JP2003526523A - 微小実験デバイスおよび方法 - Google Patents

微小実験デバイスおよび方法

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JP2003526523A JP2001566804A JP2001566804A JP2003526523A JP 2003526523 A JP2003526523 A JP 2003526523A JP 2001566804 A JP2001566804 A JP 2001566804A JP 2001566804 A JP2001566804 A JP 2001566804A JP 2003526523 A JP2003526523 A JP 2003526523A
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ロナルド イー． ペルリン，
サブラマニアン ベンカット シャストリ，
ジョーゼ ピー． ジョセフ，
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SRI International Inc
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Abstract

(57)【要約】 本明細書において開示されるのは、自動化された微小規模の形式での、所望の活動の実施における使用のための、装置およびデバイス、ならびにそれを用いるための方法および作成するための方法である。微小粒子は、微小規模装置内に誘導され、選択された順序および様式で種々のステーションの間を選択的に移動する。いくつかの実施形態は、反応、微量秤量、微量分析、試薬の獲得および配置、ならびにインキュベーションステーションを含む。微小粒子は、個々に移動してもトレインになって移動してもよい。粒子状のおよび固体組織のサンプルを含むサンプルは、デバイス内で操作および分析され得る。いくつかの実施形態は、微小製造活動または微小解析活動に従事し得る。このような装置を制御するためのシステムが、操作の方法と同様に、含まれる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の分野） 本発明は、微量流体（液体）、微小規模機械、化学合成および分析デバイス、
医療用および診断用デバイス、マイクロマシン（微小機械）、ならびに実験での
チップの（ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）技術に関する。
【０００２】 （発明の背景） 既存の微量流体（液体）システムは、代表的に微小規模ポンプ、チャネル、お
よび／または動電学的な材料の取り扱いに依存する。これらの構成要素は、いく
つかの潜在的な欠点を有する。この欠点としては、目詰まり（ｃｌｏｇｇｉｎｇ
）、非効率的ポンピング、チャネルにおける粘性のエネルギー損失、粒子を操作
または耐容できないこと、および高い粘性の流体での困難性が挙げられる。これ
らはまたシステムレベルの欠点を有する。各チャネルは一般に、フラッシング（
ｆｌｕｓｈｉｎｇ）なくしては、高純度の化合物を１つしか運べない。１チャネ
ルあたり１つの化合物しか運べないので、複雑なシステムには、経路および空間
の困難性が伴う。さらに、反応部位には、逆向き汚染を避けるために、バルブ（
弁）または定常の正の外向き流（フロー）のいずれかが必要である。
【０００３】 本発明は、ポンプ−チャネルシステムとは根本的に異なり、そして上記の欠点
に取り組むものである。例えば、化合物、生物学的部分または分子、粉末、サン
プルを運ぶ微小粒子（ビーズおよび／またはマイクロマニピュレーター）は、微
小粒子とドライブまたは付勢エレメントとの間の相互作用を通じて１つ以上の微
小規模の実験ワークプレイスについて移動される。ワークプレイスの上および／
または下で、原動力が生じ、そして従来の微小回路（例えば、プリントされた回
路板、シリコン回路、および収縮回路）によって制御される。
【０００４】 （発明の要旨） 本発明は、１つの局面において、浮遊粒子（ｌｅｖｉｔａｔｉｎｇ−ｐａｒｔ
ｉｃｌｅ）デバイスを含む。ここでは磁気微小粒子および／またはエフェクター
が反磁性の表面に隣接して浮遊する。これは、平面の基板上に形成された回路ト
レースの活動による、この基板上の異なるステーションの側方に沿った制御され
た動きを伴うか、または静電力によってガスによって動かされる。
【０００５】 種々の実施形態において、このデバイスは、以下：（ｉ）鉛直方向に微小粒子
の動きを安定かつ制御するための、第一の駆動回路を有する第一の基板、および
付勢回路を有する第二の基板；（ｉｉ）複数の微小粒子／エフェクターが、この
基板上の異なる反応ゾーンに対して同時に移動するように回路を制御する工程；
（ｉｉｉ）側方および鉛直方向の両方において、微小粒子および／またはエフェ
クター運動を可能にする構造；ならびに（ｉｖ）浮遊貯蔵棚（ｌｅｖｉｔａｔｉ
ｏｎ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｈｅｌｖｅ）であって、微小粒子および／またはエフ
ェクターがこの棚の上の平面から離れ得る、棚を備える。
【０００６】 別の局面において、この浮遊粒子デバイス（ｌｅｖｉｔａｔｉｎｇ−ｐａｒｔ
ｉｃｌｅ ｄｅｖｉｃｅ）は、上記のデバイスにおける反応または貯蔵のチャン
バを備え、そして微小粒子および／またはエフェクターは、このチャンバの開口
部のガス／流体界面を通じて移動する。
【０００７】 種々の実施形態において、（ｉ）チャンバは、側方の微小粒子運動の平面から
垂直にオフセットされ、そして微小粒子は、ガス／流体インターフェースを横切
るチャンバ中に入ってそしてそこから出る；（ｉｉ）基板は、鉛直方向に微小粒
子の動きを安定かつ制御するための、駆動回路を有する第一の基板、および付勢
回路を有する第二の基板を備え；そして（ｉｉｉ）側方の微小粒子運動の平面に
あり、そして微小粒子は、横に動いて、ガス／流体界面を横切るチャンバの中に
入り、そしてそこから出る。
【０００８】 特に好ましい実施形態において、複数のチャンバが連続して配置され、これに
よって第一チャンバの出口ポートは、第二チャンバの入り口ポートに隣接するか
または接触し、これによって各チャンバの間の微小粒子運動は、このようなポー
トの間のわずかな空隙から空隙が全くないところまで進行する。
【０００９】 他の実施形態において、一旦微小粒子が、流体およびガスを含有する（流体部
分を最初に入れる）チャンバに入ると、微小粒子は、流体とガスとの間の界面に
よって作成された表面に接近し、そしてこのような表面（選択的に、ガス上また
は流体側面のいずれか）に沿って進行する。あるいは、このような界面表面から
離れた流体中に残る。
【００１０】 別の局面において、浮遊粒子デバイスは、微小粒子の群が、平行なトレースを
通じて、トレインの中の全ての微小粒子の位置を強調的に制御することによって
、または単一の「移動性の（ロコモーティブ）（ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ）」もし
くは活動的な微小粒子の動きを単に制御することによって、トレイン形式または
小隊形式で一緒に運動されることを可能にするように設計される。ここで、この
ような移動性の微小粒子は、トレインの微小粒子の中でおよび／またはその間に
おいて、磁気、電気、反発力もしくは誘引力、または他の摩擦、あるいは接着性
の関係によって、トレイン（列車）の中の、他の「車両（ローリングストック）
（ｒｏｌｌｉｎｇ ｓｔｏｃｋ）」または受動的微小粒子を動かす。他の実施形
態において、２つ以上の活動的微小粒子が、選択的に刺激されて、１つ以上の受
動的な微小粒子を制御する。
【００１１】 種々の実施形態において、（ｉ）微小粒子をトレインの上でおよび外で動かし
、このトレインの組成を変更する；そして（ｉｉ）このトレインの微小粒子をチ
ャンバ（例えば、洗浄チャンバ、反応チャンバ、化学蒸着チャンバ、インキュベ
ーションチャンバ、または秤量のチャンバ）の中そして外でユニットとして動か
す。
【００１２】 別の局面において、浮遊粒子デバイスは、基板およびその上に形成された複数
の反応ステーションを有し、そして微小粒子および／またはエフェクターは、ス
テーション間で移動され、２つ以上の化合物に対する微小粒子の連続的曝露をも
たらす。
【００１３】 種々の実施形態において、（ｉ）このデバイスは、異なる化合物、試薬または
曝露条件を用いて、異なる順序で複数の異なる反応を実行するようにプログラム
され得；（ｉｉ）この微小粒子は、ステーションに平行に、そしてオフセットチ
ャンバに鉛直に中に、そして鉛直に外に移動され；（ｉｉｉ）このステーション
は、２つ以上の連結された反応チャンバを有し（ここで微小粒子は、このステー
ションの１つのチャンバ内に、そしてこのステーションのチャンバの間および中
に（例えば、中央洗浄チャンバの中および外に）移動され得る）；（ｉｖ）この
エフェクターは、基板上の反応チャンバへまたは基板上の反応チャンバから試薬
を運ぶように働き；（ｖ）このエフェクターは反応チャンバから微小粒子へ試薬
を運び；（ｖｉ）化学ライブラリーを構築するにおける使用のために、ライブラ
リーの微小粒子は、同定のために標識されるか、またはその歴史がモニターされ
、その結果、各微小粒子は、選択されたライブラリー化合物を用いて同定され得
；（ｖｉｉ）多分析物（ｍｕｌｔｉ−ａｎａｌｙｔｅ）診断を実行するために、
各微小粒子は、分析物と関連し、そして分析物特異的化学を進歩するために必要
な場合ステーションからステーションへ運ばれ；そして（ｖｉｉｉ）スクリーニ
ング実体（例えば、細胞）と接触するように化合物を移動することによって、お
よび／または異なるスクリーニング領域に対してエフェクター上の細胞を移動す
ることによって、ハイスループットスクリーニングを実行するため。
【００１４】 別の実施形態において、微小粒子は、ポリメラーゼ連鎖反応すなわちＰＣＲ実
験を実行するための試薬（例えば、微小粒子に結合したかまたは取り込まれた多
孔性またはゲル様物質）を含み得、ここでこの微小粒子は、このデバイスの異な
る領域の間で選択的に移動され、この各領域は、異なる熱特性を有しており、そ
の結果この微小粒子の温度は、サイクルの選択された回数のための、選択された
ＰＣＲ温度プロフィールによって上昇および下降し、微小粒子上でＰＣＲを実行
する。好ましい実施形態において、複数の微小粒子を、デバイス内の異なる温度
領域の中で循環させて、同時に異なる微小粒子上でＰＣＲを実行する。さらに他
の実施形態において、異なる微小粒子は、異なる条件またはプロフィールに曝露
され、複数の微小粒子上のＰＣＲ最適化プロトコールを実行する。
【００１５】 別の実施形態において、このデバイスは、互いに側方にまたは鉛直に離れた２
つ以上のチャンバ、ならびに流体界面を有する反応ステーションを有する。そし
て微小粒子は、このチャンバの間でおよび中で移動される。
【００１６】 種々の実施形態において、（ｉ）微小粒子は、２つの流体含有チャンバを隔て
るガス間隙を通じて移動され；（ｉｉ）微小粒子は、流体間の界面を横切って、
チャンバからチャンバに直接移動され；そして（ｉｉｉ）ステーションは、複数
の試薬チャンバによって囲まれた中央の洗浄チャンバを有する。
【００１７】 別の実施形態において、２つ以上のデバイスが、互換性のあるモジュールとし
て一緒に配置され、各モジュールの能力および操作を拡大する。
【００１８】 別の局面において、このデバイスは、微小粒子上で、例えば、このような微小
粒子に結合し得るＤＮＡ分析物のアッセイにおける使用のための、ポリマー（例
えば、選択された配列を有するポリペプチド分子）の合成における使用のために
設計される。
【００１９】 なお別の実施形態において、浮遊粒子デバイスは、ナノファブリケーション方
法を実行するために設計される。例えば、ここでこの微小粒子は（または必要に
応じて、もし存在するなら、まさにそれらのエフェクターは）、１つ以上の加工
中の製品に選択的に入り、そして接触せずに、選択された様式で、この加工中の
製品に対して、分子または層を選択的に追加または除去する。
【００２０】 別の局面において、本発明は、自動化、微小規模形式で、好ましくは、微小粒
子が浮遊したままで、微小粒子を用いて、所望の実験または製造活動を実施する
における使用のための装置を提供する。ここで、この装置は、ｘ−ｙ座標を規定
するワークプレイスを有する第一の基板；このワークプレイスに隣接した制御さ
れた運動に適合した１つ以上の微小粒子であって、この微小粒子の各々は、１つ
以上の磁気または静電気の双極子および実験または製造活動における使用のため
の１つ以上のエフェクターを有するように適合されている、微小粒子；異なる既
知のワークプレイスのｘ−ｙ座標に配置された複数の実験および／または製造の
ステーションであって、各実験ステーションは、微小粒子エフェクターを用いた
１つ以上の選択された実験操作において実行または関与するように適合されてい
る、ステーション；このワークプレイスに隣接して配置された駆動構造であって
、この駆動構造は、微小粒子の双極子とこの駆動エレメントの相互作用によって
、選択されたワークプレイスのｘ−ｙ座標の間で１つ以上の微小粒子を動かすよ
うに選択的にエネルギー付与し得る複数の駆動エレメントを有している、駆動構
造；ならびに所望の実験または製造の活動を達成するように選択された実験また
は製造のステーションの間でまたは中で１つ以上の選択された微小粒子を動かす
ための駆動エレメントをエネルギー付与するための駆動エレメントに作動可能に
連結されたコントローラー、を備える。
【００２１】 特定の実施形態において、第二の基板は、最初に言及された基板に隣接して配
置されて、拡大したｘ−ｙ座標を有する連続するワークプレイスを形成するよう
に適合されており、この第二の基板上で実行されたさらなる実験ステーションを
ともなう。第二の駆動構造は、第二のワークプレイスに隣接して配置され得る。
第二のワークプレイスは、駆動エレメントと微小粒子の双極子との相互作用によ
って、選択された第二の基板のワークプレイスのｘ−ｙ座標の間で１つ以上の微
小粒子を動かすように選択的にエネルギー付与され得る複数の駆動エレメントを
有する。コントローラーは、第二の基板上の選択された実験ステーションの中で
または間で、１つ以上の選択された微小粒子を動かすために第二構造の駆動エレ
メントをエネルギー付与するための第二の駆動構造の駆動エレメントに作動可能
に連結され得、そして２つの駆動構造の駆動エレメントは、１つの構造から別の
構造へ微小粒子を動かすようにエネルギー付与可能である。
【００２２】 なお他の実施形態において、このコントローラーは、選択された実験ステーシ
ョンの間または中で１つ以上の選択された微小粒子を動かすように第二構造の駆
動エレメントをエネルギー付与するための第二構造の駆動エレメントに作動可能
に連結されており、そしてこの第二駆動構造の第二構造駆動エレメントは、第一
の基板と第二の基板との間で微小粒子を動かすようにエネルギー付与可能である
。なお他の実施形態において、異なるコントローラーが、例えば、この装置の異
なる基板、または基板内の異なる部分を制御するために用いられ得る。なお他の
実施形態において、第二のコントローラーは、例えば、微小粒子を用いて洗浄ま
たは他の化学的操作を実行するために、単一の機能のために設計され得、そして
必要に応じて、この第一基板が微小粒子を第二の基板のワークプレイスに送る場
合に、検出するための光学センサーを有し得、ここでこの第二の基板は次に、別
の操作を必要に応じて実施し得る。その後、この微小粒子は、出口通路（例えば
、第一基板への戻り）へ送られるか、または第三基板へ送られ得、ここでこの装
置は必要に応じて、基板のモジュラー構築ブロック（各々の個々に作動する）を
有し得、その結果、この装置全体は、設計および操作上の単純性および汎用性の
ために分散化アプローチを使用する。
【００２３】 他の実施形態において、駆動構造は、配置された微小粒子または基板上の動き
に対して鉛直なｚ次元の力を付与するために、１つ以上の選択された微小粒子を
異なる選択されたｚ軸位置に移動するため、またはｚ次元の微小粒子の動きを制
御するために、有効な１つ以上の付勢エレメントを、さらに含み得る。
【００２４】 特定の実施形態において、少なくともいくつかの実験ステーションは、選択さ
れた流体を保持するためのチャンバ、およびこのチャンバがこのような流体を含
む場合、ガス／流体界面を規定するチャンバ開口部を備え、この駆動構造は、こ
のチャンバの中および外の界面を横切って微小粒子を動かすのに（エネルギー付
与された場合）有効であるワークステーション駆動エレメントを備え、そしてこ
のコントローラーは、このようなワークステーション駆動エレメントを作動して
ガス−流体方向の界面を横切る微小粒子を加速し、そして加速して次に流体−ガ
ス方向の界面を横切る微小粒子を減速するために、有効である。
【００２５】 他の実施形態が、１つ以上の微小粒子上で１つ以上の化合物を合成するために
用いられ得る。ここでこの微小粒子は、表面接着化学基を有し、この上で化合物
が合成され得る。そして実験ステーションは、化学合成を保持するために適合さ
れ、そしてこの微小粒子上で化学反応を達成するために試薬を洗浄する。他の実
施形態が、第一の化合物と第二の化合物との間、または第一の化合物と生物学的
細胞との間の結合反応に依存する方法（ここで少なくとも１つの微小粒子は、第
一の化合物に結合した表面を有し、そして少なくとも１つの実験ステーションは
、第二の化合物もしくは生物学的細胞を含む）のために、または、１つの実験ス
テーションから別への物質の移動（ここで、少なくとも１つの微小粒子は、１つ
のステーションからこのような物質を拾い上げて運ぶための、そして第二のステ
ーションでこの物質を配置するための、エフェクターを含む）のために用いられ
得る。
【００２６】 本発明の別の局面は、自動化された微小規模形式で、１つ以上の所望の実験活
動を実施するにおける使用のための装置を提供する。この装置は、上部表面を有
するワークプレイス拡張を形成する基板、この基板内で形成された１つ以上の実
験ステーション、この基板内に形成された１つ以上のトレンチ（溝）（このトレ
ンチは、選択された形式では実験ステーションに内部接続しており、このトレン
チは、１つ以上の流体を保持し得る）、このトレンチ内に可動性に適合された１
つ以上の微小粒子（この微小粒子は各々、１つ以上の磁気または静電的な双極子
および１つ以上の実験エフェクターを有する）、このワークプレイスに隣接して
配置された駆動構造、微小粒子の双極子と駆動エレメントの相互作用によって、
このトレンチを通じて１つ以上の微小粒子を動かすために選択的にエネルギー付
与可能な複数の駆動エレメントを有する駆動構造、ならびに所望の実験活動を達
成するためこのトレンチによって内部接続された選択された実験ステーションの
間でまたは中で１つ以上の選択された微小粒子を動かすように駆動エレメントを
エネルギー付与するための駆動エレメントに作動可能に連結されたコントローラ
ー、を備える。
【００２７】 種々の実施形態は、基板の上部表面に対して適合するように適合されて、その
中にトレンチからの１つ以上のチャネルを形成する、１つ以上のカバー構造、１
つ以上の導電性媒体で充填された場合にこのトレンチを通した１つ以上の電流を
選択的に通過するための２つ以上の電極（ここでこの電流は、トレンチおよび実
験ステーション内の１つ以上の試薬または分析物の動きを動電学的に生じまたは
制御し得、その結果１つ以上の選択された試薬または分析物は、選択された微小
粒子と選択的に接触し得る）、第一トレンチから第一排出リザーバへ接続された
洗浄リザーバ、第二トレンチから第二排出リザーバへ接続された試薬リザーバ（
ここでこの第一および第二のトレンチは交差して、試薬に対して微小粒子を一過
性に曝露するための交差部位を形成する）（このリザーバは各々その中に、この
リザーバ内に含まれた流体と電気的に連絡するように適合された電極を配置され
ており、その結果、第一電流が試薬リザーバ電極と第二排出リザーバ電極との間
を通過する場合に、交差部分を通じた第一トレンチに沿った選択された、通過微
小粒子と接触するための交差部分中に試薬が動電学的に導入される）、を含み得
る。この交差部分は、オフセット二重Ｔ型（ｄｏｕｂｌｅ−ｔｅｅ）交差部を形
成し得る。他の実施形態は、この交差部分内で選択された微小粒子を選択的に保
持するための交差部分に隣接して配置された１つ以上の付勢エレメントを含み得
る。微小粒子は、浮遊状態でこのデバイス内を動くように適合され得る。他の実
施形態は、浮遊表面を規定する１つ以上の反磁性層を含み得る。ここでこの微小
粒子は、反磁性浮遊によって安定に浮遊するように適合される。他の実施形態に
おいて、浮遊した状態は、完全にまたは部分的には、静電的な浮遊から生じ、そ
して／または浮遊した状態は、完全にまたは部分的には、浮遊性の浮遊から生じ
、そしてまたは、この浮遊状態は、完全にまたは部分的には、表面張力浮遊から
生じ、そして／またはこの浮遊状態は一過性に生じる。
【００２８】 本発明のデバイスは、付勢エレメントに向かって、または付勢エレメントから
離れるように微小粒子を動かすための１つ以上の付勢エレメントを備え得る。
【００２９】 本発明の別の局面は、自動化された微小規模形式で、所望の実験活動を実行す
るための方法を提供する。微小規模形式は、微量流体デバイスを提供する工程（
このデバイスは、その中に形成された１つ以上のトレンチまたはチャネル（１つ
以上の微小粒子を含有する）を有し、この微小粒子は１つ以上の磁気双極子また
は静電双極子を有し、このデバイスは、駆動基板であってその中に配置された１
つ以上の駆動エレメントを有する駆動基板を有し、この駆動エレメントは、微小
粒子の双極子上で作動して、この微小粒子がトレンチまたはチャネルについて選
択的に動くようにし得る）、選択された駆動エレメントを作動することにより、
微量流体デバイス内の微小粒子の位置を制御して、この微小粒子が選択された実
験ステーションの間で移動し、その結果選択された微小粒子の各々が所望の順序
および様式で各選択された実験ステーションによって作用される工程、を包含す
る。
【００３０】 別の局面において、本発明は、自動化された微小規模形式で所望の実験活動を
実施するにおける使用のための装置を提供する。この装置は、ｘ−ｙ座標を規定
するワークプレイスを有する第一基板；このワークプレイスに隣接して浮遊する
ように適合された１つ以上の微小粒子であって、この微小粒子の各々は、１つ以
上の磁気双極子または静電双極子および１つ以上の実験エフェクターを有する、
微小粒子；異なる既知のワークプレイスのｘ−ｙ座標に配置された複数の実験ス
