(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の作用電極を設けたＩＣチップであり、
上記ＩＣチップが、スイッチ群と、該スイッチ群に接続されるオペアンプと、該オペアンプの入力の一端子と出力端子との間に接続されるコンデンサと、を上記作用電極毎に備えており、
上記スイッチ群が、上記オペアンプのオフセット電圧を測定するオフセット電圧測定モードと、上記作用電極の電位を測定する電極電位測定モードと、上記作用電極を所定の電位に設定した際に流れる電流を測定する電流電圧変換測定モードと、上記作用電極を上記所定の電位よりもオフセットした電位に設定した際に上記作用電極に流れる電流を測定するオフセット電流電圧変換測定モードとに切り替える、複数の作用電極を備えたＩＣチップ。
【請求項２】
前記作用電極と前記スイッチ群との間に電源の負極に接続したダイオードが接続され、該作用電極からのリーク電流がｆＡオーダーに抑制されている、請求項１に記載の複数の作用電極を備えたＩＣチップ。
【請求項３】
前記スイッチ群及び前記オペアンプを構成するトランジスタ類の配置領域には、遮光メタルが設けられている、請求項１又は２に記載の複数の作用電極を備えたＩＣチップ。
【請求項４】
前記複数の作用電極に交流信号が印加されることで誘電泳動によって、複数の作用電極が機能性分子により修飾されている、請求項１乃至３の何れかに記載の複数の作用電極を備えたＩＣチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば誘電泳動現象を用いて機能性分子で作用電極を化学修飾したバイオセンサのような電気化学センサなどに応用される、複数の電極を備えたＩＣチップに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学測定は電極表面において物質の電子のやり取りを制御することによってセンシングを行う手法であり、溶液中における溶存物質の分析などを行うことができる。代表的な測定方法としては、電圧変化に対する電流応答を測定するボルタンメトリー、一定電圧に保持して電流の時間変化を測定するクロノアンペロメトリーなどがある。このような電気化学測定は、バイオセンサの検出器として広く利用されている。また、生体組織、細胞の代謝物質、シグナル伝達物質などを検出する手法として利用されている。
【０００３】
多数の測定点において電気化学測定を行うために走査型電気化学顕微鏡（Scanning electrochemical microscopy,SECM）がある（例えば非特許文献１）。これは、微小プローブ電極を走査し、酸化還元種が電極表面で反応する時に流れる電流値を測定してイメージング測定を行うものであり、局所領域における酸化還元種の挙動を定量的に解析することができる。しかしながら、単一の微小電極を操作するため、一つのイメージを取得するには少なくとも数十分かける必要がある。
【０００４】
そこで、多数の測定点を測定するために、複数の電極をアレイ状に並べ、各電極からシグナルを収集することが考えられている。データの収集方法としては次のように分類される。
第１の収集方法は、測定点分の台数の測定装置を用いて測定点と測定装置とを１：１に対応させるか、又は、測定点の数以上の測定チャネルを有する測定装置を用いて測定点とチャネルとを１：１に対応させる（非特許文献２）。
第２の収集方法では、マルチプレッサなどのスイッチングにより、各点の測定データを外部の測定装置に対して順次データを読み出す。ワンチャネルの測定装置を複数の測定点に対応させる（非特許文献３）。
第３の収集方法では、アクティブピクセル方式と呼ばれ、ＬＳＩの微細加工技術を用いて増幅器を各測定点に配置し、増幅器からのシグナルをマルチプレクサなどにより順次外部レコーダーへ読み出す（非特許文献４、５）。
【０００５】
第１の収集方法は、全ての測定点を同時に測定することができるためイメージを高速で得られ、また、スイッチを用いないためスイッチ切替の際ノイズが生じる虞がないという利点を有する。しかしながら、第１の収集方法は、測定点の数だけ測定装置が大掛かりとなり、各測定点にリード線を配設する必要があるためリード線の混み合いにより例えば２０×２０個の電極を一辺数ｍｍの範囲に集積化が困難であることに加え、電極から外部の測定系にある増幅器までの距離が長いため信号に雑音が混入し易くＳ／Ｎ比が低下するという欠点を有する。
【０００６】
第２の収集方法は、測定点の数を多くしても測定装置が大掛かりとならず、信号線と制御線とを縦横に交差して設けてマトリックス状の配線とし集積化することが可能であるという利点をする。しかしながら、スイッチングにより各点の測定を行って一つのイメージを得るために要する時間が第１の収集方法と比べて長くなること、スイッチングによりノイズが生じやすくなること、電極から外部の測定系にある増幅器までの距離が長いため信号に雑音が混入し易くＳ／Ｎ比が低下するという欠点を有する。
【０００７】
第３の収集方法では、測定点の数を多くしても測定装置が大掛かりとならず、信号線と制御線とを縦横に交差して設けてマトリックス状に配線することにより集積化することが可能であるという利点のみならず、ＬＳＩの微細加工技術を用いて増幅器を各測定点に配置して増幅器からのシグナルを外部に出力するため、Ｓ／Ｎ比の低下を抑制することができる。
【０００８】
一方、電気化学計測において、計測対象物質を特異的に検出したり、高いＳ／Ｎ比で高感度の分析を行ったりする目的で、作用電極表面を分子修飾することがよく行われる。このように分子修飾したものとして、例えば、酵素固定化電極、ＤＮＡ検出チップ電極、イオン選択性電極などが挙げられる。従来、修飾を行う手法としては、分子を修飾したナイロン膜などで電極表面を覆う方法、電極に吸着する性質のある蛋白質（例えばウシ血清アルブミン）を介して固定化したい分子を架橋剤（例えばグルタルアルデヒド）を用いて結合させる方法、金−チオール結合などの自己組織化を利用する方法などが挙げられる。
【０００９】
分子修飾においては、アレイ状に並んだ分子修飾電極を用いて、複数種類の計測対象を同時に測定するという技術は、ＤＮＡ検出、アレルゲンの検出、農薬検出など広い分野で求められている。しかしながら、従来の修飾方法では、アレイ状に並んだ作用電極のうちのある任意の電極を任意の分子で修飾し、別の任意の電極には異なる分子修飾するという操作は困難である。これまでに、任意の点に任意の分子修飾を施す方法として、次のような修飾方法が考えられている。
第１の修飾方法：任意の電極のみ一旦アルカンチオールを還元離脱させて異なる蛋白質やＤＮＡなどを修飾する方法。
第２の修飾方法：任意の作用電極に電解重合により、酵素−メディエーター膜、イオン選択性膜などの機能性分子膜を形成させる方法。
第３の修飾方法：任意の電極で水素イオンＨ＋を電気化学的に発生させ、局所的にｐＨを下げることにより、合成反応をブロックしたり逆に合成反応を促進させて、選択的に電極修飾を行う方法。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】H. Shiku et al., Anal. Chem.，Vol.67，１９９５年，pp．312-317
【非特許文献２】N. Kasai et al., Sens. Actuators B Chem.，Vol.108，２００５年，pp.746-750
【非特許文献３】Z.Y. Lin et al., Angewa. Chem. Int.Ed.，Vol.48，２００９年，pp.2044-2046
【非特許文献４】A. L. Ghindils et al., Biosens. Bioelectron.,Vol.22，２００７年，pp.1853-1860
【非特許文献５】P. Kruppa et al., Biosens. Bioelectron. Vol.26，２０１０年，pp.1414-1419
