(57)【要約】      （修正有）【課題】空間的および経時的温度制御を組み合せたマイクロ流体システムを提供する。【解決手段】マイクロ流体システムは、１以上の液滴５２を受けるように構成された素子アレイを備えた誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）デバイス３６と、液滴のマニピュレーション操作を実行する素子アレイに印加される作動電圧を制御するように構成された制御システムと、ＥＷＯＤデバイスに沿って異なる空間位置に配置された複数の温度制御素子であって、温度制御素子の少なくとも１つは時間に関して温度が可変である温度制御素子を含む。制御システムは、ＥＷＯＤデバイスに沿って異なる空間位置に配置された複数の温度ゾーンを生成するために、温度制御素子の温度を制御するように構成された温度制御ユニットを含み、温度ゾーンの少なくとも１つは、時間に関して温度が可変である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体システムにおいて、
１以上の液滴を受けるように構成された素子アレイを備えた誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）デバイスと、前記素子アレイは複数の個々のアレイ素子を備え、
前記液滴に関するマニピュレーション操作を実行するために、前記素子アレイに印加される作動電圧を制御するように構成される制御システムと、
ＥＷＯＤデバイスに沿って異なる空間位置に配置された複数の温度制御素子と、前記温度制御素子の少なくとも１つは、時間に関して温度が可変である、
を備え、
ここにおいて、前記制御システムは、ＥＷＯＤデバイスに沿って異なる空間位置に配置された複数の温度ゾーンを生成するために、複数の温度制御素子の温度を制御するように構成される温度制御ユニットを含み、時間に関して温度が可変である前記温度制御素子の前記少なくとも１つの前記温度を時間可変することによって、前記温度ゾーンの少なくとも１つは、時間に関して温度が可変となる、
マイクロ流体システム。
【請求項２】
前記温度制御ユニットは、前記ＥＷＯＤデバイスのＥＷＯＤチャネル内の液滴の位置に応じて、時間に関して温度が可変となる、前記少なくとも１つの温度ゾーンにおいて前記温度を制御するように構成される、請求項１に記載のマイクロ流体システム。
【請求項３】
複数の温度制御素子は、時間に関して温度が可変であり、前記温度制御ユニットは、時間に関して複数の温度ゾーンの温度を可変とするように、前記複数の可変温度制御素子を制御するように構成される、請求項１または２に記載のマイクロ流体システム。
【請求項４】
前記温度制御ユニットは、少なくとも１つの温度ゾーンを一定温度に維持するように、少なくとも１つの温度制御素子を制御するように構成された、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のマイクロ流体システム。
【請求項５】
前記ＥＷＯＤデバイスは、１以上の液滴を受けるＥＷＯＤチャネルを定義する第１の基板アセンブリと第２の基板アセンブリを備え、前記複数の温度制御素子は、前記第１および第２の基板アセンブリの１つまたは両方の外面上に配置される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のマイクロ流体システム。
【請求項６】
前記ＥＷＯＤデバイスは、１以上の液滴を受けるＥＷＯＤチャネルを定義する第１の基板アセンブリと第２の基板アセンブリを備え、前記複数の温度制御素子は、前記第１および第２の基板アセンブリの１つまたは両方の内部に配置される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のマイクロ流体システム。
【請求項７】
前記複数の温度制御素子は、加熱あるいは冷却を実行するために、前記温度制御ユニットによって制御される温度制御素子を備える、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のマイクロ流体システム。
【請求項８】
前記複数の温度制御素子は、加熱および冷却の両方を実行するために、前記温度制御ユニットによって制御される温度制御素子を備える、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のマイクロ流体システム。
【請求項９】
前記温度制御素子は、ジュール熱素子、抵抗加熱素子、および／またはペルティエ効果素子を備える、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のマイクロ流体システム。
【請求項１０】
前記ＥＷＯＤデバイスのＥＷＯＤチャネル内の前記液滴の位置を検知するために、液滴センサを備える、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のマイクロ流体システム。
【請求項１１】
誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）デバイスを使用して反応プロトコルを実行するための制御方法であって、前記制御方法は、
前記ＥＷＯＤデバイスによって定義されたＥＷＯＤチャネル内で液滴を受けることと、  前記ＥＷＯＤチャネル内の第１の空間位置において第１の温度ゾーンを生成することと、前記第１の温度ゾーンは、第１の温度を有するように制御され、
前記ＥＷＯＤチャネル内の前記第１の空間位置とは異なる第２の空間位置において、第２の温度ゾーンを生成することと、前記第２の温度ゾーンは、時間に関して可変となる第２の温度を有するように制御され、
前記第２の温度ゾーンの前記第２の温度を時間可変とすることと、および、
前記第１の温度ゾーンと前記第２の温度ゾーンの間で前記液滴を移動するように、前記ＥＷＯＤデバイスの素子アレイに作動電圧を印加することと、ここにおいて、前記液滴の温度は、前記液滴が存在する前記第１の温度ゾーンあるいは前記第２の温度ゾーンのうちの一つの温度とみなされる、
とのステップを備えた、制御方法。
【請求項１２】
前記第２の温度ゾーンの前記第２の温度は、前記ＥＷＯＤチャネル内の前記液滴の位置に応じて時間可変である、請求項１１に記載の制御方法。
【請求項１３】
前記第２の温度ゾーンの前記第２の温度は、前記液滴が前記第１の温度ゾーンに位置する時に可変である、請求項１１または１２に記載の制御方法。
【請求項１４】
前記第２の温度ゾーンの前記第２の温度は、前記液滴が前記第２の温度ゾーンに位置する時に可変である、請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載の制御方法。
【請求項１５】
前記第１の温度ゾーンの前記第１の温度は、前記反応プロトコルの間一定に保たれる、請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の制御方法。
【請求項１６】
前記反応プロトコルの間、前記第１の温度ゾーンの前記第１の温度を時間可変とすることをさらに備える、請求項１１乃至１４のいずれか一項に記載の制御方法。
【請求項１７】
前記第１の温度ゾーンと前記第２の温度ゾーンの温度は、反応プロトコル内の複数の液滴温度サイクルにわたって循環的に可変となるように前記液滴の前記温度を制御するために、コントロールされる、請求項１１乃至１６のいずれか一項に記載の制御方法。
【請求項１８】
前記第１の温度ゾーンと前記第２の温度ゾーンの温度は、温度サイクルを実行する前に一連の温度変化を受けるように前記液滴の前記温度を制御するために、コントロールされる、請求項１７に記載の制御方法。
【請求項１９】
誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）デバイスを使用して、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を介して核酸増幅を実行する方法であって、前記ＰＣＲ方法は、
前記ＥＷＯＤデバイスによって定義されるＥＷＯＤチャネル内の液滴を受けることと、前記液滴は核酸を含み、
ＰＣＲサイクルを実行することであって、
前記ＥＷＯＤチャネル内の第１の空間位置で第１の温度ゾーンを生成し、前記第１の温度ゾーンは、変性ステップを実行するための第１の温度を有するように制御され、および、前記液滴を前記第１の温度ゾーンに移動し、
前記第１の温度ゾーン内の前記核酸を編成し、
前記第１の空間位置とは異なるＥＷＯＤチャネル内の第２の空間位置で第２の温度ゾーンを生成し、前記第２の温度ゾーンは、プライマーをアニーリングするステップを実行するための第２の温度を有するように制御され、および、前記液滴を前記第２の温度ゾーンに移動し、
前記第２の温度ゾーンで前記核酸のプライマーをアニーリングし、
前記液滴が前記第２の温度ゾーンに存在する間に、核酸重合を実行するために前記第１の温度ゾーンの温度を第３の温度に再平衡させ、前記液滴を第１の温度ゾーンに移動し、および、
前記第１の温度ゾーンで前記核酸を重合することと、
を備える、ＰＣＲサイクルを実行することと、および、
前記核酸増幅が完了するまで、前記ＰＣＲサイクルを繰り返すことによって、複数のＰＣＲサイクルを実行すること、
とのステップを備える、方法。
【請求項２０】
複数のＰＣＲサイクルの第１の部分について、各ＰＣＲサイクルのプライマー溶融温度から１０°Ｃ高い温度から開始して１−２°Ｃの間の第２の温度ゾーン内でプライマーアニーリングの温度を調整することと、および、
前記ＰＣＲサイクルの前記第１の部分に続く複数のＰＣＲサイクルの第２の部分について、各ＰＣＲサイクル内で前記第２の温度ゾーン内でプライマーアニーリングの前記温度を一定に維持すること、
をさらに備える、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴マイクロ流体デバイスに関し、さらに詳細には、そのようなデバイスにおける複数の温度ゾーンの強化された温度制御のためのアクティブマトリックス誘電体エレクトロウェッティング（Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｔｒｉｘ Ｅｌｅｃｔｒｏ-ｗｅｔｔｉｎｇ-Ｏｎ-Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ：ＡＭ−ＥＷＯＤ）デバイスと構造、および、制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）は、電界の適用によって液滴を操作するためのよく知られた技術である。アクティブマトリクスＥＷＯＤ（ＡＭ−ＥＷＯＤ）は、たとえば、薄膜トランジスタ（ＴＦＴｓ）の使用による、トランジスタを組み込んだアクティブマトリクスアレイにおけるＥＷＯＤの実施に関連している。このように、これは、ラボオンチップ技術についてのデジタルマイクロ流体工学のための候補技術である。この技術の基本原理は、「Ｄｉｇｉｔａｌ  ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ：  ｉｓ  ａ  ｔｒｕｅ  ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ  ｐｏｓｓｉｂｌｅ？，  Ｒ．Ｂ．Ｆａｉｒ，  Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄ  Ｎａｎｏｆｌｕｉｄ  （２００７）  ３：２４５−２８１）」に紹介されている。
【０００３】
図１は、従来のＥＷＯＤデバイスの一部の断面を示している。デバイスは、下部基板１０を含み、その最上位層は、複数のアレイ素子電極１２（例えば、図１の１２Ａおよび１２Ｂ）を実装するために、パターン化された伝導性材料が形成されている。所与のアレイ素子の電極は、素子電極１２と呼ばれる。極性材料を含む液滴１４（通常、水性および／またはイオン性でもある）は、下部基板１０および上部基板１６の間の平面に束縛される。２つの基板の間の適切なギャップは、スペーサ１８によって実装され、非極性周囲流体２０（例えば、オイル）は、液滴１４によって占有されていない体積を占有するために使用されてもよい。下部基板１０の上に配置された絶縁体層２２は、伝導性素子電極１２Ａ、１２Ｂを第１の疎水性コーティング２４から分離し、その上に、液滴１４がθによって表される接触角２６をもって置かれている。疎水性コーティングは、疎水性の材料により形成されている（通常、フッ素重合体であるが、必ずしもそれに限られない）。
【０００４】
上部基板１６上に、第２の疎水性コーティング２８があり、液滴１４が接触してもよい。上部基板１６と第２の疎水性コーティング２８の間には、参照電極３０が配置される。
【０００５】
接触角θは、図１に示されるように定義され、固体と液体の界面の表面張力（γＳＬ）、液体と非極性周囲流体の界面の表面張力（γＬＧ）、および、固体と非極性周囲流体の表面張力（γＳＧ）のバランスによって決定され、電圧が印加されていない場合には、次の式で表されるヤングの法則（Ｙｏｕｎｇ’ｓ  ｌａｗ）を満足する。
【０００６】
【数１】
2020189289.tif 000003
【０００７】
動作中、ＥＷ駆動電圧（例えば、図１のＶＴ，Ｖ０およびＶ００）と呼ばれる電圧が、異なる電極（例えば、参照電極３０，素子電極１２，１２Ａ、１２Ｂのそれぞれ）に印加されてもよい。その結果生じた電気的な力が疎水性コーティング２４の疎水性を効果的に制御する。異なる素子電極（例えば、１２Ａ、１２Ｂ）に印加される異なるＥＷ駆動電圧（例えば、Ｖ０およびＶ００）について調整することにより、液滴１４は２つの基板１０および１６の間の横平面（ｌａｔｅｒａｌ  ｐｌａｎｅ）において移動することができる。
