JP2003514236A

JP2003514236A - 細胞を操作するための細胞分析及び選別装置

Info

Publication number: JP2003514236A
Application number: JP2001536950A
Authority: JP
Inventors: ブラフレベッカ; ボールドマンジョエル; エル．グレイマーサ; エイ．シュミットマーティン; トーナーメメット
Original assignee: マサチューセッツ・インスティテュート・オブ・テクノロジー
Priority date: 1999-11-10
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2003-04-15
Also published as: WO2001035071A3; WO2001035071A2; EP1236032A2; AU1592501A; CA2390375A1

Abstract

(57)【要約】細胞分析及び選別装置は、細胞の大母集団における各細胞の行動をある時間にわたって監視することができる。該細胞分析及び選別装置は、個々にアドレス指定できる細胞位置を含む。各位置は、単一の細胞を捕獲及び保持することができ、また、その細胞を特定位置から選択的に解放することができる。本発明の一側面において、細胞は、電界トラップを用いて捕獲、保持及び解放される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の分野この発明は、細胞分析及び選別装置と、これらの装置を使用して細胞を操作す
るための方法に関する。更に詳しくは、本発明は、既知の位置の単一の細胞を捕
獲及び保持し、次に、これら細胞の内のいくつかを選択的に解放することができ
る細胞分析及び選別装置に関する。該細胞分析及び選別装置を使用して細胞を操
作する方法も提供される。

【０００２】発明の背景多くの最近の技術的進歩は、特に、細胞分析を行うための方法及び装置を改良
することにより、細胞生物学及び生物力学工学の研究を高めた。例えば、過去１
０年間における細胞分析に利用可能な光学プローブの爆発的増加は、顕微鏡及び
フローサイトメトリーのアッセイ（定量法）から収集する情報量の増加を可能に
した。顕微鏡アッセイは、研究者が、光学プローブを使用して、限られた数の細
胞の時間応答を監視することを可能にする。一方、フローサイトメトリーは、部
分母集団に選別するための統計学的に著しい量の細胞におけるアッセイのために
光学プローブを使用する。

【０００３】しかし、これらの機構だけでは、時間依存分析にとって不十分である。顕微鏡
アッセイは、ある時間にわたって二、三の細胞のみを追跡でき、ユーザーが個々
の細胞の位置を追跡することを可能にしない。フローサイトメトリーでは、ユー
ザーは一度の各細胞の観察のみができ、細胞母集団を三つの部分母集団へ容易に
選別することのみができる。複数回の同一細胞の分析又は部分母集団の任意の選
別に対処できない。これらの種類のバルクアッセイ技術は、主要な統計を作り出
すが、研究者に分布統計を提供することができない。

【０００４】マイクロシステム技術における進歩はまた、細胞生物学及び生体医用工学の分
野における多くの用途に影響を及ぼした。ミクロンレベルまでの縮小は、慣用技
術に使用されたものより小さな試料の大きさを許容する。加えて、より小さな寸
法、及び大きな素子配列を作製する能力は、複数の処理を平行に実行させること
を可能にする。

【０００５】集積回路は、１９５０年以来、シリコンチップ上に製造されており、処理技術
が改良されるにつれ、トランジスターの大きさは縮小し続ける。単一のチップ上
に多数の複合素子を製造する能力は、同様に、シリコン上への機械的構造の製造
に対する関心に火を付けた。マイクロ電子機械式システム（ＭＥＭＳ）に対する
用途範囲は、膨大である。加速度計、圧力センサー及びアクチュエータは、現在
製造される多くのＭＥＭＳ装置のうちのほんの二、三である。ＭＥＭＳの別の用
途は生物学及び医学にある。微細機械加工された素子は、薬物送達、ＤＮＡ分析
、診断、及び細胞性質の検出における使用のために作製されてきた。

【０００６】細胞の操作はＭＥＭＳの別の用途である。例えば、１９９０年代の初期、Sato
らは、参照によってここに組み込まれる彼らの学術論文Individual and Mass Op
eration of Biological Cells using Micromechanical Silicon Devices, セン
サー及びアクチュエーター 1990, A21-A23:948-953において、細胞保持のための
圧力差の使用を記述した。Satoらは、水力捕捉チャンバーを微細製造し、これは
、細胞融合実験に使用するための植物細胞を捕捉するために使用された。圧力差
は、単一の細胞が吸い込まれて穴の配列を塞ぐように適用された。しかし、圧力
差が個々の穴ではなく、配列全体にわたって適用されたので、細胞を該配列から
個々に解放することはできなかった。

【０００７】 Bousseらは、参照によってここに組み込まれる彼らの学術論文Micromachined
Multichannel Systems for the Measurement of Cellular Metabolism, センサ
ー及びアクチュエーターＢ, 1994, 20:145-150において、重力沈降によって細
胞を受動的に捕獲する、シリコンにエッチングされたウェルの配列を記述した。
多数の細胞は、各ウェル配列内へ沈降することが許容され、そしてここで、ウェ
ルの形状からもたらされる流体力学により、流れに抗して保持された。細胞を取
り囲む媒体のｐＨの変化は、ウェルの底部のセンサーによって監視されたが、ウ
ェルは細胞解放機構を欠いており、多数の細胞が各ウェルに捕捉された。細胞捕
獲の別の既知の方法は、誘電性泳動（ＤＥＰ）である。ＤＥＰは、不均一な電界
における中性粒子の動作に言及する。中性分極粒子は、不均一な電界においてあ
る力を経験し、この力は、該粒子が入っている媒体よりも該粒子が大きく分極す
るか又は小さく分極するかによって、それらを電界極大又は極小に向かって推進
させる。電極を適正に整列させることにより、電界が作り出され、誘電粒子を安
定して捕獲し得る。

【０００８】微細製造は、１９８０年代後期以降、細胞操作用の電極アレイを作製するため
に利用されたきた。研究者は、ほ乳類の細胞、酵母細胞、植物細胞及びポリマー
粒子を含む多くの異なる細胞タイプを首尾よく捕獲した。多くの作業は、生存不
能な酵母からの生存可能な酵母の分離、及び骨髄及び末梢血幹細胞からのＣＤ３
４＋幹細胞の濃縮のような分離を誘発するために、種々の細胞タイプの誘導特性
の違いを活用することによって細胞を操作することを伴う。種々の二次元又は三
次元微細製造電極形態における細胞捕獲により関連のある作業は、いくつかのグ
ループによって示された。しかし、選択された細胞の部分母集団を解放する意図
を有する細胞の捕獲アレイは、まだ広く研究されていない。加えて、ＤＥＰは、
大きな温度変化を潜在的に引き起こすことができ、対流効果のみならず、細胞生
理学への深い影響をももたらす。

【０００９】これらの研究は、チップ上のアレイに個々の及び少数の細胞を捕獲することが
可能であるが、その後、個々の細胞を操作しかつ選択的に解放する能力が無いこ
とを実証する。この、生物学的測定に基づいて選択又は選別することができなこ
とは、関心を持ち得る科学的探求の種類に制限を与える。

【００１０】細胞分析及び選別を実行するために現在利用可能な機構は、従って、それらの
用途に限定される。そのため、容易にかつ十分に使用可能な、大量の細胞を選別
しかつ解放するための改良された方法及び装置に対するニーズがある。加えて、
ユーザーが各細胞を複数回見たり、多くの細胞をある時間にわたって追跡したり
することを可能にする分析及び選別デバイスに対するニーズがある。結局、ユー
ザーに細胞位置を知らせ、かつ細胞を保持し、また選択的に解放することを可能
にさせ、その結果、時間応答アッセイ中、細胞特性のどのような側面にでも基づ
いて、ユーザーが任意に選別できる細胞選別機に対する必要性がある。

【００１１】発明の概要本発明は、細胞の大きな母集団における各細胞の行動をある時間にわたって監
視することができる細胞選別装置を提供する。該細胞分析及び選別装置は、個々
にアドレス指定できる細胞位置を含む。各位置は、単一の細胞を捕獲及び保持す
ることができ、また、その特定位置から選択的にその細胞を解放することができ
る。本発明の一側面において、ウェル内に細胞は捕獲されて保持され、また、細
胞排出の手段としての蒸気泡を用いて解放される。本発明の別の側面において、
細胞は、電界トラップを用いて捕獲、保持及び解放される。

【００１２】本発明の一側面によれば、細胞分析及び選別装置は、流体流に沿って移動する
細胞を捕獲するための幾何学的サイトの配列（アレイ）を有する。該幾何学的サ
イトは、個々のサイトが認知されかつ特定できるような基体を横切る規定パター
ンに配置される。各幾何学的サイトは単一の細胞を保持するように構成及び寸法
付けされる。加えて、各サイトは、そのサイトから選択的に該単一の細胞を解放
する解放機構を含む。各サイトは一の細胞のみを保持することができ、かつ、各
サイトは唯一のアドレスを有するので、本装置は、ユーザーが、捕獲されたどの
特定細胞の位置をも知ることを可能にする。更に、各サイトは、ユーザーが細胞
を選択位置で任意に捕獲することができ、かつ、該配列を横切る種々の位置で細
胞を解放することができるように、独立に制御可能である。

