JP2009516198A - 誘電泳動ピンセット装置および方法 - Google Patents
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Abstract
粒子の捕捉を含む種々の用途のための、誘電泳動（ＤＥＰ）ピンセット装置および方法。２つの電極が、先端を形成する細長物上に配置されているか、またはこれを構成する。これらの電極間に電圧を印加して、不均一な電磁場を先端に近接して発生させ、これによって誘電泳動トラップを作り出す。一旦捕捉すると、この粒子を、細長物または粒子が存在している媒体を操作することにより、所望の位置に移動させることができる。複数のＤＥＰピンセット装置を、先端のアレイを形成するように配置してもよく、それぞれがその先端に限定した局所的な電磁場を発生することができる。かかるＤＥＰアレイは、ナノリソグラフィまたはナノマニピュレーションに関連するナノファブリケーションプロセス、およびデータ記憶および検索用途において用いることができる。
Description
粒子（例えば原子、分子、細胞など）が正電荷および負電荷の不均一な濃度を有し得ることはよく知られている。例えば、分子は複数の原子から構成され、各原子は、核として知られている正に帯電した中心領域と、核の周りの負に帯電した外側領域に存在する、電子として知られている可変数の負に帯電した素粒子とを含む。原子が組み合わさって分子を形成する場合、これら２つの荷電領域に付随する力がこれらの原子を一緒に結合する。分子の形によっては不均一な電荷の分布が生じ、このために正の電荷と負の電荷それぞれの濃度が生成される。これが起こると、この分子は極性分子または編極分子と呼ばれる。極性は、それ以外では非極性な分子において誘導されることもある。特に、通常は非極性の分子を強い電磁場中に置くと、負に荷電した電子は時に正に荷電した核から分離して、それ以外では非極性の分子が極性となる。本明細書の目的に対して、用語「極性の」または「編極した」は、天然に極性である任意の粒子、および電磁場の適用により極性にされた任意の粒子を指すのに用いる。
極性分子の１つの領域はより正に荷電されており、もう１つの領域はより負に荷電されているため、この分子が不均一な電磁場（位置により場の力が変化する電磁場）に置かれると、これに力が作用する。この力は誘電泳動力として知られ、分子の移動を引き起こすことができる。移動の正確な方向および分子が移動する速度は、分子の独自の特性、分子がその中に存在している媒体、および電磁場に依存する。
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）と呼ばれる特殊顕微鏡を用いて、ナノメートルのスケールで分子を探査することができる。ＳＰＭの１種が、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）である。ＡＦＭはカンチレバーを含み、このカンチレバーは、試料にわたってスキャンする先端を一方の端に有する。先端が走査する試料表面のプロファイルの変化に基づく、この先端の非常に小さな動きは、典型的にはレーザー検知システムにより測定され、これを用いて、スキャン試料の表面プロファイルの画像が生成される。
いくつかの場合においては、ＳＰＭの先端は、画像化すべき試料表面に実際に接触する必要はない。例えば、van der Weideへの米国特許第5,936,237号では、ＳＰＭ先端は導電シールドを周囲に有する導体として構成されている。この構成により、ＳＰＭは非接触で試料表面をスキャンして、先端と表面との間の電磁場相互作用に基づく表面プロファイルの画像を提供する。かかるスキャンの間、導体先端を試料から隔てる絶縁体が存在しないため、試料と導体先端との間に一定の距離が維持される。
通常は小粒子に対して用いられる他の機器は、マイクロマニピュレータである。マイクロマニピュレータは、細胞スケールで試料を探査および操作するために用いられるツールを動かすための機器である。マイクロマニピュレータは、例えば顕微手術および他の生物学的目的のために用いる。マイクロピペットは、マイクロマニピュレータとの関連で、試料を探査および操作するために用いることができるツールの１例である。個々の細胞を見ることができる光学顕微鏡は、マイクロマニピュレータに結合されたツールが操作している試料を直接観察するために、用いることができる（以下、「マイクロマニピュレータツール」と呼ぶ）。
概要
本明細書は、一般に、先端に、例えばＳＰＭ先端またはマイクロマニピュレータツール先端などに近接して誘電泳動力を発生するための、方法および装置に関する。かかる力を発生する先端を、次に標的粒子の近くに位置させて、この粒子に力を及ぼし、これにより粒子を捕捉すること（こうして誘電泳動トラップを作り出すこと）ができる。一旦標的粒子がこのトラップ内に入ると、誘電泳動力を与える電磁場が発生されている限り、粒子はトラップ内に保持される。このように構成された先端は、「誘電泳動ピンセット」を形成する。
本明細書は、一般に、先端に、例えばＳＰＭ先端またはマイクロマニピュレータツール先端などに近接して誘電泳動力を発生するための、方法および装置に関する。かかる力を発生する先端を、次に標的粒子の近くに位置させて、この粒子に力を及ぼし、これにより粒子を捕捉すること（こうして誘電泳動トラップを作り出すこと）ができる。一旦標的粒子がこのトラップ内に入ると、誘電泳動力を与える電磁場が発生されている限り、粒子はトラップ内に保持される。このように構成された先端は、「誘電泳動ピンセット」を形成する。
以下にさらに詳細に記載される本明細書の種々の態様によれば、先端の末端において誘電泳動力を発生する不均一な電磁場は、該先端に一体化された電極対により生成される。これらの電極は、多くの形態をとることができる。例えば、１つの可能な態様によれば、電気的に導電性材料から形成されるＳＰＭ先端それ自体が第１電極を形成し、絶縁層および第２電極が、該先端の周りに同心円構造で配置される。先端の末端に近接して誘電泳動力を提供する電磁場は、次に、これら第１電極と第２電極間に電圧を印加することにより、生成することができる。電圧は所望によりオン、オフすることができ、これにより１または２以上の標的粒子を選択的に捕捉する。
