(57)【要約】本発明は、媒質に懸濁され、交流電界の作用に付される誘電体粒子、特に生物細胞を取り扱う誘電泳動システムに関する。該電界の分配は、局部域(L)を区画し得る、電極(E1、E2)の規則的なネットワーク(R)を用いて不均一にされており、ここで、負の誘電泳動力の作用の結果として該局部域(L)に粒子を集中させるために、電界は最小限である。本発明のシステムは、電極(E1、E2)の配列(R)が多層基板(1)の表面に形成されていることを特徴とする。さらに、該システムは、配列(R)の同極性の電極(E1、E2)が、電極のネットワーク(R)の下に位置して中間レベルに形成された条導体 (C1、C2)の2つのネットワーク(R1、R2)を介して共通電源接点(P1、P2)に接続されている。【選択図】図１
2005506191.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
局部域(L)の区画に適切な電極(E1、E2)の規則的配列(R)により不均一にされており、負の誘電泳動力の作用により粒子を該局部域(L)に集中させるのに最小限である交流電界の分配の作用に付される、媒質中の懸濁液中の誘電体粒子、特に生物細胞を操作する誘電泳動を用いるためのシステムであって、
電極(E1、E2)の配列(R)が多層基板(1)の表面に形成され、かつ該配列(R)の同極性の電極(E1、E2)が、電極の配列(R)の下に位置して中間レベルに形成された導体トラック(C1、C2)の2つの配列(R1、R2)を介してそれぞれの共通電源パッド(P1、P2)に接続されていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
多層基板(1)が、少なくとも1つのベース基板(2)、該ベース基板(2)上に堆積されて導体トラック(C1、C2)の2つの配列(R1、R2)を形成する導体層(5)、および電極(E1、E2)の配列(R)を形成するための、該導体層(5)上に堆積された絶縁層(I)を含むことを特徴とする、請求項1に記載のシステム。
【請求項３】
電極の配列(R)が、絶縁層(I)を通り抜ける孔(9)を介して導体トラック(C1、C2)の配列(R1、R2)に接続されることを特徴とする、請求項2に記載のシステム。
【請求項４】
導体トラック(C1、C2)の2つの配列(R1、R2)が、交互嵌合していることを特徴とする、請求項2または請求項3に記載のシステム。
【請求項５】
電極(E1、E2)がX軸に平行な複数の列で規則正しい間隔をあけて離れており、いずれの1つの列の電極が同じ極性を有し、そして2つの近接した列の電極が反対の極性であることを特徴とする、先の請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
粒子の集中のための局部域(L)が、X軸に平行な複数の列に沿って、規則正しい間隔をあけて離れていることを特徴とする、先の請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
電極(E1、E2)が、実質的に円形の形状であることを特徴とする、先の請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
電極(E1、E2)が、4つの角を有する実質的に四角形の形状であり、電極の各々の角は局部域(L)の中心に向いていることを特徴とする、先の請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
電極(E1、E2)が、少なくとも4つの角を有する実質的に対称性の形状であり、電極の各々の角は局部域(L)の中心に向いていることを特徴とする、先の請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０】
基板(1)の上に形成され、懸濁液中の粒子を収容するチャンバー(25)も含むことを特徴とする、先の請求項のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１】
チャンバー(25)が、電極(E1、E2)の配列(R)を少なくとも囲むシーリングガスケット(20)、および該ガスケット(20)に適合するプレート(22)により区画され、そしてシステムが2つのパッド(P1、P2)に電力を供給するための交流電圧源(30)も含むことを特徴とする、請求項10に記載のシステム。
【請求項１２】
多層基板(1)が、1 cmの面をもつ支持物について約1000〜50000程度の多くの局部域を区画するために適切な電極の配列(R)を支持することを特徴とする、先の請求項のいずれかに記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体粒子、特に生物細胞を操作する誘電泳動を用いるためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、1951年にPohlにより発見されたように、誘電泳動は、必ずしも電荷により与えられるのではないが、不均一交流電界によって分極可能な粒子に及ぼされる力を表す。
