特開 2024-49813 誘電泳動装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024049813

(43)【公開日】2024-04-10

(54)【発明の名称】誘電泳動装置

(51)【国際特許分類】

   C12M 1/00 20060101AFI20240403BHJP

   C12M 1/26 20060101ALI20240403BHJP

【ＦＩ】

C12M1/00 A

C12M1/26

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022156275

(22)【出願日】2022-09-29

(71)【出願人】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】蒲原 敦彦

(72)【発明者】

【氏名】青戸 隆志

【テーマコード（参考）】

4B029

【Ｆターム（参考）】

4B029AA09

4B029AA23

4B029BB01

4B029GB05

(57)【要約】

【課題】導電率の変化が大きい導電率変化膜を提供することで微小材料の移動やソーティングを容易にする。
【課題手段】第１電極と第２電極との間に配置されるシリコン半導体層は、第１の不純物濃度を有する第１導電型の第１シリコン層と、前記第１シリコン層と接し、前記第１の不純物濃度よりも小さい第２の不純物濃度を有する、前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２シリコン層と、前記第２シリコン層と接し、前記第２の不純物濃度よりも大きい第３の不純物濃度を有する、前記第１導電型の第３シリコン層とを含む。前記第１シリコン層と前記第２シリコン層とにより、第１の極性を有するの第１フォトダイオードが形成され、前記第２シリコン層と前記第３シリコン層とにより、第２の極性を有し前記第１フォトダイオードと直列接続される第２フォトダイオードが形成される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

操作対象の微小物体を含む溶媒を内部に含む溶媒保持部と、
前記溶媒保持部の第１面側に配置される第１電極と、
前記溶媒保持部の第２面側に配置される第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置されるシリコン半導体層と
を含み、
前記シリコン半導体層は、
第１の不純物濃度を有する第１導電型の第１シリコン層と、
前記第１シリコン層と接し、前記第１の不純物濃度よりも小さい第２の不純物濃度を有する、前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２シリコン層と、
前記第２シリコン層と接し、前記第２の不純物濃度よりも大きい第３の不純物濃度を有する、前記第１導電型の第３シリコン層と
を含み、
前記第１シリコン層と前記第２シリコン層とにより、第１の極性を有する第１フォトダイオードが形成され、
前記第２シリコン層と前記第３シリコン層とにより、前記第１の極性とは反対の第２の極性を有し前記第１フォトダイオードと直列接続される第２フォトダイオードが形成される
ことを特徴とする誘電泳動装置。

【請求項2】

前記第１シリコン層と前記第２シリコン層との間に形成される真正半導体層である第４シリコン層と、
前記第２シリコン層と前記第３シリコン層との間に形成される真正半導体である第５シリコン層と
を更に備える、請求項１に記載の誘電泳動装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、誘電泳動装置に関する。

【背景技術】

【0002】

細胞等や微粒子等の微小物体を液中で操作することができる装置として、誘電泳動装置が知られている（ここで「微小物体」とは、直径数ｎｍ～１００μｍ程度の無機物、有機物を意味する）。誘電泳動装置は、導電率変化膜に光を照射することにより、導電率変化膜における導電率の変化を与えると共に、対向する電極との間に交流電圧信号を印加することによって誘電泳動現象を生じさせる装置である。誘電泳動現象により、微小物体を所望の位置に移動又はソーティングすることができる。

【0003】

非特許文献１や特許文献１に開示されている従来の誘電泳動装置は、光により導電率が変化する導電率変化膜としてアモルファスシリコン膜を用いている。アモルファスシリコンは、光を当てることにより、導電率が１．０×１０^－１０Ｓ／ｍ程度から５×１０^－６Ｓ／ｍ程度に変化する。一方、純水などの溶媒の導電率は２．０×１０^－４Ｓ／ｍ程度である。この場合、導電率の比率が１００倍程度であるので、溶媒中に誘電泳動に必要な電圧が印加することができる。

