TW200422611A - Electrical analysis of biological membranes - Google Patents

Description

200422611 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 發明背景 以細胞膜鉗制術（patch clamping)來分析細胞是一 5種強力的電生理記錄技術。細胞膜鉗制術係被用來研究細 胞膜的電氣特性，特別是在膜中所包含的離子通道之活性 和調節。因為此種技術係為研究離子通道蛋白質之活性係 如何被一般生理試劑與特殊藥學化合物所調節之最直接且 有意義的方式，因而成為逐漸普及的量測工具。 10 【先前 細胞膜鉗制術係被發展成一種手動操作的程序。在傳 統的細胞膜鉗制術中，一具有小直徑的玻璃吸管會被相對 於細胞膜而設置。在吸管的内部對流體施加真空而相對於 吸管末端拉引該膜，而在吸管末端周圍與該細胞膜區塊之 15間產生一緊密的電阻性密封。這種密封，通常因為其在沿 著吸管的内徑導入電流通過該區塊及/或完整細胞時所具 有的十億歐姆或近-十億歐姆的電阻，而被稱為十億等級密 封（gigaseal)。當該區域係選擇性地可通透化時，除了該區 域之外細胞膜的其餘部分之電氣特性，可以一完整細胞的 20分析來測量。或者，其餘的細胞膜可被移除，而只分析該 區域。 在任一情況中’一越過細胞或細胞膜區塊而施加的電 流或電壓可被量測。舉例來說，一，，刺激”電壓可被施加在〇 一維持細胞（或區塊）之”外部”電解流體與2)在吸管内 5 部的一”内部”電解流體之間。一此種刺激電壓會產生一越 過完整細胞或細胞膜區塊之在離子流動中之對應反應（與 因此形成之電流）。該膜的阻抗會決定電流大小。配體及/ 或電壓所誘發的在離子通道活性中之變化，因此在膜的阻 抗和電流大小中產生對應的變化。在一典型的研究中，電 壓（或電流）在分析期間可能被固定或”箝合”，同時測量 所得到的電流（或電壓），藉以產生一電壓（或電流）箝合 分析。 除了細胞膜鉗制術方法的靈敏度，該藉由一吸管的手 動方法可能不適合分析諸如生產率藥物筛選之化合物庫。 特別是，藉者手動的方法，一次指分析一個細胞。因此， 化予化合物的效果之測試可能會太慢而無法筛選大量的候 選化合物。 對於改良細胞膜钳制術的分析速度所做的努力，係集 中於一次分析超過一個細胞上。舉例來說，可以以一藉由 一平面材料所界定的孔陣列來取代該單一吸管。藉由此種 平面細胞膜鉗制術"裝置，該細胞可以被設置在每個該等 孔上’並以每個孔之特定電路來監測。 儘管其等可能可以增加產率，這些平面細胞膜鉗制術 裝置就某些理由而言係不適當的。舉例來說，一些細胞膜 钳制術叹備使用不固定用於個別孔洞的可動式電極。此種 裝置可能會限定可被平行刺激並檢測之孔的數目，並增加 可動部件機械故障的可能性。其他的細胞膜鉗制術裝置可 以包含固疋運用的監測電路，但其之電路缺乏整合性，舉 200422611 例來况力每個孔都會有一獨立的感應電路。此種分離的 電路實際上依據所得到的電氣介面的尺寸和複雜度，而揭 限了其可以I 3之孔的密度。因此，這種孔的限制會造成 在-實驗中被分析的細胞/化合物/條件的數量上之對應限 5制。此外，此種未充分整合的裝置，可能無法允許自動地 且選擇性地在個別的孔中檢測與修改條件。 L 明内容】 發明簡述 -種生物晶片裝置，其係被提供以用於電分析生物 ίο膜。該裝置可以包含一界定一孔洞陣列之基材總成，且其 具有被架構以感應密封該等孔洞之生物膜的電氣特性之薄 膜裝置。該裝置也可以包含一電氣介面，其係被電氣地連 接至該薄膜I置且係電氣地將該薄膜冑置連接至一控制儀 器。該電氣介面可能會界定數個介面元件，而且該等孔洞 15 可以超過該等介面元件。 圖式簡要說明 第1圖係為一測試系統的一具體例的一概要圖，該系 統係用於在以其之生物晶片裝置所界定的檢測位置陣列上 之細胞的電分析。 20 帛2圖係為一用於使用第1圖的系、统來電分析細胞 之方法的一具體例之流程圖。 第3圖係為一可以被包含在第i圖的系統中之生物 晶片裝置的一具體例的平面圖。 7 422611 第4圖係為第3圖的生物晶片裝置之檢測群組的放 大圖’其表現第3圖中的，，4"。 第5圖係為第4圖的檢測群組中之個別檢測位置的 放大圖’其表現第4圖中的，，5，，。 5 第6圖係為一具有一被設置以進行電分析的細胞以 及其之膜的第5圖之檢測位置的剖視圖，其係沿著第5 圖的線段6-6檢視。 第7圖係為可以被包含在一用於電分析細胞的生物 晶片中之裝置檢測位置的另一個的具體例之剖視圖。 10 第8圖係為用於電分析一群被設置以分享流體區間 之細胞的一組檢測位置之一具體例的平面圖。 第9圖係為一將一生物晶片的檢測位置電氣地連接 至一控制儀器的電路之具體例的概要圖。 第10圖係為一生物晶片裝置的一具體例與其之用於 15 對應該裝置的檢測位置之電氣介面之概要圖。 第11圖係為選擇性地對應在第1圖的系統中所包 含的檢測位置之電路的概要圖。 第12圖係為對應設置在一用於電分析細胞的生物晶 片裝置中所包含的檢測位置之不同電極的電路之概要圖。 2〇 第13圖係為一具有用於對應不同薄膜裝置的電路之 測試系統的概要圖，該薄膜裝置係被設置在被架構以電分 析細胞之檢測位置。 8 200422611 第14圖係為一用於電分析細胞的測試系統之一具體 例的概要圖，其中一生物晶片裝置係藉由數位訊號而連接 至一控制儀器。 第15圖係為一基於由該等檢測位置測得之電氣訊號 5來選擇進行進一步操作之檢測位置的方法之一具體例的流 程圖。 I：實施方式3 發明詳述 一測試系統係被提供以電分析生物膜。該系統可以包 10含一生物晶片裝置和一控制儀器，其提供該生物晶片能量 並電子地控制該生物晶片裝置。該生物膜可以由完整細 胞、細胞碎片及/或包含來自細胞的一膜元件（S)的重組膜 所提供。 «亥生物sa片裝置可以包含一具有檢測位置的陣列的之 15 基材總成。如在此所使用的，一檢測位置係為該裝置之一 被架構成用來檢測被設置於該檢測位置上之生物膜及/或 細胞的一或更多電氣特性之區域。每個檢測位置都可以包 含一被架構成將被一生物膜所覆蓋（或密封）的孔。每個檢 測位置也可以包含一或更多個用於在檢測位置的測量監測 2〇 狀況、改變條件及/或進行測量之薄膜裝置。此外，每個 檢測位置可以包含或界定一用於維持流體與該生物膜/細 胞的區間。該生物晶片裝置也可以包含一具有數個分離的 介面元件之電氣介面或是被架構成與將該薄膜裝置電氣地 連接至該控制儀器的輸入端。連接至該薄膜裝置的該生物 9 200422611 晶片裝置的電子電路可使用固定狀態之切換裝置而被高度 整合，因而檢測位置與孔洞的數目會超過在電氣介面之介 面元件的數目。 在此所描述的該測試系統和生物晶片裝置都可被用來 5進行用於細胞和生物膜的電分析之方法。