JP2021065143A - 生体粒子捕集装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生体粒子を、窪みに安定的に保持することができ、生体粒子を観察し易くすることができる。【解決手段】生体粒子捕集装置（１ａ）は、電極（１１）と第１保護膜（１６）とを備え、第１保護膜（１６）には、窪み（１２）と第１壁（１３）が形成されており、窪み（１２）の側面（１２ａ）と第１壁（１３）における窪み（１２）側の壁面（１３ａ）との水平方向の距離が、ゼロまたは窪み（１２）による細胞（１５）の保持が継続する程度まで離れている。【選択図】図１

Description

本発明は、生体粒子捕集装置に関するものである。

生体粒子の１つである細胞には様々な種類があり、種類ごとに複数の評価・分析方法が存在する。中でも血液中に存在する循環がん細胞のような希少な細胞においては、単一細胞レベルで行う評価・分析が近年注目されている。様々な種類のがん細胞の診断は、予備診断や術後診断にとって重要である。

従来、がん細胞の識別を行うために、酵素結合免疫吸着法（ＥＬＩＺＡ法）などに向けた免疫染色法が広く利用されている。しかしながら、免疫染色法は、染色を行う際に、試薬を変更する回数を増やす場合、都度、遠心分離器に掛けて分別することが多く、希少な細胞を失うことが多い。そのため、例えば、非特許文献１に開示されるような装置を用いて、単一細胞レベルで行う評価分析法などが普及している。

ここで、前記評価分析法、特に免疫染色を行うための装置の一従来例を図１０に示す。図１０の符号６０１から符号６０３で示す図は、非特許文献１に開示された装置内において、溶媒中の細胞が一旦窪みに保持された後、窪みから離れるまでの様子を示した模式図であり、符号６０４で示す図は、非特許文献１に開示された装置の上面図である。

図１０に示す装置２００は、効率的に細胞を免疫染色するための装置である。図１０の符号６０１で示す図のように、装置２００は、ガラス基板１００上に電極１０１が配置され、該電極１０１上に樹脂などがガラス基板上にコーティングされた層１０４が配置されている。

電極１０１は、例えば酸化インジウムと酸化スズとの混合物で生成されたＩＴＯに代表される透明電極である。層１０４には、評価分析対象となる細胞１０６（図１０の符号６０２および符号６０３で示す図参照）を保持することができる程度の大きさの窪み１０２が形成されている。また、層１０４の窪み１０２の周辺領域における、流れ方向の下流側の領域には、窪み１０２から離れた細胞１０６を物理的に止めるための微小壁１０３が形成されている。

さらに、装置２００は、基板１００に対して、ジメチルポリシロキサン樹脂（以下、ＰＤＭＳと記載する）で作製されたマイクロ流体路１１０が接着されている。これにより、基板１００とマイクロ流体路１１０との間に空間が形成され、該空間に溶媒１０５（図１０の符号６０２および符号６０３で示す図参照）などの液体を流すことが可能になる。

次に、生体粒子を捕集し、溶媒の置換を行うまでの一連の過程について説明する。図１０の符号６０２で示す図のように、まず、低い導電率を有する溶媒１０５とともに、単一の細胞１０６を装置２００に形成された空間に流し、電極１０１に生じた誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰを細胞１０６に作用させて細胞１０６を窪み１０２に捕集する。

その後、図１０の符号６０３で示す図のように、免疫染色に用いられる試薬１０７を前記装置２００に形成された空間に流すことで、溶媒１０５を試薬１０７へ置換する。免疫染色に用いられる試薬１０７の多くは、高い導電率を有する。ここで、溶媒１０５を試薬１０７へ置換すると細胞１０６に作用する誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰが弱まってしまい、窪み１０２から細胞１０６が離れてしまう。しかしながら、窪み１０２の下流側に形成された微小壁１０３によって細胞１０６が物理的に止められることから、結果、窪み１０２から細胞１０６が離れるのを防ぐことができる。

M. Takeuchi, et.al., "Highly efficient trapping and analysis of rare cells using an electroactive microwell array with barriers", Proceeding of 21st International conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (microTAS)2017, pp880-881.

しかしながら、非特許文献１に開示された装置２００は、窪み１０２の側面と微小壁１０３における細胞１０６の流れの上流側の壁面との距離が離れている。従って、窪み１０２に保持された細胞１０６が、上流から流れてきた溶媒１０７と接触して窪み１０２から離れたときに、細胞１０６が窪み１０２に戻りにくくなるという問題点があった。具体的には、窪み１０２から離れた細胞１０６が微小壁１０３に止められた後、窪み１０２と微小壁１０３との間に形成された空間に留まったままになるという問題点があった。

さらに、非特許文献１に開示された装置２００は、ガラス基板１００上に電極１０１が形成されているものの、この電極１０１は積層配線構造にすることができない。そのため、装置２００は、複数の電極１０１をガラス基板１００上でアレイ状に配置することができないという問題点もあった。また、装置２００は、複数の窪み１０２ごとに電極１０１の動作を制御することができないという問題点もあった。

本発明の一態様は、前記の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、生体粒子を、窪みに安定的に保持することができ、生体粒子を観察し易くすることができる生体粒子捕集装置を提供することにある。

前記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る生体粒子捕集装置は、半導体基板に埋設された、前記半導体基板上に流れてきた溶媒中の生体粒子に誘電泳動力を作用させるための信号を出力する電極と、前記半導体基板上に形成された、前記半導体基板が前記溶媒と接触するのを防ぐための第１保護膜と、を備えており、前記第１保護膜には、前記誘電泳動力が作用した前記生体粒子を保持するための窪みが、前記第１保護膜における前記電極の配置位置と対応する箇所に形成されており、前記第１保護膜上には、前記誘電泳動力が作用した前記生体粒子を前記窪みに保持させるための第１壁が形成されており、前記窪みの側面と、前記第１壁における前記窪み側の壁面との水平方向の距離が、ゼロまたは前記窪みによる前記生体粒子の保持が継続する程度まで離れている。