【００１３】本発明の一実施形態において、幾何学的サイトはウェル（窪み）として構成さ
れる。特定の大きさにされたウェルの配列を横切って細胞の流れが流されるにつ
れ、細胞はウェル内へと落下して捕獲される。各ウェルは、単一の細胞のみを捕
獲するように大きさ及び形状が作られ、かつ、細胞がウェル上の流体の層流へと
脱出しないように構成される。単一の細胞は、重力によってウェル内側に保持さ
れ得る。各ウェルは更に、該ウェルの下に設置されたチャンバーに、狭いチャネ
ルを介して取り付けられ得る。チャンバー内には加熱要素が存在し、これは、サ
イトから細胞を解放するための機構である泡核生成を引き起こすことができる。
該泡は、チャンバー内側に容積膨張を作り出し、これは、流体で満たされている
場合、流体の噴出を狭チャネル外へ押し退け、細胞をウェル外に排出させる。ウ
ェル上の流体流は、排出された細胞を流し去り、これは収集されるか又は廃棄さ
れる。

【００１４】本発明の別の実施形態において、幾何学的サイトは、三次元電界トラップから
形成される。各トラップは、台形状に配列された四つの電極を備え、ここで各電
極は該台形の角を表す。該電極の電界は、該トラップの中央部内に単一の細胞を
捕捉するためのポテンシャルエネルギーウェルを作り出す。該トラップのポテン
シャルエネルギーウェルを除去することによって、細胞は、サイト外でトラップ
周囲の流体流内へと排出される。排出された細胞は、次に洗い出されて、収集又
は廃棄される。

【００１５】本発明の更に別の実施形態において、統合システムが提案される。該システム
は、その構成要素の一つとして、既述した細胞分析及び選別装置を有する微細製
造ベースの動的アレイ血球計算器（μＤＡＣ）であり得る。細胞の母集団（個体
数）を分析するため、細胞は、複数の細胞サイトを含む細胞アレイチップ上に置
かれ得る。細胞は、上述したと同様の態様で、該複数の細胞サイト内の適所に保
持され、また、例えば光度測定アッセイによって分析される。蛍光を検出する光
学システムを使用して、細胞の応答が、細胞応答の強度を表す蛍光強度によって
測定され得る。一旦実験が終了すると、望ましい応答即ち強度を示す細胞が、細
胞選別機内へと選択的に解放され得、更に研究されるか又は別の方法で選択的に
処理される。そのような総合システムは、研究者が細胞の時間応答を見ることを
可能にするであろう。

【００１６】本発明の更なる特徴及び利点、並びに、本発明の種々の実施形態の構成及び操
作は、添付図面を参照して以下に詳述される。

【００１７】発明の詳細な説明図１Ａ〜１Ｄは本発明の模範的なシステムを例示する。断面で示された細胞サ
イト１０は、単一の細胞１８を保持するように大きさ及び形が作られたウェル１
２を含む。ウェル１２の底部には狭チャネル１４が接続され、これは、該ウェル
の下に位置しているチャンバー１６に開放する。この特定の例において、ウェル
１２及び狭チャネル１４はシリコンウェーハによってエッチングされる。該シリ
コンウェーハは、その上に白金ヒーター２０があるスライドガラスに取り付けら
れ、該位置合わせは、ヒーター２０が、水のような流体で満たされるチャンバー
１６の内側に密閉されるようになる。

【００１８】ウェル１２は捕獲及び保持機構として機能する。操作において、細胞を含む流
体は該装置の上部上に流され、次に、該流れが止められる。図１Ａに示されるよ
うに、該細胞は次に沈降し、重力は、一の細胞１８がウェル１２内に落下して捕
らえられることを可能にする。この時点で、流れが再び開始され、ウェル内の細
胞は捕らわれる一方、ウェル内にない細胞は対流によって流れ去らされる。図１
Ｂは、一の細胞１８のみをウェル１２内に一度に保持するため、ウェル１２がど
のように必要な大きさにされかつ構成されるかを示す。加えて、ウェル１２は、
層流、即ち上記流体流によって細胞１８がウェル外に洗い流されないように構成
される。

【００１９】試薬を加えるなどにより、捕獲細胞においては実験が行われ得る。実験が終わ
ると、望ましい特性を示す細胞がウェルから選択的に解放され得る。この例にお
いて、細胞１８がウェル１２から解放されることが望ましい場合、オペレーター
は、チャンバー１６の加熱要素２０に印加することができる。加熱要素２０は、
その際、チャンバー１６内に収容された流体の極限（superlimit）上の温度まで
加熱され、図１Ｃに見られるように、加熱要素２０の表面で蒸気泡核生成を開始
する。図１Ｄにおいて、微小泡２２がチャンバーの内側に形成され、容積置換を
作り出す。加熱要素２０の電圧を調整することにより、オペレーターは、微小泡
２２の大きさを制御することができる。微小泡２２が十分な大きさになると、チ
ャンバー内の容積膨張は、チャンバー１６内の流体の狭チャネル１４外への噴出
に取って代わり、細胞１８をウェル１２外に排出する。解放された細胞１８は、
後に収集されるか又は捨てられるため、ウェル１２の外側の流体流に集められ得
る。

【００２０】本発明の別の模範的なシステムにおいて、細胞サイト３０は電界トラップを含
む。図２Ａ〜２Ｃは、マイクロ製造チップ３６のような基板（基体）上の二つの
細胞サイトを断面で示す。各サイトは複数の電極３２を含む。好ましくは、各細
胞サイト３０は、図３Ａ及び３Ｂに見られるように、台形配置に置かれた四つの
電極を包含する。細胞サイト３０は、一の細胞のみが該サイト内に保持され得る
ように構成及び配置される。電極３２は、その中で単一の細胞３４が保持され、
その後、解放され得る不均一な電界トラップを作り出す。図４は、電極３２の位
置及び極性が、細胞３４を捕獲するための電界トラップをどのように作り出すこ
とができるかを示す。

【００２１】使用において、流体媒体中の細胞は、図２Ａに示されるように、細胞サイト３
０上を流れる。各電極３２の電界を調整することにより、ポテンシャルエネルギ
ーウェルが、各細胞サイト３０内に作り出され得る。該ポテンシャルエネルギー
ウェルは、図２Ｂに見られるように、流体流に沿って移動する単一の細胞３４を
捕獲し、かつ該トラップの中央内に細胞３４を保持するのに十分な強さである。
オペレーターが細胞３４を解放することを選ぶ場合、彼は、該トラップを形成す
る電極３２の電界を調整することができる。図２Ｃは、これが次に、ポテンシャ
ルエネルギーウェルをどのように除去し、細胞３４を解放し流体流に戻すかを示
す。細胞３４は、次に、集められるか又は捨てられ得る。

【００２２】電界トラップを形成する電極は、好ましくは、金から形成された薄膜極である
。これは、電極を囲む流体の層流に対し細胞を保持するのに有効な三次元電界ト
ラップを作り出す。更に、一又は二つの細胞サイトのみが示されるが、図面は本
発明の細胞選別装置に含まれ得る単なる模範的なサイトの種類であることが理解
される。該細胞選別装置は、大量の細胞を選別するため、だいたい単一の細胞サ
イトから無数の細胞サイトを含み得る。更には、ここでの実施形態は細胞を保持
するように記述されるが、細胞の意味は、生物学的細胞、細胞断片、粒子、生物
学的分子、イオン及び他の生物学的実体を含むことが理解される。

【００２３】本発明の細胞選別装置は、オペレーターが細胞サイトのアレイにおける各細胞
の位置を知ることを可能にするので、オペレーターは、時間応答アッセイ下のそ
れらの特性に基づいて、細胞を操作し、かつ細胞を任意に選別することができる
。一のそのような方法は、細胞からの動的応答を観察するため、走査技術を使用
することを企図する。図５に示されるように、細胞が発光アッセイを使用して試
験され、時間の経過とともに刺激に対する該細胞の応答を決定する総合細胞分析
システム１００が提案される。該総合システムは、微小製造ベース動的アレイ血
球計算器（μＤＡＣ）であり得る。試験細胞は、上記細胞選別装置に類似した細
胞アレイチップ上に置かれ、上述したような複数の細胞サイト内の所定位置に保
持される。蛍光を検出するために光学システム１２０を使用して、細胞の応答が
、細胞応答の強度を示す蛍光の強度と共に測定され得る。一旦実験が終わると、
望ましい応答、即ち強度を示す細胞が、集められるか又は後に捨てられるため、
選択的に解放され得る。そのような総合システムは、研究者が細胞の時間応答を
見ることを可能にするであろう。

【００２４】細胞の応答が時間内で変化し得るどのような発光アッセイでも、この提案され
たシステムを使用する研究に適している。それは、名目上均一な細胞母集団にお
いて表現型異質を見つけるためにうってつけである。そのようなシステムは、そ
れに対する実際的なアッセイが目下存在しない時間ベース細胞応答を研究するた
めに使用され得る。存在／不存在又は刺激に対する細胞の応答の強度を見る代わ
りに、研究者は、その時間応答を見ることができる。更には、研究者は、バルク
実験で生じ得るような重要な違いを隠す可能性なしに、統計学的に著しい数の細
胞についての情報を得ることができる。特定の用途は、受容体配位子結合又はタ
ンパク質−タンパク質間相互作用のような分子相互作用の研究を含み得る。細胞
内カルシウムを含むような信号形質導入経路も研究され得る。

【００２５】該提案総合システムの利点は、全細胞の全時間応答が累積され得、次に選別が
行われ得ることである。これは、各細胞が一時点で分析のみされ、かつ選別が捕
捉と同時に起こらなければならない場合、フローサイトメトリーとは異なる。遺
伝子学者は、環境刺激に応答して又は細胞周期分析のため、前初期遺伝子などと
共に遺伝子発現を見ることができる。別の広い適用領域は、レポーター遺伝子ベ
ースアッセイを用いる薬物の発見である。該総合システムは、細胞との薬物相互
作用の動力学と、興味深い薬力学的応答を示す細胞の選別及び分析とを扱う基本
的、生物学的な問題点を研究するためにも使用され得る。別の用途は、細胞調節
における確率過程を研究するため、遺伝子発現における異質性を見ることである
。最終的に、一旦ある刺激に対する時間的応答が決定されると、該研究システム
は、病気を診断し、かつ患者の細胞における異常時間応答を捜すことによる治療
を監視するため、臨床状況に使用され得る。

