(57)【要約】【課題】生体に悪影響を及ぼす有害細胞を破壊することができる細胞変態装置および細胞が破壊するまでの変態を解析することができる細胞変態解析装置を提供することを可能にする。【解決手段】マトリクス状に配置された複数のキャビティ２２を有する基板１１と、複数のキャビティに対応してキャビティ上に設けられ、それぞれがダイオード４を有し、細胞が含まれる媒液を保持可能な複数の媒液保持手段２と、媒液保持手段のそれぞれの周囲に設けられ、一端が前記ダイオードのアノードに接続する第１の配線を有し、媒液保持手段をキャビティ上で支持する第１のメカニカル支持体２５と、媒液保持手段のそれぞれの周囲に前記第１のメカニカル支持体と絶縁して設けられ、一端がダイオードのカソードに接続する第２の配線を有し、媒液保持手段をキャビティ上で支持する第２のメカニカル支持体２６と、を備えている。【選択図】図１
2008022736.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリクス状に配置された複数のキャビティを有する基板と、
複数の前記キャビティに対応して前記キャビティ上に設けられ、それぞれがダイオードを有し、細胞が含まれる媒液を保持可能な複数の媒液保持手段と、
前記媒液保持手段のそれぞれの周囲に設けられ、一端が前記ダイオードのアノードに接続する第１の配線を有し、前記媒液保持手段を前記キャビティ上で支持する第１のメカニカル支持体と、
前記媒液保持手段のそれぞれの周囲に前記第１のメカニカル支持体と絶縁して設けられ、一端が前記ダイオードのカソードに接続する第２の配線を有し、前記媒液保持手段を前記キャビティ上で支持する第２のメカニカル支持体と、
前記基板上に設けられ、前記第１のメカニカル支持体の前記第１の配線の他端と電気的に接続される第１の信号配線を有し、前記第１のメカニカル支持体を前記キャビティ上で支持する第３のメカニカル支持体と、  
前記基板上に設けられ、前記第２のメカニカル支持体の前記第２の配線の他端と電気的に接続される第２の信号配線を有し、前記第２のメカニカル支持体を前記キャビティ上で支持する第４のメカニカル支持体と、
を備えたことを特徴とする細胞変態装置。
【請求項２】
前記複数の媒液保持手段のそれぞれに個別に振動を印加する振動印加手段を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の細胞変態装置。
【請求項３】
前記複数の媒液保持手段のそれぞれに個別に電磁波を照射する電磁波照射手段を更に備えたことを特徴とする請求項１または２記載の細胞変態装置。  
【請求項４】
前記媒液保持手段の前記媒液を保持する表面には撥水性被膜が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の細胞変態装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の細胞変態装置と、
前記複数の媒液保持手段の少なくとも１つを選択する選択部と、
前記選択された媒液保持手段のダイオードに前記第１および第２信号配線を介して電圧パルスを印加する電圧パルス印加部と、
前記選択された媒液保持手段に載置された前記媒液の前記細胞の温度を検出する温度検出部と、
を備えたことを特徴とする細胞変態解析装置。
【請求項６】
前記温度検出部は、前記選択されかつ前記細胞を含む媒液が載置された媒液保持手段のダイオードの定電流下での変化と、前記選択されかつ前記細胞を含む媒液が保持されない媒液保持手段のダイオードの両端電圧の変化との差に基づいて、前記細胞の温度を検出することを特徴とする請求項５記載の細胞変態解析装置。
【請求項７】
前記選択部は前記細胞を含む媒液が載置された前記媒液保持手段を順次選択することを特徴とする請求項５または６記載の細胞変態解析装置。
【請求項８】
前記媒液保持手段のそれぞれに、前記細胞を含む媒液が保持されることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の細胞変態解析装置。
【請求項９】
前記媒液保持手段の複数個に亘って前記細胞を含む媒液が保持されることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の細胞変態解析装置。
【請求項１０】
前記温度検出部の出力を画像化する画像作成部を更に備えたことを特徴とする請求項９記載の細胞変態解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細胞変態装置および細胞変態解析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ウイルスや細菌によって誘発される肺炎、敗血症等の細菌性疾患に対しては、ペニシリン(Penicillin)、バンコマイシン(Vancomycin)、メチシリン(Methicillin)等の生化学的な抗生物質の投与が有効である。しかしながら、この種の抗生物質においては、副作用が生じる問題点、多剤耐性菌が発現する問題点、薬品間の相互作用による副作用が生じる問題点が指摘されている。また、この種の抗生物質は、バクテリアには有効であるが、ウイルスには有効でないという問題点も指摘されている。
【０００３】
一方、生体から取り出した細胞の構造、状態若しくは機能を効率良く変化させる方法として、細胞を含む流体を収納する機械振動部と、この機械振動部に収納された上記流体中の振動子の質量と上記流体の減衰摩擦係数に基づいた固有の周波数の振動を上記振動子に印加する機械振動印加手段とを備えた細胞変態装置が、知られている（例えば、特許文献１参照）。ここで、細胞の構造等を変化させるとは、具体的には、細胞の核に存在するＤＮＡ(deoxyribonucleic acid)を取り出して遺伝子組み替えを行うこと、人工的に生成されたＲＮＡ(ribonucleic acid)や蛋白質を細胞質に注入して細胞分裂を制御したりウイルスへの抵抗力を高めたりすること等が含まれる。
【０００４】