薄膜裝置在選定 子集合或所有檢測位置上，都可基於分析步驟被適當平行 地及/或依序地電氣地激活，並從檢測位置及/或其之類似物 來測量結果。舉例來說，檢測位置可基於每個位置所測量 的電氣特性與閥值的比較來自動地選擇性激活。舉例來 10說，這個方法可被用來侷限在膜係被有效地密封該孔之檢 測位置上的額外操作，或是重新將細胞設置在該孔上，尤 其是那些未有效地密封的細胞。 每個檢測位置可以包含任何適當數目的可個別設定檢 測點置之薄膜裝置。此種薄膜裝置可以包含一或更多用於 15對設置於該孔之該膜提供一電氣刺激或用於自該膜監測所 得到的電氣反應之電極。在一些具體例中，相同或不同的 電極可被用來作為一校準電極來使用，也就是，一電極可 被架構以產生一可以將細胞或膜朝向檢測位置的孔移動之 電場。該薄膜裝置也可以包含一超音波轉換器、一加熱器、 20 一溫度感應器、一個口喷水式飲水口、及/或一個光電裝 置’等等…。因此，整合電子生物晶片裝置的電子電路可 能用來依照在檢測位置分析和測試結構的需求，一起或藉 由使用切換裝置而搭配啟動該等薄膜裝置。因而，在此所 10 200422611 描述的該生物晶片裝置系統，可在較多數目的條件中以更 佳的自動化和控制性來分析較大數量的生物樣本。 第1圖顯示生物膜/細胞的電分析測試系統3〇的一 具體例之概要圖。系統30可以包含一控制儀器32與一 5 生物晶片裝置34。 該控制儀器可以是任何用於通常因應使用者的輸入來 指示測試系統30操作的電子裝置。該控制儀器可以包含 一電源（未顯示）、控制電子儀器36、和一真空來源38, 荨專…。该電源可能提供該生物晶片裝置3 4與在控制儀 10器中或在其之控制下所包含的附屬的機械裝置電源。控制 電子儀器36可以包含任何適當的電子電路，其係被架構 成以藉著與生物晶片裝置切換訊號來指示該生物晶片裝置 34的操作，其係以40來顯示。該控制電子儀器可以包含 一數位處理器、記憶體、軟體指令、輸出裝置（例如是一 15列表機、終端機及其他設備）與電子感應器，等等··。該 控制電子儀器可以由一使用者在該控制儀器的使用者介面 (例如一鍵盤、輔助鍵盤、滑鼠等）上控制。真空來源3 $可 被包含在控制儀器32中或者也可能被以分離的儀器來提 供。在任何一種情況中，真空來源38可依照需要而被用 20來對生物晶片裝置提供一負壓力，舉例來說，將該生物膜 相對生物晶片裝置的孔拉動。 生物晶片裝置34可被架構成一以控制儀器作為介面 之分離的裝置。如在此所使用的，一生物晶片裝置係為任 何包含一排列在一基材上的測試或檢測位置之陣列的裝 11 200422611 置。生物晶片裝置可能是獨身者-使用，用完即可丟棄的裝 置或可能是可再用的。該生物晶片裝置可以提供一至少部 分地界定一檢測位置44陣列以測量生物膜的電氣特性之 基材總成42。每個檢測位置係被架構以測量不同生物膜的 5 電氣特性。該生物晶片裝置可具有至少大約一百（或至少 大約一千）個檢測位置，且該檢測位置可以具有每平方公 釐至少大約一個（或至少大約十個）的密度。每個檢測位置 44可以包含一用於保存一電解流體的流體區間46 , 一或 更多的生物膜可被設置在其中。該流體區間46可被個別 10 地及/或一起地連接至流體輸入端48，其可以是外部或内 部之可通連開口、流體導管、移管等等。每個檢測位置44 也可以包含一孔50 (或數個孔）。該等孔也可被描述為喷 嘴，而在一些具體例中，其可被用來昨為該流體流經之排 出口。每個孔可以使用真空導管52而與真空來源38成 15流體通接，因此一負壓可被施加該孔。在這種情況下，該 孔可被用於藉由負壓來吸附並密封一細胞，並且電氣地記 錄該細胞。或者，該孔可以單獨地作用以密封並電氣地記 錄該細胞或膜，而負壓仍可以一圍住該孔之分離的同心通 道而施加至細胞。該位置44也可以包含被選擇性地設定 20以產生電場或磁場、提供超音波能量、產生熱、提供光及/ 或對應能量感應器之薄膜裝置54。 基材總成42可以包含生物晶片電子儀器兄，其提供 連結至薄膜裝置54之選擇性可設定檢測點的電氣傳導路 徑58。生物晶片電子儀器56可以由任何適當的製造方法 12 200422611 來形成，且可以具有任何適當層次整合。因此，生物晶片 電子儀器56可以包含數位-類比和類比·數位轉換器及/或 切換網路，以如下所述的進一步選擇、激活及/或監測薄膜 裝置。 5 生物晶片電子儀器56和薄膜裝置54可如在40中 所顯示的經過生物晶片電氣介面60而電氣連接至控制儀 器32。電氣介面60可被附接至基材總成42，例如附接 在其之外側表面上，以提供傳導性或誘導性連接至該控制 儀器的電子儀器36。電氣介面60可以提供一組分離的 10 介面元件，其係在下述中被更完全描述。 第2圖顯示一使用第1圖的測試系統30用於電分 析細胞的一具體方法70。 在方法70中，細胞係如72所顯示的被分配到檢測 位置。該細胞可例如藉著一自動化流體輸送裝置，而個別 15 地將部分的細胞懸浮液分配至每個位置，以設置在位置44 的流體區間46,舉來說，以使得一或更多的細胞被設置在 該等位置。或者，舉例來說，藉著將加入大到足以將該等 流體區間形成流體通連的體積之細胞懸浮液加入或藉著使 用將該等流體區間相互連通的導管，可以將流體區間46 20 連在一起。在一些具體例中，流體（運送細胞）係以大體上 對準每個孔的方式來導入，以促進在該等細胞從該懸浮液 固定出來時，以重力為媒介之細胞朝向該孔的運動。 在其他的具體例中，任何適當的生物膜都可被分配到 或造形於該檢測位置。生物膜通常包含任何的雙層磷脂 13 200422611 質，而且可以帶有一促進或調節離子流過雙層磷脂質的生 物分子之生物膜。雙層磷脂質可以由一細胞、一病毒、一 胞器、一個被胞及/或其之類似物所提供，並因此可以是自 然產生或人工產出的。該生物分子可以是由細胞生產的， 5或者可以是一人為衍生物或其之擬似物。可能促進或調節 離子流動的典型的分子包含一穿膜的或周邊的膜蛋白質， 例如離子通道或輸送子，或者其可以是形成通道之合成化 合物等等。 檢測位置的孔然後可以如74所顯示的以膜來密封。 10該膜通常對應於該細胞的原始膜之部分。如在此所使用 的，一孔係以一典型實質上較大的電阻之膜密封，該膜具 有大於未密封孔之電阻。在一些具體例中，密封可以對流 經該等孔之電流提供仟歐姆、百萬歐姆或十億歐姆等級的 電阻。孔的一子集合可能不會被密封。密封作用可以包含 15將該等細胞移到一接近該等孔的位置，然後將細胞拉引成 與該孔成密封接觸。該移動可以藉由施加一將該細胞電氣 地極化之電場而進行。或者，除此之外，該移動可以藉由 能被超音波鼓動、流體流動、誘導或隨機細胞移動及/或在 包括細胞之流體上之壓力來進行。同樣地，可以藉由真空、 20正壓力、流體流動、在基材總成和細胞的分子之相互作用、 一電場及/或其之類似物，來將細胞拉引成與該孔成密封接 觸。 