(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のＦＥＴセンサを備えた細胞測定装置において、溶液に浸した細胞を載置する測定部に前記細胞を収容する収容凹部が設けられており、前記第１のＦＥＴセンサと前記測定部が透明性材料で形成されていることを特徴とする細胞測定装置。
【請求項２】
前記収容凹部がすり鉢状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の細胞測定装置。
【請求項３】
前記測定部は、前記第１のＦＥＴセンサのゲート電極に電気的に接続され、前記第１のＦＥＴセンサとは別体に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の細胞測定装置。
【請求項４】
前記測定部は、電荷検出部が形成されていることを特徴とする請求項３記載の細胞測定装置。
【請求項５】
前記測定部に、透明性材料で形成され、圧電材料からなる質量検出部が設けられ、前記質量検出部は第２のＦＥＴセンサのゲート電極に電気的に接続されており、前記測定部に載置された細胞の質量を測定することを特徴とする請求項４記載の細胞測定装置。
【請求項６】
前記質量検出部は、片持ち梁形状に形成されていることを特徴とする請求項５記載の細胞測定装置。
【請求項７】
前記電荷検出部が前記質量検出部の周囲を囲むように形成されていることを特徴とする請求項５記載の細胞測定装置。
【請求項８】
前記測定部は、前記細胞を含む前記溶液を流通させる細胞流通路が形成されており、前記細胞流通路が前記収容凹部に連通されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の細胞測定装置。
【請求項９】
前記細胞を載置する前記測定部の表面に凹凸を形成したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の細胞測定装置。
【請求項１０】
前記測定部が水素イオンを検出することにより前記細胞を測定することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の細胞測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細胞測定装置に関し、特に電界効果トランジスタを用いた測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電界効果トランジスタを用いた細胞測定方法として、目的物質を特異的に認識する抗体のＶＨ領域を含むポリペプチド、目的物質を特異的に認識する抗体のＶＬ領域を含むポリペプチド、および目的物質からなる複合体を形成し、当該複合体を電界効果トランジスタセンサにより測定する測定方法が開示されている（例えば、特許文献１）。上記特許文献１によれば、抗原・抗体の複合体を二次抗体などを使用することなく、直接、電界効果トランジスタを用いて検出することができるので、簡便かつ迅速に測定することができる、という優れた効果を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１３３８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１によっても、効率的に測定することが困難である、という問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、効率的に細胞を測定することができる細胞測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の請求項１に係る発明は、第１のＦＥＴセンサを備えた細胞測定装置において、溶液に浸した細胞を載置する測定部に前記細胞を収容する収容凹部が設けられており、前記第１のＦＥＴセンサと前記測定部が透明性材料で形成されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明の請求項２に係る発明は、前記収容凹部がすり鉢状に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項８に係る発明は、前記測定部は、前記細胞を含む前記溶液を流通させる細胞流通路が形成されており、前記細胞流通路が前記収容凹部に連通されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項３に係る発明は、前記測定部は、前記第１のＦＥＴセンサのゲート電極に電気的に接続され、前記第１のＦＥＴセンサとは別体に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項４に係る発明は、前記測定部は、電荷検出部が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項５に係る発明は、前記測定部に、透明性材料で形成され、圧電材料からなる質量検出部が設けられ、前記質量検出部は第２のＦＥＴセンサのゲート電極に電気的に接続されており、前記測定部に載置された細胞の質量を測定することを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項６に係る発明は、前記質量検出部は、片持ち梁形状に形成されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項７に係る発明は、前記電荷検出部が前記質量検出部の周囲を囲むように形成されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項９に係る発明は、前記細胞を載置する前記測定部の表面に凹凸を形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、細胞を収容凹部に収容することにより当該細胞を容易に分離し、細胞毎に測定することができるので、各細胞の状態をより効率的に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態に係る細胞測定装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】第１実施形態の変形例に係る測定部の部分拡大断面図である。
【図３】第２実施形態に係る測定部の構成を示す部分拡大断面図である。
【図４】第２実施形態の変形例に係る測定部の構成を示す平面図である。
【図５】第３実施形態に係る測定部の構成を示す部分拡大断面図である。
【図６】第３実施形態の変形例に係る測定部の構成を示す平面図である。
【図７】第４実施形態に係る測定部の構成を示す部分拡大断面図である。
【図８】第５実施形態に係る細胞測定装置の全体構成を示す模式図である。
【図９】第５実施形態の変形例に係る測定部の構成を示す部分拡大断面図である。
【図１０】第５実施形態の別の変形例に係る測定部の構成を示す部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
１．第１実施形態
図1に示す細胞測定装置１Ａは、電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor, 以下「ＦＥＴ」という）２と、細胞を溶液に浸した溶液槽１０と、溶液に浸した状態の前記細胞を載置する測定部２０とを備え、細胞に生じる変化を測定部２０を通じてＦＥＴセンサ２で検出し得るように構成されている。
【００１９】
ＦＥＴセンサ２は、Ｓｉ基板３にソース４とドレイン５とが形成され、ドレイン電流がソース４からドレイン５へ流れるように構成されている。また、Ｓｉ基板３の表面には、ゲート絶縁膜６が設けられている。ソース５とドレイン６は直流回路１３に電気的に接続されている。直流回路１３には、直流電源１４および電流計１２が電気的に接続されている。ゲート絶縁膜６は、特に限定されるものではないが、本実施形態の場合、Ta2O5膜やSi3N4膜７とSiO2膜８とで構成されている。溶液槽１０に投入する参照電極１１には、ＫＣｌ飽和水溶液中に保持したＡｇ／ＡｇＣｌ電極を用いた。
【００２０】
本実施形態の場合、ＦＥＴセンサ２では、例えば、測定部２０の表面に正電荷を有する水素イオンが吸着すると、当該水素イオンの電荷とＳｉ基板３中の電子が薄い測定部２０を挟んで静電的に相互作用する。この結果、Ｓｉ基板３表面におけるチャネル部の電子密度が変化し、ドレイン電流が変化する。したがって、ＦＥＴセンサ２は、このドレイン電流の変化を電流計で測定することにより、測定部２０の表面の水素イオンの吸着を電気的に検出することができる。
【００２１】
このようにして細胞測定装置１Ａは、細胞としての受精卵の呼吸量評価、細胞の代謝機能など、生きた細胞の呼吸を、ｐＨ変化すなわち、水素イオンを検出することにより測定することができる。