テーションであって、各実験ステーションは、微小粒子エフェクターを用いた１
つ以上の選択された実験操作において実行または関与するように適合されている
、ステーション；このワークプレイスに隣接して配置された駆動構造であって、
この駆動構造は、微小粒子の双極子とこの駆動エレメントの相互作用によって、
浮遊状態の微小粒子を用いて、選択されたワークプレイスのｘ−ｙ座標の間で１
つ以上の微小粒子を動かすように選択的にエネルギー付与し得る複数の駆動エレ
メントを有している、駆動構造；ならびに所望の実験活動を達成するように選択
された実験ステーションの間でまたは中で１つ以上の選択された微小粒子を動か
すための駆動エレメントをエネルギー付与するための駆動エレメントに作動可能
に連結されたコントローラー、を備える。
【００３１】 種々の実施形態が以下を含み得る：反磁性層を有する第一の基板、磁性微小粒
子である１つ以上の微小粒子（ここで、この微小粒子は、反磁性浮遊によってワ
ークプレイスに隣接して浮遊する）、流体の層を支持するように適合されている
基板（ここで微小粒子は浮遊性であり、そして微小粒子は浮力によってワークプ
レイスに隣接して浮遊する）、表面張力を示す表面を有する流体の層を支持する
ために適合されている基板（この上で微小粒子は流体の密度よりも大きい密度を
有する微小粒子に対して支持されている）、およびこの表面上で微小粒子を支持
するのに十分である表面張力、流体の密度よりも大きい密度を有する微小粒子、
ならびに上方に付勢された場合、表面の下で微小粒子を保持するのに十分である
表面張力。
【００３２】 他の実施形態において、この装置はさらに、最初に言及された基板に隣接して
配置されて、拡大したｘ−ｙ座標を有する連続するワークプレイスを形成するよ
うに適合された第二の基板、この第二の基板上で実行されたさらなる実験ステー
ション、第二のワークプレイスに隣接して配置された第二の駆動構造を備え得、
そして駆動エレメントと微小粒子の双極子との相互作用によって、浮遊状態の微
小粒子を用いて、選択された第二の基板のワークプレイスのｘ−ｙ座標の間で１
つ以上の微小粒子を動かすように選択的にエネルギー付与され得る複数の駆動エ
レメントを有し、そして、第二の基板上の選択された実験ステーションの中でま
たは間で、１つ以上の選択された微小粒子を動かすために第二構造の駆動エレメ
ントをエネルギー付与するための第二の駆動構造の駆動エレメントに作動可能に
連結されているコントローラーを含み得、そして２つの駆動構造の駆動エレメン
トは、１つの構造から別の構造へ微小粒子を動かすようにエネルギー付与可能で
ある。
【００３３】 他の実施形態は、第２の基板、第２の駆動構造体を備え得、この第２の基板は
、ｘ−ｙ座標を有するワークプレイスにおける微小粒子の浮遊を増大させるため
に、第１の基板に隣接して配置されるよう適合されており、そしてこの第２の駆
動構造体は、この第２の基板に隣接して配置され、そしてこれらの微小粒子が浮
遊状態にある状態で、第２の構造体駆動エレメントと微小粒子の双極子との相互
作用を介して、選択されたワークプレイスのｘ−ｙ座標の間で１つ以上の微小粒
子を移動させるために選択的にエネルギー付与可能な、複数の第２の構造体駆動
エレメントを有し、そしてコントローラーが、第２の構造体駆動エレメントにエ
ネルギー付与して１つ以上の選択された微小粒子を選択された実験ステーション
の間（ｂｅｔｗｅｅｎ ｏｒ ａｍｏｎｇ）で移動させるために、第２の構造体
駆動エレメントに作動可能に接続されており、そして第２の駆動構造体の第２の
構造体駆動エレメントは、第１の基板と第２の基板との間で微小粒子を移動させ
るために、エネルギー付与可能である。
【００３４】 なお他の実施形態は、駆動構造体を有する工程を包含し得、さらに、垂直なｚ
次元の力を、基板上で浮遊している微小粒子に与えるか、１つ以上の選択された
微小粒子を異なる選択されたｚ軸位置に移動させるか、または微小粒子のｚ方向
の移動を制御するかに効果的な１つ以上の付勢エレメントを備え得る。
【００３５】 さらに他の実施形態において、少なくともいくつかの実験ステーションは、選
択された液体を保持するためのチャンバ、およびチャンバ開口部を備え、このチ
ャンバ開口部は、このチャンバがこのような液体を収容する場合に、ガス／液体
界面を規定し、この駆動構造体が、ワークステーション駆動エレメントを備え、
このワークステーション駆動エレメントは、エネルギー付与される場合に、この
界面を横切ってチャンバの内外へと微小粒子を移動させるために効果的であり、
そしてこのコントローラーは、このようなワークステーション駆動エレメントを
作動して、この界面をガスから液体への方向で横切る微小粒子を加速するため、
および液体からガスへの方向にこの界面を横切る微小粒子を加速し、次いで制動
するために効果的である。
【００３６】 他の実施形態において、この装置は、１つ以上の化学化合物を、１つ以上の微
小粒子上で合成するために使用され得、ここで、この微小粒子は、表面に付着し
た化学基を有し、この化学基においてこの化合物が合成され得、そして実験ステ
ーションが、この化学合成を支持し、そして微小粒子上での化学反応を達成する
ための試薬を洗浄するよう適合されている。なお他の実施形態において、この化
学合成は、本質的にコンビナトリアルであり、ここで、コードされた微小粒子が
、１つの反応チャンバから別の反応チャンバへと指向され、一方で各微小粒子の
特定の履歴を追跡し、このような移動は、必要に応じて、性質によって分割され
、そしてプールされ、ここで、これらの微小粒子が中央チャンバに収集されて微
小粒子プールを作製し、このプールから、微小粒子が各反応容器へと再分配され
、同時にこれらのコードが追跡され、そして履歴が記録される。
【００３７】 なお他の実施形態は、第１の化合物と第２の化合物との間、または第１の化合
物と生物学的細胞との間の結合反応に依存する方法における使用に適切であり得
、ここで、これらの微小粒子の少なくとも１つが、表面に付着した第１の化合物
を有し、そしてこれらの実験ステーションの少なくとも１つが、第２の化合物ま
たは生物学的細胞を含む。そして他の実施形態は、材料を１つの実験ステーショ
ンから別の実験ステーションへと移動させるために適切であり得、ここで、これ
らの微小粒子の少なくとも１つが、このような材料を１つのステーションから拾
い上げて運ぶため、およびこの材料を第２のステーションにおいて堆積するため
の、エフェクターを含む。
【００３８】 １つの局面において、本発明は、所望の実験活性を、自動化された微小規模の
形式で実施する際に使用するための、装置を提供する。好ましい実施形態におい
て、この装置は、ｘ−ｙ座標を規定するワークプレイスを有する第１の基板を備
え、ここで、磁気双極子または静電双極子を有する１つ以上の微小粒子および１
つ以上の実験エフェクターが、このワークプレイスに隣接して浮遊する。このワ
ークプレイスの内部で、微小粒子エフェクターが異なる既知のワークプレイスｘ
−ｙ座標に位置する状態で、複数の実験ステーションが、１つ以上の選択された
実験操作を実施するか、またはこの操作に関与するよう適合される。複数の駆動
エレメントを有する駆動構造体が、このワークプレイスに隣接しており、この駆
動エレメントは、微小粒子が浮遊状態にある間に、駆動エレメントと微小粒子の
双極子との相互作用を介して、選択されたワークプレイスｘ−ｙ座標の間で１つ
以上の微小粒子を移動させるために、選択的にエネルギー付与可能である。この
装置は、これらの駆動エレメントに作動可能に接続されたコントローラーによっ
て、これらの駆動エレメントにエネルギー付与して１つ以上の選択された微小粒
子を選択された実験ステーション間（ｂｅｔｗｅｅｎ ｏｒ ａｍｏｎｇ）で移
動させ、１つ以上の所望の実験活性を達成するために制御され得る。
【００３９】 他の実施形態において、この装置は、反磁性層を有する基板をさらに備え、こ
こで、１つ以上の磁気微小粒子が、反磁性浮遊によってワークプレイスに隣接し
て浮遊し、そして／またはここで、この基板は、これらの微小粒子がその浮力に
よってワークプレイスに隣接して浮揚および浮遊するように、液体の層を内部に
支持するよう適合されており、そして／またはここで、この基板は、表面張力を
表示する表面を有する液体の層を支持するよう適合され、この表面で、微小粒子
が付勢によって下に支持または保持されており、そして／またはここで、これら
の微小粒子は、液体の密度より大きな密度を有し、そしてこの表面張力は、微小
粒子を表面より上に支持するために十分であるか、もしくはここで、これらの微
小粒子は液体の密度より小さな密度を有する場合には、この表面張力は液体−ガ
ス界面の表面より下にこれらの微小粒子を保持するに十分である。
【００４０】 なお他の実施形態において、この装置は、最初に記載した基板に隣接して配置
されるよう適合された第２の基板をさらに備えて、拡張したｘ−ｙ座標を有する
連続的なワークプレイスを形成し、ここで、さらなる実験ステーションが、この
第２の基板に運ばれ、そしてこの第２のワークプレイスに隣接して、複数の駆動
エレメントを有する第２の駆動構造体が配置され、これらの駆動エレメントは、
上記微小粒子が浮遊状態にある状態で、この駆動エレメントと微小粒子の双極子
との相互作用を介して、１つ以上の上記微小粒子を、選択された第２の基板のワ
ークプレイスｘ−ｙ座標の間で移動させるために選択的にエネルギー付与が可能
であり、ここで、コントローラーが、第２の駆動構造体の駆動エレメントに作動
可能に接続されて、第２の構造体駆動エレメントにエネルギー付与して、１つ以
上の選択された微小粒子を、第２の構造体上の選択された実験ステーションの間
（ｂｅｔｗｅｅｎ ｏｒ ａｍｏｎｇ）で移動させ、そして２つの駆動構造体の
駆動エレメントが、微小粒子を１つの基板から別の基板へと移動させるためにエ
ネルギー付与可能である。
【００４１】 なお他の実施形態において、この装置は、第１の基板に隣接して配置されて、
ｘ−ｙ座標を有するワークプレイスにおいて微小粒子の浮遊を増大するために適
合された第２の基板を備える。この第２の基板に隣接して、複数の第２の構造体
駆動エレメントを有する第２の駆動構造体が配置され、この第２の構造体駆動エ
レメントは、上記微小粒子が浮遊状態にある状態で、上記第２の構造体駆動エレ
メントと上記微小粒子の双極子との相互作用を介して、１つ以上の上記微小粒子
を選択されたワークプレイスのｘ−ｙ座標の間で移動させるために選択的にエネ
ルギー付与可能である。コントローラーは、さらに、第２の構造体駆動エレメン
トに作動可能に接続されて、この第２の構造体駆動エレメントをエネルギー付与
して、１つ以上の選択された微小粒子を、選択された実験ステーションの間（ｂ
ｅｔｗｅｅｎ ｏｒ ａｍｏｎｇ）で移動させ、そして第２の駆動構造体の第２
の構造体駆動エレメントは、さらに、上記第１の基板と上記第２の基板との間で
微小粒子を移動させるために、エネルギー付与可能である。
【００４２】 他の実施形態において、この駆動構造体は、さらに、１つ以上の付勢エレメン
トを備え、この付勢エレメントは、垂直なｚ次元の力を、基板上で浮遊している
微小粒子に与えるためか、１つ以上の選択された微小粒子を異なる選択されたｚ
軸位置に移動させるためか、またはｚ方向での微小粒子の移動を制御するために
効果的である。
【００４３】 なお他の実施形態において、実験ステーションの少なくともいくつかは、選択
された液体を保持するためのチャンバ、およびこれらのチャンバがそのような液
体を含む場合にガス／液体界面を規定するチャンバ開口部を備え、この駆動構造
体は、エネルギー付与される場合に、微小粒子をこの界面を横切ってチャンバの
内外へと移動させるために効果的なワークステーション駆動エレメントを備え、
そして上記コントローラーは、このようなワークステーション駆動エレメントを
作動して上記界面をガスから液体への方向に横切る微小粒子を加速するため、お
よび上記界面を液体からガスの方向で横切る微小粒子を加速するために効果的で
ある。この駆動エレメントは、さらに、移動している微小粒子の移動を減速する
かまたは制動し得る。
【００４４】 他の実施形態は、表面に付着した化学基（この化学基で化合物が合成され得る
）を有する微小粒子、および化学合成を保持しかつこれらの微小粒子上での化学
反応を達成するための試薬を洗浄するよう適合される、実験ステーションを含む
。さらに、この装置は、第１の化合物と第２の化合物との間、または第１の化合
物と生物学的細胞との間の結合反応に依存する方法における使用のためのもので
あり得、ここで、これらの微小粒子の少なくとも１つが、表面に付着した第１の
化合物を有し、そしてこれらの実験ステーションの少なくとも１つが第２の化合
物または生物学的細胞を含む。この装置はまた、材料を１つの実験ステーション
から別の実験ステーションへと移動させるために使用され得、ここで、これらの
微小粒子の少なくとも１つが、このような材料を１つのステーションから拾い上
げて運ぶため、およびこの材料を第２のステーションにおいて堆積するための、
エフェクターを含む。
【００４５】 別の局面において、本発明は、微小規模の化学的操作を実施する際に使用する
ための、磁気微小粒子を提供する。このような微小粒子は、好ましくは、以下に
よって特徴付けられる磁気基板から形成される：（ｉ）必要に応じて実質的に平
坦であり、５０〜５００の範囲の最大寸法を有する、表面、（ｉｉ）磁場線が実
質的にこの表面に対して垂直である、磁気双極子、および（ｉｉｉ）少なくとも
１０メガガウス−エルステッドのエネルギー密度であって、その結果、微小粒子
が、反磁性表面上に表面が下げられて置かれる場合に、この反磁性表面上で浮遊
し得ること、ならびに（ｉｉｉ）選択された化学的操作、実験操作、分析操作、
または製造操作の実施またはそれへの関与のためのエフェクターを有する、微小
粒子上の領域。好ましくは、この磁気基板は、希土類金属で形成され得、実質的
に円盤形状であり得、最大寸法が５０〜１００ミクロンの間の平坦な表面を有し
得、微小粒子を同定する目的でコードリーダーによって読み取り可能な指標を含
み得、表面に付着した生体高分子を含むそのエフェクターを有し得、生体高分子
合成を支持し得る表面に付着した化学基を含むそのエフェクターを有し得、他の
微小粒子と相互作用して化学物質をこのような他の微小粒子へまたは微小粒子か
ら移動させるために効果的なマニピュレーターであるそのエフェクターを有し得
、標的物質または事象を感知するよう適合されたセンサであるそのエフェクター
を有し得、逆に向いた磁極を有する２つ以上の領域で形成された微小粒子を有し
得、ここで、このような領域は、先に記載した極の方向に対して垂直に配向する
磁極を有する領域に分散する逆に向いた磁極であり得、そして／または平坦な表
面に隣接する側壁、およびこの側壁の少なくとも一部を覆う反磁性材料のコーテ
ィングを有する微小粒子を有し得る。
【００４６】 別の局面において、本発明は、磁気微粒子を複数の液体試薬に曝露するための
装置を提供する。好ましい実施形態において、この装置は、ｘ−ｙ座標を規定す
るワークプレイスを有する反磁性基板を備え、そしてこの上に、微小粒子が浮遊
し得る。異なる既知のワークプレイスのｘ−ｙ座標に、複数の実験ステーション
および／または製造ステーションが位置し、ここで各々のステーションは、選択
された液体を保持するためのチャンバ、およびこのチャンバがこのような液体を
含む場合にガス／液体界面を形成するチャンバ開口部を有する。各ステーション
は、微小粒子に運ばれるエフェクターを用いて、１つ以上の選択された実験操作
を実施するか、またはその操作に関与するよう適合される。このワークプレイス
に隣接して、駆動構造体が配置され、この駆動構造体は、上記ステーションにお
いて上記ガス／液体界面を横切って上記微小粒子移動させるために、以下を有す
る：（ｉ）選択されたエネルギー付与された駆動エレメントと１つ以上の選択さ
れた微小粒子との間に相互作用を引き起こして、微小粒子が浮遊状態にある状態
で上記駆動エレメントと微小粒子の双極子との相互作用を介して、選択されたワ
ークプレイスのｘ−ｙ座標間で微小粒子を移動させるように選択的にエネルギー
付与可能な、複数の第１の駆動エレメント、ならびに（ｉｉ）各ステーションに
付随し、選択されたエネルギー付与された駆動エレメント間での相互作用を引き
起こすよう選択的にエネルギー付与可能な、第２の駆動エレメント、ならびに（
ｉｉｉ）１つ以上の選択された微小粒子。コントローラーが、これらの駆動エレ
メントにエネルギー付与して、１つ以上の選択された微小粒子を、選択された実
験ステーションの間（ｂｅｔｗｅｅｎ ｏｒ ａｍｏｎｇ）で、そして実験ステ
ーションの内外に移動させ、所望の実験活性を達成ために、この駆動エレメント
に操作可能に接続される。
【００４７】 いくつかの実施形態において、１つ以上のステーションは、基板上での微小粒
子のｘ−ｙ移動と実質的に同一平面であり、そして開口部は、チャンバの内側と
ワークプレイスとの間を連絡するキャピラリーポートを備え、そして第２の駆動
エレメントは、同一平面のステーションに付随し得、この同一平面のステーショ
ンは、ステーションのポートの外側に外部駆動エレメントを、そしてステーショ
ンポートの内側に内部駆動エレメントを備え、ここで、これらの内部および外部
の駆動エレメントは各々、ポートの対向する側方側面に配置される第１および第
２の電磁コイルを備え得る。
【００４８】 他の実施形態において、各ステーションに付随する内部駆動エレメントは、微
小粒子を上記ガス／液体界面の外側へと、界面を通してステーションのチャンバ
内に加速するようエネルギー付与可能であり、そしてステーションに付随する外
部駆動エレメントは、微小粒子が液体／ガス界面を通過する場合にステーション
のチャンバ内の微小粒子を最初に加速するためにエネルギー付与可能であり、次
いで微小粒子がこのような界面を通過した後に、この微小粒子の移動を制動し得
る、ここで、このような制動はさらに、駆動エレメントを脱エネルギー化する工
程、および液体の粘度を使用して微小粒子を制動する工程を包含し得る。この装
置は、駆動エレメントを逆エネルギー付与して微小粒子を制動することと、上記
流体を使用してこの微小粒子をさらに制動することとの組み合わせをさらに含む
制動を有し得るか、またはこの制動は、全体として駆動エレメントの逆エネルギ
ー付与によって達成され得るか、またはこの制動は、渦電流制動を使用して近く
の伝導性表面によって補助され得る。
【００４９】 なお他の実施形態において、ステーションは、１つ以上のチャンバを有し、各
チャンバは、キャピラリーポートによって他のチャンバから分離されており、こ
のキャピラリーポートは、これらのチャンバに液体が満たされる場合にガスを収
容し、そして各チャンバとポートとの間にガス／液体界面を規定するよう意図さ
れるか、あるいはステーションは、複数の周辺ステーションによって囲まれた中
央ステーションを有し得、各周辺ステーションは、キャピラリーポートを介して
中央ステーションと連絡しており、このキャピラリーポートは、これらのステー
ションに液体が満たされる場合にガスを収容し、そして各チャンバと上記ポート
との間にガス／液体界面を規定するよう意図される。ステーションは、上記基板
に形成される空洞によって規定され得、ここで、開口部が、空洞に収容される液
体の上面によって形成され、そして第２の駆動エレメントは、これらの微小粒子
を実質的にｚ方向に、ガス／液体界面を横切ってステーションの内外へと移動さ
せるようエネルギー付与可能であり、そしてここで、このような空洞によって規
定された実験ステーションに付随する第２の駆動エレメントは、それぞれ、ステ
ーションの開口部の外側および内側に配置される、外部駆動エレメントおよび内
部駆動エレメントを備え得る。ステーションに付随する内部駆動エレメントは、
微小粒子をガス／液体界面へと外側に、ガス／液体界面を横切ってステーション
のチャンバ内へと下向きに加速するようエネルギー付与可能であり得、そしてス
テーションに付随する外部駆動エレメントは、微小粒子が液体／ガス界面を通過
する場合に最初に微小粒子をステーションのチャンバ内で上向きに加速するため
にエネルギー付与可能であり、次いで微小粒子がこのような界面を通過した後に
、この微小粒子の移動を制動し得る。
【００５０】 別の局面において、本発明は、複数粒子の操作を実施する際に使用するための
装置を提供する。
【００５１】 好ましい実施形態において、この装置は、ｘ−ｙ座標を規定するワークプレイ
スを有する基板、このワークプレイスに隣接して浮遊するよう適合された複数の
微小粒子を備え、これらの微小粒子の各々が、磁気双極子を有する。このワーク
プレイスに隣接して、複数の駆動エレメントを有する駆動構造体が配置され、こ
れらの駆動エレメントは、上記微小粒子が浮遊状態にある状態で、駆動エレメン
トと微小粒子の双極子との相互作用を介して、選択された微小粒子の線形のトレ
インを、選択されたワークプレイスのｘ−ｙ座標の間で調和して移動させるよう
に、選択的にエネルギー付与可能である。コントローラーが、この駆動エレメン
トをエネルギー付与して、微小粒子を、選択された実験ステーション間（ｂｅｔ
ｗｅｅｎ ｏｒ ａｍｏｎｇ）で調和して移動させ、所望の実験活性を達成する
ために駆動エレメントに作動可能に接続される。いくつかの実施形態において、
トレイン中の微小粒子は、トレインの移動の方向に磁気的に連結され、一方で他
の実施形態においては、トレイン中の微小粒子は、トレインの移動の方向に磁気
的に連結されておらず、そして／または上記のコントローラーは、このトレイン
がワークプレイス上の１つの領域から別の領域へと移動する場合に、選択された
微小粒子をこのトレインに追加するか、またはこのトレインから除去するように
作動可能である。
【００５２】 別の局面において、本発明は、１つ以上の微小粒子の移動を制御するためのコ
ントローラーを提供する。好ましい実施形態において、このコントローラーは、
コントローラー回路を備え、このコントローラー回路は、基板によって規定され
るワークプレイス表面に隣接する１つ以上の駆動エレメントにエネルギー付与す
る信号を送信するよう適合されている。１つ以上の選択された駆動エレメントに
選択的に通信される信号が、これらの選択された駆動エレメントにエネルギー付
与して、１つ以上の隣接する浮遊微小粒子の双極子に作用する引力または斥力を
選択的に発生させるように、１つ以上の駆動エレメントがこのコントローラーと
通信する。次いで、この引力または斥力は、選択された駆動エレメントに隣接す
る微小粒子を駆動エレメントの方へと移動させ、そしてこの斥力は、上記１つ以
上の微小粒子の少なくとも１つを、エネルギー付与された駆動エレメントから離
して移動させる。
【００５３】 別の局面において、本発明は、内部に１つ以上の位置を有する微小実験デバイ
