JP2007526452A

JP2007526452A - 生物学的物質を検出する方法及び装置

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Publication number: JP2007526452A
Application number: JP2006541236A
Authority: JP
Inventors: オレイニク，ブラディスラヴ・エイ
Original assignee: バイオワーン・エルエルシー
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2007-09-13
Also published as: MXPA06005558A; AU2004316286A1; KR20070001881A; CA2546641A1; IL175680A0; WO2005081707A3; US7075428B1; WO2005081707A2; EP1697495A2

Abstract

個々のシリコンシップの形態に設計され、複数の機能及びユニットを統合したセンサユニットを用いて生物学的物質を検出する方法及び装置。１グループとして１組のセンサユニットを配置して、検出、識別及び警戒用の分散型ネットワークを得る。センサユニットの分散化により、複数の媒体（空気、液体、血液等）中に浮遊し得るウィルス、細菌、胞子、アレルゲン、その他の毒素などの様々な生物学的物質をその場で容易に検出できる。個々のセンサユニットは、データの取得、展開、記憶、統計分析、及び送信も実施する。互いに近接して配置された１組のセンサユニットは１つのグループとして指定され、そして、ルータへ、更に、データ統合、分析及び決定支援を行う中央コンピュータへのデータの流れに一貫性があり且つ信頼性が高い、分散型感知ネットワークとして働く。このようにグループ単位の配置により、安全性が強化され、感知能力が広域化される。

Description

本発明は、ウィルス、細菌、胞子、アレルゲン、その他の毒素などのような様々な生物学的物質に感受性のある小型のセンサ及びセンサ群、並びにこれらのセンサの出力を分析するシステムを対象とする。

過去数年間、米国国境内並びに世界の他の地域でテロリズムのレベルが高くなったことを一般の人々が目の当たりにしたのは遺憾なことである。２００１年９月１１日の攻撃は、その規模と破壊の点で途方もないものであったが、一般の人々は、例えば、より微視的なレベルでの他の様々なタイプの攻撃が生じ得ることを意識させられている。様々な米国公務員への炭疽菌に汚染された通信文書の送付は、様々な生物学的物質が破壊的に用いられ得ることの懸念を大きく高めただけであった。

従って、このような生物学的戦争の可能性に対して早期警報を提供するセンサ・システムを開発することは最重要事項である。

生物学的戦争の広がりを阻止することに関連する上記の問題は、ネットワーク階層が柔軟でありデータの流れが安全な大規模な分散型のセンサ・ネットワーク用の自己完結型のミリメートル尺度の感知および通信のプラットホームを用いる本発明により対処される。チップの形態の個々のセンサ・ユニットは、砂粒のサイズで設計および製作され、センサ、プロセッサ・ユニット、メモリ、双方向無線通信部、及び内部電源を含む。各センサ・ユニットは、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）の形態の自己完結型マイクロ・コントローラによって制御される。このＤＳＰは、センサ・チップによって実施されるタスクと、エネルギーを節約するためのシステムの様々なコンポーネントおよびコンポーネント間の電力管理とを共に制御する。周期的に、このＤＳＰは、チップ上に含まれた１又は複数のセンサを備えたセンサ・ユニットから示度（読取値）を受信し、これらのセンサから受信したデータを処理し、その結果をＤＳＰのメモリに記憶する。このＤＳＰはまた、各センサ・ユニットに設けられた光学的な、音響的な、及び／又は無線周波数（ＲＦ）による送受信機を疑似乱数的に活動化させて、入来しようとする通信を監視する。この通信は、他のセンサ・ユニット、或いは、複数のセンサ・ユニットの動作を制御する基地局ルータ（１又は複数）とやり取りする新しいプログラムや、データや、メッセージを含み得る。メッセージに応答して、或いは、メッセージの開始に後、ＤＳＰは、ＲＦ送受信機、室内再送信機（現場操作局）、又はレーザを使用して、センサのデータ又はメッセージを、ルータ、別のセンサ・ユニット、又は中央局へ送信する。このルータも中央局と通信を行う。ウィルス、細菌、アレルゲン、かび、タンパク質、及び毒素など（総称して「ターゲット」）のような、異なる種類の生物学的物質の検出に対処するために、本発明では、感知及び情報取得の様式が完全に異なる２つのクラスのセンサを組み込む。

これらのセンサの最初のものは、音響に基づくものであり、劣化せずに繰り返し使用され得る。このセンサは、機能的に音響波技術に依存する。このセンサ・ユニットのセンサ部分は、シリコン基部上の超小型メッシュ（ネット）として構築され、それ自体の共振周波数を有する。より正確な共振示度（読取値）を得るために、サファイア、クオーツ、又は酸化ゲルマニウム・シリカ（ＧＳＯ）結晶、或いは、酸化ベリリウム・シリカ（ＢＳＯ）結晶などのような他のエレメントを使用することができる。このセンサ・ユニットの表面は比較的狭く、動作表面は約１ｍｍ^２である。ターゲットに対するセンサの感度及び選択性をより高くするために、センサ・ユニット基部の両面に静電気が帯電される。この音響に基づくセンサ・ユニットは、３つの主要モード、即ち、データの収集、データの測定、及びセンサ・ユニットの清浄化、で動作する。収集モード中に、ターゲットはセンサに近づく。各センサ・ユニット表面に印加された静電気は、ターゲットをセンサの表面に向かって引き寄せ、分子接着力によりセンサ・ユニットの表面にくっつく。ＤＳＰに設けられたタイマによって決まる時間が経過した後に、このセンサ・ユニットは測定モードへと切換えられる。この移行時に、静電気はオフに切換えられ、センサ表面は、高周波振動状態で共振し始める。センサ・ユニットの表面にターゲットが付着していない場合、この表面は、第１周波数で共振する。特定のターゲットの存在下では、このセンサ表面は、第１周波数と異なる第２周波数で共振することになる。この振動の運動量及び周波数は、ターゲット粒子の物理的な特性の関数である。この振動により、ターゲット粒子はセンサ表面から離れ、その結果としてパルスが生じる。このパルスの音響的な性質は、ＤＳＰによって分析され、ＤＳＰのメモリに設けられたデータベースに格納されたデータと比較される。何らかの一致する特性が見つかった場合、この情報は中央局へ中継され、中央局は警報を発することができる。清浄化モード中、このセンサの表面は、第３周波数で、静電気分極及び高出力パルスを同時に適用することによって、清浄化される。清浄化後、必要に応じてすべてのモードが繰り返される。

センサ・ユニットは、既知のターゲット特性（signature、シグネチャ）に対して較正される。空気が、同じ又は類似のシグネチャ（質量、粘着係数、フォーム・ファクタなど）を示すターゲットを多く含む場合、これらの粒子の微生物学的な識別を提供する警報が作動される。この警報は、センサ・ユニット同士の通信、ルータおよび感知ユニットとの間の通信、センサ・ユニット、ルータ、及び中央システムの間の通信とに基づいて生成される。

各センサ・ユニットは、サファイアや、石英や、ＢＳＯや、ＧＳＯの結晶に基づく基板の上に載せたシリコン・ウエハ、例えばマイクロ・チップを製作するのに現在使用されているものなどから、製作される。エネルギーを生成および蓄積するために、正面がすべて用いられる。

第２のタイプのセンサは、生物学に基づくセンサであり、バイオ・ポア（bio pore）・センサと、光学に基づくセンサとの２つの範疇に分かれる。バイオ・ポア・センサは、好ましくはゲルの形の物質（リガンド）又はその他の物質を含む細孔と電子感知技術とでできている超小型プールである。これらのバイオ・ポアは、電極上に置かれたゲルの形のリガンドを含む。このリガンドは、ターゲットの１つの簡単な分子の存在に基づいて反応する。この反応中、バイオ・ポアは、電気的シグネチャ・パルス及び静電気を生成し、これらは分析され、特定のターゲットが存在する場合には警報を作動する。この分析は、この電気的なシグネチャ・パルスと、ＤＳＰのメモリに格納された複数の電気シグネチャ・パルスとを比較することを含む。この技術は、各ターゲットごとの反応性のリガンドを記述する生物学的データの組を必要とする。このデータは、バイオ・ポア用のゲル物質を選択するために用いられる。データ取得、データ処理、及びデータ通信を含めての他の何れの手法でも、何れのターゲットについても動作の実施態様は同じである。

生物学及び光学に基づくセンサは、バイオ・ポア・センサと多くの共通点を有する。これらの設計の主な差異は、ターゲットとリガンドの相互作用時に生成される一連の光子バーストを検出し識別するために、光を感知する微小システムを一体化することである。これらの光子バーストは、電気光学的なシグネチャ・パルスの形態であり、ＤＳＰのメモリに格納された複数の電気光学的シグネチャ・パルスと比較される。

