WO2016121301A1 - 電気化学測定デバイス - Google Patents

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connection portion
chip
measurement device
electrochemical measurement
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浩司 牛尾
正博 安見
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/48707—Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
    • G01N33/48728—Investigating individual cells, e.g. by patch clamp, voltage clamp
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/34—Measuring or testing with condition measuring or sensing means, e.g. colony counters

Definitions

  • the present disclosure relates to an electrochemical measurement device used for the inspection and analysis of the activity state of living matter such as cells and tissues such as fertilized eggs.
  • Living organisms such as cells and tissues such as fertilized eggs act by transporting various substances between the inside and outside.
  • a fertilized egg takes in surrounding oxygen into the cell by respiration, and divides inside the follicle while consuming the taken-in oxygen.
  • a method of electrically measuring a physicochemical state change that occurs around the biological substance is known. These are used as pharmacological tests for new drug candidate compounds using model cells and methods for measuring the activity of fertilized eggs.
  • a conventional measuring apparatus has a well for containing a biological sample.
  • the well is formed by the through hole of the upper plate and the lower plate.
  • an electrode is formed on the upper surface of the lower plate.
  • An electrical contact pad is formed on the lower surface of the lower plate.
  • the electrode is electrically connected to the electrical contact pad through a conductive via in the lower plate.
  • the value of the current flowing through the electrode formed on the lower plate is taken out from the electrical contact pad provided on the lower surface of the lower plate through the conductive via and measured.
  • Patent Document 1 is known as a prior art document related to the invention of the present application.
  • the electrochemical measurement device includes a chip, a working electrode, a first connection portion, a substrate, a second connection portion, a third connection portion, and an upper plate.
  • the working electrode is provided on the upper surface of the chip.
  • the first connection portion is provided on the upper surface of the chip and is electrically connected to the working electrode.
  • the second connection portion is provided on the upper surface of the substrate.
  • the third connection portion is provided on the substrate, is electrically connected to the second connection portion, and is electrically connected to the external device.
  • the upper plate is disposed on the upper surface of the substrate and the chip. The upper plate is provided with a first through hole that exposes the working electrode.
  • the third connection portion that is electrically connected to the external device can be disposed at an arbitrary position.
  • the perspective view of the electrochemical measuring device in embodiment FIG. 2 is an exploded perspective view showing a part of the electrochemical measurement device in the embodiment.
  • Sectional drawing which shows the electrochemical measuring device in embodiment typically Sectional drawing which expands and shows a part of FIG.
  • the bottom view which shows the board
  • the electrode is connected to the electrical contact pad through a conductive via provided in the lower plate. This limits the arrangement of the electrical contact pads. Thus, in the conventional measuring apparatus, the electric contact pad cannot be arranged at an arbitrary position.
  • FIG. 1 is a perspective view of an electrochemical measurement device 30 in the present embodiment.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a part of an electrochemical measurement device (hereinafter referred to as device) 30.
  • 3 is a cross-sectional view schematically showing a 3-3 cross section of the device 30 shown in FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a portion 40 shown in FIG.
  • the device 30 includes a chip 1, a working electrode 6, a first connection portion 7, a substrate 2, a second connection portion 9, a third connection portion 11, and an upper plate 4.
  • the working electrode 6 is provided on the upper surface of the chip 1.
  • the first connection portion 7 is provided on the upper surface of the chip 1 and is electrically connected to the working electrode 6.
  • the second connection portion 9 is provided on the upper surface of the substrate 2.
  • the third connection portion 11 is provided on the substrate 2 and is electrically connected to the second connection portion 9 and is also electrically connected to an external device.
  • the upper plate 4 is disposed on the upper surfaces of the substrate 2 and the chip 1.
  • the upper plate 4 is provided with a first through hole 17 through which the working electrode 6 is exposed.
  • the third connecting portion 11 can be arranged at an arbitrary position. Therefore, the degree of freedom in designing the device 30 is increased.
  • the third connection unit 11 is connected to an external device such as a measurement device. Therefore, the position of the third connection portion 11 is determined depending on the shape of the external device. Thus, since the freedom degree of design is large, the device 30 can be used for various measuring instruments.
  • Electrochemical measurement device 30 is a device used for measuring the activity state of biological materials.
  • the biologically derived material is, for example, a cell or tissue such as a fertilized egg.
  • the device 30 includes the chip 1, the substrate 2, and the upper plate 4, and further includes the lower plate 5 and the well 15 into which the measurement liquid containing a biological substance is placed.
  • FIG. 5 is a top view schematically showing the chip 1.
  • the chip 1 has an upper surface 1a and a lower surface.
  • a working electrode 6 and a first connection portion 7 are formed on the upper surface 1a.
  • the working electrode 6 is connected to the first connection portion 7 via the wiring 8. Thereby, the working electrode 6 and the 1st connection part 7 are electrically connected.
  • the first connection portion 7 means a portion that is electrically connected to the second connection portion 9 among the conductor portions provided in the chip 1.
  • the first connection portion 7 may be a part of the wiring 8.
  • the chip 1 has a mounting portion 10 on which a biological material is placed.
  • the mounting part 10 is a recessed part provided in the upper surface 1a of the chip 1, for example.
  • a plurality of working electrodes 6 are arranged on the upper surface 1 a of the chip 1.
  • the plurality of working electrodes 6 are formed around the placement unit 10.
  • the plurality of working electrodes 6 include, for example, working electrodes 6a to 6e.
  • the working electrode 6 a is formed at a position symmetrical to the working electrode 6 b with respect to the mounting portion 10.
  • the material of the chip for example, glass, silicon, ceramic, resin or the like is used.
  • a silicon material is preferable as a material for the chip 1 because it can be easily processed precisely.
  • the working electrode 6 for example, a material such as platinum, gold, or silver is used.
