JP2005502448A - 微細化２ピン液体試料供給システム - Google Patents
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Abstract
2ピン液体試料供給システム（10）が提供される。2ピン供給システムは、間に液体の液滴を保持する別々に移動可能な一対のピン（11、12）を含んでいる。各ピンは、試料獲得領域（14）を形成するように他方のピンから所定距離だけ離して配置された先端（11a、12a）を含んでいる。各ピンは、液体試料の液滴を獲得し、各先端間の空間に形成された試料獲得領域に保持し、液滴を、選択された試料操作システムに与える。各先端間の距離は、可変の物理的性質を有するそれぞれの異なる液体試料に対処し、獲得された液滴の体積を変化させるように可変である。
Description
【技術分野】
【０００１】
関連出願の参照
本出願は、2001年6月20日に出願された米国特許仮出願第60/299,515号、2001年9月25日に出願された米国特許仮出願第60/325,001号、2001年12月21日に出願された米国特許出願第10/027,171号、2001年12月21日に出願された米国特許出願第10/028,852号、2001年12月21日に出願された米国特許出願第10/027,484号、2001年12月21日に出願された米国特許出願第10/027,516号、2001年12月21日に出願された米国特許出願第10/027,922号、および2001年12月21日に出願された米国特許出願第10/029,108号に対する優先権を主張するものである。これらの出願はすべて、参照として明示的に本明細書に組み入れられる。
【０００２】
発明の分野
本発明は、液体試料の液滴を形成し供給する液体供給システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
多くの化学産業、バイオメディカル産業、バイオサイエンス産業、および製薬産業では、反応や、分離や、その後に続く検出段階などの化学工程を試料に対して行う必要がある。化学的試料および生物学的試料を迅速に、効率的に、かつ高度に制御可能に操作し分析することができる微量流体システムなどの試料操作システムに、このような試料を導入することが一般に望ましい。
【０００４】
電気泳動システムの方へ、電気泳動システム内で、または電気泳動システム間で、流体、たとえば試料や、アナライトや、試薬や、合成の前駆物質や、緩衝液を連通させる多数の方法が発表されている。一般に、微量流体システムへの液体試料の導入は、試料管路または試料ウェルを通して行われる。微量流体システムに液体試料を導入するために、試料ウェル、試料管路、またはその他の試料導入ポートに液体試料を供給する毛管を設けることができる。毛管を使用することの顕著な欠点は、毛管では本来、注入効率が低く、すなわち、微量流体システムの一部における特定の化学工程に必要な液体の体積と、導入工程に必要な液体の全体積との比が大きいことに関する。さらに、毛管を用いて供給される試料の厳密な体積を調節するのは一般に困難である。さらに、管を満たすのに用いられるのと同じポートが液体試料を吐出するのにも用いられるため、毛管は汚染されやすい。
【０００５】
内容が参照として本明細書に組み入れられるMartinskyの米国特許第6,101,946号は、生化学物質のマイクロアレイを印刷するピン・ベースのシステムを記載している。マイクロアレイ印刷システムは、試料管路と、電子ディスチャージ・マシン（EDM）によって切削された平坦な先端とを有するステンレススチール印刷ピンを含んでいる。ピンは、試料管路を満たし、その後、印刷基板に直接接触して試料を試料管路から印刷基板に供給することによって生化学物質を与える。第6,101,946号特許に記載されたピン・ベースのシステムの欠点は、供給される試料の量を調節する能力である。ピン・ベースのシステムでは、ピンの先端と印刷基板とを直接接触させる必要があるので、汚染および破壊が起こりやすい。他の欠点は、試料を供給するのに十分な接触が行われるようにこの先端を厳密に位置させるのが困難であることに関する。
【０００６】
内容が参照として本明細書に組み入れられるShalonらの米国特許第6,110,426号は、生物学的試料のマイクロアレイを形成する毛管ディスペンサを記載している。この毛管ディスペンサは、液体試料を保持するようになっている細長い開放された毛管路を含んでいる。管路は、互いの方へ先細りにされ、管路の下方の端部にある先端領域に収束する、間隔を置いて配置され、空間内に同一の広がりを持つ、一対の細長い管路によって形成されている。細長い部材は、互いに対して固定されており、毛管路は一定の体積に制限されている。さらに、獲得され第6,110,426号特許の毛管ディスペンサから供給される試料の量を調節するのは困難である。
【発明の開示】
【０００７】
発明の概要
本発明は、液体試料の液滴を形成し供給する2つの微細化相互作用ピンを含む試料供給システムを提供する。各ピンは、試料獲得領域を形成するように他方のピンから所定距離だけ離して配置された先端を含んでいる。各ピンは、液体試料の液滴を獲得して、各先端間の空間に形成された試料獲得領域内に保持し、液滴を、選択された試料保持システムに与える。各先端間の距離は、可変の物理的性質を有するそれぞれの異なる液体試料に対処し、獲得された液滴の体積を変化させるように可変である。
【０００８】
第1の局面によれば、液滴供給システムが提供される。液滴供給システムは、液体試料の液滴を保持する2本の別々に移動できるピンを含んでいる。液滴供給システムは、ホルダと、ホルダに連結され第1の先端を有する第1のピンと、ホルダに連結され、所定の体積の液体試料を保持する試料獲得領域を形成するように第1の先端から初期離隔距離だけ離して配置された第2の先端を有する第2のピンとを含んでいる。初期離隔距離は可変である。
【０００９】
第2の局面によれば、液体試料の液滴を基板に与える方法が提供される。この方法は、可変距離だけ離して配置された2本のピンを含む供給システムを設ける段階と、ピン先端をリザーバに浸漬して液体試料の液滴を獲得する段階と、基板に接触させて液体試料のスポットを基板上に付着させる段階とを含む。スポットは、液滴体積よりも少ない所定の体積を有する。
【００１０】
他の局面によれば、第1の液体試料を第2の液体で希釈する方法が提供される。この方法は、第1の先端および第1の先端から可変距離だけ離して配置された第2の先端を有する2本のピンを含む供給システムを設ける段階と、第2の液体を含む第2のリザーバに第1の液体試料の液滴を含むピン先端を浸漬し、それによって第1の液体試料の液滴を第2の液体に拡散させる段階とを含む。
【００１１】
他の局面によれば、2ピン液滴供給システムが供給される。2ピン液滴供給システムは、ホルダと、ホルダに連結され第1の先端を有する第1のピンと、ホルダに連結され、所定体積の液体試料を保持する試料獲得領域を形成するように第1の先端から所定距離だけ離して配置された可動先端を有する第2のピンとを含んでいる。このシステムは、可動先端を第1の先端に対して移動させるドライバをさらに含んでいる。
【００１２】
最後の局面によれば、ホルダと、第1の先端を有する第1のピンと、先端への衝撃を吸収する緩和領域とを含む液体試料供給システムが提供される。
【００１３】
例示的な態様の詳細な説明
本発明は、所定体積の液体試料を供給する供給システムを提供する。本発明の供給システムは、液体試料を厳密に獲得し、2本の相互作用ピンを使用する試料操作システムに液体試料を供給する。この供給システムは基本研究環境または商業環境で用いるのに適している。供給システムは、廃棄物および汚染を著しく減らしつつ、液滴を形成し供給する効率、速度、および制御性を高めることによって試料操作システムへの試料の導入を著しく改善する。本発明について以下に例示的な態様に関して説明する。当業者には、本発明をいくつかの異なる用途および態様で実施することができ、かつ本発明が、本明細書に示されている特定の態様への適用に特に制限されないことが理解されると考えられる。
【００１４】
