JP4169827B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、動かないように測定装置と結合された１以上の生きている細胞の生理学的および、または化学的および、または物理的特性を測定する測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このため、個々の細胞パラメータを測定する複数のセンサを備えた支持体と細胞が結合される。この支持体の材料は、半導体材料であることが好ましい。このようなセンサを備えた装置は、例えば国際特許 95/31716 号明細書、またはドイツ国特許第 195 12 117 A1号明細書に記載されている。従来技術の装置には、生きている細胞が光学顕微鏡によって観察されるため、測定装置の一方の端部が開放しているか、或は１以上の光窓を有していなければならないという欠点がある。このために、一部が透明材料、特にガラスまたは光学プラスチックから形成されている比較的複雑で高価な測定構造が要求される。さらに、開放型の測定構造は水平に位置していなければならない。そうしないと、液体が漏洩する可能性がある。このために、電気信号を介して生きている細胞の特性を測定し、一般に不透明な半導体材料から形成されている生理学的センサとの組合せが複雑になる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、生きている細胞の現在の状態を検査し、特に測定プロセス中に変性反応を検出するためにそれらに簡単に光学的にアクセスできるようにすることである。細胞の３次元形態の変化は、それ以外では入手しにくい試験または検査結果にとって重要な付加的情報を示していることがある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この目的は、請求項１に記載されているように、
センサの少なくとも一部が、マトリクスアレイの形態で配置された光センサであり、アレイの寸法が、少なくとも生きている細胞の１つによって占有される支持体上の面積に等しく、
電子スイッチング装置が光センサに接続され、光センサの出力を選択的にサンプリングし、信号解析装置にそれらを供給し、
スイッチング装置が制御装置から制御信号を受信する測定装置を提供することによって達成される。
【０００５】
本発明の基本的な考えは、観察されるべき細胞と観察者との間に電気・光媒体を介在させることである。小型化された電気・光センサは特にこの目的に適しており、細胞に非常に近接して配置でき、また他のセンサとの集積に適し、例えば支持体として機能する単一の半導体基体上でイオン感応性または材料感応性であってもよい。このような装置は、電気・光近視野顕微鏡で実現される。モノリシック集積に適した半導体材料から細胞の支持体とセンサを生成すれば、モノリシック集積回路を同じ基体上に形成できるため、対象物のすぐ近くで予備処理を行うことができる。したがって、純粋な受動センサより実質的に高性能の機能を有する“インテリジェント”センサデバイスが得られる。電気・光センサを出力回路と端末とを介して比較的容易に外部に配置することのできる方法で、集積回路によってこれら電気・光センサからの電子出力信号を少なくとも処理することができる。この予備処理は、例えばアナログセンサまたは測定信号のデジタル化と、それらを適切なデータ流に変換することからなる。さらに、例えばデータ量を減少できるとか、或は外部処理を行って表示装置を駆動するように機能する処理ステップが可能である。したがって、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）を介して光およびその他の信号の残りの解析とそれらの表示を行うことができる。基体上の関連したデバイスは、全体または一部が基体上に形成されてもよいし、或は外部に接続されたものでもよい制御装置からの制御信号によって制御される。
【０００６】
市販のコンピュータを介して光信号を解析することにより、適切なプログラムを使用することによって広範囲にわたる画像評価の自動化と画像記憶とを行うことができるため、単なる顕微鏡観察とは全く異なる可能性が観察者に与えられるという付加的な利点が得られる。例えば画像記憶によって、高速運動の評価、または特定の画像シーケンスの随意の頻繁な繰り返しが簡単な方法で可能になる。十分な密度の電気・光センサによって、表示スクリーンは完全な顕微鏡の代りとして機能し、観察距離を変えることができるため、スクリーンの観察による疲労は顕微鏡観察より少ない。
【０００７】
