JP2015194357A - 電気化学測定デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】複数の作用電極を用いた測定を行う場合、電極間の絶縁性を確保することが困難となり、作用電極毎の正確な測定ができないという課題があった。
【解決手段】下部プレート１と下部プレート１の上面に設けられたチップ２と、チップ２の上方に設けられた基板３と、基板３の上面に設けられた上部プレート４とからなる。
チップ２は、上面に設けられた作用電極と、上面に設けられ作用電極と電気的に接続された第一の電極パッドとを有する。基板３は、下面に設けられ第一の電極パッドと電気的に接続される第二の電極パッドと、基板３に設けられ第二の電極パッドと電気的に接続され、かつ、外部端子と接続される第三の電極パッドと、を有する。また、上部プレート４と基板３は、作用電極を露出するように貫通孔９、１０を有する。このような構成とすることによって、作用電極から測定計器などの外部機器へ、電気的取り出しを正確にかつ容易に行うことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、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を行っている。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を行っている。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。

図９は、従来の電気化学測定デバイス１００の分解斜視図である。また、電気化学測定デバイス１００のウェル１０１の一部分の断面図を図１０に示す。電気化学測定デバイス１００は、生体試料を収容する複数のウェル１０１を有するプレートで構成されている。電気化学測定デバイス１００は、上部プレート１０２と下部プレート１０３が接着剤１０４により接着される。上部プレート１０２は、生体試料を収容するウェル１０１を形成する貫通孔を有する。下部プレート１０３は、下部プレート１０３の上面に１つのウェル１０１に対して１組の作用電極１０５が形成されている。また、下部プレート１０３には、下部プレート１０３の上面に設けられた作用電極１０５と、下部プレート１０３の下方に設けられる電極取出し部１０６とを電気的に接続する導電ビア１０７が設けられている。

生体試料を含む測定液は、電気化学測定デバイス１００のウェル１０１に導入される。このとき、生体試料の周囲には活動状態に応じて物理化学的な変化が生じる。そして、電気化学測定デバイス１００は、生体試料の周囲で生じる物理化学的な変化を、作用電極１０５により電気的に測定する。作用電極１０５に流れる電流は、導電ビア１０７を通して下部プレート１０３の下方に設けられる電極取出し部１０６により測定される。生体試料の活動状態は、電気的な測定により測定することができる。

尚、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

従来の電気化学測定デバイス１００は、作用電極１０５での測定値を、導電ビア１０７を介して下部プレート１０３の下方に設けられる電極取出し部１０６から測定する構成である。

しかしながら、１つのウェル１０１内に複数の作用電極１０５を設け、それぞれの作用電極１０５での測定値を測定する場合、従来の電気化学測定デバイス１００の構成では、下部プレート１０３の導電ビア１０７、及び、下部プレート１０３の下方に設けられる電極取出し部１０６が密集した複雑な構成となる。そのため、従来の電気化学測定デバイス１００は、複数の作用電極１０５を用いた測定を行う場合に、作用電極１０５、及び、導電ビア１０７、電極取出し部１０６間の絶縁性を確保することが困難となり、作用電極１０５毎の正確な測定ができないという課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するものであり、作用電極及び配線間等の絶縁性を容易に確保でき、作用電極毎の測定を正確かつ容易に実現できる電気化学測定デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の電気化学測定デバイスは、下部プレートと下部プレートの上面に設けられたチップと、チップの上方に設けられた基板と、基板の上面に設けられた上部プレートとからなる。

チップは、上面に設けられた作用電極と、上面に設けられ作用電極と電気的に接続された第一の電極パッドとを有する。基板は、下面に設けられ第一の電極パッドと電気的に接続される第二の電極パッドと、基板に設けられ第二の電極パッドと電気的に接続され、かつ、外部端子と接続される第三の電極パッドと、を有する。また、上部プレートと基板は、作用電極を露出するように貫通孔を有する。

本発明の電気化学測定デバイスは、電極パッドを設けた基板を使用することでチップとの電気的接続を行うことを特徴とする。このような構成とすることにより、作用電極及び配線間等の絶縁性を容易に確保でき、作用電極毎の測定を正確かつ容易に行うことができる。

本発明の実施の形態１における電気化学測定デバイスの斜視図 本発明の実施の形態１における電気化学測定デバイスの一部分を分解して示す斜視図 本発明の実施の形態１における電気化学測定デバイスを模式的に示す断面図 本発明の実施の形態１におけるチップを模式的に示す上面図 本発明の実施の形態１における基板の下面を模式的に示す図 本発明の実施の形態１における電気化学測定デバイスの動作を示す断面図 本発明の実施の形態２における電気化学測定デバイスを模式的に示す断面図 本発明の実施の形態２における異方導電性シートを模式的に示す断面図 従来の電気化学測定デバイスの分解斜視図 従来の電気化学測定デバイスの一部分を模式的に示す断面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。

