(57)【要約】  安価な方法で製造することができるサンプル分析システムを提供すること。サンプルを分析するためのデバイス100であって、ビーム感知機構101の部分の電気的特性が前記ビーム感知機構101の前記部分に到来するビーム102によって局所的に変更されるように適応されるビーム感知機構101、および前記サンプルを収容するために適応されるサンプル収容ユニット103を備え、前記ビーム感知機構101および前記サンプル収容ユニット103が、ビーム感知機構101の前記部分の前記電気的特性の前記局部的な変更が、前記サンプル収容ユニット103の対応している部分の前記サンプルの分析特性を局所的に変更するように構成され、前記ビーム感知機構が101、光導電体を備える、方法。
2010537154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビーム感知機構の一部分に作用するビームによって、当該一部分の電気的特性が部分的に変更される当該ビーム感知機構と、
サンプルを収容するためのサンプル収容ユニットと、
を備え、
前記ビーム感知機構の一部分の電気的特性の部分的な変更が、前記サンプル収容ユニットの前記サンプルの分析特性を部分的に変更するように、前記ビーム感知機構と前記サンプル収容ユニットとが構成されており、
前記ビーム感知機構が光導電体を備える、
サンプルを分析するためのデバイス。
【請求項２】
前記光導電体が有機光導電体である、請求項1に記載のデバイス。
【請求項３】
基板を備え、
前記ビーム感知機構が前記基板上に形成される、
請求項1または請求項2に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ビーム感知機構が前記基板上に形成されたパターン化されない層である、請求項3に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ビーム感知機構が前記基板上に形成されたパターン化された層である、請求項3に記載のデバイス。
【請求項６】
前記基板が前記ビームに対して透明である、請求項4に記載のデバイス。
【請求項７】
前記基板が回転盤である、請求項3に記載のデバイス。
【請求項８】
前記基板と前記ビーム感知機構との間に構成された導電性機構を備える、請求項3に記載のデバイス。
【請求項９】
前記導電性機構が前記ビームに対して透明である、請求項8に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記導電性機構が連続層である、請求項8に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記導電性機構は、前記構成された導電性機構の異なるコンポーネントが異なる電圧に取り付け可能であるように構成される、請求項8に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記ビーム感知機構は、該ビーム感知機構の一部分に作用するビームによって当該ビーム感知機構の一部分のオーム抵抗が部分的に変更される、請求項1または請求項2に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記ビームが、電磁的放射のビーム、光学的な光のビーム、粒子ビーム、電子ビーム、および機械的波動のビームからなるグループの1つである、請求項1または請求項2に記載のデバイス。
【請求項１４】
負の抵抗の温度係数を有する層を備える、請求項1または請求項2に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記基板が如何なるアクティブな電子コンポーネントも含まない、請求項3に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記基板上へ集積された光起電力セルを備える、請求項3に記載のデバイス。
【請求項１７】
対向電極を備え、
前記導電性機構と前記対向電極との間に、電圧、特に直流電圧を印加する電圧源ユニットを備え、
前記サンプル収容ユニットが前記ビーム感知機構と前記対向電極との間に配置される、請求項8に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記ビーム感知機構から前記サンプル収容ユニットを隔てる生体適合性コーティング層を備える、請求項1または請求項2に記載のデバイス。
【請求項１９】
使い捨て可能なデバイスである、請求項1または請求項2に記載のデバイス。
【請求項２０】
センサデバイス、バイオセンサ・デバイス、バイオチップ、ラブ・オン・チップ、電気泳動デバイス、サンプル転送デバイス、サンプル混合デバイス、細胞溶解デバイス、サンプル洗浄デバイス、サンプル浄化デバイス、ポリメラーゼ連鎖反応デバイス、およびハイブリダイゼーション分析デバイスからなるグループの少なくとも1つである、請求項1または請求項2に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記光導電体の静電容量が前記サンプルの静電容量より大きい、請求項1または請求項2に記載のデバイス。
【請求項２２】
暗状態における前記光導電体の抵抗が1 MΩ/m2より大きい、請求項1または請求項2に記載のデバイス。
【請求項２３】
照射されないときに前記光導電体の抵抗が前記サンプルの抵抗より大きく、照射されるときに前記光導電体の抵抗が前記サンプルの抵抗より小さい、請求項1または請求項2に記載のデバイス。
【請求項２４】
請求項1または請求項2に記載のデバイスと、
前記デバイスの前記ビーム感知機構の一部分に作用するビームを生成するためのビーム生成ユニットと、
を有するサンプルを分析する構成。
【請求項２５】
あらかじめ定義されたサンプル分析プロトコルに従って、前記ビーム生成ユニットを制御する制御ユニットを備える、請求項24に記載の構成。
【請求項２６】
前記ビーム生成ユニットが、あらかじめ定義されたサンプル分析プロトコルに従って、前記ビーム感知機構をスキャンする、請求項24に記載の構成。
【請求項２７】
前記ビーム生成ユニットが可変な強度を有する前記ビームを生成する、請求項24に記載の構成。
【請求項２８】
前記ビーム生成ユニットが、複数の不連続ビーム部分を有する前記ビームを生成する、請求項24に記載の構成。
【請求項２９】
前記ビーム生成ユニットと前記ビーム感知機構との間に配置され、複数の不連続ビーム部分を有する前記ビームをパターン化するビーム・パターニング部を備える、請求項24に記載の構成。
【請求項３０】
前記ビーム生成ユニットと前記ビーム感知機構との間に配置され、前記ビームを集束するビーム集束部を備える、請求項24に記載の構成。
【請求項３１】
前記サンプル内の粒子の同時の移動を可能にするために、前記電圧の急激な上昇を提供するための電圧ユニットを備える、請求項24に記載の構成。
【請求項３２】
照射されないときに、前記電圧の大半が、前記光導電体全体で降下するように、徐々に上昇するまたは下降するランプ電圧を提供するための電圧ユニットを備える、請求項24に記載の構成。
【請求項３３】
ランプ電圧の上昇または下降が0.75 V/sより少ない、請求項32に記載の構成。
【請求項３４】
ビームを作用させることによってビーム感知機構の一部分の電気的特性が部分的に変更される、該ビーム感知機構の一部分に当該ビームを作用させ、
サンプル収容ユニット内にサンプルを提供し、
前記ビーム感知機構の一部分の電気的特性の部分的な変更が、前記サンプル収容ユニットの前記サンプルの分析特性を部分的に変更するように、前記ビーム感知機構と前記サンプル収容ユニットとを構成するサンプルを分析する方法であって、
前記ビーム感知機構が光導電体を備える方法。
【請求項３５】
前記光導電体が有機光導電体である、請求項34に記載の方法。
【請求項３６】
前記サンプルの荷電粒子を、前記ビーム感知機構の一部分の部分的に変更された電気的特性の影響の下で、予め定められた軌道に沿って移動させること、および前記サンプルの荷電粒子を、前記ビーム感知機構の一部分の部分的に変更された電気的特性の影響の下で蓄積すること、
