JP5176235B2 - 電気化学測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、多数の測定点に物質を配置して物質の電気化学測定を行える電気化学測定装置に関する。特に、二次元的に配置された物質に酸化還元反応を起こさせ、この反応により出力した電気的な物理量を、起きた反応の位置情報を反映させて表示可能にするものである。

物質の化学的性質に基いて画像データを取得する技術の進歩が、医療、生物−化学分析、環境、農業を含む広い分野で切望されている。デジタルカメラやＣＣＤ素子が汎用化されている現在でも、蛍光や電気化学反応など分子の機能発現には各々機構があり、画像取得に要する時間スケールは化学種のセンシングにより多様である。特に電気化学イメージングは、電気化学反応を電流に変換する際、容量電流の過渡現象、電荷移動現象、拡散、泳動、対流などの物質移動現象を伴うため、光学イメージングと比較して時間を要する。ここで、電気化学イメージングとは、二次元的に配置された物質に酸化還元反応を生じさせ、この反応により出力した電気的な物理量を反応の位置情報を反映させて表示させることをいう。

ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型デバイスは、多点計測に優れ、すでに多検体や多項目化学センシングに応用されている。ＣＭＯＳ型デバイスは電気化学イメージングも可能であり、例えば酸素濃度の二次元プロファイルの可視化が既に報告されている（例えば非特許文献１、２参照）。ＣＭＯＳ型デバイスは必ずソース、ドレイン、ゲートの３電極を有し、電気化学的情報を２次元的に得ることは可能であるが、すべてゲート電極近傍の表面電荷変化に変換する必要がある。すなわち、ＣＭＯＳ型デバイスによるセンサは表面電位変化及びそれに付随するゲート電流変化を検知している。

電流計測（アンペロメトリー）に基づく多検体や多項目化学センシングも多くの報告がある。アンペロメトリーにてｎＡ以下の電流を検出するためには電流増幅器が必須であり、複数の電極を有する電気化学測定装置では、個々の電極で電位を定め、電流値を増幅して観測するためマルチポテンショスタットが必須となる（例えば非特許文献３、４参照）。この装置では、電流増幅回路をプレ・アンプとして作用極近傍に設置することは可能であるが、装置構成が大変複雑となる。

マルチポテンショスタットを使用しない場合、複数の作用極への接続を高速に切り換えるマルチプレクサ、すなわち多チャンネル切換器で、ｍ秒オーダーで逐次的に出力端子、すなわちチャンネルを切り換えれば、実質的に多点電流追跡は可能となる（例えば非特許文献5、６、７参照）。すなわち、３極式ポテンショスタット又は電流増幅器と電圧源とからなる２極式電気化学測定系を用いることで多点計測が可能となる。

マルチプレクサの代わりにＣＭＯＳ回路をスイッチング素子として基板に内蔵し、さらに電流増幅回路も内蔵するデバイスを用いて多チャンネル電流観測を試みた報告がある（例えば非特許文献８、９、１０参照）。いずれの場合もスイッチング素子自体の過渡応答時間は１００ｎ秒程度であるが、実際に電気化学計測を実施する際には電荷移動、物質移動過程を含む為に正味の応答時間は実験系の設定に依存する。

特開２００３−２２７８３３号公報 特開２００６‐３０８６０３号公報 K. Dill, D. D. Montgomery, W. Wang, J. C. Tsai, Anal. Chim. Acta, 2001, 444, 69-78. K. Dill, D. D. Montgomery, A. L. Ghindilis, K. R. Schwartzkopf, S. R. Ragsdale, A. V. Oleinikov, Biosens.Bioelectron., 2004, 736-742. T.Matsue, A. Aoki, E. Ando, I. Uchida, Anal.Chem, 1990, 62, 407-409. T.Matsue, A. Aoki, T ABE, I. Uchida, Chem.Lett. 1989, 133-136. M. G. Sullvian, H. Utomo, P. J. Fangan, M. D. Ward. Anal. Chem. 1999, 71, 4369-4375 R. Hintsche, J. Albers, H. Bernt, A. Eder, Electroanalysis, 2000, 12, 660-665 C. Y. Lee, Y. J. Tan, A. M. Bond, anal. Chem. 2008, doi 10.1021/ac8002227 R. Kakerow, Y. Manoli, W. Mokwa, M. Rospert, H. Meyer, H. Drewer, J. Krause, K. Cammann, Sens. Actuat. A, 1994, 43, 296-301. H. Meyer, H. Drewer, B. Grundig, K. Cammann, R. Kakerow, Y. Manoli, W. Mokwa, M. Rospert, Anal. Chem., 1995, 67, 1164-1170. T. Hermes, M. Buhner, S. Bucher, C. Sundermeier, C. Dumschat, M. Borchardt, K. Cammann, M. Knoll, Sens. Actuat. B, 1994, 21, 33-37.

しかしながら、ＣＭＯＳ型デバイスでは、デバイス構造および作製工程が極めて複雑であり、酸化還元反応に基づく電流計測では数ｎＡ〜ｐＡの微小電流を検知することが困難であるという問題点がある。

マルチポテンショスタットを用いる多点計測の場合、電極数、すなわち計測点の数に１対１で対応する電流増幅回路を付随させる必要がある。マルチプレクサ、すなわち多チャンネル切換器を利用すれば、マルチポテンショスタットの代わりに通常のシングルポテンショスタットの使用で多点計測が可能となる。しかし、検出点が増加した場合、検出点と同数のスイッチが必要となり、測定系は極めて複雑になるという問題がある。

なお、特許文献１で開示されたリアクタでは電極交点で異なる核酸を保持することができることが示されているに過ぎず、電気化学反応の検出及びそれを利用したイメージング法を想定していない。特許文献２に開示されている核酸検出用センサでは、マトリックスの格子毎にスイッチング素子を設ける必要があるので、格子数が多くなると実用性がないという問題がある。

そこで、本発明では、計測点を多数有するデバイスを用いて多計測点中に化学物質を配置し、各測定点の電気化学反応を迅速にかつ複雑な手順を要しないで検出することができ、しかも検出結果を画像化してイメージ表示をも行える電気化学測定装置を提供することを目的としている。

本発明者らは、多点計測に関し、デバイス構造及び作製工程、計測システムの複雑性を排除することについて鋭意研究を重ねた結果、微小帯状電極アレイの配置を工夫して構築した格子デバイスを用いて計測制御を行うことで、極めてシンプルな多検体を実現できる点に注目して本発明を完成させた。その際、測定条件、デバイスデザインについても検討を行い、本発明により、アンペロメトリックセンサの提案のみならず、迅速性があり信頼性の高いイメージング取得方法を実現し得た。

上記目的を達成するために、本発明の電気化学イメージング装置は、複数の行電極と複数の列電極とを交差させて対向させた格子デバイスと、所定の定電位を印加する端子と所定の定電位を印加して流れる電流を測定する端子とを有する測定部と、測定部の各端子と行電極及び／又は列電極との接続を切り換えるスイッチと、測定部及びスイッチの制御を行い、複数の行電極、複数の列電極のうち何れか一方の電極を選択して所定電圧を印加しつつ、複数の行電極、上記複数の列電極のうち他方の各電極を順次選択しながら電気化学測定を行う処理部と、を備える。

第１の構成では、処理部が測定部及びスイッチを制御し、順に一本ずつ選択される各行電極に電位が印加されている状態で、順に一本ずつ選択される各列電極に電位を印加しながら電流を読み出すことにより、行電極と列電極との交差部毎の電気化学測定を行う。
具体的には、格子デバイスが複数の行電極、複数の列電極としてそれぞれ第１〜第ｍの行電極、第１〜第ｎの列電極を有し、処理部が、測定部及びスイッチを制御することで、第ｉの行電極と第１〜第ｎの列電極との各交差部に対する電気化学測定処理を、ｉが１からｍまで順に行い、電気化学測定処理は、第ｉの行電極に第１の所定電位を印加した状態で、第１〜第ｎの列電極のうち第ｊの列電極以外の列電極に第２の所定電位を印加し第ｊの列電極に第３の所定電位を印加しながら第ｊの列電極に流れる電流を測定する処理を、ｊが１からｎまで順に行う処理である。さらに、処理部が測定部及びスイッチを制御し、電気化学測定処理の前に、順に一本ずつ選択される各行電極に電位を所定時間印加することで、行電極と列電極との交差部における物質の分布を定常化させる前処理を行う。具体的には、処理部が、測定部及び前記スイッチを制御することで、電気化学測定処理の前に、第ｉの行電極と第１〜第ｎの列電極との各交差部に対する前処理を、ｉが１からｍまで順に行い、前処理は、第ｉの行電極に第１の所定電位を印加した状態で、第１〜第ｎの列電極に第２の所定電位を印加することにより、第ｉの行電極と第１〜第ｎの列電極との各交差部における物質の分布を定常化させる処理である。

