(57)【要約】生物学的実体の状況を分析するデバイス。デバイス（１０）は、少なくとも２つの対向側方壁とベース壁とによって凹部が内部に画定されたほぼ透明なベース基板（１１）と、凹部を占める少なくとも一部を有するほぼ透明な充填部材（１４）と、充填部材とベース基板の間に配置されたほぼ透明な分離層（１２）と、充填部材に画定されたチャネル（１６）とを備え、チャネルは、充填部材の第１側方壁の上に配置された入口と、充填部材の第２側方壁の上に配置された出口とを備えている。充填部材の第１側方壁は、充填部材の第２側方壁と対向する関係で配置され、充填部材の第１側方壁および第２側方壁の少なくとも一部は、凹部を画定する対向側方壁に対して少なくともほぼ垂直である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの対向側方壁とベース壁とによって凹部が内部に画定されたほぼ透明のベース基板と、
前記凹部を占める少なくとも一部を有するほぼ透明の充填部材と、
前記ベース基板と前記充填部材の間に配置されたほぼ透明な分離層と、
前記充填部材の内部に画定されたチャネルと、を備え、
前記チャネルが、前記充填部材の第１側方壁の上に配置された入口と、前記充填部材の第２側方壁の上に配置された出口とを備え、
前記充填部材の前記第１側方壁が、前記充填部材の前記第２側方壁と対向する関係で配置され、
前記充填部材の前記第１側方壁および前記第２側方壁の少なくとも一部が、前記凹部を画定する前記対向側方壁に対して少なくともほぼ垂直である、マイクロ流体デバイス。
【請求項２】
前記チャネルが前記凹部に沿って配置される請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３】
前記チャネルが前記凹部の内部に配置される請求項１または２に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４】
前記チャネルの一部が前記凹部の外部に配置され、前記チャネルが、前記凹部の幅より大きい直径を有する請求項１または２に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項５】
前記チャネルの前記入口の形状が、少なくともほぼ円形である請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項６】
前記入口および前記出口の前記直径が、約０．１マイクロメートルから約２０マイクロメートルである請求項５に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項７】
前記チャネルの形状が、少なくともほぼ円筒形である請求項１から６のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項８】
前記チャネルが、約０．１マイクロメートルから約２０マイクロメートルの直径を有する請求項７に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項９】
前記チャネルが、約１マイクロメートルから約１００マイクロメートルの長さを有する請求項１から８のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１０】
前記凹部の深さが、約０．１マイクロメートルから約１０マイクロメートルである請求項１から９のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１１】
前記ベース基板が、二酸化ケイ素および透明アルミナからなる群から選択される請求項１から１０のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１２】
前記二酸化ケイ素が、結晶形態にある請求項１１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１３】
前記結晶形態が、水晶、トリジマイト、およびクリストバライトから選択される請求項１２に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１４】
二酸化ケイ素が、アモルファス形態にある請求項１１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１５】
前記アモルファス形態が、溶融シリカおよびヒュームド・シリカから選択される請求項１４に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１６】
透明アルミナが、ルビーおよびサファイアからなる請求項１１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１７】
前記分離層が、シリコン・ベースのセラミック材料、ポリシリコン、およびアモルファス・シリコンから選択される請求項１から１６のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１８】
前記シリコン・ベースのセラミック材料が、窒化ケイ素および炭化ケイ素からなる群から選択される請求項１７に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１９】
前記充填材料が、ドープ・シリコン酸化物からなる請求項１８に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２０】
ホスホ−シリケート・ガラス（ＰＳＧ）、ボロ−シリケート・ガラス、ボロ−ホスホ−シリケート・ガラス（ＢＰＳＧ）、およびスピン−オン−ガラス（ＳＯＧ）からなる群から選択される請求項１９に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２１】
第１の流体室および第２の流体室をさらに備え、前記第１流体室が、前記凹部を占める前記充填部材の部分に画定された前記チャネルを介して、前記第２流体室に流体接続される請求項１から２０のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２２】
前記第１流体室および前記第２流体室が、前記ベース基板において一体的に画定される請求項２１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２３】
前記充填部材に画定された複数のチャネルをさらに備える請求項１から２２のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２４】
前記充填部材が各凹部において配置された対応する一部を有する、前記基板に画定された複数の凹部と、
各凹部に沿って配置されたチャネルと、をさらに備える請求項２３に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２５】
複数の第１流体室および複数の第２流体室をさらに備え、各第１流体室が、前記複数のチャネルの少なくとも１つを介して、対応する第２流体室と流体接続される請求項２３または２４に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２６】
前記第１流体室および前記第２流体室の少なくとも一方が、少なくとも１つのマイクロ流体ユニット動作モジュールに接続されて動作する請求項２１から２５のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２７】
前記マイクロ流体ユニット動作モジュールが、ディスペンサ、マイクロミキサ、反応室、マイクロポンプ、インジェクタ、センサ、およびリザーバを備える請求項２６に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２８】
前記第１流体室に配置された感知電極、および前記第２流体室に配置された基準電極をさらに備える請求項２１から２７のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２９】
前記感知電極と連絡する電気生理学的測定回路をさらに備える請求項２８に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３０】
前記少なくとも第１流体室および第２流体室を覆うキャップ基板をさらに備える請求項２１から２９のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３１】
前記キャップ基板が、前記ベース基板および前記分離層の少なくとも一方の上に配置されたほぼ透明なカバーを備える請求項３０に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３２】
粒子を分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
ほぼ透明なベース基板に画定された少なくとも第１流体室および第２の流体室を備え、前記第２流体室が、前記ベース基板に画定されたチャネル要素によって前記第１流体室に流体接続され、前記チャネル要素が、
少なくとも２つの側方壁とベース壁とによって前記ベース基板に画定され、前記第１流体室と前記第２流体室の間に延びる凹部と、
凹部を占める少なくとも一部を有するほぼ透明な充填部材と、
前記ベース基板と前記充填部材の間に配置されたほぼ透明な分離層と、
前記充填部材に画定されたチャネルと、を備え、
前記チャネルが、前記充填部材の第１側方壁の上に配置された入口と、前記充填部材の第２側方壁の上に配置された出口とを備え、前記充填部材の前記第１側方壁が、前記充填部材の前記第２側方壁と対向する関係で配置され、
前記充填部材の前記第１側方壁および前記第２側方壁の少なくとも一部が、前記凹部を画定する対向側方壁に対して少なくともほぼ垂直である、マイクロ流体デバイス。
【請求項３３】
前記チャネルが前記凹部に沿って配置される請求項３２に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３４】
前記チャネルが前記凹部の内部に配置される請求項３２または３３に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３５】
前記チャネルの一部が、記凹部の外部に配置される請求項３２または３３に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３６】
前記チャネルの前記入口および前記出口の両方の形状が、少なくともほぼ円形である請求項３２から３５のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３７】
前記入口および前記出口の直径が、約０．１ミクロンから約２０ミクロンである請求項３６に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３８】
前記チャネルの形状が、少なくともほぼ円筒形である請求項３２から３７のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３９】
前記チャネルが、約０．１マイクロメートルから約２０マイクロメートルの直径を有する請求項３８に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４０】
前記充填部材に配置された複数のチャネルをさらに備える請求項３２から３９のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４１】
他のチャネル要素を介して前記第１流体室および前記第２流体室の少なくとも一方に流体接続された他の流体室をさらに備える請求項３２から４０のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４２】
複数の第１流体室および／または複数の第２流体室をさらに備え、各第１流体室が、対応するチャネルを介して第２流体室に流体接続される請求項４１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４３】
電気測定デバイスが、どちらかの流体室に位置する粒子の電気的特性を決定するために、前記第１流体室および前記第２流体室に接続されて動作する請求項３２から４２のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４４】
前記少なくとも第１流体室および第２流体室を覆うキャップ基板をさらに備える請求項３２から４３のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４５】
前記キャップ・ウエハが、前記ベース基板および／または前記分離層の上に配置されたほぼ透明なカバーを備える請求項４４に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４６】
マイクロ流体デバイスを形成する方法であって、
ほぼ透明なベース基板を提供することと、
前記ベース基板の表面に凹部を形成することと、
前記ベース基板の前記表面上にほぼ透明な分離層を形成することと、
前記凹部をほぼ透明な充填材料で充填することと、
前記充填材料にチャネルが形成されるように前記充填材料を変形させる条件に、前記充填材料をさらすことと、からなる方法。
【請求項４７】
前記ベース基板が、シリコン・ウエハのエッチング停止層を備える請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記凹部が、前記ベース基板の表面をエッチングすることによって形成される請求項４６または４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記分離層が、前記凹部を画定する前記ベース基板の前記表面上に堆積される請求項４６から４８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５０】
前記凹部が、前記凹部内において前記充填材料の非コンフォーマル表面トポグラフィを生じる堆積工程により充填材料で充填される請求項４６から４９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５１】
前記充填により、前記凹部を占める前記充填材料において間隙が形成される請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記堆積工程が、プラズマ強化化学蒸着、低圧化学蒸着、物理蒸着、またはエピタクシから選択される請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
充填材料が前記凹部の開端部において挟まるように前記充填材料を前記凹部の中に堆積させ、それにより前記充填材料内の間隙を捕捉することによって、前記凹部が充填材料で充填される請求項４６から５２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５４】
