JP2008502911A - センサおよび較正要素のアレイを備えた分析機器 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの物質を分析するための分析機器は、各センサを作動させるための電子ドライバ（１４）によって駆動されるセンサのアレイ（１）を有する。センサによって生成される信号は受信機（８２）によって受取られ、当該機器は、ドライバおよび受信機に接続され当該機器における寄生損失の変化を決定することを可能にするための１つ以上の較正要素を含む。この発明は、センサが電気機械変換器であり、インターフェイス（４）の一部を形成する対応するスイッチのアレイによってドライバおよび受信機に個々に（連続して）接続可能である機器に特に適用可能である。

Description

発明の分野
この発明は、物質を分析するための分析機器に関し、そのために当該機器はセンサのアレイを用いる。この発明はまた、このようなアレイを用いて物質を分析する方法に関する。

発明の背景
この発明は、特に、そのセンサが圧電および音響変換器たとえば水晶共振器を含む機器に適用可能であるが、これに限定されない。

典型的には、各々の音響変換器は振動する活性表面を有しており、その上にレセプタグループが固定されている。レセプタグループは、検出または分析されるべき物質に対する化学親和力または反応性を有する。分析される物質は、通常、活性表面と接触する流体中に浮遊している。表面上のレセプタグループと物質との間の物理的、化学的かつ生化学的な相互作用は、表面に付与された質量および活性表面の他の物理的特性に測定可能な変化をもたらし、これらを分析することにより、物質についての定性的および／または定量的なデータを得ることができる。

複数のセンシング要素を用いた多重化された分析により、創薬、生命科学ならびに診断および学術研究において極めて広範な有用性が見出された。並行して、または間断なく連続していくつかの測定を行なう能力により、多種多様なリガンド標的の相互作用をスクリーニングすることが可能となる。加えて、複合的な制御または余剰な陽電気がアレイに含まれることで、分析の精度および信頼性を高めることができる。ハイスループットスクリーニング応用例のための高密度センサアレイと、さまざまな診断応用例のためのより低密度のセンサのアレイとを共に用いて、オリゴヌクレオチド発現レベルおよび遺伝子突然変異（すなわち、ＤＮＡ、ｃＤＮＡ、ｓｉＲＮＡ、ｍｉＲＮＡおよびＰＮＡチップ）をプロファイルし、タンパク質発現レベルを綿密に調べてきた。これにより、主要なタンパク質バイオマーカのレベルが高いかまたは低いことで、遺伝子疾患の診断、さまざまな非遺伝性疾患の遺伝的素因の診断、ならびに病気の発症前および発症後診断が可能となった。

生体系が本質的に複雑であるために、現在、多くの診断方法では、いくつかのマーカまたは遺伝子配列を分析する必要がある。創薬においては、多くの製薬会社が、配列されたフォーマットでいくつかの標的レセプタに対してスクリーニングされる必要のある何十万から何百万もの化合物を含んだ化合物ライブラリを作成した。配列されたセンサの技術は、プロテーム解析および細胞分析の新しい分野にも適用されている。

センサ技術のこのような応用例では、複数の同一のレセプタ上にある異なる検体を測定する必要が生じた。この場合、アレイにおける各センサがそれぞれの流体サンプルと接触させられる可能性がある。代替的には、単一の流体サンプルはすべてのセンサに運ばれてもよく、その各々は、複数のテストが同じサンプル上で実行されるように、異なるそれぞれのレセプタまたはレセプタのグループを担持する。複数のレセプタ上の複数の検体の応用例がまた公知である。このような種類の測定を実現する効率的な手段はセンサをアレイに配置することである。

各々の変換器は、活性表面を振動させるためのドライバに順に接続され得る。センサからの信号は受信機で受取られて処理される。ドライバおよび受信機は、センサとともに、正帰還で発振器回路の一部を形成してもよく、このため、その回路の共振周波数で当該セ
ンサを振動させる。その周波数は、当該センサの機械的な共振周波数に関係しているだろう。代替的には、ドライバおよび受信機はネットワークアナライザの一部を形成してもよく、当該ネットワークアナライザは、共振周波数を含む範囲でスイープされる周波数で活性表面を振動させ、その範囲に亘ってセンサの周波数依存性アドミタンスを分析する。

しかしながら、少なくとも後者の種類の機器は、実際に有用なタイムスケールに亘って高周波数安定性が不足したりシステムノイズが高くなったりするおそれがある。機器の精度が変動する１つの理由は、環境に対する感度、および、特に、変換器−計器システム全部の熱的効果である。ＡＴカット水晶などの変換器材料の特別のカットを用いたり基準変換器を用いたりすることにより、共振器の温度依存性を最小限にすることができるが、これでは、システム全体、および、特に計器と変換器との間のインターフェイスに対する温度の影響の作用が克服されない。これらの技術を用いたロバストなシステムの商業的開発を制限するために出願人が見出した１つの特定の作用は、寄生損失の温度依存性から生じる。これらは、活生線と接地との間の浮遊容量、および、測定によってもたらされる歪みから生じる。動作周波数が増大すると、寄生損失およびそれらの温度依存性がより問題となり、１〜１０００秒の特徴的なタイムスケールを有するシステムの応答にドリフトを引起こす。これは典型的には測定を行うことが所望されるタイムスケールであるため、この種類の分析機器の開発が妨げられてきた。

センサおよびインターフェイス電子機器のモノリシック集積化によって精度を向上させることができる。というのも、これが、さまざまなトラックの長さと、これにより寄生損失作用とを低減させるからである。しかしながら、このような装置の製造は高価な資本設備を必要とし、必ずしも実用的ではないかもしれない。というのも、特に、ディスクリートな水晶／金属センサを半導体素子構造に組込むことが簡単なことではないからである。しかしながら、これでは、温度による損失特性の変動の変化といった問題が解決されない。

発明の概要
この発明の第１の局面に従うと、少なくとも１つの物質を分析するための分析機器が設けられる。当該機器は、センサのアレイと、各センサを作動させるための電子駆動手段と、センサから信号を受取って処理するための受信機とを含み、当該機器は、駆動手段および受信機にも接続され当該機器における寄生損失の変化を決定することを可能にするための１つ以上の較正要素を含む。

好ましくは、較正要素は、寄生損失、および、これによりそのいかなる変化をも決定することを可能にする。

こうして、当該較正要素は、受信機が受取ったセンサ信号に対する寄生損失の、またはこのような損失の変化、の影響を補償するのに用いることができるデータを提供する。

各センサは、高周波数電気信号によって駆動可能な、かつ、物質または流体との接触に依存する共振応答を有するいかなる装置をも含み得る。

好ましくは、各センサは、駆動手段からの信号によって振動し、かつ、固定されたレセプタグループを有利に担持し得る活性表面を有するそれぞれの電気機械変換器を含む。

好ましくは、変換器は圧電、圧磁気または音響変換器を含む。音響変換器は、表面弾性
波素子、バルク音波素子、表面横波素子、音響板モード素子、屈曲板モード素子、ラブ波素子、表面横波素子およびレイリー波素子を含む。センサ要素は、いかなる圧電材料または圧磁気材料から形成されてもよい。このような材料は周知であり、水晶、タンタル酸リチウム、砒化ガリウム、酸化亜鉛、ポリフッ化ビニリデンなどを含む。

代替的には、センサは、膜、カンチレバー、音叉、または他の振動構造などの超小型電気機械装置を含み得る。

センサは、（圧電センサの場合）振動電圧を当該センサに印加することによって直接、または、磁気的もしくは電磁気的に当該センサを作動させることによって、作動させられてもよい。

