JP2005334067A - Multi-sensor with function to detect physical or chemical phenomenon of biological sample - Google Patents
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- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
Abstract
【課題】 生体試料の物理現象または化学現象を把握することが可能なマルチセンサを提供することを目的とする。
【解決手段】 半導体基板1を下地として結晶成長させた突起(プローブ)2を複数有するマルチプローブタイプのセンサであって、生体試料を対象とし、その表面あるいは内部の物理現象または化学現象を検出する機能を有することを特徴とする。また、前記検出対象となる物理現象または化学現象が、前記生体試料各部の電位であるとともに、前記半導体基板1に、少なくとも1以上の増幅回路/および信号処理回路3を形成することを特徴とする。さらに、前記プローブ2の側面部9が絶縁層で覆われるとともに、先端部8が鋭利であることを特徴とする。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multisensor capable of grasping a physical phenomenon or a chemical phenomenon of a biological sample.
A multi-probe type sensor having a plurality of protrusions (probes) 2 on which a crystal is grown with a semiconductor substrate 1 as a base, and detects a physical or chemical phenomenon on the surface or inside of a biological sample. It has a function. Further, the physical phenomenon or chemical phenomenon to be detected is the potential of each part of the biological sample, and at least one amplification circuit / and signal processing circuit 3 is formed on the semiconductor substrate 1. . Further, the side surface 9 of the probe 2 is covered with an insulating layer, and the tip 8 is sharp.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、生体試料の物理現象または化学現象を検出する機能を有するマルチセンサに関し、具体的には、細胞などの生体試料の表面あるいは内部の電位を検出するマルチセンサに関する。 The present invention relates to a multisensor having a function of detecting a physical phenomenon or a chemical phenomenon of a biological sample, and specifically to a multisensor that detects a potential of a surface of a biological sample such as a cell or the inside thereof.
近年、医療の分野を含め各種の分野において、細胞や血液などの生体試料中の成分濃度、温度、圧力、流速、電位、反応速度など様々な物理現象または化学現象を把握したいとの要請がある一方、細胞内部のような、特に微細領域での測定の要請が強まっている。 In recent years, in various fields including the medical field, there is a demand for understanding various physical or chemical phenomena such as component concentration, temperature, pressure, flow rate, potential, reaction rate in biological samples such as cells and blood. On the other hand, there is an increasing demand for measurement in a fine region such as the inside of a cell.
こうした要請に対し、例えばプローブと信号処理回路が一体になっているマルチプローブタイプのセンサが提案されている。具体的には、図5に示すように、半導体基板1上に、多数の針状突起からなるプローブ2と、各プローブ2から入力された電気信号を処理する信号処理回路3とが形成されたマルチプローブがある。このセンサは、信号処理回路3のスイッチアレイとして、NMOSFETを各プローブ2ごとに備えている。各プローブ2は、NMOSFETのドレイン(高濃度拡散層)を下地として結晶成長させた突起である。ここでは、突起の形成をVLS(Vapor−Liquid−Solid)法を用いることで、従来よりもプローブの形成方法が簡単で、かつプローブの直径および隣り合うプローブの間隔がより小さいものを作製することが可能となる(例えば特許文献1参照)。
しかしながら、従来の生体試料の物理現象または化学現象を検出する方法では、以下のような点が課題となっており、特に微細領域において大きな課題となっていた。
(1)プローブの間隔が大きく、微小領域の測定に適さないプローブが多く、またウイスカーのような細針状のプローブであっても、複数のプローブを所定の間隔で安定した配置での検出を行うことが困難な場合があった。
(2)従来のマルチプローブでは、全てのプローブの長さが等しく、生体試料のように幾層にも分かれた細胞が存在する場合には、三次元の部位を同時に測定することはできず、正確な三次元情報としての入手は難しかった。
(3)各プローブでの検出信号は非常に微小であり、かつ生体試料の場合には検出対象ともなる電位自体を生体が有していることから、各プローブ周辺に存在する浮遊容量およびその誘導の影響を受けやすい環境にあった。
(4)従来のプローブは先端径が大きく、生体試料の微小部分に対する情報を得たい場合であっても、直接測定することが難しかった。特に、細胞内部の電位の分布の測定については、内部への挿入とあわせ三次元の部位の同時測定は非常に困難であった。
However, the conventional method for detecting a physical phenomenon or chemical phenomenon of a biological sample has the following problems, particularly in a fine region.