（実施の形態１）
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３０の一部分を分解して示す斜視図である。図３は、電気化学測定デバイス３０を模式的に示した断面図である。また、図４は、チップ２を模式的に示した上面図であり、図５は、基板３の下面を模式的に示した図である。

電気化学測定デバイス３０は受精卵等の細胞や組織などの生体由来物の活動状態を測定するためのデバイスである。

電気化学測定デバイス３０は、下部プレート１と下部プレート１の上面に設けられたチップ２と、チップ２の上方に設けられた基板３と、基板３の上面に設けられた上部プレート４とからなる。チップ２は、上面に設けられた作用電極５と、上面に設けられ作用電極５と電気的に接続された第一の電極パッド６とを有する。基板３は、下面に設けられ第一の電極パッド６と電気的に接続される第二の電極パッド７と、基板３に設けられ第二の電極パッド７と電気的に接続され、かつ、外部端子と接続される第三の電極パッド８と、を有する。上部プレート４は、作用電極５を露出するように貫通孔９を有する。基板３は、作用電極５を露出するように貫通孔１０を有する。

このような構成とすることにより、作用電極５から測定計器などの外部機器へ、電気的取り出しを正確にかつ容易に行うことができる。また、複数の作用電極５毎に測定を行う場合においても、取出し配線を簡単な構成とし、容易に測定を行うことができる。

電気化学測定デバイス３０は、チップ２と、基板３と、シール材１１と、上部プレート４と、下部プレート１とからなる。

チップ２は、チップ２の上面に形成された一つ以上の作用電極５と作用電極５から配線された第一の電極パッド６を有する。作用電極５と第一の電極パッド６は、電気的に接続されている。ここで、第一の電極パッド６は、チップ２に設けられた配線等の導体部分の内、第二の電極パッド７と電気的に接続される部分を意味する。また、チップ２は、生体由来物を捕捉する載置部１２を有することが望ましい。載置部１２は、例えば、チップ２の上面に設けられた凹部である。

なお、作用電極５は、チップ２上に複数配置されてもよい。複数の作用電極５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５の配置は、例えば、載置部１２を囲むように設けてもよい。

チップ２は、例えば、ガラス等の無機材料やシリコン等の樹脂、セラミックなどを用いることができる。作用電極５は白金、金、銀などが好ましい。作用電極５は、チップ２の上面に通常の半導体プロセスを経ることで形成できる。また半導体プロセスにより、微小なチップ２を形成することができる。

なお、作用電極５は絶縁体で被覆され、一部が露出した状態であっても良い。この場合、作用電極５の露出部で、電気化学測定を行うことができる。また、作用電極５と第一の電極パッド６とを接続する配線は、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５と測定液との不要な接触を避け、精度良く電気化学測定を行うことができる。また、測定液等による作用電極５の劣化を防止することができる。

基板３は、図５に示すように、チップ２上の第一の電極パッド６と電気的に接続するよう対面配置された第二の電極パッド７を有する。また、基板３上の第二の電極パッド７から配線され基板の周縁に配置された第三の電極パッド８を有している。

第二の電極パッド７と第三の電極パッド８は、基板３の下面側に形成されている。ここで、第二の電極パッド７と第三の電極パッド８は、基板３に設けられた配線等の導体部分の内、第一の電極パッド６や外部機器の接続端子等に電気的に接続される部分を意味する。また、第一の電極パッド６と第二の電極パッド７、第三の電極パッド８は、それぞれの作用電極５の数に応じて設けられることが好ましい。第三の電極パッド８は、作用電極５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。測定計器などは、各作用電極５の電位、電流を個別に計測することができる。測定値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ことで実現できる。また、基板３は、チップ２に設けられた作用電極５の一部が露出するように貫通孔１０を有している。

なお、基板３は、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組み立て易さやコストの観点で選定し使用することができる。プリント基板は、組み立て易さとコストの観点で好ましい。プリント基板を用いることで、配線の配置や第二の電極パッド７と第三の電極パッド８との電気的な接続を容易に実現することができる。

また、チップ２の上面に設けられた第一の電極パッド６と基板３の下面に設けられた第二の電極パッド７の電気的な接続は、導電性ペーストを使用して接続することが好ましい。導電性ペーストを用いることで、第一の電極パッド６と第二の電極パッド７を、より確実に接続することができる。導電性ペーストは、例えば、Ａｇペーストなどを用いることができる。導電性ペーストは、ディスペンスや印刷などの方法によって電極パッドに塗布することができる。