在細胞已至少密封一些孔之後，該等細胞可在細胞附 著的狀態（CA狀態）中被分析，其中一完整的細胞可被設 14 200422611 置成與一孔成密封接觸中。可選擇地，該細胞可如76中 所顯示的，在分析前，由細胞附著之結構中進一步架構。 架構該細胞的方式可能包含空間性地有限地移除細胞膜或 將其穿孔。該移除或穿孔作用可在該被該孔所侷限的膜區 5 塊中或在由該孔延伸之該細胞膜其餘部分（除了該區塊之 外）上選擇性地進行。排除或穿孔的適當方法可以包含從 該孔及/或從該位再在流體區間的細胞之外，將一試劑或處 理導入該膜區塊。此種試劑或處理可以含一電壓脈衝、局 部加熱、一界面活性劑、一壓力脈衝，一孔形成藥劑（例 10 如制霉菌素（nystatin)或兩性霉素（amph〇tericin))及/或 其等之類似物。因此，在該等細胞的架構之後，其等可被 用來分析完整細胞（WC模式）、内側外露（inside-out)膜 區塊（10模式），或外側外露（outside-out)區塊（OO模 式）。 15 然後可以如78所顯示的施加一電氣刺激。該電氣刺 激可對應能符合一夾緊-電壓，一夾緊-電流及/或一具有任 何的適當態樣、頻率、大小的可變電壓或電流，等等。該 電氣刺激較佳地可以是一延伸或越過一密封該孔之細胞膜 或膜區塊的電場或訊號。雖然使用一藉由在一基材上沈積 20 或圖案化傳導性薄膜而形成之薄膜電極係較佳地，該電氣 刺激可被提供在任何適當的電極之間。 一源自於電氣刺激的電氣反應然後可如80所顯示的 被檢測（感應/測量）。該電氣反應可以是一電流、電壓、阻 抗（或電阻）等，且可被以時間的函數、以單一的時間點、 15 200422611 以時間的平均值來檢測。該生物晶片裝置及/或該控制儀器 的電子電路可以包含適當的放大器以擴大反應。 測試試劑然後可以如82所顯示的例如將該試劑添加 至鄰近該孔之流體區間而導入至該檢測位置。該測試試劑 5 可在測量電氣反應時臨時地導入。除此之外，測試試劑可 被例如生物晶片及/或控制儀器的電子儀器之控制所自動 導入。適合的測試試劑可以是化學的、生物的及/或物理性 的。諸如藥物候選物之化學測試試劑，可以包含有化合物、 聚合物、混合物、溶液等等。物理試驗試劑可以包含熱、 10 光（電磁輻射）、粒子、磁場、電場/電流、音波及/或其等 之類似物。生物測試試劑可以包含有細胞、病毒、胞器或 其專之成分。 第3-6圖顯示可以包含在第丨圖的測試系統之生物 晶片裝置90的一具體例。生物晶片裝置9〇通常對應於 15第1圖的裝置34，且可以包含上述裝置34之任何元件 或特徵，例如是一具有第1圖中之基材總成42的一般結 構之基材總成92。 第3圖顯示一具有檢測群組94之陣列的生物晶片 裝置90。雖然在裝置可以包含中任何適當數目的此種群 2〇組，在一典型的具體例中，裝置90可以具有一百個檢測 群組。每個檢測群組94可被設置在基材總成92的不同 區域之附近中及/或被包括在其中，而因此可以在生物晶片 裝置裡面提供流體的及/或電子的架構。在一些具體例中， 16 200422611 每個檢測群組可以依照第9-11圖更完全地描述的界定一 個訊號群組。 生物晶片裝置90也可以包含一電氣介面96,其係功 月b性地對應於第1圖的電氣介面6 〇。電氣介面9 6可以 5 提供數個不連續的和分離的介面元件98，電子裝置90的 電路可經過其而電氣地連接到一控制儀器。電氣介面元件 也可以被描述成電氣訊號（類比或數位訊號）經過其而傳 達至該生物晶片裝置以選擇切換裝置及/或薄膜裝置的輸 · 入端。每個介面元件98可以是一電氣傳導性接觸位置或 1〇者可以提供電感電偶，等等。因此，在一些具體例中，介 面元件98可以被設置在裝置90的外側表面。介面元件 可以由例如金屬或金屬合金（鉑、金、鋼、鋁等）之任何的 導電性材料所製成。 與生物晶片裝置連接的界面可以藉由一可撓的或PC 15主機板形式的互相連接電路以提供介面元件而達成。該連 接電路可藉由例如導線銲接、銲劑接合或捲帶自動接合等 · 等適當的接合方法而被接合至該生物晶片裝置。那連接電 路可以包含用於連接至測試系統的其餘部分之，，形成/分離 ”接觸。該"形成/分離”接觸可以是一接觸墊陣列、一銷 2〇 連接器或其等之類似物。 在一些具體例中，生物晶片裝置可以是一包含生物晶 片裝置加上一界面部分之”插入模組”的一部分，該界面部 分可以包括以一塑膠外殼、機械性栓鎖與資料結構、連接 電路與流體的耦合器。 17 200422611 第4圖顯示生物晶片裝置9〇的檢測群組94的放大 圖。檢測群組94可以包含一每個都具有一孔1〇2之檢測 位置的陣列100。在一典型具體例中，每個檢測群組可以 具有一百個檢測位置，以在該裝置中提供總數為一萬個之 5檢測位置。這個典型具體例可以具有直徑大約為100微米 之流體區間或井孔，在該等井孔之間的中心_到_中心間距為 大約200微米，而在一側邊上的全部尺寸大約是二公分。 然而，其他的具體例可以具有任何適當的大小。孔1 可 以具有小於細胞的直徑之直徑的尺寸，特別是一真核細 10胞。在一些具體例中，該等孔的直徑可以是大約〇·〇5到10 被米或大約0 _ 1到5微米。在一典型具體例中，該等孔 可以具有大約2到3微米的直徑。在一些具體例中，由 於在生物晶片裝置中使用電子切換裝置，孔和檢測位置的 總數可以超過電氣介面的介面元件之數目，或者其至少可 15以超過介面元件數目的十倍。切換裝置的使用可以達成在 下面更進一步描述的整合性和可設定檢測點性。檢測群組 94也可以包含一流體障壁1 〇4。該流體障壁可以圍繞每個 檢測群組及/或可以有助於界定與區分個別的檢測位置。該 流體障壁可被設置成允許檢測位置1 〇〇被個別地設定檢 20 測點或者係與流體一起設定檢測點但是係與在其他的檢測 群組中的檢測位置分開。 第5和6圖係分別為第4圖的檢測群組94之個別 的檢測位置1 〇〇的放大平面圖和剖面圖。檢測位置1 〇〇 18 200422611 可以單獨由基材總成92提供，或是與一相連的流體障壁 104組合。 如在此所使用的’ 一基材總成或底部部分係為任何基 材106與連接至基材的層1〇8 (第6圖）。該基材總成可 5以界定孔102並可以提供電路110及/或薄膜裝置。基材 106可以是任何底層而且可以實質上由一半導體及/或電 氣絕緣體所形成。舉例來說，該基材可以實質上由矽、玻 璃、氧化鋁、砷化鎵、塑膠物質及/或其之類似物所形成。 该基材（與基材總成）通常可以是平面的，例如為一矽晶圓 10 或其他的片狀材料。 基材總成中的連接層1〇8可以具有任何適當的形 狀、厚度、結構和組成《層1〇8可以包含以一圖案或是在 沈積之後圖案化之設置在基材上的薄膜。該薄膜可以被界 定成電路110的薄膜裝置、傳導性線路及/或固定狀態之 15切換裝置等等。