荧光传感器的校正方法以及荧光传感器的制作方法

专利名称：荧光传感器的校正方法以及荧光传感器的制作方法
技术领域：
本发明的实施方式涉及对分析物的浓度进行测量的荧光传感器以及上述荧光传感器的校正方法，特别是涉及作为使用半导体制造技术以及MEMS技术制作的微小荧光分光光度计的荧光传感器以及上述荧光传感器的校正方法。
背景技术：
用于确定液体中的分析物即被测量物质的存在或对其浓度进行测定的各种分析装置被开发出来。例如，向一定容量的透明容器注入由于分析物的存在而性质发生变化并产生荧光的荧光色素和包含分析物的被测量溶液，通过照射激励光E并对来自荧光色素的荧光强度进行测量来测量分析物浓度的荧光分光光度计广为人知。小型的荧光分光光度计具有光检测器和含有荧光色素的指示层。而且，向被测量溶液中的分析物可进入的指示层照射来自光源的激励光E，由此，指示层内的荧光色素产生与被测量溶液中的分析物浓度对应的光量的荧光，而此荧光由光检测器接收。光检测器为光电变换元件，输出与所接收的光量对应的电信号。根据该电信号来测定被测量溶液中的分析物浓度。近年，为了对微量样品中的分析物进行测量，提案了一种使用半导体制造技术以及MEMS技术制作的微小荧光分光光度计。以下，将微小荧光光度计称为“荧光传感器”。例如，图1以及图2所示的荧光传感器110在美国专利第5039490号说明书中被公开。荧光传感器110由以下部分构成:激励光E可透射的透明支撑基板101 ;将荧光变换成电信号的光电变换元件103 ;具有使激励光E聚光的聚光功能部105A的光学板状部105 ；借助于与分析物9的相互作用，通过激励光E的射入来产生荧光的指示层106 ;覆盖层109。光电变换元件103例如在由硅构成的基板103A形成有光电变换元件。基板103A不透射激励光E。因此，荧光传感器110中，在光电变换元件103的周围具有激励光E可透射的空隙区域120。S卩，只有从空隙区域120透射并射入到光学板状部105的激励光E，通过光学板状部105的作用被聚光于指示层106中的、光电变换元件103的上部附近。通过已被聚光的激励光E2和进入了指示层106的内部的分析物9的相互作用，产生荧光F。所产生的荧光F的一部分射入光电变换兀件103,在光电变换兀件103中产生与突光强度、即分析物9的浓度成比例的电流或电压等的信号。另外，通过以覆盖光电变换元件103的方式所形成的滤光器(未作图示)的作用，激励光E并不射入光电变换元件103。如以上说明的那样，荧光传感器110是在透明支撑基板101上将作为光电变换元件103的光电二极管形成于确保了作为激励光E的通道的空隙区域120的基板103A上，并在其上层叠有光学板状部105以及指示层106。但是，在荧光传感器110中，即使在构成传感器的材料间进行了反射/散射的激励光E的一部分被设于光电变换元件103上的滤光器切断，也会射入光电变换元件103。而且，射入光电变换元件103的激励光E的光量按传感器有所不同。这样一来，由于激励光检测信号与荧光检测信号重叠，因此，来自光电变换元件103的检测信号有时不能测量正确的分析物浓度。本发明的实施方式的目的在于提供一种检测精度高的荧光传感器以及上述荧光传感器的校正方法。

发明内容
用于解决课题的方法本发明的一个方案的荧光传感器的校正方法，该荧光传感器具备:产生激励光的发光兀件；指不层，产生与上述激励光和分析物量对应的突光；以及光电变换兀件，输出在起因于上述荧光的荧光检测信号上重叠了起因于上述激励光的激励光检测信号而得到的检测信号，上述荧光传感器具有输出温度检测信号的温度检测功能以及温度调整功能，该突光传感器的校正方法使用上述突光传感器执行以下工序，包括:在第一温度取得第一检测信号的第一检测信号取得工序；在第二温度取得与上述第一检测信号取得工序相同的分析物量时的第二检测信号的第二检测信号取得工序；基于上述第一检测信号和上述第二检测信号，计算用于对上述荧光检测信号进行校正的校正系数的校正系数计算工序；以及使用上述校正系数和上述温度检测信号，对之后的检测信号进行校正的校正工序。