JPH11503316A

JPH11503316A - 測定装置

Info

Publication number: JPH11503316A
Application number: JP8529966A
Authority: JP
Inventors: ヴォルフベルンハルト; エーレットラルフ; ジーベンウルリヒ; バウマンヴェルナー
Original assignee: ミクロナスインテルメタルゲゼルシャフトミットベシュレンクテルハフツング
Priority date: 1995-04-04
Filing date: 1996-03-30
Publication date: 1999-03-26
Also published as: ATE188038T1; EP0820593B1; DE59603984D1; US6280586B1; EP0820593A1; DK0820593T3; DE19512117A1; WO1996031774A1

Abstract

(57)【要約】生物細胞、又は、分析物（２）内に含まれている化学的又は生命活動物質の生理学的パラメータを検査するための測定装置（１）は、基板（５）上に設けられている電子測定構造体（６）を有するセンサ（４）を有している。センサ（４）には、測定構造（６）と直接接触している、機能に特有のレセプタ及び／又はターゲット細胞（７）が属している。測定のために、検査すべき媒体をターゲット又はレセプタ細胞（７）と結合することができる。測定装置（１）は、特に小型の構造を有しており、それにより、分折物内に含まれている生物学的又は化学的成分（図５）を、極めて反作用なしに検査することができる。

Description

【発明の詳細な説明】測定装置従来技術本発明は、生物細胞、又は、分析物内に含まれている化学的又は生命活動物質の生理学的パラメータを、少なくとも１つの電気的又は電子的センサを用いて測定又は検査するための測定装置に関し、前記電気的又は電子的センサは、評価装置と接続することができる測定出力側を有しており、その際、前記センサは、少なくとも１つの、基板上に設けられた電気的又は電子的な測定構造体を有している。検査すべき細胞が生物学的緩衝媒体内に含まれており、この緩衝媒体に補助試薬が添加され、所定の化学的成分が存在する場合には、この補助試薬によって、緩衝媒体が発色する測定装置は、既に知られている。例えば、緩衝媒体内のカルシウムイオンの証明用のカルシウム色素を含むことができる。証明すべき物質によって生じる色変化の測定のために、既知の測定装置は、光センサと緩衝媒体の照射用の光源とを有している。この測定装置の欠点は、とりわけ、この測定装置が所定の大きさを有しており、それ故、所定の測定の間、フレキシブルに十分に使用することはできないという点にある。更に、反作用なしに測定できない。と言うのは、所要の補助試薬は有毒であり、被検細胞又は細胞ターゲットに影響を与えてしまうからである。高い光濃度により、測定系内に変化をもたらすこともある。更に、酵素基質上又は微生物構造体に付けたセンサが公知である。しかし、そのセンサによると、単一の信号分析しか行うことができず、即ち、このセンサは、分析物を１つしか測定しない。更に、そのようなセンサは、障害信号を測定することにより、さほど確実に分析物を識別することができないので、故障し易い。従って、課題は、冒頭に挙げた形式の測定装置を、小型の大きさの構造を有するようにし、それにより、被検媒体が、測定装置によって影響されるのが回避され、選択的な評価の他に、高い測定感度も有しているようにすることにある。この課題の解決手段は、センサの測定構造体がレセプタ細胞及び／又はターゲット細胞と直接結合されており、該レセプタ細胞及び／又はターゲット細胞は、機能特有の、付着性又は付着されるものであって、生物センサ（弁別器）として使用され、前記測定構造体は、前記レセプタ細胞及び／又はターゲット細胞と共にセンサを形成し、前記レセプタ細胞と前記測定構造体との間に、微多孔性の構造化された中間層が設けられており、該中間層は、前記ターゲット及び／又はレセプタ細胞を隣接体として受容し、被検分析物は、前記レセプタ細胞及び／又はターゲット細胞と、該細胞の、前記測定構造体とは反対側で測定のために結合することができることにある。そのようなセンサは、原理的に、入力側の生物センサ部分からなり、このセンサ部分は、電気的な弁別器及び電気的又は電子的な測定構造体によって形成された変換器と類似しており、そのようなセンサによって、非常に高い測定感度で測定することができるようになる。その際、動物又は植物の細胞は、センサの構成部品として、自発的に付着性又は測定構造体と付着され、動的且つ高感度に物質を識別することができる（弁別ユニットとして、細胞の並列信号処理機構が利用される故）。別の利点が示す事実としては、細胞膜と結合されたレセプタは、分析物を積載した後、細胞によって即座にリサイクルされ、新たなレセプタが細胞表面に転送される。この作用は、バイオテクノロジーの手段によって所期のように最適化することができる（例えば、トランスジェニックレセプタ）。