本発明の上記の一般的な説明は、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明を図面と併せ読めばよりよく理解されるであろう。

センサ・ユニットとして使用される各チップは、サファイア、クオーツ、又は、ＢＳＯ若しくはＧＳＯの結晶に基づく基板或いは類似の材料の上に載せたシリコン・ウエハ、例えば、マイクロ・チップを製作するのに現在使用されているものなどから、製作される。エネルギーを生成し蓄積するために、これらのセンサ・ユニット（バイオ・ポアを除く）の正面がすべて用いられる。動作可能に統合されたセンサ・ユニットは、大規模分散型センサ・ネットワークとして働くことになる。このネットワークは、モノリシック・ユニットとして機能し、それによって、生物学的物質の存在の感知が、事実上、３次元でリアルタイムで行われる。例えば、センサ・ユニットの幾つかのクラスタにより、同じ動作サイクルで実行する同期したグループを形成することができ、それによって、システムの感度及び信頼性が向上し、分散型アンテナなどの特殊な機能を得る。本発明はカスタム化に向いており、様々な動作構成に容易に適応可能である。例えば、ターゲットを含み得る空気を特定の一方向に移動させる静電帯電空気ポンプを監視するために、複数のユニットからなるクラスタを整列することができる。こうすると、ターゲット粒子がセンサ・ユニットの近傍へもってこられるので、センサの感度が高くなる。このシステムは、静電気を利用してあらゆるターゲットを仕分けする信頼性の高い能力を発揮する。本発明は、空気中で飽和したターゲット粒子がすべて、静電荷の極性に対して等しく反応することにはならないという事実を利用する。センサ・ユニットのグループは、極性をいっしょに変化させ、空気中のターゲットの分布についての追加の情報（例えば、換気システム内の空気の移動の仕方など）を生成する。これにより、大気の状態に対してターゲットの性質をマッピングするリレーショナル・データベースの基礎を生成する。

図面を参照すると、図１Ａは、音響に基づくセンサ１を示す。センサ１は、センサ・ユニット２を有し、このセンサ・ユニットの表面上に複数の微小共振器３を備え、それによって振動網を形成する。図１Ｂ、図１Ｃ、及び図１Ｄに、音響に基づくセンサ１の動作を示す。図１Ｂには収集モードでの動作を示し、図１Ｃには分析モードでの動作を示し、図１Ｄには清浄化モードでの動作を詳細に示す。この音響に基づくセンサ並びに本発明で説明される他のすべてのセンサは、医療機器や、衣類や、食品などの製品の表面に貼られるように適合されるか、或いは、空気中を運ばれるように適合される。音響に基づくセンサ又は生物学に基づくセンサが対象物に取り付けられるか、或いは、空気中を浮遊するかにかかわらず、目的は、人間及び／又は動物に有害な、「ターゲット」２４で示す複数の生物学的物質の１又は複数のものの存在を検出することである。これらのターゲット２４は一般に、タンパク質の列５やほこりの粒子６などのような他の様々な浮遊物体と共に空気中を運ばれる。音響に基づくセンサ１は、様々な粒子５、６及び２４が落ち着く表面を有するセンサ・ユニット２として特徴づけられる。この表面ユニットは、電池８を有する直流電流源７に接続される。２つのスイッチ９ａ、９ｂが、電源に並列に取り付けられる。従って、図１Ｂに示された収集モードでは、センサ・ユニット２の表面に電気が印加され、それによって、このセンサ・ユニットは第１周波数で振動することができる。これらのスイッチは、このセンサ・ユニットがこの第１の周波数及び運動量で振動し得るように、センサ・ユニットの表面に第１電流レベルを印加するための、図１Ｂに示す位置にある。図１Ｂに示す空気中を運ばれるエレメント５、６及び２４にそれぞれ付随する矢印によって示されるように、これらの空気中を運ばれるエレメントは、センサ・ユニットの表面に引き寄せられる。

これらの粒子５、６及び２４がセンサ・ユニットの表面２に付着すると、或いは、表面２上に載ると、スイッチ９ａが、図１Ｃに示す分析モードにおける示された位置に移動し、それによって、センサ・ユニットの表面から電気源を除く。この時点で、ターゲット粒子２４を含む空気中を運ばれる粒子は、図１Ｂでセンサ・ユニットの表面が振動する周波数と異なる第２周波数で振動し始める。双方向無線通信、内部電源、並びにメモリを含むＤＳＰは、特定の共振周波数を感知する。この周波数は、ＤＳＰのメモリに格納された、特定のターゲットを示す周波数と比較される。１又は複数のターゲットの振動周波数と、ＤＳＰのメモリに格納された振動周波数とが一致する場合、この一致は記録され、ＤＳＰのメモリに格納される。この時点で、或いは後に、この情報は、センサの特定の通信能力を利用して、隣接するセンサへ、或いは１又は複数のルータへ、或いは中央局へ送信され、そこで、バイオ・テロリストの攻撃を示す有毒な生物学的物質の存在に関する判断により、適切な警報を生成する。

図１Ｃに示す分析ステップが完了すると、図１Ｄに示す位置にスイッチ９ｂを移動させることによって、センサ・ユニット２の表面は清浄化される。この時点で、センサ・ユニットの表面は第３周波数で振動し、それによって、空気中を運ばれる材料５、６、及び２４をすべて、図１Ｄに含まれる矢印で示されるようにセンサ・ユニットの表面から排出する。

図１Ｅに、清浄化段階や収集段階などの異なる段階にある２つの隣接するセンサ・ユニットを示す。収集段階は左側のセンサ・ユニットによって示され、清浄化段階は右側のセンサ・ユニットによって示されている。図１Ｄに示す清浄化段階を含めることにより、音響に基づくセンサ・ユニットを繰り返し使用することが可能となる。

図２に、リガンド２２及び生物学的ターゲット物質２４を含む、典型的な生物学に基づくセンサ・ユニットを示す。更に、リガンド２２の非感知表面に、オプションの生物学的増幅ユニット２０を付加することができる。リガンド２２は、別の分子と反応して錯体を形成するイオン又は分子である。ターゲット２４は、リガンドによって特異的に結合される分子である。各リガンドは、特定のターゲットと共に動作し、これより多数の可能なリガンド／ターゲット対が存在する。ターゲットは、タンパク質、糖タンパク質、サッカライド、脂質などのような単一分子であり得る。ターゲットは、細菌若しくはその胞子、ウィルス、真菌、かび、酵母などのような生物であることもある。リガンド２２とターゲット２４は、高い親和性及び特異性で互いに結合する。リガンド／ターゲット対の例は、抗体及びこの抗体を対抗するように生成させた任意の巨大分子や、細胞受容体及びこの受容体に特異的に結合し活性化させる任意の物質や、インフルエンザ・ウィルスの血球凝集素などのような微生物の表面の特徴及びこの表面の特徴に結合する抗体又は分子（例えば、インフルエンザではシアル酸など）である。ターゲットは、１つのタイプのリガンドのみに完全に付着することに留意することが重要である。リガンドと、このリガンドが完全には結合しないはずのターゲットとが相互作用しても、結果として、せいぜい瞬間的に部分的に結合するだけである。

リガンドとそのターゲットとの相互作用は分子間引力により生じ、分子間引力は、相補的配座、電荷、極性、ファンデルワールス相互作用、及び周囲環境の水分子の並び替えを含む。これらの引力は、ターゲットとリガンドが近づくと協働し、累積する。それぞれのターゲット／リガンドの相互作用は、以下のように特徴づけられ定量化される特定の動力学的かつ熱力学的なシグネチャを有する。

平衡定数は、オンとオフとの定数の関係から以下のように導出される。
Ｋ_ｅｑ＝ｋ_ｏｎ／ｋ_ｏｆｆ（２）

Ｋ_ｅｑは、ΔＧ＝ΔＧ°＋ＲＴｌｎＫ_ｅｑによって自由エネルギーに関係し、平衡状態ではΔＧ＝０であり、従って、
ΔＧ＝−ＲＴｌｎＫ_ｅｑ
となり、
Ｋ_ｅｑ＝１では、ΔＧ°＝０、
Ｋ_ｅｑ＝１０では、ΔＧ°＝−１．４Ｋｃａｌ／モル、
Ｋ_ｅｑ＝１０^５では、ΔＧ°＝−７Ｋｃａｌ／モル
であり、ここで、
Ｒは一般気体定数、
Ｔは温度（ケルビン尺度）
である。

アビジン−ビオチン相互作用では、Ｋ_ｅｑは約１０^１５Ｍ^−１であり、「典型的」な抗原抗体相互作用では約１０^１２である。そのため、１モルのアビジン−ビオチン相互作用から放出されるエネルギーは約２１Ｋｃａｌ／モルであり、抗原抗体相互作用では約１６Ｋｃａｌ／モルである。エネルギー放出の固有パターンは、それぞれのリガンド／ターゲット対ごとの相互作用シグネチャの関数である。