前記充填部材がさらされる前記条件が、前記充填材料のガラス転移温度より高温に加熱することを含む請求項４６から５３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５５】
前記加熱が約８００℃と約１２００℃の温度において実施される請求項５４に記載の方法
。
【請求項５６】
前記加熱が約３０秒から約２４０分の時間期間実施される請求項５４または５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記ベース基板において少なくとも第１流体室および第２流体室を形成することをさらに備え、前記第１流体室が、前記チャネルを介して前記第２流体室に流体接続される請求項４６から５６に記載の方法。
【請求項５８】
キャップ基板を前記ベース基板および前記分離層の少なくとも一方に接合し、それにより前記少なくとも第１流体室および第２流体室を覆うことをさらに含む請求項４６から５７に記載の方法。
【請求項５９】
生物学的実体の状況を分析する方法であって、
請求項３２から４５のいずれか１項に記載されたマイクロ流体デバイスの第１流体室に前記生物学的実体を導入することと、
前記生物学的実体の第１状況に関連付けられる第１基準電気信号を測定することと、
前記生物学的実体の前記状況を変化させることが可能な条件に前記生物学的実体を暴露することと、
前記条件に暴露した後、前記生物学的実体の前記状況に関連付けられた第２電気信号を測定することと、からなる方法。
【請求項６０】
前記生物学的実体の前記状況に変化が生じたことを検出するために、前記第１電気信号および前記第２電気信号を所定の閾値電気信号値と比較することをさらに含む請求項５４に記載の方法。
【請求項６１】
前記第１電気信号と前記第２電気信号の差が、前記所定の閾値電気信号値と比較される請求項５５に記載の方法。
【請求項６２】
前記第１電気信号と前記第２電気信号の差が、前記所定の閾値電気信号値より大きいとき、前記生物学的実体がさらされる前記条件が前記生物学的実体の前記状況を変化させることができると評価される請求項５６に記載の方法。
【請求項６３】
前記チャネルを経て生成された吸引力によって区画要素の入口の上にわたって前記生物学的実体を固定することをさらに含む請求項５４から５７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６４】
前記生物学的実体が前記入口の上に封止を形成し、それにより、イオンが前記第１流体室から前記チャネルの中に自由に移動するのが制限される請求項５８に記載の方法。
【請求項６５】
前記生物学的実体によって形成された前記封止の状況を決定するために、視覚化顔料を前記第１流体室に追加することをさらに含む請求項５８または５９に記載の方法。
【請求項６６】
前記生物学的実体が生細胞からなる請求項５４から６０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６７】
前記生細胞が真核細胞である請求項６１に記載の方法。
【請求項６８】
前記真核細胞が哺乳動物細胞または酵母細胞から選択される請求項６２に記載の方法。
【請求項６９】
前記哺乳動物細胞が、ニューロン細胞、卵母細胞、リンパ球、単核白血球、筋肉細胞、および胚幹細胞から選択される請求項６３に記載の方法。
【請求項７０】
前記生物学的実体が、原核細胞である請求項６１に記載の方法。
【請求項７１】
前記第１電気信号および／または第２電気信号を測定することが、吸引力が加えられる前記細胞の領域内に配置された、またはその領域から隔離された輸送構造を通過する電流を測定することを含む請求項５４から６５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７２】
前記輸送構造が、陰イオン・チャネル、陽イオン・チャネル、陰イオン輸送体、陽イオン輸送体、受容体タンパク質、接合タンパク質、およびイオノトロピック型受容体を備える請求項６６に記載の方法。
【請求項７３】
前記生物学的実体の前記表面を破壊し、それにより前記生物学的実体における前記輸送構造の電気特性にアクセスすることを可能にすることをさらに備える請求項６６または６７に記載の方法。
【請求項７４】
前記輸送構造の前記電気特性の測定値が、前記第１流体室および前記第２流体室に配置された感知電極から測定される請求項６８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にミクロ流体工学の分野に関し、より具体的には、光学的にほぼ透明であり、それによりシステム内で行われる工程の視覚的検査を伴う応用分野に適合されるマイクロ流体システムおよびナノ流体システムに関する。そのようなシステムを製作する方法、および内蔵バイオチップ・プラットフォームで生物学的サンプルを分析する方法も開示される。
【背景技術】
【０００２】
化学的分析および生化学的分析を実施する小型デバイスは、マイクロ流体チップまたはバイオチップとしても知られ、分析および研究を実施するための標準的な器具として広く受け入れられている。限られた有資格の担当者および大型機器が関与する従来の方法と比較して、これらのデバイスは、端数のコストで反復される実験室作業を効率的に自動化し、かつ高感度レベルの検出を提供することができることにより、多くの種類の応用分野において広く使用されるようになった。たとえば、毛細管電気泳動および分子診断を再現的かつ有効に実施する手段として、チップ上のマイクロ流体実験室が使用される。配列決定および他の核酸分析のハイブリダイゼーション検定を実施するためには、マイクロアレイまたはバイオチップは使用される。
【０００３】
応用分野に関係なく、これらのデバイスの基本は、通常、シリコンから形成される構造である。シリコン処理技術はマイクロ構造およびナノ構造を精確かつ予測的に画定することができるので、シリコンはマイクロ流体デバイス作成のために選択される材料であった。シリコン・チップの製造から既知であるフォト・マスキングおよびエッチングの工程を適用することによって、光学、流体工学、機械、および電気の要素をシリコン・ウエハの上に組み合わせるマイクロ流体デバイスを製作することが可能である。
【０００４】
これらのマイクロ流体デバイスで実施されるほとんどの応用分野は、通常、デバイス内で行われる工程の視覚的検査を必要とする。たとえば、細胞の表面に接してマイクロピペットの先端の適切なパッチングを観察するために、パッチ・クランプ・マイクロ流体デバイスが顕微鏡下に置かれることが必要である。視覚的検査を容易にするために、デバイスは、明るい背景を背にして配置することができるように（たとえば、蛍光灯を使用して後ろからマイクロ流体チップを照明することによって）、透明であることが好ましい。シリコンは不透明な物質なので、シリコンをベースとするマイクロ流体チップは、そのようにして見ることができず、したがって、観察は、明るく照明された環境で観察が実施されている状況に限定される。
【０００５】
マイクロ流体デバイスにおいて透明な材料が必要であることは、薬物の発見または他の細胞内相互作用の目的で生細胞を捕捉して細胞膜の電気活性を記録するために使用されるパッチ・クランプ・デバイスにおいても明らかになっている。この目的のために開発された様々なタイプのマイクロ流体パッチ・クランプ・デバイスは、通常、パッチ・クランプの工程を自動化するために感知回路、マイクロ流体チャネル、および他の構造を統合している。
【０００６】
現在の製作技術は、側方チャネルを作成するために、主にシリコン・ウエハ処理技術に依拠する。上述されたように、通常はシリコン・ウエハである開始材料は、光が透過することができない不透明な材料であり、したがって、光学的観察がデバイスで実施されるべきであるときに使用が限定されるという問題に遭遇する。
【０００７】
様々な他の方式も、透明基板のリザーバ、ミキサ、フィルタなどの他の構成要素と統合された小型流体チャネルを製作するために使用されてきた。標準的な投影フォトリソグラフィを使用してガラス・ウエハをパターニングすることは可能ではないので、接触リソグラフィまたは近接リソグラフィが使用されてきた。しかし、この技法では、一般に、比較的大きなチャネルを形成することのみが可能である。
【０００８】
フェムト秒超高速レーザも、ガラスのアブレーションを実施するために使用されてきた。たとえば、様々な角度で微細なガラス断片を劈開し、小さい穴をあけ、他のガラス部品の端部または側面に形状を作ることが可能である。しかし、この手法では、塊りの材料の内部に横方向チャネルを一体的に形成することは可能ではない。
【０００９】
非特許文献１は、ガラス・ウエハにおいて最小幅が５０μｍのチャネルを作成する方法を開示している。ガラスは薄いクロム層で事前にコーティングされ、フォトレジストが標準的なＵＶ露光ユニットを使用してＵＶ放射に露光される。次いで、ガラスが現像液に浸される。ガラスがパターニングされた後、ガラスはハード・ベークされ、次いでチャネルを形成するためにエッチングされる。
【００１０】
非特許文献２は、パイレックス（登録商標）およびソーダ石灰ガラス・ウエハにおいてチャネルを製作する方法を開示している。スピン−コーティングしたＳＵ−８フォトレジストおよび接着促進剤上でＵＶ暴露した後、流体チャネルがパイレックス（登録商標）の上にパターニングされた。ハード・ベークした後、Ｈ３ＰＯ４、ＨＦ、およびＨＮＯ３の溶液を使用してウエット・エッチングが実施された。ソーダ石灰ウエハでは、チャネルは６０μｍの深さのチャネルを達成するためにエッチングされた。
【００１１】
非特許文献３は、フォトレジスト型の上にニッケル電気めっきをしている最中に非コンフォーマル堆積プロファイルを使用して金属マイクロチャネルを形成することを記載している。断面積が１０×４０μｍ２の自己封止金属マイクロチャネルが形成された。金属は良好な熱導体なので、金属マイクロチャネル構造は、超小型電子工学デバイスを冷却するために使用される。
【００１２】
特許文献１は、ガラス・ロッドを収容することができる内径を有する不活性６角ガラス管に酸エッチング可能ガラス・ロッドを挿入することによって形成されたマイクロチャネル・フィルタ・アレイを開示している。融点に近い温度で２つのガラス構造を溶融し、次いでそれらを微細フィラメントに引き延ばすことによって、ナノメートル規模の小さい直径を有するガラス・チャネルを達成することが可能である。
【００１３】
非特許文献４は、細胞リザーバを吸引室から分離する不透明シリコン壁内に配置されたパッチ・チャネルを備える横方向細胞捕捉接合を使用する統合多重パッチ・クランプ・アレイ・チップを記載している。サンプル流体が細胞リザーバから吸引室に引き込まれ、吸引力によりパッチ・チャネルの入口の上に細胞が固定される。チップは、ＰＤＭＳ微小成形から製作され、半円アパーチャのみを作成した。半円パッチ・アパーチャの１つの欠点は、ギガオームの範囲にある高い耐封止性を達成することができず、その結果、測定が、背景雑音信号が測定の大部分に関与するものになってしまうことである。さらに、この製作方法は、ガラスなどの透明材料に適応可能ではない。
【特許文献１】米国特許第５２３４５９４号
【非特許文献１】マックレディ（ＭｃＣｒｅｅｄｙ）、Ａｎａｌｙｔｉｃａ  Ｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ  ４２７、２００１年、３９〜４３ページ
【非特許文献２】マノー（Ｍａｎｏｒ）ら、ＩＥＥＥ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  Ｊｏｕｒｎａｌ、３（６）、２００３年、６８７ページ
【非特許文献３】ジョー（Ｊｏｏ）ら、Ｐｒｏｃ．ＭＥＭＳ’９５、１９９５年、３６２〜３６７ページ
【非特許文献４】セオ（Ｓｅｏ）ら（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙ．Ｌｅｆｔ．Ｖｏｌ．８４  Ｎｏ．１１、１９７３〜１９７５ページ）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、たとえば透明材料で形成されるマイクロ流体チャネルを提供することによって、従来技術のデバイスの欠点のいくつかに対処するマイクロ流体デバイス、およびほぼ円形の断面とサブミクロンからミクロンの範囲の寸法のチャネルを可能にする方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１態様によれば、マイクロ流体デバイスが提供される。マイクロ流体デバイスは、少なくとも２つの対向側方壁とベース壁とによって凹部が内部に画定されたほぼ透明なベース基板を備える。ほぼ透明な充填部材が、凹部を占める少なくとも一部を有する。ほぼ透明な分離層が、ベース基板と充填部材の間に配置され、チャネルが、充填部材の内部に画定される。チャネルは、充填部材の第１側方壁の上に配置された入口と、充填部材の第２側方壁の上に配置された出口とを備えている。充填部材の第１側方壁は、充填部材の第２側方壁と対向する関係で配置されている。充填部材の第１側方壁および第２側方壁の少なくとも一部は、凹部を画定する対向側方壁に対して少なくともほぼ垂直である。
【００１６】
他の態様では、本発明は、本発明の第１態様による、試験される粒子を包含する第１流体室、およびチャネル要素によって第１流体室に流体接続される第２流体室を備えるマイクロ流体デバイスをも提供する。
【００１７】
本発明の第３態様は、本発明のデバイスを製作する方法を対象とする。この方法は、ほぼ透明なベース基板を提供することと、ベース基板の表面に凹部を形成することと、ベース基板の前記表面上にほぼ透明な分離層を形成することと、前記凹部をほぼ透明な充填材料で充填することと、チャネルが充填材料に形成されるように充填材料を変形させる条件に充填材料をさらすこととを含む。
【００１８】
本発明の第４態様によれば、生物学的実体の状況を分析する方法が提供される。この方法は、本発明によるマイクロ流体デバイスの第１流体室に生物学的実体を導入することを含む。生物学的実体の第１状況に関連付けられる第１基準電気信号が、まず得られる。次いで、生物学的実体は、その状況を変化させることが可能な条件（刺激）に暴露される。その条件に暴露された後の生物学的実体の状況に関連付けられた第２電気信号が得られる。たとえば、この第２電気信号は、必要であれば、生物学的実体に対するその条件の影響を決定する目的で生物学的実体の状況または条件を決定するために、第１電気信号と比較して分析することができる。
【００１９】
本発明は、従来のマイクロ機械加工技法の範囲が及ばない小さい寸法を有する透明なマイクロ流体チャネル構造を製作する手段を提供する。本発明者は、堆積および熱リフローを組み合わせて使用することによってこれらのマイクロ流体チャネル構造を形成することができることを発見した。この場合、非コンフォーマル堆積中に生じる自己封止現象を使用して、先駆物質間隙構造を生成し、その後、熱リフローを使用して、所望の幾何学的形状に従って間隙構造をチャネルに成形する。
【００２０】
