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▶ ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニアの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6925967
(24)【登録日】2021年8月6日
(45)【発行日】2021年8月25日
(54)【発明の名称】セルフロッキング光電子ピンセット及びその製造
(51)【国際特許分類】
C12M 1/26 20060101AFI20210812BHJP
C12M 1/42 20060101ALI20210812BHJP
C12M 1/00 20060101ALI20210812BHJP
G02B 21/32 20060101ALI20210812BHJP
【ＦＩ】
C12M1/26
C12M1/42
C12M1/00 A
G02B21/32
【請求項の数】4
【全頁数】22
(21)【出願番号】特願2017-508505(P2017-508505)
(86)(22)【出願日】2015年8月14日
(65)【公表番号】特表2017-525358(P2017-525358A)
(43)【公表日】2017年9月7日
(86)【国際出願番号】US2015045387
(87)【国際公開番号】WO2016025901
(87)【国際公開日】20160218
【審査請求日】2018年8月14日
(31)【優先権主張番号】62/038,150
(32)【優先日】2014年8月15日
(33)【優先権主張国】US
(31)【優先権主張番号】62/181,627
(32)【優先日】2015年6月18日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】506115514
【氏名又は名称】ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ カリフォルニア
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｒｅｇｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】ヤジア・ヤン
(72)【発明者】
【氏名】ユフェイ・マオ
(72)【発明者】
【氏名】ペイ−ユ・イー・チオウ
(72)【発明者】
【氏名】チ・オン・チュイ
【審査官】
伊達 利奈
(56)【参考文献】
【文献】
特表２００７−５３７７２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２０１４／０７４３６７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
米国特許出願公開第２００９／０２５８３８３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
米国特許出願公開第２０１０／０１０１９６０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
Lab on a Chip, 2013, Vol.13, No.12, pp.2278-2284
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｃ１２Ｍ １／００
ＰｕｂＭｅｄ
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
セルフロッキング光学ピンセットデバイスであって、以下：
第１の電極及びオンとオフを光学的に切り替え可能である複数の環状及び／または非円形のフォトトランジスタを備える基板であって、外部の電圧源によって前記デバイスの基板への電圧を印加すると、前記環状または非円形のフォトトランジスタで負の誘電泳動（ＤＥＰ）力が発生し、細胞または粒子を補足し、前記ＤＥＰは、前記フォトトランジスタに光が照射されると、環状または非円形のフォトトランジスタで局所的にオフになり、捕捉された細胞または粒子を放出する、基板と、
第２の電極を含む表面であって、前記表面は、前記基板と前記表面との間でチャンバまたはチャネルを画定するように配置され、前記チャンバまたはチャネルは細胞または粒子を含有する流体を受容する及び/または保持するように構成される、表面と
を備え、
前記フォトトランジスタは、ｎドープされた及びｐドープされた領域が前記基板上に環状及び／または非円形を形成するように配置されたｎｐｎ型またはｐｎｐ型フォトトランジスタのいずれかであり、
前記環状及び／または非円形が、環状、正多角形、楕円形及び豆の形状からなる群から選択される、
セルフロッキング光学ピンセットデバイス。
第１の電極及びオンとオフを光学的に切り替え可能である複数の環状及び／または非円形のフォトトランジスタを備える基板であって、外部の電圧源によって前記デバイスの基板への電圧を印加すると、前記環状または非円形のフォトトランジスタで負の誘電泳動（ＤＥＰ）力が発生し、細胞または粒子を補足し、前記ＤＥＰは、前記フォトトランジスタに光が照射されると、環状または非円形のフォトトランジスタで局所的にオフになり、捕捉された細胞または粒子を放出する、基板と、
第２の電極を含む表面であって、前記表面は、前記基板と前記表面との間でチャンバまたはチャネルを画定するように配置され、前記チャンバまたはチャネルは細胞または粒子を含有する流体を受容する及び/または保持するように構成される、表面と
を備え、
前記フォトトランジスタは、ｎドープされた及びｐドープされた領域が前記基板上に環状及び／または非円形を形成するように配置されたｎｐｎ型またはｐｎｐ型フォトトランジスタのいずれかであり、
前記環状及び／または非円形が、環状、正多角形、楕円形及び豆の形状からなる群から選択される、
セルフロッキング光学ピンセットデバイス。
【請求項2】
前記基板が、環状または豆の形状のフォトトランジスタを含むドープされたｐ型の基板であり、前記環状または豆の形状のフォトトランジスタの中心と前記環状または豆の形状のフォトトランジスタの外側の領域とが、ｎドープされているか、または
前記基板が、環状または豆の形状のフォトトランジスタを含むドープされたｎ型の基板であり、前記環状または豆の形状のフォトトランジスタの中心と前記環状または豆の形状のフォトトランジスタの外側の領域とが、ｐドープされている、
請求項１に記載のデバイス。
前記基板が、環状または豆の形状のフォトトランジスタを含むドープされたｎ型の基板であり、前記環状または豆の形状のフォトトランジスタの中心と前記環状または豆の形状のフォトトランジスタの外側の領域とが、ｐドープされている、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項3】
前記基板の上面が、前記環状または非円形形状の中心で導体膜への開口を備えた絶縁体でコーティングされており、
前記絶縁体は、場合によっては、ＳＵ−８またはその他のフォトレジスト、ＰＤＭＳ、二酸化ケイ素、Ａｌ２Ｏ３及び窒化ケイ素からなる群から選択される材料を含み、及び／または
前記絶縁体は、場合によっては、暗状態において約５０％の部分的な電圧リークを提供するように構成されており、及び／または
前記絶縁体は、場合によっては、Ａｌ２Ｏ３含み、前記絶縁体を含むＡｌ２Ｏ３の厚さは、場合によっては、約３０ｎｍである、
