(57)【要約】  マイクロフルイディック駆動装置は、基板と；基板上に形成した導電性電極の第１アレイと；基板上に形成された導電性電極の第２アレイとを有し、これらの第１アレイおよび第２アレイは、第２アレイの各電極の流体駆動方向の幅が第１のアレイの各電極の幅より広く、かつ互いに第１アレイの各電極と第２アレイの電極との隣接する距離が等しくならないように第１アレイ及び第２アレイの電極が配置されるように組み合わせられ、更に、両電極の流体流れ方向の幅及び厚さが、使用時に各電極に印加する交流駆動電圧のピーク特性を変えることで各電極アレイに隣接した流体の流れ方向を制御できるように選択されている。
2005514196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と；基板上に形成した導電性電極の第１アレイと；基板上に形成された導電性電極の第２アレイとを有し、これらの第１アレイおよび第２アレイは、第２アレイの各電極の流体駆動方向の幅が第１のアレイの各電極の幅より広く、かつ互いに第１アレイの各電極と第２アレイの電極との隣接する距離が等しくならないように第１アレイ及び第２アレイの電極が配置されるように組み合わせられ、更に、両電極の流体流れ方向の幅及び厚さが、使用時に各電極に印加する交流駆動電圧のピーク特性を変えることで各電極アレイに隣接した流体の流れ方向を制御できるように、選択されていることを特徴とするマイクロフルイディック駆動装置。
【請求項２】
さらに第１及び第２のアレイの電極に可変の交番電圧を供給する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
電極の一方又は両方のアレイの少なくとも一部分上に絶縁体が設けられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の装置。
【請求項４】
混合効果を得るために二つの反対方向に流体を駆動するように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
さらに第１アレイの電極とほぼ同じ幅をもち、第２アレイの電極と組み合わされ、そして絶縁体によって第１アレイから分離された第３アレイの電極を有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
電極及び基板がＣＭＯＳプロセスの一部として形成されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
流体の流れ内で半導体部品のような素子を動かすように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
マイクロマシンを駆動するように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
生物化学分析プロセス又は薬剤製造プロセスに使用するように構成したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
互いに対向して間に空洞を画定する請求項１〜請求項９のいずれかに記載の二つの装置を備えて栓流によって流体を動かすことを特徴とする装置。
【請求項１１】
二つの流体源から流体を引き、それらの流体を混合し、そしてそれらの流体をポンピングする装置であって、請求項１〜請求項８のいずれかに記載の第１の装置と、電極を第１の装置の電極に対して鏡像配置した請求項１〜請求項８のいずれかに記載の第２の装置と、第１及び第２の装置の合流部位に配置された請求項１〜請求項８のいずれかに記載の第３の装置とを有することを特徴とする装置。
【請求項１２】
少なくとも部分的に拡散反応体室を画定する請求項１〜請求項６のいずれかに記載の装置を有し、さらに少なくとも二つの供給ポート、及び照射光源とフィルタ付き光電検出器とを含む出口を有することを特徴とする拡散反応体モニタ装置。
【請求項１３】
基板を設ける手順と；基板上に形成した導電性電極の第１のアレイ及び基板上に形成した導電性電極の第２のアレイを設ける手順とを含み、
第２アレイにおける各電極の流体駆動方向における幅が第１のアレイにおける各電極の幅より広くなるように且つ第１のアレイの各電極が第２のアレイにおける隣接した電極から等距離位置とならないように第１及び第２のアレイの電極が位置決めされるように第１及び第２のアレイを組み合わせて構成し、また
これら電極に印加する交番駆動電圧のピーク値を変えることで、電極のアレイに隣接した流体の流れ方向を制御する手順を含む
ことを特徴とするマイクロフルイディック駆動方法。
