(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のナノ構造突起が配置された表面であって、該ナノ構造突起は頂部を有する、表面と、
該複数のナノ構造突起の間の、該表面上に配置された試薬ピクセルと、
該試薬ピクセルに接触することなく、該ナノ構造突起の頂部を横切って液体を移動させる手段と、
該頂部から離れて該表面に向かって該液体を移動させ、該液体を該試薬ピクセルに接触させる手段とを含む検出器。
【請求項２】
請求項１に記載の検出器において、該液体が、該ナノ構造突起の頂部が最も高密度に存在する領域に向かって、該ナノ構造突起を頂部を横切って移動できるように、該複数のナノ構造突起の密度が変化する検出器。
【請求項３】
請求項１に記載の検出器において、該ナノ構造突起の頂部を横切って液体を移動させる手段は、電圧を複数の電極のうちの１つの電極に順次印加すると液体が望ましい方向に移動するように該表面上に配置された該複数の電極を含む検出器。
【請求項４】
請求項１に記載の検出器において、該頂部から離れて該表面に向かって該液体を移動させる手段は、該表面上の１つの位置にある１つの電極に電圧を印加すると、該液体が該表面上の該１つの位置に向かって移動できるように、該表面上に配置された複数の電極を含む検出器。
【請求項５】
検出器を通過する流体流中に含まれる粒子を検出する方法であって、該検出器は、第１の格納表面と、該第１の格納表面から離間され該第１の格納表面に実質的に平行な第２の格納表面とを有し、該第２の格納表面は、該第２の格納表面上の試薬ピクセルのアレイ中に配置された複数のナノ構造突起を有し、そして、該ナノ構造突起は頂部を有し、
該方法は、
該第１の格納表面を介して粒子を含む流体流を通過させるステップと、
第１のサイズを有する粒子が該第２の格納表面を通過するのを妨げるように、該第２の格納表面を介して該流体流を通過させるステップと、
該第２の格納表面の該ナノ構造突起上で該流体流から粒子を収集するステップと、
該第２の格納表面上に配置された複数のナノ構造突起の頂部上で液滴を形成するステップであって、該液滴は、該流体流により該検出器に導びかれた粒子を吸収するように構成される、ステップと、
該液滴が該第２の格納表面上の選択されたピクセルに到達するように、該複数のナノ構造突起の頂部の一部を介して該液滴を移動させるステップであって、該選択されたピクセルは該第２の格納表面上に配置された試薬を有する、ステップと、
ナノ構造突起の間に該液滴を浸透させ、該選択されたピクセルにおける試薬へ粒子を運ぶステップとを含み、
該選択されたピクセル上のナノ構造突起間に該液滴を浸透させるステップは、特定の生物学的種の粒子または特定の化合物の粒子が該流体流中に配置されているかどうかに関する少なくとも第１の示度を発生することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、該第１の格納表面を介して粒子を含む流体流を通過させるステップは、第２のサイズを有する粒子が該第１の格納表面を通過するのを妨げるように、該第１の格納表面を介して該流体流を通過させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
流体流中の粒子の存在を検出する検出器であって、
第１の格納表面と、
該第１の格納表面に実質的に平行であり該第１の格納表面から離間されている第２の格納表面とを含み、
ここで、該第２の格納表面は、該第２の格納表面上の試薬ピクセルのアレイ中に配置された複数のナノ構造突起を有しており、該ナノ構造突起は頂部を有しており、該試薬ピクセルのアレイ中の少なくとも第１の試薬ピクセルは、該ナノ構造突起の間の該第２の格納表面上に配置された少なくとも第１の試薬を有することを特徴とし、
該検出器は、さらに、
該第１の格納表面を介して粒子を含む流体流を通過させる手段と、
第１のサイズを有する粒子が該第２の格納表面を通過するのを妨げるように、該第２の格納表面を通って該流体流を通過させる手段と、
該第２の格納表面上に配置された複数の電極と、
該複数の頂部を横切って該第１の試薬ピクセルまで、該複数の頂部上に形成された液滴を移動させることが可能であるように、電圧を該電極に順次印加するための電源と、
複数の頂部に形成された液滴がナノ構造突起へ浸透することを可能にし、該第１の試薬へ接触するために少なくとも該第１の試薬ピクセルの該第２の格納表面へ粒子が到達することを可能にする手段とを含む検出器。
【請求項８】
請求項７に記載の検出器であって、
該第１の格納表面が第１の開口領域を有し、
該第２の格納表面が第２の開口領域を有し、
該第１の格納表面を介して粒子を含む流体流を通過させる手段は、該第１の開口領域を介して該流体流を通過させる手段を含み、
該第２の格納表面を通って該流体流を通過させる手段は、該第１のサイズを有する粒子が該第２の開口領域を通過するのを妨げるように、該第２の開口領域を介して該流体流を通過させる手段を含むことを特徴とする検出器。
【請求項９】
請求項７に記載の検出器であって、
該第１の格納表面を介して粒子を含む流体流を通過させる手段は、第２のサイズを有する粒子が該第１の格納表面を通過するのを妨げるように構成されていることを特徴とする検出器。
【請求項１０】
請求項７に記載の検出器であって、
複数の第２のナノ構造突起はが該第１の格納表面上に配置され、
該第２のナノ構造突起は頂部を有し、
複数の第２の電極が該第１の格納表面上に配置され、
該第２のナノ構造突起の複数の頂部上に形成された液滴が、該複数の頂部を介して該第１の試薬ピクセルへと移動できるように、該電源は、該第２の電極へ電圧を順次印加するように構成されていることを特徴とする検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に生物学的／化学的検出器に関し、さらに詳細には、ナノ構造表面を有する動的に制御可能な集積生物学的／化学的検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
生物学的および化学的検出器の技術は過去数年にわたり今まで以上に重要となっており、その結果、劇的な発展を経験している。この発展は主として、広範な環境で化学的および生物学的戦闘用薬剤など化学的および生物学的種を検出識別する際の偽警報率を低減しかつその能力を向上させる高速高感度の特定用途検出器システムに対する必要性により加速されている。現在、市販の化学的および生物学的薬剤検出システムの大多数はサンプルの収集、分離、および、分析のための別個の構成部分またはデバイスに依拠している。したがって、そのようなシステムの操作は、例えばサンプルの準備および搭載、付け札およびアッセイの取り扱い、流体の再補充、結果の特徴付けなど遂行すべき複数の手作業工程をしばしば必要とする。市販の従来の化学的／生物学的検出システムは、広範な環境において複数の化学的または生物学的な薬剤の完全に自動化された検出が可能な真に携帯可能な一体型ユニットを提供しない。
【０００３】