請求項１または２に記載のデバイス。
前記絶縁体は、場合によっては、ＳＵ−８またはその他のフォトレジスト、ＰＤＭＳ、二酸化ケイ素、Ａｌ２Ｏ３及び窒化ケイ素からなる群から選択される材料を含み、及び／または
前記絶縁体は、場合によっては、暗状態において約５０％の部分的な電圧リークを提供するように構成されており、及び／または
前記絶縁体は、場合によっては、Ａｌ２Ｏ３含み、前記絶縁体を含むＡｌ２Ｏ３の厚さは、場合によっては、約３０ｎｍである、
請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項4】
細胞または粒子の捕捉方法であって、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のデバイスのチャンバ内に細胞または粒子を誘導し、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加して、前記基板を含む環状トランジスタで前記細胞または粒子を捕捉することを含む、方法。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のデバイスのチャンバ内に細胞または粒子を誘導し、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加して、前記基板を含む環状トランジスタで前記細胞または粒子を捕捉することを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願に対する相互対照本願は、２０１４年８月１５日出願の米国特許出願第６２／０３８，１５０号及び２０１５年６月１８日出願の米国特許出願第６２／１８１，６２７号の利益及び優先権を主張し、これら双方は、その全体がすべての目的に関して本明細書に参照により組み込まれる。
【0002】
政府支援の表明本発明は、国立科学財団により与えられた助成金番号第１２３２２７９号の下で、政府の支援を受けてなされた。政府は本発明において、特定の権利を有する。
【背景技術】
【0003】
光電子ピンセット（ＯＥＴ）は、様々な生物学的用途における単一の細胞及び粒子の並行操作のために開発されてきた（Ｃｈｉｏｕ ｅｔ ａｌ．（２００５）Ｎａｔｕｒｅ４３６（７０４９）：３７０−３７２．）。例えば、光電子ピンセット（ＯＥＴ）は、単一の細胞及び粒子の動的操作のために開発されてきた（Ｃｈｉｏｕ ｅｔ ａｌ．（２００５）Ｎａｔｕｒｅ，４３６（７０４９）：３７０−３７２）。ＯＥＴは、半導体性及び金属性のナノワイヤ（Ｊａｍｓｈｉｄｉ ｅｔ ａｌ．（２００８）Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，２（２）：８６−８９），マイクロ／ナノビーズ（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）及び生体細胞（Ｊｅｏｒｒｅｔｔ ｅｔ ａｌ．（２０１４）Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ２２（２）：１３７２−１３８０；Ｓｈａｈ ｅｔ ａｌ．（２００９）Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ，９（１２）：１７３２−１７３９）を捕捉し操作するために使用されることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Ｃｈｉｏｕ ｅｔ ａｌ．（２００５）Ｎａｔｕｒｅ４３６（７０４９）：３７０−３７２．
【非特許文献2】Ｊａｍｓｈｉｄｉ ｅｔ ａｌ．（２００８）Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，２（２）：８６−８９
【非特許文献3】Ｏｔａ ｅｔ ａｌ．９２０１３）Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｓ．，１３（６）：２７６６−２７７０
【非特許文献4】Ｇｌａｅｓｅｎｅｒ ｅｔ ａｌ．（２０１２）Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｓ．，３７（１８）：３７４４−３７４６
【非特許文献5】Ｚａｒｏｗｎａ−Ｄａｂｒｏｗｓｋａ ｅｔ ａｌ．（２０１１）Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，１９（３）：２７２０−２７２８
【非特許文献6】Ｊａｍｓｈｉｄｉ ｅｔ ａｌ．（２００９）Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔｓ．，９（８）：２９２１−２９２５
【非特許文献7】Ｊｅｏｒｒｅｔｔ ｅｔ ａｌ．（２０１４）Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ２２（２）：１３７２−１３８０
【非特許文献8】Ｓｈａｈ ｅｔ ａｌ．（２００９）Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ，９（１２）：１７３２−１７３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
典型的なＯＥＴの設定においては、多数（例えば、１５，０００超）の個別に処理可能な光トラップが低導電性媒体（約０．０１Ｓ／ｍ）において１ｍｍ２の領域全体に形成されることができる。しかしながら、ＯＥＴの実用性は生理学的緩衝液との不適合及び操作処理量が低いことによって妨げられてきた。以前は、縦型のフォトトランジスタベースのＯＥＴ（Ｈｓｕ ｅｔ ａｌ．（２０１０）Ｌａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ，１０（２）：１６５−１７２）が緩衝液の不適合に関する問題を解決するために提案されてきた。しかしながら、ＯＥＴを含むがこれに限定されないすべての光操作技術にとって、処理量が低いことは大きな問題となったままである。この根本的な制約は視界（ＦＯＶ）と光学解像度との間のトレードオフから生じる。大きなＦＯＶは、一般に、低開口数（Ｎ．Ａ．）を有するレンズを使用することを意味する。しかしながら、このような低開口数のレンズは、必要な光画像鮮鋭度を提供して十分なトラップ力を生じる光強度勾配を作ることができない。これは、光ピンセットにおける直接的な光学力とＯＥＴにおける光誘導のＤＥＰ力の双方にあてはまる。したがって、単一の細胞または粒子を広範囲の領域で光学的に操作することは、強力な光ビームを用いてもほぼ不可能である。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本明細書にて企図される様々な実施形態は、以下を１つ以上含み得るがこれらに限定される必要はない。
【0007】
実施形態１：以下を備えるセルフロッキング光電子ピンセットデバイス：第１の電極及びオンとオフを光学的に切り替え可能である複数の環状及び／または非円形のフォトトランジスタを含む第１の基板であって、前記フォトトランジスタと第１の基板は、前記デバイスへの電圧を印加すると、前記環状または非円形のフォトトランジスタで負の誘電泳動（ＤＥＰ）力を発生させ、前記フォトトランジスタに光が照射されると、環状または豆の形状（例えば、インゲンマメの形状）のフォトトランジスタのＤＥＰをオフにするように構成される、前記第１の基板と、第２の電極を含む表面であって、前記表面は、前記第１の基板と前記表面との間でチャンバまたはチャネルを画定するように配置され、前記チャンバまたはチャネルは細胞または粒子を含有する流体を受容するか保持するように構成される、前記表面。