本発明の一態様によれば、生体粒子を、窪みに安定的に保持することができ、生体粒子を容易に観察できる生体粒子捕集装置を実現することができる。

符号５１１で示す図は、半導体基板上に形成された電極、窪みおよび第１壁の配置の一例を示した、本発明の実施形態１に係る生体粒子捕集装置の上面図である。符号５１２で示す図は、符号５１１で示す図におけるＡ−Ａ’線の矢視断面図である。符号５１３および符号５１４で示す図は、半導体基板上に形成された電極、窪みおよび第１壁の配置の他の例を示した、本発明の実施形態１に係る生体粒子捕集装置の上面図である。 符号５２１で示す図は、半導体基板上に形成された電極、窪みおよび第１壁の配置の別の一例を示した、本発明の実施形態１に係る生体粒子捕集装置の上面図である。符号５２２で示す図は、符号５２１で示す図におけるＡ−Ａ’線の矢視断面図である。 符号５３１から符号５３６で示す図は、半導体基板より上側に形成される各層の形成過程の一例を示す概略図である。 符号５４１から符号５４５で示す図は、半導体基板より上側に形成される各層の形成過程の別の一例を示す概略図である。 符号５５１および符号５５２で示す図は、本発明の実施形態１に係る生体粒子捕集装置の上面図である。 符号５６１および符号６０２で示す図は、免疫染色に用いられる試薬へ溶媒を置換するまでの流れを示す概略図である。 本発明の実施形態２に係る、生体粒子捕集装置の構成を示す断面図である。 符号５８１で示す図は、本発明の実施形態３に係る生体粒子捕集装置の上面図である。符号５８２で示す図は、符号５８１で示す図におけるＢ−Ｂ’線の矢視断面図である。符号５８３で示す図は、本発明の実施形態３に係る生体粒子捕集装置の上面図である。符号５８４で示す図は、符号５８３で示す図におけるＣ−Ｃ’線の矢視縦断面図である。 符号５９１から符号５９３で示す図は、免疫染色に用いられる試薬へ溶媒を置換し、細胞を閉じ込めるまでの流れを示す概略図である。 符号６０１から符号６０３で示す図は、非特許文献１に開示される装置内において、溶媒中の細胞が一旦窪みに保持された後、窪みから離れるまでの様子を示した模式図であり、符号６０４で示す図は、非特許文献１に開示される装置の上面図である。

〔実施形態１〕
本実施形態に係る生体粒子捕集装置１ａについて、図１から図６に基づいて説明すれば以下のとおりである。本明細書において、「生体粒子捕集装置」とは、半導体基板１０上に流れてきた溶媒３４中の細胞１５を捕集する装置である。

まず、図１を用いて、本実施形態に係る生体粒子捕集装置１ａの構成を説明する。図１の符号５１１で示す図は、半導体基板１０上に形成された電極１１、窪み１２および第１壁１３の配置の一例を示した、生体粒子捕集装置１ａの上面図である。図１の符号５１２で示す図は、図１の符号５１１で示す図におけるＡ−Ａ’縦断面図である。図１の符号５１３および符号５１４で示す図は、半導体基板１０上に形成された電極１１、窪み１２および第１壁１３の配置の他の例を示した、生体粒子捕集装置１ａの上面図である。

図１の符号５１２で示す図のように、生体粒子捕集装置１ａは、電極１１、半導体基板１０、第１保護膜１６、第２保護膜１８、第１壁１３、窪み１２およびマイクロ流体路３０を備えている。電極１１は、半導体基板１０上に流れてきた溶媒中の細胞（生体粒子）１５（詳細は後述：図６等参照）に誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰを作用させるための信号を出力する。電極１１は、半導体基板１０において、配線層を形成する材料であるアルミニウムまたは銅などで形成することができる。電極１１は、図１の符号５１１で示す図などに示される通り、複数の電極１１が形成されてもよいし、図１の符号５１４で示す図のように、単一の電極１１が形成されてもよい。

第１保護膜１６は、半導体基板１０が溶媒と接触するのを防ぐ。第２保護膜１８は、電極１１が前記溶媒３４と接触するのを防ぐ。電極１１のような配線層は、銅やアルミニウムなどで形成されているため、溶媒３４などの液体が電極１１に直接接触すると腐食などが起こるためである。第１保護膜１６を形成する材料としては、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）などで形成される。ジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）などで形成されるマイクロ流体路３０との接合に関して有利なことから、第１保護膜１６は、二酸化シリコンで形成されることが好ましい。

第２保護膜１８の厚さは、第１保護膜１６の厚さよりも薄いことが好ましい。第２保護膜１８の厚さが薄いほど、電極１１から細胞１５にかかる誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰ（詳細は後述：図６の符号５６１で示す図等参照）が大きくなるためである。第２保護膜１８の厚さは、例えば、厚さが１μｍ以下であることがより好ましい。

第１保護膜１６のまま形成された場合、細胞１５にかかる誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰが低減する。一方、第２保護膜１８が形成されない場合に比べて、第２保護膜１８が形成されることにより、細胞１５にかかる誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰは小さくなるが、漏電や電極１１の腐食を防ぐことができる。さらに、第２保護膜１８の厚さが上述の厚さまで薄く形成されることにより、細胞１５に作用する誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰが小さくなるのを極力防ぐことができる。