また、腫瘍細胞等の癌細胞のみを選択的に加熱して破壊するか、あるいは体液を濾過して癌細胞のみを選択的に除去する方法として、癌細胞に対して選択的に結合する抗体等で構成されたリガンドを発熱体に付着させた構成の発熱素子を癌細胞に付着した状態で、この発熱素子に電磁波を照射させて、発熱素子を誘導加熱し癌細胞を破壊する癌治療装置が、知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００５−１０２６１９号公報
【特許文献２】特開２００４−２９０３５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述した生体への生化学的な抗生物質の投与は生体への副作用が懸念されるばかりか、多剤耐性菌の発現の可能性が高い。このため、このような多剤耐性菌を死滅させるには、新たな抗生物質の開発や新たな抗生物質の生体への投与を余儀なくされていた。
【０００６】
また、上記特許文献１には、技術分野において、ウイルスや細胞を見分けて破壊する旨の記載はされているが、具体的には、効率良く細胞の構造、状態、機能等を変化させる手法が開示されているに留まり、細胞の破壊については具体的に記載されていない。
【０００７】
更に、上記特許文献２には、癌細胞の細胞膜又は細胞壁の表面に発熱素子を癌細胞に吸着させて加熱により細胞破壊を起こす作用を用いているが、細胞によっては耐熱性の高い癌細胞もあり、すべての癌細胞を効果的に破壊するには限界がある。
【０００８】
また、熱起因で与えられる細胞の破壊等について、その具体的なメカニズム、効果的なパラメータについて細胞スケールであるミクロンオーダでの解析手法が確立されていない。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、生体に悪影響を及ぼす有害細胞を破壊することができる細胞変態装置および細胞が破壊するまでの細胞の変態を解析することのできる細胞変態解析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】
【００１０】
本発明の第１の態様による細胞変態装置は、マトリクス状に配置された複数のキャビティを有する基板と、複数の前記キャビティに対応して前記キャビティ上に設けられ、それぞれがダイオードを有し、細胞が含まれる媒液を保持可能な複数の媒液保持手段と、前記媒液保持手段のそれぞれの周囲に設けられ、一端が前記ダイオードのアノードに接続する第１の配線を有し、前記媒液保持手段を前記キャビティ上で支持する第１のメカニカル支持体と、前記媒液保持手段のそれぞれの周囲に前記第１のメカニカル支持体と絶縁して設けられ、一端が前記ダイオードのカソードに接続する第２の配線を有し、前記媒液保持手段を前記キャビティ上で支持する第２のメカニカル支持体と、前記基板上に設けられ、前記第１のメカニカル支持体の前記第１の配線の他端と電気的に接続される第１の信号配線を有し、前記第１のメカニカル支持体を前記キャビティ上で支持する第３のメカニカル支持体と、前記基板上に設けられ、前記第２のメカニカル支持体の前記第２の配線の他端と電気的に接続される第２の信号配線を有し、前記第２のメカニカル支持体を前記キャビティ上で支持する第４のメカニカル支持体と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第２の態様による細胞変態解析装置は、上記記載の細胞変態装置と、前記複数の媒液保持手段の少なくとも１つを選択する選択部と、前記選択された媒液保持手段のダイオードに前記第１および第２信号配線を介して電圧パルスを印加する電圧パルス印加部と、前記選択された媒液保持手段に載置された前記媒液の前記細胞の温度を検出する温度検出部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、生体に悪影響を及ぼす有害細胞を破壊することが可能な細胞変態装置および細胞が破壊するまでの変態を解析することが可能な細胞変態解析装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１４】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による細胞変態装置は、有害細胞が含まれる媒液にナノ粒子を混合させた混合媒液を保持する媒液保持手段と、上記混合媒液に振動を印加する振動印加手段と、上記混合媒液に熱を加える媒液加熱手段と、上記混合媒液に光波を照射する手段と、を備えている。
【００１５】
ここで、有害細胞とは、生体に悪影響を及ぼす細胞であって、核を持ち細胞分裂の際に染色体構造を生ずる真核細胞、構造的に区別できる核を持たない原核細胞の双方を含む意味において使用される。具体的には、生体から摘出した癌細胞、腫瘍等の細胞（真核細胞）、ウイルス、バクテリア等の細菌の細胞（原核細胞）のいずれも「有害細胞」に含まれる。
【００１６】
ナノ粒子は、例えば、１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内の粒径を有する微粒子体であり、
具体的には、金（Ａｕ）、シリコン（Ｓｉ）等を実用的に使用することができる。
【００１７】
媒液保持手段は、混合媒液を保持することができ、混合媒液に、振動、加熱、光波等を与えることができれば、その素材、形状等は、限定されない。媒液保持手段は、例えば、マイクロディッシュ、シリコン基板、石英基板等で構成されている。媒液保持手段における前記混合媒液を保持する表面上には撥水性被膜が設けられていることが好ましい。媒液保持手段の表面には、混合媒液を滴下するため、このような撥水性被膜を設けることで、ウェットな環境下での電気的な短絡という不具合を排除し、静電気力駆動による励振状態を安定にかつ確実に作り出すことができる。
【００１８】
振動印加手段は、混合媒液に少なくとも振動エネルギを与えることができれば、その手
段、装置、構成等には限定されない。ここでいう振動エネルギとは、上下左右方向にナノ
