(57)【要約】【課題】測定精度の高い細胞電気生理センサを実現することを目的とする。【解決手段】そしてこの目的を達成するため本発明は、実装基板８と、前記実装基板８の上面から下面までを貫通する貫通孔の下端部に保持されたセンサチップ９とを備え、前記センサチップ９は、前記実装基板８の上面側と下面側とを連通させる導通孔１２を有し、前記実装基板８の下面には、前記実装基板８の下方を流れる液体との接触部分に第一の溝１９と第二の溝２０とを形成し、前記第一の溝１９と前記第二の溝２０とは互いに平行でない細胞電気生理センサとした。これにより本発明は、測定精度の高い細胞電気生理センサを実現できる。【選択図】図３
2011002268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実装基板と、
前記実装基板の上面から下面までを貫通する貫通孔の下端部に保持されたセンサチップとを備え、
前記センサチップは、前記実装基板の上面側と下面側とを連通させる導通孔を有し、
前記実装基板の下面には、前記実装基板の下方を流れる液体との接触部分に第一の溝と第二の溝とを形成し、
前記第一の溝と前記第二の溝とは互いに平行でない細胞電気生理センサ。
【請求項２】
前記第一の溝は、前記実装基板の下方を流れる液体の流れ方向に沿った請求項１に記載の細胞電気生理センサ。
【請求項３】
前記第一の溝および前記第二の溝は、それぞれ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は薬品スクリーニング等に用いられ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、細胞電気生理センサがある。
【０００３】
図４に示したように、従来の細胞電気生理センサは、貫通孔１を有する実装基板２と、これらの貫通孔１の下端部にそれぞれ保持されたセンサチップ３とを備えている。
【０００４】
ここでセンサチップ３の上方および下方を電解液で満たし、さらに細胞をセンサチップ３の上方から注入し、吸引等すると、センサチップ３の導通孔４の開口部５に細胞を密着保持することができる。
【０００５】
そしてこの状態で、細胞の上から薬剤を投与し、センサチップ３の上方および下方の電解液の電位差を計測することによって、細胞が活動する際の細胞内外における電位変化、あるいは細胞の活動によって発生する物理化学的変化を測定することができる。
【０００６】
この測定において、吸引等により実装基板２の下方空間を減圧し、センサチップ３の導通孔４の開口部５に細胞を密着保持させるためには、実装基板２の下方が電解液等の液体で密閉された空間に閉じこめられている必要があるが、実装基板２の濡れ性が優れない場合は、この密閉空間に気泡が存在しやすく、吸引等を行っても、気泡が膨張し高精度な減圧制御に支障をきたすことがある。また気泡が存在していると電位差測定においても検出が不可能となることがある。
【０００７】
このような課題に対して、基板表面にプラズマ処理を施し親水性の官能基を形成させることにより、基板の濡れ性を向上して、密閉空間内部の気泡の残留を少なくする方法がある。
【０００８】
なお、上記細胞電気生理センサと類似する例を開示するものとして下記の特許文献１、非特許文献１が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１５６２３４号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】相馬  誠、大気圧プラズマ処理による接着性の向上、松下電工技法、２００２年１１月、６３ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の細胞電気生理センサは、測定精度が低下することがあった。
【００１２】
すなわち従来の構造では、実装基板の濡れ性が優れていなかった。さらに上記解決方法によっても、基板の下方にプラズマ処理により親水性の官能基を形成させているため、大気中で保管すると親水性の官能基が消滅し、または官能基上に他の物質が付着し、親水性が劣化するため、疎水性になってしまう。
【００１３】
そしてその結果、実装基板の濡れ性が低下し、密閉空間に存在する気泡を抑制することができず、細胞電気生理センサの測定精度を低下させていた。
【００１４】
そこで本発明は、実装基板下面の濡れ性を向上し、測定精度の高い細胞電気生理センサを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
そしてこの目的を達成するため本発明は、実装基板と、この実装基板の上面から下面までを貫通する貫通孔の下端部に保持されたセンサチップとを備え、前記センサチップは、前記実装基板の上面側と下面側とを連通させる導通孔を有し、前記実装基板の下面には、前記実装基板の下方を流れる液体との接触部分に第一の溝と第二の溝とを形成し、前記第一の溝と前記第二の溝とは互いに平行でない細胞電気生理センサとした。
【発明の効果】
【００１６】
これにより本発明は、細胞電気生理センサの測定精度を高めることができる。
【００１７】
その理由は、実装基板の下面に第一の溝と、第一の溝とは平行でない第二の溝を設けることにより、異なる角度からの気泡の残留を抑制し、実装基板に濡れ性を付与させることが可能となり、親水性の劣化を懸念することなく、実装基板の濡れ性を保持することも可能となる。さらに一方向だけでなく、実装基板の下面に複数方向かつ全体的に溝を形成すれば、あらゆる角度から気泡の残留を抑制させることができる。
【００１８】
そしてその結果、密閉空間を減圧する際に内部の気泡の残留を少なくし、電解液などの液体で満たすことが可能となる。
【００１９】
そしてその結果、細胞電気生理センサの測定精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】図１の要部拡大断面図（図１Ｘ部）
【図３】図１の実装基板の下面図
