(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体内に浸漬された粒子を操作するための装置であって、
第１の基板と、
前記第１の基板上に形成されている第１の電極アレイと、少なくとも１つの電極を含んでいる第２の電極アレイとから成る電極のグループであって、前記第２の電極アレイが前記第１の電極アレイに向かい合って配置されていると共に前記第１の電極アレイから間隔を置いて配置されており、前記粒子及び前記流体が前記第１の電極アレイと前記第２の電極アレイとの間の領域内に配置されている、電極のグループと、
前記流体内にその全体が位置する少なくとも１つの仮想閉面にわたり一定の強度を有する電界を形成する手段と
を備えており、
前記電界を形成する手段が、ある周波数と第１の位相とを有する第１の周期信号を、前記第１の電極アレイ（Ｍ１）に含まれる電極のうちの１つ以上の電極と、前記第２の電極アレイ（Ｍ２）に含まれる少なくとも１つの電極とに印加し、かつ、前記周波数と前記第１の位相とは逆の第２の位相とを有する少なくとも１つの他の周期信号を、前記第１の電極アレイ内の別の電極に印加する手段を備えている、装置。
【請求項２】
前記第２の電極アレイが、第２の基板上に実装されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の基板が、前記粒子のうちの１つ以上の粒子の存在を検出するための検出手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第２の基板が、前記粒子のうちの１つ以上の粒子の存在を検出するための検出手段を含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記検出手段が、前記第１の電極アレイと前記第２の電極アレイとの間の前記領域の少なくとも１つの部分内の電気特性における変動を検出するための電界測定手段を含むことを特徴とする請求項３又は４に記載の装置。
【請求項６】
前記第２の電極アレイが、実質的に透明であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第２の電極アレイが実質的に透明であり、前記検出手段が、前記第１の電極アレイと前記第２の電極アレイとの間の前記領域の少なくとも１つの部分内の光学特性における変動を検出するために、光学エネルギー測定手段を含むことを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの仮想閉面を、
拡張又は収縮させ、及び／又は
動かし、及び／又は
形成又は除去するために、
前記第１の周期信号及び／又は前記少なくとも１つの他の周期信号を調整するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記少なくとも１つの仮想閉面を
拡張及び／又は収縮させ、及び／又は
動かし、及び／又は
形成又は除去するために、
前記第１の周期信号を印加する前記第１の電極アレイ内の電極を変更するとともに、前記少なくとも１つの他の周期信号を印加する前記第１の電極アレイ内の電極を変更する手段をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の基板と前記第２の電極アレイとの間に挿入配置されたスペーサをさらに含み、前記スペーサは前記第１の基板と前記第２の電極アレイとの間に少なくとも１つのチャンバを形成することを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１の基板内に組込まれているスペーサをさらに含み、前記スペーサは前記第１の基板と前記第２の電極アレイとの間に少なくとも１つのチャンバを形成することを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１の電極アレイのうちの少なくとも１つの電極が、
アドレス指定信号入力手段と、
データ入出力手段と、
少なくとも１つのメモリ素子と、
を含む回路手段に接続されており、
前記第１及び第２の電極アレイに印加された前記第１の周期信号及び前記他の周期信号が、前記少なくとも１つのメモリ素子により選択されて送られることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記回路手段が１つ以上の粒子の存在を検出する検出手段をさらに有しており、この検出手段が電極信号制御手段（ＭＩＪ）に接続していることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１の電極アレイのうちの少なくとも１つの電極が、方形形状を有することを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１の電極アレイのうちの少なくとも１つの電極が、六角形形状を有することを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記第２の電極アレイが、単一の電極から成ることを特徴とする請求項１乃至１５の何れか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１の基板が、モノリシック半導体基板であることを特徴とする請求項１乃至１６の何れか１項に記載の装置。
【請求項１８】
第１及び第２の電極アレイ（Ｍ１、Ｍ２）の間の領域内に配置される流体内に浸漬された粒子を操作するための方法であって、前記第２の電極アレイが少なくとも１つの電極を備えており、前記第２の電極アレイに含まれる電極が前記第１の電極アレイのうちの複数の電極に向かい合って配置されていると共に前記第１の電極アレイのうちの複数の電極から間隔を置いて配置されており、
ある周波数と第１の位相とを有する第１の周期信号を、前記第１の電極アレイに含まれる電極のうちの１つ以上の電極と、前記第２の電極アレイのうちの少なくとも１つの電極とに印加し、かつ、前記周波数と前記第１の位相とは逆の第２の位相とを有する少なくとも第２の周期信号を前記第１の電極アレイ内の別の電極に印加し、それにより前記流体内にその全体が位置する少なくとも１つの仮想閉面にわたり一定の強度を有する電界を形成し、これによって前記粒子を、前記粒子及び前記流体の電気特性に依存して、前記少なくとも１つの仮想閉面により包囲されている前記領域の一部分へ向かって吸引し又は前記領域から反発するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
第１及び第２の周期信号を印加する前記ステップにおいて、少なくとも１つの粒子を前記領域の第１の部分へ向かって吸引する方法であって、
更なる周期信号を、前記第１の電極アレイ内の前記１つ以上の電極及び前記別の電極に印加するステップであって、前記更なる周期信号のうち少なくとも１つの周期信号は前記周波数と前記第１の位相を有し、前記更なる周期信号のうち少なくとも別の周期信号は前記周波数と前記第２の位相を有し、前記少なくとも１つの仮想閉面を変位させ、前記少なくとも１つの仮想閉面により包囲されている前記領域の第２の部分へ向かって前記少なくとも１つの粒子を吸引するステップを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
第１及び第２の周期信号を印加する前記ステップにおいて、少なくとも１つの粒子を前記領域の第１の部分へ向かって吸引する方法であって、
前記第１の電極アレイ内の電極に、前記第１の周期信号または前記第２の周期信号を印加することにより、少なくとも１つの仮想閉面を変位させ、かつ、前記少なくとも１つの仮想閉面により包囲されている前記領域の第２の部分へ向かって前記少なくとも１つの粒子を吸引するステップを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の周期信号を印加する前記第１の電極アレイ内の電極を変更するとともに、前記第２の周期信号を印加する前記第１の電極アレイ内の電極を変更するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
