JP7151063B2 - 細胞培養装置 - Google Patents

Description

本発明は、細胞培養装置に関する。

近年、医薬品の生産や、遺伝子治療、再生医療、免疫療法等の分野において、細胞や組織などを人工的な環境下で効率良く大量に培養することが求められている。

シャーレで細胞を培養する場合、細胞の出来具合がシャーレごとに異なるため、顕微鏡などで細胞の状態を確認する工程が必要となる。この確認作業に手間がかかるため、効率のよい確認方法が望まれている。

例えば、複数のサンプルをインキュベータ（温度を一定に保つ装置）に入れ、ある時間間隔ごとにシャーレを取り出し、光学顕微鏡でシャーレを観察し、細胞が増殖する状態を確認する。その際、固体ばらつきを確認しながらある飽和状態になるまで、細胞の状態を複数回確認してから次の工程に進むというプロセスが存在する。

しかしながら、顕微鏡観察では、リアルタイムで細胞を観察できないため、最良な継代のタイミングを逃すこともある。最良な継代のタイミングを得るために、顕微鏡で細胞を観察する回数を増やすと、観察の手間がかかるとともに、ウイルスや菌へ感染、及びコンタミネーションのリスクが高まってしまう。

近年では、工程数削減及びコンタミネーションなどを防ぐために、タイムラプス機能を搭載したカメラで細胞を撮影する手法も存在する。カメラ撮影された画像を観察することで、観察工程の効率を向上できる。しかしながら、カメラ撮影では、観察できる細胞数（シャーレの数）に限界がある。また、カメラ撮影には、カメラとシャーレとの間にある程度の距離が必要である。よって、できるだけ同時に多くのシャーレを観察するには、装置が大型化してしまう。また、シャーレを可動する機構を追加すると、装置の構造が複雑化してしまう。これにより、装置のコストが高くなってしまう。

特開２０００－１６６５３６号公報 特開２００９－１６２７０８号公報

本発明は、細胞の状態を効率よく確認できる、かつコンタミネーションを抑制できる細胞培養装置を提供する。

本発明の一態様に係る細胞培養装置は、第１細胞培養素子と、前記第１細胞培養素子の上方に配置された第２細胞培養素子とを具備する。前記第１及び第２細胞培養素子の各々は、面状の平行光を下側に向けて出射する光源素子と、前記光源素子の上方に配置され、細胞培養用のシャーレが載置され、前記シャーレを透過した光の強度を検知する複数の検知素子を備えるセンサ基板と、前記光源素子と前記センサ基板との間に配置され、前記光源素子及び前記センサ基板に電気的に接続され、前記光源素子を駆動する第１駆動回路と、前記センサ基板を駆動する第２駆動回路とを備える回路基板とを具備する。前記第１細胞培養素子のセンサ基板は、前記第２細胞培養素子の光源素子から出射された光を受ける。

本発明の一態様に係る細胞培養装置は、面状の平行光を上側に向けて出射する光源素子と、前記光源素子の上方に配置され、細胞培養用のシャーレが載置され、前記光源素子からの光を透過し、前記シャーレ内の細胞によって反射された光の強度を検知する複数の検知素子を備えるセンサ基板と、前記光源素子の下方に配置され、前記光源素子及び前記センサ基板に電気的に接続され、前記光源素子を駆動する第１駆動回路と、前記センサ基板を駆動する第２駆動回路とを備える回路基板とを具備する。

本発明によれば、細胞の状態を効率よく確認できる、かつコンタミネーションを抑制できる細胞培養装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る細胞培養装置の概略図。 本発明の第１実施形態に係る細胞培養装置の概略図。 図２に示した棚の平面図。 細胞培養素子の概略図。 細胞培養素子の平面図及びブロック図。 図５のＡ－Ａ´線に沿った細胞培養素子の断面図。 光センサ基板の回路図。 図７に示した光検知素子の断面図。 細胞培養の状態を確認するためのシステムの一例を示す概略図。 細胞培養装置の動作を説明するフローチャート。 細胞培養時における細胞培養素子の様子を説明する概略図。 測定時における細胞培養素子の様子を説明する概略図。 光センサ基板の測定動作を説明するタイミングチャート。 光センサ基板の光蓄積動作を説明する模式図。 光センサ基板の読み出し動作を説明する模式図。 本発明の第２実施形態に係る細胞培養素子の概略図。 細胞培養素子の平面図及びブロック図。 図１７のＡ－Ａ´線に沿った細胞培養素子の断面図。 光センサ基板による光検知動作を説明する概略図。 本発明の第３実施形態に係る細胞培養素子の断面図。 本発明の第４実施形態に係る細胞培養素子の平面図及びブロック図。 図２１のＡ－Ａ´線に沿った細胞培養素子の断面図。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。