従って、通常の微生物センサと比べて、高動的且つ細胞の、内部の信号増幅装置によって、高感度センサ構造体が可能になる。つまり、本発明の測定装置では、センサは、測定構造体上に配設されていて分析物又は被検媒体と接触する際、その中に含まれている所定の物質によって影響されるターゲット又はレセプタ細胞と共働する。そうすることによって作用する、ターゲット又はレセプタ細胞内の変化は、センサによって直接測定することができ、その結果、センサによって送出された電気信号から、分折物内に含まれている物質及び／又は細胞を推定することができるようになる。その際、センサと結合されている機能特有のレセプタ及び／又はターゲット細胞の特定の特性に依存して、種々異なる物質を測定又は証明することができる。従って、例えば、レセプタ細胞を、アヘン誘導体、アトラシン、ステロイド、又は、エストロゲンを証明するために設けることができる。特殊なターゲット細胞を用いて、生物学的成分（例えば、有毒な）、化学的成分（例えば、重金属等）及び物理的成分（例えば、放射線）を検出することができる。本発明の測定装置は、非常に小さな大きさの構造しか有していないので、特に良好に取り扱うことができ、アプローチし難い箇所に用いることもできる。更に、測定のために、相応の僅かな量の被検媒体しか必要としない。被検物質乃至分析物に補助試薬を添加する必要がないので、測定装置は、実際上、反作用なしに作動する。設けられている中間層は、例えば、一方では、細胞を付着し、他方では、孔の大きさが、所定のイオン、分子、又は、細胞領域の場合にその細胞を通すような寸法の巨大分子の多孔性層である。中間層として、例えば、スパッタリングされた、又は、測定構造体上に被着されたＳｉＯ_２−層、Ａｌ_２Ｏ_３−層又はＴａ_２Ｏ_５ −層を設けることもできる。構造化された中間層によって、電子的測定構造体が、ターゲット又はレセプタ細胞が測定構造体を隣接体として受容し、且つ、この隣接体に良好に付加反応するようにコンディショニングされる。その際、中間層の多孔性によって、ターゲット又はレセプタ細胞の測定すべきイオン、分子又は細胞領域が、測定構造体の電気的活性領域に達することができるようにすることができる。特に有利には、共通基板上に、複数のセンサを、測定構造体と共に、例えば、センサアレイとして配設するとよい。そのようなセンサアレイは、集積化回路として特にコスト上有利に製造することができ、極めて狭いスペースで、化学的又は生物学的に種々異なる物質を測定することができる。その際、共通基板上に、複数センサを、同一測定構造体と共に、例えば、センサアレイとして配設することができる。他方、共通基板上に、複数センサを、種々異なる測定構造体と共に、例えば、センサアレイとして配設することができる。更に、共通基板上に、細胞に付着した複数の測定構造体と細胞に付着されていない付加的な測定構造体とを設けることができる。細胞のセンサ構造体及び細胞のない測定構造体により、物質及び機能に特有のセンサ出力を可能にする並列データパターンが提供される。有利には、共通基板上に配設されたセンサの測定出力側は、例えば、基板上に集積化された制御及び評価装置と接続されている。集積化された制御及び評価装置には、例えば、測定値の予備処理部を設けることができる。評価電子回路により、センサに物質及び機能に特有のトレーニングを行わせることもできる。基板上に設けられたセンサを更に一層フレキシブルに利用することは、基板上に、センサアレイと共に、制御及び評価装置として、マルチプレクサ、センサ制御部を有するＡＤ／ＤＡ変換器、マイクロプロセッサ並びにＩＯユニットが配設されているようにすることによって達成することができる。その際、マイクロプロセッサは、センサのオフセット電圧及び温度ドリフトを補償して、場合により、測定値を処理又は評価することもできる。マルチプレクサにより、ＩＯユニット並びにＡＤ／ＤＡ変換器と共に、多数のセンサを用いて同時に検出された測定値をデータバス又は共通データ線路を介して伝送することができるようになる。本発明の有利な実施例によると、測定構造体を有する基板上に、測定領域内又はこの測定領域に隣接して、少なくとも１つの、レセプタ又はターゲット細胞用の刺激電極が配設されている。その際、ターゲット又はレセプタ細胞を、刺激電極を用いて所期のように制御して、センサを用いて検出すべき生理学的物質を自発的に放出させるようにすることができる。特に有利には、基板が半導体基板であり、測定構造体として、少なくとも１つの電界効果トランジスタ、例えば、ＩＳＦＥＴが設けられており、そのゲートがレセプタ又はターゲット細胞と接触するために開けられている。その際、細胞に有毒物質が含まれていない場合には、ゲートを、直接、ターゲット又はレセプタ細胞と接触することができる。しかし、ゲートとターゲット又はレセプタ細胞との間には、中間層、例えば、ＳｉＯ_２−層を、所望のｐＨ横方向感度で電位測定するために、又は、アルミニウム酸化物層はタンタル五酸化物層を陽子特有の測定のために設けることができる。更に、固体膜、例えば、薄ガラス膜をゲート上に析出することもできる。