超高感度マイクロ磁気センサによる細胞組織活動電流シグナル

超高感度マイク ロ磁 気セ ンサ による細胞組織活動電流 シグナル
の リアル タイムマ ッ ピング
研究代表者 名 古屋 大学大学院工学研 究科電了情報 システム専攻
准 教授
共 同研究者
内
山
剛
名 古屋 大学大学院 医学研 究科細胞生理学教室
准 教授
中
山
晋
介
〈魯 レ
1.は
じめ に
さ て 、pT(10'12T)レ ベ ル の 微 小 磁 場 を検 出
細 胞 組 織 の機 能 的 な 評 価 法 と して 、 細 胞
す る よ うな超 高 感 度 な磁 気 セ ン サ と し て 、
内 電 極 や パ ッチ ク ラ ン プ 法 が 用 い られ て き
現 在SQUID(超
た 。 し か し これ らの 方 法 は 細 胞 組 織 を 損 傷
あ り、 既 に 医 療 機 器 と して 心 磁 計 や 脳 磁 計
す る うえ に 、 個 人 の 技 能 に 依 存 す る側 面 が
に 応 用 され て い る。 標 準 的 なSQUIDの
強 い。 また蛍 光 プ ロー ブ を用 いて の計 測 も
題 点 は 、 測 定 の た め に プ ロー ブ を 冷 却 す る
利 用 され る が 、 プ ロ ー ブ 挿 入 に よ る負 荷 ・
た め の 設 備 と 、 大 規 模 な 磁 気 シー ル ド装 置
損 傷 や 細 胞 組 織 の 性 質 変 化 が 懸 念 され る。
が 必 要 と され る こ と で あ る。 プ ロー ブ を 超
本 研 究 で は 、 細 胞 組 織 の 集 団 と して の 機 能
低 温 に し な けれ ば 、 量 子 効 果 で あ る ジ ョセ
を 非 接 触 ・非 侵 襲 に 評 価 す る た め の 超 高 感
ブ ソ ン効 果 が 発 揮 で き ず 、 高 感 度 計 測 を 達
度 磁 気 計 測 基 盤 技 術 を確 立 す る こ と を 目的
成 で き な い 。 ま た 、10μTオ
とす る。 そ の た め に名 古 屋 大 学 に お い て こ
が 加 わ っ た 場 合 に は 、 プ ロー ブ に 磁 気 トラ
れ ま で に 医 工 連 携 に よ り研 究 され て い る磁
ッ プ 現 象 が 起 こ り大 き な ノイ ズ が 発 生 す る
気 イ ン ピ ー ダ ン ス セ ン サ を超 高 感 度 化 し、
の で磁 気 シ ー ル ドル ー ム 等 が 必 要 で あ る 。
細 胞 計 測 に 必 要 なpTレ
よ っ てSQUID磁
ベ ル の磁 場 検 出 分
伝 導 量 子 干 渉 型 磁 束 計)が
課
ー ダの強磁 場
力計 は超 高感 度 で あるが 、
解 能 を 電 磁 シ ー ル ドな し で 実 現 し、 細 胞 組
限 られ た 施 設 で し か 使 用 さ れ て お ら ず 、
織 の 活 動 電 流 シ グナ ル の リア ル タ イ ム マ ッ
SQUID磁
ピ ン グ を行 うこ と を 目標 と して 研 究 を 行 っ
技 術 は広 範 囲 に広 が って い る とは言 えない。
た。
力 計 を利 用 した セ ン シ ン グ応 用
これ ま で 、 名 古 屋 大 学 を 中 心 に 開発 され
た 、 ア モ ル フ ァス ワイ ヤ 磁 気 イ ン ピ ー ダ ン
61
ス(MI)素
子 を利 用 した マ イ ク ロ磁 気 セ ン
▼ .軍
一
サ は2)、 ス マ ー トフ ォ ン に 内蔵 され る電 子
細 胞外電流
▽ ▼
▼ ▼
・1
コ ンパ ス な どで 実 用 化 され て い る。 一 方 、
Meloら
ヤGMIセ
▼▼
レ1
細瞳間電流
の 論 文 に よれ ば ア モ ル フ ァ ス ワ イ
ン サ の 原 理 的 な 磁 場 検 出分 解 能
A
は 常 温 で10fT程
A
度 と報 告 され て い る3)。 こ
の報 告 に 基 づ きMIセ
ンサ の 動 作 条 件 の 検
討 を行 っ た 結 果 、 研 究 代 表 者 ら の グル ー プ
は ア モ ル フ ァ スMI素
線)に
▽▼
子(30μm径
磁性細
パ ル ス 通 電 励 磁 し た とき の誘 誘 導 電
図1細
胞 外 電 流 と細 胞 間 電 流
素 片 が 作 る磁 界 の 総 和 と し て 電 気 的 興 奮 現
象 を調 べ る こ とが で き る(図1)。
試 作 開 発 す るMI素
そ こで、
子 を利 用 した 超 高 感 度
圧 を検 出 す る デ バ イ ス 構 成 に よ り、 常 温 で
磁 気 セ ン シ ン グ シ ス テ ム に よ り、 細 胞 組 織
動 作 す る低 消 費 電 力 型 の 型 磁 界 セ ン サ と し
の 分 化 を そ の 成 長 の 過 程 で 観 測 ・評 価 す る
て 超 伝 導 量 子 干 渉 計(SQUID)に