【００２６】本発明の一の目的は、水力を用いて、個々の細胞をアドレス指定可能位置に捕
獲し、かつ、これら個々の細胞をそれらの位置から解放するために微小泡動作を
利用することができる細胞分析及び選別装置を提供することである。この装置の
開発において、多くの物理的（身体的）現象を手本にしかつ理解することが必要
であり、それの少なからぬ重要なことには、微小ヒーター上の泡核生成の背後の
理論を含んだ。更に、単一の粒子又は細胞が流れに抗してウェル内に保持され得
るように、適切な寸法の装置を設計することも必要であった。試験目的のため、
同じ寸法のポリスチレンミクロスフェアがより強健であると考えられたので、生
物学的細胞は、これらの実験に用いられなかった。製造プロセスは、望ましい属
性のチップを作るために設計されなければならず、発生した種々の問題が解決さ
れる必要があった。最終的に、十分な高温が達せられ得るように抵抗器の加熱を
理解する必要があった。

【００２７】泡核生成の理論下において、ヒーター表面が液体プール中に入れられた場合、
プール沸騰が起こる。該ヒーター表面温度は上昇し、かつ十分な量だけ該液体の
飽和温度を超えるにつれて、蒸気泡はヒーター上で核生成する（凝集する／核と
なる）。ヒーターのすぐ隣の流体層は過熱され、泡は、十分に大きくなり、かつ
浮力によって上方に発つまで、この領域において急速に成長する。上昇しながら
、泡は崩壊するか、又は大量の流体の温度によって成長し続ける。

【００２８】均一及び不均一な泡核生成の二つのモードがある。均一な核生成は、純液体中
で生じるのに対し、不均一な核生成は、加熱された面上で生じる。

【００２９】異物を全く包有しない純液体において、泡は高エネルギー分子群によって核生
成される。運動学的理論によれば、純液体は、濃度又は蒸気クラスターにおいて
局所的変動を有する。液体中の分子の平均エネルギーより著しく高いエネルギー
を有する高活力が与えられた分子群が存在する。これらの分子は活性分子と呼ば
れ、それらの過剰エネルギーは、活性化エネルギーと呼ばれる。該核生成プロセ
スは、可逆性のため分子がそれらのエネルギーを増やすか又は減らし得る段階的
な衝突プロセスによって生じる。活性分子クラスターが臨界の大きさに達すると
、その際、泡核生成が生じる得る。

【００３０】水が均一核生成状況において何度で沸騰し始めるかを決定するため、水の熱力
学的過熱限界を知ることが有効であった。図６は、水に対する熱力学的圧力−体
積図であり、これは、ずっと左への安定液体の領域、ずっと右への安定蒸気の領
域、準安定領域、及び破曲線の中央における不安定領域を示す。該波線はスピノ
ーダルと呼ばれ、臨界点の左側は、過熱された液体の存在に対する上限を表す。
この線に沿って方程式（１−１）が当てはまり、スピノーダル内に方程式（１−
２）が当てはまる。

【数１】

【００３１】ヴァンデルワールス及びベルテローの状態方程式は、水の過熱限界を計算する
ために用いられる。

【数２】ここでｖは比容積、Ｒはガス定数、またａ及びｂは定数である。ヴァンデルワー
ルス方程式に対しｎ＝０、ベルテローの方程式に対しｎ＝１、変形ベルテローの
方程式に対しｎ＝０．５である。臨界点で方程式（１−４）及び（１−５）が当
てはまると仮定すると、ａ及びｂは方程式（１−３）を用いて計算された。

【数３】

【００３２】上記方程式を用いて、水の熱力学的過熱限界が計算された。その結果は、次の
表１に示される。

【００３３】

【表１】

【００３４】これらの値は、それ以上で均一核生成を開始しなければならない温度を表す。

【００３５】過熱の運動学的限界も、活性分子クラスターの運動学的理論を用いて計算され
得る。水に対する過熱の運動学的限界は、約３００℃である。

【００３６】固体表面の存在下で液体が過熱される場合、不均一な核生成が通常起こる。こ
の状況において、泡は、一般的に、過熱された面上のキャビティ（面欠陥）内に
核生成する。キャビティ内に泡を核生成するために必要な過熱の程度は、方程式
（１−６）に示されるように、キャビティ半径に反比例する。

【数４】ここで、Ｔ_Wは表面温度、Ｔ_satは飽和温度（水に対し１００℃）、σは表面張力
、ｈ_fgは蒸発潜熱、ρ_Vは蒸気濃度、またｒ_Cはキャビティ半径である。例えば、
１μｍキャビティ半径を有する面で、水中で泡を核生成するために必要な表面温
度は約１３３℃である。０．１μｍキャビティ半径に対し、泡を核生成する温度
は約４３２℃で、最高熱力学的水過熱限界３２２℃より十分高い。

【００３７】従って、１μｍより十分に小さいキャビティ寸法の表面に対し、泡がキャビテ
ィ内に核生成する前に液体が過熱限界に達するので、均一な核生成が起こる可能
性がある。微細機械加工された表面は、非常に平滑な表面を有する傾向にある。
例えば、白金抵抗器は、わずか３〜６μｍ幅及び０．１μｍ厚であり、そのため
、不均一な核生成が起こるのに十分大きなキャビティが表面上に存在する可能性
はない。最も可能性のある核生成キャビティは、抵抗器の厚さが０．１μｍであ
り、不均一な核生成に対し、上記したように、熱力学的過熱限界より高い沸騰温
度をもたらす。従って、均一な核生成は、この発明の抵抗器に対し最も起こる可
能性のある泡核生成の方法であると仮定した。

【００３８】しかし、白金膜が焼きなまされる場合、熱溝切り及びアグロメレーションが粒
界で起こり得る。溝は高温多結晶材料の表面上で、粒界が該表面に出会う場合に
発達する。該表面が熱くなるにつれ、該溝は深くなり、穿孔を開始し、また、白
金は、表面積を低減するため、丸くなる工程を始める。このプロセスはアグロメ
レーションと呼ばれる。アグロメレーション速度は、７００℃未満の焼きなまし
温度において重要ではない。しかし、１時間の白金の６００℃焼きなましでは、
アグロメレーションの開始は、白金に、約０．５μｍまでの半径の小空隙をもた
らし得る。この場合、不均一な核生成が約１６６℃の温度で可能であろう。

【００３９】次に、抵抗器のある温度を達成するために必要な電流を予測することが望まし
かった。この抵抗器モデルの概略及び境界条件が図７Ａ及び７Ｂに示される。抵
抗器を通る断面スライスでは（７Ｂ）、ヒーター上の水は４５０μｍ厚で、水を
収容するシリコンチャンバーの高さに対応した。ウェル内の水の上部上にシリコ
ンと、その上部上を流れる周囲温度の水があるので、周囲温度は、ウェル内の水
の上部で維持されると仮定した。スライドガラスの底部も、それが周囲温度の面
を包含するので、周囲温度になると仮定した。抵抗器はスライドガラスより約１
０，０００倍薄く、該抵抗器の全体積に対し、Ｉ²Ｒに等しいオーム加熱、即ち
発電を有した。

【００４０】まず、二つの結合面を通って伝導する熱の特性時間は、方程式（１−７）を用
いて計算された。

【数５】ここで、Ｌは伝導の特性長、またαは該材料の熱拡散率である。

【００４１】この関係を用いて、１ｍｍのガラスを通る伝導に対する特性時間は、約２．３
秒であることが分かった。同様に、４５０μｍの水を通る伝導に対する特性時間
は約１．３８秒であった。従って、このシステムでは、定常状態までの時間は、
最長特性時間約９秒より約４倍長いであろう。上記で確立されたように、均一な
泡核生成は起こる可能性があった。これは分子プロセスであり、従って、ほぼ瞬
間になると思われ得る。泡が核生成する時間は、それ故、該システムが定常状態
に達するために必要な９秒よりずっと短かった。それで、定常状態条件は、泡が
核生成する前に達成される可能性はない。

【００４２】次に、抵抗器からその周囲への熱伝達の主モードを決定することが必要だった
。このモデルの目的は、沸騰の開始前に与えられた電流に対するヒーターの温度
を予測することだった。このモデルでは、放射のための熱伝達は無視される。

【００４３】集中モデルアプローチは、この分析のために採用された。この近似は、抵抗器
に対するビオ数を計算することによって検査された。

【数６】ここで、ｔは白金抵抗器厚（０．１μｍ）、またｋ_Ptは白金の熱伝導率（７１．
５Ｗ／ｍＫ）である。このモデルでは、自然対流に対する高い限界として、ｈ＝
５Ｗ／ｍ²Ｋの熱伝達係数であると仮定した。ビオ数は、外部対流抵抗に対する
内部伝導抵抗の比率を測定する。ビオ数が１よりずっと小さいので、集中体近似
が用いられ、全抵抗器が均一の温度であるとの仮定がなされた。

