JP3979574B2 - Array electrode for biological sample and production method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体試料を対象にしたアレイ電極(多点電極)及びその作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
生体試料を対象にした計測の中で、電極を用いた電気計測、電気化学計測は、時間分解能にすぐれた高感度な計測方法として、従来から広く用いられてきた。例えば、針状に細く引いたガラスキャピラリーに、電極を挿入して計測を行なうパッチクランプ法は、単一の細胞や生体組織中の細胞の電気的活動をモニターする手法として広く用いられている。
【0003】
又、針状のキャピラリーから細胞近傍の溶液を抽出し、電気化学的に分析するオンラインセンサは、空間分解能に優れた高感度な分析方法として、今後ますます期待されるところである(参考文献:Niwa O, Torimitsu K, Morita M, Osborne P, Yamamoto K. Concentration of extracellular L-glutamate released from cultured nerve cells measured with a small-volume online sensor. Anal. Chem., 1996; 68:1865-1870)。
【0004】
一方、細胞外活動電位は、試料にダメージを与えることがなく(非浸襲)、細胞の外に置いた電極を使って細胞の活動を計測できる手法である。我々は、以前から、平板状に配置した複数の電極を用いて、複数の神経細胞の電気的活動を多点で同時に計測することに成功している(参考文献:Jimbo Y, Tateno T, Robinson HPC. Simultaneous induction of pathway−specific potentiation and depression in networks in cortical neurons. Biophys. J., 1999; 76:670-678)。この手法は、フォトリソグラフィーによって作製したアレイ型電極によって、培養した神経細胞の細胞外活動電位を同時に多点で計測できるため、結合した細胞、組織の活動を、高時間分解能を持って計測するのに非常に有効である。
【0005】
又、アレイ型平板電極は、その上に酵素を被覆するなどによって選択性を付与することができ、特定の化学物質を電気化学的に計測することも可能であるため、化学物質の2次元の分布計測に非常に適している(参考文献:Kasai N, Jimbo Y, Niwa O, Matsue T, and Torimitsu K, Real-time multisite observation of glutamate release in rat hippocampal slices, Neuroscience Letters, 2001, 304, 112−116)。
【0006】
更に、これらの電極は針型、平板型を問わず、生体試料を対象にした計測のみでなく、試料へ局所的な刺激を印加するのにも有効である。この場合、電極により直接電気的な刺激を印加することも可能であるし、キャピラリーに挿入した電極を用いてキャピラリー内に電場を形成させ、あらかじめキャピラリー内に入れておいた刺激溶液を生体試料内あるいは近傍にインジェクト(注入)することで、薬物投与による局所刺激を印加することも可能である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
脳(多数の神経細胞の集合体)は三次元構造を有しており、三次元構造の状態のままでは多数の細胞を対象とする計測を行なうのは困難である。そのため、従来は、脳神経細胞等の計測を行なう場合、脳を解剖し、神経細胞をばらばらにして、培養により細胞をシャーレ内に保持し、平面型の電極を用いて計測を行なっていた。具体的には、シャーレの底に多数の電極(例えば、8×8のアレイ状の平面電極)を有するものを用いて計測を行なっており、ばらばらにされた細胞等を計測する場合には有用であった。
【0008】
しかしながら、近年、脳を含めた生体機能の解明に関して世界的な関心が寄せられるに伴い、脳あるいは脳の一部のように立体的な構造をもつ生体試料を、一つ一つの細胞へ分解せずに、その形状を保ったまま計測する必要性が高まっている。
【0009】
例えば、脳を薄切りにした切片(通常は厚さ200〜500μm)を用い、ある程度の三次元構造を残した試料を作製することで、三次元構造の生体試料の計測が試みられている。ところが、上述した平面電極では、切片の表面の細胞しか測定することができないため、十分な計測信号が得ることができない。この主たる原因は、切片試料を作製する際に、切片表面の細胞は大きなダメージを受けてしまうためと考えられ、表面の細胞よりもダメージを受けていない内側の細胞を対象とする計測手段が求められている。
【0010】
更に、立体的な広がりをもつ生体において、その機能を解明するためには、立体的な生体情報を得ることが不可欠であり、そのために三次元における計測が重要である。これらは、今後より微細な計測を可能とするナノテクノロジーの分野の高度化とともに、ますます必要度が高まってくるものと考えられる。
【0011】
又、生体機能の解明のみならず様々な疾病の治療あるいは感覚器官の代替として、任意の生体微小区域へ電気的刺激を印加する試みも行われており、より高精度に三次元における位置を把握しつつ刺激を印加する方法が求められている。
【0012】
しかしながら、これまでの電極の形状では、組織の内部の情報を得ることのできる三次元計測や刺激印加は非常に困難であり、可能であっても煩雑な系(システム)を確立させる必要があった。
【0013】
そのため、複数の任意の電極として、立体的に配置したアレイ電極を用いて、三次元の計測・刺激印加が必要不可欠の段階にきている。
【0014】
本発明は、上記課題に鑑み、三次元の計測・刺激印加を可能とする生体試料用アレイ電極及びその作製方法を提供する。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明に係る生体試料用アレイ電極は、複数の電極と、当該電極の先端を三次元に配置するための電極固定用治具とを具備し、
前記電極は、導電線と前記導電線を被覆する絶縁材とからなり、
前記電極固定用治具は、前記電極の先端を三次元に配置するための複数の電極位置合わせ/固定用ホールを設けた電極位置合わせ用治具と、前記電極の他端を固定する本体部とを備えたことを特徴とする。
【0017】
上記課題を解決する本発明に係る生体試料用アレイ電極は、前記導電線を金属線とし、前記絶縁材をガラス管としたことを特徴とする。
【0018】
上記課題を解決する本発明に係る生体試料用アレイ電極は、前記電極を、導電線と前記導電線を内包するキャピラリーとからなるものとしたことを特徴とする。
【0019】
上記課題を解決する本発明に係る生体試料用アレイ電極は、前記導電線を銀/塩化銀線とし、前記キャピラリーをガラス管としたことを特徴とする。
【0029】
上記課題を解決する本発明に係る生体試料用アレイ電極の作製方法は、複数の電極を三次元に配置した生体試料用アレイ電極の作製方法であって、
前記電極を、導電線と前記導電線を被覆する絶縁材とからなるものとし、
前記電極の先端を固定するための複数の電極位置合わせ/固定用ホールを設けた電極位置合わせ用治具を備えた電極固定用治具を用いて、前記電極の先端を三次元に配置することを特徴とする。
【0030】
上記課題を解決する本発明に係る生体試料用アレイ電極の作製方法は、前記導電線を金属線とし、前記絶縁材をガラス管とすることを特徴とする。
【0031】
上記課題を解決する本発明に係る生体試料用アレイ電極の作製方法は、前記電極を、導電線と前記導電線を内包するキャピラリーとからなるものとすることを特徴とする。
【0032】
上記課題を解決する本発明に係る生体試料用アレイ電極の作製方法は、前記導電線を銀/塩化銀線とし、前記キャピラリーをガラス管とすることを特徴とする。
【0041】
【発明の実施の形態】
本発明では、複数の電極又はキャピラリーを三次元に(立体的に)配置することにより、生体試料など三次元の構造をもった試料の、三次元領域における計測及び三次元領域への刺激印加が可能となる。又、電極等の立体的な形状を変えることによって、任意の位置に電極を配置することも可能である。
【0042】
つまり、本発明は、電極等を三次元に配置した立体型のアレイ電極を作製し、それを生体試料へ応用して計測・刺激印加などを行うことができるようにすることに特徴がある。
【0043】
上述したような立体型のアレイ電極の最も単純な作製方法としては、以下のようなものが考えられる。
(I)針状の電極を三次元に配置する。
(II)キャピラリーを三次元に配置する。
【0044】
又、他の作製方法として、以下のようなものも考えられる。
(III)金属や金属酸化物、カーボン、有機物を含む導電性材料・半導体材料を三次元の電極に加工し、不要部分をレジストなどの絶縁材料で被覆する。
この方法では、導電性材料・半導体材料を溶出等によって積層する方法だけでなく、現在可能な微細加工技術を用いて、微小で多様な形状の複数の凸部を電極として作製することが考えられる。具体的な微細加工技術としては、フォトリソグラフィーを用いたエッチング法、リフトオフ法、メッキ法等がある。
【0045】
更に、他の作製方法として、以下のようなものも考えられる。
(IV)絶縁性の材料を用いてあらかじめ凸部を成形し、その凸部に金属や金属酸化物、有機物を含む導電性材料・半導体材料を被覆して電極とする。
【0046】