此外，本发明的另一方案的荧光传感器具备:产生激励光的发光元件；指示层，产生与上述激励光和分析物量对应的突光；以及光电变换兀件，输出在起因于上述突光的突光检测信号上重叠了起因于上述激励光的激励光检测信号而得到的检测信号，上述荧光传感器具有输出温度检测信号的温度检测功能以及温度调整功能。


图1为表示公知的荧光传感器的剖面构造的说明图。图2为用于说明公知的荧光传感器的构造的分解图。图3为表不实施方式的传感器系统的构成的说明图。图4为表示实施方式的荧光传感器的剖面构造的说明图。图5为用于说明实施方式的荧光传感器的构造的分解图。图6为用于说明实施方式的荧光传感器的校正处理的说明图。图7为用于说明实施方式的荧光传感器的校正处理的流程图。图8为用于说明实施方式的突光传感器的校正处理的时间表。
具体实施例方式<系统构成>如图3所示，具有本发明的实施方式的荧光传感器10的针型荧光传感器4与主体部2以及接收器3 —同构成传感器系统I。S卩，传感器系统I具有针型荧光传感器4、主体部2、以及接收并存储来自主体部2的信号的接收器3。主体部2与接收器3之间的信号的收发是通过无线或者有线进行的。针型荧光传感器4具备:具有针前端部5和细长的针主体部6的针部7，该前端部5包括作为主要功能部的荧光传感器10 ;以及与针主体部6的后端部形成一体化的连接器部8。针前端部5、针主体部6、连接器部8也可以通过同一材料一体地形成。连接器部8拆装自如地与主体部2的嵌合部2A嵌合。从针型荧光传感器4的荧光传感器10延伸设置的多个配线60通过连接器部8与主体部2的嵌合部2A机械地嵌合而电连接于主体部2。连接器部8具有进行用于对来自荧光传感器10的检测信号进行校正处理的控制以及运算的运算部70。虽未作图示，主体部2具有用于在与接收器3之间收发无线信号的无线天线和电池等。另外，在与接收器3之间进行有线信号收发的情况下，主体部2具有信号线来取代无线天线。另外，主体部2或者接收器3也可具有运算部。荧光传感器10是为了防止感染等而在使用后被处置的一次性(disposable)部，主体部2以及接收器3为被重复使用的再利用部。另外，在主体部2具有所需要的容量的存储器部的情况下，不需要接收器3。针型荧光传感器4在与主体部2已嵌合的状态下，由被检者自身从身体表面刺穿，针前端部5被留置于体内。然后，例如连续测定体液中的葡萄糖浓度并存储至接收器3的存储器。即，本实施方式的荧光传感器10是连续使用期间为一周左右的短期皮下留置型传感器。<荧光传感器构造>然后，如图4以及图5所示，作为本实施方式的针型荧光传感器4的主功能部的突光传感器10具有作为基体的N型娃基板11、作为光电变换兀件的光电二极管(PhotoDiode:以下也称为“H)”)元件13、氧化硅层17、滤光器14、作为能够透射荧光的发光元件的发光二极管(Light Emitting Diode:以下也称为“LED”)元件12、透明树脂层15、指示层16以及遮光层19从硅基板11侧依次被层叠的构造。在此，H)元件13、滤光器14、LED元件12以及指示层16的各自至少一部分形成于硅基板11的上侧的同一区域内。另外，优选荧光传感器10中的ro元件13、滤光器14、LED元件12以及指示层16的各自的中央部形成于硅基板11的上侧的同一区域内。S卩，在荧光传感器10中，通过使用能够透射来自指示层16的荧光的发光元件即LED元件12，实现与公知的荧光传感器完全不同的构造。作为光电变换元件，也可以选择光电导元件(光导电体)或光电晶体管(PhotoTransistor, PT)等的各种光电变换元件。