傳感器裝置、傳感方法及其應用的製作方法

2023-05-08 23:52:41 1

專利名稱：傳感器裝置、傳感方法及其應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感器裝置、傳感方法、生物物質傳感器裝置、生物物質傳感方法、分泌物傳感器裝置、分泌物傳感方法、情感傳感器裝置、以及情感傳感方法，其特別適用於通過檢測由人類精神活動引起的分泌物產物分泌量的變化來測量情感的應用。
背景技術：
現代信息社會正在快速地建立其關於通過交流進行信息傳送和通過儲存進行信息保持的領域。兩個問題被認為是該領域所要求的最重要的技術，即如何吸收有效信息，以及如何將信息傳遞給人們。傳感器是適用於前一問題的技術之一。然而，傳感器技術也被認為是有效傳遞，即後一問題，的必要的基本技術。
此前，已開發出多種傳感器(Kiyoshi Takahashi等人的「Sensor noJiten(Dictionary of Sensors)」，Asakura Shoten，1991；Kinji Koshitani「Zukaide Wakaru Sensor no Hanashi(Illustrated Story of Sensors)」，Nippon JitsugyoPublishing Co.，Ltd.，1995)。根據其測量原理，這些傳感器可以大致分為三類，即物理傳感器、化學傳感器和生物傳感器。已知傳感器的很多種類，例如作為物理傳感器的光傳感器和溫度傳感器、作為化學傳感器的離子傳感器和氣體傳感器、以及作為生物傳感器的DNA傳感器和免疫傳感器。它們也都具有廣泛的應用，但是其絕大多數都有個缺點，即只有單一的功能且每次只能測量一種信息。
作為一種克服上述缺點的技術，正在研究傳感器融合的概念(HirooYamazaki和Masatoshi Ishikawa的「Sensor FusionJissekai no NoudoutekiRikai to Chiteki Kousei(Sensor FusionActive Understanding of Its Real Worldand Intellectual Reconstruction)」，Corona Publishing Co.，Ltd.，1992)。傳感器融合適用於同時獲得多種傳感器信息和適當地處理這些信息以取得用單一傳感器不能得到的信息。
一種配置為通過與靶向物理目標的結合測量本質不同的系統信息類型的傳感器也是已知的，(N.Hoshimiya的「Seitai Jouhou Keisoku(Biologicalinformation Measurement)」，Morikita Shuppan Co.，Ltd.，1997)。還有一些不同類型的傳感器，其中的關聯點取決於靶的特性。為了討論作為靶(target)的蛋白質，已經報導了抗體/抗原反應的應用和與適當連接物結合的金屬納米粒子的應用(Christof M.Niemeyer的「Nanoparticle，Proteins，and NucleicAcidsBiotecnology Meets Materials Science」，Angew.Chem.Int.Ed.2001，40，4128-4158)。對於靶為DNA鏈的情況，提出了一種鹼基序列位點與金屬納米粒子上的靶互補的捲曲DNA鏈(Christof M.Niemeyer的「Nanoparticles，Proteins，and Nucleic AcidsBiotecnology Meets MaterialsScience」，Angew.Chem.Int.Ed.2001，40，4128-4158)。對於DNA鏈作為靶的情況，另外提出了將互補DNA的一端固定在基底上，並將金屬納米粒子固定到另一端上(A.Yamaguchi、S.Juodkazis、S.Matsuo和H.Misawa的；「Enhancement of surface plasmon resonance sensing of DNA hybridizationusing colloidal Au attached probe DNA，Chem.Lett.」，p.190(2000))。
