センサチップとこれを用いたセンサデバイス
【課題】本発明は粒子や細胞等の球状物質を確実に吸着あるいは捕捉させるためのセンサチップとこれを用いたセンサデバイスを実現することを目的とする。
【解決手段】そして、この目的を達成するために本発明は、薄板と、この薄板の周辺部を保持する枠体とを備え、前記薄板は第一面とこの第一面と対向する第二面との間を貫通させる少なくとも１つの貫通孔を有し、前記貫通孔には当該貫通孔の孔径より大径で、かつ前記第一面側に絞り部を有する凹部を連設したセンサチップとした。このような構成により、粒子や細胞等の球状物質と凹部との密着性を高めることができるセンサチップを提供することができる。
【解決手段】そして、この目的を達成するために本発明は、薄板と、この薄板の周辺部を保持する枠体とを備え、前記薄板は第一面とこの第一面と対向する第二面との間を貫通させる少なくとも１つの貫通孔を有し、前記貫通孔には当該貫通孔の孔径より大径で、かつ前記第一面側に絞り部を有する凹部を連設したセンサチップとした。このような構成により、粒子や細胞等の球状物質と凹部との密着性を高めることができるセンサチップを提供することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細胞やビーズ等の粒子の球状物質を吸着あるいは捕捉させるためのセンサチップと、このセンサチップを用いた細胞の電気生理的活動を測定する細胞電気生理センサや、化学物質といった試料を測定する化学物質同定センサ等のセンサデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１１に示したように、従来のセンサデバイスの一例である細胞電気生理センサは、導通孔１を有する実装基板２と、これらの導通孔１の下端部にそれぞれ保持されたシリコンを主成分とするセンサチップ３と、前記実装基板１の上方及び下方にそれぞれ配置された電極４、５とを備えている。また、前記センサチップ３は、窪み部６を有した貫通孔７を備えている。
【０００３】
ここで、センサチップ３の上方および下方を電解液で満たし、さらに細胞をセンサチップ３の上方から注入し、貫通孔７の上方から加圧、あるいは下方から吸引することで、細胞を貫通孔７の窪み部６に吸引し捕捉することができる。
【０００４】
そして、細胞を捕捉させた状態で、細胞の上から薬剤を投与し、センサチップ３の上方および下方の電解液の電位差を電極４、５を用いて計測することによって、細胞が活動する際の細胞内外における電位変化、電流値、あるいは細胞の活動によって発生する物理化学的変化を測定することができる。
【０００５】
なお、上記細胞電気生理センサと類似する例を開示するものとして例えば特許文献１が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１５６２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のような構成では、センサデバイスの測定精度が低いという問題があった。これは、細胞と貫通孔７の窪み部６との密着性が低く、細胞を窪み部６に確実に捕捉しきれないため、センサチップ３の上方と下方との間の電気的絶縁性が十分に確保されないことが原因となる。その結果、測定精度が低下するのであった。
【０００８】
そこで、本発明は上記課題を解決し、粒子や細胞等の球状物質を確実に吸着あるいは捕捉させるためのセンサチップおよびこれを用いたセンサデバイスを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するために本発明のセンサチップは、薄板とこの薄板の周辺部を保持する枠体とを備え、前記薄板は第一面とこの第一面と対向する第二面との間を貫通させる少なくとも１つの貫通孔を有し、前記貫通孔には当該貫通孔の孔径より大径で、かつ前記第一面側に絞り部を有する凹部を連設したものである。
【００１０】
また、本発明のセンサデバイスは、実装基板と、前記実装基板の上面から下面までを導通する導通孔の下端部に保持されたセンサチップとを備え、前記センサチップは薄板とこの薄板の周辺部を保持する枠体とを備え、前記薄板は第一面とこの第一面と対向する第二面との間を貫通させる少なくとも１つの貫通孔を有し、前記貫通孔には当該貫通孔の孔径より大径で、かつ前記第一面側に絞り部を有する凹部を連設したものである。
【００１１】
また、本発明の他のセンサデバイスは、実装基板と、前記実装基板の上面から下面までを導通する導通孔の中央部に保持されたセンサチップとを備え、前記センサチップは薄板とこの薄板の周辺部を保持する枠体とを備え、前記薄板は第一面とこの第一面と対向する第二面との間を貫通させる少なくとも１つの貫通孔を有し、前記貫通孔には当該貫通孔の孔径より大径で、かつ前記第一面側に絞り部を有する凹部を連設し、前記凹部にプローブ機能を有した微小球を配置するとともに、前記微小球にて二分される前記導通孔の第一の領域あるいは第二の領域のいずれか一方の内部に液体を充填したものである。
【発明の効果】
【００１２】
これにより、本発明のセンサチップとこれを用いたセンサデバイスは、粒子や細胞等の球状物質と凹部との密着性を高めることができる。
【００１３】
それは、前述の通り、凹部に絞り部を有することにより、粒子や細胞等の球状物質が凹部に食い込みやすくなるためである。
【００１４】
その結果、粒子や細胞等の球状物質を確実に吸着あるいは捕捉させることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１におけるセンサチップの断面図
【図２】実施の形態１におけるセンサチップの要部断面図
【図３】実施の形態１における他のセンサチップの要部上面図
【図４】図３のＡＢ断面図
【図５】実施の形態２におけるセンサデバイスの断面図
【図６】実施の形態２におけるセンサデバイスの要部断面図
【図７】実施の形態３におけるセンサデバイスの一部切り欠き斜視図
【図８】実施の形態３におけるセンサデバイスの要部断面図
【図９】実施の形態３におけるセンサデバイスの要部断面図
【図１０】実施の形態３におけるセンサデバイスの要部断面図
【図１１】従来のセンサデバイスの一部切り欠き斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施の形態１）
以下、本実施の形態におけるセンサチップ１１について説明する。なお各実施の形態において先行する実施の形態と同様の構成をなすものは同じ符号を付して説明し、詳細な説明を省略する場合がある。また本発明は以下の各実施の形態に限定されるものではない。
【００１７】
図１及び図２に示すように、本実施の形態におけるセンサチップ１１は、シリコンを主成分とする円板状の薄板１２と、この薄板１２の外周を支持する円筒状の枠体１３とを有し、薄板１２には、その上下面を貫通する貫通孔１４が形成されている。枠体１３を設けることで、薄板１２が薄い場合も、センサチップ１１全体の機械的強度を高く保つことができる。
【００１８】
そして、前記貫通孔１４には前記薄板１２の第一面側に貫通孔１４の孔径より大径の凹部１５を連設しており、この凹部１５の曲率半径が異なる弧面と弧面とが交差する位置に絞り部１６を有している。つまり、図２に示すように、凹部１５の位置Ｐ２での湾曲面の曲率半径ＣＲ２は、位置Ｐ２と異なる位置Ｐ１での湾曲面である内壁面の曲率半径ＣＲ１と異なる。具体的には、位置Ｐ１は位置Ｐ２に比べて開口部により近く、曲率半径ＣＲ１は曲率半径ＣＲ２より大きい。なお、センサチップ１１を垂直方向から見た場合、位置Ｐ１の直径は位置Ｐ２の直径よりも大きくなることが望ましい。なお、絞り部の位置、深さ及び大きさは使用する目的に応じて適宜変更することができる。
【００１９】
次に本実施の形態におけるセンサチップの部材について説明する。
【００２０】
センサチップ１１はシリコン単結晶基板、あるいはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ)基板、ガラス基板、水晶基板等をエッチングすることにより形成できる。
【００２１】
