(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧誘起されたエレクトロウェッティング効果による小滴内の表面張力勾配に依拠して、連続液体フローをサンプリングする方法であって、
（ａ）基板表面を含む基板と、基板表面上に互いに離間して配置された複数の駆動電極と、隣接する駆動電極の間に、これらと実質的に同一平面上に配設された、基準電位に設定された複数の導通ラインと、駆動電極をカバーし、導通ラインを露出させるように形成された誘電層とを有する装置を提供するステップと、
（ｂ）入力フロー経路に沿って基板表面に液体フローを供給するステップと、
（ｃ）選択された駆動電極に順次、駆動電圧をバイアスするように、複数の駆動電極の中から選択された１つまたはそれ以上の駆動電極を順次活性化し、不活性化することにより、
（ｃ−１）連続液体フローの一部から第１および第２のサンプル小滴を形成し、
（ｃ−２）第１のサンプル小滴を第１の搬送フロー経路に沿って表面の第１の目的地領域まで移動させ、
（ｃ−３）第２のサンプル小滴を第２の搬送フロー経路に沿って表面の第２の目的地領域まで移動させるステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
第１のサンプル小滴を第１の移動速度で移動させ、
第２のサンプル小滴を第１の移動速度と実質的に同等の第２の移動速度で移動させることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
第１のサンプル小滴を第１の移動速度で移動させ、
第２のサンプル小滴を第１の移動速度とは異なる第２の移動速度で移動させることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、
第１のサンプル小滴を第１の目的地領域で処理するステップと、
第２のサンプル小滴を第２の目的地領域で処理するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、
第１のサンプル小滴を処理するステップは、第１のサンプル小滴に第１の追加的小滴を併合するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法であって、
第２のサンプル小滴を処理するステップは、第２のサンプル小滴に第２の追加的小滴を併合するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、
第１のおよび第２の追加的小滴は異なる成分を有することを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項４に記載の方法であって、
第１のおよび第２のサンプル小滴は実質的に同時に処理されることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項４に記載の方法であって、
第１のおよび第２のサンプル小滴は異なる速度で処理されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、
第１の目的地領域は、第１の処理を実施するためのものであり、
第２の目的地領域は、第１の処理とは異なる第２の処理を実施するためのものであることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、
第１および第２の目的地領域は、同一の領域であることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法であって、
第１および第２のサンプル小滴は、入力フロー経路に沿った異なる位置で形成されることを特徴とする方法。
【請求項１３】
電圧誘起されたエレクトロウェッティング効果による小滴内の表面張力勾配に依拠して、マイクロ流体サンプリングを実施する方法であって、
（ａ）第１、第２および第３の電極を有し、第２の電極が第１および第３の電極の間に配置された基板を提供するステップと、
（ｂ）流体入力フローストリームを第１の電極に流すステップと、
（ｃ）流体入力フローストリームの一部が第２および第３の電極にわたって拡張するように第１、第２および第３の電極を活性化するステップと、
（ｄ）流体入力フローストリームとは分離された小滴を第３の電極上に形成するために、第２の電極を不活性化するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、
流体入力フローストリームは、基板上を入力方向に沿って流れ、
第２および第３の電極は、入力方向に沿って配置されることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法であって、
流体入力フローストリームは、基板上を入力方向に沿って流れ、
第２および第３の電極は、入力方向とは異なる搬送方向に沿って配置されることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の方法であって、
選択された一連の追加的電極を順次活性化し、不活性化することにより、小滴を基板の処理領域に移動させるステップを有することを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の方法であって、
上記ステップ（ｃ）および（ｄ）を所望する回数だけ反復することにより、複数の小滴を形成するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１３に記載の方法であって、
流体出力フローストリームを形成するために、２つまたはそれ以上の小滴を基板上で再併合するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項１９】
電圧誘起されたエレクトロウェッティング効果による小滴内の表面張力勾配に依拠して、連続液体フローをサンプリングする方法であって、
（ａ）第１フロー経路に沿って表面に液体フローを供給するステップと、
（ｂ）サンプル小滴を表面上に形成するためにエレクトロウェッティング処理を実行することにより流体フローをサンプリングするステップとを有し、
エレクトロウェッティング処理は、
表面上に一連の電極を設けるステップと、
流体フローの少なくとも一部を導電部材および第１の電極に接触するように配置するステップと、
一連の電極を選択的に活性化し、不活性化するステップとを有し、
第２の電極が第１の電極に隣接して配置され、第３の電極が第２の電極に隣接して配置され、
エレクトロウェッティング処理は、
流体フローの一部が第２および第３の電極にわたって拡張するように、第１、第２および第３の電極を活性化するステップと、
サンプル小滴を第３の電極上で形成するために、第２の電極を不活性化するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法であって、
エレクトロウェッティング処理を実行することにより、サンプル小滴を第２フロー経路に沿って移動させるステップを有することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］
本発明は、２００２年９月２４日付けで出願された米国特許出願第１０／２５３，３６８号の優先権を主張し、その開示内容はここに一体のものとして統合される。
【０００２】
［政府の利害関係］
本発明は、米国国防総省高等研究事業局により承認された承認番号Ｆ３０６０２−９８−２−０１４０号に基づき、米国政府からの支援を受けてなされたものである。米国政府は、本発明に関する所定の権利を有する。
【０００３】
［技術分野］
本発明は、一般に、マイクロ流体スケールの小滴サンプルを作成、混合、希釈するなど、小滴の液体を操作および処理する技術分野に関する。とりわけ本発明は、エレクトロウェッティング方式の技術を用いた小滴の操作に関する。
【背景技術】
【０００４】
現在、キャピラリサイズの連続した液体フローに対して所定の処理技術を実施する可能性を模索すべく、マイクロ流体システムが開発されつつある。特に、「ケミストリ・オン・チップ（chemistry-on-a-chip）」のセンサおよびアナライザと一般に呼ばれるマイクロ流体デバイスを開発することに対する強い要請があり、これらはラボ・オン・チップ（labs-on-a-chip: LoC）およびマイクロトータル分析システム（μ−ＴＡＳ）としても知られている。この分野の研究の究極的な目標は、もっとも一般的な（生）化学実験の処理および装置を、小型化され、自動化されたチップ形式フォーマットに簡略化することにより、迅速で、携帯可能で、安価で、しかも信頼性の高い（生）化学実験機器を実現することにある。適用例は、医療診断用、環境モニタ用、および基礎科学研究用を含む。
【０００５】
ＨＰＬＣ（高圧液体クロマトグラフィ：high pressure liquid chromatography）、ＣＥ（キャピラリ電気泳動：capillary electrophoresis）またはＭＳ（質量分析：mass spectrometry）システムなどの大規模分析機器の入力に、連続フローの出力を接続することにより、連続フローをオンラインでモニタすることが極めて頻繁に行われている。連続フローのストリームが一連のバイオセンサの上を通過するところで、連続的にモニタするためのマイクロ流体システムは、通常、小型化されたアナライト固有のバイオセンサを採用している。センサは、共通のチャンネル内に配設されているので、センサ間のクロストークまたはコンタミネーションが頻繁に問題となる。試薬を連続フローに混ぜ合わせる必要がある場合の分析において、試薬を添加し、フローを制御・混合し、各ストリームにおける検出を行う分割手段を用いて、フローを複数の並行するストリームに分割しなければ、１度にただ１つのアナライトしか測定できない。さらに、マイクロ流体フローで混合することは通常、あまり容易なことではない。混合のためには、十分な時間と距離を設ける必要があり、チップの設計およびシステムのフロー速度に対する制約が課せられることになる。
【０００６】
一般に、化学的および生物学的応用例において、混合（混合）することは基本的な処理である。マイクロ流体デバイス内で混合することは、マイクロトータル分析システム（μ−ＴＡＳ）またはラボ・オン・チップシステムにおいて、極めて重要なステップである。以下説明する本発明においては、これらのシステムにおける混合は、サンプルを事前に希釈処理するか、特定の比率でサンプルと試薬を反応させるために用いられるものである。また、最小限度のチップ領域を用いて、液体を迅速に混合する機能は、こうしたシステムの収量を大幅に改善するものである。２つの原理に基づき混合を改善し、乱流、すなわち極めて微小スケールの不可逆的フローを形成するか、あるいは拡散により混合を改善するために複数の層流を形成する。
【０００７】
ミキサー（混合装置）は、連続フロー方式および小滴方式の構成に大別することができる。すべての連続フロー方式の装置の共通の問題は、流体の搬送が常にエッチングされた構造体に物理的に制限され、混合処理を改善するためには追加的な機構が必要なる点にある。用いられる搬送機構は、通常、外部ポンプによる圧力を用いて駆動されるか、あるいは高電圧源による電気動力学を用いて駆動される。これにより、バルブ、複雑な通路、消費する貴重なチップ上の物的構造物を用いることが必要となる。これらの制約により、連続フロー方式のマイクロミキサーを自己内蔵型の再設定可能なラボ・オン・チップとして形成することができない。従来式の連続フローシステムは、制限されたチャンネル内の連続液体フローに基づいており、小滴方式のシステムは、液体の複数の離散的な容量を用いる。連続フロー方式および小滴方式の両方の構造は、さらに受動型および能動型のミキサーに分類することができる。受動的ミキサーは、混合するための外力エネルギを入力することなく、受動的な拡散により混合する。他方、能動的な混合は、分散された多層流または乱流を形成するために、ある種の駆動力による外部エネルギを活用する。微視的な世界では、機械的動作により乱流フローを形成することは困難であるため、有効に混合することは技術的な問題である。乱流を形成するための慣性力、混合を促進するために必要な大面積の界面表面が形成されない。すなわち、限定的な界面領域を介した拡散させることによる混合は問題となる。
【０００８】
最近になって、音響波を用いた能動的混合［ビベック（Vivek）らの「新規な音響マイクロミキサー（Novel acoustic micromixer）」（MEMS 2000 p. 668-73）を参照のこと］、超音波を用いた能動的混合［ヤング（Yang）らの「マイクロ流体システムのための超音波マイクロミキサー（Ultrasonic micromixer for microfluidic systems）」（MEMS 2000, p. 80を参照のこと）］、およびピエゾ圧電素子により駆動されるバルブレスマイクロポンプ用いた能動的混合［ヤング（Yang）らの「ピエゾ素子で駆動されるバルブレスマイクロポンプ（Micromixer incorporated with piezoelectrically driven valveless micropump）」（Micro Total Analysis System '98, p. 177-180を参照のこと）］が提案され、これらの有用性が実証されている。電気振動流による混合は、同様に、ポール（Paul）らに付与された米国特許第６，０８６，２４３号に開示されている。混合のためのカオス的移流を採用した、別の混合技術が提案された。リー（Lee）らの「電気および圧力で駆動されるカオス的混合（Chaotic mixing in electrically and pressure driven microflows）」（The 14th IEEE workshop on MEMS 2001, p. 483-485）、リウ（Liu）らの３次元の曲がりくねったマイクロチャンネル（Passive Mixing in a Three-Dimensional Serpentine Microchannel）」（J. of MEMS, vol 9 (No.2), p. 190-197(June 2000)）、およびエバンズ（Evans）らの「平坦な層流ミキサー（Planar laminar mixer）」（Proc., of IEEE, The tenth annual workshop on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS 97), p.96-101(1997)）を参照されたい。リーらは、カオス的移流を形成するために、電気泳動力または圧力を採用することに焦点を当て、リウらは、同様の移流を励起するために、マイクロチャンネルの幾何学的形態に依拠している。エバンズらは、平坦な混合チャンバを構成し、その側方で、非対称ソースおよびシンクがフロー領域を形成し、これにより、流体粒子の当初の位置のわずかな差異により、最終的な位置を大きく変化させる。これは流体粒子をカオス的に再配置させ、こうして２つの粒子を混ぜ合わせる。ごく最近になって、能動的に混合させるために、電気流体力学的な対流を用いることが提案されている。ジン（Jin）らの「マイクロ流体式生化学分析のための、電気流体力学的な対流を用いた能動的ミキサー（An active mixer using electrohydrodynamic (EHD) convection for microfluidic-based biochemical analysis）」（Technical Digest, Solid-State Sensor and Actuator Workshop, p. 52-55)を参照されたい。
【０００９】