他の有利な実施例では、測定構造体として、少なくとも１つのインターディジタルコンデンサが設けられており、このインターディジタルコンデンサは、有利には、対に配設された電極、例えば、櫛状又はミアンダ状の構造体を有している。その際、櫛乃至コンデンサ電極の間隔は、ターゲット又はレセプタ細胞の直径に適合されており、その結果、種々異なって極性付けられたコンデンサ電極と接触することができるようになる。測定構造体としてのインターディジタルコンデンサは、特に、ターゲット又はレセプタ細胞の形状変化の測定のために適しており、このターゲット又はレセプタ細胞の形状変化は、例えば、ターゲット細胞の場合、重金属の存在によって、又は、トランスジェニック細胞の場合、所定のレセプタとの接触によって引き起こされることがある。更に、インターディジタルコンデンサを用いて、細胞膜のインピーダンス又はキャパシタンス変化を測定することができる。ターゲット又はレセプタ細胞に付加反応する抗体も、インターディジタル構造体を用いて証明することができる。と言うのは、その抗体は、インターディジタル構造体の領域内で誘電体定数を変えるからである。キャパシタンス変化の測定のためには、有利には、インターディジタルコンデンサの電極とターゲット又はレセプタ細胞の間に、薄絶縁層が設けられている。有利には、測定装置には、有利には種々異なる大きさの複数のインターディジタルコンデンサが設けられている。その際、それぞれのセンサは、種々異なる感度を有しており、その結果、測定装置は、比較的大きな測定領域を覆い、それぞれの測定領域内で高分解能を達成することができる。測定装置の感度は、測定の前又は測定の間、ターゲット又はレセプタ細胞に対して相対的に、例えば、分析物を掻き混ぜたり、測定装置を揺り動かすことによって、分析物を動かすようにして改善することもできる。有利には、インターディジタルコンデンサの電極の少なくとも１つの絶縁された中間空間内に、電気化学的感度層を設けるとよい。その際、このセンサは、ターゲット又はレセプタ細胞によって析出された所定の生理学的物質、例えば、酸素又は複合ガスを証明するのに一層良く適している。このために、中間空間内に電気的に活性な物質を被着するか、又は、セラミックのスポンジ内に包むことができる。他の実施例では、インターディジタルコンデンサの電極間に光導体を設け、それぞれの光導体を通過する光の記録及び証明のために、光検出器が基板内に配設されている。その際、測定装置には、付加的な情報を、例えば、ターゲット又はレセプタ細胞から送出された散乱光を介して供給され、それにより、細胞の活性を推定することができるようになる。従って、有利には、光検出器を用いて、測定装置の自己テストを行うことができる。測定構造体と接触しているターゲット又はレセプタ細胞の更に正確な制御は、基板内に、ＣＣＤ−センサが、例えば、ＣＣＤ−列又はＣＣＤ−アレイの形式で集積化されているようにすることにより行うことができる。そうすることにより、光学的測定の場合に、更に高い分解能が達成され、その結果、例えば、測定構造体内の所定領域内に配設されている１つ又は複数の細胞の形態の変化を監視することもできる。有利には、測定構造体を有する基板上に、測定のために設けられている基板領域の外側に、少なくとも１つの基準素子を測定構造体と同一又は類似の構造で配設し、例えば、電界効果トランジスタの場合、測定構造体として、ゲート付の電界効果トランジスタが設けられている。そのような基準素子を用いて、例えば、温度ドリフト又は測定のために設けられている測定構造体のオフセット電圧を補償することができる。有利には、測定構造体を有する基板上に、少なくとも１つの温度測定センサ、例えば、温度測定ダイオードを配設すると良い。その際、ターゲット又は基準細胞の生物学的活性の温度依存性は、測定の際に考慮して、場合によっては、補償することができる。本発明の実施例では、レセプタ細胞は、ゲル構造体内に配設されているか、又は、これによって覆われているようにされる。ゲル構造体によって、センサに所属の細胞を、測定構造体に付着することができ、そのようにして、センサの測定構造体と直接接触させ、これと動かないように結合させることができる。ゲル構造体は、ターゲット又はレセプタ細胞用の湿度及び栄養蓄積器としても作用し、その結果、ターゲット又はレセプタ細胞は、比較的長時間に亘って、生命を維持することができる。そうすることにより、測定装置は、例えば、約１０日間に亘って分析物内で得られた生物学的又は化学的成分に対して、間断なくオンラインで信号を取得することができるようになる。ゲル構造体の利点は、ゲル構造体のメッシュ幅を、検出すべきイオン、分子又は細胞領域の直径に適合させることができる点にあり、その結果、メッシュ幅又は相応の電荷プロフィールよりも大きな直径を有している、イオン、分子又は細胞領域が、ターゲット又はレセプタ細胞に至る迄広まることは全くあり得ない。本発明の実施例によると、電気又は電子測定構造体は、検査すべき媒体用の収容容器の内壁の部分である。その際、検査すべき媒体は、センサの表面に付着して付加反応するターゲット又はレセプタ細胞と一層良く結合することができる。