JP6786089B2 - 対象物捕捉装置、および対象物捕捉装置ユニット - Google Patents
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Description
本発明は、対象物捕捉装置、および対象物捕捉装置ユニットに関する。
分子または細胞の解析において、微小ウェルの中に、特定の組み合わせで、対象となる細胞、あるいは微小な生体または非生体試料物を取り込むことは、特定の細胞間の相互作用を評価する場合、および各種試薬と対象物との反応を評価する場合等に必要となる。
例えば、非特許文献１に記載されているように、細胞の遺伝子発現パターンを解析するためには、個別細胞由来のｍＲＮＡに、個別細胞毎に異なるＤＮＡ配列によるバーコードを付与することが有効である。そして、それを実現する手段として、マイクロビーズ１個と細胞１個とを微小ウェルに取り込むことが必要となる。
従来は、流体中に対象物を拡散させて、確率的に期待する組み合わせで対象物を捕捉した微小ウェルを利用する方法、または、細胞およびマイクロビーズを流体路に流し、オイル中に形成され確率的に期待する組み合わせで対象物を捕捉した液滴を利用する方法等が採用されてきた。前者は非特許文献２に、後者は特許文献１および非特許文献１に、それぞれ開示されている。
具体的に、特定の細胞間の相互作用を評価する方法として、非特許文献２には、２種類の細胞を捕捉する方法が開示されている。
非特許文献２に開示された流体路デバイスは、図１１の（ａ）に示す、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）に代表されるシリコーンゴムまたは樹脂等で作成したＨ型トラップ溝１１１を、図１１の（ｂ）に示すように複数並べた流体路デバイス１１０である。Ｈ型トラップ溝１１１は、一方の側に第１の窪み１１２を有しており、他方の側に第２の窪み１１３を有している。第２の窪み１１３は、第１の窪み１１２に比べ、窪みが若干小さい構造となっている。流体路デバイス１１０は、細胞を含む液体培地、およびバッファ液等の液体を、Ｚ方向からＷ方向、ならびにＷ方向からＺ方向に流す仕組みを持つ構造である。
図１２の（ａ）〜図１２の（ｃ）に、２つの細胞ＡおよびＢをトラップし、細胞間相互作用を起こすまでの手順を簡潔に示す。図１２の（ａ）に示すように、１つ目の細胞Ａを含む液体を、流体路デバイス１１０内に入れ、Ｗ方向からＺ方向に流す。細胞Ａは、Ｈ型トラップ溝１１１の第２の窪み１１３に順次挿入（トラップ）される。このとき、第２の窪み１１３は小さいので、複数の細胞Ａが同じＨ型トラップ溝１１１にトラップされることはない。
次に、図１２の（ｂ）に示すように、細胞Ａを含む液体を逆方向（Ｚ方向からＷ方向）に流す。細胞Ａは、第２の窪み１１３から下流にある第１の窪み１１２にトラップされる。Ｈ型トラップ溝１１１は、千鳥状に配置されており、第２の窪み１１３の下流に第１の窪み１１２が存在しているため、流量が適切に調整されていれば、一度に複数の細胞Ａを第１の窪み１１２に移動させることができる。
細胞Ａが、それぞれ第１の窪み１１２に移動できたところで、図１２の（ｃ）に示すように、２つ目の細胞Ｂを含む液体をＺ方向からＷ方向に流す。第１の窪み１１２のサイズを適切に調整し、細胞Ａおよび細胞Ｂがそれぞれ１つずつ入る程度の大きさとすることで、細胞Ａがトラップされている第１の窪み１１２に、細胞Ｂが１つトラップされる。その後、細胞間の相互作用を行う場合には、隣り合う異なる細胞（ここでは、細胞Ａおよび細胞Ｂ）に浸透圧ショック法等の処置を施す。
Macosko E. Z. et al., "Highly Parallel Genome-wide Expression Profiling of Individual Cells Using Nanoliter Droplets" Cell 161, 1202-1214, May 21, 2015
Alison M Skelley, Oktay Kirak, Heikyung Suh, Rudolf Jaenisch, & Joel Voldman, "Microfluidic control of cell pairing and fusion", NATURE METHODS, VOL.6, NO.2, pp.147-152, FEBRUARY 2009
特許文献１および非特許文献１に開示された手法では、細胞とマイクロビーズとが１個ずつ液滴に取り込まれるのは、１時間に数百万個の液滴が生成されるうち、数千個にとどまる。このため、多くの試料が無駄になる上、処理に時間を要するという課題があった。
また、非特許文献２に開示された流体路デバイスは、２種類の細胞を多数のサイトにトラップする構成になっている。当該流体路デバイスにおいては、サイト毎に細胞の組み合わせを変えることができない、サイトを密閉することができない、３個以上の細胞の組み合わせを作ることができないという課題があった。
なお、サイトを密閉することができないことにより、下記のデメリットが生じる。すなわち、非特許文献２の手法は、細胞を捉えたサイトを密閉し、他のサイトと隔離することができない。このため、１つのサイトで起きている反応生成物が他のサイトに拡散することを防ぐことができず、各サイトに個別の反応であるかどうかの確認ができない。これは、サイト毎に個別の事象が起きることを前提とするような実験ができないことを意味し、技術の応用範囲を限定するものになっている。
