(57)【要約】【課題】小さな滴のようにサンプルの体積が小さい場合に、サンプル内で生じるエンタルピー変化に対して、サンプルの表面からの蒸発による熱損失の影響が小さくなるような検出システム及び方法を提供する。【解決手段】検出装置と反蒸発装置とを備える検出システム及び検出方法であって、反蒸発装置に設けられたキャビティ４２が、分析物を含む滴５２を配置するためのセンシング領域４４を実質的に取り囲むことによって、滴５２からの蒸発を制限することを特徴とする。【選択図】図３
2006201169.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの小滴を合体し且つ前記滴の合体によって生成された電位信号を検出するように構成された領域を備える検出装置と、
前記領域を少なくとも実質的に取り囲み且つ前記領域からの蒸発を制限するように構成された反蒸発装置と、
を備えることを特徴とする検出システム。
【請求項２】
前記検出装置がナノカロリメータであることを特徴とする請求項１に記載の検出システム。
【請求項３】
前記反蒸発装置が、前記領域を少なくとも実質的に取り囲むキャビティと、前記キャビティから間隔を空けたキャップを通る複数の通路とを含み、
前記通路が、前記検出装置への電気的接続を提供する部材を受容するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の検出システム。
【請求項４】
信号を検出する方法であって、
潜在的に反応性を有する化学溶液の滴を滴合体領域内の検出装置の上に配置するステップと、
反蒸発装置を前記滴合体領域の周囲に配置して、前記滴合体領域の周囲にシールを形成するステップと、
潜在的に反応性を有する化学溶液の前記滴を合体するステップと、
前記合体した溶液滴の内部に生じる信号を測定するステップと、
を包含することを特徴とする方法。
【請求項５】
前記滴に加えて、前記滴合体領域に流体源を提供するステップをさらに包含することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
カロリメータ計測はエンタルピー変化を測定するために使用され、これは、反応、相変化、分子構造の変化、温度変動、及び特定の試料に対して生じ得る対象となっている他の変化から生じるエンタルピー変化を含む。一連の状態に渡ってエンタルピー変化を測定することによって、他の熱力学的変数が導出され得る。通常、熱量計測は、生物理的及び生化学的研究において、試料における生化学的反応の徴候としてエネルギー変化を決定するために使用される。マイクロカロリメータにおける又はその近傍での生化学反応の正確な検出及び測定のために、サンプリングされた媒体の非常に小さな体積、例えば小滴を必要とし、且つ多数の反応を迅速に測定する方法で適用されることができる超小型マイクロカロリメータ装置を開発することに、非常に大きな関心が持たれている。
【背景技術】
【０００２】
既知のカロリメータ装置は、基板上に置かれた滴合体電極及び温度計を含む。蛋白質の滴及びリガンドの滴は、電極を備える滴合体装置の上の異なる位置に置かれることができる。隣接する２つの電極間に電圧差が印加されると、その静電気力によって、蛋白質滴とリガンド滴とが合体するように、それぞれの滴が互いに向かって移動させられる。温度計は、蛋白質滴とリガンド滴とが合体するときに、それらの間の任意の反応から生じる温度上昇を検出する。反応に基づく温度上昇は一般的には非常に小さく、例えば熱の放散を介した任意の熱損失が試験結果に影響を及ぼし得る。
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０１８６４５３号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０１８３５２５号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００２／００９３０７０号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００３／０１５２１２８号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００４／００３８２２７号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００４／００３８２２８号明細書
【特許文献７】米国特許第６，３８０，６０５号明細書
【特許文献８】米国特許第６，５４５，３３４号明細書
【特許文献９】米国特許第６，１９３，４１３号明細書
【特許文献１０】米国特許第６，０９６，５５９号明細書
【特許文献１１】米国特許第６，０７９，８７３号明細書
【特許文献１２】米国特許第５，９６７，６５９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば滴のようにサンプルが小さいときには、サンプルからの蒸発は、対象となるエンタルピー変化に比べて顕著な熱効果を導くことができる。小さい滴は比較的大きな表面積対体積比を有するので、表面領域からの蒸発束は、大きなものになることができるエンタルピー束を備える。測定中に、蒸発からの熱束が対象のエンタルピー変化に比べて大きくなりすぎると、蒸発が問題になる。超小型カロリメータにおいて、サンプルからの蒸発を最小限にし、それによってこの問題を最小限にする一方で、小滴を備えるサンプルを含む小さいサンプルを使用することによる利点を維持する装置を有することは、有益である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
検出システムは、検出装置と反蒸発装置とを備える。検出装置は、少なくとも２つの小滴を合体し且つ前記滴の合体によって生成された電位信号を検出するように構成された領域を備える。反蒸発装置は、前記領域を少なくとも実質的に取り囲み且つ前記領域からの蒸発を制限するように構成されている。
【０００６】
相互反応が小さなサンプル材料に引き起こされる検出装置と共に使用される反蒸発装置は、検出装置の少なくとも一部を覆う寸法を有する実質的に平坦な部材を含む。少なくとも一つの延在している部材がこの平坦部材に対して実質的に垂直に延びていて、検出装置に接触するように構成された遠端を含む。