化学的および生物学的検出システムの別個の構成部分をより良好に集積する試みにおいて、かつ、そのようなシステムの大きさを低減するために、最近は、微小応用流体力学に基づく検出システムに注力されている。これら最近のシステムは、それらが、広範な検出実用例において有用であり、かつ、十分に理解された従来の実験室分析技術と概念的に同様である点で有利である。そのような成果の１つがＣａｌｉｐｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社により生産されているＬａｂＣｈｉｐ（登録商標）システムとして知られているが、これは分析のための表面を横切るサンプルの流れを制御するための例えば５から５０マイクロメータの小さな流路を有する複数のチップを使用している。Ｃａｌｉｐｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社のシステムにおけるチップはＬａｂＣｈｉｐ（登録商標）システムに挿入されており、このシステムは試薬を収容する複数の構成部分と、実験を制御し結果を表示するソフトウェアを備えている。ＬａｂＣｈｉｐ（登録商標）システムは手作業工程の数を低減し、したがって人為的誤差を低減し、かつ、動作するために必要な試薬の量は非常に小さい。一旦研究者が、例えばピペットを介して、チップにサンプルを導入したなら、サンプルは微小流路を介してチップ上のサンプル検査位置に送られ、システム内の他の構成部分により分析される。
【０００４】
例えばｍｉｃｒｏＰａｒｔｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社の微小分光計とともに使用されている、ＬＩＬＬＩＰＵＴチップとして知られている他の最近の試みは、非常に小さなパッケージ内の数多くのサンプル検査ウェルに連結された微小流路を使用している。再び、ピペットのサンプルがチップ上に導入された後、サンプルは微小流路を介して適切なサンプル検査ウェルに送られる。ＬａｂＣｈｉｐ（登録商標）システムにおけるように、他の構成部分はサンプルを分析し、分析の結果を表示するために使用されている。
【０００５】
Ｎａｎｏｇｅｎ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによるＮａｎｏＣｈｉｐ（商標）システムとして知られているさらに他の試みにおいて、サンプルはチップの表面に沿って多くの試験区画の１つに電気的に差し向けられる。詳細には、ほとんどのサンプルが自然電荷を有するため、ＮａｎｏＣｈｉｐ（商標）システムにおけるサンプルは、特定の試験区画に逆の電荷を生成することによりその試験区画に引き寄せることができる。したがって、例えば、一旦負に帯電したサンプルがＮａｎｏＣｈｉｐ（商標）システムに、例えばピペットを介して、導入されれば、そのサンプルは１つまたは複数の正に帯電した試験区画に差し向けることができる。
【特許文献１】Ｔｏｎｕｃｃｉらに対して２００１年２月１３日に発行された「Ｎａｎｏｐｏｓｔ  ａｒｒａｙｓ  ａｎｄ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ｍａｋｉｎｇ  ｓａｍｅ」と題された米国特許第６１８５９６１号明細書
【特許文献２】２００３年３月３１日に出願され、「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｍｏｖｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  Ｌｉｑｕｉｄ  ｏｎ  ａ  Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  ｏｒ  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ」と題された同時係属米国特許出願第１０／４０３１５９号明細書
【非特許文献１】「Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ  ｆｏｒ  Ｄｒａｍａｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｆｌｏｗ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  Ｄｒｏｐｌｅｔ−ｂａｓｅｄ  Ｍｉｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ」、Ｊ．Ｋｉｍ  ａｎｄ  Ｃ．Ｊ．Ｋｉｍ、ＩＥＥＥ  Ｃｏｎｆ．ＭＥＭＳ、Ｌａｓ  Ｖｅｇａｓ、ＮＶ、２００２年１月、４７９乃至４８２頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者は、従来の化学的および生物学的検出システムが多くの実用例において有利である一方、それらのシステムはいくつかの点で制限されていることを認識した。特に、上記に検討したように、従来のシステムはサンプルの収集、分離、および、分析の仕事を遂行するための複数の手作業工程をしばしば必要とした。上述のＬａｂＣｈｉｐ（登録商標）、ＬＩＬＬＩＰＵＴチップ、および、ＮａｎｏＣｈｉｐ（商標）システムなどの微小応用流体力学の実用例が手作業工程の数を大幅に削減している一方、これらの実用例は、研究者が手作業でサンプルを、典型的にピペットを介して投入しなければならない点で限界がある。このようなシステムは、それらが、試験区画に液体を搬送するための微小流路を必要とし、したがって、液体が搬送される目的地において比較的に柔軟性を欠くという点で限界がある。加えて、このような微小応用流体力学に基づくシステムはそのような従来のシステムに対してある程度の集積化を達成している一方、このような微小応用流体力学に基づくシステムは一般に構成部分の完全な集積化を未だに欠いている。したがって、例えば、このようなシステムはサンプルを分析し、かつ、分析の結果を特徴付けるための別個の構成部分を必要としている。同様に、このような微小応用流体力学に基づくシステムは、比較的低いサンプル・スループット、比較的小さな構成部分集積密度、不十分な信頼性を典型的に特徴とし、かつ、有効液体流作動を発生するためのかなりの動力を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
したがって、本発明者は、微小流路に依存せずにナノ構造表面を横切る試薬の液滴などの液体を操作することができる集積された動的に制御可能な生物学的／化学的検出器を発明した。詳細には、本発明の検出器は少なくとも１つの第１のナノ構造表面、少なくとも１つの第１の液滴、少なくとも１つの試薬ピクセル、および、上記少なくとも１つの第１の液滴が前記少なくとも１つの第１の試薬ピクセルに接触するような方法で、上記液体の少なくとも１つの第１の液滴を上記少なくとも１つの第１のナノ構造表面を横切って移動させるための手段を有する。
【０００８】
第１の実施形態において、流体流は検出器のナノ構造表面を通過し、したがって、流体流により運ばれる、例えば化学化合物または生物学的種の粒子を、ナノ構造表面上のナノ構造の一部の先端上で収集されるようにする。液滴はナノ構造の各先端を横切って移動され、したがって、粒子を液体中に吸収する。続いて、粒子を搬送する液滴は、例えばピクセルのアレイにおける所望の試薬ピクセルにさらに移動される。所望の試薬ピクセルは、このピクセルのナノ構造間に配置された第１の試薬を、例えば、液体が、ナノ構造を横切る時に、ピクセル内の試薬と接触しないような方法で有する。一旦液滴が所望のピクセルに到達すれば、液滴はピクセル内のナノ構造に浸透させられ、したがって、上記液滴中の粒子を、試薬と接触させる。もし粒子が試薬に対応する胞子、ウイルス、または、細菌などの特定の物質または生物学的種から全体的または部分的に構成されていれば、化学反応が結果として起き、従って、特定の物質または種の存在の表示を作成する。
