JP2017116517A - 電気化学測定方法、電気化学測定装置及びトランスデューサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】化学物質と電子の授受を行なって酸化還元反応をさせる作用極の電極面の寸法と、生体サンプルの寸法とを与件に含み、生体サンプルにおいて化学物質が生成または消費される化学反応の速度と、溶液中の化学物質の濃度分布の変化と、電極面における化学物質との電子の授受の速度とに基いて作用極に流れる電流を計算するシミュレーションを、生体サンプルと電極面との電極面に対する垂直方向距離を変数として行って、電流が最大値となる点を含み電流が最大値の90%以上の大きさとなる垂直方向距離の範囲を求め、溶液中において生体サンプルを、電極面から電極面に対する垂直方向に前記範囲に属する距離だけ離間させて測定を実行する。
【選択図】なし
Description
て制御し、この時、作用極に生じる電流値を検出する。
物質の拡散距離が一定ではなくなり、測定の比較性、再現性が低下してしまう(問題点2)。
気化学的に測定する電気化学測定方法において、電極面の中心からの電極面に対する平行方向距離mに依存して、電極面に対する垂直方向距離h2が、
h2=√{(1.05del+6.89)m}−0.48del−2.38±5 [μm]
を満たす、すり鉢型の形状を描く輪郭面をもち、輪郭面の電極面側の領域において生体サンプルの侵入を阻止し、溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサを溶液中に設置し、生体サンプルを、スペーサの輪郭面沿いに電極面の中心の直上に位置させた状態で測定を実行する。
h2=√{(1.05del+6.89)m}−0.48del−2.38±5 [μm]
を満たす、すり鉢型の形状を描く輪郭面をもち、輪郭面の電極面側の領域において生体サンプルの侵入を阻止し、溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサが設けられる。
h2=√{(1.05del+6.89)m}−0.48del−2.38±5 [μm]
を満たす、すり鉢型の形状を描く輪郭面をもち、輪郭面の電極面側の領域において生体サンプルの侵入を阻止し、溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサとが具備されているものとされる。
サンプルとして、マウスES細胞より形成される胚様体を選んだ。また、サンプルより生成される化学物質として、サンプル表面に存在するALP酵素反応により生じるPAPを選んだ。サンプルより生成された化学物質は電極(作用極)まで拡散した後、電極上にて酸化還元反応を生じ、電流値として検出されるものとした。その他の条件は以下のとおりとした。
サンプル表面では、溶液中の溶質であるPAPPを基質としたALP酵素反応が進行し、PAPが生成される。その反応速度(生成速度)vは、下記に示すミカエリス・メンテンの式(1)に従うものとした。
電極上では、サンプルより生成されたPAPの二電子酸化反応が進行するとした。電極電位は、反応が完全な拡散律速となるほど十分高いと仮定した。この時の電流値Iは下記の式(2)、式(3)に従うとした。
サンプル形状:直径dsp=200μm球状
電極(電極面)形状:直径del=20μm円状
電極位置:電極面中心座標とサンプル中心座標(x,y)の水平距離が0となるように設定
電極面とサンプルの下端との距離z:0〜80μmとした。
採取された場合であっても、あるいは同一の培養条件によって得られた場合であっても、サンプル間の直径には数μm〜数百μmのバラつきがある。このようなサンプルの直径を測定前に全て調べ、それぞれに適切な電極直径、zを設定することは、コストの面から現実的でない。また、異なる電極直径、zにより得られた測定結果同士は、互いに定量的に比較することが著しく困難となってしまう。
がzmin *、zmax *を下限値、上限値とする図2中に斜線で示した範囲内であれば、やはり電流値Iがピーク電流値の90%以上となる効果を提供できる。
係性はほとんど変化がなく、従って効果的なzの範囲もほぼ変化しないことがわかる。
もほぼ変化しないことが分かる。
スペーサの高さは電極面が位置する平面上の全領域で均一である必要はなく、低い領域と高い領域があったり、あるいは高さが段階的に変化する様な領域があったりしてもよい。
線、すなわち図7中に破線で示したようなh2をフィッティングすると、おおよそ次の式(5)の中央値のとおりとなる。
h2=√{(1.05del+6.89)m}−0.48del−2.38±5 [μm
]…(5)
即ち、作用極の電極面の中心からの電極面に対する平行方向距離mに依存して、電極面に対する垂直方向距離h2が、(5)式を満たす、すり鉢型の形状を描く輪郭面をもち、輪郭面の電極面側の領域において生体サンプルの侵入を阻止し、溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサを溶液中に設置し、生体サンプルを、スペーサの輪郭面沿いに電極面の中心の直上に位置させた状態で電気化学測定を実行するようにしてもよい。
