微粒子の分析および操作のためのナノ構造表面
【課題】 微粒子の破壊または試験を容易にすること。
【解決手段】 本発明は第１の剛性面を有する第１の機械的構造体を備えた装置を提供し、前記第１の剛性面のある領域はナノ構造表面を有する。本装置は、第２の剛性面を有しかつ前記第１の機械的構造体に対向する第２の機械的構造体も含む。第２の剛性面は微細粒子がナノ構造表面と第２の剛性面との間に位置できるようにナノ構造表面と協働可能である。
【解決手段】 本発明は第１の剛性面を有する第１の機械的構造体を備えた装置を提供し、前記第１の剛性面のある領域はナノ構造表面を有する。本装置は、第２の剛性面を有しかつ前記第１の機械的構造体に対向する第２の機械的構造体も含む。第２の剛性面は微細粒子がナノ構造表面と第２の剛性面との間に位置できるようにナノ構造表面と協働可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に微粒子を試験および破壊する装置および方法に向けたものである。
【背景技術】
【０００２】
多くの生物学的用途では、その成分を分析することができるように微粒子を破壊すること、または無処理の微粒子を同定または特徴付けすることが望ましい。例えば、軍事、医療、農業、および食品調整用途における細菌細胞または他の細胞の存在および濃度を監視する、費用効果が高く、高速の方法の開発に大きな関心がある。多くの場合、細胞の分析には、細胞の成分を分析できるようにそれを破壊する必要がある。しかし、微粒子のタイプによっては破壊は問題になる。
【０００３】
例えば、応力を加えられるか、または栄養素が足りないと、栄養細菌細胞は、より一般的には胞子と呼ばれる休眠胞子に分化し得る。胞子は機械攪拌、紫外線およびガンマ線照射、加熱、および化学的処理などの種々の物理的処理による不活化および破壊に対して高い抵抗性がある。破壊を達成するにはマイクロ波または超音波装置などの大型で複雑な装置を必要とするので、そのような細胞を検出および分析するコストは著しく増大し、その速度は遅くなる。また、現在破壊に使用される厳しい条件は不注意に細胞の成分を傷つける恐れがある。例えば、界面活性剤の化学反応または超音波破砕により生じる物理的応力を用いた破壊は、細胞内のＤＮＡ、タンパク質、または他の成分を損傷または変性させ得る。同じような懸念は非生物的微粒子の分析に対して存在する。
【非特許文献１】ＴＣ ＣｈａｎｇとＡＨ Ｈｕａｎｇ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ、２０００年１０月、３５８９〜３５９４頁、第３８巻１０号
【非特許文献２】Ｔｈｅ Ｓｅｖｅｎｔｈ Ｆｏｒｅｓｉｇｈｔ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９９５年１０月１５〜１７日、カリフォルニア州サンタクララ、Ｍ．Ｐ．Ｈｕｇｈｅｓ、ＡＣ Ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃｓ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
【特許文献１】米国特許出願第２００３／０１８６４３０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は微粒子の破壊または試験を容易にするためにナノ構造表面を用いた装置のほか、このような装置を使用および製造する方法を提供することによって上記問題を解決する。
【０００５】
上記欠点に対処するために、本発明の一実施形態は第１および第２の機械的構造体を備えた装置を提供する。第１の機械的構造体は第１の剛性面を有する。第１の剛性面のある領域はナノ構造表面を有する。第２の機械的構造体は第２の剛性面を有する。第２の剛性面は第１の機械的構造体に対向しており、微粒子がナノ構造表面と第２の剛性面との間に位置するようにナノ構造表面と協働可能である。
【０００６】
本発明の別の実施形態は使用方法である。本方法は上記装置のある実施形態内に複数の微細粒子を設置する工程、およびナノ構造表面および第２の剛性面を用いて前記複数の微細粒子に力を加える工程を含む。
【０００７】
本発明のさらに別の実施形態は、装置を製造する方法である。本製造方法は第１の剛性面を有する第１の機械的構造体を形成する工程および第１の剛性面のある領域内にナノ構造体を形成する工程を含む。本製造方法は第２の剛性面を有する第２の機械的構造体を形成する工程も含む。第２の機械的構造体は表面がナノ構造体と第２の剛性面との間に位置決め可能な微細粒子に力を加えるように、第２の剛性面が第１の機械的構造体に対向し対向し、かつナノ構造体と共同可能なように位置決めされる。
【０００８】
本発明は添付図面を参照しながら、以下の詳細な説明により最もよく理解される。種々の形体は原寸大でないかもしれず、任意には説明をわかり易くするために拡大または縮小されているかもしれない。ここで、添付図面に関して記載した以下の説明を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は微粒子の試験または破壊を容易にするナノ構造体の有利な使用を認識している。ナノ構造表面は小さな接触面積を提供し、故にナノ構造粒子表面に高い応力が発現するのを促進するので望ましい。本願明細書で用いるナノ構造表面という用語は、突出構造体のアレイを有する表面として定義され、各構造体は約５０ナノメートル〜約１０００ナノメートルの横方向寸法を有する。有利にはナノ構造表面を用いて、規則的な非構造化表面を使用する従来の破壊技術と比較してその成分への損傷を最小にして、微粒子を破壊することができる。有利にはナノ構造体を用いて微粒子の情報の収集を容易にすることもできる。このような情報は微粒子の弾性特性を測定すること、微粒子が破壊されるときを判定すること、または微粒子の身元を確立することを含み得る。
【００１０】
図１は微粒子に接触力を加える例示的装置１００の一部分の断面図を示している。装置１００は第１の剛性面１１０を有する第１の機械的構造体１０５を含む。第１の剛性面１１０の領域１１５はナノ構造表面１２０を有する。装置１００は第２の剛性面１３０を有する第２の機械的構造体１２５をさらに含む。第２の剛性面１３０は第１の機械的構造体１０５に対向し、微細粒子１３５がナノ構造表面１２０と第２の剛性面１３０との間に位置可能であるようにナノ構造表面１２０と協働可能である。
【００１１】
当業者であれば、第２の剛性面１３０とナノ構造表面１２０との間に微粒子１３５を位置させるようにナノ構造表面１２０および第２の剛性面１３０が協働し得る非常に多くの形態が理解されよう。図１に示した例示的装置１００では、第２の剛性面１３０は微細粒子１３５がナノ構造表面１２０と第２の剛性面１３０との間に位置することができるように、ナノ構造表面１２０の上に距離１３７を置いて位置決めされている。ナノ構造表面１２０と第２の剛性面１３０との間の距離１３７を調整して、これら表面１２０と１３０の間に微細粒子１３５を保持することを容易にすることができる。例えば、いくつかの場合、距離１３７は微粒子１３５の平均径１３９の約２倍未満である。
【００１２】
ナノ構造表面１２０は当業者にはよく知られた手順を用いて第１の機械的構造体１０５の表面１１０をドライ・エッチングすることによって作製され得る。第１および第２の機械的構造体１０５、１２５はシリコン・ウェハなどの第１および第２の半導体基板をそれぞれ含み得る。ある場合には、第２の剛性面１３０がナノ構造表面を有することも有利である。
【００１３】
図１はピン１４０を含んだ好適なナノ構造表面１２０を示している。本願明細書では「ピン」という用語は、円柱、四角形、三角形、角柱、角錐、矩形構造体、またはこれらを組合せたものを含む々の形状を有する構造体を示すために用いている。例えば、ある場合には、ナノ構造表面１２０は微粒子１３５を破壊するように構成された一方向性の刃などの刃１４２を有し得る。ある場合には、ピン１４０を一次元アレイに配置して鋸状部を形成するか、または二次元アレイに配置してグラス状構造体を形成することが有利である。例えば、図１はナノグラス１４５を含んだナノ構造表面１２０の断面図を示している。