透明な材料でチャネル構造を形成することにより、光学的分析が容易になることが有利であり、たとえば、チャネル構造を組み込む任意のデバイスを、デバイス内で行われる工程を見るために光源の上にわたって配置することができる。本発明のさらに有利な点は、
丸くされたチャネル入口が形成できることである。たとえば、パッチ・クランプの応用分野の文脈では、円形の幾何学的形状が、ギガ−オームの大きさの耐封止性を提供することができ、それにより背景雑音信号を低減し、したがってより精確なパッチ・クランプ測定が行われることを可能にすることが既知である。さらに、本発明は、数マイクロメートルからサブマイクロメートルの寸法を有するチャネルを提供し、したがって、細胞、細菌、ウィルス、タンパク質、およびＤＮＡ分子にわたる生物学的サンプルが関与する広範な応用分野について使用するのに適している。製作の観点から、マイクロ流体チャネルの製作において従来に行われるエッチング・ステップを実施する必要性を排除することによって、チャネルを作成するために必要なステップは少なくなる。他の利点には、マイクロ流体の入力チャネルおよび出力チャネルならびに入力ポートおよび出力ポートを包含するキャップ層によってデバイスを実装することが容易であることと、大規模な並行試験に適切な高密度アレイを達成するように規模を適応させることができることがあり、その理由は、既存の平面パッチ・チャネルに使用されるダイアフラムとは異なり、側方パッチ・チャネルが形成される微細区画は多くの空間を占めず、区画に形成されるチャネルのプロファイルはリソグラフィにより画定することができるからである。たとえば、マイクロミキサおよびマイクロポンプなどの作業モジュールを他のマイクロ流体ユニットと統合することが容易になる。
【００２１】
本発明は、純粋な流体、溶液、混合物、ならびに懸濁液、コロイド系、コロイド溶液、またはコロイド分散などの粒子を含む流体を含めて、任意のタイプの流体に適用可能である。「粒子」という用語は、数ミリメートルから１マイクロメートル未満の範囲のサイズを有する小さい粒子を含む。この文脈では、「粒子」という用語は、無機粒子（シリカの微小球およびガラス・ビードなど）ならびに有機粒子を含む。有機粒子は、生物学的実体を含み、この文脈では、ペプチド、タンパク質、ＤＮＡ、ウィルス、組織断片などの生物学的材料、原生動物、細菌細胞、およびウィルスなどの単一細胞有機物、ならびに多細胞有機物、単一細胞、および細胞下構造を指す。本発明を適用することができる細胞は、一般に、真核細胞および原核細胞の両方を含めて、電圧感受性の任意のタイプの細胞、または電位を変化させることができる細胞がある。真核細胞の例には、植物細胞および動物細胞の両方がある。いくつかの動物細胞の例には、星状膠細胞、乏突起膠細胞、シュヴァン細胞などの神経系の細胞、コリン神経細胞、アドレナリン神経細胞、およびペプチド性神経細胞などの自律神経細胞、臭覚細胞、聴細胞、光受容体などの知覚変換器細胞、垂体前葉腺、甲状腺細胞、および副腎腺からの成長ホルモン産生細胞、ラクトトロープ、甲状腺刺激ホルモン産生細胞、性腺刺激ホルモン分泌細胞、コルチコトロープなどのホルモン分泌細胞、乳腺細胞、涙腺細胞、耳道腺細胞、クリン汗腺細胞、および皮脂腺細胞などの内分泌上皮性細胞、ならびに骨芽細胞、線維芽細胞、卵割球、幹細胞、ニューロン細胞、卵母細胞、チャイニーズハムスター卵巣細胞、赤血球、リンパ球、または単核白血球、などの血球細胞、筋細胞などの筋肉細胞、胚幹細胞などの他の細胞がある。哺乳動物細胞は重要な例であり、薬物のスクリーニングに使用される。真核細胞の他の例には、酵母細胞および原生動物がある。植物細胞の例には、分裂組織的細胞、柔細胞、厚角細胞、および厚膜細胞がある。たとえば、本発明において適用可能な原核細胞には、古細菌細胞および細菌細胞がある。生物学的実体という用語は、核、核小体、小胞体、中心体、細胞骨格、ゴルジ体、ミトコンドリア、リソソーム、ペルオキシソーム、液胞、細胞膜、細胞質ゾル、細胞壁、チオロプラスト、ならびにその断片、誘導体、および混合物など、細胞下（細胞内）構造などの他のタイプの生物学的物質をさらに包含する。
【００２２】
本発明によるマイクロ流体デバイスは、凹部が内部に画定されたベース基板を備える。凹部は、ベース基板の表面に存在し、少なくとも２つの対向側方壁とベース壁とによって画定される。所望の構成に応じて、凹部は、ベース基板の全長／幅にわたって（すなわち１つの縁から他の縁まで）画定される（側方に）ことが可能であり、または、ベース基板の一方の縁の付近に画定されることが可能である。また、ベース基板上において基板の中
央部分の付近に他の流体構造が製作されることに対応するように、基板の中央部分の付近に画定されることも可能である。たとえば、ベース基板の全表面または全長（たとえば、端から端）にわたる貫通凹部が必要なある実施形態では、凹部は、チャネルおよびベース壁の長さに沿って形成された１対の対向側方壁によって境界を画定され、一方、凹部の端部は、側方壁によって境界を画定されない側方開口である。凹部がベース基板の一方の縁に画定された一端部およびベース基板の縁から離れて終端する（たとえば中央部分において）他の端部を有するように形成される場合、凹部は、１対の対向側方壁、１つのベース壁、および２つの対向側方壁を接続し、かつ側方開口と対向する１つの側方壁によって境界を画定される。凹部が完全にベース基板内に画定される場合、凹部は、２対の対向側方壁とベース壁とによって画定される。
【００２３】
凹部は、立方体の形状など（たとえば、矩形または正方形）、任意の適切な形状を有することが可能であり、この場合、凹部は、トレンチの形状にある。代替として、半円筒または半球、あるいは任意の他の適切な不規則形状であってもよい。形状に関係なく、凹部の深さは、小さいチャネルが所望される場合、約０．１μｍから約１０μｍ、またはより一般的には約６μｍから８μｍの範囲とすることが可能である。大きなチャネルを必要とするいくつかの実施形態では、またはあるタイプの充填材料である種のリフローの特徴を達成するために、１０μｍを超える凹部の深さが、より大きなチャネルに対応するように使用されてもよい。深さとは別に、凹部の幅も、凹部が対応することが必要なチャネルの直径に従って寸法決めされることが可能であり、約０．２ミクロンから約５ミクロンの範囲とすることが可能である。
【００２４】
半球または半円筒の形状の凹部がベース基板に形成される場合、凹部は、連続する壁によって画定されることに留意されたい。この場合、凹部の半球壁の任意の２つの直接対向する端部分が、直線チャネルの２つの端部のそれぞれにある開口の平面によって画定される凹部の任意の対向側方壁と見なされることが可能である。同じことが、不規則な形状の凹部にも当てはまる。
【００２５】
基板に存在する凹部は、凹部の内部に充填部材を形成するための充填材料を受けるように作用する。充填部材は、その凹部を占める少なくとも一部を有するように配置される。これは、充填部材が、凹部の完全に内部に存在することが可能である、または充填部材の一部が、ベース基板の上面の一部を覆うように凹部の外部に延びることが可能であることを意味する。通常、充填材料を凹部の中に堆積させて充填部材を形成することにより、充填材料のいくらかが凹部の外部に堆積されることになる。好ましければ、この余分な充填材料は、充填材料が凹部の内部にのみ存在するように除去されてもよい。
【００２６】
充填部材は、流体が通って流れることが可能であり、かつ凹部に沿って形成される１つまたは複数のマイクロ流体チャネルを内部に画定した。チャネルは、それぞれが充填部材の対向側方壁の上に配置される一端の入口および他端の出口において終端する。充填部材のこれらの側方壁は、ベース基板の外部側面と同一表面になるように配置されることが可能であり、ベース基板と共に、デバイスの側面を画定する。以下で説明されるように、各側面は、流体室に面することが可能であり、壁の１つは流体室を囲む。充填部材の対向側方壁は、凹部を画定する対向側方壁に対して少なくともほぼ垂直（「直交」という用語によっても理解される）であるように配向される。このようにして、充填部材のこれらの側方壁の上に形成される少なくとも入口アパーチャの配向、または出口アパーチャの配向も同様に、各アパーチャの平面が少なくともほぼ垂直であり、それにより充填部材の側方壁の上に形成されるほぼ直立の側方アパーチャであるようなものである。「ほぼ垂直である」という用語によって、充填部材の対向側方壁の平面間の角度が、凹部を画定する対向側方壁の平面に対して正確に９０°に配置されなくてもよいことを意味する。角度は、アパーチャの開口の一部が水平方向においてアクセス可能である限り、９０°から逸脱しても
よい。
【００２７】
小さい直径のチャネルでは、チャネルは、完全に凹部の内部にかつ凹部に沿って位置することが可能であり、これは、チャネルの全断面が、凹部の内部に見られる充填部材の部分に位置することを意味する。しかし、凹部の幅または高さより大きな直径を有するチャネルでは、チャネルは、凹部の内部に完全に収容されない可能性があり、したがって、チャネルの一部は、部分的に凹部の外部に位置する可能性がある。他の実施形態では、たとえば凹部のサイズに対して非常に大きな直径を有するチャネルの場合、チャネルは、凹部の完全に外部にかつ凹部より上に配置されることが可能である。
【００２８】
１実施形態では、チャネルの少なくとも一部の断面は、形状が少なくともほぼ円形である。チャネルの断面の形状に適用される「少なくともほぼ円形」という用語は、開口において３６０°の角度に及ぶ任意の幾何学的形状を含み、したがって、好ましくは円形とすることが可能であり、または、たとえば楕円もしくは長円の形状であってもよい（図１Ｂ、１Ｃ、および１Ｄ参照）。ほぼ円形のアパーチャを達成することが所望されるので、流体室は、以下で説明されるように、流体室の中に開いている円形のアパーチャが達成されるように、チャネルのこの円形の断面部分と一致するように形成することができる。少なくとも第１（入口）のアパーチャは、形状が少なくともほぼ円形であることが好ましい。他の実施形態では、第１（入口）アパーチャおよび第２（出口）アパーチャの両方とも、少なくともほぼ円形とすることが可能である。
【００２９】
デバイスが意図される応用分野に応じて、第１および出口の寸法は、チャネル内の物質の流れを制御するように変更することが可能である。様々なタイプの物質の通常サイズの選択は、当業者の知識の範囲内にある。たとえば、様々な分離媒質においてペプチド、タンパク質、ＤＮＡ，ウィルス、および細菌の電気泳動を実施するために、チャネルの直径は、サブミクロンの領域など、これらの物質のサイズに適合するようにすることが可能である。パッチ・クランプの応用分野では、アパーチャは、吸引力を加えることによりサンプルの粒子または生物学的実体の表面上に有効な封止を達成するように、十分に小さく適合されることが可能である。サンプルの生物学的実体が約１００μｍの直径を有するヒトの卵細胞である場合、パッチ・クランプを実施するために使用されるアパーチャは、約０．１μｍから約２０μｍ、より好ましくは約１μｍから約３μｍの直径を有することが可能である。対応して、さらにより大きなサンプルでは、直径は、２０μｍを超えることが可能である。通常約５μｍの直径を有する赤血球細胞などのより小さい細胞では、アパーチャは、必要であれば、約０．１μｍから約１μｍのより小さい直径を有することが可能である。第１および出口の直径は、同じまたは異なることが可能である。パッチ・クランプの応用分野では、両方のアパーチャの形状が円形である必要はないが、入口は、細胞サンプルにわたって有効なパッチ封止を達成するようにほぼ円形であることが好ましい。したがって、出口アパーチャは、パッチ・クランプに使用されないので、任意の他の形状を想定することが可能である。１つのアパーチャだけが少なくともほぼ円形である場合、このアパーチャはサンプルの粒子を含有するのに使用されるべき流体室に、すなわち第１流体室に対向するように配置されるのが好ましい。第１出口と対応する出口の両方が少なくともほぼ円形である実施形態では、いずれかのアパーチャがサンプルの生物学的実体をパッチ・クランプするための入口として作用することができる。
【００３０】
第１（入口）アパーチャを第２（出口）アパーチャに接続するチャネルは、入口／出口と同じ形状またはサイズを有さない可能性がある。これは、製作手順の不規則性、製作中のチャネルの全長にわたる非一様な条件、および充填部材を形成するときの凹部の中への充填材料の不均一な堆積など、様々な因子によることがある。たとえば、円形、楕円形、矩形など任意の適切な断面形状が可能である。チャネルの直径ならびにチャネルに対する入口および出口の直径は、両方とも一般的には同様であるが、サイズにわずかな差がある
ことも許容可能である。一般的には、チャネルは、一方または両方のアパーチャと同じ断面形状を有する。チャネルは、充填部材の内部において、すなわちベース基板の水平面内において、側方に配置されることが好ましい。チャネルの断面は、充填部材を形成するときに充填材料が凹部の中に不均一に堆積することにより、充填部材の内部において上方または下方に傾斜することがある。チャネルの縦方向または軸方向の長さは、凹部の長さまたは幅と整列するように配向されることが可能である。１実施形態では、チャネルは、約１μから１００μｍを超える長さを有する。チャネルは、約５μｍから約２０μｍのチャネル直径を有してもよい。
【００３１】
完全に透明なデバイスを達成するために、デバイスに備えられる構成要素は、ほぼ透明であることが好ましい、すなわち、可視光が通過することを可能にする。１実施形態では、区画要素のベース基板は、結晶および／またはアモルファスの形態の二酸化ケイ素を備える。二酸化ケイ素の結晶形態は、全体にわたって特定の順序で配置されたＳｉＯ２分子を有するが、アモルファス形態は、長距離の順序を有さない。半導体処理では、堆積し、熱成長したすべての二酸化ケイ素は、アモルファスであることが知られている。適切な結晶形態の例には、水晶、トリジマイト、およびクリストバライトがあり、アモルファス形態の例には、溶融シリカおよびヒュームド・シリカがある。ベース基板として使用されることが考慮された他の透明材料には、透明アルミナを備える材料があり、いくつかの例は、ルビーおよびサファイアである。
【００３２】
理論によって限定されることを望まずに、本発明者は、充填材料を凹部の中に非コンフォーマルに堆積させ、続いて熱リフローさせることは、充填材料が、加熱期間にわたって変形／リフローする能力を維持することを必要とすることを認識した。充填部材とベース基板の間に挿入された分離層を有することによって、充填部材とベース基板の間の相互作用が最小限になることが認識される。この相互作用は、たとえば、充填部材のガラス転移温度をベース基板まで低減させるために充填部材に存在することがあるドーパントの拡散を含むことが可能である。数ミクロンのレベルでは、この相互作用は、充填部材のリフローの特徴に対して著しい影響を有することが認識された。さらに、分離層が存在すると、大きな断面を有する自己封止円形マイクロチャネルを熱リフロー工程から形成することができる。この現象は、熱アニーリング工程中に２層の内部に構築された応力を解放することによって生じると考えられる。
