蛍光センサの補正方法おび蛍光センサ
【課題】検出精度の高い蛍光センサ１０の補正方法を提供する。
【解決手段】実施形態の蛍光センサの補正方法は、励起光Ｅを発生するＬＥＤ素子１２と、蛍光Ｆを発生するインジケータ層１６と、蛍光Ｆに起因する蛍光検出信号に励起光Ｅに起因する励起光検出信号が重畳された検出信号を出力するＰＤ素子１３と、を具備し、温度検出機能および温度調整機能を有する蛍光センサ１０を用いて、第１の温度において第１の検出信号を取得する第１の検出信号取得工程と、第２の温度において第１の検出信号取得工程と同じアナライト量のときの第２の検出信号を取得する第２の検出信号取得工程と、第１の検出信号と第２の検出信号とにもとづいて、蛍光検出信号を算出するための補正係数を算出する補正係数算出工程と、補正係数と温度検出信号とを用いて以降の検出信号を補正する補正工程と、を具備する。
【解決手段】実施形態の蛍光センサの補正方法は、励起光Ｅを発生するＬＥＤ素子１２と、蛍光Ｆを発生するインジケータ層１６と、蛍光Ｆに起因する蛍光検出信号に励起光Ｅに起因する励起光検出信号が重畳された検出信号を出力するＰＤ素子１３と、を具備し、温度検出機能および温度調整機能を有する蛍光センサ１０を用いて、第１の温度において第１の検出信号を取得する第１の検出信号取得工程と、第２の温度において第１の検出信号取得工程と同じアナライト量のときの第２の検出信号を取得する第２の検出信号取得工程と、第１の検出信号と第２の検出信号とにもとづいて、蛍光検出信号を算出するための補正係数を算出する補正係数算出工程と、補正係数と温度検出信号とを用いて以降の検出信号を補正する補正工程と、を具備する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アナライトの濃度を計測する蛍光センサおよび前記蛍光センサの補正方法に関し、特に半導体製造技術およびＭＥＭＳ技術を用いて作製される微小蛍光分光光度計である蛍光センサおよび前記蛍光センサの補正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体中のアナライトすなわち被計測物質の存在確認、または、濃度を測定するための様々な分析装置が開発されている。例えば、一定容量の透明容器に、アナライトの存在によって性質が変化し蛍光を発生する蛍光色素と、アナライトを含む被計測溶液とを注入し、励起光Ｅを照射し蛍光色素からの蛍光強度を計測することによりアナライト濃度を計測する蛍光分光光度計が知られている。
【０００３】
小型の蛍光分光光度計は、光検出器と蛍光色素を含有したインジケータ層とを有している。そして、被計測溶液中のアナライトが進入可能なインジケータ層に光源からの励起光Ｅを照射することで、インジケータ層内の蛍光色素が被計測溶液中のアナライト濃度に応じた光量の蛍光を発生し、その蛍光を光検出器が受光する。光検出器は光電変換素子であり、受光した光量に応じた電気信号を出力する。この電気信号から被計測溶液中のアナライト濃度が測定される。
【０００４】
近年、微量試料中のアナライトを計測するために、半導体製造技術およびＭＥＭＳ技術を用いて作製される微小蛍光分光光度計が提案されている。以下、微小蛍光光度計のことを。「蛍光センサ」と呼ぶ。
【０００５】
例えば、図１および図２に示す蛍光センサ１１０が米国特許第５０３９４９０号明細書に開示されている。蛍光センサ１１０は、励起光Ｅが透過可能な透明支持基板１０１と、蛍光を電気信号に変換する光電変換素子１０３と、励起光Ｅを集光する集光機能部１０５Ａとを有する光学板状部１０５と、アナライト９と相互作用することによって励起光Ｅの入射により蛍光を発生するインジケータ層１０６と、カバー層１０９と、から構成されている。
【０００６】
光電変換素子１０３は、例えばシリコンからなる基板１０３Ａ上に光電変換素子が形成されている。基板１０３Ａは励起光Ｅを透過しない。このため、蛍光センサ１１０では、光電変換素子１０３の周囲に励起光Ｅが透過可能な空隙領域１２０を有している。
【０００７】
すなわち、空隙領域１２０を透過し光学板状部１０５に入射した励起光Ｅだけが、光学板状部１０５の作用により、インジケータ層１０６中の、光電変換素子１０３の上部付近に集光される。集光された励起光Ｅ２と、インジケータ層１０６の内部に進入したアナライト９の相互作用により、蛍光Ｆが発生する。発生した蛍光Ｆの一部は光電変換素子１０３に入射し、光電変換素子１０３において蛍光強度、つまりアナライト９の濃度に比例した電流または電圧などの信号が発生する。なお励起光Ｅは、光電変換素子１０３上に形成されたフィルタ（不図示）の作用により、光電変換素子１０３には入射しない。
【０００８】
以上の説明のように、蛍光センサ１１０は、透明支持基板１０１上に、光電変換素子１０３であるフォトダイオードを励起光Ｅの通路である空隙領域１２０を確保した基板１０３Ａ上に形成し、その上に、光学板状部１０５およびインジケータ層１０６が積層されている。
【０００９】
しかし、蛍光センサ１１０では、センサを構成する材料間で反射／散乱した励起光Ｅの一部が、光電変換素子１０３上に設けたフィルタでカットしても光電変換素子１０３に入射してしまう。そして光電変換素子１０３に入射する励起光Ｅの光量はセンサごとに異なっている。すると、光電変換素子１０３からの検出信号は、蛍光検出信号に励起光検出信号が重畳されてしまうために、正確なアナライト濃度を計測できないことがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５０３９４９０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は検出精度の高い蛍光センサおよび前記蛍光センサの補正方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様の蛍光センサの補正方法は、励起光を発生する発光素子と、前記励起光とアナライト量とに応じた蛍光を発生するインジケータ層と、前記蛍光に起因する蛍光検出信号に前記励起光に起因する励起光検出信号が重畳された検出信号を出力する光電変換素子と、を具備し、温度検出信号を出力する温度検出機能および温度調整機能を有する蛍光センサを用いて、第１の温度において、第１の検出信号を取得する第１の検出信号取得工程と、第２の温度において、前記第１の検出信号取得工程と同じアナライト量のときの、第２の検出信号を取得する第２の検出信号取得工程と、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とにもとづいて、前記蛍光検出信号を算出するための補正係数を算出する補正係数算出工程と、前記補正係数と前記温度検出信号とを用いて、以降の検出信号を補正する補正工程と、を具備する。
また本発明の別の一態様の蛍光センサは、励起光を発生する発光素子と、前記励起光と、アナライト量と、に応じた蛍光を発生するインジケータ層と、前記蛍光に起因する蛍光検出信号に前記励起光に起因する励起光検出信号が重畳された検出信号を出力する光電変換素子と、を具備し、温度検出信号を出力する温度検出機能、および温度調整機能を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、検出精度の高い蛍光センサおよび前記蛍光センサの補正方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】公知の蛍光センサの断面構造を示した説明図である。
【図２】公知の蛍光センサの構造を説明するための分解図である。
【図３】実施形態のセンサシステムの構成を示した説明図である。
【図４】実施形態の蛍光センサの断面構造を示した説明図である。
【図５】実施形態の蛍光センサの構造を説明するための分解図である。
【図６】実施形態の蛍光センサの補正処理を説明するための説明図である。
【図７】実施形態の蛍光センサの補正処理を説明するためのフローチャートである。
【図８】実施形態の蛍光センサの補正処理を説明するためのタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜システム構成＞
図３に示すように、本発明の実施形態の蛍光センサ１０を有する針型蛍光センサ４は、本体部２およびレシーバー３と、ともにセンサシステム１を構成する。
【００１６】
すなわち、センサシステム１は、針型蛍光センサ４と、本体部２と、本体部２からの信号を受信し記憶するレシーバー３と、を有する。本体部２とレシーバー３との間の信号の送受信は無線または有線で行われる。
【００１７】
針型蛍光センサ４は、主要機能部である蛍光センサ１０を有する針先端部５と細長い針本体部６とを有する針部７と、針本体部６の後端部と一体化したコネクタ部８と、を具備する。針先端部５、針本体部６、コネクタ部８は同一材料により一体形成されていてもよい。