壓力與中樞神經系統、自主神經系統、內分泌系統和免疫系統有特定的關聯也是已知的(Hiroshi Miyata編輯的「Shin Seiri Shinrigaku 1(NewPhysiological Psychology 1)」，Kitaoji Shobo，1998，pp281-282)。
此外，提出了從分泌物產物中測量壓力或情感的方法(日本專利待公開JP-2002-188996-A2；日本專利待公開JP-2002-168860-A；日本專利待公開JP-H10-239312-A)。
然而，傳感器融合主要是一種使得人類智力識別和觀念形成的指導技術，而不是用於從一個單一目標的各個方面測量不同種類信息的技術。因此，對於應用而不是如智力程序的高階功能來說，繁重的處理負擔被認為將成為一個難題。

發明內容
因此本發明的目的在於提供一種傳感器裝置和一種傳感方法，其能夠同時獲得包括有關靶的存在/缺失、分布等信息的多種信息。
本發明的另一目的在於提供一種生物物質傳感器裝置、生物物質傳感方法、分泌物傳感器裝置和分泌物傳感方法，其能夠同時獲得包括有關生物物質或分泌產物的存在/缺失、分布等信息的多種信息。
本發明又一目的在於提供一種情感傳感器裝置和一種情感傳感方法，其能夠同時獲得基於情感變化的包括有關來自活體的分泌物的存在/缺失、分布等信息的多種信息，並由此測量情感變化。
根據本發明的第一方面所述，提供了一種用於測量與靶耦合時檢測部分(detecting portion)性質變化的傳感器裝置，其特徵在於通過使用檢測部分的空間結構獲得包括與靶的存在/缺失、分布等有關的信息的多種信息。
根據本發明的第二方面所述，提供了一種用於測量與靶耦合時檢測部分的性質變化的傳感方法，包括通過利用檢測部分的空間結構(spatial structure)獲得包括與靶的存在/缺失、分布等有關的信息的多種信息。
在本發明的第一和第二方面中，檢測部分的典型空間結構為一種幾何結構。例如，該幾何結構可以是結合位點的布置或構型，或者其統計分布(例如，在其有意排列結合位點為有序格柵情況下的位置偏移或構型的分布)。可以作用於靶與檢測部位耦合的可能的結合力是範德華力、靜電引力(庫侖力)和氫鍵結合力，其中的一種或幾種可作用於耦合。通常，檢測部分有多個結合位點，並且各個靶選擇性地與各個結合位點耦合。這些結合位點根據靶周期或非周期地適當排列。周期部分或非周期部分也可以混合起來。作為選擇地，即使沒有指明排列的信息，也可以給出結合位點的分布信息。這些結合位點通常根據多個靶的尺寸布置，且通過利用這些靶之間的尺寸差異導致位阻，來檢測靶數量的時間變化。在這些靶的尺寸差異小到不能僅僅由結合位點的排列來檢測這些靶數量隨時間的變化時，檢測部位可以形成為在其檢測表面上具有臺階，使得能夠通過由該臺階形成位阻來檢測靶的時間變化。也可以通過構成金屬納米粒子上的結合位點得到位阻。通常是通過測量檢測部位的因其與靶的耦合導致的物理特性或結構的變化來獲得信息。用於方便測量的優選物理特性是檢測部位的介電常數或重量。這種結構可以是如蛋白質的分子構象，位阻等基於構象變化而發生。
根據靶使用合適的結合位點。例如，在靶是免疫球蛋白的情況下，抗體可以用作結合位點。即，可以在靶和結合位點之間建立抗體和抗原的關係，以利用抗原-抗體反應形成的抗體和抗原的耦合。在靶是蛋白質的情況下，耦合有適當連接物的金屬納米粒子可以用作結合位點(Christof M.Niemeyer「Nanoparticles，Proteins，and Nucleic AcidsBiotecnology MeetsMaterials Science」，Angew.Chem.Int.Ed.2001，40，4128-4158)。在靶是神經傳導物質(例如乙醯膽鹼)的情況下，其受體(例如乙醯膽鹼受體)可以用作結合位點。
