(57)【要約】【課題】    電気生理学測定構成によって、イオンチャンネル含有構造、特に細胞のような脂質膜含有構造におけるイオンチャンネル電気生理学的特性を監視するシステムを提供すること。【解決手段】  ミクロフルイデックスシステムは、入口（３２）と出口（３８）をもつチャンネルと、入口（３２）と出口（３８）の間に位置されて０．１−５０μｍの範囲内の半径を有する開口から成る第一膜（３１）であって、入口（３２）と出口（３８）が互いに液圧連通していて、流体が入口から出口までチャンネルに沿って動くことができる第一膜（３１）とから成る。
2006518851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口と出口をもつチャンネルと、入口と出口の間に位置されて０．１−５０μｍの範囲内の半径を有する開口から成る第一膜であって、入口と出口が互いに液圧連通していて、流体が入口から出口までチャンネルに沿って動くことができる第一膜とから成ることを特徴とするミクロフルイデックスシステム。
【請求項２】
さらに入口と出口の間に圧力差を作る圧力手段から成り、それによってチャンネル内の流体の使用運動において、圧力手段が開口に生じる表面張力を越える入口と出口の間の圧力差を作るまで、圧力手段が開口における流体に生じる表面張力によって第一膜で停止されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
第一膜は複数の開口から成ることを特徴とする請求項１或いは請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
圧力手段がポンプ装置から成る請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のシステムにおいて、システムはさらに、入口と出口の間に位置されている包囲第一容量と、第一容量と液圧連通している第二容量とから成り；ポンプ装置は第一と第二容量と液圧連通していてシステムを介して流体をポンプでくむ、或いは第一と第二容量間の液圧差を働かし、第一膜が出口と第一容量の間に位置されていることを特徴とするシステム。
【請求項５】
さらに０．１−５０μｍの範囲内の半径を有する開口から成り、入口と第一容量との間に位置されていることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
複数の第二容量から成ることを特徴とする請求項４或いは５に記載のシステム。
【請求項７】
各第二容量は第二入口から成ることを特徴とする請求項４、５或いは６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
各第二容量は第二出口から成ることを特徴とする請求項４、５、６或いは７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
第二膜は複数の開口から成ることを特徴とする請求項４乃至８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
各膜は親水性から成ることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
各膜は酸化珪素、珪素窒化物、ガラス、シリカ、アルミナ、酸化アルミニウム或いはアクリルから成ることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
システムは珪素から形成されていることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
各膜は疎水性材料により少なくとも一つの側面に塗布されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
疎水性材料はＰＴＦＥ或いはＰＤＭＳから成ることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
各膜の厚さは膜が珪素窒化物から形成されるときに５０ー４００ｎｍの範囲内に入り、膜が酸化珪素から形成されるときに１−２０μｍの範囲内であり、膜がガラス或いは、シリカから形成されるときに２−２００μｍの範囲内であり、膜がアルミナ或いは、プラスチック材料から形成されるときに５−５００μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１６】
各開口の半径は０．１−５０μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のミクロ流体システムを形成する膜。
【請求項１８】
請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のミクロ流体システムの膜形成部材。
【請求項１９】
請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のシステムから成る電気生理学測定を実施する装置。
【請求項２０】
請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のシステムを準備する方法。
【請求項２１】
準備処理がガス圧によって外見的に制御されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
圧力が０．１−１０秒の期間のパルスで印加されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
添付図面を参照してこの前に記載されたシステム。
【請求項２４】
添付図面を参照してこの前に記載された方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、サブミリメートル寸法をもつ一つ以上の流体チャンネルを有するシステムに関する。そのようなシステムは化学、生化学、分子と細胞生物学の分野に使用され、しばしばミクロ流体システムと呼ばれる。
【０００２】
この発明が関するシステムは、電気生理学測定構成を形成することによって、イオンチャンネル含有構造、特に細胞のような脂質膜含有構造におけるイオンチャンネル電気生理学的特性を監視するために使用されることができ、その測定構成では細胞膜が測定電極のまわりに高抵抗シールを形成し、細胞膜を通る電流を決定監視することができる。そのようなシステムは、イオン移送チャンネルと生理学膜を研究するのに使用されたパッチクランプ技術を実施する装置の一部を形成することができる。
【背景技術】
【０００３】
膜のパッチを電気的に絶縁して電圧固定条件の下でパッチ内のイオンチャンネルを研究する一般的思想は、非特許文献１『ネーアー（Neher), ザクマン(Sakmann),シュテインバック(Steinback) 共著( １９７８年）「余分細胞パッチクランプ、生物学的膜における個々の開放チャンネルを通る電流を解像する方法」Pflueber Arch.３７５頁；２１９ー２７８頁』に概説されている。それは、筋肉細胞膜に表面にピペット含有アセチルコリン（ＡＣｈ）を押圧することによって、ＡＣｈ作動イオンチャンネルの開閉に貢献できた電流における不連続ジャンプを見ることができたことがわかった。しかしながら、ピペットのガラスと膜の間のシールの抵抗（１０−５０ＭΩ）がチャンネルの抵抗（１０ＧΩ）に関して極めて少ないと言う事実によって研究者はその作業に限定されていた。そのシールから生じる電気ノイズは逆に抵抗に関連され、その結果、イオンチャンネルを通って流れる電流を不明瞭にするのに十分な大きさであり、そのコンダクタンスはＡＣｈチャンネルのコンダクタンスより小さい。さらに、シールを通って生じる大きな電流によって浴の電圧と異なる値にピペットの電圧を固定することも防げられていた。
【０００４】
次に、ガラスピペットを火造り（熱加工）によって且つピペットの内部に吸引力を加えることにより極めて高抵抗（１−１００ＧΩ）のシールが細胞の表面により得られ、それによって生物学的興味のほとんどのチャンネルが研究でき、これら研究が行われた電圧範囲を著しく拡大されたレベルに一桁の割合でノイズを低減させることが発見されていた。この改良されたシールは「ギガシール」と呼ばれていて、ピペットは「パッチピペット」と呼ばれていた。ギガシールのさらに詳細な説明は、非特許文献２『O.P.Hamill, A.Marty, E.Neher, B.Sakmann & F.J.Sigworthの共著( １９７８年）「細胞と細胞なし膜パッチからの高解像電流記録用の改良したパッチクランプ」Pflueber Arch.３９１頁、８５−１００頁』に見出され得る。パッチクランプ技術を開発した業績のために、ネーアー(Neher) とザクマン( Sakmann)は１９９１年ノーベル医学生理学賞を授与された。
【０００５】
イオンチャンネルは細胞膜を通して無機イオンを触媒輸送する膜貫通蛋白質である。イオンチャンネルは作用電位の発生とタイミング、シナプス伝達、ホルモンの分泌、筋肉の収縮などのような種々の処理に関係する。多くの薬理学作用はイオンチャンネルの調節によってその特殊な効果を発揮する。例は脳内の電圧依存Ｎａ＋チャンネルを阻止するフェニトインとラモトリジンのような抗癲癇化合物を包含し、円滑な筋肉細胞内の電圧依存Ｃａ2 ＋チャンネルを阻止するニフェジピンとジルチアゼムのような抗高血圧薬剤、膵臓内のＡＴＰ調整されたＫ＋チャンネルを阻止するグリベンクラミドとトルブタミドのようなインシュリン放出の刺激剤を包含する。イオンチャンネル活動を化学的に誘発された調節に加えて、パッチクランプ技術は科学者が電圧依存チャンネルにより操作を行われる。この技術はパッチピペットにおける電極の極性を調整し、塩類化合物を変更して浴液内の自由イオンレベルを調節する。
【０００６】
パッチクランプ技術は、単一イオンチャンネル蛋白質を通るイオン流を測定でき、且つ薬剤晒しに応答して単一イオンチャンネル活動を研究できるから、医学生理学に於ける重大な発展を意味する。主として標準パッチクランプでは、薄い（直径はおよそ０．５−２μｍ）ガラスピペットが使用される。このパッチピペットの先端が細胞膜の表面に押圧される。ピペット先端は細胞膜を気密にシールし、ピペットオリフィスによって制限された小さいパッチの膜において僅かな割合のイオンチャンネル蛋白質を隔離する。これらチャンネルの活動は個々に（単一チャンネル記録）或いは選択的に測定されることができ、パッチは破壊でき、全細胞膜（全細胞構成）のチャンネル活動を測定できる。全細胞測定を実行する細胞内部に接近する高コンダクタンスはピペットに負圧を加えることにより膜を破壊することにより得られた。  
【０００７】
前述の如く、単一チャンネル電流のパッチクランプ測定の重要な要件は、細胞膜とガラスミクロピペット先端の間の高抵抗シールの形成であり、イオンが二つの面の間の空間を移動することを制限する。典型的には、１ＧΩを越える抵抗が必要とされ、それ故、物理的接触域は「ギガシール」として参照される。
【０００８】
ギガシールの形成は、細胞膜とピペットガラスとが互いに密接な接近をもたらされることを要する。それで、組織の隣接細胞間の間隔或いは培養された細胞とその基体間の間隔は２０−４０ｎｍの程度（Neher,2001年) であり、ギガシールにおける細胞膜とピペットガラスとの間の間隔はオングストローム( 即ち10ー10ｍ）範囲にあるように予想されている。ギガシールの物理化学的性質は知られていない。しかしながら、ギガシールは細胞膜と、石英、珪酸アルミナと珪酸硼素を包含する広範なガラスタイプ（Rae とLevi，１９９２年）の間に形成され、ガラスの特殊化学化合物が重要ではないことを示す。
【０００９】
細胞膜は挿入したグルコ蛋白質を備える燐脂質二層から構成され、グルコ蛋白質は種々の作用の受容器としての働きを包含する多数の機能として役立つ。これら膜伸縮グリコ蛋白質は典型的には膜から余分細胞空間へ拡大するペプチドとグルコ半分から成り、２０−５０ｎｍの高さに達し且つ燐脂質二層に隣接する電解質充填区画を作る燐脂質二層のまわりの所謂「グルコ萼」を形成する。それで、グルコ萼は細胞とその水成環境の間の中間を構成する親水性で負的に充填された範囲を形成する。
【００１０】
パッチクランプ方法論における最近の開発は、従来のガラスミクロピペット（例えば［特許文献１］国際特許出願公開第０１／２５７６９号明細書とマイヤー、２０００年を参照）の代わりに平らな基体（例えばシリコンチップ）の導入に見られた。
【００１１】
典型的ミクロ流体システムはポンプと流体チャンネルを介してそのポンプに接続される測定装置とから成る。幾つかのシステムでは、ポンプと測定装置との両方が数ミクロメーターの程度の寸法を有する。そのようなシステムによると、システムを準備するために外圧を幾つかの大気まで印加することが必要であることが知られている。
【００１２】
準備は空気が最初にシステムに現れる箇所が液体により交換される処理として定義される。流体チャンネルのサブミリメートル寸法のために、チャンネル内の流体の表面張力により働いた力はさらに重要となり、準備処理中の問題を提起できる。
【００１３】
幾つかの公知のミクロ流体システムは測定システムに働いた圧力を制御する外部ポンプから成る。
【００１４】
幾つかの公知のミクロ流体システムでは、ポンプはミクロ流体システムと一体的に形成されるか、或いはミクロ流体システムと密接に連動される。そのようなポンプはマイクロポンプとして知られている。
【００１５】
ある状況では、測定装置における空気流抵抗は相互接続流体チャンネルの容積と比較して大きい。これは、過度に長い長さの時間が準備処理のために、特に最初から流体チャンネルにある空気を換気するために必要とされることを意味する。
【非特許文献１】Neher ,Sakmann,Steinbackの共著( １９７８年）「余分細胞パッチクランプ、生物学的膜における個々の開放チャンネルを通る電流を解像する方法」Pflueber Arch.３７５頁；２１９ー２７８頁。
【非特許文献２】O.P.Hamill, A.Marty, E.Neher, B.Sakmann & F.J.Sigworthの共著( １９７８年）「細胞と細胞なし膜パッチからの高解像電流記録用の改良したパッチクランプ」Pflueber Arch.３９１頁、８５−１００頁。
【特許文献１】国際特許出願公開第０１／２５７６９号明細書。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の第一態様によると、入口と出口をもつチャンネルと、入口と出口の間に位置されて０．１−５０μｍの範囲内の半径を有する開口から成る第一膜であって、入口と出口が互いに液圧連通していて、流体が入口から出口までチャンネルに沿って動くことができる第一膜とから成るミクロフルイデックスシステムが設けられている。
【００１７】
有益には、システムはさらに入口と出口の間に圧力差を作る圧力手段から成り、それによってチャンネル内の流体の使用運動において、圧力手段が開口に生じる表面張力を越える入口と出口の間の圧力差を作るまで、圧力手段が開口における流体に生じる表面張力によって第一膜で停止される。
【００１８】
本発明は、小さいオリフィス或いは開口において液体表面の表面張力により働いた圧力を利用する。
【００１９】
それで、本発明は、毛細管力基礎液体ストップを流体路に導入することにより、殆どのミクロ流体システムの準備処理に固有の問題点を解決するか、或いは減少させる。
【００２０】
好都良く、第一膜は多数の開口から成るけれども、ある実施例では、第一膜は単一開口のみから成る。
【００２１】
有益には、圧力手段がポンプ装置から成り、システムはさらに、入口と出口の間に位置されている包囲第一容量と、第一容量と液圧連通している第二容量とから成り；ポンプ装置は第一と第二容量と液圧連通していてシステムを介して流体をポンプでくむ、或いは第一と第二容量間の液圧差を働かし、第一膜が出口と第一容量の間に位置されている。
【００２２】
ある状況では、一つ以上の膜から成るシステムを有することが有益である。好都合には、システムはさらに、０．１−５０μｍの範囲内の半径を有する開口から成り、入口と第一容量との間に位置されている。