［第１実施形態］
［１］ 細胞培養装置の構成
図１及び図２は、本発明の第１実施形態に係る細胞培養装置１０の概略図である。細胞培養装置１０は、インキュベータ、又はＣＯ_２インキュベータとも呼ばれる。細胞培養装置１０は、機器を収める筐体１１、扉１２、透明な小扉１３、表示部１４、複数のスライドレール（ブラケット）１５、複数の棚１６、及び加湿トレイ１７などを備える。

扉１２は、筐体１１の内部を密封する。扉１２及び筐体１１にはそれぞれ、密封性を向上するために、互いの接触部分にパッキンが設けられる。

小扉１３は、扉１２の内側に配置される。小扉１３は、アクリルなどの透明材料から構成される。小扉１３は、扉１２の開閉時に、庫内環境が急激に変化するのを抑制する機能を有する。ユーザは、小扉１３を閉じた状態でも、庫内を観察することができる。

各棚１６には、細胞を培養するためのシャーレ（ペトリディッシュ）などが載置される。スライドレール１５は、１つの棚１６に対して２個ずつ設けられ、２個のスライドレールは、棚１６を両側から支える。

表示部１４は、庫内の情報を表示する。表示部１４に表示される情報としては、温度、ＣＯ_２濃度、及び湿度などが挙げられる。加湿トレイ１７には、加湿用水が入れられる。

細胞培養装置１０は、細胞培養に好適な温度（例えば、３７度）に維持されるように温度調整されるとともに、所定の二酸化炭素濃度（例えば、５％）を維持するようにガス濃度調整される。筐体１１の上部には、温度、ＣＯ_２濃度、及び湿度などを制御するための機器、センサ、及び制御回路（図示せず）などが設けられる。

図３は、図２に示した棚１６の平面図である。棚１６は、外枠１６Ａ、網１６Ｂ、及び複数の内枠１６Ｃから構成される。棚１６（外枠１６Ａ、網１６Ｂ、及び複数の内枠１６Ｃ）は、抗菌作用を有する金属、又は抗菌処理された金属から構成される。

外枠１６Ａは、その外形が庫内の幅及び奥行きに合わせて設定される。

複数の内枠１６Ｃはそれぞれ、開口部１６Ｄを有する。内枠１６Ｃ上には、後述する細胞培養素子２０が載置される。内枠１６Ｃの外形は、細胞培養素子２０のサイズより若干小さく設定される。図３では、簡略化のために、４個の内枠１６Ｃ（４個の開口部１６Ｄ）を例示しているが、開口部１６Ｄの数は任意に設定可能である。開口部１６Ｄの数は、１つの棚１６に載せることが可能な細胞培養素子２０の数に対応する。

網１６Ｂは、外枠１６Ａと複数の内枠１６Ｃとを物理的に接続する。外枠１６Ａ及び内枠１６Ｃの厚さは、網１６Ｂの厚さより厚い。棚１６の主要部を網１６Ｂで構成することで、庫内の空気が循環しやすくなり、庫内環境を均一にできる。

［２］ 細胞培養素子２０の構成
次に、細胞培養素子２０の構成について説明する。図４は、細胞培養素子２０の概略図である。

細胞培養素子２０は、図３に示した棚１６に載置される。細胞培養素子２０は、細胞培養に使用される光を供給するための光源素子２１を備える。光源素子２１は、細胞培養素子２０の最下層に配置され、下に向けて光を出射する。棚１６に設けられた開口部１６Ｄは、第１細胞培養素子の光源素子２１から出射された光を、第１細胞培養素子の下方に配置された第２細胞培養素子に供給するために設けられる。

図５は、細胞培養素子２０の平面図及びブロック図である。図６は、図５のＡ－Ａ´線に沿った細胞培養素子２０の断面図である。細胞培養素子２０は、光源素子２１、回路基板２２、光センサ基板２３、配線部２４、２５、下側ケース２６、上側ケース２７、固定部材２８－１、２８－２、２８－３、及びバネ２９を備える。

