(57)【要約】【課題】測定の感度、再現性、定量性を向上させる。【解決手段】溶液中の生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極を複数備えてなる電気化学測定装置において、電極面２１ａは全てが８０μｍ以下の径寸法ｄｅｌを有して一平面２０ａに配列され、溶液槽には一平面２０ａに対する垂直方向距離ｈ１が、ｈ１＝２１．８（ｄｅｌ＋０．８）／（ｄｅｌ＋９．７）±５  ［μｍ］を満たす輪郭面をもち、輪郭面の一平面側の領域において生体サンプルの侵入を阻止し、溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサ１０が設けられ、互いに隣接する少なくとも２つの電極面２１ａの間には溶液中の溶質が透過することのできない壁板３１が設けられる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶液中の生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極を複数備えてなる電気化学測定装置であって、
前記電極面は全てが８０μｍ以下の径寸法ｄｅｌを有して一平面に配列され、
前記溶液と前記生体サンプルとを収容する溶液槽には、前記一平面に対する垂直方向距離ｈ１が、
ｈ１＝２１．８（ｄｅｌ＋０．８）／（ｄｅｌ＋９．７）±５  ［μｍ］
を満たす輪郭面をもち、前記輪郭面の前記一平面側の領域において前記生体サンプルの侵入を阻止し、前記溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサが設けられ、
互いに隣接する少なくとも２つの前記電極面の間には、当該２つの前記電極面の中心どうしを結ぶ線に交差して延伸され、前記一平面に対する前記スペーサの高さ以上の高さを有し、前記溶液中の溶質が透過することのできない壁板が設けられていることを特徴とする電気化学測定装置。
【請求項２】
溶液中の生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極を複数備えてなる電気化学測定装置であって、
前記電極面は全てが８０μｍ以下の径寸法ｄｅｌを有して一平面に配列され、
前記溶液と前記生体サンプルとを収容する溶液槽には、最も近い前記電極面の中心からの前記一平面に対する平行方向距離ｍに依存して、前記一平面に対する垂直方向距離ｈ２が、
ｈ２＝√{(１．０５ｄｅｌ＋６．８９)ｍ}−０．４８ｄｅｌ−２．３８±５  ［μｍ］
を満たす、すり鉢型の形状を描く輪郭面をもち、前記輪郭面の前記一平面側の領域において前記生体サンプルの侵入を阻止し、前記溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサが設けられ、
互いに隣接する少なくとも２つの前記電極面の間には、当該２つの前記電極面の中心どうしを結ぶ線に交差して延伸され、前記一平面に対する前記スペーサの最大高さ以上の高さを有し、前記溶液中の溶質が透過することのできない壁板が設けられていることを特徴とする電気化学測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の電気化学測定装置において、
前記電極面は、複数の前記電極面を第１の方向の一直線上に並べた電極列を、前記第１の方向と直交する第２の方向に複数並べた構成で配列され、
互いに隣接する前記電極列の間に、前記壁板が前記第１の方向に延伸されて設けられていることを特徴とする電気化学測定装置。
【請求項４】
請求項１乃至３記載のいずれかの電気化学測定装置において、
前記スペーサは前記一平面に対する垂直方向に延伸され、１００μｍ未満の間隔で林立する一群の柱状構造物よりなることを特徴とする電気化学測定装置。
【請求項５】
請求項１乃至３記載のいずれかの電気化学測定装置において、
前記スペーサは１００μｍ未満の孔径を有する多孔質構造体よりなることを特徴とする電気化学測定装置。
【請求項６】
溶液中の生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極を複数備えてなる電気化学測定装置であって、
前記電極面は全てが８０μｍ以下の径寸法ｄｅｌを有し、ｘ‐ｙ直交座標が定義される一平面に、少なくとも２つの前記電極面の中心のｘ座標が相互に異なるように配列され、
前記電極面が配列されている前記一平面上に、ｙ方向に延伸され、高さｈ３が、
ｈ３＝２１．８（ｄｅｌ＋０．８）／（ｄｅｌ＋９．７）±５  ［μｍ］
を満たす、前記溶液中の溶質が透過することのできない壁板がｘ方向に１００μｍ未満の間隔で配列されて複数設けられていることを特徴とする電気化学測定装置。
【請求項７】
請求項６記載の電気化学測定装置において、
１つの前記電極面につき、当該電極面の中心からのｘ方向距離が最も小さいものから順に２つの前記壁板のうちの少なくとも一方の前記壁板の前記高さｈ３が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において極小をなすようにｙ方向に沿って変化されていることを特徴とする電気化学測定装置。
【請求項８】
請求項６記載の電気化学測定装置において、
１つの前記電極面につき、当該電極面の両外側を通って延伸され、間に他の前記壁板を挟むことなく並行する２つの前記壁板の前記高さｈ３が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において極小をなすようにｙ方向に沿って変化されていることを特徴とする電気化学測定装置。
【請求項９】
請求項６記載の電気化学測定装置において、
１つの前記電極面につき、当該電極面の中心からのｘ方向距離が最も小さいものから順に２つの前記壁板のうちの少なくとも一方の前記壁板のｘ座標が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において当該電極面の中心からのｘ方向距離が極大をなすように、ｙ方向に沿って局所的に変化されていることを特徴とする電気化学測定装置。
【請求項１０】
請求項６記載の電気化学測定装置において、
１つの前記電極面につき、当該電極面の中心からのｘ方向距離が最も小さい１つの前記壁板である第１の壁板のｘ座標が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において当該電極面の中心からのｘ方向距離が極大をなすように、ｙ方向に沿って局所的に変化されるとともに、当該電極面の中心を挟んで前記第１の壁板と隣接するもう１つの前記壁板である第２の壁板のｘ座標が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において当該電極面の中心からのｘ方向距離が極大をなすように、ｙ方向に沿って局所的に変化されていることを特徴とする電気化学測定装置。
【請求項１１】
請求項６乃至１０記載のいずれかの電気化学測定装置において、
中心のｘ座標が相互に異なりつつそれらのｘ座標の中間のｘ座標を有する他の前記電極面が存在しない２つの前記電極面の組をｘ方向隣接電極面とするとき、少なくとも１組の前記ｘ方向隣接電極面の間には、その２つの前記電極面の中心どうしを結ぶ線分に幅の全部が交差してｙ方向に延伸され、前記壁板の高さよりも大きな高さを有する、前記溶液中の溶質が透過することのできない高背の壁板が更に設けられていることを特徴とする電気化学測定装置。
【請求項１２】
溶液中の生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極を複数備えてなる電気化学測定装置であって、
前記電極面は全てが８０μｍ以下の径寸法ｄｅｌを有し、ｘ‐ｙ直交座標が定義される一平面に、１つ以上の前記電極面をそのすべての中心のｘ座標を一致させてｙ方向に並べてなる電極列をｘ方向に複数列並べた構成で配列され、
前記電極面が配列されている前記一平面上に、ｙ方向に延伸され、ｘ方向において最も近い前記電極列に属する前記電極面の中心からのｘ方向の距離ｍに依存して高さｈ４が、
ｈ４＝√{(１．０５ｄｅｌ＋６．８９)ｍ}−０．４８ｄｅｌ−２．３８±５  ［μｍ］
を満たして徐々に変化し、前記溶液中の溶質が透過することのできない壁板がｘ方向に１００μｍ未満の間隔で配列されて複数設けられていることを特徴とする電気化学測定装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の電気化学測定装置において、
１つの前記電極面につき、当該電極面の中心からｘ方向の一方の向きに３００μｍの点または前記一方の向きにおいて隣接する前記電極列に属する前記電極面の中心のｘ座標までの１／２の距離の点のうちの相対的に遠くない方の点を第１の端点とし、当該電極面の中心からｘ方向の他方の向きに３００μｍの点または前記他方の向きにおいて隣接する前記電極列に属する前記電極面の中心のｘ座標までの１／２の距離の点のうちの相対的に遠くない方の点を第２の端点とするとき、前記第１の端点と前記第２の端点とを結ぶ線分に、その幅の全部または一部が交差して延伸されている前記壁板のうちの少なくとも１つの前記壁板の前記高さｈ４が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において極小をなすようにｙ方向に沿って変化されていることを特徴とする電気化学測定装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の電気化学測定装置において、
前記線分にその幅の全部が交差して延伸されているすべての前記壁板の前記高さｈ４が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において極小をなすようにｙ方向に沿って変化されていることを特徴とする電気化学測定装置。
【請求項１５】
請求項１２乃至１４記載のいずれかの電気化学測定装置において、
ｘ方向において互いに隣接する少なくとも１組の前記電極列の間には、その２つの前記電極列にそれぞれ属する前記電極面の中心のｘ座標どうしの中間のｘ座標においてｙ方向に延伸され、前記壁板の最大高さよりも大きな高さを有する、前記溶液中の溶質が透過することのできない高背の壁板が更に設けられていることを特徴とする電気化学測定装置。
【請求項１６】
溶液と前記溶液中に浸漬される生体サンプルとを収容することができる溶液槽がＬＳＩチップ上に搭載されてなり、前記溶液中の前記生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極が前記ＬＳＩチップに複数設けられているトランスデューサであって、
前記電極面は全てが８０μｍ以下の径寸法ｄｅｌを有して一平面に配列され、
前記溶液槽には、前記一平面に対する垂直方向距離ｈ１が、
ｈ１＝２１．８（ｄｅｌ＋０．８）／（ｄｅｌ＋９．７）±５  ［μｍ］
を満たす輪郭面をもち、前記輪郭面の前記一平面側の領域において前記生体サンプルの侵入を阻止し、前記溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサが設けられ、
互いに隣接する少なくとも２つの前記電極面の間には、当該２つの前記電極面の中心どうしを結ぶ線に交差して延伸され、前記一平面に対する前記スペーサの高さ以上の高さを有し、前記溶液中の溶質が透過することのできない壁板が設けられていることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項１７】
溶液と前記溶液中に浸漬される生体サンプルとを収容することができる溶液槽がＬＳＩチップ上に搭載されてなり、前記溶液中の前記生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極が前記ＬＳＩチップに複数設けられているトランスデューサであって、