  • the working electrode 6 can be formed on the upper surface 1a of the chip 1 by using fine processing used in a semiconductor process or the like. Therefore, the chip 1 can be formed minutely.
  • the first connection portion 7 and the wiring 8 are formed of a conductor such as copper or aluminum.
  • the first connection portion 7 and the wiring 8 may be formed using the same material as that of the working electrode 6.
  • the first connection portion 7 and the wiring 8 can be formed simultaneously with the formation of the working electrode 6 using the same semiconductor process.
  • the working electrode 6 may be covered with an insulator so that a part of the working electrode 6 is exposed. In this case, in the electrochemical measurement, an electrical change flowing through the exposed portion of the working electrode 6 is measured. Moreover, it is preferable that the wiring 8 connecting the working electrode 6 and the first connection portion 7 is covered with an insulator. By setting it as such a structure, the unnecessary contact with the working electrode 6 and the wiring 8, and a measurement liquid can be avoided, and an electrochemical measurement can be performed with sufficient precision. Moreover, deterioration of the working electrode 6 due to the measurement liquid or the like can be suppressed.
  • FIG. 6 is a top view schematically showing the substrate 2.
  • FIG. 7 is a bottom view schematically showing the substrate 2.
  • the substrate 2 has an upper surface 2a and a lower surface 2b.
  • the chip 1 is disposed on the upper surface 2 a of the substrate 2.
  • a recess 2c in which the chip 1 is disposed may be formed on the upper surface 2a of the substrate 2. In this case, it is easy to position the chip 1 with respect to the substrate 2.
  • FIG. 4 shows a case where the recess 2c is not provided. In any case, the chip 1 is fixed to the substrate 2 with an adhesive, for example.
  • a second connection portion 9 that is electrically connected to the first connection portion 7 of the chip 1 is formed.
  • a third connection portion 11 is formed on the lower surface 2 b of the substrate 2.
  • the third connection portion 11 is disposed on the periphery of the substrate 2.
  • the third connection unit 11 is electrically connected to an external device. Between the 3rd connection part 11 and an external apparatus, the wiring provided in another board
  • the 3rd connection part 11 is used in order to electrically take out the signal detected with the working electrode 6 to external devices, such as a measuring instrument. As an electrical extraction method to the measuring instrument, for example, there is a method using a contact probe.
  • the substrate 2 is provided with wiring 12 for connecting the second connection portion 9 and the third connection portion 11.
  • the substrate 2 is provided with a through hole 13 penetrating from the upper surface 2a to the lower surface 2b. A part of the wiring 12 is provided so as to pass through the through hole 13. In this way, the second connection portion 9 provided on the upper surface 2a of the substrate 2 and the third connection portion 11 provided on the lower surface 2b are electrically connected.
  • the 2nd connection part 9, the 3rd connection part 11, and the wiring 12 are formed with conductors, such as copper and aluminum.
  • the second connection portion 9 means a portion that is electrically connected to the first connection portion 7 among the conductor portions provided on the substrate 2.
  • the third connection portion 11 means a portion of the conductor portion provided on the substrate 2 that is electrically connected to a connection terminal of an external device.
  • the second connection portion 9 and the third connection portion 11 may be part of the wiring 12.
  • the 1st connection part 7, the 2nd connection part 9, and the 3rd connection part 11 are provided according to the number of the working electrodes 6, respectively.
  • the signals detected by the respective working electrodes 6 are input to the measuring instrument via the first connection portion 7, the second connection portion 9 and the third connection portion 11 corresponding to each of them. Therefore, a measuring instrument or the like can individually measure the potential or current of each working electrode 6.
  • the wiring 12 may be covered with an insulator. With such a configuration, damage to the wiring 12 can be suppressed when the device 30 is assembled.
  • the substrate 2 for example, a printed substrate, a flexible substrate, a lead frame substrate, or the like can be used.
  • the wiring 12 and the through hole 13 can be easily formed, so that the second connection portion 9 and the third connection portion 11 can be easily connected.
  • the first connection portion 7 is provided as a member different from the second connection portion 9. Therefore, at the time of assembling, the first connection portion 7 and the second connection portion 9 may have a separated positional relationship or a positional relationship with different heights. Therefore, as shown in FIG. 4, the first connection portion 7 and the second connection portion 9 are electrically connected by, for example, wire bonding using a wire 14. By using the wire 14, the first connection portion 7 and the second connection portion 9 can be reliably connected regardless of the positional relationship between the first connection portion 7 and the second connection portion 9.
  • the wire bonding is a method for physically and electrically connecting the connecting portion and the wire 14 by using energy such as heat, ultrasonic waves, and pressure.
  • the material of the wire 14 is, for example, gold, copper, aluminum or the like.
  • the diameter of the wire 14 is, for example, several tens ⁇ m to several hundreds ⁇ m.
  • the material and diameter of the wire 14 are determined according to the size and material of the first connection part 7 or the second connection part 9.
  • the wire 14 is, for example, an aluminum wire having a diameter of 30 ⁇ m.
  • the aluminum wire having a diameter of 30 ⁇ m is connected to the first connection portion 7 and the second connection portion 9 each having a size of several hundred ⁇ m by ultrasonic wire bonding.
  • the distance between the first connection portion 7 and the second connection portion 9, that is, the length of the wire 14 is preferably 5 mm or less.
  • the upper plate 4 is disposed on the upper surfaces of the chip 1 and the substrate 2. As shown in FIGS. 2 and 3, the upper plate 4 is provided with a storage portion 16 for putting a measurement liquid on the upper surface, and a first through hole 17 formed on the bottom surface of the storage portion 16. The first through hole 17 is formed so that the working electrode 6 and the mounting portion 10 are exposed.
  • the well 15 is formed by the inner wall of the first through hole 17 and the upper surface 1 a of the chip 1.
  • a material of the upper plate 4 for example, glass, resin, silicon, ceramic, or the like is used. In particular, it is preferable to use a resin material from the viewpoint of cost.
