特開 2023-160374 インピーダンス計測装置およびインピーダンス計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023160374

(43)【公開日】2023-11-02

(54)【発明の名称】インピーダンス計測装置およびインピーダンス計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/02 20060101AFI20231026BHJP

   C12M 1/34 20060101ALN20231026BHJP

【ＦＩ】

G01N27/02 D

C12M1/34

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022070705

(22)【出願日】2022-04-22

(71)【出願人】

【識別番号】000207551

【氏名又は名称】株式会社ＳＣＲＥＥＮホールディングス

(74)【代理人】

【識別番号】100135013

【弁理士】

【氏名又は名称】西田 隆美

(72)【発明者】

【氏名】中島 駿

【テーマコード（参考）】

2G060

4B029

【Ｆターム（参考）】

2G060AA15

2G060AA19

2G060AD06

2G060AF03

2G060AF06

2G060AG10

2G060AG13

2G060GA01

2G060HA02

2G060JA07

2G060KA09

4B029AA07

4B029BB01

4B029FA01

(57)【要約】

【課題】多電極アレイデバイスを用いて生体試料のインピーダンスを計測できる技術を提供する。
【解決手段】インピーダンス計測装置１は、計測容器１０と、複数の第１電極３１と、第２電極３２と、第３電極３３と、電圧印加回路４３と、電流検出回路４５と、電圧検出回路４７とを備える。第１電極３１は、計測容器１０内の底面にアレイ状に配置されている。第２電極３２および第３電極３３は、計測容器１０内に位置する。電圧印加回路４３は、各第１電極３１と第２電極３２との間に電圧を印加する。電流検出回路４５は、各第１電極３１に流れる電流を検出する。電圧検出回路４７は、各第１電極３１と第３電極３３との間の電圧を検出する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

インピーダンス計測装置であって、
計測容器と、
前記計測容器内の底面にアレイ状に配置された複数の第１電極と、
前記計測容器内に位置する第２電極および第３電極と、
各前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する電圧印加回路と、
各前記第１電極に流れる電流を検出する電流検出回路と、
各前記第１電極と前記第３電極との間の電圧を検出する電圧検出回路と、
を備える、インピーダンス計測装置。

【請求項2】

請求項１に記載のインピーダンス計測装置であって、
前記第３電極が前記底面に位置する、インピーダンス計測装置。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載のインピーダンス計測装置であって、
前記複数の第１電極のうちから、前記電流検出回路に接続される１つの第１電極を選択する電極選択回路、
をさらに備える、インピーダンス計測装置。

【請求項4】

請求項１または請求項２に記載のインピーダンス計測装置であって、
前記電流検出回路は、前記電流に応じた電圧を出力可能であり、
前記インピーダンス計測装置は、
前記電圧印加回路によって印加される交流電圧と、前記電流検出回路が出力する電圧との差分を検出する差動信号検出回路、
をさらに備える、インピーダンス計測装置。

【請求項5】

請求項１または請求項２に記載のインピーダンス計測装置であって、
前記電流検出回路によって検出される電流と、前記電圧検出回路によって検出される電圧とに基づいて、インピーダンスを算出する算出部、
をさらに備える、インピーダンス計測装置。

【請求項6】

インピーダンス計測方法であって、
ａ） 計測容器内の底面にアレイ状に配置された複数の第１電極のうち少なくとも１つと、前記計測容器内に位置する第２電極との間に交流電圧を印加する工程と、
ｂ） 前記工程ａ）によって交流電圧が印加された状態で、前記第１電極に流れる電流を検出する工程と、
ｃ） 前記工程ａ）によって交流電圧が印加された状態で、前記第１電極と第３電極との間の電圧を検出する工程と、
ｄ） 前記工程ｂ）によって検出される電流と、前記工程ｃ）によって検出される電圧とに基づいて、対象物のインピーダンスを算出する工程と、
を備える、インピーダンス計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書で開示される主題は、インピーダンス計測装置およびインピーダンス計測方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電気生理学分野では、単一あるいは集団における細胞イオンチャネルの挙動を解析することが行われている。イオンチャネル解析装置としては、例えば、パッチクランプ法を用いた細胞内活動電位検出装置や、多電極アレイ（ＭＥＡ：Multi Electrode Array）デバイスを用いた細胞外活動電位検出装置が知られている。多電極アレイデバイスは、例えば、特許文献１に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１６－５２９８８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