本実施の形態では、センサチップ１１として二酸化シリコン層をシリコン層で挟みこんだＳＯＩ基板を用い、まず絞り部１６を有する凹部１５をエッチングにより形成した。絞り部１６を有した凹部１５を形成するためのエッチングには、エッチング材料の導入および排出を繰り返し行うプロセスを用いる。具体的にはまず、マスクを形成したＳＯＩ基板をチャンバー等に入れ、チャンバー内に一定量のエッチング材料を導入する。そして、導入されたエッチング材料とＳＯＩ基材とを反応させる。そして、一定時間反応させた後、反応を一旦終了し、反応が完了したエッチング材料をポンプ等を用いて吸引し、排出する。その後、新たなエッチング材料をチャンバー内に導入し、同様に反応させて、反応後、吸引し排出する。このようにエッチング材料の導入、エッチング反応、反応が完了したエッチング材料の排出を繰り返し行う。この時、マスクの開口の大きさが１０μｍ以下であるため、凹部１５内部に入り込んでいる反応が完了したエッチング材料の排出が起こりにくくなる。従って、特に、マスクの開口から離れた位置にある凹部１５下部にエッチング反応が完了したエッチング材料が滞留しやすくなる。そして、反応が完了したエッチング材料が凹部１５に滞留した状態で、新たなエッチング材料を導入し、エッチング反応を開始させるため、新たなエッチング材料があまり到達していない凹部１５下部でのエッチング速度が減少し、曲率半径ＣＲ２が小さくなる。一方、マスクの開口に近い位置にある凹部１５上部では、マスクの開口から近いため、マスクの開口からのエッチング反応が完了したエッチング材料の排出および未反応のエッチング材料の導入が比較的行われやすい。そのため、エッチング速度の減少は起こらず、その結果曲率半径ＣＲ１はＣＲ２よりも大きくなる。このようにエッチング反応時にエッチング速度に変化が生じるため、所望の形状を得ることが出来る。このときのエッチング方法としては、高精度な微細加工が可能でありエッチング材料の排出および導入の切り替えが容易であるドライエッチングが望ましい。このときに用いるエッチングガスとしては、ＳＦ6、ＣＦ4、Ｃｌ2、ＸｅＦ2などのＳｉをエッチング可能なガスを用いることができる。
【００２２】
その後、ドライエッチングにより微細な貫通孔１４を形成した。なお、ＳＯＩ基板は、中間の二酸化シリコン層をエッチングストップ層として用いることができる。したがって、貫通孔１４の深さや薄板１２の厚み、枠体１３の高さなど、設計通りに高精度に加工することができる。
【００２３】
なお、センサチップ１１はＳＯＩ基板を用いて形成したが、例えば単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、多結晶シリコンとアモルファスシリコンとの混合物、ガラス、水晶等と、二酸化ケイ素を主成分とする基材とのダイアフラムで形成してもよい。
【００２４】
このように貫通孔１４に凹部１５を連設し、この凹部１５に絞り部１６を有することにより、粒子や細胞等の球状物質が凹部１５にしっかりと食い込まれ、粒子や細胞等の球状物質１７を確実に吸着あるいは捕捉させることができ、その結果、球状物質１７と凹部１５との密着性を高めることができる。
【００２５】
なお、絞り部１６は凹部１５に少なくとも一箇所あればよいが、球状物質１７をより確実に捕捉するために、複数の絞り部１６を有することが望ましい。
【００２６】
なお、センサチップ１１は薄板１２が底面となるように枠体１３よりも下側に配置したが、このセンサチップ１１の向きは上下逆であってもセンサチップ１１全体の機械的強度を高く保つことができる。
【００２７】
なお、図３、図４に示すように、薄板１２に複数の貫通孔１４を設け、それぞれの貫通孔１４に複数の絞り部１６を有する凹部１５を連接し、この隣接する凹部１５の内壁が互いに交差するように形成させてもよい。
【００２８】
すなわち、隣接する凹部１５の内壁は互いに交差しており、この交差部分は曲面で形成された突起形状をしている。そして、この部分に球状物質１７が着地しても、付着することなく、重力によりいずれかの凹部１５に傾き、その内壁に沿って凹部１５内部へと速やかに転がり捕捉あるいは吸着され、その結果、凹部１５への球状物質１７の捕捉率あるいは吸着率を向上させることができる。
【００２９】
（実施の形態２）
以下、本実施の形態におけるセンサデバイスである細胞電気生理センサについて説明する。
【００３０】
図５に示すように、本実施の形態におけるセンサデバイスでは、アレイ状に形成された導通孔１８を有する実装基板１９と、導通孔１８の内部にそれぞれ挿入され、固定されたセンサチップ１１とを備えている。このセンサチップ１１は、図６に示したように、導通孔１８の下端部に保持された円板状の薄板１２と、この薄板１２の外周を支持する円筒状の枠体１３とを有し、薄板１２にはその上下面を貫通する貫通孔１４が形成されている。ここで、薄板１２は実装基板１９の上面側と下面側とを仕切る仕切り板として機能し、貫通孔１４は実装基板１９の上面側と下面側とを貫通させる貫通路として機能する。また、枠体１３を設けることで、薄板１２が薄い場合もセンサチップ１１全体の機械的強度を高く保つことができ、実装基板１９との実装時のセンサチップ１１の損傷を低減する。
【００３１】
そして、貫通孔１４には実装基板１９の上面側に細胞や生体由来の膜等からなる略球状の被検体２０を捕捉するための貫通孔１４の孔径より大径の凹部１５を連設しており、この凹部１５の曲率半径が異なる弧面と弧面とが交差する位置に絞り部１６を有している。具体的には、位置Ｐ１は位置Ｐ２に比べて、実装基板１９の上面側により近く、曲率半径ＣＲ１は曲率半径ＣＲ２より大きい。なお、センサチップ１１を垂直方向から見た場合、位置Ｐ１の直径は位置Ｐ２の直径よりも大きくなることが望ましい。なお、凹部１５の最大開口径は１０μｍ程度で、最小開口径は貫通孔１４の開口径と同じであり、被検体２０が細胞である場合、５μｍ以下であることが細胞を保持するために適している。なお、絞り部１６の位置、深さ及び大きさは使用する目的に応じて適宜変更することができる。
【００３２】
また、絞り部１６は凹部１５に少なくとも一箇所あればよいが、球状物質１７をより確実に捕捉するために、複数の絞り部１６を有することが望ましい。
【００３３】
なお、センサチップは薄板１２が底面となるように枠体１３よりも下側に配置したが、このセンサチップの向きは上下逆であってもセンサチップ全体の機械的強度を高く保つことができる。
【００３４】
なお、薄板１２は、厚み１０μｍ〜１００μｍ、直径１０００μｍ、枠体は、高さ４００μｍ程度、外径は１０００μｍ、貫通孔は開口径１μｍ〜３μｍ（深さは薄板１２の厚みと同じ）とした。
【００３５】
また、凹部を有する薄板の表面は、二酸化シリコン層で形成されることが好ましい。二酸化シリコン層は絶縁性が高いため、被検体２０を密着保持させることが可能となる。これによりセンサチップを介するリーク電流を低減できる。さらに、二酸化シリコン層は親水性が高いため、被検体２０と凹部１５との密着性が向上し、センサデバイス１１の測定精度を向上させることができる。
【００３６】
また、図５に示すように導通孔１８内に上方からプローブ形の測定電極２１と細い管状の分注器２２とが挿入されている。
【００３７】
測定電極２１はセンサチップ１１上方に注入される電解液の電位、あるいは電流値や抵抗値を測定するものである。また、分注器２２はセンサチップ１１上方に電解液や細胞、薬剤等を注入するためのものである。
【００３８】
また、実装基板１９下面に参照電極２３を設けている。さらに、実装基板１９の下方には流路２４を形成するための流路板２５が接合され、この流路２４内には電解液が充填できる。前述の参照電極２３は、この電解液の電位（あるいは電流値や抵抗値）を測定できればよく、位置や形状は適宜変更可能である。例えばプローブ形の形状とし、センサチップ１１の下方の空間に挿入されていてもよい。
【００３９】
なお、実装基板１９、流路板２５は樹脂で構成しておくと成形しやすく、また組み立ても容易である。より好ましくは熱可塑性樹脂を用いることであり、射出成形などの手段を用いることによって生産性良く、均質な成形体を得ることができる。また、これらの熱可塑性樹脂はポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、オレフィンポリマー、ポリメタクリル酸メチルアセテート（ＰＭＭＡ）のいずれか、またはこれらの組み合わせが好ましい。
【００４０】
さらに、これらの熱可塑性樹脂として、環状オレフィンポリマー、線状オレフィンポリマー、またはこれらが重合した環状オレフィンコポリマー、またはポリエチレン（ＰＥ）とすることが作業性、製造コストおよび材料の入手性の観点からさらに好ましい。
