(57)【要約】本発明は、流体を収容するレザバからの、約２より大きいＦ番号を有する集束手段を使用する、流体の液滴の音波射出のための方法およびデバイスを提供する。この液滴は基材表面上の指定された部位へと、そこへの沈着のために射出される。１つの実施形態において、このデバイスは以下から構成される：各々が流体を収容するように適合された、複数のレザバ；音波放射を形成するための手段および各々のレザバにおいて流体表面付近の焦点に音波放射を集束させるための大なＦ番号の手段を備えるイジェクター；およびレザバの各々と音波的にカップリングされた関係でイジェクターを位置合わせするための手段。本発明は、多くの状況、特に、生体分子アレイの調製において有用である。
2005502866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材表面上の指定された部位に向けて、流体の液滴を音波により射出するためのデバイスであって、該デバイスは以下：
（ａ）  流体を収容するように適合され、そして実質的に均一な様式で音波エネルギーの伝播を可能とする開口部を有するレザバであって、該開口部が選択された横断面の幅を有する、レザバ；および
（ｂ）  音波放射を形成するための音波放射発生装置、および流体レザバ内に収容された流体の表面から液滴を射出するために、形成された音波放射を集束させ得る集束手段から構成されるイジェクターであって、該表面が該開口部からの有効距離にある、イジェクター、
を備え、ここで、該有効距離  対  該開口部の該横断面の幅の比率が、約２：１より大きい、デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスであって、さらに、以下：
（ｃ）  前記レザバに対して音波カップリングする関係で前記イジェクター（ｉ）を位置合わせするための手段
を備える、デバイス。
【請求項３】
前記比率が約３：１より大きい、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記比率が約４：１より大きい、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
請求項２に記載のデバイスであって、各々が流体を収容するように適合された、複数のレザバを備え、そしてここで、該デバイスが、前記基材表面上に複数の指定された部位に向けて、該複数のレザバの各々から流体の液滴を射出し得る、デバイス。
【請求項６】
前記レザバの各々が、前記デバイスから取り外し可能である、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記各々のレザバが、ウェルプレート中に個別のウェルを備える、請求項５に記載のデバイス。
【請求項８】
前記基材表面上の指定された部位が、ウェルプレート中に個別のウェルを備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記レザバが、アレイに配列される、請求項５に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記レザバが、実質的に音波的に区別できない、請求項５に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記ウェルプレートが、少なくとも９６ウェルを備える、請求項７に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記ウェルプレートが、少なくとも３８４ウェルを備える、請求項７に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記ウェルプレートが、少なくとも１５３６ウェルを備える、請求項７に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記ウェルプレートが、少なくとも３４５６ウェルを備える、請求項７に記載のデバイス。
【請求項１５】
少なくとも約１０，０００個のレザバを備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
少なくとも約１００，０００個のレザバを備える、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
約１００，０００個〜約４，０００，０００個の範囲内のレザバを備える、請求項１６に記載のデバイス。
【請求項１８】
前記レザバのうち少なくとも１つが、約１００ｎｌ以下の流体を収容するように適合される、請求項５に記載のデバイス。
【請求項１９】
前記レザバのうち少なくとも１つが、約１０ｎｌ以下の流体を収容するように適合される、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２０】
少なくとも１つのレザバが、流体を収容する、請求項５に記載のデバイス。
【請求項２１】
各レザバが、異なる流体を収容する、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２２】
前記レザバのうち少なくとも１つが、水溶液を備える、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２３】
前記レザバのうち少なくとも１つが、非水溶液である、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記レザバのうち少なくとも１つが、２つの実質的に不混和性流体を収容する、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記非水溶液が、有機溶媒を含む、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項２６】
請求項２５のデバイスであって、前記有機溶媒がハロゲン化炭化水素、アルコール、アルデヒド、アミド、アミン、カルボン酸、エステル、エーテル、ハロゲン化炭化水素、炭化水素、ラクタム、ニトリル、有機硝酸、有機硫化物、およびそれらの混合物からなる群より選択される、デバイス。
【請求項２７】
前記流体含有レザバのうち少なくとも１つが、生体分子を収容する、請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記生体分子が、ヌクレオチド、ペプチド、オリゴマー、およびポリマーかならる群より選択される、請求項２７に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記生体分子が細胞に結合される、請求項２７に記載のデバイス。
【請求項３０】
前記位置合わせ手段が、各々のレザバからの液滴の射出を可能とするように、前記イジェクターを繰り返し再位置合わせするように適合される、請求項５に記載のデバイス。
【請求項３１】
各々のレザバ中の流体を定温で維持するための手段をさらに備える、請求項５に記載のデバイス。
【請求項３２】
前記イジェクターに対して前記基材表面を位置合わせするための基材位置合わせ手段をさらに備える、請求項３０に記載のデバイス。
【請求項３３】
前記基材表面の温度を低下させるための冷却手段をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３４】
請求項３３に記載のデバイスであって、前記冷却手段が、沈着した流体を、前記基材表面と接触後に実質的に凝固させる温度で、該基材表面を維持するように適合される、デバイス。
【請求項３５】
請求項２に記載のデバイスであって、音波カップリングする関係が、前記イジェクターを位置合わせすることを含み、その結果、前記音波放射が、前記レザバの外側で形成され、そして集束される、デバイス。
【請求項３６】
請求項３５に記載のデバイスであって、ここで、前記イジェクターと前記レザバ中の流体との間の前記音波カップリングする関係が、前記記イジェクターと前記レザバとの間の音波的に伝播性の媒体を備えることによって構築される、デバイス。
【請求項３７】
単一のイジェクターを備える、請求項５に記載のデバイス。
【請求項３８】
基材表面上の指定された部位に向けて流体レザバから流体を射出するための方法であって、該方法は：
（ａ）  デバイスを提供する工程であって、該工程は：
（ｉ）  第１の流体を収容するレザバであって、該レザバが、実質的に均一な様式で音波エネルギーの伝播を可能とする開口部を有し、該開口部が、選択された横断面の幅を有する、レザバ；および
（ｉｉ）  音波放射を形成するための音波放射発生装置、および流体レザバ内に収容された該第１の流体の表面から液滴を射出するために、形成された音波放射を集束させ得る集束手段から構成される、イジェクターであって、該表面が、該開口部から有効距離にある、イジェクター、
から構成され、
ここで、該集束手段からの該有効距離  対  該開口部の該横断面の幅の比率が、約２：１より大きい、工程；
（ｂ）  該流体収容レザバと、音波的にカップリングした関係にあるようにイジェクターを位置合わせする工程であって、ここで、該イジェクターの位置が、該第１の流体の表面から有効距離で離れて集束手段を置く、工程；ならびに
（ｃ）  該イジェクターを作動して、該第１の流体の表面で直径Ｄの焦点スポットを有する音波放射を形成し、これによって該レザバから該第１の流体の液滴を射出する工程
を包含する、方法。
【請求項３９】
前記比率が約３：１より大きい、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記比率が約４：１より大きい、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記射出された液滴が、前記焦点スポットの直径未満である直径を有する、請求項３８に記載の方法。
