JP2006518851A - 毛管ストップ - Google Patents
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Abstract
電気生理学測定構成によって、イオンチャンネル含有構造、特に細胞のような脂質膜含有構造におけるイオンチャンネル電気生理学的特性を監視するシステムを提供すること。【解決手段】
ミクロフルイデックスシステムは、入口(32)と出口(38)をもつチャンネルと、入口(32)と出口(38)の間に位置されて0.1−50μmの範囲内の半径を有する開口から成る第一膜(31)であって、入口(32)と出口(38)が互いに液圧連通していて、流体が入口から出口までチャンネルに沿って動くことができる第一膜(31)とから成る。
Description
Neher ,Sakmann,Steinbackの共著( 1978年)「余分細胞パッチクランプ、生物学的膜における個々の開放チャンネルを通る電流を解像する方法」Pflueber Arch.375頁;219ー278頁。 O.P.Hamill, A.Marty, E.Neher, B.Sakmann & F.J.Sigworthの共著( 1978年)「細胞と細胞なし膜パッチからの高解像電流記録用の改良したパッチクランプ」Pflueber Arch.391頁、85−100頁。
この発明は、添付図面を参照して例のみとしてさらに記載される。
図1aと図1cは、膜12の厚さLが開口半径rよりかなり小さいシリコン膜12に形成された単一開口の横断面である。図1では膜の下の領域は液体で溢れているが、膜の上の領域は空気で充填されている。液体と空気は球状キャップの形状を有する液面13によって分離されている。角度θは膜12との接触点において膜面と液面13の正接の間に形成される。
キャップの容積は、
V=1/3・π・r3 ・[(1−x)2 ・(2−x)]/(1−x2 )3/2
である。
キャップの表面は、
S=2・π・r2 ・(1−x)/(1−x2 )
であり、ここでx=cos(θ)である。
小滴により働いた圧力は p=σ・dS/dV であり、p=2・σ/r・P(θ)を与え、ここで次元なし角度依存要因P(θ)は次のように定義される。
P(θ)=3・sin(θ)/(5−4・cos(θ))
特徴圧力p0 =2・σ/rが更に定義される。
│開口半径(μm) │正保持圧力(ミリバール) │負保持圧力(ミリバール) │
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 0.1│ 9471│ 14600│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 0.3│ 3157│ 4867│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 0.5│ 1894│ 2920│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 1│ 947│ 1460│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 2│ 474│ 730│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 2.5│ 379│ 584│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 3.5│ 271│ 417│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 5│ 189│ 292│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 7│ 135│ 209│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 10│ 95│ 146│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 20│ 47│ 73│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 50│ 19│ 29│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 100│ 9│ 15│
└─────────┴─────────────┴─────────────┘
表1.ガラス膜上の水の保持圧力
│開口半径(μm) │正保持圧力(ミリバール) │負保持圧力(ミリバール) │
