(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下層（３）と、上層（４）と、前記下層（３）と前記上層（４）との間の隙間（６）とを備える使い捨てカートリッジ（２）内の液滴中のサンプルを操作するデジタルマイクロフルイディクスシステム（１）であって、
前記デジタルマイクロフルイディクスシステム（１）は、
（ａ）使い捨てカートリッジ（２）を載置するために設けられた少なくとも１つのカートリッジ収容部（８）を有するベースユニット（７）と、
（ｂ）実質的に第１平面内で延び、複数の個別電極（１０）を備え、下基板（１１）によって支持されている少なくとも１つの電極アレイ（９）と、
（ｃ）前記少なくとも１つの電極アレイ（９）の前記個別電極（１０）の選択を制御し、これらの個別電極（１０）に、エレクトロウェッティングによって前記カートリッジ（２）内の液滴を操作するための個別の電圧パルスを供給する中央制御ユニット（１４）と
を備え、
前記デジタルマイクロフルイディクスシステム（１）は前記ベースユニット（７）の前記カートリッジ収容部（８）の１つに配置されている少なくとも１つの基板収容部（４０）をさらに備え、各前記基板収容部（４０）は前記使い捨てカートリッジ（２）とは別に独立して交換型電極板（４１）を載置するように構成されており、前記カートリッジ収容部（８）及び基板収容部（４０）は互いに非常に近接配置されているため、挿入される前記使い捨てカートリッジ（２）は下層（３）で前記電極アレイ（９）の表面又は前記各交換型電極板４１の前記電極アレイ９の頂部の誘電体層２４の表面と接触し、各前記交換型電極板（４１）は前記電極アレイ（９）及び前記電極アレイ（９）の前記個別電極（１０）に電気的に接続されている電装基板接点素子（４２）を備え、各前記基板収容部（４０）は前記中央制御ユニット（１４）に電気的に接続されている複数の電装ベースユニット接点素子（４３）を備え、前記電装ベースユニット接点素子（４３）は前記基板収容部（４０）に配置されている前記交換型電極板（４１）の前記電装基板接点素子（４２）と係合するように構成されていることを特徴とする、デジタルマイクロフルイディクスシステム（１）。
【請求項２】
前記少なくとも１つの基板収容部（４０）は、前記ベースユニット（７）の前記カートリッジ収容部（８）の１つの下方、上方、又は側方に配置され、前記カートリッジ収容部（８）の配置方向に応じて前記デジタルマイクロフルイディクスシステム（１）の前記ベースユニット（７）内に挿入される前記交換型電極板（４１）を載置するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のデジタルマイクロフルイディクスシステム（１）。
【請求項３】
前記デジタルマイクロフルイディクスシステム（１）の前記中央制御ユニット（１４）に電気的に接続されている前記複数の電装ベースユニット接点素子（４３）は、実質的に垂直方向に延び、前記個別電極（１０）に電気的に接続されている前記交換型電極板（４１）の前記複数の電装基板接点素子（４２）と安全かつ個別に係合する水平方向に弾性的な板ばねで構成されていることを特徴とする、請求項２に記載のデジタルマイクロフルイディクスシステム（１）。
【請求項４】
前記デジタルマイクロフルイディクスシステム（１）の前記中央制御ユニット（１４）に電気的に接続されている前記複数の電装ベースユニット接点素子（４３）は、前記個別電極（１０）に電気的に接続されている前記交換型電極板（４１）の前記複数の電装基板板接点素子（４２）と安全かつ個別に係合するために、実質的に垂直方向に延び、水平方向に弾性的であるように弾性的な又は弾性的に支持されているピンで構成されていることを特徴とする、請求項２に記載のデジタルマイクロフルイディクスシステム（１）。
【請求項５】
前記少なくとも１つの基板収容部（４０）は、実質的に、
（ａ）前記各カートリッジ収容部（８）を通じて前記基板収容部（４０）内に前記交換型電極板（４１）を垂直方向へ降ろすか、又は
（ｂ）前記各カートリッジ収容部（８）の下方で前記基板収容部（４０）内に前記交換型電極板（４１）を水平方向に摺動させるか、又は
（ｃ）前記各カートリッジ収容部（８）の下方で前記交換型電極板（４１）を水平方向に摺動させ、実質的に垂直方向に前記基板収容部（４０）内に持ち上げる
ことによって前記デジタルマイクロフルイディクスシステム（１）の前記ベースユニット（７）内に挿入される前記交換型電極板（４１）を前記使い捨てカートリッジ（２）とは別に独立して載置するように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載のデジタルマイクロフルイディクスシステム（１）。
【請求項６】
前記下層（３）及び前記上層（４）は、前記使い捨てカートリッジ（２）の前記隙間（６）に露出した疎水面（１７）を備えることを特徴とする、液滴中のサンプルを操作するための前記使い捨てカートリッジ（２）をさらに備える、請求項１に記載のデジタルマイクロフルイディクスシステム（１）。
【請求項７】
前記使い捨てカートリッジ（２）は、前記隙間（６）においてサンプル液滴に加える分析又は実験に必要な試薬のための区画（２１）を含む本体の少なくとも一部として構成されているスペーサー（５）をさらに備えることを特徴とする、請求項６に記載のマイクロフルイディクスシステム（１）。
【請求項８】
前記カートリッジ（２）の前記下層（３）は、誘電体層（２４）によって覆われているか、又は前記下層（３）自体が誘電体材料からなることを特徴とする、請求項６に記載のデジタルマイクロフルイディクスシステム（１）。
【請求項９】
上基板（１３）を有する少なくとも１つのカバープレート（１２）をさらに備え、前記少なくとも１つのカバープレート（１２）は、前記カートリッジ収容部（８）に配置されているデジタルマイクロフルイディクスシステム１であって、前記少なくとも１つのカバープレート（１２）は、第２平面内で、前記少なくとも１つのカバープレート（１２）が割り当てられている前記カートリッジ収容部（８）の前記電極アレイ（９）に対して実質的に平行に延びている導電性部材（１５）をさらに含み、前記導電性部材（１５）は電位源と接続されていないことを特徴とする、請求項１に記載のデジタルマイクロフルイディクスシステム（１）。
【請求項１０】
下基板（１１）によって支持されている前記電極アレイ（９）を備え、及び前記電極アレイ（９）の前記個別電極（１０）に電気的に接続されている前記複数の電装基板接点素子（４２）を備える少なくとも１つの交換型電極板（４１）をさらに備え、前記交換型電極板（４１）は前記デジタルマイクロフルイディクスシステム（１）の前記基板収容部（４０）に前記使い捨てカートリッジ（２）とは別に独立して配置されるように構成されており、前記電装基板接点素子（４２）は前記デジタルマイクロフルイディクスシステム（１）の前記中央制御ユニット（１４）に電気的に接続されている前記ベースユニット（７）の前記電装ベースユニット接点素子（４３）と係合するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のデジタルマイクロフルイディクスシステム（１）。
【請求項１１】
電極アレイ（９）と、前記電極アレイ（９）を支持する下基板（１１）とを備え、前記電極アレイ（９）の前記個別電極（１０）に電気的に接続されている複数の電装基板接点素子（４２）を備える交換型電極板（４１）であって、前記交換型電極板（４１）は、請求項１に記載のデジタルマイクロフルイディクスシステム（１）の前記基板収容部（４０）の１つに前記使い捨てカートリッジ（２）とは別に独立して配置されるように構成されており、前記交換型電極板（４１）の前記前記電装基板接点素子（４２）は、前記デジタルマイクロフルイディクスシステム（１）の前記中央制御ユニット（１４）に電気的に接続されている前記ベースユニット（７）の前記電装ベースユニット接点素子（４３）と係合するように構成されていることを特徴する、交換型電極板（４１）。
【請求項１２】
前記電極アレイ（９）を支持する前記下基板（１１）は、プリント基板（ＰＣＢ）で構成され、前記電装基板接点素子（４２）は前記ＰＣＢの１つ以上の縁部（４４）の付近に固まって配置され、前記電極アレイ（９）の前記個別電極（１０）はエレクトロウェッティングによって使い捨てカートリッジ（２）内の液滴を操作するために、及び、特定の分析又は実験を実行するために、配置及び構成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の交換型電極板（４１）。
【請求項１３】
前記電装基板接点素子（４２）は、前記交換型電極板（４１）の前記少なくとも１つの電極アレイ（９）が実質的に延びている第１平面に対して直交する方向に、前記下基板の少なくとも１つの縁部（４４）上で実質的に延びている剛体板又は山部として構成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の交換型電極板（４１）。
【請求項１４】
前記電装基板接点素子（４２）は、前記少なくとも１つの電極アレイ（９）が実質的に延びている第１平面に対して平行な方向に、前記下基板（１１）の縁部（４４）の下側及び付近で実質的に延びている剛体板又は山部として構成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の交換型電極板（４１）。