【００４１】
特に、環状オレフィンコポリマーは透明性、アルカリ・酸などの無機系薬剤に対する耐性が強く、本発明の製造方法もしくは使用環境に適している。また、これらの材料は紫外線を透過させることができることから、紫外線硬化型の接着剤を用いて接着する場合に効果を発揮する。
【００４２】
次に本実施の形態におけるセンサデバイスを用いた細胞電気生理における測定方法について説明する。
【００４３】
図５に示すように導通孔１８の上方から分注器２２を挿入し、センサチップ１１の上方に細胞外液（電解液）を注入する。また流路２４の内部には、細胞内液（電解液）を注入する。
【００４４】
ここで、細胞外液とは例えば哺乳類筋細胞の場合、代表的にはＫ+イオンが４ｍＭ程度、Ｎａ+イオンが１４５ｍＭ程度、Ｃｌ-イオンが１２３ｍＭ程度添加された電解液であって、細胞内液とはＫ+イオンが１５５ｍＭ、Ｎａ+イオンが１２ｍＭ程度、Ｃｌ-イオンが４．２ｍＭ程度添加された電解液である。
【００４５】
次に、導通孔１８の上方から測定電極２１を挿入する。このように細胞外液と電気的に接続された測定電極２１と、細胞内液と電気的に接続された参照電極２３との間では、１００ｋΩ〜１０ＭΩ程度の導通抵抗値を観測することができる。これは貫通孔１４を介して細胞内液あるいは細胞外液が浸透し、測定電極２１と参照電極２３間で電気回路が形成されるからである。次に、センサチップ１１上方から分注器２２を介して被検体２０を投入し、圧力伝達チューブにより減圧を行うと、図６に示すように被検体２０は凹部１５の開口部に引き付けられる。このように被検体２０が凹部１５の開口部を塞ぐことによって、細胞外液と細胞内液との間の電気抵抗が１ＧΩ以上の十分に高い状態となる（ギガシールと呼ぶ）。このギガシール状態では、被検体２０の電気生理活動によって細胞内外の電位が変化すれば、わずかな電位差あるいは電流であっても高精度に測定できる。ここで、この測定時において、流路２４内部の細胞内液中の気泡を極力減らすことが測定精度の向上に寄与する。
【００４６】
次に、図５の流路２４内部の空間にナイスタチンなどの薬剤を注入するか、あるいは針によって貫通孔１４を塞いでいる被検体２０の細胞膜に穴を開ける（ホールセルと呼ぶ）。
【００４７】
その後、センサチップ１１上方から分注器２２を介して薬液を注入し、被検体２０を刺激する。この時、被検体２０を刺激する方法としては、本実施の形態のように薬液などの化学的刺激でもよく、その他電気信号などの物理的刺激でも良い。そして、これらの化学的あるいは物理的刺激によって、被検体２０のイオンチャネルが反応した場合は、その反応を測定電極２１と参照電極２３間における電位差（あるいは電流値変化や抵抗値変化）によって検出することができる。
【００４８】
このように貫通孔１４に凹部１５を有し、この凹部１５に絞り部１６を有することにより、被検体２０が凹部１５に食い込みやすくなるので、被検体２０を確実に吸着あるいは捕捉させることができ、被検体２０と凹部１５との密着性を高めることができるのである。
【００４９】
なお、本実施の形態のセンサチップ１１の薄板１２の上下逆として使用することも可能である。すなわち、センサチップ１１の凹部１５を有する面とは対向する面で被検体２０を吸着させる場合であっても、絞り部１６によって流路２４を流れる溶液からの流路抵抗を抑制することができるため、被検体２０を保持させることが可能となる。
【００５０】
以上説明してきたように、本実施の形態のセンサデバイスは、例えば高精度かつ高速の薬品スクリーニングシステムにかかる細胞電気生理の測定に有用である。
【００５１】
その他、実施の形態１と同様の構成及び効果については説明を省略する。
【００５２】
（実施の形態３）
以下、本実施の形態におけるセンサデバイスである化学物質同定センサについて説明する。
【００５３】
図７、図８に示すように、本実施の形態におけるセンサデバイスは、キャビティ２６を構成する有底筒状の一対の実装基板１９と、キャビティ２６を区分するように一対の実装基板１９の間に固定されたセンサチップ１１とを備えている。このセンサチップ１１は、キャビティ２６の上部空間２７と下部空間２８とを仕切る板状の薄板１２と、この薄板１２の外周を支持する筒状の枠体１３とを有し、薄板１２には、その上下面を貫通する貫通孔１４が形成されている。ここで、薄板１２はキャビティ２６の上部空間２７である第一の領域とキャビティ２６の下部空間２８である第二の領域とを区分する仕切り板として機能し、貫通孔１４はキャビティ２６の上部空間２７である第一の領域とキャビティ２６の下部空間２８である第二の領域とを貫通させる貫通路として機能する。
【００５４】
そして、貫通孔１４には上部空間２７に、プローブ２９が表面に形成された粒子（ビーズ）３０を吸着するための凹部１５を連設しており、この粒子３０を介して化学物質の同定を行う。さらに、この凹部１５の曲率半径が異なる弧面と弧面とが交差する位置に絞り部１６を有している。つまり、凹部１５の位置Ｐ２での湾曲面の曲率半径ＣＲ２は、位置Ｐ２と異なる位置Ｐ１での湾曲面である内壁面の曲率半径ＣＲ１とは異なる。具体的には、位置Ｐ１は位置Ｐ２に比べて、上部空間２７により近く、曲率半径ＣＲ１は曲率半径ＣＲ２より大きい。なお、センサチップ１１を垂直方向から見た場合、位置Ｐ１の直径は位置Ｐ２の直径よりも大きくなることが望ましい。なお、凹部１５の最大開口径は１０μｍ程度で、最小開口径は貫通孔１４の開口径と同じである。なお、絞り部１６の位置、深さ及び大きさは使用する目的に応じて適宜変更することができる。また、絞り部１６は凹部１５に少なくとも一箇所あればよい。
【００５５】
なお、センサチップ１１は薄板１２が底面となるように枠体１３よりも下側に配置したが、このセンサチップ１１の向きは上下逆であってもセンサチップ全体の機械的強度を高く保つことができる。
【００５６】
なお、薄板１２は、厚み１０μｍ〜１００μｍ、直径１０００μｍ、枠体１３は、高さ４００μｍ程度、外径は１０００μｍ、貫通孔１４は開口径１μｍ〜３μｍ（深さは薄板１２の厚みと同じ）とした。
【００５７】
また、上部空間２７と下部空間２８の内部にはそれぞれ光ファイバーなどの光導入口３１及び光検出口３２が設置されており、これら光導入口３１及び光検出口３２は、さらに測定器（図示せず）へと接続されている。
【００５８】
また、上部空間２７、下部空間２８及び絞り部１６を有する凹部１５を有した貫通孔１４の内部は液体によって満たされている。ここで、液体は測定する対象化学物質が存在する液体物質である。さらに、上部空間２７及び下部空間２８は実装基板１９で覆うように構成されており、これによって上部空間２７及び下部空間２８は外部雰囲気から遮断されている。その結果、内部圧力を制御することを可能としている。
【００５９】
なお、本実施の形態では、上部空間２７、下部空間２８を共に液体によって満たすとしたが、これにより貫通孔１４を通って下部空間２８へ通過した光は下部空間２８を満たす液体の中を拡散するので、下部空間２８に設置された光検出口３２への導入が容易になるという利点も有している。しかしながら一方で、下部空間２８で光を拡散させることが好ましくない場合は下部空間２８には液体を満たさなくてもよい。この場合は貫通孔１４を通過した光は、直接光検出口３２へ到達する。
【００６０】
なお、粒子３０の材質は特に限定するものではないが、好ましくは同定に用いる励起光３３、検出光３４に対して透明性を有していることが好ましく、このような透明性を有している材料としては、ガラス、セラミック材料などの無機材料、あるいはポリカーボネート、ポリスチレン、ポリオレフィン等の樹脂材料が適している。また、粒子３０の大きさは０．５〜１００μｍ程度の直径を持つ球形であることにより、センサチップ１１の薄板１２に設けた絞り部１６を有する凹部１５内部へ安定して保持することができる。しかしながら、球形以外の形状について排除するものではなく、たとえば表面へのプローブ２９の付着量を増やすため、表面に凹凸があるいびつな形状であっても本実施の形態での適用は可能である。
【００６１】