と言うのは、検査すべき媒体は、収容容器内に簡単に充填することができ、それから、直ぐに、ターゲット又はレセプタ細胞と接触することができる。特に有利には、測定構造体は、収容容器の底に設けられており、側壁は、測定構造体の測定領域を囲む被覆を形成することによって、側方の境界部として構成されている。つまり、センサは、測定構造体の測定領域のみが開けられていて、センサの電気端子は、収容容器内の媒体に対して被覆を形成することによって密閉されているようにして、収容容器の壁内にはめ込まれている。本発明の有利な実施例では、複数の測定構造体が有利には並列して配設されている。そうすることによって、検査すべき媒体の種々異なる箇所で同時に測定することができ、その結果、一方では、検査すべき媒体内の不均一性を検出することができ、他方では、測定信号の比較によって、相互に隣接して配設された複数の測定構造体によって、測定結果の制御が可能である。有利には、電気制御箇所及び／又は構造体化された中間層が、種々異なる特性の少なくとも２つの測定構造体を有している。そうすることによって、それぞれの測定構造体を用いて、種々異なるイオン、分子又は細胞領域を選択的に測定することができるようになる。殊に、生理学的物質の所定の物質の析出も、例えば、所定の細胞処理の際に測定することができる。析出される物質としては、例えば、ＣＯ，ＣＯ_２，ＮＨ_３，Ｈ_２Ｓ，ＣＨ_４，Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ，Ｏ_２ＮＯ並びに陽子を考えることができる。以下、本発明について、実施例を用いて詳細に説明する。その際、部分的に強調して図示されている。図１は、基板上に設けられている、相互に並列にミアンダ状に延在している電極を有するインターディジタルコンデンサを示し、図２は、櫛状に相互に嵌入している櫛型電極を有する、基板上に設けられているインターディジタルコンデンサを示し、図３は、インターディジタルコンデンサの電極を３次元図示し、図４は、基板上に設けられるレセプタ細胞がない状態の基板の横断面を示し、その際、測定構造体として、インターディジタルコンデンサが設けられており、その際、測定領域を囲む収容容器も検出することができ、図５は、図４と同様の図を示し、その際、しかし、付加的に、測定構造体に直接付加反応したレセプタ細胞及び収容容器内に充填された分析物も示されており、図６は、刺激電極を有するＩＳＦＥＴのゲート領域の平面図を示し、図７は、ゲート上に設けられたターゲット細胞を有する、図６に示されているＩＳＦＥＴの横断面図を示し、図８は、レセプタ細胞が直接接触している中間層を有するＩＳＦＥＴを示す測定装置の部分図を示し、その際、ＩＳＦＥＴの測定領域は、分析物を含む収容容器によって側方に制限されており、図９は、図８と同様の図を示し、その際、しかし、レセプタ細胞は、ゲル膜を有するゲル層内に配設されており、図１０は、４つのＩＳＦＥＴＳ、４つの基準ＦＥＴＳ、及び、温度ダイオードが集積化された、半導体基板の平面図を示し、図１１は、４つのＩＳＦＥＴＳを有しており、この４つのＩＳＦＥＴＳの間に基準電極が配設されており、並びに、２つの基準ＦＥＴＳ及び温度抵抗を有している半導体基板の平面図を示し、図１２は、ＩＳＦＥＴＳ及びインターディジタルコンデンサから構成されているセンサアレイを有する半導体基板の平面図を示し、その際、半導体基板上に、ＡＤ／ＤＡ変換器を有するマイクロプロセッサ、マルチプレクサ、及び、ＩＯユニットも設けられており、図１３は、図１２に示されているバイオセンサチップのブロック接続図を示し、図１４は、ＤＩＬ−ケーシング内にはめ込まれた測定装置の平面図を示し、図１５は、図１４に示されている測定装置の長手方向の中間面の断面を示し、図１６は、図１４に示されている測定装置の横方向の中間面の断面を示し、図１７は、分析物の収容容器を有する、ＤＩＬ−ケーシング内にはめ込まれた測定装置の平面図を示し、図１８は、図１７に示されている測定装置の長手方向側面図を示し、その際、収容容器及びＤＩＬ−ケーシングの端子接点は特に良好に分かるようにされており、図１９は、図１７及び１８に示されている測定装置の狭幅側の側面図を示し、図２０は、図１７と同様の測定装置の長手方向中間面の断面を示し、その際、しかし、収容容器の充填開口部に、集積化された基準電極を有するフローキャップが載着されており、図２１は、図２０に示されている測定装置の長手方向図を示し、図２２は、図２０に示されている測定装置の平面図を示す。生物細胞の生理学的パラメータ又は分析物２に含まれている化学成分３の測定又は検査用の、全体が１で示されている測定装置は、基板５上に配設されている測定装置６を有するセンサ４を有している（図５）。センサ４は、測定構造体６の表面に配設されていて、この表面に直接接触している約３０個のレセプタ細胞７と組み合わされている。レセプタ細胞７は、所定の化学的又は生物学的成分３全体用のレセプタ８を有している。この成分３が分析物２内に含まれている場合、この成分３は、レセプタ８に付加反応する。