分子の拡散は、レイノルズ数の小さい液体フローにおいて重要な役割を果たす。一般に、２種類の液体の接触表面が増大すると、拡散速度は大きくなる。分子が拡散するために必要な時間は、拡散距離の二乗に比例する。混合チャンネルを単純に狭くした迅速な拡散ミキサーがヴィーンストラ（Veenstra）らの「マイクロフロー注入分析システムに適用可能な拡散ミキサーのための特徴的方法（Characterization method for a new diffusion mixer applicable in micro flow injection analysis systems）」(J. Micromech. Microeng. , Vol. 9, pg. 199-202 (1999)）に開示されている。拡散型マイクロ混合に対する第１のアプローチは、界面領域を増大させ、２種類の液体を交互に配置することにより、拡散長を減少させることであった。交互に配置することは、構造物の形状を操作することにより行われた。１つのアプローチは、マイクロノズルアレイを用いて、１つの液体を他の液体に注入することである。ミヤケ（Miyake）らの「迅速な拡散を用いたマイクロミキサー（Micro mixer with fast diffusion）」（Proceedings of Micro Electro Mechanical Systems, p. 248-253 (1993)）を参照されたい。択一的な方法は、複数のステージで分離・再結合させることにより、２種類のフローのストリームを１つのチャンネル内で重ね合わせることである。ブラネビエルグ（Branebierg）らの「層流のによる迅速な混合（Fast mixing by lamination）」（Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems, p. 441 (1996)）、クロア（Kroa）らの「平坦なシリコン／ガラス技術を用いて形成されたマイクロミキサー上の実験およびシミュレーション（Experiments and simulations on a micro-mixer fabricated using a planar silicon/glass technology）」（MEMS, p. 177-182 (1998)）、シュベシンガー（Schwesinger）らの「集積マイクロミキサーを用いたモジュール式マイクロ流体システム（A modular microfluidic system with an integrated micromixer）」（J. Micromech. Microeng., Vol 6, pg. 99-102 (1996)）、およびシュベシンガーらの「シリコン内に積層された静的マイクロミキサー（A static micromixer built up in silicon）」（Proceedings of the SPIE, The International Society for Optical Engineering, Micromachined Devices and Components, Vol. 2642, p. 150-155）を参照されたい。このタイプのミキサーの特徴は、コック（Koch）らの「シリコンに基づく２つの簡便なマイクロミキサー（Two simple micromixers based on silicon）」（J. Micromech. Microeng., Vol 8, p. 123-126 (1998)）、コックらの「マイクロマシーンによる化学反応システム（Micromachined chemical reaction system）」（Sensors and Actuators, Physical(74), p. 207-210）、およびコックらの「マイクロミキサーのための改善された特徴技術（Improved characterization technique for micromixer）」（J. Micromech. Microeng, Vol 9, p. 156-158 (1999)）に開示されている。層流技術の変形は、シヌソイド形状の流体チャンネル（カンパー（Kamper）らの「生化学的および化学的マイクロ反応装置のためのマイクロ流体成分（Microfluidic components for biological and chemical microreactors）」（MEMS 1997, p. 338)を参照のこと）、または２種類の対向する流れの流体の択一的チャンネル（http://www. imm-mainz.de/Lnews/Lnews 4/mire. htmlを参照のこと）、あるいは内部で交差するチャンネルを形成する一連の固定的な硬い部材を用いた３Ｄパイプ（バートシュ（Bertsch）らの「産業用静的ミキサーを大幅に小型化した３Ｄマイクロミキサー（3D micromixers-downscaling large scale industrial static mixers）」（MEMS 2001 14th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, p. 507-510を参照のこと）の中で、液体を個別化、再配置、その後に再統合することにより同様に実現される。拡散型の静的な拡散の１つの欠点は、面外流体フローを提供するために、複雑な３次元構造を必要とする点にある。別の欠点は、フローを特徴付ける小さいレイノルド数により、混合時間が長くなることである。
【００１０】
能動的なミキサーの問題点は、混合プロセス中のエネルギ吸収により、温度に影響を受けやすい流体に対しては適用できない点である。さらに、いくつかの能動的なミキサーは、帯電または分極可能な流体粒子に基づき、対流または局在的乱流が形成される。すなわち、伝導度の低い液体は適切に混合することができない。摂動力が機械的なマイクロポンプから与えられる場合、バルブのないマイクロポンプが存在するため、混合のための溶液のフロー速度を制御することが極めて複雑となる。
【００１１】
連続的なフローシステムにおいて、混合比を制御することは常に技術的な問題となる。サンプルと試薬のフロー速度を変えることにより、試薬とサンプルのポートにおける圧力を適正に制御して、混合比を得ることができる。しかし、流体の特性および混合チャンバ／チャンネルの幾何学的形状により圧力が依存するため、制御することは極めて煩雑となる。インレットがマイクロポンプにより制御される場合、動作周波数とフロー速度の間の関係が非線形であるため、フロー速度を自由に変えることは容易な作業ではない。ミキサーを調整し、電気的に作動するフラッパバルブを用いて、２種類の液体を不連続的に混合することが、ヴォルドマン（Voldman）らの「集積された液体ミキサー／バルブ（An Integrated Liquid Mixer/Valve）」（Journal of Microelectromechanical Systems", Vol. 9, No. 3 (Sep. 2000))に開示されている。このデザインは、所定の混合比を得るために、洗練された圧力フローの較正を必要とする。
【００１２】
ホソカワ（Hosokawa）らの「マイクロキャピラリベントを用いた小滴方式のナノ／ピコリットルミキサー（Droplet based nano/picoliter mixer using hydrophobic microcapillary vent）」（MEMS'99, p. 388）、ホソカワらの「ポリ（ジメチルシロキサン）式マイクロ流体デバイスにおけるピコリットルの液体サンプルの処理（Handling of Picoliter Liquid Samples in a Poly (dimethylsiloxane)-Based Microfluidic Device）」（Anal. Chem 1999, Vol. 71, p. 4781-4785）、ワシズ（Washizu）らの「マイクロリアクタ用液体小滴の静電気的駆動（Electrostatic actuation of liquid droplets for micro-reactor applications）」（IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 34 (No. 4), p. 732-737 (1998)）、バーンズ（Burns）らの「集積化されたナノリットルＤＮＡ分析デバイス（An Integrated Nanoliter DNA Analysis Device）」（Science, Vol. 282 (No. 5388), p. 484 (Oct. 16,1998)）、ポーラック（Pollack）らの「マイクロ流体用液体小滴のエレクトロウェッティング方式駆動（Electrowetting-based actuation of liquid droplets for microfluidic applications）」（Appl. Phys. Lett., Vol. 77, p. 1725 (Sept. 2000)）、パムラ（Pamula）らの「マイクロ流体のエレクトロウェッティング方式の小滴混合（Microfluidic electrowetting-based droplet mixing）」（MEMS Conference, 2001,8-10）、ファウラー（Fowler）らの「小滴方式のマイクロ流体力学による今後の改善（Enhancement of Mixing by Droplet-based Microfluidics）」（IEEE MEMS Proceedings, 2002,97-100）、ポーラックの「デジタルマイクロ流体力学のためのエレクトロウェッティング方式マイクロ駆動（Electrowetting-based microactuation of droplets for digital microfluidics）」（Ph. D. Thesis, Department of Electrical and Computer Engineering, Duke University）、およびウ（Wu）の「ユニットマイクロ流体システムのためのインプットバッファの設計および製造（Design and Fabrication of an Input Buffer for a Unit Flow Microfluidic System）」（Master thesis, Department of Electrical and Computer Engineering, Duke University）において、小滴方式のミキサーが研究されている。
【００１３】
小滴式ミキサーは、連続フロー方式のマイクロ流体デバイスより数多くの利点を有するように設計・構成できると考えられている。離散的フローは、連続的なマイクロ流体デバイスが有するフロー速度に対する問題点を払拭することができる。小滴式混合デバイスのデザインは、安価で製造できる平坦な構造物に依拠することができる。空気式駆動、静電気またはエレクトロウェッティングによる作動メカニズムは、ヒータを必要としないので、（生）化学物質に対する影響を最小限に抑えることができる。適正な小滴形成技術を用いることにより、小滴型ミキサーは、液体の体積をより良好に制御することができる。最後に、小滴式ミキサーは、前後運動または振動などの小滴動作により、小滴内部において再循環させ、拡散が主流となるスケールにおける混合効果を増大させることができる。
【００１４】
上述のように、連続フローを必要とするこれまでの分析・混合技術の問題点に対処するために、新規な小滴操作技術を提供することは有用である。特に、以下説明し、クレームする本発明は、部分的には、連続フロー構造に対する択一的でより良好な解決手段が、チャンネルおよび混合チャンバが永久的にエッチングされず、むしろ仮想的なもので、フライ上に構成および再構成することができる場合のシステムを設計することにあると認識することにより実現された。本発明は、流体を小滴に個別（離散）化する手段と、各小滴が仮想的な混合または反応チャンバとして機能するように、個々の小滴を制御する手段とを提供することにより、こうしたシステムを実現する。
【発明の概要】
【００１５】
本発明は、エレクトロウェッティング方式の技術を用いた、液体の小滴方式の処理方法および操作方法を提供するものである。小滴はマイクロリットル以下の容量を有していてもよく、電極に対する電圧を制御することにより自由に移動させることができる。小滴の駆動メカニズムは、一般に、電圧誘起されたエレクトロウェッティング効果による小滴内の表面張力勾配に依拠している。本発明のメカニズムによれば、小滴を搬送することができる一方、仮想的なチャンバとして機能させて、チップ上の任意の場所で混合することができる。チップは、所望の作業を実行するためにリアルタイムで再構築可能な電極アレイを有する。本発明によれば、サンプル小滴、試薬小滴、希釈小滴などを独立して制御するように、いくつかの異なるタイプの処理および操作を行うことができる。従前、こうした処理は連続液体フローに対してなされていた。これらの処理は、例えば、駆動または移動、モニタ、検出、照射、培養、反応、希釈、混合、透析、分析などを含む。さらに、本発明の方法を用いて、例えば、マイクロ流体チップにおける連続入力から、連続フロー液体源から小滴を形成することができる。すなわち、本発明は、連続フローから均一の大きさを有し、独立して制御可能な複数の小滴単位に個別化または断片化する方法を提供する。
【００１６】
微視的に操作するために、離散的で独立して制御可能パケットまたは小滴に液体を細分化することにより、連続フローシステムに比していくつかの重要な利点が得られる。例えば、流体操作または流体工学を基本的な反復可能な動作に縮減することにより（１つのステップとしての１つの液体ユニットの移動）、デジタル電気工学と類似した、階層的またはセル方式デザインのアプローチを可能にする。
【００１７】
上記利点に加えて、以下のような利点を得るため、小滴駆動または小滴操作のためのメカニズムとしてエレクトロウェッティング技術を用いる。
１．小滴の位置に関する改善された制御
２．高密度電極アレイを用いた高い並行処理機能
３．再構築性
４．プログラム動作を用いた混合比制御、混合比のより良好な制御性、混合比の精度改善
５．高い生産性、改善された並行性
６．非同期制御性および精度のさらなる改善を可能にする光学的検出部品との集積
【００１８】
とりわけ本発明は、小滴方式のサンプル作成および分析を可能にするサンプリング方法を提供する。本発明は、マイクロ流体チップまたは他の適当な構造体において、エレクトロウェッティング現象を誘発し、制御することにより、連続液体フローから均一な大きさを有する一連の小滴に断片化または個別化する。この液体は、一連の小滴として、順次、構造体の中を通り抜けるか、構造体をわたって搬送され、一連の小滴は、最終的にはアウトプットにおいて、連続フローとして再結合され、収集貯蔵部に配置され、あるいは分析のためフローから迂回する。択一的には、連続フローストリームは、構造体を完全に横断して、小滴を分析するため、連続フローに沿った特定場所で小滴が取り除かれ、サンプル収集される。両方の場合、サンプル収集された小滴は、分析のため構造体の特定領域に搬送される。すなわち、オンラインではあるが、メインフローに対してインラインではなく、分析が行われ、分析をメインフローから分断することができる。
【００１９】
メインフローから外れると、各小滴の動きを独立して制御するための設備が存在する。化学分析の目的で、サンプル小滴を、チップまたは他の構造体の上または隣接する試薬貯蔵部から形成された特定の化学的試薬を含む小滴と合体させ、混合させることができる。いくつかの場合、小滴の混合、反応または培養などの所定の機能が付与されるチップの一部を用いて、複数ステップの反応または希釈が必要である。サンプルが準備されると、アナライトの検出または測定に特化したチップの別の部分に、エレクトロウェッティングによりサンプル小滴が搬送される。いくつかの検出領域は、例えば、所定の結合酵素や他の生体分子識別剤を含み、特定の検出に特化したものであってもよく、別のいくつかの検出領域は、蛍光式または吸光式検定のための光学的システムなどの汎用性検出手段を有していてもよい。連続フロー源からチップの分析部分に至る小滴フロー（分析フロー）は、連続フロー（入力フロー）とは独立し、分析を実行する上で格段の柔軟性が許容される。本発明の方法の他の特徴および利点を以下により詳細に説明する。
【００２０】
本発明の方法は、連続フローからマイクロ小滴を形成する手段を用いて、小滴を独立して搬送、併合、混合および他の処理を行う。好適な実施形態は、表面張力（すなわちエレクトロウェッティング）を電気的に制御して、これらの操作を実現する。１つの実施形態において、液体は、２つの並行なプレートの間の空間に収容される。一方のプレートは、その表面上にエッチングされた駆動電極を有し、他方のプレートは、接地されるか、基準電位に設定されたエッチング電極または単一の連続的な平面電極を有する。疎水性絶縁物が電極をカバーし、電場が電極と対向プレートの間に形成される。この電場により表面張力勾配が形成され、その結果、電圧印加された電極に重畳する小滴をこの電極に向かって移動させる。電極を適当に配置し、制御することにより、小滴を隣接する電極間において連続的に搬送することができる。パターン化された電極を２次元アレイに配置して、アレイによりカバーされる任意の位置に小滴を搬送することができる。小滴の周囲の空間には空気やオイルなどの不混和性流体を充填してもよい。
【００２１】
別の実施形態において、接地電位または基準電位に用いられる構造体は、駆動電極と同一平面上にあり、第２プレート（用いられた場合）は単に汚染空間を定義する。同一平面上の接地部材が電極アレイ上に重畳された導電性グリッドであってもよい。択一的には、接地部材は、接地電極または基準電極として機能するように動的に選択された電極アレイとする一方、別のアレイ電極を駆動電極として機能するように選択してもよい。
【００２２】
複数の小滴を同一の電極上で搬送することにより、小滴を一体に合体させることができる。小滴を受動的または能動的に順次混合する。小滴は、拡散により受動的に混合する。小滴は、エレクトロウェッティング現象を利用して、合体小滴を移動または「振動」させることにより能動的に混合する。好適な実施形態において、小滴は、２×２の電極アレイの周囲を回転することにより混合する。小滴を駆動することにより、不可逆的な乱流を形成するか、分散した層流を形成して、拡散による混合を促進させる。小滴は、以下のようにして、より大きい小滴または液体の連続本体部から分離させることができる。すなわち、液体の直下にある電極に沿って、液体本体部の端部に隣接する少なくとも２つの電極を活性化し、活性化した複数の電極の広がりにわたって拡張するように液体を移動させる。そして中間電極を不活性化して、本質的に親水性を有する領域の間の疎水性領域を形成する。液体メニスカスが疎水性領域で破断し、新しい小滴が形成される。この処理を用いて、連続フローストリームから複数の小滴を形成する。
【００２３】
本発明の１つの実施形態によれば、小滴を操作するための装置は、基板表面を含む基板、基板表面上に形成された電極アレイ、基準部材アレイ、基板表面上に形成された誘電層、および電極選択部を有する。基準部材は基準電位に設定することができる。基準部材アレイは、各基準部材は少なくとも１つの電極と隣接するように、電極アレイと実質的に同一平面上に配設されている。誘電層は、基板表面上に形成され、電極をカバーするようにパターン形成される。電極選択部は、選択された電極に順次、駆動電圧をバイアスするように、アレイの中から選択された１つまたはそれ以上の電極を順次活性化し、不活性化するマイクロプロセッサまたは他の適当な部品として構成してもよい。電極選択部により実施されるシーケンスにより、選択された電極により決まる所望の経路に沿って、基板表面上に形成された小滴を移動させる。
【００２４】
本発明の１つの方法によれば、電極アレイと実質的に同一平面上の基準部材アレイとを有する表面上に小滴を形成することにより、小滴を活性化する。小滴は、複数の電極のうちの第１の電極上に配置され、第２の電極と、第１および第２電極の間に配設された中間基準部材に少なくとも部分的に重なる。第１および第２の電極を活性化して、小滴の少なくとも一部を第２の電極にわたって拡張する。第１の電極を不活性化して、小滴を第１の電極から第２の電極へ移動させる。
【００２５】
この方法の１つの態様によれば、第２の電極は第１の方向に沿って第１の電極に隣接している。さらに、アレイは１つまたはそれ以上の追加的な方向に沿って第１の電極に隣接する１つまたはそれ以上の追加的な電極を有する。小滴は、第２電極と同様、これらの追加的な電極に少なくとも部分的に重なる。この方法の態様によれば、第１および第２の電極を含む第１の方向が小滴を移動させるべき方向に沿った所望の方向として選択される。第１の方向の選択に基づいて活性化するために、第２電極が選択される。