【請求項１５】
特定の実験又は分析を実行するための電子チップ及び専用ソフトウェアを備え、この交換型電極板（４１）の前記電子チップ及び前記専用ソフトウェアは、デジタルマイクロフルイディクスシステム（１）の前記ベースユニット（７）に前記交換型電極板（４１）を挿入するとき、前記デジタルマイクロフルイディクス（１）の前記ベースユニット（７）に含まれるソフトウェアを自動的に更新するように構成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の交換型電極板（４１）。
【請求項１６】
少なくとも１つの前記電極アレイ（９）は、誘電体層（２４）によって覆われていることを特徴とする、請求項１１に記載の交換型電極板（４１）。
【請求項１７】
疎水面（１７）に付着する液滴（２３）中のサンプルを操作する方法であって、
（ａ）請求項１に記載のデジタルマイクロフルイディクスシステム（１）を準備し、
（ｂ）別に請求項６に記載のカートリッジ（２）を準備し、
（ｃ）別に請求項１０に記載の交換型電極板（４１）を準備するステップを含み、
前記交換型電極板（４１）は、この分析又は実験の間、疎水面（１７）に付着する液滴（２３）中のサンプルがエレクトロウェッティングによって前記隙間（６）内で操作され、前記カートリッジ（２）の前記隙間（６）内で特定の分析又は実験を実行するために構成されている電極アレイ（９）を備えることを特徴とする方法。
【請求項１８】
疎水面（１７）に付着する液滴（２３）中のサンプルを操作する方法であって、
（ａ）請求項１に記載のデジタルマイクロフルイディクスシステム（１）を準備し、
（ｂ）別に請求項６に記載のカートリッジ（２）を準備し、
（ｃ）別に請求項１１に記載の交換型電極板（４１）を準備するステップを含み、
前記交換型電極板（４１）は、この分析又は実験の間、疎水面（１７）に付着する液滴（２３）中のサンプルがエレクトロウェッティングによって前記隙間（６）内で操作され、前記カートリッジ（２）の前記隙間（６）内で特定の分析又は実験を実行するように構成されている電極アレイ（９）を備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴中のサンプルを操作するための１つ以上の使い捨てカートリッジを挿入できるデジタルマイクロフルイディクスシステム又はその装置に関する。デジタルマイクロフルイディクスシステムは、基板によって支持される電極アレイと、この電極アレイの個別電極の選択を制御し、エレクトロウェッティングによって液滴を操作するための個別の電圧パルスを個別電極に供給する中央制御ユニットとを備える。従って、本発明はまた、液滴動作の分子技術を容易にする液滴アクチュエータ装置に関する。当該技術分野は、一般的に少量の液体の制御及び操作に関し、通常はマイクロスケール又はナノスケールの形式である。
【背景技術】
【０００２】
本出願人（テカンシュヴァイツＡＧ（Tecan Schweiz AG）社、スイス、ツェーハー−８７０８メンネドルフ、ゼーシュトラーセ１０３番）によるロボットワークステーションFreedom EVO（登録商標）のような自動液体操作システムは、当該技術分野においてよく知られている。この装置により、独立した器具において、又は、分析システムと自動的に連携して、自動的な液体処理が可能である。これらの自動化されたシステムは、携帯可能に設計されておらず、典型的に処理には大容量の液体（マイクロリットルからミリリットル）を要する。デジタルマイクロフルイディクスでは、所定の電圧が電極アレイの電極に印加されると、個々の液滴はアドレス（エレクトロウェッティング）される。エレクトロウェッティング方法の一般的な概要は、１９９８年鷲頭著の米国電気電子学会（IEEE）の産業用アプリケーションの取り扱い（Transactions on Industry Applications）の第３４巻第４号、及び、２００２年のポーラック（Pollack）他著のラボチップ（Lab chip）の第２巻Ｐ９６−１０１を参照するとよい。簡単に述べると、エレクトロウェッティングは、好ましくは疎水層によって覆われている微小電極アレイを使用して液滴を移動させる方法のことである。電極アレイの電極に所定の電圧を印加することにより、アドレスされた電極上に存在する液滴の表面張力の変化が引き起こされる。これにより、アドレスされた電極上の液滴の接触角が著しく変化し、このため液滴が移動する。このようなエレクトロウェッティングの手順を行うにあたり、電極を配置するための２つの主要な方法が知られており、電極アレイを有する１つの面を使用して液滴の移動を誘導するか、又は、類似した電極が対向しており少なくとも１つの接地電極を有する第２の面を追加する。エレクトロウェッティング技術の主な利点は、例えば一滴の少量の液滴しか要しないことである。従って、液体処理を非常に短時間で実行できる。さらに、液体の移動制御は完全に電子制御下で行うことができ、結果としてサンプルは自動的に処理される。
【０００３】
電極アレイを有する１つの面を使用したエレクトロウェッティング（電極の単一平面配置）によって液滴を操作する装置は、米国特許第５４８６３３７号で公知である。全ての電極は、キャリア基板の表面に配置されているか、キャリア基板の下方に配置されているか、又は非湿潤面によって覆われている。電圧源は、電極に接続されている。液滴は、次の電極に電圧を印加することで移動され、従って電極に連続して電圧を印加することで電極の上方の液滴の移動を誘導する。
【０００４】
少なくとも１つの接地電極を有する対向面を有する電極アレイを使用した液滴の移動をマイクロスケールで制御するエレクトロウェッティング装置は、米国特許第６５６５７２７号（電極の二平面配置）で公知である。この装置の各面は、複数の電極を備えてもよい。２つの対向するアレイは隙間を形成している。電極アレイの隙間の方へ向いた面は、電気的に絶縁した疎水性の層によって覆われていることが好ましい。液滴は、隙間に配置されており、隙間の反対側に配置されている複数の電極に対して複数の電場を連続して印加することによって極性を有していない充填剤内を移動する。
【０００５】
液滴中のサンプルを操作するポリマーフィルムの容器は、国際公開２０１０／０６９９７７Ａ１から公知である。生物学的なサンプル処理システムは、大容量の処理容器と、下面の平坦なポリマーフィルムと、疎水性の上面とを備える。平坦なポリマーフィルムは、突出部によって容器の下側から距離を離して維持されている。容器がフィルム上に配置されると、この距離により少なくとも１つの隙間が画定する。液滴操作器具は、液滴の移動を誘導する少なくとも１つの電極アレイを備える。また、少なくとも１つの電極アレイを支持する基板は、液滴操作器具の制御ユニットと共に開示されている。容器とフィルムは、液滴操作器具に可逆的に取り付けられている。従って、システムにより容器のチャネルを介して少なくとも１つの穴（well）から平坦なポリマーフィルムの疎水性の上面上かつ少なくとも１つの電極アレイの上方へ少なくとも１つの液滴の移動が可能である。液滴操作器具により、エレクトロウェッティングによって平坦なポリマーフィルムの疎水性の上面上の上述の液滴を誘導して移動制御し、そこで生物学的サンプルを処理することを達成する。
【０００６】
生物学的サンプルの処理については、液滴を操作するこのようなエレクトロウェッティング装置の使用は、国際公開２０１１／００２９５７Ａ２で公知である。その中では、液滴アクチュエータは、誘電体によって絶縁された制御電極（エレクトロウェッティング電極）を有する下基板と、導電性の上基板と、下基板及び上基板の疎水性被覆とを典型的に含んでいる。また、開示されているのは、液滴アクチュエータの１つ以上の要素、即ち使い捨て要素を交換する液滴アクチュエータ装置である。この国際出願により、固定された（例えばＰＣＢの）下基板と、エレクトロウェッティング電極と、取り外し可能又は交換可能な上基板とを有する液滴アクチュエータが公知である。自蔵式のカートリッジは、例えばバファーと、試薬と、充填剤とを含む。カートリッジ内のポーチは、流体リザーバとして使用されており、流体をカートリッジの隙間に解放するために穿孔されてもよい。カートリッジは、疎水性の層に置換されている接地電極を含み、カートリッジの隙間にサンプルを導くために開口している。インターフェース材料（例えば、液体、接着剤、又はグリス）により、カートリッジを電極に接着してもよい。
【０００７】
分子診断分析を実行するための自動化されたシステムにおけるマイクロフルイディクス処理又は分析の使い捨てカートリッジは、国際公開２００６／１２５７６７Ａ１（英語による翻訳は米国特許出願公開２００９／０２９８０５９Ａ１参照）に開示されている。カートリッジは、（チェックカードほどの大きさを有する）平坦なチャンバ装置として構成されており、システムに挿入できる。サンプルはポートを通じてカートリッジに分注できる。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の目的は、内部の液滴サンプルを操作するための１つ以上の使い捨てカートリッジを収容するように構成されている代替的なデジタルマイクロフルイディクスシステム又はデジタルマイクロフルイディクス装置を提案することである。従って、本目的は、使い捨てカートリッジ内で液滴中のサンプルを操作するめのデジタルマイクロフルイディクスシステムが提案されることで達成される。このような使い捨てカートリッジは、下層と、上層と、下層と上層との間の隙間を備えることが好ましい。
