(57)【要約】マイクロ流体デバイスは、複数のマイクロ流体チャネルと、複数の対応する誘電泳動（ＤＥＰ）電極アレイとを含み、各マイクロ流体チャネルは、ＤＥＰ電極アレイ上に流体を導くように配置され、その結果、使用時に標的粒子がＤＥＰ電極アレイによって操作される。デバイスは、デバイスを交流電流源に接続するための第１の接続点及び第２の接続点を更に含み、各ＤＥＰ電極アレイの第１の入力は、第１の導体を介して第１の接続点に接続され、各ＤＥＰ電極アレイの第２の入力は、第２の導体を介して第２の接続点に接続される。各電極の第１の入力と第１の接続点との間の第１の導体の抵抗、及び各電極の第２の入力と第２の接続点との間の第２の導体の抵抗は、接続された電極アレイの全抵抗よりも実質的に少なくとも１桁小さい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のマイクロ流体チャネル及び複数の対応する誘電泳動（ＤＥＰ）電極アレイを含むマイクロ流体デバイスであって、各マイクロ流体チャネルは、ＤＥＰ電極アレイ上に流体を導くように配置され、前記デバイスは、交流電流源に前記デバイスを接続するための少なくとも１つの第１の接続点及び少なくとも１つの第２の接続点と、第１の導体を介して前記第１の接続点に接続された各ＤＥＰ電極アレイの第１の入力と、第２の導体を介して前記第２の接続点に接続された各ＤＥＰ電極アレイの第２の入力と、を更に含み、
各電極の前記第１の入力と前記第１の接続点との間の前記第１の導体の抵抗、及び各電極の前記第２の入力と前記第２の接続点との間の前記第２の導体の抵抗は、接続された前記電極アレイの全抵抗よりも実質的に少なくとも一桁小さい、マイクロ流体デバイス。
【請求項２】
各ＤＥＰ電極アレイは、１つのマイクロ流体チャネルのみに関連付けられる、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３】
前記ＤＥＰ電極アレイは、電気的に並列に接続されている、請求項１又は２に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４】
前記第１の接続点及び前記第２の接続点は、前記デバイス上の唯一の接続点である、請求項１乃至３の何れかに記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項５】
前記ＤＥＰ電極アレイは、それぞれ、くし型電極（ＩＤＥ）アレイを含む、請求項１乃至４の何れかに記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項６】
各ＩＤＥアレイは、５〜４０個の電極を含む第２の電極セットと相互嵌合された５〜４０個の電極を含む第１の電極セットを含む、請求項５に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項７】
各ＩＤＥアレイは約２ｍｍ〜８ｍｍの長さである、請求項５又は６に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項８】
各ＩＤＥアレイは、約８０ｋＶ／ｍ  ＲＭＳの平均電界を生成するように動作可能である、請求項７に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項９】
前記ＤＥＰ電極アレイは、それぞれ、１．６〜２．４ｋΩの抵抗を有する、請求項１乃至８の何れかに記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１０】
前記デバイスは、対応する分析デバイスに挿入可能なマイクロ流体カセットである、請求項１乃至９の何れかに記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１１】
少なくとも２つのＤＥＰ電極アレイを含む、請求項１乃至１０の何れかに記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１２】
前記第１及び第２の導体は、導電性リードを含む、請求項１乃至１１の何れかに記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１３】
前記導電性リードは、基板上に堆積された導電性材料を含む、請求項１２に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１４】
前記導電性リードの各々は、前記導電性リードのエッジ長を増加させるために、導電性材料が存在しない１つ以上の内部ギャップを含む、請求項１３に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１５】
前記導電性材料は、金、ニッケル、白金、又はアルミニウムを含む、請求項１３又は１４に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項１６】
前記標的粒子は標的細胞である、請求項１乃至１５の何れかに記載のマイクロ流体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ流体デバイス、及び標的粒子を選択的に操作するために誘電泳動（ＤＥＰ）を使用するマイクロ流体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電泳動（ＤＥＰ）は、粒子の誘電特性に基づいて粒子を選択的に移動及び／又は操作するために使用され得る周知の現象である。粒子は、場の勾配の方向（正のＤＥＰ）又は逆方向（負のＤＥＰ）のいずれかに移動する。
