JP7155092B2 - センサユニットおよびこれを備えた細胞培養分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、細胞培養の分析に使用されるセンサユニットおよびこれを備えた細胞培養分析装置に関する。

従来の細胞培養分析装置の構成は、基体に設けられた貫通孔部分にセンサを固定するとともに、このセンサには、信号を取り出すためのリード線が接続されていた。
具体的には、培地の状態をモニタリングするセンサが細胞培養容器内に挿入され、そのセンサに電気的な接続端子が設けられている。その接続端子に繋がったリード配線が外部の制御部に接続されていた（例えば、特許文献１）。

また、複数の細胞培養容器が設けられたプレートと嵌合するカートリッジを有する細胞培養分析装置も開示されている。この分析装置は、それぞれの培養容器内を計測するセンサを有しており、これらのセンサを挿入する複数の開口が、カートリッジに設けられている。それぞれの開口内でセンサとファイバーケーブルとが接続されている。これら複数のファイバーケーブルが、外部の制御部に接続されていた（例えば、特許文献２）。

特開２００４－１１２０９２号公報 米国特許第９１７０２５５号明細書

上記従来例において、センサは、例えば、培養容器内の培地に浸漬され、この培地内環境を検出していた。
細胞培養装置では、細胞培養の分析に、複数個の培養容器が配置されることが多く、それに伴って、これらの容器に対応するセンサの個数も多くなるため、細胞培養分析装置の小型化が求められている。

そこで、本発明は、細胞培養分析装置を小型化することを目的とするものである。

そしてこの目的を達成するために、本発明のセンサユニットは、センサと、センサに接続された配線と、配線を介してセンサと接続された接続部と、センサを下方に折り曲げる折り曲げ部と、を有する基板を備えている。センサは、折り曲げ部を基板に残した状態で、基板から切り抜かれて形成されている。

本発明のセンサユニットは、センサが、センサを下方に折り曲げる折り曲げ部を基板に残して、基板から切り抜かれて形成されているため、センサを基板に固定する構成が不要となり、小型化することができる。

本発明の一実施形態に係るセンサユニットを備えた細胞培養分析装置を搭載した細胞培養装置の正面図。 図１の細胞培養装置の斜視図。 図１の細胞培養分析装置の斜視図。 図１の細胞培養分析装置の斜視図。 図１の細胞培養分析装置の分解斜視図。 図１のセンサユニットの拡大斜視図。 図１のセンサユニットの分解斜視図。 図１のセンサユニットの一部切欠斜視図。 図１のセンサユニットの一部拡大断面図。 図１のセンサユニットの一部平面図。 図１のセンサユニットの一部拡大斜視図。 図１のセンサユニットの一部拡大平面図。 図１２のＡ－Ａ断面図。 図１２のＢ－Ｂ断面図。 図１２のＣ－Ｃ断面図。 図１のセンサユニットの製造方法を示す斜視図。 図１のセンサユニットの製造方法を示す斜視図。 図１のセンサユニットの製造方法を示す斜視図。 図１のセンサユニットの製造方法を示す斜視図。 図１のセンサユニットの製造方法を示す斜視図。 図１のセンサユニットの製造方法を示す斜視図。 図１のセンサユニットの製造方法を示す斜視図。 図１のセンサユニットの製造方法を示す斜視図。 図１の細胞培養分析装置の制御ブロック図。 本発明の他の実施形態に係るセンサユニットの平面図。 図２５のセンサユニットの斜視図。 本発明のさらに他の実施形態に係るセンサユニットの平面図。 図２７のセンサユニットの斜視図。

（実施の形態１）
以下、本発明の一実施形態に係るセンサユニット９およびこれを備えた細胞培養分析装置３について、添付図面を用いて説明する。
＜細胞培養装置の概要説明＞
図１および図２は、細胞培養装置１を示し、培養室２内には、細胞培養分析装置３が配置されている。なお、図１および図２においては、図示していないが、培養室２の前面には、扉が開閉自在に配置されている。つまり、培養室２内では、図３に示す細胞培養分析装置３を用いて細胞培養が行われるとともに、その培養状況を検出する。