【0008】
実施形態２：前記フォトトランジスタが環状である、実施形態１に記載のデバイス。
【0009】
実施形態３：前記非円形のフォトトランジスタは豆の形状（例えば、インゲンマメの形状）である、実施形態１に記載のデバイス。
【0010】
実施形態４：前記フォトトランジスタは前記装置の平面に直交する電界を作る、実施形態１〜３に記載のデバイス。
【0011】
実施形態５：前記フォトトランジスタの環状または非円形部がｐドープされている、実施形態１〜４に記載のデバイス。
【0012】
実施形態６：前記基板が、環状または豆部を含むドープされたｐ型基板であり、前記環状または豆の形状部の中心と前記環状または非円形部の外側の領域がｎドープされている、実施形態１〜５に記載のデバイス。
【0013】
実施形態７：前記ドープされたｐ型基板は、ドープされたｐ型ＩＩＩ−Ｖ族またはｐ型ＩＶ族材料である、実施形態６に記載のデバイス。
【0014】
実施形態８：前記ドープされたｐ型基板は、ドープされたｐ型シリコンである、実施形態６に記載のデバイス。
【0015】
実施形態９：前記ｎドープ領域は薄膜導体でコーティングされている、実施形態６に記載のデバイス。
【0016】
実施形態１０：前記薄膜導体が、金、チタン、アルミニウム、クロム、ニッケル、タンタル、パラジウム及び白金からなる群から選択される材料を１つ以上含む、実施形態９に記載のデバイス。
【0017】
実施形態１１：前記フォトトランジスタの前記環状または非円形部がｎドープされている、実施形態１に記載のデバイス。
【0018】
実施形態１２：前記基板が、環状または非円形部を含むドープされたｎ型基板であり、前記環状または非円形部の中心及び前記環状または非円形部の外側の領域がｐドープされている、実施形態１及び６に記載のデバイス。
【0019】
実施形態１３：前記ドープされたｎ型基板は、ドープされたｎ型ＩＩＩ−Ｖ族またはｎ型ＩＶ族材料である、実施形態１２に記載のデバイス。
【0020】
実施形態１４：前記ドープされたｎ型基板は、ドープされたｎ型シリコンである、実施形態１２に記載のデバイス。
【0021】
実施形態１５：前記ｐドープ領域は薄膜導体でコーティングされている、実施形態１２に記載のデバイス。
【0022】
実施形態１６：前記薄膜導体が、金、チタン、アルミニウム、クロム、ニッケル、タンタル、パラジウム及び白金からなる群から選択される材料を１つ以上含む、実施形態１５に記載のデバイス。
【0023】
実施形態１７：前記基板の上面は、前記環状または非円形形状の中心で前記導体膜への開口を備えた絶縁体でコーティングされている、実施形態１〜１５に記載のデバイス。
【0024】
実施形態１８：前記絶縁体は、ＳＵ−８またはその他のフォトレジスト、ＰＤＭＳ、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素からなる群から選択される材料を含む、実施形態１７に記載のデバイス。
【0025】
実施形態１９：前記絶縁層は暗状態において約５０％の部分的な電圧リークを提供するように構成される、実施形態１７〜１８に記載のデバイス。
【0026】
実施形態２０：前記絶縁体は、酸化アルミニウムを含む、実施形態１７〜１９に記載のデバイス。
【0027】
実施形態２１：前記絶縁体を含む酸化アルミニウム層の厚さは約３０ｎｍである、実施形態２０に記載のデバイス。
【0028】
実施形態２２：前記基板は、約１ｍｍ２からまたは約５ｍｍ２から、約１０ｍｍ２から、約５０ｍｍ２から、または約１ｃｍ２から最大約５００ｃｍ２まで、または最大約２００ｃｍ２までまたは最大約１００ｃｍ２までまたは最大約５０ｃｍ２までの範囲の寸法である、実施形態１〜２１に記載のデバイス。
【0029】
実施形態２３：環の直径または非円形形状の長軸は、サブミクロンの寸法（例えば、分子を捕捉するため）から大きな物体（例えば、細胞の凝集）を捕捉するため何百マイクロメートルまでの範囲にわたる、実施形態１〜２２に記載のデバイス。
【0030】
実施形態２４：環の直径または非円形形状の長軸は、約１０から、または約２０ｎｍから、または約５０ｎｍから、または約１００ｎｍから、または約２００ｎｍから、または約５００ｎｍから最大約５００μｍまで、または最大約２５０μｍまで、または最大約２００μｍまで、または最大約１００μｍまで、または最大約１５０μｍまで、または最大約１００μｍまで、または最大約８０μｍまで、または最大約６０μｍまで、または最大約５０μｍまで、または最大約３０μｍまで、または約２０μｍまでの範囲である、実施形態１〜２３に記載のデバイス。
【0031】
実施形態２５：環の直径または非円形形状の長軸は約１０μｍから約２０μｍである、実施形態２４に記載のデバイス。
【0032】
実施形態２６：環の直径または非円形形状の長軸は約１５μｍである、実施形態２４に記載のデバイス。
【0033】
実施形態２７：環または非円形形状を形成する前記リングの厚さは約０．５μｍから最大約１０μｍまでの範囲である、実施形態１〜２６に記載のデバイス。
【0034】
実施形態２８：環または非円形形状を形成する前記リングの厚さは約２μｍから最大約８μｍまでの範囲である、実施形態１〜２６に記載のデバイス。
【0035】
実施形態２９：環または非円形形状を形成する前記リングの厚さは約５μｍである、実施形態１〜２６に記載のデバイス。
【0036】
実施形態３０：前記チャンバまたはチャネルは生理学的緩衝液を含有する、実施形態１〜２９に記載のデバイス。
【0037】
実施形態３１：前記チャンバまたはチャネルは等張緩衝液を含有する、実施形態１〜２９に記載のデバイス。
【0038】
実施形態３２：前記チャンバまたはチャネルは粒子を含有する、実施形態１〜３１に記載のデバイス。
【0039】
実施形態３３：前記チャンバまたはチャネルは細胞を含有する、実施形態１〜３１に記載のデバイス。
【0040】
実施形態３４：前記チャンバまたはチャネルは原核細胞を含有する、実施形態１〜３１に記載のデバイス。
【0041】
実施形態３５：前記チャンバまたはチャネルは細菌細胞を含有する、実施形態３４に記載のデバイス。
【0042】
実施形態３６：前記チャンバまたはチャネルは真核細胞を含有する、実施形態１〜３１に記載のデバイス。
【0043】
実施形態３７：前記チャンバまたはチャネルは昆虫細胞、哺乳動物細胞または鳥類細胞を含有する、実施形態３６に記載のデバイス。
【0044】
実施形態３８：前記チャンバまたはチャネルは卵子または胚子を含有する、実施形態１〜３１に記載のデバイス。
【0045】
実施形態３９：細胞または粒子の捕捉方法であって、前記方法は、実施形態１〜２８に記載のデバイスのチャンバ内に細胞または粒子を誘導し、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧を前記第１の電極に印加して、前記基板を含む環状トランジスタの前記細胞または粒子を捕捉することを含む、前記方法。
【0046】
実施形態４０：１つ以上のフォトトランジスタを照射して捕捉された粒子または細胞を放出することをさらに含む、実施形態３９に記載の方法。