第１壁１３は、前記誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰが作用した細胞１５を窪み１２に保持させる。第１壁１３の形状は特に限定されず、例えば、図１の符号５１１で示す図のように、窪み１２の外周の壁に沿うような形状（例えば、アーチ型）に第１壁１３が形成される。また、図１の符号５１３で示す図のように、第１壁１３は多角形状に形成されてもよい。この場合、窪み１２の形状を円形状に形成すると、窪み１２の外形と第１壁１３の一部とが直線上に形成される。

第１壁１３は、感光性の樹脂材料により形成されることが好ましい。垂直方向へのエッチングが、感光性の樹脂材料に対して行われる際、略直線状に感光性の樹脂材料をエッチングしやすいためである。

窪み１２は、前記誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰが作用した細胞１５を保持する。窪み１２は、半導体基板１０の表面を、例えばエッチングすることにより形成される。窪み１２の形状は角形でもよいが、細胞１５に代表される生体粒子は球状のものが多いため、窪み１２の形状は円形状であることが望ましい。また、窪み１２は、細胞１５の有する最大の径の長さと略同一の粒径を有する。

また、図１の符号５１１・５１３・５１４で示す図のように、第１壁１３には、細胞１５は通過できないものの、細胞１５よりも粒径が小さい他の生体粒子が通過できる空間１７が形成される。

次に、図２を用いて、本実施形態に係る別の構成からなる生体粒子捕集装置１ｂの構成を説明する。図２の符号５２１で示す図は、半導体基板１０上に形成された電極１１が、該半導体基板１０上に構成される配線層の中でも下層に形成された配線層で構成された場合を例示した、生体粒子捕集装置１ｂの上面図である。具体的には、窪み１２および第１壁１３１の配置の一例を示している。図２の符号５２２で示す図は、図２の符号５２１で示す図におけるＡ−Ａ’縦断面図である。

図２の符号５２２で示す図の通り、生体粒子捕集装置１ｂは、電極１１、半導体基板１０、第１保護膜１６、第２保護膜１８、第１壁１３１、窪み１２およびマイクロ流体路３０を備えている。第１壁１３１は、生体粒子捕集装置１ａの第１壁１３と同じ形状である。なお、第１壁１３１の形状は、図１の符号５１３で示す図中の第１壁１３の形状、または図１の符号５１４で示す図中の第１壁１３と同じ形状でもよい。第１壁１３１は、半導体基板１０上に形成される配線層中における、他の配線層（電極１１が形成される配線層を含む）よりも膜厚が大きい最上位配線層１３２で形成されている。最上位配線層１３２は、言い換えれば、電極１１の配置位置よりも半導体基板１０の底面側の反対側に形成された配線層を指す。電極１１は、アルミニウムまたは銅などで形成され、最もマイクロ流体路３０との距離が近い配線層でなく、かつ、最上位配線層１３２でもない配線層で形成されている。

第１保護膜１６は、半導体基板１０上の配線層と配線層との間を絶縁する層間絶縁膜１６１で形成されている。層間絶縁膜１６１は、半導体基板１０が前記溶媒３４と接触するのを防ぐ。第２保護膜１８は、電極１１および半導体基板１０のそれぞれにおけるマイクロ流体路３０と対向する表面、ならびに、第１壁１３１における半導体基板１０と対向する面以外の表面を覆っている。第２保護膜１８は、電極１１および最上位配線層１３２が前記溶媒３４と接触するのを防ぐ。電極１１のような配線層は、銅またはアルミニウムなどで形成されているため、前記溶媒３４などの液体が電極１１に直接接触すると腐食などが起こる。従って、電極１１等の前記表面を第２保護膜１８で覆うのが好ましい。

なお、第１壁１３１における半導体基板１０と対向する面以外の表面は、第２保護膜１８で覆われていなくてもよい。前記表面は、少なくとも、第２保護膜１８を形成する材料と同じ材料で形成された膜で覆われていればよい。

第１保護膜１６を形成する材料としては、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）などを例示することができる。これらの材料の中でも、ジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）などで形成されるマイクロ流体路３０との接合が良好なことから、第１保護膜１６は二酸化シリコンで形成されることが好ましい。

第２保護膜１８を形成する材料としては、二酸化シリコンなどを例示することができる。第２保護膜１８を形成する材料についても、上述した理由と同様の理由により二酸化シリコンで形成されることが好ましい。

第２保護膜１８の厚さは、層間絶縁膜１６１で形成された第１保護膜１６の厚さよりも薄いことが好ましい。第２保護膜１８の厚さが第１保護膜１６の厚さよりも薄ければ薄いほど、電極１１から細胞１５にかかる誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰ（詳細は後述：図５の符号５５１で示す図参照）が大きくなるためである。第２保護膜１８の厚さは、例えば、厚さが１μｍ以下であることがより好ましい。

層間絶縁膜１６１には、細胞１５に作用する誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰを維持するため、電極１１におけるマイクロ流体路３０と対向する表面の直上に窪み１２が形成されている。また、第２保護膜１８における窪み１２の底面を覆っている部分の厚さが、他の部分の厚さよりも薄くなっている。第２保護膜１８の厚さをこのように形成することにで、細胞１５に作用する誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰが小さくなるのを極力防ぐことができる。

第１壁１３１は、前記誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰが作用した細胞１５を窪み１２に保持させる。第１壁１３１は、上述したように最上位配線層１３２で形成されている。第１壁１３１が最上位配線層１３２で形成されていた方が、最上位配線層１３２を垂直方向（紙面向かって上下方向）にエッチングする際、略直線状にエッチングしやすいためである。