【００２６】
本発明の別の方法によれば、１つの小滴が２つまたはそれ以上の小滴に分離される。電極アレイと実質的に同一平面上の基準部材アレイとを有する表面上に開始小滴を形成する。電極アレイは、第１の外側電極、第１の外側電極に隣接した中央電極、および中央電極に隣接した第２の外側電極からなる少なくとも３つの電極を含む電極を有する。開始小滴は、当初において、３つの電極のうちの少なくとも１つの電極上に配置され、３つの電極のうちの少なくとももう１つの電極と重なる。３つの電極のそれぞれを活性化して、開始小滴を３つの電極にわたって拡張させる。中間電極の不活性化して、開始小滴を第１および第２の分離小滴に分離する。第１の分離小滴を第１の外側電極上に配置し、第２の分離小滴を第２の外側電極上に配置する。
【００２７】
本発明のさらに別の方法において、２つまたはそれ以上の小滴を１つの小滴に併合する。電極アレイと実質的に同一平面上の基準部材アレイとを有する表面上に第１および第２の小滴を形成する。電極アレイは、第１の外側電極、第１の外側電極に隣接した中央電極、および中央電極に隣接した第２の外側電極からなる少なくとも３つの電極を含む電極を有する。第１の小滴は、第１の外側電極上に配置され、少なくとも部分的に中間電極と重なる。第２の小滴は、第２の外側電極上に配置され、少なくとも部分的に中間電極と重なる。３つの電極のうちの１つの電極を目的地電極として選択する。目的地電極の選択に基づいて、３つの電極のうちの２つまたはそれ以上の電極を選択して、順次活性化し、不活性化する。第１および第２の小滴の一方を他方に向かって移動させるか、第１および第２の小滴を互いに向かって移動させるようにシーケンス処理するために選択された電極を順次活性化し、不活性化する。第１および第２の小滴が一体に併合し、目的地電極上で合体小滴が形成される。
【００２８】
この方法の１の態様によれば、第１の小滴が第１の成分を有し、第２の小滴が第２の成分を有し、合体小滴が第１および第２の成分を有する。この方法が、第１および第２の成分を一体に混合するステップを有する。本発明によれば、合体小滴を形成するステップにより、第１および第２の成分が一体に混合される。本発明によれば、混合ステップを受動的または能動的に行うことができる。本発明の態様において、混合ステップは、４つの電極からなる２×２のサブアレイ上の合体小滴を、４つの電極を順次活性化し、不活性化することにより、合体小滴を回転させるように移動させることを含む。合体小滴が回転する一方、合体小滴の少なくとも一部が４つの電極の交差領域またはその近辺において実質的に静止した状態で維持される。本発明の別の態様において、混合ステップは、合体小滴を直線的に配列された電極アレイの一連の電極に沿って、所望回数および所望振動数で前後に振動させるために、直線的に配列された電極アレイの一連の電極を順次活性化し、不活性化することを含む。本発明の追加的な混合手法を以下詳細に説明する。
【００２９】
本発明の別の実施形態によれば、小滴を操作するための装置は、基板表面を含む基板と、基板表面上に形成された電極アレイと、基板表面上に形成され、電極をカバーする誘電層と、電極選択部とを備える。電極選択部は、電極対のシーケンスを動的に形成する。各電極対は、第１の電圧がバイアスされた選択された第１の電極と、第１の電圧より低い第２の電圧がバイアスされ、選択された第１の電極に隣接して配設された選択された第２の電極とを有する。好適には、第２の電圧は接地電圧またはいくつかの他の基準電圧である。基板表面上に形成された小滴は、電極選択部により選択された電極対の間にある所望経路に沿って移動する。
【００３０】
本発明のさらに別の方法によれば、電極アレイを含む表面上に小滴を形成することにより、小滴を駆動する。小滴は、当初において、第１の電極上に配置され、第１のギャップを隔てて第１の電極から離間した第２の電極に少なくとも部分的に重なる。第１の電極に第１の電圧をバイアスし、第１の電圧より低い第２の電圧を第２の電極にバイアスする。こうして、小滴を第１のギャップ上の中央に配置する。第１および第２の電極に近接する第３の電極に、第２の電圧より高い第３の電圧をバイアスし、第３の電極の上に小滴を拡張する。第１の電極へのバイアスを取り除き、第１の電極から遠ざかる方向に小滴を移動させる。こうして、小滴を第２および第３の電極の間の第２のギャップ上の中央に配置する。
【００３１】
本発明のさらに別の方法によれば、小滴を２つまたはそれ以上の小滴に分離する。電極アレイを有する表面上に開始小滴を形成する。電極アレイは、第１の外側電極、第１の外側電極に隣接した中央電極、および中央電極に隣接した第２の外側電極からなる少なくとも３つの電極を含む電極を有する。開始小滴は、当初において、３つの電極のうちの少なくとも１つの電極上に配置され、３つの電極のうちの少なくとももう１つの電極と重なる。開始小滴を３つの電極にわたって拡張させるために、３つの電極のそれぞれに第１の電圧をバイアスする。開始小滴を第１および第２の分離小滴に分離するために、中間電極に第１の電圧より低い第２の電圧をバイアスする。第１の分離小滴を第１の外側電極上に配置し、第２の分離小滴を第２の外側電極上に配置する。
【００３２】
本発明の別の方法によれば、２つまたはそれ以上の小滴を１つの小滴に併合する。電極アレイを有する表面上に第１および第２の小滴を形成する。電極アレイは、第１の外側電極、第１の外側電極に隣接した中央電極、および中央電極に隣接した第２の外側電極からなる少なくとも３つの電極を含む電極を有する。第１の小滴は、第１の外側電極上に配置され、少なくとも部分的に中間電極と重なる。第２の小滴は、第２の外側電極上に配置され、少なくとも部分的に中間電極と重なる。３つの電極のうちの１つの電極を目的地電極として選択する。目的地電極の選択に基づいて、３つの電極のうちの２つまたはそれ以上の電極を選択して、順次バイアスする。第１および第２の小滴の一方を他方に向かって移動させるか、第１および第２の小滴を互いに向かって移動させるように、第１および第２の電圧の間でシーケンス処理するために選択された電極を順次バイアスする。第１および第２の小滴を一体に併合して、目的地電極上で合体小滴を形成する。
【００３３】
本発明は、連続液体フローをサンプリングする方法を提供する。第１フロー経路に沿って表面に液体フローを供給する。表面は電極アレイと実質的に同一平面上の基準部材アレイとを有する。液体フローの少なくとも一部が第１の電極上に配置され、第２の電極と第１および第２の電極の間の基準部材の上に少なくとも部分的に重なる。液体フロー部分を第２および第３の電極にわたって拡張するために、第１の電極、第２の電極、および第２電極に隣接する第３の電極を活性化する。第３の電極上の液体フローから小滴を形成するために、第２の電極を不活性化する。この小滴を液体フローとは別体とし、制御可能に独立させる。
【００３４】
連続液体フローをサンプリングするための本発明の別の方法によれば、第１フロー経路に沿って表面に液体フローを供給する。表面は電極アレイを有する。液体フローの少なくとも一部が第１の電極上に配置され、第２の電極に少なくとも部分的に重なる。液体フロー部分を第２および第３の電極にわたって拡張するために、第１の電極、第２の電極、および第２電極に隣接する第３の電極に第１の電圧をバイアスする。第３の電極上の液体フローから小滴を形成するために、第１の電圧より低い電圧を第２の電極にバイアスする。こうして形成された小滴は、液体フローとは別体であり、制御可能に独立している。
【００３５】
本発明のさらに別の実施形態によれば、バイナリ混合装置は、第１の混合ユニット、第２の混合ユニット、および電極選択部を備える。第１の混合ユニットは、第１の表面領域、第１の表面領域上に配設された第１の電極アレイ、および第１の電極アレイと実質的に同一平面上に配設された第１の基準部材を有する。第２の混合ユニットは、第２の表面領域、第２の表面領域上に配設された第２の電極アレイ、第２の電極アレイと実質的に同一平面上に配設された第２の基準部材、および第２の表面領域と第１の混合ユニットとに連通した小滴アウトレット領域を有する。電極選択部は、第１の表面領域に供給された２つの小滴を一体に混合するように１つまたはそれ以上の選択された第１の電極を順次活性化し、不活性化する。電極選択部は、同様に、第２の表面領域に供給された別の２つの小滴を一体に混合するように１つまたはそれ以上の選択された第２の電極を順次活性化し、不活性化する。
【００３６】
したがって本発明の目的は、連続フロー液体入力源をサンプル採取して、均一の大きさを有し、独立して制御可能な小滴を連続的かつ自動的に形成することにある。
【００３７】
本発明のさらなる目的は、エレクトロウェッティング技術を用いて、搬送、混合、検出、分析などの小滴方式の操作を実行し、制御することにある。
【００３８】
本発明のさらなる目的は、高い精度で所望の混合比を得るようにバイナリ混合を有効に実現するのに適した構成を提供することにある。
【００３９】
これまで説明した本発明の目的は、以下に最良に開示する添付図面を参照しながら以下の記載を参照すると明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、本発明による両面電極構成を有するエレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータの断面図である。
【図２】図２は、本発明の１つの実施形態による、互いに嵌合する周縁部を有する電極セルアレイの平面図である。
【図３】図３は、本発明により構成されたエレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータ機構の特性を示す電圧の関数としてのスイッチング速度のグラフである。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明のエレクトロウェッティング技術を用いて移動させた小滴の一連の概略図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明のエレクトロウェッティング技術を用いて移動させた小滴の一連の概略図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明のエレクトロウェッティング技術を用いて移動させた小滴の一連の概略図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明のエレクトロウェッティング技術を用いて移動させた小滴の一連の概略図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明のエレクトロウェッティング技術を用いて、２つの小滴を１つの併合小滴に合体させる様子を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明のエレクトロウェッティング技術を用いて、２つの小滴を１つの併合小滴に合体させる様子を示す。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明のエレクトロウェッティング技術を用いて、２つの小滴を１つの併合小滴に合体させる様子を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明のエレクトロウェッティング技術を用いて、１つの小滴が２つの小滴に分割される様子を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明のエレクトロウェッティング技術を用いて、１つの小滴が２つの小滴に分割される様子を示す。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明のエレクトロウェッティング技術を用いて、１つの小滴が２つの小滴に分割される様子を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、液体が電極アレイに供給され、小滴が液体から形成される様子を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、液体が電極アレイに供給され、小滴が液体から形成される様子を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、１次元の直線的な小滴併合プロセスを実現する本発明のエレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータの断面図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａの上側プレーンを取り除いた構成の平面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明により１次元の直線的な小滴混合を実現する２電極、３電極、および４電極構成の各平面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明により１次元の直線的な小滴混合を実現する２電極、３電極、および４電極構成の各平面図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、本発明により１次元の直線的な小滴混合を実現する２電極、３電極、および４電極構成の各平面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明により実現される搬送による混合（mixing-in-transport）プロセスの具体例を示す概略図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明により実現される搬送による混合（mixing-in-transport）プロセスの具体例を示す概略図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、本発明により実現される搬送による混合（mixing-in-transport）プロセスの具体例を示す概略図である。
【図１１】図１１は、本発明により実現される２次元の直線的な混合プロセスを示す概略図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明による２次元のループ混合プロセスが実現される電極セルアレイの平面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、回転中、小滴の一部がピンで固定された状態で２次元のループ混合プロセスを実現する２×２の電極セルアレイの平面図である。
【図１３】図１３は、図９Ａ、９Ｂおよび９Ｃにそれぞれ図示された２電極、３電極、および４電極構成の小滴の能動的混合の特性を特徴付けるプロットデータである。
【図１４】図１４は、図１２Ｂに図示された２×２の電極構成の特性を特徴付けるプロットデータである。
【図１５Ａ】図１５Ａは、連続フロー源から小滴を形成し、電極包含表面をわたって表面のプロセス領域まで小滴を移動させる様子を示す概略図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、電極包含表面の全体または一部を移動する連続フローから小滴を形成する様子を示す。
【図１６】図１６は、リアルタイムで電極アレイ上に形成される小滴−小滴混合ユニットの平面図である。
【図１７】図１７は、本発明により提供されるバイナリ混合装置の概略図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、本発明の第１段階の混合を可能とするバイナリ混合ユニットの構造を示す概略図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、図１８Ａに示すバイナリ混合ユニットの部分的概略図であって、バイナリ混合動作が行われるマトリックス領域の詳細を示す。
【図１９Ａ】図１９Ａは、本発明のバイナリ混合ユニットにより提供された電極アレイまたはマトリックス領域であって、所定の所望する混合比を有する小滴を得るために、バイナリ混合動作を行う具体例を示す。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、本発明のバイナリ混合ユニットにより提供された電極アレイまたはマトリックス領域であって、所定の所望する混合比を有する小滴を得るために、バイナリ混合動作を行う具体例を示す。
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、本発明のバイナリ混合ユニットにより提供された電極アレイまたはマトリックス領域であって、所定の所望する混合比を有する小滴を得るために、バイナリ混合動作を行う具体例を示す。
【図１９Ｄ】図１９Ｄは、本発明のバイナリ混合ユニットにより提供された電極アレイまたはマトリックス領域であって、所定の所望する混合比を有する小滴を得るために、バイナリ混合動作を行う具体例を示す。
【図１９Ｅ】図１９Ｅは、本発明のバイナリ混合ユニットにより提供された電極アレイまたはマトリックス領域であって、所定の所望する混合比を有する小滴を得るために、バイナリ混合動作を行う具体例を示す。
【図１９Ｆ】図１９Ｆは、本発明のバイナリ混合ユニットにより提供された電極アレイまたはマトリックス領域であって、所定の所望する混合比を有する小滴を得るために、バイナリ混合動作を行う具体例を示す。
【図２０】図２０は、本発明の第２段階の混合を可能とするバイナリ混合ユニットの構造を示す概略図である。
【図２１】図２１は、本発明のバイナリ混合構成により実現される第１段階または第２段階の混合の混合ポイントを示すグラフである。
【図２２】図２２は、本発明のバイナリ混合構成により実現される第１段階、第２段階、または第３段階の混合ポイントを示すグラフである。
【図２３Ａ】図２３Ａは、本発明の別の実施形態による単一表面電極構成を有するエレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータの断面図である。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、図２３Ａの上側プレーンを取り除いた一部構成の平面図である。