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
電気化学測定において上述した第３の収集方法によりデータが収集されることにより、Ｓ／Ｎ比の低下が抑制されイメージセンサのマルチプレクサ技術によって各測定点の読み出しをマイクロ秒オーダー間隔で行える。しかしながら、各測定点は全て同じ信号の入出力動作としなければならない。測定点毎に入出力の動作を異ならせることができない。アレイ状に並べられた電極全てに同じ手法により同じ要領で計測するもの、例えば一般的なＤＮＡチップの検出器にしか実用化されない。また、複数の電極のうち異常電流が流れる電極を測定点から切り離すことができない。
【００１２】
また、１ｐＡレベルの微弱な電流を検出できないという別の問題がある。ＣｏｍｂｉＭａｔｒｉｘ社製のＥｌｅｃｔｒａＳｅｎｓｅにおいては、測定できる電流範囲が０．１ｎＡ〜２００ｎＡであり（非特許文献４）、ピコアンペアオーダーの電流を測定することができない。Ｐ.Ｋｕｒｐｐａらが開発した装置では電流の検出限界が数十ｐＡである（非特許文献５）。電気化学測定装置において測定対象物が細胞等のバイオ関連の場合にあっては、微量サンプルを計測対象とすることから、１ｐＡレベルの微弱電流を測定可能とすることが望まれている。
【００１３】
化学修飾では、アレイ状に並んだ作用電極のうちのある任意の電極を任意の分子で修飾し、別の任意の電極には異なる分子で修飾するという操作は困難である。特に、多種類の分子を1枚のチップの多数の電極上にそれぞれ配置することは困難であった。
【００１４】
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、複数の測定点において短時間に各測定点に応じて所望の電気化学測定を行える、複数の作用電極を設けたＩＣチップを提供することを目的とする。また、複数の作用電極のうち任意の作用電極を用いて微小な電気信号によって電気化学反応を生じさせたり又は電気化学反応に伴う電荷の移動が微小な検出信号であっても検出することができる、複数の作用電極を備えたＩＣチップ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】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は、複数の作用電極を設けたＩＣチップであり、このＩＣチップは、スイッチ群と、スイッチ群に接続されるオペアンプと、オペアンプの入力の一端子と出力端子との間に接続されるコンデンサと、を作用電極毎に備えており、スイッチ群が、オペアンプのオフセット電圧を測定するオフセット電圧測定モードと、作用電極の電位を測定する電極電位測定モードと、作用電極を所定の電位に設定した際に流れる電流を測定する電流電圧変換測定モードと、作用電極を所定の電位よりもオフセットした電位に設定した際に作用電極に流れる電流を測定するオフセット電流電圧変換測定モードとに切り替えることを特徴とする。
【００１６】
上記構成において、作用電極とスイッチ群との間は電源の負極に接続したダイオードが接続され、作用電極からのリーク電流がｆＡオーダーに抑制されていることが好ましい。
上記構成において、スイッチ群及びオペアンプを構成するトランジスタ類の配置領域には、遮光メタルが設けられていることが好ましい。
上記構成において、複数の作用電極に交流信号が印加されることで誘電泳動によって、複数の作用電極が機能性分子により修飾されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本明によれば、スイッチ群により、各作用電極毎に、オフセット電圧測定モード、電極電位測定モード、電流電圧変換測定モード、オフセット電流電圧変換測定モードの各モードを選択することができる。これにより、様々な測定や電気化学反応を行うことができる。
ダイオードの接続により作用電極からのリーク電流が抑制されていたり、遮光メタルが配置されている場合にあっては、微弱な信号を測定することができ、電流の検出感度を高くすることができる。よって、化学修飾する際にも漏れ電流により不要な反応を生じないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る電気化学センサを示す構成図である。
【図２】図１に示すＩＣチップ及びその周辺回路を示すブロック構成図である。
【図３】図２に示すセルの構成を示す図である。
【図４】各測定モードと第１乃至第５のスイッチの開閉との関係を示すテーブルである。
【図５】図２に示す制御部及び各セルとの接続関係を示す図である。
【図６】図５に示す一つのセルの回路図である。
【図７】図２におけるセル単位での各レイアウトを示し、（ａ）はＥＳＤ保護素子を有する回路でのレイアウト、（ｂ）は（ａ）において遮光メタルに関する配置のレイアウト、（ｃ）はゲート保護用のダイオードを有する回路でのレイアウト、（ｄ）は（ｃ）において遮光メタルに関する配置のレイアウトをそれぞれ示す図である。
【図８】ＩＣチップにおけるトランジスタ類とコンデンサとの関係を模式的に示す断面図である。
【図９】各セルにおける作用電極とパッドとの関係を示す断面図及びその作製工程を示す図である。
【図１０】測定電流のダイナミックレンジを広く出来ることを説明する図である。
【図１１】ダイナミックレンジを大きくすることができる理由について説明するための図であり、マトリックス状にｍ×ｎのセルが並んで、同じ行に並んだセル同士が各スイッチＳｉ，ｊにより外部に電流を取り出すことができることを模式的に示すものである。
【図１２】本発明の実施形態に係る電気化学センサを用いた電気化学測定方法を行う際の異常電極を検査する手法を示す図である。
【図１３】或る電気化学反応の測定方法を説明するための説明図である。
【図１４】ＩＣチップを用いて電気化学反応を生じさせたり誘電泳動を用いて化学修飾を行ったりすることを説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る複数の電極を備えたＩＣチップ（以下、単に「ＩＣチップ」と呼ぶ。）に関し、電気化学センサへの適用を前提に説明をする。
【００２０】
〔ＩＣチップとＩＣチップの電気化学センサへの適用〕
図１は本発明の実施形態に係るＩＣチップ１０を備えた電気化学センサの概略図である。図２は、図１に示すＩＣチップ及びその周辺回路を示すブロック構成図である。本発明の実施形態に係る電気化学センサ１は、複数の作用電極１１を備えたＩＣチップ１０と、ＩＣチップ１０を搭載した配線基板５と、配線基板５に立設され測定対象物を収容する収容部２と、電気化学計測で必要となる参照電極３、対極４の何れか一方又は双方と、を備えている。
【００２１】
ＩＣチップ１０は、作用電極１１と、スイッチ群（「測定モード切替用スイッチ群」とも呼ぶ。）１２と、スイッチ群１２に接続されるオペアンプ１３と、オペアンプ１３の入力の一端子と出力端子との間に接続されるコンデンサ１７と、を作用電極１１毎、つまりセル毎に備えている。ここで、オペアンプ１３はセル１０Ａごとに設けられており、作用電極１１からの検出信号がオペアンプ１３に入力されて電流電圧変換され、ローインピーダンス信号となる。よって、ノイズの影響を受けずに検出することができる。スイッチ群１２は、オペアンプ１３のオフセット電圧を測定するオフセット電圧測定モードと、作用電極１１の電位を測定する電極電位測定モードと、作用電極１１を所定の電位に設定した際に流れる電流を測定する電流電圧変換測定モードと、作用電極１１を上記所定の電位よりもオフセットした電位に設定した際に作用電極１１に流れる電流を測定するオフセット電流電圧変換測定モードと、に切り替える。
【００２２】