前記凸部は、例えば、それぞれの凸部に電位を印加することによって、先端のみを鋭利に加工することができる(電解エッチング等)。凸部の先端を鋭利にすることで、生体試料の内部に電極先端を到達させることが可能となり、全体のサイズを小さくすれば、生体内に埋め込むことも可能である。又、作製したアレイ電極を絶縁膜で被覆し、必要な電極に電場を形成することによって、その電極の先端部のみ絶縁膜を除去し、任意の位置に電極を配置することも可能である。
【0047】
上記方法で作製した立体型のアレイ電極は、個々の電極を独立して導通を取ることによって、異なる位置における電気計測、電気化学計測が可能となり、更に、各電極を通して電気的な刺激を局所的に印加することで電気刺激印加が可能となる。
【0048】
以下、実施例及び図面を用いて本発明を更に具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【0049】
(実施例1)
図1は、本発明に係る実施形態の一例を示す生体試料用アレイ電極の概略図である。詳細な構造がわかるように、その一部を拡大して示した。
【0050】
本実施例の生体試料用アレイ電極は、生体試料の電気計測で用いられる針状の電極を複数用いて、三次元に(立体的に)配置したものである。これは、前述した(I)の生体試料用アレイ電極の作製方法によるものである。
【0051】
図1に示すように、生体試料用アレイ電極1は、複数の針状の電極2を有しており、電極2は、電極固定用治具3により、その先端が三次元の配置になるように固定されている。電極2の他の端部には計測機器等に接続するためのリード端子4が接続されており、電極固定用治具3の本体部分に固定されている。
【0052】
電極固定用治具3は、電極2の先端を三次元に配置するための電極位置合わせ治具5を備えており、電極位置合わせ治具5に設けた電極位置合わせ/固定用ホール5a(ホール直径0.17ミリメートル、ホール中心同士の間隔は0.3ミリメートル)を用いて電極2を固定し、基板6上の生体試料7の任意の位置の電気計測を行なうことができる(図1の拡大図A参照。拡大図Aは、電極位置合わせ治具5の上面図及び側面図を示す。)。又、電極2は、導電線となる細いタングステン線8と絶縁材となるガラス管9を有しており、ガラス管9がタングステン線8を、その先端部分を除き、被覆するような針状の電極となっている(図1の拡大図B参照)。
【0053】
上記電極位置合わせ治具5を用いれば、0.3ミリメートル離れた複数の位置における電気的な信号を、同時に計測することが可能である。又、電極位置合わせ/固定用ホール5aの中心間距離を更に小さくすれば、より高空間分解能の計測も可能である。更に、異なる長さの針状の電極2を用いることで、任意の高さ方向の位置に電極2を配置することも可能となり、立体的な生体試料の電気計測等も可能となる。
【0054】
なお、本実施例では電極の導電線の材料としてタングステンを用いたが、その他の金属や金属酸化物、半導体材料、カーボンなどを使用することも可能である。更に、絶縁材としてガラス管を用いて電極を絶縁封止しているが、それ以外のレジスト等の有機材料や窒化珪素などの半導体用絶縁材料も使用することが可能である。
【0055】
(実施例2)
図2は、本発明に係る実施形態の他の一例を示す生体試料用アレイ電極の概略図である。詳細な構造がわかるように、その一部を拡大して示した。
【0056】
本実施例の生体試料用アレイ電極は、生体試料内あるいはその近傍の微小領域における電気計測を行うためのキャピラリーを複数用いて、三次元に(立体的に)配置したものである。これは、前述した(II)の生体試料用アレイ電極の作製方法によるものである。
【0057】
図2に示すように、生体試料用アレイ電極11は、複数のキャピラリー/電極12を有しており、キャピラリー/電極12は、キャピラリー/電極固定用治具13により、その先端が三次元に配置なるように固定されている。キャピラリー/電極12の他の端部には計測機器等に接続するためのリード端子14が接続されており、キャピラリー/電極固定用治具13の本体部分に固定されている。
【0058】
キャピラリー/電極固定用治具13としては、図1に示したものと同様のものを用いており、キャピラリー/電極12の先端を三次元に配置するためのキャピラリー位置合わせ治具15を備えており、キャピラリー位置合わせ治具15に設けたキャピラリー位置合わせ/固定用ホール15a(ホール直径0.17ミリメートル、ホール中心同士の間隔は0.3ミリメートル)を用いてキャピラリー/電極12を固定し、基板16上の生体試料17の任意の位置の電気計測を行なっている(図2の拡大図C参照。拡大図Cは、キャピラリー位置合わせ治具15の上面図及び側面図を示す。)。又、キャピラリー/電極12は、導電線となる細い銀/塩化銀線18と絶縁材となるガラス管19を有しており、ガラス管19が、その先端部に開口部を有し、銀/塩化銀線18を、その内部に完全に内包したものとなっている(図2の拡大図D参照)。銀/塩化銀線18は、銀及び塩化銀の適切な組成比で構成されている。又、キャピラリー/電極12のガラス管12は、スポイト状の形状を有しているため、その中に任意の溶液20を保持することができる。
【0059】
上記キャピラリー位置合わせ治具15は、図1に示す生体試料用アレイ電極1の電極位置合わせ治具5と同様のものであり、これを用いれば、0.3ミリメートル離れた複数の位置における電気的な信号を、同時に計測することが可能である。又、キャピラリー位置合わせ/固定用ホール15aの中心間距離を更に小さくすれば、より高空間分解能の計測も可能である。更に、異なる長さのキャピラリー/電極12を用いることで、任意の高さ方向の位置にキャピラリー/電極12を配置することも可能となり、立体的な生体試料の電気計測等も可能となる。
【0060】
又、銀/塩化銀線18に電位パルスを印加することで、特定のキャピラリー/電極12の内部の溶液20をインジェクト(注入)することが可能であり、これにより局所的な薬物刺激の印加が可能となる。更に、任意の位置に固定したキャピラリー/電極12によって、生体試料内あるいは近傍の任意の複数の三次元微小領域から、試料溶液をサンプリングすることにより電気化学計測が可能となる。
【0061】
なお、ここでは電気計測用の電極の導電線の材料として銀/塩化銀を用いたが、そのほかの金属や金属酸化物、半導体材料、カーボンなどを使用することも可能である。
【0062】
参考例3)
図3は、参考例となる生体試料用アレイ電極及びその作製方法を説明する概略図である。
【0063】
参考例の生体試料用アレイ電極は、絶縁性の基板上の導電線を立体的に加工して、三次元に配置して作製したものである。これは、前述した(III)の生体試料用アレイ電極の作製方法によるものである。以下、この方法を説明する(図3参照。なお、下記(1)〜(6)は図3中の工程(1)〜(6)に対応する。)。
【0064】
(1)絶縁性の基板となる透明なアクリル基板22を用意する。
(2)アクリル基板22上にパッド部23をフォトリソグラフィーにより作製する。
(3)導電線となる複数のタングステン細線24を配列し、接着剤25で互いを固着する。複数のタングステン細線24は、1本ずつ絶縁被覆されている。
(4)タングステン細線24の先端部分の被覆を剥がし、垂直に折曲げて、三次元の電極部26を成形し、タングステン細線24の他端側を任意の形状に折曲げて、パッド部23の位置と重なるようにリード部27を成形する。この時、三次元の電極となるタングステン細線24の先端部分の長さや折曲げる角度等を変えることによって、電極部26を三次元の自由な位置に配置することが可能となる。
(5)アクリル基板22上のパッド部23にリード線27の端部の位置が合うようにタングステン細線24を固定し、導電性ペースト28を用いてリード部27をパッド部23に固定する。
(6)最終処理として、電極部26とパッド部23以外を絶縁被覆材29により被覆する。
【0065】
上記作製手順により生体試料用アレイ電極21は、所望の三次元の位置に配置された複数の電極を有するものとなる。
【0066】
参考例では電極の導電線の材料として細いタングステン線を用いたが、そのほかの金属や金属酸化物、半導体材料、カーボンなどを使用することも可能である。又、絶縁被覆されたタングステン細線を用いて三次元電極を成形しており、更に、上記作製手順(6)において最終的な絶縁被覆を行っているが、絶縁被覆されていないタングステン細線を用いることも可能である。
【0067】
上記生体試料用アレイ電極21を用いた計測方法としては、シャーレ中心に電極部26を上にして上記生体試料用アレイ21を配置し、パッド部23を計測器等と接続し、この電極部26上に脳等の切片試料を乗せて計測する。電極部26が三次元的な分布を有するため、切片試料の深さ方向の計測が可能となり、従来の方法に比べて、ダメージを受けていない神経細胞を確実に測定でき、神経細胞活動の大きな信号を得ることができる。これは、他の参考例においても同様である。
【0068】
参考例4)
図4は、他の参考例となる生体試料用アレイ電極及びその作製方法を説明する概略図である。
【0069】
参考例の生体試料用アレイ電極は、絶縁性の基板上に非導電性材料の成形により三次元体を作製し、その三次元体に導電性材料を被覆して、立体的に配置する電極としたものである。これは、前述した(IV)の生体試料用アレイ電極の作製方法によるものである。以下、この方法を説明する(図4参照。なお、下記(1)〜(7)は図4中の工程(1)〜(7)に対応する。)。
【0070】
(1)絶縁性の基板となる透明なアクリル基板32を用意する。
(3)アクリル基板32上の全面に成形加工可能な非導電性樹脂33(例えば、ポリジメチルシロキサン等)を厚くコーティングし、その上からアルミニウム製の三次元加工用のメタルマスク34を圧迫させて、任意の形状の三次元体35を成形する。
(4)アルミニウム製のメタルマスク36を用いて、アクリル基板32をマスキングする。
