2021 Fiscal Year Annual Research 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 |
最終年度は、CMOS集積回路設計・細胞実験・理論構築の全てにおいて研究を推進した。まずCMOS集積回路設計では、CMOSチップ内の配線とチップ上の溶液の間で生じる寄生容量を低減するための配線上下へのシールド層の追加などの変更を加え、高周波数帯でより良好な細胞シグナルを得られるよう工夫した。また10MHz帯での使用に耐えうる設計仕様のTransimpedance Amplifierとミキサー回路を設計試作した。細胞実験においては、細胞への毒性が低いと考えられる封止材への変更に加え、細胞培養用ペトリディッシュを切り出してチップ上に配置することで、実際の細胞培養においての操作性を向上させた。理論構築においては、微小電極が細胞直下に位置する際の細胞基板間でのインピーダンスを理論式として導出し、それを用いた等価回路モデルに基づく実験データ予測モデルを構築した。
本研究の期間全体を通して次の技術要素が開発された: (a) 細胞実験者が広く一般に使用するペトリディッシュと同等の操作性をもつ細胞培養基板、(b) 細胞インピーダンス測定のため培養基板底面に埋設したCMOS集積回路チップ、(c) CMOSチップ上に集積された一辺50um, 10um, 4umのランダムアクセス可能な256個の微小電極アレイ、(d) インピーダンス測定をオンチップで行うための測定用CMOS集積回路、(e) 単一細胞を微小電極によりインピーダンス測定した際の結果を予測するためのコンピューターシミュレーション手法、(f) シミュレーション結果と良く一致し実験結果とのフィッティングにより細胞の特徴を抽出することを可能とする理論式と等価回路モデル。以上の要素技術を基礎として、単一細胞を非侵襲リアルタイムで計測することにより、細胞を用いた実験が必要とされるあらゆる分野においての新たな知見へとつながる事が期待される。
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