【００３３】
ほぼ透明な分離層の製作は、充填材料で凹部を充填する前に、凹部の暴露表面を含めて、ベース基板の上面に分離層を堆積させることによって達成される。分離層は、ドーパントが充填部材からベース基板に拡散するのを防止または遅延するために、ベース基板と充填部材の間において拡散障壁として作用する。良好な拡散障壁特性を提供するために、拡散障壁は、拡散障壁に隣接する材料に対して最小限の反応性、または理想的には完全な不活性を示す材料であることが好ましい。したがって、分離層は、窒化ケイ素または炭化ケイ素などのシリコン・ベースのセラミック材料など、特に摂氏数１００度の高温においてイオン拡散または原子拡散に対して不浸透性である任意の適合性の不活性材料を備えることが可能である。ポリシリコンおよびアモルファス・シリコンは、薄層として堆積されるとき、半透明であるので、他の可能な材料である。充填部材が、ホウ素またはリンがドーピングされた二酸化ケイ素など、格子破壊ドーパント原子がドーピングされる材料を備える場合、分離／障壁層は、ドーパント原子が充填部材からベース部材の中に拡散するのを防止するように作用する。特に高温では、充填材料からのドーパントは、充填部材およびベース基板の両方が直接接触する場合、ベース基板の中に拡散する傾向を有する。ドーパントが充填材料から離れて拡散することが可能であり、かつ充填材料からドーパント原子が枯渇することが可能である場合、充填材料は、そのリフローの特性を失い、その結果、充填材料は、当初の３角形の間隙を円形チャネルまたは任意の他の所望のチャネル幾何学的形状に変形させるように適切にリフローすることができない。
【００３４】
ベース基板の凹部の内部において充填部材のリフローを生じさせるために、ベース基板は、充填部材より高いガラス転移温度を有することが好ましく、それにより、充填部材のガラス転移温度より高く、かつベース基板のガラス転移温度より高く加熱する際、ベース基板は、依然としてその形態を保持し、一方、充填部材は変形し、凹部の内部でリフローして、所望の幾何学的形状を形成する。いくつかの実施形態では、充填部材は、誘電体材料を備え、より好ましくは、誘電体材料は、ドープされた二酸化ケイ素など、ドープされたガラスを備える。ドープされたガラスの例には、ハロゲン・ドープ・ガラス、遷移金属ドープ・ガラス、スピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）、ホスホ−シリケート・ガラス（ＰＳＧ）、ボロ−シリケート・ガラス、ボロ−ホスホ−シリケート・ガラス（ＢＰＳＧ）、またはソーダ石灰ガラスがある。
【００３５】
本発明は、一般的には任意のマイクロ流体システムに適用可能であり、上述された実施形態は、まとめてチャネル要素と呼ぶことが可能であり、２つの流体室を流体接続するために使用することができる。「チャネル要素」という用語は、他の等価な用語と交換可能に使用される。たとえば、デバイスがパッチ・クランプ・デバイスにおいて使用される場合、チャネル要素は、異なる名称が可能である。パッチ・クランプの特定の文脈において考慮すると、本発明のデバイスの上述された実施形態は、側方アパーチャを有する側方チャネル（すなわち、側方チャネルに対する入口および出口）を備え、側方パッチ・クランプ・デバイスにおいて２つの流体室を分離するために使用される区画要素を対象とすることが可能である。
【００３６】
他の実施形態では、本発明のデバイスは、区画要素によって第２流体室から分離される第１流体室を備えることが可能であり、第１流体室は、充填部材に存在するチャネルを介して第２流体室と流体連絡する。製作は、まず区画要素を形成することによって実施され、次いで別の流体室部材の中に組み立てて、側方パッチ・クランプ・デバイスを得ることが可能である。代替として、第１流体室および第２流体室は、それぞれチャネルの入口アパーチャおよび出口アパーチャにおいて、ベース基板に一体的に画定されることが可能である。このようにして、充填部材においてチャネルを経て接続された２つの流体室を備える側方パッチ・クランプが実現される。
【００３７】
いくつかの実施形態では、第１流体室および第２流体室は両方とも、形状、寸法、および／または幾何学的形状が同様（同一）である。代替として、第１流体室および第２流体室は、形状、寸法、および／または幾何学的形状が異なることが可能である。サンプル生物学的実体を包含するために使用される第１流体室は、閉鎖／隔離室、または他の流体チャネルもしくは供給室に流体接続された開放室とすることが可能である。目下のところ好ましい実施形態では、第１流体室は、サンプル供給源に流体接続される流体チャネルに流体接続される。第２流体は、第１流体室から流体を受け取り、サンプルを廃棄する排出チャネルに流体接続されることが可能である。
【００３８】
ベース基板に形成される流体室は、陽極接合、溶融接合、または接着接合を含む様々な手段により、ガラスなどの透明キャップ基板の上に移送されることが可能である。キャップ基板は、流体室、流体チャネルなどの様々な流体構造を含むことが可能である。そのようなカバーが、陽極接合などの様々な手段により、ベース基板の上に接合されることが可能である。カバーは、ベース基板に画定された任意の開放流体構造を封止するように作用する。流体を導入／除去するためにカバーの中にエッチングされた任意の数の入口ポートおよび出口ポートを有してもよい。電極がデバイスの中に構築されていない場合、電極は、外部測定システムによって提供されることが可能であり、電気測定がデバイスにおいて行われることが必要である場合、アクセス・ポートを介して流体室の中に挿入されるように構成されることが可能である。
【００３９】
完全な１組の分析工程を実施する完全なマイクロ流体システムを形成するために、流体室は、少なくとも１つのマイクロ流体ユニット動作モジュールに接続されて動作することが可能である。「マイクロ流体ユニット動作モジュール」という要素は、たとえば混合、分離、反応、ポンピング、分与、および感知を含めて、ミクロ流体工学のユニット動作を実施することができるマイクロ流体構造を指す。これらのユニット動作を実施することができるモジュールには、マイクロディスペンサ、マイクロミキサ、マイクロポンプ、インジェクタ、センサ、リザーバ、および反応室がある。
【００４０】
感知の応用分野では、電極が、固定された粒子または生物学的実体の上流点と下流点の間で電気測定を行うために、第１流体室および第２流体室に配置されることが可能である。行うことができる電気測定には、たとえば、電流（卵母細胞の細胞壁などの固定された粒子を通るイオンの流れによる）、ならびに電圧がある。パッチ・クランプの応用分野の文脈では、固定された粒子の上流側に配置された電極は、基準電極と呼ばれることが可能であり、固定された粒子の下流に配置された電極は、感知電極と呼ばれることが可能である。２つ以上の基準電極および１つの感知電極が、たとえば固定された粒子に近接してチャネル内に配置されることが可能であり、感知するように、または固定された粒子を刺激する／感電死させるもしくは移動させるように、あるいは流体室の条件を変化させるように機能する。たとえば、電気刺激に対するサンプル生物学的実体を観測することが所望される場合、生物学的実体をサンプリングし、それにより生物学的実体を電気的に刺激するために、追加の電極を区画要素の上に配置することができる。デバイスに組み込まれた、または外部測定システムによって提供される補助回路（たとえば、電気生理学的測定回路）が、これらの電極に接続されることが可能である。
【００４１】
デバイスを使用することができる他の応用分野には、粒子の電気泳動またはろ過がある。ろ過は、動電学的捕捉に基づいてサンプル粒子を事前に濃縮させることを含めて、様々な目的について作用することができる（Ｗａｎｇら、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００５、７７、４２９３〜４２９９ページ参照）。ろ過の応用分野の他の例には、たとえば、ウィルス・サンプルのＤＮＡふるいまたは隔離がある。ろ過は、第１流体室にふるい分けられる粒子を包含するサンプルを配置することによって達成することができる。充填部材に存在するチャネルにおいて吸引力を加えることによって、チャネルの最も狭いセクションの直径より小さい粒子がチャネルに入り、第２流体室に放出される。この直径より大きい粒子は捕捉され、第１流体室内に留まる。
【００４２】
本発明のデバイスは、大量の同じまたは異なるサンプルを同時に処理するように規模を拡大することができる。このために、デバイスは、充填部材に画定された複数のチャネルを含むことが可能であり、そのすべては、単一の凹部を占める充填部材の部分において配置される。代替として、好ましい実施形態では、複数の凹部がベース基板に画定されてもよく、充填部材は、各凹部において配置されたその対応する部分を有する。凹部を占める充填部材の各部分は、内部においてチャネルを画定していることが可能である。複数のチャネルを備える区画要素が、それぞれが複数の複数の粒子を同時に分析するために使用される第１および／または第２流体室を分離するために使用されることが可能である。
【００４３】
１実施形態では、デバイスは、１つの共通の第１流体室、および区画要素の複数のチャネルを介して第１流体室に流体接続された複数の第２流体室を備える。他の実施形態では、複数の入口が、基板の第１表面上に形成され、複数の出口が、基板の第２表面上に形成される。複数の入口の各入口は、基板内に形成されたチャネルを介して前記複数の出口の対応する出口に流体接続され、それにより、異なるサンプルを同時に処理するために各個々の第１流体室の内部に配置することができる。両実施形態において、第２流体室は、独立の電気記録が行われることを可能にするように、互いに隔離される。この構成を達成す
るために、区画要素は、複数の入口の各入口が前記複数の第１室の各個々の第１室と整列するように、マルチウエル・アレイに接合されることが可能である。他の実施形態では、本発明のデバイスは、複数の区画要素を備えることが可能であり、そのそれぞれは、マルチウエル・アレイを構成するそれぞれの第１流体室に接続される。
【００４４】
１実施形態では、デバイスは、ほぼ透明なキャップ基板をさらに備える。キャップ基板は、ベース基板において任意の開放流体室を封止するために、ガラス・カバーなどのキャップ構造としてデバイスに含まれる。流体室、流体チャネル、流体入口ポートおよび／または出口ポートなど、流体構造が内部に画定された平坦構造および／または厚い多層構造の形態にあることが可能である。キャップ基板は、ガラスまた透明ポリマーなど、任意の適切なほぼ透明の材料から導出されることが可能である。キャップ基板は、通常はチャネル要素の２つの側面上に流体室を形成した後、およびハンドル基板の不透明な構成要素が除去された後、接合手段によってデバイスに取り付けられることが可能である。本明細書の文脈では、「キャップ基板」という用語は、「最終ハンドル基板」および「最終ハンドル・ウエハ」という用語と交換可能に使用されることが可能であり、またはその用語と同様であると理解されたい。
【００４５】
本発明は、少なくともほぼ円形のパッチ・アパーチャを有し、かつミクロンからナノメートルの範囲の円形断面直径を有する側方パッチ・クランプ・アパーチャを形成する方法をも提供する。円形の幾何学的形状を有する側方パッチ・チャネルの製作は、いくつかの問題を示す。具体的には、透明な材料で円形のパッチの入口を達成するのは困難である。円形の入口は、吸引力を加えることにより、細胞などのサンプルの表面にわたって緊密な封止を達成するのに重要である。
【００４６】
本発明によれば、本明細書において開示される方法は、透明材料で形成され、ほぼ円形の入口を有する側方チャネルを提供する。方法は、ほぼ透明のベース基板をまず提供し、次いでベース基板の表面に凹部を形成することを備える。凹部は、ウエット・エッチングなど、ベース基板に適用可能な任意の従来の手段によって形成することができる。凹部の寸法は、分析される粒子のサイズに従って変更することができる。１実施形態では、凹部の幅は、約０．１μｍから約０．２μｍであり、長さは、約１μｍから約１００μｍである。
【００４７】
ベース基板が二酸化ケイ素を備える場合、存在する二酸化ケイ素のタイプに応じて、様々なエッチング溶液を使用することができる。二酸化ケイ素エッチングは、ケイ素と酸素の間の強い化学接合を破壊するためにイオン照射を必要とするということにより、本質的に非等方性である。したがって、異なる形態の二酸化ケイ素は、異なるタイプのエッチング溶液に対して異なる反応性を示す。通常、高度にドープされた酸化物は、エッチングがより迅速であり、炭素含有量の高い酸化物は、エッチングがより汚くなる。このエッチング工程の化学反応は、以下に与えられる。
【００４８】
【数１】
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＃１  プラズマ
【００４９】
凹部を形成した後、ほぼ透明な分離層が、ベース基板の表面上に形成される。この表面は、凹部を画定する凹部の表面を含むことが好ましい。たとえば、分離層は、１００ｎｍのポリシリコンまたは窒化ケイ素を備えることが可能である。
【００５０】
その後、充填材料が、凹部の中に堆積される。変形することができる任意の充填材料が、この目的に適している。１実施形態では、充填材料は、ドープされたシリコン酸化物材料を備える。材料は、低いガラス転移の材料を有することが好ましく、ベース基板材料より低いガラス転移温度を有することがより好ましい。充填は、たとえば堆積工程によって実施されることが可能である。適用可能な堆積工程の例には、プラズマ強化化学蒸着堆積、低圧化学蒸着、減圧化学蒸着、または物理蒸着がある。充填材料は、内部にある凹部の間隙を捕捉するように凹部の中に堆積される。具体的には、間隙は、凹部に沿って捕捉される。１実施形態では、凹部は、堆積工程により充填材料で充填され、その結果、凹部における充填材料の表面トポグラフィは非コンフォーマルになる。すなわち、凹部を充填材料で充填することは、充填材料が凹部の開端部において挟まり、それにより充填材料の間隙を捕捉するように、充填材料を凹部の中に堆積させることを含む。間隙は、凹部の一端部から凹部の対向端部まで充填部材を通って側方に延びる。間隙は、通常はＮ２またはＯ２である堆積が行われる気体を含む。
【００５１】
