JP2011002268A - Cell electrophysiologic sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は薬品スクリーニング等に用いられる細胞電気生理センサに関する。 The present invention relates to a cell electrophysiological sensor used for drug screening and the like.
電気生理学におけるパッチクランプ法は、細胞膜に存在するイオンチャネルを測定する方法として知られており、この自動化システムとして、細胞電気生理センサがある。 The patch clamp method in electrophysiology is known as a method for measuring ion channels existing in a cell membrane, and a cell electrophysiological sensor is used as this automated system.
図4に示したように、従来の細胞電気生理センサは、貫通孔1を有する実装基板2と、これらの貫通孔1の下端部にそれぞれ保持されたセンサチップ3とを備えている。
As shown in FIG. 4, the conventional cell electrophysiological sensor includes a
ここでセンサチップ3の上方および下方を電解液で満たし、さらに細胞をセンサチップ3の上方から注入し、吸引等すると、センサチップ3の導通孔4の開口部5に細胞を密着保持することができる。
Here, when the upper and lower portions of the
そしてこの状態で、細胞の上から薬剤を投与し、センサチップ3の上方および下方の電解液の電位差を計測することによって、細胞が活動する際の細胞内外における電位変化、あるいは細胞の活動によって発生する物理化学的変化を測定することができる。
In this state, a drug is administered from above the cell, and a potential difference between the upper and lower electrolytes of the
この測定において、吸引等により実装基板2の下方空間を減圧し、センサチップ3の導通孔4の開口部5に細胞を密着保持させるためには、実装基板2の下方が電解液等の液体で密閉された空間に閉じこめられている必要があるが、実装基板2の濡れ性が優れない場合は、この密閉空間に気泡が存在しやすく、吸引等を行っても、気泡が膨張し高精度な減圧制御に支障をきたすことがある。また気泡が存在していると電位差測定においても検出が不可能となることがある。
In this measurement, in order to depressurize the lower space of the
このような課題に対して、基板表面にプラズマ処理を施し親水性の官能基を形成させることにより、基板の濡れ性を向上して、密閉空間内部の気泡の残留を少なくする方法がある。 In order to solve such a problem, there is a method of improving the wettability of the substrate and reducing the residual bubbles in the sealed space by performing plasma treatment on the substrate surface to form a hydrophilic functional group.
なお、上記細胞電気生理センサと類似する例を開示するものとして下記の特許文献1、非特許文献1が挙げられる。 The following patent document 1 and non-patent document 1 are disclosed as examples that are similar to the cell electrophysiological sensor.
従来の細胞電気生理センサは、測定精度が低下することがあった。 Conventional cell electrophysiological sensors sometimes have reduced measurement accuracy.
すなわち従来の構造では、実装基板の濡れ性が優れていなかった。さらに上記解決方法によっても、基板の下方にプラズマ処理により親水性の官能基を形成させているため、大気中で保管すると親水性の官能基が消滅し、または官能基上に他の物質が付着し、親水性が劣化するため、疎水性になってしまう。 That is, in the conventional structure, the wettability of the mounting substrate was not excellent. Furthermore, even with the above solution, hydrophilic functional groups are formed under the substrate by plasma treatment, so when stored in the atmosphere, the hydrophilic functional groups disappear or other substances adhere to the functional groups. However, since hydrophilicity deteriorates, it becomes hydrophobic.
そしてその結果、実装基板の濡れ性が低下し、密閉空間に存在する気泡を抑制することができず、細胞電気生理センサの測定精度を低下させていた。 As a result, the wettability of the mounting substrate is reduced, the bubbles existing in the sealed space cannot be suppressed, and the measurement accuracy of the cell electrophysiological sensor is reduced.
そこで本発明は、実装基板下面の濡れ性を向上し、測定精度の高い細胞電気生理センサを実現することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to improve the wettability of the lower surface of the mounting substrate and realize a cell electrophysiological sensor with high measurement accuracy.