【０００３】
特に、ＤＥＰアレイ（例えば、くし型電極アレイを含む）は、その形状並びにアレイに接続された電源の電圧及び周波数に基づいて、ＤＥＰアレイ上を通過する流体から特定の粒子を選択的に操作するように適合され得る。
【０００４】
原則として、ＤＥＰは、例えば、流体試料が、流体媒介病原体粒子又は病原体に関連する粒子を同定及び分析するために処理される、マイクロ流体診断のための有望な粒子の選択機構を提供する。例えば、結核感染の診断及び重症度を評価するために、患者からの流体試料が分析され、結核菌細胞の存在及び量が同定される。
【０００５】
一般に、商業的に実行可能なポイントオブケア（ＰＯＣ）マイクロ流体診断デバイスを製造するために、デバイスは、許容可能な期間内に正確な診断を提供することができなければならない。この制約は、典型的には、許容可能な期間内に試料から診断に到達するために、デバイスを通過する試料の最小流量率を規定する。商業的に許容可能なサイズ及びコストのデバイスにおいて必要とされるレベルの試料フローを達成するために、典型的には、複数の並列処理チャネルを提供することが必要であり、各チャネルは、同じ診断プロセスを実行する（例えば、目的の粒子を単離する）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
残念ながら、複数の並列処理チャネルを含むマイクロ流体デバイスにおいて、ＤＥＰ型の粒子操作システムを実装しようとする場合、かなりの技術的問題が生じる。例えば、ＤＥＰ電極アレイは、生成する電界が所望の粒子を標的とすることを確実にするために、注意深く「調整」されなければならない。複数のＤＥＰ電極アレイを含むデバイスは、商用実装には必要であるものの、デバイス内のばらつきによって、ＤＥＰ電極アレイが互いに異なって機能する（例えば、一貫しないレートで標的粒子を捕捉する）傾向があるため、実装が困難である。特定の許容レベルを超えると、このような性能の差が信頼できない診断結果につながる可能性がある。
【０００７】
更に、複数のＤＥＰ電極アレイを含むマイクロ流体デバイスを実装するには、電極を駆動するためにデバイスに供給されるべき電力が比較的高いレベルであることが必要である。したがって、加熱による許容できないレベルの電力消費を回避するために、ＤＥＰ電極アレイを電源に接続する導電性材料の量を増やす必要がある。しかしながら、商用実装されるマイクロ流体ＰＯＣデバイス（例えば、分析デバイスに挿入される使い捨てカセット）に典型的に関連するスケール及び幾何学的形状では、導電性材料の密着性が不十分であることに起因して、導電性材料が基板の表面から剥離する可能性があるため、導電性材料の量を単に増加させることは困難であり得る。
【０００８】
本発明の特定の実施形態の目的は、従来技術による上記の欠点に少なくとも部分的に対処することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、複数のマイクロ流体チャネルと、複数の対応する誘電泳動ＤＥＰ電極アレイと、を含むマイクロ流体デバイスが提供される。各マイクロ流体チャネルは、ＤＥＰ電極アレイ上に流体を導くように配置される。このデバイスは、当該デバイスを交流電流源に接続するための第１の接続点及び第２の接続点を更に含み、各ＤＥＰ電極アレイの第１の入力は、第１の導体を介して第１の接続点に接続され、各ＤＥＰ電極アレイの第２の入力は、第２の導体を介して第２の接続点に接続される。各電極の第１の入力と第１の接続点との間の第１の導体の抵抗、及び各電極の第２の入力と第２の接続点との間の第２の導体の抵抗は、接続された電極アレイの全抵抗よりも実質的に少なくとも１桁小さい。
【００１０】
ＤＥＰ電極アレイが正のＤＥＰ（ｐＤＥＰ）を利用する場合、マイクロ流体チャネルは、使用中、標的粒子が保持、又はＤＥＰ電極アレイに向かって引き付けられるように配置される。
【００１１】
任意に、各ＤＥＰ電極アレイは、１つのマイクロ流体チャネルのみに関連付けられる。
【００１２】
任意に、ＤＥＰ電極アレイは、電気的に並列に接続される。
【００１３】
任意に、第１の接続点及び第２の接続点は、デバイス上の唯一の接続点である。
【００１４】
任意に、ＤＥＰ電極アレイは、それぞれ、くし型電極（ＩＤＥ）アレイを含む。
【００１５】
任意に、各ＩＤＥアレイは、５〜４０個の電極を含む第２の電極セットと相互嵌合された５〜４０個の電極を含む第１の電極セットを含む。
【００１６】
任意に、各ＩＤＥアレイは、長さが約２ｍｍ〜８ｍｍであり、幅が２．７〜３．０ｍｍである。幅１．７ｍｍの２次ＩＤＥアレイが提供される場合がある。
【００１７】
任意に、各ＩＤＥアレイは、幅が５０μｍであり、離隔距離が５０μｍのフィンガからなる。
【００１８】
任意に、各ＩＤＥアレイは、約１２Ｖ（４Ｖ  ＲＭＳ）のピーク・ピーク電圧で動作可能であり、約８０ｋＶ／ｍ  ＲＭＳの平均電界を生成する。
【００１９】
任意に、ＤＥＰ電極アレイは、それぞれ、１．６〜２．４ｋΩの抵抗を有する。これは、伝導率が１５０〜２２０μＳ／ｃｍであり、幅が２ｍｍであり、長さが４ｍｍである電極の場合である。
【００２０】
このＤＥＰ電極アレイの抵抗は、溶液の伝導率に依存する。異なる試料又は試料調製方法によって、これはかなり変化する。それはＩＤＥアレイの幅にも依存する。
【００２１】
任意に、上記デバイスは、対応する分析デバイスに挿入可能なマイクロ流体カセットである。
【００２２】
任意に、上記デバイスは、少なくとも２つのＤＥＰ電極アレイを含む。
【００２３】