また、粒子３０の表面にはプローブ２９が付着されており、このプローブ２９は検査対象物質３５に対応した特定の化合物として合成されたものである。例えば、ＤＮＡプローブは特定の塩基配列と結合する相補的塩基配列をもったＤＮＡであり、溶液中に特定配列を持ったＤＮＡの存在有無を判定したい場合、このＤＮＡプローブと結合（ハイブリタイゼーション）を起こすかどうかによって同定できる。
【００６２】
特に、本実施の形態では、プローブ２９に蛍光標識を行っておき、検査対象物質３５が結合した場合に、外部からの入力光である励起光３３に対して蛍光を発するようにしておく。これにより、粒子３０の表面を通過した検出光３４はハイブリタイゼーションの有無によってその色調が変化するが、本実施の形態のセンサデバイスでは、検出光３４は貫通孔１４を通過したものだけを観察することができることから、他からのノイズを少なくすることが可能であり、これによって、より高精度な化学物質の同定が可能になる。
【００６３】
なお、プローブ２９の種類はＤＮＡの他にＲＮＡ，タンパク質等を用いることが可能である。
【００６４】
次に本実施の形態におけるセンサデバイスを用いた液体に存在する化学物質の同定方法について説明する。
【００６５】
図９及び図１０に示すように、上部空間２７において、絞り部１６を有する凹部１５の内部に、プローブ２９が表面に形成された粒子３０が保持されている。ここで、凹部１５は粒子３０より小さいので、この粒子３０を保持する方法として下部空間２８を減圧して貫通孔１４を吸引することによって、強固な保持が容易に実現される。
【００６６】
また、この保持方法は上部空間２７と下部空間２８との圧力差を利用したものであるので、絞り部１６を有する凹部１５に粒子３０を吸着させるために化学的結合部位を別途設ける必要がないという利点を有している。
【００６７】
また、上部空間２７と下部空間２８はセンサチップ１１の薄板によって仕切られていることから、上部空間２７の内部を加圧手段（図示せず）によって加圧することによって、貫通孔１４を介して下部空間２８へ液体を移動させながら粒子３０を絞り部１６を有する凹部１５へと移動させ、粒子３０を着実に凹部１５に吸着・保持させることが可能となる。
【００６８】
このように上部空間２７と下部空間２８を個別に制御できるような構成とするため、吸引あるいは加圧などの手段を用いて粒子３０を容易に制御することができる。さらに、液体を別の薬液などに容易に置換することも可能となるセンサ構造を実現することができる。
【００６９】
次に、図９に示すように上部空間２７側から励起光３３を導入すると光は上部空間２７の内部を満たした液体内を散乱しながら透過し、凹部１５を有した貫通孔１４の内部へも進入する。このとき、凹部１５に保持された粒子３０は貫通孔１４を確実に塞いでいるので、貫通孔１４を透過してきた励起光３３は粒子３０の表面を透過してきた光である。そして、図９のように、上部空間２７の内部に検査対象物質３５が無い、あるいは濃度が低い場合、粒子３０の表面に形成されたプローブ２９が検査対象物質３５とハイブリタイゼーションは起こらず、この状態での粒子３０の表面を通過した光が検出光３４として検出され、参照応答が測定される。
【００７０】
一方、図１０に示すように、上部空間２７側に検査対象物質３５が存在する状態では、プローブ２９が検査対象物質３５とハイブリタイゼーションを起こし、この状態での粒子３０の表面を通過した検出光３４が検出される。この際、プローブ２９と検査対象物質３５がハイブリタイゼーションを起こしている状態では、プローブ２９が蛍光を発するように修飾しておけば、通過した検出光３４は蛍光を伴っており、前記参照応答と区別される。このようにして上部空間２７の内部に存在する液体に検査対象物質３５が存在するかどうかが判定できるのである。
【００７１】
このようにセンサチップ１１に貫通孔１４に絞り部１６を有する凹部１５を設けたことによって、確実にプローブ２９を表面に有した粒子３０を保持できる上、貫通孔１４を通過した光は必ず粒子３０の表面を通過しているので、より高精度な測定が可能である。
【００７２】
従って、センサチップ１１の材質は実施の形態１でも説明したシリコン以外でも実現可能であるが、不透明（透過性の低い）であることがより望ましい。これによって、下部空間２８側に透過してくる光は貫通孔１４を通過したものだけとなり、下部空間２８側での光検出がより高精度になる。なお、検出側である下部空間２８側は必ずしも液体で満たされていなくても光検出はできるが、液体で満たされる場合には、貫通孔１４を通過した光は下部空間２８側に存在する液体内で散乱し、光検出口３２への導入が簡単になるという利点を有している。
【００７３】
さらに、本実施の形態における粒子３０の保持方法では、上部空間２７側を減圧雰囲気にすれば、一度保持された粒子３０でも再度、保持を解除することができることから、任意の時に粒子３０を液体中に分散させて、プローブ２９と検査対象物質３５の反応を促進させることができる。例えば、検査対象物質３５が液体中に無い状態で粒子３０を凹部１５に保持させて参照応答を測定した後、検査対象物質３５が含まれる液体を添加した後、粒子３０の保持を解除すれば粒子３０は液体の中に容易に分散することで検査対象物質３５とプローブ２９の反応が促進し、再度吸引によって粒子３０を保持した後に測定を行えば、参照応答との比較によって検査対象物質３５の有無判定がより高精度になるという利点を有している。
【００７４】
なお、絞り部１６を有した凹部１５を備えた貫通孔１４は、複数個設けることによって、より確実な測定が可能である。
【００７５】
また、本実施の形態の実装基板１９は、センサチップ１１を覆い囲むように構成されているが、光反応を利用しない化学物質同定を行う場合は、上下に開放した導通孔１８を有する実装基板１９の内部にセンサチップ１１を保持し、前記導通孔１８を上部空間２７と下部空間２８とに区分してもよい。
【００７６】
以上説明してきたように、本実施の形態のセンサデバイスは、化学物質同定センサとして、ウイルス、食料品産地などの特定ＤＮＡ配列の検出を行うＤＮＡセンサ、ＳＮＰ（一塩基多型）配列を検出するＳＮＰセンサ、アレルゲン（アレルギー抗原）の存在を検出する抗原センサ等、農業分野、医療分野、環境分野などに広く用いることができる。
【００７７】
その他、実施の形態１と同様の構成及び効果については説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
以上のように、本発明によるセンサデバイスは、例えば粒子や細胞等の球状物質を吸着させるため等に有用であり、細胞電気生理センサや化学物質同定センサ等に利用できる。
【符号の説明】
【００７９】
１１ センサチップ
１２ 薄板
１３ 枠体
１４ 貫通孔
１５ 凹部
１６ 絞り部
１７ 球状物質
１８ 導通孔
１９ 実装基板
２０ 被検体
２１ 測定電極
２２ 分注器
２３ 参照電極
２４ 流路
２５ 流路板
２６ キャビティ
２７ 上部空間
２８ 下部空間
２９ プローブ
３０ 粒子
３１ 光導入口
３２ 光検出口
３３ 励起光
３４ 検出光
３５ 検査対象物質
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細胞やビーズ等の粒子の球状物質を吸着あるいは捕捉させるためのセンサチップと、このセンサチップを用いた細胞の電気生理的活動を測定する細胞電気生理センサや、化学物質といった試料を測定する化学物質同定センサ等のセンサデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１１に示したように、従来のセンサデバイスの一例である細胞電気生理センサは、導通孔１を有する実装基板２と、これらの導通孔１の下端部にそれぞれ保持されたシリコンを主成分とするセンサチップ３と、前記実装基板１の上方及び下方にそれぞれ配置された電極４、５とを備えている。また、前記センサチップ３は、窪み部６を有した貫通孔７を備えている。
【０００３】
ここで、センサチップ３の上方および下方を電解液で満たし、さらに細胞をセンサチップ３の上方から注入し、貫通孔７の上方から加圧、あるいは下方から吸引することで、細胞を貫通孔７の窪み部６に吸引し捕捉することができる。
【０００４】
そして、細胞を捕捉させた状態で、細胞の上から薬剤を投与し、センサチップ３の上方および下方の電解液の電位差を電極４、５を用いて計測することによって、細胞が活動する際の細胞内外における電位変化、電流値、あるいは細胞の活動によって発生する物理化学的変化を測定することができる。
