JP7162210B2 - 細胞応答計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、細胞とセンシング技術とを組み合わせた細胞応答計測装置に関する。

五感を人工的に再現するセンシング技術は、複雑化、多様化した人類社会、地球環境において、安全、健康、安心を守るために不可欠な技術となる。生物並に高感度な匂いセンサが実現すれば、今まで使えなかった嗅覚情報が利用可能となり、ロボット、医療、危険予知、災害救助等に適用される可能性がある。

そこで、高感度な応答を示す細胞をセンサとして活用する細胞応答計測装置が検討されている。細胞応答計測装置の例として、特許文献１、特許文献２、非特許文献１および非特許文献２には、生物から抽出した嗅細胞の嗅覚受容体が匂い分子を認識した際に生じる電気的応答を、ＦＥＴ（Field-effect Transistor：電界効果トランジスタ）を用いて計測する構成が記載されている。

特開２００６－２６２８１３号公報 米国特許第６３７７０５７号明細書

D. Terutsuki, H. Mitsuno, Y. Okamoto, T. Sakurai, A. Tixier-Mita, H. Toshiyoshi, Y. Mita, R. Kanzaki, "Odor-sensitive field effect transistor (OSFET) based on insect cells expressing insect odorant receptors", Proc. MEMS 2017, pp. 394-397. S. Nagata, N. Kameshiro, D. Terutsuki, H. Mitsuno, T. Sakurai, K, Niitsu, K. Nakazato, R. Kanzaki, M. Ando, "A high-density integrated odorant sensor array system based on insect cells expressing insect odorant receptors", Proc. MEMS 2018, pp. 282-285.

本発明者は、細胞応答計測装置において、細胞の電気的応答を精度良く、高感度に検出することを検討している。

前記細胞応答計測装置の構成を工夫することにより、細胞応答計測装置の性能の向上が望まれる。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

一実施の形態による細胞応答計測装置は、電解質溶液と、前記電解質溶液中に配置された複数の細胞と、前記複数の細胞に覆われた複数の電極と、を有している。前記複数の細胞は、第１物理化学的刺激に応答する第１受容体が発現した第１細胞と、前記第１受容体が発現していない第２細胞とを含んでいる。前記複数の電極は、電気的に分離された第１電極および第２電極を含んでいる。前記第１電極を覆う前記細胞のうちの前記第１細胞の比率は、前記第２電極を覆う前記細胞のうちの前記第１細胞の比率よりも高い。細胞応答計測装置は、前記第１電極と前記第２電極との間の電位変化の差分を計測することにより、前記第１細胞の前記第１物理化学的刺激に対する応答信号を抽出する。

一実施の形態によれば、細胞応答計測装置の性能を向上することができる。

一実施の形態の細胞応答計測装置の構成図である。 一実施の形態の細胞応答計測装置の断面図である。 一実施の形態の細胞応答計測装置の平面図である。 一実施の形態の細胞応答計測装置を構成する第１センサユニットの要部断面図である。 一実施の形態の細胞応答計測装置の製造工程中の要部斜視図である。 図５に続く細胞応答計測装置の製造工程中の要部断面図である。 検討例の細胞応答計測装置の構成図である。 検討例の細胞応答計測装置の平面図である。 第２の実施の形態の細胞応答計測装置の平面図である。 第３の実施の形態の細胞応答計測装置の平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

（実施の形態１）
＜細胞応答計測装置の構成＞
一実施の形態における細胞応答計測装置の構成を、図１～図４を用いて説明する。図１は、実施の形態１の細胞応答計測装置ＭＤ１の構成図である。図２は、実施の形態１の細胞応答計測装置ＭＤ１の断面図である。図３は、実施の形態１の細胞応答計測装置ＭＤ１の平面図である。図４は、実施の形態１の細胞応答計測装置を構成するセンサユニットＳ１１の要部断面図である。

図１に示すように、実施の形態１の細胞応答計測装置ＭＤ１は、複数のセンサユニットＳｉｊ（[ｉ，ｊ]＝[１，１]…[ｍ，ｎ]）と、参照電極ＲＥと、複数の電位計測部ＶＭｉｊ（[ｉ，ｊ]＝[１，１]…[ｍ，ｎ]）と、差分処理部ＤＣと、記録部ＭＥと、表示部ＤＩとを有している。図３に示すように、細胞応答計測装置ＭＤ１において、センサユニットＳｉｊがｍ×ｎの二次元マトリクス状に配置されている。詳細は後述するが、センサユニットＳｉｊは、平面方形状の基板（半導体基板）ＳＢ上に形成されている。そのため、センサユニットＳｉｊは、基板ＳＢの長さ方向（第１方向）および幅方向（第２方向）に沿ってマトリクス状に配置されている。

各センサユニットＳｉｊには、それぞれ電極（延長ゲート電極、第１導体膜）ＥＬｉｊ（[ｉ，ｊ]＝[１，１]…[ｍ，ｎ]）が設けられている。すなわち、電極ＥＬｉｊもｍ×ｎの二次元マトリクス状に配置されている。電極ＥＬｉｊは平面方形状に形成されている。電極ＥＬｉｊの１辺の長さは例えば２０ μｍである。また、各電極ＥＬｉｊ上には、それぞれ、細胞Ｃｉｊ（[ｉ，ｊ]＝[１，１]…[ｍ，ｎ]）が配置（播種）されている。

センサユニットＳｉｊにおいて、例えば、ｍ＝６４、ｎ＝６４の場合、合計４０９６個のセンサユニットＳｉｊが配置される。この際、１つのセンサユニットＳｉｊに１つの細胞Ｃｉｊが配置されると、合計４０９６個の細胞Ｃｉｊが、センサユニットＳｉｊ中にそれぞれ配置される。図４に示すように、細胞Ｃｉｊは、上下方向につぶれた状態で、電極ＥＬｉｊを覆っている。後述するように、平面視において、電極ＥＬｉｊのうち、細胞Ｃｉｊに覆われている部分の面積に比べて、細胞Ｃｉｊが覆っていない部分の面積を小さくすることが好ましい。そのため、平面視において、電極ＥＬｉｊの面積は、細胞Ｃｉｊの面積とほぼ同じであることが好ましい。

図１には、センサユニットＳｉｊのうち、センサユニットＳ１１とセンサユニットＳ１２とを示している。センサユニットＳ１１は、電極（第１電極）ＥＬ１１と細胞（第１細胞）Ｃ１１とを有している。センサユニットＳ１２は、電極（第２電極）ＥＬ１２と細胞（第２細胞）Ｃ１２とを有している。ここで、細胞Ｃ１１には、匂い分子などの物理化学的刺激に応答する受容体ＥＲが発現している。一方、細胞Ｃ１２には、このような受容体は発現していない。

細胞Ｃｉｊは、例えば、ツマジロクサヨトウ（Spodoptera frugiperda）由来の細胞を採用することができ、Ｓｆ２１細胞やＳｆ９細胞などが好ましい。Ｓｆ２１細胞は、１８～４０℃と広範囲の温度条件下で生存でき、培養液のｐＨを調整するための二酸化炭素を必要とせず、簡便に使用可能である。そのため、細胞応答計測装置ＭＤ１の細胞Ｃｉｊとして、Ｓｆ２１細胞を採用することが好ましい。細胞Ｃｉｊは半球状であり、細胞Ｃｉｊの長直径は約２０ μｍである。

受容体ＥＲは、例えば嗅覚受容体である。嗅覚受容体の一例としては、キイロショウジョウバエの嗅覚受容体の一種であるＯｒ１３ａやＯｒ５６ａが挙げられる。嗅覚受容体Ｏｒ１３ａおよび嗅覚受容体Ｏｒ５６ａは、それぞれＯｒｃｏ（Olfactory receptor co-receptor）と複合体を形成し、リガンド活性型イオンチャネルとして機能する。嗅覚受容体Ｏｒ１３ａが発現したＳｆ２１細胞（細胞ＯＣ１３）は、１－オクテン－３－オールに選択的に応答する。そして、嗅覚受容体Ｏｒ５６ａが発現したＳｆ２１細胞（細胞ＯＣ５６）は、ジェオスミン（ゲオスミン）に選択的に応答する。一方、嗅覚受容体が発現していないＳｆ２１細胞（細胞ＷＣ）は、１－オクテン－３－オールやジェオスミンを含む多くの匂い分子に応答しない。

実施の形態１では、細胞Ｃ１１として、受容体Ｏｒ１３ａが発現したＳｆ２１細胞（細胞ＯＣ１３）を用いており、細胞Ｃ１２として、嗅覚受容体が発現しないＳｆ２１細胞（細胞ＷＣ）を用いている。このように、実施の形態１のセンサユニットには、受容体ＥＲが発現した細胞を有するセンサユニットと、受容体が発現していない細胞を有するセンサユニットとの両方が存在する。センサユニットの詳細な構造は後述する。