(6)マスキングにより、アクリル基板32上の電極部37、リード部38、パッド部39の必要な部分にのみ白金をスパッタにより堆積する。この時、電極部37は、三次元体35上に導電性材料となる白金が被覆されて形成される。
(7)最終処理として、電極部37とパッド部39以外のリード部38等の不要な部分はレジスト40によりコーティングして絶縁被覆し、測定や刺激印加に支障がないようにする。
【0071】
又、他の作製手順として、以下の手順も可能である。
(1)絶縁性の基板となる透明なアクリル基板32を用意する。
(2)アクリル基板32上にあらかじめリード部38及びパッド部39をフォトリソグラフィーにより作製する。
(3)アクリル基板32上の全面に成形加工可能な非導電性樹脂33(例えば、ポリジメチルシロキサン等)を厚くコーティングし、その上からアルミニウム製の三次元加工用のメタルマスク34を圧迫させて、任意の形状の三次元体35を成形する。
(5)アルミニウム製のメタルマスク36bを用いて、アクリル基板32をマスキングする。
(6)マスキングにより、アクリル基板32上の電極部37にのみ白金をスパッタにより堆積する。この時、電極部37は、三次元体35上に導電性材料となる白金が被覆されて形成される。
(7)最終処理として、電極部37とパッド部39以外のリード部38等の不要な部分はレジスト40によりコーティングして絶縁被覆し、測定や刺激印加に支障がないようにする。
【0072】
上記作製手順により生体試料用アレイ電極31は、所望の三次元の位置に配置された複数の電極を有するものとなる。本参考例では、メタルマスク34の形状を変えることによって任意の形状の三次元の電極が形成可能であり、又、三次元体を構成するものとして樹脂を用いることで加工が簡便となる。
【0073】
参考例5)
図5は、他の参考例となる生体試料用アレイ電極及びその作製方法を説明する概略図である。
【0074】
参考例の生体試料用アレイ電極は、絶縁性の基板上に非導電性材料の成形により三次元体を作製し、その三次元体に導電性材料を被覆して、立体的に配置する電極としたものである。これは、前述した(IV)の生体試料用アレイ電極の作製方法によるものである。以下、この方法を説明する(図5参照。なお、下記(1)〜(7)は図5中の工程(1)〜(7)に対応する。)。
【0075】
(1)絶縁性の基板となる透明なアクリル基板42を用意する。
(3)アクリル基板42上の全面に非導電性を有する光反応性樹脂43(例えば、フォトレジスト等)を厚くコーティングし、フォトリソグラフィーにより電極となる部分をパターニングする(図5(3)で示す白抜き部分)。
(4)エッチングによって不要部分(パターニングされていない部分)の光反応性樹脂43を除去し、電極部を構成する三次元体44を成形する。
(6)図4に示すメタルマスク36aと同様のメタルマスクを用いてマスキングを行い、白金をスパッタすることによりパターニングを行い、アクリル基板42上に電極部45、リード部46、パッド部47となる必要な部分にのみ導電性を与える。この時、電極部45は、三次元体44上に導電性材料となる白金が被覆されて形成される。
(7)最終処理として、電極部45とパッド部47以外のリード部46等の不要な部分はレジスト48によりコーティングして絶縁被覆し、測定や刺激印加に支障がないようにする。
【0076】
又、他の作製手順として、以下の手順も可能である。
(1)絶縁性の基板となる透明なアクリル基板42を用意する。
(2)アクリル基板42上にあらかじめリード46部及びパッド部47をフォトリソグラフィーにより作製する。
(3)アクリル基板42上の全面に非導電性を有する光反応性樹脂43(例えば、フォトレジスト等)を厚くコーティングし、フォトリソグラフィーにより電極となる部分をパターニングする。
(5)エッチングによって不要部分の光反応性樹脂43を除去し、電極部を構成する三次元体44を成形する。
(6)図4に示すメタルマスク36bと同様のメタルマスクを用いてマスキングを行い、白金をスパッタすることによりパターニングを行い、アクリル基板42上に電極部45となる必要な部分に導電性を与える。この時、電極部45は、三次元体44上に導電性材料となる白金が被覆されて形成される。
(7)最終処理として、電極部45とパッド部47以外のリード部46等の不要な部分はレジスト48によりコーティングして絶縁被覆し、測定や刺激印加に支障がないようにする。
【0077】
上記作製手順により生体試料用アレイ電極41は、所望の三次元の位置に配置された複数の電極を有するものとなる。
【0078】
この作製方法では、三次元電極の形状を任意に形成することが困難であるが、一般的に使用されているフォトレジスト等を使用することが可能であるため、簡便に凸型の電極を加工することができるという点で優れている。
【0079】
参考例6)
図6は、他の参考例となる生体試料用アレイ電極及びその作製方法を説明する概略図である。
【0080】
参考例の生体試料用アレイ電極は、絶縁性の基板上の導電性材料の成形により、立体的に配置する電極としたものである。これは、前述した(III)の生体試料用アレイ電極の作製方法によるものである。以下、この方法を説明する(図6参照。なお、下記(1)〜(8)は図6中の工程(1)〜(8)に対応する。)。
【0081】
(1)絶縁性の基板となる透明なアクリル基板52を用意する。
(3)アクリル基板52上の全面に導電性材料となる白金53をスパッタにより厚くコーティングし、フォトリソグラフィーにより電極となる部分をパターニングする(図6(3)の白抜きの部分)。
(4)エッチングによって不要部分(パターニングされていない部分)の白金53を除去し、導電性を持つ三次元体となる電極部54を成形する。
(6)図4に示すメタルマスク36aと同様のメタルマスクを用いてマスキングを行い、白金をスパッタすることによりパターニングを行い、基板上にリード部55、パッド部56となる必要な部分に導電性を与える。
(7)電極部54とパッド部56以外のリード部55等の不要な部分はレジスト57によりコーティングして絶縁被覆し、測定や刺激印加に支障がないようにする。
(8)最終処理として、エッチング、電解エッチング、メッキ等を用いて電極部54を任意の形状、例えば針状に成形する。但し、この工程は必ずしも必要ではない。
【0082】
又、他の作製手順として、以下の手順も可能である。
(1)絶縁性の基板となる透明なアクリル基板52を用意する。
(2)アクリル基板52上にあらかじめリード55部及びパッド部56をフォトリソグラフィーにより作製する。
(3)アクリル基板52上の全面に導電性材料となる白金53をスパッタにより厚くコーティングし、フォトリソグラフィーにより電極となる部分をパターニングする。
(5)エッチングによって不要部分の白金53を除去し、導電性を持つ三次元体となる電極部54を成形する。
(7)電極部54とパッド部56以外のリード部55等の不要な部分はレジスト57によりコーティングして絶縁被覆し、測定や刺激印加に支障がないようにする。
(8)最終処理として、エッチング、電解エッチング、メッキ等を用いて電極部54を任意の形状、例えば針状に成形する。但し、この工程も必ずしも必要ではない。
【0083】
上記作製手順により生体試料用アレイ電極51は、所望の三次元の位置に配置された複数の電極を有するものとなる。更に、この作製方法では、三次元の電極の形状を電解エッチング等により任意に形成することが可能となる。
【0084】
参考例7)
図7は、他の参考例となる生体試料用アレイ電極及びその作製方法を説明する概略図である。
【0085】
参考例の生体試料用アレイ電極は、絶縁性の基板上の導電性材料の成形により、立体的に配置する電極としたものである。これは、前述した(III)の生体試料用アレイ電極の作製方法によるものであり、パターニングする時、基板との密着性が低い導電性材料(金属)を用いる場合に、しばしば用いられるリフトオフ法によるものである。以下、この方法を説明する(図7参照。なお、下記(1)〜(7)は図7中の工程(1)〜(7)に対応する。)。
【0086】
(1)絶縁性の基板となる透明なアクリル基板62を用意する。
(2)アクリル基板62上にあらかじめリード部63及びパッド部64をフォトリソグラフィーにより作製する。
(3)アクリル基板62上の全面に光反応性樹脂となるフォトレジスト65をコーティングし、フォトリソグラフィーにより電極となる部分をパターニングする(図7(3)の白抜き部分)。この時、電極となる部分にはフォトレジスト65が存在しないようにパターニングされている。
(4)アクリル基板62上の全面に導電性材料となる金66をスパッタにより厚くコーティングする。
(5)リフトオフ用の溶液に浸漬させることにより、パターニングされたフォトレジスト65が除去され、それとともにその上にコーティングされた金66も除去されて、三次元の電極部67が形成される。
(6)電極部67とパッド部64以外のリード部63等の不要な部分はレジスト68によりコーティングして絶縁被覆し、測定や刺激印加に支障がないようにする。
(7)最終処理として、エッチング、電解エッチング、メッキ等を用いて電極部67を任意の形状、例えば針状に成形する。但し、この工程は必ずしも必要ではない。
【0087】
上記作製手順により生体試料用アレイ電極61は、所望の三次元の位置に配置された複数の電極を有するものとなる。更に、この作製方法でも、三次元の電極の形状を電解エッチング等により任意に形成することが可能となる。
【0088】
なお、参考例中の基板材料にはアクリル樹脂以外にもガラスなどを用いることができ、ガラス、アクリル樹脂などの透明な基板を用いれば、顕微鏡で生体試料を観察しながら使用することができる。又、電極材料にはタングステン、白金、金以外にもそのほかの金属、金属酸化物、カーボン、有機物等の導電性高分子などの導電性材料、半導体材料などを用いることができ、必要であればこれらを組み合わせることも可能である。非導電性樹脂にもその他の多くの種類のものを用いることができ、必要であればこれらを組み合わせることも可能である。