前記電極面は全てが８０μｍ以下の径寸法ｄｅｌを有して一平面に配列され、
前記溶液槽には、最も近い前記電極面の中心からの前記一平面に対する平行方向距離ｍに依存して、前記一平面に対する垂直方向距離ｈ２が、
ｈ２＝√{(１．０５ｄｅｌ＋６．８９)ｍ}−０．４８ｄｅｌ−２．３８±５  ［μｍ］
を満たす、すり鉢型の形状を描く輪郭面をもち、前記輪郭面の前記一平面側の領域において前記生体サンプルの侵入を阻止し、前記溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサが設けられ、
互いに隣接する少なくとも２つの前記電極面の間には、当該２つの前記電極面の中心どうしを結ぶ線に交差して延伸され、前記一平面に対する前記スペーサの最大高さ以上の高さを有し、前記溶液中の溶質が透過することのできない壁板が設けられていることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項１８】
請求項１６又は１７記載のトランスデューサにおいて、
前記電極面は、複数の前記電極面を第１の方向の一直線上に並べた電極列を、前記第１の方向と直交する第２の方向に複数並べた構成で配列され、
互いに隣接する前記電極列の間に、前記壁板が前記第１の方向に延伸されて設けられていることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項１９】
請求項１６乃至１８記載のいずれかのトランスデューサにおいて、
前記スペーサは前記一平面に対する垂直方向に延伸され、１００μｍ未満の間隔で林立する一群の柱状構造物よりなることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項２０】
請求項１６乃至１８記載のいずれかのトランスデューサにおいて、
前記スペーサは１００μｍ未満の孔径を有する多孔質構造体よりなることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項２１】
溶液と前記溶液中に浸漬される生体サンプルとを収容することができる溶液槽がＬＳＩチップ上に搭載されてなり、前記溶液中の前記生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極が前記ＬＳＩチップに複数設けられているトランスデューサであって、
前記電極面は全てが８０μｍ以下の径寸法ｄｅｌを有し、ｘ‐ｙ直交座標が定義される一平面に、少なくとも２つの前記電極面の中心のｘ座標が相互に異なるように配列され、
前記電極面が配列されている前記一平面上に、ｙ方向に延伸され、高さｈ３が、
ｈ３＝２１．８（ｄｅｌ＋０．８）／（ｄｅｌ＋９．７）±５  ［μｍ］
を満たす、前記溶液中の溶質が透過することのできない壁板がｘ方向に１００μｍ未満の間隔で配列されて複数設けられていることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項２２】
請求項２１記載のトランスデューサにおいて、
１つの前記電極面につき、当該電極面の中心からのｘ方向距離が最も小さいものから順に２つの前記壁板のうちの少なくとも一方の前記壁板の前記高さｈ３が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において極小をなすようにｙ方向に沿って変化されていることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項２３】
請求項２１記載のトランスデューサにおいて、
１つの前記電極面につき、当該電極面の両外側を通って延伸され、間に他の前記壁板を挟むことなく並行する２つの前記壁板の前記高さｈ３が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において極小をなすようにｙ方向に沿って変化されていることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項２４】
請求項２１記載のトランスデューサにおいて、
１つの前記電極面につき、当該電極面の中心からのｘ方向距離が最も小さいものから順に２つの前記壁板のうち少なくとも一方の前記壁板のｘ座標が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において当該電極面の中心からのｘ方向距離が極大をなすように、ｙ方向に沿って局所的に変化されていることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項２５】
請求項２１記載のトランスデューサにおいて、
１つの前記電極面につき、当該電極面の中心からのｘ方向距離が最も小さい１つの前記壁板である第１の壁板のｘ座標が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において当該電極面の中心からのｘ方向距離が極大をなすように、ｙ方向に沿って局所的に変化されるとともに、当該電極面の中心を挟んで前記第１の壁板と隣接するもう１つの前記壁板である第２の壁板のｘ座標が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において当該電極面の中心からのｘ方向距離が極大をなすように、ｙ方向に沿って局所的に変化されていることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項２６】
請求項２１乃至２５記載のいずれかのトランスデューサにおいて、
中心のｘ座標が相互に異なりつつそれらのｘ座標の中間のｘ座標を有する他の前記電極面が存在しない２つの前記電極面の組をｘ方向隣接電極面とするとき、少なくとも１組の前記ｘ方向隣接電極面の間には、その２つの前記電極面の中心どうしを結ぶ線分に幅の全部が交差してｙ方向に延伸され、前記壁板の高さよりも大きな高さを有する、前記溶液中の溶質が透過することのできない高背の壁板が更に設けられていることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項２７】
溶液と前記溶液中に浸漬される生体サンプルとを収容することができる溶液槽がＬＳＩチップ上に搭載されてなり、前記溶液中の前記生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極が前記ＬＳＩチップに複数設けられているトランスデューサであって、
前記電極面は全てが８０μｍ以下の径寸法ｄｅｌを有し、ｘ‐ｙ直交座標が定義される一平面に、１つ以上の前記電極面をそのすべての中心のｘ座標を一致させてｙ方向に並べてなる電極列をｘ方向に複数列並べた構成で配列され、
前記電極面が配列されている前記一平面上に、ｙ方向に延伸され、ｘ方向において最も近い前記電極列に属する前記電極面の中心からのｘ方向の距離ｍに依存して高さｈ４が、
ｈ４＝√{(１．０５ｄｅｌ＋６．８９)ｍ}−０．４８ｄｅｌ−２．３８±５  ［μｍ］
を満たして徐々に変化し、前記溶液中の溶質が透過することのできない壁板がｘ方向に１００μｍ未満の間隔で配列されて複数設けられていることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項２８】
請求項２７記載のトランスデューサにおいて、
１つの前記電極面につき、当該電極面の中心からｘ方向の一方の向きに３００μｍの点または前記一方の向きにおいて隣接する前記電極列に属する前記電極面の中心のｘ座標までの１／２の距離の点のうちの相対的に遠くない方の点を第１の端点とし、当該電極面の中心からｘ方向の他方の向きに３００μｍの点または前記他方の向きにおいて隣接する前記電極列に属する前記電極面の中心のｘ座標までの１／２の距離の点のうちの相対的に遠くない方の点を第２の端点とするとき、前記第１の端点と前記第２の端点とを結ぶ線分に、その幅の全部または一部が交差して延伸されている前記壁板のうちの少なくとも１つの前記壁板の前記高さｈ４が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において極小をなすようにｙ方向に沿って変化されていることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項２９】
請求項２８記載のトランスデューサにおいて、
前記線分にその幅の全部が交差して延伸されているすべての前記壁板の前記高さｈ４が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において極小をなすようにｙ方向に沿って変化されていることを特徴とするトランスデューサ。
【請求項３０】
請求項２７乃至２９記載のいずれかのトランスデューサにおいて、
ｘ方向において互いに隣接する少なくとも１組の前記電極列の間には、その２つの前記電極列にそれぞれ属する前記電極面の中心のｘ座標どうしの中間のｘ座標においてｙ方向に延伸され、前記壁板の最大高さよりも大きな高さを有する、前記溶液中の溶質が透過することのできない高背の壁板が更に設けられていることを特徴とするトランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、細胞や細胞塊、組織片その他の生体サンプル及び生体関連物質を含む非生体サンプル（以下、本願では一括して単に「生体サンプル」という。）で生成または消費される化学物質を電気化学的に測定するために用いる電気化学測定装置及びトランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
細胞で生成または消費される化学物質を定量的に評価する技術の構築は、基礎生化学の発展のみならず、がん検診等で用いられる細胞診断、再生医療や免疫細胞治療等に用いられる移植用細胞の品質評価、薬効評価や毒性評価における動物実験の代替として利用するなど、医療やライフサイエンス領域の発展に大きく貢献する。
【０００３】
しかしながら、細胞の生理活性は、温度、ｐＨ、培地組成、隣接する細胞、細胞外マトリクス等の細胞を取り巻く環境によって変化するばかりか、遺伝子導入、薬物曝露、応力付与等の外部刺激や細胞分裂、細胞死等の細胞イベントに応じて経時的にも変化する。
【０００４】
このため、実際に生体内で働く細胞の真の性質を評価するためには、サンプルである細胞を生きたまま（細胞生理活性を保ったまま）生体内と可能な限り近い環境に設置し、さらにその細胞で生成または消費される化学物質を外部刺激や細胞イベントに対してリアルタイムで測定することが重要となる。
【０００５】
サンプルである細胞を生体内に近い環境に設置する手法の一つとして、サンプルに単一細胞ではなく、複数の細胞と細胞外マトリクス（extracellular matrix：ＥＣＭ）成分の凝集体である細胞塊（スフェロイド）を選ぶことが広く行われている。
【０００６】
これは、細胞が示す種々の生理活性の中には接触する隣接細胞やＥＣＭとの相互作用を経るものが多いことから、それらの凝集体である細胞塊の方が生体内の環境をより忠実に再現すると考えられるためである。
【０００７】
このような細胞塊として、例えば膵臓より採取される膵島細胞、受精卵、細胞培養によって得られた肝細胞や神経細胞のスフェロイド、ＥＳ（embryonic stem）細胞の胚様体等を挙げることができる。
【０００８】
これら細胞塊の直径は、構成細胞の種類、生体内における採取部位、培養条件等によって異なるが、細胞活性の評価に用いられる場合は１００〜６００μｍ程度の直径のものが使用されることが多い。これは、直径１００μｍ以下の小さな細胞塊では、構成細胞数が少なすぎるために細胞塊特有の生理活性が現われにくく、また直径６００μｍ以上の大きな細胞塊では、細胞塊中心部の細胞にまで酸素が拡散されなくなり、細胞が壊死しやすくなってしまうからである。