センサは、一方が活性表面を構成する２つの電極を有してもよく、そのどちらかが接地され得るか、または、そのどちらもが浮遊電位であり得る。

しかしながら、好ましくは、活性表面は接地された電極を含む。
このような構成により、活性表面と分析されるべき物質（またはその物質がセンサに供給される任意の流体）との間の電気化学的作用が回避される。しかしながら、この発明は、両側が接地されて用いられてもよい。

好ましくは、各々の変換器は水晶共振器を含む。
駆動手段は、好ましくは、センサおよび較正要素に電力を供給するよう動作可能な共通のドライバを含む。これは、較正要素およびセンサが実質的に同じ条件で駆動されることを確実にするのを容易にする。

好ましくは、ドライバおよび受信機は、共通のインターフェイスを介してセンサおよび較正要素に接続される。

好ましくは、共通のインターフェイスは、各センサおよび各較正要素がドライバおよび受信機によって個々にアドレス指定されることを可能にするための複数のスイッチを含む。好ましくは、各要素および各センサは、それぞれのスイッチによってドライバに接続される。

好ましくは、少なくとも３つの較正要素が設けられ、これら３つはすべて、好ましくは、受動回路要素である。

好ましくは、その目的のために、較正要素のうちの第１のものは、スイッチから接地への短絡をもたらす導電性経路を含み、較正要素のうちの第２のものは開路を含み、較正要素のうちの第３のものは、既知の有限抵抗の抵抗負荷を含む。

開路を提供するために、第２の較正要素は、それぞれのスイッチから接地への導電性トラックに間隙を好都合に含み得る。次いで、トラックは、スイッチと接地との間においてセンサと他の較正要素とを接続する導電性トラックに対応し、これにより、他の較正要素およびセンサとのインターフェイスに関連付けられるものに対応する寄生損失を発生させる。

好ましくは、較正要素はセンサに電気的に類似した位置にある。
これにより、較正要素が駆動されているときに発生する寄生損失、特にインターフェイスからの損失が、センサが駆動されるときに発生するものに対応することが確実にされる。こうして、この特徴は、較正要素からの信号を用いて、センサから受取った信号への寄
生損失の寄与を補正することを容易にする。

そのために、ドライバから較正要素およびセンサへの導電性経路は、好ましくは、実質的に互いと同じ長さである。さらに、各較正要素および各センサから接地（たとえば接地バス）への導電性経路の長さはまた、好ましくは、互いと同じ長さである。

ドライバは、可能な周波数の範囲に亘って漸進的に変化する周波数で各々の音響変換器を駆動するよう有利に動作可能であり得、受信機は、上記範囲に亘るセンサインピーダンスの特性を監視するよう動作可能であり得る。

これは、ドライバ、受信機およびセンサが発振器回路を形成する構成よりも有利であるかもしれない。というのも、システムが共振周波数に「落着く」のを待つ必要がないからである。したがって、センサは比較的迅速にアドレス指定され得る。その特徴により、また、各センサの共振周波数における固有の変動に対応することが可能となる。

ドライバは、センサの共振周波数を通じて（後者がアドレス指定されている場合）各センサの振動周波数がスイープされることを引起すよう好都合に動作可能であり、受信機は、その範囲に亘ってセンサのアドミタンスを監視するよう動作可能である。較正要素は、当該センサから離れているが当該センサに隣接するか当該センサの上にあるかまたは当該センサの下にあるプリント回路基板上に位置していてもよい。このような較正要素はスイッチと同じ接地面およびコネクタ型を共有し得る。代替的には、較正要素およびセンサは同じ基板上に位置していてもよい。このような要素は薄膜堆積もしくは厚膜堆積によって形成され得るか、またはアレイの面に組込まれ得る。

好ましくは、スイッチは、アレイと物理的に接触するかまたは当該アレイに組込まれるスイッチング回路として形成される。

センサのアレイは、好ましくはいくつかのセンサのグループで構成され、各グループはアレイのそれぞれの領域にあり、好ましくは同じ領域にそれぞれの１つ以上の較正要素を有し、スイッチは、グループを選択するための１つ以上の一次的なスイッチと、選択されたグループからセンサまたは較正要素を選択するための複数の二次的なスイッチとを含む。

これにより、多数のセンサを同じドライバで作動させることが可能となる。切換えの段が増えると寄生損失が増大するが、これは、較正要素を追加することによって補償される。

駆動手段および受信機は単一のユニットによって構成され得るが、好ましくは機器の別個の構成要素である。

この発明はまた、１つ以上の物質を分析する方法にあり、当該方法は、当該または各々の物質をセンサのアレイにおける１つ以上のセンサと接触させるステップと、電力をセンサに供給するステップと、センサから信号を受取って分析するステップとを含み、当該方法はさらに、１つ以上の較正要素に定期的に問合せし、当該１つ以上の較正要素から受取った信号を分析して、当該センサに接続された回路における少なくとも寄生損失の変化についてのデータを提供するステップと、上記データを用いて、センサから受取った出力についての上記変化の影響を補償するステップとを含む。

好ましくは、電力は、１サイクルの動作で各センサに順に供給され、少なくとも１つの較正要素は、好ましくは、各サイクルごとに１回、問合わせされる。好ましくは、上記較
正要素の問合せが寄生損失の有意な変化を示す場合、１つ以上のさらなる別の較正要素が、そのサイクルについてのさらなるデータを与えるために、好ましくは同じサイクルで問合せされる。

この発明は、ここでは、添付の図面に関連して例示のためにだけ説明される。
詳細な説明
図１および図２を参照すると、この発明に従った機器は、センサおよび３つの較正要素のアレイを含む。これらはすべて、一般的な参照番号１で示される。各センサは、インターフェイス４を介してドライバおよび受信機２に個々に接続され得る。計器の動作は、インターフェイス８を介して拡張ボード１０に命令信号を送るホストＰＣ６によって制御される。拡張ボード１０は、デジタル制御信号をデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）およびコントローラボード１１に供給し、これが、タイミング、設定の規定、駆動信号の開始、センサおよび較正要素からのデジタル信号の受信ならびに受信されたデジタル信号の処理などの計器の動作を制御する。ＤＳＰは、ファームウェアにおいて計器動作のための命令セットがプログラミングされているＲＯＭと、測定データ管理および変換を実時間で処理するのに十分なＲＡＭとを備えている。典型的には、ＤＳＰは高速ＣＰＵであり、それらの多くは当該技術において周知である。計器デジタルシステムバス１２は、システムの構成要素間、すなわち、拡張ボード１０とドライバおよび受信機ボード２とデジタル信号プロセッサ１１とセンサインターフェイス４との間で、すべてのデータ信号を搬送する。ドライバおよび受信機ボードはＤＳＰからデジタル制御信号を受取り、アナログＲＦ駆動信号を生成する。これらの信号は、インターフェイス４を介して検知および較正要素に印加される。インターフェイス４は、ＰＣ６に直接制御されて、センサおよび較正要素へのドライバおよび受信機の切換えを操作する。インターフェイス４はまた、電力損失を最小限にするために標準的な５０オームとセンサ要素の適切な特性インピーダンスとの間における信号のインピーダンスの伝送を行なう回路２８（図２）を含む。応答信号は、アドレス指定されたセンサまたは較正要素から受信機によって受取られ、インターフェイス４において５０オームに戻される次のインピーダンス伝送がドライバおよび受信機ボード２に戻される。これは、ＤＳＰ１１による実時間分析のためのデジタルデータを与える高速ＡＤＣ（図示せず）を含む。次いで、生成されたデータは、表示、分析および記憶のために拡張ボード１０およびインターフェイスボード８を介してＰＣ６に戻される。

センサアレイおよび較正要素１、ドライバおよび受信機ボード２ならびにインターフェイス４は、ドライバおよび受信機がそれぞれ参照番号１４および１６で示される図２と、図３とにおいてより詳細に示される。