１実施形態では、充填材料は、ドープされた二酸化ケイ素を備える。通常、充填は、充填材料を軟化させ、それを液体として凹部に流し込み、それにより表面張力、したがって曲率を最小限にすることによって達成される。下にある特徴の粗い縁を滑らかにするために、誘電体層を有するそのような「フロー」工程を使用することが望ましい。しかし、純粋な二酸化ケイ素は、流れやすくするために約１３００℃から約１４００℃の高い温度を必要とするので、ドーパントを二酸化ケイ素に導入することにより、二酸化ケイ素の軟化点（リフロー温度）を下げることができる。いくつかの実施形態では、合金において６重量％から８重量％のＰについて１０００℃で容易に流れるホスホシリケート・ガラス（ＰＳＧ）を得るために、リンが追加されてもよい。代替として、ボロシリケート・ガラス（ＢＳＧ）またはボロ−ホスホシリケート・ガラス（ＢＰＳＧ）を得るために、ホウ素が追加されてもよい。代替として、ボロホスホシリケート・ガラス（ＢＰＳＧ）は、４〜５重量％の各ドーパントについて通常約９００℃のより低い流れ温度を達成することもできる。ヒ素も、各場合において追加のドーパントとして使用されることが可能である。これらの材料とは別に、他の代替物は、メチルシロキサン、スピン−オン−ガラス（ＳＯＧ）として一般に知られるメチル基が接合したＳｉ−Ｏポリマーである。ＳＯＧは、シリコン集積回路を製作するのに一般的に使用される材料であり、一般に、フォトリソグラフィのために滑らかな表面を提供するように平面化層として使用される。
【００５２】
過剰エッチングを防止するために、ベース基板は、エッチング停止層の上に形成されることが好ましい。一般的には、エッチング停止層は、Ｓｉエッチング溶液におけるそのエッチング率の差に基づいて選択することが可能である。任意の様々なエッチング停止層が、この目的で使用されることが可能である。たとえば、Ｓｉ−Ｇｂ合金を備えるエッチング停止層、または１００ｎｍの熱酸化物および１５０ｎｍの窒化ケイ素を備えるものが使用されることが可能である。エッチング停止層は、チョクラルスキ（ＣＺ）ウエハ、フロート・ゾーン（ＦＺ）ウエハ、シリコン・エピタキシャル（ＳＥ）ウエハ、およびシリコン・オン絶縁体（ＳＯＩ）ウエハを含めて、シリコン・ファウンドリから入手可能な従来のシリコン・ウエハ／チップの上に配置されることがより好ましい。
【００５３】
堆積が完了し、かつ充填部材の間隙が捕捉された後、ドープ・シリコン酸化物材料は、その後、ドープ・シリコン酸化物材料を変形およびリフローさせる条件にさらされ、それにより、ドープ・シリコン酸化物材料で最終的にチャネルを形成するように、間隙の形状を変化させる。一般的には、凹部において間隙を形成する変形手順は、凹部の幅対深さの比、凹部の輪郭、充填材料の堆積圧力などに依拠する。たとえば、ドープ・シリコン酸化物材料の一様な層を凹部の側方壁の上にわたって同時に堆積させ、その後、ベース壁に下方に流れ込むようにドープ・シリコン酸化物材料を加熱することによって、間隙を形成することが可能である。凹部の開口の周りのドープ・シリコン酸化物材料は、応力緩和のた
めに自動的に挟まり、それにより下にある間隙を包む。少なくともほぼ円形のアパーチャまたはチャネルを達成するためにドープ・シリコン酸化物を十分変形させるようにドープ・シリコン酸化物を加熱するのに必要な時間は、当初の間隙の寸法、堆積条件、加熱温度、加熱圧力、およびアパーチャの最終的な寸法に依拠する。時間は、数分から数時間まで変化することがある。
【００５４】
１実施形態では、ドープ・シリコン酸化物は、ドープ・シリコン酸化物を融解させずにドープ・シリコン酸化物を変形させるために、そのガラス転移温度より高いが、融点より低く加熱される。加熱が行われる温度範囲は、約３０秒から約２４０分の時間期間について約８００℃から約１２００℃とすることが可能である。堆積が行われる圧力は、約４００Ｐａ（３トル）から約６６６７Ｐａ（５０トル）とすることが可能であり、リフローの圧力は、ほぼ大気圧である。
【００５５】
流体室、マイクロ流体チャネル、ポート、および電気回路を含めて、補助構造がチャネルの周りに形成されることが可能であり、電気回路が、デバイスと統合されることが可能である。そのような構造の形成は、当業者の知識の範囲内にあり、たとえば、エッチング、堆積、および接合の手順などの組合せにより実施されることが可能である。
【００５６】
チャネル要素（または区画要素）は、独立に製作し、次いで、完全なデバイスを形成するように他の構成要素と組み立てることができ、または、他の構成要素と組み合わせることを必要とせずに、一体的に形成されることが可能である。１実施形態では、チャネル要素は、エッチング停止層を有し、かつ取り扱いを容易にするように十分大きなサイズを有するシリコン・ウエハまたはあらゆる他の適切な材料など、ハンドル基板の上に独立に製作される。本明細書の文脈では、「ハンドル基板」という用語は、「初期ハンドル基板」および「初期ハンドル・ウエハ」という用語と交換可能に使用されることが可能であり、またはその用語と同様であると理解されたい。チャネル要素を形成した後、チャネル要素は、ほぼ透明な２次ベース基板（たとえば、ガラス基板または透明なポリマー基板）に形成された予備室に移送されて接合され（陽極接合、溶融接合、または接着接合などにより）、それにより、チャネルによって分離される２つの流体室に予備室を分割する。他の実施形態では、一体的な製作が行われ、チャネル要素は、十分に大きなサイズのベース室においてまず製作され、その後、第１流体室および第２流体室は、ベース基板において一体的に形成され、チャネル要素のチャネルが、２つの流体室を接続する。どちらの製作方法でも、ほぼ透明なキャップ基板（たとえば、ガラスまたは同様に透明なポリマー基板）が、流体室の上部を覆うようにチャネル要素の上にわたって接合されることが可能である。キャップ基板は、流体室が測定のために電極によってアクセスされることが可能であるように、事前にあけられた穴（流体入力および出力用）を有することが可能である。ハンドル基板に存在する任意の不透明材料も、透明な完成デバイスを達成するために、予備室において接合する前に、または一体的製作の終了時に、除去されるべきである。
【００５７】
本発明の１つの利点は、充填部材を形成するために使用されるドープ・シリコン酸化物材料を変形させるパラメータを選択することにより、チャネル断面の寸法を予測して制御することができることである。さらに、この工程は、ＣＭＯＳ適合性であり、したがって、電極、リザーバなどの他のデバイス構成要素を実現するために、他のシリコン技術と統合することができる。電子ビーム・リソグラフィ、ウエハ接合、およびレーザ・アブレーションなどの特別な器具／工程を必要としないので、チャネルの製作コストは低い。所望であれば、ベース部材の表面上に形成される凹部の寸法を変更することによって、単一デバイス内において異なる寸法のチャネルを得ることができる。それにより、単一のデバイスを使用して、異なるサイズの細胞／生物学的分子を分析することができる。さらに、製作中に自己整列するチャネルの能力により、区画要素において容易にチャネルを形成することができる。滑らかな酸化物表面が保持され、それにより、側壁の粗さが低減され、ウ
エハの接合を容易に実施することができる。
【００５８】
本発明の他の態様によるマイクロ流体デバイスは、試験されるサンプルを包含する第１流体室、および本発明の第１態様による区画要素によって第１流体室から分離される第２流体室を備える。区画要素におけるチャネルは、その入口が第１流体室に面し、かつその出口が第２流体室に面し、それにより、第１流体室を第２流体室に流体接続するように配向される。
【００５９】
この態様によるデバイスは、分析用にサンプルを収集するために末端使用者のレベルで配備することができる完成マイクロ流体チップの一般的な形態を示す。たとえば、このデバイスは、区画要素を独立に製作し、次いで、接合などによって区画要素を流体室部材の中に組み立てることによって、または、凹部を有するベース基板に一体的に第１流体室および第２流体室を形成し、充填部材が２つの流体室の間に配置されることによって、前述されたようにいくつかの方式で得ることが可能である。
【００６０】
物理的な取り扱いおよび輸送のためにチップをより堅牢にするために、様々な修正を実施することができる。たとえば、デバイスは、封止の目的で充填部材およびベース基板の上部、ならびに流体室の上部を覆うために、ガラス・リッド／カバーなどのキャップ基板を設けることが可能である。同時に、シリコン・ウエハのシリコン層など、チャネル要素がまず上に形成されるハンドル基板に存在する任意の不透明構成要素を除去することが可能である。チップは、サンプルを第１流体室に導入する送達針を受けることができる１つまたは複数のポートを組み込んでもよい。大規模な試験では、大規模な並行試験が行われることを可能にするために、流体室のアレイが、複数のチャネルを介して接続されることも可能である（たとえば、細胞の粒子のタイプに対する多くの基板の影響を決定するために、スクリーニングを同時に実施することができる）。１つの商用的に有用な実施態様では、デバイスは、デバイスから読取りを行い、かつ電気感知回路、吸引力制御、データ収集などのさらに提供する測定システムと共に使用されることが可能である。
【００６１】
１実施形態では、電気測定デバイスが、試験粒子の１つまたは複数の電気的特性を決定するために、第１流体室および第２流体室に接続される。電気測定デバイスは、電流測定機器または電圧測定機器に接続され、かつアクセス・ポートから第１流体室および第２流体室の中にそれぞれ挿入されることが可能である１対の電極を備えることが可能である。
【００６２】
本発明の他の態様は、生物学的実体の状況を分析するための本発明のデバイスの使用法を対象とする。一般的には、本発明のバイオセンサは、細胞などの生物学的実体の電気生理学的測定を必要とする任意の応用分野において使用されることが可能である。そのような応用分野は、一般に、評価されている生物学的実体と、第１流体室および第２流体室の内部に配置されたトランジスタまたは従来のマイクロピペット・パッチ・クランプあるいは感知電極などの電流感知センサとの間の接触を必要とする。バイオセンサの一般的な応用分野には、薬物のスクリーニング（たとえば、細胞膜におけるイオン・チャネルに対する化合物活性の電気生理学的決定が研究される）、および細胞の特徴に関する研究（微小電極電気穿孔の機構に関する研究）がある。
【００６３】
方法の第１ステップにおいて、生物学的実体は、本発明の任意の適切な実施形態による、すなわち本発明の第３態様による、または本発明の第１態様により、かつ流体室を組み込むデバイスの第１流体室に導入される。
【００６４】
生物学的実体の第１状況に関連する第１（基準）電気信号が、デバイスに統合される、または外部測定機器によって提供される感知電極を介して記録される。その後、生物学的実体は、生物学的実体の状況を変化させることができることが予期される条件または刺激
にさらされる。そのような条件にさらすことには、生物学的実体に対する効力について評価されている化学化合物、具体的には生物学的実体に対するイオン・チャネルの行為を変調させることができることが予期される化学化合物で生物学的実体を囲むことがある。この用語は、生物学的実体を電気的に刺激することも含む。
【００６５】
条件にさらされた後、生物学的実体は変化し、その条件にさらされた後の生物学的実体の状況変化に関連する第２電気信号が測定される。条件にさらす前およびさらした後の第１電気信号および第２電気信号の測定は、連続して行われることが可能であり、これは、条件にさらす前から生物学的実体が生物学的実体に対する条件の影響を完全に示した後まで、連続的に監視されることが可能であることを意味する。
【００６６】
細胞膜の研究では、たとえば、生物学的実体を通るイオン電流の流れを決定するために、生物学的実体の上流および下流の環境の電気信号をまず測定することによって、膜の極性を特徴付ける研究、またはポアを形成するための経膜閾値電圧を決定する研究を行うことができる。その後、細胞の状況を変化させることができることが予期される条件に生物学的実体をさらした後、イオン電流の第２測定が行われ、第１測定と比較される。第１測定と第２測定の差を既存の文献の値と比較して、条件にさらす前とさらした後で生物学的実体の状況が変化したかを判断することができる。たとえば、第２電気信号は、変化した状況に対応することが知られている既知の電気信号と比較されることが可能である。代替として、第１電気信号と第２電気信号の差の大きさは、事前に決定された閾値電機信号値と比較されることが可能であり、それにより、事前に決定された閾値電気信号値の大きさより大きいとき、生物学的実体が暴露される条件は、その状況を変化させることができると見なされると判断される。
【００６７】
第１電気信号および／または第２電気信号の測定は、吸引力が加えられる細胞の領域内に配置された、またはその領域から隔離された任意のタイプの輸送構造を通る電流の測定を備える。従来のパッチ・クランプ技法によれば、測定は、細胞全体手法または細胞が取り付けられた手法を使用して無傷の細胞について、またはインサイドアウトおよびアウトサイドアウトの手法を使用して細胞の断片について、測定が実施されることが可能である。これに関して、細胞の輸送構造は、細胞膜に位置する以下の構造：陰イオン・チャネル、陽イオン・チャネル、陰イオン輸送体、陽イオン輸送体、受容体タンパク質、および接合タンパク質のいずれかを含む。第１電気信号を測定することは、生物学的実体を包含するサンプル溶液の基準電位を測定することを備え、前記電位は、バイオセンサの上面に存在し、かつサンプル溶液と接触している基準電極から測定される。
【００６８】
１実施形態では、生物学的実体をバイオセンサの上に固定することは、入口において生成される吸引力、ならびに電気泳動などのあらゆる他の適切なタイプの力によって実施される。サンプル流体が第１流体室に配置されるとき、チャネルを経て加えられる任意の吸引力により、流体は、チャネルを経て引き出され、次いで入口に入り、その後、チャネルの下流のアパーチャ、すなわち出口を経て排出される。十分に強い吸引力を加えることによって、粒子は、入口に向かって引かれ、最終的には入口の上にわたってパッチングされ、アパーチャの縁の上に封止を形成し、それにより、流体およびイオンがチャネルを経て自由に流れるのを制限する。この構成により、アパーチャの上にわたって電気抵抗の高い封止が確立される。この吸引力は、たとえば、注射器によって第２流体室から流体を引き出すことによって生成することができる。吸引力は、生物学的実体を包含するサンプル溶液をポンプ駆動吸引することにより生成することもできる。
【００６９】
デバイスを使用して生物学的実体について従来のパッチ・クランプ測定を実施するとき、流体室の感知電極を使用して、各流体室の電流（電流クランプ）もしくは電位（電圧クランプ）を制御し、かつ生物学的実体にわたって伝達されるイオン電流もしくは生物学的
実体の細胞膜にわたる膜電位を測定することが可能である。第１電気信号を測定することは、吸引力が加えられる細胞の領域内において隔離された少なくとも１つのイオン・チャネルを通る電流を測定することを備える。
【００７０】
所望であれば、電気測定分析を強化するために光学的分析を実施することができる。たとえば、ヒトのオペレータが入口の上にわたって生物学的実体によって形成された封止の状況を視覚的に判断するのを補助するために、視覚化物質を第１流体室に追加することができる。視覚化物質は、たとえば、臭化エチジウムまたはフルオレセイン２ナトリウムなど、着色染料とすることができる。顔料が第２流体室の中に進行するのが見られる場合、封止は有効に形成されず、アパーチャの上にわたって生物学的実体を固定するために、他の試行が行われなければならない。
【００７１】