細胞培養分析装置３は、図４から図６に示すように、前面側に扉４が設けられた本体ケース５内に、培養容器設置部６が配置されている。培養容器設置部６上には、培養容器７が載置されている。培養容器７は、例えば、２４個のウェル８を備えている。
その状態で培養容器７上には、センサユニット９が配置される。センサユニット９は、その下面側に設けられた４本の脚（支持部）１０が、培養容器設置部６に設けられた位置決め穴１１内に挿入されることで、培養容器７上に所定間隔離した状態で設置される。つまり、センサユニット９には、培養容器設置部６上に、培養容器であるウェル８の収納空間を確保するための脚（支持部）１０が設けられている。そして、脚（支持部）１０によってセンサユニット９が培養容器設置部６上に配置されている。

なお、脚（支持部）１０は、上述したように、培養容器設置部６上に、培養容器であるウェル８の収納空間を確保するために、培養容器設置部６に対してセンサユニット９を支持する。ここで、センサユニット９を支持する支持部としては、センサユニット９に設けられた脚に限定されるものではない。例えば、培養容器設置部６に対して、センサユニット９を下方から支持する支持体であってもよい。

また、センサユニット９上には、制御ユニット１２が配置されている。
制御ユニット１２は、接続部２０ａ，２０ｂを介してセンサユニット９に電圧を印加してセンサユニット９を制御する。そして、制御ユニット１２は、培養状況を細胞培養装置１外のデータ処理装置（例えば、パーソナルコンピュータ）に伝達する。
センサユニット９は、図６から図８に示すように、樹脂材料であるＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）で形成された基板１３と、基板１３の下方に配置されたボトムカバー１４と、基板１３の上方に配置されたトップカバー１５とを備えている。基板１３は、ボトムカバー１４と、トップカバー１５とによって上下から挟まれている。

基板１３には、図８から図１１に示すように、複数のセンサ１６が設けられている。具体的には、複数のセンサ１６は、センサ１６と基板１３との接続部分を下方に折り曲げた折り曲げ部１７を基板１３に残して、基板１３から切り抜かれるように形成されている。
本実施形態のセンサ１６は、図８に示すように、略Ｌ字形状を有している。
図９に、図８の一部拡大断面図を示す。本実施形態のセンサ１６では、図９に示すように、略Ｌ字状の縦辺上部を折り曲げ部１７としている。

図１０に示す基板１３の略Ｌ字形状部１８は、略Ｌ字状のセンサ１６を切り抜いた後の開口部である。さらに詳細に説明すると、基板１３は矩形状となっており、略Ｌ字状のセンサ１６の縦辺を、この基板１３の対向する２つの辺に対して傾斜させた状態で、基板１３から切り抜かれて形成されている。
また、センサ１６の折り曲げ部１７に接続された基板１３上の配線１９は、図１０に示すように、互いに隣接するセンサ１６（第１のセンサ）の縦辺切り抜き部１８ａと、センサ１６（第２のセンサ）の横辺切り抜き部１８ｂとの間を介して基板１３の外周部に引き出されている。

本実施形態では、図８、図１１に示すように、センサ１６を略Ｌ字状とし、その横辺部分をウェル８内に置いて水平状態に保持することで、ウェル８内の培養状態を検出する。
また、センサ１６の下方の横辺部分には、ウェル８内の培養状態を検出する検出電極が形成されている。検出電極の電極面積を広くすることで、センサ１６の感度を向上させることができる。そして、センサ１６の下方の横辺部分の水平方向の幅は、上方の縦辺部分の水平方向の幅に対して広くなるように形成されている。この理由は、基板１３の配線１９の面積を確保するためである。この面積を広く取ることで、センサ１６の感度を高めることができる。

このような理由から、センサ１６を略Ｌ字状としたので、センサ１６は、矩形状の基板１３に対して、略Ｌ字状のセンサ１６の縦辺を、この基板１３の対向する２つの辺に対して傾斜させた状態で、基板１３から切り抜かれて形成されている。
センサ１６が基板１３の対向する２つの辺に対して傾斜させた状態で基板１３から切り抜かれている理由は、センサ１６の縦辺部分（図１２の縦向き部分）の長さを十分に確保するためである。これにより、センサ１６の横辺部分（図１２の横向き部分）に形成された検出電極を、ウェル８内の培地に対して浸漬することが調整可能となる。

なお、センサ１６の形状は、略Ｌ字形状に限定したものでは無く、例えば、略Ｉ字形状、略逆Ｔ字形状等であってもよく、折り曲げ部１７を基板に１３に残して切り抜かれた形状であればよい。また、センサ１６の感度を向上させるためには、センサ１６の横辺部分の水平方向の幅をより広く取ることが好ましい。
センサ１６の横辺部分には、図１２から図１５に示すように、検出電極として、作用極２１、対極２２、参照極２３が設けられている。