【請求項１４】
流体が、混合作用を得るために二つの対向方向に駆動されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１４の方法を含み、さらに少なくとも二つの供給ポートから流体を供給する手順及び照射光源及びフィルタ付き光学電気検出器を備える出口に混合流体を供給する手順を含むことを特徴とする拡散反応体のモニタ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小容量の流体の動きに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小容量の流体の動きを制御することの重要性が増している。その理由として、バイオテクノロジーの分野においては、一個一個の細胞及びそれらを取り巻く流体を操作する必要があり、このような小容量の動きが重要である。さらに、分析プローブ、薬剤供給システム及び外科用器具のような広範囲の分野において使用するために、マイクロマシンが開発されつつある。前述した仕事を行なうにあたっては、推進機構の構成あるいは流体中に保持された材料の駆動に、流体のポンピングが必要とされている。
従来、小容量の流体の駆動方法が提案されている。これらの駆動方法では、圧電駆動素子が使用されるほか、熱勾配あるいは電磁場が使用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、このようなシステムはしばしば製造工程が複雑であり、そしてそれらシステムによる動作は制御レベルが十分に信頼できるものではない。さらに、全てではないが、ほとんどのものは流体を駆動する向きが単一方向だけである。このことは、このようなシステムで種々の方向に流体を動かそうとする場合には、しばしば部品を重複して設ける必要があり、システムの全体を増々複雑化させ、かつコストを高騰させ、しかも装置の信頼性を低下させることを意味している。
【０００４】
本発明は、上記の問題点の幾つかを解決する小容量流体の駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による小容量流体を駆動装置は、基板と；基板上に形成された導電性電極の第１アレイと；基板上に形成された導電性電極の第２アレイと；を有し、これらの第１アレイおよび第２アレイは、第２アレイの各電極の流体駆動方向の幅が第１のアレイの各電極の幅より広く、かつ互いに第１アレイの各電極と第２アレイの電極との隣接する距離が等しくならないように第１アレイ及び第２アレイの電極が配置されるように組み合わせられ、更に、両電極の流体流れ方向の幅及び厚さが、使用時に各電極に印加する交流駆動電圧のピーク特性を変えることで各電極アレイに隣接した流体の流れ方向を制御できるように、選択されていることを特徴とする。
【０００６】
本発明はまた、第１及び第２のアレイの電極に可変の交流電圧を供給する手段を提供する。
電極の一方又は両方のアレイの少なくとも一部分上に絶縁体が設けられる。
本発明の流体供給装置は、混合効果を得るために二つの反対方向に流体を駆動するように構成される。
【０００７】
本発明の装置は、第１アレイの電極とほぼ同じ幅をもち、第２アレイの電極と組み合わされ、そして絶縁体によって第１アレイから分離された第３アレイの電極を備える。
本発明はまた、互いに対向しかつ間に空洞を画定する上記型の二つの装置を備えて栓流によって流体を動かす装置を提供する。
【０００８】
本発明は、二つの流体源から流体を引き、それらの流体を混合し、そしてそれらの流体をポンピングする装置もできる。かかる装置は、上述した構成の第１装置と、電極が第１装置の電極に対して鏡像配置となった同様構成の第２装置と、これらの第１装置及び第２装置の合流部位に配置された第３装置とを備えている。
本発明の装置は、半導体部品などの素子を流れゆく流体内で駆動するように構成される。
【０００９】
本発明による装置はマイクロマシンを駆動するために使用される。
本発明による装置は、生化学分析プロセス又は薬剤製造プロセス、或いは病原体、細菌又はウイルスを特定するのに使用するように構成される。
対応した方法も提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して本発明の複数の実施形態について説明する。
