JP2020514710A - 多平面マイクロ電極アレイ装置ならびにその製造方法および使用 - Google Patents

Abstract

本発明は、流体溶液に含有されるマイクロ粒子およびナノ粒子を分離および分析するマイクロ電極アレイ装置、ならびに当該装置の作成方法および使用に関する提供をする。さまざまな態様において、本発明は、動電学現象および所定の力の分離を利用して流体溶液中の小粒子に作用しこれを調節するように構成されていることにより、このような粒子に対するさらなる分析を可能にする。【選択図】図１

Description

関連出願

本出願は、２０１６年１２月１９日に出願された米国特許出願第１５／３８３，３４３号に対する優先権を主張するものであり、同出願の開示全体を参照により本願に取り込む。

発明の分野

本発明は、広く、プラットフォームデバイス内の動電学現象を利用して流体の粒子運動に作用および制御する装置の分野に関するものである。特に、本願は、粒子の固有の性質に基づいて、粒子を定量化または回収するものである。

発明の背景

分子診断学の分野における実験計画は、ここ２０年、驚くべき速さで発展している。歴史的に見て、分析が完了するまでに数週間または数か月を要してきたが、現在では１日以内で完了させることが可能であり、これは、時間および費用の両面において大幅な節約につながる。このような目覚ましい利点に加え、当該技術は、１つの基準である別の重要なパラメータを進歩させてきた。電気化学、熱力学および物理学の理解が進むことで、今や技術者たちは、ナノスケールおよびそれ以下に粒子を分離して観察する能力を得ている。

一般に、分析に先立って所定の生体サンプルを入念に準備する必要があるが、このような準備は手間のかかるものであり、最悪の場合、分析するサンプルの完全な状態に意図しない影響を及ぼすことがある。血液、組織または細胞など、生物学的要素を含有する臨床サンプルの様々な診断検査では、細胞を破壊または溶解して粗試料から対象となる粒子を分離して、対象となるたんぱく質および核酸を含む分子などを取り出した後、このようなたんぱく質および／または核酸を浄化する必要がある。こういった処理工程を完了することで、ようやく対象となる分子の分析を始めることができる。

処理時に、所定の力を溶液中のサンプルに印加して、当該サンプルをその構成成分に分解することは周知である。かかる力の１つは誘電泳動（ＤＥＰ）として知られ、特に、マイクロもしくはナノスケールの実験規模で実験を行う際に、または細胞をサンプルに利用する場合に有用である。ＤＥＰは、分極性粒子が不均一な電界で浮遊していたり、またはさらされていたりする場合に発生する（Ｂ．Ｊ．カービー、「マイクロおよびナノスケール流体力学：マイクロ流体デバイスにおける移送」、ケンブリッジ大学出版局（２０１０年））。すべての粒子は、不均一電界の存在下でいくばくかのＤＥＰ活性を示し、このようなＤＥＰ力の強度は、とりわけ粒子の粒径、形状および電気特性、電界の周波数ならびにサンプル粒子の試験を行う溶液を含む、いくつかの要因と大きく関係している。溶液中の粒子を特定の周波数に設定された電界にさらすことにより、溶液中の粒子に特定の選択的処理を施すことができるため、粒子から非常に正確な測定値を得ることができる。

ＤＥＰ力を利用してマイクロスケールの粒子を分離および試験する、周知の従来技術によるデバイスがある。このようなデバイスでは、スライドガラスの表面に貼られた露出電極を有するスライドガラスを使用して、分析対象の粒子を含有するマイクロリットル量の流体が電極を通過する。これらの粒子は、細胞またはたんぱく質から核酸にまで及ぶ。そして、このような粒子は、ＤＥＰ力を利用して、各粒子のそれぞれの誘電特性に基づいて、特定の導電性を有する個別のバッファならびに適切な振幅および周波数を有する外部電流（ＡＣ信号）を用いて分離することができる。

しかしながら、これら従来技術による装置には、スライドガラス表面の露出部分に、また、ときには電極自体に粒子が凝固するなどの様々な問題がある。さらに、このような従来技術による装置の表面および電極は非常に小さいため、流体の流れに支障をきたし、洗浄サイクル間の特定の処理工程の妨げになる最小の粒子までもが凝集する可能性がある。

上述の従来技術による装置は、マイクロリットル量の測定を企図するマイクロチップアレイに基づくものである。高電圧ＤＣパルスを用いてたんぱく質や核酸の分離および分析を行うマクロスケールの装置がある。このような装置では、チップ上のマイクロスケールアレイの遮断制限の問題を概ね解消するものの、マクロスケール装置にはその装置特有の一連の問題点がある。例えば、一部の市版されているマクロスケール装置では、細胞膜に形成された孔を通じた移動が可能な核酸の分子重量を制限する溶解状態を利用する。加えて、放出された核酸は、溶解チャンバの表面に非特異的に集積されるため、失われてしまうことが多い。さらに、ほとんどのマクロスケール装置において、溶液と電極の間に位置する膜またはヒドロゲルを利用しなくてはならないため、このような装置ではさらに制限がかかることになる。

従来技術による最新式の装置では、マイクロ流体工学に関連する動電学の分野で発見された様々な現象の利点を利用する試みがなされてきた。動電学とは、ＤＥＰ、電熱流（ＥＴＦ）、電気浸透流（ＥＯＦ）および流体中に見出せる粒子に印加された電界の周波数および振幅に応じて作用する他の力の組合せを説明するものである。従来技術による最も高性能の装置でさえも見受けられる制限の１つとして、ＤＥＰ／ＥＴＦ／ＥＯＦ力が相互に結合することが求められる。別の制限として、二導線方式に基づく電極アレイの幾何学的配列の制限や、高塩分系（生体液など）に見受けられる周波数および振幅の制限を解消できないこと、塩分レベルが脱イオン水におけるレベルまで低下することによる流体処理の不良が含まれる。

動電学的手法を用いて、導電率１ｍＳ／ｃｍ超で流体中の粒子を捕捉する場合、周波数（３０ｋＨｚ未満）および振幅（２０Ｖｐｐ未満）に制限がある。

周波数に制限がかかることで、溶液中で混合可能な量が減少する。その結果、ＤＥＰ減少領域に存在する粒子の時間関数として得られる濃度が指数関数的に減少する。ＤＥＰ減少領域は、粒子がＤＥＰ力の影響を受ける領域である。このような濃度の指数関数的減少は、動電学的手法を利用して粒子の分離、定量化および回収を行う装置の捕捉効率に悪影響を及ぼす。