【００１４】
微粒子１３５は植物細胞、動物細胞、または細菌細胞を含む生体細胞を含み得る。ある場合には、微粒子１３５は炭疽菌、枯草菌、または土壌細菌などの細菌胞子である。別の場合には、微粒子１３５はマイクロスフェアなどの非生物粒子を含み得る。いくつかの好適なマイクロスフェアは、球体内部に化学薬品を保持するラテックス・スフェアを含む。装置１００のいくつかの実施形態では、２つ以上の微粒子１３５をナノ構造表面１２０と第２の剛性面１３０との間に位置させることができる。
【００１５】
図１に示した実施形態では、第１の剛性面１１０および第２の剛性面第２の剛性面１３０の一方または両方は相互に対して可動であり、これによりナノ構造表面１２０を通して協働して接触力を微細粒子１３５に加えることができる。ナノ構造表面１２０のある望ましい実施形態により、ナノ構造表面１２０が微細粒子１３５に接することが確実にできるようになる。有利なナノ構造表面１２０は、微細粒子１３５の平均径１５５の約１／２より小さいピッチ１５０を有するようになされたピン１４０を含み得る。ある場合には、ピン１４０は微細粒子１３５の平均径１５５の約１／１０未満の直径１６０を有する。
【００１６】
第１および第２の剛性面１１０、１３０は、ナノ構造表面１２０と第２の剛性面１３０との間の微粒子１３５の場所に関係なく、よく制御された様式で接触力を確実に加えることができるようにするので、実質的に平坦であることが望ましい。さらに、第１および第２の剛性面１１０、１３０を相互に実質的に平行になるように位置決めすることにより、接触力を加えながら、ナノ構造表面１２０と第２の剛性面１３０との間に微粒子１３５を保持することができる。しかし、他の場合、第１および第２の剛性面１１０、１３０は凸形、凹形、または他の形状を有してよい。
【００１７】
微粒子１３５を破壊するように接触力をデザインする場合、微粒子１３５の膜またはコーティング１６５の溶解を容易にするようにピン径１６０を構成することが望ましい。ある場合には、直径１６０は１μｍ未満であり、より好適には約４００ナノメートル未満である。場合によっては、ピン１４０の先端は狭くなっているか、または尖っていることが望ましい。これは微粒子１３５に非常に局所的に力を加えることを容易にして、その膜またはコーティング１６５を効果的に破壊することができるためである。ある場合には、先端径１７０はピン径１６０の１／２〜１／１０である。
【００１８】
他の場合には、接触力は微粒子１３５の弾性特性などの微粒子１３５の情報を集めるようにデザインされる。例えば、接触力を徐々に大きくして微粒子１３５に加えれば、微粒子１３５の圧縮率を調べることが可能となる。圧縮率の測定値を用いて、微粒子１３５の状態、例えば栄養細菌細胞対活性細菌細胞を試験することができる。このような用途では、微粒子１３５を破壊しないために、先端径１７０はピン径１６０とほぼ同じ長さであることが望ましい。
【００１９】
図１に示したように、ピッチ１５０および高さ１７５はナノ構造表面１２０を含んだ領域１１５にわたって共に均一であり得る。装置１００のいくつかの好適な実施形態では、ピッチ１５０は約０．５〜５μｍの範囲である。しかし、ある場合には、領域１５０のピッチ１５０は不均一であることが有利であるが、これは大きさの異なる微粒子１３５に接触力を加えることを可能にするためである。ピッチ１５０が不均一であることにより、領域１１５の種々の領域に位置決めした同じ大きさの微粒子１３５に種々の力を加えることも容易になる。ピッチ１５０が不均一であることにより、ナノ構造表面１２０と第２の剛性面１３０との間に微粒子１３５を保持することもできるようにもなる。上記と同じ理由で、ピン１４０の高さ１７５が不均一であることも有利となり得る。ある場合には、高さ１７５は約１μｍ〜７ナノメートルの範囲である。
【００２０】
図１にさらに示したように、装置１００のいくつかの実施形態は、破壊されたときに微粒子１３５から放出される物質を分析するように構成されたシステム１８０をさらに含む。装置１８０の非限定的な例には、免疫アッセイまたは核酸アッセイ、クロマトグラフィ分析または分光分析、あるいはこれらを組合せたものを実行する機械を含む。いくつかの実施形態では、システム１８０は微粒子１３５から放出された物質または化学薬品をシステム１８０まで導く微小流体チャネルなどのチャネル１８２を介して装置１００に結合される。第１の剛性面１１０または第２の剛性面１３０の一方または両方が、透過膜１９０を形成する開口部１８５をさらに含むことが有利であり得る。図１に示した実施形態では、第１の剛性面１１０の領域１１５は開口部１８５を含んでいる。
【００２１】
装置１００は微粒子１３５から放出された物質を開口部１８５を通すように構成されたポンプまたは他の液圧機械などのデバイス１９５をさらに含み得る。例えば、デバイス１９５は、透過膜１９０にわたって洗剤、変性剤、または水などの液体などの化学反応性物質を含む補足的な物質を灌注することによって通過を容易にし得る。
【００２２】
図２は微粒子１３５に電流を印加する第２の例示的装置２００の断面図を示している。図１に示した装置に類似する装置２００の要素には同じ参照番号を付してある。装置２００の第１の剛性面１１０および第２の剛性面１３０は協働して、ナノ構造表面１２０を通して電磁力を含む力を微粒子１３５に加えることができる。例えば、ピン２０５を通して微粒子１３５の表面１６５を通せば、微粒子１３５の上に電磁力が発生する。
【００２３】
図２に示したような装置２００の好適な実施形態では、ナノ構造表面１２０は導電性コア２１０を有するピン２０５を含む。導電性コア２１０および第２の剛性面１３０は電圧源２１５に電気的に結合されている。図２に示したように、複数の導電性コア２１０は第１の機械的構造体１０５内で１つまたは複数の導電性ライン２１７を介して、電気的に相互に結合され得る。導電性コア２１０および導電性ライン２１７はドープシリコンを含み得る。導電性コア２１０および第２の剛性面１３０は、電圧源２１５が導電性コア２１０と第２の剛性面１３０との間に電位を印加するときに微粒子１３５に電流を伝えるように構成されている。
【００２４】
微粒子１３５まで通される電流の強度は、微粒子１３５の特性の情報を集めるか、または微粒子１３５を破壊するかのいずれかのために、必要に応じて種々の電圧を印加することによって変えることができる。低電圧（例えば、約１Ｖ未満）を用いてピン２０５の導電性コア２１０を通して十分な電流を生成して、非常に高い局所的な電力散逸を発生することができる。次に、これは熱的損傷または電気的破壊を発生させて、微粒子の膜またはコーティング１６５を破壊することができる。
【００２５】
さらに低い電圧（例えば、約０．１Ｖ未満）を用いて微粒子１３５の電気的特性を測定することができる。当業者においては、静電容量、インピーダンス、または導電率などのその電気的特性を測定することによる異なる種類の細胞の識別はよく知られている。その全体を本願明細書に援用した、ＴＣ ＣｈａｎｇとＡＨ Ｈｕａｎｇ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ、２０００年１０月、３５８９〜３５９４頁、第３８巻１０号を参照すること。装置２００のいくつかの実施形態では、電気インピーダンスを測定するために、電流を導電性コア２１０から微粒子１３５を介して第２の剛性面１３０まで通す。微粒子１３５の電気インピーダンスはその種類に応じて変化し得る。例えば、異なるタイプの細菌に対しては電気インピーダンスは異なり得る。微粒子１３５の電気インピーダンスは、微粒子１３５が破壊されたか否か、または微粒子１３５の状態、例えば栄養細菌細胞対活性細菌細胞かに応じても異なり得る。例えば、微粒子１３５を破壊すれば、その成分、例えば、細胞質を周囲の流体に溢れさせて、導電率を増大させるとともに検出可能な電気インピーダンスの変化を発生させることができる。