【０００９】
細胞で生成または消費される化学物質をリアルタイムで測定する手法として、電気化学的手法が用いられる。この電気化学的手法では、サンプルと同一溶液内に設置され、サンプルの様々な電気化学的シグナルを検出するための電極（作用極）を必要とする。ここで、この作用極の電位制御あるいは電流制御の違いにより、様々な検出法が存在する。細胞等の代謝活性に関わる測定においては、その比較性の高さ、解析の簡易さから、クロノアンペロメトリー法やサイクリックボルタンメトリー法に代表される電位規制電解法（定電位電解法）が使用されてきた。この電位規制電解法では、作用極の電位を時間の関数として制御し、この時、作用極に生じる電流値を検出する。
【００１０】
一般的な細胞塊で生成または消費される化学物質の電気化学的な測定においては、細胞塊の物質代謝に伴い、細胞塊内あるいは細胞塊表面にて酸化還元活性を有する化学物質が生成または消費されるような反応系が組まれており、これが作用極上で酸化あるいは還元されて電流を生じるようになっている。
【００１１】
細胞の物質代謝に伴い、酸化還元活性を有する化学物質が生成または消費されるような反応系には、注目する代謝系により様々な系が設計され得るが、なかでも極微量な代謝物質を高感度に検出することを目的とした場合、酵素反応を利用した系が好んで用いられている。
【００１２】
例えば、マウスＥＳ細胞より作製される細胞塊である胚様体では、分化状態に応じて細胞表面に存在する酵素であるアルカリホスファターゼ（ＡＬＰ）の量が増減する。
【００１３】
そこで、胚様体の分化状態を評価する目的で、しばしばＡＬＰ生成量の電気化学的評価が行われている（非特許文献１）。この評価系では、胚様体を基質であるｐ−アミノフェニルホスフェート（ＰＡＰＰ）が溶解する溶液中に置くことで、ＡＬＰ酵素活性によりＰＡＰＰの脱リン酸反応を進行させ、結果として酸化還元活性を有するｐ−アミノフェノール（ＰＡＰ）を生成させている。
【００１４】
溶液中におけるＰＡＰＰ濃度が十分に高ければ、たとえ細胞が生成するＡＬＰ量が極微量であったとしても、その酵素活性により酸化還元活性を有する化学物質であるＰＡＰの量を時間とともに積算することが可能であるため、結果としてＡＬＰ存在量を高感度に検出することが可能となる。
【００１５】
一方、このような電気化学的な測定を単一のサンプルに対して行う場合、通常、作用極には基板上に形成された、あるいはプローブ状に加工された単一の電極が用いられるが、複数のサンプルに対して行う場合には複数の作用極が用いられる。
【００１６】
例えば、創薬の現場においては、互いに構造が異なる複数の化学物質の中から、ある種の細胞に対して期待する作用を及ぼすことのできる化学物質、即ち薬の候補となりうる化学物質を探索するために、複数の細胞をそれぞれ異なる化学物質に曝露し、その生理活性の変化を網羅的に評価するといった、薬剤スクリーニングと呼ばれる手法が用いられている。
【００１７】
この薬剤スクリーニングにおける細胞評価は様々な分析手法によって行われ得るが、電気化学的手法によって行う場合には、同一基板上に形成した複数の作用極を用い、これによって各作用極近傍に配置された複数の細胞を同時に評価するといった手法がとられている。
【００１８】
このような多点における同時電気化学測定は、各細胞の評価をそれぞれ別個に行った場合と比較し、評価に要する時間を大幅に短縮することができる。また、基板修飾や細胞の前処理、及び測定液組成、ｐＨ、温度等の測定条件の調整は、通常、基板単位で行われるため、複数の電極とサンプルを一つの基板上に集積して、これらの前処理、測定条件調整を一括して行えば、使用する薬品の節約、廃液の削減等が行えるのみならず、各サンプルの測定条件をより正確に一致させることが可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】Ｍ．Ｓｅｎ，ｅｔ  ａｌ．，“Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”  ２０１３年，４８巻，ｐ．１２−１８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
ところで、細胞で生成または消費される酸化還元活性を有する化学物質は、外部からの特別な水力学的な作用を与えない限り、拡散作用により細胞を中心として溶液中に放射状に広がっていき、その一部が作用極まで到達して酸化もしくは還元を受ける。このため、この時生じる電流量は、化学物質の生成または消費量及び化学物質の作用極までの拡散距離に大きく影響を受けることになる。
【００２１】
しかしながら、基板上に作用極が形成されている場合、作用極にサンプルを近接させると、サンプルと基板との間隔が狭いことにより、溶液中に溶解されている基質のサンプルへの供給が阻害されるため、酵素反応によりサンプルより生成される化学物質の量は、サンプルが基板と遠く離れて溶液中に浮遊している場合と比較して低下してしまう。また、サンプルと作用極の間の空間の体積が微小であるため、生成された化学物質の多くはこの空間内に滞留することができずに遠方へと散逸してしまう。散逸した化学物質は作用極までの距離が長くなるため、結果として作用極まで到達する量が減少し、感度が低下してしまう（問題点１）。
【００２２】
さらに、サンプル表面の凹凸の影響や、サンプル形状が必ずしも球形でないことから、作用極とサンプルの間の垂直方向距離の制御精度には限界がある。この垂直方向距離は一般的には、測定をするたびに少なくとも数μｍ程度は変動し得るため、これによって化学物質の拡散距離が一定ではなくなり、測定の比較性、再現性が低下してしまう（問題点２）。
【００２３】
また、薬剤スクリーニング等において、基板上の複数の作用極によって複数のサンプルを同時に評価しようとした場合、作用極に流れる電流値は、最近傍のサンプルの化学物質生成量または消費量の影響を最も強く受けるものの、遠方の他のサンプルの化学物質生成量または消費量の影響も、少なからず受けてしまう。各サンプルの化学物質生成量または消費量を正確に検出するためには、作用極に流れる電流値は単一サンプルの物質代謝のみを反映するという状態が最も好ましいため、遠方サンプルの影響を減じるべく、サンプルの間隔とそれを評価するための作用極の間隔は広く確保されることになる。しかしながら、作用極の間隔を広くすると、作用極が形成される基板の面積も大きくなるため、基板コストの上昇を招き、例えば基板がＬＳＩチップの上面にＬＳＩチップの一部として半導体製造技術によって製造される場合には、ＬＳＩチップの大型化、高価格化を招く（問題点３）。
【００２４】
非特許文献１では、基板上の複数の作用極により化学物質の量を測定しており、上述したような問題点１，２，３を有するものとなっている。
【００２５】
一方、基板上の作用極ではなく、プローブ状の作用極（プローブ電極）を用いる場合もある。一般に、プローブ電極の先端はサンプルに比べ、非常に微細なため、プローブ電極さらにはその支持体による溶液中の溶質のサンプルへの供給阻害は、基板上の電極の場合と比べて小さい。このため、上述した問題点１は大きな問題とならない。また、一般にプローブ電極のサンプルに対する位置は、マニピュレータによってμｍオーダで精細に制御される。このため、上述した問題点２も問題とならない。
【００２６】
しかしながら、プローブ電極の位置制御には、マニピュレータ、プローブ先端位置を観測するための顕微鏡システム等、高価な設備が必要である。また、プローブ電極は、経験に乏しい使用者によりしばしば破損されることもある。
【００２７】
さらに、複数サンプルの評価を行う場合、マニピュレータによるプローブの移動には相当の時間を要するため、測定の迅速性及びサンプル間における測定条件の同一性は大きく損なわれてしまう。
【００２８】
この発明の目的はこのような状況に鑑み、作用極としてプローブ電極を用いるのではなく、例えば基板上に形成されて溶液中に固定配置された複数の作用極を用いる電気化学測定において、従来より感度、比較性及び再現性を向上させることができるようにし、さらに例えば複数サンプルの同時評価において遠方サンプルの影響を減じることができるようにした電気化学測定装置及び電気化学測定に用いるトランスデューサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
請求項１の発明によれば、溶液中の生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極を複数備えてなる電気化学測定装置において、電極面は全てが８０μｍ以下の径寸法ｄｅｌを有して一平面に配列され、溶液と生体サンプルとを収容する溶液槽には、前記一平面に対する垂直方向距離ｈ１が、
ｈ１＝２１．８（ｄｅｌ＋０．８）／（ｄｅｌ＋９．７）±５  ［μｍ］
を満たす輪郭面をもち、輪郭面の前記一平面側の領域において生体サンプルの侵入を阻止し、溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサが設けられ、互いに隣接する少なくとも２つの電極面の間には、当該２つの電極面の中心どうしを結ぶ線に交差して延伸され、前記一平面に対するスペーサの高さ以上の高さを有し、溶液中の溶質が透過することのできない壁板が設けられる。
【００３０】
請求項２の発明によれば、溶液中の生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極を複数備えてなる電気化学測定装置において、電極面は全てが８０μｍ以下の径寸法ｄｅｌを有して一平面に配列され、溶液と生体サンプルとを収容する溶液槽には、最も近い電極面の中心からの前記一平面に対する平行方向距離ｍに依存して、前記一平面に対する垂直方向距離ｈ２が、
ｈ２＝√{(１．０５ｄｅｌ＋６．８９)ｍ}−０．４８ｄｅｌ−２．３８±５  ［μｍ］
を満たす、すり鉢型の形状を描く輪郭面をもち、輪郭面の前記一平面側の領域において生体サンプルの侵入を阻止し、溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサが設けられ、互いに隣接する少なくとも２つの電極面の間には、当該２つの電極面の中心どうしを結ぶ線に交差して延伸され、前記一平面に対する前記スペーサの最大高さ以上の高さを有し、溶液中の溶質が透過することのできない壁板が設けられる。
【００３１】
請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、電極面は、複数の電極面を第１の方向の一直線上に並べた電極列を、第１の方向と直交する第２の方向に複数並べた構成で配列され、互いに隣接する電極列の間に、壁板が第１の方向に延伸されて設けられているものとされる。
【００３２】
請求項４の発明では請求項１乃至３のいずれかの発明において、スペーサは前記一平面に対する垂直方向に延伸され、１００μｍ未満の間隔で林立する一群の柱状構造物よりなるものとされる。
【００３３】
請求項５の発明では請求項１乃至３のいずれかの発明において、スペーサは１００μｍ未満の孔径を有する多孔質構造体よりなるものとされる。
【００３４】
請求項６の発明によれば、溶液中の生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極を複数備えてなる電気化学測定装置において、電極面は全てが８０μｍ以下の径寸法ｄｅｌを有し、ｘ‐ｙ直交座標が定義される一平面に、少なくとも２つの電極面の中心のｘ座標が相互に異なるように配列され、電極面が配列されている前記一平面上に、ｙ方向に延伸され、高さｈ３が、
ｈ３＝２１．８（ｄｅｌ＋０．８）／（ｄｅｌ＋９．７）±５  ［μｍ］