と考えられる。しかしながら、すり鉢型のスペーサ40により距離h2が適切な範囲に制御されているため、前述2つの作用が優勢となり、結果として作用極21に到達する化学物質の量が増加すると考えられる。
・発明に必要な構成の具体例
生体サンプルで生成または消費される化学物質そのものが電気化学活性を有するか、あるいは電気化学活性を有する他の化学物質に変換されるという条件を満たせば、生体サンプル、生体サンプルで検出対象の化学物質が生成または消費される機構、作用極及び作用極が形成される基板等がいかなる構成であっても、上述の効果が期待できる。例えば次に挙げる構成が考えられる。
シミュレーションではマウスES細胞より形成された胚様体を選んだが、これが他の細胞塊、単一細胞、組織片、微生物、または生体関連物質を含む非生体サンプル等であってもよい。
シミュレーションではサンプル上のALP酵素反応による生成機構を選択したが、これが他のタンパク質、ペプチド、RNA等による酵素反応、あるいはサンプル上白金薄膜、酸化チタン薄膜等による触媒反応等による生成または消費等であってもよい。
<作用極>
シミュレーションではその材料を特に指定しなかったが、金、白金等の貴金属、あるいはグラファイト、不純物をドープしたダイヤモンド、カーボンナノチューブ等、炭素を主体とした無機物、あるいはポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン等の導電性高分子など、電気化学測定の作用極に使用され得るものであれば何でもよい。
シミュレーションではその材料を特に指定しなかったが、石英、ガラス、シリコン、その他セラミックス等、電気化学測定の作用極支持体に使用され得るものであれば何でもよい。
・スペーサ構築法の具体例
スペーサは、本発明の高い効果を得るために、高さをμmレベルで制御し得る手法によって構築されるべきである。また、スペーサは溶液透過性を有し、即ち溶液中の溶質の拡散を許容する必要があり、さらに電極上に接触して構築される場合は絶縁性を有する必要がある。これらの条件を満たせば、スペーサはその構築手法、材料に関わらず、目的とする効果を得られる。以下に、好適と思われるスペーサ構築手法及びその材料を例示する。
1)基板上に、CVDにより膜厚が制御され、かつ均一な窒化ケイ素膜を成膜
2)窒化ケイ素膜上に、フォトリソグラフィー法によりエッチング保護層をパターニング3)リアクティブイオンエッチングにより、保護層により被覆されていない領域の窒化ケイ素膜をエッチングし、柱状構造物を構築
4)保護層を除去
絶縁膜材料(柱状構造物の構成材料)は窒化ケイ素の他、酸化ケイ素、酸化チタン等であってもよい。
1)電流検出素子を有するLSI上に、スピンコートにより感光性樹脂をコーティング
2)フォトリソグラフィー法により柱状構造物を構築
感光性樹脂は一般的なフォトリソグラフィーに用いられる絶縁性、感光性を有する樹脂であれば何でもよく、必要とされる分解能を得るのに必要な感光性樹脂が選択されるべきである。柱状構造物の化学的安定性の観点から、ネガ型の永久レジストとして使用されるエポキシ系化学増幅型感光樹脂が好適と思われる。
1)アガロースの水希釈液を調整し、これを80℃以上に加熱してゾル化する。
2)80℃とした基板上に、上述のアガロース水溶液を滴下し、スピンコートにより薄膜を形成する。この時、基板の温度は常に80℃以上を保つようにする。
3)基板を室温にまで放冷し、アガロースゲルによる多孔質状スペーサを得る。
柱状構造物よりなるスペーサは他にも、ナノインプリントやモールドイン等の成型、スクリーン印刷やインクジェット印刷等の印刷、機械加工等によって構築されてもよい。また、多孔質状構造体よりなるスペーサは他にも、あらかじめ成型された多孔質シリカ、ニトロセルロースメンブレン等の多孔質体を、基板上に設置することによって得てもよい。
・柱状構造物よりなるスペーサの仕様
スペーサとして一群の柱状構造物を用いる場合、その間隔、形状は以下のようにして決定されるべきである。
間隔は100μm未満とするが、より高い感度を得るためには、柱状構造物による生体サンプル周りの溶質の拡散阻害を最小化するという観点から、柱状構造物の間隔は広いほど好ましい。
生体サンプルを電極面から離して保持できるだけの強度が確保できるようであれば、柱状構造物の直径に特に制約はない。ただし、より高い感度を得るには、柱状構造物によるサンプル周りの溶質の拡散阻害を最小化するという観点から、柱状構造物の直径は小さいほど好ましい。
柱状構造物の上面の形状に関しても特に制約はない。円形、三角、四角、その他多角形であっても、本発明の効果は得られる。
1は画定されている。詳細図示を省略しているが、この例ではセンサ領域61に電極(作用極)が形成され、さらに作用極の上方に前述の一群の柱状構造物よりなるスペーサが構築されている。LSIチップ60は作用極への電圧印加機能、作用極での反応を電流値として検出し、増幅する機能等を備えている。