此種薄膜層可被電氣地連接至在基材中例 如藉由ρ·與n_摻雜所形成的電子裝置或元件，或連接至 形成於該基材附近之此種裝置造。薄膜層也可以包含被設 置在電路之上、之下或之内的被動層或其他保護層。被動 層係較佳為接近或界定該等孔洞，因為其等可以減少基材 2〇 的電容量與接著產生的寄生電流。此外，或除此之外，一 或更多層次108可以界定孔102。在此，雖然該基材可以 相反地或除此之外地提供孔洞102, 一孔洞層112已被連 接至基材106並且被圖案化以界定孔1〇2。在一些具體例 中，一或更多層次108可以界定一流體障壁和孔。在這些 19 200422611 具體例中，該等一或更多的層次可以被視為係部份地包含 在每個基材總成和流體障壁中®孔洞層112可以是一電絕 緣體、半導體或導體（舉例來說，一個電極），並且可以是 由任何可圖案化的材料所形成，舉例來說，一負型或正形 5 光阻（例如是SU-8或PLP)、聚醯亞胺、一乾薄膜（例如 杜邦公司的Riston)及/或一玻璃。用於圖案化孔洞層IQ 的方法可以包含有光微影術、雷射姓刻、化學姓刻及/或其 等之類似方法。舉例來說，在所描述的具體例中，孔洞層 112可以是由聚醢亞胺所形成的電氣絕緣體。在一些具體 10 例中，一或更多層次108也可以能提供例如將流體進給至 形成在基材106中之通道的流體進給路徑。 外部的和内部流體區間114和116可以分別地在該 孔洞的相對側邊被孔洞102流體地連接。這些區間可被基 材總成92及/或流體障壁104所界定。”外部的”和，，内 15部的π之術語係例如在該流體區間係被用來進行完整細胞 分析的時候，用來提供相對的標示。其之一或兩者都可以 是被密封或與外部相通的。因此，這些術語並不是要界定 或限定本發明的範圍。 外部區間114可以再例如在第2圖中所顯示的方法 20 70的步驟期間，接收並包含有一或更多的細胞U8或其 他的生物膜。（為了要簡化說明，第5圖以在孔1〇2上的 點虛線輪廓顯示一細胞118 ,然而第6圖以在該孔上的實 線輪廓顯示一細胞118。在第5和6圖中細胞U8的位 置是相同的）。外部區間114也可以維持一細胞U8或其 20 200422611 他的生物膜可被浸入之適當體積的電解流體。在一些具體 例中，該電解流體在分析期間係為一對應於培養基的具有 離子組成物之水性緩衝區。外部區間丨14可以如所示的以 形成一井孔’因此該區間係可由外側進行例如添加/移除/ 5 操縱流體、細胞、測試試劑等作用。因而，流體障壁1 〇4可 以提供作為該井孔的壁120，而基材總成92可以提供為 該井孔基部或底部。或者，如在下述中進一步描述的，外 部區間114可以是實質上被密封以形成一腔室。流體區間 114可以具有一至少比一被分析的細胞或其他生物膜大數 10 倍的容積。 内部區間116可被架構以在位於外部區間114的該 孔之相對側邊上維持流體。這個區間可以包含由孔所界定 的些或所有容積。該内部區間可以包含一具有與外部區 間不同的成分之流體。舉例來說，在完整細胞的實驗中， 15該内部區間可以包含一具有對應於細胞内部的離子組成物 之電解溶液。除此之外，該内部區間可用來作為一用於導 入試劑或打破膜的處理、將該細胞或膜相對於該孔引（例 如真空）、或者改變細胞生理或訊息的處理，等等。在一些 具體例中，内部區間可以是除了經過孔之外而流體地與外 20部區間分離。或者，一些或所有的内部區間都可以被包含 在一共享的流體區間中，該流體區間係經過該等孔而流動 地與每個外部區間相連通。該内部區間可例如藉著蝕刻基 材106而至少部份地由基材總成92界定。除此之外，該 21 200422611 内部區間可被連接至及/或至少被部份地由一被架構以運 送流體至内部區間的流體岐管所界定。

層次108可以提供薄膜裝置以修飾及/或感應在區間 114,116的流體和細胞/膜的特性。薄膜裝置可能被設置在 5 外部的區間114、内部區間116及/或孔102的附近。因 此’該薄膜裝置也可被形成於基材106的附近，也就是， 如所示的在外部區間114附近及/或鄰近一基材的相對表 面。該薄膜裝置可被架構以感應或修飾在外部區間、内部 區間及/或在的外部區間和内部區間之間的流體/細胞/膜的 10 特性。此種薄膜裝置係被可操作設置在檢測位置100。該 薄膜裝置可以包含一或更多電氣的、熱的、壓力的、磁性 及/或光學的感應器等等。再者，或是除此之外，該薄膜裝 置可以包含，但並未侷限於，一或更多的電場（電極）、超 音波（例如是超音波轉換器）、光（光學轉換器）或磁場 15 (磁性轉換器）之產生器。

生物晶片裝置90可被架構以提供電氣刺激並感應在 外部和内部區間114，116之間的電氣特性。在一些具體例 中，此種刺激和感測中可以由在基材總成中的層次1〇8内 的電極所提供。因此，電極可以金或鉑的薄膜等等之薄膜 2〇裝置來提供如。 ' 弟5和6圖顯示可被用於電氣刺激和感測之電極 外部電極122和内部電極124。這些電極可被分別地設 在外部和内部區間114，116卜通常，這些相互作用之 極係成對且可被至少部份地由該層次内在分離的位置之 22 200422611 同薄膜層界定或形成。如在此所使用的，相同的薄膜層係 指個薄膜沈積作用期間沈積之薄膜。該電極可被架構 成提供-在通電時沿著―通過孔_ _ 極之間一。然而，該對電及之一電極可被描:為電 5 一刺激及/或感應電極，其具有一刺激或感應功能之配對電 極。在—些具體财，該等電極之-可被接地以使得另一 個電極可被招述為一刺激及/或感應電極，其等係相關於該 接地電極而進行刺激（傳送激發訊號）與感應（測量對刺 f 激的反應訊號）作用。 10 内部電極124可以具有任何的適當的結構和配備。舉 例來說如第6圖所示，内部電極124可被設置在基材 106與孔洞層112之間。在一些具體例中，内部電極以 可進一步朝向該孔軸延伸，所以該内部電極係至少部份地 從與基材之接觸伸出以形成一突出。在一些具體例中，内 15部電極124可以譬如如上述之的突出來界定孔1〇2。在其 他的具體例中，内部電極124可被設置在基材的外部電極 _ 122之相對側邊上。 或更多的該等電極可被架構成環狀形狀且通常係如 在此所顯示的與孔洞丨〇2同心。然而，每個電極可分別地 2〇在外部或内部區間裡具有任何的適當的形狀和配備。再 者，或除此之外，相對於包含在基材總成92中的薄膜裝 置’一或更多的電極可藉由將任何類型的一分離電極設置 於外部區間114或内部區間116内，而以分離的裝置提 供。 23 200422611 第7圖顯示來自另一個用於生物膜的電分析之生物 晶片裝置的檢測位置140之替代具體例的一剖面圖。檢測 位置140可以包含一或更多流體進口 142,144和一或更 多流體出口 146，以如空白箭號所示的經過外部區間ι48 5 導引流體流動。