より一般的には、上記デバイスは、２つ超えのＤＥＰ電極アレイを含む。
【００２４】
ＤＥＰ電極の好ましい数は、対象とする試料及び細胞にある程度依存する。例えば、痰試料を試験する場合、十分な流通を可能にするために２つ超えのＤＥＰ電極を有することが有利であり得るが、対象試料が多数存在する場合、２つのＤＥＰ電極のみを使用することが適している。
【００２５】
任意に、第１及び第２の導体は、導電性リードを含む。
【００２６】
任意に、導電性リードは、基板上に堆積された導電性材料を含む。
【００２７】
任意に、導電性リードの各々は、導電性リードのエッジ長を増大させるために、導電性材料が存在しない１つ又は複数の内部ギャップを含む。
【００２８】
任意に、導電性材料は、金、白金、又はアルミニウムを含む。導電性材料は、また、複数の層を含むことができ、上部表面層は、金、白金、又はアルミニウムであり、任意の下部基板層は、例えばニッケル又はタンタルである。下部基基板層は、典型的には接着性を改善するために含まれ、上層には、典型的には生体適合性材料が使用される。例えば、導電性材料は、上部に薄い金層を有する５ｕｍのニッケルであってもよい。
【００２９】
任意に、標的粒子は標的細胞である。
【００３０】
本発明のある態様によれば、典型的には並列に接続され、且つ共通の一対の接続点から電力が供給される複数のＤＥＰ電極アレイを含むマイクロ流体デバイスを配置するための技術が提供される。この技術によれば、特に、各電極アレイについて、接続点と対応するＤＥＰ電極アレイの入力との間の全抵抗が、数式１によって計算される接続されたＤＥＰ電極アレイの全抵抗よりも１桁オーダーが小さい場合、電極入力への抵抗の変動、及び接続点から電極入力への抵抗の変動に起因してＤＥＰの操作に生じるあらゆる差が許容可能なレベル内に留まる。
【００３１】
【数１】
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【００３２】
ＸがＹよりも「1桁オーダーが小さい」という用語は、ＸがＹの１／１０以下であることを意味する。
【００３３】
この認識によって、ＤＥＰ電極アレイの動作の一貫性が許容可能なレベルを下回ることなく、例えば並列に配置され、有利には接続点の単一のセットから給電される複数のＤＥＰ電極アレイを含むマイクロ流体デバイスが提供され得る。この特定の認識がない場合、この構成のマイクロ流体デバイスでは、許容できないレベルの不整合が発生するか、或いは導体に対して必要より多い導電性材料が必要となり、デバイスのコスト及びサイズが増大することになる。
【００３４】
本発明の様々な更なる特徴及び態様が、特許請求の範囲において定義される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】誘電泳動（ＤＥＰ）を使用して標的粒子を選択的に捕捉するためのマイクロ流体デバイスにおいて使用するための、複数の電極アレイに交流電流を供給するための配置の概略図である。
【図２】複数のマイクロ流体チャネルを含むマイクロ流体デバイスの一部の概略図である。
【図３】並列に接続され、且つ一対の供給パッドによって供給される３つの電極アレイを含む図１に示す配置の等価回路を示す図である。
【図４】導電性リードの抵抗が０である理想的な場合を示す図である。
【図５】従来の導電性リードの一部、従来の改良された導電性リードの一部、本発明の特定の実施形態による導電性リードの一部、及び本発明の特定の代替実施形態による導電性リードの一部を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に従って配置され得るマイクロ流体カセットの分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明の実施形態は、添付の図面を参照して、単なる例として説明される。ここで、同様の部分は、対応する参照番号が付される。
【００３７】
図１は、誘電泳動（ＤＥＰ）を使用して標的粒子を選択的に捕捉するためのマイクロ流体デバイスにおいて使用するための、複数の電極アレイに交流電流を供給するための配置の概略を示す図である。記載される例は、正のＤＥＰ（ｐＤＥＰ）を使用する。
【００３８】
配置１０１は、第１の電極アレイ１０２と第２の電極アレイ１０３と第３の電極アレイ１０４とを含む。各電極アレイは、くし型の電極（ＩＤＥ）アレイを含む。典型的な実施態様では、より多くの電極アレイが使用され得るが（例えば、それぞれがそれ自体の電極アレイを有する３２個の平行チャネル（各チャネルは２ｍｍの幅である）がＰＯＣデバイスに適切なフットプリントを与える）、明瞭化のため図１には３つだけが示されている。
【００３９】
図面では、線形のくし型電極アレイを示しているが、異なる物理的構造のアレイを使用することができ、例えば、くし型の螺旋電極を使用することができることを理解されたい。
【００４０】
第１、第２、及び第３の電極アレイ１０２、１０３、１０４は、導電性リードを介して、第１の供給パッド１０５によって提供される接続点と、第２の供給パッド１０６によって提供される更なる接続点と、に接続される。使用時、供給パッドは、交流電流電源１０７に接続される。
【００４１】