光源素子２１は、平面ライトで構成される。光源素子２１は、面光源として機能し、所定の領域に面状の平行光を照射することが可能である。光源素子２１は、例えば白色光を発生する。光源素子２１は、複数の白色ＬＥＤを備える。白色ＬＥＤは、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、及び青（Ｂ）のＬＥＤを組み合わせて構成される。なお、白色光以外の色の光を用いることも可能である。本実施形態では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、又は青（Ｂ）の光を使用してもよい。色の選択は、細胞の状態を確認するのに最適になるように行われる。

光センサ基板２３上には、細胞（細胞塊）が入れられたシャーレ３０が載置される。光センサ基板２３は、複数の光検知素子を駆動するドライバ２３Ａを備える。光センサ基板２３の具体的な構成については後述する。

下側ケース２６及び上側ケース２７は、光センサ基板２３を収容する。下側ケース２６及び上側ケース２７の外形は、四角形である。下側ケース２６及び上側ケース２７は、それらの側部に、配線部２５を通すための開口部を有する。上側ケース２７は、下側ケース２６に被せられ、上側ケース２７と下側ケース２６とは着脱可能なように互いに固定される。上側ケース２７は、ドライバ２３Ａを覆うように構成され、ドライバ２３Ａを遮光する機能も有する。上側ケース２７は、その上部に、シャーレ３０を差し込むための開口部を有する。下側ケース２６及び上側ケース２７は、例えばステンレスなどの金属から構成される。

固定部材２８－１、２８－２、２８－３は、上側ケース２７上に接着される。固定部材２８－１、２８－２、２８－３は、上側ケース２７と一体で構成してもよい。固定部材２８－１、２８－２は、シャーレ３０を固定する。固定部材２８－１、２８－２は、全体として四角形を有する。固定部材２８－１は、Ｕ字形状を有する。固定部材２８－２は、ライン形状を有し、固定部材２８－１を一方から塞ぐように配置される。固定部材２８－２は、可動式であり、シャーレ３０を一方向から押す機能を有する。このために、固定部材２８－２には、バネ２９が取り付けられる。バネ２９の他端は、固定部材２８－３に固定される。固定部材２８－１、２８－２、２８－３は、抗菌作用を有する金属、又は抗菌処理された金属から構成される。

回路基板２２は、コネクタ２２Ａ、センサ駆動回路２２Ｂ、ライト駆動回路２２Ｃ、信号転送回路２２Ｄ、電源回路２２Ｅ、制御回路２２Ｆ、及び記憶部２２Ｇを備える。コネクタ２２Ａは、配線部２５に接続される。

センサ駆動回路２２Ｂは、光センサ基板２３の動作を制御する。ライト駆動回路２２Ｃは、光源素子２１の動作を制御する。

信号転送回路２２Ｄは、センサ駆動回路２２Ｂによって読み出された信号（データ）を外部の情報処理装置へ転送する。信号転送回路２２Ｄは、例えば、ＭＩＰＩ（Mobile Industry Processor Interface）で構成される。

電源回路２２Ｅは、外部電源を受け、この外部電源を用いて、複数種類の電圧を生成する。電源回路２２Ｅは、回路基板２２内の各モジュールに所望の電圧を供給する。

制御回路２２Ｆは、センサ駆動回路２２Ｂ、ライト駆動回路２２Ｃ、及び信号転送回路２２Ｄの動作を制御する。記憶部２２Ｇは、制御回路２２Ｆの動作に必要な各種データを格納する。記憶部２２Ｇは、揮発メモリ、及び不揮発性メモリを備える。

光源素子２１と回路基板２２とは、配線部２４により電気的に接続される。光センサ基板２３と回路基板２２とは、配線部２５により電気的に接続される。配線部２５は、例えばフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ：flexible printed circuit）から構成される。なお、図５は、光源素子２１、回路基板２２、及び光センサ基板２３を引き延ばして示している。実際には、光源素子２１と回路基板２２とは、配線部２４を介して折り畳まれ、回路基板２２と光センサ基板２３とは、配線部２５を介して折り畳まれる。