【０００８】
ＥＷＯＤデバイスの例示的な構成と動作が次に記載される。ＵＳ６９１１１３２（Ｐａｍｕｌａ他、２００５年６月２８日発行）は、二次元において液滴の位置や動きを制御する二次元ＥＷＯＤアレイを開示している。ＵＳ６５６５７２７（Ｓｈｅｎｄｅｒｏｖ、２００３年５月２０日発行）は、さらに、液滴の分割や統合、あるいは、異なる材質の液滴の同時混合を含む他の液滴操作のための方法を開示している。ＵＳ７１６３６１２（Ｓｔｅｒｌｉｎｇ他、２００７年１月１６日発行）は、ＡＭ表示技術において使用されている回路配置に非常に近い回路配置を使用することによって、ＥＷＯＤアレイに対する電圧パルスのアドレッシングを制御するために、ＴＦＴベースの薄膜電子回路がどのように使用されるかを開示している。
【０００９】
ＵＳ７１６３６１２のアプローチは、「アクティブマトリックス誘電体エレクトロウェッティング（ＡＭ−ＥＷＯＤ）」と呼ばれている。ＥＷＯＤアレイを制御するためにＴＦＴベースの薄膜電子回路を使用することに、いくつかの有利さがある。すなわち、
・電気的駆動回路が、下部基板１０の上に集積できる。
・ＴＦＴベースの薄膜電子回路は、ＡＭ−ＥＷＯＤの適用によく適している。それらは安く製造できるため、比較的大きな基板領域が比較的安いコストで製造できる。
・通常のプロセスで製造されたＴＦＴは、通常のＣＭＯＳプロセスで製造されたトランジスタより高い電圧で動作するように設計されうる。このことは、多くのＥＷＯＤ技術が印加されるべき電圧として２０Ｖ以上のエレクトロウェッティング電圧を要求することから、重要な事項である。
【００１０】
ＥＷＯＤ液滴操作デバイスは、化学／バイオ化学反応の自動化にとって非常に望ましいプラットフォームである。このようなデバイスは、化学／バイオ化学反応、あるいは、複雑な液滴温度プロフィールを要求する液滴中の反応シーケンスを実行してもよい。反応の異なるステップが、異なる温度で実行される必要があるかもしれない。望ましい化学あるいはバイオ化学反応を容易にするために、サンプル／試薬の液滴（および、それらを結合することによって生成される製品）の温度が変化することを要求するＥＷＯＤデバイスの応用が存在する。多くのこれらの反応プロトコルは、液滴が、反応シーケンス中の異なる時間に複数の異なる温度に置かれることを要求する。多くの反応プロトコルは、液滴が時間的に温度循環することを要求し、いくつかの場合には、そういった多くの温度循環を受ける。多くの反応サイクルにわたってＥＷＯＤデバイスにおいて正確な温度制御を要求する反応プロトコルの重要な例は、ポリメラーゼ連鎖反応（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ  ｃｈａｉｎ  ｒｅａｃｔｉｏｎ：ＰＣＲ）による液滴ベースの核酸増幅である。ＰＣＲは、核酸増幅についてのよく知られた反応プロトコルである。
【００１１】
ＥＷＯＤデバイスにおいて、複数の温度要求を取り扱うための一つのアプローチは、複数の固定温度ゾーンを提供することである。このようなアプローチでは、通常、ＥＷＯＤデバイスの外部に置かれている温度制御システムが、ＥＷＯＤデバイスの異なる部分、あるいは、異なった固定の温度の「ゾーン」を制御するように調整される。したがって、一度、そのような温度に熱せられると、その温度が時間的に一定にとどまる。液滴の温度は、その液滴をデバイスを通して異なる温度を有する場所に移動することによって、変更することができる。このアプローチは、例えばガラスのように、低い温度伝導性を有する材料から構成されたＥＷＯＤデバイスのために、特に使用される。これは、熱は、デバイスの基板材料を通して縦断的に容易に移動しないため、空間的に比較的近い異なる温度のゾーンを実現できるからである。したがって、反応プロトコルのために必要な温度の各々は、分離した温度ゾーンにおいて提供されなければならない。
【００１２】
そのようなアプローチの例として、ＵＳ９４５２４３３Ｂ２（Ｓｈｅｎｄｅｒｏｖ他、２０１６年９月２７日発行）は、液滴操作のため、および、特有の温度に維持された異なる温度を有する２以上の反応ゾーンのためのＥＷＯＤデバイスを備えた核酸のＰＣＲ増幅のためのデバイスを記載している。同じパテントファミリーの関連特許であるＵＳ９５１７４６９Ｂ２（Ｓｈｅｎｄｅｒｏｖ他、２０１６年１２月１３日発行）は、少なくとも一つの反応液滴を、エレクトロウェッティングアレイ中の少なくとも２つの反応ゾーンに提供するＰＣＲのための方法について記載しており、各反応ゾーンは、核酸増幅反応のために必要とされる異なる温度を有し、これらの反応ゾーンの間でエレクトロウェッティングを使用して液滴を移動する。再び、異なる温度を有する反応ゾーンは、特有の温度で維持される。
【００１３】
他のアプローチは、デバイス温度を時間的に調整あるいは変えることである。そのようなアプローチでは、ＥＷＯＤデバイス（あるいは、デバイスの領域中）の温度、例えば、デバイス全体の温度あるいはデバイスのいくつかの実体的な部分の温度を時間的に変えることができる。
【発明の概要】
【００１４】
高サンプルスループットおよびサンプル毎の低コストのため、液滴処理に使用されるＥＷＯＤデバイスの領域は最大化されるべきである。ＥＷＯＤデバイスは、例えば、サンプルの準備、化学的あるいはバイオ化学的な反応や分析といった、液滴操作プロトコルのためのサンプルおよび試薬の体積を最小化することによく適合する。サンプルスループットを最大にし、および／または、プロトコルを実行するための全体コストを最小化するために、ＥＷＯＤデバイスの全体領域をできる限り小さくすること、あるいは、デバイス上で処理される液滴の数を等価的に最大化すること（すなわち、単位時間当たりのチップ領域毎の反応数を最大化すること）が望ましい。液滴反応プロトコルあるいは複雑な温度要求を有する反応シーケンスについては、液滴プロセッシング密度の最適化が課題である。
【００１５】
複数の固定化された温度ゾーンを有する従来のアプローチ、および、デバイス温度を時間可変とする従来のアプローチの両者は、重大な不利を有している。複数の固定化された温度ゾーンを有することは、デバイス領域の非効率的な利用あるいは空間ドメインの非効率性に帰着する。１つの特定の温度の温度ゾーンは、プロトコル全体のステップにおいて時々要求されるにすぎず、残りの時間は、このデバイス領域は使用されずに実質的には浪費される。この不利は、多くの温度を有するプロトコル、あるいは、反応時間全体の短い部分についてのみ使用される１以上の温度ステップを有するプロトコルにとって、特に厳しくなる。そのほか、空間ドメインでの効率性を改善するため、このアプローチにおいて固定化された温度ゾーンの数を減少させることは、最適化されていない液滴温度プロフィールに帰着し、ゾーンの数と空間効率性の間のバランスを達成することが困難となる。
【００１６】
代替的に、時間可変の温度デバイスあるいは温度ゾーンを有することは、空間ドメインにおいてより多くの柔軟性を提供するものの、時間ドメインにおいては非効率になる。温度を変えることは、しばしば、ＥＷＯＤデバイスのチャネル中の温度が再平衡する間、「待ち時間」が経過することを要求する。これは、温度が再平衡する間、典型的には数秒から数分の間、プロトコルが休止されなければならない「デッドタイム」に帰着する。
この不利は、ガラスのような低い熱伝導率を有する材料から構成されたＥＷＯＤデバイスにとっては特に厳しくなる。しかし、ガラスあるいは類似した材料は、ＥＷＯＤデバイス、特に、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスを製造するには有利になる。したがって、好ましい材料で作られた時間可変温度を有する適切なデバイスを提供することも、達成が難しい。
【００１７】
時間あるいは空間ドメインでの非効率性は、デバイス上で処理できる液滴の数の減少という全体的結果を有し、すなわち、単位時間あたりのチップ領域毎の反応数を減少させる。したがって、ＥＷＯＤデバイスにおいて、複数の反応サイクルにわたって、正確な温度制御を要求する反応プロトコルを実行するための効率的なデバイスは、十分に達成されていなかった。
【００１８】
本発明は、液滴操作と反応が生ずるＥＷＯＤチャネルにおいて温度を最適化するために、ＥＷＯＤデバイスにおける強化された温度制御を提供する。本発明は、従来の構成では達成されなかった空間および時間における相乗作用的な効率性を提供するように、空間的及び経時的な温度制御を組み合わせる。ＥＷＯＤデイス制御システムおよび関連する制御方法は、要求される温度ゾーンの数を最小化し、そういった温度ゾーンにより占有される領域を最小化する。加えて、一以上の異なる温度ゾーンが時間的、温度的に変化することができる。ＥＷＯＤデバイスにおいて、空間的および経時的な温度制御を組み合わせることによって、多くのサイクルに亘った所与のバイオ化学／化学反応プロトコルあるいは反応シーケンスの実行のために最適化された、ＥＷＯＤデバイスの液滴チャネルにおける温度プロフィールが生成される。このように、反応プロトコルが損なわれることがなく、温度ゾーンの数やサイズが最適化される。
【００１９】
マイクロ流体システムは、制御システムおよびＥＷＯＤデバイスを含んでおり、オプション的に、特にＡＭ−ＥＷＯＤデバイスを含んでも良い。制御システムは、デバイス上の液滴の動きを制御するための処理を行う制御電子回路およびＣＰＵを有するＥＷＯＤ制御ユニットを含む。制御システムは、さらに、温度ゾーン制御ユニットおよび少なくとも２つの温度制御素子を含む。温度ゾーン制御ユニットは、ＥＷＯＤデバイス内で異なる温度制御ゾーンを生成するために、温度制御素子の温度を制御するための電子回路および処理を含んでいる。温度制御素子は、ＥＷＯＤデバイスと温度接触するように配置されてもよく、例えば、ＥＷＯＤデバイスの表面と物理的に接触するように、ＥＷＯＤデバイスの外側表面上あるいは内部のいずれかに配置されても良い。２以上の温度制御素子がＥＷＯＤデバイスの同じ表面、あるいは、反対側に面した表面のいずれかと接触しても良い。
【００２０】
温度制御素子は、要求されたように、あるいは、所望の反応プロトコルに応じて温度ゾーン制御ユニットにより決定されたように、ＥＷＯＤデバイスを能動的に加熱、冷却、あるいは、加熱と冷却の両方を行うことができる。加熱および／または冷却は、よく知られたメカニズムによって実装される。加熱および冷却のための技術として知られているように、例えば、加熱はジュール熱あるいは抵抗加熱によってもよく、冷却はペルティエ効果（Ｐｅｌｔｉｅｒ  ｅｆｆｅｃｔ）によってもよい。加熱および／または冷却は、ＥＷＯＤデバイスの外側表面に適用されてもよく、これは、ＥＷＯＤチャネルを形成するＥＷＯＤデバイスの２つのガラス基板間の横平面において、交互に温度を制御する。ＥＷＯＤチャネルは、液滴が束縛されているＥＷＯＤデバイスの領域を定義し、実際には、ＥＷＯＤチャネル内で制御される温度は、そのチャネル内に置かれた液滴の温度を決定する。
【００２１】
温度制御ユニットは、ＥＷＯＤデバイスのチャネル内に少なくとも２つの温度ゾーンを生成するために、温度制御素子を制御するように構成され、少なくとも１つの温度ゾーンの温度も、時間に関して可変である。ＥＷＯＤデバイスのチャネル内の温度は、このように可変であり、空間的および経時的に制御される。化学／バイオ化学の反応プロトコルあるいは反応シーケンスの間、反応混合物（ｒｅａｃｔｉｏｎ  ｍｉｘｔｕｒｅ）の液滴が、温度ゾーンの間でエレクトロウェッティングによって移動し、あるいは、所与の温度ゾーンにおいて維持される。このように、所与の液滴の温度は、チャネルにおける位置とプロトコルのスタートからの経過時間との関数である。空間及び温度制御を組み合わせることによって従来構成の不利が除去され、従来構成に比べて、液滴操作や反応のための能力が、ＥＷＯＤデバイスの実体的により小さい領域にわたって最大化される。
【００２２】
１以上の温度ゾーンにおいて経時的な温度制御と組み合された複数の温度ゾーンを使用することによって、液滴は、ＥＷＯＤデバイスのＥＷＯＤチャネルを通した横方向移動により、異なる温度間を高速に移動することができる。加えて、１以上のゾーンの経時的制御は、プロトコルの間に異なるポイントにおいて異なる温度値を再割り当てすることを可能にする。これは、可変ゾーンが調整される間、他の空間ゾーンにおいて実行された反応ステップによって分離され、同じゾーンがプロトコル中の異なる時間で異なる反応ステップのために使用されることを意味している。
【００２３】
結果として、固定化された温度ゾーンのみを有する従来構成に共通していた、デバイス領域の非効率的な利用を回避することができる。液滴があるゾーン内で所定温度において反応ステップを完了し、その温度がそれ以降のステップでもう必要とされない場合には、そのゾーンの温度は、異なる値に再割り当てされる。このように、このゾーンに関連する物理的な領域は、異なる温度および異なる時間において、他の液滴のために再利用される。
【００２４】
同様に、従来の時間可変構成の時間の非効率的な利用は、次に続く反応ステップを実行するための温度調整を待つ必要がない点で除去される。制御システムへの反応プロトコルの効率的なプログラミングによって、例えば、ＥＷＯＤデバイスの異なる位置において液滴操作プロトコルの一部あるいはインキュベーションステップを実行するなど、液滴が異なるゾーンにおいて「他のことを行うのに忙しい」ときに、所与のゾーンの温度を可変にできる。
【００２５】