例えば細胞の形態変化または細胞密度を簡易的に計測するため、対象となる生体試料（細胞および生体スライスを含む。）のインピーダンス計測が行われる場合がある。しかしながら、従来、多電極アレイデバイスは、細胞外活動電位の検出に用いられるだけであり、多電極アレイデバイスを用いて生体試料のインピーダンスを計測する技術は未だ確立されていない。

【0005】

本発明の目的は、多電極アレイデバイスを用いて生体試料のインピーダンスを計測できる技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するため、第１態様は、インピーダンス計測装置であって、計測容器と、前記計測容器内の底面にアレイ状に配置された複数の第１電極と、前記計測容器内に位置する第２電極および第３電極と、各前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する電圧印加回路と、各前記第１電極に流れる電流を検出する電流検出回路と、各前記第１電極と前記第３電極との間の電圧を検出する電圧検出回路とを備える。

【0007】

第２態様は、第１態様のインピーダンス計測装置であって、前記第３電極が前記底面に位置する。

【0008】

第３態様は、第１態様または第２態様のインピーダンス計測装置であって、前記複数の第１電極のうちから、前記電流検出回路に接続される１つの第１電極を選択する電極選択回路をさらに備える。

【0009】

第４態様は、第１態様から第３態様のいずれか１つのインピーダンス計測装置であって、前記電流検出回路は、前記電流に応じた電圧を出力可能であり、前記インピーダンス計測装置は、前記電圧印加回路によって印加される交流電圧と、前記電流検出回路が出力する電圧との差分を検出する差動信号検出回路をさらに備える。

【0010】

第５態様は、第１態様から第４態様のいずれか１つのインピーダンス計測装置であって、前記電流検出回路によって検出される電流と、前記電圧検出回路によって検出される電圧とに基づいて、インピーダンスを算出する算出部、をさらに備える。

【0011】

第６態様は、インピーダンス計測方法であって、ａ）計測容器内の底面にアレイ状に配置された複数の第１電極のうち少なくとも１つと、前記計測容器内に位置する第２電極との間に交流電圧を印加する工程と、ｂ）前記工程ａ）によって交流電圧が印加された状態で、前記第１電極に流れる電流を検出する工程と、ｃ）前記工程ａ）によって交流電圧が印加された状態で、前記第１電極と第３電極との間の電圧を検出する工程と、ｄ）前記工程ｂ）によって検出される電流と、前記工程ｃ）によって検出される電圧とに基づいて、対象物のインピーダンスを算出する工程とを備える。

【発明の効果】

【0012】

第１態様のインピーダンス計測装置によれば、計測容器の底面にアレイ状に配置された第１電極を用いて、３端子法により対象物のインピーダンスを計測できる。

【0013】

第２態様のインピーダンス計測装置によれば、第１電極および第３電極を底面に集約できるため、装置の大型化を抑制できる。

【0014】

第３態様のインピーダンス計測装置によれば、複数の第１電極のうちから選択される１つの第１電極を用いて、インピーダンスを計測できる。

【0015】

第４態様のインピーダンス計測装置によれば、交流電圧と電流との位相差に基づいて、対象物のインピーダンスを算出できる。

【0016】

第５態様のインピーダンス計測装置によれば、インピーダンスを算出できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】実施形態に係るインピーダンス計測装置の構成を概略的に示す図である。

【図2】図１に示される計測容器を示す上面図である。

【図3】インピーダンスを計測する場合の等価回路を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、この実施形態に記載されている構成要素はあくまでも例示であり、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。図面においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数が誇張又は簡略化して図示されている場合がある。

【0019】

＜１． 第１実施形態＞
図１は、実施形態に係るインピーダンス計測装置１の構成を概略的に示す図である。図２は、図１に示される計測容器１０を示す上面図である。図１に示されるように、インピーダンス計測装置１は、計測容器１０と、計測部２０とを備える。