以上のことから、上述した各従来技術においては、特定の組み合わせで、複数の対象物を捕捉することが非効率であるという問題が発生する。
本発明の一態様は、特定の組み合わせで、複数の対象物を効率良く捕捉することを可能とする対象物捕捉装置、および対象物捕捉装置ユニットを実現することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る対象物捕捉装置は、ウェルと、上記ウェルの底部に配置された、複数組の電極対である電極対群とを備えており、上記電極対群は、上記複数組の電極対毎に個別の交流電圧が印加され、印加された交流電圧に応じて発生した誘電泳動により対象物を捕捉し、上記複数組の電極対毎に、その上方にサブウェルが配置されていることを特徴としている。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る対象物捕捉装置ユニットは、本発明の一態様に係る対象物捕捉装置である第１対象物捕捉装置と、本発明の一態様に係る対象物捕捉装置であり、上記第１対象物捕捉装置と異なる第２対象物捕捉装置とを備えており、上記第２対象物捕捉装置は、上記第１対象物捕捉装置が捕捉しない物体を、上記対象物として捕捉することを特徴としている。
本発明の一態様によれば、特定の組み合わせで、複数の対象物を効率良く捕捉することが可能となる。
本発明を実施するための形態について、図１〜図１０を参照して説明する。なお、説明を簡潔にするために、先に説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
〔実施の形態１〕
図１は、本発明の実施の形態１に係る対象物捕捉装置１の構成を示す、平面図およびＸ−Ｙ線断面図である。対象物捕捉装置１は、半導体基板２、電極対群３、ウェル形成層１１、制御回路１２、および保護膜１７を備えている。電極対群３は、第１電極対１３、第２電極対１４、および第３電極対１５を有している。また、対象物捕捉装置１には、ウェル１６が形成されている。
図１は、本発明の実施の形態１に係る対象物捕捉装置１の構成を示す、平面図およびＸ−Ｙ線断面図である。対象物捕捉装置１は、半導体基板２、電極対群３、ウェル形成層１１、制御回路１２、および保護膜１７を備えている。電極対群３は、第１電極対１３、第２電極対１４、および第３電極対１５を有している。また、対象物捕捉装置１には、ウェル１６が形成されている。
半導体基板２は、半導体によって構成された基板である。保護膜１７は、半導体基板２に対して積層されており、半導体基板２を保護する機能を有している絶縁性の膜である。ウェル形成層１１は、保護膜１７に対して積層されており、例えば樹脂によって構成されている。ウェル形成層１１には、保護膜１７を露出させるための開口が形成されており、この開口がウェル１６に相当する。
制御回路１２は、半導体基板２内に形成されている。第１電極対１３、第２電極対１４、および第３電極対１５は、半導体基板２内におけるウェル１６の底部に配置されており、制御回路１２と接続されている。第１電極対１３、第２電極対１４、および第３電極対１５のそれぞれは、２個の電極が対になった構成である。第１電極対１３、第２電極対１４、および第３電極対１５は、ウェル１６の内壁と略同心円状に配置されているが、これは配置の一例に過ぎない。
保護膜１７を備えた対象物捕捉装置１においては、電極対群３とウェル１６の底面とが導通しないため、ウェル１６に対して液体を入れた場合に、電極対群３と当該液体とが導通することを防ぐことができる。電極対群３と当該液体とが導通することを防ぐ必要がない場合、保護膜１７は省略されてもよい。
図２は、電極対群３´によって対象物を捕捉するイメージを示す図である。電極対群３´は、誘電泳動の原理によって、対象物を捕捉する。電極対群３´は、第１電極対１３´、第２電極対１４´、および第３電極対１５´を有している。第１電極対１３´、第２電極対１４´、および第３電極対１５´は、制御回路１２´と接続されている。電極対群３´、制御回路１２´、第１電極対１３´、第２電極対１４´、および第３電極対１５´は、それぞれ、図１に示した、電極対群３、制御回路１２、第１電極対１３、第２電極対１４、および第３電極対１５と対応している。また、図２中、ウェル１６´は、図１に示したウェル１６と対応している。
制御回路１２´は、スイッチ１３１、スイッチ設定部１３２、スイッチ１４１、スイッチ設定部１４２、スイッチ１５１、およびスイッチ設定部１５２を有している。第１電極対１３´の一方の電極１３´ａ、第２電極対１４´の一方の電極１４´ａ、および第３電極対１５´の一方の電極１５´ａはいずれも、接地されている。第１電極対１３´の他方の電極１３´ｂ、第２電極対１４´の他方の電極１４´ｂ、および第３電極対１５´の他方の電極１５´ｂは、それぞれ、スイッチ１３１の一端、スイッチ１４１の一端、およびスイッチ１５１の一端と接続されている。