【００２３】
この発明の好ましく有益な特徴は、この明細書に添付された従属請求項から容易に明らかになる。
【００２４】
本発明の第二態様によると、ミクロ流体システムを形成する膜が設けられており、このシステムは、入口と出口をもつチャンネルと、入口と出口の間に位置されて０．１−５０μｍの範囲内の半径を有する開口から成る第一膜であって、入口と出口が互いに液圧連通していて、流体が入口から出口までチャンネルに沿って動くことができる第一膜とから成る。
【００２５】
本発明のその他の態様によると、電気生理学測定を実施する装置が設けられており、この装置は、入口と出口をもつチャンネルと、入口と出口の間に位置されて０．１−５０μｍの範囲内の半径を有する開口から成る第一膜であって、入口と出口が互いに液圧連通していて、流体が入口から出口までチャンネルに沿って動くことができる第一膜とから成るミクロフルイデックスシステムから成る。
【００２６】
本発明の更に他の態様によると、ミクロフルイデックスシステムから成るシステムを準備する方法が設けられており、このシステムは、入口と出口をもつチャンネルと、入口と出口の間に位置されて０．１−５０μｍの範囲内の半径を有する開口から成る第一膜であって、入口と出口が互いに液圧連通していて、流体が入口から出口までチャンネルに沿って動くことができる第一膜とから成る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
［実施例１］
この発明は、添付図面を参照して例のみとしてさらに記載される。
図１ａと図１ｃは、膜１２の厚さＬが開口半径ｒよりかなり小さいシリコン膜１２に形成された単一開口の横断面である。図１では膜の下の領域は液体で溢れているが、膜の上の領域は空気で充填されている。液体と空気は球状キャップの形状を有する液面１３によって分離されている。角度θは膜１２との接触点において膜面と液面１３の正接の間に形成される。
【００２８】
膜面の自由エネルギーはＦ＝σ・Ｓによって与えられ、ここでσは表面張力定数であり、Ｓは表面面積である。特に、水のためにσ＝０．０７３Ｊ／ｍ2 である。表面張力により働いた圧力が容積Ｖに関する自発エネルギーＦの導関数によって与えられる。
【００２９】
直径２ｒの開口からできる水面は球状キャップの形状を成す、というのは、これは付与容積の最小表面面積をもつ形状であるからである。
キャップの容積は、
Ｖ＝１／３・π・ｒ3 ・［（１−ｘ）2 ・（２−ｘ）］／（１−ｘ2 ）3/2  
である。  
キャップの表面は、
Ｓ＝２・π・ｒ2 ・（１−ｘ）／（１−ｘ2 ）
であり、ここでｘ＝ｃｏｓ（θ）である。
小滴により働いた圧力は  ｐ＝σ・ｄＳ／ｄＶ  であり、ｐ＝２・σ／ｒ・Ｐ（θ）を与え、ここで次元なし角度依存要因Ｐ（θ）は次のように定義される。
Ｐ（θ）＝３・ｓｉｎ（θ）／（５−４・ｃｏｓ（θ））
特徴圧力ｐ0 ＝２・σ／ｒが更に定義される。
【００３０】
図２に描かれている関数Ｐ（θ）は、およそθ＝３７°の最大値とθ＝−３７°の最小値を有する。圧力が零である角度±１８０°は、開口と最も近い膜面がいずれも完全に湿った、或いは完全に乾いた状況に一致する。これら状況では、表面張力は開口の周りの流体流れの役割を演じなく、液体流れが阻止されない。この状態は開口の開放状態と呼ばれる。
【００３１】
他の状況では、水メニスカスは開口（或いは孔）の縁に局限される。これは約θ＝０°の角度の間隔に対応する。この場合には、液体流れは阻止される。開口は膜の天辺と底面の間のシールとして作用する。この状態は開口の密封状態と呼ばれる。仮に最初に装置が乾燥し、次に膜の片側における空間がｐ0 よりかなり低い圧力の液体により徐々に充填されるならば、開口は自動的に密封状態に達し、そして開口を定義する膜の内面が親水性であるならば、流れを停止する。
【００３２】
膜の下の領域が液体で充填され、膜の上の領域が空気により充填され、開口が密封状態である状況を分析することが重要である。圧力が零圧力から徐々に増加されるならば、シールは二つの状況によって破壊される。最初の場合には、液体／膜面τの接触角度パラメータは３７°より大きい。次に、メニスカスは、θが３７°に達して、ｐ0 の圧力に対応するまで、安定である。この点では、メニスカスは不安定となり、膜の天辺が溢れるまで増加し続ける。
【００３３】
τ＜３７°が極めて親水性のある材料に対応する第二の場合には、シールは、θがτに達して、ｐ0 ・Ｐ（τ）の圧力に対応するまで、保持する。この点では、メニスカスはもはや開口の縁に局限されなく、メニスカスは天膜面の上に拡大するように開始する。
【００３４】
圧力が零圧力から徐々に減少されるならば、シールは二つの同様な状況によって破壊される。最初の場合には１８０°−τ＞３７°である。液体面は、θが−ｐ0 の圧力に対応する−３７°に達するまで、安定である。この点では、表面が不安定になり、気泡は開口以下の寸法に増加し続ける。１８０°−τ＜３７°が極めて疎水性のある材料に対応する第二の場合には、シールは、θが１８０°−τに達して、−ｐ0 ・Ｐ（１８０°−τ）の圧力に対応するまで、保持する。この点では、表面が不安定になり、空気が底膜面の上に拡大する。
【００３５】
シールが抵抗できる最高圧力は正負保持圧力と呼ばれる。それで、正保持圧力はτ＞３７°のためにｐ0 で、τ＜３７°のためにｐ0 ・Ｐ（τ）であり、負保持圧力  は１８０°−τ＞３７°のためにｐ0 で、１８０°−τ＜３７°のためにｐ0 ・Ｐ（１８０°−τ）である。典型的算出保持圧力は、液体が水であり、膜がガラス（τ＝１４°）、或いはポリメチルーメタクリレート（ＰＭＭＡτ＝７０°）であるとき、以下に表に要約される。接触角度値は表１から採用される。
【００３６】
┌─────────┬─────────────┬─────────────┐
│開口半径（μｍ）  │正保持圧力（ミリバール）  │負保持圧力（ミリバール）  │
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ０．１│                  ９４７１│                １４６００│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ０．３│                  ３１５７│                  ４８６７│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ０．５│                  １８９４│                  ２９２０│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│                １│                    ９４７│                  １４６０│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│                ２│                    ４７４│                    ７３０│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ２．５│                    ３７９│                    ５８４│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ３．５│                    ２７１│                    ４１７│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│                ５│                    １８９│                    ２９２│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│                ７│                    １３５│                    ２０９│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│              １０│                      ９５│                    １４６│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│              ２０│                      ４７│                      ７３│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│              ５０│                      １９│                      ２９│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            １００│                        ９│                      １５│
└─────────┴─────────────┴─────────────┘
表１．ガラス膜上の水の保持圧力
【００３７】
┌─────────┬─────────────┬─────────────┐
│開口半径（μｍ）  │正保持圧力（ミリバール）  │負保持圧力（ミリバール）  │
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ０．１│                １４６００│                １４６００│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ０．３│                  ４８６７│                  ４８６７│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ０．５│                  ２９２０│                  ２９２０│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│                １│                  １４６０│                  １４６０│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│                ２│                    ７３０│                    ７３０│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ２．５│                    ５８４│                    ５８４│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ３．５│                    ４１７│                    ４１７│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│                ５│                    ２９２│                    ２９２│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│                ７│                    ２０９│                    ２０９│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│              １０│                    １４６│                    １４６│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│              ２０│                      ７３│                      ７３│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│              ５０│                      ２９│                      ２９│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            １００│                      １５│                      １５│
└─────────┴─────────────┴─────────────┘
表２．ＰＭＭＡ膜上の水の保持圧力
【００３８】
算出は他の開口形状のために繰り返されることができるが、しかし同じ基礎結果に到達する。膜厚Ｌを増加することは開口の保持圧力を変更しない。更に丸い開口横断面は同じ基礎結果を与えるが、しかし有効な開口半径により開口の最も狭い点よりも大きい。有効半径の大きいは膜面材料の接触角度に依存する。
【００３９】
膜における等しい開口の配列は単一開口と同じ保持圧力を有するが、しかし空気と液体の大きな流れコンダクタンスを有する利点を備える。それ故に、開放状態において僅かに邪魔された流れを与え、それ故に、開放状態と密封状態との間に大きな対称性を与えるから、この配列は好まれている。この配列の開口直径の変更があるならば、保持圧力は最大の開口によって決定される。
【００４０】
図３ａ−図３ｄは、密封状態の種々の構成においてこの発明による膜３０の横断面を示す。これらの構成において膜の下の空間３２が湿っているのに対して、膜の上の空間３４が空気により充填される。液体と空気は細い線３６により示される液体面によって分離される。図３ａと図３ｂでは、膜の天辺３８が乾いている。図３ａには後部からの正圧があり、図３ｂには、後部からの負圧がある。これらの場合には、装置は上記表１と２に示されるように圧力を保持できる。
【００４１】
図３ｃと図３ｄでは、膜の天辺３８が湿っている。この状況は、密封状態が前もって破壊され、液体が装置を通過されたならば、起こり得る。図３ｃでは、後部からの負圧があり、装置は図３ｂの状態におけると同じ圧力を保持できる。これは、図３ｄでは正圧力が後部から印加される場合ではない。小滴は配列の開口の全寸法に対応する直径により膜の天辺３８上にある。小滴の表面張力は更に小滴の半径に対応する幾らかな正圧力を保持できる。開口配列が例えば１００×１００μｍの面積をカバーするならば、小滴は５０μｍの程度の半径を有し、ガラス表面には、およそ２０ミリバールの正圧力を保持できる。
【００４２】
有益には、膜材料は、酸化珪素、珪素窒化物、ガラス、シリカ、アルミナ、酸化アルミニウム或いはアクリルのようなミクロパターン化するのに適した親水性材料から形成される。
【００４３】
両面の湿けによって装置の機能性のこの減少は、企図された湿気面に親水性を保ちながら、疎水性材料、例えばＰＴＦＥ或いはＰＤＭＳ（しかし制限されない）を膜の企図された乾燥面に任意に塗布することによって達成されることができる。
【００４４】
好ましくは、膜の厚さは、膜が珪素窒化物から形成されるときに５０ー４００ｎｍの範囲内であり、膜が酸化珪素から形成されるときに１−２０μｍの範囲内であり、膜がガラス或いは、シリカから形成されるときに２−２００μｍの範囲内であり、膜がアルミナ或いは、プラスチック材料から形成されるときに５−５００μｍの範囲内である。
【００４５】
有益には、開口の半径が０．１−５０μｍの範囲内にある。１００ー１０００ミリバール範囲の圧力を必要するシステムにおいて、開口半径は１−５０μｍの範囲内にある。
