JP2018146308A - Detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検出対象を検出する検出装置に関する。 The present invention relates to a detection device that detects a detection target.
生体模倣のセンシングシステムは、嗅覚センサや味覚センサに適用可能であり、補綴器官、ロボットの検知系、センサネットなどへの応用が期待されている。センシングシステムとは、分子を検出するセンサ群と、センサ群の出力を所望の機能に活用できるように加工、出力する情報処理系と、をあわせた系を指す。生体の匂いセンシング方式の特徴の1つは、広い範囲の分子種に感度を持つセンサ素子が複数種用意されることで、少ないセンサ種数で非常に広い範囲の分子種を網羅的に検知する点である。これらの検知された情報は所望のデータへ変換されて活用される。データ変換の方法は複雑であるが、後発の学習により、環境に柔軟に対応可能である。これらの特徴により、先天的に決められたターゲットの分子のみ検出できるセンシング構成ではなく、後発学習でターゲットの分子を検知することが可能である。 Biomimetic sensing systems can be applied to olfactory sensors and taste sensors, and are expected to be applied to prosthetic organs, robot detection systems, sensor networks, and the like. The sensing system refers to a system that combines a sensor group that detects molecules and an information processing system that processes and outputs the sensor group so that the output of the sensor group can be used for a desired function. One of the characteristics of the odor sensing method of a living body is that a plurality of sensor elements having sensitivity to a wide range of molecular species are prepared, so that a very wide range of molecular species can be comprehensively detected with a small number of sensor types. Is a point. The detected information is converted into desired data and utilized. Although the method of data conversion is complex, it can be flexibly adapted to the environment through later learning. Due to these characteristics, it is possible to detect the target molecule by the later learning, not the sensing configuration capable of detecting only the target molecule determined innately.
複数のセンサから得られる出力から識別情報を得る方法としては、たとえば、特許文献1がある。特許文献1のパターン認識装置は、識別対象の入力パターンを所定ビット長の時系列データに変換する変換手段と、前記入力パターンの時系列データと参照パターンの所定ビット長の時系列データとの間で比較演算を行って、該入力パターンについての識別結果信号を出力する識別手段と、前記識別結果信号に基づき前記入力パターンの時系列データと該入力パターンに最も近似する参照パターンの時系列データとの間で演算を行って該参照パターンの時系列データを更新する学習手段とを具備する。
As a method of obtaining identification information from outputs obtained from a plurality of sensors, for example, there is
また、センサデバイスは、たとえば、特許文献2のような既存の半導体プレナプロセスを適用することができる。特許文献2の半導体記憶装置は、半導体基板上に形成されたトランジスタと前記トランジスタのソース・ドレイン端子間に接続された電圧印加によって抵抗値が変化する可変抵抗素子とを備えてなるメモリセルを縦方向、さらにアレイ状に複数個配置して3次元的にメモリセルアレイを構成する。特許文献2の半導体記憶装置は、スイッチングトランジスタの内部を可変抵抗素子、特に相変化材料で充填した2重チャネル構造としたメモリセル構造を特徴とする。特許文献2の半導体記憶装置は、電圧を印加し、スイッチングトランジスタをオフにしチャネル抵抗を上げ、内部の相変化材料側に電流を通しメモリ動作させる。また、非特許文献1は、BioFETを開示する。
Moreover, the existing semiconductor planar process like
センサアレイを用いたセンシングシステムを構築する場合、識別のための分析を行う部分(以降、分析部と呼ぶ)には、データ変換のための写像関数が実装される。実装の際には、入力の素性、すなわちピクセル毎のセンサの種類が既知である必要がある。センサアレイへの細胞固定はセンシングシステムの構成後に行われる。これは細胞の固定が電解質中で行われること、固定後も電解質を満たしておかなければならないこと、また細胞が生体であり、生存環境を保持したままセンシングシステムを構成することが困難であることに由来する。この条件下においては、ピクセル毎のセンサの種類の割り当てが分析部に写像関数を実装する時点で予め決定されているため、センサアレイ作成時には正確に細胞種を所望のピクセルに固定する必要がある。これは現状の技術では極めて困難である。 When constructing a sensing system using a sensor array, a mapping function for data conversion is implemented in a part that performs analysis for identification (hereinafter referred to as an analysis unit). At the time of implementation, it is necessary to know the input feature, that is, the type of sensor for each pixel. Cell fixation to the sensor array is performed after the sensing system is configured. This is because cells must be fixed in the electrolyte, the electrolyte must be filled after fixation, and the cells are living and it is difficult to construct a sensing system while maintaining a living environment. Derived from. Under these conditions, since the assignment of the sensor type for each pixel is determined in advance when the mapping function is implemented in the analysis unit, it is necessary to accurately fix the cell type to a desired pixel when creating the sensor array. . This is extremely difficult with current technology.
本発明は、センサとして固定する細胞種の位置制御を不要にすることを目的とする。 An object of the present invention is to make it unnecessary to control the position of a cell type fixed as a sensor.
本願において開示される発明の一側面となる検出装置は、それぞれ特定の受容体を発現させた複数種の細胞が配置可能な配置領域と、分子が前記特定の受容体に捕捉された場合に前記細胞から得られる検出信号を前記配置領域での前記細胞の配列順に出力する信号処理部と、を有する検出部と、前記複数種の細胞を包含する複数種の参照分子を、前記複数種の細胞が前記配置領域に配置されたセンサアレイ上に導入するように制御する導入部と、前記各参照分子について、前記参照分子が前記特定の受容体に捕捉された場合に前記複数種の細胞から得られる第1検出信号列を前記細胞ごとに記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記第1検出信号列と、前記導入部によって前記複数種の参照分子がそれぞれ前記センサアレイ上に導入された結果前記検出部から前記参照分子ごとに出力される前記配置領域の各配置位置に応じた第2検出信号列と、に基づいて、前記細胞の前記センサアレイ上の配置位置および種類を同定する学習部と、を有することを特徴とする。 The detection device according to one aspect of the invention disclosed in the present application includes an arrangement region in which a plurality of types of cells each expressing a specific receptor can be arranged, and when a molecule is captured by the specific receptor, A signal processing unit that outputs detection signals obtained from the cells in the arrangement order of the cells in the arrangement region, and a plurality of types of reference molecules including the plurality of types of cells, the plurality of types of cells. Obtained from the plurality of types of cells when the reference molecule is captured by the specific receptor for each reference molecule, and an introduction part that controls the introduction to a sensor array arranged in the arrangement region. The first detection signal sequence stored for each cell, the first detection signal sequence stored in the storage unit, and the introduction unit introduces the plurality of types of reference molecules onto the sensor array. The As a result, the arrangement position and type of the cell on the sensor array are identified based on the second detection signal sequence corresponding to each arrangement position of the arrangement region output for each reference molecule from the detection unit. And a learning unit.
本発明の代表的な実施の形態によれば、センサとして固定する細胞種の位置制御を不要にすることができる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。 According to a typical embodiment of the present invention, position control of a cell type to be fixed as a sensor can be made unnecessary. Problems, configurations, and effects other than those described above will become apparent from the description of the following embodiments.
本実施例の検出装置は、ある1つの分子にターゲットを絞ってその匂いや味を検出するのではなく、どのような匂いまたは味がするのかわからない検出対象について、様々な種類の分子を検出可能な複数種のセンサを用意し、各センサの検出結果を網羅的に判断して、検出対象がどのような匂いまたは味をするのか、すなわち、検出対象はどのような分子で構成されているのかを検出する。 The detection device of the present embodiment does not focus on a single molecule and detects its odor or taste, but can detect various types of molecules for a detection target that does not know what odor or taste it is. Multiple types of sensors are prepared, and the detection results of each sensor are comprehensively determined, what kind of smell or taste the detection target has, that is, what kind of molecules the detection target is composed of Is detected.
