MEIJI UNIVERSITY「マイクロ・ナノスケールの熱物性とシステムデザイン」第4回研究会

MEMSセンサを用いた少数細胞の代謝熱モニタリング
中別府 修

明治大学理工学部機械工学科

Osamu NAKABEPPU, Meiji University

2007.3.20, キャンパスイノベーションセンター509

背景：MEMS熱センサ• MEMS 熱センサ・デバイス– 薄膜熱電対，ヒータ，– 膜・ブリッジ・カンチレバ構造– 微小，小熱容量，高熱抵抗，高集積性→ 高速，高感度，高安定性，高機能化• 熱・温度計測限界の拡張– 空間：nmスケール温度・熱物性計測– 時間：kHz帯温度変動– 精度：nWレベル熱量計測
HeaterT.C.

880 µm

チップカロリメータ

SThMカンチレバー

沸騰研究用センサ

MEMS based Thermal Engineering
SThM

Boiling
Mechanism

MEMS
Thin film devices.
Membrane & lever structure.
Function Integration.
Extending thermal meas. limit.

ChipCalorimetryThin Film TC.

Bio Metabolism
MonitorMicrochannel

Microchannel
Cantilever Sensor

RadiationSensor

Micro-Pump
Micro-Heat Pipe

Bio Metabolism Monitor
研究背景
・バイオカロリメトリ：
代謝熱計測による，生体活動の観察
典型的な細胞代謝熱量：0.1~60pW/cell
細胞数106個以上の集団的挙動の観察

・MEMSによる熱量感度の向上⇒ 少数・単一細胞の代謝モニタリング
細胞の活動状態，生理状態の詳細な把握
医薬品・アレルギー等の迅速な検査
医学や生命工学への貢献

研究目的• MEMSセンサによる，細胞代謝熱モニタリング技術の開発

各種生物細胞の熱生成速度
細胞

ヒト赤血球（正常個体の）同（甲状腺機能亢進個体の）リンパ球（正常個体の）同（末端肥大症個体の）T-リンパ種細胞
非ホジキンリンパ腫（2年以内死亡者の）同（2年以上生存者の）上皮脂肪細胞
上皮繊維芽細胞
ヒト胃線ガン細胞
HeLa1細胞（ヒト子宮頸癌由来）Vero細胞（アフリカミドリザル腎臓）
酵母細胞
大腸菌細胞
（ヒト個体）
1) M. Monti, Metabolism, 34, 183 (1985)
2) M. Monti, P. Hender, et al. Metabolism, 36, 155 (1987)
3) S. Valdersson et al. Acta Endocrinol., 122, 422 (1990)
4) S. Schon, I. Wadso, Cytobios, 48, 195 (1986)
5) M. Monti, et al., Scand. J. Haematol., 36, 353 (1986)

熱生成速度[pW/cell]

文献

14±5
131±4
2.31±0.12
2.90±0.15
7.5±0.6
4.0
2.5
1940
40〜49
62.3±2.927.4±2.1
20±30.067±0.010（1.5mW/g）

1)
2)
3)
3)
4)
5)
5)
6)
6)
7)
7)
8)
9)
9)

6) S. Schon, et al., Thermochim. Acta, 94, 123 (1985)
7) Q. Dong, et al., J. Biochem. Biophys. Methods, 19, 83 (1989)
8) S. Schon, et al. J. Biochem. Biophys. Methods, 13, 135 (1986)
9) O. A. Antoce, et al., Netsu Sokutei, 24,111 (1997)
出典：日本化学会編 第5版 実験化学講座６温度・熱，圧力，p.322

Thermopile Sensor for Bio Calorimeter
Thermopile Sensor

CAD design

Overall view

Specifications
Substrate： Cover Glass (t=0.15mm)
TP metals: Cr & Ni
TC number: 350 couples in both sides.
Sensitivity: 0.71V/W (empty)
0.62V/W (with paraffin)
Calibration: Built-in heater at centerCenter partBio Calorimeterwith MEMS Thermopile sensor•••

Temp. Control: P control with Peltier device& PID control with heater
Conduction type: Metabolic heat is conducted through thermopile.
Batch Operation: Calorimetric cell is closed for avoiding thermal
perturbation with evaporation of culture solution and metabolite.