氧化硅层17为第一保护层，作为具有数十 数百nm的厚度的第一保护层，可以使用氮化硅层或由氧化硅层和氮化硅层构成的复合层叠层。滤光器14是不透射LED元件12所产生的激励光E，而是透射比其波长更长的荧光F的例如吸收型滤光器。作为滤光器14，也可以是仅使荧光通过的带通滤光器。但是，现实当中，激励光E的一部分从滤光器14透射并射入LED元件12。另外，如后所述，在进行校正处理的荧光传感器10中，滤光器14并不是必须的构成要素。LED元件12是发出激励光且透射荧光的发光元件。透明树脂层15为第二保护层。作为第二保护层，例如也可以使用将LED元件12粘着于滤光器14时所使用的硅树脂或透明的非晶性含氟树脂等。作为荧光传感器10的第二保护层的特性，重要的是:即使照射激励光，在层中产生的荧光也很小。另外，该荧光的产生很小的特性是除了指示层16以外的荧光传感器10的所有透明材料的重要特性，这一点自不必提。指示层16通过与已进入的分析物9的相互作用以及激励光产生荧光，即产生与分析物9的浓度对应的光量的荧光。指示层16的层厚被设定为数十ym左右。指示层16由含有产生与分析物9的量，即样品中的分析物浓度对应的强度的荧光的荧光色素的基础材料构成。另外，指示层16的基础材料优选具有能够良好地透射来自LED元件12的激励光以及来自荧光色素的荧光的透明性。在此，荧光色素也可以是存在于样品中的分析物9本身。荧光色素是根据分析物9的种类来选择的，只要是根据分析物9的量所产生的荧光的光量可逆地变化的荧光色素，则可以使用任何荧光色素。例如在测定活体内的氢离子浓度或二氧化碳的情况下，可以使用羟基三磺酸衍生物；在测定糖类的情况下，可以使用具有荧光残基的苯硼酸衍生物；在测定钾离子的情况下，可以使用具有荧光残基的冠醚衍生物等。而且，在测定葡萄糖这样的糖类的情况下，作为荧光色素，可以使用钌有机配合物、荧光苯硼酸衍生物或与结合了蛋白的荧光素等的葡萄糖可逆结合的物质。如以上的说明那样，本发明的荧光传感器10通过荧光色素的选择，与氧气传感器、葡萄糖传感器、PH传感器、免疫传感器或微生物传感器等多种用途对应。指示层16例如将易于含水的水凝胶作为基础材料，并使上述荧光色素包含或结合于水凝胶内。作为水凝胶的成分，可以使用甲基纤维素或右旋糖苷等的多糖类等。另外，指示层16介由未作图示的硅烷偶联剂等形成的粘着层接合于透明树脂层
15。另外，也可以是并不形成透明树脂层15，而是指示层16直接接合于LED元件12的表面的构造。遮光层19为形成于指示层16的上部表面侧的、厚度为数十μ m以下的层。遮光层19在防止激励光以及荧光向荧光传感器10的外部漏光的同时，还防止外部的光进入荧光传感器10的内部。而且，荧光传感器10还具备具有温度检测功能的温度传感器21和具有温度调整功能的加热器22。温度传感器21进行由H)元件13、滤光器14、LED元件12和指示层16构成的光检测系统20的温度测量，并输出温度检测信号。二极管、电热调节器、热电偶等多种设备可以适用于温度传感器21。在使用ro元件作为光电变换元件的情况下，可以通过相同的二极管构造，与ro元件13的形成同时地形成于基板11。温度传感器21被设置为接近光检测系统20。另外，在作为光电变换元件而具有ro元件13的荧光传感器10中，也可以将ro元件13作为温度传感器21使用。即在未进行光电变换动作时，也可以将ro元件13作为温度传感器21使用。该情况下，不需要配设温度测量专用的温度传感器21。接近配置于高热传导率的硅基板11的温度传感器21所检测的温度与光检测系统20的温度的误差小。在基板不是高传热性材料的情况下，优选在光检测系统20的周围配设高传热性体，并将温度传感器21配置于与高传热性体接触的位置。作为具有温度调整功能的温度调整部的加热器22为用于将光检测系统20加热到规定温度，例如40°C的发热部件。