図２に示すように、センサユニットＳｉｊが形成された基板ＳＢは、配線基板（プリント基板）ＰＢ上に配置されている。配線基板ＰＢ上には、誘導部ＦＧが設けられている。誘導部ＦＧの内部には、流路ＦＧｃが形成され、流路ＦＧｃの入口ＦＧａおよび出口ＦＧｂには、シリコンなどの軟質チューブと、軟質チューブ内の液体を送り出すポンプ（図示せず）が接続されている。ポンプの一例としては、軟質チューブをローラーでしごいて送液するチューブポンプがある。

流路ＦＧｃは、基板ＳＢ上のセンサユニットＳｉｊに面している。また、流路ＦＧｃにおいて、センサユニットＳｉｊの上方には、カバーガラスＣＧが設けられている。そのため、センサユニットＳｉｊ内の細胞Ｃｉｊを、カバーガラスＣＧを介して光学的に観察することができる。また、流路ＦＧｃは、生理水溶液（電解質溶液）ＲＳ（または測定対象の成分を含む液体ＲＳａ）によって満たされている。そのため、センサユニットＳｉｊ内の細胞Ｃｉｊは、生理水溶液ＲＳ（または測定対象の成分を含む液体ＲＳａ）に常に接触している。また、参照電極ＲＥは、生理水溶液ＲＳ（または測定対象の成分を含む液体ＲＳａ）に接触している。生理水溶液ＲＳは、Ｎａ^＋、Ｃａ^２＋などを含む電解質溶液である。

図２および図３に示すように、生理水溶液ＲＳ（または測定対象の成分を含む液体ＲＳａ）は、流路ＦＧｃを流れる（灌流する）ことにより、基板ＳＢ上を、基板ＳＢの長さ方向に沿って流れる。より具体的には、生理水溶液ＲＳ（または測定対象の成分を含む液体ＲＳａ）は、基板ＳＢの幅方向中央を通る軸ＦＤ（以下、流れ軸ＦＤと称する）を中心とした流れを形成し、流れ軸ＦＤから基板ＳＢの幅方向端部へと広がっていく。実施の形態１では、流れ軸ＦＤを対称軸として、異なる種類の細胞ＣｉｊをセンサユニットＳｉｊに配置している。すなわち、センサユニットＳｉｊのうち、流れ軸ＦＤを挟んだ一方側には、受容体が発現した細胞ＯＣ１３を配置し、流れ軸ＦＤを挟んだもう一方側には、受容体が発現していない細胞ＷＣを配置している。また、センサユニットＳｉｊのうち、センサユニットＳ１１とセンサユニットＳ１２とが流れ軸ＦＤを挟んで配置される。

また、図１に示すように、センサユニットＳｉｊの電極ＥＬｉｊと参照電極ＲＥとは、各電位計測部ＶＭｉｊにそれぞれ電気的に接続されている。すなわち、各電位計測部ＶＭｉｊは、参照電極ＲＥを基準とした各電極ＥＬｉｊの電位を計測する。例えば、電位計測部ＶＭ１１は、電極ＥＬ１１の電位を計測し、電位計測部ＶＭ１２は、電極ＥＬ１２の電位を計測する。特に、実施の形態１の電位計測部ＶＭｉｊは、後述する半導体装置ＳＤｉｊとして構成されており、細胞Ｃｉｊの微弱な電位応答信号をＭＯＳＦＥＴのオン電流として増幅して計測することができる。

また、各電位計測部ＶＭｉｊは、差分処理部ＤＣに接続されている。すなわち、差分処理部ＤＣは、電位計測部ＶＭｉｊで計測した各電極ＥＬｉｊ間の電位の差分、すなわち、各センサユニットＳｉｊ間の出力信号の差分を算出する。差分処理部ＤＣは、記録部ＭＥと、表示部ＤＩとに接続されている。すなわち、記録部ＭＥは、各センサユニットＳｉｊの出力信号の差分を記録する。表示部ＤＩは、各センサユニットＳｉｊの出力信号の差分を表示する。

なお、細胞応答計測装置ＭＤ１は、記録部ＭＥと、表示部ＤＩとを有している場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。また、記録部ＭＥは、差分処理部ＤＣで処理する前の電位計測部ＶＭｉｊで計測した各電極ＥＬｉｊの電位を記録してもよい。

次に、実施の形態１のセンサユニットの構造について詳細に説明する。

図４に示すように、実施の形態１のセンサユニットＳ１１は、電位計測部ＶＭ１１と、電位計測部ＶＭ１１に接続された電極ＥＬ１１と、電極ＥＬ１１上に第１絶縁膜ＩＦを介して配置された生理水溶液ＲＳと、生理水溶液ＲＳ中に配置され、第１絶縁膜ＩＦに接触する細胞Ｃ１１とを備えている。

電位計測部ＶＭ１１は、半導体装置ＳＤ１１として構成されている。半導体装置ＳＤ１１は、半導体素子としてＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）を有している。このＭＯＳＦＥＴは、基板（半導体基板）ＳＢと、基板ＳＢ内に形成されたソース領域ＳＲおよびドレイン領域ＤＲと、ソース領域ＳＲおよびドレイン領域ＤＲ間に形成されたチャネル領域ＣＨと、チャネル領域ＣＨ上に形成されたゲート絶縁膜ＧＩと、ゲート絶縁膜ＧＩ上に形成されたゲート電極ＧＥとを有している。基板ＳＢは、例えばシリコン（Ｓｉ）からなる。ゲート電極ＧＥは、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜からなる。ゲート絶縁膜ＧＩは、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）膜からなる。前記ＭＯＳＦＥＴは、種々のセンサＦＥＴを用いることができる。半導体装置ＳＤ１１は、特にＩＳＦＥＴ（Ion Sensitive Field Effect Transistor：イオン感応性電界効果トランジスタ）と呼ばれる。

前記ＭＯＳＦＥＴを覆うように、基板ＳＢ上には絶縁層ＩＬが形成されている。絶縁層ＩＬは、例えば、酸化シリコン膜からなる。なお、ゲート電極ＧＥの一部の上面には絶縁層ＩＬが形成されていない。

ゲート電極ＧＥ上および絶縁層ＩＬ上には、電極ＥＬ１１が形成されている。電極ＥＬ１１は、ゲート電極ＧＥと電気的に接続されており、平面視において、電極ＥＬ１１の面積は、ゲート電極ＧＥの面積よりも大きい。そのため、電極ＥＬ１１は、延長ゲート電極と呼ぶこともできる。電極ＥＬ１１は、例えば平面方形状に形成されている。電極ＥＬ１１の面積は、平面視において、細胞Ｃ１１の面積と同じか、細胞Ｃ１１の面積よりもわずかに大きい面積を有している。電極ＥＬ１１は、アルミニウム（Ａｌ）膜からなる。電極ＥＬ１１の膜厚は、例えば約３００ ｎｍである。なお、ゲート電極ＧＥと電極ＥＬ１１とは一体に形成されていてもよい。

また、電極ＥＬ１１上には、第１絶縁膜（イオン感応膜）ＩＦが形成されている。第１絶縁膜ＩＦは、平面視において、電極ＥＬ１１と同じ面積に形成されている。第１絶縁膜ＩＦは、酸化アルミニウム膜からなる。第１絶縁膜ＩＦの膜厚は、例えば約５ｎｍ以下である。

実施の形態１の細胞Ｃ１１は、嗅覚受容体Ｏｒ１３ａが発現したＳｆ２１細胞（細胞ＯＣ１３）からなる。細胞Ｃ１１は、脂質（二重）膜ＬＢと、脂質膜ＬＢに発現した受容体ＥＲと、細胞Ｃ１１内に発現したカルシウム２価イオン（Ｃａ^２＋）指示・緑色蛍光タンパク質ＦＰ（ＧＣａＭＰ６ｓ；以下、緑色蛍光タンパク質ＦＰと称する）とを有している。細胞Ｃ１１の一部は、半導体装置ＳＤ１１の第１絶縁膜ＩＦと接しており、この状態で、細胞Ｃ１１は、生理水溶液ＲＳ（または測定対象の成分を含む液体ＲＳａ）に浸漬されている。すなわち、第１絶縁膜ＩＦは、細胞Ｃ１１と生理水溶液ＲＳ（または測定対象の成分を含む液体ＲＳａ）とに接している。図示しないが、細胞Ｃ１１以外の受容体ＥＲが発現した細胞ＯＣ１３においても、細胞Ｃ１１と同様に、緑色蛍光タンパク質ＦＰが発現している。

なお、以上で説明したセンサユニットＳ１１以外のセンサユニットＳｉｊの構成については、センサユニットＳ１１と同様の構成であるため、繰り返しの説明を省略する。ただし、センサユニットＳｉｊには、細胞Ｃ１１と同じ細胞ＯＣ１３を有するセンサユニットＳｉｊと、前述の細胞Ｃ１２と同じ細胞ＷＣを有するセンサユニットＳｉｊとの２種類存在する。