【００４６】
好ましくは、酸化珪素から形成された膜のために、半径は１−３μｍの範囲内にある。膜がプラスチック材料から形成されるときに開口の半径は２５−１００μｍの範囲内にある。
【００４７】
図４を参照すると、本発明によるミクロ流体システムは、参照数字４０によって一般に示されている。システムは特に外部ポンプにより使用するのに適している。システム４０は測定装置１とポンプ２から成り、この例では、このポンプは外部ガス圧ポンプである。測定装置１とポンプ２は流体チャンネル４によって相互接続されている。システム４０はさらに本発明による膜から成る。膜３の存在は、液体が膜３を介して導入されることができるが、しかし準備処理の完了において膜３がシステムの入口を密閉することを意味する。これは、ポンプの正しい作用を保証することが必要であり、他に短絡されている。
【００４８】
幾つかの場合には、ポンプ２と測定装置１との空気流抵抗は相互接続されたチャンネル４と比較して大きく、準備処理の過剰な時間条件を生じる。
［実施例２］
【００４９】
本発明によるシステムの第二実施例は、参照数字５０によって一般に示されている。この例では、システム５０は液体をシステム５０へ導入する膜５から成る。システム５０はさらにポンプ６、例えば電気浸透ポンプ装置と、相互接続チャンネル８によってポンプ６に接続された測定装置７とから成る。システム５０はさらに空気がシステムから換気できるシステム５０内に収容された空気用の出口として役立つ本発明による第二膜９から成る。準備処理の完了では、二枚の膜５、９はシステム５０を密封し、マイクロポンプ６が測定システムに圧力を働かすことができる。
【００５０】
図６ａ、６ｂと６ｃを参照すると、本発明による膜は参照数字１０によって一般に示されている。膜１０は貫通開口１１の配列から成る。膜における開口の位置決めは、膜が機械的安定性を維持する限り、独断的である。それ故に、膜１０内の開口を正確に配置することが必要はない。
【００５１】
膜厚さは膜の機能にとって臨界ではないが、しかし一般に膜を通る低流抵抗を保証することは出来るだけ小さくすべきであり、同時に機械的安定性や製造の容易さを保証する。      
【００５２】
保持圧力が最大開口の半径によって決定されるので。開口の半径は、それらが膜を組込んだ特殊ミクロ流体システムに必要とされた静圧により取り付けるように選定されるべきである。
【００５３】
図７は、入口１４と出口１６を備えるチャンネル構造へ埋め込まれる本発明による膜１５を示す。液体は過圧により入口１４へ導入されることができ、その過圧は装置の正保持圧力より小さく、膜開口を通して空気を液体の前に送り出す。液体表面が膜に到達すると、装置は密封し、空気容量に接続されることなしに圧力駆動作用で走行でき、或る場合にその空気容量は作用の成功に影響を与えることができる。  
【００５４】
正保持圧力より大きい値により入口１４に（０．１−１０秒間）短い圧力パルスを印加すると、シールを破壊し、膜を通して液体を通過できる。液体の制限された容量が入口１４に導入されて外部ガス圧によって或いは空気流の他の手段によって駆動されるならば、全有効液体容量が膜を通して出口へ通過されるまで、液体は装置を通して通過し続ける。空気が再び膜に到達すると、装置は密封状態に戻り、圧力駆動作用が出口１６領域に機能できる。  
【００５５】
図８ａは入口１７、包囲容量１８、出口１９、第一膜２０、第二膜２１、ポンプ装置２２とポンプ作用が必要とされる測定装置或いは他の流体システム２３を備える更に複雑な流体システムを示す。このような構成は、装置２２と２３の物理的寸法が小さいならば好ましく、これら装置における表面張力と高流れ抵抗がこれらを通して包囲容量１８を準備することをやっかいにする。準備後に、ポンプ２２が測定装置２３に作用できるために、二枚の膜２０と１９が密封状態を作ることが必要である。
【００５６】
包囲容量１８を準備するために、適当量の液体が入口１７へ導入されなければならなく、この入口はシステムにおける公差のために幾らか余分にプラスして包囲容量１８と同じ容積を有し、あらゆる場合に準備するために十分な液体を保証しなければならない。膜２０の正保持圧力より低いガス圧が入口１７に印加され、十分な長さの時間に液体が膜２１、２０に到達できる。これに追従して、膜２０の正保持圧力より大きい短い圧力パルス（０．１−１０秒）が印加されて膜２０の開口を通して液体を送る。このとき、膜２０の負保持圧力より低い正圧が入口１７に保持されて液体を包囲容量１８へ移送する。容積１８内の空気は第二膜２１を通して換気される。幾つかの点では、液体は第二膜２１に到達してその密封状態にする。
【００５７】
この点では、左過量の液体が入口チャンネル１７内に存在する。ガス圧はポンプ２２と測定装置２３における液体システムの他の部品を準備した後にこの入口に保持される。これは、入口１７内の過剰液体がポンプ２２と装置２３に移送されることを保証する。この移送が完了されたときに、装置２０はその密封状態に入り、準備処理を完成する。
【００５８】
図８ｂでは、他の例が示され、流体システムは入口１７、包囲容量１８、出口１９、膜２１、ポンプ装置２４とポンプ作用が必要とされる測定装置或いは他の流体システム２３を備える。
【００５９】
包囲容量１８を準備するために、適当量の液体がポンプ装置に接続される前に、これは入口１７へ導入されなければならない。この液体はシステムにおける公差のために幾らか余分にプラスして包囲容量１８と同じ容積を有し、あらゆる場合に準備するために十分な液体を保証しなければならない。このとき、ポンプ装置が接続されなければならなく、膜２１の負と正の保持圧力の間の範囲内のガス圧がポンプ装置により測定装置２３に作用されることができる。
【００６０】
膜材料は、一般に、酸化珪素、珪素窒化物、ガラス、シリカ、アルミナ、酸化アルミニウム、アクリルのようなミクロパターン化するのに適した任意の親水性材料である。膜の開口はレーザーフライス削り、マイクロドリル、サンドブラストを使用し、高圧水噴射、写真製版技術、或いはミクロ製造用の他の方法により製造されることができる。
【００６１】
好ましい実施例は図９に示され、孔をもつ膜は標準ＭＥＭＳ技術（参考２を参照）を使用する珪素基体に形成される。この構造は珪素基体２４、膜２５と、膜に平版的に形成され且つエッチングされた孔２６から成る。
【００６２】
これは例えば次の処理によって行われることができる：
１）開始材料は１００面をもつシリコンウエハーである。
２）シリコンの片面はフォトレジストを塗布され、位置と直径を含むパターンはＵＶ光の露光によってフォトレジストに転写される。
３）開口パターンは誘導的に連結されたプラズマ（ＩＣＰ）を使用する深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）或いは高度シリコンエッチング（ＡＳＥ）によりシリコンに転写され、このプラズマは１−５０μｍの深さを備える深い縦孔を生じる。
４）シリコン表面は低圧化学的蒸着（ＬＰＣＶＤ）を使用して珪素窒化物を塗布される。                                                                                ５）ウエハーの反対面（底面）はフォトレジストを塗布され、珪素窒化物の膜形成開口を含有するパターンはＵＶ光の露光によってフォトレジストに転写される。
６）珪素窒化物は反応イオンエッチ（ＲＩＥ）を使用して、フォトレジストの開口によって形成される領域におけるウエハーの底面にエッチングされる。
７）ウエハーはＫＯＨ溶液でエッチングされて、ウエハーの底面にピラミット形開口を生じる。エッチングのタイミングはウエハーの上面にシリコンの残り膜の厚さを形成する。選択的に、硼素ドーピングはエッチストップを形成するように使用され、厚さのより良い制御を与える。
８）珪素窒化物は例えば１６０℃の燐酸内で湿式化学的エッチングによって取り除かれる。
９）シリコンは熱的酸化或いはＬＰＣＶＤによりシリコン酸化物を塗布される。
【００６３】
選択的に、基体は次の処理によって製造されることができる：
１）開始材料は１００面をもつシリコンウエハーである。
２）シリコン表面は低圧化学的蒸着（ＬＰＣＶＤ）を使用して珪素窒化物を塗布される。                                                                                ３）ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、珪素窒化物の膜形成開口を含有するパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
４）珪素窒化物は反応イオンエッチ（ＲＩＥ）を使用して、フォトレジストの開口によって形成される領域におけるウエハーの底面にエッチングされる。
５）ウエハーはＫＯＨ溶液でエッチングされて、ウエハーの底面にピラミット形開口を生じる。エッチングのタイミングはウエハーの上面にシリコンの残り膜の厚さを形成する。選択的に、硼素ドーピングはエッチストップを形成するように使用され、厚さのより良い制御を与える。選択的に、シリコンはウエハーの全厚さによってエッチングされることができ、薄い膜として上面に珪素窒化物のみを残す。
６）ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を含むパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
７）孔パターンは誘導的に連結されたプラズマ（ＩＣＰ）を使用する深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）或いは高度シリコンエッチング（ＡＳＥ）によりシリコンに転写され、このプラズマは１−５０μｍの深さを備える深い縦孔を生じる。
８）シリコンは、熱的酸化、プラズマ増強化学的蒸着（ＰＥＣＶＤ）又はＬＰＣＶＤのいずれかによりシリコン酸化物を塗布される。
【００６４】
選択的に、基体は次の処理によって製造されることができる：
１）開始材料は１００面をもつ且つ上面の下に１−５０μｍに位置された埋設酸化層をもつシリコン・オン・絶縁体（ＳＯＩ）ウエハーである。
２）ウエハー表面は低圧化学的蒸着（ＬＰＣＶＤ）を使用して珪素窒化物を塗布される。                                                                                ３）ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、珪素窒化物の膜形成開口を含有するパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
４）珪素窒化物は反応イオンエッチ（ＲＩＥ）を使用して、フォトレジストの開口によって形成される領域におけるウエハーの底面にエッチングされる。
５）ウエハーはＫＯＨ溶液でエッチングされて、ウエハーの底面にピラミット形開口を生じる。埋設酸化層は異方性エッチ用のエッチストップとして役立ち、酸化層の深さに形成された膜厚を生じる。
６）ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を含むパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
７）孔パターンは誘導的に連結されたプラズマ（ＩＣＰ）を使用する深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）或いは高度シリコンエッチング（ＡＳＥ）によりシリコンに転写され、このプラズマは埋設酸化層の深さにまで深い縦孔を生じる。
８）埋設酸化層の露光領域はＲＩＥ、湿式フッ化水素酸（ＨＦ）エッチ、或いはＨＦ蒸気エッチによって取り除かれる。これはウエハーの上と底の開口の間の接触を保証する。  ９）シリコンは、熱的酸化、プラズマ増強化学的蒸着（ＰＥＣＶＤ）又はＬＰＣＶＤのいずれかによりシリコン酸化物を塗布される。
【００６５】
選択的に、基体は次の処理によって製造されることができる：
１）開始材料は上面の下に１−５０μｍに位置された埋設酸化層を備えるシリコン・オン・絶縁体（ＳＯＩ）ウエハーである。                                              ２）ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、珪素窒化物の膜形成開口を含有するパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
３）膜パターンは誘導的に連結されたプラズマ（ＩＣＰ）を使用する深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）或いは高度シリコンエッチング（ＡＳＥ）によりシリコンに転写され、このプラズマは埋設酸化層の深さにまで深い縦孔を生じる。
４）ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を含むパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
５）孔パターンは誘導的に連結されたプラズマ（ＩＣＰ）を使用する深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）或いは高度シリコンエッチング（ＡＳＥ）によりシリコンに転写され、このプラズマは埋設酸化層の深さにまで深い縦孔を生じる。
６）埋設酸化層の露光領域はＲＩＥ、湿式フッ化水素酸（ＨＦ）エッチ、或いはＨＦ蒸気エッチによって取り除かれる。これはウエハーの上と底の開口の間の接触を保証する。  ７）シリコンは、熱的酸化、プラズマ増強化学的蒸着（ＰＥＣＶＤ）又はＬＰＣＶＤのいずれかによりシリコン酸化物を塗布される。
【００６６】
選択的に、基体は次の処理によって製造されることができる：
１）開始材料は、例えばポリメチル・メタクリレート，ポリエステル，ポリイミド，ポリプロピレン，エポキシ或いはポリエチレンから形成され且つ５−１００μｍの厚さをもつ薄い重合体シートである。
２）シート基体はプラスチック或いは他の適切材料のフレームに懸架される。
３）基体の孔はレーザーフライス削り、マイクロドリル、サンドブラストを使用し、或いは高圧水噴射により製造される。
４）基体は、低エネルギープラズマ増強化学的蒸着処理によって孔の周りの少なくとも領域においてシリコン酸化物、ガラス或いはシリカを塗布される。
【００６７】
選択的に、基体は次の処理によって製造されることができる：
１）開始材料は、ＵＶ硬化エポキシ或いはアクリル、例えばＳＵ−８の薄いシートである。
２）シート基体はプラスチック或いは他の適切材料のフレームに懸架される。
３）基体は孔位置と直径を含むパターンをもつ標準写真製版ガラスマスクを介してＵＶ光で露光される。                                                                  ４）基体はＵＶ光で露光されなかった領域の基体重合体を取り除く現像液に浸漬されて、薄いシートを貫通する孔を生じる。
５）基体は低エネルギープラズマ増強化学的蒸着処理によって孔の周りの少なくとも領域においてシリコン酸化物、ガラス或いはシリカを塗布される。
【００６８】
選択的に、基体は次の処理によって製造されることができる：
１）開始材料は、ガラスウエハー、例えばパイレックス或いは硼素珪酸塩である。
２）ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、膜形成開口を含有するパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
３）ガラスは、前面が保護されながら、ＨＦ蒸気或いは水溶液のＨＦにより底面にエッチングされ、ウエハーを選定領域で２−５０μｍの厚さに薄くする。