【０００９】
他の実施形態において、流体流は、粒子が所望のピクセルのナノ柱間に堆積されるような方法で、検出器のナノ構造表面を介して通過する。液滴は表面を横切ってこの所望のピクセルに移動され、かつ、ピクセルのナノ構造に浸透させられ、したがって、液体および／または試薬と粒子の間に反応を誘発する。再び、粒子が試薬に対応する特定の物質または生物学的種から全体的または部分的に構成されていれば、化学反応が結果として起き、従って、物質または種の存在の表示を作成する。
【００１０】
他の実施形態において、ナノ構造表面を横切る液滴の移動はナノ構造表面上のナノ構造の空間密度を変化させることにより達成され、したがって、液滴を、ナノ構造の最高密度を有する領域に移動させる。さらに他の実施形態において、この移動は複数の電極に電圧を連続的に印加することにより達成され、したがって、上記液滴を所望の方向に移動させる。他の例示的実施形態において、液滴は所望のピクセル内のナノ構造に電圧を印加することにより、その所望のピクセル内のナノ構造に浸透させられる。代案として、液滴は液滴の温度を上昇させることによりナノ構造に浸透させられ、したがって、液滴の表面張力を低下させる。最後に、液滴は検出器を介して音響的または電磁的なスペクトル信号を通過することによりナノ構造に浸透させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
上記に説明した微小応用流体力学的化学的および生物学的な検出器において、試薬液体は、例示的に超疎水性である微小流路、すなわち、微小流路の表面が液体による浸透に抵抗性を持つ微小流路内に典型的に配置されている。図１Ａ乃至１Ｅは様々な方法を使用して作成された異なった例示的超疎水性表面を示す。特に、これらの図は、様々な直径および規則性の異なった程度を持つナノ柱および／またはマイクロ柱として知られている小さな柱を有する表面を示す。Ｔｏｎｕｃｃｉらに対して２００１年２月１３日に発行された「Ｎａｎｏｐｏｓｔ  ａｒｒａｙｓ  ａｎｄ  ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ｍａｋｉｎｇ  ｓａｍｅ」と題された米国特許第６１８５９６１号明細書に見出されるナノ柱およびマイクロ柱を作成する例示的方法は全体を本明細書に参照により組み込まれている。ナノ柱は、柱を形成するための型板を使用することにより、リソグラフィの様々な手段により、および、エッチングの様々な方法により、などの様々な方法により製造されている。
【００１２】
水などの液滴が適切に設計されたナノ構造またはマイクロ構造の表面構造物パターンを有する表面上に定置されると、液滴が受ける流れ抵抗は、このようなナノ構造またはマイクロ構造を有さない表面上の液滴と比較して、劇的に低減される。このような適切に設計された表面構造物パターンを有する表面は、全体が本明細書に参照により組み込まれている「Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ  ｆｏｒ  Ｄｒａｍａｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｆｌｏｗ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  Ｄｒｏｐｌｅｔ−ｂａｓｅｄ  Ｍｉｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ」、Ｊ．Ｋｉｍ  ａｎｄ  Ｃ．Ｊ．Ｋｉｍ、ＩＥＥＥ  Ｃｏｎｆ．ＭＥＭＳ、Ｌａｓ  Ｖｅｇａｓ、ＮＶ、２００２年１月、４７９乃至４８２頁、と題された記事の主題である。この参照は、所定のナノ構造表面構造物を持つ表面を使用することにより、表面に接触している液体に対する流れ抵抗をどのようにして大幅に低減することができるかを全体的に説明している。詳細には、Ｋｉｍの参照は、液体と接触する表面を微細にパターン形成することおよび液体表面張力の前述の原理を使用することにより、図２に示すように表面上に配置された液滴はナノ構造パターンの頂部上に支持されることを教示している。図２を参照すると、（表面構造に依存する）適切な液滴２０１は、液滴２０１が、液滴と下に横たわる固体表面の間の接触なしにナノ柱２０３の頂部上に支持されることを可能にする。このことは、液滴と表面２０２の間の接触面積は極端に小さく（すなわち、液滴のみが各柱２０３の頂部と接触している）、そのため、小さな流れ抵抗をもたらす。
【００１３】
図３Ａ乃至３Ｆは、異なった極端に微小表面構造物のあるマイクロ構造およびナノ構造の表面パターンが、結果として得られる表面と液滴の間の異なった接触角をどのようにしてもたらすかを示す。図３Ａおよび３Ｂはそれぞれマイクロ線表面およびマイクロ柱表面を示す。図３Ａの線３０１の各々は幅が約３乃至５マイクロメータであり、図３Ｂのマイクロ柱３０２の各々は最も幅の広い点において直径が３乃至５マイクロメータである。マイクロ線パターンをマイクロ柱パターンに比較すると、各表面上に配置された与えられた大きさの液滴に対して、マイクロ線パターンとの液滴の接触面積は、マイクロ柱パターンとの液滴の接触面積より大きい。図３Ｄおよび３Ｅは、それぞれ図３Ａのマイクロ線表面および図３Ｂのマイクロ柱表面を基準とした液滴の接触角を示す。マイクロ線パターン上の液滴３０５の接触角３０３は、マイクロ柱パターンとの液滴３０６の接触角３０４（約１６０度）より小さい（約１５０度）。上記に説明したように、このことから、マイクロ線パターンにより液滴上にかけられた流れ抵抗はマイクロ柱パターンによりかけられたものより大きいことが直接に推定される。
【００１４】
図３Ｃはマイクロ線およびマイクロ柱のパターンよりもさらに微小なパターンを示す。詳細には、図３Ｃは１マイクロメータ未満の直径を有する各ナノ柱３０９を備えたナノ柱パターンを示す。図３Ｃが幾分円錐形に形成されたナノ柱３０９を示す一方、他の形状および大きさも達成可能である。事実、円筒形ナノ柱アレイは１０ｎｍ未満の直径を有する各ナノ柱を備えて作成されている。詳細には、図３Ｆを参照すると、図３Ｃのナノ柱表面上に配置された液滴３０７は、１７５度と１８０度の間に等しい表面と液滴の間の接触角３０８を備えたほぼ球形である。この表面上に配置された液滴３０７はほとんどゼロの流れ抵抗を受けている。
【００１５】