第１、第２、及び第３の電極アレイ１０２、１０３、１０４は、並列に接続される。より具体的には、第１の供給パッド１０５が第１の導電性リード１０８を介して、第１の電極アレイ１０２の第１の入力と、第２の電極アレイ１０３の第１の入力と、第３の電極アレイ１０４の第１の入力と、に接続される。第１の導電性リード１０８は、全ての電極アレイに共通の主分岐１０８ａと、第１の電極アレイ１０２の第１の入力と接続する第１の副分岐１０８ｂと、第２の電極アレイ１０３の第１の入力と接続する第２の副分岐１０８ｃと、第３の電極アレイ１０４の第１の入力と接続する第３の副分岐１０８ｄと、を含む。第２の供給パッド１０６は、第２の導電性リード１０９を介して、第１の電極アレイ１０２の第２の入力と、第２の電極アレイ１０３の第２の入力と、第３の電極アレイ１０４の第２の入力と、に接続される。第２の導電性リード１０９は、全ての電極アレイに共通の主分岐１０９ａと、第１の電極アレイ１０２の第２の入力と接続する第１の副分岐１０９ｂと、第２の電極アレイ１０３の第２の入力と接続する第２の副分岐１０９ｃと、第３の電極アレイ１０４の第２の入力と接続する第３の副分岐１０９ｄと、を含む。
【００４２】
使用に際して、図１に示される配置は、マイクロ流体デバイスの一部を形成する。このようなデバイスの操作は、図２を参照してより詳細に説明される。
【００４３】
図２は、複数のマイクロ流体チャネル２０１、２０２、２０３を含むマイクロ流体デバイスの一部の概略図である。各マイクロ流体チャネルは、対応する電極アレイ２０４、２０５、２０６上を通過する。電極アレイは、それぞれ、電気的に並列に接続され、上述のように第１の導電性リード及び第２の導電性リードを介して、第１の供給パッド２０７及び第２の供給パッド２０８に接続される。対応する電極アレイ（「ＤＥＰ床（ＤＥＰ  ｂｅｄ）」と称する）の上を通過する各マイクロ流体チャネルの領域は、動作中に標的粒子が引き付けられ、保持される領域である。ＤＥＰ床２０９、２１０、２１１は、典型的にはチャネルがＤＥＰ床と交差する点でマイクロ流体チャネルよりも幅が大きく、これにより、全ての試料が電極と交差することが保証される（外側の周りを流れることはない）。
【００４４】
動作時、交流電流が供給パッド２０７、２０８に印加される。交流電流は、各ＤＥＰ床２０９、２１０、２１１に交流電界を確立する第１及び第２の導電性リードを通って伝搬する。標的粒子を含む流体は、マイクロ流体チャネルの各々を通って流れる。交流電流の電圧及び周波数が正しく選択されると仮定すると、標的粒子は、各ＤＥＰ床を通過する際に、誘電泳動効果によって電極に引き付けられ、ＤＥＰ床内に保持される。
【００４５】
一例では、デバイスは、結核菌細胞を標的とし、可視化及び更なる処理のためにそれらを濃縮するように配置される。このような配置では、電極アレイは、典型的には２０対の電極フィンガを有し、そのアレイは、２ｍｍのチャネルを横切るように床幅が２．７ｍｍであり全長が約４ｍｍであり（各電極フィンガの幅及びフィンガ間の間隔が５０ミクロンである）、ＡＣ電源は、８０ｋＶ／ｍ  ＲＭＳの平均場を生成する１０ＭＨｚの周波数で約１２Ｖ（４Ｖ  ＲＭＳ）のピーク・ピーク電圧を提供する。
【００４６】
結核菌を見る場合、試料流体は、代表的にはヒト対象由来の痰であり（しかし、広範囲の細胞が標的化され得、そして再懸濁されたスワブ材料、血液、血漿、唾液等を含む他の生物学的試料材料が使用され得る）、緩衝液による薄化及び脱塩等の前処理に供されている。
【００４７】
このようにして、流体の処理及び／又は分析が行われ得る。例えば、各標的粒子が蛍光マーカーでタグ付けされる場合、所定のフロー時間後に各ＤＥＰ床に捕捉又は保持される標的粒子の数は、顕微鏡（不図示）等の光学機器を使用した目視検査によって評価され得る。
【００４８】
代替的又は追加的に、標的粒子を含む流体がデバイスを通過し、標的粒子がＤＥＰ床に保持されると、第２の流体をマイクロ流体チャネルに通すことができ、その間、交流電流が低減されるか、或いはスイッチオフされる。したがって、標的粒子は、更なる処理又は分析のために更なるチャンバ（不図示）に流され得る第２の流体中に、或いはデバイスから溶出され得る第２の流体中に放出される。これにより、溶解、ＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）、及び核酸検出等の下流処理のためのより濃縮された試料が提供される。
【００４９】
標的粒子を正確に分析するために、特に、流体試料中の標的粒子の体積の推定を含む分析のために、ＤＥＰ床が一貫して作動することが重要である。すなわち、誘電泳動効果が一貫性を有することにより、各ＤＥＰ床は、標的粒子を同程度に引き付けて保持する。各ＤＥＰ床が一貫して動作するためには、各電極アレイによって生成される電界の差が最小化されることを確実にすることが重要である。
【００５０】
図２を参照して理解できるように、１組の供給パッドのみが使用されることを考慮すると、電極アレイは、左から右に、第１及び第２の供給パッドから漸次離れる。
【００５１】
電極が供給パッドから更に離れると、交流電流は、電極に到達する前に、導電性材料を通って伝搬しなければならない。したがって、供給パッドと電極との間の全抵抗は、供給パッドから電極までの距離が増加するにつれて漸次増加する。この抵抗差によって、各電極アレイでの電圧、ひいては各ＤＥＰ床で生成される電界が異なる。したがって、誘電泳動効果が各ＤＥＰ床で異なり、その結果、標的粒子は、同程度に引き付けられず保持されない。
【００５２】
これは、並列に接続され、単一の対の供給パッドによって供給される３つの電極アレイを含む、図１の配置に対する等価回路である図３に示された等価回路に記述される。
【００５３】
図３は、第１の電極アレイ用の供給パッド間の抵抗が、供給パッドと第２の電極アレイとの間の抵抗とは異なることを示しており、その結果、各電極アレイにおける電圧に差（ひいては電界強度に差）が生じる。