図1aおよび1bは、供給された液体試料を含むリザーバから所定体積を有する液体試料の液滴を獲得する試料獲得モードにおける本発明の例示的な態様の2ピン供給システム10を示している。例示的な2ピン供給システム10は、各ピンの先端間に液体の液滴を保持するようなサイズおよび構成を有する別々に移動可能な一対の相互作用ピンを含んでいる。2ピン供給システム10は、ホルダ13に移動可能に連結された第1のピン11および第2のピン12を含んでいる。先端11a、12aは、初期離隔距離Dだけ分離され、各先端間の空間に試料獲得領域14を形成している。各ピンの位置は、1本または複数のピン11、12に配置されたアクチュエータ15を用いて制御される。他の態様によれば、ピン先端11a、12a間の離隔距離Dを測定するセンサ16が1本または複数のピン11、12上に設けられる。当業者には、本発明がピンを保持する任意の適切な構造を含んでよいことが認識されると考えられる。
【００１５】
生物学的試料などの液体試料の液滴を獲得する場合、供給された選択された液体試料を含むリザーバ17にピン先端11a、12aが浸漬される。ピン先端11a、12aは、試料獲得領域14への毛管流が可能になるように位置させられている。試料獲得領域14で生じる毛管力により、ピン先端11a、11bの離隔距離によって定められる体積を有する液滴18が試料獲得領域14に引き込まれる。各ピン先端の表面間に生じた毛管力によって、2つのピン先端11a、11b間に形成された試料獲得領域14に液滴が保持される。ピン11、12のアクチュエータ15は、ピンを移動させて、各先端間の離隔距離Dを変化させ、それにより、2ピン供給システムによって獲得される試料の量を変化させるか、または2ピン供給システムから試料を供給する。
【００１６】
例示的な態様によれば、2ピン供給システム10は、約50ピコリットルから約50ナノリットルの間の体積の液体試料を獲得するように構成される。当業者には、獲得される体積がこの範囲に限らず、ピンを、任意の適切な体積の液体を収容するように間隔を置いて配置できることが認識されると考えられる。
【００１７】
アクチュエータ15は、各ピン間の離隔距離Dを修正することによって、粘度、表面張力のような特定の液体試料の可変物理的性質を補償することができる。センサ16を利用して、各先端間にかかる力および獲得される液体試料の物理的性質を工程中に測定することもできる。このように、ピン供給システム10の設定（すなわち、ピン離隔距離）は、液体試料の測定される性質の変動をリアルタイムに補償するように修正することができる。
【００１８】
例示的な態様によれば、液滴供給システム10は、標準リソグラフィ・エッチング・プロセスなどの微細製造技術を用いてピン構造を製造することによってシリコン・ウェハから製造される。当業者には、他の材料および製造技術を利用できることが認識されると考えられる。たとえば、ピン供給システムは、ガラス、プラスチック、または他の任意の適切な材料で作ることができる。一態様によれば、各システムが可変離隔距離を有する2本のピンを含む液滴供給システム10のアレイは、シリコン・ウェハのような単一の基板上に形成することができる。たとえば、最大で約300個以上の2ピン供給システム10のアレイを4インチのシリコン・ウェハ上に形成することができる。
【００１９】
図2は、スポッティング・モードにおける例示的な態様の2ピン供給システム10を示している。2ピン供給システム10は、核酸分子やタンパク質などの生化学物質のアレイ、または他の適切な液体試料を、プロテオミクス、ゲノム科学、スクリーニング、診断、およびその他の用途に使用できるように印刷基板、滴定プレート、微量流体システムまたは装置などの試料操作システムに印刷または排出するスポッティング・システムとして利用することができる。供給システムは、液滴を獲得した後、表面20に接近させられる。表面20は、固体表面または液体を含んでよい。表面20は、多孔膜などの多孔構造、または顕微鏡スライドなどの非多孔構造を含んでよい。充填されたピンは、ピン先端11a、11bと表面とが直接接触することによって、選択されたスポット体積を有するスポット21を表面20上に付着させる。接触時の離隔距離D2は、液体試料の供給されるスポットの体積を増減させるように変化させることができる。例示的な態様によれば、供給されるスポット21の体積は、獲得される液滴18の体積よりもずっと小さく、一般にサブナノリットルである。ただし、当業者には、本発明がこの範囲に限らないことが認識されると考えられる。
【００２０】
例示的な態様の2ピン供給システムをスポッティング用途に用いると、マイクロアレイにおいて付着されるスポットのサイズに対する制御が改善され、また、より小さいスポットを形成し付着させることができる。
【００２１】
ピン供給システムはさらに、選択された体積の第1の液体を第2の液体試料で希釈する、希釈による湿式付着システムとして利用することができる。図3aおよび3bは、希釈モードにおける2ピン供給システム10を示しており、この場合、試料の獲得された液滴18は、供給されたより大きな標的流体30で希釈される。サイズがピン先端11a、12aの離隔距離によって定められる液滴18を供給システム10が獲得した後、ピン先端11a、12aは、標的流体を含むリザーバ30に浸漬される。液滴18は、混合および拡散を介して自動的に標的流体で希釈される。希釈プロセスを加速するには、希釈中にアクチュエータ15を用いて先端11a、12aの離隔距離を広げることができる。
【００２２】
図4は、本発明の他の態様によって固定ピンおよび可動ピンを有する2ピン供給システム40を示している。図4の2ピン供給システムでは、第1のピン41の停止位置が基板43に対して固定されており、第2のピン42の固定位置は第1のピン41および基板43に対して移動可能である。2ピン供給システム40は、支点領域46内の第2の可動ピン42の位置を調整することによって先端41a、42a間の離隔距離を変化させるドライバ44をさらに含んでいる。例示的な態様によれば、可動ピンは、ドライバ44の制御下で固定ピボット点45の周りを回転し、先端における離隔距離を調整する。例示的な態様によれば、ピン41、42は、先端の破壊を防止する緩和領域51をさらに含んでいる。当業者には、2ピン供給システム40の一方または両方のピン41、42に緩和領域51を形成できることが認識されると考えられる。
【００２３】
例示的な2ピン供給システム40は、標準フォトリソグラフィ・エッチング・プロセスを用いてピン41、42、緩和領域51、ドライバ44、およびウェハ基板43における支点領域46の固定点45を製造することによってシリコン・ウェハから形成される。例示的な態様によれば、2ピン供給システム40は、約1cm2の寸法を有するシリコン・ウェハから製造される。ピン41、42は約5ミリメートルの長さを有する。ただし、当業者には、本発明がこのサイズに限らないことが認識されると考えられる。他の態様によれば、より大きなシリコン・ウェハまたは他の適切な基板が設けられ、このより大きなシリコン・ウェハ上にピン供給システムのアレイが製造される。たとえば、約10cm2のサイズを有するシリコン・ウェハを用いて、約70個の2ピン供給システム40のアレイを製造することができる。15cm2のシリコン・ウェハを利用して100個よりも多くの2ピン供給システム40をシリコン・ウェハ基板に製造することができる。当業者には、任意の適切な構成を用いて一方または両方のピンを移動させられることが容易に認識されると考えられる。
【００２４】
図5は、図4の2ピン供給システムの支点領域46の詳細図である。可動ピン42は、2つのピン先端の離隔距離を変化させるように固定点45の周りをピボット運動するように構成されている。ドライバ44は、支点領域46の付与領域47に力をかけて可動ピン42を回転させ、それによって可動ピン先端42aを固定ピン41の先端41aに対して移動させる。図示のように、支点領域46は、基板43に、固定点45に隣接して形成され、ドライバ44の作動に応答してピン42を固定点の周りを回転させるギャップ48を含んでいる。
【００２５】
本発明の他の態様によれば、支点領域はさらに、支点領域におけるピン42の実際の湾曲の差分検知を可能にする、圧電抵抗器62として示されている湾曲センサを支点領域の左側および右側に含んでいる。このように、湾曲の量および結果として得られる先端離隔距離は、閉ループ・フィードバック・システムを用いて制御することができる。湾曲センサを用いると、先端の変位をリアルタイムに検知できるようになることによって非線形温度効果がさらに制限される。
【００２６】
