KR20170041911A - 자가-잠금식 광전자 집게 및 그것의 제조 - Google Patents
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Abstract
큰 영역에 걸친 단일 마이크로입자 조작을 위한 새로운 자가-잠금식 광전자 집게들 (SLOT)이 제공된다. 링-형상 측면의 포토트랜지스터들로부터 생성된 DEP 힘들이 어두운 상태에서 단일 마이크로입자들 또는 셀들을 잠금하기 위해 사용된다. 잠금된 마이크로입자들 또는 셀들은 이들 잠금 사이트들을 광학적으로 비활성화함으로써 선택적으로 방출될 수 있다.
Description
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2014년 8월 15일에 출원된 USSN 62/038,150, 및 2015년 6월 18일에 출원된 USSN 62/181,627의 이익 및 우선권을 주장하고, 이들 둘 모두는 다목적을 위하여 그것들의 전체가 참조로서 본 출원에 통합된다.
정부 지원 성명
본 발명은 미국 국립 과학 재단(National Science Foundation)에 의해 수여된 Grant No. 1232279에 정부 지원으로 수행되었다. 정부는 본 발명에 특정 권리들을 가진다.
광전자 집게들 (OET:optoelectronic tweezer)이 여러 가지 생물학적 애플리케이션들에 대한 단일 셀들 및 입자들의 병렬 조작을 위해 개발되었다 (Chiou et al. (2005) Nature 436(7049): 370-372.). 예를 들어, 광전자 집게들 (OET)이 단일 셀들 및 입자들의 동적 조작을 위해 개발되었다 (Chiou et al. (2005) Nature, 436(7049): 370-372.). OET는 반도체 및 금속성 나노와이어들의 트랩핑 및 조작을 위해 (Jamshidi et al. (2008) Nature Photonics, 2(2): 86-89), 마이크로/나노 비드들(Ota et al. 92013) Nano Letts., 13(6): 2766-2770; Glaesener et al. (2012) Optics Letts., 37(18): 3744-3746; Zarowna-Dabrowska et al. (2011) Optics Express, 19(3): 2720-2728), DNA (Jamshidi et al. (2009) Nano Letts., 9(8): 2921-2925), 및 생물학적 셀들 (Jeorrett et al. (2014) Optics Express 22(2): 1372-1380; Shah et al. (2009) Lab on Chip, 9(12): 1732-1739)을 위해 사용될 수 있다.
전형적인 OET 설정에서, 큰 수들 (예를 들어, 15,000 초과의)의 개별적으로 자체 어드레스를 가진 광 트랩들이 낮은 전도도 배지들 (~0.01 S/m)에 1 mm2의 영역에 걸쳐 형성될 수 있다. 그러나, OET의 효용은 생리학적 버퍼들 및 낮은 조작 스루풋을 갖는 그것의 비호환성에 의해 장애가 되었다. 앞에서, 수직 포토트랜지스터(phototransistor)기반의 OET (Hsu et al. (2010) Lab on Chip, 10(2): 165-172)이 버퍼 비호환성 이슈를 다루기 위해 제안되었다. 그러나, 낮은 스루풋은 한정되는 것은 아니지만 OET를 포함하는 모든 광 조작 기술들에 대한 주요 이슈로 남아 있다. 이 근본적인 제약은 FOV(field-of-view)와 광 분해능(optical resolution)사이의 트레이드-오프에서 비롯된다. 큰 FOV는, 일반적으로, 낮은 개구수 (N.A.)를 갖는 렌즈들을 이용하는 것을 의미한다. 그러나, 이런 낮은 개수수 렌즈들은 충분한 트랩핑 힘들을 생성하는 광 세기 구배를 창설하기 위해 요구된 광 이미지 선명도를 제공할 수 없다. 이것은 광 집게들내 직접 광학적 힘들 및 OET내 광-유도된 DEP 힘들 둘 모두에 대하여 사실이다. 결과적으로, 단일 셀들 또는 입자들의 큰-영역 광학적 조작은 심지어 하이-파워 광 빔으로도 거의 불가능하다.
본 출원에 고려된 다양한 실시예들은 이하 중 하나 이상을 포함할 수 있지만 그러나 그에 제한될 필요는 없다:
실시예 1: 자가-잠금식 광전자 집게들 디바이스는 제 1 전극 및 광학적으로 턴 온 및 오프될 수 있는 복수개의 환형 및/또는 비-원형의 포토트랜지스터들(phototransistor)을 포함하는 제 1 기판으로서, 상기 포토트랜지스터들 및 제 1 기판은 상기 디바이스에 전압의 인가시 상기 환형의 또는 비-원형의 포토트랜지스터들에서 음의 유전영동 힘 (DEP:dielectrophoretic force)을 생성하도록 구성되고; 및 해당 포토트랜지스터가 광으로 조사(illuminate)될 때 환형의 또는 콩형상의(예를 들어, 강낭콩 형상의) 포토트랜지스터에서 상기 DEP를 턴 오프하는, 상기 제 1 기판; 및 제 2 전극을 포함하는 표면으로서, 상기 표면은 상기 제 1 기판과 상기 표면 사이에 챔버 또는 채널을 정의하도록 배치되고 상기 챔버 또는 채널은 셀들 또는 입자들을 함유하는 유체를 수취하거나 또는 수용하도록 구성된, 상기 표면을 포함한다.
실시예 2: 실시예 1의 상기 디바이스에 있어서, 상기 포토트랜지스터들은 환형(annular)이다.
실시예 3: 실시예 1의 상기 디바이스에 있어서, 상기 비-원형의 포토트랜지스터들은 콩형상 (예를 들어, 강낭콩 형상)이다.
실시예 4: 실시예들 1-3의 상기 디바이스에 있어서, 상기 포토트랜지스터들은 상기 장치의 평면에 수직인 전기장을 신설한다.
실시예 5: 실시예들 1-4의 상기 디바이스에 있어서, 상기 포토트랜지스터들의 상기 환형 또는 비-원형 부분은 p-도핑된다.
실시예 6: 실시예들 1-5의 상기 디바이스에 있어서, 상기 기판은 환형의 또는 콩 부분들을 포함하는 도핑된 p-형 기판이고, 상기 환형 또는 콩형상의 부분들의 중심 및 상기 환형 또는 비-원형의 부분들 바깥쪽 영역들은 n-도핑된다.
실시예 7: 실시예 6의 상기 디바이스에 있어서, 상기 도핑된 p-형 기판은 도핑된 p-형 그룹 Ⅲ-V, 또는 p-형 그룹 IV 재료이다.
실시예 8: 실시예 6의 상기 디바이스에 있어서, 상기 도핑된 p-형 기판은 도핑된 p-형 실리콘이다.
실시예 9: 실시예 6의 상기 디바이스에 있어서, 상기 n-도핑된 영역들은 박막 도전체(thin film conductor)로 코팅된다.
실시예 10: 실시예 9의 상기 디바이스에 있어서, 상기 박막 도전체는 Au, Ti, Al, Cr, Ni, Ta, Pd, 및 Pt으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료들을 하나 이상을 포함한다.
실시예 11: 실시예 1의 상기 디바이스에 있어서, 상기 포토트랜지스터들의 상기 환형 또는 비-원형 부분은 n-도핑된다.
실시예 12: 실시예들 1, 및 6의 상기 디바이스에 있어서, 상기 기판은 환형의 또는 비-원형의 부분들을 포함하는 도핑된 n-형 기판이고, 상기 환형 또는 비-원형의 부분들의 중심 및 상기 환형 또는 비-원형의 부분들 바깥쪽 영역들은 p-도핑된다.
실시예 13: 실시예 12의 상기 디바이스에 있어서, 상기 도핑된 n-형 기판은 도핑된 n-형 그룹 Ⅲ-V, 또는 n-형 그룹 IV 재료이다.
실시예 14: 실시예 12의 상기 디바이스에 있어서, 상기 도핑된 n-형 기판은 도핑된 n-형 실리콘이다.
실시예 15: 실시예 12의 상기 디바이스에 있어서, 상기 p-도핑된 영역들은 박막 도전체로 코팅된다.
실시예 16: 실시예 15의 상기 디바이스에 있어서, 상기 박막 도전체는 Au, Ti, Al, Cr, Ni, Ta, Pd, 및 Pt으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료들을 하나 이상을 포함한다.
실시예 17: 실시예들 1-15의 상기 디바이스에 있어서, 상기 기판의 상부 표면은 절연체로 코팅되고 상기 도전체 필름에 대한 개구들이 상기 환형 또는 비-원형의 형상의 중심에 있다.
실시예 18: 실시예 17의 상기 디바이스에 있어서, 상기 절연체는 SU-8 또는 다른 포토레지스트들, PDMS, 실리콘 디옥사이드, Al2O3, 및 실리콘 나이트라이드로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함한다.
실시예 19: 실시예들 17-18의 상기 디바이스에 있어서, 상기 절연 계층은 상기 어두운 상태(dark state)에서 약 50% 부분적 전압 누설(voltage leak)을 제공하도록 구성된다.
실시예 20: 실시예들 17-19의 상기 디바이스에 있어서, 상기 절연체는 Al2O3를 포함한다.
실시예 21: 실시예 20의 상기 디바이스에 있어서, 상기 절연체를 포함하는 상기 Al2O3 계층의 두께는 약 30 nm이다.
