Vpr einander angepasst sind, und die Spannung Vp1 wird an den Arbeitselektrodenanschluss 213a angelegt. Auf diese Weise kann die Spannung Vp stets der Spannung Vpr folgen, selbst wenn ein Spannungsabfall auf Grund des Widerstandswerts Rp1 des Arbeitselektrodenanschlusses 213a auftritt.
In ähnlicher Weise wird die Spannung Vm1 von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222 oder 222a so erzeugt, dass die Spannung Vm und die Spannung Vmr einander angepasst sind, und die Spannung Vm1 wird an den Gegenelektrodenanschluss 214a angelegt. Auf diese Weise kann die Spannung Vm stets der Spannung Vmr folgen, selbst wenn ein Spannungsabfall auf Grund des Widerstandswerts Rm1 des Gegenelektrodenanschlusses 214a auftritt.
Daher ist die Spannung Vf, die von der Messschaltung 220 zwischen der Arbeitselektrode 211 und der Gegenelektrode 212 des Biosensors 210 angelegt wird, gemäß dem nachfolgenden Ausdruck (35). Vf = (Vpr – Vmr) (35)
Daraus ergibt sich aus der Gleichung (8) und der Gleichung (35) ein Strom If, der durch den Biosensor 210 in Reaktion auf die angelegte Spannung fließt, gemäß dem folgenden Ausdruck (36). If = f{Q, Vpr – Vmr} (36)
Ein Vergleich der Gleichung (35) mit der Gleichung (7), zeigt, dass kein Spannungsabfall auf Grund der Leitungswiderstände Rp1 und Rm1 des Arbeitselektrodenanschlusses 213a und des Gegenelektrodenanschlusses 314a in der Gleichung (35) auftritt. Somit kann die zwischen der Arbeitselektrode 211 und der Gegenelektrode 212 angelegte Spannung Vf auf einen vorbestimmten Wert festgelegt werden, unabhängig von den Leitungswiderständen des Arbeitselektrodenanschlusses 213a und des Gegenelektrodenanschlusses 214a des Biosensors 210. Daher ergibt sich kein Fehler in dem Strom, der durch den Biosensor 210 fließt. Der Strom wird als der Arbeitselektrodenstrom If1 oder der Gegenelektrodenstrom If2 von dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 212a oder dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222a gemessen und in das Arbeitselektrodenstrompegelsignal CV1 oder das Gegenelektrodenstrompegelsignal CV2 umgewandelt. Das Arbeitselektrodenstrompegelsignal CV1 oder das Gegenelektrodenstrompegelsignal CV2 werden dann von der Signalverarbeitungsschaltung 224 so verarbeitet, um die Konzentration der zu untersuchenden chemischen Substanz zu berechnen.
Wie zuvor beschrieben ist, ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, eine vorbestimmte Spannung Vf zwischen der Arbeitselektrode 211 und der Gegenelektrode 212 unabhängig von den Leitungswiderständen des Arbeitselektrodenanschlusses 212a und des Gegenelektrodenanschlusses 214a des Biosensors 210 anzulegen. Somit ist es möglich, einen genauen Strompegel ohne Fehler zu messen, wodurch die Untersuchungsgenauigkeit der Biosensoreinrichtung verbessert wird. Insbesondere sind in der Biosensoreinrichtung der vorliegenden Ausführungsform der Arbeitselektrodenreferenzanschluss 212b und der Gegenelektrodenreferenzanschluss 214b vorgesehen, wodurch es möglich ist, die Untersuchungsgenauigkeit noch weiter zu verbessern im Vergleich zu dem Fall, wenn lediglich einer der Referenzanschlüsse vorgesehen ist.
Zu beachten ist, dass bei dem in 29(a) gezeigten Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221 oder dem Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222 die Spannungsquelle 420 weggelassen werden kann und es kann das Ausgangssignal der Spannungsreferenzschaltung 430 direkt als die Spannung Vp1 oder Spannung Vm1 verwendet werden. Ferner kann die Spannungsquelle 420 und die Spannungsreferenzschaltung 430 in Form einer anderen Komponente als ein Operationsverstärker vorgesehen sein. Eine derartige Abänderung hat keinerlei Auswirkungen auf die vorliegende Erfindung.
Wenn ferner die Arbeitselektrode 211 oder die Gegenelektrode 212 eine erste Elektrode und die andere eine zweite Elektrode ist, ist der Abschnitt zum Anlegen einer ersten Spannung, um damit die erste Spannung (beispielsweise die Spannung Vp1) an den ersten Anschluss (z. B. den Arbeitselektrodenanschluss 213a), der mit der ersten Elektrode (beispielsweise der Arbeitselektrode 211) verbunden ist, anzulegen, ein konventioneller Abschnitt zum Anlegen einer Spannung, während der Abschnitt zum Anlegen einer zweiten Spannung, um damit die zweite Spannung (beispielsweise die Spannung Vm1) an den zweiten Anschluss (beispielsweise dem Gegenelektrodenanschluss 214a), der mit der zweiten Elektrode (beispielsweise der Gegenelektrode 212) verbunden ist, anzulegen, ein Abschnitt zum Anlegen einer Spannung der vorliegenden Ausführungsform ist (beispielsweise der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222). Der Abschnitt zum Anlegen einer zweiten Spannung dient als Referenz für die dritte Spannung (beispielsweise die Spannung Vm) der zweiten Elektrode mittels des dritten Anschlusses (beispielsweise dem Gegenelektrodenanschluss 214b), der mit der zweiten Elektrode verbunden ist, und der Abschnitt erzeugt die zweite Spannung so, dass die dritte Spannung und eine gegebene Basisspannung (beispielsweise die Spannung Vmr) miteinander übereinstimmen. Somit ist es möglich, eine Biosensoreinrichtung mit einer erhöhten Genauigkeit gegenüber dem Stand der Technik zu realisieren, selbst wenn der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221 oder 221a oder der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222 oder 222a weggelassen wird.