粒子が振動するエネルギのことを指す。振動印加手段は、例えば、媒液保持手段に離間して配置された電圧供給体で構成されている。この電圧供給体と媒液保持手段との間に交流バイアスを印加させることで媒液保持手段を振動させてナノ粒子に振動エネルギを与えることができる。
【００１９】
媒液加熱手段は、本実施形態ではダイオードであって、媒液保持手段となるマイクロディッシュに設けられ、混合媒液に熱エネルギを加える。ここでいう熱エネルギとは、上記振動印加手段により与えたナノ粒子の振動エネルギを増加させるエネルギであり、例えば、ナノ粒子が発熱するエネルギのことを指す。
【００２０】
このように、本実施形態による細胞変態装置は、ナノ粒子に対して、振動エネルギと熱エネルギを与えることで、ナノ粒子が振動エネルギにより所定の方向に振動し、熱エネルギによりその振動が加速されるため、強い加速力で有害細胞に衝突させることができ、有害細胞を破壊することが可能となる。
【００２１】
本実施形態による細胞変態装置は、混合媒液に磁場を印加する磁場印加手段をさらに備えていることが好ましい。磁場印加手段は、混合媒液に磁場を印加することができれば、その手段、装置、構成等には限定されない。磁場印加手段は、例えば、インダクタで構成されている。このように、混合媒液に磁場を印加することで、前記振動印加手段および媒液加熱手段により加速されたナノ粒子の方向性を所定の方向に制御することができる。そのため、より多くのナノ粒子を有害細胞に衝突させることができるため、有害細胞を破壊する確率が増加する。
【００２２】
本実施形態による細胞変態装置は、混合媒液に電磁波を照射する電磁波照射手段を、さらに備えていることが好ましい。電磁波照射手段は、混合媒液に電磁波を照射することができれば、その手段、装置、構成等には限定されない。電磁波照射手段は、例えば、発光素子等で構成されている。これにより、振動印加手段及び媒液加熱手段で加速されたナノ粒子に、さらに高い熱エネルギ（光エネルギ）を与えることができるため、さらに、強い加速力で有害細胞に衝突させることができ有害細胞を破壊することが可能となる。
【００２３】
次に、本実施形態による細胞変態装置について、図１乃至図４を参照して詳細に説明する。図１は本実施形態による細胞変態装置の要部斜視図、図２は図１に示す細胞変態装置の全体の斜視図、図３は図１に示す細胞変態装置のＡ−Ａ切断線で切った要部断面図、図４は図１に示す細胞変態装置のＢ−Ｂ切断線で切った要部断面図である。
【００２４】
図１乃至図４に示すように、本実施形態による細胞変態装置１は、ダイヤフラムとして使用され、有害細胞にナノ粒子を加えた混合媒液を表面上に保持することが可能な媒液保持手段としてのマイクロディッシュ２と、マイクロディッシュ２に離間しかつ対向して配置された電圧供給体としての基板１１とを備えている。詳しくは、マイクロディッシュ２は、基板１１に設けられた凹形状のキャビティ２２に離間しかつ対向して、マトリクス状に規則的に複数配列されている。なお、ここでいうマイクロディッシュ２とは、図２乃至図４に示されたマイクロディッシュ２のうち一つの単位のことを指す。すべてのマイクロディッシュ２は、同一の平面形状により構成され、かつ同一の断面構造を備えている。なお、本実施形態においては、図３および図４からわかるように、各マイクロディッシュ２に対応してキャビティ２２が設けられている。なお、マイクロディッシュ２は、数μｍから数百μｍオーダのサイズを有しており、半導体の微細加工プロセスで形成される。
【００２５】
マイクロディッシュ２と基板１１とは交流電圧供給源３０に接続されている。細胞変態
装置１は、マイクロディッシュ２と基板１１との間に交流バイアスを印加してマイクロディッシュ２を振動させる振動印加手段を備えている。
【００２６】
マイクロディッシュ２は、図３、４に示すように、区画された絶縁体１２と、この絶縁体１２の表面上に設けられた活性層１３と、この活性層１３の表面上に形成された第１の配線１６と、この第１の配線１６上に形成された層間絶縁膜１７、１８と、この層間絶縁膜１８の表面上に形成され第１の配線１６と接続する第２の配線２０と、この第２の配線２０上に形成された保護膜２１と、更に保護膜２１の表面上にコーティングされた撥水性被膜２３とを備えている。マイクロディッシュ２内の活性層１３は、ｐ型不純物を注入若しくは拡散して形成したアノード領域１４と、このアノード領域１４の表面部分にｎ型不純物を注入若しくは拡散して形成したカソード領域１５とのｐｎ接合により構成されたダイオード４が形成されている。各々のマイクロディッシュ２は、その周縁に機械的に連結された第１のメカニカル支持体２５及び第２のメカニカル支持体２６により支持され、第１および第２のメカニカル支持体２５、２６は、第３および第４のメカニカル支持体２７、２８に各々連結されている。第３および第４のメカニカル支持体２７、２８は、図１乃至図４からわかるように、基板１１上に形成され、第１のメカニカル支持体２５及び第２のメカニカル支持体２６をそれぞれキャビティ２２上で支持している。
【００２７】
第１および第２のメカニカル支持体２５、２６はそれぞれ、絶縁体１２と、この絶縁体１２上に形成された活性層１３と同一層となるＳＴＩ(Sallow Trench Insulation)層１３Ａと、ＳＴＩ層１３Ａ上に配線１６と同一層となるように形成された配線１６Ａと、配線１６Ａを覆うように形成された層間絶縁膜１７と、層間絶縁膜１７上に形成された層間絶縁膜１８と、を有している。また、第３のメカニカル支持体２７は、図４に示すように、絶縁体１２と、この絶縁体１２上に形成されたＳＴＩ層１３Ａと、ＳＴＩ層１３Ａ上に配線１６と同一層となるように形成されかつ後述する垂直信号線となる配線１６Ｂと、配線１６Ｂを覆うように形成された層間絶縁膜１７と、層間絶縁膜１７上に形成された層間絶縁膜１８と、を有している。また、第４のメカニカル支持体２８は、図３に示すように、絶縁体１２と、この絶縁体１２上に形成されたＳＴＩ層１３Ａと、ＳＴＩ層１３Ａ上に形成された層間絶縁膜１７と、層間絶縁膜１７上に形成された層間絶縁膜１８と、層間絶縁膜１８上に配線２０と同一層となるように形成されかつ後述する水平信号線となる配線２０Ａと、配線２０Ａ上に形成された保護膜２１と、を有している。なお、図示しないが第１のメカニカル支持体２５の配線１６Ａは、一端が第３のメカニカル支持体２７の配線１６Ｂに電気的に接続され、他端が後述するマイクロディッシュ２内のダイオード４のアノード領域１４に電気的に接続されている。また、図示しないが第２のメカニカル支持体２６の配線１６Ａは、一端が第４のメカニカル支持体２８の配線２０Ａに電気的に接続され、他端がダイオード４のカソード領域１５に接続されている。第２のメカニカル支持体２６の配線１６Ａと第４のメカニカル支持体２８の配線２０Ａとは、層間絶縁膜１７、１８内に形成されたコンタクト（図示せず）によって電気的に接続される。
