JP2002543972A

JP2002543972A - 誘電泳動により粒子を操作するための方法及び装置

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Publication number: JP2002543972A
Application number: JP2000618017A
Authority: JP
Inventors: メドロ，ジャンニ
Original assignee: シリコン・バイオシステムズ・ソシエタ・ア・レスポンサビリタ・リミタータ
Priority date: 1999-05-18
Filing date: 2000-05-13
Publication date: 2002-12-24
Anticipated expiration: 2020-05-13
Also published as: ES2225135T3; ATE273078T1; WO2000069565A1; CN1239236C; DE60012920D1; AU4601300A; CA2370927A1; ITBO990262A1; IT1309430B1; CN1361720A; DE60012920T2; JP4906191B2; ITBO990262A0; CA2370927C; US20020125138A1; EP1185373A1; EP1185373B1

Abstract

(57)【要約】本発明は、粒子を操作及び検出するのに適する装置及び方法であって、閉鎖形誘電泳動電位ケージを形成し、前記ケージを正確に変位させるための装置及び方法に関する。本装置は、選択的にアドレス指定可能な複数の電極の第１のアレイを含んでおり、この第１のアレイは、実質的に平面状の基板上に横たわり、１つの電極を含んでいる第２のアレイに向かって対面している。前記２つのアレイは、粒子が懸濁液内に位置するマイクロチャンバの上部境界及び下部境界を形成する。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により、１つ以上の独立的な電位ケージが形成され、この電位ケージは、粒子が、信号周波数と粒子及び懸濁媒体の特徴とに依存して、ケージに吸引され或いはケージから反発されることを惹起する。前記アレイ内に電圧信号パターンを適切に印加することにより、ケージは、１つ以上の粒子を捕捉し、これにより、粒子が常に浮揚及び／又は運動することを可能にする。１つのアレイが半導体基板上に集積されている好ましい実施態様では、粒子の変位は、埋込みセンサにより検出され、これにより、例えば粒子を単離，選択，及び正確に計数するなどの複雑な操作が、分析されるべき標本に対して達成される。

Description

【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. Schnell
e, 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】ここで、ε₀は真空誘電率、τは粒子半径、Ｅ_RMSは電界の二乗平均値、Ｅ_x0
，Ｅ_y0，Ｅ_z0は軸ｘ，ｙ，ｚに沿ってのそれぞれの電界成分、φ_x,y,zは電界成
分の位相、ｆ_CM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】 ε^* _p及びε^* _mは、それぞれ、粒子と懸濁媒体との複素比透過率を表し、下記の
式により定められる。

【数３】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】ここで、ｎＤＥＰは、Ｒｅ［ｆ_CM］＜０により定義され、ｐＤＥＰは、Ｒｅ［
ｆ_CM］＞０により定義される。ε^* _m，ε^* _p←ε_m，ε_pである、ωの大きい値にお
いて、ｐＤＥＰは、ε_m＜ε_pである場合に常に粒子上に形成され、ｎＤＥＰは、
ε_m＞ε_p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、ｆ_CM＝ｆ_CM（ω）であり、従って、Ｒｅ［ｆ_CM］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】ここで、

【数６】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】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［ｆ_CM］＜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［ｆ_CM］＞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、次式により表されるように、重力と、ｎＤＥＰにさら
されている場合には、

