(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体プロセッサのための制御システムであって、プログラム制御できるマイクロプロセッサと、前記マイクロ流体プロセッサと通信する周辺インタフェース回路とを備え、
前記マイクロ流体プロセッサの制御により、マイクロ液滴が安定して存在する１以上のポジションが存在し、
前記マイクロプロセッサは、前記周辺インタフェース回路が制御信号を発生させるようプログラムされており、前記制御信号は以下の(i)〜（iv)からなるグループ、即ち、
(i)流体サンプルから新たなマイクロ液滴を生成すること、
(ii)第１の安定ポジションから第２の安定ポジションに移動すること、
(iii)安定ポジションで１以上のマイクロ液滴を混合すること、
(iv)安定ポジションでマイクロ液滴における反応(reaction)を実行すること、
から選択されるマイクロ流体を制御するための１以上のオペレーションに対応し、
さらに、
前記周辺インタフェース回路は、前記制御信号を前記マイクロ流体プロセッサに送信し、前記マイクロ液滴を制御するための前記オペレーションの完了に対応して、前記マイクロ流体プロセッサから１以上の感知信号(sense signals)を受信するように構成された前記制御システム。
【請求項２】
前記マイクロ流体プロセッサはさらに１以上のアクチュエータを含み、
前記マイクロ液滴を制御するための１以上のオペレーションが、以下の(i)〜（v)からなるグループ、即ち、
(i)バルブ(valve)を開くこと、
(ii)バルブ(valve)を閉じること、
(iii)反応(reaction)が完了するプロセスを感知(sense)すること、
(iv)マイクロ液滴の有無を感知すること、
(v)圧力を発生させること、
から選択される１以上のアクチュエータ制御オペレーションを含む、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記１以上のアクチュエータのそれぞれは、ヒーター（熱源）、バルブ、ガス貯蔵器からなるグループから選択される１以上のコンポーネント（構成要素）を含み、そして、
前記アクチュエータ制御オペレーションは、以下の(i)〜（iii)からなるグループ、即ち、
(i)ヒーター（熱源）を加熱すること、
(ii)温度を感知すること、
(iii)ヒーターのスイッチを切ること、
から選択される１以上のコンポーネント制御オペレーションを含む、請求項２に記載の制御システム。
【請求項４】
前記周辺インタフェース回路が、前記マイクロ流体プロセッサと電気的に通信し、
前記感知信号(sense signals)が、
・所定の温度に到達したかどうか、
・オペレーション又はバルブを開けたり閉じたりすることが成功して行なわれたかどうか、
・マイクロ液滴が或るポジションから別のポジションに移動したかどうか、
のうちの１以上の兆候(indication)を提供する、請求項３に記載の制御システム。
【請求項５】
前記感知信号(sense signals)が、抵抗加熱器(resistive heater)、熱容量供給手段とともに温度感知ヒーター又は半導体部品により発生される、請求項４に記載の制御システム。
【請求項６】
前記周辺インタフェース回路が、前記マイクロ流体プロセッサと電気的に通信し、
１以上の前記制御信号が１０〜５０Ｖの電圧値に対応する、請求項１に記載の制御システム。
【請求項７】
前記周辺インタフェース回路が、前記マイクロ流体プロセッサと光通信し、
前記感知信号(sense signals)が、反応(reaction)の間又は反応の完了後でマイクロ液滴が合成されたこと、及びマイクロ液滴が特定の位置に存在するか否か、
のうちの１以上の兆候(indication)を提供する、請求項３に記載の制御システム。
【請求項８】
前記周辺インタフェース回路が、前記マイクロ流体プロセッサと電気的に通信し、
１以上の前記制御信号が反応を励起させるための光信号を含む、請求項１に記載の制御システム。
【請求項９】
前記ヒーター（熱源）は、１〜２Ｗの電力量をもつ抵抗加熱器(resistive heater)である、請求項３に記載の制御システム。
【請求項１０】
前記バルブは、前記マイクロ流体プロセッサ内に置かれたガス貯蔵器内のガスの熱を局部に留めることによって生成したガス圧力の利用により、流路の中へ移動させ且つ閉じこめるようにした閉塞物(obstructing element)を含む、請求項３に記載の制御システム。
【請求項１１】
前記閉塞物は、熱を局部に留めることによって溶融される低沸点の固体である、請求項１０に記載の制御システム。
【請求項１２】
前記マイクロ流体プロセッサのポジションであって、前記マイクロ液滴が安定して存在する１以上のポジションは、操作されるマイクロ液滴に沿った主流路における疎水性領域の位置によって形成される、請求項１に記載の制御システム。
【請求項１３】
前記疎水性領域は、前記流路の内部の面を含む、請求項１２に記載の制御システム。
【請求項１４】
前記マイクロ流体プロセッサのポジションであって、前記マイクロ液滴が安定して存在する１以上のポジションは、操作されるマイクロ液滴に沿った主流路と通じる排出側の流路の配置によって形成される、請求項１に記載の制御システム。
【請求項１５】
前記１以上のポジションの少なくとも１つは、前記主流路及び前記主流路内のバルブと通じる制御可能な排出口を含む、請求項１４に記載の制御システム。
【請求項１６】
前記マイクロ流体プロセッサは、１以上の冷却要素であるペルチェ素子(Peltier devices)を更に含む、請求項１に記載の制御システム。
【請求項１７】
異なる位置の前記コンポーネント（構成要素）を有する２以上のマイクロ流体プロセッサがそれぞれ別個に外部の制御システムと通信する構成であることを特徴とする、請求項３に記載の制御システム。
【請求項１８】
前記マイクロ流体プロセッサが、前記プログラム制御できるマイクロプロセッサによって使用され、且つ前記マイクロプロセッサに特有の制御信号を生成するための自己説明機能(a self-description function)を含む、請求項１に記載の制御システム。