【図４】従来の細胞電気生理センサの一部切欠分解斜視図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（実施の形態１）
以下、本実施の形態１における細胞電気生理センサの構造について説明する。
【００２２】
図１に示すように、本実施の形態１における細胞電気生理センサでは、アレイ状に形成された貫通孔７を有する実装基板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。薄板１０は実装基板８の上面側と下面側とを仕切る仕切り板として機能し、導通孔１２は実装基板８の上面側と下面側とを連通し、導通させる連通路として機能する。また枠体１１を設けることで、薄板１０が薄い場合も、センサチップ９全体の機械的強度を高く保つことができ、実装時のセンサチップ９の損傷を低減する。
【００２３】
なお本実施の形態１では、薄板１０が底面となるように、枠体１１よりも下側に配置したが、このセンサチップ９の向きは上下逆でもよい。
【００２４】
なお本実施の形態１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。
【００２５】
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、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。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。
【００２６】
さらに本実施の形態１では、センサチップ９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１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。
【００２７】
また本実施の形態１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１４と細い管状の分注器１５とが挿入されている。
【００２８】
測定電極１４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。また分注器１５は、センサチップ９上方に電解液や細胞、薬剤等を注入するためのものである。
【００２９】
また本実施の形態１では、実装基板８下面に参照電極１６を設けている。
【００３０】
さらに実装基板８の下方には、流路１７が形成された流路板１８が接合され、この流路内には電解液が充填できる。前述の参照電極１６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。
【００３１】
さらに実装基板８の下面は、図３に示されたように流路１７を流れる液体との接触部分に複数の第一の溝１９が形成されている。さらに第一の溝１９とは非平行に形成された複数の第二の溝２０が形成されている。この第一の溝１９と、第二の溝２０とは互いに平行でなければ良いが、互いに交差して、網目状に形成されていることが流路での気泡の残留を抑制するためにより望ましい。
【００３２】
なお第一の溝１９は、流路１７を流れる液体の流れ方向に沿わせることが、流路での気泡の残留を抑制するためより望ましい。
【００３３】
なお第二の溝２０は、第一の溝１９と非平行に形成されており、複数形成された第二の溝２０それぞれは、同方向で形成されていなくとも良い。第二の溝が複数の方向に形成されていると、あらゆる角度から流路での気泡の残留を抑制できるため望ましい。
【００３４】
なお、複数の第一の溝１９および複数の第二の溝２０とは、実装基板８の下方全体に形成されていることが、あらゆる角度から流路での気泡の残留を抑制できるため望ましい。
【００３５】
また、第一の溝１９および第二の溝２０の本数や深さは、ともに周期性はなく不均一であっても良い。複数の溝を設けることで、より密閉空間に気泡が残留することを抑制することができるためである。このように、第一の溝１９および第二の溝２０の本数や深さは、適宜選択可能であるが、これらの仕様を決めるのは最も気泡の発生を抑制できる条件から決定することが重要である。
【００３６】
また、第一の溝１９および第二の溝２０の断面形状は、それぞれ先端が細くなった鋭角状となるように加工することによって、その効果を発揮することができる。なお、鋭角状に限らず弧状、環状であっても良いが、鋭角状であると充填された溶液に表面張力が働いて、液滴同士は分子間力により合体しやすくなり、流路１７に濡れ性が向上する。そして液滴は、気泡を逃がしながら流路１７全体に行き渡り、薄板１０の表面を濡らしながら流路１７に充填されるため、結果として流路１７における気泡の残留を低減できる。
【００３７】
また、第一の溝１９および第二の溝２０が形成された実装基板８下方の接触角は、５０°以下であることが望ましい。
【００３８】
次に本実施の形態１における部材について説明する。
【００３９】
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１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。さらに、二酸化シリコン層は絶縁性が高いため、細胞を密着保持させることが可能となる。これによりセンサチップ９を介するリーク電流を低減できる。さらに、二酸化シリコン層は親水性が高いため、細胞と導通孔１２開口部との密着性が向上し、細胞電気生理センサの測定精度を向上させることができる。
【００４０】
さらに実装基板８、流路板は樹脂で構成しておくと成形しやすく、また組み立ても容易である。より好ましくは熱可塑性樹脂を用いることであり、射出成形などの手段を用いることによって生産性良く、高均質な成形体を得ることができる。また、これらの熱可塑性樹脂は、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。