第２の構成では、処理部が測定部及びスイッチを制御し、順に一本ずつ選択される各列電極に電位が印加されている状態で、順に一本ずつ選択される各行電極に電位を印加しながら電流を読み出すことにより、行電極と列電極との交差部毎の電気化学測定を行う。
具体的には、格子デバイスが複数の行電極、複数の列電極としてそれぞれ第１〜第ｍの行電極、第１〜第ｎの列電極を有し、処理部が、測定部及びスイッチを制御することで、第１〜第ｍの行電極と第ｊの列電極との各交差部に対する電気化学測定処理を、ｊが１からｎまで順に行い、電気化学測定処理は、第ｊの列電極に第１の所定電位を印加した状態で、第１〜第ｍの行電極のうち第ｉの行電極以外の行電極に第２の所定電位を印加し第ｉの行電極に第３の所定電位を印加しながら第ｉの行電極に流れる電流を測定する処理を、ｉが１からｍまで順に行う処理である。さらに、処理部が測定部及びスイッチを制御し、電気化学測定処理の前に、順に一本ずつ選択される各列電極に電位を所定時間印加することで、行電極と列電極との交差部における物質の分布を定常化させる前処理を行う。具体的には、処理部が、測定部及びスイッチを制御することで、電気化学測定処理の前に、第１〜第ｍの行電極と第ｊの列電極との各交差部に対する前処理を、ｊが１からｎまで順に行い、前処理は、第ｊの列電極に第１の所定電位を印加した状態で、第１〜第ｍの行電極に第２の所定電位を印加することにより、第ｊの列電極と第１〜第ｍの行電極との各交差部における物質の分布を定常化させる処理である。

特に、処理部は、スイッチにより行電極と列電極との交差部を逐次切り換える度に交差部における電流読み出しを１ｍ秒〜１０秒の範囲の時間で行い、各交差部の前処理を８０ｍ秒〜１０秒の範囲で行うとよい。この電気化学測定における電気化学応答の読み出し時間には、スイッチング素子の時間応答性能のみならず、実際に測定系で起きている電気化学反応の電子/電荷移動速度及び測定系のＳＮ比を考慮したサンプリング時間を設定することが不可欠だからである。また、交差部毎の前処理に要する時間は、行電極への電位印加により生成した化学種、すなわち酸化還元種が列電極の各々の交差部に到達して捕捉され、さらに交差部近傍の濃度分布が定常状態に達するまでの時間で定められるので、各電極のサイズ、位置関係、化学種の拡散係数などを考慮して読み出し時間等を設定するからである。

特に、行電極及び列電極のそれぞれの電極間隔が電極幅の１倍〜１０倍の範囲であるとよい。行電極及び列電極が１０μｍ〜３００μｍの範囲の電極幅を有するとよい。格子デバイスは、行電極、列電極をそれぞれ２本以上５００本以内で備える。行電極及び列電極のそれぞれの電極間隔は各電極間のクロストークを防止するのに必要最低限の距離により定められ、行電極及び列電極の幅は各電極で生成又は捕捉される化学種、すなわち酸化還元種が到達可能な距離により定められるが、いずれも実際の測定系に用いられる化学種の拡散係数が１０^−５から１０^−８ｃｍ^２／秒であることを考慮することで、この適用範囲が定まる。また、行電極、列電極の本数は、複数の電流応答を得るためにそれぞれ２本以上必要であり、スイッチングや実際必要な測定点数が例えば２５０，０００以下であることを考慮してそれぞれ５００本以下とすることが妥当である。

特に、格子デバイスは、行電極を有する第１の基板と、列電極を有する第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間隔を保つスペーサーとで構成されているか、又は、列電極を有する第１の基板と、行電極を有する第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間隔を保つスペーサーとで構成されているとよい。
特に、格子デバイスには列電極又は行電極に沿って流路が画成されているとよい。
特に、行電極、列電極の何れか一方の電極は、列電極との交差部毎に配置されるリング部を連結部で接続して構成されている。或いは、行電極、列電極の何れか一方の電極は、横長状のリング部を連結して構成されている。
特に、格子デバイスは、行電極と列電極とで画成される測定ユニット毎に、行電極に電気的に接続される櫛型電極部と、列電極に電気的に接続されている櫛型電極部とが対向して配置されてなる。
特に、格子デバイスは、基板と、この基板上に形成された列電極と、列電極上に形成された第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上に形成された行電極と、行電極上に形成された第２の絶縁膜と、を備え、第１の絶縁膜、行電極及び第２の絶縁膜に大きさの異なる複数の孔が同心円状に形成されてなる。或いは、格子デバイスは、基板と、この基板上に形成された行電極と、行電極上に形成された第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上に形成された列電極と、列電極上に形成された第２の絶縁膜と、を備え、第１の絶縁膜、行電極及び第２の絶縁膜に大きさの異なる複数の孔が同心円状に形成されてなる。
スイッチはマルチプレクサであるとよい。測定部は、マルチポテンショスタット、三極式電気化学測定装置、二極式電気化学測定装置の何れかであるとよい。

本発明によれば、ｍ本の行電極とｎ本の列電極とをスイッチに接続し、（ｍ＋ｎ）個の接続でｍ×ｎの多点計測を迅速に実現することができる。すなわち、従来のＣＭＯＳ型を含むＩＣデバイスは高額かつ高精度な微細化工用装置や積層化技術が必要であり、ＩＣデバイスではｐＡ（ピコアンペア、１０^-１２Ａ）レベルの電流計測は極めて困難であった。従来のファラデー電流を検知するセンサでは、検出電極と電流増幅器の接続は１対１が一般的であり、スイッチとしてのマルチプレクサ、すなわち連続切換器を介在することにより多チャンネルの入出力をＮ対１に減らすことしかできなかった。なお、Ｎはチャンネル数である。これに対し、本発明では、（ｍ＋ｎ）本の接続でｍ×ｎの多点計測を迅速に行える。

本発明の電気化学測定装置を、酵素センサ、イムノセンサ、細胞センサなど多くのバイオセンサに適用することで、迅速かつ高感度な２次元電流分布を出力として得ることができる。電気化学測定の中でもファラデー電流を検知するセンサは極めて高感度であるからである。それ以外にも、電流、電位、インピーダンス変化などの各種の測定を行うこともできる。さらに、エレクトロクロミズム、電気化学発光、電界発光、メモリー応答、センシング応答を観測することができる。

以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。
＜電気化学測定装置の構成＞
図１は、本発明の実施形態に係る電気化学測定装置の構成図である。
電気化学測定装置１は、ｍ本の行電極１１とｎ本の列電極１２とが交差して対向してなる格子デバイス１０と、測定部３０としてのマルチポテンショスタットと、格子デバイス１０の行電極１１及び／又は列電極１２の接続を切り換えるスイッチ２０としてのマルチプレクサと、複数の行電極１１、複数の列電極１２のうち何れか一方の電極を選択して所定電位を印加しつつ、複数の行電極１１、上記複数の列電極１２のうち他方の各電極を順次選択しながら電気化学測定を行う処理部４０と、を備える。処理部４０は、測定部３０及びスイッチ２０の制御を行い、行電極１１を選択して所定電位を印加しつつ、列電極１２を順次選択しながら電気化学測定を行っても、逆に列電極１２を選択して所定電位を印加しつつ、行電極１１を順次選択しながら電気化学測定を行ってもよい。以下では、特に、前者の場合を想定して説明する。

測定部３０は、所定の定電位を印加する端子と所定の定電位を印加して流れる電流を測定する端子とを有し、それらの端子機能を実現するための各種電子回路が内蔵されている。これらの端子は、格子デバイス内の物質との電子の授受を行う作用極（ＷＥ：working electrode）に連結される。マルチポテンショスタットを用いる電気化学測定では、作用極の電位を決定する際の基準となる電極、すなわち参照極（ＲＥ：reference electrode）と，分極に伴う参照電極の電位シフトを防ぐ対極（ＣＥ：counter electrode）とを使用し、複数の作用極ＷＥの電位を正確に定める。作用極ＲＥには、水銀電極Ａｇ／Ａｇ^＋のほか、飽和カロメル電極などが用いられ、対極ＣＥにはメッシュ状やコイル状の白金を用いることができる。なお、測定部３０には、上述のようにマルチポテンショスタットのほか、三極式電気化学測定装置や二極式電気化学測定装置を用いてもよい。