また、参照極２３の表面には、銀層（銀層と塩化銀層の少なくとも一方）２４が設けられている。また、作用極２１の表面には、酵素とメディエータ等から形成される試薬層２５が設けられている。そして、それらの検出電極部分は、保護膜２９によって覆われている。
センサ１６は、ウェル８内の培地に作用極２１、対極２２、参照極２３を浸漬させて、電気化学的に培地の特定の成分の濃度を検出する。

例えば、培地のグルコース成分の濃度を検出する場合、作用極２１の表面に固定化された試薬層２５には、酵素（例えば、ＧＯｘ）、レドックスメディエータが含まれる。
このグルコースの検出原理は、保護膜２９を通して培地から透過してきたグルコースが試薬層２５の酵素（例えば、ＧＯｘ）との酵素反応で酸化され、グルコノラクトンとなり、同時に試薬層２５のレドックスメディエータが還元されて還元体となる。この還元体が酸化体に戻る際に発生する電子を電流値として測定することで、培地のグルコース濃度を測定することができる。

そして、保護膜２９の働きとしては、培地中のグルコースを透過制限しながらセンサ１６の検出電極部分に浸透させるとともに、作用極２１に固定化された試薬層２５の成分である、酵素とメディエータとを保護膜の外側への流出を防止することである。
酵素とメディエータは、架橋されて電極に固定されている。そのため、試薬層２５は、高分子化されるので、分子量は大きくなる。よって、グルコースは透過し、酵素とメディエータが保護膜２９から流出することを防止することができる（より詳細には、国際公開第２０１９／１４６７８８号参照）。

基板１３には、センサ１６が形成されているが、その製造方法は、以下の通りである。
つまり、図１６に示すように、樹脂材料であるＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム２６の上面に、図１７で示すように、スパッタリングにより金の電極層２７が形成される。次に、図１８に示すように、電極層２７が、センサ１６に合わせて略Ｌ字状に描画される。つまり、レーザによって電極層２７を蒸散させ、これにより、略Ｌ字状の電極層２７を形成する。さらに、図１２に示すように、この略Ｌ字状の電極層２７は、作用極２１、対極２２、参照極２３用に分割される。分割された３本の導電路は折り曲げ部１７上にまで、基板１３に引き出され、それぞれが配線１９へと繋がった状態となる。したがって、接続部２０において、作用極２１、対極２２、参照極２３の信号が引き出される。

なお、この略Ｌ字状の電極層２７が、作用極２１、対極２２、参照極２３用に分割された後には、図１９に示すように、作用極２１、対極２２、参照極２３部分がマスクされた状態で、レジスト膜２８が設けられる。その後、図２０に示すように、参照極２３の表面に、銀層（銀層と塩化銀層の少なくとも一方）２４が設けられ、また作用極２１の表面に、試薬層２５が設けられる。

次に、図２１に示すように、略Ｌ字状のセンサ１６部分を切り抜くために、基板１３にレーザが照射される。この状態では、略Ｌ字状のセンサ１６は、折り曲げ部１７だけが基板１３に連結されている。よって、図２２に示すように、折り曲げ部１７を介してセンサ１６が下方へ折り曲げられる。そして、その状態で、図２３に示すように作用極２１、対極２２、参照極２３部分が保護膜２９で覆われる。

その後、図８に示すように、上下のトップカバー１５とボトムカバー１４とで基板１３を挟んだ状態とする。なお、ボトムカバー１４には、図７で示すように、貫通孔３０が設けられている。よって、センサ１６の横辺部分（作用極２１、対極２２、参照極２３が存在する部分）は、図８に示すように、貫通孔３０を貫通し、ボトムカバー１４の下方に配置される。

本実施形態においては、図９に示すように、ボトムカバー１４の貫通孔３０の開口縁には、センサ１６の折り曲げ部１７の下辺側を支える支持部３１が設けられている。トップカバー１５の支持部３１に対向する部分には、センサ１６の折り曲げ部１７の上辺側を下方に押す押圧部３２が設けられている。
これらの支持部３１は、上面湾曲部形状を有している。また、押圧部３２は、下面湾曲部形状を有している。

この結果、図８および図９に示すように、トップカバー１５とボトムカバー１４とで基板１３を上下から挟んだ状態にすると、センサ１６の折り曲げ部１７が支持部３１と押圧部３２とによって上下から挟まれる。これにより、センサ１６の横辺部分（作用極２１、対極２２、参照極２３が存在する部分）は、下方において安定した状態で略水平方向に沿って配置された状態を維持することができる。