【００１８】
コネクタ部８は、本体部２の嵌合部２Ａと着脱自在に嵌合する。針型蛍光センサ４の蛍光センサ１０から延設された複数の配線６０は、コネクタ部８が本体部２の嵌合部２Ａと機械的に嵌合することにより、本体部２と電気的に接続される。コネクタ部８は、蛍光センサ１０からの検知信号を補正処理するための制御および演算を行う演算部７０を有する。
【００１９】
本体部２は、図示しないが、レシーバー３との間で無線信号を送受信するための無線アンテナと、電池等と、を有する。なお、レシーバー３との間を有線送受信する場合には、本体部２は無線アンテナに代えて信号線を有する。なお、本体部２またはレシーバー３が演算部を有していてもよい。
【００２０】
蛍光センサ１０は感染防止等のために使用後は処分される使い捨て（ディスポ）部であるが、本体部２およびレシーバー３は繰り返し再使用されるリユース部である。なお、本体部２が必要な容量のメモリ部を有する場合にはレシーバー３は不要である。
【００２１】
針型蛍光センサ４は本体部２と嵌合した状態で、被検者自身が体表面から穿刺して針先端部５が体内に留置される。そして、例えば体液中のグルコース濃度を連続して測定し、レシーバー３のメモリに記憶する。すなわち、本実施形態の蛍光センサ１０は連続使用期間が一週間程度の短期皮下留置型のセンサである。
【００２２】
＜蛍光センサ構造＞
そして、図４および図５に示すように本実施形態の針型蛍光センサ４の主機能部である蛍光センサ１０は、基体であるＮ型シリコン基板１１と、光電変換素子であるフォトダイオード（Photo Diode：以下「ＰＤ」ともいう。）素子１３と、酸化シリコン層１７と、フィルタ１４と、蛍光を透過する発光素子である発光ダイオード（Light Emitting Diode：以下「ＬＥＤ」ともいう。）素子１２と、透明樹脂層１５と、インジケータ層１６と、遮光層１９とが、シリコン基板１１側から順に積層された構造を有する。
【００２３】
ここで、ＰＤ素子１３、フィルタ１４、ＬＥＤ素子１２、およびインジケータ層１６の、それぞれ少なくとも一部が、シリコン基板１１上の同一領域内に形成されている。なお、蛍光センサ１０は、ＰＤ素子１３、フィルタ１４、ＬＥＤ素子１２、およびインジケータ層１６のそれぞれの中央部がシリコン基板１１上の同一領域内に形成されていることが好ましい。
【００２４】
すなわち、蛍光センサ１０においてはインジケータ層１６からの蛍光を透過する発光素子であるＬＥＤ素子１２を用いることにより、公知の蛍光センサとは全く異なる構造を実現している。
【００２５】
光電変換素子としては、フォトコンダクタ（光導電体）、またはフォトトランジスタ（Photo Transistor、ＰＴ）などの各種光電変換素子も選択可能である。
【００２６】
酸化シリコン層１７は第１の保護層であり、数十〜数百ｎｍの厚さを有する第１の保護層としてはシリコン窒化層、または酸化シリコン層とシリコン窒化層とからなる複合積層層を用いてもよい。
【００２７】
フィルタ１４はＬＥＤ素子１２が発生する励起光Ｅを透過せず、それよりも長波長の蛍光Ｆは透過する、例えば吸収型フィルタである。フィルタ１４としては蛍光のみを通すバンドパスフィルタでもよい。しかし、現実には励起光Ｅの一部はフィルタ１４を透過してＬＥＤ素子１２に入射してしまう。なお、後述するように補正処理を行う蛍光センサ１０にはフィルタ１４は必須の構成要素ではない。
【００２８】
ＬＥＤ素子１２は、励起光を発光し、かつ、蛍光を透過する発光素子である。透明樹脂層１５は第２の保護層である。第２の保護層としては、例えばＬＥＤ素子１２をフィルタ１４上に接着するときに用いるシリコーン樹脂または透明な非晶性フッ素樹脂なども使用可能である。
【００２９】
蛍光センサ１０の第２の保護層の特性として励起光が照射されても層中での蛍光の発生が小さいことが重要である。なお、この蛍光の発生が小さいという特性は、インジケータ層１６を除いた蛍光センサ１０の全ての透明材料の重要特性であることは言うまでもない。
【００３０】
インジケータ層１６は、進入してきたアナライト９との相互作用および励起光により蛍光を発生、すなわちアナライト９の濃度に応じた光量の蛍光を発生する。インジケータ層１６の層厚は数十μｍ程度に設定されている。インジケータ層１６は、アナライト９の量、すなわち試料中のアナライト濃度に応じた強度の蛍光を発生する蛍光色素が含まれたベース材料から構成されている。なおインジケータ層１６のベース材料は、ＬＥＤ素子１２からの励起光および蛍光色素からの蛍光が良好に透過できる透明性をもつことが好ましい。ここで、蛍光色素は、試料中に存在するアナライト９そのものでも良い。
【００３１】
蛍光色素は、アナライト９の種類に応じて選択され、アナライト９の量に応じて発生する蛍光の光量が可逆的に変化する蛍光色素ならば、どのようなものでも使用できる。例えば生体内の水素イオン濃度または二酸化炭素を測定する場合には、ヒドロキシピレントリスルホン酸誘導体、糖類を測定する場合には蛍光残基を有するフェニルボロン酸誘導体、カリウムイオンを測定する場合には蛍光残基を有するクラウンエーテル誘導体などを用いることができる。
【００３２】
そして、グルコースのような糖類を測定する場合には、蛍光色素として、ルテニウム有機錯体、蛍光フェニルボロン酸誘導体、または蛋白と結合したフルオレセイン等のグルコースと可逆結合する物質を用いることができる。
【００３３】
以上の説明のように、本発明の蛍光センサ１０は、蛍光色素の選択によって、酸素センサ、グルコースセンサ、ｐＨセンサ、免疫センサ、または微生物センサなど、多様な用途に対応している。
【００３４】
インジケータ層１６は、例えば、含水し易いハイドロゲルをベース材料として、ハイドロゲル内に上記蛍光色素を包含または結合させている。ハイドロゲルの成分としてはメチルセルロースもしくはデキストランなどの多糖類などを用いることができる。
【００３５】
なおインジケータ層１６は、透明樹脂層１５上に、図示していないシランカップリング剤などよりなる接着層を介して接合されている。なお、透明樹脂層１５を形成しないで、インジケータ層１６がＬＥＤ素子１２の表面に、直接、接合された構造であってもよい。
【００３６】
遮光層１９は、インジケータ層１６の上部表面側に形成された、厚さが数十μｍ以下の層である。遮光層１９は、励起光および蛍光が蛍光センサ１０の外部へ漏光するのを防止すると同時に、外光が蛍光センサ１０の内部に進入を防止する。
【００３７】
そして、蛍光センサ１０は、温度検出機能を有する温度センサ２１と、温度調整機能を有するヒーター２２と、をさらに具備する。
【００３８】
温度センサ２１は、ＰＤ素子１３とフィルタ１４とＬＥＤ素子１２とインジケータ層１６からなる光検出系２０の温度計測を行い、温度検出信号を出力する。温度センサ２１には、ダイオード、サーミスタ、熱電対など多様なデバイスを適用できる。光電変換素子としてＰＤ素子を用いる場合には、同じダイオード構造により、ＰＤ素子１３形成と同時に基板１１上に形成できる。温度センサ２１は、光検出系２０に近接して設置される。
【００３９】
なお、光電変換素子としてＰＤ素子１３を有する蛍光センサ１０では、ＰＤ素子１３を温度センサ２１として使用することも可能である。すなわち光電変換動作を行っていないときにＰＤ素子１３を温度センサ２１として使用することもできる。この場合には、温度計測専用の温度センサ２１を配設する必要がない。
【００４０】
高熱伝導率のシリコン基板１１上に近接配置された温度センサ２１が検出する温度は、光検出系２０の温度との誤差が小さい。基板が高伝熱性材料ではない場合には、光検出系２０の周囲に高伝熱性体を配設し、温度センサ２１を高伝熱性体と接触する位置に配置することが好ましい。
【００４１】
温度調整機能を有する温度調整部であるヒーター２２は、光検出系２０を、所定温度、例えば４０℃に加熱するための発熱部材である。ヒーター２２は、アルミもしくは金などの金属配線、導電性セラミック、カーボン、導電性樹脂等からなる抵抗加熱型ヒーターである。抵抗加熱型ヒーターは、単一素材で形成することもできるが、低抵抗配線と高抵抗発熱部とを有する構成の場合には、局所加熱が可能である。
【００４２】
また、温度調整部を発熱部と高熱伝導率材料からなる伝熱部とで構成し、伝熱部を光検出系２０の周囲に配設することにより、光検出系２０の温度を均一化してもよい。
【００４３】
さらに、蛍光センサ１０の他の構成部材が、温度調整機能を有していてもよい。例えば、ＬＥＤ素子１２は連続発光することにより熱を発生する。また、光電変換素子がダイオードである場合には、順方向の電流を流せば、熱を発生する。この場合には加熱専用の温度調整部を配設する必要がない。
【００４４】
＜蛍光センサ１０の基本動作＞