光源素子２１と回路基板２２とは、例えば透明な接着材で接着される。回路基板２２と下側ケース２６とは、例えば透明な接着材で接着される。

［３］ 光センサ基板２３の構成
次に、光センサ基板２３の構成について説明する。図７は、光センサ基板２３の回路図である。光センサ基板２３は、光検知素子アレイ４０、複数のキャパシタ４２、複数のトップゲート線ＴＧＬ、複数のボトムゲート線ＢＧＬ、複数の信号線ＤＬ、及び複数の信号線ＳＬ、ボトムゲートドライバ４３、トップゲートドライバ４４、スイッチング素子４６、パラレル／シリアル変換回路４７、バッファ４８、及び端子４９を備える。

光検知素子アレイ４０は、マトリクス状に配置された複数の光検知素子４１を備える。なお、図７には、４行４列の光検知素子４１を例示しているが、実際には、より多くの光検知素子４１が配置される。

光検知素子４１は、ダブルゲート構造（トップゲート電極及びボトムゲート電極）を有するＴＦＴ（Thin Film Transistor）である。光検知素子４１のボトムゲート電極は、１本のボトムゲート線ＢＧＬに接続され、そのトップゲート電極は、１本のトップゲート線ＴＧＬに接続され、そのドレイン電極は、１本の信号線ＤＬに接続され、そのソース電極は、１本の信号線ＳＬに接続される。全ての信号線ＳＬには、接地電圧Ｖｓｓが印加される。

１つのキャパシタ４２は、一列の光検知素子４１に対応して設けられる。キャパシタ４２の第１電極は、信号線ＤＬに接続され、その第２電極には、接地電圧Ｖｓｓが印加される。キャパシタ４２は、信号線ＤＬの配線容量（寄生容量）で構成してもよい。

ボトムゲートドライバ４３は、複数のボトムゲート線ＢＧＬに接続される。ボトムゲートドライバ４３は、複数のボトムゲート線ＢＧＬに電圧を印加する。

トップゲートドライバ４４は、複数のトップゲート線ＴＧＬに接続される。トップゲートドライバ４４は、複数のトップゲート線ＴＧＬに電圧を印加する。

パラレル／シリアル変換回路４７は、複数の信号線ＤＬに接続される。パラレル／シリアル変換回路４７は、複数の信号線ＤＬから受けたパラレル信号をシリアル信号に変換する。

スイッチング素子４６の一端は、電圧源４５に接続され、その他端は、パラレル／シリアル変換回路４７に接続される。電圧源４５は、プリチャージ電圧Ｖｐｇを発生する。電圧源４５は、電源回路２２Ｅに含まれる。

バッファ４８の一端は、パラレル／シリアル変換回路４７に接続され、その他端は、端子４９に接続される。端子４９は、信号Ｖｏｕｔを出力する。

次に、光検知素子４１の構造について説明する。図８は、図７に示した光検知素子４１の断面図である。透明基板５０は、ガラス基板などから構成される。透明基板５０上には、ボトムゲート電極５１が設けられる。ボトムゲート電極５１は、ボトムゲート線ＢＧＬに電気的に接続される。

透明基板５０及びボトムゲート電極５１上には、絶縁層５２が設けられる。絶縁層５２上には、半導体層５３が設けられる。半導体層５３としては、例えばアモルファスシリコンが用いられる。

半導体層５３上には、ブロッキング層５４が設けられる。ブロッキング層５４は、半導体層５３を保護する機能を有し、ドレイン電極及びソース電極を加工する際のエッチングストッパーとして用いられる。

半導体層５３上には、ブロッキング層５４を介して互いに離間したｎ^＋型半導体層５５、５６が設けられる。ｎ^＋型半導体層５５、５６は、高濃度のｎ型不純物が注入された半導体層である。ｎ^＋型半導体層５５、５６上にはそれぞれ、ドレイン電極５７及びソース電極５８が設けられる。ドレイン電極５７は、信号線ＤＬに電気的に接続される。ソース電極５８は、信号線ＳＬに電気的に接続される。

絶縁層５２、ブロッキング層５４、ドレイン電極５７、及びソース電極５８上には、絶縁層５９が設けられる。

絶縁層５９上には、トップゲート電極６０が設けられる。トップゲート電極６０は、トップゲート線ＴＧＬに電気的に接続される。絶縁層５９及びトップゲート電極６０上には、絶縁層６１が設けられる。