실시예 22: 실시예들 1-21의 상기 디바이스에 있어서, 상기 기판은 사이즈에서 약 1 mm2으로부터 또는 약 5 mm2으로부터, 또는 약 10 mm2으로부터, 또는 약 50 mm2으로부터, 또는 약 1cm2으로부터 약 500 cm2까지, 또는 약 200 cm2까지 또는 약 100 cm2까지 또는 약 50 cm2까지의 범위에 이른다.
실시예 23: 실시예들 1-22의 상기 디바이스에 있어서, 상기 환형의 직경 또는 상기 비-원형의 형상의 주 축은 서브-마이크론 사이즈 (예를 들어, 분자들을 트랩핑하기 위해)로부터 트랩 큰 오브젝트들 (예를 들어, 셀들의 집합체들)을 트랩하기 위해 수백 마이크로미터까지 범위에 이른다.
실시예 24: 실시예들 1-23의 상기 디바이스에 있어서, 상기 환형의 직경 또는 상기 비-원형의 형상의 주 축(major axis)은 약 10으로부터, 또는 약 20 nm으로부터, 또는 약 50 nm으로부터, 또는 약 100 nm으로부터, 또는 약 200 nm으로부터, 또는 약 500 nm으로부터 약 500 ㎛까지, 또는 약 250 ㎛까지, 또는 약 200 ㎛까지, 또는 약 100 ㎛까지, 또는 약 150 ㎛까지, 또는 약 100 ㎛까지, 또는 약 80 ㎛까지, 또는 약 60 ㎛까지, 또는 약 50 ㎛까지, 또는 약 30 ㎛까지, 또는 약 20 ㎛까지의 범위에 이른다.
실시예 25: 실시예 24의 상기 디바이스에 있어서, 상기 환형의 직경 또는 상기 비-원형의 형상의 주 축은 약 10 ㎛ 내지 약 20 ㎛이다.
실시예 26: 실시예 24의 상기 디바이스에 있어서, 상기 환형의 직경 또는 상기 비-원형의 형상의 주 축은 약 15㎛이다.
실시예 27: 실시예들 1-26의 상기 디바이스에 있어서, 환형 또는 비-원형의 형상을 형성하는 링의 두께는 약 0.5 ㎛으로부터 약 10 ㎛까지의 범위에 이른다.
실시예 28: 실시예들 1-26의 상기 디바이스에 있어서, 환형 또는 비-원형의 형상을 형성하는 링의 두께는 약 2 ㎛으로부터 약 8 ㎛까지의 범위에 이른다.
실시예 29: 실시예들 1-26의 상기 디바이스에 있어서, 환형 또는 비-원형의 형상을 형성하는 링의 두께는 약 5 ㎛이다.
실시예 30: 실시예들 1-29의 상기 디바이스에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 생리학적 버퍼를 함유한다.
실시예 31: 실시예들 1-29의 상기 디바이스에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 등장성 버퍼를 함유한다.
실시예 32: 실시예들 1-31의 상기 디바이스에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 입자들을 함유한다.
실시예 33: 실시예들 1-31의 상기 디바이스에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 셀(cell)들을 함유한다.
실시예 34: 실시예들 1-31의 상기 디바이스에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 원핵생물의 셀들을 함유한다.
실시예 35: 실시예 34의 상기 디바이스에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 박테리아 셀들을 함유한다.
실시예 36: 실시예들 1-31의 상기 디바이스에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 진핵생물의 셀들을 함유한다.
실시예 37: 실시예 36의 상기 디바이스에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 곤충 셀들, 포유류 셀들, 또는 조류의 셀들을 함유한다.
실시예 38: 실시예들 1-31의 상기 디바이스에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 난자 또는 배아를 함유한다.
실시예 39: 셀들 또는 입자들을 트랩핑하는 방법에 있어서, 상기 방법은 : 실시예들1-28에 따른 디바이스의 챔버내로 셀들 또는 입자들을 도입하는 단계; 및 상기 기판을 포함하는 환형의 트랜지스터들에서 상기 셀들 또는 입자들을 트랩하기 위해 상기 제 1 전극에 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
실시예 40: 실시예 39의 상기 방법에 있어서, 트랩된 입자들 또는 셀들을 방출하기 위해 하나 이상의 포토트랜지스터들을 조사하는 단계를 더 포함한다.
실시예 41: 실시예들 39-40의 상기 방법에 있어서, 상기 전압은 AC 전압이다.
실시예 42: 실시예 41의 상기 방법에 있어서, 상기 전압은 약 0.5 V으로부터 약 100 V pp까지의 범위에 이른다.
실시예 43: 실시예들 41-42의 상기 방법에 있어서, 상기 전압의 주파수는 약 1 kHz로부터 약 50 MHz까지의 범위에 이른다.
실시예 44: 실시예들 39-43의 상기 디바이스에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 생리학적 버퍼를 함유한다.
실시예 45: 실시예들 39-43의 상기 디바이스에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 등장성 버퍼를 함유한다.
실시예 46: 실시예들 39-45의 상기 디바이스에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 입자들 또는 입자 클러스터들을 함유한다.
실시예 47: 실시예들 39-45의 상기 디바이스에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 셀들 또는 셀 클러스터들을 함유한다.
실시예 48: 실시예 47의 상기 방법에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 원핵생물의 셀들을 함유한다.
실시예 49: 실시예 48의 상기 방법에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 박테리아 셀들을 함유한다.
실시예 50: 실시예 47의 상기 방법에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 진핵생물의 셀들을 함유한다.
실시예 51: 실시예 50의 상기 디바이스에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 곤충 셀들, 포유류 셀들, 또는 조류의 셀들을 함유한다.
실시예 52: 실시예들 39-45의 상기 디바이스에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 난자 또는 배아를 함유한다.
도 1, 패널들 A-D, SLOT의 동작을 개략적으로 예시한다. (a) 샘플 로딩(loading). 마이크로입자들이 디바이스 표면 위에 흩어져 있다. (b) 자가-잠금(self-locking). AC 전압이 인가된 후, 마이크로입자들이 링-형상 전극들의 중심에 잠금된다. (c) 선택적 방출(releasing). 광 빔이 단일 입자 방출을 위해 사용된다. (d) 최종 패턴. 단일 타겟 입자가 방출된다.
도 2는 광 조사가 있고 그리고 광 조사가 없을 때 링 전극들에서 DEP 힘들의 방향 및 전기장의 정사각형의 등위면(iso-surface)을 플롯함으로써 SLOT의 동작 원리를 예증하는 시뮬레이션을 도시한다 .
도면들 3a및 3b는 하나의 예시적인 SLOT 플랫폼의 평면도 및 측면도를 도시한다.
도 4, 패널 (a) 전압-오프 및 광-오프. 두개의 입자들이 마이크로유체 채널(microfluidic channel)을 통하여 유입된다. 도 4, 패널 (b) 전압-온 및 광-오프. 두개의 입자들이 자가-잠금된다. 도 4, 패널 (c) 전압-온 및 광-온. 입자 2가 트랩핑 사이트 밖으로 튀어 나온다. 도 4, 패널 (d) 전압-온 및 광-오프. 입자 2는 제거되는 반면 입자 1은 동일한 위치에 머무른다.
도 5는 SLOT의 하나의 예시적인 실시예를 위한 동작 파라미터들을 예시한다. 자가-잠금 및 방출 효과의 시뮬레이션.
도 6은 DC 파워하에서의 일 실시예의 광-전자 특성들을 예시한다 (488nm 레이저, 10V).
도 7은 자가-잠금 프로세스의 테스트를 예시한다.
도 8은 PBS내 형광 라벨된 셀의 단일 셀 잠금 및 방출을 예시한다.
도 9는 자가-잠금식 광전자 집게들 (SLOT:Self-Locking Optoelectronic Tweezer) 플랫폼의 일 실시예를 개략적으로 예시한다. 플랫폼은 링 형상의 어레이, DEP 힘들을 트리거 하기 위한 광 센서들로서 측면의 포토트랜지스터들을 사용한다. 고 k 유전체 층 (예를 들어, 30 nm Al2O3)은 어두운 상태에 부분 전압 누설을 보장하기 위해 코팅되어 단일 셀 자가-잠금 기능을 실현한다. 광 조사가 잠금 기능을 턴 오프하고 조사된 셀을 방출시킨다.
도 10은 SLOT 플랫폼상의 광-조사된 픽셀 및 어두운 픽셀에서 전기장 분포 및 DEP 힘 방향들 (화살표들)을 보여주는 수치 시뮬레이션의 결과를 예시한다. 어두운 상태에서, 음의 DEP 힘들이 셀을 전극 중심에 잠글 것이다. 밝은 상태에서, 잠긴 셀이 전극 중심 밖으로 밀려난다.
도 11은 SLOT 플랫폼상의 링 형상의 트랜지스터의 어둡고 및 포토전류를 보여주는 I-V 커브 측정의 결과들을 예시한다. 표준 세포 배양 배지들(regular cell culture media) (~1 S/m)에 동작을 실현하기 위한 10의 3승배 포토전류 증가가 관측되었다. 오렌지 기준선은 세포 배양 배지들의 전도율을 나타낸다. 그것은 개별적으로 밝은 및 어두운 상태보다 10배 더 낮고 그리고 10배 더 높다.
도 12, 패널들 (a)-(d), SLOT 플랫폼상의 10 ㎛ 마이크로입자들의 조작을 예시한다. 패널 (a): 총 FOV에 걸쳐 마이크로입자들의 자가-잠금. 대략 120,000 입자들이 1 cm2 칩에 걸쳐 자가-잠금된다. 패널들 (b) 및 (d): 입자들의 개별 조작. 패널 (c): 5 × 3 입자 어레이의 형성.