【請求項１９】
マイクロ流体プロセッサを制御するための方法であって、マイクロ液滴が安定して存在する１以上のポジションが存在し、
前記マイクロ流体プロセッサと通信する周辺インタフェース回路に制御信号を発生させるようマイクロプロセッサをプログラム化する処理であって、前記制御信号は以下の(i)〜（iv)からなるグループ、即ち、
(i)流体サンプルから新たなマイクロ液滴を生成すること、
(ii)第１の安定ポジションから第２の安定ポジションに移動すること、
(iii)安定ポジションで１以上のマイクロ液滴を混合すること、
(iv)安定ポジションでマイクロ液滴における反応(reaction)を実行すること、
から選択されるマイクロ流体を制御するための１以上のオペレーションに対応した当該処理と、
前記制御信号を、前記周辺インタフェース回路から前記マイクロ流体プロセッサへ送信する処理と、
前記マイクロ液滴を制御するための前記オペレーションの完了に対応して、前記マイクロ流体プロセッサから１以上の感知信号(sense signals)を受信する処理と、
を含む前記マイクロ流体プロセッサを制御するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体デバイスの分野に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、規定された一連の構成を介して離散的な超小型液滴を動かすことにより動作する超小型流体デバイスに関する制御方法、制御システム、及び制御ソフトウェアに向けられる。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野において、マイクロ／ナノ  テクノロジーデバイスは、所望の機能を様々に形成するために一緒になりながら１μｍから１μｍの１／１００のスケールの構成要素を有するデバイスであるとして知られている。特に、マイクロ流体デバイスは、化学または生化学に関する反応や解析を実行する機能を共同的に作用することによって処理する流体形成マイクロ／ナノ  テクノロジーデバイスである。
【０００３】
従来のマイクロ流体デバイスは、連続するか比較的大きいかの何れかである標本における微小規模の流路及び仕切りを通って流出する流体を基にしているのが殆どである。流体の流出は、常に、電気浸透かつ電気泳動力によって開始され制御される。例えば、１９９７年４月２７日に発行された“Apparatus and Methods for Controlling Fluid Flow in Microchannels”という題目の米国特許番号５６３２８７６号公報、１９９９年１１月３０日に発行された“Flow Control in Microfluidics Devices by Controlled Bubble Formation”という題目の米国特許番号５９９２８２０号公報、１９９７年６月１０日に発行された“Method and Apparatus for the Detection of an Analyte Utilizing Mesoscale Flow Systems”という題目の米国特許番号５６３７４６９号公報、１９９８年９月１日に発行された“Variable Control of Electroosmotic and/or Electrophoretic Forces Within a Fluid-Containing Structure Via Electrical Forces”という題目の米国特許番号５８００６９０号公報、及び１９９９年１２月１４日に発行された“Methods and Systems for Monitoring and Controlling Fluid Flow Rates in Microfluidic Systems”という題目の米国特許番号６００１２３１号公報を参照されたい。
【０００４】
前記デバイスは、とりわけ、流れに基づく設計の優位性によって多量の反応物質を要求し、しかも電気浸透かつ電気泳動力による流体制御が危険性を有しかつ、小型携帯制御デバイスにおいて生成することが困難な比較的大きな電圧を要求するのが普通であることから、比較的不利といえる。このようなテクノロジーに基づくマイクロ流体デバイスに関する制御デバイスは、少なくともデスクトップサイズよりは大きなものとなる。
【０００５】
マイクロ流体デバイスに関するより有利なテクノロジーは、１またはそれ以上の発明者または本出願その他によって開発されてきた。この有利なテクノロジーは、圧力及び電気以外の他の動力に大きく依存することにより、微小規模な流路にある（“マイクロ液滴”として知られた）流体のとても小さな標本を動作させる。これらのデバイスは、小量の試薬が要求される場合、及び標準的な超小型電子技術の構成要素による出力の小電圧により電気以外の動力が生成される場合に有利である。すなわち、２０００年５月２日に発行された“Microscale Devices And Reactions In Microscale Devices”という表題の米国特許番号６０５７１４９号公報、２０００年４月１１日に発行された“Thermal Microvalves in a Fluid Flow Method”という表題の米国特許番号６０４８７３４号公報、および２０００年１０月１０日に発行された米国特許番号６１３００９８号公報を参照されたい。
【０００６】
しかしながら、本発明の知識に対し、このようなデバイスの本質的な有効性を活用するマイクロ液滴に基づくマイクロ流体デバイスに関して良く構成された制御システムがまったく提供されてない。
【０００７】
ここで、本章または任意の章における引用あるいは同一の参考文献は、本発明の先行技術として利用可能であると解釈されないであろう。
【０００８】
（発明の概要）
本発明の目的の１つは、本技術分野における不都合を解消し、かつマイクロ液滴に基づくマイクロ流体デバイスの本質的な有効性を活用するための制御方法及びシステムを提供することである。このようなマイクロ流体デバイスの構成及び属性であるため、本発明の方法及びシステムは、完全に掌握される実施例から高スループットな反応及び解析を実現するための研究レベルの実施例までという広範囲な実施例を実行する。さらに、このようなマイクロ流体デバイスの構成及び属性であるため、本発明の方法及びシステムは、ユーザの制御により、コンピュータプログラミングに類似した方法で様々な反応及び解析を実行する。