次に、図４および図５を用いて、蛍光センサ１０の基本動作について説明する。
ＬＥＤ素子１２は、例えば３０秒に１回の間隔で中心波長が３７５ｎｍ前後の励起光Ｅをパルス発光する。例えば、ＬＥＤ素子１２へのパルス電流は１ｍＡ〜１００ｍＡであり、発光のパルス幅は１０ｍｓ〜１００ｍｓである。
【００４５】
ＬＥＤ素子１２が発生した励起光Ｅ１は、インジケータ層１６に入射する。インジケータ層１６は、アナライト９の量に対応した強度の蛍光Ｆを発する。なお、アナライト９は遮光層１９を通過して、インジケータ層１６に進入する。インジケータ層１６の蛍光色素は波長３７５ｎｍの励起光Ｅに対して、より長波長の例えば波長４６０ｎｍの蛍光Ｆを発生する。
【００４６】
ここで蛍光センサ１０では、ＬＥＤ素子１２が発生した励起光Ｅは上下方向に照射される。上方向に照射された励起光Ｅ１は、インジケータ層１６中の蛍光色素に照射される。蛍光色素が発生した蛍光Ｆは、ＬＥＤ素子１２およびフィルタ１４を通過してＰＤ素子１３に到達する蛍光Ｆ１と、フィルタ１４を通過してＰＤ素子１３に到達する蛍光Ｆ２とが、いずれもＰＤ素子１３において、電気信号に変換される。以下、蛍光Ｆ１およびＦ２に起因する電気信号を蛍光検出信号ＶＦという。
【００４７】
一方、ＬＥＤ素子１２から下方に放射された励起光Ｅ２は、フィルタ１４等を通過して、一部の励起光Ｅ３がＰＤ素子１３に到達してしまう。励起光Ｅ３はフィルタ１４の特性および蛍光センサ１０の構造により不可避的に発生するノイズ光である。以下、励起光Ｅ３に起因する電気信号を励起光検出信号ＶＥＸという。
【００４８】
すなわち、ＰＤ素子１３が出力する検出信号Ｖは、蛍光検出信号ＶＦに励起光検出信号ＶＥＸが重畳されている。励起光の強度ＬＥＸおよび励起光検出信号ＶＥＸは、蛍光センサごとに異なるため、蛍光センサ１０の検出精度の低下の原因となる。
【００４９】
＜補正処理＞
次に、図６を用いて、蛍光センサ１０による補正処理について、説明する。
蛍光センサ１０では、演算によって、検出信号Ｖから励起光検出信号ＶＥＸを除去し、蛍光検出信号ＶＦのみを抽出する補正処理を行う。
【００５０】
すなわち、蛍光センサ１０では、温度調整機能を有するヒーター２２と温度検出機能を有する温度センサ２１とを用いて、複数の異なる温度における複数の検出信号Ｖをもとに、蛍光検出信号ＶＦを算出するための補正係数を算出する補正処理を行い、その結果をもとに以降の検出信号を補正する。
【００５１】
以下、温度Ｔで計測した検知信号、すなわちＰＤ素子１３より出力される光起電力をＶとし、例えば、温度Ｔ１のときに計測した検知信号をＶ１とする。そしてヒーター２２により蛍光センサ１０を加熱して、温度Ｔ２となったときの検知信号をＶ２とする。光検出系２０の体積は、数mm３程度であるために、加熱開始から数秒から数十秒の間で、数℃から十数℃の温度上昇が生じる。補正処理はアナライト濃度に急激な変化が発生しないタイミングで行うため、数秒から数十秒の間でのアナライト濃度変化は無視できる。このため、補正処理中のアナライト濃度Ｃは定数Ｃ０とみなすことができる。
【００５２】
すでに説明したように、センサ出力である検出信号Ｖは、励起光検出信号ＶＥＸと蛍光検出信号ＶＦとによって構成されるため、（式１）で表される。
【００５３】
Ｖ＝ ＶＥＸ ＋ ＶＦ （式１）
【００５４】
最初に、励起光検出信号ＶＥＸの温度依存性を表す式を求める。
ＬＥＤ素子１２による励起光発光量LEXは、（式２）で表される。
【００５５】
ＬＥＸ＝ ＬＥＸ０・ＴＥＸ （式２）
【００５６】
LEX０は基準温度Ｔ０における発光量、TEXは発光量に対する温度依存係数である。発光量LEX０はＬＥＤ素子１２ごとに異なる値を示し、素子間で２倍を超える差異が認められる場合もある。発光量LEX０の差異は、ＬＥＤ素子１２の製造工程に起因するものであり、蛍光センサ１０の構造には依存しない。温度依存係数TEXは温度に対する関数であるが、理論または実験により求めることができる。なお、TEXは、ＬＥＤ素子１２の種類および温度範囲によって、線形関数または非線形関数であってもよい。
【００５７】
ＰＤ素子１３へ入射してしまう励起光量INEXは、（式３）で表される。
【００５８】
INEX＝ LEX・βEX ＝ （LEX０・TEX）・βEX （式３）
【００５９】
βＬＥＤは励起光が、光検出系２０内で散乱、反射、吸収による減衰を受けた結果として決まる励起光のＰＤ素子１３への集光効率を表す係数である。
【００６０】
この結果、励起光検出信号ＶEXは、（式４）で表される。
【００６１】
ＶEX＝ INEX ・SEX ・TＳＥX＝ （LEX０・TEX・βEX）・SEX ・TＳＥX （式４）
SEXは励起光に対するＰＤ素子１３の光電変換効率であり、TSEXはその温度依存係数である。
【００６２】
次に、検出信号Ｖ中の蛍光検出信号ＶＦの温度依存性を表す式を求める。
インジケータ層１６の蛍光発光量LFは、（式５）で表される。
LF＝ αEX・LEX・e・TF （式５）
【００６３】
αEXは、ＬＥＤ素子１２が発生する励起光のうち、インジケータ層１６に到達し蛍光発光に寄与する割合を示す係数である。eは基準温度Ｔ０における励起光から蛍光への変換係数（蛍光収量）であり、アナライト濃度に依存する関数である。TFは蛍光発光量の温度依存係数であり、これは温度に対する関数であるが、実験にて求めることができる。このTFは、温度範囲によって線形関数または非線形関数である。
【００６４】
（式５）に（式２）を代入すれば、（式６）が得られる。
LF＝ αEX・（LEX0・TEX）・e・TF （式６）
【００６５】
さらに、ＰＤ素子１３へ入射する蛍光光量INFは、（式７）で表される。
INF＝ LF・βF＝ （αEX・LEX0・TEX・e・TF）・βF （式７）
βFは蛍光Ｆが光検出系２０内で散乱、反射、吸収による減衰を受けた結果として決まる蛍光の集光効率を表す係数である。
【００６６】
この結果、蛍光検出信号ＶＦは、（式８）で表される。
ＶF＝ INF・SF・TSF＝ （αEX・LEX0・TEX・e・TF・βF）・SF・TSF （式８）
ここで、SFは蛍光に対するＰＤ素子１３の光電変換効率であり、TSFはその温度依存係数である。
【００６７】
すなわち、センサ出力である検出信号Ｖは、（式９）で示される。
Ｖ ＝ＶEX＋ＶF＝ （LEX０・TEX・βEX・SEX ・TＳＥX）＋（αEX・LEX0・TEX・e・TF・βF・SF・TSF）
＝a・TEX・TSEX＋b・TEX・TF・TSF （式９）
ここで、a＝LEX0・βE X・SEX （式１０）、b＝αEX・LEX0・e・βF・SF （式１１）である。
【００６８】
係数ａ、ｂは、温度依存性がなく、また、アナライト濃度が一定のＣ０のとき、励起光から蛍光への変換係数eは定数eＣ０である。すなわち、補正処理中は係数ａおよび係数ｂを定数とみなすことができる。
【００６９】
（式９）は、アナライト濃度が既知の下、２つの未知数ａ、ｂと既知関数TEX、TSEX、TF、TSFと、検出信号Ｖとの関係式である。すなわち、２つの温度におけるTEX、TSEX、TF、TSFと、そのときの検出信号Ｖとが求まれば、ａ、ｂが算出されることを示している。
【００７０】
（式９）は、（式１）により、（式１２）で表される。
ＶF＝ Ｖ−ＶＥＸ ＝Ｖ−a・TEX・TSEX （式１２）
【００７１】
次に、異なる２温度でセンサ出力を測定し、蛍光成分を求める手順を説明する。なお、ＬＥＤ素子１２およびＰＤ素子１３は、少なくとも３０〜５０℃程度の温度範囲内では温度依存性を無視して扱うことができる。このため、温度依存性を簡略化し、TSEX＝TSF＝１とする。
【００７２】
まず、温度Ｔ１について、（式１３）が成り立つ。
Ｖ（１）＝a・TEX（1）＋b・TEX.（1）・TF（1） （式１３）
【００７３】
次に温度Ｔ２について、（式１４）が成り立つ。
Ｖ（２）＝a・TEX（２）＋b・TEX（２）・TF（２） （式１４）
【００７４】
ここで、温度Ｔ１のときのＬＥＤ素子１２の発光量に対する温度依存係数をTEX（１）、蛍光発光量の温度依存係数をTF（１）とし、温度Ｔ２のときのＬＥＤ素子１２の温度依存係数をTEX（２）、蛍光発光量の温度依存係数をTF（２）とする。（式１３）と（式１４）とから、係数ａは、（式１５）で算出される。
【００７５】
【００７６】
また、（式１５）を（式１３）に代入すれば、係数ｂが求まる。一方、（式１２）と（式１５）とから、温度Ｔ１における検出信号Ｖ１から蛍光検出信号ＶF（１）を求める（式１６）が得られる。
【００７７】
【００７８】
以上で、検出信号Ｖから励起光検出信号ＶＥＸを除去する補正演算処理は終了する。ここで求めた係数ａは温度にもアナライト濃度にも依存しない。このため、以降、任意の温度Ｔで、ＰＤ素子１３の検出信号Ｖと、その温度Ｔにおける発光量の温度依存係数TEXと、をもとに、蛍光検出信号ＶＦを算出することができる。