スイッチ１３１の他端は、細胞（対象物）Ｃを引き付けるための交流電圧を発生する電圧源１６１と接続される状態と、細胞Ｃを遠ざけるための交流電圧を発生する電圧源１６２と接続される状態とが切り替えられる。スイッチ１３１の他端が、電圧源１６１および電圧源１６２のいずれに接続されるかは、スイッチ設定部１３２によって設定される。スイッチ設定部１３２は、スイッチ１３１の他端と電圧源１６１とを接続する条件、およびスイッチ１３１の他端と電圧源１６２とを接続する条件が記憶されたメモリ１３３と、メモリ１３３に記憶されたこれらの条件を読み出し、読み出したこれらの条件に応じてスイッチ１３１を制御する制御部１３４とによって構成されている。制御部１３４は例えば、ＣＰＵ（central processing unit）または周知のスイッチ制御回路によって構成されている。
スイッチ１４１の他端は、細胞（対象物）Ｄを引き付けるための交流電圧を発生する電圧源１７１と接続される状態と、細胞Ｄを遠ざけるための交流電圧を発生する電圧源１７２と接続される状態とが切り替えられる。スイッチ１４１の他端が、電圧源１７１および電圧源１７２のいずれに接続されるかは、スイッチ設定部１４２によって設定される。スイッチ設定部１４２は、スイッチ１４１の他端と電圧源１７１とを接続する条件、およびスイッチ１４１の他端と電圧源１７２とを接続する条件が記憶されたメモリ１４３と、メモリ１４３に記憶されたこれらの条件を読み出し、読み出したこれらの条件に応じてスイッチ１４１を制御する制御部１４４とによって構成されている。制御部１４４は例えば、ＣＰＵまたは周知のスイッチ制御回路によって構成されている。
スイッチ１５１の他端は、細胞（対象物）Ｅを引き付けるための交流電圧を発生する電圧源１８１と接続される状態と、細胞Ｅを遠ざけるための交流電圧を発生する電圧源１８２と接続される状態とが切り替えられる。スイッチ１５１の他端が、電圧源１８１および電圧源１８２のいずれに接続されるかは、スイッチ設定部１５２によって設定される。スイッチ設定部１５２は、スイッチ１５１の他端と電圧源１８１とを接続する条件、およびスイッチ１５１の他端と電圧源１８２とを接続する条件が記憶されたメモリ１５３と、メモリ１５３に記憶されたこれらの条件を読み出し、読み出したこれらの条件に応じてスイッチ１５１を制御する制御部１５４とによって構成されている。制御部１５４は例えば、ＣＰＵまたは周知のスイッチ制御回路によって構成されている。
第１電極対１３´は、電圧源１６１および電圧源１６２のいずれか一方から電極１３´ｂに対して印加される交流電圧に応じて、電場を発生する。当該交流電圧の角周波数をωとした場合、当該電場によって、第１電極対１３´の近傍の液体に含まれる誘電体粒子に対して、誘電泳動力が及ぼされる。この誘電泳動力は、当該液体の複素誘電率εｍ ＊＝εｍ−ｊσｍ／ω、当該誘電体粒子の複素誘電率εｐ ＊＝εｐ−ｊσｐ／ω、当該誘電体粒子の半径ｒ、および発生した当該電場の強度の実効値を用いて、下記の数式で表される。
上記の数式中のＲｅ［（εｐ ＊−εｍ ＊）／（εｐ ＊＋２εｍ ＊）］が正の場合、上記誘電体粒子に対して、発生した電界強度の強い方向へ向かう力、すなわち、正の誘電泳動力が働く。一方、上記の数式中のＲｅ［（εｐ ＊−εｍ ＊）／（εｐ ＊＋２εｍ ＊）］が負の場合、上記誘電体粒子に対して、発生した電界強度の強い方向へ向かう力に対して反発する力、すなわち、負の誘電泳動力が働く。
第１電極対１３´の近傍に発生した電場の強度が最も強くなる位置は、互いに対となっている電極１３´ａと電極１３´ｂとの中間である。このため、正の誘電泳動力が発生するような角周波数ωｐの交流電圧を電極１３´ｂに対して印加することによって、上記液体中の誘電体粒子を、電極１３´ａと電極１３´ｂとの中間に引き付け、これにより当該誘電体粒子を捕捉することが可能となる。換言すれば、電圧源１６１が出力する交流電圧の角周波数を角周波数ωｐとすることによって、電極１３´ｂが電圧源１６１と接続されている状態において、当該誘電体粒子を捕捉することが可能となる。
一方、負の誘電泳動力が発生するような角周波数ωｎの交流電圧を電極１３´ｂに対して印加することによって、上記液体中の誘電体粒子を、電極１３´ａと電極１３´ｂとの中間から遠ざけ、これにより当該誘電体粒子を解放することが可能となる。換言すれば、電圧源１６２が出力する交流電圧の角周波数を角周波数ωｎとすることによって、電極１３´ｂが電圧源１６２と接続されている状態において、当該誘電体粒子を解放することが可能となる。
なお、電圧源１６１が出力する交流電圧の一例として、振幅２Ｖ、周波数５ＭＨｚの電圧が挙げられる。但し、電圧源１６１が出力する交流電圧の最適な振幅および周波数については、上記液体の複素誘電率、上記誘電体粒子の複素誘電率、および上記誘電体粒子の半径に加え、上記誘電体粒子の大きさ等に依存して変動する。
第１電極対１３´が細胞Ｃを捕捉するように電圧源１６１が出力する交流電圧を設定し、第１電極対１３´が細胞Ｃを解放するように電圧源１６２が出力する交流電圧を設定する。これにより、第１電極対１３´は、上記誘電体粒子として細胞Ｃを捕捉および解放することが可能となる（以上、誘電泳動の原理）。