図２に示すバイオ・ポア・センサ・ユニットは、一般にリガンドの超小型細孔に基づいているが、総称してバイオ・ポアと呼ばれる電気感知技術によってセンサ・ユニット表面上の水性ゲル内に必ずしも埋め込まれていなくてもよい。各バイオ・ポアは、ゲルの形の１又は複数のリガンドで充填され、このリガンドに対する特定のターゲットの単一分子の存在に対して反応する。反応中、リガンドと特定のターゲット分子との反応は、電気パルス・シグネチャ及び静電気を生成し、これらが分析されて、正しいターゲットが存在する場合には警報を作動させる。この技術は、それぞれのリガンド／ターゲット対の結合によって生成される静電気シグネチャを記述する生物学的データの組を必要とする。このデータは、ターゲットを区別するために用いられる。データ取得、データ処理、及びデータ通信を含めての他の何れの方法においても、すべての実施態様は他のリガンド／ターゲット対と同じである。

本明細書で開示される材料及び方法は、均一な微細加工ユニットを大量生産するのに有効な仕方を提供する。対象とする特定のターゲット（１又は複数）（Ｃ型肝炎、サルモネラ菌、炭疽菌など）に対してユニットの配備をカスタマイズするために、これらのバイオ・ポアは、適切かつ固有の反応性リガンド（１又は複数）を含む。より具体的には、本発明の各センサ・ユニットは、信号変換エレメント、トランスデューサ、応答エレメント、及びリガンド（図２に示す）を備える。変換回路は、使用されるセンサのタイプに基づいて、電子感受性回路、感光性に基づく回路、音響感受性に基づく回路、及び誘導感受性検出回路を含む。応用に応じて、特定の生物学的増幅エレメントを使用することができる。信号変換エレメントは、活性部分及び信号転換ドメインからなる。このリガンドに特定的な部分は、選択されたターゲットを特定的に認識する。図２に示すリガンドと共に使用される感知ユニットは、特定のターゲットを監視および検出するためのソフトウェア及びハードウェアを含む。前段の検出器変換回路に応じて、生物学的増幅又はデバイス２０が使用されてもよく、また、使用されなくてもよい。例えば、幾つかの場合において、極めて低いエネルギーのリガンド／ターゲット相互作用を扱う場合などには、酵素蛍光又は化学発光の生成などののような増幅部２０を備えた感知エレメントを、光子感受性検出器と共に使用することができる。この場合、感知ユニットによる検出の後に、電気パルスが光子の流れに変換され、それが高感度の光検出器によって検出されることになる。

図３は、リガンド３１の分子とゲルの統合を待つ測定デバイスとして感知ゲート３２を備えた電界電子トランジスタ（ＦＥＴ）３０の使用を表す。リガンド３１は、ゲート３２上またはゲート３２のできる限り近傍に配置され、リガンド／ターゲット相互作用により、ソース領域３４からゲート３２を通ってドレイン区域３６へ至る電流を生成するようにする。このＦＥＴは、半導体の基部３８に設けられる。絶縁層３９が、ゲート３２、ソース３４、及びドレイン３６の上に設けられる。このＦＥＴ構造は、以下に論じる幾つかの形式で実施される。このＦＥＴ構造は、小型の超感応型電界効果トランジスタ（ＥＳＦＥＴ）の形態とすることができる。

図４に、この設計に組み込まれたゲル３３を備えたＦＥＴ３０を示す。使用されるゲルは、継続的な湿性を示し、感光性を有し、ターゲットがこのゲルを通過してリガンドと結合することができるという特性を示すべきである。ゲート区域の近傍にリガンドを動作可能に配置する方法が幾つかある。例えば、ゲート３２の表面をアミノシランで被覆することができる。リガンドは、例えば、ジスクシニミジルスベレート、−ヒドロキシジスクシニミジルスベレートなどのような、様々な架橋剤によってアミノ基につながれる。これらの架橋剤は、所望の配向を実現するために、リガンド上の選択された官能基に対する特異性によって選択されることができる。

図５は、ＦＥＴによる手法の代替実施形態を示す。このＦＥＴ４０は、シリコン基部４８を含み、その上に、ソース区域４６及びドレイン区域４４が設けられる。ゲート５０は絶縁体４２上に設けられる。幾つかのリガンド５２、５４、５６、５８及び６０がＦＥＴ４０と関連する。これらのリガンドは、直流電流源６２及び電極６４によって生成される直流場によって捕捉される。図４に示すＦＥＴの場合と同様に、類似のゲル６６がこの設計において組み込まれる。そうすることにより、感知エレメントの配向を容易にし、最適な感知能力を実現する。

図６は、ゲル９０を導入する前に、リガンド７２、７４、７６、７８及び８０を静電的に配向するのを容易にする代替手法のＦＥＴ７０を示す。これらのリガンドを配向させることに加えて、直流電流源９２と、上部電極９４と、ゲート区域９８近傍の下部電極９６とを含む２電極構成は、これらのリガンドをゲート区域９８へ移動させることを容易にし、最終的に、それらのリガンドをゲート区域の区域内で下部電極９６に付着させる。このセンサ・ユニットは、シリコン基部８２、ソース区域８４及びドレイン区域８６、並びに絶縁体層８８を含む。ここで、下部電極９６が完全に溶解し、それによってこのＦＥＴが正常に機能することができるようにする。或いは、この下部電極は部分的にのみ溶解して、それによってバイアス・フィードバック能力を助長する。

図７は、ゲート１２２の区域内のＦＥＴゲート電極１１０上に配置された１又は複数の触媒アイランド（島状の触媒）１２０を組み込んだ発展型のＦＥＴセンサ１００を示す。この触媒アイランドは、ナノチューブ１１４、１１６、１１８を成長させることができる。ＦＥＴ１００は、シリコン基部１０２、ドレイン区域１０４、ソース区域１０６、及び絶縁被覆１０８を含む。触媒アイランド１２０は、ナノチューブを成長させる基部を形成する化学成分からなる。ナノチューブは典型的には無秩序に成長する。これらのナノチューブの最終的な量及び体積は、時間及び温度を制御することによって管理される。時間及び温度に対する応答性は、触媒の成分によって決まる。一般に、複数のナノチューブが成長することになる。ナノチューブの表面は、その特性を変更する代替方法を用いてカスタマイズされることができる。変更は、化学溶液を使用してナノチューブの表面をエッチングすることによって実現され得る。或いは、これらのナノチューブは化学物質で被覆されることができる。本発明の主要構成は、ナノチューブを導体又は半導体の材料で被覆することを含む。その後、ゲルの塗布が行われる。こうすると、検出器の直線的な面積を大きくすることなく、ターゲットを検出するための表面積が劇的に増大する。動作においては、リガンド／ターゲット相互作用の後に、信号が、ナノチューブの表面を通ってＦＥＴのゲートに伝わる。ナノチューブは、ＦＥＴのゲートに間接的に接触しており、リガンドは、ナノチューブの壁の表面に付着するので、より多くのリガンドが、測定デバイス、即ち、ゲート区域に間接的に接触することになる。次いで、上述のように動作が進む。

図８は、バイオ・ポア・センサの可能な一実施態様１３０を示す。この場合、細孔（ポア）１３２は、シリコン・チップ表面に生成されている。このバイオ・ポアでは、ナノチューブ１３４、１３６、１３８が、概ね、２つの電極１４０と１４２の間に延びている。これらのナノチューブの表面はすべて、金属（粘土状又はプラーク状）で覆われる。その結果、密な電極メッシュとなる。細孔は、ナノチューブに接続した多くのリガンドエレメントで充填される。リガンドとターゲットとの間の接触が達成されると、信号が、ナノチューブ・メッシュを介して、電極１４０、１４２へ伝達される。電極は、記録回路（示さず）に接続されている。

図９は、バイオ・ポア１３２、並びに、電極１４０、１４２および細孔内のナノチューブの相対位置の多次元的に透視したものの側面図を示す。バイオ・ポアを構成する様々な成分について複数の構成が存在する。最適な構成は、意図する配備の関数である。これらの構成は、材料の使用可能性に制限されない。使用可能な材料は、非ラテックス水溶性成分（例えば、タンパク質、酵素、アガロースなどのポリサッカライド、又は合成ポリマー）が最大で材料の重量の約２５％を占めるときでさえ、その材料の膜形成特性を保持することが示されている。そのため、バイオセンサの生産の微細加工プロセスに関係する重要な考察が緩和される。このように確立された膜は、大量の添加物（即ち、酵素）の存在下でさえ、効果的に平面基板に付着する。従来、あらゆる種類の生物学的に活性な材料を不動にするために粒子ラテックス材料が使用されてきた。そのため、本発明のバイオセンサ・ユニットは、任意の選択された生物学的物質を認識するように適合され得る柔軟な汎用システムを提供する。