【００５４】
より具体的には、図３は、第１の電極アレイ（ＲＩＤＥ１）、第２の電極アレイ（ＲＩＤＥ２）、及び第３の電極アレイ（ＲＩＤＥ３）の抵抗を示す。図３は、更に、第１の供給パッド１０５と第１の電極アレイの第１の入力との間の第１の導電性リード１０８の部分の抵抗（ＲＬ１）、第１の供給パッド１０５と第２の電極アレイの第１の入力との間の第１の導電性リード１０８の部分の「追加」抵抗（ＲＬ２）、及び第１の供給パッド１０５と第３の電極アレイの第１の入力との間の第１の導電性リード１０８の部分の更なる「追加」抵抗（ＲＬ３）を示す。
【００５５】
図３は、更に、第２の供給パッド１０６と第１の電極アレイの第２の入力との間の第２の導電性リード１０９の部分の抵抗（ＲＬ４）、第１の供給パッド１０５と第２の電極アレイの第２の入力との間の第２の導電性リード１０９の部分の「追加」抵抗（ＲＬ５）、及び第２の供給パッド１０６と第３の電極アレイの第２の入力との間の第２の導電性リード１０９の部分の更なる「追加」抵抗（ＲＬ６）を示す。
【００５６】
図３を参照すれば理解できるように、電極アレイは並列に接続されているが、各電極の入力と供給パッドとの間の異なる全抵抗量のため、所与の電圧入力Ｖａｃに対して、各電極にわたる電圧が異なることになる。つまり、ＶＩＤＥ１は、ＶＩＤＥ３より大きいＶＩＤＥ２よりも大きくなる。
【００５７】
ＶＩＤＥ１、ＶＩＤＥ２、及びＶＩＤＥ３の差を最小限に抑えるには、導電性リードの抵抗をできるだけ小さくする必要がある（図３のＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３、ＲＬ４ＲＬ５、及びＲＬ６等）。実際、理想的な実施では、導通性リードの抵抗（例えば、図３のＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３、ＲＬ４ＲＬ５、及びＲＬ６）は０になる。このような理想的な場合、図３の等価回路は、単に（図４に示されるように）並列の３つの電極アレイの抵抗になり、その場合、電極アレイを横切る電圧（したがって電界）は同じになる。
【００５８】
したがって、導電性リードの抵抗をできるだけ小さくすることが望ましい。これは、導電性リードの伝導率を増加させることによって達成することができ、任意の所与の導電性材料について、導電性リードを形成する導電性材料の幅又は厚さを増加させることによって達成することができる。しかしながら、サイズが重要な要因である実装（例えば、ポイントオブケア（ＰＯＣ）マイクロ流体デバイス）では、導体材料を堆積するために利用可能な表面積が非常に制約される。この同じ大きさの制約は、典型的には各電極アレイがそれ自体のセットの供給パッドによって供給されることを防止し、そうでなければ、各電極アレイの至る所に一貫した電圧が印加されることを保証する別の手段となる。リードの厚さを増加させると、結果的に製造コストの増加にもなるため望ましくない。
【００５９】
電極アレイを並列に接続することにより、１つの電極に故障がある場合に、残りの電極が機能し続けることが保証される。また、ＤＥＰ電極を並列に接続することによって、個々のＤＥＰ電極のそれぞれの電極抵抗は、それ自体、下流の電極のための「リードイン」として関連するものとはならない。
【００６０】
本発明のある実施形態によれば、複数の電極アレイが並列に接続される実装（したがって、単一セットの供給パッドを使用して電極を供給することを可能にする）の場合、各電極に繋がっている各導電性リードの全抵抗が、各電極の全抵抗よりも約１０倍小さい場合、各電極アレイにおける電界間の差は許容可能なレベルの一貫した動作を確実にすることができるほど十分に低減されることが分かった。
【００６１】
図１を参照すると、点Ａと点Ｂとの間の抵抗は、第１の供給パッド１０５から第１の電極アレイ１０２の第１の入力への導電性リードの全抵抗であり、点Ｂと点Ｃとの間の抵抗は、第１の電極アレイ１０２の抵抗であり、点Ｃと点Ｄとの間の抵抗は、第２の供給パッド１０６から第１の電極アレイ１０２の第２の入力への導電性リードの全抵抗である。同様に、点Ａと点Ｅとの間の抵抗は、第１の供給パッド１０５から第２の電極アレイ１０３の第１の入力への導電性リードの全抵抗であり、点Ｅと点Ｆとの間の抵抗は、第２の電極アレイ１０３の抵抗であり、点Ｆと点Ｄとの間の抵抗は、第２の供給パッド１０６から第２の電極アレイ１０３の第２の入力への導電性リードの全抵抗である。同様に、点Ａと点Ｇとの間の抵抗は、第１の供給パッド１０５から第３の電極アレイ１０４の第１の入力への導電性リードの全抵抗であり、点Ｇと点Ｈとの間の抵抗は、第３の電極アレイ１０４の抵抗であり、点Ｈと点Ｄとの間の抵抗は、第２の供給パッド１０６から第３の電極アレイ１０４の第２の入力への導電性リードの全抵抗である。
【００６２】
したがって、本発明の特定の実施形態によれば、第１の電極アレイ１０２、第２の電極アレイ１０３、及び第３の電極アレイ１０４で生成される電界間の差は、数式２のように計算される接続された電極アレイ１０２（抵抗Ｂ及びＣ）、１０３（ＥとＦの間の抵抗）、及び１０４（ＧとＨの間の抵抗）の全てに対する全抵抗が、［点Ａと点Ｂとの間の抵抗］＋［点Ｃと点Ｄとの間の抵抗］＋［点Ａと点Ｅとの間の抵抗］＋［点Ｆと点Ｄとの間の抵抗］＋［点Ａと点Ｇとの間の抵抗］＋［点Ｈと点Ｄとの間の抵抗］よりも少なくとも約１０倍大きい場合、一貫した動作の許容レベルを保証することができるほど十分に低減される。
【００６３】
【数２】
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【００６４】