さらに、図２に示すように、ＩＣチップ１０では、作用電極１１毎のオペアンプ１３が行単位又は列単位で共通のアンプ（増幅器）１４に接続されており、バッファーアンプ１４がＩＣチップ１０に搭載されている。このように、行方向に並んだセル１０Ａを一つの組とし複数のセル１０Ａがバッファーアンプ１４に接続されているため、バッファーアンプ１４が、各オペアンプ１３から出力される信号をローインピーダンス変換して、後続のチップ外にある入出力部３０のＡＤ変換器に出力する。
【００２３】
参照電極（Reference electrode）３と対極（Counter electrode）４とは、作用電極１１毎に区分けされたセル１０Ａ単位ではなく、各セル１０Ａにおける作用電極１１に共通して、例えば図１に示すように設けられており、各作用電極１１とで三電極系をそれぞれ形成している。参照電極３、対極４は図示しない支持体に取り付けられて保持されている。また、参照電極３を用いないで作用電極１１と対極４とで二電極系を形成してもよい。
【００２４】
本発明では、セル１０Ａ毎に設けられているスイッチ群１２を制御することにより、セル１０Ａ毎に、オフセット電圧測定モード、電極電位測定モード（エレクトロメータ）、電流電圧変換モード、オフセット電流電圧測定モードが選択可能である。よって、本発明の実施形態に係るＩＣチップ１０を電気化学センサ１に応用すれば、作用電極１１毎に同じ測定モードにて電気化学測定を行うことも、異なる測定モードにて電気化学測定を行うことも可能となる。
【００２５】
本発明の実施形態に係るＩＣチップ１０は、詳細は後述するように特に第１及び第２の特徴を備えているため、ＩＣチップ１０を電気化学センサ１において用いることにより、ｐＡオーダーの微弱電流を測定することができる。
第１の特徴：ＥＳＤ（Electro-Static Discharge）保護素子の代わりにゲート保護用素子を設けたこと。これにより、リーク電流を小さくすることができ、ゲート保護用素子の寸法がＥＳＤ保護素子のそれより小さいことから、コンデンサ１７の配置面積を大きくすることができる。
第２の特徴：スイッチ群１２及びオペアンプ１３を構成するトランジスタ類を配置した領域上に遮光メタルを設けたこと。これにより、遮光メタルが光照射によるキャリアの発生を防ぐことができる。
【００２６】
これらの特徴を説明する前提として、ＩＣチップ１０の構成について説明する。図２に示すように、ＩＣチップ１０は、マトリックス状に行（ＣＯＬＵＭＮ）と列（ＲＯＷ）に複数のセル１０Ａが並んで構成されている。ＩＣチップ１０には、各セル１０Ａから出力される信号を一時的に蓄えて外部に出力したり各セル１０Ａに対して電圧の印加、電流を流す入出力部３０と、各セル１０Ａに対し制御信号を出力する制御部４０と、が接続されている。制御部４０からの信号で行（ＣＯＬＵＭＮ）と列（ＲＯＷ）を指定し、モードをそれぞれ書込むことが出来る。また、列（ＲＯＷ）を逐次指定し、スイッチ１２Ｆを閉じることによって、各行のオペアンプ１３の出力信号を同時に出力することができる。なお、ＩＣチップ１０は、複数のセル１０Ａのほか入出力部３０、制御部４０の何れか一方又は双方を含んで構成されてもよい。
【００２７】
図３は、図２に示すセル１０Ａの構成を示す図である。図３に示すように、セル１０Ａの構成は次の通りである。
コンデンサ１７がオペアンプ１３の出力端子と反転入力端子との間に接続されている。
オペアンプ１３の反転入力端子には第１の抵抗１９Ａの一端が接続され、第１の抵抗１９Ａの他端に第１のスイッチ１２Ａの一端が接続されている。つまり、第１の抵抗１９Ａと第１のスイッチ１２Ａとが直列に、オペアンプ１３の反転入力端子とパッド１８との間に接続されている。
オペアンプ１３の非反転入力端子に第２の抵抗１９Ｂの一端が接続され、第２の抵抗１９Ｂの他端に第２のスイッチ１２Ｂ、第３のスイッチ１２Ｃ、第４のスイッチ１２Ｄの一端がそれぞれ接続されている。
第１の抵抗１９Ａと第２の抵抗１９Ｂは、０〜１００ｋΩの値を有するが、ショート（０Ω）されていてもよい。第１のスイッチ１２Ａの他端と第２のスイッチ１２Ｂの他端がパッド１８に並列に接続されている。第３のスイッチ１２Ｃの他端は、図２に示す入出力部３０内のＤ／Ａ変換器に接続されて電圧Ｖ２が印加される状態となっている。第４のスイッチ１２Ｄの他端は接地されている。第５のスイッチ１２Ｅがコンデンサ１７に並列に接続されている。
【００２８】
オペアンプ１３の出力端子は、スイッチ１２Ｆを介して、バッファーアンプ１４の非反転入力端子に接続され、バッファーアンプ１４の反転入力端子がバッファーアンプ１４の出力端子と接続されて帰還回路が形成されている。スイッチ１２Ｆは、入出力部３０を経由した制御部４０からのデジタル入力信号（ＤＩ）に応じて開閉する。バッファーアンプ１４の出力端子は、常に、図２に示す入出力部３０内のＡ／Ｄ変換器に接続されている。第１乃至第５のスイッチ１２Ａ〜１２Ｅからなるスイッチ群により、測定モードを選択することができる。また、スイッチ１２Ｆにより、列（ＲＯＷ）位置を選択できる。
【００２９】
図４は、各測定モードと第１乃至第５のスイッチ１２Ａ〜１２Ｅの開閉との関係を示すテーブルである。
オフセット電圧測定モードでは、第４のスイッチ１２Ｄと第５のスイッチ１２ＥとをＯＮにし、それ以外のスイッチをＯＦＦとする。これによりオペアンプ１３のオフセツト電圧を測定することができる。また、このモードを選択することにより、このモードと他のモードの測定結果から、過大電流が流れる電極、異常電位が発生する電極、オフセット電位が大きいオペアンプなど、異常電極その他の異常セルを人為的に特定して使用対象から除外することができる。
【００３０】
電極電位測定モード（エレクトロメータ）では第２のスイッチ１２Ｂと第５のスイッチ１２ＥとをＯＮにし、それ以外のスイッチをＯＦＦとする。このモードを選択することにより作用電極１１の電位を測定し、電極電位が既知である参照電極の電位と演算することにより、作用電極１１の電極電位を測定することができる。
【００３１】
電流電圧変換モードでは第１のスイッチ１２Ａと第４のスイッチ１２ＤとをＯＮにし、第２のスイッチ１２Ｂ、第３のスイッチ１２ＣをＯＦＦにし、第５のスイッチ１２Ｅはタイムチャートに従ってＯＮ／ＯＦＦとする。さらに、参照電極３の電位がシグナルグランドに対して任意の値、即ち−Ｖ１となるように制御する。このモードではオペアンプ１３の働きにより、作用電極１１の電位はシグナルグランドに等しくなるため、作用電極１１には参照電極３に対してＶ１の電位が印加されていることになる。この状態で作用電極１１上で電気化学反応などがおこり電流が生じると、電荷がスイッチ１２Ａを通過して、スイッチ１２ＥがＯＦＦのときにコンデンサ１７に蓄積される。この電荷蓄積速度を後述の方法で測定することにより、作用電極１１に参照電極に対してＶ１の電位を印加した状態における作用電極１１に流れる電流を測定することができる。
【００３２】
オフセット電流電圧測定モードでは、第１のスイッチ１２Ａと第３のスイッチ１２ＣとをＯＮにし、第２のスイッチ１２Ｂ、第３のスイッチ１２ＣをＯＦＦにし、第５のスイッチ１２Ｅはタイムチャートに従ってＯＮ／ＯＦＦとする。さらに、参照電極３の電位はシグナルグランドに対して−Ｖ１となるように制御し、スイッチ１２Ｃの他端にあるＤ／Ａコンバーターからは電位−Ｖ１＋Ｖ２を印加する。これにより、作用電極１１の参照電極３に対する電位がＶ２となる。この状態で作用電極１１上で電気化学反応などがおこり電流が生じると、電荷がスイッチ１２Ａを通過して、スイッチ１２ＥがＯＦＦのときにコンデンサ１７に蓄積する。この電荷蓄積速度を後述の方法で測定することにより、作用電極１１の電位を参照電極３に対してＶ２とした状態において、作用電極１１に流れる電流を測定することができる。ここでオフセットとは作用電極の電位を、電流電圧変換モードにおける方法からさらに任意の値−Ｖ１＋Ｖ２変化させることを意味する。また、Ｖ２の電圧は直流電圧でも、交流電圧でも、パルス波のような電圧を設定してもよい。Ｖ1の電位はグランドにしてもよい。
【００３３】