【０００９】
このように、本発明の幾つかの目的の１つには、プログラム制御可能なシステム、及び“デジタル”マイクロ流体デバイスとして既知のソフトウェアの側面を有している。好ましいマイクロ流体デバイス自身の設計に影響を及ぼすと判断されるこの制御システムは、全体的でかつ高レベルのデバイス制御が、意図された解析反応を実行するための特定のデバイスを生じさせる一連の基本機能として組織される一方で、詳細でかつ低レベルのデバイス制御が少数の基本制御機能で組織されるというような、全体として階層的な設計である。このため、本発明の制御システムは、デジタルマイクロ流体デバイスや意図された反応における多くの異なるタイプに適用できるものである。また、様々に複雑なデバイスに拡張性があり、プログラムとして単純で経済的といえる。
【００１０】
第１の実施例の場合、本発明は、デジタル型マイクロ流体（“ＭＦ”）デバイスの動作を制御する方法であって、ＭＦデバイスは、（ｉ）１以上のマイクロ液滴を閉じ込めるための１以上の流路を有し、前記流路は前記マイクロ液滴にとっての安定位置を１以上有し、かつ、（ｉｉ）制御信号に反応して、前記ＭＦデバイスを制御しかつモニタリングするための前記流路と機能的に関連付けられた１以上の内部構成要素を有する構成であって、その制御方法は、（ａ）少なくとも１つのマイクロ液滴に少なくとも１つの動作を実行することを指定する１以上のマイクロ液滴処理要求を供給し、前記要求は、（ｉ）選択された安定位置で、１以上の新たなマイクロ液滴を形成し、または、（ｉｉ）現在の安定位置から選択された次の安定位置に、１以上のマイクロ液滴を移動し、または、（ｉｉｉ）選択された安定位置で、２以上のマイクロ液滴を結合して１以上の新たなマイクロ液滴にする、または、（ｉｖ）１以上のマイクロ液滴を混合する、の何れかを含み、及び、（ｂ）各マイクロ液滴処理要求に反応するパターン及びシーケンスに形成される制御信号を生成して前記ＭＦデバイスに供給し、その結果、前記制御信号に反応するＭＦデバイスの内部構成要素は、前記ＭＦデバイスにおいて要求されたマイクロ液滴処理を一緒に実行するための機能を果たす制御信号を生成することを特徴とするマイクロ流体デバイスの制御方法を含んでいる。
【００１１】
特に、第１の実施形態では、前記制御信号は電気信号及び光信号を含み、前記新たなマイクロ液滴を生成するステップは、計量された形式における流体標本から前記新たなマイクロ液滴を分離することをさらに含み、前記新たなマイクロ液滴を生成するステップは、計量された形式における前記ＭＦデバイスにロードされた流体源から前記マイクロ液滴を分離することをさらに含み、前記マイクロ液滴を移動するステップは、前記マイクロ液滴を前記現在の安定位置から前記次の選択された安定位置へ移動させるために、活性状態の前記マイクロ液滴に外力を供給することをさらに含み、前記外力を供給するステップは、前記マイクロ液滴に作用するガス圧力を生成することをさらに含み、前記２以上のマイクロ液滴を結合するステップは、前記選択された安定位置の隣接に前記マイクロ液滴を移動させることをさらに含み、前記マイクロ液滴を混合するステップは、混合を生じさせるのに十分な速度で前記マイクロ液滴を移動させることをさらに含んでいる。
【００１２】
さらに、第１の実施形態では、前記ＭＦデバイスはさらに、前記ＭＦデバイスの内部センサに反応する外部制御信号を含み、前記制御信号を生成するステップはさらに、（ａ）前記ＭＦデバイスの１以上の内部センサに反応する制御信号をセンシングし、かつ、（ｂ）前記マイクロ液滴命令の実行をモニタできるようにするため、前記センシングされた信号に反応して前記ＭＦデバイスに供給される前記生成信号を調整することを含んでいる。
【００１３】
さらに第１の実施形態では、供給された各マイクロ液滴の処理要求が、１以上のアクチュエータ処理要求をさらに含み、前記アクチュエータ処理要求は、前記ＭＦデバイスの少なくとも１つの流路に物理的に関連付けられた少なくとも１つの動作を実行することを指定し、前記マイクロ液滴の処理要求に反応する制御信号に関して生成されたパターン及びシーケンスは、前記マイクロ液滴の処理要求に関する各アクチュエータ処理要求に反応するサブパターン及びサブシーケンスをさらに含み、前記各アクチュエータ処理要求に反応する制御信号のサブパターン及びサブシーケンスは、前記要求動作を一緒に実行するための機能を果たすＭＦデバイスの反応性のある内部構成要素を生じさせることを特徴としている。
【００１４】
また、前記アクチュエータ処理要求は、（ｉ）制御可能なバルブとして動作する内部構成要素により、選択され制御される流路を開閉し、（ｉｉ）圧力生成器として動作する内部構成要素により、制御された流路に制御可能なガス圧力を供給し、（ｉｉｉ）マイクロ液滴の現在のセンサとして動作する内部構成要素により、マイクロ液滴の存在または不存在を選択された流路の選択された位置でセンシングし、または、（ｉＶ）マイクロ液滴の現在のセンサとして動作する内部構成要素により、マイクロ液滴の構成を選択された流路の選択された位置でセンシングすることを含むことを特徴としている。
【００１５】
さらに、第１の実施形態では、前記制御された流路を開閉するステップは、少なくとも１つの溶融材料の標本を溶融することをさらに含み、前記材料標本は、前記制御された流路を閉ざすために位置付け可能であることを特徴とし、前記流路内にガス圧力を供給するステップは、少なくとも前記流路に通じているガスマイクロ貯蔵器を加熱することをさらに含み、前記流路のある位置で、前記マイクロ液滴の存在をセンシングするステップは、前記位置のある領域における熱容量表示をセンシングすることをさらに含み、前記マイクロ液滴の構成をセンシングするステップは、前記ＭＦデバイスに光信号を送信し、かつ、前記ＭＦデバイスから戻る光信号を受信することをさらに含み、前記流路内の流体標本から新たなマイクロ液滴を形成するための要求は、（ｉ）前記流体標本が前記流路に沿った反対方向に移動することを阻止するため、前記流路を閉じる１以上のアクチュエータ処理要求と、（ｉｉ）計量された方法で、前記流体標本から新たなマイクロ液滴を搾り出すために制御可能なガス圧力を供給し、かつ、前記選択された位置の順方向に前記新たなマイクロ液滴を進ませる１以上のアクチュエータ処理要求とをさらに含み、前記流路内の１以上の新たなマイクロ液滴を移動させる要求は、（ｉ）前記流体標本が前記流路に沿った反対方向に移動することを阻止するため、前記流路を閉じる１以上のアクチュエータ処理要求と、