多くの実用例において、所与のナノ構造またはマイクロ構造の表面内への図３Ｄ乃至３Ｆの液滴などの所与の液体の浸透を制御すること、したがって、この液体上にかかる流れ抵抗ならびに固体表面の湿潤特性を制御することが可能であることが望ましい。図４Ａおよび４Ｂは、ナノ構造表面内への液体の浸透を制御するためにエレクトロウェッティングが使用されている本発明の原理による１つの実施形態を示す。このようなエレクトロウェッティングは、全体が本明細書に参照により組み込まれている２００３年３月３１日に出願され、「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｍｏｖｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  Ｌｉｑｕｉｄ  ｏｎ  ａ  Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  ｏｒ  Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ」と題された同時係属米国特許出願第１０／４０３１５９号明細書の主題である。図４Ａを参照すると、伝導性液滴４０１は、上記に説明したように、液滴４０１の表面張力がナノ柱４０２の上部上に支持されている液滴をもたらすように、円錐ナノ柱４０２のナノ構造表面構造物パターン上に配置されている。この配置構成において、液滴は各ナノ柱の表面積ｆ１のみを覆う。ナノ柱４０２は伝導性基板４０３の表面により支持されている。液滴４０１は電圧源４０５を有するリード部４０４を介して基板４０３に例示的に電気的に接続されている。例示的なナノ柱は図５により詳細に示す。同図において、ナノ柱４０２は誘電体材料の絶縁層などの材料５０１により液体（図９Ａの４０１）から電気的に絶縁されている。ナノ柱はよく知られているフッ素ポリマーなどの低表面エネルギー材料５０２により液体からさらに分離されている。このような低表面エネルギー材料は液体とナノ柱の表面の間の適切な初期接触角を得ることを可能にする。当業者には、異なった材料の２つの分離層を使用する代わりに、十分に低い表面エネルギーおよび十分に高い絶縁特性を持つ材料の単一の層が使用できることは明らかであろう。
【００１６】
図４Ｂは、例えば液体４０１の伝導性液滴に低電圧（例えば、１０乃至２０ボルト）を印加することにより、液滴４０１とナノ柱４０２の間に電圧差がもたらされることを示す。液体とナノ柱の表面の間の接触角は減少し、かつ、十分に低い接触角において、、液滴がナノ柱４０２の各々を完全に取り囲み、かつ、基板４０３の上部表面と接触に至るまで、液滴４０１はナノ柱４０２の表面に沿ってｙ方向に下方に移動し、かつ、ナノ構造表面構造物パターンに浸透する。この構成において、液滴は各ナノ柱の表面積ｆ２を覆う。ｆ２＞＞ｆ１であるため、液滴４０１とナノ柱４０２の間の全体的な接触面積は比較的大きく、したがって、液滴４０１により経験されている流れ抵抗は図４Ａの実施形態におけるより大きい。したがって、図４Ｂに示すように、液滴４０１は、表面構造物パターンから液滴４０１を取り除くために十分な他の力のない状態において、ナノ構造表面構造物パターンを基準として事実上静止状態になる。例えば、液滴またはナノ構造の温度を上昇させる工程、液滴の化学的組成を変化させる工程、または、液滴の表面張力を低減するために音波または無線周波数波を使用する工程など、ナノ構造表面構造物パターンの上記に説明した浸透を引き起こす他の方法も使用することができる。当業者は、本明細書の教示に照らして、ナノ構造表面構造物パターン内への液滴の浸透を引き起こす代案方法を工夫することができよう。
【００１７】
図６Ａおよび６Ｂは図４に示すナノ構造表面構造物パターンを使用する前述の同時係属’１５９出願に説明されている生物学的または化学的な検出器の実施形態を示す。図６Ａを参照すると、液滴６０１は図４Ａに示すナノ構造と同様のナノ構造６０２上に配置されている。所望の生物学的または化学的化合物６０３を検出することができる検出器６０６は表面６０４上に例示的に配置されている。液滴６０１のための液体およびナノ構造６０２は、例えば、所望の化合物６０３が所望の量で液体に進入すると、液体の表面張力が降下し、ならびに、図６Ｂに示すように、液体６０１がナノ構造パターンに浸透し、かつ、検出器６０６との接触に至るように選択されている。代案として、液滴は上記に検討したエレクトロウェッティング法を使用してナノ構造に浸透させることができる。化合物６０３が検出器６０６と接触すると、そのような接触の表示を、電気信号の発生または検出器の色彩の変化を介するなどのよく知られている方法により発生することができる。
【００１８】
検出器として使用されることに加えて、かつ、’１５９出願に説明されてもいるように、図６Ａおよび６Ｂの実施形態は、所望の化学反応を達成する方法としても使用することができる。例えば、再び図６Ａを参照すると、抗原、抗体、ＤＮＡ、ＲＮＡ、または、ＲＮＡポリメラーゼＤＮＡ転写酵素などの他の様々な生物学的に活性な種などの化学化合物または生物学的薬剤などの化合物６０３を液体が既に含んでいるように、液滴６０１のための液体を選択することが可能である。この実施形態における検出器６０６は、元素または化合物６０３に接触すると所望の反応を達成する所望の反応体化合物から作られている。これらの検出器／反応体６０６は、液滴が図６Ｂに示すようにナノ構造表面構造物パターンに浸透すると、２つ以上の化学物質または種は互いに接触し、所望の反応が発生するようにナノ構造間に配置されている。（例えば、上記図４Ａおよび４Ｂに関連した検討において）既に説明したように、液滴は、液滴に対して電圧を印加すること、代わりに、例えば液滴６０１の温度を上昇させるなどの液滴６０1の表面張力（かつ、したがって、液滴がナノ構造の表面と形成する接触角）を低下させるためのいくつかの方法を使用することのいずれかにより、表面構造物パターンに浸透させることができる。
【００１９】
図７は、化学的／生物学的検出器として使用されるか化学反応実用例において使用されるかのいずれかの図６Ａおよび６Ｂの例示的実施形態の可能な配列を示す。詳細には、以下に説明するように、液体は、表面上にパターン形成されたナノ構造の所定の配列を有するアレイ７０２の表面を横切って方向７０１に流すことができる。領域７０３の各々は、例えば１つまたは複数の化学的／生物学的化合物または薬剤を検出、または、これらと反応するために適合された、ナノ構造間に配置された、例えば（図６Ａおよび６Ｂの６０６などの）検出器／反応体を有することができる。したがって、もし検出器として使用されるなら、図７のアレイ７０２は複数の異なった化合物を検出するために使用することができる。もし化学的反応装置として使用されるなら、領域の各々は所望の反応を達成するために特定の化合物のみと反応するように設計することができる。
【００２０】
図７の検出器を液体の流れの中に定置する代わりに、液滴を、より広い液体の流れとは独立した所定の方向において表面を横切って移動させることが望ましいことがある。図８はそのような所定の移動を達成するためのデバイスを示し、このデバイスにより、ナノ構造（この例示的実施形態におけるナノ柱８０２）は、液滴８０１がｘ方向８０４において横方向に移動するように配列されている。詳細には、ナノ柱８０２は、ナノ柱８０２の密度がｘ方向８０４において高まるように配列されている。この高められた密度は、液滴の後尾エッジ８０６における接触角を基準として液滴の先頭エッジ８０５におけるより小さな接触角につながる。エッジ８０５におけるより小さな接触角は、エッジ８０６における比較的大きな接触角がもたらすよりも、液滴８０１に印加されたｘ方向におけるより小さな力をもたらす。したがって、力のこの不均衡は、液滴８０１に、液滴８０１が平衡を達成しようと試みるに従いナノ柱８０２のより高い密度の領域に向かってｘ方向８０４において「横すべり」させる。したがって、液滴が表面上に配置させたいと所望される位置に最高密度のナノ柱を定置することにより、液滴は表面上の他の位置に初期に配置することができ、かつ、液滴は最高密度のナノ柱の領域に向かって自律的に移動する。ナノ構造表面を横切って横方向に液滴を移動させるこの方法および他の方法は同時係属’１５９出願に説明されている。