パッチ・クランプの応用分野とは別に、本発明のデバイスは、毛細管電気泳動またはＤＮＡふるいなど、様々な他の応用分野を実施するために必要な方式で形成することもできる。デバイスを使用して、充填部材の上に位置する側方に配置されたアパーチャの上にわたって任意のタイプの小さい粒子を固定またはろ過するために使用することができる。たとえば、デバイスは、ウィルスおよび病原体など、あるタイプの生物学的実体をろ過および捕捉するために使用することができる。ろ過の応用分野では、入口アパーチャの直径は、サブミクロンの範囲とすることができる。吸引力を加えることにより、アパーチャの直径より小さい生物学的実体がアパーチャに入り、次いでチャネルを経て第２流体室の中に進行するが、大きな粒子は、第１流体室内に捕捉されたままである。
【００７２】
本発明のこれらの態様は、以下の記述、図面、および非限定的な例を考慮することにより、より完全に理解されるであろう。
本発明を理解し、かつ本発明が実際にどのように実施されることが可能であるかを示すために、ここで、添付の図面を参照して、非限定的な例のみによって、好ましい実施形態を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７３】
本発明の第１実施形態によるマイクロ流体デバイス１０の断面側面図が、図１Ａに示されている。デバイスは、充填部材１４を形成する充填材料によって占められた凹部（番号を付けていない）を有するベース基板１１を備える。分離層１２が、ベース基板１１と充填部材１４の間に位置する。充填部材１４は、その内部に画定された、具体的には凹部に位置する充填部材の部分に配置されたチャネル１６を有する。ベース基板は、エッチング停止層１７１およびシリコン層１７２を備えるシリコン・ウエハ２１のエッチング停止層１７１の上に形成される。室２４を有する透明なガラス・キャップ２２が、充填部材の上にわたって接合される。図１Ｂは、本発明の実施形態によるチャネル要素の断面の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。約１μｍの寸法を有するチャネルが、約３μｍの幅および約４μｍの高さを有する凹部の内部に形成される。図からわかるように、ポリシリコンを備える分離層が、充填部材とベース基板の間に配置される。図１Ｃは、３μｍ×３μｍの凹部の実質的に外部に形成された約５．６μｍから６．０μｍの直径を有する楕円チャネルを示すデバイスのセグメントの他の断面画像を示す。図１Ｄは、約１μｍ×３μｍの凹部より上に形成された１３．０μｍ×１０．９μｍの寸法を有する楕円チャネルを示すデバイスのセグメントの他の断面画像を示す。チャネルの細長いセクションも、凹部の内部に形成される。
【００７４】
このマイクロ流体デバイス１０は、シリコン層２１が除去された状態で、図１の視点から９０°で同じデバイスを見た他の断面側面図を示す以下の図２に示されているように、２つの流体室を分離するために使用されるときには、区画要素として装備することができる。区画要素１０が第１流体室２９１と第２流体室２９２の間に配置されていることがわ
かる。第１流体室２９１と第２流体室２９２を流体接続するために、チャネル１６が区画要素１０内において側方に延びる。各流体室から電気測定が行われることを可能にするように、電極２６が各流体室２９１、２９２の周辺に設けられている。ガラス・キャップ２２の上部が流体室２９１、２９２へのアクセスを提供するように開放してエッチングされる場合には、たとえば矢印２８によって示される方向に、サンプル溶液を第１流体室２９１の中に追加することができる。
【００７５】
図３は、顕微鏡下において見るために本発明の実施形態によるマイクロ流体デバイス３０を使用するセットアップの概略図である。デバイス３０は、区画要素１０１、１０２によってそれぞれ第２流体室４２２、４２３から分離された中央第１流体室４２１を備える。区画要素１０１の入口の上に第１細胞４６１が固定され、区画要素１０２の入口の上に第２細胞４６２が固定される。ガラス・キャップ２２にはポート４８１、４８２、４８３が設けられ、それを経て外部測定デバイスに接続された電極４９１、４９２、４９３が挿入され、細胞を通るイオン電流または細胞の両端の電位などの電気測定を行うべくデバイス３０内の流体室４２１、４２２、４２３にアクセスする。デバイス３０全体は透明なプラットフォーム５４の上にあり、透明なプラットフォームにはエッチング停止層４７が面する。倒立顕微鏡５０を使用して観測が行われ、デバイス３０より上に照明源５１が配置される。顕微鏡５０は振動隔離テーブル５２の上に配置される。
【００７６】
図４Ａおよび４Ｂは充填部材１４に形成された複数のチャネル７２を区画要素４０が備える本発明の実施形態を示す。所望であれば、複数のチャネル７２により、２つ以上の生物学的実体を単一の区画要素の上に固定することが可能になる。図４Ｂからわかるように、各チャネルは、それぞれの凹部に形成される。他の実施形態では、この区画要素は、区画要素５６の内部に配置されたチャネル５７を介して第１流体室５５１のアレイ（図５参照）および第２流体室５２２のそれぞれのアレイに接続される。この構成では、たとえば、大量の薬物を効能について同時にスクリーニングすることができる。代替として、単一（共通）の第１流体室５８１が、サンプルを受けるためにデバイスに存在してもよい（図６参照）。第１流体室５８１は、区画要素５６内に配置されたチャネル５７を介して第２流体室５８２のアレイに流体接続される。この構成では、唯一の共通の接地電極が第１流体室に配置されることが必要であり、第２流体室の数と同数の独立の感知電極が各隔離された第２流体室に配置される。
【００７７】
図７に示されるチャネル要素を製作する一般的な工程は、従来のシリコン・ウエハなどのハンドル基板７０２がシリコン・エッチング停止層７０１が上に配置されたシリコン層７０３を備える状態で開始される（図７ａ）。通常、エッチング停止層は、１５０ｎｍの窒化ケイ素を有する約１００ｎｍの厚さの熱酸化物を備える。約４μｍのシリコン酸化物の厚くて光学的に透明な層７０５が、エッチング停止層７０１の上に堆積される（図７ｂ）。次いで、シリコン酸化物においてトレンチ７０７がエッチングされ（図７ｃ）、次いで分離層７０９が堆積される（たとえば、１００ｎｍのポリシリコンまたは窒化ケイ素、図７ｄ）。次いで、トレンチは、ドープ・シリコン酸化物層７１２に間隙７１４が側方に形成されるように、ドープ・シリコン酸化物層７１２（ＰＳＧなど）で部分的に充填される（図７ｅ）。熱処置後、間隙は押しつぶされ（図７ｆ）、最終的に円形チャネル７１６に再成形される（図７ｇ）。次いで、ドープ・シリコン酸化物層は研削またはエッチングによって平坦化される（図７ｇおよび図７ｈ）。その後、流体室が画定され、シリコン酸化物層においてエッチングされ、チャネル要素が室間に流体接続を形成する。各エッチングした流体室の開口を覆うために、ガラス・カバーの形態の透明基板などのキャップ基板が、平坦化されたドープ・シリコン酸化物層の上にわたって配置される。この例では、ガラス・カバー７１８が、ドープ・シリコン酸化物層の平坦化表面に接合される。これは、いくつか例を挙げれば、陽極接合、溶融接合、または接着接合によって達成することができる。ガラス・カバー７１８は、シリコン酸化物においてエッチングされた流体室への開
口に応じて成形される凹部７２０をさらに備えてもよい（図７ｉ）。完全に透明なデバイスを得るために、機械的工程および化学的工程を使用してエッチング停止層より下にある不透明シリコン層をエッチングで除去することができる（図７ｊ）。
【００７８】
図８Ａから図８Ｈは、図７について上述した一般的な工程により実施された特定の製作手順を示す。まず、４μｍから１０μｍの厚さの二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）または非ドープシリカ・ガラス（ＵＳＧ）を、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）によりシリコン・ウエハを備えるハンドル基板の上に堆積させた。トレンチを、標準的なリソグラフィ・ステップでパターニングした後、反応イオン・エッチング（ＲＩＥ）工程中に、堆積させたＳｉＯ２またはＵＳＧに作成した。その後、薄い透明な窒化シリコン誘電体層をトレンチの中に堆積させた。リン・シリカ・ガラス（ＰＳＧ）を充填材料として使用し、ＰＥＣＶＤによってトレンチの上に堆積し、非コンフォーマルな堆積を生じさせ、トレンチ内に（３角形の）間隙を形成した。構造は、充填材料のリフロー温度において熱アニーリングを受け、円形のマイクロ／ナノ・チャネルがトレンチ内に形成される。非一様な表面トポグラフィを、その後、化学機械的研摩器具（ＣＭＰ）を使用して平坦化した。平坦化された表面のクリーニングを、ピラニア（Ｐｉｒａｎｈａ）溶液で行った。ガラス基板を備えたキャップ基板を平坦表面に接合した（たとえば、陽極接合、溶融接合、または接着接合によって）。シリコン酸化物層に対する機械的背面研削および選択的ＴＭＡＦ（テトラメチル・アンモニウム水酸化物）またはＫＯＨウエット・エッチングの組合せによってシリコン・ウエハ基板を除去した。Ｓｉのエッチングは、エッチング停止層が存在するために、二酸化ケイ素−シリコン・ウエハ境界で停止する。
【００７９】
図８Ｉは、この製作から形成された構造の断面を示す。２つの別々の流体チャネル８１１および８１２が、非ドープシリカ・ガラス（ＵＳＧ）表面から構造中にエッチングされ、両方の流体室は小さいマイクロ流体チャネル８２によって流体接続されるように配置されている。ＵＳＧ層８３は、窒化ケイ素層（分離層）８４によって充填部材８５から分離される。ガラス・プラットフォーム８６は流体室８１１、８１２のベースすなわち基部として作用する。接合工程の前に図８Ｆに示されたステップの後に、開放流体室を製作することができることに留意されたい。
【００８０】
図９Ａから図９Ｉは、図７に示された一般的な工程により実施された他の手順を示す。この手順により、直径が凹部の幅より大きいチャネルが得られ、それにより、チャネルは、凹部の外部に部分的に位置した。まず、４μｍから１０μｍ厚さの二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）または非ドープシリカ・ガラス（ＵＳＧ）をＰＥＣＶＤによりシリコン・ウエハの上に堆積させた。トレンチを標準的なリソグラフィ・ステップでパターニングした後、ＲＩＥエッチング工程中に作成した。窒化ケイ素または標準的なポリシリコンなどの薄い透明な高度に応力をかけられた膜を、トレンチ中に堆積させた。リン・シリカ・ガラス（ＰＳＧ）充填材料をＰＥＣＶＤによってトレンチの中に堆積させ、断面を楕円または３角形とすることができる細長い間隙がトレンチの内部に形成される、非コンフォーマルな表面トポグラフィを生じさせた。ベース構造を充填材料のリフロー温度で熱アニーリングし、円形マイクロチャネルを充填材料の表面より上に膨張させた。ＰＥＣＶＤまたはＨＤＰ（高密度プラズマ）堆積システムを使用して、ＰＳＧ／ＵＳＧ（非ドープシリケート・ガラス）の他の層を不均一なトポグラフィの上に堆積させて、突出部分を均一にし、マイクロチャネルの側壁を強化することができる。不均一な表面トポグラフィを、化学機械的平面化器具（ＣＭＰ）を使用して平坦化する。次いで、デバイス・ウエハを、ピラニア溶液を使用して清浄し、その後、ガラス基板に陽極接合する。シリコン基板の除去は、シリコン酸化物層に向かって背面研削および選択的ＴＭＡＨ（テトラメチル・アンモニウム水酸化物）エッチングによって実施される。
【００８１】
図９Ｊは、この製作から形成された構造の断面を示す。２つの別々の流体室９１１およ
び９１２が、非ドープシリカ・ガラス（ＵＳＧ）基板から構造の中にエッチングされ、両方の流体室は、大きなマイクロ流体チャネル９２によって流体接続されるように配置されている。ＵＳＧ層９３は、シリコン窒化物層（分離層）９４によって充填部材９５から分離される。ガラス・プラットフォーム９６は、流体室９１１、９１２のベースすなわち基部として作用する。接合工程の前に図９Ｇに示されたステップの後に、開放流体室を製作することができることに留意されたい。
【００８２】
図１０は、図２に示されたデバイスを形成するために必要なステップを断面図から示す。チャネル要素１０１を形成した後、流体室１０２１および１０２２を、チャネル要素のチャネル１０１１の各端部が流体室１０２１または１０２２の中に開くように、ベース基板１０３の中にエッチングする。窒化ケイ素分離層１０４が、チャネル要素１０１とベース基板１０３の間に位置するように示されている。電気接点１０５を、各流体室１０２１、１０２２の開口を囲むベース基板の表面上に形成する（図１０ｂ）。透明なプラットフォーム１０７（ガラス・カバーなど）を構造の他端で接合した後、ベース基板１０３の下にあるシリコン層１０６をエッチングで除去する。透明なプラットフォームを、流体室を封止するために陽極接合にベース基板に接合する（図１０ｃ）。バイア１０８を、覆われた電気接点１０５の一部を暴露させるために、透明なプラットフォームの中にエッチングし、それにより、測定を行うために電気接点１０５に接触するように感知電極を内部に挿入することができる（図１０ｄ）。その後、パッド１０９をバイア１０８の上にわたって形成する。流体室１０２１、１０２２への入口を、完成品を形成するように流体室１０２１、１０２２の上にわたるガラス・プラットフォームの部分をエッチングにより除去することにより製作した。
【００８３】
図１１Ａは、流体室１１２、１１４および区画要素１１６を有し、チャネル１１８が内部に埋め込まれている実際の完成デバイス１１０の斜視図を示す。図１１Ｂおよび図１１Ｃは、ほぼ円形であることがわかるチャネルへの開口の接近図を示す。図１１Ｄは、拡大したＳＥＭ画像から、ガラス・カバーに接合する前の約３００ｎｍのチャネル直径を有する他の構造の斜視図を示す。リザーバの入口１２２およびリザーバの出口１２４はチャネル要素１２６によって分離される。図１１Ｅは、図１１Ｄの点線によって識別された部分の接近図を示す。図１１Ｆは、区画要素におけるチャネルの入口を非常に拡大した画像を示す。図からわかるように、非常に小さい寸法においても、ほぼ円形の入口／出口を有するチャネルを製作することができる。図１１Ｇは、図１１Ｄに示された実施形態の上面図を示す。リザーバの入口１２４からリザーバの出口１２２に蛍光染料を移動させることになる毛細管作用が観測された。チャネル要素の下に蛍光染料がないことは、デバイス内の流体の漏れを防止するのに陽極接合が十分であることを示した。
【００８４】
図１２Ａは、１００×の透過モード下にあるチャネル要素の１．５マイクロメートル幅のチャネルの一部の拡大光学画像を示す。このモード下では、流体を包含するリザーバの出口は画像では透明に見えるが、チャネルは暗く影が付いて見える。実際の着色画像では、構造全体は明るいオレンジに見え、マイクロチャネルは他の構造より暗く見える。図１２Ｂは、１００×の反射モード下にあるチャネル要素のチャネルの一部の拡大光学画像を示す。このモード下では、流体を包含するリザーバは画像では黒く見え、チャネルはわずかに影が付いて見える。実際の着色画像では、構造全体は明るい緑に見え、マイクロチャネルは他の構造より暗く見える。画像に見られるデバイスの半透明性は、分離層の厚さに依拠することが示唆される。
