(57)【要約】【課題】センサチップの薄板表面を気泡が覆うのを抑制し、測定精度を向上させること。【解決手段】この目的を達成するため本発明は、貫通孔７を有する実装板８と、貫通孔７の内部に挿入されたセンサチップ９とを備え、このセンサチップ９は、導通孔１２が設けられた薄板１０を有し、貫通孔７の内壁には、センサチップ９の端部に接する複数の突起部１３が形成され、これらの突起部１３は、それぞれの先端と、隣接する突起部１３の先端との間に隙間が空くように配置されたものとした。これにより本発明は、隙間の分だけ貫通孔７の断面積を大きくすることができる。そしてその結果、薄板１０の表面を気泡が覆うのを抑制し、測定精度を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔を有する実装板と、
前記貫通孔の内部に挿入されたセンサチップとを備え、
このセンサチップは、導通孔が設けられた薄板を有し、
前記貫通孔の内壁には、
前記センサチップの端部に接する複数の突起部が形成され、
これらの突起部は、それぞれの先端と、隣接する突起部の先端との間に隙間が空くように配置された細胞電気生理センサ。
【請求項２】
前記突起部は、先端が細くなる形状である請求項１に記載の細胞電気生理センサ。
【請求項３】
前記突起部は、それぞれの側面と、隣接する突起部の側面との成す角が鋭角である請求項１に記載の細胞電気生理センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、創薬スクリーニング等に利用できる細胞電気生理センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気生理学におけるパッチクランプ法は、細胞膜に存在するイオンチャンネルを測定する方法として知られており、この自動化システムとして、細胞電気生理ンセンサがある。
【０００３】
図８に示す従来の細胞電気生理センサは、貫通孔１を有する実装部２と、貫通孔１に挿入されたセンサチップ３を備え、このセンサチップ３は、導通孔４が設けられた薄板５を有している。また貫通孔１の内壁には、センサチップ３の上端に接する突起部６が形成され、この突起部６によりセンサチップ３の位置決めが高精度になる。
【０００４】
ここでこのセンサチップ３の上方および下方を電解液で満たし、さらに細胞を上方から注入し、吸引等すると、導通孔４の開口部に細胞を密着保持することができる。そしてこの状態で、細胞の上から薬剤を投与し、その後細胞の上下の電位差を電極で測定すれば、細胞の薬理反応を分析することができる。
【０００５】
なお、上記従来技術に関連する技術は、下記特許文献に開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１５６２３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の細胞電気生理センサでは、薄板５の表面を気泡が覆ってしまい、測定が出来なくなることがあった。
【０００７】
その理由は、突起部６が、貫通孔１の内周一帯に沿って形成された環状構造だからである。したがって、この突起部６が形成された領域では、貫通孔１の断面積が小さくなり、気泡が抜け難くなる。そしてその結果、薄板５の表面を気泡が覆ってしまうのである。
【０００８】
そこで本発明は、薄板５の表面を気泡が覆うのを抑制し、測定精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そしてこの目的を達成するため本発明は、貫通孔の内壁には、センサチップの端部に接する複数の突起部が形成され、これらの突起部は、それぞれの先端と、隣接する突起部の先端との間に隙間が空くように配置されたものとした。
【発明の効果】
【００１０】
これにより本発明は、薄板の表面を気泡が覆うのを抑制し、測定精度を向上させることができる。
【００１１】
その理由は、上述のように、突起部を複数個に分割して配置し、それぞれの先端間に隙間を設けたからである。したがって、隙間の分だけ貫通孔の断面積を大きくすることができる。
【００１２】
そしてその結果、薄板の表面を気泡が覆うのを抑制し、測定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（実施の形態１）
はじめに、本実施の形態における細胞電気生理センサの構造を説明する。
【００１４】