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 0.1│ 14600│ 14600│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 0.3│ 4867│ 4867│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 0.5│ 2920│ 2920│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 1│ 1460│ 1460│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 2│ 730│ 730│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 2.5│ 584│ 584│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 3.5│ 417│ 417│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 5│ 292│ 292│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 7│ 209│ 209│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 10│ 146│ 146│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 20│ 73│ 73│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 50│ 29│ 29│
├─────────┼─────────────┼─────────────┤
│ 100│ 15│ 15│
└─────────┴─────────────┴─────────────┘
表2.PMMA膜上の水の保持圧力
[実施例2]
1)開始材料は100面をもつシリコンウエハーである。
2)シリコンの片面はフォトレジストを塗布され、位置と直径を含むパターンはUV光の露光によってフォトレジストに転写される。
3)開口パターンは誘導的に連結されたプラズマ(ICP)を使用する深い反応イオンエッチ(DRIE)或いは高度シリコンエッチング(ASE)によりシリコンに転写され、このプラズマは1−50μmの深さを備える深い縦孔を生じる。
4)シリコン表面は低圧化学的蒸着(LPCVD)を使用して珪素窒化物を塗布される。 5)ウエハーの反対面(底面)はフォトレジストを塗布され、珪素窒化物の膜形成開口を含有するパターンはUV光の露光によってフォトレジストに転写される。
6)珪素窒化物は反応イオンエッチ(RIE)を使用して、フォトレジストの開口によって形成される領域におけるウエハーの底面にエッチングされる。
7)ウエハーはKOH溶液でエッチングされて、ウエハーの底面にピラミット形開口を生じる。エッチングのタイミングはウエハーの上面にシリコンの残り膜の厚さを形成する。選択的に、硼素ドーピングはエッチストップを形成するように使用され、厚さのより良い制御を与える。
8)珪素窒化物は例えば160℃の燐酸内で湿式化学的エッチングによって取り除かれる。
9)シリコンは熱的酸化或いはLPCVDによりシリコン酸化物を塗布される。
1)開始材料は100面をもつシリコンウエハーである。
2)シリコン表面は低圧化学的蒸着(LPCVD)を使用して珪素窒化物を塗布される。 3)ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、珪素窒化物の膜形成開口を含有するパターンはUV光の露光によりフォトレジストに転写される。
4)珪素窒化物は反応イオンエッチ(RIE)を使用して、フォトレジストの開口によって形成される領域におけるウエハーの底面にエッチングされる。
5)ウエハーはKOH溶液でエッチングされて、ウエハーの底面にピラミット形開口を生じる。エッチングのタイミングはウエハーの上面にシリコンの残り膜の厚さを形成する。選択的に、硼素ドーピングはエッチストップを形成するように使用され、厚さのより良い制御を与える。選択的に、シリコンはウエハーの全厚さによってエッチングされることができ、薄い膜として上面に珪素窒化物のみを残す。
6)ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を含むパターンはUV光の露光によりフォトレジストに転写される。
7)孔パターンは誘導的に連結されたプラズマ(ICP)を使用する深い反応イオンエッチ(DRIE)或いは高度シリコンエッチング(ASE)によりシリコンに転写され、このプラズマは1−50μmの深さを備える深い縦孔を生じる。
8)シリコンは、熱的酸化、プラズマ増強化学的蒸着(PECVD)又はLPCVDのいずれかによりシリコン酸化物を塗布される。
1)開始材料は100面をもつ且つ上面の下に1−50μmに位置された埋設酸化層をもつシリコン・オン・絶縁体(SOI)ウエハーである。
2)ウエハー表面は低圧化学的蒸着(LPCVD)を使用して珪素窒化物を塗布される。 3)ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、珪素窒化物の膜形成開口を含有するパターンはUV光の露光によりフォトレジストに転写される。