シール材１１は、チップ２上に設置されており、作用電極５の一部が露出するように開口１３を有している。シール材１１は液シール性を確保するためにゴム等の弾性体または接着剤が好ましい。ただし、いくつかの接着剤は、受精卵などの生体由来物に対して細胞毒性を有するものがある。そのため、シール材１１は、弾性体を選定するのが好ましい。弾性体の材料としては、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）やシリコンゴムがより望ましい。ＰＤＭＳやシリコンゴムは、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対する影響の小さい状態で測定を行うことができる。

なお、弾性体は、上面と下面が鏡面状態のものを使用することで、液シール性をより確実に確保することができる。例えば、鏡面状態のシリコンゴムは、シリコンゴム自身が保有する粘着性だけでチップ２または上部プレート４と気泡なく密着し、液漏れ発生経路のない状態を実現することができる。

上部プレート４は、シール材１１と基板３とに接触するように配置されており、作用電極５の一部が露出するように貫通孔９を有している。上部プレート４は、貫通孔９の周囲に下面から下方に突出した突起部１４を有することが好ましい。このとき、突起の高さとシール材１１の高さの和が、基板３の高さよりも高いことが好ましい。シール材１１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、上部プレートとチップ２によりシール材を強固に挟み込むことができ、測定液が基板３の上下面を浸潤して配線や電極パッド６、７、８を濡らさず、測定液をウェル１５内に保持することができる。そのため、測定液を充填できる液シール性を確保したデバイスを実現することができ、正確な電気化学測定を実現することができる。ここで、ウェル１５は、チップ２の上面、シール材１１、上部プレート４からなる空間である。なお、上部プレート４とシール材１１及び基板３との間は、接着層が設けられていてもよい。また、上部プレート４は基板３と離間した状態で設けることもできる。

シール材１１の外径の大きさｄ１は、基板３の貫通孔１０の内径ｄ２よりも小さく、上部プレート４の貫通孔９の内径ｄ３よりも大きいことが望ましい。

なお、上部プレート４とチップ２との間または、上部プレート４と基板３との間および基板３とチップ２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１１は用いなくてもよい。ただし、電気化学測定デバイス３０の液シールを担保するために、シール材１１を用いることが好ましい。

下部プレート１は、チップ２を保持する窪み１６を有し、基板３と接触するように配置される。窪み１６の深さは、チップ２の高さと同じにすることが好ましい。これにより、チップ２の上面と下部プレート１の上面が平らになり、組み立て精度が向上する。

上部プレート４および下部プレート１は、例えば、ガラス、樹脂、シリコン、セラミック等からなる。

上部プレート４と下部プレート１は、例えば、ネジ締め部１７を有しており、ネジ締めにより組み立てることができる。ネジ締めにより固定することで、シール材１１を加圧する構成となり、液シールされたウェル１５が形成される。液シールされたウェル１５は、測定液を保持し、生体由来物を捕捉する空間となる。

上部プレート４と下部プレート１と基板３のそれぞれは、組立アライメント用のピンを通すための貫通穴１８を有した構造としてもよい。アライメント用のピンをガイドにして組み立てることで、上部プレート４と下部プレート１と基板３は設計通りにアライメントされる。また、チップ２は下部プレート１の窪み１６でアライメントされる。シール材１１は、基板３の貫通孔１０でアライメントされる。これらの構成とすることにより、全ての部材を設計通りに精度良く、容易に組み立てることができる。また、液シール性を確保し、電気的接続を確実に行った電気化学測定デバイス３０を実現することができる。

以上のように構成された本実施例の電気化学測定デバイス３０について、以下にその動作を説明する。図６は、電気化学測定デバイス３０の動作を示す断面図である。

生体由来物１９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。電気化学測定デバイス３０は、受精卵の酸素消費の活動状態を、受精卵周辺に溶存する酸素量を作用電極５により計測することで確認することができる。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ので、受精卵の活動状態を確認することができる。

ウェル１５内に生体由来物１９を含む測定液２１を注入しチップ２上に設けられた載置部１２に生体由来物１９を配置する。生体由来物１９は、受精卵を用いる。

その後、測定液２１に接触するまで、参照電極２０を挿入する。なお、参照電極２０はＡｇ／ＡｇＣｌ、Ｐｔ、Ａｕなどが用いられる。

そして、複数の作用電極５と一つの参照電極２０とを用いて、それぞれの作用電極５と参照電極２０間の電流を計測することによって溶存酸素量の定量を行う。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における電気化学測定デバイス５０について図面を参照しながら説明する。

図７は本実施の形態における電気化学測定デバイス５０の断面図である。

電気化学測定デバイス５０が、実施の形態１における電気化学測定デバイス３０と異なる点は、シール材の代わりに異方導電性シートを用いた点である。なお、実施の形態１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。

電気化学測定デバイス５０において、チップ２に設けられた第一の電極パッド６と基板３の下面に設けられた第二の電極パッド７は、異方導電性シート５１を介して電気的に接続されている。