  • the device 30 has an accommodating portion 18 in which the wire 14 is accommodated between the upper plate 4 and the substrate 2.
  • the accommodating portion 18 is a space provided between the upper portion of the first connecting portion 7 and the second connecting portion 9 and the upper plate 4.
  • the upper plate 4 is provided with a recess 18 a that forms the accommodating portion 18.
  • the accommodating portion 18 accommodates the wire 14 that connects the first connecting portion 7 and the second connecting portion 9 so as not to contact the upper plate 4.
  • the wire 14 is disposed so as to have a height with respect to the substrate 2, so that the wire 14 may come into contact with the upper plate 4 and be cut during assembly. There is sex.
  • the conduction between the first connection portion 7 and the second connection portion 9 is lost, so that a conduction failure occurs in the device 30. Therefore, the provision of the accommodating portion 18 for the wire 14 can suppress poor conduction of the device 30.
  • the accommodating portion 18 may be filled with resin in a state where the wire 14 is accommodated.
  • the wire 14 is fixed in the resin. Therefore, even if an impact is applied from the outside, the possibility that the wire 14 is cut is reduced, and the device 30 can ensure stable conduction.
  • An annular sealing material 19 is provided between the upper plate 4 and the chip 1.
  • the sealing material 19 is disposed between the working electrode 6 and the first connection portion 7 so that the working electrode 6 is exposed.
  • the sealing material 19 is an elastic body having an opening 20 that exposes the working electrode 6.
  • the material of the elastic body is, for example, PDMS (polydimethylsiloxane). Since PDMS has biocompatibility, it can reduce the influence on biologically derived materials such as fertilized eggs.
  • the upper plate 4 has a seal material installation portion 21 on the inner wall of the first through hole 17.
  • the sealing material installation portion 21 is a groove formed along the first through hole 17.
  • the sealing material 19 is disposed in the sealing material installation unit 21. By providing the sealing material installation portion 21, the sealing material 19 can be easily positioned.
  • the height of the sealing material 19 that is an elastic body is preferably higher than the height of the sealing material installation portion 21.
  • the bottom surface of the chip 1 is preferably on the same plane as the lowermost surface of the upper plate 4. Since the sealing material 19 is an elastic body, it is compressed in the height direction by assembling. Therefore, the sealing material 19 can be firmly sandwiched between the upper plate 4 and the chip 1.
  • An adhesive layer may be provided between the upper plate 4 and the sealing material 19.
  • an adhesive layer may be provided between the substrate 2 and the sealing material 19. Further, the sealing material 19 may be an adhesive or the like.
  • the sealing material 19 can suppress the measurement liquid put in the well 15 from leaking out of the well 15. And it can suppress that a measurement liquid contacts the 1st connection part 7 and the wire 14.
  • the device 30 can ensure a liquid sealing property in filling the measurement liquid, and can perform an accurate electrochemical measurement.
  • the measurement liquid can be held in the well 15, and the sealing material 19 may not be used. However, it is preferable to use the sealing material 19 in order to ensure the liquid seal of the device 30.
  • the lower plate 5 has an upper surface 5a and a lower surface 5b.
  • the substrate 2 is provided on the upper surface 5 a of the lower plate 5.
  • the strength of the device 30 can be increased.
  • a material of the lower plate 5 for example, glass, resin, silicon, ceramic, or the like is used.
  • the lower plate 5 has a second through hole 22 so that the third connection portion 11 is exposed.
  • the third connection portion 11 is disposed inside the second through hole 22. That is, the third connection portion 11 is located above the lower surface 5b. Therefore, it can suppress that a hand touches the 3rd connection part 11 directly. Further, even when the measurement liquid spills and spills around the lower surface 5b, it is possible to suppress the measurement liquid from coming into contact with the third connection portion 11.
  • the third connection portion 11 can be provided at any position on the substrate 2 according to the shape of the terminal of the external device.
  • the size of the lower plate 5 in the surface direction is larger than the size of the upper plate 4 in the surface direction. That is, the edge portion of the lower plate 5 projects outward from the edge portion in the surface direction of the upper plate.
  • the measurement liquid filled in the storage portion 16 of the upper plate 4 is spilled, the measurement liquid is received by the protruding portion of the upper surface 5 a of the lower plate 5. Therefore, it can suppress that a measurement liquid contacts the 3rd connection part 11 exposed to the lower surface 5b from the 2nd through-hole 22 of the lower plate 5.
  • the upper plate 4 and the lower plate 5 are assembled by, for example, screw tightening.
  • the sealing material 19 is compressed between the upper plate 4 and the chip 1. Therefore, the well 15 in which the liquid seal is secured is formed.
  • the measurement liquid is held and a biological substance is arranged.
  • substrate 2 can be easily determined by assembling by screw fastening.
  • the upper plate 4, the substrate 2 and the lower plate 5 are provided with screw holes (not shown).
  • a direction in which the screw is inserted from the lower plate 5 to the upper plate 4 is preferable.
  • no hole is provided in the upper surface of the upper plate 4.
  • the adhesive between the substrate 2 and the upper plate 4 and between the substrate 2 and the lower plate 5 may be bonded together.
  • the lower plate 5 is not necessarily used.
  • the assembly process of the device 30 can be simplified. Further, the device 30 can be reduced in height.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing the device 30 in use.
  • the biological material 23 is, for example, a fertilized egg.
  • a fertilized egg divides inside the follicle while consuming surrounding oxygen.
  • the device 30 measures the amount of dissolved oxygen in the measurement liquid with the working electrode 6.
  • the amount of dissolved oxygen around the fertilized egg can be measured by using the device 30.
  • the amount of dissolved oxygen around the fertilized egg correlates with the amount of oxygen consumed as a result of the activity of the fertilized egg. Therefore, the activity state of oxygen consumption of the fertilized egg can be confirmed.