【0004】

しかし、細胞培養などに使用される緩衝液であるＰＢＳ（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ－ｂｕｆｆｅｒｅｄ ｓａｌｉｎｅ）やＤＭＥＭ（Ｄｕｌｂｅｃｃｏ’ｓ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｅａｇｌｅ Ｍｅｄｉｕｍ）の導電率は１．６Ｓ／ｍであり、アモルファスシリコン膜の導電率よりも約１０^６倍ほど大きい。このように両者間の導電率の差が大きいため、特許文献１のようなアモルファスシリコン膜を導電率変化膜として用いる場合、溶媒中に所望の電圧が印加できず、誘電泳動を行うことが困難になる。

【0005】

アモルファスシリコン膜の導電率の変化幅を大きくするために、特許文献２は、フォトトランジスタを構成する多層膜を備える誘電泳動装置を開示している。しかし、フォトトランジスタ構造では、ベース層が薄膜状態でないと回路が機能しないという問題がある。薄膜のベース層は導電率を変化する空乏層の領域（高さ方向の幅）が小さく光吸収効率が悪いため、導電率の変化が小さくなってしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特表２００７－５３７７２９号公報

【特許文献2】特表２０１６－５０５３４９号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Shuailong et al., Small 2018, 14, 1803342, Patterned Optoelectronic Tweezers: A New Scheme for Selecting, Moving, and Storing Dielectric Particles and Cells

【非特許文献2】Hsu et al., Lab Chip, 2010, 10, 165-172, Phototransistor-based optoelectronic tweezers for dynamic cell manipulation in cell culture media

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、導電率の変化が大きい導電率変化膜を提供することで微小材料の移動やソーティングを容易にすることができる誘電泳動装置を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の課題を解決するため、本発明に係る誘電泳動装置は、操作対象の微小物体を含む溶媒を内部に含む溶媒保持部と、前記溶媒保持部の第１面側に配置される第１電極と、前記溶媒保持部の第２面側に配置される第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置されるシリコン半導体層とを含む。前記シリコン半導体層は、第１の不純物濃度を有する第１導電型の第１シリコン層と、前記第１シリコン層と接し、前記第１の不純物濃度よりも小さい第２の不純物濃度を有する、前記第１導電型とは異なる第２導電型の第２シリコン層と、前記第２シリコン層と接し、前記第２の不純物濃度よりも大きい第３の不純物濃度を有する、前記第１導電型の第３シリコン層とを含む。前記第１シリコン層と前記第２シリコン層とにより、第１の極性を有する第１フォトダイオードが形成され、前記第２シリコン層と前記第３シリコン層とにより、前記第１の極性とは反対の第２の極性を有し前記第１フォトダイオードと直列接続される第２フォトダイオードが形成される。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、誘電体の変化が大きい導電率変化膜を提供することで微小材料の移動やソーティングを容易にすることができる誘電泳動装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１の実施の形態に係る誘電泳動装置を説明する概略図である。

【図2】第２の実施の形態に係る誘電泳動装置を説明する概略図である。

【図3】第３の実施の形態に係る誘電泳動装置を説明する概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、添付図面を参照して本実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。

【0013】

本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。

【0014】

［第１の実施の形態］
次に、第１の実施の形態に係る誘電泳動装置１を、図１を参照して説明する。この誘電泳動装置１は、一例として、泳動部１０、交流電源２０、光源３０、ＣＣＤカメラ４０、制御部５０を備えて構成される。

【0015】

泳動部１０は、誘電泳動現象を利用して、泳動部１０中の微小物体（例えば細胞ＰＴ）を分離するための部分である。交流電源２０は、泳動部１０において誘電泳動現象を生じさせるための交流電力を供給する。光源３０は、泳動部１０において導電率変化膜であるシリコン層において導電率を変化させるための光を照射する。ＣＣＤカメラ４０は、泳動部１０を撮像して、分離された細胞ＰＴの位置等を判定するための撮像装置である。制御部５０は、ＣＣＤカメラ４０で撮像された画像を解析すると共に、誘電泳動装置１の全体の制御を司る。

【0016】

泳動部１０は、溶媒保持部１１と、第１電極１２と、第２電極１３と、シリコン層１４～１６から構成される。シリコン層１４～１６は、後述するように、光源３０からの光を照射されることにより、その導電率を部分的に変化させることができる。