<検出装置の構成例>
図1は、本実施例にかかる検出装置の構成例を示す説明図である。(A)は、各種分子の信号感度特性を示すグラフ10であり、(B)は、本実施例にかかる検出装置100の構成例を示すブロック図である。(A)のグラフ10の横軸は、分子の種類、すなわち、分子量であり、縦軸は、イオンの濃度変化やイオンの流量などに対応する信号感度である。scA〜scZは、それぞれ、細胞A〜細胞Zの感度特性である。細胞A〜細胞Zの各々の感度特性scA〜scZは、分子量が近い他の細胞の感度特性と輻輳する。細胞A〜細胞Zのうち最も分子量が小さい分子を示す細胞Aから最も分子量が大きい分子を示す細胞Zまでの範囲が、(B)の検出装置100が検出可能な分子の種類である。この範囲をウィンドウと称す。ウィンドウの範囲は、天然または人工を問わず、自然界に存在する全分子の範囲としてもよく、特定の分子量の範囲に絞り込んでもよい。
<Configuration example of detection device>
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a configuration example of the detection apparatus according to the present embodiment. (A) is the
(B)において、生体と同様の匂いまたは味のセンシングを実現するため、検出装置100は、それぞれ特定の受容体を発現させた複数種の細胞A,B,C,D,…,Zを分子センサとして準備し、かつ、当該分子センサをアレイ上に散布したセンサアレイ110を有する。各分子センサ種、即ち細胞種は、たとえば、それぞれウィンドウ範囲内の分子種を検出する。当該分子種は、参照分子または検出対象分子としてピクセルアレイPAに与えられる。ピクセルアレイPAは、細胞が配置されていないマトリクス状のピクセル群であり、細胞がピクセルP(i,j)に固定されたピクセルアレイPAが、センサアレイ110である。
In (B), in order to realize odor or taste sensing similar to that of a living body, the
なお、受容体とは、細胞表面または細胞内部に存在し、かつ、細胞外の特定の物質と特異的に結合することにより、細胞の機能に影響を与える物質である。たとえば、嗅覚受容体は、嗅神経細胞に存在し、匂い分子の構造に結合する。たとえば、ショウジョウバエの嗅覚受容体Or13aは、匂い分子2,3−butanediolや1−hexen−3−olの構造に結合する。
The receptor is a substance that exists on the cell surface or inside the cell and affects the function of the cell by specifically binding to a specific substance outside the cell. For example, olfactory receptors are present in olfactory neurons and bind to the structure of odor molecules. For example, the Drosophila olfactory receptor Or13a binds to the structure of the
(A)に示したように、検出可能なウィンドウ範囲の分子種の感度特性は輻輳するため、センサアレイ110は、ウィンドウ範囲内の分子種を網羅的に検出することができる。検出可能な分子の種類は、発現させる受容体に依存する。ある種の受容体を発現した細胞匂いて、対象となる分子種が当該細胞の受容体に捉えられると、細胞内外の間でイオン(Na+,k+,Ca2+など)の交換が生じる。検出装置100は、この現象を利用して、イオンの濃度変化やイオンの流れそのものを、電流、電位、蛍光などの手段を用いて検出する。
As shown in (A), since the sensitivity characteristics of the molecular species in the detectable window range are converging, the
(B)を用いて具体的に説明すると、(1)利用者は、それぞれ特定の受容体を発現させた複数種の細胞A,B,C,D,…,Zを分子センサとして準備し、かつ、当該分子センサをアレイ上に散布したセンサアレイ110を、センサデバイス101上に構成する。(2)学習部103は、導入部102に学習指示を出力する。(3)導入部102は、(2)学習指示を受け付けると、参照分子となる教師信号ts1,ts2,ts3、…をセンサアレイ110上に順次導入する。これにより、参照分子が、センサアレイ110上の細胞で発現した受容体に結合する。
Specifically, using (B), (1) a user prepares a plurality of types of cells A, B, C, D,..., Z each expressing a specific receptor as a molecular sensor, And the
(4)センサデバイス101は、センサアレイ110からの検出信号を学習部103に出力する。検出信号は、参照分子が受容体に結合したことにより生じるイオン交換現象に応じた電流、電位、蛍光などの信号である。これにより、学習部103は、センサアレイ110の各ピクセル位置に配置された細胞の種類を特定する。
(4) The
(5)検出対象分子がセンサアレイ110に導入される。これにより、検出対象分子が、センサアレイ110上の細胞で発現した受容体に結合する。(6)検出部であるセンサデバイス101は、検出信号を分析部104に出力する。この検出信号は、分析対象分子が受容体に結合したことにより生じるイオン交換現象に応じた電流、電位、蛍光などの信号である。(7)分析部は、学習部103の学習結果を用いて検出信号を分析し、検出対象分子を構成する細胞を特定し、分析結果として出力する。
(5) A molecule to be detected is introduced into the
このようにして、検出装置100は、どのような匂いまたは味がするのかわからない検出対象分子について、センサアレイ110からの検出結果を網羅的に判断して、検出対象分子がどのような匂いまたは味をするのか、すなわち、検出対象はどのような分子で構成されているのかを検出することができる。
In this way, the
また、ピクセルアレイPAに固定する細胞種(受容体種)の位置、数の制御が不要となる。そのため、センサアレイ110の作成プロセスの作製工程数、作製技術の開発負担を低減し、作製コストの低減を図ることができる。さらに細胞の入れ替えにも対応でき、検出装置100の長寿命化にも貢献することができる。
Further, it is not necessary to control the position and number of cell types (receptor types) fixed to the pixel array PA. Therefore, the number of manufacturing steps of the manufacturing process of the
<分析部104の分析タスク例>
図2は、分析部104の分析タスク例を示す説明図である。分析部104における分析の前提として、センサアレイ110の各ピクセル位置にどの細胞が配置されているかが定まっており、それを分析部104が把握している必要がある。すなわち、センサデバイス101からの各ピクセルP(i,j)の検出信号列の順番が、分析部104が把握している細胞の順序と一致する必要がある。以下に示す分析タスク例(A)〜(C)のうち、(A)および(B)は、学習部103がない検出装置100による分析タスク例であり、(C)は、学習部103を有する検出装置100による分析タスク例である。図2の例では3種の分子種(○、△、+で表記)が識別できた例を示す。なお、(A)〜(C)の各々において、○、△、+の総数は、分析の試行回数であり、分析対象分子の導入回数となる。
<Example of analysis task of
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating an example of an analysis task of the
写像関数200は、たとえば、図1の(A)に示した各種分子の感度特性scA〜scZを示すグラフ10を表現する式である。細胞ごとの信号感度を写像関数200に与えることにより、分子の分子量が一意に特定される。写像関数200は、各ピクセルに配置される細胞種を想定して配置前に設定される。また、解空間の軸の数は、ウィンドウ内の細胞の個数に対応する。
The
(A)は、N個の細胞が配置されるべき位置であるピクセルP(i,j)を分析部104が把握し、かつ、N個の細胞が分析部104が把握する位置に配置された場合の分析タスク例である。すなわち、完全位置制御された分析タスク例である。この場合、N個の細胞Sensor1〜Nからの検出信号列がセンサデバイス101から分析部104に入力された場合、分析部104は、分析部104に実装された写像関数200を介して解空間に写像する。最適な写像関数200を設定することにより、複数の分子種に対応するデータ群は分離し、識別が可能となる。
In (A), the pixel P (i, j), which is the position where N cells are to be placed, is grasped by the
(B)は、N個の細胞が配置されるべきピクセル位置を分析部104が把握しているが、N個の細胞が分析部104が把握する位置に配置されなかった場合の分析タスク例である。(B)では、細胞Sensor1が配置されるべきセンサアレイ110のピクセル位置に細胞Sensor3が配置され、細胞Sensor3が配置されるべきセンサアレイ110のピクセル位置に細胞Sensor1が配置された位置制御の失敗例である。この場合、分析部104は、細胞Sensor1からの検出信号を代入すべき写像関数200の変数に細胞Sensor3からの検出信号を代入し、細胞Sensor3からの検出信号を代入すべき写像関数200の変数に細胞Sensor1からの検出信号を代入してしまう。これにより、解空間に写像されたデータ群は、(A)の場合に比べうまく分離できない事態が発生する。