ドライバ１４はデジタルシンセサイザ１８を含み、当該デジタルシンセサイザ１８は、ＯＣＸＯ温度制御型水晶発振器２０からクロック信号を受取り、ＰＣ６の制御下で連続可変周波数の正弦波出力信号を生成するよう動作可能である。出力信号が変化する周波数の範囲はホストＰＣ６によって制御され、シンセサイザ１８からの出力は可変利得増幅器２２に接続される。コンピュータ６は、増幅器２２からの出力信号のレベルをも制御するように、ローパスフィルタ２６を介して増幅器２２に接続されるデジタルアナログ変換器２４にデジタル利得制御信号を送る。増幅器２２の出力は、インターフェイス４のインピーダンス整合回路２８に接続され、これが、センサインターフェイスインピーダンスを整合させるよう増幅器２２から信号経路のインピーダンスを伝送する。

インターフェイス４はさらに、７つの電子スイッチ２９〜３５を含み、その各々は、それぞれの出力線、たとえばアドレスデコーダ３８の線３６、から受取った制御信号によって開いたり閉じたりされる。デコーダ３８は３本の入力線４０を有しており、そこを通じて、デコーダが、閉じられるべきスイッチを識別するマルチビット信号をコンピュータ６
から受取る。デコーダ３８は、選択されたスイッチを閉じさせるための信号を伝える関連する出力線を選択することによってこのような信号に応答する一方で、他の出力線のうちのいずれかを通じて供給されているいかなる「クローズ（close）」信号をも終了させる。分かり易くするために、コンピュータおよび個々の各スイッチへのデコーダ３８の接続は、図２および図３には示されない。

スイッチ２９〜３２の各々は、閉じられると、４つのセンサ４３〜４６のそれぞれにアクティブなレール４２を接続し、こうして、選択されたセンサをドライバ１４の出力および受信機１６の入力に接続する。各センサは、（ドライバ信号の周波数で）ドライバ１４からの信号によって振動する水晶共振器を含む。各共振器は、共振器の接地された電極の一部である活性表面を有する。他の電極、すなわち駆動された電極は、使用時にドライバ１４の出力に接続される。活性表面は、共振器によって実行されるべき分析に関連する固定されたレセプタグループを担持する。共振器は各々、４つの異なるテストを単一のサンプル上で行うことを可能にするようそれぞれのレセプタグループを担持する。

スイッチ３３、３４および３５は各々、レール４２を介してドライバ１４および受信機１６を３つの較正要素４７〜４９のそれぞれに接続するよう動作可能である。各々の較正要素も接地に接続される。

較正要素４７は、たとえば水晶変換器の場合には既知の抵抗をもつ抵抗器であり、これは、液体負荷を受けたセンサの動インピーダンスである２００オームとなり得るが、使用されるセンサの特性インピーダンスおよびその負荷に応じて異なっていてもよい。要素４８は、接地への短絡をもたらす低抵抗の導電性トラックを含み、要素４９は、スイッチ３５から接地への導電性トラックにおける絶縁器の形をとり、このため、実際には、抵抗が無限である抵抗器である。

共振器４３の駆動された電極は、入力トラック５０によってスイッチ２９の出力に接続され、そのセンサの活性表面はトラック５２を介して接地に接続される。同一の構成のトラックが、センサ４４、４５および４６のアクティブな端子の各々をスイッチ３０、３１および３２にそれぞれ接続し、活性表面を接地に接続する。

較正要素４７の一方側は、トラック５０と同じ長さのトラック５４と、これにより他のセンサのための対応するトラックとによってスイッチ３３の出力に接続され、要素４７の他方側は、トラック５２と同じ長さのトラック５６（および他のセンサのための対応するトラック）を通じて接地に接続される。回路絶縁器４９に関する限り、スイッチ３５の出力からその絶縁器までのトラックの長さはトラック５４の長さと同じであり、トラック６０は、絶縁器の他方側から接地に伸びており、トラック５６と同じ長さである。

較正要素４８はその接続トラックと区別がつかないが、要素４８およびトラックの全長（すなわち、スイッチ３４の出力と接地面との間の距離）は、他のスイッチのうちのいずれかの出力から接地面までの距離と同じである。

加えて、スイッチ２９〜３５の各々の入力にレール４２を接続する導電性トラックは、実質的に互いと同じ長さである。こうして、較正要素４７〜４９は、較正要素に対する（インピーダンスＺ_parで示される）インターフェイス４の寄生インピーダンスがセンサに対するのと同じになるように、センサ４３〜４６と同様の位置にある。

図４にスイッチ２９がより詳細に示される。スイッチ２９〜３５が同一であるので、スイッチ２９だけをより詳細に説明する。

図４を参照すると、スイッチ２９は、トランジスタスイッチ６４の一方側をレール４２に接続する入力６２を有する。スイッチ６４の他方側は、線５０に接続される出力６６に接続される。スイッチ６４の他方側はまた、抵抗器６８および第２のトランジスタスイッチ７０を介して接地に接続される。抵抗器６８の値は、センサ上の負荷インピーダンスを整合させるための要件によって規定される。というのも、これが、不活性な状態への切換え時にセンサに最大電力損失をもたらすからである。こうして、液体負荷については、２００オーム抵抗器は好ましいが、実際には、５０または７５オームなどの標準値が有効である。他の種類のセンサのために異なる抵抗が用いられてもよい。制御信号入力７２は、アドレスデコーダ３８の線３６から第１のＮＯＴゲート７４への接続をもたらす。ＮＯＴゲート７４の出力は、スイッチ６４に制御信号を供給し、第２のＮＯＴゲート７６に入力を供給し、その出力がスイッチ７０のための制御を与える。こうして、線３６上に電圧がある場合、スイッチ６４はゲート７４からの信号によって開いたままにされ、ゲート７６がスイッチ７０を閉じたままにする。この条件では、センサ４３がドライバ１４および受信機１６から分離されるように、スイッチ２９は開かれている。同時に、センサ４３の駆動された電極は、抵抗器６８を介した接地への接続によってアクティブに終端されている。不活性なセンサは、アクティブなセンサに隣接している場合、結合のせいで振動する傾向がある。これにより、出力上に干渉信号およびスプリアス信号がもたらされる可能性がある。したがって、これを減じるために、センサのアクティブな電極は、それらのセンサが動作していない場合には終了させられる。結果として、選択されたアクティブな共振器の応答が測定されている間、それらの共鳴する振動が分析回路に干渉するのが防止される。

代替的には、スイッチ６４および／または７０は、接続したり接続を切ったりする、リレーまたは超小型電気機械装置などの物理的なスイッチであってもよい。これらは、このように動作することのできる、ＣＭＯＳ、ＧａＡｓまたはシリコンオンインシュレータ構造などのソリッドステート装置であってもよい。ＣＭＯＳ構造は低コストという利点を有し、ＧａＡｓはより高い周波数の応用例で用いられてもよい。ソリッドステートベースの装置は、たとえばダイオードで構成されてもよい。当該技術においては他のスイッチが公知である。

受信機１６は、レール４２を介してアクティブなセンサ／較正要素から受取った信号を増幅する低雑音増幅器７８を有する。増幅器７８の出力はバンドパスフィルタ８０を介して供給される。これは、センサ要素の公称の共振周波数を中心とした、典型的には５００ｋＨｚの帯域幅を有し、低周波数での１／ｆノイズと、さらに、測定された共振を上回る周波数で変換器から発生するスプリアス共振モード信号とをなくす機能を有する。これは、受信機の特性に応じて、ローパスフィルタとしか置換えることができないか、または必要とされないかもしれない。受信機要素８２は、ＤＤＳ１８から駆動信号を直接受取り、これをセンサ要素から受取った信号と混合するミキサである。これは、さまざまな方法で、デジタルまたはアナログで行われてもよい。ここに示されるアナログドメインにおいては、受信機は、駆動信号から９０度位相シフトされた信号を生成し、２つの混合動作を、一方を同相駆動、もう一方を直交駆動信号で実行して、同相および直交ＤＣ信号を生成する。これは、以下に説明されるとおり、周波数スキャン中にセンサの複素電圧（Ｖ_X）応答を十分に特徴付ける。