図１Ａにおいて、導電性電極４、６の平面状アレイ１は第１の組の大きな電極６を有し、これらの大きな電極６は小さな電極４のアレイに隣接して配置され、大きな電極６の各々の一縁部は小さな電極４の各々の一縁部に対向している。電極４、６は基板３上に形成され、基板３はガラス、石英又は珪素のような非導電性材料から成っている。電極４、６は、この例では厚さがほぼ１００ｎｍとなりまた比較的小さな間隔でおよそ２μｍの距離で互いに離間されるように形成されている。電極４、６は、通常金属で形成され、その形成にはリソグラフィ、マイクロマシニング、印刷法、ラバースタンピング又はレーザーマシニングのような技法が利用できる。基板３に電極４、６を良好に接合するために、接着材層９を設けることができる。
【００１１】
使用にあたって、電極には低電圧電位（通常５ボルト以下）が印加される。この電圧は任意の周波数の交流とされ、その電位は電極４，６の表面上の流体内のイオンが局部的に平衡となり得るように十分低いものとされる。これは通常、一価の塩溶液の場合、ｋＨｚ領域の交流電圧とすることを意味している。電圧の印加時に、電極４、６は非一様に帯電して、電極の表面に平行に電位勾配が発生する。この電位勾配により流体７中のイオンは電極４、６の表面を横切って駆動され、流体との摩擦を通して前進流体分子に作用して結果としての流体の流れ(net fluid flow）を生じさせる。この結果としての流体の流れは、関連した対の電極４、６の異方性によって生じられる。図２は本発明の一実施形態を示し、流体の流れ１１は流体中に発生される。
【００１２】
図３は、図１Ａ及び図１Ｂの例の形態において、発生した流体の流速が電極４、６上の高さ１０（図２）と共にどのように変動するかを示している。このグラフからわかるように、内部を通る流体の流れによって装置内に発生した圧力分布のため、流速は高さと共に直線的に変化するものではない。直線グラフは、背圧がない場合の流れの変化状態を示している。しかし、流体の流れが層流であると仮定すると、曲線の形状は流体の流れの相対速度が増加しても同じままのはずである。
【００１３】
図４は、電極４、６に印加する電圧を０．２Ｖｒｍｓ〜１．２Ｖｒｍｓの間の幾つかの値としたとき、この電圧の周波数を変えると流体７の流速がどのように変化するかを示している。印加信号の振幅が増大するにつれて、ピーク値は大きさが増大するとともに周波数が低い値に移行する。これは、隣接した電極４、６を横切る電位が比較的低い周波数では大きく、比較的高い電位及び低い周波数では一層圧搾されるためである。
【００１４】
図５には、本発明のひとつの実施形態が示され、第１の組の電極４、６の上方には第２の基板３上に別の組の電極４、６が配置されている。二つの組の電極４、６は、流体１２に対して栓流分布（plug flow profile）を発生するために必要な十分に短い距離１５で離間されている。距離１５は、電極対の周期まで非常に小さく（１００μｍ又はそれ以下の領域）でき、電極４、６で発生した力の駆動特性により、流体１２の粘性には関係しない。これは、形成される通路の側部から力が発生され、典型的なポンピング法の場合のように中央からではなく、むしろ装置の縁部から前方へ流体１２を引くからである。参照線１４は流体１２の速度分布を示す。図５の形態は、ＤＮＡ鎖に関連した利用のような特殊な領域における利用において、別の利点をもたらすことが認識されるべきである。例えば、頂部の組及び底部の組の電極４、６を適切に整列することにより、ＤＮＡ鎖を所望の仕方で操作するために、流体中のＤＮＡ鎖を引き伸ばす高電場を発生させることができる。
【００１５】
これらから、印加電圧電位の大きさ及び周波数の慎重な選択と共に電極４、６の相対寸法及びそれらの間の隙間を適切に選択することによって、流体７の流れの方向は印加電圧電位の周波数及び大きさに依存して変化し得ることが解る。これに関連した理論について、以下図９を参照して説明する。
【００１６】
しかし、可逆流れの発生については、大きな電極と等価なコンデンサと、抵抗と、第２のコンデンサ（隣接した小さな電極と等価な）との直列回路として把握できる、電極の等価回路を考えることによって説明できると考えられる。各電極上に二重層があるとすると、交流電位がこの層に印加されると、小さい電極上の二重層を横切る電位は大きい電極上の二重層を横切る電位より二つの電極の幅の比に等しい量だけ常に大きくなる。これは、小さい電極の面積が（電極の長さが等しいと仮定して）ｋ倍小さければ、ｋ倍小さな容量を形成するからである。
【００１７】