(B) is an example of an analysis task when the
(C)は、N個の細胞が配置された位置であるピクセルP(i,j)を分析部104が動的に把握する分析タスク例である。すなわち、検出装置100は、学習部103により、どのピクセルP(i,j)にどの細胞が配置されたかを学習し、学習結果に応じて、センサアレイ110からの検出信号列の配列を変更することで、(A)と同様、完全位置制御された場合の識別データが得られる。細胞をあらかじめ定めた位置に配置することは困難であるため、学習部103によりどの細胞がどのピクセル位置に配置されたかを学習することにより、センサアレイ110の構築容易性の向上と分析精度の向上とを図ることができる。
(C) is an example of an analysis task in which the
<センサデバイス101の構造例>
図3は、センサデバイス101の構造例を示す説明図である。(A)は、ピクセルアレイPAを有するセンサデバイス101を示し、(B)は、ピクセルアレイPAの中の任意のピクセルP(i,j)を示す。iは、ピクセルアレイPAの行方向を示すインデックスであり、jは、ピクセルアレイPAの列方向を示すインデックスである。図3では、例として、6行7列のピクセルアレイPAが構成されている。
<Structural example of
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a structural example of the
センサデバイス101は、第1基板301と、第1基板301に積層された第2基板302と、を有する。第1基板301は、シリコンやガラス、またはサファイヤに代表される半導体または絶縁基板である。第2基板302は、FET(Field Effect Transistor)センサやCMOS(Complementary MOS)センサといった信号処理部が作りこまれた絶縁基板である。また、第2基板302は、マトリクス状に配置された複数のピクセルP(i,j)の集合であるピクセルアレイPAを表面(基板面)302aに有する。ピクセルアレイPAは、細胞の配置領域となる。各ピクセルは、細胞の配置位置であり、開口した開口穴H(i,j)を有する。H(i,j)の穴径は、たとえば、数十マイクロメートルに調整され、細胞が1個から数個まで固定される。図3では固定された細胞は描いていない。実際の使用時には図3のセンサデバイス101上には電解液が充填されており、センサとなる細胞は生体環境に近い状態で固定される。
The
開口穴H(i,j)に固定される細胞は事前に特定の受容体を発現させた細胞である。ある種の受容体を発現した細胞では、対象となる分子種が受容体に捉えられると、細胞内外の間でイオン交換(Na+,k+,Ca2+など)が発生する。検出装置100は、この現象を利用してイオンの濃度変化、イオンの流れそのものを、電流、電位、蛍光などの手段を用いて検出する。このため、複数種の細胞を準備してセンサデバイス101上に散布することで、各細胞が開口穴H(i,j)に固定配置される。第2基板302の表面302aの処理方法や細胞の散布方法により、固定の位置制御精度は大きく変動するが、後述するとおり、学習部103により、センサデバイス101への細胞頒布の際の位置制御は不要となる。
A cell fixed in the opening hole H (i, j) is a cell in which a specific receptor is expressed in advance. In a cell expressing a certain type of receptor, when the target molecular species is captured by the receptor, ion exchange (Na + , k + , Ca 2+, etc.) occurs between the inside and outside of the cell. Using this phenomenon, the
図4は、センサデバイス101の具体的な構成例を示す説明図である。第2基板302上に箱型形状のチャンバ400が設けられる。チャンバ400の開口401の開口縁401aが第2基板302の表面302aにセンサアレイ110を覆うように結合される。チャンバ400の開口401の底面406には励起光源407が設けられる。励起光源407は、センサアレイ110に励起光を照射する。チャンバ400内は、電解質溶液で充填される。チャンバ400の第1側面402および第1側面402と反対側の第2側面403には、それぞれ、開口縁401aにわたって第1開口孔404および第2開口孔405が設けられる。第1開口孔404は、センサアレイ110に固定させる細胞や参照分子、検出対象分子をチャンバ400内に流入させるマイクロ流路である。第2開口孔405は、チャンバ400内の溶液を排出するマイクロ流路である。第2開口孔405は、センサアレイ110を構成する細胞が劣化した場合、劣化した細胞をチャンバ400内から除去して排出する。
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a specific configuration example of the
図5は、センサデバイス101の側断面図1である。(A)は説明を簡素化するため、隣接3ピクセルP(i−1,j),P(i,j),P(i+1,j)分の側断面を示す。(B)は、各ピクセルP(i−1,j),P(i,j),P(i+1,j)のFETセンサ503の等価回路である。(A)において、センサアレイ110が構成されている第2基板302上には、電解質溶液500が充填されている。各ピクセルP(i,j)の開口穴H(i,j)には、細胞A〜Cが固定される。細胞A〜Cの各表面には、受容体RA〜RCが発現している。第2基板302内において、各ピクセルP(i,j)の開口穴H(i,j)の周囲には、配線層501と、半導体層502と、一対の電界効果トランジスタ(FET)503a,503bで構成されるFETセンサ503と、が構成される。図5では、例としてFETセンサ503を挙げたが、電流、電位、蛍光を検知できるセンサであれば、CMOSセンサやCCDセンサでもよい。
FIG. 5 is a side
各FETセンサ503は、細胞A〜Cの周囲の電流、電位、蛍光の変化を読み取る。たとえば、受容体を発現した細胞において、対象となる分子種が当該細胞の受容体に捉えられると、細胞内外の間でイオン(Na+,k+,Ca2+など)の交換が生じる。センサデバイス101110の上方の励起光源407からセンサアレイ110に向けて励起光ELが照射されると、細胞A〜C内の蛍光物質である上記イオンを励起することで蛍光FLが誘起され、ソースS、ドレインD間のチャネルにソースS・ドレインD間電流が流れる。ソースS・ドレインD間電流はゲート電極Gから読み出される。これにより、FETセンサ503は、この蛍光の変化を検出する。
Each
なお、FETセンサ503を表面302aに対し平行に、すなわちソースS・ドレインD間電流の流れる方向dが表面302aに対し平行になるようにセンサデバイス101を作成した場合、励起光ELが直接FETセンサ503に入射する。したがって、FETセンサ503は、本来検出すべきではない励起光ELを検出してしまう。これに対し、図5の構成では、本実施例では、FET503a,503bのソースS・ドレインD間電流の流れる方向dが第2基板302の表面302aに対し垂直である。方向dは励起光ELの入射方向となる。このようなデバイス構成にした場合、特に蛍光変化の読み取りの際に利点がある。
When the
具体的には、励起光ELはFETセンサ503とは関係のないFETセンサ503よりも表面302a側の半導体層502で殆ど吸収されてしまう。このため、FETセンサ503が励起光ELを検出してしまうリスクは格段に低減する。すなわち、FETセンサ503では専ら蛍光FLが検出できるようになる。さらに、たとえば、ピクセルP(i,j)におけるFETセンサ503のゲート電極Gを励起光ELおよび蛍光FLに対して不透明な金属層とすれば、近隣のピクセルP(i−1,j),P(i+1,j)から漏れる蛍光FLの影響も低減することができ、ピクセルP(i,j),P(i−1,j)間およびピクセルP(i,j),P(i+1,j)間のクロストークを抑制することができる。
Specifically, the excitation light EL is almost absorbed by the
なお、図5に示した構成では、センサアレイ110上方から励起光ELを照射する構成について説明したが、センサアレイ110下方、すなわち、第1基板301側に配置された励起光源407から励起光ELを照射する構成としてもよい。
In the configuration illustrated in FIG. 5, the configuration in which the excitation light EL is irradiated from above the
図6は、センサデバイス101の側断面図2である。(A)は説明を簡素化するため、3ピクセルP(i−1,j),P(i,j),P(i+1,j)分の側断面を示す。(B)は、各ピクセルのFETセンサ503(片側のみ)の等価回路である。図6では、表面302aに垂直なソースS・ドレインD間電流の方向dに直列にFETを2段構成したFETセンサ503を有するセンサデバイス101を示す。FETを2段構成とすることにより、励起光EL1は、表面302a側である上段のFET503a1に入射されるが、FET503a1で吸収されるため、FET503a1を透過する励起光EL2は励起光EL1よりも弱められる。したがって、下段のFET503a2は、蛍光FLを検出し、励起光EL2を検出しにくくなる。これにより、蛍光FLの検出精度の向上を図ることができる。
FIG. 6 is a side
また、ゲート電極G1,G2は、各々独立に制御可能である。たとえば、励起光EL1の入射側である上段のFET503a1のゲート電極G1を開いてオン状態に制御することで、励起光EL1の影響を排除することが可能となる。具体的には、たとえば、(B)において、上方から入射する励起光EL1は第2基板302内で吸収されるため、その強度は指数関数的に減少していく。