第１電極対１３´と同様の原理で、第２電極対１４´および第３電極対１５´についても、誘電体粒子を捕捉および解放することが可能である。すなわち、第２電極対１４´が細胞Ｄを捕捉するように電圧源１７１が出力する交流電圧を設定し、第２電極対１４´が細胞Ｄを解放するように電圧源１７２が出力する交流電圧を設定する。これにより、第２電極対１４´は、上記誘電体粒子として細胞Ｄを捕捉および解放することが可能となる。また、第３電極対１５´が細胞Ｅを捕捉するように電圧源１８１が出力する交流電圧を設定し、第３電極対１５´が細胞Ｅを解放するように電圧源１８２が出力する交流電圧を設定する。これにより、第３電極対１５´は、上記誘電体粒子として細胞Ｅを捕捉および解放することが可能となる。
ところで、特定の細胞（対象物）間の相互作用、または各種試薬と対象物との反応を評価するために、１つのウェル１６に複数個の対象物を捕捉することが重要となる。ここでは、対象物捕捉装置１によって、特定の組み合わせで、対象物を捕捉する手順について説明する。
第１電極対１３、第２電極対１４、および第３電極対１５が、それぞれ、対象物として、細胞Ｆ、細胞Ｇ、および細胞Ｈを捕捉し、対象物捕捉装置１が、細胞Ｆ、細胞Ｇ、および細胞Ｈを、この順に捕捉するものとする。
まず、対象物捕捉装置１に対して、細胞Ｆのみを含む液体を流す。このとき、制御回路１２は、第１電極対１３のみに対して、上述した誘電泳動の原理によって細胞Ｆを捕捉する最適な条件の交流電圧を与える。一方このとき、制御回路１２は、第２電極対１４および第３電極対１５に対して、当該交流電圧を与えないか、上述した誘電泳動の原理によって細胞Ｆを解放する最適な条件の交流電圧を与える。これにより、第１電極対１３のみが、細胞Ｆを捕捉する。
次に、対象物捕捉装置１に対して、細胞Ｇのみを含む液体を流す。このとき、制御回路１２は、第１電極対１３に対して引き続き、上述した誘電泳動の原理によって細胞Ｆを捕捉する最適な条件の交流電圧を与える。またこのとき、制御回路１２は、第２電極対１４のみに対して、上述した誘電泳動の原理によって細胞Ｇを捕捉する最適な条件の交流電圧を与える。一方このとき、制御回路１２は、第３電極対１５に対して、当該交流電圧のいずれもを与えないか、上述した誘電泳動の原理によって細胞Ｆおよび／または細胞Ｇを解放する最適な条件の交流電圧を与える。なおこのとき、第１電極対１３においては、細胞Ｆが引き続き捕捉されているので、細胞Ｇが第１電極対１３によって捕捉されることはない。またこのとき、第３電極対１５においては、細胞Ｆおよび細胞Ｇのいずれも捕捉されない。
次に、対象物捕捉装置１に対して、細胞Ｈのみを含む液体を流す。このとき、制御回路１２は、第１電極対１３に対して引き続き、上述した誘電泳動の原理によって細胞Ｆを捕捉する最適な条件の交流電圧を与え、第２電極対１４に対して引き続き、上述した誘電泳動の原理によって細胞Ｇを捕捉する最適な条件の交流電圧を与える。またこのとき、制御回路１２は、第３電極対１５に対して、上述した誘電泳動の原理によって細胞Ｈを捕捉する最適な条件の交流電圧を与える。なおこのとき、第１電極対１３および第２電極対１４においては、それぞれ、細胞Ｆおよび細胞Ｇが引き続き捕捉されているので、細胞Ｈが第１電極対１３または第２電極対１４によって捕捉されることはない。
図３の（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る対象物捕捉装置ユニット１Ｕの構成を概略的に示す平面図である。図３の（ｂ）は、図３の（ａ）に示した複数の対象物捕捉装置１のうち２つの拡大図である。
対象物捕捉装置ユニット１Ｕは、複数の対象物捕捉装置１が千鳥状に配置されたものである。複数の対象物捕捉装置１は、個別に設けられた制御回路１２（図１参照）によって、互いに独立して制御されている。このため、複数の対象物捕捉装置１のうち２つである、第１対象物捕捉装置１＿１および第２対象物捕捉装置１＿２に着目すると、第２対象物捕捉装置１＿２は、第１対象物捕捉装置１＿１が捕捉しない物体を、対象物として捕捉する構成とすることも容易である。これにより、対象物捕捉装置１毎に異なる対象物の組み合わせを実現することができる。このような構成の一例を、図３の（ｂ）に示している。
すなわち、図３の（ｂ）において、第１対象物捕捉装置１＿１は、第１電極対１３と対応する第１電極対１３＿１、第２電極対１４と対応する第２電極対１４＿１、および第３電極対１５と対応する第３電極対１５＿１が、それぞれ、細胞Ｆ＿１、細胞Ｇ＿１、および細胞Ｈ＿１を捕捉している。一方、図３の（ｂ）において、第２対象物捕捉装置１＿２は、第１電極対１３と対応する第１電極対１３＿２、第２電極対１４と対応する第２電極対１４＿２、および第３電極対１５と対応する第３電極対１５＿２が、それぞれ、細胞Ｆ＿２、細胞Ｇ＿２、および細胞Ｈ＿２を捕捉している。
もちろん、必要に応じて、対象物捕捉装置ユニット１Ｕの複数の対象物捕捉装置１は、一括して制御されてもよい。
また、対象物捕捉装置１は、ウェル１６に蓋をすることによって、別の対象物捕捉装置１と隔離された微小反応容器とすることができる。対象物捕捉装置１が捕捉した対象物が細胞である場合、当該細胞の細胞膜を破壊して内部の遺伝子を解析するために、第１電極対１３、第２電極対１４、および第３電極対１５のうち少なくとも１組は、当該細胞の細胞膜を破壊するために十分な高電界を発生することが可能であってもよい。換言すれば、制御回路１２は、第１電極対１３、第２電極対１４、および第３電極対１５のうち少なくとも１組に対して、当該細胞の細胞膜を破壊するために十分な高電界を発生させるための回路を有していてもよい。また、制御回路１２が当該高電界に耐えられない場合、当該細胞の細胞膜を破壊するための電界を発生する細胞破壊用電極（必要に応じて、さらに当該細胞破壊用電極の制御回路）を別途設けてもよい。