電流電圧測定モード及びオフセット電流電圧測定モードにおいては、第５のスイッチ１２ＥをＯＮ／ＯＦＦする。詳細については後述するが、コンデンサ１７を充放電することにより作用電極１１に流れる電流の大きさを測定する。電流の計算式を以下に示す。
ｉ＝Ｃ＊ΔＶ／Δｔ
ここで、ｉは電流値
Ｃはコンデンサ１７の容量
ΔＶはコンデンサ１７の出力電位の変化分
Δｔは時間変化分
ΔＶ／Δｔはコンデンサ１７の出力電圧の時間に対する傾き
そのため、コンデンサ１７の充電量を超えると、オペアンプ１３が飽和するので、飽和する前に第５のスイッチ１２ＥをＯＮにしてコンデンサ１７に蓄えられた電荷を、第５のスイッチ１２Ｅを介して、急速放電する。再度、第５のスイッチ１２ＥをＯＦＦにして、作用電極１１に流れる電流を再度測定する。作用電極１１に流れる電流が大きければ大きいほど、ΔＶ／Δｔは大きく、短時間で飽和に達するため、第５のスイッチ１２ＥをＯＦＦにしてから放電のためにＯＮにするまでの時間を短くする必要がある。
【００３４】
本発明の実施形態においては、図３に示すように、スイッチ群１２を切り替えることで各モードを切り替えることができる。そのため、スイッチ群１２と比べて、占有面積のかなり広いオペアンプを複数個、一つのセルにおいてモード毎に設ける必要がない。これにより、隣接するセル１０Ａにそれぞれ配置される作用電極１１の間隔を小さくでき、しかも、作用電極１１とオペアンプ１３との間、オペアンプ１３とバッファーアンプ１４との間の距離を何れも短くすることにより、ノイズの影響を受けにくくし、より微弱な電流シグナルを測定することができる。
【００３５】
本発明の実施形態に係るＩＣチップ１０では、オペアンプ１３をモード毎に設けないため、作用電極１１同士の間隔を小さくすることにより、作用電極１１を高密度に配置することができる。よって、このようなＩＣチップ１０を電気化学センサ１に用いることにより以下の点で有利になる。第１に、電気化学センサ１をイメージングデバイスとして利用することで、より空間解像度の高いイメージングを行える。第２に、一度により多くの計測を行うことができ、ＤＮＡアレイなどのように多くの測定項目を一括して測定したり、一細胞解析のように多くのサンプルを一括して測定したりすることができる。第３に、より空間的に近接したもの同士の相互作用を計測することができる。
【００３６】
また、ＩＣチップ１０においてコンデンサ１７の配置面積を大きくすることができる。電流電圧測定モード及びオフセット電流電圧測定モードにおいてコンデンサ１７の充放電により作用電極１１に流れる電流を測定する場合、容量を大きくすることができるため、より大電流を測定することができる。測定ダイナミックレンジについての詳細は後述するが、測定できる電流の最大値は、第５のスイッチ１２ＥのＯＦＦ時間とコンデンサ容量に依存する。第５のスイッチ１２ＥのＯＦＦ時間はスイッチ切換え速度により、短くすることには限界がある。スイッチＯＦＦ時間が共通であれば、コンデンサ容量に比例して測定可能な電流の最大値も増加する。このように、コンデンサ１７の配置面積を大きくすることにより、ダイナミックレンジを広くした測定が容易かつ安定して行える。
【００３７】
図５は、図２に示す制御部４０及び各セル１０Ａとの接続関係を示す図である。制御部４０は、図５に示すように、ＲＯＷデコーダ４１とＣＯＬＵＭＮデコーダ４２とＲＥＳＥＴ信号線４３とＭＤ０信号線４４とＭＤ１信号線４５とＷＲＩＴＥ信号線４６とにより構成され、マトリックス状に配置されたセル１０Ａを選択すると共に、第１乃至第５のスイッチ１２Ａ〜１２Ｅからなるスイッチ群１２とオペアンプ１３の出力端子とバッファーアンプ１４の反転入力端子との間に設けられる第６のスイッチ１２Ｆ（図２、図３参照）とを制御する。ここで、ＭＤ信号とはモード選択信号であり、ゼロ番目のモード選択信号をＭＤ０信号、一番目のモード選択信号をＭＤ１信号と表記している。
【００３８】
図６は、図５に示す一つのセルの回路図である。各セル１０Ａの制御系統は例えば図６に示す制御回路５０を含んでおり、測定モードの切替えを行う。図６に示す制御回路５０は一つの例であって、これと等価的な回路であってもよい。
各セル１０Ａには、図６に示すように、第１乃至第３のＡＮＤ素子５１Ａ，５１Ｂ，５１ＣとＯＲ素子５２と第１及び第２のラッチ５３Ａ，５３Ｂとを含んでいる。
第１のＡＮＤ素子５１Ａには、ＣＯＬＵＭＮ選択信号と第６スイッチの開閉信号線４８とＷＲＩＴＥ信号とが入力され、第１のラッチ５３Ａ及び第２のラッチ５３Ｂのクロックパルスとして出力される。
第１のラッチ５３Ａには、ＭＤ０信号線４４からの信号が入力される。第２のラッチ５３Ｂには、ＭＤ１信号線４５からの信号が入力される。第２のＡＮＤ素子５１Ｂには、第１のラッチ５３Ａからの信号と第２のラッチ５３Ｂからの信号とが入力され、第２のスイッチ１２Ｂの開閉信号を出力する。第３のＡＮＤ素子５１Ｃには、第１のラッチ５３Ａからの信号と第２のラッチ５３Ｂからの信号とが入力され、第３のスイッチ１２Ｃの開閉信号を出力する。ＯＲ素子５２は、第２のラッチ５３Ｂからの信号とＳＷ５信号線４７からの信号が入力され、第５のスイッチ１２Ｅの開閉信号を出力する。
【００３９】
図６に示す制御回路５０により、スイッチ群１２が切り替えられ、選択した測定モードを書込み、また、選択したオペアンプ１３の電圧を出力できる。
【００４０】
ここで、前述した本発明の実施形態に係るＩＣチップ１０の第１の特徴点について詳細に説明する。作用電極１１に接続されるパッド１８とオペアンプ１３との間の配線には、図３に点線で示すように電源（＋Ｖｃｃ）との間に第１のダイオード１５Ａが接続され、図３に実線で示すように電源（−Ｖｃｃ）との間に第２のダイオード１５Ｂが接続されている。第１のダイオード１５Ａ及び第２のダイオード１５ＢによりＥＳＤ（Electro-Static Discharge）保護素子が形成されている。第１のダイオード１５Ａは配線側をカソードとし、第２のダイオード１５Ｂは接続点側をアノードとしている。このＥＳＤ保護素子により、ＬＳＩの作製工程において、静電気放電によるＬＳＩ破損が防止される。ＬＳＩ内部のＭＯＳゲートは薄い酸化膜等の絶縁膜により覆われているので、インピーダンスが高く、電荷の導通経路が存在しない。そのため、ＥＳＤ保護素子により、静電気などによる酸化膜の絶縁破壊、接合破壊、配線の溶断などの破壊現象が起きないようにする。
【００４１】
これに対して、別の形態にあっては、作用電極１１に接続されるパッド１８とオペアンプ1３との間の配線には、図３に実線で示すように、電源（−Ｖｃｃ）との間にダイオード１５が接続されている。つまり、ダイオード１５が、作用電極１１に接続されるパッド１８とオペアンプ１３との間に、カソードを電源（−Ｖｃｃ）に、アノードをオペアンプ１３側に接続されて配置されている。このダイオード１５はゲート保護用ダイオードと呼ぶことができ、これにより、作用電極１１から流れる電流がオペアンプ１３に入力される際、ダイオード１５に流れ込むリーク電流を小さくすることができる。このダイオード１５は、電荷をＩＣチップ１０Ａが形成されている基板側に流すことで、過剰な電荷を蓄積させない。
【００４２】
外部端子となるパッド１８に接続される配線に、第１及び第２のダイオード１５Ａ，１５ＢでＥＳＤ保護素子を設けると、４ｐＡ程度の大きさのリーク電流が各ダイオード１５Ａ，１５Ｂに流れる。これに対し、ダイオード１５のみを設けるとリーク電流が５ｆＡ程度となりリーク電流を１／１０００程度に減少させることができる。また、後述するようにＥＳＤ保護素子は比較的サイズが大きいが、ＥＳＤ保護素子の代わりにゲート保護用ダイオードを用いることによりそのサイズを小さくすることができる。これにより、セル１０Ａ毎の作用電極１１の間隔を狭め、作用電極１１からオペアンプ１３、さらにはバッファーアンプ１４までの距離を小さくすることができる。その結果、前述したように、ノイズの影響を受け難く、高密度で電極を配置することにより空間解像度を向上することができる。