【0020】

計測容器１０は、対象物である細胞９のインピーダンスを計測するための容器である。計測容器１０の内部には、細胞９を含む細胞懸濁液が滴下される。図１に示されるように、計測容器１０は、底部１１と側壁部１３とを有する。底部１１は、水平面に沿って円板状に広がる。側壁部１３は、底部１１の周縁部から上方へ向けて円筒状に延びる。底部１１は、「計測プレート」の一例である。底部１１の上面は、細胞懸濁液が滴下される計測容器１０内の底面である。なお、計測容器１０の計測対象は、細胞９に限定されるものではなく、生体組織スライス標本などであってもよい。

【0021】

計測容器１０は、複数の第１電極３１と、第２電極３２と、第３電極３３と、複数の第１配線３５と、第２配線３７とを有する。複数の第１電極３１と、第３電極３３と、複数の第１配線３５と、第２配線３７とは、底部１１の上面（計測容器１０の底面）に位置する。各第１配線３５および第２配線３７は、絶縁体（例えば、感光性ポリイミドなど）で覆われている。各第１電極３１、第３電極３３、各第１配線３５、および第２配線３７は、例えば、フォトリソグラフィにより形成される。

【0022】

複数の第１電極３１は、アレイ状に配置されている。計測容器１０は、複数の微小な第１電極３１がアレイ状に配置された多電極アレイ（または微小電極アレイ）デバイスである。図１、図２および図３に示される例では、１６個の第１電極３１が、４行４列のマトリクス状に配置されている。なお、第１電極３１の数および配置は、任意に設定し得る。第１電極３１は、好ましくは、１０個以上配置される。第１電極３１の形状は、上面視において正方形である。ただし、第１電極３１の形状は、正方形以外の多角形状または円形状などであってもよい。

【0023】

第２電極３２は、計測容器１０内に位置する。第２電極３２は、例えばスティック状であり、少なくとも一部（例えば、下端部）が計測容器１０内に注入される液体９１に浸される。

【0024】

第３電極３３は、複数の第１電極３１から半径方向の外側に離れて位置する。複数の第１電極３１と第３電極３３とは、互いに絶縁されている。図１および図２に示される例では、第３電極３３は、上面視において正方形である。ただし、第３電極３３の形状は、正方形以外の多角形状または円形状などであってもよい。

【0025】

各第１配線３５は、対応する１つの第１電極３１と電気的に接続されている。なお、図１では、２つの第１電極３１に接続されている２つの第１配線３５が図示されており、他の第１電極３１に接続されている第１配線３５については、図示が省略されている。各第１配線３５は、計測容器１０の外側へ延びている。第２配線３７は、第３電極３３と電気的に接続されている。第２配線３７は、第３電極３３から計測容器１０の外側へ向けて延びている。図１に示されるように、各第１配線３５および第２配線３７は、計測容器１０の外部に配置された計測部２０と電気的に接続される。

【0026】

図１に示されるように、計測部２０は、電極選択回路４１と、電圧印加回路４３と、電流検出回路４５と、電圧検出回路４７と、差動信号検出回路４９と、算出部５１とを有する。

【0027】

電極選択回路４１は、複数の第１電極３１のうちから、電流検出回路４５および電圧検出回路４７と電気的に接続される１つの第１電極３１を選択するための回路である。図１に示されるように、電極選択回路４１は、各第１電極３１と電流検出回路４５との間を接続する回路を開閉する複数のスイッチを有する。電極選択回路４１の切り替え操作は、算出部５１の制御によって行われてもよい。

【0028】

電圧印加回路４３は、電極選択回路４１を介して第１電極３１と電気的に接続される。電圧印加回路４３は、第１電極３１と第２電極３２との間に所定周波数の交流電圧（交流信号）を印加する。図１に示される例では、電圧印加回路４３は、電流検出回路４５の後述するオペアンプ４５１の非反転入力端子（＋）に接続されている。また、電圧印加回路４３は、差動信号検出回路４９の後述するオペアンプ４９１の反転入力端子（－）に接続されている。