対象物捕捉装置１によれば、誘電泳動の原理によって、複数組の電極対がそれぞれ狙いの対象物を引き付けて捕捉する。このため、対象物捕捉装置１によれば、特定の組み合わせで、複数の対象物を捕捉することを、高確率で実現することが可能となる。
また、対象物捕捉装置ユニット１Ｕにて示したように、対象物捕捉装置１によれば、対象物捕捉装置１毎に対象物の組み合わせを変えることができる。また、対象物捕捉装置１によれば、ウェル１６に蓋をすることによって、ウェル１６を容易に密閉することが可能である。また、対象物捕捉装置１によれば、第１電極対１３、第２電極対１４、および第３電極対１５を備えた電極対群３によって、３個以上の対象物の組み合わせを作ることが可能である。
従って、対象物捕捉装置１によれば、特定の組み合わせで、複数の対象物を効率良く捕捉することが可能となる。
また、対象物捕捉装置ユニット１Ｕによれば、対象物捕捉装置１毎に異なる対象物の組み合わせを実現することができる。なお、対象物捕捉装置ユニット１Ｕにおいて、対象物捕捉装置１の代わりに、後述する対象物捕捉装置１ａ〜１ｇのいずれかを用いてもよい。
図４は、本発明の実施の形態１に係る対象物捕捉装置１の変形例である対象物捕捉装置１ａの構成を示す、平面図およびＸ−Ｙ線断面図である。対象物捕捉装置１ａは、対象物捕捉装置１の構成に加え、フォトダイオード１８を備えている。フォトダイオード１８は、電極対群３の下方に配置されており、ここでは制御回路１２内に設けられている。また、対象物捕捉装置１ａの平面視において、フォトダイオード１８は、第１電極対１３、第２電極対１４、および第３電極対１５によって囲まれた位置に配置されている。ここでは、制御回路１２に対してフォトダイオード１８が設けられたものを、制御回路１２ａとしている。
対象物捕捉装置１ａは、複数の細胞の相互作用を蛍光物質の生成によって評価する実験において好適である。すなわち、ウェル１６の上方からウェル１６に対して、レーザーダイオード（図示しない）等によって励起光を照射し、この励起光によって当該蛍光物質を励起し、この励起によって生じた光をフォトダイオード１８によって受光する。そして、フォトダイオード１８によって受光した光を、複数の細胞の相互作用の評価に用いることにより、蛍光顕微鏡を使用すること無く、当該評価が可能となる。
〔実施の形態２〕
図５は、本発明の実施の形態２に係る対象物捕捉装置１ｂの構成を示す、平面図およびＸ−Ｙ線断面図である。対象物捕捉装置１ｂは、対象物捕捉装置１の構成に加え、サブウェル形成層１９を備えている。サブウェル形成層１９は、ウェル１６内において保護膜１７に対して積層されており、換言すれば、ウェル１６の底面に対して積層されており、例えば樹脂によって構成されている。サブウェル形成層１９には、保護膜１７を露出させるための３つの開口が形成されており、これらの３つの開口がそれぞれ第１サブウェル２３、第２サブウェル２４、および第３サブウェル２５に相当する。第１サブウェル２３、第２サブウェル２４、および第３サブウェル２５は、それぞれ、第１電極対１３の直上、第２電極対１４の直上、および第３電極対１５の直上に形成されている。つまり、第１電極対１３、第２電極対１４、および第３電極対１５毎に、その上方にサブウェルが配置されている。
図５は、本発明の実施の形態２に係る対象物捕捉装置１ｂの構成を示す、平面図およびＸ−Ｙ線断面図である。対象物捕捉装置１ｂは、対象物捕捉装置１の構成に加え、サブウェル形成層１９を備えている。サブウェル形成層１９は、ウェル１６内において保護膜１７に対して積層されており、換言すれば、ウェル１６の底面に対して積層されており、例えば樹脂によって構成されている。サブウェル形成層１９には、保護膜１７を露出させるための３つの開口が形成されており、これらの３つの開口がそれぞれ第１サブウェル２３、第２サブウェル２４、および第３サブウェル２５に相当する。第１サブウェル２３、第２サブウェル２４、および第３サブウェル２５は、それぞれ、第１電極対１３の直上、第２電極対１４の直上、および第３電極対１５の直上に形成されている。つまり、第１電極対１３、第２電極対１４、および第３電極対１５毎に、その上方にサブウェルが配置されている。
第１サブウェル２３の最大幅Ｗ２３は、第１電極対１３が捕捉しようとする対象物の最大幅より若干大きい。第２サブウェル２４の最大幅Ｗ２４は、第２電極対１４が捕捉しようとする対象物の最大幅より若干大きい。第３サブウェル２５の最大幅Ｗ２５は、第３電極対１５が捕捉しようとする対象物の最大幅より若干大きい。
第１サブウェル２３外は、第１サブウェル２３内と比べて、第１電極対１３からの離間距離が大きく、かつサブウェル形成層１９が介在しているため、第１電極対１３が対象物を捕捉する力が弱い。第２サブウェル２４外は、第２サブウェル２４内と比べて、第２電極対１４からの離間距離が大きく、かつサブウェル形成層１９が介在しているため、第２電極対１４が対象物を捕捉する力が弱い。第３サブウェル２５外は、第３サブウェル２５内と比べて、第３電極対１５からの離間距離が大きく、かつサブウェル形成層１９が介在しているため、第３電極対１５が対象物を捕捉する力が弱い。