The gate electrodes G1 and G2 can be controlled independently. For example, the influence of the excitation light EL1 can be eliminated by opening and controlling the gate electrode G1 of the upper FET 503a1 on the incident side of the excitation light EL1 to the on state. Specifically, for example, in (B), since the excitation light EL1 incident from above is absorbed in the
上段のFET503a1は、励起光源407から最も近いFETであるため、入射する励起光EL1の強度が強く、本来検出したい蛍光FLを検出するのは難しい。下段のFET503a2では、励起光EL2の強度が十分弱まるため、本来検出したい蛍光FLを検出することができる。このような場合、ゲート電極G1を開いてFET503a1をオン状態にし、ゲート電極G2を閉じてFET503a2をオフ状態にする。FET503a1のソースS1−ドレインD1間抵抗値はゲート電極G1で決まる値となり、かつ、FET503a2のソースS2−ドレインD2間抵抗値に対し数桁低い値となる。FET503a2のソースS2−ドレインD2間抵抗値は、光電効果により、入射光強度に応じた値、今回の場合は蛍光強度に応じた値となる。
Since the upper FET 503a1 is the closest FET to the
FET503a2のドレインD2から出力されるセンサ電流SIは、FET503a1,503a2の直列抵抗値に応じた値となるが、FET503a2の抵抗値が数桁高いため、蛍光に応じた値を出力する。励起光EL1の影響を十分に抑制するためには、FETの段数を3段以上に増やせばよいが、直列抵抗値が大きくなり、FETセンサ503の駆動電圧を引上げるので、最適化するように段数を選択すればよい。なお、段数が増加するほど、FETに近い細胞表面のイオンからの蛍光FLを検出しやすくなる。また、第2基板302を透明基板とした場合、第1基板301と接合する下面からの励起光EL2の照射も可能であるが、その場合は、上記説明を反転して解釈すればよい。
The sensor current SI output from the drain D2 of the FET 503a2 is a value corresponding to the series resistance value of the FETs 503a1 and 503a2, but since the resistance value of the FET 503a2 is several orders of magnitude higher, a value corresponding to the fluorescence is output. In order to sufficiently suppress the influence of the excitation light EL1, the number of FETs may be increased to three or more. However, since the series resistance value is increased and the driving voltage of the
図5および図6に示したFETは、非特許文献1に記載されているBioFETと等価な構造である。したがって、BioFETに参照電極を実装することにより、細胞のイオン交換にともなう電解質の電位変化を検出するセンサとしても機能させることができる。この場合、蛍光と電位変化の両方で細胞の反応を確認できるため、信頼性のあるセンサ出力を生成することが可能となる。なお、図5および図6の構造のセンサデバイス101は、既存の半導体プレナプロセスを適用することで実現可能である。
The FET shown in FIGS. 5 and 6 has a structure equivalent to the BioFET described in
<細胞の固定方法>
検出装置100で使用されるセンサアレイ110は、ピクセルP(i,j)毎に開口した開口穴H(i,j)に、それぞれ特定の受容体を発現させた細胞群を表面302a上に散布して、開口穴H(i,j)に固定されたマトリクス状のセンサ群である。細胞群の散布の方法として、ディスペンサを用いて各細胞の固定位置と個数を厳密に制御する方法があるが、ピクセル数と固定する細胞の種類が増えれば、その分工程が複雑になる。簡単かつ効率的な散布方法は、複数の種類の細胞を電解質溶液に播種して表面302a上に滴下し、細胞の開口穴H(i,j)への沈降を待った後、開口穴H(i,j)以外に表面302a上に分布する余分な細胞を洗い流す方法である。
<Cell fixation method>
In the
この散布方法の問題点は、細胞の種類や細胞の位置制御がなされないことであり、場合によっては開口穴H(i,j)に細胞が固定されないピクセルP(i,j)や、2個以上の細胞が固定されるピクセルP(i,j)が発生する。しかしながら、上述した学習部103によりセンサアレイ110上に固定配置された細胞の種類および位置を学習することで解消される。換言すれば、学習部103を備えることにより、細胞の種類や細胞の位置制御をする必要がなくなり、細胞を簡単かつ効率的に散布することができる。
The problem with this spraying method is that the type of cell and the position of the cell are not controlled. In some cases, the pixel P (i, j) in which the cell is not fixed in the opening hole H (i, j) or two A pixel P (i, j) to which the above cells are fixed is generated. However, the problem is solved by learning the type and position of the cells fixedly arranged on the
<検出装置100の詳細な構成例>
図7は、検出装置100の詳細な構成例を示すブロック図である。検出装置100は、センサデバイス101と、導入部102と、学習部103と、分析部104と、タイミングジェネレータ711と、スイッチ712と、を有する。センサデバイス101は、ピクセルアレイPAと、周辺回路701と、制御回路702と、を有する。ピクセルアレイPAは、マトリクス状のピクセルP(i,j)の集合であり、表面302a上に細胞群が散布され、開口穴H(i,j)に細胞が固定されることでセンサアレイ110となる。
<Detailed Configuration Example of
FIG. 7 is a block diagram illustrating a detailed configuration example of the
周辺回路701は、センサアレイ110から検出信号列を読み出す。具体的には、たとえば、ピクセルP(1,1)〜P(1,n)、P(2,1)〜P(2,n)、…、P(m,1)〜P(m,nの順に検出信号列を読み出す。制御回路702は、タイミングジェネレータ711からの指示により、周辺回路701から検出信号列を読み出し、読み出した検出信号列を、スイッチ712の接続先となる比較部または変換部743に出力する。
The
導入部102は、第1メモリ721と、第1制御部722と、バルブ/流量制御部723と、参照分子源MSと、バルブ群Vsと、を有する。第1メモリ721は、教師信号情報を記憶する。教師信号情報は、参照分子ごとに、参照分子に対応する電磁制御バルブの経時的な開閉情報と、各参照分子がウィンドウ内の各種細胞の受容体に結合した場合の信号感度を規定した信号感度情報と、を記憶する。経時的な開閉情報とは、ある参照分子の電磁制御バルブを開放する期間では、他の参照分子の電磁制御バルブは閉塞することを示す情報である。開放期間や閉塞期間はあらかじめ設定される。信号感度情報は、たとえば、図8に示したような参照分子と細胞との組み合わせにおける信号感度を示すテーブルである。
The
第1制御部722は、第1メモリ721から開閉情報を読み出し、教師信号(参照分子)の導入指示としてバルブ/流量制御部723に出力する。これにより、それぞれのタイミングで所望の教師信号(参照分子)、または、必要に応じて時系列変化を与えた教師信号をセンサデバイス101に導入することができ、その反応を検出することができる。また、第1制御部722は、第1メモリ721から信号感度を読み出し、比較部に出力する。また、参照分子を参照分子源MSに追加、変更、削除する場合、第1制御部722は、外部からの指示により、対応する教師信号情報を書き込んだり、削除したりする。
The
また、第1制御部722は、タイミングジェネレータ711を制御し、タイミング信号の生成を指示する。具体的には、たとえば、第1制御部722は、参照分子を教師信号として導入した場合に、タイミングジェネレータ711にタイミング信号の生成を指示する。また、第1制御部722は、FETセンサ503が有するFETのゲート電極のON・OFFを制御する。
In addition, the
バルブ/流量制御部723は、第1制御部722からの開閉情報により、開放すべき電磁制御バルブや閉塞すべき電磁制御バルブをバルブ群Vsから特定する。バルブ/流量制御部723は、特定した電磁制御バルブを、開閉情報に含まれる開閉時間分、開閉制御する。
The valve / flow
参照分子源MSは、複数種類の参照分子を収納する。バルブ群Vsは、参照分子源MSの参照分子に対応する電磁制御バルブの集合である。バルブ群Vsの各電磁制御バルブは、参照分子源MSの各参照分子をセンサデバイス101に導入するために、その間の配管の開閉を制御する。バルブからの配管は、センサデバイス101の第1開口孔404に接続される。