スの内部で、微小粒子の移動を指向するための装置および方法を提供する。この
装置は、上面を有する基板、微小粒子をこの基板表面の周囲で移動させるための
１つ以上の駆動エレメント追跡ループ、ループ経路に沿って付勢エレメントによ
って移動する微小粒子を引きつけ、保持し、そして／または反発するための、１
つ以上のループ経路に隣接する１つ以上の付勢エレメント、およびコントローラ
ーデバイスを備え、これらのループは各々、ループ経路を規定し、そして各ルー
プが、微小粒子と駆動エレメントとの間の静電相互作用または磁気相互作用によ
ってこのループ経路に沿った微小粒子の選択的移動を引き起こすよう適合された
、複数の駆動エレメントを備え、その結果、選択された微小粒子は、ループの駆
動エレメントが選択的に作動される場合に、選択されたループ経路に沿って移動
し、この付勢エレメントは、作動される場合に、移動する微小粒子をこの付勢エ
レメントによって引きつけ、保持し、そして／または反発するよう適合されてお
り、そしてこのコントローラーデバイスは、選択された微小粒子の、微小実験デ
バイス内の所望の位置に指向された移動を引き起こすためにループの駆動エレメ
ントを選択的に作動させ、そして付勢エレメントを選択的に作動させて、１つ以
上の経路をデバイス内の２つ以上の所望の位置間に一時的に形成する。
【００５４】 いくつかの実施形態は、作動および脱作動の場合に、選択された微小粒子を保
持および放出するよう適合された第１の付勢エレメント、作動および脱作動の場
合に、第１のループの経路から１つ以上の中間ループの経路（第１のループの経
路に引き続いて隣接する）への放出された微小粒子の移動を指向するよう適合さ
れた、１つ以上の第２の付勢エレメント、ならびに微小粒子が第３の付勢エレメ
ントを通過する場合に微小粒子が第３の付勢エレメントによって捕獲され、そし
て選択的に保持されるように、中間のループの経路に沿って移動している放出さ
れた微小粒子を引きつけ、そして保持するよう適合された、第３の付勢エレメン
トを有する、第１のループの装置状態を一時的に作製することによって形成され
る経路を含む。
【００５５】 いくつかの実施形態は、ループ検出器の近くを通過する場合に微小粒子を検出
するよう適合された、１つ以上のループ検出器を備え得、このループ検出器は、
装置全体にわたる微小粒子の移動に関するフィードバック情報を提供するために
、コントローラーと通信している。
【００５６】 なお他の実施形態において、少なくとも１つのループ検出器は、各微小粒子に
独自に関連する同定コードを検出するよう適合されている。
【００５７】 本発明のこれらおよび他の目的および特徴は、以下の発明の詳細な説明を添付
の図面と組み合わせて読む場合に、より完全に明らかとなる。
【００５８】 （好ましい実施形態の詳細な説明） 上で議論される問題および他の問題は、自動化微小スケール形式で所望の実験
を達成する際および／または活動を作製する際の使用のための装置、方法および
デバイスを提供することによって本発明によって取り組まれる。先行技術とは異
なり、本発明は、１つの局面の好ましい実施形態において、ｘ−ｙ座標を規定す
るワークプレイスを有する基板；微小粒子がそれぞれ１つ以上の磁気的または静
電的双極子を有することに適合されるかまたは有するように誘導可能であるワー
クプレイスに隣接した制御された運動に適合した１つ以上の微小粒子を使用する
方法およびデバイスを利用する。双極子は、永久磁石材料から作製される磁気双
極子のような物理的双極子であり得るか、またはこれらは、背景の媒体に対して
見かけの双極子であり得る。例えば、均一な磁場が課せられる磁性流体（懸濁さ
れたコロイド状磁性粒子を有する液体）中の非磁性球は、見かけの双極子を有す
る。なぜなら、磁性流体媒体が磁化され、そして非磁性球が磁化されないからで
ある。微小粒子は、さらに、機能を実行するための１つ以上の実験エフェクター
を含む。微小粒子は、それぞれの実験ステーションが微小粒子エフェクターとと
もに１つ以上の選択された実験操作において実行するかまたは関与するように適
合された、異なる既知のワークプレイスｘ−ｙ座標に位置する１つ以上の実験ま
たは製造ステーションへと動き（ｎａｖｉｇａｔｅ）そしてそれらの間を動く。
いくつかの実施形態において、駆動構造は、駆動構造が複数の駆動エレメントお
よびコントローラーを有するワークプレイスに隣接して位置付けられ、この複数
の駆動エレメントは、駆動エレメントと微小粒子双極子との相互作用によって選
択されたワークプレイスｘ−ｙ座標間で１つ以上の微小粒子を動かすように選択
的にエネルギー付与され得、このコントローラーは、所望の実験の活動を達成す
るために選択された実験ステーションの中または間で１つ以上の選択された微小
粒子を動かすように駆動エレメントにエネルギー付与するための駆動エレメント
に作動可能に連結される。
【００５９】 本発明の１つの局面において、研究室ステーション間の微小粒子の動きが図１
Ａに示され、この図１Ａは、反磁性浮遊微小実験システム１００の断面図を示す
。基板１０１は、位置１０５ａ〜ｉによって示されるように、実験ステーション
１０７ａ〜ｅ間を移動しながら、微小粒子１０５が安定に浮遊するワークプレイ
ス１０３を規定する。実験ステーション１０７ａ〜ｅは、微小粒子１０５を用い
た１つ以上の選択された実験操作を実行するかまたは関与するように適合される
。
【００６０】 好ましい実施形態において、微小粒子１０５は、複数の磁石から形成され、こ
こで、サンドイッチの層間の磁気双極子が、図２Ａ〜３Ｂの１０５ａ〜１０５ｃ
に示されるように、異なる方向で交互になる。例えば、本発明は、本発明の微小
実験環境において使用される、Ｐｅｌｒｉｎｅ、米国特許第５，３９６，１３６
号（全ての目的のために本明細書中で参考として全体的に援用される）の浮遊磁
石アレイに適合する。図３Ｂは、さらに、微小粒子材料３０７（この場合、多双
極子微小粒子）に接続された任意の多孔性材料エフェクター３０５を示し、ここ
で、この多孔性材料は、この微小粒子へと化合物および生物学的部分を吸収する
かまたは接続するために使用される。３Ｂに示される微小粒子は、例えば、交差
チャネルを有する微量流体デバイスにおいて有用であり、ここで、微小粒子は、
交差内に一時的に配置され、そして電流が交差チャネルを通過し、多孔性材料を
通過して交差チャネル内の液体内に含まれる試薬に接触して、このような試薬を
多孔性材料に接触させる。
【００６１】 他の好ましい実施形態において、微小粒子１０５は、磁性または静電気的なボ
ール、球、回転楕円体または他のボール状形態である。微小粒子１０５は、その
断面形状が丸いかまたはそうではなく末端を越えて末端を回転するかまたはどさ
りと落ちる（ｆｌｏｐｐｉｎｇ）のに適している場合、浮遊されないで、例えば
、回転のための球および円筒形、矩形体および四角体に沿って転がり得る。（例
えば、図４の双極子１０５ｄを参照のこと）。双極子は、ボールまたは他の回転
形状もしくはどさりと落ちる形状で固定される永久双極子であり得るか、あるい
はボールに関する方向が変化する誘導された双極子であり得る。他の実施形態は
、１つ以上の非平坦な表面を有する層状の構造を含む。なお他の実施形態におい
て、微小粒子は、表面に対して非垂直な磁力線、または表面に関して垂直な磁力
線および非垂直な磁力線の組み合わせを有し得る。
【００６２】 いくつかの実施形態において、微小粒子は、例えば、以下の元素（ネオジウム
、サマリウム、鉄、コバルト、およびホウ素）の１つ以上を選択された比で含む
合金のような希土類磁性材料から作製される。好ましい実施形態において、微小
粒子は、ネオジウム、サマリウム、鉄、コバルト、およびホウ素からなる群より
選択される元素の２つ以上から作製される。特に好ましい実施形態において、微
小粒子は、ネオジウム、サマリウム、鉄、コバルト、およびホウ素からなる群よ
り選択される元素の３つ以上から作製される。他の好ましい実施形態は、ネオジ
ウム−鉄−ホウ素および／またはサマリウム−コバルトから作製される微小粒子
を使用する。なお他の実施形態において、微小粒子の双極子または極性領域は、
外部供給源によって誘導される。例えば、常磁性材料から作製される微小粒子は
、外部磁場に応答して１つ以上の磁気双極子を一時的に発生し得る。微小粒子に
おいて確立される磁気双極子のヒステリシスは、さらに、一時的に分極された極
性微小粒子の反発または誘因のいずれかを引き起こすために外部誘導力を迅速に
脱分極することによって開発され得る。より長い固定化さえされる双極子の形成
（磁化可能）能力を有する他の材料は、思うままに双極子を形成するためおよび
未形成にするために使用され得る。誘電体または誘電性ポリマーのような材料を
使用して、静電気的双極子が形成され得そして未形成にされ得る微小粒子を作製
し得る。このような微小粒子は、チップデバイス上のマイクロキャピラリー実験
での誘電泳動（ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ）を行うための方法および
デバイスを含むＢａｔｃｈｅｌｄｅｒ、米国特許第４，３９０，４０３号（全て
の目的のためにその全体で本明細書中で参考として援用される）に記載されるよ
うなチップ技術での誘電泳動実験と組み合わせて使用される場合、特に有用であ
る。本発明は、ミクロンまたはナノメートルスケールの微小粒子をＢａｔｃｈｅ
ｌｅｄｅｒのデバイスに配置し、そして誘電泳動によって、または本明細書中に
記載される駆動構造と組み合わせてこのようなキャピラリーチャネルによってこ
れを動かすことによって、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒに対する改良を意図する。
【００６３】 しかし、微小粒子１０５は、実験ステーションを用いて実験活動を実行するた
めに１つ以上の実験エフェクターをさらに含む点で、上記Ｐｅｌｒｉｎｅとは異
なる。例えば、エフェクターは、化学合成を実行するために化学的支持体として
作用する化学合成ビーズであり得るか、またはエフェクターは、ステーションの
間に流体または他の材料を運ぶために適合された微小粒子のある領域であり得る
。他の実施形態において、エフェクターは、固体、例えば、粉末または身体組織
サンプルを保持するための微小粒子の１つの領域または付属物である。好ましい
エフェクターの他の例は、以下に提供される。特定の実施形態において、装置の
種々の成分は、細胞、ウイルス、分子、化合物、組織、溶液、サンプル、タンパ
ク質、ポリヌクレオチド（ＤＮＡ、ＲＮＡ、ｃＤＮＡを含む）、アプトマー、酵
素、レセプター、抗体、体液、および分析物を含む生物学的部分を保持する、運
ぶ、サンプリングする、反応させる、測定する、混合する、分配する、切断する
、水和する、脱水する、乾燥させる、冷却する、加熱する、遠心分離する、秤量
する、そして／または吸引するために適合される。
【００６４】 反磁性表面１１１は、熱分解グラファイト、等方性グラファイト、またはビス
マスのような反磁性材料から形成される。反磁性表面１１１は、微小粒子１０５
の磁場とともに作用して、微小粒子１０５が、上記のＰｅｌｒｉｎｅに記載され
るように、反磁性表面１１１の上を浮遊するようにさせる。反磁性表面１１１は
、必要であれば、反磁性材料と特定の試薬との間に直接的な接触を妨げるための
ポリマーまたは金属のような非常に薄い不動態化材料でコーティングされ得る。
【００６５】 好ましい実施形態において、実験ステーション間での微小粒子の動きは、駆動
エレメント１０９ａおよび１０９ｂの連続的なエネルギー付与から生じ得る。例
えば、微小粒子１０５は反磁性浮遊によって反磁性表面１１１上のワークプレイ
ス１０３の位置１０５ａを浮遊するが、駆動エレメント１０９ａおよび１０９ｂ
は、流体試薬（図示しない）を含む実験ステーション１０７ａに向かって表面１
１１に沿って微小粒子１０５を誘導するために共同して作動する。
【００６６】 好ましい実施形態において、駆動エレメント１０９ａおよび１０９ｂの連続的
なエネルギー付与によって引き起こされる微小粒子１０５の動きは、微小粒子が
隣接する付勢エレメントによるこのような交互の駆動エレメントの効果に引き寄
せられるかまたは押し離され得るが、連続的である。たとえとして、これは、微
小粒子１０５内の１つ以上の双極子上で作用する駆動エレメントを交互させるこ
とから生じる「コンベヤーベルト」に沿って動く微小粒子に類似する。時折、微
小粒子１０５は、それぞれ、選択された実験ステーションを用いて実験の活動を
実行するために微小粒子１０５を捕捉するために、または「コンベヤーベルト」
上に戻して微小粒子１０５を置き換えるために、作動付勢エレメントまたは脱作
動付勢エレメントによって「コンベヤーベルト」から摘み取られ（ｐｌｕｃｋｅ
ｄ）、「コンベヤーベルト」上に置換される。例えば、「コンベヤーベルト」が
連続的操作にある場合、微小粒子をウェルに引き込むために使用される付勢エレ
メントは、「コンベヤーベルト」上で移動する微小粒子の到着の前に作動され得
る。微小粒子が作動された付勢エレメントの近くである場合、微小粒子は、微小
粒子を「コンベヤーベルト」から離し、駆動エレメントに向かってウェルに移動
させる駆動エレメントによって作動させられる。微小粒子は、「コンベヤーベル
ト」または１つの選択された位置から別の位置に微小粒子を運ぶ運搬システムで
の動きを再開するためにウェルから放出されるかまたは排出されるまで、ウェル
内で一定期間反応する。
【００６７】 付勢エレメントは、好ましくは、複数の操作状態を有し得る。例えば、付勢エ
レメントは、運搬システムコントロールから微小粒子によって通過物（ｐａｓｓ
ｉｎｇ）を捕捉するのに効果的な誘引力を発生させることによって微小粒子によ
って通過物を捕捉するように作動され得る。一旦捕捉されると、付勢エレメント
は、付勢エレメントに隣接する捕捉位置内に、一旦通過した物を現在捕捉された
微小粒子によって維持するのに十分な誘引力を適用する保持状態に切りかえられ
得る。付勢エレメントの保持状態は、微小粒子によるさらなる通過物がこの付勢
エレメントによって捕捉されるかまたは保持されることを引き起こさない。従っ
て、保持状態は、保持状態付勢エレメントの近くを通過し得るさらなる微小粒子
を誘引することなしに微小粒子の保持を可能にする。付勢エレメント操作の第３
の状態は、一旦捕捉され保持された微小粒子が付勢エレメントから反発するかま
たは排出されて離れ、運搬システムへと推進される反発状態を含む。付勢エレメ
ント操作の第４の状態は、エレメントが不作動され、その結果、微小粒子を保持
も、誘引も反発もしないオフ状態を含む。
【００６８】 ステーションの回路の周りの単一の微小粒子の動きは、付勢エレメントをオフ
で使用して、中間の保持状態なしに誘因状態または反発状態によって実行され得
る。この実施例において、それらの捕捉状態における付勢エレメントは、任意の
通過する微小粒子を捕捉する。このような作動する付勢エレメントは、実際に、
通過する循環する微小粒子の全てではないが、いくつかを捕捉し得る。
【００６９】 付勢エレメントはまた、単独では浮遊しない微小粒子を浮遊させる際に補助す
るために使用され得る。これは、微小粒子が複数の双極子よりもむしろ単一の双
極子からなる場合、特に有用な技術である。
【００７０】 特に好ましい実施形態は、全ての４つの状態（誘因、保持、反発およびオフ）
を含む。ここで、微小粒子を保持する保持状態にある付勢エレメントは、運搬シ
ステムから微粒子によるさらなる通過物を捕捉しない。好ましい実施形態におい
て、微小粒子のうちの１つ以外の全てが、付勢エレメントのいくつかによって捕
捉され、このような付勢エレメントのそれぞれが、付勢エレメントの保持状態の
作動によってそれぞれの微粒子を保持する。残りの微小粒子は、このような微小
粒子が捕捉状態で付勢エレメントに出会い、それによって通過物微小粒子を捕捉
するまで、運搬システムの周りを循環および再循環し続ける。このような捕捉は
、保持状態で別の付勢エレメントで別の微小粒子の選択的放出によって続けられ
得る。放出は、付勢エレメントの脱分極化、逆分極化または分極化の結果として
生じ得、その結果、一旦捕捉された微小粒子が放出されるか、またはいくつかの
場合において、付勢エレメントから放出されて離れ、そして全ての場合において
、もはや付勢エレメントによって保持されない。次いで、放出された微小粒子は
、運搬システム内に係合されて、装置内の別の選択された位置または実験ステー
ションに循環するかまたは再循環する。次いで、装置は、運搬システムを使用す
ることによって微小粒子とともに複数の同時の実験活動を実行して、異なる実験
ステーションまたは位置の間で辺りを動くかまたは微小粒子をシャッフリングし
得、他の微小粒子は、それらの選択された位置で捕捉され続ける。
【００７１】 いくつかの実施形態において、同じ成分は、その成分がどのように構成され操
作されるかに依存して、付勢エレメントと駆動エレメントとの両方として働き得
る。
【００７２】 付勢エレメントおよび駆動エレメントは、基板内または基板の外側に位置し得
る。例えば、付勢エレメントは、このような付勢エレメントの効果が基板を効果
的に透過して隣接する微小粒子に作用する反磁性材料から作製された基板の外側
に位置し得る。駆動エレメントは、同時に配置され使用され得る。
【００７３】 従って、システムの単純化された制御は、好ましい実施形態において、駆動エ
レメントを規定された順序で選択的に作動させて「コンベヤーベルト」がステー
ションの間で微小粒子を動かすことによって実現され得る。「コンベヤーベルト
」に隣接する実験ステーションの順序は、実験ステーションに関連する付勢エレ
メントが作動する順序が、微小粒子で実行される工程の順序を決定し得るので、
生じる実験事象の順序を決定し得る。微小粒子がウェル内に残り得る時間の量は
、少しでもある場合、駆動エレメントがエネルギー付与される時間によって決定
され、一方、この駆動機構は、コンベヤーベルトによって運ばれる微小粒子上に
作用する。上記システムは、微小粒子の位置がシステムを操作するために探知さ
れる必要がないオープンシステムを表す。各々の引き続くエネルギー付与される
駆動エレメントは、一定の期間の間、通過物微小粒子を捕捉し保持するように作
用する。
【００７４】 微小粒子１０５が、実験ステーション１０７ａ上を移動して、位置１０５ｂに
達する場合、付勢エレメント１１０ａは、微小粒子１０５を実験ステーション１
０７ａに降下させるようにエネルギー付与し、液体（示さず）を含むウェル１０
７ｘ内の位置１０５ｃに達し、この液体を、微小粒子１０５、またはエフェクタ
ーのような微小粒子１０５の成分と相互作用させて微小粒子１０５の少なくとも
１つの特性を変化させるか、または微小粒子１０５は、ウェル１０７ｘ中の液体
の少なくとも１つの特性を変化させる。微小粒子１０５は、実験ステーション１
０７ａ中に保持され、選択された実験活性を実行した後に、続いて、付勢エレメ
ント１１０ａの磁極性を除去または無効にすることによって実験ステーション１
０７ａ内の流体を外に駆動させ、次いで、微小粒子１０５をウェル１０７ｘ全体
から「押し上げ」、そしてこのウェルの上の浮遊状態に戻る。押し上げ（ポッピ
ング）は、ウェル１０７ｘ中に含まれる流体からの微小粒子１０５の浮上をいい
、これにより、微小粒子１０５は、このような流体の表面から出て、流体から離
れたガス層に入に入る。
【００７５】 いくつかの実施形態において、付勢エレメントは、基板表面上のワークプレイ
ス内に位置決めされる。他の実施形態において、付勢エレメントは、ワークプレ
イスの反対側の基板上に位置決めされる。さらに他の実施形態において、付勢エ
レメントは、基板内に位置決めされ得るか、またはこの基板内で一体化され得る
。他の実施形態において、異なる付勢エレメントは、この基板の断面に関する異
なる位置に配置され得る。さらに他の実施形態において、この基板と駆動構築物
とが、一体化される一方で、他の実施形態において、基板よび駆動構築物は、別
個にされる。
【００７６】 実験ステーション１０７ａからの浮遊の際、微小粒子１０５は、駆動エレメン
ト１０９ａおよび１０９ｂに沿って、実験ステーション１０７ｂの方（これは、
位置１０５ｄと考えられる）にさらに誘導される。次いで、微小粒子１０５は、
付勢エレメント１１０ｂにエネルギー付与することによってウェル１０７ｙ（こ
れは、第二試薬を含む（示さず））として示される実験ステーション１０７ｂに
降下され、選択された実験活性（例えば、洗浄）に従ってさらに反応する。次い
で、微小粒子１０５は、駆動エレメント１１０ｂの磁極性を除去または無効にす
ることによって、実験ステーション１０７ｂのウェル１０７ｙ中に含まれる第二
試薬から押し出される。ウェル１１５中の第二試薬からの浮上の際に、微小粒子
１０５を、その浮遊状態に戻し、そして実験ステーション１０７ｃに誘導して、
第三試薬と反応させる。
【００７７】 実験ステーション１０７ｃは、基板表面１１１上の「表面ウェル」または領域
であり、液体（小滴１１９の形態である）は、付勢エレメント１１０ｃの近位に
小滴を維持するために基板表面上に円を形成する、疎水性リング１１７によって
維持される。あるいは、含まれる液体が疎水性である状況において、親水性格納
リングが、表面１１１上に形成され得る。このような「ウェルレス」構造の例は
、Ｋｕｍａｒら、米国特許第５，５１２，１３１号（本明細書中で、示差表面処
理およびマクロスタンピング技術を教示する目的を含む、全ての目的のために、
その全体が参考として援用されている）に記載されている。微粒子１０５が、実
験ステーション１０７ｃ付近を移動する場合、付勢エレメント１１０ｃは、微小
粒子１０５をその進行経路から押し上げるようにエネルギー付与し、リング１１
７内に配置された液体小滴１１９内の位置１０５ｇに到達させる。
【００７８】 いくつかの実施形態において、デバイスのウェルは、空間的に配置されるので
、このウェルは、マイクロタイタープレート（９６ウェル、３４５６ウェルなど
）のような市販のプレートと類似している。他の実施形態において、デバイスは
、市販のマイクロタイタープレートまたは類似のウェルプレートの空間的な配置
と連絡するように形作られ、その結果、材料は、デバイスにより、このようなプ
レートに沈着され得るか、または獲得されるかのいずれかであり得る。
【００７９】 好ましい実施形態において、実験ステーションは、実験ステーション１０７ｄ
を有するようなワークプレイス内に存在し得、この実験ステーション１０７ｄは
、表面１１１上に配置され、そして微小粒子１０５が実験ステーション１０７ｄ
に入る場合に、微小粒子１０５を通過させるためのスライドアクセスポート（示
さず）を有する。ポート駆動エレメント１１５ａはまた、表面１１１の上に上昇
され、実験ステーション１０７ｄの内部で微小粒子１０５を降下させるのを助け