【００２６】
当業者は例えばドープシリコン基板をドライ・エッチングすることによって、導電性コア２１０を有するピン２０５を製造する方法を熟知している。ある場合には、図２に示したように、ピン２０５は絶縁層２２０をさらに含んでおり、導電性コア２１０の先端部２２５のみが絶縁されていない。このような構成は有利には、絶縁されていない導電性コア２１０を用いるよりも、所与の電位を得るためにより大きな電流を微粒子１３５まで通すことができる。絶縁層２２０を作製する方法も当業者には知られている。例えば、絶縁層２２０は、従来の熱酸化工程によって、かつ導電性先端部２２５を従来のエッチング工程に晒すことによって導電性コア２１０の周囲に共形的に成長させた二酸化シリコンを含み得る。
【００２７】
図３は微粒子１３５に電界を印加する第３の例示的装置３００の断面図を示している。図１および２に示した装置に類似する装置３００の構成要素には同じ参照番号を付している。装置３００の第１の剛性面１１０および第２の剛性面１３０は協働して、ナノ構造表面１２０を通して微細粒子１３５に電気力を含む力を加えることができる。
【００２８】
図２に示した装置と同様、装置３００の好適な実施形態は絶縁層３１５で被覆した導電性コア３１０を有するピンを含む。導電性コア３１０および第２の剛性面１３０は電圧源２１５に電気的に結合されている。導電性コア３１０および第２の剛性面１３０は、電圧源２１５が導電性コア３１０と第２の剛性面１３０との間に電圧を印加するときに微粒子１３５に電界を印加するように構成されている。例えば、電圧を印加することにより、微粒子１３５の特性に関する情報を集めるため、または微粒子１３５を破壊するために用いることのできる局所的に高い電界をピン３０５の先端部３２０に印加することができる。
【００２９】
当業者であれば、誘電泳動および電気的回転などの微粒子１３５を操作、分離、または破壊するための種々の界面動電的な方法を熟知しているであろう。共にその全体を本願明細書に援用した、Ｔｈｅ Ｓｅｖｅｎｔｈ Ｆｏｒｅｓｉｇｈｔ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９９５年１０月１５〜１７日、カリフォルニア州サンタクララ、Ｍ．Ｐ．Ｈｕｇｈｅｓ、ＡＣ Ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃｓ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙおよび米国特許出願第２００３／０１８６４３０号を参照すること。例えば、細胞などの誘電性微粒子１３５を外部電界に曝露すると、それは分極化するであろう。誘発双極子の大きさおよび方向は、微粒子１３５のフィールド周波数および誘電性（例えば、その導電率および誘電率）に左右されるであろう。電界が不均一であれば、誘発双極子および外部電界の相互作用に起因して電気力が生じるであろう。
【００３０】
図４は微粒子１３５に音波を印加する第４の例示的装置４００の断面図を示している。図１に示した装置に類似する装置４００の構成要素には同じ参照番号を付してある。装置４００の第１の剛性面１１０および第２の剛性面１３０は協働して、ナノ構造表面１２０を通して微細粒子１３５に音波を含む力を加えることができる。
【００３１】
図１に示した装置１００と同様、装置４００の好適な実施形態はピン４０５を含む。ピン４０５は上に記載し、図１〜３に示した構造または形状、あるいはそれらを組合せたもののいずれも有し得る。装置４００は第１の剛性面または第２の剛性面１１０、１３０の少なくとも一方に通される音波を発生するように構成されたデバイス４１０をさらに含んでいる。ある場合には、デバイス４１０は圧電材料を含み、図４に示したように、ナノ構造表面１２０が位置する、第１の機械的構造体１０５の領域１１５に隣接する第１の剛性面１１０に結合されている。装置４００のある実施形態では、圧電材料はピン４０５に超音波を印加するように構成される。
【００３２】
デバイス４１０の圧電材料に振動性の電位を印加すれば、ピン４０５から微粒子１３５まで音響力が伝達させられる。この音響力を用いて微粒子１３５を破壊するか、別の場合には微粒子１３５の情報を集めることができる。ある波長の超音波はピン４０５と協働して、超音波がピン４０５を伝搬するときに回折効果および干渉効果を超音波に誘起することによって、音響力を変化させる。これによって次に、ピン４０５の先端部４１５においては音響力に対する集束効果が発生し得る。例えば、音波はピン４０５の長手軸４２０を下方に移動して、先端部４１５から出て行き得る。ピン４０５の直径４２５に相当する波長を有する音波はピン４０５の内部に含まれており、その結果より集束された音響力が先端部４１５から発射される。ある場合には、音響力はピン４２０に半球状の先端部４３０または円錐状の先端部４３５を設けることによって、より大きな集束が達成される。ある場合には、音響力はピン４０５間の側方空間４４０に相当する波長を有する音波を提供することによって、さらなる集束が達成される。
【００３３】
装置４００のある実施形態では、１つまたは複数のトランスデューサ４４５が反射または屈折した音響インピーダンスを収集して分析に供する。例えば、微粒子の音速を微粒子の密度と掛け合せたものである音響インピーダンスを測定すれば、微粒子１３５が破壊されたか否かを調べることができる。同じく、微粒子１３５の音響インピーダンスを用いて、その状態、例えば栄養細菌細胞対活性細菌細胞、あるいは種類、例えば特定の種類の細菌細胞を調べることができる。
【００３４】
わかり易くするために、上記装置の種々の態様を別個に説明し、図１〜４に示した。しかし、本発明の装置は、図１に関連して考察した、ピン、およびシステム１８０、開口部１８５、膜１９０、およびデバイス１９５などの他の構成要素などの、上記ナノ構造表面の全部または一部を含んでよい。一例として、さらに図１および４を参照すると、領域１１５はナノ構造表面１２０を通して接触力および音響力の一方または両方を印加することにより微粒子１３５を破壊するように構成されたピン１４０、４０５を含み得る。機械的力、電流力、電界力、および音響力のほか開口部１８５を通して送られる溶剤の他の組合せを提供する装置が、当業者であれば容易に想起されよう。同じく、種々の力の上記組合せを用いて微粒子１３５の破壊を達成することができるだけでなく、破壊工程と同時に、または別個の工程においてその（機械的、電気的等の）物理的特性を分析することもできる。
【００３５】
本発明の別の実施形態は使用方法である。図５〜６は微粒子を破壊する方法の選択されたステージの例示的装置の断面図を示している。まず図５を参照すると、装置５００内に微粒子５０５を設置した後の装置５００を示している。装置５００は上記で説明し、かつ図１〜４に示した実施形態のいずれも含み得る。図５に示したように、第１の機械的構造体５１０は第１の剛性面５１５を有しており、第１の剛性面５１５の領域５２０はナノ構造表面５２５を有している。図５にさらに示しているように、ある場合には、第１の機械的構造体５１０はその上にシリコン基板５３５を有する固定ステージ５３０を含んでいる。領域５２０はドライ・エッチングしてナノピン５４０を含んだナノ構造表面５２５を形成するシリコン基板５３５の一部を含んでいる。
【００３６】
装置５００は第１の機械的構造体５１０に対向する第２の剛性面５５０を有する第２の機械的構造体５４５をさらに含む。図５に示した実施形態では、第２の剛性面５５０はピン５５４を含んだ第２のナノ構造表面５５２も有する。図示した特定の実施形態では、微粒子５０５の溶解を促進するために、第２のナノ構造表面５５２のピン５５４はナノ構造表面５２５のピン５４０からずらされて１対の相互に入り込んだナノ構造表面５２５、５５２を形成している。第２の機械的構造体５４５はその上に第２の基板５６０を有する並進ステージ５５５も含み得、前記第２の基板５６０は第２の剛性面５５０を含む。並進ステージ５５５は第１の機械的構造体５１０に対向する第２の剛性面５５０の正確な動きを容易にするために、顕微鏡ステージまたはマイクロマニピュレータに使用されるようなばね荷重式デバイスを含み得る。