つまり、対象物捕捉装置１ｂによれば、第１電極対１３が対象物を捕捉する力が強い領域を、第１サブウェル２３内に制限することができる。また、対象物捕捉装置１ｂによれば、第２電極対１４が対象物を捕捉する力が強い領域を、第２サブウェル２４内に制限することができる。また、対象物捕捉装置１ｂによれば、第３電極対１５が対象物を捕捉する力が強い領域を、第３サブウェル２５内に制限することができる。この結果、対象物捕捉装置１ｂによれば、第１電極対１３、第２電極対１４、および第３電極対１５の各々が、意図せず多くの対象物を捕捉してしまう虞を小さくすることができる。
図６は、本発明の実施の形態２に係る対象物捕捉装置１ｂの変形例である対象物捕捉装置１ｃの構成を示す、平面図およびＸ−Ｙ線断面図である。対象物捕捉装置１ｃは、対象物捕捉装置１ｂと比べて、第１電極対１３、第２電極対１４、および第３電極対１５が互いに近接して配置されている。これに伴い、対象物捕捉装置１ｃにおいては、対象物捕捉装置１ｂにおける、第１サブウェル２３、第２サブウェル２４、および第３サブウェル２５が互いに結合された構成となっている。図６においては、対象物捕捉装置１ｂの構成に対して、第１サブウェル２３、第２サブウェル２４、および第３サブウェル２５が互いに結合されて形成されたものを、サブウェル集合体２６としている。
サブウェル集合体２６には、狭窄部２７〜狭窄部２９が形成されている。狭窄部２７〜狭窄部２９はそれぞれ、サブウェル集合体２６の幅を狭めることを目的として形成されている。例えば、狭窄部２７が形成されている場合におけるサブウェル集合体２６の幅Ｗ２７は、狭窄部２７が形成されていない場合におけるサブウェル集合体２６の幅Ｗ２６と比べて狭くなっている。
対象物捕捉装置１ｃによれば、第１電極対１３、第２電極対１４、および第３電極対１５のそれぞれが対象物を捕捉する力が強い領域がさらに制限される。この結果、対象物捕捉装置１ｃによれば、第１電極対１３、第２電極対１４、および第３電極対１５の各々が、意図せず多くの対象物を捕捉してしまう虞をさらに小さくすることができる。
〔実施の形態３〕
図７は、本発明の実施の形態３に係る対象物捕捉装置１ｄの構成を示す、平面図およびＸ−Ｙ線断面図である。対象物捕捉装置１ｄは、電極対群３ではなく、電極対群３ａを備えている点が、対象物捕捉装置１と異なっている。
図７は、本発明の実施の形態３に係る対象物捕捉装置１ｄの構成を示す、平面図およびＸ−Ｙ線断面図である。対象物捕捉装置１ｄは、電極対群３ではなく、電極対群３ａを備えている点が、対象物捕捉装置１と異なっている。
電極対群３ａは、第１電極３３、第２電極３４、第３電極３５、および共通電極３６を有している。第１電極３３、第２電極３４、第３電極３５、および共通電極３６は、半導体基板２内におけるウェル１６の底部に配置されており、制御回路１２と接続されている。第１電極３３と共通電極３６とが対になって第１電極対３７を構成しており、この第１電極対３７が、対象物捕捉装置１の第１電極対１３と同等の機能を有している。第２電極３４と共通電極３６とが対になって第２電極対３８を構成しており、この第２電極対３８が、対象物捕捉装置１の第２電極対１４と同等の機能を有している。第３電極３５と共通電極３６とが対になって第３電極対３９を構成しており、この第３電極対３９が、対象物捕捉装置１の第３電極対１５と同等の機能を有している。換言すれば、複数組の電極対のいずれかである第１電極対３７の電極と、複数組の電極対のいずれかであり第１電極対３７と異なる第２電極対３８の電極とが、共通電極３６の形態で共用されている。同様に、複数組の電極対のいずれかである第２電極対３８の電極と、複数組の電極対のいずれかであり第２電極対３８と異なる第３電極対３９の電極とが、共通電極３６の形態で共用されている。同様に、複数組の電極対のいずれかである第３電極対３９の電極と、複数組の電極対のいずれかであり第３電極対３９と異なる第１電極対３７の電極とが、共通電極３６の形態で共用されている。なお、対象物捕捉装置１ｄにおいては、共通電極３６が、第１電極３３の近傍、第２電極３４の近傍、および第３電極３５の近傍を除く、ウェル１６の底部全体に配置されているが、ウェル１６の底部における共通電極３６の配置については特に限定されない。
対象物捕捉装置１ｄによれば、対象物捕捉装置１の電極対群３と比較して、電極対群３ａを構成する電極の方が総面積を小さくできるため、対象物からの蛍光を半導体基板２の中で検知する場合に、蛍光が電極により遮断されにくくなる、という効果を奏する。
図８は、本発明の実施の形態３に係る対象物捕捉装置１ｄの第１変形例である対象物捕捉装置１ｅの構成を示す、平面図およびＸ−Ｙ線断面図である。対象物捕捉装置１ｅは、電極対群３ではなく、電極対群３ａを備えている点が、対象物捕捉装置１ｂと異なっている。なお、電極対群３ではなく電極対群３ａを備えていることに伴い、対象物捕捉装置１ｅにおいて、第１サブウェル２３、第２サブウェル２４、および第３サブウェル２５は、それぞれ、第１電極３３の直上、第２電極３４の直上、および第３電極３５の直上に形成されている。これにより、対象物捕捉装置１ｅにおいては、対象物捕捉装置１ｂによる効果と、対象物捕捉装置１ｄによる効果との両方を得ることができる。