【0089】
本発明に係る三次元の電極配置構造を持つアレイ電極は、三次元構造を有する生体組織を対象にした生体信号や神経伝達物質の計測に極めて有効であり、更に、電極表面上に酵素(タンパク質)などの特異性を持たせた物質を修飾することで選択性を与え、より高機能な電極として電気化学計測に応用することも可能である。この場合、特定の物質の分布や、刺激に対する分布の変化を把握することで、生体におけるその物質の作用やメカニズムの解明につながる。
【0090】
又、三次元的な計測だけでなく、任意の三次元的な位置に刺激を与えることができ、電気的な刺激の場合は、視覚や聴覚などの感覚器官の障害、運動機能障害の治療やリハビリテーションにも広く応用が可能である。例えば、微細加工技術を用いて微小な三次元のアレイ電極を作製すれば、微小生体試料の中で必要な部位の情報を数百μm間隔で適宜取得し、又刺激印可することができる。
【0092】
【発明の効果】
請求項乃至請求項に係る発明によれば、複数の電極と、当該電極の先端を三次元に配置するための電極固定用治具とを具備し、前記電極は、導電線と前記導電線を被覆する絶縁材とからなり、前記電極固定用治具は、前記電極の先端を三次元に配置するための複数の電極位置合わせ/固定用ホールを設けた電極位置合わせ用治具と、前記電極の他端を固定する本体部とを備えたので、立体的な生体試料における電気的な信号を、高感度、高時間分解能、高空間分解能で、三次元的に同時に計測することができ、又、三次元的に局所に刺激印加をすることができる。更に、電極上に酵素などの特異性を持たせた物質を修飾することで選択性を与え、より高機能な電極として電気化学計測に応用することも可能である。
【0093】
請求項乃至請求項に係る発明によれば、前記電極を、導電線と前記導電線を内包するキャピラリーとからなるものとしたので、立体的な生体試料における電気的な信号を、高感度、高時間分解能、高空間分解能で、三次元的に同時に計測し、又刺激印加をすることができるだけではなく、更に、キャピラリー内に薬物等を保持することができるため、局所的な薬物刺激の印可が可能となり、又、生体試料の溶液をサンプリングすることで電気化学計測も可能となる。
【0098】
請求項乃至請求項に係る発明によれば、
複数の電極を三次元に配置した生体試料用アレイ電極の作製方法であって、前記電極を、導電線と前記導電線を被覆する絶縁材とからなるものとし、前記電極の先端を固定するための複数の電極位置合わせ/固定用ホールを設けた電極位置合わせ用治具を備えた電極固定用治具を用いて、前記電極の先端を三次元に配置するので、立体的な生体試料における電気的な信号を、高感度、高時間分解能、高空間分解能で、三次元的に同時に計測し、又刺激印加をすることができるアレイ電極を作ることができる。
【0099】
請求項乃至請求項に係る発明によれば、前記電極を、導電線と前記導電線を内包するキャピラリーとからなるものとするので、立体的な生体試料における電気的な信号を、高感度、高時間分解能、高空間分解能で、三次元的に同時に計測し、又刺激印加をすることができるだけではなく、更に、局所的な薬物刺激の印可や生体試料の電気化学計測も可能となるアレイ電極を作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る実施形態の一例を示す生体試料用アレイ電極の概略図である。
【図2】 本発明に係る実施形態の他の一例を示す生体試料用アレイ電極の概略図である。
【図3】 参考例となる生体試料用アレイ電極及びその作製方法を説明する概略図である。
【図4】 他の参考例となる生体試料用アレイ電極及びその作製方法を説明する概略図である。
【図5】 他の参考例となる生体試料用アレイ電極及びその作製方法を説明する概略図である。
【図6】 他の参考例となる生体試料用アレイ電極及びその作製方法を説明する概略図である。
【図7】 他の参考例となる生体試料用アレイ電極及びその作製方法を説明する概略図である。
【符号の説明】
1 生体試料用アレイ電極
2 電極
3 電極固定用治具
4 リード線
5 電極位置合わせ治具
5a 電極位置合わせ/固定用ホール
6 基板
7 生体試料
8 タングステン線
9 ガラス管
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an array electrode (multi-point electrode) for a biological sample and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Among the measurements on biological samples, electrical measurement and electrochemical measurement using electrodes have been widely used as highly sensitive measurement methods with excellent time resolution. For example, a patch clamp method in which measurement is performed by inserting an electrode into a glass capillary that is thinly drawn into a needle shape is widely used as a method for monitoring the electrical activity of a single cell or a cell in a living tissue.
[0003]
In addition, an on-line sensor that extracts a solution in the vicinity of a cell from an acicular capillary and analyzes it electrochemically is expected to be increasingly expected as a highly sensitive analytical method with excellent spatial resolution (reference: Niwa). O, Torimitsu K, Morita M, Osborne P, Yamamoto K. Concentration of extracellular L-glutamate released from cultured nerve cells measured with a small-volume online sensor. Anal. Chem., 1996; 68: 1865-1870).
[0004]
On the other hand, the extracellular action potential is a technique that can measure the cell activity using an electrode placed outside the cell without damaging the sample (non-invasion). We have succeeded in measuring the electrical activity of multiple neurons simultaneously at multiple points using multiple electrodes arranged in a flat plate (Reference: Jimbo Y, Tateno T, Robinson). HPC. Simultaneous induction of pathway-specific potentiation and depression in networks in cortical neurons. Biophys. J., 1999; 76: 670-678). In this method, the extracellular action potential of cultured neurons can be measured simultaneously at multiple points using an array-type electrode fabricated by photolithography, so that the activity of connected cells and tissues can be measured with high temporal resolution. It is very effective.
[0005]
In addition, the array type plate electrode can be provided with selectivity by, for example, coating an enzyme thereon, and can also measure a specific chemical substance electrochemically. Very suitable for distribution measurement (reference: Kasai N, Jimbo Y, Niwa O, Matsue T, and Torimitsu K, Real-time multisite observation of glutamate release in rat hippocampal slices, Neuroscience Letters, 2001, 304, 112− 116).
