JP4425891B2 - Cell electrophysiological sensor and manufacturing method thereof - Google Patents

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本発明は、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ために用いられる細胞内電位あるいは細胞外電位等の細胞電気生理現象を測定するための細胞電気生理センサおよびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a cell electrophysiological sensor for measuring a cell electrophysiological phenomenon such as an intracellular potential or an extracellular potential used for measuring a physicochemical change generated by a cell activity, and a method for producing the same. is there.

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ンネルを測定する方法として知られており、このパッチクランプ法によってイオンチャンネルの様々な機能が解明されてきた。そして、イオンチャンネルの働きは細胞学において重要な関心ごとであり、これは薬剤の開発にも応用されている。   The patch clamp method in electrophysiology is known as a method for measuring an ion channel existing in a cell membrane, and various functions of the ion channel have been elucidated by this patch clamp method. And the action of ion channels is an important concern in cytology, which has also been applied to drug development.

しかし、一方でパッチクランプ法は測定技術に微細なマイクロピペットを1個の細胞に高い精度で挿入するという極めて高い能力を必要としているため、熟練作業者が必要であり、高いスループットで測定を必要とする場合には適切な方法でない。   However, on the other hand, the patch clamp method requires an extremely high ability to insert a fine micropipette into a single cell with high precision in the measurement technique, so it requires skilled workers and requires high throughput. Is not an appropriate method.

このため、微細加工技術を利用した平板型プローブの開発がなされており、これらは個々の細胞についてマイクロピペットの挿入を必要とせず、減圧を行うだけで自動に細胞を固定・測定を行うことができ、自動化システムとして適している。   For this reason, flat-type probes using microfabrication technology have been developed, and these do not require the insertion of a micropipette for each individual cell, and can automatically fix and measure cells simply by reducing the pressure. It is suitable as an automation system.

例えば、平板のデバイスに複数の貫通孔を設け、ここに接着した細胞の連続層を含み、電極で電位依存性のイオンチャンネル活性を測定する技術を開示している(特許文献1参照)。   For example, a technique is disclosed in which a plate-like device is provided with a plurality of through-holes and includes a continuous layer of cells adhered thereto, and a voltage-dependent ion channel activity is measured with an electrode (see Patent Document 1).

また、使用時に物体がオリフィスをシールし、これによって電気的に絶縁された電極間のインピーダンスの変化によって、媒体中の物体の電気的測定を行う装置について開示している(特許文献2参照)。
特表2002−518678号公報 特表2003−527581号公報
Further, an apparatus is disclosed in which an object seals an orifice during use, and an electrical measurement of an object in a medium is performed by a change in impedance between electrically insulated electrodes (see Patent Document 2).
JP 2002-518678 Gazette Japanese translation of PCT publication No. 2003-527581

しかしながら、前記従来の技術においては、複数の細胞の電気生理現象を一括して測定することができるが、測定対象の細胞数を増加させるとセンサチップが多数個となり構造が複雑になるという課題があった。   However, in the conventional technique, electrophysiological phenomena of a plurality of cells can be measured at a time, but there is a problem that when the number of cells to be measured is increased, the number of sensor chips becomes large and the structure becomes complicated. there were.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、測定対象の細胞数が増えた場合であっても、生産性に優れた効率的な細胞電気生理センサの構造を実現し、漏れ電流が少ない状態で高精度に測定することができる細胞電気生理センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, and realizes an efficient structure of a cell electrophysiological sensor excellent in productivity even when the number of cells to be measured is increased, and has a small leakage current. It is an object of the present invention to provide a cell electrophysiological sensor that can be measured with high accuracy in a state and a method for manufacturing the same.

前記従来の課題を解決するために、本発明は、第一の貫通孔を有するウエルと、このウエルの下方に当接した第二の貫通孔を有した保持プレートと、この保持プレートの下方に液体の流入口と流出口を両端に備えた空洞を有した流路プレートを当接し、前記第二の貫通孔の内部に第三の貫通孔を備えたダイアフラムを有したセンサチップを当接した細胞電気生理センサであって、前記センサチップはシリコンよりなるチップ部とガラスよりなるチップ保持部とをガラス溶着によって接合する構成とするものである。   In order to solve the conventional problem, the present invention provides a well having a first through hole, a holding plate having a second through hole in contact with the lower part of the well, and a lower part of the holding plate. A flow path plate having a cavity having a liquid inlet and an outlet at both ends is contacted, and a sensor chip having a diaphragm having a third through hole is contacted inside the second through hole. In the cell electrophysiological sensor, the sensor chip is configured such that a chip part made of silicon and a chip holding part made of glass are joined by glass welding.

本発明の細胞電気生理センサおよびその製造方法は、微小なセンサチップを保持プレートに固着する際、シリコンからなるチップ部をガラスからなるチップ保持部とガラス溶着にて接合したセンサチップを保持プレートに保持することから、微小なチップ部のセルフアライメント性の向上と、隙間からの液漏れによる漏れ電流を減少させることができることによって、高精度に測定することができるとともに生産性に優れた細胞電気生理センサおよびその製造方法を実現するものである。   The cell electrophysiological sensor and the manufacturing method thereof according to the present invention, when a minute sensor chip is fixed to a holding plate, a sensor chip in which a chip part made of silicon and a chip holding part made of glass are joined by glass welding are attached to the holding plate Since it is held, it can improve the self-alignment property of the minute chip part and reduce the leakage current due to liquid leakage from the gap, so that it can measure with high accuracy and has excellent productivity A sensor and a manufacturing method thereof are realized.

(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1における細胞電気生理センサおよびその製造方法について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the cell electrophysiological sensor and the manufacturing method thereof according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は本発明の実施の形態1における細胞電気生理センサの断面図であり、図2は図1の要部拡大断面図である。また、図3は細胞電気生理センサの製造方法を説明するための断面図である。   1 is a cross-sectional view of a cell electrophysiological sensor according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part of FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a method for manufacturing a cell electrophysiological sensor.