【図２４Ａ】図２４Ａは、択一的な単一表面電極構成を有するエレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータ機構の一連の概略図であって、この機構のずらして配列された電極アレイ上に配置された小滴がエレクトロウェッティング方式で移動する様子を示す。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、択一的な単一表面電極構成を有するエレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータ機構の一連の概略図であって、この機構のずらして配列された電極アレイ上に配置された小滴がエレクトロウェッティング方式で移動する様子を示す。
【図２４Ｃ】図２４Ｃは、択一的な単一表面電極構成を有するエレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータ機構の一連の概略図であって、この機構のずらして配列された電極アレイ上に配置された小滴がエレクトロウェッティング方式で移動する様子を示す。
【図２４Ｄ】図２４Ｄは、択一的な単一表面電極構成を有するエレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータ機構の一連の概略図であって、この機構のずらして配列された電極アレイ上に配置された小滴がエレクトロウェッティング方式で移動する様子を示す。
【図２５Ａ】図２５Ａは、配列アレイとして配列された単一表面電極構成を有する択一的なエレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータ機構の概略図であって、それぞれ南北方向および東西方向に小滴が駆動される様子を示す。
【図２５Ｂ】図２５Ｂは、配列アレイとして配列された単一表面電極構成を有する択一的なエレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータ機構の概略図であって、それぞれ南北方向および東西方向に小滴が駆動される様子を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本明細書の主旨において、「層（film）」および「フィルム（film）」なる用語は、置換可能に用いられ、必須ではないが、通常平坦または実質的に平坦で、一般にコーティングや処理したものの上に形成されるか、別の構造体の上に積層される構造物または本体部を示す。
【００４２】
本明細書の主旨において、「連絡する（communicate）」なる用語（例えば、第１部品が第２部品と「連絡する」、または「連通する」。）を用いて、２つの構成部品または構成要素の間の構造的関係、機能的関係、機械的関係、電気的関係、光学的関係、流体的関係、またはそれらの組み合わせを意味する。したがって、１つの構成部品が第２の構成部品と連絡するという場合、追加的な構成部品が第１および第２の構成部品との間に存在する連絡の可能性、および／または追加的な構成部品と動作可能に関連するか、係合する可能性を排除するものではない。
【００４３】
本明細書の主旨において、１つの層、領域、または基板などの所与の構成部品を参照して、別の構成部品「の上に（on）」、「の中に（in）」、または「において（at）」積層または形成されるとした場合、所与の構成部品は他の構成部品の上に直接的に形成してもよいし、あるいは介在する構成部品（例えば、１つ以上のバッファ層、中間層、電極またはコンタクト）があってもよいと理解すべきである。さらに、「積層される（disposed on）」または「形成される（formed on）」なる用語は置換可能に用いられ、所与の構成部品が別の構成部品とのどのような関係で配設されるかを意味すると理解すべきである。したがって、「積層される（disposed on）」または「形成される（formed on）」なる用語は、材料の搬送、積層、または形成に関する特定方法に関して限定を与えるように意図するものではない。
【００４４】
本明細書の主旨において、任意の形態を有する液体が、電極、マトリックス、または表面「の上に（on）」、「の中に（in）」、または「の上方に（over）」あると説明される場合、こうした液体は、電極／アレイ／マトリックス／表面と直接的に接触するか、液体と電極／アレイ／マトリックス／表面との間に介在する１つ以上の層またはフィルムと接触し得ると理解すべきである。
【００４５】
ここで用いられる「試薬（reagent）」なる用語は、サンプル材料と反応し、希釈し、溶媒和し、懸濁し、乳状化し、封入し、相互作用する上で有用な材料を意味する。
【００４６】
必要に応じて図１−２５Ｂを参照しながら、本発明により提供される小滴方式の方法および装置を詳細に説明する。
【００４７】
［エレクトロウェッティングによる小滴方式駆動］
ここで図１を参照すると、エレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータ機構が、ポンプ、バルブ、または固定されたチャンネルを必要とすることなく、小滴Ｄに対してエレクトロウェッティング方式に操作する好適な実施形態として、一般に符号１０で図示されている。小滴Ｄは、電解質か、分極可能か、あるいは電流を流すか、帯電させることができる。小滴Ｄは、一般に符号１２で示す上側プレーンと、一般に符号１４で示す下側プレーンとの間で挟持されている。本明細書においては、これら２つのプレーン１２，１４を区別するために、「上側（upper）」および「下側（lower）」なる用語が用いられるが、水平方向におけるプレーン１２，１４の向きを限定するものではない。下側プレーン１２は、独立してアドレス可能な一連の制御電極を有する。一例として、３つからなる直線的な一連の制御電極または駆動電極Ｅ（特にＥ１，Ｅ２，Ｅ３）が図１に図示されている。ただし、制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３は、円などの直線的でない経路に沿って配置することもできると理解される。さらに、本発明の利点を享受するデバイス構成（例えば、マイクロ流体チップ）において、制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３は、全体として２次元電極アレイまたはグリッドを構成するより多数の制御電極の一部である。図１は、一般にＣ（特にＣ１，Ｃ２，Ｃ３）と称するユニットセルを概念化するために、隣接する制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３の間に破線を有する。好適には、各ユニットセルＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、単一の制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を含む。通常、各ユニットセルＣまたは制御電極Ｅの大きさは、約０．０５ｍｍ〜約２ｍｍの間である。
【００４８】
制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３は、適当な下側基板または下側プレート２１の中に埋め込まれるか、その上に形成されている。疎水性絶縁物からなる下側薄膜層２３が下側プレート２１をカバーするように形成され、制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を電気的に絶縁する。下側疎水層２３は、単一の連続した層であるが、択一的には制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３が配設された領域だけをカバーするようにパターン形成してもよい。上側プレーン１４は、単一の連続した接地電極Ｇを有している。適当な上側基板またはプレート２５の中に埋め込まれるか、その上に形成されている。択一的には、複数の接地電極Ｇが各制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３の配置位置に並行して設けてもよく、この場合、１つの接地電極Ｇが対応する１つの制御電極Ｅに関連付けられる。好適には、疎水性絶縁物からなる上側薄膜層２７が同様に、接地電極Ｇを絶縁するために上側プレート２５に付設される。下側層２３および上側層２７に好適な疎水性材料の非限定的な具体例は、（ウィルミントン州デラウェアにあるE.I. duPont deNemours and Companyから市販されている）テフロン（登録商標）ＡＦ１６００材料である。マイクロアクチュエータ機構１０の形状および小滴Ｄの容量は、小滴Ｄの足跡が、中央制御電極（例えば、Ｅ２）に隣接する少なくとも２つの制御電極（例えば、Ｅ１，Ｅ２）と重なり合うとともに、上側層２７と接触するように制御される。好適には、これは、下側プレーン１２と上側プレーン１４により決まる、圧迫されていない状態の小滴の直径より小さいギャップまたは間隔ｄを特定することにより実現される。通常、間隔ｄの断面寸法は、約０．０１ｍｍ〜約１ｍｍの間である。好適には、媒質がギャップｄを充填し、小滴Ｄを包囲する。媒質は、小滴Ｄの蒸発を防ぐために、空気のような不活性ガスあるいはシリコーンオイルなどの非混和性流体であってもよい。
【００４９】
接地電極Ｇおよび制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３は、従来式の導電性リードラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３を介して、好適にはＤＣ電圧源であるが、択一的にはＡＣ電圧源であってもよい少なくとも１つの適当な電圧源と電気的に導通している。各制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に対して他の制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３とは独立して通電することができる。これは、各制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３に接続された適当なスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３、または能動状態（オン状態、ハイ電圧、またはバイナリ数の１）または受動状態（オフ状態、ロー電圧、またはバイナリ数の０）に各制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を独立して切り替えるための他の適当な手段を設けることにより実現することができる。他の実施形態において、あるいは電極アレイの他の領域において、２つ以上の制御電極Ｅを同時に駆動するために、共通に接続してもよい。
【００５０】
エレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータ機構１０は、マイクロ流体チップの一部を示し、この上に従来式のマイクロ流体部品および／またはマイクロ電気部品を集積してもよい。このチップは、例えば、ＭＯＳ（金属酸化物半導体）回路部とインターフェイスされた抵抗性発熱領域、マイクロチャンネル、マイクロポンプ、圧力センサ、光学的導波路、および／またはバイオセンシングまたは化学センシング部品を有していてもよい。
【００５１】
ここで図２を参照すると、電極アレイまたはその一部が図示され、制御電極（図示せず）を有する隣接するユニットセル（例えば、Ｃ１，Ｃ２）の間の各構造的インターフェイスは、好適には、各ユニットセルＣ１，Ｃ２の主要平坦構造物から外側に延びる相互連結突起部４２，４３により形成される、一般に符号４０で示す相互嵌合領域（互いにかみ合う領域）により特徴付けられる。セルとセルの間のインターフェイスが直線的な端部境界を有する場合に比して、こうした相互嵌合領域４０は、１つのユニットセル（例えば、Ｃ１）から隣接するユニットセル（例えば、Ｃ２）への搬送をより連続的なものとする上で有用である。ただし、本発明の任意の実施形態による電極またはユニットセルは、高密度で配列された２次元アレイを構成する上で好適な正方形または八角形などの多角形形状を有していてもよい。
【００５２】
再び図１を参照して、マイクロアクチュエータ機構１０のデザインにより実現される基本的なエレクトロウェッティング技術について説明する。当初において、すべての制御電極（すなわち、小滴Ｄが中央に配置される制御電極Ｅ２および隣接する制御電極Ｅ１，Ｅ３）が接地または浮動状態にあり、小滴Ｄの任意の位置における接触角度が小滴Ｄに対する平衡接触角に等しい。小滴Ｄの真下に配設された制御電極Ｅ２に電位が付加されると、小滴Ｄと活性化された（電圧が印加された）制御電極Ｅ２の間の界面において、電荷層が形成され、界面エネルギγSLが局在的に低減する。より小さい疎水性を有する絶縁層２３により与えられる硬い絶縁物が小滴Ｄと制御電極Ｅ２の間の静電容量を制御するため、これまでに開発された非絶縁型の電極構成を有する場合と同様、その効果は小滴Ｄの電解質の液相の特定の空間−電荷効果に依存しない。界面エネルギが低減する際の電圧依存性は、以下のように記述される。
【数１】
0004642909.tif 000002
ここで、εは絶縁物の誘電率、ｄは絶縁物の厚み、Ｖは印加される電位である。γSLにおける変化は、ヤング方程式に従い、小滴Ｄおよび活性化された制御電極Ｅ２の間のインターフェイスにおける接触角を低減する。小滴Ｄの一部が接地電極Ｅ１またはＥ３と重なり合うと、小滴のメニスカスが非対称に変形し、小滴Ｄの端部間に圧力勾配が形成され、活性化された電極Ｅ１またはＥ３に向かうバルクフローが生じる。例えば、制御電極Ｅ２，Ｅ３を接地状態に維持しながら、制御電極Ｅ１を活性化することにより、小滴Ｄを左方向へ（すなわち、ユニットセルＣ１の方へ）移動させることができる。別の具体例では、制御電極Ｅ１，Ｅ２を接地状態に維持しながら、制御電極Ｅ３を活性化することにより、小滴Ｄを右方向へ（すなわち、ユニットセルＣ３の方へ）移動させることができる。
【００５３】
以下の実施例は、一般に、図１および図２を参照して、エレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータ機構１０のプロトタイプの実施形態を説明する。
【００５４】
［実施例］
１．５ｍｍピッチで７つの相互嵌合した制御電極Ｅの単一の直線的アレイからなるプロトタイプデバイスを製造し、テストを行った。標準的なマイクロ製造技術を用いて、２０００オングストローム厚のクロム層をガラス製の下側プレート２１上にパターン形成することにより、制御電極Ｅを形成した。チップは、７０００オングストローム厚のパリレンＣをコーティングした後、テフロン（登録商標）ＡＦ１６００からなる約２０００オングストローム厚の層をコーティングした。接地電極Ｇは、透明インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）からなる導電層（Ｒζ＜２０Ω／平方）でコーティングされたガラス製の上側プレート２５を有する。同様に、テフロン（登録商標）ＡＦ１６００からなる薄膜２７（〜５００オングストローム）を接地電極Ｇに付設した。接地電極Ｇ上の薄いＴＥＦＬＯＮ（登録商標）コーティングは、表面を疎水化させるが、絶縁性ではなかった。テフロン（登録商標）でコーティングした後、両方の表面は水に対して１０４°の接触角を有する。
【００５５】
ピペットを用いて、１００ｍＭのＫＣｌの水小滴（０．７〜１．０μｌ）をアレイ上に供給し、対向する電極Ｅと電極Ｇの間に０．３ｍｍのギャップｄを形成するように上側プレート２５を配置した。ばね荷重式のコンタクトピン（図示せず）を有するカスタマイズされたクランプを用いて、ボンドパッドを接続した。コンピュータを用いて、接地電圧および１２０ＶのＤＣ供給電源の出力電圧を個別にスイッチングすることができるカスタム仕様電気インターフェィスを制御した。
【００５６】
小滴は、当初において、接地された制御電極（例えば、Ｅ２）の中央に配置され、動きが観察されるまで、隣接する電極の電位を増大させた。小滴Ｄの移動させ始めるために、通常３０〜４０Ｖの電圧が必要であった。一旦、この閾値を超えると、小滴の移動は素早く、反復可能なものであった。接触角ヒステリシスは、この閾値効果に呼応するメカニズムであると考えられている。８０Ｖの印加電位で４つの隣接する制御電極Ｅを活性化すると、小滴Ｄは、１５Ｈｚのスイッチング周波数で、４つの制御電極にわたって反復して移動した。
【００５７】
小滴Ｄの移動時間ｔtrは、電圧電位を印加した後、小滴Ｄが隣接する電極の遠い方の端部に到達するまでの時間と定義された。したがって移動時間ｔtrは、連続的な移動の間に許容された最小時間を示し、（１／ｔtr）は、小滴Ｄの連続的移動に対する最大スイッチング速度であった。電圧の関数としての最大スイッチング速度を図３にプロットした。ここでｔtrは、移動する小滴Ｄの記録されたビデオフレームの数をカウントすることにより求められた。
【００５８】
６ｎｌの容量の小滴に対して、小滴が１０００Ｈｚ以上のスイッチング速度で１０００サイクル以上の移動し続けることが確かめられた。この速度は、１０．０ｃｍ／秒の平均速度に相当し、小滴の電気的な操作に関して先に報告されたものより約３００倍速い。Ｍ．ワシズ（M. Washizu）の論文（IEEE Trans. Ind. Appl. 34,732 (1998)）を参照されたい。（水の）小滴Ｄの端部間の必要とされる温度差が１００℃を超えるため、サーモキャピラリィシステムではこれに相当する速度を得ることができない。サンマルコ（Sammarco）らの論文（AlChE J., 45, 350 (1999)）を参照されたい。これらは、小滴方式のマイクロ流体システムのための作動メカニズムとしてのエレクトロウェッティングの可能性を示唆している。このデザインは、任意の大規模な２次元アレイに拡張することができ、多数の小滴Ｄを正確に独立して制御し、マイクロ流体処理に対する一般的なプラットフォームとして機能することを可能にする。
【００５９】
