サンプルを操作するための電極を備えたマイクロ電子デバイス
本発明は、個別にアドレス可能であって電界電極（１１）の配列（１０）を有するマイクロ電子デバイスに関する。電極電界（１１）は、配列（１０）上で粒子（２）に対する誘電泳動力を発生させることができる。好ましい実施例で、電界電極（１１）は、選択的に、２つの位相反転されている電位（＋、−）のうち１つ、又は浮遊電位へ置かれ得る。様々なスペースを取らない回路が記載され、これら回路は最小の部品点数を有して電界電極（１１）の動作を実現する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、選択的に電圧供給へ接続され得る電界電極の配列を有する、サンプルを操作するためのマイクロ電子デバイスに関する。更に、本発明は、このようなマイクロ電子デバイスの使用と、電界電極の上でのサンプルチェンバにおける粒子の操作のための方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第６９４２７７６（Ｂ２）号明細書（特許文献１）は、マイクロ流体チェンバの底面側で電極の配列を及び上部側で単一の平面カウンタ電極を備えるマイクロ電子デバイスを開示する。選択的に電極を２つの位相反転されている電極へ接続することによって、電位ケージがサンプルチェンバにおいて生成され得る。このケージ内で、粒子は捕捉され得る。しかし、当該特許文献１は、電界電極を駆動するための如何なる回路についても記載していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６９４２７７６（Ｂ２）号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような状況に加えて、本発明は、電界電極の配列を有してサンプルを操作する手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的は、請求項１記載のマイクロ電子デバイス、請求項１８記載の方法、及び請求項１９記載の使用によって達成される。好ましい実施形態は、従属請求項で開示される。
【０００６】
その第１の観点に従って、本発明は、サンプルを操作するマイクロ電子デバイスに関する。ここで、語“操作（manipulation）”は、例えば、サンプルの特徴量の測定、サンプル特性の調査、サンプルの機械的又は化学的な処理等のように、前記サンプルとの如何なる相互作用も表す。通常、サンプルは、例えば、空のキャビティ、又はサンプル物質を吸収することができるジェル等の何らかの物質で満たされたキャビティのような、サンプルチェンバにおいて提供される。ここで、キャビティは、開けられていても、閉じられていても、あるいは、流体接続チャネルによって他のキャビティへ接続されていても良い。マイクロ電子デバイスは、下記の構成要素を有する：
ａ）第１の電圧供給。この電圧供給は、一般的に、必要とされる電圧、特に正弦波を発生させる発生器と、この電圧を、これを必要とする場所へ分配するラインとを有する。ここ及び以下で、形容詞“第１の（first）”は、好ましい実施例で任意に存在する他の構成要素（“第２（second）”）と１の構成要素を区別するために使用される。従って、形容詞“第１の”は、他の構成要素が存在すべきことを暗示しているわけではない。更に、“第１”及び“第２”の構成要素は、幾つかの場合においては単に論理的に異なっているにすぎず、ハードウェアの同じ要素によって実現され得る。
ｂ）制御回路及びアドレッシング回路を有するコントローラ。このコントローラは、部分的に又は全体的に、マイクロ電子デバイスの他の構成要素により１つの基板上で実現され得、例えば、集積回路及び／又はマイクロコントローラを有することができる。制御回路及びアドレッシング回路は、一般的に、関連する場所（具体的には、以下に記載される電界電極。）にアクセスするために必要とされるラインを有する。
ｃ）電界電極の配列。語“電界（field）”は、如何なる限定も伴わずに、電極が一般的に電界を発生させることを目的とすることのみを示す。留意すべきは、装置は、任意に、前記配列に属する電極に加えて、更なる（電界）電極を有することができる点である。前記配列に属する電極の夫々は：
ｃ１）選択的に前記電界電極を前記第１の電圧供給へ接続する第１の制御可能スイッチ；及び
ｃ２）当該アドレッシングユニットが前記アドレッシング回路によって選択される場合に、前記制御回路が前記第１のスイッチを制御することを可能にする第１のアドレッシングユニット；
に付随する。この点に関して、“スイッチの制御”は、当該スイッチの状態（“閉”又は“開”）が設定され、当該スイッチが別なふうに制御されるまで設定されたままであることを意味する。
【０００７】
上記のマイクロ電子デバイスにより、電極動作の如何なる所望の状態（すなわち、前記第１の電圧供給への前記電界電極の接続又は分離。）も、望まれるように前記アドレッシングユニットをアドレッシングして関連する電界電極を制御することによって、前記配列にプログラミングされ得る。この機能を達成するために、当該装置は、制御後に前記第１の電圧供給への所望の接続（切断）を確立し維持する局部的な制御可能スイッチしか有さない。
【０００８】
当該マイクロ電子デバイスの好ましい実施例に従って、その電界電極のうち少なくとも１つは、選択的に如何なる電圧供給からも接続を絶たれ得る。従って、浮遊状態で意図的にこの電界電極を動作させることが可能である。このことは、電極が２つの（位相反転されている）電圧供給のうち１つへ必然的に結合されている既知の電極配列（例えば、上記特許文献１に記載される配列。）と比較して、新たなチャンスを提供する。
【０００９】
上記実施例の更なる開発において、接続を絶たれている電界電極の領域は、何らかの電圧供給へ（例えば、前記第１の電圧供給へ。）接続されている電界電極によって囲まれて確立され得る。結果として得られる１又はそれ以上の浮遊電極の“島”は、例えば、対向するカウンタ電極を必要とせずに粒子を捕捉することができる電位ケージを生成するために使用され得る。
【００１０】
望ましくは、当該マイクロ電子デバイスは第２の電圧供給を有する。各電界電極は、選択的に当該電界電極を前記第２の電圧供給へ接続する第２の制御可能スイッチに付随する。この場合に、２つの電圧のパターンを用いて前記電界電極の配列をプログラミングすることが可能である。更に、前記第１の電圧供給及び前記第２の電圧供給は、特に、位相反転されている交流電圧を供給する。このことは、前記電界電極の配列の上で粒子に対する誘電泳動力を発生させることを可能にする。
【００１１】
前記第２の制御可能スイッチは、任意に、第２のアドレッシングユニットへ結合される。この第２のアドレッシングユニットは、対応する電界電極に関連付けられ、当該第２のアドレッシングユニットが前記アドレッシング回路によって選択される場合に、前記制御回路が前記第２の制御可能スイッチを制御することを可能にする。前記第２のスイッチにそれ自身のアドレッシングユニットを設けることは、前記第２のスイッチを前記第１のスイッチから独立して制御することを可能にする。従って、両方のスイッチが同時に開かれ得る。これは、通常、関連する電界電極の浮遊状態を提供する。
【００１２】
代替の実施例で、前記第２の制御可能スイッチは、対応する電界電極の前記第１のアドレッシングユニットへ結合される。前記第１のアドレッシングユニットは、当該第１のアドレッシングユニットが前記アドレッシング回路によって選択される場合に、前記制御回路が前記第２の制御可能スイッチを制御することを可能にする。この実施例は、１つのアドレッシングユニットが２つの制御可能スイッチによって共有されるという利点を有する。このことは、ハードウェア部品、ひいてはマイクロチップのスペースを節約する。マイクロチップのスペースは、有利に、より小さい電界電極を形成するために使用され得る。
【００１３】
本発明の更なる変形例で、前記第１の制御可能スイッチは第１のコンデンサを有し、及び／又は（存在する場合に）前記第２の制御可能スイッチは第２のコンデンサを有する。これらのコンデンサは、前記制御回路によって提供されるスイッチング状態情報を記憶することができる。これらのコンデンサは、例えば、関連するスイッチの必要とされる状態（“閉”又は“開”）を示す電圧を蓄える、比較的簡単且つ信頼できる手段を提供する。
【００１４】
本発明の更なる開発において、前記第１の制御可能スイッチは、前記第１のコンデンサへ自身のゲート接続される第１のトランジスタを有し、及び／又は前記第２の制御可能スイッチは、前記第２のコンデンサへ自身のゲートにより接続される第２のトランジスタを有する。これらのコンデンサに蓄えられている電圧は、関連するトランジスタのゲートへこのようにして印加され、従って、そのトランジスタが導通又は非導通であるかどうかを決定する。
【００１５】
上記の実施例で、前記第２のトランジスタのゲートは、任意に、前記第１のトランジスタのゲートに対して反転され得る。その場合に、所与の電位（正又は負）は、夫々、前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタの導通状態に対して反対の効果を有しうる。このことは、これらのトランジスタを反対の周期で制御するために１つの単一電位を使用することを可能にする。
【００１６】