【００７９】
なお、補正時の温度Ｔ１、Ｔ２と、それに対応する蛍光出力ＶF（１）、ＶF（２）と、このときのアナライト濃度Ｃ０とが、補正演算処理以降、任意の温度でアナライト濃度Ｃを算出する場合の初期値になる。
【００８０】
次に、蛍光検出信号ＶＦをアナライト濃度Ｃに変換する処理について説明する。
アナライト濃度Ｃは、関数δを用いて、（式１７）から算出される
C＝δ（T、 ＶF） （式１７）
【００８１】
Ｔは温度、ＶFは温度Ｔでの蛍光検出信号である。（式１７）には、蛍光検出信号ＶＦの温度依存性を補正するための温度依存補正係数εと、アナライト濃度の初期値をＣ０になるように合わせるための係数γとを含んでいる。しかし、温度依存補正係数εは実験または理論から導かれる式から算出したり、または、データ群としてテーブル化したりできる。また、係数γは前記初期値を用いて決定される。関数δは、実験または理論より導かれる式であるが、テーブル化されたデータ群であってもよい。温度依存補正係数εと係数γとをあらかじめ定めておけば、（式１７）を用いて、任意の温度Ｔの蛍光検出信号ＶＦと温度検知信号とをもとに、アナライト濃度Ｃを算出できる。
【００８２】
＜補正処理手順＞
次に、図７のフローチャートおよび図８のタイムチャートをもとに、蛍光センサ１０の補正処理手順を説明する。
【００８３】
＜ステップＳ１０＞
時間Ｔ０に、針型蛍光センサ４の針先端部５が穿刺され、蛍光センサ１０が体内に設置される。このとき励起光Ｅは照射されておらず、温度調整部であるヒーター２２もオフとなっており、蛍光センサ１０の温度はＴ１、ＰＤ素子１３の検出信号（光起電力）はＶ０である。
【００８４】
＜ステップＳ１１＞第１の検出信号取得工程
時間Ｔ１〜Ｔ２では、ＬＥＤ素子１２が点灯（オン）され、検出信号Ｖ１が検出される。このときの温度はＴ１である。すなわち、第１の温度Ｔ１における第１の検出信号Ｖ１が取得される。
【００８５】
＜ステップＳ１２、Ｓ１３＞加熱工程
時間Ｔ３〜Ｔ４では、ヒーター２２に電流が印加され、出力Ｗ１となる。蛍光センサ１０は温度Ｔ２になるまで（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、加熱される。
【００８６】
＜ステップＳ１４＞
時間Ｔ４〜Ｔ７では、ヒーターが出力Ｗ２となり、蛍光センサ１０の温度がＴ２に保持される。
【００８７】
＜ステップＳ１５＞第２の検出信号取得工程
時間Ｔ５〜Ｔ６では、ＬＥＤ素子１２が点灯され、検出信号Ｖ２が検出される。すなわち、第２の温度Ｔ２における第２の検出信号Ｖ２が取得される。
【００８８】
＜ステップＳ１６＞補正係数算出工程
検出信号Ｖ１と検出信号Ｖ２と（式１５）とから補正係数である定数ａが算出される。
【００８９】
＜ステップＳ１７、Ｓ１８＞補正処理完了
時間Ｔ７では、ヒーター２２がオフとなり、自然冷却される。時間Ｔ８で冷却が完了（Ｓ１８：ＹＥＳ）すると、定数算出処理、すなわち、補正処理が完了する。
【００９０】
＜ステップＳ１９＞計測工程
時間Ｔ９〜Ｔ１０において、ＬＥＤ素子１２が点灯し、そのときの、温度ＴＮと検出信号ＶＮとが計測される。
【００９１】
＜ステップＳ２０＞演算工程
演算部７０にて、温度ＴＮと検出信号ＶＮと定数ａを用いて、蛍光検出信号ＶＦが算出され、さらに（式１７）を用いて、アナライト濃度Ｃが算出される。
【００９２】
＜ステップＳ２１＞
以降、終了（Ｓ２１：ＹＥＳ）まで、一定周期で励起光の照射と検出信号および温度の計測を繰り返すことでアナライト濃度Ｃの連続計測が行われる。
【００９３】
蛍光センサ１０の補正方法は、温度制御機能を用いて、異なる２つの温度での検出信号Ｖから、検出信号Ｖに占める蛍光検出信号ＶＦの正確な値を得ることができる。つまり蛍光センサ１０は、純粋に蛍光検出信号ＶＦのみを得ることができる。このため、蛍光センサ１０および蛍光センサ１０の補正方法は、検出精度が高い。
【００９４】
例えば、Ｔ０＝３２℃、ＴＦ（１）＝１とすると、Ｔ１＝３７℃では、ＴＥＸ（１）＝０．９４、ＴＦ（１）＝０．７８、Ｖ（１）＝２６１（−）であり、Ｔ２＝４２℃では、ＴＥＸ（２）＝０．８７、ＴＦ（２）＝０．５５、Ｖ（２）＝２２３（−）である。
これから、補正係数、ａ＝２０５、蛍光検出信号、ＶF（１）＝５６、が得られる。
【００９５】
なお、上記説明の温度調整機能は加熱により温度を上げる加熱手段であったが、冷却により温度を下げる冷却手段であってもよい。さらに蛍光センサが、加熱手段と冷却手段とを有していてもよい。
【００９６】
また、上記説明は、２つの異なる温度における２つの検出信号Ｖをもとに、蛍光検出信号ＶＦを算出する補正方法であったが、３以上の異なる温度における３以上の検出信号をもとに補正を行ってもよい。特に、励起光Ｅだけでなく、蛍光センサ１０の外部からの外部光に起因するＰＤ素子の検出信号である外光検出信号の影響を排除する必要がある場合には、３種類の温度における検出信号をもとに、蛍光検出信号ＶＦを算出する補正を行う必要がある。
【００９７】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等ができる。
【符号の説明】
【００９８】
１…センサシステム、２…本体部、３…レシーバー、４…針型蛍光センサ、５…針先端部、６…針本体部、７…針部、８…コネクタ部、９…アナライト、１０…蛍光センサ、１１…シリコン基板、１２…ＬＥＤ素子、１３…ＰＤ素子、１４…フィルタ、１５…透明樹脂層、１６…インジケータ層、１７…酸化シリコン層、１９…遮光層、２０…光検出系、２１…温度センサ、２２…ヒータ、６０…配線、７０…演算部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アナライトの濃度を計測する蛍光センサおよび前記蛍光センサの補正方法に関し、特に半導体製造技術およびＭＥＭＳ技術を用いて作製される微小蛍光分光光度計である蛍光センサおよび前記蛍光センサの補正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体中のアナライトすなわち被計測物質の存在確認、または、濃度を測定するための様々な分析装置が開発されている。例えば、一定容量の透明容器に、アナライトの存在によって性質が変化し蛍光を発生する蛍光色素と、アナライトを含む被計測溶液とを注入し、励起光Ｅを照射し蛍光色素からの蛍光強度を計測することによりアナライト濃度を計測する蛍光分光光度計が知られている。
【０００３】
小型の蛍光分光光度計は、光検出器と蛍光色素を含有したインジケータ層とを有している。そして、被計測溶液中のアナライトが進入可能なインジケータ層に光源からの励起光Ｅを照射することで、インジケータ層内の蛍光色素が被計測溶液中のアナライト濃度に応じた光量の蛍光を発生し、その蛍光を光検出器が受光する。光検出器は光電変換素子であり、受光した光量に応じた電気信号を出力する。この電気信号から被計測溶液中のアナライト濃度が測定される。
【０００４】
近年、微量試料中のアナライトを計測するために、半導体製造技術およびＭＥＭＳ技術を用いて作製される微小蛍光分光光度計が提案されている。以下、微小蛍光光度計のことを。「蛍光センサ」と呼ぶ。
【０００５】
例えば、図１および図２に示す蛍光センサ１１０が米国特許第５０３９４９０号明細書に開示されている。蛍光センサ１１０は、励起光Ｅが透過可能な透明支持基板１０１と、蛍光を電気信号に変換する光電変換素子１０３と、励起光Ｅを集光する集光機能部１０５Ａとを有する光学板状部１０５と、アナライト９と相互作用することによって励起光Ｅの入射により蛍光を発生するインジケータ層１０６と、カバー層１０９と、から構成されている。
【０００６】
光電変換素子１０３は、例えばシリコンからなる基板１０３Ａ上に光電変換素子が形成されている。基板１０３Ａは励起光Ｅを透過しない。このため、蛍光センサ１１０では、光電変換素子１０３の周囲に励起光Ｅが透過可能な空隙領域１２０を有している。
【０００７】
すなわち、空隙領域１２０を透過し光学板状部１０５に入射した励起光Ｅだけが、光学板状部１０５の作用により、インジケータ層１０６中の、光電変換素子１０３の上部付近に集光される。集光された励起光Ｅ２と、インジケータ層１０６の内部に進入したアナライト９の相互作用により、蛍光Ｆが発生する。発生した蛍光Ｆの一部は光電変換素子１０３に入射し、光電変換素子１０３において蛍光強度、つまりアナライト９の濃度に比例した電流または電圧などの信号が発生する。なお励起光Ｅは、光電変換素子１０３上に形成されたフィルタ（不図示）の作用により、光電変換素子１０３には入射しない。
【０００８】