[0006]
Furthermore, these electrodes are effective not only for measuring a biological sample, but also for applying a local stimulus to the sample, regardless of the needle type or the flat type. In this case, it is possible to apply electrical stimulation directly with the electrode, and an electric field is formed in the capillary using the electrode inserted into the capillary, and the stimulation solution previously placed in the capillary is placed in the biological sample. Alternatively, local stimulation by drug administration can be applied by injecting (injecting) the vicinity.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The brain (aggregation of a large number of nerve cells) has a three-dimensional structure, and it is difficult to perform measurement for a large number of cells in the state of the three-dimensional structure. Therefore, conventionally, when measuring brain neurons and the like, the brain is dissected, the neurons are dissociated, the cells are held in a petri dish by culture, and measurement is performed using a planar electrode. Specifically, measurement is performed using an electrode having a large number of electrodes (for example, an 8 × 8 array of planar electrodes) on the bottom of the petri dish, which is useful when measuring separated cells or the like. Met.
[0008]
However, in recent years, with the worldwide interest in elucidating biological functions including the brain, a biological sample having a three-dimensional structure such as the brain or part of the brain has been decomposed into individual cells. Therefore, there is an increasing need for measurement while maintaining the shape.
[0009]
For example, an attempt is made to measure a biological sample having a three-dimensional structure by using a slice obtained by slicing a brain (usually 200 to 500 μm in thickness) and preparing a sample that retains a certain three-dimensional structure. However, since the above-described planar electrode can only measure cells on the surface of the section, a sufficient measurement signal cannot be obtained. The main reason for this is thought to be that the cells on the surface of the slice are greatly damaged when the slice sample is prepared, and there is a need for a measuring means that targets inner cells that are not damaged more than the cells on the surface. It has been.
[0010]
Furthermore, in order to elucidate the function of a living body having a three-dimensional spread, it is essential to obtain three-dimensional living body information, and therefore measurement in three dimensions is important. These are expected to become increasingly necessary with the advancement of the nanotechnology field that enables finer measurement in the future.
[0011]
In addition to elucidating biological functions, attempts have been made to apply electrical stimuli to arbitrary microscopic areas as a treatment for various diseases or as a substitute for sensory organs, and the position in three dimensions can be grasped with higher accuracy. However, there is a need for a method of applying a stimulus while doing so.
[0012]
However, with the conventional electrode shapes, it is very difficult to perform three-dimensional measurement and stimulus application that can obtain information inside the tissue, and even if possible, it is necessary to establish a complicated system. It was.
[0013]
Therefore, three-dimensional measurement / stimulation application is in an indispensable stage using a three-dimensionally arranged array electrode as a plurality of arbitrary electrodes.
[0014]
In view of the above problems, the present invention provides an array electrode for a biological sample that enables three-dimensional measurement and stimulus application, and a method for producing the same.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
  An array electrode for a biological sample according to the present invention that solves the above problems isA plurality of electrodes, and an electrode fixing jig for three-dimensionally arranging the tips of the electrodes,
  The electrodeIs ledIt consists of an electric wire and an insulating material covering the conductive wire.The
  The electrode fixing jig includes an electrode alignment jig provided with a plurality of electrode alignment / fixing holes for three-dimensionally arranging the tip of the electrode, and a body portion for fixing the other end of the electrode. And withIt is characterized by that.
[0017]
The array electrode for a biological sample according to the present invention that solves the above-described problems is characterized in that the conductive wire is a metal wire and the insulating material is a glass tube.
[0018]
  The array electrode for a biological sample according to the present invention for solving the above-described problems is obtained by, GuidanceEnclose the wire and the conductive wireRukiCapilaryWhat consists ofIt is characterized by that.
[0019]
  The array electrode for a biological sample according to the present invention for solving the above-mentioned problems is characterized in that the conductive wire is a silver / silver chloride wire,CapillaryIs a glass tube.
[0029]
  A method for producing an array electrode for a biological sample according to the present invention that solves the above problems,A method for producing an array electrode for a biological sample in which a plurality of electrodes are arranged in three dimensions,
  The electrode, GuidanceAn electric wire and an insulating material covering the conductive wire;And
  Using an electrode fixing jig provided with an electrode alignment jig provided with a plurality of electrode alignment / fixing holes for fixing the electrode tips, the tips of the electrodes are arranged in three dimensions.It is characterized by doing.
[0030]
The manufacturing method of the array electrode for biological samples which solves the said subject based on this invention uses the said electrically conductive wire as a metal wire, and uses the said insulating material as a glass tube, It is characterized by the above-mentioned.
[0031]
  A method for producing an array electrode for a biological sample according to the present invention that solves the above-described problems,, GuidanceEnclose the wire and the conductive wireRukiCapilaryWhat consists ofIt is characterized by.
[0032]
  The method for producing an array electrode for a biological sample according to the present invention for solving the above-mentioned problems is characterized in that the conductive wire is a silver / silver chloride wire,CapillaryIs a glass tube.
[0041]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, by arranging a plurality of electrodes or capillaries three-dimensionally (three-dimensionally), a sample having a three-dimensional structure such as a biological sample can be measured in a three-dimensional region and applied with a stimulus to the three-dimensional region. It becomes possible. Moreover, it is also possible to arrange an electrode at an arbitrary position by changing the three-dimensional shape of the electrode or the like.
[0042]
That is, the present invention is characterized in that a three-dimensional array electrode in which electrodes and the like are arranged three-dimensionally is produced and applied to a biological sample so that measurement / stimulation can be applied.
[0043]
  The simplest method for producing the three-dimensional array electrode as described above is considered as follows.
  (I)Needle-shaped electrodes are arranged in three dimensions.
  (II)The capillaries are arranged in three dimensions.
[0044]
  Further, as another manufacturing method, the following can be considered.
  (III)Conductive materials and semiconductor materials containing metals, metal oxides, carbon, and organic substances are processed into three-dimensional electrodes, and unnecessary portions are covered with an insulating material such as a resist.
  In this method, not only a method of laminating a conductive material / semiconductor material by elution, etc., but also using a currently available fine processing technique, it is conceivable to produce a plurality of minute and various convex portions as electrodes. . Specific microfabrication techniques include an etching method using photolithography, a lift-off method, a plating method, and the like.
[0045]
  Furthermore, as another manufacturing method, the following can be considered.
  (IV)A convex portion is formed in advance using an insulating material, and the convex portion is covered with a conductive material / semiconductor material containing a metal, a metal oxide, or an organic substance to form an electrode.
[0046]
For example, the protrusions can be sharply processed only by applying a potential to each protrusion (electrolytic etching or the like). By sharpening the tip of the convex portion, the tip of the electrode can reach the inside of the biological sample, and can be embedded in the living body if the entire size is reduced. It is also possible to cover the fabricated array electrode with an insulating film and form an electric field on the required electrode, thereby removing the insulating film only at the tip of the electrode and disposing the electrode at an arbitrary position.
[0047]
The three-dimensional array electrode produced by the above method enables electrical measurement and electrochemical measurement at different positions by independently connecting each electrode, and further, electrical stimulation is locally applied through each electrode. By applying to, electrical stimulation can be applied.
[0048]
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and drawings. In addition, this invention is not limited only to a following example.
[0049]
Example 1
FIG. 1 is a schematic view of an array electrode for a biological sample showing an example of an embodiment according to the present invention. Part of it has been enlarged to show the detailed structure.
[0050]
  The array electrode for a biological sample of this embodiment is a three-dimensional (three-dimensional) arrangement using a plurality of needle-like electrodes used in electrical measurement of a biological sample. This was mentioned earlier(I)This is based on the method for producing an array electrode for a biological sample.
[0051]
As shown in FIG. 1, the biological sample array electrode 1 has a plurality of needle-like electrodes 2, and the tips of the electrodes 2 are arranged in a three-dimensional manner by an electrode fixing jig 3. It is fixed to. A lead terminal 4 for connection to a measuring instrument or the like is connected to the other end of the electrode 2 and is fixed to the main body portion of the electrode fixing jig 3.
[0052]
The electrode fixing jig 3 includes an electrode alignment jig 5 for arranging the tip of the electrode 2 three-dimensionally. An electrode alignment / fixing hole 5a (hole) provided in the electrode alignment jig 5 is provided. The electrode 2 is fixed using a diameter of 0.17 millimeters and the distance between the hole centers is 0.3 millimeters, and electrical measurement of an arbitrary position of the biological sample 7 on the substrate 6 can be performed (enlargement of FIG. 1). (See Fig. A. Enlarged view A shows a top view and a side view of the electrode alignment jig 5). The electrode 2 has a thin tungsten wire 8 serving as a conductive wire and a glass tube 9 serving as an insulating material, and the glass tube 9 covers the tungsten wire 8 except for its tip portion, and has a needle-like shape. It is an electrode (see enlarged view B in FIG. 1).