図6は、図4の2ピン供給システム40のドライバ44の詳細図である。図示のように、ドライバ44は、支点46の付与領域47に力をかけて先端42aを所定量だけ移動させるシリコンのバーを含んでいる。例示的な態様によれば、ドライバ44は、温度の上昇に応答して所定量だけ膨張する。ドライバ44が膨張すると、支点がピボット点の周りを回転する。例示的な態様によれば、システムは、ドライバ44の膨張に応じた先端42aの移動量とドライバの膨張量との比が100よりも大きくなるように構成される。言い換えれば、ドライバが1μm膨張すると、ピン先端42aは100μm変位する。
【００２７】
例示的な態様によれば、ドライバ44は、4mmの初期長さLを有している。シリコンの温度が300上昇すると、ドライバ44は1.08μm膨張する。ドライバ44が膨張するとピン42が固定ピボット点45の周りを回転し、それによって先端41a、42a間の離隔距離が108μmを超える量だけ広がる。
【００２８】
例示的な態様によれば、ドライバ44に熱を与える加熱抵抗器49がドライバに取り付けられている。加熱抵抗器は、ポリ抵抗器、拡散抵抗器、またはドライバ44に熱を与えてドライバ44の膨張を制御し、先端41a、42a間の離隔距離を変化させる任意の適切な手段を含んでよい。任意に、支点領域におけるドライバの不要な加熱を防止する冷却ファン（図示せず）が、ドライバ44に、支点領域45の近くに設けられる。他の態様によれば、ドライバ44の温度の閉ループ制御を行う、加熱手段と通信する温度センサ（図示せず）が、2ピン供給システム40に含められる。
【００２９】
当業者には、2ピン供給システムが例示的なドライバに限らないことが認識されると考えられる。他の態様によれば、ドライバ44は、静電システム、圧電システム、電気機械システム、熱電アクチュエータ、または所定の定義済みの力をかけてピン先端41a、42a間の離隔距離の調整を制御させる任意の適切なシステムを含む。当業者には、2ピン供給システムが離隔距離を変化させる支点に限らず、離隔距離を変化させる任意の適切な機構を利用できることがさらに認識されると考えられる。
【００３０】
図7aおよび7bは、図4の2ピン供給システム40の2本のピンの先端領域の詳細図である。前述のように、先端41a、42aは、ドライバ44によって定められる所定距離Dだけ離して配置されている。各先端は、試料表面70の形状によって決定される一定値である先端高さHおよび先端深さSによって形成される試料接触面70を含んでいる。試料獲得領域14の体積、したがって獲得される試料液滴の体積は、各先端間に形成される空間の体積、すなわち、先端高さHと先端深さSと離隔距離Dの積に対応する。たとえば、例示的な態様によれば、ピン先端41a、42a間の離隔距離Dは、約25μmから約125μmの間である。先端深さが約50μmであり高さが約200μmである先端の場合、結果として捕捉される液滴の体積は約250ピコリットルから約1.25ナノリットルの間である。先端深さが100μmであり高さが約400μmである先端の場合、先端離隔距離が約25μmから約125μmの間である場合、獲得される液滴の体積は約1.0ナノリットルから約5ナノリットルの間である。深さが500μmであり高さが500μmである先端は、各先端間の離隔距離が約25μmから約125μmの間であるとき体積が約6.25ナノリットルから約31.5ナノリットルの間の液滴を形成する。
【００３１】
先端高さHおよび先端深さSによって形成される先端接触面70は、互いに平行な面を形成することができ、または、好ましい態様によって、離隔距離Dが先端面の底部および／または前部に向かって小さくなるように先細りにすることができる。このようにして、より小さな液滴体積を収容することができる。先端41a、42aの勾配は、液滴形状を改良し液滴の供給を改善するように領域71と領域72で異ならせてよい。
【００３２】
図7cは、他の態様による先端41a、42aの断面図である。他の態様によれば、先端面70'は、その間に円筒形または円錐形の試料イ獲得領域14を保持し形成するように湾曲されている。
【００３３】
他の態様によれば、先端面70および／または外側軸面の一方または両方が、液滴の獲得および供給を改選するように親水性コーティング、疎水性コーティング、または他の化的コーティングで覆われる。たとえば、先端41、42は、試料獲得領域における試料の保持を改善するように親水性コーティングで形成するかまたは覆うことができる。一態様によれば、先端41、42の外側軸面は、試料獲得領域14を形成する先端面70に影響を与えずに金または他の適切な疎水性材料で被覆される。金属コーティングを用いると、液滴の体積および放出に対する制御が改善される。シリコンおよび／または金を用いるとさらに、先端を洗浄する際に、システムを劣化させずにより強力な洗浄液を利用することができる。このように、先端の汚染が軽減される。
【００３４】
コーティングは、シャドー・マスキングによって先端面70または先端41、42の他の表面にあるパターンとして与えることができる。コーティングは、マスクによって定められる所定のパターンとして表面上にスパッタリングまたは蒸着することができる。当業者には、液体試料の方向を定め、試料の獲得および供給に対する制御を改善する任意の適切なパターンを利用できることが認識されると考えられる。
【００３５】
他の態様によれば、供給システムは、ピン先端の表面に適切なパターン・コーティングが与えられた単一のピンを含んでよい。たとえば、単一のピンのシャフトを疎水性コーティングで被覆し、ピンの先端を適切な親水性コーティングで被覆して液体試料の獲得および供給を改善することができる。
【００３６】
図8は、図4のピン供給システム40の緩和領域51を示している。ピン先端41、42は、脆弱であり、ピンを製造するのに用いられるピン先端のサイズおよび材料のために、誤って表面に接触させられたときに壊れやすい。例示的な緩和領域51は、先端41aと基板43との間に形成されたばね52を含んでいる。先端41aが表面に接触すると、ばねがその衝撃を吸収し、先端41aを引き込んで破壊を防止する。ピンのばね52は、対応する先端を上向きに他方の先端から離れる方向に移動させて先端の衝突を防止する。本発明は、例示的なばね構成に限らない。当業者には、緩和領域51を形成してピン先端が破壊されないように保護するのに任意の適切なばね構成を利用できることが認識されると考えられる。
【００３７】
他の態様によれば、ばね52は、先端と表面との接触力を測定するセンサを含む。たとえば、差分圧電抵抗センサを、ばね52に含め、フィードバック制御ループを用いてばねを制御するようにアクチュエータ（図示せず）に連結することができる。ばねセンサを利用して、先端上の液滴によって生じる力を測定し、かつドライバが、先端上の液滴によって生じる可変の力を補償するのを可能にすることもできる。
【００３８】
本発明の他の態様によれば、緩和領域は、一定の体積を持つ試料獲得領域を形成する間隔を置いて配置された一対の固定ピンを含む2ピン供給システムで実施することができる。
【００３９】
前述のように、例示的な態様の2ピン供給システム10または40は、シリコン、ガラス、プラスチックのような適切な基板から微細製造することができる。例示的な態様によれば、フォトリソグラフィを利用して基板にピン構造を形成することができる。フォトリソグラフィでは、2ピン供給システム10または40の2本のピンおよびその他の構成要素のパターンは、そのパターンを含む1つまたは複数のフォトマスクを通して投影されるUVまたはその他の光によってパターン化された1つまたは複数のフォトレジスト層を用いて、シリコン・ウェハまたはその他の基板上に印刷される。次いで、基板がエッチングされ2ピン構造が製造される。当業者には、本発明の例示的な態様の2ピン供給システムを製造するのに任意の適切な微細製造技術を利用できることが認識されると考えられる。
【００４０】
当業者には、シリコン・ウェハまたはその他の適切な基板から単一ピン供給システムを製造するのに前述の微細製造技術をさらに利用できることが認識されると考えられる。たとえば、ピンおよび試料管路を形成するようにシリコン・ウェハをエッチングすることによってシリコン・ウェハから、米国特許第6,101,946号に記載されたように液体試料を獲得し供給する試料管路を形成する2つの先端を持つ単一ピン構造を微細製造することは本発明の範囲内である。
【００４１】
