DE69833973T2 - Elektrode und vorrichtung zur messung von zellpotentialen - Google Patents

Elektrode und vorrichtung zur messung von zellpotentialen Download PDF

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Hirokazu Katano-shi Sugihara
Hirakata Garden Hills 913 Hiroaki Hirakata-shi OKA
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Ryuta Moriguchi-shi OGAWA
Makoto Irvine TAKETANI
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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine impedanzarme Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen, normalerweise mit einer Anzahl von Mikroelektroden auf einem isolierenden Substrat und mit einer Wand, die den Bereich mit den Mikroelektroden einschließt. Die Vorrichtung ist in der Lage, elektrophysiologische Aktivitäten einer überwachten Probe unter Verwendung der Mikroelektroden zu messen, während diese Zellen oder Gewebe im Bereich der Mikroelektroden kultiviert werden. Die Erfindung nutzt unabhängige Referenzelektroden, um die Impedanz des Gesamtsystems zu verringern und dadurch das Rauschen zu verringern, das den Meßdaten häufig eigen ist. Optimal sind die Mikroelektroden von einer physischen Wand umschlossen, die zur Steuerung der Atmosphäre um die überwachte Probe verwendet wird.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Vorrichtungen zur Messung von Zellpotentialen sind bisher entwickelt worden, um die Aktivität oder das elektrische Potential, das durch eine Aktivität von Nervenzellen, anderen Zellen oder Geweben entsteht, zu messen (z. B. in der japanische Patentschrift Kokai 8-62 209), ohne Glaselektroden oder dergleichen in die Zellen einzuführen.
  • Die Messung eines Zellpotentials durch Einfügen einer Glaselektrode oder dergleichen in die Zelle kann diese Zelle zerstören. Eine Langzeitmessung des Zellpotentials ist sehr schwierig. Es ist ferner schwierig, mehrere Positionen gleichzeitig zu messen; es besteht eine Grenze für die Anzahl der Elektroden, die man in einer Meßelektrodenanordnung plazieren kann, und es ist ebenso schwierig, die Position der Probe über Meßelektroden angemessen zu bestimmen. Dagegen ermöglicht die Verwendung einer Elektrode zur Messung von Zellpotentialen mit mehreren Mikroelektroden auf einem Substrat (mit einer Wand zum Einschließen eines Bereichs mit den Mikroelektroden) die Kultivierung der Zellen innerhalb des Bereichs, der von der Wand eingeschlossen ist, und die gleichzeitige Messung des Potentials von mehreren Positionen, ohne diese Zellen zu zerstören.
  • Diese Vorrichtungen zur Messung von Zellpotentialen messen das Zellpotential gegen ein Referenzpotential. Eine solche Möglichkeit ist beschrieben in Hinblick auf Kokai 8-62 209 (zur Patentfamilie von EP-A- 0 689 051 gehörig). Wenn 64 Mikroelektroden in acht Spalten und acht Reihen angeordnet sind, kann theoretisch unter Verwendung einer Mikroelektrode als Referenzpotential (d. h. als eine gemeinsame Referenzelektrode, die mit dem Potential des Kulturmediums verbunden ist) das Zellpotential der anderen 63 Positionen gleichzeitig unter Verwendung der verbleibenden 63 Mikroelektroden gemessen werden.
  • Wenn jedoch sehr niedrige oder Mikropotentiale als Zellpotentiale gemessen werden, ist Rauschen ein Problem. Der Rauschpegel ändert sich erheblich in Abhängigkeit von der Auswahl des Typs und der Lage der Referenzelektrode. Wenn, wie oben erwähnt, eine Mikroelektrode als Referenzelektrode verwendet wird, ist eine gleichzeitige Messung des Potentials bei 63 Positionen unter Verwendung der 63 verbleibenden Mikroelektroden wegen des hohen Rauschpegels unmöglich. Wenn die Referenzelektroden und die Meßelektroden einander 1:1 entsprechen, kann das Potential bei einem sehr niedrigen Rauschpegelzustand gemessen werden. Aber wenn 64 Mikroelektroden verwendet werden, die beispielsweise 32 Referenzelektroden und 32 Meßelektroden entsprechen, können nur 32 Positionen gleichzeitig gemessen werden.
  • In der Theorie muß man jedoch die Anzahl der Referenzelektroden begrenzen, um das Potential an möglichst vielen Positionen gleichzeitig zu messen.
  • Wie in 14 von Kokai 8-62 209 gezeigt, werden acht Mikroelektroden in einer Reihe als Referenzelektroden verwendet, und sieben Meßelektroden sind jeweils mit je einer der Referenzelektroden korreliert, so daß das Potential gleichzeitig an 7 × 8 = 56 Positionen gemessen werden kann. Wenn 56 Mikroelektroden als Meßelektroden verwendet werden, d. h. unter Verwendung von acht Mikroelektroden in einer Reihe als Referenzelektroden, beträgt der Verlust an Meßstellen etwa 12% im Vergleich zu dem Fall, wenn alle 64 oder 63 Stück als Meßelektroden verwendet werden. Selbst wenn sieben Meßelektroden bei einer Referenzelektrode verwendet werden, ist das Rauschen dennoch sehr groß. Es ist sehr schwierig, aus dem Rauschen eine kleine Änderung im Zellpotential zu detektieren.
  • Wenn außerdem, wie in 14 von Kokai 8-62 209 gezeigt, ein Segment S einer Zelle oder eines Gewebes an den mehreren Mikroelektroden plaziert wird, sollte das Segment S nicht in der Reihe der Mikroelektroden plaziert werden, die als Referenzelektroden verwendet werden. Eine solche Plazierung erfordert Geschicklichkeit und ist schwierig, da das Segment mit einer Pinzette gehalten und bewegt werden muß, während das Segment unter einem Mikroskop beobachtet wird. Es ist extrem schwierig, das Segment S so anzuordnen, daß die acht Mikroelektroden in einer Reihe vollständig freiliegen, während die verbleibenden 56 Mikroelektroden vollständig vom Segment bedeckt sind. Wenn das Segment S so angeordnet ist, daß es die acht Mikroelektroden in einer Reihe vollständig freilegt, liegen gewöhnlich einige der verbleibenden 56 frei, und somit verringert sich die Anzahl der Positionen für eine gleichzeitige Messung.
  • Sensors and Actuators B, Vol. B24, Nr. 1/03, Teil 1, März 1995, S. 300–303 offenbart eine Anordnung von Arbeitselektroden mit entsprechenden Referenzelektroden, die in nächster Nähe zu den Arbeitselektroden positioniert sind.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung soll diese Probleme lösen. Die Erfindung stellt eine Elektrode zur Messung von Zellpotentialen bereit, die gegen Rauschen weniger anfällig und dennoch in der Lage ist, das Potential an vielen Positionen durch effektive Nutzung aller verfügbaren Mikroelektroden gleichzeitig zu messen, wenn die Positionierung nicht sehr genau ist, wenn das zu messende Zell- oder Gewebesegment angeordnet wird.
  • Die erfindungsgemäße Zellpotentialmeßelektrode weist vorzugsweise auf: mehrere Mikroelektroden auf einem isolierenden Substrat, eine Leiterstruktur zum Verbinden der Mikroelektroden mit einem bestimmten Bereich außerhalb der Mikroelektrodenfläche, elektrische Kontakte, die mit dem Ende der Leiterstruktur verbunden sind, einen Isolierfilm, der die Oberfläche der Leiterstruktur überzieht, und eine Wand, die den Bereich mit den Mikroelektroden auf der Oberfläche des Isolierfilms einschließt. Die erfindungsgemäßen Referenzelektroden haben eine vergleichsweise niedrigere Impedanz als die Impedanz der Meßmikroelektroden. Sie sind jeweils an mehreren Positionen in dem Bereich, der von der Wand eingeschlossen ist, angeordnet und häufig in einem spezifischen Abstand von den Mikroelektroden. Die elektrischen Kontakte sind ferner normalerweise zwischen die Leiterstruktur zur Verdrahtung jeder Referenzelektrode und das Ende der Leiterstruktur geschaltet. Die Oberfläche der Leiterstruktur zur Verdrahtung der Referenzelektroden ist normalerweise mit einem Isolierfilm überzogen.