도 13은 SLOT 플랫폼 위에 표준 세포 배양 배지 (DMEM)내 단일 셀 조작을 예시한다. 오른쪽: 위치 1로부터 위치 6으로 단일 타겟 셀의 움직임. 왼쪽: 위치 1로부터 위치 2로 움직이는 단일 타겟 셀의 세부 묘사.
도 14는 SLOT 동작시에 상이한 절연 계층들의 영향들의 비교를 도시한다. 부분적 전압 누설이 절연 계층들 및 액체 전도도들의 아홉개의 상이한 조합들에 대하여 계산된다. 계산에 기초하여, 30nm Al2O3가 자가-잠금 및 방출 기능을 동시에 달성하는 면에서 1 S/m 고 전도도 배지들에서 다른 두개의 절연 계층들을 능가한다고 결론내렸다.
도 15, 패널들 (a)-(c), SLOT의 비-원형의 포토트랜지스터들을 예시한다. 패널 (a): 제조 프로세스는 SLOT와 동일하다. 그러나, 비-원형의 SLOT의 일 실시예에서, P 영역 (블루 영역)은 원형 대신에 “콩(bean)” 형상 (예를 들어, 강낭콩 형상)이도록 디자인되었다. 그린 영역은 전극-액체 컨택을 위한 고 k 유전체 코팅들 위의 개방 영역(opening area)을 나타낸다. 패널 (b): 비-원형 SLOT의 시뮬레이션. 패널 (c): 원을 따라서 한 단계씩 입자 이동(migration) (2Mhz,0.1 S/m,5Vpp).
도 2는 광 조사가 있고 그리고 광 조사가 없을 때 링 전극들에서 DEP 힘들의 방향 및 전기장의 정사각형의 등위면(iso-surface)을 플롯함으로써 SLOT의 동작 원리를 예증하는 시뮬레이션을 도시한다 .
도면들 3a및 3b는 하나의 예시적인 SLOT 플랫폼의 평면도 및 측면도를 도시한다.
도 4, 패널 (a) 전압-오프 및 광-오프. 두개의 입자들이 마이크로유체 채널(microfluidic channel)을 통하여 유입된다. 도 4, 패널 (b) 전압-온 및 광-오프. 두개의 입자들이 자가-잠금된다. 도 4, 패널 (c) 전압-온 및 광-온. 입자 2가 트랩핑 사이트 밖으로 튀어 나온다. 도 4, 패널 (d) 전압-온 및 광-오프. 입자 2는 제거되는 반면 입자 1은 동일한 위치에 머무른다.
도 5는 SLOT의 하나의 예시적인 실시예를 위한 동작 파라미터들을 예시한다. 자가-잠금 및 방출 효과의 시뮬레이션.
도 6은 DC 파워하에서의 일 실시예의 광-전자 특성들을 예시한다 (488nm 레이저, 10V).
도 7은 자가-잠금 프로세스의 테스트를 예시한다.
도 8은 PBS내 형광 라벨된 셀의 단일 셀 잠금 및 방출을 예시한다.
도 9는 자가-잠금식 광전자 집게들 (SLOT:Self-Locking Optoelectronic Tweezer) 플랫폼의 일 실시예를 개략적으로 예시한다. 플랫폼은 링 형상의 어레이, DEP 힘들을 트리거 하기 위한 광 센서들로서 측면의 포토트랜지스터들을 사용한다. 고 k 유전체 층 (예를 들어, 30 nm Al2O3)은 어두운 상태에 부분 전압 누설을 보장하기 위해 코팅되어 단일 셀 자가-잠금 기능을 실현한다. 광 조사가 잠금 기능을 턴 오프하고 조사된 셀을 방출시킨다.
도 10은 SLOT 플랫폼상의 광-조사된 픽셀 및 어두운 픽셀에서 전기장 분포 및 DEP 힘 방향들 (화살표들)을 보여주는 수치 시뮬레이션의 결과를 예시한다. 어두운 상태에서, 음의 DEP 힘들이 셀을 전극 중심에 잠글 것이다. 밝은 상태에서, 잠긴 셀이 전극 중심 밖으로 밀려난다.
도 11은 SLOT 플랫폼상의 링 형상의 트랜지스터의 어둡고 및 포토전류를 보여주는 I-V 커브 측정의 결과들을 예시한다. 표준 세포 배양 배지들(regular cell culture media) (~1 S/m)에 동작을 실현하기 위한 10의 3승배 포토전류 증가가 관측되었다. 오렌지 기준선은 세포 배양 배지들의 전도율을 나타낸다. 그것은 개별적으로 밝은 및 어두운 상태보다 10배 더 낮고 그리고 10배 더 높다.
도 12, 패널들 (a)-(d), SLOT 플랫폼상의 10 ㎛ 마이크로입자들의 조작을 예시한다. 패널 (a): 총 FOV에 걸쳐 마이크로입자들의 자가-잠금. 대략 120,000 입자들이 1 cm2 칩에 걸쳐 자가-잠금된다. 패널들 (b) 및 (d): 입자들의 개별 조작. 패널 (c): 5 × 3 입자 어레이의 형성.
도 13은 SLOT 플랫폼 위에 표준 세포 배양 배지 (DMEM)내 단일 셀 조작을 예시한다. 오른쪽: 위치 1로부터 위치 6으로 단일 타겟 셀의 움직임. 왼쪽: 위치 1로부터 위치 2로 움직이는 단일 타겟 셀의 세부 묘사.
도 14는 SLOT 동작시에 상이한 절연 계층들의 영향들의 비교를 도시한다. 부분적 전압 누설이 절연 계층들 및 액체 전도도들의 아홉개의 상이한 조합들에 대하여 계산된다. 계산에 기초하여, 30nm Al2O3가 자가-잠금 및 방출 기능을 동시에 달성하는 면에서 1 S/m 고 전도도 배지들에서 다른 두개의 절연 계층들을 능가한다고 결론내렸다.
도 15, 패널들 (a)-(c), SLOT의 비-원형의 포토트랜지스터들을 예시한다. 패널 (a): 제조 프로세스는 SLOT와 동일하다. 그러나, 비-원형의 SLOT의 일 실시예에서, P 영역 (블루 영역)은 원형 대신에 “콩(bean)” 형상 (예를 들어, 강낭콩 형상)이도록 디자인되었다. 그린 영역은 전극-액체 컨택을 위한 고 k 유전체 코팅들 위의 개방 영역(opening area)을 나타낸다. 패널 (b): 비-원형 SLOT의 시뮬레이션. 패널 (c): 원을 따라서 한 단계씩 입자 이동(migration) (2Mhz,0.1 S/m,5Vpp).
다양한 실시예들로, 자가-잠금식 광전자 집게들 (SLOT:Self-Locking Optoelectronic Tweezer)이 제공된다. 큰 영역 단일 셀 및 마이크로입자 조작을 위한 흐린(blur) 광 패턴 이슈를 극복하는 자가-잠금식 광전자 집게들 (SLOT) 플랫폼이 본 출원에서 설명된다. 본 출원에서 설명된 SLOT 플랫폼은 큰 영역들에 걸쳐 생리학적 버퍼들 또는 다른 버퍼들 (예를 들어, DEP 기술들에서 통상 사용되는 등장성(isotonic) 버퍼들과 같은)에 단일 셀들 또는 마이크로입자들의 편리한 및 효율적인 조작을 제공한다. SLOT는 그 중에서도, 시험관 아기를 위한 희귀한(rare) 셀들 또는 입자들 소팅에서, 조직 엔지니어링(tissue engineering)에서, 및 단일 셀들 또는 입자들의 조작이 원해지는 다양한 다른 상황들에서 사용될 수 있다.
모든 이전 OET 플랫폼들은 양(positive)의 또는 음(negative)의 DEP 트랩(trap)들을 형성하기 위해 광 빔들의 투사를 요구한다고 믿어진다. 이것은 광 빔들 존재없이는 셀들 및 입자들이 트랩될 수 없다는 것을 의미한다. 광 빔을 이용하여 셀을 트랩하기 위해서 두개의 기준이 충족되어야 할 필요가 있다. 하나는 광 세기는 그것이 가상의 전극을 신설할 수 있고 셀들을 트랩하기에 충분한 전기장을 트리거할 수 있도록 충분히 강해야 할 필요가 있다. 두번째는, 큰 영역 단일 셀 조작에 대하여 매우 중요하지만 흔히 무시되는 요인은 투사된 광 패턴들의 선명도(sharpness)이다. 가상 전극들을 턴 온할 정도로 충분히 강하다 할지라도 흐린 광 패턴은 DEP 힘이 전기장 세기의 구배(gradient)에 선형으로 비례하기 때문에 셀 조작을 위한 충분히 큰 DEP 힘들을 생성하지 못할 수 있다. 느리게 가변하는 세기 프로파일을 갖는 흐린 광 패턴은 셀들의 효율적인 트랩핑 및 조작에 충분한 DEP 힘들로 귀결되는 큰 충분한 전기장 구배를 생성하지 못 한다.
투사된 광 패턴의 선명도 (또는 분해능)는 광 시스템의 개구수 (N.A.)에 의해 결정된다. 효율적인 OET 조작을 위한 좋은 선명도를 유지하기 위해서, 10x 대물 렌즈가 대부분의 OET 플랫폼들에서 전형적으로 사용된다. 그러나, l0x 대물 렌즈는 단지 1~2 mm2의 FOV(field of view)를 가진다. 낮은 N.A.를 갖는 볼록 렌즈를 이용하여 조작 영역을 증가시키는 것이 가능하지만, 그러나 이것은 크게 홀로그래픽 OET, ~ 1 cm2로 입증한 바와 같이 조작 힘을 크게 희생시킨다 (Hsu et al. (2010) Lab Chip, 19(2): 165-172). 결과적으로, OET상의 단일 셀 조작 영역을 더 확장시키는 것이 거의 불가능하다고 믿어진다. 고 광 분해능 패턴과 큰 FOV(field-of-view) 조작 사이의 트레이드-오프가 근본적인 물리적 장벽이다.