図9は、上述の微細製造技術を用いてシリコン・ウェハ101から形成された、本発明の態様による2ピン・試料供給システム100のアレイの走査電子顕微鏡（SEM）画像である。図示のように、複数の2ピン供給システムが単一のシリコン・ウェハ基板から製造される。各2ピン供給システムは、各ピンの先端間に試料獲得領域を形成するように間隔を置いて配置された一対の細長いピンを含んでいる。
【００４２】
図10は、図9の微細製造された2ピン供給システムのうちの1つの先端領域の詳細図を示す他のSEM画像である。図示のように、ピンは、各ピンの先端間に試料獲得領域140を形成するようにシリコン・ウェハにエッチングされる。図示のように、微細製造されたピン先端は、約100μmよりも短い離隔距離を有している。
【００４３】
図11は、本発明の態様による緩和領域51を有する微細製造された2ピン・試料供給システム110のアレイの他のSEM画像である。図示のように、このアレイも、上述の微細製造技術を用いてシリコン・ウェハ101から形成される。緩和領域51は、先端への衝撃を吸収するばねを形成するようにシリコン・ウェハの、ピン先端とホルダとの間の領域をエッチングすることによって形成される。緩和領域51は、ピン先端41、42が表面に接触したときにピン先端41、42が破壊されるのを防止する。
【００４４】
2ピン供給システムは、スポッティング用途および希釈用途向けの試料の液滴を形成し供給するプロセスを著しく向上させる。例示的な構成は、可変離隔距離を有する2本のピンを用いることによって獲得され付着される液体試料の量を厳密に調節できるようにする。ピン先端間の離隔距離を調整することによって、獲得される液滴と付着される液滴の体積が容易にかつ厳密に修正される。さらに、液体の体積の物理的性質を工程中に測定することができ、先端離隔距離を、変化を補償するように迅速にかつ容易に修正することができる。センサを用いると、液体試料の液滴を獲得し供給するプロセスを最適化するように先端離隔距離を厳密に調節することができる。
【００４５】
本発明について、例示的な態様に関して説明した。本発明の範囲から逸脱せずに上記の構成にある種の変更を加えることができるので、上記の説明に含まれるかまたは添付の図面に示されたすべての事項は例示的なものと解釈され、制限的な意味では解釈されないものとする。
【００４６】
特許請求の範囲が、本明細書に記載された本発明のすべての一般的な特徴および特定の特徴と、言葉の問題として、これらの特徴間に入ると言える本発明の範囲のすべての記述をカバーすることも理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】試料獲得モードにおける例示的な態様の2ピン供給システムを示す図である。
【図２】スポッティング・モードにおける例示的な態様の2ピン供給システムを示す図である。
【図３】希釈モードにおける例示的な態様の2ピン供給システムを示す図である。
【図４】固定ピンおよび可動ピンを含む2ピン供給システムの他の態様を示す図である。
【図５】図4の2ピン供給システムの支点領域の詳細図である。
【図６】図4の2ピン供給システムのドライバの詳細図である。
【図７】図4のピン供給システムの2本ピンの先端領域の詳細図である。
【図８】図4のピン供給システムの緩和領域を示す図である。
【図９】本発明の例示的な態様の開示によってシリコン・ウェハから微細製造された2ピン供給システムのアレイの走査電子顕微鏡（SEM）画像を示す図である。
【図１０】図9の2ピン供給システムの一方の先端領域のアレイを示すSEM画像の図である。
【図１１】本発明の例示的な態様の開示によってシリコン・ウェハから微細製造された緩和領域を有する2ピン供給システムのアレイを示すSEM画像の図である。
【０００１】
関連出願の参照
本出願は、2001年6月20日に出願された米国特許仮出願第60/299,515号、2001年9月25日に出願された米国特許仮出願第60/325,001号、2001年12月21日に出願された米国特許出願第10/027,171号、2001年12月21日に出願された米国特許出願第10/028,852号、2001年12月21日に出願された米国特許出願第10/027,484号、2001年12月21日に出願された米国特許出願第10/027,516号、2001年12月21日に出願された米国特許出願第10/027,922号、および2001年12月21日に出願された米国特許出願第10/029,108号に対する優先権を主張するものである。これらの出願はすべて、参照として明示的に本明細書に組み入れられる。
【０００２】
発明の分野
本発明は、液体試料の液滴を形成し供給する液体供給システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
多くの化学産業、バイオメディカル産業、バイオサイエンス産業、および製薬産業では、反応や、分離や、その後に続く検出段階などの化学工程を試料に対して行う必要がある。化学的試料および生物学的試料を迅速に、効率的に、かつ高度に制御可能に操作し分析することができる微量流体システムなどの試料操作システムに、このような試料を導入することが一般に望ましい。
【０００４】
電気泳動システムの方へ、電気泳動システム内で、または電気泳動システム間で、流体、たとえば試料や、アナライトや、試薬や、合成の前駆物質や、緩衝液を連通させる多数の方法が発表されている。一般に、微量流体システムへの液体試料の導入は、試料管路または試料ウェルを通して行われる。微量流体システムに液体試料を導入するために、試料ウェル、試料管路、またはその他の試料導入ポートに液体試料を供給する毛管を設けることができる。毛管を使用することの顕著な欠点は、毛管では本来、注入効率が低く、すなわち、微量流体システムの一部における特定の化学工程に必要な液体の体積と、導入工程に必要な液体の全体積との比が大きいことに関する。さらに、毛管を用いて供給される試料の厳密な体積を調節するのは一般に困難である。さらに、管を満たすのに用いられるのと同じポートが液体試料を吐出するのにも用いられるため、毛管は汚染されやすい。
【０００５】
内容が参照として本明細書に組み入れられるMartinskyの米国特許第6,101,946号は、生化学物質のマイクロアレイを印刷するピン・ベースのシステムを記載している。マイクロアレイ印刷システムは、試料管路と、電子ディスチャージ・マシン（EDM）によって切削された平坦な先端とを有するステンレススチール印刷ピンを含んでいる。ピンは、試料管路を満たし、その後、印刷基板に直接接触して試料を試料管路から印刷基板に供給することによって生化学物質を与える。第6,101,946号特許に記載されたピン・ベースのシステムの欠点は、供給される試料の量を調節する能力である。ピン・ベースのシステムでは、ピンの先端と印刷基板とを直接接触させる必要があるので、汚染および破壊が起こりやすい。他の欠点は、試料を供給するのに十分な接触が行われるようにこの先端を厳密に位置させるのが困難であることに関する。
【０００６】
内容が参照として本明細書に組み入れられるShalonらの米国特許第6,110,426号は、生物学的試料のマイクロアレイを形成する毛管ディスペンサを記載している。この毛管ディスペンサは、液体試料を保持するようになっている細長い開放された毛管路を含んでいる。管路は、互いの方へ先細りにされ、管路の下方の端部にある先端領域に収束する、間隔を置いて配置され、空間内に同一の広がりを持つ、一対の細長い管路によって形成されている。細長い部材は、互いに対して固定されており、毛管路は一定の体積に制限されている。さらに、獲得され第6,110,426号特許の毛管ディスペンサから供給される試料の量を調節するのは困難である。
【発明の開示】
【０００７】
発明の概要
本発明は、液体試料の液滴を形成し供給する2つの微細化相互作用ピンを含む試料供給システムを提供する。各ピンは、試料獲得領域を形成するように他方のピンから所定距離だけ離して配置された先端を含んでいる。各ピンは、液体試料の液滴を獲得して、各先端間の空間に形成された試料獲得領域内に保持し、液滴を、選択された試料保持システムに与える。各先端間の距離は、可変の物理的性質を有するそれぞれの異なる液体試料に対処し、獲得された液滴の体積を変化させるように可変である。
【０００８】