  • Da erfindungsgemäß an mehreren Positionen exklusive Referenzelektroden vorgesehen sind, die von dem Bereich mit den mehreren Meßelektroden entfernt sind, ist es einfach, das Zellprobensegment so anzuordnen, daß alle Mikroelektroden überzogen sind, während kein Kontakt zu den Referenzelektroden besteht. Die Referenzelektrode hätte normalerweise zum Beispiel eine größere Fläche als eine Meßmikroelektrode und hat somit eine kleinere Impedanz. Daher ist der Rauschpegel klein, auch wenn sie gemeinsam mit mehreren Referenzpotentialen verbunden ist, um Meßpositionen zu bilden. Gemeinsame Referenzelektroden können daher mit mehreren Meßmikroelektroden verwendet werden. Da jede der mehreren Referenzelektroden für mehrere Meßmikroelektroden zuständig ist, können die Zellpotentiale außerdem ohne weiteres gleichzeitig unter Verwendung aller Mikroelektroden gemessen werden.
  • Vorzugsweise sind die mehreren Referenzelektroden in nahezu gleichen Entfernungen vom Bereich der mehreren Mikro elektroden und in Intervallen von nahezu gleichem Winkel angeordnet. Unter "Intervallen von nahezu gleichem Winkel" verstehen wir, daß, wenn der Bereich der mehreren Mikroelektroden von oben gesehen wird, die mehreren Referenzelektroden sich in gleichwinkligen Strahlen von dem Bereich erstrecken. Besonders bevorzugt sind die mehreren Mikroelektroden in einer rechteckigen Matrix angeordnet, und vier der Referenzelektroden sind an einer Verlängerung von Diagonalen des Bereichs vorgesehen, der diese rechteckige Matrix hält. In einer solchen symmetrischen Plazierung wird der Rauschpegel jeder Mikroelektrode Bemittelt.
  • Als spezifisches Beispiel befinden sich die Mikroelektroden in einer Matrixanordnung in einem Rechteck mit Seiten von beispielsweise 0,8 bis 2,2 mm (bei einem Mikroelektrodenrastermaß von 300 μm) oder 0,8 bis 3,3 mm (bei einem Mikroelektrodenrastermaß von 450 μm). Vier Referenzelektroden befinden sich an vier Ecken eines Rechtecks von 5 bis 15 mm auf einer Seite. Besonders bevorzugt sind 64 Mikroelektroden in acht Reihen und acht Spalten mit mittigen Rastermaßen von etwa 100 bis 450 μm, vorzugsweise 100 bis 300 μm, angeordnet.
  • Um die Impedanz der Referenzelektroden so einzustellen, daß sie ausreichend kleiner ist als die Impedanz der Mikroelektroden, beträgt die Fläche der Referenzelektroden vorzugsweise das 4- bis 25fache (besonders bevorzugt das 16fache) der Fläche der Mikroelektroden. Als spezifisches Beispiel beträgt die Fläche jeder der Mikroelektroden vorzugsweise zwischen etwa 4 × 102 und 4 × 104 μm2, und die Fläche jeder der Referenzelektroden beträgt vorzugsweise zwischen etwa 64 × 102 und 64 × 104 μm2.
  • Vorzugsweise bestehen die Mikroelektroden und die Referenzelektroden aus dem gleichen Material, um den Herstellungsprozeß zu vereinfachen und einen Kostenvorteil zu erlangen. Vorzugsweise sind die Mikroelektroden und die Referenzelektroden aus Nickelplattierungs-, Goldplattierungs- und Platinmohrschichten auf einem Indium-Zinnoxid-(ITO-)Film ausgebildet. Nach der Platinierung beträgt die Impedanz der Referenzelektroden vorzugsweise zwischen 2 und 3 kΩ.
  • Das isolierende Substrat (z. B. ein Glassubstrat) kann nahezu quadratisch sein. Mehrere elektrische Kontakte können mit dem Ende der Leiterstruktur verbunden und vorzugsweise an den vier Seiten des isolierenden Substrats angeordnet sein. Infolgedessen ist der Entwurf der Leitungsstrukturen mehrerer Mikroelektroden und Referenzelektroden einfach. Da die Rastermaße der elektrischen Kontakte relativ groß ausgeführt sein können, ist die elektrische Verbindung über die elektrischen Kontakte mit externen Einheiten auch einfach.
  • Der Mikroelektrodenbereich ist normalerweise sehr klein. Wenn man die Probe unter einem Mikroskop beobachtet, ist es schwer, eine Position und vertikale und seitliche Richtungen zu unterscheiden. Es ist erwünscht, kennzeichnende Mikromarkierungen nahe dem Mikroelektrodenbereich anzuordnen, um eine optische Erkennung unter dem Mikroskop unter Variierung der Richtungen, Achsen und Position zu ermöglichen.
  • Die besonders bevorzugte erfindungsgemäße Zellpotentialmeßvorrichtung besteht aus einer Zellplazierungsvorrichtung mit Zellpotentialmeßelektroden, Kontaktstellen zur Kontaktherstellung mit einem elektrischen Kontakt und einem Elektrodenhalter zur Fixierung des isolierenden Substrats durch sandwichartige Anordnung von oben und unten. In einer Variante der Erfindung kann ein Signalprozessor nahe der Mikroelektrodenmatrix oder dem Mikroelektrodenbereich angeordnet sein. Die Zellpotentialmeßelektroden können elektrisch mit der Zellplazierungsvorrichtung verbunden sein, um eine Verarbeitung der Spannungssignale zu ermöglichen, die durch die Probe erzeugt werden und zwischen jeweiliger solcher Mikroelektrode und Referenzelektroden gemessen werden. Die Zellpotentialmeßanordnung weist normalerweise einen von einer Wand eingeschlossenen Bereich zur Kultivierung von Probenzellen oder -geweben auf. Sie weist auch vorzugsweise eine optische Vorrichtung zur Vergrößerung und optischen Beobachtung der Zellen oder Gewebe auf, die in dem von der Wand eingeschlossen Bereich kultiviert werden. Diese Zellpotentialmeßvorrichtung weist ferner vorzugsweise eine Bildspeichervorrichtung zur Speicherung des von der optischen Vorrichtung gewonnenen vergrößerten Bildes auf.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockschaltbild, das eine Gesamtstruktur einer erfindungsgemäßen Zellpotentialmeßvorrichtung zeigt.
  • 2 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer Zellplazierungsvorrichtung mit der erfindungsgemäßen Zellpotentialmeßelektrode.
  • 3 ist eine Teildraufsicht, die ein Beispiel von Mikroelektroden im Mittelteil der Zellpotentialmeßvorrichtung und eine Leiterstruktur zu ihrer Verdrahtung zeigt.
  • 4 ist eine Draufsicht, die eine Gesamtstruktur einer Zellpotentialmeßelektrode zeigt.
  • 5 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer Zellpotentialmeßelektrode.
  • 6 ist eine Draufsicht und eine Seitenschnittansicht, die einen Zustand der Fixierung der Zellpotentialmeßelektrode durch sandwichartige Anordnung mit oberen und unteren Haltern zeigen.
  • 7 ist eine perspektivische Ansicht der Zellpotentialmeßelektrode und des oberen und unteren Halters aus 6.