【０００５】
なお、上記細胞電気生理センサと類似する例を開示するものとして例えば特許文献１が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１５６２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のような構成では、センサデバイスの測定精度が低いという問題があった。これは、細胞と貫通孔７の窪み部６との密着性が低く、細胞を窪み部６に確実に捕捉しきれないため、センサチップ３の上方と下方との間の電気的絶縁性が十分に確保されないことが原因となる。その結果、測定精度が低下するのであった。
【０００８】
そこで、本発明は上記課題を解決し、粒子や細胞等の球状物質を確実に吸着あるいは捕捉させるためのセンサチップおよびこれを用いたセンサデバイスを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するために本発明のセンサチップは、薄板とこの薄板の周辺部を保持する枠体とを備え、前記薄板は第一面とこの第一面と対向する第二面との間を貫通させる少なくとも１つの貫通孔を有し、前記貫通孔には当該貫通孔の孔径より大径で、かつ前記第一面側に絞り部を有する凹部を連設したものである。
【００１０】
また、本発明のセンサデバイスは、実装基板と、前記実装基板の上面から下面までを導通する導通孔の下端部に保持されたセンサチップとを備え、前記センサチップは薄板とこの薄板の周辺部を保持する枠体とを備え、前記薄板は第一面とこの第一面と対向する第二面との間を貫通させる少なくとも１つの貫通孔を有し、前記貫通孔には当該貫通孔の孔径より大径で、かつ前記第一面側に絞り部を有する凹部を連設したものである。
【００１１】
また、本発明の他のセンサデバイスは、実装基板と、前記実装基板の上面から下面までを導通する導通孔の中央部に保持されたセンサチップとを備え、前記センサチップは薄板とこの薄板の周辺部を保持する枠体とを備え、前記薄板は第一面とこの第一面と対向する第二面との間を貫通させる少なくとも１つの貫通孔を有し、前記貫通孔には当該貫通孔の孔径より大径で、かつ前記第一面側に絞り部を有する凹部を連設し、前記凹部にプローブ機能を有した微小球を配置するとともに、前記微小球にて二分される前記導通孔の第一の領域あるいは第二の領域のいずれか一方の内部に液体を充填したものである。
【発明の効果】
【００１２】
これにより、本発明のセンサチップとこれを用いたセンサデバイスは、粒子や細胞等の球状物質と凹部との密着性を高めることができる。
【００１３】
それは、前述の通り、凹部に絞り部を有することにより、粒子や細胞等の球状物質が凹部に食い込みやすくなるためである。
【００１４】
その結果、粒子や細胞等の球状物質を確実に吸着あるいは捕捉させることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１におけるセンサチップの断面図
【図２】実施の形態１におけるセンサチップの要部断面図
【図３】実施の形態１における他のセンサチップの要部上面図
【図４】図３のＡＢ断面図
【図５】実施の形態２におけるセンサデバイスの断面図
【図６】実施の形態２におけるセンサデバイスの要部断面図
【図７】実施の形態３におけるセンサデバイスの一部切り欠き斜視図
【図８】実施の形態３におけるセンサデバイスの要部断面図
【図９】実施の形態３におけるセンサデバイスの要部断面図
【図１０】実施の形態３におけるセンサデバイスの要部断面図
【図１１】従来のセンサデバイスの一部切り欠き斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施の形態１）
以下、本実施の形態におけるセンサチップ１１について説明する。なお各実施の形態において先行する実施の形態と同様の構成をなすものは同じ符号を付して説明し、詳細な説明を省略する場合がある。また本発明は以下の各実施の形態に限定されるものではない。
【００１７】
図１及び図２に示すように、本実施の形態におけるセンサチップ１１は、シリコンを主成分とする円板状の薄板１２と、この薄板１２の外周を支持する円筒状の枠体１３とを有し、薄板１２には、その上下面を貫通する貫通孔１４が形成されている。枠体１３を設けることで、薄板１２が薄い場合も、センサチップ１１全体の機械的強度を高く保つことができる。
【００１８】
そして、前記貫通孔１４には前記薄板１２の第一面側に貫通孔１４の孔径より大径の凹部１５を連設しており、この凹部１５の曲率半径が異なる弧面と弧面とが交差する位置に絞り部１６を有している。つまり、図２に示すように、凹部１５の位置Ｐ２での湾曲面の曲率半径ＣＲ２は、位置Ｐ２と異なる位置Ｐ１での湾曲面である内壁面の曲率半径ＣＲ１と異なる。具体的には、位置Ｐ１は位置Ｐ２に比べて開口部により近く、曲率半径ＣＲ１は曲率半径ＣＲ２より大きい。なお、センサチップ１１を垂直方向から見た場合、位置Ｐ１の直径は位置Ｐ２の直径よりも大きくなることが望ましい。なお、絞り部の位置、深さ及び大きさは使用する目的に応じて適宜変更することができる。
【００１９】
次に本実施の形態におけるセンサチップの部材について説明する。
【００２０】
センサチップ１１はシリコン単結晶基板、あるいはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ)基板、ガラス基板、水晶基板等をエッチングすることにより形成できる。
【００２１】
本実施の形態では、センサチップ１１として二酸化シリコン層をシリコン層で挟みこんだＳＯＩ基板を用い、まず絞り部１６を有する凹部１５をエッチングにより形成した。絞り部１６を有した凹部１５を形成するためのエッチングには、エッチング材料の導入および排出を繰り返し行うプロセスを用いる。具体的にはまず、マスクを形成したＳＯＩ基板をチャンバー等に入れ、チャンバー内に一定量のエッチング材料を導入する。そして、導入されたエッチング材料とＳＯＩ基材とを反応させる。そして、一定時間反応させた後、反応を一旦終了し、反応が完了したエッチング材料をポンプ等を用いて吸引し、排出する。その後、新たなエッチング材料をチャンバー内に導入し、同様に反応させて、反応後、吸引し排出する。このようにエッチング材料の導入、エッチング反応、反応が完了したエッチング材料の排出を繰り返し行う。この時、マスクの開口の大きさが１０μｍ以下であるため、凹部１５内部に入り込んでいる反応が完了したエッチング材料の排出が起こりにくくなる。従って、特に、マスクの開口から離れた位置にある凹部１５下部にエッチング反応が完了したエッチング材料が滞留しやすくなる。そして、反応が完了したエッチング材料が凹部１５に滞留した状態で、新たなエッチング材料を導入し、エッチング反応を開始させるため、新たなエッチング材料があまり到達していない凹部１５下部でのエッチング速度が減少し、曲率半径ＣＲ２が小さくなる。一方、マスクの開口に近い位置にある凹部１５上部では、マスクの開口から近いため、マスクの開口からのエッチング反応が完了したエッチング材料の排出および未反応のエッチング材料の導入が比較的行われやすい。そのため、エッチング速度の減少は起こらず、その結果曲率半径ＣＲ１はＣＲ２よりも大きくなる。このようにエッチング反応時にエッチング速度に変化が生じるため、所望の形状を得ることが出来る。このときのエッチング方法としては、高精度な微細加工が可能でありエッチング材料の排出および導入の切り替えが容易であるドライエッチングが望ましい。このときに用いるエッチングガスとしては、ＳＦ6、ＣＦ4、Ｃｌ2、ＸｅＦ2などのＳｉをエッチング可能なガスを用いることができる。
【００２２】
その後、ドライエッチングにより微細な貫通孔１４を形成した。なお、ＳＯＩ基板は、中間の二酸化シリコン層をエッチングストップ層として用いることができる。したがって、貫通孔１４の深さや薄板１２の厚み、枠体１３の高さなど、設計通りに高精度に加工することができる。
【００２３】
なお、センサチップ１１はＳＯＩ基板を用いて形成したが、例えば単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、多結晶シリコンとアモルファスシリコンとの混合物、ガラス、水晶等と、二酸化ケイ素を主成分とする基材とのダイアフラムで形成してもよい。