図１０には、生物学及び光学に基づくセンサが示されている。このセンサは、リガンド１５４、１５６、１５８を含むゲル１５２の細孔（ポア）でできている超小型バイオ・ポア及び光感知検出器１６０に基づく。ターゲットとリガンドとの相互作用中に、一連の光子バースト又はシグネチャが生成され、検出器１６０を含む光感知微小システムによって検出される。この微小システムは、アバランシェ・ダイオード・タイプの技術、電荷結合素子（ＣＣＤ）の技術、またはその他の光感知技術に基づいて構築される。検出後、新たに観察されたデータと、ＤＳＰのメモリに格納されたデータとの比較分析が、音響に基づく生物センサおよび光学に基づかない生物センサに関して上述したように実施される。

光学技術はセンサの分野で成功裡に利用されており、吸収、蛍光、散乱、及び屈折率の変化を測定することによって反応を監視する。特に、生物学及び光学に基づくセンサでは、光学的変化をうける層がデバイスの表面に一体化されて、光のエバネッセント場がこの感知層を貫通する。この感知層として、規定されたターゲットに対する特異性が高く、感知層の組成を変化させるモノクローナル抗体が使用され得る。この感知層で生じる反応は何れもエバネッセント場に影響を及ぼし、従って、装置の光学特性に影響を及ぼす。

この生物学及び光学に基づくセンサは、蛍光への相互作用のエネルギー変換を利用して、相互作用後に放出される光を検出する。この検出器内のゲル及びリガンドは、図５及び図６に伴う説明に基づいて配置される。

上述のように、様々なタイプのセンサ・ユニットのそれぞれは、図１１に示すＤＳＰ１７０を備える。

各センサ・ユニットは、初期起動用の専用の入出力チャネル２０２を有し、それによって、主蓄積コンデンサの充電、プログラミング、テスト手順を実施する。このチャネルへの接続は、初期テスト手順中に、専用のデバイスを介して行われる。この入出力チャネルにより、バイオ・ポア・センサ又は生物学／光学センサ１７２及び音響センサなどの各センサ・ユニットから、通信コントローラ２０４を介して、ＣＰＵ１７６への通信が可能になる。各ユニットは、音響アンテナ２０８を含む近距離（ＮＲ）通信チャネル、ＲＦアンテナ２０６を含む無線周波数（ＲＦ）チャネル、及び光学アンテナ２１０を含む光学チャネルの３つの追加のチャネルを有する。ＮＲ通信チャネルは、超音波送信機／受信機を備える。この通信チャネルにより、各センサ・ユニットは近くのセンサ・ユニットと通信することができる。即ち、これらのセンサ・ユニットは、互いを感知することを開始し、データ・パケットを交換し、更に、情報データ・パケット伝達し、そしてまた、音響に基づくセンサ・ユニットが用いる様々な動作モードを調整する。

ＲＦチャネルは、中距離通信及びクラスタ定義のために使用される。このチャネルは高速であり、所与の時間内により多くの情報を伝達できる。ある種の状況では、このチャネルをセンサ・ユニット間通信で使用でき、それ故、ＲＦプロセッサを組み込んでセンサ・ユニット間のデータの流れを管理することが見込まれる。

光学チャネルは、主に、ルータとの長距離通信中、又は大規模クラスタ間通信、並びに中央局との通信中に、部分的に、或いはある種の状況では完全に、主ＲＦチャネルを置き換えるためのものである。ＲＦスペクトルの混信が生じる場合、このチャネルが、ＮＲチャネルと共に通信媒体となる。

センサ・ユニット、ルータ、及びコンピュータを含む中央局の間の距離に基づいて、上記の様式のそれぞれの接続形態を使用して、センサ・ユニット、ルータ、及び中央局コンピュータの間で情報を散布することができる。

ＤＳＰ内に、非書換型メモリである読出し専用メモリ（ＲＯＭ）又はＥＥＰＲＯＭ１９０が設けられる。このメモリは、プログラムされた論理マトリックス（ＰＬＭ）及び制御回路からなる。このメモリの意図される主な使用法は、すべての動作プログラム及び命令を保持することである。更に、このメモリは、多数のターゲットの幾つかのサンプル・シグネチャ・パターンを保持する。これらのシグネチャ・パターンは、用いられるセンサ・ユニットのタイプに合わせることができ、また、センサ・ユニットと無関係に、可能なシグネチャ・パターンをすべて含むこともできる。

ＤＳＰ内には、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）１８８も含められる。ＲＡＭ１８８は、変数、取得データ、一時データ、一時変数その他の様々なデータを保持するために使用される。

ＤＳＰ内には、フラッシュ・メモリ（示さず）が設けられる。このフラッシュ・メモリは、スタック及びスタック・ポインタ、変数及び現在の状態、追加のプログラム・ファイル、並びにデータ・ファイルを含めての、複数の機能グループに分割される。このメモリは、主に、ＤＳＰの内部演算のために演算論理ユニット（ＡＬＵ）１８２によって使用される。ＡＬＵ１８２はＥＥＰＲＯＭ１９０及びＲＡＭ１８８と共に使用されて、測定されたシグネチャとＥＥＰＲＯＭ１９０内に含まれるシグネチャとを比較する。

このセンサ・ユニットは、ＤＳＰに設けられた幾つかの割込源となり得るものを有する。これらの割込源は、ウォッチドッグ・タイマ１９４、ウェーク・オン・チェンジ（ｗａｋｅ−ｏｎ−ｃｈａｎｇｅ、変化すると覚醒させる）１９６、リアルタイム・クロック、時間カウンタ１９８及びプログラム・カウンタ１８６などのような様々なカウンタ、並びにオーバフロー割込１９６を含む。上記イベントのそれぞれは、特別な信号を生成して、プログラムの流れに割り込み、それぞれの特別の配慮される機能へと切換える。ウォッチドッグ・タイマ１９４は、解決不可能なＤＳＰの状況やその他のイベントにより不測の状態が生じた場合の、第１防御段である。このような状態は、プロセッサに様々なタスクが過剰に与えられ、電源容量の制限のためにプロセッサがすべての機能を同時に実施することができなくなる場合に、最も頻繁に生じると予想される。考えられるのは、ＤＳＰが無限ループに捕まり、通常の様式ではそれから抜け出せなくなることである。この場合、ウォッチドッグ・タイマ１９４は、高レベルの割込を生成してこのループを停止し、ＤＳＰを再起動する。センサ及び入出力チャネルは、節電スリープ・モード中であっても、ウェーク・オン・チェンジ割込を生成して、ＤＳＰが省エネルギー・モードから起こされて（覚醒させられて）、完全な動作モードを実行するようにさせる。オーバフロー割込は、特別な機能レジスタ内の対応するフラグがイネーブルになる場合に生じる。リアルタイム・クロックは、時間同期の主な供給源である。この割込により、ＤＳＰ、その周辺機器による順次動作を実施することができる。

このセンサ・ユニットは、動作レジスタ１８４のデータと、命令レジスタ１９２などの任意のレジスタ・ファイルとの間で算術機能及びブール関数を実施する４ビット又は８ビットの汎用ＡＬＵ１８２を含む。

これらのレジスタ・ファイルは、特殊機能レジスタと汎用レジスタとの２つの機能グループに分割される。特殊機能レジスタは、デバイスの動作を制御するためにＤＳＰ及び周辺コンポーネントによって使用される。特殊機能レジスタは、作業レジスタ、タイマ・レジスタ、プログラム・カウンタ１８６、及び入出力レジスタを含む。更に、特殊機能レジスタは、入出力ポート・コンフィギュレーションを制御するために使用される。汎用レジスタは、命令の指揮下でデータ及び制御情報用に使用される。

マクロ・アクセス・コントローラ（ＭＡＣ）機能は、ＤＳＰによって実施される。これにより、電力及び結晶上のスペースを節約し、それによって、タイミングが最適化され、通信の遅延がなくなる。

ＣＰＵ１７６には、ＣＰＵ１７６内のコンポーネントとデータのやり取りを行うことができるように、また、入出力チャネル２０２と通信することができるように、バス２００が含まれる。

ＤＳＰと通信するＲＦプロセッサにより、各センサ・ユニットごとに、同期及び非同期の通信モードが提供される。このＲＦプロセッサは、ＲＦ同期シーケンスを受け取り、必要とされる動作を決定し、受信および送信のパラメータを調整し、データの送受信を行う。このＲＦプロセッサは、電力取得手順も最適化する。