【００４１】
さらに、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さらに好ましい。
【００４２】
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を用いて接着する場合に効果を発揮する。
【００４３】
なお本実施の形態１のように、センサチップ９を実装基板８に実装する方法は、実装基板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。
【００４４】
なお、第一の溝１９および第二の溝２０の形成方法としては、加工具としてサンドペーパー、フルバック、エンドミル等があり、これらを用いて実装基板８の表面加工を行うことで、第一の溝１９と第二の溝２０を形成することができる。中でもフルバックを用いた加工がより好ましい。
【００４５】
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。
【００４６】
図１に示すように貫通孔７の上方から分注器１５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。また流路１７の内部には、細胞内液（電解液）を注入する。
【００４７】
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。
【００４８】
そして次に、貫通孔７の上方から測定電極１４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１４と、細胞内液と電気的に接続された参照電極１６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１４と参照電極１６間で電気回路が形成されるからである。次に、センサチップ９上方から分注器１５を介して細胞２１を投入し、圧力伝達チューブにより減圧を行うと、図１、図２に示すように細胞２１は導通孔１２の開口部に引き付けられる。このように細胞２１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２１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。ここでこの測定時において、流路１７内部の細胞内液中の気泡を極力減らすことが、測定精度の向上に寄与する。
【００４９】
次に図１の流路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）。
【００５０】
その後センサチップ９上方から分注器１５を介して薬液を注入し、細胞を刺激する。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１４と参照電極１６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。
【００５１】
次に本実施の形態１における効果を説明する。
【００５２】
本実施の形態１では、細胞電気生理センサの測定精度を高めることができる。
【００５３】
その理由は、実装基板８の下面に第一の溝１９と、第一の溝１９とは平行でない第二の溝２０を設けることにより、密閉空間を減圧する際に生じる気泡を、異なる角度から外部に排出し、容易に密閉空間内部の気泡の残留を抑制できるため、実装基板８に濡れ性を付与させることが可能となり、親水性の劣化を懸念することなく、電解液などの液体で満たすことが可能となるからである。
【００５４】
さらに一方向だけでなく、実装基板８の下面に複数方向かつ全体的に第一の溝１９と、第一の溝１９とは非平行の第２の溝２０とを網目状に実装基板８に形成すれば、あらゆる角度から密閉空間である流路１７に存在した気泡を、流路１７の外へと排出することで、気泡の残留を抑制させることができる。
【００５５】
そしてその結果、細胞電気生理センサの測定精度を高めることができる。
【００５６】
したがって、この脱ガスに起因する実装基板８表面の疎水化を抑制し、気泡の発生を抑えることができる。なお、導通孔１２の近傍に気泡が発生すると、細胞の吸引や捕捉が阻害されたり、薄板の上下面の導通が図れなくなったりするなど、測定が出来なくなる場合がある。したがって本実施の形態１では、気泡の発生を低減することで、細胞電気生理センサの測定精度向上に寄与する。
【００５７】
また本実施の形態１では、いわゆるＳＯＩ基板を用いているため、二酸化シリコン層の厚みを容易に大きくすることができ、センサチップ９における浮遊容量の低減に顕著な効果がある。なお本実施の形態では、二酸化シリコン層によって浮遊容量を１０ｐＦ以下に減らすことができ、高精度な細胞電気生理センサを実現できた。
【００５８】
なお本実施の形態１では、センサチップ９はＳＯＩ基板を用いて形成したが、例えば単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、多結晶シリコンとアモルファスシリコンとの混合物、ガラス、水晶等と、二酸化ケイ素を主成分とする基材とのダイアフラムで形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
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。
【符号の説明】
【００６０】
７  貫通孔
８  実装基板
９  センサチップ
１０  薄板
１１  枠体
１２  導通孔
１３  突起部
１４  測定電極
１５  分注器
１６  参照電極
１７  流路
１８  流路板
１９  第一の溝
２０  第二の溝
２１  細胞
【図１】
2011002268.tif 000003
【図２】
2011002268.tif 000004
【図３】
2011002268.tif 000005
【図４】
2011002268.tif 000006