加热器22为由铝或金等的金属布线、导电性陶瓷、碳、导电性树脂等构成的电阻加热型加热器。电阻加热型加热器也可以由单一素材形成，但在具有低电阻布线与高电阻发热部的构成的情况下，也可以局部加热。此外，也可以通过发热部和由高热传导率材料构成的传热部来构成温度调整部，并在光检测系统20的周围配设传热部，由此，使光检测系统20的温度均匀化。而且，荧光传感器10的其他构成部件也可具有温度调整功能。例如，LED元件12通过连续发光来产生热量。此外，在光电变换元件为二极管的情况下，若使正方向的电流流通，则产生热量。该情况下，不需要配设加热专用的温度调整部。<荧光传感器10的基本动作>接下来，使用图4以及图5，对荧光传感器10的基本动作加以说明。LED元件12例如以每30秒I次的间隔使中心波长为375nm左右的激励光E脉冲发光。例如，向LED元件12的脉冲电流为ImA 100mA，发光的脉冲宽度为IOms 100ms。LED元件12所产生的激励光El射入指示层16。指示层16发出与分析物9的量对应的强度的荧光F。另外，分析物9通过遮光层19进入指示层16。指示层16的荧光色素产生相对于波长375nm的激励光E波长更长的、例如波长460nm的荧光F。这里，在荧光传感器10中，LED元件12所产生的激励光E向上下方向照射。向上方照射的激励光El被照射至指示层16中的荧光色素。荧光色素所产生的荧光F中，通过LED元件12以及滤光器14而到达H)元件13的荧光Fl和通过滤光器14而到达H)元件13的荧光F2均在H)元件13被变换为电信号。以下，将起因于荧光Fl以及F2的电信号称为荧光检测信号VF。另一方面，从LED元件12向下方放射的激励光E2通过滤光器14等，一部分的激励光E3到达ro元件13。激励光E3是由于滤光器14的特性以及荧光传感器10的构造而不可避免地发生的噪声光。以下，将起因于激励光E3的电信号称为激励光检测信号VEX。即，PD元件13所输出的检测信号V是在荧光检测信号Vf重叠有激励光检测信号Vex的。激励光的强度Lex以及激励光检测信号Vex按荧光传感器有所不同，因此，成为荧光传感器10的检测精度低下的原因。<校正处理>接下来，使用图6对通过荧光传感器10进行的校正处理加以说明。在荧光传感器10中，通过运算，从检测信号V中去除激励光检测信号Vex，并进行仅提取荧光检测信号Vf的校正处理。S卩，在荧光传感器10中，使用具有温度调整功能的加热器22和具有温度检测功能的温度传感器21，以多个不同温度下的多个检测信号V为基础，进行对用于计算荧光检测信号Vf的校正系数进行计算的校正处理，以其结果为基础对之后的检测信号进行校正。以下，将在温度T测量的检测信号，即通过ro元件13输出的光电电动势设为V，例如，将在温度T1时测量的检测信号设为％。然后，通过加热器22对荧光传感器10进行加热，并将变为温度T2时的检测信号设为V2。光检测系统20的体积为数mm3左右，因此，在从加热开始的数秒至数十秒间，产生数。C至十几。C的温度上升。校正处理是在分析物浓度未发生急剧变化的定时进行的，因此，可以忽视数秒至数十秒间的分析物浓度变化。所以，可以将校正处理中的分析物浓度C看作常数Q。如已经说明的那样，作为传感器输出的检测信号V由激励光检测信号Vex和荧光检测信号Vf构成，因此，用(式I)表示。V = Vex+ Vf (式 I)首先，求出表示激励光检测信号Vex的温度依存性的算式。通过LED兀件12产生的激励光发光量Lex由(式2)表不。Lex — Lexci.Tex (式 2)Lexci为基准温度Ttl下的发光量，Tex为相对于发光量的温度依存系数。发光量Lexq表示按LED元件12而有所不同的值，有时也允许元件之间超过2倍的差异。