  • the fertilized egg will be described as a biologically derived material 23.
  • the measurement liquid 24 containing the biological material 23 is injected into the well 15. Thereafter, the biological material 23 is placed on the placement unit 10 provided on the chip 1.
  • the reference electrode 25 is disposed so as to come into contact with the measurement liquid 24.
  • a material such as Ag / AgCl, Pt, or Au is used.
  • the reference electrode 25 has two functions as a counter electrode and a reference electrode. However, the counter electrode and the reference electrode may be provided as separate electrodes.
  • an electrochemical measurement device (hereinafter referred to as device) 50 which is a modified example of the present embodiment will be described with reference to the drawings.
  • device 50 Components having the same configuration as that of the device 30 are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and differences will be described in detail.
  • FIG. 9 is a sectional view of the device 50.
  • the device 50 is different from the device 30 shown in FIG. 4 in that the chip 1 and the substrate 52 are arranged on the upper surface 5 a of the lower plate 5.
  • the chip 1 and the substrate 52 are disposed so as to be in contact with the upper surface 5a of the lower plate 5.
  • the substrate 52 is disposed around the chip 1.
  • the substrate 52 is provided with a third through hole 53 having a size capable of accommodating the chip 1.
  • the chip 1 is disposed in the third through hole 53. In such a configuration, since the chip 1 can be positioned by the third through-hole 53, assembly can be easily performed.
  • the thickness of the chip 1 may be the same as or different from the thickness of the substrate 52.
  • the structure is simple when the thickness of the chip 1 and the thickness of the substrate 52 are the same, the assembly is easy.
  • the wire 14 can be easily bonded.
  • the lower plate 5 is preferably provided with a second through hole 22 that exposes the third connection portion 11.
  • the material used for the chip 1, the upper plate 4, the sealing material 19, the working electrode 6, and the like is a material that does not affect the biological sample.
  • the number of working electrodes 6 and connecting portions can be arbitrarily determined according to the measurement object and the measurement method, and may be one or two or more. Further, the shapes of the working electrode 6 wiring 8 and the first connection portion 7 provided on the upper surface of the chip 1 and the shapes of the wiring 12, the second connection portion 9 and the third connection portion 11 provided on the substrate 2 are arbitrarily determined. can do.
  • the electrochemical measurement device has been described based on the embodiment.
  • the present disclosure is not limited to this embodiment. Unless it deviates from the gist of the present disclosure, various modifications conceived by those skilled in the art have been made in this embodiment, and forms constructed by combining components in different embodiments are also within the scope of one or more aspects. May be included.