図５および図９を参照すると、４つのセンサ４３〜４６がフローセル３００に設けられ、較正要素４７〜４９が別個のＰＣＢ３０２上に設けられる。４つのレセプタ（図示せず）のそれぞれは、当該センサがフローセルを通過するサンプルについて４つの異なる種類の分析を実行するように、各センサ上で固定される。センサ４３〜４６および要素４７〜４９の各々は、それぞれのトラックを介してそのそれぞれのスイッチ（２９〜３５）に接続される。これらのトラックはすべて同じ長さであるので、（たとえば、要素４７、４８
およびセンサ４３〜４５のための）トラックのうちのいくつかは蛇行した部分（たとえば、３０４）を有する。フローセル３００はアルミニウムベースのブロック３０６を含み、当該ブロック３０６は、ペルチェ冷却システム（図示せず）に熱的に結合され、水晶板３０８を支持し、その下側には４つの円形の窪み、たとえば、各々がそれぞれのセンサに対応する３１０および３１２を有する。駆動された電極、たとえば３１４および３１６と参照される電極のどちらかが、各センサのために、それぞれの窪みにおける板３０８の下側にかぶせられている。接地された電極、たとえば電極３１８および３２０は、各々が、板の下側にあり基礎をなす駆動された電極に対向する位置で板３０８の上面にかぶせられている。使用の際に、各センサの２つの電極間の水晶の比較的薄い領域は、センサの共振部分としての役割を果たし、水晶のより厚い層（すなわち、窪みを囲む板の部分）は、センサを互いから機械的に分離するのにも役立つ支持部としての役割を果たす。センサの上方の電極には、平面図で見ると長方形である上板３２２が重ねられており、板３２２と水晶板３０８の上面との間にフローキャビティ３２６を規定する長方形の周壁３４４を含む。上板は、任意の好適なプラスチック材料、好ましくは、弾性接着剤３２６によって水晶板に取付けられたポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの生体適合性ポリマーから機械加工または成形されてもよく、その下には、板３０８の上面上の電極のための導電性トラックが延在して、それらの電極が、ＰＣＢ３０２の接地片にトラックを接続するワイヤを介して接地に接続されることを可能にする。

回路基板３０２は、ハウジングに隣接して装着され、従来のものであり得るか、セラミックであり得るか、または、下方のハウジングブロックに組込まれ得る。

上方の板３２２は、液体のサンプルがセンサによる分析のためにフローキャビティ３２６を通過するための入口３２８および出口３３０を有する。

この発明に従った機器の別の実施例においては、図５および図９に示される単一のフローセル構成は、板３２２の中心から垂れ下がるバリアによって分離された２つの隣接するフローセルと置換えられる。板３２２はまた、各フローセルがそれぞれの入口および出口を有するように、付加的な入口および出口を備える。

この場合、各フローセルは、（以下に記載される）基準センサと、それぞれのレセプタが固定されているセンサとを含む。

アルミニウムブロックは、ペルチェ冷却システムによって熱的に制御される。動作の温度は応用例に応じて選択され得る。１つ以上の熱電対がフローセルに都合よく近接して配置されると、フローセル内の温度の安定性および変動を監視し、それに応じてペルチェシステムを制御することが可能となり得る。セルの熱変動は、ペルチェシステムを用いて最小限にしなければならない測定時のノイズおよびドリフトの別の原因となる。当該システムの残りの温度依存性のドリフトが、〜２０Ｈｚ／ｄｅｇ Ｃになることが観察された。水晶センサの温度依存性の応答を除去した後、残りの周波数変動は、センサの共振特性に影響を及ぼす流体の材料（および流体自体）ならびにセルの物理的特性の温度依存性から発生すると考えられている。ペルチェ冷却は、０．０１℃の温度安定性を達成することができ、これは、これらの変動を〜０．３Ｈｚに制限すると考えられている。この構成についての変動は、計器ケーシングに封入された場合に、より大きなアレイを安定させるよう２つ以上のペルチェ素子を含み得る。温度の監視はＰＣによって行われ、規定されたしきい値を超えた偏位がある場合の警告を含み得る。このレベルの制御を達成するために、センサ上の近接する環境の影響を最小限にするよう当該システムの他の構成要素、たとえば流体および回路を熱的に安定させることを確実にすることが有利となる。

このレベルの温度制御がこの発明の他の実施例に不要であるかもしれないことが認識さ
れるだろう。

フローセルは、応用例に応じて当該技術において用いられるいかなる設計であってもよい。たとえば、ＷＯ０２１２８７３における図１は、センサ要素が２つのＯリングの間に配置されている一般的な設計を示し、図２は、当該要素が、その不活性表面の周囲で弾性接着剤によって固定されている改善された設計を示す。アレイ構造は、この応用例で開示されるディスクリートなセンサ要素を用いて作製されてもよく、随意には、標準ＩＳＯのウェルプレート、たとえば９６，３８４などと噛合うよう構築されてもよい。より小規模なアレイを単一の水晶基板から作製することができ、この場合、個々のセンサ要素は、薄い共振器をより厚い水晶の板にエッチングすることによって作製され、後者の区域は機械的な支持部として機能し得る。この種類の構造および作製方法が、たとえばジェイ・レイブ（Ｊ Rabe）他によるIEEE Sensors J.3, 361（2003）に開示されている。図９は、この出版物のエッチングされた構造を用いた２×２のアレイの断面図を示す。各センサ支持部３０１の化学的にアクティブな接地された電極は、弾性接着剤を用いることによってハウジングに接地され、駆動された電極との接続は、板３０６をベースにして、絶縁されたチャネルを介してなされる。これらは、図５に示されるトラックレイアウトを含み、かつ、従来のものであり得るか、セラミックであり得るかまたは下方のハウジングブロックに組込まれ得る回路基板３０２の板と、較正要素と、駆動および測定ユニットへのコネクタとに運ばれる。このような構成は、より大きなアレイにおけるより小さなセンサにスケーラブルであり、この場合、較正要素のいくつかの組はセンサアレイの周囲に配置されてもよく、センサは、以下に記載される図７の階層的構成を用いて切換えられてもよい。

使用の際、検体の流体はフローセルに送られ、センサ２９〜３２の各々は以下に記載される方法で動作する。コンピュータ６は関連するセンサを選択し、そのセンサのためのスイッチを閉じさせるのに好適な信号をデコーダ３８に送る。コンピュータはまた、シンセサイザ１８に開始周波数で正弦波信号を生成させ、次いで、当該周波数を所与の最大限まで漸進的に増大させるようにする。周波数の範囲は、センサ（およびそこに固定されたレセプタに結合されたいずれかの物質）の共振周波数を含むよう意図される。変動周波数信号がセンサに供給されると、そのアドミタンスが受信機８２によって測定され、これが周波数の関数としてコンピュータ６に記憶される。アドミタンスを用いて、センサの共振周波数の測定値、および／または、流体媒体における（結合された物体との）センサのＱ係数を提供することができる。たとえば、アドミタンスが最大となる周波数はセンサの共振周波数に対応する。というのも、この周波数で、当該センサがドライバ１４から最大量の駆動エネルギを受取るからである。当該プロセスは、センサ４４、４５および４６の各々について繰返され、次いで、較正要素４７〜４９の各々が順に問合せされる。最後の較正要素の問合せにより当該機器の動作の１サイクルの終わりに印が付けられ、こうして当該プロセスを繰返すことができる。