第１及び第２の電極アレイの間の領域内に配置される流体内に浸漬された異なるタイプの粒子を分離するための方法であって、前記第２の電極アレイが前記第１の電極アレイに向かい合って配置されていると共に前記第１の電極アレイから間隔を置いて配置されている少なくとも１つの電極を有しており、
ある周波数と第１の位相とを有する第１の周期信号を、前記第１の電極アレイに含まれる電極のうちの１つ以上の電極と、前記第２の電極アレイのうちの少なくとも１つの電極とに印加し、前記周波数と前記第１の位相とは逆の第２の位相とを有する少なくとも第２の周期信号を、前記第１の電極アレイ内の別の電極に印加し、それにより前記流体内にその全体が位置する少なくとも１つの仮想閉面にわたり一定の強度を有する電界を形成し、これにより第１のタイプの粒子を、前記少なくとも１つの仮想閉面により包囲されている前記領域の第１の部分へ向かって吸引し、異なるタイプの粒子を、前記少なくとも１つの仮想閉面により包囲されている前記領域の前記第１の部分から反発させるステップと、
前記第１の電極アレイ内の電極に対し、少なくとも前記第１の周期信号または前記第２の周期信号を印加することにより、前記第１のタイプの粒子のみを前記少なくとも１つの仮想閉面により包囲されている前記領域の第２の部分へ向かって動かすステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
第１及び第２の電極アレイの間の領域内に配置される流体内に浸漬された異なるタイプの粒子を操作するための方法であって、前記第２の電極アレイが前記第１の電極アレイに向かい合って配置されていると共に前記第１の電極アレイから間隔を置いて配置されている少なくとも１つの電極を有しており、
ある周波数と第１の位相とを有する第１の周期信号を、前記第１の電極アレイ（Ｍ１）に含まれる電極のうちの１つ以上の電極と、前記第２の電極アレイのうちの少なくとも１つの電極とに印加し、前記周波数と前記第１の位相とは逆の第２の位相とを有する少なくとも第２の周期信号を、前記第１の電極アレイ内の別の電極に印加し、それにより前記流体内にその全体が位置する複数の仮想閉面にわたり一定の強度を有する電界を形成し、これにより前記粒子を、ただ一つの粒子を捕捉する前記仮想閉面に向かって吸引して捕捉するステップと、
前記複数の仮想平面内に捕捉された各粒子のタイプを検出するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２４】
前記第１の電極アレイ内の電極に、前記第１の周期信号または前記第２の周期信号を印加することにより、第１のタイプの粒子を捕捉する前記仮想閉面を第１の領域に向かって変位させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記複数の仮想閉面内に捕捉された各粒子のタイプを検出するステップの前に、少なくとも１つの検出個所へ向けて前記仮想閉面を逐次的に変位させるステップをさらに含む請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
第１及び第２の電極アレイの間の領域内に配置される流体内に浸漬された粒子の数を計数するための方法であって、前記第２の電極アレイが、前記第１の電極アレイに向かい合わせて配置されていると共に前記第１の電極アレイから間隔を置いて配置されている少なくとも１つの電極を有しており、
ある周波数と第１の位相とを有する第１の周期信号を、前記第１の電極アレイに含まれる電極のうちの１つ以上の電極と、前記第２の電極アレイのうちの少なくとも１つの電極とに印加し、前記周波数と前記第１の位相とは逆の第２の位相とを有する第２の周期信号を前記第１の電極アレイ内の別の電極に印加し、それにより前記流体内にその全体が位置する少なくとも１つの仮想閉面にわたり一定の強度を有する電界を形成し、これによって１つのタイプの粒子のみを、前記少なくとも１つの仮想閉面により包囲されている領域の部分へ向かって吸引するステップと、
前記部分のそれぞれにある粒子の数を検出するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２７】
同一のタイプの粒子の数を別個に加算するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記部分内に捕捉された各粒子のタイプを検出するステップの前に、捕捉された粒子を少なくとも１つの検出個所へ向かって動かすために、前記第１の電極アレイ内の電極に、前記第１の周期信号または前記第２の周期信号を印加することにより、前記検出個所へ向けて前記仮想閉面を逐次的に変位させるステップと、
同一のタイプの粒子の数を別個に加算するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
前記検出するステップが、前記仮想閉面における電気特性と光学特性とのうちの選択された特性における変動を測定するステップを含むことを特徴とする請求項２３乃至２８の何れか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
発明の分野
本発明は、誘電泳動により細胞，ポリスチレン，気泡，及び細胞内小器官などの粒子を操作及び検出するための装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発明の背景
誘電泳動（ＤＥＰ）は、不均一な、経時的に定常（ＤＣ）の又は経時的に変動（ＡＣ）する電界が中性粒子にかけられると、中性粒子が、増大する（ｐＤＥＰ）又は減少する（ｎＤＥＰ）電界強度を有する個所へ向かう正味力を受けるという物理的現象に関するものである。このような誘電泳動力の強さが、重力に相当する場合には、小粒子を浮揚させるために平衡が達成される。誘電泳動力の強さ及びその方向は、粒子の誘電特性及び電導特性と、前記粒子が浸漬されている媒体とに大きく依存する。これらの特性は、ＡＣ電界の周波数の関数として変動することもある。
【０００３】
誘電泳動の理論の説明は、H.A. Pohl氏により"Dielectrophoresis" Cambridge University Press (Cambridge 1978)内に発表されている。特別興味深いケースの理論的形成が、Biochimica et Biophysica Acta 1243 (1995) p. 185-194及びJournal of Physics, D: Applied Physics, 27 (1994) pp. 1571-1574に報告されている。
【０００４】
生物学的物質（細胞、バクテリア、ウイルスＤＮＡなど）及び無機物質の双方への誘電泳動の作用に関する研究において、最近、微生物の要素を単離し、物理特性における差異により前記要素を特徴付け、前記要素を一般的に操作するためにＤＥＰ力を使用することが提案された。このような目的のための提案は、電界分布により要求される電位を低めるために、粒度を測定する尺度が同一のシステムを利用することにある。
【０００５】
米国特許第５，８８８，３７０号、米国特許第４，３０５，７９７号、米国特許第５，４５４，４７２号、米国特許第４，３２６，９３４号、米国特許第５，４８９，５０６号、米国特許第５，５８９，０４７号、米国特許第５，８１４，２００号は、粒子が属する種を特徴付ける誘電特性及び導電特性における差異を基礎として、標本内の粒子を分離する異なる方法を教示している。提案された全ての装置に共通の主な欠点は、システム内で流体を動かすために機械的マイクロシステム及び流体動力学的マイクロシステムが必要とされることにある。さらに、前述の特許に係る各装置は、粒子がシステムの表面と接触及び摩擦し、これにより、これらの装置の移動性及び保全性が損なわれる。
【０００６】
米国特許第５，３４４，５３５号は、微生物の性質を特徴付けするためのシステムを教示している。開示された装置及び提案された方法は、多数の粒子に関するデータを提供する欠点を有し、１つの単一粒子を分析する利点を有しない。これ加えて、開示されたシステムは、粒子が装置表面と接触するのを阻止することが可能でない。