適切な抵抗比を有するデバイスを製造する方法は当業者に知られており、抵抗バランスが設計段階でモデル化され得、及び／又は品質管理（ＱＣ）試験が抵抗比をチェックするために実施され得る。
【００６５】
本明細書に記載されるように、特定の実施形態では、適切な抵抗比が導電性リードの幾何学的形状及び／又は断面積を制御することによって提供され得る。
【００６６】
他の実施形態では、導電性リードの幾何学的形状及び／又は断面積を制御する代わりに、或いはこれに加えて、導電性リード及び／又は電極アレイが構成される材料をこれらの材料の抵抗率に基づいて選択することによって、適切な抵抗比が提供され得る。このような実施形態では、導電性リードの材料は、電極アレイの材料よりも低い抵抗率を有する。
【００６７】
適切な抵抗比を提供するために、導電性リード及び電極アレイに用いる材料の異なる組み合わせが使用され得ることが理解されるのであろう。
【００６８】
導電性リードに用いられる適切な材料の例には、金、銀、アルミニウム、ベリリウム、チタン、又はクロムが含まれる。
【００６９】
電極アレイに用いられる材料の例としては、アルミニウム、ベリリウム、タングステン、亜鉛、ニッケル、チタン、又は白金が挙げられる。
【００７０】
特定の実施形態では、導電性リードは、金から構成され、電極アレイは、白金から構成される。この組み合わせは、有利に適切な抵抗比を提供することができ、同時に耐酸化性を改善することもできる。
【００７１】
特定の実施形態では、酸化を低減又は防止するために、導電性リード及び／又は電極アレイを覆うように非酸化保護層が設けられ得る。
【００７２】
特定の実施形態では、導電性リード及び／又は電極アレイは、「複合」導電性リード又は電極アレイを形成するために２つ以上の材料層から構成され得る。例えば、導電性リード及び／又は電極アレイは、異なる材料で構成された複数の層で構成され得る。
【００７３】
一実施形態では、ベース層及びトップ層が第１の材料から構成され、ベース層とトップ層との間に位置する中間層が第１の材料と異なる第２の材料から構成される。
【００７４】
更なる実施形態では、ベース層及びトップ層は、異なる材料から構成される。ベース層は、基板との接着を促進するためにチタン又はクロムから構成され得る。ベース層の深さは、約５〜１０ｎｍとされ得る。トップ層は、アルミニウム又は金から構成され得る。
【００７５】
上述した実施形態では、各層の断面積及び／又は厚さは、適切な抵抗比を提供するように独立して選択され得る。
【００７６】
ＤＥＰ電極にわたる許容可能な一貫性は、検討中の試料、所望の有効性、並びに電流試験の有効性及び効率に応じて、いくらか異なる。好ましくは、異なる電極アレイにわたる許容可能な一貫性のレベルは、電極間の電界強度の２５％差未満、より好ましくは電極間の電界強度の１０％差未満、より好ましくは電極間の電界強度の１％未満差である。
【００７７】
分散が大きすぎると、少なくともいくつかのチャネルにおける細胞の捕捉又は操作が非効率的になり、いくつかのチャネルでは熱が発生しすぎることがある。
【００７８】
上述した一貫したＤＥＰ床の操作を保証する要件と同様に、導電性リードの加熱によるエネルギー散逸を最小化し、ＤＥＰ床での電界におけるエネルギー散逸を最大化するために、導電性リードの抵抗を低減することも望ましい。これは、複数の電極アレイの駆動に伴う比較的高い電力散逸（３２個の電極アレイを含むデバイスが約１Ｗの電力を消費すると予想される）がある場合に特に当てはまる。複数のＤＥＰアレイで対処する必要がある特定の問題は、試料の加熱が、カセットの中央のＤＥＰアレイで特に集中し、冷却するのが困難であり得るので、重大な問題を引き起こし得ることである。
【００７９】
マイクロ流体デバイスと類似のスケールの従来の電子的用途（例えば集積回路）で使用される導電性リードは、典型的には小さすぎて、所望のレベルの抵抗を提供することができない。換言すれば、このような導電性リードのコンダクタンスは低すぎる。他の用途では、コンダクタンスの許容レベルを達成するために、かなりより厚い導電層及び／又はより広いリードが使用される。
【００８０】
電極アレイを供給パッドに接続する導電性リードの抵抗を最小化するために、導電性リードが形成される導電性材料の幅及び／又は厚さ領域を可能な限り増大させる必要がある。典型的には、導電性リードの幅を、同様のスケールの電子用途で従来使用されていたサイズを超えて増大させる必要がある。
【００８１】
しかしながら、典型的なマイクロ流体の幾何学的形状のスケールにおいて、導電性材料が例えばアクリル若しくはポリプロピレンといったポリマー基板、又はガラス基板上に結合／堆積されて導電性リードが形成されるリフトオフリソグラフィの従来の技術を使用して、導電性リードの表面積をあるサイズを超えて増加させることは、基板からの導体材料の層剥離の可能性を増加させる。これは、導電性材料の表面積とその外縁の長さとの比が閾値を下回る場合、導電性リードのエッジにおける導電性材料の表面張力が導電性材料と基板との接着力よりも大きくなるためである。典型的には、導電性リードに内部ギャップを設けてエッジの量を増加させることによって、導電性材料の表面積とその外縁の長さとの比が減少される。好ましくは、内部ギャップが細長いギャップであり、その結果、複数の細長いセクション又は部分を有する導電性材料が得られる（この構成は、細長いセクションのうちの１つが製造欠陥を有する場合、これが完全な故障をもたらさないという追加の利点を有する）。
【００８２】