好ましい実施例においては、センサのうちの少なくとも１つは基準センサであり得る。これは、センサ要素の表面に固定されたレセプタが検体種のための親和力を持たず、このため、いかなる検体も結合せず、付加的な質量を発生させるが、他のすべての点においては、センサ要素、セルおよび流体が他のセンサおよびフローセルと同じであることを意味する。共振周波数および水晶センサ要素のＱが流体特性ならびに付与される質量に依存しているので、これにより、レセプタを担持し同じ流体に晒されるセンシング要素の応答と、分離される付加された質量の測定値とから流体特性の影響を取除くことが可能となる。

実際には、流体を含む検体の下でセンサアレイのアドミタンス特性を測定する前に、各々の共振器についての正確な周波数スキャン範囲が決定される。これは反復的な方策を用いて行うことができる。まず所与のセンサの公称の共振周波数を中心とした約５００ｋＨｚの広範な周波数スキャンから始まって（すなわち、物質がレセプタに結合されておらず
、センサが緩衝流体中にある場合）、いくつかの周波数でデータが集められる。これは、センサに関連付けられる実際の共振周波数および品質係数または抵抗およびインダクタンスの大まかな推定値を決定するよう周知の式に対して適合される。このデータを用いてスキャン範囲が狭められ、当該プロセスを繰返して、共振周波数の改善された推定値、（抵抗および誘導負荷に等しい）Ｑを得る。より狭い周波数範囲で繰返すことにより、当該推定値が一定の値に近づき、これを用いて各共振器についての最適なスイープ範囲を計算することができる。次いで、この狭い範囲のデータを物理的なモデルの振動に適合させることによって共振周波数を決定することができる。一般に、共振器は、わずかに異なる共振およびＱ係数を有することとなり、このためスイープ範囲が異なることとなる。各共振器についての範囲は、測定段階において用いるための制御ソフトウェアに記憶される。このベースライン測定中に、較正測定が行なわれてもよい。較正データは、アレイにおける共振器の異なる周波数範囲をすべて包含する周波数の範囲にわたって集められる。共振器スイープ範囲に変動があるために、較正スイープ範囲は、典型的には、いずれの共振器範囲よりも広くなる。すべてのスイープにおいてネットワークアナライザによって生成されるデータ点の数が固定されると、より広い較正スイープにおけるデータ点の周波数が、共振器のそれと正確に揃わなくなるだろう。個々の共振器スイープの際に各点において正確に較正するために、較正データを補間する必要がある。周波数点が接近しているために、通常、線形補間で十分であるが、他のアルゴリズムが用いられてもよい。補間された較正データを用いて、以下に記載のとおり各々の周波数データ点で共振器を較正する。

適合させるステップの間に、理論的には、チャネル（すなわち、較正要素またはセンサ）ごとに最低で２つの周波数データ点を用いて必要な適合を得ることができるが、実際には、数を増やすと精度を向上させることができる。

次いで、センサが、適切な測定のために順次アドレス指定される。
上述の例においては、各々の較正要素は動作サイクルごとに１回アドレス指定／問合せされるが、他の動作のシーケンスが適用されてもよく、たとえば、センサ４３が最初にアドレス指定され、次いで各々の較正要素４７〜４９が順にアドレス指定されてもよい。（すなわち、寄生インピーダンスの変動を補正する）センサ４３の真のアドミタンス特性が作り出される間、センサ４４のアドレス指定と、３つの較正要素の各々のアドレス指定／問合せとをもう一度行うことができる。較正データが当該機器の動作のサイクルごとに４回得られるように当該プロセスが繰返される。この手段により、寄生損失およびインピーダンスドリフトノイズを実時間で補償することができる。

代替的には、ある較正要素はドリフトまたはノイズの標識として識別されてもよく、これらは各々の共振器測定の後に測定され得、有意な変化が検出された場合に限り、これがすべての較正要素の測定を引起すこととなる。

一般に、較正測定は、理想的には、寄生インピーダンスの変動に起因するノイズの特徴的なスケールよりもはるかに小さいタイムスケールでなされるべきである。本出願人は、このようなノイズ（またはインピーダンスドリフト）の特徴的なタイムスケールが典型的には約１０秒であることを見出した。ドライバ１４および受信機１６などの専用のネットワークアナライザは、典型的には毎秒１２０００の測定点が可能である。典型的にはチャネルごと（すなわち、センサ／較正要素ごと）に１００の点をスキャンすると、毎秒１２０チャネルの測定速度を達成することができる。したがって、アレイにおけるチャネルの数に応じて、温度によって引起こされる寄生効果のドリフトを補償するのに好適な速度である約１秒未満で較正測定を行なうことができる。アナライザの速度およびチャネルごとの点の数を考慮することで、変換器の数および環境条件に適切な較正速度を決定することができるようになる可能性がある。代替的には、共振器と較正要素との間のデューティサイクルは、たとえば、共振器の測定が２回または４回終了するごとに（または他の任意の
好適な間隔で）較正測定を行なうことによって変えられてもよい。

図６Ａ〜図６Ｄに示される等価回路は、寄生損失をモデリングし、かつ、較正要素がアドレス指定される場合の電圧信号の測定を用いてこれらの損失をいかに補正し得るかを（以下の記載で）示す等価回路図である。それらの計算で用いられる記号の意味は以下のとおりである。

Ｖ_G：等価の発生器電圧、すなわち、ドライバ１４によってインターフェイス４に印加される電圧である。

Ｖ_SC：短絡についての測定された電圧である（図６Ａ）。
Ｖ_LC：負荷がかけられた回路についての測定された電圧である（図６Ｂ）。

Ｖ_OC：開路についての測定された電圧である（図６Ｃ）。
Ｖ_G ¹：センサ／較正要素において「見られる」電圧である（＝Ｖ_G−Ｖ_SC）。

Ｖ_G ¹＝Ｖｏｃ−Ｖ_SCである。というのも、Ｖ_G＝Ｖｏｃであるからである。
Ｙ_G＝同等の発生器アドミタンス。

Ｚ_G＝同等の発生器インピーダンス。
Ｒ_Lは、較正された負荷抵抗器である（たとえば、Ｒ_L＝２００オーム）。

Ｒ_x／Ｚ_xは未知の抵抗器／インピーダンスである。
Ｖ_LC ¹は、一定のオフセットＶ_SCによって補正されるＶ_LCである。

Ｖ_LC ¹＝Ｖ_LC−Ｖ_SC
Ｖ_G ¹は、一定のオフセットＶ_SCによって補正されるＶ_Gである。

Ｖ_G ¹＝Ｖ_OC−Ｖ_SC；Ｖ_G＝Ｖｏｃ
Ｖ_Xは、未知の抵抗器Ｒ_Xについての測定された電圧である。

Ｖ_X ¹：Ｖ_X ¹＝Ｖ_X−Ｖ_SC（すなわち、センサにおいて見られる電圧）。

負荷４７がアドレス指定されると、回路における電流Ｉ_LC（図６Ｂ）が、

によって与えられ、したがって、

となる。というのも、

となるからである。図６Ｄを参照すると、

であり、したがって、

となり、したがって、

となり、

となる。
インピーダンスのうちのいくつかのリアクタンス成分を考慮して、複素領域においてすべての計算がなされることが認識されるだろう。

したがって、

となり、未知のセンサアドミタンスの真の値が、

によって与えられる。この場合、Ｖ_Xはセンサに亘る測定された電圧である。
図８は実際の較正プロセスを示す。当該システムは、適切なデータが集められるとオペレータによって中断されるまで連続的に動作する。較正間隔は、計器および測定に適したタイムスケールに設定され得る。各々の較正測定中に、計器が３つのパラメータ、Ｖ_OC、Ｖ_LCおよびＶ_SCを測定する。このデータは、変換を用いた各々の測定後のセンサ要素の真のアドミタンスを得るためにセンサ電圧Ｖ_Xの測定された値を補正するのに用いられる。計器は、センサアレイの測定の範囲内の任意の適切な間隔の後、または、完全な組の要素が測定された後に再較正され得る。インピーダンスの実数部および虚数部（＝１／アドミタンス）は、水晶に対する抵抗および誘電負荷に対応し、これを用いて、周知の手段によって流体の付与された質量および粘弾特性を得ることができる。