【０００７】
米国特許第４，９５６，０６５号は、複数の単一粒子を浮揚させ、単一粒子の物理特性を分析する装置を教示している。しかし、この装置は、ｐＤＥＰを採用しているため、フィードバック制御システムを必要とする。さらに、このシステムは、主流のマイクロエレクトロニクス製造技術と適合性を有しない三次元トポロジーを有するため、小形化に適さない。
【０００８】
"Biochimica et Biophysica Acta", 1157 (1993) pp. 127-140でのT. Schnelle, R. Hagedorn, G. Fuhr, S. Fiedler, T. Mullerによる論文は、粒子を操作するための三次元電位ケージの形成に関する調査及び実験を説明している。しかし、提案された構造は、（ケージ内の１つの単一細胞を捕捉するために要求される）細胞サイズを有する尺度で製造するのは非常に困難である。実際、これらのシステムの主な問題は、１つのマイクロメートル尺度上で２つの構造を垂直方向に整列させることにある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
発明の概要
本発明は、液状懸濁媒体内の中性粒子を安定的に浮揚させて独立的に運動させ、このような溶液を収容することが可能である電子的にプログラム可能な装置により、中性粒子を正確に変位させる方法に関する。
【００１０】
前述の説明において、「粒子」という用語は、細胞，細胞凝集体，細胞内小器官、細菌，ウイルス，及び核酸などの生物学的物質と、無機質，結晶，合成粒子，及び気泡などの無機物質とを含むことを意図している。「誘電泳動電位」とは、三次元（３Ｄ）スカラー関数であって、このスカラー関数の勾配が、誘電泳動力に等しいスカラー関数のことである。「等電位表面」とは、３Ｄ空間内に定義されている表面であって、この表面の点が、同一の誘電泳動電位を有する表面であり、誘電泳動力は、常に前記表面に対して垂直である。「電位ケージ」とは、等電位面により包囲され、誘電泳動電位の局所的最小値を含む、空間の一部である。「電位ケージ内に捕捉された粒子」とは、誘電泳動力が付与された、前記ケージ内に位置する粒子である。平衡状態では、粒子が、誘電泳動力のみを付与されている場合には、粒子は、前記誘電泳動電位が最小値となる位置に相応する位置に配置され、誘電泳動力のみを印加されているのではない場合には、粒子は、複数の力の均衡により与えられる、前記誘電泳動電位が最小値となる位置から変位された位置に配置される。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の好ましい実施形態であって他の例を排除しない実施態様は、２つの互いに対向して位置する主要モジュールを含んでいる。この場合、１つのモジュールは、複数の導電性電極を含んでおり、前記電極の形状は、様々なタイプであり、前記電極は、絶縁基板上に規則的に配置され、この電極は、選択的に、絶縁層によりコーティングされ、これにより、電極は、懸濁液内に存在する電荷担体から保護される。このモジュールが集積回路製造技術により実現される場合には、このモジュールは、電極プログラミングのためのメモリ素子，可変の周波数及び位相を有する正弦波又は方形波やインパルスなどを形状形成可能な信号発生器，粒子の存在を検出するための任意の組込み可能なセンサ装置，出力回路などを含むこともある。第２のモジュールは、導電性で選択的に透明な物質で製造された単一の大型電極を含んでおり、前記電極は、絶縁層によりコーティングされている。この大型電極は、所望の場合には、いくつかの電極に分割されることも可能である。スペーサが、分析又は操作される標本を収容するチャンバを実施するために、第１の（下部の）モジュールと第２の（上部の）モジュールとの間に挿入されることが可能である。同一のスペーサが、複数のチャンバを実現するために、本装置内の分離壁を形成するのに使用されることも可能である。勿論、スペーサは、第１のモジュール又は第２のモジュール又は双方のモジュール内に組込まれることも可能である。最後に、顕微鏡及びカメラなどの視覚的検査システムと、本装置の内外の液体（流動体）又は半流動体を動かすための流体システムとが、本装置に付加されることも可能である。
【００１２】
前述の装置のアーキテクチャは、同相信号及び逆相信号から成る周期信号を電極に印加することだけにより、マイクロチャンバ内に１つ以上の独立的な電位ケージを形成することを可能にし、電位ケージの強さは、印加信号の周波数及び振幅を調整することにより調整されることが可能である。ケージは、１つ以上の粒子を捕捉することが可能であり、このようにして、粒子が、常に浮揚するか、或いは、マイクロチャンバ内で運動するか、若しくは、これらの双方であることが可能となる。この特徴に起因して、粒子がチャンバ境界及び電極と接触又は摩擦することは、いかなる場合にも、回避されることが可能である。ケージの高さ及び相対的変位は、信号を適切に選択することにより、互いに独立的に設定されることが可能であり、いかなる機械的調整も必要としない。このようにして、本装置は、全面的にプログラム可能な電子装置として形成されることが可能である。
【００１３】
マイクロチャンバに沿って電位ケージを変位させるための方法は、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）で使用される原理に非常に類似している。例えば、第１の電極が、上部モジュールと同相であり、逆相信号に接続されている電極により包囲されている場合には、電位ケージが、第１の電極の頂部上に形成される。次いで、（プログラムされた運動と同一の方向で）隣接電極のうちの１つに同相信号を印加することだけにより、電位ケージは、２つの電極にわたって広がり、このようにして、電位ケージの中心が、これら２つの電極の間に位置合せ（整列）され、粒子は、このようにして、セルピッチの１／２だけ動く。いったん過渡期が経過すると、位相は、（粒子が位相の開始時に位置した）第１の電極において逆転され、このことは、電位ケージが収縮し、１つのセルピッチだけ先行電極から遠ざかって配置されている同相電極の頂部上に動いて到達することを惹起する。後者の操作を他の軸線に沿って繰返すことにより、任意の電位ケージが、アレイ平面の周りを動かされることが可能である。
【００１４】
従来技術から公知の装置の欠点は、閉鎖形（closed）の誘電泳動電位ケージを誘導する電界の空間的分布を形成することを可能にする本発明の装置によって、克服され得る。提案される装置にあっては、２つの主要モジュールを正確に位置合せすることを必要とせず、そのため、単純性及び生産コストを最適化する。すなわち、提案される装置は、実施コストと、従来技術に内在する許容最小ゲージ電位サイズに関連する制限の大部分を克服する（位置合せは、電極サイズが縮小化されるにつれてより困難になる）。従って、２つの主要モジュールの位置合せに誤りがあっても、システムの機能性を損なわない。この特徴の重要性は、装置が手動で開かれ及び／又は閉じられ、繰返してかつ融通良く使用されることが必要となる全ての用途を考えると、より良く理解されるであろう。このようにして、本装置は、低コスト標準製造マイクロエレクトロニクス技術で実施されることが可能である。さらに、提案される装置は、捕捉粒子が、粒径（粒度）に比べて広い領域に沿って変位されることを容易に可能にする。
【００１５】
さらに、粒子を変位させるために流体又は「トラベリング・フィールド（進行電界）」を採用するいかなる従来技術のシステムも、粒子を装置表面から遠ざけて維持しつつ正確に粒子を位置決めすることを成し得ない。しかし、固定した高さに位置決めされ、かつ、装置の他の方向に沿って可動な三次元電位ケージが利用可能である場合、上述のことは達成され得ることは、明白である。本発明のさらなる利点は、印加電圧値を調整することにより、ケージ電位の高さを制御することが可能なことにある。
【００１６】