【００２２】
本実施形態の場合、測定部２０はＦＥＴセンサ２のゲート絶縁膜６そのもので、ＦＥＴセンサ２と一体に構成されている。
【００２３】
また、細胞測定装置１Ａは、細胞を測定部２０に載置するだけで測定することができるので、対物レンズが試料の上方に配置される正立型顕微鏡で前記細胞を観察することができる。したがって、細胞測定装置１Ａは、細胞の外観を顕微鏡で観察しながら、同時に当該細胞の状態を電気的に測定することができるので、より効率的に測定することができる。
【００２４】
図2に示すように、この測定部２０Ａは、細胞１５が当接する表面に凹凸９を形成してもよい。凹凸９は細胞１５に比べ小さいことが好ましい。例えば、細胞１５が直径約１００μｍ程度である受精卵の場合、凹凸９は数ミクロン程度の大きさであることが好ましい。このように測定部２０Ａの表面に凹凸９を形成することにより、電荷を集める測定部２０Ａの表面積を大きくして感応速度を上げることができる。そうすると、測定部２０Ａは、細胞１５として例えば受精卵を適用した場合、当該受精卵から排出されるイオンをより確実に検出することができるので、前記受精卵の微少な状態の変化も効率的に測定することができる。
２．第２実施形態
本実施形態に係る測定部は、上記第１実施形態に対し、細胞１５を単体で収容し得る収容凹部が形成されている点のみが異なる。図1と同様の構成について同様の符号を付した図3を参照して説明する。細胞測定装置１Ｂは、測定部２０Ｂが、ゲート絶縁膜６上に収容凹部２１を有する構成となっている。
【００２５】
本実施形態の場合、収容凹部２１は、シリコンで構成され、上方が開口してなるすり鉢状に形成されている。この収容凹部２１の底面は、ゲート絶縁膜６の表面に連通している。
【００２６】
このように、本実施形態に係る測定部２０Ｂは、収容凹部２１を有することにより、球形の細胞１５、例えば、受精卵を容易に分離し、当該受精卵毎に状態を測定することができるので、各受精卵の状態をより効率的に測定することができる。
【００２７】
また、収容凹部２１は、すり鉢状に形成されていることにより、特に受精卵を所定位置に誘導してゲート絶縁膜６上に効率的に載置することができる。
【００２８】
図4は本実施形態の変形例に係る測定部２０Ｃを示す。当該測定部２０Ｃは、一つのチップ上に複数の収容凹部２１がアレイ状に配置されてなる。このように収容凹部２１をアレイ状に複数配置することにより、複数の細胞１５を並列的に測定することができ、全体として小型化、装置の簡素化を実現することができ、より効率を向上することができる。なお、この場合、各収容凹部２１毎にＦＥＴセンサ２（本図には図示しない）が設けられており、隣り合うＦＥＴセンサ２同士は電気的に互いに隔離されている。
３．第３実施形態
本実施形態に係る測定部は、第２実施形態に対しさらに細胞流通路が形成されている点のみが異なる。すなわち、図5に示す測定部２０Ｄは、ゲート絶縁膜６状に収容凹部２１が形成されていると共に、複数の細胞１５が入った溶液を流通させる細胞流通路２２が前記収容凹部２１上に形成されている。
【００２９】
本実施形態の場合、細胞流通路２２は、シリコンで構成され、前記収容凹部２１と連通部２３を介して連通されている。当該連通部２３は、前記収容凹部２１の上部に配置されている。
【００３０】
このように構成された細胞流通路２２において、入口２４から出口２５に向かって複数の細胞１５を含んだ溶液を流通させると、当該溶液中の細胞１５が収容凹部２１に誘導される。誘導された細胞１５は、収容凹部２１の側壁に沿って移動し、ゲート絶縁膜６上に載置される。
【００３１】
なお、すでに収容凹部２１内に細胞１５が収容されている場合は、収容凹部２１が細胞１５の単体を収容し得る大きさに形成されていることにより、細胞１５は当該収容凹部２１上を通過するので、確実に各収容凹部２１に１個ずつ細胞１５を収容することができる。したがって、測定部２０Ｄは、細胞の状態をより効率的に測定させ得る。
【００３２】
これにより、本実施形態に係る測定部２０Ｄは、細胞１５を含む溶液を細胞流通路２２内に流通させるだけで、確実に収容凹部２１に１個、細胞１５を収容することができる。
【００３３】