【０００９】
本発明に記載のデジタルマイクロフルイディクスシステムは、
（ａ）使い捨てカートリッジを載置するために構成されている少なくとも１つのカートリッジ収容部を有するベースユニットと、
（ｂ）下基板によって支持されており、第１の平面で実質的に延び、複数の個別電極を有する少なくとも１つの電極アレイと、
（ｃ）上記の少なくとも１つの電極アレイの個別電極の選択を制御し、エレクトロウェッティングによって上記のカートリッジ内で液滴を操作するための個別の電圧パルスをこれらの個別電極に供給する中央制御ユニットとを備える。
【００１０】
本発明に記載のデジタルマイクロフルイディクスシステムは、ベースユニットの上記のカートリッジ収容部の１つに配置されている少なくとも１つの基板収容部をさらに備えることを特徴とする。各基板収容部は、電極アレイと、上記の電極アレイの個別電極に電気的に接続されている複数の電装基板接点素子とを備える交換型電極板を載置するように構成されている。各基板収容部は上記の中央制御ユニットに電気的に接続されている複数の電装ベースユニット接点素子を備え、電装ベースユニット接点素子は上記の基板収容部に配置されている交換型電極板の電装基板接点素子と係合ないし嵌合するように構成されている。
【００１１】
好ましくは、少なくとも１つの基板収容部は、ベースユニットの上記カートリッジ収容部の１つの下方に配置され、デジタルマイクロフルイディクスシステムのベースユニットに挿入される交換型電極板を載置するように構成されている。本発明に記載のデジタルマイクロフルイディクスシステムの別の好ましい実施形態は、ここで同様に開示されている。
【００１２】
好ましくは、デジタルマイクロフルイディクスシステムは、デジタルマイクロフルイディクスシステムのベースユニットに挿入できる１つ以上の使い捨てカートリッジを収容するように構成されている。さらに好ましくは、デジタルマイクロフルイディクスシステムは、デジタルマイクロフルイディクスシステム又はその装置を使用して液滴中のサンプルを操作する少なくとも１つの使い捨てカートリッジを備える。さらに好ましくは、カートリッジの下層と上層はカートリッジの隙間に露出した疎水面を備え、カートリッジは導電性の層を有していない。
【００１３】
好ましくは、デジタルマイクロフルイディクスシステムは、上基板を有する少なくとも１つのカバープレートを備え、少なくとも１つのカバープレートは上記のカートリッジ収容部に配置されている。少なくとも１つのカバープレートは、導電性部材をさらに備え、それは第２平面内で、少なくとも１つのカバープレートが割り当てられているカートリッジ収容部の電極アレイに対して実質的に平行に延びている。少なくとも１つのカバープレートの導電性部材は、電位源に接続されていない。好ましくは、カバープレートの導電性部材は、カートリッジに取り付けられた導電箔である。
【００１４】
カートリッジ収容部の第１の好ましい変形例によれば、カバープレートが各カートリッジ収容部の電極アレイに対して移動可能に構成されている。第２の好ましい変形例によれば、カートリッジ収容部は、各カートリッジ収容部の電極アレイに対して実質的に平行な方向に移動可能であり、摺動して挿入される使い捨てカートリッジを収容するように構成されている。
【００１５】
好ましくは、デジタルマイクロフルイディクスシステムは、下基板によって支持され、上記の電極アレイの個別電極に電気的に接続されている複数の電装基板接点素子を有する電極アレイを有する少なくとも１つの交換型電極板を備える。
【００１６】
本発明の別の目的は、デジタルマイクロフルイディクスシステム又はその装置を使用して液滴中のサンプルを操作するための使い捨てカートリッジ内での異なる分析を実行するために、代替的なデジタルマイクロフルイディクスシステムを技術的に採用する手段を提案することである。この別の目的は、デジタルマイクロフルイディクスシステムの基板収容部に配置されるように構成されている少なくとも１つの交換型電極板を提案することで達成される。少なくとも１つの交換型電極板は、下基板によって支持される電極アレイと、上記の電極アレイの個別電極に電気的に接続されている複数の電装基板接点素子とを備える。少なくとも１つの交換型電極板は、デジタルマイクロフルイディクスシステムの上記の基板収容部の１つに配置されるように構成されている。電装基板接点素子は、上記のデジタルマイクロフルイディクスシステムの上記の中央制御ユニットに電気的に接続されているベースユニットの電装ベースユニット接点素子と係合ないし嵌合するように構成されている。
【００１７】
好ましくは、電極アレイを支持している下基板は、プリント基板（ＰＣＢ）として構成されており、電装基板接点素子は、１つ以上のプリント基板の端部付近に固まって配置されている。好ましくは、上記の電極アレイの個別電極は、エレクトロウェッティングによってカートリッジ内で液滴を操作するため、及び、特定の分析を実行するために配置及び構成されている。特に好ましくは、交換型電極板の少なくとも１つの電極アレイは誘電体の層によって覆われている。
【００１８】
本発明のまた別の目的は、デジタルマイクロフルイディクスシステム又はその装置において、液滴中のサンプルを操作するための代替的な方法を提案することである。この別の目的は、疎水面に付着する液滴のサンプルを操作するための方法が提案されることで達成される。
【００１９】
本発明に記載の第１の方法は、以下のステップを含み、
（ａ）本発明に記載のデジタルマイクロフルイディクスシステムを準備し、
（ｂ）ここで記載されているカートリッジを準備し、
（ｃ）ここで記載されている交換型電極板を準備し、
交換型電極板は、カートリッジの隙間内で特定の分析を実行するために構成されている電極アレイを備え、分析の間、疎水面に付着する液滴中のサンプルはエレクトロウェッティングによって隙間内で操作される。
【００２０】
本発明に記載の第２の方法は、以下のステップを含み、
（ａ）ここで記載のデジタルマイクロフルイディクスシステムを準備し、
（ｂ）ここで記載されているカートリッジを準備し、
（ｃ）本発明に記載の交換型電極板を選択し、
交換型電極板は、カートリッジの隙間内で特定の分析を実行するために構成されている電極アレイを備え、分析の間、疎水面に付着する液滴中のサンプルはエレクトロウェッティングによって隙間内で操作される。
【００２１】
デジタルマイクロフルイディクスシステム、交換型電極板、及び液滴のサンプル操作の方法の追加的な創作的な特徴と好ましい実施形態及び変形例は、明細書及び従属項に記載されている。
【００２２】
本発明は以下の利点を含んでいる。
【００２３】
●交換型電極板を提供することで、使い捨てカートリッジで実行され得る異なる分析に対して、デジタルマイクロフルイディクスシステムを非常に柔軟にさせる。なぜなら、各交換型電極板は、１つの特定の分析を実行するために特別に設計されているためである。従って、非常に単純な交換型電極板を手頃な価格で提供することで、多くの目的に役立つように電極アレイを複雑かつ高価に設計することを回避できる。
【００２４】
●交換型電極板を有する器具は、一体化されたＰＣＢを有する使い捨てのデジタルマイクロフルイディクスカートリッジを設計するよりも、高い柔軟性を有し、低コストである。使い捨てカートリッジ中よりもむしろ交換型ＰＣＢ上に分析の特定の特徴を配置することにより、複数の分析に対して包括的なより単純なカートリッジを利用できる。（ＰＣＢの除去により）向上した単純性と、（多くの異なる分析に使用するために包括的であることによる）多くのカートリッジを製造する能力の両方によって、低コストでの製造が可能である。
【００２５】
●損傷したか、又は機能しなくなった交換型電極板は、特殊な道具の使用や専門家のメンテナンスを要することなく容易に交換できる。
【００２６】
●少なくとも交換型電極板を載置するための基板収容部を有するデジタルマイクロフルイディクスシステムを提供することで、同一のデジタルマイクロフルイディクスシステムを利用して、未だ実施されていない将来の分析を実行するための可能性を開いている。
【００２７】
●誘電体層で交換型電極板の少なくとも１つの電極アレイを被覆することで、電極アレイの感光面の酸化や指紋からさらに保護する。
【００２８】
●使い捨てカートリッジは、作業層及びその作業層間に隙間を設けて交換型電極板ごとの所定の分析を実行するための単なる消耗品として構成されていてもよい。カートリッジの作業層により、交換型電極板及びデジタルマイクロフルイディクスシステム全体が汚染されるのを防止する。
【００２９】
「交換型ＰＣＢ」の概念は、多くの生化学的な分析に共通して高価な構成要素が器具に残るということである。例えば、デジタルマイクロフルイディクスシステムは以下を備える。
○（例えば分子生物学の）特定群の分析用に設計された例えば以下を備える交換型ＰＣＢ
○分析容量を定義する電極のパターンを有する上層
○各電極に電力を供給するためのトレース配線を有する第２層
○特定領域に熱を加える薄いトレースを有する第３層
○特定領域の温度を測定及び制御するための熱電対が一体化された第４層
○全ての層とそれらの電気的な接点をつないでいる基板