開示される本発明の融通性の良いプログラミングにより、仮想通路が形成され、このようにして、特定用途向けの専用装置の必要性を回避し、潜在的用途及びユーザーの範囲を広げる。さらに、光学的検出及び／又は容量的検出を組込む能力は、顕微鏡及びカメラなどのこの分野で通常使用される嵩張る検出装置の必要性を克服するが、その能力は、本発明による装置が、内部マイクロチャンバの視覚的検査のために使用されることを阻止しない。フィードバック制御技術により組込みセンサ情報を処理することにより、試験下の粒子の物理特性の特徴付けなどの複雑な操作が、完全に自動化された方法で実施されることが可能となる。
【００１７】
最後に、閉鎖形の電位ケージによるアプローチは、粒子が、熱勾配、（任意の方向から同一の確率で発生する可能性がある）有意のブラウン運動、アルキメデスのバランスに起因する力に起因する流体動力学的流れの存在下で制御不能となることを阻止する。実際、全ての前述の場合、非閉鎖形の電位面を提供するいかなる装置も、非効率的であることが分かった。その理由は、前記装置は、上方力に抗して均衡を維持することが可能でないからである。
【００１８】
本発明による装置のいくつかのユニークな特徴は、従来技術において存在する特徴に比して、次のように要約され得る。
１．  モジュールとモジュールとの間の位置合せを必要とせずに、閉鎖形誘電泳動電位ケージを形成する能力、なお、単一粒子又は粒子の群は、電極又は境界とのいかなる摩擦も無しに誘電泳動力により、ケージ内に互いに独立的に捕捉され、安定した懸濁媒体内に配置される。
２．  電子的にプログラムされた電気信号により、マイクロ・チャンバの周りを任意の電位ケージを独立的に動かす能力を有する。
３．  用途の要求及び実施に従ってケージサイズを収縮する能力であって、このようにして、組込みセンサ，アクチュエーター，及び信号発生の実施により、マイクロエレクトロニクス技術で本装置を製造することを可能にする能力を有する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
詳細な説明
本発明の特徴及び利点は、以下、例により説明されている実施態様の説明からより明白になる。本明細書において用いられる例は、説明の目的のための特別の実施態様であり、本発明の精神を制限するものではない。
【００２０】
＜誘電泳動電位エネルギー＞
座標（ｘ，ｙ，ｚ）で流体内に浸漬され、空間的に非均一のＡＣ電界又はＤＣ電界の効果の影響下にある誘電性の球に、誘電泳動力Ｆ（ｔ）が作用せしめられる。この誘電泳動力Ｆ（ｔ）の時間平均値は、下記の式（１）により表される。
【数１】
0004906191.tif 000002
ここで、ε0は真空誘電率、ｒは粒子半径、ＥRMS は電界の二乗平均値、Ｅx0，Ｅy0，Ｅz0は軸ｘ，ｙ，ｚに沿ってのそれぞれの電界成分、φx,y,zは電界成分の位相、ｆCMは下記の式により定義される公知のクラウジウス−モソッティ係数である。
【数２】
0004906191.tif 000003
ε*p及びε*mは、それぞれ、粒子と懸濁媒体との複素比誘電率を表しており、下記の式により定められる。
【数３】
0004906191.tif 000004
ここで、εは比誘電率、σは導電率、ωは角周波数、ｉは−１の平方根である。
【００２１】
電界位相が一定である場合、上記の式（１）は、簡単化されて下記の式（２）になる。
【数４】
0004906191.tif 000005
ここで、ｎＤＥＰは、Ｒｅ［ｆCM］＜０により定義され、ｐＤＥＰは、Ｒｅ［ｆCM］＞０により定義される。ε*m，ε*p←εm，εpである、ωの大きい値において、ｐＤＥＰは、εm＜εpである場合に常に粒子上に形成され、ｎＤＥＰは、εm＞εpである場合に常に形成される。ε*m,p＝ε*m,p（ω）であるので、このようにして、ｆCM＝  ｆCM（ω）であり、従って、Ｒｅ［ｆCM］は、所与の周波数において粒子の異なる種において異なる正負の符号を有するであろう。２つの異なる種の粒子が、それぞれ、ｎＤＥＰ及びｐＤＥＰにさらされるように角周波数ωを選択する方法は、選択プロセスのための公知の方法として普通に使用されている。
【００２２】
上記の式（２）において表されている力は、保存的であるので、誘電泳動電位エネルギーを下記の式により定義することが可能である。
【数５】
0004906191.tif 000006
ここで、
【数６】
0004906191.tif 000007
である。
【００２３】
電極に印加され電界を形成する電圧信号が、周期的である場合には、下記の式（３）が容易に得られる。
【数７】
0004906191.tif 000008
ここで、αは電極に印加された電圧信号の形状に依存する定数、Ｅは電界の強度（例えば、方形波信号においてα＝１、正弦波信号においてα＝１／√２）である。このようにして、Ｅ2の最小値は、負の誘電泳動電位の最小値でもあり（何故ならば、ｎＤＥＰにおいて、Ｒｅ［ｆCM］＜０であるからである）、正の誘電泳動電位の最大値でもある（何故ならば、ｐＤＥＰにおいてＲｅ［ｆCM］＞０であるからである）。以下、「誘電泳動電位」は、「負の誘電泳動電位」の同義語として使用される。さらに、Ｅ2は、Ｅの単調関数であるので、Ｅの最小値又は最大値は、誘電泳動電位関数＜Ｗ＞の最小値又は最大値に相応する。これは、非常に有用である。何故ならば、誘電泳動電位最小値又は最大値の個所は、図示のように、電界の経時定常シミュレーションにより見つけられることが可能であるからである。前述のコンセプトを要約すると、次のことが容易に立証され得る。
「（ｎＤＥＰ電位エネルギー極小値を含む）任意の誘電泳動電位ケージは、一定の電界強度を有する空間の点から成る少なくとも１つの仮想閉面により包囲されている。」
【００２４】
球状かつ均一の粒子は、重力、すなわち、
【数１】
0004906191.tif 000009
とｎＤＥＰとの影響を受けている場合には、安定した懸濁媒体は下記の式（４）により達成される。
【数２】
0004906191.tif 000010
ただし、Δρは粒子と媒体との間の質量密度差、ｇは重力の加速度（９．８０７ｍ／ｓ2）である。
【００２５】
比誘電率は１より大きいことは不可能であるので（例えば、εp＝１、及び、εm≒８１であるような、粒子が水中に浸漬された空気の気泡である場合）、粒子に作用する重力を均衡させるのに必要とされる∇Ｅ2rmsの最小値は、上記の式（４）を使用することにより、１．８３５・１０3（Ｖ／ｃｍ）2／μｍと推定することができ、この値は、標準マイクロエレクトロニクス技術及び／又はマイクロ機械加工技術を使用することにより、達成することが可能である。この場合にも、水に比して２倍の重さの粒子（Δρ≒１０００Ｋｇ／ｍ3）は、媒体の比誘電率が、∇Ｅ2rmsの典型的な値において粒子の比誘電率に比べて少なくとも（２．２÷２０．３）倍大きい場合には、水中に懸濁することが可能である。
【００２６】
＜本装置の一般的構造＞
本実施態様による本装置は、２つの主要モジュールを含んでいる。第１のモジュールＡ１（図１参照）は、半導体基板Ｃ（図１及び図２参照）上に成長した絶縁基板Ｏ１上に配置されている選択的にアドレス指定可能な電極ＬＩＪ（図１及び２）のアレイＭ１を含んでいる。第２のモジュールＡ２は、基板Ｏ２（図１及び図２参照）上に製造された単一の大型電極Ｍ２から成り、前記アレイＭ１に対向して対向配置されている。２つのモジュールＡ１，Ａ２の間にマイクロチャンバＬ（図１及び図２参照）が形成され、このマイクロチャンバＬは懸濁液内の粒子ＢＩＯ（図１参照）を含んでいる。マイクロチャンバＬ内に懸濁液を収容するための方法は、後に説明される。第１のモジュールＡ１は、公知のマイクロエレクトロニクス技術によりシリコンから構成されるか、又は、任意の他の適切な材料例えばガラス、二酸化珪素、プラスチック、又はセラミック材料などから構成される。電極は、任意のサイズを有することが可能であり、好ましくは、サブマイクロン（〜０．１μｍ）〜数ミリメートル（ｍｍ）の範囲内にあり、５μｍ〜１００μｍが、マイクロリソグラフィ技術を使用して製造される装置における好ましいサイズ範囲であり、１００μｍ〜５ｍｍが、マイクロ機械加工及び／又は印刷回路基板（ＰＣＢ）技術を使用して製造される装置における好ましいサイズ範囲である。本装置は、僅か１０未満の数の電極を有するように設計することも可能であり、数千又は数百万もの多数の電極を有するように設計することも可能である。２つのモジュールの間の距離ＤＬは、実施態様に依存して変動することもあるが、好ましくは、電極サイズＤＥ（図２参照）の大きさのオーダである。