図6は本実施形態の変形例に係る測定部２０Ｅを示す。当該測定部２０Ｅは、一つのチップ上に複数の収容凹部２１がアレイ状に配置されてなり、当該収容凹部２１を連通するように細胞流通路２６が形成されてなる。なお、各収容凹部２１毎にＦＥＴセンサ２（本図には図示しない）が設けられており、隣り合うＦＥＴセンサ２同士は電気的に互いに隔離されている。
【００３４】
細胞流通路２６には、外表面に連通する入口２４と出口２５とがそれぞれ設けられている。なお、入口２４と出口２５の直下にも、収容凹部２１が形成されている。
【００３５】
この場合、細胞流通路２６において、入口２４から出口２５に向かって複数の細胞１５を含んだ溶液を流通させると、当該溶液中の細胞１５が空いている収容凹部２１に誘導され収容される。このように、複数の細胞１５を含んだ溶液を流通させる１回の操作で、複数の収容凹部２１に各１個ずつ細胞１５をより確実収容させることができるので、より効率を向上することができる。
【００３６】
また、本実施形態において、細胞流通路２２，２６の内表面に生体内環境に近い、あるいは生体適合性の高い無機・有機化合物、特に高分子材料をコーティングすることとしてもよい。
４．第４実施形態
本実施形態に係る測定部は、第１実施形態に対し、細胞１５の質量を測定し得るように構成されている点のみが異なる。すなわち、図7に示す測定部２０Ｆは、ゲート絶縁膜６上に質量検出部３０が形成された構成となっている。この場合、測定部２０Ｆは、細胞１５の質量の変化を質量検出部３０を通じて検出させ得るように構成されている。ここで、質量検出部３０は、例えば、圧電材料であるＺｎＯからなる薄膜を用いることができる。
【００３７】
このように構成された測定部２０Ｆにおいて、細胞１５が載置されると、当該細胞１５の質量により加えられた圧力に応じて質量検出部３０の表面に電荷が発生する。この結果、Ｓｉ基板３表面におけるチャネル部の電子密度が変化し、ドレイン電流が変化する。したがって、このドレイン電流の変化を電流計で測定することにより、細胞１５の質量を電気的に検出することができる。これにより、本実施形態に係る測定部２０Ｆは、細胞１５の質量を効率的に測定することができる。
５．第５実施形態
本実施形態に係る測定部は、第１実施形態に対し、ＦＥＴセンサとは別体に設けられている点が異なる。すなわち、図8に示す測定部２０Ｇは、ＦＥＴセンサ４０のゲート絶縁膜６上に形成されたゲート電極４１に電気的に接続されている。
【００３８】
この測定部２０Ｇは、透明性材料により構成され、基板４２と、当該基板４２の一側表面に形成された電荷検出部４３とを有する。基板４２は、例えば、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide)や、ＺｎＯなどで形成される。
【００３９】
電荷検出部４３は、細胞１５から放出されるイオンを効率的に検出する機能感応膜が好適に用いられる。細胞機能と、当該細胞機能に対応するイオンの関係を例示すると、下記のようになる。細胞機能として、アポトーシス(細胞死)は、カリウムイオンや、塩素イオンを検出することにより測定することができる。細胞機能として神経細胞や心筋細胞の拍動は、ナトリウムイオンを検出することにより測定することができる。細胞機能として骨細胞から放出されるリン酸カルシウムは、カルシウムイオンを検出することにより測定することができる。
【００４０】
機能感応膜は、細胞機能に特化した計測をする観点から種々選択することができる。例えば、カリウムイオンに対してはカリウムイオノフォア、塩素イオンに対しては塩化物イオンイオノフォア、ナトリウムイオンに対してはナトリウムイオンイオノフォア、カルシウムイオンに対してはカルシウムイオンイオノフォアなどを適用することができる。
【００４１】
また、電荷検出部４３の表面には、凹凸を形成してもよい。当該凹凸は、例えば、数ミクロン程度の大きさに形成されるのが好ましい。電荷検出部４３の表面に凹凸９を形成することにより、電荷を集める電荷検出部４３の表面積を大きくして感応速度を上げることができる。そうすると、電荷検出部４３は、細胞１５として例えば受精卵を適用した場合、当該受精卵の呼吸に基づくイオンや受精卵から排出されるイオンをより確実に検出することができるので、前記受精卵の微少な状態の変化も効率的に測定することができる。
【００４２】
凹凸は、例えば、電荷検出部４３を構成する材料を基板に塗布後、当該表面にビーズを敷き詰め、材料固化した後、ビーズを除去し、当該ビーズの形状を電荷検出部４３に転写することにより、形成することができる。
【００４３】