ＳＰＭ先端はユーザーが移動させることができるため、このような様式に改変されたかかる先端は、ユーザーが個別の捕捉粒子を操作することを可能にする。例えば、ユーザーは、ＳＰＭ先端を標的粒子の近くに位置させることができる。次にユーザーは、２つの電極間に電圧を印加して、誘電泳動トラップを作り出すことにより、標的粒子を捕捉することができる。次にユーザーは、ＳＰＭ先端を再配置することにより、捕捉粒子を所望の位置に移動することができる。標的粒子は次に、電極に印加した電圧をオフにすることにより、所望の位置で解放することができる。他の実装において、同様の原理を適用し、粒子が位置している媒体が移動しているときに、先端それ自体は粒子を捕捉しつつ一定に保つことができる。次に粒子を、先端を移動させることなく媒体の別の領域で解放することができる。さらに、マイクロマニピュレータを用いて、電極間に電圧が印加されている場合に誘電泳動トラップを支持するよう配置された電極を有するマイクロマニピュレータツールを、制御することができる。この誘電泳動トラップは、単細胞または細胞集団を捕捉および操作するために用いることができる。
したがって、１つの態様は、先端を形成する細長物を含む装置に関する。前記装置はさらに、前記細長物の少なくとも第１部分を構成し、前記先端に近接する第１端を有する、第１電極、および前記細長物の少なくとも第２部分を構成する第２電極を含む。第２電極は第１電極から絶縁されており、前記先端に近接する第２端を有する。第１電極の第１端と第２電極の第２端は、前記先端に近接して誘電泳動トラップを支持するように互いに位置している。
他の態様は、粒子を操作するための、または該粒子の少なくとも１つの特性を測定するための方法に関する。該方法は、細長物により形成された先端に近接して電磁場を発生することにより、前記先端に近接して誘電泳動トラップを支持することを含む。
他の態様は、Ａ）複数の細長物により形成される複数の先端にそれぞれ近接して複数の電磁場を発生すること、ここで各細長物は、該細長物の対応する先端に近接する第１端を有する第１電極および、第１電極から絶縁されており、該対応する先端に近接する第２端を有する、第２電極を含んでおり；およびＢ）前記複数の先端の少なくとも１つおよび少なくとも１つの記憶媒体を、前記複数の先端が前記少なくとも１つの記憶媒体に近接するように配置して、前記複数の電磁場に基づき、前記少なくとも１つの記憶媒体から情報を読み込み、および／またはこれへと情報を書き込むようにすること、を含む方法に関する。
前述の概念および以下にさらに詳細に記される追加の概念の全ての組み合わせは、本明細書に開示される発明の主題の一部として意図されることが理解されるべきである。特に、特許請求の範囲に記載された主題の全ての組み合わせは、本明細書に開示される発明の主題の一部として意図される。本明細書で明示的に用いられる専門用語であって、参照として組み込まれる任意の開示にも現れるものは、本明細書に開示された特定の概念と最も整合する意味とされることも、理解されるべきである。
詳細な説明
以下は、本明細書による誘電泳動（ＤＥＰ）ピンセット装置および方法に関連する種々の概念およびこれらの態様の、より詳細な説明である。上で議論され、以下にさらに概説される、本明細書に開示される種々の概念は、多くの方法のいずれかにより実装してよいことが理解されるべきであり、これは、本明細書に開示された概念が、実装の特定の様式のいずれかに限定はされないからである。具体的な実装の例は、主として説明目的で提供される。
以下は、本明細書による誘電泳動（ＤＥＰ）ピンセット装置および方法に関連する種々の概念およびこれらの態様の、より詳細な説明である。上で議論され、以下にさらに概説される、本明細書に開示される種々の概念は、多くの方法のいずれかにより実装してよいことが理解されるべきであり、これは、本明細書に開示された概念が、実装の特定の様式のいずれかに限定はされないからである。具体的な実装の例は、主として説明目的で提供される。
図１Ａ、１Ｂ、１Ｃおよび１Ｄは、本明細書の１態様による、ＡＦＭカンチレバー先端構造に基づくＤＥＰピンセット装置の４つの異なる図である。図１Ａは、この態様による、細長物１００を形成する、装置のカンチレバー構造の長さ方向の断面図であり、一方図１Ｂ、１Ｃおよび１Ｄは、ＤＥＰピンセット装置の先端１０２に近接する部分の、種々の近接図である。
図１Ａ、１Ｂ、１Ｃおよび１Ｄに示すＤＥＰピンセット装置は、基本的に同軸電極構造を有し、細長物１００の少なくとも第１部分を構成する第１電極１０４を含む。第１電極１０４は、先端１０２に近接する端１０６を有する。第１電極１０４の１または２以上の構成部分は、実質的に任意の１種または２種以上の導電性材料で作ることができる。１つの例示に実装において、第１電極１０４は高度にドープされたシリコンで形成される。１つの側面において、第１電極１０４は、０．０１〜０．０２５Ωｃｍの体積抵抗率を有するｎ型シリコンで形成される。他の側面において、第１電極１０４は、ＡＦＭカンチレバーの全体形状を有し、電圧源１０８の１つの電位と、標準のＡＦＭ機能性を提供するＡＦＭベース１１０とに結合される。さらに他の側面において、第１電極１０４の端１０６は、約１０ｎｍ未満の半径を有してよい。
図１Ａ、１Ｂ、１Ｃおよび１Ｄに示すＤＥＰピンセット装置はさらに、第１電極１０４を囲む電気的絶縁層１１２を含む。特に、絶縁層１１２は、第１電極１０４の端１０６を完全に取り囲んでいる端部１１４を含む。このように端部１１４は、第１電極１０４の端１０６を、先端１０２に近接する可能性のある任意の試料から絶縁する。特に、この絶縁層１１２の端部１１４により、第１電極１０４から、先端１０２に近接するかまたはこれと接触する粒子／試料への電流の流れは、基本的に妨げられる。
絶縁層１１２の１または２以上の構成部分は、実質的に任意の絶縁材料で作ることができる。１つの例示の実装において、絶縁層１１２は二酸化ケイ素の単一層で作られる。かかる層は、ｎ型シリコンの第１電極１０４の周りに、既知のシリコンベースの製造技術を用いて第１電極１０４を酸化することにより、作製できる。種々の他の実装において、絶縁層１１２の厚さは、装置の特定の使用および電極に印加される電圧範囲に応じて変えることができる。一般に、厚さは、所望の電圧が印加された場合に、絶縁層１１２の絶縁破壊を防ぐのに十分な厚さである。１つの実装において、二酸化ケイ素で作られる絶縁層１１２の厚さは、約１００ｎｍである。