図1および図2において、1は樹脂よりなるウエルであり、このウエル1に細胞外液18を貯留しておくための第一の貫通孔5を形成している。この第一の貫通孔5は断面形状をテーパー状に形成しておくことによって、電解液などの液体または細胞20などを投入するときに効率が良い。   In FIG. 1 and FIG. 2, reference numeral 1 denotes a well made of resin, and a first through hole 5 for storing the extracellular fluid 18 is formed in the well 1. The first through-hole 5 is formed with a tapered cross-sectional shape so that it is efficient when a liquid such as an electrolytic solution or cells 20 are introduced.

また、前記ウエル1の下方には第二の貫通孔6を設けた樹脂よりなる保持プレート2を当接しており、この保持プレート2の第二の貫通孔6の内部には、少なくとも一つの第三の貫通孔7を有したダイアフラム9を備えたシリコンよりなるチップ部4aとこの微小なチップ部4aを保持するために親水性を有するガラスからなるチップ保持部4bとがガラス溶着によって接合したセンサチップ4がセットされている。このチップ部4aはシリコンウエハを半導体プロセスを用いてエッチング加工することによって、微小で高精度な形状に形成することができる。例えば、シリコンウエハをエッチング加工することによってキャビティ10を形成し、その後第三の貫通孔7を形成することによって、ダイアフラム9の厚みを10〜100μm、第三の貫通孔7の開口径を1〜3μmφの寸法形状で、半導体プロセスなどの微細加工技術を用いて一体的に加工することによってチップ部4aを形成することができる。そして、この第三の貫通孔7の開口径は細胞20の大きさによって適宜選択することができる。   A holding plate 2 made of resin having a second through hole 6 is in contact with the lower portion of the well 1, and at least one first through hole is formed in the second through hole 6 of the holding plate 2. A sensor in which a chip portion 4a made of silicon provided with a diaphragm 9 having three through holes 7 and a chip holding portion 4b made of glass having a hydrophilic property to hold the minute chip portion 4a are joined by glass welding. Chip 4 is set. The chip portion 4a can be formed in a minute and highly accurate shape by etching a silicon wafer using a semiconductor process. For example, the cavity 10 is formed by etching a silicon wafer, and then the third through hole 7 is formed, whereby the thickness of the diaphragm 9 is 10 to 100 μm, and the opening diameter of the third through hole 7 is 1 to 1. The chip portion 4a can be formed by processing in an integrated manner using a fine processing technique such as a semiconductor process with a size of 3 μmφ. The opening diameter of the third through hole 7 can be appropriately selected depending on the size of the cell 20.

なお、キャビティ10または第三の貫通孔7を形成する順序はどちらが先であっても構わない。   Note that the order in which the cavity 10 or the third through-hole 7 is formed may be first.

このように、シリコンをチップ部4aの構成材料とすることによって、効率よく高精度に作製することができるとともに、その生産設備も入手が容易である。   Thus, by using silicon as a constituent material of the chip portion 4a, it can be efficiently manufactured with high accuracy, and its production equipment is also easily available.

しかしながら、このような微小なシリコンよりなるチップ部4aは取扱いと組み立ての観点からは課題を有していた。   However, the chip portion 4a made of such fine silicon has a problem from the viewpoint of handling and assembly.

これに対して、このチップ部4aをガラスからなるチップ保持部4bを介して保持プレート2へ固着することによって効率良く細胞電気生理センサを高精度に作製できるセンサ構造と製造方法を実現することができる。その詳細な説明については後述する。   On the other hand, it is possible to realize a sensor structure and a manufacturing method capable of efficiently producing a cell electrophysiological sensor with high accuracy by fixing the chip part 4a to the holding plate 2 via a chip holding part 4b made of glass. it can. Detailed description thereof will be described later.

そして、前記保持プレート2の下方には、その両端に液体を流出入させるための空洞8を有した流路プレート3を当接して細胞電気生理センサを構成しており、第三の貫通孔7の上面に細胞20を密着保持し、この細胞20の電気生理現象を測定することができるようになっている。そして、流入口16から細胞内液19を充填し、流出口17から吸引ポンプなどを用いて吸引することによって前記空洞8の内部には細胞内液19を充填することができる。   A cell electrophysiological sensor is formed below the holding plate 2 by contacting a flow path plate 3 having cavities 8 for allowing liquid to flow in and out at both ends thereof, and a third through hole 7. The cell 20 is held in close contact with the upper surface of the cell 20 and the electrophysiological phenomenon of the cell 20 can be measured. Then, the intracellular fluid 19 can be filled into the cavity 8 by filling the intracellular fluid 19 from the inlet 16 and suctioning from the outlet 17 using a suction pump or the like.

また、ウエル1、保持プレート2および流路プレート3は樹脂で構成しておくと都合が良く、より好ましくは熱可塑性樹脂である。これにより、これらの材料は射出成型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。さらに好ましくは、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である。これらの材料は紫外線硬化型の接着剤を用いることによって容易に親水性に優れたガラスからなる保持プレート2と接合することができる。さらに好ましくは、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好ましい。   In addition, the well 1, the holding plate 2 and the flow path plate 3 are conveniently made of resin, and more preferably thermoplastic resin. Thereby, these materials can obtain a highly homogeneous molded body with good productivity by using means such as injection molding. More preferably, these thermoplastic resins are polycarbonate (PC), polyethylene (PE), olefin polymer, polymethyl methacrylate acetate (PMMA), or a combination thereof. These materials can be easily joined to the holding plate 2 made of glass having excellent hydrophilicity by using an ultraviolet curable adhesive. More preferably, the thermoplastic resin is a cyclic olefin polymer, a linear olefin polymer, a cyclic olefin copolymer obtained by polymerizing them, or polyethylene (PE), from the viewpoint of workability, production cost, and material availability. To preferred.

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る時に効果を発揮する。   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. Further, since these materials can transmit ultraviolet rays, they are effective when an ultraviolet curable adhesive is used.