成分３は、例えば、ホルモン、抗体、抗原又は発育因子であり得る。レセプタ細胞７は、化学的成分３の連結によって変化され、この変化は、測定構造体６を用いて検出することができる。例えば、分析物２内に含まれる所定の重金属イオンによって、レセプタ細胞７の形状が変化すると、測定構造体６で検出することができる、細胞膜のインピーダンスが変化することになる。本発明の測定装置１の場合、センサ４によって、分析物２内に含まれている化学的又は生物学的成分３によって生じるレセプタ細胞７の変化が測定される。つまり、ここでは、実際には、バイオロジカルセンサ（レセプタ又はターゲット細胞）が電気的又は電子的センサと組み合わされているバイオエレクトロニクスセンサが用いられる。図５に示されている実施例では、測定構造体６として、インターディジタルコンデンサ９が設けられている。インターディジタルコンデンサ９の電極１０は、相互に隣り合った導体路によって形成されており、この導体路は、例えば、ガラス、サファイア又はシリコンから形成することができる平面基板５上に配設されている。図１〜３には、種々異なる電極レイアウトを持ったインターディジタルコンデンサ９の実施例が示されている。図１の実施例では、電極１０は、相互に等距離の２つの導体路によって形成されており、この２つの導体路は、ミアンダ状に基板５の表面に配設されている。他の実施例（図２及び３）では、インターディジタルコンデンサ９は、相互に嵌合し合った２つの櫛型電極を有している。インターディジタルコンデンサ９を用いると、ターゲット又はレセプタ細胞７の形状変化も、この細胞の細胞膜のインピーダンス変化も測定することができる。インターディジタルコンデンサ９を用いると、その平面構造体によって、特にコスト上有利で大量生産で製造することができる測定装置１を構成することができる。有利には、その際、特に、インターディジタルコンデンサ９の電極構造体をバイオコンパチブルな基板上に形成することもできる。図６〜９には、センサとしてＩＳＦＥＴ１１が設けられていて、そのゲート１２が、レセプタ細胞７との接触のために開けられている測定装置１の実施例が示されている。ＩＳＦＥＴ１１の、測定用の活性領域とレセプタ細胞７との間に、中間層１３が設けられており、この中間層１３は、その一方の面側が、ゲート１２と直接接触しており、その他方の面側が、レセプタ細胞７と直接接触している。中間層１３は、巨大分子多孔質層であり、この巨大分子多孔質層には、一方では、レセプタ細胞７が付着され、他方では、その孔の大きさが、所定イオン、分子又は細胞領域を通過させるように選定されている。つまり、中間層１３は、バイオコンパチブルであり、その結果、レセプタは、この中間層１３を隣接体として受容して、この隣接体に付着する。それにも拘わらず、測定構造体６とレセプタ細胞７との間にある中間層１３による測定は妨害されない。と言うのは、この中間層は、検出されるべき分子、イオン又は細胞領域を通過させるからである。図９に示されている実施例では、ターゲット又はレセプタ細胞７は、膜１４を有しているゲル構造体１５内に配設されている。ゲル構造体１５は、栄養媒体を有しており、従って、ターゲット又はレセプタ細胞７にとって栄養蓄積器として利用される。更に、ゲル構造体１５内に湿度が蓄積され、その結果、ターゲット又はレセプタ細胞７は、比較的長期間に亘って生命を維持することができる。そのため、測定装置１により、比較的長期間に亘って、分析物２に含まれている所定の成分３の連続的なオンライン分析を行うことができる。その際、ゲル構造１５及び膜１４は、検出すべき成分３を通過させ、その結果、この成分は、レセプタ細胞７のレセプタ８に迄到達することができる。図８に示されている実施例では、レセプタ細胞７用の栄養媒体は、分析物２内に含まれており、その結果、この実施例の場合でも比較的長期間に亘って、オンラインで信号を取得することができる。図４，５，８及び９から特に良く分かるように、測定構造体６は、収容容器１７の壁１６の一部である。その際、測定構造体６及び該測定構造体上に設けられているターゲット又はレセプタ細胞７は、収容容器１７の底に配設されており、その結果、分析物２は、簡単に、収容容器１７内に充填することができ、それから直ぐに、ターゲット又はレセプタ細胞７と接触することができる。収容容器１７の側壁１６は、基板５と密に結合されており、測定用に設けられている領域６を囲んでいる。そうすることによって、分析すべき媒体が比較的大きな量でも、媒体が側方に流出して、その際、センサ４の、そのために設けられていない領域、殊に、センサの端子接点と接触するのを阻止することができる。図６及び７に示されている基板５の場合、ＩＳＦＥＴ１１の両側に、それぞれ１つの刺激電極１９が設けられており、この刺激電極を用いて、レセプタ細胞７を励起して、検出すべき物質の自発的な送出を行うことができる。特に有利には、複数のセンサ４を共通の基板５上に配設すると良い。