こ とが で き る 、 あ る い は 細 胞 組 織 の薬 剤 応
迫る
よ うな 高 感 度 化 が 達 成 で き る こ と を見 出 し
た。
用 を長 期 間 観 測 ・検 査 で き る 、新 規 な 計 測 ・
評 価 技 術 の 探 求 も 目的 と して い る。
現 在 、様 々 な 機 関 でES・ips細
胞や 他 の
方 法 を 用 い た 細 胞 組 織 培 養 が 研 究 され 、 再
2.ア
生 医 療 な どへ の応 用 が 期 待 され て い る 。 ま
モ ル フ ァ ス ワ イ ヤGMI素
巨 大 磁 気 イ ン ピ ー ダ ン ス(GMI)効
子
果 は、
た 、 薬 剤 開 発 で も薬 剤 や 遺 伝 子 導 入 な どの
MI素
細 胞へ 効果 を培養 細 胞組 織 に よって調 べ る
生 ず る よ うな 高 周 波 の 電 流 を 通 電 す る こ と
傾 向 に あ る。 細 胞 磁 気 計 測 に お い て も、
に よ り生 じ る 効 果 で あ る4)・5)。 携 帯 電 話 や
SQUIDの
ス マ ー トフ ォ ン に 内 蔵 され て い る、 電 子 コ
利 用 は 検 討 され て い る が 報 告 例
子 の イ ン ピー ダ ンス の変 化 が顕 著 に
は少 な く、培 養 心 筋 細 胞 に 関 す る 計 測 で は 、
ン パ ス と し てIC化
不 整 な 自発 性 磁 気 活 動 の み が 記 録 され て い
路 を 用 い た パ ル スMIセ
'
(a)
ー
1
に よ る、 電 気 生 理 学 的 な 手 法 は 、 多 数 の 細
り
基
る1)。 一 方 、 これ ま で の パ ッ チ ク ラ ン プ 法
果 を
Mo
↑ ハd
滅
不 向きで あ る。 ま た、蛍 光 法 で は、低 分 子
カ ル シ ウム 指 示 薬 を 成 獣 の神 経 組 織 に 導 入
ン サ はGMI効
冒
ー 、
胞 か ら な る神 経 回 路 レベ ル の 機 能 解 析 に は
さ れ て い る 、CMOS回
z
↓
磁壁
Hex
(b)
1＼eみ
θ(〉 ＼
z
す る効 率 が 非 常 に 悪 い な どの 問 題 が あ る。
そ れ ら に代 わ る新 しい 技 術 と して 、 生 体 機
能 で あ る 電 気 的 興 奮 の 時 空 間 特 性 を直 接 計
∵ ∵寵 轡騙 化
測 す る非 接 触 で 無 菌 的 な 細 胞 組 織 検 査 技 術
ll＼
'
西い
Z
の 重 要 性 が 高 ま っ て い る。
研 究 課題 の、超 高感 度 磁 界セ ンサ に よ る
計 測 法 で は 、 細 胞 組 織 内 外 を伝 導 す る 電 流
62
図2ア
モ ル フ ァス ワイ ヤ に お ける磁 区構 造
と通 電 に よ る磁 束 変 化
利 用 して い る 。 ア モ ル フ ス ワ イ ヤ 素 子 の
果 を 説 明 す る た め に 、 図2に
Φ(円周)方 向
アモ ル
埜ゆ
Φ
GMI効
Φ(円周)方 向
θMo嶋
鵡 一f4ht
;△Brcos6
,、
フ ァ ス ワ イ ヤ 素 子 の 磁 区 構 造 と印 加 外 部 磁
Mo
界He。 、お よ び 円 周 方 向 の 交 流 磁 束 密 度.瑞 ・・
の 関 係 を 示 す 。 図2(a)の
よ う にHe。
、 円 周 方 向(磁
イ ヤ 長 手 方 向(z方
Moは
よ うに 、 ワ
向)にHe。
ワ イ ヤ 軸(z軸)か
(a)
化 容 易 軸 方 向)を
向 い て い る 。 ま た 、 図2(b)の
を 与 え る と、
Z方 向
z方 向
しな い 状 態 で は 、 ワイ ヤ 表 面 層 の磁 化 ベ ク
トルMoは
e
e
を 印加
図3htお
(b)
よびμ と円周 方 向 の磁 束 変化 の 関
係
ら θの 角 度 へ 向 き
が 変 化 す る 。 さ ら に 、 図2(c)は
、、
θ乙
。を 印
△ 島=,uhtcos26と
な るた め、 円周方 向の磁
加 した 状 態 で 、 ア モ ル フ ァ ス ワイ ヤ に 微 小
束 変 化 に 比 例 す る 風 にcos20の
交 流 電 流la,ニIoe-jωtを
通 電 す る と 、Moの
る。
横 方 向 変 化(回
よ び 磁 壁 の 変 位(磁
れ る 磁 化 ベ ク トル の 向 き(角
壁 移 動)に
転)お
応 じ た 瑞 ・・が 生 ず る こ と を 示 し
こ の(1)式
項 が表 われ
よ り 、He。 に よ り決 定 さ
度e>に
依存 し
て 、 高 周 波 通 電 に よ る イ ン ピー ダ ン ス 変 化
て い る。 な お 、 磁 壁 の 幅 が 狭 く、 ワイ ヤ 長
が 生 ず る こ と が 考 え られ る 。 一 方 、ｵ七(=