【0047】
実施形態４１：前記電圧は交流電圧である、実施形態３９〜４０に記載の方法。
【0048】
実施形態４２：前記電圧は、約０．５Ｖから約１００Ｖｐｐの範囲である、実施形態４１に記載の方法。
【0049】
実施形態４３：前記電圧の周波数は、約１ｋＨｚから約５０ＭＨｚの範囲である、実施形態４１〜４２に記載の方法。
【0050】
実施形態４４：前記チャンバまたはチャネルは生理学的緩衝液を含有する、実施形態３９〜４３に記載の方法。
【0051】
実施形態４５：前記チャンバまたはチャネルは等張緩衝液を含有する、実施形態３９〜４３に記載の方法。
【0052】
実施形態４６：前記チャンバまたはチャネルは粒子または粒子クラスタを含有する、実施形態３９〜４５に記載の方法。
【0053】
実施形態４７：前記チャンバまたはチャネルは細胞または細胞クラスタを含有する、実施形態３９〜４５に記載の方法。
【0054】
実施形態４８：前記チャンバまたはチャネルは原核細胞を含有する、実施形態４７に記載の方法。
【0055】
実施形態４９：前記チャンバまたはチャネルは細菌細胞を含有する、実施形態４８に記載の方法。
【0056】
実施形態５０：前記チャンバまたはチャネルは真核細胞を含有する、実施形態４７に記載の方法。
【0057】
実施形態５１：前記チャンバまたはチャネルは昆虫細胞、哺乳動物細胞または鳥類細胞を含有する、実施形態５０に記載のデバイス。
【0058】
実施形態５２：前記チャンバまたはチャネルは卵子または胚子を含有する、実施形態３９〜４５に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【0059】
【図1】パネルＡ〜Ｄは、ＳＬＯＴの動作を概略的に示す。（ａ）試料ローディング。微粒子は、デバイスの表面上に分散されている。（ｂ）セルフロッキング。一旦交流電圧が印加されると、微粒子は、リング形状の電極の中心にロックされる。（ｃ）選択的放出。光ビームは単一の粒子を放出するために使用される。（ｄ）最終パターン。単一の標的粒子が放出される。
【図2】光照射を伴う場合と伴わない場合に電界の２乗のアイソサーフェス及びリングの電極におけるＤＥＰ力の方向を図化することにより、ＳＬＯＴの動作原理を表すシミュレーションを示す。
【図3A】１つの例示的なＳＬＯＴのプラットフォームの上面図及び側面図を示す。
【図3B】１つの例示的なＳＬＯＴのプラットフォームの上面図及び側面図を示す。
【図4】パネル（ａ）電圧がオフで光がオフの場合。２つの粒子がマイクロ流体チャネルを通って流れる。図４、パネル（ｂ）電圧がオンで光がオフの場合。２つの粒子はセルフロックされている。図４、パネル（ｃ）電圧がオンで光がオンの場合。粒子２が捕捉箇所から追い出されている。図４、パネル（ｄ）電圧がオンで光がオフの場合。粒子１が同じ位置に留まっている一方で、粒子２は除去される。
【図5】ＳＬＯＴの１つの例示的な実施形態の動作パラメータを示す。セルフロッキング及び放出効果のシミュレーションである。
【図6】直流電力（４８８ｎｍのレーザ、１０Ｖ）下の一実施形態の光電子特性を示す。
【図7】セルフロッキングプロセスの試験を示す。
【図8】単一の細胞のロックと、ＰＢＳ中の蛍光標識細胞の放出を示す。
【図9】セルフロッキング光電子ピンセット（ＳＬＯＴ）プラットフォームの一実施形態を概略的に示す。プラットフォームは、ＤＥＰ力を誘発するための光センサとしてのリング形状、横型のフォトトランジスタのアレイを利用する。高ｋ誘電体層（例えば、３０ｎｍの酸化アルミニウム）はコーティングされ、暗状態で部分的な電圧リークを確保して単一の細胞のセルフロッキング機能を実現する。光照射は、ロッキング機能をオフにし、照射された細胞を放出する。
【図10】ＳＬＯＴのプラットフォーム上の光が照射された画素とダーク画素の電界分布及びＤＥＰ力の方向（矢）を表す数値シミュレーションの結果を示す。暗状態においては、負のＤＥＰ力は、細胞を電極の中心にロックするであろう。明状態では、ロックされた細胞は、電極の中心から押し出される。
【図11】ＳＬＯＴのプラットフォーム上のリング形状のトランジスタの暗電流及び光電流を示すＩ−Ｖ曲線測定の結果を示す。３桁の大きさの光電流の増加が観察され、通常の細胞培養培地（約１Ｓ／ｍ）における動作を実現する。オレンジ色の基準線は細胞培養培地の伝導度を指す。それぞれ、明状態より１０倍低く、暗状態より１０倍高い。
【図12】パネル（ａ）〜（ｄ）は、ＳＬＯＴのプラットフォーム上での１０μｍの微粒子の操作を示す。パネル（ａ）：ＦＯＶ全体の微粒子のセルフロッキング。約１２０，０００個の粒子が１ｃｍ２のチップ全体においてセルフロックされている。パネル（ｂ）及び（ｄ）：粒子の個別操作。パネル（ｃ）：５×３の粒子アレイの形成。
【図13】ＳＬＯＴのプラットフォーム上の通常の細胞培養培地（ＤＭＥＭ）における単一の細胞の操作を示す。右：位置１から位置６への単一の標的細胞の移動。左：位置１から位置２への単一の標的細胞の移動の詳細。
【図14】ＳＬＯＴ動作における異なる絶縁層の効果の比較を示す。部分的な電圧リークは、絶縁層と流体伝導率の異なる９つの組み合わせのために計算される。計算に基づいて、セルフロッキングと放出機能を同時に達成する点においては、３０ｎｍの酸化アルミニウムは１Ｓ／ｍの高伝導性媒体内のその他の２つの絶縁層より性能が優れているべきであるという結論に達した。
【図15A】パネル（ａ）〜（ｃ）は、ＳＬＯＴの非円形のフォトトランジスタを示す。パネル（ａ）：製造プロセスはＳＬＯＴと同一である。しかしながら、非円形のＳＬＯＴの一実施形態において、Ｐ領域（青色の領域）は、円形の代わりに「豆」の形状（例えば、インゲンマメの形状）で設計されている。緑色の領域は、電極液接触のための高ｋ誘電体コーティング上の開口領域を表す。パネル（ｂ）：非円形ＳＬＯＴのシミュレーション。
【図15B】パネル（ｃ）：段階的に円形に沿った粒子の移動（２Ｍｈｚ、０．１Ｓ／ｍ、５Ｖｐｐ）。
【発明を実施するための形態】
【0060】
様々な実施形態では、セルフロッキング光電子ピンセット（ＳＬＯＴ）が提供される。本明細書で記載されたセルフロッキング光電子ピンセット（ＳＬＯＴ）のプラットフォームは、広範囲の領域における単一の細胞及び微粒子の操作における光パターンのぼけの問題を克服する。本明細書で記載されたＳＬＯＴのプラットフォームは、広範囲の領域における生理学的緩衝液またはその他の緩衝液（例えば、ＤＥＰ技術において一般に使用される等張緩衝液）中の単一の細胞あるいは微粒子を簡便かつ効果的な操作を提供する。ＳＬＯＴは、とりわけ、体外受精のための希少細胞または粒子の分取、組織工学、及び単一の細胞または粒子の操作が望ましい様々なその他の状況において使用されることができる。
【0061】
これまでのあらゆるＯＥＴのプラットフォームは、正または負の何れかのＤＥＰトラップを形成する光ビームの投影を必要とすると考えられている。これは、細胞及び粒子は光ビームの存在なしでは捕捉されないことを意味する。光ビームを用いて細胞を捕捉するには、２つの基準を満たす必要がある。第１には、光の強度は、仮想電極を作り細胞を捕捉するために十分な電界を誘発するために十分な強度を必要とする。第２には、通常無視されるが広範囲の領域での単一の細胞の操作に非常に重要である要因は、投影された光のパターンの鮮鋭度である。仮想電極をオンにするのに十分な強度であっても、ぼけた光のパターンは、ＤＥＰ力は電界強度の勾配に直線的に比例するため、細胞の操作のために十分な大きさのＤＥＰ力を生成することができない。ゆっくりと変化する強度特性を有するぼけた光のパターンは、細胞を効果的に捕捉し操作するのに十分なＤＥＰ力を生じる、十分な大きさの電界勾配を生成しない。