格子デバイス１０の基本形態について説明する。
図２は格子デバイス１０を模式的に示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ線に沿う断面図である。なお、図２（Ａ）では、図２（Ｂ）に示す第１の絶縁基板１３及び第２の絶縁基板１４は図示していない。格子デバイス１０は、行方向に延設されたｍ本の行電極１１と列方向に延設されたｎ本の列電極１２とが交差、好ましくは直交するように対向して配置されている。具体的には、図２に示すように、各行電極１１として微小の帯状電極が複数間隔を開けて第１の絶縁基板１３の行方向に延びるように第１の絶縁基板１３上に配置され、各列電極１２として微小の帯状電極が第２の絶縁基板１４の列方向に延びるように第２の絶縁基板１４上に配置され、第１の絶縁基板１３と第２の絶縁基板１４とが図示しないスペーサーを介在させて所定の間隔を開けて、帯状電極同士が対向するように配置されてなる。

ここで、行電極１１及び列電極１２がそれぞれ１０μｍ〜３００μｍの範囲の電極幅を有する。行電極１１及び列電極１２のそれぞれの帯状電極間隔は各電極幅の１倍から１０倍の範囲であることが好ましい。帯状電極の幅、帯状電極同士の間隔、上側の第１の絶縁基板１３と下方の第２の絶縁基板１４との距離は何れも十〜数百μｍである。
これらの適正値であれば、行電極及び列電極のそれぞれの電極間隔は各電極間のクロストークを防止し、行電極１１及び列電極１２の幅は各電極で生成又は捕捉される化学種、すなわち酸化還元種が到達できるからである。
行電極１１、列電極１２の各本数は２本以上５００本以内である。これは、複数の電流応答を得るためにそれぞれ２本以上必要であり、スイッチングや実際に必要な測定点数が例えば２５０，０００以下であることを考慮した結果である。

具体的な数値例を挙げると、各帯状電極の幅は約５０μｍであり、同一の基板上に形成した帯状電極同士の間隔は２００〜２５０μｍであり、上側の第１の絶縁基板１３の下面と下側の第２の絶縁基板１４上の列電極上面との距離は１０μｍ、帯状電極の厚みは何れも１０ｎｍである。なお、横向きに配置した行電極（Ｒｏｗ）のうち第ｉ番目の電極を符号Ｒｉで示し、縦向きに配置した列電極（Ｃｏｌｕｍ）のうち第ｊ番目の電極を符号Ｃｊで示すことにする。ｍ、ｎは任意の自然数であるが、以下の説明では、ｍ＝ｎ＝１０とする。なお、第１及び第２の絶縁基板１３，１４にはガラス基板を採用でき、行電極及び列電極は、後述するように、例えばマスクを用いてガラス基板にＰｔ（白金）を蒸着することで形成することができる。

なお、図２に示す格子デバイス１０は、行電極１１を有する第１の絶縁基板１３と列電極１２を有する第２の基板１４とがスペーサー（図示せず）で所定の間隔を保って配置されてなり、所定の間隔は例えば電極幅と同程度から電極幅の１／１０の範囲である。
また、格子デバイス１０は、図２に示す場合と異なり、第１の絶縁基板上に複数の行電極を設け、第２の絶縁基板上に複数の列電極とを設け、行電極と列電極とが対向して交差してもよい。以下の説明では、図２に示す格子デバイス１０を前提として説明する。

格子デバイス１０における行電極１１及び列電極１２の端部はスイッチ２０としてのマルチプレクサに配線により接続される。マルチプレクサは、行電極１１及び列電極１２と測定部３０としてのマルチポテンショスタットの作用極への接続を高速に切り換える、所謂多チャンネル切替器である。

測定部３０としてのマルチポテンショスタットは内部に定電圧源を備え、電子部品で回路構成されており、電流値に拘らず一定の電圧を印加する端子と、一定の電圧を印加しながら流れる電流を測定する端子と、を有する。一般に、ポテンショスタットは、作用極ＷＥ、対向極ＣＥ、参照極ＲＥを有する三電極系で、参照極ＲＥに対する作用極ＷＥの電位を設定した値に常に一定に保つように制御するものである。マルチポテンショスタットは複数の作用極ＷＥを備えた電子機器である。本発明の実施形態では、マルチポテンショスタットの作用極Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の電位をそれぞれＶ１、Ｖ２、Ｖ３に予め定める。

本実施形態では、マルチポテンショスタットの利便性を活かし、次に説明するように作用極用入出力を分担させる。これにより動作確認が明瞭になる。なお、マルチポテンショスタットにある作用極を、第１の作用極Ｗ１、第２の作用極Ｗ２、第３の作用極Ｗ３とする。第１の作用極Ｗ１と第３の作用極Ｗ３を各々列電極１２及び行電極１１の電位印加専門端子として用いる。ここで、列電極１２に印加する電位をＶＣ，行電極１１に印加する電位をＶＲとする。一方、第２の作用極Ｗ２は特定の列電極１本に対し、第１の作用極Ｗ１と同じ電位ＶＣに設定し、流れる電流値の読み出しに利用する。マルチポテンショスタットの複数端子のうち電流値読出しは１チャンネルのみで行われることから、３極式のシングルポテンショスタット又は２極式電気化学測定系を用いてもよい。

ここで、列電極１２に印加する電位ＶＣと行電極１１に印加する電位ＶＲについて説明する。両基板１３,１４間に測定溶液を導入する際、化学種Ｒｅｄｏｘとして酸化体Ｏｘを共存させる場合、電位ＶＣは酸化体Ｏｘが還元されない電位に設定し、電位ＶＲは酸化体Ｏｘが十分還元される電位に設定する。例えば酸化体ＯｘがＦｅ（ＣＮ）_６ ^３−である場合、ＶＣ＝０．５Ｖ ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌ、ＶＲ＝０Ｖ ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌに設定するとよい。ここで、「ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌ」とは、参照極ＲＥとして銀塩化銀電極を用いていることを意味する。
因みに、Ｆｅ（ＣＮ）_６ ^{３−/４−}の標準酸化還元電位は＋０．２ Ｖ ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌ付近である。逆に、両基板１３,１４間に測定溶液を導入する際、化学種Ｒｅｄｏｘとして還元体Ｒｅｄを共存させる場合、電圧ＶＣは還元体Ｒｅｄが酸化されない電位に設定し、電圧ＶＲは還元体Ｒｅｄが十分酸化される電位に設定する。

処理部４０は、測定部３０としてのポテンショスタットへ接続するためのＡＤ／ＤＡボード４１と、制御プログラムを実行するコンピュータ４２と、で構成することができる。処理部４０は、コンピュータで制御プログラムを実行させることで、マルチポテンショスタットでそれぞれの端子に電位を印加し、所定の行電極１１及び／又は列電極１２に流れる電流値を記録することができる。

＜電気化学イメージング方法＞
処理部４０が制御プレグラムで実行する制御手順を説明しながら、電気化学測定装置に１よる電気化学イメージング方法について説明する。図３は処理部４０で実現されるタイムチャートであり、図４は処理部４０で実現される電気化学イメージング計測工程の前半のフローチャート、図５は処理部４０で実現される電気化学イメージング計測工程の後半のフローチャートである。なお、図４及び図５のフローチャートでは、一般的にｍ本×ｎ本の場合で示してあるが、以下の説明ではｍ＝ｎ＝１０の場合で説明する。
計測工程は、バックグランド電流測定を行う工程（ステップ１及びステップ２）と、前処理を行う工程（ステップ３）と、電気化学測定を行う工程（ステップ４）とからなる。

ステップ１では、全ての列電極Ｃ１〜Ｃ１０を第１の作用極Ｗ１と接続し、目的の電気化学反応が起きない電位Ｖ１（＝ＶＣ）を所定期間ｔ_ｐ、例えば２秒間印加する（ＳＴ１）。所定時間ｔ_ｐは過渡時間であり、各交差部における物質の濃度分布などを安定化させるために必要な時間である。

ステップ２では、先ずスイッチ２０としてのマルチプレクサにより、第２の列電極Ｃ２〜第１０の列電極Ｃ１０を第１の作用極Ｗ１に接続して電位Ｖ１を印加すると共に、第１の列電極Ｃ１を第２の作用極Ｗ２に接続して電位Ｖ２を印加して、第２の作用極Ｗ２に流れる電流の値を計測する（ＳＴ２−１）。次に、マルチプレクサにより、第１の列電極Ｃ１及び第３の列電極Ｃ３〜第１０の列電極Ｃ１０を第１の作用極Ｗ１に接続して電位Ｖ１を印加すると共に、第２の列電極Ｃ１を第２の作用極Ｗ２に接続し電位Ｖ２を印加して第２の作用極Ｗ２に流れる電流の値を計測する（ＳＴ２−２）。以下同様に、マルチプレクサにより、第ｊの列電極Ｃｊ以外の列電極を第１の作用極Ｗ１に接続すると共に、第ｊの列電極Ｃｊを第２の作用極Ｗ２に接続し電流値を計測することを、ｊ＝３から１ずつインクリーメントしてｊ＝１０まで行う（ＳＴ２−ｎ）。このステップ２においても、全ての行電極Ｒ１〜Ｒ１０は開回路状態とする。
この際、各電流読み出し時間を例えば２０ｍ秒とすると、列電極が１０本で１０チャンネルあるので、電流の読み出しには時間ｔ_ｓ＝２００ｍ秒を要する。
ここで、読出し電流値を各々のチャンネルのバックグラウンド電流と定義する。いま、第１の作用極Ｗ１と第２の作用極Ｗ２を同じ電位、即ちＶ１＝Ｖ２＝ＶＣとしているので、接続切換に伴う容量による電流その他のノイズはほとんど発生しない。