図１０及び１１には、この点については、ターゲット又はレセプタ細胞７との接触のために設けられている４つのＩＳＦＥＴ１１を備えた基板５が例として示されており、その際、付加的に更に４つの、基準素子２０として使われる別のＩＳＦＥＴが、ターゲット又はテスト細胞の生存繁茂のために設けられている基板５内の基板領域の外側に集積化されている。基準素子２０により、温度ドリフト及びセンサ４のオフセット電圧を補償することができるようになる。必要に応じて、センサ４に隣接して、更に刺激電極１９を設けることができる（図１１）。特に有利には、センサ４をアレイの形式で基板５上に配設すると良い（図１２）。その際、唯一の測定装置１を用いて、種々異なった、複数の化学的又は生物学的成分３を同時に検出することができる。更に、種々異なったターゲット又はレセプタ細胞で並列的に測定信号を得ることができ、その結果、測定結果を制御することができる。図１２に示されている実施例では、センサアレイ２２に対して付加的に、更に１つのマルチプレクサ２３、ＡＤ／ＤＡ変換器ユニット２４、ＩＯ−ユニット２５、及び、マイクロプロセッサ２６が集積化されている。所属のブロック接続図（図１３）から分かるように、基板５上に配設されている任意のセンサを、同時に制御することができる５つの測定線２７のうちの、それぞれ１つに配属することができる。その際、調整ユニット２８によると、選択されたセンサ４及び該センサの配属された基準素子２０用に設けられている電流及び電圧値を調整することができる。相応の値は、マイクロプロセッサ２６によって求められ、ディジタル／アナログ変換器２９を介して調整ユニット２８に送出される。調整ユニット２８からの測定値の読み取りのために、アナログ／ディジタル変換器３０が設けられている。マイクロプロセッサには、更に、２つの温度センサ２１、インターディジタルコンデンサ９、酸素センサ３１、並びに２つのＡｇＣｌ−基準電極３５が接続されている。完全な基板５及び該基板上に設けられているターゲット又はレセプタ細胞７は、４０極性のセラミックＤＩＬソケット３２内に埋め込まれている。測定ユニット１は、市販の集積回路同様、例えば、プラチナ上に設けられているＩＣソケット内に嵌合されている。図１７〜１９には、セラミックＤＩＬソケット３２上に、分析物２用の収容容器１７が設けられている実施例が示されている。その際、分析物２は、簡単に、収容容器１７内に充填することができる。センサ４に関して、分析物２を、特に正確に位置決めるすることができるためには、収容容器１７の充填開口部１８内に、フローキャップ３４を装着することができる。そうすることによって、分析物２の拡散差（例えば、センサ４の領域内でピペットを用いて分析物を充填又は吸出する際に生じることがある）を著しく回避することができるようになる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９７年２月１２日【補正内容】明細書測定装置従来技術本発明は、生物細胞、又は、分析物内に含まれている化学的又は生命活動物質の生理学的パラメータを、少なくとも１つの電気的又は電子的センサを用いて測定又は検査するための測定装置であって、前記電気的又は電子的センサは、評価装置と接続することができる測定出力側を有しており、その際、前記センサは、少なくとも１つの、基板上に設けられた電気的又は電子的な測定構造体を有しており、前記測定構造体は、レセプタ細胞及び／又はターゲット細胞と結合されており、該レセプタ細胞及び／又はターゲット細胞は、機能特有の、生物センサ（弁別器）として使用され、前記測定構造体は、前記レセプタ細胞及び／又はターゲット細胞と共にセンサを形成し、その際、前記レセプタ細胞及び／又はターゲット細胞は、前記センサの内在成分であり、被検分析物は、前記レセプタ細胞及び／又はターゲット細胞と、該細胞の、前記測定構造体とは反対側で測定のために結合することができる測定装置に関する。刊行物「Ｋｒａｕｓｅｔａｌ．ＢＩＯＳＣＯＰＥ１９９３，Ｎｒ．１，２４〜３３頁」から、上述のような、本発明の請求の範囲第１項の上位概念記載の測定装置が既に公知である。この測定装置は、殊に、その高速応動時間のために、及び、分析物内で選択的測定を実行することができるために、実際に優れた性能を有していることが実証されているにも拘わらず、この測定装置は、欠点を有している。つまり、センサの物理的成分上のレセプタ及び／又はターゲット細胞が機能を維持しつつ固定することが極めて臨界的である。レセプタ又はターゲット細胞を、測定装置の測定構造体と接触することは、例えば、レセプタ及び／又はターゲット細胞をゲルと共に、動かせないように、測定構造体に固定するようにして行うことができる。しかし、これにより、レセプタ及び／又はターゲット細胞が予め刺激され、それにより、検出すべき物質と接触した際、比較的僅かであっても更に信号が供給される。レセプタ及び／又はターゲット細胞を測定構造体と接触させる他の手段は、レセプタ及び／又はターゲット細胞を機械的手段、例えば、マイクロマニピュレーターを用いて測定構造体に付着させることである。しかし、この方法は、比較的コスト高である。と言うのは、マイクロマニピュレーターは、顕微鏡の元で、手動により、細胞に位置決めする必要があるからである。