図７は、図２および図３の構成要素１および４に対するセンサ、較正要素およびインターフェイスの代替的な構成を示す。図７においては、図２および図３の構成における要素に対応する要素は、図２および図３の対応する参照番号に１００ずつ足した番号で示される。こうして、センサ１４３、１４４および１４５はレール１４２に接続され、当該レール１４２は、図２の構成要素２８および７８に類似のインピーダンス整合回路および増幅器を介してドライバおよび受信機に接続されている。

図示されるスイッチングシステムは、図２に示されるものではなく、点Ｘにおいて接続されることとなる。

ブロック１４７は、センサ１４３〜１４５と同様に接続された付加的なセンサと、較正要素４７〜４９に対応する３つの較正要素とを示す。参照番号１４３、１４４、１４５および１４７で示される構成要素はセンサおよび較正要素の第１のグループを構成し、その各々は、図４に示される種類のそれぞれのスイッチ、たとえばスイッチ１３０によってアクティブなレール１４１に接続可能である。センサおよび較正要素のアレイは、センサと、要素１４３、１４５および１４７にそれぞれ対応する較正要素２４３、２４５および２４７との第２のグループを含み、各々は、スイッチ２３０などのそれぞれのスイッチを介して第２のアクティブなレール２４１に接続可能である。インターフェイス１０４は、分圧器２５６を介してドライバ１１４からの入力に接続されるさらなるグループ選択スイッチ２５４を含む。

使用の際に、スイッチ２５４を用いて、センサ／較正要素の２つのグループのうちどちらがアドレス指定されるべきかを選択し、次いで、選択されたグループの各構成要素が、図２および図３の構成と同様に、個々にアドレス指定される。使用の際に、センサ１４３が選択されると、グループ１４３〜１４７における他のすべてのチャネルとグループ２４３〜２４７におけるすべてのセンサとが、図４に示されるスイッチを用いて選択解除される。この間、選択されなかったセンサがすべて、抵抗器６８によって接地に接続される。次いで、スイッチ２５４を用いて他のグループを選択し、その他のグループのために当該プロセスを繰返す。

図２および図３のセンサ／較正要素のアレイのトポロジは、限られた数のセンサのために効率的に作動するが、最終的には、電子信号の特性波長に対するスイッチングアーキテクチャにおける伝送線の長さによって制限される。チャネル（すなわち、センサ／較正要素）の数が増えると、共振器間の寄生損失の変動が大きくなりすぎて、単一の組の較正チャネルによる較正が不可能になる。一方、図７の機器は、カスケードバストポロジを用いる。このカスケードバストポロジにより、比較的多数のセンサの使用が可能になる。というのも、当該アレイにおけるセンサの各グループには、それぞれの組の較正要素が関連付けられているからである。

カスケードバストポロジにおける付加的なレベルの切換えを導入することによって寄生損失が増大するが、これは、付加的な較正要素を用いることによって補償される。

カスケード構造に基づいた他のさまざまな構成、たとえば、レベルの階層、または、アレイにおける行もしくは列に基づいたカスケード構造、または、アレイ内におけるサブアレイ、が構想され得る。

他の多様な較正要素が同様に用いられてもよい。３つの点を用いることによって真の補償を達成することができる。というのも、環境によって引起こされるドリフトを被る３つの未知数がシステムに存在するからである。すなわち、寄生インピーダンス、駆動電圧および駆動インピーダンスである。用いられる較正要素が３個未満になると精度が低くなってしまうが、他の手段によって安定性が改善されるシステムには好適となり得る。

開路、閉路および基準抵抗較正要素を用いると、簡潔な設計、信頼性のある動作という利点が得られ、このため、最も広範な応用例が提供され得る。しかしながら、他の較正要素も可能であり、リアクタンス素子、たとえば、基準キャパシタ、インダクタ、または小規模なネットワークにおける抵抗素子およびリアクタンス素子の組合せ、またはさらには基準発振器などの使用が、いくつかの特定の応用例にとってはより適しているかもしれない。

この発明は、圧電素子、および特に、横せん断モード振動で動作する水晶への応用の点で説明されてきた。しかしながら、寄生損失の問題は、高周波電子駆動および測定信号（＞１ＭＨｚ）を利用するすべての測定方法によって共有される。このため、この発明は他の種類のセンサに適用されてもよい。

たとえば、いくつかの種類のセンサは、印加される電圧への表面固定化分子の電気的応答が複素誘電率で説明されるという事実を利用している。この実数部は材料のコンダクタンスを説明し、虚数部はキャパシタンスを説明する。センサ面が振動していなくても、これらの変数は、そこから分子構造および結合力学についての情報を得ることのできる音響効果に類似した周波数の機能としての共振挙動を示す。これらの効果を測定するためのシステムが、ＵＳＰ５８４６７０８に記載される。

図１０に示されこの発明に従った分析機器の実施例は、図２に示される機器における構成要素と同じであり、このため、図２において用いられる対応する参照番号に２００ずつ足した番号で示されるいくつかの要素を有する。こうして、ドライバ２１４は、デジタルシンセサイザ２１８にクロック信号を供給する水晶発振器２２０を含む。シンセサイザ２１８は、可変周波数の正弦波出力周波数を生成し、これが、インターフェイス２０４を介してセンサおよび較正要素２０１のアレイに供給される。当該インターフェイス２０４は、シンセサイザ２１８を各々のセンサ／較正要素に順に接続し、インターフェイス回路２０４を介してセンサ／較正要素から得られた信号を乗算器２８３に中継するためのインピーダンス整合回路と低雑音増幅器と制御可能なスイッチの構成とを含む。

当該機器は、第１のデジタルシンセサイザ２１８に同期的にリンクされた第２のデジタルシンセサイザ２８４を含む。結果として、シンセサイザ２８４の出力は、シンセサイザ２１８によって生成される周波数とは一定のオフセットだけ異なる周波数の正弦波形となる。こうして、２つのシンセサイザ２１８および２８４は、同時で同期的な周波数スイープを実行し、この間、シンセサイザ２８４の出力の周波数は、常に、シンセサイザ２１８によって生成される周波数とはオフセット周波数だけ異なっている。

シンセサイザ２８４の出力はまた、乗算器２８３に供給され、ここで、信号が、センサ／較正要素２０１から受取った信号と混合されて、センサ／較正要素２０１から受取ったＲＦ信号の位相および振幅情報を搬送する中間周波数信号を（オフセットの大きさに等しい周波数で）与える。測定された共振を上回る周波数で変換器から生じるいかなるスプリアス共振モード信号も、ＡＤＣ２８５に供給される前に、したがって、分析のためにデータプロセッサ２８６に供給される前に、ローパスフィルタ２８４によって中間周波数信号から除去される。データプロセッサ２８６はまた、インターフェイス２０４におけるスイッチの動作と、シンセサイザ２１８および２８４の動作とを制御するよう動作可能であり、図２のＤＳＰ１１に対応している。