図１Ａ、１Ｂ、１Ｃおよび１Ｄに示されるように、本態様のＤＥＰピンセット装置はまた、細長物１００の少なくとも第２部分を構成する第２電極１１６を含む。第２電極１１６は第１電極１０４から絶縁されており、先端１０２に近接する端１１８を有する。１つの側面において、第２電極１１６は、絶縁層１１２の外表面１２０の少なくとも一部を構成することにより（例えば、その上に配置されることにより）、絶縁層１１２は第２電極１１６を第１電極１０４から絶縁する。第２電極１１６の１または２以上の構成部分は、実質的に任意の、１または２以上の導電性材料で作ることができる。１つの例示の実装において、第２電極１１６は２つの導電層、すなわち、クロムの内層および金の外層を含む。種々の側面において、これらの導電層それぞれの厚さは変化してよい；１つの実装において、クロム層の厚さは約１０ｎｍであり、金層の厚さは約３０ｎｍである。これらの導電層は、絶縁層１１２の外表面１２０上に、シリコンベースの製造方法において一般に用いられる既知の技法（例えば蒸着法）により形成することができる。
図１Ａ、１Ｂ、１Ｃおよび１Ｄに示された態様の１つの側面において、第１電極１０４の端１０６と第２電極１１６の端１１８は、先端１０２に近接するＤＥＰトラップを支持するように相対的に位置させる。図１Ｂおよび１Ｄに示すように、第２電極１１６の端１１８と残りの部分は、絶縁層１１２の周りに同心円状に配置される。これにより、第２電極１１６が第１電極１０４の長さに沿って延びる、同軸構造がもたらされる（上記のように、絶縁層１１２もこの長さに沿って延びており、第１電極１０４を第２電極１１６から絶縁する）。さらに、１つの側面において、絶縁層１１２の端部１１４は、先端１０２に近接する第２電極１１６の端１１８から突き出ており、第１電極１０４の端１０６を、先端１０２に近接する任意の試料から絶縁する。第２電極１１６を絶縁層１１２上に蒸着により形成する場合、端１１８近辺の余分な導電材料は取り除いて、絶縁層１１２のこの端部１１４が、第２電極１１６の端１１８から突き出ることを許容する必要がある。
図１Ｃに示すように、絶縁層１１２はまた、第１電極１０４の端１０６と第２電極１１６の端１１８との間の間隔１２２を形成しており、これは、先端１０２に近接した大きなＤＥＰ力を支持するのに適している。本明細書によるＤＥＰ装置の種々の実装において、間隔１２２は約５００μｍ〜約５ｎｍの間の範囲であってよい。この間隔１２２は、電極間に電圧を印加して発生させる電磁場の構造に影響し、これにより、以下に記載するように、得られるＤＥＰ力の強さに影響する。
１つの実装において、図１Ａ、１Ｂ、１Ｃおよび１Ｄに示されたピンセット装置を用いてＤＥＰトラップを作製するには、電圧源１０８を第１電極１０４と第２電極１１６に結合する。この電圧源１０８は、第１電極１０４と第２電極１１６の間に電圧を印加するように構成され、これにより先端１０２に近接して電磁場が発生される。上記したようにまた以下にさらに詳細に説明するように、この電圧が印加されると、こうしてＤＥＰトラップが先端１０２に近接して作り出される。印加された電圧の大きさおよび周波数は、用途および捕捉すべき粒子の種類により変化し得る。１つの側面において、電圧源１０８は調節可能な振幅および調節可能な周波数のうちの少なくとも１つを有するように構成される。以下に記すように、ＤＥＰトラップに付随する力は、印加された電圧の周波数および振幅のうち少なくとも１つを変化させることにより、調節可能である。
ＤＥＰトラップ中の粒子に働く力は、粒子がその中に存在している媒体に対する、該粒子の有効透過率の測度である、クラウジウス−モソッティ（ＣＭ）係数に依存する。この係数は１〜−０．５の間の値で変化し、その中に粒子が存在する媒体の誘電率εｍ、媒体の導電率σｍ、粒子の誘電率εｐ、粒子の導電率σｐ、および印加電磁場の周波数ωにより決定される。クラウジウス−モソッティ係数は、次の式により決定することができる。
クラウジウス−モソッティ係数が正である場合、力は粒子を電磁場のより強い領域へと押し出す。クラウジウス−モソッティ係数が負である場合、力は粒子を電磁場のより弱い領域へと押し出す。電界強度Ｅを有する電磁場において粒子に適用される力は、次の式により決定することができ、式中、ε０は自由空間の誘電率であり、ａは粒子半径である。
力＝３＊π＊ａ３＊ε０＊ＣＭ＊▽（Ｅ２）
力＝３＊π＊ａ３＊ε０＊ＣＭ＊▽（Ｅ２）
有限要素法を用いて、与えられた電磁場についてのこの式の▽（Ｅ２）項を決定することができる。この項は、印加電圧と電極の構造に基づいて変化する。例として、第１電極１０４の端１０６と第２電極１１６の端１１８の間の間隔１２２がｄである、図１Ａ、１Ｂ、１Ｃおよび１Ｄに示されるＤＥＰピンセット装置を考える。これら２つの電極間に印加された大きさＶの電圧は、先端１０２に近接する、推定強さＥ＝Ｖ／ｄの電磁場を発生する。有限要素法を用いることなく、▽（Ｅ２）項の値は合理的にＶ２／ｄ３であると推定できる。
ＤＥＰトラップの生成を説明するために、図２に示す装置を考える。図２において、標的粒子１２４は、電磁場１２８により作製されたＤＥＰトラップ１２６中に捕捉されており、この電磁場は、強さＶの電圧を２つの電極１０４と１１６の間に印加して発生させたものである。この電圧の周波数が、電磁場１２８の周波数を決定する。電磁場１２８が、周波数ωを有して、クラウジウス−モソッティ係数（ＣＭ）が１に等しくなるように発生されたとする。また、標的粒子１２４はｄ／２に等しい半径ａを有するとする（式中、ｄは図１Ｃに示す間隔１２２を表す）。上記の力の式から、および近似
を用いて、標的粒子１２４の半径ａが５μｍであり、電極１０４と１１６の間に印加した電圧の大きさＶが１０Ｖであるとすると、標的粒子１２４にかかる力、したがってＤＥＰトラップ１２６が生成した力は、約１０００ｐＮである。