絶縁層６１上には、表面アース電極６２が設けられる。表面アース電極６２は、接地される。表面アース電極６２は、光センサ基板２３の表面に発生又は印加された静電気などを放電させる機能を有する。

ボトムゲート電極５１、ドレイン電極５７、及びソース電極５８としては、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、及びタングステン（Ｗ）のいずれか、又はこれらの１種類以上を含む合金が用いられる。トップゲート電極６０及び表面アース電極６２は、透明電極から構成され、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。絶縁層５２、５９、６１、及びブロッキング層５４は、透明な絶縁材料から構成され、例えばシリコン窒化物（ＳｉＮ）が用いられる。

［４］ 細胞培養装置１０の動作
次に、細胞培養装置１０の動作について説明する。

本実施形態の細胞培養装置１０は、シャーレ３０を目視で確認することなく、シャーレ３０内の細胞の状態を確認できる。すなわち、細胞培養装置１０の扉１２を開閉することなく、シャーレ３０内の細胞の状態を確認することができる。

図９は、細胞培養の状態を確認するためのシステムの一例を示す概略図である。細胞培養装置１０は、配線部７０を介して情報処理装置７１に接続される。情報処理装置７１は、例えばパーソナルコンピュータから構成される。細胞培養装置１０の信号転送回路２２Ｄから出力されるデータは、パーソナルコンピュータ７１に送信される。パーソナルコンピュータ７１は、細胞培養装置１０から送信されたデータを処理し、処理結果をディスプレイ７２に画像７３として表示させる。画像７３は、シャーレ３０内の細胞の様子と同様の内容である。ユーザは、ディスプレイ７２に表示された画像、すなわち細胞培養の状態が認識できる画像をリアルタイムで視認できる。

図１０は、細胞培養装置１０の動作を説明するフローチャートである。

ユーザは、パーソナルコンピュータ７１に、最大時間ＴＭＡＸとして所定時間、例えば１０００時間（ｈｒ）を入力する。これに応答して、制御回路２２Ｆは、記憶部２２Ｇに“ＴＭＡＸ＝１０００ｈｒ”を記憶させる（ステップＳ１００）。

続いて、ユーザは、パーソナルコンピュータ７１に、時間間隔ΔＴとして所定時間、例えば１０ｈｒを入力する。これに応答して、制御回路２２Ｆは、記憶部２２Ｇに“ΔＴ＝＝１０ｈｒ”を記憶させる（ステップＳ１０１）。

続いて、制御回路２２Ｆは、時間Ｔ＝０ｈｒに設定する（ステップＳ１０２）。続いて、制御回路２２Ｆは、パラメータｎ＝０に設定する（ステップＳ１０３）。続いて、制御回路２２Ｆは、“ｎ＝ｎ＋１”を演算する（ステップＳ１０４）。

続いて、ライト駆動回路２２Ｃは、光源素子（ライト）２１をオフする（ステップＳ１０５）。続いて、センサ駆動回路２２Ｂは、光センサ基板（センサ）２３をオフする（ステップＳ１０６）。

その後、細胞の培養が進行する。図１１は、細胞培養時における細胞培養素子２０の様子を説明する概略図である。図１１では、垂直方向に並んだ２個の細胞培養素子２０を抽出して示している。細胞培養時、光源素子２１がオフ、光センサ基板２３がオフである。

続いて、制御回路２２Ｆは、時間Ｔ＝ｎ・ΔＴが経過したか否かを判定する（ステップＳ１０７）。制御回路２２Ｆは、時間計測用のタイマーを備えている。時間Ｔ＝ｎ・ΔＴが経過した場合、制御回路２２Ｆは、光源素子２１をオンし（ステップＳ１０８）、光センサ基板２３をオンする（ステップＳ１０９）。

図１２は、測定時における細胞培養素子２０の様子を説明する概略図である。図１２では、垂直方向に並んだ２個の細胞培養素子２０を抽出して示している。測定時、光源素子２１がオン、光センサ基板２３がオンである。図１２に示すように、本実施形態では、垂直方向に並んだ２個の細胞培養素子２０のうち、上側の細胞培養素子２０に含まれる光源素子２１が、下側の細胞培養素子２０に載置されたシャーレ３０に光を照射する。測定時、光センサ基板２３は、光源素子２１からシャーレ３０を透過した光の強度を測定する。光センサ基板２３の測定動作の詳細については後述する。