使用の際に、駆動信号は、共振周波数にわたる周波数ｆ_iの組で印加され、ｆ_iでの検出された信号は、ｆ_i−Δｆでの同相信号と混合される。この場合、Δｆはオフセット周波数である。これにより、検出された信号がオフセットまたは中間周波数Δｆにダウンコンバートされ、ここには、検出されたＲＦ信号の位相および振幅情報が含まれている。この方策は、従来のヘテロダイン方式とは異なっている。というのも、駆動信号および基準信号がともに周波数スキャン中に正確な分離（Δｆ）を維持しなければならないからである。中間信号がＤＣではないので、基準信号の振幅変動によるノイズが除去され、検出信号および基準信号が正確な位相関係にある場合、位相ジッタが除去され得る。好ましくは、位相差はゼロである。ここで検出信号が周波数Δｆで符号化されるので、（１／ｆ）のノイズも除去される。

駆動周波数と検出周波数との間の精密なリンクを維持するために、２つのダイレクトデジタルシンセサイザが用いられる。しかしながら、これらが同期的に共にリンクされない限り、ヘテロダイン方式の完全なノイズ低減の利点が実現されない。ＤＤｓは当該技術において周知である。この方法においては、２つのＤＤＳは、これらがともにｆからｆに同時に切換わるように、周波数スイープを同時に開始し、周波数範囲を通じて同期的に進むようプログラミングされる。これは、周波数を同時に切換えることを可能にするために、２つのＤＤＳに信号クロック周波数を供給し、かつ同期入力および出力を有する装置を利用することによって実行可能である。アナログ装置ＡＤ９９５４などのモデルはこれらの能力を有しており、当該応用例に理想的に適している。

図１０の実施例はまた、アレイにおける多数の共振周波数範囲のスキャンに適している
。基本モードの共振周波数の変化と同様に、変換器への質量の付与によっても、各々の倍音周波数のシフトが引起こされる（第３、第５、第７など；いかなる物理的実在性ももたない偶数倍音）。

当該機器を用いて、第１の周波数でアレイの各要素をスキャンし、較正サイクルを実行し、所要の倍音周波数に切換え、そして当該サイクルを繰返すことによって、各センサにおける倍音共振周波数シフトをすべて決定することができる。基本波のものとは異なっている各々の倍音周波数を用いて、当該システムのさらなる較正が実行される。必要とされるだけの倍音周波数のために当該プロセスを繰返すことができる。

図２の回路がバンドパスフィルタ８０なしでも申し分なく動作可能であり、この場合、この回路をセンサ共振周波数の倍音周波数を測定するのにも用いることができることが判明した。

図１１から図１３に示されるカートリッジは、図５および図９に示されるフローセル３００の代わりに用いられる。カートリッジは２つのフローセルを規定し、その各々がそれぞれの関連するセンサを有する。センサは、使用時に、（以下に記載のとおり）コーダピンによってスイッチ（ならびにこれにより、ドライバおよび受信機）に接続される。

水晶板４９２が、図面に示されるカートリッジの一部を形成する。当該板の１つの表面は、各々が２つの別個のフローセルのそれぞれと合致している駆動電極４９６および４９８の対を規定するパターンで金でコーティングされている。板の下側も金でコーティングされて、共通の接地電極を形成する。導電性トラック（図示せず）は、板の端縁の周囲のこの電極から板の上面に伸びて、板の上面に係合するコーダピンが接地電極に接続することを可能にするための接点をもたらす。

変換器４９２は接着膜５００の上面に接着され、その下側が板５０２に接着され、その上面が変換器４９２のための支持面を構成する。

膜５００は、全体的な厚みが８５ミクロンである３層構造であり、各々の厚さがおよそ３６．５ミクロンである２つの接着層の間に挟まれた１２ミクロン厚のポリエステルフィルムキャリア層を含む。硬化の際に接着層が収縮する可能性がある。膜に適した材料の例として、ＦＡＳＴＯＵＣＨの登録商標で販売されている両面接着テープが挙げられる。膜５００は概して菱形の２つの開口部５０４および５０６を有する。

開口部５０４および５０６は各々、それぞれの電極４９８および４９６と、したがって水晶の活性区域と合致している。水晶と板５０２の上面との２つの上記活性区域の各々の間に小さな間隙ができ、各々の間隙が２つの開口部５０４および５０６のそれぞれの端縁と境を接するように、膜５００では板５０２の上面から間隔を空けて変換器４９２が配置されている。各々の間隙は、板５０２における入口／出口通路５０９〜５１２のそれぞれの対と通じているそれぞれのフローセルを構成する。各々の通路は、概して円筒形であり先細の端部分を有するコネクタ５１４および５１６などの雌コネクタに通じており、当該コネクタの各々は、流体送出／除去システムのそれぞれのフェルールを受けるよう配置されている。

図１１から分かるように、各フローセルのための入口および出口は、後者の対向する端部領域に位置する。したがって、フローセルの入口に投入されたサンプルは、フローセルの長さに沿って出口へと流れ、この間に、当該サンプルは結晶の活性表面と相互作用し、その相互作用の影響が測定されることとなる。

図１１から分かるように、フローセルは板５０２の一方の端部の方に位置しており、そのもう一方の端部の方には膜５００と同じ材料のパッチ５１８が設けられる。このパッチの目的は、上板５２０を底板５０２に接着するのを容易にすることである。上板５２０は窪み５２２を含んでおり、当該窪み５２２は組立てられたカートリッジにおいてセンサ４９２を収容しており、これにより、後者が板５２０と接触しないようにする。しかしながら、膜５００は、２つの板５０２および５２０の前方端部同士が接着されるように、窪み５２２の境界を越えて延在する。

変換器４９２を適所に固定し、各フローセルを規定することに加えて、膜５００は、接着層により、フローセルから流体が漏れるのを防ぐための適切なシールを提供する。

上板５２０は貫通ボア５２４、５２５および５２６を含んでおり、使用の際に、ドッキング機構の対応するコーダピンは、これらを通って、電極９６および９８ならびに変換器９２の接地接点とそれぞれ接触するよう延在する。

２つの板５０２および５２０はまた、直径が大きな貫通ボア５２７〜５３０を含み、板５２０におけるボア５２７は板５０２におけるボア５２０と揃っており、ボア５２８はボア５２９と揃っており、このため、（板５０２および５２０によって規定される）カートリッジハウジングには通路を通る２つの大きなボアがあることとなる。これらの通路は、使用の際に、カートリッジの正確な配置を助けるための横方向の配置ピン（図示せず）を受ける。これらのピンはまた、変換器および接続コーダピンを囲むファラデー（Faraday）ケージを形成する。

カートリッジがドッキング機構に挿入された後、流体マニホールド上のフェルールは、当該フェルールを変形させこれにより流体シールを作り出すのに十分な力で、カートリッジの底板における雌型流体コネクタ５１４、５１６に押込まれる。

次いで、延在するコーダピンの各々が、駆動電極または場合によっては変換器上の接地接点に係合するよう、カートリッジ上方板５２０のそれぞれの開口部５２４、５２５および５２６へと延在させられる。

板５０２および５２０は、生物学的材料に不活性なエンジニアリングプラスチック材料でできている。当該技術において公知である、中でもポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などのアクリルポリマーが好適である。

随意には、ポリマーは、生物学的材料による付着物に耐える材料でコーティングされてもよい。

この発明に従った機器を含む分析システムを示す概略ブロック図である。 上記機器を示すブロック回路図である。 図２に示される機器のセンサ、較正要素およびスイッチを示すより詳細な概略図である。 上記スイッチのうちの１つを示すより詳細な概略図である。 当該機器の較正要素とフローセルに含まれている当該機器のセンサとの物理的なレイアウトを示す平面図である。 較正プロセスを示す等価回路図である。 較正プロセスを示す等価回路図である。 較正プロセスを示す等価回路図である。 較正プロセスを示す等価回路図である。 センサの２つのアレイが設けられ、各アレイがそれ自体の較正要素の組を有している、変形されたタイプの機器を示すブロック図である。 較正プロセスを示すフローチャートである。 図５に示されるフローセルを示す切断面図である。 この発明に従った機器の別の実施例を示すブロック回路図である。 センサのための別の種類のフローセルを備えるカートリッジを示す分解斜視図である。 カートリッジを示す側断面図である。 図１２の線ＸＩＩ−ＸＩＩに沿った断面図である。