る。ポート駆動エレメント１１５ａは、表面１１１に対して垂直方向に配置され
るが、表面１１１に対して水平方向、または他のいくらか選択された角度で配置
され得る。ポート駆動エレメント１１５ａは、２以上の対向するコイルまたは電
磁石を含み、これをエネルギー付与させて、ポート駆動エレメント１１５ａと微
小粒子１０５との間の空間的な関係に依存して、微小粒子１０５を、引き付け、
保持し、またははねつける。ポート駆動エレメント１１５ａはまた、単一のドー
ナツ形状コイルから形成され得、実験ステーション１０７ｄに入る場合に、微小
粒子１０５が通過するための中心ホールを有する。
【００８０】 ワークプレイス１０３を介する微小粒子１０５の誘導は、コントロールユニッ
ト１１３によって制御された駆動エレメントをエネルギー付与させることから得
られ、このコントロールユニットは、プログラムされた一連の指示に従って駆動
エレメントおよび付勢エレメントの各々に電気的なインパルスを供給する。上記
のように、駆動エレメント１０９ａおよび１０９ｂは、一緒に作動して、ワーク
プレイス１０３を介して微小粒子１０５ａを誘導する。図１Ａは、２種の駆動エ
レメント１０９ａおよび１０９ｂを示すが、２種より多くの駆動エレメントが、
特定の実施形態のために使用され得る。このような駆動エレメントは、オンとオ
フの切り替え（スイッチ）により、または駆動エレメントの電気的な電流極性を
逆にすることにより、以前にエネルギー付与された駆動エレメント１０９ａから
新たにエネルギー付与される駆動エレメント１０９ｂに微小粒子１０５を引き渡
す様式で、一緒に作動する。このような動きは、微小粒子１０５の慣性と組み合
わせて連続的な駆動エレメントの継続的な切り替え（スイッチ）により持続され
る。好ましい実施形態において、２以上のセットのヘビ状トレイスからなるトラ
ックは、各トレイスをどのようにエネルギー付与するかに依存して、前方方向ま
たは逆方向に微小粒子を動かすか、または誘導するために使用され得る（以下に
詳細に記載される）。２種の駆動エレメントの回路に関して、微小粒子は、必要
とされる最小の制御またはフィードバックでワークプレイスを介して制御可能に
移動され得る。各トラックエレメントのエネルギー付与を単に振動させることに
よって、このようなトラック上に浮遊するか、または静止する微小粒子は、選択
された方向に移動するように動かされる。必要とされないか、または最小のフィ
ードバック要求を有するシステムが、開ループシステム（ｏｐｅｎ ｌｏｏｐ
ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる一方で、より高度または完全なフィードバックを必要
とするシステムは、閉ループシステムまたはフィードバックシステムである。
【００８１】 図１Ｂは、上記図１Ａの反磁性浮遊微小実験システムの上底面図を示す。駆動
エレメント１０９ａおよび１０９ｂのレイアウトの環状特性は、図１Ａに示され
ず、これは、表面１１１上のｘ，ｙ−移動回路１２１を共に形成する、約９０°
で互いを埋め合わせるヘビ状トラックである。
【００８２】 駆動エレメント１０９ａおよび１０９ｂの代替的なエネルギー付与により操作
される場合、回路１２１は微小粒子１０５を、コントロールユニット１１３の制
御下で、実験ステーション１０７ａ〜ｅを周期的に通過させて、表面１１１の周
りの「軌道を周回」させ、これにより、各駆動エレメント、付勢エレメント、お
よびポート駆動エレメントとシステム中で連絡させる。微小粒子１０５が軌道を
周回する場合、微小粒子は、微小粒子１０５の軌道経路に沿って、複数の実験ス
テーションの選択された１つに降下され得る。例えば、微小粒子１０５が実験ス
テーション１０７ｄに滞在する場合、ポート駆動エレメント１１５ａは、微小粒
子１０５が入るようにエネルギー付与される。この実験機能の完了の際に、ポー
ト駆動エレメント１１５ａは、次いで、微小粒子１０５を放出するか、または押
し出すために、「逆」になるか、または脱分極し得、これにより、微小粒子１０
５は回路１２１の軌道に戻る。
【００８３】 本発明での使用に適した微小粒子は、約１０〜１ｍｍの範囲のミリメートルス
ケール（ミリ）、および約１０００〜１μｍの範囲のマイクロメートルスケール
（マイクロ）を含む。他の微小粒子は、１０マイクロメートルよりも大きいか、
または１００ナノメートルよりも小さい。適切な微小粒子に必須の特徴は、微小
粒子が、１以上の双極子を有さなければならない（または有するように誘導でき
なければならない）か、または電荷を保持し得なければならないか、あるいは選
択した実験機能を実施するのに使用するための少なくとも１つのエフェクターを
有さなければならない。例えば、電荷を保持し得るポリスチレン微小粒子は、駆
動エレメントが静電磁場を発生するシステム中で使用され得、ここで、この静電
磁場は、このような微小粒子を引き付けるか、またははねつけるかのいずれかで
あり、そして微小粒子は、抗原を提示する表面コーティングのような少なくとも
１つのエフェクター、または大量形態の試薬または化合物を保持するための領域
を有する。
【００８４】 好ましい実施形態において、微小粒子は、磁気微小粒子であり、この微小粒子
は、以下の（ｉ）〜（ｉｉｉ）によって特徴付けられる磁気基板を有する：（ｉ
）約１μｍ〜約２ｍｍの範囲、より好ましくは、約５０μｍと約５００μｍとの
間、さらにより好ましくは、約２５μｍ〜約５００μｍ、さらにより好ましくは
、約２５μｍ〜約２５０μｍの最大寸法を有する表面；（ｉｉ）磁場線が表面に
対して垂直である少なくとも１つの磁気双極子；および（ｉｉｉ）少なくとも１
０メガガウス〜エルステッド、そしてより好ましくは、少なくとも３０メガガウ
ス〜エルステッドのエネルギー密度であって、反磁性表面より下のフラットな表
面に配置される場合、この微小粒子が、反磁性表面、および選択された実験操作
を実施またはこの操作に関与するためのエフェクターを有する磁気基板の領域状
を浮遊し得るような、エネルギー密度。いくつかの場合において、付勢磁石エレ
メントまたは付勢永久磁石エレメント由来の付勢磁界(磁場）は、特に、より低
いエネルギー密度の磁気材料、より大きな微小粒子サイズ、およびより弱い反磁
性材料の浮遊を助けるために必要とされる。好ましい実施形態において、この表
面は、実質的にフラットな表面である。
【００８５】 他の実施形態において、このシステムは逆転にされ、ここで、この微小粒子は
、反磁性材料から全体的にまたは部分的に作製され、そしてこの基板（他の実施
形態において、反磁性表面である部分）は、ここで、磁性表面または磁化表面で
ある。
【００８６】 図２Ａおよび２Ｂは、上のＰｅｌｒｉｎｅの浮遊微小粒子と類似の微小粒子を
示し、ここで、このような微小粒子は、磁石または磁気双極子のアレイによって
規定される第１部材を含み、この磁石または磁気双極子は、高い強度、アレイの
一方の表面に隣接する高い勾配の磁界(磁場）を提供するように配置される。よ
り具体的には、この磁石は、反対の磁気極性を有する各連続した磁石により並行
配列で配置されている。この配置は、各２個の連続した磁石に対して閉ループ磁
束経路を提供し、これにより、２個の磁石の両方の磁極を遮断する。１未満の相
対的な透磁率を有する反磁気材料または他の材料から形成される第２部材は、磁
界(磁場）と相互作用し、磁気第１部材を浮遊させる。この第２部材は、ベース
または領域を規定し、この上を、浮遊した磁気アレイが外部の力により移動し得
る。
【００８７】 図２Ａの微小粒子は、図２Ｂの微小粒子とは異なり、ここで、２Ａは、異なる
磁極を有する反対の末端を有し、そして２Ｂは、同一の極（両方、「Ｎ」極）を
有する。異なる反対の末端磁極を有することにより、２以上の微小粒子は、複数
の微小粒子のトレインを調和させて、すなわち、プラトーン（ｐｌａｔｏｏｎ）
として移動させるためのトレインカー（ｔａｒａｉｎ ｃａｒ）などに選択的に
連結され、そして後で、必要な場合に、このようなトレインカーを脱連結させ得
る。統合された動きのためにトレイン中に微小粒子を構築することにより、洗浄
のようなグループの活性のための制御を単純にする利点を提供するが、後に、例
えば、個々の別個の反応（例えば、スプリッチングおよびプーリングがコンビナ
トリアル化合物のライブラリ合成の異なる段階で所望される、コンビナトリアル
化学合成において）のためにこのようなトレインを破壊する。
【００８８】 図３Ａは、磁気マトリクス微小粒子の上底面図を示し、そして図３Ｂは、同心
性の共軸性磁気マトリクス微小粒子の上底面図を示す。微小粒子のこれらの両方
のタイプは、独立したｘ、ｙ移動が所望されるデバイスにおいて有用である。独
立したｘ、ｙ移動は、上記のトラックベースの移動とは異なり、駆動エレメント
の各々またはグループは、異なるｘ、ｙ方向に互いから独立して作動する。例え
ば、ポイント駆動エレメントのアレイが使用され得、ここで、各ポイント駆動エ
レメントは、独立してエネルギー付与され得る、２以上の自由な方向に微小粒子
の周りを移動する。ワークプレイスに隣接および平行であるワイヤ様の駆動エレ
メントは、１つのグリッドまたは複数オフアングル（ｏｆｆ−ａｎｇｌｅ）グリ
ッド様の様式で配置されて、駆動エレメントを交差する活性領域を作製して、ｘ
座標とｙ座標との間の自由な動きの程度を増加させる。例えば、プリント回路基
板技術は、グリッド様パターンで複数の層の電気的なトレイスを作製するために
使用され得、いくつかの層は、他の層に対してオフアングルであり、垂直より下
または垂直より上の角度でこのようなトレイスと交差する。
【００８９】 図４は、単純かつ容易に製造される微小粒子である双極磁気球形微小粒子１０
５ｄを示す。いくつかの微小粒子の実施形態において、エフェクターが磁気材料
を取り囲むコーティングであり得、このコーティングは、化合物、分子、ペプチ
ド、タンパク質、ポリヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、ＤＮＡ、ｃＤＮＡ、
ｍＲＮＡ、ＲＮＡまたは他の天然のポリマーもしくは合成ポリマーのような部分
に、付着部分を不活化させない方法で磁気微小粒子を付着させるのに適切である
。微小粒子が、球形であるか、または楕円形である場合、微小粒子の表面測定は
、断面積の直径から決定される。
【００９０】 微小粒子において使用され得る磁気微小粒子の、製造、保存、および配置は、
例えば、以下の方法において達成され得る。図５Ａ〜Ｃは、異なる材料（少なく
とも１種の磁気材料または磁化材料を含む）の層１２４ａ、１２４ｂのような多
重層から形成された基板１２４を選択的にエッチングし、図５Ｂに見られるよう
にこのような異なる材料から、積層シリンダーを製造するプロセスを示す。この
プロセスは、支持層１２２を多重層基板１２４に、この支持層と多重層基板との
間に犠牲層１２６を挿入した状態で、結合させる工程を包含する。積層シリンダ
ーを放出するための、この犠牲層は、図５Ｃに示されるように、エッチングによ
り除去され、所望の粒子１２９ａ〜ｄを製造する。他の方法としては、積層コー
ド化シリンダーを形成するために、多孔性基板の規定されたコンパートメント中
での電気化学的製造が挙げられ、この積層コード化シリンダーは、異なる材料か
ら製造される積層シリンダーを形成するために、例えば、Ｂ．Ｒ．Ｍａｒｔｉｎ
ら、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，１９９９，１１：１０２１−１０
２５のシリンダーまたはナノロッドを適用することによって製造され得る。異な
る双極子配向を含む層を有する微小粒子サンドイッチを作製するために、上記の
Ｍａｒｔｉｎｎ方法により、磁気材料を層状にする一方で、この微小粒子サンド
イッチを形成する場合、各層で磁気材料の極性配向を生じさせるに十分な磁界(
磁場）に、このようなシリンダーを曝露することによって適用し得る。
【００９１】 磁気粒子の製造のための別の方法を、図６Ａ〜６Ｃに例示する。ここで、微小
粒子は、異なる双極子配向を有する、シート６０２、６０４のような磁気材料の
シートを共にサンドイッチして、サンドイッチ６０６を形成することによって形
成される。サンドイッチ６０６は、犠牲層６１０を介して支持するように結合さ
れ得る。次いで、所望の形状およびサイズの微小粒子は、写真平板法またはプラ
ズマエッチングタイプ手順により、図６Ｂに示されるようにサンドイッチから切
断される。図６Ｂに示されるように、例示的である微小粒子６１２、６１４は、
材料６１６を除去して、形成される。次いで、犠牲層６１０は、例えば、適切な
溶媒で層を溶解することによって除去され、図６Ｃに示されるように支持体６０
８から微小粒子を放出させる。
【００９２】 微小粒子は、製造の際に、大量に貯蔵されるか、または空間的に離れた様式で
貯蔵され得る。例えば、空間的に離れた様式で形成された微小粒子は、別の基板
にこのような微小粒子を移動させることによって、空間的に離れた様式で保持さ
れ得、この基板は、空間的に離れた様式で、または微小実験デバイスにこのよう
な微小粒子を直接的に移動させるために適用された他の様式で付勢エレメントを
有する。一旦、微小実験デバイスに配置されると、この移動基板は、付勢エレメ
ントを除去するか、またはこのエレメントをエネルギー付与させなくするかのい
ずれかにより、この微小粒子から分離され得る。あるいは、微小実験デバイスは
、移動基板から微小粒子を捕まえるようにエネルギー付与され得、この移動基板
は除去される。この微小実験デバイスは、さらにエネルギー付与し続けられ得る
か、そうでなければ、新たに沈着した位置でそれぞれの微小粒子を保持するよう
に作用し得る。他の実施において、微小粒子が、好ましくは付勢エレメントによ
って過渡的に付着する移動テンプレートを使用し、この使用により、微小実験デ
バイスもしくは微小実験装置に移動されるまで、既知の位置でそれぞれの微小粒
子を選択的に保持する。
【００９３】 いくつかの好ましい実施形態において、安定に浮遊する磁気微小粒子と浮遊基
板との間の関係の性質は、上記のＰｅｌｒｉｎｅによる記載と同様である。図７
は、反磁性基板７０９の上で浮遊するいくつかの磁気微小粒子（７０１、７０３
、７０５）の断面図を示し、この反磁性基板７０９は、駆動構造体７０７に隣接
している。図７の微小粒子は、各微小粒子が次に隣接する微小粒子の安定性に影
響することを防ぐのに十分な距離（７１５、７１７）だけ間隔を空けられる。示
される駆動エレメントが作動されていないと仮定すると、これらの微小粒子は、
適所に留まる。駆動エレメントまたは付勢エレメントを選択的に作動することに
よって、このような微小粒子は、浮遊基板に対してｘ方向、ｙ方向、またはｚ方
向に移動され得る。図７における微小粒子浮遊は、部分的に、重力の集合的力（
微小粒子に作用して、微小粒子を浮遊基板に対して引きつける）、および微小粒
子の磁場の反発的または磁気的反射（反磁性表面により微小粒子上に反射して戻
り、それにより微小粒子を浮遊させる）に依存する。
【００９４】 図７は、３つの微小粒子（左から右に７０１、７０３、および７０５）を示し
、表面７０９を規定する浮遊基板７０７に隣接して浮遊する。駆動エレメント７
１１および７１３は、この実施形態において、基板内に包埋されている。微小粒
子７０１および７０３は、このような微小粒子に隣接する駆動エレメントを作動
することにより、距離７１５の間隔を空けられて維持される。この駆動エレメン
トが非作動状態にある場合、微小粒子７０１および７０３は、各微小粒子の双極
子配置に依存して、互いに対して移動するか、または互いから反発して離れるか
のいずれかである。対照的に、微小粒子７０３および７０５は、受動的に互いか
ら離れて維持される。なぜならば、各微小粒子の双極子配置に関わらず、距離７
１７においては、他方に対して誘引も反発もできないからである。
【００９５】 図８は、特に好ましい実施形態を示し、ここで浮遊する微小粒子８０１は、各
基板から距離８０７に維持されながら、浮遊基板８０３と８０５との間で浮遊す
る。微小粒子８０１の位置は、重力ｇと、微小粒子と各反磁性表面との間の関係
により生じる反磁性反発８０７および８０９を含む力の組合せにより維持される
。特定の実施形態において、重力の効果は、微小粒子の位置を維持し得る付勢／
駆動エレメント（図示されず）と組み合わせた、図８のサンドイッチ構造を使用
することにより、無視できるレベルまで減少した。例えば、微小粒子８０１が単
一の磁気双極子である場合、浮遊基板８０３の上に位置する付勢電磁気エレメン
トは、付勢エレメントと微小粒子の磁気双極子との間の磁気的引力を使用して、
微小粒子８０１の重量の大部分または全てを浮揚させ得る。浮揚の量は、付勢電
磁石における電流を変化させることにより必要とされるように調整され得る。
【００９６】 いくつかの実施形態において、微小粒子自体は、双極子を有さなくてもよいが
、その代わりに、周囲の条件により双極子を受け得る。例えば、磁性流体（磁化
可能な材料のコロイド溶液）は、微小粒子を流体で取り囲み得る。次いで、１つ
以上の磁場が、この流体および微小粒子に隣接して形成されるかまたは印加され
て、磁化可能材料の均一な双極子配向を誘導し得る。このような配置を使用して
、微小粒子を補足し得、その結果、このような磁化された材料をバルクで移動さ
せる場合、そのバルク中に補足されている微小粒子も同様に移動される。従って
、微小粒子は、その周囲の環境の特徴により等価な双極子を達成し得る。
【００９７】 微小粒子の浮遊は、バネ様の作用により、浮遊表面上でｚ軸においてその位置
を垂直に振動し得る。例えば、図９Ａにおいて、微小粒子９０１は、基板９０７
により規定される浮遊表面９０５上で浮遊し、ここで微小粒子９０１は、矢印９
０３に示されるように上下運動する。このような運動は、例えば、装置全体に対
する外部振動、または駆動エレメントもしくは付勢エレメントからの磁場もしく
は電場によりシステムに導入される動力学的エネルギーにより開始され得る。こ
の運動は、バネにより浮揚される重量と非常によく似た挙動をし、ここでこの重
量は、バネの軸において摂動を受けて振動運動を生じる。微小粒子は浮遊してい
るので、このような運動は、長時間持続し得る。本発明の好ましい実施形態にお
いて、このような振動性運動エネルギーは、緩衝手段を使用することにより、シ
ステムにより除去され得る。例えば、図９Ｂは、微小粒子９０１と基板９０７と
の間に緩衝層９０９を挿入することにより、微小粒子−基板の関係（ｚ）からエ
ネルギーを除去する好ましい方法を示し、好ましい実施形態においては、この緩
衝層は、アルミニウムのような非磁気的導体から作製される。伝導層９０９は、
運動する磁気微小粒子の運動エネルギーを電気的エネルギーに変換することによ
り、運動する微小粒子９０１からエネルギーを除去するように作用する。なぜな
らば、導体の近傍の微小粒子９０１により生じる、運動する磁場は、導体の周り
および導体（必要に応じて接地され得るかまたは接地されていなくてもよい）に
このような電流を渦巻かせ、このような導体において渦電流を誘導し、その結果
、導体の内部抵抗は、この電流を減衰させ、それにより微小粒子の運動を減衰さ
せるからである。
【００９８】 図１０Ａはまた、図９Ａと同様に、振動する微小粒子１００２を示す。しかし
、図１０Ｂは、流体媒体１００１中に微小粒子を浮遊させることにより、微小粒
子のｚ軸運動を減衰させ、この流体媒体１００１は、その粘性により、微小粒子
から運動エネルギーを除去し、それにより少なくともｚ軸において微小粒子の運
動を安定化する。本発明のいくつかの実施形態において、微小粒子が移動するシ
ステム全体は、１種以上の液体で満たされ、そしてこれらの微小粒子は、ある液
体から別の液体へと移動する。他の実施形態において、微小粒子は、液体媒体の
領域の前および領域間で、気体媒体を通って移動し得る。なおその他の実施形態
において、微小粒子は、微小粒子のエフェクター領域のみを液体媒体に曝露しな
がら、気体媒体を通って移動し得る。さらに他の実施形態において、微小流体は
、輸送液体媒体中または輸送液体媒体上を移動し得、ここでエフェクターは、輸
送液体媒体に曝されないが、他の異なる反応物媒体に曝される。減衰手段は、垂
直運動の減衰に関して記載されるが、ｘ−ｙ平面における水平運動を減衰するた
めにも使用され得、例えば、駆動エレメントを使用して、高速におけるｘ−ｙ運
動のより安定な制御を達成し得る。
【００９９】 Ｚ方向の微小粒子の移動は、駆動エレメントにより生じる引力または反発力の
結果として起こり得るか、またはいくつかの実施形態においては、付勢エレメン
トにより引き起こされ得る。特定の実施形態において、活発な付勢を達成するた
めに、制御装置は、特定の付勢エレメントと連絡して、このような制御された付
勢エレメントに隣接した微小粒子のｚ軸位置を制御し得る。例えば、図１１Ａお
よび１１Ｂは、制御装置の制御下にある付勢エレメントの効果の断面図を示す。
図１１Ａは、ワークプレイス１１０５内の付勢エレメント１１０３に隣接する、
２つの対向する反磁性基板１１０９および１１１１の間を浮遊する微小粒子１１
０１のｚ軸位置を示す。付勢エレメント１１０３は、環状コイルであり得るか、
またはこれらの要素は、例えば、所望の運動に依存して、細長コイルであり得る
。図１１Ｂは、微小粒子１１０１のＺ座標位置に対して、制御装置１１０７によ
る付勢エレメント１１０３作動が有する効果を示す。ある付勢エレメントは、固
定された付勢を維持するが、ある付勢は制御装置によるそれらの付勢が変化され
得る。
【０１００】 付勢エレメントは、浮遊基板に隣接して位置し得る。いくつかの実施形態にお
いて、付勢エレメントは、浮遊基板に埋めこまれ、他の実施形態において、この
付勢エレメントは、ワークプレイスに対向した浮遊基板の側面上に位置し得るか
、またはこの付勢エレメントは、浮遊基板に隣接したワークプレイス内に位置し
得る。さらに他の実施形態において、付勢エレメントは、同じかまたは異なる基
板上で浮遊している微小粒子のトラックを切り換えるように、またはこの微小粒
子がステーションに入るかまたはステーションを出るように用いられ得る。図１
２は、駆動エレメント回路１２０９および１２１１により、これに沿って誘導さ
れつつ、ワークプレイス１２０３を通って、浮遊基板１２０５および１２０７に
対して平行に移動している微小粒子１２０１を示す。中間点１２１３において、
微小粒子１２０１は、付勢エレメント１２１５が微小粒子１２０１の少なくとも
一部に対して双極子の配向を有するため、付勢エレメント１２１５の影響を受け
て、基板１２０７から離れて基板１２０５に向かって移動する。このような付勢
エレメントは、固定されるか、あるいはそれらの出力および隣接する微小粒子を
移動させる能力において可変である。好ましい実施形態において、付勢エレメン
トは、図１２に示されるような引力付勢エレメントに向かう方向で微小粒子を移