(1) There are many probes that are not suitable for measurement of a minute region with a large interval between probes, and even a fine needle-like probe such as a whisker can detect a plurality of probes in a stable arrangement at a predetermined interval. Sometimes it was difficult to do.
(2) In the conventional multi-probe, when all the probes are equal in length and there are cells divided into several layers like a biological sample, a three-dimensional site cannot be measured simultaneously. It was difficult to obtain accurate 3D information.
(3) The detection signal at each probe is very small, and in the case of a biological sample, since the living body has a potential itself that is a detection target, the stray capacitance existing around each probe and its induction It was in an environment that is susceptible to.
(4) The conventional probe has a large tip diameter, and it is difficult to directly measure even when information on a minute part of a biological sample is desired. In particular, regarding the measurement of the distribution of the potential inside the cell, it was very difficult to simultaneously measure a three-dimensional region together with the insertion into the cell.
そこで、この発明の目的は、生体試料の物理現象または化学現象を把握することが可能なマルチセンサを提供することにある。また、こうした物理現象または化学現象の定量化を行い、高い測定精度および優れた応答性を有することで、物理現象または化学現象の画像化を可能にする手段としてマルチセンサを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a multisensor capable of grasping a physical phenomenon or a chemical phenomenon of a biological sample. Another object of the present invention is to provide a multi-sensor as means for enabling the imaging of a physical phenomenon or chemical phenomenon by quantifying such a physical phenomenon or chemical phenomenon and having high measurement accuracy and excellent responsiveness.
本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、以下に示すマルチセンサによって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the above object can be achieved by the multisensor shown below, and have completed the present invention.
本発明は、半導体基板を下地として結晶成長させた突起(プローブ)を複数有するマルチプローブタイプのセンサであって、生体試料を対象とし、その表面あるいは内部の物理現象または化学現象を検出する機能を有することを特徴とする。 The present invention is a multi-probe type sensor having a plurality of protrusions (probes) grown on a semiconductor substrate as a base, and has a function of detecting a physical or chemical phenomenon on the surface or inside of a biological sample. It is characterized by having.
すなわち、マルチセンサを構成する各プローブが、検出機能を有し相互の位置関係を固定化することができることから、再現性の高い、生体試料の表面あるいは内部の物理現象または化学現象の把握を行うことができる。また、位置補正やその他の付帯的手段を必要としない簡素な構成によって、精度の高い物理現象または化学現象の定量化を図るとともに、生体試料の物理現象または化学現象の三次元画像化を図ることができる。 That is, each probe constituting the multi-sensor has a detection function and can fix the positional relationship with each other, so that the physical or chemical phenomenon on the surface or inside of the biological sample can be grasped with high reproducibility. be able to. In addition, with a simple configuration that does not require position correction or other incidental means, it is possible to quantify physical phenomena or chemical phenomena with high accuracy and to achieve three-dimensional imaging of physical or chemical phenomena in biological samples. Can do.
また、本発明は、上記マルチセンサであって、前記検出対象となる物理現象または化学現象が、前記生体試料各部の電位であるとともに、前記半導体基板に、少なくとも1以上の増幅回路/および信号処理回路を形成することを特徴とする。 Further, the present invention provides the multisensor as described above, wherein the physical phenomenon or chemical phenomenon to be detected is a potential of each part of the biological sample, and at least one amplification circuit / and signal processing is provided on the semiconductor substrate. A circuit is formed.