【００２４】
このように貫通孔１４に凹部１５を連設し、この凹部１５に絞り部１６を有することにより、粒子や細胞等の球状物質が凹部１５にしっかりと食い込まれ、粒子や細胞等の球状物質１７を確実に吸着あるいは捕捉させることができ、その結果、球状物質１７と凹部１５との密着性を高めることができる。
【００２５】
なお、絞り部１６は凹部１５に少なくとも一箇所あればよいが、球状物質１７をより確実に捕捉するために、複数の絞り部１６を有することが望ましい。
【００２６】
なお、センサチップ１１は薄板１２が底面となるように枠体１３よりも下側に配置したが、このセンサチップ１１の向きは上下逆であってもセンサチップ１１全体の機械的強度を高く保つことができる。
【００２７】
なお、図３、図４に示すように、薄板１２に複数の貫通孔１４を設け、それぞれの貫通孔１４に複数の絞り部１６を有する凹部１５を連接し、この隣接する凹部１５の内壁が互いに交差するように形成させてもよい。
【００２８】
すなわち、隣接する凹部１５の内壁は互いに交差しており、この交差部分は曲面で形成された突起形状をしている。そして、この部分に球状物質１７が着地しても、付着することなく、重力によりいずれかの凹部１５に傾き、その内壁に沿って凹部１５内部へと速やかに転がり捕捉あるいは吸着され、その結果、凹部１５への球状物質１７の捕捉率あるいは吸着率を向上させることができる。
【００２９】
（実施の形態２）
以下、本実施の形態におけるセンサデバイスである細胞電気生理センサについて説明する。
【００３０】
図５に示すように、本実施の形態におけるセンサデバイスでは、アレイ状に形成された導通孔１８を有する実装基板１９と、導通孔１８の内部にそれぞれ挿入され、固定されたセンサチップ１１とを備えている。このセンサチップ１１は、図６に示したように、導通孔１８の下端部に保持された円板状の薄板１２と、この薄板１２の外周を支持する円筒状の枠体１３とを有し、薄板１２にはその上下面を貫通する貫通孔１４が形成されている。ここで、薄板１２は実装基板１９の上面側と下面側とを仕切る仕切り板として機能し、貫通孔１４は実装基板１９の上面側と下面側とを貫通させる貫通路として機能する。また、枠体１３を設けることで、薄板１２が薄い場合もセンサチップ１１全体の機械的強度を高く保つことができ、実装基板１９との実装時のセンサチップ１１の損傷を低減する。
【００３１】
そして、貫通孔１４には実装基板１９の上面側に細胞や生体由来の膜等からなる略球状の被検体２０を捕捉するための貫通孔１４の孔径より大径の凹部１５を連設しており、この凹部１５の曲率半径が異なる弧面と弧面とが交差する位置に絞り部１６を有している。具体的には、位置Ｐ１は位置Ｐ２に比べて、実装基板１９の上面側により近く、曲率半径ＣＲ１は曲率半径ＣＲ２より大きい。なお、センサチップ１１を垂直方向から見た場合、位置Ｐ１の直径は位置Ｐ２の直径よりも大きくなることが望ましい。なお、凹部１５の最大開口径は１０μｍ程度で、最小開口径は貫通孔１４の開口径と同じであり、被検体２０が細胞である場合、５μｍ以下であることが細胞を保持するために適している。なお、絞り部１６の位置、深さ及び大きさは使用する目的に応じて適宜変更することができる。
【００３２】
また、絞り部１６は凹部１５に少なくとも一箇所あればよいが、球状物質１７をより確実に捕捉するために、複数の絞り部１６を有することが望ましい。
【００３３】
なお、センサチップは薄板１２が底面となるように枠体１３よりも下側に配置したが、このセンサチップの向きは上下逆であってもセンサチップ全体の機械的強度を高く保つことができる。
【００３４】
なお、薄板１２は、厚み１０μｍ〜１００μｍ、直径１０００μｍ、枠体は、高さ４００μｍ程度、外径は１０００μｍ、貫通孔は開口径１μｍ〜３μｍ（深さは薄板１２の厚みと同じ）とした。
【００３５】
また、凹部を有する薄板の表面は、二酸化シリコン層で形成されることが好ましい。二酸化シリコン層は絶縁性が高いため、被検体２０を密着保持させることが可能となる。これによりセンサチップを介するリーク電流を低減できる。さらに、二酸化シリコン層は親水性が高いため、被検体２０と凹部１５との密着性が向上し、センサデバイス１１の測定精度を向上させることができる。
【００３６】
また、図５に示すように導通孔１８内に上方からプローブ形の測定電極２１と細い管状の分注器２２とが挿入されている。
【００３７】
測定電極２１はセンサチップ１１上方に注入される電解液の電位、あるいは電流値や抵抗値を測定するものである。また、分注器２２はセンサチップ１１上方に電解液や細胞、薬剤等を注入するためのものである。
【００３８】
また、実装基板１９下面に参照電極２３を設けている。さらに、実装基板１９の下方には流路２４を形成するための流路板２５が接合され、この流路２４内には電解液が充填できる。前述の参照電極２３は、この電解液の電位（あるいは電流値や抵抗値）を測定できればよく、位置や形状は適宜変更可能である。例えばプローブ形の形状とし、センサチップ１１の下方の空間に挿入されていてもよい。
【００３９】
なお、実装基板１９、流路板２５は樹脂で構成しておくと成形しやすく、また組み立ても容易である。より好ましくは熱可塑性樹脂を用いることであり、射出成形などの手段を用いることによって生産性良く、均質な成形体を得ることができる。また、これらの熱可塑性樹脂はポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、オレフィンポリマー、ポリメタクリル酸メチルアセテート（ＰＭＭＡ）のいずれか、またはこれらの組み合わせが好ましい。
【００４０】
さらに、これらの熱可塑性樹脂として、環状オレフィンポリマー、線状オレフィンポリマー、またはこれらが重合した環状オレフィンコポリマー、またはポリエチレン（ＰＥ）とすることが作業性、製造コストおよび材料の入手性の観点からさらに好ましい。
【００４１】
特に、環状オレフィンコポリマーは透明性、アルカリ・酸などの無機系薬剤に対する耐性が強く、本発明の製造方法もしくは使用環境に適している。また、これらの材料は紫外線を透過させることができることから、紫外線硬化型の接着剤を用いて接着する場合に効果を発揮する。
【００４２】
次に本実施の形態におけるセンサデバイスを用いた細胞電気生理における測定方法について説明する。
【００４３】
図５に示すように導通孔１８の上方から分注器２２を挿入し、センサチップ１１の上方に細胞外液（電解液）を注入する。また流路２４の内部には、細胞内液（電解液）を注入する。
【００４４】
ここで、細胞外液とは例えば哺乳類筋細胞の場合、代表的にはＫ+イオンが４ｍＭ程度、Ｎａ+イオンが１４５ｍＭ程度、Ｃｌ-イオンが１２３ｍＭ程度添加された電解液であって、細胞内液とはＫ+イオンが１５５ｍＭ、Ｎａ+イオンが１２ｍＭ程度、Ｃｌ-イオンが４．２ｍＭ程度添加された電解液である。
【００４５】
次に、導通孔１８の上方から測定電極２１を挿入する。このように細胞外液と電気的に接続された測定電極２１と、細胞内液と電気的に接続された参照電極２３との間では、１００ｋΩ〜１０ＭΩ程度の導通抵抗値を観測することができる。これは貫通孔１４を介して細胞内液あるいは細胞外液が浸透し、測定電極２１と参照電極２３間で電気回路が形成されるからである。次に、センサチップ１１上方から分注器２２を介して被検体２０を投入し、圧力伝達チューブにより減圧を行うと、図６に示すように被検体２０は凹部１５の開口部に引き付けられる。このように被検体２０が凹部１５の開口部を塞ぐことによって、細胞外液と細胞内液との間の電気抵抗が１ＧΩ以上の十分に高い状態となる（ギガシールと呼ぶ）。このギガシール状態では、被検体２０の電気生理活動によって細胞内外の電位が変化すれば、わずかな電位差あるいは電流であっても高精度に測定できる。ここで、この測定時において、流路２４内部の細胞内液中の気泡を極力減らすことが測定精度の向上に寄与する。
【００４６】
次に、図５の流路２４内部の空間にナイスタチンなどの薬剤を注入するか、あるいは針によって貫通孔１４を塞いでいる被検体２０の細胞膜に穴を開ける（ホールセルと呼ぶ）。
【００４７】