[0053]
If the electrode alignment jig 5 is used, it is possible to simultaneously measure electrical signals at a plurality of positions separated by 0.3 mm. Further, if the distance between the centers of the electrode alignment / fixing holes 5a is further reduced, measurement with higher spatial resolution is possible. Further, by using the needle-like electrodes 2 having different lengths, the electrodes 2 can be arranged at arbitrary height positions, and a three-dimensional biological sample can be electrically measured.
[0054]
In this embodiment, tungsten is used as the material of the conductive wire of the electrode. However, other metals, metal oxides, semiconductor materials, carbon, etc. can be used. Furthermore, although the electrode is insulated and sealed using a glass tube as an insulating material, other organic materials such as resist and semiconductor insulating materials such as silicon nitride can be used.
[0055]
(Example 2)
FIG. 2 is a schematic view of an array electrode for a biological sample showing another example of the embodiment according to the present invention. Part of it has been enlarged to show the detailed structure.
[0056]
  The array electrode for a biological sample of this embodiment is a three-dimensionally (three-dimensionally) arrangement using a plurality of capillaries for performing electrical measurement in or near a minute region in the biological sample. This was mentioned earlier(II)This is based on the method for producing an array electrode for a biological sample.
[0057]
As shown in FIG. 2, the biological sample array electrode 11 has a plurality of capillaries / electrodes 12, and the tips of the capillaries / electrodes 12 are arranged in three dimensions by capillaries / electrode fixing jigs 13. It is fixed to become. A lead terminal 14 for connecting to a measuring instrument or the like is connected to the other end of the capillary / electrode 12 and is fixed to the main body portion of the capillary / electrode fixing jig 13.
[0058]
The capillary / electrode fixing jig 13 is the same as that shown in FIG. 1, and includes a capillary alignment jig 15 for arranging the tip of the capillary / electrode 12 in three dimensions. The capillary / electrode 12 is fixed using a capillary alignment / fixing hole 15a provided in the capillary alignment jig 15 (a hole diameter of 0.17 mm, and the distance between the hole centers is 0.3 mm), and the substrate 16 is fixed. Electrical measurement is performed at an arbitrary position of the biological sample 17 (see an enlarged view C in FIG. 2. The enlarged view C shows a top view and a side view of the capillary alignment jig 15). The capillary / electrode 12 has a thin silver / silver chloride wire 18 serving as a conductive wire and a glass tube 19 serving as an insulating material. The glass tube 19 has an opening at the tip thereof, The silver chloride wire 18 is completely encapsulated therein (see enlarged view D in FIG. 2). The silver / silver chloride wire 18 is composed of an appropriate composition ratio of silver and silver chloride. Further, since the glass tube 12 of the capillary / electrode 12 has a dropper-like shape, an arbitrary solution 20 can be held therein.
[0059]
The capillary alignment jig 15 is the same as the electrode alignment jig 5 of the biological sample array electrode 1 shown in FIG. 1, and when this is used, electrical connection at a plurality of positions separated by 0.3 mm is performed. Can be measured simultaneously. Further, if the distance between the centers of the capillary alignment / fixing holes 15a is further reduced, measurement with higher spatial resolution is possible. Furthermore, by using capillaries / electrodes 12 having different lengths, the capillaries / electrodes 12 can be arranged at arbitrary height positions, and three-dimensional electrical measurement of a biological sample can be performed.
[0060]
Further, by applying a potential pulse to the silver / silver chloride wire 18, it is possible to inject (inject) the solution 20 inside a specific capillary / electrode 12, thereby applying a local drug stimulus. Is possible. Further, the capillary / electrode 12 fixed at an arbitrary position enables electrochemical measurement by sampling the sample solution from any of a plurality of three-dimensional microregions in or near the biological sample.
[0061]
Here, silver / silver chloride is used as the material for the conductive wire of the electrode for electrical measurement, but other metals, metal oxides, semiconductor materials, carbon, and the like can also be used.
[0062]
  (referenceExample 3)
  FIG.Reference exampleIt is the schematic explaining the array electrode for biological samples, and its production method.
[0063]
  BookreferenceThe example array electrode for a biological sample is produced by three-dimensionally processing conductive wires on an insulating substrate and arranging them in three dimensions. This was mentioned earlier(III)This is based on the method for producing an array electrode for a biological sample. Hereinafter, this method will be described (refer to FIG. 3. Note that the following (1) to (6) correspond to steps (1) to (6) in FIG. 3).
[0064]
(1) A transparent acrylic substrate 22 to be an insulating substrate is prepared.
(2) The pad portion 23 is formed on the acrylic substrate 22 by photolithography.
(3) A plurality of fine tungsten wires 24 to be conductive wires are arranged and fixed to each other with an adhesive 25. The plurality of fine tungsten wires 24 are covered with insulation one by one.
(4) The coating of the tip end portion of the tungsten fine wire 24 is peeled off and bent vertically to form a three-dimensional electrode portion 26, and the other end side of the tungsten fine wire 24 is bent into an arbitrary shape. The lead part 27 is formed so as to overlap the position. At this time, it is possible to arrange the electrode portion 26 at a three-dimensional free position by changing the length of the tip portion of the tungsten thin wire 24 to be a three-dimensional electrode, the bending angle, or the like.
(5) The tungsten fine wire 24 is fixed so that the end portion of the lead wire 27 is aligned with the pad portion 23 on the acrylic substrate 22, and the lead portion 27 is fixed to the pad portion 23 using the conductive paste 28.
(6) As a final treatment, the portions other than the electrode portion 26 and the pad portion 23 are covered with an insulating coating material 29.
[0065]
The biological sample array electrode 21 has a plurality of electrodes arranged at a desired three-dimensional position by the above production procedure.
[0066]
  BookreferenceIn the example, a thin tungsten wire is used as the material of the conductive wire of the electrode, but other metals, metal oxides, semiconductor materials, carbon, etc. can also be used. In addition, a three-dimensional electrode is formed using a tungsten thin wire with insulation coating, and a final insulation coating is performed in the above production procedure (6), but a tungsten thin wire without insulation coating is used. Is also possible.
[0067]
  As a measuring method using the biological sample array electrode 21, the biological sample array 21 is arranged with the electrode part 26 facing upward in the center of the petri dish, and the pad part 23 is connected to a measuring instrument or the like. A slice sample such as brain is placed on top and measured. Since the electrode part 26 has a three-dimensional distribution, it is possible to measure the depth direction of the section sample, and it is possible to reliably measure the undamaged nerve cells and to increase the nerve cell activity as compared with the conventional method. A signal can be obtained. This is the otherreferenceThe same applies to the examples.
[0068]
  (referenceExample 4)
  FIG.Another reference exampleIt is the schematic explaining the array electrode for biological samples, and its production method.
[0069]
  BookreferenceThe example array electrode for a biological sample is a three-dimensional body formed by molding a non-conductive material on an insulating substrate, and the three-dimensional body is covered with a conductive material to form a three-dimensionally arranged electrode. Is. This was mentioned earlier(IV)This is based on the method for producing an array electrode for a biological sample. Hereinafter, this method will be described (see FIG. 4. Note that the following (1) to (7) correspond to the steps (1) to (7) in FIG.
[0070]
(1) A transparent acrylic substrate 32 to be an insulating substrate is prepared.
(3) A non-conductive resin 33 (for example, polydimethylsiloxane) that can be molded is thickly coated on the entire surface of the acrylic substrate 32, and an aluminum-made metal mask 34 for three-dimensional processing is pressed thereon. The three-dimensional body 35 having an arbitrary shape is formed.
(4) The acrylic substrate 32 is masked using a metal mask 36 made of aluminum.
(6) Platinum is deposited by sputtering only on necessary portions of the electrode portion 37, the lead portion 38, and the pad portion 39 on the acrylic substrate 32 by masking. At this time, the electrode part 37 is formed by covering the three-dimensional body 35 with platinum as a conductive material.
(7) As a final treatment, unnecessary portions such as the lead portion 38 other than the electrode portion 37 and the pad portion 39 are coated with a resist 40 and insulated so as not to hinder measurement or stimulus application.
[0071]
Further, as another manufacturing procedure, the following procedure is also possible.
(1) A transparent acrylic substrate 32 to be an insulating substrate is prepared.
(2) The lead portion 38 and the pad portion 39 are prepared in advance on the acrylic substrate 32 by photolithography.
(3) A non-conductive resin 33 (for example, polydimethylsiloxane) that can be molded is thickly coated on the entire surface of the acrylic substrate 32, and an aluminum-made metal mask 34 for three-dimensional processing is pressed thereon. The three-dimensional body 35 having an arbitrary shape is formed.