そしてこの目的を達成するため本発明は、実装基板と、この実装基板の上面から下面までを貫通する貫通孔の下端部に保持されたセンサチップとを備え、前記センサチップは、前記実装基板の上面側と下面側とを連通させる導通孔を有し、前記実装基板の下面には、前記実装基板の下方を流れる液体との接触部分に第一の溝と第二の溝とを形成し、前記第一の溝と前記第二の溝とは互いに平行でない細胞電気生理センサとした。 In order to achieve this object, the present invention includes a mounting substrate and a sensor chip held at the lower end of a through hole that penetrates from the upper surface to the lower surface of the mounting substrate, and the sensor chip is formed on the mounting substrate. Having a conduction hole that allows communication between the upper surface side and the lower surface side, and forming a first groove and a second groove on a lower surface of the mounting substrate at a contact portion with a liquid flowing below the mounting substrate; The first groove and the second groove are non-parallel cell electrophysiological sensors.
これにより本発明は、細胞電気生理センサの測定精度を高めることができる。 Thereby, this invention can improve the measurement precision of a cell electrophysiological sensor.
その理由は、実装基板の下面に第一の溝と、第一の溝とは平行でない第二の溝を設けることにより、異なる角度からの気泡の残留を抑制し、実装基板に濡れ性を付与させることが可能となり、親水性の劣化を懸念することなく、実装基板の濡れ性を保持することも可能となる。さらに一方向だけでなく、実装基板の下面に複数方向かつ全体的に溝を形成すれば、あらゆる角度から気泡の残留を抑制させることができる。 The reason is that by providing the first groove on the lower surface of the mounting board and the second groove that is not parallel to the first groove, the residual bubbles from different angles are suppressed and wettability is given to the mounting board. It becomes possible to maintain the wettability of the mounting substrate without worrying about deterioration of hydrophilicity. Furthermore, if grooves are formed not only in one direction but in a plurality of directions and entirely on the lower surface of the mounting substrate, the remaining of bubbles can be suppressed from all angles.
そしてその結果、密閉空間を減圧する際に内部の気泡の残留を少なくし、電解液などの液体で満たすことが可能となる。 As a result, when the sealed space is depressurized, it is possible to reduce the remaining of the internal bubbles and fill it with a liquid such as an electrolytic solution.
そしてその結果、細胞電気生理センサの測定精度を高めることができる。 As a result, the measurement accuracy of the cell electrophysiological sensor can be increased.
(実施の形態1)
以下、本実施の形態1における細胞電気生理センサの構造について説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the structure of the cell electrophysiological sensor according to the first embodiment will be described.
図1に示すように、本実施の形態1における細胞電気生理センサでは、アレイ状に形成された貫通孔7を有する実装基板8と、貫通孔7の内部にそれぞれ挿入され、固定されたセンサチップ9とを備えている。このセンサチップ9は、図1、図2に示すように、貫通孔7の上方と下方とを仕切る円板状の薄板10と、この薄板10の外周を支持する円筒状の枠体11とを有し、薄板10には、その上下面を貫通する導通孔12が形成されている。薄板10は実装基板8の上面側と下面側とを仕切る仕切り板として機能し、導通孔12は実装基板8の上面側と下面側とを連通し、導通させる連通路として機能する。また枠体11を設けることで、薄板10が薄い場合も、センサチップ9全体の機械的強度を高く保つことができ、実装時のセンサチップ9の損傷を低減する。
As shown in FIG. 1, in the cell electrophysiological sensor according to the first embodiment, a mounting substrate 8 having through holes 7 formed in an array and a sensor chip inserted and fixed inside the through holes 7, respectively. 9 and. As shown in FIGS. 1 and 2, the sensor chip 9 includes a disk-shaped