図４Ａ−７Ｂを参照すると、いくつかの小滴を操作する基本動作の具体例が開示されている。図１の場合、直線的に配置された３つのユニットセルＣ１，Ｃ２，Ｃ３と関連する制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３が図示されるが、これらのユニットセルＣ１，Ｃ２，Ｃ３および制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３は、ユニットセル／制御電極のより大きい直線的な領域、非直線的領域、または２次元アレイを構成してもよい。図４Ｂ−７Ｂにおいては、便宜上、制御電極およびユニットセルを合わせて制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３という。さらにユニットセルＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、チップ表面上の領域などの物理的な部材または概念的な部品であってもよい。図４Ａ−７Ｂのそれぞれにおいて、能動的（すなわち活性化された）制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３は、その関連する電気的リードラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３をＯＮとし、受動的（すなわち不活性化された、浮動または接地状態にある）制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３は、その関連する電気的リードラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３をＯＦＦとしている。
【００６０】
図４Ａ−４Ｄを参照すると、基本的な「移動（MOVE）」動作が図示されている。図４Ａは、小滴Ｄが制御電極Ｅ１上の中央に配置されたスタート位置を示す。当初、すべての制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３は接地されており、小滴Ｄは制御電極Ｅ１上で静止し、平衡状態にある。択一的には、他の小滴に対して他の操作動作がなされ得るときに、制御電極Ｅ１を活性化し、隣接するすべての制御電極（例えばＥ２）を接地して、当初において小滴Ｄを「維持（HOLD）」または「格納（STORE）」状態に保ち、アレイの隣接する領域から小滴Ｄを孤立させる。図４Ａ−４Ｂの矢印で示す方向に小滴Ｄを移動させるために、制御電極Ｅ２を活性化して小滴Ｄを引き寄せ、図４Ｂに示すように、小滴Ｄを移動させ、制御電極Ｅ２上の中央に配置する。制御電極Ｅ２の電圧電位を取り除いた後、続けて制御電極Ｅ３を活性化して、図４Ｃに示すように、小滴Ｄを制御電極Ｅ３上に移動させる。電極のこの操作シーケンスを反復して、小滴Ｄを矢印で示す所望の方向に移動させ続けることができる。予め設定されたシーケンス（順序）に従い、選択されたアレイ電極を活性化し、不活性化するように、（従来式のマイクロプロセッサなどの）電気的制御ユニットを適当にプログラムすることにより、小滴Ｄが電極アレイにわたって移動する経路を正確に容易に制御することができる。すなわち、例えば小滴Ｄを駆動して、アレイ内で右転回および左転回させることができる。例えば、図４Ｂに示すように、小滴Ｄを制御電極Ｅ２から制御電極Ｅ１まで移動させた後、図４Ｄに示すように、別の列の電極Ｅ４−Ｅ４６の制御電極Ｅ５へ移動させることができる。さらに、上記実施例で説明したように、小滴Ｄのかき混ぜなどのさまざまな目的により、所望する数のユニットセルに沿って、所望する周波数で小滴Ｄを往復して循環させる（すなわち振動させる）。
【００６１】
図５Ａ−５Ｃは、基本的な「併合（MERGE）または混合（MIX）」動作を開示し、２つの小滴Ｄ１，Ｄ２を１つの小滴Ｄ３に合体させる。図５Ａにおいて、２つの小滴Ｄ１，Ｄ２は、当初において、少なくとも１つの介在する制御電極Ｅ２により隔てられた制御電極Ｅ１，Ｅ３に配置されている。図５Ｂに示すように、３つすべての制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を活性化することにより、図５Ｂの矢印で示すように、中央の制御電極Ｅ２を超えて、小滴Ｄ１，Ｄ２を互いに引き寄せる。小滴Ｄ１，Ｄ２の対向する端部が中央の制御電極Ｅ２で互いに出くわすと、２つの小滴Ｄ１，Ｄ２を一体に連結する単一のメニスカスＭが形成される。図５Ｃに示すように、活性化された中央制御電極Ｅ２と接触する小滴Ｄ１，Ｄ２の隣接表面のぬれ性を増大させたまま、２つの外側にある制御電極Ｅ１，Ｅ３を接地状態に戻すことにより、制御電極Ｅ１，Ｅ３を含むユニットセルの表面の疎水性を増大させ、併合した小滴Ｄ１，Ｄ２を押し返す。その結果、図５Ｃに示すように、小滴Ｄ１，Ｄ２は単一の混合小滴Ｄ３に合体する。これは、こうした状況において、小滴Ｄ３に対する最低のエネルギ状態を示す。結果として得られた混合小滴Ｄ３は、寄生損失が無視できるか、ゼロであるので、元の混合される前の小滴Ｄ１，Ｄ２の２倍の容量または質量を有すると推定できる。その理由は、小滴を包囲するフィラー流体（例えば、空気またはシリコーンオイルなどの不混和性液体）を好適に使用することにより、小滴材料が蒸発することを回避し、小滴材料（例えば、図１に示す上側および下側疎水性層２７，２３）が低摩擦表面であり、そして／または本発明で採用されたエレクトロウェッティング機構が熱によらないためである。
【００６２】
本明細書において、２つまたはそれ以上の小滴が合体することを指して、併合（MERGE）または混合(MIX）なる用語は置換可能に用いられてきた。それは、小滴が併合しても、当初別々であった小滴が常に直接的または間接的に完全に混合するとは限らないためである。併合することにより混合されるかどうかは、数多くのファクタに依存する。これらのファクタとして、混合すべき小滴のそれぞれの組成または化学成分、小滴の物理的特性、または温度や圧力などの周囲条件、小滴の粘性や表面張力などの派生的特性、および小滴が移動するか、再び分離する前の合体した状態で維持される時間が挙げられる。一般に、小滴が一体に混合するメカニズムは、受動的混合と能動的混合に分類することができる。受動的混合において、混合動作している間、併合された小滴は最終的な電極上に配置される。合体小滴内で許容可能な程度の拡散が生じれば、受動的混合は十分であり得る。他方、能動的混合においては、併合された小滴がいくつかの手法で動き回り、処理にエネルギを加えて、完全またはより完全な混合を実現する。本発明により実現される能動的混合の手法を以下に説明する。
【００６３】
併合動作の後に別個の混合動作が行われる場合、これら２つの動作は、チップの電極アレイ上の異なる部分または異なる領域で起こり得ることに留意されたい。例えば、２つの小滴を１つの領域で併合し、併合小滴を別の領域に搬送するために、１つまたはそれ以上の移動動作を行うことができる。以下説明するように、能動的混合の手法は、他の領域で行うか、併合された小滴が他の領域に搬送される間に行うことができる。
【００６４】
図６Ａ−６Ｃは、基本的な「分離（SPRIT）」動作を図示し、上記説明した併合または混合動作の動作と本質的に正反対のものである。当初、図６Ａに示すように、３つすべての制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３が接地され、平衡状態において、単一の小滴Ｄが中央の制御電極Ｅ２上に配置される。図６Ｂに示すように、外側にある制御電極Ｅ１，Ｅ３が活性化され、小滴を水平方向外側へ（矢印の方向へ）制御電極Ｅ１，Ｅ３上に引き寄せる。これは、小滴ＤのメニスカスＭを縮小させる効果を有し、この効果は、活性化された制御電極Ｅ１，Ｅ３上に形成された外側ローブ（lobe：丸い突起物）を有する「ネッキング」として特徴付けられる。最終的には、図６Ｃに示すように、メニスカスＭの中央部分が破断して、元の小滴Ｄから分離した２つの新しい小滴Ｄ１，Ｄ２を形成する。部分的には、物理的構成部品の対称性、およびエレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータ機構１０（図１）の構造、さらに外側にある制御電極Ｅ１，Ｅ３に印加される電圧電位が等しいことに起因して、分離した小滴Ｄ１，Ｄ２は同じか、実質的に同じ容量を有する。分析動作および検定動作などの本発明の数多くの実施形態において、マイクロ流体チップまたは他のアレイ包含デバイスの上の小滴の大きさを均一に維持するために、分離動作は併合または混合動作のすぐ後に行われる。
【００６５】
ここで図７Ａ−７Ｂを参照すると、基本的な分離動作から個別化（DISCRETIZE）動作を派生させることができる。図７Ａに示すように、電極包含ユニットセル（例えば、制御電極Ｅ１）に隣接する電極グリッドまたはその端部のいずれかに、１つの表面またはＩ／Ｏポートが設けられ、これが液体の入口および／または出口として機能する。液体供給デバイス５０を設け、これは、所定量の液体ＬＱを供給および／または吸引するために構成された任意の従来式のデザイン（例えば、キャピラリィチューブ、ピペット、流体ペン、シリンジなど）であってもよい。供給デバイス５０は、ポートＩ／Ｏまたは制御電極Ｅ１に直接的に液体ＬＱの計量された用量（例えば、アリクォート）または液体ＬＱの連続フローを供給するように構成することができる。供給デバイス５０を用いる代わりに、液体ＬＱの連続フローをマイクロ流体チップの表面にわたって案内してもよく、このとき制御電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３は、連続フローの方向、または連続フローの方向に対して同一直線上にない方向（例えば、直角方向）に配置される。図７Ａに示す特定の例示的な実施形態において、供給デバイス５０は液体ＬＱを制御電極Ｅ１に供給する。
【００６６】
電極アレイ上に小滴を形成するために、液体ＬＱの主要部の直下にある制御電極（制御電極Ｅ１）、および液体主要部の端部に隣接する少なくとも２つの制御電極（例えば、制御電極Ｅ１，Ｅ３）が活性化される。すると、図７Ａに示すように、供給された液体ＬＱの主要部が制御電極Ｅ１，Ｅ２に広がる。図６Ａ−６Ｃを参照して上記説明した分離動作と同様に、中間にある制御電極（制御電極Ｅ２）を不活性化して、実質的な親水性を有する２つの領域の間に疎水性領域を形成する。液体メニスカスは、疎水性領域上で破断し、図７Ｂに示すように、制御電極Ｅ３の中央に配置された新しい小滴Ｄを形成または摘み取る。この時点から、他のアレイ電極を活性化／不活性化シーケンスを行い、小滴Ｄを任意の所望する列方向および／または行方向へ電極アレイの他の領域に移動させてもよい。さらに、液体ＬＱの連続的入力フローに対して、この供給プロセスを反復して、グリッドまたはアレイ上に一連の小滴を形成することにより、連続フローを個別化することができる。以下により詳細に説明するように、特に、数多くの小滴に対して複数の動作を同時に行う場合、個別化処理はアレイ上の小滴方式のプロセスを実行する上で極めて有用である。
【００６７】
［小滴方式の混合手法］
本発明に基づき小滴を混合させるためのいくつかの手法の具体例を以下説明する。図８Ａ−８Ｂを参照すると、図１を参照して上記説明したエレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータ１０などの構成を採用して、２つまたはそれ以上の小滴、すなわち小滴Ｄ１，Ｄ２に関する併合動作および混合動作を行うことができる。図８Ａ−８Ｂにおいて、小滴Ｄ１，Ｄ２は、当初、それぞれ制御電極Ｅ２，Ｅ５の中央に配置される。図５Ａ−５Ｃを参照して先に説明したように、小滴Ｄ１，Ｄ２は、エレクトロウェッティングを用いて駆動し、互いに向かって移動し、最終的な電極上において一体に併合する。最終的な電極は、電極Ｅ３，Ｅ４などの中間に配置された電極であってもよい。択一的には、１つの小滴が１つまたはそれ以上の制御電極を超えて移動し、別の静止した小滴と併合してもよい。すなわち、図８Ａ−８Ｂに示すように、小滴Ｄ１を駆動して、矢印に示すように、中間電極Ｅ３，Ｅ４を超えて移動させ、電極上にある小滴Ｄ２と電極Ｅ５上で併合する。合体小滴は、１次元の直線的な混合、２次元の直線的な混合、または２次元のループ状の混合の手法により能動的に混合される。
【００６８】
１次元の直線的な混合手法の具体例として、複数の小滴が先に説明したように併合され、その結果、合体小滴の内容物を動揺させるために、いくつかの電極にわたって所望する振動数で合体小滴を前後に振動させる（動揺させる、または切り替える）。この混合処理は、上記実施例で説明されたが、アレイの行上または列上にある電極などの直線的に配置された任意の数の電極が関与していてもよい。図９Ａ，９Ｂ，９Ｃは、それぞれ２つの電極、３つの電極、４つの電極が連なったものを示し、振動させることにより、併合または混合させることができる。１次元の直線的な混合の別の具体例では、複数の小滴を併合し、１つまたは複数の合体小滴を上述のように分離する。その結果、分離／併合された小滴は、いくつかの電極にわたって所望の周波数で前後に振動する。所望の混合の程度が得られるまで、分離／併合された小滴を数多くの連続サイクルで再結合、再分離、再振動させることができる。これらの両方の１次元の直線的な混合アプローチにより、１つまたは複数の合体小滴の中で可逆的なフローが形成される。すなわち、合体小滴が反対方向へ振動するとき、一方向に移動することにより得られる混合の流れを止めるか、反転させることができる。したがって、いくつかの状況において、１次元の混合プロセスを伴う可逆的フローは、あまりにも多大な混合時間を要することがある。
【００６９】
ここで図１０Ａ−１０Ｃを参照すると、「搬送による混合（mixing-in-transport）」と称する１次元の直線的混合の別の具体例について説明する。この方法は、２つまたはそれ以上の小滴を合体させること、および混合が完了するまで合体小滴を所望するフロー経路に沿って前進方向に連続的に駆動することを必要とする。図１０Ａを参照すると、合体小滴Ｄは、事前に設定された到着電極Ｅｆに達するまで、始点電極Ｅ０からアレイ上電極のプログラムされた経路に沿って搬送される。終点電極Ｅｆは、分析、反応、培養または検出などの後続のプロセスがプログラムされたアレイ上の所定位置であってもよい。こうした場合、合体小滴Ｄが能動的に混合されるフロー経路は、矢印で示すように、サンプルが入口からアレイ上の処理領域まで搬送される分析フローとしても機能する。始点電極Ｅ０から終点電極Ｅｆまでの選択経路を含む数多くの電極の数は、合体小滴Ｄが受ける数多くの駆動に対応する。すなわち、十分な数の中間経路電極を用いることにより、合体小滴Ｄは、終点電極Ｅｆに到達するまでの時間に十分に混合される。上述の振動的な混合技術の場合、フロー経路は反転しないことに留意されたい。ただしフロー経路は、図１０Ａ−１０Ｃのそれぞれの矢印で示すように、アレイのｘ−ｙ平面において、１つまたはそれ以上の直角の転回を有していてもよい。いくつかの場合においては、経路を転回することにより、混合効果を改善する独特のフローパターンを形成する。図１０Ｂにおいて、数多くの直角の転回からなる梯子状または階段状の構造を有する。図１０Ｃにおいて、終点電極Ｅｆは始点電極Ｅ０と同じ列にあるが、合体小滴Ｄは、通過する数多くの電極および転回数を多くするために、その列から逸脱し、連続的に転回するフロー経路を介して駆動される。
【００７０】
ここで図１１を参照すると、２次元の直線的な混合手法が図示されている。アレイの１つの電極列ＥROWおよび１つの電極行ＥCOLが用いられる。小滴Ｄ１，Ｄ２が電極列ＥROWに沿って互いに向かって移動し、上記の通り併合し、電極列ＥROWおよび電極行ＥCOLの交点に配置された電極の中央に併合した小滴Ｄ３が形成される。先に説明したように、選択された電極行ＥCOLの電極を順次活性化し、不活性化して、併合した小滴Ｄ３を分割して、分割された小滴Ｄ４，Ｄ５を形成する。分割小滴Ｄ４，Ｄ５は、電極行ＥCOLに沿って移動する。分割された小滴Ｄ４，Ｄ５の連続的な移動により、分割された小滴Ｄ４，Ｄ５の内容物に対する混合効果が改善される。
【００７１】
図１２Ａ−１２Ｂを参照すると、２次元のループ混合手法の具体例が図示されている。図１２Ａにおいて、合体小滴Ｄは、円形状、正方形状、またはアレイの選択された列と行の電極に沿った閉じたループ経路上で時計回りまたは反時計回りに循環する。選択された経路を含む適当な電極をシーケンスする（順序付ける）ことにより、合体小滴Ｄを周期的に駆動させることができる。合体小滴Ｄは、その内容物を混ぜ合わせるのに十分な回数だけ循環する。合体小滴Ｄの循環により、混合効果を改善し、完全に混合するために必要な時間を低減する不可逆的フローパターンが得られる。図１２Ａにおいて、駆動に際して利用されない中央の電極がただ１つだけ図示されているが、経路をより大きく形成して、より多くの中央電極を囲むようにしてもよい。
【００７２】
図１２Ｂにおいて、少なくとも４つの隣接する電極Ｅ１−Ｅ４からなるサブアレイを用いる。合体小滴Ｄは、サブアレイの４つすべての電極Ｅ１−Ｅ４上を同時に重なり合う程度に十分大きい。より大きいサイズの合体小滴Ｄは、２つのより小さいサイズの小滴が分割することなく併合した結果であるか、あるいは２組の小滴が併合した後、２つの併合した小滴が合体した結果であってもよい。時計回りまたは反時計回りに回転させるのに適した順序で電極Ｅ１−Ｅ４をシーケンス処理することにより、合体小滴Ｄをサブアレイの周りで回転させる。しかし、図１２Ａに示す混合手法と比較すると、より大きいサイズの合体小滴Ｄは、サブアレイの４つの電極Ｅ１−Ｅ４の交点またはその付近で「固定された状態（pinned）」に維持される。すなわち、合体小滴Ｄは、固定部分が配置された交差領域の周りで実質的に回転またはスピンする。この効果は、合体小滴Ｄが回転またはスピンすることに起因する混合効果を改善し、不可逆的フローを促進するための独特の内部フローパターンを形成する。さらに、４つの電極Ｅ１−Ｅ４だけを用いて合体小滴Ｄを混合させる機能により、高い周波数でかつより少ない電力条件で、周期的な駆動を実現する。
【００７３】
図１２Ｂに示す混合手法は、同様に、他のアレイサイズを用いて実施することができる。例えば、本発明に基づき、２×４のアレイが良好に機能することが確認された。