본 출원에서 설명된 자가-잠금식 광전자 집게들은 웨이퍼 사이즈, 및 공급될 수 있는 전력에 의존하여 잠재적으로 수백 cm2의 극도로 큰 영역상에서 광 빔들을 이용하여 고-분해능 단일 셀 조작 기능들을 제공하기 위해 이런 근본적인 장벽을 회피할 수 있는 새로운 광 조작 접근법 및 플랫폼을 제공한다.
다양한 실시예들에서, SLOT 시스템은 하나 이상의 "상단(top)" 전극들, 바닥 포토트랜지스터들 및 그 사이에 유체 채널들 또는 챔버들 (예를 들어, 마이크로유체 채널들)을 포함한다. 도 1은 SLOT 플랫폼의 동작 원리를 개략적으로 예시한다. 첫번째, 입자들 또는 셀(cell)들이 도 1(a)에 도시된 바와 같이 상단 전극과 포토트랜지스터 기판 (예를 들어, 마이크로유체 채널을 통하여 유입되는) 사이의 채널 또는 챔버내로 도입된다. 상단 및 하단 전극들은 외부 전압 소스 (예를 들어, 함수 제너레이터)에 유선으로 연결된다. AC 전압이 인가된 후에, 유전영동 (DEP) 트랩들 (음의 트랩들 및 입자들이 약한 전기장 영역들에 잠금된다)이 형성될 것이고 도 1(b)에 도시된 바와 같이 개별 입자들 또는 셀들 (또는 입자들 또는 셀들의 클러스터(cluster)들)을 그것들의 인접한 링 (환형의) 포토트랜지스터들에 잠금될 것이다. 광학적 관측 (예를 들어, 형광, 어두운 필드, 위상 콘트라스트, 및 다른것들)이 입자들 또는 관심 셀들을 식별하기 위해 수행될 수 있다. 그런다음, 광 빔이 로컬 포토전류들을 증가시키기 위해 타겟 포토트랜지스터-제어 전극들을 조사하여 도 1(c)에 도시된 바와 같이 해당 음의 DEP 트랩을 일시적으로 비활성화한다. 마지막으로, 타겟 입자(들) 또는 셀(들)은 그것들의 잠금 사이트(들)로부터 방출될 수 있고 도 1(d)에 도시된 바와 같이 다운스트림의 수집 및 분석을 위한 유체 플로우에 의해 이송된다. 대안적으로 타겟 입자(들) 또는 셀(들)은 추가 조사 및/또는 조작을 위해 보유될 수 있다.
디자인 프로세스동안에 개념을 확인하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션이 사용되었다. COMSOL가 도 2에 도시된 바와 같이 SLOT의 동작 원리를 시뮬레이션하기 위해 사용되었다. 만약 AC 전압이 인가되면 음의 DEP 트랩이 환형의 포토트랜지스터에서 형성되었다. AC 주파수는 인가된 전압의 일부가 큰 전극 영역에서 SU-8 절연체를 통하여 누설될 수 있도록 선택되었다. 이것은 입자들 또는 셀들이 어두운 상태의 링 포토트랜지스터들에 어떻게 잠금될 수 있는지이다. 광 빔이 플로팅 아일랜드 전극(floating island electrode)과 큰 전극을 연결하는 포토트랜지스터를 조사할 때, 그것이 절연체에 의해 커버되는 큰 전극 영역보다 아일랜드 전극 영역에 더 강한 전기장을 신설하기 위해 플로팅 전극을 턴 온 한다. 이것이 음의 DEP 힘에 의해 잠금된 입자를 멀리 밀어낸다.
상기에서 언급한 바와 같이, SLOT에 자가-잠금식 기능은 어두운 상태에 백그라운드에 부분적 전압 누설에 의해 실현될 수 있다. 이 누설 전압은 절연 계층의 두께, 그것의 유전 상수, 동작 AC 주파수, 및 배지 전도도를 포함하여 몇몇의 파라미터들에 의존된다. 이들 관계들을 이해하기 위해서, 아홉개의 상이한 상태들하에서 액체 계층 및 절연 계층를 가로지른 전압 강하의 비율을 계산하기 위해 간단한 럼프(lump) 엘리먼트 모델이 사용되었다. 이상적인 SLOT 동작 상태에서, 절연 계층은 대략 50% 부분적 전압 누설이 허용되어 강한 충분한 자가-잠금식 힘들이 어두운 상태에 제공될 수 있지만, 트랩된 셀을 밝은 상태로 밀어내기 위해 신설될 충분한 전기장 세기 구배를 유지한다. 도 14는 1 ㎛ SU-8, 30 nm SiO2 및 30 nm Al2O3의 절연 계층들에 대하여 어두운 상태에 누설 전압 강하의 산출된 결과들을 제시하고 그것들의 각각은 0.01S/m, 0.1S/m 및 1 S/m의 전기 전도도를 갖는 배지이다. 고 전도도 배지 (1㎛ SU-8 + 1S/m)에 두꺼운 유전체 층을 이용하는 하나의 극단적인 경우에, 대부분이 전압 강하가 절연 계층에 걸쳐 있기 때문에 자가-잠금 기능이 없다. 전도도가 덜한 배지 (30nm Al2O3 + 0.01S/m)에 고 k 및 얇은 유전체를 이용하는 다른 극단적인 경우에, 자가-잠금 기능은 어두운 스테이지에서 강하지만 배지내 거의 100% 누설 전압 강하가 트랩된 셀을 밀어내기 위해 요구되는 밝은 상태에 전기장 세기 구배를 신설하기 위한 공간을 제거하기 때문에 방출 기능이 밝은 상태에서 허용되지 않는다. 따라서, 절연 계층 두께 및 재료들의 최적화 및 동작 배지들과의 매칭이 SLOT 동작을 위해 중요하고 고 k 유전체 (예를 들어, 30 nm Al2O3)가 전도성 용액 (예를 들어, 생리학적 버퍼 용액)에서의 동작을 위해 특별히 적절하다.
조성물 및 절연 (유전체 층)의 두께는 제조 동안에 정밀하게 제어될 수 있다. 예를 들어, 고 k 유전체는 원자 층 증착 (ALD) 방법들을 이용하여 용이하게 정확하게 증착될 수 있다.
도면들 3a 및 3b는 SLOT 플랫폼의 임의 실시예들의 평면도 및 측면도를 예시한다. 예시된 디바이스는 p-형 실리콘 기판상에 제조된다. 링-형상 패턴들 전극들이 포토리소그래피에 의해 형성되었다. 큰 전극과 아일랜드 전극들사이에, npn 포토트랜지스터들을 신설하기 위해 n-형 이온 주입이 수행되었다. 전기 컨택들을 위해 기판상의 p-형 영역들에 10nm 티타늄 (Ti) 박막위에 100nm 금 (Au)이 패터닝되었다. p-형 이온 주입을 갖는 N-형 기판이 pnp 유형 포토트랜지스터들을 신설하기 위해 또한 제조될 수 있고 플로팅 아일랜드 전극들을 제어한다. 광검출기 구조는 포토트랜지스터에 제한되지 않는다. 포토도전체(photoconductor) 및 금속-반도체-금속 (MSM)와 같은 다른 구조들이 또한 원칙적으로 작동할 수 있다. 최종 SU-8 패터닝이 유체 컨택을 위해 플로팅 아일랜드 전극 영역들내 개구들을 신설하기 위해 사용되었다. 다른 유전체 재료들 예컨대 PDMS, 실리콘 디옥사이드, Al2O3, 실리콘 나이트라이드 또는 다른것들이 부분적 전기 절연을 위해 SU-8 대체하여 또한 사용될 수 있다. 다른 SLOT 플랫폼의 아키텍처가 도 9에 예시된다.
SLOT의 프로토타입이 성공적으로 제조되었고 테스트되었다. 개념 증명 디바이스에서 우리는 0.1 S/m의 전도도를 갖는 표준 생리학적 버퍼들에서, 또는 등장성 버퍼들에 부유된 마이크로입자들 (10 ㎛ 직경) 및 셀들로 실험들을 수행하였다. 원칙적으로, SLOT는 적절하게 디자인된 디바이스 파라미터들을 갖는 DI 워터로부터 5 S/m까지 가변하는 전도도들을 갖는 다른 수용성 배지들에서 또한 기능한다.
도 4는 SLOT의 자가-잠금 및 선택적 방출 기능들을 입증한다.
SLOT의 고유 특징은 어두운 상태에 자가-잠금 기능이다. 입자들 또는 셀들의 그룹이 SLOT 플랫폼상으로 도입될 때, 그것들은 광 빔 조사 없이 음의 DEP 힘들에 의해 링 형상의 (환형의) 포토트랜지스터-제어 전극들에 개별적으로 잠금된다. 광 빔이 하나 이상의 환형 포토트랜지스터들을 조사할 때, 그것은 트랩된 마이크로입자 또는 셀을 방출하기 위해 해당 포토트랜지스터들내 DEP 트랩을 턴 오프한다. 입자들 또는 셀들이 어두운 상태로 자가-잠금되었기 때문에, 큰 수의 링-포토트랜지스터들 및 관련된 전극들이 활성 광 빔들 없이 수백만개 입자들 또는 셀들을 트랩하기 위해 큰 영역 (예를 들어, 심지어 수백의 cm2의 수십배에 걸쳐)에 배치될 수 있다.