【０００７】
信号を検出する方法が、潜在的に反応性の化学溶液を滴合体領域内の検出装置の上に配置するステップと、反蒸発装置を前記滴合体領域の周囲に配置して、前記滴合体領域の周囲にシールを形成するステップと、潜在的に反応性の化学溶液の前記滴を合体するステップと、前記合体した溶液滴の内部に生じる信号を測定するステップと、を包含する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１を参照すると、カロリメータ１０のこの実施形態は、サポート１４の上に搭載された薄膜又は基板１２を含む。描かれた実施形態における基板は、厚さ１２．５又は２５μｍのデュポン・カプトンのようなプラスチック材料からできている。描かれた実施形態におけるカロリメータは、ナノカロリからマイクロカロリの範囲の非常に小さなエンタルピー変化を検出するために使用され、当該技術ではナノカロリメータ又はマイクロカロリメータとして知られている。カロリメータは、９６要素アレイのような分析装置の一部であることができる。９６素子分析装置に対しては、各サイトは典型的には一つのカロリメータを含み、２０ｎＬ〜１０ｎＬの範囲の分析体積を有する。
【０００９】
図１及び図２を参照して、電極１６のような滴合体装置と温度計１８のようなセンシング装置とが、基板の上部又は第１の表面２２の上に位置している。滴合体装置１６は、当該技術で既知の任意の薄膜堆積プロセスを使用してパターニングされた金属薄膜であることができる。電極は、各々の側で約１０ミクロンから８ｍｍの範囲のサイズであることができ、滴を合体するために一緒に使用される隣接した電極は、約１μｍ〜約５００μｍの範囲のサイズであることができるギャップによって互いに隔てられていることができる。温度計１８はサーミスタを備えることができ、これは、駆動用電源と、サーミスタによってセンシングされた入力を表示、保存、及び／又は取り扱うための外部装置とに接続されている。この場合、温度計１８は、所望の温度変化の測定を可能にするために十分に高い抵抗温度係数を有するサーミスタ材料を備えており、温度計測は、上述の電源を使用して電流がサーミスタを通過するときに可能である。したがって、サーミスタ素子に対しては、サーミスタ及びサーミスタを通過して流れる電流の両方が、抵抗温度計１８の要素である。銅膜２４のような伝熱性膜が、センシング領域の熱平衡のために、本実施形態の基板１２の下部又は第２の表面２６の上に設けられている。他の実施形態では、温度計は他のタイプの温度センシング素子であることができ、例としては、熱電対、熱電対の接合であるサーモパイル、温度に依存したたわみを有する微細形成されたカンチレバーのような温度感受性機械素子、及び当該技術で既知の他の温度感受性素子を含む。赤外線温度検出器のような離れた位置からセンシングする温度計も、使用されることができる。
【００１０】
電極１６は絶縁性／誘電体層（図示されず）で囲まれており、これは約０．１μｍ〜約２５μｍの範囲の厚さであり得る。適切な材料の例は、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化タンタル、又は、パリレン（例えばパリレンＮ、Ｃ、Ｄ、ＨＴ）、デュポン・テフロンＡＦ、３Ｍフルオラド（Fluorad）、３M  ＥＧＣ１７００、他のフルオロポリマ、ポリシロキサン、ダイアモンド状炭素膜（diamond-like carbon）、又は他のスピンコートされた、スプレーコートされた、ディップコートされた、又は蒸着されたポリマ、又はそれらの組み合わせを含む。合体されるべき滴は、電極１６の上に堆積される。基板に沿った顕著な横方向の動きが望まれる実施形態に対しては、誘電体層の上面は、基板に沿った滴の動きを容易にするために、滴が水をベースにしているときには好ましくは疎水性が高く、滴が油をベースにしているときには好ましくは疎油性が高い。一例として、疎水性表面は、疎水性誘電体層（例えばパリレン）を使用して、又はその誘電体層の最上部に疎水性層を堆積することによって、達成され得る。適切な疎水性材料は、典型的には、デュポン・テフロンＡＦ、３Ｍフルオラド、３M  ＥＧＣ１７００、他のフルオロポリマ、ポリシロキサン、ダイアモンド状炭素膜、又は蒸着あるいはプラズマ堆積されたフルオロカーボンのようなフルオロカーボンを含む。
【００１１】
上述のように、滴合体電極１６を有する領域の上に滴２８が置かれ、静電気力によって滴２８が互いに合体するまで移動するように、２つの隣接する電極１６の間に十分に大きな電圧差が印加される。この合体の結果として熱が放出されることができ、温度計１８がこの熱を測定（例えばセンシング）する。ナノカロリメータ１０は、１μ℃〜１０ｍ℃の温度の増加に対応する反応熱を検出するために使用される。そのような小さな温度の増加を検出するために、温度計からの信号は、できるだけ長い時間（１〜３０秒が望ましい）に渡って平均されて、十分に大きな信号対ノイズ比を達成するべきである。しかし、信号は、滴が任意の反応からの熱を保持する限り平均されることができるのみである。熱の放散は、平均時間を制限する。蒸発熱損失が存在すると、それらは熱の放散に加算され、信号時間を短くする。小滴を備えるサンプルを含む小さな寸法を有するサンプルに対しては、表面積対体積比が大きくなることができるので、蒸発熱損失が有意になり得る。
【００１２】
蒸発熱損失はまた、カロリメータ装置におけるコモンモード排除（リジェクション；rejection）を劣化することもありうる。コモンモード排除とは、対象のサンプルとリファレンスとの間の共通の熱効果の排除を指す。特に、蒸発熱損失はサンプルとリファレンスとの間で全く同じではないので、そのときにはコモンモード排除の有効性は下がる。コモンモード排除は、カロリメータでは、温度における背景ドリフトの影響を最小限にするために使用される。特に、図２において、１対の滴がサンプルを含み、第２のセンシング領域の上の第２の対が非反応性のリファレンス滴を含む。リファレンス滴は、対象となる実際の反応を除く全ての点でサンプル滴と密接に合致するように選ばれ、それらは、例えばサイズ、緩衝液、及び共溶媒において密に合致する。装置の上の温度計は、２つの領域の間の温度差を測定して、コモンモード排除を有する測定を実現するように構成されている。蒸発熱損失が存在し、例えば非対称な環境に対する蒸発損失のために２つの領域に対して実質的に正確に合致しないと、そのときにはコモンモード排除が劣化する。