SIEBZEHNTE AUSFÜHRUNGSFORM
30 zeigt eine Schaltungskonfiguration einer Biosensoreinrichtung der siebzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Messschaltung 220 der vorliegenden Ausführungsform umfasst den Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221a und den Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222a, die in der sechzehnten Ausführungsform beschrieben sind, als Einrichtung zum Anlegen einer Spannung an den Arbeitselektrodenanschluss 213a bzw. den Gegenelektrodenanschluss 214a des Biosensors 210, und die Schaltung verarbeitet das Arbeitselektrodenstrompegelsignal CV1 und das Gegenelektrodenstrompegelsignal CV2, die von den Abschnitten zum Anlegen der Spannungen ausgegeben werden, um die zu untersuchende chemische Substanz zu analysieren. Es wird nun die Messschaltung 220a beschrieben, wobei bereits in der sechzehnten Ausführungsform beschriebene Komponenten nicht erneut beschrieben werden und wobei die gleichen Bezugszeichen wie in den 27 und 28 verwendet werden.
Der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221a misst den Strom If1, der durch den Arbeitselektrodenanschluss 213a fließt, als den Strom, der durch den Biosensor 210 fließt, und gibt das Arbeitselektrodenstrompegelsignal CV1 aus. Der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221a kann diverse andere Konfigurationen aufweisen als jene, wie sie in 29(b) und 29(c) dargestellt sind.
Der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222a misst den Strom If2, der durch den Gegenelektrodenanschluss 214a fließt, als den Strom, der durch den Biosensor 210 fließt, und gibt das Gegenelektrodenstrompegelsignal CV2 aus. Der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222a kann diverse andere Konfigurationen aufweisen, als jene, wie sie in den 29(b) und 29(c) dargestellt sind.
Eine Signalverarbeitungsschaltung 224a verarbeitet das Arbeitselektrodenstrompegelsignal CV1 und das Gegenelektrodenstrompegelsignal CV2. Während das zu verarbeitende Signal in der sechzehnten Ausführungsform entweder das Arbeitselektrodenstrompegelsignal CV1 oder das Gegenelektrodenstrompegelsignal CV2 ist, werden diese beiden Signale in der vorliegenden Ausführungsform verwendet, wodurch der Informationsgehalt über den Strom, der durch den Biosensor 210 fließt, verdoppelt wird. Somit kann das S/N-Verhältnis (Signal/Rauschen-Verhältnis) um ungefähr 6db gegenüber der sechzehnten Ausführungsform verbessert werden.
Wie zuvor beschrieben ist, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Untersuchungsgenauigkeit der Biosensoreinrichtung weiter verbessert werden (ungefähr um 6db in Bezug auf das S/N-Verhältnis). Des weiteren liefert das Verarbeiten sowohl des Arbeitselektrodenstrompegelsignals CV1 als auch des Gegenelektrodenstrompegelsignals CV2 eine Wirkung in Hinsicht auf die Verringerung des Gleichtaktrauschens.
ACHTZEHNTE AUSFÜHRUNGSFORM
31 zeigt eine Schaltungskonfiguration einer Biosensoreinrichtung der achtzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Messschaltung 220b der vorliegenden Ausführungsform ist ähnlich zu der Messschaltung 220a der siebzehnten Ausführungsform, umfasst aber ferner einen Strompegelsignalerzeugungsabschnitt 225. Die Messschaltung 220b wird nunmehr beschrieben, wobei bereits in der siebzehnten Ausführungsform beschriebene Komponenten nicht mehr beschrieben werden und wobei die gleichen Bezugszeichen wie in 30 verwendet werden.
Der Strompegelsignalerzeugungsabschnitt 225 empfängt als Eingangssignale das Arbeitselektrodenstrompegelsignal CV1 und das Gegenelektrodenstrompegelsignal CV2, und gibt ein Strompegelsignal CV, das den Pegel des durch den Biosensor 210 fließenden Stromes repräsentiert, aus. Der Strompegelsignalerzeugungsabschnitt 225 kann als ein Differenzsignalwandler, wie er beispielsweise in 31 dargestellt ist, vorgesehen sein. Der Differenzsignalwandler addiert zwei Eingangssignale, um ein einziges Signal auszugeben. Somit ist in der vorliegenden Ausführungsform das Strompegelsignal CV das Ergebnis des Addierens des Arbeitselektrodenstrompegelsignals CV1 und des Gegenelektrodenstrompegelsignals CV2.
Eine Signalverarbeitungsschaltung 224b weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie die Signalverarbeitungsschaltung 224 in der Messschaltung 220 der sechzehnten Ausführungsform auf und empfängt das Strompegelsignal CV als Eingangssignal, um damit die Konzentration der zu untersuchenden chemischen Substanz zu berechnen.
Wie zuvor beschrieben ist, werden gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Arbeitselektrodenstrompegelsignal CV1 und das Gegenelektrodenstrompegelsignal CV2 mittels dem Strompegelsignalerzeugungsabschnitt 225 in ein einzelnes Strompegelsignal CV umgewandelt, wobei die Konfiguration der Signalverarbeitungsschaltung 224b im Vergleich zu jener der siebzehnten Ausführungsform vereinfacht werden kann. Damit ist es möglich, die Größe und die Kosten für die Biosensoreinrichtung zu verringern. Zu beachten ist, dass der Strompegelsignalerzeugungsabschnitt 225 in anderer Weise als durch den 31 dargestellten Differenzsignalwandler vorgesehen sein kann.
NEUNZEHNTE AUSFÜHRUNGSFORM
32 zeigt den Aufbau eines Biosensors der neunzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Biosensor 210 der vorliegenden Ausführungsform wird beispielsweise mit den Messschaltungen 220, 220a und 220b der ersten bis achtzehnten Ausführungsform, die zuvor beschrieben sind, verwendet.