【００４４】図８は、抵抗器と周囲温度間の熱抵抗を示す。熱伝達機構の推定値のこのオー
ダーの目的のため、定常状態条件が熱抵抗の決定に用いられた。まず、水を通る
対流による熱抵抗が計算された。この場合では、ヒーター上の水が停滞し、沸騰
は生じていなかったので、自然対流が存在すると仮定した。対流による熱抵抗は
次のように計算された。

【数７】ここで、Ｗは抵抗器幅（３μｍ）、Ｌは抵抗器長（１０００μｍ）である。

【００４５】次に、白金抵抗器、スライドガラス及び水を通る伝導による熱抵抗が計算され
た。伝導による抵抗は次式で与えられた。

【数８】ここで、Ｌは熱が伝導する長さ、Ａは断面積である。白金では、熱が伝導する長
さは非常に長く（１２ｍｍ）、また断面積は非常に小さく、高い熱抵抗をもたら
した。

【数９】ここで、ｔは白金膜厚（０．１μｍ）、Ｌ_Ptは熱が伝導する長さ（１２ｍｍ）、
Ｗは抵抗器の幅（３μｍ）、また、Ｋ_Ptは白金の伝導率（７１．５Ｗ／ｍＫ）で
ある。同様に、ガラス及び水の熱抵抗が計算された。

【数１０】ここで、Ｌ_gは熱が伝導するガラスの長さ（１ｍｍ）、ｋ_gはガラスの伝導率（０
．８１Ｗ／ｍＫ）、Ｌは抵抗器の長さ（１０００μｍ）、ｗは抵抗器の幅（３μ
ｍ）、Ｌ_wは熱が伝導する水の長さ（４５０μｍ）、ｋ_wは水の伝導率（０．６７
Ｗ／ｍＫ）である。

【００４６】これより、このシステムにとってＲ_glass及びＲ_waterが主熱抵抗であることが
示された。そのため、水中の対流による熱伝達及び白金を通る伝導は無視できた
。

【００４７】半無限固体理論を用いる与えられた電流に対する時間の関数として、抵抗器の
温度の推定が次になされた。短い時間（ｔ<１ms）では、水及びガラスの両方が
、初期温度Ｔａを有する半無限固体であると仮定した。ｔ＝０で、一定の熱流速
（抵抗器による）が水−ガラス境界面（ｘ＝０）に適用される。一次元温度分布
は無限合成固体解を用いて計算された。領域ｘ＞０は水、ｘ＝０は抵抗器、及び
ｘ＜０はガラスである。一次元モデルは、抵抗器の長さ（Ｌ=１０００μｍ）が
抵抗器の幅（Ｌ＝６μｍ）よりずっと短いので、短い時間に対し用いられた。温
度は、抵抗器に沿って一定になり、かつ横方向伝導は短い時間に対し無視される
と仮定した。このモデルは、横方向伝導が著しくなり、かつ半無限固体の仮定が
無効になる場合、壊れる。この問題に対する境界条件が次に与えれる。

【数１１】ここで、Ｋは熱伝導率（水では０．６１Ｗ／ｍＫ及びガラスでは０．８８Ｗ／ｍ
Ｋ）、ｑは熱流速、また、下付き数字「１」は水、「２」はガラスを指す。

【００４８】ｘ＝０で適用された一定の熱流速ｑ（Ｗ／ｍ²）に対する水及び空気中の温度
分布に対する解は、方程式（１−１７）及び（１−１８）によって与えられる。

【数１２】ここで、ａは熱拡散率（水では1．４７×１０^-7ｍ／ｓ²及びガラスでは４．４×
１０^-7ｍ／ｓ²）、またＴ₀は固体の初期温度である。

【００４９】解は半無限固体仮定を検査するためにも用いられた。１ｍｓに等しいか又はそ
れ未満の時間、及び２．５×１０⁷Ｗ／ｍ²のような合理的な熱流速では、ガラス
及び水への熱浸入度は１００μｍ未満であった。水の全厚は４５０μｍ、ガラス
の全厚は１ｍｍであり、そのため、半無限固体仮定は有効であった。一次元モデ
ルは、短時間で抵抗器の温度を決定するために十分であった。

【００５０】上記理論を用いて、泡を形成するために必要な電力を予測することが可能であ
った。均一な泡核生成が仮定されたので、泡は水のほぼ過熱限界で生じる。変形
ベルテローの方程式（表１）で与えられた３０５℃の値が用いられた。次に、無
限合成固体解が与えれた時間１ｍｓのヒーターの温度を計算するために用いられ
た。熱流速又はｘ＝０での単位面積当たりの電力を解く方程式（１−１７）を変
更して、次式が導かれた。

【数１３】

【００５１】初期温度２０℃、及び上記で与えれた他の性質では、抵抗器を１ｍｓ間で３０
５℃まで過熱するために必要な熱流速が（１−１９）から計算され、１．３２×
１０⁷Ｗ／ｍ²であった。典型的な抵抗器寸法、ｗ＝６μｍ及びＬ＝１５００μｍ
では、必要な電力は約１２０ｍＷであった。

【００５２】微細機械加工されたウェルは、一度それらの上方の流れが開始されたら、それ
らの中に沈降する粒子が該ウェル内に保持されて残ることを保証する適切な寸法
でなければならない。キャビティ上の低速粘性流の理論が十分に特徴付けられて
おり、また、種々の形状寸法に対する流線が計算され、実験的に検証されている
。

【００５３】図９は、二つの異なる縦横比の矩形キャビティ上の層流に対する流れパターン
を示す。これらの流れパターンから、キャビティ内にわずかに浸入する分離流線
が存在することが分かった。この線の下に、該キャビティの縦横比に依存する一
又は二の渦が存在した。分離流線下の粒子は、層状範囲内の低速流によって該キ
ャビティ外に押し出されないが、渦は粒子を扇動し得る。

【００５４】オーダー計算は、粒子をウェル外に引き出す粘性せん断力に対し、粒子を引き
下げる重力の相対的大きさを比較するために実行された。ウェル内の粒子及び上
部上の流れの図が図１０に示される。

【００５５】粒子に作用する重力は、粒子と水間の密度の差Δρに依存した。水の密度は、
ほぼ１０００ｋｇ／ｍ³、及び、実験に用いられたポリスチレンビーズの密度は
、１０６０ｋｇ／ｍ³として製造業者から与えられた。細胞の密度は、１０５０
〜１１００ｋｇ／ｍ³である。従って、重力Ｆ_gは次に示されるように計算された
。

【数１４】ここで、ａは粒子半径（５×１０⁶ｍ）、またｇは重力定数である。

【００５６】粒子に作用する粘性せん断力は、粒子の上部がウェルの上部にあり、かつ流れ
分布が放物線状であると仮定して計算された。壁でのせん断応力が次式であった
。

【数１５】ここで、μは水の粘度（１×１０³ｋｇ／ｍｓ）、またｕ（ｙ）は、壁からの距
離ｙの関数としての速度分布である。

【００５７】流れチャンバー内の放物速度分布を仮定すると、流れ分布は、既知のチャンバ
ー高さ及び体積流量に対し計算された。

【数１６】ここで、Ｖは平均流速度、ｗはチャンバー幅、またｈはチャンバーである。

【００５８】細胞上の粘性せん断力は推定された。壁せん断応力×作用面積ほぼπａ²とし
て推定された。

【数１７】ここで、ａは細胞半径である。最終的に、粘性力に対する重力の比が計算された
。

【数１８】

【００５９】図１６の流れチャンバー寸法及び合理的な流量を用いて、この比率が計算され
た。

【数１９】

【００６０】重力が粘性力より強いように、これら力の比が１より大きいことが必要であっ
た。これらの数は、許容できる操作流量の範囲の決定を支援するのに用いられた
。

【００６１】情報の別の関連部分は、粒子が沈降にかかった時間であった。低レイノルズ数
では、独立した硬質球形粒子は、そのストークス速度で沈降する。

【数２０】ここで、ａは球半径（ポリスチレンビーズに対し５μｍ）、ρ_sは該ビーズの密
度（約１０６０ｋｇ／ｍ³）、ρは水の密度（１０００ｋｇ／ｍ³）、またμは水
の粘度である。これらの値を用いて、ストークス速度が次のように計算された。

【数２１】

【００６２】関連するレイノルズ数を検査するためにこの速度を用いて、次式が分かった。

【数２２】

【００６３】このように、低レイノルズ数の仮定は成立した。該レイノルズ数は、粘性力に
対する慣性効果の比である。この場合では、高い粘性状況のみが適用され、慣性
効果は無視できた。

【００６４】検査された別の値がペクレ数であった。これは拡散に対する沈降（堆積）の比
である。沈降する粒子では、ペクレ数は十分大きくなければならず、さもないと
粒子は液体全体にわたって拡散する。

【数２３】

【００６５】ここで、Ｄ⁰はブラウン拡散率、またｋはボルツマン定数（１．３８１×１０^- ¹⁶ ｅｒｇ／ｃｍ）である。従って、ペクレ数は、沈降が拡散に対し優位であるた
めに十分大きかった。

【００６６】ストークス速度に対し上記で計算された値は、独立した粒子に対するものであ
る。しかし、当面の場合において、すぐに沈降する多くのビーズが存在した。こ
れは、干渉された速度の計算に考慮された。粒子容積分率の関数は、ストークス
速度が乗ぜられ、浮遊粒子の干渉された速度をもたらす。

【数２４】ここで、φは粒子容積分率（この場合、約０．０１）である。従って、全粒子が
流れチャンバーの底部に沈降するために必要な時間は、干渉された速度、及びチ
ャンバー高さ、移動の最大距離を用いて計算された。