これにより相乗作用的な効果がもたらされ、その効果によって、シーケンスされた複数の反応の液滴プロトコルは、時間及び空間において強化された効率性をもって実行される。そして、従来の構成と比べて、より多くの液滴処理ステップが、所与の時間およびより小さいデバイス領域において実行される。本発明の利点は、ガラスあるいは類似した材料のように、低い熱伝導率からなる好ましい基板材料で構成されたデバイスについて、特に顕著である。低い熱伝導率は、ＥＷＯＤチャネルの温度ゾーンが空間的にお互いに近いことを意味する。ガラス基板を使用すると、ＥＷ電極サイズは、典型的には他の基板材料（例えば、プリント回路板ＰＣＢ）を用いたときよりも小さい。このため、ガラスのＥＷＯＤデバイスは、より小さい液滴で操作でき、空間的により効率的である。温度の観点からのデバイス領域の効率的利用、および、全体的により小さなデバイスでの効率性の完全な実現が達成される。
【００２６】
結論として、高品質なＡＭ−ＥＷＯＤデバイスのために好ましいガラス基板を用いたＥＷＯＤデバイスに特に関連して、予期しない、強化された結果が達成される。ＴＦＴバックプレーンを製造することに関連するコストの理由から、チップ領域を削減することによりコストを削減することは、本発明によって達成される相乗作用的な利点である。ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、好ましくはガラス基板で構成される。なぜなら、ガラスはディスプレイのための標準的な基板材料であり、したがって、この基板材料はＡＭ−ＥＷＯＤ工場においても利用できるからである。さらに、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、非常に多数のアレイ素子やハイレベルのコンフィギュアビリティを有しており、特に、例えばＰＣＲのような複雑な液滴操作プロトコルを実行するのによく適している。このような高度に複雑な液滴操作プロトコルは、しばしば異なる温度範囲でのステップを要求することから、本発明の利点を特に顕著にする。
【００２７】
本発明のこれらの構成あるいは更なる構成は、以下の説明および添付の図面を参酌すれば明らかになる。この説明および図面、特に、本発明の実施態様は、本発明の原理が使用できるような態様のいくつかを示すように、詳細に開示されているが、本発明の範囲が実施態様に相当するものには限られないことが理解されるべきである。むしろ、本発明は、ここに添付した特許請求の範囲の精神や用語に含まれるあらゆる変形、修正および均等物を含む。一つの実施態様に関連して説明および／または示された構成は、同様の方法あるいは類似の方法で１以上の他の実施態様において使用されてもよく、および／または、他の実施態様の構成と組み合わせて、あるいは、それに代えて使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、従来のＥＷＯＤデバイスの断面を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施態様による、例示的なＥＷＯＤベースのマイクロ流体システムを示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施態様による例示的ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの模式的斜視を示す図である。
【図４】図４は、図３の例示的ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスのいくつかのアレイ素子を通る断面を示す図である。
【図５】図５Ａは、液滴が存在するときに素子電極に現れる電気的負荷の回路表現を示す図である。図５Ｂは、液滴が存在しないときの素子電極に現れる電気的負荷の回路表現を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施態様による、図３の例示的ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスにおける薄膜電子回路の例示的配置を示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施態様によるアレイ素子回路の例示的配置を示す図である。
【図８】図８は、温度制御素子を含む本発明の実施態様による例示的マイクロ流体システムを示す図である。
【図９】図９は、ＥＷＯＤチャネル内の液滴の例示的位置を表す図８のマイクロ流体システムを示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、図８のマイクロ流体システムが温度制御素子の位置について種々の代替的コンフィギュレーションを表していることを示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図８のマイクロ流体システムが温度制御素子の位置について種々の代替的コンフィギュレーションを表していることを示す図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、図８のマイクロ流体システムが温度制御素子の位置について種々の代替的コンフィギュレーションを表していることを示す図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｄは、図８のマイクロ流体システムが温度制御素子の位置について種々の代替的コンフィギュレーションを表していることを示す図である。
【図１０Ｅ】図１０Ｅは、図８のマイクロ流体システムが温度制御素子の位置について種々の代替的コンフィギュレーションを表していることを示す図である。
【図１１】図１１は、第１および第２の温度ゾーンについての例示的な温度／時間プロフィールと、２つの温度ゾーンの間をエレクトロウェッティングによって動くときの液滴の合成された温度／時間プロフィールとを示すグラフ図である。
【図１２】図１２は、第１および第２の温度ゾーンの温度／時間プロフィールを含む異なるプロトコルと、温度ゾーンの温度が時間的に可変であるような２つの温度ゾーンの間をエレクトロウェッティングによって動くときの液滴の合成された温度／時間プロフィールとを示すグラフ図である。
【図１３】図１３は、第１および第２の温度ゾーンの温度／時間プロフィールを含む異なるプロトコルと、温度ゾーンの温度が時間的に可変であるような２つの温度ゾーンの間をエレクトロウェッティングによって動くときの液滴の合成された温度／時間プロフィールとを示すグラフ図である。
【図１４】図１４は、第１および第２の温度ゾーンの温度／時間プロフィールを含む異なるプロトコルと、温度ゾーンの温度が時間的に可変であるような２つの温度ゾーンの間をエレクトロウェッティングによって動くときの液滴の合成された温度／時間プロフィールとを示すグラフ図である。
【図１５】図１５は、第１および第２の温度ゾーンの温度／時間プロフィールを含む異なるプロトコルと、温度ゾーンの温度が時間的に可変であるような２つの温度ゾーンの間をエレクトロウェッティングによって動くときの液滴の合成された温度／時間プロフィールとを示すグラフ図である。
【図１６】図１６は、第１および第２の温度ゾーンの温度／時間プロフィールを含む異なるプロトコルと、温度ゾーンの温度が時間的に可変であるような２つの温度ゾーンの間をエレクトロウェッティングによって動くときの液滴の合成された温度／時間プロフィールとを示すグラフ図である。
【図１７】図１７は、第１および第２の温度ゾーンについての温度／時間プロフィールを含む異なるプロトコルと、一つが時間可変温度ゾーンであり一つが一定温度ゾーンである２つの温度ゾーンの間をエレクトロウェッティングによって動くときの液滴の合成された温度／時間プロフィールとを示すグラフ図である。
【図１８】図１８は、第１および第２の温度ゾーンについての温度／時間プロフィールを含む異なるプロトコルと、一つが時間可変温度ゾーンであり一つが一定温度ゾーンである２つの温度ゾーンの間をエレクトロウェッティングによって動くときの液滴の合成された温度／時間プロフィールとを示すグラフ図である。
【図１９】図１９は、第１および第２の温度ゾーンについての温度／時間プロフィールを含む異なるプロトコルと、一つが時間可変温度ゾーンであり一つが一定温度ゾーンである２つの温度ゾーンの間をエレクトロウェッティングによって動くときの液滴の合成された温度／時間プロフィールとを示すグラフ図である。
【図２０】図２０は、第１および第２の温度ゾーンについての温度／時間プロフィールを含む異なるプロトコルと、一つが時間可変温度ゾーンであり一つが一定温度ゾーンである２つの温度ゾーンの間をエレクトロウェッティングによって動くときの液滴の合成された温度／時間プロフィールとを示すグラフ図である。
【図２１】図２１は、本発明の実施態様によるタッチダウンＰＣＲ反応プロトコルを示すグラフ図である。
【図２２】図２２は、図２１のタッチダウンＰＣＲ反応プロトコルの対応するサイクル数についての温度ゾーンの温度を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施態様が図面を参照して説明される。ここで、同じ参照番号は、全体にわたって同じ素子を参照するために使用される。図面は、必ずしも縮尺に従っていないことが理解されるべきである。
【００３０】
図２は、本発明の実施態様によるマイクロ流体システムに基づく例示的ＥＷＯＤを示す図である。図２の例において、計測システムは、リーダ３２およびカートリッジ３４を含む。カートリッジ３４は、デバイスへの液体入力ポート（図示されていない）や従来と同様の電気的接続の他に、ＥＷＯＤまたはＡＭ−ＥＷＯＤ３６のようなマイクロ流体デバイスを含むことができる。液体入力ポートは、例えばエレクトロウェッティングによって制御された入力容器（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ）から与えられることによって、液体をＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６に入力し、デバイス内で液滴を生成する機能を実行することができる。以下に詳述されるように、マイクロ流体デバイスは、入力された液滴を受けるように構成された電極アレイを含む。
【００３１】
マイクロ流体システムは、さらに、液滴に対するマニピュレーション操作を液滴に実行するために、マイクロ流体デバイスの電極アレイに印加される作動電圧を制御するように構成された制御システムを含んでもよい。例えば、リーダ３２は、制御電子回路３８と、システムに関連したアプリケーションソフトウエアやデータを記憶する記憶デバイス４０として構成された制御システムを含んでもよい。制御電子回路３８は、適合した回路、および／または、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６の制御に関連した種々の制御オペレーションを実行するように構成された、例えばＣＰＵ、マイクロコントローラあるいはマイクロプロセッサのような処理デバイスを含んでもよい。
【００３２】
これらの機能の内、本発明の構成を実装するために、制御電子回路は記憶デバイス４０内の制御アプリケーションとして埋め込まれたプログラムコードを実行する全体制御システムの一部を備えてもよい。コンピュータプログラミングの分野、特に、電気的制御デバイスのアプリケーションプログラミングにおける当業者にとって、記憶された制御アプリケーションに関連した論理機能を動作あるいは実行させるために、制御システムをどのようにプログラミングするかは明らかであろう。したがって、簡潔にするために、特定のプログラミングコードについての詳細は省略する。記憶デバイス４０は、非一時的なコンピュータ読み取り可能なメディア、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、消去可能なプログラマブルＲＯＭ（ＥＰＲＯＭあるいはフラッシュメモリ）あるいは他の適切な媒体により構成される。また、コードが例示的な実施態様により制御電子回路３８により実行されてもよいが、本発明の範囲から逸脱することなく、制御システムの機能が専用ハードウエア、ファームウエア、ソフトウエア、あるいはこれらの組み合わせにより実行されてもよい。
【００３３】
制御システムは、次に示す機能のいくつかあるいはすべてを実行するように構成される。
・ＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６上の液滴を操作するために、適切なタイミング信号を定義すること
・ＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６上の液滴の位置、サイズ、重心、周囲の長さを計算するなど、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６に関連したセンサあるいはセンサ回路によって測定されたセンサ情報を示す入力データを解釈すること
・ＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６上の液滴を操作、すなわちフィードバックモードで動作するための適切なタイミング信号を定義するため、計算されたセンサデータを使用すること・ユーザが液滴操作（例えば、液滴の移動）、分析操作（例えば、分析の実行）のようなコマンドをプログラムし、そのような操作の結果をユーザにレポートするように、グラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）の実装を提供すること