また、図２には、一例として、１つのセンサユニットＳｉｊ中に１つの細胞Ｃｉｊが配置されている場合を示しているが、これに限定されるものではなく、１つのセンサユニットＳｉｊ中に複数の細胞Ｃｉｊが配置されていてもよい。ただし、後述するように、平面視において、電極ＥＬｉｊ（第１絶縁膜ＩＦ）は、細胞Ｃｉｊによって確実に、かつ、均一に被覆されることが好ましい。

また、複数の細胞Ｃｉｊが配置されたセンサユニットＳｉｊや、細胞Ｃｉｊが配置されないセンサユニットＳｉｊが存在した場合であっても、これらのセンサユニットＳｉｊの挙動は他のセンサユニットＳｉｊと区別することができるため問題はない。ただし、１つの細胞の応答信号を確実に取り出すという観点からは、１つのセンサユニットＳｉｊに１つの細胞Ｃｉｊが配置され、１つの電極ＥＬｉｊが１つの細胞Ｃｉｊに覆われていることが好ましい。

また、実施の形態１では、細胞Ｃｉｊと電極ＥＬｉｊとの間に、第１絶縁膜（イオン感応膜）ＩＦが形成されている場合を例に説明したが、細胞Ｃｉｊと電極ＥＬｉｊとは直接接触していてもよい。ただし、細胞Ｃｉｊと電極ＥＬｉｊとの間に第１絶縁膜（イオン感応膜）ＩＦが介在すると、細胞Ｃｉｊの微弱な電位応答信号を増幅出来ることがわかっている。そのため、細胞Ｃｉｊと電極ＥＬｉｊとの間に、第１絶縁膜ＩＦが形成され、第１絶縁膜ＩＦを介して、電極ＥＬｉｊが細胞Ｃｉｊに覆われていることが好ましい。

＜細胞応答計測装置の動作原理＞
以下、実施の形態１の細胞応答計測装置ＭＤ１の動作原理について説明する。なお、前述のように、センサユニットＳ１１以外のセンサユニットＳｉｊの構成については、センサユニットＳ１１と同様の構成であるため、センサユニットＳｉｊの動作原理は、センサユニットＳ１１を例に説明する。

ここでは、匂い分子（第１物理化学的刺激）ＯＭをセンサユニットＳ１１によって計測する場合を例に説明する。前述したように、図２に示すセンサユニットＳ１１は、半導体装置ＳＤ１１上に生理水溶液ＲＳが満たされた状態になっている。また、生理水溶液ＲＳ内に存在する細胞Ｃ１１は、脂質膜ＬＢにより細胞内外が分離され、脂質膜ＬＢ表面に発現したイオンポンプ（図示せず）の作用によって、細胞内の特定のイオン（Ｎａ^＋、Ｃａ^２＋など）の濃度が、細胞外よりも低い状態に保たれている。

この状態で、流路ＦＧｃの入口ＦＧａから流路ＦＧｃ内に匂い分子ＯＭを含む液体ＲＳａを流し入れる。図２および図３に示すように、流路ＦＧｃを流れる（灌流する）液体ＲＳａは、基板ＳＢの幅方向中央を通る流れ軸ＦＤを中心とした流れを形成し、流れ軸ＦＤから基板ＳＢの幅方向端部へと広がっていく。これにより、センサユニットＳｉｊ内に匂い分子ＯＭが導入される。

ここで、センサユニットＳ１１内の細胞Ｃ１１に発現した受容体ＥＲは、匂い分子ＯＭに特異的に応答する。そのため、細胞Ｃ１１の脂質膜ＬＢに発現した受容体ＥＲが匂い分子ＯＭを捕捉・認識すると、受容体ＥＲのイオンチャネルが開き、液体ＲＳａ中のＣａ^２＋を含む正イオンが細胞Ｃ１１内に流入する。これにより、細胞Ｃ１１内の電位が正方向にシフトする。この電位の変化は、脂質膜ＬＢおよび第１絶縁膜ＩＦを介して、電極ＥＬ１１に伝わり、電極ＥＬ１１およびゲート電極ＧＥの電位がシフトする。

半導体装置ＳＤ１１に含まれるＭＯＳＦＥＴがｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴである場合、チャネル領域ＣＨにキャリア電荷蓄積が生じ、ソース領域ＳＲとドレイン領域ＤＲとの間に電流が流れるようになる（オン状態）。前述したように、図１に示す電位計測部ＶＭ１１は、半導体装置ＳＤ１１であり、電極ＥＬ１１の電位変化をＭＯＳＦＥＴのオン電流として計測する。

一方で、図１に示すセンサユニットＳ１２内にも匂い分子ＯＭが導入される。しかし、センサユニットＳ１２内の細胞Ｃ１２には、受容体は発現していない。そのため、センサユニットＳ１２内に匂い分子ＯＭが導入されても、液体ＲＳａ中の正イオンは細胞Ｃ１１内に流入しない。そのため、センサユニットＳ１２内の半導体装置（図示せず）に含まれるＭＯＳＦＥＴは、匂い分子ＯＭによってオン状態にならない。従って、匂い分子ＯＭによるセンサユニットＳ１２の電極ＥＬ１２の電位変化は、本来的にはゼロである。

続いて、差分処理部ＤＣは、センサユニットＳｉｊのうち、例えば、センサユニットＳ１１とセンサユニットＳ１２との間の出力信号の差分を算出する。すなわち、差分処理部ＤＣは、センサユニットＳ１１の電極ＥＬ１１の電位変化とセンサユニットＳ１２の電極ＥＬ１２の電位変化との差を算出することによって、匂い分子ＯＭによる応答信号のみを抽出することができる。

そして、記録部ＭＥは、センサユニットＳｉｊのうち、例えば、センサユニットＳ１１とセンサユニットＳ１２との間の出力信号の差分を記録し、表示部ＤＩは、センサユニットＳｉｊのうち、例えば、センサユニットＳ１１とセンサユニットＳ１２との間の出力信号の差分を表示する。

なお、図示しないが、実施の形態１の細胞応答計測装置ＭＤ１においては、受容体ＥＲが発現した細胞、すなわち匂い分子ＯＭに応答する細胞を有するセンサユニットが複数設けられている。そのため、匂い分子ＯＭに対して、これらのセンサユニット内の細胞が応答し、これらのセンサユニットのＭＯＳＦＥＴが同時にオン状態になる。そのため、細胞に起因した出力信号（または電流パルス幅）を差分処理部ＤＣでの処理後に加算することで、細胞の出力信号のＳ／Ｎ比を高くすることができる。

また、実施の形態１の細胞Ｃ１１内には、緑色蛍光タンパク質ＦＰが発現している。そのため、細胞Ｃ１１の受容体ＥＲが匂い分子ＯＭを捕捉・認識して、受容体ＥＲのイオンチャネルが開き、液体ＲＳａ中のＣａ^２＋を含む正イオンが細胞Ｃ１１内に流入すると、Ｃａ^２＋が緑色蛍光タンパク質ＦＰに捕捉され、緑色蛍光が増加する。この緑色蛍光は、図４に示すカバーガラスＣＧを介してリアルタイムに測定することができる。匂い分子ＯＭの認識に伴う緑色蛍光タンパク質ＦＰの蛍光は、匂い分子ＯＭの刺激（継続）時間中、一定値を取ることがわかっている。このため、緑色蛍光タンパク質ＦＰの蛍光が一定値を取る時間を測定することで、匂い分子の刺激（継続）時間を把握することができる。

ここで、条件の一例を示す。生理水溶液ＲＳとしてアッセイバッファ（１４０ ｍＭ ＮａＣｌ、５．６ ｍＭ ＫＣｌ、４．５ ｍＭ ＣａＣｌ_２、１１．２６ ｍＭ ＭｇＣｌ_２、１１．３２ ｍＭ ＭｇＳＯ_４、９．４ ｍＭ Ｄ－ｇｌｕｃｏｓｅ、５ ｍＭ ＨＥＰＥＳ（4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid）；ｐＨ７．２）を用いた。そして、生理水溶液ＲＳをペリスタポンプにより流路ＦＧｃに１ ｍＬ／ｍｉｎの流速で灌流し、合計４０９６個のセンサユニットＳｉｊの電極ＥＬｉｊを連続的に測定した。匂い分子ＯＭとしては、前記アッセイバッファ中で３０ μＭとなるように調整した１－オクテン－３－オール溶液を導入し、センサユニットＳｉｊの電極ＥＬｉｊの電極電位の変化を測定した。

＜細胞応答計測装置の製造方法＞
実施の形態１の細胞応答計測装置ＭＤ１の製造方法について、工程順に説明する。

まず、図２に示すように、基板ＳＢを用意する。基板ＳＢには、例えばシリコンウェハを用いる。基板ＳＢのＭＯＳＦＥＴ形成領域（活性領域）を熱酸化して酸化シリコン膜を形成した後に、前記活性領域上に例えばポリシリコン膜を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術などにより、前記ポリシリコン膜および前記酸化シリコン膜をパターニングして、前記ＭＯＳＦＥＴのゲート電極ＧＥおよびゲート絶縁膜ＧＩを形成する。さらに、ゲート電極ＧＥをマスクとするセルフアラインにより、基板ＳＢに例えばｎ型不純物（ドーパント）をイオン注入する。その後、熱処理により不純物を拡散させ、基板ＳＢ内に前記ＭＯＳＦＥＴのソース領域ＳＲおよびドレイン領域ＤＲを形成する。次に、基板ＳＢ上に、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法により、例えば酸化シリコン膜からなる絶縁層ＩＬを形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術などにより、絶縁層ＩＬをパターニングして、ゲート電極ＧＥの一部の上面を露出させる。