振幅の制限は、発生し得るＤＥＰトラッピング力を減少させる。これは、低周波数では電気分解（電極の位置でｐＨが大きく変化すること）によって電極が破壊されるためであり、その結果、電極の機能を果たす能力がなくなる。ｐＨが大きく変化することで、粒子の天然状態を変化させるか、または粒子を破壊することで捕捉できる粒子にも変化が生じる。また、振幅の制限は、ＥＴＦおよびＥＯＦによって発生する流力に対向するＤＥＰ力の能力を安定させるためにも必要とされる。電圧（Ｖ）が高くなると、ＤＥＰ力がＶ^２の関数として大きくなり、これに対し、流力は流体導電性に応じてＶ^４またはＶ^５の関数として大きくなる（ロアール他、ＡＣ電熱流の理論的および実験的研究、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、４５：１８５３０１（２０１２年）、および、ホン他、完全結合モデルを用いたＡＣ電熱式マイクロポンプの数値シミュレーション、マイクロ流体・ナノ流体、１３：４１１−４２０（２０１２年））。

電熱流によって発生する導電率が１ｍＳ／ｃｍ未満の流体における実行可能な混合量には、ジュール加熱で大きく減少することから制限がある。よって、ＤＥＰ減少領域における粒子の有効濃度にも制限がかかる。電界の振幅を増加させることで、ＤＥＰ減少領域の有効な寸法を拡大させることができるものの、電解作用が起きるために拡大にも限度がある。

従来技術では、サンプルにナノスケールレベルまでの処理を施すことができるマクロスケール装置が求められ続けていることに加え、上述の制限を解消しなければならない。

本発明は、ＤＥＰをＥＴＦ力およびＥＯＦ力から分離することにより、周波数および振幅における制限を解消するように構成された新規のマイクロ電極アレイ装置を提供するものである。別の実施形態では、本発明は、少なくとも１つの隣接する電極に対して少なくとも１つの電極を包囲する電界の勾配を変化させるマイクロ電極アレイ装置を提供するものであり、電極配列体は３つ以上の別個の入力信号を使用して構成され、個別に少なくとも３つの異なる極性設定として作動させる。好適な実施形態では、少なくとも３つの別個の入力信号が電極配列体から受信されるため、少なくとも３つの異なる性質の電荷を各電極に印加できる。

一態様において、本発明は、さらに幾何学パターンで配列された複数の電極を含む基板を有するマイクロ電極アレイ装置を提供するものである。複数の電極は、フォトリソグラフィ、蒸着、スパッタリング、スクリーン印刷、３次元（３Ｄ）印刷および電気めっきからなる群から選択される手段を用いて付着される。好ましくは、基板は、ガラス、シリコンまたは非導電性ポリマの少なくとも１つから構成される。

別の態様では、複数の電極は、金属製または非金属製の導電材料から作成される。好ましくは、本発明の電極の厚さは、約１０ｎｍ〜約１０μｍである。別の態様では、電極は絶縁または非絶縁電界が発生できるように構成されている。あるいは、電極配列体は、絶縁電極および非絶縁電極からなる。最も好ましくは、電極形状体を幾何学的に配列して、ＤＥＰ力をＥＴ流およびＥＯ流によって生じる力から容易に分離できるようにする。あるいは、電極の形状を円形にして、隣接する電極間の配向角を約０度から約９０度までの範囲にしてもよい。

本発明の方法および装置の別の実施形態では、約３アンペア（３Ａ）までの処理が可能なマイクロ電極アレイ装置が含まれ、電極配列体に電力を供給する。最低でも、個々の電極は最大で約０．１Ａすなわち１００ミリアンペア（１００ｍＡ）まで適応するように構成されている。

別の態様において、本発明は、少なくとも３つの別個の電極を有するマイクロ電極アレイ装置を提供するものであり、各電極は正電荷（＋）、負電荷（−）または中性電荷を帯びてもよい。

さらに別の態様では、それぞれ隣接する電極間のＺ次元には少なくとも２つの異なる平面が存在し、電極配列体に広がる電界の不均一性に影響を及ぼす。さらに、個々の電極間のＺ次元は、少なくとも１ｎｍ〜５ｎｍ超まで変化する場合がある。好ましくは、電極配列体の各電極は、相互に対して別々のヨー角、ピッチ角およびロール角を有する。

所定の実施形態では、本願で述べるマイクロ電極アレイ装置は誘電体基板内に多平面浮遊電極を有し、浮遊電極はいかなる電源にも接続していない。

別の態様では、本発明の装置は、電極間にインピーダンスブリッジ回路を備えて、基板のキャパシタンスを調整する。加えて、基板内には空洞部が設けられ、電界の存在下で装置全体に温度勾配を生成し、空洞部は基板内に設けられた孔部または谷部の形態を採る。

別の態様では、本発明の装置はさらに、定置された電極材を覆うとともにアレイ内の各電極の所定の領域を選択的に露出させる誘電体不活性化層を備えている。

別の態様では、本発明の装置はさらに、定置された露出電極材を覆う膨潤性または非膨潤性の多孔質誘電体不活性化層を備えている。このような誘電体不活性化層により、水分子が露出電極を通過および接触するようにできる。

別の好適な態様において、本願に記載のマイクロ電極アレイ装置はさらに電界効果トランジスタを有し、電界および電極性能の影響を受けた粒子を定量化できる。好ましくは、本装置は、露出電極ごとに少なくとも１つの電界効果トランジスタを有する。別の実施形態では、マイクロ電極アレイ装置は、電界の影響を受けた溶液中の粒子を定量化できるインピーダンスセンサを有する。好ましくは、本装置は露出電極ごとに少なくとも１つのインピーダンスセンサを有する。

さらに別の態様では、本発明はさらに、溶液を含有する流体チャンバを電極配列体の真上に設け、流体チャンバは少なくとも１つの刺激に基づいて展開または収縮可能な流路を備える。

好適な実施形態において、本発明は、非平坦平面構造体を含むデバイスを提供するマイクロ電極アレイ装置の製造方法を提供するものである。平面構造体は界面動電現象を促進するように構成され、さらに本装置は、３Ｄ印刷、スクリーン印刷、レーザ焼結、レーザ切断およびＭＥＭＳフォトリソグラフィからなる群から選択される技術を用いて作成される。

好ましくは、本発明のマイクロ電極アレイ装置は、交流、直流およびパルス直流電流からなる群から選択される電流信号を電流源とする場合に、不均一な電界を発生させることができる。電流信号は、正弦波、矩形波、三角波、連続波およびこれらの任意の組合せからなる群から選択される波形を有する。