さ 方 向 の 磁 化 ベ ク トル の 大 き さ は 磁 壁 の 位
1+4πX)の 磁 界 に 対 す る 変 化 は 、(2)式 に よ り
置 に依 存 しな い た め 、 磁 壁 移 動 に よ る 磁 化
与 え られ る。
変 化 は 円周 方 向 の み と し て 描 い て あ る 。 磁
壁 移 動 よ り も、 回 転 磁 化 に 依 存 した イ ン ピ
ー ダ ン ス の 変 化 を利 用 し て い る と考 え られ
るGMI効
ωM(ω2一
ノτω)+4π
(ω1一 ノτω)(ω2+4π
ωM一
果 の 理 論 解 析 と し て 、横 方 向 の 透
磁 率(transversepermeability)μ
を用い た
解 析 方 法 が あ る 。 μtは 、 磁 化 ベ ク トル の 横
ω急
x
ノτω)一 ω2
(2)
HK=2K/Mo
ω,=y[HeXC・Sθ+HKc・S2(α
一 θ)]
方 向 に 交 流 磁 界 を 印加 し た 場 合 の透 磁 率 で
あ り、 素 子 の 複 素 イ ン ピー ダ ン ス は 次 式 で
ωi=Y[HeXCOSB+HKcost(α
一 θ)]
与 え ら れ る6)。
(1)
Zw=Zwocos2θ
wM=yMo
Zwo=(1+j)Rdc(a/2δ)
δ=(2ρ/μtω)1/2
こ こ で 、y(=2x107rad!sOe)は
磁気
こ こ で 、 μtの 方 向 性 を 考 慮 す れ ば 、 図3(a)
回 転 比 、Mo(=500G)は
の ワ イ ヤ 円 周 方 向 の 磁 界 妬 とMo横
は 異 方 性 磁 界 、 お よび α は磁 化 容 易 軸 の 方
磁 界htの
関 係 、 お よ び 図3(b)の
周 方 向 の 磁 束 変 化 △ βφと △B,の
方向の
、 ワイヤ 円
関 係 か ら、
飽和 磁化 、 」
砥
向 で あ り、 円周 方 向 に 異 方 性 を持 つ 場 合 に
は90°
と な る 。 な お 、CGS単
位 系 を使 用
63
GMIセ
し て い る が 、1[Oe](CGS)=79.6[A!m](SI)、
1[G](CGS)ニ4π[T](SI)お
比 透 磁 率(真
SI単
よび 、 透 磁 率 を
空 透 磁 化 率 と の 比)と
して 、
位 系 に 換 算 で き る 。ω1と ω2は 、Hex(あ
るい は 、
研 。に よ る 磁 化 ベ ク トル の 角 度)に
ン サ を設 計 す る 上 で μtを用 い た 解 析
方 法 は 定量 的 に参 考 にな る こ とが分 か った。
ア モ ル フ ァ ス ワ イ ヤGMI素
子 にコイル を
巻 い て 、 そ の コイ ル に誘 導 され る電 圧 を 検
出 す る場 合 は 、 円周 方 向 で は な く ワ イ ヤ 軸
依 存 す る が 、 ω1お よ び ω2よ りωが 十 分 に 高
(z軸)方
向 の磁 束変 化 の影 響 を受 けるた
い 、 高 周 波 励 磁 の 場 合 は 、 μtが 外 部 磁 界 に
め 、ZwOに 比 例 した 誘 導 電 圧 は(3)式 で 表 わ
ほ と ん ど依 存 し な い こ と に な る 。 例 え ば 、
され る。
FeCoSiB張
力 ア ニ ー ル ワイ ヤ で は 、 通 電 周
波 数 を20MHz以
10e)以
上 と す れ ば 、、
猛 。が 猛(≒
(3)
VC=1ヒZwosin6しosθ1
下 の 範 囲 で μtの 変 化 は 小 さ い 。 以 上
ん=2π
α〃
の よ う に 、 μ に よ り表 わ さ れ る ワ イ ヤ イ ン
ピー ダ ン ス の 、
猛 。に よ る 変 化 は 、 磁 化 ベ ク
ト ル の 向 き を 考 慮 し て 、 式(1)に
cos2禽0とcos2θ=1の
ZWo)と
お け る
FeCoSiB磁
気 イ ン ピ ー ダ ン ス 素 子(長
1cm、 直 径30ｵm)の
ワ イ ヤ に 流 れ る電 流1が
は、
さ
イ ン ピー ダ ン ス の 変 化
ワイ
ヤ 表 面 に作 る磁 界 と、 コイ ル(ソ レ ノ イ ド)
に 流 れ る電 流1が
場 合 の 風 の 差(=
し て 定 量 的 に 評 価 で き る 。図4に
こ こでkは
コイ ル 内 部 に作 る磁 界 と
の 問 の 変 換 係 数 で あ りk(1/2na)ニnlと
し
て 得 られ る。な お パ ル ス 通 電 す るGMIセ
ン
サ の 場 合 に は 、 電 流 に よ り作 られ る磁 界 の
つ い て、 計 算
ピー ク値 が 大 き い た め 、 微 小 な 交 流 電 流 磁
値 と実 験 値 と比 べ て 示 す 。 理 論 値 は 、 緩 和
界 を磁 化 ベ ク トル の 横 方 向 に 与 え る理 論 の
係 数 τニ0.2場 合 を 示 し た 。 こ れ ま で 、 ア モ