【００１３】
小さなサンプルサイズは蒸発に関する問題をもたらすことがあるが、滴を備えるサンプルを含む小さな寸法を有するサンプルは、最小のサンプル体積をともなう測定を実行する方法を提供し、これは、測定が高価、貴重、又は得がたい材料を使用するときに重要になることができる。薬品探索又は生命科学研究では、サンプルは、作成が難しいか又は限られたリソースから導かれるかのいずれかの理由から、しばしば貴重である。サンプルはときには完全に特徴付けられてさえなく、材料の多くを「オンデマンドで」作製することを実現不可能にする。例えば、サンプルは、得ることが難しい自然に生じる抽出物であることがあり、あるいは、組み合わせ化学（コンビナトリアル・ケミストリ；combinatorial chemistry）法によって得られる化合物の「ライブラリ」にて限られた量しか利用できない材料であることがある。
【００１４】
小滴を備えるサンプルを含む小さな寸法を有するサンプルは、アレイに対して測定を実行するときにも重要になることができる。アレイの寸法に対する工業標準は、各サイトに対してある寸法を特定し、その標準内にあることが望ましい。例えば、薬品探索用途及び自動化実験室計測のための９６サイトのマイクロアレイに対する工業標準は９ｍｍピッチを特定し、３８４サイト及び１５３６サイトのマイクロアレイに対するピッチは、それぞれ４．５ｍｍ及び２．２５ｍｍである。複数の滴がそのようなアレイのサイトに位置されるべきであるならば、それらのサイズは、対応して小さくなければならない。例えば、図１及び図２に示されるカロリメータ装置に対して、各々の個々の装置が９ｍｍ又はより小さいピッチを有するならば、滴は、装置の合体／センシング領域にフィットするために、約１〜２ｍｍ又はそれより小さい直径を有していなければならない。装置は、好ましくは工業標準の９６サイトアレイの９ｍｍピッチ以内にフィットし、パッド、絶縁領域、及び２つのセンシング領域が全て各々の個々の装置に対して利用可能な空間のいくらかを必要とするので、図１及び図２に示される滴に対しては限られた空間しか残さない。マイクロアレイの寸法に関して標準に合致することの利点が、明らかに存在する。例えば、標準に合致することで、自動化実験室計測のために利用可能な他のツールとのより容易な一体化を可能にする。これは、中程度の及び高いスループットの測定を利用する研究用途及び薬品探索努力の両方において重要である。
【００１５】
温度計及び滴合体電極への電気的接続は、図２のパッド３０を使用して達成されることができる。例えば、これらのパッドはポーゴーピン（pogo  pins)で接触されて、電気的接続を達成することができる。ポーゴーピンは、それが重要である場合には低い熱伝導性を有するように選択されることができる。
【００１６】
小さいサンプルを使用するように想定された他のタイプの超小型カロリメータが存在する（例えば、特許文献７から特許文献１１参照）。本開示における教示は、図１及び図２に記述されたカロリメータの実施形態に加えて、超小型カロリメータのこれら及び他の実施形態に適用されることができる。
【００１７】
開示されている装置及び方法は、蒸発のための表面積がサンプル体積に比較して十分に大きく、信号がサンプリングされる時間に渡って積分されるときにサンプルの熱容量（質量×比熱）に匹敵する蒸発熱束を生じさせるときに、特に有用である。大きな表面積対体積比は、小さなサンプル（典型的には体積５０μＬ未満）にて、ならびに基板を濡らすか又はスタンディングが無い薄膜で、生じることができる。
【００１８】
本開示の教示はまた、装置の目的が温度変化を直接的に検出することではなくても、熱又は体積の影響が重要で且つ蒸発の結果として生じる熱効果又は体積変化の制御が重要である他のタイプの装置にも、適用されることができる。例えば、本開示の教示は、熱効果が所望の状態変化を引き起こすために使用されるか、又は熱効果がその中のサンプル又は試料を駆動又は動かすために使用されるか、又は正確な分析が試料体積の正確な制御を必要とするような小型装置（典型的には体積が５０μＬ未満の小さいサンプルを備える操作のために使用される）に適用されることができる。予期される測定の例は、蛍光検出、放射性ラベルの検出、電気化学的検出、表面プラズモン共鳴の測定、表面の変化のアコースティック検出、及びＤＮＡ分析を備える分析を含む。そのような分析の多くにおいて、分析の精度はサンプルの明確な濃度を必要とするので、サンプルの蒸発に伴う濃度変化は望ましくない。そうでなければ、望まれない又は期待されない反応（例えば、非特異性の結合（binding）又は親和力が低い結合を含む反応）が生じるか、あるいは、量的に増加する。また、複数の核種及びステップが関与する反応において、蒸発によって引き起こされる濃度変化は、分析の質を減少させるような方法で反応のバランスを変えることがある。
【００１９】
実施形態において、本開示の教示は、滴又は他の離散したサンプル要素が接触させられて相互反応を開始するときに適用されることができ、その相互反応に関連する過渡信号を検出することが重要である。例えば、図１及び図２のカロリメータでは、滴は合体して混合し、結合したリファレンス滴に対する結合したサンプル滴の温度差が測定される。そのときこの信号は、対象となるある相互反応の存在又は欠如に対応する。十分な時間が与えられれば滴の相互反応からの熱は周囲に放散するので、この温度差は過渡的である。蒸発が過渡信号を変化させうるときには、本開示に記述されている適切なキャップを使用して蒸発率を制限することが期待される。
【００２０】
実施形態では、蒸発は望まれない過渡現象を引き起こし得る。その場合、本開示に記述されたキャップが使用されて、そのような過渡現象を最小化するか、又は実質的に除去することができる。例えば、蛍光又は放射能の測定では、蒸発があることは望ましくないことがある。蛍光のように信号が短すぎるとき、又はその変化が蒸発のために速すぎるか、又は品質検出（すなわち一定水準の信号対ノイズ）のために十分な時間を確保する前に蒸発のために滴が実質的に消滅するならば、過渡信号が望ましくないことがある。蒸発を制限する装置なしに周囲に露出された小さな滴に対しては、滴は数分又は数秒で蒸発する傾向にあるが、ここで開示されたキャップは、蒸発を十分に減速して、そのような信号の検出のためにより多くの時間を可能にする。蒸発の減速はまた、蛍光性核種又は放射性物質でラベルされた核種の濃度の対応する変化も減速する。