【数８】ここで、Δρは粒子と媒体との間の質量密度差、ｇは重力の加速度（９．８０
７ｍ／ｓ²）である。そして、安定した懸濁媒体は、下記の式（４）により達成される。

【数９】

【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、ε_p＝１、及び、
ε_m≒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∇Ｅ² _rms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（Δｐ≒１０００Ｋｇ／ｍ³）は、媒体の比誘
電率が、∇Ｅ² _rms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Ｌ
ＩＪ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、電極サイズ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】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】により表される電圧信号が、電極に印加される。ここで、Ｖ_La，ａ∈｛１−１２｝は電極Ｌ１〜Ｌ１２に印加される信号であり
、Ｖ_M2はアレイＭ２に印加される電圧信号であり、Ｖ_e及びＶ_c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、ε_m≒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
、Ｖ_c∈｛−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Ｌ８，Ｌ１０〜Ｌ１
２）。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】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】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Ｖ_c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】ここで、Ｖ_e＝２．５Ｖ、かつ、Ｖ_c＝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、Ｖ_c＝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、Ｖ_c
＝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Ｏ
Ｃ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ＣＰ
Ｈ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ＣＨ
Ａ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Ｆ
Ｒ１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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ【要約の続き】粒子を単離，選択，及び正確に計数するなどの複雑な操作が、分析されるべき標本に対して達成される。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体内に浸漬された１つ以上の粒子を操作するための装置に
おいて、 − 第１の基板と、 − 前記第１の基板上に実装されている第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複数の電極であって、前記第２
の電極アレイが前記第１の電極アレイへ向かって面して配置されると共に前記第
１の電極アレイから間隔を置いて配置され、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るように構成され
た複数の電極と、 − 前記複数の電極の第１のサブセットに第１の電気的入力信号を印加し、前
記複数の電極の少なくとも１つの別のサブセットに少なくとも１つの別の電気的
入力信号を印加する手段と、をそれぞれ具備し、前記第１の電気的入力信号及び前記少なくとも１つの別の電気的入力信号が、
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ことを特徴とする装置。
【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１の基板及び／又は第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】前記電界測定手段が、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、前記第１の電極アレイのうちの少なくとも１つの電極との間
に形成された電界における変動を検出するために、前記第２の電極アレイのうち
の少なくとも１つの電極、及び、前記第１の電極アレイのうちの少なくとも１つ
の電極とを含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】前記電界測定手段が、前記第１の電極と前記少なくとも１つ
の別の電極との間に形成された電界における変動を検出するために、前記第２の
電極アレイのうちの第１の電極、及び、前記第１の電極アレイのうちの少なくと
も１つの別の電極とを含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項８】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９】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又は８に
記載の装置。
【請求項１０】前記少なくとも１つの仮想閉面を、 − 拡張又は収縮する、及び／又は − 動かす、及び／又は − 形成又は除去するために、前記第１の電気的入力信号及び／又は前記少なくとも１つの別の電気的入力信号
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９の何れか１
項に記載の装置。
【請求項１１】前記少なくとも１つの仮想閉面を − 拡張及び／又は収縮する、及び／又は − 動かす、及び／又は − 形成又は除去するために、前記複数の電極の前記第１のサブセット及び／又は前記少なくとも１つの別のサ
ブセット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１０
の何れか１項に記載の装置。
【請求項１２】前記第１の電極アレイと前記第２の電極アレイとの間の前
記領域内に、前記流体を流入させる及び／又は前記領域から前記流体を流出させ
る手段をさらに含む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、前記スペーサは少なくとも１つの開口を有し、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１２の何れか１項に記載の装
置。
【請求項１４】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
、前記スペーサは少なくとも１つの開口を有し、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１２の何れか１項に記載の装置。
【請求項１５】前記第１の基板及び／又は前記第２の基板内に組込まれて
いるスペーサをさらに含み、前記スペーサは少なくとも１つの開口を有し、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２又は４に記載の装置。
【請求項１６】前記複数の電極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、 − 基準値信号入力手段と − 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、前記電極に印加された電気的入力信号が、前記アドレス指定信号入力手段及び
前記データ入出力手段によりプログラムされた前記少なくとも１つのメモリ素子
内に格納されている値に応じて前記入力基準値信号から導出されることを特徴と
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】前記回路手段が、検出手段をさらに含むことを特徴とする
請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】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１９の何れか１項に記載の装置
。
【請求項１９】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１８の何れか１項に記載の装
