JP2003518623A - 物体の電気的測定を行う装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 媒体中に懸濁されたセル、リポソーム、又は類似の微小物体の電気的測定、特には電気生理学的な測定を行う装置であって：テスト構造内に前記物体を位置決めする手段と、前記物体及び前記テスト構造の壁の間にシールを構築する手段と、前記シールの完全性を監視する手段と、前記テスト構造内に位置決めされた前記物体の電気的特性を測定する手段と、前記シールの一方もしくは双方の側で、前記物体の近傍の液体組成を変化させる手段とから構成される装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （技術分野） 本発明は媒体中に懸濁されたセル、リポソームまたは類似の微小物体に対する
電気的測定をするための装置と方法に関する。より詳細には本発明は、セルに対
する電気生理学的測定をするための装置と方法に関する。

【０００２】 （背景技術） セル、リポソームまたは膜片といった微小物体の従来からの電気的測定は、物
体と接触させた電解質を満たしたマイクロピペット又はこれと類似の装置と、前
記ピペット内の電解質が前記物体と接触するよう前記物体と前記ピペットの先端
との間に設けられたシールと、前記シールで得られる高い電気抵抗とを使用して
行われてきた。前記測定は電解質に接している第１の電極と、前記物体が浮遊す
る液体に接している第２の電極の間の電位差と電流を監視することにより行われ
た。

【０００３】 （発明が解決しようとする技術的課題） この伝統的な手法は、細心の注意を要する操作を必要とし、労力を要し、失敗
する傾向がある。本発明は、この問題と、現在存在している装置と方法に関連し
たその他の問題とを解消することを意図している。

【０００４】 （その解決方法） 本発明により、媒体中に懸濁されたセル、リポソーム又はこれらと類似の微小
物体の電気的な測定を行う装置を提供する。当該装置は：テスト構造の中に前記
物体を位置決めする手段と、前記物体と前記テスト構造の壁との間にシールを構
築する手段と、シールの完全性を監視する手段と、前記テスト構造の内部に位置
決めされた物体の電気的な特性を測定する手段と、前記シールの一方又は双方の
側で、前記物体近傍の液体の組成を変化させる手段とから構成される。好ましく
は、物体が位置決めされるテスト構造の特徴的な寸法は、ほぼ５０μm程度がよ
く、より好ましくは２５μm以下がよい。好ましくは物体がシール位置でシール
される領域の特徴的な寸法は、ほぼ１０μm程度がよい。

【０００５】 物体もしくはセルは、ポンプ、重力供給、又はその他の液体移送機構により、
液体中に浮遊して前記テスト構造へ導かれる。

【０００６】 好ましくは物体が位置決めされるテスト構造はオリフィスを含み、このオリフ
ィスを通して液体が物体に接している。好ましくはこのオリフィスは物体がオリ
フィスの付近または周囲の表面を簡単にシールできるような形状をしている。特
にテスト構造は、好ましくは中空状もしくはテーパ状に形成され、物体が当該テ
ーパに沿って変形できるようにする。好ましくは物体が位置決めされるテスト構
造は、物体が簡単にシールを形成できるような材料で形成されている。代替案と
して、物体がシールされる領域は、このシールを強化するであろうシーラント物
質でコーティングされる。最も好ましくは、前記シーラント物質はボロシリケー
トガラスのようなガラスがよい。好ましくは前記テスト構造は従来のピペットを
引っ張り成形する道具を使用して適当な形状に引っ張ったピペットであるが、従
来技術で必要であるかまた一般的に使用されるよりも大きな内径から小さなオリ
フィスまで、より急激なテーパを作るように引っ張られたピペットである。好ま
しくはこのオリフィスは直径５μm以内がよい。好ましくはこの構造のテーパは
、前記オリフィスから５０μmの位置で前記構造の内径がほぼ１０μm程度であり
；より好ましくは１０μmより大きい。このオリフィスに向かってテスト構造を
通過して下へ移動するに従い、物体は変形して前記壁をシールする。テスト構造
の直径及びテーパと、物体の直径と、その圧縮性と、物体とテスト構造の壁との
間の接着相互作用と、加えられる圧力とを含むパラメータに応じたオリフィスか
らの距離でシールされる。これらのパラメータは、もし知られていればテストさ
れる物体の形式に当てはめるように調整することが可能であり、あるいはテスト
される母集団の大多数の物体がこのオリフィスからの適当な距離でテスト構造を
シールするであろう平均値に定めてもよい。このパラメータとテスト構造のテー
パは、物体が実際上オリフィスに最も接近してシールできるよう選択される。