窪み１２は、前記誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰが作用した細胞１５を保持する。窪み１２は、半導体基板１０の表面を、例えばエッチングすることにより形成される。窪み１２の形状は角形でもよいが、細胞１５に代表される生体粒子は球状のものが多いため、円形状であることが望ましい。また、窪み１２は、細胞１５の有する最大の径の長さと略同一の粒径を有する。

また、図２の符号５２１で示す図のように、第１壁１３１には、細胞１５は通過できないものの、細胞１５よりも粒径が小さい他の生体粒子が通過できる空間１７が形成されている。

次に、図３を用いて、図１に示した構成の半導体基板１０より上側に形成される各層の形成過程の一例を示す。図３は、半導体基板１０より上側に形成される各層の形成過程の一例を示す概略図である。

まず、通常の半導体集積回路の形成方法において、メタル層（例えば、最上位配線層１３２：図３に不図示）により形成された電極１１を半導体基板１０に埋設する（図３の符号５３１で示す図）。その後、第１保護膜１６を、半導体基板１０および電極１１上に形成する（図３の符号５３２で示す図）。その後、第１保護膜１６における電極１１の配置位置と対応する箇所に、エッチングを第１保護膜１６に対して行う。これにより、電極１１は、前記半導体基板１０内における前記窪み１２の底面の直下の箇所に配置される（図３の符号５３３で示す図）。

エッチングにより窪み１２を形成した後、第２保護膜１８を所望の厚さ（例えば、１μｍ以下）となるように、半導体基板１０、電極１１および第１保護膜１６上に形成する（図３の符号５３４で示す図）。その後、第２保護膜１８上に感光性樹脂１９を塗布した（図３の符号５３５で示す図）後、光を感光性樹脂１９へ照射し、感光性樹脂１９をエッチングすることで、第１壁１３を形成する（図３の符号５３６で示す図）。

図３の符号５３６で示す図の工程において、窪み１２の側面１２ａと、第１壁１３における窪み１２側の壁面１３ａとの水平方向の距離がゼロとなるように、第１壁１３を形成する。

なお、図３の符号５３６で示す図に図示されるのは、前記距離がゼロである場合の例であるが、前記距離の長さは、前記細胞１５の保持が継続する程度まで離れているのであれば、特に限定されない。また、本明細書において「細胞１５の保持が継続する」とは、溶媒３４中の細胞１５が誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰによって電極１１に引き寄せられ、窪み１２に細胞１５が収まった後、細胞１５が窪み１２に収まった状態を維持して窪み１２から離れないことを指す。

また、「細胞１５の保持が継続する」との概念には、窪み１２に収まった細胞１５が溶媒３４の流れによって一旦窪み１２から離れても、窪み１２から離れた細胞１５が第１壁１３によって物理的に止められ、窪み１２に戻されることも含むものとする。

その後、ＰＤＭＳなどで作成したマイクロ流体路３０（図３に不図示）を第１壁１３より上層に形成することで、細胞１５などが混在した溶媒３４（図３に不図示）を流すことができる生体粒子捕集装置１ａとなる。なお、マイクロ流体路３０を形成するＰＤＭＳを、生体粒子捕集装置１ａの側壁（不図示）へ接着するためには、接着表面は二酸化シリコンであることが望ましい。

次に、図４を用いて、図２に示した構成の半導体基板１０より上側に形成される各層の形成過程の一例を示す。図４は、半導体基板１０より上側に形成される各層の形成過程の別の一例を示す概略図である。

まず、通常の半導体集積回路の形成方法において、中間メタル層（例えば、最上位配線層より一層〜数層下の配線層）により形成された電極１１を半導体基板１０に埋設する（図４の符号５４１で示す図）。その後、層間絶縁膜１６１を、半導体基板１０および電極１１上に形成する（図４の符号５４２で示す図）。その後、層間絶縁膜１６１における電極１１の配置位置と対応する箇所に、エッチングを層間絶縁膜１６１に対して行う。これにより、電極１１は、前記半導体基板１０内における前記窪み１２の底面の直下の箇所に配置される（図４の符号５４３で示す図）。

エッチングにより窪み１２を形成した後、層間絶縁膜１６１上に、最上位配線層１３２を形成する（図４の符号５４４で示す図）。この工程において、窪み１２の側面１２ａと、最上位配線層１３２における窪み１２側の壁面１３２ａとの水平方向の距離がゼロとなるように、最上位配線層１３２を形成する。その後、第２保護膜１８が所望の厚さ（例えば、１μｍ以下）となるように、第２保護膜１８を、電極１１、層間絶縁膜１６１および最上位配線層１３２上に形成することで、第１壁１３１を形成する（図４の符号５４５で示す図）。

なお、図４の符号５４５で示す図に図示した形状は、前記距離がゼロである場合の例であるが、前記距離の長さは、窪み１２による細胞１５の保持が継続する程度まで離れているのであれば、特に限定されない。

図５の符号５５１および符号５５２で示す図は、生体粒子捕集装置１ａの上面図である。なお、図５に示す生体粒子捕集装置１ａの内部では、図示しないものの溶媒３４（溶媒３４中の細胞１５）がＢ方面からＣ方面に流れるものとする。なお、生体粒子捕集装置１ｂの上面視の構成も、図５に示す生体粒子捕集装置１ａの上面視の構成と同様である。

図５の符号５５１で示す図および符号５５２で示す図の通り、電極１１、窪み１２、および第１壁１３とで１つのユニット２１が形成される。また、複数のユニット２１は、ユニット２１ａからユニット２１ｃのように、半導体基板１０にアレイ状に配置される。