【数２５】ここで、ｈはチャンバー高さ（７９０μｍ）である。この沈降時間は、実験のガ
イドラインとして用いられた。

【００６７】沈降時間を計算するためのより合理的な仮定は、粒子が落下した距離がチャン
バー高さの半分の平均であることであった。この場合、約８３秒の沈降時間が得
られた。

【００６８】大きな封止ウェルにおける泡形成と関連した圧力増加のため、ウェルの上部に
おけるチャネル外の流量が計算された。レイノルズ数がクリープ波状況（Ｒｅ＜
１）にあるので、無視された慣性効果、及びチャネル外の初期瞬間流は、小レイ
ノルズ数での円形開口を通る流れに対し、定常状態方程式を用いて計算された。

【数２６】ここで、Ｑは体積流量、ΔＰは圧力降下、ｃは開口半径（〜２．５又は４μｍ）
、またｐは水粘度である。

【００６９】泡形成による圧力変化が容易に計算できないので、チャンバー外の体積流量は
、異なる方法で推定された。水は圧縮できないので、モデルにおいて、チャンバ
ー内への容積注入としての泡形成は、特性泡形成時間にわたってチャンバーから
排出される同じ容積をもたらしたと仮定した。例えば、直径１０μｍの泡を形成
するために１ｍｓかかったなら、その際、チャンバー外にもたらされた体積流量
は、次のように計算された。

【数２７】

【００７０】該体積流量を用いて、チャネル外の流体の平均速度が計算され、該流れのレイ
ノルズ数が実際に小さいことが分かった。

【数２８】ここで、ｃはチャネル半径（２．５μｍ）である。粒子上の流体ジェット（噴出
）の力は、ストークス抵抗力を用いて計算された。

【数２９】ここで、ａは球形粒子の半径（ポリスチレンビーズでは５μｍ）である。これを
該粒子を引き下げる重力に対し比較して、粒子におけるジェット力が重力よりず
っと大きいことが分かった。

【数３０】ここで、Δρは、水とポリスチレンビーズ間の密度の差異（６０ｋｇ／ｍ³）で
ある。粒子半径が増すにつれ、重力効果が高まることが分かった。典型的な細胞
では、半径が５μｍ（赤血球）から２０μｍ（ほとんどの他の細胞）また１００
μｍ（胚及び卵子）である。この装置は、半径５〜１０μｍのオーダーの細胞に
使用される可能性が最も高く、そのため、上記計算は予想された用途を代表した
。

【００７１】構成要素の設計Ａ．抵抗ヒーター微小泡形成のために十分高い温度まで水を過熱するため、抵抗ヒーターが使用
された。該ヒーターは、標準スライドガラス上の薄膜白金から作製された。該ヒ
ーターの設計において、まず、望ましい電力出力を達成する抵抗及び電流の範囲
を決定する必要があった。この工程に対する設計制約は、十分なオーム加熱の程
度を保ちながら、白金の電気移動限界下の電流密度を保つ必要があることであっ
た。該電気移動限界は、抵抗器を動作不能のままにして原子が移動する前に、白
金が耐え得る最大電流密度である。

【００７２】白金の電気移動限界は、Ｊ＝９×１０⁶Ａ／ｃｍ²であると報告された。この限
界より低い電流密度で操作することが抵抗器の設計に必要であった。

【００７３】ラインヒーターの抵抗は次のように計算される。

【数３１】

【００７４】ここで、Ｒは抵抗（Ω）、Ｌは抵抗器の長さ（ｍ）、ｔは膜厚（ｍ）、ｗは抵抗
器の幅（ｍ）、及びρは白金の抵抗率（Ωｍ）である。

【００７５】抵抗器の電力出力は、次に示されるように電流と抵抗の関数である。

【数３２】ここで、Ｉは電流（Ａ）及びＪは電流密度である。

【００７６】従って、電流が電気移動限界によって制限されるので、望ましい電力出力を達
成するために、抵抗は十分に高い必要があった。泡を形成するために必要な電力
出力は、微小泡がポリシリコンラインヒーター上に形成される場合、参照によっ
てここに組み込まれるLinらの学術論文「Microbubble Powered Actuator」から
の数値を用いることによって推定された。それらの抵抗器は、リコンウェーハ上
の薄い誘電層の上面上にある。この構成の熱損失は、スライドガラス上に製造さ
れた白金ライン抵抗器の熱損失より十分に大きいかもしれないという推定は合理
的であった。また、これらの条件下で泡を核生成するために必要なより高い沸騰
を伴う液体は、ほぼ６５ｍＷである。

【００７７】

【表２】

【００７８】ガイドラインとしてこれを用いて、抵抗は、７０〜１１６６ｍＷの電気移動前
に最大電力をもたらす１６７Ω〜１０００Ωの範囲で選択された。これらの電力
は、抵抗器の操作において電気移動限界に達することを回避するために必要なも
のより大きいオーダーまでで選択された。

【００７９】白金の抵抗率は、実際、温度及び堆積条件によって変化するが、これらの計算
では、１×１０^-7Ωｍが採用された。これは全部の白金に対する値であるが、し
かし、薄膜白金の抵抗率は広範に変わり得る。ヒーター幅の範囲は３〜６μｍ、
長さの範囲は５００〜３０００μｍである。いくつかのヒーターは、抵抗器の残
部より熱い１００μｍ長の狭い領域を中央に有するように設計された。図１１Ａ
はヒーター構成の上面図であり、一方、図１１Ｂは、ヒーター及びその寸法の断
面図を示す。抵抗器寸法、最大電流及び最大電力出力の表も表２に示される。

【００８０】接触パッドをヒーターに接続するラインは、ヒーターよりずっと低い抵抗を有
するように設計された。これは、ラインが加熱せず、ほぼ周囲温度のままである
ことを保証するためになされた。接続ライン幅は、長さ１２ｍｍで１５００μｍ
になるように選択された。各ラインの全抵抗は約７．７Ωであった。

【００８１】Ｂ．ウェル正方形ウェルは、細胞を保持するため、シリコンに微細機械加工された。これ
らのウェルが異なる粒径及び流量による試験に対処する寸法範囲を選択すること
が必要であった。最終ゴールは、一の粒子を各ウェル配列内に捕捉する能力を持
つようになることであった。

【００８２】

【表３】

【００８３】ウェルの側長は、最小試験ビーズ径に対応する１０μｍから５０μｍまでの範
囲で選択された。５μｍ及び８μｍの狭チャネル幅が選択された。その理由は、
これらの大きさのいずれもが最小試験粒径１０μｍより小さく、かつ、粒子が該
狭チャネル内へと沈降することができないことが必要であるためである。ウェル
寸法の表は表３に示される。ウェル形状の図は側面を示す図１２Ａに示され、一
方、図１２Ｂは上面図を示す。

【００８４】装置製造で使用するためのフォトマスクは、標準マスクレイアウトソフトウェ
アを用いて作り出された。シリコン処理のためにセットされたマスクが図１３Ａ
〜１３Ｃに示され、ガラスマスクセットが図１４Ａ及び１４Ｂに示される。

【００８５】三つのマスクは、デバイス処理のシリコン部分用に設計された。一のマスクは
、細胞ウェル（図１３Ａ）用に、一はウェル内の狭チャネル（図１３Ｂ）用に、
また一は、ヒーターを囲むためにウェーハの後部からエッチングされた大きなウ
ェル（図１３Ｃ）用に作り出された。二つのマスクは、スライドガラス上への白
金ヒーターの製造のために作製された。一のマスク（図１４）は、金属にパター
ン付けるために設計された。

【００８６】完成したデバイスを試験するため、図１５に示されような流体システムが設計
され、組み立てられた。シリンジポンプ１５０は、大量の流体の流源として使用
され、１〜１００μＬ／ｍｉｎの範囲の流量が指定された。ビーズ、細胞又は細
胞刺激は、資料注入弁１５２を通って注入された。圧力センサー１５４は、流れ
チャンバー１５６の前に設置され、そのため、該チャンバーにわたる圧力降下が
監視され得た。全流体は、廃液ビーカー１５８へと放出され、これは、所望によ
り再利用され得た。

【００８７】流れチャンバー１５６の概略が図１６Ａ及び１６Ｂに示される。流れチャンバ
ーは、プレキシガラス（米国登録商標）から機械加工され、そのため、それは透
明であり、また、顕微鏡がチャンバーの上から細胞行動を観察するために使用さ
れた。管寸法が外径１／１６inch及び内径０．０２０inchのＨＰＬＣ（高性能液
体クロマトグラフィ）取り付け具が使用された。スライドと上部カバー間のガス
ケットは、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）、フレキシブルポリマーから作
成された。シールは、上部板を下方の底部板上にねじ止めすることにより、形成
された。アルミニウム型は、適切な寸法のＰＤＭＳガスケットを作り出すために
機械加工された。ガスケットは、ハードストップが達せられるまで圧縮された。
該ストップは、チャネル高さを正確に規定するため、金属シムストックから成る
スペーサーによって与えられた。チャネルの高さに対する幅の縦横比は、１０よ
り大きく、放物速度分布−平面ポアズイユの流れの仮定を許容する。

【００８８】流れチャンバーの高さは７９０μｍであった（金属スペーサーの厚さで決定さ
れた）。流量は１〜１００μＬ／ｍｉｎで、０．００１〜０．１のレイノルズ数
に対応した。このクリープ波状況において、十分に発達した流れに対する入口長
さは、無視できると計算された。これらの計算は以下に示される。