【００３７】
図５に示したように、第２の剛性面５５０は微細粒子５０５がナノ構造表面５２５と第２の剛性面５５０との間に位置するようにナノ構造表面５２５２と協働する。ナノ構造表面５２５と第２の剛性面５５０との間の距離５６５を調整して、装置５００を用いながら、このような表面５２５、５５０の間に微細粒子５０５を位置させたままにしておくのを容易にすることができる。ある場合には、距離５６５は微粒子５０５の平均径５７０の約２倍未満である。別の場合には、ナノ構造表面５２５および第２の剛性面５５０の表面を調整して、微粒子５０５をこのような表面５２５、５５０の間に保持することを容易にする。図５に示したように、ナノ構造表面５２５および第２の剛性面５５０は共に平坦な形状を有し得、互いに平行であり得る。他の場合には、ナノ構造表面５２５は凸形を有し、第２の剛性面５５０は凹形を有する。上記のように、他の組合せの形状の表面も本発明の範囲にある。
【００３８】
ここで図６を参照すると、ナノ構造表面５２５および第２の剛性面５５０を用いて微細粒子５０５に力を加えた後の装置５００を示している。図６に示した方法の特定の実施形態については、力は第１および第２の剛性面５１５、５５０が互いに向かって動いたときに発生する接触力である。例えば、第２の剛性面５５０はナノ構造表面５２５に向かって動かされて、例えばその周囲の膜またはコーティング６０５溶解することによって、微細粒子５０５を破壊するのに十分な接触力を発生する。
【００３９】
他の種類の力を微粒子５０５に加えることができることは、上記考察からすぐに明白となろう。この力はナノ構造表面５２５および第２の剛性面５５０にわたって電圧を印加したときに発生する電界または電流を含み得る。さらに、この力は第１または第２の剛性面５１５、５５０の一方または両方に音響力を加えたときに発生する超音波を含み得る。
【００４０】
本発明のさらに別の実施形態は装置を製造する方法である。図７〜１０は本発明の原理に従って装置７００を製造する例示的な方法の断面図を示している。図１〜６に示した装置の上記実施形態のいずれも、本製造方法に含むことができる。
ここで図７を参照すると、第１の剛性面７１０を有する第１の機械的構造体７０５を形成した後に部分的に構成した装置７００を示している。ある場合には、第１の機械的構造体７０５はシリコン・ウェハなどの半導体基板を含み、またある場合には、機械的剛性を増大させる表面材料、例えば、ＳｉＯ２層、窒化シリコン、または電気めっきした金属層を含む。
【００４１】
ここで図８を参照すると、第１の剛性面７１０の領域８１０内にナノ構造体８０５を形成した後に部分的に構成した装置７００を示している。図示のように、ナノ構造体８０５は、この場合にはナノグラス８２５を形成するピン８２０を有する表面８１５を含み得る。ピン８２０は例えば第１の機械的構造体７０５の部分を除去するために、従来のリソグラフィ法またはドライ・エッチング法を用いて形成され得る。別の場合には、ナノ構造体８０５はフォトレジストを用いて表面８１５をパタン化し、前記パタンの上にニッケルなどの勤続を電気めっきし、かつ前記フォトレジストを除去することによって形成され得る。当業者にはナノ構造体８０５を形成する従来の他の方法が容易に明白となろう。
【００４２】
図９は第２の剛性面９１０を有する第２の機械的構造体９０５を形成した後の部分的に構成した装置７００を示している。ある場合には、第２の機械的構造体９０５はシリコン・ウェハなどの第２の半導体基板を含む。図示のように、ある場合には、第２の剛性面９１０は平坦であるが、他の場合には、第２の剛性面９１０の一部分をパタン化して、第１の剛性面７１０のナノ構造体８０５と同じか、または異なり得るナノ構造体が形成される。
【００４３】
図１０にさらに示したように、第２の機械的構造体９０５は第１の機械的構造体７０５と対向するように位置決めされる。第２の機械的構造体９０５は微細粒子１００５がナノ構造体８０５と第２の剛性面９１０との間に位置可能であるようにナノ構造体８０５と協働可能である。例えば、位置決め工程には、ナノ構造体８０５と第２の剛性面９１０との間の距離１０１０が微粒子１００５の平均径１０１５の約２倍未満になるように調整する工程を含む。
【００４４】
本発明を詳細に説明してきたが、当業者は本発明の範囲から逸脱せずに、本願明細書に記載の種々の変形物、代替物、および改変を作ることができることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】微粒子に接触力を加える例示的装置を示す断面図である。
【図２】微粒子に電流を印加する第２の例示的装置を示す断面図である。
【図３】微粒子に電界を印加する第３の例示的装置を示す断面図である。
【図４】微粒子に音波を加える第４の例示的装置を示す断面図である。
【図５】微粒子を破壊するための方法において選択されたステージの例示的装置を示す断面図である。
【図６】微粒子を破壊するための方法において選択されたステージの例示的装置を示す断面図である。
【図７】本発明の原理に従って装置を製造する例示的方法を示す断面図である。
【図８】本発明の原理に従って装置を製造する例示的方法を示す断面図である。
【図９】本発明の原理に従って装置を製造する例示的方法を示す断面図である。
【図１０】本発明の原理に従って装置を製造する例示的方法を示す断面図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に微粒子を試験および破壊する装置および方法に向けたものである。
【背景技術】
【０００２】
多くの生物学的用途では、その成分を分析することができるように微粒子を破壊すること、または無処理の微粒子を同定または特徴付けすることが望ましい。例えば、軍事、医療、農業、および食品調整用途における細菌細胞または他の細胞の存在および濃度を監視する、費用効果が高く、高速の方法の開発に大きな関心がある。多くの場合、細胞の分析には、細胞の成分を分析できるようにそれを破壊する必要がある。しかし、微粒子のタイプによっては破壊は問題になる。
【０００３】
例えば、応力を加えられるか、または栄養素が足りないと、栄養細菌細胞は、より一般的には胞子と呼ばれる休眠胞子に分化し得る。胞子は機械攪拌、紫外線およびガンマ線照射、加熱、および化学的処理などの種々の物理的処理による不活化および破壊に対して高い抵抗性がある。破壊を達成するにはマイクロ波または超音波装置などの大型で複雑な装置を必要とするので、そのような細胞を検出および分析するコストは著しく増大し、その速度は遅くなる。また、現在破壊に使用される厳しい条件は不注意に細胞の成分を傷つける恐れがある。例えば、界面活性剤の化学反応または超音波破砕により生じる物理的応力を用いた破壊は、細胞内のＤＮＡ、タンパク質、または他の成分を損傷または変性させ得る。同じような懸念は非生物的微粒子の分析に対して存在する。
【非特許文献１】ＴＣ ＣｈａｎｇとＡＨ Ｈｕａｎｇ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ、２０００年１０月、３５８９〜３５９４頁、第３８巻１０号
【非特許文献２】Ｔｈｅ Ｓｅｖｅｎｔｈ Ｆｏｒｅｓｉｇｈｔ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９９５年１０月１５〜１７日、カリフォルニア州サンタクララ、Ｍ．Ｐ．Ｈｕｇｈｅｓ、ＡＣ Ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃｓ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