動させるための引力付勢エレメントとして使用される。いくつか実施形態におい
て、付勢エレメント１２１５上で極性を逆転させ、この付勢エレメントを基板１
２９５の下に配置し、これを引力付勢よりむしろ反発力付勢にすることにより、
微小粒子をひっくり返すことが所望される。微小粒子の付勢は、１つの基板の駆
動エレメントシステムから別の隣接する基板駆動エレメントシステムに微小粒子
を移動させるために使用され得る。上記のように、付勢は、微小粒子をウェルに
浸浸するため、またはウェルから微小粒子を取り出すために使用され得る。付勢
エレメントは、基板内の駆動エレメントにより形成される運搬システムに微小粒
子を導入するために使用され得か、またはこのようなシステムから微小粒子を取
り出すために使用され得る。バイアス要素はまた、横方向、またはｘ、ｙ方向、
ならびにｚ方向で微小粒子を移動させるために使用され得る。一対の付勢エレメ
ントは、サイドポートアクセスを有するウェルの入口に隣接し得、ここでこのよ
うな付勢エレメントは、微小粒子をウェルに進めるかまたはウェルから出すため
に使用され、このような微小粒子は、それぞれ、運搬システムから移動してくる
かまたは運搬システムに戻る。付勢は、運搬システムに隣接する研究ステーショ
ン内に保持されている他の保持微小粒子より上の運搬システムで移動している微
小粒子を移動させるために使用され得る。付勢はまた、微小粒子を、このような
微小粒子を貯蔵するためのワークプレイス内の棚に配置するために使用され得る
。
【０１０１】 多くの実施形態において、微小粒子の移動運動は、微小粒子を静止または移動
させて微小粒子の速度および／または方向を変えるように作用する力から生じる
。図１３Ａおよび１３Ｂは、微小粒子の双極子配向と浮遊基板に隣接した作動駆
動エレメントとの間の関係を示す。図１３Ａは、作動した駆動エレメント１３０
３の直上の位置に向かって移動している基板に対して平行な双極子を示し、その
結果、微小粒子１３０１の磁力線が、作動した駆動エレメント１３０３により生
じる磁力線と整列している。比較すると、図１３Ｂは、作動した駆動エレメント
１３０３から相殺された位置に向かって移動している基板表面に対して垂直に配
向した双極子を有する微小粒子１３０５を示し、その結果、微小粒子１３０１の
磁力線は、駆動エレメント１３０３により生じる磁力線と整列している。
【０１０２】 駆動エレメントの作動によって生じる微小粒子の運動は、選択された経路に沿
って駆動エレメントを連続的に作動させることによって永続化され得る。１つの
駆動エレメントが停止し、従って、隣接する微小粒子を放出する場合、付近のま
たは隣の駆動エレメントが作動し、そしてこの微小粒子を現在作動している駆動
エレメントに向かって押す。このプロセスは、連続的に作動される駆動エレメン
トの選択された経路に沿った微小粒子の移動を永続化するように繰り返され得る
。逆に、駆動システムは、微小粒子を作動した駆動用をから押出して、作動して
いない駆動エレメントに隣接した位置に向かって移動させることによって作動さ
れ得、この作動していない駆動エレメントは、結果的にこの微小粒子を押し出さ
ない。さらに他の実施形態において、引力および反発力の組み合わせは、装置を
通る選択された経路に沿って、微小粒子を誘導または案内するために使用され得
る。
【０１０３】 図１４Ａ〜１４Ｃは、多層微小粒子内の特定の双極子領域間の関係を示すが、
単一の双極子微小粒子は同様に挙動する。ＮおよびＳは、一般に、極北および極
南を言及するために使用され、それぞれは交換可能であることもまた注意するべ
きである。さらに、多くの実施形態において、ＮおよびＳはまた、反対の電気極
性を記載するために使用され得る。図１４Ａは、駆動エレメント１４０９ａの作
動により位置的に維持され、そして駆動エレメント１４１５ａにより位置的に維
持される第１の微小粒子１４１１から選択された距離で維持されている、ワーク
プレイス１４０７内の基板１４０５の上を浮遊している微小粒子１４０１を示す
。ｘ、ｙ平面における微小粒子の回転は、基板１４０５の平面に対して平行に配
向され、さらなる作動された駆動エレメント１４２７および１４１９ａにより影
響を受ける、さらなる双極子領域１４２５および１４２７によって制限される。
駆動エレメント１４１７および１４１９は、１４０９ａ〜ｃおよび１４１５ａ〜
ｃとして反対方向に流れる電流を有する。図１４は、この図に向かって流れる電
流を示し、ここで、「ｘ」は、この図から外に向かって流れる電流を「点」で表
す。図１４Ｂは、駆動エレメント１４０９ａおよび１４１５ａを停止し、そして
１４０９ｂおよび１４１５ｂを作動することによる微小粒子１４０１および１４
１１の前方向移動を示し、この１４０９ｂおよび１４１５ｂは、次いで、微小粒
子１４０１および１４１１を右に移動し、その結果、双極子領域１４０３および
１４１３は、それぞれ、駆動エレメント１４０９ｂおよび１４１５ｂの上に集ま
る。移動は、駆動エレメント１４０９ｂおよび１４１５ｂの停止および駆動エレ
メント１４０９ｃおよび１４１５ｃの作動によってさらに永続化され、この駆動
エレメント１４０９ｃおよび１４１５ｃは、微小粒子１４０１および１４１１を
、それぞれ、駆動エレメント１４０９ｃおよび１４１５ｃの上の位置双極子１４
０３および１４１３まで移動させる。作動した駆動エレメント１４０９ａ〜ｃお
よび１４１５ａ〜ｃの対応する位置移動は、隣接する駆動エレメント１４１９お
よび１４１７の連続した作動および停止である。従って、２つの停止した駆動エ
レメントにより進行経路にそって分離された作動駆動エレメントの移動により、
微小粒子は、配向されそして間隔をあけられた様式でこの経路に沿って移動し得
る。
【０１０４】 本発明のいくつかの実施形態において、微小粒子は、間接的な経路によって、
ほぼｘ座標とｙ座標との間を移動し得る。例えば、図１５は、まずｘ方向に移動
し、次いでｙ方向に移動して、微小粒子をｘ座標とｙ座標との間で移動させる微
小粒子１５０２を示す。このような移動は、一トラック系により行われ得るか、
または二トラック系によって行われ、ここで、いくつかの点において、微小粒子
は、ｘ座標とｙ座標との間のさらなる移動のために、第１のトラックから第２の
トラックへと移送される。本発明の他の実施形態において、各ｘ座標およびｙ座
標は、使用者が規定した方向およびパターンで、ｘ，ｙ平面の周りで微小粒子を
移動させるために、コントローラーと連絡した固有の独立したアドレス可能な駆
動エレメントおよび／または付勢エレメントを有する。この実施形態の詳細を以
下に記載する。
【０１０５】 微小粒子の移動は、上記のように、完全に制御され得るか、または部分的に制
御され得、そして部分的に弾道である。例えば、微小粒子は、駆動エレメントの
経路に沿った移動により加速され得、そして駆動エレメントの補助なしで、この
経路のトラックにそって連続し得る。このような「自由飛行（ｆｒｅｅ ｆｌｉ
ｇｈｔ）」の間、この微小粒子は、外力が微小粒子のトラックを乱さない限り、
直線的に移動する。例えば、微小粒子は、弾道移動の期間の後、微小粒子をさら
に加速し得るか、この微小粒子を減速し得るか、またはこの微小粒子の移動の方
向を変化させ得る経路を規定する駆動エレメントの別のセットによって拾われる
。他の実施形態において、微小粒子は、駆動エレメントまたは付勢エレメントに
よって加速されて、流体に入れられ得、ここで、この液体に入れられると、この
駆動エレメントまたは付勢エレメントは停止され、そしてこの粒子は、隆太異媒
体の粘度によって減速される。この実施形態において、流体媒体は、駆動エレメ
ントと同じ機能を果たして、減速によってこの微小粒子の移動を制御する。
【０１０６】 好ましい実施形態において、ワークプレイス内の微小粒子の移動は、駆動エレ
メントおよび／または付勢エレメントの制御された作動および停止から生じる。
特に好ましい駆動要素の構成は、最小数の駆動エレメント回路を使用して、トラ
ックを形成する。図１６は、プリント回路基板トレースから形成される２駆動エ
レメント蛇行トラックを示す。第１の駆動エレメント回路は、回路エレメントラ
ン具１３０７およびレール１６１１から形成され、第２の駆動エレメント回路は
、基板１６０５内で形成される回路エレメントラング（ｒｕｎｇ）１６０９およ
びレール１６１３から形成される。各駆動エレメントは、この基板上に反復空間
パターン（例えば、反復方形波パターン）を作製する。電流は、このトレース内
に磁場を誘導するように、各駆動エレメント回路に選択的に印加される。電流に
より駆動される場合、駆動回路の各ラングは、同じ回路の隣のラングと反対の空
間方向の電流を有する。しかし、２つの連続したラングにより生成される磁場は
、この２つの連続したラングの間の一点においては反対ではない。各駆動エレメ
ント回路は、選択された距離または位相角によって他の回路から位置的に相殺さ
れる。
【０１０７】 いくつかの好ましい実施形態において、各駆動エレメント回路のラングの間隔
は、微小粒子内の双極子領域の間隔に対応し、その結果、駆動エレメント回路の
ラングは、微小粒子の位置決めに最大に影響する。好ましい実施形態において、
２つの駆動エレメントの各々は、図１６において、オフセットとして、または互
いに９０℃だけ異相して示される。すなわち、２つのトレースによって規定され
る２つの空間的方形波パターンは、９０°の空間位相だけ移動される。この配置
により、一旦、第１に作動された駆動エレメント回路により保持されると、第２
に作動された駆動エレメントが微小粒子を引きつけ得る。好ましい実施形態にお
いて、２つの駆動トレースは、双極電流で駆動される（この電流は、方向を逆転
する）。両方の駆動エレメントが、正電流で最初に駆動される場合、基板上の電
流の空間方形波パターンは、反復磁場パターンを生成する。微小粒子は、その磁
気パターンに対してその最低磁気エネルギー状態に移動する（他の磁場は、駆動
エレメント経路に沿った移動に影響しないと仮定する）。例えば、単一の双極子
磁気粒子について、この微小粒子は、磁場が双極子と整列する磁場パターンの一
部に移動する。ここで第１の駆動エレメントにおける電流が正から付に逆転され
る場合、この磁場パターンは、空間位相において９０°移動する（これは、１つ
の駆動エレメント上の２つの連続ラングの間の距離の半分に等しい）。これは、
最低磁気エネルギー位置を同様に移動させ、微小粒子をこの移動と等しい量およ
び方向移動させる。ここで、第２の駆動エレメントにおける電流が同様に逆転さ
れる場合、磁場パターンは、第１の移動と同じ方向にさらに空間的に９０°移動
する。微小粒子は、同様に移動して、新たな磁気平衡点に到達する。この微小粒
子は、第１の駆動エレメントにおいて、電流を正に変えることによって再び移動
され得、そしてさらなる９０°の移動は、第２の駆動エレメントを最後に正電流
に変換することによって得られ得る。両方の駆動エレメントの電流は、ここでは
正である。なぜなら、これらの駆動エレメントは、開始時の状態にあるからであ
る。しかし、現在は、この微小粒子は、３６０°の空間角度移動している（これ
は、駆動エレメント上の２つの連増ラング間の距離だけ２回前進する）。両方の
極性が正であることを示す記号｛＋，＋｝により駆動エレメント１および２の電
流極性を示す場合、微小粒子を移動させる制御配列は、｛＋，−｝、｛−，＋｝
、｛−，−｝、｛＋，−｝、｛＋，＋｝である。逆方向の移動は、｛＋，−｝、
｛−，＋｝、｛−，−｝、｛＋，−｝、｛＋，＋｝を作成することによって生じ
る。このように制御される微小粒子は、駆動エレメントによって規定される経路
に沿って移動され得るか、またはこの微小粒子は、これがその所望の位置に到達
した場合の電流構成を単に保持することによって、この経路に沿った任意の位置
で止められ得る。
【０１０８】 いくつかの実施形態において、位相角におけるオフセットは、単に位置間で前
後に振動するよりも、１方向で微小粒子を移動させ、第２の駆動エレメント回路
は、パルスされた微小粒子をこれに向かって加速し、第１の駆動エレメント回路
の次のラングに向かって弾道的に微小粒子を通過させるように停止される。従っ
て、第１の駆動エレメント回路を使用して、微小粒子をある位置に保持し、そし
て第２の駆動エレメントの介在性ラングを使用して、第１の駆動エレメント回路
のラング間で微小粒子を加速する。第１の駆動エレメント回路のラングを続く第
１の駆動エレメント回路ラングから、最初の第１の駆動エレメント回路のラング
に向かって相殺することによって、第２の駆動エレメント回路のラングは、最初
の第１の駆動エレメント回路のラングから続く第１の駆動エレメント回路のラン
グに向かって微小粒子を移動させるように作用し、その結果、微小粒子を、続く
第１の駆動エレメント回路のラングの方向に移動させる。他の実施形態において
、駆動エレメントの位相角は、トラック長に沿って変化し得るか、または異なる
トラックが、異なる位相角を有するか、またはトラックの全てが９０°より大き
いかまたは１８０°より大きい異なる位相角を有し得る。さらに他の実施形態に
おいて、２つより多い駆動エレメント回路は、駆動トラックを含み得る。いくつ
かの実施形態において、駆動エレメント回路間の振動速度が固定され、さらに他
の実施形態において、根速度は選択的に変化し得る。いくつかの実施形態におい
て、駆動回路に印加された電圧または電流の振幅が固定され得、方形波、正弦波
形またはいくつかの他の波形は、付勢を有するかまたは有さない、ａｃ、ｄｃで
あり得る。
【０１０９】 異なる駆動エレメント回路の構成が使用され得る。特に好ましい実施形態は、
オフセット方形波様パターン（例えば、図１７に示されるパターン１７０１、１
７０２）を用い、ここで、複数のトラックが互いの側面に沿って走る。図１８は
、正弦型トラックパターン１７０４を示す。異なるトラックレイアウトは、異な
る目的を達成するために組み合わされ得る。
【０１１０】 トラックは、開トラックまたは閉トラックであり得る。開トラックは、開始点
および終点を有し、トラック距離はこれらの間である。閉トラックは、トラック
経路に沿って微小粒子を循環および再循環し得る閉回路を形成する。
【０１１１】 駆動システムは、駆動エレメント回路の２より多いセットを備え得る。駆動シ
ステムは、被覆回路をさらに備え、ここで各回路は、プリント回路基板内のいく
つかの回路トレースの１つから形成される。Ｎ個までのトラックの異なるトラッ
クが選択された角度で互いに重なり、微小粒子運動のＮの自由度を提供する。こ
の駆動システムの電流の制御は、様々な実施形態において、二重極性方形波電流
転換、二重極性正弦波電流もしくは他の形状の波形電流、一極性電流を使用し得
る。
【０１１２】 例えば、図１９Ａのような微小粒子は、第２の湾曲トラック１９０５の弧の付
近を走る直線トラック１９０３から、第２のトラックに切り替わり得る。微小粒
子１０９１は、コントローラーユニット１９０７による制御下で、直線トラック
１９０３から湾曲トラック１９０５へ切り換えられる場合として図１９Ａに示さ
れる。トラックまたは運搬回路の切り換えは、微小粒子に対して第１の小さな程
度の引力を有する第１のトラック上でこの微小粒子を第２のトラックにより（こ
れは、この粒子に対してより大きな引力を有する）だけ通過させて、この微小粒
子をこの第１のトラックの方向制御から出し、そして第２のトラックにより方向
制御されるようにすることによって生じ得る。トラックを切り換えた後、この微
小粒子は、次いで、第２のトラックの経路に沿って進む。他の実施形態において
、微小粒子が加速され、その結果、この微小粒子は、脱出速度に達し、そして１
つのトラックを接線方向に出て、第２のトラックに弾道的に続き、次いで、この
第２のトラックは、微小粒子を減速して、微小粒子の制御を維持する。他の実施
形態において、トラックの切り替えは、２つのトラックの接合点に隣接する付勢
エレメントの作動により生じ得、その結果、微小粒子は、第２のトラックに引き
つけられる第１のトラックに沿って移動し得るか、または第１のトラックから第
２のトラックに出されるか、または２つ以上の付勢エレメントが用いられる場合
は、それらの組み合わせである。
【０１１３】 微小粒子がトラックの経路に沿って移動し得る速度は、部分的に、トラックの
地理的レイアウト、および駆動エレメントが切り換えられる速度によって示され
る。トラック経路に沿ったトラックラングの間隔を変えることによって、駆動エ
レメントが一定の速度で切り換えられる場合でさえ、このような経路に沿った微
小粒子の一に基づいて、この微小粒子は加速または減速され得る。例えば、トラ
ック経路は、作動された場合に第１の微小粒子移動速度を達成する第１のラング
間隔を有する第１の領域、および第２の微小粒子の移動速度を達成する第２のラ
ング間隔を有する第２の領域を有し得る。他の実施形態において、異なる駆動エ
レメントトラック層は互いの頂部に重ね合わされ得、その結果、異なる粒子の速
度は、異なる重なったトラックを作動させることによって、ワークプレイスの同
じ領域内で達成され得る。例えば、トラックを作製するためのプリント回路基板
技術は、３０までの層を含み得、広範なシステム構成を可能にする。
【０１１４】 異なる点の間の微小粒子の移動、座標、または研究室ステーションの制御は、
様々な様式で行われ得る。特定の好ましい方法は、装置を通過する選択された微
小粒子のプログラム化された連続移動に依存することによりコントローラーに対
する微小粒子の位置フィードバックの必要性を最小にすることにより、システム
コントローラに存在する需要を減少させる。例えば、このデバイスの運搬システ
ムは、複数の運搬回路を備え得、この運搬回路は、個別に閉ループを形成し、各
閉ループの少なくとも一部は別の閉ループに隣接しており、得その結果、微小粒
子は、トラックの切り替えについて上で記載されるように、あるループから他の
ループへと切り換えられ得る。この場合、ループは、閉トラックである。中心ル
ープは、遠位アームループを互いに相互接続するために使用され得、ここで、各
遠位アームループは、別の中心ループ、遠位ループまたは研究室ステーションを
接続する。図１９Ｂの複数の駆動エレメント回路ループ１９１３ａ〜ｉを有する
基板１９１０において、ループ１９１３ａおよび１９１３ｂは、遠位アームルー
プ１９１３ｃにより接続された中心ループである。遠位アームループｄ、ｆ、ｇ
、ｈおよびｉは、全て、研究室ステーションに接続される。遠位アームループｅ
は、そのトラックに沿って、微小粒子の通過を選択的に取り除き、そしてループ
および他のアクティビティのシステムに選択的に放出されるまでこのような粒子
を保持するように適合された複数の付勢エレメントを有する。ループ１９１３ｅ
は、選択的に作動された場合、他の微小粒子をループ１９１３ｅに沿ってそれぞ
れ保持された微小粒子のそばを通過させつつ、保持付勢エレメント１９１５を使
用して微小粒子を保持することによって、複数の微小粒子を同時に保持し得、選
択した微小粒子（単数または複数）をループのシステムに放出して、このような
微小粒子をループ１９１３ｅ内の微小粒子の保持位置から離れた選択した位置へ
と分配および／または送達する。いくつかの好ましい実施形態において、保持さ
れた微小粒子の保持位置は、トラックから離れて位置し、その結果、保持された
微小粒子による磁場は、異なる通過粒子の妨害を減少し、ここで、ホールドオフ
距離は、加速粒子から少なくとも１０粒子直径であり、より好ましくは、２０直
径である。この微小粒子は、保持粒子および加速粒子の双極子場が運動を妨害し
ないように、加速微小粒子から十分離れて保持される。必要なホールドオフ距離
は、特定の粒子の形状および双極子構成（微小粒子双極子アレイの場合）に依存
するが、代表的には、微小粒子の直径の５〜２５倍であり、より好ましくは、こ
の直径の１０〜２０倍である。双極子アレイから作製された微小粒子は、一般的
に、加速粒子に近接して保持される。なぜなら、保持微小粒子のアレイにおける
異なる双極子の磁場は、有意な程度まで相殺されるからである（例えば、アップ
極性は、ダウン極性を相殺する傾向があり、従って、磁場は、これらが全て同じ
極性を有する場合ほど大きな距離で突出しない）。同様に、各ステーションは、
微小粒子をこのような研究室ステーションに隣接する同じループに沿って他の微
小粒子を通過させつつ、この微小粒子がこのようなステーションに送達された後
に、この微小粒子を保持し得る。手短に言えば、ループｅは、微小粒子をこのシ
ステムに注入するために使用される。他のループは、このような微小粒子を、ル
ープの選択された経路に沿って、装置内の選択された目標まで運搬するために使
用される。
【０１１５】 いくつかの実施形態において、微小粒子の位置が、このシステム内のいくつか
の異なるデバイスによってトレース可能である。例えば、光学センサは、検出器
への光源の光学経路を妨害するこのような微小粒子によって微小粒子の通過を検
出し得る。より洗練されたシステムは、微小粒子内に埋包されたまたは微小粒子
上のコードを読み得るかまたは検出し得、その結果、微小粒子の同一性および位
置の両方が決定され得る。他の実施形態は、誘導性デバイスを使用し得、これに
は、付勢エレメントまたは駆動エレメントが挙げられ、導体を、このように移動
する磁気微小粒子の移動経路に近接して配置し、そしてこのような導体における
電流の誘起を検出することによって、磁気微小粒子の移動を検出するために少な
くとも一過的に構成される。誘導性検出は、光学検出器に依存しない。同様に、
磁気抵抗材（例えば、ディスクドライブヘッドまたはホール効果センサに使用さ
れるもの）は、通過する磁気微小粒子の磁場を検出するために使用され得る。
【０１１６】 図１９Ｂは、多微小粒子システムの例示的な実施形態を有し、これは、最小の
微小粒子トラッキングまたはフィードバック要求を満たすループ状の輸送を組み
込んでいる。図１９Ｂにおいて、検出器１９１７は、微小粒子の通過を検出する
ように適合される。作動中、このシステム中のすべての微小粒子は、最初に、各
々個別に付勢エレメント１９１５によって適所に保持され、その結果、ループ１
９１３ｅに沿って循環する任意の循環する微小粒子が、互いに干渉することなく
維持された微小粒子のそばを通過し得る。従って、その付勢エレメント１９１５
とともにループ１９１３ｅは、それが研究室での活動を行う際の使用のためのコ
ントローラー１９０１によって呼出されるまで、各微小粒子についての「パーキ
ングガレージ」として作用する。コントローラー１９０１は、各ループ、付勢エ
レメント、実験ステーション、ならびに検出器１９２１、１９２２、１９３５、
１９４３および１９４４と連絡する。微小粒子の処理を開始するために、コント
ローラ１９０１は、ループの輸送システムの各々を同時に作動させるが、付勢エ
レメント１９１５のうちの１つを停止状態にして、一旦付勢エレメントの位置１
