ライフサイエンス／化学分析分野における 電気的測定の可能性

ライフサイエンス／化学分析分野における
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
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
を実現するための根幹にあるものです。キーサイト・テクノロジーでは、
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。
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。
キーサイト電気的測定器の
ライフサイエンス／化学分析への応用
E4980A
電気的測定の特長：
4294A
生体物質測定
食品安全
細胞解析
新薬開発
E4991A
E5061B
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
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 ）の場合もあれば、交流（ AC ）の場合もありま
す。また、印加周波数も0Hz（ 直流）∼テラヘルツ
（ >10 12Hz ）
と
様々です。また、周波数や印加電圧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、ライフサイエ
ンスや化学分析分野で多く使用されます。
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
電気的測定が注目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にわたる変化のモニタリングが リアルタイムで可能
⑤ 周波数を選ぶことにより見たい対象を選択可能（例えば、細胞集合体、細胞単体、
細胞内組織、
など）
⑥ 安価かつシステム構成も簡単。短時間で分析／測定可能
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、を
表す指標です。
測定物
（例、細胞）
オームの法則（R（抵抗）= V（電圧）/ （電流）
）は有名ですが、
I
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、単位は
オーム
（Ω）で同じです。
I
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。
Z
電極
V
Z [ Ω]=
R
V [V]
I [A]
インピーダンス
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
電気インピーダンス測定の利用例：
−
−
−
−
−
−
キーサイト・テクノロジーは、幅広いラインアップの電気イ
ン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。
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
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れています。
代表的な測定例とキーサイト電気インピーダンス測定器の測定範囲
E4980A
1G
注：各測定器が
<10%の確度で測定できる
100M
範囲を示しています。
10M
1M
インピーダンス [Ω]
100k
細　生
体
胞
10k
食　1k
癌
分　品
100
／
組
子
織
E4991A
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ーダンス測定は、技術的に確立され、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、今後さらに大きな貢献ができる技術です。キーサイト・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ていきます。
次ページ以降に、キーサイト・テクノロジーの電気インピ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）
キーサイトの電気インピーダンス測定器が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
Sujin Ahn, Sung Chan Jun, Jin Keun Seo, Jeehyun Lee, Eung Je Woo,
and David Holder
“Frequency-difference electrical impedance tomography: Phantom
imaging experiments”
Journal of Physics: Conference Series 224 (2010) 012152
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
I J¨urgensy, J Rosellz and P J Riu
“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
T. Marjanović, Z. Stare, I. Lacković
“Verification of physical models used for root canal measurement by
impedance comparison”
ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 715–718, 2007
測定対象：細胞・血液
Y. Ülgen and S. Mana
“Storage Effects on Whole Blood: Physiological and Electrical
Measurements”
ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 66–69, 2007
Guofeng Qiao, Wei Wang , Li Wang, Yi He , B Bramer and M Al-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, M Mitar, F X Hart and D Miklavčič
“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”
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”
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
“Impedance Array Studies of Mammalian Cell Growth”
American Institute of Chemical Engineers (2003)
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 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
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
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
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-Ferrer, M.A. Garcia, J. Ramos1, R. Bragos, Y. Salazar, 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
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
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
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 Kasi, Robert Meissner, Alexandre Babalian, Harald van Lintel,
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
Yusmeeraz Yusof , Kiyomasa Sugimoto, Hiroaki Ozawa, Shigeyasu Uno,
and Kazuo Nakazato
“On-chip Microelectrode Capacitance Measurement for Biosensing
Applications”
Japanese Journal of Applied Physics 49 (2010) 01AG05
Arum Hana and A. Bruno Frazier
“Ion channel characterization using single cell impedance spectroscopy”
Lab Chip, 2006, 6, 1412–1414
LI YuHong1, Zhao KongShuang & Han Ying
“Dielectric study on membrane adsorption and release: Relaxation
mechanism and diffusion dynamics”
測定対象：食品・微生物・その他
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. J. Protozool. Vol. 41, No. 1. pp. 55-57 (2008) 原生動物学雑誌 第41巻
第1号 2008年
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
E. Vozáry, P. Mészáros
“Effect of Mechanical Stress on Apple Impedance Parameters”
ICEBI 2007, IFMBE Proceedings 17, pp. 118–121, 2007
Sci China Ser B-Chem, Sep. 2008, vol. 51, no. 9, 813-822
R Gomez-Sjoberg, Dallas T Morisette, Rashid Bashir
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
“Impedance Microbiology-on-a-Chip: Microfluidic Bioprocessor for Rapid
Detection of Bacterial Metabolism”
A. Yokoyama, H. Ishikawa, M. Shinohara, N. Shinyashiki, S. Yagihara, and
Y. Hayashi
“Broadband Dielectric Spectroscopy of Albumin-Water Mixture in
Frozen State”
AIP Conference Proceedings, Volume 832, pp. 163-166 (2006).
“Frequency dependence on the accuracy of electrical impedance
spectroscopy measurements in microfluidic devices”
JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 14, NO. 4,
AUGUST 2005
Ciprian Iliescu, Daniel P Poenar and Subramanian Tamil Selvan
J. Micromech. Microeng. 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).
Webリソース
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
バイオ／製薬／食品／環境アプリケーションにおける電気インピーダンス
測定関連Webページ：
www.keysight.co.jp/find/EIS
キーサイト・テクノロジー 電気インピーダンス測定製品関連情報：
www.keysight.co.jp/find/impedance
www.keysight.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://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5952-1430JA.pdf
インピーダンス測定ハンドブック
http://literature.cdn.keysight.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
キーサイト・テクノロジー合同会社
本社〒192-8550 東京都八王子市高倉町9-1
http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/00-2395.pdf
電子計測Update：www.keysight.co.jp/find/emailupdates-Japan
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契約販売店：www.keysight.co.jp/find/channelpartners
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www.keysight.co.jp
© Keysight Technologies, 2014
Published in Japan, November 25, 2014
5990-8808JAJP
0000-08cS