【0062】
投影された光のパターンの鮮鋭度（または解像度）は、光学系の開口数（Ｎ．Ａ．）によって決定される。効果的なＯＥＴの操作のために良好な鮮鋭度を維持するためには、１０×の対物レンズが通常、たいていのＯＥＴのプラットフォームで使用される。しかしながら、１０×の対物レンズのみが１〜２ｍｍ２の視界（ＦＯＶ）を有する。より低いＮ．Ａ．の凸レンズを使用して操作領域を増加することは可能であるが、これはホログラフィックの約１ｃｍ２のＯＥＴで示されているような操作力の犠牲が大きい（Ｈｓｕ ｅｔ ａｌ．（２０１０）Ｌａｂ Ｃｈｉｐ，１９（２）：１６５−１７２）。その結果、ＯＥＴ上で単一の細胞の操作領域をさらに拡張することはほぼ不可能であると考えられている。高い光学解像度のパターンと広い視野操作との間のトレードオフは、基本的な物理的障壁である。
【0063】
本明細書で記載されたセルフロッキング光電子ピンセットは、非常に広範囲の領域、ウエハの寸法に応じて場合により何百ｃｍ２にわたって光ビーム及び供給可能な電力を使用して、高解像度の単一の細胞の操作機能を提供するためのこのような基本的な障壁を回避することが可能な、新しい光操作手法及びプラットフォームを提供する。
【0064】
様々な実施形態では、ＳＬＯＴシステムは、１つ以上の「上部」電極、下部フォトトランジスタ及び流体チャネルまたはチャンバ（例えば、マイクロ流体チャネル）をその間に備える。図１は、ＳＬＯＴのプラットフォームの動作原理を概略的に示す。第１に、図１（ａ）に示されているように、粒子または細胞は、上部電極とフォトトランジスタ基板との間のチャネルまたはチャンバに導入される（マイクロ流体チャネルを通って流れる）。上部及び下部の電極は外部の電圧源（例えば、ファンクションジェネレータ）に接続される。一旦交流電圧が印加されると、図１（ｂ）に示されているように、誘電泳動（ＤＥＰ）トラップ（負のトラップと粒子は弱電界領域にロックされる）が形成され、個々の粒子または細胞（または粒子若しくは細胞のクラスタ）を隣接するリング（環状）のフォトトランジスタにロックするであろう。光学観察（例えば、蛍光、暗視野、位相差など）は、対象とする粒子または細胞を同定するために実行されることができる。次に、図１（ｃ）に示されているように、光ビームは、標的のフォトトランジスタで制御された電極を照射して、負のＤＥＰトラップを一時的に停止する局所的光電流を増加する。最後に、図１（ｄ）に示すように、標的の粒子（複数可）または細胞（複数可）は、ロック箇所（複数可）から放出され、下流の収集及び分析のために流体の流れによって搬出される。あるいは、標的の粒子（複数可）または細胞（複数可）は、さらに検査及び／または操作をするために保持されることが可能である。
【0065】
コンピュータシミュレーションが設計プロセスで概念を検証するために使用された。ＣＯＭＳＯＬは、図２に示すようにＳＬＯＴの動作原理をシミュレーションするために使用された。負のＤＥＰトラップは、交流電圧が印加されると環状のフォトトランジスタで形成された。交流周波数は、印加された電圧の一部が広範囲の電極領域でＳＵ−８の絶縁体を通って漏れることが可能になるように選択された。このように粒子または細胞は暗状態でリングのフォトトランジスタにロックされることができる。光ビームが大きな電極を浮島電極に接続するフォトトランジスタを照射すると、浮電極をオンにして、絶縁体によって覆われた広範囲の電極領域よりも島電極領域においてより強い電界を作る。これは負のＤＥＰ力によってロックされた粒子をはじく。
【0066】
上記のように、ＳＬＯＴにおけるセルフロッキング機能は、暗状態のバックグラウンドにおいて部分的な電圧リークによって実現され得る。このリーク電圧は、絶縁層の厚さ、その誘電率、動作交流周波数及び媒体伝導率を含む、いくつかのパラメータに依存する。これらの関係を理解するには、簡単な塊素子モデルは、９つの異なる条件下で液体層及び絶縁層の全面の電圧降下の割合を計算するために利用された。理想的なＳＬＯＴの動作状態では、絶縁層は、十分に強力なセルフロッキング力は暗状態で提供されることができるように、約５０％の部分的な電圧リークを可能にすべきであるが、一方、十分な電界強度勾配を維持して明状態に捕捉された細胞をはじくように作成される。図１４は、１μｍのＳＵ−８、３０ｎｍの二酸化ケイ素及び３０ｎｍの酸化アルミニウムの絶縁層についての暗状態におけるリーク電圧の降下の計算結果を示し、それぞれが０．０１Ｓ／ｍ、０．１Ｓ／ｍ及び１Ｓ／ｍの電気伝導率を有する媒体中にある。高伝導性媒体（１μｍ ＳＵ−８＋１Ｓ／ｍ）において厚い誘電体層を使用する１つの極端な場合では、絶縁層の全面でたいていの電圧が降下するためセルフロッキング機能はない。低導電性媒体（３０ｎｍの酸化アルミニウム＋０．０１Ｓ／ｍ）において高ｋかつ薄膜の誘電体を使用する別の極端な場合では、セルフロッキング機能は暗段階で強力であるが、媒体において約１００％のリーク電圧が降下すると、捕捉された細胞をはじくのに必要な明状態での電界強度勾配を作る余地がないため、明状態においては放出機能が不可能である。したがって、絶縁層の厚さと材料の最適化及び動作媒体の適合がＳＬＯＴ動作には重要であり、高ｋ誘電体（例えば、３０ｎｍの酸化アルミニウム）は、特に導電性溶液（例えば、生理学的緩衝液溶液）中での動作に適している。
【0067】
絶縁体（誘電体層）の組成及び厚みは、製造の間に正確に制御されることができる。例えば、高ｋ誘電体は、原子層蒸着（ＡＬＤ）法を用いて正確に蒸着されることが容易であり得る。
【0068】
図３Ａ及び図３Ｂは、ＳＬＯＴプラットフォームの特定の実施形態の上面図及び側面図を示す。例示されたデバイスはｐ型のシリコン基板に製造される。リング形状パターンの電極はフォトリソグラフィによって形成された。大きな電極と島電極との間で、ｎ型のイオン注入がｎｐｎフォトトランジスタを製造するために行われた。１０ｎｍのチタン（Ｔｉ）の薄膜上に１００ｎｍの金（Ａｕ）が、電気接触のために基板上のｐ型の領域にパターン化された。ｐ型のイオン注入をしたｎ型基板の製造によってもまた、ｐｎｐ型のフォトトランジスタを製造して浮島電極を制御することが可能である。光検出器の構造はフォトトランジスタに限定されない。光導電体及び金属−半導体−金属（ＭＳＭ）のような、その他の構造もまた原則的に機能する。最終のＳＵ−８のパターニングは、流体接触のために浮島電極領域に開口を製造するために使用された。ＰＤＭＳ、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化ケイ素等のような、その他の誘電体材料もまた、部分的に電気絶縁をするためのＳＵ−８を置き換えるために使用されることができる。別のＳＬＯＴのプラットフォームの構造は図９に示されている。
【0069】
ＳＬＯＴの試作品を成功裏に製造し、試験を行った。概念実証デバイスにおいて、０．１Ｓ／ｍの伝導率を有する通常の生理学的緩衝液または等張緩衝液に懸濁された微粒子（直径１０μｍ）及び細胞で実験を行った。原理上は、ＳＬＯＴは、適切に設計されたデバイスパラメータで脱イオン水から５Ｓ／ｍに変化する伝導性を有するその他の水性媒体においても機能する。