Claims (36)

1. 少なくとも１つの物質を分析するための分析機器であって、前記機器はセンサのアレイと、各センサを作動させるための電子駆動手段と、前記センサから信号を受取って処理するための受信機とを含み、前記機器が、前記駆動手段および前記受信機に接続され前記機器における寄生損失の変化を決定することを可能にするための１つ以上の較正要素を含む、分析機器。
2. 前記較正要素は、寄生損失、およびこれによりそのいかなる変化をも決定することを可能にするようなものである、請求項１に記載の機器。
3. 各センサは、前記駆動手段からの信号によって振動する活性表面を有するそれぞれの電気機械変換器を含む、請求項１または２に記載の機器。
4. 各々の活性表面は、１つ以上の物質が結合され得るコーティングを担持する、請求項３に記載の機器。
5. 各コーティングは、１つ以上の物質に特有のレセプタを含む、請求項４に記載の機器。
6. 前記変換器は、圧電、圧磁気または音響変換器を含む、請求項３から５のいずれかに記載の機器。
7. 前記センサは、膜、カンチレバー、音叉または他の振動構造などの超小型電気機械装置を含む、請求項３から５のいずれかに記載の機器。
8. 各々の変換器は水晶共振器を含む、請求項３から６のいずれかに記載の機器。
9. 前記センサは２つの電極を有し、前記電極のうちの一方が前記活性表面を構成し、接地されている、請求項３から８のいずれかに記載の機器。
10. 前記駆動手段は、前記センサおよび前記較正要素に電力を供給するよう動作可能な共通のドライバを含む、請求項１から９のいずれかに記載の機器。
11. 前記機器は、前記ドライバおよび受信機によって各センサおよび各較正要素を個々にアドレス指定することを可能にするための複数のスイッチを付加的に含む、請求項１０に記載の機器。
12. 前記ドライバおよび受信機は、共通のインターフェイスを介して前記センサおよび前記較正要素に接続される、請求項１１に記載の機器。
13. 各要素および各センサは、それぞれのスイッチによって前記ドライバで接続される、請求項１１または１２に記載の機器。
14. 前記機器は少なくとも３つの較正要素を含む、請求項１から１３のいずれかに記載の機器。
15. ３つの較正要素がすべて、受動回路要素である、請求項１４に記載の機器。
16. 較正要素のうちの第１のものは、スイッチから接地への短絡をもたらす導電性経路を含み、第２の較正要素は開路を含み、較正要素のうちの第３のものは既知の有限抵抗の抵抗
    負荷を含む、請求項１５に記載の機器。
17. 前記第２の較正要素は、それぞれのスイッチから接地への導電性トラックにおいて間隙を含み、導電性トラックに対応するトラックは、スイッチと接地との間においてセンサと他の較正要素とを接続し、したがって、前記他の較正要素および前記センサとのインターフェイスに関連付けられるものに対応する寄生損失を生成する、請求項１６に記載の機器。
18. 前記較正要素は、前記センサに電気的に類似した位置にある、請求項１から１７のいずれかに記載の機器。
19. 前記ドライバから前記較正要素および前記センサへの導電性経路は、好ましくは、実質的に互いと同じ長さである、請求項１８に記載の機器。
20. 各較正要素および各センサから接地への導電性経路はまた、実質的に互いと同じ長さである、請求項１９に記載の機器。
21. 前記駆動手段は、可能な周波数の範囲にわたって分散される周波数で各センサを駆動するよう動作可能であり、前記受信機は、前記範囲にわたって前記センサの特性を監視するよう動作可能である、請求項１から２０のいずれかに記載の機器。
22. 前記駆動手段は、使用の際に、前記範囲にわたって前記周波数を漸進的に変化させる、請求項２１に記載の機器。
23. 前記駆動手段は、各センサの振動周波数が前記センサの共振周波数でスイープされることを引起すよう動作可能であり、前記受信機は、その範囲にわたって前記センサのアドミタンスを監視するよう動作可能である、請求項２０または２１に記載の機器。
24. 前記センサは、前記物質を分析しない場合、前記センサのための共振周波数またはその所与の倍音を含む関連するさまざまな範囲の周波数を有し、前記機器は、較正中に、前記機器が、センサの倍音周波数の共振周波数に関連付けられる範囲の全体的な最小値から全体的な最大値までの較正範囲にわたって分散される周波数で前記較正要素のインピーダンスを測定するように配置される、請求項２１または２２に記載の機器。
25. センサが駆動されるべき周波数で前記較正要素についてのインピーダンス測定値がない場合、前記機器は、その周波数についての較正データを得るために前記較正要素についてのインピーダンス測定値を補間するよう動作可能である、請求項２４に記載の機器。
26. 前記機器は、前記較正範囲にわたる各較正要素からの較正データの点について、各センサについての、そのセンサのためのそれぞれの範囲にわたるインピーダンスデータの点と同じ数の点を得るよう動作可能である、請求項２５に記載の機器。
27. 前記機器は信号プロセッサを含み、前記信号プロセッサは、前記センサによって分析されるべき物質の分析の前に、信号が、各センサのために、共振周波数を含む周波数のそれぞれの範囲またはそのセンサのための共振周波数の倍音を含む範囲を前記駆動手段および前記受信機に決定させるように配置され、前記信号プロセッサはまた、その後、前記分析中にその範囲にわたって分散される周波数で各センサを駆動させるよう配置されている、請求項２１から２６のいずれかに記載の機器。
28. 前記スイッチは、前記アレイと物理的に接触するかまたは前記アレイに組込まれるスイ
    ッチング回路として形成される、請求項１１から１３のいずれかに記載の機器。
29. センサのアレイは、いくつかのセンサのグループで構成され、各グループは、アレイのそれぞれの領域にあり、それぞれの１つ以上の較正要素を有し、前記スイッチは、グループを選択するための１つ以上の一次的なスイッチと、選択されたグループからセンサまたは較正要素を選択するための複数の二次的なスイッチとを含む、請求項１１、１２、１３または２８のいずれかに記載の機器。
30. 各較正要素は、それが関連付けられているセンサのグループと同じ領域に位置する、請求項２９に記載の機器。
31. 前記駆動手段および受信機は前記機器の別個の構成要素である、請求項１から３０のいずれかに記載の機器。
32. １つ以上の物質を分析する方法であって、前記方法は、センサのアレイにおける１つ以上のセンサに前記または各々の物質を接触させるステップと、電力を前記センサに供給するステップと、前記センサから信号を受取って分析するステップとを含み、前記方法はさらに、１つ以上の較正要素に定期的に問合せし、前記１つ以上の較正要素から受取った信号を分析して、前記センサに接続された回路における少なくとも寄生損失の変化についてのデータを提供するステップと、前記データを用いて、前記センサから受取った出力についての前記変化の影響を補償するステップとを含む、方法。
33. 電力が１サイクルの動作で各センサに順に供給され、少なくとも１つの較正要素が、各サイクルごとに一回、問合せされる、請求項３２に記載の方法。
34. 前記較正要素の問合せが寄生損失の有意な変化を示す場合、１つ以上のさらなる別の較正要素が問合せされる、請求項３３に記載の方法。
35. 前記さらなる較正要素は、第１の前記較正要素と同じサイクルで問合せされる、請求項３４に記載の方法。
36. 前記機器は、前記センサの倍音周波数を測定するよう動作可能である、請求項３から３１のいずれかに記載の機器。

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