主にエネルギーを節約するために、すべてのＲＦ関連の回路は、共振に基づく考えに基づいて設計され、チップ上で近接して組み込まれる。現在の設計は、ＩＥＥＥ８０２．１ｘｘ規格に適合又は部分的に適合するスペクトル及び周波数の要件を含み、それによって、既存の通信性能を利用することができる。所与の周波数範囲での電力取得に関して更なる利点がある。

信号の増幅はすべて、信号の送受信を行うのに必要な最小レベルで行われる。厳格な電力制限があるので、全てのデータ送信は何らかのデータ損失を含むものと想定する。すべてのデータ修正は、ＤＳＰ及びそのソフトウェア内で行われる。そのため、電力の節約は、あらゆる動作及び設計の基礎である。

各ユニットのアンテナ電界は対称であり、チップ表面のあらゆる使用可能なスペースを占める。同様に、アンテナは、すべての内部サブ・ユニットについて遮断機能を採る。アンテナのサイズ及びその幾何学形状は、周波数スペクトル、提唱感度、及び送信電力レベルの関数である。送信電力レベルはマイクロワットの範囲であり、そのため、厚いアンテナ金属層は必要とされない。厚さは、５〜１０ｎｍの範囲に入ると予想される。表面エッチングにおける最近の発展は、多層アンテナ配線の使用の有望性を示し、これはアンテナの表面が何倍も増加そせる。切換手段により、低電力、低損失、及びＣＭＯＳタイプの直列／並列切換が容易になり、それによって、エネルギー損失が極めて低くなる。切換に必要とされる低電力を考慮すると、電力要件は、高速切換能力を介して最適化される（最小限に抑えられる）。同じアンテナ手段の別々のエレメントでさえ、複数セグメント切換用のスイッチが組み込まれる。そうすることにより、アンテナの容量及び誘導の合計を最適化することができ、その結果、高品質の共振の受信および送信が達成がされる。これにより、累進的に電力が節約されることになる。

先に示したように、情報は、個々のセンサ・ユニット間で、そしてセンサ・ユニットと１又は複数のルータ・ユニットとの間で、また、中央システム・コンピュータとルータとの間で、および中央システム・コンピュータと通信される。通信サイクル中、各データ・パッケージは、プリアンブル、データ、及びシグネチャを含む。パッケージが指定されていない場合、このパッケージは中央システム・コンピュータへ送られる。中央システム・コンピュータが、規定時間枠内に確認を送信しない場合、中央システム・コンピュータは、近くのセンサ・ユニットを介してこのパッケージを送信しようと試みる。この場合、送信されるパッケージの終わりには、連鎖通信用の指定マークが付けられる。このマークは、近くのセンサ・ユニットを作動させてこのパッケージを受信させ、同じ指定マークで直ちに再度送信させる。このようにして、中央システム・コンピュータは、他のセンサ・ユニットから複数の経路によって、おそらくは多数回、このパッケージを受信することになる。第１パッケージを受け取った後、エラーが存在しない場合には、中央システム・コンピュータは、何れのパッケージが成功裏に受信されたかに関する特定の情報を伴う応答パッケージを形成して送信する。これにより、この同じパッケージの他の送信をすべて中断する。次いで、すべてのユニットは通常動作モードに切換わる。

長距離通信では、各センサ・ユニットは、ありとあらゆるセンサ・ユニットと通信することができる。初期ハンドシェーク手順中に、これらのセンサ・ユニットは同期化され、データ・パッケージを生成してそれらを同時に送信し、搬送波周波数において位相アンテナ電界を形成することができる。送信プロセス中は、データは１つのセンサ・ユニットによって取得されるが、このグループのすべてのセンサ・ユニットが関与することになる。送信前に、このグループのすべてのメンバには、一意のグループ番号が割り当てられる。送信後、このグループの第１ユニットは、プリアンブル、データ、及びシグネチャからなるデータ・パッケージを形成する。次いで、各センサ・ユニットは、パッケージの暗号化を提供し、指定記述子を付加する。このセンサ・チップは、他のセンサ・チップへこれらのパッケージを送信する。別のセンサ・ユニット（１又は複数）が、指定マークを伴うパッケージを受信すると、このマークが分析される。この指定マークが、データ・パッケージを長距離通信モードによって送信することを規定する場合、このグループの各センサ・ユニットは、このデータ・パッケージを受信して、それを特別な保持キューに置く。次いで、このグループのすべてのメンバは、ＲＦ同期サイクルを開始し、同期が得られると、このグループのすべてのメンバは、１つのデータ・パッケージを同時に送信し、それによって通信距離を長くする。これらのユニットの１つから初期データが送信された後で、このグループの第２のユニットは、指定シグネチャを伴うそれら自体のパッケージを、このグループのすべてのメンバへ送信し、次いで、このグループのすべてのメンバからすべてのデータがうまく送信されるまで、このサイクルを繰り返す。主受信ユニットは、このグループによって送信された各パッケージごとに受信確認を形成して送信する。何らかのエラーがあった場合、エラーのない送信が実現されるまで、適度な回数だけこのパッケージが送信し直される。

電力手段は、様々な回路全体にわたってそれらの間に分散される。これらは、アンテナ手段、すべての分散した増幅を備える受信機、ＲＦプロセッサ、電力管理手段、及び電力蓄積デバイスを含む。

各センサ・ユニットは、初期起動、主蓄積コンデンサの充電、プログラミング、及びテスト手順実施用の固有の入出力チャネルを有する。これらの動作の一部は、電力回復・蓄積ユニット２１２を介して活動化される。このポートへの接続は、初期テスト手順中に行われる。通常動作中、即ち、オープンの環境での動作中、センサ・ユニットは、充電及び動作のためのいかなる外部電源にも接続されない。電力を取得するために、センサ・ユニットは環境から電力を収集する。この例には、太陽電池２１８が含まれるが、これに限定されるものではない。センサ・ユニットは、取得、蓄積、及び電力管理を行うためにユニット体積及びすべてのシステム特性を最適に利用し得るように設計される。主電源は、ＲＦ受信機２１６によって受信される完全な無線周波数範囲で使用可能な電磁放射である。このタイプのエネルギーは、人的活動が存在するあらゆる場所で広く入手可能である。これらの供給源は、すべてのＡＭ／ＦＭ帯域の無線送信機、無線受信機（これらの変換器回路がＲＦ波を生成するため）、警察のレーダに基づくスピード検出器、軍又は民間のレーダ、重要な近接場ＲＦ源であるコンピュータのモニタ、コンピュータ・ネットワーク、及び電力網内の配線を含む。２次エネルギー源も利用可能であり、各ユニットは、このようなエネルギーを取得するための指定された手段を有する。受信機２２０で示すように、主に、Ｘ線帯域及びγ線帯域の供給源があり、これらは、医療設備、空港、鉄道及び列車の駅などの検査設備などで広く利用可能である。ユニットが設置される物体又は表面の動きは、繰返しが可能なエネルギーの別の供給源となり得る。圧電ゲノム素子などの超音波受信機２１４は、このタイプのエネルギーを吸収する。手術用手袋や手術用着衣にユニットを配置する状況では、温度勾配を吸収し、他の健康状態パラメータを生成することができるこれらの超音波受信機を組み込むことができる。

ＲＦ帯域は以下のように使用される。電力取得は、主ＤＳＰプロセッサのアイドル・サイクルで開始する。ＤＳＰは、ＲＦプロセッサへ、すべての受信回路を開くように指示し、広域スペクトルで信号の取得を開始させる。ＲＦプロセッサは、完全な周波数範囲を探索し、使用可能なエネルギーを決定するように試みる。何らかのエネルギーが利用可能である場合、すべての入力回路が、その特定の周波数範囲に最適化される。エネルギーの検出及び蓄積は、検出及び主コンデンサの充電の複数の段階で行われる。光学的なセンサは、光の範囲の帯域又はその近傍の帯域のエネルギーを収集するので、理想的である。この追加の機能は、センサの主機能を損なうことはない。Ｘ線及びγ線の帯域で収集されたエネルギーは、ユニットの裏面で使用される。この状況では、チップの体積は、光線の強力なフィルタのように働き、そのため、Ｘ線又はγ線だけを検出することができる。これらの光線は、シリコン物質を自由に貫通する。このような検出器及び電力取得エレメントによる追加の利益は、センサ・ユニットが放射バックグラウンド及び／又は放射バーストについての情報を収集することである。

主蓄積コンデンサは、センサ・ユニットの下層に配置される。これらのコンデンサは、非電解・乾式コンデンサの大型電界に構成される。

電力管理手段は、オン／オフ及びハイバネーションの機能を組み込む。これらの回路は主に、主負荷回路、電力消費段を監視し、電力消費予測アルゴリズムを容易にするように設計される。ＤＳＰ上の主ソフトウェアと共に、電力管理ソフトウェア・モジュールは、蓄積された電力の不足を検出し、電力サイクルに応じて再割り当てを行う。これにより、ピークの消費及び電力に関係する熱の消費を低減することができる。更に、この電力管理ユニットにより、最大電力蓄積ピークを決め、この特定の時点での最大消費量を割り当てることができ、出力送出性能が最大になる。電力状態についての情報は各データ・ブロックに含められる。このようにして、主ユニットは、それがどの時点で主充電サイクルを実行して、電力を回復させる（補給する）必要があるかを、決めることができる。