標的粒子１２４を効果的に捕捉するのに必要な力は、粒子１２４に働く他の力の種類により変化する。典型的には、標的粒子１２４を捕捉するには、１０ｐＮ〜１０００ｐＮの間で十分である。例えば、１０ｐＮより少しだけ大きい力はタンパク質を捕捉するのに一般に十分であり、これは、タンパク質を結合している典型的な力が約１０ｐＮのオーダーだからである。媒体中に見出される粒子１２４に働く力が増加するにつれて、粒子１２４を捕捉するのに必要なＤＥＰ力も増加する。さらに、外力が働いて、粒子１２４をＤＥＰトラップ１２６から取り出そうとする可能性もある。例えば、粒子１２４がＤＥＰトラップ１２６中に捕捉されている間にＤＥＰピンセット装置を動かすことなどにより、粒子１２４が媒体中を移動すると、抵抗力が働いて粒子１２４をＤＥＰトラップ１２６から取り出そうとすることがある。粒子１２４をＤＥＰトラップ１２６中に保つ力は、この抵抗力および粒子１２４に働く可能性のある任意の他の外力に打ち勝つだけ、十分大きくなければならない。
粒子１２４がその中に見出される媒体はまた、第１電極１０４と第２電極１１６の間に印加される電圧の周波数を決定するのに、重要な役割を果たす可能性がある。低周波電圧を適切に用いて、気体中または真空中にＤＥＰトラップ１２６を生成する。幾つかの場合においては、ＤＣ電圧（すなわち、周波数ゼロ）が、これらの媒体に好適である。
しかし、流体の媒体中では、より高い周波数の電圧（例えば１０ｋＨｚから１ＭＨｚを超えるもの）が、ＤＥＰトラップ１２６を生成するのにより適している場合がある。幾つかの状況においては、ＧＨｚ範囲の周波数が適当である。高い周波数は、流体媒体が関与する幾つかの用途において望ましいが、これは、流体中で低周波電磁場が発生すると、流体媒体中のイオンが流体流（fluid flow）を生成するからである。この流体流は、ＤＥＰトラップ１２６を妨害することができる。比較的高い周波数の電磁場を生成することで、この流体流を防ぐのを支援し、ＤＥＰトラップ１２６を効果的に妨害なしに維持する。
さらに、流体中の高周波電磁場の使用は、流体中のイオンが、ＤＥＰトラップ１２６の周囲にシールドを生成することを防ぐ。低周波数では、これらのイオンはＤＥＰトラップ１２６の周囲にシールドを形成することがあり、これによってＤＥＰトラップ１２６を、標的粒子１２４を含む残りの流体から遮断する。より高い周波数においては、これらのイオンはかかるシールドを形成するために動くことができず、したがってＤＥＰトラップ１２６は標的粒子１２４を自由に捕捉する。
本明細書の幾つかの実装において、図２に示すように、ＤＥＰピンセット装置は、２つの電極１０４と１１６の間のキャパシタンスまたはコンダクタンスを測定することができるデバイス１３０を含んでもよい。キャパシタンスおよびコンダクタンスはＤＥＰトラップ１２６中の粒子１２４の有無に基づいて変化するため、デバイス１３０は、ＤＥＰトラップ１２６中の粒子１２４の有無を感知するのに用いることができる。ＤＥＰピンセット装置が調節可能な周波数または振幅を有する電圧源１０８およびデバイス１３０を含んでいるところの、本明細書の１つの実装において、電極１０４と１１６の間に印加される電圧の周波数または振幅は、デバイス１３０が電極間のキャパシタンスまたはコンダクタンスを測定する間に変化してよい。電極間のキャパシタンスまたはコンダクタンスを、ある範囲の周波数または振幅にわたって測定することにより、捕捉粒子１２４についての情報であって、限定することなく、粒子１２４の組成に関する情報を含むものを、決定可能である。
本明細書の幾つかの実装の電圧源１０８は、先端１０２に近接しているかまたはこれと接触している粒子／試料１２４に、電流を適用するように構成してよい。例えば、本明細書に記載の種々の態様によるＤＥＰピンセット装置の電極１０４または１１６のどちらかが、粒子／試料と接触すると、電圧がその電極に印加されて、これによって粒子／試料へと電流を流すことができる。幾つかの態様において、電極の１つは、望ましくない電流を防ぐために試料から特別にシールドされ（例えば、図１Ａ〜１Ｄの第１電極１０４）、しかしこれらの態様においては、もう一方の電極には電圧を印加することができ、粒子／試料へ電流を流すことができる。この方法は、装置の先端１０２に近接して位置する、個別の捕捉されていない筋肉細胞または神経細胞を刺激するのに、特に有用である。
上記の種々の態様は、ＤＥＰピンセット装置の多くの可能な態様の幾つかにすぎない。他の可能な態様は、他の種類のＳＰＭの先端、ＡＦＭ先端、マイクロマニピュレータツール先端、鋭利なガラス先端、他の種類の細長物の先端、およびＤＥＰピンセット装置を放射線と共に使用することを含んでよい。これら他の態様の幾つかについて、以下に記載する。
図３Ａおよび３Ｂは、本明細書によるＤＥＰピンセット装置の他の態様の先端１０２の、２つの異なる詳細図である。他の態様に関して上に記載したように、図３Ａおよび３Ｂに示すＤＥＰピンセット装置は、細長物１００の少なくとも第１部分を構成する第１電極１０４を含む。第１電極１０４は先端１０２に近接する端１０６を有する。このＤＥＰピンセット装置の態様は、細長物１００の少なくとも第２部分を構成する第２電極１１６も含む。第２電極１１６は先端１０２に近接する端１１８を有する。
図３Ａおよび３Ｂに示した態様において、第１電極１０４と第２電極１１６は、細長物１００の相対する側を構成する（例えば、相対する側に配置されている）。絶縁ギャップ１３２は、第１電極１０４を第２電極１１６から絶縁する。図４は、図３Ａおよび３Ｂに示すＤＥＰピンセット装置を介した、図２に示したものと同様の様式による、標的粒子１２４の捕捉を示す。図３Ｂに示す絶縁ギャップ１３２の寸法は、第１電極と第２電極の間に印加されるべき所望の電圧、および先端１０２に近接して発生されるべき電磁場１２８の所望の特性に依存する。一般に、絶縁ギャップ１３２は、先端１０２に近接してＤＥＰトラップ１２６を支持し、第１電極１０４と第２電極１１６の間に所望の電圧が印加された場合に、絶縁ギャップの絶縁破壊を防ぐのに好適な寸法を有する。この態様の１つの実装において、絶縁ギャップは第１電極１０４と第２電極１１６を、約５００μｍ〜約５ｎｍの距離で隔てている。