続いて、先ず、第１の行電極Ｒ１についてステップ３及びステップ４を行い、次に、第２の行電極Ｒ２についてステップ３及びステップ４を行い、順次、第ｉの行電極Ｒｉについてステップ３及びステップ４を、ｉ＝から１ずつインクリーメントしながら、ｉ＝１０になるまで行う。以下、ステップ３及びステップ４の処理について第１の行電極Ｒ１を例にとって説明する。

ステップ３では、スイッチ２０としてのマルチプレクサにより、第１の行電極Ｒ１を第３の作用極Ｗ３と接続して電位Ｖ３を印加し、第１〜第１０の列電極Ｃ１〜Ｃ１０は第１の作用極Ｗ１と接続して電位Ｖ１を印加する（ＳＴ３Ａ）。ステップ３の時間、すなわち、電極反応に付随して拡散現象を反映する過度的な電流が生じ定常状態に到るまでの時間を過渡時間ｔ_ｐと定義する。過渡時間ｔ_ｐは各交差部の状態安定化及び／又は前処理操作のために要する時間であり、格子デバイス１０の中に入れられた液体などの物質が、各列電極に順に電位が印加されることで、格子デバイス１０の行電極１１と列電極１２との各交差部にある物質の濃度分布を安定させる。過渡時間ｔ_ｐは例えば２秒程度である。なお、このステップ３では、第２の作用極Ｗ２と接続されていない行電極、例えば第１の行電極Ｒ１以外の行電極Ｒ２〜Ｒ１０は作用極Ｗ１と接続して電位Ｖ１を印加し、酸化還元反応が起きない状態である。

ステップ４では、先ず、スイッチ２０としてのマルチプレクサにより、第１の行電極Ｒ１のみを第３の作用極Ｗ３と接続して電位Ｖ３を印加し、かつ第２の列電極Ｃ２〜第１０の列電極Ｃ１０を第１の作用極Ｗ１と接続して電位Ｖ１を印加したまま、列電極のうち第１の列電極Ｃ１のみを第２の作用極Ｗ２と接続して電位Ｖ２を印加して、第１の列電極Ｃ１に流れる電流値を計測する（ＳＴ４Ａ−１）。次に、マルチプレクサにより、第１の行電極Ｒ１を第３の作用極Ｗ３と接続して電位Ｖ３を印加し、かつ第１の列電極Ｃ１及び第３の列電極Ｃ３〜第１０の列電極Ｃ１０を第１の作用極Ｗ１に接続して電位Ｖ１を印加したまま、列電極のうち第２の列電極Ｃ２のみを第２の作用極Ｗ２と接続して電位Ｖ２を印加して第２の列電極Ｃ２に流れる電流値を計測する（ＳＴ４Ａ−２）。以下、マルチプレクサにより、第１の行電極Ｒ１を第３の作用極Ｗ３と接続し、かつ第ｊの列電極Ｃｊ以外の全ての列電極を第１の作用極Ｗ１に接続したまま、第ｊの列電極Ｃｊのみを第２の作用極Ｗ２と接続し、第ｊの列電極Ｃｊに流れる電流値を計測することを、ｊ＝３から１ずつインクリーメントしてｊ＝１０まで行う（ＳＴ４Ａ−ｎ）。

このように、作用極Ｗ２を第１の列電極Ｃ１から第１０の列電極Ｃ１０まで連続的に切り換え、切り換え毎に電流値を計測して記録する。この際、各電流読出時間を例えば２０ｍ秒とすると、列電極が１０本で１０チャンネルであるので、全体として０．２秒を要する。そして、読み出した電流値をそれぞれのチャンネルのバックグランド電流から引き、真の値とする。このとき、第１の作用極Ｗ１と第２の作用極Ｗ２とは同じ電位、すなわち、Ｖ１＝Ｖ２＝ＶＣに設定してあるので、接続切り換えに伴う容量による電流その他のノイズはほとんど発生しない。

その後、第２の列電極Ｒ２から第１０の列電極Ｒ１０まで、ステップ３及びステップ４を同様に行う（ＳＴ３Ｂ，ＳＴ４Ｂ，・・・，ＳＴ３Ｍ、ＳＴ４Ｍ）。
以上の工程を経ることで、行電極１１と列電極１２の各交点における電流データを取得することができる。因みに、前述の例ではステップ１乃至ステップ４に要する時間は２２秒以内となる。なお、各ステップ３、各ステップ４では、一つの列電極１２に電位を順に印加するようにしているが、それ以外の列電極にも酸化還元反応が生じない電位Ｖ１を印加するようにしてもよい。

以上のようにステップ１〜ステップ４の工程により行電極１１と列電極１２との交差部近傍に存在する物質の電気化学反応状態を電流値として取り出すことができる。よって、交差部全てにおける電気化学反応状態を迅速にしかも複雑な手順を踏まずに測定することができる。これらの測定結果を処理部４０に備えられた表示画面に、表示プログラムを介してイメージ表示することができる。

以上説明したように、本発明の実施形態では、ｍ本の行電極１１とｎ本の列電極１２を直交かつ対向させて配置することで、ｍ×ｎ点の電気化学イメージングが行える。例えば、ｍ＝ｎ＝１０の場合、１０×１０＝１００点の計測を２２秒以内で完了して画像データが得られることになる。

本発明の実施形態による電気化学測定装置では、格子デバイスが独立した微小帯状電極を集積化した２枚の基板を対向させ、かつ、異なる基板上の微小帯状電極が直交するように構成されているので、各格子の交点で電気化学測定を行うことができる。格子の交点を逐次切り換え、各格子点の平面座標に対する電気化学応答を取得し、電気化学特性に基づく画像化を行うことができる。また、電気化学測定装置では、格子交点にて得られる電気化学応答は、電流、電位、またはインピーダンス変化であるが、エレクトロクロミズム、電気化学発光、電界発光、メモリー応答、センシング応答を観測することもできる。

格子デバイス１０は図２に示した場合に限らず、適宜変更することができる。以下、幾つか説明する。

＜格子デバイスの第１変形例＞
図６乃至図８は格子デバイスの第１変形例を示し、図６は模式的に示した平面図、図７（Ａ）は部分拡大図、（Ｂ）はＢ３−Ｂ３線に沿う断面図、図８（Ａ）はＢ１−Ｂ１線に沿う断面図、（Ｂ）はＢ２−Ｂ２線に沿う断面図である。なお、図６では、図７及び図８に示す絶縁基板５３、第１の絶縁膜５４、第２の絶縁膜５５は図示していない。
第１変形例は、行電極５１と列電極５２との各格子点がリング−ディスク型となっている点で、前述の基本形態とは異なる。第１変形例に係る格子デバイス５０は、ガラス基板などの絶縁基板５３と、ディスクアレイ行電極５１と、レジストなどで形成した第１の絶縁膜５４と、リングアレイ列電極５２と、第２の絶縁膜５５との積層構造を有する。すなわち、絶縁基板５３と、この絶縁基板５３上に形成された列電極５２と、列電極５２上に形成された第１の絶縁膜５４と、第１の絶縁膜５４上に形成された行電極５１と、行電極５１上に形成された第２の絶縁膜５５と、を備え、第１の絶縁膜５４、行電極５１及び第２の絶縁膜５５にそれぞれ大きさの異なる孔が同心円状に形成されてなる。これにより、生成捕捉実験測定系にて捕捉電極側で応答電流を観測することもできる。