更に、非常に小型の測定装置の構造の大きさは、マイクロマニピュレーターを加えることによって著しく拡大してしまう。検査すべき細胞が生物学的緩衝媒体内に含まれており、この緩衝媒体に補助試薬が添加され、所定の化学的成分が存在する場合には、この補助試薬によって、緩衝媒体が発色する測定装置は、既に知られている。例えば、緩衝媒体内のカルシウムイオンの証明用のカルシウム色素を含むことができる。証明すべき物質によって生じる色変化の測定のために、既知の測定装置は、光センサと緩衝媒体の照射用の光源とを有している。この測定装置の欠点は、とりわけ、この測定装置が所定の大きさを有しており、それ故、所定の測定の間、フレキシブルに十分に使用することはできないという点にある。更に、反作用なしに測定できない。と言うのは、所要の補助試薬は有毒であり、被検細胞又は細胞ターゲットに影響を与えてしまうからである。高光濃度により、測定系内に変化をもたらすこともある。更に、酵素基質上又は微生物構造体に付けたセンサが公知である。しかし、そのセンサによると、単一の信号分析しか行うことができず、即ち、このセンサは、分析物を１つしか測定しない。更に、そのようなセンサは、障害信号を測定することにより、比較的確実に分析物を識別することができないので、故障し易い。従って、課題は、冒頭に挙げた形式の測定装置を、小型の大きさの構造体を有するようにし、それにより、被検媒体が、測定装置によって影響されるのが回避され、選択的な評価の他に、高い測定感度も有しているようにすることにある。この課題の解決手段は、レセプタ及び／又はターゲット細胞と測定構造体との間に、微多孔性の、構造化された中間層が設けられており、該中間層は、ターゲット及び／又はレセプタ細胞を付着用の隣接体として受容することにある。そのようなセンサは、原理的に、入力側のセンサ部分からなり、このセンサ部分は、電気的な弁別器及び電気的又は電子的な測定構造体によって形成された変換器と類似しており、そのようなセンサによって、非常に高い測定感度で測定することができるようになる。その際、動物又は植物の細胞は、センサの構成部品として、自発的に付着性又は測定構造体と付着され、動的且つ高感度に物質を識別することができる（弁別ユニットとして、細胞の並列信号処理機構が利用される故）。別の利点が示す事実としては、細胞膜と結合されたレセプタは、分析物を積載した後、細胞によって即座（元の記載の３頁１７行以下が続く）請求の範囲１．生物細胞、又は、分析物（２）内に含まれている化学的又は生命活動物質（３）の生理学的パラメータを、少なくとも１つの電気的又は電子的センサ（４）を用いて測定又は検査するための測定装置であって、前記電気的又は電子的センサ（４）は、評価装置と接続することができる測定出力側を有しており、その際、前記センサ（４）は、少なくとも１つの、基板（５）上に設けられた電気的又は電子的な測定構造体（６）を有しており、前記測定構造体（６）は、レセプタ細胞（７）及び／又はターゲット細胞と結合されており、該レセプタ細胞及び／又はターゲット細胞は、機能特有の、生物センサ（弁別器）として使用され、前記測定構造体（６）は、前記レセプタ細胞（７）及び／又はターゲット細胞と共にセンサを形成し、その際、前記レセプタ細胞（７）及び／又はターゲット細胞は、前記センサの内在成分であり、被検分析物（２）は、前記レセプタ細胞（７）及び／又はターゲット細胞と、該細胞の、前記測定構造体とは反対側で測定のために結合することができる測定装置において、レセプタ及び／又はターゲット細胞と測定構造体（６）との間に、微多孔性の、構造化された中間層（１３）が設けられており、該中間層は、レセプタ及び／又はターゲット細胞を付着用の隣接体として受容することを特徴とする測定装置。２．共通基板（５）上に、複数のセンサが、測定構造体（６）と共に、例えば、センサアレイ（２２）として配設されている請求の範囲第１項記載の測定装置。３．共通基板（５）上に、複数センサ（４）が、同一測定構造体（６）と共に、例えば、センサアレイ（２２）として配設されている請求の範囲第２項記載の測定装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ウルリヒジーベンドイツ連邦共和国Ｄ−79276 ロイテクローネンガッセ７ (72)発明者ヴェルナーバウマンドイツ連邦共和国Ｄ−77815 ビュール −アルトシュヴァイエルリートマッテンシュトラーセ 18

Claims