【００２７】
電極ＬＩＪは、電極ＬＩＪと、高濃度の陽イオン及び陰イオンを含むこともある液体媒体との相互作用に起因する電気分解を阻止するために、絶縁層Ｒ１（図２参照）によりコーティングされることも可能である。このような絶縁層はＲ１、電極ＬＩＪが液体媒体と化学的に反応しない材料から成るか、或いは、電極ＬＩＪを活性化する信号の周波数が電気分解を無視可能な程度に十分に高い場合には、省略することも可能である。最後に、用途目的が後に詳細に説明されるいくつかの回路装置が、各電極の下に配置されることも可能である。
【００２８】
アレイ電極（配列電極）は、達成されるべき効果に依存して、任意の形状を有することが可能であり、例えば、方形電極のアレイＭ１が、図１の好ましい実施態様に示されている。一方、図２は、電極Ｍ１，Ｍ２の横断面を示しており、電極Ｍ１，Ｍ２の幅及び相対的変位（ＤＥ及びＤＯ）が強調されて示されている。
【００２９】
１つの代替実施態様では、電極は、（図３に示されているように）六角形形状を有し、この形状は、１つの単一電位ケージを形成する電極の数が、（後述のように）９から７に低減されることを可能にし、（４から６への）より多数の可能なケージ運動方向ＤＩＲを提供する。
【００３０】
第２の主要モジュールＡ２は、１つの単一の大型導電性電極（図１及び図２のＭ２）を含んでおり、この電極は、第１のモジュールＡ１に対向して配置されている。この電極は、粒子の懸濁液を含むチャンバＬの上部境界としの役目も果たす。この電極は、絶縁層Ｒ２（図２参照）によりコーティングされ、これにより、この電極は、電気分解から保護され、機械的サポート（図１及び図２のＯ２）を有することが可能である。好ましい実施態様では、この電極は、導電性ガラスから成る１つの単一の平面状平面であり、これにより、マイクロチャンバＬの視覚的検査が可能となる。
【００３１】
スペーサＡ３（図５参照）は、所与の距離ＤＬ（図２参照）だけ、２つのモジュール（図５のＡ１及びＡ２であり、Ａ１は、Ｒ１，Ｍ１，及びＣを含んでおり、Ａ２は、Ｒ２，Ｏ２，及びＭ２を含んでいる）を分離するのに使用される。スペーサＡ３は、操作又は分析のための標本を収容するのに使用されることも可能である。
【００３２】
異なるサブセットの電極に適切な経時変動信号を印加することにより、１つ以上の粒子ＢＩＯを含むこともある電位ケージＳ１（図１及び図６参照）が、１つ以上の電極上に形成される。電位ケージは、アレイ平面の上方のある程度の高さに位置し、高さの値は、印加信号、電極サイズＤＥとピッチＤＯとの比、及び２つのモジュールの間の距離ＤＬに依存する。信号が印加される複数の電極のサブセット（部分集合）を調整することにより、１つ以上の電位ケージが、電極アレイに対して平行な方向でマイクロチャンバＬの周りに動かされ得る。
【００３３】
シミュレーション結果から、サイズＤＬの値が一定である場合には、電極サイズＤＥとピッチＤＯとの間の比がより大きいほど、ＤＥＰ力の大きさ（強さ）に関してケージの特性もより良好になることが分かった。
【００３４】
＜電位ケージを形成するための方法＞
単一の電極の頂部上に電位ケージを形成するために、電圧信号のパターンが、電極の対応する部分集合  に印加される。図４は、数値的シミュレーションのための基準として用いられる、アレイＭ１内における電極Ｌ１〜Ｌ１２の集合を示している。
【００３５】
次式、すなわち、
【数１０】
0004906191.tif 000011
を、周期Ｔを有する方形波信号と定義すると（ただし、ω＝２π／Ｔ）、下記の式、すなわち、
【数１１】
0004906191.tif 000012
により表される電圧信号が、電極に印加される。
ここで、ＶLa，ａ∈｛１−１２｝は電極Ｌ１〜Ｌ１２に印加される信号であり、ＶM2はアレイＭ２に印加される電圧信号であり、Ｖe及びＶcは一定値である。前述の電圧パターンを使用することにより、電界位相が一定になり、このようにして、既述の式（２）を適用することが可能となる。従って、電界強度の数値的シミュレーションが、誘電泳動電位ケージの形成を立証するのに使用される。
【００３６】
図６は、前述の電圧信号により活性化された、図４の電極の同一の集合に関する数値シミュレーションの結果を示している。この場合、ＤＥ＝５μｍ，ＤＯ＝１μｍ，ＤＬ＝１０μｍ，Ｖｅ＝２．５Ｖ，Ｖｃ＝０Ｖである。水が、モジュールＡ１，Ａ２間の液体媒体として選択される、なお、εm≒８１である。絶縁層Ｒ２は無視可能（省略可能）であり、Ｒ１＝１μｍ（絶縁層Ｒ１の厚さ）である。図６のプロットは、４００Ｖ／ｃｍで一定の電界強度（図６のＳ１）を有することにより特徴付けされる点から成る閉面を含む３次元環境を示している。これは、既述の式（３）により、誘電泳動等電位面も閉鎖されていることを立証しており、従って、電位ケージが、Ｌ７の頂部上に形成される。このようにして、同一の周波数及び逆相関係を有するただ２つの信号のパターンが、Ｌ７の頂部上に誘電泳動電位関数の最小値を形成するのに必要とされる。シミュレーションから、Ｖc∈｛−２．５， ２．５｝Ｖを増加させることにより、ケージの誘電泳動力が増加し、一方、ケージの高さは、アレイ平面に対して減少することも分かる。方形電極が採用される好ましい実施態様では、１つの単一の誘電泳動電位ケージを形成するためのアレイ電極の最小数が９である（図４のＬ２〜Ｌ４，Ｌ６〜Ｌ８，Ｌ１０〜Ｌ１２）。他方、図３に示されているように、電極の六角形アレイが採用される場合には、１つの単一の誘電泳動電位ケージを形成するためのアレイ電極の最小数は、例えば電極Ｅ１〜Ｅ７のように７である。
【００３７】
２つの電極の頂部上の中間点に電位ケージを形成するために、異なるパターンの電圧信号が、対応するサブセットの電極に印加される。図７は、電極に印加された刺激が、次式により表される場合に得られる結果を示している。
【数１２】
0004906191.tif 000013
この場合、他の全てのパラメーターは、前述の場合と同一である。図７のＳ２は、４００Ｖ／ｃｍで一定の電界強度を有する点から成る閉面を示すが、中心は、電極Ｌ６，Ｌ７間の中間点の頂部上に位置する。
【００３８】
電圧信号のこの最後のパターンは、前のパターンと組合せて、プログラムされた方向に電位ケージを動かすのに使用されることが可能である。より詳細には、同相信号及び逆相信号がそれぞれ印加される、電極の部分集合を繰返し調整することにより、特に、所与の方向で前述の２つのパターンを交換及びシフトすることにより、その方向に電位ケージを動かすことが可能である。図８は、電位ケージが、Ｌ７の頂部上の位置からＬ６の頂部上の別の１つの位置に動かされる３つのプロットを概略的に示しており、第１のプロットは時点Ｔ１であり、第２のプロットは時点Ｔ２であり、第３のプロットは時点Ｔ３である。各プロットにおいて、移動ケージ原理を示す電極Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８の位相がリポートされる。時間が経過すると、位相φ＋πを有する電極は、２つのステップでＸ軸の減少方向に沿ってシフトする、すなわち、時間ステップＴ２で電極Ｌ６は、Ｌ７と同一の位相φ＋πを有する信号に接続され、次いで、時間ステップＴ３で、Ｌ７の位相が逆転される。
【００３９】
明らかに、切替えられる位相と位相との間の時間距離（所要時間）は、システムの特徴、すなわち、力の強さ、流体媒体粘度、粒度などに応じて、慎重に選択されなければならない。この目的のために、各位置における１つ以上の粒子の存在／不存在を検出するために埋込みセンサを採用し、これにより、時間間隔がセンサデータに応じて調整されることが可能であるようにするのが有益である。
【００４０】