【0029】

電流検出回路４５は、電極選択回路４１と電気的に接続されている。電流検出回路４５は、電極選択回路４１によって選択される１つの第１電極３１に流れる電流を検出する。

【0030】

図１に示されるように、電流検出回路４５は、オペアンプ４５１と、第１抵抗４５３と、第２抵抗４５５とを有する。オペアンプ４５１の非反転入力端子（＋）は、電圧印加回路４３と電気的に接続されている。オペアンプ４５１の反転入力端子（－）は、電極選択回路４１と電気的に接続されている。第１抵抗４５３は、電極選択回路４１とオペアンプ４５１の反転入力端子（＋）との間に位置する。第２抵抗４５５の一端は、オペアンプ４５１の出力端子と差動信号検出回路４９との間に接続されている。第２抵抗４５５の他端は、オペアンプ４５１の反転入力端子（－）と、第１抵抗４５３との間に接続されている。

【0031】

電圧検出回路４７は、電極選択回路４１によって選択される１つの第１電極３１と、第３電極３３との間の電圧Ｖｘを検出する。図１に示されるように、電圧検出回路４７は、オペアンプ４７１を有する。オペアンプ４７１の非反転入力端子（＋）は、電極選択回路４１と第１抵抗４５３との間に接続されており、電極選択回路４１を介して１つの第１電極３１と電気的に接続される。オペアンプ４７１の反転入力端子（－）は、第３電極３３と電気的に接続される。

【0032】

差動信号検出回路４９は、電圧印加回路４３によって印加される交流電圧と、電流検出回路４５によって検出される電流との位相差を検出する。図１に示されるように、差動信号検出回路４９は、オペアンプ４９１を有する。オペアンプ４９１の非反転入力端子（＋）は、電流検出回路４５のオペアンプ４５１の出力端子に接続されている。オペアンプ４９１の反転入力端子（－）は、電圧印加回路４３に接続されている。

【0033】

算出部５１は、記憶装置と、処理回路と、入力装置と、出力装置とを有する。記憶装置は、たとえば、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、揮発性または不揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスクまたはＤＶＤなどを含むメモリ（記憶媒体）で構成される。処理回路は、例えば、記憶装置に格納されたプログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）で構成される。入力装置は、たとえば、マウス、キーボード、タッチパネルまたは各種スイッチなどの、情報を入力可能な装置で構成される。出力装置は、たとえばディスプレイ、液晶表示装置またはランプなどの、情報を出力可能な装置で構成される。

【0034】

算出部５１は、電圧検出回路４７が出力する電圧Ｖｘと、差動信号検出回路４９が出力する電圧Ｖｙとに基づいて、インピーダンスを算出する。インピーダンスを算出する手順については、図３を参照しつつ説明する。

【0035】

＜インピーダンスの算出＞
図３は、インピーダンスを計測する場合の等価回路を示す図である。計測容器１０を用いて細胞９のインピーダンスを計測する場合、計測容器１０は、水平な台の上に載置される。そして、計測容器１０における複数の第１電極３１が配置されている底部１１の上面に、細胞懸濁液が滴下される。計測容器１０に滴下された細胞懸濁液を数分間放置すると、複数の細胞９が沈下し、計測容器１０の底部１１に細胞層が形成される。細胞層が形成された後、計測用の液体９１（培地）が計測容器１０内に注入される。液体９１が第１電極３１、第２電極３２および第３電極３３に接触することによって、第１電極３１、第２電極３２および第３電極３３が導通可能な状態となる。なお、図１に示されるように、インピーダンス計測時においては、第２電極３２は接地される。

【0036】

以下の説明では、図３に示されるように、第１電極３１の接触インピーダンスを「Ｚ１」、第２電極３２の接触インピーダンスを「Ｚ２」、第３電極３３の接触インピーダンスを「Ｚ３」、対象物（細胞）のインピーダンス（対象インピーダンス）を「Ｚｘ」とする。

【0037】

図３に示されるように、電圧印加回路４３が交流電圧を印加すると、第１電極３１に交流電流ｉが流れる。電圧印加回路４３が交流電圧を印加したときに、接触インピーダンスＺ１，Ｚ２，Ｚ３、および、インピーダンスＺｘによって生じる電位差を、それぞれ「Ｖ_Ｚ１」、「Ｖ_Ｚ２」、「Ｖ_Ｚ３」、「Ｖ_Ｚｘ」とする。

【0038】

電圧検出回路４７は、第１電極３１と第３電極３３との間の電圧Ｖｘを検出する。電圧ＶｘはＶ_Ｚｘ、Ｖ_Ｚ１、Ｖ_Ｚ３の合計値に等しい。また、電圧Ｖｘは、電流ｉ、接触インピーダンスＺ１，Ｚ３および対象インピーダンスＺｘを用いて、次の式（１）で表される。