【0017】

泳動部１０は、操作対象の微小物体ＰＴ（細胞等）を含む溶媒を内部に含む溶媒保持部１１を備える。溶媒保持部１１は、微小物体ＰＴが細胞の場合、溶媒ＳＬ（緩衝液）としてのＰＢＳ（Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ－ｂｕｆｆｅｒｅｄ ｓａｌｉｎｅ）やＤＭＥＭ（Ｄｕｌｂｅｃｃｏ’ｓ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｅａｇｌｅ Ｍｅｄｉｕｍ）を内部に保持し、その溶媒ＳＬ内に微小物体としての細胞ＰＴを含んでいる。この細胞ＰＴが、誘電泳動現象を利用して溶媒保持部１１中の所望の位置に移動されることにより、細胞ＰＴが分離・特定され得る。

【0018】

溶媒保持部１１の下面（第１面）側には第１電極１２（ＩＴＯ電極）１２が配置され、上面（第２面）側には、後述するシリコン層１４～１６を介して第２電極１３（Ｐ型シリコン基板）が配置されている。第１電極１２は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等を材料として形成される透明電極である。この第１電極１２と第２電極１３との間に交流電源２０から交流電力が供給される。また、溶媒保持部１１に対し、第１電極１２を介して光源３０から光を照射される。これにより光照射位置において溶媒ＳＬの導電率を変化させ、誘電泳動現象を用いて細胞ＰＴを分離することができる。

【0019】

溶媒保持部１１の第２面と第２電極１３（ｐ型シリコン基板）との間には、下方から順に、ｐ型シリコン層１４（高濃度ドーピングｐ型シリコン層）、ｎ－型シリコン層１５（低濃度ドーピングｎ－型シリコン層）、及びｐ型シリコン層１６（高濃度ドーピングｐ型シリコン層）が堆積され、この３つのシリコン層により導電率変化膜が形成されている。ｐ型シリコン層１４、及び１６は、ｎ－型シリコン層１５に比べ高い不純物濃度を有する。ｎ－型シリコン層１５はｐ型シリコン層１４に接しており、両者の間にｐｎ接合を形成する。また、ｐ型シリコン層１６は、反対側の面においてｎ－型シリコン層１５と接し、両者の間にｐｎ接合を形成する。

【0020】

ｐ型シリコン層１４及びｎ－型シリコン層１５とは、下方から上方に向かう方向を順方向とする第１フォトダイオードＤ１を形成する。ｐ型シリコン層１６及びｎ－型シリコン層１５は、上方から下方に向かう方向を順方向とする第２フォトダイオードＤ２を形成する。第１フォトダイオードＤ１と第２フォトダイオードＤ２とは、直列に接続されると共に（両者のカソード同士が接続され）、互いに逆極性である。第１電極１２と第２電極１３との間に交流電圧が印加される場合、第１フォトダイオードＤ１と第２フォトダイオードＤ２とのいずれか一方が順バイアス状態となり、他方が逆バイアス状態となる。

【0021】

一例として、ｐ型シリコン層１４、及びｐ型シリコン層１６の積層方向の厚さは、１０００～２０００Å程度、不純物濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３前後とすることができる。また、ｎ－型シリコン層１５の積層方向の厚さは、ｐ型シリコン層１４及び１６よりも厚い、例えば５０００Å～１μｍ程度、不純物濃度はｐ型シリコン層１４及び１６よりも小さい１×１０^１５ｃｍ^－３程度とすることができる。ｎ－型シリコン層１５の厚さを大きくし、且つ低不純物濃度とすることにより、ｎ－型シリコン層１５における空乏層の幅を大きくすることができる。空乏層の幅が大きくなることで、光源３０からの光照射時と光未照射時との間でシリコン層の導電率の差を大きくすることができ、誘電泳動の発生が容易になり得る。