生体試料においては、生体細胞あるいはさらに小空間が保有する電位が生体の活性と非常に密接な関係があることが知られており、生体試料各部の電位、特に微細空間における電位分布の測定は、生体試料のメカニズムの解析にとっても非常に有意義である。本発明に係るマルチセンサにおいては、プローブ先端部という非常に極小化された部位に機能が集約される場合があることから、こうした測定に有効な手段である。一方、先端部からの信号量は非常に微小となるため、マルチセンサからの出力を利用する上では、こうした信号に対する外部からの影響(以下「外乱」という。)をできる限り受けない構成をすることが好ましい。本発明においては、半導体基板に少なくとも1以上の増幅回路/および信号処理回路を形成することによって、各プローブからの微小出力を前置的に安定化された信号に変換し、その信号を送信・出力することによって、外乱影響の少ない、精度・安定性の高い出力を得ることができる。 In biological samples, it is known that the potential possessed by living cells or even small spaces has a very close relationship with the activity of the living body, and the potential of each part of the biological sample, particularly the measurement of the potential distribution in a fine space, It is also very meaningful for analysis of the mechanism of biological samples. The multi-sensor according to the present invention is an effective means for such measurement because the functions may be concentrated in a very miniaturized portion called the probe tip. On the other hand, since the amount of signal from the tip is very small, when using the output from the multi-sensor, it is configured so as not to be affected as much as possible from outside (hereinafter referred to as “disturbance”). It is preferable. In the present invention, at least one amplification circuit / and signal processing circuit is formed on a semiconductor substrate, thereby converting a minute output from each probe into a pre-stabilized signal and transmitting the signal. By outputting, it is possible to obtain an output with high accuracy and stability with little influence of disturbance.
さらに、本発明は、上記マルチセンサであって、前記プローブの側面部が絶縁層で覆われるとともに、先端部が鋭利であることを特徴とする。 Furthermore, the present invention is the multisensor as described above, wherein the side surface of the probe is covered with an insulating layer, and the tip is sharp.
上記のようにプローブの先端部からの信号量は非常に微小であり、また外乱の要素も大きく、各プローブ周辺に存在する浮遊容量およびその誘導の影響などを排除して検出信号自体の安定化を図る必要がある。特にプローブ側面はその表面積が大きいことから、先端から半導体基板までのプローブ通過時において影響を受けやすく、この部分を絶縁層によってシールを強化することによって、微小信号の安定性を向上させることができる。また細胞組織のように生体試料の非常に微小な領域での検出に用いられる場合には、組織の間隙あるいは隔膜を通過して挿入する必要がある。こうした用途に対しては、本発明のように、先端部を鋭利かつ強固に形成できるマルチセンサのであることが非常に優位となる。このようなプローブを構成することによって、上記のような前置的処理による検出信号の早期安定化と合間って、精度・安定性の高い出力を得ることができる。 As mentioned above, the amount of signal from the tip of the probe is very small, and the elements of disturbance are large, and the detection signal itself is stabilized by eliminating the stray capacitance around each probe and the effects of its induction. It is necessary to plan. In particular, since the probe side surface has a large surface area, it is easily affected when the probe passes from the tip to the semiconductor substrate, and the stability of the minute signal can be improved by strengthening the seal with an insulating layer in this part. . Further, when it is used for detection in a very small region of a biological sample such as a cellular tissue, it is necessary to insert it through a gap or a diaphragm of the tissue. For such applications, as in the present invention, it is very advantageous to be a multi-sensor capable of sharply and firmly forming the tip. By configuring such a probe, it is possible to obtain an output with high accuracy and stability in combination with the early stabilization of the detection signal by the above-described preprocessing.