发光量Lexci的差异是起因于LED元件12的制造工序的，并不依存于荧光传感器10的构造。温度依存系数Tex为相对于温度的函数，可以通过理论或实验求出。另外，根据LED元件12的种类以及温度范围的不同，Tex也可以是线性函数或者非线性函数。射入F1D元件13的激励光量INex由(式3)表示。INex — Lex.β Εχ — (Lex0.Tex).β εχ (式 3)β LED是表示作为激励光在光检测系统20内受到了由散射、反射、吸收所产生的衰减的结果而确定的激励光向ro元件13的聚光效率。结果，激励光检测信号Vex由(式4)表不。Vex — INex.Sex.Tsex — (Lex0.Tex.β EX).Sex.Tsex (式 4)Sex为对于激励光的H)元件13的光电变换效率，Tsex为其温度依存系数。

接着，求出表示检测信号V中的荧光检测信号Vf的温度依存性的算式。指不层16的突光发光量Lf由(式5)表不。Lf = α ΕΧ.Lex.e.Tf (式 5)ciEX是表示LED元件12所产生的激励光中、到达指示层16并有助于荧光发光的比例的系数。E是基准温度Ttl下的从激励光向荧光的变换系数(荧光产额)，是依存于分析物浓度的函数。Tf是荧光发光量的温度依存系数，其是对于温度的函数，可以通过实验求出。根据温度范围的不同，该Tf是线性函数或非线性函数。若将(式2)代入(式5)，则能够获得(式6)。Lf = α ΕΧ.(Lex0.Tex ).e.Tf (式 6)而且,射入F1D兀件13的突光光量Inf由(式7)表不。INf = Lf.β F = ( a ex * Lex0.Tex.e.Tf).β f (式 7)^^是表示作为荧光F在光检测系统20内受到了散射、反射、吸收所产生的衰减的结果而确定的荧光的聚光效率的系数。结果，突光检测信号Vf由(式8)表不。Vf = INf.Sf.Tsf = ( α ΕΧ.Lex0.Tex.e.Tf.β f).Sf.Tsf (式 8)这里，Sf为对于荧光的H)元件13的光电变换效率，Tsf为其温度依存系数。S卩，作为传感器输出的检测信号V由(式9)表不。V — Vex + Vf — (Lex0.Tex.β EX.Sex.Tsex )十(α EX.Lex0.Tex * θ.Tf.β F * Sf.Tsf)—a Tex.Tsex + b.Tex.Tf.Tsf (式 9)这里，a= Lex0.β EX.Sex (式 10), b = α EX.Lex0.e.β F.Sf (式 11)。系数a，b不具有温度依存性，此外，分析物浓度为一定的Ctl时，从激励光向荧光的变换系数e为常数e 。即，在校正处理中，可以将系数a以及系数b视为常数。
在分析物浓度已知的情况下，(式9)为两个未知数a、b、已知函数TEX、Tsex, Tf、Tsf和检测信号V的关系式。即，表示若求出两个温度下的TEX、Tsex, Tf、Tsf和此时的检测信号V，则将算出a、b。根据(式I )，通过(式12)来表示(式9)。Vf = V - Vex = V - a.Tex.Tsex (式 12)接着，以不同的两个温度来测定传感器输出，并说明求出荧光成分的顺序。另外，在至少30 50°C左右的温度范围内，ro元件13可以忽视温度依存性地来操作。因此，将温度依存性间化，设为Tsex = Tsf =1首先，对于温度T1，(式13)成立。V ⑴一a.Tex ⑴十 b.Tex.⑴.Tf ⑴(式 13)接着，对于温度T2,(式14)成立。V ⑵=a.Tex ⑵+ b.Tex ⑵.Tf ⑵(式 14)在此，将对于温度T1时的LED元件12的发光量的温度依存系数设为Tex⑴，将荧光发光量的温度依存系数设为Tf⑴，将温度T2时的LED元件12的温度依存系数设为TEX(2)，将荧光发光量的温度依存系数设为Tf⑵。根据(式13)和(式14)，系数a通过(式15)算出。