なお本実施の形態1では、薄板10が底面となるように、枠体11よりも下側に配置したが、このセンサチップ9の向きは上下逆でもよい。
In the first embodiment, the
なお本実施の形態1では、薄板10は、厚み10μm〜100μm、直径1000μm、枠体11は、高さ400μm程度、外径は1000μm、導通孔12は開口径1μm〜3μmφ(深さは薄板10の厚みと同じ)とした。この導通孔12の開口径は5μm以下が細胞を保持するために適している。
In the first embodiment, the
また図1に示すように、貫通孔7の内壁には、センサチップ9の上端部、すなわち枠体11の上面に接する二つの突起部13が形成されている。これらの突起部13は、貫通孔7の水平断面の直径上に、対向して配置され、隣接する突起部13間で隙間が空くように配置されている。ここでこの貫通孔7の内部空間には、電解液や薬剤等が注入される。
As shown in FIG. 1, two
さらに本実施の形態1では、センサチップ9は、断面が円形となっている。これにより薄板10に平行な断面が円形のセンサチップ9を密着して保持できるとともに、センサチップ9への応力負荷を均等に分散することができ、微細で劈開しやすいセンサチップ9の損傷を抑制できる。なお本実施の形態1では、貫通孔7の上方の容積を大きくするため、突起部13の上側の断面積は、下側の断面積よりも大きくしている。
Further, in the first embodiment, the sensor chip 9 has a circular cross section. As a result, the sensor chip 9 having a circular cross section parallel to the
また本実施の形態1では、図1に示すように、貫通孔7内に、上方からプローブ形の測定電極14と細い管状の分注器15とが挿入されている。
In the first embodiment, as shown in FIG. 1, a probe-shaped measuring
測定電極14は、センサチップ9上方に注入される電解液の電位、あるいは電流値や抵抗値を測定するものである。また分注器15は、センサチップ9上方に電解液や細胞、薬剤等を注入するためのものである。
The
また本実施の形態1では、実装基板8下面に参照電極16を設けている。
In the first embodiment, the
さらに実装基板8の下方には、流路17が形成された流路板18が接合され、この流路内には電解液が充填できる。前述の参照電極16は、この電解液の電位(あるいは電流値や抵抗値)を測定できればよく、位置や形状は適宜変更可能である。例えばプローブ形の形状とし、センサチップ9の下方の空間に挿入されていてもよい。
Further, a
さらに実装基板8の下面は、図3に示されたように流路17を流れる液体との接触部分に複数の第一の溝19が形成されている。さらに第一の溝19とは非平行に形成された複数の第二の溝20が形成されている。この第一の溝19と、第二の溝20とは互いに平行でなければ良いが、互いに交差して、網目状に形成されていることが流路での気泡の残留を抑制するためにより望ましい。
Further, on the lower surface of the mounting substrate 8, a plurality of first grooves 19 are formed at the contact portion with the liquid flowing through the
なお第一の溝19は、流路17を流れる液体の流れ方向に沿わせることが、流路での気泡の残留を抑制するためより望ましい。
The first groove 19 is more preferably along the flow direction of the liquid flowing through the
なお第二の溝20は、第一の溝19と非平行に形成されており、複数形成された第二の溝20それぞれは、同方向で形成されていなくとも良い。第二の溝が複数の方向に形成されていると、あらゆる角度から流路での気泡の残留を抑制できるため望ましい。
The
なお、複数の第一の溝19および複数の第二の溝20とは、実装基板8の下方全体に形成されていることが、あらゆる角度から流路での気泡の残留を抑制できるため望ましい。
Note that it is desirable that the plurality of first grooves 19 and the plurality of
また、第一の溝19および第二の溝20の本数や深さは、ともに周期性はなく不均一であっても良い。複数の溝を設けることで、より密閉空間に気泡が残留することを抑制することができるためである。このように、第一の溝19および第二の溝20の本数や深さは、適宜選択可能であるが、これらの仕様を決めるのは最も気泡の発生を抑制できる条件から決定することが重要である。
Further, the number and depth of the first groove 19 and the
また、第一の溝19および第二の溝20の断面形状は、それぞれ先端が細くなった鋭角状となるように加工することによって、その効果を発揮することができる。なお、鋭角状に限らず弧状、環状であっても良いが、鋭角状であると充填された溶液に表面張力が働いて、液滴同士は分子間力により合体しやすくなり、流路17に濡れ性が向上する。そして液滴は、気泡を逃がしながら流路17全体に行き渡り、薄板10の表面を濡らしながら流路17に充填されるため、結果として流路17における気泡の残留を低減できる。
In addition, the cross-sectional shapes of the first groove 19 and the
また、第一の溝19および第二の溝20が形成された実装基板8下方の接触角は、50°以下であることが望ましい。
Further, the contact angle below the mounting substrate 8 in which the first groove 19 and the
次に本実施の形態1における部材について説明する。 Next, members in the first embodiment will be described.