交流電位の大きさが増大するにつれて、各電極上の二重層を横切る電圧も増大する。結局、小さな電極上の二重層を横切る電位が電極上の流体の電離電位に等しくなるような大きさに達する。この点において、二重層の容量はブレークダウンし始め、電荷が二重層を横切って流れる。言い換えれば、電荷は小さな電極上の流体に注入される。この電荷は、すでに二重層におけるイオンにおける電荷に反発し、それでこれらの電荷はこれらのイオンを中性化する。例えば、流体が水である場合には、酸素と水素が、それらが単純に分解して拡散するのに十分な程度に低い濃度で発生される。大きい方の電極では、二重層を横切る電位降下は水を電離するのに十分な程大きくなく、そのため二重層内にイオンが蓄積される。
【００１８】
印加交流信号の他の半分において印加電位が反転されると、大きい方の電極上の電荷は小さい方の電極に向って電場の線に沿って動く。小さい方の電極上の電荷は大きい方の電極に向って動く。しかし、小さい方の電極上に僅かなイオンが存在し、中和が行なわれ、従って大きい方の電極から小さい方の電極へイオンの塊の流れが生じる。イオンの流れは流体を前進させ、駆動が行われ、ポンピングとして観察される。
【００１９】
従って、図１及び図５の装置では、電極に印加する電圧を選択して、流れの所望の大きさ及び方向に依存して電圧の大きさ及び周波数を変える制御装置（図示しない）を組み合わせることができる。例えば、図１Ａ及び図１Ｂの形態の場合、２．２Ｖｒｍｓより大きい電圧は逆流を生成する。これは、装置の構成を変える必要なしに、しかも最少数の構成要素の装置で流量及び方向を電子的に制御できるという利点をもたらす。
【００２０】
装置の融通性（特性の異なる種々の流体を制御する能力および流体流れの制御性を高める能力に関して）を高めるために、上記の実施形態に対して適宜変更がなされ得る。
【００２１】
図６には、上述の実施形態の原理を用いて双方向流体駆動装置を提供するように構成される本発明の別の実施形態を平面図及び斜視図で示している。この実施形態では、小さい方の電極１７は導電性プレート１６に接続され、導電性プレート１６は絶縁性層１８で覆われている。第２の組の小さい方の電極１９は、第２の導電性プレート２０に接続され、そして絶縁性層１８上を通っている。一組の大きい方の電極６は、一対の狭い電極１７、１９の間に組み合わせて設けられている。この形態では、流体は、どっちの組の小さい方の電極１７、１９が、それらに印加された交番電圧で作動されそして駆動されるかに関連して、二つの方向の一方に駆動され得る。第１の組の狭い電極１７が作動される場合には、それらが大きい方の電極６と関連して駆動されると、流体の動きは文字Ａから文字Ｂへの方向である。同様に、第２の組の狭い電極１９が大きい方の電極６と組んで作動され、そして第１の組の狭い電極１７が非作動状態にされると、流体の方向は逆転する。
【００２２】
図７には、二つの流体源から流体を引き、それらを混合し、そして共通の方向へ駆動するのに用いた本発明の別の実施形態の平面図である。これは、組み合わせられた小さい方の電極と大きい方の電極とでアレイ２１、２２、２３を設け、部位Ａ、Ｂから引き入れることができ、アレイ２１、２３の合う場所で混合し、そして第３アレイ２２を介して部位Ｃの方向へ引き出すように、これらの電極を構成することによって実施される。三つのアレイ２１、２２、２３の任意の一つのアレイにおける駆動電圧を増大することによって、流れの方向を変えることができ、それでおそらく流体は部位Ａ、Ｃから引き入れられ、部位Ｂへ駆動される。
【００２３】
図８Ａ及び図８Ｂには、本発明のさらに別の実施形態を平面図及び側部断面図で示す。基板３上には小さい方の電極４及び大きい方の電極６が組み合わさって形成されている。しかし、この実施形態では、電極４、６の選択した部分上には絶縁性材料による条片２４が配置される。絶縁体の条片２４は１０〜３００ｎｍの厚さをもち得る。これは、適切な駆動電圧を電極４、６に印加すると、電極の露出していない部分が条片２４上の方向と反対の方向に流体を駆動するような形態となる。これは、絶縁性の条片２４で覆われた電極４、６の部分が露出した領域で発生されるものと相応した方向に流体を駆動するのを切替えるのに比較的高い電圧を必要とするからである。従ってこれは、装置を横切るような異なる流れ方向が混合領域を形成する形態を提供する。従って、この実施形態は、流体の混合度を高めるために図７の実施形態の中央領域に使用される。
【００２４】
図１Ａ及び図１Ｂの実施形態を参照して説明した形式の電極寸法をもち、上記した領域の絶縁体厚さをもつ例示装置において、絶縁された電極上の流体の流れは、一般に１ボルトＶｒｍｓ以下の電圧で絶縁されてない電極上の流体の流れと反対の方向である。絶縁された電極上の流体の動きの方向は一般に１．２Ｖｒｍｓ以上の値で変化し、絶縁された電極上の流体の動きの方向は１．４Ｖｒｍｓで変化する。
【００２５】