光センサの方向に放射線フィールドが生成されるように、光センサに光学的かつ機械的に結合された発光体によって細胞を照明し、光センサと発光体との間の間隔は可能な限り短くされる。この間隔は、基体上の細胞を妨害しないように十分な距離を保っていなければならない。発光体は、制御装置によって個々にまたは種類ごとに付勢可能な複数の点放射線源から構成されると有効である。これによって、例えば異なるシャドーゾーンによって細胞の３次元形態を解析することができる。電子的に制御可能なアクチュエータを介して定められた方法で発光体と光センサと間の距離が変化されれば、類似の効果が得られる。
【０００８】
点放射線源は線形形態またはマトリクスアレイの形態で有効に配置されており、これら点放射線源は例えば光ファイバ束または小型化された発光ダイオードによって構成されているか、或は別の方式で構成されている。細胞の特定の構造的特徴の検査を可能にするために、可変周波数放射線源または異なる周波数の放射線源の使用が有効なことがある。したがって、センサに関しては、光学評価のために生理学的および、または化学的および、または物理的測定用の異なるセンサだけでなく、異なるまたは可変の周波数或は切替え可能なセンサもまた設けられる。
以下、添付図面を参照して本発明およびその好ましい実施形態を詳細に説明する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１において、ブロック1 は、互いに空間的に関連している測定装置の一部分を含んでいる。これらは、例えば生きている細胞であってよい対象物3 、およびセンサ4 のための支持体2 である。対象物の上方の同一平面に配置されている個々の照明源5.1 から成る発光体5 が、支持体2 から距離ｄの位置に設けられている。以下詳細に説明するように、均一な照明源も可能であるが、個々に付勢可能な照明源が有効である。一般にブロック1 はまた電子制御装置6 を含んでいるが、この制御装置の位置は必ずしもブロック1 内である必要はない。この制御装置は、完全にブロック1 の外側に配置されてもよいし、或はその一部がブロックの外側で、一部が内側に配置されていてもよい。結合されたＰＣによっていくつかの制御機能を実行してもよい。これは、装置が支持体2 、センサ4 および制御装置6 から構成されている場合に特に有効である。それは制御装置6 の少なくとも一部がセンサ4 と直接アクセスしており、それによって電気信号および外部に導出される制御導線の数を大幅に減少することができるからである。支持体2 に特に適した材料は、シリコンのような半導体材料である。それは、これらの材料は適切なパッシベーション対策を講じることが必要なこともあるが、生きている細胞と良好に適合し、また、これらの材料ならばモノリシック集積回路に対して通常の製造過程を使用できるためである。支持体2 はこのような半導体材料から形成されることが好ましいため、ここでは簡略化するために半導体技術においてよく知られている“基体”という用語を支持体2 に対して使用する。発光体5 と支持体2 との間の距離は、電子的に制御可能なアクチュエータ5.5 によって変えることができる。可能な最良のやり方で少し傾斜した構造も構成できるように、平面が互いに傾斜可能であってよい。
【００１０】
上述された特許出願に詳細に記載されている方法および手段を使用して、１個の生きている細胞3 または２以上の生きている細胞を支持体2 上で動かなくし、また供給する。図１には、これに必要な接続またはデバイスは示されていない。測定装置１の測定範囲は、本質的に生きている細胞3 の寸法に適合される。できる限り近接して配置されている光センサ4 の大きさは、細胞より１桁以上小さい。そうでないと、光学的解像度が非常に低くなる。センサ技術と、それに対応する半導体技術では小型化が進んでいるため、この条件を満たすのは容易である。本発明による電気・光近視野顕微鏡によって光の波長より小さい解像度を実現できるということさえ考えられる。例えば、発光体は、線形形態またはマトリクスアレイの形態で配置された小型の発光ダイオード5.1 により構成されている。個々の発光ダイオードを順次付勢し、関連したセンサ信号を順次評価することによって、細胞3 の３次元画像が得られるように、断層放射線写真の原理に基づいた解析を行うことができる。
【００１１】