置。
【請求項２０】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１９の何れか１項に記載の装置。
【請求項２１】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２０の何れか１項に記載の装置。
【請求項２２】流体内に浸漬された１つ以上の粒子を操作する方法におい
て、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
強度の電界を形成するために、複数の電極の第１のサブセットに第１の電気的入
力信号を印加し、前記複数の電極の少なくとも１つの別のサブセットに少なくと
も１つの別の電気的入力信号を印加し、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領域へ
向かって吸引し又は前記領域から反発するようにしたことを特徴とする方法。
【請求項２３】流体内に浸漬された１つ以上の粒子を操作するための方法
において、 − 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ために、複数の電極の第１のサブセットに第１
の電気的入力信号を印加し、前記複数の電極の少なくとも１つの別のサブセット
に少なくとも１つの別の電気的入力信号を印加するステップであって、前記粒子
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領域へ向かって吸引す
るステップと、 − 前記少なくとも１つの仮想閉面により包囲されている別の１つの領域へ向
かって前記粒子を吸引するために、前記少なくとも１つの仮想閉面を変位させる
ステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２４】前記少なくとも１つの仮想閉面の前記変位を、前記複数の
電極の前記第１のサブセット及び／又は前記複数の電極の少なくとも１つの別の
サブセットを変化させることにより行なうようにしたことを特徴とする請求項２
３に記載の方法。
【請求項２５】前記少なくとも１つの仮想閉面の前記変位を、前記第１の
電気的入力信号及び／又は前記少なくとも１つの別の電気的入力信号を変化させ
ることにより行なうようにしたことを請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】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
方法において、 − 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
定の強度の電界を形成するために、複数の電極の第１のサブセットに第１の電気
的入力信号を印加し、前記複数の電極の少なくとも１つの別のサブセットに少な
くとも１つの別の電気的入力信号を印加するステップであって、少なくとも１つ
の第１のタイプの粒子が、前記少なくとも１つの仮想閉面により包囲されている
領域へ向かって吸引され、異なるタイプの粒子が、前記領域から反発されるステ
ップと、 − 前記少なくとも１つの仮想閉面により包囲されている別の１つの領域へ向
かって、少なくとも１つの第１のタイプの前記粒子のみを動かすために、前記少
なくとも１つの仮想閉面を変位させるステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２７】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
方法において、 − 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
有する電界を形成するために、複数の電極の第１のサブセットに第１の電気的入
力信号を印加し、前記複数の電極の少なくとも１つの別のサブセットに少なくと
も１つの別の電気的入力信号を印加するステップであって、前記異なるタイプの
粒子が、前記仮想閉面により包囲されている領域へ向かって吸引されて前記領域
内に捕捉され、前記領域の各々が、ただ一つの粒子しか捕捉することが可能でな
いステップと、 − 前記領域内に捕捉された各粒子のタイプを検出するステップと、 − 第１の領域へ向かって前記仮想閉面の第１のサブセットを変位させるステ
ップであって、前記第１のサブセットが、前記第１の領域へ向かって第１のタイ
プの前記粒子を動かすために、第１のタイプの粒子を捕捉する仮想閉面から構成
されるステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２８】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
方法において、 − 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
有する電界を形成するために、複数の電極の第１のサブセットに第１の電気的入
力信号を印加し、前記複数の電極の少なくとも１つの別のサブセットに少なくと
も１つの別の電気的入力信号を印加するステップであって、前記異なるタイプの
粒子が、前記仮想閉面により包囲されている領域へ向かって吸引され、前記仮想
閉面の各々が、ただ一つの粒子しか捕捉することが可能でないステップと、 − 少なくとも１つの検出個所へ向かって前記捕捉粒子を動かすために、前記
少なくとも１つの検出個所へ向かって前記仮想閉面を逐次的に変位させ、前記少
なくとも１つの検出個所のそれぞれの検出個所内で各粒子のタイプを検出するス
テップと、 − 第１の領域へ向かって第１のタイプの前記粒子を動かすために、第１のタ
イプの粒子を捕捉する仮想閉面から成る前記仮想閉面の第１のサブセットを第１
の領域へ向かって変位させ、第２の領域へ向かって異なるタイプの粒子を動かす
ために、異なるタイプの粒子を捕捉する仮想閉面から成る前記仮想閉面の第２の
サブセットを第２の領域へ向かって変位させるステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２９】流体内に浸漬された少なくとも１つのタイプの粒子の数を
計数するための方法において、 − 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ために、複数の電極の第１のサブセットに第１の電
気的入力信号を印加し、前記複数の電極の少なくとも１つの別のサブセットに少
なくとも１つの別の電気的入力信号を印加するステップであって、少なくとも１
つのタイプの前記粒子が、前記少なくとも１つの仮想閉面により包囲されている
領域へ向かって吸引されるステップと、 − 前記領域のそれぞれ領域内の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３０】流体内に浸漬された少なくとも１つのタイプの粒子の数を
計数するための方法において、 − 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ために、複数の電極の第１のサブセットに第１
の電気的入力信号を印加し、前記複数の電極の少なくとも１つの別のサブセット
に少なくとも１つの別の電気的入力信号を印加するステップであって、前記粒子
が、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へ向かって吸引さ
れ、前記領域の各々が、ただ一つの粒子しか捕捉することが可能でないステップ
と、 − 前記領域内の各粒子の存在及びタイプを検出するステップと、 − 同一のタイプの粒子の数を別個に加算するステップと、を含ことを特徴とする方法。
【請求項３１】流体内に浸漬された少なくとも１つのタイプの粒子の数を
計数するための方法において、 − 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
有する電界を形成するために、複数の電極の第１のサブセットに第１の電気的入
力信号を印加し、前記複数の電極の少なくとも１つの別のサブセットに少なくと
も１つの別の電気的入力信号を印加するステップであって、前記粒子が、前記仮
想閉面により包囲されている領域へ向かって吸引され、前記領域の各々が、ただ
一つの粒子しか捕捉することが可能でないステップと、 − 少なくとも１つの検出個所へ向かって前記捕捉粒子を動かすために、前記
少なくとも１つの検出個所へ向かって前記仮想閉面を逐次的に変位させ、前記少
なくとも１つの検出個所のそれぞれの検出個所内の各粒子の存在及びタイプを検
出するステップと、 − 同一のタイプの粒子の数を別個に加算するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項３２】前記仮想閉面の前記変位は、前記複数の電極の前記第１の
サブセット及び／又は前記複数の電極の前記少なくとも１つの別のサブセットを
調整することにより達成されることを特徴とする請求項２６，２７，２８及び３
１の何れか１項に記載の方法。
【請求項３３】前記検出は、前記流体の少なくとも一部における電気特性
及び／又は光学特性における変動を測定することにより達成されることを特徴と
する請求項２７，２８，２９及び３１の何れか１項に記載の方法。