【００２８】
このように、マイクロディッシュ２は、第１乃至第４のメカニカル支持体２５，２６，２７、２８と、基板１１とで連結されて支持されているので、基板１１の表面に対して垂直方向に振動可能なメカニカルダイヤフラムとして機能する。すなわち、交流電圧供給源３０から基板１１及びマイクロディッシュ２に交流バイアスが供給され、基板１１とマイクロディッシュ２との間に交流バイアスが印加されると、静電気力が発生し、図５（ａ）に示すように、基板１１の表面に対して垂直方向にマイクロディッシュ２が振動する。なお、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、符号４０は細胞を示し、符号４５はナノ粒子を示す。
【００２９】
マイクロディッシュ２内の活性層１３のアノード領域１４は、第１のメカニカル支持体２５と機械的な接続されるとともに、第１のメカニカル支持体２５の配線１６Ａと電気的に接続される。したがってアノード領域１４は、第１のメカニカル支持体２５の配線１６Ａおよび第３のメカニカル支持体２７の配線１６Ｂを介して基板１１の外部に配設されている直流電圧供給源３１に接続されている。これにより、アノード領域１４に順方向電流が供給される。
【００３０】
カソード領域１５はその直上において配設された配線１６に電気的に接続され、この配線１６はコンタクト１９を通して配線２０と電気的に接続されている。配線２０は、第２のメカニカル支持体２６の配線１６Ａおよび第４のメカニカル支持体２８の配線２０Ａを介して直流電圧供給源３１に電気的に接続されており、アノード領域１４に供給された順方向電流を帰還させる。すなわち、図５（ｂ）に示すように、ダイオード４は、順方向電流を流して熱を発生させ、マイクロディッシュ２を局所的に加熱する加熱体としての機能を備えている。ここで、熱せられるマイクロディッシュ２の温度は、バイアス値によって定義することができる。
【００３１】
第１および第２のメカニカル支持体２５、２６は、マイクロディッシュ２の周縁に対して一定間隔において離間しその周縁に沿って延在しており、更に、第１および第２のメカニカル支持体２５、２６の配線１６Ａは、インダクタとして機能する。加熱体となるダイオード４を加熱する際、第１および第２のメカニカル支持体２５、２６の配線１６Ａには順方向電流が流れるので、例えば、第１および第２のメカニカル支持体２５、２６の配線１６Ａを中心としてマイクロディッシュ２の領域にまで及ぶ磁界が発生する。本実施形態において、インダクタの巻数が１．５程度になるように、マイクロディッシュ２の一端に連結された第１のメカニカル支持体２５はマイクロディッシュ２の３辺に沿って巻き回され、マイクロディッシュ２の他端に連結された第２のメカニカル支持体２６はマイクロディッシュ２の３辺に沿って巻き回されている。  
さらに、本実施形態における細胞変態装置は、図５（ｃ）に示すように、外部から光波６０を照射する電磁波照射手段を、更に備えていても良い。本実施形態では、対象となる細胞４０等にピンポイントで当てることができるレーザ光源が好適に用いられる。レーザ光源は、その入力バイアス値により、パワーを変化させることができ、出力パワー値に基づく温度を効率的に上げることができる。また、レーザ光源は、可視域から赤外域まで幅広い波長の光源を用いることができる。
【００３２】
なお、図２に示すように、格子上に配列された複数のマイクロディッシュ２が形成された領域の、基板１１上の周辺領域には、例えば、ダイオード４に電流を流す回路等が形成される回路領域９０が設けられている。
【００３３】
基板１１には半導体基板、特にシリコン単結晶基板を実用的に使用することができる。
【００３４】
絶縁体１２にはシリコン酸化膜を実用的に使用することができ、この絶縁膜１２はＢＯＸ
（buried oxide）層として働く。活性層１３には半導体活性層、特にシリコン単結晶層又
はシリコン多結晶層を実用的に使用することができる。すなわち、細胞変態装置１は、基
板１１、絶縁膜１２、活性層１３で構成されたＳＯＩ（silicon on insulator）基板により構成されている。細胞変態装置１の平面形状は正方形若しくは長方形により構成されて
いる。なお、この細胞変態装置１の平面形状は、正方形及び長方形を含む方形状に限定されるものではなく、円形状、楕円形状、五角形以上の多角形形状のいずれであってもよい。
【００３５】
配線１６、１６Ａ、１６Ｂには、受動素子や能動素子の電極に使用されるゲート材、具体的にはシリコン多結晶膜、シリコンと高融点金属との化合物膜若しくは高融点金属膜の単層、又はシリコン多結晶膜上に化合物膜若しくは高融点金属膜を積層した複合層を実用的に使用することができる。
【００３６】
配線２０、２０Ａには、配線１６に比べて抵抗値の小さい金属材、具体的にはアルミニウム合金膜を実用的に使用することができる。アルミニウム合金膜は、アロイスパイクを抑制するシリコン（Ｓｉ）やマイグレーションを抑制する銅（Ｃｕ）を添加したアルミニウム膜である。
【００３７】
なお、配線１６と配線２０とは、層間絶縁膜１７及び１８に配設された接続孔内に埋設された接続孔配線（コンタクト）１９を通して電気的に接続されている。層間絶縁膜１７、１８、保護膜２１のそれぞれには、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜、又はそれらを組み合わせた複合膜を実用的に使用することができる。