Der Biosensor 210 umfasst den Arbeitselektrodenanschluss 213a, 213b, der sich von der Arbeitselektrode 211 erstreckt, und den Gegenelektrodenanschluss 214a und den Gegenelektrodenreferenzanschluss 214b, die sich von der Gegenelektrode 212 erstrecken. Obwohl dies in der Fig. nicht gezeigt ist, ist ein Untersuchungsmittel, das aus einem Enzym, einem Mediator, etc. entsprechend der zu untersuchenden chemischen Substanz hergestellt ist, auf dem Sensorabschnitt aufgebracht, der kombiniert die Arbeitselektrode 211 und die Gegenelektrode 212 enthält. Mit dem Biosensor 210 ist es möglich, die Bindungsreaktion zwischen zwei chemischen Substanzen, etwa einem Oligonucleotid, einem Antigen, einem Enzym, einem Peptid, einem Antikörper, einem DNA-Fragment, einem RNA-Fragment, Zucker, Laktosesäure und Cholesterin oder zwischen Molekularstrukturen davon, elektronisch zu detektieren.
Der Arbeitselektrodenanschluss 213a ist ein Anschluss zum Anlegen der Spannung von der Messschaltung (Einrichtung), und der Arbeitselektrodenreferenzanschluss 213b ist eine Elektrode, die als Referenz für die Spannung dient. Zu beachten ist jedoch, dass die Position des Arbeitselektrodenanschlusses 213a und die des Arbeitselektrodenreferenzanschlusses 213b vertauscht werden können.
In ähnlicher Weise ist der Gegenelektrodenanschluss 214a ein Anschluss zum Anlegen einer Spannung von der Messschaltung und der Gegenelektrodenreferenzanschluss 214b ist ein Anschluss, der als Referenz für die Spannung dient. Wiederum sind die Positionen der Anschlüsse vertauschbar.
Wenn eine Spannung zwischen dem Arbeitselektrodenanschluss und dem Gegenelektrodenanschluss angelegt wird, gibt der Biosensor 210 einen Strom gemäß der Konzentration einer speziellen chemischen Substanz, die in der Körperflüssigkeit enthalten ist, etwa Blut, das auf den Sensorabschnitt aufgebracht ist, aus. Dann kann die Spannung an der Arbeitselektrode 211 und die Spannung an der Gegenelektrode 212 durch Bezugnahme auf die Spannung an dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss und die Spannung an dem Gegenelektrodenreferenzanschluss ermittelt werden.
Wie zuvor beschrieben ist, sind gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Arbeitselektrodenanschluss 213a, der Arbeitselektrodenreferenzanschluss 213b, der Gegenelektrodenanschluss 214b und der Gegenelektrodenreferenzanschluss 214b in dem Biosensor 210 vorgesehen, wodurch es möglich ist, die der Arbeitselektrode 211 und der Gegenelektrode 212 zugeführte Spannung einzustellen, wobei eine Referenz für die Spannungen an der Arbeitselektrode 211 und der Gegenelektrode 212 gegeben ist und daher ist es möglich, die zwischen der Arbeitselektrode 211 und der Gegenelektrode 212 angelegte Spannung auf einen vorbestimmten Wert einzustellen. Somit ist es möglich, den Stromfehler auf Grund des Leitungswiderstandes zu vermeiden, ohne dass ein Edelmetall mit geringem Widerstand für die Leitungen verwendet wird, die mit dem Arbeitselektrodenanschluss 213a, dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss 213b, dem Gegenelektrodenanschluss 214a und dem Gegenelektrodenreferenzanschluss 214b verbunden sind.
Zu beachten ist, obwohl der Biosensor der vorliegenden Ausführungsform einen Arbeitselektrodenanschluss, einen Arbeitselektrodenreferenzanschluss, einen Gegenelektrodenanschluss und einen Gegenelektrodenreferenzanschluss aufweist, die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist, und es können alternativ mehrere dieser Anschlüsse vorgesehen sein. Insbesondere zwei oder mehrere Anschlüsse jeweils des Arbeitselektrodenanschlusses, des Arbeitselektrodenreferenzanschlusses, des Gegenelektrodenanschlusses und des Gegenelektrodenreferenzanschlusses können alternativ vorgesehen sein, und die Anzahl der Arbeitselektrodenanschlüsse und die Anzahl der Gegenelektrodenanschlüsse kann sich voneinander unterscheiden. Ferner kann die Anzahl der Arbeitselektrodenanschlüsse und die Anzahl der Arbeitselektrodenreferenzanschlüsse unterschiedlich sein und die Anzahl der Gegenelektrodenanschlüsse und die Anzahl der Gegenelektrodenreferenzanschlüsse kann ebenso unterschiedlich sein.
Wenn ferner die Arbeitselektrode 211 oder die Gegenelektrode 212 eine erste Elektrode und die andere eine zweite Elektrode ist, kann die Anzahl der Anschlüsse für die erste Elektrode (beispielsweise die Arbeitselektrode 211) eins betragen, während die Anzahl der Anschlüsse für die zweite Elektrode (beispielsweise die Gegenelektrode 212) größer als eins ist. Des weiteren ist es mit einem Biosensor mit einem derartigen Aufbau möglich, den Stromfehler auf Grund des Leitungswiderstands gegenüber dem Stand der Technik zu verringern, indem einer der Anschlüsse, die mit der zweiten Elektrode verbunden sind, zum Anlegen einer Spannung an die zweite Elektrode verwendet wird, während ein weiterer Anschluss als Referenz für die Spannung an der zweiten Elektrode benutzt wird.