・本発明の実施態様により、および、以下に詳述するように、制御システムは、所与の反応プロトコルに適したＥＷＯＤチャネル内のＥＷＯＤデバイス温度を制御するように構成された、温度制御ユニットを含んでもよい。
【００３４】
図２の例では、外部センサモジュール３５が、液滴プロパティのセンシングのために提供されてもよい。例えば、当該技術分野で知られた光学センサが、液滴プロパティをセンシングするための外部センサとして用いられてもよい。適切な光学センサは、カメラデバイス、光センサ、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）および同様のイメージセンサのようなものを含んでいる。センサは、代替的に、各アレイ素子内の駆動回路の部分として組み込まれた内部センサ回路として構成されてもよい。このようなセンサ回路は、インピーダンスあるいはキャパシタンスといったアレイ素子での電気的プロパティの検出によって、液滴プロパティを検出する。
【００３５】
制御システムは、例えば制御電子回路３８により、マイクロ流体デバイス３６の電極アレイに印加される作動電圧、例えば、液滴マニピュレーション操作を実行し、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６上の液滴を検出するための要求電圧およびタイミング信号を、供給および制御してもよい。制御電子回路は、さらに、アプリケーションソフトウエアを実行し、液滴センシングおよびセンシング操作を実行するための制御電圧を生成および出力する。リーダ３２とカートリッジ３４は、使用中には例えば接続配線ケーブル４２によって互いに電気的に接続されるが、当業者に知られているような電気的な通信を提供する種々の他の方法（例えば、配線なし接続）が使用されてもよい。
【００３６】
図３は、本発明の実施態様による例示的ＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６の模式的斜視の追加的詳細を示す図である。ＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６は、下部基板４４上に置かれた薄膜電子回路４６を有する下部基板４４を有する。薄膜電子回路４６は、アレイ素子電極４８を駆動するように配置されている。複数のアレイ素子電極４８は、Ｘ×Ｙのアレイ素子（Ｘ，Ｙは任意の整数）を有する電極あるいは素子アレイ５０内に配置されている。極性液体を含み、典型的には水性の液滴５２が、下部基板４４と、スペーサ５６によって分離された上部基板５４の間に封入されており、複数の液滴５２が存在しうることも理解されるべきである。
【００３７】
図４は、図３の例示的ＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６のいくつかのアレイ素子を通る断面を示した図である。図４に示されたＡＭ−ＥＷＯＤデバイスの一部において、デバイスは、図３のＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６の電極または素子アレイ５０に使用される、断面で示された一組のアレイ素子電極４８Ａおよび４８Ｂを含む。デバイス構成は、図１に示される従来の構成と類似しているが、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６は、更に、上部基板５４からスペーサ５６で分離された下部基板４４上に配置された薄膜電子回路４６を組み込んでいる。下部基板４４の最上位層（薄膜電子回路４６の層の一部と考えてよい）はパターン化され、複数のアレイ素子電極４８（例えば、アレイ素子電極の特定の例は、図４の４８Ａおよび４８Ｂ）が実現される。素子電極４８の用語は、以下では、特定のアレイ素子に関連した物理的な電極構造４８およびこの物理的な構造に直接接続された電気的回路のノードの両方に関連している。参照電極５８は、図４に示されるように、上部基板５４の上に配置されているが、代替的に、面内の参照電極配列を実現するために、参照電極が下部基板４４の上に配置されてもよい。参照電極５８の用語は、以下では、物理的な電極構造およびこの物理的な構造に直接接続された電気的回路のノードの両方または一方に関連している。
【００３８】
図１の従来の構造に類似して、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６において、非極性流体６０（例えば、オイル）は、液滴５２によって占有されていない体積を占有するために使用される。絶縁体層６２は、下部基板４４の上に配置され、伝導性素子電極４８Ａと４８Ｂを、θで表される接触角６６をもって液滴５２が置かれている第１の疎水性コーティング６４から分離する。疎水性コーティングは、疎水性材料（必ずしもそうではないが、通常はフッ素重合体）から形成されている。上部基板５４上には、液滴５２が接することになる第２の疎水性コーティング６８がある。参照電極５８は、上部基板５４と第２の疎水性コーティング６８の間に挿入されている。
【００３９】
図５Ａは、液滴５２が存在する場合の素子電極４８と参照電極５８の間の電気的負荷７０Ａの回路表現を示している。液滴５２は、通常、並列におかれた抵抗とキャパシタとしてモデル化される。典型的には、液滴の抵抗は比較的低く（例えばイオンを含むとき）、液滴のキャパシタンスは比較的高い（例えば、極性液体の比誘電率は比較的高く、例えば、液滴が水性の場合には〜８０）。多くの状況において、エレクトロウェッティングについて注目する周波数では液滴抵抗は比較的小さく、液滴５２は、電気的に短絡回路として効果的に機能する。疎水性コーティング６４と６８は、キャパシタとしてモデル化される電気的特性を有しており、絶縁体６２もキャパシタとしてモデル化される。素子電極４８と参照電極５８の間の全体的なインピーダンスはキャパシタによって近似され、キャパシタの値は、典型的には絶縁体６２の貢献と疎水性コーティング６４と６８の貢献によって支配され、典型的な層の厚さと材料についてみると、ピコファラッドのオーダの値になってもよい。
【００４０】
図５Ｂは、液滴が存在しない場合の素子電極４８と参照電極５８の間の電気的負荷７０Ｂの回路表現である。この場合には、液滴成分は、上部および下部基板の間の空間を占有する非極性流体６０のキャパシタンスを表すキャパシタによって置き換えられる。この場合、素子電極４８と参照電極５８の間の全体的なインピーダンスはキャパシタによって近似され、その値は、非極性流体のキャパシタンスによって支配され、典型的にはフェムトファラッドのオーダの値であって、小さい。
【００４１】
アレイ素子を駆動したりセンシングしたりするために、事実上、電気的負荷７０Ａ／７０Ｂがキャパシタとして全体的に機能し、その値は液滴５２が所定の素子電極４８に存在するかしないかに依存する。液滴が存在する場合には、キャパシタンスは比較的高く（典型的にはピコファラッドのオーダ）、一方、液滴が存在しないならばキャパシタンスは低い（典型的にはフェムトファラッドのオーダ）。もし、液滴が所定の電極４８を部分的に覆っているときには、キャパシタンスは、液滴５２による素子電極４８のカバー範囲の程度を近似的に表してもよい。
【００４２】
図６は、本発明の実施態様による、図３の例示的なＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６における薄膜電子回路４６の例示的な配置を示す図である。薄膜電子回路４６は、下部基板４４の上に位置している。アレイ素子５０の各アレイ素子５１は、対応する素子電極４８の電極電位を制御するためのアレイ素子回路７２を含む。集積された行ドライバ７４と列ドライバ７６の回路も、アレイ素子回路７２に制御信号を供給するために、薄膜電子回路４６内に実装される。また、アレイ素子回路７２は、アレイ素子の位置にある液滴の存在あるいは不存在を検出するためのセンシング能力を有している。集積センサ行アドレッシング７８と列検出回路８０も、各アレイ素子にあるセンサ回路のアドレッシングや読み出しのための薄膜電子回路内に更に実装される。
【００４３】
シリアルインターフェース８２が、シリアル入力データストリームを処理し、アレイ５０内の素子電極４８への要求された電圧のプログラミングを容易化するために、提供されてもよい。電圧供給インターフェース８４は、ここにおいてさらに説明したように、対応する供給電圧、上部基板駆動電圧および他に必要な電圧入力を提供する。下部基板４４と外部制御電子回路の間の何本かの接続配線８６、電源供給および他のコンポーネントは、大規模なアレイサイズであっても、比較的少なくすることができる。オプション的に、シリアルデータ入力は部分的に並列化されてもよい。例えば、２つのデータ入力が使用される場合、列ドライバ回路７６への最小限の更新により、第１がコラム１からＸ／２にデータを供給し、第２がコラム（１＋Ｘ／２）からＭにデータを供給してもよい。このように、液晶ディスプレイの駆動回路において使用されている標準的な技術のように、データがアレイにプログラムされる割合を増加することができる。
【００４４】
概略的に、薄膜電子回路４６を含む例示的なＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６は、次のように構成されてもよい。ＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６は、上述したように、参照電極５８（オプション的には、面内参照電極もありうる）、および、素子アレイ５０上の複数の個々のアレイ素子５１を含み、各アレイ素子５１はアレイ素子電極４８とアレイ素子回路７２を含む。関連して、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイス３６は、複数のアレイ素子に印加されるエレクトロウェッティング電圧を制御することによってアレイ上の液滴を操作するために、アレイ素子を作動する方法を実行するように構成されている。印加される電圧は、制御電子回路３８および記憶デバイス４０に記憶されたアプリケーションとデータを含む、図２に示された制御システムの動作によって提供されてもよい。各アレイ素子５１におけるエレクトロウェッティング電圧は、アレイ素子電極４８と参照電極５８の電位差によって定義される。所与のアレイ素子におけるエレクトロウェッティング電圧を制御する方法は、典型的には、制御システムの動作によって、電圧をアレイ素子電極４８に印加し、および、電圧を参照電極５８に印加するステップを含む。
【００４５】
図７は、本発明の実施態様による、各アレイ素子５１に存在するアレイ素子回路７２の例示的配置を示す図である。アレイ素子回路７２は、イネーブル（ＥＮＡＢＬＥ）、データ（ＤＡＴＡ）およびアクチュエート（ＡＣＴＵＡＴＥ）入力、および、素子電極４８に接続された出力を有するアクチュエーション回路８８を含んでもよい。アレイ素子回路７２は、また、素子電極４８と電気的に通信する液滴センシング回路９０を含んでもよい。典型的には、液滴センシング回路９０の読み出しは、アレイの同じ行にある素子の共通する１以上のアドレシングライン（例えば、ＲＷ）によって制御されてもよく、アレイの同じ列にある全ての素子に共通な１以上の出力、例えばＯＵＴを有してもよい。
【００４６】
アレイ素子回路７２は、典型的には、次のような機能を実行する。
（ｉ）アレイ素子電極に電圧を供給することによって、素子電極４８を選択的に作動させる。したがって、アレイ素子５１に存在する任意の液滴は、エレクトロウェッティング効果によって、作動または非作動にされる。
（ｉｉ）アレイ素子５１の所定位置にある液滴の存在あるいは不存在をセンシングする。センシングの手段は、容量的、光学的、熱的あるいは他の手段であってもよい。容量的センシングは、アレイ素子回路の一部としてのインピーダンスセンサ回路を使用して、慣例的かつ効果的に実行される。
【００４７】
インピーダンスセンサ回路を含むアレイ素子回路７２の例示的な構成は、この分野において知られており、例えば、ＵＳ８６５３８３２の従来技術の項、あるいは、本出願の譲受人に譲渡された英国出願ＧＢ１５００２６１．１に詳細に記載されており、両者は、参照により本明細書に援用される。これらの特許文献は、どのように液滴が（エレクトロウェッティングにより）作動されるか、および、液滴が容量あるいはインピーダンスセンシング手段によりどのように検知されるかについての記述を含む。典型的には、容量およびインピーダンスセンシングはアナログ的であり、アレイ中のあらゆる素子において同時にあるいはほぼ同時に実行されてもよい。そういったセンサから戻された情報を処理することによって（例えば、リーダ３２の記憶デバイス４０にあるアプリケーションソフトウエアにおいて）、上述した制御システムは、リアルタイムあるいはほぼリアルタイムに、素子アレイ５０に存在する各液滴の位置、サイズ、重心および周囲の長さを決定することができる。図２に関して参照したように、センサ回路の代替として、例えば、液滴プロパティを検知するために使用できる光学センサのような外部センサ（例えば、センサ３５）が提供される。
【００４８】
本発明は、液滴操作と反応が生ずるＥＷＯＤチャネルにおいて温度を最適化するために、ＥＷＯＤデバイス内の温度の強化された制御を提供する。本発明は、従来の構成では達成されていなかった、空間と時間における相乗作用的効率性を提供するために、空間的および経時的温度制御を組み合わせる。ＥＷＯＤデバイス制御システムと関連する制御方法は、要求される温度ゾーンの数を最小化し、そのような温度ゾーンによって占有される領域を最小化する。加えて、１以上の異なった温度ゾーンは、時間にわたって温度を可変にすることができる。ＥＷＯＤデバイスにおける温度の空間的および経時的制御を組み合わせることにより、ＥＷＯＤデバイスの液滴チャネル内の温度プロフィールが生成され、所与のバイオ化学的／化学的な反応あるいは多くのサイクルにわたる反応シーケンスの実行のために最適化される。このように、反応プロトコルは、温度ゾーンの数とサイズが最適化された状態で効率的に実行される。