以上のように、本発明に係るマルチセンサを利用すれば、生体試料を対象として物理現象または化学現象の把握を行うとともに、精度の高い三次元情報を連続的に得ることができる。また、生体試料のメカニズムの解析においても有用な生体内部の三次元の電位情報を、外乱の影響の少ない安定な出力として得ることができ、情報の定量化を図り、二次元はもとより、生体試料の物理現象または化学現象の三次元画像化を図ることができる。 As described above, by using the multi-sensor according to the present invention, it is possible to grasp a physical phenomenon or a chemical phenomenon for a biological sample and continuously obtain highly accurate three-dimensional information. In addition, the three-dimensional potential information inside the living body, which is also useful in analyzing the mechanism of the biological sample, can be obtained as a stable output with little influence of disturbances, and the information can be quantified. 3D imaging of physical or chemical phenomena can be achieved.
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。
図1は、この発明に係るマルチマルチを用いて、生体試料の対象物を細胞組織としたときの基本的な実施態様を例示している。細胞組織4は、図1に示すように、いくつかの種類の組織体5が立体的に結合した構造となっている。それぞれの組織体5は異なった機能を持っており、その機能を測定する際にはそれぞれの組織体5の場所に正確にプローブ2を設置する必要がある。本発明のマルチセンサは、これらの要求を満し、かつ、必要に応じてプローブ2の位置、長さを自由に変化させることができる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 exemplifies a basic embodiment in which a multi-multi according to the present invention is used to make a target of a biological sample a cellular tissue. As shown in FIG. 1, the cell tissue 4 has a structure in which several types of
半導体基板(シリコン基板)1上に形成された、針状突起からなる多数のプローブ2が、細胞組織4に挿入された状態を示している。また、半導体基板1には各プローブ2に接続された電子回路3が構成され、プローブ2の先端部で生じた細胞組織4における物理現象または化学現象の変化を、例えばプローブ2の先端部の電位変化として取出すことによって、定量的にその変化量を検出することができる。対象となる物理現象または化学現象としては、電位、濃度、密度、流量、温度、磁気、光、圧力、化学反応、高分子の重合度、などが挙げられる。
A plurality of
図1では、細胞培養膜6内に配置された細胞組織4を形成する組織体5の1つずつにプローブ2の先端部が接するようになっており、各組織体5ごとの物理現象または化学現象の変化を検出するとともに、細胞組織4全体としての物理現象または化学現象の変化を検出することができる。マルチセンサによる測定の同時性の効果であり、三次元のマルチセンサにあっては、さらに細胞組織4の立体的な変化をも検出することができることとなる。
In FIG. 1, the distal end portion of the
図2は、こうしたマルチセンサの全体の構成を例示している。プローブ2では電源供給部7から先端部(センシング部)8に所定の電圧を印加し(場合によっては側面部9にも印加することがある)、そのときの各センシング部8の電位の変化を電流値の変化として検出手段10によって取り出し、対象物の物理的または化学的の変化を把握することができる。
FIG. 2 illustrates the overall configuration of such a multi-sensor. In the
このとき、各プローブ2は、電位検出用プローブのようにその構成材自体の特性で特定の検出機能を有する場合や、プローブ2の表面あるいは内部に所定の処理を施すことによって、先端部8あるいは側面部9に物理現象または化学現象に対して特定の機能を有することができる。プローブの高さは同一あるいは数種類の高さとし、均等な間隔で配置することが好ましい。プローブの位置を固定することで、被検出体である細胞組織4の立体的な把握を容易にし、各プローブ2からの出力を基にした三次元画像の作製を容易にすることができる。
At this time, each