からなるグループの少なくとも1つを備える、請求項34または35に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンプルを分析するためのデバイスに関する。
【０００２】
さらに、本発明は、サンプルを分析するための構成に関する。
【０００３】
本発明は、さらに、サンプルを分析する方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
バイオセンサは、生物学的コンポーネントを、物理化学的または物理的検出器コンポーネントと組み合わせて、分析物を検出するデバイスとすることができる。
【０００５】
（Chiou、PY、Ohto、AT、Wu、MC）（2005年）「光学イメージングを使用する、単一細胞および微小粒子の大規模並列処理の操作(Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical imaging)」、（ネイチャー、第436巻、370頁から372頁）は、単一粒子を操作するための光導電性の面上の電場の高解像度パターニングを可能にする、光学イメージ駆動型誘電泳動技術を開示する。
【０００６】
（Dholakia, K）（2005年）「光電式ピンセット(Optoelectronic tweezers)」、（Nature materials、第4巻、頁579〜580）には、光導電膜に投影された低出力光イメージが、大きいエリアに不均一電場を起こすことができ、およびワイヤも電極も無しに粒子を操作しかつソートすることを可能にする点が、開示されている。
【０００７】
WO 2000/14545は、各試験サイトが、それに取り付けられたプローブ分子を有する、複数の試験サイトを透明基板上に含む生体分子分析器を開示する。アドレス指定可能な光源のアレイは、対応する試験サイトと光学的に一直線に配置される。サンプル分子を含む溶液は、複数の試験サイトと接触して配置される。1つの光検出器が各光源に対応している、複数の光検出器を有する検出器アレイは、アドレス指定可能な光源のアレイと光学的に一直線に配置され、かつ光フィルタは、光源からの光を吸収しかつ試験サイトから検出器アレイまで光を伝えるために、検出器アレイと複数の試験サイト間に配置される。
【０００８】
しかしながら、バイオセンサをアドレス指定する複雑なアドレシング法のため、従来のバイオセンサのコストは、高くなる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、安価に製造することができるサンプル分析システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するために、独立クレームに従って、サンプルを分析するためのデバイス、サンプルを分析するための構成、およびサンプルを分析する方法が、提供される。
【００１１】
本発明の一実施例に従うと、サンプルを分析するためのデバイスであって、ビーム感知機構の部分の電気的特性がビーム感知機構の部分に到来するビームによって局所的に変更されるように適応されるビーム感知機構およびサンプルを収容するために適応されるサンプル収容ユニットを備え、ビーム感知機構およびサンプル収容ユニットは、ビーム感知機構の部分の電気的特性の局部的な変更が、サンプル収容ユニットの対応している部分のサンプルの分析特性を局所的に変更するように構成される、デバイスが、提供される。
【００１２】
本発明の別の実施例に従うと、サンプルを分析するための構成であって、上述の機能およびデバイスのビーム感知機構の部分に到来するビームを生成するために適応されるビーム生成ユニットを有するデバイスを備える構成が提供される。
【００１３】
本発明のさらなる別の実施例に従うと、サンプルを分析する方法であって、ビーム感知機構の部分の電気的特性が、到来ビームにより局所的に変更されるように適応されるビーム感知機構の部分にビームを当てること（または向けて送り出すこと）、サンプル収容ユニット内にサンプルを提供すること、およびビーム感知機構の部分の電気的特性の局所的な変更がサンプル収容ユニットの対応する部分内のサンプルの分析特性を局所的に変更するように、ビーム感知機構およびサンプル収容ユニットを構成する方法が、提供される。
【００１４】
本出願のコンテクストにおいて、用語「サンプル」は、特に、固体、液体またはガス状の分析されるべき如何なる物質も、またはそれらの組合せを意味する。例えば、物質は、液体または懸濁液、さらに、より詳細には、生物学的物質であることが可能である。このような物質は、たんぱく質、ポリペプチド、核酸、脂質、炭水化物または完全な細胞、等を備える可能性がある。
【００１５】
用語「ビーム感知機構(beam sensitive structure)」は、特に、ビーム感知機構の電気特性に関して、到来ビームにより選択的に影響される特性を有する、特に層状に形成された任意のマテリアルを意味する。言い換えると、ビームがビーム感知機構の部分に当たる時、照射された部分の電気的挙動は、ビーム感知機構の照射されない部分の電気的挙動と異なるであろう。
【００１６】
用語「電気的特性(electric property)」は、特に、オーム抵抗（または電気伝導率）、インピーダンス、容量、誘導率、等を意味することができる。特に、光導電体が光により照射された時、オーム抵抗を減少させることができる。
【００１７】
用語「分析特性(analysis property)」は、特に、物理的特性（例えば、電荷によって誘発された引力、反発力、または濃度）、化学的特性（例えば、pH値）、生物学的性質（例えば、生物活性）等のような（流体の）サンプルの分析に関連する特性を意味するものとすることができる。
【００１８】
用語「ビーム」は、特に、特定の伝搬方向を有する光子または粒子または音波の横方向に制限された束を意味するものとすることができる。このようなビームは、光ビーム、電子ビーム、音のビーム、超音波ビームとしてもよい。唯一の条件は、ビームが、ビーム感知機構の電気的特性を特徴的に変える、ビーム感知機構との相互作用を起こすことができることである。
【００１９】
用語「ビーム生成ユニット(beam generating unit)」は、特に、レーザまたはX線管または超音波音源または電子源のようなビーム源を意味するものとすることができる。
【００２０】
「基板(substrate)」は、ガラス、プラスチック、または半導体のような任意の適切なマテリアルから作ることができる。一実施例に従うと、ビームに対して、部分的、または（本質的に）完全に透過する基板を提供することは、有利かもしれない。例えば、光ビームを使用するとき、ガラス基板は、適正な選択であるかもしれない。従って、用語「基板」は、一般に、興味のある層または部分の下に横たわる層のためのエレメントを定義するために使用することができる。
また、「基板」は、層が形成される任意の他のベース、例えば、ガラスまたは金属層とすることができる。本発明の一実施例に従うと、この層の特定の部分に到来ビームが、ビーム感知層の電気特性、特に電気伝導率を選択的かつ局所的に変更するように、対応するビーム感知層を照射するために、ビームを、使用することができる。それゆえ、基板を（例えば、光学的）ビームでアドレス指定することが、可能になる。このことは、従来、（例えば、集積回路コンポーネントとして）基板に設けられた、高価な電気的アドレス指定コンポーネントを省略することを可能にする。基板は、コンタクト・ワイヤをほとんど必要としないかもしれない、または、光起電性の層が含まれる場合、ワイヤは、全く要求されない。それゆえ、より少ない労力で製造することができ、かつアドレシング法は、光学ビーム（または電子ビームのような他の種類のビーム）を容易にかつ高精度で制御することができるので、基板は、極めて効率的に作ることができる。それゆえ、能力およびリソースは、（バイオセンサ）基板から外部の制御ユニットにシフトさせることができ、このことは、必須でないコンポーネントを提供することを可能にする。それゆえ、必須でないコンポーネントは、安く製造することができ、かつ（外部のアドレス指定デバイスのような）多重使用コンポーネントは、より高価なコンポーネントを含むことができる。