【００４９】
したがって、概略的には、本発明の一面は、空間的および経時的温度制御を組み合わせることによって、強化された温度制御のために構成されたマイクロ流体システムである。例示的な実施態様では、マイクロ流体システムは、誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）デバイスを含み、当該ＥＷＯＤデバイスは、複数の個々のアレイ素子を備えた、１以上の液滴を受けるように構成された素子アレイと、液滴に関してマニピュレーション操作を実行する素子アレイに印加される作動電圧を制御するように構成された制御システムと、ＥＷＯＤデバイスに沿って異なる空間位置におかれた複数の温度制御素子であって、少なくとも１つの温度制御素子は時間に関して温度が可変であるような温度制御素子と、を備える。制御システムは、ＥＷＯＤデバイスに沿った異なる空間位置におかれた複数の温度ゾーンを生成するために、複数の温度制御素子の温度を制御するように構成された温度制御ユニットを含み、少なくとも１つの温度ゾーンが時間に関して温度が可変である。
【００５０】
図８は、本発明の実施態様による例示的マイクロ流体システム１００を示す図であり、制御システム１０２と、ＥＷＯＤチャネル１０６を定義するＥＷＯＤデバイス１０４（特に、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスであってもよい）を含む。図９は、ＥＷＯＤチャネル１０６内の液滴１０８の例示的な位置を表す、図８のマイクロ流体システム１００を示す図である。
【００５１】
概略的に、マイクロ流体システムは、コントローラシステムとＥＷＯＤ（あるいはＡＭ−ＥＷＯＤ）デバイスを含む。コントローラシステムは、ＥＷＯＤデバイスのチャネル内に少なくとも２つの温度ゾーンを生成するように構成された温度制御ユニットを含み、少なくとも１つの温度ゾーンの温度は、動的に（すなわち可変時間で）制御される。ＥＷＯＤ制御ユニットは、液滴を２つの温度ゾーンの間で移動するために、作動電圧をＥＷＯＤデバイスのアレイ素子に印加するように動作する。温度ゾーンは、温度制御素子によって作られ、温度ゾーン制御ユニットによって制御される。
【００５２】
例示的な実施態様では、次に示す１以上の構成がマイクロ流体システムに組み込まれる。温度制御素子のそれぞれは、ＥＷＯＤデバイス内の関連する温度ゾーンを加熱し、冷却し、あるいは加熱と冷却の両方を行うように構成されている。温度制御素子は、ＥＷＯＤデバイスの上部あるいは下部の外面のいずれか一方と温度伝達の状態にある（同一面あるいは反対面）。１以上の温度制御素子が熱（例えば、抵抗ジュール熱）を与えるように構成されている場合、温度ゾーン制御素子は、ＥＷＯＤデバイス内に集約（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）されてもよい。集約された温度制御素子の例が、例えば、本出願人により２０１１年４月２２日に出願された米国出願番号１３／０９２，１９４に記載されており、これは、参照により本明細書に援用される。本技術分野で知られている温度センシング素子が、システム構成内の１以上の位置に組み込まれる。そのような温度センシング素子は、温度制御素子のコンポーネントであり、ＥＷＯＤデバイスの外面に取り付けられた１以上の外部温度センサ（例えば、サーミスタ）、あるいは、出願人により２０１０年５月１５日に出願された米国出願番号１２／７７２，２４５に記載されたようなＥＷＯＤデバイスに集約された温度センサ（参照により本明細書に援用される）を含んでもよく、それは、例えば、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスのアレイ素子やＰＩＤ（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−ｉｎｔｅｇｒａｌ−ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御方法に基づく温度制御システムに組み込まれてもよく、あるいは、温度ゾーン制御ユニットに組み込まれてもよい。マイクロ流体システムは、液滴操作プロトコルの部分である少なくとも２つの温度に、液滴が加熱および／または冷却されることを要求する液滴操作プロトコルを実装するように調整される。
【００５３】
図８−９に示されるように、非極性流体１１０（例えば、オイル）は、液滴１０８によって占有されていない体積を占有するように使用されてもよい。ＥＷＯＤデバイスは、スペーサ１１６によって分離された第１の（上部）基板アセンブリ１１２と第２の（下部）基板アセンブリ１１４を含んでもよく、これらはＥＷＯＤチャネル１０６を定義する。関係ある構成を簡単に示すために、ＥＷＯＤデバイスコンポーネントの個々の層は省略されている。したがって、第１と第２の基板アセンブリは、例えば、図３−７に関連して記載された種々のコンポーネントのように、関連する基板、絶縁体層、電極層およびＥＷＯＤデバイスを形成する関連構造を含んでもよい。図８および図９は、ＥＷＯＤチャネルへの液体入力のための代表的な液体入力構造１１８を示している。入力構造の種々の構成はこの技術分野で知られており、したがって、任意の適切な入力構造が利用されてもよい。
【００５４】
上述したように、マイクロ流体システム１００は、さらに制御システム１０２を含む。制御システム１０２は、図２に関連して記載された制御システムと同様に構成され、非一時的コンピュータ読み取り可能な媒体あるいは記憶デバイス内に組み込まれた制御アプリケーションとして具体化されたプログラムコードを実行する制御電子回路を含む。制御システム１０２は、ＥＷＯＤデバイスのアレイ素子に印加された作動電圧の制御によって、ＥＷＯＤデバイス上の液滴の動きを制御するための制御電子回路およびＣＰＵ処理デバイスを有するＥＷＯＤ制御ユニットを含んでもよい。制御システム１０２は、温度ゾーン制御ユニット１２４および複数の温度制御素子をさらに含む。例示では、２つの温度制御素子１２６と１２８が、ＥＷＯＤデバイスに沿った異なる空間位置におかれているところが示されている。任意の数の複数の温度制御素子が、特定のマイクロ流体操作のために適するように、所与のデバイスに使用されてもよいことが理解されるであろう。温度ゾーン制御ユニット１２４は、ＥＷＯＤ制御ユニット１２２と同様に、ＥＷＯＤデバイス内の異なる温度制御ゾーンを生成するために、温度制御素子の温度を制御するための制御電子回路およびＣＰＵあるいは処理デバイスを含む。温度ゾーン制御ユニットの制御電子回路は、同様に、温度ゾーン制御ユニット内の非一時的コンピュータ読み取り可能な媒体または記憶デバイスに組み込まれた温度制御アプリケーションとして具体化されたプログラムコードを実行してもよい。
【００５５】
温度制御素子１２６および１２８は、任意の所望の反応プロトコルにしたがって温度ゾーン制御ユニット１２４により要求および決定されたように、ＥＷＯＤデバイスを能動的に加熱、冷却あるいは加熱と冷却の両者を行ってもよい。加熱および／または冷却は、よく知られた任意の機構によって実装されてもよい。例えば、加熱はジュール熱あるいは抵抗熱によってもよく、冷却は、加熱及び冷却の分野で知られているペルティエ効果によってもよい。温度制御素子の１つによって温度が制御されるＥＷＯＤデバイス内のＥＷＯＤチャネル１０６の領域は、ここでは温度ゾーンと称される。例えば、図８および図９において、第１の温度制御素子１２６はＥＷＯＤチャネル内の第１の温度ゾーン１２７の温度を制御するように動作でき、第２の温度制御素子１２８はＥＷＯＤチャネル内の第２の温度ゾーン１２９の温度を制御するように動作できる。したがって、第１および第２の温度ゾーン１２７、１２９は、温度制御素子の対応する位置に基づいて、ＥＷＯＤデバイスに沿った異なる空間位置に配置される。また、任意の数の複数の温度制御素子が使用され、これらはＥＷＯＤデバイスに沿った異なる空間位置に配置された対応する数の温度ゾーン内の温度を制御する。
【００５６】
液滴は、その液滴が位置する温度ゾーンの温度を呈する。液滴が微小なサイズのため、液滴と温度ゾーンの間で急速な温度平衡が生ずる。図９の例では、液滴１０８は、第１の温度ゾーン１２７に配置され、第１の温度制御素子１２６によって制御された第１の温度ゾーン１２７の温度を呈する。適切な作動電圧の印加によって、液滴１０８は第２の温度ゾーン１２９に動かされ、そして、第２の温度制御素子１２８によって制御された第２の温度ゾーン１２９の温度を呈する。
【００５７】
ＥＷＯＤ制御ユニット１２２は、作動電圧をＥＷＯＤデバイスのアレイ素子に印加し、液滴を１つの温度ゾーンから他の温度ゾーンに動かす。温度ゾーン制御ユニット１２４とＥＷＯＤ制御ユニット１２２は協働するように調整され、ＥＷＯＤデバイスのチャネル内の液滴の位置にしたがってチャネル内の温度を可変とする、動的に制御された温度ゾーンを構成する。ＥＷＯＤチャネル内の液滴の位置は、ＥＷＯＤ液滴操作デバイスに統合された液滴位置センサ（例えば、液滴インピーダンスのセンシングに基づいて、図３の外部センサ３５あるいは図７の液滴センシング回路９０を使用）で読み出されてもよい。ＥＷＯＤデバイスのチャネル内の空間的および経時的な温度制御を組み合わせることにより、所与のバイオ化学／化学反応あるいは反応シーケンスの実行のために要求される温度プロフィールが最適化され、次に、温度ゾーンの数とサイズが最適化される。液滴位置のフィードバック制御は、温度ゾーンの温度に対する変化が実装される時間を決定するために使用されるため、液滴位置センサを含めることは、さらにシステムを強化する。
【００５８】
温度制御素子１２６と１２８は、ＥＷＯＤデバイスの基板層の一つと熱的接触するように配置され、例えば、ＥＷＯＤデバイスの基板層の外面上に、あるいは、基板の部分として内部的に配置される。図８および図９の例では、温度制御素子は、いずれも第２の（下部）基板１１４の外面上に配置されている。
【００５９】
図１０Ａ−１０Ｅは、温度制御素子１２６、１２８の位置決めの代替的な配置を表している。２以上の温度制御素子が、ＥＷＯＤデバイスの同じ表面あるいは反対に面する表面に接触してもよく、あるいは、ＥＷＯＤチャネル１０６に極めて近接した基板アセンブリの１つあるいは両方の内部または部分として配置されてもよい。図１０Ａの実施態様において、代替的な例として、両方の温度素子が第１の（上部）基板１１２の上に配置される。図１０Ｂの実施態様では、第１の温度制御素子１２６が第２の（下部）基板１１４の上に配置され、第２の温度制御素子１２８が第１の（上部）基板１１２の上に配置される。図１０Ｃの実施態様では、両方の温度制御素子は第１の（上部）基板１１２内に配置される。図１０Ｄの実施態様では、第１の温度制御素子１２６は、第２の（下部）基板１１４内に配置され、第２の温度制御素子１２８は第１（上部）基板１１２内に配置される。図１０Ｅの実施態様では、両方の温度制御素子が第２の（下部）基板１１４内に配置される。したがって、ＥＷＯＤチャネルに関連した温度制御素子の適切な位置構成が使用される。
【００６０】
このように、加熱および／または冷却がＥＷＯＤデバイスの基板１１２および／または基板１１４の１以上の表面に適用される。これは、次に、ＥＷＯＤチャネル１０６を形成するＥＷＯＤデバイスの２つの基板間の横平面における温度を制御し、図８と図９の例示的な温度ゾーン１２７と１２９のような異なった温度ゾーンを生成する。ＥＷＯＤチャネルは、液滴が束縛されるＥＷＯＤデバイスの領域を定義し、結果において、上述したようにＥＷＯＤチャネル内で制御された温度がそのチャネル内に置かれた液滴の温度を決定する。
【００６１】
概略的に、本発明の実施態様にしたがって、温度制御ユニットは、温度制御素子を制御するように構成され、ＥＷＯＤデバイスのチャネル内で複数の温度ゾーン、すなわち、少なくとも第１の温度ゾーンと第２の温度ゾーンを生成し、チャネル内では、少なくとも１つの温度ゾーンの温度は時間に関しても可変とされる。ＥＷＯＤデバイスのチャネル内の温度は、このように、空間的および経時的に可変とされ、制御される。化学／バイオ化学反応あるいは反応のシーケンスの間に、反応混合物の液滴は、温度ゾーンの間をエレクトロウェッティングによって動かされたり、所与の温度ゾーンに維持されたりする。所与の液滴の温度は、このように、チャネルの位置とプロトコルのスタートから経過した時間との両方の関数である。空間的および経時的温度制御を組み合わせることにより従来構成の不利が除去され、従来構成と比べて、ＥＷＯＤデバイスの実態的に小さい領域にわたって、液滴操作と反応のためのキャパシティが最大化される。
【００６２】