この略水平状態となると、センサ１６の横辺部分（作用極２１、対極２２、参照極２３が存在する部分）は、培養容器７の各ウェル８内において、それぞれ安定した位置で保持され、各ウェル８内の培養状態を適切に検出することができる。
また、センサ１６の折り曲げ部１７の円弧部分のＲが、ボトムカバー１４とトップカバー１５とによって規定され、折り曲げ部１７に無理な応力がかからないため、クラックによる断線を防止することができる。

折り曲げ部１７の折り曲げ方については、トップカバー１５あるいはボトムカバー１４のどちらか一方が基板１３に取り付けられた状態で折り曲げられてもよい。また、折り曲げ部１７に熱が加えられて曲げ加工が行われてもよい。その場合には、トップカバー１５あるいはボトムカバー１４は不要である。
このように、本実施形態では、センサ１６は、折り曲げ部１７を残した状態で基板１３から切り抜かれて、基板１３に対して下方に折り曲げられるように形成されている。これにより、センサ１６を基板１３に固定するための構成が不要となり、センサユニット９を小型化することができる。

また、センサ１６の構成として、センサ１６と基板１３上の配線部分とを一体として形成することができるため、センサ１６と配線１９との間の接続コネクタが不要になる。よって、センサユニット９の小型化が可能となる。
また、基板１３の配線１９は、基板１３上の配線パターンとして集約され、接続部２０ａ，２０ｂに集められている。そして、接続部２０ａ，２０ｂは、制御ユニット１２の接続コネクタと接続されるため、センサユニット１０と制御ユニット１２との間をリード線等の配線で接続する必要がない。よって、細胞培養分析装置３自体の小型化が可能となる。

図２４は、細胞培養分析装置３の制御ブロックを示している。上述のように検出されたウェル８内の情報は、制御ユニット１２内に設けられた測定部３３を介して、制御部３４に伝達され、記憶部３５に記憶されるとともに、通信部３６を介して外部機器３７（パーソナルコンピュータ）の通信部３８に伝達される。外部機器３７は、制御部３９を介して表示部４０に検出データを表示させることができる。なお、符号４１は、外部機器３７の入力部である。

以上のように、本実施形態においては、図５、図８のように多くのウェル８を用いた場合でも、極めて小型化されたセンサユニット９によって、培養状態の検出を一度に行うことができる。つまり、本実施形態の細胞培養分析装置３は、センサユニット９が小型化されたことが、最も大きな特徴である。
本実施形態では、折り曲げ部１７を基板１３に残した状態で、センサ１６が基板１３から切り抜かれて下方に折り曲げられている。これにより、センサ１６を基板１３に固定するための構成が不要となり、センサユニット９を小型化することができる。

（実施の形態２）
図２５から図２８は、本発明の他の実施形態のセンサユニット９の構成を示している。つまり、本実施形態では、センサ１６を略Ｉ字形状とし、このセンサ１６の縦辺上部を折り曲げ部１７とした点で、上記実施形態１のセンサユニット９の構成とは異なっている。
また、図２５および図２６と図２７および図２８との差異は、センサ１６が前者の方が後者よりも幅が広いということである。また、図２５および図２６に示す構成では、センサ１６の縦辺を、矩形状の基板１３の対向する２つの辺に対して傾斜させた状態で、基板１３から切り抜かれて形成されている。

また、図２５に示すように、複数のセンサ１６が配置された複数列のセンサ群が設けられ、隣接する列のセンサ１６は、図中左右方向における逆方向に傾斜するように配置されている。
これに対して、図２７、図２８に示すセンサユニット９では、基板１３には、複数のセンサ１６が縦方向に並べられるとともに、左右方向においてその一部が隣接するように複数列のセンサ群が設けられている。

また、各列において、隣接するセンサ１６は、その列の中心線に対して左右交互に配置されている。

本発明のセンサユニットは、センサが、センサを下方に折り曲げる折り曲げ部を基板に残して、基板から切り抜かれて形成されているため、センサを基板に固定する構成が不要となり、小型化することができるという効果を奏することから、小型化が必要とされる細胞培養装置の分野に利用可能である。