●ＰＣＢ電極のオンとオフの切り替えを制御するための高電圧電源リレーモジュールと、
●システム全体に電力を供給するための電源
●（例えば蛍光検出用の）光学モジュール
●ＰＣＢ上の所定位置にカートリッジを保持するためのクランプ及び／又は真空モジュール
●ＰＣＢの下部に向かって及びＰＣＢの下部から離れて、永久磁石を移動させる磁気アクチュエータ（永久磁石は電磁石よりも集中した強力な磁場を生成する）
●デジタル出力（即ち、磁気アクチュエータ、ヒーター、真空など）及び入力（熱電対など）を制御するためのアナログデジタル入出力モジュール
●システムに電力を供給するための電源モジュール
●以下を備えるシステムを実行するための組み込みプロセッサ
○ソフトウェアとユーザインターフェース
【００３０】
本発明によれば、デジタルマイクロフルイディクスシステムは、費用のかかる上記の黒丸の箇条書きの項目の全てを含み、ほとんど全ての生化学的なアプリケーションのために使用できる「器具のプラットホーム」として提案されている。白丸の箇条書き項目のみを変更又は変化することによって、「異なる器具」又は「新しい器具」が完全に異なるアプリケーションを実行するために形成されてもよい。
【００３１】
この概念には２つの重要な利点がある。
【００３２】
１．製造業者は、多くの器具のプラットホーム又はデジタルマイクロフルイディクスシステムのそれぞれ（即ち、上記の黒丸の箇条書き項目参照）を、数が多いため大幅にコストを低減して生産するのがよい。在庫としてある所定数の器具のプラットホームに対して選択された変化項目（即ち上記の白丸の箇条書き項目の選択を参照）を追加すると、多くの種類のデジタルマイクロフルイディクスシステムとなり、それぞれは特定用途専用である。選択された変化項目（即ち上記の白丸の箇条書き項目の選択を参照）を既に生産された器具のプラットホームにおいて置換すると、異なる種類の新たなデジタルマイクロフルイディクスシステムとなり、それぞれは新たな特定用途専用である。
【００３３】
２．ユーザは、（例えば、血液サンプル中の特定の分析物の測定のための器具のように）特定用途専用の単一の器具のプラットホームを購入すればよい。ユーザが異なる実験や分析を実行することを決定した場合、ユーザは各変化項目（即ち上記の白丸の箇条書き項目の選択を参照）を新たな特定用途専用の新たなデジタルマイクロフルイディクスシステムとなるものに単に置換すればよい。例えば、エリザ（ＥＬＩＳＡ）分析を実行するために、器具が免疫測定システムとなるように、ＰＣＢは交換型であってもよく、ソフトウェアを更新してもよい。
【００３４】
これらの両方の場合において、デジタルマイクロフルイディクスシステムは、ＰＣＢが交換されるときにソフトウェアが自動的に更新されるようにＰＣＢ上のチップにソフトウェアが実際に含まれるように設計されてもよい。
【００３５】
本発明によれば、デジタルマイクロフルイディクスシステムは、マルチレベルの「器具のプラットホーム」として提案されている。第１レベルでは、デジタルマイクロフルイディクスシステムのベースユニットは、エレクトロウェッティング技術を利用する全てのアプリケーションに対して同様である。従って、包括的な器具が形成され、費用はかかるが、共通のモジュールが器具のベースユニットに残り、挿入可能なＰＣＢや挿入可能なカートリッジのような部品が交換可能であることによって高度な柔軟性がもたらされる。第２レベルでは、ＰＣＢは、製造業者又はエンドユーザによって交換できる交換可能要素である。交換されたＰＣＢの電極アレイは、接触部でベースユニットにインターフェース接続するため、ＰＣＢの上部に配置されているカートリッジ内での液滴の移動は、正確に制御される。ＰＣＢ上及びベースユニットにおける接触部は標準化されていることが好ましい。第３レベルでは、異なる試薬のセットと共に組み込まれた異なる種類のカートリッジを利用できる。同一の分析に対して、同一種類のカートリッジが使用されてもよいが、異なるサンプルが導入されてもよい。
【００３６】
本発明のデジタルマイクロフルイディクスシステム、交換型電極板、自蔵式の使い捨てカートリッジ、及びサンプルの操作方法の選択は、選ばれた例示的な実施形態を示す添付の概略図の助けを借りて、本発明の範囲及び要旨を狭めることなく説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】中央制御ユニット及びベースユニットと、４つのカートリッジ収容部と、電極アレイをそれぞれ有する交換型電極板を収容するための４つの基板収容部とを備えるデジタルマイクロフルイディクスシステムの概観図。
【図２】電極アレイは固定された下基板に配置されており、ここで記載されている第１実施形態の使い捨てカートリッジを有する１つのカートリッジ収容部の断面図。
【図３】電極アレイは固定された下基板に配置されており、ここで記載されている第２実施形態の使い捨てカートリッジを有する１つのカートリッジ収容部の断面図。
【図４】中央制御ユニット及びベースユニットと、固定されたカバープレートをそれぞれ有する１２個のカートリッジ収容部と、電極アレイをそれぞれ有する交換型電極板を収容する１２個の基板収容部とを備えるデジタルマイクロフルイディクスシステムの概観図。
【図５Ａ】実質的に垂直な電極アレイとカバープレートを有する実質的に垂直なカートリッジ収容部へ挿入される上部挿入型カートリッジを示す、ここで記載されている第３実施形態の使い捨てカートリッジを有する１つのカートリッジ収容部の断面図。
【図５Ｂ】図５Ａに示されている切断面Ｂから見た上部挿入型カートリッジを示す、ここで収容されている第３実施形態の使い捨てカートリッジを有する１つのカートリッジ収容部の断面図。
【図６】この交換型電極板の下基板はプリント基板（ＰＣＢ）で構成されており、デジタルマイクロフルイディクスシステムに挿入可能な交換型電極板の概観図。
【図７】電極アレイは、電気的に接触する第１実施形態の交換型電極板に配置されている、図２の詳細断面図。
【図８】電極アレイは、電気的に接触する第２実施形態の交換型電極板に配置されている、図３の詳細断面図。
【図９】全ての共通モジュールを有する標準化されたベースユニットを備え、特定の実験又は分析に適した交換可能なＰＣＢと交換可能なカートリッジとをさらに備える包括的なマルチレベルの「器具のプラットホーム」の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１が示しているのは、中央制御ユニット１４及びベースユニット７と、電極アレイ９をそれぞれ有する４つのカートリッジ収容部８と、カバープレート１２とを備える例示的なマイクロフルイディクスシステム１の概観図である。デジタルマイクロフルイディクスシステム１は、下層３と、上層４と、そして下層３と上層４との間の隙間６を画定するスペーサー５とを備える使い捨てカートリッジ２内の液滴２３中のサンプルを操作するように構成されている。従って、液滴２３中のサンプルは、使い捨てカートリッジ２の隙間６内で操作される。また、本発明のこのデジタルマイクロフルイディクスシステム１は、交換型電極板４１を収容するために４つの基板収容部４０を備える。
【００３９】
デジタルマイクロフルイディクスシステム１は、使い捨てカートリッジ２を載置するように構成されている少なくとも１つのカートリッジ収容部８を有するベースユニット７を備える。デジタルマイクロフルイディクスシステム１は、独立型で非携帯式のユニットであってもよく、複数のオペレータは自身でカートリッジ２を持ってきて使用して作業する。従って、デジタルマイクロフルイディクスシステム１は、複数のカートリッジ収容部８と、複数の電極アレイ９とを備えてもよく、少なくとも一部の電極アレイ９は交換型電極板４１に配置されているため、複数のカートリッジ２により、同時に及び／又は平行して作業できる。カートリッジ収容部８及び基板収容部４０の数は、１つであってもよく、又は例えば１から１００の間の任意の数であってもよい。この数は、例えば中央制御ユニット１４の作業容量によって制限される。
【００４０】
デジタルマイクロフルイディクスシステム１を、液体操作用ワークステーション又はFreedom EVO（登録商標）のロボット型ワークステーションと一体化することが好ましいため、ピペットロボットは、液体の一部及び／又は液体を含むサンプルを、カートリッジ２へ及びカートリッジ２から移動するのに利用できる。これに代えて、デジタルマイクロフルイディクスシステム１は、少数の例えば１つの使い捨てカートリッジ２を備えるのみであり、このカートリッジ２と協働できる携帯端末として構成されてもよい。当業者は、上記の２つの両極端の中間の方法もまた本発明の要旨内で動作及び作用することを理解するだろう。
【００４１】
本発明によれば、デジタルマイクロフルイディクスシステム１はまた、実質的に第１平面内で延びて複数の個別電極１０を有する電極アレイ９を備える交換型電極板４１を載置するための少なくとも１つの基板収容部４０を備える。このような交換型電極板４１は、ベースユニット７の上記のカートリッジ収容部８に１つずつ配置されていることが好ましい。各電極アレイ９は下基板１１によって支持されていることが好ましい。留意すべきは、「電極アレイ」、「電極レイアウト」、及び「プリント基板（ＰＣＢ）」の表現はここでは同義語として使用されていることである。
【００４２】