The reference molecule source MS stores a plurality of types of reference molecules. The valve group Vs is a set of electromagnetic control valves corresponding to the reference molecules of the reference molecule source MS. Each electromagnetic control valve of the valve group Vs controls the opening and closing of the piping between them in order to introduce each reference molecule of the reference molecule source MS into the
タイミングジェネレータ711は、第1制御部722からの指示によりタイミング信号を生成し、センサデバイス101の制御回路702に出力する。これにより、制御回路702は、周辺回路701を制御してセンサデバイス101の信号処理部から検出信号列を読み出し、スイッチ712を介して接続先となる比較部または変換部743に出力することができる。
The
スイッチ712は、センサデバイス101からの検出信号列の出力先を選択し、信号経路を切り替えて出力する。具体的には、たとえば、第1制御部722により参照分子が教師信号としてセンサデバイス101に導入される場合には、スイッチ712は、第1制御部722からの制御により出力先として比較部を選択する。一方、検出対象分子がセンサデバイス101に導入される場合、たとえば、第1制御部722により制御されていない場合には、スイッチ712は、出力先として変換部743を選択する。これにより、参照分子がセンサデバイス101に導入された場合の検出信号列は、比較部に出力され、検出対象分子がセンサデバイス101に導入された場合の検出信号列は、変換部743に出力される。
The
学習部103は、複数種の参照分子に対応する細胞ごとの第1検出信号列である信号感度情報と、導入部102によって複数種の参照分子がそれぞれセンサアレイ110上に導入された結果、センサデバイス101から参照分子ごとに出力されるピクセルアレイの各ピクセルに応じた第2検出信号列と、に基づいて、センサアレイ110上に配置された細胞のピクセルおよびその細胞の種類を同定する。
The
具体的には、たとえば、学習部103は、比較部730と、第2制御部741と、第2メモリ742と、を有する。第2制御部741および第2メモリ742は、分析部104と共有する。比較部730は、一時メモリ731を有する。比較部730は、第1制御部722からの信号感度情報を一時メモリ731に格納する。比較部730は、スイッチ712を介してセンサデバイス101から入力されてくる第2検出信号列を一時メモリ731に格納する。第2検出信号列は、参照分子ごとに格納される。比較部730は、参照分子ごとの第2検出信号列と、信号感度情報と、に基づいて、細胞のセンサアレイ110上の配置位置およびその細胞の種類を同定する。同定した細胞の配置位置および種類が学習結果となる。学習部103は、比較部730での学習結果を第2制御部741に出力する。
Specifically, for example, the
第2制御部741は、比較部730からの学習結果を第2メモリ742に格納する。第2メモリ742は、第2制御部741によって書き込まれた学習結果を格納する。ここで、学習部103による学習処理について具体的に例示する。
The
図8は、学習部103による学習処理の一例を示す説明図である。ここでは、説明を単純化するため、2行3列のセンサアレイ110を用い、図1(A)のウィンドウ内の細胞を細胞A〜Fとし、参照分子を参照分子a〜dとして説明する。また、信号感度の値は、説明をわかりやすくするための一例である。また、デフォルトとして、ピクセルP(1,1)〜P(2,3)には、細胞A〜Fが対応するものとする。
FIG. 8 is an explanatory diagram illustrating an example of learning processing by the
第1メモリ721には、信号感度情報801が格納されており、第1制御部722により、一時メモリ731に格納される。信号感度情報801は、参照分子が細胞A〜Fの各々で発現した受容体に結合された場合に検出済みの既知の信号感度を有する。たとえば、参照分子aが細胞Aで発現した受容体に結合された場合に検出された信号感度は「8」である。
また、センサデバイス101から出力される参照分子ごとの第2検出信号列は、データ集合802として第1メモリ721に格納される。比較部730は、信号感度情報801の縦の列(すなわち、細胞の列)と、データ集合802の縦の列(すなわち、ピクセルP(i,j)の列)と、を比較する。一致すれば、そのピクセルP(i,j)にその細胞が配置されていることになる。たとえば、信号感度情報801の細胞Aの列は、(8,4,0,0)であり、データ集合802のピクセルP(1,2)の列と一致する。したがって、ピクセルP(1,2)に配置された細胞は細胞Aであることが判明する。同様に、ピクセルP(1,1)に配置された細胞は細胞F、ピクセルP(1,3)に配置された細胞は細胞C(変更なし)、ピクセルP(2,1)に配置された細胞は細胞B、ピクセルP(2,2)に配置された細胞は細胞E、ピクセルP(2,3)に配置された細胞は細胞Dであることが判明する。このようにして、学習結果803が得られる。
The second detection signal sequence for each reference molecule output from the
図7に戻り、分析部104は、センサアレイ110上における複数種の細胞が配置されたピクセルに従って入力される検出部からの第3検出信号列を写像関数200で写像変換することにより、検出対象分子を分析する。
Returning to FIG. 7, the
具体的には、たとえば、分析部104は、変換部743と、第2制御部741と、第2メモリ742と、を有する。変換部743は、レジスタ744744を有する。変換部743は、スイッチ712を介してセンサデバイス101から出力される第3検出信号列をレジスタ744に格納する。変換部743は、第2制御部741を介して第2メモリ742から出力される学習結果をレジスタ744に格納する。変換部743は、学習結果803により、写像関数200に与える第3検出信号列の順序を入れ替える。これにより、変換部743は、順序が入れ替えられた第3検出信号列を写像関数200で写像変換することにより、検出対象分子を特定する識別データ(たとえば、分子量)を分析結果として出力する。
Specifically, for example, the
変換部743は、分析結果を、検出装置100が有する不図示の表示デバイスに表示してもよく、検出装置100に接続される他の装置に送信してもよい。ここで、分析部104による分析処理について具体的に例示する。
The
図9は、第2制御部741による割当設定処理の一例を示す説明図である。(A)は、学習結果前後における細胞とピクセルP(i,j)との対応関係を示す対応情報901であり、(B)は、写像関数200への学習結果前後の第3検出信号列(x1,x2,x3,x4,x5,x6)の代入例である。(B)の式中のA〜Fは、細胞A〜Fに固有な係数である。学習結果803を得る前は、検出信号x1はピクセルP(1,1)に対応し、検出信号x2はピクセルP(1,2)に対応し、検出信号x3はピクセルP(1,3)に対応し、検出信号x4はピクセルP(2,1)に対応し、検出信号x5はピクセルP(2,2)に対応し、検出信号x6はピクセルP(2,3)に対応するものとする。
FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating an example of assignment setting processing by the
学習結果803が得られたことで、各細胞A〜Fの配置位置が、対応情報901に示したように変更される。したがって、学習後では、センサデバイス101からの第3検出信号列(x1,x2,x3,x4,x5,x6)は、対応情報901にしたがって、レジスタ744において、(x6,x1,x3,x2,x5,x4)に入れ替わって、変換部743が有する写像関数200に代入される。これにより、図2の(C)に示したように、完全位置制御された場合の識別データが得られ、センサアレイ110の構築容易性の向上と分析精度の向上とを図ることができる。
By obtaining the
図10は、変換部743による検出対象分子の特定例を示す説明図である。図10では、便宜的に感度特性のグラフ10を用いて説明する。ここでは、第3検出信号列の検出信号としてsA,sB,sCが得られたものとする。検出信号sAは、細胞Aからの検出信号であり、検出信号sBは、細胞Bからの検出信号であり、検出信号sCは、細胞Cからの検出信号である。分析部104は、検出信号sA,sB,sCに対応する分子量mwを特定する。分子量mwは、学習後において写像関数200に検出信号sA,sB,sCを代入した結果得られる値であり、図2の識別データに対応する。
FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating a specific example of a molecule to be detected by the
<検出装置100による検出処理手順例>
図11は、検出装置100による検出処理手順例を示すフローチャートである。導入部102は、変数iをi=1に設定し(ステップS1101)、iがNTを超えたか否かを判断する(ステップS1102)。NTは、参照分子源MSにおける参照分子の数である。i>NTでない場合(ステップS1102:No)、導入部102は、第1制御部722により、i番目の教師信号の導入指示をバルブ/流量制御部723に出力する(ステップS1103)。これにより、i番目の教師信号である参照分子に対応する電磁制御バルブが開放され、センサアレイ110にi番目の参照分子が導入される。そして、導入部102は、変数iをインクリメントしてステップS1102に戻る。
<Example of Detection Processing Procedure by
FIG. 11 is a flowchart illustrating an exemplary detection processing procedure performed by the