以上のような構成からなる細胞電気生理センサに対して、例えば保持プレート2をシリコン基板から一体的に作製し、保持プレート2の一部にチップ部4aを一体形成した場合、コストもかかり、歩留まりも悪くなるとともに、一部に不良のチップ部4aが存在した場合においてリペア性を有しない構成となる。これに対して、本発明の構成であれば微小なチップ部4aを一括して効率よく作製し、その中の良品のみを選別して用いることから高歩留まりの細胞電気生理センサを実現できるとともに、リペア性を有した構成を実現できる。   For the cell electrophysiological sensor having the above-described configuration, for example, when the holding plate 2 is integrally manufactured from a silicon substrate and the chip portion 4a is integrally formed on a part of the holding plate 2, the cost is increased and the yield is increased. When the defective chip portion 4a is present in part, the structure does not have repairability. On the other hand, if it is the structure of this invention, while producing the microchip part 4a efficiently collectively and selecting and using only the non-defective goods in it, a high-yield cell electrophysiological sensor can be realized, A configuration with repairability can be realized.

また、この第三の貫通孔7の直径は5μm以下が望ましく、細胞20を保持するために最適な形状の貫通孔となっている。このように、チップ部4aとチップ保持部4bからなるセンサチップ4と、保持プレート2を別々に作製しておいて、保持プレート2の第二の貫通孔6に前記センサチップ4をはめ込み接合することによって、効率よく細胞電気生理センサを作製することができる。さらに、不良のセンサチップ4があった場合においても、交換を容易に行うことができる。   Further, the diameter of the third through hole 7 is desirably 5 μm or less, and the through hole has an optimal shape for holding the cells 20. In this way, the sensor chip 4 including the chip portion 4 a and the chip holding portion 4 b and the holding plate 2 are separately manufactured, and the sensor chip 4 is fitted and joined to the second through hole 6 of the holding plate 2. Thus, a cell electrophysiological sensor can be produced efficiently. Furthermore, even when there is a defective sensor chip 4, it can be easily replaced.

しかしながら、前記チップ部4aは微小形状であることからその取り扱いが難しく、このチップ部4aを直接保持プレート2に形成した第二の貫通孔6の内部へ挿入する際、乾燥状態で行うと静電気などの影響でチップ部4aを所定の位置にうまく挿入することが難しかった。   However, the chip portion 4a is difficult to handle because it has a small shape, and when the chip portion 4a is directly inserted into the second through-hole 6 formed in the holding plate 2, it may be static electricity, etc. Therefore, it was difficult to insert the tip part 4a into a predetermined position.

そこで、チップ部4aを純水などに浸漬しておいて、その状態で親水性に優れたガラスからなるチップ保持部4bの開口部へ挿入すると親水性に優れたガラスとの親和性から微小なチップ部4aはチップ保持部4bの開口部へセルフアライメントしながら図2に示した位置にうまく整列することによって、非常に効率良く作業ができることが分かった。   Therefore, when the tip portion 4a is immersed in pure water or the like and inserted into the opening of the tip holding portion 4b made of glass having excellent hydrophilicity in that state, the tip portion 4a is minute due to its affinity with glass having excellent hydrophilicity. It has been found that the chip portion 4a can be operated very efficiently by being well aligned at the position shown in FIG. 2 while self-aligning with the opening of the chip holding portion 4b.

そして、微細加工によって作製したチップ部4aは酸、アルカリなどの化学処理、あるいはプラズマ、UVなどの物理処理による清浄化を行った後、親水性を保持しておくために純水中へ浸漬しておくことが好ましい。   The chip portion 4a produced by micromachining is cleaned by chemical treatment such as acid or alkali, or physical treatment such as plasma or UV, and is then immersed in pure water in order to maintain hydrophilicity. It is preferable to keep it.

また、チップ保持部4bの開口部の内部へ挿入して組み立てる直前にチップ部4aを純水中より取り出し、チップ保持部4bの開口部の入り口へチップ部4aの一部を挿入する。このとき、チップ部4aの表面とキャビティ10の内部には純水が十分に付着充填した状態とし、チップ保持部4bの開口部の内壁面は親水性を有したガラスを用いることにより、このチップ部4aは水の表面張力の作用によって図2に示した位置に均一にセルフアライメントすることを見いだした。   Further, immediately before being inserted into the opening of the chip holding part 4b and assembling, the chip part 4a is taken out from pure water, and a part of the chip part 4a is inserted into the entrance of the opening of the chip holding part 4b. At this time, the surface of the chip part 4a and the inside of the cavity 10 are in a state where pure water is sufficiently adhered and filled, and the inner wall surface of the opening part of the chip holding part 4b is made of hydrophilic glass. The part 4a was found to be self-aligned uniformly at the position shown in FIG. 2 by the action of the surface tension of water.

この水の表面張力の作用を利用することによって、簡単にチップ部4aの配置をチップ保持部4bの所定の位置に均一に配置することが可能である。   By utilizing the action of the surface tension of water, it is possible to easily dispose the tip portion 4a uniformly at a predetermined position of the tip holding portion 4b.

また、チップ部4aの方向によるセルフアライメントの影響は無く、ダイアフラム9の面が上下いずれの面を向いていたとしても、チップ部4aはチップ保持部4bの一平面に沿うようにセルフアライメントすることが分かっている。   In addition, there is no influence of self-alignment due to the direction of the chip part 4a, and the chip part 4a is self-aligned so as to be along one plane of the chip holding part 4b even if the surface of the diaphragm 9 faces up or down. I know.

また、親水性を高めるためにはチップ保持部4bを構成するガラス組成には二酸化ケイ素を含んでいることがより好ましい。   Moreover, in order to improve hydrophilicity, it is more preferable that the glass composition which comprises the chip | tip holding | maintenance part 4b contains silicon dioxide.