以上の工程で、基板ＳＢの主面上に、半導体素子として、前記ＭＯＳＦＥＴを形成することができる。なお、ここまでの工程は、既存のセンサＦＥＴが形成された基板ＳＢを準備することで代用してもよい。

次に、ゲート電極ＧＥ上および絶縁層ＩＬ上に、例えばＰＶＤ（Physical Vapor Deposition：物理気相成長）法により、アルミニウム膜（図示せず）を３００ｎｍの膜厚で形成する。その後、リフトオフ法により、平面視において、アルミニウム膜を１辺が３２μｍの正方形状にパターニングする。

その後、パターニングしたアルミニウム膜の表面に対して、酸素（Ｏ_２）プラズマ処理を行う。酸素プラズマ処理とは、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法の応用であり、反応室内で酸素ガスに電磁波などを与えプラズマ化し、同時にアルミニウム膜に高周波電圧を印加する。こうすることで、アルミニウム膜とプラズマとの間に自己バイアス電位が生じ、プラズマ中のイオン種やラジカル種が試料方向に加速されて衝突する。その際、アルミニウム膜に対する酸素由来のイオンによるスパッタリングと、アルミニウム膜に対する酸素ガスの酸化反応が同時に起こる。

これにより、アルミニウム膜の表面が酸化され、アルミニウム膜の表面に酸化アルミニウム膜が形成される。この際、元々のアルミニウム膜のうち、酸化プラズマ処理によって酸化された部分（酸化アルミニウム膜）が第１絶縁膜ＩＦを構成し、酸素プラズマ処理によって酸化されなかった部分が電極ＥＬ１１を構成する。実施の形態１の酸素プラズマ処理は、Ｏ_２ガスの流量を１００ｓｃｃｍ（standard cubic centimeter per minute）と、高周波バイアス電力を３００Ｗとする条件で３分間行った。

次に、図５に示すように、基板ＳＢ上に樹脂シートＰＳを取り付ける。樹脂シートＰＳは、ポリジメチルシロキサンからなる。樹脂シートＰＳには２箇所の開口部が設けられており、基板ＳＢ上に樹脂シートＰＳを取り付けることによって、基板ＳＢ上のセンサユニットＳｉｊを領域ＳＡ１と領域ＳＡ２とに分けることができる。なお、領域ＳＡ１と領域ＳＡ２との境界線は、図４に示す生理水溶液ＲＳ（または測定対象の成分を含む液体ＲＳａ）の流れ軸ＦＤに沿って設けられている。すなわち、領域ＳＡ１と領域ＳＡ２とは、流れ軸ＦＤを対称軸として、対称に配置されている。

次に、図６に示すように、Ｏｒ１３ａ発現Ｓｆ２１細胞（例えば、細胞Ｃ１１）を懸濁培地（懸濁液）ＳＣ１の状態でセンサユニットＳｉｊの領域ＳＡ１に播種し、嗅覚受容体が発現していないＳｆ２１細胞（例えば、細胞Ｃ１２）を懸濁培地（懸濁液）ＳＣ２の状態でセンサユニットＳｉｊの領域ＳＡ２に播種する。その後、３０分間静置することで、懸濁培地ＳＣ１，ＳＣ２に含まれる細胞（細胞）は、各センサユニットＳｉｊの第１絶縁膜ＩＦに接触して固定される。その後に、基板ＳＢから樹脂シートＰＳを取り除く。なお、基板ＳＢから樹脂シートＰＳを取り除くことは必須ではないが、図４に示すように、生理水溶液ＲＳ（または測定対象の成分を含む液体ＲＳａ）が基板ＳＢ上を滞りなく流れるように、基板ＳＢから樹脂シートＰＳを取り除いて、基板ＳＢ上の凹凸をなくした方が好ましい。

次に、図示しないが、基板ＳＢを配線基板ＰＢ上に搭載する。そして、配線基板ＰＢ上に誘導部ＦＧを取り付ける。また、流路ＦＧｃの入口ＦＧａおよび出口ＦＧｂに、軟質チューブと、軟質チューブ内の液体を送り出すポンプとを接続する。

その後、誘導部ＦＧ内に設けられた流路ＦＧｃの入口ＦＧａから流路ＦＧｃ内に生理水溶液ＲＳを流し入れ、流路ＦＧｃの出口ＦＧｂから排出する。この工程を連続的に、かつ、繰り返し行うことにより、図２に示すセンサユニットＳ１１は、半導体装置ＳＤ１１上に生理水溶液ＲＳが満たされた状態にする。また、生理水溶液ＲＳ内に存在する細胞Ｃ１１は、脂質膜ＬＢにより細胞内外が分離され、脂質膜ＬＢ表面に発現したイオンポンプ（図示せず）の作用によって、細胞内の特定のイオン（Ｎａ^＋、Ｃａ^２＋など）の濃度が、細胞外よりも低い状態に保たれる。

以上の工程により、センサユニットＳ１１が完成する。なお、図２に示すセンサユニットＳ１１以外のセンサユニットＳｉｊについても同様の工程を経て、センサユニットＳｉｊが形成される。

その後、図１に示すように、各センサユニットＳｉｊのゲート電極ＧＥを電位計測部ＶＭｉｊにそれぞれ配線を介して電気的に接続する。また、参照電極ＲＥを生理水溶液ＲＳに接触させる一方で、参照電極ＲＥを各電位計測部ＶＭｉｊにそれぞれ配線を介して電気的に接続する。その後、各電位計測部ＶＭｉｊを、差分処理部ＤＣに接続する。そして、差分処理部ＤＣを記録部ＭＥと表示部ＤＩとに接続することによって、実施の形態１の細胞応答計測装置ＭＤ１が完成する。

なお、細胞ＣｉｊがセンサユニットＳｉｊに配置されている状態は、光学顕微鏡を用いてカバーガラスＣＧを介して観察し確認することができる。そのため、明視野像では、全ての細胞Ｃｉｊの配置状況が確認できる。一方、受容体ＥＲが発現した細胞ＯＣ１３は、緑色蛍光タンパク質ＦＰが発現しているため、蛍光像では、受容体ＥＲが発現した細胞Ｃｉｊの配置状況（流れ軸ＦＤを挟んだ一方側にのみ配置されているか）を確認することができる。

＜検討の経緯について＞
本発明者が検討した検討例の細胞応答計測装置の構成を、図７および図８を用いて説明する。図７は、検討例の細胞応答計測装置ＭＤ１０１の構成図であり、図８は、検討例の細胞応答計測装置ＭＤ１０１の平面図である。

検討例の細胞応答計測装置ＭＤ１０１は、その構成要素であるセンサユニットの構成が、実施の形態１の細胞応答計測装置のセンサユニットの構成と異なっている。すなわち、図８に示すように、検討例では、センサユニットＳｉｊのうち、流れ軸ＦＤを挟んだ一方側には、受容体が発現した細胞ＯＣ１３を配置し、流れ軸ＦＤを挟んだもう一方側には、細胞を配置していない。

図７には、検討例のセンサユニットＳｉｊのうち、流れ軸ＦＤを挟んで配置されたセンサユニットＳ１０１およびセンサユニットＳ１０２を例に示す。図７に示すように、検討例のセンサユニットＳ１０１は、電極ＥＬ１１と細胞Ｃ１１とを有しており、上記実施の形態１のセンサユニットＳ１１と同様である。一方、検討例のセンサユニットＳ１０２は、電極ＥＬ１２を有しているが、細胞を有していない。この点が、検討例のセンサユニットＳ１０２と上記実施の形態１のセンサユニットＳ１２との相違点である。

なお、検討例の細胞応答計測装置ＭＤ１０１に含まれるセンサユニットは、センサユニットＳ１０１またはセンサユニットＳ１０２のいずれか一方と同様の構成であるため、繰り返しの説明を省略する。また、検討例の細胞応答計測装置ＭＤ１０１は、電極ＥＬ１１の電位を計測する電位計測部ＶＭ１０１や電極ＥＬ１２の電位を計測する電位計測部ＶＭ１０２等からなる電位計測部を有している。検討例の細胞応答計測装置ＭＤ１０１のそれ以外の構成については、上記実施の形態１の細胞応答計測装置ＭＤ１の構成と同じであるため、繰り返しの説明を省略する。