通過使用表面等離子體振子共振(SPR)原理，可以容易地檢測出檢測部分通過與靶耦合產生的介電常數的變化。使用表面等離子體振子共振的傳感器(SPR傳感器)可以靈敏地檢測這一系統的變化。一種SPR傳感器的例子具有包括結合位點、基底(substrate)和稜鏡(prism)的三層結構，其通過由靶耦合引起的入射光全反射臨界角的變化來測量靶耦合。在此情況下，因靶耦合引起的介電係數變化導致全反射臨界角的變化。更具體而言，入射光在分界面上在特定臨界角全反射，分界面位於具有較高折射率的稜鏡部分與具有較低折射率的基底部分之間。然後，相應於全反射臨界角的隱失光(evanescent light)出現在分界面上，且當它與表面等離子體振子(surfaceplasmon)，即基底傳導電子的壓縮波充分結合時，表面等離子體振子共振就發生了。在靶與結合位點耦合的情況下，在隱失光到達的範圍內，表面等離子體振子隨著折射率的有效變化而變化，且引起表面等離子體振子共振的臨界角改變。例如，對於DNA鏈測量模型而言，傳感器檢測前者情況中與DNA的耦合引起的系統介電常數的變化，或者傳感器檢測後者情況中由於DNA形成雙股時鏈長的減少使得金屬納米粒子更靠近基底的運動引起的系統介電常數的變化。
通過使用振蕩電路和頻率檢測裝置可以容易地檢測出與靶耦合引起的檢測部分的重量變化。即，可以使用一種振蕩型傳感器，其被構造來通過在特定的振動連續作用於基底時出現的振動的變化，測量靶與檢測部分耦合時檢測部分重量的變化。當耦合前後系統介電常數的變化不很大時，這種測量技術是有效的。
根據本發明的第三方面所述，提供了一種用於測量與生物物質耦合時檢測部分的性質變化的生物物質傳感器裝置，其特徵在於通過檢測部分的空間結構同時獲得包括生物物質的存在/缺失、分布等信息的多種信息。
根據本發明的第四方面所述，提供了一種用於測量與生物物質耦合時檢測部分的性質變化的生物物質傳感方法，包括通過檢測部分的空間結構同時獲得包括生物物質的存在/缺失、分布等信息的多種信息。
在本發明的第三和第四方面，生物物質預期為各種蛋白質和DNA。分泌產物是一種生物物質。
只要其特性一致，前面結合本發明的第一和第二方面的描述同樣適用於本發明的第三和第四方面。
根據本發明的第五方面所述，提供了一種用於測量與分泌物耦合時檢測部分的性質變化的分泌物傳感器裝置，其特徵在於通過檢測部分的空間結構同時獲得包括分泌物的存在/缺失、分布等信息的多種信息。
根據本發明的第六方面所述，提供了一種測量與分泌物耦合時檢測部分的性質變化的分泌物傳感方法，包括通過檢測部分的空間結構同時獲得包括分泌物的存在/缺失、分布等信息的多種信息。
在本發明的第五和第六方面，分泌產物主要預期為任何由活體分泌的分泌物。
只要其性質一致，前面結合本發明的第一和第二方面的描述同樣適用於本發明的第五和第六方面。
根據本發明的第七方面，提供了一種用於通過測量與隨情感的變化從活體分泌的分泌物耦合時檢測部分的性質變化來檢測情感變化的情感傳感器裝置，其特徵在於通過檢測部分的空間結構同時獲得包括分泌產物的存在/缺失、分布等信息的多種信息。
根據本發明的第八方面所述，提供了一種用於通過測量與隨情感的變化從活體分泌的分泌物耦合時檢測部分的性質變化來檢測情感變化的情感傳感方法，包括通過檢測部分的空間結構同時獲得包括分泌產物的存在/缺失、分布等信息的多種信息。
在本發明的第七和第八方面中，當精神活動分為智力、感覺和意識時，情感和任何感情和情感過程有關。因此，情感可以是情感活動、情緒、感覺等等。精神壓力在此也是預期的。例如，情感隨不同種類的外來刺激(例如視覺刺激)變化，而且其還伴隨著內分泌系統的分泌量的變化。因此，可以通過分泌量的變化來測量情感的變化。例如，一些文獻中提及與精神壓力有關的內分泌系統的特例(Hiroshi Miyata編輯的「Shin Seiri Shinrigaku1(New Physiological Psychology 1)」，Kitaoji Shobo，1998，pp 281-282；HiroshiMiyata編輯的「Shin Seiri Shinrigaku 3(New Physiological Psychology 3)」，Kitaoji Shobo，1998，pp 42和37)。