を満たす、溶液中の溶質が透過することのできない壁板がｘ方向に１００μｍ未満の間隔で配列されて複数設けられる。
【００３５】
請求項７の発明では請求項６の発明において、１つの電極面につき、当該電極面の中心からのｘ方向距離が最も小さいものから順に２つの壁板のうちの少なくとも一方の壁板の高さｈ３が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において極小をなすようにｙ方向に沿って変化されているものとされる。
【００３６】
請求項８の発明では請求項６の発明において、１つの電極面につき、当該電極面の両外側を通って延伸され、間に他の壁板を挟むことなく並行する２つの壁板の高さｈ３が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において極小をなすようにｙ方向に沿って変化されているものとされる。
【００３７】
請求項９の発明では請求項６の発明において、１つの電極面につき、当該電極面の中心からのｘ方向距離が最も小さいものから順に２つの壁板のうちの少なくとも一方の壁板のｘ座標が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において当該電極面の中心からのｘ方向距離が極大をなすように、ｙ方向に沿って局所的に変化されているものとされる。
【００３８】
請求項１０の発明では請求項６の発明において、１つの電極面につき、当該電極面の中心からｘ方向距離が最も小さい１つの壁板である第１の壁板のｘ座標が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において当該電極面の中心からのｘ方向距離が極大をなすように、ｙ方向に沿って局所的に変化されるとともに、当該電極面の中心を挟んで第１の壁板と隣接するもう１つの壁板である第２の壁板のｘ座標が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において当該電極面の中心からのｘ方向距離が極大をなすように、ｙ方向に沿って局所的に変化されているものとされる。
【００３９】
請求項１１の発明では請求項６乃至１０のいずれかの発明において、中心のｘ座標が相互に異なりつつそれらのｘ座標の中間のｘ座標を有する他の電極面が存在しない２つの電極面の組をｘ方向隣接電極面とするとき、少なくとも１組のｘ方向隣接電極面の間には、その２つの電極面の中心どうしを結ぶ線分に幅の全部が交差してｙ方向に延伸され、壁板の高さよりも大きな高さを有する、溶液中の溶質が透過することのできない高背の壁板が更に設けられているものとされる。
【００４０】
請求項１２の発明によれば、溶液中の生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極を複数備えてなる電気化学測定装置において、電極面は全てが８０μｍ以下の径寸法ｄｅｌを有し、ｘ‐ｙ直交座標が定義される一平面に、１つ以上の電極面をそのすべての中心のｘ座標を一致させてｙ方向に並べてなる電極列をｘ方向に複数列並べた構成で配列され、電極面が配列されている前記一平面上に、ｙ方向に延伸され、ｘ方向において最も近い電極列に属する電極面の中心からのｘ方向の距離ｍに依存して高さｈ４が、
ｈ４＝√{(１．０５ｄｅｌ＋６．８９)ｍ}−０．４８ｄｅｌ−２．３８±５  ［μｍ］
を満たして徐々に変化し、溶液中の溶質が透過することのできない壁板がｘ方向に１００μｍ未満の間隔で配列されて複数設けられている。
【００４１】
請求項１３の発明では請求項１２の発明において、１つの電極面につき、当該電極面の中心からｘ方向の一方の向きに３００μｍの点または前記一方の向きにおいて隣接する電極列に属する電極面の中心のｘ座標までの１／２の距離の点のうちの相対的に遠くない方の点を第１の端点とし、当該電極面の中心からｘ方向の他方の向きに３００μｍの点または前記他方の向きにおいて隣接する電極列に属する電極面の中心のｘ座標までの１／２の距離の点のうちの相対的に遠くない方の点を第２の端点とするとき、第１の端点と第２の端点とを結ぶ線分に、その幅の全部または一部が交差して延伸されている壁板のうちの少なくとも１つの壁板の高さｈ４が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において極小をなすようにｙ方向に沿って変化されているものとされる。
【００４２】
請求項１４の発明では請求項１３の発明において、前記線分にその幅の全部が交差して延伸されているすべての壁板の高さｈ４が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において極小をなすようにｙ方向に沿って変化されているものとされる。
【００４３】
請求項１５の発明では請求項１２乃至１４のいずれかの発明において、ｘ方向において互いに隣接する少なくとも１組の電極列の間には、その２つの電極列にそれぞれ属する電極面の中心のｘ座標どうしの中間のｘ座標においてｙ方向に延伸され、前記壁板の最大高さよりも大きな高さを有する、溶液中の溶質が透過することのできない高背の壁板が更に設けられているものとされる。
【００４４】
請求項１６の発明によれば、溶液と溶液中に浸漬される生体サンプルとを収容することができる溶液槽がＬＳＩチップ上に搭載されてなり、溶液中の生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極が前記ＬＳＩチップに複数設けられているトランスデューサｓにおいて、電極面は全てが８０μｍ以下の径寸法ｄｅｌを有して一平面に配列され、溶液槽には、前記一平面に対する垂直方向距離ｈ１が、
ｈ１＝２１．８（ｄｅｌ＋０．８）／（ｄｅｌ＋９．７）±５  ［μｍ］
を満たす輪郭面をもち、輪郭面の前記一平面側の領域において生体サンプルの侵入を阻止し、溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサが設けられ、互いに隣接する少なくとも２つの電極面の間には、当該２つの電極面の中心どうしを結ぶ線に交差して延伸され、前記一平面に対するスペーサの高さ以上の高さを有し、溶液中の溶質が透過することのできない壁板が設けられる。
【００４５】
請求項１７の発明によれば、溶液と溶液中に浸漬される生体サンプルとを収容することができる溶液槽がＬＳＩチップ上に搭載されてなり、溶液中の生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極が前記ＬＳＩチップに複数設けられているトランスデューサにおいて、電極面は全てが８０μｍ以下の径寸法ｄｅｌを有して一平面に配列され、溶液槽には、最も近い電極面の中心からの前記一平面に対する平行方向距離ｍに依存して、前記一平面に対する垂直方向距離ｈ２が、
ｈ２＝√{(１．０５ｄｅｌ＋６．８９)ｍ}−０．４８ｄｅｌ−２．３８±５  ［μｍ］
を満たす、すり鉢型の形状を描く輪郭面をもち、輪郭面の前記一平面側の領域において生体サンプルの侵入を阻止し、溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサが設けられ、互いに隣接する少なくとも２つの電極面の間には、当該２つの電極面の中心どうしを結ぶ線に交差して延伸され、前記一平面に対する前記スペーサの最大高さ以上の高さを有し、溶液中の溶質が透過することのできない壁板が設けられる。
【００４６】
請求項１８の発明では請求項１６又は１７の発明において、電極面は、複数の電極面を第１の方向の一直線上に並べた電極列を、第１の方向と直交する第２の方向に複数並べた構成で配列され、互いに隣接する電極列の間に壁板が第１の方向に延伸されて設けられているものとされる。
【００４７】
請求項１９の発明では請求項１６乃至１８のいずれかの発明において、スペーサは前記一平面に対する垂直方向に延伸され、１００μｍ未満の間隔で林立する一群の柱状構造物よりなるものとされる。
【００４８】
請求項２０の発明では請求項１６乃至１８のいずれかの発明において、スペーサは１００μｍ未満の孔径を有する多孔質構造体よりなるものとされる。
【００４９】
請求項２１の発明によれば、溶液と溶液中に浸漬される生体サンプルとを収容することができる溶液槽がＬＳＩチップ上に搭載されてなり、溶液中の生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極が前記ＬＳＩチップに複数設けられているトランスデューサにおいて、電極面は全てが８０μｍ以下の径寸法ｄｅｌを有し、ｘ‐ｙ直交座標が定義される一平面に、少なくとも２つの電極面の中心のｘ座標が相互に異なるように配列され、電極面が配列されている前記一平面上に、ｙ方向に延伸され、高さｈ３が、
ｈ３＝２１．８（ｄｅｌ＋０．８）／（ｄｅｌ＋９．７）±５  ［μｍ］
を満たす、溶液中の溶質が透過することのできない壁板がｘ方向に１００μｍ未満の間隔で配列されて複数設けられる。
【００５０】
請求項２２の発明では請求項２１の発明において、１つの電極面につき、当該電極面の中心からのｘ方向距離が最も小さいものから順に２つの壁板のうちの少なくとも一方の壁板の高さｈ３が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において極小をなすようにｙ方向に沿って変化されているものとされる。
【００５１】
請求項２３の発明では請求項２１の発明において、１つの電極面につき、当該電極面の両外側を通って延伸され、間に他の壁板を挟むことなく並行する２つの壁板の高さｈ３が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において極小をなすようにｙ方向に沿って変化されているものとされる。
【００５２】
請求項２４の発明では請求項２１の発明において、１つの電極面につき、当該電極面の中心からのｘ方向距離が最も小さいものから順に２つの壁板のうち少なくとも一方の壁板のｘ座標が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において当該電極面の中心からのｘ方向距離が極大をなすように、ｙ方向に沿って局所的に変化されているものとされる。
【００５３】
請求項２５の発明では請求項２１の発明において、１つの電極面につき、当該電極面の中心からのｘ方向距離が最も小さい１つの壁板である第１の壁板のｘ座標が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において当該電極面の中心からのｘ方向距離が極大をなすように、ｙ方向に沿って局所的に変化されるとともに、当該電極面の中心を挟んで第１の壁板と隣接するもう１つの壁板である第２の壁板のｘ座標が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において当該電極面の中心からのｘ方向距離が極大をなすように、ｙ方向に沿って局所的に変化されているものとされる。
【００５４】
請求項２６の発明では請求項２１乃至２５のいずれかの発明において、中心のｘ座標が相互に異なりつつそれらのｘ座標の中間のｘ座標を有する他の電極面が存在しない２つの電極面の組をｘ方向隣接電極面とするとき、少なくとも１組のｘ方向隣接電極面の間には、その２つの電極面の中心どうしを結ぶ線分に幅の全部が交差してｙ方向に延伸され、壁板の高さよりも大きな高さを有する、溶液中の溶質が透過することのできない高背の壁板が更に設けられているものとされる。
【００５５】