図１１〜図２１は、ＥＷＯＤデバイスのＥＷＯＤチャネル内における温度を制御するための種々のプロトコルを示すグラフ図である。概略に、本発明の実施態様にしたがって、マイクロ流体システムは、ＥＷＯＤチャネルに関係する異なる空間位置に置かれた複数の温度制御素子を含み、少なくとも１つの温度制御素子は、時間的に（時間で）温度を可変とするように制御される。複数の温度制御素子の制御は、ＥＷＯＤチャネル内の複数の対応する温度ゾーンの生成に帰着し、少なくとも１つの温度ゾーンは、時間的に可変の温度制御素子の変化にしたがって、時間的に可変となる温度を有する。図の例は、複数の温度制御素子が第１および第２の温度制御素子を含むマイクロ流体システムに基づいており、少なくとも１つの温度制御素子は時間的に可変となる温度を有している。２つの温度制御素子の利用は、非限定的な例であり、任意の適切な数の温度制御素子が、任意の特定のデバイスあるいはアプリケーションのために適切に使用されてもよいことが理解されるであろう。加えて、少なくとも１つの温度制御素子が時間的に温度可変となる限りは、時間可変の温度制御素子の正確な数は、任意の特定のデバイスあるいはアプリケーションのために適切に決めることができる。別の言い方をすれば、１以上からすべてまでの温度制御素子が時間的に温度可変となってもよい。
【００６３】
したがって、本発明の他の一面は、ＥＷＯＤデバイス内で空間と温度の両方の制御を組み合わせた誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）デバイスを使用した反応プロトコルを実行するための制御方法である。例示的な実施態様では、制御方法は、ＥＷＯＤデバイスによって定義されたＥＷＯＤチャネル内の液滴を受けるステップと、ＥＷＯＤチャネル内の第１の空間位置において第１の温度ゾーンを生成するステップと、前記第１の温度ゾーンは第１の温度を有するように制御され、前記第１の空間位置とは異なるＥＷＯＤチャネル内の第２の空間位置における第２の温度ゾーンを生成するステップと、前記第２の温度ゾーンは時間にわたって可変である第２の温度を有するように制御され、第２の温度ゾーンの前記温度を時間可変にするステップと、および、液滴を前記第１の温度ゾーンと前記第２の温度ゾーンの間で移動するように前記ＥＷＯＤデバイスの素子アレイに作動電圧を印加するステップと、を含み、ここにおいて、前記液滴の温度は、前記液滴が位置する前記第１の温度ゾーンあるいは前記第２の温度ゾーンのうちの一つの温度と仮定する、制御方法である。第１の温度ゾーンの温度は、反応プロトコルの間、一定に保たれてもよいし、あるいは、反応プロトコルの間、時間可変されてもよい。第１の温度ゾーンの温度と第２の温度ゾーンの温度は、液滴の温度が反応プロトコル内の複数の温度サイクルにわたってサイクリックに変化するように制御するように、コントロールされてもよい。
【００６４】
次に、図１１−２１におけるグラフの種々の部分およびラインフォーマットの意味について、説明する。これらのすべての図の中で、例として図１１に着目すると、上部の２つのグラフ部分は、第１の温度ゾーン２００（Ｔ  ｚｏｎｅ  １または温度ゾーン１）および第２の温度ゾーン２０２（温度ゾーン２のＴ  ｚｏｎｅ  ２）に関して、時間の関数としての温度、すなわち、温度プロフィールを表している。第１と第２の温度ゾーンについての温度プロフィールは、上述したように（例えば、温度ゾーン１２７と１２９のように）、温度制御素子の位置に対応するＥＷＯＤチャネル内の空間的温度ゾーンに対応している。グラフの第３の部分は、時間と液滴の空間位置の両者の関数として、すなわち、液滴が温度ゾーン１あるいは温度ゾーン２にあるのかを示す、液滴２０４の合成された温度プロフィール（Ｔ液滴）に対応する。Ｔ１，Ｔ２およびＴ３は、異なる温度の概略化された表示であり、所与のアプリケーションあるいは反応プロトコルについての任意の適した温度であってよい。
【００６５】
第１および第２の温度ゾーン２００と２０２の温度プロフィールを表す図１１−２１の最上部のグラフ部分において、グラフの実線部分は液滴がそのような温度ゾーンに位置することを示しており、点線は、液滴がそういった温度ゾーンには位置していないことを示す。同様に、液滴２０４の温度プロフィールを表す最下部のグラフ部分において、グラフの実線部分は、液滴が特定の温度ゾーンに位置していることを示し、点線は、液滴が温度ゾーンの間を動いていることを示している。別の言い方をすれば、以下に更に説明されるように、グラフは、時間にわたり、温度制御素子の制御に基づいて温度ゾーン内の温度を変化させながら、液滴が２つの温度ゾーンの間を空間的に移動するにつれて、温度変化がどのように生じているかを示している。
【００６６】
図１１は、第１および第２の温度ゾーンについての例示的な温度／時間プロフィールと、２つの温度ゾーンの間をエレクトロウェッティングによって移動したときの液滴についての合成された温度／時間プロフィールを示している。この特定の例では、温度ゾーン１の温度はＴ１で時間にわたって一定である。液滴は、最初は温度ゾーン１内に置かれているとして示されており、そして、液滴は温度ゾーン１のＴ１の温度で始まる。その間に、温度ゾーン２の温度はＴ３からＴ２にシフトする。グラフの第３部分の破線で示されるように、その後、液滴は、適切な作動電圧によって温度ゾーン１から温度ゾーン２に移動する。そして、液滴はＴ２に冷やされる。次に、温度ゾーン２の温度は、液滴が温度ゾーン２に配置されている間にＴ３に上昇する。液滴の温度は、同様に、Ｔ３に上昇する。図１１は、２つの温度ゾーンだけを使って、ＥＷＯＤチャネル内の液滴についての３つの反応温度に到達するために、どのように空間的および経時的な温度制御が組み合わされるのかを示している。液滴は、温度ゾーン１の温度Ｔ１で始まり、次に、液滴は温度ゾーン２に移動して温度Ｔ２を経験し（空間的温度制御）、そして、液滴は、温度が温度Ｔ３に増加するまで温度ゾーン２に残る（時間的温度制御）。液滴温度プロフィールのいくつか又はすべては、何回か循環する。
【００６７】
図１１は、空間的温度制御が２つの温度ゾーンにわたって変化する方法と、この例の温度ゾーン２内で、どのように温度が追加的に時間にわたって可変とされるのか、についての基本的な例を提供する。温度ゾーンを介した液滴温度制御と、エレクトロウェッティングによって温度ゾーン間で液滴を移動する方法を組み合わせることにより、温度制御を要求するデバイスの領域を最小化しながら、複雑な液滴温度プロフィールが達成される。次の図は、バイオ化学／化学反応あるいは任意の適切な反応プロトコルについての反応シーケンスの異なる部分あるいはサイクルに結合された場合において、２つの温度ゾーンだけを依然として利用した、より複雑なプロトコルを示している。操作の種々のプロトコルは、非限定的な例を示していることを理解されるべきであろう。
【００６８】
図１２−１６は、第１および第２の温度ゾーンについての温度／時間プロフィール、および、両温度ゾーンの温度が時間的に可変である２つの温度ゾーンの間をエレクトロウェッティングによって移動するときの液滴について、合成された温度／時間プロフィールを含む、異なるプロトコルを示すグラフ図である。
【００６９】
最初に図１２を参照すると、液滴は温度ゾーン１内の温度Ｔ１で始まり、その時間の間に、温度ゾーン２の温度は温度Ｔ２で平衡する。液滴温度を温度２に変更するために、液滴は、エレクトロウェッティングによって温度ゾーン２に迅速に移動する。新しい温度に液滴が接近する割合は、液滴がエレクトロウェッティング作動電圧によってゾーンの間を移動する速度によって制御される。温度ゾーン２の温度が温度Ｔ１に増加する間、液滴は温度ゾーン２に残る。液滴温度プロフィールは、この期間の間、温度ゾーン２についての温度プロフィールに追随する。図示されたプロフィールは例示的な態様であって、任意の温度／時間関数が液滴に適用され、そういったプロフィールは、複雑な反応シーケンスの一部である第１の反応サイクル（反応サイクル１）を示すことができる。
【００７０】
液滴は、次に、例示的な第２の液滴反応サイクル（反応サイクル２）の始まりにおいて、温度ゾーン２内で温度Ｔ１での一定温度を維持する。液滴が温度ゾーン２に存在する間に、温度ゾーン１の温度はＴ２に減少する。第２の反応サイクルは、さらに、エレクトロウェッティングによって液滴を温度ゾーン１に移動させることを含んでもよく、そして、液滴は、グラフの最後の部分の温度ゾーン１に適用された温度プロフィールに追随する。これは、第２の液滴温度サイクルを終了させる。この例では、液滴温度は、温度ゾーン１と２の周波数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）の２倍で循環する。したがって、液滴温度は、温度ゾーン１と２を通して２回循環し、温度ゾーン１と２、あるいは、温度ゾーン２と１の間の迅速な液滴の移動が、温度Ｔ１とＴ２の間の急な温度遷移を生ずる。再び、液滴が可変温度ゾーンに残る間は、任意の温度／時間関数が液滴に適用される。液滴を２つの温度ゾーンの間で移動し、温度を時間可変することによって、複雑な反応シーケンスを実行するために、液滴温度の効率的な循環が達成される。図には、４つの完全なサイクルが示されているが、任意の適切な数のサイクルが使用されてもよい。
【００７１】
図１３は、液滴温度を循環するために２つの時間可変温度領域を使用する別の例を示している。４つのサイクル（反応サイクル１、反応サイクル２、反応サイクル３および反応サイクル４）が再び示されているが、先の図に比べて異なる温度／時間プロフィールを有する。再び、任意の適切な数のサイクルが使用されても良い。液滴は温度ゾーン１において温度Ｔ１で始まり、その時間期間の間に、温度ゾーン２の温度は温度Ｔ２で平衡する。液滴温度を温度Ｔ２に変更するために、液滴はエレクトロウェッティングによって温度ゾーン２に移動する。温度ゾーン２において、液滴温度は、要求された液滴温度／時間関数に追随するように、温度ゾーン２の温度の制御された変化に基づいて、段階的な方法で最初は温度Ｔ３に増加し、そして温度Ｔ１に戻る。液滴が温度ゾーン２に存在する間、温度ゾーン１は温度Ｔ２に再平衡する。第２の液滴温度サイクルを終了するために、液滴は温度Ｔ２の温度ゾーン１に戻り、そして、温度が段階的に温度Ｔ３に増加して温度Ｔ１に戻る間、液滴は温度ゾーン２に滞在する。この例では、液滴温度は、Ｔ１からＴ２、Ｔ２からＴ３への繰返しシーケンスにおいて、温度ゾーンの温度の周波数の２倍で循環する。したがって、液滴温度は温度ゾーン１と２を通して２回循環し、温度ゾーン１と２の間の迅速な液滴移動が温度Ｔ１とＴ２の間の急な温度遷移を生ずる。
【００７２】
図１４は、先の図１３の変形例であり、液滴温度を制御するための２つの時間可変温度ゾーンを使用する別の例を示す。この例では、図１３と比較できるように温度サイクルと進行を示しており、液滴は、温度サイクル（サイクルは反応サイクル１で始まる）に入る前に一連の温度変化を受ける。この液滴温度プロフィールは、例えば、逆転写ＰＣＲ（ｒｅｖｅｒｓｅ−ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎ  ＰＣＲ）にとって有用である。代替的には、液滴温度プロフィールは、いくつかのワンオフ温度（ｏｎｅ  ｏｆｆ  ｔｅｍｐａｒａｔｕｒｅｓ）で終わる前に、初期温度サイクルを含んでも良い。
【００７３】
図１５は、液滴温度を循環させるために２つの時間可変温度ゾーンを使用する別の例を示す。４つの反応サイクル（反応サイクル１、反応サイクル２、反応サイクル３および反応サイクル４）が再び示されているが、先の図と比べて異なる温度／時間プロフィールを有している。再び、任意の適切な数のサイクルが使用されてもよい。液滴は、温度ゾーン１の温度Ｔ１で始まり、その時間期間の間、温度ゾーン２の温度は反応シーケンスの温度Ｔ２で平衡する。温度Ｔ２に変更するために、液滴はエレクトロウェッティングによって温度ゾーン２に移動する。液滴が温度Ｔ２で温度ゾーン２に存在する間、温度ゾーン１は温度Ｔ３に再平衡する。その後、液滴は温度Ｔ３の温度ゾーン１に移動し、第１の反応サイクルを終了する。第２の液滴温度サイクルの間、液滴は、反応シーケンスの温度Ｔ１である温度ゾーン２に戻り、それから温度Ｔ２の温度ゾーン１に移動し、最後に温度Ｔ３の温度ゾーン２に移動する。液滴温度は、Ｔ１からＴ２、Ｔ２からＴ３の繰返しシーケンスにおいて、温度ゾーンの温度を周波数の２倍で循環する。液滴温度プロフィールは、先の図との類似性を有するが、比較可能な液滴温度／時間プロフィールと温度サイクリングを達成する間の２つの温度ゾーンの時間可変と液滴の位置が異なっている。
【００７４】
図１６は、液滴温度を循環するための２つの時間可変温度ゾーンを使用する他の例である。液滴は、温度ゾーン１内の温度Ｔ１で始まり、急な温度Ｔ２と温度Ｔ３への遷移が、温度ゾーン１と２の間の液滴の動きを介してこの順で有効化される。最後に、液滴が温度ゾーンを占有している間に、温度ゾーン２の温度を可変にすることによって、液滴の温度は変更されて温度Ｔ１に戻る。この例では、温度ゾーン２の温度は、液滴が所与の温度ゾーンを占有する前あるいはその間に可変とされる。
【００７５】
図１７−２０は、第１および第２の温度ゾーンについての温度／時間プロフィール、および、１つが時間可変温度ゾーン、１つが一定の温度ゾーンである２つの温度ゾーンの間をエレクトロウェッティングによって移動するときの液滴の合成された温度／時間プロフィールを含む、異なるプロトコルを示すグラフ図である。
【００７６】
図１７は、プロトコルが液滴温度サイクリングプロトコルの一部として組み込まれているようにさらに図示されていることを除いて、図１１と比較できる。２つのサイクルが示されている（反応サイクル１と反応サイクル２）。再び、任意の適切な数のサイクルが利用されてもよい。温度ゾーン１の温度は、Ｔ１で時間にわたって一定を維持している。液滴は、最初は温度ゾーン１内に位置するとして示されており、こうして、液滴は温度ゾーン１の温度Ｔ１にて存在する。その時間期間の間、温度ゾーン２の温度はＴ３からＴ２にシフトする。その後、液滴は温度ゾーン１から温度ゾーン２に移動し、液滴はＴ２に冷却される。温度ゾーン２の温度は、それからＴ３に上昇し、液滴の温度は比例してＴ３に上昇する。図１７は、温度Ｔ２とＴ３のステップ的な変化を示している。対照的に、図１８に示されるように、よりゆっくりとした変化が温度Ｔ２からＴ３まで実行される。温度Ｔ１への速い復帰が、液滴を温度ゾーン１に戻すことによって達成される。これらの例では、温度ゾーン１の温度が一定に維持される一方、温度ゾーン２と同じ周波数で液滴温度が循環する。