適 応 性 に つ い て 考 慮 す る必 要 が あ る。 しか
ル フ ァ ス ワイ ヤ の 表 面 イ ン ピ ー ダ ン ス の 解
し、 図5の
析6)に
周 方 向 に 近 い 場 合 に は 、ht(t)≒
(ZWo=Amax一
玖、
猛 。ニ0))に
使 用 さ れ て い る 、 τニ0.2の
50MHz以
場合に
上 の 高 周 波 領 域 で 、 実 験 値 とμt
よ うに 磁 化 ベ ク トル の 向 き が 円
属cos90°
が 小 さ な値 とな る た め 、 平 均 の磁 界Ha。 方
に よ る理 論 解 析 値 との 一 致 が 良 い こ とが 確
向 を 中 心 に 微 小 な 交 流 磁 界h七 を 与 え る モ デ
認 で き た 。 した が っ て 、 高 周 波 励 磁 に よ る
ル を 用 い る こ とが で き る。 こ の と き 与 え ら
120
(P
■
■
置
雪
r
§
■ ■
■
■
iao
M
Hav
呂。
f"一 一
〉
■
亘60
乃
t≒H cos90°
.・'
40
ユ0
0
140
50
150
θ
Q
`
f〔MH:}
図4GⅢ
Z
素 子 イ ン ピー ダ ンス 変 化 の周
波 数 特 性(理 論 値 ● と実験 値 ■ の 比較)
図5H.に
磁 界ht
64
向 い た 磁 化 ベ ク トル 〃 と横 方 向 交 流
れ る 微 小 交 流 磁 界 の 周 波 数!は
パル ス電 流
の 立 ち 上 が り 時 間trを 用 い て!≒1/2trと
し
3.パ
ル ス 駆 動CMOSMIセ
ンサ
本 研 究 で 用 い た 、 パ ル ス 駆 動MIセ
ンサ
て 考 え る こ と が で き る 。 ま た 磁 化 ベ ク トル
の 基 本 回 路 図 を 図6に
の 方 向 は パ ル ス 磁 界 に 応 じ て 、6か ら90° ま
CMOS(complementarymetaloxide
で 変 化 す る とす れ ば 、 そ の 方 向 の 平 均 は 、
semiconductor)ICに
荒 い 近 似 で 、θ と90° の 加 算 平 均 値 と 考 え ら
MHzの
れ る 。 し た が っ て 、 パ ル ス 通 電 の 場 合 の(3)
振 電 圧 を 微 分 した パ ル ス 電 流 が ア モ ル フ ァ
式 の θは 平 均 値ea。=(θ+90°)12を
ス ワ イ ヤ に通 電 され て い る。 外 部 磁 気 を 感
代 わ り
示す 。 この回路 で は
よ り 数 百kHz∼1
方 形 波 の 発 振 を 得 て い る。
この発
と して 用 い る こ と に す る と、 検 出 ピー ク 電
知 して 変 化 す る ピ ッ ク ア ッ プ コイ ル 電 圧 を 、
圧Vpは(4)式
サ ン プ ル ア ン ドホ ー ル ド回 路(SH)で
とな る。
検波す
る 。 こ の タ イ ミ ン グ は 、CMOS-ICの
と 同期 して 、 コイ ル に誘 導 され る最 初 の ピ
(4)
Vp=kZWocosθ(Ip/2)
発振
ー ク 電 圧 を 検 出 す る よ う に 設 計 し た 。 図7
一方
、パ ル ス 電 流 に よる 磁 界 が な い として 、
に は 、 図6の
回 路 に よ る磁 界 検 出特 性 を 示
H,、 の み 与 え られ た とき の 磁 化 ベ クトル の 安 定
す 。 磁 界 に 比 例 して ヒス テ リ シ ス の な い 特
方 向 θは 、円 周 方 向 の 一 軸 異 方 性(異 方 正 エ
性 が 得 られ て い る 。 検 出 感 度 は 、約66kVIT
ネ ル ギ ーK。)を 考 慮 した(5)式 のEを
(6.6V10e)で
最 小(∂E/
あ る。
日 ー .▼
∂θ=0)と す る 方 向 で あ る。
Vdd
(5)
E=Kusin29‐MaHeXcosB
AS
嚇
Ku=MoHk!2
E-out(Hex)
Vdd
1
Pulsegenerationcis℃uitSignalpr①cessingci置
す な わ ち(5)式 の エ ネ ル ギ ー 最 小 とす る 条 件
で は 、cosθ=、猛 。IHkの
式 に より、Vpが
(Am・rph側Swire)
関 係 が 成 り立 ち 、(4)
、
猛x比 例 す る関 係 が 得 られ るこ
とに な る。ここで 、CMOSパ
ル スMIセ
度 の 設 計 基 準 として 、1cmあ
図6CMOSM1パ
ル ス駆 動 磁 界 センサ 回 路
た り300タ
ンサ 感
ー ンの
コイル を 巻 い た 場 合 を 評 価 す る。近 似 的 にk
=3
ε
゜6
峰
・4
/
ノ/
0.z
、風oニ100Ω
℃uit
(C'.AIOSmu置ti-▼ibrator)Alle置ement
、Ip=SOmA、Hk=10eを(4)
ノ!