第1の局面によれば、液滴供給システムが提供される。液滴供給システムは、液体試料の液滴を保持する2本の別々に移動できるピンを含んでいる。液滴供給システムは、ホルダと、ホルダに連結され第1の先端を有する第1のピンと、ホルダに連結され、所定の体積の液体試料を保持する試料獲得領域を形成するように第1の先端から初期離隔距離だけ離して配置された第2の先端を有する第2のピンとを含んでいる。初期離隔距離は可変である。
【０００９】
第2の局面によれば、液体試料の液滴を基板に与える方法が提供される。この方法は、可変距離だけ離して配置された2本のピンを含む供給システムを設ける段階と、ピン先端をリザーバに浸漬して液体試料の液滴を獲得する段階と、基板に接触させて液体試料のスポットを基板上に付着させる段階とを含む。スポットは、液滴体積よりも少ない所定の体積を有する。
【００１０】
他の局面によれば、第1の液体試料を第2の液体で希釈する方法が提供される。この方法は、第1の先端および第1の先端から可変距離だけ離して配置された第2の先端を有する2本のピンを含む供給システムを設ける段階と、第2の液体を含む第2のリザーバに第1の液体試料の液滴を含むピン先端を浸漬し、それによって第1の液体試料の液滴を第2の液体に拡散させる段階とを含む。
【００１１】
他の局面によれば、2ピン液滴供給システムが供給される。2ピン液滴供給システムは、ホルダと、ホルダに連結され第1の先端を有する第1のピンと、ホルダに連結され、所定体積の液体試料を保持する試料獲得領域を形成するように第1の先端から所定距離だけ離して配置された可動先端を有する第2のピンとを含んでいる。このシステムは、可動先端を第1の先端に対して移動させるドライバをさらに含んでいる。
【００１２】
最後の局面によれば、ホルダと、第1の先端を有する第1のピンと、先端への衝撃を吸収する緩和領域とを含む液体試料供給システムが提供される。
【００１３】
例示的な態様の詳細な説明
本発明は、所定体積の液体試料を供給する供給システムを提供する。本発明の供給システムは、液体試料を厳密に獲得し、2本の相互作用ピンを使用する試料操作システムに液体試料を供給する。この供給システムは基本研究環境または商業環境で用いるのに適している。供給システムは、廃棄物および汚染を著しく減らしつつ、液滴を形成し供給する効率、速度、および制御性を高めることによって試料操作システムへの試料の導入を著しく改善する。本発明について以下に例示的な態様に関して説明する。当業者には、本発明をいくつかの異なる用途および態様で実施することができ、かつ本発明が、本明細書に示されている特定の態様への適用に特に制限されないことが理解されると考えられる。
【００１４】
図1aおよび1bは、供給された液体試料を含むリザーバから所定体積を有する液体試料の液滴を獲得する試料獲得モードにおける本発明の例示的な態様の2ピン供給システム10を示している。例示的な2ピン供給システム10は、各ピンの先端間に液体の液滴を保持するようなサイズおよび構成を有する別々に移動可能な一対の相互作用ピンを含んでいる。2ピン供給システム10は、ホルダ13に移動可能に連結された第1のピン11および第2のピン12を含んでいる。先端11a、12aは、初期離隔距離Dだけ分離され、各先端間の空間に試料獲得領域14を形成している。各ピンの位置は、1本または複数のピン11、12に配置されたアクチュエータ15を用いて制御される。他の態様によれば、ピン先端11a、12a間の離隔距離Dを測定するセンサ16が1本または複数のピン11、12上に設けられる。当業者には、本発明がピンを保持する任意の適切な構造を含んでよいことが認識されると考えられる。
【００１５】
生物学的試料などの液体試料の液滴を獲得する場合、供給された選択された液体試料を含むリザーバ17にピン先端11a、12aが浸漬される。ピン先端11a、12aは、試料獲得領域14への毛管流が可能になるように位置させられている。試料獲得領域14で生じる毛管力により、ピン先端11a、11bの離隔距離によって定められる体積を有する液滴18が試料獲得領域14に引き込まれる。各ピン先端の表面間に生じた毛管力によって、2つのピン先端11a、11b間に形成された試料獲得領域14に液滴が保持される。ピン11、12のアクチュエータ15は、ピンを移動させて、各先端間の離隔距離Dを変化させ、それにより、2ピン供給システムによって獲得される試料の量を変化させるか、または2ピン供給システムから試料を供給する。
【００１６】
例示的な態様によれば、2ピン供給システム10は、約50ピコリットルから約50ナノリットルの間の体積の液体試料を獲得するように構成される。当業者には、獲得される体積がこの範囲に限らず、ピンを、任意の適切な体積の液体を収容するように間隔を置いて配置できることが認識されると考えられる。
【００１７】
アクチュエータ15は、各ピン間の離隔距離Dを修正することによって、粘度、表面張力のような特定の液体試料の可変物理的性質を補償することができる。センサ16を利用して、各先端間にかかる力および獲得される液体試料の物理的性質を工程中に測定することもできる。このように、ピン供給システム10の設定（すなわち、ピン離隔距離）は、液体試料の測定される性質の変動をリアルタイムに補償するように修正することができる。
【００１８】
例示的な態様によれば、液滴供給システム10は、標準リソグラフィ・エッチング・プロセスなどの微細製造技術を用いてピン構造を製造することによってシリコン・ウェハから製造される。当業者には、他の材料および製造技術を利用できることが認識されると考えられる。たとえば、ピン供給システムは、ガラス、プラスチック、または他の任意の適切な材料で作ることができる。一態様によれば、各システムが可変離隔距離を有する2本のピンを含む液滴供給システム10のアレイは、シリコン・ウェハのような単一の基板上に形成することができる。たとえば、最大で約300個以上の2ピン供給システム10のアレイを4インチのシリコン・ウェハ上に形成することができる。
【００１９】
図2は、スポッティング・モードにおける例示的な態様の2ピン供給システム10を示している。2ピン供給システム10は、核酸分子やタンパク質などの生化学物質のアレイ、または他の適切な液体試料を、プロテオミクス、ゲノム科学、スクリーニング、診断、およびその他の用途に使用できるように印刷基板、滴定プレート、微量流体システムまたは装置などの試料操作システムに印刷または排出するスポッティング・システムとして利用することができる。供給システムは、液滴を獲得した後、表面20に接近させられる。表面20は、固体表面または液体を含んでよい。表面20は、多孔膜などの多孔構造、または顕微鏡スライドなどの非多孔構造を含んでよい。充填されたピンは、ピン先端11a、11bと表面とが直接接触することによって、選択されたスポット体積を有するスポット21を表面20上に付着させる。接触時の離隔距離D2は、液体試料の供給されるスポットの体積を増減させるように変化させることができる。例示的な態様によれば、供給されるスポット21の体積は、獲得される液滴18の体積よりもずっと小さく、一般にサブナノリットルである。ただし、当業者には、本発明がこの範囲に限らないことが認識されると考えられる。
【００２０】
例示的な態様の2ピン供給システムをスポッティング用途に用いると、マイクロアレイにおいて付着されるスポットのサイズに対する制御が改善され、また、より小さいスポットを形成し付着させることができる。
【００２１】
ピン供給システムはさらに、選択された体積の第1の液体を第2の液体試料で希釈する、希釈による湿式付着システムとして利用することができる。図3aおよび3bは、希釈モードにおける2ピン供給システム10を示しており、この場合、試料の獲得された液滴18は、供給されたより大きな標的流体30で希釈される。サイズがピン先端11a、12aの離隔距離によって定められる液滴18を供給システム10が獲得した後、ピン先端11a、12aは、標的流体を含むリザーバ30に浸漬される。液滴18は、混合および拡散を介して自動的に標的流体で希釈される。希釈プロセスを加速するには、希釈中にアクチュエータ15を用いて先端11a、12aの離隔距離を広げることができる。
【００２２】