図１に示すように、本実施の形態における細胞電気生理センサは、アレイ状に形成された貫通孔７を有する実装板８と、貫通孔７の内部にそれぞれ挿入され、固定されたセンサチップ９とを備えている。このセンサチップ９は、図１、図２に示すように、貫通孔７の上方と下方とを仕切る円板状の薄板１０と、この薄板１０の外周を支持する円筒状の枠体１１とを有し、薄板１０には、その上下面を貫通する導通孔１２が形成されている。
【００１５】
なお本実施の形態では、薄板１０は、厚み１０μｍ〜１００μｍ、直径１０００μｍ、枠体１１は、高さ４００μｍ程度、外径は１０００μｍ、導通孔１２は開口径１μｍ〜３μｍφ（深さは薄板１０の厚みと同じ）とした。この導通孔１２の開口径は５μｍ以下が細胞を保持するために適している。
【００１６】
また図１に示すように、貫通孔７の内壁には、センサチップ９の上端部、すなわち枠体１１の上面に接する二つの突起部１３が形成されている。これらの突起部１３は、図３、図４に示すように、貫通孔７の水平断面の直径上に、対向して配置され、隣接する突起部１３間で隙間が空くように配置されている。特に本実施の形態では、突起部１３の先端が細くなっているので、それぞれの突起部１３の先端間は、隙間がより大きくなっている。また突起部１３は、射出成形が容易になるように、先端が丸みを帯びた形状に形成されている。なお本実施の形態では、図１に示すように、センサチップ９の下端部外縁に接着剤１４を塗布し、実装板８に固定している。
【００１７】
ここでこの貫通孔７の内部空間には、電解液や薬剤等が注入される。本実施の形態では、図３に示すように、貫通孔７の貫通方向に対して垂直な断面は、突起部１３よりも上側が四角形であり、容積をより大きくすることができ、気泡の発生を抑制するとともに、電解液等を多く充填することができる。また実装板８の上面における貫通孔７の開口部を四角形とすることにより、アレイ状に配置した場合にも、貫通孔７を連続して多数個配置できる。またプローブ形の電極等を挿入しやすくなる。
【００１８】
さらに本実施の形態では、貫通孔７の、突起部１３よりも下側は、断面が円形となっている。これにより薄板１０に平行な断面が円形のセンサチップ９を密着して保持できるとともに、センサチップ９への応力負荷を均等に分散することができ、微細で劈開しやすいセンサチップ９の損傷を抑制できる。なお本実施の形態では、貫通孔７の上方の容積を大きくするため、突起部１３の上側の断面積は、下側の断面積よりも大きくしている。
【００１９】
また本実施の形態では、図１に示すように、貫通孔７内に、上方からプローブ形の測定電極１５と細い管状のヘッド１６とが挿入されている。
【００２０】
測定電極１５は、センサチップ９上方に注入される電解液の電位、あるいは電流値や抵抗値を測定するものである。またヘッド１６は、センサチップ９上方に測定液（電解液）や細胞、薬剤等を注入するためのものである。
【００２１】
また本実施の形態では、実装板８の下面に参照電極１７を設けている。
【００２２】
さらに実装板８の下方には、流路１８が形成された流路板１９が接合され、この流路１８内には電解液が充填できる。前述の参照電極１７は、この電解液の電位（あるいは電流値や抵抗値）を測定できればよく、位置や形状は適宜変更可能である。例えばプローブ形の形状とし、センサチップ９の下方の空間に挿入されていてもよい。
【００２３】
次に本実施の形態における部材の説明をする。
【００２４】
センサチップ９はシリコン単結晶基板、あるいはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ)基板、ガラス基板、水晶基板等をエッチングすることにより形成できる。本実施の形態では、センサチップ９として二酸化シリコン層をシリコン層で挟みこんだＳＯＩ基板を用い、ドライエッチングにより微細な導通孔１２を形成した。なお、ＳＯＩ基板は、中間の二酸化シリコン層をエッチングストップ層として用いることができる。したがって、導通孔１２の深さや薄板１０の厚み、枠体１１の高さなど、設計通りに高精度に加工することができる。
【００２５】
また実装板８、流路板１９の材料は、例えば熱可塑性樹脂が挙げられ、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、オレフィンポリマー、ポリメタクリル酸メチルアセテート（ＰＭＭＡ）のいずれか、またはこれらの組み合わせが好ましい。