請求項２７の発明によれば、溶液と溶液中に浸漬される生体サンプルとを収容することができる溶液槽がＬＳＩチップ上に搭載されてなり、溶液中の生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極が前記ＬＳＩチップに複数設けられているトランスデューサにおいて、電極面は全てが８０μｍ以下の径寸法ｄｅｌを有し、ｘ‐ｙ直交座標が定義される一平面に、１つ以上の電極面をそのすべての中心のｘ座標を一致させてｙ方向に並べてなる電極列をｘ方向に複数列並べた構成で配列され、電極面が配列されている前記一平面上に、ｙ方向に延伸され、ｘ方向において最も近い電極列に属する電極面の中心からのｘ方向の距離ｍに依存して高さｈ４が、
ｈ４＝√{(１．０５ｄｅｌ＋６．８９)ｍ}−０．４８ｄｅｌ−２．３８±５  ［μｍ］
を満たして徐々に変化し、溶液中の溶質が透過することのできない壁板がｘ方向に１００μｍ未満の間隔で配列されて複数設けられる。
【００５６】
請求項２８の発明では請求項２７の発明において、１つの電極面につき、当該電極面の中心からｘ方向の一方の向きに３００μｍの点または一方の向きにおいて隣接する電極列に属する電極面の中心のｘ座標までの１／２の距離の点のうちの相対的に遠くない方の点を第１の端点とし、当該電極面の中心からｘ方向の他方の向きに３００μｍの点または前記他方の向きにおいて隣接する電極列に属する電極面の中心のｘ座標までの１／２の距離の点のうちの相対的に遠くない方の点を第２の端点とするとき、第１の端点と第２の端点とを結ぶ線分に、その幅の全部または一部が交差して延伸されている壁板のうちの少なくとも１つの壁板の高さｈ４が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において極小をなすようにｙ方向に沿って変化されているものとされる。
【００５７】
請求項２９の発明では請求項２８の発明において、前記線分にその幅の全部が交差して延伸されているすべての壁板の高さｈ４が、当該電極面の中心のｙ座標と等しいｙ座標において極小をなすようにｙ方向に沿って変化されているものとされる。
【００５８】
請求項３０の発明では請求項２７乃至２９のいずれかの発明において、ｘ方向において互いに隣接する少なくとも１組の電極列の間には、その２つの電極列にそれぞれ属する電極面の中心のｘ座標どうしの中間のｘ座標においてｙ方向に延伸され、壁板の最大高さよりも大きな高さを有する、溶液中の溶質が透過することのできない高背の壁板が更に設けられているものとされる。
【発明の効果】
【００５９】
この発明によれば、生体サンプルを、作用極の電極面が配列されている一平面から一平面に対する垂直方向に所定距離、離間させるものとなっており、これにより溶液中の溶質が拡散できるスペースが確保され、生体サンプルへの溶質の供給が十分に行われるものとなっている。
【００６０】
よって、作用極の電極面に生体サンプルを近接させて測定を行っていた従来の電気化学測定に比し、この発明によれば、生体サンプルで生成または消費されて作用極で検出される化学物質の量を増大させることができるため、その分、測定感度の向上を図ることができる。
【００６１】
加えて、生体サンプルを作用極の電極面から所定距離、離間させることにより、生体サンプルを作用極の電極面に近接させていた従来の電気化学測定に比し、生体サンプルの形状や表面状態等に基因する作用極と生体サンプル間の垂直方向距離の変動に伴う化学物質の拡散距離の変動の影響を低減することができ、その点で測定の比較性及び再現性を向上させることができる。
【００６２】
さらに、この発明によれば、隣接する作用極の電極面の間に溶液中の溶質が透過することのできない壁板が設けられ、検出対象の化学物質の溶液中での拡散による作用極間でのセンシングのクロストークを低減することができるものとなっている。
【００６３】
これにより、例えば薬剤スクリーニング等にて複数の作用極により複数のサンプルを評価する場合において、各作用極における電流値が遠方サンプルの影響を受けることを防止することができ、よってサンプル評価の定量性を向上させることができる。また、作用極の間隔を狭くすることができるため、基板の低コスト化を図ることができ、上述のような電気化学測定を良好に実行できて、かつコストの抑えられた電気化学測定装置及びトランスデューサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】電極とサンプル間の距離ｚと電流値Ｉの関係を示すグラフ。
【図２】サンプル直径ｄｓｐと効果的な電極とサンプル間の距離ｚの範囲の関係を示すグラフ。
【図３】電極直径ｄｅｌと効果的な電極とサンプル間の距離ｚの範囲の関係を示すグラフ。
【図４】電極とサンプル間の距離ｚと電流値Ｉ、反応速度Ｖｍａｘとの関係を示すグラフ。
【図５】電極とサンプル間の距離ｚと電流値Ｉ、拡散係数Ｄとの関係を示すグラフ。
【図６】この発明による電気化学測定装置の第１の実施形態の要部構成を説明するための模式図。
【図７】この発明による電気化学測定装置の第２の実施形態の要部構成を説明するための模式図。
【図８】この発明による電気化学測定装置の第３の実施形態の要部構成を説明するための模式図。
【図９】この発明による電気化学測定装置の第４の実施形態の要部構成を説明するための模式図。
【図１０】この発明による電気化学測定装置の第５の実施形態の要部構成を説明するための模式図。
【図１１】この発明による電気化学測定装置の第６の実施形態の要部構成を説明するための模式図。
【図１２】この発明による電気化学測定装置の第７の実施形態の要部構成を説明するための模式図。
【図１３】アレイ状に配列された電極（作用極）に対する壁板の配置例を説明するための図。
【図１４】Ａはこの発明によるトランスデューサの一実施例を示す平面図、Ｂはその断面図。
【図１５】図１４に示したトランスデューサの斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
電気化学測定において、サンプルにて生じる化学反応に関わる溶液中の溶質の拡散過程と基板上の電極に流れる電流との関係を詳しく解析したところ、電極直径とサンプル直径とによって決定されるある特定の距離だけ、サンプルを電極より電極面に対して垂直方向に離して配置し、サンプル下に溶質が自由に拡散するための経路を形成させることにより、サンプルが電極の直上に近接している時と比較して電流量が増大し、測定の感度が向上することを発見した。
【００６６】
また、サンプルを電極より電極面に対して垂直方向に離して配置することにより、サンプルの電極に対する位置制御の精度の低さに基因する電流値のバラつきが、サンプルが電極の直上に近接している時のバラつきと比較して減少し、測定の比較性、及び再現性が向上することを発見した。
【００６７】
以下、まず、最初にこのような発見に至ったシミュレーションの結果を説明する。
【００６８】
シミュレーションにはシミュレーションソフトCOMSOL Multiphysicsを用いた。モデルサンプルとして、マウスＥＳ細胞より形成される胚様体を選んだ。また、サンプルより生成される化学物質として、サンプル表面に存在するＡＬＰ酵素反応により生じるＰＡＰを選んだ。サンプルより生成された化学物質は電極（作用極）まで拡散した後、電極上にて酸化反応を生じ、電流値として検出されるものとした。その他の条件は以下のとおりとした。
【００６９】
＜酵素反応＞
サンプル表面では、溶液中の溶質であるＰＡＰＰを基質としたＡＬＰ酵素反応が進行し、ＰＡＰが生成される。その反応速度（生成速度）ｖは、下記に示すミカエリス・メンテンの式（１）に従うものとした。
【００７０】
【数１】
2018059823.tif 000003
【００７１】
ここで、ＡＳＰはサンプルの表面積、Ｖｍａｘは基質濃度が無限大の時の、サンプルの単位表面積あたりの反応速度、ＫｍはＡＬＰ酵素反応のミカエリス定数、［Ｓ］は基質濃度である。Ｖｍａｘ、Ｋｍの値はそれぞれ２．６５×１０−７ｍｏｌ／（ｓ・ｍ２）、１．７×１０−３ｍｏｌ／Ｌとした。また、［Ｓ］の初期値は５．０×１０−３ｍｏｌ／Ｌとした。
【００７２】
＜電極反応＞
電極上では、サンプルより生成されたＰＡＰの二電子酸化反応が進行するとした。電極電位は、反応が完全な拡散律速となるほど十分高いと仮定した。この時の電流値Ｉは下記の式（２）、式（３）に従うとした。
【００７３】
【数２】
2018059823.tif 000004
【００７４】
ここで、ｉ（ｘ，ｙ）、ｃ（ｘ，ｙ）は電極表面上の任意の点（ｘ，ｙ）における電流密度及び検出対象の化学物質濃度、Ａｅｌは電極面積、ｎは反応に関わる電子数、Ｆはファラデー定数、Ｄは溶液中における検出対象の化学物質の拡散係数である。ｎ、Ｆ、Ｄはそれぞれ２、９．６４×１０４Ｃ／ｍｏｌ、６．４７×１０−１０ｍ２／ｓとした。また、測定結果には電極反応開始から２００秒後における電流値Ｉを示した。
【００７５】
＜その他＞
サンプル形状：直径ｄｓｐ＝２００μｍ球状 
電極（電極面）形状：直径ｄｅｌ＝２０μｍ円状
電極位置：電極面中心座標とサンプル中心座標（ｘ，ｙ）の水平距離が０となるように設定
電極面とサンプルの下端との距離ｚ：０〜８０μｍとした。
【００７６】
サンプルより生成される化学物質の酸化反応による電流値Ｉが、電極とサンプル下端との距離ｚによってどのように変化するかを調べた。図１に、電流値Ｉと距離ｚの関係を表したシミュレーション結果を示す。
【００７７】
結果より、電流値Ｉはｚ＝１６μｍにピークを有する山型の曲線を描くことが分かる。これより、サンプルをピーク電流値が得られる最適距離に設置すれば、測定の感度を距離ｚ＝０μｍの時と比較して大幅に向上させることができることが判明した。この様なｚの傾向は、電極直径ｄｅｌ及びサンプル直径ｄｓｐを変化させても同様であった。
【００７８】
さらに、ｚが上述の最適距離の近傍であれば、ｚが上下に変動した場合の電流値Ｉの変動は、ｚ＝０μｍの時と比べて大幅に小さくなることが分かる。細胞、細胞塊、組織片等をサンプルとした場合、サンプル表面の凹凸の影響や、サンプル形状が必ずしも球形でないことから、ｚを数μｍの精度で制御することは困難である。しかしながら、上述のようにｚを最適距離近傍に設定すれば、ｚの制御性の低さに基因する電流値Ｉのバラつきを低減することができ、結果として測定の相対的な定量性及び再現性を向上させることができる。
【００７９】
この相対的な定量性及び再現性向上の効果は、ｚが最適距離に近いほど高くなるが、とりわけ、電流値がピーク電流値の９０％以上となるｚの範囲において顕著である。このため、ｚをこの範囲内の値に設定すれば、感度の向上並びに相対的定量性と再現性の向上に関し、高い効果が得られることが分かる。
【００８０】
ここで、種々行ったシミュレーション結果により、上述の効果的なｚの範囲は、測定条件、特に電極直径とサンプル直径によって大きく変化することが分かっている。このため、特定の直径を有するサンプルを評価するには、適切な直径を有する電極及び適切なｚを提供する必要がある。
【００８１】
しかしながら、サンプルが細胞、細胞塊、組織片等の生体サンプルである場合、その直径は構成する細胞の種類、状態により大きく異なる。さらには、同一検体の同一箇所から
採取された場合であっても、あるいは同一の培養条件によって得られた場合であっても、サンプル間の直径には数μｍ〜数百μｍのバラつきがある。このようなサンプルの直径を測定前に全て調べ、それぞれに適切な電極直径、ｚを設定することは、コストの面から現実的でない。また、異なる電極直径、ｚにより得られた測定結果同士は、互いに定量的に比較することが著しく困難となってしまう。
【００８２】
これらの問題を解決するためには、直径が常識的な範囲内において様々であるサンプル全てに対して、本発明の高い効果を提供することが可能な電極直径及びｚの範囲を求め、これによって同一構成の電気化学測定装置により種々のサンプルを測定することが有効である。
【００８３】