以上の説明のように、蛍光センサ１１０は、透明支持基板１０１上に、光電変換素子１０３であるフォトダイオードを励起光Ｅの通路である空隙領域１２０を確保した基板１０３Ａ上に形成し、その上に、光学板状部１０５およびインジケータ層１０６が積層されている。
【０００９】
しかし、蛍光センサ１１０では、センサを構成する材料間で反射／散乱した励起光Ｅの一部が、光電変換素子１０３上に設けたフィルタでカットしても光電変換素子１０３に入射してしまう。そして光電変換素子１０３に入射する励起光Ｅの光量はセンサごとに異なっている。すると、光電変換素子１０３からの検出信号は、蛍光検出信号に励起光検出信号が重畳されてしまうために、正確なアナライト濃度を計測できないことがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５０３９４９０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は検出精度の高い蛍光センサおよび前記蛍光センサの補正方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様の蛍光センサの補正方法は、励起光を発生する発光素子と、前記励起光とアナライト量とに応じた蛍光を発生するインジケータ層と、前記蛍光に起因する蛍光検出信号に前記励起光に起因する励起光検出信号が重畳された検出信号を出力する光電変換素子と、を具備し、温度検出信号を出力する温度検出機能および温度調整機能を有する蛍光センサを用いて、第１の温度において、第１の検出信号を取得する第１の検出信号取得工程と、第２の温度において、前記第１の検出信号取得工程と同じアナライト量のときの、第２の検出信号を取得する第２の検出信号取得工程と、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とにもとづいて、前記蛍光検出信号を算出するための補正係数を算出する補正係数算出工程と、前記補正係数と前記温度検出信号とを用いて、以降の検出信号を補正する補正工程と、を具備する。
また本発明の別の一態様の蛍光センサは、励起光を発生する発光素子と、前記励起光と、アナライト量と、に応じた蛍光を発生するインジケータ層と、前記蛍光に起因する蛍光検出信号に前記励起光に起因する励起光検出信号が重畳された検出信号を出力する光電変換素子と、を具備し、温度検出信号を出力する温度検出機能、および温度調整機能を有する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、検出精度の高い蛍光センサおよび前記蛍光センサの補正方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】公知の蛍光センサの断面構造を示した説明図である。
【図２】公知の蛍光センサの構造を説明するための分解図である。
【図３】実施形態のセンサシステムの構成を示した説明図である。
【図４】実施形態の蛍光センサの断面構造を示した説明図である。
【図５】実施形態の蛍光センサの構造を説明するための分解図である。
【図６】実施形態の蛍光センサの補正処理を説明するための説明図である。
【図７】実施形態の蛍光センサの補正処理を説明するためのフローチャートである。
【図８】実施形態の蛍光センサの補正処理を説明するためのタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
＜システム構成＞
図３に示すように、本発明の実施形態の蛍光センサ１０を有する針型蛍光センサ４は、本体部２およびレシーバー３と、ともにセンサシステム１を構成する。
【００１６】
すなわち、センサシステム１は、針型蛍光センサ４と、本体部２と、本体部２からの信号を受信し記憶するレシーバー３と、を有する。本体部２とレシーバー３との間の信号の送受信は無線または有線で行われる。
【００１７】
針型蛍光センサ４は、主要機能部である蛍光センサ１０を有する針先端部５と細長い針本体部６とを有する針部７と、針本体部６の後端部と一体化したコネクタ部８と、を具備する。針先端部５、針本体部６、コネクタ部８は同一材料により一体形成されていてもよい。
【００１８】
コネクタ部８は、本体部２の嵌合部２Ａと着脱自在に嵌合する。針型蛍光センサ４の蛍光センサ１０から延設された複数の配線６０は、コネクタ部８が本体部２の嵌合部２Ａと機械的に嵌合することにより、本体部２と電気的に接続される。コネクタ部８は、蛍光センサ１０からの検知信号を補正処理するための制御および演算を行う演算部７０を有する。
【００１９】
本体部２は、図示しないが、レシーバー３との間で無線信号を送受信するための無線アンテナと、電池等と、を有する。なお、レシーバー３との間を有線送受信する場合には、本体部２は無線アンテナに代えて信号線を有する。なお、本体部２またはレシーバー３が演算部を有していてもよい。
【００２０】
蛍光センサ１０は感染防止等のために使用後は処分される使い捨て（ディスポ）部であるが、本体部２およびレシーバー３は繰り返し再使用されるリユース部である。なお、本体部２が必要な容量のメモリ部を有する場合にはレシーバー３は不要である。
【００２１】
針型蛍光センサ４は本体部２と嵌合した状態で、被検者自身が体表面から穿刺して針先端部５が体内に留置される。そして、例えば体液中のグルコース濃度を連続して測定し、レシーバー３のメモリに記憶する。すなわち、本実施形態の蛍光センサ１０は連続使用期間が一週間程度の短期皮下留置型のセンサである。
【００２２】
＜蛍光センサ構造＞
そして、図４および図５に示すように本実施形態の針型蛍光センサ４の主機能部である蛍光センサ１０は、基体であるＮ型シリコン基板１１と、光電変換素子であるフォトダイオード（Photo Diode：以下「ＰＤ」ともいう。）素子１３と、酸化シリコン層１７と、フィルタ１４と、蛍光を透過する発光素子である発光ダイオード（Light Emitting Diode：以下「ＬＥＤ」ともいう。）素子１２と、透明樹脂層１５と、インジケータ層１６と、遮光層１９とが、シリコン基板１１側から順に積層された構造を有する。
【００２３】
ここで、ＰＤ素子１３、フィルタ１４、ＬＥＤ素子１２、およびインジケータ層１６の、それぞれ少なくとも一部が、シリコン基板１１上の同一領域内に形成されている。なお、蛍光センサ１０は、ＰＤ素子１３、フィルタ１４、ＬＥＤ素子１２、およびインジケータ層１６のそれぞれの中央部がシリコン基板１１上の同一領域内に形成されていることが好ましい。
【００２４】
すなわち、蛍光センサ１０においてはインジケータ層１６からの蛍光を透過する発光素子であるＬＥＤ素子１２を用いることにより、公知の蛍光センサとは全く異なる構造を実現している。
【００２５】
光電変換素子としては、フォトコンダクタ（光導電体）、またはフォトトランジスタ（Photo Transistor、ＰＴ）などの各種光電変換素子も選択可能である。
【００２６】
酸化シリコン層１７は第１の保護層であり、数十〜数百ｎｍの厚さを有する第１の保護層としてはシリコン窒化層、または酸化シリコン層とシリコン窒化層とからなる複合積層層を用いてもよい。
【００２７】
フィルタ１４はＬＥＤ素子１２が発生する励起光Ｅを透過せず、それよりも長波長の蛍光Ｆは透過する、例えば吸収型フィルタである。フィルタ１４としては蛍光のみを通すバンドパスフィルタでもよい。しかし、現実には励起光Ｅの一部はフィルタ１４を透過してＬＥＤ素子１２に入射してしまう。なお、後述するように補正処理を行う蛍光センサ１０にはフィルタ１４は必須の構成要素ではない。
【００２８】
ＬＥＤ素子１２は、励起光を発光し、かつ、蛍光を透過する発光素子である。透明樹脂層１５は第２の保護層である。第２の保護層としては、例えばＬＥＤ素子１２をフィルタ１４上に接着するときに用いるシリコーン樹脂または透明な非晶性フッ素樹脂なども使用可能である。
【００２９】
蛍光センサ１０の第２の保護層の特性として励起光が照射されても層中での蛍光の発生が小さいことが重要である。なお、この蛍光の発生が小さいという特性は、インジケータ層１６を除いた蛍光センサ１０の全ての透明材料の重要特性であることは言うまでもない。
【００３０】
インジケータ層１６は、進入してきたアナライト９との相互作用および励起光により蛍光を発生、すなわちアナライト９の濃度に応じた光量の蛍光を発生する。インジケータ層１６の層厚は数十μｍ程度に設定されている。インジケータ層１６は、アナライト９の量、すなわち試料中のアナライト濃度に応じた強度の蛍光を発生する蛍光色素が含まれたベース材料から構成されている。なおインジケータ層１６のベース材料は、ＬＥＤ素子１２からの励起光および蛍光色素からの蛍光が良好に透過できる透明性をもつことが好ましい。ここで、蛍光色素は、試料中に存在するアナライト９そのものでも良い。
【００３１】