その後、センサチップ１１上方から分注器２２を介して薬液を注入し、被検体２０を刺激する。この時、被検体２０を刺激する方法としては、本実施の形態のように薬液などの化学的刺激でもよく、その他電気信号などの物理的刺激でも良い。そして、これらの化学的あるいは物理的刺激によって、被検体２０のイオンチャネルが反応した場合は、その反応を測定電極２１と参照電極２３間における電位差（あるいは電流値変化や抵抗値変化）によって検出することができる。
【００４８】
このように貫通孔１４に凹部１５を有し、この凹部１５に絞り部１６を有することにより、被検体２０が凹部１５に食い込みやすくなるので、被検体２０を確実に吸着あるいは捕捉させることができ、被検体２０と凹部１５との密着性を高めることができるのである。
【００４９】
なお、本実施の形態のセンサチップ１１の薄板１２の上下逆として使用することも可能である。すなわち、センサチップ１１の凹部１５を有する面とは対向する面で被検体２０を吸着させる場合であっても、絞り部１６によって流路２４を流れる溶液からの流路抵抗を抑制することができるため、被検体２０を保持させることが可能となる。
【００５０】
以上説明してきたように、本実施の形態のセンサデバイスは、例えば高精度かつ高速の薬品スクリーニングシステムにかかる細胞電気生理の測定に有用である。
【００５１】
その他、実施の形態１と同様の構成及び効果については説明を省略する。
【００５２】
（実施の形態３）
以下、本実施の形態におけるセンサデバイスである化学物質同定センサについて説明する。
【００５３】
図７、図８に示すように、本実施の形態におけるセンサデバイスは、キャビティ２６を構成する有底筒状の一対の実装基板１９と、キャビティ２６を区分するように一対の実装基板１９の間に固定されたセンサチップ１１とを備えている。このセンサチップ１１は、キャビティ２６の上部空間２７と下部空間２８とを仕切る板状の薄板１２と、この薄板１２の外周を支持する筒状の枠体１３とを有し、薄板１２には、その上下面を貫通する貫通孔１４が形成されている。ここで、薄板１２はキャビティ２６の上部空間２７である第一の領域とキャビティ２６の下部空間２８である第二の領域とを区分する仕切り板として機能し、貫通孔１４はキャビティ２６の上部空間２７である第一の領域とキャビティ２６の下部空間２８である第二の領域とを貫通させる貫通路として機能する。
【００５４】
そして、貫通孔１４には上部空間２７に、プローブ２９が表面に形成された粒子（ビーズ）３０を吸着するための凹部１５を連設しており、この粒子３０を介して化学物質の同定を行う。さらに、この凹部１５の曲率半径が異なる弧面と弧面とが交差する位置に絞り部１６を有している。つまり、凹部１５の位置Ｐ２での湾曲面の曲率半径ＣＲ２は、位置Ｐ２と異なる位置Ｐ１での湾曲面である内壁面の曲率半径ＣＲ１とは異なる。具体的には、位置Ｐ１は位置Ｐ２に比べて、上部空間２７により近く、曲率半径ＣＲ１は曲率半径ＣＲ２より大きい。なお、センサチップ１１を垂直方向から見た場合、位置Ｐ１の直径は位置Ｐ２の直径よりも大きくなることが望ましい。なお、凹部１５の最大開口径は１０μｍ程度で、最小開口径は貫通孔１４の開口径と同じである。なお、絞り部１６の位置、深さ及び大きさは使用する目的に応じて適宜変更することができる。また、絞り部１６は凹部１５に少なくとも一箇所あればよい。
【００５５】
なお、センサチップ１１は薄板１２が底面となるように枠体１３よりも下側に配置したが、このセンサチップ１１の向きは上下逆であってもセンサチップ全体の機械的強度を高く保つことができる。
【００５６】
なお、薄板１２は、厚み１０μｍ〜１００μｍ、直径１０００μｍ、枠体１３は、高さ４００μｍ程度、外径は１０００μｍ、貫通孔１４は開口径１μｍ〜３μｍ（深さは薄板１２の厚みと同じ）とした。
【００５７】
また、上部空間２７と下部空間２８の内部にはそれぞれ光ファイバーなどの光導入口３１及び光検出口３２が設置されており、これら光導入口３１及び光検出口３２は、さらに測定器（図示せず）へと接続されている。
【００５８】
また、上部空間２７、下部空間２８及び絞り部１６を有する凹部１５を有した貫通孔１４の内部は液体によって満たされている。ここで、液体は測定する対象化学物質が存在する液体物質である。さらに、上部空間２７及び下部空間２８は実装基板１９で覆うように構成されており、これによって上部空間２７及び下部空間２８は外部雰囲気から遮断されている。その結果、内部圧力を制御することを可能としている。
【００５９】
なお、本実施の形態では、上部空間２７、下部空間２８を共に液体によって満たすとしたが、これにより貫通孔１４を通って下部空間２８へ通過した光は下部空間２８を満たす液体の中を拡散するので、下部空間２８に設置された光検出口３２への導入が容易になるという利点も有している。しかしながら一方で、下部空間２８で光を拡散させることが好ましくない場合は下部空間２８には液体を満たさなくてもよい。この場合は貫通孔１４を通過した光は、直接光検出口３２へ到達する。
【００６０】
なお、粒子３０の材質は特に限定するものではないが、好ましくは同定に用いる励起光３３、検出光３４に対して透明性を有していることが好ましく、このような透明性を有している材料としては、ガラス、セラミック材料などの無機材料、あるいはポリカーボネート、ポリスチレン、ポリオレフィン等の樹脂材料が適している。また、粒子３０の大きさは０．５〜１００μｍ程度の直径を持つ球形であることにより、センサチップ１１の薄板１２に設けた絞り部１６を有する凹部１５内部へ安定して保持することができる。しかしながら、球形以外の形状について排除するものではなく、たとえば表面へのプローブ２９の付着量を増やすため、表面に凹凸があるいびつな形状であっても本実施の形態での適用は可能である。
【００６１】
また、粒子３０の表面にはプローブ２９が付着されており、このプローブ２９は検査対象物質３５に対応した特定の化合物として合成されたものである。例えば、ＤＮＡプローブは特定の塩基配列と結合する相補的塩基配列をもったＤＮＡであり、溶液中に特定配列を持ったＤＮＡの存在有無を判定したい場合、このＤＮＡプローブと結合（ハイブリタイゼーション）を起こすかどうかによって同定できる。
【００６２】
特に、本実施の形態では、プローブ２９に蛍光標識を行っておき、検査対象物質３５が結合した場合に、外部からの入力光である励起光３３に対して蛍光を発するようにしておく。これにより、粒子３０の表面を通過した検出光３４はハイブリタイゼーションの有無によってその色調が変化するが、本実施の形態のセンサデバイスでは、検出光３４は貫通孔１４を通過したものだけを観察することができることから、他からのノイズを少なくすることが可能であり、これによって、より高精度な化学物質の同定が可能になる。
【００６３】
なお、プローブ２９の種類はＤＮＡの他にＲＮＡ，タンパク質等を用いることが可能である。
【００６４】
次に本実施の形態におけるセンサデバイスを用いた液体に存在する化学物質の同定方法について説明する。
【００６５】
図９及び図１０に示すように、上部空間２７において、絞り部１６を有する凹部１５の内部に、プローブ２９が表面に形成された粒子３０が保持されている。ここで、凹部１５は粒子３０より小さいので、この粒子３０を保持する方法として下部空間２８を減圧して貫通孔１４を吸引することによって、強固な保持が容易に実現される。
【００６６】
また、この保持方法は上部空間２７と下部空間２８との圧力差を利用したものであるので、絞り部１６を有する凹部１５に粒子３０を吸着させるために化学的結合部位を別途設ける必要がないという利点を有している。
【００６７】
また、上部空間２７と下部空間２８はセンサチップ１１の薄板によって仕切られていることから、上部空間２７の内部を加圧手段（図示せず）によって加圧することによって、貫通孔１４を介して下部空間２８へ液体を移動させながら粒子３０を絞り部１６を有する凹部１５へと移動させ、粒子３０を着実に凹部１５に吸着・保持させることが可能となる。
【００６８】
このように上部空間２７と下部空間２８を個別に制御できるような構成とするため、吸引あるいは加圧などの手段を用いて粒子３０を容易に制御することができる。さらに、液体を別の薬液などに容易に置換することも可能となるセンサ構造を実現することができる。
【００６９】