具体的には、格子デバイス５０は、絶縁基板５３の上面に行方向に所定の間隔で列方向に延びて配列された列電極５２と、列電極５２同士の間を埋めながら列電極５２上に設けられ、かつ行方向及び列方向に各所定間隔でリング状の孔を有する第１の絶縁膜５４と、第１の絶縁膜５４上に設けられ、かつ列方向及び行方向に各所定間隔でリング状の孔を有する行電極５１と、行電極５１上に設けられ、かつ行方向及び列方向に各所定間隔でリング状の孔を有する第２の絶縁膜５５と、からなる積層構造を有する。ここで、第１の絶縁膜５４、列電極５２の層、第２の絶縁膜５５のそれぞれ格子部に形成される孔の大きさが順に大きくなり、図示する例では、第１の絶縁膜５４、列電極５２の層、第２の絶縁膜５５にそれぞれ同軸上に設けられる孔の直径をＤ１、Ｄ２、Ｄ３とすると、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３となる。例えば、行電極５１及び列電極５２を構成する電極の幅を１００μｍとし、行電極５１を構成する電極同士の間隔を２００μｍ、列電極５２を構成する電極同士の間隔を２００μｍとした場合、Ｄ１を３０μｍ、Ｄ２を５０μｍ、Ｄ３を８０μｍとする。このような積層構造を有する格子デバイス５０は、周知のリソグラフィー技術を用いて作製することができる。

第１変形例に係る格子デバイス５０では、少なくとも各格子に物質を配置し、行電極５１及び列電極５２に印加する電圧を調整することで、図７（Ａ）に示すように、行電極５１で還元体Ｒｅｄが電子を失って酸化体Ｏｘとなり、その下方で酸化体Ｏｘが電子を得て還元体Ｒｅｄとなってもよい。また、逆に、行電極５１で酸化体Ｏｘが電子を得て還元体Ｒｅｄとなり、その下方で還元体Ｒｅｄが電子を失って酸化体Ｏｘとなってもよい。行電極と列電極とを入れ換えて接続してもよい。
また、格子デバイス５０は、前述の基本形態と比較して定常状態に到までの遷移時間を短縮することができる。これは電極形状に基づく拡散形態の違いに起因し、微小ディスク型電極や微小リング電極において、定常電流が得られるまでに要する遷移時間が、微小帯状電極の場合と比較して大幅に短縮されることが理論式より導かれていることが根拠となっている。よって、プレコンディションタイムｔ_ｐを２秒よりも短縮することができる。

＜格子デバイスの第２変形例＞
図９及び図１０は格子デバイスの第２変形例を示し、図９（Ａ）は模式的に示した平面図、図９（Ｂ）は部分拡大図、図１０はＣ−Ｃ線に沿う断面図である。なお、図９（Ａ）では、図１０に示す第１の絶縁基板６３、第２の絶縁基板６４、絶縁膜６５は図示していない。第２変形例は、行電極６１と列電極６２との各格子点が変形リング−ディスク型となっている点、即ち格子点において、一方の電極がリング状であり、他方の電極がディスクすなわち円形平板電極となっている点で、基本形態とは異なっている。第２変形例の格子デバイス６０は、ガラス基板などの第１の絶縁基板６３上に、第１の絶縁基板６３側から上方に、帯状微小電極が列方向に並んだバンドアレイ型の列電極６２、絶縁膜６５、変形リング部６１Ｆが配線部６１Ａで連結して配置された変形リングアレイ型の行電極６１の３層構造からなる。すなわち、列電極６２は、列方向に延びる配線部６２Ａが行方向に所定の間隔を開けて設けられ、各配線部６２Ａには、行方向に所定の間隔を開けて張出電極部６２Ｂが形成されている。列電極６２は下側基板６３上に形成されている。一方、行電極６１は、行方向に延びる配線部６１Ａが列方向に所定の間隔を開いて設けられ、列間隔毎に、半円弧状電極部６１Ｂと、半円弧状電極部６１Ｂの両端に行方向に延びる第１の配線部６１Ｃ及び第２の配線部６１Ｄと、第１の配線部６１Ｃ及び第２の配線部６１Ｄの端部を列方向に接続する第３の配線部６１Ｅとで、構成される変形リング部６１Ｆを有する。変形リング部６１Ｆを有する行電極６１は、上側基板６４上で下側基板６３に対向するように形成されている。バンドアレイ状の列電極６２と変形リング部６１Ｆを有するアレイ状の列電極６２との間には絶縁膜６５が挿入配置されている。この絶縁膜６５には、各流路６６が列電極６２の配線部６２Ａに沿って、すなわち列方向に沿って行方向に所定の間隔を開けて画成され、各流路６６には各切欠き部６６Ａが列方向に所定の間隔で形成されている。

第２変形例に係るデバイスは、マトリックス状に配置された各セルにおいて、列方向の各流路６６に溶液が導入されて排出され、半円弧状の電極部６１Ｂと張出電極部６２Ｂとの間に電位差が印加され、半円弧状の電極部６１Ｂが捕捉電極として機能する。従って第２変形例に係る格子デバイス６０では、電気化学計測ができるのみならず、誘電泳動に基づく細胞、微粒子のマニピュレータにも適用することができる。第２変形例に係る格子デバイス６０では、流路６６と切欠き部６６Ａでなる試料補足用ウェルとを組み合わせることで、流路６６によるサンプルの導入及び導出機能と、試料補足用ウェルによる電気化学測定機能とを兼ね備える。従って、迅速、簡便、ハイスループットな多検体検査イメージング装置を提供することもできる。行電極と列電極とを入れ換えて接続してもよい。

＜格子デバイスの第３変形例＞
格子デバイスの第３変形例について説明する。図１１及び図１２は格子デバイスの第３変形例を示し、図１１は模式的に示した平面図、図１２（Ａ）は図１１の部分拡大図、（Ｂ）はＤ−Ｄ線に沿う断面図である。なお、図１１では、図１２（Ｂ）に示す第１の絶縁基板７３、第２の絶縁基板７４、絶縁膜７５は図示していない。第３変形例に係る格子デバイス７０は、ガラス基板などの絶縁基板７３上に、絶縁基板７３側から上方に、バンドアレイ型の列電極７２、絶縁膜７５、変形リングアレイ型の行電極７１の３層構造からなるので、第２変形例と同様、行電極７１と列電極７２との各格子点が変形リング−ディスク型となっている。しかし、第３変形例では、第１に一対の列電極７２Ａを挟んで配置される流路７６が左右対称である点、第２に行電極７１がトラック状のリング部７１Ａがその左右の半円弧電極部７１Ｂ,７１Ｃを連結している点、第３に流路７６で行方向に並んだ切欠き部７６Ａが水平断面視で三角形状をしている点において、第２変形例と異なっている。

以下、具体的に説明する。
バンドアレイ状の列電極７２は、各流路７６の左右内側に、下側基板７３上に列方向に延びて形成されている。
変形リングアレイ状の行電極７１は列方向に所定の間隔を開けて配置構成され、各行電極７１はトラック状のリング部７１Ａ同士が連接して構成され、各リング部７１Ａの行方向の寸法が流路７６の中心間の長さと同程度であり、各流路７６を構成する列方向の流路壁面間の距離より長い。各変形リングアレイ状の行電極７１は上側基板７４で下側基板７３と対向する面に形成されている。
バンドアレイ状の列電極７２と変形リングアレイ状の行電極７１との間、即ち、上側基板７４と下側基板７３との間には、列方向に流路７６を画成した絶縁膜７５が介在されている。
絶縁膜７５には、奇数番目の列電極７２と偶数番目の列電極７２との間で、それらの列電極７２間の寸法より幅の短い流路７６が画成され、その流路７６を構成する左右の両壁面に平面視で三角形状の窪み７６Ａが形成されている。この窪み７６Ａには列電極７２の一部が露出して露出電極として機能する。
ここで、流路６６の幅は例えば３０μｍであり、切欠き部６６Ａは行方向の幅が例えば３０μｍである。

第３変形例に係る格子デバイス７０は、第２変形例と同様、列方向の各流路７６に溶液が導入されて排出され、リング部７１Ａのうち半円弧状の電極と露出電極部７２Ｂとの間に電位差が生じ、半円弧状の電極部７１Ｂ,７１Ｃが捕捉電極として機能する。従って第３変形例に係る格子デバイス７０では、電気化学計測ができるのみならず、誘電泳動に基づく細胞、微粒子のマニピュレータにも適用することができる。第３変形例に係る格子デバイス７０では、流路７６と試料補足用ウェルとを組み合わせることで、流路７６によるサンプルの導入及び導出機能と、試料補足用ウェルによる電気化学測定機能とを兼ね備える。従って、迅速、簡便、ハイスループットな多検体検査イメージング装置を提供することができる。行電極と列電極を入れ換えて接続してもよい。

ここで、第１乃至第３変形例に係る格子デバイス５０、６０、７０では、その構造からレドックスサイクリングの効果はあまり期待できない。また、生成捕捉実験では、行電極、列電極のどちらを生成電極として用い、他方を捕捉電極として用いるか否かで、捕捉効率が大きく異なる可能性がある。この点については後の実施例で説明する。