  • the electrochemical measurement device is useful for inspecting and analyzing the activity state of a biological substance.

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Abstract

　電気化学測定デバイスは、チップと、作用電極と、第一接続部と、基板と、第二接続部と、第三接続部と、上部プレートとを有する。作用電極は、チップの上面に設けられている。第一接続部は、チップの上面に設けられ、作用電極と電気的に接続されている。第二接続部は、基板の上面に設けられている。第三接続部は、基板に設けられ、第二接続部と電気的に接続されるとともに、外部装置と電気的に接続される。上部プレートは、基板及びチップの上面に配置されている。上部プレートには、作用電極を露出させる第一の貫通孔が設けられている。

Description

電気化学測定デバイス
　本開示は、受精卵等の細胞や組織などの生体由来物の活動状態の検査、解析に用いられる電気化学測定デバイスに関する。
　受精卵等の細胞や組織などの生体由来物は、その内部と外部との間で様々な物質を輸送して活動している。例えば、受精卵は、周辺の酸素を呼吸によって細胞内部に取り込み、取り込んだ酸素を消費しながら卵胞内部で分割している。このような生体由来物の活動状態を測定する手段として、生体由来物の周辺で生じる物理化学的な状態変化を電気的に測定する方法が知られている。これらは、モデル細胞による新薬候補化合物の薬理テストや、受精卵の活性を測定する方法として用いられている。
　従来の測定装置は、生体試料を収容するウェルを有する。ウェルは、上部プレートの貫通孔及び下部プレートにより形成される。ウェル内において、下部プレートの上面に電極が形成されている。また、下部プレートの下面には、電気接触パッドが形成されている。電極は、下部プレートの導電ビアを介して電気接触パッドと電気的に接続されている。このような従来の測定装置は、下部プレートに形成された電極に流れる電流値を、導電ビアを介して下部プレートの下面に設けられる電気接触パッドから取り出して測定する。
　なお、本出願の発明に関連する先行技術文献としては、例えば、特許文献１が知られている。
特表２００８－５３４９６５号公報
　本開示に係る電気化学測定デバイスは、チップと、作用電極と、第一接続部と、基板と、第二接続部と、第三接続部と、上部プレートとを有する。作用電極は、チップの上面に設けられている。第一接続部はチップの上面に設けられ、作用電極と電気的に接続されている。第二接続部は、基板の上面に設けられている。第三接続部は、基板に設けられ、第二接続部と電気的に接続されるとともに、外部装置と電気的に接続される。上部プレートは、基板及びチップの上面に配置されている。上部プレートには、作用電極を露出させる第一の貫通孔が設けられている。
　本開示の電気化学測定デバイスでは、外部装置と電気的に接続される第三接続部を任意の位置に配置することができる。
実施の形態における電気化学測定デバイスの斜視図 実施の形態における電気化学測定デバイスの一部を示す分解斜視図 実施の形態における電気化学測定デバイスを模式的に示す断面図 図３の一部を拡大して示す断面図 実施の形態におけるチップを模式的に示す上面図 実施の形態における基板を模式的に示す上面図 実施の形態における基板を模式的に示す下面図 実施の形態における電気化学測定デバイスの動作を説明するための断面図 実施の形態における電気化学測定デバイスの変形例を模式的に示す断面図
　本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来の測定装置における問題点を簡単に説明する。従来の測定装置において、電極は、下部プレートに設けられた導電ビアを介して電気接触パッドと接続している。そのため、電気接触パッドの配置に制限が生じる。このように、従来の測定装置においては、電気接触パッドを任意の位置に配置できない。
　以下、本開示の実施の形態に係る電気化学測定デバイスについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
　また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。
　なお、以下の説明において、「上面」「下面」「上方」「下方」等の方向を示す用語は電気化学測定デバイスの構成要素の相対的な位置関係にのみ依存する相対的な方向を示し、鉛直方向等の絶対的な方向を示すものではない。
　図１は、本実施の形態における電気化学測定デバイス３０の斜視図である。図２は、電気化学測定デバイス（以下、デバイス）３０の一部を示す分解斜視図である。図３は、図１に示す、デバイス３０の３－３断面を模式的に示す断面図である。図４は、図３に示す部分４０を示す拡大断面図である。
　デバイス３０は、チップ１と、作用電極６と、第一接続部７と、基板２と、第二接続部９と、第三接続部１１と、上部プレート４とを有する。作用電極６は、チップ１の上面に設けられている。第一接続部７はチップ１の上面に設けられ、作用電極６と電気的に接続されている。第二接続部９は、基板２の上面に設けられている。第三接続部１１は、基板２に設けられ、第二接続部９と電気的に接続されるとともに、外部装置と電気的に接続される。上部プレート４は、基板２及びチップ１の上面に配置されている。上部プレート４には、作用電極６を露出させる第一の貫通孔１７が設けられている。
　このような構成では、第三接続部１１を任意の位置に配置することができる。したがって、デバイス３０の設計の自由度は大きくなる。また、第三接続部１１は、測定装置等の外部装置と接続される。そのため、第三接続部１１の位置は、外部装置の形状に依存して決められる。このように、設計の自由度が大きいので、デバイス３０は、様々な測定機器に用いることができる。
　電気化学測定デバイス３０は、生体由来物の活動状態の測定に用いられるデバイスである。生体由来物は、例えば、受精卵等の細胞や組織などである。
　上述のように、デバイス３０は、チップ１と、基板２と、上部プレート４とを有し、さらに下部プレート５と、生体由来物を含む測定液が入れられるウェル１５とを有する。
　図５は、チップ１を模式的に示した上面図である。チップ１は、上面１ａと、下面とを有する。上面１ａには、作用電極６及び第一接続部７が形成されている。作用電極６は、配線８を介して第一接続部７と接続されている。これにより、作用電極６と第一接続部７は、電気的に接続されている。第一接続部７は、チップ１に設けられる導体部のうち、第二接続部９と電気的に接続される部分を意味する。第一接続部７は、配線８の一部であってもよい。