【数３３】ここで、Ｖ_minは最小平均速度、Ｑ_minは最小体積流量（１μＬ／ｍｉｎ）、Ａ_C
はチャネルの断面積（ｈ＝７９０μｍ、ｗ＝１２ｍｍ）、Ｖ_minは最大平均速度
、Ｑ_maxは最大体積流量（１００μＬ／ｍｉｎ）、Ｒｅはレイノルズ数、ｖは水
の運動速度（１×１０^-6ｍ²／ｓ）、及び、Ｘ_eは、十分に発達した流れに対する
入口長である。

【００８９】接触パッドへの電気的接続は、プローブステーションを使用して成された。接
触パッドは、ＰＤＭＳガスケットの外側に配置され、その際、流体流の外側に保
たれた。

【００９０】流れチャンバーの適切な流れ特性を保証するため、染料が該流れ中に注入され
、もたらされる分布が観察された。その結果は、流れチャンバーにおける妨害の
ような問題を発見し、それらを訂正するために用いられた。均一の流れが確立さ
れた場合、１０μｍ直径ビーズが流れ中に注入され、顕微鏡下で観察された。

【００９１】流れチャンバー全体にわたる圧力降下は、圧力変換器を用いて監視された。該
圧力降下の大部分は、コネクター管材料によって引き起こされたが、理論上の値
に対し圧力読取りを比較することにより、泡の存在及び流れに対する他の妨害が
検出され得る。

【００９２】流れチャンバーに対する圧力対流量プロットが図１７に示される。理論値が実
験測定値と共にプロットされる。これら二つの値が一致しない場合、チャンバー
における妨害又は管材料が考えられる。

【００９３】管材料を通じての圧力降下は、次の方程式を用いて計算された。

【数３４】ここで、μは水粘度（１×１０^-3ｋｇ／ｍｓ）、ｒは管半径（０．２５４ｍｍ）
、及びΔｘは管長（ｍ）である。チャンバーを通じての圧力降下は、比較におい
て無視できると計算された。流れチャンバーの概略及び寸法は、図１８Ａ〜１８
Ｄに示される。

【００９４】構成要素の製造白金ヒーターは、リフトオフ法を用いて標準１×３ｉｎスライドガラス上に製
造された。工程フローは図１９Ａ〜１９Ｃに示される。図１９Ａとして示された
第１工程において、フォトレジストがスライドガラス上へ紡ぎ出され、マスク４
を用いて露光され、かつ現像された。次に、１００Åのチタンと１０００Åの白
金が、図１９Ｂに見られるように、該スライド上へ蒸着された。チタンは、ガラ
スと白金間の接着層として機能した。次の工程において、スライドは、図１９Ｃ
に示されるように、フォトレジストを溶解し、かつ、フォトレジストの上面上に
堆積された金属を取り去るため、アセトンに浸漬された。白金抵抗器のみがスラ
イドガラス上に残された。いくつかのスライドは、次に、管炉内で６００℃で１
時間、焼きなまされた。この例では使用されないが、シリコンチップをスライド
へ付けるため、フォトレジストが手動でスライドに塗布され得る。

【００９５】シリコンチップ工程フローは、図２０Ａ〜２０Ｈに示される。両面研磨（ＤＳ
Ｐ）４inch直径シリコンウェーハが使用された。図２０Ａに示された第１工程に
おいて、１μｍの熱酸化物がウェーハ上で成長した。次に、該酸化物は、マスク
１を用いてパターン付けされた（図２０Ｂ）。レジストは該酸化物の上部上に紡
ぎ出され、マスク２を用いてパターン付けされた。もたらされた構成はネスト状
マスクと呼ばれ、図２０Ｃとして示される。

【００９６】図２０Ｄ及び２０Ｅに示されるように、まず、フォトレジストマスクが狭い５
μｍトレンチャーをエッチングするために用いられ、次に、酸化物マスクが細胞
ウェルをエッチングするために用いられた。次に、ウェーハが反転され、フォト
レジストが、後部に堆積され、マスク３を用いてパターン付けされた（図２０Ｆ
）。次に、深いシリコンエッチングが行われ、ウェーハを通ってエッチングし、
かつ、前もってエッチングされた狭いトレンチャーを横切らせ（図２０Ｇ）、完
成ウェーハを得た（図２０Ｈ）。

【００９７】完成したデバイスは、図２１Ｃ及び２１Ｄに示されるように、フォトレジスト
によってスライドガラスに付けられたシリコンチップから成った。該抵抗は水密
シールを与え、その結果、泡ウェル内の容積膨張が、狭チャネルを通って押され
ており、かつ細胞を押し出す流体のバーストをもたらした。

【００９８】組立工程を容易にするため、位置合わせマークがスライドガラス上に作られ、
また、整合穴がシリコンチップにエッチングされた。該位置合わせ許容差は、な
お泡ウェルを白金ヒーター上に配置しながら、チップがスライドに全く肉眼で手
動で整列され得るように、十分に大きい（約２ｍｍ）。

【００９９】フォトレジストは、つまようじを用いて、泡ウェルの周囲のシリコンチップ上
に塗られた。水滴がピペットを用いて各ウェル内に置かれ、次に、スライドガラ
スが上から目に見えるように位置合わせされ、チップ上へと貼り付けられた。該
水滴は、泡ウェルを満たし、かつ、狭チャネルを通って押して狭チャネルを水で
満たす役割を果たした。該デバイスは、この時、流れチャンバー内で試験される
準備が完了した。

【０１００】次に、白金抵抗器の抵抗が研究された。膜厚は、まず、プロフィルメーターを
用いて測定された。白金厚寸法は約８００〜９００Åの範囲であり、そのため、
平均値８５０Åが続く計算に用いられた。２、３ミクロンの変動によって強く影
響されないために十分な金属線幅に沿う抵抗は、マルチメーターを用いて測定さ
れた。この測定に使用されたラインは、光学顕微鏡において、約１５１０μｍ幅
まで測定された。該ライン長は約８ｍｍであった。これらのラインの幅、厚さ及
び長さ並びに測定された抵抗を知ることで、室温での薄膜白金の抵抗率が決定さ
れた。測定された抵抗は１５Ωであり、計算抵抗率は次のように計算された。

【数３５】ここで、ｔは膜厚（８５０Å）、ｗはライン幅（１５１３μｍ）、Ｒは測定抵抗
（１５Ω）、及びＬはライン長（８ｍｍ）である。この抵抗率は、バルク白金（
１×１０^-7Ωｍ）に対する値の２倍より大きいが、薄膜白金に対し合理的な値で
あった。これは、バルク白金が結晶質であるのに対し、薄膜白金が多結晶で、粒
界が抵抗を著しく高めるからである。

【０１０１】次に、抵抗器の抵抗がマルチメーターで測定された。上記からの抵抗率の値を
用いて、各抵抗器のライン幅が決定された。ライン幅はまた、光学顕微鏡を用い
て、約±１μｍまで測定された。二つの異なる抵抗器スライドに対するこの測定
の結果は、表４に示される。

【０１０２】

【表４】

【０１０３】これより、測定され計算されたライン幅は、測定に対する誤差の範囲で、抵抗
率計算を確認することが決定された。その結果の正規化抵抗対温度のプロットが
図２２に示される。抵抗は、室温での抵抗を用いて正規化（正常化）された。こ
の曲線は、抵抗器の温度を後に予測し、室温における抵抗を知り、かつ操作中に
抵抗を測定するために用いられた。

【０１０４】抵抗器の断面積を用いて、電気移動前の最大電流が計算された。電気移動前の
最大電流密度は９×１０⁶Ａ／ｃｍ²であることが分かった。これを用いて、各抵
抗器に対する最大電流が計算された。この結果が表５に示される。

【０１０５】

【表５】

【０１０６】これらの結果は、抵抗器の燃え尽きを回避する微小泡デバイイスの試験中のガ
イドラインとして用いられた。

【０１０７】該抵抗器に対する主要な目的は、これらが、水を沸騰させるのに十分高い温度
に達することができることである。抵抗器は、電圧を変え、かつその結果もたら
される抵抗器を通る電流を測定するＨＰ４１４５ｂを用いて、プローブステーシ
ョン上で試験された。ＰＤＭＳガスケットは、スライドの上面上に置かれ、水で
満たされた。該ガスケットは水を収容し、かつ、該水が電気接点及びプローブに
接触することを防いだ。図２３はこの構成の概略である。

【０１０８】抵抗器を横切る電圧を０から約２０〜３０Ｖまで上げるやいなや、抵抗器の高
温部からではなく、幅広コネクターラインの縁から激しい泡発生があった。該泡
は、ヒーターを切った際に凝縮しないので、ガス泡（気泡）であって水蒸気泡で
はないことは明らかであった。更に実験は、水の電気分解が起こっており、水が
水素と酸素に分解されていることを明らかにした。スライド、ガスケット及びガ
ラス製品に数分間、脱イオン水を流した後、再度試験をすると、電気分解の問題
は解消された。

【０１０９】電気分解の問題が解消されると、抵抗器がもう一度水中で試験された。抵抗器
が十分な温度に達すると、ヒーター長に沿って沸騰が生じた。電力が遮断された
後、既述したように、液外に生じた溶解ガスのため、小さい空気泡が抵抗器上に
残った。引き続いての試験において、該空気泡は、沸騰のための核生成サイト（
部位）として役立ち、沸騰の開始がずっと低い温度で起こった。沸騰が始まり、
泡が抵抗器上に生じると、水への熱損失が激増する。これは、沸騰の開始がＩ−
Ｖ曲線における電流の急激な増加として表されるので、該デバイスの操作にとっ
て好ましい現象である。これは、熱損失が増えると温度が低下し、その結果、よ
り低い抵抗、従って抵抗器を通るより高い電流をもたらすためである。ライン抵
抗器上の沸騰の開始に対するＩ−Ｖ曲線は図２４に示される。