ZWANZIGSTE AUSFÜHRUNGSFORM
33 zeigt den Aufbau eines Biosensors der zwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Biosensor 210 der vorliegenden Ausführungsform ist ähnlich zu dem Biosensor 210 der neunzehnten Ausführungsform mit Ausnahme, dass die Elektroden in einer Mehrschichtstruktur bzw. Mehrebenenstruktur vorgesehen sind. Wie in der Figur dargestellt ist, sind der Arbeitselektrodenanschluss 213a und der Arbeitselektrodenreferenzanschluss 213b übereinander geschichtet (so dass diese sich überlappen, wenn sie von oben betrachtet werden), während der Gegenelektrodenanschluss 214a und der Gegenelektrodenreferenzanschluss 214b ebenso übereinandergeschichtet sind. Auf diese Weise ist es möglich, die Größe des Biosensors zu verringern und ferner die Herstellungskosten zu reduzieren.
Zu beachten ist, dass obwohl der Arbeitselektrodenanschluss und der Arbeitselektrodenreferenzanschluss übereinandergeschichtet sind, der Gegenelektrodenanschluss und der Gegenelektrodenreferenzanschluss in der vorliegenden Ausführungsform auch übereinander geschichtet sind, die vorliegende Erfindung nicht darauf eingeschränkt ist. Zum Beispiel ist es möglich, die oben beschriebene Wirkung zu erreichen, indem der Arbeitselektrodenanschluss und der Gegenelektrodenanschluss übereinandergeschichtet werden, indem der Arbeitselektrodenanschluss und der Gegenelektrodenreferenzanschluss übereinander geschichtet werden oder indem der Arbeitselektrodenreferenzanschluss und der Gegenelektrodenanschluss übereinander geschichtet werden.
EINUNDZWANZIGSTE AUSFÜHRUNGSFORM
34 zeigt die Struktur eines Biosensors der einundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einem Biosensor 210b der vorliegenden Ausführungsform sind zwei Biosensoren 210 der neunzehnten Ausführungsform auf dem gleichen Substrat ausgebildet. Obwohl dies nicht in der Figur dargestellt ist, sind unterschiedliche Untersuchungsmittel, die aus Enzymen, Mediatoren, etc. entsprechend zu unterschiedlichen zu untersuchenden chemischen Substanzen auf dem Sensorabschnitt hergestellt sind, der kombiniert eine Arbeitselektrode 211a und eine Gegenelektrode 212a aufweist, und auf dem Sensorabschnitt, der kombiniert eine Arbeitselektrode 211b und eine Gegenelektrode 212b aufweist, aufgebracht. Somit ist es durch Bereitstellen mehrerer Sensorabschnitte auf dem gleichen Substrat möglich, mehrere chemische Substanzen gleichzeitig zu untersuchen und es ist möglich, einen Biosensor mit besserem Leistungsvermögen und geringerem Preis zu realisieren.
Zu beachten ist, dass obwohl der Biosensor 210b der vorliegenden Ausführungsform zwei Sensorabschnitt aufweist, dieser alternativ drei oder mehr Sensorabschnitte aufweisen kann.
ZWEIUNDZWANZIGSTE AUSFÜHRUNGSFORM
35 zeigt den Aufbau eines Biosensors der zweiundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Biosensor 210c der vorliegenden Ausführungsform ist ähnlich zu dem Biosensor 210b der einundzwanzigsten Ausführungsform mit Ausnahme, dass die Gegenelektroden 212a und 212b zu einer einzigen zusammengefasst sind. Die Gegenelektrode 212 des Biosensors 210c ist für die Arbeitselektrode 211a und für die Arbeitselektrode 211b vorgesehen. Anders ausgedrückt, die Arbeitselektroden 211a und 211b teilen sich eine einzelne Gegenelektrode 212. Daher ist es möglich, einen Gegenelektrodenanschluss 214c und einen Gegenelektrodenreferenzanschluss 214d in dem Biosensor 214b wegzulassen und es genügt, dass der Biosensor 210c einen einzigen Gegenelektrodenanschluss 214a und einen einzigen Gegenelektrodenreferenzanschluss 214b aufweist. Damit ist es möglich, die Größe des Biosensors noch mehr zu reduzieren.
Zu beachten ist, dass obwohl die Arbeitselektrode 211a und 211b eine einzelne Gegenelektrode 212 in der vorliegenden Ausführungsform gemeinsam nutzen, drei oder mehr Arbeitselektroden in dem Biosensor vorgesehen werden können, wobei die Arbeitselektroden dann eine einzelne Gegenelektrode gemeinsam nutzen. Umgekehrt können mehrere Gegenelektroden in dem Biosensor so vorgesehen sein, dass diese sich eine einzelne Arbeitselektrode teilen.
DREIUNDZWANZIGSTE AUSFÜHRUNGSFORM
36 zeigt den Aufbau eines Biosensorschips der dreiundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Biosensorchip 230 der vorliegenden Ausführungsform umfasst einen Sensorabschnitt 231 und eine Messschaltung 232. Ein Untersuchungsmittel, das aus einem Enzym, einem Mediator, etc. entsprechend der zu untersuchenden chemischen Substanz hergestellt ist, ist auf den Sensorabschnitt 231 aufgebracht und wenn eine Spannung daran angelegt wird, gibt der Sensorabschnitt 231 einen Strom entsprechend der Konzentration einer speziellen chemischen Substanz aus, die in der Körperflüssigkeit enthalten ist, etwa von Blut. Die Messschaltung 232 legt eine Spannung an den Sensorabschnitt 231 an und misst den Ausgangsstrom. Ferner sind der Sensorabschnitt 231 und die Messschaltung 232 elektrisch miteinander mittels Arbeitselektrodenleitungen 233a und 233b und den Gegenelektrodenleitungen 234a und 234b verbunden.