【００４３】
図７は図２のセル単位でのレイアウトの幾つかの例を示す。図7（ａ）はＥＳＤ保護素子を有する回路でのレイアウト、（ｂ）は（ａ）において遮光メタルに関する配置のレイアウト、（ｃ）はゲート保護用のダイオードを有する回路でのレイアウト、（ｄ）は（ｃ）において遮光メタルに関する配置のレイアウトである。図７（ａ）及び（ｃ）の何れにおいても、向かって下側に、トランジスタ類、コンデンサ６１ａその他の要素からなるオペアンプ６１及びそれに接続される各スイッチ６２が配置され、向かって上側に、パッド６３と図２の符号１７に相当するコンデンサ６４とが配置されている。図７（ａ）に示すようにＥＳＤ保護素子６５がパッド６３とコンデンサ６４との間に設けられ、図７（ｃ）に示すようにゲート保護用ダイオード素子６６がパッド６３とコンデンサ６４との間に設けられる。図７（ａ）と（ｃ）とを比べて、ＥＳＤ保護素子６５を設けたレイアウトでは、ＥＳＤ保護素子６５がパッド６３よりもやや大きい領域を占有している一方、ＥＳＤ保護素子６５の代わりにゲート保護用ダイオード素子６６を設けたレイアウトでは、ゲート保護用ダイオード素子６６がパッド６３よりも１/８前後の領域しか占有していない。
【００４４】
このように、ＥＳＤ保護素子６５の代わりにゲート保護用ダイオード素子６６を設けることにより、上述したようにリーク電流を小さくすることができ、さらに、コンデンサ６４などの容量の配置面積を大きくすることができる。
【００４５】
ここで、前述した本発明の実施形態に係るＩＣチップ１０の第２の特徴点について詳細に説明する。ＩＣチップ１０では、図２及び図３に示すスイッチ類１２及びオペアンプ１３を構成するトランジスタ類上には、遮光メタルが設けられている。以下、具体的に説明する。
【００４６】
図７（ｂ）にハッチングを付して示しているように、オペアンプ６１中のコンデンサ６１ａのほか、パッド６３、コンデンサ６４、ＥＳＤ保護素子６５及びオペアンプ６１中のコンデンサ６１ａを除いた領域には遮光メタル１０３が設けられている。図７（ｄ）にハッチングを付して示しているように、オペアンプ６１中のコンデンサ６１ａのほか、パッド６３、コンデンサ６４、ゲート保護用ダイオード素子６６及びオペアンプ６１中のコンデンサ６１ａを除いた領域には遮光メタル１０３が設けられている。このように、スイッチ６２とオペアンプ６１中のトランジスタ類とが配置される領域には、遮光メタル１０３が設けられる。これにより、光により生じるキャリアによってノイズが検出信号等に含まれないようにする。
【００４７】
図８は、ＩＣチップ１０におけるトランジスタ類とコンデンサとの関係を模式的に示す断面図である。図示するように、基板１０１に複数のトランジスタ１０２が積層され、あるトランジスタ１０２Ａのとなりにコンデンサ１７が配置される。その際、トランジスタ１０２を覆うように遮光メタル１０３が設けられる。これにより、トランジスタ１０２に光が入射することでキャリアが生じバックグランド電流が流れることが防止される。一方、コンデンサ１７を構成する一対の金属層１７Ａ，１７Ｂの上には遮光メタル１０３を設けない。遮光メタルを設けると、コンデンサ１７に電荷が蓄積されて静電誘導により容量が変化し、浮遊容量として、コンデンサ１７の特性が変化するからである。また、コンデンサ１７以外のところに設けた遮光メタル１０３については接地することにより、より安定な特性を得ることができる。
【００４８】
図９は、各セルにおける作用電極とパッドとの間の関係を示す断面図及びその作製工程を示す。
【００４９】
図９に示すように集積化された基板１１１にはＡｌ層とＣｕ層とからなるパッド１１２が設けられ、その上に、シリコン酸化膜からなる第１の絶縁膜１１３と、窒化シリコン膜からなる第２の絶縁膜１１４が形成されている（図９（ａ））。
【００５０】
次に、第１及び第２の絶縁膜１１３，１１４のうちパッド１１２が形成されている領域上をフォトリソグラフィを用いて部分的にエッチングを行い、コンタクトホール１１５を開ける（図９（ｂ））。
【００５１】
次に、コンタクトホール１１５の底面及び側面を覆い第２の絶縁膜１１４上にＴｉなどからなる密着層１１６を形成し、その密着層１１６上に電極材料、例えばＡｕその他の貴金属、導電性炭素、導電性高分子で電極層１１７を設ける（図９（ｃ））。電極材料は、導電性及び化学的安定性を有しているだけでなく、水の電気分解により水素及び酸素の何れもが発生しないように印加する電位の幅が広いものが好ましい。
【００５２】
そして、その電極層１１７及び第２の絶縁膜１１４上にＳＵ−８のレジストなどの絶縁膜１１８を形成し、その絶縁膜１１８であって、作用電極部分として使用する部分１１９を貫通させる（図９（ｄ））。
【００５３】
このようにして、絶縁膜１１８のうちパッド１１２の真上ではなくその近傍に貫通穴を設け、その貫通穴を設けた部分の電極層１１７を作用電極１１として用いる。よって、パッド１１２の表面が凹凸があっても作用電極１１が平坦となる。
【００５４】
ここで、図９（ｃ）においてパッド１１２を電極層１１７及び絶縁層１１８により被膜する理由は、パッド１１２がアルミニウムで形成されているため作用電極として用いることができないからである。そのため、パッド１１２上に密着層１１６及び電極層１１７を形成する。これにより、パッド１１２のアルミニウム自体が電気化学測定により反応することが阻止される。
【００５５】
電極層１１７を更にレジストなどで被膜する理由は、ＬＳＩ表面の第１及び第２の絶縁層１１３，１１４にはピンホールが存在するからである。チップそれ自体を水溶液に接触させて電気化学測定を行うので、レジストなどで被膜をしないと、ピンホールから水溶液が侵入し、ＬＳＩ内部の配線まで水溶液が達して回路がショートするおそれがある。レジストで被膜することにより、水溶液が層間絶縁層に達するのが防止される。レジストを開口して露出した電極層１１７のみを作用電極１１として用いる。レジストの開口面積は任意に設定できる。そのため、同一の電気化学反応が生じている場合でも、電流の大きさは電極面積に比例するため、大電流が流れる電気化学測定を行う場合には開口面積が小さいチップを用い、小電流が流れる電気化学測定を行う場合には開口面積が大きいチップを用いる。
【００５６】
パッド１１２をレジストなどの絶縁層１１８で被膜してもパッド１１２の真上には開口を設けない理由について説明する。パッド１１２は凹凸を有しており、パッド１１２の上には第１及び第２の絶縁層１１３，１１４における凹凸部分の隅や横壁部分を電極材料で完全に被膜することができない可能性がある。完全に電極材料で被膜できないと、測定対象物である水溶液中の成分がパッド表面であるＡｌと反応したり、パッドが電気化学反応を直に起こす。
【００５７】
次に、本発明の実施形態に係るＩＣチップ１０を用いた電気化学センサ１では、作用電極１１から流れる電流の大きさの測定範囲を広くすることができることを説明する。図１０は測定電流のダイナミックレンジを広く出来ることを説明する図で、（ａ）は第５のスイッチ１２ＥのＯＮ、ＯＦＦの信号であり、（ｂ）はオペアンプ１３の出力波形、（ｃ）はオペアンプ１３の好ましくない出力波形、（ｄ）は第５のスイッチ１２ＥのＯＮ、ＯＦＦの信号であり、（ｅ）はオペアンプ１３の出力波形である。横軸は時間であり、縦軸は各信号の強度である。
【００５８】
第５のスイッチ１２ＥをＯＦＦにすると、オペアンプ１３は電流電圧変換回路として機能し、図１０（ａ）及び（ｂ）に示すように、第５のスイッチ１２ＥをＯＦＦにするとオペアンプ１３からの出力が増加し、第５のスイッチ１２ＥをＯＮにするとオペアンプ１３からの出力がゼロになる。このとき、オペアンプ１３の出力の傾きから電流値が求まる。すなわち、コンデンサ１７に電荷が蓄積されるに従い、コンデンサ１７に充電され、オペアンプ１３の出力が増加する。電流が急激に大きくなると、図１０（ｃ）に示すように、オペアンプ１３の出力が増加し、傾きが大きくなり、第５のスイッチ１２ＥのＯＦＦからＯＮになるタイミングに至る前に出力が飽和する。そこで、図１０（ｄ）に示すように、第５のスイッチ１２ＥのＯＮ／ＯＦＦのタイミング周期を短くして、例えば１０倍毎に短くすることにより、作用電極１１に流れる電流が増加してもオペアンプ１３の出力を図１０（ｅ）に示すように飽和させないようにすることができる。