  • 8 ist eine Seitenansicht von Kontaktmetallverbindungsstücken, die im oberen Halter vorgesehen sind.
  • 9 ist ein Wellenformdiagramm, das einen Rauschpegel bei 50 μm2 großen Referenzelektroden zeigt, die in der Zellpotentialmeßelektrode vorgesehen sind.
  • 10 ist ein Wellenformdiagramm, das einen Rauschpegel bei 200 μm2 großen Referenzelektroden zeigt, die in der Zellpotentialmeßelektrode vorgesehen sind.
  • 11 ist ein Diagramm, das die zentralen sieben Meßstellen innerhalb des Meßbereichs der Zellpotentialmeßelektrode zeigt.
  • 12 ist ein Blockschaltbild, das ein Beispiel eines Zellpotentialmeßverfahrens unter Verwendung einer herkömmlichen Zellpotentialmeßelektrode zeigt.
  • Beschreibung der Erfindung
  • 1 zeigt ein typisches Beispiel einer gesamten Zellpotentialmeßvorrichtung, die eine Zellpotentialmeßelektro de und eine Referenzelektrode verwendet, die erfindungsgemäß hergestellt sind. Diese Zellpotentialmeßvorrichtung weist auf: eine integrierte Zellplazierungsvorrichtung 1, die die erfindungsgemäße Zellpotentialmeßelektrode enthält, eine optische Beobachtungsvorrichtung 20 mit einem umgekehrten Mikroskop 21 zur optischen Messung der in der Zellplazierungsvorrichtung 1 plazierten Probe oder Zellen, einen Computer 30 zur Verabreichung eines Stimulussignals an die Zellen und zur Verarbeitung des Ausgangssignals der Zellen und ein Zellkultursystem 40 zur Aufrechterhaltung einer Kulturatmosphäre um die Probe herum.
  • Zusätzlich zu dem umgekehrten Mikroskop 21, auf dem die Zellplazierungsvorrichtung 1 angeordnet ist, kann die optische Beobachtungsvorrichtung 20 auch eine SIT-Kamera 22 für das Mikroskop 21, eine hochauflösende Anzeige 23 und eine Bildspeichervorrichtung 24 aufweisen. Die hochauflösende Anzeige 23 kann auch als Anzeige für den Computer 30 verwendet werden.
  • Der Computer 30 ist normalerweise ein Personalcomputer (PC), in dem Meßsoftware installiert ist. Der Computer 30 und die Zellplazierungsvorrichtung 1 sind über eine E/A-Karte zur Messung verbunden. Die E/A-Karte weist einen A/D-Umsetzer 31 und einen D/A-Umsetzer 32 auf. Der A/D-Umsetzer 31 dient normalerweise zum Messen und Umsetzen der resultierenden Potentiale; der D/A-Umsetzer 32 ist bestimmt für Stimulussignale an die Probe. Beispielsweise hat der A/D-Umsetzer 31 16 Bit und 64 Kanäle und der D/A-Umsetzer 32 hat 16 Bit und 8 Kanäle.
  • Die im Computer 30 installierte Meßsoftware kann Software zum Einstellen von Bedingungen zur Verabreichung eines Stimulussignals, zur Bildung des Stimulussignals und zum Aufzeichnen des gewonnenen Detektionssignals aufweisen. Unter Verwendung einer solchen Meßsoftware kann der Computer 30 eine Einrichtung zum Verabreichen eines Stimulussignals an die Zellen und eine Einrichtung zum Verarbeiten des von den Zellen detektierten Signals aufweisen. Der Computer 30 kann auch die optische Beobachtungsvorrichtung (SIT-Kamera und Bildspeichervorrichtung) und das Zellkultursystem steuern.
  • Ein Überblick über die Funktionalität der erwünschten Meßsoftware wird nachstehend bildschirmweise beschrieben.
  • Auf einem Parametereinstellbildschirm können komplizierte Stimulusbedingungen durch Zeichnen einer Stimuluswellenform auf dem Bildschirm unter Verwendung einer Tastatur oder einer Maus eingestellt werden. Wenn die Einstellung einer Aufzeichnungsbedingung 64 Eingangskanälen und einer Abtastrate von 10 kHz entspricht, kann der Computer eine nachfolgende Aufzeichnung für mehrere Stunden durchführen. Außerdem können Elektroden zur Verabreichung eines Stimulussignals und Elektroden zur Aufnahme des Detektionssignals von den Zellen dadurch gewählt werden, daß die auf dem Bildschirm angezeigten Mikroskopbilder mittels der Maus oder des Computer-Stifts ausgesucht werden. Die Temperatur, der pH und andere Bedingungen des Zellkultursystems 40 werden vorzugsweise über die Tastatur eingestellt.
  • Auf einem Aufzeichnungsbildschirm kann das Spontanaktivitätspotential oder das induzierte Potential, das an den Zellen detektiert wird, in Echtzeit angezeigt werden. Daneben können die aufgezeichnete Spontanaktivität, das Potential oder das induzierte Potential durch Überlagerung mit dem Mikroskopbild der Zelle angezeigt werden. Wenn das induzierte Potential gemessen wird, wird die gesamte aufgezeichnete Wellenform angezeigt. Wenn das Spontanaktivitätspotential gemessen wird, durch die Impulsspitzendetektionsfunktion unter Verwendung eines Fensterdiskriminators oder Wellenformdiskriminators, wird die aufgezeichnete Wellenform nur dann angezeigt, wenn die Erzeugung von Spontanaktivität detektiert wird. Zusammen mit der Anzeige der aufgezeichneten Wellenform können Meßparameter (z. B. Stimulusbedingung, Aufzeichnungsbedingungen, Temperatur, pH usw.) auch in Echtzeit angezeigt werden. Eine Alarmfunktion ist vorgesehen zur Warnung, wenn die Temperatur oder der pH den zulässigen Bereich verläßt.
  • Was die Datenanalyse oder -verarbeitung betrifft, so sind die Fourier-Funktionstransformations-(FFT-)Analyse, Kohärenzanalyse und Korrelationsanalyse auch erwünscht. Verwendbare Funktionen können u. a. sein: Einzelimpulsspitzentrennfunktion unter Verwendung einer Wellenformunterscheidung, Zeitprofilanzeigefunktion, Topographieanzeigefunktion und Stromquellendichteanalysefunktion. Die Analyseergebnisse können ange zeigt werden durch Überlagerung mit den in der Bildspeichervorrichtung gespeicherten Mikroskopbildern.
  • Wenn ein Stimulussignal vom Computer 30 ausgegeben wird, wird dieses Stimulussignal über den D/A-Umsetzer 32 und ein Trennglied 33 an die Zellplazierungsvorrichtung gesendet. Die Zellplazierungsvorrichtung 1 weist eine Zellpotentialmeßelektrode auf, die, wie später beschrieben wird, aus 64 Mikroelektroden auf einem Glassubstrat in einer Matrixform bestehen kann und eine Umschließungswand, damit die Probe (z. B. Segmente von Zellen oder Geweben) mit den Mikroelektroden und ihrem Kulturfluid in Kontakt gehalten werden kann. Das an die Zellplazierungsvorrichtung 1 gesendete Stimulussignal wird an beliebige Elektroden von den 64 Mikroelektroden und dann an die Probe oder Proben angelegt.
  • Das induzierte, evozierte oder spontane Potential, das zwischen jeder Mikroelektrode und dem Referenzpotential auftritt (das dem Potential des Kulturfluids entspricht), wird über einen hochempfindlichen Verstärker 34 mit 64 Kanälen und den A/D-Umsetzer 31 in den Computer 30 übergeben. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 34 kann z. B. in einem Frequenzband von etwa 0,1 bis 10 kHz oder bis 20 Hz beispielsweise etwa 80 bis 100 dB sein. Wenn man jedoch das Potential mißt, das von einem Stimulussignal induziert wird, dann ist bei Verwendung eines Tiefenabsenkungsfilters das Frequenzband 100 Hz bis 10 kHz. Spontane Potentiale sind gewöhnlich im Bereich von 100 Hz bis 20 Hz.