【０００３】
誘電泳動の主要な用途の1つは、媒質中の懸濁液中の粒子の分離に関する。粒子が、それが懸濁されている媒質よりも、より分極可能である場合、誘電泳動力が正であり、粒子は局部電界が最大の領域に向けられ、反対の状況下では、粒子は局部電界が最小限の領域に向けられる。一般に、電界の分配は電極の形状に依存し、誘電泳動力の大きさは、媒質の誘電特性および粒子の関数として周波数とともに変化する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、電極の配置、およびそれらが電力を供給される方式についての特別の設計を含む、多数の粒子を操作可能にするために高い密度または高度の集積化を有するシステムを考案することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このために、本発明は、局部域(L)の区画に適切な電極(E1、E2)の規則的配列(R)により不均一にされており、負の誘電泳動力の作用により粒子を該局部域(L)に集中させるのに最小限である交流電界の分配の作用に付される、媒質中の懸濁液中の誘電体粒子、特に生物細胞を操作する誘電泳動を用いるためのシステムであって、電極(E1、E2)の配列(R)が多層基板(1)の表面に形成され、かつ該配列(R)の同極性の電極(E1、E2)が、電極の配列(R)の下に位置して中間レベルに形成された導体トラック(C1、C2)の2つの配列(R1、R2)を介してそれぞれの共通電源パッド(P1、P2)に接続されていることを特徴とするシステムを提供する。
【０００６】
実施形態においては、多層基板が、少なくとも1つのベース基板、ベース基板上に堆積されて導体トラックの2つの配列を形成する導体層、および電極の配列を形成するための、導体層上に堆積された絶縁層を含み、電極の配列は、絶縁層を通り抜ける孔を介して導体トラックの配列に接続される。
【０００７】
実施形態においては、電極はX軸に平行な複数の列で規則正しい間隔をあけて離れており、いずれの1つの列の電極は同じ極性を有し、2つの近接した列の電極が反対の極性を有し、そして局部粒子−集中域は、X軸に平行な複数の列で、規則正しい間隔をあけて離れている。
【０００８】
一般に、システムは、電極の2つの接続パッドに供給するための交流電圧源とともに、基板の上に形成されている、懸濁液中の粒子を収容するためのチャンバーも含み、該チャンバーは、例えば少なくとも電極の配列を囲むシーリングガスケット、および該ガスケットに適合するプレートにより区画される。
【０００９】
例として、多層基板は、1 cmの面をもつ基板について約1000〜50000程度の多くの局部域を区画するための電極の配列を支持することができる。
【００１０】
本発明のその他の利点、特徴および詳細は、純粋に例示として与えられる添付の図を参照する、次の説明のための記載から明らかであり、ここで：
・図1は、多層基板の上部絶縁層の表面に形成され、誘電泳動による誘電体粒子の操作に使用するのに適切な電極の配列の例の概略の平面図であり；
・図2は、図1の電極の配列に供給する導体トラックの2つの配列の平面図であり；
・図3は、図1に示す電極の配列に関連する、図2に示す導体トラックの配列の位置を示す、図2のIII-IIIラインでの断面図であり；
・図4および5は、図1に示す電極の配列の、2つの他の可能な実施形態を示す図であり；
・図6aおよび6bは、電極の2つの他の形状を示し；
・図7は、図1、4または5の電極配列と接触する、媒質中の懸濁液中の誘電体粒子を操作する誘電泳動を用いるためのシステムの実施形態の概略図である。
【００１１】
図1〜3に示す例において、電極E1およびE2の規則的配列Rは、多層基板1の上部絶縁層Iの表面上に形成され、導体トラックC1およびC2の2つの配列R1およびR2を介して、2つの電源パッドP1ならびにP2に接続されている。電極E1およびE2の配列Rは、不均一な様式で2つの電源パッドP1およびP2から適用される交流電界を分配するように、そして規則正しく間隔をあけて離れており、電界が最小限である局部域Lを絶縁層Iの表面上に区画するように設計される。
【００１２】
一般に、局部域Lは、少なくとも2対の電極の個別の組により区画され、これは図1に示す例に相当する。電極E1およびE2は、X軸に平行な複数の列で規則正しい間隔をあけて離れており、いずれの1つの列の電極が同じ極性を有し、そして2つの近接した列の電極が反対の極性であることが理解される。言い換えると、電極E2の列は、電極E1の複数の列の間にあるか、またはその逆である。
【００１３】
よって、最小限の電界の各々の局部域Lは、共通の列の、2つの近接した電極E1またはE2の間に、該列に近接する2つの列にそれぞれ位置する、2つの面する電極E1またはE2により区画される。したがって、この例においては、与えられた電極E1またはE2は、4つの局部域Lを区画するのに用いられ、2つの近接した列の電極は、互い違いの構成に配置される。