一方、i>NTである場合(ステップS1102:Yes)、導入部102は、センサアレイ110からの第2検出信号列を比較部730の一時メモリ731に格納する(ステップS1105)。また、導入部102は、第1制御部722により信号感度情報801を比較部730の一時メモリ731に格納し、学習部103は、比較部730により、一時メモリ731に格納された第2検出信号列と信号感度情報801とを比較することで、図8に示したように、ピクセルP(i,j)ごとの細胞種を同定し(ステップS1106)、学習結果803として第2メモリ742に格納する。
On the other hand, if i> NT (step S1102: Yes), the
そして、第2制御部741は、図9に示したように、学習結果803を用いて、センサデバイス101から出力されてくる第3検出信号列の写像関数200への割当を設定する(ステップS1107)。そして、分析部104は、変換部743により、第3検出信号列を割当設定(ステップS1107)に応じて順序を変更し、写像関数200に代入することで、分析結果を出力する(ステップS1108)。これにより、一連の処理が終了する。
Then, as illustrated in FIG. 9, the
<学習部103および分析部104の機械学習例>
近年のAI(Artificial Intelligence:人工知能)技術によれば、機械学習により、複数の入力と所望の出力との関係性を学習し、写像方法を策定することが可能である。第2制御部741に機械学習を導入すれば、変換部743に予め写像関数200を用意しなくても、システム構成後に写像関数200を策定、実装することが可能になる。
<Machine Learning Example of
According to recent AI (Artificial Intelligence) technology, it is possible to learn a relationship between a plurality of inputs and a desired output by machine learning and to formulate a mapping method. If machine learning is introduced into the
学習部103の機械学習例について説明する。たとえば、適当な写像関数200をあらかじめ用意しておき、第2制御部741は、たとえば、参照分子aをセンサアレイ110に導入した場合の第2検出信号列を当該写像関数200に与えることで、第1識別データを出力する。つぎに、参照分子aが結合する受容体が発現した細胞のピクセルに対応する写像関数200の係数を変更し、第2検出信号列を当該係数変更後の写像関数200に与えることで、第2識別データを出力する。第2識別データが第1識別データよりも、より参照分子aの分子量に近づいていれば、係数の変更は正しかったことになる。
A machine learning example of the
このような処理を各参照分子a〜dについて繰り返し実行することで、学習部103は、第2制御部741により、最適な写像関数200を策定することができる。第2制御部741は、策定した写像関数200を変換部743のレジスタ744に格納する。
The
また、ピクセルアレイPAに細胞を散布する場合、特定の細胞が配置されるべきピクセルP(i,j)に他の細胞が配置されたり、または、どの細胞も配置されなかったり、複数種の細胞が配置されたりすることがある。 In addition, when cells are spread on the pixel array PA, other cells are arranged on the pixel P (i, j) where specific cells are to be arranged, or no cells are arranged, or a plurality of types of cells are arranged. May be placed.
図12は、分析部104の分析タスクの他の例を示す説明図である。図12では、Sensor1を出力するはずのピクセルP(1,1)がSensor3を出力してしまっており、かつ、Sensor3を出力するはずのピクセルP(1,3)がSensor1およびSensor2を出力してしまっている例である。すなわち、ピクセルP(1,1)には、Sensor1を出力する細胞ではなく、Sensor3を出力する細胞が固定されており、ピクセルP(1,3)には、Sensor3を出力する細胞ではなく、Sensor1を出力する細胞およびSensor2を出力する細胞が固定されている。
FIG. 12 is an explanatory diagram illustrating another example of the analysis task of the
このような場合、第2制御部741は、第2検出信号列とその分析結果である識別データ(分子量)との組み合わせを、参照分子が導入される都度、第2メモリ742に保存する。そして、第2制御部741は、複数の組み合わせの各々を未知の係数の写像関数200に代入することにより、未知の係数を算出する。そして、第2制御部741は、元の写像関数200を、算出された係数を有する写像関数200に更新して、レジスタ744に格納する。
In such a case, the
このように、細胞固定後に写像関数200が策定できるため、所望の出力、すなわち、検出装置100に発揮させたい機能を検出装置100の構成後に変更することも可能になる。これは、たとえば、匂いを例に取ると、識別すべき匂い種を、用意した細胞種で可能な範囲内で適宜変更することが可能になることを示している。
Thus, since the
また、上述した策定は、分析部104においても可能である。たとえば、第2制御部741は、第3検出信号列とその分析結果である識別データ(分子量)との組み合わせを、検出対象分子が導入される都度、第2メモリ742に保存する。そして、第2制御部741は、複数の組み合わせの各々を未知の係数の写像関数200に代入することにより、未知の係数を算出する。そして、第2制御部741は、元の写像関数200を、算出された係数を有する写像関数1200に更新して、レジスタ744に格納する。このように、写像関数200の策定後においても、写像関数200を最適化することができる。
The above-described formulation can also be performed in the
<導入部102の実装例>
図13は、導入部102の実装例を示す説明図である。導入部102は、供給源1300と、循環系1304と、廃棄系1305と、制御部1310と、電磁制御バルブ1311〜1313と、を有する。供給源1300は、配管および電磁制御バルブ1311によりセンサデバイス101の第1開口孔404に接続される。供給源1300は、第1電解質溶液1301と、第2電解質溶液1302と、界面活性剤溶液1303と、を有し、配管を通して、いずれかの液体をセンサデバイス101に供給する機構である。第2電解質溶液1302は、複数種の細胞が播種された電解質溶液である。界面活性剤溶液1303は、ピクセルアレイPAに配置された複数種の細胞を分解する界面活性剤を含む溶液である。循環系1304は、参照分子や検出対象分子をチャンバ400内に供給する機構である。廃棄系1305は、チャンバ400内の液体をチャンバ400から廃棄する機構である。
<Example of implementation of
FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating an implementation example of the
制御部1310は、たとえば、第1制御部722、および/または、バルブ/流量制御部723により構成される。制御部1310は、供給源1300からチャンバ400への第1電解質溶液1301、第2電解質溶液1302、および、前記界面活性剤溶液1303の供給、循環系1304からチャンバ400への検出対象分子の供給、およびチャンバ400から廃棄系1305への廃棄を制御する。具体的には、たとえば、制御部1310は、電磁制御バルブ1311を開閉制御して、第1電解質溶液1301、第2電解質溶液1302、および、界面活性剤溶液1303のうちいずれかの液体をチャンバ400に供給し、他の液体の供給を停止する。
The
また、制御部1310は、電磁制御バルブ1312を開閉制御して、検出対象分子をチャンバ400内に供給したり供給を停止したりする。また、制御部1310は、電磁制御バルブ1313を開閉制御して、チャンバ400内の液体を廃棄系1305に供給したり、供給を停止したりする。
In addition, the
以下、細胞の入替工程の一例を説明する。検出装置100は、最初に、界面活性剤溶液1303をチャンバ400の第1開口孔404に流しセンサアレイ110へ導入し、廃棄系1305に廃棄する。これにより、センサアレイ110に固定された細胞が溶解剥離され、かつ、チャンバ400内で、剥離された細胞を含む界面活性剤溶液1303が廃棄系1305に廃液される。
Hereinafter, an example of the cell replacement step will be described. First, the
つぎに、検出装置100は、第1電解質溶液1301をチャンバ400へ導入し、チャンバ400内をパージ、洗浄する。検出装置100は、廃棄系1305側の電磁制御バルブ1313を閉止するが、あえて開放し、廃液をしながら第1電解質溶液1301を充填してもよい。
Next, the
つぎに、検出装置100は、第2電解質溶液1302をチャンバ400へ導入する。検出装置100は、廃棄系1305の電磁制御バルブ1313を閉止して、細胞群をピクセルアレイに沈降、固定させ、その後、廃棄系1305の電磁制御バルブ1313を開放して第2電解質溶液1302を廃液することで、余分な細胞を排出する。
Next, the
その後、検出装置100は、供給源1300の電磁制御バルブ1311を閉止し、循環系1304を作動させて、参照分子をチャンバ400に導入してセンシングする。その後、上述したように、検出装置100は、学習部103による学習処理を実行し、ピクセル毎に固定された細胞を同定し、学習結果を得る。そして、検出装置100は、循環系1304を作動させて、検出対象分子をチャンバ400に導入してセンシングし、学習結果を用いて検出対象分子を分析する。
Thereafter, the