好適な実施形態において、本発明の装置は、導電率が約０ジーメンス／メートル（Ｓ／ｍ）〜約５Ｓ／ｍ、約０Ｓ／ｍ〜約０．０５Ｓ／ｃｍまたは約０ｍＳ／ｃｍ〜約５０ｍＳ／ｃｍの範囲で、流体溶液を処理することができる。任意で、サンプル流体は、脱イオン水、生理液または汽水を含んでいてもよく、サンプル流体の粘度は、約１センチポアズ（ｃＰ）〜約１００ｃＰおよび約０．００１パスカル秒〜約０．１パスカル秒の範囲である。好ましくは、本発明の装置は、約１０ｎｍ〜約５０，０００ｎｍおよび約０．０１ミクロン（μｍ）〜約５０μｍの範囲にある粒子に作用することができる。粒子は、細胞および細胞内粒子、ならびにデキストラン、ポリスチレンマイクロ球、ポリスチレンナノ球およびその他のポリマからなる群から選択される合成粒子を含んでいてもよい。

好ましくは、本発明の装置は、誘電泳動高電界領域または低電界領域を形成可能なマイクロ電極アレイ装置を備え、各領域は電界の強度および電極配列体の特定の形状に基づいて選択的に決定され、電極はさらに絶縁電極および非絶縁電極から構成される。任意で、本発明の装置は、ＥＴＦ力およびＥＯＦ力を発生させることができる。最も好ましくは、本発明のマイクロ電極アレイ装置は、ＤＥＰ力とＥＴＦ／ＥＯＦ力の分離を利用して、流体中の各粒子の特定の有効ストークス半径および誘電特性に基づいて粒子を分離する。

さらに別の実施形態では、本発明は溶液中の少なくとも１の粒子を定量化するように構成されたマイクロ電極アレイ装置を提供し、本装置は、（１）不均一な電界を形成し、（２）不均一電界の影響を受けた少なくとも１の粒子がそれぞれ（ｉ）誘電泳動減少領域に進入する、（ｉｉ）誘電泳動高電界領域もしくは低電界領域で不動化される、または（ｉｉｉ）誘電泳動高電界領域もしくは低電界領域に放出される期間中またはその後の実時間からなる群から選択される時点において、電界効果トランジスタを使用して電流またはインピーダンスの変化を測定する。任意で、マイクロ電極アレイ装置は、溶液中の少なくとも１の粒子を定量化するように構成され、（１）不均一な電界を形成し、（２）不均一電界の影響を受けた少なくとも１の粒子がそれぞれ（ａ）誘電泳動減少領域に進入する、（ｂ）誘電泳動高電界領域もしくは低電界領域で不動化される、または（ｃ）誘電泳動高電界領域もしくは低電界領域に放出される期間中またはその後の実時間からなる群から選択される時点において、電気インピーダンス断層撮影（ＥＩＴ）またはインピーダンス分光法を用いてインピーダンスの変化を測定する。別の態様では、マイクロ電極アレイ装置は、溶液中の少なくとも１の粒子を定量化するように構成され、（１）不均一な電界を形成し、（２）不均一電界の影響を受けた少なくとも１の粒子がそれぞれ（ａ）誘電泳動減少領域に進入する、（ｂ）誘電泳動高電界領域もしくは低電界領域で不動化される、または（ｃ）誘電泳動高電界領域もしくは低電界領域に放出される期間中またはその後の実時間からなる群から選択される時点において、光学顕微鏡法を用いて蛍光変化を測定する。

別の態様では、本発明のマイクロ電極アレイ装置は、複数の電気入力信号を供給して、各装置に含まれる電極配列体を動作させ、電気入力信号は、正弦波、矩形波および三角波からなる群から選択されるうちの少なくとも１つである。好ましくは、電極配列体は、正電荷（＋）、負電荷（−）および中性電荷からなる群から選択される電荷を吸着することが可能な、それぞれの電極を有する。

本発明の新規な特徴を、本発明に係る特許請求の範囲の形式に具体化して本願に記載する。本発明の特徴および利点は、以下に例示する本発明の実施形態および好適な特徴について述べる発明の詳細な説明、ならびに添付の図面を参照することにより完全に理解できるであろう。
ないし 本発明に係る装置の一実施形態を示す。図１Ａは、本発明に係る複数層からなるマイクロ電極装置の好適な組立実施形態の展開図であり、図１Ｂは、本発明のカートリッジ要素の拡大図であり、図１Ｃは、カートリッジに埋設されたマイクロ電極アレイを詳細に示すカートリッジ要素の別の拡大図である。 ３つの別々に分離した電荷を帯電する少なくとも３つの電極を変形した一実施形態によるマイクロ電極アレイを詳細な模式図を示す。詳細図は、絶縁電極周辺のインピーダンスブリッジで縁取られたインピーダンスセンサの位置を示す。 本発明のマイクロ電極アレイ装置の一実施形態における、互いに近接する３つのマイクロ電極間で相互に関係し合う電荷の例を示す。 マイクロ電極アレイの一実施形態の上面図を示し、誘電体層に埋設された露出電極を描写する。 図４のマイクロ電極アレイの実施形態の上面図であるが、本図では、誘電材料層は除去され、流体サンプルから隔離された付加電極のトレースパターンの例示的な形状が露出している。 図５のマイクロ電極アレイの実施形態の上面図を示し、マイクロ電極アレイ基板に埋設されたインピーダンスブリッジ（マゼンタ）に結合された個々の電極のトレースパターンの形状を備える。 ないし 本発明のマイクロ電極アレイ装置のインピーダンスブリッジ要素を示す。図７Ａは、２つの電極間に設けられたインピーダンスブリッジの拡大上面図を示し、図７Ｂは、液体を充填したマイクロ流体チャンバおよび液体中を流れる電流の方向を詳しく示す図７Ａの断面図であり、図７Ｃは、装置内にある流体路のＡＣ等価回路モデルを示す。 および アレイ内のＺ軸高さが異なる電極の一実施形態を示す。図８Ａは、中央の電極のＺ次元において高さが異なる電極間のインピーダンスブリッジ配列の斜視図を示し、図８Ｂは、電極のうちの１つのＺ次元高さが異なる例とともに示す断面図である。 ないし 電極間のＺ軸高さと電界勾配（∇Ｅ²）の関係を示す。図９Ａは、隣接する電極に基づく電界のＸ次元およびＺ次元プロットを示す。図９Ｂは、中程度のＺ軸高さに対する電界勾配（∇Ｅ²）のプロットを、図９Ｃは、長いＺ軸高さに対する電界勾配（∇Ｅ²）のプロットを、図９Ｄは、最短のＺ軸高さに対する電界勾配（∇Ｅ²）のプロットを示す。図９Ｂないし図９Ｄは、図９Ａの左から右に動く各電極における点線について示すものである。 ないし 本発明の装置と従来技術による装置とを比較した、電界勾配パターンの形跡を示す。図１０Ａは、Ｚ軸高さが均一な電極から構成されるアレイの電界を電極パターンのそれぞれのＸＺ軸プロットとともに示す線グラフである。図１０Ｂは、Ｚ軸高さが不均一な電極および電界勾配の付随変化を、Ｚ軸高さが不均一な電極パターンのそれぞれのＸＺ軸プロットとともに示す線グラフである。図１０Ｃは、２つの電極にロール角をつけて結合されたＺ軸高さが不均一な電極およびこれに付随する電界勾配の変化を描写する線グラフを、ロール角をつけたＺ軸高さが不均一な電極のそれぞれのＸＺ軸プロットとともに示す。 本発明の装置のマイクロ電極アレイ内における、３つ一組の隣接する各電極間の好適な配列を示す。