　チップ１は、生体由来物が配置される載置部１０を有する。載置部１０は、例えば、チップ１の上面１ａに設けられる凹部である。
　作用電極６は、チップ１の上面１ａに複数配置されている。複数の作用電極６は、載置部１０の周囲に形成されている。複数の作用電極６は例えば、作用電極６ａ～６ｅを含む。例えば、作用電極６ａは、載置部１０に対して、作用電極６ｂと対称の位置に形成されている。このように複数の作用電極６を設けることにより、生体由来物の周囲の電気化学的な変化を２次元平面的に計測することができる。また、作用電極６ａは、作用電極６ｃ、６ｄ、６ｅのそれぞれと載置部１０との距離が異なる位置に設けられている。このように、複数の作用電極６を設けることにより、生体由来物からの距離に応じた電気化学的な変化を計測することができる。
　チップ１の材料としては、例えば、ガラス、シリコン、セラミック、樹脂などが用いられる。とくに、シリコン材料は、容易に精密な加工できるため、チップ１の材料として好ましい。作用電極６には、例えば、白金、金、銀などの材料が用いられる。作用電極６は、チップ１の上面１ａに、半導体プロセス等で用いられる微細加工を用いて形成できる。したがって、チップ１を微小に形成することができる。
　第一接続部７及び配線８は、銅やアルミニウム等の導体で形成されている。なお、第一接続部７及び配線８は、作用電極６と同じ材料を用いて形成してもよい。このように、作用電極６と同じ材料で形成することにより、第一接続部７及び配線８は、同一の半導体プロセスを用いて作用電極６の形成と同時に形成することができる。
　なお、作用電極６は、その一部が露出するように絶縁体で被覆されていてもよい。この場合、電気化学測定において、作用電極６の露出部に流れる電気的な変化が計測される。また、作用電極６と第一接続部７とを接続する配線８は、絶縁体で被覆されていることが望ましい。このような構成とすることにより、作用電極６及び配線８と測定液との不要な接触を避けることができ、電気化学測定を精度良く行うことができる。また、測定液等による作用電極６の劣化を抑制できる。
　図６は、基板２を模式的に示す上面図である。また、図７は、基板２を模式的に示す下面図である。基板２は、上面２ａ及び下面２ｂを有する。チップ１は、基板２の上面２ａに配置される。基板２の上面２ａには、チップ１が配置される凹部２ｃが形成されていてもよい。この場合、基板２に対しチップ１を位置決めしやすい。なお、図４では凹部２ｃが設けられてない場合を示している。いずれの場合も、チップ１は、例えば接着剤により基板２に固定されている。
　基板２の上面２ａには、チップ１の第一接続部７と電気的に接続される第二接続部９が形成されている。また、基板２の下面２ｂには、第三接続部１１が形成されている。第三接続部１１は、基板２の周縁に配置されている。第三接続部１１は、外部機器と電気的に接続される。第三接続部１１と外部機器との間には、別の基板に設けられる配線が設けられていてもよい。第三接続部１１は、作用電極６で検出した信号を測定計器などの外部機器へ電気的に取り出すために使用される。測定計器への電気的取り出し方法としては、例えば、コンタクトプローブを使用する方法がある。
　また、基板２には、第二接続部９と第三接続部１１とを接続する配線１２が設けられている。基板２には、上面２ａから下面２ｂへ貫通するスルーホール１３が設けられている。配線１２の一部は、スルーホール１３を通るように設けられている。このようにして、基板２の上面２ａに設けられる第二接続部９と下面２ｂに設けられる第三接続部１１とは電気的に接続されている。第二接続部９、第三接続部１１及び配線１２は、銅やアルミニウム等の導体で形成されている。
　第二接続部９は、基板２に設けられる導体部のうち、第一接続部７と電気的に接続される部分を意味する。また、第三接続部１１は、基板２に設けられる導体部のうち、外部機器の接続端子等と電気的に接続される部分を意味する。第二接続部９及び第三接続部１１は、配線１２の一部であってもよい。
　第一接続部７、第二接続部９及び第三接続部１１は、それぞれ作用電極６の数に応じて設けられている。各々の作用電極６が検出した信号は、それぞれに対応した第一接続部７、第二接続部９及び第三接続部１１を介して計測計器に入力される。そのため、測定計器などは、それぞれの作用電極６の電位または電流を個別に計測することができる。
　なお、配線１２は、絶縁体で被覆されていてもよい。このような構成により、デバイス３０の組み立て時において、配線１２の損傷を抑制できる。
　基板２としては、例えば、プリント基板やフレキシブル基板、リードフレーム基板などを使用することができる。とくに、プリント基板を用いる場合、配線１２やスルーホール１３を容易に形成することができるため、第二接続部９と第三接続部１１を容易に接続することができる。デバイス３０の組み立て易さとコストの観点を考慮するとプリント基板を使用することが好ましい。
　次に、第一接続部７と第二接続部９との電気的な接続について説明する。第一接続部７は、第二接続部９とは異なる部材として設けられる。したがって、組み立ての際、第一接続部７と第二接続部９とは、離れた位置関係、又は、高さの異なる位置関係を有する場合がある。そのため、図４に示すように、第一接続部７と第二接続部９とは、例えば、ワイヤ１４を用いたワイヤボンディングにより電気的に接続される。ワイヤ１４を用いることにより、第一接続部７と第二接続部９との位置関係によらず、第一接続部７と第二接続部９とを確実に接続できる。
　ワイヤボンディングとは、熱、超音波、圧力などのエネルギーを利用して接続部とワイヤ１４を物理的・電気的に接続させる方法である。ワイヤ１４の材質は、例えば、金、銅、アルミニウムなどである。ワイヤ１４の直径は、例えば、数十μｍから数百μｍである。ワイヤ１４の材質及び直径は、第一接続部７または第二接続部９の大きさや材料に応じて決定される。具体的には、ワイヤ１４は、例えば、直径３０μｍのアルミワイヤである。直径３０μｍのアルミワイヤは、超音波ワイヤボンディングによって、数百μｍ角の第一接続部７および第二接続部９に接続される。これにより、ワイヤ１４は、安価に、容易に、正確にボンディングされる。なお、ワイヤボンディングの作業上、第一接続部７と第二接続部９との距離、すなわちワイヤ１４の長さは５ｍｍ以下がよい。
　上部プレート４は、チップ１及び基板２の上面に配置されている。図２、図３に示すように、上部プレート４には、上面に測定液を入れる貯留部１６と、貯留部１６の底面に形成される第一の貫通孔１７とが設けられている。第一の貫通孔１７は、作用電極６及び載置部１０が露出するように形成されている。ウェル１５は、第一の貫通孔１７の内壁及びチップ１の上面１ａで形成されている。上部プレート４の材料としては、例えば、ガラス、樹脂、シリコン、セラミック等が用いられる。とくに、樹脂材料を用いることがコストの観点から好ましい。