９１１に保持されると、ループ１９１３ｅ輸送システムに微小粒子（示されず）
を放出する。同時に、付勢エレメント１９２３、１９３７、および１９４５が作
動されて、実験ステーションクラスター１９４７のループ１９１３ｈおよびその
実験ステーションのうちの１つ、１９４７ｃに到達するように、そのとき循環し
ている第一の微小粒子のための実験経路１９１９を形成する。第一の微小粒子は
、最初に、それが、微小粒子をループ１９１３ａ に方向付ける付勢エレメン
ト１９１９ｂに出会うまで、経路部分１９１９ａに沿ってループ１９１３ｅの周
りを循環する（ここで、この微小粒子は、この微小粒子をループ１９１３ｂに方
向付ける別の付勢エレメント１９１９ｄと再度出会う）。ループ１９１３ｂから
、付勢エレメント１９４５は、微小粒子をループ１９１３ｈに方向付け、このル
ープ１９１３ｈから、この微小粒子は、付勢エレメント対１９４９によって実験
ステーション１９４７ｃとさらに指向され、そして処理のために保持される。こ
の実施形態において、各実験ステーションは、微小粒子が、その内部に収納され
るか否かについてのフィードバックを提供し得る。結果として、ループ１９１３
ｅにおけるその元々の保持された位置から、ループ１９１３ｈの実験ステーショ
ン１９４７ｃの現在の位置へのこの第一の微小粒子の移動の完了は、コントロー
ラ１９０１に送信され、次いで、このコントローラは、第二の微小粒子を異なる
目標への移動に指向する。
【０１１７】 実験ステーション１９４７ｃにおける選択された実験の活動の完了の際に、こ
の第一の微小粒子は、ループと付勢エレメントとの類似の計画を使用することに
よるさらなる処置のための別の実験ステーションに送られ得、そして第二の選択
された実験ステーションでの到着の検出が、コントローラに中継される。ループ
ｅにおけるその元々の位置への微小粒子の戻りが、経路を設定するために使用さ
れる作動した付勢エレメントの作動を逆にすることによって、黒く塗りつぶされ
たループラインによる、図１９Ｂに示されるような付勢エレメントを有するルー
プによって微小粒子の移動を再度方向付けることによって実施され得る。好まし
い実施形態において、ループ移動方向は、各隣接するループに対して互いに反対
である。このことに関して、各々の付勢エレメントは、鉄道列車−軌道システム
における軌道−スイッチに類似した様式で作動して、このシステムの異なるレッ
グまたはループに微小粒子を方向付ける。
【０１１８】 図１９Ｂに示されるような実施形態は、理想的に、最小または非フィードバッ
ク制御ループシステムに対して適切である。微小粒子の移動は、特定の付勢エレ
メントの選択的作動によって引き起こされる経路の確立によって決定されるので
、微小粒子の移動は、任意のモニタリングを行うことなく、このような経路を移
動するように予め決定される。移動の特徴は既知であり、そして予測可能である
ので、システムタイミングは、微小粒子の作動を決定する。
【０１１９】 いくつかの実施形態において、微小粒子コード読み取り器は、その特定の同一
性を確認するために各微小粒子を走査するために使用される。このような同定は
、システムの忠実度を保証し、そしてそれらのシステム内での位置に関わりなく
特定の微小粒子を同定するために重要であり得る。このような同定は、例えば、
微小粒子が、さらなる外部処理のために装置から分離される場合に有用である。
【０１２０】 図１９Ｃは、このような装置を使用する作動の所望のシークエンスを実施する
ための経路形成装置の特定の実施形態を操作するためもフローチャートを示す。
【０１２１】 別の局面において、本発明は、この装置を介するこのような微小粒子のバルク
移動のためのトレインまたは小集団（ｐｌａｔｏｏｎ）中の複数の微小粒子を選
択的に集合されるための方法およびデバイスを提供する。例えば、「機関車的」
微小粒子および「車両的」粒子との間に相互連絡が存在し得、その結果、機関車
的微小粒子のみが、デバイスを介して経路決定されることが必要とされるが、「
車両的」微小粒子は、その後に続く。このトレインは、順方向（前から後ろ）に
移動し得るか、まてたはそれらは、列のヘッド−ツウ−テイル配向に対して、垂
直またはいくらかの他の角度の方向の小集団として、移動し得る。他の実施形態
において、このトレインの全てまたはいくらかの微小粒子は、付勢エレメントま
たは駆動エレメントによって動かされて、「列車様」様式でこの微小粒子を移動
させる。別の実施形態において、微小粒子は、駆動エレメントおよび／または付
勢エレメントの並行制御によって、空間的に離れた配置で、または互いに接触し
て、移動し得る。いくつかの実施形態において、微小粒子は、一連の軌道に沿っ
て同時に移動し得、ここで、これらの微小粒子は、互いに離れているか、または
上記のように一過的に一緒に連結されるかのいずれかである。
【０１２２】 いくつかの実施形態において、微小粒子は、この装置に連続的に充填され得、
ここで、各微小粒子は、このデバイスのポートに個々に導入され、次いで、微小
粒子が、例えば、付勢エレメントによって適所に保持されるような保持位置に輸
送される。他の実施形態において、微小粒子は、このような微小粒子が、保持デ
バイスによって空間的に離れた様式で保持されるように並行で充填され得、次い
で装置の近位にもたらされ得、ここで、次に、それらは、一過性の保持領域（例
えば、微小粒子を保持するための複数の付勢エレメントを有するループ）に移動
される。一旦、微小粒子が、装置内に配置されると、それらの位置は、受動的な
付勢エレメント（例えば、一旦装置が作動されると、微小粒子を自由にするため
に脱離可能となる永久磁石板）によって受動的に維持され得る。他の実施形態に
おいて、この装置は、電力の連続的な供給源、従って引力を、この装置の駆動エ
レメントおよび付勢エレメントに供給するためのバックアップバッテリーまたは
電源システムを使用することによってこれらの微小粒子を適所に保持し得る。
【０１２３】 図２０Ａ〜２０Ｅは、低部反磁性基板２００４内の流体レザバ２００２を横切
り、この中へ入り、そしてこれを通る磁気微小粒子２０００の動きを示す。微小
粒子は、この装置内の位置の間を、輸送経路の全てまたはいくつかが流体で満た
されたスルーチャネルである場合と類似の様式で動き得る。他の実施形態におい
て、微小粒子は、デバイス内部に含まれる１つ以上の流体媒体の表面に浮遊する
ことによって装置のいくつかまたは全てを通過し得る。図２１Ａ〜２１Ｅは、流
体媒体２００８上のガスで満たされた空間を移動する微小粒子２００６を示す。
いくつかの好ましい実施形態において、微小粒子は、実験ステーションの間を、
ワークプレースのいくつかたは全てに含まれるガス媒体を介して、移動される。
なお別の実施形態において、微小粒子は、流体媒体の表面張力を破壊しないこと
によって流体媒体の表面に隣接してか、真上にかまたは真下に静止する。例えば
、図２２Ａ〜２２Ｅは、表面張力浮遊を示し、ここで、微小粒子２０１０は、流
体媒体２０１２の表面に対して保持されるが、この微小粒子は、表面張力によっ
て形成される表面またはガスおよび流体の両方を含むワークプレースによって形
成されるガス／流体界面に沿って動くことによってデバイス内の固体表面と接触
することなく、そしてこのような横切ることまたは離れることが所望されるまで
、表面を横切るまたは表面から離れることなく表面に沿ってさらに誘導される（
図２２Ｅ）。図２２Ｅは、界面のガス側に沿って移動する微小粒子を示すが、本
発明の他の実施形態は、好ましくは、デバイスのｚ軸方向にこの微小粒子を配置
するために、界面の流体側に対してこの微小粒子を上方向に付勢させることによ
って、界面の流体側に沿ってこの微小粒子を動かすことを提供する。他の実施形
態において、この微小粒子が、界面のガス側に沿って移動される場合に、重力ま
たは付勢エレメントのいずれかまたは両方が、ｚ軸にこの微小粒子を位置的に維
持するために使用され得る。特定の実施形態において、この微小粒子は、ある形
状、サイズおよび密度で、この微小粒子のこのような流体領域への移動を生じさ
せる原因である付勢エレメントの起動または駆動エレメントの増加した引力また
は反発によって、界面を通して追い出されない限り、この微小粒子が流体の界面
を貫通することを防止する材料から構築される。
【０１２４】 微小粒子は、付勢エレメントまたはこのような微小粒子を流体−ガス界面の流
体側に静止させ得るエレメントによって停止されて、ここで、この微小粒子は、
この界面を貫通しないが、付勢エレメントによって界面に対して促される。１つ
の実施形態において、単一の磁気双極子を有する微小粒子は、付勢エレメントの
偏向磁場によって流体−ガス界面の流体側に向かって偏向される。この付勢エレ
メントは、選択的にエネルギー付与されて、流体表面に沿う横方向の動きの間に
表面に対して微小粒子を持ち上げそして保持するが、この微小粒子を、表面から
自由にするほど強力に引いているわけではない。この実施形態において、付勢エ
レメントは、磁気偏向力を減少させて、微小粒子が沈むことを可能にし得、一定
の偏向力を保持して、駆動デバイスを使用して界面に沿った動きのために流体−
ガス界面の対して微小粒子を維持するか、または流体からこの微小粒子を引く（
ｐｏｐ）または引く（ｐｕｌｌ）ために、比較的大きな偏向力を急速にパルスす
る。別の実施形態において、この微小粒子は浮遊性であり得るが、なおも、流体
−ガス界面の流体側に逃げることはできない。これらの実施形態は、微小粒子を
装置またはデバイスのワークプレース内の所定の位置または「高さ」に位置的に
維持するために、表面張力を活用する。
【０１２５】 上記のように、付勢エレメントは、いくつかの異なる様式で作動し得る。例え
ば、付勢エレメントは、図２０Ａおよび２０Ｂに示されるような輸送経路から微
小粒子を引きつけるように、第一のより高いレベルでエネルギー付与し得る。一
旦微小粒子が捕獲されると、この捕獲付勢エレメントは、その力が減少されて、
微小粒子を引きつけ、その結果、この微小粒子は位置的に維持されるが、通過す
る微小粒子のさらなる引きつけはない。図２３は、このようなシナリオを示すが
、ここで、２つの微小粒子２０１４、２０１６は、既に、２つの付勢エレメント
２０１８、２０２０上に保持されるが、レザバ２０２４中に保持される流体２０
２２中に浸される。なぜなら、第三の微小粒子２０２６は、このような付勢エレ
メントに引きつけられることなく、このような微小粒子の上の輸送経路に沿って
動くからである（ｄｍ１およびｄｍ２は、反磁性浮遊が使用される場合に使用さ
れる任意の反磁性表面である）。いくつかの実施形態において、この微小粒子は
、トラックに位置するか、またはトラックから離れて保持され、その結果、通過
微小粒子が、保持された微小粒子に有意に影響を受けることなく通過し得る。図
２４はさらに、複数の付勢エレメントを有するレザバ内での反応間に、複数の微
小粒子が、どのように貯蔵され得るかを例示する。微小粒子２４２２は、流体２
４１４を、達成位置２４３０に入れる。ところで、微小粒子２４２４は、隣接す
る付勢エレメントの効果を維持することによってその位置を保持する。流体媒体
に微小粒子を浸漬し、そしてここから取り出すプロセスが、以下に記載される。
【０１２６】 微小粒子は、ガス相から流体相に、上記のように、流体に降下することによっ
て、または図２５Ａ〜図２５Ｄに記載されるような側面ポートを介して流体を含
むチャンバに入ることによって、通過し得る。図２５Ａにおいて、ワークプレー
ス２５０５の表面２５０３の上に浮遊する微小粒子２５０１は、ポート２５１１
を介して、基板２５１５内の作動された駆動エレメント２５１３によって、また
はポート２５１１の外部開口部に位置する付勢エレメント（示されず）、および
／またはポート２５１１の開口部のすぐ内側の付勢エレメント（示されず）によ
って、流体２５０９を含むウェル２５０７に移動される。図２５Ｂは、流体２５
０９と接触したレザバ２５０７内部の微小粒子２５０１を示す。図２５Ｃは、ウ
ェル２５０７を離れる微小粒子２５０１を示し、２５１７として示される流体の
薄層と一緒に取られている。図２５Ｄは、流体２５０９から分離された微小粒子
２５０１を示すが、流体の薄膜２５１７は維持されている。ポート２５１１のサ
イズ、形状および材料特性、特に流体の表面張力およびぬれ特性のために、ポー
ト２５１１の存在にも関わらず、流体は、ウェル２５０７内に保持される。例え
ば、十分に小さな開口オレフィスは、流体の表面張力使用して、流体を保持する
ことが可能であるが、ただし、流体は、流体の外部表面をぬらさない（例えば、
流体が水である場合、オリフィスの外部表面は、疎水性であるべきである）こと
は、インクジェット印刷の先行技術においては周知である。
【０１２７】 本発明の特に好ましい実施形態は、ワークプレースの周りの微小粒子を動かす
ためのループではなく、むしろ面内の付勢エレメントにのみ依存する。例えば、
図２６は、複数のチャンバの実験ステーションの頂面図であり、このステーショ
ンは、各チャンバを相互接続する複数の側面ポートを有する試薬と微小粒子を反
応させ、そしてインキュベートするために使用される。微小粒子は、異なる対向
する対の付勢エレメント（本実施形態におけるコイル）を作動することによって
、脈動する様式で、チャンバからチャンバに移動して、運動量を得、そして微小
粒子に力を付与し、この結果、移動する微小粒子は、隣接するチャンバに導くチ
ャネルポートを通過し得る。図２６において、基板２６０５に形成されるチャン
バ２６０２に含まれる流体２６００中の微小粒子２６０４１は、チャンバ２６０
９と流体連絡するチャネルポート２６０７に向かって、付勢エレメント対２６０
３によって加速される。そして保持されたこの泡または空気ギャップ２６１１に
よって隣接され、その結果、各チャンバにおいて、流体を互いに分離するように
機能する。好ましい実施形態において、付勢エレメント対２６０３は、磁気双極
子微小粒子２６０１上に磁気力を生成するコイルの対である。付勢エレメント２
６１３は、補助付勢エレメントを代表し、この補助付勢エレメントは、チャネル
−ポート２６０７を通る微小粒子をさらに誘導するために使用され得る。付勢エ
レメントは、示されるようにチャンバの内部に配置され得るか、またはそれらは
、流体媒体と接触することなくチャンバまたはチャネル−ポートに隣接して、配
置され得る。一旦微小粒子２６０１が、選択された期間にわたってチャンバ２６
０９内に残されると、微小粒子２６０１は、次いで、チャネル−ポート２６１７
を介してチャンバ２６１５に進まされ得、このチャネル−ポート２６１７はまた
、液相を分離するための泡を有する。再度、微小粒子２６０１は、付勢エレメン
ト対２６１９の脈動作動によって進められる。
【０１２８】 本発明の別の局面において、微小粒子は、微小粒子本体から離れた柄の遠位端
で結合された化学的エフェクターを有する突出した柄を有して構築され得る。図
２７Ａは、結合した柄２７０５を有する本体２７０３を有する微小粒子２７０１
を示す。柄２７０５は、さらに、本体２７０３から離れた末端に、化学反応基板
２７０７を有する。使用中、微小粒子２７０１は、実験ステーション２７０９に
向かって誘導され、このステーションは、示された実施形態においてウェルであ
り、この結果、柄２７０３は、ウェルの開口領域を越えて延びる。微小粒子２９
０１は、次いで第一の付勢エレメント２７１３および第二の付勢エレメント２７
１５の作動によって傾斜されて、その結果、付勢エレメント２７１３は、化学的
基板２７０７から遠位の微小粒子２７０１の領域を押し返して、このような領域
を付勢エレメントから持ち上げ、そして付勢エレメント２７１５は、作動されて
、このような領域を引き下げために微小粒子２７０１の第二の領域を引きつけ、
従って化学的基板２７０７を、このウェル中に含まれる流体２７１１に浸す。実
験ステーション２７０９は、試薬２７１１を含む。
【０１２９】 図２７Ｂは、試薬およびサンプルをピックアップおよび堆積するための細長い
エフェクターを有する微小粒子を示す写真である。
【０１３０】 図２８Ａは、エフェクター２７０１を示し、例えば、このエフェクターは、図
２７に示される微小粒子と関係し、微小粒子のエフェクターに潜在的に関係する
選択された特性を検出するように適合された光学検出器２７０１の検出（ｉｎｔ
ｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ）のラインに配置される。図２８Ｂは、微小粒子２７０
９ののコード表面上に押印されたマイクロスケールのバーコード２７０５を示す
。いくつかの実施形態において、このバーコードは、光学的であり、そしてコー
ド読み取り検出器（例えば、レーザー−ダイオード／光検出器の配置）によって
検出可能であり、ここで、このバーコードは、微小粒子が、検出器の観察ウィン
ドウを横切って移動または走査される場合に、読み取られる。
【０１３１】 エフェクターは、材料および化合物を操作するために使用され得、例えば、末
端エフェクターが、化学的ピックアップ、化学物質の電磁気的重量測定、および
微小遠心分離のために使用され得る。１つの好ましいアプローチは、小さな棒状
の形態の末端エフェクター（スタンプ）の制御されたぬれを使用して、流体を取
り、そして流体を配置し、単純なミクロスコップまたはミクロ容器を使用して、
固体を取りそして配置することである。固体はまた、最初に、末端エフェクター
を、粘着性であるが化学的に不活性な流体に曝露し、次いで固体の微小粒子にこ
の粘着性の末端エフェクターを接触させることによって操作され得る。
【０１３２】 特定の実施形態において、微小秤量が達成され得る。なぜなら、反磁性浮遊は
、他のアプローチに存在する摩擦、ヒステリシス、および非直線性を排除するか
らである。本発明を用いる微小秤量についての選択肢が存在する。１つの選択肢
は、反磁性表面におけるわずかな傾斜にマニピュレーターを配置することである
。重力に対して傾斜上のマニピュレーターのバランスをとるのに必要な最小のド
ライバートレース電流は、光学センサーからのフィードバックを介して検出され
る。バランス化トレース電流は、マニピュレーターの電流および化学薬品の質量
に正比例している。トレース電流は、非常に正確に制御され得、そして１，００
０分の１またはそれを超える正確性は、達成するのが困難ではない。平らな表面
上での微小秤量の別の方法は、最初の位置から開始する、所定のトレース電流に
よって生成された加速または速度を測定することである。なお別の技術は、マニ
ピュレーターが、渦電流減衰の存在下で傾斜に達する終端速度を測定することで
ある。なお別の実施形態は、振動する付勢エレメントまたは駆動エレメントによ
って振動される振動微小粒子の振動数の変化を測定する工程を包含する。
【０１３３】 本発明の別の局面において、微小粒子は、非常に少量の化学薬品を秤量するた
めに使用され得るシステム構成要素と組み合わされ得る。図２７Ｃは、微小粒子
２７００１が、伸長末端エフェクター２７００５を用いて、位置付け可能なマイ
クロマニピュレーター２７００３として構成される実施形態を示す。基板２７０
０９の駆動トレース２７００７ａおよび２７００７ｂは、基板２７００９の平面
にマイクロマニピュレーター２７００３を位置付けるのに使用される。末端エフ
ェクター２７００３は、化学薬品を拾い上げるように設計される。図２７Ｃにお
いて、末端エフェクター２７００５は、表面張力効果によって試薬を汲み出すた
めの化学的試薬ウェルに挿入され得、そしてこのウェルから取り出され得る単純
な先端部である（例えば、先端部の末端は、水ベースの試薬を用いて親水性であ
り得る）。末端エフェクターの多数の他の型（固体粉末、微小カップ、キャピラ
リーなどを拾い上げるための微小スコップのような）が使用され得る。
【０１３４】 図２７Ｃにおいて、先端部には化学薬品は存在しない。光学ビームデバイス２
７１１（図２７Ｃ中に横断面で示される）は、ワークスペース２７１３を通過す
ることに注意のこと。光学ビームまたは赤外線ビームは、光学ビームデバイス２
７１１から放射され、供給源（例えば、レーザー、赤外線ダイオード、発光ダイ
オード、または他のビーム発生供給源）（これらは光学ビームデバイス２７１１
と一体化され得ないが、これと光学連絡している）から供給される。この供給源
は、ビーム中で実質的に一定の光力を維持すべきである。このビームは、フォト
トランジスタ、光ダイオード、または他の光感知デバイスのような光学検出器（
示されていない）を使用して検出される。光学検出器は、検出器へ伝達された光
力を検出する。マイクロマニピュレーター２７２７００５は、所望の位置に基板
中の駆動トレースを使用して位置付けられる。図２７Ｃにおいて、末端エフェク
ターの先端部に化学薬品は付着しない。マニピュレーターは、図２７Ｄにおいて
示される微小秤量位置に移動され、その結果、その受動的感知エレメント２７１
３は、光ビームの一部をブロックする。すなわち、受動的感知エレメントは、光
学ビーム供給源と光学検出器との間を移動する。光学検出器によって受信される
光力の量は、記録される。
【０１３５】 特定の実施形態において、先端部によって拾い上げた化学薬品の秤量は、別の
操作であり、このマイクロマニピュレーターは、図２７Ｅに示されるような微小
秤量位置へと再び移動する。試薬２７０１４の添加された重量は、磁力に逆らう
先端部の下向きのたわみを生じ、これはこのマニピュレーターを適切な位置に保
持する。たわみの量は、光学検出器によって受信される光学的な力における増加
として測定される。なぜなら、このマニピュレーター上の受動的検出エレメント
は、ここではこのビームをほとんどブロックしないためである。したがって、光
学的な力における変化は、この先端部での化学薬品の重量の基準である。
【０１３６】 種々の手段が、化学薬品の重量を用いて受信した光学的な力を較正するために
使用され得る。例えば、先端部に既知重量を配置し、そして光学的に伝達された
力の変化を記録し得る。あるいは、より単純であるがあまり正確でない較正につ
いて、先端部の化学薬品の大まかなサイズを記録し、そしてその重量を推定し、
次いで光学的な力における変化を測定し得る。次いで、光学的な力における変化
および推定された較正重量は、他の化学薬品の重量および光学的な力における他
の変化を推定するために使用され得る。
【０１３７】 図２７Ｃ−Ｅの実施形態において、多くの変化が可能である。添加された化学
薬品の重量に起因するマイクロマニピュレーターの位置における変化を測定する
ために、光学的検出ではなく、例えば、磁気的検出または容量性検出を使用し得
る。所定のセンサ（例えば、光学センサ）を用いて重量を測定するための他の手
段もまた、用いられ得る。例えば、重量の直接の基準としてたわみの量を使用す
るのではなく、力−平衡法（ｆｏｒｃｅ−ｂａｌａｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ）を利