簡明にするために、図１には電気・光センサ4 だけが示されている。できるだけ多くの生理学的および、または化学的および、または物理的パラメータを判断するには、支持体2 上に、またはその付近に対応したイオン感応性または材料感応性センサ、すなわち、例えば図２中の別のセンサ4.1 ，4.2 が必要である。これらのセンサは、例えばゲート端子を備えた、およびそれらを備えていない電界効果トランジスタの形態で構成される。ゲート、およびしたがって電流は、本質的にこの上におかれた細胞の異なる周囲の状況に対する反応によって制御される。図２において、これらの電界効果トランジスタ状のセンサ4.1 ，4.2 が、実質的に光センサ4 より大きく示されている。それらは基体上においてほぼ１５平方ミクロンの面積をそれぞれ占有している。しかしながら、小型化が進んだ場合、これらのセンサ4.1 ，4.2 を光学アレイ中に容易に含まれる大きさのもの、すなわち例えばセンサ4.3 のように小さく形成することができる。
【００１２】
電気・光センサ4 のアレイに含まれるか、或はこのアレイのすぐ近くに配置されるセンサ4.1 ，4.2 により、対象物または生物学的構造の化学的および、または生理学的状態のそれぞれに関する情報を提供する電気信号が得られる。電気・光評価を使用したこれらの特徴信号の評価によって、迅速で明瞭な測定結果が得られる。例えば、細胞の代謝と相互作用する生理学的に活性の物質を加えることにより細胞3 の環境を変化させることによって、細胞3 または対象物が付加された物質に対してどのように反応するかを迅速に判断することができる。
【００１３】
図２には、電気・光センサ4 のアレイの概略上面図が示されている。このマトリクスアレイによって、センサ出力を選択的にサンプリングすることができる。したがって、全てのセンサが順に連続して一行づつ質問され、ＰＣのスクリーン上に対応した画素として表示される。個々のセンサ4 の出力のサンプリングはスイッチング装置8 によって制御され、このスイッチング装置8 は同じ基体上に集積されることが有効である。スイッチング装置8 はバスによって制御装置6 に接続され、この制御装置6 が結合されたＰＣから制御信号を受取る。制御装置6 はまた、ＰＣからのデータをスイッチング装置8 用の制御信号に変換するインターフェイス回路として機能し、このスイッチング装置8 が個々のセンサ4 ，4.1 ，4.2 ，4.3 用の駆動信号を形成し、これらのセンサから応答信号を受取る。個々のセンサからの信号は、一般にさらに処理される前にデジタル化しなければならないアナログ電圧または電流値である。これは、信号劣化を大幅に回避できるために、センサのすぐ近くのスイッチング装置8 に関連して有効に行われる。アナログデジタル変換器10におけるデジタル化の前に、弱い測定信号を増幅器9 によって増幅する。その後、出力回路11を介してこれらのデータを並列、直列または混合形式で転送する。半導体材料が支持体2 として使用された場合、制御装置6 および入力回路11の両方を同じ基体上に集積することができる。２個の回路6 ，11は、共通の双方向性の入出力回路と共同してもよく、それによって外部に導出される制御導線の数をさらに減少できる。センサの個数が十分な光学的解像度を実現するものであるならば、多量のデータのインテリジェント予備処理が支持体2 上において必要となる。これは、ただ機械的な理由、すなわち単に狭いために、解析されるべき多数のセンサ信号を支持体2 からタップで取出すことができないためである。
【００１４】
図２の光センサ4 のアレイにおいて、いくつかのセンサ4.3 は斜線を付けたブロックで表わされている。これらは、例えば別の波長に対して最適化された変更された光センサ 4であるか、或は細胞3 の化学的および、または生理学的および、または物理的パラメータを判断して決定するセンサ4.1 ，4.2 に類似している小型化されたセンサである。
【００１５】
図３には、支持体2 上の細胞3 の概略側面図が示されている。ここにおいて、細胞は、図１の場合ほど支持体2 の表面に対してぴったりとくっついてはいない。細胞が発光体5 内の個々の放射線源5.1 ，5.2 によって照明された時、その細胞のエッジ領域において異なるシャドーゾーンS1，S2，S3，S4が得られ、それらは、例えばシャドーゾーンS1，S2と、S3，S4のように部分的に重複している。光センサ4 において、異なるシャドーゾーンは、異なる輪郭を生みだし、それらが解析装置に記憶され、処理される。このようにして、細胞の３次元形態、特にその形態の変化に関する情報を提供する断層放射線写真状の表示が得られる。細胞3 の現在の状態の重要な基準は、細胞がその支持体から分離している程度に関する情報である。支持体の表面を含む環境が上皮細胞にとって好適である場合、このような細胞は支持体の表面にできるだけぴったりくっつこうとする。しかしながら、環境が細胞にとって好ましくない、或は過酷とさえいえるものになった場合、細胞は表面を小さくしようとする。このため、細胞は、極端な場合には支持体を離れて、最終的に死ぬまで収縮する。この収縮は、最初にエッジ領域において発生し、したがって上述したシャドーゾーンS1乃至S4の変化から判断して容易に決定することができる。