複数のユニット２１は、次のように配置されているのが好ましい。つまり、細胞１５などが流れる方向において互いに隣り合う２つのユニット２１を、細胞１５などが流れる方向から該２つのユニット２１を見た場合に、手前に見える一方のユニット２１の後に配置された他方のユニット２１の少なくとも一部が見えるのが好ましい。ユニット２１ａおよびユニット２１ｂを例に挙げると、細胞１５などが流れる方向からユニット２１ａおよびユニット２１ｂを見た場合に、手前に見えるユニット２１ａの後に配置されたユニット２１ｂの少なくとも一部が見えるのが好ましい。

ここで、アレイ状に配置された複数のユニット２１は、図５の符号５５１および符号５５２で示す図のように、複数のユニット群を構成している。具体的には、１つのユニット群は、細胞１５が流れる方向と交差する方向に並んで配置された複数のユニット２１で構成されている。このユニット群を用いて前記した複数のユニット２１の配置を説明すると、次のようになる。つまり、細胞１５が流れる方向から２つのユニット群を見た場合に、手前に見える一方のユニット群の配置位置と、該一方のユニット群の後に配置された他方のユニット群の配置位置とが、細胞１５が流れる方向と交差する方向において異なっている。

また、図５の符号５５２で示す図中の矢印Ｘで示されるように、半導体基板１０上に流れてきた細胞１５は、ユニット２１ａに含まれる窪み１２に捕集される。しかし、上記図中の矢印Ｙで示されるように、細胞１５の位置がユニット２１ａの窪み１２からずれていると、窪み１２に捕集できない。しかし、ユニット２１ａの位置に対し少しずれている位置にユニット２１ｂが配置されることにより、ユニット２１ａへ捕集されなかった細胞１５を窪み１２に捕集しやすくなる。従って、細胞１５の捕集率を上げることができる。

生体粒子捕集装置１ａは、半導体基板１０上に制御回路２２が形成される。制御回路２２は、接続部材２を介して、ユニット２１ごとの電極１１へ接続される。制御回路２２は、電極１１による前記信号の出力を、複数のユニット２１のそれぞれに含まれる電極１１ごとに個別に制御する。

上述した非特許文献１に開示されている装置２００は、電極１０１が、ガラス基板１００上に、ＩＴＯで形成された透明電極で作成されている。そのため、複数の電極１０１をガラス基板１００上に、アレイ状に並べた場合、窪み１０２内にある電極１０１を同一の配線で形成することになる。これにより、電極１０１は、複数のアレイ状に電極１０１が並べられたとしても、全て同一の信号が与えられることにより、所望の窪み１０２のみに細胞１０６を捕集することができない。一方、生体粒子捕集装置１ａは、制御された特定のユニット２１だけに前記信号を与えることができるため、所望の位置のみに細胞１５を捕集できる。

次に、生体粒子捕集装置１ａを用いて、細胞１５を、単一細胞として捕集し、細胞１５に対して免疫染色を行うまでの一連の流れを説明する。なお、生体粒子捕集装置１ｂの構成でも同様である。図６の符号５６１および符号５６２で示す図は、免疫染色に用いられる試薬３５へ溶媒３４を置換するまでの流れを示す概略図である。なお、生体粒子捕集装置１ｂにおいても、図５の符号５５１および符号５５２で示す図に示す構成と同様である。

図６の符号５６１で示す図のように、誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰを利用して、細胞１５を電極１１に捕集するためには、低い導電率を有し、かつ、細胞１５に対し浸透圧が適切な溶媒３４を選ぶ必要がある。

ここで、電極１１が細胞１５に対して及ぼす誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰは、下記の数式１にて示される。

ｄは細胞１５の直径、ε_ｐ ^＊およびε_ｍ ^＊はそれぞれ、細胞１５および溶媒３４の複素誘電率、Ｅは電極１１により与えられる電界である。

上記の数式１、および下記の数式２で示されるＣＭファクタの実数成分の正負により、誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰによって細胞１５が電極１１に引き寄せられるか、または反発して離れていくか、のいずれかを計算することができる。

上記の数式１中のＲｅ［（ε_ｐ ^＊−ε_ｍ ^＊／（ε_ｐ ^＊＋２ε_ｍ ^＊）］の値が正の場合、細胞１５に対して、電極１１により与えられる電界へ向かう力、すなわち、正の誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰが働く。一方、上記の数式１中のＲｅ［（ε_ｐ ^＊−ε_ｍ ^＊）／（ε_ｐ ^＊＋２ε_ｍ ^＊）］の値が負の場合、細胞１５に対して、電極１１により与えられる電界に対して反発してはなれていく力、すなわち、負の誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰが働く。

生体粒子捕集装置１ａの構成の場合、電圧源（不図示）から、正の誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰが発生するような電圧信号を電極１１に印加することで、電極１１の近傍に存在する細胞１５を、電極１１に引きつけて、窪み１２へ捕集することが可能である。

一方、信号源（不図示）から、負の誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰが発生するような電圧信号を電極１１に印加することで、電極１１の近傍に存在する細胞１５を、電極１１から遠ざけることが可能である。

まず、溶媒３４とともに細胞１５を生体粒子捕集装置１ａ内へ流す。電極１１は誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰを作用させることで、細胞１５を電極１１へ引き寄せ、細胞１５を捕集する。次に図６の符号５６２で示す図のように、免疫染色を行う試薬３５を生体粒子捕集装置１ａ内へ流すことで溶媒３４が試薬３５に置換される。免疫染色に用いられる試薬３５の多くは、高い導電率を有する。そのため、溶液を試薬３５へ置換すると細胞１５に作用する誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰが弱まり、電極１１から細胞１５は離れてしまう。しかしながら細胞１５を捕集した窪み１２の近傍に形成された第１壁１３により、細胞１５が窪み１２に保持される。また、制御回路２２で電極１１ごとに個別に制御することにより、アレイ状に配置された複数のユニット２１のうち、所望の箇所のみに細胞１５を捕集できる。