図５Ａおよび５Ｂは、本明細書によるＤＥＰピンセット装置の他の態様の先端１０２の、２つの異なる詳細図を示す。この態様により構成されたＤＥＰピンセット装置は、マイクロピペットを含むマイクロマニピュレータツールに特に有用となり得る。
図５Ａおよび５Ｂに示された細長物１００は、細長物１００の内部表面１３６を作る中空コア１３４を有する。第１電極１０４は、この態様においては細長物１００の内部表面１３６の第１側１３８に対応する、細長物１００の第１部分を構成する。上述の他の態様におけるのと同様に、第１電極１０４は先端１０２に近接する端１０６を有する。図５Ａおよび５Ｂに示された態様において、第２電極１１６は、この態様においては細長物１００の内部表面１３６の第２側１４０に対応する、細長物１００の第２部分を構成する。上述の他の態様におけるのと同様に、第２電極１１６は先端１０２に近接する端１１８を有する。
この態様の１つの実装において、第２電極１１６は第１電極１０４から絶縁されており、これは、第１電極１０４と第２電極１１６が、細長物１００の内部表面１３６の相対する側１３８と１４０に配置されており、中空コア１３４の少なくとも一部によって隔てられているからである。図５Ａおよび５Ｂに示される、かかる実装の１つの側面において、絶縁ギャップ１３２は、第１側１３８と第２側１４０が互いに最も近い位置においてもなお、第１電極１０４と第２電極１１６が互いに絶縁されることを保証する。絶縁ギャップ１３２および中空コア１３４の寸法は、一般に、電極間に印加される所望の電圧および先端１０２に近接して発生される電磁場１２８の所望の特性に依存する（例えば、図２との関連において上記したように）。一般に、絶縁ギャップ１３２および中空コア１３４の寸法は、先端１０２に近接してＤＥＰトラップ１２６を支持し、第１電極１０４と第２電極１１６の間に所望の電圧が印加された場合に、絶縁ギャップ１３２および中空コア１３４の絶縁破壊を防ぐのに好適な寸法である。かかる態様の１つの実装において、絶縁ギャップは、第１電極１０４と第２電極１１６を、約５００μｍ〜約５ｎｍの距離で隔てている。
本明細書によるＤＥＰピンセット装置の他の態様を、図６Ａおよび６Ｂに示す。この態様において、中空コア１３４は細長物１００の内部表面１３６を形成する。第１電極１０４は、この態様においては細長物１００の外周表面１４２の少なくとも一部に対応する、細長物１００の第１部分を構成する。第１電極１０４は、先端１０２に近接する端１０６を有する。第２電極１１６は、この態様においては細長物１００の内部表面１３６の少なくとも一部に対応する、細長物１００の第２部分を構成する。第２電極１１６は、先端１０２に近接する端１１８を有する。
この態様の１つの実装において、細長物１００の絶縁壁１４４は、第１電極１０４を第２電極１１６から絶縁する。この実装の１つの側面において、図６Ａおよび６Ｂに示すように、第１電極１０４と第２電極１１６は同心円状に配置されている。一般に、絶縁壁１４４は、先端１０２に近接してＤＥＰトラップ１２６を支持し、第１電極１０４と第２電極１１６の間に所望の電圧が印加された場合に絶縁破壊を防ぐのに好適な、寸法を有する。
本明細書のさらに他の態様を、図７Ａおよび７Ｂに示す。この態様において、細長物１００は、細長物１００を通る中心軸１４６を含む。第１電極１０４は、この態様においては中心軸１４６の少なくとも一部に対応する、細長物１００の一部を構成する。第２電極１１６は、この態様の１つの実装において、細長物１００の外周表面１４２に対応する、細長物１００の一部を構成する。他の実装において、第２電極１１６は、内部表面１３６に対応する、細長物１００の一部を構成する。この態様の１つの側面において、得られた構造は、第１電極１０４と第２電極１１６が基本的に同心円状であり、互いに絶縁されているような構造であってよい。電極の配置は異なってよいが、しかし一般に、先端１０２に近接してＤＥＰトラップ１２６を支持し、第１電極１０４と第２電極１１６の間に所望の電圧が印加された場合に絶縁破壊を防ぐような配置である。
任意のＤＥＰピンセット装置の態様は、図８Ａおよび８Ｂに示すように、先端１０２に結合された少なくとも１つのマニピュレータを含んでよい。幾つかの実装において、マニピュレータは、先端１０２を１つの位置から他の位置へと移動させるように構成することができる。上に記載したように、粒子１２４がＤＥＰトラップ１２６に捕捉された状態で、先端１０２を１つの位置から他の位置へと移動させると、粒子１２４は先端１０２と共に移動する。幾つかの他の実装において、マニピュレータは、先端１０２を所定の位置に保持し、粒子１２４がその中に存在している媒体を移動させるように構成してもよい。上記のように、粒子１２４が捕捉された状態で媒体を移動させると、粒子１２４を媒体中の新しい領域において解放することができる。マニピュレータは、先端１０２または媒体のどちらかを移動させることができる、任意の種類のデバイスを含んでよく、これらには、図８Ａに示すように、ＳＰＭ１４８および圧電チューブ１５０、および図８Ｂに示すように、マイクロマニピュレータ１５２が含まれる。
図９Ａ、９Ｂ、９Ｃおよび９Ｄに示すように、本明細書によるＤＥＰピンセット装置の幾つかの態様は、先端１０２に近接して捕捉されている粒子１２４へと、またはこれから、放射線１５４が通過することを許容するように構成してもよい。この態様の１つの側面において、ＤＥＰピンセット装置を介した、放射線と捕捉粒子の相互作用および、放射線を捕捉粒子へと、またはこれから導く能力は、粒子の感度と放射線の種々の波長への応答とに基づく粒子の特徴付けのための、他の方法を促進することができる。これにより、運ばれた放射線１５４は、可視光を含む実質的にいかなる波長をも含むことができ、また種々の帯域幅（例えば、狭帯域／単色スペクトルから非常に広い帯域のスペクトルまで）を有することができる。
種々の実装において、あるＤＥＰピンセット装置それ自体を、第１の放射線を捕捉粒子へと導き、および第１の放射線に応答して、粒子から反射されたかまたは発せられた第２の放射線も導くように、構成してよい。代替的に、粒子は、ＤＥＰピンセット装置に必ずしも付随しない源から照射されてもよいが、しかし、照射粒子により反射されたか、またはこれから発せられた放射線は、ＤＥＰピンセット装置が導くことができる（例えば、幾つかの測定もしくは感知デバイスへと）。同様に、ＤＥＰピンセット装置は、捕捉粒子に影響を与えるために放射線を単に導くように構成してもよく、粒子により発せられた任意の他の放射線も、ＤＥＰピンセットに必ずしも付随しない他の手段が導き、および／または測定してよい。