【0070】
図４は、ＳＬＯＴのセルフロッキング及び選択的放出機能を示す。
【0071】
ＳＬＯＴの独特的な特徴は、暗状態におけるセルフロッキング機能である。粒子または細胞の群がＳＬＯＴのプラットフォームに導入されると、光ビームの照射をせずに、負のＤＥＰ力によってリング形状（環状）のフォトトランジスタで制御された電極に個別にロックされる。光ビームが１つ以上の環状のフォトトランジスタを照射すると、これらのフォトトランジスタにおけるＤＥＰトラップをオフして捕捉された微粒子または細胞を放出する。微粒子または細胞が暗状態でセルフロックされるため、多数のリング状のフォトトランジスタ及び関連する電極は、広範囲の領域（例えば、数十ｃｍ２から数百ｃｍ２）にわたって配置され、作動中の光ビームなしで何百万の粒子または細胞を捕捉する。
【0072】
限定された視界（ＦＯＶ）であるが高い光学解像度を有する光照射システムは、ウエハ全体を走査して、順次に捕捉された細胞または粒子を選択的に放出することができ、現代のフォトリソグラフィに使用されるステッパーの概念と類似している。あるいは、特定の領域が照射され（例えば、マスクを用いて）、基板の選択された領域内のいくつかの細胞または粒子を放出することができる。その結果、ＳＬＯＴの動作領域は、撮像及び光パターンの投影のための対物レンズのＦＯＶに限定されない。比較のために、通常のＯＥＴ動作においては、光照射なしで領域内の微粒子は、流体の流れによって洗い流されるであろう。
【0073】
さらに、照射システムを検出システムと連結させることによって、特定の細胞または粒子（例えば、特定の色やモルホロジーを有する細胞または粒子か、あるいは例えば特定の蛍光標識で標識を付けられた細胞または粒子）は、選択的に放出するか、または選択的に保持されることができる。このようにして、本明細書で記載されたＳＬＯＴシステムは、有効なソーター（例えば、細胞ソーター）として機能することができる。
【0074】
ＳＬＯＴは環状（円形）のフォトトランジスタに関して上述したが、フォトトランジスタはこの形状に限定する必要はない。様々な実施形態では、非円形のフォトトランジスタが企図される。このようなフォトトランジスタは、とりわけその他の正多角形、楕円形トランジスタ及びインゲンの形状のフォトトランジスタを含むがこれらに限定されない不規則なフォトトランジスタを含むことができる。円形のフォトトランジスタの構成を使用して、細胞または粒子は対称のＤＥＰ力を受け、これは、放出の方向はバックグラウンドの流れの方向に排他的に依存することを意味する。非円形のフォトトランジスタの設計（例えば図１５中のインゲン形状を参照）を使用して、非対称の電界を生成することができ、方向性のあるＤＥＰ力を生じる結果となる。非円形の設計の利点は、システムは外部の流体ポンプ装置すらなくても動作可能であることである。個々の非円形のフォトトランジスタをビルディングブロックとして使用して、多数の電極の組み合わせによって非常に強力になることが可能である。例えば、適切に制御されたレーザビームを用いて、単一の粒子は事前に設計された任意の経路（直線、ループ等）に沿って移動できる。
【0075】
非円形のフォトトランジスタの製造は、ＳＬＯＴにおける環状のフォトトランジスタと同じである。異なっているのは、ｐ領域の形状が非円形であり、一方、ｐ領域の幅は同じままである設計プロセスにおいてである。
【実施例】
【0076】
実施例１広範囲の領域における微粒子操作のためのセルフロッキング光電子ピンセット
本実施例は、広範囲の領域における単一の細胞及び微粒子の操作における光パターンのぼけの問題を克服する、新規のセルフロッキング光電子ピンセット（ＳＬＯＴ）のプラットフォームの設計及び製造を記載する。ＳＬＯＴは、光学的にオンとオフが切替え可能なリング形状（環状）のフォトトランジスタのアレイを配置することによって実現される。単一の細胞及び微粒子は、光の照射なしで暗状態においてこれらの環状のフォトトランジスタにセルフロックされる。光ビームがリング形状の電極を照射すると、その電極におけるＤＥＰトラップをオフにして捕捉された微粒子を放出する。細胞及び微粒子が暗状態でセルフロックされるため、多数の環状のフォトトランジスタは、数十ｃｍ２または数百ｃｍ２の広範囲の領域に配置され、何百万の単一の細胞を捕捉できる。限定された視界（ＦＯＶ）を備える光照射システムは、ウエハ全体の捕捉された細胞を選択的に放出するために走査でき、現代のフォトリソグラフィに使用されるステッパーの概念と類似している。その結果、ＳＬＯＴの動作領域は、撮像及び光パターンの投影のための対物レンズのＦＯＶに限定されない。加えて、ＳＬＯＴもまた、単結晶シリコンフォトトランジスタベースのプラットフォームである。通常の生理学的緩衝液における単一の細胞の操作に可能性を提供する。（Ｈｓｕ ｅｔ ａｌ．（２０１０）Ｌａｂ Ｃｈｉｐ，１０（２）：１６５−１７２）．
【0077】
デバイスの動作及び原理。図１は、図３Ａ及び図３Ｂに示されているＳＬＯＴのプラットフォームの例示的な構成の一実施形態の動作を概略的に示す。図示されているように、ＳＬＯＴシステムは、電極を備える上面、下部フォトトランジスタ及び流体チャネルまたはチャンバ（例えば、マイクロ流体チャネル）をその間に備える。粒子または細胞は、例えばマイクロ流体チャネルを通って流れてプラットフォームに導入される。
【0078】
上部及び下部の電極（例えば図３Ｂを参照）は、電圧源（例えば、ファンクションジェネレータ）に電気的に接続される。一旦、電圧（例えば、交流電圧）が電極に印加されると、ＤＥＰトラップが形成され、個々の粒子（または細胞）を隣接するフォトトランジスタのリング電極にロックする。次に、光学観察（例えば、蛍光、暗視野、位相差など）またはその他の観察は、対象とする粒子または細胞を同定するために実行されることができる。次に、光ビームは標的のフォトトランジスタを照射して局所的光伝導率を増加し、一時的にそれぞれのＤＥＰトラップを停止する。最後に、標的の単一の粒子または細胞（または粒子のクラスタか細胞のクラスタ）は、ロックされた箇所から放出され、下流の収集と分析のために例えば、連続的な流れによって搬送される。あるいは、標的の粒子または細胞（あるいは粒子のクラスタか細胞のクラスタ）は、分析またはさらに処理をするために保持され、好ましくない粒子または細胞（あるいは粒子のクラスタか細胞のクラスタ）が放出されることができる。
【0079】
ある実施形態においては、光ビームは個別のフォトトランジスタの箇所に向けられて、単一のＤＥＰトラップに捕らえられた部分を放出することができる。ある実施形態においては、光ビームは、例えば多数のＤＥＰトラップで捕らえられた部分を放出するためのマスクを使用して、複数のフォトトランジスタの箇所に向けられることができる。
【0080】
デバイスの製造及びシミュレーション図３Ａ及び図３Ｂは、例示的なＳＬＯＴのプラットフォームの上面図及び側面図を示す。例示されたデバイスはｐ型のシリコン基板（例えば、高度にドープされたｐ型基板上）に製造される。リング形状のパターンはフォトリソグラフィによって形成され、次にｎ型のイオン注入用のマスクとして使用される。１０ｎｍのチタン（Ｔｉ）薄膜上の１００ｎｍの金（Ａｕ）は、次に、基板上で蒸着され、次にＳＵ−８のパターニングを行い、流体と電極接触するための開口を作る。図２に示すように、ＣＯＭＳＯＬがＳＬＯＴの動作原理をシミュレーションするために使用された。交流電圧のみが印加されると、負のＤＥＰトラップがリング電極で形成される。交流周波数は、印加された電圧の一部が広範囲の電極領域でＳＵ−８の絶縁体を通って漏れるように選択された。光ビームが大きな電極を浮島電極に接続するフォトトランジスタを照射すると、浮電極をオンにして負のＤＥＰ力によって捕捉された粒子をはじく強力な電界を島電極において作る。