【００２１】
従来、速い無機光導電体マテリアルは、中性の粒子の誘電泳動を活性化するように（高周波数）交流と組合せて使用可能である。これに対して、本発明の実施例は、光ビームによる照射に対するそれらの電気応答に関して非常に遅くなるように設計することができる有機光導電体を実施する。言い換えると、有機光導電体が照射される時、その電気伝導率の対応する変化は、従来の無機光導電体と比較して著しく長く続くことができる。あまりに速い応答の場合、印加電圧は、照射の間しか存在しない。光源および電圧は、如何なる場所においても、当該場所で電圧をサンプル・ボリュームに結合させるために、同時に存在しなければならない。応答特性が相対的に遅いことは、有機光導電体が、バイオチップの部分のアドレス指定を行うために適切に働くことを可能にし、さらにバイオチップ上の複数の場所を1つの光源で同時にアドレス指定することさえ可能にする。有機光導電体のこの有利な特性により、本発明の一実施例に従うと、光学的に短い光パルスでさえ、相対的に長い期間の間に、サンプル内の電圧を変更させることが可能になる。このことは、荷電分子の転送のような用途を可能にする。これに加えて、有機光導電体マテリアルは、湿式処理が可能であるので、相対的に安い。更にまた、このような有機光導電体に隣接する電極は、AC電圧と比較してより単純化することが出来る、DC電圧で駆動することができる。
【００２２】
この結果、常設された導電性ラインにより粒子を駆動することを排除することが、可能となり、かつ高価なフォトリトグラフィを、不要にすることができる。一時的な「仮想」電極構造を、必要とする場所に、つくることができる。ビームには、小さい断面積を設けることができるので、電極構造のサイズリダクションが、可能になる。このことは、電気力の影響を受けているミクロな液体デバイスにおいて、DNA、細胞、タンパク質、などのような粒子を操作することを可能にする。このような流体デバイスにおいて、サンプルは、注入口を通して供給され、かつ排水口を通して排出させることが可能である。注入口と排水口との間に、（基板に形成されたチャンネル、バルブ、タップなどのような）流体構造を、設けることができる。
【００２３】
従って、本発明の実施例は、低コストの使い捨て可能なバイオ・カートリッジの光学的アドレス指定を可能にする。本発明の実施例に従うと、チップをアドレス指定する方法を、低コストのサンプル・キャリアから切り離すことを含む、分子診断法用のバイオチップまたはラボチップ(lab-on-a-chip)の価格を著しく減らす方法が、提供される。サンプル・キャリアは、必ずしも（トランジスタのような）任意のアクティブな電子コンポーネントを含む必要はないが、その代わりにカートリッジ／バイオチップ分析器から光学信号を受信する手段（例えば、ベンチトップ型マシンまたはハンドヘルド・デバイス）を含むことができる。サンプル・キャリア内の光レシーバは、その抵抗を、光調整デバイス、例えば、走査型レーザによる照射を介して局所的に小さくすることができる、構造化されていない有機光導電体層の形状とすることができる。時間依存電圧パターンを、光導電体の照射を介して、カートリッジ分析器からサンプル・キャリアに光学的に書き込むことができる。この電圧プロファイルは、荷電生物学的粒子を動電学的に操作（例えば、転送、混合）するために、または空間的に変化する電圧パターンを必要とする任意の他の手段のために、用いることができる。
【００２４】
ビームは、また、抵抗が負の温度係数を有する層を加熱するために使用することもできる。層のマテリアルは、酸化マンガン、酸化ニッケル、コバルト酸化物、酸化鉄、酸化銅、酸化チタン、半導体材料、およびドーピングした半導体材料から構成されるグループから選択することができる。ラボチップ・カートリッジは、例えば、サンプルの相互汚染を回避するために、使い捨て可能であることが望ましい。
【００２５】
非常に低コストで利用可能ないくつかの生化学的検査がある。例えば、妊娠の検出は、尿の特定のタンパク質の検出を介して達成することができる。これより高価である可能性がある他の診断試験があるが、使い捨て可能なカートリッジが可能な限り安価であるはずであることは、一般に真である。コンポーネントを1つの基板上に集積化することが、従来の分析と比較して、コストを減小させることはできるが、基板上の構造を定めるために要求される処理の量に起因するかなりの費用は、存在したままである。マスク・ステップの数を減らすことができる、または完全に省略することができる場合、このことは、使い捨てのコストを有利に減らすであろう。
【００２６】
本発明の一実施例に従うと、カートリッジ分析器（例えば、ベンチトップ・マシン、ハンドヘルドのリーダー／デバイス）から光学信号を検出することを可能にするために、有機光導電体層をサンプル・キャリアに組み込むことは、可能である。光学信号は、カートリッジの有機光導電体の抵抗を局所的に減らすことができ、かつ適用された光パターンにより定められる電圧パターンを発生させることができる。この電圧パターンは、生体粒子の動きに関連した様々な手段のために使用できるサンプル（例えば、流体）区画／チャンネル内に電場をつくることができる。
【００２７】
次に、デバイスのさらなる実施例を、説明する。しかしながら、これらの実施例は、構成および方法にもまた適用される。
【００２８】
デバイスは、ビーム感知機構が、その基板上に（直接、または、間に1つ以上中間層を介して）形成することができる、基板を備えることができる。例えば、基板は、ビーム感知機構（例えば、光導電体）の層を堆積することができる、または適用することができる、平面を有することができる。このことは、化学的蒸着(CVD)、原子層堆積(ALD)、スパッタリングまたは湿式処理にスピニング／吹付け／印刷のような標準堆積手順を使用する安価かつ簡単な構成を可能にする。
【００２９】
ビーム感知機構は、基板上に形成されたパターン化されていない層としてもよい。言い換えると、ビーム感知機構は、連続層とすることも可能である。このことは、フォトリトグラフィおよびエッチングのような高価なパターニング・プロセスを続いて実行する必要なしに、単一の堆積手順で、ビーム感知機構または層を堆積させることを可能にする。
【００３０】
これに代えて、ビーム感知機構は、基板上に形成されたパターン化された層としてもよい。ビーム感知層をパターン化することによって、システムの空間的分解能を、改善することができる。このようなパターニングは、単一のリソグラフィおよびエッチング手順を使用して実行することができ、それゆえに、妥当な労力によって実行することができる。これに代えて、パターニングは、湿式処理された層に対する印刷プロセスの結果として実現させることもできる。
【００３１】
基板は、ビームに対して透明であってもよい。特に、基板は、光学的に透明である可能性があり、かつ例えば、ガラスまたはプラスチックから作成しても良い。基板が透明な場合、ビームは、本質的に減衰または吸収されることなく基板を伝わることができる。
【００３２】
基板は、スピニング・ディスクとしてもよい。このような構成要件に従うと、基板は、ビーム生成ユニットを（例えば、ビームの1次元のアレイの形状に）空間的に固定させた状態に保ち、かつ基板を走査するために基板を移動させるように、回転させることができる。これに代えて、ディスク回転の方向にある角度をなす方向に走査するように構成される単一のビームも、考えられる。次に、ディスクを回転させることによって、かつ回転可能なディスク上に光学ビームを向けることによって、スピニング・ディスクのリングを、周囲の部分とは異なる他の電気特性を有するように選択することができる。これに代えて、ビームをパルスにすることによって、ディスク表面のより小さい部分のみを、周囲の部分とは異なる他の電気特性を有するように選択してもよい。
【００３３】
デバイスは、導電性機構がビームに対して透明であって、基板とビーム感知機構との間に導電性機構を備えることができる。このような導電性機構は、電気信号（例えば、供給電圧）をビーム感知機構に、例えば、サンプルの荷電粒子に影響を与えるために、供給することを可能にしてもよい。このような光学的に透明な導電性機構に対する具体例は、ITO（インジウムスズ酸化物）である。