【0022】

第１の実施の形態の誘電泳動装置１の動作を説明する。誘電泳動では、交流電圧が交流電源２０から第１電極１２及び第２電極１３を介して泳動部１０に印加される。

【0023】

交流電圧により、第２電極１３（ｐ型シリコン基板）に正の電圧が印加されている間においては、ｐ型シリコン層１６とｎ－型シリコン層１５が形成する第２フォトダイオードＤ２では、ダイオードの順方向に電圧が印加される。一方、ｎ－型シリコン層１５とｐ型シリコン層１４が形成するフォトダイオードＤ１では、ダイオードの逆方向の電圧が印加される。フォトダイオードＤ１では抵抗値が上昇し、その部分に電圧がかかり、溶媒保持部１１には電圧が印加されない。このような電圧値が上昇した部分において、光源３０から光を照射させると、照射光により、逆バイアスが印加されたフォトダイオードＤ１のｎ型シリコン層内に形成された空乏層に光が吸収され、電子正孔対が発生する。この電子正孔対によって、光照射部分にのみ特異的に電流が流れて溶媒ＳＬに電圧が印加される。このため、局所的な電場を形成し、誘電泳動を生じさせることができる。

【0024】

一方、交流電圧により、第１電極１２に正の電圧が印加されている間においては、ｐ型シリコン層１４とｎ－型シリコン層１５が形成する第１フォトダイオードＤ１では、ダイオードの順方向に電圧が印加される。一方、ｎ－型シリコン層１５とｐ型シリコン層１６が形成するフォトダイオードＤ２では、ダイオードの逆方向の電圧が印加される。フォトダイオードＤ２では抵抗値が上昇し、その部分に電圧がかかり、溶媒保持部１１には電圧が印加されない。このような電圧値が上昇した部分において、光源３０から光を照射させると、照射光により、逆バイアスが印加されたフォトダイオードＤ２のｎ－型シリコン層１５内に形成された空乏層に光が吸収され、電子正孔対が発生する。この電子正孔対によって、光照射部分にのみ特異的に電流が流れて溶媒ＳＬに電圧が印加される。このため、局所的な電場を形成し、誘電泳動を生じさせることができる。

【0025】

以上説明したように、第１の実施の形態の誘電泳動装置１においては、シリコン層１４～１６がＰ／Ｎ／Ｐ構造を有し、極性が逆で直列接続されたフォトダイオードＤ１、Ｄ２を形成する。このため、光源３０から光が照射された位置において、シリコン層１４～１６の導電率を上げて、その導電率が上昇した部分にある溶媒での誘電泳動を生じさせることができる。この構成の場合、Ｐ／Ｎ／Ｐ構造により空乏層が生じる幅を所望の長さにすることができ、これにより、電極抵抗を所望の値に変更することが可能となる。その結果、分離の対象である細胞ＰＴへの悪影響も少なくすることができる。より低い電圧印加条件や導電率の高い溶媒での誘電泳動が可能となるので、誘電泳動技術を適用することができる細胞種の数を増加させることができ、動作環境をより柔軟に設定することが可能になる。

【0026】

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態に係る誘電泳動装置１を、図２を参照して説明する。図２において、第１の実施の形態と共通する構成要素については、図１と同一の参照符号を付しているので、以下では重複する説明は省略する。この第２の実施の形態は、導電率変化膜としてのシリコン層の構造が第１の実施の形態とは異なっている。

【0027】

第２の実施の形態の導電率変化膜を構成するシリコン層は、ｎ型シリコン層１４Ａと、ｐ－型シリコン層１５Ａと、ｎ型シリコン層１６Ａとを順次積層して構成される。すなわち、第２の実施の形態の誘電泳動装置のシリコン層はＮ／Ｐ／Ｎ構造を有しており、この点で第１の実施の形態と異なる。

【0028】

具体的には、ｎ型シリコン層１４Ａ及びｐ－型シリコン層１５Ａとは、上方から下方に向かう方向を順方向とする第１フォトダイオードＤ３を形成する。ｎ型シリコン層１６Ａ及びｐ－型シリコン層１５Ａは、下方から上方に向かう方向を順方向とする第２フォトダイオードＤ４を形成する。第１フォトダイオードＤ３と第２フォトダイオードＤ４とは、直列に接続されると共に（両者のカソード同士が接続され）、互いに逆極性である。

【0029】

ｎ型シリコン層１４Ａ、及びｎ型シリコン層１６Ａの積層方向の厚さは、１０００～２０００Å程度、不純物濃度は１×１０^１８ｃｍ^－３前後とすることができる。また、ｐ－型シリコン層１５Ａの積層方向の厚さは、ｎ型シリコン層１４Ａ及び１６Ａよりも厚い、例えば５０００Å～１μｍ程度、不純物濃度はｎ型シリコン層１４Ａ及び１６Ａよりも小さい１×１０^１５ｃｍ^－３程度とすることができる。ｐ－型シリコン層１５Ａの厚さを大きくし、且つ低不純物濃度とすることにより、溶媒保持部１１の溶媒ＳＬに光が照射された部分と照射されない部分に大きな電位差ができることになり、誘電泳動の発生が容易になり得る。