次に、検討例の細胞応答計測装置ＭＤ１０１の動作原理について説明する。

検討例のセンサユニットＳ１０１の動作原理は、上記実施の形態１のセンサユニットＳ１１と同様である。

一方、検討例のセンサユニットＳ１０２の動作原理は以下の通りである。センサユニットＳ１０２内には、細胞が存在しない。そのため、センサユニットＳ１０２内に匂い分子ＯＭが導入されても、センサユニットＳ１０２内の半導体装置（図示せず）に含まれるＭＯＳＦＥＴは、匂い分子ＯＭによってオン状態にならない。従って、匂い分子ＯＭによるセンサユニットＳ１０２の電極ＥＬ１２の電位変化は、本来的にはゼロである。

続いて、差分処理部ＤＣは、例えば、電位計測部ＶＭ１０１で計測した電極ＥＬ１１の電位と電位計測部ＶＭ１０２で計測した電極ＥＬ１２ｊの電位との間の差分、すなわち、センサユニットＳ１０１とセンサユニットＳ１０２との間の出力信号の差分を算出する。そして、記録部ＭＥは、例えば、センサユニットＳ１０１とセンサユニットＳ１０２との間の出力信号の差分を記録し、表示部ＤＩは、例えば、センサユニットＳ１０１とセンサユニットＳ１０２との間の出力信号の差分を表示する。

以下、本発明者が検討例の細胞応答計測装置ＭＤ１０１について見出した課題を説明する。

検討例の電位計測部ＶＭ１０１では、センサユニットＳ１０１内に存在する細胞Ｃ１１内に正イオンが入り込むことによる受容体ＥＲ由来の電位応答信号（以下、応答信号Ｖ_ＥＲとする）を電極ＥＬ１１の電位変化として計測している。この際、受容体ＥＲに由来しない電位応答信号（以下、応答信号Ｖ_ＥＬ１１とする）も電極ＥＬ１１の電位変化として計測してしまう。すなわち、電極ＥＬ１１の電位変化Ｖ_１１は、Ｖ_１１＝Ｖ_ＥＲ＋Ｖ_ＥＬ１１と表すことができる。受容体ＥＲに由来しない電位応答信号としては、バックグラウンドノイズや生理水溶液ＲＳ（または測定対象の成分を含む液体ＲＳａ）中のイオン濃度の変化が挙げられる。

そのため、検討例の細胞応答計測装置ＭＤ１０１は、細胞を有していないセンサユニットＳ１０２を用意し、電位計測部ＶＭ１０２によってセンサユニットＳ１０２の電極ＥＬ１２の電位変化を計測している。この電極ＥＬ１２の電位変化は、受容体ＥＲに由来しない電位応答信号（以下、応答信号Ｖ_ＥＬ１２とする）のみとなる。すなわち、電極ＥＬ１２の電位変化Ｖ_１２は、Ｖ_１２＝Ｖ_ＥＬ１２と表すことができる。

従って、検討例の差分処理部ＤＣで得られる応答信号Ｖ_ＤＣは、Ｖ_ＤＣ＝Ｖ_１１－Ｖ_１２＝Ｖ_ＥＲ＋Ｖ_ＥＬ１１－Ｖ_ＥＬ１２と表すことができる。ここで、電極ＥＬ１１および電極ＥＬ１２は、同一の装置に近接して配置されているため、電極ＥＬ１１，ＥＬ１２におけるバックグラウンドノイズは、ほぼ同じ値となり、差分処理部ＤＣでキャンセルすることができる。

しかし、本発明者の検討により、受容体ＥＲに由来しない電位応答信号は、電極ＥＬ１１，ＥＬ１２のうち、細胞Ｃｉｊに覆われていない部分の面積の大きさに依存することがわかった。図７に示すように、センサユニットＳ１０１の電極ＥＬ１１は、細胞Ｃ１１に覆われている。一方、センサユニットＳ１０２の電極ＥＬ１２上は、細胞に覆われていない。そのため、電極ＥＬ１１における受容体ＥＲに由来しない応答信号Ｖ_ＥＬ１１の値が、電極ＥＬ１２における受容体ＥＲに由来しない応答信号Ｖ_ＥＬ１２の値と大きく異なる。その結果、差分処理部ＤＣで得られる応答信号Ｖ_ＤＣ中の応答信号の差（Ｖ_ＥＬ１１－Ｖ_ＥＬ１２）の成分が無視できず、受容体ＥＲ由来の電位応答信号だけを取り出すことができない。

また、ここで、平面視において、電極ＥＬｉｊの面積が、細胞Ｃｉｊの面積よりも大きく、電極ＥＬｉｊのうち、細胞Ｃｉｊに覆われていない部分の面積が、細胞Ｃｉｊに覆われている部分の面積に比べて大きい場合を考える。このような場合は、受容体ＥＲに由来しない応答信号Ｖ_ＥＬ１１，Ｖ_ＥＬ１２の値が、受容体ＥＲ由来の電位応答信号Ｖ_ＥＲの値に比べて大きくなる可能性がある。その結果、電極ＥＬ１１における受容体ＥＲに由来しない応答信号Ｖ_ＥＬ１１の値が、電極ＥＬ１２における受容体ＥＲに由来しない応答信号Ｖ_ＥＬ１２の値と近かった場合であっても、差分処理部ＤＣで得られる応答信号Ｖ_ＤＣ中の応答信号の差（Ｖ_ＥＬ１１－Ｖ_ＥＬ１２）の成分が無視できない可能性がある。

以上より、細胞応答計測装置のセンサユニットにおいて、各電極における受容体に由来しない応答信号の大きさを等しくすることと、各電極における受容体に由来しない応答信号の大きさを小さくすることとが望まれる。

＜実施の形態の主な特徴と効果＞
以下、実施の形態１の主要な特徴および効果について説明する。実施の形態１の主要な特徴の一つは、図１に示すように、全ての電極ＥＬｉｊが細胞Ｃｉｊに覆われていることである。すなわち、例えば、センサユニットＳ１１の電極ＥＬ１１は、受容体ＥＲが発現した細胞Ｃ１１により覆われており、センサユニットＳ１２の電極ＥＬ１２は、受容体が発現していない細胞Ｃ１２により覆われている。そして、差分処理部ＤＣによって、受容体ＥＲが発現した細胞Ｃｉｊに覆われた電極ＥＬｉｊと受容体が発現していない細胞Ｃｉｊに覆われた電極ＥＬｉｊとの間の出力信号の差分を算出している。すなわち、差分処理部ＤＣによって、例えば、電極ＥＬ１１と電極ＥＬ１２との間の出力信号の差分を算出している。

実施の形態１では、このような構成を採用したことにより、細胞応答計測装置の性能を向上させることができる。以下、その理由について具体的に説明する。

検討例で説明したように、差分処理部ＤＣで得られる応答信号Ｖ_ＤＣは、Ｖ_ＤＣ＝Ｖ_１１－Ｖ_１２＝Ｖ_ＥＲ＋Ｖ_ＥＬ１１－Ｖ_ＥＬ１２と表すことができる。ここで、図１に示すように、実施の形態１では、センサユニットＳ１１の電極ＥＬ１１は、細胞Ｃ１１に覆われていると共に、センサユニットＳ１２の電極ＥＬ１２は、細胞Ｃ１２に覆われている。そのため、実施の形態１では、平面視において、電極ＥＬ１１のうち細胞Ｃ１１に覆われていない部分の面積は、電極ＥＬ１２のうち細胞Ｃ１２に覆われていない部分の面積とほぼ同じである。従って、電極ＥＬ１１における受容体ＥＲに由来しない応答信号Ｖ_ＥＬ１１の値が、電極ＥＬ１２における受容体ＥＲに由来しない応答信号Ｖ_ＥＬ１２の値とほぼ等しくなる。その結果、差分処理部ＤＣで得られる応答信号Ｖ_ＤＣ中の応答信号の差（Ｖ_ＥＬ１１－Ｖ_ＥＬ１２）の成分を小さくすることができる。

また、実施の形態１のセンサユニットＳｉｊでは、平面視において、電極ＥＬｉｊのうち、細胞Ｃｉｊに覆われている部分の面積に比べて、細胞Ｃｉｊに覆われていない部分の面積を小さくしている。こうすることで、受容体ＥＲに由来しない応答信号Ｖ_ＥＬ１１，Ｖ_ＥＬ１２の値を、受容体ＥＲ由来の電位応答信号Ｖ_ＥＲの値に比べて小さくすることができる。その結果、差分処理部ＤＣで得られる応答信号Ｖ_ＤＣ中の応答信号の差（Ｖ_ＥＬ１１－Ｖ_ＥＬ１２）の成分を無視できるほど小さくすることができる。

以上より、実施の形態１の細胞応答計測装置ＭＤ１では、差分処理部ＤＣで得られる応答信号Ｖ_ＤＣは、Ｖ_ＤＣ≒Ｖ_ＥＲとなる。すなわち、差分処理部ＤＣでは、匂い分子ＯＭによる受容体ＥＲ由来の電位応答信号Ｖ_ＥＲだけを取り出し、分解能のよい細胞応答計測装置を提供することができる。