このように、センサデバイス101において細胞を適時入替えができるため、劣化耐性の良い長寿命なセンサデバイス101を提供することができる。さらに上述した写像関数200の再構成が可能な場合は、細胞の入替え時に、発現させる受容体の変更も可能となる。これにより、同一の検出装置100で網羅する分子群を適時変更、改定することが可能となり、識別したい分子群、実現したい機能を改訂することが可能となる。
Thus, since cells can be replaced in the
上述したように、本実施例の検出装置100は、検出部であるセンサデバイス101と、導入部102と、記憶部である第1メモリ721と、学習部103と、を有する。センサデバイス101は、配置領域と、信号処理部とを有する。配置領域は、それぞれ特定の受容体を発現させた複数種の細胞が配置可能なピクセルアレイPAであり、信号処理部は、たとえば、FETセンサ503であり、分子が特定の受容体に捕捉された場合に細胞から得られる検出信号をピクセルアレイPAでの細胞の配列順に出力する。
As described above, the
導入部102は、複数種の細胞を包含する複数種の参照分子を、ピクセルアレイPAに複数種の細胞が配置されたセンサアレイ110上に導入するように制御する。記憶部(第1メモリ721)は、各参照分子について、参照分子が特定の受容体に捕捉された場合に細胞から得られる第1検出信号列を細胞ごとに記憶する。すなわち、第1メモリ721は信号感度情報801を記憶する。
The
学習部103は、第1メモリ721に記憶された第1検出信号列(信号感度情報801)と、導入部102によって複数種の参照分子がそれぞれセンサアレイ110上に導入された結果、センサデバイス101から参照分子ごとに出力されるピクセルアレイPAの各ピクセルP(i,j)に応じた第2検出信号列と、に基づいて、細胞のセンサアレイ110上のピクセルP(i,j)および種類を同定する。
The
これにより、ピクセルアレイPAに固定する細胞種(受容体種)の位置、数の制御が不要となる。そのため、センサアレイ110の作成プロセスの作製工程数、作製技術の開発負担を低減し、作製コストの低減を図ることができる。
This eliminates the need to control the position and number of cell types (receptor types) fixed to the pixel array PA. Therefore, the number of manufacturing steps of the manufacturing process of the
また、検出装置100は、分析部104を有する。分析部104は、センサアレイ110上における複数種の細胞のピクセルP(i,j)に従って入力されるセンサデバイス101からの第3検出信号列を写像関数200で写像変換することにより、検出対象分子を分析する。具体的には、分析部104は、検出対象分子がセンサアレイ110上に導入された場合、学習部103による同定結果に基づいて、第3検出信号列の順序を変更し、当該順序が変更された第3検出信号列を写像関数200で写像変換することにより、検出対象分子を分析する。
In addition, the
これにより、検出装置100は、どのような匂いまたは味がするのかわからない検出対象分子について、センサアレイ110からの検出結果を網羅的に判断して、検出対象分子がどのような匂いまたは味をするのか、すなわち、検出対象はどのような分子で構成されているのかを検出することができる。
As a result, the
また、学習部103は、第2検出信号列と、第2検出信号列が与えられる所定の関数から得られる出力結果と、を用いた機械学習に基づいて、所定の関数から写像関数200を求めてもよい。これにより、分析に先立って写像関数200をあらかじめ用意することなく、最適な写像関数200を策定することができる。
Further, the
また、分析部104は、第3検出信号列と、第3検出信号列が写像関数200に与えられた結果得られる分析結果と、を用いた機械学習に基づいて、写像関数200を更新してもよい。分析後に、写像関数200の最適化を図ることができる。
Further, the
また、センサデバイス101は、ピクセルアレイPAを有する絶縁基板として第2基板302を有し、ピクセルアレイPAは、第2基板302に形成された複数種の細胞がそれぞれ配置可能な複数の開口穴H(i,j)を有するピクセルP(i,j)の集合としてもよい。これにより、細胞の自重でピクセルP(i,j)の開口穴H(i,j)に細胞を沈降させることができ、細胞固定の容易化を図ることができる。
The
また、FETセンサ503は、細胞が配置されたピクセルP(i,j)ごとに、各ピクセルP(i,j)からの蛍光を検出する電界効果トランジスタであり、電界効果トランジスタのソース・ドレイン間電流の方向は、開口穴H(i,j)の開口が形成された第2基板302の表面302aに垂直な方向としてもよい。これにより、励起光ELの影響を抑制して、細胞からの蛍光FLの検出精度の向上を図ることができる。
The
また、FETセンサ503は、ソース・ドレイン間電流の方向dに電界効果トランジスタを複数段有することとしてもよい。これにより、下段のFETほど、蛍光FLを検出し、励起光ELを検出しにくくなり、蛍光FLの検出精度の向上を図ることができる。
The
また、検出装置100は、切替部としてスイッチ712を有する。スイッチ712は、センサデバイス101からの第2検出信号列の出力先を学習部103に、センサデバイス101からの第3検出信号列の出力先を分析部104に、切り替える。これにより、細胞の種類および配置位置の学習と、検出対象分子の分析とを、1台の検出装置100で実行することができる。また、第2制御部741および第2メモリ742が学習部103と分析部104で共有するため、部品点数の低減化と検出装置100の小型化を実現することができる。
Moreover, the
また、検出装置100は、チャンバ400と、供給源1300と、循環系1304と、廃棄系1305と、制御部1310と、を有する。チャンバ400は、センサデバイス101に取り付けられてセンサアレイ110を覆うように空間を形成する。供給源1300は、チャンバ400に、第1電解質溶液1301、複数種の細胞が播種された第2電解質溶液1302、または、ピクセルアレイに配置された複数種の細胞を分解する界面活性剤溶液1303を供給する。循環系1304は、検出対象分子をチャンバ400内に供給する。廃棄系1305は、チャンバ400内の液体を前記チャンバ400から廃棄する。制御部1310は、供給源1300からチャンバ400への第1電解質溶液1301、第2電解質溶液1302、および、界面活性剤溶液1303の供給、循環系1304からチャンバ400への検出対象分子の供給、およびチャンバ400から廃棄系1305への廃棄を制御する。
In addition, the
これにより、センサデバイス101において細胞を適時入替えができるため、劣化耐性の良い長寿命なセンサデバイス101を提供することができる。さらに上述した写像関数200の再構成が可能な場合は、細胞の入替え時に、発現させる受容体の変更も可能となる。これにより、同一の検出装置100で網羅する分子群を適時変更、改定することが可能となり、識別したい分子群、実現したい機能を改訂することが可能となる。
As a result, since cells can be replaced in the
なお、本発明は前述した実施例に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲の趣旨内における様々な変形例及び同等の構成が含まれる。例えば、前述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに本発明は限定されない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えてもよい。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えてもよい。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、または置換をしてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and equivalent configurations within the scope of the appended claims. For example, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and the present invention is not necessarily limited to those having all the configurations described. A part of the configuration of one embodiment may be replaced with the configuration of another embodiment. Moreover, you may add the structure of another Example to the structure of a certain Example. Moreover, you may add, delete, or replace another structure about a part of structure of each Example.
また、前述した各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により、ハードウェアで実現してもよく、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。 In addition, each of the above-described configurations, functions, processing units, processing means, etc. may be realized in hardware by designing a part or all of them, for example, with an integrated circuit, and the processor realizes each function. It may be realized by software by interpreting and executing the program to be executed.