【請求項４２】
工程（ｃ）の間に２つの液滴が射出される、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記２つの射出された液滴が、第１液滴および第２液滴として沈着され、そして該第２液滴が該第１液滴よりも大きい、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記射出された液滴の各々が、Ｄ未満の幅を有する、請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
請求項３８に記載の方法であって、ここで、前記デバイスは、各々が流体を収容するように適合された複数のレザバを備え、そしてここで、該デバイスが前記基材表面上の複数の指定された部位に向けて、該複数のレザバの各々から流体の液滴を射出し得、該方法はさらに：
（ｄ）  第２の流体を収容する第２の流体収容レザバに対して、音波的にカップリングした関係にあるようにイジェクターを位置合わせする、工程；および
（ｅ）  工程（ｂ）のように、該イジェクターを作動して、該基材表面上の第２の指定された部位に向けて、該第２のレザバから該第２流体の液滴を射出する、工程
を包含する、方法。
【請求項４６】
前記第１の流体および前記第２の流体の射出された液滴の各々が、Ｄ未満の幅を有する、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
２つの液滴が、前記工程（ｃ）または工程（ｅ）のうちの少なくとも１つの間に射出される、請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
前記工程（ｃ）または工程（ｅ）の間に射出される前記２つの液滴の各々が、Ｄ未満の幅を有する、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
請求項３８に記載の方法であって、ここで、前記工程（ｃ）の前に、音波放射のトーンバーストの持続時間が選択され、該持続時間は所望の液滴サイズを達成するのに十分であり、そして前記工程（ｃ）の間に、前記イジェクターが、選択された持続時間の音波放射のトーンバーストを形成し、これによって所望のサイズの液滴を射出するように作動される、方法。
【請求項５０】
請求項３８に記載の方法であって、ここで、前記工程（ｃ）の前に、音波放射のトーンバーストの持続時間が選択され、該持続時間は所望の液滴速度を達成するのに十分であり、そして前記工程（ｃ）の間に、前記イジェクターが、選択された持続時間の音波放射のトーンバーストを形成し、これによって所望の液滴速度で液滴を射出するように作動される、方法。
【請求項５１】
請求項４５に記載の方法であって、ここで、前記工程（ｃ）の前に、音波放射のトーンバーストの持続時間が選択され、該持続時間は所望の液滴サイズを達成するのに十分であり、そして前記工程（ｃ）の間に、前記イジェクターが、選択された持続時間の音波放射のトーンバーストを形成し、これによって所望のサイズの液滴を射出するように作動される、方法。
【請求項５２】
請求項４５に記載の方法であって、ここで、前記工程（ｃ）の前に、音波放射のトーンバーストの持続時間が選択され、該持続時間は所望の液滴速度を達成するのに十分であり、そして前記工程（ｃ）の間に、前記イジェクターが、選択された持続時間の音波放射のトーンバーストを形成し、これによって所望の液滴速度で液滴を射出するように作動される、方法。
【請求項５３】
１つ以上のさらなる流体収容レザバを用いて前記工程（ｄ）および工程（ｅ）を繰り返す工程をさらに包含する、請求項４５に記載の方法。
【請求項５４】
少なくとも２つの射出された液滴が、前記基材表面上の指定された同じ部位に沈着される、請求項４７に記載の方法。
【請求項５５】
前記２つの射出された液滴が、第１液滴および第２液滴として沈着され、そして該第２液滴が該第１液滴よりも大きい、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記射出された液滴の各々が、約１ｐｌまでの容量を有する、請求項４５に記載の方法。
【請求項５７】
各イジェクターの作動工程の前に、該イジェクターと音波的にカップリングした関係で、該レザバ内の流体レベルを測定する工程をさらに包含する、請求項４５に記載の方法。
【請求項５８】
各測定工程が音波で実行される、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
各測定工程が、前記イジェクターからの音波放射を使用して実行される、請求項５８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の射出における集束された音波エネルギーの使用に一般的に関し、より具体的には、大きいＦ番号集束要素を使用する液滴の音波射出に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの特許は、液滴射出における音波エネルギーの使用を記載している。例えば、Ｌｏｖｅｌａｄｙらに対する米国特許第４，３０８，５４７号は、文書上に文字またはバーコードを形成するための、液体の本体から、移動する文書上への液体の排出において音波原理を利用する液滴エミッターを記載する。Ｌｏｖｅｌａｄｙらは、ノズルレスインクジェット印刷機に関し、ここで、制御されたインクの液滴は、そのインクの表面またはその表面より下にある曲線状の変換器によって作成される音波力によって発射される。
【０００３】
このＬｏｖｅｌａｄｙらの特許は、音波エネルギーを発生および集束するための圧電シェル変換器を使用する。いくつかの他の方法もまた、発生した音波エネルギーの集束および液滴の射出のために開発されている。例えば、音波的に照射された球状音波集束レンズは、Ｅｌｒｏｄらに対する米国特許第４，７５１，５２９号に記載されるとおりであり、そしてインターディジタル電極を備える平面圧電変換器は、Ｑｕａｔｅらに対する米国特許第４，６９７，１０５号に記載されるとおりである。現在の液滴イジェクター技術は、ラスター出力スキャナ（ＲＯＳ）のための比較的単純な単一のイジェクター実施形態からより複雑な実施形態にわたる種々のプリントヘッド配置（例えば、行印字のための１次元または２次元のフルページ幅のアレイの液滴イジェクター）を設計するのに使用されている。同時継続中の譲渡され公開された米国特許出願番号：ＵＳ２００２／００３７５７９「Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｅｊｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｆｌｕｉｄｓ  ｆｒｏｍ  ａ  Ｐｌｕｒａｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ」（２００２年３月２８日公開）；ＵＳ２００２／００６１２５８「Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ  ｏｆ  Ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌ  Ｌｉｂｒａｒｉｅｓ」（２００２年５月２３日公開）；およびＵＳ２００２／００４２０７７「Ａｒｒａｙｓ  ｏｆ  Ｐａｒｔｉａｌｌｙ  Ｎｏｎｈｙｂｒｉｄｉｚｉｎｇ  Ｏｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅｓ  ａｎｄ  Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ  Ｔｈｅｒｅｏｆ  Ｕｓｉｎｇ  Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ」（２００２年４月１１日公開）に記載されるような、生物学的材料のアレイの合成における使用もまた、見出される。
【０００４】
しかし、ノズルレス流体射出の開発は、一般的にはインク印刷用途に限定されており、そして約１のＦ番号を有する音波レンズにもっぱら頼っている。残念ながら、低いＦ番号のレンズは、レザバおよび流体レベル幾何学に制限を設け、比較的制限された深度の集束を提供し、そしてレザバ中の流体レベルに対する感度を増加させる。例えば、二分子アレイ用途において、このアレイを構築する種々の二分子材料から、ウエルプレート中の個々のウエル中に通常含まれる。これらのウエルは、しばしば、約５：１のアスペクト比（すなわち、そのウエルは、直径の５倍の深さである）を有する。このウエルの狭さは、Ｆ１レンズが使用される場合、レザバ内の流体の表面がそのレンズ開口部の幅よりもレンズから離れていないところにあることを必要とする。従って、５：１のアスペクト比のウエル中でＦ１レンズを使用する場合、レザバの低部から１／５のみが流体によって満たされ得る。
【０００５】