【特許文献１】米国特許出願第２００３／０１８６４３０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は微粒子の破壊または試験を容易にするためにナノ構造表面を用いた装置のほか、このような装置を使用および製造する方法を提供することによって上記問題を解決する。
【０００５】
上記欠点に対処するために、本発明の一実施形態は第１および第２の機械的構造体を備えた装置を提供する。第１の機械的構造体は第１の剛性面を有する。第１の剛性面のある領域はナノ構造表面を有する。第２の機械的構造体は第２の剛性面を有する。第２の剛性面は第１の機械的構造体に対向しており、微粒子がナノ構造表面と第２の剛性面との間に位置するようにナノ構造表面と協働可能である。
【０００６】
本発明の別の実施形態は使用方法である。本方法は上記装置のある実施形態内に複数の微細粒子を設置する工程、およびナノ構造表面および第２の剛性面を用いて前記複数の微細粒子に力を加える工程を含む。
【０００７】
本発明のさらに別の実施形態は、装置を製造する方法である。本製造方法は第１の剛性面を有する第１の機械的構造体を形成する工程および第１の剛性面のある領域内にナノ構造体を形成する工程を含む。本製造方法は第２の剛性面を有する第２の機械的構造体を形成する工程も含む。第２の機械的構造体は表面がナノ構造体と第２の剛性面との間に位置決め可能な微細粒子に力を加えるように、第２の剛性面が第１の機械的構造体に対向し対向し、かつナノ構造体と共同可能なように位置決めされる。
【０００８】
本発明は添付図面を参照しながら、以下の詳細な説明により最もよく理解される。種々の形体は原寸大でないかもしれず、任意には説明をわかり易くするために拡大または縮小されているかもしれない。ここで、添付図面に関して記載した以下の説明を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は微粒子の試験または破壊を容易にするナノ構造体の有利な使用を認識している。ナノ構造表面は小さな接触面積を提供し、故にナノ構造粒子表面に高い応力が発現するのを促進するので望ましい。本願明細書で用いるナノ構造表面という用語は、突出構造体のアレイを有する表面として定義され、各構造体は約５０ナノメートル〜約１０００ナノメートルの横方向寸法を有する。有利にはナノ構造表面を用いて、規則的な非構造化表面を使用する従来の破壊技術と比較してその成分への損傷を最小にして、微粒子を破壊することができる。有利にはナノ構造体を用いて微粒子の情報の収集を容易にすることもできる。このような情報は微粒子の弾性特性を測定すること、微粒子が破壊されるときを判定すること、または微粒子の身元を確立することを含み得る。
【００１０】
図１は微粒子に接触力を加える例示的装置１００の一部分の断面図を示している。装置１００は第１の剛性面１１０を有する第１の機械的構造体１０５を含む。第１の剛性面１１０の領域１１５はナノ構造表面１２０を有する。装置１００は第２の剛性面１３０を有する第２の機械的構造体１２５をさらに含む。第２の剛性面１３０は第１の機械的構造体１０５に対向し、微細粒子１３５がナノ構造表面１２０と第２の剛性面１３０との間に位置可能であるようにナノ構造表面１２０と協働可能である。
【００１１】
当業者であれば、第２の剛性面１３０とナノ構造表面１２０との間に微粒子１３５を位置させるようにナノ構造表面１２０および第２の剛性面１３０が協働し得る非常に多くの形態が理解されよう。図１に示した例示的装置１００では、第２の剛性面１３０は微細粒子１３５がナノ構造表面１２０と第２の剛性面１３０との間に位置することができるように、ナノ構造表面１２０の上に距離１３７を置いて位置決めされている。ナノ構造表面１２０と第２の剛性面１３０との間の距離１３７を調整して、これら表面１２０と１３０の間に微細粒子１３５を保持することを容易にすることができる。例えば、いくつかの場合、距離１３７は微粒子１３５の平均径１３９の約２倍未満である。
【００１２】
ナノ構造表面１２０は当業者にはよく知られた手順を用いて第１の機械的構造体１０５の表面１１０をドライ・エッチングすることによって作製され得る。第１および第２の機械的構造体１０５、１２５はシリコン・ウェハなどの第１および第２の半導体基板をそれぞれ含み得る。ある場合には、第２の剛性面１３０がナノ構造表面を有することも有利である。
【００１３】
図１はピン１４０を含んだ好適なナノ構造表面１２０を示している。本願明細書では「ピン」という用語は、円柱、四角形、三角形、角柱、角錐、矩形構造体、またはこれらを組合せたものを含む々の形状を有する構造体を示すために用いている。例えば、ある場合には、ナノ構造表面１２０は微粒子１３５を破壊するように構成された一方向性の刃などの刃１４２を有し得る。ある場合には、ピン１４０を一次元アレイに配置して鋸状部を形成するか、または二次元アレイに配置してグラス状構造体を形成することが有利である。例えば、図１はナノグラス１４５を含んだナノ構造表面１２０の断面図を示している。
【００１４】
微粒子１３５は植物細胞、動物細胞、または細菌細胞を含む生体細胞を含み得る。ある場合には、微粒子１３５は炭疽菌、枯草菌、または土壌細菌などの細菌胞子である。別の場合には、微粒子１３５はマイクロスフェアなどの非生物粒子を含み得る。いくつかの好適なマイクロスフェアは、球体内部に化学薬品を保持するラテックス・スフェアを含む。装置１００のいくつかの実施形態では、２つ以上の微粒子１３５をナノ構造表面１２０と第２の剛性面１３０との間に位置させることができる。
【００１５】
図１に示した実施形態では、第１の剛性面１１０および第２の剛性面第２の剛性面１３０の一方または両方は相互に対して可動であり、これによりナノ構造表面１２０を通して協働して接触力を微細粒子１３５に加えることができる。ナノ構造表面１２０のある望ましい実施形態により、ナノ構造表面１２０が微細粒子１３５に接することが確実にできるようになる。有利なナノ構造表面１２０は、微細粒子１３５の平均径１５５の約１／２より小さいピッチ１５０を有するようになされたピン１４０を含み得る。ある場合には、ピン１４０は微細粒子１３５の平均径１５５の約１／１０未満の直径１６０を有する。
【００１６】
第１および第２の剛性面１１０、１３０は、ナノ構造表面１２０と第２の剛性面１３０との間の微粒子１３５の場所に関係なく、よく制御された様式で接触力を確実に加えることができるようにするので、実質的に平坦であることが望ましい。さらに、第１および第２の剛性面１１０、１３０を相互に実質的に平行になるように位置決めすることにより、接触力を加えながら、ナノ構造表面１２０と第２の剛性面１３０との間に微粒子１３５を保持することができる。しかし、他の場合、第１および第２の剛性面１１０、１３０は凸形、凹形、または他の形状を有してよい。
【００１７】
微粒子１３５を破壊するように接触力をデザインする場合、微粒子１３５の膜またはコーティング１６５の溶解を容易にするようにピン径１６０を構成することが望ましい。ある場合には、直径１６０は１μｍ未満であり、より好適には約４００ナノメートル未満である。場合によっては、ピン１４０の先端は狭くなっているか、または尖っていることが望ましい。これは微粒子１３５に非常に局所的に力を加えることを容易にして、その膜またはコーティング１６５を効果的に破壊することができるためである。ある場合には、先端径１７０はピン径１６０の１／２〜１／１０である。
【００１８】
他の場合には、接触力は微粒子１３５の弾性特性などの微粒子１３５の情報を集めるようにデザインされる。例えば、接触力を徐々に大きくして微粒子１３５に加えれば、微粒子１３５の圧縮率を調べることが可能となる。圧縮率の測定値を用いて、微粒子１３５の状態、例えば栄養細菌細胞対活性細菌細胞を試験することができる。このような用途では、微粒子１３５を破壊しないために、先端径１７０はピン径１６０とほぼ同じ長さであることが望ましい。
【００１９】