【０００７】 前記構造内で、オリフィスにつながるチャンネル内の液体と、当該オリフィス
の反対側でテスト構造の一部を囲んでいる液体とに接触するよう２つの電極が配
置される。

【０００８】 前記オリフィス近傍のセル又は他の物体の存在を検出するため、前記テスト構
造内の物体とシール領域との間のシールの存在と質を監視し、更にオリフィスの
いずれかの側で制御された量の核種に曝されたときの物体の電気的特性を監視す
るため、前記両電極間の電気的インピーダンスを測定する手段が設けられる。

【０００９】 好ましくは１つのアレイに配置された複数の前述のテスト構造が設けられる。
このようなアレイの有利性は、多くの物体に並行して作用が及ぼされ、テストの
処理量が増加することにある。テストされる物体がシールされている側面に対向
する前記テスト構造内のオリフィスの側面は、好ましくは当該アレイの他のテス
ト構造と接触する共通の導管と導通している。この導管は、好ましくは前記テス
ト構造の複数のオリフィスを通して全ての物体に共通して接触する電解質を含み
、前記オリフィスに向けて物体を引き下げ、その後物体とテスト構造の壁との間
のシールを構築するよう前記構造内で吸引力を提供するために使用可能である。
一部のテスト手順では、セル膜を破壊し、もしくはセルを除き、付着した膜片を
除去するために吸引力が付加される。オプションとして、オリフィスに最も接近
した膜の部分を浸透可能にするために前記両電極間に電気パルスが印加されても
よい。物体がテスト構造内でシールされるよう、前記導管を通してオリフィスを
介して化学薬品を供給することもできる。特にこのような薬品は、前記膜の他の
部分における測定を容易にするため、オリフィスに最も接近したセルの膜の部分
をイオンや他の種に対して浸透可能にし、もしくはその電気的特性を変化させる
のに役立つ。

【００１０】 母集団からのセルのように、物体のパラメータにはばらつきがあることが想定
されるため、セルと前記テスト構造との間に形成されるシールの特性にはケース
ごとに変化したものとなろう。このようなアレイでは、いくつかの位置では良好
なシールが構築され、他の部分ではそれができない。本発明においては、前記装
置は、シールのインピーダンスを検査してその完全さを測定することが想定され
ており、完全でないものについてはテストから除かれる。

【００１１】 より多くの物体がテスト構造に位置決めされるほど、前記導管と大気との圧力
差は増大する。というのは、流体が流れ得る開放されたオリフィスの数がより少
なくなるからである。この増加した圧力は、物体が比較的変形し易いものであれ
ば、当該物体をテスト構造内へ強制的に導く傾向にある。どのオリフィスが物体
で占められているかを示す徴候を得る手段を設けることができ、この情報は前記
圧力差を減少させ又は増加させるために使用される。

【００１２】 前記テスト構造に物体を分配するロボット技術の使用は、オペレータによる正
確な操作の必要性が不要となる点で有利である。前記テスト構造内での流体流れ
の構成は、物体がその流体流れによってシール位置に運ばれ、当該装置内で更な
る操作を要することなく直ちにテストできるように構成されることが好ましい。
しかしながらオプションとして、例えば誘電泳動移動、ピエゾ電気機械的操作な
どのその他の形式の操作を適用することもできる。これらいずれの形式も従来技
術で知られたものである。

【００１３】 前記テスト位置における物体の位置を監視し、シールを構築して維持するプロ
セスを制御し、その後前記物体の電気的特性を測定するため、電子ロジックが使
用され得る。このロジック回路は、例えば従来の工程手順で製造されるＣＭＯＳ
、ＤＭＯＳ、又は二極性の成分を使用して半導体基板内に統合することができる
。オプションとして、前記工程手段は、テスト位置にある物体の存在もしくは状
態の外部徴候に応答する。この徴候は、テストすべきセルの存在を検知するため
の前記チャンネルのビデオマイクロスコープ画像などの画像処理手段から派生さ
せることができる。

【００１４】 このテスト構造は１回限り使用され、その後廃却されることが意図されている
。これによって物体と当該構造の壁との間で毎回良好なシールを得ることが保証
され、前のテストによって生ずる壁の汚染による混乱を排除する。テスト構造と
導管アレイ・ホルダはそのため、テスト構造がアレイ・ホルダ内に容易に結合さ
れるようデザインされ、これによってテスト構造全体を通して圧力差が維持され
、当該テスト構造のオリフィスとの電気接続を可能にする。アレイへのテスト構
造の位置決めは、手動によってもロボットによっても行うことができる。