【００２１】
図１及び図２によって記述される実施形態における熱放散は、４つの異なるチャンネル、すなわち、支持媒体を通じた伝導、電気的接続を通じた伝導、周囲環境を通じた伝導、及び蒸発を通じて生じる。滴からの反応熱の蒸発による放散に対する特性時間は、以下の式を使って推定されることができる。
【数１】
2006201169.tif 000003
ここで、ｍは滴の質量、ｃｐは定圧比熱、ΔＴrxnは反応による温度上昇、ｈは蒸発率、ｈssは反応がないときの蒸発率である。滴から離れる水蒸気束が拡散的であると推定すると、そのときには、蒸発率は以下の式を用いて推定されることができる。
【数２】
2006201169.tif 000004
ここで、Ａは気相に露出される滴の面積、Ｄは（滴が水性である場合に対する）気相における水分子の拡散率、∇ｃは水蒸気の濃度勾配である。この場合、気相の対流運動は最小化又は除去されるが、他の実施形態では、水蒸気の動きが完全に拡散的ではないことがあることが認識されることができる。滴の表面における水蒸気の濃度が滴の温度における飽和濃度に等しいときには、そのときには以下の式が成立する。
【数３】
2006201169.tif 000005
ここで、ＭＷは水の分子量で１８ｇ／mol、Ｒは気体定数、Ｔは温度、Ｐsatは所与の温度Ｔにおける飽和蒸気圧である。勾配の大きさを推定するための適切な長さスケールは、顕著な対流がなければ滴の半径である。上記の式を組み合わせて且つ（Ｃ−Ｃss）がΔＴrxnに対応することを認識すると、以下の式が得られる。
【数４】
2006201169.tif 000006
ここで、ａdropは滴の半径である。
【００２２】
密度１ｇ／ｃｍ２、Ｃｐ＝１cal／ｇ／℃、ａdrop＝５７６μｍ（半球状の滴）、ΔＨvap＝５７６cal／ｇ、Ａ＝２πａdrop２、並びにＤ＝約０．２ｃｍ２／secである空気中の４００ｎＬの滴に対して、３７℃ではτ＝４秒であり、５℃ではτ＝２５秒である。わかるように、より高い温度での処理は、積分時間が短くなるので、信号検出をより困難にする。蒸発を介して生じる熱放散を制限するために、キャップ及び／又はフレームのような反蒸発装置が、上述されているようなカロリメータ、又は以下により詳細に記述されるカロリメータアレイのセンシング領域の上方に置かれることができる。反蒸発装置は、気相における水の濃度を増やすように作用するが、多くの場合、気相における対流を減少させるようにも作用する。
【００２３】
図３を参照すると、弾性キャップ４０は複数のキャビティ４２を含み、カロリメータアレイ４８の上部表面４６の上に又は隣接して配置されたセンシング領域４４を、少なくとも実質的に及び完全に囲むことができる。カロリメータアレイ４８は、図１及び図２を参照して記述されたカロリメータのような複数のカロリメータを含むことができる。しかし、センシング領域４４及びカロリメータアレイ４８は、電極及び温度計を有して電極が液滴を動かすために使用されるカロリメータのみに限定されるものではない。センシング領域４４は、集積装置の上に、分析物を含む滴５２が微細製造されたカロリメータを直接連通する領域を含むことができる。例えば、参照によって援用される米国特許及び米国特許出願はそのような微細製造されたカロリメータを開示しており、センシング領域は、分析物が置かれて温度測定が行われる領域を含んでいる。したがって、以下に記述されるキャップ及び／又は反蒸発装置とともに動作するように記述されたカロリメータアレイ４８は、分析物の蒸発を制御することが望まれる任意のそのようなマイクロカロリメータ又はナノカロリメータであることができる。図３のカロリメータアレイは、銅ブロックであることができるヒートシンク５０の上に搭載されることができる。
【００２４】
図３に描かれている実施形態のキャップ４０は、ポリ（ジメチルシロキサン）（「ＰＤＭＳ」）のような弾性ポリマから形成されることができる。弾性材料は、カロリメータアレイ４８の上部表面４６に対して押し付けられたときにシールを形成し、液滴５２からキャビティ４２の外への質量移動を少なくとも実質的に防ぐ。ポーゴーピン５８は、アレイ４８の上のパッドへの電気的接続、例えば図１及び図２に描かれている滴合体装置１６及びセンシング装置１８への接続を提供するために、キャビティ４２の周囲のシールを破ることなくキャップ４０に挿入されることができる。また、ビア（図示されず）が弾性キャップ４０を通って形成されることができ、カロリメータアレイ４８の電気的素子、例えば図１及び図２に描かれている滴合体装置１６及びセンシング装置１８への電気的接続を提供する。
【００２５】
ナノカロリメータ法の一つの実施形態では、各滴５２は、典型的には約２５０ｎｌであり且つ約１／２ｍｍの高さを有する。図３に描かれたデザインの実施形態に対しては、各キャビティ４２は約３ｍｍの高さを有し、これはキャビティの内側表面と滴５２との間の空気がキャップ４０から滴を熱的に絶縁することを可能にする。しかし、代替的な実施形態では、滴はキャビティの内側表面に接触することができる。滴のサイズは変わってもよく、キャビティの寸法は、異なる体積を有する滴を収容するように変更されることができる。滴合体電極を有する実施形態では、各キャビティ４２はまた、少なくとも１セットの滴合体電極及びそれぞれの温度計を収容する長さ及び幅を有しており、いくつかの滴合体電極及び温度計を収容するために十分に長くてもよい。他の実施形態では、各キャビティは、複数の滴が合体される領域を収容することができる。複数の電極及び温度計並びに／又は複数の滴を有するセンシング領域を収容するキャビティは、平均化のために同じタイプのサンプルに対して複数のトライアルが実行される場所として望ましいことがある。
センシング領域は、複数の処理が実行される領域を含むことができる。さらに他の実施形態では、カロリメータは滴を動かすための電極を使用せず、代わりに、当該技術で既知の微流体工学又は滴ディスペンシング法を使用した飛沫（ドロップレット；droplet）の注入（インジェクション）のような他の装置及び／又は方法を使用する。