その後、このチップ部4aが所定の位置から動かないように静置させるためには、チップ部4aとチップ保持部4bが横方向に水平になるように固定した後、熱処理炉などへ入れる。   Thereafter, in order to keep the tip portion 4a from moving from a predetermined position, the tip portion 4a and the tip holding portion 4b are fixed so as to be horizontal in the horizontal direction, and then placed in a heat treatment furnace or the like.

なお、熱処理炉を用いた例について説明してきたが、ヒータなどによる局部加熱、あるいは近赤外レーザなどによる局部加熱などによってセンサチップ4の近傍のみを加熱することによって溶着することができる。   Although an example using a heat treatment furnace has been described, welding can be performed by heating only the vicinity of the sensor chip 4 by local heating using a heater or the like, or local heating using a near infrared laser or the like.

そして、約100℃にて付着した水を乾燥させた後、ガラスが溶着する所定の温度まで加熱をしてチップ部4aとチップ保持部4bをガラス溶着によって接合する。このようにガラス溶着によって接合したセンサチップ4は封止性に優れることから液漏れなどの少ない信頼性に優れたセンサチップ4を実現でき、これによって測定精度の高い細胞電気生理センサを実現することができる。   And after drying the water adhering at about 100 degreeC, it heats to the predetermined temperature which glass welds, and joins the chip | tip part 4a and the chip | tip holding | maintenance part 4b by glass welding. Since the sensor chip 4 bonded by glass welding is excellent in sealing performance, it is possible to realize the sensor chip 4 having excellent reliability with little liquid leakage and the like, thereby realizing a cell electrophysiological sensor with high measurement accuracy. Can do.

特に、チップ部4a近傍における液漏れはギガシールの特性に重要な影響があり、このチップ部4aの外壁面における液漏れを確実に防止できる構造が細胞電気生理センサの構造として非常に重要である。   In particular, liquid leakage in the vicinity of the chip portion 4a has an important influence on the characteristics of the giga seal, and a structure that can reliably prevent liquid leakage on the outer wall surface of the chip portion 4a is very important as the structure of the cell electrophysiological sensor.

そして、このチップ部4aの外壁面とチップ保持部4bの開口部の内壁面との隙間を300μm以下とすることによって、確実に溶着接合を行うことができ、300μmを超える隙間を有しているとガラスによる溶着接合の確実性が低下するという問題が発生する。また、接合性、作業温度および信頼性の観点からガラスとして、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸塩ガラスまたはホウケイ酸鉛ガラスを用いることが好ましい。   Then, by setting the gap between the outer wall surface of the tip portion 4a and the inner wall surface of the opening portion of the chip holding portion 4b to be 300 μm or less, it is possible to surely perform welding and have a gap exceeding 300 μm. There arises a problem that the reliability of the welding and joining by the glass is lowered. Moreover, it is preferable to use borosilicate glass, aluminosilicate glass, or lead borosilicate glass as glass from a viewpoint of bondability, working temperature, and reliability.

そして、本実施の形態1におけるチップ保持部4bの開口部の内壁面は親水性を有していることが重要である。そのためには、例えばチップ保持部4bをホウケイ酸ガラス(コーニング;#7052、#7056)、アルミノケイ酸塩ガラスまたはホウケイ酸鉛ガラス(コーニング;#8161)などを用いることが好ましい。さらに、ガラスの融点が作業性の観点から重要であり、チップ部4aとガラス溶着によって接合するために都合の良い温度はガラスの軟化点以上とすることが好ましく、そして、より好ましくは500〜900℃の範囲である。500℃より低いガラスを用いると強度が不十分であり、900℃を越えると作業性が悪くなるからである。   And it is important that the inner wall surface of the opening part of the chip | tip holding | maintenance part 4b in this Embodiment 1 has hydrophilicity. For this purpose, it is preferable to use, for example, borosilicate glass (Corning; # 7052, # 7056), aluminosilicate glass or lead borosilicate glass (Corning; # 8161) for the chip holding portion 4b. Furthermore, the melting point of the glass is important from the viewpoint of workability, and it is preferable that the temperature convenient for bonding with the chip portion 4a by glass welding is equal to or higher than the softening point of the glass, and more preferably 500 to 900. It is in the range of ° C. This is because if glass lower than 500 ° C. is used, the strength is insufficient, and if it exceeds 900 ° C., workability deteriorates.

また、親水性を付与するためにチップ保持部4bの開口部の内壁面を化学的、あるいは物理的な処理を行って親水性を高めておいても良い。あるいはさらに親水性を高めるための親水性膜などを形成することによっても、その効果をより高めることができる。さらに、別の親水性を付与する方法としては、酸素プラズマによる炭素化合物の除去、紫外線照射による有機物の分解除去、あるいは硫酸、過酸化水素などによる湿式処理などによる炭素原子を含む有機物質の分解除去が非常に効果的であり、生産性にも優れている。   In order to impart hydrophilicity, the inner wall surface of the opening of the chip holding part 4b may be chemically or physically treated to increase the hydrophilicity. Alternatively, the effect can be further enhanced by forming a hydrophilic film or the like for further enhancing the hydrophilicity. Furthermore, as another method for imparting hydrophilicity, the removal of carbon compounds by oxygen plasma, the decomposition and removal of organic substances by ultraviolet irradiation, or the decomposition and removal of organic substances containing carbon atoms by wet treatment with sulfuric acid, hydrogen peroxide, etc. Is very effective and has excellent productivity.

そして、チップ保持部4bの開口部の内壁面の親水性は、接触角表示で10度以下が好ましい。その接触角とは、固体表面の上に純水などの液滴を乗せ,平衡になった状態で、液滴表面と固体表面のなす角度をいう。そして、その測定方法は一般的にθ/2法を用いることができる。その方法は液滴の左右端点と頂点を結ぶ直線の、固体表面に対する角度から接触角を求めることができる。または分度器などを用いて測ることも可能である。   The hydrophilicity of the inner wall surface of the opening of the chip holding part 4b is preferably 10 degrees or less in terms of contact angle. The contact angle refers to an angle formed between a droplet surface and a solid surface in a state where a droplet such as pure water is placed on the solid surface and is in equilibrium. And the measuring method can generally use the θ / 2 method. In this method, the contact angle can be obtained from the angle of the straight line connecting the left and right end points and the vertex of the droplet with respect to the solid surface. It is also possible to measure using a protractor or the like.