流體進口和出口可以由在基材總成92及/ 或流體障壁15 0中的通路或通道所界定。流體進口和出口 可被用來導引一細胞或其他生物膜進入外部區間、用來清 洗細胞或膜、用來添加例如藥物候選物之測試試劑、用於 改變外部區間的流體組成物等等。可以使用一不同的進口 10 或相同的進口來導入一細胞/生物膜與一測試試劑。閥及/ 或泵可被選擇性地操作以控制流體流入和流出外部區間 内。在一些具體例中，流體障壁150係實質上密封外部區 間148以避免流體通過障壁流出。其他例如電路（且特別 地例如電極）之檢測位置14〇的特徵已經被省略以簡化 15 說明，但是其可以如上面描述的進行架構。 第8圖係為一組160用於電分析一群設置在一共享 流體區間162中之細胞118的檢測位置之一具體例的平 面圖。套組160可以包含與外部區間162成流體相通之 數個孔洞102。在任何適當的間距中可以使用任何適當的 20孔洞數目。在一些具體例中，該等孔洞可以一具有被設置 在至少一中央孔洞的周圍之六個孔洞的六角形分布架構。 此外，該等孔洞可以具有一直線的、線性的、環狀的、或 多角形的結構等等。在一些具體例中，該等孔洞係被間隔 以使得細胞118在對準孔洞102時係成緊密接近或是相 24 200422611 接觸的。舉例來說，緊密接近的細胞係被間隔以彼此接受 例如由細胞所分泌之攜帶訊號的試劑之旁泌訊號。 電極可被適當地設置以電氣地刺激與監測設置於套組 160的孔102上之膜。舉例來說，個別的孔/檢測位置可 5具有單獨外部和内部電極。或者，該等孔可以共享一内部 電極、一外部的電極或一内部和外部電極。 第9圖顯示一可被包含在生物晶片裝置9〇中的可 設定檢測點的電路170的一具體例的概要圖。在此所使用 的生物晶片裝置之”電路”，係要表示一導電性路徑或被架 10構以攜帶電子成息之導電性路徑的電氣連接網路。電路 170可被架構以選擇性地將一檢測位置1〇()(或數個檢測 位置）連接至一控制儀器32。藉由選擇性的電氣連接，在 檢測位置的一電極或其他薄膜裝置可自其他檢測位置的電 極或薄膜裝置被獨立地設定檢測點。在這個具體例中，電 15路170包含一可被選擇性地設定檢測點之外部電極122。 獨立地設定檢測許多的檢測位置，而不需要一對應之 大量的介面元件與分離的電路，可以允許一較高密度的檢 測位置與此種位置之更具彈性之的可設定檢測點性。為了 達成此種獨立設定檢測點作用，一例如切換裝置172之電 20子切換裝置陣列，可能用於生物晶片裝置中。在一些具體 例中’每個檢測位置或每個薄膜裝置可以具有一對應的切 換裝置。典型的切換裝置係為是固定狀態，而且可以包含 電晶體、二極體或其他的半導體裝置。在一典型的具體例 中’切換裝置172可以是一場效電晶體（FET)。一從控制 200422611 儀器32經過設定檢測點選擇電路174而施加至 FET的 例如電壓之閘極訊號，可以使FET的閘極帶電荷或偏壓， 以使得電流可以在FET的源極和汲極之間流過電路 170,而在測試裝置32和外部電極122之間提供一訊號 5連結。更廣泛地說，任何適當的切換裝置與被連結的薄膜 裝置，可藉由對生物晶片裝置施加一閘極訊號而選定。 控制裝置32可以分別設定每個檢測位置。因此，每 個在該位置上之檢測位置或薄膜裝置，可具有一用於在控 制儀器32和生物晶片裝置之間給予訊號連結的獨立位 1〇置。因此，控制儀器和生物晶片裝置之間的一訊號連結， 可被用來在檢測位置上獨立地且連續地提供與薄膜置裝電 氣結合’或是用於以平行群組的方式連接至一組位置。在 一些具體例中，檢測位置可能被區分為訊號群組。每個訊 號群組可以具有一或更多分離的訊號，以允許一組檢測位 15 置（來自數個訊號組）被平行電氣地向發送訊號並加以偵 檢。此種檢測位置的群組然後被依序分析。 · 第10圖顯不生物晶片裝置90的電氣介面96的概 要圖。電氣介面96可以包含數個被架構以將生物晶片裝 置90電氣地連接至控制儀器的介面元件98。在一些具體 2〇 例中，介面元件可以有許多類型··設定檢測點元件182、 訊號元件184與一或更多的接地元件。每種類型的元件都 可能傳遞類比或數位的電氣訊號（在適當時）。 設定檢測點元件182可被用來在與訊號元件成訊號 連結之特定的檢測位置選定薄膜裝置。在選定之後，薄膜 26 200422611 裝置可經由訊號元件而被啟動或活化。設定檢測點元件可 以被直接地連接到介面元件。或者，該生物晶片裝置可以 包含用於減少設定檢測點（選擇性啟動）之薄膜裝置所需 之介面元件數量的位置選擇電路（在第9圖中以174顯 5不）。例如電壓之電氣訊號，可藉由該控制儀器而選擇性地 施加至一適當的設定檢測點元件丨82組合，以允許在檢測 位置的該等訊號元件和薄膜裝置之間形成電氣連結。因 此’生物晶片裝置的設定檢測點選擇電路可以使用相對較 少數目的設定檢測點元件來設定檢測（選擇性啟動）一更 10加多的數目薄膜裝置。該設定檢測點選擇電路可以包含在 此技藝中已知之電子切換裝置或其他構造的網路。在一典 型的具體例中，40個設定檢測點元件可被用來選擇性地設 定檢測點10,000檢測位置。 訊號元件184可被用來在該等控制儀器和電極或是 15 其他薄膜裝置之間傳送與接收電氣訊息。在一些具體例 中，訊號元件可以攜帶用於細胞或膜的電氣刺激之信號， 並用於測量因為電氣刺激所導致之電氣反應。數個訊號元 件可被用來將獨立的電氣訊號導引至位於相同及/或不同 的檢測位置上之不同的薄膜裝置。舉例來說，每個訊號元 20 件都可被用來平行地在例如不同的訊號群組之不同檢測位 置的進行電分析作用。或者，或除此之外，超過一訊號元 件可被用來在一檢測位置獨立地控制不同的薄膜裝置。 第11圖顯示一用於設定檢測設置在生物晶片裝置 90中之數個檢測位置1〇〇的不同電極之電路190的概 27 200422611 要圖。該等電極可被一起設定檢測點或一個接著一個來設 定檢測點。電路190可以包含一組設定檢測點元件182 (A1-A5)。該設定檢測點元件可以被直接地連接至介面元件 或接觸墊。或者，A1-A5可以是導電性設定檢測點導線， 5 舉例來說，其係使用設定檢測點選擇電路而連接至設定檢 測點元件，以減少控制該設定檢測點引線所需的設定檢測 點元件的數目。來自設定檢測點元件Α1·Α5的電氣訊號可 以被偏壓的切換裝置172，因而沒有一個、只有一個外部 電極122或者一選定的外部電極套組，會被來自訊號元件 10 184的電氣訊號所啟動。 第12圖係為一用於設定設置在生物晶片裝置214 之檢測位置212的不同電極之電路210的概要圖。檢測 位置212可以包含至少二個外部電極216,218。每個外部 電極可被連接到一不同的訊號元件184，以使得該等電極 15係可經由設定檢測點選擇電路174而控制儀器32獨立 地設定檢測點《除此之外，每個外部電極可以與内部電極 220形成一電極對，且可以與該檢測位置的孔洞分離。