〔実施形態２〕
本実施形態に係る生体粒子捕集装置１ｃについて図７に基づいて説明すれば以下のとおりである。図７は、本実施形態に係る生体粒子捕集装置１ｃの構成を示す断面図である。図７に示す通り、本実施形態に係る生体粒子捕集装置１ｃは、電極１１の直下の箇所に、細胞１５から放射される光を受光するフォトダイオード４０が埋設される。前記構成によれば、フォトダイオード４０が細胞１５から受光した光を評価することにより、細胞１５の特徴を分析できる。

前記光の例としては、例えば、細胞１５に対して免疫染色が行われる場合、フォトダイオード４０は、蛍光を受光する。該蛍光の特徴（例えば蛍光波長、蛍光寿命、蛍光強度など）を評価することにより、該蛍光を発する細胞の有する特徴を分析できる。なお、フォトダイオード４０の種類は特に限定されず、用いられる生体粒子の種類に応じて適宜選択される。

〔実施形態３〕
本実施形態に係る生体粒子捕集装置１ｄについて、図８および図９に基づいて説明すれば以下のとおりである。まずは、図８を用いて、本実施形態に係る生体粒子捕集装置１ｄの構成を説明する。図８の符号５８１で示す図は、生体粒子捕集装置１ｄの上面図である。図８の符号５８２で示す図は、符号５８１で示す図におけるＢ−Ｂ’断面図である。図８の符号５８３で示す図は、生体粒子捕集装置１ｄの上面図である。図８の符号５８４で示す図は、図８の符号５８３で示す図におけるＣ−Ｃ’縦断面図である。

図８の符号５８１から符号５８３で示す図のように、生体粒子捕集装置１ｄは、上述したユニット２１に加えて、さらにユニット２１の周囲に第２壁５０が形成されている。第２壁５０は、誘電泳動力Ｆ_ＤＥＰが作用した細胞１５（図８にて不図示）を窪み１２に保持させる。また、第２壁５０によって、領域５１がユニット２１の周囲を囲むように形成されている。第１壁１３は、生体粒子捕集装置１ａと同一のものでもよく、あるいは図４で説明した最上位配線層１３２で形成されていてもよい。

図８の符号５８１・５８２で示す図の生体粒子捕集装置１ｄの例では、第１壁１３と第２壁５０とが異なる樹脂材料で形成されている。一方、図８の符号５８３・５８４で示す図の生体粒子捕集装置１ｄの例では、第１壁１３と第２壁５０とが同一の樹脂材料で一体的に形成されている。なお、製造工程の簡易化および製造コストの低減の観点からは、第１壁１３と第２壁５０とが同一の樹脂材料で一体的に形成されていることが好ましい。

また、第２壁５０の側壁の高さＨ’は、のちにユニット２１内に細胞１５を閉じ込めて解析することから、第１壁１３の高さＨと同じ高さ、または高さＨよりも高く形成されることが好ましい。また、第２壁５０の側壁の形状は特に限定されない。

次に、生体粒子捕集装置１ｄを用いて、細胞１５を、単一細胞として捕集し、免疫染色に用いられる試薬３５へ溶媒３４を置換するまでの流れを、図９を用いて説明する。図９の符号５９１から符号５９３で示す図は、免疫染色に用いられる試薬３５へ溶媒３４を置換するまでの流れを示す概略図である。

図９の符号５９１で示す図に示すように、まず、溶媒３４とともに細胞１５を生体粒子捕集装置１ｄ内へ流し、細胞１５を電極１１へ引き寄せ、細胞１５を捕集する。次に、図９の符号５９２で示す図に示すように、バイオマーカーなどを含んだ酵素標識抗体と蛍光発生基質とが含まれる試薬３５を、生体粒子捕集装置１ｄ内へ流すことで、溶媒３４が試薬３５へ置換される。このとき、第１壁１３および第２壁５０により、細胞１５は窪み１２および領域５１に保持される。

次に、図９の符号５９３で示す図に示すように、領域５１の上側に配置されたマイクロ流体路３０を図中の矢印の方向に押し付けることで、特定の領域５１内に存在する細胞１５を該領域５１内に止まらせて他の領域５１への細胞１５の移動を防ぐ。その後、細胞１５を破壊して破壊後の細胞１５へ励起光（不図示）を照射する。その結果、細胞１５から発生する光が検知可能な検知手段により検出されることで、細胞１５の内部に存在するＲＮＡやＤＮＡの特徴を評価できる。

上述の方法により、微小量の細胞１５を用いてのＥＬＩＳＡ法を実現できる。これは、１つの領域５１内に生体試料を納めることで、検出感度をより高めることができるためである。なお、本実施形態における微小量の細胞１５を用いてのＥＬＩＳＡ法は、領域５１の上側に配置されたマイクロ流体路３０を押し付けることにより実現されている。しかし、領域５１の上側を何らかの方法で覆うことによって領域５１を分離できるのであれば、上述の方法に限定されない。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る生体粒子捕集装置（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）は、半導体基板（１０）に埋設された、前記半導体基板上に流れてきた溶媒（３４）中の生体粒子（細胞１５）に誘電泳動力（Ｆ_ＤＥＰ）を作用させるための信号を出力する電極（１１）と、前記半導体基板上に形成された、前記半導体基板が前記溶媒と接触するのを防ぐための第１保護膜（１６）と、を備えており、前記第１保護膜には、前記誘電泳動力が作用した前記生体粒子を保持するための窪み（１２）が、前記第１保護膜における前記電極の配置位置と対応する箇所に形成されており、前記第１保護膜上には、前記誘電泳動力が作用した前記生体粒子を前記窪みに保持させるための第１壁（１３）が形成されており、前記窪みの側面（１２ａ）と、前記第１壁における前記窪み側の壁面（１３ａ）との水平方向の距離が、ゼロまたは前記窪みによる前記生体粒子の保持が継続する程度まで離れている。