従って、十分な液滴射出精度を有する音波流体射出デバイスおよび方法を改善し、その結果、低いＦ番号のレンズに関連する不利益を伴わずに、高密度分子配アレイの調製を可能にすることが、この分野において必要とされる。Ｆ２レンズの使用が、Ｅｌｒｏｄら（１９８９），「Ｎｏｚｚｌｅｌｅｓｓ  ｄｒｏｐｌｅｔ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ｆｏｃｕｓｅｄ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｂｅａｍｓ」Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ  ６５（９）：３４４１−３４４７に示唆されているが、この参考文献は、このようなレンズが、液滴直径に関する予測不可能な結果および使用可能な集束深度を提供することを示す。驚いたことに、２よりも大きいＦ番号を有するレンズの使用が、非常に増大された集束深度を提供しつつ、液滴サイズおよび速度の非常に優れた制御を可能にするので、大きいＦ番号のレンズは、Ｆ１レンズに対してさらなる利点を提供することが現在、明らかとなってきている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、上述の先行技術の欠点を克服するデバイスおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの局面において、デバイスは、複数の流体液滴を基材表面上の設定された部位に音波的に射出するために提供され、以下を備える：流体を収容するように適合されたレザバであって、このレザバは、実質的に均一な様式で音波エネルギーの伝播を可能にする開口部を備え、このレザバの開口部は、有効寸法を有している；ならびに音波放射を発生させるための音波放射発生装置で構成されるイジェクターおよび発生した音波放射を集束して、流体レザバ内に含まれる流体表面から液滴を放射させ得る集束手段であって、この表面は、開口部から有効な距離にあり、ここで、開口部に対する有効距離  対  開口部の有効寸法の比は、約２：１よりも大きい。このデバイスは、レザバに対して音波カップリング関係でイジェクターを配置するための手段をさらに包含し得る。好ましくは、この比は、約３：１、またはより好ましくは、約４：１より大きい。このデバイスはまた、複数のレザバを備え、この各レザバは、流体を収容するように適合され、そして、ここで、このデバイスは、複数の各レザバから基材表面上の複数の設定された部位に対して液滴を射出し得る。
【０００８】
別の局面において、本発明は、流体レザバから基材表面上の設定された部位に対して流体を射出するための方法に関する。この方法は、第１の流体を収容するレザバ（このレザバは、実質的に均一な様式で音波エネルギーの伝播を可能にする開口部を有し、この開口部は、有効寸法を有している）で構成されるデバイスおよび音波放射を発生させるための音波放射発生装置で構成されるイジェクターおよび発生した音波放射を集束して流体レザバ内に収容される第１の流体の表面（この表面は、開口部からの有効距離にある）から液滴を放出させるための集束手段を提供する工程を包含し、ここで、開口部からの有効距離  対  開口部の有効直径の比は、約２：１より大きい。次いで、このイジェクターが流体含有レザバに対して音波的に結合された関係であるように配置され、その結果このイジェクターの位置は、第１の流体の表面近くの射出手段の焦点（すなわち、開口部からの有効距離）に配置される。最終的には、このイジェクターが起動され、それによって第１の流体表面に直径Ｄの焦点を有する音波放射を発生し、レザバからの第１の流体の液滴の射出を生じる。所望の場合、この方法は、複数の流体レザバによって反復され得、このレザバの各々は流体を収容し、そして各レザバは、一般的には（必須ではないが）異なる流体を収容する。従って、この音波イジェクターは、各レザバから基材表面上の異なる設定部位に対して液滴を射出するように繰り返し再配置される。このように、この方法は、基材表面上の分子部分の配列を作成するのに使用するために容易に適合される。
【０００９】
（本発明を実施するための様式）
（定義および概要）：
本発明を詳細に記載する前に、本発明は、特定の流体、生体分子またはデバイス構造に限定されず、変化し得ることが理解されるべきである。本明細書中で使用される用語は、特定の実施形態のみを記載する目的のためであって、限定するために意図されないこともまた、理解されるべきである。
【００１０】
本明細書中および添付の特許請求の範囲において使用される場合、「１つの（ａ）」「１つの（ａｎ）」「その（この）（ｔｈｅ）」は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数形も含む。従って、例えば、「レザバ（ａ  ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）」に対する言及は、複数のレザバを含み、「流体（ａ  ｆｌｕｉｄ）」に対する言及は、複数の流体を含み、「生体分子（ａ  ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅ）」に対する言及は、生体分子の組み合わせを含む、など。
【００１１】
本発明の記載および特許請求の範囲において、以下の専門用語は、以下に示される定義に従って使用される。
【００１２】
本明細書中で使用される用語「音波カップリング」および「音波的にカップリングされる」は、物体が、別の物体と直接的または間接的に接触する位置に配置され、音波放射を、音波エネルギーの実質的な損失なしに、その物体間で伝播させるような状態のことをいう。２つのアイテムが間接的に音波的にカップリングされる場合、それを通って音波放射が伝播し得る中間体を提供するための「音波カップリング媒体」が必要とされる。従って、イジェクターは、（例えば、イジェクターを流体中に浸すかまたはイジェクターと流体との間に音波カップリング媒体を挿入することによって）流体に音波的に音波的に結合され得、その流体結合媒体を介するイジェクターによって発生された音波放射を流体中に伝播する。
【００１３】
本明細書中で使用される場合、用語「沈着」は、基材表面による分子の非共有的な保持のことをいう。すなわち、沈着は、沈着される分子上に存在する基材表面と沈着部分との間の非共有的な相互作用の結果として生じる。沈着は、水素結合、ファンデルワールス力、極性引力または静電力（すなわちイオン結合を介する）を介して生じ得る。沈着部分の例としては、以下が挙げられるが、これらに限定されない：アミン基、カルボン酸部分、ヒドロキシル基、ニトロソ基、スルホンなど。
【００１４】
本明細書中で使用される用語「アレイ」は、レザバの配置（例えば、ウエルプレート中のウエル）または基材表面上の流体液滴または分子部分の配置（オリゴヌクレオチドアレイまたはペプチドアレイとして）のような特徴の二次元配置をいう。アレイは、一般的には、例えば、直線グリッド、並行ストライプなどのように規則的に順序付けられた特徴で構成されるが、順序付けられていないアレイも有利に使用され得る。アレイは、規則的かつ順序付けられた特徴を含む必要のないパターンとは異なる。本発明のデバイスおよび方法を使用して形成されるアレイもパターンも、人の肉眼に対する光学的な有意性を有さない。例えば、本発明は、人の肉眼に対して光学的な有意性を有する、文字、数字、バーコード、図、または他の銘を形成するための、紙または他の基材上へのインク印刷に関しない。さらに、本明細書中で提供されるような表面上に射出された液滴の沈着によって形成されるアレイおよびパターンは、好ましくは、人の肉眼に実質的に不可視である。アレイは、典型的には（しかし必要ではない）、少なくとも約４〜約１０，０００，０００の特徴を含み、一般的には、約４〜約１，０００，０００特徴の範囲である。
【００１５】
用語「結合された（ａｔｔａｃｈｅｄ）」は、例えば、基材表面が基材表面に「結合した」分子部分を有する場合、（例えば、本発明の方法論を使用して作成されるアレイ中の個々の分子部分において）共有結合、沈着、および物理的な固定化を含む。用語「結合（ｂｉｎｄｉｎｇ）」および「結合（ｂｏｕｎｄ）」は、用語「結合（ａｔｔａｃｈｅｄ）」の意味と同一である。
【００１６】
用語「生体分子」は、本明細書中で使用される場合、全体または一部が、天然に存在し得るか、組換え的に産生されるかまたは化学的に合成されるかに関わらず、任意の有機分子をいう。すなわち、生体分子は、生存生物の一部であったかまたは生存生物の一部であり得る。この用語は、例えば、ヌクレオチド、アミノ酸および単糖類、ならびにオリゴヌクレオチドおよびポリヌクレオチドのようなオリゴマー種およびポリマー種、オリゴペプチド、ポリペプチドおよびタンパク質のようなペプチド分子、ならびに二糖類、オリゴ糖、多糖類のような糖類などを包含する。
【００１７】
本明細書中で使用される場合、用語「ヌクレオシド」および「ヌクレオチド」は、従来のプリンおよびピリミジン塩基（すなわち、アデニン（Ａ）、チミン（Ｔ）、シトシン（Ｃ）、グアニン（Ｇ）およびウラシル（Ｕ）のみではなく、その保護形態（例えば、この塩基は、アセチル、ジフルオロアセチル、トリフルオロアセチル、イソブチリルまたはベンゾイル、ならびにプリンおよびピリミジンアナログのような保護基で保護される）も含むヌクレオシドまたはヌクレオチドをいう。適切なアナログは当業者に公知であり、適切な教科書および文献に記載される。通常のアナログとしては、以下が挙げられるが、これらに限定されない：１−メチルアデニン、２−メチルアデニン、Ｎ６−メチルアデニン、Ｎ６−イソペンチル−アデニン、２−メチルチオ−Ｎ６−イソペンチルアデニン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアデニン、８−ブロモアデニン、２−チオシトシン、３−メチルシトシン、５−メチルシトシン、５−エチルシトシン、４−アセチルシトシン、１−メチルグアニン、２−メチルグアニン、７−メチルグアニン、２，２−ジメチルグアニン、８−ブロモ−グアニン、８−クロログアニン、８−アミノグアニン、８−メチルグアニン、８−チオグアニン、５−フルオロウラシル、５−ブロモウラシル、５−クロロウラシル、５−ヨードウラシル、５−エチルウラシル、５−プロピルウラシル、５−メトキシウラシル、５−ヒドロキシメチルウラシル、５−（カルボキシヒドロキシメチル）ウラシル、５−（メチルアミノメチル）ウラシル、５−（カルボキシメチルアミノメチル）−ウラシル、２−チオウラシル、５−メチル−２−チオウラシル、５−（２−ブロモビニル）ウラシル、ウラシル−５−オキシ酢酸、ウラシル−５−オキシ酢酸メチルエステル、プソイドウラシル、１−メチルプソイドウラシル、キューオシン、イノシン、１−メチルイノシン、ヒポキサンチン、キサンチン、２−アミノプリン、６−ヒドロキシアミノプリン、６−チオプリンおよび２，６−ジアミノプリン。さらに、この用語「ヌクレオシド」および「ヌクレオチド」は、従来のリボースおよびデオキシリボース糖だけではなく、他の糖も含むこれらの部分を含む。改変されたヌクレオシドまたはヌクレオチドはまた、糖部分などの上の改変を含む（例えば、ここで、１つ以上のヒドロキシル基は、ハロゲン原子もしくは脂肪族基で置換されるか、またはエステル、アミンなどとして官能化される）。