  • Das Zellkultursystem 40 weist normalerweise einen Temperaturregler 41, eine Kulturfluidzirkulationsvorrichtung 42 und eine Zuführeinrichtung 43 zum Zuführen beispielsweise eines Mischgases aus Luft und Kohlendioxid auf. Das Zellkultursystem 40 kann statt dessen aus einem handelsüblichen Mikroinkubator, einem Temperaturregler und einem CO2-Zylinder bestehen. Der Mikroinkubator kann verwendet werden, um einen Temperaturbereich von 0 bis 50 °C mittels eines Peltier-Elements zu steuern, und ist auf eine Flüssigkeitszuführungsrate von 3,0 ml/min oder weniger und eine Gasdurchflußrate von 1 l/min oder weniger anwendbar. Oder es kann ein Mikroinkubator mit einem Temperaturregler verwendet werden.
  • Die Struktur der Zellplazierungsvorrichtung 1 (in 1 gezeigt) wird ausführlicher mit Bezug auf die in 2 gezeigte auseinandergezogene Ansicht beschrieben. Die bevorzugte Zellplazierungsvorrichtung 1 kann bestehen aus: einer Zellpotentialmeßelektrode (auch als integrierte Mehrfachelektrode oder Mikroelektrodenanordnung bezeichnet) 2 mit einer zylindrischen Wand 6, die auf einem transparenten Glassubstrat vorgesehen ist und mehrere Mikroelektroden in ihrem Innenbereich hat, Haltern 3, 4, die in zwei Abschnitte zur Fixierung der Zellpotentialmeßelektrode 2 durch sandwichartige Anordnung von oben und unten geteilt sind, und einer gedruckten Leiterplatte 5 zum Fixieren der Halter.
  • 3 zeigt die Einzelheiten des Glassubstrats. Die Größe des Glassubstrats zur Bildung der Zellpotentialmeßelektrode (integrierte Mehrfachelektrode) 2 kann eine Dicke von 1,1 mm und eine Größe von etwa 50 mm2 haben. Im Mittelteil des Glassubstrats sind 64 Mikroelektroden 11 in einer Matrixform von 8 × 8 ausgebildet. Die Mikroelektroden sind gegeneinander und gegen die Referenzelektroden isoliert. Eine Leiterstruktur 12 zur Verdrahtung ist mit jeder Mikroelektrode 11 verbunden. Die Mikroelektrode 11 kann etwa 50 μm2 groß sein und der Abstand zwischen den Mittelpunkten angrenzender Elektroden ist etwa 150 μm. Die dargestellten 64 Mikroelektroden 11 sind daher in einer Matrix von 8 × 8 dargestellt, eine Seite des ausgebildeten rechteckigen Bereichs ist etwa 1,1 mm.
  • Obwohl die Beschreibung der Erfindung viele spezifische Angaben zu bestimmten Größen und Flächen enthält, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt; diese sind lediglich als Richtwerte zu verstehen und sind nicht entscheidend für die Erfindung, wenn dies nicht ausdrücklich angegeben ist.
  • Außerdem sind, wie in 4 gezeigt, Referenzelektroden 10 an vier Positionen auf Linien ausgebildet, die sich von Diagonalen des rechteckigen Bereichs im Mittelteil des Glassubstrats erstrecken, in dem die Mikroelektroden angeordnet sind. Die Referenzelektroden sind gegeneinander und gegen die Mikroelektroden isoliert. Diese Referenzelektroden 10 sind auch mit den elektrischen Kontakten 7, die an vier Seiten des Glassubstrats angeordnet sind, durch die Leiterstruktur 12 zur Verdrahtung verbunden wie die Mikroelektroden 11. Die Referenzelektroden 10 sind in dem gleichen Prozeß wie die Mikroelektroden 11 hergestellt, wie nachstehend ausgeführt, aber ihre Größe ist im allgemeinen erheblich größer als die der Mikroelektroden 11, die beispielsweise ein Rechteck von etwa 200 μm Seitenlänge bilden. Daher ist die rechteckige Fläche im Vergleich zu einer der 50 μm2 großen Mikroelektroden 11 größer, vorzugsweise etwa 16mal größer, und bei diesem Verhältnis ist die Impedanz der Referenzelektroden 10 kleiner als die Impedanz der Mikroelektroden 11.
  • Die Positionen der Referenzelektroden 10 sind vorzugsweise auf Linien, die sich von den Diagonalen des rechtwinkligen Bereichs im Mittelteil des Glassubstrats erstrecken, in dem die Mikroelektroden 11 angeordnet sind. Die Referenzelektroden 10 in dieser Variante befinden sich etwa 6 mm von der Mitte des rechteckigen Bereichs. Das heißt, sie sind an vier Ecken eines Quadrats von etwa 8,5 mm Seitenlänge angeordnet.
  • Außerdem befinden sich, wie in 4 gezeigt, auf jeder der vier Seiten des Glassubstrats 17 elektrische Kontakte 7. Diese elektrischen Kontakte 7 sind (einzeln) an jeder der 64 Mikroelektroden 11 und vier Referenzelektroden 10 über die Leiterstruktur 12 angebracht. Das Rastermaß der 17 elektrischen Kontakte ist vorzugsweise vom Rastermaß 1,27 mm des universellen Verbinders beabstandet. Der Herstellungsprozeß dieser integrierten Mehrfachelektrode 2 ist nachstehend mit Bezug auf die Schnittansicht in 5 beschrieben. Die Darstellung in 5 ist zum besseren Verständnis nicht maßstabsgetreu.
  • Auf die Oberfläche eines Glassubstrats 13 wird ein ITO(Indium-Zinnoxid-)Film in einer Dicke von 150 nm aufgebracht, und eine Leiterstruktur 12 wird mittels Photoresist und Ätzung ausgebildet. Ein negativer lichtempfindlicher Polyimidfilm von etwa 1,4 μm Dicke wird darauf aufgebracht, und ein Isolierfilm 14 wird ausgebildet. Auf Abschnitten der Mikroelektroden 11 (oder als Alternative der Referenzelektroden 10) und der elektrischen Kontakte 7 wird der ITO-Film belichtet, und eine Nickelplattierung 15 von 500 nm Dicke und eine Goldplattierung 16 von 50 nm Dicke werden dann aufgebracht.
  • Ein Polystyren- oder Glaszylinderteil 6, das einer Wand mit etwa 22 mm Innendurchmesser, etwa 25 mm Außendurchmesser und 8 mm Höhe entspricht, kann dann auf dem Mittelteil des Glassubstrats unter Verwendung eines Silikonklebers angeordnet werden (siehe 2 und 4). Ein stark bevorzugter Kleber ist ein RTV-(Kaltvulkanisations-)Silikonkautschuk, insbesondere solche, die ein säurehärtendes System verwenden. Diese haben wegen der Essigsäure, die während des Härtungsschritts entsteht, einen niedrigen Toxizitätsgrad. Zwei geeignete Varianten sind u. a. KE42T (Shin-Etsu-Silikon) und Silastic Medical Adhesive Silicone Typ A (Dow Corning). Ein zylindrisches Wandteil 6 ist zwar dargestellt, aber die Wand kann oval sein, um einen besseren Zugriff auf die Probe zu ermöglichen. Das Wandteil 6 ist in der Mitte des Glassubstrats befestigt, d. h. in einem Zustand, der mit dem Mittelteil des rechteckigen Bereichs ausgerichtet ist, in dem die 64 Mikroelektroden angeordnet sind. In dem Bereich, der von diesem zylindrischen Teil 6 umgeben ist, werden die Zellen oder Gewebe kultiviert. Dieses zylindrische Teil 6 ist beispielsweise mit einer wäßrigen Lösung von 1 Gew.-% Chlorplatinsäure, 0,01 Gew.-% Bleiacetat und 0,0025 Gew.-% Salzsäure gefüllt, und wenn ein Strom von 20 mA/cm2 für eine Minute durchgeleitet wird, wird Platinmohr 11a (oder als Alternative Referenzelektroden-Platinmohr 10a) auf den Oberflächen der Mikroelektroden 11 und der Referenzelektroden 10 abgeschieden.