제한된 FOV(field of view)를 갖지만 고 광 분해능을 갖는 광 조사 시스템은 전체 웨이퍼에 걸쳐 스캔할 수 있어서 모뎀 포토리소그래피에서 사용되는 스텝터(stepper) 개념에 유사하게 순차적으로 트랩된 셀들 또는 입자들을 선택적으로 방출한다. 대안적으로 어떤 영역들이 조사될 수 있어서 (예를 들어, 마스크를 이용하여) 기판의 선택된 영역들내 많은 셀들 또는 입자들을 방출한다. 결과로서, SLOT의 동작 영역은 광 패턴 투사 및 영상을 위한 대물 렌즈들의 FOV에 의해 제한되지 않는다. 비교를 위하여, 표준 OET 동작에서, 광 조사 없는 영역들내 마이크로입자들은 유체 흐름들에 의해 린스(rinse)될 것이다.
게다가 조사 시스템을 감지 시스템과 결합함으로써, 특정한 셀들 또는 입자들 (예를 들어, 특정한 색상 또는 모폴러지를 갖는 셀들 또는 입자들, 또는 특정한, 예를 들어, 형광 라벨들로 라벨링되고)은 선택적으로 방출되거나 또는 선택적으로 보유된다. 이런식으로, 본 출원에서 설명된 SLOT 시스템들은 효율적인 정렬기(sorter) (예를 들어, 셀 정렬기)로서 기능할 수 있다.
SLOT는 환형의 (원형의) 포토트랜지스터들과 관련하여 상기에서 설명되었지만, 포토트랜지스터들은 이 형상에 제한될 필요가 없다. 다양한 실시예들에서, 비-원형의 포토트랜지스터들이 고려된다. 이런 포토트랜지스터들은 그 중에서도 다른 규칙적인 다각형들, 오벌(oval) 포토트랜지스터들 및 한정되는 것은 아니지만 콩팥(kidney)-형상의 포토트랜지스터들을 포함하는 불규칙적인 포토트랜지스터들을 포함할 수 있다. 원형의 포토트랜지스터 구성들을 이용하여, 셀들 또는 마이크로입자들은 대칭 DEP 힘을 단지 경험할 것이고, 이는 방출 방향(releasing direction)이 백그라운드 흐름의 방향에 배타적으로 의존할 것이라는 것을 의미한다. 비-원형의 포토트랜지스터 디자인 (예를 들어, 도 15에 콩팥 형상 참조)이 방향성 DEP 힘으로 귀결되는 비대칭 전기장을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 비-원형의 디자인의 장점은 시스템이 심지어 외부 유체 펌핑 시스템없이도 동작할 수 있다는 것이다. 개별 비-원형의 포토트랜지스터들을 빌딩 블럭들로서 이용하여, 큰 수의 전극들의 조합은 매우 강력할 수 있다. 예를 들어, 우리는 잘-제어되는 레이저 빔 단일 입자들은 임의의 미리-디자인된 경로 (직선 라인, 루프, 등)을 따라서 이동될 수 있다는 것을 보여주었다.
비-원형의 포토트랜지스터들의 제조는 SLOT에 환형의 포토트랜지스터들과 동일하다. 차이는 p 영역의 형상이 비-원형인 반면 p 영역의 폭은 동일하게 유지되는 디자인 프로세스에 있다.
예제 1
큰 영역에 걸쳐 마이크로입자 조작을 위한 자가-
잠금식
광전자 집게들
이 예제는 큰 영역 단일 셀 및 마이크로입자 조작을 위한 흐린 광 패턴 이슈를 극복하는 새로운 자가-잠금식 광전자 집게들 (SLOT) 플랫폼의 디자인 및 제조를 설명한다. SLOT는 광학적으로 턴 온 및 오프될 수 있는 링 형상의 (환형의) 포토트랜지스터들의 어레이를 레이 아웃(lay out)함으로써 실현된다. 단일 셀들 및 마이크로입자들은 광 조사 없이 어두운 상태에 이들 환형의 포토트랜지스터들로 자가-잠금된다. 광 빔이 링-형상 전극을 조사할 때, 그것은 트랩된 마이크로입자을 방출하기 위해 해당 전극에 DEP 트랩을 턴 오프한다. 셀 및 마이크로입자들이 어두운 상태에서 자가-잠금되기 때문에, 큰 수의 환형의 포토트랜지스터들이 수십 또는 심지어 수백의 cm2을 가로질러 큰 영역에 걸쳐 배치될 수 있어서 수백만개 단일 셀들을 트랩한다. 제한된 FOV(field of view)를 갖는 광 조사 시스템은 현재 포토리소그래피에서 사용되는 스텝터 개념에 유사하게 전체 웨이퍼에 걸쳐 트랩된 셀들을 선택적으로 방출하기위해 가로질러 스캔할 수 있다. 결과로서, SLOT의 동작 영역은 광 패턴 투사 및 영상을 위한 대물 렌즈들의 FOV에 제한되지 않는다. 추가하여, SLOT는 또한 단일 결정 실리콘 포토트랜지스터기반의 플랫폼이다. 그것은 표준 생리학적 버퍼들 (Hsu et al. (2010) Lab Chip, 10(2): 165-172)에 단일 셀 조작에 대한 가능성을 제공한다.
디바이스
동작 및 원리.
도 1은 도면들 3a 및 3b에 도시된 SLOT 플랫폼 예시 구성들의 일 실시예의 동작을 개략적으로 예시한다. 예시된 바와 같이, SLOT 시스템은 전극을 포함하는 상부 표면, 바닥 포토트랜지스터들 및 그 사이에 유체 채널들 또는 챔버들 (예를 들어, 마이크로유체 채널들)을 포함한다. 입자들 또는 셀들이 플랫폼상으로 도입되고, 예를 들어, 마이크로유체 채널을 통하여 유입된다.
상단 및 하단 전극들 (예를 들어, 도 3b 참조)이 전압 소스 (예를 들어, 함수 제너레이터)에 전기적으로 연결된다. 일단 전압 (예를 들어, AC 전압)이 전극들에 인가된 후에, DEP 트랩들이 형성되고그리고 개별적인 입자들 (또는 셀들)을 그것들의 인접한 포토트랜지스터 링 전극들에 잠금한다. 그런다음, 광학적 관측 (예를 들어, 형광, 어두운 필드, 위상 콘트라스트, 및 다른것들) 또는 다른 관측이 입자들 또는 관심 셀들을 식별하기 위해 수행될 수 있다. 그런다음, 광 빔이 로컬 포토전도도를 증가시키는 타겟 포토트랜지스터들을 조사하고, 일시적으로 개별 DEP 트랩을 비활성화시킨다. 마지막으로, 타겟 단일 입자 또는 셀 (또는 입자들 또는 셀 클러스터의 클러스터)이 잠금 사이트로부터 방출되고 예를 들어, 다운스트림의 수집 및 분석을 위한 연속적인 플로우에 의해 이송된다. 대안적으로 타겟 입자들 또는 셀들 (또는 입자 클러스터들 또는 셀 클러스터들)은 분석 또는 추가 프로세싱을 위해 보유될 수 있고 희망하지 않는 입자들 또는 셀들 (또는 입자 클러스터들 또는 셀 클러스터들)이 방출될 수 있다.
어떤 실시예들에서, 단일 DEP 트랩에 캡쳐된 성분들을 방출하기 위해 개별 포토트랜지스터 사이트들에 광 빔이 보내질 수 있다. 어떤 실시예들에서, 예를 들어, 다수의 DEP 트랩에 캡쳐된 성분들을 방출하기 위해 마스크를 이용하여 복수개의 포토트랜지스터 사이트들에 광 빔이 보내질 수 있다.
디바이스
제조 및 시뮬레이션
도면들 3a 및 3b는 예시 SLOT 플랫폼의 평면도 및 측면도를 예시한다. 예시된 디바이스는 p-형 실리콘 기판상에 제조된다(예를 들어, 고농도로(highly) 도핑된 p-형 기판상에). 링-형상 패턴들이 포토리소그래피에 의해 형성되고 그런다음 n-형 이온 주입을 위해 마스크로서 사용된다. 10nm 티타늄 (Ti) 박막상에 100nm 금 (Au)이 기판 위로 기화된 뒤에 유체와 전극 컨택을 위한 개구들을 신설하기 위해 SU-8를 패터닝한다. 도 2에 도시된 바와 같이 SLOT의 동작 원리를 시뮬레이션하기 위해 우리는 COMSOL를 사용하였다. 단지 AC 전압이 인가된 경우에 음의 DEP 트랩이 링 전극에 형성된다. AC 주파수는 인가된 전압의 일부가 큰 전극 영역에서 SU-8 절연체를 통하여 누설되도록 선택되었다. 광 빔이 플로팅 아일랜드 전극과 큰 전극을 연결하는 포토트랜지스터를 조사할 때, 그것이 음의 DEP 힘들에 의해 트랩된 입자들을 멀리 밀어내는 아일랜드 전극 영역내 강한 전기장을 신설하기 위해 플로팅 전극을 턴 온 한다.