或 者’外部電極216,218可以與不同的配對電極一起使用及 /或可被用來在外部電極之間形成一電場。外部電極 20 216,218可依序地或同時地被用來進行不同或類似的功 能。舉例來說，這些外部電極之一可以施加一校準場力以 將一細胞朝向對準孔洞移動，同時另一個電極可被用來刺 激该細胞並且感測在校準之後的該反應。在一些具體例 中，第一外部電極216可以將該細胞朝向該孔洞移動，而 28 200422611 第二外部電極218可以將細胞更精確地集中在孔上及/或 邛進行電氣測量。在其他具體例中，該檢測位置可以包含 三個或更多的可獨立設定檢測點的電極。 第13圖是細胞膜鉗制術系統230的概要圖，其具有 5 一用於設定檢測點設置於一生物晶片裝置的一檢測位置 234之不同薄膜裝置的電路232。控制儀器32可以提供 輸入信號以控制一超音波轉換器23 6和使用分離的訊號 元件184的感應電極122。該超音波轉換器和感應電極可 依需要而被依序地或平行地操作。超音波轉換器236可以 10 是一設置在檢測位置的一外部區間附近的壓電元件。因 此’超音波轉換器可藉由對轉換器施加適當的電氣訊號而 誘發振動。舉例來說，該超音波轉換器可被用來分散細胞/ 生物膜及/或促使他等運動。舉例來說，超音波轉換器可以 與一在電極122,124之間形成的電場一起用來使得一細胞 15 朝向該孔洞移動。 更廣泛地說，每個檢測位置可以包含至少一電路。該 至少一電路可以包含一、二、三、四或更多的薄膜裝置。 該等薄膜裝置可以包含一測量（感應器）電極、一校準電 極、一超音波轉換器、一加熱器、一溫度感應器等等。每 20個薄膜裝置可能被加倍到一個單獨的切換裝置以便裝置獨 立可設定檢測點。或者，任何二個或更多的薄膜裝置可被 連接至相同的切換裝置，因此其等係被平行地操作。 第14圖係為一細胞膜钳制術系統；250的一具體例 之概要圖，其中一生物晶片裝置252係藉由以256顯示 29 200422611 的序列介面而連接至一控制儀器254。生物晶片裝置252 的電路可以包含以CMOS為基礎的電子元件與信號處理 電路258，例如數位至類比式（0/A)與類比-到-數位式 (A/Ο)轉換器。數位字元或二進位設定檢測點訊號可被自 5控制儀器254傳送至生物晶片裝置252。此種字元或訊號 可以藉由生物晶片裝置而轉換為類比訊號而輸送至例如 FET陣列260之電子切換裝置陣列，而自FET陣列收 到的類比訊號可被轉換為數位字元以傳送至控制儀器254 以進一步處理。因此，二進位設定檢測點訊號可經過訊號 10處理電路，而被用來選擇例如在FET陣列260裡面的 FETS之切換裝置。訊號處理電路所選定的FETS可以在 薄膜裝置262的陣列裡面所欲的檢測位置上，提供薄膜裝 置的設定檢測點作用。因此，該二進位設定檢測點訊號可 以選擇欲被啟動之個別的薄膜裝置或此裝置的套組。 15 晶片介面264可以包含數位式1/0線路、一時序線 路、一或更多的電源線與一接地線路，等等，以在控制儀 器254和生物晶片裝置252之間通聯。比起上述的類比 介面，這種介面可被簡化。除此之外，來自控制儀器的序 列I/O可被用來在生物晶片裝置平行操作。因此，在薄膜 20裝置被啟動的順序與檢測位置被平行分析的程度上可能會 有較少的侷限。 第15圖係為用於基於在每個檢測位置所測得的電氣 特性而進行額外操作及/或測試的方法280的一具體例之 流程圖。舉例來說，方法280可被用來選擇性地操作具有 30 200422611 適田地安置（或未被適當地安置）在該位置的該孔之細胞 或膜的檢測位置。適當地安置之細胞或膜會密封該等孔， 因而比起未被封閉的孔，其可以更有效地阻抗在該等孔之 電流。因此，在外部和内部電極之間的電流或其他適當的 5電氣特性，彳以與-閥值進行比較。$個比較可以決定在 檢測位置是否應該進行額外的操作，及/或應該進行什麼 額外操作。 方法280可以包含至少三個操作階段。在282所代 表的操作階段中，可以進行一系列的操作以將細胞或膜設 10置在檢測位置。在2 84所代表的下一個操作階段中，可以 進行一系列的操作來測量每個檢測位置的電氣特性。這些 操作可以基於在每個檢測位置所測得的電氣特性而確定要 進行進一步處理的檢測位置。在284所代表的下一步之操 作階段中’可以在在前一操作階段284所確定之檢測位置 15 上進行額外的操作。 細胞或膜可藉由任何的適當的步驟而被設置在該等 孔。細胞可以如288所顯示的被分配到檢測位置。通常， 細胞可被分配到檢測位置的接受或外部區間。此種的分配 可以例如藉由一諸如吸管的流體輸送裝置或其他的流體流 20 動技術，而在譬如培養液或緩衝液的流體中進行。真空可 以如290所顯示的被施加到每個檢測位置。該真空可被施 加至每個檢測位置的一越過該孔之相對於該接受區間的内 部區間，以在每個位置的該孔中形成一負壓力。在一些具 31 200422611 體例中，該内部區間係被流體地相通連，因而真空可在一 位置施加以影響大多數或所有的該等孔。 在施加真空之前、當時及/或之後，檢測位置的校準電 極可如292所顯示的被設定檢測點或選定，並如294所 5顯示的被通電。校準電極的選擇可以藉由例如施加電子訊 息至任何適當的設定檢測點選擇電路而進行。此種電氣訊 號可以產生從生物晶片電氣介面的訊號元件至檢測位置的 校準電極之導電性的路徑。每個檢測位置可以包含一校準 電極和一配對電極，其等可以位在每個孔之至少一部分的 10側面。該校準電極可被架構成而使得在接收區間内的細胞 朝向孔運動。在一些具體例中，所有檢測位置的校準電極 可被同時選定。對校準電極施加電能，可以包含有對連接 訊號元件施加一電位，舉例來說，一個由控制儀器所提供 電位。此種的通電作用可以在校準電極和其之的配對電極 15 之間產生校準場力，其可以電氣地極化細胞並將其等朝向 孔運動。超音波裝置也可以校準電極被選定與通電之前、 當時及/或之後，被選定與啟動。 操作階段284然後可被用來測量每個檢測位置的電 氣特性。如在296中所顯示的，可以選定一組設置於一未 20 經測試位置之對應套組的電感應器。該選定作用可以包含 如上所述的使設定檢測點選擇電路通電以產生導電性路徑 運用電感應器（或感應電極）。在一些具體例中，電感應器 可以被包含在不同的訊號套組中，而使得在電氣介面的訊 號元件可被更有效地使用。然後，如298所顯示的，一例 32 200422611 如一電壓之電氣激發訊號可被施加到每個感應器，並測量 來自每個感應器的反應。這個過程可以測試每個在檢測位 置的孔係被一細胞或膜多有效地封閉。如300所顯示的， 在每個位置套組被測試之後，可以確認是否所有的位置都 5 已經被測試。如果沒有，該方法的操作階段284可以在沒 接受過測試的位置上，於例如由每個訊號組檢測位置進行 重複，直到所有的位置都被測試。