【００１８】
本明細書中で使用される場合、用語「オリゴヌクレオチド」は、ポリデオキシヌクレオチド（２−デオキシ−Ｄ−リボースを含む）に対して、ポリリボヌクレオチド（Ｄ−リボースを含む）に対して、ポリヌクレオチドの任意の他の型（これは、プリンおよびピリミジン塩基のＮ−グリコシドである）に対して、および非ヌクレオチド骨格を含む他のポリマーに対して一般的であり、ただし、このポリマーは、ＤＮＡおよびＲＮＡ中で見出されるような塩基対および塩基スタッキングを可能にする構成の核酸塩基を含む。従って、これらの用語は、公知の型のオリゴヌクレオチド改変（例えば、アナログでの１つ以上の天然に存在するヌクレオチドの置換）、ヌクレオチド間の改変（例えば、非電荷の連結（例えば、メチルホスホネート、ホスホトリエステル、ホスホラミデート、カルバメートなど）、負に荷電した連結（例えば、ホスホロチオエート、ホスホロジチオエートなど）、および正に荷電した連結（例えば、アミノアルキルホスホラミデート、アミノアルキルホスホトリエステル）による改変）、ペンダント部分（例えば、タンパク質（ヌクレアーゼ、毒素、抗体、シグナルペプチド、ポリ−Ｌ−リジンなどを含む）を含む改変、インターカレーター（例えば、アクリジン、ソラレンなど）による改変、キレート剤（例えば、金属、放射活性金属、ホウ素、酸化金属など）での改変を含む。用語「ポリヌクレオチド」と「オリゴヌクレオチド」の間の長さで区別する意図はなく、これらの用語は、交換可能に使用される。これらの用語は、分子の１次構造のみをいう。本明細書中で使用される場合、ヌクレオチドおよびポリヌクレオチドについての記号は、ＩＵＰＡＣ−ＩＵＢ  Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ  ｏｆ  Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｎｏｍｅｎｃｌａｔｕｒｅ  ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ  （Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ９：４０２２，１９７０）に従う。
【００１９】
「ペプチド性」分子は、ペプチド、ペプチドフラグメント、おおびタンパク質（すなわち、オリゴマーまたはポリマー）をいい、ここで、この構成モノマーは、アミド結合を介して連結されるαアミノ酸である。本明細書中のペプチド分子のアミノ酸は、２０個の通常のアミノ酸、通常のアミノ酸の立体異性体（例えば、Ｄ−アミノ酸）、非天然のアミノ酸（例えば、−二置換アミノ酸、Ｎ−アルキルアミノ酸、乳酸、および他の非通常のアミノ酸）を含む。非通常のアミノ酸の例としては、以下が挙げられるが、これらに限定されない：−アラニン、ナフチルアラニン、３−ピリジルアラニン、４−ヒドロキシプロリン、Ｏ−ホスホセリン、Ｎ−アセチルセリン、Ｎ−ホルミルメチオニン、３−メチルヒスチジン、５−ヒドロキシリジン、および他のノルロイシン。
【００２０】
用語「流体」は、本明細書中で使用される場合、非固体または少なくとも部分的に気体および／または液体である物質をいう。流体は、最小限に、部分的にまたは十分に溶媒和されるか、分散されるかまたは懸濁された固体を含み得る。流体の例としては、限定はされないが、水溶液（水自体および食塩水を含む）および非水性溶液（例えば、有機溶媒など）が挙げられる。本明細書中で使用される場合、用語「流体」は、用語「インク」と同義ではなく、インクは、着色料を必ず含み、気体および／または液体ではないかもしれない。
【００２１】
用語「レザバ」は、本明細書中で使用される場合、流体を保持または収容するための容器またはチャンバをいう。従って、レザバ中の流体は、自由表面（すなわち、液滴をそこから射出させる表面）を有する必要がある。
【００２２】
用語「基材」は、本明細書中で使用される場合、その上に１種以上の流体を沈着され得る表面を有する任意の物質をいう。この基材は、任意の多くの形態（例えば、ウエハ、スライド、ウエルプレート、膜）で構築され得る。さらに、この基材は、任意の特定の流体沈着を必要とし得る場合、多孔性または非多孔性であり得る。適切な基材材料としては、以下が挙げられるがこれらに限定されない；固相化学合成に一般的に使用される支持体（例えば、ポリマー材料（例えば、ポリスチレン、ポリビニルアセテート、ポリビニルクロライド、ポリビニルピロリドン、ポリアクリロニトリル、ポリアクリルアミド、ポリメチルメタクリレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリカーボネート、ジビニルベンゼンスチレンベースのポリマー）、アガロース（例えば、Ｓｅｐｈａｒｏｓｅ（登録商標））、デキストラン（例えば、Ｓｅｐｈａｄｅｘ（登録商標））、セルロースポリマーおよび他の多糖類、シリカおよびシリカベースの材料、ガラス（特に、制御された多孔性ガラス、または「ＣＰＧ」）および機能化ガラス、セラミック、ならびに表面コーティング（例えば、微小孔ポリマー（特に、ニトロセルロースのようなセルロースポリマー）で処理した物質、金属化合物（特に、微小孔アルミニウム）など）。前述の支持体材料が代表的な通常使用される基材であるが、基材が、実際、任意の生物学的材料、非生物学的材料、有機材料および／または無機材料を含み得、そして任意の種々の物理的形態（例えば、粒子、鎖、沈殿物、ゲル、シート、チューブ、球、容器、毛細管、パッド、スライス、フィルム、プレート、スライドなど）であり得、そして任意の所望の形状（例えばディスク、正方形、球形、円形など）であり得ることが理解されるべきである。この基材表面は、平らであるかもしれないしそうではないかもしれない（例えば、その表面は、隆起領域または陥没領域を含み得る）。
【００２３】
用語「表面改変」は、本明細書中で使用される場合、基材表面または基材表面の選択された部位もしくは領域の１つ以上の化学的および／または物理的特徴を変化させるための、添加剤による表面の化学的および／または物理的な変更または減法プロセスをいう。例えば、表面改変としては、（１）表面の湿潤特性の変更、（２）表面の官能化（すなわち、表面官能基の提供、改変、または置換）、（３）表面の脱官能化（すなわち、表面官能基の除去）、（４）表面の化学成分の他の変更（例えば、エッチングを介して）、（５）表面粗さの増加または減少、（６）表面上へのコーティングの提供（例えば、この表面の湿潤特性とは異なる湿潤特性を示すコーティング）、ならびに／あるいは（７）表面上への粒子の沈着、が挙げられ得る。
【００２４】
次いで、１つの実施形態において、本発明は、基材表面上の設定された部位に液滴を音波的に射出するためのデバイスに関する。このデバイスは、１つ以上のレザバ、音波放射を発生させるための音波放射発生装置で構成されるイジェクター、および発生した音波放射を集束して流体レザバ内に収容される流体の表面（この表面は、開口部から有効な距離に位置する）からの液滴を放射させるための集束手段を備え、このレザバの各々は、流体を収容するように適合され、そしてこのレザバの各々は、実質的に均一の様式で音波エネルギーの変換を可能にする有効直径を有する開口部を有し、ここで、開口部からの有効距離  対  開口部の直径の比は、約２：１より大きい。そして、必要に応じて、レザバの各々に音波カップリングされるイジェクターを配置するための手段を備え、ここで、１つ以上のレザバが存在すべきである。
【００２５】
流体の自由表面からの液滴の射出は、十分な強度の音波エネルギーが流体媒体を通して流体の表面上に集束される場合に生じることが知られている。集束手段からの距離  対  開口部のサイズに関連する集束手段の焦点（この焦点を通して、音波エネルギーが流体媒体に通る）がＦ番号である。１未満のＦ番号を有するレンズは、密接に集束された音波ビームを発生し、そしてこのようなレンズの集束距離は、レンズの開口部の幅よりも短い。１に非常に近いＦ番号を有するレンズ由来の液滴射出挙動は、当該分野で周知である。特に、集束ビームサイズと生じる液滴サイズとの間の関係そして流体高さに対する（すなわち、音波ビームの集束面に対する流体表面の相対配置に対する）射出の感度の支配は、十分理解されている。望まれない２次的な液滴射出（付随液滴として知られている）のオンセットを支配する因子もまた比較的十分に理解される。
【００２６】