【００１６】
空間情報として評価されることができるシャドーゾーンの変化は、点放射線源と支持体との間の距離ｄの変化によっても発生する。シャドーゾーンの変化は、点放射線源の代りに、線形の放射線源群を切替える場合にも観察できる。
【００１７】
物質の添加の初めに、または低濃度で、検査すべき物質の細胞の状態に対する影響を調べることができ、また細胞に対して回復不能な損傷を与えるまで、或は細胞が死ぬまで待つ必要がないため、この方法で細胞の形状を監視することは非常に効率的である。この最初の相で、細胞は好ましくない物質に対して活動的に反応し、細胞を取囲む環境が再び好適になったときに、この状態は元に戻ることができる。したがって、検査すべき物質の細胞に対する影響について、迅速で信頼性の高い情報が得られる。生きている細胞3 を有する測定装置1 は、おだやかに取り扱うことにより他の研究に利用できる。これによって、本発明による測定装置を使用しなければ非常に複雑で費用を要することとなる特定の研究が数多く可能となる。このように、他のセンサからの情報を利用することによる細胞の形状の光学的な監視は非常に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】パーソナルコンピュータに結合された本発明による測定装置の概略図。
【図２】複数の光学的センサおよび別のセンサを備えたセンサアレイの一部の概略上面図。
【図３】異なるシャドーゾーンを有するセンサアレイ上の細胞の概略側面図。

Claims (10)

1. 動かないように測定装置と結合された１以上の生きている細胞の生理学的および、または化学的および、または物理的特性を測定し、支持体上に複数のセンサを備えている測定装置において、
   センサの少なくとも一部がマトリクスアレイの形態で配置された光センサであり、アレイの寸法が少なくとも生きている細胞の１つにより占有される支持体上の面積に等しく、
   電子スイッチング装置が光センサに接続され、光センサの出力を選択的にサンプリングし、信号解析装置にそれらを供給し、
   電子スイッチング装置が制御装置から制御信号を受信し、
   光センサは、この光センサの方向に放射線フィールドを生成する発光体に結合されており、光センサと発光体とは、支持体上の１以上の生きている細胞を妨害しないように距離ｄだけ隔てられており、
   発光体は、制御装置によって単独にまたはグループで独立的に付勢可能な複数の放射線源から構成され、
   放射線源の異なる付勢方式によって、１以上の生きている細胞の３次元形態および、または構造特性を判断し決定することができることを特徴とする測定装置。
2. 光センサからの出力信号は、基体上に構成されたアナログデジタル変換器によってデジタル化される請求項１記載の測定装置。
3. アナログデジタル変換器からの出力信号は、外部解析および再生装置として使用されるコンピュータに供給される請求項２記載の測定装置。
4. 距離ｄおよび、または発光体の光センサに関する向きは、電子的に制御されるアクチュエータによって調節可能である請求項１記載の測定装置。
5. 放射線源は、線形形態で配置されている請求項１記載の測定装置。
6. 放射線源は、マトリクスアレイの形態で配置されていることを特徴とする請求項４記載の測定装置。
7. マトリクスアレイの形態で配置された光センサの領域において、１個の生きている細胞または２個以上の生きている細胞の、生理学的および、または化学的および、または物理的測定を行うためのさらに別のセンサが設けられている請求項１記載の測定装置。
8. 前記光センサの領域中のさらに別のセンサは、少なくともその一部が異なる細胞パラメータを測定するための異なる設計のものである請求項７記載の測定装置。
9. 前記信号解析装置は、細胞形態の２次元および３次元構造パラメータを自動的に判断して決定し、解析することを特徴とする請求項１記載の測定装置。
10. 前記信号解析装置は、細胞形態の高速運動中の変化を再生するように構成されている請求項１記載の測定装置。

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