図１に示したように、ピッチ１５０および高さ１７５はナノ構造表面１２０を含んだ領域１１５にわたって共に均一であり得る。装置１００のいくつかの好適な実施形態では、ピッチ１５０は約０．５〜５μｍの範囲である。しかし、ある場合には、領域１５０のピッチ１５０は不均一であることが有利であるが、これは大きさの異なる微粒子１３５に接触力を加えることを可能にするためである。ピッチ１５０が不均一であることにより、領域１１５の種々の領域に位置決めした同じ大きさの微粒子１３５に種々の力を加えることも容易になる。ピッチ１５０が不均一であることにより、ナノ構造表面１２０と第２の剛性面１３０との間に微粒子１３５を保持することもできるようにもなる。上記と同じ理由で、ピン１４０の高さ１７５が不均一であることも有利となり得る。ある場合には、高さ１７５は約１μｍ〜７ナノメートルの範囲である。
【００２０】
図１にさらに示したように、装置１００のいくつかの実施形態は、破壊されたときに微粒子１３５から放出される物質を分析するように構成されたシステム１８０をさらに含む。装置１８０の非限定的な例には、免疫アッセイまたは核酸アッセイ、クロマトグラフィ分析または分光分析、あるいはこれらを組合せたものを実行する機械を含む。いくつかの実施形態では、システム１８０は微粒子１３５から放出された物質または化学薬品をシステム１８０まで導く微小流体チャネルなどのチャネル１８２を介して装置１００に結合される。第１の剛性面１１０または第２の剛性面１３０の一方または両方が、透過膜１９０を形成する開口部１８５をさらに含むことが有利であり得る。図１に示した実施形態では、第１の剛性面１１０の領域１１５は開口部１８５を含んでいる。
【００２１】
装置１００は微粒子１３５から放出された物質を開口部１８５を通すように構成されたポンプまたは他の液圧機械などのデバイス１９５をさらに含み得る。例えば、デバイス１９５は、透過膜１９０にわたって洗剤、変性剤、または水などの液体などの化学反応性物質を含む補足的な物質を灌注することによって通過を容易にし得る。
【００２２】
図２は微粒子１３５に電流を印加する第２の例示的装置２００の断面図を示している。図１に示した装置に類似する装置２００の要素には同じ参照番号を付してある。装置２００の第１の剛性面１１０および第２の剛性面１３０は協働して、ナノ構造表面１２０を通して電磁力を含む力を微粒子１３５に加えることができる。例えば、ピン２０５を通して微粒子１３５の表面１６５を通せば、微粒子１３５の上に電磁力が発生する。
【００２３】
図２に示したような装置２００の好適な実施形態では、ナノ構造表面１２０は導電性コア２１０を有するピン２０５を含む。導電性コア２１０および第２の剛性面１３０は電圧源２１５に電気的に結合されている。図２に示したように、複数の導電性コア２１０は第１の機械的構造体１０５内で１つまたは複数の導電性ライン２１７を介して、電気的に相互に結合され得る。導電性コア２１０および導電性ライン２１７はドープシリコンを含み得る。導電性コア２１０および第２の剛性面１３０は、電圧源２１５が導電性コア２１０と第２の剛性面１３０との間に電位を印加するときに微粒子１３５に電流を伝えるように構成されている。
【００２４】
微粒子１３５まで通される電流の強度は、微粒子１３５の特性の情報を集めるか、または微粒子１３５を破壊するかのいずれかのために、必要に応じて種々の電圧を印加することによって変えることができる。低電圧（例えば、約１Ｖ未満）を用いてピン２０５の導電性コア２１０を通して十分な電流を生成して、非常に高い局所的な電力散逸を発生することができる。次に、これは熱的損傷または電気的破壊を発生させて、微粒子の膜またはコーティング１６５を破壊することができる。
【００２５】
さらに低い電圧（例えば、約０．１Ｖ未満）を用いて微粒子１３５の電気的特性を測定することができる。当業者においては、静電容量、インピーダンス、または導電率などのその電気的特性を測定することによる異なる種類の細胞の識別はよく知られている。その全体を本願明細書に援用した、ＴＣ ＣｈａｎｇとＡＨ Ｈｕａｎｇ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ、２０００年１０月、３５８９〜３５９４頁、第３８巻１０号を参照すること。装置２００のいくつかの実施形態では、電気インピーダンスを測定するために、電流を導電性コア２１０から微粒子１３５を介して第２の剛性面１３０まで通す。微粒子１３５の電気インピーダンスはその種類に応じて変化し得る。例えば、異なるタイプの細菌に対しては電気インピーダンスは異なり得る。微粒子１３５の電気インピーダンスは、微粒子１３５が破壊されたか否か、または微粒子１３５の状態、例えば栄養細菌細胞対活性細菌細胞かに応じても異なり得る。例えば、微粒子１３５を破壊すれば、その成分、例えば、細胞質を周囲の流体に溢れさせて、導電率を増大させるとともに検出可能な電気インピーダンスの変化を発生させることができる。
【００２６】
当業者は例えばドープシリコン基板をドライ・エッチングすることによって、導電性コア２１０を有するピン２０５を製造する方法を熟知している。ある場合には、図２に示したように、ピン２０５は絶縁層２２０をさらに含んでおり、導電性コア２１０の先端部２２５のみが絶縁されていない。このような構成は有利には、絶縁されていない導電性コア２１０を用いるよりも、所与の電位を得るためにより大きな電流を微粒子１３５まで通すことができる。絶縁層２２０を作製する方法も当業者には知られている。例えば、絶縁層２２０は、従来の熱酸化工程によって、かつ導電性先端部２２５を従来のエッチング工程に晒すことによって導電性コア２１０の周囲に共形的に成長させた二酸化シリコンを含み得る。
【００２７】
図３は微粒子１３５に電界を印加する第３の例示的装置３００の断面図を示している。図１および２に示した装置に類似する装置３００の構成要素には同じ参照番号を付している。装置３００の第１の剛性面１１０および第２の剛性面１３０は協働して、ナノ構造表面１２０を通して微細粒子１３５に電気力を含む力を加えることができる。
【００２８】
図２に示した装置と同様、装置３００の好適な実施形態は絶縁層３１５で被覆した導電性コア３１０を有するピンを含む。導電性コア３１０および第２の剛性面１３０は電圧源２１５に電気的に結合されている。導電性コア３１０および第２の剛性面１３０は、電圧源２１５が導電性コア３１０と第２の剛性面１３０との間に電圧を印加するときに微粒子１３５に電界を印加するように構成されている。例えば、電圧を印加することにより、微粒子１３５の特性に関する情報を集めるため、または微粒子１３５を破壊するために用いることのできる局所的に高い電界をピン３０５の先端部３２０に印加することができる。
【００２９】
当業者であれば、誘電泳動および電気的回転などの微粒子１３５を操作、分離、または破壊するための種々の界面動電的な方法を熟知しているであろう。共にその全体を本願明細書に援用した、Ｔｈｅ Ｓｅｖｅｎｔｈ Ｆｏｒｅｓｉｇｈｔ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９９５年１０月１５〜１７日、カリフォルニア州サンタクララ、Ｍ．Ｐ．Ｈｕｇｈｅｓ、ＡＣ Ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃｓ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙおよび米国特許出願第２００３／０１８６４３０号を参照すること。例えば、細胞などの誘電性微粒子１３５を外部電界に曝露すると、それは分極化するであろう。誘発双極子の大きさおよび方向は、微粒子１３５のフィールド周波数および誘電性（例えば、その導電率および誘電率）に左右されるであろう。電界が不均一であれば、誘発双極子および外部電界の相互作用に起因して電気力が生じるであろう。
【００３０】
図４は微粒子１３５に音波を印加する第４の例示的装置４００の断面図を示している。図１に示した装置に類似する装置４００の構成要素には同じ参照番号を付してある。装置４００の第１の剛性面１１０および第２の剛性面１３０は協働して、ナノ構造表面１２０を通して微細粒子１３５に音波を含む力を加えることができる。