Der Bereich, der den Sensorabschnitt 231, die Arbeitselektrodenleitungen 233a und 233b und die Gegenelektrodenleitungen 234a und 234b enthält, besitzt einen ähnlichen Aufbau wie jener des Biosensors der neunzehnten Ausführungsform. Insbesondere werden die Arbeitselektrodenleitung 233a und die Gegenelektrodenleitung 234a zum Anlegen von Spannungen an die Arbeitselektrode 211 bzw. die Gegenelektrode 212 benutzt, wohingegen die Arbeitselektrodenleitung 233b und die Gegenelektrodenleitung 234b als Referenz für die Spannung an der Arbeitselektrode 211 und der Gegenelektrode 212 verwendet werden. Die Messschaltung 232 besitzt eine ähnliche Schaltungskonfiguration wie die Messschaltung 220, 220a, 220b und 220c, die in der ersten bis achtzehnten Ausführungsform beschrieben sind. Somit umfasst der Biosensorchip 230 einen Biosensor und eine Biosensoreinrichtung der vorliegenden Erfindung, die auf einem einzelnen Chip ausgebildet sind.
Die Arbeitselektrodenleitungen 233a und 233b und die Gegenelektrodenleitungen 234a und 234b in dem Biosensorchip 230 sind aus dünnen Schichten mittels eines Mikroherstellungsverfahrens gebildet, wobei deren Widerstandswerte erhöht sind. Jedoch ist es entsprechend der vorliegenden Ausführungsform möglich, einen Strom ohne Einfluss dieser Widerstandswerte zu messen, wie dies zuvor beschrieben ist. Daher ist es möglich, eine Biosensorchip zu verwirklichen, der eine hohe Genauigkeit aufweist, eine sehr geringe Größe besitzt und preisgünstig ist.
Zu beachten ist, dass das Substrat, auf dem der Biosensorchip 230 ausgebildet ist, ein beliebiges Material oder einen beliebigen Aufbau aufweisen kann, solange es ein Substrat ist, auf dem der Sensorabschnitt 231 und die Messschaltung 232 gebildet werden können, etwa ein Siliziumsubstrat, ein Silizium-auf-Isolator-Substrat, ein Silizium-auf-Saphier-Substrat oder ein Glassubstrat.
Wenn ferner die Arbeitselektrode 211 oder die Gegenelektrode 212 eine erste Elektrode und die andere eine zweite Elektrode ist, ist der Abschnitt zum Anlegen einer ersten Spannung, um damit die erste Spannung (beispielsweise die Spannung Vp1) an die erste Leitung (z. B. die Arbeitselektrodenleitung 233a, die die erste Elektrode (z. B. die Arbeitselektrode 211) mit der Messschaltung 232 verbindet, anzulegen, ein konventioneller Abschnitt zum Anlegen einer Spannung, während der Abschnitt zu Anlegen der zweiten Spannung, um damit die zweite Spannung (beispielsweise die Spannung Vm1) an die zweite Leitung anzulegen (beispielsweise die Gegenelektrodenleitung 234a), die die zweite Elektrode (z. B. die Gegenelektrode 312) mit der Messschaltung 232 verbindet, ein Abschnitt zum Anlegen einer Spannung der vorliegenden Ausführungsform (z. B. der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222 oder 222a). Der Abschnitt zum Anlegen der zweiten Spannung liefert eine Referenz für die dritte Spannung (beispielsweise die Spannung Vm) der zweiten Elektrode über die dritte Leitung (beispielsweise die Gegenelektrodenleitung 234b), die die zweite Elektrode mit der Messschaltung 232 verbindet, und der Abschnitt erzeugt die zweite Spannung so, dass die dritte Spannung und eine gegebene Basisspannung (beispielsweise die Spannung Vmr) einander angepasst sind. Daher ist es möglich, einen Biosensorchip zu verwirklichen, der eine hohe Genauigkeit und eine sehr geringe Größe aufweist und kostengünstig ist, selbst wenn der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode 221 oder 221a oder der Abschnitt zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode 222 oder 222a weggelassen wird.
VIERUNDZWANZIGSTE AUSFÜHRUNGSFORM
34 zeigt den Aufbau eines Biosensorchips der vierundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Biosensorchip 230a der vorliegenden Ausführungsform ist ähnlich zu dem Biosensorchip 230 der dreiundzwanzigsten Ausführungsform mit der Ausnahme, dass die Leitung in einer geschichteten Struktur vorgesehen sind. Wie in der Figur dargestellt ist, sind die Arbeitselektrodenleitungen 233a und 233b übereinandergeschichtet, während die Gegenelektrodenleitungen 234a und 234b ebenso übereinandergeschichtet sind. Daher ist es möglich, die Größe des Biosensorchips zu verringern und damit auch dessen Herstellungspreis zu reduzieren.
Zu beachten ist, dass obwohl die Arbeitselektrodenleitungen übereinandergeschichtet sind, oder die Gegenelektrodenleitungen übereinandergeschichtet sind in der vorliegenden Ausführungsform eine ähnliche Wirkung erreicht werden kann, wie sie zuvor beschrieben ist, indem eine Arbeitselektrodenleitung und eine Gegenelektrodenleitung übereinander geschichtet werden.
FÜNFUNDZWANZIGSTE AUSFÜHRUNGSFORM
38 zeigt den Aufbau eines Biosensorchips der fünfundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Biosensorchip 230b der vorliegenden Ausführungsform ist ähnlich zu dem Biosensorchip 230 der dreiundzwanzigsten Ausführungsform mit der Ausnahme, dass zwei Sensorabschnitte und zwei Messschaltungen auf dem gleichen Substrat ausgebildet sind. Obwohl dies in der Fig. nicht gezeigt ist, ist ein Untersuchungsmittel, das aus einem Enzym, einem Mediator, etc. entsprechend der zu untersuchenden chemischen Substanz hergestellt ist, auf einen Sensorabschnitt 231a und einem Sensorabschnitt 231b aufgebracht. Somit ist es durch Bereitstellen mehrerer Sensorabschnitte auf dem gleichen Substrat möglich, mehrere chemische Substanzen auf einmal zu messen, wobei es möglich ist, einen Biosensorchip mit hoher Leistungsfähigkeit und geringem Preis zu realisieren.
Zu beachten ist, dass obwohl zwei Sensorabschnitte auf dem Biosensorchip 230b in der vorliegenden Ausführungsform vorgesehen sind, alternativ drei oder mehrere Sensorabschnitte vorgesehen werden können.