センサチップ9はシリコン単結晶基板、あるいはSOI(Silicon on Insulator)基板、ガラス基板、水晶基板等をエッチングすることにより形成できる。
本実施の形態1では、センサチップ9として二酸化シリコン層をシリコン層で挟みこんだSOI基板を用い、ドライエッチングにより微細な導通孔12を形成した。なお、SOI基板は、中間の二酸化シリコン層をエッチングストップ層として用いることができる。したがって、導通孔12の深さや薄板10の厚み、枠体11の高さなど、設計通りに高精度に加工することができる。さらに、二酸化シリコン層は絶縁性が高いため、細胞を密着保持させることが可能となる。これによりセンサチップ9を介するリーク電流を低減できる。さらに、二酸化シリコン層は親水性が高いため、細胞と導通孔12開口部との密着性が向上し、細胞電気生理センサの測定精度を向上させることができる。
The sensor chip 9 can be formed by etching a silicon single crystal substrate, an SOI (Silicon on Insulator) substrate, a glass substrate, a quartz substrate, or the like.
In the first embodiment, an SOI substrate in which a silicon dioxide layer is sandwiched between silicon layers is used as the sensor chip 9, and fine conduction holes 12 are formed by dry etching. Note that an SOI substrate can use an intermediate silicon dioxide layer as an etching stop layer. Therefore, the depth of the
さらに実装基板8、流路板は樹脂で構成しておくと成形しやすく、また組み立ても容易である。より好ましくは熱可塑性樹脂を用いることであり、射出成形などの手段を用いることによって生産性良く、高均質な成形体を得ることができる。また、これらの熱可塑性樹脂は、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレン(PE)、オレフィンポリマー、ポリメタクリル酸メチルアセテート(PMMA)のいずれか、またはこれらの組み合わせが好ましい。 Further, if the mounting substrate 8 and the flow path plate are made of resin, they can be easily molded and assembled. More preferably, a thermoplastic resin is used, and by using means such as injection molding, a highly homogeneous molded body can be obtained with high productivity. These thermoplastic resins are preferably polycarbonate (PC), polyethylene (PE), olefin polymer, polymethyl methacrylate acetate (PMMA), or a combination thereof.
さらに、これらの熱可塑性樹脂として、環状オレフィンポリマー、線状オレフィンポリマー、またはこれらが重合した環状オレフィンコポリマー、またはポリエチレン(PE)とすることが作業性、製造コストおよび材料の入手性の観点からさらに好ましい。 Further, these thermoplastic resins may be cyclic olefin polymers, linear olefin polymers, cyclic olefin copolymers obtained by polymerizing them, or polyethylene (PE) from the viewpoint of workability, production cost, and material availability. preferable.
特に、環状オレフィンコポリマーは透明性、アルカリ・酸などの無機系薬剤に対する耐性が強く、本発明の製造方法もしくは使用環境に適している。またこれらの材料は紫外線を透過させることができることから、紫外線硬化型の接着剤を用いて接着する場合に効果を発揮する。 In particular, the cyclic olefin copolymer is highly transparent and highly resistant to inorganic chemicals such as alkalis and acids, and is suitable for the production method or use environment of the present invention. Moreover, since these materials can transmit ultraviolet rays, they are effective when bonded using an ultraviolet curable adhesive.
なお本実施の形態1のように、センサチップ9を実装基板8に実装する方法は、実装基板8自体に導通孔12を直接形成した場合と比較して、コストも下がり、歩留まりも向上し、さらにリペア性を有する。 As in the first embodiment, the method of mounting the sensor chip 9 on the mounting substrate 8 reduces the cost and improves the yield compared to the case where the conduction holes 12 are directly formed in the mounting substrate 8 itself. Furthermore, it has repairability.