（ｉｉ）前記次の安定位置の順方向に前記マイクロ液滴を進ませるため、制御可能なガス圧力器を供給する１以上のアクチュエータ処理要求とをさらに含んでいる。
【００１６】
加えて、第１の実施形態は、（ａ）前記マイクロ液滴処理要求を供給するステップの前に、１以上のマイクロ液滴処理要求を含むマイクロ液滴処理プログラムを供給し、かつ、前記マイクロ液滴処理要求を供給するステップは、ある表示された要求を前記供給されたプログラムから選択することをさらに含み、（ｂ）ある要求を供給し、かつ、どのような要求も選択可能でないことを前記供給されたプログラムが表示するまで、各マイクロ液滴処理要求を伴う信号を生成するステップを繰り返すことを含んでいる。そして、前記１以上の付加的なマイクロ液滴を生成するステップの後に、ある付加的なマイクロ液滴の内容を検出するステップをさらに含み、前記マイクロ液滴処理プログラムは、（ｉ）少なくとも１つの流体源から少なくとも１つの初期マイクロ液滴を生成するための、及び（ｉｉ）前記初期のマイクロ液滴から少なくとも１つの最後のマイクロ液滴を生成するためのマイクロ液滴処理要求を含んでいる。
【００１７】
さらに、第１の実施形態では、前記内部構成要素は、前記ＭＦデバイスに対して空間的かつ時間的に局所化された熱を供給する加熱器を含み、かつ、前記制御信号は、前記局所化された加熱器を活性化させるための電気信号を含み、前記内部構成要素は、流路内に配置された少なくとも１つの溶融材料の標本を含み、かつ、前記材料標本は、前記材料を溶融する加熱器に関係していることを特徴とし、前記内部構成要素は、少なくとも１つのガスマイクロ貯蔵器を有し、かつ、前記ガスマイクロ貯蔵器は、加圧力を生成するガスを加熱するための加熱器に関係していることを特徴とし、前記内部構成要素は、前記ＭＦデバイスのローカル温度をセンシングする少なくとも１つの温度センサを有し、かつ、前記制御信号は、前記温度センサにより生成された信号を含むことを特徴とし、少なくとも１つの温度センサが、前記ＭＦデバイスのローカル熱をセンシングするための加熱器に関係していることを特徴としている。
【００１８】
第２の実施形態では、デジタル型マイクロ流体（“ＭＦ”）デバイスの化学反応を実行させる方法であって、（ｉ）ＭＦデバイスは、１以上のマイクロ液滴を閉じ込めるための１以上の流路を有し、前記流路は前記マイクロ液滴にとっての安定位置を１以上有し、かつ、（ｉｉ）制御信号に反応して、前記ＭＦデバイスを制御しかつモニタリングするための前記流路と機能的に関連付けられた１以上の内部構成要素を有する構成であって、その制御方法は、（ａ）前記反応にとって必要な反応物を含む１以上の流体試薬を供給し、（ｂ）前記ＭＦデバイスに制御信号を供給することによって前記流体試薬から少なくとも１つの最後のマイクロ液滴を生成し、前記マイクロ液滴は、安定位置に位置付けられ、かつ前記反応にとって必要な反応物を有し、（ｃ）前記マイクロ液滴を反応することを含んでいる。
【００１９】
特に、第２の実施形態では、前記反応ステップは、前記反応の発生にとって十分な時間を待つことをさらに含み、前記反応ステップは、前記ＭＦデバイスに制御信号を供給することによって、前記最後のマイクロ液滴を励起させることさらに含み、前記励起ステップは、前記マイクロ液滴を加熱したり光を照射したりすることを含み、前記ＭＦデバイスへ制御信号を供給することによって、前記反応したマイクロ液滴の構成をセンシングするステップをさらに含み、様々な化学反応は、前記サンプル解析を実行することを含んでいる。
【００２０】
さらに、第２の実施形態では、（ａ）少なくとも１つのマイクロ液滴に少なくとも１つの動作を実行することを指定する要求を処理するマイクロ液滴を供給し、前記要求は、（ｉ）選択された安定位置で、１以上の新たなマイクロ液滴を形成し、または、（ｉｉ）現在の安定位置から選択された次の安定位置に、１以上のマイクロ液滴を移動し、または、（ｉｉｉ）選択された安定位置で、２以上のマイクロ液滴を結合して１以上の新たなマイクロ液滴にする、または、（ｉｖ）１以上のマイクロ液滴を混合する、の何れかを含み、かつ、（ｂ）各マイクロ液滴の処理要求に反応するパターン及びシーケンスに形成される制御信号を生成して前記ＭＦデバイスに供給し、その結果、前記制御信号に反応するＭＦデバイスの内部構成要素は、前記ＭＦデバイスにおいて要求されたマイクロ液滴処理を一緒に実行するための機能を果たす各マイクロ液滴処理要求に関する制御信号を生成することをさらに含んでいる。
【００２１】
さらに、第２の実施形態では、（ａ）前記マイクロ液滴処理要求を供給するステップの前に、１以上のマイクロ液滴処理要求を含むマイクロ液滴処理プログラムを供給し、かつ、前記マイクロ液滴処理要求を供給するステップは、ある表示された要求を前記供給されたプログラムから選択することをさらに含み、（ｂ）ある要求を供給し、かつ、どのような要求も選択可能でないことを前記供給されたプログラムが表示するまで、各マイクロ液滴処理要求を伴う信号を生成するステップを繰り返すことをさらに含んでいる。
【００２２】
また、供給された各マイクロ液滴の処理要求が、１以上のアクチュエータ処理要求をさらに含み、前記アクチュエータ処理要求は、前記ＭＦデバイスの少なくとも１つの流路に物理的に関連付けられた少なくとも１つの動作を実行することを指定し、前記マイクロ液滴の処理要求に反応する制御信号に関して生成されたパターン及びシーケンスは、前記マイクロ液滴の処理要求に関する各アクチュエータ処理要求に反応するサブパターン及びサブシーケンスをさらに含み、前記各アクチュエータ処理要求に反応する制御信号のサブパターン及びサブシーケンスは、前記要求動作を一緒に実行するための機能を果たすＭＦデバイスの反応性のある内部構成要素を生じさせることを特徴としている。