絶縁体で覆った電極は多数の利点をもたらす。電極を水に直接露出させる公知構造では、達成できる最大流体速度は、溶液の電離が始まる前に二重層を横切って掛かる最大電圧により制限される。最大流体速度は、電極の表面上に絶縁性層を設けることにより高めることができる。以下簡単なモデルでなぜそうなるかについて説明する。
【００２６】
電極の表面上の流体の速度は、二重層における可動電荷と二重層上の電極表面に平行な電位勾配又は電場との両方に比例する。
これら二つの要素は、電極の表面に設けた絶縁性層によって溶液の電離の始まる直前の電圧で影響される。絶縁性層を電極の表面上に設けると、溶液の電離の起こる前に装置に比較的高い電圧を印加することができる。しかし、ポンピング機構を生じさせる二重層における可動電荷は二重層を横切る電圧に比例する。従って、溶液の電離の直前に、二重層内の可動電荷は、絶縁性層の設けられない場合と同じである。
【００２７】
しかし、電極表面に平行な二重層上の電場は、絶縁性層のない場合と同じではない。この電場は電極から二重層上の部位への電位降下に比例する。絶縁性層のない場合には、これは二重層の容量で分割した二重層における電荷によって簡単に与えられる。絶縁性層の存在する場合には、この電位降下は、二重層の容量と絶縁性層の容量との両方を横切る。これら両方の容量は直列であるので、これらの結合した容量は二重層の容量より小さい。電位降下は、この容量で分割した二重層における電荷によって与えられ、従って二重層における所与電荷に対して大きい。従って、溶液の電離の直前の印加電圧では、電極に平行な二重層上の電場は絶縁性層の存在しない場合より大きい。大きな電場は、流体形式、印加電圧または電極寸法のような条件に関連して、大きな流体速度又は逆方向の流れを生じさせる。
【００２８】
上記のモデルから明らかなように、二重層の容量が小さくなればなるほど、得ることのできる流体速度は速くなる。しかし、上記モデルでは、最適厚さに対して上限をもたらす種々の近似及び簡単化が行なわれる。電極の有限寸法は、絶縁性層の厚さが電極サイズの相当な部分となるので、最大可能速度を低下させる。要求された駆動電圧はまた、絶縁性層の厚さが増加するにつれて増大する。
理論的に示すと、小さい方の電極サイズは高い速度をもたらすべきである。
【００２９】
図９には、長さスケールを示す基板３上の単一の隣接した狭い及び広い電極形態を概略側面図で示す。図９は電極４、６の各々における二重層及びそれぞれ狭い及び広い電極４、６の電極幅Ｓ、Ｌを示している。電極幅の比率はＫ＝Ｌ／Ｓである。広い電極６が原点ＯからＸｍｉｎ√ｋとＸｍａｘ√ｋとの間までにあり、狭い電極４が原点ＯからＸｍｉｎ√ｋとＸｍａｘ√ｋとの間までにあるようにＸｍｉｎ及びＸｍａｘが与えられる。
【００３０】
最大平均速度をもたらす周波数はωｏ／√（ＸｍｉｎＸｍａｘ）で与えられる。従って、最大速度は主として電極サイズ及び印加電圧の関数である。
小さい方の電極サイズは電極サイズを同じファクタだけ減少することにより約２のファクタで速度を高めることを示した。これは、非常に高い速度でポンピングできる非常に狭いチャンネルへの道筋を満たす。
【００３１】
図１０は、上記の任意の実施形態により電極４、６上の流体の流れの方向にポンピングされる物体２６を示す概略線図である。特性２７は、電極４、６上の高さにより速度の低下する流体の流れのプロフィールを示している。
物体は、物体の周りに形成する境界層を通って下から推進される。本発明では、流れの特性２７は、速度が電極上の高さと共に低下するようにされ、これは、物体が電極表面に浮遊しているところから圧力が低下することを意味している。これは、側部における圧力差が物体を回転させ又は側方へ動かせるので物体をその経路に留める働きをする。物体は直線状に動くように見える。
【００３２】
物体が図７に示す装置の中央に推進される場合、電極２１、２３（訳注：アレイ２１，２３）を付勢しそして電極２２（訳注：アレイ２２）における流体をある圧力に保持することで物体を回転させることが可能であるべきである。この回転はまた図８Ａに示す装置でも達成でき、
物体は二つの反対方向へ流れる流体にさらすようにして配置され得る。装置又は任意の物体を推進する際にそれらの最終方向決めが重要である場合には、回転できることは要求された結果を達成するのに非常に有用である。
電極は前方向及び後方向に流体を駆動できるので、物体は両方向に１００μｍ／ｓ以上の速度で動くことを観察した。
【００３３】