そして、このようにしてあらかじめ作製しておいたセンサチップ4を樹脂よりなる保持プレート2の第二の貫通孔6の内部へ挿入し、例えば接着剤などによって接合することによってセンサチップ4を固定保持することができる。このとき、接着剤としては紫外線硬化型樹脂などを用いることが作業性の観点から好ましい。   Then, the sensor chip 4 prepared in advance in this way is inserted into the second through hole 6 of the holding plate 2 made of resin, and the sensor chip 4 is fixedly held by, for example, bonding with an adhesive or the like. can do. At this time, it is preferable from the viewpoint of workability to use an ultraviolet curable resin or the like as the adhesive.

この紫外線硬化型樹脂は保持プレート2とチップ保持部4bのガラスを紫外線を透過する特性を持たせておくことによって、作業性を高めるとともに封止性の高い接合面とすることができる。これは紫外線硬化型樹脂は親水性であり、ガラスからなるチップ保持部4bの外壁面が親水性を有していることから、接合面の隙間への紫外線硬化型樹脂の浸透性が高まり、その接合信頼性を高めることができる。   This ultraviolet curable resin can improve the workability and provide a highly sealing joint surface by providing the glass of the holding plate 2 and the chip holding portion 4b with the property of transmitting ultraviolet rays. This is because the ultraviolet curable resin is hydrophilic, and the outer wall surface of the chip holding portion 4b made of glass has hydrophilicity, so that the permeability of the ultraviolet curable resin into the gap between the bonding surfaces is increased. Bonding reliability can be improved.

これに対して、乾燥した状態でチップ部4aを直接保持プレート2に形成した第二の貫通孔6の内部へ挿入する方法では、静電気などによってチップ部4aが飛散させられてしまうことがあり、作業性があまり良くなく、挿入したチップ部4aの挿入位置もばらつきがあり、整列配置に多くの時間を要していた。さらに、例えば保持プレート2の第二の貫通孔6の内部へ挿入した後、接着剤21を用いて接合した場合、十分に接着剤などが接合の界面に浸透することが少なく、液漏れなどの接合不良を起こしていた。   On the other hand, in the method of inserting the chip part 4a directly into the second through hole 6 formed in the holding plate 2 in a dry state, the chip part 4a may be scattered by static electricity or the like. The workability is not so good, the insertion positions of the inserted chip portions 4a vary, and a lot of time is required for alignment. Further, for example, when inserted into the second through-hole 6 of the holding plate 2 and then joined using the adhesive 21, the adhesive or the like hardly permeates the joining interface, and liquid leakage or the like There was a bonding failure.

次に、図1に示すように保持プレート2には第一の電極14と第二の電極15を設けており、これらの電極14,15は細胞20の電気生理現象によって発生する電気的指標、例えば電位、電流などを測定するためのものであるが、これらの形状、材質は特に限定するものではない。   Next, as shown in FIG. 1, the holding plate 2 is provided with a first electrode 14 and a second electrode 15, and these electrodes 14 and 15 are electrical indicators generated by the electrophysiological phenomenon of the cell 20, For example, for measuring potential, current, etc., the shape and material are not particularly limited.

次に、本発明の細胞電気生理センサを用いて細胞20の電気生理活動を測定する方法について簡単に述べる。   Next, a method for measuring the electrophysiological activity of the cell 20 using the cell electrophysiological sensor of the present invention will be briefly described.

まず、ウエル1に細胞外液18を貯留し、細胞内液19をウエル1の流入口16から流出口17にかけて吸引することで空洞8に充填する。ここで、細胞外液18とは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り、細胞内液19とは、例えば哺乳類筋細胞の場合、代表的には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。この状態で、ウエル1の内部に設置した第一の電極14と空洞8の内部に設置した第二の電極15との間で、100kΩ〜10MΩ程度の導通抵抗値を観測することができる。これは細胞内液19あるいは細胞外液18が浸透し、第一の電極14と第二の電極15の間で電気回路が形成されるからである。 First, the extracellular fluid 18 is stored in the well 1, and the intracellular fluid 19 is sucked from the inlet 16 to the outlet 17 of the well 1 to fill the cavity 8. Here, the extracellular liquid 18 is an electrolytic solution to which about 4 mM of K + ions, about 145 mM of Na + ions, and about 123 mM of Cl ions are added. The intracellular liquid 19 is, for example, a mammalian muscle cell Typically, it 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. In this state, a conduction resistance value of about 100 kΩ to 10 MΩ can be observed between the first electrode 14 installed inside the well 1 and the second electrode 15 installed inside the cavity 8. This is because the intracellular fluid 19 or the extracellular fluid 18 penetrates and an electric circuit is formed between the first electrode 14 and the second electrode 15.

次に、ウエル1側から細胞20を投入する。なおセンサチップ4を第二の貫通孔6の内部に設置する方向として、ダイアフラム9が第一の貫通孔5側へ近くなるように配置しても良い。この選択は測定する細胞20の性質によって最適に決定されるべきである。   Next, the cells 20 are introduced from the well 1 side. The sensor chip 4 may be disposed in the second through hole 6 so that the diaphragm 9 is closer to the first through hole 5 side. This selection should be optimally determined by the nature of the cell 20 being measured.