【００２６】
キャップ４０は、キャビティ４２とは反対側で、より堅固なカバープレート５４に取り付けられることができる。プレート５４は、キャップ４０をカロリメータアレイ４６の上側表面４６に対して押し付けるための力が印加されることができる表面を提供することができる。ポーゴーピン５８のような部材を受容するための通路５６が、キャップ４０及びプレート５４を通って提供される。通路５６は、キャビティ４２を通っては延在しない。
【００２７】
図４は、カロリメータアレイ４８とともに使用されるキャップ６０の代替的な実施形態を描いている。キャップ６０はＰＣＴＦＥのような堅固なプラスチックのような堅固な材料から形成されることができ、複数のキャビティ６２及びガスケット又はシール６４を含むことができ、これはセンシング領域４４を少なくとも実質的に取り囲み、且つ完全に取り囲むことができる。ガスケットは、ＰＤＭＳ又はGel-Pak Gel-Film（商標）のような弾性ポリマ、又はカロリメータアレイ４８の上部表面４６に対してシールして滴５２の蒸発を少なくとも実質的に妨げる他の薄膜から形成されることができる。図３に開示された実施形態のように、滴合体装置、センシング装置、及び／又は他の構成要素への電気的接続は、キャップ６０及び／又はガスケット６４を通るビア（図示されず）によって、又はポーゴーピン７２によって、形成されることができる。同様に、キャビティ６２は、図３を参照して記述されたキャビティと同様の構成を取ることができる。
【００２８】
図４に描かれたキャップ６０はカバープレート６６に取り付けられ且つ／又は接触することができ、ポーゴーピン７２を受容する通路６８が、プレート６６、キャップ６２、及びガスケット６４を通って設けられる。通路は、キャビティ６２を通っては延在しない。
【００２９】
図５は、図３及び図４に描かれたカロリメータアレイと同様のカロリメータアレイ９０を描いているが、センシング領域９６の周囲の上部表面９４に形成されたガスケット９２を有する。ガスケットは、スクリーン印刷、フォトリソグラフィ、又は成型のような様々な方法を使用して形成されることができる。ガスケットは、その場に形成されるか、又は別個に形成された後にアレイ９０に締め付けられることができる。ガスケットは、電気的接続及びセンシング領域９６へのアクセスを許容するように構成されることができる。
【００３０】
堅固な材料から形成されたキャップ１００は、ガスケット９２の上に押し下げられて、カロリメータ９０の上に置かれた滴１０２に対して環境的な絶縁を提供する。図３及び図４に描かれた実施形態と同様に、キャップ１００は、センシング領域９６を少なくとも実質的に取り囲む複数のキャビティ１０４を含む。キャップ１００は、その上に力が印加されることができて、キャップ１００をガスケット９２に押し付けるプレート１０６に接触且つ／又は取り付けられることができる。通路１０８がプレート１０６及びキャップ１００を通って設けられて、ポーゴーピン１１２を受容する。カロリメータアレイ９０は、図３及び図４を参照して記述されたカロリメータと同様に、ヒートシンク１１６の上に搭載されることもできる。キャップ１００に対して堅固な材料を使用する一つの利点は、キャップによる水の吸収を最小化することである。シルガード（Sylgard）１８４から形成されたＰＤＭＳキャップのような弾性キャップは、多くの堅固な材料よりも大きな度合いで水を吸収することができ、そのような堅固な材料の例は、テフロン及び関連する材料、デルリン（Delrin）、ＰＣＴＦＥ、ポリプロピレン、及びポリエチレンを含む。
【００３１】
上述のキャップ４０、６０、及び１００があっても、蒸発性の冷却は、凝結から又はキャップが水を吸収した場所から生じ得る。キャップによって覆われた領域内の別個の蒸気源の追加は、凝結及び／又は水を吸収しているキャップによる滴からの蒸発熱束をさらに最小化することができる。キャップによって覆われた領域内の蒸気源の追加は、ポリアクリルアミドのゲル又はセルロースの芯のような液体を保持することができる液体を含む領域又はポーラスな材料のキャップの一部への追加によって、達成されることができる。蒸気源のための液体は、対応する気相濃度を必要とされるだけ密に合致させるために、分析物の溶液の特性、例えば緩衝液濃度及びＤＭＳＯのような共溶媒の濃度を合致させるように選ばれる。いくつかの場合には、キセノン又はアルゴンのような低熱伝導率の非凝縮性ガスも一緒に、キャップによって覆われた領域に供給することが効果的であり得る。
【００３２】
図６を参照すると、キャップ１２０は、説明されたカロリメータアレイと同様であることができるカロリメータアレイ１２２に接触している。カロリメータアレイ１２２は、上部表面１２６の上に配置された複数のセンシング領域１２４を含み、ヒートシンク１３２に搭載されている。キャップ１２０は、上述の材料から形成されることができ、センシング領域１２４を取り囲む複数のキャビティ１３４を含む。キャップ１２０はまた複数の開口１３６を含み、各々の開口はキャップを通って延在し且つ各々のキャビティ１３４と連通して、キャビティ１３４に湿度を供給する。
【００３３】
キャビティ１３４に湿気を供給するために、飽和フェルト１３８又はその他の適切な湿った材料が、キャップ１２０に接触したプレート１４４に規定された液体含有溜り１４２に配置されることができる。通路１４６がプレート１４４に設けられ、液体含有溜りがお互いに連通することを許容する。流体源１４８が通路１４６に連通して、フェルト１３８に流体を供給する。上述のガスケット及び／又はシールと同様なシール又はガスケット１５２がプレート１４４とキャップ１２０との間に挿入されて、プレート１４４とキャップ１２０との間から蒸気が去ることを、少なくとも実質的に妨げる。通路１５４がガスケット１５２に設けられて、飽和フェルト１４２をキャビティ１３４と連通させる。
【００３４】
上述のプレートと同様に、付加的なプレート１５６が液体含有溜り１４２を含むプレート１４４に接触し、圧力がキャップ１２０に印加されることができて、キャップをカロリメータアレイ１２２にシールする。通路１５８がまたポーゴーピン１６２を受容するために設けられ、カロリメータ１２２に対する電気的接触を提供する。