用し得る。この力−平衡法において、制御回路は、駆動エレメントの電流（磁気
マニピュレーターのための）を調節して、ブロックされた光学的な力を重量ゼロ
のブロックされた光学的な力にする。次いで、この駆動エレメント中の電流は、
重量の基準となる。たわみを測定する直接的な方法は、力−平衡法よりも単純で
あるが、この力−平衡法は、ときどき、重量をより正確に測定するために、また
はより大きな重量を測定するために使用され得る。例えば、直接たわみ法は、よ
り大きな重量について、化学薬品の重量に関して非線形であり得る。なぜなら、
伝達された光学的な力は、より大きな重量に関して非線形であり得るためである
。対照的に、受動的検出エレメントを重量ゼロの位置に戻すために必要とされる
駆動エレメント中の電流は、この重量において、特に永久磁石マイクロマニピュ
レーターに関してより線形であり得る。
【０１３８】 図２７Ｆは、微小粒子についてのエンドエフェクタのために使用される閉鎖端
キャピラリーチューブ２７９５を示し、ここでこのチューブは一端でシールされ
、そして他方の端は開放される。図２７Ｆは、サイドポート２７９５を備える化
学薬品レザバ２７９３に接近する微小粒子２７９１を示す。他の形状も可能であ
る。例えば、化学薬品レザバは、頂部が開放された、窪んだウェルであり得る。
この微小粒子は、このウェルに接近するために、このチューブを下方向に回転し
得る。
【０１３９】 図のパネル２７Ｆ１において、駆動エレメント（示さず）は、キャピラリーエ
フェクタ２７９５の開放端が化学薬品レザバ２７９３に入ってその中に含まれる
流体と接触するように、微小粒子２７９１を動かすために使用される。図のパネ
ル２７Ｆ２において、キャピラリー効果は、化学薬品のアリコートをキャピラリ
ーチューブへと引き寄せるが、このチューブの反対の末端が閉じているので、包
括されたガス圧は、これがキャピラリー効果と釣り合うまで上昇する。したがっ
て、このキャピラリーチューブは、一定量の流体の化学薬品を引き寄せるが、ガ
スは閉鎖端に包括される。
【０１４０】 図のパネル２７Ｆ３は、キャピラリー中での化学薬品の排出または蓄積を図示
する。この微小粒子は、このシステムの別の部分に移動して、反応チャンバにこ
の化学薬品を蓄積する。図２７Ｇにおいて、この反応チャンバは、図２７Ｆのレ
ザバと同様に図示されるが、他の形状もまた使用され得る。図２７Ｇにおいて、
図２７Ｆにおける微小粒子２７９１のキャピラリーエフェクタ２７９５によって
取得された流体は、流体と共に充填されかつキャピラリーエフェクタの閉鎖末端
に包括される場合に、キャピラリーエフェクタ２７９５内に以前に包括されたガ
スを隣接する熱供給源（図のパネル２７Ｇａには示さず）を使用して加熱するこ
とによって、キャピラリーエフェクタ２７９５からサイドポート２７９２（これ
は、キャピラリーサイドポートである）へと促されるかまたは強制される。包括
されたガスを加熱する他の方法（例えば、レーザーによる加熱、誘導性の加熱、
誘電加熱、微小粒子との接触による導電性加熱など）もまた使用され得る。この
ガスが加熱されるため、その圧力は上昇し、強制的に化学薬品流体をこのチュー
ブの開放端から出して反応チャンバに入れる。この温度の上昇は、放出するガス
圧を決定する。代表的に、流体化学薬品が、全チューブ体積のうち比較的少量を
占める場合、温度における各摂氏度の上昇は、およそ３０００ダイン／ｃｍ２（
３００Ｐａ）だけガス圧を上昇する。この推定は、大部分のガスの圧力−体積−
温度の関係を説明するために使用される周知の理想気体の法則からなされ得る。
液体を放出するために必要である圧力上昇は、キャピラリーの公式（例えば、Ｐ
ｃ＝２ｓ／ｒ）によって推定され得、ここで、Ｐｃは流体からのキャピラリーの
圧力であり、ｒはこのチューブの内径であり、そしてｓは流体の表面張力である
。例えば、この流体が５０ダイン／ｃｍの表面張力を有し、そしてこのキャピラ
リーがｒ＝０．００２ｃｍ（２０ミクロン）の内径を有する場合、Ｐｃ＝５００
００ダイン／ｃｍ２である。次いで、このガスの所望の温度上昇は、およそ（５
００００／３０００）Ｃまたは約１７℃と推定される。この温度上昇は、所望の
場合、このチューブの半径を増加することによって減少され得る。加熱が、反対
の閉鎖端に集中する場合、流体の末端での温度の上昇は、ガスの平均温度上昇よ
りも少なくあり得ることにもまた注意すべきである。この考慮は、例えば、温度
に敏感な化学薬品を使用する場合に重要である。いくつかの実施形態において、
キャピラリーエフェクタを有する微小粒子は、プロセスを繰り返すために、最終
的に戻される。大部分の構成において、個々のマニピュレーターの各々は、蓄積
サイクルに積極的に関与する時間の一部のみを費やし得る。なぜなら、このシス
テムの大量の並行および高いデバイス速度が、同時に蓄積するための全てのマニ
ピュレーターを使用しないでもなお、高スループットを可能にするためである。
このマニピュレーターの「空き」時間は、例えば、検査、交換、またはオフライ
ンの微小粒子の蓄積特性の試験のような、品質制御タスクのために使用され得る
。特定の場合において、例えば、他の蓄積部位の汚染を防止するために、過剰の
試薬が除去され得る。好ましいプロセスは、過剰の溶液の吸引および洗浄溶液で
の個々の点の繰り返し洗浄を含む。微小粒子浮遊デバイスのこの実施形態は、化
学薬品の流体または固体の一定量を、基板上の選択された位置に蓄積するために
使用される。このシステムにおいて、マニピュレーター（エフェクタ）は可動性
であり、そのため材料の供給および取り扱いが完全に自動化される。この試薬レ
ザバは、このシステムの近傍に単に配置され、そしてマニピュレーターが、必要
に応じて化学薬品を拾い上げ、そして蓄積する。化学薬品の蓄積のためのエンド
エフェクタは、１つまたはいくつかの点検位置での点検（例えば、光学的技術を
使用して）が容易であり、そしてその性能は、作製における無視できる影響でさ
えオフラインで試験され得る。なぜなら、この場合もマニピュレーターが可動性
であるためである。
【０１４１】 図２７Ｈ〜Ｊは、流体サンプルを取得し（図２７Ｈ）、収容ステーション２７
３８へと挿入し（図２７Ｉ）、そして取得した流体サンプルを蓄積（この場合、
図２７Ｊに示されるように、加熱ガスの排除によって）するために使用される、
キャピラリーエフェクタ２７３６を有する微小粒子２７３４を示す。
【０１４２】 図２９Ａ〜Ｂは、バーコード２７７９を有する粒子２７７７（図２９Ａ）およ
びマイクロトランスミッタ２７８３を有する粒子２７８１（図２９Ｂ）を示す。
【０１４３】 特定の実施形態において、マイクロスタンプエフェクタを有する微小粒子は、
高くなった親水性プラットフォームを伴なって微量作製され得、好ましくはこの
微小粒子の残りの部分は疎水性である。このマイクロスタンプエフェクタは、材
料取得工程当たり、１つのプラットフォーム蓄積に限定される必要はない。いく
つかの試薬が、１操作ごとに拾い上げられ、そして蓄積され得る。エフェクタは
、ケイ素をミクロ機械加工することによって作製されるプラットフォームを含み
得る。このプラットフォームの頂部の二酸化ケイ素は親水性であり、一方、取り
囲む窒化ケイ素は疎水性である。親水性領域と疎水性領域との間のより大きなコ
ントラストを伴なう代替的設計は、親水性または疎水性の末端基を有するチオ（
硫黄含有）化合物を使用し得る。このチオ化合物は、それ自体で金（写真平板に
よって容易にパターン化される材料）に容易に結合する。次いで、１００μｍの
点の親水性パターンは、蓄積基板上にパターン化され得、そしてこの点を囲む疎
水性領域は、蓄積される流体を制限する。疎水性／親水性パターンは、ガラス（
親水性）を、疎水性材料（例えば、有機シラン）でコーティングすることによっ
て、基板上に作製される。次いで、フォトレジストは、この疎水層上にスピンコ
ートされ得、続いて従来の写真平板およびプラズマエッチングされ、これは石板
パターンに従って疎水性材料を除去する。次いで、残りのフォトレジストは、有
機溶媒で除去され得る。スタンピングプロセスは、以下の通りである。このスタ
ンプを、基板に輸送された試薬レザバに浸漬し、そして表面に接触させる。この
システムは、移送の間の蒸発を防ぐのに十分な湿度レベルで維持される。親水性
表面がスタンプの試薬のメニスカスに接触する場合、試薬は、基板上に引き付け
られる。固体間の接触は必要ではない。次いで、このスタンプは、洗浄領域に移
動され、そして清浄化のためにゆっくり流れる蒸留水に浸漬される。
【０１４４】 このシステムはまた、過剰の試薬を吸引するためにマイクロスタンプを使用し
得る。この吸引スタンプは、蓄積スタンプと同様であるが、より多くの流体を引
き上げるために、より大きな親水性領域を有する。使用後、この吸引スタンプは
、リンスされ、そして乾燥される。次いで、スポットは、別のスタンプ／微小粒
子によって蓄積される洗浄流体で洗浄される。
【０１４５】 このシステムはまた、以下のように容易に拡張され得る：このスポットのサイ
ズは、正確さ、作製または化学の任意の公知の制限に邪魔されることなく、およ
そ１０μｍの直径まで減少され得る。従って、さらに蓄積スポットを減少させる
かなりの可能性が存在する。
【０１４６】 同じ適用ドメインで拡張され得るシステムの別の局面は、蓄積プロセスの前の
化学薬品の取り扱いである。このシステムは、多数の異なる化学薬品の合成、貯
蔵、回収、および輸送のために用いられ得る。
【０１４７】 別の局面において、本発明は、微小粒子によって取り上げられたかまたは蓄積
された材料を秤量するための方法およびデバイスを提供する。例えば、微小粒子
は、乾燥粉末と接触し得、次いでこの粉末の一部を保持したまま、このような粉
末から移動して離れ得る。次いで、この微小粒子は、加速し、次いで、例えば微
小粒子が急激に停止する停止ブロックに衝突することによって迅速に減速するこ
とによって蓄積領域に向かって移動し、そしてこのような粉末を蓄積し得るが、
この微小粒子によって運ばれる材料は慣性力によって前方に運動し続け、これに
よって微小粒子から分離される。他の実施形態はさらに、材料を収集するために
スコップまたはキャピラリーセグメントを利用し、次いで慣性力または遠心力を
再び利用して、このような材料を微小粒子から分離する。
【０１４８】 本発明の別の局面において、特定の駆動エレメントは、放射状様式に配列され
て、放射状駆動トラックループを形成し得、これは微小粒子を迅速に回転して、
このような微小粒子の放射状に伸張する部分を遠心力に曝露するために使用され
得る。微小粒子の遠心は、いくつかの実施形態において、浮遊した微小粒子を高
速に回転させ、次いで遠心分離した材料を抽出することによって実施され得る。
いくつかの実施形態において、遠心力に供されるエフェクタは、長く薄いピペッ
ト型エンドエフェクタであり、これは正確な位置決めにより遠心チューブに沿っ
たどこかにある成分を取り除き得る。
【０１４９】 別の局面において、駆動エレメントは、微小粒子の運動を引き起こすためだけ
でなく、微小粒子の運動およびこのような運動の性質を検出するための、ならび
に微小粒子についての情報（例えば、微小粒子の全体または総重量、速度、運動
する微小粒子の加速および減速、運動する微小粒子の位置、運動しない微小粒子
の位置）を収集するために使用され得る。例えば、いくつかの実施形態において
、駆動エレメントまたは他の導電性センサは、１つ以上の磁気双極子と関連する
微小粒子の通過を、このような駆動エレメントまたはセンサを通して電流を誘導
するこのような双極子を使用して検出するために使用され得る。１つの双極子を
有する微小粒子は、例えば、エレメントまたはセンサおよびその関連回路網によ
って経験される電流のパルスを生じる。いくつかのエレメントまたはセンサがセ
ンサとして使用され、そしてこのようなエレメントまたはセンサが、電流をモニ
ターするための回路網と共に負荷供給源と電気連結している場合、このエレメン
トおよびセンサは、運動する微小粒子を減速するように作用し得る。微小粒子つ
いての情報は、微小粒子の特性のいくつか（例えば、初期質量（化学薬品の負荷
前）および１つ以上の双極子の磁束または磁気強度）を想定して、その減速によ
って生じる電気パルスから収集され得る。
【０１５０】 別の局面において、本発明は、異なる微小実験構成を提供する。例えば、図３
０Ａおよび３０Ｂは、多重ステーションの微小実験についての異なるレイアウト
のトップダウン図（ｔｏｐ−ｄｏｗｎ ｖｉｅｗ）を示す。図３０Ａにおいて、
微小粒子（例えば、微小粒子２８０１）は、環状経路２８００の周りおよびこの
経路の周りの種々の位置に誘導されて、種々のステーション（例えば、２８０２
，２８０４，２８０６，２８０８に示されるような）に移動される。この粒子が
トラックの回りを運動し、そして特定化したステーションに入りそして抜け出る
場合、この粒子の制御は、上記の通りである。
【０１５１】 図３０Ｂに示されるレイアウトにおいて、微小粒子（例えば、微小粒子２８１
２）は、蛇行経路２８１４またはサイドトラック２８１６のいずれかにそって運
動し、これらは、種々のステーション（例えば、２８１６、２８１８および２８
２０に示されるようなステーション）を提供（ｓｅｒｖｉｃｅ）する。図は、例
えば、試薬の拾い上げまたは所望の微小粒子処理を行うための、ステーション２
８１４への１つの微小粒子２８２２の運動を示す。
【０１５２】 図３１Ａおよび３１Ｂは、多重モジュール微小実験システム２９００を示し、
ここで上記の型の微小実験システム（例えば、２９０２、２９０４に示される）
は、拡大した機能性のためのモジュールとして一緒に連動（ｇａｎｇ）する。例
えば、１つのモジュール（例えば、モジュール２９０２）は、ライブラリー化合
物（ビーズの群）の初期合成を実施するために設計され得、第２のモジュール（
例えば、モジュール２９０４）（これは、最初のモジュールに物理的に連結され
ている）は、次いで、ライブラリービーズを、例えば細胞またはレセプター分子
が結合した固体支持体を含む種々のステーションへと運動し得、ビーズ表面化合
物の細胞またはレセプターとの相互作用をもたらす。第２のモジュールで相互作
用を試験し、そして反応性微小粒子を同定した後、最初のモジュールは、第２の
化学薬品ライブラリーと共に微小粒子を含むなお別の「ライブラリー」モジュー
ルと置き換えられ得る。同様に、第２のモジュールにおいて細胞またはレセプタ
ーとの「興味深い相互作用」を有すると同定された微小粒子は、第３のモジュー
ルにおいて別の標的（例えば、別の細胞型）との予め選択されたビーズとの相互
作用を研究するための第３のモジュールに連結された、いずれかのモジュール上
に隔離され得る。いくつかの実施形態において、各モジュールは、それぞれの流
体レザバ、およびそのモジュール内で微小粒子を移動させるためのそれぞれの導
体トレース（ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｔｒａｃｅ）を保有する。このモジュールは
、１つのモジュールから別のモジュールへと微小粒子および／またはエフェクタ
を運動するための、隣接したモジュールの対応するトレースに結合するように適
応されたさらなる表面トレースを有する。モジュール内およびモジュール間の微
小粒子およびエフェクタの運動の全体的制御は、相互接続された駆動エレメント
および２つの付勢エレメント、または統一されたシステムとしてのモジュールに
焦点をあてる単一制御デバイスによる。
【０１５３】 図３２Ａ〜３２Ｄは、ダイナミックアーキテクチャを有するシステム８０９を
示す。図３２Ａは、計画通りの（ｎｏｍｉｎａｌ）状態で作動する点位置（グリ
ッド８０６によって示されるような）を規定する、駆動／付勢エレメント８１０
の独立してアドレス可能なグリッドを形成する駆動エレメント構造を有する基板
８０４を示す。この点の全てがグリッドにある場合、エレメントは通常の状態で
あり、このグリッドは平坦であり、そして粒子の運動はもたらされない。図３２
Ｂにおいて、駆動エレメントは、この粒子をトラフの経路に沿って導くように役
立つ直線電位トラフ（ｌｉｎｅａｒ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｔｒｏｕｇｈ）８１
１を生成する様式で付勢される。同様に、図３２Ｃにおける駆動エレメントは、
側面８２０、および粒子の加速／減速ならびに粒子の方向における所望の変化を
生じるための表面電位の凹凸８１２、８１４を有するＬ型トラフ８１８を生じる
ように作動される。図３２Ｄにおいて、この駆動エレメントは、粒子の運動をこ
のトラフ内に制限するためのＵ型トラフ８１７を生じるように作動される。
【０１５４】 図３３は、自動化された微小規模構成での１つ以上の所望の実験活動の実施に
おいて使用するための装置を提供する、本発明の別の局面を示す。特定の実施形
態において、基板３３０１はワークプレイスの広がりを形成し、これは以下を有
する：上面、基板内に形成された１つ以上の実験ステーション、基板内に形成さ
れた１つ以上のトレンチ３３０３、選択された形式で実験ステーション３３０５
に相互連結されたトレンチ（このトレンチは、１つ以上の流体を保持し得る）、
このトレンチ内に移動して一致するように適応された１つ以上の微小粒子３３０
７（この微小粒子の各々は、１つ以上の磁気双極子または静電双極子、および１
つ以上の実験エフェクタを有する）、ワークプレイスに隣接して位置する駆動構
造（この駆動構造は、駆動エレメントと微小粒子の双極子との相互作用を介して
、このトレンチを通して微小粒子の１つ以上を運動させるために選択的にエネル
ギー付与し得る複数の駆動エレメントを有する）、および所望の実験活動を達成
するために、このトレンチによって相互接続される選択された実験ステーション
間で選択された１つ以上の微小粒子を運動させるための駆動エレメントにエネル
ギー付与するための、駆動エレメントに作動可能に連結されたコントローラ。
【０１５５】 種々の実施形態は、基板の上面に一致して、その中にトレンチからの１つ以上
のチャネルを形成するように適応された１つ以上のカバー構造、トレンチが１つ
以上の導電性媒体で満たされる場合にこのトレンチを通して１つ以上の電流を選
択的に流すための２つ以上の電極を備え得、ここで、この電流は、トレンチ内か
つ実験ステーション間の１つ以上の試薬３３１３または分析物の運動を動電学的
に引き起こし得るかまたは制御し得、その結果、１つ以上の選択された試薬３３
１１または分析物が、選択された微小粒子、第１のトレンチによって第１の排出
レザバ３３１７へと接続された洗浄レザバ３３１５、第２のトレンチによって第
２の排出レザバへと接続された試薬レザバ３３１３ａへと選択的に接触され得、
ここで、この第１および第２のトレンチは交差して、微小粒子を試薬に暴露する
ための交差３３２１を形成し、各レザバは、レザバ内に含まれる流体と電気的に
連絡するように適応された電極をその中に有し、その結果、第１の電流が試薬レ
ザバの電極と第２の排出レザバの電極との間を通る場合、この交差を通って第１
のトレンチに沿って通過する選択された微小粒子と接触するために、試薬が交差
に動電学的に導入される。付勢エレメント３３２３の保持は、選択された試薬３
３１１が微小粒子３３０７と接触している間に、微小粒子３３０７を交差３３２
３に保持または置くために含まれ得る。この交差は、相殺する二重のＴ型交差を
形成し得る。他の実施形態は、交差内に選択された微小粒子を選択的に保持する
ための、交差に隣接して位置する１つ以上の付勢エレメントを含み得る。この微
小粒子は、浮遊状態でこのデバイス内を運動するように適応され得る。他の実施
形態は、浮遊表面を規定する１つ以上の反磁性層を含み得、ここでこの微小粒子
は、反磁性浮遊よって安定に浮遊するように適応される。他の実施形態において
、この浮遊状態は、全体的または部分的に静電的浮遊から生じ、そして／または
この浮遊状態は、全体的または部分的に浮遊性の（ｂｕｏｙａｎｔ）浮遊から生
じ、そして／またはこの浮遊状態は、全体的または部分的に表面張力浮遊から生
じ、そして／またはこの浮遊状態は、一過的に起こる。
【０１５６】 図３４は、必要に応じてコントローラーと連絡した電極を有する複数のレザバ
（例えば、レザバ１０６２、１０６４）を備える多重チャネルまたはトレンチデ
バイス１０６を示し、ここでこのチャネルは、各チャンバが、中間チャンバを通
過する必要なく、別のチャンバの滞在後に滞在され得るように相互連結される。
図３４の構成は、微小粒子が、長い中央チャネルに沿って運動するように必要に
応じて使用され得、そしてこれらのレザバを有する交差するチャネルは、交差点
を通過して移動する微小粒子を選択的に暴露するために使用され得る。
【０１５７】 特定の局面および例が記載されてきたが、本発明の範囲から逸脱することなく
、種々の変化および改変がなされ得ることが理解される。
【０１５８】 （実施例） （実施例１−微小粒子に結合したＤＮＡの機能的ＰＣＲ試験） 異なる濃度のプラスミドＤＮＡを、ＰＣＲ緩衝液条件において、異なる、約２
５０μｍの長方形のシラン処理ネオジム−鉄−ホウ素磁化可能な微小粒子に吸収
させた。次いで、この微小粒子を独立して洗浄し、次いで高塩溶出緩衝液を使用
して溶出条件に供した。溶出したＤＮＡ（存在する場合）を含む流体サンプルの
アリコートを、独立したＰＣＲチューブに移した。ＰＣＲプライマー、ｄＮＴＰ
および他のＰＣＲ試薬のカクテルをこのチューブに加え、そしてＰＣＲを行った
。図３５は、この実験の結果を示し、この結果は、ＤＮＡが、本発明の特定の実
施形態における使用に適切な微小粒子によって、選択的に取得され、そして放出
され得ることを実証する。
【０１５９】 （実施例２−特定の実施形態の調整における流れ図） 図３６は、特定の実施形態のためのシステムパラメータの調整において有用な
流れ図を示す。
【０１６０】 （実施例３−図２６に示されるような実施形態についてのサイズの特定化） 駆動トレース： ４０ミクロンの磁石ワイヤ ８ｍｍの波長、方形波パターン ２トーレス、空間的に９０°のオフセット 偏向トレース： １００ミクロンの磁石ワイヤ ２ｍｍの内径、３．５ｍｍの外径、６巻き（ポッパー（ｐｏｐｐｅｒ）を有する
回路） ２．５ｍｍの内径、４ｍｍの外径、６巻き（直線トラック） 駆動トレース上２．８ｍｍ（０．１１”） ポップアウト（ｐｏｐ−ｏｕｔ）コイル １００ミクロンの磁石ワイヤ ７ｍｍの外径、１ｍｍの内径、１．５ｍｍの厚み 独立コイル；典型的な充填因子７０％ ポップアウトレザバに関連する置換については、図面を参照のこと。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 図１Ａは、反磁性浮遊微小実験システムの断面図を示す。
【図１Ｂ】 図１Ｂは、図１Ａの反磁性浮遊微小実験システムの上から下への（ｔｏｐ−ｄ
ｏｗｎ）図を示す。