【００５９】
このように、第５のスイッチ１２Ｅの開放時間を、例えば１００ｍｓ，１０ｍｓ，１ｍｓ及び１００μｓと選択することにより、１レンジのみでは測定可能な電流範囲が１ｐＡ〜１００ｐＡであるのに対して、４レンジを追加することにより測定可能な電流範囲を、１ｐＡ〜１００ｐＡ，１０ｐＡ〜１０００ｐＡ，１００ｐＡ〜１００００ｐＡ及び１０００ｐＡ〜１０００００ｐＡと広範囲にすることができる。
【００６０】
さらに、ダイナミックレンジを大きくすることができる理由について具体的に説明する。図１１は、マトリックス状にｍ×ｎのセルが並んで、同じ行に並んだセル同士が各スイッチＳｉ，ｊにより外部に電流を取り出すことができることを模式的に示している。各セル中の回路は図３に示すとおりである。
【００６１】
まず、低電流を精度良く測定する手法について説明する。説明を簡略化するためにＩＣチップから行数ｎと同じ数の信号が同時に出力され、その数の信号を取り出すことができるものとする。ある列にあるスイッチ１２Ｆから次の列にあるスイッチ１２Ｆまでの切換時間を２Δｔとする。ΔｔはＩＣチップから出力される信号のサンプリング周波数の逆数である。
ステップ１：各セルに含まれているスイッチ１２Ｅの全てをＯＮからＯＦＦにして時間をリセットする。
ステップ２−１：時間２Δｔ経過すると、スイッチＳ１，１〜Ｓｍ，１（第１列目の各スイッチ）のみＯＮにして、第１列目の各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（１回目）を測定する。
ステップ２−２：さらに時間２Δｔ経過すると、スイッチＳ１，２〜Ｓｍ，２（第２列目の各スイッチ）のみＯＮにして、第２列目の各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（１回目）を測定する。
以下同様に、第３列目、第４列目、第ｎ列目の各スイッチのみを順にＯＮにして各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（１回目）を測定する。
ステップ３−１：２回目の計測の一つ前のスイッチ切換え時から時間２Δｔ経過したとき、スイッチＳ１，１〜Ｓｍ，１（第１列目の各スイッチ）のみＯＮにして、第１列目の各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（２回目）を測定する。
ステップ３−２：さらに時間２Δｔ経過すると、スイッチＳ１，２〜Ｓｍ，２（第２列目の各スイッチ）のみＯＮにして、第２列目の各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（２回目）を測定する。
以下同様に、第３列目、第４列目、第ｎ列目の各スイッチのみを順にＯＮにして各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（２回目）を測定する。
このような電圧測定を所定回数（例えば２０回）繰り返す。
スイッチ１２ＥをＯＦＦからＯＮにして時刻をリセットする。
そして、各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（１回目）の値と各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（２０回目）の値から、各セルのコンデンサ１７の容量をＣとし、１回目の計測から２０回目の計測までの時間をＴとして、以下の（式１）から各セルに流れた電流を求める。
｛Ｃ・Ｖ（２０回目）−Ｃ・Ｖ（１回目）｝／Ｔ               （式１）
または、１回目から任意の回数目までのデータ、例えば１回目から２０回目のデータを用いてフィッティングによって電流を算出してもよい。
【００６２】
次に、高電流を精度良く測定する手法について具体的に説明する。説明を簡略化するためにＩＣチップから行数ｎと同じ数の信号が同時に出力され、その数の信号を取り出すことができるものとする。ある列にあるスイッチ１２Ｆから次の列にあるスイッチ１２Ｆまでの切換時間を２Δｔとする。ΔｔはＩＣチップから出力される信号のサンプリング周波数の逆数である。
ステップ１：各セルに含まれているスイッチ１２Ｅの全てをＯＦＦからＯＮにして時間をリセットする。
ステップ２−１：時間２Δｔ経過すると、スイッチＳ１，１〜Ｓｍ，１（第１列目の各スイッチ）のみＯＦＦにして、第１列目の各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（１回目）を測定する。
ステップ２−２：さらに時間２Δｔ経過すると、第１列目の各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（２回目）を測定する。
ステップ２−３：さらに時間２Δｔ経過すると、第１列目の各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（３回目）を測定する。
ステップ２−４：さらに時間２Δｔ経過すると、第１列目の各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（４回目）を測定する。
ステップ３：各セルに含まれるスイッチ１２Ｅの全てをＯＦＦからＯＮにし、時間をリセットする。
ステップ４−１：時間２Δｔ経過すると、スイッチＳ１，２〜Ｓｍ，２（第２列目の各スイッチ）のみＯＦＦにして第２列目の各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（１回目）を測定する。
ステップ４−２：さらに時間２Δｔ経過すると、第２列目の各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（２回目）を測定する。
ステップ４−３：さらに時間２Δｔ経過すると、第２列目の各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（３回目）を測定する。
ステップ４−４：さらに時間２Δｔ経過すると、第２列目の各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（４回目）を測定する。
ステップ５：所定の時間だけ各セルに含まれるスイッチ１２Ｅの全てをＯＦＦからＯＮにし、時刻をリセットする。
その後、第３列目の各セルのコンデンサ１７の電圧についても、ステップ２−１〜ステップ２−４の要領でＶ(１回目)、Ｖ（２回目）、Ｖ（３回目）、Ｖ（４回目）として測定しスイッチ１２ＥをＯＦＦからＯＮにする。
そして、各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（２回目）の値と各セルのコンデンサ１７の電圧Ｖ（３回目）の値から、各セルのコンデンサ１７の容量をＣとし、２回目の計測から３回目の計測までの間の時間をＴとして、以下の（式２）から各セルに流れた電流を求める。
｛Ｃ・Ｖ（３回）−Ｃ・Ｖ（２回）｝／Ｔ      （式２）
【００６３】
以上により、コンデンサ１７の両端に接続するスイッチ１２Ｅの開閉を制御することで、作用電極１１から電流により電荷が蓄積されて飽和することで測定できなくなることが防止される。よって、ダイナミックレンジが大きく汎用性の高い測定を行うことができ、様々な用途に適用することができる。
【００６４】