【００３５】
加えて、各々の溜り１４２は、その中に配置された芯を有することができる。芯は全て独立であってもよい、すなわちお互いに接続されていなくてよい。この場合、各々の芯は、測定の前に個々に湿らされる。これにより、各サイトにて異なる液体で芯を湿らせることを可能にし、これは、緩衝液又は共溶媒がサイト毎に異なるときに利点を有することができる。芯がお互いに接続されていないときには、芯はキャビティ１３４の上部、例えば開口部１３６の中に置かれることができるので、プレート１４４は不必要になる。この場合、開口部１３６がキャップの頂部でシールされて、芯が迅速に乾燥することを妨げることを助けることもまた、有用であることができる。
【００３６】
図７は他の実施形態を描いており、キャップ構造はサンプル滴１８２からの蒸発熱束を最小化する。この実施形態では、固いフレーム１５０がカロリメータアレイ１７４の上部表面１７２から上方に延在して、センシング領域１７８を少なくとも実質的に取り囲む複数の壁１７６を形成する。この実施形態では、各々の壁１７６は深さ約３ｍｍであり、これは上述のキャビティの深さと同様の寸法であり、且つ滴は体積が２５０〜５００ｎＬである。フレーム１７０は、それが滴の直ぐ周囲の対流を最小化し且つ蒸気が滴内の液体によって飽和した状態になることを抑制するように作用するとき、滴１８２の配置の時間とキャップ１８４がフレームに接触するときとの間の滴の蒸発を、壁なしのカロリメータに比べて最小化し得る。
【００３７】
キャップ１８４及び固いフレーム１７０は、固い材料、例えばポリプロピレン又はデュポン（商標）テフロン（登録商標）又はＰＣＴＦＥから形成されることができて、キャップ内への蒸気の透過を最小化する。軟らかいガスケット又はシール１８６は、キャップ１８４に取り付けられて且つ下方に延在することができて、ハードフレーム１７０とハードキャップ１８４との間にサンドイッチされることができる。ガスケット１８６は、軟らかい（ソフト）弾性体、例えばＰＤＭＳ、Gel-Pak Gel-Film（商標）材料、又は他の適切な材料から形成されることができる。プレート１８８は、キャップ１８４に取り付けられ且つ接触することができる。力がプレート１８８に印加されることができて、キャップ１８４及びガスケット１８６をフレーム１７０に対してシールする。通路１９２は、アレイ１７４への電気的接続のためのポーゴーピン１９４を受容するために設けられることができる。
【００３８】
図８及び図９を参照すると、図７を参照して記述されたキャップ１８４又は上述された他の適切なキャップとともに使用されるフレーム２００が示されている。フレーム２００は固いプラスチックから形成されることができ、カロリメータアレイの上のセンシング領域を取り囲む複数の壁２０２を含むことができる。液体含有領域２０４は、壁２０２の一部を占有して、蒸気をセンシング領域に提供することができる。図８に描かれた実施形態では、芯２０８が液体含有領域に配置される。芯２０８は、滴の配置のために使用されるものと同じ器具で湿らされることができ、カロリメータアレイの上に支持されることができる。芯２０８は、分析物の溶液の特性、例えば緩衝液濃度及びＤＭＳＯのような共溶媒の濃度を合致するために選ばれた液体で湿らされることができる。目的は、芯の液体と平衡状態にある蒸気成分及びサンプル滴と平衡状態にある蒸気成分と合致することである。いくつかの場合には、キセノン又はアルゴンのような低熱伝導率の非凝縮性ガスも、フレーム２００によって囲まれた領域に供給することが効果的であり得る。
【００３９】
図９を参照すると、芯の代わりに、緩衝液滴２１２が液体含有領域２０４に配置されることができる。緩衝液滴は、図８の芯を湿らせるために選択された液体と同様に、（図９のみに描かれた）分析物の滴２１６のＤＭＳＯのような共溶媒を含む特性を合致させるために選択された緩衝液溶液のような溶液であることができる。図８及び図９の両方で見ることができるように、開口２１８が、ポーゴーピン（図８及び図９には図示されていない）を受容するためにフレーム２００に設けられることができる。
【００４０】
図１０及び図１１を参照すると、図６を参照して記述されたキャップ１２０の一例が示されている。図６において、示されているキャップはカロリメータアレイのセンシング領域の全てを覆っているが、いくつかの場合には、一度にセンシング領域のサブセットのみを覆うだけで十分であり得る。図１０及び図１１は、８×１２アレイにおける単一の列のみを覆うキャップを示している。いくつかの場合にはこれで十分であり、例えばアレイが一度に一列のみ測定されるならば、そのときには一度に一列のみを覆うキャップで十分である。他の場合には、アレイ全体に対して単一のキャップを作製して組み立てる代わりに、列毎に一つのキャップのようにアレイを覆う複数のキャップを有する設計を具現化することが、より容易であり得る。アレイ全体に対して単一のキャップが使用されると、そのときには、図１０及び図１１の設計は、その場合に容易に拡張されることができる。図１０及び図１１は、描写目的で、キャップにおけるキャビティの４つ（左側の４つのキャビティ）の切断図を示している。この断面図は、より詳細に描くために描かれており、実際のキャップではこの部分が取り除かれていないことが理解される。
【００４１】
図１２は、キャップ１２０を形成するための成型装置２３０を描いている。この成型装置２３０はベース２３２を含み、その上に複数の箱型部材２３４が搭載されて、キャビティ１３４（図１１）を形成する。箱型部材２３４は、形状又は寸法における変化が望まれるならば、他の構造で置き換えられることができる。ロッド２３６が、箱型部材２３４から上方に、成型装置のカバー２３８を通って延在する。ロッド２３６は、湿度源との連通を許容する通路１３６（図１０）を形成するために使用される。箱型部材２３４から離れて、より細いロッド２４２が、ベース２３２から上方に且つカバー２３８を通って延在する。これらのロッド２４２は、ポーゴーピン１６２（図６）に対する通路１５８（図１０）を形成する。適切な材料、例えば弾性材料に対する試薬又は前駆物質、あるいは堅固なプラスチックキャップの射出成型のための材料が、キャップ１２０の製造のために成型装置に配置される。例えば、ＰＤＭＳキャップは、ベースとシルガード（Sylgard）（登録商標）１８４シリコーンエラストマキットの硬化剤とを適切な比（一般的には重量比で１０：１）で混合し、脱気し、金型内に射出し、その後に硬化することによって、作製されることができる。