【００２１】
図９は、例えば互いに平行に配置された２つの堅固な疎水性基板９０９および９１０の１つである、基板９０９を横切って伝導性流体９０２の液滴を移動するための、上記に説明したナノ構造の異なった密度に対立するものとしてのエレクトロウェッティングの原理に依存する構造９０１の従来技術実施形態を示す。液滴９０２の頂部上の第２の堅固な基板９１０はｙ方向における液滴の移動を制約する。例示的な絶縁表面である層９０６ａおよび９０６ｂは、基板９０９の第１の表面および基板層９１０の第１の表面上にそれぞれ配置されている。誘電体層９１５は、層９０６ａおよび液滴９０２からそれぞれ２つの電極９０４および９０５を分離するために機能する。誘電体層は、例えばポリイミドの６μｍの厚さの層である。電極９０４および９０５は、例えばＤｕｐｏｎ社により製造されているＴｅｆｌｏｎ（登録商標）材料から作られたスペーサなどの誘電体スペーサ、または、代案として、単に電極間の間隙により互いから分離されている。第３のパターン形成されていない接地電極９０８は、この電極が電極９０４または９０５のいずれかと接触していないような方法で、基板９１０上に配置されている。内部表面９０６ａおよび９０６ｂは、例えばよく知られているフッ素ポリマーから製造された表面などの疎水性表面である。
【００２２】
上記に検討したものなどのエレクトロウェッティングの原理は液体と内部表面９０６ａの間の接触角θを可逆的に変更するために使用されている。液滴と内部表面９０６ａの間の接触角θは界面表面張力により決定することができ、かつ、以下の等式により計算することができる。
【数１】
0004711398.tif 000002
ここで、γＳ−Ｖは内部表面９０６ａと、液滴９０２を取り囲む空気、気体、または、他の液体との間の界面張力であり、γＬ−Ｖは液滴９０２と、液滴９０２を取り囲む空気、気体、または、他の液体との間の界面張力であり、γＳ−Ｌは内部表面９０６ａと、液滴９０２との間の界面張力である。
【００２３】
液滴９０２と電極９０５の間に電圧差が存在しない時、液滴９０２は接触角θ１＝θ２を持つ２つの基板９０９と９１０の間の自身の位置を維持し、ここで、θ１は上記に説明したように界面張力γにより決定される。電圧Ｖが電極９０５に印加されると、電極９０５と液滴９０２の間の電圧差は液滴に広がることを試みさせる。詳細には、境界９１３が表面９０９と出会う接触角は、電極９０５と液滴９０２の間に電圧が印加されると、小さくなる。この変化を達成するために必要な電圧Ｖは数ボルト乃至数百ボルトの範囲にわたることができる。移動の量、すなわち、θ１とθ２の間の差により決定されるものは印加された電圧Ｖの関数である。印加された電圧下での接触角は以下の等式により決定することができる。
【数２】
0004711398.tif 000003
ここで、θ１は液滴９０２と電極９０５の間に電圧が印加されていない時の表面９０６ａと液滴９０２の間の接触角であり、γＬ−Ｖは液滴界面張力であり、εｒは層９０６ａの誘電定数であり、かつ、ε０は８．８５×１０−１２Ｆ／Ｍ、すなわち、真空の誘電率である。図９の液滴がその移動をｙ方向に制約されているため、印加された電圧Ｖにより引き起こされた接触角の差は流体液滴の向かい合う側面９０３ａと９０３ｂの間の力の不均衡につながる。その結果、流体液滴は方向９１６において移動する。
【００２４】
図１０は、例えば空中の化学的および／または生物学的な粒子が収集され、かつ、検出器アレイの特定のピクセルに搬送される本発明の原理による集積生物学的／化学的検出器を示す。続いて、粒子はそれらのピクセル内の１つまたは複数の検出器試薬と接触させられ、したがって、化学反応を誘発する。これらの化学反応は、例えば、特定のピクセルの反射率を変えるか、または、電気信号を発生させ、したがって、空中の粒子が検出されたかどうかを決定するための直ちに識別可能な示度を供給する。当業者には、本明細書の実施形態が空気流中の粒子を記述している一方、それらの実施形態は、流体の流れなどの粒子を搬送しているいずれの流体流にも等しく有利に使用されることが、本明細書における以下の教示に照らして理解されよう。
【００２５】
図１０を参照すると、検出器１０００は２つの実質的に平行な閉じ込め表面１００１および１００２を有していることが示されている。これらの閉じ込め表面は、例示的に、携帯可能な生物学的／化学的検出器の内部表面であるが、２つの表面が実質的に平行な形で配置されているいずれの配列も本発明の教示により包含されることが意図されている。表面１００１および１００２は、例示的に、上記に検討したナノ構造表面に類似する複数のナノ構造を有するナノ構造表面である。当業者は、表面１００１は本明細書において開示されている原理の実施に依存してナノ構造とすることも、しないこともできることを理解されよう。表面１００１および１００２の各々は、方向１００６において移動する空気流１００５などの流体が、２つの表面１００１と１００２の間の空間に進入し、空気流１００９として開口領域１００４を介してこの空間から外出することを可能にするための開口部１００３および１００４をそれぞれ有する。開口領域１００３および１００４は、特定の大きさ未満の粒子のみが２つの表面１００１と１００２の間の空間に進入することが可能となるように、例示的に、フィルター付きの開口部とすることができる。
【００２６】
表面１００２の領域１０１４は、例示的に、ピクセルのいくつか、または、全てがピクセル試薬を保持できるピクセル化領域である。ピクセル試薬は、ピクセル試薬が特定の物質または元素と接触すると所望の反応が起きるように、選択されている。当業者は、このような配列が、例えば、ピクセル試薬と生物学的物質の間の反応を引き起こすことに有用であることを理解されよう。ピクセルをモニタすることにより、例えば目視により、または、他のよく知られている手段を介して、特定の生物学的または化学的物質は、適切なピクセル化試薬との反応に注目することにより検出することができる。
【００２７】