本発明の実施形態によれば、導電性リードは、導電性材料の表面積及び導電性リードのエッジ長の両方が最大になるように配置される。より具体的には、導電性リードが、導電性材料が存在しない内部ギャップを含むため、導電性リードの外縁とその全表面積との比が増大する。これは、導電性材料の表面張力を減少させ、導電性リードのエッジにおける接着力を増加させて、層剥離の可能性を減少させる。
【００８３】
この概念が図５に示される。
【００８４】
図５は、あるマイクロ流体用途に類似したスケールの電子機器に使用される従来の導電性リード５０１の一部を示す概略図である。この導電性リードの表面積は、あるマイクロ流体用途に、例えば多電極アレイを含むものに、特に単一セットの供給パッドから駆動される多電極アレイを含むものに、所望のレベルの導電性を与えるのに十分な導電性材料を提供しない。
【００８５】
図５は、導電性材料の増加により必要なレベルの導電性を提供する従来の修正された導電性リード５０２の一部を示す。しかしながら、表面張力の増加のために、導電性リード５０２の縁部は、基板からの層剥離の危険性がある。
【００８６】
図５は更に、本発明のある実施形態による導電性リード５０３、５０３ａの一部を示し、導電性リード５０３、５０３ａの一部は、導電性材料の量を増加させることによって必要なレベルの導電性を提供するが、導電性リードの外縁の長さとその全表面積との比を増加させるために、導電性材料が存在しない内部ギャップ５０４、５０４ａを含む。また、図から分かるように、内部ギャップ５０４、５０４ａは、様々な形状とすることができる。
【００８７】
図１に示す実施形態では、電極を供給パッドに接続する導電性リード１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃは、ギャップによって分離された複数の接続された平行な導電線によって提供される。複数の接続された導電線を設けることにより、導電性リード内に内部ギャップが導入され、それによって導電性リードの全エッジ長が長くなり、したがって、基板からの導電性リードの層剥離の危険性が低減される。
【００８８】
任意の適切な形状及び大きさのギャップが使用され得ることが理解されるであろう。例えば、場合によっては、ギャップは、平行な細長い部分の代わりに、正方形の切り抜きであってもよい。
【００８９】
図６は、本発明のある実施形態によるマイクロ流体デバイスの概略図である。
【００９０】
より具体的には、図６は、典型的にはポリプロピレンを含む第１の基板層６０２を含むマイクロ流体カセット６０１の分解図である。基板層６０２上には、上述したように、電極アレイと、導電性リードと、一対の供給パッドとを含む導電性層６０３がある。特に、上述のように、電極アレイ、導電性リード、及び供給パッドは、各電極の入力と供給パッドとの間の導電性リードの抵抗が接続された電極アレイの全抵抗よりも実質的に少なくとも１桁小さいように配置される。更に、ある実施形態では、上述のように、導電性リードは、導電性材料が存在しない内部ギャップを含むため、導電性リードの外縁とその全表面積との比が増大する。
【００９１】
導電性層の上にはマイクロ流体チャネルを含むマイクロ流体チャネル層６０４があり、マイクロ流体チャネルは、標的粒子が引き付けられて保持されるＤＥＰ床を形成する電極アレイ上に流体を導くように配置される。
【００９２】
マイクロ流体チャネル層６０４は、電極アレイを含む導電性層の一部にわたって延在するが、ＡＣ電源への接続のために、露出された供給パッド６０５ａ、６０５ｂを残す。マイクロ流体チャネル層６０４は、分析されるべき流体が駆動されるための入口ポート６０６と、カセットを通過した流体が通って出るための対応する出口ポート６０７と、を含む。
【００９３】
使用に際して、マイクロ流体カセットは、流体試料を受け取り、任意の必要な前処理ステップ（例えば、流体の粘度、染料又は蛍光体を添加する塩含有量（イオン強度）等を変化させる）を実行し、次いで、流体を（当技術分野で周知の適切なマイクロ流体ポンピングを介して）入口ポート６０６に駆動するポイントオブケア分析デバイスに挿入される。同時に、マイクロ流体カセットの挿入は、ＡＣ電源が供給パッド６０５ａ、６０５ｂに接触させられるようになっている。ＡＣ電源は、所定の周波数及び電圧で交流電流を提供し、これは、電極の幾何学的形状が与えられると、流体がマイクロ流体カセットを通過する際に、ＤＥＰ床内に標的粒子を保持させる。カセットホルダーは、ある程度カセットを冷却することもできる。
【００９４】
上述のように、１つの動作モードでは、分析デバイスは、マイクロ流体カセットを通して液試料全体を駆動すると、分析デバイスは、マイクロ流体カセットを通して、第２の流体、例えば精製水を駆動し、ＡＣ電源は切断／オフにされる。このようにして、標的粒子は、ＤＥＰ床から放出され、出口ポート６０７を介してカセットから出て、収集チャンバに収集され得る。次いで、収集チャンバ内の標的粒子の分析が分析デバイスによって実行され得る。
【００９５】
上記は、本発明のある実施形態によるマイクロ流体デバイスの１つの可能な実施を記載することを理解されたい。
【００９６】
上記では、ある実施形態を説明したが、単純な実施形態では、別個のポイントオブケア（ＰＯＣ）デバイスを有する複雑なチップがないことを理解されたい。カセット又はチップは、複数のチャネルを通って試料を流すスタンドアロンのマイクロ流体チップデバイスであり、対象とする細胞は、それらがＤＥＰ電極上又はその近傍に保持されるようにＤＥＰ電極によって操作され、次いで、ＤＥＰ電極は、細胞が保持され、存在するか否かを見るために、顕微鏡下で単に観察される。