薄膜サーモパイルセンサの感度
校正用ヒーターによる既知の電力とセンサからの出力の関係から測定
感度校正
calorimetriccellT
局所発熱

均一発熱

Reference
junction・Sp=Sensing
junctionx0.84 V/W (empty)
0.62 V/W (with paraffin)

多重恒温槽特性

各部の時定数- Thermopile sensor 87 sec- Calorimetric cell , Inner case
280 sec- Middle case
890 sec- Outer case
930 sec

実験開始からの各部温度，サーモパイルの出力の変化

温度減衰特性約1000秒周期の空調による外乱- Room
1.2Kp-p- Outer case
50mKp-p- Calorimetric cell
検出不能
- Thermopile
２nWp-p(0.18µKp-p)

薄膜センサの分解能と時定数ヒーターをステップ加熱させた時のセンサの応答から評価
熱量分解能
τ1 = 11 sec
τ2 = 87 sec- ノイズ強度35nV- ノイズ等価電力 56.5nW（ 3×103個の酵母菌に対応）

時定数- τ1 = 11sec
センサの基板上で温度が定常になるσnoise = 35nV- τ2 = 87sec
試料セル内での温度が定常になる

微生物の増殖曲線‐誘導期(induction phase)
増殖への準備期間
Cell number

Total cell numbers

Viable cell numbers‐対数増殖期(log. growthphase)細胞は一定の割合で増加
増殖速度は環境に依存‐定常期(stationary phase)time , hour

A : 誘導期
C: 定常期

B : 対数増殖期
D: 死滅期

細胞数はほぼ一定
増殖，死滅細胞数が釣合う‐死滅期(death phase)
細胞が死滅，減少

Growth Thermogram of Yeast
Yeast (パン酵母)（Saccharomyces cerevisiae）

Typical Data
Metabolic heat: 20pW/Cell
Generation time:80~120min

Conditions•Culture solution:
M-Green Yeast and Mold Broth: 0.2ml + Sucrose 3wt%aq: 0.2ml•Temperature: 33.8oC•Sensitivity: 0.62µV/µW

計測系改善によるノイズの低減
ドライイースト１粒／3wt%スクロース水溶液100ml → 0.2ml
培養液（ M-Green Yeast and Mold Broth ） → 0.2ml
Amp．（G=100,10Hz LPF)：１set
Amp．（G=100,10Hz LPF)：２set
Growththermogram
Tcell=33.8oC

τ = 120 min
107 cell

Growththermogramat Tcell=29.8oC

τ = 85 min
107 cell

106 cell

106 cell

105 cell

105 cell

RMS Noise
104 cell
RMS Noise
103 cell

103 cell

4×105 個 〜107 個の増殖

3×105 個 〜107 個の増殖

RMS Noise 約300nW（酵母菌1.5×104個に相当）

RMS Noise 約60nW（酵母菌3×103個に相当）Growth Experiment from Small Number of Yeast
Original data

Conditions•Yeast: Dry Yeast 1 peace/1000ml sucrose solution•Culture solution:
M-Green Yeast and Mold Broth: 0.05ml
Sucrose 3wt%aq: 0.1ml•Temperature: 29.9oC•Sensitivity: 0.62µV/µW, Amp(40dB)+Amp(40dB)

Modified data

Result•Initial cell number:
100 cells order•Metabolism detection:
104 ~106 cells•Detectable level:
RMS noise~80nW <=>4000 cells•Generation time : ~100 minまとめ：Bio Metabolism Monitor• MEMSサーモパイルを用いた試料セルと３重恒温槽による熱量計の試作• 感度：0.62V/W• 104〜107Cell以上の酵母菌の増殖サーモグラム計測• ノイズ等価発熱量：60nW（3000Cellに対応）• 高感度化は可能か？
– 高熱抵抗構造：ブリッジ流路– 温度変動（外乱）の遮断– サーモパイルのS/N比の最適化• 数個〜単一細胞の代謝応答モニタ謝辞本研究で用いたMEMSセンサは，東京工業大学メカノマイクロプロセス室の協力により製作した．
本研究の一部は科学研究費補助金（基盤研
究(B)17360094，萌芽研究18651055）の助成により行われた．
ここに，感謝の意を表します．