【図２Ａ】 図２Ａは、矩型サンドイッチ型反磁性浮遊微小粒子の断面図を示す。
【図２Ｂ】 図２Ｂは、反対の端部が同じ外向きの極性を有する微小粒子を示す。
【図３Ａ】 図３Ａは、磁性マトリクス微小粒子の上から下への図を示す。
【図３Ｂ】 図３Ｂは、同心同軸磁性マトリクス微小粒子の上から下への図を示す。
【図４】 図４は、二極性磁性球微小粒子を示す。
【図５】 図５Ａ〜Ｃは、微小粒子を作製する好ましい方法を示す。
【図６Ａ】 図６Ａは、微小粒子を作製する好ましい方法を示す。
【図６Ｂ】 図６Ｂは、微小粒子を作製する好ましい方法を示す。
【図６Ｃ】 図６Ｃは、微小粒子を作製する好ましい方法を示す。
【図７】 図７は、駆動構造に隣接する磁性基板の上を浮遊するいくつかの磁性微小粒子
の断面図を示す。
【図８】 図８は、駆動構造に隣接する二つの対向する磁性基板の間を浮遊する磁性微小
粒子の断面図を示す。
【図９】 図９Ａおよび９Ｂは、浮遊微小粒子と反磁性表面との間に挿入される金属層の
効果を低下させる効果を示す。
【図１０】 図１０Ａおよび１０Ｂは、浮遊微小粒子上の流体の弱める効果を示す。
【図１１】 図１１Ａおよび１１Ｂは、二つの対向する反磁性基板との間で浮遊する磁性微
小粒子のＺ座標において付勢エレメントが有する効果の断面図を示す。
【図１２】 図１２は、微小粒子による通過物に対する受動付勢エレメントの効果を示す。
【図１３】 図１３Ａおよび１３Ｂは、駆動基板に配置される駆動エレメントを作動させた
駆動基板に隣接した反磁性基板の上を浮遊しながら、好ましい位置に向かって移
動する単純な双極子磁石を示す。
【図１４】 図１４Ａ〜１４Ｃは、反磁性表面の上のワークプレイスを横切る二つの異なる
微小粒子の方向付けられた動きを示す。
【図１５】 図１５は、二つの寸法における反磁性基板の表面を横切る磁性微小粒子の動き
の斜視図である。
【図１６】 図１６は、駆動構造に埋め込まれた駆動エレメントの斜視図を示す。
【図１７】 図１７は、方形波ヘビ状トラックを示す。
【図１８】 図１８は、正弦波ヘビ状トラックを示す。
【図１９Ａ】 図１９Ａは、微小粒子スイッチングトラック（切り替えトラック）を有する二
つの隣接したトラックを示す。
【図１９Ｂ】 図１９Ｂは、微小粒子スイッチングトラックを有する二つの隣接したトラック
を示す。
【図１９Ｃ】 図１９Ｃは、微小粒子スイッチングトラックを有する二つの隣接したトラック
を示す。
【図２０】 図２０Ａ〜Ｅは、ワークプレイスを通る微小粒子の動きを示し、ここで、この
微小粒子は、レザバに含まれる液体に浸され、液体を通って進み、次いで液体か
ら出てワークプレイスを通る動きを続ける。
【図２１】 図２１Ａ〜Ｅは、レザバに含まれる液体の上のワークプレイスを通る微小粒子
の動きを示す。
【図２２】 図２２Ａ〜Ｅは、ワークプレイスを通る微小粒子の動きを示し、ここで、微小
粒子は、レザバに含まれる流体の表面上に下り、表面に沿って移動し、次いで流
体表面の上に上がってワークプレイスを通る動きを続ける。
【図２３】 図２３は、二つの微粒子を中に保持したレザバ内に含まれる液体の上のワーク
プレイスを通った微小粒子の動きを示す。
【図２４】 図２４は、基板内のレザバ内に保持された流体内の異なる位置での複数の微粒
子の配置を示す。
【図２５】 図２５Ａ〜Ｄは、微小粒子が通過し得る側面ポートアクセスを有する、微小粒
子を試薬と反応およびインキュベートするために使用される異なる実験ステーシ
ョンを示す。 図２５は、それぞれのチャンバを相互連結する複数の側面ポートを有する、微
小粒子を試薬と反応およびインキュベートするために使用されるマルチチャンバ
実験ステーションを示す。
【図２６】 図２６は、側面ポートアクセスチャネルを使用するマイクロ実験システムの上
から下への図を示す。
【図２７Ａ】 図２７Ａは、微小粒子に接続された化学ピックアップエフェクターの使用を示
す。
【図２７Ｂ】 図２７Ｂは、微小粒子に接続された化学ピックアップエフェクターの使用を示
す。
【図２７Ｃ】 図２７Ｃは、微小粒子に接続された化学ピックアップエフェクターの使用を示
す。
【図２７Ｄ】 図２７Ｄは、微小粒子に接続された化学ピックアップエフェクターの使用を示
す。
【図２７Ｅ】 図２７Ｅは、微小粒子に接続された化学ピックアップエフェクターの使用を示
す。
【図２７Ｆ】 図２７Ｆは、微小粒子に接続された化学ピックアップエフェクターの使用を示
す。
【図２７Ｇ】 図２７Ｇは、微小粒子に接続された化学ピックアップエフェクターの使用を示
す。
【図２７Ｈ】 図２７Ｈは、微小粒子に接続された化学ピックアップエフェクターの使用を示
す。
【図２７Ｉ】 図２７Ｉは、微小粒子に接続された化学ピックアップエフェクターの使用を示
す。
【図２７Ｊ】 図２７Ｊは、微小粒子に接続された化学ピックアップエフェクターの使用を示
す。
【図２８】 図２８Ａおよび２８Ｂは、微小粒子を調べる（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｎｇ）
ための光透過検出器および落射型検出器を示す。
【図２９】 図２９Ａおよび２９Ｂは、光学的にコードされた微小粒子および放射線コード
された微小粒子を示す。
【図３０】 図３０Ａおよび３０Ｂは、マルチステーション微小実験のための異なるレイア
ウトの上から下の図を示す。
【図３１】 図３１Ａおよび３１Ｂは、マルチモジュール微小実験システムを示し、ここで
、微小実験サブシステムは、単一の支持体に組み合わせられてカスタマイズされ
た微小実験システムを作製する。
【図３２Ａ】 図３２Ａは、動的構造を有する微小実験システムを示す。
【図３２Ｂ】 図３２Ｂは、動的構造を有する微小実験システムを示す。
【図３２Ｃ】 図３２Ｃは、動的構造を有する微小実験システムを示す。
【図３２Ｄ】 図３２Ｄは、動的構造を有する微小実験システムを示す。
【図３２Ｅ】 図３２Ｅは、動的構造を有する微小実験システムを示す。
【図３３】 図３３は、異なるチャネルまたはトレンチに基づくシステムを示す。
【図３４】 図３４は、異なるチャネルまたはトレンチに基づくシステムを示す。
【図３５】 図３５は、実施例１に議論される結果に対応するデータを示す。
【図３６】 図３６は、本発明の特定の実施形態を較正するために使用されるフローチャー
トを示す。
【手続補正書】
【提出日】平成１４年９月２０日（２００２．９．２０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９Ａ】
【図１９Ｂ】
【図１９Ｃ】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７Ａ】
【図２７Ｂ】
【図２７Ｃ】
【図２７Ｄ】
【図２７Ｅ】
【図２７Ｆ】
【図２７Ｇ】
【図２７Ｈ】
【図２７Ｉ】
【図２７Ｊ】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２Ａ】
【図３２Ｂ】
【図３２Ｃ】
【図３２Ｄ】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
───────────────────────────────────────────────────── 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，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，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，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ， ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，Ｐ Ｔ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 シャストリ， サブラマニアン ベンカッ ト アメリカ合衆国 カリフォルニア 94306， パロ アルト， ミラー アベニュー 4373 (72)発明者 ジョセフ， ジョーゼ ピー． アメリカ合衆国 カリフォルニア 94306， パロ アルト， ウェイバリー ストリ ート 3276 Ｆターム(参考） 4B029 AA23 BB20 CC02

Claims (31)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 自動化微小規模形式において所望の活動を実行する際に使用
    するための装置であって、該装置は、以下： ａ）ｘ−ｙ座標を規定する第１のワークプレイスを有する第一の基板； ｂ）該第１のワークプレイスに隣接した制御された運動に適応した１つ以上の
    微小粒子であって、 該微小粒子の各々は、１つ以上の磁気双極子または静電気双極子を有するよう
    に適応され、 該微小粒子の１つ以上は、１つ以上のエフェクターを有する、微小粒子； ｃ）異なる既知の第１のワークプレイスのｘ−ｙ座標に配置された複数のステ
    ーションであって、 該ステーションは、該微小粒子エフェクターを用いた１つ以上の選択された操
    作において実行または関与するように適応されている、ステーション； ｄ）該第１のワークプレイスに隣接して配置された第１の駆動構造であって、 該駆動構造は、複数の第１構造の駆動エレメントを有し、 該複数の第１構造の駆動エレメントは、該駆動エレメントと該微小粒子の双極
    子との相互作用によって、選択された第１のワークプレイスのｘ−ｙ座標の間で
    １つ以上の該微小粒子を動かすように選択的にエネルギー付与し得る、駆動構造
    ；ならびに ｅ）該第１構造の駆動エレメントに作動可能に連結された１つ以上のコントロ
    ーラーであって、 これによって、該第１構造の駆動エレメントをエネルギー付与して該所望の活
    動を達成するために選択されたステーションの間でまたはその中で該１つ以上の
    選択された微小粒子を動かす、コントローラー を備える、装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の装置であって、該装置は、以下： ａ）第２のワークプレイスを有する第２の基板であって、 該第２の基板は、前記第１の基板に隣接して配置されて、拡大したｘ−ｙ座標
    を有する連続するワークプレイスを形成するように適応される、第２の基板； ｂ）該第２の基板上で実行される１つ以上のさらなるステーション；および ｃ）該第２のワークプレイスに隣接して配置された第２の駆動構造であって、 該駆動構造は、複数の第２構造の駆動エレメントを有し、 該複数の第２構造の駆動エレメントは、該第２構造の駆動エレメントと該微小
    粒子の双極子との相互作用によって、選択された第２のワークプレイスのｘ−ｙ
    座標の間で１つ以上の該微小粒子を動かすように選択的にエネルギー付与し得る
    、第２の駆動構造； をさらに備え、 ここで、前記コントローラーは、該第２構造の駆動エレメントに作動可能に連
    結され、これによって、該第２構造の駆動エレメントをエネルギー付与させて該
    第２の基板上の選択されたステーションの間でまたはその中で該１つ以上の選択
    された微小粒子を動かし、そして、前記第１構造の駆動エレメントおよび該第２
    構造の駆動エレメントは、該微小粒子の１つ以上を一方の基板から他方の基板へ
    移動するようにエネルギー付与させ得る、 装置。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の装置であって、該装置は、以下： ａ）前記第１の基板に隣接して配置されるように適応された第２の基板であっ
    て、ｘ−ｙ座標を有する前記第１のワークプレイスおよび前記第２のワークプレ
    イス内で微小粒子の移動を増加させる、第２の基板；ならびに ｂ）該第２の基板に隣接して配置された第２の駆動構造であって、 該駆動構造は、複数の第２構造の駆動エレメントを有し、 該複数の第２構造の駆動エレメントは、該第２構造の駆動エレメントと該微小
    粒子の双極子との相互作用によって、選択された第１ワークプレイスのｘ−ｙ座
    標または選択された第２のワークプレイスのｘ−ｙ座標の間で１つ以上の該微小
    粒子を動かすように選択的にエネルギー付与し得る、第２の駆動構造； をさらに備え、 ここで、前記コントローラーは、該第２構造の駆動エレメントに作動可能に連
    結され、これによって、該第２構造の駆動エレメントをエネルギー付与させて選
    択されたステーションの間でまたはその中で１つ以上の選択された微小粒子を動
    かし、そして、前記第２構造の駆動エレメントは、該第１の基板と該第２の基板
    との間の１つ以上の該微小粒子を移動するようにエネルギー付与させ得る、 装置。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の装置であって、ここで前記駆動構造は、１
    つ以上の付勢エレメントをさらに備え、 該付勢エレメントは、配置された微小粒子または前記基板上を動く微小粒子に
    対して鉛直なｚ次元の力を付与するためか、１つ以上の選択された微小粒子を異
    なる選択されたｚ軸位置に移動するためか、または該微小粒子の動きをｚ方向に
    制御するのに有効である、装置。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の装置であって、ここで、１つ以上の前記ス
    テーションは、選択された液体を保持するためのチャンバ、およびガス／液体界
    面を規定するチャンバ開口部を備える、装置。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載の装置であって、ここで、１つ以上の前記駆
    動エレメントは、エネルギー付与される場合、前記ガス／液体界面を横切って前
    記チャンバの中および外に前記微小粒子の１つ以上を移動させる、装置。
  7. 【請求項７】 請求項５に記載の装置であって、ここで、前記コントローラ
    ーは、該駆動エレメントを作動して、ガス−液体方向で前記界面を横切る微小粒
    子を加速し、そして加速して次に液体−ガス方向で該界面を横切る微小粒子を減
    速するように設計または設定される、装置。
  8. 【請求項８】 請求項１に記載の装置であって、ここで、前記活動は、実験
    活動であり、該実験活動は、化学合成、単一分析物診断もしくは複数分析物診断
    、およびハイスループットスクリーニングのうちの１つを含む、装置。
  9. 【請求項９】 請求項１に記載の装置であって、ここで、前記ステーション
    は、化学試薬、洗浄試薬、または生物学的部分のうちの１つを維持するように適
    応される、装置。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載の装置であって、ここで、前記生物学的部
    分は、オリゴヌクレオチド、ＤＮＡ、タンパク質、酵素、抗体、抗原、細胞、お
    よびヒトもしくは動物の体液のうちの１つを含む、装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１に記載の装置であって、ここで、前記微小粒子は
    、化学化合物が合成され得る表面結合した化学基を含む、装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１に記載の装置であって、該装置は、第１の化合物
    と第２の化合物との間または第１の化合物と生物学的細胞との間の結合反応に依
    存する方法における使用のための装置であり、 ここで、少なくとも１つの前記微小粒子は、表面結合した第１の化合物を有し
    、そして 少なくとも１つの前記実験ステーションは、該第２の化合物または生物学的部
    分を含む、装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１に記載の装置であって、該装置は、一方のステー
    ションから他方のステーションへ材料を移動させるための装置であり、 ここで、少なくとも１つの前記微小粒子は、第１のステーションからこのよう
    な材料を拾い上げかつ運び、そして第２のステーションに該材料を置くためのエ
    フェクターを含む、装置。
  14. 【請求項１４】 請求項１に記載の装置であって、ここで、１つ以上の前記
    微小粒子は、浮遊状態で移動するために適応されている、装置。
  15. 【請求項１５】 浮遊表面を規定する１つ以上の反磁性層をさらに含む請求
    項１４に記載の装置であって、ここで、前記微小粒子は、反磁性浮遊によって安
    定に浮遊するように適応されている、装置。
  16. 【請求項１６】 請求項１４に記載の装置であって、ここで、前記浮遊状態
    は、完全にまたは部分的に、静電的な浮遊、浮遊性の浮遊、または表面張力浮遊
    から生じる、装置。
  17. 【請求項１７】 １つ以上の付勢エレメントをさらに備える請求項１４に記
    載の装置であって、該付勢エレメントは、前記微小粒子を該付勢エレメントに向
    かってまたは該付勢エレメントから離れて移動させるための付勢エレメントであ
    る、装置。
  18. 【請求項１８】 自動化微小規模形式において１つ以上の所望の活動を実行
    する際に使用するための装置であって、該装置は、以下： ａ）上部表面を有するワークプレイスの広がりを形成する基板； ｂ）該基板内または該基板に隣接して形成される１つ以上のステーション； ｃ）該基板内に形成された１つ以上のトレンチであって、 該トレンチは、選択された形式で該ステーションに内部接続されて、少なくと
    も１つの交差部を形成し、 該トレンチは、１つ以上の液体を保持し得る、 トレンチ； ｄ）該トレンチ内に可動性適合するように適応された１つ以上の微小粒子であ
    って 該微小粒子の各々は、１つ以上の磁気双極子または静電的な双極子および１つ
    以上のエフェクターを有する、 微小粒子； ｅ）該ワークプレイスに隣接して配置された駆動構造であって、 該駆動構造は、複数の駆動エレメントを有し、 該複数の駆動エレメントは、該駆動エレメントと該微小粒子の双極子との相互
    作用によって、該トレンチを介して該微小粒子の１つ以上の該微小粒子を動かす
    ようにエネルギー付与し得る、 駆動構造；ならびに ｆ）該駆動エレメントに作動可能に連結された１つ以上のコントローラーであ
    って、 これによって、該駆動エレメントをエネルギー付与して該１つ以上の該所望の
    活動を達成するために該トレンチによって内部接続された選択されたステーショ
    ンの間でまたはその中で該１つ以上の選択された微小粒子を動かす、コントロー
    ラー、 を備える、装置。
  19. 【請求項１９】 １つ以上のカバー構造をさらに備える請求項１８に記載の
    装置であって、該カバー構造は、該基板の上部表面に対して適合して、該トレン
    チからの１つ以上のチャネルを該上部表面内に形成するように適応される、装置
    。
  20. 【請求項２０】 ２つ以上の電極をさらに備えた請求項１８に記載の装置で
    あって、該電極は、前記トレンチが１つ以上の伝導媒体で充填される場合、該ト
    レンチを介して１つ以上の電流を選択的に通過させ、 ここで、該電流は、該トレンチ内および前記実験ステーション間の１つ以上の
    試薬または分析物の移動を動電学的に引き起こすかまたは制御し得、その結果、
    該試薬は、前記選択された微小粒子が前記交差部内に存在する場合、１つ以上の
    選択された微小粒子と一過性に接触する、 装置。
  21. 【請求項２１】 請求項２０に記載の装置であって、該装置は、以下： ａ）第１のトレンチによって第１の排出リザーバに連結された洗浄リザーバ；
    および ｂ）第２のトレンチによって第２の排出リザーバに連結された試薬リザーバ をさらに備え、 ここで、該第１のトレンチおよび第２のトレンチは、交差して、微小粒子を試
    薬に一過性に曝露するための交差部を形成し、 該リザーバの各々は、該リザーバ内に含まれる液体と電気的に連絡するように
    適応された電極を該リザーバ内に配置し、その結果、第１の電流が該試薬リザー
    バの電極と該第２の排出リザーバの電極との間に流れる場合、試薬が、該交差部
    を介して該第１のトレンチに沿って通過する選択された微小粒子と接触するため
    に、該交差部に動電学的に導入される、 装置。
  22. 【請求項２２】 １つ以上のカバー構造をさらに備える請求項２１に記載の
    装置であって、該カバー構造は、該基板の上部表面に対して適合して、該トレン
    チからの１つ以上のチャネルを該上部表面内に形成するように適応される、装置
    。
  23. 【請求項２３】 請求項２２に記載の装置であって、ここで、前記交差部は
    、オフセット二重Ｔ型交差部を形成する、装置。
  24. 【請求項２４】 １つ以上の付勢エレメントをさらに備える請求項１８に記
    載の装置であって、該付勢エレメントは、前記交差部内の前記選択された微小粒
    子を選択的に維持するための１つ以上の該交差部に隣接して配置される、装置。
  25. 【請求項２５】 請求項１８に記載の装置であって、ここで、前記微小粒子
    は、浮遊状態での前記デバイス内の移動に適応している、装置。
  26. 【請求項２６】 浮遊表面を規定する１つ以上の反磁性層をさらに備える、
    請求項２５に記載の装置であって、ここで、前記微小粒子が反磁性浮遊によって
    安定に浮遊するように適応されている、装置。
  27. 【請求項２７】 請求項２５に記載の装置であって、ここで、前記浮遊状態
    が、完全にまたは部分的に、静電的な浮遊から生じる、装置。
  28. 【請求項２８】 請求項２５に記載の装置であって、ここで、前記浮遊状態
    が、完全にまたは部分的に、浮遊性の浮遊から生じる、装置。
  29. 【請求項２９】 請求項２５に記載の装置であって、ここで、前記浮遊状態
    が、完全にまたは部分的に、表面張力浮遊から生じる、装置。
  30. 【請求項３０】 請求項２５に記載の装置であって、ここで、前記浮遊状態
    が一過性に生じる、装置。
  31. 【請求項３１】 １つ以上の付勢エレメントをさらに備える請求項２５に記
    載の装置であって、該付勢エレメントは、前記微小粒子を該付勢エレメントに向
    かってまたは該付勢エレメントから離れて移動させるための付勢エレメントであ
    る、装置。
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