  • Der Bereich im zylindrischen Teil 6 wird gelegentlich als der "Messungsbereich" bezeichnet, der die Fläche umfaßt, die die Mikroelektroden 11 und die Referenzelektroden 10 einschließt. Es liegt ferner im Schutzbereich der Erfindung, daß die Referenzelektroden auf der Innenfläche des zylindrischen Teils 6 angeordnet sind.
  • In einer Ecke der integrierten Mehrfachelektrode 2 ist eine Hinweis- oder Pfeilmarkierung 17 vorgesehen, die die Richtung anzeigt. Diese Pfeilmarkierung 17 kann im gleichen Herstellungsprozeß wie die Mikroelektroden 11 und die Referenzelektroden 10 hergestellt werden. Die Oberfläche ist jedoch lediglich mit Goldplattierung beschichtet, und Platinmohr wird nicht ausgebildet. Die Länge und Breite der Pfeilmarkie rung 17 sind beide etwa 5 mm. Außerdem ist nahe einer Ecke des rechteckigen Bereichs, wo die Mikroelektroden 11 angeordnet sind, eine kleine Hinweismarkierung, z. B. eine Mikromarkierung 18, ähnlich der Pfeilmarkierung vorgesehen. Diese Mikromarkierung 18 ist nicht mit bloßem Auge erkennbar, aber das gleiche Muster wie die Pfeilmarkierung 17 ist in einer vergrößerten Ansicht durch eine optische Beobachtungsvorrichtung der Meßvorrichtung zu erkennen, so daß die Richtung, Position, Achsen usw. identifiziert werden können. Wie die Pfeilmarkierung 17 kann die Mikromarkierung 18 auch im gleichen Herstellungsprozeß wie die Mikroelektroden 11 und die Referenzelektroden 10 hergestellt werden.
  • In 2 ist die integrierte Mehrfachelektrode 2 sandwichartig zwischen Haltern 3, 4 angeordnet. Eine elektrische Verbindung ist genauso ausgeführt. Die Halter 3, 4 sind normalerweise aus Polymer. Der Stufenabschnitt wird verwendet, um den Rand der integrierten Mehrfachelektrode 2 zu halten, und die rechteckigen Öffnungen sind im Mittelteil ausgebildet. Der obere Halter 3 ist mit einem Paar Befestigungselementen 8 und mit 17 × 4 Paaren von Kontaktmetallflächen 9 versehen. Eine Draufsicht der Halter 3, 4, die die integrierte Mehrfachelektrode 2 sandwichartig einschließen und fixieren, ist in 6(A), ihre Seitenansicht (Schnitt B-B) in 6(B) und ihre perspektivische Hinteransicht in 7 gezeigt. Wie aus diesen Darstellungen hervorgeht, ist das Befestigungselement 8 auf Wellenzapfen 8a auf zwei gegenüberliegenden Seiten des oberen Halters 3 gelagert und dreht sich um diese. Wie in 7 gezeigt, sind Nuten 4a an zwei gegenüberliegenden Seiten der Rückseite des unteren Halters 4 ausgebildet. Vorsprünge 8b des Befestigungselements 8 sind in Nuten 4a eingefügt, und die oberen und unteren Halter 3, 4 sind fest in einem Zustand des sandwichartigen Haltens der integrierten Mehrfachelektrode 2 angeordnet.
  • Insgesamt 68 Kontaktmetallverbindungsstücke 9, die am oberen Halter 3 vorgesehen sind, um den elektrischen Kontakten 7 der integrierten Mehrfachelektrode 2 zu entsprechen, können durch Verarbeitung elastischer und leitender Metallplatten, z. B. eine Be/Cu-Federlegierung, die mit Ni und Au plattiert ist, ausgebildet sein. Die Metallverbindungsstücke 9 haben eine Schnittfläche, wie in 8 gezeigt. Das heißt, sie bestehen aus einem Zapfen 9a, seinem Basisteil 9b und einem beweglichen Kontaktteil 9d, das sich vom Basisteil 9b über ein gekrümmtes Teil 9c erstreckt. Bei einer solchen Struktur kann das bewegliche Kontaktteil 9d elastisch vom Basisteil 9b weg verschoben werden. Im oberen Halter 3 sind Löcher zum Einfügen des Zapfens 9a des Kontaktmetallverbindungsstücks 9 und Nuten zum Einfügen des Basisteils 9b in 68 (17 × 4) Positionen ausgebildet.
  • Wenn, wie in 2 und 6(B) gezeigt, das Kontaktmetallverbindungsstück 9 in das Loch und die Nut eingefügt und darin fixiert ist, steht der Zapfen 9a vom oberen Halter 3 vor. Von den Kontaktmetallverbindungsstücken 9 gibt es zwei Typen, die sich in der Länge des Basisteils 9b unterscheiden. Die zwei Größen aufweisenden Verbindungsstücke 9 sind abwechselnd angeordnet, 16 Zapfen 9a, die vom oberen Halter 3 vorstehen, sind in zwei Zickzack-Reihen angeordnet. Wie später beschrieben wird, sind diese Zapfen 9a mit den Verbindern verbunden, die auf der gedruckten Leiterplatte 5 zur Verbindung mit der Außenwelt angeordnet sind.
  • Das bewegliche Kontaktteil 9d des Kontaktmetallverbindungsstücks 9 steht von der unteren Seite des oberen Halters 3 vor, wenn das Kontaktmetallverbindungsstück 9 in das Loch und die Nut des oberen Halters 3 eingefügt und darin befestigt wird. Wenn die Halter 3, 4 auf beiden Seiten der integrierten Mehrfachelektrode 2 fixiert sind, tritt das bewegliche Kontaktteil 9d jedes Kontaktmetallverbindungsstücks 9 mit dem elektrischen Kontakt 7 der integrierten Mehrfachelektrode 2 in Kontakt, und ein vorgegebener Kontaktdruck wird auf die Kontaktfläche durch elastische Deformation des gekrümmten Teils 9c ausgeübt. Auf diese Weise werden die elektrischen Kontakte 7 zum Verbinden mit den Mikroelektroden 11 und den Referenzelektroden 10 der integrierten Mehrfachelektrode 2 über die Leiterstruktur 12 elektrisch mit einem niedrigen Kontaktwiderstand (30 mΩ oder weniger) im Vergleich zu dem der Kontaktmetallverbindungsstücke 9 verbunden.
  • Wie oben erwähnt, werden die Halter 3, 4, die die integrierte Mehrfachelektrode 2 in einem Zustand des elektrischen Kontakts mit der integrierten Mehrfachelektrode 2 fest fixieren, mit der gedruckten Leiterplatte 5 elektrisch verbunden und an ihr befestigt, wie in 2 gezeigt. Die elektrische Verbindung von den Mikroelektroden 11 und der Referenzelektrode 10 der integrierten Mehrfachelektrode 2 zur Leiterstruktur 12, den elektrischen Kontakten 7 und den Kontaktmetallverbindungsstücken 9 ist ferner über die gedruckte Leiterplatte 5 mit der oben erwähnten Zellpotentialmeßvorrichtung verbunden. Die Handhabung der integrierten Mehrfachelektrode auf der Meßvorrichtung wird durch die Verwendung der gedruckten Leiterplatte 5 erleichtert.