【0039】

Ｖｘ＝Ｖ_Ｚｘ＋Ｖ_Ｚ１＋Ｖ_Ｚ３＝（Ｚｘ＋Ｚ１＋Ｚ３）＊ｉ ・・・（１）

【0040】

ここで、電圧検出回路４７におけるオペアンプ４７１の入力インピーダンスを高くする（例えば、１０ＧΩ（ギガオーム）以上）にすることで、電圧検出回路４７に電流が流入し難くなる。そうすると、第３電極３３で発生する電位差ＶＺ３がほぼゼロとなる（ＶＺ３≒０）。したがって、電圧検出回路４７では、実質的に、VＺ１とＶＺｘの合計値（＝ＶＺ１＋ＶＺｘ）を計測することとなり、第３電極３３の接触インピーダンスＺ３を抑制できる。すなわち、電圧検出回路４７が計測する電圧Ｖｘは、次の式（２）で表される。

【0041】

Ｖｘ＝Ｖ_Ｚｘ＋Ｖ_Ｚ１＝（Ｚｘ＋Ｚ１）＊ｉ ・・・（２）

【0042】

ここで、交流電流ｉは、電圧印加回路４３の印加電圧Ｖｓと、第１抵抗４５３の抵抗値Ｒ１とを用いて、次の式（３）で表される。

【0043】

ｉ＝Ｖｓ／Ｒ１ ・・・（３）

【0044】

差動信号検出回路４９が出力する電圧Ｖｙは、電流検出回路４５が出力する電圧（＝Ｒ２＊ｉ）と印加電圧Ｖｓの差分である。すなわち、電圧Ｖｙは、次の式（４）により表される。

【0045】

Ｖｙ＝（Ｒ２＊ｉ）－Ｖｓ ・・・（４）

【0046】

電圧Ｖｘおよび電圧Ｖｙを計測することによって、それらの信号位相差を検出できるため、合成インピーダンスであるＺｘ＋Ｚ１を計測できる。また、接触インピーダンスＺ１は、液体９１のみの状態（すなわち、細胞９がない状態。Ｚｘ＝０）でインピーダンス計測を行うことによって、計測される。計測された接触インピーダンスＺ１を、合成インピーダンスであるＺｘ＋Ｚ１から差し引くことによって、対象インピーダンスＺｘが算出される。

【0047】

以上のように、インピーダンス計測装置１によれば、多電極アレイである複数の第１電極３１に流れる電流を計測することによって、対象物である細胞９のインピーダンスを計測できる。これにより、多電極アレイデバイスである計測容器１０を用いて、従来の細胞外活動電位の計測だけでなく、細胞９のインピーダンス計測を行うことができる。

【0048】

また、インピーダンス計測装置１によれば、３つの電極を用いた三端子法によりインピーダンスを計測する。このため、二端子法の場合よりも、細胞９のインピーダンスを高精度に計測できる。

【0049】

＜２． 変形例＞
以上、実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。

【0050】

例えば、第２電極３２は、例えばフォトリソグラフィにより、側壁部１３の表面に形成されていてもよい。

【0051】

また、第３電極３３が計測容器１０における底部１１の上面に位置することは必須ではない。例えば、第２電極３２と同様に、第３電極３３をスティック状として、第３電極３３が計測容器１０内に注入された液体に浸されるようにしてもよい。また、複数の第３電極３３が配置されていてもよい。この場合、図示しない選択回路によって、複数の第３電極３３のうち、電圧検出回路４７に接続される１つの第３電極３３が選択できるようにしてもよい。

【0052】

この発明は詳細に説明されたが、上記の説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。上記各実施形態及び各変形例で説明した各構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせたり、省略したりすることができる。

【符号の説明】

【0053】

１ インピーダンス計測装置
１０ 計測容器
１１ 底部
２０ 計測部
３１ 第１電極
３２ 第２電極
３３ 第３電極
４１ 電極選択回路
４３ 電圧印加回路
４５ 電流検出回路
４７ 電圧検出回路
４９ 差動信号検出回路
５１ 算出部

【図1】

【図2】

【図3】