前記第１及び第２のコンデンサは、任意に、同一である。すなわち、これらのコンデンサは、同じハードウェアによって実現され得る。その場合に、このコンデンサに記憶されている情報は、前記第１及び第２の関連するスイッチの両方のスイッチング状態を決定するために使用される。単一のコンデンサによって提供される電圧が前記第１及び第２のトランジスタの常態及び反転ゲートに対して夫々反対の効果を有するので、このような構成は、有利に、前出の実施例と組み合わされ得る。これは、それらのトランジスタが電界電極を前記第１の電圧供給又は前記第２の電圧供給のいずれか一方へ接続するよう常に反対のスイッチング状態にあることを補償する。
【００１７】
前記第１のコンデンサ及び／又は前記第２のコンデンサは、それらの２つの端子のうち１つにより基準電圧へ結合され得る。次いで、他方の端子を前記制御回路へ接続することは、前記制御回路によって供給される電圧と前記基準電圧との間の差により当該コンデンサを充電することを可能にする。
【００１８】
代替的に、前記第１のコンデンサは、１つの端子により前記第２の電圧供給へ結合され得、前記第２のコンデンサは、１つの端子により前記第１の電圧供給へ結合され得る。前出の実施例とは対照的に、この場合には基準電圧は必要とされず、ハードウェア部品（ライン等。）及びスペースにおいて対応する節約がもたらされ得る。
【００１９】
前記第１及び第２のコンデンサは、任意に、自身の第２の端子により互いへ結合され得る。図面を参照してより詳細に説明されるように、このアプローチは、定義される電位がその場合に、例えば一意的にトランジスタスイッチを駆動することができるコンデンサの第２の端子で提供され得るので、前出の実施例との組み合わせにおいて特に適する。
【００２０】
本発明の更なる開発において、当該マイクロ電子デバイスは、少なくとも１つの電界電極に関連するアドレッシングユニットが前記アドレッシング回路によって選択される場合にその電界電極を如何なる電圧供給からも切断することができる少なくとも１つの付加的なスイッチを有する。如何なる電圧供給からも電界電極を切断することは、プログラミング工程の間に寄生電流フローを回避することに寄与する。
【００２１】
望ましくは、当該マイクロ電子デバイスの前記コントローラは、粒子が前記電界電極の配列の上でサンプルチェンバにおいて操作され、捕捉され及び／又は動かされ得るように、前記電界電極の配列を駆動するよう構成される。前記コントローラは、例えば、粒子が捕捉され得るところの、前記電界電極の配列上の（移動する）電位ケージを確立することができる。
【００２２】
望ましくは、当該マイクロ電子デバイスはＣＭＯＳテクノロジ又は大規模エレクトロニクス（ＬＡＥ）において実現される。特に、ＬＡＥは低温ポリシリコン（ＬＴＰＳ）を使用する。前記電界電極及び／又は他の構成要素と接触するためのＬＡＥマトリクスアプローチ、より一層望ましくは、アクティブマトリクスアプローチの使用は、外界への必要とされる入出力接触の数を減らす点で有利である。大規模エレクトロニクス、及び具体的に、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いるアクティブマトリクス技術は、例えば、ＬＣＤ、ＯＬＥＤ及び電気泳動のような、多数の表示効果の駆動のために、フラットパネルディスプレイの分野で一般的に使用されている。（金属）電界電極は、更に、アクティブマトリクス型電子機器に含まれるバックプレーンの上に堆積され得る。他の実施例で、アクティブマトリクス部品（例えば、ＴＦＴ、ダイオード。）を形成するために使用される金属層は、また、電界電極層を作るためにも使用される。
【００２３】
本発明は、更に、電界電極の配列の上でのサンプルチェンバにおける粒子の操作のための方法に関する。前記電界電極は、正又は負の電位にある電極及び浮遊電位にある電極を有するパターンにおいて駆動される。
【００２４】
マイクロ電子デバイスに関連して上述されたように、浮遊電極の設置は、有利に、前記配列へカウンタ電極を用いずとも粒子の捕捉を可能にする新規の電位分布を生成するために使用され得る。
【００２５】
本発明は、更に、分子診断学、生体サンプル分析、若しくは化学サンプル分析、食品分析、及び／又は法医学的分析のための、上記のマイクロ電子デバイスの使用に関する。分子診断学は、例えば、直接に又は間接に対象の分子に付着される電磁ビーズ又は蛍光粒子を用いて達成され得る。
【００２６】
本発明のこれらの及び他の観点は、以下で記載される実施形態から明らかとなり、それらを参照して説明される。これらの実施形態は、一例として添付の図面を用いて記載される。
【発明の効果】
【００２７】
望ましくは、電界電極の簡単で、費用効果が高く且つスペースを取らない駆動が達成される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】底面に電界電極及び上部にカウンタ電極を有するサンプルチェンバの断面図を、電極が誘電泳動力によって粒子を動かすよう正及び負の電位により動作させられる３つの連続した段階について図式的に示す。
【図２】電界電極の２次元配列の上面図を、電極が誘電泳動力によって配列にわたって対角に粒子を動かすよう正及び負の電位により動作させられる３つの連続した段階について図式的に示す。
【図３】粒子が配列にわたって水平に動かされる場合について、図２と同じ状況を示す。
【図４】底面に電界電極の配列を有するサンプルチェンバの断面図を、電極が誘電泳動力によって粒子を動かすよう正、負及び浮遊電位により動作させられる３つの連続した段階について図式的に示す。
【図５】電界電極の２次元配列の上面図を、電極が誘電泳動力によって配列にわたって対角に粒子を動かすよう正、負及び浮遊電位により動作させられる３つの連続した段階について図式的に示す。
【図６】粒子が配列にわたって水平に動かされる場合について、図５と同じ状況を示す。
【図７】本発明に従う電界電極に関連する一般的駆動回路を図示的に示す。
【図８】基準電圧へ接続されているコンデンサを有する駆動回路の第１の具体的な実施形態を示す。
【図９】別々の行アドレスライン及び列アドレスラインが使用される図８の変形例を示す。
【図１０】２つのコンデンサが使用され、基準電圧に代えて供給電圧へ結合される図８の変形例を示す。
【図１１】付加低なスイッチが制御処理の間に電界電極との接続を切るために使用される図１０の変形例を示す。
【図１２】２つのコンデンサが関連するトランジスタの独立制御を可能にするために使用される図８の変形例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図中の同じ参照番号は、同一の又は類似する構成要素を表す。
【００３０】
ミクロの流体工学は、生体粒子が１つの場所から他の場所への移動を必要とする場合に、ほとんどの生体工学的応用にとって極めて重要である。生体粒子の操作は、例えば、多くのバイオチップ（Lab-On-A-Chip）応用で必要とされる。比較的大きい範囲にわたって多数のセルを個別に制御することができるならば、高速化及び費用削減のための大規模並列動作が可能となる。これは、創薬、プロテオミクス、臨床分析及びポイント・オブ・ケア（ＰＯＣ）応用のような分野において重大な利点を有しうる。
【００３１】
多数の生体粒子（例えば、セル及びウィルス及びある生体分子。）が荷電されていない場合に、特定の操作のための標準的な電気泳動技術の使用は、電荷が粒子へ加えられることを必要とする。しかし、これは、しばしば好ましくない。誘電泳動（ＤＥＰ（dielectrophoretic））力は、一様でないＡＣ電界により、荷電されていない粒子で生じることができ、粒子及びこれを囲む液体の誘電特性に依存して正又は負でありうる。従って、ＤＥＰ力は、理想的には、検出、分析及び診断のために粒子を移動させ、捕捉し又は回転させる等の生体粒子の操作を必要とするマイクロ流体に適する。更に、ＤＥＰで使用されるＡＣ電界は、電気泳動のために印加されるＤＣ電界の副次的な悪影響である電界による望ましくない効果を阻止する傾向がある。従って、荷電した粒子（例えば、ＤＮＡ。）の場合でさえ、ＤＥＰは流体中での特定の移動に関して有利である。
【００３２】
図１は、この点に関して、（生体）粒子２を有するサンプルが提供されるマイクロ流体サンプルチェンバ又はチャネル１の断面を、時間ｔにおける上から下までの３つの連続した時点について示す。個々にアドレス可能な電界電極１１の１又は２次元配列１０は、サンプルチェンバ１の底部にある基板上に配置されており、一方、サンプルチェンバ１の上部ガラス基板は、導通平面カウンタ電極１２により表面を覆われている。
【００３３】
電界電極１１への様々なＡＣ電位（その位相は＋及び−の符号によって示される。）の印加は、サンプルチェンバ１内に電位ケージを作り出すことを可能にする。この電位ケージ内で、粒子２は捕捉され得る。図１に示される３つの連続する段階で表されるように電界電極の駆動パターンを動かすことによって、粒子２は所望の方向で動かされ得る。この移動トラップ方法は、ＣＣＤと同様の方法で動作する。粒子２は、電極配列１０と、マイナス（−）相により駆動されるカウンタ電極１２との間の流体中に保持されている。一番上の絵で、トラップは、基板上の２つの正の相（＋）とカウンタ電極１２上の負の相との間に形成され、粒子２は負の相の上に捕捉されている。真ん中の絵で、左から３番目の電極は、プラス（＋）相からマイナス（−）相へ変更される。次いで、トラップの中心は、２つのマイナス（−）相電極の中間へ移動し、これにより、粒子２はマイナス（−）電極の中間点上へ動かされる。次いで、一番下の絵で、２番目の電極はプラス（＋）相となり、粒子２は３番目の電極上の位置へ動かされる。