また、実施の形態１の主要な特徴の他の一つは、センサユニットＳｉｊに対して、流れ軸ＦＤを対称軸として、異なる種類の細胞Ｃｉｊをそれぞれ対称的に配置していることである。図２および図３に示すように、流路ＦＧｃを流れる（灌流する）液体ＲＳａは、基板ＳＢの幅方向中央を通る流れ軸ＦＤを中心とした流れを形成し、流れ軸ＦＤから基板ＳＢの幅方向端部へと広がっていく。すなわち、基板ＳＢのセンサユニットＳｉｊ内の細胞Ｃｉｊに液体ＲＳａが到達するまでの時間は、センサユニットＳｉｊごとに異なる。

ここで、例えば、基板ＳＢの端部から流れ軸ＦＤに沿った距離が等しく、かつ、流れ軸ＦＤに対して対称的に配置された細胞Ｃ１１および細胞Ｃ１２には、液体ＲＳａはほぼ同時に到達する。そして、差分処理部ＤＣによって、受容体ＥＲが発現した細胞Ｃ１１を有するセンサユニットＳ１１と受容体が発現していない細胞Ｃ１２を有するセンサユニット１２との間の出力信号の差分を算出する。同様に、基板ＳＢの端部から流れ軸ＦＤに沿った距離が等しく、かつ、流れ軸ＦＤに対して対称な位置にある一対のセンサユニットＳｉｊ間の出力信号の差分を算出する。

こうすることで、実施の形態１では、基板ＳＢに配置された各センサユニットＳｉｊ内の細胞Ｃｉｊに液体ＲＳａが到達するまでの時間差の影響を無視することができる。その結果、差分処理部ＤＣでは、匂い分子ＯＭによる受容体ＥＲ由来の電位応答信号Ｖ_ＥＲだけをより確実に取り出すことができる。

（実施の形態２）
実施の形態２の細胞応答計測装置の構成を、図９を用いて説明する。図９は、実施の形態２の細胞応答計測装置ＭＤ２の平面図である。

実施の形態２の細胞応答計測装置ＭＤ２のセンサユニットＳｉｊは、電極ＥＬｉｊと細胞Ｃｉｊとを有しており、上記実施の形態１のセンサユニットＳｉｊと同様である。ただし、図９に示すように、実施の形態２では、センサユニットＳｉｊのうち、流れ軸ＦＤを挟んだ一方側には、嗅覚受容体Ｏｒ１３ａが発現した細胞ＯＣ１３を配置し、流れ軸ＦＤを挟んだもう一方側には、嗅覚受容体Ｏｒ５６ａが発現したＳｆ２１細胞（細胞ＯＣ５６）を配置している。すなわち、実施の形態２のセンサユニットＳｉｊのうち、流れ軸ＦＤを挟んで配置されたセンサユニットＳ２１の電極ＥＬ２１は、細胞ＯＣ１３に覆われている一方、センサユニットＳ２２の電極ＥＬ２２は、細胞ＷＣではなく、細胞ＯＣ５６に覆われている点が、上記実施の形態１との相違点である。

なお、実施の形態２の細胞応答計測装置ＭＤ２に含まれるセンサユニットＳｉｊは、センサユニットＳ２１またはセンサユニットＳ２２のいずれか一方と同様の構成であるため、繰り返しの説明を省略する。また、実施の形態２の細胞応答計測装置ＭＤ２のそれ以外の構成については、上記実施の形態１の細胞応答計測装置ＭＤ１の構成と同じであるため、繰り返しの説明を省略する。

次に、実施の形態２の細胞応答計測装置ＭＤ２の動作原理について説明する。

まず、匂い分子として１－オクテン－３－オールを採用した場合を例に説明する。実施の形態２において、流路ＦＧｃの入口ＦＧａから流路ＦＧｃ内に１－オクテン－３－オールを含む液体ＲＳａを流し入れる（図２参照）。これにより、センサユニットＳ２１内に１－オクテン－３－オールが導入される。ここで、センサユニットＳ２１内の細胞Ｃ２１に発現した受容体ＥＲは、１－オクテン－３－オールに特異的に応答する。そのため、細胞Ｃ２１の脂質膜ＬＢに発現した受容体ＥＲが１－オクテン－３－オールを捕捉・認識すると、受容体ＥＲのイオンチャネルが開き、液体ＲＳａ中のＣａ^２＋を含む正イオンが細胞Ｃ２１内に流入する（図４参照）。これにより、細胞Ｃ２１内の電位が正方向にシフトする。この電位の変化は、脂質膜ＬＢおよび第１絶縁膜ＩＦを介して、電極ＥＬ２１に伝わり、電極ＥＬ２１およびゲート電極ＧＥの電位がシフトする。電位計測部は、ＭＯＳＦＥＴを有する半導体装置であり、電極ＥＬ２１の電位変化をＭＯＳＦＥＴのオン電流として計測する。

一方で、センサユニットＳ２２内にも１－オクテン－３－オールが導入される。しかし、センサユニットＳ２２内の細胞Ｃ２２は、細胞ＯＣ５６である。そのため、センサユニットＳ２２内に１－オクテン－３－オールが導入されても、細胞Ｃ２２の脂質膜ＬＢに発現した受容体ＥＲは１－オクテン－３－オールを捕捉・認識することはなく、受容体ＥＲのイオンチャネルは開かない。従って、液体ＲＳａ中の正イオンは細胞Ｃ２２内に流入しない。そのため、センサユニットＳ２２内の半導体装置（図示せず）に含まれるＭＯＳＦＥＴは、１－オクテン－３－オールによってオン状態にならない。従って、１－オクテン－３－オールによるセンサユニットＳ２２の電極ＥＬ２２の電位変化は、ゼロである。

これにより、差分処理部ＤＣは、例えば、センサユニットＳ２１の電極ＥＬ２１の電位変化とセンサユニットＳ２２の電極ＥＬ２２の電位変化との差を算出することによって、１－オクテン－３－オールによる応答信号のみを抽出することができる。

また、匂い分子としてジェオスミンを採用した場合を例に説明する。実施の形態２において、流路ＦＧｃの入口ＦＧａから流路ＦＧｃ内にジェオスミンを含む液体ＲＳａを流し入れる（図２参照）。これにより、センサユニットＳ２２内にジェオスミンが導入される。ここで、センサユニットＳ２２内の細胞Ｃ２２に発現した受容体ＥＲは、ジェオスミンに特異的に応答する。そのため、細胞Ｃ２２の脂質膜ＬＢに発現した受容体ＥＲがジェオスミンを捕捉・認識すると、受容体ＥＲのイオンチャネルが開き、液体ＲＳａ中のＣａ^２＋を含む正イオンが細胞Ｃ２２内に流入する（図４参照）。これにより、細胞Ｃ２２内の電位が正方向にシフトする。この電位の変化は、脂質膜ＬＢおよび第１絶縁膜ＩＦを介して、電極ＥＬ２２に伝わり、電極ＥＬ２２およびゲート電極ＧＥの電位がシフトする。電位計測部は、ＭＯＳＦＥＴを有する半導体装置であり、電極ＥＬ２２の電位変化をＭＯＳＦＥＴのオン電流として計測する。

一方で、センサユニットＳ２１内にもジェオスミンが導入される。しかし、センサユニットＳ２１内の細胞Ｃ２１は、細胞ＯＣ１３である。そのため、センサユニットＳ２１内にジェオスミンが導入されても、細胞Ｃ２１の脂質膜ＬＢに発現した受容体ＥＲはジェオスミンを捕捉・認識することはなく、受容体ＥＲのイオンチャネルは開かない。従って、液体ＲＳａ中の正イオンは細胞Ｃ２１内に流入しない。そのため、センサユニットＳ２１内の半導体装置（図示せず）に含まれるＭＯＳＦＥＴは、ジェオスミンによってオン状態にならない。従って、ジェオスミンによるセンサユニットＳ２１の電極ＥＬ２１の電位変化は、ゼロである。

これにより、差分処理部ＤＣは、例えば、センサユニットＳ２２の電極ＥＬ２２の電位変化とセンサユニットＳ２１の電極ＥＬ２１の電位変化との差を算出することによって、ジェオスミンによる応答信号のみを抽出することができる。

また、実施の形態２では、上記実施の形態１と同様に、センサユニットＳｉｊに対して、流れ軸ＦＤを対称軸として、異なる種類の細胞Ｃｉｊをそれぞれ対称的に配置している。そのため、基板ＳＢの端部から流れ軸ＦＤに沿った距離が等しく、かつ、流れ軸ＦＤに対して対称な位置にある一対のセンサユニットＳｉｊ（例えばセンサユニットＳ２１およびセンサユニットＳ２２）間の出力信号の差分を算出することで、基板ＳＢに配置された各センサユニットＳｉｊ内の細胞Ｃｉｊに液体ＲＳａが到達するまでの時間差の影響を無視することができる。