このように本実施形態に係る測定部２０Ｇは、ＦＥＴセンサ４０とは別体に設け、さらに透明性材料で構成したことにより、対物レンズが試料の下側に配置される倒立型顕微鏡で測定部に載置した細胞１５を観察することができる。したがって、細胞１５の外観を顕微鏡で観察しながら、同時に当該細胞１５の状態を電気的に測定することができるので、より効率的に測定することができる。また、対物レンズが試料の下側に配置される倒立型顕微鏡で観察することができるので、汎用性を向上することができる。
（変形例）
本実施形態では、測定部に電荷検出部を設けた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、質量検出部を設けることとしてもよい。この場合、図9に示すように、質量検出部５２は、片持ち梁状に形成してもよい。この場合、基板５３はガラスなどにより構成され、質量検出部５２がＦＥＴセンサ４０のゲート電極４１に電気的に接続される。
【００４４】
また、図10に示す測定部２０Ｊは、電荷検出部５４と質量検出部５５とが一体的に設けられている。本変形例の場合、細胞１５を載置し得る質量検出部５５が平面視で正方形状に設けられており、当該質量検出部５５の周囲を囲むように電荷検出部５４が形成されている。電荷検出部５４と質量検出部５５とは、それぞれ別個のＦＥＴセンサのゲート電極４１Ａ，４１Ｂに電気的に接続されている。
【００４５】
このように構成された測定部２０Ｊにおいて、質量検出部５５に細胞１５が載置されることにより、細胞１５の質量を検出し得る。同時に、質量検出部５５の周囲に設けられた電荷検出部５４により、当該細胞１５から放出されたイオンを検出し、前記細胞１５の状態を電気的に測定することができる。これにより、測定部２０Ｊは、単一の構成において、質量変化に基づく電荷と、イオンや分子固有の電荷とを同時に測定することができるので、細胞の複雑な機能をより効率的に測定することができる。
６．変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
【００４６】
例えば、第１実施形態では、正立型顕微鏡で観察し得る点について説明したが、ＦＥＴセンサそのものを透明性アモルファス酸化物半導体(インジウム-亜鉛-ガリウム酸化物など)などの透明性材料で形成することができれば、倒立型顕微鏡でも観察することができる。
【００４７】
また、第２、３、４実施形態では、測定部をＦＥＴセンサと一体に設けた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、第５実施形態と同様に、測定部をＦＥＴセンサのゲート電極に電気的に接続して設け、ＦＥＴセンサとは別体に設けることとしてもよい。この場合、測定部は、透明性材料で構成することが好ましい。
【００４８】
また、第５実施形態では、電荷検出部と質量検出部とを有する測定部をＦＥＴと別体とした場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ＦＥＴセンサと一体に設けることとしてもよい。
【００４９】
また、例えば、第５実施形態を第２、３、４実施形態に適用するなど、各実施形態は相互に適宜組み合わせて適用することとしてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１Ａ  細胞測定装置
１Ｂ  細胞測定装置
２  ＦＥＴセンサ
６  ゲート絶縁部
９  凹凸
１５  受精卵
２０  測定部
２０Ｂ  測定部
２０Ｃ  測定部
２０Ｄ  測定部
２０Ｅ  測定部
２０Ｆ  測定部
２０Ｇ  測定部
２０Ｈ  測定部
２０Ｊ  測定部
２１  収容凹部
２２  細胞流通路
２３  連通部
３０  質量検出部
４０  ＦＥＴセンサ
４１  ゲート電極
４３  電荷検出部
４４  凹凸
５２  質量検出部
５４  電荷検出部
５５  質量検出部
【図１】
0005517125.tif 000002
【図２】
0005517125.tif 000003
【図３】
0005517125.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005517125.tif 000008
【図８】
0005517125.tif 000009
【図９】
0005517125.tif 000010
【図１０】
0005517125.tif 000011