蛍光色素は、アナライト９の種類に応じて選択され、アナライト９の量に応じて発生する蛍光の光量が可逆的に変化する蛍光色素ならば、どのようなものでも使用できる。例えば生体内の水素イオン濃度または二酸化炭素を測定する場合には、ヒドロキシピレントリスルホン酸誘導体、糖類を測定する場合には蛍光残基を有するフェニルボロン酸誘導体、カリウムイオンを測定する場合には蛍光残基を有するクラウンエーテル誘導体などを用いることができる。
【００３２】
そして、グルコースのような糖類を測定する場合には、蛍光色素として、ルテニウム有機錯体、蛍光フェニルボロン酸誘導体、または蛋白と結合したフルオレセイン等のグルコースと可逆結合する物質を用いることができる。
【００３３】
以上の説明のように、本発明の蛍光センサ１０は、蛍光色素の選択によって、酸素センサ、グルコースセンサ、ｐＨセンサ、免疫センサ、または微生物センサなど、多様な用途に対応している。
【００３４】
インジケータ層１６は、例えば、含水し易いハイドロゲルをベース材料として、ハイドロゲル内に上記蛍光色素を包含または結合させている。ハイドロゲルの成分としてはメチルセルロースもしくはデキストランなどの多糖類などを用いることができる。
【００３５】
なおインジケータ層１６は、透明樹脂層１５上に、図示していないシランカップリング剤などよりなる接着層を介して接合されている。なお、透明樹脂層１５を形成しないで、インジケータ層１６がＬＥＤ素子１２の表面に、直接、接合された構造であってもよい。
【００３６】
遮光層１９は、インジケータ層１６の上部表面側に形成された、厚さが数十μｍ以下の層である。遮光層１９は、励起光および蛍光が蛍光センサ１０の外部へ漏光するのを防止すると同時に、外光が蛍光センサ１０の内部に進入を防止する。
【００３７】
そして、蛍光センサ１０は、温度検出機能を有する温度センサ２１と、温度調整機能を有するヒーター２２と、をさらに具備する。
【００３８】
温度センサ２１は、ＰＤ素子１３とフィルタ１４とＬＥＤ素子１２とインジケータ層１６からなる光検出系２０の温度計測を行い、温度検出信号を出力する。温度センサ２１には、ダイオード、サーミスタ、熱電対など多様なデバイスを適用できる。光電変換素子としてＰＤ素子を用いる場合には、同じダイオード構造により、ＰＤ素子１３形成と同時に基板１１上に形成できる。温度センサ２１は、光検出系２０に近接して設置される。
【００３９】
なお、光電変換素子としてＰＤ素子１３を有する蛍光センサ１０では、ＰＤ素子１３を温度センサ２１として使用することも可能である。すなわち光電変換動作を行っていないときにＰＤ素子１３を温度センサ２１として使用することもできる。この場合には、温度計測専用の温度センサ２１を配設する必要がない。
【００４０】
高熱伝導率のシリコン基板１１上に近接配置された温度センサ２１が検出する温度は、光検出系２０の温度との誤差が小さい。基板が高伝熱性材料ではない場合には、光検出系２０の周囲に高伝熱性体を配設し、温度センサ２１を高伝熱性体と接触する位置に配置することが好ましい。
【００４１】
温度調整機能を有する温度調整部であるヒーター２２は、光検出系２０を、所定温度、例えば４０℃に加熱するための発熱部材である。ヒーター２２は、アルミもしくは金などの金属配線、導電性セラミック、カーボン、導電性樹脂等からなる抵抗加熱型ヒーターである。抵抗加熱型ヒーターは、単一素材で形成することもできるが、低抵抗配線と高抵抗発熱部とを有する構成の場合には、局所加熱が可能である。
【００４２】
また、温度調整部を発熱部と高熱伝導率材料からなる伝熱部とで構成し、伝熱部を光検出系２０の周囲に配設することにより、光検出系２０の温度を均一化してもよい。
【００４３】
さらに、蛍光センサ１０の他の構成部材が、温度調整機能を有していてもよい。例えば、ＬＥＤ素子１２は連続発光することにより熱を発生する。また、光電変換素子がダイオードである場合には、順方向の電流を流せば、熱を発生する。この場合には加熱専用の温度調整部を配設する必要がない。
【００４４】
＜蛍光センサ１０の基本動作＞
次に、図４および図５を用いて、蛍光センサ１０の基本動作について説明する。
ＬＥＤ素子１２は、例えば３０秒に１回の間隔で中心波長が３７５ｎｍ前後の励起光Ｅをパルス発光する。例えば、ＬＥＤ素子１２へのパルス電流は１ｍＡ〜１００ｍＡであり、発光のパルス幅は１０ｍｓ〜１００ｍｓである。
【００４５】
ＬＥＤ素子１２が発生した励起光Ｅ１は、インジケータ層１６に入射する。インジケータ層１６は、アナライト９の量に対応した強度の蛍光Ｆを発する。なお、アナライト９は遮光層１９を通過して、インジケータ層１６に進入する。インジケータ層１６の蛍光色素は波長３７５ｎｍの励起光Ｅに対して、より長波長の例えば波長４６０ｎｍの蛍光Ｆを発生する。
【００４６】
ここで蛍光センサ１０では、ＬＥＤ素子１２が発生した励起光Ｅは上下方向に照射される。上方向に照射された励起光Ｅ１は、インジケータ層１６中の蛍光色素に照射される。蛍光色素が発生した蛍光Ｆは、ＬＥＤ素子１２およびフィルタ１４を通過してＰＤ素子１３に到達する蛍光Ｆ１と、フィルタ１４を通過してＰＤ素子１３に到達する蛍光Ｆ２とが、いずれもＰＤ素子１３において、電気信号に変換される。以下、蛍光Ｆ１およびＦ２に起因する電気信号を蛍光検出信号ＶＦという。
【００４７】
一方、ＬＥＤ素子１２から下方に放射された励起光Ｅ２は、フィルタ１４等を通過して、一部の励起光Ｅ３がＰＤ素子１３に到達してしまう。励起光Ｅ３はフィルタ１４の特性および蛍光センサ１０の構造により不可避的に発生するノイズ光である。以下、励起光Ｅ３に起因する電気信号を励起光検出信号ＶＥＸという。
【００４８】
すなわち、ＰＤ素子１３が出力する検出信号Ｖは、蛍光検出信号ＶＦに励起光検出信号ＶＥＸが重畳されている。励起光の強度ＬＥＸおよび励起光検出信号ＶＥＸは、蛍光センサごとに異なるため、蛍光センサ１０の検出精度の低下の原因となる。
【００４９】
＜補正処理＞
次に、図６を用いて、蛍光センサ１０による補正処理について、説明する。
蛍光センサ１０では、演算によって、検出信号Ｖから励起光検出信号ＶＥＸを除去し、蛍光検出信号ＶＦのみを抽出する補正処理を行う。
【００５０】
すなわち、蛍光センサ１０では、温度調整機能を有するヒーター２２と温度検出機能を有する温度センサ２１とを用いて、複数の異なる温度における複数の検出信号Ｖをもとに、蛍光検出信号ＶＦを算出するための補正係数を算出する補正処理を行い、その結果をもとに以降の検出信号を補正する。
【００５１】
以下、温度Ｔで計測した検知信号、すなわちＰＤ素子１３より出力される光起電力をＶとし、例えば、温度Ｔ１のときに計測した検知信号をＶ１とする。そしてヒーター２２により蛍光センサ１０を加熱して、温度Ｔ２となったときの検知信号をＶ２とする。光検出系２０の体積は、数mm３程度であるために、加熱開始から数秒から数十秒の間で、数℃から十数℃の温度上昇が生じる。補正処理はアナライト濃度に急激な変化が発生しないタイミングで行うため、数秒から数十秒の間でのアナライト濃度変化は無視できる。このため、補正処理中のアナライト濃度Ｃは定数Ｃ０とみなすことができる。
【００５２】
すでに説明したように、センサ出力である検出信号Ｖは、励起光検出信号ＶＥＸと蛍光検出信号ＶＦとによって構成されるため、（式１）で表される。
【００５３】
Ｖ＝ ＶＥＸ ＋ ＶＦ （式１）
【００５４】
最初に、励起光検出信号ＶＥＸの温度依存性を表す式を求める。
ＬＥＤ素子１２による励起光発光量LEXは、（式２）で表される。
【００５５】
ＬＥＸ＝ ＬＥＸ０・ＴＥＸ （式２）
【００５６】
LEX０は基準温度Ｔ０における発光量、TEXは発光量に対する温度依存係数である。発光量LEX０はＬＥＤ素子１２ごとに異なる値を示し、素子間で２倍を超える差異が認められる場合もある。発光量LEX０の差異は、ＬＥＤ素子１２の製造工程に起因するものであり、蛍光センサ１０の構造には依存しない。温度依存係数TEXは温度に対する関数であるが、理論または実験により求めることができる。なお、TEXは、ＬＥＤ素子１２の種類および温度範囲によって、線形関数または非線形関数であってもよい。
【００５７】
ＰＤ素子１３へ入射してしまう励起光量INEXは、（式３）で表される。
【００５８】
INEX＝ LEX・βEX ＝ （LEX０・TEX）・βEX （式３）
【００５９】
βＬＥＤは励起光が、光検出系２０内で散乱、反射、吸収による減衰を受けた結果として決まる励起光のＰＤ素子１３への集光効率を表す係数である。
【００６０】
この結果、励起光検出信号ＶEXは、（式４）で表される。
【００６１】
ＶEX＝ INEX ・SEX ・TＳＥX＝ （LEX０・TEX・βEX）・SEX ・TＳＥX （式４）
SEXは励起光に対するＰＤ素子１３の光電変換効率であり、TSEXはその温度依存係数である。
【００６２】