前記構成によれば、窪みの側面と第１壁における窪み側の壁面との水平方向の距離が、ゼロまたは著しく近いことから、溶媒に置換されることで生体粒子が窪みから離れても、第１壁によって生体粒子が窪みに溜まり易い。従って、溶媒に置換されても、窪みに収納された溶媒中の生体粒子を、窪みに安定的に保持することができる。また、窪みに生体粒子を安定的に保持できることにより、生体粒子を観察し易くすることができる。

本発明の態様２に係る生体粒子捕集装置（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）は、前記態様１において、前記電極と前記窪みと前記第１壁とで１つのユニット（２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ）が形成されており、前記半導体基板には、複数の前記ユニットがアレイ状に配置されており、前記電極による前記信号の出力を、複数の前記ユニットのそれぞれに含まれる前記電極ごとに制御する制御回路（２２）をさらに備えている。

前記構成によれば、制御回路による制御によって、ユーザが所望する特定のユニットの電極だけが信号出力することができる。従って、ユーザが所望する特定の窪みのみに生体粒子を保持することができる。

本発明の態様３に係る生体粒子捕集装置（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）は、前記態様２において、前記生体粒子が流れる方向において互いに隣り合う２つの前記ユニットは、前記生体粒子が流れる方向から該２つの前記ユニットを見た場合に、手前に見える一方の前記ユニットの後に配置された他方の前記ユニットについて、該他方のユニットの少なくとも一部が見える。

前記構成によれば、誘電泳動力による生体粒子の進行方向が所望の方向からずれて特定のユニットの窪みに収まらなかった場合でも、生体粒子が流れる方向において特定のユニットと隣り合う他のユニットの窪みに収まる可能性が高くなる。従って、生体粒子の窪みへの捕集率を向上させることができる。

本発明の態様４に係る生体粒子捕集装置（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）は、前記態様２において、アレイ状に配置された複数の前記ユニットは、複数のユニット群で構成されており、前記ユニット群は、前記生体粒子が流れる方向と交差する方向に並んで配置された複数の前記ユニットで構成されており、互いに隣り合う２つの前記ユニット群は、前記生体粒子が流れる方向から該２つの前記ユニット群を見た場合に、手前に見える一方の前記ユニット群の配置位置と、該一方の前記ユニット群の後に配置された他方の前記ユニット群の配置位置とが、前記生体粒子が流れる方向と交差する方向において異なっている。

前記の構成によれば、アレイ状に配置された複数のユニットが複数のユニット群で構成されている生体粒子捕集装置について、本発明の態様３に係る生体粒子捕集装置と同様の効果を奏する。

本発明の態様５に係る生体粒子捕集装置（１ｄ）は、前記態様２から４のいずれかにおいて、前記１つのユニットの周囲には、前記誘電泳動力が作用した前記生体粒子を前記窪みに保持させるための第２壁（５０）が形成されている。

前記構成によれば、微小量または単一の細胞を用いてのＥＬＩＳＡ法を実現することができる。微小量または単一の細胞を用いてＥＬＩＳＡ法を行うことにより、１つの領域５１内に生体試料を納めることによる検出感度をより高めることができる。

本発明の態様６に係る生体粒子捕集装置（１ｄ）は、前記態様５において、前記第１壁と前記第２壁とは、同一の樹脂材料で一体的に形成されている。前記構成によれば、第１壁と第２壁とを、例えば１つのマスクでエッチングなどにて同時に形成することが可能となる。従って、製造工程の簡素化および製造コストの低減を図ることができる。

本発明の態様７に係る生体粒子捕集装置（１ｄ）は、前記態様１から４のいずれかにおいて、前記第１壁は、前記生体粒子が流れる方向から見て、前記窪みよりも下流側に形成されており、前記第１壁には、前記生体粒子よりも粒径が小さい他の生体粒子が通過できる空間（１７）が形成されている。

前記構成によれば、捕集対象となる生体粒子の粒径以上の粒径を有する生体粒子が、第１壁によって物理的に止められる。また、第１壁によって物理的に止められた生体粒子の粒径が捕集対象の生体粒子の粒径よりも大きい場合、その生体粒子は窪みに収まらない可能性が高い。従って、第１壁によって窪みに戻される生体粒子が捕集対象の生体粒子となる確率が高くなり、窪みから離れた捕集対象の生体粒子をより確実に窪みに留めることができる。

本発明の態様８に係る生体粒子捕集装置（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）は、前記態様１から５のいずれかにおいて、前記電極は、前記半導体基板内における前記窪みの底面の直下の箇所に配置されており、前記窪みの底面上には、厚さが１μｍ以下である、前記電極が前記溶媒と接触するのを防ぐための第２保護膜（１８）が形成されている。

前記構成によれば、第２保護膜によって電極が溶媒と接触するのを防ぐことができる。また、第２保護膜の厚さが１μｍ以下であることから、生体粒子の窪みへの収納に支障がない程度まで、電極から発せられる誘電泳動力を生体粒子に作用させることができる。

本発明の態様９に係る生体粒子捕集装置（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）は、前記態様８において、前記第１壁は、前記電極の配置位置よりも前記半導体基板の底面側の反対側に形成された配線層（１３２）にて構成され、かつ、前記半導体基板と対向する面以外の表面が、前記第２保護膜を形成する材料と同じ材料で形成された膜で覆われている。