新しいセンサ・ユニット、或いは、電力が完全に失われたセンサ・ユニットの場合、すべての回路は、受信回路が最大電力に切換わって電力蓄積サイクルが活動化されるように、設計される。このようにして、操作者又は主ユニットがユニットの活動化を開始する場合、これらのユニットは、エネルギーを取得してその電力手段を再充電する準備ができている。補給サイクルは、すべてのコンデンサが完全に充電されるまで遅らせ、次いで、電力管理手段は、最初の起動手順を開始する。起動手順中、ＤＳＰは、簡単な自己テストを実行し、次いで、周辺エレメントのテストを実施する。このテストがうまくいった後に、ＤＳＰは、短い送信セッションを開始してＲＦチャネルを検査する。これらすべてが完了した後に、状態コードが、日付及び時間と共にメモリに記録される。起動状態が許可される場合、ＤＳＰは、通常の取得および分析段階に切換わる。起動手順が、異なるコードを生成する場合、そのコードは、更なる分析および後の動作命令のために主ユニットへ送信される。通常の機能モード中の省エネルギーを強化するために、電力管理システムは、その特定の時点で必要とされるセンサ及びシステムだけに電力を供給する。「イベント収集又はイベント待ち」モードでは、システムの大部分は節電モードになる。移送中、或いは、以前の不適切な使用により、何らかの手段が損傷を受けた場合、可能なすべてのコードは詳細に調べるためにユニットのメモリへ記憶される。この調査は、全体的な電力状態を決定する外部デバイスによって実施され得る。

電力の節約は、動作電力システムに明示的に組み込まれる。センサ・ユニット内のすべての回路により、多段節約プロセスでの電力管理が可能になる。センサ・ユニットの回路は、過剰な電力消費について監視される。それが生じた場合、過剰電力消費の状態フラグが生成され、中央コンピュータはこのイベントを更に分析する。

低電力消費段は主に、あまり重要でないプロセスを低電力に切換えるように設計される。それによって、実行時間が長くなるが、電力状態が強化される。

超低電力消費段は、全く重要でない状況になったときに活動化される。実施サイクルは、連続動作が極めて遅い最小限の動作レベルに切換わり、その動作は、チップが存続するために必要とされるものでありるが、低速あることがこの特定の環境では重大なことではない。このようなイベントの例は、ＲＦ電力源が入手可能ではないが、生じ得るエネルギー・バーストを取得する動作を維持する必要がある場合においての、長期間存続させることでる。

すべての回路のハイバネーション（hibernation）が電力の保存に関係するわけではないが、消費される電力の量は少なくなる。通常、ハイバネーションは予測可能であり、制御可能であり、しばしば、通常動作中に用いられる。

各センサ・ユニットは、工場から出荷されるときには電力が切られた段階にある。動作テスト及び初期化テストを開始するには電力が不十分である。この段階中に、すべての電力手段は、電力を収集し保存することに向けられる。計算や送信は実行されない。

図１２に、複数のセンサ・ユニット・グループ２３０が様々な場所に分散される本発明のシステムを示す。先に示したように、各グループ２３０の各センサ・ユニットは、そのグループ内の任意のセンサ・ユニットとの間で情報の送受信を行うことができる。各センサグループ又は各センサ・クラスタ２３０内の各センサ・ユニットは、ルータ２３２とも通信できる。この通信は一般に、本質的に無線であり、上述の３つのタイプの送信技術を用いる。これらのルータの一部は、無線で、或いは、インターネット、ＶＰＮ、又はインターネット・システム２３８を介して中央コンピュータ・システム２４０へ情報を送信するためのスイッチ２３４及びサーバ２３６を備える。この中央コンピュータ・システムは、ルータ及び個々のセンサ・ユニットとの間でデータの送受信を行う。中央コンピュータ・システム２４０によって受け取られた情報に基づいて、１又は複数の区域で有毒な生物学的物質が多くあるかについて、および、これがバイオ・テロリストの攻撃によるものであるかに関する決定がなされる。この意志決定プロセスは、センサ・ユニット・グループ２３０から受け取られた情報に基づいて、適切なコンピュータを使用して自動的に、或いは、個人が中央コンピュータの出力を検討することと併せて、行われる。

複数の様々な環境において、病原体、アレルゲン、及び微生物を含めて、生物学的物質をリアルタイムで検出することは、幾つかの科学的な知識を統合することを必要とする。上述したように、本発明では、複数の技術を組み込み、複数の機能を明示し、複数の応用を有する。

これらの複数の技術は、考慮中の生物学的物質を一意に規定する特徴を利用する感知技術が組み込まれた超小型集積回路を含む。これらの特徴は、生化学的、電気化学的、物理学的、又は熱力学的な現象を含む。感度を高めるために、選択された生物学的物質に関連するリガンドが載る電極の付属物として、幾つかのユニットでナノチューブを成長させる。検出及び識別の後で、集積回路を介して外部受信デバイスへ警報が発せられ、それによって、生物学的物質の存在をデジタル的に警告することが可能になる。

これらのユニットは多機能である。それらの機能は、検出、識別、増幅、デジタル化、フィルタリング、識別、環境からのエネルギーの取得、ユニット間の通信並びに外部のルータ及びコントローラへの通信、並びに、ネットワークに基づく情報の共有を含む。この多機能性が可能になるのは、生物学的物質の特徴を定義することに向けられた相乗的なシステムが構築されるように最先端の生化学、情報技術、及び集積回路が組み合わされるからである。

理解され得るように、個々のセンサ・ユニット及びセンサ・ユニット・グループは、多くの異なるタイプの環境で使用することができ、多くの異なるタイプの物体に取り付けることができる。これらの環境及び物体は、輸血処置及び血漿収集及び保管処置での使用、並びに、注射針と共に使用することを含み得る。これらのセンサ・ユニットは、手術や採血で使用されるゴム及びゴムの代用品でできているものなど、様々なタイプの手袋に取り付けることができるはずである。同様に、ゴム及びゴムの代用品で構築されたコンドームや他の避妊器具にもセンサ・ユニットを取り付けることができる。

患者の部屋に設けられるベッドの横のポイントオブケア診断装置、集中治療施設、及び廊下に取り付けられる様々な物体も、個々のセンサ・ユニットの基部として使用され得る。更に、様々なＨＶＡＣ換気システム及び機器に、複数のセンサ・ユニット並びにセンサ・ユニット・グループを設けることもができる。これは、空中移動機器及び局所空気濾過機器、患者の衣服及び着衣、ベッド・サービス、ベンチ及びその他の家具、並びに、臨床医及び患者が使用するフェース・マスクも含む。更に、本発明は、尿及び排泄物のリアルタイム分析のためにトイレ設備で使用されることもできるし、歯科及びその他の人体用人工装具の点検又は内部に適用され得る。更に、本発明は、動物やペット及び魚に対する環境で使用され得るはずである。

本発明は、食品加工機器、搬送機、加工室、容器、銀器、或いは、カンや容器の内面、貯蔵設備、及び輸送機器を含む機器のサービスを含めて、食品を取扱う産業に応用できる。本発明は、農場、食物源、廃棄物管理、及び包装工場などの食物連鎖のあらゆる側面で応用される。

本発明は、皮製品、衣料製品、及びプラスチック製品などの生産物を製造するのに使用される有機材料に対して応用できる。

本発明は更に、列車の駅、空港、バス発着所、事務所、トンネル、橋、ターミナル、配送センタ、競技場、カフェテリア、レストラン、バー、及び政府系施設などのような、人が集まる場所の監視に応用される。本発明は、切符、バッジ、パスポート、その他の身分証明書類などで使用されるように応用される。