도시된 구성들은 예시적이고 비 제한적으로 인식될 것이다. 예를 들어 디바이스가 환형의 n-p-n 포토트랜지스터들을 형성하기 위해 역으로 도핑하여 구성될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 추가적으로, 치수가 예를 들어, 본 출원에 설명되고 그리고 청구된 것처럼 변화될 수 있다.
하나의 개념 증명 디바이스에서, 우리는 0.1 S/m의 전기 전도도를 갖는 등장성 버퍼에 부유된 마이크로입자들 (10 ㎛ 직경)로 실험을 수행하였다. 도 4에, 우리는 SLOT상의 단일 입자들의 자가-잠금 및 선택적 방출을 입증하였다. SLOT는 큰 영역상에서 동작을 가능하게 하기 위해서 확대될 수 있다.
본 출원에 제시된 데이터는 큰 영역에 걸친 단일 마이크로입자들 및 단일 셀들 (또는 마이크로입자의 클러스터들 및 셀 클러스터들)의 자가-잠금 및 선택적 방출을 위한 새로운 SLOT 플랫폼을 입증한다. 하나의 예시적인 실시예에서, SLOT는 표준 생리학적 버퍼들내 단일 셀 조작에 대한 가능성을 갖는 OET 시스템에 기반된 단일 결정질 포토트랜지스터이다. 그러나, SLOT는 반드시 단일 결정질 실리콘상에서 제조될 필요는 없다. SLOT의 입자 조작 개념은 아몰퍼스 또는 폴리실리콘 기반 환형의 포토트랜지스터 구조들 위에 실현될 수 있다. 다른 반도체 재료들 예컨대 그룹 Ⅲ-V 재료들이 또한 사용될 수 있다.
예시적인,
하지만 비
-제한적인
실시예의
동작 파라미터들
높은 감도 SLOT의 제조
접합 폭: 2 ㎛;
이온 주입: 1e15 cm-2 200 keV, 4e15 cm-2 15 keV (표면);
어닐링:
1000℃, 1 hour
전극:
Ti (10nm)상에 Au(100 nm)
절연 계층:
접합 폭: 2 ㎛;
자가-잠금 및 방출의 시뮬레이션(예를 들어, 도 5 참조);
큰 영역상에서 자동 단일 셀 트랩핑(trapping)
큰 영역상에서 선택적으로 단일 셀 방출(releasing)
10 Vpp (전압), 10 MHz (주파수), 20 ㎛ (디바이스 피치), 1 S/m (배지 전도도).
광-전자 특성 테스트 (예를 들어, 도 6 참조).
DC 파워하에서 1000배의 포토전도도 증가;
전도도: 오프-상태 (0.005 S/m) << PBS 배지 (1 S/m) < 온-상태 (2 S/m);
큰 영역 자가-잠금 효과의 테스트(예를 들어, 도 7 참조).
10 Vpp (전압), 10 MHz (주파수), 20 ㎛ (디바이스 피치), 1 S/m (배지 전도도).
표준 PBS
버퍼내
단일 셀 자가-잠금 & 방출 (예를 들어, 도 8 참조)
관측된 단일 셀 자가-잠금 효과;
관측된 선택적으로 형광-라벨 단일 셀 방출 ;
10 Vpp (전압), 10 MHz (주파수), 20 ㎛ (디바이스 피치), 1 S/m (배지 전도도,PBS).
앞에서의 실시예들은 예시적이고 비 제한적인 것으로 의도된다. 변형예들이 관련 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 인식될 것이다. 예를 들어, 디바이스를 포함하는 환형 영역들의 사이즈는 애플리케이션에 의존할 수 있다. 약 15 ㎛ 직경의 환형(환형)에 사이즈 ~10 ㎛의 셀들 (또는 입자들)의 트랩핑하는 것이, 본 출원에 예시된 바와 같이 적절하다. 더 큰 셀들, 셀 클러스터들, 셀들의 다른 수집들, 난자(egg)들, 및 유사한 것 트랩핑에 대하여, 더 큰 사이즈 환형들이 충분할 것이다. 더 적은 입자들 또는 박테리아 (예를 들어, 약 1-2 ㎛)을 트랩하기 위해 작은 사이즈 환형들이 충분할 것이다. 따라서 어떤 실시예들에서 약 1 ㎛으로부터, 또는 약 2 ㎛으로부터, 또는 약 5 ㎛으로부터, 또는 약 10 ㎛으로부터, 또는 약 15 ㎛으로부터 약 200 ㎛까지의, 또는 약 150 ㎛까지의, 또는 약 100 ㎛까지의, 또는 50 ㎛까지의, 또는 약 40 ㎛까지의, 또는 약 30 ㎛ 까지의 범위에 이르는 환형 직경들이 고려된다. 어떤 실시예들에서, 환형들(annuli)은 약 5 ㎛ 내지 약 50 ㎛ 직경 범위에 이른다.
환형의 트랜지스터를 형성하는 도핑된 링의 폭은 트랜지스터 특성들을 제어할 것이다. 어떤 실시예들에서, 환형 두께들은 약 0.5 ㎛으로부터 약 10 ㎛ 까지의 범위에 이른다. 더 얇은 환형 링들은 전극을 턴 온 하기 위해 더 낮은 광 세기의 사용을 허용하는 더 높은 광 이득(photo gain)을 제공할 수 있다. 그러나, 트레이드-오프는 포토트랜지스터가 광 조사 없이 고전압하에서 턴 온 될 수 있기 때문에 그것이 동작할 수 있는 작은 전압 진폭이다. 만약 더 큰 폭이 사용되면 광 이득은 더 작아질 수 있지만, 반면에, 우리는 셀들상에 더 큰 트랩핑 힘들을 생성하기 위해 디바이스를 고전압에서 동작시킬 수 있다.
예제2
큰 영역에 걸친 자가-
잠금식
광전자 집게들을 갖는 세포 배양
배지들내
단일 셀 조작
이 예제는 큰 영역에 걸친 세포 배양 배지들내 단일-셀 조작을 위한 새로운 자가-잠금식 광전자 집게들 (SLOT)을 설명한다(예를 들어, 도 9 참조). SLOT은 고 스루풋 단일-셀 조작을 향해 통상의 광전자 집게들 (OET)의 두개의 주요 기술적 장벽들을 극복한다. 하나의 예시적인, 하지만 비 제한적인 실시예에서, SLOT는 광학적으로 턴 온 및 오프될 수 있는 측면(lateral)의 포토트랜지스터 기반, 링 형상의 전극들의 어레이를 레이 아웃함으로써 제조된다. 측면의, 링 형상의 포토트랜지스터 디자인은 고 전도도 배지들 (1 S/m)에서 조작을 가능하게 하고 큰 영역 (> 1 cm2)에 단일-셀 조작을 위한 근본적인 흐린 광학적 패턴 이슈를 극복한다.
동작의 원리.
외부 함수 제너레이터에 의해 파워 공급되는 DEP 트랩들이 단일 셀들이 광 조사 없이 어두운 상태(dark state)로 자가-잠금되는 링 형상의 전극들 둘레에 형성된다. 광 빔이 링 전극을 조사할 때, DEP 트랩이 턴 오프되어 조사된 단일 셀을 방출한다. 이 동작 메커니즘은 엄청나게 큰 영역, 심지어 평행하게 수백만개 단일 셀들을 트랩하는 전체 웨이퍼에 걸쳐 용이하게 확대될 수 있다. SLOT의 동작 개념은 현대 마이크로제조에서 사용되는 스텝퍼에 유사하다. 광 조사 시스템은 전체 웨이퍼에 걸쳐 스캔할 수 있어서 다른 FOV 밖의(out-of-FOV) 셀들은 자가-잠금된채로 있지만 관심 셀들을 방출한다.
시뮬레이션 및 제조
SLOT은 두개의 동작 상태들: 어두운 상태(dark state) 및 밝은 상태(bright state)를 가진다. 어두운 상태에서, 단지 ac 전압만이 인가된다. 밝은 상태에서, ac 전압와 조사 광 빔이 인가된다. 어두운 상태 및 밝은 상태에서 SLOT가 어떻게 작동하는지를 이해하기 위해서, 수치 시뮬레이션들을 수행하는 것이 유용하다. 도 10은 광 조사된 픽셀과 둘러싸는 어두운 픽셀에서 수치로 시뮬레이션된 전기장 세기 분포 및 DEP 힘들을 도시한다. Al2O3 절연 계층 (30 nm)을 통하여 부분적 전압 누설을 신설하기 위해 고 주파수 (10 MHz) ac 바이어스가 인가되어 어두운 상태에 음의 DEP 단일 셀 트랩들을 형성한다. DEP 힘은 어두운 상태에 전극 중심으로 향하고, 단일 셀들을 잠금한다. 반대로, 밝은 상태에서, DEP 힘은 전극 중심에서 밖으로 향하고 그렇게 함으로써 단일 셀들을 방출한다. 이것이 왜 자가-잠금 및 선택적 방출이 달성될 수 있는지의 근본적인 이유이다. 자가-잠금 및 광 방출 기능의 디커플링(decoupling)이 엄청나게 큰 영역으로의 SLOT의 확장을 약속한다.