  • Wie ebenfalls in 2 gezeigt, kann die gedruckte Leiterplatte 5 beispielsweise aus einem zweiseitigen Glasepoxidharz-Substrat bestehen. Verbinder 5a sind auf der Rückseite von vier Positionen am Umfang der kreisförmigen Öffnung vorgesehen, die in der Mitte der gedruckten Leiterplatte 5 ausgebildet ist. Da 16 Zapfen 9a, die in zwei Zickzack-Reihen von den vier Positionen auf der Oberfläche des oberen Halters 3 vorstehen, in die einzelnen entsprechenden Verbinder 5a eingefügt sind, ist die Anordnung der integrierten Mehrfachelektrode 2 und der Halter 3, 4 auf der gedruckten Leiterplatte 5 befestigt und elektrisch verbunden.
  • An beiden Rändern 5b der gedruckten Leiterplatte 5 befinden sich elektrische Kontakte für beide Steckerleisten mit einem Rastermaß von 2,54 mm. Diese elektrischen Kontakte und die Mittelverbinder 5a sind in der Leiterstruktur 5c verbunden. Die innere Reihe der beiden Verbinder 5a ist durch die Oberflächenstruktur und die äußere Reihe durch die Rückseite der Struktur verdrahtet, und es sind je 34 auf der Oberfläche und auf den Rückseiten der beiden Ränder 5b, das heißt insgesamt 68 elektrische Kontakte, ausgebildet. Um die mechanische Fixierung sicher zu machen, kann der obere Halter 3 an der gedruckten Leiterplatte 5 durch Befestigung mit Schrauben angebracht werden.
  • Die Referenzelektroden 10 der integrierten Mehrfachelektrode 2 sind mit Bezug auf 4 beschrieben. Die Refe renzelektroden 10 werden normalerweise in das Kulturfluid als das Referenzpotential zur Messung des in jeder Mikroelektrode auftretenden Potentials eingetaucht. Daher ist jede Mikroelektrode 11 mit einem Eingang des Verstärkers 34 (1) verbunden, und die Referenzelektroden 10 sind mit den Referenzspannungsanschlüssen eines jeweiligen Verstärkers verbunden. Der 64-Kanal-Verstärker ist in vier Gruppen von je 16 Kanälen geteilt, und jede der vier Referenzelektroden ist gemeinsam mit dem Referenzspannungsanschluß einer Gruppe für 16 Kanäle verbunden.
  • Zunächst wird, wie aus 4 hervorgeht, bevorzugt, die vier Referenzelektroden 10 an Verlängerungen der Diagonalen des mittleren rechteckigen Bereichs, der die Mikroelektroden 11 enthält, zu positionieren. Im allgemeinen ist dies praktisch für die Verdrahtung. Um die Segmente der Zellen oder Gewebe auf einfache Weise so zu plazieren, daß alle 64 Mikroelektroden, aber nicht die vier Referenzelektroden überdeckt sind, sollte außerdem der Abstand zwischen dem mittleren rechteckigen Bereich, der die Mikroelektroden 11 darstellt, und den Referenzelektroden 10 so groß sein, wie es sinnvoll möglich ist. Wenn außerdem die vier Referenzelektroden 10 in gleichen Abständen von der Mitte des rechteckigen Bereichs plaziert werden, ist der Rauschpegel, der in jeder Mikroelektrode auftritt, im wesentlichen gleichmäßig. Obwohl die Positionen der Referenzelektroden oben genau angegeben sind, sollen die Zahlenwerte keine absoluten Werte sein, sondern nur Richtliniencharakter haben.
  • Die Größe der Referenzelektroden 10 kann das 4- bis 64fache, vorzugsweise etwa das 16fache der Fläche einer Mikroelektrode betragen, wie oben erwähnt. Infolgedessen ist die Impedanz zwischen der Meßpotentialeingabeseite des Verstärkers und der Referenzpotentialeingabeseite ausgeglichen, und der Rauschpegel wird minimiert. Wenn die Mikroelektroden und Referenzelektroden beispielsweise in dem gleichen genannten Prozeß ausgebildet werden und die Fläche der Referenzelektrode 16mal so groß ist wie die der Mikroelektrode, sind die Impedanz der 16 Mikroelektroden und die Impedanz einer zuständigen Referenzelektrode nahezu gleich.
  • Beispiel
  • Das Beispiel zeigt die Differenz des Rauschpegels zwischen einem System mit einer integrierten Mehrfachelektrode, z. B. der oben beschriebenen, und der Referenzelektroden von 50 μm2 und 200 μm2. 9 und 10 zeigen diese Vergleichsrauschpegel.
  • Wir haben integrierte Mehrfachelektroden (wie z. B. in 4 dargestellt) mit jeweils Referenzelektroden von 50 μm2 und Referenzelektroden von 200 μm2 hergestellt. Die integrierten Mehrfachelektroden hatten jeweils zylindrische Teile 6. Das gleiche Kulturmedium, wie es normalerweise bei Gewebekultivierung verwendet wird, wurde im Inneren der zylindrischen Teile 6 plaziert. Um die resultierenden Signale auf das Rauschen zu begrenzen, wurde keine Zell- oder Gewebeprobe auf den Mikroelektroden plaziert. Wie in 11 gezeigt, wurden von den 64 Mikroelektroden die mittleren 7 Stellen (Kanäle 1 bis 5, 7, 8) gemessen.
  • 9 zeigt die Rauschwellenform der Referenzelektroden bei 50 μm2 und 10 bei 200 μm2. In jedem Diagramm ist die Spannung auf der Ordinatenachse 0,02 mV/Teilstrich, und die Zeit auf der Abszissenachse ist 5,0 ms/Teilstrich. Wie aus dem Vergleich zwischen 9 und 10 hervorgeht, ist der Rauschpegel deutlich kleiner, wenn die Referenzelektroden 200 μm2 (10) im Vergleich zu Referenzelektroden von 50 μm2 (9) sind. Wenn übrigens, wie in Bezug auf den Stand der Technik beschrieben, eine der 64 Mikroelektroden als die Referenzelektrode verwendet wurde, die für 16 Mikroelektroden zuständig war, war der Rauschpegel so groß wie in 9.
  • Wie hierin beschrieben ist, ist gemäß der erfindungsgemäßen Zellpotentialmeßelektrode und Vorrichtung der Rauscheffekt klein, und wenn die Positionierung beim Anordnen der zu messenden Segmente der Zellen oder Gewebe nicht sehr genau ist, werden alle Mikroelektroden effektiv genutzt, und an mehreren Punkten können Potentiale gleichzeitig gemessen werden.

Claims (24)

  1. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2), die zur Messung eines elektrischen Potentials in einer neuralen Probe geeignet ist, mit: a) einer Vielzahl von Meßmikroelektroden (11), die gegeneinander isoliert und auf einem isolierenden Substrat (13) angeordnet sind und einen Meßmikroelektrodenbereich bilden, b) einer Vielzahl von Referenzelektroden (10), die gegeneinander isoliert und auf dem isolierenden Substrat außerhalb des Meßmikroelektrodenbereichs angeordnet sind, wobei jede aus der Vielzahl von Referenzelektroden eine Impedanz hat, die kleiner ist als jede der Meßmikroelektroden (11), wenn in einem Elektrolyt, der den Messungsbereich umfaßt, mit 1 kHz, 50 mV gemessen wird.
  2. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 1, wobei die Fläche jeder aus der Vielzahl von Referenzelektroden (10) größer ist als die Fläche jeder aus der Vielzahl von Meßmikroelektroden (11).