【００３４】
ビーム感知機構の部分のオーム抵抗(R)が、ビーム感知機構の部分に到来するビームにより局所的に変更されるように、ビーム感知機構を、適応させることができる。このような空間の荷電粒子を操作するために、オーム抵抗つまり電気伝導率を変更することにより、ビーム感知機構とサンプル・チャンバ間の電圧分圧を、選択的に使うことができる。このような粒子は、DNA分子としてもよいし、またはタンパク質としてもよい。それゆえ、このような粒子は、光学ビームによって定められるスキャン方式に従って移動させることができる。
【００３５】
ビーム感知機構は、ビーム感知機構の部分の電気特性を、ビームが、電磁的放射のビーム、光学光のビーム、電子ビーム、または機械的波動のビームとすることができる、ビームによって、局所的に（すなわち照射された部分においてだけ）変更するように、適応させることができる。一実施例に従うと、例えば、レーザまたは発光ダイオード (LED)により発生させることができる光学ビームを、使用することができる。このことは、単色かつ空間的に制限されたビームを十分に高い強度で発生させるという利点を有することができる。しかしながら、これに代えて、電気伝導率を局所的に変更するために、電子ビーム、陽子ビーム、または荷電粒子の他の如何なるビームもその面に向けて送り出すこともまた可能である。
【００３６】
ビーム感知機構は、光導電体、特に有機光導電体としてもよい。用語「光導電体」は、特に、光学放射の影響の下でオーム抵抗つまり電気伝導率のその値を変える、マテリアルを意味する。このようなマテリアルの具体例は、PVK（ポリビニルカルバゾール）マトリックス内のトリニトロフルオレノンまたはジリチウム・フタロシアニンである。しかしながら、他のマテリアルも同様に使用することができる。
【００３７】
デバイス（特に基板）は、如何なるアクティブな電子コンポーネントも含まなくてもよい。「アクティブな電子コンポーネント(active electronic component)」という用語は、特に、トランジスタ、ロジック・ゲート等のように、能動的に電気回路機能を制御する、（例えば、モノリシックに集積された）任意の電子部材を意味するものとすることができる。基板は、デバイスを使い捨てシステム用に特に適切にする低コストで基板を製造することができるように、このような電子コンポーネントのいずれも含まないようにしてもよい。電子コンポーネントの一部または全部を、光学的にアドレス指定可能なデバイスから、より長時間使用することができる外部の走査装置へ移してもよい。それゆえ、システムは、経済的な方法で製造することができる。
【００３８】
デバイスは、ビーム感知機構と対向電極間に電圧を印加する（電圧供給源のような）電源ユニットを備えることができるデバイスであって、サンプル収容ユニットを、ビーム感知機構と対向電極間に位置付けることができるデバイスである。従って、ビーム感知機構と対向電極間のギャップに、サンプル・チャンバを、設置することができる。このような幾何的構成によって、ビーム感知機構に到来するビームによって選択的に変更される電場をサンプル・チャンバ内に発生させることが、可能である。言い換えると、ビームが存在しない場合、本質的に完全にビーム感知層にわたって、電圧降下が、生じる。ビームがビーム感知機構に到来する、別の構成の場合、電圧降下は、本質的に完全にサンプル内に生じる可能性がある。このことは、対応している電場によってサンプルの帯電したコンポーネントに影響を与える。これは、サンプル・チャンバの中でこのような荷電粒子を、移動させる、集中させる、蓄積する、または、はね返すことを可能にする。それゆえ、デバイスを、ある種の分子転送デバイスとして使用することができる。
【００３９】
デバイスに印加される電圧が高い振動数で振動する場合、帯電してない粒子は、誘電泳動により操作することができる。直流電流(DC)または直流電圧をデバイスに印加することは、相対的に安定した電圧降下が分子または細胞転送のような用途を可能にする場合があるので、交流(AC)または交流電圧をデバイスに印加することより好ましいかもしれない。
【００４０】
デバイスは、サンプル収容ユニットをビーム感知機構から隔てる生体適合性コーティングを備えることができる。用語「生体適合性(biocompatible)」は、特に、コーティング・マテリアルがサンプルとして分析される生物学的分子またはシステムを害しない、コーティングのマテリアル特性を意味するものとしてもよい。このようなコーティングの具体例は、ヒドロゲル（例えば、ポリアクリルアミド）である。このようなコーティングは、（ビーム感知機構のための実施例である）有機光導電体層が生体適合材料自体から作られる場合、省略することができる。
【００４１】
デバイスは、（例えば、生物学的）粒子を感知すること（すなわち、定性的に、または定量的に、粒子の存在を検出すること）、ラブ・オン・チップ(lab-on-chip)アプリケーションを実行すること、電気泳動を実行すること、サンプル転送（すなわち、デバイスの中で粒子を移動させること）を実行すること、サンプル・ミキシング（すなわち、例えば、化学的反応をトリガーするために、2個以上のコンポーネントを混合すること）、細胞溶解、サンプル洗浄、サンプル浄化（例えば、タンパク質浄化）を実行すること、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)を誘導すること、または、ハイブリダイゼーション分析を実行すること（すなわち、検出されるべき分子および固定化された捕獲分子間の相互作用をおこすこと）からなるグループのうちの少なくとも1つに対して適応させることができる。
【００４２】
次に、構成のさらなる実施例を、説明する。しかしながら、これらの実施例は、デバイスおよび方法にもまた適用される。
【００４３】
構成は、あらかじめ定義されたサンプル分析プロトコルに従ってビーム生成ユニットを制御するために適応される制御ユニットを備えることができる。このような制御ユニットは、例えば、マイクロプロセッサまたはCPU（中央処理ユニット）としてもよく、かつデバイスおよび／またはビーム生成ユニットの動作を中央で制御してもよい。サンプル分析プロトコルは、（例えば、入力インタフェースにより）ユーザが規定してもよい。これに代えて、このようなサンプル分析プロトコルは、あらかじめ定義された方法でサンプルを分析することができる自動化された手順とすることができる。例えば、ラブ・オン・チップ・アプリケーションの場合、制御ユニットは、すべての個々の手順がこのようなラブ・オン・チップで実行されるように中央で制御することができる。これは、コンポーネントを混合すること、基板に沿ってコンポーネントを運ぶこと、基板の特定の部分としてコンポーネントを蓄積すること等を含むことができる。
【００４４】
ビーム生成ユニットは、ビーム感知機構を走査するように適応させることができる。例えば、空間的に制限されたビームの高い光強度を発生させることを可能にするスキャン可能なレーザを、使用することができる。ビームを走査させることによって、ビーム感知機構の導電部分も、同様に空間的に移動させることができる。このことは、任意の所望の空間アドレス指定パターンをサンプルに適用することを可能にする。
【００４５】
ビーム生成ユニットは、強度が可変のビームを生成させるように適応させることができる。強度を変化させることによって、電気伝導率の値を、同様に変化させることができる。このことにより、サンプル内の荷電粒子に及ぼされる力の振幅および極性を変化させることができる。例えば、電圧の極性を変えることによって、引力または反発力を、発生させることができる。このことにより、各所望の方向に効率的に分子を転送することができる。
【００４６】
ビーム生成ユニットは、複数の不連続ビーム部分を有するビームを生成させるように適応させることができる。言い換えると、ビーム生成ユニットは、異なる部分を有するまたは切り離されたサブビームのパターンを表す光学ビームを、それ自身で発生させることができる。このことにより、分子運動スキームの空間精度をリファインすることができる。