【００７７】
図１９は、液滴温度を循環するために、１つの時間可変温度ゾーンと１つの一定温度ゾーンを使用する他の例を示している。液滴は、温度ゾーン１の温度Ｔ１で始まる。温度Ｔ２に変化するために、液滴は、エレクトロウェッティングによって急に温度ゾーン２に移動し、液滴が温度ゾーン２に配置される間に、温度ゾーン１の温度が温度Ｔ３に再平衡する。温度ゾーン１への急な液滴移動が、液滴を温度Ｔ３に至らせる。温度ゾーン１において、温度ゾーン１の温度と液滴は、着目している反応についての要求された温度／時間関数に追随しながら、温度Ｔ３から増加し、温度Ｔ１に戻る。サイクルは、その後、反応プロトコルについて要求される多くのサイクルにわたって繰り返されてもよい（１つの追加的サイクルが図中に例示のために示されている）。液滴温度は、温度ゾーン１の温度と同じ周波数で循環し、一方、温度ゾーン２内の温度は一定を維持する。
【００７８】
図２０は、液滴温度を循環するために、１つの時間可変温度ゾーンと１つの一定温度ゾーンを使用する他の例を示している。液滴は、温度ゾーン１内で温度Ｔ１で始まる。液滴が温度ゾーン１に存在する間、反応に適した温度／時間プロフィールに追随して温度ゾーン１の温度は温度Ｔ１から温度Ｔ２に減少し、液滴温度はそういったプロフィールに追随する。温度ゾーン２への急な液滴移動は、温度ゾーン２の温度がＴ３にて一定である限り、液滴を温度Ｔ３に至らせる。液滴が温度ゾーン２に存在する間、温度ゾーン１の温度は、温度Ｔ１に再平衡する。液滴温度は、エレクトロウェッティングによって液滴を温度ゾーン１に移動することによって、温度Ｔ１に急に変更される。上述のように、サイクルは、反応プロトコルに要求されると同じサイクルにわたって繰り返される（１つの追加的サイクルが例示のために図中に示される。）。液滴温度は、温度ゾーン１の温度と同じ周波数で循環し、一方、温度ゾーン２の温度は一定に維持される。
【００７９】
本発明は、異なる温度で実行される必要がある複数の反応シーケンスを有するような、複雑な反応プロトコルの温度制御に特に適している。そういった反応プロトコルの例は、ＰＣＲ（ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ  ｃｈａｉｎ  ｒｅａｃｔｉｏｎ：ポリメラーゼ連鎖反応）を介した核酸増幅である。次に、温度制御のためにリザーブされるデバイスの領域を最小化しながら、最適なＰＣＲに要求される３つの温度に効率的に接近するために、液滴がエレクトロウェッティングによって２つの可変温度ゾーンの間を移動するＰＣＲ温度サイクリングのための例示的な方法を示す。上述の図１５は、特に、ＰＣＲに適した３つの温度を利用する反応サイクルを示している。ＰＣＲプロトコルに適用されるそういったサイクリングのバリエーションが、図２１により詳細に示されている。
【００８０】
まず、ＰＣＲ反応プロトコルの特定の例として、ＰＣＲに適した温度サイクリングを示す図１５を参照すると、ＰＣＲのために、温度ゾーン１の約９５°のｄｓＤＮＡ変性ステップに相当する第１の温度を有するように制御された、温度ゾーン１の温度Ｔ１で液滴が始まる。したがって、液滴は温度ゾーン１に移動し、核酸の変性は温度ゾーン１内で実行される。液滴が温度ゾーン１内に位置する間、温度ゾーン２の温度は、ＰＣＲについて約６０°でプライマーをｓｓＤＮＡにアニーリングするステップに相当する第２の温度を有するように制御された、反応シーケンスの温度Ｔ２で平衡する。温度Ｔ２に液滴温度を変えるために、液滴はエレクトロウェッティングによって温度ゾーン２に急に移動し、温度ゾーン２においてプライマーから核酸へのアニーリングが実行される。液滴が温度ゾーン２に温度Ｔ２で存在する間、温度ゾーン１は、ＰＣＲについて約７２°の延伸温度でＤＮＡ延伸と重合のステップに相当する第３の温度に制御されるように、温度Ｔ３に再平衡する。液滴は、その後、温度Ｔ３の温度ゾーン１に移動し、温度ゾーン１にて核酸の重合が行われる。これは、ＰＣＲ反応プロトコルの第１のサイクル（反応サイクル１）を完了し、液滴が温度ゾーン１内に配置されている間、温度ゾーン２はＴ１に戻って再平衡する。第２の液滴温度サイクルを次に実行する間、液滴は反応シーケンスの温度Ｔ１にある温度ゾーン２に戻り、その後、温度Ｔ２の温度ゾーン１に、最後に温度Ｔ３のゾーン２に、などと移動する。反応サイクル１、２、３および４が図１５に例示のために示されているが、典型的なＰＣＲは、所与のＰＣＲプロトコルにとって適切といえる約４０サイクル以上を含んでよい。
【００８１】
したがって、複数のＰＣＲサイクルは、核酸増幅プロトコルが完全に完了するまで、上述したＰＣＲサイクルを繰り返すことによって追加的に実施されてもよい。液滴温度は、温度ゾーンの温度の周波数の２倍で循環し、おのおのの新しい液滴温度に接近する割合は、エレクトロウェッティングを介した液滴移動のスピードによって決定される。温度管理のためにリザーブされたデバイスの領域は、２つの温度ゾーンに制限され、液滴移動と温度ゾーンの温度の変更を組み合わせる方法は、効率的なＰＣＲのための３つの温度が、２つの空間的な領域を要求することだけで達成されることを可能にする。
【００８２】
図２１は、より詳細に、図１５のＰＣＲ反応プロトコルのバリエーションを示すグラフ図であり、本技術分野ではタッチダウンＰＣＲとして言及されている。タッチダウンＰＣＲでは、ＰＣＲの最初の約１４サイクルの間、プライマーアニール温度Ｔ２が、ＤＮＡ／プライマー溶融温度以上である約１０°Ｃの初期値からサイクルごとに１〜２°Ｃだけ変化するように、上述したＰＣＲプロトコルが変更される。これらの異なるＴ２温度は、図２１ではＴ２ａ、Ｔ２ｂなどと表記され、そして、サイクル１５によってプライマーアニーリング温度はＴ２（例えば、上述したように約６０°Ｃ）になる。プライマーアニール温度は、図２１のサイクル１５、１６のように、続くサイクルではＴ２に留まり、アニール温度はさらに変更されない。このことが図２２に示されており、図２２は、どのように、温度Ｔ２が最初の１４サイクルにわたって変化し、そしてプロトコルの残り（例えば、４０サイクル以上まで）の間に一定温度に留まるかを示している。したがって、多数のサイクルにわたってプライマーアニーリング温度を調整しても、温度管理のためにリザーブされたデバイスの領域は依然として２つの空間的温度ゾーンに制限され、最小デバイス領域にわたって強化されたタッチダウンＰＣＲを可能にする。
【００８３】
構造図８−１０Ｅに戻ると、任意の数の反応プロトコルを制御システム１０２にプログラムすることできる。特に、プログラムされた反応プロトコルは、ＥＷＯＤ制御ユニット１２２に提供されてＥＷＯＤ制御ユニットのメモリに格納され、あるいは、プログラムコードとして、いくつかの実行用外部ソースからＥＷＯＤ制御ユニット１２２に伝送されても良い。そのようなプログラムされた反応プロトコルによって、ＥＷＯＤ制御ユニット１２２は制御信号を温度ゾーン制御ユニット１２４に送り、温度ゾーン制御ユニット１２４は、次に、ＥＷＯＤチャネル１０６内で温度ゾーン１２７と１２９を生成するために、温度制御素子１２６、１２８の温度を制御する温度制御信号を生成する。さらに、ＥＷＯＤ制御ユニット１２２は、反応プロトコルにしたがって温度ゾーン間で液滴を移動するため、および、任意の追加的な関連する液滴マニピュレーション操作を実行するために、作動電圧を印加するための電圧制御信号をさらに生成することができる。このように、種々の反応プロトコルがＥＷＯＤデバイス制御システムにプレプログラムされ、そして、所望のプロトコルが実行されているときに必要に応じて実行される。
【００８４】
１以上の温度ゾーン内で経時的な温度制御と組み合された異なる空間位置において、複数の温度ゾーンを使用することにより、従来の構成に対して、数々の有利さが達成される。概略的に、液滴は、ＥＷＯＤデバイスのＥＷＯＤチャネルを通して横方向の動きによって異なる温度間を迅速に遷移することができる。さらに、１以上のゾーンの温度制御は、プロトコルの間に、異なる空間ゾーンを異なる地点の異なる温度値に再割り当てすることを可能にする。これは、可変ゾーンが調整されている間、他の空間ゾーンで実行される反応ステップによって分離され、プロトコルの中の異なる時間で、同じゾーンが異なる反応ステップのために使用されることを意味する。
【００８５】
結果として、空間的および経時的温度制御を組み合わせることによる相乗作用的な効果により、固定化された温度ゾーンのみを有する従来構成に共通したデバイス領域の非効率的利用が解消される。液滴が、あるゾーン内で所定の温度で反応ステップを完了し、かつ、その温度が後続のステップで必要とされないときには、このゾーンの温度は異なる値に再割り当てされてもよい。このゾーンと関連する物理的領域は、このように、異なる温度と異なる時間での代替的な液滴操作のために再利用されてもよい。さらに、後続の反応ステップを実行するための温度調整を待つ必要がないという点で、従来の時間可変構成における非効率な時間利用は解消される。反応プロトコルを制御システムに効率的にプログラミングすることによって、所与のゾーンの温度は、液滴が異なるゾーンで「他のことをするのに忙しい」とき、たとえば、ＥＷＯＤデバイスの異なる位置において液滴操作プロトコルの一部あるいはインキュベーションステップを実行しているときに、可変としてもよい。
【００８６】
結果として相乗作用的効果が達成され、それにより、多くの液滴処理ステップが従来構成に比べて所与の時間により小さいデバイス領域で実行されるように、複数シーケンス反応の液滴プロトコルは時間と空間の両方において強化された効率性をもって実行される。本発明の利点は、ガラス等の材料のように、低熱伝導率の好ましい基板材料から構成されたデバイスについて特に顕著である。低熱伝導率とは、ＥＷＯＤチャネルの複数の温度ゾーンが空間的にお互いに近いことを意味する。ガラス基板を使用すると、ＥＷ電極サイズは、他の基板材料（例えば、プリント回路基板ＰＣＢ）を使用する時よりも典型的に小さくなる。したがって、ガラスのＥＷＯＤデバイスは、より小さい液滴で動作し、より空間的に効率的である。温度的な観点からみると、デバイス領域の効率的使用、および、それによる全体的により小さいデバイスにおける効率性の完全な実現が達成される。
【００８７】
結果として、特にガラス基板を使用したＥＷＯＤデバイスに関連して、期待を超えた強化された結果が達成され、それは、高品質のＡＭ−ＥＷＯＤデバイスにとって好ましいものである。ＴＦＴバックプレーンを製造することに関連したコストの理由から、チップ領域を削減することによるコスト削減は、本発明によって達成された相乗作用的な利点である。ガラスは、ディスプレイの標準的な基板材料であり、それゆえに、ＡＭ−ＥＷＯＤ製造工場において利用可能な基板材料であることから、好ましくは、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスはガラス基板で構成される。さらに、ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、非常に多数のアレイ素子と高レベルのコンフィギュアビリティを有しており、特に、例えばタッチダウンＰＣＲを含むＰＣＲのような複雑な液滴操作プロトコルを実行するのによく適している。非常に複雑な液滴操作プロトコルは、しばしば異なる温度の範囲でのステップを要求することから、本発明の利点を特に促進する。
【００８８】
本発明の種々のプロトコルの追加的な利点は、次のような１つ以上の事項を含むことである。３つ以上の温度ゾーンは、システム内の２つの物理的温度ゾーンの地域（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）で実現され、そこでは、増加したスループットあるいは多数の並列操作のために空間が確保される。反応シーケンスのバイオ化学／化学反応を受ける液滴についての最適な温度プロフィールは、（異なる温度の）温度ゾーン間の液滴移動と、液滴によって占有された時の温度ゾーンの温度変動を組み合わせることによって達成されてもよい。これは、要求される液滴温度プロフィールが最も好ましい温度接近速度（°Ｃ／ｓ）で最小空間において最適化されることを可能にする。
【００８９】
所与の温度ゾーンの温度は、液滴が別の温度ゾーンにある時間の間に再平衡することができる。この所与の温度ゾーンは、液滴が他の温度ゾーンからＥＷＯＤを介して到達したときに、化学／バイオ化学的な反応あるいは反応シーケンスの次のステップのための最適な温度になり、そして、このことは時間を節約し、スループットを増加する。
【００９０】
液滴温度プロフィールは、温度ゾーンでの温度サイクリングを繰り返すことによって循環してもよい。温度ゾーンのサイクルの周波数は、液滴温度サイクルと同じか、あるいは、異なってもよい。加えて、デバイス領域利用は、繰り返される反応温度サイクルのために最適化されてもよい。「往復」（ｔｈｅｒｅ  ａｎｄ  ｂａｃｋ）の一次元的な直線パスにそったＥＷＯＤ液滴操作は、ループされた液滴移動なしで、すなわち、二次元の液滴パスは要求されずに、３つ以上の異なる反応温度に近づいてもよく、それは簡略化された操作と空間の節約を提供する。
【００９１】