【００７４】
上記のすべての混合手法において、関与する小滴は、同じサイズの容量を有していてもよいし、異なる容量を有していてもよい。ｎ対１の混合容量比が必要である場合、１つの小滴（１）に対して１つの小滴（ｎ）を混合させるように、電極領域を比例的に選択することができる。
【００７５】
図１３は、１次元の直線的な混合手法の特性を示すグラフデータである。完全に混合するまでの時間が小滴の振動周波数（すなわち、１つの電極と隣接する電極の間のスイッチ時間）の関数としてプロットされている。それぞれの曲線は、２電極（図９Ａ参照）、３電極（図９Ｂ参照）、および４電極（図９Ｃ参照）の混合構成に対してプロットされている。混合時間は、１，２，４，８，１６Ｈｚの周波数に対して得られた。各電極に印加される駆動電圧は５０Ｖであった。スイッチング周波数を増大させると、混合時間がより短くなることが観測された。同様に、所与の振動数において、電極の数を増やすと、混合が改善される。併合された小滴が振動する電極の数を増やすと、小滴内に形成された多層流（multi-laminate）の数が増え、拡散が行われる界面領域が増大する。
【００７６】
図１４は、２次元のループ混合手法の特性を示すグラフデータであって、このとき小滴は、２×２電極のサブアレイ上に重なり合う程度に十分に大きい（図１２Ｂ参照）。８，１６，３２，および６４Ｈｚの周波数に対する混合時間が得られた。図１３のグラフを得るための実験と同様に、各電極に印加される駆動電圧は５０Ｖであった。２次元の混合によれば、１次元混合が有するフロー可逆性の効果が低減されることが確認された。さらに、小滴が１点の周囲を回転するため、５０Ｖの駆動電圧に対してスイッチング周波数を６４Ｈｚまで上げることができた。同じ電圧で１次元の直線的な駆動を行う場合、この周波数は不可能であった。小滴が４つすべての電極上を同時に重なり合うという事実により、こうした高い周波数で、かつ低い電圧で小滴を搬送できると考えられている。小滴が２×２のサブアレイの隣接する任意の２つの電極と同時に導通しているので、これらの２つの電極を連続的に駆動する際の時間間隔を短くすることができる。すなわち、小滴が一方の電極から他方の電極へ物理的に移動するために必要なタイムラグおよび距離が低減される。結果として、２次元混合の場合、小滴の速度を上げることができ、渦巻を形成し、混合を促進することができる。
【００７７】
［小滴方式のサンプリングおよび処理］
図１５Ａ−１５Ｂを参照すると、連続フロー入力源６１からサンプリングし、小滴を処理するための本発明の方法が概略的に図示されている。とりわけ、この方法は、後続の小滴方式のチップ上および／またはチップ外の処理（例えば、混合、反応、培養、分析、検定、モニタなど）のための準備として、上述のようなエレクトロウェッティング技術を用いて、連続フロー入力源６１から均一の大きさを有するサンプル小滴Ｓを個別化することができる。この文脈において、「連続的（continuous）」なる用語は、より少量の小滴に個別化されていない所定量の液体を意味するのとする。連続フロー入力源の非限定的な具体例として、適当なソース（源）または供給デバイスから基板表面または他の表面に導入されるキャピラリィスケールのストリーム、フィンガ、スラグ、アリクォート、および計量された用量が挙げられる。サンプル小滴Ｓは、通常、件の被分析物質（例えば、質量分析装置などを用いて特定される薬理効果を有する分子、または分光装置などを用いて特定すべき濃度を有する既知の分子）を含む。図１５Ａ−１５Ｂに示すいくつかのサンプル小滴Ｓは、連続フロー源６１から個別化された独立した複数のサンプル小滴Ｓであるか、あるいは電極のシーケンス処理に応じて形成されるさまざまな分析フロー経路に沿って、長時間電極アレイ上の異なる位置に移動可能な単一のサンプル小滴Ｓである。
【００７８】
この方法は、分析信号を処理しやすくするために、アナログ入力から分析信号をデジタル化するような特徴を有する。図１５Ａ−１５Ｂに図示された小滴の処理動作は、好適にも、上述のように電極アレイ上で行われる。ＩＣ、ＭＥＭＳ、およびマイクロ流体技術に一般に関連する他の構造またはデバイスを含むかどうかによらず、こうしたアレイは、マイクロ流体チップの表面上に形成されるか、マイクロ流体チップの中に埋設することができる。適当な電気コントローラと通信するなどして、アレイ電極を適当にシーケンス処理し、制御することにより、（小滴形成および搬送を含む）サンプル抽出を連続的にかつ自動的に行うことができる。
【００７９】
図１５Ａにおいて、連続フロー源６１の液体入力フローが、適当な注入ポイントにおいて電極アレイに供給される。上述のエレクトロウェッティング技術を用いて、連続液体フロー６１を断片化または個別化して、均一な大きさを有する一連または一続きのサンプル小滴Ｓを形成する。上述の基本的な移動、併合、混合、および／または分割動作、さらにこれらの基本的動作から派生する任意の動作の１つまたはそれ以上を含む望ましいプロトコルに従って、これらの新たに形成された１つまたはそれ以上のサンプル小滴Ｓを操作してもよい。特に、本発明によれば、オンチップ分析、または他のオンチップ処理のために、連続液体入力フロー６１からサンプル小滴Ｓを派生させることができる。例えば、図１５Ａは、マイクロ流体チップにわたり、プログラム可能な分析フロー経路に沿って、セル６３，６５などのマイクロ流体チップの表面上に配設された１つまたはそれ以上の基本的なセルまたは領域まで搬送される複数の小滴を示す。
【００８０】
機能セル６３，６５は、例えば、混合部、反応部、検出部、または格納領域であってもよい。混合部および反応部の場合、マイクロ流体チップ上またはこれに隣接する１つまたはそれ以上の個別の貯蔵器または注入領域から供給され、エレクトロウェッティング技術を用いてマイクロ流体チップ上を搬送された添加剤小滴Ｒ１および／またはＲ２と、サンプル小滴Ｓとを合体させる。混合部の場合、添加剤小滴Ｒ１および／またはＲ２は、サンプル小滴Ｓとは異なる成分を有する他のサンプル材料であってもよい。択一的には、サンプル小滴Ｓを希釈したい場合、添加剤小滴Ｒ１および／またはＲ２は、異なるタイプの溶媒であってもよい。反応部である場合、添加剤小滴Ｒ１および／またはＲ２は、異なるタイプの化学試薬を含んでいてもよい。これまでは、９６ウェル・マイクロリットルプレート、溶媒ボトル、液体搬送チューブ、シリンジまたは蠕動ポンプ、複数部品バルブ、ロボットシステムなどの大きな構成部品を利用する必要があったが、例えば、電極アレイまたはその一部を小型化されたマルチサンプル液体処理／検定装置として用いることができる。
【００８１】
機能セル６３，６５は、好適には、アレイ上の１つまたはそれ以上の電極包含ユニットセルを有する。こうした機能セル６３，６５は、多くの場合、対応する制御電極をシーケンス処理することにより定義することができ、シーケンス処理は、好ましいプロトコルの一部としてプログラムされ、マイクロ流体チップに接続された電気的制御ユニットにより制御される。これにより、機能セル６３，６５は、マイクロ流体チップの電極アレイ上の任意の位置に形成し、リアルタイムで再構成することができる。例えば、図１６は、一般に符号ＭＣで示す混合セルを図示し、これは、上記の任意の混合手法を用いて、サンプル小滴Ｓを添加剤小滴Ｒと混合させるか、サンプル小滴Ｓを希釈するために形成される。混合セルＭＣは、５×３マトリックスの電極包含ユニットセルを有するが、チップ上に形成されるより大きい電極アレイであってもよい。ここでは、混合セルＭＣは、５列の電極／セルＲＯＷ１−ＲＯＷ５と、３行の電極／セルＣＯＬ１−ＣＯＬ３で構成される。図５Ａ−６Ｃを参照して上記説明したように、中央に配置された電極Ｅ１−Ｅ３で併合および分割動作を行ってもよい。外側に配置された行ＣＯＬ１，ＣＯＬ３および外側に配置された列ＲＯＷ１，ＲＯＷ５を用いて、連続フロー源６１から個別化された後など、サンプル小滴Ｓおよび添加剤小滴Ｒを電極アレイの外側から運搬するための搬送経路を形成してもよい（図１５Ａ−１５Ｂ参照）。図１２Ｂに示すように、２次元のループ混合処理を行うために、２×２サブアレイを定義することができる。混合動作、併合動作、分割動作、または維持動作を行う間、外側に配置された行ＣＯＬ１，ＣＯＬ３および外側に配置された列ＲＯＷ１，ＲＯＷ５のうちのいくつかまたはすべてを接地して、ゲートとして機能させ、チップ上の他の領域から混合セルＭＣを孤立させることができる。必要ならば、拡散のような受動的メカニズム、または上述のエレクトロウェッティングにより合体小滴を移動または「振動」させる能動的なメカニズムにより、完全にまたは実質的に完全に混合させることができる。
【００８２】
本発明は、反応装置、検出装置、および他の分析・測定装置などの従来式のマクロスケールのデバイスまたは機器を実質的に小型化した実施例または模倣例である機能セルを有する他のタイプの機能セルを提供する。既知の分光器技術を用いて光ビームが通過するサンプル保持セルまたはフローセルを模倣するために、例えば、電極アレイの単一の列または行の中、あるいは主要アレイから外れたところに配置されたセルにおいて、小滴は個別化され、保持される。初期強度を有する光ビームは、入力光ファイバから供給され、サンプルセルに含まれる小滴を通過する。小滴から出射した減衰した光ビームは、出力光ファイバに入り、フォトセルなどの適当な検出装置に案内される。光ファイバは、サンプルセルのいずれか一方の側に配置してもよく、サンプルセルと一体に形成されるか、サンプルセル内に挿入される小型のディッププローブ内に設けてもよい。
【００８３】
再び、図１５Ａを参照すると、機能セル（例えば、セル６３，６５）で行われた処理が完了すると、その結果として得られた小滴（図示せず）は、不要物収集、貯蔵、または出力の目的で、マイクロチップ上またはそれ以外に配設された各容器６７または６９に搬送される。さらに、サンプル小滴Ｓおよび／またはプロダクト小滴は、収集、不要物回収、またはさら処理するための出力の目的で、マイクロ流体チップ上またはそれに隣接した好適な出力領域における連続液体出力フロー７１に再結合させてもよい。さらに、機能セル６３または６５で処理された小滴をサンプル小滴として形成してもよく、このサンプル小滴は、１つまたはそれ以上のステップで希釈され、そして／または反応させた後、アナライトの検出または測定のために、エレクトロウェッティングによりチップの別の部分に搬送される。例えば、いくつかの検出領域は、結合酵素または他の生分子同定試薬を含んでいてもよく、特定の分析に特化したものであってもよい。他の検出領域は、上記実施例のような蛍光式検定または吸光式検定を行うための光学システムなどの汎用性検出手段を有していてもよい。
【００８４】
図１５Ｂに示す択一的な実施形態において、連続液体フロー６１は、入力領域６１Ａから供給され、マイクロ流体チップの表面全体を横断し、出力領域６１Ｂまで搬送される。この実施形態において、連続液体入力フロー６１の長さに沿った、図示された位置７３などの特定の選択可能なユニットセル位置で、サンプル小滴Ｓが形成され（連続液体入力フロー６１がサンプル採取され）、図１５Ａの実施形態に関連して上述したような後続のエレクトロウェッティング操作が行われる。
【００８５】
図１５Ａおよび１５Ｂに関連して説明した方法は、数多くの用途において有用性を有する。オンライン式マイクロ流体分析の用途は、例えば、マイクロ透析または他の生物学的灌流フローの分析、環境学的水質調査、および発酵などの産業化学的処理の調査などを含む。分析は、液体中に流れる任意の特定物質の存在の特定、濃度、または挙動を特定することを含み得る。古典的な具体例は投入病患者のグルコース測定であるが、経時的に変化する化学的信号をリアルタイムで測定しなければならない場合のオンライン式連続分析は、すべての用途で有用である。マイクロ流体によれば、分析に必要なサンプル容量を低減し、測定されるアナライトを枯渇させることを回避する非侵襲性のサンプリング技術を可能とするとともに、小型化された携帯可能な機器を実現する。
【００８６】
本発明の小滴方式方法は、既知の連続フロー方式のマイクロスケール方法、およびより一般的なマクロスケール装置を用いた方法に比べて数多くの利点を有する。図１５Ａまたは図１５Ｂを参照すると、連続フロー源６１からチップの分析部分までのサンプル小滴Ｓのフローは、連続フロー（入力フロー）とは独立して制御され、分析を行う上で多大なフレキシビリティを許容する。分析フローを連続入力フローから分断することにより、それぞれのフローを個別に最適化し、制御することができる。マイクロ透析において、連続フローを最適化することにより特定の再現速度を実現し、分析フローを最適化することにより特定の感度またはサンプリング速度を実現する。主要な入力フローに影響を与えることなく、また悪影響を及ぼすことなく、試薬小滴Ｒを分析フロー中のサンプル小滴Ｓに混合することができる。分析フロー中のサンプル小滴Ｓは、入力フローを中断することなく、不定期間、格納または培養することができる。入力フローを中断することなく、異なる時間を要する複数の分析を同時に並行して行うことができる。
【００８７】
図１５Ａまたは図１５Ｂに図示された実施形態において、連続フロー源６１の入力を含む同一のシーケンス処理の一部として分析が行われるとき、サンプル小滴Ｓの分析または他の処理はオンラインで行われる。しかし、新たに形成されたサンプル小滴Ｓは連続液体入力フロー６１から派生するので、連続液体入力フロー６１に関する分析はインライン（同じライン上）では実施されない。このデザインにより、分析フローを入力フローから分断することができる。
【００８８】
別の利点として、複数のアナライトを同時に測定することができる。連続液体フロー６１が複数のサンプル小滴Ｓに細分化されるので、各サンプル小滴Ｓを異なる試薬小滴Ｒ１またはＲ２と混合させて、クロストークまたはクロスコンタミーションすることなく、単一サンプルの複数アナライトを同時に測定することができる。加えて、複数ステップの化学プロトコルが可能で、広範な種類の分析を単一チップ内で行うことができる。
【００８９】
さらに、較正およびサンプル測定を複合化することができる。較正小滴を形成し、サンプル間で測定することができる。較正するために、入力フローを中断する必要はなく、モニタ中、周期的に再較正することができる。さらに、複数のアナライトに対して検定または検出を複合化することができる。例えば、単一の蛍光計または吸光検出器を用いて、サンプル小滴Ｓの検出領域までの搬送をシーケンス処理することにより、複数のアナライトを測定することができる。
【００９０】
別の重要な利点は、チップ動作の再構築可能性である。ソフトウェア制御によりサンプリング速度を動的に変化させることができる。ソフトウェアを用いて、混合比、較正処理、および特定のテストを制御して、柔軟で再構築可能なチップ動作を可能にする。フィードバック制御が可能で、分析結果をチップ動作に反映させることができる。
【００９１】
［小滴方式のバイナリ補間デジタル混合］
図１７を参照すると、一般に符号１００で示す本発明のバイナリ混合装置が図示されている。バイナリ混合装置１００は、所望の混合比を得るために、１つ、２つまたはそれ以上の混合段階における多様な小滴方式の希釈バイナリ混合技術を実現する上で有用である。得られる混合比の正確な度合いは、使用される離散的バイナリ混合ユニットの数に依存する。１つの具体例として、図１７は、第１のバイナリ混合ユニット１１０と、第２のバイナリ混合ユニット２１０とを概略的に図示している。１つ以上の混合ユニットがある場合、好適には、これらの混合ユニットと流体連通するバッファ３１０が設けられ、必要に応じ、中間生成物を貯蔵し、混合ユニット間で搬送する。コンピュータプログラムの指令を実行することができるマイクロプロセッサなどの適当な電気コントローラＥＣが、適当な通信ライン１１１，２１１，３１１を介して、それぞれ第１のバイナリ混合ユニット１１０、第２のバイナリ混合ユニット２１０、およびバッファ３１０と通信する。
【００９２】
本発明によるデジタル式バイナリ補間混合処理を行うために、バイナリ混合装置１００をマイクロ流体チップ上で形成してもよい。バイナリ混合装置１００のさまざまな小滴操作部品の物理的なレイアウト（一例が図１８Ａおよび図２０に図示されている）を設計する際、電極デザインおよび搬送デザイン（スケジューリング）が考慮された。特定の物理的レイアウトは、少なくとも部分的に電気コントローラにより実行される一連のコードまたは指令を決定して、電極ひいては実施される小滴方式の操作の種類とシーケンスを制御する。好適には、バイナリ混合装置１００の電極を含む小滴処理領域が、図１の断面図に示すエレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータ機構１０に関して上述したように、または上記説明した単一表面電極を有する構造に従って構成される。各混合ユニットの電極をシーケンス処理して、ここに開示した任意の混合手法を実現することができる。
【００９３】
バイナリ混合装置１００の構成は、小滴−小滴（小滴単位）の混合実験において観察された速い速度の利点を十分に享受するように設計され、複数ポイントの較正に対して動的に変えることのできる混合比を正確に制御することができる。以下の開示から明白となるように、バイナリ混合装置１００は、広範な混合比を所定の精度をもって処理でき、混合操作における高い並行性を示し、２次元アレイの混合部品を構成する上での高い寸法拡張性を示す混合パターンを可能にする。バイナリ混合装置１００は広範な小滴サイズを処理することができる。しかし、サンプル小滴が検出または測定のために構成される場合、小滴サイズに対する下限値がある。
【００９４】
バイナリ混合装置１００の構成は、互いに向かって移動する２つの小滴間で最も効果的な混合が生じるという理解に基づいている。これは、実験で観測されたもので、流体の剪断運動に誘発される対流により、混合処理が純粋な物理的な拡散より速くなるように加速されるという事実により説明することができる。すなわち、一般的な設計原理としては、できるだけ１対１の混合が用いられる。上述のように、均一な小滴サイズを維持するために、１対１の混合は混合動作および分離動作を含む。基本的な混合動作および分離動作は図５Ａ−６Ｃを参照して上述した。
【００９５】
バイナリ混合装置１００の構成をデザインする上で、以下の点について仮定した。