次に、図９に示すように上部空間２７側から励起光３３を導入すると光は上部空間２７の内部を満たした液体内を散乱しながら透過し、凹部１５を有した貫通孔１４の内部へも進入する。このとき、凹部１５に保持された粒子３０は貫通孔１４を確実に塞いでいるので、貫通孔１４を透過してきた励起光３３は粒子３０の表面を透過してきた光である。そして、図９のように、上部空間２７の内部に検査対象物質３５が無い、あるいは濃度が低い場合、粒子３０の表面に形成されたプローブ２９が検査対象物質３５とハイブリタイゼーションは起こらず、この状態での粒子３０の表面を通過した光が検出光３４として検出され、参照応答が測定される。
【００７０】
一方、図１０に示すように、上部空間２７側に検査対象物質３５が存在する状態では、プローブ２９が検査対象物質３５とハイブリタイゼーションを起こし、この状態での粒子３０の表面を通過した検出光３４が検出される。この際、プローブ２９と検査対象物質３５がハイブリタイゼーションを起こしている状態では、プローブ２９が蛍光を発するように修飾しておけば、通過した検出光３４は蛍光を伴っており、前記参照応答と区別される。このようにして上部空間２７の内部に存在する液体に検査対象物質３５が存在するかどうかが判定できるのである。
【００７１】
このようにセンサチップ１１に貫通孔１４に絞り部１６を有する凹部１５を設けたことによって、確実にプローブ２９を表面に有した粒子３０を保持できる上、貫通孔１４を通過した光は必ず粒子３０の表面を通過しているので、より高精度な測定が可能である。
【００７２】
従って、センサチップ１１の材質は実施の形態１でも説明したシリコン以外でも実現可能であるが、不透明（透過性の低い）であることがより望ましい。これによって、下部空間２８側に透過してくる光は貫通孔１４を通過したものだけとなり、下部空間２８側での光検出がより高精度になる。なお、検出側である下部空間２８側は必ずしも液体で満たされていなくても光検出はできるが、液体で満たされる場合には、貫通孔１４を通過した光は下部空間２８側に存在する液体内で散乱し、光検出口３２への導入が簡単になるという利点を有している。
【００７３】
さらに、本実施の形態における粒子３０の保持方法では、上部空間２７側を減圧雰囲気にすれば、一度保持された粒子３０でも再度、保持を解除することができることから、任意の時に粒子３０を液体中に分散させて、プローブ２９と検査対象物質３５の反応を促進させることができる。例えば、検査対象物質３５が液体中に無い状態で粒子３０を凹部１５に保持させて参照応答を測定した後、検査対象物質３５が含まれる液体を添加した後、粒子３０の保持を解除すれば粒子３０は液体の中に容易に分散することで検査対象物質３５とプローブ２９の反応が促進し、再度吸引によって粒子３０を保持した後に測定を行えば、参照応答との比較によって検査対象物質３５の有無判定がより高精度になるという利点を有している。
【００７４】
なお、絞り部１６を有した凹部１５を備えた貫通孔１４は、複数個設けることによって、より確実な測定が可能である。
【００７５】
また、本実施の形態の実装基板１９は、センサチップ１１を覆い囲むように構成されているが、光反応を利用しない化学物質同定を行う場合は、上下に開放した導通孔１８を有する実装基板１９の内部にセンサチップ１１を保持し、前記導通孔１８を上部空間２７と下部空間２８とに区分してもよい。
【００７６】
以上説明してきたように、本実施の形態のセンサデバイスは、化学物質同定センサとして、ウイルス、食料品産地などの特定ＤＮＡ配列の検出を行うＤＮＡセンサ、ＳＮＰ（一塩基多型）配列を検出するＳＮＰセンサ、アレルゲン（アレルギー抗原）の存在を検出する抗原センサ等、農業分野、医療分野、環境分野などに広く用いることができる。
【００７７】
その他、実施の形態１と同様の構成及び効果については説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
以上のように、本発明によるセンサデバイスは、例えば粒子や細胞等の球状物質を吸着させるため等に有用であり、細胞電気生理センサや化学物質同定センサ等に利用できる。
【符号の説明】
【００７９】
１１ センサチップ
１２ 薄板
１３ 枠体
１４ 貫通孔
１５ 凹部
１６ 絞り部
１７ 球状物質
１８ 導通孔
１９ 実装基板
２０ 被検体
２１ 測定電極
２２ 分注器
２３ 参照電極
２４ 流路
２５ 流路板
２６ キャビティ
２７ 上部空間
２８ 下部空間
２９ プローブ
３０ 粒子
３１ 光導入口
３２ 光検出口
３３ 励起光
３４ 検出光
３５ 検査対象物質
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板と、この薄板の周辺部を保持する枠体とを備え、
前記薄板は第一面とこの第一面と対向する第二面との間を貫通させる少なくとも１つの貫通孔を有し、
前記貫通孔には当該貫通孔の孔径より大径で、かつ前記第一面側に絞り部を有する凹部を連設したセンサチップ。
【請求項２】
複数の貫通孔のそれぞれに連設した絞り部を有する凹部のそれぞれは、隣接する凹部の内壁が互いに交差するように形成した請求項１に記載のセンサチップ。
【請求項３】
実装基板と、
前記実装基板の上面から下面までを導通する導通孔の下端部に保持されたセンサチップとを備え、
前記センサチップは薄板とこの薄板の周辺部を保持する枠体とを備え、
前記薄板は第一面とこの第一面と対向する第二面との間を貫通させる少なくとも１つの貫通孔を有し、
前記貫通孔には当該貫通孔の孔径より大径で、かつ前記第一面側に絞り部を有する凹部を連設したセンサデバイス。
【請求項４】
実装基板と、
前記実装基板の上面から下面までを導通する導通孔の内部に保持されたセンサチップとを備え、
前記センサチップは薄板とこの薄板の周辺部を保持する枠体とを備え、
前記薄板は第一面とこの第一面と対向する第二面とを貫通させる少なくとも１つの貫通孔を有し、
前記貫通孔には当該貫通孔の孔径より大径で、かつ前記第一面側に絞り部を有する凹部を連設し、
前記凹部にプローブ機能を有した微小球を配置するとともに、
前記微小球にて区分される前記導通孔の第一の領域あるいは第二の領域のいずれか一方の内部に液体を充填したセンサデバイス。
【請求項１】
薄板と、この薄板の周辺部を保持する枠体とを備え、
前記薄板は第一面とこの第一面と対向する第二面との間を貫通させる少なくとも１つの貫通孔を有し、
前記貫通孔には当該貫通孔の孔径より大径で、かつ前記第一面側に絞り部を有する凹部を連設したセンサチップ。
【請求項２】
複数の貫通孔のそれぞれに連設した絞り部を有する凹部のそれぞれは、隣接する凹部の内壁が互いに交差するように形成した請求項１に記載のセンサチップ。
【請求項３】
実装基板と、
前記実装基板の上面から下面までを導通する導通孔の下端部に保持されたセンサチップとを備え、
前記センサチップは薄板とこの薄板の周辺部を保持する枠体とを備え、
前記薄板は第一面とこの第一面と対向する第二面との間を貫通させる少なくとも１つの貫通孔を有し、
前記貫通孔には当該貫通孔の孔径より大径で、かつ前記第一面側に絞り部を有する凹部を連設したセンサデバイス。
【請求項４】
実装基板と、
前記実装基板の上面から下面までを導通する導通孔の内部に保持されたセンサチップとを備え、
前記センサチップは薄板とこの薄板の周辺部を保持する枠体とを備え、
前記薄板は第一面とこの第一面と対向する第二面とを貫通させる少なくとも１つの貫通孔を有し、
前記貫通孔には当該貫通孔の孔径より大径で、かつ前記第一面側に絞り部を有する凹部を連設し、
前記凹部にプローブ機能を有した微小球を配置するとともに、
前記微小球にて区分される前記導通孔の第一の領域あるいは第二の領域のいずれか一方の内部に液体を充填したセンサデバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１１２５９４（Ｐ２０１１−１１２５９４Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７１３７９（Ｐ２００９−２７１３７９）
【出願日】平成２１年１１月３０日（２００９．１１．３０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月３０日（２００９．１１．３０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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