【００３４】
図２及び図３は、対角（図２）及び水平（図３）方向における粒子２の移動がどのように達成され得るかを、連続する時点における電界電極１１の２次元配列１０に関する上面図で同じように表す。示されるマイクロ電子デバイスの典型的な応用には、バイオチップ、分子診断学、迅速な疾患検出、及び抗生物質に対する菌耐性の迅速評価がある。
【００３５】
図１乃至３に示される実施形態は上部のカウンタ電極１２を必要とするが、このような上部電極を用いずにトラップ移動を実施することも可能である（しかし、ガラス製のカバー板が尚望ましい。）。この実施形態は、電極配列１０の同様の断面図（図４）及び上面図（図５、図６）で図４乃至６において示されている。この方法では、３通りの電界電極１１の状態がある。すなわち、プラス（＋）相、マイナス（−）相、及び高インピーダンス又は浮遊状態（Ｚ）である。移動トラップ方式は、例えば、図４の一番上の絵で始まる。この状態で、粒子２は、両側のプラス（＋）及びマイナス（−）相によってＺ電極上で捕捉されている。真ん中の絵で、３番目の電極はＺ状態となり、粒子２は２つのＺ電極の中間点へ移動する。一番下の絵で、２番目の電極はプラス（＋）状態となり、粒子２は３番目の電極上へ動かされる。
【００３６】
図５及び図６は、電極１１の２次元配列１０、及び粒子の移動を対角線上に又は水平線上に可能にする相を同じように示す。
【００３７】
以下では、上記実施形態で使用される電界電極を動作させる適切な駆動回路が、誘電泳動（ＤＥＰ）力の原理により近い視点から続けて、より詳細に検討される。
【００３８】
ＤＥＰ力は、電極がＤＥＰ力を発生させる非線形な電界を引き起こす電極間隔に対する粒子寸法の三乗の比（cubed ration）として定まる。従って、一電圧で、粒子は、例えば、ブラウン運動による力よりも大きい支配的な力を提供するよう駆動電極間隔と同様のサイズを有するべきである。より高い電圧では、間隔はより大きくなり得るが、電極間隔を可能な最小値に減らすためのあらゆる努力が依然として払われるべきである（L.Zheng、S.Ki、P.J.Burke、J.P.Brody：“Towards single molecule manipulation with dielectrophoresis using nanoelectrodes”，Proceedings of the 3rd IEEE conference on Nanotechnology，１，４３７頁（２００３年）参照）。分析及び診断のために粒子の大規模並列移動及び捕捉を提供するためには、密な配列は最も有効な解決法である。
【００３９】
４つの電極は、それらが四極子として駆動される場合に、すなわち、対向する電極は同じＡＣ相を有し且つ隣り合う電極は異なるＡＣ相を有する場合に、粒子を捕捉することができる。図７は、４つの電極１１に関して一例としてこのことを示す。図中、＋及び−の符号は、電極へ印加されるＡＣ電界の位相を示す。配列１０全体は、通常、そのような電極１１の多数から成り、トラップは、正確な位相が適用される場合に、いずれかの４つの電極の交点で発生することができる。いずれかの所望の場所でトラップを生成するよう、配列１０の各電極１１を個別にアドレッシングすることが可能でなければならない。これにより、どのＡＣ相が電極へ適用されるかを選択することが可能である。
【００４０】
上述されるように、トラップされるよう望まれる粒子のサイズは、電極間隔と深く関係している。従って、電極１１を駆動するために必要とされる電子機器を適合させるために、電極１１の下で利用可能な領域は最も有効に使用されるべきである。すなわち、電極１１の下の電子機器は、電極電界の最小サイズ、ひいては、捕捉され得る粒子の最小サイズを制限する。大きい粒子に関しては、配列は大きくなり、更に、利用可能な最も安価な技術を使用し、各電極の下にある電子機器の量をその最小値まで小さくすることによって、これを行って、この技術をその限界に至らせることが可能である。これにより、より細かい分解能及びより高価な技術を取り入れる必要性が生ずる前に、可能な最も小さい粒子が捕捉され得る。例えば、低温ポリシリコン（ＬＴＰＳ）のような大規模エレクトロニクス（ＬＡＥ（Large Area Electronics））技術は、液晶シリコンＣＭＯＳと比較される場合に、低コストで大きいガラス領域上でかかる方法を実施するために使用され得る。
【００４１】
以下では、簡単な回路解決法が、ＤＥＰトラップ配列の電極を駆動するために提案される。これは、密な配列で最も小さい可能なサイズへの電極の縮小を実現し、シリコンに基づく全ての技術を通して費用効果の高い解決法を可能にする。
【００４２】
図７は、本発明に従う駆動回路の基本レイアウトを図式的に示す。関連するマイクロ電子デバイスは電極電界の配列１０を有する。電極電界のうち先に記載された（四極子として駆動される）４つの電極１１が図中には表されている。駆動回路は、より詳細に、これらの電極１１のうち１つについて示されている。駆動回路は、電界電極１１を第１の電圧供給ＶＡへ接続し又はこれとの接続を切ることができる第１の制御可能スイッチＣＳＷ１を有する。この第１のスイッチＣＳＷ１のスイッチング状態は、コントローラＣＯＮに含まれ且つ配列１０の外側に配置されている制御回路ＣＯＣによって制御される。制御可能スイッチＣＳＷ１へのこの制御回路ＣＯＣのアクセスは、外部のアドレッシング回路ＡＤＣによってアドレッシング（選択）され得る局部アドレッシングユニットＡＤＵ１によって制御される。外部アドレッシング回路ＡＤＣは、コントローラＣＯＮの第２のモジュールである。ここまで記載された駆動回路により、電界電極１１の２つの状態が実現され得る。すなわち、電界電極は供給電圧ＶＡ又は浮遊状態を有する。
【００４３】
破線によって示されるように、望ましくは、駆動回路は、電界電極１１を第２の電圧供給ＶＢへ接続することを可能にする第２の制御可能スイッチＣＳＷ２を更に有する。第２のスイッチＣＳＷ２は、アドレッシング回路ＡＤＣによって選択され得る第２のアドレッシングユニットＡＤＵ２の制御下で制御回路ＣＯＣによって制御され得る。以下で明らかになるように、第１及び第２のアドレッシングユニットＡＤＵ１、ＡＤＵ２は、任意に同一であっても良い。スイッチＣＳＷ１、ＣＳＷ２及びアドレッシングユニットＡＤＵ１、ＡＤＵ２は、通常、電極１１の下に配置される。
【００４４】
ここで、図７の一般的なレイアウトの幾つかの具体的な実施例について、図８乃至１２を参照して、より詳細に記載する。
【００４５】
図８は、例えば、誘電泳動配列において電界電極１１を駆動するための回路の第１の実施例を示す。電界電極１１は、第１の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）Ｔ１を介して第１の電圧供給ＶＡへ及び第２のＴＦＴＴ２を介して第２の電圧供給ＶＢへ接続されている。電位ＶＡ及びＶＢは、例えば、所与の周波数のＡＣ正弦波であり、位相反転されている。すなわち、それらは、それらの間にπの位相差を有する。電極１１は、更に、負荷Ｌへ接続されるよう示されている。この負荷Ｌは、電極１１とそれに最も近い隣接電極との間の流体及び粒子のインピーダンスであり、負荷Ｌの第２の接続は、最も近い隣接電極を表している。
【００４６】
ＶＤＡＴＡラインは、アドレッシング電圧ＶＡＤＤＲによって制御されるアドレッシングトランジスタＴ３を介して、記憶のためにコンデンサＣへデジタルデータを伝える。ハイ（High）値は、Ｎ型ＴＦＴＴ２を選択し、ＡＣ電圧ＶＢを電極１１及び負荷Ｌへ供給する。一方、ロー（Low）値は、Ｐ型ＴＦＴＴ１をオンし、ＡＣ電圧ＶＡを電極１１及び負荷Ｌへ供給する。従って、電極１１の配列は、０（＋）相又はπ（−）相のＡＣ電圧を電極１１及び負荷Ｌへ供給するよう個別にプログラミングされ得る。すなわち、ＤＥＰトラップは、電極の配列内の如何なる所望の場所でも発生するようプログラミングされ得る。
【００４７】
電極１１の配列は、行アドレス電圧ＶＡＤＤＲを使用することによってライン毎にアドレッシングされ得る。アドレッシング相は短時間である（例えば、全ての行は１ミリ秒未満でアドレッシングされる。）。この時間期間にわたって、粒子はアドレッシング相の乱れにほとんど気がつかない。次いで、より長い期間の駆動相が存在する。
【００４８】
若干より複雑な場合が図９に表されている。図９は、ランダムアクセスアドレッシングを示す。電圧ＶＡＤＤＲ ＲＯＷ及びＶＡＤＤＲ ＣＯＬは、この場合に、個々の電極１１を新しいデータによりアドレッシングされるよう選択する。
【００４９】
最小の粒子のＤＥＰ捕捉を可能にするためのより一層簡単な回路を提供するために、図１０に示される回路は、前出の実施例でコンデンサＣが結合されていた基準電圧ＶＲＥＦを削除する。回路は、ＡＣ電界が停止され、例えば、ＶＡが５Ｖになり且つＶＢが−５Ｖになるアドレス相を有して動作する。次いで、デジタルデータはノードｎへ適用される。例えば、Ｖ＝±５Ｖである。全てのトラップをアドレッシングした後、ＡＣ電界が開始される。Ｃ１＝Ｃ２である場合に、電圧Ｖは保持され、次いで、選択されるＡＣ相が負荷Ｌへ伝わる。
【００５０】