１．化学的処理および／または物理的処理において、十分な時間をかけると、完全に混合させることができる。
２．物理的容量および化学的成分において、同等の小滴が分離される。
３．小滴が搬送される間、残渣は無視できるほど少ない。
４．大きい希釈比で混合する時間はボトルネックである。
５．混合比に対して公差がある。
６．混合時間に対して搬送時間は無視できるほど短い。
【００９６】
好適なデザインの要件および問題点に関し、以下の点を同様に考慮した。
１．検出可能性を保証する混合物アウトプットの最小容量
２．独立した制御電極の最大数
３．最大混合領域
４．電極あたりの最大駆動数
５．異なる混合比に対する再構築可能性
【００９７】
すなわち、１つのデザインの目的は、混合比の精度を維持しながら、混合−分離動作の回数を極力抑えて、混合処理を完了させることであった。
【００９８】
さらに、理想的な混合構成のための好適な特徴に関し、以下の点を同様に考慮した。
１．正確な混合比
２．少ない混合サイクル回数
数多くの混合プロセスは１つ以上の混合段階を含むので、２つのバイナリ混合ユニット１１０および２１０は、第１段階において、互いに並行し、かつ独立して処理される。しかし、第２段階は、第１段階が完了した後にのみ開始することができる。すなわち、２段階の混合の全体的な混合時間は、第１段階における第１および第２のバイナリ混合ユニット１１０，２１０の最大混合時間に、第１バイナリ混合ユニット１１０または第２バイナリ混合ユニット２１０のいずれかで第２段階での混合時間を加えたものである。したがって、混合サイクルは、１つの混合処理を完了させるために要する全体的な混合時間として定義される。混合処理において標準化され、例えば、小滴搬送と比較して、最も時間の要する処理であると推定される。
３．少ない全体的混合動作回数
混合、分割、および／または搬送からなる単一のバイナリ混合動作は、誤差の源である。より回数の多い混合動作は、より多くの電極を使用することを意味し、電極上に帯電した電荷に起因して別の誤差を招き得る。
４．動作の単純性
５．寸法拡張性
多くの収量が要求される場合に、異なる混合比を処理するためのバイナリ混合装置１００の機能および複数の混合ユニットに対する拡張性
６．並行性
【００９９】
バイナリ混合装置１００の構造は、バイナリ混合段階の複数の階層を実行し、第１の階層により近似的な混合比を実現し、較正メカニズムを用いて次の階層のものを実現する。この概念は、補間デジタル・アナログコンバータ（ＤＡＣ）に類似し、その構成は２つの部品に分割され、メインＤＡＣはバイナリ方式でＭＳＢ（最大重要ビット）を処理し、サブＤＡＣはＬＳＢ（最小重要ビット）に対する較正および補正を処理する。図１９Ａ−１９Ｆを参照して、１／３２の濃度に希釈された１６個のサンプル小滴を形成するために行われた１段階バイナリ混合処理の具体例を以下説明する。
【０１００】
バイナリ方式の混合により、２，３回の混合動作だけで、２のべき乗の大きい比で希釈することができる。バイナリ方式で２つの中間生成物をさらに混合させることにより、比の精度を補間することができる。例えば、１つの混合処理により１／８の濃度が形成され、さらなる混合により１／１６の濃度が形成される。これら２つの混合物をそれぞれ1:1，1:3，3:1，1:7，7:1の比で混合すると、最終的な生成物の濃度は、1/10.67，1/12.8，1/9.14，1/14.2となる。この原理に基づいて、２，３段階の混合により、許容可能な公差で任意の混合比を得ることができる。さらなる精度が必要である場合、先の段階からの生成物を用いた追加的な混合段階を用いて、混合比を調整することができる。先に説明したように、高い精度と期待される混合比にアプローチする処理は、アナログ−デジタルコンバータの設計で用いられたものと類似した連続的な近似処理として特徴付けられる。精度を速度でトレードオフするアプローチである。ただし、十分な精度を得るために必要な混合段階数は驚くほど少ない。一般に、要求される混合比が３２以下である場合、しばしば２段階混合で十分である。同様に理解されるように、混合比が３２以上、６４以下である場合、おそらく３段階混合が必要である。所定範囲のバイナリ比を有する中間生成物をさまざまに組み合わせることにより、より多くの補間ポイントが形成され、精度を上げることができ、余分な混合段階を用いる必要性がなくなる。
【０１０１】
既知の数学的原理に基づいて、好適には２つの同一構造を有する混合ユニット（例えば、図１７に示す第１のバイナリ混合ユニット１１０と第２のバイナリ混合ユニット２１０）を有するようにバイナリ混合装置１００の構造を設計することができ、各バイナリユニット１１０および２１０はバイナリ混合を処理し、所定容量の混合物を生成する。各バイナリ混合ユニット１１０および２１０によれば、異なる処理により、２のべき乗の比とは異なる混合比が得られる。第１の混合段階では、２つのバイナリ混合ユニット１１０および２１０を並行して用いて、一連の比（1:1, 1:3, 1:7, ..., 1:2n-1）の任意の比を有する試薬とサンプルを混合させる。生成物は同じ容量の２つの混合物である。２つの混合物の比は、最終生成物の要請される比により決まり、好適にはコンピュータプログラムを用いて制御される。第２段階では、２つのユニットの内の一方で、２つの混合物が所定のバイナリ比（２値比）で混合される。バイナリ混合ユニット１１０または２１０の一方で第２段階の混合が行われるとき、バッファ３１０を用いて、いくつかの中間生成物を貯蔵する。中間生成物の容量には限りがあるので（例えば１６個の小滴）、第２の混合を任意の大きいバイナリ比で行うことはできない。バイナリ混合装置１００の構造および動作に関する記載より、４行１６個の小滴が各ユニットで形成された場合、後続の混合段階における可能性のあるバイナリ比は３１以下となるように制約される。そうした場合、十分な精度は第２段階の後に得られる。さらなる精度が要求される場合、一連の２のべき乗の比を有する（例えば、較正混合物）第２段階からの生成物および別の混合物を用いて、追加的に混合を行い、要請される比に近い比を有する混合物を形成する。
【０１０２】
上記開示内容から分かるように、一連の２のべき乗の混合物を生成することが、期待される比を得る上で基本的な処理となる。この混合物の正確な比を前もって決定するか、動的に変えることができる。例えば、第１の混合段階中に、要求される比に応じて、２つの比を事前に計算することができる。しかし、先の混合物の質からフィードバックされる場合、第２段階に続く段階において、較正混合物を動的に変化させることができる。事前に決定された場合でも、さらなる段階の混合が行われる前に、較正混合物を用意するために、余分な時間を必要とする傾向がある。こうした場合、ただ２つのバイナリ混合ユニット１１０および２１０を用いるだけでは十分でない可能性があり、先の較正混合処理と並行して、較正混合物を生成するために、さらなるバイナリ混合ユニットを追加してもよい。
【０１０３】
混合手法の決定は、要求される比と公差に基づいて、混合段階数および各段階における混合比を計算することを含む。目的関数として混合動作数と混合時間を最適化することにより、混合手法を決定することができる。
【０１０４】
図１８Ａ−１８Ｂを参照すると、第１のバイナリ混合ユニット１１０の例示的な構造が図示されており、第２のバイナリ混合ユニット２１０および他の追加的な混合ユニットが同様に設計されると理解される。図１８Ａに示す実施形態は、第１段階の混合を行い、図２０に示す実施形態（以下に概略的に説明する）が第２段階の混合を実施する。図１８Ａに示すように、第１のバイナリ混合ユニット１１０は、一般に、符号ＥＡで示す７×７の電極マトリックスまたはアレイを有し、４９個のマトリックス電極と付随するセルＥｉｊを有する。ここで、「ｉ」は１，２，．．．，７番目の電極列を示し、「ｊ」は１，２，．．．，７番目の電極行を示す。図１８Ｂは、列ＲＯＷ１−ＲＯＷ７および行ＣＯＬ１−ＣＯＬ７の２次元システムによる電極アレイＥＡのマトリックス電極Ｅｉｊを特定する。しかし、本発明は特定の電極数、列数および行数に限定されることはない。より大きいまたは小さい電極アレイＥＡを適宜用意することができる。
【０１０５】
再び図１８Ａを参照すると、サンプル貯蔵部１１３、廃棄物貯蔵部１１５，試薬貯蔵部１１７が設けられている。電極アレイＥＡに対する貯蔵部１１３，１１５，１１７の位置に依存して、小滴を電極アレイＥＡに搬送し、電極アレイＥＡから搬送するために、適当な数および構成の通路または経路、および付随するセルＴ１−Ｔ４が設けられている。小滴の移動または他の操作を制御するために、数多くの電気的リード（例えばＬ）がマトリックス電極Ｅｉｊおよび搬送電極Ｔ１−Ｔ４に接続されている。理解されるように、電気的リードＬが、マイクロプロセッサ（図１７の電気コントローラ）などの適当な電気コントローラに接続されている。各マトリックス電極Ｅｉｊは、独立した電気リード接続を有していてもよい。しかし、電気リードＬの数を低減し、第１のバイナリ混合ユニット１１０の簡素化するために、ＣＯＬ２−ＣＯＬ７の各行（図１８参照）の電極は、図１８Ａに示す共通の電気リードＬに接続される。第１のバイナリ混合ユニット１１０を用いて実施される混合動作のためのプロトコルを作成するとき、これらの共通する接続について配慮しなければならない。
【０１０６】
実質的に、バイナリ混合装置１００の各バイナリ混合ユニット１１０および２１０は、サンプル、試薬または中間混合物を格納する、４×４のロジックセルを有するように設計される。これは、図１８Ｂのマトリックスレイアウトを、図１９Ａ−１９Ｆに図示された４×４ロジックセルマトリックスと比較することにより概念化することができる。混合（または混合−分離）動作が完了した時点で、小滴が隣接する制御電極から中間制御電極（例えば、図５Ａ−６Ｃに示す中間制御電極Ｅ２と隣接する制御電極Ｅ１，Ｅ３）上で合体し、混合小滴が分離し、新たに形成された混合小滴が隣接する制御電極に戻るという事実を、４×４構成は担保する。したがって、小滴が実際に合体する間に、所定の電極列を暫定的な中間電極としてのみ用いる必要がある。同様に、所定の電極行を小滴の搬送のためだけに用いる必要があるという事実を、この構成は担保する（例えば、１つの行から別の行に小滴を移動させることは、新たな試薬小滴を追加するための空間を作る）。上述のように、図１８Ｂの電極列ＲＯＷ２，ＲＯＷ４およびＲＯＷ６と、電極行ＣＯＬ２，ＣＯＬ４およびＣＯＬ６は、図１９Ａ−１９Ｆでは単なる直線として図示されている。同様に、図１９Ａ−１９Ｆでは、活性化電極が陰付きバーで示され、混合動作が「―――→，←―――」のシンボルで図示され、搬送動作が「―――→」のシンボルで図示されている。さらに小滴の濃度は、小滴が存在する列および行の隣の数字（例えば、０，１，１／２）で示されている。
【０１０７】
活性化電極が２つのセル間に存在するかどうかに依存して、（図１９Ａ−１９Ｆを含む図面の観点から）水平方向および垂直方向におけるいくつかの隣接するセルの間で、１対１の混合を行うことができる。第１行において、小滴を含む任意の２つの隣接する列セルの間に活性化電極が存在すると、２つの隣接する列セルで混合動作が行われる。他の行においては、列セル間に活性化電極がない。例えば、これは図１９Ａに図示されている。小滴を含む任意の行の間に電極が存在すると、行内のすべてのセルが隣接する行のセルと混合動作を同時に行う。例えば、これは図１９Ｄに図示されている。活性化電極を用いることにより、ロジックセル（すなわち、小滴）の内容物は、第１行にある一方の列から他方の列に移動し、行間を移動することができる。４×４のロジック構造の採用は、以下の具体例で説明されるように、バイナリ操作を最適化するために設計される。第１のバイナリ混合ユニット１１０の１つ混合ユニットの実施形態は、１６個の小滴に限定されるが、最終的な生成物の物理的容量は各小滴のサイズを変えることにより調整することができる。
【０１０８】
バイナリ混合装置１００がどのように任意の２のべき乗の比を生成できるかを示すために、図１９Ａ−１９Ｆは、１：３１の比（１／３２の濃度に等しい）を目標する一連の混合動作の具体例を示す。分かるように、混合処理は、２つの基本的段階を有し、列混合と行混合がある。一般に、列混合の目的は、２つの混合入力の最小容量を有する混合比を所定範囲に接近させることである。行混合は、出力において要求された容量を生成し、４倍大きい比を得ることである。図１９Ａ−１９Ｆに示すように、１：３１の比を得るためには、列混合して、１：７の比または１／８の濃度を得る（図１９Ｄ参照）。行混合が１：３１の濃度の最終的な生成物比または１／３２の濃度を得る（図１９Ｆ参照）。
【０１０９】
特に図１９Ａを参照すると、濃度１（すなわち１００％）を有するサンプル小滴Ｓ１を、濃度０を有する試薬（または溶媒）小滴Ｒ１を組み合わせることにより、単一の行混合を行う。この結果、図１９Ｂに示すように、それぞれ１／２の濃度を有する２つの中間混合小滴Ｉ１，Ｉ２を得る。一方の中間混合小滴（例えばＩ１）を廃棄して、新たな試薬小滴Ｒ２を他方の中間混合小滴（例えばＩ２）に隣接する論理セルへ移す。中間混合小滴Ｉ２と試薬小滴Ｒ２を組み合わせることにより、もう一度、列混合を行う。この結果、図１９Ｃに示すように、それぞれ１／４の濃度を有する２つの中間混合小滴Ｉ３，Ｉ４を得る。２つの新たな試薬小滴Ｒ３，Ｒ４を追加し、２組の列混合動作で、それぞれの中間混合小滴Ｉ３，Ｉ４を合体させる。この結果、図１９Ｄに示すように、それぞれ１／８の濃度を有する４つの中間混合小滴Ｉ５−Ｉ８を得る。
【０１１０】
図１９Ｄに示すように、４つの新たな試薬小滴Ｒ５−Ｒ８を中間混合小滴Ｉ５−Ｉ８のそれぞれに隣接するマトリックス上に移す。そして、各中間混合小滴Ｉ５−Ｉ８と対応する試薬小滴Ｒ５−Ｒ８の対の間で行混合を行う。こうして、図１９Ｅに示すように、それぞれ１／１６の濃度を有する８つの中間混合小滴Ｉ９−Ｉ１６を得る。同様に、図１９Ｅに示すように、４つの中間混合小滴Ｉ９−Ｉ１２およびＩ１３−Ｉ１６が、右側の行に１つずらして、新たな試薬小滴Ｒ９−Ｒ１２およびＲ１３−Ｒ１６をそれぞれマトリックスの外側の行に充填することができるようにする。追加的な行混合動作を介して、中間混合小滴と試薬小滴のそれぞれの対（例えば、Ｉ９とＲ９の対、Ｉ９とＲ９の対など）を合体させる。
【０１１１】
これらの混合動作の結果、図１９Ｆに示すように、それぞれ（目標とする１：３１の混合比に対応する）１／３２の濃度を有する１６個の最終的な混合生成小滴Ｐ１−Ｐ１６を得る。こうして、上述の具体例で説明したサンプリング、検出、分析などの後に行われる任意の動作のために、生成小滴（プロダクト小滴）Ｐ１−Ｐ１６が準備される。さらに正確な混合比を所望するかどうかに応じて、上述のように必要ならば、第２段階および第３段階の混合動作を生成小滴Ｐ１−Ｐ１６に対して行ってもよい。こうした追加的な混合動作は、第１のバイナリ混合ユニット１１０の一部であってもよい電極アレイ上の異なる領域で行ってもよい。択一的には、図１７に示すように、第１のバイナリ混合ユニット１１０に直接的にまたはバッファ３１０を介して流体連通する別のバイナリ混合装置（例えば、バイナリ混合ユニット２１０）に最終混合小滴を搬送することができる。
【０１１２】
本発明の方法は、３１以上または３１以下の比に対して適用することができる。例えば、目標が１：１５の比を得ることならば、列混合により入力を１：３の比に混合し、これは２段階の混合動作を必要とし、３段階の混合動作で１：７の混合比を得る。混合動作において、図１９Ａ−１９Ｆを用いて、こうした場合、第１段階の（単一）列混合および第２段階の廃棄動作を排除し得ることを示すことができる。
【０１１３】
１：３１の混合比を実現する動作を詳細に説明するために、とりわけ図１９Ａ−１９Ｆ（一般的には図１８Ｂを参照して）に図示された具体例に対する擬似コードを下記にリストする。
１．Ｓ（１，１）を充填し、Ｒ（２，１）を充填し、１，２列を混合する。
２．（（１，１）を廃棄し、Ｒ（３，１）を充填し、）２，３列を混合する。
３．Ｒ（１，１）を充填し、Ｒ（３，１）を充填する。
（１，２列および３，４列を混合する）。
４．２行を充填し、１，２行を混合する。
５．２行を３行へ、１行を２行へ移し、１行を充填し、４行を充填する。
（１，２行および３，４行を混合する）。
６．終了。
【０１１４】
上記擬似コードは、可能性のある複数の混合動作を１つの混合処理に標準化する。動作のシーケンスは、混合動作の回数を低減しつつ、混合収量を増大させるためにより可能性のある最適化を行う。この設計は、活性化電極の数をできるだけ少なくし、すべての混合動作が適正に機能することを担保するように配慮する。好適実施な形態において、各バイナリ混合ユニット１１０および２１０（図１７参照）は、混合機能を処理するための１３個の活性化電極を有する。各バイナリ混合ユニット１１０および２１０の中に小滴を搬送する機能は、別の検討事項である。アレイの外側にある２つの列を、混合部の両側に沿って走る輸送チャンネルとして用いて、混合部の他の動作と同時に、小滴を混合部に搬送する。同様に、同数の電極がこれらの輸送機能を処理する。
【０１１５】
第２段階は、２つのバイナリ混合ユニット１１０および２１０（図１７参照）からの中間生成物が混合される際の混合処理である。それは、図１９Ａ−１９Ｆを参照して上記説明した第１段階における標準的なバイナリ混合処理と同様のものである。唯一の違いは、第２段階の混合は、バイナリ混合ユニット１１０および２１０の内の一方が、先の混合生成物（例えば、図１９Ｆに図示される小滴Ｐ１−Ｐ１６）を保持する点にある。先に示唆したように、この処理中、バッファ３１０を用い、いくつかの生成物を保持する。
【０１１６】
第２段階中の最大混合比が３１に限定されることを計算することができる。その理由は、最大比を得るためには、列混合をできるだけ数多く用いる必要があるためである。列混合を用いて比を増大させると、廃棄処理中に失う入力がより少ない。すなわち、入力材料が有限量である場合、第１の選択は、混合出力のための条件を満足させるために十分な量が残るまで、どの程度の列混合を行うことができるかを確かめることである。こうして、出力条件が１６個の小滴以下であると特定される場合、１６個の小滴の２つの混合物だけが１：３１の最大比で混合させることができる。１：３１の比で混合させる場合、１６個の試薬小滴が最小量であることが図１９Ａ−１９Ｆから分かる。