発明の詳細な説明

定義
本願で用いる用語「誘電泳動」または「ＤＥＰ」とは、電界の存在下で誘電体粒子に力を印加する現象のことを指す。粒子は特定の電荷を帯びていなくてもよく、また、電界は不均一でもよい。すべての粒子が電界の存在下で誘電泳動活性を示すのに対し、ＤＥＰ力の強度は、測定する粒子の物理的性質を含む多くの変数、および粒子を包囲する電界の所定のパラメータに応じて決まる。時間平均ＤＥＰ力は、式
によって表される。式中、Ｅ_ｒｍｓは、電界の二乗平均平方根（rms）である。Re(β)は、理論上では−０．５から１までの範囲であり、クラウジウス−モソッティ（ＣＭ）因子の実部を表し、式
によって表される。

本願で用いる用語「電熱流」、「ＥＴＦ」または「ＥＴ流」とは、浮力の影響が減少し、低電圧状態で高磁場勾配が得られる、ミクロン未満スケールで電場駆動力が存在することを意味する。ＥＴＦは、高い導電性流体で有効であり、ＡＣ加電圧でのマイクロ流体デバイスの流体のジュール加熱により発生する。流体のジュール加熱により温度依存導電が発現する場合、このような相互作用により、マイクロ流体デバイス内の印加電界において、予測可能な循環パターン状の流体運動が生じる。電熱流に起因する力は、式
によって表される。

本明細書で用いる用語「電気浸透流」、「ＥＯＦ」または「ＥＯ流」は、マイクロ流路または他の何らかの流体管に対する加電圧により誘発される流体の運動を指す。ＥＯＦは、電界を電気浸透流量に応じた粒子の分離に役立たせる高電荷面を含むシステムを必要とする、マイクロ流体デバイスにおいてとくに有用である（Ｈ．モルガンおよびＮ．Ｇ．グリーン、「ＡＣ動電学：コロイドおよび超微粒子」、バルドック、ハートフォードシャー州、イギリス：リサーチ・スタディ・プレス、２００３年）。

本願で用いる用語「マイクロ電極アレイ装置」とは、流体溶液中の粒子を分離する、適切な基板に含まれる複数の電極が幾何学的に配列している装置のことを指す。

以下に、本願で述べる特定の実施形態による、とくにサンプル溶液に含有されるマイクロスケール粒子およびナノスケール粒子の処理、定量化および分析を行うように構成された方法、装置およびシステムについて述べる。実施形態によっては、流体溶液中のマイクロスケールからナノスケールの大きさの粒子を定量化し、分離して、さらに分析を行うように構成された装置および方法を提供する。特定の実施形態では、本発明は、動電学的手法を用いて流体中の粒子運動に影響を及ぼして制御し、このような粒子を定量化および回収できる多平面マイクロ電極アレイ装置を提供する。本発明のマイクロ電極アレイ装置は、装置内の電極の形状および配列により、有効ストークス半径（寸法）誘電率や、周囲を取り囲む流体の特性ではなく粒子特有の固有誘電特性などのパラメータに基づいて粒子を回収する。別の態様では、多平面マイクロ電極アレイ装置は、特有の電極配列による非標準的な製造技術によって構成され、この配列の幾何学性により、粒子分離に対する装置の働きを向上させることができる。別の態様では、導電性または塩分が生理液または生体液の導電性および塩分まで高まることにより、本発明の多平面マイクロ電極アレイ装置は、従来技術による装置における周波数および振幅の制限を克服することができる。同様に、本発明の装置は、導電性または塩分が脱イオン水における導電性または塩分まで低下することにより、サンプル溶液の混合物に関連する制限を解消する。

実施形態によっては、本発明の装置は、誘電体または半導体の基板を含む。当該基板上には、フォトリソグラフィ、蒸着、スパッタリング、スクリーン印刷、３Ｄ印刷または電気めっきを含む所定の技術を用いて電極が配列されるが、所定の技術はこれらに限定されない。基板の組成は、ガラス、シリコン、またはアクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレートおよび環状オレフィン共重合体からなる群から選択される非導電ポリマのうち少なくとも１種である。

図１Ａに示すように、好適な実施形態は立体型の製造モデルからなるものであり、本発明のマイクロ電極アレイ装置は、特定仕様または非標準的な製造技術を用いて生成される。このような技術により、従来技術では実現し得なかったと思われる新しい型式で性能特性が高い特有の電極形状が創造できるようになる。

本発明の装置は層状に配設することが好ましく、各層はあらかじめ規定された特別な製法に従って配設されてもよい。好適な実施形態では、図１Ｂに示すように、筐体１０は、幾何学パターンで配列された複数の電極２０を含む少なくとも１つのカートリッジ４０を有し、カートリッジ４０は、筐体１０に埋設され、流路５０を介してカートリッジ４０を通過する流体を収容するものでよい。図１から明らかなように、好適な実施形態は一連のカートリッジを有し、各カートリッジ４０は、特有の幾何学パターンをした複数の電極２０を含み、筐体１０に埋設されることにより、流路５０を介して複数の電極２０上を流れる流体を収容する。

好適な実施形態において、図２に示すように、複数の電極２０は、流路５０を有するカートリッジ４０とともに埋設される基板３０の上または内側の特定の位置に定置または配列される。一態様において、複数の電極２０は、金属製の、または任意で非金属製の導電材料から形成される。別の態様において、電極の素材は、金、白金、パラジウム、イリジウム、炭素、白金炭素およびインジウムスズ酸化物からなる群から選択される少なくとも１種の金属を含む。好適な態様では、各電極２０の厚さは、約１０ｎｍから約１００ｎｍまでの範囲である。電極配列体は、絶縁された領域および絶縁されていない領域の両方を備えるように構成されている。好ましくは、絶縁および非絶縁電極は、それぞれ個々に作動され、一斉に活動してもよい。任意で、絶縁電極および非絶縁電極は、最大で約９０度位相が遅れる。