前記構成によれば、電極の配置位置よりも半導体基板の底面側の反対側に形成された配線層を垂直方向（紙面向かって上下方向）にエッチングする際、略直線状にエッチングしやすくなる。

本発明の態様１０に係る生体粒子捕集装置（１ｂ）は、前記態様８または９において、前記第２保護膜は、二酸化シリコンにて形成される。前記構成によれば、ジメチルポリシロキサン（ＰＤＭＳ）などで形成されるマイクロ流体路との接合が良好になる。

本発明の態様１１に係る生体粒子捕集装置（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）は、前記態様１から６のいずれかにおいて、前記第１壁は、感光性の樹脂材料で形成されている。感光性の樹脂材料は、垂直方向へのエッチングが容易である。その点、前記構成によれば、第１壁における窪み側の側面と窪みの側面とを略直線状に形成することが容易にできる。

本発明の態様１２に係る生体粒子捕集装置（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）は、前記態様１から１１のいずれかにおいて、前記半導体基板内における前記電極の直下の箇所には、前記生体粒子から放射される光を受光するフォトダイオード（４０）が埋設されている。前記構成によれば、フォトダイオードが生体粒子から受光した光の特徴を評価することにより、生体粒子の特徴を分析できる。

本発明は、主として生物学・医学における研究、臨床検査などに利用することができる。

１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 生体粒子捕集装置
１０ 半導体基板
１１ 電極
１２ 窪み
１２ａ 側面
１３、１３１ 第１壁
１３ａ、１３２ａ 壁面
１５ 細胞（生体粒子）
１６ 第１保護膜
１８ 第２保護膜
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ ユニット
３４ 溶媒
１３２ 最上位配線層（電極の配置位置よりも基板の底面側の反対側に形成された配線層）
Ｆ_ＤＥＰ 誘電泳動力

Claims (12)

1. 半導体基板に埋設された、前記半導体基板上に流れてきた溶媒中の生体粒子に誘電泳動力を作用させるための信号を出力する電極と、
   前記半導体基板上に形成された、前記半導体基板が前記溶媒と接触するのを防ぐための第１保護膜と、を備えており、
   前記第１保護膜には、前記誘電泳動力が作用した前記生体粒子を保持するための窪みが、前記第１保護膜における前記電極の配置位置と対応する箇所に形成されており、
   前記第１保護膜上には、前記誘電泳動力が作用した前記生体粒子を前記窪みに保持させるための第１壁が形成されており、
   前記窪みの側面と、前記第１壁における前記窪み側の壁面との水平方向の距離が、ゼロまたは前記窪みによる前記生体粒子の保持が継続する程度まで離れている、生体粒子捕集装置。
2. 前記電極と前記窪みと前記第１壁とで１つのユニットが形成されており、
   前記半導体基板には、複数の前記ユニットがアレイ状に配置されており、
   前記電極による前記信号の出力を、複数の前記ユニットのそれぞれに含まれる前記電極ごとに制御する制御回路をさらに備えている、請求項１に記載の生体粒子捕集装置。
3. 前記生体粒子が流れる方向において互いに隣り合う２つの前記ユニットは、前記生体粒子が流れる方向から該２つの前記ユニットを見た場合に、手前に見える一方の前記ユニットの後に配置された他方の前記ユニットについて、該他方のユニットの少なくとも一部が見える、請求項２に記載の生体粒子捕集装置。
4. アレイ状に配置された複数の前記ユニットは、複数のユニット群で構成されており、
   前記ユニット群は、前記生体粒子が流れる方向と交差する方向に並んで配置された複数の前記ユニットで構成されており、
   互いに隣り合う２つの前記ユニット群は、
   前記生体粒子が流れる方向から該２つの前記ユニット群を見た場合に、手前に見える一方の前記ユニット群の配置位置と、該一方の前記ユニット群の後に配置された他方の前記ユニット群の配置位置とが、前記生体粒子が流れる方向と交差する方向において異なっている、請求項２に記載の生体粒子捕集装置。
5. 前記１つのユニットの周囲には、前記誘電泳動力が作用した前記生体粒子を前記窪みに保持させるための第２壁が形成されている、請求項２から４のいずれか１項に記載の生体粒子捕集装置。
6. 前記第１壁と前記第２壁とは、同一の材料で一体的に形成されている、請求項５に記載の生体粒子捕集装置。
7. 前記第１壁は、前記生体粒子が流れる方向から見て、前記窪みよりも下流側に形成されており、
   前記第１壁には、前記生体粒子よりも粒径が小さい他の生体粒子が通過できる空間が形成されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の生体粒子捕集装置。
8. 前記電極は、前記半導体基板内における前記窪みの底面の直下の箇所に配置されており、
   前記窪みの底面上には、厚さが１μｍ以下である、前記電極が前記溶媒と接触するのを防ぐための第２保護膜が形成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の生体粒子捕集装置。
9. 前記第１壁は、前記電極の配置位置よりも前記半導体基板の底面側の反対側に形成された配線層にて構成され、かつ、前記半導体基板と対向する面以外の表面が、前記第２保護膜を形成する材料と同じ材料で形成された膜で覆われている、請求項８に記載の生体粒子捕集装置。
10. 前記第２保護膜は、二酸化シリコンにて形成される、請求項８または９に記載の生体粒子捕集装置。
11. 前記第１壁は、感光性の樹脂材料で形成されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の生体粒子捕集装置。
12. 前記半導体基板内における前記電極の直下の箇所には、前記生体粒子から放射される光を受光するフォトダイオードが埋設されている、請求項１から１１のいずれか１項に記載の生体粒子捕集装置。

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