【００２６】
これらの材料からなる実装板８は、紫外線硬化型の接着剤１４を用いることによって、容易にセンサチップ９と接合できる。さらに好ましくは、これらの熱可塑性樹脂として、環状オレフィンポリマー、線状オレフィンポリマー、またはこれらが重合した環状オレフィンコポリマー、またはポリエチレン（ＰＥ）とすることが作業性、製造コストおよび材料の入手性の観点から好ましい。
【００２７】
特に、環状オレフィンコポリマーは透明性、アルカリ・酸などの無機系薬剤に対する耐性が強く、本発明の製造方法もしくは使用環境に適している。またこれらの材料は紫外線を透過させることができることから、紫外線硬化型の接着剤１４を用いる時に効果を発揮する。
【００２８】
また本実施の形態では、突起部１３は実装板８と一体成形されているため、突起部１３の材料は実装板８と同じである。突起部１３を、センサチップ９よりも弾性が小さい（軟らかい）材料で構成することによって、センサチップ９の損傷を抑制できる。
【００２９】
なお、本実施の形態のように、センサチップ９を実装板８に実装する方法は、実装板８自体に導通孔１２を直接形成した場合と比較して、コストも下がり、歩留まりも向上し、さらにリペア性を有する。
【００３０】
次に本実施の形態における細胞電気生理センサを用いた測定方法について説明する。
【００３１】
図１に示すように貫通孔７の上方からヘッド１６を挿入し、センサチップ９の上方に細胞外液（電解液）を注入する。
【００３２】
また流路１８の内部には、細胞内液（電解液）を注入する。
【００３３】
ここで細胞外液とは例えば哺乳類筋細胞の場合、代表的にはＫ+イオンが４ｍＭ程度、Ｎａ+イオンが１４５ｍＭ程度、Ｃｌ-イオンが１２３ｍＭ程度添加された電解液であって、細胞内液とは、Ｋ+イオンが１５５ｍＭ、Ｎａ+イオンが１２ｍＭ程度、Ｃｌ-イオンが４．２ｍＭ程度添加された電解液である。
【００３４】
そして次に、貫通孔７の上方から測定電極１５を挿入する。このように細胞外液と電気的に接続された測定電極１５と、細胞内液と電気的に接続された参照電極１７との間では、１００ｋΩ〜１０ＭΩ程度の導通抵抗値を観測することができる。これは導通孔１２を介して細胞内液あるいは細胞外液が浸透し、測定電極１５と参照電極１７間で電気回路が形成されるからである。
【００３５】
次に、センサチップ９上方からヘッド１６を介して細胞２０を投入する。
【００３６】
そして、その後流路１８内を減圧すると、図１、図２に示すように細胞２０は導通孔１２の開口部に引き付けられる。このように細胞２０が導通孔１２の開口部を塞ぐことによって、細胞外液と細胞内液との間の電気抵抗が１ＧΩ以上の十分に高い状態となる（ギガシールと呼ぶ）。このギガシール状態では、細胞２０の電気生理活動によって細胞内外の電位が変化すれば、わずかな電位差あるいは電流であっても高精度に測定できる。
【００３７】
次に図１の流路１８内の空間にナイスタチンなどの薬剤を注入するか、あるいは針によって導通孔１２を塞いでいる細胞膜に穴を開ける（ホールセルと呼ぶ）。
【００３８】
その後センサチップ９上方からヘッド１６を介して薬液を注入し、細胞２０を刺激する。この時、細胞を刺激する方法としては、本実施の形態のように薬液などの化学的刺激でもよく、その他電気信号などの物理的刺激でも良い。そしてこれらの化学的あるいは物理的刺激によって、細胞のイオンチャネルが反応した場合は、その反応を測定電極１５と参照電極１７間における電位差（あるいは電流値変化や抵抗値変化）によって検出することができる。
【００３９】
以下本実施の形態における効果を説明する。
【００４０】
本実施の形態では、前述のように、突起部１３を複数個に分割して配置し、それぞれの先端間に隙間を設けたことにより、薄板１０の表面を気泡が覆うのを抑制し、測定精度を向上させることができる。
【００４１】
すなわち、従来は、図８に示すように、突起部６が、貫通孔１の内周一帯に沿って形成された環状構造であった。したがって、この突起部６が形成された領域では、貫通孔１の断面積が小さくなり、気泡が発生しやすくなっていた。そしてその結果、薄板５の表面を気泡が覆ってしまうのであった。そして例えば薄板５の細胞保持面側を気泡が覆うと、細胞を導通孔４の開口部に密着保持させることができなくなる。また細胞保持面の反対側の面を気泡が覆うと、吸引がしにくくなり、細胞を導通孔４へと引き付けることが出来なくなる。そしていずれの場合も、測定が非常に困難となるのであった。
