JP2010518380A - センサー用途向けハンドヘルド型位相シフト検出器 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 本発明は、配列したセンサーとインターフェースが可能な新規の位相シフト検出器に関する。前記検出器は、軽量で携帯用であり、手のひらの中に収めることができる。前記検出器は、種々の診断、バイオセンサー、および化学センサーの用途に使用できる。
【選択図】 図１（ａ）、図１（ｂ）

Description

本発明は、国立衛生研究所（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）によって授与された助成金第Ｒ０１ ＥＢ０００７２０号および国立科学財団（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）によって授与された助成金第ＣＨＥ−０４４２１００号を基に政府の支援を得て実施されたものであり、従って、政府は、本発明に一定の権利を有する。

本発明は、圧電マイクロカンチレバーセンサー（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｉｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｓｅｎｓｏｒ：ＰＥＭＳ）とインターフェース可能な携帯用ハンドヘルド型位相シフト検出器、前記検出器を使用する方法、および前記検出器を含むシステムに関する。本発明はセンサーまたは診断装置として特に有用である。

インピーダンス分析器と連結したバイオセンサーおよび化学センサーは、当該技術分野において周知である。例えば、米国特許第６，２７８，３７９号明細書、および米国特許出願公開第２００６０２５７２８６号明細書および米国特許出願公開第２００６０２１７８９３号明細書には、共振周波数の変化を検出するためのインピーダンス分析器を組み込んだセンサー装置が開示されている。

しかしながら、現在のインピーダンス分析器は、一般的にかさばり、重く、比較的移動が難しいので、共振周波数を測定できる環境が限定される。米国特許出願公開第２００５／０１１４０４５号明細書および米国特許第６，２８０，３９６号明細書によって開示されているように、建物などの大きな構造物の物理特性を決定するインピーダンス分析器および体組成を決定するインピーダンス分析器のように、携帯化されたインピーダンス分析器も中にはあるが、化学センサーまたはバイオセンサーと共に使用するインピーダンス分析器は、依然として、大きく、扱いにくく、比較的移動が難しい。

従って、診断またはセンサーの用途を容易にするために、軽量で携帯用の、ハンドヘルド型検出器の開発が必要である。

本発明は、配列したセンサーとインターフェース可能な新規の位相シフト検出器に関する。

本発明の１観点において、前記位相シフト検出器は軽量で携帯型である。

別の発明において、前記位相シフト検出器は、手のひらの中に収めることができるハンドヘルド型装置である。

図１（ａ）は、ハンドヘルド型位相検出器、発振器、位相検出器、およびリレー要素の概略図である。 図１（ｂ）は、配列した炭疽菌胞子の検出器とインターフェースしたハンドヘルド型位相シフト検出器の写真である。 図２（ａ）は、複数の抗原を同時に検出可能な配列したＰＥＭＳと連動するハンドヘルド型位相シフト検出器の概略図である。 図２（ｂ）は、ハンドヘルド型の、携帯用位相シフト検出器の写真である。 図２（ｃ）は、４つのニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛固溶体（ＰＭＮ−ＰＴ）／Ｃｕからなる配列したＰＥＭＳの光学顕微鏡写真である。 図３は、ハンドヘルド型位相シフト検出器を使用した炭疽菌の胞子の検出を示す、時間に対する共振周波数の変化のグラフである。 図４（ａ）は、２３μｇ／ｍｌのＨＥＲ２溶液内の、１つはＨＥＲ２のｓｃＦｖで被覆され、１つはＰＳＡ抗体で被覆され、１つはｇｐ１２０抗体で被覆された３つのＰＥＭＳの同時検出を示す共振周波数対時間のグラフである。 図４（ｂ）は、１８μｇ／ｍｌのＰＳＡ溶液内の、１つはＨＥＲ２のｓｃＦｖで被覆され、１つはＰＳＡ抗体で被覆され、１つはｇｐ１２０抗体で被覆された３つのＰＥＭＳの同時検出を示す共振周波数対時間のグラフである。 図４（ｃ）は、１００μｇ／ｍｌのｇｐ１２０溶液内の、１つはＨＥＲ２のｓｃＦｖで被覆され、１つはＰＳＡ抗体で被覆され、１つはｇｐ１２０抗体で被覆された３つのＰＥＭＳの同時検出を示す共振周波数対時間のグラフである。 図５は、固有のＤＭＭＰ検出パターンを示す共振周波数対時間のグラフである。