また、デジタルマイクロフルイディクスシステム１は、上基板１３を有する少なくとも１つのカバープレート１２を備える。特にこのようなカバープレート１２を設けることは好ましいが、少なくともいくつかのカバープレートは省略されてもよく、マイクロフルイディクスシステム１のベースユニットの内側位置で使い捨てカートリッジ２を保持するための代替的なカバーに置換されてもよい。従って、少なくとも１つのカバープレート１２は、上記カートリッジ収容部８の１つに配置されてもよい。カバープレート１２の上基板１３と、電極アレイ９又はＰＣＢを有する下基板１１とによって、隙間又はカートリッジ収容部８はそれぞれ画定される。第１変形例（ベースユニット７の中央の２つのカートリッジ収容部８参照）では、カートリッジ収容部８は、各カートリッジ収容部８の電極アレイ９に対して実質的に平行な方向に移動可能で、摺動して挿入される使い捨てカートリッジ２を収容するように構成されている。このような前方又は上部からの挿入は、使い捨てカートリッジ２を部分的に挿入した後、カートリッジ２が正確に載置される位置であるカートリッジ収容部８内のその最終的な収容位置に、カートリッジ２を搬送するように自動的に引き込む補助がなされてもよい。これらのカートリッジ収容部８は、可動式のカバープレート１２を備えていないことが好ましい。液滴中のサンプルに意図する操作を実行した後、使用されたカートリッジ２は自動的に引き出されて排出されてもよく、分析用端末に搬送されるか、又は廃棄されてもよい。
【００４３】
第２変形例（ベースユニット７の左右の２つのカートリッジ収容部８参照）では、カートリッジ収容部８は、各カートリッジ収容部８の各電極アレイ９に対して可動するように構成されているカバープレート１２を備える。カバープレート１２は、１つ以上のヒンジ１６のまわりに、及び／又は、電極アレイ９に対して実質的に垂直な方向に、可動するように構成されていることが好ましい。
【００４４】
カートリッジ収容部８への使い捨てカートリッジ２の挿入可能性と同様に、基板収容部４０への交換型電極板４１の挿入可能性には、以下の代替構成が含まれる。
（ａ）各カートリッジ収容部８を通じて基板収容部４０に交換型電極板４１を垂直に降ろす。
（ｂ）各カートリッジ収容部８の下方で基板収容部４０に交換型電極板４１を水平に摺動させる。
（ｃ）各カートリッジ収容部８の下方で交換型電極板４１を水平に摺動させ、基板収容部４０に実質的に垂直に持ち上げる。
【００４５】
図１では、（左から数えて）２番目のカートリッジ収容部８の下方で前方へ挿入することにより摺動して挿入できる交換型電極板４１が１つのみ描かれている。基板収容部４０を配置できる全ての位置は破線矢印によって示されている。
【００４６】
また、デジタルマイクロフルイディクスシステム１は、上記の少なくとも１つの電極アレイ９の個別電極１０の選択を制御し、これらの電極１０にエレクトロウェッティングによって上記カートリッジ２内で液滴を操作するための個別の電圧パルスを供給する中央制御ユニット１４を備える。図１に部分的に示されているように、全ての単一の個別電極１０は中央制御ユニット１４に動作的に接続されており、従って、また従来技術で公知の方法に必要な電位を生成して与える適切な電位源を備えるこの中央制御ユニット１４によって独立してアドレスできる。
【００４７】
少なくとも１つのカバープレート１２は、第２平面で延びて少なくとも１つのカバープレートが割り当てられているカートリッジ収容部８の電極アレイ９に実質的に平行である導電性部材１５を備えることが好ましい。特に、カバープレート１２の導電性部材１５は、接地電位源に接続されないように構成されることが好ましい。本発明の出願人は、カバープレート１２の導電性部材１５と、任意のある一定の（例えば接地）電位との間に接続がない場合、導電性部材１５がまた、デジタルマイクロフルイディクスシステム１で操作される液滴のエレクトロウェッティングによる移動に寄与することを見いだした。従って、カバープレート１２は、任意の方向に可動可能に構成されていてもよく、カバープレート１２の特に好ましい可動を選択するとき、電気的な接触を考慮する必要がない。従って、カバープレート１２は、ベースユニット７の各電極アレイ９に対して、直線的、円状、又は任意の運動を行うために、電極アレイ９に実質的に平行な方向にまた可動するように構成されてもよい。
【００４８】
図２が示すのは、ここで記載されている第１実施形態の使い捨てカートリッジ２を有する１つの例示的なカートリッジ収容部８の断面図である。カバープレート１２は、ヒンジ１６を介してデジタルマイクロフルイディクスシステム１のベースユニット７に機械的に接続されており、従って、カバープレート１２は揺動開放し、使い捨てカートリッジ２は上部からの挿入を通じてカートリッジ収容部８に配置されてもよい（図１参照）。カバープレート１２の導電性部材１５は、上基板１３に取り付けられている薄い金属板又は金属箔で構成されている。これに代えて、カバープレート１２の導電性部材１５は、上基板１３上に積層されている金属層として構成されている。導電性部材１５のこのような積層は、それ自体公知である化学的な又は物理的な蒸着技術によって行ってもよい。
【００４９】
カバープレート１２は、ベースユニット７のカートリッジ収容部８に収容されている使い捨てカートリッジ２に対して力を付加するように構成されている。この力は、電極アレイ９の表面にできるだけ近接してカートリッジの下層３を配置するために、電極アレイ９に対して使い捨てカートリッジ２を付勢している。また、この力により、カバープレート１２の穿孔機構１８に対して電極アレイ９の最適な位置に使い捨てカートリッジ２を付勢している。この穿孔機構１８は、カートリッジ２の隙間６内にサンプル液滴を導入するように構成されている。穿孔機構１８は貫通孔１９で構成されており、貫通孔１９はカバープレート１２を完全に貫通して続いており、穿孔ピペットの先端２０によりカートリッジ２の上層４を押し通して穿孔可能である。穿孔ピペットの先端２０は、携帯型ピペット（図示せず）の一部又はピペットロボット（図示せず）の一部であってもよい。
【００５０】
図２に示す場合では、電極アレイ９は誘電体層２４によって覆われている。電極アレイ９は下基板１１に固定され、全ての個別電極１０は電気的に及び動作的に中央制御ユニット１４に接続されている（ここでは１０個の電極１０のうち３つの接続のみ図示されている）。電極アレイ９は、移動不能に構成された下基板１１に配置されている。デジタルマイクロフルイディクスシステム１は、隙間６を含む使い捨てカートリッジ２内の液滴２３中のサンプルを操作するように構成されている。従って、液滴２３中のサンプルは、使い捨てカートリッジ２の隙間６内で操作される。使い捨てカートリッジ２は、下層３と、上層４と、下層３及び上層４との間の隙間６を画定するスペーサー５とを備え、この隙間６において液滴２３中のサンプルを操作する。下層３及び上層４は、カートリッジ２の隙間６に露出している疎水面１７を備える。カートリッジ２の下層３及び上層４は、完全に疎水性のフィルムであるか、又はカートリッジ２の隙間６に露出した疎水性の面を少なくとも備える。図２から明らかであるように、カートリッジ２は、導電層を有していない。カートリッジ２のスペーサー５は、ここでは隙間６においてサンプル液滴に加えられる分析に必要な試薬用の区画２１を含む本体の少なくとも一部として構成されている。
【００５１】
図３が示しているのは、ここで記載されている第２実施形態の使い捨てカートリッジ２を有する１つの例示的なカートリッジ収容部８の断面図である。上述の実施形態とは異なり、カバープレート１２は、デジタルマイクロフルイディクスシステム１のベースユニット７に移動不能に固定されて機械的に接続されている。カバープレート１２の導電性部材１５は、上基板１３に取り付けられた厚い金属板で構成されている。ここで、カバープレート１２は、ベースユニット７のカートリッジ収容部８に収容されている使い捨てカートリッジ２に力を付加するように構成されていない。従って、カバープレート１２は所定の位置から動かず、使い捨てカートリッジ２は前方からの挿入を通じてカートリッジ収容部８に配置されてもよい。このような前方挿入型は、通常、使い捨てカートリッジ２の電極アレイ９に対する平行方向への移動を伴う（図１参照）。使い捨てカートリッジ２の適切な引き出し及びカートリッジ収容部８への適切な配置を可能にするために、ベースユニット７は、挿入ガイド２５を備えることが好ましい。これらの挿入ガイド２５は、自己潤滑性のプラスチック材料製である好ましく、使い捨てカートリッジ２を摺動して挿入するのに十分であるそれらの間の隙間を残しておくことが好ましい。これに代えて、カバープレート１２の導電性部材１５は、金属板、金属箔、又は上基板１３の部材の間に挟まれている金属層で構成される（図５Ａ参照）。
【００５２】
図３の使い捨てカートリッジ２は、下層３と、上層４と、下層３と上層４との間の隙間６を画定するスペーサー５とを備え、この隙間６内で液滴２３中のサンプルを操作する。下層３及び上層４は、カートリッジ２の隙間６に露出している疎水面１７を備える。カートリッジ２の下層３及び上層４は、完全に疎水性のフィルムであるか、又はカートリッジ２の隙間６に露出した疎水性の面を少なくとも備える。図２に示されているものとは異なり、このカートリッジ２は、下層３の一部に取り付けられているか、又は下層３の一部を形成する誘電体層２４を有している。従って、下層３は、誘電体層２４又はそれ自体が誘電体層からなる下層３によって覆われている。結果として、電極アレイ９は、このような誘電体層２４を有する必要がない。カートリッジ２のスペーサー５は、ここでは隙間６においてサンプル液滴に加えられる分析に必要な試薬用の区画２１を含む本体の少なくとも一部として構成されている。この場合、電極アレイ９は、誘電体層２４によって覆われている。