図２の拡大図は、電極２０の好適な配列の近景を示す。とくに、本図による３つの電極２０はそれぞれ、隣接する電極に対して異なる電荷（または同じ電荷）を吸着してもよい。３つの電極２０は、基板３０内に配置される。インピーダンスブリッジ２２が、各電極２０の両側に配置される。一連のインピーダンスセンサ２４が、絶縁トレース２６の縁に配列され、トレース２６は電極２０を横断してまたは斜めに延びていてもよい。

さらに別の実施形態では、電極配列体は、ＤＥＰ力をＥＴＦ力およびＥＯＦ力から分離することを可能にする。一態様において、このような分離は、高電界および低電界ＤＥＰ領域を、ＥＴＦ力およびＥＯＦ力の高強度および低強度領域から空間的に分離することで可能となる。好ましくは、電極配列体により、高電界ＤＥＰ領域を下降流不感帯の始点に近い位置に移動させて、流体に含まれる粒子を分離する。このような好ましい領域の範囲は、約０ｎｍ〜約１００００ｎｍである。さらに別の態様では、電極は、ひとつながりの円形または楕円形の物理的形状をしていて、隣接する電極間の配向角は０、３０、６０または９０度である。

別の好適な実施形態において、本発明の多平面マイクロ電極アレイ装置は電源に接続され、装置は約３Ａすなわち３０００ｍＡまで対応可能である。好ましくは、個々の電極に、最大で約０．１Ａすなわち１００ｍＡの電力を供給するか、あるいは、電極の電気分解および劣化により信号完全性が損なわれる直前まで電力を供給する。

図３にさらに示すように、３つの電極２０（図２の拡大図に示す）は、好ましくは少なくとも３つの異なる極性を有し、各電極２０上の電荷は、近接して配設された他の電極２０とは関係なく調整され、各電荷は正電荷（＋）、負電荷（−）または中性電荷のいずれかである。好ましくは、電極２０は、各電極に対し、各電極の時間依存性極性に基づいて、不均一電界（黒矢印）を有効にする。電極配列体は、各電極２０の電荷が他のどの電極２０とも無関係に調整し得るように構成することができ、各電荷は、いつでも正、負または中性の電荷を呈することができる。所定の３つの電極の集合における極性の好適な配列例は次の通りであり、最上部の電極から時計回り、すなわち、（＋）（−）中性、（＋）中性（−）、（−）（＋）中性、（−）中性（＋）、中性（＋）（−）、中性（−）（＋）、（＋）（＋）（−）、（＋）（−）（＋）、（−）（−）（＋）、および（−）（＋）（−）に移行する。

最も好適な実施形態では、それぞれ隣接する電極間のＺ次元に少なくとも２つの異なる平面があり、これにより、電界の不均一性が調整される。各隣接する電極間のＺ次元に少なくとも２つの異なる平面があることで、各電極の周囲の電界の均一な勾配を解消する補正がなされ、これにより、ＥＴＦ力およびＥＯＦ力の流動動態が変化する。同様に、各隣接する電極間のＺ次元の周囲に少なくとも２つの異なる平面を配することにより、ＤＥＰの高電界力および低電界力が変化する。隣接する電極間のＺ次元の距離は、約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍでよい。好ましくは、電極配列体の電極は、相互に対し別々のヨー角、ピッチ角およびロール角を有する。最も好ましくは、ヨーは、隣接する電極間で約０度〜約１７９．９度まで及んでいてもよく、ピッチおよびロールは、基板平面から約０度〜約８９．９度まで及んでいてもよい。好適な実施形態では、３つの、独立して隣接する電極の基板平面に対するピッチは８９．９度の角度であり、ヨーの角度は個々の隣接する電極の先端（ピッチから求める）が内向きで互いに対向することになる。ロール角に関する好適な実施形態では、個々の隣接する電極の先端（ピッチから求める）が、基板の平面に対して、約４５度の角度になるように配置することになる。

図４に示すように、複数の電極２０は、好適な幾何学アレイ中に存在し、電極２０は誘電材料から構成される基板３０に埋設されている。かかる第１の層の上面図では、誘電体基板３０に囲まれた状態の露出している電極２０のみを示している。

図５は、図４のマイクロ電極アレイの上面図を示し、ここでは、誘電材料が除去され、電極２０の列に水平に配設された絶縁トレース２６の例示的形状が現れている。露出した電極２０は、絶縁トレース２６に囲まれた状態で示されている。

いくつかの実施形態では、本発明の装置は、誘電体基板内にＺ次元の多平面浮遊電極を備えるものであり、浮遊電極はいかなる電源にも接続されていない。その結果、電界が浮遊電極を通ると、電界が連鎖的に生成される。好ましくは、Ｚ次元の浮遊電極間の距離は、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍの間で変化する。

いくつかの態様では、本発明の装置および方法はさらに、少なくとも１つのインピーダンスブリッジ回路を電極間に備えるものであり、基板によって静電容量を調整する。図６に示すように、別の実施形態の上面図は、絶縁トレース２６の縦の列を、アレイ内の個々の電極２０の両側のインピーダンスブリッジ２２とともに示す。インピーダンスブリッジ回路の存在により、基板全体の容量結合が解消し、さらに、基板を介して熱源を提供することができる。

図７Ａから明らかなように、インピーダンスブリッジ２２を拡大した様子が一対の電極２０間に示されている。絶縁トレース２６は、誘電材料３０内にある各電極２０の周りを垂直方向に延びている。各インピーダンスブリッジ２２の間には、絶縁トレース２６が設けられている。断面図（図７Ｂ）は、マイクロ電極アレイ上の流体の存在、各電極２０間の相対距離、および基部上の電極の高さを示す。図７Ｃは、装置内にある流体路の交流等価回路モデルを示す。

所定の実施形態では、本発明の装置の製造方法は、基板内に空洞部を設けることを含み、このような空洞部は、孔部、谷部または溝の形態をとることで、装置全体に所定の温度勾配を生み出す。一態様では、本発明に係る装置の製造方法はさらに、定置した電極材を誘電保護層で覆うことを含む。好ましくは、誘電保護層は、基板の所定の部分で選択的に露出している。別の態様では、保護材は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１つの物質および誘電率（ｋ値）が４．０未満の他の任意の基板からなるものでよい。保護層の厚みは、約０．１μｍ〜約２０μｍでよい。

いくつかの実施形態において、本発明の方法および装置は、電界および装置内の電極性能の影響を受ける粒子を定量化することができる電界効果トランジスタを含む。好ましくは、本発明の装置は、各露出電極に対し少なくとも１つ以上の電界効果トランジスタを含むように製造される。これにより、各電極の表面における劣化の測定が可能となる。また、電界効果トランジスタは、電極配列体中の各電極の表面におけるｐＨの変化を探知して測定できる。