【００８５】
透明材料で円形チャネルを形成することを示す製作例では、温度および圧力の様々な処理パラメータを選択した。実験は異なる処理条件で実施し、ＢＰＳＧおよびＰＳＧを充填部材として使用する６つの通常の条件が表１に示している。
【００８６】
【表１】
2009539105.tif 000004
【００８７】
ベース部材は、凹部を形成するために既知の微小機械加工技法によりエッチングした（たとえば、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈ．Ｓｙｓ．Ｖｏｌ．５、Ｎｏ．４、１９９６年１２月を参照されたい）。反応イオン・エッチング（ＲＩＥ）技法により直線壁および高アスペクト比のトレンチが達成される。
【００８８】
０．２μｍから３μｍの幅および０．５μｍから７μｍの深さのトレンチ・サイズを、上記のプロトコルにより製作した。チャネルの異なる対象寸法に対してはより小さい寸法またはより大きい寸法を有するトレンチが必要とされる場合があることを指摘しておく。ＰＥＣＶＤを使用して、低圧（２．５Ｔ）においてドープ二酸化シリコン（ＰＳＧ）をトレンチに充填した。分離層として窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）を有する二酸化ケイ素の２．２７μｍの高さおよび０．９９μｍの幅のチャネルを得た。ベース基板の上面の上にわたって充填部材の一部である４μｍの厚さの外部ＰＳＧ層が存在する。
【００８９】
マイクロ／ナノ−チャネル断面寸法のモデリングを、以下のように実施する。温度Ｔｉおよび圧力Ｐｉで、非コンフォーマルなシリコン酸化物でトレンチを充填する。トレンチの間隙は断面積Ａｉを有する。トレンチに作成された間隙は減圧にあるので、シリコン酸化物が軟化する場合、間隙は減少する傾向がある。軟化条件に応じて、間隙の最終的な寸法（Ａｆ）を予測することができる。軟化が温度Ｔｆおよび圧力Ｐｆにおいて行われる場合、理想気体の法則から、以下の式が適用される。
【００９０】
（Ｐｉ．Ｖｉ）／Ｔｉ＝（Ｐｆ．Ｖｆ）／Ｔｆ            （１）
上式で、ＶｉおよびＶｆは間隙の初期容積および最終容積である。
間隙（およびトレンチ）の長さは変化していないので、式（１）でＶｉおよびＶｆは、それぞれＡｉおよびＡｆによって置換することができ、
（Ｐｉ．Ａｉ）／Ｔｉ＝（Ｐｆ．Ａｆ）／Ｔｆ            （２）
または
Ａｆ＝（Ｐｉ／Ｐｆ）．（Ｔｆ／Ｔｉ）．Ａｉ            （３）
を得る。
【００９１】
通常の場合、ＢＰＳＧは、４００℃および６６６７Ｐａ（５０トール）の圧力において堆積されることが可能である。そのような条件下では、約６μｍ２（６．０μｍ×１．０μｍ）の断面積の間隙が、２μｍの幅および約７．７μｍの深さのトレンチにおいて作成
される。この間隙は、加圧下で熱にさらした後、円形の断面に変形することができる。この方法により得られたチャネルの様々な例が、表２において概述されている。
【００９２】
【表２】
2009539105.tif 000005
【００９３】
まとめると、本発明は透明な材料で円形断面の側方チャネルを作成し、光学的応用分野について最小限の表面／耐摩擦性およびより良好な電気封止を提供することができる。これらのチャネルは、数ミクロンから数１０ナノメートルの範囲の断面直径を有する。チャネルの断面の寸法は、製作条件を変更することによって予測し、かつ精確に制御することができる。製作工程は完全にＣＭＯＳ適合性であり、したがって、既存のシリコン・ファウンドリにおいて実施することができる。チャネルの製作コストは、電子ビーム・リソグラフィ、レーザ源、ポリマーなどの特別な器具／工程が使用されないので低い。本発明を使用して、側方および垂直方向の両方において、複数の自己整列チャネルを製作することもできる。
【００９４】
本発明を好ましい実施形態について説明されたが、以下の請求項に述べられる本発明の精神および範囲から逸脱せずに多くの変更および修正を実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１Ａ】例示的実施形態のマイクロ流体デバイスの断面図。
【図１Ｂ】ベース基板の凹部の内部に形成された約１μｍの直径を有するチャネルを示すデバイスのセグメントの断面図。
【図１Ｃ】部分的に凹部より上に形成され、凹部の幅より大きい直径を有するチャネルを示すデバイスのセグメントの断面図。
【図１Ｄ】凹部より上に形成された１０μｍを超える直径を有するチャネルを示すデバイスのセグメントの断面像。
【図２】本発明の他のマイクロ流体デバイスの横断面図。
【図３】側方パッチ・クランプのセットアップの概略図。
【図４Ａ】複数のチャネルを有する区画要素の斜視図。
【図４Ｂ】複数のチャネルの断面の走査電子顕微鏡写真。
【図５】複数の第１流体室および複数の第２流体室がそれぞれ区画要素に沿ってアレイに構成され、各第１流体室が互いから個々に隔離され、かつチャネルを介してそれぞれの第２の隔離された流体室に接続される、本発明のデバイスの上面図。
【図６】単一の第１流体室のみが複数の第２流体室に流体接続された代替レイアウトを有するデバイスの上面図。
【図７】本発明のデバイスを製作する方法の全体的な流れ図。
【図８Ａ】ベース基板の凹部内に小さいチャネルを形成し、ベース基板をガラス基板と接合し、基板シリコンを除去する手順を示す図。
【図８Ｂ】ベース基板の凹部内に小さいチャネルを形成し、ベース基板をガラス基板と接合し、基板シリコンを除去する手順を示す図。
【図８Ｃ】ベース基板の凹部内に小さいチャネルを形成し、ベース基板をガラス基板と接合し、基板シリコンを除去する手順を示す図。
【図８Ｄ】ベース基板の凹部内に小さいチャネルを形成し、ベース基板をガラス基板と接合し、基板シリコンを除去する手順を示す図。
【図８Ｅ】ベース基板の凹部内に小さいチャネルを形成し、ベース基板をガラス基板と接合し、基板シリコンを除去する手順を示す図。
【図８Ｆ】ベース基板の凹部内に小さいチャネルを形成し、ベース基板をガラス基板と接合し、基板シリコンを除去する手順を示す図。
【図８Ｇ】ベース基板の凹部内に小さいチャネルを形成し、ベース基板をガラス基板と接合し、基板シリコンを除去する手順を示す図。
【図８Ｈ】ベース基板の凹部内に小さいチャネルを形成し、ベース基板をガラス基板と接合し、基板シリコンを除去する手順を示す図。
【図８Ｉ】手順から得られた製品の断面図。
【図９Ａ】ベース基板の凹部の外部に部分的に配置された大きなチャネルを形成し、ベース基板をガラス基板と接合し、基板シリコンを除去する特定の手順を示す図。
【図９Ｂ】ベース基板の凹部の外部に部分的に配置された大きなチャネルを形成し、ベース基板をガラス基板と接合し、基板シリコンを除去する特定の手順を示す図。
【図９Ｃ】ベース基板の凹部の外部に部分的に配置された大きなチャネルを形成し、ベース基板をガラス基板と接合し、基板シリコンを除去する特定の手順を示す図。
【図９Ｄ】ベース基板の凹部の外部に部分的に配置された大きなチャネルを形成し、ベース基板をガラス基板と接合し、基板シリコンを除去する特定の手順を示す図。
【図９Ｅ】ベース基板の凹部の外部に部分的に配置された大きなチャネルを形成し、ベース基板をガラス基板と接合し、基板シリコンを除去する特定の手順を示す図。
【図９Ｆ】ベース基板の凹部の外部に部分的に配置された大きなチャネルを形成し、ベース基板をガラス基板と接合し、基板シリコンを除去する特定の手順を示す図。
【図９Ｇ】ベース基板の凹部の外部に部分的に配置された大きなチャネルを形成し、ベース基板をガラス基板と接合し、基板シリコンを除去する特定の手順を示す図。
【図９Ｈ】ベース基板の凹部の外部に部分的に配置された大きなチャネルを形成し、ベース基板をガラス基板と接合し、基板シリコンを除去する特定の手順を示す図。
【図９Ｉ】ベース基板の凹部の外部に部分的に配置された大きなチャネルを形成し、ベース基板をガラス基板と接合し、基板シリコンを除去する特定の手順を示す図。
【図９Ｊ】手順から得られた製品の断面図。
【図１０】図２に示された金属電極を有するマイクロ流体デバイスを形成するステップを示す図。
【図１１Ａ】充填部材に形成された円形アパーチャを特に示す、走査電子顕微鏡写真から見たデバイスの実施形態の斜視図の３Ｄ画像。
【図１１Ｂ】充填部材に形成された円形アパーチャを特に示す、走査電子顕微鏡写真から見たデバイスの実施形態の斜視図の３Ｄ画像。
【図１１Ｃ】充填部材に形成された円形アパーチャを特に示す、走査電子顕微鏡写真から見たデバイスの実施形態の斜視図の３Ｄ画像。
【図１１Ｄ】充填部材に形成された円形アパーチャを特に示す、走査電子顕微鏡写真から見たデバイスの実施形態の斜視図の３Ｄ画像。
【図１１Ｅ】充填部材に形成された円形アパーチャを特に示す、走査電子顕微鏡写真から見たデバイスの実施形態の斜視図の３Ｄ画像。
【図１１Ｆ】充填部材に形成された円形アパーチャを特に示す、走査電子顕微鏡写真から見たデバイスの実施形態の斜視図の３Ｄ画像。
【図１１Ｇ】図１１Ｄに示されたデバイスの上面図。
【図１２Ａ】２つの異なる光学撮像モード下におけるチャネルのクローズアップ部分を示す図。
【図１２Ｂ】２つの異なる光学撮像モード下におけるチャネルのクローズアップ部分を示す図。
【図１Ａ】
2009539105.tif 000006
【図１Ｂ】
2009539105.tif 000007
【図２】
2009539105.tif 000008
【図３】
2009539105.tif 000009
【図４Ａ】
2009539105.tif 000010
【図４Ｂ】
2009539105.tif 000011
【図５】
2009539105.tif 000012
【図６】
2009539105.tif 000013
【図１１Ａ】
2009539105.tif 000014
【図１１Ｂ】
2009539105.tif 000015
【図１１Ｃ】
2009539105.tif 000016
【図１１Ｄ】
2009539105.tif 000017
【図１１Ｅ】
2009539105.tif 000018
【図１１Ｆ】
2009539105.tif 000019
【図１２Ａ】
2009539105.tif 000020
【図１２Ｂ】
2009539105.tif 000021
【図１Ｃ】
2009539105.tif 000022
【図１Ｄ】
2009539105.tif 000023
【図７】
2009539105.tif 000024
【図８】
2009539105.tif 000025
【図９】
2009539105.tif 000026
【図１０】
2009539105.tif 000027
【図１１Ｇ】
2009539105.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成20年3月31日(2008.3.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの対向側方壁とベース壁とによって凹部が内部に画定されたほぼ透明のベース基板と、
前記凹部を占める少なくとも一部を有するほぼ透明の充填部材と、
前記充填部材全体が前記ベース基板から分離されるように前記ベース基板と前記充填部材の間に配置されたほぼ透明な分離層と、
前記充填部材の内部に画定されたチャネルと、を備え、
前記チャネルが、前記充填部材の第１側方壁の上に配置された入口と、前記充填部材の第２側方壁の上に配置された出口とを備え、
前記充填部材の前記第１側方壁が、前記充填部材の前記第２側方壁と対向する関係で配置され、
前記充填部材の前記第１側方壁および前記第２側方壁の少なくとも一部が、前記凹部を画定する前記対向側方壁に対して少なくともほぼ垂直である、マイクロ流体デバイス。
【請求項２】
前記チャネルが前記凹部に沿って配置される請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３】
前記チャネルが前記凹部の内部に配置される請求項１または２に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４】
前記チャネルの一部が前記凹部の外部に配置され、前記チャネルが、前記凹部の幅より大きい直径を有する請求項１または２に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項５】
前記チャネルの前記入口の形状が、少なくともほぼ円形である請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項６】
前記入口および前記出口の前記直径が、約０．１マイクロメートルから約２０マイクロメートルである請求項５に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項７】
前記チャネルの形状が、少なくともほぼ円筒形である請求項１から６のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項８】
前記チャネルが、約０．１マイクロメートルから約２０マイクロメートルの直径を有する請求項７に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項９】
前記チャネルが、約１マイクロメートルから約１００マイクロメートルの長さを有する請求項１から８のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１０】
前記凹部の深さが、約０．１マイクロメートルから約１０マイクロメートルである請求項１から９のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１１】
前記ベース基板が、二酸化ケイ素および透明アルミナからなる群から選択される請求項１から１０のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１２】
前記二酸化ケイ素が、結晶形態にある請求項１１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１３】
前記結晶形態が、水晶、トリジマイト、およびクリストバライトから選択される請求項１２に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１４】
二酸化ケイ素が、アモルファス形態にある請求項１１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１５】
前記アモルファス形態が、溶融シリカおよびヒュームド・シリカから選択される請求項１４に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１６】
透明アルミナが、ルビーおよびサファイアからなる請求項１１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１７】