【００２３】
また、前記アクチュエータ処理要求は、（ｉ）制御可能なバルブとして動作する内部構成要素によって選択され制御された流路を開閉し、（ｉｉ）圧力生成器として動作する内部構成要素によって選択された流路内の制御可能なガス圧力を供給し、（ｉｉｉ）マイクロ液滴存在センサとして動作する内部構成要素によって選択された流路の選択された位置で、マイクロ液滴の存在または不存在をセンシングし、または、（ｉｖ）マイクロ液滴存在センサとして動作する内部構成要素によって選択された流路内の選択された位置で前記マイクロ液滴の構成をセンシングすることを含んでいる。
【００２４】
第３の実施形態では、本発明は、デジタル型マイクロ流体（“ＭＦ”）デバイスに関するの動作を制御するためのデータ取得（“ＤＡＱ”）システムであって、ＭＦデバイスは、（ｉ）１以上のマイクロ液滴を閉じ込めるための１以上の流路を有し、前記流路は前記マイクロ液滴にとっての安定位置を１以上有し、かつ、（ｉｉ）制御信号に反応して、前記ＭＦデバイスを制御しかつモニタリングするための前記流路と機能的に関連付けられた１以上の内部構成要素を有する構成であって、そのシステムは、（ａ）前記デジタル制御回路にインタフェースされるＭＤデバイスに対して制御信号を供給するプログラム可能なデジタル制御回路と、（ｂ）１以上のマイクロ液滴処理要求を表す格納された命令及びデータを含むプログラム可能なデジタル制御回路にアクセスできるメモリとを有し、前記要求は、（ｉ）選択された安定位置で、１以上の新たなマイクロ液滴を形成し、または、（ｉｉ）現在の安定位置から選択された次の安定位置に、１以上のマイクロ液滴を移動し、または、（ｉｉｉ）選択された安定位置で、２以上のマイクロ液滴を結合して１以上の新たなマイクロ液滴にする、または、（ｉｖ）１以上のマイクロ液滴を混合する、の何れかを含み、前記命令及びデータの実行は、パターン及びシーケンスに制御信号を生成する前記プログラム可能な制御回路を生じさせ、その結果、インタフェースされたＭＦデバイスの反応性のある内部構成要素は、前記ＭＦデバイスにおけるマイクロ液滴処理要求を一緒に実行するための機能を果たすことを特徴としている。
【００２５】
特に、第３の実施形態では、本発明は、インタフェースされたＭＦデバイスを受信するための少なくとも１つのレセプタクルをさらに含み、前記レセプタクルはプログラム可能な回路とインタフェースされたＭＦデバイスとの間に制御信号の変換を供給することを特徴とし、前記プログラム可能なデジタル制御回路は、前記ＤＡＱシステムの動作をモニタリングしかつ制御するために、ユーザに対してアクセス可能なホストコンピュータシステムへのインタフェースをさらに含んでいることを特徴とし、前記プログラム可能なデジタル制御回路は、（ａ）プロセッサと、（ｂ）インタフェースされたＭＦデバイスに対して信号を生成する前記プロセッサにより制御可能な周辺回路とをさらに含むことを特徴とし、前記周辺回路は、（ａ）インタフェースされたＭＦデバイスに対して電気制御信号を供給するためのドライバ回路と、（ｂ）インタフェースされたＭＦデバイスから電気制御信号を受信するためのセンサ回路とをさらに含むことを特徴とし、前記周辺回路は、（ａ）インタフェースされたＭＦデバイスに対して光制御信号を供給するためのドライバ回路と、（ｂ）インタフェースされたＭＦデバイスから光制御信号を受信するためのセンサ回路とをさらに含むことを特徴としている。
【００２６】
さらに、第３の実施形態では、前記メモリに格納された命令及びデータは、（ａ）１以上のマイクロ液滴処理要求を表示する要求データと、（ｂ）要求処理命令とをさらに含み、前記要求処理命令の実行は、前記ＭＦデバイスにおける表示されたマイクロ液滴処理要求を実行するための制御信号を生成するプログラム可能なデジタル制御回路を生じさせることを特徴とし、前記メモリに格納された命令及びデータは、（ａ）インタフェースされたＭＦデバイス及びそれらの個々の位置にあるマイクロ液滴の識別子を表すマイクロ液滴構成データと、（ｂ）インタフェースされたＭＦデバイスの内部構成要素の状態を表すデバイス構成データと、（ｃ）処理要求の完了で構成データを更新状態にする構成更新命令と、をさらに含むことを特徴としている。
【００２７】
さらに、第３の実施形態では、前記要求処理命令は、マイクロ液滴処理要求がマイクロ液滴構成データで構成されているかを検証するための命令をさらに含んでいることを特徴とし、前記メモリに格納された命令及びデータは、インタフェースされたＭＦデバイス及びそれらの相互の配置に関する内部構成要素を表すＭＦデバイス構成データをさらに含むことを特徴としている。
【００２８】
第４の実施形態では、デジタル型マイクロ流体（“ＭＦ”）デバイスに関するの動作を制御するためのデータ取得（“ＤＡＱ”）システムであって、ＭＦデバイスは、（ｉ）１以上のマイクロ液滴を閉じ込めるための１以上の流路を有し、前記流路は前記マイクロ液滴にとっての安定位置を１以上有し、かつ、（ｉｉ）制御信号に反応して、前記ＭＦデバイスを制御しかつモニタリングするための前記流路と機能的に関連付けられた１以上の内部構成要素を有する構成であって、そのシステムは、（ａ）前記デジタル制御回路にインタフェースされるＭＤデバイスに対して制御信号を供給するプログラム可能なデジタル制御回路と、（ｂ）（Ｉ）（ｉ）制御可能なバルブとして動作する内部構成要素によって選択され制御された流路を開閉し、（ｉｉ）圧力生成器として動作する内部構成要素によって選択された流路内の制御可能なガス圧力を供給し、（ｉｉｉ）マイクロ液滴存在センサとして動作する内部構成要素によって選択された流路の選択された位置でマイクロ液滴の存在または不存在をセンシングし、または、（ｉｖ）マイクロ液滴存在センサとして動作する内部構成要素によって選択された流路内の選択された位置で前記マイクロ液滴の構成をセンシングすることを含む、前記ＭＦデバイスの少なくとも１つの流路と物理的に関係した少なくとも１つの動作を実行することを指定するアクチュエータ処理要求と、（ＩＩ）１以上のアクチュエータ処理要求をさらに含む１以上のマイクロ液滴処理要求とを表す格納された命令及びデータを含むプログラム可能なデジタル制御回路にアクセスできるメモリとを有し、前記マイクロ液滴処理要求は、少なくとも１つのマイクロ液滴で少なくとも１つの動作を実行することを指定し、前記要求は、（ｉ）選択された安定位置で、１以上の新たなマイクロ液滴を形成し、または、（ｉｉ）現在の安定位置から選択された次の安定位置に、１以上のマイクロ液滴を移動し、または、（ｉｉｉ）選択された安定位置で、２以上のマイクロ液滴を結合して１以上の新たなマイクロ液滴にする、または、（ｉｖ）１以上のマイクロ液滴を混合する、の何れかを含み、前記命令及びデータの実行は、パターン及びシーケンスに制御信号を生成する前記プログラム可能な制御回路を生じさせ、その結果、インタフェースされたＭＦデバイスの反応性のある内部構成要素は、前記ＭＦデバイスにおけるマイクロ液滴処理要求を一緒に実行するための機能を果たし、かつ、前記制御信号に関して生成されたパターン及びシーケンスは、前記マイクロ液滴の処理要求に関する各アクチュエータ処理要求に反応するサブパターン及びサブシーケンスをさらに含み、前記各アクチュエータ処理要求に反応する制御信号のサブパターン及びサブシーケンスは、前記要求動作を一緒に実行するための機能を果たすＭＦデバイスの反応性のある内部構成要素を生じさせることを特徴としている。
【００２９】
特に第４の実施形態では、前記プログラム可能なデジタル制御回路は、（ａ）プロセッサと、（ｂ）インタフェースされたＭＦデバイスに対して信号を生成する前記プロセッサにより制御可能な周辺回路とをさらに含むことを特徴としている。
【００３０】
また、第４の実施形態では、前記メモリに格納された命令及びデータは、（ａ）インタフェースされたＭＦデバイス及びそれらの相互の配置に関する内部構成要素を表すＭＦデバイス構成データと、（ｂ）インタフェースされたＭＦデバイスの内部構成要素の状態を表すＭＦデバイス構成データと、（ｃ）インタフェースされたＭＦデバイス及びそれらの個々の位置にあるマイクロ液滴の識別子を表すマイクロ液滴構成データと、（ｄ）前記マイクロ液滴が前記マイクロ液滴構成データを参照することによって特定される１以上のマイクロ液滴処理要求を表す要求データと、（ｅ）前記アクチュエータが前記ＭＦデバイス構造データを参照することによって特定される１以上のアクチュエータ処理要求を表すマイクロ液滴処理要求データと、（ｆ）要求処理命令であって、前記要求処理命令の実行が、（ｉ）マイクロ液滴処理要求が、前記マイクロ液滴構成データで構成されていることを検証するために、（ｉｉ）アクチュエータ処理要求が、前記ＭＦデバイス構成データで構成されていることを検証するために、（ｉｉｉ）前記要求データによって表された、前記マイクロ液滴及びアクチュエータ処理要求に関する制御信号を生成するために、（ｉｖ）  各処理要求の完了で、前記マイクロ液滴構成及び前記ＭＦデバイス構成データを更新するために、前記プログラム可能なデジタル制御回路を生じさせることをさらに含むこと特徴としている。
【００３１】
第５の実施形態では、本発明は、本発明の方法を実行するためのデータ取得システムを生じさせるコード化された命令を含むコンピュータ読み出し可能な媒体を含んでいる。
【００３２】
さらに、本発明は、前記引用した実施形態と同様に、これら実施形態の特定の側面及び他の実施形態の特定の側面を有するすべての組合せを含んでいる。さらに、本発明は、これら実施形態及び側面のサブコンビネーションを含んでいる。また、本発明は、前記記載した方法のいずれかを実行するためのシステムを含んで理解され、これらのシステムは、後述する好ましい階層的構造を有している。
【００３３】
また、本発明は、例えば、データ取得ボード単体、またはユーザインタフェースハードウェアの組合せにおいて、ソフトウェアの組合せにおいて、マイクロ流体プロセッサ記述データの組合せ等におけるこれらシステムのコンビネーション及びサブコンビネーションを含んでいる。また、本発明は、必要な記述及び状態データに沿って、本発明の方法を実行するプログラムを格納したコンピュータ読み出し可能な媒体またはコンピュータメモリを含んでいる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
後述する＜好ましいマイクロ流体デバイス＞の節は、本発明のシステム及び方法により制御された好ましいマイクロ流体デバイスについての概略を説明する。後述する＜好ましい制御システム及び方法＞の節は、好ましいマイクロ流体デバイスの特徴からみたこれらシステム及び方法の好ましい実施例について説明する。後述する＜好ましい熱制御された実施例＞の節は、好ましい熱制御されたマイクロ流体デバイスと、それらのより好ましい制御システム及び方法についてさらに詳しく説明する。さらに、＜好ましい熱制御された実施例＞の節は、付加的な実施例について説明する。
【００３５】
＜好ましいマイクロ流体デバイス＞
本発明のシステム及び方法は、“デジタル”として引用される方法で動作するマイクロ流体デバイスを制御する。本小節では、“デジタル”マイクロ流体デバイスの全体的な特徴をまず説明し、続いて好ましい熱制御型“デジタル”マイクロ流体デバイスを説明する。
【００３６】
（デジタルマイクロ流体デバイス）
マイクロ流体デバイスは、断面積の範囲として一般的なおよそ１０乃至５０μｍ（マイクロメータ）から、およそ１００乃至１０００μｍであり、かつ、およそ１ｃｍ（センチメータ）からおよそ２０ｃｍまでの線形範囲を有する通常は平らな基板上または基板内に形成される流路及び仕切り内の流体試薬を操作することによって、化学または生化学に関する反応や解析を実行する。デバイスを通った入力貯蔵器から出口ポートへの連続流出または動作の間中、デバイスの流路及び仕切りを実質的に一杯に満たす流体標本の半連続流出の何れかとして、流体試薬がそのデバイスの流路及び仕切りを通って流出するとき、マイクロ流体デバイスはそれらを操作する。あるいはまた、好ましいマイクロ流体デバイスは、ある規模の大きさ、または、例えばおよそ１〜２０ｍｍ（ミリメータ）またはそれよりも小さなデバイスの寸法よりもかなり小さい長さを有することによって特徴付けられる分離かつ離散したマイクロ液滴としての流体試薬を操作する。したがって、この間、流体試薬は、好ましいマイクロ流体デバイスの流路及び仕切りでかなり自由である。