図１１は、図１０の検出器１０００の表面１００１と１００２の間の容積に、どのようにして空気が進入し、検出器による収集およびサンプル検査のためのエアロゾル粒子を導入できるかについての１つの例示的実施形態を示す。詳細には、図１１は図１０における開口領域１００３および１００４の断面図を示す。開口領域１００３は、空気流１００５が表面１００１と１００２の間の空間１１０６に侵入できる、ナノ構造表面１００１を貫く孔１１０２を例示的に有する。空気流が領域１００３に到達すると、空気流１００５により搬送された例示的粒子１１０１も領域１００３に到達する。しかし、１つの例示的実施形態において、領域１００３における孔は、より大きな粒子が孔を通過できないように、大きさが決定されている。その結果、図１０の検出器１０００が検出するように設計されている粒子と大きさが同様の粒子などの比較的小さな粒子のみが、領域１００３を介して通過し、空間１１０６に進入することが可能となる。ナノ構造１１０８と１１０９の間に電場を作り出すために、領域１００３上のナノ構造１１０８および領域１００４上のナノ構造１１０９に電圧源１１０７を介して電圧が例示的に印加されている。ナノ構造１１０８は、例えば１乃至５００マイクロメータだけナノ構造１００９から分離されている。当業者は、いくつかの適切な分離距離が選択できることを本明細書における教示に照らして理解されよう。より小さな粒子が空間１１０６に進入すると、それらの粒子は、ナノ構造１１０８と１１０９の間の電場に沿って移動し、静電誘引力を介してナノ構造１１０９の端部に、図１１に示す粒子１１０３として装着される。空気流は空間１１０６を介して継続し、表面１００２上の領域１００４における孔１１０５を介して空気流１００９としてその空間を外出する。
【００２８】
図１０を再び参照すると、かつ、上記に説明したように、一旦空気流１００５が表面１００１と１００２の間の空間に進入すれば、比較的小さな粒子は領域１００４におけるナノ構造の端部上に収集される一方、領域１００３は大きな粒子を濾過し除去するために例示的に機能する。検出器１０００は、例えば、領域１００８内に配置された複数の試薬１００７ａ、１００７ｂ、１００７ｃ、および、１００７ｄを有する。一旦粒子が領域１００４におけるナノ構造上に収集されれば、上記に説明したように、試薬の１つまたは複数は、以下に検討する方法などの方法を使用して領域１００４におけるナノ構造を横切って通過させられる。試薬液滴１００７ａなどの試薬が領域１００４を横切って移動すると、ナノ柱の先端上に収集された粒子を保持する静電誘引力は、粒子が液滴により湿潤され、それらの粒子が試薬液滴１００７ａにより吸収される間に粒子が受ける表面張力に凌駕される。
【００２９】
図１２は、試薬を表面１００１と１００２の間の領域１００４を横切って移動する１つのそのような方法を示す。詳細には、この例示的実施例において、表面１００１および１００２などの平行表面上のナノ構造は、約２００マイクロメータの距離ｈだけ分離されている。図１０に示すように試薬の液滴である液滴１００７ａは体積が約１００ナノリットルである。本明細書において図８に関連して上記に検討したように、図１０の領域１００３および１００４上のナノ柱の密度は、一旦図１０の領域１００８から解放された、試薬液滴１００７ａがナノ構造表面１００１および１００２を横切って方向１２０２において移動するような方法で、例示的に変化させることができる。既に検討したように、ナノ構造１１０８および１１０９の密度が高まると、図１２に例示的に示すように、先頭エッジ接触角θ１は接触角θ２に比較して小さくなり、したがって、液滴の先頭エッジと後尾エッジの間の力の不均衡につながる。したがって、液滴１００７ａは所定の方向１２０２において移動する。上記に説明した例示的寸法を使用すると、液滴１００７ａを、表面１００１および１００２が水平に配置されている時に約５０ｍｍ、または、表面１００１および１００２が垂直に配列されている時に１０ｍｍ移動させることが例示的に可能になる。
【００３０】
図１３は、試薬の液滴１００７ａなどの液滴が表面１００２の領域１００４などの表面を横切って移動させられる本発明の原理による他の例示的実施形態を示す。詳細には、図１３は上に配置された複数のナノ構造電極１３０２乃至１３０５を有する例示的な表面１００１および１００２を示す。例示的に、この実施形態において、再び液滴１１０７ａは１００ナノリットルの例えば試薬の液滴であり、ナノ構造１１０８および１１０９は約２００マイクロメータの距離だけ分離されている。ナノ構造１１０８および１１０９は、同じ表面上の隣接するナノ構造から約１．２５マイクロメータだけ分離されている。本明細書において上記に図９に関連して検討した場合と同じく、リード部１３０７および１３０８を介してナノ構造電極１３０３および１３０２にそれぞれ電圧を印加することにより、接触角θ１は、電極１３０５および１３０４上に配置された液滴の部分に対応する接触角θ２を基準として小さくなる。その結果、液滴１００７ａは、例えば方向１３０１において移動する。
【００３１】
当業者は、液滴１００７ａの継続的な移動が、液滴１００７ａの進行の所望の線に沿って電極１３０２乃至１３０５などの電極に印加された電圧を連続して印加および除去することにより達成できることを理解されよう。したがって、例えば、液滴１００７ａの移動の比較的複雑かつ非所定の経路は、液滴１００７ａの進行の経路に沿った電極を連続的に活性化することにより図１０の検出器１０００の表面１００２を横切って達成することができる。例えば、図１０を再び参照すると、液滴１００７ａは、領域１００４を横切って方向１０１８におけるこの連続電圧法を使用して移動させることができ、したがって、領域１００４におけるナノ構造の先端上に収集されたエアロゾル粒子を収集する。続いて、それらの収集された粒子を含む液滴１００７ａの経路に沿った電極を連続的に活性化することにより、液滴は方向１０１０において表面１００１の領域１０１４を横切って移動させることができる。次に、例えば所望の試薬ピクセル１０１５に到達するために、経路１０１２および１０１６に沿った電極は連続的に活性化され、したがって、液滴に、液滴がピクセル目的地１０１５に到達するまで、経路１０１２および経路１０１６を辿らせる。液滴が表面１００２に沿ったナノ構造を越えて移動しているため、液滴および液滴により吸収されたエアロゾル粒子のいずれも、例えばピクセル１０１７内の試薬などの液滴の経路に沿ったいずれの試薬とも接触しない。したがって、従来の微小応用流体力学の生物学的および化学的検出器とは異なり、微小流路は流体の液滴を所望の試薬ピクセルに移動させるためには必要なく、移動は上記に説明した原理によるナノ構造の平坦表面上で達成することができる。
【００３２】
当業者は、ナノ構造電極１３０２乃至１３０５に特定のレベルの電圧を印加することが、ナノ構造表面に浸透し、したがって、ピクセル１０１７における試薬に可能に接触する液滴１００７ａをもたらすことができることを、図４Ａおよび４Ｂに関連した教示に照らして理解されよう。しかし、このような浸透を防止するために、方向１３０１における液滴の移動を達成するために電極に印加された電圧は、そのような浸透を引き起こす液滴の表面張力に打ち勝つために必要な電圧閾値を下回る電圧の範囲から選択されている。例えば、図１３の液滴およびナノ構造表面のための寸法を使用すると、約１８ボルトの電圧は液滴の浸透を引き起こさずに液滴の移動を開始させるために十分である。当業者は、ナノ構造表面の寸法および液滴のために使用されている寸法および物質によっては、電圧のある範囲が、浸透を引き起こさずにこの移動を達成するために使用することができることを十分に理解されよう。
【００３３】