１つの例示の態様において、ＤＥＰピンセット装置を形成する細長物は、放射線を導くように特別に構成することができる。例えば、細長物は、第１電極と第２電極の間の少なくとも１つの絶縁媒体を介して放射線が通るように構成してよい。より具体的には、１または２以上の絶縁媒体は、細長物内に導波管を形成するように配置してよい。他の態様において、細長物は中空で、中空コアを通って放射線を通してもよい。代替的に、さらに他の態様において、細長物は、放射線を導く光ファイバーを含んでもよい。
より具体的には、図９Ａに示す１つの例示の実装において、放射線１５４は、細長物１００の中空コア１３４を通って、捕捉粒子１２４へと、または捕捉粒子１２４から進む。他の実装において、図９Ｂに示すように、細長物１００は放射線１５４を導くように構成される。幾つかの実装において、図９Ｃに示すように、第１電極１０４と第２電極１１６の間の絶縁層１１２は、放射線１５４を捕捉粒子１２４へと、または捕捉粒子１２４から、導くように構成してもよい。さらに他の実装において、細長物１００は、図９Ｄに示すように、放射線１５４を導くための光ファイバー１５６を含んでもよい。
ＤＥＰピンセット装置の用途に関し、上に記載された本明細書の種々の態様による、１つの例示用途のＤＥＰピンセット装置は、種々の生物学的用途を実施するように構成してよく、例えば、先端１０２に近接した細胞のエレクトロポレーションである。かかる実装の電圧源１０８は、適切に時間を合わせたパルスを適用するように構成して、電磁場１２８を発生し、これにより先端１０２に近接して細胞の細胞膜の透過性が一時的に増加する。当分野で知られているようにパルスのタイミングは重要であるが、これは、電磁場への過剰な暴露は重篤な細胞損傷を引き起こし得るからである。一般に、パルスは約１０ナノ秒〜約１０ミリ秒の間の持続時間を有する。細胞膜の透過性が増加した状態にある間、細胞は所望の物質に暴露することができる（例えば、薬物、ＤＮＡ、種々の試薬を細胞内に注入できる）。増加した透過性により、所望の物質を、細胞膜を物理的に穿刺する必要なしに、細胞膜を通って細胞それ自体の中に入れることができる。所望の物質は、細長物１００がマイクロピペットまたは同様の機器（例えば、図５Ａ、５Ｂ、６Ａおよび６Ｂに関連して上述したように）として構成されている場合、ＤＥＰピンセット装置それ自体により、細胞に送達させることができる。関連する概念に基づく他の生物学的用途には、in vitro受精および組織アセンブリーを含むことができる。
本明細書のさらに他の態様において、任意の上記の態様による複数のＤＥＰピンセット装置を一緒にして、種々の幾何学的構成または配置において用いることができる。複数のＤＥＰピンセット装置の例示の実装は、限定なく以下を含む：先端の空間的配置を形成する１次元または２次元アレイであり、ここで制御可能局所電磁場それぞれが先端の末端に近接して（すなわち、一般に各先端に近接した小領域に限定されて）発生される。かかる態様の種々の側面において、以下本明細書において一般に「ＤＥＰピンセットアレイ」または「ＤＥＰアレイ」と呼ぶ、該アレイの各個々のピンセット装置は個別に独立して操作でき（例えば、図２および４に関連して上述してように、電圧源１０８を介して）、制御可能な電磁場を発生し、または、２個もしくはそれ以上のピンセット装置の群を一緒に同時に操作してもよい。さらに、アレイにおける個々のピンセット装置および／またはピンセット装置の群は、連続様式で、および／または平行様式で操作でき、アレイに通常包含される領域にわたって、種々の静的または動的な局所的電磁場パターンを発生する。例示の実装において、ＤＥＰピンセットアレイの個々の要素またはグループ化した要素に対する１または２以上の電圧源は、プロセッサ、コンピュータ、または他の制御回路により制御することができて、アレイの操作を容易にする、同時または多重の可変振幅／可変周波数電圧を提供する。
図１０Ａおよび１０Ｂはそれぞれ、本明細書の１態様によるＤＥＰアレイ５００の斜視図および正面断面図である。例示のＤＥＰアレイ５００は、細長物１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃおよび１００Ｄとそれぞれの先端１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃおよび１０２Ｄとで構成された、カンチレバー構造を有する、４つのＤＥＰピンセット装置を含む。カンチレバー構造を有する４つの装置の直線配置は、図１０Ａおよび１０Ｂにおいて主に１つの例示アレイ５００を説明する目的で示されていること、および、本明細書はこの点において限定されないことが理解されるべきである。なぜならば、他の実装によるアレイは、ＤＥＰピンセット装置の異なる数、配置および構造を有してよいからである。１つの例示の実装において、図１Ａ〜１Ｄに示すような同軸構造を有するＤＥＰピンセット装置を、アレイ５００に用いることができ、一方他の実装において、図３Ａおよび３Ｂに示す構造、または他の図との関連で説明された構造を有するＤＥＰピンセット装置を、アレイ５００において用いることができる。
１つの例示の用途において、本明細書によるＤＥＰピンセット装置またはＤＥＰアレイを用いて、ナノリソグラフィおよびナノマニピュレーション（ナノスケール粒子の操作）を含む、ナノファブリケーションを促進することができる。化学的に合成されたナノスケール粒子（ナノワイヤー、ナノチューブ、およびナノ結晶）の配置を、効果的に制御することができる。これらの粒子はサイズが小さいため、これらは従来、操作デバイスおよび回路内に、特に個々の粒子レベルで組み入れることが困難であった。ナノマニピュレーションは、ナノスケール粒子デバイスを単一デバイスから回路へ、さらにウェハーレベルの製造へと組み立てるための、本明細書に開示のＤＥＰ捕捉概念によって促進される、キーとなる実現技術である。