続いて、信号転送回路２２Ｄは、光センサ基板２３により測定されたデータをパーソナルコンピュータ７１に転送する（ステップＳ１１０）。

続いて、制御回路２２Ｆは、時間Ｔが最大時間ＴＭＡＸを超えたか否かを判定する（ステップＳ１０９）。時間Ｔが最大時間ＴＭＡＸを超えていない場合、ステップＳ１０４に戻り、細胞培養と測定動作とを繰り返す。

ステップＳ１１１において、時間Ｔが最大時間ＴＭＡＸを超えた場合、制御回路２２Ｆは、光源素子２１をオフし（ステップＳ１１２）、光センサ基板２３をオフする（ステップＳ１１３）。以上により、最大時間ＴＭＡＸ内において、シャーレの観察が複数回行われる。

（光センサ基板２３の測定動作）
次に、光センサ基板２３の測定動作について説明する。図１３は、光センサ基板２３の測定動作を説明するタイミングチャートである。

まず、リセット動作が行われる。時刻ｔ０において、トップゲートドライバ４４は、トップゲート電極６０に正電圧、例えば＋１５Ｖを印加する。これにより、半導体層５３とブロッキング層５４との界面付近に蓄積された正孔が、トップゲート電極６０と反対方向に移動する。

続いて、光蓄積動作が行われる。図１４は、光センサ基板２３の光蓄積動作を説明する模式図である。図１４では、１つの光検知素子４１の動作を示しており、パラレル／シリアル変換回路４７及びバッファ４８の図示を省略している。

トップゲートドライバ４４は、トップゲート電極（ＴＧ）６０に負電圧、例えば－１５Ｖを印加する。半導体層５３に光が入射すると、半導体層５３内に電子－正孔対が発生する。この時、負電圧が印加されたトップゲート電極６０により、正孔が半導体層５３とブロッキング層５４との界面付近に引き寄せられる。光強度に応じて、半導体層５３とブロッキング層５４との界面付近に引き寄せられる正孔の数が変化する。期間ｔ１～ｔ２は、光蓄積期間である。

続いて、プリチャージ動作が行われる。時刻ｔ２において、センサ駆動回路２２Ｂは、スイッチング素子４６をオンする。電圧源４５は、プリチャージ電圧Ｖｐｇを発生する。プリチャージ電圧Ｖｐｇは、例えば＋５Ｖである。これにより、電圧源４５からキャパシタ４２が充電され、キャパシタ４２は、概略＋５Ｖを保持する。続いて、時刻ｔ３において、センサ駆動回路２２Ｂは、スイッチング素子４６をオフする。

続いて、読み出し動作が行われる。図１５は、光センサ基板２３の読み出し動作を説明する模式図である。時刻ｔ４において、ボトムゲートドライバ４３は、ボトムゲート電極（ＢＧ）５１に正電圧、例えば＋１５Ｖを印加する。半導体層５３内の電子は、ボトムゲート電極５１側に引き寄せられる。光強度に応じて、ボトムゲート電極５１側に引き寄せられる電子の数が変化する。

例えば、図１５に示すように、半導体層５３に入射する光の強度が大きい場合、半導体層５３の界面には、多くの電子が引き寄せられる。これにより、ドレイン電極５７とソース電極５８との間を流れる電流が大きくなり、キャパシタ４２に蓄積された電荷は放電される。これにより、端子４９の電圧Ｖｏｕｔは、概略０Ｖになる。

一方、半導体層５３に入射する光の強度が小さい場合、半導体層５３の界面に引き寄せられる電子は少ない。これにより、キャパシタ４２に蓄積された電荷はあまり放電されず、端子４９の電圧Ｖｏｕｔは、＋５Ｖからそれ程低下しない。

続いて、時刻ｔ５において、ボトムゲートドライバ４３は、ボトムゲート電極（ＢＧ）５１に０Ｖを印加する。

このように、光検知素子４１は、自身に入射する光の強度を判定できる。上記説明では、１つの光検知素子４１の動作を説明したが、１つの行を単位として読み出し動作が行われる。期間ｔ０～ｔ５が１行を読み出すためのシーケンス（１行シーケンス）である。また、複数の行に対して順番に読み出し動作が行われ、最終的には、光検知素子アレイ４０のデータが読み出される。すなわち、シャーレ３０全体を走査することができるため、シャーレ３０の細胞の様子を画像７３として取得できる。