電圧Ｖは、コンデンサＣ１、Ｃ２での電荷再分配が２つの逆位相の正弦波により相殺するので、前出の場合において保持される。Ｃ１＝Ｃ２である場合に、ノードｎでの電荷保持は、下記に従って初期電圧Ｖを新しい電圧Ｖ´にする。
【００５１】
電圧ＶＡはＤＣであり、ＶＡ´は付随するＡＣ電圧である。ＶＢ及びＶＢ´についても同様である。
【００５２】
ここで、電圧ＶＭは中点電圧、例えば０ボルトであり、ＶＲは振幅である。これより、Ｃ１＝Ｃ２である場合は、従って、電圧Ｖはノードで保持される。
【００５３】
Ｃ１及びＣ２についてＮ及びＰ駆動ＴＦＴＴ１、Ｔ２のＴＦＴ寄生容量を使用することが可能であるから、Ｃ１及びＣ２のサイズは原理上はゼロでありうる。しかし、アドレッシングＴＦＴＴ３の寄生容量は非対称性を引き起こし、故に、実際には、Ｃ１及びＣ２は完全にこの容量よりもわずかに大きいことが必要である。たとえそうであったとしても、これらのコンデンサは、ＡＣ相を供給するために使用される電極の下に隠され、従って、面積消費に関して無視され得る。このことは、図１０の回路を図９の回路よりもコンパクトなものとする。
【００５４】
考慮され得る更なる事項は、配列において負荷が全て連結され、これにより、アドレッシングされているラインとアドレッシングされないラインとの間に電流フローが生ずることである。良い参照を提供するよう、電力供給ラインは過度に電圧を下げるべきではない。従って、回路への簡単な追加は、図１１に示されるアドレッシング時点で電流フローをオフする余分のスイッチＴ５である。
【００５５】
図４乃至６に示される浮遊電極を用いる実施例を実現するために、３つの状態を有する電極が必要とされる。関連する駆動回路の可能な実施が図１２に示されている。３つの状態を発生させるよう、２つの記憶コンデンサＣ１及びＣ２が設けられ、ＡＣ相を選択するＴＦＴＴ１及びＴ２が個別に駆動されることを可能にする。従って、ＶＡが選択され得、あるいはＶＢが選択され得、あるいはＺ状態を与えるよういずれも選択されない（また、選択されるＶＡ及びＶＢの両方について望まれていない状態が存在する。）。回路は、データが単一のデータラインから入来し、故に、ＶＡＤＤＲ１及びＶＡＤＤＲ２パルスは夫々、ＴＦＴＴ３及びＴ６で次々に発生する必要があることを示す。また、両方のコンデンサが同時にアドレッシングされ得るように２つのデータライン及び単一のアドレスラインを有することも可能である。更に、図９に示される回路と同様に追加のアドレッシングＴＦＴによってこれをランダムアクセスに更に拡張することが可能である。
【００５６】
最後に、本願において、語“有する（comprising）”は他の構成要素又は肯定を排除するものではなく、要素の前に付された“１（又は１つ）の”という語は複数個を排除するものではなく、更に、単一のプロセッサ又は他のユニットは幾つかの手段の機能を満足することができる点に注意されたし。本発明は、ありとあらゆる新規の特徴的な事項及びこれらのありとあらゆる組み合わせにある。更に、特許請求の範囲における参照符号は、その適用範囲を限定するよう解釈されるべきではない。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、選択的に電圧供給へ接続され得る電界電極の配列を有する、サンプルを操作するためのマイクロ電子デバイスに関する。更に、本発明は、このようなマイクロ電子デバイスの使用と、電界電極の上でのサンプルチェンバにおける粒子の操作のための方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第６９４２７７６（Ｂ２）号明細書（特許文献１）は、マイクロ流体チェンバの底面側で電極の配列を及び上部側で単一の平面カウンタ電極を備えるマイクロ電子デバイスを開示する。選択的に電極を２つの位相反転されている電極へ接続することによって、電位ケージがサンプルチェンバにおいて生成され得る。このケージ内で、粒子は捕捉され得る。しかし、当該特許文献１は、電界電極を駆動するための如何なる回路についても記載していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６９４２７７６（Ｂ２）号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような状況に加えて、本発明は、電界電極の配列を有してサンプルを操作する手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的は、請求項１記載のマイクロ電子デバイス、請求項１８記載の方法、及び請求項１９記載の使用によって達成される。好ましい実施形態は、従属請求項で開示される。
【０００６】
その第１の観点に従って、本発明は、サンプルを操作するマイクロ電子デバイスに関する。ここで、語“操作（manipulation）”は、例えば、サンプルの特徴量の測定、サンプル特性の調査、サンプルの機械的又は化学的な処理等のように、前記サンプルとの如何なる相互作用も表す。通常、サンプルは、例えば、空のキャビティ、又はサンプル物質を吸収することができるジェル等の何らかの物質で満たされたキャビティのような、サンプルチェンバにおいて提供される。ここで、キャビティは、開けられていても、閉じられていても、あるいは、流体接続チャネルによって他のキャビティへ接続されていても良い。マイクロ電子デバイスは、下記の構成要素を有する：
ａ）第１の電圧供給。この電圧供給は、一般的に、必要とされる電圧、特に正弦波を発生させる発生器と、この電圧を、これを必要とする場所へ分配するラインとを有する。ここ及び以下で、形容詞“第１の（first）”は、好ましい実施例で任意に存在する他の構成要素（“第２（second）”）と１の構成要素を区別するために使用される。従って、形容詞“第１の”は、他の構成要素が存在すべきことを暗示しているわけではない。更に、“第１”及び“第２”の構成要素は、幾つかの場合においては単に論理的に異なっているにすぎず、ハードウェアの同じ要素によって実現され得る。
ｂ）制御回路及びアドレッシング回路を有するコントローラ。このコントローラは、部分的に又は全体的に、マイクロ電子デバイスの他の構成要素により１つの基板上で実現され得、例えば、集積回路及び／又はマイクロコントローラを有することができる。制御回路及びアドレッシング回路は、一般的に、関連する場所（具体的には、以下に記載される電界電極。）にアクセスするために必要とされるラインを有する。
ｃ）電界電極の配列。語“電界（field）”は、如何なる限定も伴わずに、電極が一般的に電界を発生させることを目的とすることのみを示す。留意すべきは、装置は、任意に、前記配列に属する電極に加えて、更なる（電界）電極を有することができる点である。前記配列に属する電極の夫々は：
ｃ１）選択的に前記電界電極を前記第１の電圧供給へ接続する第１の制御可能スイッチ；及び
ｃ２）当該アドレッシングユニットが前記アドレッシング回路によって選択される場合に、前記制御回路が前記第１のスイッチを制御することを可能にする第１のアドレッシングユニット；
に付随する。この点に関して、“スイッチの制御”は、当該スイッチの状態（“閉”又は“開”）が設定され、当該スイッチが別なふうに制御されるまで設定されたままであることを意味する。
【０００７】
上記のマイクロ電子デバイスにより、電極動作の如何なる所望の状態（すなわち、前記第１の電圧供給への前記電界電極の接続又は分離。）も、望まれるように前記アドレッシングユニットをアドレッシングして関連する電界電極を制御することによって、前記配列にプログラミングされ得る。この機能を達成するために、当該装置は、制御後に前記第１の電圧供給への所望の接続（切断）を確立し維持する局部的な制御可能スイッチしか有さない。
【０００８】
当該マイクロ電子デバイスの好ましい実施例に従って、その電界電極のうち少なくとも１つは、選択的に如何なる電圧供給からも接続を絶たれ得る。従って、浮遊状態で意図的にこの電界電極を動作させることが可能である。このことは、電極が２つの（位相反転されている）電圧供給のうち１つへ必然的に結合されている既知の電極配列（例えば、上記特許文献１に記載される配列。）と比較して、新たなチャンスを提供する。
【０００９】
上記実施例の更なる開発において、接続を絶たれている電界電極の領域は、何らかの電圧供給へ（例えば、前記第１の電圧供給へ。）接続されている電界電極によって囲まれて確立され得る。結果として得られる１又はそれ以上の浮遊電極の“島”は、例えば、対向するカウンタ電極を必要とせずに粒子を捕捉することができる電位ケージを生成するために使用され得る。
【００１０】
望ましくは、当該マイクロ電子デバイスは第２の電圧供給を有する。各電界電極は、選択的に当該電界電極を前記第２の電圧供給へ接続する第２の制御可能スイッチに付随する。この場合に、２つの電圧のパターンを用いて前記電界電極の配列をプログラミングすることが可能である。更に、前記第１の電圧供給及び前記第２の電圧供給は、特に、位相反転されている交流電圧を供給する。このことは、前記電界電極の配列の上で粒子に対する誘電泳動力を発生させることを可能にする。
【００１１】
前記第２の制御可能スイッチは、任意に、第２のアドレッシングユニットへ結合される。この第２のアドレッシングユニットは、対応する電界電極に関連付けられ、当該第２のアドレッシングユニットが前記アドレッシング回路によって選択される場合に、前記制御回路が前記第２の制御可能スイッチを制御することを可能にする。前記第２のスイッチにそれ自身のアドレッシングユニットを設けることは、前記第２のスイッチを前記第１のスイッチから独立して制御することを可能にする。従って、両方のスイッチが同時に開かれ得る。これは、通常、関連する電界電極の浮遊状態を提供する。