＜格子デバイスの第４変形例＞
格子デバイスの第４変形例について説明する。図１３及び図１４は格子デバイスの第４変形例を示し、図１３（Ａ）は模式的に示した平面図、図１３（Ｂ）は部分拡大図、図１４（Ａ）はＥ１−Ｅ１線に沿う断面図、（Ｂ）はＥ２−Ｅ２線に沿う断面図、（Ｃ）はＦ−Ｆ線に沿う断面図、（Ｄ）はＧ−Ｇ線に沿う断面図である。なお、図１３では、図１４に示す絶縁基板８３、第１の絶縁膜８５、第２の絶縁膜８６は図示していない。

列方向には、各列電極８２が行方向に間隔を開けて絶縁基板８３上に設けられ、各第１の絶縁膜８５がぞれぞれ列電極８２を被覆するように列電極８２の幅より大きい幅で設けられている。行方向には、各行電極８１が列方向に間隔を開けて複数の第１の絶縁膜８５上を跨ぐように設けられ、各第２の絶縁膜８６がそれぞれ行電極８１を被覆する部分、すなわち被覆部を含んでなる。ここで、第２の絶縁膜８６は例えば１μｍ〜１００μｍの厚みの側壁で測定ユニット８７を画成する。

このように各格子では、第２の絶縁膜８６を外周壁とする測定ユニット８７が画成され、測定ユニット８７毎に列電極８２から枝電極部８２Ａを経由して第１の櫛型電極部８２Ｂが延設されて配置され、行電極８１から枝電極部８１Ａを経て第２の櫛型電極部８１Ｂが延設されて配置されている。第１の櫛型電極部８２Ｂは、複数の短い帯状電極部の一端が共通の接続部で接続され、枝電極部８２Ａを介して列電極８２に接続されている。第２の櫛型電極部８１Ｂも同じく複数の帯状電極部の一端が共通の電極部で接続され、枝電極部８１Ａを介して行電極８１に接続されている。枝電極部８２Ａは列電極リード層、枝電極部８１Ａは行電極−列電極接続金属層と呼んでも構わない。

第４変形例に係る格子デバイス８０では、格子状に配置されれている各測定ユニット８７が第２の絶縁膜８６で外周を画成され、測定ユニット８７毎に絶縁基板８３上に第１の櫛型電極部８２Ｂ及び第２の櫛型電極部８１Ｂの帯状電極が交互に配置されている。すなわち、第４変形例に係る格子デバイス８０では、前述の基本形態の格子デバイス１０における行列交差部の機能を交互櫛型アレイ電極に代用している点で、基本形態とは異なっている。第１の櫛型電極部８２Ｂと第２の櫛型電極部８１Ｂとによる交互櫛型アレイ電極構造が顕著なレドックスリサイクリングの効果を奏するので、電流増幅率を高くすることができる。すなわち、一対の櫛型電極をかみ合わせることで、一方の電極であるＧ（generator electrode）極で酸化したレドックス種を他方の電極であるＣ（collector electrode）極で還元させ、Ｇ極で拡散して戻るため、電流が増加する。また、Ｇ極とＣ極との間でリニアな濃度勾配が直ちに形成されるため、定常状態に達するまでの時間が短くなり、高速応答性を示す。また、第４変形例に係る格子デバイス８０では、図１３（Ａ）に示すように、行電極側、列電極側の何れの電極活性領域、すなわち絶縁性の被膜がされていない領域が、絶縁基板８３の面上という同一の平面上に設けられる。よって、これまで説明した基本形態及び第１乃至第３変形例とは異なり、電極活性領域である第１の櫛型電極部８２Ｂ及び第２の櫛型電極部８１Ｂが同一平面上に設けられている点で異なる。

ここで、基本形態及び第１乃至第４変形例に係る格子デバイスの作製について、説明する。何れのデバイス構造も、絶縁基板にはガラス基板が用いられ、絶縁膜にはレジスト膜が用いられ、行電極並びに列電極及びそれらに接続される電極部分にはＰｔ、Ａｕなどの金属層で形成される。格子デバイスは、電極および絶縁膜を積層し繰り返して行うことで、作製することができる。例えば図２に示す格子デバイス１０では、絶縁基板１３，１４にそれぞれ行電極１１又は列電極１２となる金属パターンを形成する。即ち、絶縁基板１３，１４にそれぞれ行電極１１又は列電極１２となる金属層を形成し、その金属層上にマスクを形成し、露光後リフトオフまたはエッチングして行電極１１又は列電極１２を形成する。これらの絶縁基板１３，１４同士を行電極１１と列電極１２とが対向するように両端部にスペーサーを配置することで、格子デバイス１０を作製することができる。図６〜８に示す格子デバイス５０では、絶縁基板５３に列電極５２をパターニングし、さらに第１の絶縁膜５４をパターニングし、行電極５１をパターニングし、第２の絶縁膜５５をパターニングして、逐次積層することで作製することができる。その他の格子デバイスも同様に作製することができる。なお、それぞれ電極パターンの形成には、金属層上にマスクを形成し、露光後エッチングして電極パターンを形成する方法を採用しても、予めレジストでマスクを形成し、その上に金属層を形成しレジストを溶かしてマスク状の金属層を除去するリフトオフ法を採用してもよい。

さらに実施例を説明しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１に示す電気化学測定装置１を構築した。その際、格子デバイス１０を以下の要領で作製した。ガラス基板１３にＰｔの微小帯状電極を１０本配列して行電極１１とし、同等のガラス基板１４にＰｔの微小帯状電極を１０本配列して列電極１２とした。その際、行電極１１及び列電極１２の厚さ、幅、間隔は、それぞれ１０ｎｍ，５０μｍ、２００μｍとした。行電極１１と列電極１２とが直交するように対向させ、ガラス基板間のギャップを両面接着性スペーサーにより１０μｍとした。

測定部３０として、北斗電工社製ＨＡ−１０１０ｍＭ４のマルチポテンショスタットを用い、スイッチ２０として、ナショナルインスツルメント社製ＮＩ ＰＸＩ−２５２９のマルチプレクサを用いた。処理部４０は、Ｌａｂｖｉｅｗ（登録商標）で制御プログラムを作成して実行により作成し、ＡＤ／ＤＡボードとしてナショナルインスツルメント社製のＮＩ ＰＸＩ−６７２３を介してマルチポテンショスタットに電位を加え、パーソナルコンピュータに電流値を取り込んで記録した。

＜サイクリックボルタンメトリ計測＞
サイクリックボルタンメトリ（cyclic voltammetry）計測を行った。
格子デバイス１０を４ｍＭ Ｋ_３Ｆｅ（ＣＮ）_６を含む０．１ＭＫＣｌ溶液中に入れ列電極のサイクリックボルタンメトリ計測を行った。第２の列電極Ｃ２のみ電位走査を行った場合と、第１から第１０の全ての列電極Ｃ１〜Ｃ１０に電位走査を行った場合との二通りを行った。計測条件は、何れの場合も、開始電位を０．５（Ｖ vs Ａｇ／ＡｇＣｌ）、折り返し電位を０．０（Ｖ ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌ）とし、電位操作速度を２０ｍＶ/秒とした。

図１５は、サイクリックボルタンメトリ計測の結果を示し、（Ａ）が第２の列電極Ｃ２のみ電位走査を行った場合、（Ｂ）が第１から第１０の全ての列電極Ｃ１〜Ｃ１０を電位走査した際の結果を示す図である。各図の横軸は電位（Ｖ）であり、縦軸は電流（Ａ）である。図１５（Ａ）、（Ｂ）の何れの場合も、ボルタモグラフに違いは見られなかった。このことから、各帯状電極の拡散層間にクロスオーバーが認められず、電流値のクロストークを無視できることが分かった。また、電位走査速度を２〜５０ｍＶ／秒でＣＶ計測を行っても電流値にクロストークを無視できることを確認した。

＜電極幅依存性について＞
微小帯状電極の電極幅依存性を調べた。基本形態の格子デバイス１０において、電極幅が３０μｍと１０μｍの場合を作製した。その他の寸法形状は前述と同じとした。電極幅が３０、１０μｍである場合、２枚の基板間距離が１０μｍの条件下でレドックスサイクリング（Redox Cycling）に起因する電流増幅は小さかった。一方、電極幅が１０μｍである場合、電流値が定常に達する時間が大きくなった。
電極幅を５０μｍとした場合、レドックスサイクリングにより得られる理論電流値Ｉ_ＳＳ ^theory定常電流が得られるまでの遷移時間τは１３０ｍｓである。次式で示される理論式は薄層セルモデルに拠った。
Ｉ_ＳＳ ^theory＝ｎＦＡＤＣ／ｈ
τ＝ｈ^２／Ｄ
但し、ｎは反応電子数、Ｆはファラデー定数（９５６００Ｃ／ｍｏｌ）、Ａは格子点での行電極と列電極とが交差する面積（ｃｍ^２）、Ｄはレドックス種の拡散係数（ｃｍ^２ｓ^-１）、Ｃはレドックス種の濃度（ｍｏｌ・ｃｍ^−３）、ｈは基板間距離（ｃｍ）である。
以上の結果から電極幅が小さい方がセンサの検出精度を高くできることが判明した。