SECHSUNDZWANZIGSTE AUSFÜHRUNGSFORM
39 zeigt den Aufbau eines Biosensorchips der sechsundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Biosensorchip 230c der vorliegenden Ausführungsform ist ähnlich dem Biosensorchip 230b der fünfundzwanzigsten Ausführungsform mit der Ausnahme, dass die Messschaltungen 232a und 232b zu einem einzelnen Messschaltungsmodul 235 zusammengefasst sind.
40 zeigt die Schaltungskonfiguration des Messschaltungsmoduls 235. Das Messschaltungsmodul 235 umfasst die Messschaltung 232, Schalter 236a, 236b, 236c und 236d zum Ein- und Ausschalten der Verbindung zwischen einem ersten Biosensor 431a und der Messschaltung 232, Schalter 236e, 236f, 236g und 236h für das Ein- und Ausschalten der Verbindung zwischen einem zweiten Biosensor 431b und der Messschaltung 232, und eine Auswahlsteuerschaltung 237 zum Steuern des Betriebs der Schalter 236a bis 236h. Zu beachten ist, dass die Schaltung 236a bis 236h und die Auswahlsteuerschaltung 237 der ”Schaltereinrichtung” der vorliegenden Erfindung entsprechen.
Die Auswahlsteuerschaltung 237 schließt/öffnet alle Schalter 236a bis 236d unter Verwendung eines Steuersignals SEL1. Ferner schließt/öffnet sie alle Schalter 236e bis 236h unter Ausnutzung eines Steuersignals SEL2. Zu beachten ist jedoch, dass die Schalter 236a bis 236h nicht alle gleichzeitig geschlossen werden. Insbesondere wählt die Auswahlsteuerschaltung 237 den ersten Biosensor 431a oder den zweiten Biosensor 431b aus und steuert die Schalter 236a bis 236h so, dass der ausgewählte Biosensor und die Messschaltung 232 elektrisch miteinander verbunden sind.
Durch Vorsehen der Schalter 236a bis 236h zwischen den Biosensoren 431 bis 431b und der Messschaltung 232 steigt der Widerstandwert an. Jedoch ist es entsprechend der vorliegenden Erfindung möglich, einen genauen Strompegel zu messen unabhängig von dem Widerstandswert, wie dies zuvor bereits beschrieben ist.
Wie zuvor beschrieben ist, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform entsprechend umgeschaltet werden, wobei es möglich ist, die Anzahl der benötigten Messschaltungen im Vergleich zu dem Biosensorchip 230b der fünfundzwanzigsten Ausführungsform zu reduzieren. Daher ist es möglich, die Größe des Biosensorchips weiter zu verkleinern.
Zu beachten ist, dass obwohl zwei Steuersignale SEL1 und SEL2 zum Steuern der Schaltung 236a bis 236h in der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden, die vorliegende Ausführungsform nicht darauf beschränkt ist. Beispielsweise können die Schalter 236a bis 236h unter Ausnutzung lediglich des Steuersignals SEL1 gesteuert werden, oder die Biosensoren können durch andere Verfahren umgeschaltet werden.
SIEBENUNDZWANZIGSTE AUSFÜHRUNGSFORM
41 zeigt den Aufbau eines Biosensorchips der siebenundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Schaltungskonfiguration eines Biosensorchips 230d der vorliegenden Ausführungsform ist ähnlich zu jener des Biosensorchips 230c der sechsundzwanzigsten Ausführungsform. Der Unterschied zum Biosensor 230c besteht darin, dass die Sensorabschnitte 231a und 231b benachbart zueinander angeordnet sind. Wenn mehrere Sensorabschnitte 231a und 231b benachbart zueinander angeordnet sind, ist es möglich, mehrere chemische Substanzen zu analysieren, indem eine einzelne Körperflüssigkeitsprobe, etwa aus Blut gewonnen, verwendet wird, wodurch die Belastung für den Patienten für die Blutentnahme, etc. verringert wird. Ferner ist es durch die benachbart angeordneten Sensorabschnitte möglich, den Ausbau des Abschnitts, auf dem die Probe anzuordnen ist, zu vereinfachen.
Zu beachten ist, dass durch das Anordnen der Sensorabschnitte in einem Biosensor benachbart zueinander es möglich ist, eine ähnliche Wirkung zu erreichen, wie dies zuvor beschrieben ist.
ACHTUNDZWANZIGSTE AUSFÜHRUNGSFORM
42 zeigt den Aufbau eines Biosensorchips der achtundzwanzigsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Biosensorchip 240 der vorliegenden Ausführungsform ist ähnlich zu dem Biosensorchip 230 der dreiundzwanzigsten Ausführungsform mit der Ausnahme, dass der Biosensorchip 240 einen Aufbau mit Chip auf Chip aufweist, wobei ein Sensorchip 241 und ein Messschaltungschip 242 anstelle des Sensorabschnitts 231 und der Messschaltung 232 in verschiedenen integrierten Halbleiterschaltungen vorgesehen sind, wobei die Chips auf dem gleichen Substart ausgebildet sind. Der Arbeitselektrodenanschluss 213a, der Arbeitselektrodenreferenzanschluss 213b, der Gegenelektrodenanschluss 214a und der Gegenelektrodenreferenzanschluss 214b des Sensorchips 241 sind mit dem Messschaltungschip 242 mittels Drähten 43 verbunden. Zu beachten ist, dass 42(b) eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A aus 42(a) ist.