【００５３】
電極アレイ９は、下基板１１に対して固定されており、個別電極１０は、電気的に及び動作的に中央制御ユニット１４に接続されている（ここでは１０個の電極のうち、３つの接続のみが図示されている）。電極アレイ９は、移動不能に固定された下基板１１に配置されている。デジタルマイクロフルイディクスシステム１は、隙間６を含む使い捨てカートリッジ２内の液滴中のサンプルを操作するように構成されている。従って、液滴２３中のサンプルは、使い捨てカートリッジ２の隙間６内で操作される。
【００５４】
また、カバープレート１２は、カートリッジ２の隙間６にサンプル液滴を導入するように構成されている穿孔機構１８を備える。穿孔機構１８は貫通孔１９で構成され、貫通孔１９はカバープレート１２を完全に貫通して続いており、穿孔ピペットの先端２０によりカートリッジ２の上層４を押し通して穿孔可能である。穿孔ピペットの先端２０は、携帯型ピペット（図示せず）の一部又はピペットロボット（図示せず）の一部であってもよい。ここで、カバープレート１２は、穿孔ピペットの先端２０によりカバープレート１２を貫通する貫通孔１９を押し通され、カートリッジ２の上層４を穿孔し、区画２１から試薬の一部を引き出してカートリッジ２の隙間６内に上記の試薬の一部を導入するように、追加的な穿孔機構２２を備える。ここで区画２１はスペーサー５の本体の切欠部として構成されており、切欠部は下層３及び上層４によって閉じられている。
【００５５】
既に説明した第１実施形態及び第２実施形態のように、使い捨てカートリッジ２は、下層３と、上層４と、下層３と上層４との間の隙間６を画定するスペーサー５とを備え、この隙間６内で液滴２３中のサンプルを操作する。下層３及び上層４は、カートリッジ２の隙間６に露出した疎水面１７を備える。第１の疎水面１７’は下層３の内側に配置され、第２の疎水面１７”は上層４の内側に配置されている。カートリッジ２の下層３及び上層４は、完全に疎水性のフィルムであるか、又はカートリッジ２の隙間６に露出した疎水性の面を少なくとも備える。図２から明らかであるように、カートリッジ２は導電層を有していない。ここでカートリッジ２のスペーサー５は、隙間６内でサンプル液滴に加えられる分析に必要な試薬用の区画２１を含む本体として構成されていることを要しない。なぜなら、これらの試薬は、携帯型ピペット又はピペットロボットの従来のピペット動作によって隙間６に追加されるからである（上部参照）。
【００５６】
既に説明した第１実施形態及び第２実施形態のように、使い捨てカートリッジ２は、下層３と、上層４と、下層３と上層４との間の隙間６を画定するスペーサー５とを備え、この隙間６内で液滴２３中のサンプルを操作する。下層３及び上層４は、カートリッジ２の隙間６に露出した疎水面１７を備える。第１の疎水面１７’は下層３の内側に配置され、第２の疎水面１７”は上層４の内側に配置されている。カートリッジ２の下層３及び上層４は、完全に疎水性のフィルムであるか、又はカートリッジ２の隙間６に露出した疎水性の面を少なくとも備える。図２から明らかであるように、カートリッジ２は導電層を有していない。ここでカートリッジ２のスペーサー５は、隙間６内でサンプル液滴に加えられる分析に必要な試薬用の区画２１を含む本体として構成されていることを要しない。なぜなら、これらの試薬は、携帯型ピペット又はピペットロボットの従来のピペット動作によって隙間６に追加されるからである（上部参照）。
【００５７】
図４が示しているのは、中央制御ユニット１４及びベースユニット７と、固定されたカバープレート１２をそれぞれ備える１２個のカートリッジ収容部８とを備えるデジタルマイクロフルイディクスシステム１の上方からの概観図である。このベースユニット７は、第６実施形態のカートリッジ２を載置し、かつ、実質的に垂直な電極アレイ９及びカバープレート１２（図５参照）を有する実質的に垂直なカートリッジ収容部８にこれらのカートリッジを挿入するのに特に適している。このような挿入は、液体ハンドリングワークステーション（図示せず）のロボット化されたグリップデバイスによって実行されることが好ましい。
【００５８】
本発明によれば、このデジタルマイクロフルイディクスシステム１はまた、電極アレイ９をそれぞれ備える交換型電極板４１を収容するための１２個の基板収容部４０を備える。図４のこの例示の実施形態では、全てのカートリッジ収容部８及び基板収容部４０は組になってグループ化され、基板収容部４０はカートリッジ収容部８のすぐ下方に配置されている。カートリッジ収容部８と基板収容部４０のこれらの組は、ここでは３行４列に配置されている。右側の列の上側のカートリッジ収容部８は、使い捨てカートリッジ２が空であり、その使い捨てカートリッジ２はベースユニット７の右外側に示されている。さらにその中央のカートリッジ収容部８及び基板収容部４０は、使い捨てカートリッジ２及び交換型電極板４１が同様に空であり、またベースユニット７の右外側に示されている。
【００５９】
図５（図５Ａ及び図５Ｂ参照）が示しているのは、ここで記載されている第６実施形態の使い捨てカートリッジ２を有するデジタルマイクロフルイディクスシステム１のベースユニット７の１つの例示的なカートリッジ収容部８の断面図である。図５Ａからすぐに明らかであるように、上部挿入型カートリッジ２は、実質的に垂直な電極アレイ９及びカバープレート１２を有する実質的に垂直なカートリッジ収容部８内に挿入される。使い捨てカートリッジ２は、下層３と、上層４と、下層３と上層４との間の隙間６を画定するスペーサー５とを備え、この隙間６内で液滴中のサンプルを操作する。下層３及び上層４はカートリッジ２の隙間６に露出した疎水面１７’，１７”を備える。カートリッジ２の下層３及び上層４は、完全に疎水性のフィルムであるか、又はカートリッジ２の隙間６に露出した疎水性の面を少なくとも備える。図２に示されているもののように、このカートリッジ２は、下層３の一部に取り付けられているか又は層３の一部を形成する誘電体層を有していない。結果として、電極アレイ９はこのような誘電体層２４を有する必要がない。このカートリッジ２は、シリコンオイルで満たされていることが好ましい。
【００６０】
電極アレイ９は、（それ自体ベースユニット７の内側に移動不能に固定されている）下基板１１に固定され、全ての個別電極１０は、電気的及び動作的に中央制御ユニット１４に接続されている（ここでは１４個の電極１０のうち、４つのみの接続が示されている）。デジタルマイクロフルイディクスシステム１は、隙間６を含む使い捨てカートリッジ２内の液滴２３中のサンプルを操作するように構成されている。従って、液滴２３のサンプルは、使い捨てカートリッジ２の隙間６内で操作される。
【００６１】
カバープレート１２は、デジタルマイクロフルイディクスシステム１のベースユニット７に機械的に接続されているか、又は完全に一体化され、可動式ではない。従って、使い捨てカートリッジ２は、図５Ａ及び図５Ｂのこの状況では（図４と比較して）実際には上方挿入型と呼ぶべき前方からの挿入を通じてカートリッジ収容部８に挿入できる。ここで、カバープレート１２の導電性部材１５は、金属性の導電性部材からなり、上基板１３の部材の間で挟まれている。これに代えて、カバープレート１２の導電性部材１５は、上基板１３の部材（図示せず）に代えて又はこれに加えてプラスチック層で覆われてもよい。
【００６２】
また、スペーサー５は、カートリッジ２の隙間６内へサンプル液滴を導入するように構成されている穿孔機構１８を含んでいる。穿孔機構１８は、スペーサー５の拡大された部分として構成されている。この拡大されたスペーサー部分は、穿孔ピペットの先端２０を押し通すことのできる穿孔可能な自己シール膜３１を備えることが好ましい。穿孔ピペットの先端２０は、携帯型ピペット（図示せず）の一部又はピペットロボット（図示せず）の一部であってもよい。自動化されたカートリッジ２の隙間６への液体の搬送又は隙間６から液体の引き出しは、カートリッジ２のこの拡大されたスペーサー部分によって設けられた相対的に大きな穿孔領域によって簡単化されている。約１から３ｍｍの隙間幅を想定すると、この穿孔領域の幅は約５から１０ｍｍであることが好ましい。従って、それはおよそ９６穴型のマイクロプレートのサイズであり、液体ハンドリングシステム又は液体ハンドリングワークステーションの自動化されたピペッターが容易に到達できる。区画２１（図５Ｂを合わせて参照）の空間を設けると同時に、カートリッジ２の拡大されたスペーサー部分はまた、自動化されたロボットグリッパー（図示せず）によって把持されるための把持面を備える。このロボットグリッパーは、デジタルマイクロフルイディクスシステム１のカートリッジの外側をハンドリングし、カートリッジ収容部８からカートリッジ２の出し入れに利用されることが好ましい。さらに、カートリッジ２の拡大されたスペーサー部分は、カートリッジ２がカートリッジ収容部８に正確に収容されるときにベースユニット７の面に当接する当接面を備える。
