ライフサ におけ サイエンス/化学分析分野 サイエンス/化学分析

ライフサ
サイエンス/化学分析分野
におけ
ける電気的測定の可能性
電気インピーダンス測定の応用
はじめに：
近年、ライフサイエンスや化学分析と言われる分野は、再生医療、新薬開発、また地球規模の環境問題、食品安全、等という課題を
れらの分野においても、分析/解析/測定といった作業は、技術革新
ベースにして、新規技術開発や応用が盛んに行われています。それ
を実現するための根幹にあるものです。アジレント・テクノロジーでは
は、ライフサイエンス、化学分析、及び電気測定という３つの分野を
柱としたビジネスを持ち それぞれの分野において世界中の市場に幅広い製品ソリューションと高い技術/サポートを提供しています。
柱としたビジネスを持ち、それぞれの分野において世界中の市場に
幅広い製品ソリ
シ ンと高い技術/サポ トを提供しています
これまで、ライフサイエンスや化学分析市場では、電気的測定が使
使用されることはそれほど多くありませんでしたが、従来の測定法で
は難しい、また様々な確度からの分析や測定を行いたい、という理由
由で、使用される機会も多くなってきました。
この冊子では、ライフサイエンスや化学分析分野における電気的測
測定の特長や可能性、また、電気的測定の代表的な一手法である
電気インピーダンス測定の特長や応用の可能性について述べます。
。
アジレント電気的測定器の
ライフサイエンス/化学分析への応用
電
電気的測定の特長：
電
電気的測定の基本は、分析/測定したい対象物に対して、電圧（電
界））を印加して電流を測る、ということです。印加する信号は直流（DC）
E4980A
4294A
の場
場合もあれば、交流（AC）の場合もあります。また、印加周波数も 0
Hz（直流）～テラヘルツ（>1012 Hz）と様々です。また、周波数や印加電
生体物質測定
E4991A
食品安全
圧を
を変えながら測定することも可能です。製品としては、LCRメータ、イ
ンピ
ピーダンス・アナライザ、ネットワーク・アナライザと呼ばれるものが、
E5061B
ライ
イフサイエンスや化学分析分野で多く使用されます。
細胞解析
新薬開発
電
電気的測定がもたらすメリットは、最近のライフサイエンスや化学分
析に
における分析/測定ニーズに合致しており、そこが電気的測定が注
インピーダンス・アナライザ
ネットワーク・アナライザ、等
医療応用
目さ
されている理由です。ここでは、電気的測定の中でも最も代表的な
電気
気インピーダンス測定について取り上げ、次節以降にもう少し詳しく
説明
明をします。
電気的測定のメリット：
① ラベルフリーで定量的な分析/測定が可能
② 測定誤差を取り除く校正/補正機能により
高感度で再現性の高い測定が可能
③ 微弱な電圧/電流で測定。非侵襲な測定が可能
④ エンドポイントアッセイ分析では難しい
長時間 わたる変化
長時間にわたる変化のモニタリングがリアルタイムで
タ
グが
タ
で可能
能
⑤ 周波数を選ぶことにより見たい対象を選択可能
など）
（例えば、細胞集合体、細胞単体、細胞内組織、な
⑥ 安価かつシステム構成も簡単。短時間で分析/測定
定可能
電気的測定の応用範囲例：
電気的測定の応用範囲例
①
②
③
④
⑤
乳がん組織検査
酵母菌の発酵状態のモニタ
蛋白質の検出
飛行場での持ち物検査
金属材料の劣化、など
電気インピーダンス測定とは？：
細胞や分子を、電気素子に置き換えて（等価回路）
インピーダンスの特性として把握する
電気インピーダンスとは一体何でしょうか？一言で表現す
ると、ある物体/物質の交流電流の流れやすさ/流れにくさ、
測定物
（例、細胞）
を表す指標です。
電極
オームの法則（R（抵抗）= V（電圧）/ I（電流））は有名です