温度ゾーンの温度は、所与の温度ゾーンを通した液滴の移動の前後あるいはその間に可変にされてもよい。急な液滴温度の変化は、温度ゾーン間のエレクトロウェッティングによる速い動きによって可能にされる。液滴は小さく、したがって、迅速にその周囲との熱的平衡に到達する。
【００９２】
特にＰＣＲを考察すると、最適なＰＣＲについて、反応混合物は、３つのディスクリートな温度、例えば、ダブルスタンダードＤＮＡを変性するために９５°Ｃ、プライマーをｓｓＤＮＡにアニールするために５５−６０°Ｃ、および、新しいＤＮＡ鎖の最適な延長のために７０−７５°Ｃを通して、典型的には３５から４５回循環しなければならない。本発明のＥＷＯＤ上でのＰＣＲのためのデバイスおよび方法は、最適な反応温度プロフィールと最小化された温度制御空間要求を提供する。さらに、タッチダウンＰＣＲについて、このプロシージャのために液滴温度プロフィールを定義することは、可変温度ゾーンを介した液滴温度制御とエレクトロウェッティングにより温度ゾーン間で液滴を移動する方法を組み合わせることにより、非常に容易化されている。このプロセスは、最高の相補性を有するプライマー／ＤＮＡテンプレートペアからのアンプリコン（ａｍｐｌｉｃｏｎ）の形成に有利であり、非特異的プロダクトの形成を削減する。
【００９３】
したがって、本発明の一面は、空間的及び経時的温度制御を組み合わせることによる強化された温度制御のために構成されたマイクロ流体システムといえる。例示的な実施例では、マイクロ流体システムは、１つ以上の液滴を受けるように構成された素子アレイを備えた誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）デバイスと、複数の個々のアレイ素子を備えた素子アレイと、液滴についてマニピュレーション操作を実行する素子アレイに印加される作動電圧を制御するように構成された制御システムと、ＥＷＯＤデバイスに沿って異なる空間位置に配置された複数の温度制御素子であって、少なくとも温度制御素子の一つは時間に関して温度が可変である、温度制御素子と、を備える。制御システムは、ＥＷＯＤデバイスに沿って異なる空間位置に配置された複数の温度ゾーンを生成するために、複数の温度制御素子の温度を制御するように構成されている温度制御ユニットを含み、時間に関して温度が可変となる温度制御素子の少なくとも一つの温度を時間可変にすることによって、前記温度ゾーンの少なくとも一つは時間に関して温度が可変となる。マイクロ流体システムは、次の構成の１つまたは複数を、個別にあるいは組み合わせて、含んでもよい。
【００９４】
マイクロ流体システムの例示的な実施態様では、温度制御ユニットは、ＥＷＯＤデバイスのＥＷＯＤチャネル内の液滴の位置によって、時間に関して温度が可変となる少なくとも一つの温度ゾーンの温度を制御するように構成されている。
【００９５】
マイクロ流体システムの例示的な実施態様では、複数の温度制御素子は、時間に関して温度が可変であり、温度制御ユニットは、時間に関して複数の温度ゾーンの温度を可変とするように、複数の可変温度制御素子を制御するように構成されている。
【００９６】
マイクロ流体システムの例示的な実施態様では、温度制御ユニットが、一定温度で少なくとも１つの温度ゾーンを維持するように、少なくとも１つの温度制御素子を制御するように構成されている。
【００９７】
マイクロ流体システムの例示的な実施態様では、ＥＷＯＤデバイスは、１つ以上の液滴を受けるＥＷＯＤチャネルを定義する、第１の基板アセンブリと第２の基板アセンブリを備え、複数の温度制御素子が、これら基板アセンブリの１つまたは両方の外面上に配置される。
【００９８】
マイクロ流体システムの例示的な実施態様では、ＥＷＯＤデバイスは、１つ以上の液滴を受けるＥＷＯＤチャネルを定義する第１の基板アセンブリと第２の基板アセンブリを備え、複数の温度制御素子が、これら基板アセンブリの１つまたは両方の内部に配置される。
【００９９】
マイクロ流体システムの例示的な実施態様では、複数の温度制御素子は、加熱または冷却の一方を実行する温度制御ユニットによって制御される温度制御素子を備える。
【０１００】
マイクロ流体システムの例示的な実施態様では、複数の温度制御素子は、加熱および冷却の両方を実行する温度制御ユニットによって制御される温度制御素子を備える。
【０１０１】
マイクロ流体システムの例示的な実施態様では、温度制御素子は、ジュール熱素子、抵抗加熱素子、および／またはペルティエ効果素子を備える。
【０１０２】
マイクロ流体システムの例示的な実施態様では、マイクロ流体システムは、ＥＷＯＤデバイスのＥＷＯＤチャネル内の液滴の位置を検知するための液滴センサをさらに備える。
【０１０３】
本発明の他の一面は、空間的および経時的温度制御を組み合わせたことによる強化された温度制御を有する誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）デバイスを使用して、反応プロトコルを実行する制御方法である。例示的な実施態様では、制御方法は、ＥＷＯＤデバイスによって定義されたＥＷＯＤチャネル内で液滴を受けることと、前記ＥＷＯＤチャネル内の第１の空間位置で第１の温度ゾーンを生成することであって、前記第１の温度ゾーンは第１の温度を有するように制御されることと、前記第１の空間位置とは異なる前記ＥＷＯＤチャネル内の第２の空間位置に第２の温度ゾーンを生成することであって、前記第２の温度ゾーンは時間的に可変である第２の温度を有するように制御されることと、前記第２の温度ゾーンの温度を時間可変することと、前記第１の温度ゾーンと前記第２の温度ゾーンの間で前記液滴を移動するために前記ＥＷＯＤデバイスの素子アレイに作動電圧を印加することと、とのステップを備え、ここにおいて、前記液滴の温度は、前記液滴が位置する前記第１の温度ゾーンまたは第２の温度ゾーンのうちの一方の温度とみなされる、方法である。制御方法は、次の構成の１つまたは複数を、個別にあるいは組み合わせて、含んでもよい。
【０１０４】
制御方法の例示的な実施態様では、第２の温度ゾーンの温度は、ＥＷＯＤチャネル内の液滴の位置によって時間可変である。
【０１０５】
制御方法の例示的な実施態様では、第２の温度ゾーンの温度は、液滴が第１の温度ゾーン内に位置するときに可変となる。
【０１０６】
制御方法の例示的な実施態様では、第２の温度ゾーンの温度は、液滴が第２の温度ゾーンに位置するときに可変となる。
【０１０７】
制御方法の例示的な実施態様では、第１の温度ゾーンの温度は、反応プロトコルの間一定に保たれる。
【０１０８】
制御方法の例示的な実施態様では、制御方法は、さらに、反応プロトコルの間に第１の温度ゾーンの温度を時間可変にすることを含む。
【０１０９】
制御方法の例示的な実施態様では、第１の温度ゾーンと第２の温度ゾーンの温度が制御され、反応プロトコル内で複数の液滴温度サイクルにわたって循環的に可変となるように液滴の温度をコントロールする。
【０１１０】
制御方法の例示的な実施態様では、第１の温度ゾーンと第２の温度ゾーンの温度が制御され、温度サイクルを実行する前に一連の温度変化を受けるように液滴の温度をコントロールする。
【０１１１】
本発明の他の一面は、空間的および経時的温度制御を組み合わせることにより強化された温度制御を有する誘電体エレクトロウェッティング（ＥＷＯＤ）デバイスを使用して、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を介した核酸増幅を実行する方法である。
【０１１２】
例示的な実施態様では、ＰＣＲ方法は、ＥＷＯＤデバイスによって定義されたＥＷＯＤチャネル内の液滴を受けるステップを備え、前記液滴は核酸を含み、ＰＣＲサイクルを実行する。ＰＣＲサイクルは、ＥＷＯＤチャネル内の第１の空間位置で第１の温度ゾーンを生成することであって、第１の温度ゾーンは変性するステップを実行するための第１の温度を有するように制御し、前記液滴を第１の温度ゾーンに移動することと、第１の温度ゾーン内の前記核酸を変性することと、第１の空間位置とは異なるＥＷＯＤチャネル内の第２の空間位置で第２の温度ゾーンを生成することであって、前記第２の温度ゾーンは、プライマーをアニーリングするステップを実行するための第２の温度を有するように制御され、液滴を第２の温度ゾーンに移動することと、第２の温度ゾーン内で前記核酸のプライマーをアニーリングすることと、液滴が第２の温度ゾーンに存在する間に、第１の温度ゾーンの温度を核酸重合を実行するための第３の温度に再平衡させ、前記液滴を第１の温度ゾーンに移動することと、および、第１の温度ゾーン内で前記核酸を重合することと、を含む。ＰＣＴ方法は、さらに、前記核酸増幅が完成するまで、前記ＰＣＲサイクルを繰り返すことによって複数のＰＣＲサイクルを実行することを含む。
【０１１３】
例示的な実施態様では、ＰＣＲ方法はタッチダウンＰＣＲ方法であって、さらに、複数のＰＣＲサイクルの第１の部分について、各ＰＣＲサイクルのプライマー溶融温度から１０°Ｃ高い温度から開始して１−２°Ｃの間の第２の温度ゾーン内でプライマーアニーリングの温度を調整することと、ＰＣＲサイクルの第１の部分に後続する複数のＰＣＲサイクルの第２の部分について、各ＰＣＲサイクルで第２の温度ゾーン内のプライマーアニーリングの温度を一定に維持すること、を含む。
【０１１４】
本発明が、ある１つ実施態様または複数の実施態様に関して示され、記述されているが、当業者が、本願明細書や添付の図面を読み、理解したうえで、均等の代替や変更も含めてもよい。特に、上述の素子（コンポーネント、アセンブリ、デバイス、コンポジション等）により実行される種々の機能に関し、そういった素子を記述するために使用される用語（「手段」についても含む）は、ここで示す本発明の１または複数の例示的な実施態様中の機能を実行する開示された構造に対して構造的に同等でないとしても、別に指示しない限り、記述された素子（すなわち、機能的に均等なもの）の特定の機能を実行する任意の素子に相当するものとして意図されている。さらに、本発明の特定の構成がいくつかの実施例の１つ以上のみに関して記載されているが、そういった構成は、所定のあるいは特定の適用にとって望ましいあるいは有利となるように、他の実施態様の１以上の他の構成と組み合されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
記載された実施態様は、強化されたＡＭ−ＥＷＯＤデバイスを提供するために使用することができる。ＡＭ−ＥＷＯＤデバイスは、ラボオンチップ・システムの一部を形成することができる。このようにデバイスは、化学的、バイオ化学的あるいは生理的な材料を操作し、反応し、検知する時に使用することができる。利用性は、ヘルスケア診断テスト、材料テスト、化学あるいはバイオ化学材料合成、プロテオミクス（ｐｒｏｔｅｏｍｉｃｓ）、生命科学や犯罪化学での研究ツールを含む。
【０１１６】
参照記号リスト
１０  −  下部基板
１２  −  素子電極
１２Ａ  −  素子電極
１２Ｂ  −  素子電極
１４  −  液滴
１６  −  上部基板
１８  −  スペーサ
２０  −  非極性周囲流体
２２  −  絶縁体層
２４  −  第１の疎水性コーティング
２６  −  接触角
２８  −  第２の疎水性コーティング
３０  −  参照電極
３２  −  リーダ
３４  −  カートリッジ
３５  −  外部センサモジュール
３６  −  ＥＷＯＤまたはＡＭ−ＥＷＯＤデバイス
３８  −  制御電子回路
４０  −  記憶デバイス
４２  −  接続配線のケーブル
４４  −  下部基板
４６  −  薄膜電子回路
４８  −  素子電極
４８Ａ  −  素子電極
４８Ｂ  −  素子電極
５０  −  電極または素子アレイ
５２  −  液滴
５４  −  上部基板
５６  −  スペーサ
５８  −  参照電極
６０  −  非極性流体
６２  −  絶縁体層
６４  −  第１の疎水性コーティング
６６  −  接触角
６８  −  第２の疎水性コーティング
７０Ａ  −  液滴が存在するときの電気負荷
７０Ｂ  −  液滴が存在しないときの電気負荷
７２  −  アレイ素子回路
７４  −  集積された行ドライバ
７６  −  列ドライバ
７８  −  集積されたセンサ行アドレッシング
８０  −  列検出回路
８２  −  シリアルインターフェース
８４  −  電圧供給インターフェース
８６  −  接続配線の数
８８  −  アクチュエーション回路
９０  −  液滴又はインピーダンスセンシング回路
１００  −  例示的マイクロ流体システム
１０２  −  制御システム
１０４  −  ＥＷＯＤデバイス
１０６  −  ＥＷＯＤチャネル
１０８  −  液滴
１１０  −  非極性流体
１１２  −  第１の（上部）  基板アセンブリ
１１４  −  第２の（下部）基板アセンブリ
１１６  −  スペーサ
１１８  −  液体入力構造
１２２  −  ＥＷＯＤ制御ユニット
１２４  −  温度ゾーン制御ユニット
１２６  −  第１の温度制御素子
１２７  −  第１の温度ゾーン
１２８  −  第２の温度制御素子
１２９  −  第２の温度ゾーン
２００  −  第１の温度ゾーンについての温度プロフィール
２０２  −  第２の温度ゾーンについての温度プロフィール
２０４  −  液滴温度プロフィール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【外国語明細書】
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