本明細書に開示された誘電泳動捕捉技術はまた、金属ナノチューブを半導体ナノチューブから、これらの電気コンダクタンスに基づき分離するために用いることもできる。ＤＥＰピンセット装置の先端の局所的電場を用いて、この分離を１個のナノチューブベースで行うことができる。したがって、本明細書に開示されたＤＥＰピンセット装置を介して、個々の粒子を同定し、これらの誘電特性に基づいて分離することができる。図２および図４に関連し、粒子の特徴付けに関して上述したように、ＤＥＰトラップを形成するＲＦ場の周波数は変化させることができ（例えば、電極に印加される電圧の周波数は変化させることができ)、捕捉粒子の周波数依存性のパラメータを計測して（例えば、周波数依存性キャパシタンスまたはコンダクタンス）、捕捉粒子の１または２以上の特定の特性を表すスペクトル応答を決定することができる（例えば、金属ｖｓ半導体）。
さらに他の例示の用途において、ＤＥＰアレイにより生成される場は、必ずしも粒子を捕捉するために用いる必要はなく、代替的に、データ保存および検索を促進するために用いてもよい。上述したように、アレイの各ＤＥＰピンセット装置は該装置の先端に近接する小領域に限定された非常に局所的な場を生成するよう、構成および操作することができ、かかる場の集合を用いて、１または２以上の記憶媒体（例えば、読み書きフラッシュメモリまたは強誘電ビット）から情報を読み込み、および／またはこれらに情報を書き込むことができる。一般に、本明細書に開示された種々のＤＥＰピンセット装置により提供される場の限定は、従来技術を用いて実現されるよりもはるかに小さいビットサイズを提供する（従来のプローブアレイを用い、ＤＥＰ技術を用いない大容量記憶用途の例は、米国特許第5,835,477号、Binnig et al.に対して１９９８年１１月１０日発行された名称「局所プローブアレイの大容量記憶用途（Mass-Storage Applications of Local Prove Arrays）」に開示されており、この特許は本明細書に参照として組み込まれる）。
したがって、本明細書に開示された、誘電泳動力およびＤＥＰピンセット装置およびアレイに関連する概念を用いて、従来のデータ記憶および／または検索技術、例えば上記参照特許に開示されたものなど、に対して大きな改善を実現することができる。例えば、本明細書による１つの方法において、ＤＥＰアレイ（特に、かかるアレイの先端）を１または２以上の記憶媒体近くに配置する。次にアレイを構成する１または２以上のＤＥＰピンセット装置を活性化することにより、アレイの１または２以上の先端に近接して１または２以上の電磁場を発生させ、情報を、こうして発生させた１または２以上の電磁場を介して、１または２以上の記憶媒体から読み込み、および／またはこれらに書き込む。複数の制御可能な局所的場を用いた同様のアプローチに基づく、さらに他の例示の用途において、こうして発生させた１または２以上の電磁場を用いて、フォトレジストを露光させ続いて現像することができる。
幾つかの説明の態様をこのように記載したので、当業者には容易に種々の変更、改変、および改良が可能である。かかる変更、改変、および改良は、本明細書の精神および範囲に包含されることが意図される。本明細書に示された幾つかの例は、機能または構造要素の特定の組み合わせを含むが、これらの機能および要素は、同一または異なる目的を達成するために、本明細書に従って他の方法で組み合わせてもよいことが理解されるべきである。特に、１つの態様との関連で記載された動作、要素および特徴は、他の態様における同様のまたは異なる役割から排除されることを意図していない。したがって、前述の説明は例示目的のみであり、限定を意図しない。
Claims (50)
- 先端（１０２）を形成する細長物（１００）；
前記細長物の少なくとも第１部分を構成し、前記先端（１０２）に近接する第１端（１０６）を有する、第１電極（１０４）；および
前記細長物の少なくとも第２部分を構成する第２電極（１１６）であって、第２電極は第１電極から絶縁されており、前記先端（１０２）に近接する第２端（１１８）を有する、前記第２電極（１１６）、
を含む装置であって、
ここで第１電極の第１端と第２電極の第２端は、前記先端（１０２）に近接して誘電泳動トラップ（１２６）を支持するように互いに位置している、前記装置。 - 細長物が、鋭利なガラス先端を含む、請求項１に記載の装置。
- 細長物が、マイクロマニピュレータツールを含む、請求項１に記載の装置。
- 細長物が、マイクロピペットを含む、請求項１に記載の装置。
- 細長物が、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の先端を含む、請求項１に記載の装置。
- 細長物が、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の先端を含む、請求項１に記載の装置。
- 第１電極と第２電極が、細長物の相対する側を構成する、請求項１に記載の装置。
- 第１電極と第２電極が、同心円状に配置されている、請求項１に記載の装置。
- 細長物がこれを通る中心軸を有し、第１電極が前記中心軸に沿ってその周りに形成され、第２電極が前記細長物の外周表面を形成し、第１電極と第２電極が本質的に同心円状である、請求項１に記載の装置。
- 細長物が中空である、請求項１に記載の装置。
- 細長物が中空の芯を含み、その内部表面が細長物内に形成されており；
第１電極が、細長物の外周表面の少なくとも一部を構成し、第２電極が、内部表面の少なくとも一部を構成する、
請求項１に記載の装置。 - 第１電極の第１端と第２電極の第２端の間の間隔が、第１電極の第１端と第２電極の第２端の間の大きな誘電泳動力を支持するのに適している、請求項１〜１１のいずれかに記載の装置。
- 間隔が、約５００μｍ以下である、請求項１２に記載の装置。
- 間隔が、約１００μｍ以下である、請求項１２に記載の装置。
- 間隔が、約１０μｍ以下である、請求項１２に記載の装置。
- 間隔が、約１μｍ以下である、請求項１２に記載の装置。
- 間隔が、約５００ｎｍ以下である、請求項１２に記載の装置。