図4は、本発明の他の態様によって固定ピンおよび可動ピンを有する2ピン供給システム40を示している。図4の2ピン供給システムでは、第1のピン41の停止位置が基板43に対して固定されており、第2のピン42の固定位置は第1のピン41および基板43に対して移動可能である。2ピン供給システム40は、支点領域46内の第2の可動ピン42の位置を調整することによって先端41a、42a間の離隔距離を変化させるドライバ44をさらに含んでいる。例示的な態様によれば、可動ピンは、ドライバ44の制御下で固定ピボット点45の周りを回転し、先端における離隔距離を調整する。例示的な態様によれば、ピン41、42は、先端の破壊を防止する緩和領域51をさらに含んでいる。当業者には、2ピン供給システム40の一方または両方のピン41、42に緩和領域51を形成できることが認識されると考えられる。
【００２３】
例示的な2ピン供給システム40は、標準フォトリソグラフィ・エッチング・プロセスを用いてピン41、42、緩和領域51、ドライバ44、およびウェハ基板43における支点領域46の固定点45を製造することによってシリコン・ウェハから形成される。例示的な態様によれば、2ピン供給システム40は、約1cm2の寸法を有するシリコン・ウェハから製造される。ピン41、42は約5ミリメートルの長さを有する。ただし、当業者には、本発明がこのサイズに限らないことが認識されると考えられる。他の態様によれば、より大きなシリコン・ウェハまたは他の適切な基板が設けられ、このより大きなシリコン・ウェハ上にピン供給システムのアレイが製造される。たとえば、約10cm2のサイズを有するシリコン・ウェハを用いて、約70個の2ピン供給システム40のアレイを製造することができる。15cm2のシリコン・ウェハを利用して100個よりも多くの2ピン供給システム40をシリコン・ウェハ基板に製造することができる。当業者には、任意の適切な構成を用いて一方または両方のピンを移動させられることが容易に認識されると考えられる。
【００２４】
図5は、図4の2ピン供給システムの支点領域46の詳細図である。可動ピン42は、2つのピン先端の離隔距離を変化させるように固定点45の周りをピボット運動するように構成されている。ドライバ44は、支点領域46の付与領域47に力をかけて可動ピン42を回転させ、それによって可動ピン先端42aを固定ピン41の先端41aに対して移動させる。図示のように、支点領域46は、基板43に、固定点45に隣接して形成され、ドライバ44の作動に応答してピン42を固定点の周りを回転させるギャップ48を含んでいる。
【００２５】
本発明の他の態様によれば、支点領域はさらに、支点領域におけるピン42の実際の湾曲の差分検知を可能にする、圧電抵抗器62として示されている湾曲センサを支点領域の左側および右側に含んでいる。このように、湾曲の量および結果として得られる先端離隔距離は、閉ループ・フィードバック・システムを用いて制御することができる。湾曲センサを用いると、先端の変位をリアルタイムに検知できるようになることによって非線形温度効果がさらに制限される。
【００２６】
図6は、図4の2ピン供給システム40のドライバ44の詳細図である。図示のように、ドライバ44は、支点46の付与領域47に力をかけて先端42aを所定量だけ移動させるシリコンのバーを含んでいる。例示的な態様によれば、ドライバ44は、温度の上昇に応答して所定量だけ膨張する。ドライバ44が膨張すると、支点がピボット点の周りを回転する。例示的な態様によれば、システムは、ドライバ44の膨張に応じた先端42aの移動量とドライバの膨張量との比が100よりも大きくなるように構成される。言い換えれば、ドライバが1μm膨張すると、ピン先端42aは100μm変位する。
【００２７】
例示的な態様によれば、ドライバ44は、4mmの初期長さLを有している。シリコンの温度が300上昇すると、ドライバ44は1.08μm膨張する。ドライバ44が膨張するとピン42が固定ピボット点45の周りを回転し、それによって先端41a、42a間の離隔距離が108μmを超える量だけ広がる。
【００２８】
例示的な態様によれば、ドライバ44に熱を与える加熱抵抗器49がドライバに取り付けられている。加熱抵抗器は、ポリ抵抗器、拡散抵抗器、またはドライバ44に熱を与えてドライバ44の膨張を制御し、先端41a、42a間の離隔距離を変化させる任意の適切な手段を含んでよい。任意に、支点領域におけるドライバの不要な加熱を防止する冷却ファン（図示せず）が、ドライバ44に、支点領域45の近くに設けられる。他の態様によれば、ドライバ44の温度の閉ループ制御を行う、加熱手段と通信する温度センサ（図示せず）が、2ピン供給システム40に含められる。
【００２９】
当業者には、2ピン供給システムが例示的なドライバに限らないことが認識されると考えられる。他の態様によれば、ドライバ44は、静電システム、圧電システム、電気機械システム、熱電アクチュエータ、または所定の定義済みの力をかけてピン先端41a、42a間の離隔距離の調整を制御させる任意の適切なシステムを含む。当業者には、2ピン供給システムが離隔距離を変化させる支点に限らず、離隔距離を変化させる任意の適切な機構を利用できることがさらに認識されると考えられる。
【００３０】
図7aおよび7bは、図4の2ピン供給システム40の2本のピンの先端領域の詳細図である。前述のように、先端41a、42aは、ドライバ44によって定められる所定距離Dだけ離して配置されている。各先端は、試料表面70の形状によって決定される一定値である先端高さHおよび先端深さSによって形成される試料接触面70を含んでいる。試料獲得領域14の体積、したがって獲得される試料液滴の体積は、各先端間に形成される空間の体積、すなわち、先端高さHと先端深さSと離隔距離Dの積に対応する。たとえば、例示的な態様によれば、ピン先端41a、42a間の離隔距離Dは、約25μmから約125μmの間である。先端深さが約50μmであり高さが約200μmである先端の場合、結果として捕捉される液滴の体積は約250ピコリットルから約1.25ナノリットルの間である。先端深さが100μmであり高さが約400μmである先端の場合、先端離隔距離が約25μmから約125μmの間である場合、獲得される液滴の体積は約1.0ナノリットルから約5ナノリットルの間である。深さが500μmであり高さが500μmである先端は、各先端間の離隔距離が約25μmから約125μmの間であるとき体積が約6.25ナノリットルから約31.5ナノリットルの間の液滴を形成する。
【００３１】
先端高さHおよび先端深さSによって形成される先端接触面70は、互いに平行な面を形成することができ、または、好ましい態様によって、離隔距離Dが先端面の底部および／または前部に向かって小さくなるように先細りにすることができる。このようにして、より小さな液滴体積を収容することができる。先端41a、42aの勾配は、液滴形状を改良し液滴の供給を改善するように領域71と領域72で異ならせてよい。
【００３２】
図7cは、他の態様による先端41a、42aの断面図である。他の態様によれば、先端面70'は、その間に円筒形または円錐形の試料イ獲得領域14を保持し形成するように湾曲されている。
【００３３】
他の態様によれば、先端面70および／または外側軸面の一方または両方が、液滴の獲得および供給を改選するように親水性コーティング、疎水性コーティング、または他の化的コーティングで覆われる。たとえば、先端41、42は、試料獲得領域における試料の保持を改善するように親水性コーティングで形成するかまたは覆うことができる。一態様によれば、先端41、42の外側軸面は、試料獲得領域14を形成する先端面70に影響を与えずに金または他の適切な疎水性材料で被覆される。金属コーティングを用いると、液滴の体積および放出に対する制御が改善される。シリコンおよび／または金を用いるとさらに、先端を洗浄する際に、システムを劣化させずにより強力な洗浄液を利用することができる。このように、先端の汚染が軽減される。
【００３４】
コーティングは、シャドー・マスキングによって先端面70または先端41、42の他の表面にあるパターンとして与えることができる。コーティングは、マスクによって定められる所定のパターンとして表面上にスパッタリングまたは蒸着することができる。当業者には、液体試料の方向を定め、試料の獲得および供給に対する制御を改善する任意の適切なパターンを利用できることが認識されると考えられる。
【００３５】
他の態様によれば、供給システムは、ピン先端の表面に適切なパターン・コーティングが与えられた単一のピンを含んでよい。たとえば、単一のピンのシャフトを疎水性コーティングで被覆し、ピンの先端を適切な親水性コーティングで被覆して液体試料の獲得および供給を改善することができる。
【００３６】