【００４７】
構成は、ビーム生成ユニットおよびビーム感知機構間に配置されかつビームをパターン化するために適応される、ビーム・パターニング部を備えることができる。次に、透明および不透明な部分を有するパターン化された部材によってパターン化される、このような構成に従って、任意の従来のレーザ・ビーム等を、使用することができる。
【００４８】
構成は、ビーム生成ユニットおよびビーム感知機構間に配置され、かつビームを集束させまたは並進させるように適応させるビーム集束部を備えることができる。このようなビーム集束部は、レンズ（例えば、可変な焦点レンズを有しているレンズ）とすることができる。このようなレンズは、液晶レンズとしてもよいし、流体レンズとしてもよいし、または、固体レンズとしてもよい。
【００４９】
上記観点および本発明の更なる観点は、以下に記載される実施例の具体例から明らかであり、および実施例のこれらの具体例に関して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施例に従う、構成を説明する。
【図２】本発明の実施例に従う、光学的に生体粒子のアドレス指定を行うための光学的アドレス指定デバイスの線図的断面図である。
【図３】本発明の実施例に従う、サンプルおよびデバイスの線図的断面図を示す。
【図４】ほとんど光が存在しない場合の図3の電極に電圧が適用される時に起こることを示す。
【図５】電圧が図3の電極に印加され、かつ荷電粒子の動きをもたらす光が照射される時に起こることを示す。
【図６】暗帯がDNA空乏領域であり、および明帯がDNA濃縮領域である、適用された電場の影響下でのDNAの移動を示す一連のイメージを例示する。
【図７】暗帯がDNA空乏領域であり、および明帯がDNA濃縮領域である、適用された電場の影響下でのDNAの移動を示す一連のイメージを例示する。
【図８】暗帯がDNA空乏領域であり、および明帯がDNA濃縮領域である、適用された電場の影響下でのDNAの移動を示す一連のイメージを例示する。
【図９】この動作の間に、レーザ束の中心が固定される、レーザ強度を、時間の関数として線図的に示す。
【図１０】図9の手順によって得られる結果として生じる2次元の電場プロファイルを示す。
【図１１】径方向電場を発生させるシャドーマスクのパターンを示す。
【図１２】光導電体にわたるレーザ・ビームの走査を介し荷電粒子を移動させる線図的描写である。
【図１３】光導電体の表面上の電位アイランドの定義を示す。
【図１４】（電極がヒドロゲルでおおわれている）ペイジ(page)の長軸に沿った線形の電極アレイでパターン化されたサンプルの写真を示す。
【図１５ａ】生化学サンプルに適用される電圧を示す。
【図１５ｂ】生化学サンプルの位置を示す。
【図１６】ランプ時間の関数として、最終位置(end position)を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
本発明は、本発明がそれに制限されない、実施例の具体例に関して、以下により詳細に記載されるであろう。
【００５２】
図面における例示は、線図的である。異なる図面において、同様または同じエレメントには、同じ参照符号が付してある。
【実施例１】
【００５３】
以下に、図1を参照して、本発明の実施例に従うサンプルを分析する構成150が、説明される。
【００５４】
構成 150 は、以下にさらに詳細に記載される、サンプルを分析するためのデバイス 100を備える。更にまた、ビーム生成ユニットを形成するレーザまたはLED 110 は、デバイス100の光導電体層 101の部分130に到来する光ビーム 102を発生するために設けられる。
【００５５】
さらに詳細に述べれば、デバイス 100は、光導電体層101の照射された部分130の電気伝導率を光導電体層101の個々の部分130に到来する光学ビーム102により局所的に変更するように適応されるビーム感知機構としての光導電体層 101を備える。
【００５６】
更にまた、サンプル収容ユニット103、特に、サンプル・チャンバは、サンプル、例えば、分析されるべき生物学的サンプルを収容するために設けられる。
現在のシナリオの場合、サンプルの荷電粒子113 が示される。荷電粒子113は、それらがコーティングまたは固定化層108の表面に固定される捕捉分子114に相補的である場合、ハイブリッド形成法によって捕捉分子114に結合することが可能な、DNA分子とすることができる。
【００５７】
図1から理解できるように、ビーム感知機構101およびサンプル収容ユニット103は、光導電体層101の部分130の電気伝導率の局所的変更が、サンプル収容ユニット103の対応する部分140のサンプルの分析を局所的に変更するように構成される。言い換えると、レーザ110が光ビーム102を放出し、かつこの光ビーム102が光導電体層101の部分130に到来する時、オーム抵抗は、層 101の周囲の部分と比較して、この特定の部分130において局所的に小さくされる。
【００５８】
今、電源ユニット106が（基板104および光導電体130間に構成される）導電層201および対向電極107間に適用される電圧を発生させるとき、局所的に、照射された部分130に対応する部分140において、この電圧の電圧降下が、特に、空間的に割り当てられた部分140に起こる。さらに詳細には、ビーム102の光導電体101の表面は、明確に定義された電圧を有するが、このエリアの下のボリューム140は、図1の線図において描かれるように「垂直である」必要は無い。現実には、サンプル・エリア140のボリュームは、よりベル形であろう。その結果として、引き付ける（または電圧の極性および荷電分子113の電荷タイプにより、反発する）電気力は、対応する領域140に蓄積される分子113を引き付け、したがって捕捉分子114に接近するように発生する。それゆえに、ハイブリッド形成イベントの開始は、分析を加速するように促進することができる。
【００５９】
より正確に、デバイス100は、電極層201が形成され、かつこの上に光導電体層101が形成される、ガラス基板104を備える。本実施例の場合、光導電体層101は、ガラス基板104の上に形成されるパターン化されない連続層である。基板104がガラスで作られるので、それは、光学ビーム102に対して透明であり、このことは、部分130の電気伝導率の変更のために本質的にビーム102の完全な強度を使用してもよい。
【００６０】
デバイス100の選択された部分130の光学アドレス指定が外部の電磁的放射源110を介して定められるので、FETのような、任意のアクティブな集積回路コンポーネント無しに基板104を製造することは、可能である。このことは、低コストでデバイス100を製造してもよいかもしれない。
【００６１】
電源ユニット106は、導電層201および（ITO、インジウムスズ酸化物、導電性かつ光学的に透明なマテリアルから作ることができる）対向電極107間に電圧（例えば、60ボルト）を供給するために適応される。サンプル収容ユニット103は、光導電体層101と対向電極107間のボリュームである。対向電極107は、必ずしも、光導電体101を含む基板104に直接向かい合わせて位置を定める必要は無い。それは、遠くにある場合もあり、または（好ましくは光導電体マテリアルで覆われないにもかかわらず）光導電体101と同じ基板104上に一体化される場合さえある。
【００６２】
オプションとして、生体適合性コーティング層108は、ビーム感知機構101からサンプル収容ユニット103を隔てる層101上に設けることができる。このことは、測定またはサンプルの劣化の危険なしで、感光性生体分子さえ検出可能にするかもしれない。図1に示されていないが、さらに、必要に応じて、対向電極107は、生体適合性コーティングによって覆われるかもしれない。生体適合性層108は、ハイブリッド形成サイトをUV架橋(UV cross-linkage)またはストレプトアビジン-ビオチン結合(streptavidin-biotin linkage)によって容易に組み込むことができる、ヒドロゲル・マテリアルとしてもよい。