閉鎖形誘電泳動ケージを動かす本発明の能力を示すために、図９及び図１０は、本装置の横断面に沿っての電界分布の２次元シミュレーションを示している。電極Ｐ１，Ｐ２，及びＰ３に印加された電圧、及び、リッド電極Ｍ２は、次式により表される。
【数１３】
0004906191.tif 000014
ここで、Ｖｅ＝２．５Ｖ、かつ、Ｖｃ＝０であり、その結果の電界分布は、図９に示されており、より暗色の領域Ｓ３は、より低い電界強度を意味し、より明色の領域は、より高い電界強度を意味している。
【００４１】
図１１は、（アレイ表面の上方の４．３μｍに位置する）ケージの中心を通過する図９のプロットの水平横断面に沿っての、電界強度自乗値の勾配の絶対値の（ロガリズム尺度での）プロットを示している。このプロットの値は、誘電泳動力であって、この誘電泳動力から（誘電泳動力が零に等しい）誘電泳動電位最小値の個所を導出する誘電泳動力に正比例するので、この種のプロットは、非常に有用である。図１２は、＋２．５Ｖ〜−０．５Ｖの範囲内の異なる値のＶcにおける電位ケージの中心を含む、図９のプロットの垂直横断面に沿っての類似のプロットを示している。
【００４２】
Ｐ２とＰ３との間の中間点の上方の領域内に誘電泳動電位ケージを形成するために、下記の式により表される電圧が印加されることが可能である。
【数１４】
0004906191.tif 000015
ここで、Ｖe＝２．５Ｖ、かつ、Ｖc＝１．５Ｖである。結果は、図１０に示されており、この場合、Ｓ４は、電位ケージを収容する領域である。
【００４３】
図１３は、Ｖc＝１．５Ｖである場合の、ケージ中心を含む図１０のプロットの水平横断面に沿っての、電界強度自乗値の勾配の絶対値のプロットを示しており、アレイ表面からのケージ中心の高さは、４．３μｍである。図１３において、勾配が０の場合の２つの値の存在は、電極Ｐ１の頂部上の最大値と、電極Ｐ２と，Ｐ３間の中間点の上方の領域内に位置する最小値とに起因する。このような誘電泳動力フィールドを印加されている所与の粒子は、前記最小値において安定的平衡点を有し、前記最大値において不安定的平衡点を有する。図１４は、Ｖc＝１．５Ｖである場合の、ケージ中心を通過する図１０のプロットの垂直横断面に沿っての同様のプロットを示す。
【００４４】
要約すると、本発明により開示される、誘電泳動電位ケージの形成は、同一の周波数と逆相関係とを有する僅か２つの電圧信号から成る１つのパターンを使用することにより、達成されることが可能である。さらに、アレイ表面に対して平行な案内路に沿ってのこのようなケージの運動は、異なる時間ステップにおいて２つの前述の信号が印加される、電極の部分集合の適切なパターンを選択することだけにより、達成されることが可能である。電極電圧波形は、オンチップ発振器及び外部発生器の一方から到来するようにしてよい。
【００４５】
＜好ましい実施態様：半導体基板上の集積＞
好ましい実施態様での第１のモジュールＡ１の概略図が、図１５に示されている。シリコン基板には、垂直線ＹＪと水平線ＸＩとに沿って走行する多数の電気的通信チャンネルにより、適切なアドレス指定回路ＤＸ，ＤＹにより独立的にアドレス指定されるマイクロ−ロケーションＥＩＪのアレイＭ３が埋め込まれている。モジュールは、インターフェース回路ＩＯにより外部信号ＸＹＮと通信し、このインターフェース回路ＩＯは、接続線ＣＸ及びＣＹによりアドレス指定回路ＤＸ，ＤＹとそれぞれ通信し、接続線ＣＳの信号により、波形発生及びセンサ読取り回路ＤＳを制御して、印加されるべき信号をマイクロ−ロケーションＥＩＪに供給し、接続線ＦＭによりマイクロ−ロケーションＥＩＪ内のセンサからの信号を収集する。本装置は、多数の流体的通信チャンネルＦＭに接続され、この場合、懸濁液媒体の管理のための外部手段ＩＳ（図１７参照）は、粒子を含んでいる。様々な機器が、コンピュータ、外部波形発生器、分析器など（図１７のＷＳ）の電気的通信チャンネルＸＹＮにより、そして、マイクロポンプＩＳなどの流体的動的チャネルにより、そして、顕微鏡、カメラＭＳなどの光学的チャネルＯＣにより、装置ＳＳに接続させるために使用されている。
【００４６】
好ましい実施態様では、各マイクロ−ロケーションＥＩＪ（図１６参照）は、電気信号により活性化されるべき少なくとも１つの電極ＬＩＪと、電極信号管理のための回路ＭＩＪ（図１６参照）と、各セルの頂部上の粒子の存在／不存在を検出するセンサＳＩＪとをそれぞれ含んでいる。これらのブロックの各々は、局所的接続線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３により、同一の素子内の他のブロックと通信することも可能である。さらに、電極信号管理のための回路（図１６のＭＩＪ）は、大域的接続線ＸＩ，ＹＪにより外部回路と通信することが可能である。回路ＭＩＪは、電極ＬＩＪへのパターン信号の経路指定を選択及び格納するのに適するスイッチ及びメモリ素子を含んでいる。２つの電圧信号パターンは、前に説明したように、誘電泳動電位ケージを形成しかつ動かすのに十分であるので、電極が同相信号又は逆相信号のいずれに接続されるかを決定するのに１つの電子メモリを用いれば十分である。利用可能なスペースを最適化するために、電極ＬＩＪ、センサＳＩＪ及び回路ＭＩＪの様々な異なる配置が可能であり、例えば、電極ＬＩＪは、マイクロエレクトロニクス技術の規則によって、回路ＭＩＪに全体的に重なり、部分的にセンサＳＩＪを覆うか、又は、単に、センサＳＩＪの脇に配置されることが可能である。
【００４７】
従来技術の誘電泳動装置から見てユニークであると考えられる、本発明の１つの特異な特徴は、生物学的粒子を操作するためのアクチュエータと、粒子を検出するためのセンサとの双方を同一の基板上に集積するようにした構成にある。集積センサのいくつかを示唆する、他の例を排除しない例が、図２１，図２２，及び図２３にそれぞれ示されている。
【００４８】
図２１は、生物学的粒子ＢＩＯの存在／不存在を検出する光センサを使用する検出構成の実施例を概略的に示している。リッドＡ１が、透明で導電性材料から成る場合、ウィンドウＷＩが電極ＬＩＪ上に開かれることが可能である。このウィンドウＷＩのサイズは、誘電泳動電位を変更するのに影響することはないが、十分な量の放射線が基板上に入射するのを可能にするのに十分に大きく設定される。電極ＬＩＪの下に、連続モード又は貯蔵モードで動作するフォト接合部ＣＰＨが、公知の技術によって基板Ｃ内に実装されている。生物学的素子ＢＩＯの存在／不存在は、フォトダイオードに到達する光エネルギーの量を決定し、これにより、積分時間の間にフォト接合部ＣＰＨに蓄積される電荷の変化が惹起される。この変動は、増幅器ＯＰＡ，フィードバックコンデンサＣＲ，及び基準電圧源ＶＲＥから成る従来の電荷増幅器ＣＨＡにより検出される。この電荷増幅器ＣＨＡへの接続は、スイッチＳＷ２が開かれた後にスイッチＳＷ１をイネーブル状態にすることにより形成され、このようにして、蓄積電荷がＣＲ上に集積されることを可能にする。フォトダイオード及び電荷増幅器は、生物学的粒子の存在／不存在を検出するために信号対雑音比を得るために、従来技術に従って設計される。１つの例として、シミュレーションのために前述された寸法を有する構成を参照し、０．７μｍのＣＭＯＳ技術を想定すると、我々は、電極の下方の基板内に１×２μｍのフォトダイオードを考えることができる。従来技術に従って信号対雑音比を分析すると、液体媒体に対する粒子透明度の１０％の変動が、３μｓより長い積分時間を使用して、示されることが可能である。
【００４９】
別の１つの実施態様では、容量形検出が、図２２に示されているように使用される。リッドＡ１に印加される電圧信号ＳＩＧは、リッドＡ１と電極ＬＩＪとの間の電界ＥＬＥにおける変動を誘起する。対応する容量変動は、光検出の場合と同様の電荷増幅器ＣＨＡにより検出することが可能である。
【００５０】