１ 細胞培養装置
２ 培養室
３ 細胞培養分析装置
４ 扉
５ 本体ケース
６ 培養容器設置部
７ 培養容器
８ ウェル
９ センサユニット
１０ 脚（支持部）
１１ 位置決め穴
１２ 制御ユニット
１３ 基板
１４ ボトムカバー
１５ トップカバー
１６ センサ
１７ 折り曲げ部
１８ Ｌ字形状部
１８ａ 縦辺切り抜き部
１８ｂ 横辺切り抜き部
１９ 配線
２０ａ，２０ｂ 接続部
２１ 作用極
２２ 対極
２３ 参照極
２４ 銀層
２５ 試薬層
２６ ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム
２７ 電極層
２８ レジスト膜
２９ 保護膜
３０ 貫通孔
３１ 支持部
３２ 押圧部
３３ 測定部
３４ 制御部
３５ 記憶部
３６ 通信部
３７ 外部機器
３８ 通信部
３９ 制御部
４０ 表示部
４１ 入力部

Claims (16)

1. 先端部に検出電極が設けられたセンサと、前記センサに接続された配線と、前記配線を介して前記センサと接続された接続部と、前記センサを下方に折り曲げる折り曲げ部と、を有する基板を備え、
   前記センサは、前記折り曲げ部を前記基板に残した状態で、前記基板から切り抜かれて形成され、前記検出電極が液体試料に浸漬された状態で使用される、
   センサユニット。
2. 前記基板には、複数の前記センサが設けられている、
   請求項１に記載のセンサユニット。
3. 前記基板の下方に設けられたボトムカバーと、前記基板の上方に設けられたトップカバーと、をさらに備え、
   前記基板は、前記ボトムカバーと前記トップカバーとで上下から挟まれて構成されている、
   請求項１または２に記載のセンサユニット。
4. 前記ボトムカバーには、前記センサを下方に貫通させる貫通孔が設けられている、
   請求項３に記載のセンサユニット。
5. 前記ボトムカバーの前記貫通孔の開口縁には、前記センサの前記折り曲げ部の下辺側を支える支持部が設けられており、
   前記トップカバーの前記支持部に対向する部分には、前記センサの前記折り曲げ部の上辺側を下方に押す押圧部が設けられている、
   請求項４に記載のセンサユニット。
6. 前記支持部には、上面湾曲形状を有しており、前記押圧部には、下面湾曲形状を有している、
   請求項５に記載のセンサユニット。
7. 前記センサは、略Ｌ字形状を有し、前記センサの縦辺上部が前記折り曲げ部として用いられる、
   請求項１から６のいずれか１つに記載のセンサユニット。
8. 前記基板を矩形状とし、前記センサの縦辺を、前記基板の対向する２つの辺に対して傾斜させた状態で、前記基板から切り抜かれて形成されている、
   請求項７に記載のセンサユニット。
9. 前記基板には、第１のセンサと、前記第１のセンサに隣接配置された第２のセンサが切り抜かれて形成されており、
   前記第１のセンサと前記基板とを連結する前記折り曲げ部に接続された配線が、前記第１のセンサの縦辺切り抜き部と前記第２のセンサの横辺切り抜き部との間を介して、前記基板の外周部に引き出されている、
   請求項７に記載のセンサユニット。
10. 前記センサは、略Ｉ字形状を有し、前記センサの縦辺上部が前記折り曲げ部として用いられる、
    請求項１から６のいずれか１つに記載のセンサユニット。
11. 前記基板を矩形状とし、前記センサは、前記センサの縦辺を、前記基板の対向する２つの辺に対して傾斜させた状態で、前記基板から切り抜かれて形成されている、
    請求項１０に記載のセンサユニット。
12. 前記基板には、複数の前記センサを並べた複数列のセンサ群が設けられており、
    互いに隣接する列の前記センサは、逆方向に傾斜した状態で配置されている、
    請求項１１に記載のセンサユニット。
13. 前記基板には、複数の前記センサを並べた複数列のセンサ群が設けられており、各列において、互いに隣接する前記センサは、その列の中心線に対して左右交互に配置されている、
    請求項１２に記載のセンサユニット。
14. 請求項１から１３のいずれか１つに記載のセンサユニットと、
    前記センサユニットが載置される培養容器設置部と、
    を備えた細胞培養分析装置。
15. 前記センサユニットには、前記培養容器設置部上に、培養容器の収納空間を確保するための脚が設けられており、前記脚で前記センサユニットが前記培養容器設置部上に配置されている、
    請求項１４に記載の細胞培養分析装置。
16. 前記センサユニット上には、前記センサユニットの制御を行う制御ユニットが配置されている、
    請求項１４または１５に記載の細胞培養分析装置。

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