【００３１】
図１に示した装置１００と同様、装置４００の好適な実施形態はピン４０５を含む。ピン４０５は上に記載し、図１〜３に示した構造または形状、あるいはそれらを組合せたもののいずれも有し得る。装置４００は第１の剛性面または第２の剛性面１１０、１３０の少なくとも一方に通される音波を発生するように構成されたデバイス４１０をさらに含んでいる。ある場合には、デバイス４１０は圧電材料を含み、図４に示したように、ナノ構造表面１２０が位置する、第１の機械的構造体１０５の領域１１５に隣接する第１の剛性面１１０に結合されている。装置４００のある実施形態では、圧電材料はピン４０５に超音波を印加するように構成される。
【００３２】
デバイス４１０の圧電材料に振動性の電位を印加すれば、ピン４０５から微粒子１３５まで音響力が伝達させられる。この音響力を用いて微粒子１３５を破壊するか、別の場合には微粒子１３５の情報を集めることができる。ある波長の超音波はピン４０５と協働して、超音波がピン４０５を伝搬するときに回折効果および干渉効果を超音波に誘起することによって、音響力を変化させる。これによって次に、ピン４０５の先端部４１５においては音響力に対する集束効果が発生し得る。例えば、音波はピン４０５の長手軸４２０を下方に移動して、先端部４１５から出て行き得る。ピン４０５の直径４２５に相当する波長を有する音波はピン４０５の内部に含まれており、その結果より集束された音響力が先端部４１５から発射される。ある場合には、音響力はピン４２０に半球状の先端部４３０または円錐状の先端部４３５を設けることによって、より大きな集束が達成される。ある場合には、音響力はピン４０５間の側方空間４４０に相当する波長を有する音波を提供することによって、さらなる集束が達成される。
【００３３】
装置４００のある実施形態では、１つまたは複数のトランスデューサ４４５が反射または屈折した音響インピーダンスを収集して分析に供する。例えば、微粒子の音速を微粒子の密度と掛け合せたものである音響インピーダンスを測定すれば、微粒子１３５が破壊されたか否かを調べることができる。同じく、微粒子１３５の音響インピーダンスを用いて、その状態、例えば栄養細菌細胞対活性細菌細胞、あるいは種類、例えば特定の種類の細菌細胞を調べることができる。
【００３４】
わかり易くするために、上記装置の種々の態様を別個に説明し、図１〜４に示した。しかし、本発明の装置は、図１に関連して考察した、ピン、およびシステム１８０、開口部１８５、膜１９０、およびデバイス１９５などの他の構成要素などの、上記ナノ構造表面の全部または一部を含んでよい。一例として、さらに図１および４を参照すると、領域１１５はナノ構造表面１２０を通して接触力および音響力の一方または両方を印加することにより微粒子１３５を破壊するように構成されたピン１４０、４０５を含み得る。機械的力、電流力、電界力、および音響力のほか開口部１８５を通して送られる溶剤の他の組合せを提供する装置が、当業者であれば容易に想起されよう。同じく、種々の力の上記組合せを用いて微粒子１３５の破壊を達成することができるだけでなく、破壊工程と同時に、または別個の工程においてその（機械的、電気的等の）物理的特性を分析することもできる。
【００３５】
本発明の別の実施形態は使用方法である。図５〜６は微粒子を破壊する方法の選択されたステージの例示的装置の断面図を示している。まず図５を参照すると、装置５００内に微粒子５０５を設置した後の装置５００を示している。装置５００は上記で説明し、かつ図１〜４に示した実施形態のいずれも含み得る。図５に示したように、第１の機械的構造体５１０は第１の剛性面５１５を有しており、第１の剛性面５１５の領域５２０はナノ構造表面５２５を有している。図５にさらに示しているように、ある場合には、第１の機械的構造体５１０はその上にシリコン基板５３５を有する固定ステージ５３０を含んでいる。領域５２０はドライ・エッチングしてナノピン５４０を含んだナノ構造表面５２５を形成するシリコン基板５３５の一部を含んでいる。
【００３６】
装置５００は第１の機械的構造体５１０に対向する第２の剛性面５５０を有する第２の機械的構造体５４５をさらに含む。図５に示した実施形態では、第２の剛性面５５０はピン５５４を含んだ第２のナノ構造表面５５２も有する。図示した特定の実施形態では、微粒子５０５の溶解を促進するために、第２のナノ構造表面５５２のピン５５４はナノ構造表面５２５のピン５４０からずらされて１対の相互に入り込んだナノ構造表面５２５、５５２を形成している。第２の機械的構造体５４５はその上に第２の基板５６０を有する並進ステージ５５５も含み得、前記第２の基板５６０は第２の剛性面５５０を含む。並進ステージ５５５は第１の機械的構造体５１０に対向する第２の剛性面５５０の正確な動きを容易にするために、顕微鏡ステージまたはマイクロマニピュレータに使用されるようなばね荷重式デバイスを含み得る。
【００３７】
図５に示したように、第２の剛性面５５０は微細粒子５０５がナノ構造表面５２５と第２の剛性面５５０との間に位置するようにナノ構造表面５２５２と協働する。ナノ構造表面５２５と第２の剛性面５５０との間の距離５６５を調整して、装置５００を用いながら、このような表面５２５、５５０の間に微細粒子５０５を位置させたままにしておくのを容易にすることができる。ある場合には、距離５６５は微粒子５０５の平均径５７０の約２倍未満である。別の場合には、ナノ構造表面５２５および第２の剛性面５５０の表面を調整して、微粒子５０５をこのような表面５２５、５５０の間に保持することを容易にする。図５に示したように、ナノ構造表面５２５および第２の剛性面５５０は共に平坦な形状を有し得、互いに平行であり得る。他の場合には、ナノ構造表面５２５は凸形を有し、第２の剛性面５５０は凹形を有する。上記のように、他の組合せの形状の表面も本発明の範囲にある。
【００３８】
ここで図６を参照すると、ナノ構造表面５２５および第２の剛性面５５０を用いて微細粒子５０５に力を加えた後の装置５００を示している。図６に示した方法の特定の実施形態については、力は第１および第２の剛性面５１５、５５０が互いに向かって動いたときに発生する接触力である。例えば、第２の剛性面５５０はナノ構造表面５２５に向かって動かされて、例えばその周囲の膜またはコーティング６０５溶解することによって、微細粒子５０５を破壊するのに十分な接触力を発生する。
【００３９】
他の種類の力を微粒子５０５に加えることができることは、上記考察からすぐに明白となろう。この力はナノ構造表面５２５および第２の剛性面５５０にわたって電圧を印加したときに発生する電界または電流を含み得る。さらに、この力は第１または第２の剛性面５１５、５５０の一方または両方に音響力を加えたときに発生する超音波を含み得る。
【００４０】
本発明のさらに別の実施形態は装置を製造する方法である。図７〜１０は本発明の原理に従って装置７００を製造する例示的な方法の断面図を示している。図１〜６に示した装置の上記実施形態のいずれも、本製造方法に含むことができる。
ここで図７を参照すると、第１の剛性面７１０を有する第１の機械的構造体７０５を形成した後に部分的に構成した装置７００を示している。ある場合には、第１の機械的構造体７０５はシリコン・ウェハなどの半導体基板を含み、またある場合には、機械的剛性を増大させる表面材料、例えば、ＳｉＯ２層、窒化シリコン、または電気めっきした金属層を含む。
【００４１】
ここで図８を参照すると、第１の剛性面７１０の領域８１０内にナノ構造体８０５を形成した後に部分的に構成した装置７００を示している。図示のように、ナノ構造体８０５は、この場合にはナノグラス８２５を形成するピン８２０を有する表面８１５を含み得る。ピン８２０は例えば第１の機械的構造体７０５の部分を除去するために、従来のリソグラフィ法またはドライ・エッチング法を用いて形成され得る。別の場合には、ナノ構造体８０５はフォトレジストを用いて表面８１５をパタン化し、前記パタンの上にニッケルなどの勤続を電気めっきし、かつ前記フォトレジストを除去することによって形成され得る。当業者にはナノ構造体８０５を形成する従来の他の方法が容易に明白となろう。