u
式 に 代 入 して 、磁 界 に よる 電 圧 変 化 率(∠Vp/
∠、
θ乙。)を計 算 す る と、∠Vp/∠
(0.05/2)×3-75V/Oeと
のCMOSパ
、
θ6。=100×
な る。この 値 は 、後 述
ル ス イン ピ ー ダ ン スセ ン サ 感 度 の
-10-5
漣ノ
rt'-0.2
〆 〆
/
図7CMOSMIセ
ら
ユ μ。んe.(ｵT)
-04
-06
ンサ に よる 磁 界 検 出 特 性
定 量 的 な 説 明 を 与 え て い る。
65
4.MIグ
ラジオ メー タの 開発
一讃
同 じ一 本 の ア モ ル フ ァ ス ワ イ ヤ に2つ の
部 と した 。 図8に
ジ オ)方
示 す 勾 配 磁 界 検 出(グ
ラ
ρ 冒囲舶 駅想
コ イ ル を組 み 付 け て 検 出 用 と参 照 用 の 受 信
式 の セ ン サ ヘ ッ ドに お い て 磁 気 受
」
・-
!、、 ＼
r55熈
{11_11
Am°rph°us
、'、
wnre
5脚3
0㎜
門10唱851c〕
一15
15
うの
信 部 は 、 高 透 磁 率(比 透 磁 率15000以
上)
の ア モ ル フ ァス ワイ ヤ に よ り繋 が っ て い る
の で 、 磁 気 回 路 的 に2つ
の受信 部 は短 絡 し
_∠ 罷 囲
用
置_
ヨ
直 列 方 向tmm;
図8グ ラ ジオ メー タ セ ンサ ヘ ッ ド構 造 お よび
磁 束分布
て い る。 こ の よ うな セ ンサ ヘ ッ ドに 均 一 な
ヘ ツ ドA
外 部 磁 界 を 印 加 す る と、 磁 束 密 度 の ア モ ル
94
フ ァス ワイ ヤ上 で の分布 は対称 にな る。 し
漏8・5
ら
.3
た が っ て 、 磁 束 分 布 が 対 称 とな る ワイ ヤ 上
の位 置 に2つ
の 磁 気 受 信 部 を設 け れ ば 、2
つ の磁 気 受信 部 で受 信 す る外 部 磁 気 は 等
1.昌
し く な る。 こ の メ カ ニ ズ ム に よ り空 間 的 に
1
⑪.昌
均 一 な 外 乱 磁 気 成 分 を デ ー タ よ り除 去 で き
る。測 定 物 を測 定 用 コイ ル に 近 接 した 場 合 、
ヘ ツ ドB
ポ2.5
一15-10-505
1015
地 磁 気 や 周 囲 の機 器 か ら の磁 気 ノ イ ズ を 効
嗣
臥(ｵT)
果 的 に 除 去 し、 測 定 物 か らの 磁 気 信 号 を選
図9高 精 度 グ ラ ジオ メー タ セ ンサ ヘ ッ ドの磁 界
択 的 に 計 測 で き る と考 え られ る。
本研 究 で用 い た グ ラジ オ メー タで は検 出
検 出特 性 比較
正 一〇9
9は サ ン プル ホ ー ル ド後(計
1E-10
よ る増 幅 前)の
の セ ン サAと
電 磁 シ ー ル ドレス
装用 ア ンプに
直流 電圧 につ いて 、測 定 用
参 照 用 セ ン サBの
磁 界検 出特
性 を調 べ た の で あ る。 約13V10eの
が得 られ 、そ の 感 度 差 は1.5%以
暴＼
用 の コイ ル を 機 械 加 工 に よ り製 作 した 。 図
r,
_1E-11N
冒
高感 度
ユE-⊥ユ
1E-13
内 であ った。
パ ー マ ロ イ3重
シ ー ル ド内
ユE-14
110140101)U
ア モ ル フ ァス ワイ ヤMI素
子 の磁 化 揺 ら
ぎ に 基 づ く磁 界 雑 音 は(6)式 に よ り与 え られ
flHZ)
図10試
作 磁 気 セ ン サ の ノ イ ズ ス ペ ク トル
て い る3)。
か ら 、 ア モ ル フ ァ ス ワ イ ヤ 素 子 の 長 さ を1
β 一a4涯
(fT)
(6)
cmと
し た 場 合 の ノ イ ズ レ ベ ル は 約10fTで
あ る。 した が っ て 、 外 乱 磁 界 の 影 響 を取 り
除 く こ と が で き れ ば 、pTオ
こ こ で 、!は 信 号 の 帯 域 、1は ア モ ル フ ァ
ス ワ イ ヤ の 長 さ(cm単
66
位)で
あ る。 こ の 式
ー ダ ー(10'12T)
の 磁 界 の 検 出 は 、 原 理 的 に 可 能 で あ る。 本
研 究 で 試 作 し た 高 性 能MIグ
ラ ジオ メー タ
tensorHead
5
●・ ・
°
・ ・ …
●
●
●
〆
∫ 先多
〔Aln⑪lphou5"「ir自)
●
-5
m
-10
き蕗
↓
一25
-3°
●
ゴ
レ 手B
レ'
-35
-40
010203040506070
五
∫
f(HZ)
図11細
胞 磁 気 計 測 用 試 作 磁 気 セ ンサ の 周 波 数
応答
図12電 流 計 測 に お け るヘ ッ ドの 配 置
の 外 乱 磁 界 除 去 特 性 を 、 バ ン ドパ ス フ ィ ル
タ の 通 過 周 波 数 帯 域 を0.3Hz∼500Hzと
て 調 べ た 結 果 を 図10に
し
示 す 。シ ー ル ド レ ス
での グラジ オ メー タの 出力 ノイ ズスペ ク ト
ル と3重
パ ー マ ロ イ シ ー ル ド内 で の ス ペ ク
トル の 比 較 で あ る 。1Hz∼40Hzの
帯域 で
は 、 電 磁 シ ー ル ド レ ス で も 磁 気 シ ー ル ド内