　また、図４に示すように、デバイス３０は、上部プレート４と基板２との間に、ワイヤ１４が収容される収容部１８を有する。収容部１８は、第一接続部７及び第二接続部９の上方と上部プレート４との間に設けられる空間である。上部プレート４には、収容部１８を形成する凹部１８ａが設けられている。収容部１８には、第一接続部７と第二接続部９とを接続するワイヤ１４が上部プレート４と接触しないように収容されている。収容部１８が設けられていない場合、ワイヤ１４は、基板２に対して高さを有するように配置されるため、組立の際にワイヤ１４が上部プレート４と接触して、切断されてしまう可能性がある。ワイヤ１４が切断されると、第一接続部７と第二接続部９との導通がなくなるので、デバイス３０に導通不良が生じる。そのため、ワイヤ１４の収容部１８を設けることにより、デバイス３０の導通不良を抑制することができる。
　なお、収容部１８には、ワイヤ１４が収容された状態で、樹脂を充填してもよい。樹脂を充填することにより、ワイヤ１４は、樹脂内に固定される。そのため、外部から衝撃が加わっても、ワイヤ１４が切断する可能性が小さくなり、デバイス３０は安定した導通を確保することができる。
　上部プレート４とチップ１との間には、環状のシール材１９が設けられている。シール材１９は、作用電極６を露出させるように、作用電極６と第一接続部７との間に配置されている。シール材１９は、作用電極６を露出させる開口２０を有する弾性体である。弾性体の材料は、例えば、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）である。ＰＤＭＳは、生体適合性を有しているため、受精卵などの生体由来物に与える影響を小さくできる。
　また、上部プレート４は、第一の貫通孔１７の内壁にシール材設置部２１を有する。シール材設置部２１は、第一の貫通孔１７に沿って形成される溝である。シール材１９は、シール材設置部２１に配置される。シール材設置部２１を設けることにより、容易にシール材１９を位置決めできる。
　なお、弾性体であるシール材１９の高さは、シール材設置部２１の高さよりも高いことが好ましい。チップ１の底面は、上部プレート４の最下面と同一面上にあることが好ましい。シール材１９は弾性体であるため、組み立てることにより高さ方向に圧縮される。そのため、上部プレート４とチップ１によりシール材１９を強固に挟み込むことができる。なお、上部プレート４とシール材１９との間に接着層が設けられていてもよい。同様に、基板２とシール材１９との間に接着層が設けられていてもよい。また、シール材１９は、接着剤等でもよい。
　このような構成により、シール材１９は、ウェル１５に入れられた測定液がウェル１５の外へ漏れることを抑制することができる。そして、第一接続部７及びワイヤ１４へ測定液が接触することを抑制できる。そのため、デバイス３０は、測定液の充填において液シール性を確保することができ、正確な電気化学測定を行うことができる。
　なお、上部プレート４とチップ１との間を隙間なく組み立てることができれば、測定液をウェル１５内に保持できるため、シール材１９は用いなくてもよい。ただし、デバイス３０の液シールを確保するために、シール材１９を用いることが好ましい。
　図３に示すように、下部プレート５は、上面５ａ及び下面５ｂを有する。基板２は、下部プレート５の上面５ａに設けられている。下部プレート５を用いることにより、デバイス３０の強度が上げることができる。下部プレート５の材料として、例えば、ガラス、樹脂、シリコン、セラミック等が用いられる。
　下部プレート５は、第三接続部１１が露出するように第二の貫通孔２２を有する。このような構成により、第三接続部１１は、第二の貫通孔２２の内部に配置される。つまり、第三接続部１１は、下面５ｂよりも上方に位置する。そのため、第三接続部１１に直接手が触れることを抑制できる。また、測定液がこぼれ、下面５ｂに回りこんできた場合であっても、第三接続部１１に測定液が接触することを抑制できる。なお、第三接続部１１は、外部機器の端子の形状に応じて基板２上の任意の位置に設けることができる。
　下部プレート５の面方向の大きさは、上部プレート４の面方向の大きさよりも大きい。つまり、下部プレート５の縁端部は、上部プレートの面方向の縁端部よりも外側に張り出している。このような構成により、上部プレート４の貯留部１６に充填した測定液がこぼれた場合、測定液が下部プレート５の上面５ａの張り出した部分で受け止められる。そのため、下部プレート５の第二の貫通孔２２から下面５ｂに露出する第三接続部１１に測定液が接触することを抑制できる。なお、基板２の面方向の大きさを上部プレート４の面方向の大きさよりも大きくしても同様の効果を奏する。したがって、下部プレート５の面方向の大きさと、基板２の面方向の大きさとの少なくともいずれか一方は、上部プレート４の面方向の大きさよりも大きいことが好ましい。
　上部プレート４と下部プレート５は、例えば、ネジ締めにより組み立てられる。ネジ締めにより組み立てることにより、シール材１９が上部プレート４とチップ１との間で圧縮される。したがって、液シールが確保されたウェル１５が形成される。液シールされたウェル１５には、測定液が保持されるとともに、生体由来物が配置される。また、ネジ締めにより組み立てることで、基板２に対する上部プレート４と下部プレート５との位置を容易に決めることができる。
　上部プレート４、基板２及び下部プレート５には、ネジ孔（図示せず）が設けられている。ネジの取り付け方向は、下部プレート５から上部プレート４へネジが挿入される方向が好ましい。そして、上部プレート４の上面には孔が設けられていないことが好ましい。このような構成により、上部プレート４からネジを挿入する場合と比較して、上部プレート４の上面４ａを凹凸のない平坦面にすることができる。さらに、測定液がこぼれた際に、ネジ孔への測定液の浸透による短絡等の不良を抑制することができる。
　なお、基板２と上部プレート４との間、及び基板２と下部プレート５との間を接着剤で貼り合せてもよい。
　なお、下部プレート５は、必ずしも用いなくてもよい。下部プレート５を用いない場合、デバイス３０の組み立て工程を簡素化できる。また、デバイス３０を低背化することができる。
　次に、デバイス３０の動作を説明する。図８は、デバイス３０の使用時を示す断面図である。
　生体由来物２３は、例えば、受精卵である。受精卵は、周囲の酸素を消費しながら卵胞内部で分割を行っている。デバイス３０は、測定液中の溶存酸素量を作用電極６により計測する。測定液中に受精卵が存在する場合、デバイス３０を用いることにより、受精卵周辺の溶存酸素量を計測することができる。受精卵周辺の溶存酸素量は、受精卵が活動した結果として消費された酸素量と相関している。そのため、受精卵の酸素消費の活動状態を確認することができる。以下、受精卵を生体由来物２３として説明する。
　ウェル１５内に生体由来物２３を含む測定液２４を注入する。その後、チップ１上に設けられた載置部１０に生体由来物２３を配置する。
　次に、測定液２４に接触するように、参照電極２５を配置する。なお、参照電極２５としては、Ａｇ／ＡｇＣｌ、Ｐｔ、Ａｕなどの材料が用いられる。
　そして、複数の作用電極６と一つの参照電極２５とを用いて、それぞれの作用電極６と参照電極２５と間に流れる電流を計測する。計測した電流値から、測定液２４中の溶存酸素量を算出することができる。なお、参照電極２５は、対向電極及び参照電極としての２つの機能を有している。しかしながら、対向電極と参照電極とが、それぞれ別の電極として設けられてもよい。