【００４２】
これに対し本実施の形態では、図３、図４に示すように、突起部１３間に隙間を設けたため、この隙間の分だけ貫通孔７の断面積を大きくすることができる。
【００４３】
そしてその結果、薄板１０の表面を気泡が覆うのを抑制し、測定精度を向上させることができる。
【００４４】
なお本実施の形態では、図１の導通孔１２に細胞２０を引き付ける際、流路１８側を減圧している。したがって、気泡が拡張され、薄板１０の表面を覆いやすい。したがって、本実施の形態のように、突起部１３の形状によって気泡の発生を抑制することは、測定の高精度化に有用である。
【００４５】
また本実施の形態では、図３、図４に示すように、突起部１３が貫通孔７の断面の直径上に配置されているため、センサチップ９が片寄るのを防止し、安定して保持することができ、位置決めが高精度になる。なお本実施の形態では、突起部１３を二つだけ形成したが、図５に示すように、それ以上設けても良く、放射状に配置すれば、安定してセンサチップ９を保持することが出来る。
【００４６】
さらに本実施の形態では、突起部１３は、先端が細くなる形状であるため、貫通孔７の内部の空間面積をより大きくすることができ、気泡の発生を効率よく抑制することができる。
【００４７】
（実施の形態２）
本実施の形態と実施の形態１との違いは、図６に示すように、複数の突起部１３が連なるように形成され、それぞれの突起部１３の側面と、隣接する突起部１３の側面との成す角θが鋭角となるように形成されている点である。これにより本実施の形態では、貫通孔７の内部における気泡の発生を低減し、薄板１０表面に気泡が覆うのを抑制し、より高精度に測定することができる。
【００４８】
その理由を以下に説明する。すなわち従来は、図８に示すように、突起部６の側面上において、貫通孔１の内部に充填される溶液に表面張力が働き、液滴が突起部６の内壁に行き渡りにくくなり、気泡が発生することがあった。
【００４９】
これに対し本実施の形態では、隣接する突起部１３の側面同士の成す角θは鋭角であるため、それぞれの側面に対して液滴に表面張力が働いても、隣接する突起部１３の側面における液滴同士は分子間力により合体しやすくなり、それぞれの突起部１３の側面の間の濡れ性が向上する。そして液滴は、気泡を逃がしながら突起部１３の表面全体に行き渡り、薄板１０の表面を濡らしながら貫通孔７内部に充填されるため、結果として貫通孔７の内部における気泡の発生を低減できるのである。
【００５０】
なお、センサチップ９は、実施の形態１と同様に、図１のように薄板１０が枠体１１よりも下方にくるように実装してもよく、図７に示すように、薄板１０の方を枠体１１よりも上方になるように、逆向きに配置してもよい。また本実施の形態ではセンサチップ９を貫通孔７の下端部に配置したが、上端部に配置してもよい。この場合は、突起部１３を、センサチップ９の下端に当接することによって、センサチップ９の位置決めを行うことができる。そしてチップの下方を気泡が覆うのを抑制することができ、高精度な測定に寄与する。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、例えば高精度かつ高速の薬品スクリーニングシステムにかかる細胞電気生理センサに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態１における細胞電気生理センサの断面図
【図２】本発明の実施の形態１におけるセンサチップの断面図
【図３】本発明の実施の形態１における貫通孔の斜視図（図１のＸ部）
【図４】本発明の実施の形態１における貫通孔の断面図
【図５】本発明の実施の形態１における別の例の貫通孔の断面図
【図６】本発明の実施の形態２における貫通孔の断面図
【図７】本発明の実施の形態２における別の例の細胞電気生理センサの断面図
【図８】従来の細胞電気生理センサの分解斜視図
【符号の説明】
【００５３】
７  貫通孔
８  実装板
９  センサチップ
１０  薄板
１１  枠体
１２  導通孔
１３  突起部
１４  接着剤
１５  測定電極
１６  ヘッド
１７  参照電極
１８  流路
１９  流路板
２０  細胞
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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