ここで、プローブ2には、生体試料各部の電位、特に微細空間における電位を検出する機能を有することが好ましい。例えば細胞組織内の電位分布の把握は、生体試料のメカニズムの解析にとっても非常に有意義であり、本発明に係るマルチセンサにおいては、プローブ先端部という非常に極小化された部位に電位の検出機能を集約することができることから、こうした測定に有効な手段である。具体的には、シリコン基板1上にシリコン系プローブ2を形成する際に、両者の融合を図るためにAu薄膜層を設けた場合には、先端部8にはAu−Si合金からなる合金部が生じることから、そのまま電位検出用の検出端として使用することができる。また、その後の不純物拡散も目的により利用できる。
Here, the
さらに、プローブ2に所定の処理を施すことによって、検出感度の向上を図ることも好ましい。具体的には、先端の金属としてPtやIrを用いた場合、シリコンとの接触抵抗を低減でき、信号読取り分解能を向上させることができる。つまり、上記プローブ2の先端部8にあるAu−Si合金部に、AuやPtあるいはIrなどを被覆あるいは担持させることによって、シリコンとの接触抵抗を低減し、実質的に検出感度の向上を図ることができる。
Furthermore, it is also preferable to improve the detection sensitivity by applying a predetermined process to the
なお、プローブ2は、先端部8のみが特定機能を有する場合だけではなく、プローブの側面部9も同様の機能あるいは異なる機能を有することも可能である。検出端を点ではなく線あるいは面として捉えることによって、検出感度の向上を図ることができる場合があるためである。しかしながら、本発明のような生体試料内部を直接測定する場合にあっては、図3(A)に例示するように、プローブ2の側面部9が絶縁層11で覆われることが好ましい。つまり、例えば細胞組織4では各組織体5は独立しており、プローブ2が個々の組織体5に接する部位は非常に微小な領域であり、主として先端部8および側面部9の一部にすぎず、むしろ側面部9をも検出端とすると他の組織体の影響を受け易くなる場合がある。従って、側面部9を絶縁層11によって覆いシールを強化することによって、先端部8での微小信号の安定性を向上させることができる。絶縁層11としては、シリコンを基体とするプローブ2の場合には、表面を酸化処理し酸化膜(SiO2)による絶縁体や保護膜を形成することができ、側面部9に絶縁層11を被覆することによって、外乱の影響だけでなく、プローブ2の汚染や劣化等の防止や等の防止を行うことができる。
The
プローブ2の形状は、円筒状あるいは先端部8の外径が小さくなるテーパ状やその逆テーパ状など目的にあった任意の形状を選択することが可能であるが、本発明のような生体試料内部を直接測定する場合にあっては、図3(B)に例示するように、プローブ2の先端部8が鋭利であることが好ましい。個々の細胞体5の大きさは、約数μm〜数10μm□程度であり、プローブ2はその間隙あるいは表面さらには内部に挿入する必要があることから、先端部8は1μm以下の鋭利であることが好ましい。それを超える場合には、細胞組織4内への挿入が困難になるばかりでなく組織体5を傷付けることになるおそれが生じる。特に、プローブ2を生体試料の内部を測定する場合、内部と外部を隔てる壁部を貫通させる必要があるが、その壁部が柔らかい材質の場合、貫通させることが難しくなる。そこで、先端部8を鋭利にすることで、生体試料内部への挿入を容易にすることができるとともに、プローブ2を抜いたときに壁部が挿入前に近い状態を保持することが可能となる。また、プローブ2の先端部8を非常に極小化されたセンシング部を形成することによって、さらに組織体5の内部といった微小領域までも検出することができる。
As the shape of the
プローブ2の作製方法については、VLS法のみならず、他の液相エピタキシー法や低い高さのプローブ2であれば気相エピタキシー法なども利用することによって微細な構造を有する結晶を成長させる方法を適用することが可能であるが、生体試料内部を直接測定する目的に適用可能なマルチセンサの作製方法としては、特に微細な領域でのプローブの作製に適したVLS法が好ましい。
As a method for producing the
なお、プローブ2の形成において、突起を結晶成長させる下地は、センサの信号処理回路を構成する素子の高濃度拡散層であればよく、NMOSFETの部位以外に、PMOSFETやCMOSFETのソースまたはドレイン、Bi−CMOSやバイポーラトランジスタのエミッタまたはコレクタ、ダイオードのn+層またはp+層等が挙げられる。また、MOSトランジスタのゲート回路部に形成することも可能である。
In the formation of the
また、半導体基板1には、各種の電子回路3を形成することが可能であるが、プローブ2には少なくとも1以上の増幅回路/および信号処理回路を形成するが好ましい。各プローブからの微小出力を前置的に安定化された信号に変換し、その信号を送信・出力することによって、外乱影響の少ない、精度・安定性の高い出力を得ることができる。特に、増幅回路(オペアンプ)を用いたインピーダンス変換回路の形成は、生体試料特に細胞内部の測定のように、対象物が物理的あるいは化学的に変動することから、各種の外乱の発生が生じ易い条件にあっては非常に有効である。また、信号処理回路の形成は、安定した出力だけではなく、マルチセンサの独立性を高め、無線送信など測定装置の構成に対し汎用性を高めることが可能となる。
Various