４）ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を含むパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
５）孔パターンは誘導的に連結されたプラズマ（ＩＣＰ）を使用する深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）或いは高度酸化エッチング（ＡＯＥ）によりシリコンに転写される。これは底面から開放された空所の深さまで深い縦孔を生じて、ウエハーの二側面間の接触を保証する。
【００６９】
選択的に、基体は次の処理によって製造されることができる：
６）開始材料は、ガラスウエハー、例えばパイレックス或いは硼素珪酸塩である。
７）ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、膜形成開口を含有するパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
８）ガラスは、前面が保護されながら、ＨＦ蒸気或いは水溶液のＨＦにより底面にエッチングされ、ウエハーを選定領域で２−５０μｍの厚さに薄くする。
９）ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を形成するパターンに焦点イオンビームを衝撃されて、これら領域のガラス材料を弱める。
１０）ウエハーはＨＦ蒸気或いは水溶液のＨＦによりエッチングされる。焦点イオンビームに露光された領域はウエハーの残部より著しく速くエッチングされ、上面と底面から開放された空所との間に形成する孔を生じて、ウエハーの二側面間の接触を保証する。
【００７０】
選択的に、基体は次の処理によって製造されることができる：
１１）開始材料は、ガラスウエハー、例えばパイレックス或いは硼素珪酸塩である。
１２）ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、膜形成開口を含有するパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
１３）パターンは誘導的に連結されたプラズマ（ＩＣＰ）を使用する深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）或いは高度酸化エッチング（ＡＯＥ）によりシリコンに転写される。これはウエハーの上面に於ける膜を形成し、２−１００μｍの厚さを有する。
１４）ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を形成するパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
１５）孔パターンは誘導的に連結されたプラズマ（ＩＣＰ）を使用する深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）或いは高度酸化エッチング（ＡＯＥ）によりシリコンに転写される。これは底面から開放された空所の深さまで深い縦孔を生じて、ウエハーの二側面間の接触を保証する。
【００７１】
選択的に、膜は同様な処理を使用して珪素窒化物に製造されることができる。
前記シリコン技術を使用する本発明を製造する主な利点は、シリコンミクロ流体システムによりそのシリコン技術を一体化できることである。例として我々はここで、如何に発明が準備処理を容易するために、電気生理学測定を行うシリコン基礎装置に一体化できるかを表示する。
【００７２】
参考文献３には、細胞に高抵抗シールを得る開口と、細胞を閉じ込め維持するために開口に吸引を印加するように使用される電気浸透流ポンプとから成る装置の説明が開示されている。この開口は本発明と同じ方法でシリコン膜に形成されることができる。
【００７３】
参考文献４には、シリコン技術に基づいた電気浸透ポンプ装置は開示されている。この装置は、本発明と同じ方法でシリコン膜において開口の配列として製造されることができる。
【００７４】
図１０は、電気生理学測定を実施する開口、電気浸透流ポンプとシリコンチップ２７に一枚に一体化された本発明により二つのシステムの集成体を示す。このチップシステムは図９に示されたシステムの実施例である。シリコンの底面はチャンネル形成層２８と電気化学電極２９を含有する底板とを使用して密封される。部材２８と２９は選択的に一部材で形成されることができる。部材２７、２８と２９はウエハースケールで或いは単一ダイレベルで結合されるか、或いは接着される。
【００７５】
チップが包囲容量３０に適切に作用するためには、液体で充填され、膜３１から形成された準備入口と膜３７から形成された換気出口とが密封される。膜３１は液体が最初に導入される入口チャンネル３２を有する。膜３１の開口は１．５−４μｍの半径を有する。膜は任意に疎水性材料により塗布されることができる。
【００７６】
電気浸透流ポンプ３３は液体入口と電気化学電極を含有する上面流体システム３４を有する。ポンプ３３の開口は０．２−０．７μｍの半径を有する。電気生理学測定を実施する開口３５は膜の０．３−１．０μｍの半径をもつ単一開口から成る。流体システム３６は細胞の入口と少なくとも一つの電気化学電極を含有して存在する。
【００７７】
膜３７は包囲容量に最初に含有された空気が放出できる換気チャンネル３８を有する。膜の篩開口３７は１．５−４μｍの半径を有する。膜は任意に疎水性材料により塗布されることができた。
【００７８】
膜３１，３７，ポンプ３３と膜形成開口３５は１−５０μｍの同じ膜厚で形成されることができる。電気化学電極３９と４１は包囲容量３０に包含されることができ、底板２９の貫通穴と接触されてパッド４０と４２を接触させる。
【００７９】
図１１は本発明による製造された膜１１０の走査電子ミクログラフを示す。膜は異方性エッチによって３８０μｍ厚シリコン- ウエハーに形成された１４μｍ厚シリコン膜を有する。３．５μｍ半径開口は深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）によりエッチングされた。穴の内部を包含するシリコン表面はシリコン酸化物（石英）の薄層で塗布された。
【００８０】
装置は、図７に示される構成において、上面と底面で流体チャンネルによりプラスチックハウジングに包装される。装置は、小量の孔雀石緑染料をもつ２０μｌの水を装置の上面のチャンネルに加えることによってテストされた。次に、＋５０ミリバールのガス圧は１０秒間印加され、液体が膜に到達するまでチャンネルを充填する。増加吸引或いは圧力が３０或いは６０秒間に印加された。顕微鏡は密封状態の破れを監視するように使用された。破れ後に使用された最高圧力／吸引が注目され、第二使用された最高圧力／吸引がその特定装置の見掛け低限度として注目される。
【００８１】
３０或いは６０秒間の圧力／吸引の印加後に得られた結果の間も、装置のいずれか面からの準備の間も任意の差異であるとは思えない。それ故に、その結果は、圧力或いは吸引が使用された否かに関してのみグループ化された。図３ａにおける状況に対応する正圧の結果は表３に要約される。
【００８２】
┌──────┬──────┬──────┬──────┬──────┐
│低限度      │低限度      │低限度      │低限度      │低限度      │
│＞  ＋１００│＞  ＋１５０│＞  ＋１７０│＞  ＋２００│＞  ＋２３０│
│mbar        │mbar        │mbar        │mbar        │mbar        │
├──────┼──────┼──────┼──────┼──────┤
│１３／１３＝│１２／１３＝│１０／１３＝│５／１３＝  │０／１３＝０│
│１００％    │９２％      │７７％      │３８％      │％          │
└──────┴──────┴──────┴──────┴──────┘
表３：実験的正保持圧力。
【００８３】
テストされた１３チップのすべてにおいて、１００ミリバールは密封能力の効果を有しなかった。一つチップにおいてシールが１５０ミリバールで破れて１００ミリバールの低限度を与える。図３ｂにおける状況に対応する負圧の結果は表４に要約される。
【００８４】
┌──────┬──────┬──────┐
│低限度      │低限度      │低限度      │
│＜  −１５０│＜  −３００│＜  −３５０│
│mbar        │mbar        │mbar        │
├──────┼──────┼──────┤
│５／５＝    │５／５＝    │０／５＝０％│
│１００％    │１００％    │            │
└──────┴──────┴──────┘
表４：実験的負保持圧力。
【００８５】
装置が図８ａと図１０に示される如く使用されるとき、密封能力は膜の両側面が湿っている状況において重要である。それ故に、実験は次の計画で行われた：
１）孔雀石緑染料を含有する１０μｌの水が＋５０mbarの圧力で１０秒間に入口に導入されて、液体表面が膜に到達したことを保証する。
２）３００mbarの３秒ガス圧は入口に印加されて液体が装置を通過できる。
３）＋５０mbarの圧力は５分間入口に印加され、全有効液体容量が装置を通して出口に通過されて装置を密封させることを保証する。
４）８個の異なるチップのために、増加する正圧は、シールの破れや入口の連続的再充填を監視しながら、図３ｄにおける状況に対応して出口に印加された。結果は表５に要約されている。
５）６個の異なるチップのために、増加する負圧は、シールの破れを監視しながら、図３ｃにおける状況に対応して出口に印加された。結果は表６に要約されている。
【００８６】
┌─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┐
│低限度    │低限度    │低限度    │低限度    │低限度    │低限度    │
│＞＋１０  │＞＋２０  │＞＋３０  │＞＋４０  │＞＋５０  │＞＋６０  │
│mbar      │mbar      │mbar      │mbar      │mbar      │mbar      │
├─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│８／８＝  │７／８＝  │５／８＝  │４／８＝  │２／８＝  │１／８＝  │
│１００％  │８８％    │６３％    │５０％    │２５％    │１３％    │
└─────┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┘
表５：湿った両側面をもつ実験的正保持圧力。
【００８７】
┌──────┬──────┬──────┐
│低限度      │低限度      │低限度      │
│＜  −２５０│＜  −３００│＜  −４００│
│mbar        │mbar        │mbar        │
├──────┼──────┼──────┤
│６／８＝    │４／８＝    │２／８＝    │
│１００％    │６７％      │３３％      │
└──────┴──────┴──────┘
表６：湿った両側面をもつ実験的負保持圧力。
【００８８】
最後に、実験データは理論的予想と良好に一致した保持圧力を現した。測定された負保持圧力は小さい接触角度をもつ膜のために予想される如く正保持圧力より大きい。表３と４における正と負の保持圧力の間の比は膜の接触角度をτ＝１１°であると推定するために使用されることができ、その角度はシリコン酸化物により形成される膜と良好に一致する。
【００８９】
膜の両側面が湿っていた実験は、予想される如く示され、正負保持圧力間の大きな差を示す。これは、小さい正圧がまだ印加されながら、負圧が必要とされる応用において装置を最も適合させる。これや状況では、装置は親水性材料で膜の企図された乾燥側面を塗布することによって改良されることができる。
【００９０】
参考文献
［１］バイオ材料特性データベース、ミシガン大学、コンタクト：ウイリアム・ジェ・オブリーン博士、指導者（ＦＡＸ：３１３−６４７−５２９３）．クインタレセッセ出版、１９９６年。
［２］マドウ、エム著、「ミクロ製造の原則」第二版（１２月２００１年）ＣＲＣプレス；ＩＳＢＮ：０８４９３０８２６７．
［３］国際特許公表ＷＯ０２／２９４０２．
［４］特許出願明細書、ジェ・キッチンスカイ、アール・トボールスキー、エム・ベッハ出願日：０２年１０月０１日。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１ａ】膜の開口形成部分を示す本発明による膜の概略表現である。
【図１ｂ】図１ａに示された開口の異なる可能な形状を示す概略表現である。
【図１ｃ】図１ａに示された開口の異なる可能な形状を示す概略表現である。
【図２】図１ａに示された膜の次元なし角度依存要因Ｐ（θ）を示す線図である。
【図３】密封空間の種々の構成における本発明による膜の概略表現である。
【図４】本発明の実施例によるミクロ流体システムである。
【図５】本発明の第二実施例によるミクロ流体システムである。
【図６】膜が開口の配列から成る本発明によるミクロ流体システムの膜形成部分の概略表現である。
【図７】入口と出口から成る本発明によるミクロ流体システムの概略表現である。
【図８】本発明によるミクロ流体システムのその他の実施例の概略表現である。
【図９】膜が珪素から形成される本発明によるミクロ流体システムの他の実施例の概略表現である。
【図１０】シリコンチップに一枚に一体化された本発明による電気生理学測定中の開口、電気浸透流ポンプと二枚の膜の集合体を示す概略表現である。
【図１１】本発明による製造された膜の走査電子ミクログラフを示す。
【符号の説明】
【００９２】
１．．．．．測定装置
２．．．．．ポンプ
３．．．．．膜
４．．．．．流体チャンネル
５．．．．．膜
６．．．．．ポンプ
７．．．．．測定装置
８．．．．．相互接続チャンネル
９．．．．．第二膜
１０．．．．膜
１１．．．．貫通開口
１２．．．．膜
１３．．．．液面
１４．．．．入口
１５．．．．膜
１６．．．．出口
１７．．．．入口
１８．．．．包囲容量
１９．．．．出口
２０．．．．第一膜
２１．．．．第二膜
２２．．．．ポンプ
２３．．．．測定装置
２４．．．．ポンプ装置
２５．．．．膜
２６．．．．孔
２７．．．．シリコンチップ
２８．．．．チャンネル形成層
２９．．．．化学電極
３０．．．．包囲容量
３１．．．．膜
３２．．．．入口チャンネル
３３．．．．電気浸透流ポンプ
３４．．．．上面流体システム
３５．．．．開口
３６．．．．流体システム
３７．．．．篩開口
３８．．．．換気チャンネル
３９．．．．電気化学電極
４０．．．．パッド
４１．．．．電気化学電極
４２．．．．パッド
５０．．．．システム
2006518851.tif 000003
【図２】
2006518851.tif 000004
2006518851.tif 000005
【図４】
2006518851.tif 000006
【図５】
2006518851.tif 000007
2006518851.tif 000008
【図７】
2006518851.tif 000009
2006518851.tif 000010
2006518851.tif 000011
【図９】
2006518851.tif 000012
【図１０】
2006518851.tif 000013
【図１１】
2006518851.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成17年10月20日(2005.10.20)
【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】
イオンチャンネル含有構造における、イオンチャンネルの電気生理学的特性を決定及び／又は監視するミクロフルイデックスシステムにおいて、
入口と出口をもつチャンネルと、