本発明は、図１（ａ）および１（ｂ）に示すように、１若しくはそれ以上のセンサー７と同時にインターフェースし、それらを監視することが可能な携帯用ハンドヘルド型位相シフト検出器１に関する。位相シフト検出器１は、発振器２と、位相検出器３と、リレー要素４と、ディスプレイ画面５とを有する。前記リレー要素４は、前記配列したセンサー内の接続されたセンサー７間で、位相検出器３および発振器２の接続を循環させて、位相検出器３による各センサー７の出力の測定を可能とする。

発振器２は、伝送路と、回路基板と、前記回路基板に実装されたチップ部品と、共振回路によって発生した共振信号を増幅する増幅回路とを含む共振回路を有する。接続部６によってセンサー７に接続された発振器２は、入力信号または電圧を発生させてセンサー７を起動させる。発振器２は、好ましくは、センサー７の共振周波数を包含する周波数範囲においてセンサー７の発振を誘起することによってセンサー７を起動させ、検体の結合の結果生じるセンサー７の共振周波数の変化の検出を可能とする。

位相検出器３は、接続部８を通してセンサー７の出力電圧の大きさおよび位相シフトを測定する。周波数に対して描かれた位相シフトの最大値が共振周波数を特定する。共振周波数の顕著な変化は、特定の化合物または分子の、センサー表面上の特定の受容体との結合を示すため、検査中の環境内の前記化合物または分子の存在が検証される。

１実施形態において、発振器２は、マイクロプロセッサ制御の信号発生器であってよい。位相シフト検出器１は、数値、またはグラフの形態などの任意の好適な方法で結果を表示するディスプレイ画面５を選択的に含んでもよい。好適な実施形態において、位相シフト検出器１は、また、コンピュータまたはコンピュータ用のディスクなどの電子情報記憶媒体にデータを伝送するデータ伝送器を含んでもよい。ディスプレイ画面５またはその他の好適な手段は、特定の検体の存在の表示を提供する表示器として機能してもよい。もしくは、ディスプレイ画面５またはその他の好適な手段は、特定の検体が閾値を超える量で存在する場合に表示を提供する表示器として機能してもよい。

図１（ｂ）に示すように、携帯用ハンドヘルド型位相シフト検出器１は、任意の好適なセンサーシステムに組み込んでもよく、またはそれと連結して動作してもよい。好適な実施形態において、位相シフト検出器１は、１若しくはそれ以上の圧電マイクロカンチレバー（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｉｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ：ＰＥＭＳ）または圧電マイクロディスクと接続されており、各ＰＥＭＳの出力電圧の大きさおよび位相シフトの検出を可能とする。位相シフト検出器１には、任意の規格電源によって電力を供給することができる。好適な実施形態において、前記電源は一般的な９ボルト電池のように携帯可能で、小型軽量である。ハンドヘルド位相シフト検出器１は、約３．５インチ×７．５インチの大きさであってもよい。好ましくは、位相シフト検出器１は、複数のセンサーに同時に接続できる。好適な実施形態において、位相シフト検出器１は、約８個から３２個のセンサーに同時に接続される。好ましくは、その装置全体は十分小型であり、１個人で検出現場に持ち運びが可能なものである。

好適な実施形態において、前記ハンドヘルド型位相シフト検出器１は、奥行き約７．５ｃｍ、高さ約３０ｃｍ、幅約３０ｃｍまでの寸法、および約２ｋｇを超えない重量を有し、３２個までのセンサーを同時に動作できる。前記配列したセンサーおよびそれらのホルダーは、幅約２ｃｍ、奥行き約２ｃｍ、高さ約１ｃｍを超えない大きさで、重量は５０ｇを超えないものあってもよい。前記位相シフト検出器１は、さらに、接続部６および接続部８を容易に実現する、リボンケーブルなどのリレー機構を含んでもよい。好ましくは、前記リボンケーブルは、長さ１ｍ未満、幅３ｃｍ未満で、重量は５０ｇ未満である。好ましくは、ハンドヘルド位相シフト検出器１とセンサー７とを含む前記システムの総重量は、２．５ｋｇを超えないものである。

好適に小型な前記装置は、携帯可能でかつ丈夫である。好適な実施形態において、前記装置は、手のひらの中に収めることができる。前記位相シフト検出器は簡潔な設計であるので、容易かつ安価に製造でき、多くの用途向けの市販製品として入手可能とすることができる。前記位相シフト検出器は、バイオセンサー、診断、または、任意の分子または化学センサー用途に使用できる。