In der dreiundzwanzigsten Ausführungsform ist es sehr schwierig, den Sensorabschnitt 231 und den Messschaltungschip 242 auf dem gleichen Substrat zu bilden, wenn das Untersuchungsmittel, das auf den Sensorabschnitt 231 in dem Biosensorchip 230 aufgebracht ist, nicht für das Substratmaterial geeignet ist, auf dem der Messschaltungschip 242 gebildet ist, d. h. das Substratmaterial des Biosensorchips 230, in Hinblick auf die Affinität oder das Reaktionsverhalten. Dies gilt auch, wenn das Untersuchungsmittel nicht für die Arbeitselektrodenleitungen 233a und 233b und die Gegenelektrodenleitungen 234a und 234b geeignet ist. Mit dem Biosensorchip 240 der vorliegenden Ausführungsform sind jedoch der Sensorchip 241 und der Messschaltungschip 242 in verschiedenen integrierten Halbleiterschaltungen gebildet, so dass ein derartiges Problem nicht auftritt.
Wie zuvor beschrieben ist, ist gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Biosensorchip als eine Chip-auf-Chip-Struktur ausgebildet, wodurch es möglich ist, Biosensorchips mit diversen Untersuchungsmitteln zu verwirklichen. Dies erweitert die Bandbreite der Objekte, die mit dem Biosensorchip untersucht werden können. Zu beachten ist, dass obwohl der Sensorchip 241 und der Messschaltungschip 242 auf einem Trägersubstrat in der vorliegenden Ausführungsform angeordnet sind, die vorliegende Erfindung nicht darauf eingeschränkt ist. Alternativ kann das Trägersubstrat weggelassen werden, wobei der Messschaltungschip 242 direkt auf dem Sensorchip 241 angeordnet werden kann, oder wobei der Sensorchip 241 direkt auf dem Messschaltungschip 242 angeordnet werden kann.
Obwohl ferner der Sensorchip 241 und der Messschaltungschip 242 miteinander durch die Drähte 43 verbunden sind, können diese alternativ miteinander durch ein Ballgitterarray (BGA) oder dergleichen anstelle der Drähte 43 verbunden sein.
Der Biosensorchip 340 der vorliegenden Ausführungsform wird gebildet, indem der Biosensorchip 230 der dreiundzwanzigsten Ausführungsform in einer Chip-auf-Chip-Struktur bereitgestellt wird, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf eingeschränkt. Beispielsweise können die Biosensorchips 230a bis 230d der neunten bis siebenundzwanzigsten Ausführungsform oder Biosensorchips anderer Strukturen in einer Chip-auf-Chip-Struktur gebildet werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARAKEIT
Die Biosensoreinrichtung und der Biosensor der vorliegenden Erfindung können zum Untersuchen einer biologischen Substanz, z. B. in einer Einrichtung zum Untersuchen des Blutzuckerspiegels, geeignet verwendet werden.

Claims

Biosensor (210; 230; 230A–D) mit: einer Arbeitselektrode (211), die mit einem zu untersuchenden Fluid während einer Untersuchung in Kontakt ist; einer Gegenelektrode (212), die mit dem zu untersuchenden Fluid während einer Untersuchung in Kontakt ist, wobei die Gegenelektrode und die Arbeitselektrode mit einem Abstand dazwischen angeordnet sind; einem Arbeitselektrodenanschluss (213a), der mit der Arbeitselektrode (211) verbunden ist; einem Gegenelektrodenanschluss (214a), der mit der Gegenelektrode (212) verbunden ist; einem Arbeitselektrodenreferenzanschluss (213b), der mit der Arbeitselektrode (211) verbunden ist; und einem Gegenelektrodenreferenzanschluss (214b), der mit der Gegenelektrode (212) verbunden ist; wobei der Biosensor ferner umfasst: eine erste Leitung (233a), die die Arbeitselektrode (211) mit dem Arbeitselektrodenanschluss (213a) verbindet; eine zweite Leitung (233b), die die Arbeitselektrode (211) mit dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss (213b) verbindet; eine dritte Leitung (234a), die die Gegenelektrode (212) mit dem Gegenelektrodenanschluss (214a) verbindet; und eine vierte Leitung (234b), die die Gegenelektrode (212) mit dem Gegenelektrodenreferenzanschluss (214b) verbindet.
Der Biosensor nach Anspruch 1, wobei die erste Leitung (233a) und die zweite Leitung (233b) in unterschiedlichen Verdrahtungsschichten vorgesehen sind.
Der Biosensor nach Anspruch 1, wobei die dritte Leitung (234a) und die vierte Leitung (234b) in unterschiedlichen Verdrahtungsschichten vorgesehen sind.
Der Biosensor nach Anspruch 1, wobei: die Arbeitselektrode (211), die Gegenelektrode (212), der Arbeitselektrodenreferenzanschluss (213b), der Gegenelektrodenreferenzanschluss (214b), der Arbeitselektrodenanschluss (213a), der Gegenelektrodenanschluss (214a), die erste Leitung (233a), die zweite Leitung (233b), die dritte Leitung (234a) und die vierte Leitung (234b) auf einem Substrat vorgesehen sind; und der Arbeitselektrodenanschluss (213a) oder der Gegenelektrodenanschluss (214a) auf einer Rückseitenfläche des Substrats vorgesehen ist.
Der Biosensor nach Anspruch 1, wobei der Arbeitselektrodenanschluss (213a) und der Gegenelektrodenanschluss (214a) in unterschiedlichen Verdrahtungsschichten angeordnet sind.
Der Biosensor nach Anspruch 5, wobei die dritte Leitung (234a) so vorgesehen ist, um sich über mehrere Verdrahtungsschichten zu erstrecken.
Der Biosensor nach Anspruch 5, wobei: die Gegenelektrode (212) eine kreisförmige Gestalt aufweist; und ein Teil eines inneren Randbereichs der Arbeitselektrode (211) kreisförmig mit einem konstanten Abstand zu der Gegenelektrode (212) ausgebildet ist.
Der Biosensor nach Anspruch 5, wobei: die Arbeitselektrode (211) eine kreisförmige Gestalt aufweist; und ein Teil eines inneren Randbereiches der Gegenelektrode (212) kreisförmig mit einem konstanten Abstand zu der Arbeitselektrode (211) ausgebildet ist.
