2019 Fiscal Year Research-status Report
CMOSインピーダンスセンサーアレイによる単一細胞の非標識非侵襲計測技術の研究
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19K04539
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| Research Institution | Ritsumeikan University |
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Principal Investigator |
宇野 重康 立命館大学, 理工学部, 教授 (40420369)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | インピーダンス / 細胞 / CMOS / 集積回路 / 電気化学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は主に、本研究の最終目標である生きた細胞の生理状態を非侵襲的に計測し可視化するうえで不可欠となる、CMOS集積回路チップ上センサー電極の試作と、その電極を用いた細胞計測のコンピューターシミュレーションに取り組んだ。センサー電極の試作では、CMOS集積回路チップの標準プロセスに含まれる配線用金属層のうち最上層のものを用い、チップ表面被膜酸化シリコンの開口により電極サイズを定義する。この金属層は主にアルミニウム等の電気化学的に不安定な元素で作製されており、そのままでは溶液中での測定に適さないため、無電解メッキ加工により表面に稠密な金薄膜を成膜することでセンサーとして機能するようにした。このような電極を一辺50um, 10um, 4umの正方形で作製し、チップ上での電気化学インピーダンス測定が安定的に行えることを確認した。また、上記電極を16×16=256個のアレイ状に配置し、デジタル回路によって任意の単一電極を選択して電気化学測定が行えるようにした。これにより、256ピクセルでのインピーダンスマッピング（画像化）が可能になった。次に、このような電極を用いて実際に生きた細胞を測定した時のインピーダンス周波数依存性をコンピューターシミュレーションにより明らかにした。有限要素法に基づくマルチフィジクス計算プログラムを用い、微小な電極上に細胞が接着した際の3次元モデルを構築し、この構造に基づいて電気化学インピーダンスを様々な周波数で計算することができる。このような計算手法により、細胞に比べて大きなサイズの電極上でランダムに複数の細胞が接着したときのインピーダンス値の挙動や、細胞に比べて小さなサイズの電極での単一細胞のインピーダンス計測をコンピューターシミュレーションにより再現した。これは実際の測定におけるデータ解析に生かすことができる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究において最も重要な要素である、CMOS集積回路チップ上での微小電極の試作およびそれを用いた電気化学インピーダンス測定に成功している。また、電極をアレイ状に配置してランダムアクセスを可能にすることで、インピーダンス値のマッピングによる2次元画像化を達成している。さらに、実際にそのような電極で細胞を計測した際のインピーダンスの挙動を現実的な3次元構造モデルに基づいてコンピューターシミュレーションすることができており、計測における要素技術が確実に積みあがっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は次の課題に取り組む: (a) 開発されたCMOSインピーダンス測定チップ上で実際に細胞を長期間培養することを可能にする。チップ上での培養と安定的な基板接着を可能にするため、センサーチップおよび封止材料の細胞毒性の調査や、チップ表面のコーティングに取り組む。(b) チップ内およびチップ外配線による寄生容量の影響を低減するための電流増幅回路やインピーダンス測定回路を設計試作し、CMOSセンサーチップ内に集積する。低ノイズで高周波数（10MHz程度）まで動作可能なTrans-impedance amplifierや検波回路を検討する。(c) 既に測定実績のあるRBL-2H3などの免疫細胞の抗原抗体反応を本センサーチップで計測する。(d) その他さまざまな細胞へ応用を拡大する。
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| Causes of Carryover |
電気化学測定で用いる試薬の価格に見積額と実支出額の差が生じた。差額は翌年度分として請求した試薬費用に合わせて実験で使用する試薬の購入に充てる。
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