そして、最後にウエル1の流入口16または流出口17の一方を減圧すると、細胞20は第三の貫通孔7に引き付けられ、細胞20が第三の貫通孔7を塞ぐことによって、ウエル1側と空洞8側の電気抵抗がGΩ以上の十分に高い状態となる(ギガシールと呼ぶ)。このギガシールの状態において、細胞20の電気生理活動によって細胞内外の電位が変化した場合には、わずかな電位差あるいは電流であっても高精度な測定が可能となる。   Finally, when one of the inlet 16 or the outlet 17 of the well 1 is decompressed, the cell 20 is attracted to the third through-hole 7, and the cell 20 closes the third through-hole 7. Then, the electric resistance on the side of the cavity 8 is sufficiently high (GΩ seal). In this giga-seal state, when the potential inside and outside the cell changes due to the electrophysiological activity of the cell 20, highly accurate measurement is possible even with a slight potential difference or current.

以上のように構成した細胞電気生理センサについて、以下にその製造方法を説明する。   The manufacturing method of the cell electrophysiological sensor configured as described above will be described below.

まず始めに、図3に示すようにチップ部4aはフォトリソグラフィー、ドライエッチング等の半導体加工技術を用いて、シリコンウエハなどからダイアフラム9を形成した後、このダイアフラム9に第三の貫通孔7を形成する。そして、チップ部4aの外形となるように個片化することによって、一括して多数のチップ部4aを作製することができる。   First, as shown in FIG. 3, the chip portion 4a forms a diaphragm 9 from a silicon wafer or the like by using a semiconductor processing technique such as photolithography and dry etching, and then a third through hole 7 is formed in the diaphragm 9. Form. A large number of chip portions 4a can be manufactured in a lump by separating the chip portions 4a into individual pieces.

その後、必要に応じて親水性を高めるために、酸素の介在した雰囲気中でのシリコンの熱酸化処理、あるいはCVD、スパッタ法などの薄膜プロセスを用いてシリコン化合物を成膜して親水性を高めることも可能である。その後、このチップ部4aを純水中に浸漬して保管することが好ましい。   Thereafter, in order to increase the hydrophilicity as necessary, the silicon compound is formed using a thin film process such as thermal oxidation of silicon in an oxygen-mediated atmosphere or CVD or sputtering to increase the hydrophilicity. It is also possible. Thereafter, it is preferable to store the chip portion 4a by immersing it in pure water.

一方、チップ保持部4bは、内径がチップ部4aの外形よりも若干大きめのホウケイ酸ガラスからなるガラス管を準備し、その後、必要に応じてガラス管の開口部の内壁面の親水性を確認し、前記純水中に保管していたチップ部4aを取り出し、チップ部4aに純水が付着した状態で、ガラス管の開口部の入り口へチップ部4aの一部を挿入する。挿入されたチップ部4aは純水の表面張力の相互作用によるセルフアライメントによってガラス管の開口部の上面部で静置する。   On the other hand, the tip holding part 4b prepares a glass tube made of borosilicate glass whose inner diameter is slightly larger than the outer shape of the tip part 4a, and then confirms the hydrophilicity of the inner wall surface of the opening of the glass tube as necessary. Then, the tip portion 4a stored in the pure water is taken out, and a portion of the tip portion 4a is inserted into the entrance of the opening of the glass tube with the pure water attached to the tip portion 4a. The inserted tip portion 4a is allowed to stand on the upper surface portion of the opening of the glass tube by self-alignment by the interaction of the surface tension of pure water.

なお、チップ部4aを挿入する方向としてダイアフラム9の上下の位置関係を反転させた状態でも同様のようにセルフアライメントすることを確認している。   It is confirmed that the self-alignment is performed in the same manner even when the upper and lower positional relationships of the diaphragm 9 are reversed as the direction in which the chip portion 4a is inserted.

また、セルフアライメントする位置はガラス管の下から挿入した場合には、ガラス管の下面側でセルフアライメントすることも確認している。   In addition, when the self-alignment position is inserted from the bottom of the glass tube, self-alignment is confirmed on the lower surface side of the glass tube.

その後、ガラス管を所定の寸法で切断し、個片化する。このような作業を繰り返すことによって複数の個片化チップを作製することができる。   Thereafter, the glass tube is cut into predetermined pieces and separated into pieces. A plurality of singulated chips can be manufactured by repeating such operations.

なお、ガラス管はあらかじめ所定の寸法に切断しておいてチップ保持部4bを作製して整列配置しておき、整列配置されたチップ保持部4bにチップ部4aを前記の方法で挿入することも可能である。   The glass tube may be cut in advance to a predetermined size, the chip holding part 4b is produced and aligned, and the chip part 4a is inserted into the aligned chip holding part 4b by the above method. Is possible.

このような個片化チップを、チップ部4aとガラス管の開口部が水平方向に重なる方向に固定する(ガラス管の開口部の内壁面でチップ部4aの外壁面を支えるように配置させる)。このような位置関係とすることによって、純水が無くなることによって、水の表面張力が無くなり、チップ部4aが動きやすくなることを防止するためである。   Such an individualized chip is fixed in a direction in which the chip portion 4a and the opening of the glass tube overlap in the horizontal direction (arranged so that the inner wall surface of the opening of the glass tube supports the outer wall surface of the chip portion 4a). . This is to prevent the tip portion 4a from moving easily due to the absence of pure water and the absence of surface tension of water due to the absence of pure water.

このような配置をしたまま、熱処理炉へ入れ、加熱する。加熱の方法は適宜最適な条件を設定することができるが、特に乾燥させるための熱処理条件とガラスによって溶着接合するための熱処理条件とが重要である。乾燥させるための熱処理条件としては80〜120℃の範囲が好ましい。そして、前記ホウケイ酸ガラス(コーニング;#7052、#7056)を用いた場合の溶着接合温度としては700〜750℃の条件が好ましい。   With such an arrangement, it is placed in a heat treatment furnace and heated. Optimum conditions can be set as appropriate for the heating method. In particular, heat treatment conditions for drying and heat treatment conditions for welding by glass are important. The heat treatment conditions for drying are preferably in the range of 80 to 120 ° C. And as a welding joining temperature at the time of using the said borosilicate glass (Corning; # 7052, # 7056), the conditions of 700-750 degreeC are preferable.