そこで、本発明では、生体内における生理活性をより正確に再現するといわれている細胞塊サンプルに対し、その直径が一般的によく用いられる１００〜６００μｍの範囲で変化したとしても、依然として高い感度、相対的定量性、及び再現性向上の効果が得られる電極直径及びｚの範囲を求めた。以下に、その手順を説明する。
【００８４】
初めに、電極直径ｄｅｌが２０μｍの時、サンプル直径ｄｓｐによって効果的なｚの範囲の下限値ｚｍｉｎ及び上限値ｚｍａｘがどのように変化するかを調べた。図２にそのシミュレーション結果を示す。ｄｅｌが２０μｍである時、各ｄｓｐに対し、ｚが図２に示すｚｍｉｎ以上ｚｍａｘ以下であれば、電流値Ｉがピーク電流値の９０％以上となる効果を提供できる。（ｚｏｐｔがピーク電流値を作るｚの最適距離である。）さらに、ｄｓｐが１００μｍのときのｚｍａｘをｚｍａｘ＊、ｄｓｐが６００μｍのときのｚｍｉｎをｚｍｉｎ＊とすると、ｄｓｐが１００〜６００μｍの間のいかなる値であったとしても、ｚがｚｍｉｎ＊、ｚｍａｘ＊を下限値、上限値とする図２中に斜線で示した範囲内であれば、やはり電流値Ｉがピーク電流値の９０％以上となる効果を提供できる。
【００８５】
次に、ｄｅｌによってこのｚｍｉｎ＊及びｚｍａｘ＊がどのように変化するかを調べた。図３にそのシミュレーション結果を示す。ｄｅｌが０〜８０μｍの範囲内におけるいかなる値であっても、ｚが図３に示すｚｍｉｎ＊以上ｚｍａｘ＊以下の範囲内であれば、ｄｓｐ＝１００〜６００μｍのサンプルに対し、本発明の高い効果を提供できる。非線形最小二乗法を用いたフィッティング操作により、この範囲はｄｅｌの関数としておおよそ次の式（４）によって表される。
ｚ＝２１．８（ｄｅｌ＋０．８）／（ｄｅｌ＋９．７）±５  ［μｍ］  …（４）
このため、ｚは式（４）で表される範囲に設定すればよい。但し、ｚ＞０とする。
【００８６】
なお、図３からわかるように、上述の式（４）は電極直径ｄｅｌが約８０μｍ以上の時には使えない。しかしながら、細胞等の微小なサンプルを対象とした電気化学測定では、ｄｅｌ＝５０μｍ以下の電極を使用するのが一般的である。これは、電流値のＳ／Ｎ比（検出対象の化学物質の酸化還元反応によって生じるファラデー電流と、非検出対象である電解質によって生じる充電電流の比）が、ｄｅｌ＝５０μｍ以下の電極において有意に増大するからである。よって、上述の式（４）は電極直径ｄｅｌが約８０μｍ以上の時には使えないものの、特に問題はない。
【００８７】
電極直径ｄｅｌ、サンプル直径ｄｓｐの他に、サンプルによる化学物質の生成速度ｖ、化学物質の拡散係数Ｄによっても、効果的なｚの範囲は変化し得るが、その影響は限定的である。
【００８８】
基質濃度［Ｓ］が十分に高い場合、ｖは基質濃度無限大における反応速度Ｖｍａｘによってほぼ決定されることが式（１）よりわかる。そこで、効果的なｚの範囲がＶｍａｘによってどのように変化するかを調べた。図４に、様々なＶｍａｘ、ｚにおける電流値Ｉのシミュレーション結果を示す。ここで、グラフの縦軸は、Ｖｍａｘによって規格化されたIとした。図４より、Ｖｍａｘが変化しても、Ｖｍａｘによって規格化されたＩとｚの関係性はほとんど変化がなく、従って効果的なｚの範囲もほぼ変化しないことがわかる。
【００８９】
同様に、効果的なｚの範囲がＤによってどのように変化するかを調べた。図５に、様々なＤ、ｚにおけるＩのシミュレーション結果を示す。ＰＡＰ、鉄錯体、ルテニウム錯体、過酸化水素等、医療、ライフサイエンス分野で使用される一般的な検出対象の化学物質のＤの値は、概ね１〜２０×１０−１０ｍ２／ｓの範囲にあるが、図５より、Ｄがこの範囲において変化しても、Ｉとｚの関係性はほとんど変化がなく、従って効果的なｚの範囲もほぼ変化しないことが分かる。
【００９０】
これらの結果より、直径１００〜６００μｍのサンプルに対し、本発明の高い効果を提供するために満たすべきｚとｄｅｌの関係性を示した式（４）は、様々なｖ、Ｄを有する測定系に関しても同様に有用であることが分かる。
【００９１】
以上説明したシミュレーション結果に基づき、この発明では溶液中の、１００μｍ以上６００μｍ以下の径寸法（直径）を有する生体サンプルで生成または消費される化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極を複数備えてなる電気化学測定装置において、電極面は全てが８０μｍ以下の径寸法（直径）を有して一平面に配列されているものとし、前記一平面に対する垂直方向距離ｈ１が式（４）に示したｚの範囲を満たす輪郭面をもち、輪郭面の前記一平面側の領域において生体サンプルの侵入を阻止し、溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサを溶液中に設置する。さらに、互いに隣接する少なくとも２つの電極面の間には、クロストークを低減すべく、溶液中の溶質が透過することのできない壁板を設ける。生体サンプルはスペーサの輪郭面沿いに位置される。
【００９２】
図６はスペーサ１０を一群の柱状構造物１１で構成し、隣接する２つの作用極２１の電極面２１ａの間に壁板３１を設けた例を示したものである。均一な高さを有する柱状構造物１１は作用極２１の電極面２１ａが配列された基板２０の一平面２０ａ上に、一平面２０ａに対する垂直方向に延伸され、１００μｍ未満の間隔で林立されている。図６Ｂ中、破線は垂直方向距離ｈ１の輪郭面を示す。
【００９３】
壁板３１は２つの電極面２１ａの中心どうしを結ぶ線に交差して延伸され、この例ではｘ方向に配列された２つの電極面２１ａの配列方向と直交するｙ方向に延伸されて形成されている。壁板３１は柱状構造物１１の高さ以上の高さを有するものとされる。即ち、壁板３１の高さは、前述の式（４）で表されるｚの範囲を越えるものであってよい。図６Ｂ中、４０は生体サンプルを示す。
【００９４】
顕微鏡下におけるピペッティング操作あるいはガイドを使用するなどし、作用極２１と生体サンプル４０との水平距離（電極面２１ａに対する平行方向距離）が０となるように、生体サンプル４０を作用極２１の上方に設置すれば、他に何ら特別な操作を行わなくても、作用極２１と生体サンプル４０の下端との垂直距離ｚを、前述の式（４）の範囲に制御することができる。これにより、生体サンプル４０と作用極２１の間に、溶液中の溶質が供給されるための拡散経路が形成されるため、結果として生体サンプル４０より生成される検出対象の化学物質の量が増加する。さらに、生体サンプル４０と作用極２１の間の空間体積が増加するため、生成された化学物質のうち、この空間内に滞留する量が増加する。これら２つの作用は、作用極２１に到達する化学物質の量の増加に寄与する。
【００９５】
一方で、スペーサ１０により生体サンプル４０と作用極２１の間における拡散行程が長くなるため、作用極２１に到達せず、遠方に散逸してしまう化学物質の量は増加していると考えられる。しかしながら、スペーサ１０により距離ｈ１は適切な範囲に制御されているため、前述２つの作用が優勢となり、結果として作用極２１に到達する化学物質の量が増加すると考えられる。
【００９６】
以上、一平面内において、スペーサの高さが均一な例について説明したが、スペーサの高さは電極面が位置する一平面上の全領域で均一である必要はなく、低い領域と高い領域があったり、あるいは高さが段階的に変化する様な領域があったりしてもよい。
【００９７】
例えば、電極面の中心に最も近い位置に位置するスペーサの高さが最も低く、電極面の中心より外周方向へ離れるに従い、徐々に高くなるような、すり鉢型構造としてもよい。このようなスペーサを備えた作用極上に、細胞等、溶液より比重の高い生体サンプルをピペット等にて展開すれば、何ら特別な機構を使用することなく、生体サンプルを自重によりスペーサが最も低い位置、すなわち電極面の中心へと落とし込むことが可能である。これにより、電極面に対する生体サンプルの位置関係について、垂直方向の距離のみならず、水平方向の距離をも制御することができる。
【００９８】
さらに、この時、電極面が位置する一平面上のある地点から電極面の中心までの水平距離（一平面に対する平行方向距離）ｍと、その地点におけるスペーサの高さの関係を適切に設定すれば、サンプル直径ｄｓｐが１００〜６００μｍの範囲におけるいかなる値であったとしても、ｚが上述のシミュレーションで求めた効果的なｚの範囲となるように制御することも可能である。
【００９９】
図７はこのようなすり鉢型構造のスペーサ５０を具備する構成を例示したものであり、図７ではすり鉢型構造のスペーサ５０は高さが順次変わる一群の柱状構造物５１によって構成されている。柱状構造物５１は作用極２１の電極面２１ａが配列された基板２０の一平面２０ａ上に、一平面２０ａに対する垂直方向に延伸され、１００μｍ未満の間隔で林立されている。
【０１００】
図７Ｂには直径ｄｓｐが大小２つの値の生体サンプル４０を例示しているが、この値を上記の１００〜６００μｍの範囲で適宜に数点選び、それらの各ｄｓｐに対応する式（４）のｚの中央値の高さに各生体サンプルを配置した場合の全生体サンプルの外形に外接する曲線、すなわち図７Ｂ中に破線で示したようなｈ２をフィッティングすると、おおよそ次の式（５）の中央値のとおりとなる。
ｈ２＝√{(１．０５ｄｅｌ＋６．８９)ｍ}−０．４８ｄｅｌ−２．３８±５  ［μｍ］
…（５）
【０１０１】
即ち、最も近い作用極２１の電極面２１ａの中心からの一平面２０ａに対する平行方向距離ｍに依存して、一平面２０aに対する垂直方向距離ｈ２が、（５）式を満たす、すり鉢型の形状を描く輪郭面をもち、輪郭面の一平面２０ａ側の領域において生体サンプルの侵入を阻止し、溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサ５０を溶液中に設置し、生体サンプルを、スペーサ５０の輪郭面沿いに電極面２１ａの中心の直上に位置させた状態で電気化学測定を実行できるようにしてもよい。
【０１０２】
生体サンプル４０を設置する際、何ら特別な操作を行わなくても、生体サンプル４０を自重により、すり鉢型のスペーサ５０の凹部へ落とし込むことができる。この時、作用極２１と生体サンプル４０との一平面２０ａに対する平行方向距離ｍは０となる。なお、サンプル直径ｄｓｐによって生体サンプル４０とスペーサ５０が接する位置は変化するため、作用極２１と生体サンプル４０の下端との距離ｚはｄｓｐによって変化することになる。
【０１０３】
この図７に示した構成も図６に示した構成と同様、生体サンプル４０と作用極２１の間に、溶液中の溶質が供給されるための拡散経路が形成されるため、生体サンプル４０より生成される検出対象の化学物質の量が増加する。さらに、生体サンプル４０と作用極２１の間の空間体積が増加するため、生成された化学物質のうち、この空間内に滞留する量が増加する。これら２つの作用は、作用極２１に到達する化学物質の量の増加に寄与する。
【０１０４】
一方で、スペーサ５０により生体サンプル４０と作用極２１の間における拡散行程が長くなるため、作用極２１に到達せず、遠方に散逸してしまう化学物質の量は増加していると考えられる。しかしながら、すり鉢型のスペーサ５０により距離ｈ２が適切な範囲に制御されているため、前述２つの作用が優勢となり、結果として作用極２１に到達する化学物質の量が増加すると考えられる。なお、壁板３１は図６と同様に配置されて形成されており、柱状構造物５１の最大高さ以上の高さを有するものとされる。即ち、壁板３１は、一平面２０ａ上の壁板３１に属する点において、その点に最も近い電極面２１ａの中心からの距離をｍとした場合の前述の式（５）で表されるｈ２の範囲を越える高さを有する部位があってよい。
【０１０５】
スペーサは上記においては、一群の柱状構造物よりなるものとしているが、これに限らず、例えば１００μｍ未満の孔径の無数の孔を有する多孔質状構造体をスペーサとして用いてもよい。また、クロストーク低減のために設けている壁板を複数設け、それら壁板をスペーサとして機能させてもよい。