【0030】

この構成によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、第１電極１２と第２電極１３間に交流電圧が印加されると、第１フォトダイオードＤ３と第２フォトダイオードＤ４のいずれか一方には順方向に電圧が印加され、他方は逆方向の電圧が印加され、抵抗値が上昇する。しかし、光源３０から光が照射されることで、その光照射部分の空乏層に電子正孔対を発生させ、誘電泳動を生じさせることができる。

【0031】

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態に係る誘電泳動装置１を、図３を参照して説明する。図３において、第１の実施の形態と共通する構成要素については、図１と同一の参照符号を付しているので、以下では重複する説明は省略する。この第３の実施の形態は、導電率変化膜としてのシリコン層の構造が第１の実施の形態とは異なっている。

【0032】

第３の実施の形態の導電率変化膜を構成するシリコン層は、ｐ型シリコン層１４とｎ－型シリコン層１５との間に不純物を含まないｉ型シリコン層１７（真正シリコン層）が形成され、ｎ－型シリコン層１５とｐ型シリコン層１６との間にｉ型シリコン層１８が形成されている。すなわち、第３の実施の形態のシリコン層はＰ／Ｉ／Ｎ／Ｉ／Ｐ構造を有しており、この点で前述の実施の形態と異なっている。ここで、「不純物を含まない」、「真正」とは、含まれる不純物が完全にゼロであることに限定される意図ではなく、熱エネルギー等により発生する自由電子と正孔の数がほぼ等しく、不純物から発生する自由電子の数が無視できるほど小さいシリコン層を意味している。

【0033】

ｎ－型シリコン層１５はｉ型シリコン層１７を介してｐ型シリコン層１４に接しており、両者の間にｐｉｎ接合を形成する。また、ｎ－型シリコン層１６は、反対側の面においてｉ型シリコン層１８を介してｐ型シリコン層１５と接し、両者の間にｐｉｎ接合を形成する

【0034】

ｐ型シリコン層１４、ｉ型シリコン層１７、及びｎ－型シリコン層１５とは、下方から上方に向かう方向を順方向とする第１フォトダイオードＤ５を形成する。ｐ型シリコン層１６、ｉ型シリコン層１８及びｎ－型シリコン層１５は、上方から下方に向かう方向を順方向とする第２フォトダイオードＤ６を形成する。第１フォトダイオードＤ５と第２フォトダイオードＤ６とは、直列に接続されると共に（両者のカソード同士が接続され）、互いに逆極性である。

【0035】

この第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と略同一の効果を得ることができる。この第３の実施の形態では、シリコン層がｉ型シリコン層１７、１８を含み、互いに逆極性で直列接続された２つのｐｉｎ型フォトダイオードＤ５、Ｄ６を形成することにより、逆バイアスが印加されたフォトダイオードにおいて空乏層を広範囲に形成することができ、光照射時における電子正孔対の発生を容易にすることができる。なお、図示は省略するが、Ｐ／Ｉ／Ｎ／Ｉ／Ｐ構造に代えて、Ｎ／Ｉ／Ｐ／Ｉ／Ｎ構造のシリコン層を採用することも可能である。

【0036】

［その他］
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0037】

１...誘電泳動装置
１０...泳動部
１１...溶媒保持部
１２...第１電極
１３...第２電極
１４...ｐ型シリコン層
１４Ａ...ｎ型シリコン層
１５...ｎ－型シリコン層
１５Ａ...ｐ－型シリコン層
１６...ｐ型シリコン層
１６Ａ...ｎ型シリコン層
１７...ｉ型シリコン層
１８...ｉ型シリコン層
２０...交流電源
３０...光源
４０...ＣＣＤカメラ
５０...制御部
Ｄ１～Ｄ６...フォトダイオード
ＰＴ...細胞
ＳＬ...溶媒

【図1】

【図2】

【図3】