図２(ｂ)は、ＰＥＭＳの配列と組み合わせた、測定装置としての、アナログ・デバイセズ（Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ）社製ＡＤ８２０３ＲＦ利得／位相検出ＩＣと、高分解能のマイクロプロセッサ制御の信号発生器としての、Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ社製ＡＤ９８５０ＤＤＳ周波数合成器とを有する位相シフト検出器の１実施形態を示す。図２（ａ）の位相シフト検出器は、少なくとも８個のＰＥＭＳを同時に監視することができる。

図１（ｂ）は、位相シフト検出器および配列したＰＥＭＳを示す。前記ハンドヘルド型位相シフト検出器は、各ＰＥＭＳの周波数変化を正確に検出した。図３は、図１（ｂ）の位相シフト検出器によって処理した炭疽菌（Ｂａｃｉｌｌｕｓ ａｎｔｈｒａｃｉｓ：ＢＡ）の検出の実証研究の結果を示す。白抜きの円は、ＢＡ胞子に特異の抗体で被覆した２ｍｍ長のガラス先端を有するＰＺＴ／ガラスＰＥＭＳを表し、白抜きの四角は、ＢＡ胞子に特異ではなく、ネズミチフス菌に特異の抗体で被覆したカンチレバーを表す。前記位相シフト検出器は、前記ＰＥＭＳが、ＢＡ胞子に特異の抗体で被覆した前記ＰＥＭＳからのみＢＡ胞子の存在を特定し、それに対して、サルモネラに特異の抗体で被覆した前記ＰＥＭＳは前記ＢＡ胞子を検出しなかったことを正確に報告した。従って、前記結果は、前記ハンドヘルド型位相シフト検出器が、インピーダンス分析器によって得られた結果と同様の正確な結果を生成することが可能であることを立証している。

３つの配列したＰＥＭＳと組み合わせたハンドヘルド型位相シフト検出器を使用して、種々の抗原の存在を検出した。抗ｇｐ１２０、抗ＰＳＡ、およびＨｅｒ２のｓｃＦｖを含む異なる受容体を各ＰＥＭＳの表面上に固定した。ｇｐ１２０は、ヒト免疫不全症ウイルス（ｈｕｍａｎ ｉｍｍｕｎｏｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｖｉｒｕｓ：ＨＩＶ）の表面タンパク質である。前立腺特異抗原（ｐｒｏｓｔａｔｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ａｎｔｉｇｅｎ：ＰＳＡ）は前立腺癌マーカーであり、ＨＥＲ２は乳癌およびその他の癌に関連した上皮成長因子受容体のメンバーであり、ｓｃＦｖは改変型一本鎖変異フラグメント受容体である。

各受容体に特異の抗原を含む各々３つの異なる溶液内に前記ＰＥＭＳを配置した。図４に示すように、前記位相シフト検出器は、前記配列を各々の溶液内に沈めたときに、前記溶液内に存在するマーカーに対応した抗原特異の受容体を有するＰＥＭＳのみが反応したことを正しく報告した。図４（ａ）は、ＨＥＲ２に対するｓｃＦｖを有するＰＥＭＳのみがＨＥＲ２に反応したことを示している。図４（ｂ）は、ＰＳＡの抗体を有するＰＥＭＳのみがＰＳＡに反応したことを示しており、図４（ｃ）は、ｇｐ１２０の抗体を有するＰＥＭＳのみがｇｐ１２０に反応したことを示している。この実験は、前記位相シフト検出器および配列したＰＥＭＳが複数の抗原を同時に検出できることを明示している。

また、配列したＰＥＭＳと組み合わせた前記ハンドヘルド型位相シフト検出器を、気体／化学物質を検出するために使用してもよい。抗体−抗原結合が特異である生態学的検出とは異なり、気体／化学物質検出のための受容体のほとんどは選択的ではない。異なる受容体を有する配列したＰＥＭＳを使用することにより、気体または化学物質に関する特殊検出パターンを創り出すことが可能である。前記配列したＰＥＭＳの特殊な組み合わせにより、化学物質または気体の検出の検出感度および精度が向上する。図５は、神経ガス類似物であるメチルホスホン酸ジメチル（ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈｙｌｐｈｏｓｐｈｏｎａｔｅ：ＤＭＭＰ）用に固有の配列したＰＥＭＳを示す。