舉例來說，該方法的操 作階段284可被用來辨識已在其等的孔上適當地架構一 細胞或膜的檢測位置。此種位置可以基於由每個電感應器 10 所測得的反應而區辨。舉例來說，此種位置比起未被適當 地架構之位置應該展現實質上更大的電流阻抗。 該方法的操作階段286可以在已適當地架構之位置 上進行。如302所顯示的，這個操作階段可以在已適當地 (或未適當地）架構的位置上，選擇性地進行一或更多的額 15 外操作。此種額外的操作可以僅包含進一步的電氣測試或 是在暴露於測試試劑之後的操作。舉例來說，化學的或生 物測試試劑可被選擇性地分配以適當地架構檢測位置。此 種選擇性分配作用可以避免將有限的或有價值的測試試劑 浪費在無法針對測試試劑提供資料之未合適地架構的位置 20上。再者，或除此之外，經適當地架構的檢測位置可能會 進仃物理試驗測試。在一些具體例中，經適當地架構的位 置，可能沒有添加任何額外的測試試劑，但是可能會被額 外地進行分析。無論如何，經適當地架構的位置之電氣特 1·生然後可以被測量。如3〇4所顯示的，一組位在經適當地 33 200422611 架構的位置之感應器可被選定。接著，如306所顯示的， 一激發訊號可被施加到該組的每個感應器，並且可以從每 個感應器測量反應。然後，如308所顯示的，可以確認在 測試試劑添加之後是否所有的位置都已經被再次測試。 5 如果沒有，步驟304和306階段可在其他的經適當 架構的位置上重複，直到全部經適當架構的位置都已經被 再次測試。在一些具體例甲，來自每個訊號套組的感應器 可被選定並用於監測一反應，以改善檢測位置被分析的速 度和效率。此外，在一些具體例中，舉例來說，在該位置 10上進行母個該等操作之後，該適當地架構的位置可被再次 測試數次。 在另一個具體例中，額外的操作可以選擇性地在未經 適當地架構的位置上進行。典型的額外操作可以包含有以 超音波轉換器進行的擾動作用、對應校準電極再次啟動、 15添加更多的細胞的、將流體導入檢測位置及/或在該孔洞内 進行額外的穿孔處理，等等。此種額外操作可接在步驟304 和306之後’以確定該額外的操作是否改變在該位置所測 得的電氣特性。 可以相信的示，上述之揭示内容包含有許多不同的具 20體例雖然這些具體例每個都以特定的形式來加以揭露，其 在此所揭露與例示之特定形式之具體例並不應被當做是一 種限制而許多種變化係可能的。該揭示内容的標的因此包 含所有之新穎的而非顯而易見之在此所揭式的各種不同元 件、特徵、功能及/或特性之組合以及次組合。同樣地，在 34 200422611 該申請專利範圍中界定"-"或"一第一"元件或其之等 效物時，應該要被了解此種請求項包含一或更多結合此種 兀件，其既不需要也並不排除二個或更多的此種元件。 【圖式簡單說明】 5 第1圖係為一測試系統的一具體例的一概要圖，該系 統係用於在以其之生物晶片裝置所界定的檢測位置陣列上 之細胞的電分析。 第2圖係為一用於使用第、丨圖的系統來電分析細胞 之方法的一具體例之流程圖。 10 第3圖係為一可以被包含在第丨圖的系統中之生物 晶片裝置的一具體例的平面圖。 第4圖係為第3圖的生物晶片裝置之檢測群組的放 大圖，其表現第3圖中的，，4，，。 第5圖係為第4圖的檢測群組中之個別檢測位置的 15 放大圖，其表現第4圖中的”5”。 第6圖係為一具有一被設置以進行電分析的細胞以 及其之膜的第5圖之檢測位置的剖視圖，其係沿著第5 圖的線段6·6檢視。 第7圖係為可以被包含在一用於電分析細胞的生物 20晶片中之裝置檢測位置的另一個的具體例之剖視圖。 第8圖係為用於電分析一群被設置以分享流體區間 之細胞的一組檢測位置之一具體例的平面圖。 第9圖係為一將一生物晶片的檢測位置電氣地連接 至一控制儀器的電路之具體例的概要圖。 35 200422611 第10圖係為一生物晶片裝置的一具體例與其之用於 對應該裝置的檢測位置之電氣介面之概要圖。 第11圖係為選擇性地對應在第1圖的系統中所包 含的檢測位置之電路的概要圖。 5 第12圖係為對應設置在一用於電分析細胞的生物晶 片裝置中所包含的檢測位置之不同電極的電路之概要圖。 第13圖係為一具有用於對應不同薄膜裝置的電路之 測試系統的概要圖，該薄膜裝置係被設置在被架構以電分 g 析細胞之檢測位置。 10 第14圖係為一用於電分析細胞的測試系統之一具體 例的概要圖，其中一生物晶片裝置係藉由數位訊號而連接 至一控制儀器。 第15圖係為一基於由該等檢測位置測得之電氣訊號 來選擇進行進一步操作之檢測位置的方法之一具體例的流 15 程圖。 【圖式之主要元件代表符號表】 籲 30 生物膜/細胞的電分析測 44 檢測位置 試系統 46 電解流體的流體區間 32 控制儀器 48 流體輸入端 34 生物晶片裝置 50 孔 36 控制電子儀器 52 真空導管 38 真空來源 54 薄膜裝置 40 操作生物晶片裝置 56 生物晶片電子儀器 42 基材總成 58 電氣傳導路徑 36 200422611 60 生物晶片電氣介面 118 細胞 70 電分析細胞的方法 120 壁 72 分配細胞到檢測位置 122 外部電極 74 以膜來密封在檢測位置 124 内部電極 的孔 126 電場 76 架構該細胞 140 檢測位置 78 施加電氣刺激 142,144 流體進口 80 檢測電氣反應 146 流體出口 82 將測試試劑導入檢測位 148 外部區間 置 150 流體障壁 90 生物晶片裝置 160 檢測位置組 92 基材總成 162 共享流體區間 94 檢測群組 170 可設定檢測點電路 96 電氣介面 172 切換裝置 98 介面元件 174 設定檢測點選擇電路 100 檢測位置陣列 182 設定檢測點元件 102 iL 184 訊號元件 104 流體障壁 190 設定檢測位置之電路 106 基材 210 設定檢測位置的電極之 108 層 電路 110 電路 212 檢測位置 112 孔洞層 214 生物晶片裝置 114 外部流體區間 216,218外部電極 116 内部流體區間 220 内部電極 200422611 230 細胞膜鉗制術系統 232 設定檢測位置之薄膜裝 置的電路 234 檢測位置 236 超音波轉換器 250 細胞膜鉗制術系統 252 生物晶片裝置 254 控制儀器 256 序列介面 258 號處理電路 260 FET陣列 262 薄膜裝置陣列 264 晶片介面 280 進行額外操作及/或測試 的方法 282 將細胞或膜設置在檢測 位置的階段 284 測量每個檢測位置的電 氣特性的階段 286 在已適當地架構之位置 290 施加真空到檢測位置 292 選疋檢測位置的校準電 極 294 將校準電極通電 296 於未經測試位置選定_ 組感應器 298 施加電氣激發訊號並測 量感應器的反應 300 確認定是否所有的位置 都已經被測試 302 在已適當地架構之位置 上選擇性地進行操作 304 選定一組經適當地架構 的位置之感應器 306 施加電氣激發訊號並測 量感應器的反應 308 確認是否所有經適當地 架構的位置都已經被再 次測試 上進行操作的階段 288分配細胞到檢測位置