【００１４】
図2および3は、電極E1およびE2がどのように電源パッドP1ならびにP2に接続されるかを示す。この接続は、同様にX軸に沿って伸びる平行の導体トラックC1およびC2の2つの配列R1ならびにR2により与えられる。これらの2つの配列R1およびR2は、電極E1およびE2の配列Rの反対側にある2つの電源パッドP1およびP2にそれぞれ接続され、該パッドはX軸に垂直なY軸に沿って伸びている。各電源パッドP1またはP2は、導体トラックのその連結している配列R1またはR2とともに、櫛を形成し、2つの櫛は、互いに噛み合っている(図2)。2つの配列R1およびR2は、絶縁層Iに収容されており、すなわち電極E1およびE2は、それらが位置するのとは異なるレベルを介して接続されており(図3)、したがってそれにより電極が接続される原理は、用いられる電極の数には依存しない。
【００１５】
電極の配列R、ならびに電源パッドP1およびP2への接続配列R1およびR2がどのように組み立てられて得るかの例を図3に示し、配列R、R1およびR2をつくるために少しドープされた単一結晶シリコンのウェーハーにより構成されるベース基板2から始まる。
【００１６】
第一の工程において、電界線が基板1を介して通り抜けるのを防ぐように、酸化を用いて、約50ナノメートル(nm)の厚さを超えて基板1の表面を被覆する酸化ケイ素の層3を形成する。
第二の工程において、層3が、蒸発により堆積されて約300 nmの厚さを有する、例えばアルミニウムの導体層5に被覆され、そして導体トラックC1およびC2の配列R1ならびにR2が、電源パッドP1およびP2とともに、フォトリソグラフィおよびアルミニウムのウェットエッチングにより、その中に形成される。
第三の工程においては、常圧化学蒸着(APCVD)技術または例えばスパッタリングのような、いずれのその他の技術を用いて堆積された酸化シリコンの基板Iが、組立品の上に重なり、マスク、およびSF6を用いる酸化物層のプラズマエッチングとともにフォトリソグラフィにより、導体トラックC1およびC2に沿って規則正しい間隔をあけて離れている小さい開口部9が、電源パッドP1およびP2のレジスタ中の2つの大きい開口部11とともにつくられる。
第四の工程においては、アルミニウムの新しい導体層13が、組立品の上に、より下の層Iの厚さより約100 nm厚い厚さに蒸発され、そして導体トラックC1およびC2の配列R1ならびにR2との接続が提供されるように、開口部9および11が埋められる。
最後に、フォトリソグラフィおよびアルミニウムのエッチングの第五の工程において、電極E1およびE2の配列Rの形状が決定される。
【００１７】
この実施形態の変形において、ベース基板2は、ガラスの板であることが可能であり、電極の配列Rは、配列R1およびR2とともに、選択された金属に二次加工技術を適用することにより、アルミニウム以外の材料、例えば金またはクロムでつくることができる。本発明において重要であるのは、電極E1およびE2の配列R、ならびに2つの配列R1およびR2を介しての電源パッドP1およびP2へのその接続が、異なるレベルに位置するべきであり、すなわち基板1は多層タイプのものであるべきであることである。
【００１８】
この特徴は、高度に集積化された装置の製作を可能にする。限定しない例として、1000〜50000の局部域Lをもつ1センチメートル(cm)の面を有する装置を製作することが可能である。図1〜3は、少数の電極E1、E2および局部域Lしか示していないが、これは、純粋に図の明確化の理由による。
【００１９】
図4および5は、電極E1およびE2の配列Rの2つの他の可能な形態を示す図であり、電極E1およびE2は、図2の例に示したのと同様の様式で、導体トラックC1およびC2の2つの配列R1ならびにR2を介して、電源パッドP1およびP2に接続されていることが理解される。各々の局部域Lは、図4においては3対の電極E1およびE2により、図5においては4対の電極E1およびE2により区画される。これらの例から、局部域Lは、少なくとも2対の電極E1およびE2から区画されることがわかり、電極の対の数はそれ自体が偶数または奇数であり得ることが理解される。
【００２０】
図1の例においては、電極E1およびE2は、通常、長円形の形状または花びら形であり、4つの電極が、やや四つ葉のクローバーのような形を占めることにより局部域Lを区画し、図4および5の例においては電極E1およびE2は円形状であるが、その他の形状が考えられ、例えば、電極の各々の角は局部域Lの中心に向いている、四角形の形状(図6a)、または対称性であり、少なくとも4つの角を有する(図6b)実質的に四角形の形状(図6b)であることも可能であることが理解される。
【００２１】