で もセ ン サ 出 力 の ノ イ ズ レベ ル に は ほ とん
ど 差 が な く 、 両 者 に お い て10pTIHz112以
高調 波 の影 響
が 強 く観 測 され て い る。 以 上 の 実 験 結 果 か
ら、 本 研 究 で 使 用 す る 、 シ ー ル ドレ ス 細 胞
活 動計 測 の た めの グ ラジ オ メー タシ ステ ム
の 周 波 数 特 性 は 図11に
示 す よ う に1Hz∼
設 定 し た 。神 経 系 の 細 胞 組 織 な ど を
計 測 す る 場 合 に は 、 イ オ ン チ ャネ ル の 開 閉
時 間 が1ms程
対 応 して 、 そ の 組 織 の 内 側
を1011Aか
ら30uAの
電 流 が 流 れ る こ とが
報 告 さ れ て い る7)。 一 方 、 無 限 長 の 直 線 電
流 を仮 定 した 場 合 、 電 流 に よ っ て 作 られ る
磁 界 は 次 式 で 与 え られ る。
B=μ6〃2π
(7)
ア
上 の周 波 数 領 域 に お い て 、 パ
ワ ー ラ イ ン ノ イ ズ(60Hz)の
40Hzに
20mV∼30mVに
織 で は 、活 動 電 位 の
下
で あ る。 た だ し、 電 磁 シ ー ル ド レス の 場 合
に 、100Hz以
腸 紐(taeniacaeci)組
度 で あ る こ と か ら 、さ ら に 周
ここでrは 直 線 電 流 か らの 距 離 で ある。一 方 、
図12に
示 す ような セ ンサ ヘ ッドと電 流 線 の 配
置 を考 えた 場 合 に 、セ ンサ ヘ ッド上 で は 、磁 界
の 大 きさに 分 布 が で きる。ア モ ル フ ァスワイヤ
は 磁 界 検 出 の 指 向 性 が 高 く、ワイヤ 長 さ方 向
(Y方 向)の 磁 界 分 布 を考 えた場 合 、そ の平 均
の値BaVと して(8)式が 導 か れ る。
Bav=(μ01/π
(g)
五)tarゴ1(、
乙/2の
波 数応 答性 の 良いセ ンサ シス テ ムが要 求 さ
れ る と考 え られ る が 、 周 波 数 応 答 性 の 向 上
に つ い て は 、 今 後 の 課 題 と考 え て い る。
こ こ で 、Lは
セ ン サ ヘ ッ ドの 長 さ で 、dは
セ ン サ ヘ ッ ドと電 流 線 との 問 の 距 離 で あ る。
5.試
作 セ ンサ に よ る微 弱 電 流 計 測
細 胞 の活動 電 流 の計 測 に必 要 な、セ ンサ
図13は
電 流 の 値 を10pAと
ド の 長 さLは5mmお
関 係 を(8)式
し て 、ま た ヘ ッ
よ び10mmと
性 能 が 得 られ る か ど うか に つ い て 、 基 本 的
&。 とdの
な 検 討 を行 っ た 。 例 え ば 、 細 長 の 平 滑 筋 盲
で あ る 。 セ ン サ ヘ ッ ド長Lが10mmの
して 、
に よ り計 算 した もの
場
67
合 、 電 流 線 か らの 距 離dを1mm∼2mmと
を 介 して 流 れ る 電 流 が 作 る磁 界 を 選 択 的 に
す れ ば 、.島vは400pT∼500pTと
計 測 した 信 号 で あ る か ど うか につ い て 一 般
図14は
数Hzで10pAppの
算 出 され る。
交 流 電 流 を直 線
的 に 証 明 す る こ とは 難 しい と考 え られ る 。
導 線 に 通 電 して 磁 界 を発 生 し、 試 作 セ ン サ
そ こ で 、 本 研 究 で は 、 電 位 と磁 界 の 同 時 測
シ ス テ ム に よ りそ の 磁 界 を 計 測 した 波 形 を
定 に よ り活 動 電 流 に よ る磁 界 の 検 出 が 可 能
示 した も の で あ る。 こ の 実 験 で は 、 セ ン サ
か ど うか に つ い て も実 験 的 な検 討 を行 っ た 。
ヘ ッ ドに 用 い た ア モ ル フ ァ ス ワイ ヤ と導 線
は 直 角 と し、そ の 間 の 距 離 は1mmと
した 。
ま た 、 導 線 は 検 出 用 の コイ ル の 上 に 配 置 し
た。 こ の 図 よ りセ ン サ 出 力 の約250pTは
導 線 の 通 電 電 流 に 換 算 す る と5μAで
、
ある
6.試
作 セ ンサ シ ス テ ム に よ る細 胞 磁 気 活
動 計測 実験
図15は
、モ ル モ ッ トの 膀 胱 か ら摘 出 した
平 滑 筋 細 胞 組 織 な どの(約1cm四
方)の 生
こ と が確 認 で き る。 す な わ ち 、(8)式 を用 い
体 磁 気 を検 出す る た め に 用 い た 実 験 系 の 概
て 、 流 れ る電 流 の 大 き さ を 検 出 磁 界 の 大 き
要 を示 す 。 実 験 は 、 試 料 を細 胞 外 液 に 浸 し
さ を基 に評 価 で き る こ と を 実 験 的 に 確 か め
て 、磁 気 シ ー ル ドを 施 さ な い 状 態 で行 っ た 。
た。 ま た 、 数 μA程
す な わ ち1対
度 の微 弱電 流 を非接 触
の ア モ ル フ ァ ス ワイ ヤ のヘ ッ
検 出す す るセ ン サ と して 、 開 発 した 高 性 能
ドに よ り、 環 境 磁 場 ノ イ ズ を 効 果 的 に 除 去