多くの例におけるこれらの関係は、液滴射出の性能を限定するかまたは異なる大きさの液滴を射出するための物理的システムを構築するための順応性などを限定するか、あるいは特定の臨界的パラメーター（例えば、音波ビームの焦点面に対する流体表面の位置）のバリエーションに対する射出システムの寛容性に強い束縛を据える。さらに、密に集束した音波波を使用することは、この音波ビームが流体層の底で、実質的にｈより短い幅のアパーチャを通過しなければならない場合、高さｈの流体層の上部から液滴を射出する能力を当然制限する。このような構成は、特に、射出される流体を収容するためのレザバが、従来使用され、そして市販されるウェルプレートの形態をとる場合、多くの適用に重要である。Ｇｒｅｉｎｅｒ製の代表的な１５３６ウェルプレートは、３．３のアパーチャ対高さ比（５Ｈ／１．５３Ａ  ｍｍ）を有する。ＧｒｅｉｎｅｒおよびＮＵＮＣ製の３８４フォーマットのプレートは、３〜４の範囲に入る（５．５Ｈ／１．８４Ａ  ｍｍおよび１１．６Ｈ／２．９Ａ  ｍｍ）。
【００２７】
弱集束レンズ（すなわち、約２より大きなＦ番号を有するレンズ）の使用は、流体を含むレザバの底のアパーチャを通して流体層を通して液滴を射出する発生装置の能力を拡張する。驚いたことに、より大きなＦ番号のレンズを使用する射出プロセスが、より小さなＦ番号のレンズを使用して観察されるプロセスとは有意に異なることがまた見出された。これらの違いは、極めて新規であり、かつ予想されないものであり、流体表面からの液滴の射出および操作における集束された音波波の使用の順応性および有用性を拡張する。より低いＦ番号のレンズ（すなわちＦ１）は、レザバのアパーチャが、アパーチャからの有効距離対アパーチャの断面幅の比を約２：１より大きくするために十分な直径を有する限り、使用され得る。このようなレンズの使用は、このようなレンズが流体深さの関数として、音波エネルギー量のバリエーションを生じ、それによって、流体高さに対する見かけの射出閾値エネルギーの感度が増加するので好ましくない。このような方法はまた、レザバがウェルプレートのウェルである適用において、狭いアパーチャによってウェルの壁に吸収された音波エネルギーが、有意な屈折の後、望ましくないことにそして予想されずにレザバへと通過し得、そして、液滴射出に干渉し得るので、好ましくはない。
【００２８】
概略的に、代表的な音波レンズおよび集束ビームは、図１に示されるような外観を示す。図１Ａは、励起のためにより低いＦ番号の音波レンズ２を使用する、液滴分離時の流体表面の一般的な概略図を示す。図１Ａにおいて、集束された音波ビーム４は、流体６の表面で集束される。Ｅｌｒｏｄら（１９８９）Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６５（９）：３４４１−３４４７に議論されるように、３ｄＢの音波バーストについて集束されたビームサイズは、１．０２＊Ｆ＊λのオーダーであり、ここでλは音波の波長である。従って、Ｆ番号１（Ｆ１）のレンズについて、３ｄＢの音波バーストは、音波波長にほぼ等しい集束ビームサイズを有する。Ｆ１レンズについて、生じた液滴８は、集束されたビームとサイズがほぼ等しいことは周知である。集束されたビームが、表面上に作用する音波波の放射圧に起因して、自由表面から生じる流体のカラムまたはジェットを発生すると考えられ得る場合、この結果は、物理的意味を生じる。流体のカラムは、横方向の大きさが、ほぼ集束されたビームの大きさであるので、流体ジェットの周知のレイリー不安定性は、このようなカラムが、ジェットの大きさに匹敵し、ゆえに、集束された音波ビームの大きさに匹敵する大きさの液滴を産生するという可能性を導く。
【００２９】
図１Ｂに示されるように、より高いＦ番号のレンズ１０を使用する場合の結果は、予想され得るものと実質的に異なり、上に議論されるＦ１液滴の射出の一般的な理解を越えるものであった。この場合、より大きなアパーチャは、より大きな横の寸法を有する集束された音波ビームを生成する。しかし、射出される一次液滴は、それを産生する集束ビームより大きさがかなり小さい。１つの例として、３０ＭＨｚの音波振動数でＦ３レンズを使用する場合、一次液滴は、集束された音波ビームの横寸法と一致する直径を有することが予想される。３０ＭＨｚで、水の音波波長は５０μｍであり、１５３μｍの直径を有する集束された音波ビームを生じる。予想に反して、これらの条件下で産生された液滴の実際の半径は、５４μｍであり、これは、比較的、音波振動数に対応し、集束された音波ビームの直径には対応しない。類似した結果は、Ｆ４レンズについて同様に得られた。
【００３０】
このような比較的小さな液滴がより高いＦ番号のレンズを使用して生成され得るという事実は、大きな実際的な価値を有する。なぜなら、今や同じアパーチャサイズについて、より高い流体層から射出し得る（図１Ｂに示されるように）からである。弱集束レンズを使用することは、アパーチャまたは音波エネルギーの入射面のいずれかの大きさが制限される場合に、焦点を流体のカラムへとより遠くに投影することを可能にする。例えば、その長さが１．５３ｍｍであるＧｒｅｉｎｅｒ１５３６ウェルの底を考慮のこと。ウェルの狭さが、そのウェルに含まれる液体のカラムに入る音波ビームの物理的大きさを制限する。なぜならば、ウェルの底より広い音波ビームが、ウェルの壁における所望でない複雑な屈折パターンの発生を生じるからである。このようなウェルにおける壁の高さが５ｍｍであり、底の大きさの３倍より大きい。Ｆ１レンズを使用し、そしてウェルの底における音波エネルギーの範囲を保持する場合、レンズが射出に作用し得る最大の深さは、実質的に２ｍｍより下である。従って、流体は、ウェルが半分より多く満たされている場合、ウェルから射出され得ない。対照的に、Ｆ３レンズのような弱集束レンズを使用することによって、液体の最大の高さは、焦点の範囲内に存在する。
【００３１】
さらに、より高いＦ番号のレンズを使用して音波波長に匹敵する液滴を射出する能力は、音波ビームの焦点面に対する、流体表面の位置を固定することにおけるより大きな許容範囲を可能にする。これは、ビームの焦点深度がＦ番号の２乗に従って変化するからである。従って、より大きなＦ番号のレンズを使用することによって、ビームは、伝播の方向に沿ってより長い距離の間、実質的に焦点の近くにあり、流体表面が、液滴の形成を生じる音波ビームの焦点面に相対的であるより大きな範囲が伝播軸に沿って存在する。３０ＭＨｚでＦ３レンズを使用する場合、一次液滴が、入射音波出力の１ｄＢのウインドウ内に、１ｍｍの流体深さの範囲にわたって射出されることが観察された。これは、Ｆ１レンズを使用して同様の液滴を産生する際に期待されるより、実質的により大きな範囲である。液滴サイズを維持したまま、流体高さの許容範囲をこのように改善することは、多くの液体分配適用が、高度に反復される液滴体積を有することから利益を得るので、実用的に非常に重要である。
【００３２】
理論によって限定されることは望まないが、集束された音波ビームサイズよりはるかに小さい直径を有する液滴が、より大きなＦ番号のレンズを使用して生成され得るという予想に反する結果は、おそらくこれらの形成の原因となるレイリー不安定性の細部に起因する。音波ビームの焦点領域における非線形高調波発生によって果たされるいくつかの役割もまた存在し得る。より大きなＦ番号のレンズを使用する液滴形成プロセスの新規な挙動は、他の有用な特徴も生じる。これらの１つは、所定の音波変換器およびレンズについて、音波振動数、トーンバースト持続時間、および／または加えられる音波出力を変化させることによって、トーンバースト、液滴のサイズ、および／または液滴の速度毎の射出される流体の体積を調整する能力である。これらのパラメーターのバリエーションは、（別々でまたは組み合わせて）正確に制御された流体射出を可能にする。これらのパラメーターの各々の短い考察は、以下に示される。
【００３３】
（音波出力のバリエーション）
伝統的なＦ１レンズ適用において、音波出力の変更は、射出速度を変化するための手段として作用した。過度に高い出力レベルは、二次液滴または「サテライト」液滴の射出を生じる。予想に反して、より高いＦ番号のレンズを使用して形成される二次液滴またはサテライト液滴は、より低いＦ番号のレンズを使用して形成される液滴と異なる特徴を有する。例えば、Ｆ１レンズと水とを使用して形成された二次液滴は、代表的に一次液滴よりはるかに小さい。Ｆ３レンズの場合において、二次液滴は、一次液滴よりはるかに大きくあり得る。さらに、サテライト液滴の大きさは、ＲＦトーンバースト励起の持続時間および／または音波振動数と共に劇的に変化し、そしてある条件下で、二次液滴は、一次液滴よりはるかに小さくあり得る。この異常な挙動は、一回の音波射出事象の間に射出される体積の範囲を大いに制御するために、活用され得る。例えば、一次液滴および二次液滴の両方が、一緒に射出され、沈着される場合、両液滴の全体積は、約４０ｐＬ〜約７００ｐＬの範囲にわたって（すなわち、１７５０％にわたって）変化することが観察された。
【００３４】
２５ＭＨｚのＦ３レンズについて、一定範囲の流体高さにわたって、二次（サテライト）液滴射出は、入力音波出力が一次液滴の射出についてのエネルギー閾値を何ｄＢも上回るまで、生じない。具体的には、射出閾値を０．８ｄＢ上回る音波出力の印加は、一次液滴のみが射出される音波出力に対応し、そして閾値を１．６ｄＢ上回る音波出力の印加は、一次液滴およびサテライト液滴が射出される音波出力に対応する。これらのパラメーターは、使用される特定の条件に対して変化する。単一の液滴のみが射出される大きな安定な範囲は、実用的に非常に有利である。なぜなら、一般的に、一次液滴のみが射出されることが所望され、二次（サテライト）液滴の存在が非常に好ましくないからである。図７、図８および図９は、音波出力のバリエーションの効果を図示する。
【００３５】
（音波振動数のバリエーション）