別の実施形態では、本発明の方法および装置はさらに、本装置の基板と一体化したインピーダンスセンサを備える。インピーダンスセンサが存在することにより、電界の影響を受ける粒子を定量化することができる。また、インピーダンスセンサは、電極性能を探知および測定できる。好ましくは、本装置内の電極配列体の露出電極ごとに、少なくとも１つ以上のインピーダンスセンサが設けられている。最も好ましくは、インピーダンスセンサは、電極のｐＨおよび各電極の表面劣化を探知できる。

図８Ａに示すように、マイクロ電極アレイの斜視図は、隣接する電極間の他に、同一の電極２０の両側に関しても、Ｚ次元における高さの差を示している。さらに、断面図（図８Ｂ）は各電極２０の両側のＺ軸高さの差を示す。

本発明の装置では、従来技術における装置の特徴である、露出する電極を覆う膨潤性多孔質保護層が施されていなくてもよい。好ましくは、本発明の装置は、マイクロ電極アレイの真上にサンプル溶液を保持する流体チャンバを有する。流体路は、サンプル溶液を電極配列体の真上に運ぶ。最も好ましくは、流体路は、電子または温度による刺激によって、展開または収縮可能である。

所定の実施形態において、本発明の装置を作成する製造方法は、平坦ではない平面構造体を各装置内に形成する３Ｄ印刷、スクリーン印刷、レーザ焼結、レーザ切断、またはフォトリソグラフィ技術を使用することを含む。上述の技術の少なくとも１つを利用すると、本発明の装置の基板内に適用する特有の幾何学的電極配列を実現することができる。好ましくは、これらの製造工程は、最大５０ｍＳ／ｃｍの流体導電率測定値での恒常的な装置動作により、様々な流体組成における粒子に影響を与え、分離、定量化および回収を行うことができる。

好適な実施形態において、本発明の装置は、交流、直流およびパルス直流からなる群から選択される信号を送出する電源から給電を受けると、不均一な電界を発生させることができる。本発明の装置に送信される信号は、正弦波、矩形波、三角波、連続波またはこれらの組合せを含む任意の波形であってもよく、さらに、周波数に追随する変調デューティ比を有する。

別の態様では、本発明の装置は、導電率が約０Ｓ／ｍ〜約５Ｓ／ｍ、約０Ｓ／ｃｍ〜約０．０５Ｓ／ｃｍおよび約０ｍＳ／ｃｍ〜約５０ｍＳ／ｃｍの範囲にあり、流体またはサンプル溶液中で作動可能である。任意で、流体は、天然源または生理的供給源から得てもよい。また、流体は、流体の導電率を低下させるべく、合成成分または不純物の混ざった成分を含んでいてもよい。流体は、脱イオン水、生理学的水、生物学的水および汽水からなる群から選択される供給源から得てもよい。別の態様では、サンプル溶液中の流体粘度は、約１ｃＰ〜約１００ｃＰ、すなわち約０．０００１パスカル秒〜約０．１パスカル秒でよい。

別の態様では、本発明の装置は、粒径が約１０ｎｍ〜約５０，０００ｎｍの粒子に作用することのできるマイクロ電極の特定の幾何学的アレイを有していてもよい。本発明の装置によって同定される粒子は、細胞状粒子および細胞内粒子、ならびにデキストラン、ポリスチレン微小球、ポリスチレン非球体およびその他の天然もしくは合成高分子を含有する合成粒子または非生物学的粒子を含んでいてもよい。

さらに別の態様では、本発明のマイクロ電極アレイ装置は、流体またはサンプル溶液にＤＥＰ高電界および低電界領域を発生させ、高電界領域および低電界領域は、絶縁電極および非絶縁電極の電界強度および特定の形状に基づいて決まる。電極の形状に起因して、本発明の装置による流体流中のＥＴＦ力およびＥＯＦ力の発生が可能となり、流体流は約０．０１μＬ／分〜約１ｍＬ／分である。最も好適な実施形態において、本発明の装置は、有効ストークス半径およびマイクロ流体環境における各粒子特有の誘電特性に基づいて粒子を分離できる。別の好適な態様では、粒子の分離は、電源から送信される信号に適用された周波数および振幅に基づいて行われ、信号は、交流、直流およびパルス直流からなる群から選択される。絶縁電極の振幅範囲は、約１ピーク間電圧（Ｖｐｐ）〜約３０００Ｖｐｐである。非絶縁電極の振幅範囲は、約１〜約３０Ｖｐｐである。マイクロ電極アレイに供される周波数範囲は、約１Ｈｚ〜約１ＭＨｚで構わない。

一態様では、本発明の方法および装置は、電界効果トランジスタを使用して、電流またはインピーダンスの変化を測定する方式において、粒子を定量化することを含む。定量化は任意で、例えば電界の影響を受けた粒子がＤＥＰ減少領域に進入したときなどに即座に発生可能である。あるいは、このような定量化は、例えば粒子がＤＥＰの高電界領域または低電界領域で不動化された場合など、特定の事象中に実行してもよい。同様に、定量化は、例えば粒子がＤＥＰ高電界領域または低電界領域に放出されたときなど、特定の事象の後に実行することも可能である。

別の態様では、本発明の方法および装置は、電気インピーダンス断層撮影またはインピーダンス分光法を用いてインピーダンスの変化を測定する方式における、溶液中の粒子の定量化を含む。このような定量化は任意で、例えば電界の影響を受けた粒子がＤＥＰ減少領域に進入したときなどに即座に実行可能である。あるいは、このような定量化は、例えば粒子がＤＥＰの高電界領域または低電界領域で不動化された場合など、特定の事象中に実行してもよい。同様に、定量化は、例えば粒子がＤＥＰ高電界領域または低電界領域に放出されたときなど、特定の事象の後に実行することも可能である。

さらに別の態様では、本発明の方法および装置は、光学顕微鏡法を用いて蛍光変化を測定することを含む、溶液中の粒子の定量化を含む。定量化は、任意で、例えば電界の影響を受けた粒子がＤＥＰ減少領域に進入したときなどに、即座に実行可能である。あるいは、定量化は、例えば粒子がＤＥＰの高電界領域または低電界領域で不動化された場合など、特定の事象中に実行してもよい。同様に、定量化は、例えば粒子がＤＥＰ高電界領域または低電界領域に放出された時など、特定の事象の後に実行することも可能である。好ましくは、光学顕微鏡法では、光音響モノクロメータまたはフィルタを使用して測定を行い、特定の光の波長を選択する。任意で、光電子増倍管、アバランシェフォトダイオード、または電荷結合素子もしくは相補型金属酸化膜半導体検出器に接続された、広視野、共焦点および超解像の蛍光顕微鏡法からなる群から選択される少なくとも１つの要素を使用して、分離された粒子をさらに定量化する。最も好適な実施形態では、約３６０ｎｍ〜約９００ｎｍの波長を用いて、光学的測定を行う。