【０１１０】このＩ−Ｖ曲線において、ライン上に泡が全く存在しない際の第１の実行には
、沸騰の開始時点において電流の急な飛び上がりがあることが示される。第２の
実行では、残留泡がヒーター上に残され、沸騰のための核生成部位として役立ち
、沸騰がより低い温度で始まる滑らかなＩ−Ｖ曲線をもたらした。二つの曲線は
、実行１に沸騰が始まった後、非常に接近する。

【０１１１】後の試験において、溶液から溶解ガスが全く生じなかった場合、電力が切られ
た際、残留空気泡が全く残らないため、抵抗器に対する各過熱サイクルの間、Ｉ
−Ｖ曲線における飛び跳ねが起こった。

【０１１２】図２２に与えられた抵抗器の温度−抵抗関係に対する較正を用いて、各電流に
対する抵抗器の温度がプロットされ、沸騰温度を見い出した。上記されたＩ−Ｖ
曲線に対応する電流対温度プロットは、図２５に示される。このプロットにおい
て、水はほぼ３０８℃での沸騰まで示され、この時点で、温度は、沸騰に関連す
る対流熱伝達の増加のため、急激に低下する。

【０１１３】試験された５抵抗器に対する沸点は２５０℃〜３０８℃の範囲であった。水の
過熱限界に対する最低計算値は２７３℃であることが分かり、そのため、泡核生
成が均一状況において又は弱不均一機構によって起こることを示唆した。

【０１１４】上記で特徴付けられた抵抗器の相当量の試験の後、沸騰温度におけるドリフト
が明らかになった。この理由を明らかにするため、抵抗器は、前段落で述べたよ
うに再較正された。温度対正規化抵抗曲線が図２６に示される。温度−抵抗特性
における劇的な変化は、抵抗器の第２世代の試験に至った。これらの変化特性は
、抵抗器の過熱によってある時間にわたって引き起こされると考えられる。抵抗
器の操作は、該抵抗器にこれら自体を有効に焼きなまさせた。焼きなましは、白
金粒界の配列を変え、従って抵抗器の抵抗率を変えた。

【０１１５】更なる試験においてこの結果を回避するため、新しい抵抗器スライドが、それ
らのプロセスにおける最後の工程として、６００℃で１時間、焼きなまされた。
この温度は、操作温度が達する可能性がある温度より高いが、主アグロメレーシ
ョンが起きるほど高くはない。一旦焼きなましが終了すると、新しい抵抗器は、
第１世代抵抗器に対し上述したように特徴付けられた。

【０１１６】まず、室温での白金の抵抗率は、焼きなましてない抵抗器２．４１×１０^-7Ω
ｍより低い、２．０５６×１０^-7Ωｍであることが分かった。次に、抵抗がマル
チメーターを用いて測定され、またライン幅が上記のように計算され、これは表
６に示される。

【０１１７】

【表６】

【０１１８】次に、抵抗器の温度−抵抗特性が上述したように加熱板上で測定され、これは
図２７に示される。

【０１１９】この時点で、抵抗器の泡形成特性が、既述したように沸騰脱イオン水によって
試験された。電圧は、ＨＰ４１４５ｂを用いて、上述のように、１ｍｓの遅れ時
間で０．５Ｖ段階まで上昇した。これらの試験のいずれもが、遅れ時間が短かっ
たので、残留気泡をもたらさず、また、使用された最大電圧は、試験によって確
認された泡核生成電圧のすぐ上だった。もたらされた全ての蒸気泡は、電流停止
の１分間以内に凝縮して液相へと戻った。

【０１２０】結果としてもたらされたＩ−Ｖ曲線が図２８に示され、対応する温度曲線が図
２９に示される。該曲線から、我々は、第１世代抵抗に対するよりずっと低い温
度でかつ水の過熱限界の十分下である約２００℃で沸騰の開始が起こったことを
認識することができる。試験された８第２世代抵抗器では、沸点は１２８℃〜２
００℃の範囲で、該温度の大部分は１８０℃より高かった。これは、沸騰が、既
述したように、不均一な核生成状況にあるこを示唆する。これらの沸騰開始温度
に対応するキャビティ半径は、方程式（１−５９）から計算される。

【数３６】この計算の結果が表７に示される。

【０１２１】

【表７】

【０１２２】これより、我々は、泡が、０．３〜１．２μｍの範囲の半径で核生成されるこ
とを認識することができた。既述したように、これらキャビティは、６００℃の
焼きなましの間に形成される可能性が最も高く、その間に、粒界における溝が作
り出されるキャビティを広げた。

【０１２３】第２世代抵抗器は沸騰温度の再現性に対する試験もされた。Ｉ−Ｖ曲線は、前
段落のように測定され、次に、同一条件で数回再測定された。測定間において、
蒸気泡に対し散逸させる時間が与えられ、その結果、Ｉ−Ｖ曲線における沸騰で
の特性跳躍が各測定と共に観察され得た。沸点は非常に再現性があることが分か
り、その結果の一例が図３０に示される。この結果は、沸点が固定されたままだ
ったので、沸騰開始時のＩ−Ｖ曲線における跳躍に基づく制御システムの可能性
を実証した。

【０１２４】この試験からの別の興味深い結果は、特定の抵抗器では、泡が、毎回、抵抗器
上の同じ位置で核生成する傾向にあったことである。これは、焼きなましにより
引き起こされた熱溝切りによって作り出されたキャビティ内で、泡が不均一の状
況において核生成しているという仮説を強化する。

【０１２５】結果細胞チップは、前述したようにスライドガラス抵抗器に取り付けられ、次いで
、二つの方法で試験された。最初の試験は、デバイス上の停滞流体を用いて行わ
れた。次に該デバイスは、試験のため、流れチャンバー内に入れられた。これら
の試験の結果は以下に述べられる。

【０１２６】これらの試験では、バルク溶液のいくつかの滴が、細胞チップの上面上に置か
れ、ＰＤＭＳガスケットによって収容された。ポリスチレンビーズ溶液の滴が次
に該バルク流体に加えられ、沈降が許容された。該バルク溶液は、脱イオン水に
けるトリトンＸ−１００（登録商標）界面活性剤の０．０５％溶液であった。ビ
ーズ溶液は、同じバルク溶液において希釈された約１％ビーズであった。いくつ
かのビーズは、図４２に示されるように、ウェル内へと沈降した。抵抗器を横切
る電圧がＨＰ４１４５ｂによって上昇すると、図２４と同様な跳躍を伴うＩ−Ｖ
曲線が作り出され、沸騰が起こったことを実証した。その結果、ウェル下の泡形
成は容積膨張を引き起こし、これは、ビーズをウェルから素早く排出した。最初
、ビーズはウェル内にあり、次に、それらは素早く駆逐された。このシーケンス
はビデオテープにも取り込まれ、また、該プロセスは、複数回繰り返され、同じ
成果を伴った。

【０１２７】予備的な動的試験が流れチャンバー内で行われた。ビーズは静的試験と同様な
方法で排出され、流れへと運び去られた。該予備的試験は、ビーズが、適度な流
量に対してウェル内に保持され、かつ、微小泡が生じる際、流れ中へと排出され
ることを示唆した。

【０１２８】本発明は、いくつかの好適な実施形態及びそれらにおける変形を参照して、詳
細に示され、かつ上述されたが、なおも本発明の精神及び範囲内のまま、当業者
によって本発明に追加の変形がなされ得ること、及び、本発明が、書き添えた特
許請求の範囲によってのみ限定される、いかなるそのような変形をも包含するこ
とを企図することが理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及び図１Ｄは、本発明の一実施形態が単一の細胞を捕獲、
保持及び解放するのに使用する機構を示す。