例えば、マイクロ液滴は、およそ１ｎｌ（ナノリッター）から１μｌ（マイクロリッター）までの量を有する。例えば、１０μｍ×１００μｍ×１ｍｍの大きさのマイクロ液滴は、１ｎｌの量を有し、１００μｍ×１０００μｍ×１０ｍｍの大きさのマイクロ液滴は、１μｌの量を有する。好ましくは、各マイクロ流体デバイスは、あらかじめ選択された大きさまたは量を有した数個のみのマイクロ液滴を操作する。
【００３７】
ここで用いられかつ理解される語としての“デジタル”マイクロ流体デバイスは、分離かつ区別可能なマイクロ液滴としての流体反応物を管理し操作する後者の好ましいタイプである。各マイクロ液滴が、そのあらかじめ定義された位置の一つに存在するか、またはこれらあらかじめ定義された位置の間を移動する何れかであるため、デジタルマイクロ流体デバイスの流路及び仕切りは、あらかじめ定義された複数の位置を有している。“安定”位置として知られるこの定義された位置は、マイクロ液滴が移動しかつ安定して存在し得る位置であり、流路及び仕切りの構成と配置、またはそこに生じた力によって生成される。他のマイクロ液滴が他の安定位置の間で移動しているにもかかわらず、あるマイクロ液滴は、安定位置で動かずに存在する。安定位置は、例えば、マイクロ液滴を駆動する力が消滅させられその結果マイクロ液滴が固定するようになるか、特別な力が通過のために要求されその結果このような特別の力がない中にあるマイクロ液滴が固定して残っているか、マイクロ液滴上に作用する力がネット駆動力を全く残さずにバランスしているような領域で生じる。それに反して、流路を通って流出する連続または半連続の流体を操作する残りの好ましいタイプのマイクロ流体デバイスは、“アナログ”デバイスとしてみなされる。
【００３８】
デジタルマイクロ流体デバイスにおける反応物は、安定位置及び安定位置の遷移でのマイクロ液滴の在留で特定される。例えば、安定位置間での動作中、流体貯蔵器から新たなマイクロ液滴を計測することによって、または２またはそれ以上のマイクロ液滴を１つの新たなマイクロ液滴に混合等することによって、マイクロ液滴は、意図した反応または解析のために準備される。（ここで、マイクロ液滴を“混合する”ことは、ほぼ知られた量または大きさのマイクロ液滴を新たに生成することを意味している。）ある反応物が安定位置に存在しているにもかかわらず、その反応物は必須の組成をもってマイクロ液滴の中に生じる。安定したマイクロ液滴の中の反応が、例えば、加熱、冷却、放射等によって励起されたり、単なる時間の経過によって随意に生じる。
【００３９】
本発明に従って、デジタルマイクロ流体デバイスを有限状態機械（ＦＳＭｓ）に類似するものとしてみなすことは有用であるが、これに限定されるものではない。有限数の状態や構成を持ち、かつ初期状態から最終状態まで一連の状態遷移を通してそれらの機能を達成するために、ＦＳＭｓはコンピュータ分野でよく知られている。そして、各状態遷移は、規定された入力に反応して作られている。
同様にして、デジタルマイクロ流体デバイスの状態または構成は、現在の各マイクロ液滴が存在するデバイス及び安定位置のマイクロ液滴の記述によって定義される。デジタルマイクロ流体デバイスは、限定した数の安定位置に存在する離散かつ区別可能な有限個のマイクロ液滴を操作するので、前述した構成数は限られている。そのとき、意図した反応または解析を実行するためのデジタルマイクロ流体デバイスの操作は、最初の構成から最後の構成まで一連の構成によって定義される。その最初の構成では、デバイスは、初期位置にあらかじめロードされた試薬を有し、残りの試薬またはサンプルのロードが準備される。中間の構成は、安定した反応位置での意図した反応のために必要な組成試薬とともにマイクロ液滴を形成するマイクロ液滴操作より生じる。最後の構成では、意図した反応が、この形成されたマイクロ液滴に起こる。
【００４０】
したがって、本発明の好ましい実施形態における制御方法及びシステムは、反応制御がマイクロ液滴の操作、あるいはマイクロ流体デバイス構成における等価の遷移で特定されるために構成される。この構造の場合、実際のデバイス制御の詳細は、デバイス技術であって処理系に依存するのだが、マイクロ液滴操作を実行する反応にのみ現れ、その他は反応制御のために実質的に無視される。重要な側面において、本発明は、有利な特徴、技術、及びＦＳＭｓ制御に関するコンピュータ分野でよく知られた原理によって、マイクロ液滴操作に関するデバイス制御の詳細を構成する。例えば、デジタルマイクロ流体デバイスの安定位置は、１またはそれ以上の“レジスタ”としてみなされ、安定状態間の流路は、そのレジスタ間の“組合せ論理”としてみなされる。
【００４１】
デバイス構成は、マイクロ液滴による“レジスタ”の占有としてみなされ、そして、制御型デジタルマイクロ流体デバイスに関する方法及びシステムは、ＦＳＭｓと同じ型として知られたレジスタ変換設計パラダイムに従って設計される。他の例として、デジタルマイクロ流体デバイスが、オーバラップまたはパイプラインされた方法で制御されている。そこでは、様々なマイクロ液滴が、特定の構成におけるそれらの場所に異なる時点で到達し、その結果、その構成は、マイクロ流体デバイスの至るところで画一的に実現されない。一つの操作に一連の副操作を割り込ませるパイプライン型制御が演算処理装置のスループットを増やすための方法としてコンピュータ分野で知られていることから、前述した構成のオーバラップまたはパイプラインは有利である。
【００４２】
次に述べるさらに好ましい実施形態の場合、デバイス制御の詳細は、階層構造の原理の使用を重要なものにさせる。しかしながら、この類推は、インタフェースを制限することを意図していないことを理解されたい。例えば、本発明の制御方法及びシステムは、既知のＦＳＭ制御方法及び技術に制限されない。
【００４３】
好ましいデジタルマイクロ流体デバイス（プロセッサ）