前記分離層が、シリコン・ベースのセラミック材料、ポリシリコン、およびアモルファス・シリコンから選択される請求項１から１６のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１８】
前記シリコン・ベースのセラミック材料が、窒化ケイ素および炭化ケイ素からなる群から選択される請求項１７に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１９】
前記充填材料が、ドープ・シリコン酸化物からなる請求項１８に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２０】
ホスホ−シリケート・ガラス（ＰＳＧ）、ボロ−シリケート・ガラス、ボロ−ホスホ−シリケート・ガラス（ＢＰＳＧ）、およびスピン−オン−ガラス（ＳＯＧ）からなる群から選択される請求項１９に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２１】
第１の流体室および第２の流体室をさらに備え、前記第１流体室が、前記凹部を占める前記充填部材の部分に画定された前記チャネルを介して、前記第２流体室に流体接続される請求項１から２０のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２２】
前記第１流体室および前記第２流体室が、前記ベース基板において一体的に画定される請求項２１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２３】
前記充填部材に画定された複数のチャネルをさらに備える請求項１から２２のいずれか１
項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２４】
前記充填部材が各凹部において配置された対応する一部を有する、前記基板に画定された複数の凹部と、
各凹部に沿って配置されたチャネルと、をさらに備える請求項２３に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２５】
複数の第１流体室および複数の第２流体室をさらに備え、各第１流体室が、前記複数のチャネルの少なくとも１つを介して、対応する第２流体室と流体接続される請求項２３または２４に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２６】
前記第１流体室および前記第２流体室の少なくとも一方が、少なくとも１つのマイクロ流体ユニット動作モジュールに接続されて動作する請求項２１から２５のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２７】
前記マイクロ流体ユニット動作モジュールが、ディスペンサ、マイクロミキサ、反応室、マイクロポンプ、インジェクタ、センサ、およびリザーバを備える請求項２６に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２８】
前記第１流体室に配置された感知電極、および前記第２流体室に配置された基準電極をさらに備える請求項２１から２７のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項２９】
前記感知電極と連絡する電気生理学的測定回路をさらに備える請求項２８に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３０】
前記少なくとも第１流体室および第２流体室を覆うキャップ基板をさらに備える請求項２１から２９のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３１】
前記キャップ基板が、前記ベース基板および前記分離層の少なくとも一方の上に配置されたほぼ透明なカバーを備える請求項３０に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３２】
粒子を分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
ほぼ透明なベース基板に画定された少なくとも第１流体室および第２の流体室を備え、前記第２流体室が、前記ベース基板に画定されたチャネル要素によって前記第１流体室に流体接続され、前記チャネル要素が、
少なくとも２つの側方壁とベース壁とによって前記ベース基板に画定され、前記第１流体室と前記第２流体室の間に延びる凹部と、
凹部を占める少なくとも一部を有するほぼ透明な充填部材と、
前記充填部材全体が前記ベース基板から分離されるように前記ベース基板と前記充填部材の間に配置されたほぼ透明な分離層と、
前記充填部材に画定されたチャネルと、を備え、
前記チャネルが、前記充填部材の第１側方壁の上に配置された入口と、前記充填部材の第２側方壁の上に配置された出口とを備え、前記充填部材の前記第１側方壁が、前記充填部材の前記第２側方壁と対向する関係で配置され、
前記充填部材の前記第１側方壁および前記第２側方壁の少なくとも一部が、前記凹部を画定する対向側方壁に対して少なくともほぼ垂直である、マイクロ流体デバイス。
【請求項３３】
前記チャネルが前記凹部に沿って配置される請求項３２に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３４】
前記チャネルが前記凹部の内部に配置される請求項３２または３３に記載のマイクロ流体
デバイス。
【請求項３５】
前記チャネルの一部が、記凹部の外部に配置される請求項３２または３３に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３６】
前記チャネルの前記入口および前記出口の両方の形状が、少なくともほぼ円形である請求項３２から３５のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３７】
前記入口および前記出口の直径が、約０．１ミクロンから約２０ミクロンである請求項３６に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３８】
前記チャネルの形状が、少なくともほぼ円筒形である請求項３２から３７のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３９】
前記チャネルが、約０．１マイクロメートルから約２０マイクロメートルの直径を有する請求項３８に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４０】
前記充填部材に配置された複数のチャネルをさらに備える請求項３２から３９のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４１】
他のチャネル要素を介して前記第１流体室および前記第２流体室の少なくとも一方に流体接続された他の流体室をさらに備える請求項３２から４０のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４２】
複数の第１流体室および／または複数の第２流体室をさらに備え、各第１流体室が、対応するチャネルを介して第２流体室に流体接続される請求項４１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４３】
電気測定デバイスが、どちらかの流体室に位置する粒子の電気的特性を決定するために、前記第１流体室および前記第２流体室に接続されて動作する請求項３２から４２のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４４】
前記少なくとも第１流体室および第２流体室を覆うキャップ基板をさらに備える請求項３２から４３のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４５】
前記キャップ・ウエハが、前記ベース基板および／または前記分離層の上に配置されたほぼ透明なカバーを備える請求項４４に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４６】
マイクロ流体デバイスを形成する方法であって、
ほぼ透明なベース基板を提供することと、
前記ベース基板の表面に凹部を形成することと、
前記ベース基板の前記表面上にほぼ透明な分離層を形成することと、前記分離層は、前記充填部材全体が前記ベース基板から分離されるように前記ベース基板と前記充填部材の間に配置されていることと、
前記凹部をほぼ透明な充填材料で充填することと、
前記充填材料にチャネルが形成されるように前記充填材料を変形させる条件に、前記充填材料をさらすことと、からなる方法。
【請求項４７】
前記ベース基板が、シリコン・ウエハのエッチング停止層を備える請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記凹部が、前記ベース基板の表面をエッチングすることによって形成される請求項４６または４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記分離層が、前記凹部を画定する前記ベース基板の前記表面上に堆積される請求項４６から４８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５０】
前記凹部が、前記凹部内において前記充填材料の非コンフォーマル表面トポグラフィを生じる堆積工程により充填材料で充填される請求項４６から４９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５１】
前記充填により、前記凹部を占める前記充填材料において間隙が形成される請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記堆積工程が、プラズマ強化化学蒸着、低圧化学蒸着、物理蒸着、またはエピタクシから選択される請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
充填材料が前記凹部の開端部において挟まるように前記充填材料を前記凹部の中に堆積させ、それにより前記充填材料内の間隙を捕捉することによって、前記凹部が充填材料で充填される請求項４６から５２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５４】
前記充填部材がさらされる前記条件が、前記充填材料のガラス転移温度より高温に加熱することを含む請求項４６から５３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５５】
前記加熱が約８００℃と約１２００℃の温度において実施される請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記加熱が約３０秒から約２４０分の時間期間実施される請求項５４または５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記ベース基板において少なくとも第１流体室および第２流体室を形成することをさらに備え、前記第１流体室が、前記チャネルを介して前記第２流体室に流体接続される請求項４６から５６に記載の方法。
【請求項５８】
キャップ基板を前記ベース基板および前記分離層の少なくとも一方に接合し、それにより前記少なくとも第１流体室および第２流体室を覆うことをさらに含む請求項４６から５７に記載の方法。
【請求項５９】
生物学的実体の状況を分析する方法であって、
請求項３２から４５のいずれか１項に記載されたマイクロ流体デバイスの第１流体室に前記生物学的実体を導入することと、
前記生物学的実体の第１状況に関連付けられる第１基準電気信号を測定することと、
前記生物学的実体の前記状況を変化させることが可能な条件に前記生物学的実体を暴露することと、
前記条件に暴露した後、前記生物学的実体の前記状況に関連付けられた第２電気信号を測定することと、からなる方法。
【請求項６０】
前記生物学的実体の前記状況に変化が生じたことを検出するために、前記第１電気信号および前記第２電気信号を所定の閾値電気信号値と比較することをさらに含む請求項５４に記載の方法。
【請求項６１】
前記第１電気信号と前記第２電気信号の差が、前記所定の閾値電気信号値と比較される請求項５５に記載の方法。
【請求項６２】
前記第１電気信号と前記第２電気信号の差が、前記所定の閾値電気信号値より大きいとき、前記生物学的実体がさらされる前記条件が前記生物学的実体の前記状況を変化させることができると評価される請求項５６に記載の方法。
【請求項６３】
前記チャネルを経て生成された吸引力によって区画要素の入口の上にわたって前記生物学的実体を固定することをさらに含む請求項５４から５７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６４】
前記生物学的実体が前記入口の上に封止を形成し、それにより、イオンが前記第１流体室から前記チャネルの中に自由に移動するのが制限される請求項５８に記載の方法。
【請求項６５】
前記生物学的実体によって形成された前記封止の状況を決定するために、視覚化顔料を前記第１流体室に追加することをさらに含む請求項５８または５９に記載の方法。
【請求項６６】
前記生物学的実体が生細胞からなる請求項５４から６０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６７】
前記生細胞が真核細胞である請求項６１に記載の方法。
【請求項６８】
前記真核細胞が哺乳動物細胞または酵母細胞から選択される請求項６２に記載の方法。
【請求項６９】
前記哺乳動物細胞が、ニューロン細胞、卵母細胞、リンパ球、単核白血球、筋肉細胞、および胚幹細胞から選択される請求項６３に記載の方法。
【請求項７０】
前記生物学的実体が、原核細胞である請求項６１に記載の方法。
【請求項７１】
前記第１電気信号および／または第２電気信号を測定することが、吸引力が加えられる前記細胞の領域内に配置された、またはその領域から隔離された輸送構造を通過する電流を測定することを含む請求項５４から６５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７２】
前記輸送構造が、陰イオン・チャネル、陽イオン・チャネル、陰イオン輸送体、陽イオン輸送体、受容体タンパク質、接合タンパク質、およびイオノトロピック型受容体を備える請求項６６に記載の方法。
【請求項７３】
前記生物学的実体の前記表面を破壊し、それにより前記生物学的実体における前記輸送構造の電気特性にアクセスすることを可能にすることをさらに備える請求項６６または６７に記載の方法。
【請求項７４】
前記輸送構造の前記電気特性の測定値が、前記第１流体室および前記第２流体室に配置された感知電極から測定される請求項６８に記載の方法。
【国際調査報告】
2009539105.tif 000029
2009539105.tif 000030
2009539105.tif 000031