Der Biosensor nach Anspruch 1, wobei: mehrere Arbeitselektroden vorgesehen sind; und die Gegenelektroden, von denen jede mit einem Abstand von wenigstens einer der mehreren Arbeitselektroden angeordnet ist, ineinander integriert sind.
Der Biosensor nach Anspruch 1, wobei eine Querschnittsfläche der dritten Leitung (234a) größer als die der ersten Leitung (233a) ist.
Biosensorchip (230; 230A; 230B; 230C) mit: einem Biosensor (210; 230; 230A–D), der umfasst: eine Arbeitselektrode (211), die mit einem zu untersuchenden Fluid während einer Untersuchung in Kontakt ist; eine Gegenelektrode (212), die mit dem zu untersuchenden Fluid während einer Untersuchung in Kontakt ist, wobei die Gegenelektrode (212) und die Arbeitselektrode (211) mit einem Abstand dazwischen angeordnet sind; einen Sensorabschnitt (231) zum Aufnehmen des zu untersuchenden Fluids; einen Arbeitselektrodenanschluss (213a), der mit der Arbeitselektrode (211) verbunden ist; einen Gegenelektrodenanschluss (214a), der mit der Gegenelektrode (212) verbunden ist; wobei der Biosensor auf einem Substrat vorgesehen ist; und einer Messschaltung (220; 220A; 220B; 232), die mit dem Biosensor verbunden ist, und die auf einem Substrat bereitgestellt ist; und wobei der Biosensor umfasst: einen Arbeitselektrodenreferenzanschluss (213b), der mit der Arbeitselektrode (211) verbunden ist; und einen Gegenelektrodenreferenzanschluss (214b), der mit der Gegenelektrode (212) verbunden ist.
Der Biosensorchip nach Anspruch 11, wobei die Messschaltung umfasst: einen Abschnitt (221; 221A) zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode (211), der mit dem Arbeitselektrodenanschluss (213a) und dem Arbeitselektrodenreferenzanschluss (213b) verbunden ist; einen Abschnitt (222; 222A) zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode (212), der mit dem Gegenelektrodenanschluss (214a) und dem Gegenelektrodenreferenzanschluss (214b) verbunden ist; eine Basisspannungsquelle (223) zum Zuführen einer Basisspannung zu dem Abschnitt (222; 222A) zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode und einer Basisspannung zu dem Abschnitt (221; 221A) zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode; und eine Signalverarbeitungsschaltung (224; 224A; 224B) zum Verarbeiten eines ersten Strompegelsignals, das von dem Abschnitt (221; 221A) zum Anlegen einer Spannung an die Arbeitselektrode entsprechend einem Pegel eines Stromes ausgegeben wird, der während einer Untersuchung durch den Arbeitselektrodenanschluss fließt, und/oder zum Verarbeiten eines zweiten Strompegelsignals, das von dem Abschnitt (222; 222A) zum Anlegen einer Spannung an die Gegenelektrode entsprechend einem Pegel eines Stromes ausgegeben wird, der während einer Untersuchung durch den Gegenelektrodenanschluss fließt.
Der Biosensorchip nach Anspruch 12, wobei die Signalverarbeitungsschaltung (224; 224A; 224B) das erste Strompegelsignal und das zweite Strompegelsignal verarbeitet.
Der Biosensorchip nach Anspruch 11, wobei das Substrat, auf dem der Biosensor angeordnet ist, und das Substrat, auf dem die Messschaltung angeordnet ist, das gleiche Substrat ist.
Der Biosensorchip nach Anspruch 11, wobei: der Biosensorchip (230; 230A; 230B; 230C) ferner ein gemeinsames Substrat aufweist; und das Substrat, auf dem der Biosensor (210; 230; 230A–D) angeordnet ist, und das Substrat, auf dem die Messschaltung (220; 220A; 220B; 232) angeordnet ist, auf dem gemeinsamen Substrat montiert sind.
Der Biosensorchip nach Anspruch 11, wobei das Substrat, auf dem der Biosensor (224; 224A; 224B) angeordnet ist, und das Substrat, auf dem die Messschaltung (220; 220A; 220B; 232) angeordnet ist, aufeinandergestapelt sind.
Der Biosensorchip nach Anspruch 11, wobei: mehrere Biosensoren (231a, 231b) auf dem gleichen Substrat vorgesehen sind, und wobei mindestens zwei der Biosensoren mit der gleichen Messschaltung verbunden sind; und ein Schalter (236a–h) zum Ein/Ausschalten einer Verbindung zwischen jedem der Biosensoren und der Messschaltung ferner zwischen dem Arbeitselektrodenanschluss des Biosensors und der Messschaltung, zwischen dem Arbeitselektroden-Referenzanschluss des Biosensors und der Messschaltung, zwischen dem Gegenelektroden-Referenzanschluss des Biosensors und der Messschaltung und zwischen dem Gegenelektrodenanschluss des Biosensors und der Messschaltung vorgesehen ist.
Der Biosensorchip nach Anspruch 11, wobei mehrere der Biosensoren auf dem gleichen Substrat angeordnet sind, und wobei die Sensorabschnitte zweier der Biosensoren benachbart zueinander angeordnet sind.
Der Biosensor nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Teil der ersten Leitung (233a) zwischen wenigstens einem Teil der zweiten Leitung (233b) und wenigstens einem Teil der dritten Leitung (234a) auf dem Biosensor angeordnet ist.
Der Biosensor nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Teil der dritten Leitung (234a) zwischen wenigstens einem Teil der ersten Leitung (233a) und wenigstens einem Teil der vierten Leitung (234b) auf dem Biosensor angeordnet ist.
Der Biosensor nach Anspruch 1, wobei die zweite Leitung (233b), die erste Leitung (233a), die dritte Leitung (234a) und die vierte Leitung (234b) in dieser Reihenfolge angeordnet sind.