図２３において、容量検出の別の１つの実施態様が、素子ＬＩＪに対して共平面である２つの電極ＦＲ１，ＦＲ２を使用して、概略的に示されている。素子ＦＲ１に印加される電圧信号ＳＩＧは、電極ＦＲ２へ向かってフリンジ電界ＥＬＥが変動する際の変動を決定する。この電界により影響される領域内に生物学的素子ＢＩＯを挿入配置することは、電極ＦＲ１，ＦＲ２間の容量値における変動を惹起する。この変動は、前述の検出構成に同様の電荷増幅器ＣＨＡにより検出される。電極ＦＲ１，ＦＲ２は、隣接個所の素子ＬＩＪが、前記電極の代りに使用される場合、省略されることも可能である。前述の複数の検出原理のうちの２つ以上の原理が、選択性を向上させるために、同一の装置内で使用されることも可能である。１つの例として、同一の透過率を有するが異なる誘電率を有する異なる粒子、或いは、同一の誘電率及び異なる透過率を有する粒子が、容量形センサ及び光センサの組合せを使用することにより、識別されることが可能である。
【００５１】
本発明の特性と思われる顕著な特徴は、マイクロン又はサブマイクロンの範囲内のサイズの単一微生物を単離し、多数の前記微生物においてこれを行なう可能性であり、実際に、単離されることが可能である微生物のサイズは、標準マイクロエレクトロニクス製造技術の特徴である最小形状体サイズの小寸法化と共に、この技術における進歩に従って小さくなる。実際、誘電泳動電位ケージのサイズが、十分に小さい場合には、所与のサイズの１つの粒子のみがケージ内に捕捉されることが可能である。本装置のこの特徴をより良好に理解するために、２つの極大値が方向Ｘに沿ってのケージ電位の境界を表す図１８の典型的挙動を有する、開示される方法により形成されるケージの中心を通過する水平横断面に沿っての誘電泳動電位Ｐ（図１８参照）の分布を考えることが可能である。相対的距離ＤＰが、単離されるべき粒子半径Ｒの２倍である場合、近隣の粒子のうちの１つのみがケージ内に居場所を見つけ、このようにして、ケージが１つの粒子により既に占められている場合には、外方への正味力が、他の候補粒子に印加され、これにより、過剰の粒子は、空の近隣のケージ内、又は溢出粒子を収容するように設計されている横方向貯蔵器内に動かされる。前述の操作が、標本の全ての粒子に適用される必要がある場合、粒子密度は、ケージ密度より小さくなければならないことに留意するべきである。
【００５２】
誘電泳動ケージのサイズは、各電極の回路装置専用の領域のみにより制限され、前記領域は、採用される技術に依存する。この制限を克服するために、１つの異なる電極配置が、以下に開示されるように、使用されることが可能であり、この場合、柔軟性がより低いが電位ケージに関してより最適化されており、サブマイクロン微生物操作及び計数などのより高い感度を必要とする用途に適合されている代替的な電極トポロジーが採用される。電極回路装置により必要とされる領域より小さい電位ケージを必要とする用途において、代替の実施態様が、より良好な領域最適化を達成するために採用されることが可能である。
【００５３】
１つの例として、２５％だけ回路装置にとって利用可能な領域を増加させるために、同一の電極配置を使用して、４つの電極群ＬＬからの１つの電極ＬＮ（図１９参照）を、固定された電圧信号パターン（例えば、同相信号パターン）に接続することが可能である。前記電極は、様々な電圧信号パターンの間で切替えられることが可能でなく、１つの固定された電圧信号パターンに固定接続されているので、以下において、我々は、ＬＮタイプの電極を「非プログラム式電極」と呼称することとする。前述の実施態様は、案内路ＤＲのみに沿ってしか電位ケージが動けないように電位ケージの運動を制限する欠点を有する。他方、前記電極配置は、ＭＩＪ及びＳＩＪブロックが非プログラム式電極ＬＮで実施されていない事実に起因して、回路装置のための領域を節約する利点を示す。
【００５４】
装置の融通性を犠牲にしてケージサイズを収縮するための方法をさらに利用する別の１つの代替実施態様が、図２０に示されている。この場合、運動方向は、案内路ＤＲに沿っての一次元に低減され、粒子の存在及び場合に応じてタイプを検出するように設計されているセルＳＩ（図２０参照）は、許容された運動方向に対して垂直の１つの列ＳＣに沿って配置されている。適切な信号を使用することにより、電位ケージは、複数の行に沿って基礎的に配置され、列ＳＣ全長にわたり案内路ＤＲに沿って動いてチャンバＣＢ内に入り、チャンバＣＢは、数（及び場合に応じてタイプ）が既に検出された粒子を含むように設計されている。垂直案内路に沿っての運動方向は使用されないので、非プログラム式電極ＬＮは、セル回路にとって利用可能な領域を節約するために床配置されている。従って、２つの電極のうちのただ１つしかプログラムされる必要がなく、セルＳＩのみしかセンサを組込む必要がないので、セル回路装置及びセンサにとって利用可能な領域は最適化される。好ましい実施態様に比して、この最後の代替の実施態様の主要な欠点は、標本内の粒子を検出するのに必要な時間がより長いことにある。何故ならば、前記時間は、粒子が、センサに到達する前に通過しなければならない行内セルの数に依存するからである。一方、後者の代替の実施態様は、より小さいケージサイズを達成することが可能であり、このようにして、より小さい粒子を計数する。
【００５５】
本発明による別の１つのアプローチは、ケージ内に収容された粒子の数に比例する出力信号を有するセンサを利用することにより、実現可能なケージサイズより小さい粒子の数を推定するアプローチである。この方法を使用することにより、ケージサイズは、最小値に設定される必要がない。それは、粒子の全数は、各ケージは複数の粒子を収容するにもかかわらず、各ケージ内の粒子の数を加算することにより推定されることが可能だからである。このアプローチの主要な欠点は、センサの出力信号が、粒子のタイプと無関係に粒子の数のみに依存し、従って、粒子のタイプが検出されることが可能でないことにある。
【００５６】
標本が、一旦、ユーザー要求に依存して完全に自動化されたモード又は手動モードで例えばマイクロポンプ注射器などの当業者に公知の手段及び機器により、本装置内に挿入されると、１つ以上の種の微生物が負の誘電泳動にかけられる周波数で動作することが可能であり、このようにして、誘電泳動電位ケージ内に前述の生物学的対象物を捕捉して、前記対象物をより長い又はより短い通路で本装置の周りを動かすことが可能である。提案される装置は、液体自身を動かす代わりに、液体内の懸濁粒子を動かし、このようにして、複雑で高価な流体的手順の必要性を低減し、選択された粒子が、適切な部位又はチャンバ内に蓄積することを可能にし、粒子が摩擦及び衝突により応力印加されることを阻止し、このようにして、本装置の適応制御を可能にし、フィードバックループにおける本装置の機能性を可能にする。
【００５７】
本装置が行なうことが可能である１つの重要な操作は、個体群又は個体群の構成要素の物理特性における差異により、粒子及び可溶化された物質を特徴付けすることである。これは、案内されるケージの特徴を使用することにより達成され、前記ケージの移動性及び強さは、種毎に異なるサイズ，重量，極性，及び導電性などの分析される生物学的物質の物理特性及び形態学的特性に依存する。
【００５８】
本装置は、案内路に沿って電位ケージ内に捕捉された１つ以上の粒子の独立的運動を誘起するというユニークな特徴を有するので、本装置は、例えば、種の物理特性，誘電性，及び導電性を使用することにより種の混合から１つの種の微生物を分離するなどのいくつかのタスクを達成するように容易にプログラムされることが可能である。提案される装置の別の可能な用途は、最初に、異なるケージ内に対象物を捕捉し、次いで、本装置の同一の個所へ向かって動かすことにより、２つ以上の微生物を衝突させる用途である。本発明による装置により提供される広範囲の用途の１つの例として、粒子を操作するための様々な異なる方法が、使用される例は本発明の精神を制限するものではないとの条件つきで、以下、開示される。
【００５９】
本発明の代替の又は等価の形態は、説明される一般的発明を制限することなしに採用される。最後に、材料及び寸法は、ユーザー又は装置用途の要求に依存して変化されることが可能である。
【００６０】
＜誘電泳動力の差異により異なるタイプの粒子を分離するための方法＞