所定の実施形態では、本発明の装置は、各装置の基板内にある電極配列体に少なくとも１つの入力信号を送給する電源を有し、少なくとも１つの入力信号は、正弦波、矩形波および三角波からなる群から選択される波形を含む。好ましくは、絶縁電極に送られる電気入力信号は、周波数、位相および振幅に関して、非絶縁電極に送られる信号と同一であってもよく、あるいは異なるものでもよい。また、電気入力信号は、各電極に一斉かつ個別に印加される様々な周波数の組合せであってもよい。任意で、電気入力信号は低周波および高周波を交互に繰り返してもよい。好適な実施形態では、電気入力信号を受信するすべての電極配列体はそれぞれに、信号の送給時に、陽極、陰極または中性極に設定することもできる。別の実施形態では、信号の極性は、各電極において、ランダムなパターンまたはプログラム制御可能なパターンによる方法で変化する。これにより、流体チャンバを流れるバルク流体を調整して、付加的または補助的な方式で流体混合をすることが可能となり、その結果、粒子減少領域に粒子を補充して、装置内の粒子の全体的な捕捉効率を向上できる。

実施例
Ｉ．個々の電極のＺ軸高さの差に基づく電界の典型的な勾配および変化
図９Ａ〜図９Ｄに示すように、Ｚ次元における様々な電極の高さに関し、電界の勾配の変化をマッピングして、∇Ｅ^２で表すように、実験的証拠を収集した。図９Ａは、基板寸法を示すマイクロ電極アレイのプロットであり、Ｚ次元における電極の高さ（ミクロン単位のＺ軸高さ）に対する、Ｘ次元（ミクロン単位）における電極位置を共に示している。

電界の勾配の変化測定は、Ｚ次元の電極の高さの変化に基づいて異なる。図９ＡのＸＺプロットの左から右へと移動して、中程度の高さの電極（図９Ｂ）、最も長い電極（図９Ｃ）および相対的に最も短い高さの電極（図９Ｄ）の観測結果を採取した。電界の勾配の変化の度合いは、Ｚ次元の電極の高さと相関していることが明らかであり、最高強度は、長い電極と比較すると短い電極高さで得られる。

ＩＩ．均一な電極高さと比較した様々な電極のオプションでの電界勾配の変化を示す実験
実験プロトコルを画一にするために、従来技術による装置はいずれも、アレイの各電極の高さが均一である。これに対し、本発明の装置は、個々の電極のＺ軸高さを変更できるため、ＥＴ流およびＥＯ流を引き出す力からＤＥＰ力を分離することで、粒子捕捉率が向上するという利点が得られる。

図１０Ａに示すように、線グラフは、アレイ全体におけるＺ軸高さが均一な電極では電界勾配が一定であることを表す。これに対し、図１０Ｂは、電極のＺ軸高さが不均一であること、および異なる電極高さに基づいて電界勾配は付随する変化をすることを表す線グラフデータを示す。図１０Ｃは、２つの電極にロール角をつけた場合の状態およびこれに基づく電界の各変化についてさらに詳しく示している。これらの線グラフから明らかなように、電界は、本発明の好適な実施形態に基づいて大幅に変化させることができるため、流体に含まれる粒子の捕捉率がより効率的になる。

ＩＩＩ．装置利用に関する実験プロトコル
Ａ．流体溶液に含まれる粒子の捕捉、放出および溶出プロトコル
（１）液状検体をマイクロ流体チャンバに投入し、３０Ｖｐｐの電界を周波数５０ｋＨｚで非絶縁電極に印加し、
（２）１５００Ｖｐｐの電界を周波数１０００Ｈｚで絶縁電極に印加し、
（３）１０分間の捕捉を行い、
（４）１０分後、所望の回収緩衝剤を使用して、１０μＬ／分の圧力駆動流によってもとの液状検体を洗い流し、
（５）もとの液状検体の除去後、絶縁電極および非絶縁電極に印加されている電界を遮断し、不動化粒子を回収緩衝剤中に放出し、
（６）回収緩衝剤をマイクロ流体チャンバから除去して、二次分析を行う。

Ｂ．流体溶液に含まれる粒子の捕捉および定量化プロトコル
（１）液状検体をマイクロ流体チャンバに投入し、３０Ｖｐｐの電界を周波数５０ｋＨｚで非絶縁電極に印加し、
（２）１５００Ｖｐｐの電界を周波数１０００Ｈｚで絶縁電極に印加し、
（３）１０分間の捕捉を行い、
（４）１０分間の捕捉中に、インピーダンスセンサでインピーダンスの変化を観察し、粒子の不動化率またはＤＥＰが流体中で見出された粒子に与える影響度を割り出す。

ＩＶ．アレイ内の３つの隣接する個々の電極のヨー、ピッチ、ロールに関する好適な位置
本発明の装置内にあるマイクロ電極アレイは複数の電極を含み、各電極では、基板平面に対するヨー、ピッチおよびロールの所定角度の変更を含む、様々なパラメータを個別に調節できる。このような多平面運動と隣接しあう各電極の位置との相互関係は、各流体サンプル中の粒子を分離する、最適な攪拌または混合によるサンプルの処理において重要なことである。

図１１は、３つのそれぞれ隣接する一連の電極の相互に最適な配向を示す。電極１（Ｅ１）は電極２（Ｅ２）に対向して配置され、Ｅ２は電極３（Ｅ３）に対向する角度に向き、同様にＥ３はＥ１に対向して配置されている。このような、Ｅ１からＥ２、Ｅ２からＥ３，そしてＥ１に戻る配置により、Ｚ次元における３つの電極を中心とした攪拌を最適にする。