4)珪素窒化物は反応イオンエッチ(RIE)を使用して、フォトレジストの開口によって形成される領域におけるウエハーの底面にエッチングされる。
5)ウエハーはKOH溶液でエッチングされて、ウエハーの底面にピラミット形開口を生じる。埋設酸化層は異方性エッチ用のエッチストップとして役立ち、酸化層の深さに形成された膜厚を生じる。
6)ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を含むパターンはUV光の露光によりフォトレジストに転写される。
7)孔パターンは誘導的に連結されたプラズマ(ICP)を使用する深い反応イオンエッチ(DRIE)或いは高度シリコンエッチング(ASE)によりシリコンに転写され、このプラズマは埋設酸化層の深さにまで深い縦孔を生じる。
8)埋設酸化層の露光領域はRIE、湿式フッ化水素酸(HF)エッチ、或いはHF蒸気エッチによって取り除かれる。これはウエハーの上と底の開口の間の接触を保証する。 9)シリコンは、熱的酸化、プラズマ増強化学的蒸着(PECVD)又はLPCVDのいずれかによりシリコン酸化物を塗布される。
1)開始材料は上面の下に1−50μmに位置された埋設酸化層を備えるシリコン・オン・絶縁体(SOI)ウエハーである。 2)ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、珪素窒化物の膜形成開口を含有するパターンはUV光の露光によりフォトレジストに転写される。
3)膜パターンは誘導的に連結されたプラズマ(ICP)を使用する深い反応イオンエッチ(DRIE)或いは高度シリコンエッチング(ASE)によりシリコンに転写され、このプラズマは埋設酸化層の深さにまで深い縦孔を生じる。
4)ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を含むパターンはUV光の露光によりフォトレジストに転写される。
5)孔パターンは誘導的に連結されたプラズマ(ICP)を使用する深い反応イオンエッチ(DRIE)或いは高度シリコンエッチング(ASE)によりシリコンに転写され、このプラズマは埋設酸化層の深さにまで深い縦孔を生じる。
6)埋設酸化層の露光領域はRIE、湿式フッ化水素酸(HF)エッチ、或いはHF蒸気エッチによって取り除かれる。これはウエハーの上と底の開口の間の接触を保証する。 7)シリコンは、熱的酸化、プラズマ増強化学的蒸着(PECVD)又はLPCVDのいずれかによりシリコン酸化物を塗布される。
1)開始材料は、例えばポリメチル・メタクリレート,ポリエステル,ポリイミド,ポリプロピレン,エポキシ或いはポリエチレンから形成され且つ5−100μmの厚さをもつ薄い重合体シートである。
2)シート基体はプラスチック或いは他の適切材料のフレームに懸架される。
3)基体の孔はレーザーフライス削り、マイクロドリル、サンドブラストを使用し、或いは高圧水噴射により製造される。
4)基体は、低エネルギープラズマ増強化学的蒸着処理によって孔の周りの少なくとも領域においてシリコン酸化物、ガラス或いはシリカを塗布される。
1)開始材料は、UV硬化エポキシ或いはアクリル、例えばSU−8の薄いシートである。
2)シート基体はプラスチック或いは他の適切材料のフレームに懸架される。
3)基体は孔位置と直径を含むパターンをもつ標準写真製版ガラスマスクを介してUV光で露光される。 4)基体はUV光で露光されなかった領域の基体重合体を取り除く現像液に浸漬されて、薄いシートを貫通する孔を生じる。
5)基体は低エネルギープラズマ増強化学的蒸着処理によって孔の周りの少なくとも領域においてシリコン酸化物、ガラス或いはシリカを塗布される。
1)開始材料は、ガラスウエハー、例えばパイレックス或いは硼素珪酸塩である。
2)ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、膜形成開口を含有するパターンはUV光の露光によりフォトレジストに転写される。
3)ガラスは、前面が保護されながら、HF蒸気或いは水溶液のHFにより底面にエッチングされ、ウエハーを選定領域で2−50μmの厚さに薄くする。
4)ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を含むパターンはUV光の露光によりフォトレジストに転写される。
5)孔パターンは誘導的に連結されたプラズマ(ICP)を使用する深い反応イオンエッチ(DRIE)或いは高度酸化エッチング(AOE)によりシリコンに転写される。これは底面から開放された空所の深さまで深い縦孔を生じて、ウエハーの二側面間の接触を保証する。
6)開始材料は、ガラスウエハー、例えばパイレックス或いは硼素珪酸塩である。
7)ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、膜形成開口を含有するパターンはUV光の露光によりフォトレジストに転写される。