図8は、図4のピン供給システム40の緩和領域51を示している。ピン先端41、42は、脆弱であり、ピンを製造するのに用いられるピン先端のサイズおよび材料のために、誤って表面に接触させられたときに壊れやすい。例示的な緩和領域51は、先端41aと基板43との間に形成されたばね52を含んでいる。先端41aが表面に接触すると、ばねがその衝撃を吸収し、先端41aを引き込んで破壊を防止する。ピンのばね52は、対応する先端を上向きに他方の先端から離れる方向に移動させて先端の衝突を防止する。本発明は、例示的なばね構成に限らない。当業者には、緩和領域51を形成してピン先端が破壊されないように保護するのに任意の適切なばね構成を利用できることが認識されると考えられる。
【００３７】
他の態様によれば、ばね52は、先端と表面との接触力を測定するセンサを含む。たとえば、差分圧電抵抗センサを、ばね52に含め、フィードバック制御ループを用いてばねを制御するようにアクチュエータ（図示せず）に連結することができる。ばねセンサを利用して、先端上の液滴によって生じる力を測定し、かつドライバが、先端上の液滴によって生じる可変の力を補償するのを可能にすることもできる。
【００３８】
本発明の他の態様によれば、緩和領域は、一定の体積を持つ試料獲得領域を形成する間隔を置いて配置された一対の固定ピンを含む2ピン供給システムで実施することができる。
【００３９】
前述のように、例示的な態様の2ピン供給システム10または40は、シリコン、ガラス、プラスチックのような適切な基板から微細製造することができる。例示的な態様によれば、フォトリソグラフィを利用して基板にピン構造を形成することができる。フォトリソグラフィでは、2ピン供給システム10または40の2本のピンおよびその他の構成要素のパターンは、そのパターンを含む1つまたは複数のフォトマスクを通して投影されるUVまたはその他の光によってパターン化された1つまたは複数のフォトレジスト層を用いて、シリコン・ウェハまたはその他の基板上に印刷される。次いで、基板がエッチングされ2ピン構造が製造される。当業者には、本発明の例示的な態様の2ピン供給システムを製造するのに任意の適切な微細製造技術を利用できることが認識されると考えられる。
【００４０】
当業者には、シリコン・ウェハまたはその他の適切な基板から単一ピン供給システムを製造するのに前述の微細製造技術をさらに利用できることが認識されると考えられる。たとえば、ピンおよび試料管路を形成するようにシリコン・ウェハをエッチングすることによってシリコン・ウェハから、米国特許第6,101,946号に記載されたように液体試料を獲得し供給する試料管路を形成する2つの先端を持つ単一ピン構造を微細製造することは本発明の範囲内である。
【００４１】
図9は、上述の微細製造技術を用いてシリコン・ウェハ101から形成された、本発明の態様による2ピン・試料供給システム100のアレイの走査電子顕微鏡（SEM）画像である。図示のように、複数の2ピン供給システムが単一のシリコン・ウェハ基板から製造される。各2ピン供給システムは、各ピンの先端間に試料獲得領域を形成するように間隔を置いて配置された一対の細長いピンを含んでいる。
【００４２】
図10は、図9の微細製造された2ピン供給システムのうちの1つの先端領域の詳細図を示す他のSEM画像である。図示のように、ピンは、各ピンの先端間に試料獲得領域140を形成するようにシリコン・ウェハにエッチングされる。図示のように、微細製造されたピン先端は、約100μmよりも短い離隔距離を有している。
【００４３】
図11は、本発明の態様による緩和領域51を有する微細製造された2ピン・試料供給システム110のアレイの他のSEM画像である。図示のように、このアレイも、上述の微細製造技術を用いてシリコン・ウェハ101から形成される。緩和領域51は、先端への衝撃を吸収するばねを形成するようにシリコン・ウェハの、ピン先端とホルダとの間の領域をエッチングすることによって形成される。緩和領域51は、ピン先端41、42が表面に接触したときにピン先端41、42が破壊されるのを防止する。
【００４４】
2ピン供給システムは、スポッティング用途および希釈用途向けの試料の液滴を形成し供給するプロセスを著しく向上させる。例示的な構成は、可変離隔距離を有する2本のピンを用いることによって獲得され付着される液体試料の量を厳密に調節できるようにする。ピン先端間の離隔距離を調整することによって、獲得される液滴と付着される液滴の体積が容易にかつ厳密に修正される。さらに、液体の体積の物理的性質を工程中に測定することができ、先端離隔距離を、変化を補償するように迅速にかつ容易に修正することができる。センサを用いると、液体試料の液滴を獲得し供給するプロセスを最適化するように先端離隔距離を厳密に調節することができる。
【００４５】
本発明について、例示的な態様に関して説明した。本発明の範囲から逸脱せずに上記の構成にある種の変更を加えることができるので、上記の説明に含まれるかまたは添付の図面に示されたすべての事項は例示的なものと解釈され、制限的な意味では解釈されないものとする。
【００４６】
特許請求の範囲が、本明細書に記載された本発明のすべての一般的な特徴および特定の特徴と、言葉の問題として、これらの特徴間に入ると言える本発明の範囲のすべての記述をカバーすることも理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】試料獲得モードにおける例示的な態様の2ピン供給システムを示す図である。
【図２】スポッティング・モードにおける例示的な態様の2ピン供給システムを示す図である。
【図３】希釈モードにおける例示的な態様の2ピン供給システムを示す図である。
【図４】固定ピンおよび可動ピンを含む2ピン供給システムの他の態様を示す図である。
【図５】図4の2ピン供給システムの支点領域の詳細図である。
【図６】図4の2ピン供給システムのドライバの詳細図である。
【図７】図4のピン供給システムの2本ピンの先端領域の詳細図である。
【図８】図4のピン供給システムの緩和領域を示す図である。
【図９】本発明の例示的な態様の開示によってシリコン・ウェハから微細製造された2ピン供給システムのアレイの走査電子顕微鏡（SEM）画像を示す図である。
【図１０】図9の2ピン供給システムの一方の先端領域のアレイを示すSEM画像の図である。
【図１１】本発明の例示的な態様の開示によってシリコン・ウェハから微細製造された緩和領域を有する2ピン供給システムのアレイを示すSEM画像の図である。
Claims (64)
- ホルダと、
ホルダに連結され第1の先端を有する第1のピンと、
ホルダに連結され、第1の先端から所定の離隔距離Dだけ離して配置された第2の先端を有する第2のピンとを含み、第1のピンと第2のピンが互いに対して移動可能である液体試料供給システム。 - 初期離隔距離を変化させるように第1の先端を移動させる第1のアクチュエータをさらに含む、請求項1記載の液体試料供給システム。
- 初期離隔距離を変化させるように第2の先端を移動させる第2のアクチュエータをさらに含む、請求項1記載の液体試料供給システム。
- 第1の先端と第2の先端との間の離隔距離を検知するセンサをさらに含む、請求項1記載の液体試料供給システム。
- 液体試料の物理的性質を測定するセンサをさらに含む、請求項1記載の液体試料供給システム。
- 物理的性質の測定結果に応答して離隔距離を変化させるアクチュエータをさらに含む、請求項5記載の液体試料供給システム。
- 第1のピンおよび第2のピンがシリコン・ウェハから製造される、請求項1記載の液体試料供給システム。
- 液体試料を基板に適用する方法であって、
液体試料の液滴を保持し、第1の先端、および第1の先端から可変離隔距離だけ離して配置された第2の先端を有する2本のピンを含む供給システムを設ける段階と、
離隔距離によって定められる液滴体積を有する液体試料の液滴を第1の先端と第2の先端との間に獲得する段階と、
基板に接触させて液体試料のスポットを基板上に付着させる段階とを含む方法。 - スポットが、液滴体積よりも少ないスポット体積を有する、請求項8記載の方法。
- 液滴を獲得する段階が、供給された液体試料を含むリザーバに第1の先端および第2の先端を浸漬する段階を含む、請求項8記載の方法。
- 基板が固体基板を含む、請求項8記載の方法。
- 先端間の離隔距離を変化させる段階をさらに含む、請求項8記載の方法。
- 第1の液体試料を第2の液体で希釈する方法であって、