また、本発明は、航空機のキャビン、列車の客車、船舶、ホバークラフト、自動車、トラック、及び類似のタイプの乗り物で使用されるユニットでの使用に応用される。

本開示を読めば、当業者には代替均等物の実施形態並びにその他の利用法が明らかになるであろう。これらの実施形態及び別の利用法も本発明の企図に含まれる。

図１Ａは、音響に基づく感知ユニットの図である。図１Ｂは、収集モードにおける図１Ａの音響に基づく感知ユニットの図である。図１Ｃは、分析モードにおける図１Ａの音響に基づく感知ユニットの図である。図１Ｄは、清浄化モードにおける図１Ａの音響に基づく感知ユニットの図である。図１Ｅは、それぞれ異なる動作モードにある、音響に基づく２つの感知ユニットの図である。図２は、バイオ・ポア・センサの図である。図３は、リガンドと特定のターゲットとの反応を感知するために用いられるバイオ・ポア感知ユニット及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の図である。図４は、リガンドがゲルに取り囲まれた状態の図３のＦＥＴを示す。図５は、図３及び図４に示すバイオ・ポア感知ユニット及びＦＥＴの代替実施形態を示す。図６は、２つの電極を備えたＦＥＴ及びバイオ・ポア感知ユニットを示す。図７は、複数のナノチューブを備えたＦＥＴ及びバイオ・ポア感知ユニットの代替実施形態を示す。図８は、バイオ・ポア・センサ上面図を表す。図９は、図８に示すバイオ・ポア・センサの側面図である。図１０は、生物学かつ光学に基づく感知ユニットを示す。図１１は、本発明による典型的なＤＳＰを示す。図１２は、本発明によるシステムを示す。