なお、第一の溝19および第二の溝20の形成方法としては、加工具としてサンドペーパー、フルバック、エンドミル等があり、これらを用いて実装基板8の表面加工を行うことで、第一の溝19と第二の溝20を形成することができる。中でもフルバックを用いた加工がより好ましい。
In addition, as a formation method of the 1st groove | channel 19 and the 2nd groove |
次に本実施の形態における細胞電気生理センサを用いた測定方法について説明する。 Next, a measurement method using the cell electrophysiological sensor in the present embodiment will be described.
図1に示すように貫通孔7の上方から分注器15を挿入し、センサチップ9の上方に細胞外液(電解液)を注入する。また流路17の内部には、細胞内液(電解液)を注入する。
As shown in FIG. 1, a
ここで細胞外液とは例えば哺乳類筋細胞の場合、代表的にはK+イオンが4mM程度、Na+イオンが145mM程度、Cl-イオンが123mM程度添加された電解液であって、細胞内液とは、K+イオンが155mM、Na+イオンが12mM程度、Cl-イオンが4.2mM程度添加された電解液である。 Here, for example, in the case of mammalian muscle cells, the extracellular fluid is typically an electrolytic solution containing about 4 mM K + ions, about 145 mM Na + ions, and about 123 mM Cl − ions. Is an electrolyte solution to which K + ions are added at about 155 mM, Na + ions at about 12 mM, and Cl − ions at about 4.2 mM.
そして次に、貫通孔7の上方から測定電極14を挿入する。このように細胞外液と電気的に接続された測定電極14と、細胞内液と電気的に接続された参照電極16との間では、100kΩ〜10MΩ程度の導通抵抗値を観測することができる。これは導通孔12を介して細胞内液あるいは細胞外液が浸透し、測定電極14と参照電極16間で電気回路が形成されるからである。次に、センサチップ9上方から分注器15を介して細胞21を投入し、圧力伝達チューブにより減圧を行うと、図1、図2に示すように細胞21は導通孔12の開口部に引き付けられる。このように細胞21が導通孔12の開口部を塞ぐことによって、細胞外液と細胞内液との間の電気抵抗が1GΩ以上の十分に高い状態となる(ギガシールと呼ぶ)。このギガシール状態では、細胞21の電気生理活動によって細胞内外の電位が変化すれば、わずかな電位差あるいは電流であっても高精度に測定できる。ここでこの測定時において、流路17内部の細胞内液中の気泡を極力減らすことが、測定精度の向上に寄与する。
Then, the
次に図1の流路内の空間にナイスタチンなどの薬剤を注入するか、あるいは針によって導通孔12を塞いでいる細胞膜に穴を開ける(ホールセルと呼ぶ)。
Next, a drug such as nystatin is injected into the space in the flow path of FIG. 1, or a hole is made in the cell membrane closing the
その後センサチップ9上方から分注器15を介して薬液を注入し、細胞を刺激する。この時、細胞を刺激する方法としては、本実施の形態のように薬液などの化学的刺激でもよく、その他電気信号などの物理的刺激でも良い。そしてこれらの化学的あるいは物理的刺激によって、細胞のイオンチャネルが反応した場合は、その反応を測定電極14と参照電極16間における電位差(あるいは電流値変化や抵抗値変化)によって検出することができる。
Thereafter, a chemical solution is injected from above the sensor chip 9 through the
次に本実施の形態1における効果を説明する。 Next, the effect in this Embodiment 1 is demonstrated.
本実施の形態1では、細胞電気生理センサの測定精度を高めることができる。 In Embodiment 1, the measurement accuracy of the cell electrophysiological sensor can be increased.