以上で説明したように、実施の形態２では、上記実施の形態１と同様に、センサユニットＳｉｊの電極ＥＬｉｊが細胞Ｃｉｊに覆われている。そして、実施の形態２の細胞Ｃｉｊには、特定の匂い分子にのみそれぞれ応答する２種類の細胞を採用している。

こうすることで、実施の形態２の細胞応答計測装置ＭＤ２では、上記実施の形態１と同様に、匂い分子による受容体ＥＲ由来の電位応答信号Ｖ_ＥＲだけを取り出し、分解能のよい細胞応答計測装置を提供することができる。さらに、実施の形態２の細胞応答計測装置ＭＤ２では、１つの装置で２種類の匂い分子に応答することができ、この点で上記実施の形態１よりも有利である。

（実施の形態３）
実施の形態３の細胞応答計測装置の構成を、図１０を用いて説明する。図１０は、実施の形態３の細胞応答計測装置ＭＤ３の平面図である。

実施の形態３の細胞応答計測装置ＭＤ３のセンサユニットＳｉｊは、電極ＥＬｉｊと細胞Ｃｉｊとを有しており、上記実施の形態１のセンサユニットＳｉｊと同様である。ただし、実施の形態３では、流れ軸ＦＤに沿った一列分のセンサユニットＳｉｊには、同一種類の細胞が配置されている。そして、流れ軸ＦＤに沿って互いに隣り合うセンサユニットＳｉｊには、互いに異なる種類の細胞が配置されている。すなわち、流れ軸ＦＤに沿って並ぶ電極列（電極ＥＬｉｊの列）は、同一種類の細胞に覆われている。そして、流れ軸ＦＤに沿って互いに隣り合うセンサユニットＳｉｊに含まれる電極ＥＬｉｊは、互いに異なる種類の細胞に覆われている。

具体的には、図１０に示すように、実施の形態３では、ｍ×ｎの二次元マトリクス状に配置されたセンサユニットＳｉｊに対して、流れ軸ＦＤに沿った列ごとに（流れ軸ＦＤに平行な列ごとに）、例えばディスペンサーを用いて、嗅覚受容体Ｏｒ１３ａが発現した細胞ＯＣ１３、嗅覚受容体Ｏｒ５６ａが発現した細胞ＯＣ５６、受容体が発現していない細胞ＷＣの順に繰り返して配置している。すなわち、例えば、センサユニットＳ３１の電極ＥＬ３１は細胞ＯＣ１３に覆われ、センサユニットＳ３２の電極ＥＬ３２は細胞ＯＣ５６に覆われ、センサユニットＳ３３の電極ＥＬ３３は細胞ＷＣに覆われている。以上の点が、上記実施の形態１との相違点である。

なお、実施の形態３の細胞応答計測装置ＭＤ３に含まれるセンサユニットＳｉｊは、センサユニットＳ３１、センサユニットＳ３２またはセンサユニットＳ３３のいずれか一方と同様の構成であるため、繰り返しの説明を省略する。また、実施の形態３の細胞応答計測装置ＭＤ３のそれ以外の構成については、上記実施の形態１の細胞応答計測装置ＭＤ１の構成と同じであるため、繰り返しの説明を省略する。

次に、実施の形態３の細胞応答計測装置ＭＤ３の動作原理について説明する。

まず、匂い分子として１－オクテン－３－オールを採用した場合を例に説明する。実施の形態２において、流路ＦＧｃの入口ＦＧａから流路ＦＧｃ内に１－オクテン－３－オールを含む液体ＲＳａを流し入れる（図２参照）。これにより、センサユニットＳ３１内に１－オクテン－３－オールが導入される。ここで、センサユニットＳ３１内の細胞Ｃ３１に発現した受容体ＥＲは、１－オクテン－３－オールに特異的に応答する。そのため、細胞Ｃ３１の脂質膜ＬＢに発現した受容体ＥＲが１－オクテン－３－オールを捕捉・認識すると、受容体ＥＲのイオンチャネルが開き、液体ＲＳａ中のＣａ^２＋を含む正イオンが細胞Ｃ３１内に流入する（図４参照）。これにより、細胞Ｃ３１内の電位が正方向にシフトする。この電位の変化は、脂質膜ＬＢおよび第１絶縁膜ＩＦを介して、電極ＥＬ３１に伝わり、電極ＥＬ３１およびゲート電極ＧＥの電位がシフトする。電位計測部は、ＭＯＳＦＥＴを有する半導体装置であり、電極ＥＬ３１の電位変化をＭＯＳＦＥＴのオン電流として計測する。

一方で、センサユニットＳ３２内およびセンサユニットＳ３３内にも１－オクテン－３－オールが導入される。しかし、センサユニットＳ３２内の細胞Ｃ３２は、細胞ＯＣ５６である。そのため、センサユニットＳ３２内に１－オクテン－３－オールが導入されても、細胞Ｃ３２の脂質膜ＬＢに発現した受容体ＥＲは１－オクテン－３－オールを捕捉・認識することはなく、受容体ＥＲのイオンチャネルは開かない。また、センサユニットＳ３３内の細胞Ｃ３３は、細胞ＷＣである。そのため、センサユニットＳ３３内に１－オクテン－３－オールが導入されても、細胞Ｃ３３には受容体がなく、１－オクテン－３－オールを捕捉・認識することはない。

従って、液体ＲＳａ中の正イオンは細胞Ｃ３２および細胞Ｃ３３内に流入しない。そのため、センサユニットＳ３２およびセンサユニットＳ３３内の半導体装置（図示せず）に含まれるＭＯＳＦＥＴは、１－オクテン－３－オールによってオン状態にならない。従って、１－オクテン－３－オールによるセンサユニットＳ３２の電極ＥＬ３２の電位変化は、ゼロである。同様に、１－オクテン－３－オールによるセンサユニットＳ３３の電極ＥＬ３３の電位変化は、ゼロである。

これにより、差分処理部ＤＣは、例えば、センサユニットＳ３１の電極ＥＬ３１の電位変化とセンサユニットＳ３２の電極ＥＬ３２の電位変化との差を算出することによって、１－オクテン－３－オールによる応答信号のみを抽出することができる。同様に、差分処理部ＤＣは、例えば、センサユニットＳ３１の電極ＥＬ３１の電位変化とセンサユニットＳ３３の電極ＥＬ３３の電位変化との差を算出することによって、１－オクテン－３－オールによる応答信号のみを抽出することができる。

また、匂い分子としてジェオスミンを採用した場合を例に説明する。実施の形態３において、流路ＦＧｃの入口ＦＧａから流路ＦＧｃ内にジェオスミンを含む液体ＲＳａを流し入れる（図２参照）。これにより、センサユニットＳ３２内にジェオスミンが導入される。ここで、センサユニットＳ３２内の細胞Ｃ３２に発現した受容体ＥＲは、ジェオスミンに特異的に応答する。そのため、細胞Ｃ３２の脂質膜ＬＢに発現した受容体ＥＲがジェオスミンを捕捉・認識すると、受容体ＥＲのイオンチャネルが開き、液体ＲＳａ中のＣａ^２＋を含む正イオンが細胞Ｃ３２内に流入する（図４参照）。これにより、細胞Ｃ３２内の電位が正方向にシフトする。この電位の変化は、脂質膜ＬＢおよび第１絶縁膜ＩＦを介して、電極ＥＬ３２に伝わり、電極ＥＬ３２およびゲート電極ＧＥの電位がシフトする。電位計測部は、ＭＯＳＦＥＴを有する半導体装置であり、電極ＥＬ３２の電位変化をＭＯＳＦＥＴのオン電流として計測する。

一方で、センサユニットＳ３１内およびセンサユニットＳ３３内にもジェオスミンが導入される。しかし、センサユニットＳ３１内の細胞Ｃ３１は、細胞ＯＣ１３である。そのため、センサユニットＳ３１内にジェオスミンが導入されても、細胞Ｃ３１の脂質膜ＬＢに発現した受容体ＥＲはジェオスミンを捕捉・認識することはなく、受容体ＥＲのイオンチャネルは開かない。また、センサユニットＳ３３内の細胞Ｃ３３は、細胞ＷＣである。そのため、センサユニットＳ３３内にジェオスミンが導入されても、細胞Ｃ３３には受容体がなく、ジェオスミンを捕捉・認識することはない。

従って、液体ＲＳａ中の正イオンは細胞Ｃ３１および細胞Ｃ３３内に流入しない。そのため、センサユニットＳ３１およびセンサユニットＳ３３内の半導体装置（図示せず）に含まれるＭＯＳＦＥＴは、ジェオスミンによってオン状態にならない。従って、ジェオスミンによるセンサユニットＳ３１の電極ＥＬ３１の電位変化は、ゼロである。同様に、ジェオスミンによるセンサユニットＳ３３の電極ＥＬ３３の電位変化は、ゼロである。