上に議論されるように、音波振動数のバリエーションは、印加された音波力が、一次液滴および二次液滴の両方を射出するのに十分である場合、射出された流体体積の範囲の有意なバリエーションを可能にする。一次液滴のみが射出される場合の音波振動数のみのバリエーションは、液滴の体積に対して限定された効果のみを有するが、液滴の速度を増加しない。図９および図１０は、変化する入力を使用する場合の、２６ＭＨｚ、３０ＭＨｚ、および３４ＭＨｚでの液滴の速度および液滴の大きさの両方におけるバリエーションを示す。
【００３６】
（トーンバースト持続時間のバリエーション）
上に議論されるように、音波持続時間のバリエーションは、印加された音波力が一次液滴および二次液滴の両方を射出するのに十分である場合、射出される流体体積の範囲のバリエーションを可能にする。一次液滴のみが射出される場合のトーンバースト持続時間のバリエーションは、液滴の直径を約４０％だけ変化し得、これは、３００％と同程度の液滴の体積の変化に対応する。あるいは、トーンバースト持続時間のバリエーションは、１００％を超えて、液滴の速度を変化するために使用され得る。図４、図５、図６、および図７は、トーンバースト持続時間のバリエーションの効果を図示する。
【００３７】
もちろん、上で議論されるパラメーターの最適なバリエーションは、特定の流体および選択されたレンズに依存し、そしてこのような改変は、十分当業者の能力の範囲内である。
【００３８】
（例示の実施形態）
図２は、単純化された断面図で本発明のデバイスの実施形態を示す。本明細書中に参照される全ての図を用いる場合、同じ部品は、同じ番号によって参照され、図２は、縮尺に合わされておらず、特定の寸法が、提示の明瞭さのために強調され得る。デバイス３１は、複数のレザバ（すなわち、少なくとも２つのレザバ）を備え、第１のレザバは３３で示され、そして第２のレザバは３５で示され、各々は、流体表面を有する流体を含むように適合され、例えば、第１の流体３４および第２の流体３６は、それぞれ３７および３９で示される流体表面を有する。流体３４および流体３６は、同じであっても異なってもよい。示されるように、レザバは、実質的に音波的に区別できないように実質的に同じ構成であるが、同一の構成は、必要条件ではない。レザバは、別々の取り外し可能な構成要素として示されるが、所望される場合、プレートまたは他の基材内に固定され得る。例えば、複数のレザバは、ウェルプレートにおいて個々のプレートを備え得るが、最適には、必ずしもアレイに整列されない。レザバ３３および３５の各々は、示されるように好ましくは軸対称であり、垂直壁４１および４３を有し、これらは、円形のレザバベース４５および４７から上方に延び、そして、それぞれ開口部４９および３１で終結するが、他のレザバの形状が使用され得る。各レザバベースの材料および厚さは、音波放射がそのベースを通ってレザバ内に含まれる流体に伝播され得るようであるべきである。
【００３９】
このデバイスはまた、音波放射を発生するための音波放射発生装置５５を備える音波発生装置５３、および液滴が射出される流体内の焦点で音波放射を集束するための集束手段５７、を備える。図３に示されるように、集束手段５７は、音波放射の集束のための凹状表面５９を有する単一の固体部分を備え得るが、集束手段は、以下に議論されるように他の方法で構築され得る。従って、音波発生装置５３は、レザバ３３および３５に音波的に連結され、それによりそれぞれ流体３４および３６に連結される場合、流体表面３７および３９の各々から流体の液滴を射出するように音波放射を発生し、集束するように適合される。音波放射発生装置５５および集束手段５７は、デバイスの所望される性能に依存して、単一の制御器によって制御される単一のユニットとして機能し得るか、または独立に制御され得る。代表的には、単一の発生装置の設計が、複数の発生装置の設計よりも好ましい。なぜなら、液滴の配置の精度および液滴サイズの一貫性は、単一の発生装置でより容易に達成されるからである。
【００４０】
当業者によって認識されるように、種々の集束手段のいずれも、レンズが約２より大きなＦ番号を有する限り、本発明と共に使用され得る。例えば、１つ以上の湾曲した表面は、音波放射を流体表面近傍の焦点に指向するために使用され得る。１つのこのような技術は、Ｌｏｖｅｌａｄｙらの米国特許第４，３０８，５４７号に記載される。湾曲した表面を有する集束手段は、Ｐａｎａｍｅｔｒｉｃｓ  Ｉｎｃ．（Ｗａｌｔｈａｍ，ＭＡ）によって製造されたような、市販の音波変換器の構成に組込まれている。さらに、フレネルレンズは、対象面からの所定の焦点距離で音波エネルギーを指向することについて、当該分野で公知である。例えば、Ｑｕａｔｅらの米国特許第５，０４１，８４９号を参照のこと。フレネルレンズは、レンズに対して半径方向に変化する回折角で所定の回折次数に、実質的に一部の音波エネルギーを回折する半径方向位相プロフィールを有し得る回折角は、所望の対象面上で回折次数内で音波エネルギーを集束するために選択されるべきである。
【００４１】
各個々のレザバに発生装置５３を音波的に連結し、それにより、その中の流体に発生装置５３を音波的に連結するために多くの方法もまた存在する。１つのこのようなアプローチは、例えば、Ｌｏｖｅｌａｄｙらの米国特許第４，３０８，５４７号に記載されるように、直接接触を介し、ここで半球形結晶から構築され、セグメント化された電極を有する集束手段は、射出される液体中に沈められる。前述の特許は、集束手段が液体の表面またはその下に位置づけられ得ることをさらに開示する。しかし、集束手段を流体に音波的に連結するためのこのアプローチは、発生装置が複数の容器またはレザバ中の異なる流体を射出するために使用される場合、所望でない。なぜなら、集束手段を繰り返し洗浄することが、交差汚染を避けるために必要とされるからである。洗浄工程は、各液滴射出事象間の移行時間を必然的に長くする。さらに、このような方法において、流体は、各容器から除去される場合、発生装置に付着し、高価であるかまたは貴重かもしれない材料を無駄にする。
【００４２】
従って、好ましいアプローチは、発生装置の任意の部分（例えば、集束手段）を、射出されるべきいずれの流体とも接触させることなく、レザバおよびレザバ流体に発生装置（例えば、射出手段）を音波的に連結することである。この目的のために、本発明は、発生装置をレザバの中に沈めることなくそこから液滴を射出するために、レザバ中の各流体との制御されかつ繰り返し可能な音波カップリングで発生装置を位置付けするための、任意の発生装置位置付け手段を提供する。これは、代表的に、発生装置と各レザバの外表面との間の、直接または間接の接触を含む。発生装置を各レザバに音波的に連結するために直接の接触が使用される場合、直接の接触が効率的な音波エネルギー移動を保証するために全体として等角であることが好ましい。すなわち、発生装置およびレザバは、嵌合接触に適合された対応する表面を有するべきである。従って、音波カップリングが、集束手段を介して発生装置とレザバとの間で達成される場合、レザバが集束手段の表面プロフィールに対応する外表面を有することが望ましい。等角接触がない場合、音波エネルギー移動の効率および精度は、損なわれ得る。さらに、多くの集束手段が湾曲した表面を有するので、直接接触アプローチは、特異的に形成された逆の表面を有するレザバの使用を必要とし得る。
【００４３】
最適には、音波カップリングは、図２Ａに示されるように、間接的な接触を介して、発生装置と各レザバとの間で達成される。この図において、音波カップリング媒体６１は、発生装置６３とレザバ３３のベース４５との間に配置され、発生装置およびレザバは、互いから所定の距離で配置される。音波カップリング媒体は、音波カップリング流体であり得、好ましくは、音波集束手段６７および各レザバの両方と等角接触している音波的に一様な材料であり得る。さらに、流体媒体が、流体媒体そのものと異なる音波特性を有する材料を実質的に有さないことを保証することが重要である。示されるように、第１のレザバ３３は、音波集束手段６７と音波的に連結され、その結果、音波放射発生装置が音波波を発生し、この音波波が、次に、音波カップリング媒体６１に集束手段６７によって指向され、この音波カップリング媒体は、レザバ３３に音波放射を伝播する。
【００４４】
操作の際に、デバイスのレザバ３３および３５は各々、図２に示されるように、それぞれ第１の流体３４および第２の流体３６で充填される。音波発生装置５３は、音波カップリング媒体６１を介して発生装置とレザバとの間の音波カップリングを達成するために、レザバ３３の下に示される、発生装置位置付け手段６３によって位置付け可能である。基材６５は、第１のレザバ３３の上かつ近傍に位置づけられ、その結果、表面７１の下側として図２に示される基材の一方の表面が、レザバに面し、そしてレザバの中の流体４４の表面３７に実質的に平行である。一旦、発生装置、レザバおよび基材が適切に整列されると、音波放射発生装置５５は、音波放射を発生するために作動され、この音波放射は、第１のレザバの流体表面３７の近傍の焦点６７に向けて集束手段５７によって指向される。結果として、液滴６９は、流体表面３７から基材の下側表面７１の指定された部位上に射出される。射出された液滴は、接触の後、基材表面上で凝固することによって基材表面上に保持され得る；このような実施形態において、低温（すなわち、接触の後に液滴の凝固を生じる温度）で基材を維持することが必要である。あるいは、またはさらに、液滴内の分子部分は、接触の後、沈着、物理的固定、または共有結合を介して、基材表面上に付着される。
【００４５】