- 間隔が、約１００ｎｍ以下である、請求項１２に記載の装置。
- 間隔が、約１０ｎｍ以下である、請求項１２に記載の装置。
- 間隔が、約５ｎｍ以下である、請求項１２に記載の装置。
- 第１電極および第２電極に結合された少なくとも１つの電圧源をさらに含み、前記少なくとも１つの電圧源により発生された電圧が、先端近くに電磁場を作り出し、該電磁場に付随する力が、誘電泳動トラップを提供する、請求項１〜２０のいずれかに記載の装置。
- 少なくとも１つの電圧源が、これが発生する電圧が調節可能な振幅および調節可能な周波数のうち少なくとも１つを有するように構成されている、請求項２１に記載の装置。
- 電磁場に付随する力が、少なくとも１つの電圧源の、調節可能な振幅および調節可能な周波数のうち少なくとも１つを変化させることによって調節される、請求項２２に記載の装置。
- 先端に結合され、該先端を少なくとも１つの所望の位置に移動させるように構成された、少なくとも１つのマニピュレータをさらに含む、請求項１〜２３のいずれかに記載の装置。
- 少なくとも１つのマニピュレータが、走査型プローブ顕微鏡を含む、請求項２４に記載の装置。
- 少なくとも１つのマニピュレータが、圧電チューブを含む、請求項２５に記載の装置。
- 少なくとも１つのマニピュレータが、マイクロマニピュレータを含む、請求項２４に記載の装置。
- 第１電極と第２電極の間のキャパシタンスまたはコンダクタンスを測定することによって誘電泳動トラップ中に捕捉された粒子の有無を感知するための、少なくとも１つのデバイスをさらに含む、請求項１〜２７のいずれかに記載の装置。
- 第１電極と第２電極の間のキャパシタンスまたはコンダクタンスを測定することによって誘電泳動トラップ中に捕捉された粒子の少なくとも１つの特性を決定するための、少なくとも１つのデバイスをさらに含む、請求項１〜２８のいずれかに記載の装置。
- 第１電極および第２電極に結合された少なくとも１つの電圧源をさらに含む、請求項２９に記載の装置であって、前記装置は、先端近くに電磁場を発生するように構成され、ここで少なくとも１つの電圧源の周波数が調節可能であり、少なくとも１つのデバイスは、前記電磁場の異なる周波数においてキャパシタンスまたはコンダクタンスを測定するように構成された、前記装置。
- 細長物が、誘電泳動トラップに捕捉された粒子へと、または該粒子から、放射線が通過することを許容するように構成された、請求項１〜３０のいずれかに記載の装置。
- 細長物が、放射線を導くように構成された、請求項３１に記載の装置。
- 細長物が、放射線を第１電極と第２電極の間の少なくとも１つの絶縁媒体を通過させるように構成された、請求項３１に記載の装置。
- 細長物が、放射線を導く光ファイバーを含む、請求項３１に記載の装置。
- 少なくとも第１端を囲み、かつ第１電極を少なくとも第２電極から絶縁するように構成された絶縁層をさらに含む、請求項１〜３４のいずれかに記載の装置。
- 第１電極がドープされたシリコンを含む、請求項３５に記載の装置。
- 絶縁層が、第１電極を、誘電泳動トラップ中に捕捉された粒子から絶縁する、請求項３５に記載の装置。
- 絶縁層が、二酸化ケイ素を含む、請求項３５に記載の装置。
- 絶縁層の端部が、先端に近接する第２端から突き出ている、請求項３５に記載の装置。
- 絶縁層の端部が、第１端を、先端に近接する試料から絶縁する、請求項３９に記載の装置。
- 少なくとも１つの請求項１に記載の他の装置と組み合わされた、請求項１〜４０のいずれかに記載の装置。
- 請求項４１に記載の組み合わせであって、少なくとも１つの他の装置が、請求項１に記載の複数の装置を、前記組み合わせがアレイを形成する様式で含む、前記組み合わせ。
- アレイの各装置が本質的に同一である、請求項４２に記載のアレイ。
- 粒子を操作するための、または該粒子の少なくとも１つの特性を測定するための方法であって、
Ａ）細長物により形成された先端に近接して電磁場を発生することにより、前記先端に近接して誘電泳動トラップを支持すること、
を含む、前記方法。 - 少なくとも１つの細長物を少なくとも１つの所望の位置へ移動することをさらに含む、請求項４４に記載の方法。
- 請求項４５に記載の方法であって、第１電極が細長物の少なくとも第１部分を構成し、第２電極が前記細長物の少なくとも第２部分を構成し、第１電極は第２電極から絶縁され、ここで前記方法は、
第１電極と第２電極の間のキャパシタンスまたはコンダクタンスを測定することにより、誘電泳動トラップ中に捕捉された粒子の有無を検知すること、
をさらに含む、前記方法。 - 請求項４５に記載の方法であって、第１電極が細長物の少なくとも第１部分を構成し、第２電極が前記細長物の少なくとも第２部分を構成し、第１電極は第２電極から絶縁され、ここで前記方法は、
第１電極と第２電極の間のキャパシタンスまたはコンダクタンスを測定することにより、誘電泳動トラップ中に捕捉された粒子の少なくとも１つの特性を決定すること、
をさらに含む、前記方法。 - キャパシタンスまたはコンダクタンスを測定することが、電磁場の少なくとも２つの異なる周波数においてキャパシタンスまたはコンダクタンスを測定することにより、誘電泳動トラップ中に捕捉された粒子の少なくとも１つの特性を決定することをさらに含む、請求項４７に記載の方法。
- 放射線を、誘電泳動トラップ中に捕捉された粒子へと、または該粒子から、細長物を介して通過させることをさらに含む、請求項４４に記載の方法。
- Ａ）複数の細長物により形成される複数の先端にそれぞれ近接して複数の電磁場を発生すること、ここで各細長物は、該細長物の対応する先端に近接する第１端を有する第１電極および、第１電極から絶縁されており、該対応する先端に近接する第２端を有する第２電極を含む；および
Ｂ）複数の先端の少なくとも１つおよび少なくとも１つの記憶媒体を、前記複数の先端が前記少なくとも１つの記憶媒体に近接するように配置し、これにより、前記複数の電磁場に基づき、前記少なくとも１つの記憶媒体から情報を読み込むこと、および／または該記憶媒体へと情報を書き込むこと、
を含む、方法。
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