グ ラ ジ オ メー タ は 使 用 で き る こ と も確 認 し
し、 細 胞 組 織 か らの 生 体 磁 気 を計 測 した 。
た 。 超 高 感 度 マ イ ク ロ磁 気 セ ンサ を用 い て
サ ン プ ル とセ ン サ の 問 は 、1mmと
細 胞 か ら発 生 す る磁 界 を 検 出 した 信 号 が 、
料 と して 用 い た 平 滑 筋 細 胞 組 織 で は 、 組 織
した 。試
細 胞 組 織 内 部 の 細 胞 間 結 合(ギ ャ ップ 結 合)
L=Smmi
=x4Na
Smoothmusclepreparat
〆 〆
Glassplate
B..tTIb,
L=18mm
d:レ
ウ
1{L
↓Ml
sensorheads
・ξ
隅L
司
,,亙;;ノ
ノ
島d:自
d(mm}
図13ヘ
ッ ドに与 え られ る磁 界 と電 流 の 関係
図15試
作 磁 気 セ ンサ に よ る細 胞 磁 気 計
測 シ ス テム
500P:「
to}
1司IS
〔
、N/∀Nノ
＼/＼
＼ ノ∼
ノハ ＼/＼/＼
ヘ ノへ5ｵA
ノハ＼ ノへ 」3°°・x
4.2s
図14試
作 セ ンサ に よ る微 弱 電 流検 出結 果
碑 暁掃噛 額㌦ 艦!駄へ
[b}'
1司
一
図16新 旧 セ ンサ シス テ ム に よ る盲 腸 紐 組
織 の計測比較
68
一
内 の ペ ー ス メ ー カ ー 神 経 細 胞 信 号 に よ る活
の電 流測 定 の 同時 計測 の 実験 系 の写真 を図
動 電 位 パ ル ス 発 生(細 胞 チ ャネ ル 開)後
17に 、同 時 計 測 実 験 を 行 っ て 得 られ た 時 系
細 胞 膜 通 過 のCa2+移
、
動(電 流)が 起 き 、 次
い で 平 滑 筋 収 縮 が 起 き る。 このCa2+オ
列 信 号 波 形 を 図18に
示 す 。細 胞 組 織 磁 気 信
シレ
号 は 細 胞 外 部 に 置 い た 電 極 に よ る信 号 に 同
ー シ ョ ン に 基 づ く 自発 的 な 電 気 活 動 に よ り
期 して お り、 明 瞭 な 相 関 が 観 測 され た とい
活 動 磁 場 が 生 ず る と考 え られ る。図16に
え る。 さ らに 、 モ ル モ ッ トか ら摘 出 し た 盲
は、
本 研 究 で 試 作 した 超 高 感 度 マ イ ク ロMIグ
腸 紐 組 織 の薬 物 応 答 に つ い て検 討 した 結 果
ラ ジ オ メ ー タ に よ る モ ル モ ッ トか ら摘 出 し
を 示 す 。 使 用 薬 物 は 、TEA(tetraethyl
た 盲 腸 紐(∼1mmx∼1mmx∼30mm)に
ammonium)で
い て の 計 測 結 果(b)お
つ
よび 、 旧セ ンサ シ
ス テ ム に よ る計 測 の 結 果(a)を
比 較 して 示
あ り、K+チ ャ ネ ル を 阻 害 す
る こ と に よ り、 盲 腸 紐 組 織 の 自発 的 な 活 動
を 活 発 にす る こ とが 知 られ て い る8)。 図19
して あ る。 改 良 した試 作 セ ン サ シ ス テ ム に
は 、TEA添
よ り、 バ ッ ク グ ラ ウ ン ドノ イ ズ に 比 して 細
れ る変 化 を 示 す 。ス パ イ ク 状 の磁 気 波 形 は 、
胞 組 織 か ら の 磁 気 信 号 の み が 強 調 され て い
電 圧 依 存Ca2+チ
る こ と が確 認 で き る 。 モ ル モ ッ トの 胃 か ら
と推 定 され る。 図20は
摘 出 した 平 滑 細 胞 組 織 試 料 に っ い てMIセ
気 測 定 波 形 に 観 測 され る ス パ イ ク と活 動 電
ン サ に よ る磁 気 測 定 と電 極 法 に よ る細 胞 外
位 の 関 係 を さ ら に詳 し く調 べ る た め に 、 同
electrode
加 前 後 の磁 気 測 定 波 形 に観 測 さ
ャ ネ ル の活 性 化 に よ る もの
、TEA添
加 後 の磁
時 計 測 を 行 っ た 結 果 で あ り、 ス パ イ ク状 の
Stomaεhmusclat皿re
(5mms叩a祀)
アヨロぬヨ ロお じ 怖 岬糟 幽 、
蝋へ
由膿
+TEAI
椰 畔 硬ト
MIsensor
図17電 位 と磁 気 の 同 時 計 測 シス テ ム
図19TEAの
添 加 に よ る平 滑 筋 細 胞 組 織(盲 腸
紐)に お け る活 動磁 気 波 形 変 化
L'altage
100ｵv
叫 陣輯嚇 ㎞
糊 シ ト 本!翫v馳
Magneti°
1贈
一}・ ・uU
弊
目
105
図18モ ル モ ッ トの 胃か ら摘 出 した 平 滑
筋 細 胞 組 織 の 電位 と磁 気 の 同 時 計 測 波 形
図20モ
ル モ ツ トの 盲 腸 紐 組 織 の 電 位 と磁
気 の 同 時 計 測 。(TEA添
加 後)
69
活 動 電 位 と 、 大 き な ス パ イ ク状 の磁 気 波 形
[4]L.V.Panina,K.Mohri,K.Bushida,andM.
が 同 じ タ イ ミ ン グ で 発 生 して い る こ と を 示
Noda,J.Appl.Phys.,76(10),.6198,(1994).