【００１５】 テスト構造の更に他の実施の形態は、例えば母体内への接着などにより永久的
に結合されているアレイをテスト構造が含んでいる。このときには、当該アレイ
の組立て前に、もしくはその後に形成されたオリフィスを有する。このテスト構
造が引っ張りガラスピペットである場合には、この複数のピペットのアレイは、
前記ガラス毛細管がその２つの端末部でアレイ内に一体に結合された後、一緒に
引っ張ることができる。代替の構造は、ガラス毛細管及び／又はロッドを一緒に
焼結してアレイを形成し、その後これらを引っ張って毛細管を形成する。

【００１６】 （発明の実施の形態） 例示目的に限定し、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 図１は、導管内に配置され、アレイ保持装置と接している本発明にかかる第１
の実施の形態のテスト構造の断面図である。 図２は、本発明にかかる更に他の可能性を有する実施の形態のテスト構造を示
す。

【００１７】 両図において、各種実施の形態とその操作がセルのテストに関して説明されて
いるが、いずれのケースとも他の同様な微小物体のテストの場合にも適用される
ことは理解されるべきである。

【００１８】 図１は、複数のテスト構造を収容するよう設計された保持構造１２内のテスト
位置１０を示しており、ここでは引っ張りで形成されたボロシリケートガラスの
ピペット１４を使用している。これらは従来のピペットと同様であるが、上述し
たように、例外としてピペットのショルダ領域１６が通常よりもはるかに急激な
テーパとなるよう引っ張られ、テーパ領域１８がより短い点が異なる。この保持
構造１２はウェル２０を有し、このウェル２０は、前記ピペットと、当該ピペッ
ト及び前記ウェルの間に吸引シールを付与するガスケット２２とを収納している
。このガスケットは、例えばウェルの壁に搭載されたＯリング、もしくは前記ピ
ペット本体回りに搭載されたプラスチック構成品の一部である。導管もしくはチ
ャンネル２４が設けられ、これは使用時には前記ピペット内の他の電解質とピペ
ット先端を介して接触できる高さまでウェルに電解質を満たす。Ａｇ／ＡｇＣｌ
電極２５が導管２４内の電解質と接触し、前記ピペットの先端側への電気接触を
提供する。電極２５は、図示のようにオリフィスの近傍に配置することも、ある
いはそれから離れた位置で前記溶液に接触することもできる。接触及び溶液供給
手段２６が、前記ピペット内に下降できるように配置される。これはピペット内
の溶液に接触する第２のＡｇ／ＡｇＣｌ電極２８と、溶液供給管３０と、ピペッ
ト内部を通して溶液を洗浄するための回収管３２とを有しており、これら全ては
、前記接触及び溶液供給手段をピペット内に下降させるために使用されるロボッ
トヘッド３４に搭載されている。電極２８はプリアンプ３６に接続され、さらに
測定装置（図示せず）に接続される。ウェル２０は、（例えば図１に示す段差を
利用して）チャンネル２４からの正しい位置にピペットを配置できるよう設計さ
れており、これはピペットのショルダ部を捉えることでピペットをウェル内に位
置決めする際に僅かな注意で済まされるようにしている。前記ピペットは、現状
のロボット液体注入の設計に合致した標準マイクロタイタープレート形式の間隔
で位置決めされることが想定されている。

【００１９】 使用時、前記ピペットがウェル内に位置決めされ、電解質がチャンネル２４を
通ってウェル内に流入する。この電解質の一部がピペットの先端を通して毛細管
作用により上昇する。テストすべきセル４０を含む溶液が、ロボットヘッド３４
によってピペット内に注がれる。システムは、前記先端を通して電気接触を確認
し、電極２５，２８間のインピーダンスを監視する。溶液をピペットから引き抜
き、セルを前記先端に固定するよう僅かな吸引がチャンネル２４に加えられる。
この吸引は、前記両電極間のインピーダンスの測定によるフィードバックにより
制御することができる。セルが前記先端以外で拘束されることを回避するため、
ピペットの内部にはコーティングを施すことができる。より大きな吸引が加えら
れ、これによってセル膜とピペット壁内部との間のシール効果を発生させる。

【００２０】 良好なシールは十分に高いインピーダンスによって示され、これは前記システ
ムによってチェックされる。適切なシールが形成されていない位置はいずれもシ
ステムによって把握され、そこからのデータは無視される。セルはその後、管３
０、３２を経由する一連の溶液に曝され、その反応が記録される。テストの後、
前記ピペットは回収され、廃却される。