Claims (1)

1. 200422611 拾、申請專利範圍： 1. 一種用於電分析生物膜的生物晶片裝置（34),其包含：— 基材總成（42)’其界定一孔陣列（50)並且包括有被架構以 感應密封該等孔（50)之生物膜的電氣特性的數個薄膜裝 5 置（54);以及電氣地連接至該薄膜裝置（54)並且係被架 構以將薄膜裝置（54)電氣地連接至控制儀器（32)的電 氣介面（60)，該電氣介面（60)界定數個介面元件（98), 5亥專孔（50)的數量係超過該等介面元件（98)。 · 2. 如申請專利範圍第1項的生物晶片裝置（34),其中該等孔 0 係以至少大約十比一的比例超過過該等孔（5〇)的數量， 而其中該介面元件（98)包含分離的設定檢測點元件 (182)和訊號元件（184),該設定檢測點元件（182)係被 連接到電子切換裝置（172),該電子切換裝置係被架構以 選擇感應電氣特性的孔（5〇)，該訊號元件（184)係被架構 5 以以係帶對應於該感應到之電氣特性的電子訊息。 3·如申請專利範圍第！項的生物晶片裝置（34),其中該薄膜 · 裝置（54)包含-電感應器（122)而另一個裝置係鄰近每 個孔C50)。 4· -種用於電分析生軸的生物晶片裝置（34)，其包含：一 〇 基材總成（42)，其界定孔（50)和-組與該等孔（50)流 體地相通連之流體區間（46)，該基材總成（42)包括有鄰 近母個孔（5〇)之數個薄獏裝置（54)，該等數個薄膜裝置 (54)包括有1) ~+ y 電感應器（122)，其係被架構以感應密 封閉孔（5〇)的生物膜之電氣特性，以及2)另一薄膜裝 39 200422611 置（236)，其係選自於由加熱器和超音波轉換器所組成的 群組。 5. 如申請專利範圍第3項或第4項的生物晶片裝置 (34)，該另一裝置係至少為加熱器、超音波轉換器（236)、 5 校準電極（218)中之一者。 6. 如申請專利範圍第3-5項中之任一項的生物晶片裝置 (34)，其中每個該電感應器（122)與該另一裝置係可被獨 立設定檢測點的。 · 7. 如申請專利範圍第3-6項中之任一項的生物晶片裝置 10 (34)，其中該基材總成（42)包含一基材（106)與沈積在 該基材（106)上的數個薄膜層（108)，該電感應器（122) 包括有一對電極，該對電極對之每個電極皆係至少部份地 被該等薄膜層（108)之相同一層所界定。 8. 如申請專利範圍第3項或第4項的生物晶片裝置（34)， 15 其中該薄膜裝置（54)在每個孔（50)都包含至少一對可 獨立設定檢測點的電極，該電極對係為電感應器（122)與 ® 校準電極（218)，該校準電極係被架構以將一細胞（118) 電氣地安置於一孔（50)。 9. 如申請專利範圍第1項或第4項的生物晶片裝置（34)， 20 其中該薄膜裝置（54)包含一被設置在每個孔（50)的附 近之超音波轉換器（236)，該超音波轉換器（236)係被架 構以擾動一位在未校準該孔（50)之細胞（118)。 10. 如申請專利範圍第1項或第4項的生物晶片裝置（34)， 其進一步包含一附接至該基材總成（42)的流體障壁 40 200422611 (104),該流體障壁（104)係被架構以界定數個設置於該等 孔（50)附近的井孔。 11. 一種用於對細胞（us)進行實驗的方法，其包含：將細胞 (118)設置於孔陣列（50)的附近，每個孔（50)都被包含 5 於一具有感應電極（122)之檢測位置（44)中，該感應電 極係被架構以一密封該孔的細胞膜之電氣特性；測量該陣 列的每個孔（50)之電氣特性；基於所測得的電氣特性來 辨識被該細胞膜適當地密封之孔（50)的子集合；並且選 擇性地在經辨識的子集合上進行一額外的操作。 10 12.如申請專利範圍第11項的方法，其中該選擇性地進行之 額外操作包含將該經辨識的子集合之檢測位置（44)暴露 於至少一測試試劑下，此方法進一步包含在使得該檢測位 置（44)暴露於至少一測試試劑之後，測量孔（50)的子集 合之電氣特性。 15 13·如申請專利範圍第12項的方法，其中每個檢測位置（44) 包含一用於握持流體的井孔，該暴露步驟包括將至少一個 測試試劑分配置該等井孔，且其中該暴露步驟包含對至少 部分的井孔分配不同之測試試劑。 14.如申請專利範圍第11項的方法，其中安置該等細胞（118) 20 的步驟包含將細胞（118)設置在被流體障壁（1〇句所分 隔的井孔中，且其中安置該等細胞（118)的步驟包含施加 一被架構以相對於孔（50)拉引細胞之真空。 41 15·如申請專利範圍帛u x員的方法，其中安置該等細胞⑴8) 的步驟包含對薄膜裝置（54)施加被架構以促使細胞⑴8) 移動的電氣訊號，該薄膜裝置包括有產生電場的電極。 16·如申凊專利範圍帛15項的方法，纟令施加電氣訊號的步 驟包含啟動超音波轉換器（236)。 7·種用於對細胞（118)進行實驗的方法，其包含：提供一 檢測位置（44)陣列，每個位置（44)都包含一孔⑽和 至少一與該孔（5〇)相連接之電路（17〇)，該至少一電路 U70)包括一被連接至一電極（122)的切換裝置（172); 將細胞（118)設置於檢測位置（44)陣列上；選擇每 個孔（50)的該切換裝置（172)以允許將電氣訊息傳送至 對應電極（122);並在對應的切換裝置（172)係被選定以 促使細胞（118)朝向對準於孔（50)而運動的時候，將校 準訊號傳輸到該電極（122)。 认如申請專利範圍帛η項的方法，其進一步包含經過至少 一與孔（50)相連接的電路（170)的子集合來傳送一激發 訊號，該激發sfl藏係被架構以測量密封與該子隼人有關之 孔洞（50)的細胞（118)之電氣特性，且其中該切換裝置 (172)係為一第一切換裝置，該至少一電路包含一連接至 該電極（122)的第二切換裝置，其傳送該包括選定第二切 換裝置之激發訊號以操作該電極。 19·如申請專利範圍第18項的方法，其中該電極係為一第一 電極而該切換裝置係為一第一切換裝置，該至少一電路 (no)包括一連接至超音波轉換器（236)之第二切換裝 200422611 置，且其中送該激發訊號的步驟包含選定第二切換裝置以 操作該超音波轉換器（236)。 20.如申請專利範圍第18項的方法，該方法進一步包含在檢 測位置（44)啟動一薄膜裝置（54)，該薄膜裝置（54)係 5 至少為超音波轉換器（236)與加熱器中之一者。

   43