【００３８】
撥水性皮膜２３は、例えば、撥水性を備えたシリコーン等で構成され、その表面上に滴
下される媒液の接触角を高め、滴下状態の混合溶媒をマイクロディッシュ２の表面上において励振させることができる性質を備えている。撥水性皮膜２３は、例えば、Ｃ8Ｆ13Ｈ4
ＳｉＣｌ3ガスとＨ2Ｏガスとの混合ガス雰囲気中に細胞変態装置１を置くことによって、
形成することができる。
【００３９】
必ずしもここで例示した寸法に限定されるものではないが、本実施の形態に係る細胞変
態装置１において、１つのマイクロディッシュ２は平面の１辺の長さを２０μｍとする正
方形形状において構成される。更に、１つのマイクロディッシュ２と、それを支持する第１乃至第４のメカニカル支持体２５、２６、２７、２８と、を配設する領域は平面の１辺の長さを３０μｍとする正方形状において構成されている。この後者の長さはマイクロディッシュ２の配列間隔に相当する。
【００４０】
次に、本実施形態の細胞変態装置の製造方法を、図６乃至図９を参照して説明する。
【００４１】
まず、支持基板１１、ＢＯＸ層１２、活性層１３を有するＳＯＩ基板を用意し、マイクロディッシュ２が形成される領域以外の領域の活性層１３を除去し、活性層１３と同一層となるＳＴＩ層１３Ａを形成する（図６参照）。続いて、マイクロディッシュ２が形成される領域の活性層１３にｐ型の不純物を注入し、アノードとなるｐ型の不純物領域１４を形成する。その後、形成したｐ型の不純物領域１４にｎ型の不純物を注入し、カソードとなるｎ型の不純物領域１５を形成する。これにより、マイクロディッシュ２が形成される領域の活性層１３にｐ型の不純物領域１４およびｎ型の不純物領域１５からなるダイオード４が形成される。続いて、ポリシリコンを堆積し、これをパターニングすることにより、カソードとなるｎ型の不純物領域１５上に配線１６を、ＳＴＩ層１３Ａ上に配線１６Ａを形成する。このとき、図６は図１に示す切断線Ａ−Ａに沿った断面であるので、図６には示されないが、図１に示す切断線Ｂ−Ｂに沿った断面では、ＳＴＩ層１３Ａ上に配線１６Ｂ（図４参照）が形成される。その後、配線１６、１６Ａ、１６Ｂを覆うように層間絶縁膜１７を形成し、さらに層間絶縁膜１７を覆うように層間絶縁膜１８を形成する。そして、配線１６に接続するコンタクト孔およびｎ型の拡散層１５に接続するコンタクト孔を層間絶縁膜１７，１８に形成し、これらのコンタクト孔を例えばタングステン等の金属で埋め込み、コンタクト１９を形成する。次に、層間絶縁膜１８上に、これらのコンタクト１９に接続する例えばアルミニウムからなる金属配線２０およびＳＴＩ層の直上に位置するアルミニウムからなる金属配線２０Ａ等を層間絶縁膜１８上に形成する。その後、これらの配線２０を覆うようにＴＥＯＳ(Tetra Ethyl Ortho Silicate)層２１を形成する（図６参照）。
【００４２】
次に、図７に示すように、ＴＥＯＳ層２１、層間絶縁膜１８、層間絶縁膜１７、ＳＴＩ層１３Ａ、およびＢＯＸ層１２を、ＲＩＥを用いて支持基板１１をエッチングストップとしてパターニングし、２次元マトリクス状に配列されたマイクロディッシュ２およびこのマイクロディッシュ２に接続する第１乃至第４のメカニカル支持体２５、２６、２７、２８を形成する。なお、図７は図１に示す切断線Ａ−Ａに沿った断面であるので、第３のメカニカル支持体２７は図７には示されていない。
【００４３】
次に、ＸｅＦ２ガスあるいは異方性エッチャント（ＫＯＨ、ＴＭＡＨ等）によってＳｉのエッチングを用いることにより、マイクロディッシュ２直下の領域にキャビティ２２を形成する（図８参照）。ここで、図６に示す工程で形成されたＳｉからなる支持基板１１の露出面がエッチングホールとして作用する。
【００４４】
次に、水分による張り付き（スティクション）を防止するため、Ｃ８Ｆｌ３Ｈ４ＳｉＣｌ３とＨ２Ｏの混合ガスによりマイクロディッシュ２を含むダイアフラムの表面に撥水性コート２３を施す（図９参照）。
【００４５】
上記マイクロディッシュ２は基板１１上に２次元マトリクス状に配列することができる。従って、振動、熱、および光エネルギを並列に入力でき、１度の操作で複数の条件で試行できる。図１０は、アレイ状に配列されたマイクロディッシュ２を有する本実施形態の細胞変態装置に加振を実施するためのブロック図を示している。ここで、図１１に示すように、キャビティ２２を介してマイクロディッシュ２と、基板１１とに電圧を印加することで、これらは平行平板として動作する。なお、図１１は、図１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した断面を示す。ここで、基板１１側に交流信号を与えることで、キャビティ２２に発生した静電気力によって任意の周波数でマイクロディッシュ２を励振させることができる。例えば、基板側を高濃度でイオン注入することで、基板抵抗を下げることもできる。また、マイクロディッシュ２側に交流信号を与えても勿論良い。
【００４６】
同様に、図１２はマイクロディッシュ２を加熱することを説明したブロック図を示している。図１３はマイクロディッシュ２のダイオード４に順方向電流Ｉｆを印加した際の温度上昇ΔＴｓｈの関係を示している。つまり、ｐ−ｎ接合１４，１５と、順方向電流Ｉｆと発熱の関係を示している。図１３に示すように、順方向電流Ｉｆによってマイクロディッシュ２の温度を任意にコントロールできる。加熱体として、発熱体にダイオードを採用することで、クリティカルな温度設定およびレスポンシビリティ（スイッチング特性）が得られることが大きな利点である。
【００４７】