【００４２】
図１３は、図３に描かれたキャップ４０を作製するための金型装置２５０を描いている。この金型装置２５０は、図１２に描かれた装置と同様にベース２５２を含み、その上に複数の箱型部材２５４が搭載される。しかし、図１３の金型装置２５０は、湿度源との連通を可能にするための通路を形成するためのロッドは含まない。その代わりに、カバー２５８がベース２５２に搭載されて、ポーゴーピンを受容する通路を形成するためのロッド２６２のみが、ベースから延在している。
【００４３】
図１０及び図１１と同様に、図１２及び図１３は、１列のセンシング素子を覆うキャップを作製する金型の実施形態を示している。これらの設計は、アレイ上のより多くのサイト又はアレイ全体さえも覆うキャップ構造を作製するように、容易に拡張される。あるいは、それらは、望まれるならば、より少ない又は一つのサイトのみをカバーするキャップを作製するように単純化されることができる。
【００４４】
図１４は、ナノカロリメータとともに使用される反蒸発装置の他の実施形態を描いている。カバー又はキャップ３００は、いくつかのポスト３０２によって支持されており、センシング領域３０６の上方に位置される滴３０４の上方のテント状構造を生成する。図１４に見られるように、キャップ３００はセンシング領域３０６の上方に離れて位置して、滴はセンシング領域及びキャップの両方に接触している。滴３０４は側方から注入されて、この実施形態では、その側は開いており、毛細管力がキャップ３００の下の滴を駆動する。滴の射出力も、滴カバーの下の所望の位置への滴の動きを助けるために使用されることができる。キャップ３００は、上述のキャップのために使用される上述の材料のどれからも形成されることができる。キャップ３００はまた、上述のキャップと同様に、カバープレート（図示されず）と協働することができる。
【００４５】
図１５は、さらに他の実施形態を開示する。この実施形態では、キャップ３１０は複数の開口３１２を含み、ここを通じて滴３１４が射出される。キャップ３１０は、センシング領域３１８の上方に複数のサポート３１６によって支持されている。この実施形態では、滴の射出方向が滴３１４の位置を決定する。キャップ３１０及びサポート３１６は、上述の材料のいずれからも形成されることができる。
【００４６】
図１６及び図１７は、ナノカロリメータとともに使用される反蒸発装置のさらに他の実施形態を開示している。キャップ３３０は、センシング領域３３４を含むナノカロリメータアレイ３３２の上に配置されて、センシング領域を覆う。開口３３６がキャップ３３０に設けられて、それを通って滴（図示されず）が配置される。流体チャンネル３３８がキャップ３３０に設けられる。この実施形態では、キャップ３３０はＰＤＭＳのような弾性ポリマから製造されることができ、開口３３６及び流体チャンネル３３８が飛沫を導く。
【００４７】
図１８は、試験装置、例えばナノカロリメータとともに使用される反蒸発装置を含むシステムのさらに他の実施形態を開示している。この実施形態では、キャップ３４０は複数のキャビティ３４２ａ〜ｃを含む（３つのキャビティのみが番号付けされているが、キャップはより多くのキャビティを含むことができる）。この実施形態では、キャビティの一つ３４２ｂが、カロリメータアレイ３４８のような検出装置の上部表面３４６の上に又はそれに隣接して配置されたセンシング領域３４４を少なくとも実質的に取り囲み、且つ完全に取り囲むことができる。センシング領域３４４は、集積化された装置の上に、分析物を含む滴３５２が微細製造されたカロリメータと直接的に連通する領域を含むことができる。他の２つのキャビティ３４２ａ及び３４２ｃ、並びに描かれていない他のキャビティは、犠牲滴３５４が置かれる領域を囲むことができる。犠牲滴３５４を分析物の滴３５２を含むセンシング領域３４４に隣接して配置することによって、高湿度環境がセンシング領域の近傍に形成される。信号が検出されているキャビティ３４２ｂの隣に高湿度環境を配置することによって、キャップ３４０とナノカロリメータアレイ３４８の上部表面３４６との間のキャビティ３４２ｂから、例えばこれら２つの間のシールが完全に不透水性でなくても水蒸気が漏れることができなくなるので、蒸発効果が低減される。
【００４８】
図１８に記述されたシステムは、いくつかの理由から有用であり得る。第１に、キャビティ３４２ａ〜ｃの面積が制約され且つ犠牲又は（図９の緩衝液滴２１２のような）緩衝液滴のための空間を見つけることが困難になり得る。図６に描かれた湿った芯１３８のような湿った芯が使われると、古い材料は芯から取り除かれなければならないので、芯を湿らせるために異なった液体に変えることが困難である。図１８に描かれたシステムはまた、犠牲滴３５４の温度を、検出が行われているキャビティ３４２ｂの内側の温度からよりよく分離し、より迅速な平衡を可能にする。図１８に描かれたシステムはまた、センシング及び／又は検出が行われているキャビティ内に対称的に置かれておらず且つ正しい温度にはない液体源（図８の芯２０８又は図９の犠牲滴２１２）がコモンモード排除の有効性を制限するという問題を避ける。センシング及び／又は検出が行われているキャビティの外側の液体源は、コモンモード排除のために必要とされる対称性を乱すこともできるが、もしこれらの液体源がそこにあって不完全なシールを打ち消すならば、そのときには、必要とされる対称性の乱れは、少なくとも合理的であるが不完全なシールに対して、キャビティ内部の液体源（芯又は犠牲滴）よりも少ないことが期待される。
【００４９】