【００９７】
同様に、より複雑な変形例では、マイクロフルイディクスが単一のカセット上で組み合わされ、溶解、ＰＣＲ、分子検出等の濃度及び追加の処理が可能となる。
【００９８】
電極アレイは、（溶液の導電性による）抵抗とリアクタンス（電極フィンガがキャパシタとして作用する）の両方を有する一方、リードは、抵抗のみを有する。明細書全体を通して、電極アレイのリアクタンスは、上述した実施形態では考慮する必要がないので、電極アレイの「抵抗」に言及する。実際、「典型的である」溶液の伝導率及び１０ＭＨｚでは、電極のリアクタンスは、電圧降下に関する限り無視することができる。しかしながら、試料の伝導率が減少した場合、又は周波数がかなり増加した場合、それは関連性があることになり得る。このことを念頭に置いて、用語「抵抗」は、ＡＣインピーダンスの大きさとして理解されたい。
【００９９】
本明細書に開示された全ての特徴（添付した特許請求の範囲、要約、及び図面を含む）、及び／又はそのように開示された任意の方法若しくはプロセスの全ての工程は、そのような特徴及び／又は工程の少なくとも一部が相互に排他的である場合を除き、任意の組み合わせで組み合わせられ得る。本明細書に開示された各特徴（添付の特許請求の範囲、要約、及び図面を含む）は明示的に別段の記載がない限り、同一の、同等の、又は類似の目的を果たす代替的特徴に置き換えることができる。したがって、特に断らない限り、開示される各特徴は、同等又は類似の特徴の一般的な一連の一例にすぎない。本発明は、前述の実施形態の詳細に限定されるものではない。本発明は、本明細書（任意の添付した特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）に開示された特徴の任意の新規な１つ、若しくは任意の新規な組み合わせ、又はそのように開示された任意の方法若しくはプロセスの工程の任意の新規な１つ、若しくは任意の新規な組み合わせに及ぶ。
【０１００】
本明細書における実質的に任意の複数及び／又は単数の用語の使用に関しては、当業者であれば、文脈及び／又は用途に適したように、複数から単数へ、及び／又は単数から複数へと翻訳することができる。明瞭化のために、本明細書において、様々な単数／複数の置換を明確に定め得る。
【０１０１】
一般的に、本明細書、特に添付の特許請求の範囲で使用される用語は、一般に「オープンな」用語として意図されているということが当業者によって理解されるであろう（例えば、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は「制限されることなく含む」と解釈されるべきであり、用語「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は「少なくとも有する」と解釈されるべきであり、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は「制限されることなく含む」と解釈されるべきである等）。更に、導入された請求項の記載の具体的な数字が意図される場合、そのような意図は請求項において明示的に記載され、そのような記載が無い場合はそのような意図が存在しないということが当業者によって理解されるであろう。例えば、理解の助けのために、以下に添付された特許請求の範囲は、請求項の記載を導入するために導入句「少なくとも１つの（ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ）」及び「１つ以上の（ｏｎｅ  ｏｒ  ｍｏｒｅ）」の使用を含むことができる。しかしながら、このような句の使用は、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」による請求項の記載の導入が、このように導入された請求項の記載を含むいかなる特定の請求項も、たった一つのこのような記載を含む実施形態に限定することを示すものと解釈されるべきではない。これは、たとえ同様の請求項が「一つ以上の」又は「少なくとも一つの」の導入句及び「ａ」又は「ａｎ」などの不定冠詞を含む場合であっても然りであり（例えば、「ａ」及び／又は「ａｎ」は「少なくとも一つの」又は「一つ以上の」を意味するものと解釈されるべきである）；請求項の記載を導入するのに使用されている定冠詞の使用にも同様のことが通用する。加えて、たとえ導入された請求項の記載の具体的な数字が明示的に記載される場合であっても、当業者であれば、このような記載が少なくともその記載された数字を意味すると解釈されるべきであると認めるであろう（例えば、他の修飾語句が無く「２つの記載」とだけある記載は、少なくとも２つの記載又は２つ以上の記載を意味する）。
【０１０２】
本開示の様々な実施形態が例証のために本明細書において説明されてきたこと、そして本開示の範囲から逸脱することなく様々な変更がなされ得ることが認識されるであろう。したがって、本明細書で開示された様々な実施形態は限定することを意図するものではなく、真の範囲は、以下の特許請求の範囲により示される。
【図１】
2022500231.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
2022500231.tif 000008
【図５】
2022500231.tif 000009
【図６】
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【国際調査報告】
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