8)ガラスは、前面が保護されながら、HF蒸気或いは水溶液のHFにより底面にエッチングされ、ウエハーを選定領域で2−50μmの厚さに薄くする。
9)ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を形成するパターンに焦点イオンビームを衝撃されて、これら領域のガラス材料を弱める。
10)ウエハーはHF蒸気或いは水溶液のHFによりエッチングされる。焦点イオンビームに露光された領域はウエハーの残部より著しく速くエッチングされ、上面と底面から開放された空所との間に形成する孔を生じて、ウエハーの二側面間の接触を保証する。
11)開始材料は、ガラスウエハー、例えばパイレックス或いは硼素珪酸塩である。
12)ウエハーの底面はフォトレジストを塗布され、膜形成開口を含有するパターンはUV光の露光によりフォトレジストに転写される。
13)パターンは誘導的に連結されたプラズマ(ICP)を使用する深い反応イオンエッチ(DRIE)或いは高度酸化エッチング(AOE)によりシリコンに転写される。これはウエハーの上面に於ける膜を形成し、2−100μmの厚さを有する。
14)ウエハーの上面はフォトレジストを塗布され、孔位置と直径を形成するパターンはUV光の露光によりフォトレジストに転写される。
15)孔パターンは誘導的に連結されたプラズマ(ICP)を使用する深い反応イオンエッチ(DRIE)或いは高度酸化エッチング(AOE)によりシリコンに転写される。これは底面から開放された空所の深さまで深い縦孔を生じて、ウエハーの二側面間の接触を保証する。
前記シリコン技術を使用する本発明を製造する主な利点は、シリコンミクロ流体システムによりそのシリコン技術を一体化できることである。例として我々はここで、如何に発明が準備処理を容易するために、電気生理学測定を行うシリコン基礎装置に一体化できるかを表示する。
│低限度 │低限度 │低限度 │低限度 │低限度 │
│> +100│> +150│> +170│> +200│> +230│
│mbar │mbar │mbar │mbar │mbar │
├──────┼──────┼──────┼──────┼──────┤
│13/13=│12/13=│10/13=│5/13= │0/13=0│
│100% │92% │77% │38% │% │
└──────┴──────┴──────┴──────┴──────┘
表3:実験的正保持圧力。
│低限度 │低限度 │低限度 │
│< −150│< −300│< −350│
│mbar │mbar │mbar │
├──────┼──────┼──────┤
│5/5= │5/5= │0/5=0%│
│100% │100% │ │
└──────┴──────┴──────┘
表4:実験的負保持圧力。
1)孔雀石緑染料を含有する10μlの水が+50mbarの圧力で10秒間に入口に導入されて、液体表面が膜に到達したことを保証する。
2)300mbarの3秒ガス圧は入口に印加されて液体が装置を通過できる。
3)+50mbarの圧力は5分間入口に印加され、全有効液体容量が装置を通して出口に通過されて装置を密封させることを保証する。
4)8個の異なるチップのために、増加する正圧は、シールの破れや入口の連続的再充填を監視しながら、図3dにおける状況に対応して出口に印加された。結果は表5に要約されている。
5)6個の異なるチップのために、増加する負圧は、シールの破れを監視しながら、図3cにおける状況に対応して出口に印加された。結果は表6に要約されている。
│低限度 │低限度 │低限度 │低限度 │低限度 │低限度 │
│>+10 │>+20 │>+30 │>+40 │>+50 │>+60 │
│mbar │mbar │mbar │mbar │mbar │mbar │
├─────┼─────┼─────┼─────┼─────┼─────┤
│8/8= │7/8= │5/8= │4/8= │2/8= │1/8= │
│100% │88% │63% │50% │25% │13% │
└─────┴─────┴─────┴─────┴─────┴─────┘
表5:湿った両側面をもつ実験的正保持圧力。
│低限度 │低限度 │低限度 │
│< −250│< −300│< −400│
│mbar │mbar │mbar │
├──────┼──────┼──────┤
│6/8= │4/8= │2/8= │
│100% │67% │33% │
└──────┴──────┴──────┘
表6:湿った両側面をもつ実験的負保持圧力。
[1]バイオ材料特性データベース、ミシガン大学、コンタクト:ウイリアム・ジェ・オブリーン博士、指導者(FAX:313−647−5293).クインタレセッセ出版、1996年。
[2]マドウ、エム著、「ミクロ製造の原則」第二版(12月2001年)CRCプレス;ISBN:0849308267.
[3]国際特許公表WO02/29402.