図１９は、試験装置、例えばナノカロリメータとともに使用される反蒸発装置を含むシステムのさらに他の実施形態を開示している。この実施形態では、反蒸発装置３７０は、上述されたような検出装置の上に置かれることができる。反蒸発装置は、複数の壁又はキャビティ、すなわち外部キャビティ３７２ａ及び測定キャビティ３７２ｂを含む。外部キャビティ３７２ａは犠牲滴が配置される領域を取り囲み、図１８に記述された実施形態と同様に別個の高湿度領域を生成する。図１９にて、犠牲滴が配置される外部キャビティ３７２ａはアレイの外周に位置されて、検出及び／又は滴の合体が行われている測定キャビティ３７２ｂから隔てられている。他の測定キャビティによってのみ取り囲まれている内部測定キャビティに対して、両方の測定キャビティに分析物の滴が存在し、それらの分圧が等しくなる。外部キャビティの隣の測定キャビティに対して、分圧は、図１８を参照して上述した例における外部キャビティと等しくなる。他の例では、８×１２アレイの測定キャビティは、４４個の外部キャビティによって囲まれている。多くの他の代替的な構成もまた、具現化される。上述のものと同様のキャップ又は蓋（図示されず）が、反蒸発装置３７０の上に置かれることができる。
【００５０】
図２０は、試験装置とともに使用される反蒸発装置を含むシステムのさらに他の実施形態を開示している。この実施形態では、反蒸発装置３８０は、上述されたような検出装置３８２の上に置かれることができる。反蒸発装置３８０は、その各々がセンシング領域を少なくとも実質的に取り囲む複数の測定キャビティ３８４（５×５のアレイが示されているが、アレイは多数の異なる構成を取ることができる）と、測定キャビティを少なくとも実質的に取り囲むチャンネル型キャビティ３８６とを含む。この実施形態では、分析物の滴は、測定キャビティ３８４によって囲まれたセンシング領域の上で合体される。液体源はチャンネル型キャビティ３８６に置かれる。代替的な実施形態では、チャンネル型キャビティは、一種の蛇行又はグリッド状パターンで、隣接した測定キャビティの間に設けられることができる。図１９に描かれている実施形態と同様に、キャップ又は蓋は反蒸発装置３８０の頂部に置かれることができる。
【００５１】
上述のように、反蒸発装置の多くの異なる実施形態が、多くの異なる検出装置と共に使用されることができる。これらの検出装置は、熱を測定する装置、並びに蛍光、放射能、及びその他の過渡的な信号を検出する装置を含むことができる。また、多くの異なる検出装置が、過渡信号を検出するために使用されることができる。例えば、温度計又は他の熱検出装置を使用して、エンタルピー変化を測定する。他の既知の検出装置が、蛍光、放射能などを検出するために使用されることができる。検出装置は、滴が合体される表面の上に位置される必要はない。代わりに、検出装置は、滴合体表面から距離を置いて隔てられることができる。ここに開示された反蒸発装置は、サンプルの蒸発の結果として起こり得る有害な効果を制限することができ、及び／又は、過渡信号の検出に対してより多くの時間を許容することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】ナノカロリメータの側断面図である。
【図２】図１のナノカロリメータの平面図である。
【図３】ナノカロリメータアレイ及びそのナノカロリメータアレイのためのキャップの側断面図である。
【図４】ナノカロリメータアレイ及びそのナノカロリメータアレイのためのキャップの他の実施形態の側断面図である。
【図５】ナノカロリメータアレイの他の実施形態及びそのナノカロリメータアレイのためのキャップの側断面図である。
【図６】ナノカロリメータアレイ及び流体源と連通するキャップの他の実施形態の側断面図である。
【図７】ナノカロリメータアレイの他の実施形態及びそのナノカロリメータアレイのためのキャップの側断面図である。
【図８】ナノカロリメータアレイのためのフレーム及びそのナノカロリメータアレイのための湿度源の平面図である。
【図９】代替的な湿度源を示す図８に開示されたフレームの平面図である。
【図１０】ナノカロリメータアレイの一列を覆う図６に描かれたキャップの、部分的に分解された上部斜視図である。
【図１１】図１０のキャップの、部分的に分解された底部斜視図である。
【図１２】図１０に開示されたキャップを製造するために使用される成型装置の、部分的に分解された頂部斜視図である。
【図１３】図３に開示されたキャップを製造するために使用される成型装置の、部分的に分解された頂部斜視図である。
【図１４】ナノカロリメータアレイ及びキャップの他の実施形態の断面図である。
【図１５】ナノカロリメータアレイ及びキャップの他の実施形態の断面図である。
【図１６】ナノカロリメータアレイ及びキャップの他の実施形態の断面図である。
【図１７】図１６のキャップの上面図である。
【図１８】検出装置及びその検出装置とともに使用される反蒸発装置の他の実施形態の側断面図である。
【図１９】検出装置とともに使用される反蒸発装置の他の実施形態の平面図である。
【図２０】検出装置及びその検出装置とともに使用される反蒸発装置の他の実施形態の斜視図である。
【符号の説明】
【００５３】
４０  弾性キャップ、４２  キャビティ、４４  センシング領域、４６  上部表面、４８  カロリメータアレイ、５０  ヒートシンク、５２  滴、５４  カバープレート、５６  通路、５８  ポーゴーピン。
【図１】
2006201169.tif 000007
【図２】
2006201169.tif 000008
【図３】
2006201169.tif 000009
【図４】
2006201169.tif 000010
【図５】
2006201169.tif 000011
【図６】
2006201169.tif 000012
【図７】
2006201169.tif 000013
【図８】
2006201169.tif 000014
【図９】
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【図１０】
2006201169.tif 000016
【図１１】
2006201169.tif 000017
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2006201169.tif 000020
【図１５】
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【図１６】
2006201169.tif 000022
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2006201169.tif 000026