本発明の実施形態に係るＩＣチップ１０を用いた電気化学センサ１により行われる各種の測定を行うに先立ち、作用電極１１が異常でないか確認する。図１２は本発明の実施形態に係る電気化学センサ１を用いた電気化学測定方法を行う際の異常電極や異常セルを検査する手法を示す図である。スイッチ群１２をオフセット電圧測定モードに設定し、オペアンプ１３のオフセット電圧を測定する。オペアンプ１３のオフセット電圧が規定値以上であった場合には、そのオペアンプ１３に接続された作用電極１１は、人為的に、使用対象から除外する。これにより、測定系に意図しない異常な反応を誘起することを防ぐことができる。例えば、１．５ＶｖｓＡｇ／ＡｇＣｌ以上の電圧が加わって酸素が発生したり、−１．５ＶｖｓＡｇ／ＡｇＣｌ以下の電圧が加わって水素が発生したりするという、測定系に悪影響を及ぼす可能性が低くなる。
【００６５】
このように作用電極１１が異常でないことを確認した後に、例えば次のような各種の測定を行うことができる。なお、以下に挙げる測定に限られるものではない。
第１の測定としては、或る作用電極には還元電位を印加しその周りの作用電極には酸化電位を印加することにより、還元された物質の拡散挙動を解析することが可能となり、例えば隣同士の作用電極が干渉し合うか否かを評価することができる。
第２の測定としては、或る作用電極は還元電位を印加したままで別の作用電極はある時刻に酸化電位に切り替えるといった測定を行うことにより、バックグランドとしての還元電流を測定しつつシグナルとして酸化電流をモニタリングすることができる。
第３の測定としては、作用電極を２種類の電位、即ち、所定の電位とこの所定の電位よりもオフセットした電位とを印加して測定することにより、同時に２種類の酸化還元電位の異なる化学種の測定を行うことができる。
第４の測定として、異常が発生していない作用電極の全てに対して、同じタイミングで例えば１０〜２００ｍＶ／ｓで作用電極に印加する電位を変化させ、その際流れる電流を測定する。これにより、電気化学センサ１を所謂サイクリックボルタンメトリとして利用することもできる。
【００６６】
図１３は、或る電気化学反応の測定方法を説明するための説明図である。ある特定のセル１０Ａについては作用電極１１を酸化反応を生じさせる電位に設定し、その特定のセル１０Ａの周りにあるセル１０中の作用電極１１については還元反応を生じさせる電位に設定する。例えば図１３（ａ）に示すように２行２列目の作用電極１１についてはＶ２に設定し、その他の作用電極１１については電位Ｖ１に設定する。
【００６７】
その際、図１３（ｂ）に示すように、３行４列目の作用電極１１については電位を印加しない状態とすることもできる。つまり、この３行４列目の作用電極１１については反応に関与させないようにすることもできる。
【００６８】
セル１０Ａ毎の作用電極１１に所定時間だけ電位を印加したのち、図１３（ｃ）に示すように、セル１０毎の作用電極１１の電位を測定する。測定した電位を相互に比較することにより、参照修飾に対する各作用電極の電位を測定する。
【００６９】
これにより、例えばオスミウム錯体を含有する酸化還元ポリマー（Ｏｓポリマー）中の電子移動を評価することができる。Ｏｓポリマーはグルコース等を検出するためのバイオセンサやバイオ燃料電池の電子伝達メディエーターとして、電極上に固定化して用いられる。すなわち、電子がポリマー鎖中を電子ホッピングによって移動することにより、測定対象物質や基質と電極間の電子授受が効率的に行われる。Ｏｓポリマー中の電子移動を理解することは、これらのセンサや電池の機能向上に重要である。本実施形態に係るＩＣチップ１０を用いることにより、ポリマー中の電子移動を従来より簡便に解析することができる。また、操作が複雑ではないため、従来問題であった操作性も向上する。
【００７０】
この電子移動の評価についてさらに具体的に説明する。一旦、全ての作用電極をオスミウムが十分に還元される電位Ｖ１（例えば０．０Ｖ ｖｓ Ａｇ/ＡｇＣｌ）にする。各作用電極表面付近のＯｓがほぼＯｓ２＋になって電流が安定したところで、ある電極だけをオスミウムが十分に酸化される電位Ｖ２（例えば０．６Ｖ  ｖｓ  Ａｇ／ＡｇＣｌ）にステップする。つまり、或る作用電極だけ電位Ｖ２に変える。ステップさせた電極の周囲の電極の電流値の変化を調べることによって、電子がどのようにポリマー中を移動するのか解析することができる。または、ある時点で図１３（ｃ）のように電極電位測定モードとすることにより、各電極近傍のＯｓ２＋/Ｏｓ３＋の比が電位を切った状態でどのように推移するのか、モニタリングすることもできる。ここで、電極電位はネルンスト式により電極表面での酸化体と還元体の比を示すことになる。
【００７１】
ネルンスト式から、Ｅ（電極電位）＝Ｅ0（式量電位）＋０．０５９Ｖ×ｌｏｇ１０（ｃｏ (酸化体の電極表面濃度)／ｃｒ（還元体の電極表面濃度）))と表すことができ、もし、電極が式量電位を示していれば、酸化体と還元体は１：１、電極電位が式量電位より５９ｍＶ高ければ１０：１、１１８ｍＶ高ければ１００：１というように求められる。
【００７２】
このような測定以外に、例えば、図１３（ｄ）に示すように、３行５列に並んだ作用電極のうち、２行２列の作用電極のみ電位Ｖ２に印加し、２行４列の作用電極１１のみ電位Ｖ１に印加する。これにより、電位を印加した作用電極の周りの電極は電位を設定せずＯＦＦモードにして、近接する作用電極の干渉を防ぐことができる。
【００７３】
図１３を参照して説明した測定方法においても、作用電極のうち予めオフセット電圧が異常となるものを使用対象から除外することが有効である。即ち、図１３（ａ）で示すように、ある作用電極のみを酸化電位とし、他の作用電極を還元電位とするような場合に、還元電位としている作用電極のうちどれか一つでも異常となって酸化電位となることがなく、意図していた測定を行うことができる。
【００７４】
〔化学修飾など〕
本発明の実施形態に係るＩＣチップ１０は、微弱信号を検出することができるという点で電気化学センサへの適用を前提に説明したが、本発明の実施形態に係るＩＣチップ１０は電気化学測定のみならず、各種の電気化学反応を操作するための手段、誘電泳動現象を用いたマニピュレータへと適用することができる。
【００７５】
例えば、本発明の実施形態であるＩＣチップ１０において、作用電極を機能性分子で修飾することによりバイオチップとして用いることができる。作用電極に分子を修飾する際には、例えば誘電泳動現象を用いて特定の分子を特定の作用電極に修飾することができる。誘電泳動現象を用いる場合には、図１のように、配線基板５に作用電極付ＩＣチップ１０を搭載し、ＩＣチップ１０を収容部２の底部に露出するように配置する。参照電極３、対極４は設けない。
【００７６】
図１４はＩＣチップを用いて電気化学反応を生じさせたり誘電泳動を用いて化学修飾を行ったりすることを説明するための説明図である。上述したように、本発明の実施形態に係るＩＣチップ１０では、作用電極１１がマトリックス状に並べて配置されている。以下の説明では図１４に示すように３行４列に作用電極が並んでいる場合を示すが、例えば２０行２０列で計４００個の作用電極の場合でも適用できる。
【００７７】
電気化学測定を行う前、電気化学反応や誘電泳動を用いて一つの作用電極１１又は複数の作用電極１１を指定して蛋白質等の物質で電気化学的に修飾する。つまり、図１４（ａ）に示すように、２行３列目の作用電極のみを特定の電位Ｖ１に設定し、その他の作用電極には何ら電位を印加していない。この状態で、図１４（ｂ）に示すように、２行３列目の作用電極を物質Ａで修飾する。この修飾とは、２行３列目に存在する作用電極、例えばＡｕを物質Ａで化学修飾することをいう。その後、蛋白質等の種類を変えて例えば物質Ｂで３行３列目の作用電極を修飾する。この手順により、特定の作用電極を特定の物質で修飾する。
【００７８】