次に、検出信号Ｖ中の蛍光検出信号ＶＦの温度依存性を表す式を求める。
インジケータ層１６の蛍光発光量LFは、（式５）で表される。
LF＝ αEX・LEX・e・TF （式５）
【００６３】
αEXは、ＬＥＤ素子１２が発生する励起光のうち、インジケータ層１６に到達し蛍光発光に寄与する割合を示す係数である。eは基準温度Ｔ０における励起光から蛍光への変換係数（蛍光収量）であり、アナライト濃度に依存する関数である。TFは蛍光発光量の温度依存係数であり、これは温度に対する関数であるが、実験にて求めることができる。このTFは、温度範囲によって線形関数または非線形関数である。
【００６４】
（式５）に（式２）を代入すれば、（式６）が得られる。
LF＝ αEX・（LEX0・TEX）・e・TF （式６）
【００６５】
さらに、ＰＤ素子１３へ入射する蛍光光量INFは、（式７）で表される。
INF＝ LF・βF＝ （αEX・LEX0・TEX・e・TF）・βF （式７）
βFは蛍光Ｆが光検出系２０内で散乱、反射、吸収による減衰を受けた結果として決まる蛍光の集光効率を表す係数である。
【００６６】
この結果、蛍光検出信号ＶＦは、（式８）で表される。
ＶF＝ INF・SF・TSF＝ （αEX・LEX0・TEX・e・TF・βF）・SF・TSF （式８）
ここで、SFは蛍光に対するＰＤ素子１３の光電変換効率であり、TSFはその温度依存係数である。
【００６７】
すなわち、センサ出力である検出信号Ｖは、（式９）で示される。
Ｖ ＝ＶEX＋ＶF＝ （LEX０・TEX・βEX・SEX ・TＳＥX）＋（αEX・LEX0・TEX・e・TF・βF・SF・TSF）
＝a・TEX・TSEX＋b・TEX・TF・TSF （式９）
ここで、a＝LEX0・βE X・SEX （式１０）、b＝αEX・LEX0・e・βF・SF （式１１）である。
【００６８】
係数ａ、ｂは、温度依存性がなく、また、アナライト濃度が一定のＣ０のとき、励起光から蛍光への変換係数eは定数eＣ０である。すなわち、補正処理中は係数ａおよび係数ｂを定数とみなすことができる。
【００６９】
（式９）は、アナライト濃度が既知の下、２つの未知数ａ、ｂと既知関数TEX、TSEX、TF、TSFと、検出信号Ｖとの関係式である。すなわち、２つの温度におけるTEX、TSEX、TF、TSFと、そのときの検出信号Ｖとが求まれば、ａ、ｂが算出されることを示している。
【００７０】
（式９）は、（式１）により、（式１２）で表される。
ＶF＝ Ｖ−ＶＥＸ ＝Ｖ−a・TEX・TSEX （式１２）
【００７１】
次に、異なる２温度でセンサ出力を測定し、蛍光成分を求める手順を説明する。なお、ＬＥＤ素子１２およびＰＤ素子１３は、少なくとも３０〜５０℃程度の温度範囲内では温度依存性を無視して扱うことができる。このため、温度依存性を簡略化し、TSEX＝TSF＝１とする。
【００７２】
まず、温度Ｔ１について、（式１３）が成り立つ。
Ｖ（１）＝a・TEX（1）＋b・TEX.（1）・TF（1） （式１３）
【００７３】
次に温度Ｔ２について、（式１４）が成り立つ。
Ｖ（２）＝a・TEX（２）＋b・TEX（２）・TF（２） （式１４）
【００７４】
ここで、温度Ｔ１のときのＬＥＤ素子１２の発光量に対する温度依存係数をTEX（１）、蛍光発光量の温度依存係数をTF（１）とし、温度Ｔ２のときのＬＥＤ素子１２の温度依存係数をTEX（２）、蛍光発光量の温度依存係数をTF（２）とする。（式１３）と（式１４）とから、係数ａは、（式１５）で算出される。
【００７５】
【００７６】
また、（式１５）を（式１３）に代入すれば、係数ｂが求まる。一方、（式１２）と（式１５）とから、温度Ｔ１における検出信号Ｖ１から蛍光検出信号ＶF（１）を求める（式１６）が得られる。
【００７７】
【００７８】
以上で、検出信号Ｖから励起光検出信号ＶＥＸを除去する補正演算処理は終了する。ここで求めた係数ａは温度にもアナライト濃度にも依存しない。このため、以降、任意の温度Ｔで、ＰＤ素子１３の検出信号Ｖと、その温度Ｔにおける発光量の温度依存係数TEXと、をもとに、蛍光検出信号ＶＦを算出することができる。
【００７９】
なお、補正時の温度Ｔ１、Ｔ２と、それに対応する蛍光出力ＶF（１）、ＶF（２）と、このときのアナライト濃度Ｃ０とが、補正演算処理以降、任意の温度でアナライト濃度Ｃを算出する場合の初期値になる。
【００８０】
次に、蛍光検出信号ＶＦをアナライト濃度Ｃに変換する処理について説明する。
アナライト濃度Ｃは、関数δを用いて、（式１７）から算出される
C＝δ（T、 ＶF） （式１７）
【００８１】
Ｔは温度、ＶFは温度Ｔでの蛍光検出信号である。（式１７）には、蛍光検出信号ＶＦの温度依存性を補正するための温度依存補正係数εと、アナライト濃度の初期値をＣ０になるように合わせるための係数γとを含んでいる。しかし、温度依存補正係数εは実験または理論から導かれる式から算出したり、または、データ群としてテーブル化したりできる。また、係数γは前記初期値を用いて決定される。関数δは、実験または理論より導かれる式であるが、テーブル化されたデータ群であってもよい。温度依存補正係数εと係数γとをあらかじめ定めておけば、（式１７）を用いて、任意の温度Ｔの蛍光検出信号ＶＦと温度検知信号とをもとに、アナライト濃度Ｃを算出できる。
【００８２】
＜補正処理手順＞
次に、図７のフローチャートおよび図８のタイムチャートをもとに、蛍光センサ１０の補正処理手順を説明する。
【００８３】
＜ステップＳ１０＞
時間Ｔ０に、針型蛍光センサ４の針先端部５が穿刺され、蛍光センサ１０が体内に設置される。このとき励起光Ｅは照射されておらず、温度調整部であるヒーター２２もオフとなっており、蛍光センサ１０の温度はＴ１、ＰＤ素子１３の検出信号（光起電力）はＶ０である。
【００８４】
＜ステップＳ１１＞第１の検出信号取得工程
時間Ｔ１〜Ｔ２では、ＬＥＤ素子１２が点灯（オン）され、検出信号Ｖ１が検出される。このときの温度はＴ１である。すなわち、第１の温度Ｔ１における第１の検出信号Ｖ１が取得される。
【００８５】
＜ステップＳ１２、Ｓ１３＞加熱工程
時間Ｔ３〜Ｔ４では、ヒーター２２に電流が印加され、出力Ｗ１となる。蛍光センサ１０は温度Ｔ２になるまで（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、加熱される。
【００８６】
＜ステップＳ１４＞
時間Ｔ４〜Ｔ７では、ヒーターが出力Ｗ２となり、蛍光センサ１０の温度がＴ２に保持される。
【００８７】
＜ステップＳ１５＞第２の検出信号取得工程
時間Ｔ５〜Ｔ６では、ＬＥＤ素子１２が点灯され、検出信号Ｖ２が検出される。すなわち、第２の温度Ｔ２における第２の検出信号Ｖ２が取得される。
【００８８】
＜ステップＳ１６＞補正係数算出工程
検出信号Ｖ１と検出信号Ｖ２と（式１５）とから補正係数である定数ａが算出される。
【００８９】
＜ステップＳ１７、Ｓ１８＞補正処理完了
時間Ｔ７では、ヒーター２２がオフとなり、自然冷却される。時間Ｔ８で冷却が完了（Ｓ１８：ＹＥＳ）すると、定数算出処理、すなわち、補正処理が完了する。
【００９０】
＜ステップＳ１９＞計測工程
時間Ｔ９〜Ｔ１０において、ＬＥＤ素子１２が点灯し、そのときの、温度ＴＮと検出信号ＶＮとが計測される。
【００９１】
＜ステップＳ２０＞演算工程
演算部７０にて、温度ＴＮと検出信号ＶＮと定数ａを用いて、蛍光検出信号ＶＦが算出され、さらに（式１７）を用いて、アナライト濃度Ｃが算出される。
【００９２】
＜ステップＳ２１＞
以降、終了（Ｓ２１：ＹＥＳ）まで、一定周期で励起光の照射と検出信号および温度の計測を繰り返すことでアナライト濃度Ｃの連続計測が行われる。
【００９３】
蛍光センサ１０の補正方法は、温度制御機能を用いて、異なる２つの温度での検出信号Ｖから、検出信号Ｖに占める蛍光検出信号ＶＦの正確な値を得ることができる。つまり蛍光センサ１０は、純粋に蛍光検出信号ＶＦのみを得ることができる。このため、蛍光センサ１０および蛍光センサ１０の補正方法は、検出精度が高い。
【００９４】
例えば、Ｔ０＝３２℃、ＴＦ（１）＝１とすると、Ｔ１＝３７℃では、ＴＥＸ（１）＝０．９４、ＴＦ（１）＝０．７８、Ｖ（１）＝２６１（−）であり、Ｔ２＝４２℃では、ＴＥＸ（２）＝０．８７、ＴＦ（２）＝０．５５、Ｖ（２）＝２２３（−）である。
これから、補正係数、ａ＝２０５、蛍光検出信号、ＶF（１）＝５６、が得られる。
【００９５】
なお、上記説明の温度調整機能は加熱により温度を上げる加熱手段であったが、冷却により温度を下げる冷却手段であってもよい。さらに蛍光センサが、加熱手段と冷却手段とを有していてもよい。
【００９６】