図１４Ａおよび１４Ｂは、上記に検討したように、表面１００２の領域１００４に沿って移動している液滴がナノ構造１１０９の先端に固着しているエアロゾル粒子をどのようにして吸収するかを示す。特に、液滴１００７ａがそれぞれ表面１００１および１００２のナノ構造１１０８および１１０９を横切って移動する際、液滴が既に説明した方法の１つを介して移動しても、移動のいずれかの他の方法を介して移動しても、領域１００４におけるナノ構造１１０９の先端に固着している粒子は液滴１００７ａにより吸収される。したがって、液滴がナノ構造に沿って方向１４０１において移動する際、液滴はそれらの吸収された粒子１１０３を搬送する。一旦液滴が、図１０のピクセル１０１５などの特定の位置に輸送されたなら、液滴は、例えばナノ構造を基準とした液滴の接触角が小さくなり、したがって、液滴の表面張力に打ち勝つ、かつ、液滴を表面に浸透させるような方法で、液滴またはナノ構造に電圧を印加することにより、既に検討したエレクトロウェッティング浸透を使用してナノ構造に浸透させることができる。図１４に示すように、ナノ構造１１０９の間隔は、液滴がそれらのナノ構造に浸透すると、液滴中のより小さな粒子のみが、例えば試薬１４０３が配置された表面１００２と接触することが可能となるように、選択することができる。試薬１４０３は、例えば特定の物質または種の存在を検出するために選択された試薬である。もしより小さな粒子１１０３がこの物質であるか、または、この物質または種を含んでいれば、試薬１４０３との反応は、この物質または種が検出されたという示度を提供する。
【００３４】
図１５は本発明の原理による化学的かつ生物学的な検出器１５００の他の例示的実施形態を示す。詳細には、検出器１５００は、図１０の検出器１０００におけるもののように、実質的に平行なナノ構造表面である表面１５０１および１５０２を有する。図１０の検出器１０００と同様に、検出器１５００は、試薬１５０７ａ、１５０７ｂ、１５０７ｃ、および、１５０７ｄなどの試薬が配置された例示的なピクセル化領域１５１４ならびに例示的な領域１５０８を有する。しかし、図１０の検出器とは異なり、検出器１５００は、エアロゾル粒子の収集を促進するために空気流が差し向けられる図１０の領域１００３および１００４などの特定の領域は有さない。代わりに、検出器１５００は、表面１５０１および１５０２の全体が空気流に開放されるように設計されている。このように、空気は表面１５０１を介して方向１５０５において流れることができ、したがって、２つの表面１５０１および１５０２の間の空間に進入し、方向１５０６において外出する。図１１に示す実施形態と同じく、表面１５０１における孔は、空気流中のより大きな粒子が表面１５０１と１５０２の間の空間に進入することを防止され、比較的小さな粒子のみがその空間に進入し、かつ、表面１５０２の全体と接触することを可能とされるような方法で設計することができる。
【００３５】
図１６および１７は、検出器１５００が、表面１５０１と１５０２の間の空間に進入するエアロゾル粒子を望ましく検出するために、どのようにして動作できるかについての本発明の原理による１つの例示的な実施形態を示す。詳細には、既に検討したように、空気流１５０５中で搬送された粒子１５０３が表面１５０１の外部側面に接触すると、より大きな粒子は表面を通過することを阻止される。したがって、比較的小さな粒子のみが２つの表面間の空間に進入することが可能となる。図１１の実施形態と異なり、表面上のナノ構造に電圧を印加し、粒子をナノ構造の先端に固着させる代わりに、粒子１５０３は表面１５０２のナノ構造間に落下することが可能となる。しかし、表面１５０２のナノ構造は、特定の大きさの粒子のみが、表面１５０２に接触した時点で表面１５０２の特定の領域のナノ構造に浸透することが可能になるように配置することができる。例えば、領域１６０１のナノ構造は、中間の大きさの粒子がナノ構造間に浸透することが可能となるのに十分広く間隔を空けられている。しかし、領域１６０２および１６０３におけるナノ構造により示されているように、ナノ構造は、より小さな粒子のみがナノ構造間の表面に接触することを可能とするために、より緊密に一緒に間隔をあけることができる。
【００３６】
図１７は、検出器１５００におけるピクセル１５１５などの検出器上のピクセル内の試薬との反応が、いかにして誘発されるかについての１つの例示的実施形態を示す。詳細には、図１７は、より大きな粒子１７０４がナノ構造１５０８間に落下することを阻止される図１６の領域１６０２を表す。したがって、比較的小さな粒子１７０６のみが試薬１７０５に接触することが可能となる。１つの例示的実施形態において、洗浄液滴１７０１は、ナノ構造の上方からより大きな粒子１７０４を除去するために、先ず方向１７０３においてナノ構造１５０８上を移動させられる。続いて、試薬液滴１５０７ａは、比較的小さな粒子１７０６と接触しているピクセル試薬１７０５を有するピクセルの上方となるまで、方向１７０２において、ナノ構造上を移動させられる。続いて、上記に説明したように、液滴は、例えばエレクトロウェッティングまたは他のよく知られている方法を介して液滴の表面張力を低減または表面張力を凌駕することにより、方向１７０７においてナノ構造に浸透させられる。一旦搬送試薬が粒子１７０６およびピクセル試薬１７０５と接触したなら、粒子が、使用されている特定の試薬に対する特定の反応性種または化合物に対応するか、または、これらを含む場合に、反応が起こる。したがって、特定の粒子または粒子内の特定の種の存在または不在が検出できる。
【００３７】
図１８Ａおよび１８Ｂは図１０および１５の検出器において特定の物質が検出された時の識別の１つの可能な方法を示す。詳細には、図１８Ａにおいて、光の少なくともいくつかの波長に対しては透過性を有する液滴１８０１がナノ構造１８０２上に配置された光学的回折格子を示す。ナノ構造１８０２は、今度は、例えば既に説明したナノ構造表面である表面１８０３上に配置されている。光ビーム１８０４が液滴１８０１上に入射すると、少なくともいくつかの波長は液滴１８０１を通過し、光が液滴を介して経路１８０６に沿って進行し戻る方法で表面１８０３から反射される。液滴１８０１を通過し、続いて、（誘電定数ε１を有する）領域１８０５を介して、下部に横たわる基板１８０３から反射することにより、光の様々な周波数が（液体と領域１８０５の間の屈折率の差のために）濾過され除かれ、波長λ１のみが所定の方向において伝播するために出現する。図１８Ｂは、例えばエアロゾル粒子などを含む液滴１８０１を（上記に説明した上述の方法の１つの使用を介して）ナノ構造１８０２に浸透させることにより、領域１８０５の誘電定数がε２に変化し、そのため、光が進行する媒体の屈折率を変化させ、したがって、λ２のみが所定の方向において伝播するために出現することを示す。したがって、当業者は、液体１８０１がナノ構造表面構造物パターンに浸透すると、液体１８０１が表面構造物パターン内に浸透されない時と比較して、光の異なった波長が格子を通過することを可能にする同調可能な回折格子が作成されることを理解されよう。当業者は、表面１００２のピクセルにおける使用のための試薬を適切に選択することにより、格子を通過することを可能とされた光の波長が、試薬と特定の生物学的または化学的粒子が反応したか否かに依存して同調できることも理解されよう。したがって、図１０の検出器１０００および図１５の検出器１５００における個々のピクセルそれぞれは、可視色を変化させるように構成することができるか、または、代案として、例えば、紫外線光源または赤外線光源が適用された時、ピクセルが異なって見えるようにできる。当業者は、反応が起きたか否か、したがって、特定の粒子または粒子内の特定の種が検出器１０００および１５００により検出されたか否かを検出するための他の適する手段を工夫することができる。