図９は、本発明の実施の形態３に係る対象物捕捉装置１ｄの第２変形例である対象物捕捉装置１ｆの構成を示す、平面図およびＸ−Ｙ線断面図である。対象物捕捉装置１ｆは、電極対群３ではなく、電極対群３ａを備えている点が、対象物捕捉装置１ｃと異なっている。なお、電極対群３ではなく電極対群３ａを備えていることに伴い、対象物捕捉装置１ｆにおいて、サブウェル集合体２６は、第１電極３３の直上、第２電極３４の直上、および第３電極３５の直上に亘って形成されている。これにより、対象物捕捉装置１ｆにおいては、対象物捕捉装置１ｃによる効果と、対象物捕捉装置１ｄによる効果との両方を得ることができる。
図１０は、本発明の実施の形態３に係る対象物捕捉装置１ｄの第３変形例である対象物捕捉装置１ｇの構成を示す、平面図およびＸ−Ｙ線断面図である。対象物捕捉装置１ｇは、対象物捕捉装置１ｆの構成に加え、フォトダイオード１８を備えている。これにより、対象物捕捉装置１ｇにおいては、対象物捕捉装置１ａによる効果と、対象物捕捉装置１ｆによる効果との両方を得ることができる。
〔まとめ〕
本発明の態様１に係る対象物捕捉装置は、ウェルと、上記ウェルの底部に配置された、複数組の電極対（第１電極対１３〜第３電極対１５）である電極対群とを備えており、上記電極対群は、上記複数組の電極対毎に個別の交流電圧が印加され、印加された交流電圧に応じて発生した誘電泳動により対象物を捕捉する。
本発明の態様１に係る対象物捕捉装置は、ウェルと、上記ウェルの底部に配置された、複数組の電極対（第１電極対１３〜第３電極対１５）である電極対群とを備えており、上記電極対群は、上記複数組の電極対毎に個別の交流電圧が印加され、印加された交流電圧に応じて発生した誘電泳動により対象物を捕捉する。
上記の構成によれば、誘電泳動の原理によって、複数組の電極対がそれぞれ狙いの対象物を引き付けて捕捉する。このため、上記の構成によれば、特定の組み合わせで、複数の対象物を捕捉することを、高確率で実現することが可能となる。
また、上記の構成によれば、複数の対象物捕捉装置を備えた対象物捕捉装置ユニットを構成することによって、対象物捕捉装置毎に対象物の組み合わせを変えることができる。また、上記の構成によれば、ウェルに蓋をすることによって、ウェルを容易に密閉することが可能である。また、上記の構成によれば、電極対が３組以上であれば、それらのそれぞれによって、３個以上の対象物の組み合わせを作ることが可能である。
従って、上記の構成によれば、特定の組み合わせで、複数の対象物を効率良く捕捉することが可能となる。
本発明の態様２に係る対象物捕捉装置は、上記態様１において、上記複数組の電極対毎に、その上方にサブウェル（第１サブウェル２３〜第３サブウェル２５）が配置されている。
上記の構成によれば、複数組の電極対が対象物を捕捉する力が強い領域を、それぞれ、それらの上方に配置されたサブウェル内に制限することができる。この結果、上記の構成によれば、複数組の電極対の各々が、意図せず多くの対象物を捕捉してしまう虞を小さくすることができる。
本発明の態様３に係る対象物捕捉装置は、上記態様２において、上記サブウェルのうち少なくとも２つが互いに結合されて、サブウェル集合体が形成されている。
そして、本発明の態様４に係る対象物捕捉装置は、上記態様３において、上記サブウェル集合体に、上記サブウェル集合体の幅を狭める狭窄部が形成されている。
上記の構成によれば、複数組の電極対のそれぞれが対象物を捕捉する力が強い領域がさらに制限される。この結果、上記の構成によれば、複数組の電極対の各々が、意図せず多くの対象物を捕捉してしまう虞をさらに小さくすることができる。
本発明の態様５に係る対象物捕捉装置は、上記態様１から４のいずれかにおいて、上記複数組の電極対のいずれかである第１電極対の電極と、上記複数組の電極対のいずれかであり上記第１電極対と異なる第２電極対の電極とが共用されている。
上記の構成によれば、電極対群を構成する電極の総面積を小さくできるため、対象物からの蛍光を半導体基板の中で検知する場合に、蛍光が電極により遮断されにくくなる、という効果を奏する。
本発明の態様６に係る対象物捕捉装置は、上記態様１から５のいずれかにおいて、上記電極対群の下方に配置されたフォトダイオードを備えている。
上記の構成によれば、複数の細胞の相互作用を蛍光物質の生成によって評価する実験において好適である。すなわち、ウェルの上方からウェルに対して、レーザーダイオード等によって励起光を照射し、この励起光によって当該蛍光物質を励起し、この励起によって生じた光をフォトダイオードによって受光する。そして、フォトダイオードによって受光した光を、複数の細胞の相互作用の評価に用いることにより、蛍光顕微鏡を使用すること無く、当該評価が可能となる。
本発明の態様７に係る対象物捕捉装置は、上記態様１から６のいずれかにおいて、上記複数組の電極対のうち少なくとも１組は、細胞膜を破壊するための電界を発生することが可能である。
本発明の態様８に係る対象物捕捉装置は、上記態様１から６のいずれかにおいて、細胞膜を破壊するための電界を発生する細胞破壊用電極を備えている。