誘電体粒子を操作するためのシステムの電気装置を、図7に概略図として示す。システムは、電極E1およびE2のその配列R、配列Rを囲むシリコーンのシーリングガスケット20、ならびに例えば媒質中の懸濁液中にあり、例えばピペットによりチャンバー25内に導入された生物細胞を収容するチャンバー25を区画するための、ガスケット20に適合するガラスプレート22とともに、上記で定義したように基板1を含む。2つのパッドP1およびP2は、交流電圧源30に接続されている。もちろん、チャンバー25はある他の方式で作られていることが可能である。
【００２２】
一般に、システムは、チャンバー25内の懸濁液中の細胞に負の誘電泳動力を適用するために、より具体的に設計される。
このために、電界の周波数に作用を及ぼし、そして操作される粒子よりも、媒質がより分極可能であることを確実にするのに好適な導電率を選択することにより、負の誘電泳動力の作用により局部域Lの中心部分に粒子を向け、それによりマトリックス配列内でそれらを集中させることを可能にする。
【００２３】
電界パラメータに作用を及ぼすことにより、基板1の絶縁層Iの表面にわたって規則正しく分配される様式で粒子を集中することを促進するような様式で、有利に局部域Lの中心点に粒子を向けることが可能である。
【００２４】
この結果を示すために、図1において、局部域Lの中心部分に存在し、基板1の表面にわたって規則正しく分配される粒子の集中cを示す。
【００２５】
例として、2つのパッドP1およびP2に、約5ボルト(V)〜10Vのピーク・ツー・ピークの振幅をもつ正弦波の交流電圧を印加し、周波数を約10キロヘルツ(kHz)〜10メガヘルツ(MHz)の範囲にわたって変化させた。ある具体的な例においては、センチメートル当たり300マイクロシーメンス(μS・cm-1)の導電率をもつ媒質について、約100 kHzの周波数および約5Vのピーク・ツー・ピークの正弦波の電圧を用いながら、直径3マイクロメートル(μm)をもつラテックスビーズをひとまとめにしたが、電界および媒質の導電率のパラメータは、操作される粒子の関数として調節される必要があることが理解される。
【００２６】
一旦、細胞が基板の表面にわたって分配されると、意図する使用に基づいて、それらのエレクトロポレーションまたはリシスを進めることが可能である。一般に、本発明のシステムは、薬理学上の物質の高度に広いスクリーニング、細胞内への遺伝子の移入・・・、および溶液中の2種の細胞の分離−1種は電極の間で区画される局部域の中心に向けられ、一方、他の種は電極に向けられる−に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図1は、多層基板の上部絶縁層の表面に形成され、誘電泳動による誘電体粒子の操作に使用するのに適切な電極の配列の例の概略の平面図である。
【図２】図2は、図1の電極の配列に供給する導体トラックの2つの配列の平面図である。
【図３】図1に示す電極の配列に関連する、図2に示す導体トラックの配列の位置を示す、図2のIII-IIIラインでの断面図である。
【図４】図4は、図1に示す電極の配列の、2つの他の可能な実施形態を示す図である。
【図５】図5は、図1に示す電極の配列の2つのほかに可能な実施形態を示す図である。
【図６ａ】図6aは、電極の他の形状を示す。
【図６ｂ】図6bは、電極の他の形状を示す。
【図７】図1、4または5の電極配列と接触する、媒質中の懸濁液中の誘電体粒子を操作する誘電泳動を用いるためのシステムの実施形態の概略図である。
【符号の説明】
【００２８】
１    多層基板
２    ベース基板
３    酸化ケイ素の層
５    導体層
９、１１    開口部
１３    導体層
２０    シーリングガスケット
２２    プレート
２５    チャンバー
３０    交流電圧源
I    絶縁層
E1、E2    電極
C1、C2    導体トラック
R1、R2、R    配列
P1、P2    電源パッド
L    局部域
c    粒子の集中
【国際公開パンフレット】
2005506191.tif 000003
2005506191.tif 000004
2005506191.tif 000005
2005506191.tif 000006
2005506191.tif 000007
2005506191.tif 000008
2005506191.tif 000009
2005506191.tif 000010
2005506191.tif 000011
2005506191.tif 000012
2005506191.tif 000013
2005506191.tif 000014
2005506191.tif 000015
2005506191.tif 000016
【国際調査報告】
2005506191.tif 000017
2005506191.tif 000018
2005506191.tif 000019
2005506191.tif 000020
2005506191.tif 000021
2005506191.tif 000022