入口と出口の間に位置されて０．１−５０μｍの範囲内の半径を有する開口から成る第一膜であって、入口と出口が互いに液圧連通していて、流体が入口から出口までチャンネルに沿って動くことができる第一膜と、
入口と出口の間に圧力差を作る圧力手段であって、それによってチャンネル内の流体の使用運動において、圧力手段が開口に生じる表面張力を越える入口と出口の間の圧力差を作るまで、圧力手段が開口における流体に生じる表面張力によって第一膜で停止される圧力手段と、から成ることを特徴とするシステム。
【請求項２】
第一膜は複数の開口から成ることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
圧力手段がポンプ装置から成る請求項１乃至請求項２のいずれか一項に記載のシステムにおいて、システムはさらに、入口と出口の間に位置されている包囲第一容量と、第一容量と液圧連通している第二容量とから成り；ポンプ装置は第一と第二容量と液圧連通していてシステムを介して流体をポンプでくむ、或いは第一と第二容量間の液圧差を働かし、第一膜が出口と第一容量の間に位置されていることを特徴とするシステム。
【請求項４】
さらに０．１−５０μｍの範囲内の半径を有する開口から成り、入口と第一容量との間に位置されていることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
複数の第二容量から成ることを特徴とする請求項３或いは４に記載のシステム。
【請求項６】
各第二容量は第二入口から成ることを特徴とする請求項３、４或いは５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
各第二容量は第二出口から成ることを特徴とする請求項３、４、５或いは６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
第二膜は複数の開口から成ることを特徴とする請求項３乃至７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
各膜は親水性から成ることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
各膜は酸化珪素、珪素窒化物、ガラス、シリカ、アルミナ、酸化アルミニウム或いはアクリルから成ることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
システムは珪素から形成されていることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
各膜は疎水性材料により少なくとも一つの側面に塗布されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
疎水性材料はＰＴＦＥ或いはＰＤＭＳから成ることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
各膜の厚さは膜が珪素窒化物から形成されるときに５０ー４００ｎｍの範囲内に入り、膜が酸化珪素から形成されるときに１−２０μｍの範囲内であり、膜がガラス或いは、シリカから形成されるときに２−２００μｍの範囲内であり、膜がアルミナ或いは、プラスチック材料から形成されるときに５−５００μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
各開口の半径は０．１−５０μｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のミクロ流体システムを形成する膜。
【請求項１７】
請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のミクロ流体システムの膜形成部材
【請求項１８】
請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のシステムから成る電気生理学測定を実施する装置。
【請求項１９】
請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のシステムを準備する方法。
【請求項２０】
準備処理がガス圧によって外見的に制御されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
圧力が０．１−１０秒の期間のパルスで印加されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、サブミリメートル寸法をもつ一つ以上の流体チャンネルを有するシステムに関する。そのようなシステムは化学、生化学、分子と細胞生物学の分野に使用され、しばしばミクロ流体システムと呼ばれる。
【０００２】
この発明が関するシステムは、電気生理学測定構成を形成することによって、イオンチャンネル含有構造、特に細胞のような脂質膜含有構造におけるイオンチャンネル電気生理学的特性を監視するために使用されることができ、その測定構成では細胞膜が測定電極のまわりに高抵抗シールを形成し、細胞膜を通る電流を決定監視することができる。そのようなシステムは、イオン移送チャンネルと生理学膜を研究するのに使用されたパッチクランプ技術を実施する装置の一部を形成することができる。
【背景技術】
【０００３】
膜のパッチを電気的に絶縁して電圧固定条件の下でパッチ内のイオンチャンネルを研究する一般的思想は、非特許文献１『ネーアー（Neher), ザクマン(Sakmann),シュテインバック(Steinback) 共著( １９７８年）「余分細胞パッチクランプ、生物学的膜における個々の開放チャンネルを通る電流を解像する方法」Pflueber Arch.３７５頁；２１９ー２７８頁』に概説されている。それは、筋肉細胞膜に表面にピペット含有アセチルコリン（ＡＣｈ）を押圧することによって、ＡＣｈ作動イオンチャンネルの開閉に貢献できた電流における不連続ジャンプを見ることができたことがわかった。しかしながら、ピペットのガラスと膜の間のシールの抵抗（１０−５０ＭΩ）がチャンネルの抵抗（１０ＧΩ）に関して極めて少ないと言う事実によって研究者はその作業に限定されていた。そのシールから生じる電気ノイズは逆に抵抗に関連され、その結果、イオンチャンネルを通って流れる電流を不明瞭にするのに十分な大きさであり、そのコンダクタンスはＡＣｈチャンネルのコンダクタンスより小さい。さらに、シールを通って生じる大きな電流によって浴の電圧と異なる値にピペットの電圧を固定することも防げられていた。
【０００４】
次に、ガラスピペットを火造り（熱加工）によって且つピペットの内部に吸引力を加えることにより極めて高抵抗（１−１００ＧΩ）のシールが細胞の表面により得られ、それによって生物学的興味のほとんどのチャンネルが研究でき、これら研究が行われた電圧範囲を著しく拡大されたレベルに一桁の割合でノイズを低減させることが発見されていた。この改良されたシールは「ギガシール」と呼ばれていて、ピペットは「パッチピペット」と呼ばれていた。ギガシールのさらに詳細な説明は、非特許文献２『O.P.Hamill, A.Marty, E.Neher, B.Sakmann & F.J.Sigworthの共著( １９７８年）「細胞と細胞なし膜パッチからの高解像電流記録用の改良したパッチクランプ」Pflueber Arch.３９１頁、８５−１００頁』に見出され得る。パッチクランプ技術を開発した業績のために、ネーアー(Neher) とザクマン( Sakmann)は１９９１年ノーベル医学生理学賞を授与された。
【０００５】
イオンチャンネルは細胞膜を通して無機イオンを触媒輸送する膜貫通蛋白質である。イオンチャンネルは作用電位の発生とタイミング、シナプス伝達、ホルモンの分泌、筋肉の収縮などのような種々の処理に関係する。多くの薬理学作用はイオンチャンネルの調節によってその特殊な効果を発揮する。例は脳内の電圧依存Ｎａ＋チャンネルを阻止するフェニトインとラモトリジンのような抗癲癇化合物を包含し、円滑な筋肉細胞内の電圧依存Ｃａ2 ＋チャンネルを阻止するニフェジピンとジルチアゼムのような抗高血圧薬剤、膵臓内のＡＴＰ調整されたＫ＋チャンネルを阻止するグリベンクラミドとトルブタミドのようなインシュリン放出の刺激剤を包含する。イオンチャンネル活動を化学的に誘発された調節に加えて、パッチクランプ技術は科学者が電圧依存チャンネルにより操作を行われる。この技術はパッチピペットにおける電極の極性を調整し、塩類化合物を変更して浴液内の自由イオンレベルを調節する。
【０００６】
パッチクランプ技術は、単一イオンチャンネル蛋白質を通るイオン流を測定でき、且つ薬剤晒しに応答して単一イオンチャンネル活動を研究できるから、医学生理学に於ける重大な発展を意味する。主として標準パッチクランプでは、薄い（直径はおよそ０．５−２μｍ）ガラスピペットが使用される。このパッチピペットの先端が細胞膜の表面に押圧される。ピペット先端は細胞膜を気密にシールし、ピペットオリフィスによって制限された小さいパッチの膜において僅かな割合のイオンチャンネル蛋白質を隔離する。これらチャンネルの活動は個々に（単一チャンネル記録）或いは選択的に測定されることができ、パッチは破壊でき、全細胞膜（全細胞構成）のチャンネル活動を測定できる。全細胞測定を実行する細胞内部に接近する高コンダクタンスはピペットに負圧を加えることにより膜を破壊することにより得られた。  
【０００７】
前述の如く、単一チャンネル電流のパッチクランプ測定の重要な要件は、細胞膜とガラスミクロピペット先端の間の高抵抗シールの形成であり、イオンが二つの面の間の空間を移動することを制限する。典型的には、１ＧΩを越える抵抗が必要とされ、それ故、物理的接触域は「ギガシール」として参照される。
【０００８】
ギガシールの形成は、細胞膜とピペットガラスとが互いに密接な接近をもたらされることを要する。それで、組織の隣接細胞間の間隔或いは培養された細胞とその基体間の間隔は２０−４０ｎｍの程度（Neher,2001年) であり、ギガシールにおける細胞膜とピペットガラスとの間の間隔はオングストローム( 即ち10ー10ｍ）範囲にあるように予想されている。ギガシールの物理化学的性質は知られていない。しかしながら、ギガシールは細胞膜と、石英、珪酸アルミナと珪酸硼素を包含する広範なガラスタイプ（Rae とLevi，１９９２年）の間に形成され、ガラスの特殊化学化合物が重要ではないことを示す。
【０００９】
細胞膜は挿入したグルコ蛋白質を備える燐脂質二層から構成され、グルコ蛋白質は種々の作用の受容器としての働きを包含する多数の機能として役立つ。これら膜伸縮グリコ蛋白質は典型的には膜から余分細胞空間へ拡大するペプチドとグルコ半分から成り、２０−５０ｎｍの高さに達し且つ燐脂質二層に隣接する電解質充填区画を作る燐脂質二層のまわりの所謂「グルコ萼」を形成する。それで、グルコ萼は細胞とその水成環境の間の中間を構成する親水性で負的に充填された範囲を形成する。
【００１０】
パッチクランプ方法論における最近の開発は、従来のガラスミクロピペット（例えば［特許文献１］国際特許出願公開第０１／２５７６９号明細書とマイヤー、２０００年を参照）の代わりに平らな基体（例えばシリコンチップ）の導入に見られた。
【００１１】
典型的ミクロ流体システムはポンプと流体チャンネルを介してそのポンプに接続される測定装置とから成る。幾つかのシステムでは、ポンプと測定装置との両方が数ミクロメーターの程度の寸法を有する。そのようなシステムによると、システムを準備するために外圧を幾つかの大気まで印加することが必要であることが知られている。
【００１２】
準備は空気が最初にシステムに現れる箇所が液体により交換される処理として定義される。流体チャンネルのサブミリメートル寸法のために、チャンネル内の流体の表面張力により働いた力はさらに重要となり、準備処理中の問題を提起できる。
【００１３】
幾つかの公知のミクロ流体システムは測定システムに働いた圧力を制御する外部ポンプから成る。
【００１４】
幾つかの公知のミクロ流体システムでは、ポンプはミクロ流体システムと一体的に形成されるか、或いはミクロ流体システムと密接に連動される。そのようなポンプはマイクロポンプとして知られている。
【００１５】
ある状況では、測定装置における空気流抵抗は相互接続流体チャンネルの容積と比較して大きい。これは、過度に長い長さの時間が準備処理のために、特に最初から流体チャンネルにある空気を換気するために必要とされることを意味する。
【非特許文献１】Neher ,Sakmann,Steinbackの共著( １９７８年）「余分細胞パッチクランプ、生物学的膜における個々の開放チャンネルを通る電流を解像する方法」Pflueber Arch.３７５頁；２１９ー２７８頁。
【非特許文献２】O.P.Hamill, A.Marty, E.Neher, B.Sakmann & F.J.Sigworthの共著( １９７８年）「細胞と細胞なし膜パッチからの高解像電流記録用の改良したパッチクランプ」Pflueber Arch.３９１頁、８５−１００頁。
【特許文献１】国際特許出願公開第０１／２５７６９号明細書。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の第一態様によると、イオンチャンネル含有構造における、イオンチャンネルの電気生理学的特性を決定及び／又は監視するミクロフルイデックスシステムが設けられ、このイオンチャンネル含有構造は、入口と出口をもつチャンネルと、入口と出口の間に位置されて０．１−５０μｍの範囲内の半径を有する開口から成る第一膜であって、入口と出口が互いに液圧連通していて、流体が入口から出口までチャンネルに沿って動くことができる第一膜と、入口と出口の間に圧力差を作る圧力手段であって、それによってチャンネル内の流体の使用運動において、圧力手段が開口に生じる表面張力を越える入口と出口の間の圧力差を作るまで、圧力手段が開口における流体に生じる表面張力によって第一膜で停止される圧力手段と、から成ることを特徴とする。
【００１７】
本発明は、小さいオリフィス或いは開口において液体表面の表面張力により働いた圧力を利用する。
【００１８】
それで、本発明は、毛細管力基礎液体ストップを流体路に導入することにより、殆どのミクロ流体システムの準備処理に固有の問題点を解決するか、或いは減少させる。
【００１９】
好都良く、第一膜は多数の開口から成るけれども、ある実施例では、第一膜は単一開口のみから成る。
【００２０】
有益には、圧力手段がポンプ装置から成り、システムはさらに、入口と出口の間に位置されている包囲第一容量と、第一容量と液圧連通している第二容量とから成り；ポンプ装置は第一と第二容量と液圧連通していてシステムを介して流体をポンプでくむ、或いは第一と第二容量間の液圧差を働かし、第一膜が出口と第一容量の間に位置されている。
【００２１】
ある状況では、一つ以上の膜から成るシステムを有することが有益である。好都合には、システムはさらに、０．１−５０μｍの範囲内の半径を有する開口から成り、入口と第一容量との間に位置されている。
【００２２】
この発明の好ましく有益な特徴は、この明細書に添付された従属請求項から容易に明らかになる。
【００２３】
本発明の第二態様によると、ミクロ流体システムを形成する膜が設けられており、このシステムは、入口と出口をもつチャンネルと、入口と出口の間に位置されて０．１−５０μｍの範囲内の半径を有する開口から成る第一膜であって、入口と出口が互いに液圧連通していて、流体が入口から出口までチャンネルに沿って動くことができる第一膜とから成る。
【００２４】
本発明のその他の態様によると、電気生理学測定を実施する装置が設けられており、この装置は、入口と出口をもつチャンネルと、入口と出口の間に位置されて０．１−５０μｍの範囲内の半径を有する開口から成る第一膜であって、入口と出口が互いに液圧連通していて、流体が入口から出口までチャンネルに沿って動くことができる第一膜とから成るミクロフルイデックスシステムから成る。
【００２５】