上記の両構成によれば、対象物捕捉装置が捕捉した対象物が細胞である場合、当該細胞の細胞膜を破壊して内部の遺伝子を解析することができる。
本発明の態様９に係る対象物捕捉装置ユニットは、上記対象物捕捉装置である第１対象物捕捉装置と、上記対象物捕捉装置であり、上記第１対象物捕捉装置と異なる第２対象物捕捉装置とを備えており、上記第２対象物捕捉装置は、上記第１対象物捕捉装置が捕捉しない物体を、上記対象物として捕捉する。
上記の構成によれば、対象物捕捉装置毎に異なる対象物の組み合わせを実現することができる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
１、１ａ〜１ｇ 対象物捕捉装置
１Ｕ 対象物捕捉装置ユニット
１＿１ 第１対象物捕捉装置
１＿２ 第２対象物捕捉装置
２ 半導体基板
３、３´、３ａ 電極対群
１１ ウェル形成層
１２、１２´、１２ａ 制御回路
１３、１３´、１３＿１、１３＿２、３７ 第１電極対
１４、１４´、１４＿１、１４＿２、３８ 第２電極対
１５、１５´、１５＿１、１５＿２、３９ 第３電極対
１６、１６´ ウェル
１７ 保護膜
１８ フォトダイオード
１９ サブウェル形成層
２３ 第１サブウェル（サブウェル）
２４ 第２サブウェル（サブウェル）
２５ 第３サブウェル（サブウェル）
２６ サブウェル集合体
２７〜２９ 狭窄部
３３ 第１電極
３４ 第２電極
３５ 第３電極
３６ 共通電極
１３１、１４１、１５１ スイッチ
１３２、１４２、１５２ スイッチ設定部
１３３、１４３、１５３ メモリ
１３４、１４４、１５４ 制御部
１６１、１６２、１７１、１７２、１８１、１８２ 電圧源
Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ＿１、Ｆ＿２、Ｇ＿１、Ｇ＿２、Ｈ＿１、Ｈ＿２ 細胞（対象物）
１Ｕ 対象物捕捉装置ユニット
１＿１ 第１対象物捕捉装置
１＿２ 第２対象物捕捉装置
２ 半導体基板
３、３´、３ａ 電極対群
１１ ウェル形成層
１２、１２´、１２ａ 制御回路
１３、１３´、１３＿１、１３＿２、３７ 第１電極対
１４、１４´、１４＿１、１４＿２、３８ 第２電極対
１５、１５´、１５＿１、１５＿２、３９ 第３電極対
１６、１６´ ウェル
１７ 保護膜
１８ フォトダイオード
１９ サブウェル形成層
２３ 第１サブウェル（サブウェル）
２４ 第２サブウェル（サブウェル）
２５ 第３サブウェル（サブウェル）
２６ サブウェル集合体
２７〜２９ 狭窄部
３３ 第１電極
３４ 第２電極
３５ 第３電極
３６ 共通電極
１３１、１４１、１５１ スイッチ
１３２、１４２、１５２ スイッチ設定部
１３３、１４３、１５３ メモリ
１３４、１４４、１５４ 制御部
１６１、１６２、１７１、１７２、１８１、１８２ 電圧源
Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ＿１、Ｆ＿２、Ｇ＿１、Ｇ＿２、Ｈ＿１、Ｈ＿２ 細胞（対象物）
Claims (8)
- ウェルと、
上記ウェルの底部に配置された、複数組の電極対である電極対群とを備えており、
上記電極対群は、上記複数組の電極対毎に個別の交流電圧が印加され、印加された交流電圧に応じて発生した誘電泳動により対象物を捕捉し、
上記複数組の電極対毎に、その上方にサブウェルが配置されていることを特徴とする対象物捕捉装置。 - 上記サブウェルのうち少なくとも２つが互いに結合されて、サブウェル集合体が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の対象物捕捉装置。
- 上記サブウェル集合体に、上記サブウェル集合体の幅を狭める狭窄部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の対象物捕捉装置。
- 上記複数組の電極対のいずれかである第１電極対の電極と、上記複数組の電極対のいずれかであり上記第１電極対と異なる第２電極対の電極とが共用されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の対象物捕捉装置。
- 上記電極対群の下方に配置されたフォトダイオードを備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の対象物捕捉装置。
- 上記複数組の電極対のうち少なくとも１組は、細胞膜を破壊するための電界を発生することが可能であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の対象物捕捉装置。
- 細胞膜を破壊するための電界を発生する細胞破壊用電極を備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の対象物捕捉装置。
- 請求項１から７のいずれか１項に記載の対象物捕捉装置である第１対象物捕捉装置と、
請求項１から７のいずれか１項に記載の対象物捕捉装置であり、上記第１対象物捕捉装置と異なる第２対象物捕捉装置とを備えており、
上記第２対象物捕捉装置は、上記第１対象物捕捉装置が捕捉しない物体を、上記対象物として捕捉することを特徴とする対象物捕捉装置ユニット。
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