只要其性質一致，前面結合本發明的第一和第二方面的描述同樣適用於本發明的第七和第八方面。
根據具有綜上構造的發明，可以獲得將測量系統中有關靶的存在/缺失、分布等信息，同時還可通過測量檢測部分的空間結構，特別是，檢測部位的幾何結構，如結合位點的位置和構型，得到系統中靶數量隨時間變化的信息。因此，也可以測量生物物質或分泌物，例如，通過分泌物的測量來測量情感。


圖1為示出將通過根據本發明第一實施例的傳感器測量的靶的示意圖；圖2為示出具有根據本發明第一實施例的傳感器結合位點布置的基底的示意圖；圖3為用於說明根據本發明第一實施例的傳感器的使用方法的示意圖；圖4為用於說明根據本發明第一實施例的傳感器的使用方法的示意圖；圖5為用於說明根據本發明第一實施例的傳感器的使用方法的示意圖；圖6為示出將通過根據本發明第二實施例的傳感器測量的靶的示意圖；圖7為用於說明根據本發明第二實施例的傳感器的使用方法的示意圖；圖8為用於說明根據本發明第二實施例的傳感器的使用方法的示意圖；圖9為示出將通過根據本發明第三實施例的傳感器測量的靶的示意圖；圖10為示出具有根據本發明第二實施例的傳感器結合位點布置的典型基底的示意圖；圖11為示出圖9所示靶與圖10所示基底的結合位點結合的示意圖；以及圖12為示出通過根據本發明第一實施例或第二實施例的傳感器的傳感方法的示意圖。
具體實施例方式
現在參照附圖對本發明的優選實施方式進行以下說明。
首先說明根據本發明第一實施例的傳感器。
在將要測量的系統中的多種物質(靶)的分布根據系統條件變化的情況下，用於檢測物質分布和分布隨時間的變化的傳感器是重要的。此處提供一種既能測量與系統中兩種物質的分布有關的信息又能夠測量有關豐度或物質的變化的信息的傳感器結構。
此處採用最簡單的例子，其中將測量具有圖1所示外形的a和b兩種靶。假設靶a和b具有近似相同的尺寸d(a)和d(b)。然而，在垂直於d(a)和d(b)的方向，靶a和b的尺寸如圖1所示比例而明顯不同。
如圖2所示，傳感器具有兩種結合位點A和B，其以適當的交替位置布置在基底11的主表面中的一個(頂表面)上，從而允許靶a和b與之選擇性地結合。在此例中，這些結合位點A和B周期排列，使得當標記每種結合位點A或B時形成面心平面點陣。在靶a和b彼此獨立地與結合位點耦合的情況下，確定最近的結合位點A之間的距離和最近的結合位點B之間的距離，使得靶a可以在沒有位阻(steric hindrance)的情況下同時與所有的結合位點A耦合，而靶b可以在沒有位阻的情況下同時與所有的結合位點B耦合。更具體而言，將最近的結合位點A之間的距離與最近的結合位點B之間的距離確定為分別比d(a)和d(b)稍大。
根據靶a和b的性質來充分地選擇靶a和b與結合位點A和B的組合。更具體而言，在靶a和b為免疫球蛋白的情況下，可以使用抗體和抗原的組合，其通過抗原/抗體反應而特定耦合，或者可以使用採用已經連接連接物(linker)的金屬納米粒子的組合(Christof M.Niemeyer「Nanoparticles，Proteins，and Nucleic AcidsBiotecnology Meets Materials Science」，Angew.Chem.Int.Ed.2001，40，4128-4158)。
接著，說明具有上述構型的傳感器的使用方法。
首先在包括靶a和b的系統(液相或氣相)中設置一傳感器。
在此設置中，假定靶a的豐度首先較高，但靶b的豐度隨後提高。在這種情況下，如圖3所示，多數靶a與基底的結合位點A耦合，此後，在沒有位阻的情況下靶b與結合位點B耦合。