하나의 예시적인 실시예에서, 디바이스가 p-형 고농도로 도핑된 단일 결정질 실리콘 기판상에 제조된다. 링 형상의 패턴들이 포토리소그래피로 생성되고 n-형 이온 주입 마스크로서 역할을 한다. 10 nm (Ti) 금속 박막위에 100 nm (Au)이 기판으로 기화되고 다음에 리프트-오프 프로세스가 이어진다. 마지막으로, 우리는 전극-버퍼 컨택을 위해 5 ㎛ 원형의 개구들의 어레이로 30 nm Al2O3 박막을 패터닝한다 . Al2O3 박막의 선택이 자가-잠금 및 방출 기능들 둘 모두를 성취하는데 그것이 하는 중요한 역할 때문이다는 것은 가치가 없다. 필름 은 ac 전압으로부터 전기장이 자가-잠금 기능을 가능하게 하기 위해 어두운 상태에 박막을 통하여 부분적으로 누설될 수 있도록 얇고 고 유전 상수를 가져야한다. 생체에 적합한 양면 테이프(double-side tape)들이 커머셜 종이 커터에 의해 패터닝되고 셀 샘플들이 도입될 수 있는 마이크로유체 채널의 역할을 한다. 채널 폭은 대략 200 ㎛이다. 전통적인 수직 포토트랜지스터 디자인과 달리, 우리는 단지 한번의 이온 주입을 요구하고 트렌치 절연이 필요없는 측면(lateral) 포토트랜지스터 디자인을 제안하고 실현하였다. 도핑 농도 및 이온 주입의 두께가 최적화되어야 한다. 수직 디자인에 비하여 측면 디자인의 가장 큰 장점은, DEP 트랩핑이 더 이상 광 조사에 의존하지 않아서 트랩핑 영역 이 전체-웨이퍼 레벨로 확대될 수 있다는 것이다. 측면 디자인(lateral design)의 다른 장점은 우리가 광 흡수 및 디바이스 구조를 독립적으로 조정하는 것이 자유롭도록 광자(photon) 및 전자 경로가 분리되는 것이다.
디바이스
특성화
우리는 추가로 디바이스 특성화(characterization) 및 동작 상태들의 캘리브레이션을 수행하기 위해 형광 현미경을 갖는 레이저 스캐닝 시스템을 통합한다. 532 nm 10 mW 그린 레이저가 일련의 랩뷰(labview)-제어 스캐닝 미러들을 통하여 디바이스 표면상에 집속되고 가이드된다. 선형 편광기가 광 세기가 0.5 W/cm2 와 5 W/cm2 사이에 있도록 레이저 파워를 조정하기 위해 사용된다.
실제 디바이스와 함께 제조된 원형의 테스트 구조는 도 11에 도시된 전기적 특성화를 위해 사용된다. I-V 커브는 1W/cm2 조사 세기에서 기록되었다. 단일 결정 실리콘에서의 캐리어 유동성 및 고 포토트랜지스터 이득 때문에, 10 V 피크-투-피크 전압하에서 어두운 상태에서의 것보다 10의 3승배 더 높은 포토전류가 밝은 상태에서 관측되었다. 세포 배양 배지들의 전도도를 나타내는 기준 라인 (오렌지에서)이 또한 플롯되어, 어두운 상태에서의 포토트랜지스터의 저항이 세포 배양 배지들의 저항보다 적어도 10배더 크지만 그러나 밝은 상태에서의 포토트랜지스터의 저항은 10 배 더 작다는 것을 보여준다.
실험 결과들
우리는 도 12에 도시된 바와 같이 1×1 cm2의 영역에 걸친 세포 배양 배지들 (DMEM)에 SLOT의 다양한 조작 기능들을 입증하였다. 여기서 우리는 큰 영역 자가-잠금, 개별 움직임 및 어레이 형성을 보여주었다. 도 12에, 패널 a, 엄청나게 큰 영역에 걸친 자가-잠금이 입증되었다. 총 디바이스 작업 영역은 1 cm2상에 있다. 그러나, 우리는 현미경의 FOV 제한 때문에 단순하게 한번에 상대적으로 더 적은 영역을 단지 관측할 수 있다.
앞서 언급한 논의에 기초하여, 자가-잠금 기능은 관측과는 완전히 독립적이어서 충분한 전력이 제공되는 한, 효율적인 자가-잠금 영역이 심지어 전체-웨이퍼 레벨까지 확장될 수 있다. 도 12에, 패널 b 및 도 12, 패널 d, 단일 셀 조작이 투사된 레이저 빔을 통하여 달성된다. 다수의 입자들이 순차적으로 방출된다. 도 12에서, 패널 c, 5 × 3 어레이의 마이크로입자들이 형성된다.
1 cm2 SLOT 플랫폼 상에 트랩된 대략 120,000 입자들이 있고 그것들의 각각은 순차적으로 조사될 수 있고 광학적으로 방출된다. 주목하여야 하는 하나의 실험 세부사항은 엄청나게 큰 영역 자가-잠금 및 방출을 가능하게 한다는 것이고, 디바이스가 소모하는 파워가 쉽게 사양들을 초과하기 때문에, 특별히 고 전도도 세포 배양 배지에서 범용 함수 제너레이터 단독으로는 더 이상 적절하지 않을 수 있다. 여기서 우리는 12 MHz ac 입력들을 증폭할 수 있는 고 전력 증폭기를 사용한다.
표준 세포 배양 배지들에서 단일 셀 조작은 실제 생물의학 애플리케이션들에 대하여 중요하다. 그러나, 대부분의 OET기반의 기술은 낮은 전도도 배지들 (전형적으로 ~0.01 S/m)에서 단지 작동할 수 있다. 정상 셀 동작들 예컨대 증식 및 성장은 표준 생리학적 버퍼 (전형적으로 ~1 S/m)외의 배지들에서 예상될 수 없다. 5 μL의 샘플 용액 (DMEM에 부유된 라모스(Ramos))이 SLOT 디바이스에 도입되고 외부 함수 제너레이터는 8MHz 및 10 Vpp로 설정되었다. 우리는 대물 렌즈의 FOV내 광빔이 관심 단일 셀을 선택적으로 방출한다는 것을 보였다.
도 13에서, 우리는 관심 타겟 셀이 어떻게 위치 1 로부터 위치 6으로 순차적으로 이동되는지를 보여주며 비-타겟 셀은 잠금된 채로 유지된다. 원래, 두개의 셀들이 DEP 트랩들에 의해 자가-잠금되었다. 그런다음 우리는 타겟 셀이 위치된 곳으로 레이저 빔을 움직였다. 이것은 조사된 포토트랜지스터에서의의 포토 전류의 급격한 증가로 귀결된다. 따라서, DEP 트랩이 턴 오프되었고 트랩된 셀이 백그라운드 마이크로유체 흐름에 의해 방출되었다. 트랩으로부터 셀을 방출하는데 0.5s보다 덜 걸렸다. 전형적인 백그라운드 흐름 속도는 50 ㎛/s이었다. 이들 파라미터들은 상이한 실험 상태들에 따라 변한다.
SLOT의 동작은 현대 포토리소그래피에서 폭넓게 사용되는 “스텝터(stepper)” 개념과 유사하다. 우리는 고정된 또는 프로그램 가능한 광 패턴을 SLOT 기판에 투사한다. 관심 셀들은 하나씩 또는 한 무리씩(batch by batch) 방출될 수 있다. 각각의 전극의 위치가 미리-디자인되었기 때문에, 방출 기능이 실시간 관측 없이 수행될 수 있고, 이는 심지어 대물 렌즈의 FOV를 넘어서 셀들을 조작하는 SLOT의 성능을 나타낸다.
결론
우리는 큰 영역에 걸친 세포 배양 배지들내 단일 셀 조작을 위한 새로운 자가-잠금식 광전자 집게들 (SLOT)을 보고한다. SLOT는 큰 영역에 걸친 표준 생리학적 버퍼들내 단일 셀 조작을 향해 통상의 광전자 집게들 (OET)의 두개의 주요 기술적 장벽들을 다룬다. 그것의 고유한 측면(lateral)의, 링 형상의 포토트랜지스터 디자인통하여, 고 전도도 배지들 조작 (>1 S/m)에서 고 스루풋 (120,000 입자들 이상) 조작이 달성되었다. 자가-잠금 개념은 전통적인 OET의 조작 영역을 1 cm2까지, 또는 심지어는 더 크게 확장한 것이 핵심이다. SLOT의 잠재적인 애플리케이션들은 조직 엔지니어링, 약물 검사(drug screening)을 포함한다 (Nilsson et al. (2009) Analytica Chimica Acta, 649(2): 141-157), 셀-대-셀 통신, 희귀한 셀 소팅, 및 시험관 아기 (Valley et al. (2010) PloS One, 5(4): e10160).
본 출원에서 설명된 예제들 및 실시예들은 단지 예시 목적을 위한 것이고 그리고 그것의 관점에서 다양한 수정예들 또는 변화들이 관련 기술 분야에서 통상의 기술자에게 제안될 것이고 첨부된 청구항들의 범위 및 본 출원의 취지 및 전영역내에 포함될 것이라는 것이 이해되어야 한다. 본 출원에서 인용된 모든 간행물들, 특허들, 및 특허 출원들은 다목적을 위해 그것들의 전체가 참조로서 본 출원에 통합된다.
Claims (51)
- 자가-잠금식 광학 집게들 디바이스에 있어서,
제 1 전극 및 광학적으로 턴 온 및 오프될 수 있는 복수개의 환형 및/또는 비-원형의 포토트랜지스터들(phototransistor)을 포함하는 제 1 기판으로서, 상기 포토트랜지스터들 및 제 1 기판은 상기 디바이스에 전압의 인가시 상기 환형의 또는 비-원형의 포토트랜지스터들에서 음의 유전영동 힘 (DEP:dielectrophoretic force)을 생성하도록 구성되고; 및 해당 포토트랜지스터가 광으로 조사(illuminate)될 때 환형의 또는 비-원형의 포토트랜지스터에서 상기 DEP를 턴 오프하는, 상기 제 1 기판; 및
제 2 전극을 포함하는 표면으로서, 상기 표면은 상기 제 1 기판과 상기 표면 사이에 챔버 또는 채널을 정의하도록 배치되고, 상기 챔버 또는 채널은 셀들 또는 입자들을 함유하는 유체를 수취하거나 또는 수용하도록 구성된, 상기 표면을 포함하는, 디바이스. - 청구항 1에 있어서, 상기 포토트랜지스터들은 환형(annular)인, 디바이스.