なお、熱処理炉を用いた例について説明してきたが、ヒータなどによる局部加熱、あるいは近赤外レーザなどによる局部加熱などによってセンサチップ4の近傍のみを加熱することによって溶着することができる。   Although an example using a heat treatment furnace has been described, welding can be performed by heating only the vicinity of the sensor chip 4 by local heating using a heater or the like, or local heating using a near infrared laser or the like.

そして、この乾燥処理と熱溶着による接合処理は一括して行うことが好ましい。これは、一括して行うことによってチップ部4aとチップ保持部4bの位置ずれを防止するためである。そしてこのとき、チップ部4aとガラス管の開口部の隙間は300μm以下であればガラス溶着による接合が可能であることを確認している。例えば、チップ部4aの外形が700μmとし、ガラス管の開口部の内径を1.0mm、外径を1.50mmとしてガラス溶着を行った結果、効率良くガラス溶着による接合を行うことができた。そのときの溶着温度は718℃で溶着時間は10秒以下の熱処理条件によって行うことができた。このガラス管の外径は保持プレート2に固着保持できるような形状であれば良い。   And it is preferable to perform this drying process and the joining process by heat welding collectively. This is for preventing the positional deviation between the chip part 4a and the chip holding part 4b by carrying out collectively. At this time, if the gap between the tip portion 4a and the opening of the glass tube is 300 μm or less, it is confirmed that bonding by glass welding is possible. For example, as a result of glass welding with the outer diameter of the tip portion 4a being 700 μm, the inner diameter of the opening of the glass tube being 1.0 mm, and the outer diameter being 1.50 mm, it was possible to efficiently perform bonding by glass welding. The welding temperature at that time was 718 ° C., and the welding time was 10 seconds or less. The outer diameter of the glass tube may be a shape that can be fixedly held on the holding plate 2.

なお、ガラス基板を準備し、ガラス基板の所定の寸法で開口部をマトリックス状に形成し、このガラス基板の開口部に前記の方法でチップ部4aを挿入し、熱溶着によって接合した後、このガラス基板を切断あるいはエッチングによって個片化し、センサチップ4を作製することも可能である。   In addition, after preparing a glass substrate and forming openings in a matrix shape with predetermined dimensions of the glass substrate, the chip portion 4a is inserted into the opening of the glass substrate by the above-described method and bonded by thermal welding. It is also possible to manufacture the sensor chip 4 by cutting the glass substrate into pieces by cutting or etching.

このようにして作製したセンサチップ4を、例えば、あらかじめ所定の寸法形状に射出成形によって成型しておいた熱可塑性樹脂よりなる保持プレート2の第二の貫通孔6の内部へ接着剤21によって固着保持する。   The sensor chip 4 manufactured in this way is fixed to the inside of the second through hole 6 of the holding plate 2 made of a thermoplastic resin, which has been molded in advance into a predetermined size and shape by injection molding, for example, with an adhesive 21. Hold.

その後、薄膜技術、めっき技術などによって配線パターンを形成し、さらにAgとAgClを混合した電極をディスペンスまたはスクリーン印刷等の手法により第一の電極14と第二の電極15を保持プレート2の一部に形成する。   Thereafter, a wiring pattern is formed by a thin film technique, a plating technique, etc., and a first electrode 14 and a second electrode 15 are part of the holding plate 2 by a method such as dispensing or screen printing using a mixture of Ag and AgCl. To form.

なお、センサチップ4の固着保持と、電極14,15の形成の工程順序は違っていてもよい。   It should be noted that the process sequence of fixing and holding the sensor chip 4 and forming the electrodes 14 and 15 may be different.

次に、ウエル1と流路プレート3はアクリル樹脂などを用いて射出成型などによって金型による成型加工によって作製し、図1のような構成とすることができる。まず、保持プレート2とウエル1の接合を行う。この接合の方法としてはレーザによる熱溶着接合、あるいは紫外線照射による紫外線硬化型接着剤による接合が好ましい。   Next, the well 1 and the flow path plate 3 can be manufactured by molding using a die by injection molding or the like using acrylic resin or the like, and can be configured as shown in FIG. First, the holding plate 2 and the well 1 are joined. As the bonding method, thermal welding bonding with a laser or bonding with an ultraviolet curable adhesive by ultraviolet irradiation is preferable.

次に、前記と同様の方法によって流路プレート3の接合を行い、図1に示すような細胞電気生理センサを作製することができる。   Next, the flow path plate 3 is joined by the same method as described above, and a cell electrophysiological sensor as shown in FIG. 1 can be produced.

なお、ウエル1と流路プレート3を同時に保持プレート2に一括して接合することも可能であり、いずれかの方法を適宜採用することができる。   In addition, the well 1 and the flow path plate 3 can be simultaneously bonded to the holding plate 2 at the same time, and either method can be appropriately employed.

また、前記接合を行うときに用いる接着剤は紫外線硬化型の接着剤を用いることが好ましく、ウエル1,保持プレート2および流路プレート3を紫外線光が透過する樹脂とすることによって、いずれの方向からでも紫外線を照射し、紫外線硬化型樹脂を用いて接合することが可能となり、紫外線照射した時に確実に接着剤を硬化させることができ、保持プレート2と、ウエル1あるいは流路プレート3との接合を効率良く行うことによって液漏れの少ない構造を実現することができ、これによって細胞20の測定を確実に行うことができる細胞電気生理センサを実現することができる。   Moreover, it is preferable to use an ultraviolet curable adhesive as the adhesive used for the bonding, and any direction can be obtained by making the well 1, the holding plate 2, and the flow path plate 3 a resin that transmits ultraviolet light. It is possible to irradiate with ultraviolet rays and bond using an ultraviolet curable resin, and the adhesive can be reliably cured when irradiated with ultraviolet rays. The holding plate 2 and the well 1 or the flow path plate 3 By efficiently joining, a structure with little liquid leakage can be realized, and thereby a cell electrophysiological sensor capable of reliably measuring the cell 20 can be realized.