【００３８】
したがって、本明細書に説明された本発明の原理は、表面における微小流路に依存せずにナノ構造表面を横切って液体を操作することができる動的に制御可能な生物学的／化学的検出器を提供する。したがって、表面上の液滴と試薬の間の化学反応はいつでも、かつ、いかなる液滴位置でも誘発することができる。本発明の原理による検出器は、空間の使用において効率的であり、かつ、非常に小さな電力を消費する。
【００３９】
上記は単に本発明の原理を例証しているに過ぎない。したがって、本明細書には明示的に説明して、または、示していないが本発明の原理を具体化し、かつ、本発明の精神および範囲の中にある様々な構成を、当業者が工夫することが可能であることは理解されよう。例えば、本明細書における様々な実施形態の説明に照らして、本発明の原理が幅広く相違する分野および実用例において利用できることを当業者は理解されよう。当業者は本発明に関連する基本原理の多くの同様の用途を工夫することができ、それらの用途の全ては本明細書に包含されることが意図されている。例えば、例えば空中の粒子などを収集する２つの方法が本明細書において図１１および１６ならびに同図に添付の説明において示されている一方、当業者は、本明細書の教示に照らして、そのような粒子を濃縮および収集する多くの方法を工夫することができる。加えて、本明細書に開示されている例示的実施形態が図１０および１５の検出器内に、および、これを介して粒子を搬送する空気流を全体的に検討している一方、検出器は、生物学的種または化学化合物を搬送する液体の流れなどの粒子を搬送するいずれの流体にも等しく有利に使用することができることを当業者は理解されよう。同様に、上記に検討した実施形態は全てが、液滴をナノ構造ピクセルのアレイ内のピクセルに搬送し、続いて、その液体をそのピクセル内の試薬と接触させることを教示している。しかし、当業者は、液滴が試薬を含むことができ、したがって、ナノ構造間には試薬が必要なくなることを理解されよう。例えば、液滴は、反応を開始させるために電圧を印加することにより、特定の化学化合物または生物学的種と反応させることができる。このような場合、ナノ構造間において追加の試薬は必要ない。全てのこのような改変および方法は、本明細書に包含されることが意図されている。本明細書に列挙された全ての実施例および条件付き術語は、本発明の原理を理解するうえで読者に役立つ教示上の目的のためののみであることが明示的に意図されており、そのような詳細に列挙された実施例および条件に対して限定がないと解釈されるものである。さらに、本発明の態様および実施形態、ならびに、本発明の特定の実施例を列挙している本明細書の全ての記載は本発明の機能的均等物を包含することを意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】Ａ〜Ｅは本発明における使用に適する事前に規定されたナノ構造の様々な従来技術ナノ構造表面構造物パターンを示す図である。
【図２】液滴がナノ構造表面構造物パターン上に配置された例示的従来技術デバイスを示す図である。
【図３】Ａは従来技術のマイクロ線表面を示す図であり、Ｂは従来技術のマイクロ柱表面を示す図であり、Ｃは従来技術のナノ柱表面を示す図であり、Ｄは図３Ａの従来技術表面上に配置された液滴および液滴とその表面の間に結果として得られる対応する接触角を示す図であり、Ｅは図３Ｂの従来技術表面上に配置された液滴および液滴とその表面の間に結果として得られる対応する接触角を示す図であり、Ｆは図３Ｃの従来技術表面上に配置された液滴および液滴とその表面の間に結果として得られる対応する接触角を示す図であり、
【図４Ａ】液滴をナノ構造表面構造物パターンを浸透させるためにエレクトロウェッティングの原理が使用されている本発明の原理によるデバイスを示す図である。
【図４Ｂ】液滴をナノ構造表面構造物パターンを浸透させるためにエレクトロウェッティングの原理が使用されている本発明の原理によるデバイスを示す図である。
【図５】図４Ａおよび４Ｂのナノ構造表面構造物パターンの例示的ナノ柱の詳細を示す図である。
【図６Ａ】図４Ａおよび４Ｂに示すエレクトロウェッティングの原理を使用した化学的または生物学的な検出器を示す図である。
【図６Ｂ】図４Ａおよび４Ｂに示すエレクトロウェッティングの原理を使用した化学的または生物学的な検出器を示す図である。
【図７】図６Ａおよび６Ｂの検出器が、複数の元素または成分の検出を可能にするうえで、どのようにしてアレイ内に配置することができるかを示す図である。
【図８】ナノ構造の可変空間勾配を有する表面を横切って液滴をどのようにして移動できるかを示す図である。
【図９】２つの平行な表面間に配置された液滴を、それらの表面との液滴の接触角を変化させることにより、どのようにして移動させることができるかを示す図である。
【図１０】本発明の原理による生物学的／化学的検出器の１つの実施形態を示す図である。
【図１１】生物学的／化学的粒子が図１０の検出器においてどのようにして収集されるかの１つの例示的実施形態を示す図である。
【図１２】ナノ構造の空間勾配を使用することにより図１０の生物学的／化学的検出器の表面を横切って液滴をどのようにして移動させることができるかの例示的実施形態を示す図である。
【図１３】液滴の経路における電極間に電圧を連続的に印加することにより図１０の生物学的／化学的検出器の表面を横切って液滴をどのようにして移動させることができるかの他の例示的実施形態を示す図である。
【図１４Ａ】粒子を収集し、それらの粒子をピクセル試薬に搬送するために、図１０の検出器内の試薬の液滴をどのようにして使用することができるかを示す図である。
【図１４Ｂ】粒子を収集し、それらの粒子をピクセル試薬に搬送するために、図１０の検出器内の試薬の液滴をどのようにして使用することができるかを示す図である。
【図１５】本発明の原理による生物学的／化学的検出器の他の実施形態を示す図である。
【図１６】生物学的／化学的粒子が図１５の検出器においてどのようにして収集されるかの他の例示的実施形態を示す図である。
【図１７】ピクセル試薬と生物学的／化学的粒子の間に反応を引き起こすために、洗浄液滴と試薬液滴がどのようにして使用できるかを示す図である。
【図１８Ａ】図１０および１５の検出器における反応の結果を本発明の原理によりどのようにして表示できるかの１つの実施形態を示す図である。
【図１８Ｂ】図１０および１５の検出器における反応の結果を本発明の原理によりどのようにして表示できるかの１つの実施形態を示す図である。
【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５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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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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