- 청구항 1에 있어서, 상기 비-원형의 포토트랜지스터들은 콩형상(bean-shaped)인, 디바이스.
- 청구항 1 내지 3에 있어서, 상기 포토트랜지스터들은 상기 장치의 평면에 수직인 전기장을 신설하는, 디바이스.
- 청구항 1 내지 4에 있어서, 상기 포토트랜지스터들의 상기 환형 또는 비-원형 부분은 p-도핑되는, 디바이스.
- 청구항 1 내지 5에 있어서, 상기 기판은 환형의 또는 콩 부분들을 포함하는 도핑된 p-형 기판이고, 상기 환형 또는 콩형상의 부분들의 중심 및 상기 환형 또는 비-원형의 부분들 바깥쪽 영역들은 n-도핑된, 디바이스.
- 청구항 6에 있어서, 상기 도핑된 p-형 기판은 도핑된 p-형 그룹 Ⅲ-V, 또는 p-형 그룹 IV 재료인, 디바이스.
- 청구항 6에 있어서, 상기 도핑된 p-형 기판은 도핑된 p-형 실리콘인, 디바이스.
- 청구항 6에 있어서, 상기 n-도핑된 영역들은 박막 도전체(thin film conductor)로 코팅된, 디바이스.
- 청구항 9에 있어서, 상기 박막 도전체는 Au, Ti, Al, Cr, Ni, Ta, Pd, 및 Pt으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료들을 하나 이상을 포함하는, 디바이스.
- 청구항 1에 있어서, 상기 포토트랜지스터들의 상기 환형 또는 비-원형 부분은 n-도핑된, 디바이스.
- 청구항 1 및 6에 있어서, 상기 기판은 환형의 또는 비-원형의 부분들을 포함하는 도핑된 n-형 기판이고, 상기 환형 또는 비-원형의 부분들의 중심 및 상기 환형 또는 비-원형의 부분들 바깥쪽 영역들은 p-도핑된, 디바이스.
- 청구항 12에 있어서, 상기 도핑된 n-형 기판은 도핑된 n-형 그룹 Ⅲ-V, 또는 n-형 그룹 IV 재료인, 디바이스.
- 청구항 12에 있어서, 상기 도핑된 n-형 기판은 도핑된 n-형 실리콘인, 디바이스.
- 청구항 12에 있어서, 상기 p-도핑된 영역들은 박막 도전체(thin film conductor)로 코팅된, 디바이스.
- 청구항 15에 있어서, 상기 박막 도전체는 Au, Ti, Al, Cr, Ni, Ta, Pd, 및 Pt으로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료들을 하나 이상을 포함하는, 디바이스.
- 청구항 1 내지 15에 있어서, 상기 기판의 상부 표면은 절연체로 코팅되고 상기 도전체 필름에 대한 개구들이 상기 환형 또는 비-원형의 형상의 중심에 있는, 디바이스.
- 청구항 17에 있어서, 상기 절연체는 SU-8 또는 다른 포토레지스트들, PDMS, 실리콘 디옥사이드, Al2O3, 및 실리콘 나이트라이드로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는, 디바이스.
- 청구항 17 내지 18에 있어서, 상기 절연 계층은 상기 어두운 상태(dark state)에서 약 50% 부분적 전압 누설(voltage leak)을 제공하도록 구성된, 디바이스.
- 청구항 17 내지 19에 있어서, 상기 절연체는 Al2O3를 포함하는, 디바이스.
- 청구항 20에 있어서, 상기 절연체를 포함하는 상기 Al2O3 계층의 두께는 약 30 nm인, 디바이스.
- 청구항 1 내지 21에 있어서, 상기 기판은 사이즈에서 약 1 mm2으로부터 또는 약 5 mm2으로부터, 또는 약 10 mm2으로부터, 또는 약 50 mm2으로부터, 또는 약 1cm2으로부터 약 500 cm2까지, 또는 약 200 cm2까지 또는 약 100 cm2까지 또는 약 50 cm2까지의 범위에 이르는, 디바이스.
- 청구항 1 내지 22에 있어서, 상기 환형의 직경 또는 상기 비-원형의 형상의 주 축(major axis)은 약 10으로부터, 또는 약 20 nm으로부터, 또는 약 50 nm으로부터, 또는 약 100 nm으로부터, 또는 약 200 nm으로부터, 또는 약 500 nm으로부터 약 500 ㎛까지, 또는 약 250 ㎛까지, 또는 약 200 ㎛까지, 또는 약 100 ㎛까지, 또는 약 150 ㎛까지, 또는 약 100 ㎛까지, 또는 약 80 ㎛까지, 또는 약 60 ㎛까지, 또는 약 50 ㎛까지, 또는 약 30 ㎛까지, 또는 약 20 ㎛까지의 범위에 이르는, 디바이스.
- 청구항 23에 있어서, 상기 환형의 직경 또는 상기 비-원형의 형상의 주 축은 약 10 ㎛ 내지 약 20 ㎛인, 디바이스.
- 청구항 23에 있어서, 상기 환형의 직경 또는 상기 비-원형의 형상의 주 축은 약 15 ㎛인, 디바이스.
- 청구항 1 내지 25에 있어서, 환형 또는 비-원형의 형상을 형성하는 링의 두께는 약 0.5 ㎛으로부터 약 10 ㎛까지의 범위에 이르는, 디바이스.
- 청구항 1 내지 25에 있어서, 환형 또는 비-원형의 형상을 형성하는 링의 두께는 약 2 ㎛으로부터 약 8 ㎛까지의 범위에 이르는, 디바이스.
- 청구항 1 내지 25에 있어서, 환형 또는 비-원형의 형상을 형성하는 링의 두께는 약 5 ㎛인, 디바이스.
- 청구항 1 내지 28에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 생리학적 버퍼를 함유하는, 디바이스.
- 청구항 1내지 28에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 등장성 버퍼(isotonic buffer)를 함유하는, 디바이스.
- 청구항 1내지 30에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 입자(particle)들을 함유하는, 디바이스.
- 청구항 1내지 30에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 셀(cell)들을 함유하는, 디바이스.
- 청구항 1내지 30에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 원핵생물의 셀들을 함유하는, 디바이스.
- 청구항 33에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 박테리아 셀들을 함유하는, 디바이스.
- 청구항 1내지 30에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 진핵생물의 셀들을 함유하는, 디바이스.
- 청구항 35에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 곤충 셀들, 포유류 셀들, 또는 조류의 셀들을 함유하는, 디바이스.
- 청구항 1내지 30에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 난자(egg) 또는 배아(embryo)들을 함유하는, 디바이스.
- 셀(cell)들 또는 입자들을 트랩핑(trapping)하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
청구항들 1-27에 따른 디바이스의 챔버내로 셀들 또는 입자들을 도입하는 단계; 및
상기 기판을 포함하는 환형의 트랜지스터들에서 상기 셀들 또는 입자들을 트랩하기 위해 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극사이에 전압을 인가하는 단계를 포함하는, 방법. - 청구항 38에 있어서, 트랩된 입자들 또는 셀들을 방출하기 위해 하나 이상의 포토트랜지스터들을 조사하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 청구항 38 내지 39에 있어서, 상기 전압은 AC 전압인, 방법.
- 청구항 40에 있어서, 상기 전압은 약 0.5 V으로부터 약 100 V pp까지의 범위에 이르는, 방법.
- 청구항 40 내지 41에 있어서, 상기 전압의 주파수는 약 1 kHz로부터 약 50 MHz까지의 범위에 이르는, 방법.
- 청구항 38내지 42에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 생리학적 버퍼를 함유하는, 방법.
- 청구항 38내지 42에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 등장성 버퍼를 함유하는, 방법.
- 청구항 38내지 44에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 입자들 또는 입자 클러스터(cluster)들을 함유하는, 방법.
- 청구항 38내지 44에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 셀들 또는 셀 클러스터들을 함유하는, 방법.
- 청구항 46에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 원핵생물의 셀들을 함유하는, 방법.
- 청구항 47에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 박테리아 셀들을 함유하는, 방법.
- 청구항 46에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 진핵생물의 셀들을 함유하는, 방법.
- 청구항 49에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 곤충 셀들, 포유류 셀들, 또는 조류의 셀들을 함유하는, 방법.
- 청구항 38내지 44에 있어서, 상기 챔버 또는 채널은 난자(egg) 또는 배아(embryo)들을 함유하는, 방법.
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- 2019-10-29 US US16/667,801 patent/US11162060B2/en active Active
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| US20090170186A1 (en) * | 2004-04-12 | 2009-07-02 | Ming Chiang Wu | Optoelectronic tweezers for microparticle and cell manipulation |
| US20100101960A1 (en) * | 2007-03-28 | 2010-04-29 | The Regents Of The University Of California | Single-sided lateral-field and phototransistor-based optoelectronic tweezers |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Phoptotransistor-based optoelectronic tweezers for dynamic cell manipulation, LAB chip, 2010, 10, 165-172 * |
Also Published As
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