流体中に溶けた二つの異なる化学物質又は生物物質を反応させるのに用いられ得る本発明の別の実施形態を図１１及び図１２に示す。これは、ＣＭＯＳチップの頂部層であり得る二酸化珪素上に構築した８ポート構造体である。中央反応室３０は、異なる速度で流体をポンピングするように構成されしかもギャップの両側で反対方向の流れで数ミクロン横方向に離間された二つの組の電極のような幾つかの形態を取ることができる。例えば同定すべきたんぱく質に結合する小さなマーカ分子を含んだ一つの反応体は非常に高速度でポートＢからポートＣへ溶液中でポンピングされ、一方、たんぱく質はポートＦからポートＥへ比較的ゆっくりとポンピングされる。ある時間（反応の完了）後、反応体はアーム即ちポートＢ、Ｃ、Ｅ、Ｆにおける流れを止めてポートＡからポートＣへポンピングされる。
【００３４】
このプロセスは、反応体なしの領域で分離したアーム即ちポートＤに反応体の短い領域を作るように繰り返される。反応体混合物は第２の室へ移され、そこできれいな流体は混合電極即ちポートＧ、Ｈを介してポンピングされる。大きなたんぱく質に結合しない小さな蛍光分子は、この流れ領域に拡散して出て行く。これらの反応室の幾何学的構造は、小さな蛍光分子が反応室３０を横切って拡散する時間をもつが、大きな分子のほんの僅かな割合だけが一側から他側へ拡散するようにされている。この方法は、小さな蛍光マーカよりゆっくりと拡散する大きなターゲット分子を頼っている。
【００３５】
ある時間経過後、結果としての反応体を観察するとわかるように、たんぱく質には、流れが合流する区分でマーカが付着している。中央領域即ち中央反応室３０は、上記で説明したように駆動電圧を制御することで同じ方向又は反対方向へ異なる速度で流体をポンピングできる二組の電極を備えている。小さな分子はある流れ領域から次の領域へ拡散でき、一方、大きなたんぱく質は反対方向へ拡散する時間がない。その結果、小さなマーカは大きな分子と十分に反応するように十分に供給されることが保証できる。
【００３６】
小さな分子は大きなたんぱく質分子（たんぱく質であり得る）に蛍光を発し、大きなたんぱく質分子がＵＶ光線のもとで蛍光を発するようにさせることができる。それでたんぱく質が蛍光を発するのを観察できる。
ユーザが、ウイルスのような小さな分子又は粒子を同定しようとする場合には、ウイルスは、ターゲット物質を蛍光マーカにさらす前に、大きな分子即ちコロイド粒子と結合できる。
【００３７】
観察者が現在普通に利用されているように蛍光を確認するよりむしろ、ＵＶ光源３１で結果としての製品を照射し、同一チップ上の反応体のもとでフォトダイオード３２における電流を観察する。フォトダイオード２３（訳注：３２の誤り）はフィルタ３３を備え、このフィルタ３３は単に蛍光分子の波長の光を通す。フォトダイオード３２は例えば、直接ポンピングする電極のもとで半導体プロセスを用いて画定したシリコンダイオードであり得る。電極はまたシリコンチップ技術を用いて画定でき、そしてＴｉＮ（窒化チタン）又はＡｌ又はＴｉ又はＴｕで作られ得る。フィルタ３３は、ファブリ−ぺロ干渉計の方法で間に透明絶縁体（窒化チタン又は二酸化珪素）を備えた薄い半透明金属（ＴｉＮ）の複数の層を用いて作られる。
【００３８】
フォトダイオード３２に発生した電流は、大きな分子の数に関連する蛍光マーカの量に関連する。電極の下側のチップにおける回路は、この電流を検出し、存在するターゲット分子の量を表す電気信号をチップから発生するように構成される。
上記の構造体は、１００ミクロンの間隔で分離した頂部及び底部にポンピング電極を備えることができる。チャンネルは幅約１ｍｍ程度あり得る。これらの寸法は、小さいが、製造のコストを低く保つために大きな値にできる。
【００３９】
図１２は、異なる流体を互いに同一又は異なる方向にポンピングできる反応室３０の構成を示す。電極４１、４２は線図の頂部分において左から右へ流体を動かすのに用いられ、一方、電極４３、４４は底部流体を一定に保つ又は流体を右から左へ流体を動かすのに用いられる。反応が完了した後、引抜き電圧及び周波数は、線図の頂部半分及び底部半分において同じ速度で右方へ流体を動かすように調整される。左又は右に対する他の電極はこの段階で反応体混合物を次の段階へ動かすように作動される。
【００４０】
本発明は気体を含んだ領域に流体を導入するのに用いることができないので、反応体と反応しないイオン溶液にチップを浸漬することによりチップを製作しなければならない。多くの実施形態の場合、僅かに塩を含んだ水溶液が適格である。この浸漬処理は、気泡が確実に背後に残らないように超音波浴で実施される。従って装置の頂部は、要求されるまでチップを清潔に保つために穴上に取外し可能な撓み性フィルムが設けられる。ポンピングされることになる流体に背圧が形成されるのを避けるために、穴上の溜めの容積は反応室及びチャンネルの容積に比較して大きいこと（ナノリットルの数十倍）が保証されなければならない。