次いで、図２Ｂに示されるように、基材位置付け手段７０は、レザバ３５の上に基材６５を再配置し、第２の指定された部位でレザバから液滴を受容する。図２Ｂはまた、発生装置５３が、レザバ３５の下に発生装置配置手段６３によって、そして音波カップリング媒体６１によってレザバに音波的に連結された関係で再配置されたことを示す。一旦、図２Ｂに示されるように適切に整列されると、発生装置５３の音波放射発生装置５５は、音波放射を発生するために作動され、次いで、この音波放射は、集束手段５７によって流体表面３９の近傍の流体３６内の焦点に指向され、それによって液滴７３を基材上に射出する。このような操作は、基材表面７１上にパターン（例えば、アレイ）を形成するために、どのように本発明のデバイスがレザバから複数の流体を射出するために使用され得るかということの例示であることは明らかであるはずである。デバイスが基材表面の同じ部位上に１つ以上のレザバからの複数の液滴を射出するように適応され得ることは同様に明らかであるはずである。別の実施形態において、デバイスは、ウェルプレートの間で流体を移動するように構築され、この場合、基材は、基材ウェルプレートを備え、そして流体含有レザバは、レザバウェルプレート中の個々のウェルである。図３は、このようなデバイスを示し、ここでレザバウェルプレート３２中の４つの個々のウェル３３、３５、９３および９５は、射出される流体を含むための流体レザバとして働き、基材は、７５、７６、７７および７８として示される４つの個々のウェルのより小さいウェルプレート６５を備える。基材プレートがレザバウェルプレートより小さなウェルプレートとして示されるが、これは限定として考えられるべきではない。なぜなら、移動が任意の２つのサイズのウェルプレートの間で起こり得るからである。図３Ａは、上平面図におけるレザバウェルプレートおよび基材ウェルプレートを示す。示されるように、各々のウェルプレートは、２×２アレイで配列された４つのウェルを含む。図３Ｂは、レザバウェルプレートおよび基材ウェルプレートが、それぞれ３３、３５および７５、７７に沿った断面図で示される、本発明のデバイスを示す。図２でのように、レザバウェル３３および３５は、それぞれ、３７および３９で示される流体表面を有する流体３４および３６をそれぞれ含む。レザバウェルプレートのウェルの材料および設計は、図２に示されるレザバのウェルに類似する。例えば、図３Ｂに示されるレザバウェルは、実質的に音波的に区別されないように、実質的に同一の構成である。同様に、この実施形態において、レザバのベースは、そのベースを通ってレザバ内に含まれる流体への音波放射の効率的な伝播を可能にするような材料および厚さである。
【００４６】
図３のデバイスはまた、図２に示される発生装置の構成に類似する構成を有する音波発生装置５３を備え、すなわち、この発生装置は、音波発生手段５５および集束手段５７から構成される。図３Ｂは、間接的接触を介して、レザバウェルに音波的に連結される発生装置を示す；すなわち、音波カップリング媒体６１は、発生装置６３とレザバウェルプレート３２との間（すなわち音波集束手段５７の湾曲した表面５９と第１のレザバウェル３３のベース４５との間）に配置される。示されるように、第１のレザバ３３は、音波集束手段６７に音波的に連結され、その結果、一般的に上方向に発生される音波放射が集束手段６７によって音波カップリング媒体６１に指向され、次いで、この音波カップリング媒体は、音波放射をレザバウェル３３に伝播する。
【００４７】
操作の際に、各々のレザバウェルは、好ましくは、異なる流体で充填される。示されるように、デバイスのレザバウェル３３および３５は、図２に示されるように、各々第１の流体３４および第２の流体３６で充填され、それぞれ流体３７および３９を形成する。図３Ａは、発生装置６３が音波カップリング媒体６１を介してレザバウェルとの音波カップリングを達成するように、発生装置配置手段６３によって、レザバウェル３３の下に位置付けされる。基材ウェルプレート６５の第１の基材ウェル７５は、第１のレザバウェルから射出される液滴を受容するように、第１のレザバウェル３３の上に位置付けられる。一旦、発生装置、レザバおよび基材が適切に整列されると、音波放射発生装置は、音波波を発生するために作動され、この音波波は、集束手段によって集束され、この音波波を流体表面３７の近傍の焦点６７に指向する。結果として、液滴６９は、流体表面３７から基材ウェルプレート６５の第１の基材ウェル７５に射出される。この液滴は、基材ウェルプレートが維持される低温によって、接触の後、基材上で凝固することによって基材ウェルプレートに保持される。すなわち、基材ウェルプレートは、好ましくは、冷却手段（示さず）と結合し、接触後に液滴の凝固を生じる温度で基材表面を維持する。
【００４８】
次いで、図３Ｃに示されるように、基材ウェルプレート６５は基材位置合わせ手段７０によって再度位置合わせされ、その結果、基材ウェル７７はレザバウェル３５の真上に位置付けられ、そこから液滴を受容する。図３Ｃはまた、イジェクター５３が、イジェクター位置合わせ手段によってレザバウェル３５の下に再度位置合わせされており、音波カップリング媒体６１を介してイジェクターとレザバとを音波的にカップリングする。基材ウェルプレートおよびレザバウェルプレートは異なるサイズにされるので、イジェクター位置合わせ手段の動きと基材ウェルプレートの動きとの間に一致はなく、対応のみがある。一旦、図３Ｃに示されるように適切に整列されると、イジェクター５３の音波照射発生装置５５を作動して音波を生じ、この音波は次いで、集束手段５７によって、流体表面３９付近の焦点へと指向され、この流体表面３９から液滴７３が基材ウェルプレートの第２ウェル上に射出される。このような操作が、本発明のデバイスを使用して、１つのウェルプレートから異なるサイズの別のものへと複数の流体を移送し得る方法の例示であることは、はっきりと理解されるべきである。当業者は、イジェクターおよび基材の両方が連続動作中である場合でさえこの型の移送を実効し得ることを認識する。レザバ、ウェルプレートおよび／または基材の種々の組み合わせを、本発明のデバイスを使用する際に使用して、流体の移送に関与し得ることは、さらにはっきりと理解されるべきである。任意のレザバが、さらなる流体移送（例えば、アレイの沈着）のためにレザバを配備する前に、音波性射出を介して流体で充填され得ることは、さらにはっきりと理解されるべきである。
【００４９】
上記に考察されるように、個々の、例えば、取り外し可能な、レザバまたはウェルプレートのいずれかを使用して、射出されるべき流体を収容し得、ここで、これらのレザバまたはウェルプレートのウェルは、好ましくは、実質的に音波で互いを区別不能である。また、イジェクターが射出される流体中に浸漬されることが意図されない限り、これらレザバまたはウェルプレートは、イジェクターからの音波放射が射出される流体の表面へと運搬されることを可能にするのに十分な音波伝播特性を有さなければならない。代表的に、このことは、レザバまたはウェルベース（これは、音波放射が受容不能な浪費なしにそれを介して移動することを可能にするために、十分に薄い）を提供する工程を包含する。さらに、レザバの構築において使用される材料は、その中に収容される液体と適合性でなければならない。従って、レザバまたはウェルがアセトニトリルのような有機溶媒を収容することが意図される場合、アセトニトリル中で溶解するかまたは膨潤するポリマーは、レザバもウェルプレートを形成する際に使用するのに不適切である。水ベースの流体について、多くの材料がレザバの構築に適切であり、そして酸化シリコンおよび酸化アルミニウムのようなセラミック、ステンレス鋼および白金のような金属、およびポリエステルおよびポリテトラフルオロエチレンのようなポリマーが挙げられるが、これらに限定されない。
【００５０】
本発明のデバイスと共に使用するのに適切な多くのウェルプレートは市販されており、そして例えば、ウェルプレート当たり、９６ウェル、３８４ウェルまたは１５３６ウェルを備え得る。本発明のデバイスにおける使用に適切なウェルプレートの製造業者としては、Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｉｎｃ．（Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ）およびＧｒｅｉｎａｅｒ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ（Ｌａｋｅ  Ｍａｒｙ，Ｆｌｏｒｉｄａ）が挙げられる。しかし、このような市販のウェルプレートの利用は、少なくとも約１０，０００ウェルを備えるカスタムメイドのウェルプレートの製造および使用でも、約１００，０００ウェル以上であっても、不可能ではない。アレイ形成適用のために、約１００，０００〜約４，０００，０００のレザバを使用し得ることが予想される。さらに、各レザバまたはレザバのウェルとイジェクターを整列させるために必要とされる移動量を低減するために、各レザバの中心が、他のいずれかのレザバの中心から、約１ｃｍ以下に位置付けられることが好ましく、好ましくは約１ｍｍ以下、そして最適には約０．５ｍｍ以下である。
【００５１】