【０１０６】
図８は壁板を複数設け、スペーサとして機能させた例を示したものである。２つの作用極２１の電極面２１ａはｘ‐ｙ直交座標が定義される基板２０の一平面２０ａに、ｘ方向に配列されて位置されており、一平面２０ａ上にはｙ方向に延伸する壁板３２がｘ方向に１００μｍ未満の間隔で配列されて複数設けられている。
【０１０７】
複数の壁板３２は均一な高さを有する。壁板３２の高さｈ３は式（４）に示したｚの範囲を満たすものとされ、即ち、
ｈ３＝２１．８（ｄｅｌ＋０．８）／（ｄｅｌ＋９．７）±５  ［μｍ］
とされる。
【０１０８】
この図８に示した構成は図６における一群の柱状構造物１１及び壁板３１に替えて、複数の壁板３２を設けたものとなっている。
【０１０９】
なお、図８の例では２つの作用極２１の電極面２１ａはｘ方向に配列されて２つの電極面２１ａの中心のｙ座標が一致するように位置されているが、これらのｙ座標は必ずしも一致していなくてもよい。つまり、２つの電極面２１ａの中心を結ぶ線と壁板３２の延伸方向とが斜交していても本発明は変わりなく実施することができる。
【０１１０】
図９は図８と同様、壁板を複数設け、スペーサとして機能させた例を示したものであり、この図９に示した構成は図７における一群の柱状構造物５１及び壁板３１に替えて、複数の壁板３３を設けたものとなっている。
【０１１１】
壁板３３はｙ方向に延伸され、ｘ方向に１００μｍ未満の間隔で配列されて複数設けられている。壁板３３は、ｘ方向において最も近い電極面２１ａの中心からのｘ方向の距離ｍに依存して、高さｈ４が、
ｈ４＝√{(１．０５ｄｅｌ＋６．８９)ｍ}−０．４８ｄｅｌ−２．３８±５  ［μｍ］
を満たして徐々に変化するものとされ、即ちｘ方向において各電極面２１ａ毎に、電極面２１ａに対してすり鉢型構造をなすものとされる。なお、ｈ４＝ｈ２である。
【０１１２】
図９において図示される２つの電極面２１ａは、それぞれｘ座標を一致させてｙ方向に並べられる他の電極面を含んでなる１つずつの電極列を代表しており、一般には図示される電極面２１ａと等しいｘ座標及び異なるｙ座標をもつ図示されない他の電極面２１ａが存在し得るし、図示される２つの電極面２１ａのｙ座標も必ずしも相互に一致していなくてもよい。
【０１１３】
壁板３３はｙ軸に垂直な断面がすり鉢の断面の形状を描いてｙ方向に延伸される溝状の輪郭面を構成し、その溝（すり鉢の底）に整合して上述の電極列が位置される。電極列は、電極面２１ａがｘ方向にも整列するアレイ状の配列となるものが好適であるが、一般には、電極列の内部の電極面２１ａの配置（ｙ座標）はどのようであってもよいし、１つの電極列にただ１つの電極面２１ａしか含まれなくてもよい。
【０１１４】
図８及び図９における壁板３２，３３は図６及び図７における壁板３１と同様、溶液中の溶質は透過できないものであり、ｘ方向に配列されている２つの電極面２１ａに対し、ｙ方向に延伸されて２つの電極面２１ａの間に位置する壁板３２，３３はクロストークの低減効果を有する。
【０１１５】
図１０及び図１１はそれぞれ図８及び図９に示した構成の変形例を示したものであり、壁板３２の高さｈ３及び壁板３３の高さｈ４はそれぞれ電極面２１ａの中心のｙ座標と等しいｙ座標の位置が極小をなすようにｙ方向に沿って変化されているものとされ、即ちへこみ３２ａ及び３３ａがそれぞれ壁板３２及び３３の上面に設けられて生体サンプルのｙ方向の位置決めに用いられるものとなっている。
【０１１６】
図１０ではへこみ３２ａは電極面２１ａに隣接して電極面２１ａを挟む一対の壁板３２に設けられており、図１１ではへこみ３３ａは全ての壁板３３に設けられている。へこみ３２ａ，３３ａのへこみ量はそれぞれ高さｈ３，ｈ４を満たす範囲で設定される。
【０１１７】
図１０の構成について、１つの電極面２１ａにつき、その電極面２１ａの外側を通って延伸され、電極面２１ａをｘ方向において挟む２つの壁板３２にへこみ３２ａが設けられており、その２つの壁板３２の間に他の壁板は存在しない。このように、電極面２１ａの両外側に設けられて相互に隣接並行する２つの壁板３２にへこみ３２ａを形成する形態が、生体サンプルを電極面３２の真上に位置決めしつつ良好な測定感度を得るために好適である。壁板にこれらのへこみを設ける変形例においても、図８の例と同様に、２つの電極面２１ａの中心のｙ座標が一致していなくてもよい。また、図１０の例のように２つの壁板３２にへこみ３２ａを設けるのではなく、電極面２１ａの中心に最も近い、または２番目に近い壁板３２の何れか一方（等距離の壁板３２が２つ存在する場合にはその何れか一方）だけにへこみ３２ａを設けてもよい。一般には、壁板３２は電極面２１ａの上を通るように設けられることもあり、その場合、電極面２１ａの上にへこみ３２ａが位置することがあり得る。もちろん、これら１つの壁板３２と近隣の他の壁板３２とを合わせた複数の壁板３２にへこみ３２ａを設けてもよい。あるいは、存在する限りの、電極面２１ａの外側を通って電極面２１ａとの間に他の壁板を間に挟むことなく延伸される壁板３２と、存在する限りの、電極面２１ａの上を通る壁板３２とのすべてについて、へこみ３２ａを設けることとしてもよい。
【０１１８】
図１１の構成について、図示される２つの電極面２１ａがそれぞれ代表する２つの上述の電極列はｘ方向において相互に隣接している。このように隣接する電極列が存在するとき、壁板３３の高さｈ４がそのｘ方向において最も近い電極面２１ａの中心からのｘ方向の距離ｍに依存して決められていることから、必然的に隣接する電極列どうしのｘ方向における中点よりも一方の電極列側に位置している壁板３３が、その一方の電極列からの距離ｍに基いて決まる高さｈ４を有しており、生体サンプルをその一方の電極列上に落とし込む作用を有している。
【０１１９】
そこで、基本的にはｘ方向にこの中点、即ち隣接する電極列（に属する電極面の中心のｘ座標）までの１／２の点までの間に存在する壁板３３の上面に、図示するような位置決め用のへこみ３３ａを設けることとする。但し、本発明は１００〜６００μｍ程度の直径をもつ生体サンプルを限定的に想定している。そこで、電極列（に属する電極面の中心のｘ座標）から上記中点までの距離が、想定される生体サンプルの半径の最大値である３００μｍを越えている場合には、その３００μｍを越えて上記中点に至るまでのｘ方向の範囲に存在する壁板には、へこみを設ける必要がない。１つの電極列の電極面２１ａにつき、この考え方をｘ方向の両方の向きについて行って、電極面の中心から（ａ）３００μｍの点と、（ｂ）隣接する電極列が存在する場合の上記中点との近い方または両者が一致する場合の共通の点としての、第１、第２の端点を両端とする、電極面の中心からｘ方向両側に延びる範囲（第１の端点と第２の端点とを結ぶ線分）の中に、幅の全部が含まれている壁板３３のすべてにへこみ３３ａを設ける構成が考えられる。
【０１２０】
図１１は、そのような構成において、図示される２つの電極列（電極面２１ａ）の各々から両者の中点までのｘ方向距離が３００μｍよりも短く、図示される２つの電極列（電極面２１ａ）の両外側には例えば他の隣接する電極列が存在しない場合の形態を表している。但し、２つの電極面２１ａのちょうど中点の上に位置する最も高い壁板３３は、左右どちらの電極列に関する上記第１、第２の端点を両端とする範囲にもその幅の全部が含まれているわけではないので、へこみ３３ａを設けなくてもよいし、図示の例のように設けてもよい。
【０１２１】
また、図１１の例のように上記第１、第２の端点でなる範囲に含まれるすべての壁板３３にへこみ３３ａを設けるのではなく、上記第１、第２の端点を両端とするｘ方向の範囲の中に幅の少なくとも一部が含まれる壁板３３の中の、少なくともいずれか１つの壁板３３にへこみ３３ａを設けることとしても、有効な形態が得られる。
【０１２２】
このように壁板の上面にへこみを設けることにより、へこみによって生体サンプルをｙ方向にも位置決めすることができ、電極面の可及的直上に生体サンプルを位置させることができる。なお、壁板が電極面上にも位置して配列される場合は電極面上に位置する壁板にもへこみが設けられる。
【０１２３】
図１２は図８に示した構成のさらに別の変形例を示したものであり、電極面２１ａに隣接して電極面２１ａを挟む一対の壁板３２の相互間距離が電極面２１ａの中心のｙ座標と等しいｙ座標の位置で極大をなすように局所的に拡幅させたものである。１つずつの壁板３２について見れば、電極面２１ａの中心側に開口する凹部３２ｂを形成するように壁板３２のｘ座標がｙ方向に沿って局所的に変化している。変化は局所的であり、壁板３２は全体としてはｙ方向に延伸されている。このような壁板間の拡幅によっても、上述の壁板上面のへこみと同様に、生体サンプルの位置決めをすることができる。
【０１２４】
図１２の例でも２つの電極面２１ａはｘ方向に配列されて中心のｙ座標が一致するように位置されているが、これらのｙ座標は必ずしも一致していなくてもよい。
【０１２５】
また、図１２の例では一対の壁板３２の両方について凹部３２ｂを形成する局所的な変化を設けているが、１つの壁板だけにそのような凹部を形成しても拡幅はできる。その場合の１つの壁板は、必ずしも電極面２１ａの中心に最も近いものでなくとも、代わりに２番目に近い壁板に凹部を形成しても、生体サンプルを電極面の近くに位置決めするという目的のために十分有用であり得る。
【０１２６】
なお、凹部を形成する、即ち電極面２１ａの中心からのｘ方向距離が極大をなすような壁板のｘ座標の局所的な変化は、三角状その他の折れ曲がりであっても、曲線的なものであってもよい。
【０１２７】
図１３は作用極２１の電極面２１ａがアレイ状に配列され、即ちｙ方向に複数の電極面２１ａが並んでなる電極列２２がｘ方向に複数並んで電極面２１ａが多数、配列されている構成を示したものであり、このような構成の場合、クロストークを低減する壁板３４は、例えば互いに隣接する電極列２２の間にｙ方向に延伸されてそれぞれ設けられる。クロストークの低減効果は、この場合、ｘ方向において得られることになる。なお、このように壁板３４を設けても壁板３４と平行方向（ｙ方向）の溶質の拡散は阻害されないため、溶質の供給量の低下は小さいと言える。図１３ではスペーサの図示は省略している。
【０１２８】
なお、図１３に示すような構成において、図示されていないスペーサは図６、図７に示した柱状構造物１１，５１やその他上述の多孔質状構造体の他、図８〜図１２に示した複数の壁板３２，３３であってもよい。言い換えれば、図８〜図１２に示したようなｙ方向に延伸される複数の壁板でスペーサを構成した電気化学測定装置において、さらにそれらのスペーサの高さを越える高さを有する高背の壁板３４を追加して設けてもよい。高背の壁板３４の高さは、前述の壁板３２，３３の各高さｈ３，ｈ４の範囲を越えるものであってよい。追加して設けられる壁板３４の高さが十分高い場合にはクロストーク低減効果のほとんどをその追加の壁板３４が奏することになるが、柱状構造物などよりも損壊しにくい壁板型スペーサを備えた頑健な電気化学測定装置を得ることができる。
【０１２９】
・発明に必要な構成の具体例
生体サンプルで生成または消費される化学物質そのものが電気化学活性を有するか、あるいは電気化学活性を有する他の化学物質に変換されるという条件を満たせば、生体サンプル、生体サンプルで検出対象の化学物質が生成または消費される機構、作用極及び作用極が形成される基板等がいかなる構成であっても、上述の効果が期待できる。例えば次に挙げる構成が考えられる。
【０１３０】
＜生体サンプル＞
シミュレーションではマウスＥＳ細胞より形成された胚様体を選んだが、これが他の細胞塊、単一細胞、組織片、微生物、または生体関連物質を含む非生体サンプル等であってもよい。
【０１３１】
＜生体サンプルより化学物質が生成または消費される機構＞