また、上記説明は、２つの異なる温度における２つの検出信号Ｖをもとに、蛍光検出信号ＶＦを算出する補正方法であったが、３以上の異なる温度における３以上の検出信号をもとに補正を行ってもよい。特に、励起光Ｅだけでなく、蛍光センサ１０の外部からの外部光に起因するＰＤ素子の検出信号である外光検出信号の影響を排除する必要がある場合には、３種類の温度における検出信号をもとに、蛍光検出信号ＶＦを算出する補正を行う必要がある。
【００９７】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等ができる。
【符号の説明】
【００９８】
１…センサシステム、２…本体部、３…レシーバー、４…針型蛍光センサ、５…針先端部、６…針本体部、７…針部、８…コネクタ部、９…アナライト、１０…蛍光センサ、１１…シリコン基板、１２…ＬＥＤ素子、１３…ＰＤ素子、１４…フィルタ、１５…透明樹脂層、１６…インジケータ層、１７…酸化シリコン層、１９…遮光層、２０…光検出系、２１…温度センサ、２２…ヒータ、６０…配線、７０…演算部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を発生する発光素子と、前記励起光とアナライト量とに応じた蛍光を発生するインジケータ層と、前記蛍光に起因する蛍光検出信号に前記励起光に起因する励起光検出信号が重畳された検出信号を出力する光電変換素子と、を具備し、温度検出信号を出力する温度検出機能および温度調整機能を有する蛍光センサを用いて、第１の温度において、第１の検出信号を取得する第１の検出信号取得工程と、
第２の温度において、前記第１の検出信号取得工程と同じアナライト量のときの、第２の検出信号を取得する第２の検出信号取得工程と、
前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とにもとづいて、前記蛍光検出信号を算出するための補正係数を算出する補正係数算出工程と、
前記補正係数と前記温度検出信号とを用いて、以降の検出信号を補正する補正工程と、を具備することを特徴とする蛍光センサの補正方法。
【請求項２】
前記光電変換素子、前記蛍光を透過する前記発光素子、および前記インジケータ層の、それぞれ少なくとも一部が、基体上の同一領域内に、この順に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の蛍光センサの補正方法。
【請求項３】
前記蛍光センサが、前記温度調整機能を有する温度調整部を具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光センサの補正方法。
【請求項４】
前記温度調整部が、抵抗加熱型素子であるヒーターであることを特徴とする請求項３に記載の蛍光センサの補正方法。
【請求項５】
前記発光素子が、前記温度調整機能を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光センサの補正方法。
【請求項６】
前記光電変換素子が、前記温度調整機能を有するダイオードであるを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光センサの補正方法。
【請求項７】
前記光電変換素子が、温度検出機能を有するダイオードであるを特徴とする請求項１または請求項２または請求項６に記載の蛍光センサの補正方法。
【請求項８】
励起光を発生する発光素子と、
前記励起光と、アナライト量と、に応じた蛍光を発生するインジケータ層と、
前記蛍光に起因する蛍光検出信号に前記励起光に起因する励起光検出信号が重畳された検出信号を出力する光電変換素子と、を具備し、
温度検出信号を出力する温度検出機能、および温度調整機能を有することを特徴とする蛍光センサ。
【請求項９】
前記インジケータ層の周囲を巻回する、温度調整機能を有する抵抗加熱型素子を具備することを特徴とする請求項８に記載の蛍光センサ。
【請求項１０】
前記温度調整部により複数の温度に調整されたときの複数の前記検出信号をもとに、前記蛍光検出信号を算出するための補正係数が算出され、以降の検出信号が補正されることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の蛍光センサ。
【請求項１１】
体外に配置される本体部の嵌合部と嵌合するコネクタ部を有し、体内のアナライトを計測する針型センサであることを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の蛍光センサ。
【請求項１】
励起光を発生する発光素子と、前記励起光とアナライト量とに応じた蛍光を発生するインジケータ層と、前記蛍光に起因する蛍光検出信号に前記励起光に起因する励起光検出信号が重畳された検出信号を出力する光電変換素子と、を具備し、温度検出信号を出力する温度検出機能および温度調整機能を有する蛍光センサを用いて、第１の温度において、第１の検出信号を取得する第１の検出信号取得工程と、
第２の温度において、前記第１の検出信号取得工程と同じアナライト量のときの、第２の検出信号を取得する第２の検出信号取得工程と、
前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とにもとづいて、前記蛍光検出信号を算出するための補正係数を算出する補正係数算出工程と、
前記補正係数と前記温度検出信号とを用いて、以降の検出信号を補正する補正工程と、を具備することを特徴とする蛍光センサの補正方法。
【請求項２】
前記光電変換素子、前記蛍光を透過する前記発光素子、および前記インジケータ層の、それぞれ少なくとも一部が、基体上の同一領域内に、この順に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の蛍光センサの補正方法。
【請求項３】
前記蛍光センサが、前記温度調整機能を有する温度調整部を具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光センサの補正方法。
【請求項４】
前記温度調整部が、抵抗加熱型素子であるヒーターであることを特徴とする請求項３に記載の蛍光センサの補正方法。
【請求項５】
前記発光素子が、前記温度調整機能を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光センサの補正方法。
【請求項６】
前記光電変換素子が、前記温度調整機能を有するダイオードであるを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光センサの補正方法。
【請求項７】
前記光電変換素子が、温度検出機能を有するダイオードであるを特徴とする請求項１または請求項２または請求項６に記載の蛍光センサの補正方法。
【請求項８】
励起光を発生する発光素子と、
前記励起光と、アナライト量と、に応じた蛍光を発生するインジケータ層と、
前記蛍光に起因する蛍光検出信号に前記励起光に起因する励起光検出信号が重畳された検出信号を出力する光電変換素子と、を具備し、
温度検出信号を出力する温度検出機能、および温度調整機能を有することを特徴とする蛍光センサ。
【請求項９】
前記インジケータ層の周囲を巻回する、温度調整機能を有する抵抗加熱型素子を具備することを特徴とする請求項８に記載の蛍光センサ。
【請求項１０】
前記温度調整部により複数の温度に調整されたときの複数の前記検出信号をもとに、前記蛍光検出信号を算出するための補正係数が算出され、以降の検出信号が補正されることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の蛍光センサ。
【請求項１１】
体外に配置される本体部の嵌合部と嵌合するコネクタ部を有し、体内のアナライトを計測する針型センサであることを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の蛍光センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−９３１９０（Ｐ２０１２−９３１９０Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４００１９（Ｐ２０１０−２４００１９）
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【出願人】（０００１０９５４３）テルモ株式会社 (2,232)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２６日（２０１０．１０．２６）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【出願人】（０００１０９５４３）テルモ株式会社 (2,232)
【Ｆターム（参考）】
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