20 基板 21 作用極
21a 電極面 30 生体サンプル
40 スペーサ 41 柱状構造物
50 溶液槽 51 溶液
52 穴 60 LSIチップ
61 センサ領域 70 基板
71 配線パターン 80 ボンディングワイヤ
Claims (11)
- 溶液中の生体サンプルで生成または消費される化学物質を電気化学的に測定する電気化学測定方法であって、
前記化学物質と電子の授受を行なって酸化還元反応をさせる作用極の電極面の寸法と、前記生体サンプルの寸法とを与件に含み、前記生体サンプルにおいて前記化学物質が生成または消費される化学反応の速度と、前記溶液中の前記化学物質の濃度分布の変化と、前記電極面における前記化学物質との電子の授受の速度とに基いて前記作用極に流れる電流を計算するシミュレーションを、前記生体サンプルと前記電極面との前記電極面に対する垂直方向距離を変数として行って、前記電流が最大値となる点を含み前記電流が前記最大値の90%以上の大きさとなる前記垂直方向距離の範囲を求め、
前記溶液中において前記生体サンプルを、前記電極面から前記電極面に対する垂直方向に前記範囲に属する距離だけ離間させて測定を実行することを特徴とする電気化学測定方法。 - 溶液中の、100μm以上600μm以下の径寸法を有する生体サンプルで生成または消費される化学物質を、前記化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる80μm以下の径寸法delを有する電極面を備えた作用極を用いて、電気化学的に測定する電気化学測定方法であって、
前記電極面の中心からの前記電極面に対する平行方向距離mに依存して、前記電極面に対する垂直方向距離h2が、
h2=√{(1.05del+6.89)m}−0.48del−2.38±5 [μm]
を満たす、すり鉢型の形状を描く輪郭面をもち、前記輪郭面の前記電極面側の領域において前記生体サンプルの侵入を阻止し、前記溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサを前記溶液中に設置し、
前記生体サンプルを、前記スペーサの前記輪郭面沿いに前記電極面の中心の直上に位置させた状態で測定を実行することを特徴とする電気化学測定方法。 - 溶液中の生体サンプルで生成または消費される化学物質を、前記化学物質と電子の授受を行って酸化還元反応をさせる電極面を備えた作用極を用いて電気化学的に測定する電気化学測定装置であって、
前記電極面は80μm以下の径寸法delを有し、
前記溶液と前記生体サンプルとを収容する溶液槽には、前記電極面の中心からの前記電極面に対する平行方向距離mに依存して、前記電極面に対する垂直方向距離h2が、
h2=√{(1.05del+6.89)m}−0.48del−2.38±5 [μm]
を満たす、すり鉢型の形状を描く輪郭面をもち、前記輪郭面の前記電極面側の領域において前記生体サンプルの侵入を阻止し、前記溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサが設けられていることを特徴とする電気化学測定装置。 - 請求項4または請求項5記載の電気化学測定装置において、
前記スペーサは前記電極面に対する垂直方向に延伸され、100μm未満の間隔で林立する一群の柱状構造物よりなることを特徴とする電気化学測定装置。 - 請求項4または請求項5記載の電気化学測定装置において、
前記スペーサは100μm未満の孔径を有する多孔質状構造体よりなることを特徴とする電気化学測定装置。 - 溶液と前記溶液中に浸漬される生体サンプルとを収容することができる溶液槽がLSIチップ上に搭載されてなり、前記生体サンプルで生成または消費される化学物質の電気化学測定に用いるトランスデューサであって、
前記溶液槽には、前記LSIチップに設けられて前記溶液槽の底面に位置し、80μm以下の電極面の径寸法delを有する電極と、前記電極の上方に構築され、前記電極面の中心からの前記電極面に対する平行方向距離mに依存して、前記電極面に対する垂直方向距離h2が、
h2=√{(1.05del+6.89)m}−0.48del−2.38±5 [μ
m]
を満たす、すり鉢型の形状を描く輪郭面をもち、前記輪郭面の前記電極面側の領域において前記生体サンプルの侵入を阻止し、前記溶液中の溶質の拡散を許容するスペーサとが具備されていることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項8または請求項9記載のトランスデューサにおいて、
前記スペーサは前記電極面に対する垂直方向に延伸され、100μm未満の間隔で林立する一群の柱状構造物よりなることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項8または請求項9記載のトランスデューサにおいて、
前記スペーサは100μm未満の孔径を有する多孔質状構造体よりなることを特徴とするトランスデューサ。
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