これにより、差分処理部ＤＣは、例えば、センサユニットＳ３２の電極ＥＬ３２の電位変化とセンサユニットＳ３１の電極ＥＬ３１の電位変化との差を算出することによって、ジェオスミンによる応答信号のみを抽出することができる。同様に、差分処理部ＤＣは、例えば、センサユニットＳ３２の電極ＥＬ３２の電位変化とセンサユニットＳ３３の電極ＥＬ３３の電位変化との差を算出することによって、ジェオスミンによる応答信号のみを抽出することができる。

また、図１０に示すように、実施の形態３では、流れ軸ＦＤに沿った一列分のセンサユニットＳｉｊには、同一種類の細胞が配置されている。そして、流れ軸ＦＤに沿って互いに隣り合うセンサユニットＳｉｊには、互いに異なる種類の細胞が配置されている。すなわち、センサユニットＳｉｊに対して、流れ軸ＦＤに沿った列ごとに（流れ軸ＦＤに平行な列ごとに）、嗅覚受容体Ｏｒ１３ａが発現した細胞ＯＣ１３、嗅覚受容体Ｏｒ５６ａが発現した細胞ＯＣ５６、受容体が発現していない細胞ＷＣの順に繰り返して配置している。

そのため、実施の形態３では、流れ軸ＦＤに沿った１つの列に存在するセンサユニットＳｉｊを基準にすると、この列に隣り合ういずれかの列に存在し、かつ、基板ＳＢの端部から流れ軸ＦＤに沿った距離が等しい位置にあるセンサユニットＳｉｊと、基準にしたセンサユニットＳｉｊとの間の出力信号の差分を算出する。例えば、センサユニットＳ３２とセンサユニットＳ３１との間、または、センサユニットＳ３２とセンサユニットＳ３３との間の出力信号の差分を算出する。こうすることで、基板ＳＢに配置された各センサユニットＳｉｊ内の細胞Ｃｉｊに液体ＲＳａが到達するまでの時間差の影響を小さくすることができる。

以上で説明したように、実施の形態３では、上記実施の形態１と同様に、センサユニットＳｉｊの電極ＥＬｉｊが細胞Ｃｉｊに覆われている。そして、実施の形態３の細胞Ｃｉｊに、３種類の細胞を採用している。こうすることで、実施の形態３の細胞応答計測装置ＭＤ３では、上記実施の形態１と同様に、匂い分子による受容体ＥＲ由来の電位応答信号Ｖ_ＥＲだけを取り出し、分解能のよい細胞応答計測装置を提供することができる。さらに、実施の形態３の細胞応答計測装置ＭＤ３では、上記実施の形態２と同様に、２種類の匂い分子に応答することができ、この点で上記実施の形態１よりも有利である。

さらに、上記実施の形態２では、１－オクテン－３－オールおよびジェオスミンの混合導入、あるいは嗅覚受容体Ｏｒ１３ａおよび嗅覚受容体Ｏｒ５６ａの両方が同時に応答するその他の匂い分子の導入によって、細胞ＯＣ１３および細胞ＯＣ５６が同時に応答した場合には、センサユニットＳｉｊの電位変化を互いに打ち消しあってしまう。一方、実施の形態３の細胞応答計測装置ＭＤ３では、細胞ＯＣ１３および細胞ＯＣ５６の両応答を、細胞ＷＣを基準として同時に計測することが可能である。そのため、実施の形態３は、１－オクテン－３－オールまたはジェオスミンの単独導入のみならず、これらの匂い分子が混合導入された場合、あるいは両受容体が同時に応答するその他の匂い分子が導入された場合であっても、独立に定量評価ができる点で、上記実施の形態２よりも有利である。

また、上記では２種類の匂い分子に応答する場合を例に説明したが、実施の形態３の変形例１として、細胞ＷＣの代わりに、さらに別の匂い分子に特異的に応答する受容体を有する細胞を採用することで、３種類の匂い分子に応答することができる細胞応答計測装置を提供することができる。

そして、実施の形態３の変形例２として、センサユニットＳｉｊに対して、流れ軸ＦＤに沿った列ごとに（流れ軸ＦＤに平行な列ごとに）、４種類以上の細胞を順次に繰り返して配置することで、４種類以上の匂い分子に応答することができる細胞応答計測装置を提供することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の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で種々変更可能であることはいうまでもない。

Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ３１，Ｃ３２，Ｃ３３ 細胞
ＣＧ カバーガラス
ＣＨ チャネル領域
ＤＣ 差分処理部
ＤＩ 表示部
ＤＲ ドレイン領域
ＥＬ１１，ＥＬ１２，ＥＬ２１，ＥＬ２２，ＥＬ３１，ＥＬ３２，ＥＬ３３ 電極
ＥＲ 受容体
ＦＤ 流れ軸
ＦＧ 誘導部
ＧＥ ゲート電極
ＧＩ ゲート絶縁膜
ＩＦ 第１絶縁膜
ＬＢ 脂質膜
ＭＤ１，ＭＤ１０１，ＭＤ２，ＭＤ３ 細胞応答計測装置
ＭＥ 記録部
ＯＭ 匂い分子
ＰＢ 配線基板
ＰＳ 樹脂シート
ＲＥ 参照電極
ＲＳ 生理水溶液（電解質溶液）
Ｓ１０１，Ｓ１０２，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ３１，Ｓ３２，Ｓ３３ センサユニット
ＳＢ 基板
ＳＤ１１ 半導体装置
ＳＲ ソース領域
ＶＭ１０１，ＶＭ１０２，ＶＭ１１，ＶＭ１２ 電位計測部

Claims (11)

1. 電解質溶液と、
   前記電解質溶液中に配置された複数の細胞と、
   前記複数の細胞に覆われた複数の電極と、
   を有し、
   前記複数の細胞は、第１物理化学的刺激に応答する第１受容体が発現した第１細胞と、前記第１受容体が発現していない第２細胞とを含み、
   前記複数の電極は、電気的に分離された第１電極および第２電極を含み、
   前記第１細胞および前記第２細胞は、前記第１受容体の発現の有無以外において同一である同一の種類の細胞であり、
   前記第１電極を覆う前記細胞のうちの前記第１細胞の比率は、前記第２電極を覆う前記細胞のうちの前記第１細胞の比率よりも高く、
   前記第１電極の面積における前記細胞の被覆率が１００％に満たない条件において、
   前記第１電極と前記第２電極との間の電位変化の差分を計測することにより、
   前記第１電極の前記細胞によって被覆されない電極領域由来の電位変化成分を除外し、
   前記第１細胞の前記第１物理化学的刺激に対する応答信号を抽出する、細胞応答計測装置。
2. 請求項１記載の細胞応答計測装置において、
   前記複数の電極は、平面視において第１方向および第２方向に沿ってマトリクス状に配置され、
   前記電解質溶液は、前記第１方向に沿って流れ、
   前記複数の電極は、前記第１方向に沿って並ぶ複数の電極列を構成し、
   前記複数の電極列のうち、互いに隣り合う２つの電極列の一方は、前記第１電極で構成され、前記互いに隣り合う２つの電極列の他方は、前記第２電極で構成されている、細胞応答計測装置。
3. 請求項１または請求項２記載の細胞応答計測装置において、
   前記第１電極は、前記第１細胞により覆われ、
   前記第２電極は、前記第２細胞により覆われている、細胞応答計測装置。
4. 請求項１または請求項２記載の細胞応答計測装置において、
   前記第２細胞は、前記第１物理化学的刺激と異なる第２物理化学的刺激に応答する第２受容体が発現しており、
   前記第２電極を覆う前記細胞のうちの前記第２細胞の比率は、前記第１電極を覆う前記細胞のうちの前記第２細胞の比率よりも高く、
   前記第１電極と前記第２電極との間の電位変化の差分を計測することにより、前記第２細胞の前記第２物理化学的刺激に対する応答信号を抽出する、細胞応答計測装置。
5. 請求項１または請求項２記載の細胞応答計測装置において、
   前記電極の電位変化を計測する電位計測部をさらに有し、
   前記電位計測部は、
   基板と、
   前記基板に形成されたソース領域およびドレイン領域と、
   前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、を有するトランジスタとして構成され、
   前記電極は、前記ゲート電極と電気的に接続されている、細胞応答計測装置。
6. 請求項５記載の細胞応答計測装置において、
   前記電極は、第１絶縁膜を介して、前記細胞に覆われている、細胞応答計測装置。
7. 請求項６記載の細胞応答計測装置において、
   平面視において、前記第１絶縁膜の面積は、前記電極の面積と同じである、細胞応答計測装置。
8. 請求項６記載の細胞応答計測装置において、
   前記第１絶縁膜は、イオン感応膜である、細胞応答計測装置。
9. 請求項１または請求項２記載の細胞応答計測装置において、
   平面視において、前記電極のうち、前記細胞に覆われていない部分の面積は、前記細胞に覆われている部分の面積よりも小さい、細胞応答計測装置。
10. 請求項１または請求項２記載の細胞応答計測装置において、
    前記細胞には、蛍光タンパク質が発現している、細胞応答計測装置。
11. 請求項１または請求項２記載の細胞応答計測装置において、
    前記第１受容体は、嗅覚受容体である、細胞応答計測装置。

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