　以下、本実施の形態における変形例である電気化学測定デバイス（以下、デバイス）５０について図面を参照しながら説明する。デバイス３０の構成と同様の構成を有するものについては、同一符号を付しその説明を省略し、相違点について詳述する。
　図９はデバイス５０の断面図である。デバイス５０が、図４に示すデバイス３０と異なる点は、下部プレート５の上面５ａにチップ１及び基板５２が配置されていることである。
　デバイス５０において、チップ１及び基板５２は、下部プレート５の上面５ａに接するように配置されている。基板５２は、チップ１の周囲に配置されている。例えば、基板５２には、チップ１を収容可能な大きさの第三の貫通孔５３が設けられている。チップ１は、第三の貫通孔５３内に配置されている。このような構成では、第三の貫通孔５３によりチップ１を位置決めすることができるため、組立を簡易に行うことができる。
　なお、チップ１の厚さは、基板５２の厚さと同じであっても、違っていてもよい。なお、チップ１の厚さと基板５２の厚さは同一である方が、構造が単純なため、組み立てが容易である。例えば、第一接続部７と第二接続部９とをワイヤ１４で接続する工程において、チップ１と基板５２の高さが同じ場合、ワイヤ１４を容易にボンディングすることができる。
　なお図示していないが、デバイス３０と同様に、デバイス５０においても、下部プレート５の面方向の大きさと基板５２の面方向の大きさとの少なくともいずれか一方は、上部プレート４の面方向の大きさよりも大きいことが好ましい。また、図３と同様に、下部プレート５には、第三接続部１１を露出させる第二の貫通孔２２が設けられていることが好ましい。
　なお、チップ１、上部プレート４、シール材１９、作用電極６等に用いられる材料は、生体試料に影響を与えない材料であることが好ましい。
　なお、デバイス３０、５０において、作用電極６や接続部の数は測定対象物や測定方法に応じて任意に決めることができ、１つでも、２つ以上でもよい。また、チップ１の上面に設けられる作用電極６配線８及び第一接続部７の形状や、基板２に設けられる配線１２、第二接続部９及び第三接続部１１の形状等も任意に決定することができる。
　以上、一つまたは複数の態様に係る電気化学測定デバイスについて、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
　本開示に係る電気化学測定デバイスは、生体由来物の活動状態を検査、解析するために有用である。
１　　チップ
１ａ，２ａ，４ａ，５ａ　　上面
２，５２　　基板
２ｂ，５ｂ　　下面
２ｃ，１８ａ　　凹部
４　　上部プレート
５　　下部プレート
６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ　　作用電極
７　　第一接続部
８，１２　　配線
９　　第二接続部
１０　　載置部
１１　　第三接続部
１３　　スルーホール
１４　　ワイヤ
１５　　ウェル
１６　　貯留部
１７　　第一の貫通孔
１８　　収容部
１９　　シール材
２０　　開口
２１　　シール材設置部
２２　　第二の貫通孔
２３　　生体由来物
２４　　測定液
２５　　参照電極
３０，５０　　電気化学測定デバイス（デバイス）
４０　　部分
５３　　第三の貫通孔

Claims (17)

  1. チップと
    前記チップの上面に設けられた作用電極と、
    前記チップの前記上面に設けられ、前記作用電極と電気的に接続された第一接続部と、
    基板と、
    前記基板の上面に設けられた第二接続部と、
    前記基板に設けられ、前記第二接続部と電気的に接続されるとともに、外部装置と電気的に接続される第三接続部と、
    前記基板の前記上面、及び、前記チップの前記上面に配置された上部プレートと、を備え、
    前記上部プレートには、前記作用電極を露出させる第一の貫通孔が設けられている、
    電気化学測定デバイス。
  2. 前記チップは、前記基板の前記上面に設けられている、
    請求項１に記載の電気化学測定デバイス。
  3. 前記基板の前記上面には、前記チップが配置される凹部が設けられている、
    請求項２に記載の電気化学測定デバイス。
  4. 下部プレートをさらに備え、
    前記基板は、前記下部プレートの上面に設けられている、
    請求項２に記載の電気化学測定デバイス。
  5. 前記下部プレートの面方向の大きさと、前記基板の面方向の大きさとの少なくともいずれか一方は、前記上部プレートの面方向の大きさよりも大きい、
    請求項４に記載の電気化学測定デバイス。
  6. 前記下部プレートには、前記第三接続部を露出させる第二の貫通孔が設けられている、
    請求項４に記載の電気化学測定デバイス。
  7. 下部プレートをさらに備え、
    前記チップ、及び、前記基板は、前記下部プレートの上面に設けられ、
    前記基板は、前記チップの周囲に配置されている、
    請求項１に記載の電気化学測定デバイス。
  8. 前記基板には、前記チップが配置される第二の貫通孔が設けられている、
    請求項７に記載の電気化学測定デバイス。
  9. 前記下部プレートの面方向の大きさと、前記基板の面方向の大きさとの少なくともいずれか一方は、前記上部プレートの面方向の大きさよりも大きい、
    請求項７に記載の電気化学測定デバイス。
  10. 前記下部プレートには、前記第三接続部を露出させる第二の貫通孔が設けられている、
    請求項７に記載の電気化学測定デバイス。
  11. 前記第一接続部及び前記第二接続部を電気的に接続するワイヤをさらに備え、
    前記上部プレートは、前記基板に面するとともに、前記ワイヤが内部に配置される収容部を有する、
    請求項１に記載の電気化学測定デバイス。
  12. 前記ワイヤは、金、銅、アルミニウムのいずれかである、
    請求項１１に記載の電気化学測定デバイス。
  13. 前記チップと前記上部プレートとの間に設けられるとともに、前記作用電極と前記第一接続部との間に配置されたシール材をさらに備えた、
    請求項１に記載の電気化学測定デバイス。
  14. 前記シール材は、弾性体または接着剤である、
    請求項１３に記載の電気化学測定デバイス。
  15. 前記チップと前記上部プレートとの間に設けられたシール材をさらに備え、
    前記シール材には、前記作用電極を露出させる開口が設けられている、
    請求項１に記載の電気化学測定デバイス。
  16. 前記シール材は、弾性体または接着剤である、
    請求項１５に記載の電気化学測定デバイス。
  17. 前記基板は、プリント基板、フレキシブル基板、またはリードフレーム基板の内のいずれかである、
    請求項１に記載の電気化学測定デバイス。
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