接著，假定相反的情況，其中靶b的豐度較高，而靶a的豐度隨後提高。在這種情況下，如圖4所示，早先已經耦合的結合位點B和靶b形成位阻，隨後增多的靶a難於與結合位點A耦合。因此，通過測量這種差異，可以判別系統條件隨著時間的變化，即，是否首先靶a為主且靶b隨後提高，或者是否首先靶b為主而靶a隨後提高。
為了測量這兩種條件之間的差別，如果靶a和b的介電常數不同，則可以使用SPR傳感器，或者如果靶a和b的重量不同，則可以使用石英振蕩傳感器。
圖5示出了使用SPR傳感器測量的例子。SPR傳感器包括用於與基底11的另一主表面(背表面)接觸的稜鏡12，從而從外部將單色光，例如雷射，引入稜鏡12中。在如圖5的左圖所示那樣靶a和b均已經耦合的情況下，當入射光以與臨界角相同的入射角進入基底11的該另一主表面時，發生SPR。在此情況下，由於θ1≠θ2(此處θ1＞θ2)，通過測量此差異，可容易地判別是靶a和b均已經與基底11的前一主表面耦合，還是只有靶b已經耦合。
如上所述，根據第一實施例，通過在適當位置以適當間隔設置結合位點A和B以用於與將要測量的靶a和b的選擇性耦合，並觀察靶a和b與結合位點A和B耦合的過程，可以獲得靶a和b的豐度隨時間變化的信息以及有關靶a和b的存在/缺失、分布等的信息。即，通過控制基底11的檢測表面的幾何結構，可以在傳感器內部處理有關靶a和b的幾何信息，並且可以獲得以必要形式處理的多種信息。
下面說明根據本發明第二實施例的傳感器。該傳感器適用於將要測量的靶a和b之間形狀和尺寸的差異不很大的情形。
在第二實施例中，假定測量兩種靶c和d，其具有如圖6所示的形狀。使靶c和d具有基本相同的尺寸d(c)和d(d)。在這種情況下，其尺寸沿垂直於d(c)和d(d)的方向也近似相同。
如圖7所示，與第一實施例類似，該傳感器具有能夠與靶c和d選擇性耦合的C和D兩種結合位點，其在基底11的一個主表面上在適當位置交替排列。然而，在第二實施例中，該傳感器在基底的一主表面上對應於結合位點C的位置處具有通過納米工藝形成為矩形橫截面的凹進處12。與第一實施例不同，結合位點C位於凹進處12底部，且結合位點D位於凹進處12的堤岸(bank)上。
下面說明具有上述構型的傳感器的使用方法。
首先傳感器放置在包括靶c和d的系統中。
在這種設置中，假定靶c首先以較高的豐度而存在，靶d的豐度隨後提高。在這種情況下，如圖7所示，多數靶c首先與基底11的結合位點C耦合。此後，在沒有位阻的情況下靶d也與結合位點D耦合。
下面假定相反的情況，其中靶d的豐度首先較高，靶c的豐度隨後提高。在這種情況下，如圖8所示，預先耦合的結合位點D與靶d形成位阻，隨後增多的靶c與結合位點C難於耦合。因此，通過測量這種差異，可以判別系統條件隨時間的變化，即，是否首先靶c為主，靶d隨後提高，或者是否首先靶d為主，靶c隨後提高。
其它方面，第二實施例與第一實施例相同，為了避免重複而省略其說明。
圖9顯示了靶c和d與結合位點C和D的示例。在此例中，靶c和d分別為x血清白蛋白和y抗生物素蛋白鏈菌素，結合位點C和D為XHS-Cys和Y二硫化物-生物素類似物。其具有如圖9所示的尺寸。例如，基底11為金基底，X和Y通過球基(thiol)與金基底結合。另外，如圖10所示，最近的結合位點C之間的距離和最近的結合位點D之間的距離約為10nm。圖11為與圖7相應的圖，x與X耦合，y與Y耦合。
即使將要測量的靶c和d的形狀和尺寸近似相同，第二實施例也確保具有與第一實施例同樣的優點。
圖12顯示使用根據第一實施例的傳感器以及根據第二實施例的傳感器來檢測活體分泌物的傳感方式。如圖12所示，分泌於活體13的分泌物14與傳感器15的檢測表面接觸。活體13可以為舌頭，唾液從唾液腺分泌出來。由於唾液中包括免疫球蛋白，免疫球蛋白能夠被檢測出來。
至此，已經說明了一些具體實施例。然而，本發明不局限於這些實施例，在不背離其技術原理的情況下，可以對本發明進行各種變化和改動。