このような物質による修飾は、種々知られている。例えば、蛋白質やＤＮＡをアルカンチオールなどを介して作用電極の表面に修飾し、任意の電極のみ一旦アルカンチオールを還元離脱させて異なる蛋白質やＤＡＮなどを修飾する。任意の作用電極に電解重合により、酵素−メディエーター膜、イオン選択性膜などの機能性分子膜を形成させる。任意の電極で水素イオンＨ＋を電気化学的に発生させ、局所的にｐＨを下げることにより、合成反応をブロックしたり逆に合成反応を促進させて、選択的に電極修飾を行う。
【００７９】
本発明の実施形態では、複数の作用電極をそれらの間隔を狭くして配置することができ、しかも、ほぼ同時にそれらの作用電極の電圧を制御することができる。本発明の実施形態に係るＩＣチップを用いることにより、任意の作用電極に他の電極と異なる物質で修飾することが容易に行える。化学修飾される物質は二種類に限らず多種類の修飾も容易に行える。任意の作用電極の選択はプログラムによりスイッチ群の選択することで容易に行え、しかも任意の個数の作用電極に同時に同じ処理を施すことができる。これらのことは、アルカンチオールを介して蛋白質やＤＮＡを作用電極に修飾させる場合のみならず、任意の作用電極に電解重合によって機能性高分子膜を形成する場合にもあてはまる。
【００８０】
任意の電極で水素イオンを電気化学的に発生させて選択的に修飾を行う場合においても、本発明の実施形態を適用すれば、従来のようにデジタルプロジェクターなどを用いて光を当てる必要がなく、作用電極の電位を制御することにより、簡単に行うことができる。
【００８１】
次に、誘電泳動を用いて指定した一つの作用電極又は複数の作用電極に対して、蛋白質、ＤＮＡで修飾した微粒子、細胞を配置することについて説明する。誘電泳動とは、粒子を懸濁液とした溶媒に不均一電場を印加すると、微粒子を挟む電場に強度差が生じ、溶媒と粒子の分極率の違いにより生じる誘起双極子との間に力が生じて粒子が移動する現象である。電位を設定することにより不均一電場を生じさせる。その際、直流では分極により効率的に誘電泳動を誘起することができないため、交流を用いる。図１４のように作用電極がマトリックス状に配置されている場合を想定すると、２列２行目の作用電極に加える電位を変動電位とする。その際、変動電位の周波数はオペアンプが追随可能な範囲に設定する。すると、変動電位を印加した作用電極近傍の電場が強く、この作用電極から遠ざかるに従い電場が弱い、不均一電場となる。従って、正の誘電泳動が誘起される条件では変動電位を印加した電極近傍に粒子が集まり、負の誘電泳動が誘起される条件では変動電位を印加した電極から粒子が遠ざかるように、動く。なお、誘電泳動が正であるか負であるかは、溶媒及び溶質の誘電率、導電率、交流の周波数によって定まる。
【００８２】
以上説明したように、本発明の実施形態に係るＩＣチップ１０は、作用電極１１がアレイ状に配列しており、作用電極毎に異なる電位を印加する操作が容易である。そのため、従来困難であった、多種類の分子を一つのＩＣチップ上の多数の電極上に配置することができる。
【００８３】
微粒子を規則的に集積化する技術は、コロイド結晶の光学素子としての応用、ナノパーティクルリソグラフィーへの応用、細胞を配列させ移植用の組織材料を人工的に構築する組織工学への応用、センサ素子としての応用など、幅広い分野で必要とされている。この技術としては、微粒子の自己組織化現象を用いる方法と、光、磁場、電場などの外部場を利用して微粒子を操作する方法とに区別される。誘電泳動は、電場を利用した電気的微粒子操作法の一つであり、不均一電場中において、溶媒と微粒子の分極率の違いにより生じる双極子モーメントにより微粒子に力が作用し、微粒子を動かす。特に、大量の微粒子を一括してパターニングする方法として、本発明の実施形態に係るＩＣチップ、即ち、マクロ電極基板を用いて、誘電泳動現象により細胞をパターニングすることができる。このように、本発明のＩＣチップは、一又は複数の作用電極上に微粒子を配置してバイオセンサその他のセンサ素子として用いられる。特に、微粒子を配置することで、微粒子は体積当たりの比表面積が大きく、局所領域へのセンサとして機能する分子を高密度に固定化することができる。微粒子として生きた細胞で作用電極を修飾してバイオセンサとして利用することができる。
【００８４】
本発明は上述したように本発明の実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることは言うまでもない。なお、本発明において、ＩＣチップとは、集積回路チップの意味であり、ＬＳＩチップを排除するものではない。また、作用電極は単に電極と呼ぶことを妨げない。本発明の実施形態では、複数の作用電極を備えたＩＣチップは、多数の電極に対して個々に電圧を印加したり電流を流すことにより各電極に電気的エネルギーを与えて化学反応を起こさせるため、多点電気化学操作用ＩＣチップと呼ぶこともできるし、また、各電極付近で生じている電気化学反応を測定するため、多点電気化学測定用ＩＣチップと呼ぶこともできる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明によれば、従来不可能であった小型システムによる電気化学反応を用いた高速イメージングや同時多項目分析が可能になる。これにより、基礎科学分野で求められている細胞機能の解明や遺伝子工学分野で求められている有用細胞や有用遺伝子、有用タンパク質の選別、医薬品開発分野で求められている医薬品スクリーニング、動物実験の代替、医療分野で求められている病気の診断や移植医療のための微小組織診断、社会の安全安心を確保するための環境検査や化学バイオテロ対策などに用いるためのより高度なデバイスを提供することが可能になる。
【００８６】
また、本発明は、超高感度で多点電流検出型バイオＬＳＩ計測システムとして適用可能な電気化学センサを提供するものであり、製品イメージ生体組織活性イメージャー、簡易型ＤＮＡチップ、タンパクアレイを用いる病気診断デバイス、医薬品スクリーニングのための細胞アレイ、移植医療のための微小組織診断デバイス、環境測定デバイス、化学バイオテロ対策のための危険物質検出システムなどに適用することができる。
【符号の説明】
【００８７】
１：電気化学センサ
２：収容部
３：参照電極
４：対極
５：配線基板
１０：ＩＣチップ
１０Ａ：セル
１１：作用電極（Working Electrode）
１２：スイッチ群（測定モード切替用スイッチ群）
１２Ａ：第１のスイッチ
１２Ｂ：第２のスイッチ
１２Ｃ：第３のスイッチ
１２Ｄ：第４のスイッチ
１２Ｅ：第５のスイッチ
１２Ｆ：第６のスイッチ
１３：オペアンプ
１４：バッファーアンプ（アンプ）
１５Ａ：第１のダイオード
１５Ｂ：第２のダイオード
１５：ダイオード
１７：コンデンサ
１８：パッド
１９Ａ：第１の抵抗
１９Ｂ：第２の抵抗
３０：入出力部
４０：制御部
４１：ＲＯＷデコーダ
４２：ＣＯＬＵＭＮデコーダ
４３：ＲＥＳＥＴ信号線
４４：ＭＤ０信号線（モード選択信号）
４５：ＭＤ１信号線（モード選択信号）
４６：ＷＲＩＴＥ信号線（書き込み信号）
４７：第５スイッチの開閉信号線
４８：第６のスイッチの開閉信号線
５０：制御回路
５１Ａ：第１のＡＮＤ素子
５１Ｂ：第２のＡＮＤ素子
５１Ｃ：第３のＡＮＤ素子
５２：ＯＲ素子
５３Ａ：第１のラッチ
５３Ｂ：第２のラッチ
６１：オペアンプ
６１ａ：コンデンサ
６２：スイッチ
６３：パッド
６４：コンデンサ
６５：ＥＳＤ保護素子
６６：ゲート保護用ダイオード素子
１０１：基板
１０２，１０２Ａ：トランジスタ
１７Ａ，１７Ｂ：金属層
１０３：遮光メタル
１１２：パッド
１１３：第１の絶縁膜
１１４：第２の絶縁膜
１１５：コンタクトホール
１１６：密着層
１１７：電極層
１１８：絶縁膜
１１９：作用電極部分として使用する部分
【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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