本装置のチャンバ内の標本は、所与の周波数で、それぞれ、負の誘電泳動及び正の誘電泳動にかけられる、少なくとも２つの異なるタイプの粒子の混合を含むと仮定する。その周波数で周期信号により電極を活性化することにより、電位ケージが形成され、第１のタイプの粒子が電位ケージ内に吸引されて入り、電位ケージから第２のタイプの粒子が反発されて電位ケージから出る。従って、本装置の１つの別個の領域へ向かって電位ケージを動かすことにより、第１のタイプの粒子のみが変位される。その領域は、例えば、本装置内の１つの別個のチャンバであることもあり、前記チャンバ内で第１のタイプの粒子は、さらに、収集，計数，他の粒子との組み合わせなどが行われる。この場合、ケージ当たり２つ以上の粒子がこのケージ内に収容されることを許容され得ることに留意すべきである。
【００６１】
＜単一粒子の捕捉、タイプ検出及び運動により、異なるタイプの粒子を分離するための方法＞
本装置のチャンバ内の標本は、少なくとも２つの異なるタイプの粒子の混合を含んでいると仮定する。さらに、ケージのサイズは、ただ一つの粒子しか各ケージ内に捕捉されず、ケージが形成される各個所は、そのケージ内に捕捉されている粒子が存在する場合にはその粒子のタイプを検出することが可能であるセンサを含んでいるものと仮定する。このセンサは、例えば、容量形タイプ及び／又は光学タイプであってよい。誘電泳動電位ケージを形成した後に、各ケージ内の粒子は識別され、１つのタイプの粒子を捕捉した全てのケージは、本装置の１つの別個の領域へ向かって動かされ、従って、そのタイプの粒子しかその領域内に存在しない。その領域は、本装置内の１つの別個のチャンバであり、このチャンバ内で粒子は、さらに、収集，計数，相互間の組み合わせ，又は他の粒子との組み合わせなどが行われる。本明細書において、とりわけ以下において、「タイプ」という用語は、センサを使用することにより識別されることが可能である特徴を指している。換言すれば、同一の物質から成るが異なる粒度を有する２つの粒子は、本装置内に埋込まれているセンサが前記２つの粒子を識別する場合、異なるタイプに所属すると見なされることもある。同様に、異なる物質から成るが、埋込みセンサから同一の出力信号を惹起する２つの粒子は、同一のタイプと見なされることもある。
【００６２】
＜単一粒子の捕捉，運動，タイプ検出，及び運動により、異なるタイプの粒子を分離するための方法＞
この方法は、前述の方法と同様であるが、異なる点は、ケージが最初に形成される個所が、センサを含んでいる必要がないことにある。かくして、最初に、ケージを動かすことにより、センサが粒子のタイプを検出することが可能である個所に粒子を変位させ、次いで、さらに、粒子のタイプに依存して、本装置の異なる領域へ向かって粒子を変位させる必要がある。これらの領域は、例えば、本装置内の互いに別個のチャンバであることもあり、チャンバ内で粒子は、さらに収集，計数，相互間の組み合わせ，又は他の粒子との組み合わせなどが行われる。
【００６３】
＜単一タイプの粒子の捕捉及び数検出により、１つのタイプの粒子を計数するための方法＞
本装置のチャンバ内の標本が、１つの単一タイプの粒子を含み、ケージが形成される各個所が、そのケージ内に捕捉された粒子の数を検出することが可能であるセンサを含んでいると仮定する。これは、センサの出力応答が対応するケージ内に捕捉された粒子の数に比例する場合に、達成される。標本内の粒子の全数は、非常に簡単に、各ケージ内の検出粒子の数を加算することにより、計数されることが可能である。
【００６４】
＜単一粒子の捕捉及びタイプ検出により、異なるタイプの粒子を計数するための方法＞
本装置のチャンバ内の標本は、１つ以上のタイプの粒子を含んでいると仮定する。さらに、ケージのサイズは、ただ一つの粒子しか各ケージ内に捕捉されず、ケージが形成される各個所は、そのケージ内に捕捉された粒子が存在する場合にはその粒子の存在及びタイプを検出することが可能であるセンサを含んでいると仮定する。各タイプの粒子の数を計数することは、このようにして、単に、電位ケージを形成し、各ケージ内の粒子のタイプを検出し、同一のタイプの粒子を捕捉したケージの数を加算することにより、達成され得る。
【００６５】
＜単一粒子の捕捉，運動，及びタイプ検出により、異なるタイプの粒子を計数するための方法＞
この方法は、前述の方法と同様であるが、異なる点は、ケージが最初に形成される個所が、センサを含む必要がないことにある。かくして、最初に、ケージを動かすことにより、センサが粒子のタイプを検出することが可能である個所に粒子を変位させる必要がある。次いで、検出個所におけるケージ内に存在するいかなる粒子のタイプも検出される。内容物が未だ検出されていない他のケージが残されている場合、検出個所におけるケージは変位され、これにより、内容物が未だ検出されないケージが当該検出個所の上方に変位されることが可能となる。この最後の操作は、全てのケージの内容物が検出されるまで、繰返される。各タイプの粒子の数を計数することは、従って、同一のタイプの粒子を捕捉したケージの数を別個に加算することにより、達成され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  電極を含む基板及びリッドによって形成されたモジュール構造体を備えた標本操作用装置の一部を概略的に示す三次元斜視図である。
【図２】  図１と同一の構造を詳細に示した断面図である。
【図３】  電極配置の１つの実施態様を示す図である。
【図４】  電極配置の１つの代替の実施態様を示す図である。
【図５】  第３のモジュールの存在を強調して示している本装置の分解斜視図である。
【図６】  各点が同一の二乗平均（ＲＭＳ）電界強度を有する三次元表面を示す図である。
【図７】  異なるセットの信号が印加された場合における図６と同一のプロットを示す図である。
【図８】  基礎的ステップ及びステップのタイミングを強調するケージ運動原理を概略的に示す図である。
【図９】  電極が装置全長にわたり延びることを想定して、電極に直交する垂直部分区間上の電界のＲＭＳ強度の２次元プロットを示す図である。
【図１０】  異なるセットの電圧が印加された場合における図９と同一のプロットを示す図である。
【図１１】  誘電泳動電位最小値を通過する、図９のプロットの水平横断面に沿っての電界の強度の平方ＲＭＳ強度の勾配の絶対値（電極表面の４．３μｍ上方）のプロットを示す図である。
【図１２】  上部電極に異なる値の電圧が印加された場合における、誘電泳動電位最小値を通過する、図９のプロットの垂直断面に沿っての、電界の平方ＲＭＳ強度の勾配の絶対値のプロットを示す図である。
【図１３】  誘電泳動電位最小値を通過する、図１０のプロットの水平横断面に沿っての、電界の平方ＲＭＳ強度の勾配の絶対値のプロットを示す図である。
【図１４】  誘電泳動電位最小値を通過する、図１０のプロットの垂直断面に沿っての、電界の平方ＲＭＳ強度の勾配の絶対値のプロットを示す図である。
【図１５】  第１の基板の簡素化されたブロック図である。
【図１６】  アレイ内のセルのブロック図である。
【図１７】  本装置に接続されることが可能である測定機器を概略的に示す図である。
【図１８】  ケージサイズを粒度と比較する、一般的な部分区間に沿ってのｎＤＥＰの概略的なプロットを示す図である。
【図１９】  電極プログラミング回路にとって利用可能である領域を最適化することを可能にする１つの特別の電極レイアウトを概略的に示す図である。
【図２０】  粒子を計数することを目標にされている１つの特別の実施態様に関連する電極回路装置にとって利用可能である領域を最適化することを可能にする１つの特別の電極レイアウトを概略的に示す図である。
【図２１】  組込み光学センサの１つの実施態様を示す図である。
【図２２】  組込み容量形センサの１つの実施態様を示す図である。
【図２３】  組込み容量形センサの１つの実施態様を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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