Claims

生物学的物質の存在を判断するセンサ・ユニットであって、
特定の生物学的物質が感知面と相互作用するときに、前記特定の生物学的物質についての固有の測定可能な出力を生成する感知面と、
測定された前記出力を測定するために前記感知面の近傍に設けられた測定デバイスと
を備えるセンサ・ユニット。
請求項１に記載のセンサ・ユニットであって、前記感知面の面積が約１ｍｍ^２である、センサ・ユニット。
請求項１に記載のセンサ・ユニットであって、前記感知面は、それぞれの前記生物学的物質の存在下で、それぞれの前記生物学的物質に固有な周波数で振動する、センサ・ユニット。
請求項３に記載のセンサ・ユニットであって、特定の生物学的物質と前記感知面との前記相互作用により、前記特定の生物学的物質が前記感知面を離れるときに、固有な音響パルス・シグネチャが生成される、センサ・ユニット。
請求項４に記載のセンサ・ユニットであって、複数の音響パルス・シグネチャを格納したメモリを備えたプロセッサと、前記測定デバイスと前記プロセッサとの間に接続され、前記測定デバイスによって測定された前記音響パルス・シグネチャと格納された前記音響パルス・シグネチャとを比較する比較デバイスと
を更に含むセンサ・ユニット。
請求項５に記載のセンサ・ユニットであって、データの送信および受信を行うためにアンテナ及び入力／出力回路を更に含む、センサ・ユニット。
請求項４に記載のセンサ・ユニットであって、前記感知面に接続された電気源を更に含むものであり、前記電気源に第１レベルの電力が供給されたときに、前記センサ表面へ前記生物学的物質が引き寄せられるようにし、前記電気源がオフに切換えられたときに、前記生物学的物質が前記音響シグネチャパルスを生成するようにし、前記電気源に第２レベルの電力が供給されたときに、前記感知面を清浄化して前記生物学的物質を除去するようにして前記センサ・ユニットを再利用することができるようにする、センサ・ユニット。
請求項７に記載のセンサ・ユニットであって、前記電気源は静電場を生成する、センサ・ユニット。
請求項７に記載のセンサ・ユニットであって、前記電気源は電磁場を生成する、センサ・ユニット。
請求項１に記載のセンサ・ユニットであって、前記感知面は、１つのタイプの生物学的物質とのみ結合するように設計されたリガンドの表面に含まれ、前記リガンドと前記１つのタイプの生物学的物質との相互作用は、前記リガンドと特定の生物学的物質との結合であり、前記相互作用は固有の電気パルス・シグネチャを生成する、センサ・ユニット。
請求項１０に記載のセンサ・ユニットであって、複数の電気パルス・シグネチャを格納したメモリを備えたプロセッサと、前記測定デバイスと前記プロセッサとの間に接続され、前記測定デバイスによって測定された前記電気パルス・シグネチャと格納された前記電気パルス・シグネチャとを比較する比較デバイスとを更に含むセンサ・ユニット。
請求項１１に記載のセンサ・ユニットであって、データの送信および受信を行うためにアンテナ及び入力／出力回路を更に含む、センサ・ユニット。
請求項１０に記載のセンサ・ユニットであって、前記測定デバイスは、ソース領域、ゲート領域、及びドレイン領域を備えた電界効果送信機（ＦＥＴ）である、センサ・ユニット。
請求項１１に記載のセンサ・ユニットであって、前記測定デバイスは、ソース領域、ゲート領域、及びドレイン領域を備えた電界効果送信機（ＦＥＴ）である、センサ・ユニット。
請求項１３に記載のセンサ・ユニットであって、前記ＦＥＴは、超高感度電界効果トランジスタ（ＥＳＦＥＴ）である、センサ・ユニット。
請求項１０に記載のセンサ・ユニットであって、前記リガンドに接続された生物学的増幅ユニットを更に含むセンサ・ユニット。
請求項１３に記載のセンサ・ユニットであって、複数のリガンドを更に含み、前記複数のリガンドのそれぞれは、感知面と、少なくとも１つの非感知面とを含み、前記リガンドの少なくとも一部の前記非感知面は、前記ＦＥＴの前記ゲート領域の近傍に設けられる、センサ・ユニット。
請求項１４に記載のセンサ・ユニットであって、複数のリガンドを更に含み、前記複数のリガンドのそれぞれは、感知面と、少なくとも１つの非感知面とを含み、前記リガンドの少なくとも一部の前記非感知面は、前記ＦＥＴの前記ゲート領域の近傍に設けられる、センサ・ユニット。
請求項１３に記載のセンサ・ユニットであって、前記測定デバイスの近傍に設けられた複数のリガンドを更に含むセンサ・ユニット。
請求項１４に記載のセンサ・ユニットであって、前記測定デバイスの近傍に設けられた複数のリガンドを更に含むセンサ・ユニット。
請求項１９に記載のセンサ・ユニットであって、第１の数の前記複数のリガンドの前記感知面は、第１の生物学的物質とのみ完全に結合して第１の固有の電気パルス・シグネチャを生成し、第２の数の前記複数のリガンドの前記感知面は、第２の生物学的物質とのみ完全に結合して第２の固有の電気パルス・シグネチャを生成する、センサ・ユニット。
請求項２０に記載のセンサ・ユニットであって、第１の数の前記複数のリガンドの前記感知面は、第１の生物学的物質とのみ完全に結合して第１の固有の電気パルス・シグネチャを生成し、第２の数の前記複数のリガンドの前記感知面は、第２の生物学的物質とのみ完全に結合して第２の固有の電気パルス・シグネチャを生成する、センサ・ユニット。
請求項１７に記載のセンサ・ユニットであって、前記ＦＥＴの前記ゲート領域近傍において前記複数のリガンドの少なくとも一部を取り囲むゲルを更に含む、センサ・ユニット。
請求項１８に記載のセンサ・ユニットであって、前記ＦＥＴの前記ゲート領域近傍において前記複数のリガンドの少なくとも一部を取り囲むゲルを更に含む、センサ・ユニット。
請求項２３に記載のセンサ・ユニットであって、前記ＦＥＴに接続された電流源と、前記電流源に接続された第１電極とを更に含むセンサ・ユニット。
請求項２４に記載のセンサ・ユニットであって、前記ＦＥＴに接続された電流源と、前記電流源に接続された第１電極とを更に含むセンサ・ユニット。
請求項２５に記載のセンサ・ユニットであって、前記ゲート領域の近傍に溶解可能な第２電極を更に含み、前記第２電極は前記電流源に接続される、センサ・ユニット。
請求項２６に記載のセンサ・ユニットであって、前記ゲート領域の近傍に溶解可能な第２電極を更に含み、前記第２電極は前記電流源に接続される、センサ・ユニット。
請求項１３に記載のセンサ・ユニットであって、それぞれに感知面及び少なくとも１つの非感知面を含む複数のリガンドと、前記ＦＥＴに接続された電流源と、前記電流源に接続された第１電極と、前記ゲート領域に当接し、前記電流源に接続された第２電極と、前記第１電極と第２電極との間に設けられた複数のナノチューブとを更に含み、前記リガンドの前記非感知面は、前記ナノチューブの１つに取り付けられる、センサ・ユニット。
請求項１４に記載のセンサ・ユニットであって、それぞれに感知面及び少なくとも１つの非感知面を含む複数のリガンドと、前記ＦＥＴに接続された電流源と、前記電流源に接続された第１電極と、前記ゲート領域に当接し、前記電流源に接続された第２電極と、前記第１電極と第２電極との間に設けられた複数のナノチューブとを更に含み、前記リガンドの前記非感知面は、前記ナノチューブの１つに取り付けられる、センサ・ユニット。
請求項２９に記載のセンサ・ユニットであって、第１の数の前記複数のリガンドの前記感知面は、第１の生物学的物質とのみ完全に結合して第１の固有の電気パルス・シグネチャを生成し、第２の数の前記複数のリガンドの前記感知面は、第２の生物学的物質とのみ完全に結合して第２の固有の電気パルス・シグネチャを生成する、センサ・ユニット。
請求項３０に記載のセンサ・ユニットであって、第１の数の前記複数のリガンドの前記感知面は、第１の生物学的物質とのみ完全に結合して第１の固有の電気パルス・シグネチャを生成し、第２の数の前記複数のリガンドの前記感知面は、第２の生物学的物質とのみ完全に結合して第２の固有の電気パルス・シグネチャを生成する、センサ・ユニット。
請求項２９に記載のセンサ・ユニットであって、前記ゲート領域上に設けられた触媒を更に含む、センサ・ユニット。
請求項３０に記載のセンサ・ユニットであって、前記ゲート領域上に設けられた触媒を更に含む、センサ・ユニット。
請求項３３に記載のセンサ・ユニットであって、前記複数のナノチューブの表面を被覆する導体又は半導体の材料を更に含む、センサ・ユニット。
請求項３４に記載のセンサ・ユニットであって、前記複数のナノチューブの表面を被覆する導体又は半導体の材料を更に含む、センサ・ユニット。
請求項１に記載のセンサ・ユニットであって、前記感知面は、１つのタイプの生物学的物質とのみ結合するように設計されたリガンドの表面に含まれ、前記リガンドと１つのタイプの生物学的物質との相互作用は、前記リガンドと特定の生物学的物質との結合であり、前記相互作用は固有の光電パルス・シグネチャを生成する、センサ・ユニット。
請求項３７に記載のセンサ・ユニットであって、複数の光電パルス・シグネチャを格納したメモリを備えたプロセッサと、前記測定デバイスと前記プロセッサとの間に接続され、前記測定デバイスによって測定された前記光電パルス・シグネチャと格納された前記光電パルス・シグネチャとを比較する比較デバイスとを更に含むセンサ・ユニット。
請求項３７に記載のセンサ・ユニットであって、前記測定デバイスは、ソース領域、感光性ゲート領域、及びドレイン領域を備えた固定効果トランジスタ（ＦＥＴ）である、センサ・ユニット。
請求項３８に記載のセンサ・ユニットであって、前記測定デバイスは、ソース領域、感光性ゲート領域、及びドレイン領域を備えた固定効果トランジスタ（ＦＥＴ）である、センサ・ユニット。
請求項３７に記載のセンサ・ユニットであって、前記リガンドに接続された生物学的増幅ユニットを更に含むセンサ・ユニット。
請求項３７に記載のセンサ・ユニットであって、複数のリガンドを更に含み、前記複数のリガンドのそれぞれは、感知面及び少なくとも１つの非感知面を含み、幾つかの前記リガンドの前記非感知面は、前記ＦＥＴの前記感光性ゲート領域の近傍に設けられる、センサ・ユニット。
請求項３８に記載のセンサ・ユニットであって、複数のリガンドを更に含み、前記複数のリガンドのそれぞれは、感知面及び少なくとも１つの非感知面を含み、幾つかの前記リガンドの前記非感知面は、前記ＦＥＴの前記感光性ゲート領域の近傍に設けられる、センサ・ユニット。
請求項３７に記載のセンサ・ユニットであって、第１の数の前記複数のリガンドの前記感知面は、第１の生物学的物質とのみ完全に結合して第１の固有の光感受性パルス・シグネチャを生成し、第２の数の前記複数のリガンドの前記感知面は、第２の生物学的物質とのみ完全に結合して第２の固有の光感受性パルス・シグネチャを生成する、センサ・ユニット。
請求項３８に記載のセンサ・ユニットであって、第１の数の前記複数のリガンドの前記感知面は、第１の生物学的物質とのみ完全に結合して第１の固有の光感受性パルス・シグネチャを生成し、第２の数の前記複数のリガンドの前記感知面は、第２の生物学的物質とのみ完全に結合して第２の固有の光感受性パルス・シグネチャを生成する、センサ・ユニット。
請求項４２に記載のセンサ・ユニットであって、幾つかの前記リガンドの前記非感知面を取り囲むゲルを更に含む、センサ・ユニット。
請求項４３に記載のセンサ・ユニットであって、幾つかの前記リガンドの前記非感知面を取り囲むゲルを更に含む、センサ・ユニット。
請求項４６に記載のセンサ・ユニットであって、前記ＦＥＴに接続された電流源と、前記電流源に接続された第１電極とを更に含むセンサ・ユニット。
請求項４７に記載のセンサ・ユニットであって、前記ＦＥＴに接続された電流源と、前記電流源に接続された第１電極とを更に含むセンサ・ユニット。
請求項４８に記載のセンサ・ユニットであって、前記ゲート領域の近傍に溶解可能な第２電極を更に含み、前記第２電極は前記電流源に接続される、センサ・ユニット。
請求項４９に記載のセンサ・ユニットであって、前記ゲート領域の近傍に溶解可能な第２電極を更に含み、前記第２電極は前記電流源に接続される、センサ・ユニット。
請求項５に記載のセンサ・ユニットであって、前記プロセッサは、前記測定デバイスによって測定された前記音響パルス・シグネチャと、格納された前記音響パルス・シグネチャの１つとの間の一致を記録および格納する、センサ・ユニット。
請求項１２に記載のセンサ・ユニットであって、前記プロセッサは、前記測定デバイスによって測定された前記電気パルス・シグネチャと、格納された前記電気パルス・シグネチャの１つとの間の一致を記録および格納する、センサ・ユニット。
請求項３８に記載のセンサ・ユニットであって、前記プロセッサは、前記測定デバイスによって測定された前記光電パルス・シグネチャと、格納された前記光電パルス・シグネチャの１つとの間の一致を記録および格納する、センサ・ユニット。
請求項１に記載のセンサ・ユニットであって、光学スペクトルからエネルギーを収集するデバイスを備え、前記エネルギーは、前記センサ・ユニットへ電力を供給するために使用される、センサ・ユニット。
請求項１に記載のセンサ・ユニットであって、Ｘ線又はγ線のスペクトルからエネルギーを収集するデバイスを備え、前記エネルギーは、前記センサ・ユニットへ電力を供給するために使用される、センサ・ユニット。
請求項１に記載のセンサ・ユニットであって、電磁ＲＦ場からエネルギーを収集するデバイスを備え、前記エネルギーは、前記センサ・ユニットへ電力を供給するために使用される、センサ・ユニット。
バイオ・テロリズムの攻撃において感知されるものなどのような有毒な生物学的物質の存在を判断するシステムであって、
特定の環境に導入される複数のセンサ・ユニットを備え、前記センサ・ユニットのそれぞれは、前記有毒な生物学的物質の少なくとも１つの存在を測定する感知面を備え、前記有毒な生物学的物質は、前記感知面との相互作用により固有の測定可能な出力を生成し、
それぞれの前記センサ・ユニットは更に、
前記感知面の近傍に設けられ、前記固有の測定可能な出力を測定するための測定デバイスと、
それぞれの前記センサ・ユニットの動作を制御するプロセッサと、
前記プロセッサと通信し、複数の前記固有の測定可能な出力を格納するメモリと、
前記センサ表面によって生成された前記固有の測定可能な出力と、前記メモリに格納された前記複数の固有な測定可能な出力とを比較する比較器と、
データの送信および受信を行うためのアンテナと、
を備え、
前記システムは、該システムの動作を制御する中央局を備え、前記中央局は、中央プロセッサ、中央メモリ、及び前記複数のセンサ・ユニットとの間でデータの送信および受信を行うためのアンテナを含み、前記中央局は、前記複数のセンサ・ユニットから受け取った前記データに基づいて警報を生成する、
システム。
請求項５８に記載のシステムであって、前記警報は、前記複数のセンサ・ユニットによって感知された有毒な生物学的物質の数及びタイプに基づいて生成される、システム。
請求項５８に記載のシステムであって、前記複数のセンサ・ユニットから受け取った情報を前記中央局へ送信するため、および前記複数のセンサ・ユニットへ情報を送信するために使用されるルータ・ユニットを更に含むシステム。
請求項５９に記載のシステムであって、前記複数のセンサ・ユニットから受け取った情報を前記中央局に送信するため、および前記複数のセンサ・ユニットへ情報を送信するために使用されるルータ・ユニットを更に含む、システム。
請求項６０に記載のシステムであって、前記複数のセンサ・ユニットのそれぞれは、前記複数のセンサ・ユニットの１又は複数のものとの間で直接にデータの送信および受信を行う、システム。
請求項６１に記載のシステムであって、前記複数のセンサ・ユニットのそれぞれは、前記複数のセンサ・ユニットの１又は複数のものとの間で直接にデータの送信および受信を行う、システム。