また、前述したように、光波を照射するシステムも可能である。この光波の光源にはＬＤやＬＥＤを用いても良い。なお、マイクロディッシュ２が２次元マトリクス状に配列されていること、および複数の細胞に対して並列に光エネルギを照射することを考慮すれば、光波の光源に垂直共振器表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の適応が望ましい。ＶＣＳＥＬは微小な間隔で２次元的に配列できることから、マイクロディッシュ２との整合性が高い。図１４はマイクロディッシュアレイが形成されたチップとＶＣＳＥＬアレイ７０を各素子が対向するように配置した様子の斜視図を示している。マイクロディッシュアレイとＶＣＳＥＬアレイ７０は例えばフリップチップボンディング等を用いれば、各素子に電気的に配線されたマウントも可能になる。各ＶＣＳＥＬ素子に個別の電流源を用意しておけば、電流源の入力バイアスを変化させることで、様々なパワーの光出力を同時に放出することができる。また、変調等の動作も容易に実現でき、光出力の違いや、出力によって細胞へ様々な条件で放射することができる。また、ＶＣＳＥＬの基板材料を変更することで、６５０ｎｍ〜１５００ｎｍ範囲の波長の入力もできる。従って、光出力や光波の波長の違いなど複数の細胞に対して、複数のパラメータを振り分けた条件での操作が可能になる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態によれば、各マイクロディッシュ２に対応してキャビティ２２が設けられ、マイクロディッシュ２を支持する第３および第４のメカニカル支持体２７、２８が支持基板上に接するように支持されているため、マイクロディッシュ２毎に振動、加熱、光波の条件を変えて細胞の破壊を行うことが可能となり、生体に悪影響を及ぼす有害細胞の破壊を解析することができる。
【００４９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による細胞変態解析装置を説明する。
【００５０】
まず、細胞変態解析装置の概要について示す。これまで種々の研究から、有害細胞の破壊メカニズムに外部からのエネルギの印加に伴う加温効果が有効的であることが解明されてきた。しかしながら、細胞サイズのようなミクロンスケールでの、熱変遷の様子を検出できる方式はほとんど無いのが現状である。本実施形態では、外部からのエネルギ印加に伴う細胞レベルでの熱変遷を時系列的に検出し、かつ並列処理が可能な細胞変態解析装置を提供する。
【００５１】
図１５に本実施形態の細胞変態解析装置の構成を示し、図１６に本実施形態の細胞変態解析装置の断面を示す。本実施形態の細胞変態解析装置は、ディッシュアレイ１００と、垂直信号線１０１と、水平信号線１０２とを備え、シリコン基板１１上に形成される。このディッシュアレイ１００は、第１実施形態と同様の細胞４０が含まれる媒液とナノ粒子との混合液が載置されマトリクス状に配列された複数のマイクロディッシュ２と、列毎に設けられたマイクロディッシュ２Ａ、２Ｂとを備えている。
【００５２】
マイクロディッシュ２、２Ａ、２Ｂには、第１実施形態で説明したように、発熱体であるととともに温度センサとなるダイオード４が設けられている。マイクロディッシュ２のダイオード４は対象細胞の温度効果を検出するセンサ素子として機能し、マイクロディッシュ２Ａのダイオード４はマイクロディッシュ２に対し、上昇温度を比較するための参照素子として機能し、マイクロディッシュ２Ｂのダイオード４は測定環境によらず、常に定常状態にあり、基板１１の温度を測定するための参照素子として機能する。
【００５３】
マイクロディッシュ２、２Ａは基板１１からの熱を分離するために、図１６に示すように、その直下のシリコン基板１１にキャビティ２２が設けられ、マイクロディッシュ２Ｂは基板１１の温度を測定するために、シリコン基板１１と繋がった構造となる。ここで、マイクロディッシュ２は対象細胞の温度を検出するが、この熱効果がマイクロディッシュ２Ａ、２Ｂのダイオード４に影響を受けないように、マイクロディッシュ２に対してマイクロディッシュ２Ａ、２Ｂは十分離れたところに位置するように配置される。
【００５４】
また、マイクロディッシュ２、２Ａ、２Ｂは、第１実施形態と同様に、第１乃至第４のメカニカル支持体２５、２６、２７、２８によって支持されている。なお、図１６は図１に示す切断線Ｂ−Ｂに沿った断面であるので、第４のメカニカル支持体２８は図１６には表示されていない。しかし、マイクロディッシュ２Ｂはシリコン基板１１と繋がった構造となっているので、このマイクロディッシュ２Ｂを支持する第１乃至第２のメカニカル支持体２５、２６は第１実施形態の場合と異なり、シリコン基板１１に接するように形成される。
【００５５】
本実施形態においては、同一列のマイクロディッシュ２のダイオード４のアノードと、対応する列のマイクロディッシュ２Ａ、２Ｂのダイオードのアノードとは垂直信号線１０１によって接続されている。また、同一行のマイクロディッシュ２のダイオード４のカソードは水平信号線１０２に接続されている。垂直信号線１０１は、第１実施形態で説明した第３のメカニカル支持体２７内に設けられた配線１６Ｂであり、水平信号線１０２は、第１実施形態で説明した第４のメカニカル支持体２８内に設けられた配線２０Ａである。
【００５６】
また、本実施形態の細胞変態解析装置においては、読み出し回路１２０と、Ｘデコーダ１２２と、Ｙデコーダ１２４と、ディッシュアレイ１００の列毎に設けられた負荷トランジスタ１３０と、列毎に設けられた列並列積分回路１４０と、水平スキャナ１５０と、読み出しトランジスタ１５５とを備えている。列並列積分回路１４０は、カップリングキャパシタ１４１と、増幅トランジスタ１４２と、フィードバックトランジスタ１４３と、リセットトランジスタ１４４と、積分容量１４５とを備えている。
【００５７】
垂直信号線１０１の一端は負荷トランジスタ１３０を介してＸデコーダ１２２に接続され、他端はカップリングキャパシタ１４１の一端に接続されている。水平信号線１０２は、一端が対応する列のマイクロディッシュ２、２Ａ、２Ｂのダイオード４のカソードに接続され、他端がＹデコーダ１２４に接続される。
【００５８】