例如，結合實施例所示的數值、結構、位置、形狀、材料等僅為舉例，根據需要其它合適的數值、結構、位置、形狀、材料等也可使用。
如上所述，本發明對於測量與靶耦合時檢測部分的性質變化十分有效，還能夠同時獲得包括有關靶的存在/缺失、分布等的信息的多種信息。
權利要求
1.一種用於測量與靶耦合時檢測部分的性質變化的傳感器裝置，其特徵在於通過使用該檢測部分的空間結構來獲得包括與該靶的存在/缺失、分布等有關的信息的多種信息。
2.根據權利要求1所述的傳感器裝置，其中該空間結構為該檢測部分的幾何結構。
3.根據權利要求1所述的傳感器裝置，其中該檢測部分包括多個結合位點。
4.根據權利要求1所述的傳感器裝置，其中該檢測部分包括允許多個靶選擇性地與之耦合的多個結合位點。
5.根據權利要求4所述的傳感器裝置，其中該結合位點與靶的尺寸相適應地設置，以檢測靶數量隨時間的變化。
6.根據權利要求1所述的傳感器裝置，其中通過測量與靶耦合時該檢測部分的物理性質或結構的變化來獲得所述信息。
7.根據權利要求1所述的傳感器裝置，其中通過測量與靶耦合時該檢測部分的介電常數的變化來獲得所述信息。
8.根據權利要求1所述的傳感器裝置，其中通過根據表面等離子體振子共振原理測量與靶耦合時該檢測部分的介電常數的變化來獲得所述信息。
9.根據權利要求1所述的傳感器裝置，其中通過測量與靶耦合時該檢測部分的重量變化來獲得所述信息。
10.根據權利要求1所述的傳感器裝置，其中通過使用振蕩電路和頻率檢測裝置測量與靶耦合時該檢測部分的重量變化來獲得所述信息。
11.根據權利要求3所述的傳感器裝置，其中靶和結合位點具有抗原與抗體組合的關係，且該抗原和抗體通過抗原/抗體反應耦合。
12.一種用於測量與靶耦合時檢測部分的性質變化的傳感方法，包括由該檢測部分的空間結構獲得包括與該靶的存在/缺失、分布等有關的信息的多種信息。
13.一種用於測量與生物物質耦合時檢測部分的性質變化的生物物質傳感器裝置，其特徵在於由該檢測部分的空間結構同時獲得包括與該生物物質的存在/缺失、分布等有關的信息的多種信息。
14.一種用於測量與生物物質耦合時檢測部分的性質變化的生物物質傳感方法，包括由該檢測部分的空間結構同時獲得包括與該生物物質的存在/缺失、分布等有關的信息的多種信息。
15.一種用於測量與分泌物耦合時檢測部分的性質變化的分泌物傳感器裝置，其特徵在於由該檢測部分的空間結構同時獲得包括與該分泌物的存在/缺失、分布等有關的信息的多種信息。
16.一種用於測量與分泌物耦合時檢測部分的性質變化的分泌物傳感方法，包括由該檢測部分的空間結構同時獲得包括與該分泌物的存在/缺失、分布等有關的信息的多種信息。
17.一種用於通過測量與隨著情感的變化從活體分泌的分泌物耦合時檢測部分的性質變化來測量情感變化的情感傳感器裝置，其特徵在於由該檢測部分的空間結構同時獲得包括與該分泌產物的存在/缺失、分布等有關的信息的多種信息。
18.一種用於通過測量與隨情感變化從活體分泌的分泌物耦合時檢測部分的性質變化來測量情感變化的情感傳感方法，包括由該檢測部分的空間結構同時獲得包括與該分泌產物的存在/缺失、分布等有關的信息的多種信息。
全文摘要
本發明公開了一種傳感器裝置、傳感方法及其應用。在能夠同時獲得包括靶的存在/缺失、分布等信息的多種信息的該傳感器裝置和該傳感方法中，在基於靶(a和b)耦合測量檢測部分(11)的性質變化的情況下，獲得靶(a和b)的數量隨時間變化的信息，以及從檢測部分(11)的幾何結構(如，分別與靶(a和b)選擇性耦合的結合位點(A和B)的位置和/或形狀)獲得靶(a和b)的存在/缺失、分布等的信息。
文檔編號G01N33/543GK1570639SQ20041006402
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月10日 優先權日2003年4月10日
發明者渡部佑已 申請人:索尼株式會社