【００６３】
レーザ110がデバイス100の部分130を照射するとき、かつ同時に電源ユニット106が電極101、107間に電圧を印加するときに、サンプル全体の電圧降下は、図1から理解できるように、従って、検出される分子１１３の大半を蓄積する、サンプル・チャンバ103の中央の部分140だけに生じる。このことは、一方の選択された部分130の近くに位置する捕捉分子114および他方の分子113間の特定の相互作用を促進してもよいかもしれない。このことは、測定を加速してもよいかもしれない。
【００６４】
レーザ110によって発生されたビーム102を特定の空間的な広がりに横方向に制限することを保証するアパーチャ131が、設けられる。更にまた、調節可能な焦点距離を有することができる、CPU 111によって同様に制御できるレンズ112が、示される。このことは、特定の測定の要求に従って、システム150の光学特性を正確に調節してもよいかもしれない。更にまた、システムを、ビームがサンプルに対して走査することができるように、適応することができる。
【００６５】
次に、本発明の実施例に従った光学的にアドレス指定可能なカートリッジ200の設計は、更に詳細に説明されるであろう。
【００６６】
構造は、簡単であり、かつ図2の線図的断面図に示される。
【００６７】
第1に、透明導電体（例えば、ITOのような透明な導電性酸化物）の連続層201を、透明な（例えば、ガラス）基板104に堆積する。第2に、（PVK内のトリニトロフルオレノンまたはジリチウム・フタロシアニンのような）構造化されていない光導電体マテリアル101を、ITO上に堆積する（光導電体は、生体適合性であることが好ましい）。（基板104と一体的に形成することができる）サンプル・キャリア202の表面（内側）に、第2の導電層107を、堆積する。
これも、また透明とすることができるが、これに代えて非透明な導体（例えば、金属）を使用することができる。実際、反射性の金属から作られた電極の1つを有することは、しばしば好ましい。照射が下部の基板を通してである場合、上部基板の内側の電極は、金属とすべきである。これは、吸収されていない光を、戻して反射し、2回光導電体を通し、かつその実効感度を増強する。逆にいえば、照射が上部からである場合、下部の基板上の光導電体の下の反射電極も、また光導電体の実効感度を増強するであろう。
【００６８】
簡単な実施例（後を参照）の場合、すべての層は構造化されてなく、したがってフォトリトグラフィは必要とされない。サンプル・キャリア202は、したがって、極めて低コストとすることができる。光導電体101は、それが照射される時に、液体（サンプル）のそれより非常に小さい抵抗を有し、かつそれがそうではない時、非常に大きい抵抗を有することように設計されることが好ましい。これは、電圧Vが上部導体107および下部導体201（2つの電気コンタクトのみで、充分かもしれない）間に適用されるときに、印加電圧Vは、光導電体101にわたって低下する（非照射）、またはサンプルにわたって低下する（照射）ことを意味する。サンプルが、（それらの等電点にはない）DNAまたはタンパク質のような荷電粒子113を含む場合、サンプルにわたる電圧降下は、場の粒子113電荷および極性に応じて、粒子113を集めるまたは反発することが可能な、電場をつくることができる。
【００６９】
（図2において図示されない）生体適合性コーティングまたは生体適合性コーティングのスタックは、光導電体101および／または上部導体107上に適用できる。生体適合性コーティングの特性（例えば、厚み、伝導率）は、それが、光学アドレス指定の提案された原理に実質的には影響しないようにすることができる。すなわち、この生体適合性コーティング上の電圧降下が、湿潤サンプル（例えば、流体）上の所望の電圧降下を得ることを禁止することにはならない。ヒドロゲル層が、これを満足させることができる。
【００７０】
以下に、本発明の実施例に従った荷電粒子113の光学アドレス指定が、説明されるであろう。
【００７１】
光導電体101を照射するというコンセプトによって、荷電粒子113を移動させることができることを示すために、スタック設計が図2のそれとわずかに異なっているところで、非生物学的粒子の実験を、実行した。
【００７２】
図3に示されるデバイス300の断面図から理解できるように、2つの垂直な電極を有するのではなく、研究されたシステムは、2つの水平の電極301、302を有する。サンプル303は、図3において同様に示される。
【００７３】
図4において、2つの電極301、302間の印加電圧は、60 ボルトであるが、光導電体101は、ほとんど光にさらされなく、したがって、（本質的に）すべての電圧は、光導電体101にわたって降下される。粒子は、それゆえに、ブラウン運動を介してボリューム中を拡散される。
【００７４】
しかしながら、光導電体101が照射されると、電圧は、サンプル303にわたって降下され、かつ正の荷電粒子が、グラウンド電位（0ボルト）に保たれた電極へ移動する（図5参照）。
【００７５】
これは、光アドレス指定が、荷電粒子を操作するために使用できることを例示する。
【００７６】
次に、DNAの電気的に誘発された動きが、説明されるであろう。
【００７７】
DNAフラグメント（大腸菌）は、蛍光染料でラベルが付けられ、かつ光導電体層101は無いが、図3に示すのと同じサンプル構造に置かれた。電圧を、電極に印加し、かつDNA粒子113の動きを、観察した。このことは、電圧極性が各イメージ間で逆転される、図6から図8において観察することができる。
【００７８】
図6から図8において、黒線のマトリックスは、ピクセル構造であり、一方、太い水平の明暗バンドは、それぞれ、DNAの濃縮および空乏エリアである。
この結果は、帯電した生物学的粒子（例えば、PCR溶液のDNA）を、電場を介して操作できることを示す。
【００７９】
図6から図8内の左上のダーク・パッチは、サンプルの欠陥である。図6から図8の格子構造は、カプセル化層から生じる。関連した構造は、図6から図8において左から右にサンプル全体のラインとして走り、かつ左側サイド(E1)および右サイド(E2)に接続する電極である。記載された実施例の場合、電極は、かみ合う櫛形電極である。（実際、図6から図8において見るのが難しい）1つの点は、蛍光粒子の強度を、E1（図7）およびE2（図8）のラインで最も強くすることである。
【００８０】
本発明の一実施例に従うと、（例えば、DNA鎖、抗体）分子を捕捉すること、およびそれゆえに、捕捉分子と接触しかつハイブリダイズするターゲット分子の可能性を高めることを備える、基板の方へ荷電粒子を引っ張る方法が、提供される。これにより、捕捉分子層が位置する一定の位置で、単に光源（レーザ・スポット）を保つことにより達成することが可能となる。このことにより、垂直場が、光導電体層の抵抗の局所的減少に起因して存在することになり、かつ正確な電圧極性が与えられると、このことは、所定の電荷の分子が表面に引きつけられる結果をもたらすであろう。電圧を逆転させることにより、結合された分子のストリンジェンシ(stringency)を、電圧または光強度を変化させることにより、テストすることができる。この実施例の場合、粒子は、垂直場成分のみを感知し、したがって、水平の集束効果が、ない。この垂直力を誘発するために光導電体を活性化するように、蛍光発光の刺激のために用いられている同じレーザ・ビームを、使用することさえ、可能となるかもしれない。このことを実行する場合、大きいストークスシフト(Stokes shift)を有する蛍光標識を使用し、かつ蛍光発光を吸収しない光導電体を選択することは、有利かもしれない。
【００８１】
本発明の一実施例に従うと、電荷粒子の水平の集束は、様々な方法によって達成させることができる。1つの方法は、レーザ束に、焦点距離が可変である（例えば、液晶またはfluid-focus（登録商標））レンズを置くことである。ビームが、レーザと共に焦点を結ぶようにされ、次で、レーザが、スイッチ・オフされるように、構成されるべきである。次に、レーザは、再びスイッチ・オンされかつ再び焦点を結ぶ前に、レンズは、焦点をぼかされる。