カップリングキャパシタ１４１の他端は増幅トランジスタ１４２のゲートに接続されている。増幅トランジスタ１４２のソースは接地されている。また、フィードバックトランジスタ１４３は増幅トランジスタ１４２のゲートとドレインを接続する。リセットトランジスタ１４４はソースにリセット電圧Ｖｒｓが印加され、ゲートにリセット信号Ｖｒｓ＋が印加され、ドレインが積分容量１４５の一端および増幅トランジスタ１４２のドレインに接続されている。積分容量１４５の他端は接地されている。また、読み出しトランジスタ１５５のソースは増幅トランジスタ１４２のドレインに接続され、ドレインが読み出し回路１２０に接続され、ゲートに水平スキャナ１５０からの読み出し信号ＨＣＬＫを受ける。
【００５９】
このように構成された本実施形態においては、２次元マトリクス状に配置されたマイクロディッシュに形成されたダイオードによる表面温度の測定が並列で可能となる。これを以下に説明する。
【００６０】
図１７（ａ）は、マイクロディッシュ２、２Ａ、２Ｂのダイオード４に印加される電圧パルスＶＣＬＫを示す波形図であり、図１７（ｂ）は、電圧パルスＶＣＬＫが印加されたときのマイクロディッシュ２、２Ａ、２Ｂ対する温度変動を示した波形図である。なお、図１７（ａ）、（ｂ）の横軸は時間ｔを示し、図１７（ａ）の縦軸は電圧を示し、図１７（ｂ）の縦軸は温度Ｔを示している。本実施形態においては、パルス電圧ＶＣＬＫを各マイクロディッシュのダイオード４に入力することで、負荷トランジスタ１３０を流れる電流に対応した順方向電圧がダイオード４に現れる。この順方向電圧はマイクロディッシュの温度上昇とともに低下するため、その低下分を検出することでマイクロディッシュの温度が得られる。図１７（ｂ）のマイクロディッシュ２Ｂは自身、すなわちシリコン基板１１の温度、Δｔｓｕｂ成分を有している（グラフｇ１参照）。
【００６１】
まず、対象細胞を含む混合液が載置されたマイクロディッシュ２と同列のマイクロディッシュ２Ａを選択するためのアドレス信号が読み出し回路１２０からＸデコーダ１２２およびＹデコーダ１２４に送られる。すると、上記列に対応する負荷トランジスタ１３０をオンさせる信号がＸデコーダ１２２から出力されて負荷トランジスタ１３０をオンする。Ｙデコーダ１２４によってマイクロディッシュ２ＡにパルスＶＣＬＫを入力する。すると、上記負荷トランジスタ１３０がオンし、マイクロディッシュ２Ａのダイオード４に電圧パルスＶＣＬＫが入力される。このとき、マイクロディッシュ２Ａでは、ダイオード４で自己加熱が生じ、図１７（ｂ）に示すように、温度がΔＴｓｈ分上昇する（グラフｇ２参照）。
【００６２】
これに対して、物理エネルギー（例えば、振動、熱、光波）が付与された細胞の温度を直接センシングするマイクロディッシュ２では、電圧パルスＶＣＬＫの入力前の初期状態において、マイクロディッシュ２ＡよりもΔＴｃｅｌｌ分温度が高く、電圧パルスＶＣＬＫの入力後は、図１７（ｂ）に示すように、この温度（＝（ΔＴｓｈ＋ΔＴｃｅｌｌ））からさらにΔＴｓｈだけ温度が上昇する（グラフｇ３参照）。
【００６３】
ここで、マイクロディッシュ２Ａと、マイクロディッシュ２との温度の差分を取ることで、対象細胞に対する実効的な上昇温度成分ΔＴｃｅｌｌが求められる。差分を取る手法として、図１５中の列並列積分回路１４０の増幅トランジスタ１４２のゲートとドレインを接続するフィードバックトランジスタ１４３を用いる。まず、マイクロディッシュ２Ａを選択したときに垂直信号線１０１の電位はＶＣＬＫ−ＶｄＢとなる。ここでＶｄＢはマイクロディッシュ２Ａのダイオード４の順方向電圧である。このとき、フィードバックトランジスタ１４３をオンしておくことによって、増幅トランジスタ１４２のゲート電位が高くなっているため、カップリングキャパシタ１４１の他端から、フィードバックトランジスタ１４３を通して増幅トランジスタ１４２のドレイン、ソースへと電流が流れる。この電流は増幅トランジスタ１４２のゲート電位が閾値電圧Ｖｔｈとなったときに流れなくなり、このときにフィードバックトランジスタ１４３をオフすることにより、垂直信号線１０１の電位がＶＣＬＫ−ＶｄＢ、増幅トランジスタ１４２のゲート電位がＶｔｈというデータがマイクロディッシュ２Ａの情報としてメモリされる。
【００６４】
しかる後に、読み出し回路１２０から、Ｘデコーダ１２２、Ｙデコーダ１２４にアドレス信号を送り、対象細胞を含む混合液が載置されたマイクロディッシュ２を選択し、このマイクロディッシュ２のダイオード４にパルス電圧ＶＣＬＫを印加する。すると、垂直信号線１０１の電位はＶＣＬＫ−ＶｄＡとなる。ここでＶｄＡはマイクロディッシュ２のダイオード４の順方向電圧であり、ＶｄＢよりも細胞の温度効果分低い電圧（この差をΔＶｃｅｌｌとする）であるため、垂直信号線１０１の電位はマイクロディッシュ２Ａの選択時よりもΔＶｃｅｌｌだけ高い電圧となる。すると、増幅トランジスタ１４２のゲート電位はＶｔｈからΔＶｃｅｌｌだけ持ち上がり、この増分が増幅されて蓄積容量１４５に電荷として積分される。この積分値は読み出しトランジスタ１５５を介して読み出し回路１２０によって読み出される。以上の動作により、マイクロディッシュ２とマイクロディッシュ２Ａの温度差分信号を増幅出力することができる。
【００６５】
従来、細胞スケールにおける高分解能の温度効果をセンシングするのは困難とされてきたが、本実施形態によれば、経過時間に対して高分解能の時系列的な温度変化を検出でき、この時間域でまさにミクロンスケールである対象細胞の温度変遷がセンシング可能となる。これは、対象細胞のメカニズムを得るうえで大きな指標となり、創薬等の分野において大きく貢献できる。
【００６６】
また、同様に、ここで、マイクロディッシュ２Ａと、マイクロディッシュ２Ｂとの温度の差分を取ることで、シリコン基板１１自身の温度も反映することができるため、対象細胞に対するより実効的な上昇温度成分ΔＴｃｅｌｌが求められる。差分を取る手法として、前述したマイクロディッシュ２Ａと、マイクロディッシュ２との温度の差分を取る方法と同様な方法で行うことができる。
【００６７】