して い る。
[5]H.Chiriac,M.Tibu,V.Dobrea,andI.Murguleacu,JournalofOptoelectronicsandAd-
7.ま
vancedMaterials,2(2),647,(2004).
とめ
本 研 究 の成 果 よ り、 モ ル モ ッ トか ら摘 出
[6]S.Sandacci,D.Makhnovskiy,L.Panina,
した 平 滑 筋 細 胞 組 織 に お け る 、 電 気 的 な 活
K.Mohri,andY.Honkura,,IEEETrans.Magn.,
動 に 伴 うイ オ ン の 流 動 に よ る磁 界 の 変 動 を
40(6),18,(2008).
超 高 感 度 マ イ ク ロ磁 気 セ ン サ(MIセ
[7]T.B.Bolton,J.Physiol.250,175,(1975).
ンサ)
に よ り検 知 で き る こ と が 実 証 で き た 。 胃お
[8]T.Burdyga,S.Wray,Nature,436,559,
よ び 盲 腸 紐 組 織 に お け る 電 位 と磁 界 の 同 時
(2005).
測 定 に よ り観 測 した 結 果 か らは 、 ス パ イ ク
状 の 活 動 電 位 に 対 す る ス パ イ ク状 の 磁 気 信
号 は 相 関 が 高 い こ とが 分 か っ た 。 ま た 、 盲
腸 紐 に つ い て 、 そ の 活 動 磁 界 の 大 き さか ら
推 定 す る と、 そ の 源 と な る活 動 電 流 の 大 き
さは 数 十 μA程 度 で あ り、 ギ ャ ッフ゜
結合を
発 表
(論 文)
(1)T.UchiyamaK.Mohri,SNakayama
"Measurementofspontaneousoscillatory
magneticfieldofguinea-pigstomachmuscle
流 れ る 電 流 に よ る もの と考 え て も矛 盾 は な
preparationusingpico-Teslaresolutionamor-
い こ と も 明 らか に な っ た。 今 後 は 、 実 用 化
phouswiremagneto-impedancesensor",IEEE
に 向 け て セ ンサ シ ス テ ム の 改 良 お よび セ ン
Trans.Magn.47,10,3070-3073(2011).
サ ア レイ 化 を進 め 、 活 動 電 流 シ グ ナ ル マ ッ
(2)T.Uchiyama,K.Mohri ピ ン グ 装 置 の 完 成 を 目指 す 計 画 で あ る。
Y.Honkura,and
L.V.Panina,"RecentAdvancesofPico-Tesla
ResolutionMagneto-lmpedanceSensorBased
謝辞
本 研 究 を 助 成 して 下 さい ま した 中谷 電 子
onAmorphousWireCMOSICMISensor",
IEEETrans.Magn.,tobepublished.
計 測 技 術 振 興 財 団 に深 く感 謝 の 意 を表 しま
(3)K.Mohri,M.Yamada,K.Endo,T.Suzuki,
す。
Y.MohrandT.Uchiyama,"Physiological
MagneticStimulationforArousalofElder
参 考 文 献
CarDriverEvaluatedwithElectro-encephalo-
1]TanakaS,et.al,SuperconductorScienceand
gramandSpineMagneticField",IEEETrans.
Tbdhndc蟹16,1536-1539(2003).
Magn.,tobepublished
[2]MohriK,HonkuraY,SensorLetters,5,
70
(国
際 会 議)
267-270(2007).
(1)T.Uchiyama,K.Mohri [3]MeloL.G.C,et.al,JournalofApplied
L.V.Panina,"RecentAdvancesofPico-Tesla
Physics103,033903(2008).
ResolutionMagneto-lmpedanceSensorBased
Y.Honkura,and
onAmorphousWireCMOSICMISensor",
Intermag,FF-01,Vancouver,Canada,05/07-11,
2012,INVITED.
(2)K.Mohri,M.Yamada,K.Endo,T.Suzuki,
Y.MohrandT.Uchiyama,"Physiological
MagneticStimulationforArousalofElderCar
DriverEvaluatedwithElectro-encephalogram
andSpineMagneticField",Intermag2012,
DE-04Vancouver,Canada,05/07-11,2012.
(3)T.Uchiyama,K.Mohri,S.Nakayama,"A
MEGmeasurementusingpico-TeslaSensitivity
amorphous-wiremagento-impedancesensorfor
brainactivityevaluation",PIERS,Moscow,
Russia,08/19-23,2012,INVITED.
(4)T.Uchiyama,S.Nakayama,S.Atsuta,
"Developmentofhighlyprecisegradiometer
usingamorphouswiremagneto-impedance
elementforcelltissueevaluation",ICAUMS2012,
Nara,Japan,10/02-05,2012.
(学 術 講 演 会 ・研 究 会)
(1)内
山
剛 、 中 山 晋 介 、"MI素
子 に よる
高 性 能 グ ラ ジ オ メー タ の 開 発 と細 胞 組 織 活
動 計 測 へ の 応 用 。"、 電 気 学 会 会 マ グ ネ テ ィ
ッ ク ス1リ ニ ア ド ラ イ ブ 合 同 研 究 会 、(金 沢
大 学2012年2.月21・22日)
(2)中
山 晋 介,熱
田諭 志 、 内 山
剛 、"パ ル
ス駆 動 磁 気 イ ン ピー ダ ン ス セ ンサ ー に よ る
筋 層 標 本 で の 生 体 磁 気 計 測 。"、第89回
日本
生 理 学 会 、(松 本 文 化 会 館2012年3月29
∼30日)
71