【特許請求の範囲】１．生物細胞、又は、分析物（２）内に含まれている化学的又は生命活動物質（３）の生理学的パラメータを、少なくとも１つの電気的又は電子的センサ（４）を用いて測定又は検査するための測定装置であって、前記電気的又は電子的センサ（４）は、評価装置と接続することができる測定出力側を有しており、その際、前記センサ（４）は、少なくとも１つの、基板（５）上に設けられた電気的又は電子的な測定構造体（６）を有している測定装置において、測定構造体（６）は、レセプタ細胞（７）及び／又はターゲット細胞と直接結合されており、該レセプタ細胞及び／又はターゲット細胞は、機能特有の、付着性又は付着されるものであって、生物センサ（弁別器）として使用され、前記測定構造体（６）は、前記レセプタ細胞（７）及び／又はターゲット細胞と共にセンサを形成し、前記レセプタ細胞（７）及び／又はターゲット細胞は、前記センサの内在成分であり、前記レセプタ細胞（７）と前記測定構造体（５）との間に、微多孔性の構造化された中間層（１３）が設けられており、該中間層は、前記ターゲット及び／又はレセプタ細胞を隣接体として受容し、被検分析物（２）は、前記レセプタ細胞（７）及び／又はターゲット細胞と、該細胞の、前記測定構造体とは反対側で測定のために結合することができることにあることを特徴とする測定装置。２．共通基板（５）上に、複数のセンサが、測定構造体（６）と共に、例えば、センサアレイ（２２）として配設されている請求の範囲第１項記載の測定装置。３．共通基板（５）上に、複数センサ（４）が、同一測定構造体（６）と共に、例えば、センサアレイ（２２）として配設されている請求の範囲第２項記載の測定装置。４．共通基板（５）上に、複数センサ（４）が、種々異なる測定構造体（６）と共に、例えば、センサアレイ（２２）として配設されている請求の範囲第２項又は第３項記載の測定装置。５．共通基板（５）上に、細胞に付着した複数の測定構造体（６）と細胞に付着されていない付加的な測定構造体とが設けられている請求の範囲第２項〜第４項迄の何れか１項記載の測定装置。６．共通基板（５）上に配設されたセンサ（４）の測定出力側は、例えば、前記基板（５）上に集積化されて配設された制御及び評価装置と接続されている請求の範囲第１項〜第５項迄の何れか１項記載の測定装置。７．基板（５）上に、センサアレイ（２２）と共に、制御及び評価装置として、マルチプレクサ（２３）、センサ制御部を有するＡＤ／ＤＡ変換器（２４）、マイクロプロセッサ（２６）並びに１０ユニット（２５）が配設されている請求の範囲第６項記載の測定装置。８．測定構造体（６）を有する基板（５）上に、測定領域内又はこの測定領域に隣接して、少なくとも１つの、レセプタ又はターゲット細胞用の刺激電極及び／又は基準電極が配設されている請求の範囲第１項〜第７項迄の何れか１項記載の測定装置。９．基板（５）が半導体基板であり、測定構造体として、少なくとも１つの電界効果トランジスタ、例えば、ＩＳＦＥＴ（１１）が設けられており、そのゲート（１２）がレセプタ又はターゲット細胞と接触するために開けられている請求の範囲第１項〜第８項迄の何れか１項記載の測定装置。１０．測定構造体（６）として、少なくとも１つのインターディジタルコンデンサ（９）が設けられており、このインターディジタルコンデンサは、有利には、相互に嵌合し合った対状の電極（１０）を有している請求の範囲第１項〜第９項迄の何れか１項記載の測定装置。１１．複数の、有利には種々異なる大きさのインターディジタルコンデンサ（９）が設けられている請求の範囲第１０項記載の測定装置。１２．インターディジタルコンデンサ（９）の電極（１０）の少なくとも１つの絶縁された中間空間内に、電気化学的感度層が設けられている請求の範囲第１項又は第１０記載の測定装置。１３．インターディジタルコンデンサ（９）の電極（１０）間に光導体が設けられており、それぞれの光導体を通過する光の記録及び証明のために、光検出器が基板（５）内に配設されている請求の範囲第１０項〜第１２項迄の何れか１項記載の測定装置。１４．基板（５）内に、ＣＣＤ−センサが、例えば、ＣＣＤ−列又はＣＣＤ− アレイの形式で集積化されている請求の範囲第１項〜第１３項迄の何れか１項記載の測定装置。１５．測定構造体（６）を有する基板（５）上に、測定のために設けられている基板領域の外側に、少なくとも１つの基準素子（２０）を測定構造体（６）と同一又は類似の構造で配設し、例えば、電界効果トランジスタの場合、測定構造体として、ゲート付の電界効果トランジスタが設けられている請求の範囲第１項〜第１４項迄の何れか１項記載の測定装置。１６．測定構造体（６）を有する基板（５）上に、少なくとも１つの温度測定センサ（２１）、例えば、温度測定ダイオードが配設されている請求の範囲第１項〜第１５項迄の何れか１項記載の測定装置。１７．レセプタ細胞（７）は、ゲル構造体（１５）内に配設されているか、又は、これによって覆われている請求の範囲第１項〜第１６項迄の何れか１項記載の測定装置。１８．電気又は電子測定構造体（６）は、検査すべき媒体用の収容容器の壁（１６）の部分である請求の範囲第１項〜第１７項迄の何れか１項記載の測定装置。１９．測定構造体（６）は、収容容器（１７）の底に設けられており、側壁は、測定構造体（６）の測定領域を囲む被覆を形成することによって、側方の境界部として構成されている請求の範囲第１８項記載の測定装置。２０．複数の測定構造体（６）が有利には並列して配設されている請求の範囲第１項〜第１９項迄の何れか１項記載の測定装置。２１．電気制御箇所及び／又は構造体化された中間層（１３）が、種々異なる特性の少なくとも２つの測定構造体（６）を有している請求の範囲第１項〜第２０項迄の何れか１項記載の測定装置。