以上のように、本発明にかかる細胞電気生理センサおよびその製造法は、複数の細胞を一括して効率よく測定できる細胞の電気生理現象の測定に有用である。   As described above, the cell electrophysiological sensor and the method for producing the same according to the present invention are useful for measuring the electrophysiological phenomenon of cells capable of efficiently measuring a plurality of cells collectively.

本発明の実施の形態1における細胞電気生理センサの断面図Sectional drawing of the cell electrophysiological sensor in Embodiment 1 of this invention 同要部拡大断面図Enlarged sectional view of the main part 同製造方法を説明するための断面図Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method

符号の説明Explanation of symbols

1 ウエル
2 保持プレート
3 流路プレート
4 センサチップ
4a チップ部
4b チップ保持部
5 第一の貫通孔
6 第二の貫通孔
7 第三の貫通孔
8 空洞
9 ダイアフラム
10 キャビティ
14 第一の電極
15 第二の電極
16 流入口
17 流出口
18 細胞外液
19 細胞内液
20 細胞
21 接着剤
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Well 2 Holding plate 3 Flow path plate 4 Sensor chip 4a Chip part 4b Chip holding part 5 1st through-hole 6 2nd through-hole 7 3rd through-hole 8 Cavity 9 Diaphragm 10 Cavity 14 1st electrode 15 1st Second electrode 16 Inlet 17 Outlet 18 Extracellular fluid 19 Intracellular fluid 20 Cell 21 Adhesive

Claims (11)

第一の貫通孔を有するウエルと、このウエルの下方に当接した第二の貫通孔を有した保持プレートとを有し、前記第二の貫通孔の内部に第三の貫通孔を備えたセンサチップを当接した細胞電気生理センサであって、センサチップはシリコンよりなるチップ部とガラスよりなるチップ保持部とからなり、前記チップ部と前記チップ保持部とをガラス溶着によって接合した細胞電気生理センサ。 A well having a first through hole and a holding plate having a second through hole in contact with the lower side of the well; and a third through hole is provided inside the second through hole. A cell electrophysiological sensor in contact with a sensor chip, the sensor chip comprising a chip part made of silicon and a chip holding part made of glass, wherein the cell part is joined by glass welding. Physiological sensor. ガラスを二酸化ケイ素を含むガラスとした請求項1に記載の細胞電気生理センサ。 The cell electrophysiological sensor according to claim 1, wherein the glass is glass containing silicon dioxide. ガラスの軟化点を500〜900℃とした請求項1に記載の細胞電気生理センサ。 The cell electrophysiological sensor according to claim 1, wherein the glass has a softening point of 500 to 900 ° C. ガラスをホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸塩ガラスまたはホウケイ酸鉛ガラスとした請求項2に記載の細胞電気生理センサ。 The cell electrophysiological sensor according to claim 2, wherein the glass is borosilicate glass, aluminosilicate glass or lead borosilicate glass. ガラスを、紫外線を透過するガラスとした請求項1に記載の細胞電気生理センサ。 The cell electrophysiological sensor according to claim 1, wherein the glass is glass that transmits ultraviolet rays. ガラスと水との接触角を10度以下とした請求項1に記載の細胞電気生理センサ。 The cell electrophysiological sensor according to claim 1, wherein a contact angle between glass and water is 10 degrees or less. ウエル、保持プレートおよび流路プレートを環状オレフィンポリマー、線状オレフィンポリマー、またはこれらが共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からなる材料から選択される請求項1に記載の細胞電気生理センサ。 The cell electrophysiological sensor according to claim 1, wherein the well, the holding plate and the flow path plate are selected from a material comprising a cyclic olefin polymer, a linear olefin polymer, a cyclic olefin copolymer obtained by copolymerizing these, or polyethylene. ウエル、保持プレートおよび流路プレートとの接合を熱溶着によって接合した請求項1に記載の細胞電気生理センサ。 The cell electrophysiological sensor according to claim 1, wherein the well, the holding plate, and the flow path plate are joined by heat welding. ウエル、保持プレートおよび流路プレートとの接合を紫外線硬化型樹脂にて接合した請求項1に記載の細胞電気生理センサ。 The cell electrophysiological sensor according to claim 1, wherein the well, the holding plate, and the flow path plate are joined with an ultraviolet curable resin. センサチップと保持プレートとの接合を紫外線硬化型樹脂にて接合した請求項1に記載の細胞電気生理センサ。 The cell electrophysiological sensor according to claim 1, wherein the sensor chip and the holding plate are joined with an ultraviolet curable resin. 第一の貫通孔を有するウエルと、このウエルの下方に当接した第二の貫通孔を有した保持プレートとを有し、前記第二の貫通孔の内部に第三の貫通孔を備えたシリコンよりなるチップ部と前記チップ部を保持するガラスよりなるチップ保持部とを備えたセンサチップを当接した細胞電気生理センサの製造方法であって、前記第一の貫通孔を有するウエルを形成する工程と、前記第二の貫通孔を有する保持プレートを形成する工程と、前記チップ部に第三の貫通孔を形成する工程と、このチップ部表面を水で濡らす工程と、熱処理によってチップ部とチップ保持部をガラス溶着によって接合してセンサチップを形成する工程と、このセンサチップを前記保持プレートの第二の貫通孔の内部へ挿入して接合する工程とを備えた細胞電気生理センサの製造方法。 A well having a first through hole and a holding plate having a second through hole in contact with the lower side of the well; and a third through hole is provided inside the second through hole. the sensor chip and a chip holding portion made of glass which holds the tip portion and the tip portion of silicon a contact with fine胞電gas producing method of the sanitary sensor, the wells with the first through hole A step of forming, a step of forming a holding plate having the second through-hole, a step of forming a third through-hole in the tip portion, a step of wetting the surface of the tip portion with water, and a chip by heat treatment forming a sensor chip parts and the chip holding portion are bonded by glass fusing, cell electrophysiological sensor that includes a step of bonding the sensor chip inserted to the inside of the second through hole of the holding plate Manufacturing method.
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