【０１１７】
２段階混合の機能をより良好に実現するために、第１のバイナリ混合ユニット１１０のための図１８Ａに示す物理的レイアウトを修正することができる。したがって、図２０を参照すると、一般に符号４１０で示す２段階混合ユニットが図示されている。２段階混合ユニットの構造は、図１８Ａの第１のバイナリ混合ユニット１１０と類似しており、７×７マトリックス、サンプル貯蔵部４１３、廃棄物処理部４１５，試薬処理部４１７、およびさまざまな貯蔵部から７×７マトリックスへ小滴を搬送するための適当な数と構成を有するオフアレイ電極を有する。２段階混合ユニット４１０は、混合処理中に洗浄流体を供給する洗浄容器部４１９と、生成物小滴を他の混合ユニットまたはバッファ３１０に搬送するための出力領域４２１を追加的に有する（図１７）。さらに、追加的な電極列および電極行を７×７マトリックスの周縁部に設けて、マトリックスに至るおよびマトリックスからの小滴のための搬送経路を形成する。
【０１１８】
以下に記載する表を検討することにより、バイナリ混合ユニット１００の構造の特性を知ることができる。この表は、６３の最大混合比（または１／６４の最大濃度に対応）に対する２段階混合手法を用いて、可能性のあるすべての補間混合比を列挙するように作成された。第１段階における混合ユニット１および２（例えば、第１および第２のバイナリ混合ユニット１１０および２１０）の混合比など、対応する混合バラメータ、第２段階のための混合比、および全体的混合サイクルが記録される。複数の混合部が存在するときリソースの利用を改善し、全体的な混合動作を低減し、並行性を改善する、適当な混合手法および／または時間に対する精度のトレードオフに関するさらなる最適化を選択するための根拠として、この表は機能する。装置１００を制御するために用いるソフトウェアの一部として、参照テーブルまたはデータ構造を参照テーブルとしてこの表を用いる。
【０１１９】
この表は、本発明の構造を用いた全部で１９６の混合手法を記述しており、これは１５２の固有の混合ポイントに対応する。６３の最大混合比の元で２のべき乗を用いて、可能性のある任意の２つの混合物を補間することにより、１９６の混合手法を計算することができる。これらのポイントは、直線的な間隔ではなく、非直線的な間隔を有する。比がより小さければ、間隔も小さくなる。実現可能なポイントが図２１にプロットしてある。この表から明らかなように、実現可能な比は、従来式の直線的な混合ポイントより大きく、分布がより合理的である。さらに、１つの小滴とは異なる所定容量の出力は、１対１の混合に起因する誤差に対するより大きい公差を許容することができる。混合サイクルに関して、最良の特性は、近似する比と比較して、２のべき乗の混合比に対するものである。精度に関して、比が大きければ、より少ない補間ポイント数が実現されるので、通常、特性は悪くなる。
【０１２０】
図２１にプロットされた２段階の混合プランから分かるように、目標の比が３６より大きい場合、十分なポイントが存在しない。図２１は、比が４０の周辺にはポイントがないことを示している。目標の比および理論的に実現可能な比の間の差異は３である。しかし、４０の周辺で実現可能なポイントを注意深く検証することにより、最大の誤差が第２段階の混合プランから生じる場合、利用可能なポイントを補間するために、第１段階からの残りの混合物を適当に利用することが、36.5714と42.6667の間のいくつかの追加的な補間ポイントを得ることができる。例えば、表中の混合プラン＃１８３は、１：３１の比を有する混合物１および１：６３の比を有する混合物２を得るために呼び出され、３：１の比で混合する。混合物２の３／４部分が存在することが分かる。36.5714の濃度を有する段階２の混合物と６３の濃度を有する混合物２を比３：１または７：１などを用いて混合することができる。これにより、40.9、38.5などにおけるポイントが得られる。このようにして、わずかばかりの混合サイクルだけを増やして（この具体例では、それぞれ２サイクルおよび３サイクル）、補間混合物を追加的に用意することなく、追加的な混合段階を用いて、より高い精度を実現することができる。
【０１２１】
図２２は、段階１、段階２、段階３の混合プランにより実現可能なすべてのポイントを示す。ポイントの全体数は２０４４である。段階３により実現されるポイントは、段階２および段階１の残りの生成物を用いることにより得る。段階２が完了した後、段階１の残りの生成物の容量を考慮し、これらを再利用して段階２からの生成物と混合することによりポイントを計算する。段階３の可能性のある混合比は段階２の混合比より求められる。
【表１】
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【表２】
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【表３】
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【表４】
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【表５】
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【０１２２】
［単一表面側に電極アレイを有するエレクトロウェッティング方式の小滴駆動］
これまで、図１に示すマイクロアクチュエータ１０などの両面電極構造を有する小滴駆動装置を用いて、本発明の態様について説明してきた。すなわち、下側プレーン１２が制御または駆動電極Ｅ１−Ｅ３を含み、上側プレーン１４が接地電極Ｇを含む。マイクロアクチュエータ機構１０に関して、上側プレーン１４の機能は、小滴Ｄを接地電位またはいくつかの他の基準電位にバイアスすることである。下側プレーン１２の駆動電極Ｅ１−Ｅ３を選択的にバイアスして、上側プレーン１４を接地すると、電位差が形成され、段階的なエレクトロウェッティング技術により小滴Ｄを移動させることができる。しかし、本発明の別の実施形態によれば、接地された上側プレーン１４の必要性を排除することにより、２次元エレクトロウェッティング方式の小滴操作のために採用された装置のデザインを簡略化し、よりフレキシブルに構成することができる。
【０１２３】
ここで図２３Ａ−２３Ｂを参照すると、一般に符号５００で示す単一表面エレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータ機構が図示されている。マイクロアクチュエータ機構５００は、図１の機構と同様の下側プレーン５１２を備え、これは、綿密に凝集する駆動電極Ｅ（駆動電極Ｅ１−Ｅ３）の２次元アレイが埋設された適当な基板５２１を有し、このアレイは、銅、クロム、ＩＴＯなどの導電層のパターン形成により形成される。誘電層５２３は、駆動電極Ｅをカバーする。誘電層５２３は、疎水性であるか、そして／または疎水性層（特に図示せず）で処理されている。図１のマイクロアクチュエータ機構１０との主な相違点として、基準電位の導通ラインの２次元グリッド（例えば、導通ラインＧ１−Ｇ６およびその他）が、図２３Ａ−２３Ｂのマイクロアクチュエータ機構５００の電極アレイ上に重畳され、各導通ラインＧが隣接する駆動電極Ｅの間に配設されている。基準電位は、接地電位、微小電位、あるいは駆動電極Ｅに印加される駆動電位より小さい他の電位であってもよい。各導通ラインＧは、ワイヤ、バー、または駆動電極Ｅと比較して遙かにより狭小な幅／長さのアスペクト比を有する任意の他の導電性構造物であってもよい。択一的には、各導通ラインＧは、綿密に凝集した一連のより小さい電極を有し得るが、ほとんどの場合、こうした択一例は必要とされる電気的接続の数が増大するため、非実用的である。
【０１２４】
重要なことに、導通ライングリッドは、電極アレイと同一平面上または実質的に同一平面上にある。マイクロチップ上に導電性の内部接続構造物を形成するために広く用いられたマイクロ製造技術により、導電ライングリッドを下側プレーン５１２の上に埋設してもよい。こうして、理解されるように、マイクロアクチュエータ機構５００を単一基板デバイスとして構成することができる。ただし、上側プレーン５１４は、適当なプラスティックシートまたは疎水性ガラスプレートなどの疎水性表面５２７を有するプレート５２５を備えることが好ましい。図１のマイクロアクチュエータ機構１０とは異なり、図２３Ａ−２３Ｂのマイクロアクチュエータ機構５００の上側プレーン５１４は、小滴Ｄをバイアスするための電極として機能しない。むしろ上側プレーン５１４は、小滴Ｄおよび不活性ガスや非混和性液体などの任意のフィラー流体を包含するための構造部品としてのみ機能する。
【０１２５】
小滴をエレクトロウェッティング方式で操作するためのマイクロアクチュエータ機構５００の使用に際して、小滴を搬送する間は本質的に常に小滴Ｄに対する接地または基準電位に接続しておく必要がある。すなわち、小滴Ｄが隣接するすべての駆動電極Ｅおよび小滴Ｄが載置される駆動電極の周囲にあるすべての導通ラインＧと確実に重なるように、小滴Ｄのサイズまたは容量が選択される（例えば、図２３Ｂの電極Ｅ２）。さらに好適には、導通ラインＧが小滴Ｄに対して露出するか、または少なくとも小滴Ｄとは電気的に絶縁しないように、駆動電極Ｅだけをカバーするように誘電層５２３をパターン形成する。しかし、同時に、導通ラインＧは駆動電極Ｅに沿って疎水性を有し、小滴Ｄの移動を妨げないようにすることが好ましい。すなわち、好適な実施形態において、誘電層５２３をパターン形成した後、駆動電極Ｅおよび導通ラインＧの両方をコーティングするか、疎水性を有するように処理する。導通ラインＧは図２３Ａ−２３Ｂには特に図示されていない。しかし理解されるように、導通ラインＧをカバーする疎水性層は非常に薄く、疎水性層の多孔性に起因して、小滴Ｄおよび導通ラインＧの間の電気的接触は依然として維持される。
【０１２６】
マイクロアクチュエータ機構５００を作動させるために、適当な電圧源Ｖおよび電気リード部品が導通ラインＧおよび駆動電圧Ｅに接続されている。導通ラインＧが駆動電極Ｅと同一平面内に配設されているので、導電ラインＧと選択された駆動電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３（図２３ＡのスイッチＳ１−Ｓ３により選択される）の間に電位を印加すると、小滴Ｄの直下の誘電層５２３の領域において電場が形成される。図１のマイクロアクチュエータ１０の動作に類似して、電場は、さらに表面張力勾配を形成し、電圧印加された電極に重畳する小滴Ｄを電極（例えば、図２３Ａの右方向へ移動させたい場合には駆動電極Ｅ３）に向かって移動させることができる。一連のソフトウェア指令に従い、電極アレイを事前設定された方法で、あるいは適当なフィードバック回路に呼応してリアルタイムでシーケンス処理を行うことができる。
【０１２７】
単一表面電極構成を有するマイクロアクチュエータ機構５００を用いて、小型化されたラボ・オン・チップシステムを実現するための、図１の両面電極構成で上記説明したすべての機能および方法（例えば、供給、搬送、併合、混合、培養、分離、分析、モニタ、反応、検出、配置など）を行うことができる。例えば、図２３Ｂに示す小滴Ｄを右方向へ移動させるためには、駆動電極Ｅ２，Ｅ３を活性化して、小滴Ｄを駆動電極Ｅ３上に拡張させる。その後、駆動電極Ｅ２を不活性化して、小滴Ｄをより好ましい低エネルギ状態に弛緩させると、小滴Ｄは駆動電極Ｅ３の中央に配置される。別の具体例では、小滴Ｄを分割するために、駆動電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３を活性化して、小滴Ｄを駆動電極Ｅ１，Ｅ３上に広げる。そして駆動電極Ｅ２を不活性化して、小滴Ｄを駆動電極Ｅ１，Ｅ３上の中央に配置される２つの小滴に分断する。
【０１２８】
図２４Ａ−２４Ｄを参照すると、本発明の択一的な単一表面電極構成が図示されている。これまでに説明した実施形態と同様、列および行のバイアス電極Ｅｉｊのアレイを含むベース基板を再び用いる。とりわけ図２４Ａを参照すると、アレイまたはアレイの一部が図示され、３列のＥ１１−Ｅ１４、Ｅ２１−Ｅ２５、Ｅ３１−Ｅ３４が設けられている。本発明の他の実施形態に対して説明したのと同様、電極アレイの列および行を配列することができる。択一的には、特に図２４Ａに図示されているように、任意の所定の列が隣接する列の電極からずれるように、アレイをずらして配列することができる。例えば、第１列の電極Ｅ１１−Ｅ１４、第３列の電極Ｅ３１−Ｅ３４は、中間にある第２列の電極Ｅ２１−Ｅ２５に対してずれている。配列するか、ずらして配列するかによらず、上記の実施形態と同様、電極アレイは絶縁性および疎水性を有する層でカバーされることが好ましい。図２３Ａ−２３Ｂで示す構成と同様、上部プレートは、閉じ込めのためのものであるが、電極として機能しない。
【０１２９】
動作において、選択されたバイアス電極Ｅｉｊが駆動電極または接地（基準）電極として動的に割り当てられる。小滴を駆動するために、所与電極を駆動電極として割り当てた場合、隣接する電極を接地または基準電極として割り当て、小滴Ｄを含む回路を形成して、駆動電圧を印加することが必要である。図２４Ａにおいて、電極Ｅ２１を活性化すると、駆動電極として機能し、電極Ｅ２２を接地または基準電位に設定する。図示された他のすべての電極Ｅｉｊまたは少なくとも駆動電極Ｅ２１／基準電極Ｅ２２の対を包囲する電極を、電気的に浮動状態に維持する。図２４Ａに示すように、この活性化により、電極Ｅ２１，Ｅ２２の間のギャップまたは界面領域に沿って中央に配置されるように移動することにより、電極Ｅ２１，Ｅ２２の両方に重畳する小滴Ｄがエネルギ的に好ましい状態を模索させる。
【０１３０】
図２４Ｂにおいて、電極Ｅ２１を不活性化して、隣接する列の電極Ｅ１１を活性化して次の駆動電極として機能させる。これにより、小滴Ｄを矢印で示すように結果として北東方向に移動させることにより、小滴Ｄを電極Ｅ２１およびＥ２２の間の中央に配置する。図２４Ｃで示すように、電極Ｅ１１を不活性化して、電極Ｅ１２を活性化することにより、第１列および第２列の間のギャップに沿って右方向へ小滴Ｄを駆動する。図２４Ｄに示すように、電極Ｅ２２を接地電位または基準電位から切断して、電極Ｅ２３を接地電位または基準電位にして、小滴Ｄを続けて右方向に移動させる。駆動電極または基準電極を変化させるように、電極Ｅｉｊを追加的にシーケンス処理することにより、電極アレイ上の好ましいフロー経路に沿って任意の方向に移動させることができる。これまでの実施形態とは異なり、小滴の搬送経路は、電極Ｅｉｊの中心ではなく、電極Ｅｉｊの間のギャップに沿って形成されることが分かる。また、誘電層が駆動電極および基準電極の両方をカバーし、その厚みが実質的に２倍となるので、必要とされる駆動電圧は、ほとんどの場合、図２３Ａ−２３Ｂに示す構成と比較してより高くなる。
【０１３１】
図２５Ａ−２５Ｂを参照すると、配列された列および行を有する電極アレイを用いて、小滴を直線ライン上に南北方向（図２５Ａ）または東西方向（図２５Ｂ）に搬送することかできる。この動作は、図２４Ａ−２４Ｄを参照して上記説明した動作と類似する。すなわち、駆動電極および基準電極の対をプログラム可能に順序付けることにより、意図した方向に沿って小滴Ｄを移動させることができる。図２５Ａにおいて、第１行の電極Ｅ１２，Ｅ２２，Ｅ３２が選択的に接地電位または基準電位に設定され、隣接する行の電極Ｅ１３，Ｅ２３，Ｅ３３が選択的に活性化される。図２５Ｂでは、第１列の電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３，Ｅ１４が選択的に活性化され、隣接する列の電極Ｅ２１，Ｅ２２，Ｅ２３，Ｅ２４が選択的に接地電位または基準電位に設定される。
【０１３２】
図２４Ａ−２４Ｄおよび図２５Ａ−２４Ｂに図示された、この択一的な単一表面電極構成を有するマイクロアクチュエータ機構を用いて、図１の両面表面電極構成に関して上記説明したすべての機能および方法を実現することができる。例えば、択一的構成のいずれかにおける小滴Ｄを分離するためには、３つまたはそれ以上の隣接する電極に電圧を印加して、小滴Ｄを拡張させ、適当に選択された中間電極を不活性化して、１つの小滴Ｄを２つの小滴に分断する。
【０１３３】
本発明に関し、本発明の精神から逸脱することなく、さまざまな詳細を変更することができる。さらに、上記説明は、例示する目的だけでなされたものであり、限定する意図はなく、本発明はクレームにより定義される。
【符号の説明】
【０１３４】
１０：両面表面エレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータ機構、１２：上側プレーン、１４：下側プレーン、２１：下側プレート、２３：下側疎水性薄膜層、２７：上側疎水性薄膜層、４０：相互嵌合領域、４２，４３：相互連結突起部、５０：液体供給デバイス、６１：連続フロー入力源、１００：バイナリ混合装置、１１０：第１のバイナリ混合ユニット、２１０：第２のバイナリ混合ユニット、３１０：バッファ、１１１，２１１，３１１通信ライン、１１３：サンプル貯蔵部、１１５：廃棄物貯蔵部、１１７：試薬貯蔵部、５００：単一表面エレクトロウェッティング・マイクロアクチュエータ機構、５１２：下側プレーン、５１４：上側プレーン、５２３：誘電層、Ｄ：小滴、Ｅ：駆動電極、Ｃ：ユニットセル、Ｇ：接地電極、Ｌ：導電性リードライン、Ｍ：メニスカス、Ｓ：スイッチ、ＥROW：電極列、ＥCOL：電極行、ＥＣ：電気コントローラ、ＥＡ：電極マトリックス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図１９Ｄ】
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【図１９Ｅ】
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【図１９Ｆ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２４Ｄ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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