【００８２】
このような実施例は、図9に例示され、かつ何度も繰り返される。その結果、光導電体の表面に渡る円形の電圧分布およびレーザ・ビームの中心に向けられた場の分布が生じる（図10参照）。この場の分布に起因して、粒子は、（分子）捕捉サイトが位置する中心の方へ移動する。
【００８３】
本発明の一実施例に従うと、レーザ・ビームの焦点をぼかすのではなく、ビルトインされたシャドーマスク(built in shadow mask)により一様な光源によって、粒子を、水平に焦点を結ぶことができる。このことは、サンプル・キャリアの光学ブロッキング層のパターニングを必要とするかもしれない。光学ブロッキング層は、フォトリトグラフィを使用してまたは基板上に印刷して、パターン化することができる。
【００８４】
このような層の形状は、図11において見ることができ、そして、基本的に、これは、アパーチャ1100を変化させることにより、光導電体に対する径方向の光供与量を変化させる効果を有する。不透明部分は、参照符号1101によって示される。それは、図11に示されるように、中心に移動するに連れて直径も変化し得るように径方向に変化する、アパーチャ1100の数である必要はない。
【００８５】
この実施例の利点は、光源を局所的に調整することができることがもはや必要なく、したがって、サイドライトまたはバックライト（または他のライトガイド・ジオメトリ）を使用することができることである。
【００８６】
本発明の一実施例に従うと、これに代えて、シャドーマスクを使用するのではなく、OLEDディスプレイのようなピクセル化された光源を、カートリッジ内の光導電体上に入射するであろう光パターンを発生させるために、分析器内に設置させることができる。このことは、視差を回避するために、ディスプレイおよびカートリッジ間にGRINレンズを置く必要があるかもしれない。光パターンは、ソフトウェアから再定義してもよい。
【００８７】
本発明の一実施例に従うと、レーザ・ビームの解像度がそれを可能にし、かつビームが走査される場合、光分布プロファイルおよびそれゆえ、電圧プロファイルを、光導電体を端部より焦点エリアの中心でより多くさらすように、レーザを走査しかつレーザ振幅またはドウェルタイムを調整することによって、簡単に書き込むことができる。このことは、また、放射状の場および粒子の動きも生じ得る。
【００８８】
前述の実施例の場合、荷電粒子が、どのように焦点が結ばれまたは（垂直方向に）移動することができるかが、記載された。しかしながら、1つの場所から別の場所まで横方向に粒子を移動させることができることも、また、興味深いかもしれない。このような動きは、上述されていて、かつ、このことは、ここでは、異なる電位に保たれる水平の電極をパターン化することによって達成された。電圧をサンプル・ボリュームに直接印加することによって、および／または光導電体を照射することによって、粒子転送をもたらす横方向の電場が、生じるであろう。これらのコンセプトの両方とも、異なる電位が電極に印加されることを必要とし、かつ、それゆえ、多くの電気的接続およびフォトリトグラフィが、必要となる。しかしながら、走査型レーザを使用すると、このことを回避することが、可能である。
【００８９】
このような場合、図2に線図的に示されたサンプル（すなわち、構造化されていない電極表面）を、使用することができる。（図12に示されるように）荷電粒子が位置AからBに移動するときに、レーザは、AからBまで走査されるべきであり、かつレーザの強度は、レーザがパスをたどっている間、変化するべきである。光導電体からの線形の応答に対して、次に、レーザ強度（またはパルス時間）は、AからBまで均質な場の分布を与えるために、線形に変化すべきである。長いRC-timeに起因して、この場の分布は、典型的に、走査後、0.5秒〜1秒間存続し、かつこれは、粒子を転送するのに十分である。しかしながら、これが、十分でない場合、走査を、繰り返すことができる。また、AとB間を移動するときのレーザ強度の勾配は、ゼロとしてもよい。何れの場合にも、光導電体は、粒子がビームに追従することができるように、光強度の変化にすばやく応答しなければならない。
【００９０】
パスABは、直線である必要は無く、かつ、それは、サンプル・キャリアおよびシステムから独立している。それは、純粋に、ソフトウェアが制御することができるレーザ・ビームのパスによって決定される。それは、それゆえ、異なる分析に対して異なってプログラムさせることが可能である。このことは、また、ピクセル化された光源を介して達成させることも可能である。
【００９１】
前述の実施例の場合、荷電粒子は、レーザ・ビームにより本質的に「引きずられる(dragged)」。しかしながら、光導電体の表面に異なる電圧のエリアを定め、かつ誘起された電場の下で粒子を関連したエリアに移動可能にすることは、可能である。
【００９２】
例えば、図13を考慮すると、レーザは、サンプルのエリアAおよびBにわたって走査させることが可能である。エリアA上にあるとき、レーザ・パワーは、フルパワーとし、したがってエリアAの全体に下部電極と等電位を形成させることが可能であろう。エリアAは、約15ボルトになるであろう。エリアBにおいて、レーザ・パワーは、半分であることが可能で、したがって、エリアBは、より低い電圧（約7.5ボルト）となるであろう。これらの「仮想電極(virtual electrode)」間の電位差は、粒子の動きを発生する。
【００９３】
デバイスが、それら間の線形のE-場を有する溶液バットの端部で、2つの（物理的電極）を有することに、もはや限定されないので、このことは、実際、電気泳動（自由溶液またはゲル）に対し適切である。如何なるE-場分布も、興味ある種に応じて割り当てることができる。
【００９４】
高解像度電圧プロファイルが要求される場合、過度の水平の導通を防ぐため、横方向に光導電体を設けることは、有益かもしれない。このことは、光導電体を孤立したアイランドのアレイに分けるための1つのマスク・ステップに関連する。これに代えて、電極は、光導電体の表面で規定することができる。
【００９５】
2つの電圧コンタクトのみが存在するという事実に起因して、必要な光学アドレス指定は、また、スピニング・ディスクが用いられるラボオンディスク(lab on disk)に対し魅力的である。2つのスリップ・コンタクト(slip contact)は、ディスクに対して作られ、かつ電圧プロファイルは、レーザを介して定める事が可能である。
【００９６】
図14は、（電極はヒドロゲルによって覆われている）頁(page)の長軸に沿って線形の電極アレイでパターン化されたサンプル写真を示す。直流電圧が、電極A(-ve)およびB(+ve)間に印加された。蛍光でラベル付けされた大腸菌のDNAを含んでいるサンプルは、これらの電極より上に置かれ、および、見て分かるように、DNAは、電極Bの上に集まる。
【００９７】
例えば、バイオチップまたは分子診断法に用いられるラボチップの用途のために、（例えば、図1および2に示されるような）光学的にアドレス指定可能なマイクロ流体デバイスをアドレス指定しかつ駆動するためのいくつかの方法が、以下に開示される。この方法は、デバイスをアドレス指定するために、光（例えば、走査レーザビームまたはLED）を使用する。このことにより、バイオチップ分析器をアドレス指定する方法が、低コスト・サンプル・キャリアから切り離される。サンプル・キャリアは、如何なるアクティブな電子コンポーネント（例えば、トランジスタ）も含まないが、その代わりに、カートリッジ／バイオチップ分析器から光学信号を受信する手段（例えば、ベンチトップ・マシン、ハンドヘルドのデバイス）を含む。サンプル・キャリア内の光レシーバは、その抵抗を、光調整デバイス（例えば、走査レーザ、ビーム操作を伴うLED、ビーム適応を伴う一連のLEDまたは液晶ディスプレイのような平行光変調器による照射）により、局所的に小さくすることができる、光導電体層の形状をしている。徐々に増大／減少する電圧ランプ(voltage ramp)および／または急速に変化する電圧の組合せを備える駆動方法を用いて、正確な時間依存電圧パターンを、光導電体の照射によりカートリッジ分析器からサンプル・キャリアに、光学的に書き込むことが可能である。光導電体は、有機光導電体であることが好ましい。有機光導電体が照射されると、その電気伝導率の対応する変化は、無機光導電体と比較して著しくより長く続くことができる。