  3. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 2, wobei die Fläche jeder aus der Vielzahl von Referenzelektroden (10) das 4- bis 25fache der Fläche jeder aus der Vielzahl von Meßmikroelektroden (11) ist.
  4. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 2, wobei die Fläche jeder aus der Vielzahl von Meßmikroelektroden (11) 4 × 102 bis 4 × 104 μm2 ist und die Fläche jeder aus der Vielzahl der Referenzelektroden (10) 64 × 102 bis 64 × 104 μm2 ist.
  5. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 1, wobei jede aus der Vielzahl von Meßmikroelektroden (11) in einer Matrix in dem Messungsbereich angeordnet ist.
  6. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 5, wobei 64 Mikroelektroden (11) in acht Reihen und acht Zeilen mit mittigen Rastermaßen von 100 bis 450 μm angeordnet sind.
  7. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 1, wobei jede aus der Vielzahl von Meßmikroelektroden (11) und jede aus der Vielzahl von Referenzelektroden (10) mit einer Position außerhalb des Messungsbereichs verbindbar sind.
  8. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 1, wobei der Messungsbereich von einer Wand (6) umgeben ist.
  9. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 8, wobei die Wand (6) kreisförmig ist.
  10. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 8, wobei die Wand (6) oval ist.
  11. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 1, ferner mit: einer Leiterstruktur (12) zum Verdrahten der Mikroelektroden (11) und der Referenzelektroden (10); einem elektrischen Kontakt (7), der mit dem Ende der Leiterstruktur verbunden ist; einem isolierenden Film (14), der die Oberfläche der Leiterstruktur überdeckt; und einer Wand (6), die eine Fläche mit dem Meßmikroelektrodenbereich und den Referenzelektroden einschließt, zur Verwendung beim Messen von elektrophysiologischen Aktivitäten, während Zellen oder Gewebe in einem von der Wand eingeschlossenen Bereich kultiviert werden.
  12. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 11, wobei die mehreren Referenzelektroden (10) in nahezu gleichem Abstand vom Anordnungsbereich der mehreren Mikroelektroden (11) und in Intervallen von nahezu gleichem Winkel angeordnet sind.
  13. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 12, wobei die mehreren Mikroelektroden (11) in einer Matrix in einem rechteckigen Bereich angeordnet sind und vier der Referenzelektroden (10) auf einer Verlängerung von Diagonalen des rechteckigen Bereichs angeordnet sind.
  14. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 13, wobei die Mikroelektroden (11) 0,8 bis 3,3 mm an einer Seite eines rechteckigen Bereichs in Matrixanordnung sind und die vier Referenzelektroden (10) an vier Ecken einer rechteckigen Form von 5 bis 15 mm an einer Seite angeordnet sind.
  15. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 14, wobei 64 Mikroelektroden (11) in acht Reihen und acht Linien mit mittigen Rastermaßen von 100 bis 450 μm angeordnet sind.
  16. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 11, wobei die Fläche der Referenzelektroden (10) das 4- bis 25fache der Fläche der Mikroelektroden (11) ist.
  17. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 16, wobei die Fläche der Referenzelektroden (10) das 16fache der Fläche der Mikroelektroden (11) ist.
  18. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 11, wobei die Fläche der Mikroelektroden (11) 4 × 102 bis 4 × 104 μm2 ist und die Fläche der Referenzelektroden (10) 64 × 102 bis 64 × 104 μm2 ist.
  19. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 11, wobei die Mikroelektroden (11) und die Referenzelektroden (10) aus dem gleichen Material bestehen.
  20. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 19, wobei die Mikroelektroden (11) und die Referenzelektroden (10) durch Aufbringen von Nickelplattierung, Goldplattierung und Platinschwarz auf einem Indium-Zinnoxidfilm ausgebildet sind.
  21. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 11, wobei das isolierende Substrat (13) nahezu quadratisch ist und mehrere elektrische Kontakte (7), die mit dem Ende der Leiterstruktur (12) verbunden sind, an vier Seiten des isolierenden Substrats verteilt und angeordnet sind.
  22. Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach Anspruch 11, wobei Hinweismikromarkierungen (17) zur optischen Erkennung der Richtung bei Vergrößerung nahe den Anordnungsbereichen der Mikroelektroden (11) vorgesehen sind.
  23. Eine Vorrichtung zur Messung von Zellpotentialen mit: einer Zellplazierungsvorrichtung (1) mit einer Elektrodenanordnung zur Messung von Zellpotentialen (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 22 und einem Kontaktmetall (9) zur Kontaktherstellung mit ihrem elektrischen Kontakt (7) und mit einem Elektrodenhalter (3, 4) zum Fixieren des isolierenden Substrats (13) durch sandwichartiges Anordnen von oben und unten, einem Signalprozessor (30), der mit der Zellplazierungsvorrichtung (1) elektrisch verbunden ist, zur Verarbeitung von Spannungssignalen, die zwischen jeder Mikroelektrode (11) und Referenzelektrode (10) der Zellpotentialmeßelektrode (2) durch die Aktivität von Zellen oder Geweben erzeugt werden, die in einem von einer Wand (6) eingeschlossenen Bereich kultiviert werden, und einer optischen Vorrichtung (21) zum optischen Vergrößern und Beobachten der Zellen oder Gewebe, die in dem von der Wand (6) eingeschlossenen Bereich kultiviert werden.
  24. Vorrichtung zur Messung von Zellpotentialen nach Anspruch 23, ferner mit einer Bildspeichervorrichtung (22) zum Speichern des durch die optische Vorrichtung (21) gewonnenen, vergrößerten Bildes.
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Families Citing this family (59)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6682649B1 (en) 1999-10-01 2004-01-27 Sophion Bioscience A/S Substrate and a method for determining and/or monitoring electrophysiological properties of ion channels
GB9929892D0 (en) * 1999-12-20 2000-02-09 Secr Defence Biological sensor
JP3909738B2 (ja) * 2000-07-13 2007-04-25 松下電器産業株式会社 細胞外記録用一体化複合電極
EP1406086A4 (de) 2001-06-05 2007-10-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd Signaldetektionssensor mit mehrfachelektrode
US7041492B2 (en) 2001-06-20 2006-05-09 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Extracellular recording electrode
CN100344960C (zh) 2001-12-17 2007-10-24 清华大学 刺激动物细胞并记录其生理信号的装置及其生产使用方法
CN100370247C (zh) * 2002-05-13 2008-02-20 松下电器产业株式会社 生物样本的活动信号测量装置和测量方法
JP3925439B2 (ja) * 2003-03-07 2007-06-06 松下電器産業株式会社 細胞外電位測定デバイスおよびその製造方法
ES2221528B1 (es) * 2002-07-03 2006-02-16 Universidad De Sevilla Electrodo de succion flotante.