(5) The acrylic substrate 32 is masked using an aluminum metal mask 36b.
(6) By masking, platinum is deposited only on the electrode portion 37 on the acrylic substrate 32 by sputtering. At this time, the electrode part 37 is formed by covering the three-dimensional body 35 with platinum as a conductive material.
(7) As a final treatment, unnecessary portions such as the lead portion 38 other than the electrode portion 37 and the pad portion 39 are coated with a resist 40 and insulated so as not to hinder measurement or stimulus application.
[0072]
  The biological sample array electrode 31 has a plurality of electrodes arranged at a desired three-dimensional position by the above-described production procedure. BookreferenceIn the example, a three-dimensional electrode having an arbitrary shape can be formed by changing the shape of the metal mask 34, and the processing can be simplified by using a resin as a constituent of the three-dimensional body.
[0073]
  (referenceExample 5)
  FIG.Another reference exampleIt is the schematic explaining the array electrode for biological samples, and its production method.
[0074]
  BookreferenceThe example array electrode for a biological sample is a three-dimensional body formed by molding a non-conductive material on an insulating substrate, and the three-dimensional body is covered with a conductive material to form a three-dimensionally arranged electrode. Is. This was mentioned earlier(IV)This is based on the method for producing an array electrode for a biological sample. Hereinafter, this method will be described (refer to FIG. 5. Note that the following (1) to (7) correspond to steps (1) to (7) in FIG. 5).
[0075]
(1) A transparent acrylic substrate 42 to be an insulating substrate is prepared.
(3) The entire surface of the acrylic substrate 42 is coated with a non-conductive photoreactive resin 43 (for example, a photoresist) thickly, and a portion to be an electrode is patterned by photolithography (shown in FIG. 5 (3)). White part).
(4) Unnecessary portions (unpatterned portions) of the photoreactive resin 43 are removed by etching, and the three-dimensional body 44 constituting the electrode portion is formed.
(6) Masking is performed using a metal mask similar to the metal mask 36a shown in FIG. 4 and patterning is performed by sputtering platinum to form the electrode portion 45, the lead portion 46, and the pad portion 47 on the acrylic substrate 42. Conductivity is given only to necessary parts. At this time, the electrode portion 45 is formed by covering the three-dimensional body 44 with platinum as a conductive material.
(7) As a final treatment, unnecessary portions such as the lead portion 46 other than the electrode portion 45 and the pad portion 47 are coated with a resist 48 and insulated so as not to hinder measurement or stimulus application.
[0076]
Further, as another manufacturing procedure, the following procedure is also possible.
(1) A transparent acrylic substrate 42 to be an insulating substrate is prepared.
(2) Leads 46 and pads 47 are prepared in advance on the acrylic substrate 42 by photolithography.
(3) The entire surface of the acrylic substrate 42 is coated with a non-conductive photoreactive resin 43 (for example, a photoresist or the like), and a portion to be an electrode is patterned by photolithography.
(5) The unnecessary portion of the photoreactive resin 43 is removed by etching, and the three-dimensional body 44 constituting the electrode portion is formed.
(6) Masking is performed using a metal mask similar to the metal mask 36b shown in FIG. 4, patterning is performed by sputtering platinum, and conductivity is imparted to a necessary portion to be the electrode portion 45 on the acrylic substrate 42. . At this time, the electrode portion 45 is formed by covering the three-dimensional body 44 with platinum as a conductive material.
(7) As a final treatment, unnecessary portions such as the lead portion 46 other than the electrode portion 45 and the pad portion 47 are coated with a resist 48 and insulated so as not to hinder measurement or stimulus application.
[0077]
The biological sample array electrode 41 has a plurality of electrodes arranged at a desired three-dimensional position by the above production procedure.
[0078]
In this manufacturing method, it is difficult to arbitrarily form the shape of the three-dimensional electrode, but it is possible to use a commonly used photoresist or the like, so that a convex electrode can be easily processed. Excellent in that you can.
[0079]
  (referenceExample 6)
  FIG.Another reference exampleIt is the schematic explaining the array electrode for biological samples, and its production method.
[0080]
  BookreferenceThe array electrode for a biological sample in the example is an electrode arranged three-dimensionally by molding a conductive material on an insulating substrate. This was mentioned earlier(III)This is based on the method for producing an array electrode for a biological sample. Hereinafter, this method will be described (refer to FIG. 6. Note that the following (1) to (8) correspond to steps (1) to (8) in FIG. 6).
[0081]
(1) A transparent acrylic substrate 52 to be an insulating substrate is prepared.
(3) Platinum 53 as a conductive material is thickly coated on the entire surface of the acrylic substrate 52 by sputtering, and a portion to be an electrode is patterned by photolithography (the white portion in FIG. 6 (3)).
(4) Unnecessary portions (unpatterned portions) of platinum 53 are removed by etching to form electrode portions 54 that are conductive three-dimensional bodies.
(6) Masking is performed using a metal mask similar to the metal mask 36a shown in FIG. 4, patterning is performed by sputtering platinum, and the conductive portions are formed on the necessary portions to be the lead portions 55 and the pad portions 56 on the substrate. give.
(7) Unnecessary portions such as the lead portion 55 other than the electrode portion 54 and the pad portion 56 are coated with a resist 57 and are covered with insulation so as not to hinder measurement and stimulus application.
(8) As a final treatment, the electrode portion 54 is formed into an arbitrary shape, for example, a needle shape, using etching, electrolytic etching, plating, or the like. However, this step is not always necessary.
[0082]
Further, as another manufacturing procedure, the following procedure is also possible.
(1) A transparent acrylic substrate 52 to be an insulating substrate is prepared.
(2) The lead 55 and the pad 56 are formed on the acrylic substrate 52 in advance by photolithography.
(3) The entire surface of the acrylic substrate 52 is coated with platinum 53, which is a conductive material, by sputtering, and a portion to be an electrode is patterned by photolithography.
(5) The unnecessary portion of the platinum 53 is removed by etching, and the electrode portion 54 that becomes a conductive three-dimensional body is formed.
(7) Unnecessary portions such as the lead portion 55 other than the electrode portion 54 and the pad portion 56 are coated with a resist 57 and are covered with insulation so as not to hinder measurement and stimulus application.
(8) As a final treatment, the electrode portion 54 is formed into an arbitrary shape, for example, a needle shape, using etching, electrolytic etching, plating, or the like. However, this step is not always necessary.
[0083]
The biological sample array electrode 51 has a plurality of electrodes arranged at a desired three-dimensional position by the above production procedure. Furthermore, in this manufacturing method, the shape of the three-dimensional electrode can be arbitrarily formed by electrolytic etching or the like.
[0084]
  (referenceExample 7)
  FIG.Another reference exampleIt is the schematic explaining the array electrode for biological samples, and its production method.
[0085]
  BookreferenceThe array electrode for a biological sample in the example is an electrode arranged three-dimensionally by molding a conductive material on an insulating substrate. This was mentioned earlier(III)This method is based on the lift-off method often used when a conductive material (metal) having low adhesion to the substrate is used for patterning. Hereinafter, this method will be described (see FIG. 7. Note that the following (1) to (7) correspond to steps (1) to (7) in FIG. 7).
[0086]
(1) A transparent acrylic substrate 62 to be an insulating substrate is prepared.
(2) The lead part 63 and the pad part 64 are prepared in advance on the acrylic substrate 62 by photolithography.
(3) Photoresist 65 serving as a photoreactive resin is coated on the entire surface of the acrylic substrate 62, and a portion serving as an electrode is patterned by photolithography (the white portion in FIG. 7 (3)). At this time, patterning is performed so that the photoresist 65 does not exist in the portion to be the electrode.
(4) The entire surface of the acrylic substrate 62 is coated with gold 66, which is a conductive material, by sputtering.
(5) By immersing in a lift-off solution, the patterned photoresist 65 is removed, and at the same time, the gold 66 coated thereon is also removed, and a three-dimensional electrode portion 67 is formed.
(6) Unnecessary parts such as the lead part 63 other than the electrode part 67 and the pad part 64 are coated with a resist 68 and insulated so as not to hinder measurement or stimulus application.
(7) As a final treatment, the electrode portion 67 is formed into an arbitrary shape, for example, a needle shape, using etching, electrolytic etching, plating, or the like. However, this step is not always necessary.
[0087]
The biological sample array electrode 61 has a plurality of electrodes arranged at a desired three-dimensional position by the above production procedure. Furthermore, this manufacturing method can also arbitrarily form a three-dimensional electrode shape by electrolytic etching or the like.