が、これは直流の世界での話です。これが交流になった場合
に、上記式のRに替わる指標が電気インピーダンス（Z）で、単
I Z
V
位はオーム（Ω）で同じです。
直流では、信号はその方向と大きさでのみ規定されるのに
Z [Ω]=
対し 交流では 方向と大きさに加えて 周波数や位相という
対し、交流では、方向と大きさに加えて、周波数や位相という
パラメータで規定されるため、より多くのかつ詳細な解析デー
V [V]
I [A]
インピーダンス
タを得ることができます。これは、測定対象物が電気部品/材
R
C
等価回路:
測定物（例えば、細胞）は、電気素子でいう
“抵抗（R）”と“キャパシタンス（C）”の
並列回路とみなすことができる。
料であろうが、ライフサイエンスや化学分析において測定対
象物となる液体や細胞、また生体組織などであろうが変わり
電気インピーダンス測定の利用例：
＊ 生体組織特性解析（体脂肪率、がん細胞の検出）
＊ 細胞特性測定（増殖、接着/伸展、分裂、形状変化）
＊ 細胞内物質の特性測定
＊ 食品の品質/鮮度解析
＊ 酵素反応、蛋白質間相互作用解析
＊ DNAハイブリタイゼーション
ません。また、電気インピーダンスは、誘電率 や 導電率とい
う形で表現されることもあります。
アジレント・テクノロジーは、幅広いラインアップの電気イン
ジ
ジ
幅広
プ
気
ピーダンス測定製品を全世界の市場に向けて提供していま
す。それぞれの製品が、測定品質また製品品質の良さから
デファクト・スタンダードとして認められています。
ライフサイ ン /化学分析における電気イン
ライフサイエンス/化学分析における電気インピーダンス
ダンス測定の応用範囲と可能性：
測定の応用範囲と可能性
電気インピーダンス測定は決して新しい測定法ではなく、ライフサイ
イエンス/化学分析分野においても30有余年前から使用されてきて
いる確立された測定法です。その特長を生かして、様々な研究分野で使用されてきています。
また、研究分野だけでなく、電気インピーダンス測定を他の装置や分析/測定手法と組み合わせることにより、より価値の高い分析/
測定装置を構築できる可能性もあります。たとえば、in-vivoでの生体
体組織解析装置、誘電泳動との組み合わせによる細菌の収集/滅
菌装置、誘電サイトメトリー装置、などの実用化へ向けた開発も行わ
われています。
代表的な測定例とアジレント電気インピ
ピーダンス測定器の測定範囲
1G
E4980A
注：各測定器が
<10%の確度で測定でき
る範囲を示しています。
100M
10M
1M
インピーダンス [Ω]
100k
10k
1k
E4991A
100
10
1
4294A
100m
10m
1m
1
10
100
1k
10k
100k
1M
10M
100M
1G
10G
測定周波数 [Hz]
おわりに：
電気的測定 なかでも電気インピ ダンス測定は 技術的に確立さ
電気的測定、なかでも電気インピーダンス測定は、技術的に確立さ
され 物質特性の本質を連続的にかつ再現性良く捉えることができ
され、物質特性の本質を連続的にかつ再現性良く捉えることができ、
ライフサイエンス/化学分析分野の技術革新に対して、今後さらに大
大きな貢献ができる技術です。アジレント・テクノロジーは、その応用
範囲と可能性を拡げていけるような製品とサービスを今後とも提供し
していきます。
次ページ以降に、アジレント・テクノロジーの電気インピー
ーダンス測定器を使用した技術文献を参考掲載します。
（参考）アジレントの電気インピーダンス測定器が使
使用されている文献
測定対象： 生体・組織
Omar I. Al-Surkhi, P.J. Riu, F. Vazquez, J. Mas, A. Rodriguez-Jornet, M.