【００２１】 図２は、前記ピペットテスト構造の各種のデザインを示しており、これらは処
理量を増加させるために使用することができ、また実際上大きな実験装置のセッ
トに使用することができる。容易な取扱いとアレイ・ホルダへの吸引シールを形
成するため、図２ａに示すように、オプションとして成形プラスチック部品６０
が毛細管のシャンク回りに設けられる。これは図示のように毛細管を引っ張る前
に行うことができ、これによって引っ張り後には、アレイ・ホルダのシール表面
に接触することとなる前記成形されたプラスチック部品の下側に迅速に形成され
たシール表面６２を備える２つの毛細管が得られる。複数の毛細管のアレイが、
図２ｂに示すように結合して形成することができ、この場合には当該アレイの端
末を取り巻いて単一のシール表面が提供される。図２ｃは、毛細管の先端が引っ
張り後に損傷するかも知れない場合に好ましいオプションとなる更に他の実施の
形態を示す。毛細管のシャンクの周囲に成形されもしくは取り付けられたプラス
チック部品は、当該毛細管に取り付けられる部品６４と、この部品６４に取り付
けられ、部品６４上を（図２ｃに示すように）延長位置へスライド可能であり、
部品６４の外周の溝によってガイドされる部品６６との２つの部品からなり、部
品６６が前記延長位置に一旦到達するとこれをその位置に維持するロック機構を
備えている。毛細管が引っ張られる前に部品６６が取り付けられ、部品６４上に
引き戻されて加熱及び引っ張り操作を自由に行える引っ張り領域を提供する。引
っ張りの後、部品６６は部品６４上を滑って前進し、前記延長位置に至ってそこ
でロックされる。部品６６は、前記延長位置では前記先端よりも延び、先端を囲
んで損傷から保護し、多数のピペットの取扱いを容易な作業とする。使用時には
、このアセンブリは図示のように部品６４のフランジに設けられたシール表面に
よってアセンブリ・ホルダ内のウェル内に合致し、部品６６はウェルの底との接
触を回避する。

【００２２】 上述の説明ではテスト構造としてガラスピペットが選択されて引用されている
が、本発明の範疇において他のテスト構造も使用することができる。セルを捕捉
するに十分小さい下方の出口とセルの通過を許容するに十分大きい上方の出口と
を備えた複数の隣接するウェルと、電極と、溶液とを含む如何なる機械加工もし
くは微細加工をされた構造であっても使用することができる。このような構造は
、テストすべきセルもしくは他の物体に対して容易にシールを形成しない材料か
らも形成することができる。この場合には、例えばボロシリケートガラスの薄い
フィルムなどを、例えばスパッタリングや前記構造の内側表面に蒸着させるなど
によりコーティングし、シール性を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 導管内に配置され、アレイ保持装置と接している本発明にかかる
第１の実施の形態のテスト構造の断面図である。

【図２】 本発明にかかる更に他の実施の形態のテスト構造を示す。

【符号の説明】

１０：テスト位置、 １２：保持構造、 １４：ピペット、 １６：ショルダ領
域、 １８：テーパ領域、 ２０：ウェル、 ２２：ガスケット、 ２４：導管
もしくはチャンネル、 ２５：電極、 ２６：溶液供給手段、 ２８：電極、
３０：溶液供給管、 ３２：回収管、 ３４：ロボットヘッド、 ３６：プリア
ンプ、 ４０：セル、 ６０：成形プラスチック部品、 ６２：シール表面、
６４：部品、 ６６：部品。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１４年２月１３日（２００２．２．１３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 媒体中に懸濁されたセル、リポソーム、又は類似の微小物体
   の電気的測定を行う装置であって： テスト構造内に前記物体を位置決めする手段と、 前記物体及び前記テスト構造の壁の間にシールを構築する手段と、 前記シールの完全性を監視する手段と、 前記テスト構造内に位置決めされた前記物体の電気的特性を測定する手段と、 前記シールの一方もしくは双方の側で、前記物体近傍の液体組成を変化させる
   手段とから構成される装置。
2. 【請求項２】 前記シールを構築する手段が、前記テスト構造の壁にコーテ
   ィングされたシーラント材料である、請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 前記テスト構造がオリフィスを含み、液体が前記オリフィス
   を通して前記物体と接触する、請求項１に記載の装置。
4. 【請求項４】 前記テスト構造が、広い内径から狭い前記オリフィスに至る
   急激なテーパを含む、請求項３に記載の装置。
5. 【請求項５】 前記オリフィスが５μｍ以下の直径である、請求項３又は４
   に記載の装置。
6. 【請求項６】 前記電気的特性を測定する手段が複数の電極を含み、少なく
   とも１つの電極が前記シールのいずれかの側に存在する、請求項１、２、５に記
   載の装置。