上記のように、本発明に係るマルチセンサを用いることで、対象物である生体試料の特性を、三次元の物理現象または化学現象として検出することができる。また、物理現象または化学現象の定量化を行い、三次元の測定画像を得ることができる。 As described above, by using the multi-sensor according to the present invention, the characteristics of the biological sample that is the object can be detected as a three-dimensional physical phenomenon or chemical phenomenon. In addition, a physical or chemical phenomenon can be quantified to obtain a three-dimensional measurement image.
以上、この発明は、上記のように細胞の機能などの測定に好適に用いることができるほか、以下のような分野にも適用することができる。
(1)化学顕微鏡としての応用分野;イオン濃度計測・電気化学的分野、ガス分布計測分野・滴定の二次元的動的観察および解析
(2)環境計測・環境;バイオリメディエーションへの適用
(3)食品検査・食品、微生物
(4)ME分野・医学・生態組織;組織細胞表面および内部のイオン濃度計測、細胞表面および内部の光学・電位計測、DNA計測
(5)バイオ分野
(6)動植物分野・植物;カルスの表面および内部電位分布計測・生物・正面図動物
(7)腐蝕計測分野・金属;金属腐蝕と塗装・コーティング
(8)ゼータ電位等表面解析・粉体、セラミックスのゼータ電位。
As described above, the present invention can be suitably used for measurement of cell functions and the like as described above, and can also be applied to the following fields.
(1) Application field as chemical microscope: ion concentration measurement / electrochemical field, gas distribution measurement field / two-dimensional dynamic observation and analysis of titration (2) environmental measurement / environment; application to bioremediation (3) Food inspection / food, microorganisms (4) ME field / medicine / ecological tissue; tissue cell surface and internal ion concentration measurement, cell surface and internal optical / potential measurement, DNA measurement (5) bio field (6) animal and plant field / Plant; callus surface and internal potential distribution measurement, organism, front view animal (7) Corrosion measurement field, metal; metal corrosion and coating, coating (8) surface analysis such as zeta potential, zeta potential of powder and ceramics.
また、測定対象物(サンプル)は、気体、液体、固体、粉体のいずれであってもよく、各種の生体試料における物理現象または化学現象を検出することで、対象物である生体試料の機能的な特性の把握に有用である。 Moreover, the measurement object (sample) may be any of gas, liquid, solid, and powder, and the function of the biological sample that is the object is detected by detecting physical or chemical phenomena in various biological samples. It is useful for grasping typical characteristics.
1 半導体基板(シリコン基板)
2 プローブ
3 信号処理回路
4 細胞組織
5 組織体
6 細胞培養膜
8 先端部
9 側面部
1 Semiconductor substrate (silicon substrate)
2
Claims (3)
The multi-sensor according to claim 1, wherein the side surface of the probe is covered with an insulating layer and the tip is sharp.
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