García, J. Ibeas
“Local Tissue Bioimpedance Measurement for Fluid Shifts during
Haemodialysis”
ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 763–766, 2007
I J¨urgensy, J Rosellz and P J Riu
“Electrical
Electrical impedance tomography of the eye: in vitro measurements of
the cornea and the lens”
Physiol. Meas. 17 (1996) A187–A195.
I. Lackovic and Z. Stare
“Low-frequency dielectric properties of the oral mucosa”
ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 154–157, 2007
Sujin Ahn, Sung Chan Jun, Jin Keun Seo, Jeehyun Lee, Eung Je Woo,
and David Holder
“Frequency-difference
q
y
electrical impedance
p
tomography:
g p y Phantom
imaging experiments”
Journal of Physics: Conference Series 224 (2010) 012152
T. Marjanović, Z. Stare, I. Lacković
“Verification of physical models used for root canal measurement by
impedance comparison
comparison”
ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 715–718, 2007
W Wang, L Wang, G Qiao, P. Prickett, B. Bramer, B. Tunstall and M. AlAkaidi
“Study into the repeatability of the electrode-skin interface utilizing
electrodes commonly used in Electrical Impedance Tomography”
ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 336–339, 2007
測定対象： 細胞・血液
Guofeng Qiao,
Qiao Wei Wang , Li Wang
Wang, Yi He , B Bramer and M Al
Al-Akaidi
Akaidi
“Investigation of biological phantom for 2D and 3D breast EIT images”
ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 328–331, 2007
Makio Akimoto
“Transdermal Drug Delivery System Using the Changes of the
Permittivity of the Skin (皮膚の誘電率変化を利用した薬物の経皮吸収
促進法)”
関東学院大学工学総合研究所報 No. 34，pp31-36, 2006
N Pavšelj,
P š lj M Mitar,
Mit F X H
Hartt andd D Miklavčič
Mikl čič
“Characterization of the mechanical behavior of human skin by means of
impedance spectroscopy”
Journal of Physics: Conference Series 224 (2010) 012131
J Medrano, J I Rey, R J Connolly, A Anderson, M Jaroszeski and R Gitlin
“Online bioimpedance feedback for in vivo electroporated tissues “
Journal of Physics: Conference Series 224 (2010) 012114
Frank Alexander Jr., Dorielle T. Price, Shekhar Bhansali
“Optimization of Interdigitated Electrode (IDE) Arrays for Impedance
Based Evaluation of Hs 578T Cancer Cells”
Journal of Physics: Conference Series 224 (2010) 012134
K. Orzechowski, M. Rząca and M. Rudowski
“Comparative dielectric studies of neoplastic and healthy breast tissue.
Intraoperative breast cancer probe”
ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 134–137, 2007
Y He,, W Wang,
g, G Sze1,, G Qiao,, Da-Wei Gu and B Bramer
“Preliminary study of a Cole-Cole model curve fitting method for
Electrical Impedance Tomography”
ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 436–439, 2007
S Nebuya, A. Fujimaki, B H Brown, M Noshiro
“Impedance changes produced by passage of emboli through carotid
artery”
Electronics Letters, 44-6, 397-398, 2008
Y. Ülgen and S. Mana
“Storage Effects on Whole Blood: Physiological and Electrical
Measurements”
ICEBI 2007,, IFMBE Proceedings
g 17,, pp
pp. 66–69,, 2007
M. Noshiro, S. Nebuya, A. Fujimaki, R. Smallwood and B. H. Brown
“Frequency characteristics of the electrical conductivity in normal and
coagulated blood”
ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 70–72, 2007
Yoshihito Hayashi, Yoichi Katsumoto, Shinji Omori, Akio Yasuda, Koji
Asami, Makoto Kaibara, and Isao Uchimura
“Dielectric Coagulometry: A New Approach To Estimate Venous
Thrombosis Risk
Risk”