＜応答電流の基板間距離依存性について＞
応答電流の基板間距離依存性を調べた。基板間距離ｈを３０μｍと１０μｍとし、その他の寸法は前述と同じである。第２の行電極Ｒ２に０．５Ｖ印加し、電圧印加開始から７秒後０．５Ｖから０Ｖへステップ状に変化させた。
図１６は、応答電流の基板間距離依存性の結果を示し、（Ａ）は基板間距離が３０μｍである場合、（Ｂ）は基板間距離が１０μｍである場合を示す。縦軸は電流値（１０^−７Ａ）であり、横軸は時間（秒）である。基板間距離ｈが３０μｍでも１０μｍの何れにおいても、印加電圧の変化時である約７秒後で電流増幅が生じ、その後、定常状態になった。基板間距離ｈが短いほど、電流増幅が顕著になり、定常に到るまでの時間も短くなる。これらの結果は、定性的に薄層セルモデルに従っていることが分かった。
基板間距離ｈが１０μｍである場合、プレコンディションタイムは２秒あれば十分であることが判った。

＜生成捕捉実験とそれによる電気化学イメージング＞
基本形態における格子デバイス１０の構造では、行電極基板と列電極基板とが対向し、行電極と列電極とが互いに交差しているため、感度、応答時間の観点から最適となる。また、応答電流値は、行電極及び列電極の幅、行電極基板と列電極基板との基板間距離などのパラメータに大きく依存する。レドックスサイクリング現象は電気化学的に可逆な化学種について顕著に観測される現象であるところ、電気化学的に不可逆な化学種も多く存在する。これに対し、生成‐捕捉実験は、化学種の電気化学的可逆−不可逆性によらず、より広い応用が期待される。

第１乃至第３変形例に係る格子デバイスを作製して、生成捕捉実験を行った。一例として、図１７に変形例３の格子デバイスの光学顕微鏡像を示す。図１７（Ａ）はその全体像、（Ｂ）はその部分拡大した像である。図１７から明確に流路と、リング部を連結した行電極が形成されていることが分かる。レドックス種としてＦｅ（ＣＮ）_６ ^３−やフェロセンメタノールを用いた。第１乃至第３変形例に係る何れのデバイスにおいても、行電極側、すなわちリング電極又は変形リング電極側を捕捉電極とすることで、より捕捉効率が上昇することを確認した。また、アルカリホスファターゼ固定化微粒子を用いて、実際にサンプルの導入及び導出と電気化学測定とが可能であることを確認した。これにより、生成捕捉実験系においても電気化学イメージングを行うことができ、生成捕捉実験が可能であることが分かった。

＜酵素固定化基板の検討＞
基本形態における格子デバイス１０を用いて酵素固定化基板を試みた。０．２ｍｇアルカリホスファターゼ（ＡＬＰ，６５ｕｎｉｔｓ／ｍｇ）、１ｍｇウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）、１５μリットル５％グルタルアルデヒド（ＧＡ）を混合し、ガラスキャピラリに充填して下側電極基板の格子点にスポットして固定化した。このとき、酵素膜厚は２μｍであった。
よって本発明の実施形態に係る格子デバイスを用いることで、酵素を固定化することができることが分かった。

＜電気化学イメージングその１＞
基本形態の格子デバイス１０を用いて電気化学イメージングを行った。
計測手順は前述の通りである。電気化学的可逆反応を許容する化学種であるレドックスが行電極基板と列電極基板との間に挟まれた溶液中に存在する場合、行電極と列電極とで構成される各格子点で、酸化還元反応が促進される。レドックスとして４ｍＭＦｅ（ＣＮ）_６ ^３−を共存させ、ＶＣ、ＶＲをそれぞれ０．５、０（Ｖ ｖｓ Ａｇ／ＡｇＣｌ）に設定した。下側の列電極基板には、あらかじめ、フォトレジストＳＵ‐８によりアルファベット“Ｅ”を描画した。

図１８は、実施例４に関する電気化学イメージングの結果を示す図である。行列の両電極交点がフォトレジストでブロックされている格子点では、レドックスサイクリング現象は起こらず、電流値が著しく減少した。フォトレジストでブロックされている格子点を（ｉ，ｊ）で示すと、（２,２）〜（１０,２）、（２,２）〜（２,９）、（２,５）〜（１０,５）、（２,９）〜（２,１０）である。
以上のことから、電気化学イメージングは明瞭であり、数十秒から数分の時間スケールであれば動画観測もできることが分かった。

酵素固定化基板を用いて電気化学イメージングを行った。
酵素として、アルカリホスファターゼを用いた。ｐＨ９．５という高ｐＨ溶液中に、ｐ−アミノフェニルリン酸（ＰＡＰＰ）を共存させた。酵素触媒反応により加水分解的に脱リン酸化が進行し、ｐ−アミノフェノール（ＰＡＰ）が生成する。ＰＡＰは＋０．３（Ｖ ｖｓ Ａｇ/ＡｇＣｌ）にて可逆的に酸化され、ｐ−キノンイミン（ＱＩ）が生成する。よって、ＶＣ、ＶＲをそれぞれ０、０．３（Ｖ ｖｓ Ａｇ/ＡｇＣｌ）に設定した。
列電極基板には、予め、アルカリホスファターゼ固定化膜をスポットした。

図１９は、酵素固定化基板を用いた電気化学イメージングの結果を示す図である。
酵素固定化膜のスポットが存在する行列の各電極交点では、特異的にレドックスサイクリングに起因して電流が増加する。よって、画像表示することができることが分かった。
以上のことから、酵素反応は、免疫測定を含むたんぱく質分析、核酸分析、細胞機能評価などに広く応用することができる。よって、本発明の波及効果は極めて大きい。

以上詳細に説明したように、基本型及び第１乃至第４変形例に係る格子デバイスでは、ｍ本の行電極とｎ本の列電極とを対向して直交させることにより、ｍ×ｎ個の電気化学イメージングを行うことができる。第１乃至第４変形例に係る格子デバイスにおいて、列電極と行電極との関係を逆にしても構わない。これらの変形例で示すように、格子デバイスを構成する各層の形状、サイズを工夫することで、より多岐にわたるデバイスデザインを提供することができる。
さらに、上述の電気化学イメージング方法では、格子デバイス中に入れる物質として還元体を選択した場合、行電極に酸化反応が生じるように電位を印加し、列電極でファラデー電流を測定してもよいし、逆に、列電極に酸化反応が生じるように電位を印加し、行電極でファラデー電流を測定してもよい。また、格子デバイス中に入れる物質として酸化体を選択した場合、行電極に還元反応が生じるように電位を印加し、列電極でファラデー電流を測定してもよいし、逆に、列電極に酸化反応が生じるように電位を印加し、行電極でファラデー電流を測定してもよい。

本発明の実施形態に係る電気化学イメージング装置の構成図である。 図１に示す格子デバイスを模式的に示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ線に沿う断面図である。 処理部で実現されるタイムチャートである。 処理部で実現される電気化学イメージング計測工程の前半のフローチャートである。 処理部で実現される電気化学イメージング計測工程の後半のフローチャートである。 格子デバイスの第１変形例を模式的に示した平面図である。 （Ａ）図６の部分拡大図である。（Ｂ）はＢ３−Ｂ３線に沿う断面図である。 （Ａ）はＢ１−Ｂ１線に沿う断面図、（Ｂ）はＢ２−Ｂ２線に沿う断面図である。 格子デバイスの第２変形例を示し、（Ａ）は模式的に示した平面図、（Ｂ）は部分拡大図である。 Ｃ−Ｃ線に沿う断面図である。 格子デバイスの第３変形例を模式的に示した平面図である。 （Ａ）は図１１の部分拡大図、（Ｂ）はＤ−Ｄ線に沿う断面図である。 格子デバイスの第４変形例を示し、（Ａ）は模式的に示した平面図、（Ｂ）は部分拡大図である。 （Ａ）はＥ１−Ｅ１線に沿う断面図、（Ｂ）はＥ２−Ｅ２線に沿う断面図、（Ｃ）はＦ−Ｆ線に沿う断面図、（Ｄ）はＧ−Ｇ線に沿う断面図である。 サイクリックボルタンメトリ計測の結果を示し、（Ａ）が第２の列電極Ｃ２のみ電位走査を行った場合、（Ｂ）が第１から第１０の全ての列電極Ｃ１〜Ｃ１０を電位走査した際の結果を示す図である。 応答電流の基板間距離依存性の結果を示し、（Ａ）は基板間距離が３０μｍである場合、（Ｂ）は基板間距離が１０μｍである場合を示す図である。 変形例３の格子デバイスの光学顕微鏡像について、（Ａ）はその全体像、（Ｂ）はその部分拡大した像である。 実施例４に関する電気化学イメージングの結果を示す図である。 酵素固定化基板を用いた電気化学イメージングの結果を示す図である。