本実施形態においては、図１８（ａ）、１８（ｂ）に示すように、各マイクロディッシュ２には、細胞を含む混合液が個別に載置される。図１８（ａ）は細胞を含む混合液がマイクロディッシュ２に載置されたときの本実施形態の断面図を示し、図１８（ｂ）はそのときの平面図を示す。細胞を含む混合液がマイクロディッシュ２に載置されたときは、図１８（ａ）、１８（ｂ）に示すように、第３および第４のメカニカル支持体２７、２８上には異なるマイクロディッシュ上に載置された混合液が混ざらないようにスペーサ８０が設けられる。このように隣接する各マイクロディッシュは完全に分離されているので、Ｘデコーダ１２２、Ｙデコーダ１２４によって細胞を含む混合液が載置されたマイクロディッシュを順次選択し、対象細胞の温度を測定すれば、多数の細胞を一度に並列処理することができる。前述したように、対象細胞のメカニズムを抽出するうえで、様々なパラメータを必要とするが、この構成によれば上記パラメータを様々な組み合わせで一度に並列処理でき、効果的なパラメータの検出に掛かる時間の短縮が可能となる。この場合、マイクロディッシュ２のサイズｚは、細胞のサイズにもよるがサブｎｍ〜数十μｍとなる。
【００６８】
一方、本実施形態の変形例のように、一つの細胞に対して複数（ＮｘＮ）のマイクロディッシュ２Ｄを用いて検出する例を図１９（ａ）、（ｂ）に示す。図１９（ａ）は本変形例において細胞を含む混合液がマイクロディッシュ２Ｄに載置されたときの断面図を示し、図１９（ｂ）はそのときの平面図を示す。
【００６９】
本変形例によれば、各マイクロディッシュ２Ｄは半導体の微小プロセスを適応するため、極度の小型化が図れる。ここで、一つの細胞を複数のマイクロディッシュ２Ｄで検出することで、微小な細胞の部位別の温度効果が検出できる。この分解能は、配置したマイクロディッシュ２Ｄの数によって定義される。なお、マイクロディッシュ２Ｄのサイズｚは、細胞のサイズにもよるがサブｎｍ〜数十μｍとなる。
【００７０】
図２０（ａ）に示すように、各マイクロディッシュ２Ｄからの出力を並列出力することで、細胞の部分的な熱分布を得ることが出来る。ここで、図２０（ｂ）に示すように、各マイクロディッシュ２Ｄから得られた出力値を合成することで画像として可視化することも可能である。
【００７１】
本変形例によれば、これまでサイズ分解能の間隔が低く、微小な対象の検出に不向きであったサーモグラフィを、ミクロンスケールで実現可能となる。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態およびその変形例によれば、生体に悪影響を及ぼす有害細胞が変態するのを解析することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１実施形態による細胞変態装置に係る一マイクロディッシュを示す斜視図。
【図２】第１実施形態による細胞変態装置を示す斜視図。
【図３】図１に示す切断線Ａ−Ａで切断した第１実施形態の細胞変態装置の断面図。
【図４】図１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断した第１実施形態の細胞変態装置の断面図。
【図５】第１実施形態の細胞変態装置のマイクロディッシュに印加される物理エネルギーを説明する図。
【図６】第１実施形態の細胞変態装置の製造工程を示す断面図。
【図７】第１実施形態の細胞変態装置の製造工程を示す断面図。
【図８】第１実施形態の細胞変態装置の製造工程を示す断面図。
【図９】第１実施形態の細胞変態装置の製造工程を示す断面図。
【図１０】第１実施形態の細胞変態装置に係るマイクロディッシュに振動を印加するときの説明図。
【図１１】第１実施形態の細胞変態装置に係るマイクロディッシュに振動を印加するときの説明図。
【図１２】第１実施形態の細胞変態装置に係るマイクロディッシュに熱を印加するときの説明図。
【図１３】マイクロディッシュのダイオードの順方向電流と発生する温度との特性関係を示す図。
【図１４】第１実施形態の細胞変態装置に係るマイクロディッシュに光波を印加するときの説明図。
【図１５】本発明の第２実施形態による細胞変態解析装置を示すブロック図。
【図１６】第２実施形態の細胞変態解析装置の断面図。
【図１７】第２実施形態による細胞変態装置の動作を説明する図。
【図１８】第２実施形態による細胞変態解析装置の、細胞を含む混合液を各マイクロディッシュに載置した場合の説明図。
【図１９】第２実施形態の変形例による細胞変態解析装置の、細胞を含む混合液を各マイクロディッシュに載置した場合の説明図。
【図２０】第２実施形態の変形例による細胞変態解析装置のデータ処理を説明する図。
【符号の説明】
【００７４】
１  細胞変態装置
２  マイクロディッシュ
２Ａ  マイクロディッシュ
２Ｂ  マイクロディッシュ
４  ダイオード
１１  支持基板
１２  ＢＯＸ層
１３  ＳＯＩ層（活性層）
１３Ａ  ＳＴＩ層
１４  アノード領域
１５  カソード領域
１６  配線
１６Ａ  配線
１６Ｂ  配線
１７  層間絶縁膜
１８  層間絶縁膜
１９  コンタクト
２０  配線
２０Ａ  配線
２１  保護層
２３  撥水性被膜
２５  第１のメカニカル支持体
２６  第２のメカニカル支持体
２７  第３のメカニカル支持体
２８  第４のメカニカル支持体
３０  交流電圧供給源
３１  直流電圧供給源
４０  細胞
４５  ナノ粒子
７０  ＶＣＬＳＥＬアレイ
８０  スペーサ
１００  ディッシュアレイ
１０１  垂直信号線
１０２  水平信号線
１２０  読み出し回路
１２２  Ｘデコーダ
１２４  Ｙデコーダ
１３０  負荷トランジスタ
１４０  列並列積分回路
１４１  カップリングキャパシタ
１４２  増幅トランジスタ
１４３  フィードバックトランジスタ
１４４  リセットトランジスタ
１４５  積分容量
１５０  水平スキャナ
１５５  読み出しトランジスタ
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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