図８に異方導電性シート５１の断面図を示す。

異方導電性シート５１は、特定の方向に電気伝導性を有するシール材である。異方導電性シート５１は、例えば、多数の導電性の細線５３を含んだ弾性体５２である。導電性の細線５３は、銅や銀、真鍮などの金属や導体からなり、例えば、太さ１００μｍ以下である。

多数の細線５３は、弾性体５２の内部で、異方導電性シート５１に対して垂直方向に配向している。ここで、垂直方向とは、上面と下面を結ぶ方向である。また、弾性体５２内の複数の細線５３は、弾性体５２によりそれぞれが絶縁されている。このような異方導電性シート５１を用いることにより、異方導電性シート５１の設置位置がずれたとしても第一の電極パッド６と第二の電極パッド７を容易に電気的に接続することができる。

また、異方導電性シート５１により、第一の電極パッド６と第二の電極パッド７の電気的な接続と、電気化学測定デバイス５０の液シール性の確保を同時に行うことができ、組み立ての工数を削減することができる。

上部プレート４は、貫通孔９の周囲に下面から下方に突出した突起部５４を有することが好ましい。このとき、突起の高さと基板３の高さは同じであることが好ましい。つまり、突起部の下面と基板３の下面は平らであることが好ましい。

異方導電性シート５１の外径Ｄ１は、下部プレート１の窪み１６の内径Ｄ２より小さく、基板３の貫通孔１０の内径Ｄ３よりも大きく、上部プレート４の貫通孔９の内径Ｄ４よりも大きいことが好ましい。また、下部プレート１の窪み１６の深さは、チップ２の高さと異方導電性シート５１の高さの和よりも小さいことが望ましい。異方導電性シート５１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２により異方導電性シート５１を強固に挟み込むことができ、良好な液シール性を確保することができる。

以上のように本発明の電気化学測定デバイスは、複数の作用電極と配線等が近接した複雑な構成であっても、電気的接続と液シール性の確保を実現することができる。そのため、受精卵などの生体由来物の活動に起因する微小な電気的変化を検出できる電気化学測定デバイスを実現することができる。

なお、本発明の電気化学測定デバイスにおいて、作用電極や電極パッド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、チップの上面に設けられる作用電極や配線のパターン、第一の電極パッドの形状、または、基板の下面に設けられる、配線のパターンや第二の電極パッド及び第三の電極パッドの形状等も任意に決定することができる。

なお、本発明において、「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。

本発明の電機化学測定デバイスは、受精卵等の細胞や組織などに代表される生体由来物の活動状態を検査、解析するためのデバイスとして有用である。

１ 下部プレート
２ チップ
３ 基板
４ 上部プレート
５ 作用電極
６ 第一の電極パッド
７ 第二の電極パッド
８ 第三の電極パッド
９、１０ 貫通孔
１１ シール材
１２ 載置部
１３ 開口
１４、５４ 突起部
１５ ウェル
１６ 窪み
１７ ネジ締め部
１８ 貫通穴
１９ 生体由来物
２０ 参照電極
２１ 測定液
３０、５０ 電気化学測定デバイス
５１ 異方導電性シート
５２ 弾性体
５３ 細線

Claims (9)

1. 下部プレートと
   前記下部プレートの上面に設けられたチップと、
   前記チップの上面に設けられた作用電極と、
   前記チップの上面に設けられ、かつ、前記作用電極と電気的に接続された第一の電極パッドと、
   前記チップの上方に設けられた基板と、
   前記基板の下面に設けられ、前記第一の電極パッドと電気的に接続される第二の電極パッドと、
   前記基板に設けられ、前記第二の電極パッドと電気的に接続され、かつ、外部端子と接続される第三の電極パッドと、
   前記基板の上面に設けられた上部プレートと、を備え、
   前記上部プレートと前記基板は、前記作用電極を露出するように貫通孔を有する電気化学測定デバイス。
2. 前記チップと前記上部プレートの間にシール材を備え、
   前記シール材は前記作用電極を露出するように開口を有する請求項１に記載の電気化学測定デバイス。
3. 前記シール材は、弾性体、または接着剤である請求項２に記載の電気化学測定デバイス。
4. 前記弾性体は、上面と下面が鏡面である請求項３に記載の電気化学測定デバイス。
5. 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。
6. 前記第三の電極パッドは、前記基板の前記下面に設けられる請求項１に記載の電気化学測定デバイス。
7. 前記第一の電極パッドと前記第二の電極パッドは、導電性ペーストにより接続される請求項１に記載の電気化学測定デバイス。
8. 前記上部プレートと前記下部プレートと前記基板は、組立アライメント用ピンを通すための貫通穴を有し、
   下部プレートにチップをアライメントするための窪みを有する請求項１に記載の電気化学測定デバイス。
9. 前記シール材は、異方導電性シートである請求項２に記載の電気化学測定デバイス。

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