【００４２】
図９は第２の剛性面９１０を有する第２の機械的構造体９０５を形成した後の部分的に構成した装置７００を示している。ある場合には、第２の機械的構造体９０５はシリコン・ウェハなどの第２の半導体基板を含む。図示のように、ある場合には、第２の剛性面９１０は平坦であるが、他の場合には、第２の剛性面９１０の一部分をパタン化して、第１の剛性面７１０のナノ構造体８０５と同じか、または異なり得るナノ構造体が形成される。
【００４３】
図１０にさらに示したように、第２の機械的構造体９０５は第１の機械的構造体７０５と対向するように位置決めされる。第２の機械的構造体９０５は微細粒子１００５がナノ構造体８０５と第２の剛性面９１０との間に位置可能であるようにナノ構造体８０５と協働可能である。例えば、位置決め工程には、ナノ構造体８０５と第２の剛性面９１０との間の距離１０１０が微粒子１００５の平均径１０１５の約２倍未満になるように調整する工程を含む。
【００４４】
本発明を詳細に説明してきたが、当業者は本発明の範囲から逸脱せずに、本願明細書に記載の種々の変形物、代替物、および改変を作ることができることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】微粒子に接触力を加える例示的装置を示す断面図である。
【図２】微粒子に電流を印加する第２の例示的装置を示す断面図である。
【図３】微粒子に電界を印加する第３の例示的装置を示す断面図である。
【図４】微粒子に音波を加える第４の例示的装置を示す断面図である。
【図５】微粒子を破壊するための方法において選択されたステージの例示的装置を示す断面図である。
【図６】微粒子を破壊するための方法において選択されたステージの例示的装置を示す断面図である。
【図７】本発明の原理に従って装置を製造する例示的方法を示す断面図である。
【図８】本発明の原理に従って装置を製造する例示的方法を示す断面図である。
【図９】本発明の原理に従って装置を製造する例示的方法を示す断面図である。
【図１０】本発明の原理に従って装置を製造する例示的方法を示す断面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の剛性面を有し、前記第１の剛性面のある領域がナノ構造表面を有する第１の機械的構造体と、
第２の剛性面を有し、かつ微細粒子が前記ナノ構造表面と前記第２の剛性面との間に位置決め可能になるように前記第１の機械的構造体と対向し前記ナノ構造表面と協働可能な第２の機械的構造体とを備えた装置。
【請求項２】
前記ナノ構造表面は、前記微粒子の平均径の約１／２よりも小さいものに等しいピッチを有するように構成されたピンを含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の剛性面および前記第２の剛性面の一方または両方は、相互に対して可動であり、かつ前記ナノ構造表面を通して前記微粒子に接触力を加えるように協働可能である請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ナノ構造表面は導電性コアを有するピンを含み、前記導電性コアおよび前記第２の剛性面は電圧源に電気的に結合された請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ナノ構造表面は絶縁された導電性コアを有するピンを含み、前記導電性コアおよび前記第２の剛性面は電圧源に電気的に結合された請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の剛性面または前記第２の剛性面の少なくとも一方まで通される音波を生成するように構成されたデバイスをさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記ナノ構造表面は前記微粒子の膜を破壊するように構成された直径を有する複数の刃を含む請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記微粒子が破壊されたときに前記微粒子から放出される物質を分析するように構成されたシステムをさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の剛性面または前記第２の剛性面の一方または両方は透過膜を形成する開口部をさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の剛性面の前記領域は前記開口部を含む請求項９に記載の装置。
【請求項１】
第１の剛性面を有し、前記第１の剛性面のある領域がナノ構造表面を有する第１の機械的構造体と、
第２の剛性面を有し、かつ微細粒子が前記ナノ構造表面と前記第２の剛性面との間に位置決め可能になるように前記第１の機械的構造体と対向し前記ナノ構造表面と協働可能な第２の機械的構造体とを備えた装置。
【請求項２】
前記ナノ構造表面は、前記微粒子の平均径の約１／２よりも小さいものに等しいピッチを有するように構成されたピンを含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の剛性面および前記第２の剛性面の一方または両方は、相互に対して可動であり、かつ前記ナノ構造表面を通して前記微粒子に接触力を加えるように協働可能である請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ナノ構造表面は導電性コアを有するピンを含み、前記導電性コアおよび前記第２の剛性面は電圧源に電気的に結合された請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ナノ構造表面は絶縁された導電性コアを有するピンを含み、前記導電性コアおよび前記第２の剛性面は電圧源に電気的に結合された請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の剛性面または前記第２の剛性面の少なくとも一方まで通される音波を生成するように構成されたデバイスをさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記ナノ構造表面は前記微粒子の膜を破壊するように構成された直径を有する複数の刃を含む請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記微粒子が破壊されたときに前記微粒子から放出される物質を分析するように構成されたシステムをさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の剛性面または前記第２の剛性面の一方または両方は透過膜を形成する開口部をさらに含む請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の剛性面の前記領域は前記開口部を含む請求項９に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−１０５９８０（Ｐ２００６−１０５９８０Ａ）
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２８１３５１（Ｐ２００５−２８１３５１）
【出願日】平成１７年９月２８日（２００５．９．２８）
【出願人】（５９６０９２６９８）ルーセント テクノロジーズ インコーポレーテッド (965)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月２８日（２００５．９．２８）
【出願人】（５９６０９２６９８）ルーセント テクノロジーズ インコーポレーテッド (965)
【Ｆターム（参考）】
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