［５］ 第１実施形態の効果
以上詳述したように第１実施形態では、細胞培養装置１０は、第１細胞培養素子２０－１と、第１細胞培養素子２０－１の上方に配置された第２細胞培養素子２０－２とを備える。第１及び第２細胞培養素子２０－１、２０－２の各々は、光源素子２１と、光源素子２１の上方に設けられた回路基板２２と、回路基板２２の上方に設けられた光センサ基板２３とを備える。光源素子２１は、面状の平行光を下側に向けて出射する。光センサ基板２３には、細胞培養用のシャーレ３０が載置され、光センサ基板２３は、シャーレ３０を透過した光の強度を検知する複数の検知素子を備える。回路基板２２は、光源素子２１及び光センサ基板２３に電気的に接続され、光源素子２１を駆動するライト駆動回路２２Ｃと、光センサ基板２３を駆動するセンサ駆動回路２２Ｂとを備える。また、第１細胞培養素子２０－１の光センサ基板２３は、第２細胞培養素子２０－２の光源素子２１から出射された光を受ける。

従って第１実施形態によれば、光源素子２１から出射される光と、シャーレ３０を透過した光を検知する光センサ基板２３とによって、細胞の状態を確認できる。また、多くのシャーレを省スペースで確認できる。これにより、細胞の状態を効率よく確認できるとともに、細胞の確認工程を簡略化できる。また、細胞培養装置１０が大型化するのを抑制できる。

また、細胞培養装置１０の扉１２を空けることなく、細胞の状態を確認できる。これにより、細胞がウイルスや菌へ感染すること、及びコンタミネーションを抑制できる。

また、細胞の画像を得るために、カメラを必要としない。これにより、細胞培養装置１０のコストを低減できる。

［第２実施形態］
第２実施形態は、光源素子２１を光センサ基板２３の下に配置し、シャーレ３０に下から光を照射するようにしている。

図１６は、本発明の第２実施形態に係る細胞培養素子２０の概略図である。細胞培養素子２０は、図３に示した棚１６に載置される。光源素子２１は、光センサ基板２３の下に配置され、上に向けて光を出射する。回路基板２２は、光源素子２１の下に配置される。第２実施形態では、棚１６は、開口部を有する必要はなく、全体が網で構成される。

図１７は、細胞培養素子２０の平面図及びブロック図である。図１８は、図１７のＡ－Ａ´線に沿った細胞培養素子２０の断面図である。

下側ケース２６及び上側ケース２７は、光源素子２１、及び光センサ基板２３を収容する。回路基板２２は、下側ケース２６の下に配置される。回路基板２２と下側ケース２６とは、例えば透明な接着材で接着される。光源素子２１と回路基板２２とは、配線部２４よって電気的に接続される。光センサ基板２３と回路基板２２とは、配線部２５よって電気的に接続される。

図１９は、光センサ基板２３による光検知動作を説明する概略図である。光源素子２１は、光センサ基板２３側に向けて面状の光を出射する。

光センサ基板２３は、透明基板５０を用いて構成されている。よって、光源素子２１から出射された光は、シャーレ３０まで到達する。細胞が存在する領域では、シャーレ３０に入射した光が細胞で反射又は散乱し、この反射光又は散乱光が光センサ基板２３に入射する。一方、細胞が存在しない領域では、光源素子２１から出射された光は、シャーレ３０を透過する。光センサ基板２３は、細胞で反射又は散乱した光を検知するとともに、領域に応じた光強度を測定する。なお、半導体層５３の下方から光センサ基板２３に入射する光は、金属からなるボトムゲート電極５１で遮光され、半導体層５３に入射しない。よって、光検知素子４１は、細胞で反射又は散乱した光を検出することができる。

第２実施形態によれば、光源素子２１及び光センサ基板２３をセットで構成でき、このセットを下側ケース２６及び上側ケース２７内に収容することができる。また、細胞培養素子２０は、自身に含まれる光源素子２１の光を用いて、細胞の状態を確認できる。

［第３実施形態］
第３実施形態は、光センサ基板２３とシャーレ３０との間に光学レンズを配置し、シャーレ３０を透過した光を屈折させて光センサ基板２３に入射させるようにしている。