本発明の更に他の態様によると、ミクロフルイデックスシステムから成るシステムを準備する方法が設けられており、このシステムは、入口と出口をもつチャンネルと、入口と出口の間に位置されて０．１−５０μｍの範囲内の半径を有する開口から成る第一膜であって、入口と出口が互いに液圧連通していて、流体が入口から出口までチャンネルに沿って動くことができる第一膜とから成る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
［実施例１］
この発明は、添付図面を参照して例のみとしてさらに記載される。
図１ａと図１ｃは、膜１２の厚さＬが開口半径ｒよりかなり小さいシリコン膜１２に形成された単一開口の横断面である。図１では膜の下の領域は液体で溢れているが、膜の上の領域は空気で充填されている。液体と空気は球状キャップの形状を有する液面１３によって分離されている。角度θは膜１２との接触点において膜面と液面１３の正接の間に形成される。
【００２７】
膜面の自由エネルギーはＦ＝σ・Ｓによって与えられ、ここでσは表面張力定数であり、Ｓは表面面積である。特に、水のためにσ＝０．０７３Ｊ／ｍ2 である。表面張力により働いた圧力が容積Ｖに関する自発エネルギーＦの導関数によって与えられる。
【００２８】
直径２ｒの開口からできる水面は球状キャップの形状を成す、というのは、これは付与容積の最小表面面積をもつ形状であるからである。
キャップの容積は、
Ｖ＝１／３・π・ｒ3 ・［（１−ｘ）2 ・（２−ｘ）］／（１−ｘ2 ）3/2  
である。  
キャップの表面は、
Ｓ＝２・π・ｒ2 ・（１−ｘ）／（１−ｘ2 ）
であり、ここでｘ＝ｃｏｓ（θ）である。
小滴により働いた圧力は  ｐ＝σ・ｄＳ／ｄＶ  であり、ｐ＝２・σ／ｒ・Ｐ（θ）を与え、ここで次元なし角度依存要因Ｐ（θ）は次のように定義される。
Ｐ（θ）＝３・ｓｉｎ（θ）／（５−４・ｃｏｓ（θ））
特徴圧力ｐ0 ＝２・σ／ｒが更に定義される。
【００２９】
図２に描かれている関数Ｐ（θ）は、およそθ＝３７°の最大値とθ＝−３７°の最小値を有する。圧力が零である角度±１８０°は、開口と最も近い膜面がいずれも完全に湿った、或いは完全に乾いた状況に一致する。これら状況では、表面張力は開口の周りの流体流れの役割を演じなく、液体流れが阻止されない。この状態は開口の開放状態と呼ばれる。
【００３０】
他の状況では、水メニスカスは開口（或いは孔）の縁に局限される。これは約θ＝０°の角度の間隔に対応する。この場合には、液体流れは阻止される。開口は膜の天辺と底面の間のシールとして作用する。この状態は開口の密封状態と呼ばれる。仮に最初に装置が乾燥し、次に膜の片側における空間がｐ0 よりかなり低い圧力の液体により徐々に充填されるならば、開口は自動的に密封状態に達し、そして開口を定義する膜の内面が親水性であるならば、流れを停止する。
【００３１】
膜の下の領域が液体で充填され、膜の上の領域が空気により充填され、開口が密封状態である状況を分析することが重要である。圧力が零圧力から徐々に増加されるならば、シールは二つの状況によって破壊される。最初の場合には、液体／膜面τの接触角度パラメータは３７°より大きい。次に、メニスカスは、θが３７°に達して、ｐ0 の圧力に対応するまで、安定である。この点では、メニスカスは不安定となり、膜の天辺が溢れるまで増加し続ける。
【００３２】
τ＜３７°が極めて親水性のある材料に対応する第二の場合には、シールは、θがτに達して、ｐ0 ・Ｐ（τ）の圧力に対応するまで、保持する。この点では、メニスカスはもはや開口の縁に局限されなく、メニスカスは天膜面の上に拡大するように開始する。
【００３３】
圧力が零圧力から徐々に減少されるならば、シールは二つの同様な状況によって破壊される。最初の場合には１８０°−τ＞３７°である。液体面は、θが−ｐ0 の圧力に対応する−３７°に達するまで、安定である。この点では、表面が不安定になり、気泡は開口以下の寸法に増加し続ける。１８０°−τ＜３７°が極めて疎水性のある材料に対応する第二の場合には、シールは、θが１８０°−τに達して、−ｐ0 ・Ｐ（１８０°−τ）の圧力に対応するまで、保持する。この点では、表面が不安定になり、空気が底膜面の上に拡大する。
【００３４】
シールが抵抗できる最高圧力は正負保持圧力と呼ばれる。それで、正保持圧力はτ＞３７°のためにｐ0 で、τ＜３７°のためにｐ0 ・Ｐ（τ）であり、負保持圧力  は１８０°−τ＞３７°のためにｐ0 で、１８０°−τ＜３７°のためにｐ0 ・Ｐ（１８０°−τ）である。典型的算出保持圧力は、液体が水であり、膜がガラス（τ＝１４°）、或いはポリメチルーメタクリレート（ＰＭＭＡτ＝７０°）であるとき、以下に表に要約される。接触角度値は表１から採用される。
【００３５】
┌─────────┬─────────────┬─────────────┐
│開口半径（μｍ）  │正保持圧力（ミリバール）  │負保持圧力（ミリバール）  │
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ０．１│                  ９４７１│                １４６００│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ０．３│                  ３１５７│                  ４８６７│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ０．５│                  １８９４│                  ２９２０│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│                １│                    ９４７│                  １４６０│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│                ２│                    ４７４│                    ７３０│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ２．５│                    ３７９│                    ５８４│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ３．５│                    ２７１│                    ４１７│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│                ５│                    １８９│                    ２９２│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│                ７│                    １３５│                    ２０９│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│              １０│                      ９５│                    １４６│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│              ２０│                      ４７│                      ７３│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│              ５０│                      １９│                      ２９│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            １００│                        ９│                      １５│
└─────────┴─────────────┴─────────────┘
表１．ガラス膜上の水の保持圧力
【００３６】
┌─────────┬─────────────┬─────────────┐
│開口半径（μｍ）  │正保持圧力（ミリバール）  │負保持圧力（ミリバール）  │
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ０．１│                １４６００│                １４６００│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ０．３│                  ４８６７│                  ４８６７│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ０．５│                  ２９２０│                  ２９２０│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│                １│                  １４６０│                  １４６０│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│                ２│                    ７３０│                    ７３０│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ２．５│                    ５８４│                    ５８４│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            ３．５│                    ４１７│                    ４１７│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│                ５│                    ２９２│                    ２９２│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│                ７│                    ２０９│                    ２０９│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│              １０│                    １４６│                    １４６│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│              ２０│                      ７３│                      ７３│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│              ５０│                      ２９│                      ２９│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│            １００│                      １５│                      １５│
└─────────┴─────────────┴─────────────┘
表２．ＰＭＭＡ膜上の水の保持圧力
【００３７】
算出は他の開口形状のために繰り返されることができるが、しかし同じ基礎結果に到達する。膜厚Ｌを増加することは開口の保持圧力を変更しない。更に丸い開口横断面は同じ基礎結果を与えるが、しかし有効な開口半径により開口の最も狭い点よりも大きい。有効半径の大きいは膜面材料の接触角度に依存する。
【００３８】
膜における等しい開口の配列は単一開口と同じ保持圧力を有するが、しかし空気と液体の大きな流れコンダクタンスを有する利点を備える。それ故に、開放状態において僅かに邪魔された流れを与え、それ故に、開放状態と密封状態との間に大きな対称性を与えるから、この配列は好まれている。この配列の開口直径の変更があるならば、保持圧力は最大の開口によって決定される。
【００３９】
図３ａ−図３ｄは、密封状態の種々の構成においてこの発明による膜３０の横断面を示す。これらの構成において膜の下の空間３２が湿っているのに対して、膜の上の空間３４が空気により充填される。液体と空気は細い線３６により示される液体面によって分離される。図３ａと図３ｂでは、膜の天辺３８が乾いている。図３ａには後部からの正圧があり、図３ｂには、後部からの負圧がある。これらの場合には、装置は上記表１と２に示されるように圧力を保持できる。
【００４０】
図３ｃと図３ｄでは、膜の天辺３８が湿っている。この状況は、密封状態が前もって破壊され、液体が装置を通過されたならば、起こり得る。図３ｃでは、後部からの負圧があり、装置は図３ｂの状態におけると同じ圧力を保持できる。これは、図３ｄでは正圧力が後部から印加される場合ではない。小滴は配列の開口の全寸法に対応する直径により膜の天辺３８上にある。小滴の表面張力は更に小滴の半径に対応する幾らかな正圧力を保持できる。開口配列が例えば１００×１００μｍの面積をカバーするならば、小滴は５０μｍの程度の半径を有し、ガラス表面には、およそ２０ミリバールの正圧力を保持できる。
【００４１】
有益には、膜材料は、酸化珪素、珪素窒化物、ガラス、シリカ、アルミナ、酸化アルミニウム或いはアクリルのようなミクロパターン化するのに適した親水性材料から形成される。
【００４２】
両面の湿けによって装置の機能性のこの減少は、企図された湿気面に親水性を保ちながら、疎水性材料、例えばＰＴＦＥ或いはＰＤＭＳ（しかし制限されない）を膜の企図された乾燥面に任意に塗布することによって達成されることができる。
【００４３】
好ましくは、膜の厚さは、膜が珪素窒化物から形成されるときに５０ー４００ｎｍの範囲内であり、膜が酸化珪素から形成されるときに１−２０μｍの範囲内であり、膜がガラス或いは、シリカから形成されるときに２−２００μｍの範囲内であり、膜がアルミナ或いは、プラスチック材料から形成されるときに５−５００μｍの範囲内である。
【００４４】
有益には、開口の半径が０．１−５０μｍの範囲内にある。１００ー１０００ミリバール範囲の圧力を必要するシステムにおいて、開口半径は１−５０μｍの範囲内にある。
【００４５】
好ましくは、酸化珪素から形成された膜のために、半径は１−３μｍの範囲内にある。膜がプラスチック材料から形成されるときに開口の半径は２５−１００μｍの範囲内にある。
【００４６】
図４を参照すると、本発明によるミクロ流体システムは、参照数字４０によって一般に示されている。システムは特に外部ポンプにより使用するのに適している。システム４０は測定装置１とポンプ２から成り、この例では、このポンプは外部ガス圧ポンプである。測定装置１とポンプ２は流体チャンネル４によって相互接続されている。システム４０はさらに本発明による膜から成る。膜３の存在は、液体が膜３を介して導入されることができるが、しかし準備処理の完了において膜３がシステムの入口を密閉することを意味する。これは、ポンプの正しい作用を保証することが必要であり、他に短絡されている。
【００４７】
幾つかの場合には、ポンプ２と測定装置１との空気流抵抗は相互接続されたチャンネル４と比較して大きく、準備処理の過剰な時間条件を生じる。
［実施例２］
【００４８】