ＤＭＭＰを検出するために、３つのニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛固溶体（ｌｅａｄ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ−ｌｅａｄ ｔｉｔａｎａｔｅ ｓｏｌｉｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ：ＰＭＮ−ＰＴ）／ＣｕからなるＰＥＭＳの各々は、細孔性シリカ、メソ多孔性アルミナ、および１１−メルカプトウンデカン酸（ｍｅｒｃａｐｔｏｕｎｄｅｃａｎｏｉｃ ａｃｉｄ：ＭＵＡ）の自己構成単分子膜上のＣｕ^２＋イオンの分子膜によって前記ＰＥＭＳの表面上に固定した異なる受容体で被覆されている。

実例的であることを意図し、限定的ではない本発明の好適な実施形態を説明したが、上述の教示を考慮すれば、当業者によって改造および変型をなすことができることを特に記す。従って、開示の本発明の特定の実施形態に、添付の請求項によって要約された本発明の範囲および趣旨の範囲内の変更を施してもよいことを理解すべきである。本発明を、特許法によって求められる詳細および特徴を伴ってこのように説明したが、意図される保護範囲は、添付の請求項に定める。

Claims (20)

1. 位相シフトを検出する携帯用装置であって、
   所望の周波数の入力信号を発生させる発振器と、
   前記発振器が少なくとも１つのセンサーに動作可能に接続することを可能にする当該発振器との接続部と、
   前記発振器に動作可能に接続されたセンサーからの出力信号の位相シフトを検出可能な検出器と
   を有する装置。
2. 請求項１記載の装置において、前記装置は、複数の配列したセンサーに動作可能に接続できるものである。
3. 請求項２記載の装置において、この装置は、さらに、前記検出器を前記センサーの各々に選択的に接続して、当該センサーからの出力信号を選択的に受信するリレー部を有するものである。
4. 請求項１記載の装置において、前記発振器は、マイクロプロセッサにより制御される信号発生器である。
5. 請求項３記載の装置において、前記センサーは、圧電マイクロカンチレバーと、圧電マイクロディスクからなる群から選択されるものである。
6. 請求項１記載の装置において、前記位相シフト検出器は、ＲＦ利得／位相検出器である。
7. 請求項１記載の装置において、前記装置の総重量は、約２ｋｇを超えないものである。
8. 請求項１記載の装置において、前記装置は、奥行き約７．５ｃｍ、幅約３０ｃｍ、高さ約３０ｃｍを超えないサイズを有するものである。
9. 請求項１記載の装置において、この装置は、さらに、検体の存在の表示を生成する表示器を有するものである。
10. 請求項１記載の装置において、この装置は、さらに、閾値の量を超える検体の量の存在の表示を生成する表示器を有するものである。
11. 検体の存在を検出する携帯用システムであって、
    所望の周波数の入力信号を発生させる発振器と、
    入力信号が提供されると出力信号を発生させることが可能な少なくとも１つのセンサーと、
    前記発振器と前記少なくとも１つのセンサーを接続し、前記発振器から前記センサーに前記入力信号を提供する接続部と、
    前記センサーからの出力信号の位相シフトを検出可能な検出器と、
    前記センサーと前記検出器を接続し、前記センサーから前記検出器に前記出力信号を提供する接続部と
    を有し、
    前記システムは十分小型であり、１個人による検出現場までの持ち運びが可能なものである
    携帯用システム。
12. 請求項１１記載のシステムにおいて、このシステムは、複数のセンサーと、前記発振器と各センサーを接続する接続部と、各センサーから前記検出器を接続する接続部とを有するものである。
13. 請求項１２記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、前記検出器を各々のセンサーに選択的に接続して、当該センサーからの出力信号を選択的に受信するリレー部を有するものである。
14. 請求項１１記載のシステムにおいて、前記発振器は、マイクロプロセッサにより制御される信号発生器である。
15. 請求項１３記載のシステムにおいて、前記センサーは、圧電マイクロカンチレバーである。
16. 請求項１１記載のシステムにおいて、前記位相シフト検出器は、ＲＦ利得／位相検出器である。
17. 請求項１１記載のシステムにおいて、前記システムの総重量は、約２．５ｋｇを超えないものである。
18. 請求項１１記載のシステムにおいて、前記システムは、奥行き約７．５ｃｍ、幅約３０ｃｍ、高さ約３０ｃｍを超えないサイズを有するものである。
19. 請求項１１記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、検体の存在の表示を生成する表示器を有するものである。
20. 請求項１１記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、閾値の量を超える検体の量の存在の表示を生成する表示器を有するものである。

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