符号の説明

１：電気化学測定装置
１０、５０、６０、７０、８０：格子デバイス
２０：スイッチ
３０：測定部
４０：処理部
４１：ＡＤ／ＤＡボード
４２：コンピュータ
１１,５１,６１,７１,８１：行電極
１２,５２,６２,７２,８２：列電極
１３,１４,５３,６３,６４,７３,７４,８３：基板
５４,８５：第１の絶縁膜
５５,８６：第２の絶縁膜
６１Ａ：配線部
６１Ｂ：半円弧状電極部
６１Ｃ：第１の配線部
６１Ｄ：第２の配線部
６１Ｅ：第３の配線部
６１Ｆ：変形リング部
６２Ａ：配線部
６２Ｂ：張出電極部
６５,７５：絶縁膜
６６,７６：流路
６６Ａ,７６Ａ：切欠き部
７１Ａ：リング部
７１Ｂ，７１Ｃ：電極部
７２Ａ：一対の列電極
７２Ｂ：露出電極部
８１Ａ，８２Ａ：枝電極部
８１Ｂ：第２の櫛型電極部
８２Ｂ：第１の櫛型電極部
８７：測定ユニット

Claims (18)

1. 複数の行電極と複数の列電極とを交差させて対向させた格子デバイスと、
   所定の定電位を印加する端子と所定の定電位を印加して流れる電流を測定する端子とを有する測定部と、
   上記測定部の各端子と上記行電極及び／又は列電極との接続を切り換えるスイッチと、
   上記測定部及びスイッチの制御を行い、上記複数の行電極、上記複数の列電極のうち何れか一方の電極を選択して所定電圧を印加しつつ、上記複数の行電極、上記複数の列電極のうち他方の各電極を順次選択しながら電気化学測定を行う処理部と、を備え、
   上記格子デバイスが上記複数の行電極、上記複数の列電極としてそれぞれ第１〜第ｍの行電極、第１〜第ｎの列電極を有し、
   上記処理部が、上記測定部及び上記スイッチを制御することで、第ｉの行電極と第１〜第ｎの列電極との各交差部に対する電気化学測定処理を、ｉが１からｍまで順に行い、
   上記電気化学測定処理は、第ｉの行電極に第１の所定電位を印加した状態で、第１〜第ｎの列電極のうち第ｊの列電極以外の列電極に第２の所定電位を印加し第ｊの列電極に第３の所定電位を印加しながら第ｊの列電極に流れる電流を測定する処理を、ｊが１からｎまで順に行う処理である、電気化学測定装置。
2. 前記処理部が、前記測定部及び前記スイッチを制御することで、前記電気化学測定処理の前に、第ｉの行電極と第１〜第ｎの列電極との各交差部に対する前処理を、ｉが１からｍまで順に行い、
   上記前処理は、第ｉの行電極に第１の所定電位を印加した状態で、第１〜第ｎの列電極に第２の所定電位を印加することにより、第ｉの行電極と第１〜第ｎの列電極との各交差部における物質の分布を定常化させる処理である、請求項１に記載の電気化学測定装置。
3. 複数の行電極と複数の列電極とを交差させて対向させた格子デバイスと、
   所定の定電位を印加する端子と所定の定電位を印加して流れる電流を測定する端子とを有する測定部と、
   上記測定部の各端子と上記行電極及び／又は列電極との接続を切り換えるスイッチと、
   上記測定部及びスイッチの制御を行い、上記複数の行電極、上記複数の列電極のうち何れか一方の電極を選択して所定電圧を印加しつつ、上記複数の行電極、上記複数の列電極のうち他方の各電極を順次選択しながら電気化学測定を行う処理部と、を備え、
   上記格子デバイスが上記複数の行電極、上記複数の列電極としてそれぞれ第１〜第ｍの行電極、第１〜第ｎの列電極を有し、
   上記処理部が、上記測定部及び上記スイッチを制御することで、第１〜第ｍの行電極と第ｊの列電極との各交差部に対する電気化学測定処理を、ｊが１からｎまで順に行い、
   上記電気化学測定処理は、第ｊの列電極に第１の所定電位を印加した状態で、第１〜第ｍの行電極のうち第ｉの行電極以外の行電極に第２の所定電位を印加し第ｉの行電極に第３の所定電位を印加しながら第ｉの行電極に流れる電流を測定する処理を、ｉが１からｍまで順に行う処理である、電気化学測定装置。
4. 前記処理部が、前記測定部及び前記スイッチを制御することで、前記電気化学測定処理の前に、第１〜第ｍの行電極と第ｊの列電極との各交差部に対する前処理を、ｊが１からｎまで順に行い、
   上記前処理は、第ｊの列電極に第１の所定電位を印加した状態で、第１〜第ｍの行電極に第２の所定電位を印加することにより、第ｊの列電極と第１〜第ｍの行電極との各交差部における物質の分布を定常化させる処理である、請求項３に記載の電気化学測定装置。
5. 前記処理部は、前記スイッチにより前記行電極と前記列電極との交差部を逐次切り換える度に該交差部における電流読み出しを１ｍ秒〜１０秒の範囲の時間で行い、
   前記各交差部の前記前処理を８０ｍ秒〜１０秒の範囲の時間で行う、請求項２又は４に記載の電気化学測定装置。
6. 前記行電極及び前記列電極のそれぞれの電極間隔が電極幅の１倍〜１０倍の範囲である、請求項に１又は３に記載の電気化学測定装置。
7. 前記行電極及び前記列電極が１０μｍ〜３００μｍの範囲の電極幅を有する、請求項６に記載の電気化学測定装置。
8. 前記格子デバイスは、前記行電極、前記列電極をそれぞれ２本以上５００本以内備える、請求項１又は３に記載の電気化学測定装置。
9. 前記格子デバイスは、前記行電極を有する第１の基板と、前記列電極を有する第２の基板と、上記第１の基板と上記第２の基板との間隔を保つスペーサーとで構成されている、請求項１又は３に記載の電気化学測定装置。
10. 前記格子デバイスは、前記列電極を有する第１の基板と、前記行電極を有する第２の基板と、上記第１の基板と上記第２の基板との間隔を保つスペーサーとで構成されている、請求項１又は３に記載の電気化学測定装置。
11. 前記格子デバイスには前記列電極又は前記行電極に沿って流路が画成されている、請求項１又は３に記載の電気化学測定装置。
12. 前記行電極、前記列電極の何れか一方の電極は、前記列電極との交差部毎に配置されるリング部を連結部で接続して構成されている、請求項１又は３に記載の電気化学測定装置。
13. 前記行電極、前記列電極の何れか一方の電極は、横長状のリング部を連結して構成されている、請求項１又は３に記載の電気化学測定装置。
14. 前記格子デバイスは、前記行電極と前記列電極とで画成される測定ユニット毎に、該行電極に電気的に接続される櫛型電極部と、該列電極に電気的に接続されている櫛型電極部とが対向して配置されてなる、請求項１又は３に記載の電気化学測定装置。
15. 前記格子デバイスは、基板と、この基板上に形成された前記列電極と、該列電極上に形成された第１の絶縁膜と、該第１の絶縁膜上に形成された前記行電極と、該行電極上に形成された第２の絶縁膜と、を備え、上記第１の絶縁膜、前記行電極及び前記第２の絶縁膜に大きさの異なる複数の孔が同心円状に形成されてなる、請求項１又は３に記載の電気化学測定装置。
16. 前記格子デバイスは、基板と、この基板上に形成された前記行電極と、該行電極上に形成された第１の絶縁膜と、該第１の絶縁膜上に形成された前記列電極と、該列電極上に形成された第２の絶縁膜と、を備え、上記第１の絶縁膜、前記行電極及び前記第２の絶縁膜に大きさの異なる複数の孔が同心円状に形成されてなる、請求項１又は３に記載の電気化学測定装置。
17. 前記スイッチはマルチプレクサである、請求項１又は３に記載の電気化学測定装置。
18. 前記測定部は、マルチポテンショスタット、三極式電気化学測定装置、二極式電気化学測定装置の何れかである、請求項１又は３に記載の電気化学測定装置。