本発明によるシステムの第二実施例は、参照数字５０によって一般に示されている。この例では、システム５０は液体をシステム５０へ導入する膜５から成る。システム５０はさらにポンプ６、例えば電気浸透ポンプ装置と、相互接続チャンネル８によってポンプ６に接続された測定装置７とから成る。システム５０はさらに空気がシステムから換気できるシステム５０内に収容された空気用の出口として役立つ本発明による第二膜９から成る。準備処理の完了では、二枚の膜５、９はシステム５０を密封し、マイクロポンプ６が測定システムに圧力を働かすことができる。
【００４９】
図６ａ、６ｂと６ｃを参照すると、本発明による膜は参照数字１０によって一般に示されている。膜１０は貫通開口１１の配列から成る。膜における開口の位置決めは、膜が機械的安定性を維持する限り、独断的である。それ故に、膜１０内の開口を正確に配置することが必要はない。
【００５０】
膜厚さは膜の機能にとって臨界ではないが、しかし一般に膜を通る低流抵抗を保証することは出来るだけ小さくすべきであり、同時に機械的安定性や製造の容易さを保証する。      
【００５１】
保持圧力が最大開口の半径によって決定されるので。開口の半径は、それらが膜を組込んだ特殊ミクロ流体システムに必要とされた静圧により取り付けるように選定されるべきである。
【００５２】
図７は、入口１４と出口１６を備えるチャンネル構造へ埋め込まれる本発明による膜１５を示す。液体は過圧により入口１４へ導入されることができ、その過圧は装置の正保持圧力より小さく、膜開口を通して空気を液体の前に送り出す。液体表面が膜に到達すると、装置は密封し、空気容量に接続されることなしに圧力駆動作用で走行でき、或る場合にその空気容量は作用の成功に影響を与えることができる。  
【００５３】
正保持圧力より大きい値により入口１４に（０．１−１０秒間）短い圧力パルスを印加すると、シールを破壊し、膜を通して液体を通過できる。液体の制限された容量が入口１４に導入されて外部ガス圧によって或いは空気流の他の手段によって駆動されるならば、全有効液体容量が膜を通して出口へ通過されるまで、液体は装置を通して通過し続ける。空気が再び膜に到達すると、装置は密封状態に戻り、圧力駆動作用が出口１６領域に機能できる。  
【００５４】
図８ａは入口１７、包囲容量１８、出口１９、第一膜２０、第二膜２１、ポンプ装置２２とポンプ作用が必要とされる測定装置或いは他の流体システム２３を備える更に複雑な流体システムを示す。このような構成は、装置２２と２３の物理的寸法が小さいならば好ましく、これら装置における表面張力と高流れ抵抗がこれらを通して包囲容量１８を準備することをやっかいにする。準備後に、ポンプ２２が測定装置２３に作用できるために、二枚の膜２０と１９が密封状態を作ることが必要である。
【００５５】
包囲容量１８を準備するために、適当量の液体が入口１７へ導入されなければならなく、この入口はシステムにおける公差のために幾らか余分にプラスして包囲容量１８と同じ容積を有し、あらゆる場合に準備するために十分な液体を保証しなければならない。膜２０の正保持圧力より低いガス圧が入口１７に印加され、十分な長さの時間に液体が膜２１、２０に到達できる。これに追従して、膜２０の正保持圧力より大きい短い圧力パルス（０．１−１０秒）が印加されて膜２０の開口を通して液体を送る。このとき、膜２０の負保持圧力より低い正圧が入口１７に保持されて液体を包囲容量１８へ移送する。容積１８内の空気は第二膜２１を通して換気される。幾つかの点では、液体は第二膜２１に到達してその密封状態にする。
【００５６】
この点では、左過量の液体が入口チャンネル１７内に存在する。ガス圧はポンプ２２と測定装置２３における液体システムの他の部品を準備した後にこの入口に保持される。これは、入口１７内の過剰液体がポンプ２２と装置２３に移送されることを保証する。この移送が完了されたときに、装置２０はその密封状態に入り、準備処理を完成する。
【００５７】
図８ｂでは、他の例が示され、流体システムは入口１７、包囲容量１８、出口１９、膜２１、ポンプ装置２４とポンプ作用が必要とされる測定装置或いは他の流体システム２３を備える。
【００５８】
包囲容量１８を準備するために、適当量の液体がポンプ装置に接続される前に、これは入口１７へ導入されなければならない。この液体はシステムにおける公差のために幾らか余分にプラスして包囲容量１８と同じ容積を有し、あらゆる場合に準備するために十分な液体を保証しなければならない。このとき、ポンプ装置が接続されなければならなく、膜２１の負と正の保持圧力の間の範囲内のガス圧がポンプ装置により測定装置２３に作用されることができる。
【００５９】
膜材料は、一般に、酸化珪素、珪素窒化物、ガラス、シリカ、アルミナ、酸化アルミニウム、アクリルのようなミクロパターン化するのに適した任意の親水性材料である。膜の開口はレーザーフライス削り、マイクロドリル、サンドブラストを使用し、高圧水噴射、写真製版技術、或いはミクロ製造用の他の方法により製造されることができる。
【００６０】
好ましい実施例は図９に示され、孔をもつ膜は標準ＭＥＭＳ技術（参考２を参照）を使用する珪素基体に形成される。この構造は珪素基体２４、膜２５と、膜に平版的に形成され且つエッチングされた孔２６から成る。
【００６１】
これは例えば次の処理によって行われることができる：
１）開始材料は１００面をもつシリコンウエハーである。
２）シリコンの片面はフォトレジストを塗布され、位置と直径を含むパターンはＵＶ光の露光によってフォトレジストに転写される。
３）開口パターンは誘導的に連結されたプラズマ（ＩＣＰ）を使用する深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）或いは高度シリコンエッチング（ＡＳＥ）によりシリコンに転写され、このプラズマは１−５０μｍの深さを備える深い縦孔を生じる。
４）シリコン表面は低圧化学的蒸着（ＬＰＣＶＤ）を使用して珪素窒化物を塗布される。                                                                                ５）ウエハーの反対面（底面）はフォトレジストを塗布され、珪素窒化物の膜形成開口を含有するパターンはＵＶ光の露光によってフォトレジストに転写される。
６）珪素窒化物は反応イオンエッチ（ＲＩＥ）を使用して、フォトレジストの開口によって形成される領域におけるウエハーの底面にエッチングされる。
７）ウエハーはＫＯＨ溶液でエッチングされて、ウエハーの底面にピラミット形開口を生じる。エッチングのタイミングはウエハーの上面にシリコンの残り膜の厚さを形成する。選択的に、硼素ドーピングはエッチストップを形成するように使用され、厚さのより良い制御を与える。
８）珪素窒化物は例えば１６０℃の燐酸内で湿式化学的エッチングによって取り除かれる。
９）シリコンは熱的酸化或いはＬＰＣＶＤによりシリコン酸化物を塗布される。
【００６２】
選択的に、基体は次の処理によって製造されることができる：
１）開始材料は１００面をもつシリコンウエハーである。
２）シリコン表面は低圧化学的蒸着（ＬＰＣＶＤ）を使用して珪素窒化物を塗布される。                                                                                ３）ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、珪素窒化物の膜形成開口を含有するパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
４）珪素窒化物は反応イオンエッチ（ＲＩＥ）を使用して、フォトレジストの開口によって形成される領域におけるウエハーの底面にエッチングされる。
５）ウエハーはＫＯＨ溶液でエッチングされて、ウエハーの底面にピラミット形開口を生じる。エッチングのタイミングはウエハーの上面にシリコンの残り膜の厚さを形成する。選択的に、硼素ドーピングはエッチストップを形成するように使用され、厚さのより良い制御を与える。選択的に、シリコンはウエハーの全厚さによってエッチングされることができ、薄い膜として上面に珪素窒化物のみを残す。
６）ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を含むパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
７）孔パターンは誘導的に連結されたプラズマ（ＩＣＰ）を使用する深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）或いは高度シリコンエッチング（ＡＳＥ）によりシリコンに転写され、このプラズマは１−５０μｍの深さを備える深い縦孔を生じる。
８）シリコンは、熱的酸化、プラズマ増強化学的蒸着（ＰＥＣＶＤ）又はＬＰＣＶＤのいずれかによりシリコン酸化物を塗布される。
【００６３】
選択的に、基体は次の処理によって製造されることができる：
１）開始材料は１００面をもつ且つ上面の下に１−５０μｍに位置された埋設酸化層をもつシリコン・オン・絶縁体（ＳＯＩ）ウエハーである。
２）ウエハー表面は低圧化学的蒸着（ＬＰＣＶＤ）を使用して珪素窒化物を塗布される。                                                                                ３）ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、珪素窒化物の膜形成開口を含有するパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
４）珪素窒化物は反応イオンエッチ（ＲＩＥ）を使用して、フォトレジストの開口によって形成される領域におけるウエハーの底面にエッチングされる。
５）ウエハーはＫＯＨ溶液でエッチングされて、ウエハーの底面にピラミット形開口を生じる。埋設酸化層は異方性エッチ用のエッチストップとして役立ち、酸化層の深さに形成された膜厚を生じる。
６）ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を含むパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
７）孔パターンは誘導的に連結されたプラズマ（ＩＣＰ）を使用する深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）或いは高度シリコンエッチング（ＡＳＥ）によりシリコンに転写され、このプラズマは埋設酸化層の深さにまで深い縦孔を生じる。
８）埋設酸化層の露光領域はＲＩＥ、湿式フッ化水素酸（ＨＦ）エッチ、或いはＨＦ蒸気エッチによって取り除かれる。これはウエハーの上と底の開口の間の接触を保証する。  ９）シリコンは、熱的酸化、プラズマ増強化学的蒸着（ＰＥＣＶＤ）又はＬＰＣＶＤのいずれかによりシリコン酸化物を塗布される。
【００６４】
選択的に、基体は次の処理によって製造されることができる：
１）開始材料は上面の下に１−５０μｍに位置された埋設酸化層を備えるシリコン・オン・絶縁体（ＳＯＩ）ウエハーである。                                              ２）ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、珪素窒化物の膜形成開口を含有するパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
３）膜パターンは誘導的に連結されたプラズマ（ＩＣＰ）を使用する深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）或いは高度シリコンエッチング（ＡＳＥ）によりシリコンに転写され、このプラズマは埋設酸化層の深さにまで深い縦孔を生じる。
４）ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を含むパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
５）孔パターンは誘導的に連結されたプラズマ（ＩＣＰ）を使用する深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）或いは高度シリコンエッチング（ＡＳＥ）によりシリコンに転写され、このプラズマは埋設酸化層の深さにまで深い縦孔を生じる。
６）埋設酸化層の露光領域はＲＩＥ、湿式フッ化水素酸（ＨＦ）エッチ、或いはＨＦ蒸気エッチによって取り除かれる。これはウエハーの上と底の開口の間の接触を保証する。  ７）シリコンは、熱的酸化、プラズマ増強化学的蒸着（ＰＥＣＶＤ）又はＬＰＣＶＤのいずれかによりシリコン酸化物を塗布される。
【００６５】
選択的に、基体は次の処理によって製造されることができる：
１）開始材料は、例えばポリメチル・メタクリレート，ポリエステル，ポリイミド，ポリプロピレン，エポキシ或いはポリエチレンから形成され且つ５−１００μｍの厚さをもつ薄い重合体シートである。
２）シート基体はプラスチック或いは他の適切材料のフレームに懸架される。
３）基体の孔はレーザーフライス削り、マイクロドリル、サンドブラストを使用し、或いは高圧水噴射により製造される。
４）基体は、低エネルギープラズマ増強化学的蒸着処理によって孔の周りの少なくとも領域においてシリコン酸化物、ガラス或いはシリカを塗布される。
【００６６】
選択的に、基体は次の処理によって製造されることができる：
１）開始材料は、ＵＶ硬化エポキシ或いはアクリル、例えばＳＵ−８の薄いシートである。
２）シート基体はプラスチック或いは他の適切材料のフレームに懸架される。
３）基体は孔位置と直径を含むパターンをもつ標準写真製版ガラスマスクを介してＵＶ光で露光される。                                                                  ４）基体はＵＶ光で露光されなかった領域の基体重合体を取り除く現像液に浸漬されて、薄いシートを貫通する孔を生じる。
５）基体は低エネルギープラズマ増強化学的蒸着処理によって孔の周りの少なくとも領域においてシリコン酸化物、ガラス或いはシリカを塗布される。
【００６７】
選択的に、基体は次の処理によって製造されることができる：
１）開始材料は、ガラスウエハー、例えばパイレックス或いは硼素珪酸塩である。
２）ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、膜形成開口を含有するパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
３）ガラスは、前面が保護されながら、ＨＦ蒸気或いは水溶液のＨＦにより底面にエッチングされ、ウエハーを選定領域で２−５０μｍの厚さに薄くする。
４）ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を含むパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
５）孔パターンは誘導的に連結されたプラズマ（ＩＣＰ）を使用する深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）或いは高度酸化エッチング（ＡＯＥ）によりシリコンに転写される。これは底面から開放された空所の深さまで深い縦孔を生じて、ウエハーの二側面間の接触を保証する。
【００６８】
選択的に、基体は次の処理によって製造されることができる：
６）開始材料は、ガラスウエハー、例えばパイレックス或いは硼素珪酸塩である。
７）ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、膜形成開口を含有するパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
８）ガラスは、前面が保護されながら、ＨＦ蒸気或いは水溶液のＨＦにより底面にエッチングされ、ウエハーを選定領域で２−５０μｍの厚さに薄くする。