【0081】
示されている構成は例示的なものであり限定的ではないことを理解すべきである。例えば、デバイスは環状のｎ−ｐ−ｎフォトトランジスタを形成するために反転されたドープで構成されることができる。さらに、例えば本明細書で記載され特許請求されているように、寸法は変更することができる。
【0082】
１つの概念実証デバイスでは、０．１Ｓ／ｍの電気伝導率の等張緩衝液に懸濁された微粒子（直径１０μｍ）で実験を行った。図４では、ＳＬＯＴの単一の粒子をセルフロックし、選択的に放出することを実証した。ＳＬＯＴは、広範囲の領域での動作を可能にするためにスケールアップすることができる。
【0083】
本明細書に示されているデータは、広範囲の領域上の単一の微粒子及び単一の細胞（または微粒子のクラスタと細胞のクラスタ）をセルフロックし、選択的に放出するための新規のＳＬＯＴのプラットフォームを実証する。１つの例示的な実施形態において、ＳＬＯＴは、通常の生理学的緩衝液における単一の細胞操作の可能性のある単結晶のフォトトランジスタに基くＯＥＴシステムである。しかしながら、ＳＬＯＴは単結晶シリコン上に必ずしも製造される必要はない。ＳＬＯＴの粒子操作の概念は、非晶質またはポリシリコンに基づいた環状のフォトトランジスタ構造上で実現されることができる。ＩＩＩ−Ｖ族材料のような、その他の半導体材料もまた使用されることができる。例示的であるが限定的ではない実施形態の動作パラメータ
高感度ＳＬＯＴの製造：
接合幅：２μｍ；
イオン注入：１ｅ１５ｃｍ−２２００ｋｅＶ、４ｅ１５ｃｍ−２１５ｋｅＶ（表面）；
アニーリング：１０００°Ｃ、１時間
電極：チタン（１０ｎｍ）上の金（１００ｎｍ）
絶縁層：２μｍ。
セルフロッキング及び放出のシミュレーション（例えば図５を参照）；
広範囲の領域にわたる自動的な単一の細胞の捕捉；
広範囲の領域にわたる選択的な単一の細胞の放出；
１０Ｖｐｐ（電圧）、１０ＭＨｚ（周波数）、２０μｍ（デバイスのピッチ）、１Ｓ／ｍ（媒体伝導率）。
光電子特性試験（例えば、図６を参照）。
直流電力下で１０００倍の光伝導率の増加；
伝導率：オフ状態（０．００５Ｓ／ｍ）＜＜ＰＢＳ媒体（１Ｓ／ｍ）＜オン状態（２Ｓ／ｍ）；
広範囲の領域のセルフロッキング効果の試験（例えば、図７参照）。
１０Ｖｐｐ（電圧）、１０ＭＨｚ（周波数）、２０μｍ（デバイスのピッチ）、１Ｓ／ｍ（媒体伝導率）。
通常のＰＢＳ緩衝液内の単一の細胞のセルフロッキング及び放出（例えば、図８を参照）
単一の細胞のセルフロッキング効果の観察；
蛍光標識された単一の細胞の選択的な放出の観察；
１０Ｖｐｐ（電圧）、１０ＭＨｚ（周波数）、２０μｍ（デバイスのピッチ）、１Ｓ／ｍ（媒体伝導率、ＰＢＳ）。
【0084】
前述の実施形態は例示的であり、限定することを意図するものではない。変形は当業者によって認識されるであろう。例えば、デバイスに含まれる環状領域の寸法は、用途に依存し得る。約１０μｍの寸法の細胞（または粒子）を捕捉するために本明細書で示されている直径約１５μｍの環が好適である。より大きな細胞、細胞クラスタ、その他の細胞、卵子等の集まりを捕捉するためにより大きな寸法の環で十分であろう。より小さな粒子または細菌（例えば、約１〜２μｍ）を捕捉するためには、小さな寸法の環で十分であろう。したがって、ある実施形態においては、約１μｍから、または約２μｍから、または約５μｍから、または約１０μｍから、または約１５μｍから約２００μｍまで、または約１５０μｍまで、または約１００μｍまで、または約５０μｍまで、または約４０μｍまで、または約３０μｍまでの範囲の環の直径が企図される。ある実施形態においては、環は約５μｍから約５０μｍまでの直径の範囲である。
【0085】
環状トランジスタを形成するドープされたリングの幅は、トランジスタの特性を制御するであろう。ある実施態様においては、環の厚さは、約０．５μｍから最大約１０μｍの範囲である。より薄い環状リングは、電極をオンにするためにより低い光強度を使用することが可能なより高い光利得を提供できる。しかし、トレードオフは小さな電圧振幅であり、フォトトランジスタが光照射なしで高電圧下でオンにできるため動作できる。より大きな幅が使用される場合には、光利得がより低くなる可能性があるが、一方、より大きな細胞のトラップ力を得るために、高電圧でデバイスを動作させることができる。
【0086】
実施例２広範囲の領域にわたるセルフロッキング光電子ピンセットを用いた細胞培養培地中の単一の細胞操作
本実施例は、広範囲の領域（例えば、図９を参照）にわたる細胞培養培地における、単一の細胞の操作のための新規のセルフロッキング光電子ピンセット（ＳＬＯＴ）を記載する。ＳＬＯＴは、高スループットの単一の細胞の操作に対する、従来の光電子ピンセット（ＯＥＴ）の２つの大きな技術上の障壁を克服する。１つの例示的であるが限定的ではない実施形態においては、ＳＬＯＴは、オンとオフを光学的に切り替えられることができる、横型のフォトトランジスタに基づいたリング形状の電極のアレイを配置することによって製造される。横型のリング形状のフォトトランジスタの設計により、高伝導性の媒体（１Ｓ／ｍ）で操作することができ、広範囲の領域（＞１ｃｍ２）における単一の細胞の操作の基本的なぼけの光パターンの問題を克服する。
【0087】
動作の原理。外部のファンクションジェネレータによって電力供給されたＤＥＰトラップは、単一の細胞が光照射なしで暗状態にセルフロックされたリング形状の電極の周りに形成される。光ビームがリングの電極を照射すると、ＤＥＰトラップは照射された単一の細胞を放出するためにオフにされる。この動作機構は、並行して何百万もの単一の細胞を捕捉するためにウエハ全体にすらわたる超広範囲の領域にまで容易にスケールアップすることができる。ＳＬＯＴの動作概念は、現代の微細加工において使用されるステッパーに類似している。光照射システムは、その他のＦＯＶ外の細胞がセルフロックされたままである一方、ウエハ全体を走査して、対象の細胞を放出することができる。
【0088】
シミュレーション及び製造ＳＬＯＴは、暗状態と明状態の２つの動作状態を有する。暗状態では、交流電圧のみが印加される。明状態では、交流電圧と照射光ビームの両方が印加される。ＳＬＯＴが暗状態と明状態でどのように動作するかを理解するために、数値シミュレーションを行うことが有用である。図１０は、数値シミュレーションされた電界強度分布及び光照射画素と周囲の暗画素のＤＥＰ力を示す。高周波数（１０ＭＨｚ）の交流バイアスが印加され、酸化アルミニウムの絶縁層（３０ｎｍ）を通って部分的な電圧リークを作り、暗状態で負のＤＥＰの単一の細胞トラップを形成する。ＤＥＰ力は暗状態では電極の中心を指し、単一の細胞をロックする。逆に、明状態では、ＤＥＰ力は電極の中心の外部を指し、それによって単一の細胞を放出する。これは、セルフロッキング及び選択的な放出が達成され得る基本的な理由である。セルフロッキングと光放出機能の分離は、ＳＬＯＴを超広範囲の領域に拡張することを約束する。
【0089】