液体試料の液滴を保持し、第1の先端および第1の先端から可変距離だけ離して配置された第2の先端を有する2本のピンを含む供給システムを設ける段階と、
第1の液体試料の液滴を第1の先端と第2の先端との間に獲得する段階と、
第1の液体試料の液滴を含むピン先端を第2の液体試料に浸漬し、それによって第1の液体試料の液滴を第2の液体に拡散させる段階とを含む方法。 - 液滴を獲得する段階が、供給された第1の液体試料を含む第1のリザーバにピン先端を浸漬して液滴を生成し、第1の先端と第2の先端との間に液滴を保持する段階を含む、請求項13記載の方法。
- 第2の液体試料への第1の液体試料の拡散を加速するように先端の離隔距離を変化させる段階をさらに含む、請求項13記載の方法。
- 第2の液体試料からピン先端を取り除く段階をさらに含む、請求項13記載の方法。
- ホルダと、
ホルダに連結され第1の先端を有する第1のピンと、
ホルダに連結され、所定の体積の液体試料を保持する試料獲得領域を形成するように第1の先端から所定の離隔距離だけ離して配置された可動先端を有する第2のピンと、
可動ピンを第1のピンに対して移動させて所定の離隔距離を調整するドライバとを含む液体試料供給システム。 - 第2のピンが、固定ピボット点でホルダに取り付けられている、請求項17記載の液体試料供給システム。
- ドライバが、第2のピンを固定ピボット点の周りを回転させて所定の離隔距離を調整する、請求項18記載の液体試料供給システム。
- ドライバが、所定の力および所定の変位の一方を第2のピンに与えて第2のピンを所定量だけ回転させる、請求項19記載の液体試料供給システム。
- ドライバがシリコン・バーを含む、請求項20記載の液体試料供給システム。
- シリコン・バーが、所定距離だけ膨張して第2のピンに所定の力をかける、請求項21記載の液体試料供給システム。
- ドライバが、第2のピンを移動させる圧電アセンブリを含む、請求項17記載の液体試料供給システム。
- ドライバが、第2のピンを移動させる電気機械アセンブリを含む、請求項17記載の液体試料供給システム。
- ドライバが、第2のピンを移動させる熱電アセンブリを含む、請求項17記載の液体試料供給システム。
- 固定ピボット点の周りでの第2のピンの回転を検出する湾曲センサをさらに含む、請求項20記載の液体試料供給システム。
- 湾曲センサが、第2のピンの回転量を調節する閉ループ制御回路を形成するようにドライバと通信する、請求項28記載の液体試料供給システム。
- シリコン・バーが、調節された量の熱をシリコン・バーに与えてシリコン・バーを膨張させる加熱抵抗器を含む、請求項21記載の液体試料供給システム。
- シリコン・バーが、シリコン・バーを冷却する少なくとも1つの冷却フィンをさらに含む、請求項28記載の液体試料供給システム。
- シリコン・バーが、シリコン・バーの温度を検出する温度センサをさらに含む、請求項29記載の液体試料供給システム。
- 第1の先端および可動先端の一方が、試料獲得領域に保持された液体試料に対する制御を改善する化学的コーティングを含む、請求項17記載の液体試料供給システム。
- 第1の先端が第1の接触面を含み、可動先端が、試料獲得領域を形成する第2の接触面を含む、請求項17記載の液体試料供給システム。
- 第1の接触面および第2の接触面が先細りになっている、請求項32記載の液体試料供給システム。
- 第1の接触面と第2の接触面が平行である、請求項32記載の液体試料供給システム。
- 第1の接触面と第2の接触面の一方が湾曲している、請求項32記載の液体試料供給システム。
- 先端に対する衝撃を吸収する緩和領域をさらに含む、請求項17記載の液体試料供給システム。
- 緩和領域が、第1の先端とホルダを連結するばねを含む、請求項36記載の液体試料供給システム。
- 緩和領域が、可動先端とホルダを連結するばねを含む、請求項36記載の液体試料供給システム。
- 緩和領域が、先端に対する力を測定するセンサを含む、請求項38記載の液体試料供給システム。
- 液滴を供給するシステムに用いられるピン・アセンブリであって、
第1の先端を有する第1のピンと、
第1の先端から所定の離隔距離だけ離して配置された第2の先端を有する第2のピンとを含み、第1のピンと第2のピンの一方が、ピンが固定ピボット点の周りを移動するのを可能にするように固定ピボット点を含む支点領域を含むピン・アセンブリ。 - 支点領域を含むピンを固定ピボット点の周りを移動させるアクチュエータをさらに含む、請求項40記載のピン・アセンブリ。
- 第1のピンと第2のピンの一方が、先端への衝撃を吸収するばね部をさらに含む、請求項40記載のピン・アセンブリ。
- 第1の先端と第2の先端の一方に与えられ、液体試料に対する制御を改善する化学的コーティングをさらに含む、請求項40記載のピン・アセンブリ。
- ホルダと、
ホルダに連結され第1の先端を有する第1のピンと、
ホルダに連結され、所定の体積の液体試料を保持する試料獲得領域を形成するように第1の先端から初期離隔距離だけ離して配置された第2の先端を有する第2のピンとを含み、初期離隔距離が可変である液体試料供給システム。 - ホルダと、
ホルダに連結され第1の先端を有する第1のピンと、
ホルダに連結され、ある体積の液体試料を保持する試料獲得領域を形成するように第1の先端から離して配置された第2の先端を有する第2のピンと、
第1の先端と第2の先端の一方に与えられ、試料獲得領域に保持されているある体積の液体試料に対する制御を改善する化学的コーティングとを含む液体試料供給システム。 - 化学的コーティングが疎水性材料を含む、請求項45記載の液体試料供給システム。
- 化学的コーティングが親水性材料を含む、請求項45記載の液体試料供給システム。
- 化学的コーティングが所定のパターンで与えられる、請求項45記載の液体試料供給システム。
- 所定のパターンが、先端に化学的コーティングを与える際に用いられるマスクによって決定される、請求項48記載の液体試料供給システム。
- シャフトおよび液体試料を保持する先端を有する第1のピンと、
ピンに与えられ、液体試料に対する制御を改善する化学的コーティングとを含む液体試料供給システム。 - 化学的コーティングが、シャフトに与えられた疎水性材料を含む、請求項50記載の液体試料供給システム。
- 化学的コーティングが、先端に与えられた親水性材料を含む、請求項50記載の液体試料供給システム。
- 化学的コーティングが、マスクを用いて所定のパターンとしてピンに与えられる、請求項50記載の液体試料供給システム。
- ホルダと、
ホルダに連結された第1のピン先端と、
ホルダに連結され、ある体積の液体試料を保持する試料獲得領域を形成するように第1の先端から離して配置された第2のピン先端と、
第1の先端と第2の先端の一方に与えられ、試料獲得領域に保持されているある体積の液体試料に対する制御を改善する化学的コーティングとを含む液体試料供給システム。 - 液体試料供給システムを製造する方法であって、
基板を設ける段階と、
ホルダ、第1の先端を有する第1のピン、試料獲得領域を形成するように第1の先端から間隔を置いて配置された第2の先端を有する第2のピンを形成するように基板にパターンを与える段階と、
基板をエッチングして基板の余分な部分を除去し、それによって液体試料供給システムを製造する段階とを含む方法。 - 基板がシリコン・ウェハを含む、請求項55記載の方法。
- 基板がガラス板を含む、請求項55記載の方法。
- ホルダと、
第1の先端を有する第1のピンと、
先端への衝撃を吸収する緩和領域とを含む液体試料供給システム。 - 緩和領域が、第1の先端とホルダを連結するばねを含む、請求項58記載の液体試料供給システム。
- 第2の先端を有し、第1の先端と第2の先端との間に試料獲得領域を形成するように第1の先端から離して配置された第2のピンをさらに含む、請求項58記載の液体試料供給システム。
- 第2のピンが衝撃を吸収する緩和領域を含む、請求項60記載の液体試料供給システム。
- 第2のピン上の緩和領域が、第2の先端とホルダを連結するばねを含む、請求項61記載の液体試料供給システム。
- 第2の先端が第1の先端に対して移動可能である、請求項60記載の液体試料供給システム。
- 第1の先端が第2の先端に対して移動可能である、請求項60記載の液体試料供給システム。
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