９）ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を形成するパターンに焦点イオンビームを衝撃されて、これら領域のガラス材料を弱める。
１０）ウエハーはＨＦ蒸気或いは水溶液のＨＦによりエッチングされる。焦点イオンビームに露光された領域はウエハーの残部より著しく速くエッチングされ、上面と底面から開放された空所との間に形成する孔を生じて、ウエハーの二側面間の接触を保証する。
【００６９】
選択的に、基体は次の処理によって製造されることができる：
１１）開始材料は、ガラスウエハー、例えばパイレックス或いは硼素珪酸塩である。
１２）ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、膜形成開口を含有するパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
１３）パターンは誘導的に連結されたプラズマ（ＩＣＰ）を使用する深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）或いは高度酸化エッチング（ＡＯＥ）によりシリコンに転写される。これはウエハーの上面に於ける膜を形成し、２−１００μｍの厚さを有する。
１４）ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を形成するパターンはＵＶ光の露光によりフォトレジストに転写される。
１５）孔パターンは誘導的に連結されたプラズマ（ＩＣＰ）を使用する深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）或いは高度酸化エッチング（ＡＯＥ）によりシリコンに転写される。これは底面から開放された空所の深さまで深い縦孔を生じて、ウエハーの二側面間の接触を保証する。
【００７０】
選択的に、膜は同様な処理を使用して珪素窒化物に製造されることができる。
前記シリコン技術を使用する本発明を製造する主な利点は、シリコンミクロ流体システムによりそのシリコン技術を一体化できることである。例として我々はここで、如何に発明が準備処理を容易するために、電気生理学測定を行うシリコン基礎装置に一体化できるかを表示する。
【００７１】
参考文献３には、細胞に高抵抗シールを得る開口と、細胞を閉じ込め維持するために開口に吸引を印加するように使用される電気浸透流ポンプとから成る装置の説明が開示されている。この開口は本発明と同じ方法でシリコン膜に形成されることができる。
【００７２】
参考文献４には、シリコン技術に基づいた電気浸透ポンプ装置は開示されている。この装置は、本発明と同じ方法でシリコン膜において開口の配列として製造されることができる。
【００７３】
図１０は、電気生理学測定を実施する開口、電気浸透流ポンプとシリコンチップ２７に一枚に一体化された本発明により二つのシステムの集成体を示す。このチップシステムは図９に示されたシステムの実施例である。シリコンの底面はチャンネル形成層２８と電気化学電極２９を含有する底板とを使用して密封される。部材２８と２９は選択的に一部材で形成されることができる。部材２７、２８と２９はウエハースケールで或いは単一ダイレベルで結合されるか、或いは接着される。
【００７４】
チップが包囲容量３０に適切に作用するためには、液体で充填され、膜３１から形成された準備入口と膜３７から形成された換気出口とが密封される。膜３１は液体が最初に導入される入口チャンネル３２を有する。膜３１の開口は１．５−４μｍの半径を有する。膜は任意に疎水性材料により塗布されることができる。
【００７５】
電気浸透流ポンプ３３は液体入口と電気化学電極を含有する上面流体システム３４を有する。ポンプ３３の開口は０．２−０．７μｍの半径を有する。電気生理学測定を実施する開口３５は膜の０．３−１．０μｍの半径をもつ単一開口から成る。流体システム３６は細胞の入口と少なくとも一つの電気化学電極を含有して存在する。
【００７６】
膜３７は包囲容量に最初に含有された空気が放出できる換気チャンネル３８を有する。膜の篩開口３７は１．５−４μｍの半径を有する。膜は任意に疎水性材料により塗布されることができた。
【００７７】
膜３１，３７，ポンプ３３と膜形成開口３５は１−５０μｍの同じ膜厚で形成されることができる。電気化学電極３９と４１は包囲容量３０に包含されることができ、底板２９の貫通穴と接触されてパッド４０と４２を接触させる。
【００７８】
図１１は本発明による製造された膜１１０の走査電子ミクログラフを示す。膜は異方性エッチによって３８０μｍ厚シリコン- ウエハーに形成された１４μｍ厚シリコン膜を有する。３．５μｍ半径開口は深い反応イオンエッチ（ＤＲＩＥ）によりエッチングされた。穴の内部を包含するシリコン表面はシリコン酸化物（石英）の薄層で塗布された。
【００７９】
装置は、図７に示される構成において、上面と底面で流体チャンネルによりプラスチックハウジングに包装される。装置は、小量の孔雀石緑染料をもつ２０μｌの水を装置の上面のチャンネルに加えることによってテストされた。次に、＋５０ミリバールのガス圧は１０秒間印加され、液体が膜に到達するまでチャンネルを充填する。増加吸引或いは圧力が３０或いは６０秒間に印加された。顕微鏡は密封状態の破れを監視するように使用された。破れ後に使用された最高圧力／吸引が注目され、第二使用された最高圧力／吸引がその特定装置の見掛け低限度として注目される。
【００８０】
３０或いは６０秒間の圧力／吸引の印加後に得られた結果の間も、装置のいずれか面からの準備の間も任意の差異であるとは思えない。それ故に、その結果は、圧力或いは吸引が使用された否かに関してのみグループ化された。図３ａにおける状況に対応する正圧の結果は表３に要約される。
【００８１】
┌──────┬──────┬──────┬──────┬──────┐
│低限度      │低限度      │低限度      │低限度      │低限度      │
│＞  ＋１００│＞  ＋１５０│＞  ＋１７０│＞  ＋２００│＞  ＋２３０│
│mbar        │mbar        │mbar        │mbar        │mbar        │
├──────┼──────┼──────┼──────┼──────┤
│１３／１３＝│１２／１３＝│１０／１３＝│５／１３＝  │０／１３＝０│
│１００％    │９２％      │７７％      │３８％      │％          │
└──────┴──────┴──────┴──────┴──────┘
表３：実験的正保持圧力。
【００８２】
テストされた１３チップのすべてにおいて、１００ミリバールは密封能力の効果を有しなかった。一つチップにおいてシールが１５０ミリバールで破れて１００ミリバールの低限度を与える。図３ｂにおける状況に対応する負圧の結果は表４に要約される。
【００８３】
┌──────┬──────┬──────┐
│低限度      │低限度      │低限度      │
│＜  −１５０│＜  −３００│＜  −３５０│
│mbar        │mbar        │mbar        │
├──────┼──────┼──────┤
│５／５＝    │５／５＝    │０／５＝０％│
│１００％    │１００％    │            │
└──────┴──────┴──────┘
表４：実験的負保持圧力。
【００８４】
装置が図８ａと図１０に示される如く使用されるとき、密封能力は膜の両側面が湿っている状況において重要である。それ故に、実験は次の計画で行われた：
１）孔雀石緑染料を含有する１０μｌの水が＋５０mbarの圧力で１０秒間に入口に導入されて、液体表面が膜に到達したことを保証する。
２）３００mbarの３秒ガス圧は入口に印加されて液体が装置を通過できる。
３）＋５０mbarの圧力は５分間入口に印加され、全有効液体容量が装置を通して出口に通過されて装置を密封させることを保証する。
４）８個の異なるチップのために、増加する正圧は、シールの破れや入口の連続的再充填を監視しながら、図３ｄにおける状況に対応して出口に印加された。結果は表５に要約されている。
５）６個の異なるチップのために、増加する負圧は、シールの破れを監視しながら、図３ｃにおける状況に対応して出口に印加された。結果は表６に要約されている。
【００８５】
┌─────┬─────┬─────┬─────┬─────┬─────┐
│低限度    │低限度    │低限度    │低限度    │低限度    │低限度    │
│＞＋１０  │＞＋２０  │＞＋３０  │＞＋４０  │＞＋５０  │＞＋６０  │
│mbar      │mbar      │mbar      │mbar      │mbar      │mbar      │
├─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│８／８＝  │７／８＝  │５／８＝  │４／８＝  │２／８＝  │１／８＝  │
│１００％  │８８％    │６３％    │５０％    │２５％    │１３％    │
└─────┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┘
表５：湿った両側面をもつ実験的正保持圧力。
【００８６】
┌──────┬──────┬──────┐
│低限度      │低限度      │低限度      │
│＜  −２５０│＜  −３００│＜  −４００│
│mbar        │mbar        │mbar        │
├──────┼──────┼──────┤
│６／８＝    │４／８＝    │２／８＝    │
│１００％    │６７％      │３３％      │
└──────┴──────┴──────┘
表６：湿った両側面をもつ実験的負保持圧力。
【００８７】
最後に、実験データは理論的予想と良好に一致した保持圧力を現した。測定された負保持圧力は小さい接触角度をもつ膜のために予想される如く正保持圧力より大きい。表３と４における正と負の保持圧力の間の比は膜の接触角度をτ＝１１°であると推定するために使用されることができ、その角度はシリコン酸化物により形成される膜と良好に一致する。
【００８８】
膜の両側面が湿っていた実験は、予想される如く示され、正負保持圧力間の大きな差を示す。これは、小さい正圧がまだ印加されながら、負圧が必要とされる応用において装置を最も適合させる。これや状況では、装置は親水性材料で膜の企図された乾燥側面を塗布することによって改良されることができる。
【００８９】
参考文献
［１］バイオ材料特性データベース、ミシガン大学、コンタクト：ウイリアム・ジェ・オブリーン博士、指導者（ＦＡＸ：３１３−６４７−５２９３）．クインタレセッセ出版、１９９６年。
［２］マドウ、エム著、「ミクロ製造の原則」第二版（１２月２００１年）ＣＲＣプレス；ＩＳＢＮ：０８４９３０８２６７．
［３］国際特許公表ＷＯ０２／２９４０２．
［４］特許出願明細書、ジェ・キッチンスカイ、アール・トボールスキー、エム・ベッハ出願日：０２年１０月０１日。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１ａ】膜の開口形成部分を示す本発明による膜の概略表現である。
【図１ｂ】図１ａに示された開口の異なる可能な形状を示す概略表現である。
【図１ｃ】図１ａに示された開口の異なる可能な形状を示す概略表現である。
【図２】図１ａに示された膜の次元なし角度依存要因Ｐ（θ）を示す線図である。
【図３】密封空間の種々の構成における本発明による膜の概略表現である。
【図４】本発明の実施例によるミクロ流体システムである。
【図５】本発明の第二実施例によるミクロ流体システムである。
【図６】膜が開口の配列から成る本発明によるミクロ流体システムの膜形成部分の概略表現である。
【図７】入口と出口から成る本発明によるミクロ流体システムの概略表現である。
【図８】本発明によるミクロ流体システムのその他の実施例の概略表現である。
【図９】膜が珪素から形成される本発明によるミクロ流体システムの他の実施例の概略表現である。
【図１０】シリコンチップに一枚に一体化された本発明による電気生理学測定中の開口、電気浸透流ポンプと二枚の膜の集合体を示す概略表現である。
【図１１】本発明による製造された膜の走査電子ミクログラフを示す。
【符号の説明】
【００９１】
１．．．．．測定装置
２．．．．．ポンプ
３．．．．．膜
４．．．．．流体チャンネル
５．．．．．膜
６．．．．．ポンプ
７．．．．．測定装置
８．．．．．相互接続チャンネル
９．．．．．第二膜
１０．．．．膜
１１．．．．貫通開口
１２．．．．膜
１３．．．．液面
１４．．．．入口
１５．．．．膜
１６．．．．出口
１７．．．．入口
１８．．．．包囲容量
１９．．．．出口
２０．．．．第一膜
２１．．．．第二膜
２２．．．．ポンプ
２３．．．．測定装置
２４．．．．ポンプ装置
２５．．．．膜
２６．．．．孔
２７．．．．シリコンチップ
２８．．．．チャンネル形成層
２９．．．．化学電極
３０．．．．包囲容量
３１．．．．膜
３２．．．．入口チャンネル
３３．．．．電気浸透流ポンプ
３４．．．．上面流体システム
３５．．．．開口
３６．．．．流体システム
３７．．．．篩開口
３８．．．．換気チャンネル
３９．．．．電気化学電極
４０．．．．パッド
４１．．．．電気化学電極
４２．．．．パッド
５０．．．．システム
【手続補正書】
【提出日】平成18年3月30日(2006.3.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
好ましい実施例は図９に示され、孔をもつ膜は標準ＭＥＭＳ技術（参考２を参照）を使用する珪素基体に形成される。この構造は珪素基体４６、膜２５と、膜に平版的に形成され且つエッチングされた孔２６から成る。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７５】
チップが包囲容量６０に適切に作用するためには、液体で充填され、膜３１から形成された準備入口と膜３７から形成された換気出口とが密封される。膜３１は液体が最初に導入される入口チャンネル６２を有する。膜３１の開口は１．５−４μｍの半径を有する。膜は任意に疎水性材料により塗布されることができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
電気浸透流ポンプ３３は液体入口と電気化学電極を含有する上面流体システム６４を有する。ポンプ３３の開口は０．２−０．７μｍの半径を有する。電気生理学測定３５を実施する開口は膜の０．３−１．０μｍの半径をもつ単一開口から成る。流体システム６６は細胞の入口と少なくとも一つの電気化学電極を含有して存在する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７７】
膜は包囲容量に最初に含有された空気が放出できる換気チャンネル６８を有する。膜３７の篩開口は１．５−４μｍの半径を有する。膜は任意に疎水性材料により塗布されることができた。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７８】
膜３１，３７，ポンプ３３と膜形成開口３５は１−５０μｍの同じ膜厚で形成されることができる。電気化学電極３９と４１は包囲容量３０に包含されることができ、底板２９の貫通穴と接触されてパッド４４と４２を接触させる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2006518851.tif 000015
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2006518851.tif 000016
【国際調査報告】
2006518851.tif 000017
2006518851.tif 000018
2006518851.tif 000019