【００６３】
各カートリッジ収容部８内へ及び各カートリッジ収容部８内から使い捨てカートリッジ２を出し入れするのと同様に、交換型電極板４１は、各基板収容部４０へ及び各基板収容部４０から出し入れされてもよい。さらに注目すべき重要なことは、図示の及び先に説明した空間的な方向性と同様に又はこれから離れて、これらの収容部８，４０は、そのカートリッジ収容部８に挿入される使い捨てカートリッジ２がその下層３で各交換型電極板４１の表面（即ち、電極アレイ９の表面又は各交換型電極板４１の電極アレイ９の誘電体層２４の表面）と動作的に接触するほどにカートリッジ収容部８と基板収容部４０が互いに近接配置されている限り、任意の空間的な方向性に適応できる。
【００６４】
電極アレイ９は、液滴２３が区画２１からプリント基板（ＰＣＢ）又は電極アレイ９上の個別の位置まで移動できるようにベースユニット７の面に対して最前位置まで延びていることが好ましい。また、特に反応生成物がデジタルマイクロフルイディクスシステム１外で及びカートリッジ２の外でもまた分析される場合、液滴２３を電極アレイ９の反応位置から区画２１へ反対方向に移動することは非常に好ましい。
【００６５】
図５Ｂが示しているのは、図５Ａに示されている切断面Ｂから見た図５Ａの上部挿入型カートリッジ２である。断面は、隙間６を通り、自蔵式の使い捨てカートリッジ２の下層３と上層４との間を通っている。また、断面は、そのＵ字型部分が下層３と上層４との間に配置されたスペーサー５を切断し、拡大されたスペーサー部分が、Ｕ字型部分と下層３及び上層４の周囲に設けられている。好ましくは、スペーサー５のＵ字型部分は、プラスチック材料からなり、下層３及び上層４に接着又は融合されている。好ましくは、拡大されたスペーサー部分はまた、射出成形によって設けられている。これにより、一方では穿孔可能な膜３１の下方に区画２１を形成でき、他方では穿孔可能な膜３１を安定化する分離棒３２を設けることができる。好ましくは、このような安定性は、分離棒３２及び穿孔可能な膜３１に対して拡大されたスペーサー部分の後方射出成形によって提供される。好ましくは、拡大されたスペーサー部分は、下層３及び上層４を有するスペーサー５のＵ字型部分の一部である。
【００６６】
既に指摘したように、スペーサー５はまた、スペーサー５の拡大された部分で構成されている穿孔機構１８を含むことが好ましい。好ましくは、この拡大されたスペーサー部分は、穿孔ピペットの先端２０を押し通すことができる穿孔可能な自己シール膜３１を備える。穿孔ピペットの先端２０は、携帯型ピペット（図示せず）の一部であるか、又はピペットロボット（図示せず）の一部であってもよい。ここでスペーサー２は、穿孔ピペットの先端２０を自己シール膜３１に対して押し通して、カートリッジ２の隙間６から例えばシリコンオイルを引き出すための追加的な穿孔機構２２を備える。図５Ｂのカートリッジ２では、液滴２３（例えばサンプル）が穿孔機構１８で穿孔ピペットの先端２０によって導入された後、実際の位置に向かって下層３の疎水面１７’に移動される。区画２１内へ及び隙間６内へ液滴２３を導入すると同時に、同量のシリコンオイル（又は液滴２３と混合されない他の任意の化学的に不活性な液体）が追加的な穿孔機構２２で各区画２１から引き出される。隙間６における液体のこのような同時調整に代えて、オイル又は不活性液体の予期される量を液滴２３の導入の前後ですぐに取り除いてもよい。また、区画２１は、この液体から移動可能な液滴２３を生成するのに必要な以上の液体を蓄積する容器として役立ててもよい。結果として、複数のこのような液滴２３が少なくとも１つの区画２１に一旦導入された単一の液体分量から生成されてもよい。しかし、オイル又は不活性ガスを引き出すために１つの区画２１を確保し、試薬生成物を引き出すために別の区画２１を確保することが推奨される。
【００６７】
代替的な非常に単純な実施形態（図示せず）では、各場合で隙間６の方へ向いた疎水面１７’，１７”を有する下層３及び上層４を備える使い捨てカートリッジ２は、ＰＣＢが交換型である場合もそうでない場合もエレクトロウェッティングのためにＰＣＢに取り付けられていてもよい。導電性部材１５を備えるカバープレート１２を利用する代わりに、導電性フィルム（例えばアルミホイル）が上層４の外面に取り付けられてもよい。この導電性フィルムが接地されていないときであっても、このような導電性フィルムによりエレクトロウェッティングが可能である。接地されていない導電フィルムをカートリッジに取り付ける代わりに、上層４はその外面に薄いフィルムを被覆されていてもよい。薄いフィルムの被覆は、任意の金属性であってよく、化学的な又は物理的な蒸着技術によって積層されてもよい。上層４の外面のこの薄い導電性フィルムは、導電性の塗料からなるものであってもよい。従って、提案されているのは、第２平面で延び、電極アレイ９に実質的に平行である導電性部材１５を提供することであり、上記の導電性部材１５は、カートリッジ２の上層４に配置され、液滴２３中のサンプルを操作する間に個別の電位源に接続されていない。
【００６８】
図６が示しているのは、デジタルマイクロフルイディクスシステム１の基板収容部４０に挿入可能である交換型電極板４１の上方からの概観図である。この交換型電極板４１の下基板１１は、プリント基板（ＰＣＢ）で構成されている。この上面図は、米国特許出願公開１３／１８８５８４に開示されている液滴操作システムのプリント基板（ＰＣＢ）のような電極アレイ９の類似配置を示している。これは、本出願人によって２０１１年７月２２日に出願され、米国特許出願公開２０１３／００２０２０２Ａ１にて公開されている。システム４０のこの特定の電極アレイ９は、その上部で使い捨てカートリッジ２を収容するように構成されている。この電極アレイ９は、特に、細胞物質の溶解、ＤＮＡ断片の抽出及びＰＣＲ増幅、遺伝子型決定の交配実験、及び光学検知に適して構成されている。しかし、米国特許出願公開２０１３／００２０２０２Ａ１に開示されているＰＣＢとは異なり、この電極アレイ９の下基板１１は、デジタルマイクロフルイディクスシステム１のベースユニット７に取り外しできないように固定されている。ここで、下基板１１及び電極アレイ９は、デジタルマイクロフルイディクスシステム１の基板収容部４０に出し入れ可能な交換型電極板４１の一部である。
【００６９】
全ての実験と測定が完了すると、カートリッジ２は（サンプル及びその中の廃棄物と共に）安全に廃棄されるため、研究者がその中身によって危険にさらされることはない。そして、専用の電極アレイ９を有する同一の交換型電極板４１を利用して、同様の又は他のサンプルを用いて同様の分析を実行することを決定してもよい。この場合、次の使い捨てカートリッジ２は電極アレイ９上に押しこまれ、次の実験を行うことができる。これに代えて、専用の電極アレイ９を有する本発明の交換型電極板４１が特別に有用ではない他の実験の実行を決定してもよい。この代替的な場合では、実行される実験又は分析に適した異なる電極アレイ９を有する別の交換型電極板４１が選択されてもよい。このように、ここで選択された交換型電極板４１は、疎水面１７に付着する液滴２３中のサンプルの分析用又は実験用のサンプルがエレクトロウェッティングによって隙間６内で操作される間、カートリッジ２の隙間６内で特定の代替的な分析又は実験を実行するように構成されている電極アレイ９を備える。
【００７０】
図６では（図の上部及び下部を参照して）、多くの接触点、即ち電装基板接点素子４２が見られる。個別の電線（ここでは図を明瞭にするため図示せず）は、これらの電装基板接点素子４２の１つを有する各個別電極１０と接続している。さらに、交換型電極板４１の下基板１１に配置されたヒーターはまた、これらの電装基板接点素子４２の一部に接続されている。全ての電装基板接点素子４２は、デジタルマイクロフルイディクスシステム１の中央制御ユニット１４を有する適切な数の電装ベースユニット接点素子４３に物理的に接触することで接続されている。この中央制御ユニット１４は、例えば、ヒーター、穿孔機構１８など及び必要な電極１０の全電位の必要な動作を制御している。また、電極アレイ９の両側及びＰＣＢ１１の縁部４４の付近には、中央制御ユニット１４の接地電位源と接触する別の接触点が設けられている。物理的な必要性及びデジタルマイクロフルイディクスシステム１のその基板収容部４０への交換型電極板４１の挿入方法に応じて、電装基板接点素子４２は、ＰＣＢ１１の１つ以上の縁部４４の付近に配置されてもよい。
【００７１】
図示の交換型電極板４１は、例えば図１又は図４に示すように、デジタルマイクロフルイディクスシステム１の基板収容部４０に配置されるように構成されている。各場合では、交換型電極板４１の電装基板接点素子４２は、デジタルマイクロフルイディクスシステム１の中央制御ユニット１４に電気的に接続されているベースユニット７の電装ベースユニット接点素子４３と係合ないし嵌合するように構成されている。好ましくは、電極アレイ９を支持している下基板１１はプリント基板（ＰＣＢ）で構成され、電装基板接点素子４２はＰＣＢの１つ以上の縁部４４の付近に固まって配置されている。特に好ましくは、電極アレイ９の個別電極１０は、エレクトロウェッティングによってカートリッジ２内で液滴を操作するように、かつ、特定の分析又は実験を実行するように配置及び構成されている。
【００７２】