权利要求
1.一种突光传感器的校正方法，其特征在于， 该荧光传感器具备:产生激励光的发光元件；指示层，产生与上述激励光和分析物量对应的突光；以及光电变换兀件，输出在起因于上述突光的突光检测信号上重叠了起因于上述激励光的激励光检测信号而得到的检测信号，上述荧光传感器具有输出温度检测信号的温度检测功能以及温度调整功能， 该荧光传感器的校正方法使用上述荧光传感器执行以下工序，包括: 在第一温度取得第一检测信号的第一检测信号取得工序； 在第二温度取得与上述第一检测信号取得工序相同的分析物量时的第二检测信号的第二检测信号取得工序； 基于上述第一检测信号和上述第二检测信号，计算用于对上述荧光检测信号进行校正的校正系数的校正系数计算工序；以及 使用上述校正系数和上述温度检测信号，对之后的检测信号进行校正的校正工序。
2.根据权利要求1所述的荧光传感器的校正方法，其特征在于， 上述光电变换元件、透射上述荧光的上述发光元件以及上述指示层的各自的至少一部分依次形成于基体上的同一区域内。
3.根据权利要求1或2所述的荧光传感器的校正方法，其特征在于， 上述荧光传感器具备具有上述温度调整功能的温度调整部。
4.根据权利要求 3所述的荧光传感器的校正方法，其特征在于， 上述温度调整部是作为电阻加热型元件的加热器。
5.根据权利要求1或2所述的荧光传感器的校正方法，其特征在于， 上述发光元件具有上述温度调整功能。
6.根据权利要求1或2所述的荧光传感器的校正方法，其特征在于， 上述光电变换元件是具有上述温度调整功能的二极管。
7.根据权利要求1、2、6中任一项所述的突光传感器的校正方法,其特征在于， 上述光电变换元件是具有温度检测功能的二极管。
8.—种突光传感器,其特征在于,具备: 产生激励光的发光元件； 指示层，产生与上述激励光和分析物量对应的荧光；以及 光电变换兀件，输出在起因于上述突光的突光检测信号上重叠了起因于上述激励光的激励光检测信号而得到的检测信号， 上述荧光传感器具有输出温度检测信号的温度检测功能以及温度调整功能。
9.根据权利要求8所述的荧光传感器，其特征在于， 具备电阻加热型元件，该电阻加热型元件卷绕于上述指示层的周围并具有温度调整功倉泛。
10.根据权利要求9所述的荧光传感器，其特征在于， 基于通过上述温度调整部调整为多个温度时的多个上述检测信号，计算出用于计算上述荧光检测信号的校正系数，通过上述校正系数对之后的检测信号进行校正。
11.根据权利要求10所述的荧光传感器，其特征在于， 上述光电变换元件、透射上述荧光的上述发光元件以及上述指示层的各自的至少一部分依次配设于基体的上侧的同一区域内。
12.根据权利要求11所述的荧光传感器，其特征在于， 该荧光传感器是具有与配置于体外的主体部的嵌合部嵌合的连接器部、并对体内的分析物进行测量的针型传感器。 ·
全文摘要
本发明的实施方式的荧光传感器的校正方法使用具备LED元件(12)、指示层(16)、输出在荧光检测信号重叠了激励光检测信号的检测信号的PD元件(13)，并具有温度检测功能以及温度调整功能的荧光传感器(10)，执行以下工序，包括第一检测信号取得工序，在第一温度取得第一检测信号；第二检测信号取得工序，在第二温度取得与第一检测信号取得工序相同的分析物量时的第二检测信号；校正系数计算工序，基于第一检测信号和第二检测信号，计算用于对荧光检测信号进行校正的校正系数；以及校正工序，使用校正系数和温度检测信号，对之后的检测信号进行校正。
文档编号G01N21/64GK103180719SQ201180050479
公开日2013年6月26日 申请日期2011年10月13日 优先权日2010年10月26日
发明者前江田和也, 河野弘昌 申请人:奥林巴斯株式会社, 泰尔茂株式会社