シミュレーションではサンプル上のＡＬＰ酵素反応による生成機構を選択したが、これが他のタンパク質、ペプチド、ＲＮＡ等による酵素反応、あるいはサンプル上白金薄膜、酸化チタン薄膜等による触媒反応等による生成または消費等であってもよい。
【０１３２】
また、サンプルが細胞等であった場合、この化学物質は細胞内の様々な代謝経路やシグナル伝達経路を経て生成または消費されるものであってもよい。例えば、解糖系の代謝経路におけるプロトンの放出や、神経細胞によるドーパミンの放出等がこれにあたる。
【０１３３】
＜作用極＞
シミュレーションではその材料を特に指定しなかったが、金、白金等の貴金属、あるいはグラファイト、不純物をドープしたダイヤモンド、カーボンナノチューブ等、炭素を主体とした無機物、あるいはポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン等の導電性高分子など、電気化学測定の作用極に使用され得るものであれば何でもよい。
【０１３４】
作用極の電極面の形状は円形に限るものではなく、楕円形、多角形等であってもよい。円形以外の場合、この発明で規定する径寸法ｄｅｌは形状中心からの差し渡し寸法の一周の平均値とする。
【０１３５】
＜作用極形成基板＞
シミュレーションではその材料を特に指定しなかったが、石英、ガラス、シリコン、その他セラミックス等、電気化学測定の作用極支持体に使用され得るものであれば何でもよい。
【０１３６】
・スペーサ構築法の具体例
スペーサは、本発明の高い効果を得るために、高さをμｍレベルで制御し得る手法によって構築されるべきである。また、スペーサは溶液透過性を有し、即ち溶液中の溶質の拡散を許容する必要があり、さらに電極上に接触して構築される場合は絶縁性を有する必要がある。これらの条件を満たせば、スペーサはその構築手法、材料に関わらず、目的とする効果を得られる。以下に、好適と思われるスペーサ構築手法及びその材料を例示する。
【０１３７】
＜成膜→保護層パターニング→エッチングによる一群の柱状構造物よりなるスペーサの構築＞
１）基板上に、ＣＶＤにより膜厚が制御され、かつ均一な窒化ケイ素膜を成膜
２）窒化ケイ素膜上に、フォトリソグラフィー法によりエッチング保護層をパターニング
３）リアクティブイオンエッチングにより、保護層により被覆されていない領域の窒化ケイ素膜をエッチングし、柱状構造物を構築
４）保護層を除去
【０１３８】
絶縁膜材料（柱状構造物の構成材料）は窒化ケイ素の他、酸化ケイ素、酸化チタン等であってもよい。
【０１３９】
成膜手法はＣＶＤの他、スパッタ、蒸着等の真空成膜手法あるいはスピンオングラス等であってもよい。
【０１４０】
保護層のパターニング手法はフォトリソグラフィー法の他、スクリーン印刷法、インクジェット法等であってもよい。
【０１４１】
エッチング手法はリアクティブイオンエッチングの他、プラズマエッチング、スパッタエッチング、イオンビームエッチング、あるいはウェットエッチングでもよい。
【０１４２】
＜感光性樹脂による構造体パターニングによる一群の柱状構造物よりなるスペーサの構築＞
１）電流検出素子を有するＬＳＩ上に、スピンコートにより感光性樹脂をコーティング
２）フォトリソグラフィー法により柱状構造物を構築
【０１４３】
感光性樹脂は一般的なフォトリソグラフィーに用いられる絶縁性、感光性を有する樹脂であれば何でもよく、必要とされる分解能を得るのに必要な感光性樹脂が選択されるべきである。柱状構造物の化学的安定性の観点から、ネガ型の永久レジストとして使用されるエポキシ系化学増幅型感光樹脂が好適と思われる。
【０１４４】
コーティング手法はμｍオーダーで膜厚を制御できる手法であればなんでもよい。膜厚の制御性の高さから、スピンコート、スプレーコートが好適かと思われるが、ディップコート、スクリーンコート、ロールコート等でもよい。
【０１４５】
＜ゲルコーティングによる多孔質状構造体よりなるスペーサの構築＞
１）アガロースの水希釈液を調整し、これを８０℃以上に加熱してゾル化する。
２）８０℃とした基板上に、上述のアガロース水溶液を滴下し、スピンコートにより薄膜を形成する。この時、基板の温度は常に８０℃以上を保つようにする。
３）基板を室温にまで放冷し、アガロースゲルによる多孔質状スペーサを得る。
【０１４６】
基板上に滴下されるゾルは、スピンコート後に多孔質状のゲルとなるものであればなんでもよく、また加熱温度もその種類によって適切に選ばれるべきである。調整の簡易さ、生体適合性の高さから、アガロース、ポリビニルアルコール、セルロース等が好ましい。
【０１４７】
コーティング手法はμｍオーダーで膜厚を制御でき、かつコーティング操作中にゾルの温度を一定に保つ機構を備える手法であればなんでもよい。膜厚の制御性の高さから、スピンコート、スプレーコートが好適かと思われるが、ディップコート、スクリーンコート、ロールコート等でもよい。
【０１４８】
＜その他＞
柱状構造物よりなるスペーサは他にも、ナノインプリントやモールドイン等の成型、スクリーン印刷やインクジェット印刷等の印刷、機械加工等によって構築されてもよい。また、多孔質状構造体よりなるスペーサは他にも、あらかじめ成型された多孔質シリカ、ニトロセルロースメンブレン等の多孔質体を、基板上に設置することによって得てもよい。
【０１４９】
・壁板構築法の具体例
壁板は図８や図９に示した例のように、スペーサとしての機能も有するように設けられる場合、高さをμｍレベルで制御し得る方法によって構築されるべきである。また、電極上に接触して構築される場合は絶縁性を有する必要がある。これらの点から、壁板構築手法及びその材料は前述の一群の柱状構造物よりなるスペーサの構築と同様の手法、材料を用いる。
【０１５０】
・柱状構造物よりなるスペーサの仕様
スペーサとして一群の柱状構造物を用いる場合、その間隔、形状は以下のようにして決定されるべきである。
【０１５１】
＜間隔＞
間隔は１００μｍ未満とするが、より高い感度を得るためには、柱状構造物による生体サンプル周りの溶質の拡散阻害を最小化するという観点から、柱状構造物の間隔は広いほど好ましい。
【０１５２】
また、柱状構造物の間隔が均一である必要はなく、柱状構造物が密に存在する領域と疎に存在する領域あるいは全く存在しない領域があってもよい。
【０１５３】
例えば、電極面の直上の領域のみ柱状構造物を形成せず、従って生体サンプルの保持は電極面周辺の柱状構造物によってのみ、なされるような構造とした場合、生体サンプル直下における溶質の拡散阻害を効果的に防ぎ、より高い感度を得ることができる。
【０１５４】
＜直径＞
生体サンプルを電極面から離して保持できるだけの強度が確保できるようであれば、柱状構造物の直径に特に制約はない。ただし、より高い感度を得るには、柱状構造物によるサンプル周りの溶質の拡散阻害を最小化するという観点から、柱状構造物の直径は小さいほど好ましい。
【０１５５】
＜上面形状＞
柱状構造物の上面の形状に関しても特に制約はない。円形、三角、四角、その他多角形であっても、本発明の効果は得られる。
【０１５６】
また、柱状構造物は上面と下面の形状及び面積が同一な柱状構造である必要はない。例えば、作成時に絶縁層のエッチング条件を変える等して、意図的に上面面積を減少させる、あるいは先鋭化させてもよい。
【０１５７】
生体サンプルが細胞、組織片等であった場合、柱状構造物の先鋭化により生体サンプルと柱状構造物との接触面積及び接着力を減じることができる。この効果は、生体サンプルを測定した後、生体サンプルを回収する際、生体サンプル剥離に必要な力を減じ、従って生体サンプルへのダメージを減じるのに好適である。
【０１５８】
・スペーサとして機能する壁板の仕様
＜間隔＞
間隔は１００μｍ未満とするが、より高い感度を得るためには、壁板による生体サンプル周りの溶質の拡散阻害を最小化するという観点から、壁板の間隔は広いほど好ましい。
【０１５９】
例えば、電極面の直上の領域には壁板を形成せず、電極面を挟むように壁板を形成すれば、生体サンプル直下における溶質の拡散阻害を効果的に防ぎ、かつクロストークを効果的に低減することができる。
【０１６０】
＜厚さ＞
生体サンプルを電極面から離して保持できるだけの強度が確保できるのであれば、壁板の厚さに特に制約はない。
【０１６１】
＜形状＞
上面と下面の形状及び面積が同一である必要はない。例えば、作成時に絶縁層のエッチング条件を変える等して、意図的に上面面積を減少させる、あるいは先鋭させてもよい。
【０１６２】
生体サンプルが細胞、組織片等であった場合、壁板の先鋭化により生体サンプルと壁板との接触面積及び接着力を減じることができる。この効果は、生体サンプルを測定した後、生体サンプルを回収する際、生体サンプル剥離に必要な力を減じ、従って生体サンプルへのダメージを減じるのに好適である。
【０１６３】
次に、生体サンプルで生成または消費される化学物質の電気化学測定に用いるこの発明によるトランスデューサの具体的な構成を図１４及び図１５を参照して説明する。
【０１６４】
このトランスデューサは、溶液６１と溶液６１中に浸漬される生体サンプルとを収容することができる溶液槽６０がＬＳＩチップ７０上に搭載された構成となっている。溶液槽６０の中央には穴６２が形成されており、ＬＳＩチップ７０はこの穴６２の下端に穴６２を塞ぐように配置されている。
【０１６５】
ＬＳＩチップ７０及び溶液槽６０は基板８０上に搭載固定されており、基板８０にはトランスデューサの制御を行う外部装置との接続用の多数の配線パターン８１が形成されている。図１４Ｂ中、９０はＬＳＩチップ７０と配線パターン８１とを接続するボンディングワイヤを示す。
【０１６６】
ＬＳＩチップ７０の上面にはセンサ領域７１が構成されている。図１４Ａではセンサ領域７１をハッチングを付して示しており、溶液槽６０の底面の穴６２の位置にセンサ領域７１は画定されている。詳細図示を省略しているが、この例ではセンサ領域７１に複数の電極（作用極）が配列形成され、さらに作用極の上方に前述の一群の柱状構造物よりなるスペーサが構築されている。また、互いに隣接する作用極の間には壁板が設けられている。ＬＳＩチップ７０は作用極への電圧印加機能、作用極での反応を電流値として検出し、増幅する機能等を備えている。
【０１６７】
なお、スペーサを構成する一群の柱状構造物は均一な高さであってもよく、すり鉢型の輪郭面を描くものであってもよい。また、柱状構造物ではなく、多孔質状構造体によってスペーサを構成してもよい。さらに、スペーサとして機能する一群の壁板を設ける構成としてもよい。
【符号の説明】
【０１６８】
１０    スペーサ                    １１    柱状構造物
２０    基板                        ２０ａ  一平面
２１    作用極                      ２１ａ  電極面
２２    電極列                      ３１〜３４    壁板
３２ａ    へこみ                    ３２ｂ  凹部
３３ａ    へこみ                    ４０    生体サンプル
５０    スペーサ                    ５１    柱状構造物
６０    溶液槽                      ６１    溶液
６２    穴                          ７０    ＬＳＩチップ
７１    センサ領域                  ８０    基板
８１    配線パターン                ９０    ボンディングワイヤ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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