１つの例示的な実施形態において、デバイスはｐ型の高度にドープされた単結晶シリコン基板上に製造される。リング形状のパターンはフォトリソグラフィから生成され、ｎ型のイオン注入マスクとしての役割をする。１０ｎｍの（チタン）金属薄膜上の１００ｎｍ（金）は、基板に蒸着され、リフトオフプロセスが続く。最後に、電極と緩衝液を接触するために、５μｍの円形の開口のアレイで３０ｎｍの酸化アルミニウムの薄膜をパターニングする。酸化アルミニウム薄膜を選択するのは、セルフロッキングと放出機能の両方を達成する上で重要な役割をするためであることは注目に値する。膜は、交流電圧からの電界が部分的に暗状態の薄膜を通って漏れ、セルフロッキング機能を可能にするように、薄く、高誘電率を有するべきである。生体適合性の両面テープは、商用の紙裁断機によりパターニングされ、そこを通って細胞の試料が導入可能なマイクロ流体チャネルとして機能する。チャネルの幅は約２００μｍである。従来の縦型フォトトランジスタの設計と異なり、１度のみのイオン注入を必要とし、トレンチ分離を必要としない横型のフォトトランジスタの設計を提案し、実現した。イオン注入のドーピング濃度及び厚さは最適化されている。横型の設計の最大の利点は、縦型の設計に比べ、ＤＥＰのトラップは、捕捉領域がウエハレベル全体に拡張されることが可能なように光照射にもはや依存しないことである。横型の設計の別の有用な点は、光子と電子の経路は分離されているため、光吸収とデバイスの構造を個別に調整する自由があることである。
【0090】
デバイスの特性更に、レーザ走査システムと蛍光顕微鏡とを統合し、デバイス特性化及び動作条件の較正を行う。５３２ｎｍで１０ｍＷの緑色のレーザが誘導され、ｌａｂｖｉｅｗで制御された走査ミラーのセットを介してデバイスの表面上に集中させる。直線偏光子は、光の強度が０．５Ｗ／ｃｍ２から５Ｗ／ｃｍ２の間になるようにレーザ出力を調節するために使用される。
【0091】
実際のデバイスに沿って製造された円形の試験構造は、図１１に示されているように電気特性化に使用された。Ｉ−Ｖ曲線は、１Ｗ／ｃｍ２の照明強度で記録された。単結晶シリコンにおける高フォトトランジスタの利得及びキャリア移動度のため、１０Ｖのピークツーピーク電圧下の暗状態におけるよりも、明状態で３桁高い光電流が確認された。細胞培養培地の伝導度を指す基準線（オレンジ色）もまた図化されており、暗状態でフォトトランジスタの抵抗値は、細胞培養培地のものに比べて少なくとも１０倍大きいことを示す。一方、明状態のフォトトランジスタの抵抗値は１０倍小さい。
【0092】
実験結果図１２に示されているように、１×１ｃｍ２の領域に渡る細胞培養培地（ＤＭＥＭ）におけるＳＬＯＴの様々な操作機能を実証する。ここで、広範囲の領域のセルフロッキング、個別の移動及びアレイの形成を示す。図１２のパネルａにおいては、超広範囲の領域でのセルフロッキングが実証される。全デバイスの動作領域は、１ｃｍ２超である。しかしながら、単に顕微鏡のＦＯＶの制限によって、一度に比較的小さな領域を観察することのみができる。
【0093】
上述の考察に基づき、セルフロッキング機能は、十分な電力が提供されている限り、効果的なセルフロッキング領域は全ウエハレベルにすら拡張されることが可能であるように、完全に観察から独立している。図１２のパネルｂ及び図１２のパネルｄにおいては、単一の細胞の操作は投影されたレーザビームを通して達成される。多数の粒子は順次、放出される。図１２のパネルｃでは、微小粒子の５×３のアレイが形成される。
【0094】
１ｃｍ２のＳＬＯＴプラットフォーム上で捕捉された約１２０，０００個の粒子があり、そのそれぞれは順次検査され光学的に放出されることができる。注目すべきある実験の詳細は、超広範囲の領域のセルフロッキング及び放出を可能にするには、特に高導電性の細胞培養培地においては、デバイスが消費する電力は規格を容易に超えるため、汎用のファンクションジェネレータだけではもはや適切ではない可能性があることである。ここでは、１２ＭＨｚの交流入力を増幅することが可能な高出力増幅器を使用する。
【0095】
通常の細胞培養培地での単一の細胞の操作は、多くの実際の生物医学用途には重要である。しかしながら、たいていのＯＥＴベースの技術は、低導電性媒体（通常約０．０１Ｓ／ｍ）においてのみ動作が可能である。増殖及び成長のような、正常な細胞の挙動は、通常の生理学的緩衝液（典型的には約１Ｓ／ｍ）以外の媒体において期待されることができない。５μＬの試料溶液（ＤＭＥＭにおいて懸濁されたＲａｍｏｓ）は、８ＭＨｚ及び１０Ｖｐｐに設定された外部のファンクションジェネレータを備えるＳＬＯＴデバイスに導入される。対物レンズの視界内の光ビームは選択的に対象となる単一の細胞を放出することを示した。
【0096】
図１３においては、非標的細胞がロックされたままであるのに対し、対象とする標的細胞がどのように位置１から位置６へと移動されたかを順を追って示す。最初は、２つの細胞はＤＥＰトラップによってセルフロックされた。次に、レーザビームを標的細胞が配置されたところに移動した。これは照射されたフォトトランジスタで光電流が劇的に増加する結果となった。したがって、ＤＥＰトラップはオフになり、捕捉された細胞はバックグラウンドのマイクロ流体の流れによって放出された。トラップから細胞を放出するのに０．５秒未満かかる。一般的なバックグラウンドの流れの速度は５０μｍ／秒であった。これらのパラメータは異なる実験条件によって変化する。
【0097】
ＳＬＯＴの動作は、現代のフォトリソグラフィにおいて広く使用されている「ステッパー」の概念と類似する。ＳＬＯＴ基板に固定されたまたはプログラム可能な光パターンを投影する。対象とする細胞は、１つ１つまたはバッチ毎に放出されることができる。各電極の位置は事前に設計されているため、放出機能はリアルタイムの観察なく実行されることができ、これはＳＬＯＴが対物レンズの視界を超えてでも細胞を操作することができることを示している。
【0098】
結論広範囲の領域にわたる細胞培養培地における、単一の細胞の操作のための新規のセルフロッキング光電子ピンセット（ＳＬＯＴ）を報告する。ＳＬＯＴは、広範囲の領域での通常の生理学的緩衝液における単一の細胞の操作に対する、従来の光電子ピンセット（ＯＥＴ）の２つの主要な技術上の障壁に対処する。独特な横型でリング形状のフォトトランジスタの設計により、高伝導性媒体（＞１Ｓ／ｍ）の操作において高スループット（１２０，０００個を超える粒子）操作が達成された。セルフロッキングの概念は、従来のＯＥＴの操作領域を１ｃｍ２にまで、またはそれよりもさらに広範囲の領域にまで拡張するための鍵である。ＳＬＯＴの潜在的な用途は、組織工学、創薬スクリーニング（Ｎｉｌｓｓｏｎ ｅｔ ａｌ．（２００９）Ａｎａｌｙｔｉｃａ Ｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ，６４９（２）：１４１−１５７）、細胞間伝達、希少細胞分取及び体外受精（Ｖａｌｌｅｙ ｅｔ ａｌ．（２０１０）ＰｌｏＳ Ｏｎｅ，５（４）：ｅ１０１６０）を含む。
【0099】
本明細書に記載された実施例及び実施態様は説明のみを目的としており、それらに照らした種々の改良または変更は、当業者に対して示唆され、また、本出願の趣旨及び範囲内に、そして、添付された特許請求の範囲の範囲内に含まれるべきであることが理解される。本明細書で引用された全ての出版物、特許、特許出願は、その全体がすべての目的に関して参照により本明細書に組み込まれる。