【００１２】
代替の実施例で、前記第２の制御可能スイッチは、対応する電界電極の前記第１のアドレッシングユニットへ結合される。前記第１のアドレッシングユニットは、当該第１のアドレッシングユニットが前記アドレッシング回路によって選択される場合に、前記制御回路が前記第２の制御可能スイッチを制御することを可能にする。この実施例は、１つのアドレッシングユニットが２つの制御可能スイッチによって共有されるという利点を有する。このことは、ハードウェア部品、ひいてはマイクロチップのスペースを節約する。マイクロチップのスペースは、有利に、より小さい電界電極を形成するために使用され得る。
【００１３】
本発明の更なる変形例で、前記第１の制御可能スイッチは第１のコンデンサを有し、及び／又は（存在する場合に）前記第２の制御可能スイッチは第２のコンデンサを有する。これらのコンデンサは、前記制御回路によって提供されるスイッチング状態情報を記憶することができる。これらのコンデンサは、例えば、関連するスイッチの必要とされる状態（“閉”又は“開”）を示す電圧を蓄える、比較的簡単且つ信頼できる手段を提供する。
【００１４】
本発明の更なる開発において、前記第１の制御可能スイッチは、前記第１のコンデンサへ自身のゲート接続される第１のトランジスタを有し、及び／又は前記第２の制御可能スイッチは、前記第２のコンデンサへ自身のゲートにより接続される第２のトランジスタを有する。これらのコンデンサに蓄えられている電圧は、関連するトランジスタのゲートへこのようにして印加され、従って、そのトランジスタが導通又は非導通であるかどうかを決定する。
【００１５】
上記の実施例で、前記第２のトランジスタのゲートは、任意に、前記第１のトランジスタのゲートに対して反転され得る。その場合に、所与の電位（正又は負）は、夫々、前記第１のトランジスタ及び前記第２のトランジスタの導通状態に対して反対の効果を有しうる。このことは、これらのトランジスタを反対の周期で制御するために１つの単一電位を使用することを可能にする。
【００１６】
前記第１及び第２のコンデンサは、任意に、同一である。すなわち、これらのコンデンサは、同じハードウェアによって実現され得る。その場合に、このコンデンサに記憶されている情報は、前記第１及び第２の関連するスイッチの両方のスイッチング状態を決定するために使用される。単一のコンデンサによって提供される電圧が前記第１及び第２のトランジスタの常態及び反転ゲートに対して夫々反対の効果を有するので、このような構成は、有利に、前出の実施例と組み合わされ得る。これは、それらのトランジスタが電界電極を前記第１の電圧供給又は前記第２の電圧供給のいずれか一方へ接続するよう常に反対のスイッチング状態にあることを補償する。
【００１７】
前記第１のコンデンサ及び／又は前記第２のコンデンサは、それらの２つの端子のうち１つにより基準電圧へ結合され得る。次いで、他方の端子を前記制御回路へ接続することは、前記制御回路によって供給される電圧と前記基準電圧との間の差により当該コンデンサを充電することを可能にする。
【００１８】
代替的に、前記第１のコンデンサは、１つの端子により前記第２の電圧供給へ結合され得、前記第２のコンデンサは、１つの端子により前記第１の電圧供給へ結合され得る。前出の実施例とは対照的に、この場合には基準電圧は必要とされず、ハードウェア部品（ライン等。）及びスペースにおいて対応する節約がもたらされ得る。
【００１９】
前記第１及び第２のコンデンサは、任意に、自身の第２の端子により互いへ結合され得る。図面を参照してより詳細に説明されるように、このアプローチは、定義される電位がその場合に、例えば一意的にトランジスタスイッチを駆動することができるコンデンサの第２の端子で提供され得るので、前出の実施例との組み合わせにおいて特に適する。
【００２０】
本発明の更なる開発において、当該マイクロ電子デバイスは、少なくとも１つの電界電極に関連するアドレッシングユニットが前記アドレッシング回路によって選択される場合にその電界電極を如何なる電圧供給からも切断することができる少なくとも１つの付加的なスイッチを有する。如何なる電圧供給からも電界電極を切断することは、プログラミング工程の間に寄生電流フローを回避することに寄与する。
【００２１】
望ましくは、当該マイクロ電子デバイスの前記コントローラは、粒子が前記電界電極の配列の上でサンプルチェンバにおいて操作され、捕捉され及び／又は動かされ得るように、前記電界電極の配列を駆動するよう構成される。前記コントローラは、例えば、粒子が捕捉され得るところの、前記電界電極の配列上の（移動する）電位ケージを確立することができる。
【００２２】
望ましくは、当該マイクロ電子デバイスはＣＭＯＳテクノロジ又は大規模エレクトロニクス（ＬＡＥ）において実現される。特に、ＬＡＥは低温ポリシリコン（ＬＴＰＳ）を使用する。前記電界電極及び／又は他の構成要素と接触するためのＬＡＥマトリクスアプローチ、より一層望ましくは、アクティブマトリクスアプローチの使用は、外界への必要とされる入出力接触の数を減らす点で有利である。大規模エレクトロニクス、及び具体的に、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を用いるアクティブマトリクス技術は、例えば、ＬＣＤ、ＯＬＥＤ及び電気泳動のような、多数の表示効果の駆動のために、フラットパネルディスプレイの分野で一般的に使用されている。（金属）電界電極は、更に、アクティブマトリクス型電子機器に含まれるバックプレーンの上に堆積され得る。他の実施例で、アクティブマトリクス部品（例えば、ＴＦＴ、ダイオード。）を形成するために使用される金属層は、また、電界電極層を作るためにも使用される。
【００２３】
本発明は、更に、電界電極の配列の上でのサンプルチェンバにおける粒子の操作のための方法に関する。前記電界電極は、正又は負の電位にある電極及び浮遊電位にある電極を有するパターンにおいて駆動される。
【００２４】
マイクロ電子デバイスに関連して上述されたように、浮遊電極の設置は、有利に、前記配列へカウンタ電極を用いずとも粒子の捕捉を可能にする新規の電位分布を生成するために使用され得る。
【００２５】
本発明は、更に、分子診断学、生体サンプル分析、若しくは化学サンプル分析、食品分析、及び／又は法医学的分析のための、上記のマイクロ電子デバイスの使用に関する。分子診断学は、例えば、直接に又は間接に対象の分子に付着される電磁ビーズ又は蛍光粒子を用いて達成され得る。
【００２６】
本発明のこれらの及び他の観点は、以下で記載される実施形態から明らかとなり、それらを参照して説明される。これらの実施形態は、一例として添付の図面を用いて記載される。
【発明の効果】
【００２７】
望ましくは、電界電極の簡単で、費用効果が高く且つスペースを取らない駆動が達成される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】底面に電界電極及び上部にカウンタ電極を有するサンプルチェンバの断面図を、電極が誘電泳動力によって粒子を動かすよう正及び負の電位により動作させられる３つの連続した段階について図式的に示す。
【図２】電界電極の２次元配列の上面図を、電極が誘電泳動力によって配列にわたって対角に粒子を動かすよう正及び負の電位により動作させられる３つの連続した段階について図式的に示す。
【図３】粒子が配列にわたって水平に動かされる場合について、図２と同じ状況を示す。
【図４】底面に電界電極の配列を有するサンプルチェンバの断面図を、電極が誘電泳動力によって粒子を動かすよう正、負及び浮遊電位により動作させられる３つの連続した段階について図式的に示す。
【図５】電界電極の２次元配列の上面図を、電極が誘電泳動力によって配列にわたって対角に粒子を動かすよう正、負及び浮遊電位により動作させられる３つの連続した段階について図式的に示す。
【図６】粒子が配列にわたって水平に動かされる場合について、図５と同じ状況を示す。
【図７】本発明に従う電界電極に関連する一般的駆動回路を図示的に示す。
【図８】基準電圧へ接続されているコンデンサを有する駆動回路の第１の具体的な実施形態を示す。
【図９】別々の行アドレスライン及び列アドレスラインが使用される図８の変形例を示す。
【図１０】２つのコンデンサが使用され、基準電圧に代えて供給電圧へ結合される図８の変形例を示す。
【図１１】付加低なスイッチが制御処理の間に電界電極との接続を切るために使用される図１０の変形例を示す。
【図１２】２つのコンデンサが関連するトランジスタの独立制御を可能にするために使用される図８の変形例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図中の同じ参照番号は、同一の又は類似する構成要素を表す。
【００３０】
ミクロの流体工学は、生体粒子が１つの場所から他の場所への移動を必要とする場合に、ほとんどの生体工学的応用にとって極めて重要である。生体粒子の操作は、例えば、多くのバイオチップ（Lab-On-A-Chip）応用で必要とされる。比較的大きい範囲にわたって多数のセルを個別に制御することができるならば、高速化及び費用削減のための大規模並列動作が可能となる。これは、創薬、プロテオミクス、臨床分析及びポイント・オブ・ケア（ＰＯＣ）応用のような分野において重大な利点を有しうる。