【図２】図２Ａ、２Ｂ及び図２Ｃは、本発明の別の実施形態が単一の細胞を捕獲、保持
及び解放するのに使用する工程を示す。

【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、図２の細胞選別装置の上面図である。

【図４】図２の細胞選別装置の分解図である。

【図５】細胞選別装置が蛍光−検出システムに統合された、本発明の更に別の実施形態
の分解図である。

【図６】水に対する熱力学的圧力−体積図である。

【図７Ａ】本発明の抵抗器の上面図である。

【図７Ｂ】図７Ａの抵抗器の断面図である。

【図８】本発明のヒーターに見られるような熱抵抗を示す。

【図９】図９Ａ及び図９Ｂは、異なる縦横比の矩形キャビティ上の流れに対する流れ線
を示す。

【図１０】ウェル内の粒子に作用する力の概略図である。

【図１１Ａ】本発明のヒーターの上面図である。

【図１１Ｂ】図１１Ａのヒーターの断面図である。

【図１２Ａ】本発明の細胞ウェルの側面図である。

【図１２Ｂ】図１２Ａの細胞ウェルの上面図である。

【図１３】図１３Ａ、１３Ｂ、及び図１３Ｃは、本発明に使用するためのシリコン処理マ
スクセットの上面図である。

【図１４】ガラス処理マスクの上面図である。

【図１５】本発明の試験装置のための流れシステムの図である。

【図１６Ａ】本発明の流れチャンバーの上面図である。

【図１６Ｂ】図１６Ａの流れチャンバーの側面図である。

【図１７】図１６Ａ及び図１６Ｂの流れチャンバーに対する圧力降下対流量のグラフであ
る。

【図１８Ａ】図１６Ａ及び図１６Ｂの流れチャンバーのチャンバーベースの上面図である。

【図１８Ｂ】図１８Ａのチャンバーベースの側面図である。

【図１８Ｃ】図１６Ａ及び図１６Ｂの流れチャンバーのチャンバー蓋の上面図である。

【図１８Ｄ】図１８Ｃのチャンバー蓋の側面図である。

【図１９】図１９Ａ〜図１９Ｃは、本発明のスライドガラスの製造工程図である。

【図２０】図２０Ａ〜図２０Ｈは、本発明のシリコンウェーハの製造工程図である。

【図２１】図２１Ａ〜図２１Ｄは、図１９Ａ〜図１９Ｃのスライドガラス上へ図２０Ａ〜
図２０Ｈのシリコンウェーハを組み付ける工程図である。

【図２２】本発明の白金抵抗器に対する温度対抵抗のグラフである。

【図２３】本発明に使用される抵抗器試験装置の構成図である。

【図２４】本発明の白金ライン抵抗器における沸騰開始に対する電流対電圧のグラフであ
る。

【図２５】図２４の白金ライン抵抗器に対する電流対温度のグラフである。

【図２６】本発明の１セットの焼きなましされた白金ライン抵抗器のセットに対する温度
対抵抗のグラフである。

【図２７】加熱板上で加熱された１セットの焼きなましされた白金ライン抵抗器に対する
温度対抵抗のグラフである。

【図２８】本発明の１セットの焼きなましされた白金ライン抵抗器に対する電流対電圧の
グラフである。

【図２９】図２８の抵抗器に対する電流対温度のグラフである。

【図３０】繰り返された沸騰試験下における図２８の抵抗器に対する電流対電圧のグラフ
である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１４年１月１４日（２００２．１．１４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── 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，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，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，ＭＺ，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 (72)発明者ジョエルボールドマンアメリカ合衆国 02144 マサチューセッツ、サマビル、デイビススクウェア 35、ナンバー６ (72)発明者マーサエル．グレイアメリカ合衆国 02476 マサチューセッツ、アーリントン、プレザントストリート 226 (72)発明者マーティンエイ．シュミットアメリカ合衆国 01867 マサチューセッツ、レディング、アシュリープレイス 78 (72)発明者メメットトーナーアメリカ合衆国 02481 マサチューセッツ、ウェルズリー、ピルグリムロード 100 Ｆターム(参考） 2G045 AA02 CB01 FA34 2G052 AA28 AA31 AD14 AD34 AD54 BA17 BA21 DA06 DA09 DA22 EB11 GA11 GA32

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】細胞の操作のための細胞選別装置であって、規定パターンで基体を横切って配列された幾何学的サイトのアレイであって各
サイトが単一の細胞を保持するように寸法及び形状が作られる当該アレイを備え
、各サイトは、選択的に単一の細胞を捕獲することができる捕獲機構を含み、更に各サイトは、サイトから選択的に単一の細胞を解放する解放機構を含む細
胞選別装置。
【請求項２】前記各サイトは唯一のアドレスを有し、かつ別のサイトに対
して独立に制御可能である請求項１記載の細胞選別装置。
【請求項３】前記各捕獲機構はウェルを備える請求項１記載の細胞選別装
置。
【請求項４】前記各ウェルは単一の細胞のみを保持するように大きさ及び
形状が作られる請求項３記載の細胞選別装置。
【請求項５】前記単一の細胞は重力によってウェル内部に保持される請求
項４記載の細胞選別装置。
【請求項６】前記ウェルは約１０〜５０micronsの内径を有する請求項４
記載の細胞選別装置。
【請求項７】前記各ウェルはウェル下に設置されたチャンバーに狭チャネ
ルによって接続される請求項３記載の細胞選別装置。
【請求項８】前記狭チャネルは約５〜８micronsの幅を有する請求項７記
載の細胞選別装置。
【請求項９】前記解放機構は、チャンバー内に配置されたアクチュエータ
ーを備える請求項７記載の細胞選別装置。
【請求項１０】前記アクチュエーターは加熱要素を備える請求項８記載の
細胞選別装置。
【請求項１１】前記加熱要素の活性化は、チャンバー内の容積膨張を作り
出す泡核生成を引き起こして、細胞をウェル外へ排出する請求項１０記載の細胞
選別装置。
【請求項１２】前記加熱要素は、高インピーダンスライン抵抗器によって
接続された二つの広幅低抵抗ラインを備える請求項１１記載の細胞選別装置。
【請求項１３】前記広幅低抵抗ラインは、長さ約１２ｍｍ及び幅約１．５
ｍｍである請求項１１記載の細胞選別装置。
【請求項１４】前記各ラインの総抵抗は約７．７Ｏｈｍｓである請求項１
３記載の細胞選別装置。
【請求項１５】前記加熱要素の表面温度は、チャンバー内部の液体の過熱
限界より高く、泡核生成を引き起こす請求項１４記載の細胞選別装置。
【請求項１６】前記抵抗器は白金から形成される請求項１２記載の細胞選
別装置。
【請求項１７】前記抵抗器は、幅約３〜６microns及び長さ約５００〜３
０００micronsである請求項１６記載の細胞選別装置。
【請求項１８】前記抵抗器は泡核生成を引き起こす粗面を有する請求項１
７記載の細胞選別装置。
【請求項１９】前記抵抗器の表面温度は、泡核生成を引き起こすために十
分である請求項１８記載の細胞選別装置。
【請求項２０】前記抵抗器の表面温度は約１００℃〜約２８０℃である請
求項１９記載の細胞選別装置。
【請求項２１】前記抵抗器は、泡核生成をその中で引き起こすための少な
くとも一つの穴を含む請求項１６記載の細胞選別装置。
【請求項２２】前記泡は直径約２００micronsである請求項１１記載の細
胞選別装置。
【請求項２３】前記各サイトの捕獲機構は、単一の細胞を捕獲するための
ポテンシャルエネルギーウェルを作り出すことができる電界トラップを備える請
求項１記載の細胞選別装置。
【請求項２４】前記電界トラップは電極を備える請求項２３記載の細胞選
別装置。
【請求項２５】台形形状で配列された四つの電極を更に含む請求項２４記
載の細胞選別装置。
【請求項２６】前記電界トラップは三次元である請求項２４記載の細胞選
別装置。
【請求項２７】前記電極は薄膜極である請求項２４記載の細胞選別装置。
【請求項２８】前記電極は金から形成される請求項２６記載の細胞選別装
置。
【請求項２９】前記解放機構は、単一の細胞をサイト外へ排出するため、
ポテンシャルエネルギーウェルを除去することを含む請求項２３記載の細胞選別
装置。
【請求項３０】細胞選別装置を作製する方法であって、第１基体の一面に、単一の細胞を保持するように構成されかつ寸法付けされる
ウェルを形成する工程と、第１基体の反対面にチャンバーを形成する工程と、ウェル及びチャンバーを共に接続し、かつこれらの間の流体連通を可能にする
チャネルを形成する工程と、第２基体に加熱要素を形成する工程と、該加熱要素をチャンバーの下に配置する工程と、第２基体がチャンバーの底部を形成するように、第２基体上に第１基体を取り
付ける工程とを含む細胞選別装置作製方法。
【請求項３１】前記ウェル、チャネル及びチャンバー形成工程は、第１基
体をエッチングする工程を更に含む請求項３０記載の細胞選別装置作製方法。
【請求項３２】前記第１基体はシリコンウェーハから成る請求項３１記載
の細胞選別装置作製方法。
【請求項３３】前記エッチング工程は、シリコンウェーハ基体の第１面上に熱酸化物を成長させる工程と、ウェルの形状を規定する第１マスクを用いて、該酸化物にパターン形成する工
程と、該酸化物の上部にフォトレジストを設ける工程と、チャネルの形状を規定する第２マスクを用いて、該酸化物にパターン形成する
工程と、第２マスクを用いてチャネルを形成するため、ウェーハをエッチングする工程
と、第１マスクを用いてウェルを形成するため、ウェーハをエッチングする工程と
、シリコンウェーハ基体の反対面にフォトレジストを堆積させる工程と、チャンバーの形状を規定する第３マスクを用いて、フォトレジストにパターン
形成する工程と、チャネルと接触するのに十分な深さを有するチャンバーを形成するため、ウェ
ーハをエッチングする工程とを更に含む請求項３１記載の細胞選別装置作製方法
。
【請求項３４】前記加熱要素形成工程は、第２基体上にフォトレジストを設ける工程と、加熱要素の形状を規定するマスクでフォトレジストにパターン形成する工程と
、加熱要素の形状に第２基体の領域を露光するため、フォトレジストを選択的に
除去する工程と、該露光領域に金属製導体を堆積させる工程とを含む請求項３０記載の細胞選別
装置作製方法。
【請求項３５】前記金属製導体堆積工程は、第２基体上に少なくとも一の
金属を蒸着する工程と、該基体から該金属を選択的に除去する工程とを更に含む
請求項３４記載の細胞選別装置作製方法。
【請求項３６】前記選択的金属除去工程は、フォトレジストに堆積された
過剰フォトレジスト及び金属を除去するため、アセトンで該基体を処理する工程
を更に含む請求項３５記載の細胞選別装置作製方法。
【請求項３７】前記第２基体はガラスから成る請求項３０記載の細胞選別
装置作製方法。
【請求項３８】前記第１基体の第２基体上への取り付け工程は、第１及び
第２基体を接着剤で共に接合させる工程を更に含む請求項３０記載の細胞選別装
置作製方法。