本明細書で述べた特徴はすべて、任意に組み合わせることができる。本明細書で述べた各特徴を、同一、同等、または同類の目的を果たす別の特徴に置き換えることもできよう。したがって、とくに明記しない限り、ここに開示する各特徴は、包括的な一連の同等または同類の特徴の一例にすぎない。本明細書および添付の特許請求の範囲で用いるように、単数形の形式には複数形の形式が含まれる。例えば、「ある」、「１つの」および「その」なる語は、文脈上特に明示しない限り複数形への言及を含むものとする。また、一連の要素の前に付される語「少なくとも」は、当該一連の要素中のあらゆる要素に言及するものだと理解されたい。本願に例証する発明は、本願で特に開示していない１または複数の構成要素も制限もなしで、適切に実施できる。よって、例えば、用語「〜を有する」、「〜を含む」、「〜を含有する」などは、制限を設けることなく、広義に解釈するものとする。また、本願で用いる用語および表現は、説明を行う上での語であって、制限を課すためのものではなく、このような用語および表現を用いて、明示および説明された将来の均等物またはその一部分を除外することを意図するものでない。そして、特許請求されている発明の範囲において様々に変更可能であると理解すべきである。したがって、本発明は好適な実施形態および随意の特徴を挙げて具体的に開示してきたが、本願に開示する発明の改良および変形は、当業者であれば再現可能であり、このような改良や変更は本願に開示した発明の範囲内で行われるものと考えられると理解すべきである。本願では、本発明について広範かつ包括的に述べている。包括的な開示の範囲内における狭義の種および下位概念群のぞれぞれもまた、これらの発明の一部を構成するものである。これは、除外された発明特定事項が明確にその中に属していたかどうかにかかわらず、任意の発明特定事項を属から除外する条件または否定的制限を伴う各発明の包括的説明を含む。さらに、マーカッシュ群に関し本発明の特徴または態様について述べている箇所では、発明がいずれかの個々の要素またはマーカッシュ群の要素の下位概念に関連して説明することは、当業者には明白なことであろう。また、上述の説明は例示を目的とするものであり、限定を意図するものではない。当業者であれば、上述の記載を参照することで、様々な実施形態に思い至るであろう。したがって、本発明の範囲は、上述の説明を参照して決定すべきではなく、添付の特許請求の範囲に加えて、これらの特許請求の範囲に記載されたものとの均等物の全範囲を参照して決定されるべきである。当業者には明白なことであるが、または当業者であれば理解の及ぶことであるが、定型的な実験にすぎない様々な均等事項をここで述べた発明の特定の実施形態に用いることも可能である。このような均等事項は、以下に述べる特許請求の範囲に包含されるものである。

Claims (23)

1. （ａ）筐体と、
   （ｂ）流体が少なくとも１つの入口ポートを通過可能であり少なくとも１つの出口ポートから流出する少なくとも１つの流路を含む少なくとも１つのカートリッジと、
   （ｃ）誘電体基板とを含むマイクロ電極アレイ装置であって、
   前記誘電体基板はさらに、幾何学パターンに配列され前記少なくとも１つのカートリッジ内に定置された複数の電極を有するマイクロ電極アレイ装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記筐体は２つ以上のカートリッジを有する装置。
3. 請求項１に記載の装置において、前記マイクロ電極アレイは電極配列体から構成され、該電極配列体は、３つ以上の個別の入力信号を用いて少なくとも３つの異なる極性設定を任意の時点で個別に作動させるように構成されている装置。
4. 請求項１に記載の装置において、前記少なくとも１つの流路は前記マイクロ電極アレイ上を流れる前記流体を収容するように配設されている装置。
5. 請求項１に記載の装置において、前記複数の電極は、フォトリソグラフィ、蒸着、スパッタリング、スクリーン印刷、３次元（３Ｄ）印刷および電気めっきからなる群から選択される手段を使用して、前記誘電体基板内に定置されている装置。
6. 請求項１に記載の装置において、前記誘電体基板は、ガラス、シリコンおよび非導電ポリマの少なくとも１つから構成されている装置。
7. 請求項１に記載の装置において、前記複数の電極はそれぞれ、金属製または非金属製の導電材料から作成される装置。
8. 請求項１に記載の装置において、前記複数の電極の厚さは約１０ｎｍ〜約１０μｍである装置。
9. 請求項１に記載の装置において、前記電極は絶縁電界および非絶縁電界を発生させるように構成されている装置。
10. 請求項１に記載の装置において、前記複数の電極は、電熱流および電気浸透流から得られる力から誘電泳動力を分離し易くする形状に構成されている装置。
11. 請求項１に記載の装置において、前記複数の電極はそれぞれ実質的に円形であり、隣接する電極間の配向角は約０度〜約９０度である装置。
12. 請求項１に記載の装置において、前記複数の電極にある個々の電極は、正電荷（＋）、負電荷（−）または中性電荷を帯電できる装置。
13. 請求項１２に記載の装置において、前記個々の電極は前記アレイ内の最も近い電極に関連して前記電荷を変化させることができる装置。
14. 請求項１に記載の装置において、前記マイクロ電極アレイは個々の隣接する電極間のＺ次元に少なくとも２つの異なる平面を含む装置。
15. 請求項１４に記載の装置において、個々の隣接する電極間のＺ次元は１ｎｍ以上から５ｎｍ超まで変化する装置。
16. 請求項１に記載の装置において、前記複数の電極の個々の電極は、相互に対して別々のヨー角、ピッチ角およびロール角を有する装置。
17. 請求項１に記載の装置において、さらにインピーダンスブリッジ回路が電極間に埋設されている装置。
18. 請求項１に記載の装置において、さらに少なくとも１つの電界効果トランジスタが、露出している電極ごとに埋設されている装置。
19. 流体を処理して該流体中の粒子を分析および抽出する方法であって、該方法は、
    （ａ）筐体と、該筐体内に少なくとも１つの流路を含む少なくとも１つのカートリッジと、誘電体基板とを有する装置を設け、前記誘電体基板はさらに、幾何学パターンに配列され前記少なくとも１つのカートリッジ内に定置された複数の電極を含むものであり、
    （ｂ）前記複数の電極を流体に露呈させ、
    （ｃ）該流体を介して不均一な電界を形成し、
    （ｄ）電界効果トランジスタを使用して特定の時点における電流またはインピーダンスの変化を測定し、
    （ｅ）前記粒子が誘電泳動減少領域に進入したときに前記粒子を定量化する方法。
20. 流体溶液中の少なくとも１の粒子を定量化する方法であって、
    （ａ）不均一な電界を含むマイクロ電極アレイ装置を設け、
    （ｂ）前記不均一電界の影響を受けた前記少なくとも１の粒子がそれぞれ（ｉ）誘電泳動減少領域に進入する、（ｉｉ）誘電泳動高電界領域もしくは低電界領域で不動化される、または（ｉｉｉ）前記誘電泳動高電界領域もしくは低電界領域に放出される期間中またはその後の実時間からなる群から選択される時点において、電界効果トランジスタを使用して電流またはインピーダンスの変化を測定する方法。
21. 請求項２０に記載の方法において、前記流体溶液の導電率は約０Ｓ／ｍ〜約５Ｓ／ｍの範囲である方法。
22. 請求項２０に記載の方法において、前記流体溶液の粘度は約１ｃＰ〜約１００ｃＰ、すなわち約０．０００１パスカル秒〜約１パスカル秒である方法。
23. 請求項２０に記載の方法において、前記マイクロ電極アレイ装置は、粒径が約１０ｎｍ〜約５０，０００ｎｍの範囲にある粒子に作用し得る方法。