【００３１】
多数の生体粒子（例えば、セル及びウィルス及びある生体分子。）が荷電されていない場合に、特定の操作のための標準的な電気泳動技術の使用は、電荷が粒子へ加えられることを必要とする。しかし、これは、しばしば好ましくない。誘電泳動（ＤＥＰ（dielectrophoretic））力は、一様でないＡＣ電界により、荷電されていない粒子で生じることができ、粒子及びこれを囲む液体の誘電特性に依存して正又は負でありうる。従って、ＤＥＰ力は、理想的には、検出、分析及び診断のために粒子を移動させ、捕捉し又は回転させる等の生体粒子の操作を必要とするマイクロ流体に適する。更に、ＤＥＰで使用されるＡＣ電界は、電気泳動のために印加されるＤＣ電界の副次的な悪影響である電界による望ましくない効果を阻止する傾向がある。従って、荷電した粒子（例えば、ＤＮＡ。）の場合でさえ、ＤＥＰは流体中での特定の移動に関して有利である。
【００３２】
図１は、この点に関して、（生体）粒子２を有するサンプルが提供されるマイクロ流体サンプルチェンバ又はチャネル１の断面を、時間ｔにおける上から下までの３つの連続した時点について示す。個々にアドレス可能な電界電極１１の１又は２次元配列１０は、サンプルチェンバ１の底部にある基板上に配置されており、一方、サンプルチェンバ１の上部ガラス基板は、導通平面カウンタ電極１２により表面を覆われている。
【００３３】
電界電極１１への様々なＡＣ電位（その位相は＋及び−の符号によって示される。）の印加は、サンプルチェンバ１内に電位ケージを作り出すことを可能にする。この電位ケージ内で、粒子２は捕捉され得る。図１に示される３つの連続する段階で表されるように電界電極の駆動パターンを動かすことによって、粒子２は所望の方向で動かされ得る。この移動トラップ方法は、ＣＣＤと同様の方法で動作する。粒子２は、電極配列１０と、マイナス（−）相により駆動されるカウンタ電極１２との間の流体中に保持されている。一番上の絵で、トラップは、基板上の２つの正の相（＋）とカウンタ電極１２上の負の相との間に形成され、粒子２は負の相の上に捕捉されている。真ん中の絵で、左から３番目の電極は、プラス（＋）相からマイナス（−）相へ変更される。次いで、トラップの中心は、２つのマイナス（−）相電極の中間へ移動し、これにより、粒子２はマイナス（−）電極の中間点上へ動かされる。次いで、一番下の絵で、２番目の電極はプラス（＋）相となり、粒子２は３番目の電極上の位置へ動かされる。
【００３４】
図２及び図３は、対角（図２）及び水平（図３）方向における粒子２の移動がどのように達成され得るかを、連続する時点における電界電極１１の２次元配列１０に関する上面図で同じように表す。示されるマイクロ電子デバイスの典型的な応用には、バイオチップ、分子診断学、迅速な疾患検出、及び抗生物質に対する菌耐性の迅速評価がある。
【００３５】
図１乃至３に示される実施形態は上部のカウンタ電極１２を必要とするが、このような上部電極を用いずにトラップ移動を実施することも可能である（しかし、ガラス製のカバー板が尚望ましい。）。この実施形態は、電極配列１０の同様の断面図（図４）及び上面図（図５、図６）で図４乃至６において示されている。この方法では、３通りの電界電極１１の状態がある。すなわち、プラス（＋）相、マイナス（−）相、及び高インピーダンス又は浮遊状態（Ｚ）である。移動トラップ方式は、例えば、図４の一番上の絵で始まる。この状態で、粒子２は、両側のプラス（＋）及びマイナス（−）相によってＺ電極上で捕捉されている。真ん中の絵で、３番目の電極はＺ状態となり、粒子２は２つのＺ電極の中間点へ移動する。一番下の絵で、２番目の電極はプラス（＋）状態となり、粒子２は３番目の電極上へ動かされる。
【００３６】
図５及び図６は、電極１１の２次元配列１０、及び粒子の移動を対角線上に又は水平線上に可能にする相を同じように示す。
【００３７】
以下では、上記実施形態で使用される電界電極を動作させる適切な駆動回路が、誘電泳動（ＤＥＰ）力の原理により近い視点から続けて、より詳細に検討される。
【００３８】
ＤＥＰ力は、電極がＤＥＰ力を発生させる非線形な電界を引き起こす電極間隔に対する粒子寸法の三乗の比（cubed ration）として定まる。従って、一電圧で、粒子は、例えば、ブラウン運動による力よりも大きい支配的な力を提供するよう駆動電極間隔と同様のサイズを有するべきである。より高い電圧では、間隔はより大きくなり得るが、電極間隔を可能な最小値に減らすためのあらゆる努力が依然として払われるべきである（L.Zheng、S.Ki、P.J.Burke、J.P.Brody：“Towards single molecule manipulation with dielectrophoresis using nanoelectrodes”，Proceedings of the 3rd IEEE conference on Nanotechnology，１，４３７頁（２００３年）参照）。分析及び診断のために粒子の大規模並列移動及び捕捉を提供するためには、密な配列は最も有効な解決法である。
【００３９】
４つの電極は、それらが四極子として駆動される場合に、すなわち、対向する電極は同じＡＣ相を有し且つ隣り合う電極は異なるＡＣ相を有する場合に、粒子を捕捉することができる。図７は、４つの電極１１に関して一例としてこのことを示す。図中、＋及び−の符号は、電極へ印加されるＡＣ電界の位相を示す。配列１０全体は、通常、そのような電極１１の多数から成り、トラップは、正確な位相が適用される場合に、いずれかの４つの電極の交点で発生することができる。いずれかの所望の場所でトラップを生成するよう、配列１０の各電極１１を個別にアドレッシングすることが可能でなければならない。これにより、どのＡＣ相が電極へ適用されるかを選択することが可能である。
【００４０】
上述されるように、トラップされるよう望まれる粒子のサイズは、電極間隔と深く関係している。従って、電極１１を駆動するために必要とされる電子機器を適合させるために、電極１１の下で利用可能な領域は最も有効に使用されるべきである。すなわち、電極１１の下の電子機器は、電極電界の最小サイズ、ひいては、捕捉され得る粒子の最小サイズを制限する。大きい粒子に関しては、配列は大きくなり、更に、利用可能な最も安価な技術を使用し、各電極の下にある電子機器の量をその最小値まで小さくすることによって、これを行って、この技術をその限界に至らせることが可能である。これにより、より細かい分解能及びより高価な技術を取り入れる必要性が生ずる前に、可能な最も小さい粒子が捕捉され得る。例えば、低温ポリシリコン（ＬＴＰＳ）のような大規模エレクトロニクス（ＬＡＥ（Large Area Electronics））技術は、液晶シリコンＣＭＯＳと比較される場合に、低コストで大きいガラス領域上でかかる方法を実施するために使用され得る。
【００４１】
以下では、簡単な回路解決法が、ＤＥＰトラップ配列の電極を駆動するために提案される。これは、密な配列で最も小さい可能なサイズへの電極の縮小を実現し、シリコンに基づく全ての技術を通して費用効果の高い解決法を可能にする。
【００４２】
図７は、本発明に従う駆動回路の基本レイアウトを図式的に示す。関連するマイクロ電子デバイスは電極電界の配列１０を有する。電極電界のうち先に記載された（四極子として駆動される）４つの電極１１が図中には表されている。駆動回路は、より詳細に、これらの電極１１のうち１つについて示されている。駆動回路は、電界電極１１を第１の電圧供給ＶＡへ接続し又はこれとの接続を切ることができる第１の制御可能スイッチＣＳＷ１を有する。この第１のスイッチＣＳＷ１のスイッチング状態は、コントローラＣＯＮに含まれ且つ配列１０の外側に配置されている制御回路ＣＯＣによって制御される。制御可能スイッチＣＳＷ１へのこの制御回路ＣＯＣのアクセスは、外部のアドレッシング回路ＡＤＣによってアドレッシング（選択）され得る局部アドレッシングユニットＡＤＵ１によって制御される。外部アドレッシング回路ＡＤＣは、コントローラＣＯＮの第２のモジュールである。ここまで記載された駆動回路により、電界電極１１の２つの状態が実現され得る。すなわち、電界電極は供給電圧ＶＡ又は浮遊状態を有する。
【００４３】
破線によって示されるように、望ましくは、駆動回路は、電界電極１１を第２の電圧供給ＶＢへ接続することを可能にする第２の制御可能スイッチＣＳＷ２を更に有する。第２のスイッチＣＳＷ２は、アドレッシング回路ＡＤＣによって選択され得る第２のアドレッシングユニットＡＤＵ２の制御下で制御回路ＣＯＣによって制御され得る。以下で明らかになるように、第１及び第２のアドレッシングユニットＡＤＵ１、ＡＤＵ２は、任意に同一であっても良い。スイッチＣＳＷ１、ＣＳＷ２及びアドレッシングユニットＡＤＵ１、ＡＤＵ２は、通常、電極１１の下に配置される。
【００４４】
ここで、図７の一般的なレイアウトの幾つかの具体的な実施例について、図８乃至１２を参照して、より詳細に記載する。
【００４５】