Analytical Chemistry, Vol. 82, No. 23, December 1, 2010
E. Sarró, A. Fontova, A. Soley, J. Cairó, A. Bayés-Genís, J. Rosell and R.
Bragós
“Four Electrode EIS Measurement on Interdigitated Microelectrodes for
Adherent Cell Growing and Differentiation Monitoring”
ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 77–80, 2007
Duc D. Nguyen, Michael M. Domach, Xiaoqiu Huang and David W. Greve
“I
“Impedance
d
A
Array St
Studies
di off Mammalian
M
li Cell
C ll Growth”
G
th”
American Institute of Chemical Engineers (2003)
Pontus Linderholm, Laurent Marescot, Meng Heng Loke, and Philippe
Renaud
“Cell Culture Imaging Using Microimpedance Tomography”
IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, VOL. 55, NO. 1,
JANUARY 2008
R.Bragós, E. Sarró , A. Fontova, A. Soley, J. Cairó, A. Bayés-Genís, J.
Rosell,
“Four Versus Two-Electrode Measurement Strategies for Cell Growing
and Differentiation Monitoring Using Electrical Impedance Spectroscopy”
Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2006;1:2106-9
Lei Wang, Hongying Yin, Wanli Xing, Zhongyao Yu, Min Guo, Jing Cheng
“Real-time, label-free monitoring of the cell cycle with a cellular
impedance sensing chip”
Biosensors and Bioelectronics (2010) Volume: 25, Issue: 5, Pages: 990-5
J Rosell
J.
Rosell-Ferrer
Ferrer, M.A.
M A Garcia,
Garcia J.
J Ramos1,
Ramos1 R.
R Bragos,
Bragos Y.
Y Salazar,
Salazar M.
M
Fernández, X. Viñolas and J. Cinca
“Heart Graft Rejection Assessed by Multi-Frequency Electrical
Impedance: Human Results”
ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 138–141, 2007
D. Debuisson, A. Treizebré, T.Houssin, E. Leclerc, D.Bartès-Biesel,
D.Legrand, J. Mazurier, S. Arscott, B. Bocquet and V. Senez
“Nanoscale devices for online dielectric spectroscopy of biological cells”
Physiol. Meas. 29 (2008) S213–S225
R.J. Halter, A. Schned, J. Heaney, A. Hartov and K.D. Paulsen
“Electrical Impedance Spectroscopy of Prostatic Tissues”
ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 126–129, 2007
M. Habibi1 D. P. Klemer, and V. Raicu
“Two-dimensional dielectric spectroscopy: Implementation and validation
of a scanning open-ended coaxial probe”
REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 81, 075108 2010
Harsha
H
h Kasi,
K i Robert
R b t Meissner,
M i
Alexandre
Al
d Babalian,
B b li
Harald
H ld van Lintel,
Li t l
Arnaud Bertsch, Philippe Renaud
“Direct localised measurement of electrical resistivity profile in rat and
embryonic chick retinas using a microprobe”
Journal of Electrical Bioimpedance, vol. 1, p. 84-92, 2010.
P.K. Sekhar and S. Bhansali
“Ultra-Thin Silicon Membrane as a Sensitive Substrate for Active
Bioscreening”
ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 304–307, 2007
測定対象： タンパク質・分子
測定対象： 食品・微生物・その他
Yusmeeraz Yusof , Kiyomasa Sugimoto, Hiroaki Ozawa, Shigeyasu Uno,
and Kazuo Nakazato
“On-chip Microelectrode Capacitance Measurement for Biosensing
Applications”
pp
Japanese Journal of Applied Physics 49 (2010) 01AG05
Sho Fukuizumi, Midori Edamatsu, Toshinobu Suzaki and Motonori Ando
“Dielectric analysis for monitoring cell shape changes in the flagellate
Euglena gracilis (誘電解析法を用いたミドリムシの細胞変形能の解析)”
Jpn.