各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリ、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記憶装置、又は、IC(Integrated Circuit)カード、SDカード、DVD(Digital Versatile Disc)の記録媒体に格納することができる。 Information such as programs, tables, and files for realizing each function is recorded on a memory, a hard disk, a storage device such as an SSD (Solid State Drive), or an IC (Integrated Circuit) card, an SD card, a DVD (Digital Versatile Disc). It can be stored on a medium.
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、実装上必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、ほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてよい。 Further, the control lines and the information lines are those that are considered necessary for the explanation, and not all the control lines and the information lines that are necessary for the mounting are shown. In practice, it can be considered that almost all the components are connected to each other.
100 検出装置
101 センサデバイス
102 導入部
103 学習部
104 分析部
110 センサアレイ
200 写像関数
400 チャンバ
503 FETセンサ
712 スイッチ
721 第1メモリ
722 第1制御部
723 バルブ/流量制御部
730 比較部
731 一時メモリ
741 第2制御部
742 第2メモリ
743 変換部
744 レジスタ
801 信号感度情報
802 データ集合
803 学習結果
901 対応情報
1300 供給源
1301 第1電解質溶液
1302 第2電解質溶液
1303 界面活性剤溶液
1304 循環系
1305 廃棄系
1310 制御部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記複数種の細胞を包含する複数種の参照分子を、前記複数種の細胞が前記配置領域に配置されたセンサアレイ上に導入するように制御する導入部と、
前記各参照分子について、前記参照分子が前記特定の受容体に捕捉された場合に前記複数種の細胞から得られる第1検出信号列を前記細胞ごとに記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記第1検出信号列と、前記導入部によって前記複数種の参照分子がそれぞれ前記センサアレイ上に導入された結果前記検出部から前記参照分子ごとに出力される前記配置領域の各配置位置に応じた第2検出信号列と、に基づいて、前記細胞の前記センサアレイ上の配置位置および種類を同定する学習部と、
を有することを特徴とする検出装置。 An arrangement region in which a plurality of types of cells each expressing a specific receptor can be arranged, and a detection signal obtained from the cell when a molecule is captured by the specific receptor is transmitted from the cell in the arrangement region. A detection unit having a signal processing unit for outputting in order of arrangement;
An introduction unit configured to control a plurality of types of reference molecules including the plurality of types of cells so that the plurality of types of cells are introduced onto a sensor array disposed in the arrangement region;
For each reference molecule, a storage unit that stores, for each cell, a first detection signal sequence obtained from the plurality of types of cells when the reference molecule is captured by the specific receptor;
The first detection signal sequence stored in the storage unit, and the arrangement that is output for each reference molecule from the detection unit as a result of the introduction of the plurality of types of reference molecules onto the sensor array by the introduction unit. A learning unit that identifies an arrangement position and a type of the cell on the sensor array based on a second detection signal sequence corresponding to each arrangement position of the region;
A detection apparatus comprising:
前記センサアレイ上における前記複数種の細胞の配置位置に従って入力される前記検出部からの第3検出信号列を写像関数で写像変換することにより、検出対象分子を分析する分析部を有し、
前記分析部は、
前記検出対象分子が前記センサアレイ上に導入された場合、前記学習部による同定結果に基づいて、前記第3検出信号列の順序を変更し、当該順序が変更された前記第3検出信号列を前記写像関数で写像変換することにより、前記検出対象分子を分析することを特徴とする検出装置。 The detection device according to claim 1,
An analysis unit that analyzes a detection target molecule by performing mapping conversion with a mapping function on a third detection signal sequence from the detection unit that is input according to an arrangement position of the plurality of types of cells on the sensor array;
The analysis unit
When the detection target molecule is introduced onto the sensor array, the order of the third detection signal sequence is changed based on the identification result by the learning unit, and the third detection signal sequence with the changed order is changed. A detection apparatus that analyzes the molecule to be detected by performing mapping conversion with the mapping function.
前記学習部は、
前記第2検出信号列と、前記第2検出信号列が与えられる所定の関数から得られる出力結果と、を用いた機械学習により、前記所定の関数から前記写像関数を求めることを特徴とする検出装置。 The detection device according to claim 2,
The learning unit
The mapping function is obtained from the predetermined function by machine learning using the second detection signal sequence and an output result obtained from the predetermined function to which the second detection signal sequence is given. apparatus.
前記分析部は、
前記第3検出信号列と、前記第3検出信号列が前記写像関数に与えられた結果得られる分析結果と、を用いた機械学習により、前記写像関数を更新することを特徴とする検出装置。 The detection device according to claim 2,
The analysis unit
The mapping function is updated by machine learning using the third detection signal sequence and an analysis result obtained as a result of applying the third detection signal sequence to the mapping function.
前記検出部は、
前記配置領域を有する絶縁基板を有し、
前記配置領域は、
前記絶縁基板に形成された前記複数種の細胞がそれぞれ配置可能な複数の開口穴を有するピクセルの集合であることを特徴とする検出装置。 The detection device according to claim 1,
The detector is
An insulating substrate having the arrangement region;
The placement area is
2. A detection apparatus comprising: a set of pixels having a plurality of aperture holes in which the plurality of types of cells formed on the insulating substrate can be respectively arranged.
前記信号処理部は、
前記細胞が配置された前記ピクセルごとに、前記各ピクセルからの蛍光を検出する電界効果トランジスタであり、前記電界効果トランジスタのソース・ドレイン間電流の方向は、前記開口穴の開口が形成された前記絶縁基板の基板面に垂直な方向であることを特徴とする検出装置。 The detection device according to claim 5,
The signal processing unit
For each pixel in which the cells are arranged, a field effect transistor that detects fluorescence from each pixel, and the direction of the current between the source and drain of the field effect transistor is such that the opening of the opening hole is formed A detection device characterized by being in a direction perpendicular to a substrate surface of an insulating substrate.
前記信号処理部は、
前記ソース・ドレイン間電流の方向に前記電界効果トランジスタを複数段有することを特徴とする検出装置。 The detection device according to claim 6,
The signal processing unit
A detection apparatus comprising a plurality of the field effect transistors in the direction of the source-drain current.
前記検出部からの前記第2検出信号列の出力先を前記学習部に、前記検出部からの前記第3検出信号列の出力先を前記分析部に、切り替える切替部を有することを特徴とする検出装置。 The detection device according to claim 2,
A switching unit that switches an output destination of the second detection signal sequence from the detection unit to the learning unit and an output destination of the third detection signal sequence from the detection unit to the analysis unit. Detection device.
前記配置領域を覆うように空間を形成するチャンバと、
前記チャンバに、第1電解質溶液、前記複数種の細胞が播種された第2電解質溶液、または、前記配置領域に配置された前記複数種の細胞を分解する界面活性剤溶液を供給する供給源と、
検出対象分子を前記チャンバ内に供給する循環系と、
前記チャンバ内の液体を前記チャンバから廃棄する廃棄系と、
前記供給源から前記チャンバへの前記第1電解質溶液、前記第2電解質溶液、および、前記界面活性剤溶液の供給、前記循環系から前記チャンバへの前記検出対象分子の供給、および前記チャンバから前記廃棄系への廃棄を制御する制御部と、
を有することを特徴とする検出装置。 The detection device according to claim 1,
A chamber forming a space so as to cover the arrangement region;
A supply source for supplying the chamber with a first electrolyte solution, a second electrolyte solution in which the plurality of types of cells are seeded, or a surfactant solution that decomposes the plurality of types of cells arranged in the arrangement region; ,
A circulation system for supplying molecules to be detected into the chamber;
A waste system for discarding the liquid in the chamber from the chamber;
Supply of the first electrolyte solution, the second electrolyte solution, and the surfactant solution from the source to the chamber, supply of the molecule to be detected from the circulation system to the chamber, and the chamber from the chamber A control unit that controls disposal to the disposal system;
A detection apparatus comprising:
Priority Applications (1)
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|---|---|
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Citations (4)
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- 2017-03-02 JP JP2017039806A patent/JP2018146308A/en active Pending
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