図８は、例えば、誘電泳動配列において電界電極１１を駆動するための回路の第１の実施例を示す。電界電極１１は、第１の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）Ｔ１を介して第１の電圧供給ＶＡへ及び第２のＴＦＴＴ２を介して第２の電圧供給ＶＢへ接続されている。電位ＶＡ及びＶＢは、例えば、所与の周波数のＡＣ正弦波であり、位相反転されている。すなわち、それらは、それらの間にπの位相差を有する。電極１１は、更に、負荷Ｌへ接続されるよう示されている。この負荷Ｌは、電極１１とそれに最も近い隣接電極との間の流体及び粒子のインピーダンスであり、負荷Ｌの第２の接続は、最も近い隣接電極を表している。
【００４６】
ＶＤＡＴＡラインは、アドレッシング電圧ＶＡＤＤＲによって制御されるアドレッシングトランジスタＴ３を介して、記憶のためにコンデンサＣへデジタルデータを伝える。ハイ（High）値は、Ｎ型ＴＦＴＴ２を選択し、ＡＣ電圧ＶＢを電極１１及び負荷Ｌへ供給する。一方、ロー（Low）値は、Ｐ型ＴＦＴＴ１をオンし、ＡＣ電圧ＶＡを電極１１及び負荷Ｌへ供給する。従って、電極１１の配列は、０（＋）相又はπ（−）相のＡＣ電圧を電極１１及び負荷Ｌへ供給するよう個別にプログラミングされ得る。すなわち、ＤＥＰトラップは、電極の配列内の如何なる所望の場所でも発生するようプログラミングされ得る。
【００４７】
電極１１の配列は、行アドレス電圧ＶＡＤＤＲを使用することによってライン毎にアドレッシングされ得る。アドレッシング相は短時間である（例えば、全ての行は１ミリ秒未満でアドレッシングされる。）。この時間期間にわたって、粒子はアドレッシング相の乱れにほとんど気がつかない。次いで、より長い期間の駆動相が存在する。
【００４８】
若干より複雑な場合が図９に表されている。図９は、ランダムアクセスアドレッシングを示す。電圧ＶＡＤＤＲ ＲＯＷ及びＶＡＤＤＲ ＣＯＬは、この場合に、個々の電極１１を新しいデータによりアドレッシングされるよう選択する。
【００４９】
最小の粒子のＤＥＰ捕捉を可能にするためのより一層簡単な回路を提供するために、図１０に示される回路は、前出の実施例でコンデンサＣが結合されていた基準電圧ＶＲＥＦを削除する。回路は、ＡＣ電界が停止され、例えば、ＶＡが５Ｖになり且つＶＢが−５Ｖになるアドレス相を有して動作する。次いで、デジタルデータはノードｎへ適用される。例えば、Ｖ＝±５Ｖである。全てのトラップをアドレッシングした後、ＡＣ電界が開始される。Ｃ１＝Ｃ２である場合に、電圧Ｖは保持され、次いで、選択されるＡＣ相が負荷Ｌへ伝わる。
【００５０】
電圧Ｖは、コンデンサＣ１、Ｃ２での電荷再分配が２つの逆位相の正弦波により相殺するので、前出の場合において保持される。Ｃ１＝Ｃ２である場合に、ノードｎでの電荷保持は、下記に従って初期電圧Ｖを新しい電圧Ｖ´にする。
【００５１】
電圧ＶＡはＤＣであり、ＶＡ´は付随するＡＣ電圧である。ＶＢ及びＶＢ´についても同様である。
【００５２】
ここで、電圧ＶＭは中点電圧、例えば０ボルトであり、ＶＲは振幅である。これより、Ｃ１＝Ｃ２である場合は、従って、電圧Ｖはノードで保持される。
【００５３】
Ｃ１及びＣ２についてＮ及びＰ駆動ＴＦＴＴ１、Ｔ２のＴＦＴ寄生容量を使用することが可能であるから、Ｃ１及びＣ２のサイズは原理上はゼロでありうる。しかし、アドレッシングＴＦＴＴ３の寄生容量は非対称性を引き起こし、故に、実際には、Ｃ１及びＣ２は完全にこの容量よりもわずかに大きいことが必要である。たとえそうであったとしても、これらのコンデンサは、ＡＣ相を供給するために使用される電極の下に隠され、従って、面積消費に関して無視され得る。このことは、図１０の回路を図９の回路よりもコンパクトなものとする。
【００５４】
考慮され得る更なる事項は、配列において負荷が全て連結され、これにより、アドレッシングされているラインとアドレッシングされないラインとの間に電流フローが生ずることである。良い参照を提供するよう、電力供給ラインは過度に電圧を下げるべきではない。従って、回路への簡単な追加は、図１１に示されるアドレッシング時点で電流フローをオフする余分のスイッチＴ５である。
【００５５】
図４乃至６に示される浮遊電極を用いる実施例を実現するために、３つの状態を有する電極が必要とされる。関連する駆動回路の可能な実施が図１２に示されている。３つの状態を発生させるよう、２つの記憶コンデンサＣ１及びＣ２が設けられ、ＡＣ相を選択するＴＦＴＴ１及びＴ２が個別に駆動されることを可能にする。従って、ＶＡが選択され得、あるいはＶＢが選択され得、あるいはＺ状態を与えるよういずれも選択されない（また、選択されるＶＡ及びＶＢの両方について望まれていない状態が存在する。）。回路は、データが単一のデータラインから入来し、故に、ＶＡＤＤＲ１及びＶＡＤＤＲ２パルスは夫々、ＴＦＴＴ３及びＴ６で次々に発生する必要があることを示す。また、両方のコンデンサが同時にアドレッシングされ得るように２つのデータライン及び単一のアドレスラインを有することも可能である。更に、図９に示される回路と同様に追加のアドレッシングＴＦＴによってこれをランダムアクセスに更に拡張することが可能である。
【００５６】
最後に、本願において、語“有する（comprising）”は他の構成要素又は肯定を排除するものではなく、要素の前に付された“１（又は１つ）の”という語は複数個を排除するものではなく、更に、単一のプロセッサ又は他のユニットは幾つかの手段の機能を満足することができる点に注意されたし。本発明は、ありとあらゆる新規の特徴的な事項及びこれらのありとあらゆる組み合わせにある。更に、特許請求の範囲における参照符号は、その適用範囲を限定するよう解釈されるべきではない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルを操作するマイクロ電子デバイスであって，
ａ）第１の電圧供給；
ｂ）制御回路及びアドレッシング回路を備えるコントローラ；
ｃ）電界電極の配列；
を有し、
各電界電極は：
ｃ１）選択的に前記電界電極を前記第１の電圧供給へ接続する第１の制御可能スイッチ；及び
ｃ２）当該アドレッシングユニットが前記アドレッシング回路によって選択される場合に、前記制御回路が前記第１のスイッチを制御することを可能にする第１のアドレッシングユニット；
に付随する、マイクロ電子デバイス。
【請求項２】
前記電界電極のうち少なくとも１つは、選択的に如何なる電圧供給からも接続を絶たれる、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項３】
接続を絶たれている電界電極の領域は、接続されている電界電極によって囲まれて確立される、ことを特徴とする請求項２記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項４】
第２の電圧供給を有し、
各電界電極は、選択的に当該電界電極を前記第２の電圧供給へ接続する第２の制御可能スイッチに付随する、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項５】
前記第２の制御可能スイッチは第２のアドレッシングユニットへ結合され、
前記第２のアドレッシングユニットは、当該第２のアドレッシングユニットが前記アドレッシング回路によって選択される場合に、前記制御回路が前記第２のスイッチを制御することを可能にする、ことを特徴とする請求項４記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項６】
前記第２の制御可能スイッチは前記第１のアドレッシングユニットへ結合され、
前記第１のアドレッシングユニットは、当該第１のアドレッシングユニットが前記アドレッシング回路によって選択される場合に、前記制御回路が前記第２のスイッチを制御することを可能にする、ことを特徴とする請求項４記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項７】
前記第１の制御可能スイッチ及び／又は前記第２の制御可能スイッチは、夫々、前記制御回路によって提供されるスイッチング状態情報を記憶する第１又は第２のコンデンサを有する、請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項８】
前記第１の制御可能スイッチ及び／又は前記第２の制御可能スイッチは、第１又は第２のトランジスタを夫々有し、
前記第１又は第２のスイッチは、夫々、自身のゲートを前記第１又は第２のコンデンサと接続する、ことを特徴とする請求項７記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項９】
前記第２のトランジスタのゲートは、前記第１のトランジスタのゲートに対して反転している、ことを特徴とする請求項８記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１０】
前記第１及び第２のコンデンサは同じ部品によって実現される、ことを特徴とする請求項７記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１１】
前記第１のコンデンサ及び／又は前記第２のコンデンサは、１つの端子により基準電圧へ結合される、ことを特徴とする請求項７記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１２】
前記第１のコンデンサは、１つの端子により前記第２の電圧供給へ結合され、
前記第２のコンデンサは、１つの端子により前記第１の電圧供給へ結合される、