[0088]
  For referenceAs the substrate material in the examples, glass or the like can be used in addition to the acrylic resin, and if a transparent substrate such as glass or acrylic resin is used, it can be used while observing the biological sample with a microscope. In addition to tungsten, platinum, and gold, other materials such as metals, metal oxides, carbon, and conductive materials such as carbon, organic materials, and semiconductor materials can be used as electrode materials. It is also possible to combine these. Many other types of non-conductive resins can be used, and these can be combined if necessary.
[0089]
The array electrode having a three-dimensional electrode arrangement structure according to the present invention is extremely effective for measurement of biological signals and neurotransmitters for a living tissue having a three-dimensional structure. Furthermore, an enzyme (protein) is formed on the electrode surface. It is also possible to give selectivity by modifying a substance having specificity such as) and apply it to electrochemical measurement as a more sophisticated electrode. In this case, grasping the distribution of a specific substance and the change of the distribution to the stimulus leads to elucidation of the action and mechanism of the substance in the living body.
[0090]
  In addition to three-dimensional measurement, it is possible to give a stimulus to any three-dimensional position. In the case of electrical stimulation, sensory organ disorders such as vision and hearing, motor function disorders, It can be widely applied to rehabilitation.For example,Fabrication of minute three-dimensional array electrodes using microfabrication technologyifIn addition, it is possible to appropriately acquire information on necessary parts in a minute biological sample at intervals of several hundred μm, and to apply stimulation.
[0092]
【The invention's effect】
  Claim1To claims2According to the invention according toA plurality of electrodes, and an electrode fixing jig for three-dimensionally arranging the tips of the electrodes,The electrodeIs ledIt consists of an electric wire and an insulating material covering the conductive wire.The electrode fixing jig fixes an electrode alignment jig provided with a plurality of electrode alignment / fixing holes for arranging the tip of the electrode in three dimensions, and the other end of the electrode. With body partTherefore, electrical signals in a three-dimensional biological sample can be measured simultaneously in three dimensions with high sensitivity, high temporal resolution, and high spatial resolution, and stimulation can be applied locally in three dimensions. be able to.Furthermore, it is possible to provide selectivity by modifying a substance having specificity such as an enzyme on the electrode, so that it can be applied to electrochemical measurement as a highly functional electrode.
[0093]
  Claim3To claims4According to the invention concerning, GuidanceEnclose the wire and the conductive wireRukiCapilaryWhat consists ofAs a result, electrical signals in a three-dimensional biological sample can be measured in three dimensions at the same time with high sensitivity, high temporal resolution, and high spatial resolution, and stimulation can be applied. Since a drug or the like can be held inside, local drug stimulation can be applied, and electrochemical measurement can be performed by sampling a solution of a biological sample.
[0098]
  Claim5To claims6According to the invention according to
  A method for producing an array electrode for a biological sample in which a plurality of electrodes are arranged in three dimensions,The electrode, GuidanceAn electric wire and an insulating material covering the conductive wire;The electrode tips are arranged in a three-dimensional manner using an electrode fixing jig provided with an electrode alignment jig provided with a plurality of electrode alignment / fixing holes for fixing the electrode tips.Therefore, it is possible to produce an array electrode that can simultaneously measure electrical signals in a three-dimensional biological sample in a three-dimensional manner with high sensitivity, high temporal resolution, and high spatial resolution, and can apply a stimulus. .
[0099]
  Claim7To claims8According to the invention concerning, GuidanceEnclose the wire and the conductive wireRukiCapilaryWhat consists ofTherefore, electrical signals in a three-dimensional biological sample can be simultaneously measured in three dimensions with high sensitivity, high temporal resolution, and high spatial resolution, and can be stimulated. It is possible to make an array electrode capable of applying a typical drug stimulus and electrochemical measurement of a biological sample.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an array electrode for a biological sample showing an example of an embodiment according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic view of an array electrode for a biological sample showing another example of the embodiment according to the present invention.
[Fig. 3]Reference exampleIt is the schematic explaining the array electrode for biological samples, and its production method.
[Fig. 4]Another reference exampleIt is the schematic explaining the array electrode for biological samples, and its production method.
[Figure 5]Another reference exampleIt is the schematic explaining the array electrode for biological samples, and its production method.
[Fig. 6]Another reference exampleIt is the schematic explaining the array electrode for biological samples, and its production method.
[Fig. 7]Another reference exampleIt is the schematic explaining the array electrode for biological samples, and its production method.
[Explanation of symbols]
  1 Array electrode for biological samples
  2 electrodes
  3 Electrode fixing jig
  4 Lead wire
  5 Electrode alignment jig
  5a Electrode alignment / fixing hole
  6 Substrate
  7 Biological samples
  8 Tungsten wire
  9 Glass tube

Claims (8)

複数の電極と、当該電極の先端を三次元に配置するための電極固定用治具とを具備し、
前記電極は、導電線と前記導電線を被覆する絶縁材とからなり、
前記電極固定用治具は、前記電極の先端を三次元に配置するための複数の電極位置合わせ/固定用ホールを設けた電極位置合わせ用治具と、前記電極の他端を固定する本体部とを備えたことを特徴とする生体試料用アレイ電極。
A plurality of electrodes, and an electrode fixing jig for three-dimensionally arranging the tips of the electrodes,
The electrodes, Ri Do and an insulating material covering the conductive wire and the conductive wire,
The electrode fixing jig includes an electrode alignment jig provided with a plurality of electrode alignment / fixing holes for three-dimensionally arranging the tip of the electrode, and a body portion for fixing the other end of the electrode. biological sample for an array electrode, characterized in that it comprises and.
請求項記載の生体試料用アレイ電極において、
前記導電線を金属線とし、前記絶縁材をガラス管としたことを特徴とする生体試料用アレイ電極。
The biological sample array electrode according to claim 1 ,
An array electrode for a biological sample, wherein the conductive wire is a metal wire and the insulating material is a glass tube.
請求項1記載の生体試料用アレイ電極において、
前記電極を、導電線と前記導電線を内包するキャピラリーとからなるものとしたことを特徴とする生体試料用アレイ電極。
The biological sample array electrode according to claim 1,
The electrodes, the conductive lines and biological samples for an array electrode, characterized in that consisted of to Ruki Yapirari and enclosing the conductive line.
請求項記載の生体試料用アレイ電極において、
前記導電線を銀/塩化銀線とし、前記キャピラリーをガラス管としたことを特徴とする生体試料用アレイ電極。
The array electrode for biological samples according to claim 3 ,
An array electrode for a biological sample, wherein the conductive wire is a silver / silver chloride wire and the capillary is a glass tube.
複数の電極を三次元に配置した生体試料用アレイ電極の作製方法であって
前記電極を、導電線と前記導電線を被覆する絶縁材とからなるものとし、
前記電極の先端を固定するための複数の電極位置合わせ/固定用ホールを設けた電極位置合わせ用治具を備えた電極固定用治具を用いて、前記電極の先端を三次元に配置することを特徴とする生体試料用アレイ電極の作製方法。
A method for producing an array electrode for a biological sample in which a plurality of electrodes are arranged in three dimensions ,
The electrode, consisted of an insulating material covering the conductive wire and the conductive wire,
Using an electrode fixing jig provided with an electrode alignment jig provided with a plurality of electrode alignment / fixing holes for fixing the electrode tips, the tips of the electrodes are arranged three-dimensionally. A method for producing an array electrode for a biological sample, characterized in that
請求項記載の生体試料用アレイ電極の作製方法において、
前記導電線を金属線とし、前記絶縁材をガラス管とすることを特徴とする生体試料用アレイ電極の作製方法。
In the manufacturing method of the array electrode for biological samples of Claim 5 ,
A method for producing an array electrode for biological samples, wherein the conductive wire is a metal wire and the insulating material is a glass tube.
請求項記載の生体試料用アレイ電極の作製方法において、
前記電極を、導電線と前記導電線を内包するキャピラリーとからなるものとすることを特徴とする生体試料用アレイ電極の作製方法。
In the manufacturing method of the array electrode for biological samples of Claim 5 ,
The electrode, a manufacturing method of a biological sample for the array electrodes, wherein the conductive lines and made of said conductive to enclosing the wire Ruki Yapirari.
請求項記載の生体試料用アレイ電極の作製方法において、
前記導電線を銀/塩化銀線とし、前記キャピラリーをガラス管とすることを特徴とする生体試料用アレイ電極の作製方法。
In the manufacturing method of the array electrode for biological samples of Claim 7 ,
A method for producing an array electrode for a biological sample, wherein the conductive wire is a silver / silver chloride wire and the capillary is a glass tube.
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