さらに、このデバイスは、実質的に任意の型および所望される量の流体を射出するように適合され得る。この流体は、水性および／または非水性であり得る。非水性流体としては、例えば、水、有機溶媒、および脂質流体が挙げられ、そして、本発明は高温での使用に容易に適用されるので、液体金属、セラミック材料およびガラスのような流体が使用され得る；例えば、同時継続中の公開された米国特許出願第ＵＳ２００２／００３７３７５号（「Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｄｅｖｉｃｅ  ｆｏｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ  Ｄｒｏｐｌｅｔｓ  ｏｆ  Ｉｍｍｉｓｃｉｂｌｅ  Ｆｌｕｉｄｓ」）（発明者ＥｌｌｓｏｎおよびＭｕｔｚおよびＦｏｏｔｅ，２００２年３月２８日公開、およびＰｉｃｏｌｉｔｅｒ，Ｉｎｃ．（Ｍｏｕｎｔａｉｎ  Ｖｉｅｗ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）に譲渡された）を参照のこと。このような材料の微細な液滴を作製する能力は、圧電システムが上昇した温度で最適以下に機能する限り、圧電技術と際立って対照的である。さらに、本発明の技術を使用することが可能な正確さに起因して、このデバイスを使用して、約１００ｎｌ以下の流体（好ましくは、１０ｎｌ以下の流体）を収容するように適合されたレザバから、液滴を射出し得る。特定の場合において、このイジェクターは、約１ｎｌ〜約１００ｎｌの流体を収容するように適合されたレザバから液滴を射出するように適合され得る。これは、射出される流体が、稀または高価な生体分子を含む場合に特に有用であり、ここで、約１ｐｌまでの容量を有する液滴を射出することが望ましくあり得る。大きなＦ番号のレンズが、流体の表面に対する距離の比率がレザバの基部内に備えられた開口部よりもずっと大きい（すなわち、３〜５倍大きい）レザバから液滴を射出する能力は、０．０１ｐｌ〜２０ｐｌまでを任意の場所に収容するように適合された液滴の射出を可能にする。
【００５２】
上記から、デバイスの種々の構成要素が、基材上でアレイを形成するために、個々の制御または同調を必要とし得ることは、明らかである。例えば、イジェクター位置合わせ手段は、基材表面上に調製されるアレイと関連して、予め決定したシーケンスで、各レザバから液滴を射出するように適合され得る。同様に、イジェクターに対して、基材表面を位置合わせするための基材位置合わせ手段は、その上のパターンまたはアレイで液滴を受容するために基材表面を位置合わせするように適合され得る。位置合わせ手段のいずれかまたは両方（すなわち、イジェクター位置決め手段および基材位置決め手段）は、例えば、レバー、プーリー、ギア、それらの組み合わせ、または当業者に公知の他の機械的手段から構築され得る。適切なパターン形成を確実にするために、基材の動作、イジェクターの動作、およびイジェクターの作動の間に対応があることを、確実にすることが好ましい。
【００５３】
さらに、このデバイスは、能力を増強させる他の構成要素を備え得る。例えば、上記に暗示されるように、このデバイスはさらに、例えば、基材に付着する液滴の射出を確実とするために、基材表面の温度を低下させるための冷却手段を備える。この冷却手段は、流体が基材と接触した後に、流体が部分的にかまたは好ましくは実質的に固化することを可能にする温度に、基材表面を維持するように適合され得る。水性流体の場合、この冷却手段は約０℃に基材表面を維持する能力を有するべきである。さらに、流体のレザバへの音波エネルギーの繰り返しの適用は、流体の加熱を生じ得る。加熱は勿論、速度、表面張力および密度のような流体の特性の所望されない変化を生じる。従って、このデバイスはさらに、レザバ中の流体を一定温度に維持するための手段を備え得る。このような温度維持手段の設計および構築は、当業者に公知であり、そして例えば、加熱要素、冷却要素、またはそれらの組み合わせのような構成要素を備え得る。多くの生体分子の沈着適用について、一般的に、生体分子を含む流体を、一定温度で、この温度から約１℃〜２℃より大きく偏ることなく保つことが所望される。さらに、特に熱に感受性の生体分子流体について、この流体を、流体の融点より高く約１０℃を越えない温度に保たれることが好ましく、好ましくは、流体の融点より高く約５℃を越えない温度である。従って、例えば、生体分子含有流体が水性である場合、射出の間、流体を約４℃に保つことが最適であり得る。
【００５４】
本発明のデバイスは、同一のレザバから１分間当たり少なくとも約１，０００，０００滴の速度で、そして異なるレザバから１分間当たり少なくとも約１００，０００滴の速度で、液滴の射出を可能とする。さらに、現在の位置合わせ技術は、イジェクター位置合わせ手段が、１つのレザバから別のレザバへと速くかつ制御された様式で移動することを可能とし、それにより、異なる流体の速くかつ制御された射出を可能にする。すなわち、現在市販される技術は、各レザバで繰り返し可能でかつ制御された音波カップリングで、高性能位置合わせ手段については約０．１秒未満に、そして通常の位置合わせ手段については約１秒未満で、イジェクターが１つのレザバから別のレザバへと移動されることを可能とする。カスタム指定されたシステムは、繰り返し可能でかつ制御された音波カップリングで、約０．００１秒未満で、イジェクターが１つのレザバから別のレザバへと移動されることを可能にする。カスタム指定されたシステムを提供するために、２つの基本的な動作（パルス的および継続的）があることを覚えておくことが重要である。パルス動作はイジェクターを所定位置に移動させる別々工程、音波エネルギーを射出する工程、およびイジェクターを次の位置に移動させる工程を包含する；かさねて、このような方法と共に高性能位置合わせ手段を使用することは、０．１秒未満で、各レザバでの繰り返し可能でかつ制御された音波カップリング可能にする。一方で、継続的動作設計は、イジェクターおよびレザバを継続的に移動させるが、同じ速度ではなく、そして移動の間に射出を提供する。パルスの幅は非常に短いので、この型のプロセスは１０Ｈｚより多くのレザバのトランジションを可能とし、そして１０００Ｈｚより高いレザバのトランジションを可能にする。
【００５５】
本発明はその好ましい特定の実施形態と組み合わせて記載されているが、前出の記載は本発明の範囲を例示することが意図され、これを限定するものではない。他の局面、利点および改変は、本発明が関係する分野の当業者に明かである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１Ａおよび１Ｂはそれぞれ、低いＦ番号レンズ（すなわち、約１未満のＦ番号を有する）、および高いＦ番号レンズ（すなわち、約２より高いＦ番号を有する）からの液滴射出を概略的に図示する。
【図２】図２Ａおよび２Ｂは、図２として集合的によばれ、第１レザバおよび第２レザバ、音波イジェクター、およびイジェクター位置決め手段を備える本発明のデバイスの実施形態を単純化された断面図で概略的に図示する。図２Ａは、第１レザバに音波的に結合された音波イジェクターを示し、この音波イジェクターは、第１レザバ内からの流体の液滴を基材表面上の設定された部位に向けて射出するために起動されている。図２Ｂは、第２レザバに音波的に結合された音波イジェクターを示す。
【図３】図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃは、図３として集合的に呼ばれ、図２の本発明の実施形態のバリエーションを概略図で図示し、ここで、このレザバは、レザバウエルプレート中に個々のウエルを備え、そして基材は、対応する数のウエルを有するより小さいウエルプレートを備える。図３Ａは、２つのウエルプレート（すなわち、レザバウエルプレートおよび基材ウエルプレート）の概略的な平面図である。図３Ｂは、音波イジェクターに音波的にカップリングされる図３Ａのレザバウエルプレートを備えるデバイスを断面図で図示し、ここで、液滴は、レザバウエルプレートの第１ウエルから基材ウエルプレートの第１ウエルに射出される。図３Ｃは、図３Ｂに図示されたデバイスを断面図で図示し、ここで、この音波イジェクターは、レザバウエルプレートの第２ウエルに音波的に結合され、さらにここで、このデバイスは、整列されて、音波イジェクターがレザバウエルプレートの第２ウエルからの液滴を基材ウエルプレートの第２ウエルに射出することを可能にする。
【図４】図４は、射出閾値を越える音波出力０．８ｄＢを使用し、そして音波周波数２６ＭＨｚを有する、Ｆ３レンズについてのトーンバースト持続時間に対する液滴沈着における変化をグラフに示す。
【図５】図５は、射出閾値を越える音波出力０．８ｄＢを使用し、そして音波周波数３０ＭＨｚを有する、Ｆ３レンズについてのトーンバースト持続時間に対する液滴沈着における変化をグラフに示す。
【図６】図６は、射出閾値を越える音波出力１．６ｄＢを使用し、そして音波周波数２６ＭＨｚを有する、Ｆ３レンズについてのトーンバースト持続時間に対する液滴沈着における変化をグラフに示す。
【図７】図７は、射出閾値を越える音波出力０．８ｄＢおよび１．６ｄＢを使用し、そして６５μ秒のトーンバースト持続時間を有する、Ｆ３レンズについての音波周波数に対する総射出容量における変化をグラフに示す。
【図８】図８は、３０ＭＨｚの音波周波数で４５μ秒、６５μ秒、および１０５μ秒のトーンバーストを使用する、Ｆ３レンズについての射出閾値を越える音波出力に対する液滴容量における変化をグラフに示す。
【図９】図９は、２６ＭＨｚ、３０ＭＨｚおよび３４ＭＨｚの音波周波数を使用して種々の入力レベルでの音波周波数に対する液滴直径における変化をグラフに示す。
【図１０】図１０は、２６ＭＨｚ、３０ＭＨｚおよび３４ＭＨｚの音波周波数を使用して種々の入力レベルでの音波周波数に対する液滴直径における変化をグラフに示す。
【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１０】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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