ことを特徴とする請求項４又は７記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１３】
前記第１及び第２のコンデンサは、自身の第２の端子により互いへ結合される、ことを特徴とする請求項１２記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１４】
関連するアドレッシングユニットが選択される場合に少なくとも１つの電界電極を如何なる電圧供給からも切断する少なくとも１つの付加的なスイッチを有する、請求項１記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１５】
前記コントローラは、粒子が前記電界電極の配列の上でサンプルチェンバにおいて操作され、捕捉され及び／又は動かされ得るように、前記電界電極の配列を駆動するよう構成される、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１６】
前記第１の電圧供給及び前記第２の電圧供給は、位相反転されている交流電圧を供給する、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１７】
望ましくは低温ポリシリコンを有する大規模エレクトロニクス又はＣＭＯＳテクノロジにおいて実現される、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１８】
電界電極の配列の上でのサンプルチェンバにおける粒子の操作のための方法であって、
前記電界電極は、正又は負の電位にある電極及び浮遊電位にある電極を有するパターンにおいて駆動される、方法。
【請求項１９】
分子診断学、生体サンプル分析、又は化学サンプル分析のための、請求項１乃至１７のうちいずれか一項記載のマイクロ電子デバイスの使用。
【請求項１】
サンプルを操作するマイクロ電子デバイスであって，
ａ）第１の電圧供給；
ｂ）制御回路及びアドレッシング回路を備えるコントローラ；
ｃ）電界電極の配列；
を有し、
各電界電極は：
ｃ１）選択的に前記電界電極を前記第１の電圧供給へ接続する第１の制御可能スイッチ；及び
ｃ２）当該アドレッシングユニットが前記アドレッシング回路によって選択される場合に、前記制御回路が前記第１のスイッチを制御することを可能にする第１のアドレッシングユニット；
に付随する、マイクロ電子デバイス。
【請求項２】
前記電界電極のうち少なくとも１つは、選択的に如何なる電圧供給からも接続を絶たれる、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項３】
接続を絶たれている電界電極の領域は、接続されている電界電極によって囲まれて確立される、ことを特徴とする請求項２記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項４】
第２の電圧供給を有し、
各電界電極は、選択的に当該電界電極を前記第２の電圧供給へ接続する第２の制御可能スイッチに付随する、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項５】
前記第２の制御可能スイッチは第２のアドレッシングユニットへ結合され、
前記第２のアドレッシングユニットは、当該第２のアドレッシングユニットが前記アドレッシング回路によって選択される場合に、前記制御回路が前記第２のスイッチを制御することを可能にする、ことを特徴とする請求項４記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項６】
前記第２の制御可能スイッチは前記第１のアドレッシングユニットへ結合され、
前記第１のアドレッシングユニットは、当該第１のアドレッシングユニットが前記アドレッシング回路によって選択される場合に、前記制御回路が前記第２のスイッチを制御することを可能にする、ことを特徴とする請求項４記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項７】
前記第１の制御可能スイッチ及び／又は前記第２の制御可能スイッチは、夫々、前記制御回路によって提供されるスイッチング状態情報を記憶する第１又は第２のコンデンサを有する、請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項８】
前記第１の制御可能スイッチ及び／又は前記第２の制御可能スイッチは、第１又は第２のトランジスタを夫々有し、
前記第１又は第２のスイッチは、夫々、自身のゲートを前記第１又は第２のコンデンサと接続する、ことを特徴とする請求項７記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項９】
前記第２のトランジスタのゲートは、前記第１のトランジスタのゲートに対して反転している、ことを特徴とする請求項８記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１０】
前記第１及び第２のコンデンサは同じ部品によって実現される、ことを特徴とする請求項７記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１１】
前記第１のコンデンサ及び／又は前記第２のコンデンサは、１つの端子により基準電圧へ結合される、ことを特徴とする請求項７記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１２】
前記第１のコンデンサは、１つの端子により前記第２の電圧供給へ結合され、
前記第２のコンデンサは、１つの端子により前記第１の電圧供給へ結合される、
ことを特徴とする請求項４又は７記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１３】
前記第１及び第２のコンデンサは、自身の第２の端子により互いへ結合される、ことを特徴とする請求項１２記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１４】
関連するアドレッシングユニットが選択される場合に少なくとも１つの電界電極を如何なる電圧供給からも切断する少なくとも１つの付加的なスイッチを有する、請求項１記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１５】
前記コントローラは、粒子が前記電界電極の配列の上でサンプルチェンバにおいて操作され、捕捉され及び／又は動かされ得るように、前記電界電極の配列を駆動するよう構成される、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１６】
前記第１の電圧供給及び前記第２の電圧供給は、位相反転されている交流電圧を供給する、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１７】
望ましくは低温ポリシリコンを有する大規模エレクトロニクス又はＣＭＯＳテクノロジにおいて実現される、ことを特徴とする請求項１記載のマイクロ電子デバイス。
【請求項１８】
電界電極の配列の上でのサンプルチェンバにおける粒子の操作のための方法であって、
前記電界電極は、正又は負の電位にある電極及び浮遊電位にある電極を有するパターンにおいて駆動される、方法。
【請求項１９】
分子診断学、生体サンプル分析、又は化学サンプル分析のための、請求項１乃至１７のうちいずれか一項記載のマイクロ電子デバイスの使用。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公表番号】特表２０１０−５００１８１（Ｐ２０１０−５００１８１Ａ）
【公表日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５２３３７６（Ｐ２００９−５２３３７６）
【出願日】平成１９年７月１０日（２００７．７．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００７／０５２７３９
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０１７９６９
【国際公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【出願人】（５９００００２４８）コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (12,071)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月１０日（２００７．７．１０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００７／０５２７３９
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０１７９６９
【国際公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【出願人】（５９００００２４８）コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ (12,071)
【Ｆターム（参考）】
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