[4]特許出願明細書、ジェ・キッチンスカイ、アール・トボールスキー、エム・ベッハ出願日:02年10月01日。
2.....ポンプ
3.....膜
4.....流体チャンネル
5.....膜
6.....ポンプ
7.....測定装置
8.....相互接続チャンネル
9.....第二膜
10....膜
11....貫通開口
12....膜
13....液面
14....入口
15....膜
16....出口
17....入口
18....包囲容量
19....出口
20....第一膜
21....第二膜
22....ポンプ
23....測定装置
24....ポンプ装置
25....膜
26....孔
27....シリコンチップ
28....チャンネル形成層
29....化学電極
30....包囲容量
31....膜
32....入口チャンネル
33....電気浸透流ポンプ
34....上面流体システム
35....開口
36....流体システム
37....篩開口
38....換気チャンネル
39....電気化学電極
40....パッド
41....電気化学電極
42....パッド
50....システム
Claims (24)
- 入口と出口をもつチャンネルと、入口と出口の間に位置されて0.1−50μmの範囲内の半径を有する開口から成る第一膜であって、入口と出口が互いに液圧連通していて、流体が入口から出口までチャンネルに沿って動くことができる第一膜とから成ることを特徴とするミクロフルイデックスシステム。
- さらに入口と出口の間に圧力差を作る圧力手段から成り、それによってチャンネル内の流体の使用運動において、圧力手段が開口に生じる表面張力を越える入口と出口の間の圧力差を作るまで、圧力手段が開口における流体に生じる表面張力によって第一膜で停止されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 第一膜は複数の開口から成ることを特徴とする請求項1或いは請求項2に記載のシステム。
- 圧力手段がポンプ装置から成る請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のシステムにおいて、システムはさらに、入口と出口の間に位置されている包囲第一容量と、第一容量と液圧連通している第二容量とから成り;ポンプ装置は第一と第二容量と液圧連通していてシステムを介して流体をポンプでくむ、或いは第一と第二容量間の液圧差を働かし、第一膜が出口と第一容量の間に位置されていることを特徴とするシステム。
- さらに0.1−50μmの範囲内の半径を有する開口から成り、入口と第一容量との間に位置されていることを特徴とする請求項4に記載のシステム。
- 複数の第二容量から成ることを特徴とする請求項4或いは5に記載のシステム。
- 各第二容量は第二入口から成ることを特徴とする請求項4、5或いは6のいずれか一項に記載のシステム。
- 各第二容量は第二出口から成ることを特徴とする請求項4、5、6或いは7のいずれか一項に記載のシステム。
- 第二膜は複数の開口から成ることを特徴とする請求項4乃至8のいずれか一項に記載のシステム。
- 各膜は親水性から成ることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載のシステム。
- 各膜は酸化珪素、珪素窒化物、ガラス、シリカ、アルミナ、酸化アルミニウム或いはアクリルから成ることを特徴とする請求項9に記載のシステム。
- システムは珪素から形成されていることを特徴とする請求項9に記載のシステム。
- 各膜は疎水性材料により少なくとも一つの側面に塗布されることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか一項に記載のシステム。
- 疎水性材料はPTFE或いはPDMSから成ることを特徴とする請求項13に記載のシステム。
- 各膜の厚さは膜が珪素窒化物から形成されるときに50ー400nmの範囲内に入り、膜が酸化珪素から形成されるときに1−20μmの範囲内であり、膜がガラス或いは、シリカから形成されるときに2−200μmの範囲内であり、膜がアルミナ或いは、プラスチック材料から形成されるときに5−500μmの範囲内であることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか一項に記載のシステム。
- 各開口の半径は0.1−50μmの範囲内にあることを特徴とする請求項1乃至15のいずれか一項に記載のシステム。
- 請求項1乃至16のいずれか一項に記載のミクロ流体システムを形成する膜。
- 請求項1乃至16のいずれか一項に記載のミクロ流体システムの膜形成部材。
- 請求項1乃至16のいずれか一項に記載のシステムから成る電気生理学測定を実施する装置。
- 請求項1乃至16のいずれか一項に記載のシステムを準備する方法。
- 準備処理がガス圧によって外見的に制御されることを特徴とする請求項20に記載の方法。
- 圧力が0.1−10秒の期間のパルスで印加されることを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 添付図面を参照してこの前に記載されたシステム。
- 添付図面を参照してこの前に記載された方法。
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