US8263375B2 (en) 2002-12-20 2012-09-11 Acea Biosciences Dynamic monitoring of activation of G-protein coupled receptor (GPCR) and receptor tyrosine kinase (RTK) in living cells using real-time microelectronic cell sensing technology
US7560269B2 (en) 2002-12-20 2009-07-14 Acea Biosciences, Inc. Real time electronic cell sensing system and applications for cytotoxicity profiling and compound assays
US20050170491A1 (en) * 2002-07-31 2005-08-04 Mutsumi Takagi Automatic culture apparatus for cell or tisse with biological origin
JP4370082B2 (ja) * 2002-08-26 2009-11-25 独立行政法人科学技術振興機構 神経細胞培養マイクロチャンバー
KR100552115B1 (ko) * 2002-11-14 2006-02-14 주식회사 뉴로바이오시스 전력선 잡음이 제거되는 신경신호 기록용 반도체 미세전극
US9612234B2 (en) 2008-05-05 2017-04-04 Acea Biosciences, Inc. Data analysis of impedance-based cardiomyocyte-beating signals as detected on real-time cell analysis (RTCA) cardio instruments
US10551371B2 (en) 2003-11-10 2020-02-04 Acea Biosciences, Inc. System and method for monitoring cardiomyocyte beating, viability and morphology and for screening for pharmacological agents which may induce cardiotoxicity or modulate cardiomyocyte function
US11346797B2 (en) 2002-12-20 2022-05-31 Agilent Technologies, Inc. System and method for monitoring cardiomyocyte beating, viability, morphology and electrophysiological properties
US10539523B2 (en) 2002-12-20 2020-01-21 Acea Biosciences, Inc. System and method for monitoring cardiomyocyte beating, viability, morphology, and electrophysiological properties
US10215748B2 (en) 2002-12-20 2019-02-26 Acea Biosciences, Inc. Using impedance-based cell response profiling to identify putative inhibitors for oncogene addicted targets or pathways
CN100372920C (zh) 2003-06-27 2008-03-05 松下电器产业株式会社 药理测定装置及系统以及其中使用的井容器
EP1692258A4 (de) 2003-11-12 2007-03-21 Xiao Xu Elektronische echtzeit-zellwahrnehmungssysteme und anwendungen für tests auf zellbasis
CA2556219A1 (en) * 2004-02-09 2005-08-25 Acea Biosciences, Inc. Methods for assaying cells using cell-substrate impedance monitoring
JP4895345B2 (ja) * 2005-10-25 2012-03-14 セイコーインスツル株式会社 生細胞観察用セル
JP4748451B2 (ja) * 2006-02-08 2011-08-17 凸版印刷株式会社 ハイブリダイゼーションの検出方法
US8398443B2 (en) * 2006-04-21 2013-03-19 Roche Diagnostics Operations, Inc. Biological testing system and connector therefor
WO2009116271A1 (ja) * 2008-03-18 2009-09-24 株式会社ニコン 容器運搬ケースおよび培養処理装置
CA2723223C (en) 2008-05-05 2017-06-06 Acea Biosciences, Inc. Label-free monitoring of excitation-contraction coupling and excitable cells using impedance based systems with millisecond time resolution
JP5047878B2 (ja) * 2008-05-27 2012-10-10 株式会社アルバック 微小電極アレイデバイス、その製造方法及びバイオアッセイ法
WO2010129725A1 (en) * 2009-05-05 2010-11-11 Acea Biosciences, Inc. System and method for monitoring cardiomyocyte beating, viability and morphology and for screening for pharmacological agents which may induce cardiotoxicity or modulate cardiomyocyte function
CN101713757B (zh) * 2009-11-19 2012-09-26 浙江大学 检测细胞生理参数的光电复合一体式传感器及其制备方法
CN103417205B (zh) * 2012-05-23 2015-05-06 中国科学院电子学研究所 一种神经信息检测系统
EP2918999B1 (de) * 2012-11-06 2018-06-06 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Vorrichtung zum prüfen eines biologisch abgeleiteten materials
CN103630579A (zh) * 2013-02-27 2014-03-12 中国科学院电子学研究所 细胞阻抗分析的芯片及仪器
US9279801B2 (en) * 2013-07-26 2016-03-08 Axion Biosystems, Inc. Devices, systems and methods for high-throughput electrophysiology
CN104132976A (zh) * 2014-06-11 2014-11-05 中国科学院长春应用化学研究所 Ito导电玻璃表面电沉积超稳定金属薄膜原位构建电极的方法
CN104789443B (zh) * 2014-06-23 2020-01-17 格子生物科技(上海)有限公司 一种细胞定位单元、阵列、器件及其形成方法
US10067117B2 (en) 2014-08-12 2018-09-04 Axion Biosystems, Inc. Cell-based biosensor array and associated methods for manufacturing the same
WO2016121301A1 (ja) * 2015-01-30 2016-08-04 パナソニックIpマネジメント株式会社 電気化学測定デバイス
US12066428B2 (en) 2015-11-20 2024-08-20 Agilent Technologies, Inc. Cell-substrate impedance monitoring of cancer cells
KR101863816B1 (ko) * 2016-05-26 2018-06-01 울산과학기술원 세포자극 측정장치 및 이를 이용한 세포자극 측정방법
CN109313158B (zh) * 2016-06-21 2021-09-17 索尼公司 半导体装置和细胞电位测量设备
JP6739028B2 (ja) * 2016-07-13 2020-08-12 パナソニックIpマネジメント株式会社 生物組織または微生物の培地および電位測定装置
CN107758605B (zh) * 2016-08-16 2020-01-31 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种微电极阵列芯片及其制作方法
GB201615140D0 (en) * 2016-09-06 2016-10-19 Quanta Dialysis Tech Ltd Liquid conductivity measurement pin
JP2018143144A (ja) 2017-03-03 2018-09-20 パナソニック株式会社 ヒト由来iPS細胞から分化した心筋細胞においてβミオシン重鎖を効率的に産生させる方法
CN118460528A (zh) 2017-03-03 2024-08-09 安捷伦科技有限公司 用于iPSC和ESC衍生的心肌细胞的功能成熟的方法和系统
WO2019069707A1 (ja) * 2017-10-05 2019-04-11 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 細胞電位検出装置、細胞電位検出装置の製造方法、及び、情報処理システム
JP2019062869A (ja) 2017-10-05 2019-04-25 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 細胞電位検出装置、細胞電位検出装置の製造方法、及び、情報処理システム
JP2020022407A (ja) * 2018-08-08 2020-02-13 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 計測装置および計測システム
JP2020051882A (ja) * 2018-09-27 2020-04-02 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 電位測定装置
CN110187088B (zh) * 2019-05-05 2020-09-29 浙江大学 用于电位信号测量的细胞微球阵列芯片装置及其方法
JP7229110B2 (ja) * 2019-06-25 2023-02-27 株式会社Screenホールディングス 細胞電位測定装置
EP4060018A4 (de) * 2019-11-14 2023-03-01 NOK Corporation Vorrichtung zur messung des extrazellulären potenzials
US20210301245A1 (en) 2020-03-29 2021-09-30 Agilent Technologies, Inc. Systems and methods for electronically and optically monitoring biological samples
JP7474161B2 (ja) 2020-09-15 2024-04-24 株式会社Screenホールディングス 細胞計測プレート
JP7312288B2 (ja) * 2021-08-05 2023-07-20 シャープ株式会社 電位測定装置
JP7312289B2 (ja) * 2021-08-05 2023-07-20 シャープ株式会社 電位測定装置
CN113789263A (zh) * 2021-08-30 2021-12-14 东南大学 一种用于体外神经细胞网络多参数实时监测的多通道系统
JP2023042881A (ja) * 2021-09-15 2023-03-28 株式会社Screenホールディングス 細胞外電位計測プレート

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5187096A (en) * 1991-08-08 1993-02-16 Rensselaer Polytechnic Institute Cell substrate electrical impedance sensor with multiple electrode array
US5563067A (en) * 1994-06-13 1996-10-08 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Cell potential measurement apparatus having a plurality of microelectrodes
JP3204875B2 (ja) * 1994-06-13 2001-09-04 松下電器産業株式会社 細胞電位測定装置
DE19529371C3 (de) * 1995-08-10 2003-05-28 Nmi Univ Tuebingen Mikroelektroden-Anordnung
EP0823483A4 (de) * 1996-01-24 2001-04-18 Matsushita Electric Ind Co Ltd Verfahren zur messung physikochemischer eigenschaften von geweben oder zellen, verfahren zur prüfung von chemikalien und vorrichtung dafür
US5981268A (en) * 1997-05-30 1999-11-09 Board Of Trustees, Leland Stanford, Jr. University Hybrid biosensors

Also Published As

Publication number Publication date
JPH11187865A (ja) 1999-07-13
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