図７が示しているのは、図２の詳細断面図である。しかしここで、電極アレイ９は、電気的に接触している第１実施形態の交換型電極板４１に配置されている。ここで電装基板接点素子４２は、交換型電極板４１の少なくとも１つの電極アレイ９が実質的に延びている第１平面に垂直な方向に下基板１１の少なくとも１つの縁部４４上で実質的に延びている剛体板又は山部（knoll）として構成されている。好ましくは、このような交換型電極板４１を載置するために、デジタルマイクロフルイディクスシステム１の中央制御ユニット１４に電気的に接続されている複数の電装ベースユニット接点素子４３は、個別電極１０に電気的に接続されている交換型電極板４１の複数の電装基板接点素子４２と安全に個別に係合ないし嵌合するために、実質的に垂直方向に延びて水平方向に弾性的である板ばねで構成されている。
【００７３】
図８が示しているのは、図３の詳細断面図である。しかしここで、電極アレイ９は、電気的に接触している第２実施形態の交換型電極板４１に配置されている。ここで電装基板接点素子４２は、下基板１１の縁部４４の下側及び付近で、少なくとも１つの電極アレイ９が実質的に延びている第１平面に平行な方向に実質的に延びている剛体板又は山部（knoll）として構成されている。好ましくは、このような交換型電極板４１を載置するために、デジタルマイクロフルイディクスシステム１の中央制御ユニット１４に電気的に接続されている複数の電装ベースユニット接点素子４３は、個別電極１０に電気的に接続されている交換型電極板４１の複数の電装基板接点素子４２と安全に個別に係合ないし嵌合するために、実質的に司直方向に延びて垂直方向に弾性的であるように弾性的な又は弾性的に支持されたピンで構成されている。図示のように、共通の（ここでは垂直に配置されている）又は個別の（ここでは水平に配置されている）挿入ガイドは、各収容部８，４０への及びこれらからの使い捨てカートリッジ２及び／又は交換型電極板４１の容易な除去と同様に安全且つ正確な挿入を容易にする。
【００７４】
図９が示しているのは、一般的なマルチレベルの「器具のプラットホーム」、即ちエレクトロウェッティングによって液滴を操作しようとしたとき、常に必要とされる全ての共通モジュールを有する標準的なベースユニット７を備えるデジタルマイクロフルイディクスシステム１の概略図である。このようなモジュールは、例えば、デジタルアナログ（Ｄ／Ａ）基板４５と、高電圧リレーモジュール４６と、カートリッジクランプモジュール４７又はカートリッジ２を交換型ＰＣＢ４１に固定するための（Ｏリング５３を有する）真空機構４９と、ベースユニット７の中央制御ユニット１４に読み込まれることが好ましい組み込みソフトウェア５１と、タッチスクリーンで構成されることが好ましいグラフィックユーザーインターフェース（ＧＵＩ）５２とを備える。
【００７５】
液滴２３中に含まれるサンプルの分析（例えば蛍光発光の片側光学検知又は吸光度の透過性光学検知）用の光学モジュール４８のような追加的なモジュール、又は、磁気ビーズを引きつけるための磁気アクチュエータモジュール５０は、全てのデジタルマイクロフルイディクスシステム１に又は必要なときのみ一体化されてもよい。一連の特定の実験又は分析を実行するためのこのような「器具のプラットホーム」は、各実験又は分析に適した交換可能なＰＣＢ及び交換可能なカートリッジのセットをさらに備える独立型器具として構成されている。
【００７６】
電装基板接点素子４２及び電装ベースユニット接点素子４３の異なる配置は、本出願を読んでいる当業者の選択の範囲内である。
【００７７】
疎水面１７に付着する液滴２３中のサンプルを操作する方法は、使い捨てカートリッジ２の下層３の第１の疎水面１７’を設けるステップを含んでもよい。この下層３は、デジタルマイクロフルイディクスシステム１の電極アレイ９の上方で実質的に平行に配置されている。上記の電極アレイ９は、第１平面内で延び、デジタルマイクロフルイディクスシステム１のベースユニット７の下基板１１によって支持されている複数の個別電極１０を備える。上記電極アレイ９は、上記電極アレイ９の個別電極１０の選択を制御し、エレクトロウェッティングによって上記第１の疎水面１７’上の液滴２３を操作するためにこれらの個別電極１０に個別の電圧パルスを供給するデジタルマイクロフルイディクスシステム１の中央制御ユニット１４に接続されている。また、その方法は、上記の第１の疎水面１７’に実質的に平行で一定の距離の位置に第２の疎水面１７”を設けるステップをさらに含んでもよい。このように、第１の疎水面１７’と第２の疎水面１７”との間に隙間６が形成されている。好ましくは、このような隙間６は、スペーサー５によって画定され、このスペーサー５は第１の疎水面１７’を備える下層３及び第２の疎水面１７”を備える上層４を備える。この方法は、上基板１３を有するカバープレート１２を設けることをさらに含んでもよい。また、カバープレート１２は、電極アレイ９に対して実質的に平行で、第２平面内で延びている導電性部材１５を備える。特に好ましくは、カバープレート１２の導電性部材１５は、液滴２３中のサンプルを操作する間、個別の電位源には接続されていない。
【００７８】
図示の又は説明した全ての実施形態では、使い捨てカートリッジ２の隙間６は、シリコンオイルで実質的に満たされていることが好ましい。また、常に好ましくは、カバープレート１２の下層３及び上層４は、完全に疎水性であるか、又はカートリッジ２の隙間６に露出した疎水面１７’，１７”を備える。使い捨てカートリッジ２の隙間６を有する少なくとも１つの液滴２３をエレクトロウェッティングして操作した後、使い捨てカートリッジ２がまだカートリッジ収容部８にある間、操作又は分析の結果を評価できる。即ちデジタルマイクロフルイディクスシステム１又はデジタルマイクロフルイディクスシステム１が一体化されているワークステーションの分析システムを利用する。これに代えて、使い捨てカートリッジ２は、デジタルマイクロフルイディクスシステム１のベースユニット７から取り出し、別の場所で分析されてもよい。
【００７９】
分析後、使い捨てカートリッジ２は処分でき、電極アレイ９は再利用できる。第１又は第２実施形態のカートリッジ２を使用して作業する場合、デジタルマイクロフルイディクスシステム１の構成要素はサンプル又は試薬と接触しないので、他の使い捨てカートリッジ２のこのような再利用を中間洗浄することなく直ちに行うことができる。第３又は第４実施形態のカートリッジ２を使用して作業する場合、デジタルマイクロフルイディクスシステム１のカバープレート１２の貫通孔１９はサンプル又は試薬と接触する場合があるので、他の使い捨てカートリッジ２のこのような再利用は中間洗浄の後に又はカバープレート１２の交換の後に実行できる。
【００８０】
本発明の目的は、エレクトロウェッティングによって液滴２３を操作する間、電極アレイ９から及び上部のプレート１２からの液滴２３を分離する取り外し可能で使い捨て可能なフィルムを提供することである。上記の明細書中に示されている使い捨てカートリッジ２を自蔵する６つの異なる実施形態に図示のように、取り外し可能で使い捨て可能なフィルムは、カートリッジ２の下層３及び上層４として設けられていることが好ましい。
【００８１】
好ましい実施形態では、カートリッジ２の下層３は、真空によってＰＣＢに吸引されている。ＰＣＢの小さな排気口はこの目的のために真空ポンプに接続されている。下層３へのこのような真空吸引を行うことで、電極アレイ９の面に対するカートリッジ２の下層３の良好な接触のための他の液体又は接着剤の使用を回避できる。
【００８２】
当業者にとって合理的である、ここで開示されているものと異なるカートリッジ２の実施形態の特徴の任意の組み合わせは、本発明の要旨及び範囲に含まれている。
【００８３】
各場合において特に記載されていなくても、図に示された参照符号は、本発明の交換型電極板４２及びデジタルマイクロフルイディクスシステム１の同一要素に言及している。
【符号の説明】
【００８４】
１  デジタルマイクロフルイディクスシステム
２  使い捨てカートリッジ
３  下層
４  上層
５  スペーサー
６  隙間
７  ベースユニット
８  カートリッジ収容部
９  電極アレイ
１０  個別電極
１１  下基板，ＰＣＢ
１２  カバープレート
１３  上基板
１４  中央制御ユニット
１５  導電性部材
１６  ヒンジ
１７  疎水面
１７’  第１の疎水面
１７”  第２の疎水面
１８  穿孔機構
１９  貫通孔
２０  穿孔ピペットの先端
２１  区画
２２  追加的な穿孔機構
２３  液滴
２４  誘電体層
２５  挿入ガイド
２６  使い捨てピペットの先端
２７  穿孔ピン
３１  穿孔可能な膜
３２  分離棒
４０  基板収容部
４１  交換型電極板
４２  電装基板接点素子
４３  電装ベースユニット接点素子
４４  ＰＣＢ縁部
４５  デジタルアナログ（Ｄ／Ａ）入出力（Ｉ／Ｏ）基板
４６  高電圧リレーモジュール
４７  カートリッジクランプモジュール
４８  光学モジュール
４９  真空機構
５０  磁気アクチュエータモジュール
５１  組み込みソフトウェア
５２  グラフィックユーザーインターフェース（ＧＵＩ）
５３  Ｏリング
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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