p J. Protozool. Vol. 41,, No. 1. pp
pp. 55-57 ((2008)) 原
原生動物学雑誌
動物学雑誌 第
第41
巻 第1 号 2008 年
Arum Hana and A. Bruno Frazier
“Ion channel characterization using single cell impedance spectroscopy”
Lab Chip, 2006, 6, 1412–1414
Marta Castro-Giráldez, Patricia Botella, Fidel Toldrá, Pedro Fito
“Low-frequency dielectric spectrum to determine pork meat quality”
Innovative Food Science and Emerging Technologies 11 (2010) 376–386
LI YuHong1, Zhao KongShuang & Han Ying
“Dielectric study on membrane adsorption and release: Relaxation
mechanism and diffusion dynamics”
Sci China Ser B
B-Chem
Chem, Sep
Sep. 2008,
2008 vol.
vol 51,
51 no.
no 9,
9 813
813-822
822
E. Vozáry, P. Mészáros
“Effect of Mechanical Stress on Apple Impedance Parameters”
ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 118–121, 2007
O. A. Sadik, H. Xu E. Gheorghiu, D. Andreescu, C. Balut, M. Gheorghiu,
and D. Bratu
“Differential Impedance Spectroscopy for Monitoring Protein
Immobilization and Antibody-Antigen Reactions”
Anal. Chem. 2002, 74, 3142-3150
A. Yokoyama, H. Ishikawa, M. Shinohara, N. Shinyashiki, S. Yagihara, and
Y. Hayashi
“B db d Di
“Broadband
Dielectric
l ti S
Spectroscopy
t
off Alb
Albumin-Water
i W t Mixture
Mi t
in
i
Frozen State”
AIP Conference Proceedings, Volume 832, pp. 163-166 (2006).
R Gomez-Sjoberg, Dallas T Morisette, Rashid Bashir
“Impedance Microbiology-on-a-Chip: Microfluidic Bioprocessor for Rapid
Detection of Bacterial Metabolism”
JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 14, NO.
4, AUGUST 2005
Ciprian Iliescu, Daniel P Poenar and Subramanian Tamil Selvan
“Frequency dependence on the accuracy of electrical impedance
spectroscopy measurements in microfluidic devices”
J Micromech.
J.
Mi
h Microeng.
Mi
20 (2010) 022001
Zhang Cao, Huaxiang Wang, and Lijun Xu
“Electrical impedance tomography with an optimized calculable square
sensor”
REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 79, 103710 2008
Y. Iwata, M. Shinohara, T. Goto, M. Oyama, N.Shinyashiki, S.Yagihara, T.
Inoue, S. Oyaizu, and S. Yamamoto
“Broadband Dielectric Spectroscopy of Fructose-Water Mixture in
Frozen State”
AIP Conference Proceedings, Volume 832, pp.167-170 (2006).
Yasuhiro Homma, Kazuaki Yano, Shoichi Kuramoto, and Ryuichi
Kobayashi
“Study on Improvement of Earth Resistance Measurement Method
without Auxiliary Electrodes”
Proceedings of the 2009 International Symposium on EMC 21R2-4
Webリソース
Webリソ
ス
バイオ/製薬/食品/環境アプリケーションにおける電気
気インピーダンス
測定関連Webページ：
www.agilent.co.jp/find/EIS
アジレント・テクノロジー 電気インピーダンス測定製品
品関連情報：
www.agilent.co.jp/find/impedance
www.agilent.co.jp/find/LCRmeters
関連カタログ
インピーダンス・アナライザ セレクションガイド
http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5952-1430JA.pdf
インピーダンス測定ハンドブック
http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5950-3000JA.pdf
エンジニアのためのインピーダンス測定の８つのヒント
ト
http://cp literature agilent com/litweb/pdf/00-2395
http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/00
2395.pdf
pdf
電子計測Update： www.agilent.co.jp/find/emailupdates-Japan
アジレント・テクノロジー株式会社
本社〒192-8510 東京都八王子市高倉町9-1
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Published in Japan, August 11 ,2011
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0000-08A