その理由は、実装基板8の下面に第一の溝19と、第一の溝19とは平行でない第二の溝20を設けることにより、密閉空間を減圧する際に生じる気泡を、異なる角度から外部に排出し、容易に密閉空間内部の気泡の残留を抑制できるため、実装基板8に濡れ性を付与させることが可能となり、親水性の劣化を懸念することなく、電解液などの液体で満たすことが可能となるからである。
The reason is that by providing the first groove 19 and the
さらに一方向だけでなく、実装基板8の下面に複数方向かつ全体的に第一の溝19と、第一の溝19とは非平行の第2の溝20とを網目状に実装基板8に形成すれば、あらゆる角度から密閉空間である流路17に存在した気泡を、流路17の外へと排出することで、気泡の残留を抑制させることができる。
Further, not only in one direction, but also on the lower surface of the mounting substrate 8, a first groove 19 and a
そしてその結果、細胞電気生理センサの測定精度を高めることができる。 As a result, the measurement accuracy of the cell electrophysiological sensor can be increased.
したがって、この脱ガスに起因する実装基板8表面の疎水化を抑制し、気泡の発生を抑えることができる。なお、導通孔12の近傍に気泡が発生すると、細胞の吸引や捕捉が阻害されたり、薄板の上下面の導通が図れなくなったりするなど、測定が出来なくなる場合がある。したがって本実施の形態1では、気泡の発生を低減することで、細胞電気生理センサの測定精度向上に寄与する。
Accordingly, it is possible to suppress the hydrophobicity of the surface of the mounting substrate 8 due to the degassing and suppress the generation of bubbles. Note that if bubbles are generated in the vicinity of the
また本実施の形態1では、いわゆるSOI基板を用いているため、二酸化シリコン層の厚みを容易に大きくすることができ、センサチップ9における浮遊容量の低減に顕著な効果がある。なお本実施の形態では、二酸化シリコン層によって浮遊容量を10pF以下に減らすことができ、高精度な細胞電気生理センサを実現できた。 In the first embodiment, since a so-called SOI substrate is used, the thickness of the silicon dioxide layer can be easily increased, and there is a remarkable effect in reducing the stray capacitance in the sensor chip 9. In the present embodiment, the stray capacitance can be reduced to 10 pF or less by the silicon dioxide layer, and a highly accurate cell electrophysiological sensor can be realized.
なお本実施の形態1では、センサチップ9はSOI基板を用いて形成したが、例えば単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、多結晶シリコンとアモルファスシリコンとの混合物、ガラス、水晶等と、二酸化ケイ素を主成分とする基材とのダイアフラムで形成してもよい。 In the first embodiment, the sensor chip 9 is formed using an SOI substrate. However, for example, single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, a mixture of polycrystalline silicon and amorphous silicon, glass, crystal, etc. You may form with a diaphragm with the base material which has silicon as a main component.
本発明は、例えば高精度かつ高速の薬品スクリーニングシステムにかかる細胞電気生理センサに有用である。 The present invention is useful, for example, for a cell electrophysiological sensor according to a high-precision and high-speed drug screening system.
7 貫通孔
8 実装基板
9 センサチップ
10 薄板
11 枠体
12 導通孔
13 突起部
14 測定電極
15 分注器
16 参照電極
17 流路
18 流路板
19 第一の溝
20 第二の溝
21 細胞
7 Through-hole 8 Mounting substrate 9
Claims (3)
前記実装基板の上面から下面までを貫通する貫通孔の下端部に保持されたセンサチップとを備え、
前記センサチップは、前記実装基板の上面側と下面側とを連通させる導通孔を有し、
前記実装基板の下面には、前記実装基板の下方を流れる液体との接触部分に第一の溝と第二の溝とを形成し、
前記第一の溝と前記第二の溝とは互いに平行でない細胞電気生理センサ。 A mounting board;
A sensor chip held at the lower end portion of the through hole penetrating from the upper surface to the lower surface of the mounting substrate,
The sensor chip has a conduction hole for communicating the upper surface side and the lower surface side of the mounting substrate,
On the lower surface of the mounting substrate, a first groove and a second groove are formed in a contact portion with the liquid flowing under the mounting substrate,
The cell electrophysiological sensor in which the first groove and the second groove are not parallel to each other.
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