図２０は、本発明の第３実施形態に係る細胞培養素子２０の断面図である。光センサ基板２３上には、光学レンズ８０が設けられる。光センサ基板２３上と光学レンズ８０とは、例えば透明な接着材で接着される。光学レンズ８０上には、シャーレ３０が載置される。

光学レンズ８０は、シャーレ３０を透過した光を透過するとともに、光センサ基板２３に向けて、光を拡散、すなわち光が広がるように屈折させる。光学レンズ８０は、例えば、フレネルレンズ、又は平面レンズから構成される。また、光学レンズ８０は、複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイで構成してもよい。光学レンズ８０としてフレネルレンズを用いた場合、フレネルレンズの溝がある面（凸面）がシャーレ３０に向き合うように配置される。光学レンズ８０としてマイクロレンズを用いた場合は、マイクロレンズの凸面がシャーレ３０に向き合うように配置される。

第３実施形態によれば、シャーレ３０を透過した光を拡散させることができる。結果的に、得られる画像の倍率を上げることができる。

なお、第３実施形態では、光学レンズ８０がシャーレ３０を透過した光を拡散させている。しかし、用途に応じて、光学レンズ８０がシャーレ３０を透過した光を集光するようにしてもよい。

［第４実施形態］
第４実施形態は、光センサ基板２３上で直接に細胞を培養するための構成例である。図２１は、本発明の第４実施形態に係る細胞培養素子２０の平面図及びブロック図である。図２２は、図２１のＡ－Ａ´線に沿った細胞培養素子２０の断面図である。

下側ケース２６及び上側ケース２７は、光センサ基板２３を収容する。上側ケース２７は、上部に開口部２７Ａを有する。光センサ基板２３は、開口部２７Ａから露出される。細胞は、光センサ基板２３上で培養される。

第４実施形態によれば、光検知素子４１と細胞との距離をより近づけることができる。これにより、光検出の感度を向上させることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、１つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。

１０…細胞培養装置、１１…筐体、１２…扉、１３…小扉、１４…表示部、１５…スライドレール、１６…棚、１７…加湿トレイ、２０…細胞培養素子、２１…光源素子、２２…回路基板、２３…光センサ基板、２４，２５…配線部、２６…下側ケース、２７…上側ケース、２８－１～２８－３…固定部材、２９…バネ、３０…シャーレ、４０…光検知素子アレイ、４１…光検知素子、４２…キャパシタ、４３…ボトムゲートドライバ、４４…トップゲートドライバ、４５…電圧源、４６…スイッチング素子、４７…パラレル／シリアル変換回路、４８…バッファ、４９…端子、５０…透明基板、５１…ボトムゲート電極、５２，５９，６１…絶縁層、５３…半導体層、５４…ブロッキング層、５５，５６…ｎ^＋型半導体層、５７…ドレイン電極、５８…ソース電極、６０…トップゲート電極、６２…表面アース電極、７０…配線部、７１…情報処理装置、７２…ディスプレイ、７３…画像、８０…光学レンズ

Claims (4)

1. 第１細胞培養素子と、
   前記第１細胞培養素子の上方に配置された第２細胞培養素子と
   を具備し、
   前記第１及び第２細胞培養素子の各々は、
   面状の平行光を下側に向けて出射する光源素子と、
   前記光源素子の上方に配置され、細胞培養用のシャーレが載置され、前記シャーレを透過した光の強度を検知する複数の検知素子を備えるセンサ基板と、
   前記光源素子と前記センサ基板との間に配置され、前記光源素子及び前記センサ基板に電気的に接続され、前記光源素子を駆動する第１駆動回路と、前記センサ基板を駆動する第２駆動回路とを備える回路基板と
   を具備し、
   前記第１細胞培養素子のセンサ基板は、前記第２細胞培養素子の光源素子から出射された光を受ける
   細胞培養装置。
2. 前記センサ基板上に設けられた光学レンズをさらに具備する
   請求項１に記載の細胞培養装置。
3. 前記第２駆動回路は、前記複数の検知素子からデータを読み出し、
   前記回路基板は、前記データを外部に転送する転送回路を含む
   請求項１又は２に記載の細胞培養装置。
4. 前記シャーレを固定する固定部材をさらに具備し、
   前記固定部材は、前記シャーレの一側面に接し、バネにより可動する可動部分を含む
   請求項１乃至３のいずれかに記載の細胞培養装置。
   

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