【００９８】
上述した本発明によるデバイスの実施例の場合、（有機的な）光導電体およびサンプル層の適切な容量および抵抗特性は、関連した駆動アプローチと同様に選択されなければならない。
【００９９】
デバイスは、かなり厚い生物学的サンプルと直列に、薄い有機光導電体層を備える。例えば、厚さ400 μmの生物学的サンプル（小型化されたPCRチャンバに対する標準）および1 μmの光導電体。このような層に対して、容量比は、1：15である。この結果、電圧がスタック全体に印加されると、その電圧は、容量的に分けられ、それゆえ、最も小さい容量、すなわち、生物学的サンプル上で降下される。このことは、光が無い状態でさえ生じ、かつこのことが意図されないときでも印加電圧から力を感じるすべての帯電した生物学的粒子をもたらす。実質上、光パターンを介した仮想電極の任意の局所的定義は、容量電圧分圧によって支配される。
【０１００】
また、暗い状態および照射された状態における、生化学サンプルおよび有機光導電体の面積抵抗は、非常に異なる。（厚みによって決定される）これらの抵抗および容量は、用途に合わせて調整されることを必要とする。本発明のデバイスによる好適な実施例を形成するこの最適化のための基準は：
1. 生物学的サンプルの容量は、有機光導電体のそれより非常に小さくすべきである。
2. バイオ・サンプルは、小さい抵抗であり、したがって、有機光導電体の抵抗は、非常に大きくすべきである。
3. 有機光導電体の抵抗は、照射されないときに、生物学的サンプルのそれより大きくすべきであり、かつ照射されるとき、より小さくすべきである。
【０１０１】
これらの選択の理由は、以下の通りである：
1. 生物学的サンプルの容量が有機光導電体のそれより非常に小さい場合、印加電圧の急増は、2つの層にわたって電圧の容量スプリッティングをまねく。
このことは、生物学的サンプル全体で降下する電圧の大半となる。このことは、電圧パルスが印加される場合、サンプルの生体分子が、光信号が無い場合でさえ、移動することを可能にする。この種の駆動アプローチの用途は、基板の内の1つの方へサンプル内のすべての粒子を同時に移動させること、例えば、デバイスの特異性を増すために、捕捉プローブのアレイから離れて無拘束の粒子を移動させることである。これに代えて、例えば、最初、アレイ内の捕捉サイトの付近から無拘束の粒子を除去し、しかし、次に、振動するブロック電圧を使用して、再び光の存在無しで、（例えば、アレイの異なる部分における）他の捕捉プローブに付着させる、更なる可能性を提供するために、粒子をアレイの方へ戻して移動させて、粒子を、デバイス全体に繰り返し前後に移動させることは、望ましいかもしれない。
2. システムの非常に大きな抵抗は、（1秒を超えて）極めて大きいRC時間をつくる。この結果；約1 ms の短い光パルスが有機光導電体に印加されると、インタフェースで誘起された電荷は、非常に長い時間の間、存在する。したがって、アドレス指定ドウェルタイムを、生物学的サンプル内の生体分子を移動させるために必要とされる時間より、非常に短くすることができる。アドレス指定時間は、0.1 ms程度に短くすることができる。このように、デバイスの異なる位置の多くの粒子を、同時に、例えば、走査レーザのような単一光源のみを使用して、独立して移動させることが、可能である。
3. この状態は、光パルスが適用されるときに、有機光導電体全体の抵抗降下が、生物学的サンプル全体のそれより非常に少ないことを意味する。電圧が生物学的サンプルに局所的に印加されるので、個々の粒子の運動が、決定される。
電圧が、デバイスにわたって十分にゆっくり増加する場合、電圧は、層の抵抗（有機光導電体に対する暗い状態の抵抗）を介して分けられ、かつ電圧の大半は、（照射されない限り）有機光導電体全体で降下する。
【０１０２】
上記の第1の基準によって、振動するブロック電圧を、生物学的サンプルおよび有機光導電体全体に印加することができる。これらは、結果的に有機光導電体上に位置する捕捉サイトのアレイに対して前後に繰り返し移動している粒子を生じる。容量結合を使用することにより、サンプルを投光照射で照らす必要はない。投光照明が、生物学的粒子に付着する任意の光染料の退色をもたらすので、このことは、有利である。
【０１０３】
上述のシェイキング(shaking)電圧波形が、光導電体の下で電極に印加されている生体粒子に反発する極性（DNAに対して負の電圧）で終了する場合、生物学的サンプルからの捕獲されない粒子は、（必要に応じて）捕捉プローブのアレイから離れるように移動する。このことは、バックグラウンド信号を取り除く。
【０１０４】
電圧を印加した後に、生物学的サンプルにわたるあまりにも大きい電圧降下を回避して、電圧はゼロボルトまで減らさなければならない。すなわち、このことは、C-カップリングを生じるので、電圧は、簡単に除去することができず、かつ、生物学的サンプル内の無拘束の粒子は、アレイの方へ戻って移動するであろう。確実に電圧を電気抵抗的に分割する、十分に小さい勾配(dV/dt)を選択することによって、この事は、回避することができる。
【０１０５】
この勾配は、前に与えられた容量および抵抗の値に対して0.75 V/s以下である。
【０１０６】
図15(a)および15(b)において、実験結果は、（0秒と20秒の間で変化する）可変なランプ時間(ramp time)に対して光学的にアドレス指定が行われたデバイス全体にわたるサンプル（この場合、小さいビーズ粒子）の動きを示す。この具体例において、光導電体の面積抵抗は、暗い状態の10 MΩm2および照射された状態の10 kΩm2である。生化学サンプルのRAの結果は、（サンプルの正確な性質に依存する）200 kΩm2である。
【０１０７】
図15(a)は、サンプルへの印加電圧を、示し、一方、図15(b)は、（光学状態の変化により測定される）光学的にアドレス指定されたデバイス全体にわたって測定された位置を示す。20秒で15ボルトのランプ（0.75 V/s）で、粒子の位置は、保たれる（粒子は、スイッチングの後、例えば、ブラウン運動に起因して、常に位置をわずかに変化させる）。
【０１０８】
図16において、粒子の最終位置(end position)対ランプ時間(ramp time)が、示される。
【０１０９】
用語「備える(comprising)」が、他のエレメントまたは機能を除外せず、および「1つ(a)」、または「1つ(an)」が、複数を除外しないことは、留意されるべきである。また、異なる実施例に関連して記載されるエレメントも、組合せ可能である。
【０１１０】
特許請求の範囲の参照符号が、特許請求の範囲を制限するものとして解釈されないことも、留意されるべきである。
【図１】
2010537154.tif 000003
【図２】
2010537154.tif 000004
【図３】
2010537154.tif 000005
【図４】
2010537154.tif 000006
【図５】
2010537154.tif 000007
【図６】
2010537154.tif 000008
【図７】
2010537154.tif 000009
【図８】
2010537154.tif 000010
【図９】
2010537154.tif 000011
【図１０】
2010537154.tif 000012
【図１１】
2010537154.tif 000013
【図１２】
2010537154.tif 000014
【図１３】
2010537154.tif 000015
【図１４】
2010537154.tif 000016
【図１５ａ】
2010537154.tif 000017
【図１５ｂ】
2010537154.tif 000018
【図１６】
2010537154.tif 000019
【国際調査報告】
2010537154.tif 000020
2010537154.tif 000021