【００４１】
図１３は装置の側面図である。頂部層５０はプラスチックス材料であり、試験液体の入る溜めを形成するために穴５１がエッチングで形成されている。この頂部層５０の下側の層５２はガラスであり、そして例えば０．３ミクロンの穴があけられ、流体を下側のチャンネル内へ流れ落ち得るようにしている。ガラス層は底部にパターン電極を備え、これらのパターン電極は下側のチャンネルにおける流体の頂部層を駆動するのに用いられる。
【００４２】
このガラス層の下側には（例えば厚さ１００ミクロンの）離間層５３が設けられ、この離間層５３には例えば幅２００ミクロンのチャンネルが形成されている。この層の下側には、底部からポンピングを行なうパターン電極が設けられる。底部電極に接続する接合パッドは各端部に配置され、一方、頂部電極を駆動する接合パッドは、底部チップ５４の側部上にのびるガラス層５２の下側に配置されている。
【００４３】
さらに集積化した解決法（図１４に示す）は、頂部電極を底部チップに接合するのにチップウエハ接合技術を用いている。金属バイアス６０は、頂部電極と底部電極との両方を駆動する電子素子を含む底部チップからの電気接触部を構成している。
【００４４】
本発明は、顕微鏡スケールで混合を行なうことができる。これは従来技術の装置で行なうのには非常に困難であるが、本発明を使用することにより、数十ミクロンの非常に小さな長さスケールでこれを行うことができる。これにより、動き拡散の制限された多くの反応の速度を高めることができる。
【００４５】
混合用の一つの方法は、互いに直角の四つの異なる方向に液体をポンピングするように配列した四対の電極を使用する。かかる構成は図１５に示され、図示した形態の電極は混合のために円のまわりに流体をポンピングする。この領域内に流体をポンピングし、混合の後、排出するように配列した他の電極を設けることができる。
【００４６】
電極は灰色で示され、そして矢印は、対の電極を横切って同じ交流電圧を印加することでこれら全ての電極を作動した場合における各領域にわたる流体の流れを示している。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１Ａ】本発明による装置の平面図である。
【図１Ｂ】本発明による装置の側面図である。
【図２】使用中における図１Ａ及び図１Ｂの装置の流体の流れの概要を示す概略線図である。
【図３】前記図１Ａ及び図１Ｂの装置上の理論的及び実際の流体速度と高さとの関係を示すグラフである。
【図４】前記図１Ａ及び図１Ｂの装置の速度の変化と駆動周波数との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施形態を示す側面図である。
【図６】本発明の別の実施形態を示す平面図及び側面斜視図である。
【図７】本発明のさらに別の実施形態を示す平面図である。
【図８Ａ】本発明のさらに別の発明を示す平面図である。
【図８Ｂ】本発明のさらに別の発明を示す側面図である。
【図９】本発明の実施形態における相対電位を示す側面図である。
【図１０】本発明の実施形態において流体中の成分の駆動への適用を示す側面図である。
【図１１】本発明の概念を使用した拡散反応室の概略平面図である。
【図１２】本発明の概念を使用した拡散反応室の概略平面図である。
【図１３】本発明の実施形態を示す側面図である。
【図１４】本発明の実施形態を示す斜視図である。
【図１５】本発明の概念を使用した混合室の平面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…平面状アレイ、  ３…基板、  ４、６…導電性電極、  ７…流体、  ９…接着材層、  １１…流れ、  １２…流体、  １７，１９…電極、  １８…絶縁性層、  ２０…導電性プレート、  ２１、２２、２３…アレイ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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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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【国際調査報告】
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