本発明の制御方法及びシステムは、前述したような一般的なデジタルマイクロ流体デバイスを制御するために適用される。しかしながら、好ましくは、それらは以下の付加的な属性、（ｉ）優勢なモジュラ及び階層的構造であること、（ｉｉ）主に電気制御信号によって制御可能であること、を有するデジタルマイクロ流体デバイスに適用される。
【００４４】
以下でマイクロ流体“プロセッサ”と称されるこのような好ましいデジタルマイクロ流体デバイスは、一般的なデジタルマイクロ流体デバイスよりも好ましい。というのは、幅広く異なるプロセッサが、モジュラを実行する単一プログラム可能な制御システム、及び階層構造型の制御方法によって、柔軟かつ容易に制御されるからである。特定クラスの特定なマイクロ流体プロセッサの制御は、その特定クラスの全マイクロ流体プロセッサに関する低レベル制御の詳細を階層的にカプセル化する高レベルな制御モジュールを包含することによって特徴づけられる。
【００４５】
マイクロ流体プロセッサに関するこれら２つの好ましい属性の詳細を次に述べる。
大きなモジュラと階層的構造を有するマイクロ流体プロセッサの第１の属性は、ここでは、まず、マイクロ流体プロセッサが、例えば、好ましくはおよそ１０個より少ないモジュール型、またはより好ましくは５個より少ないモジュール型というような、有限個の基本型機能のモジュールから構成されていることを意味する。ＦＳＭ類推という語において、モジュールのこれら基本型機能は、例えば、ＦＳＭｓを構成するＮＡＮＤ、ＮＯＲゲート、フリップフロップのような電気回路における基本機能に類似している。以下では、基本モジュールが、主として“アクチュエータ”という語となる。（全て必要というわけではないが）多くのマイクロ流体プロセッサにとって重要な基本型アクチュエータの典型的な集合は、マイクロバルブ型アクチュエータ、圧力生成型アクチュエータ（或いは、他のタイプの力生成アクチュエータ）、加熱／冷却型アクチュエータ、プロセッサ状態を監視するアクチュエータ等を含んでいる。
【００４６】
マイクロバルブは、特定の流路を、好ましくはマイクロ液滴、ガス、他の流路内容物の動きを、反転して開閉するために制御される。
圧力生成型アクチュエータは、相対ガス圧力（または相対真空）を生成するために制御される。
加熱／冷却型アクチュエータは、局所化されたまたは全体化された加熱または冷却を実行するために制御される。
プロセッサ状態を監視するアクチュエータは、マイクロ液滴位置、ローカルプロセッサ温度、または他のパラメータに信号を送る入力を供給するために制御される。
【００４７】
また、光学的な励起及び検出のためのアクチュエータを示す。例えば、放射線が、反応またはモニタ反応を開始させる。ここで、放射線は、マイクロ液滴の位置及び構成をモニタリングするためにも用いられる。
【００４８】
また、モジュラ及び階層的構造は、アクチュエータが、自動制御可能で、分離して実行されたデバイスレベルの構成要素から順に階層的に構成されるということを意味する。自動または分離実行型制御の構成要素は、特定のマイクロ流体プロセッサのために用いられた技術において、直接実行され、または最も単純な制御可能な構成要素であり、またはより単純な制御可能な構成要素に分離されないなどのデバイスレベルで制御可能な構成要素である。
【００４９】
特定マイクロ流体プロセッサ技術のいずれも、すべてのアクチュエータ型のデバイス実行レベルで単一な一元の構成要素を有していない。例えば、好ましいプロセッサの熱制御可能なクラスの場合、マイクロ流体プロセッサを構成するために利用可能なマイクロバルブの機能を有する、単一自動制御可能なマイクロバルブの構成要素はまったくない。その代わり、マイクロバルブアクチュエータ機能が、幾つかの独立した構成要素から構築される。前記構成要素のそれぞれは、自動制御可能でありかつ分離して実行され、そして、マイクロバルブ機能を有するための本発明の方法によって、一緒に準備かつ統合されて制御される。
【００５０】
もちろん、これは、電気的に制御可能な“マイクロバルブ”に類似しており、そのマイクロバルブは、バルブ機能を実行するために同時に機能する多くの一元的な機械的かつ電気的構成要素から構築されている。それは、例えば、ＮＯＲゲートが多くの半導体製造技術で直接実装できないというＦＳＭｓにも類似している。しかし、むしろ、半導体、導体、及び直接実装できる絶縁体の領域から形成された（トランジスタで順に作られた）ゲートの配置より構築されなければならない。したがって、どんな実装技術の場合も、それぞれの基本アクチュエータ型は、特定のアクチュエータ機能を有するために配置され制御されたいくつかの低レベルかつ分離して実装された構成要素から構成されるのが普通である。言い換えると、アクチュエータは、特定の実装技術で利用可能な個々のデバイス構成要素の階層的な構造であるのが普通である。
【００５１】
このような実質的な階層的構造は、単一のデバイス構成要素のみから構築される一定のアクチュエータ型を除外しない。ある技術の場合、一定のアクチュエータ機能は、制限なく、直接的に実装される。そしてまた、基本的かつ汎用的なアクチュエータ機能を記述できない制限された特別の機能を実装するために必要とされる“特別目的”のマイクロ流体機能を除外することもない。好ましくは、特別目的の機能の占有率は、プロセッサに関する領域またはデバイス数の２０％未満、より好ましくは１０％未満である。
【００５２】
また、実質的なモジュラ構成は、好ましくは、高度な設計レベルに拡張する、高度な設計レベルでは、マイクロ流体プロセッサは有限個のサブアセンブリで構築される。サブアセンブリのそれぞれの型は、マイクロ液滴操作の一定の型を実行するために制御される。言い換えると、それは、意図した反応または解析のために必要なデバイス構成の間に、遷移を生じさせるために制御されるサブアセンブリである。階層的構造の原理を維持する場合、各サブアセンブリ型は、流路、仕切り板、ポート等で結合されかつ相互接続された多数の各アクチュエータから順に構築される。一般に、本発明の方法は、マイクロ流体プロセッサ技術と並行して階層的に構成されており、それゆえにアクチュエータが、サブアセンブリ機能を理解するために主として制御され、デバイスレベルの構成要素がアクチュエータ機能を理解するために主として制御される。
【００５３】
サブアセンブリ型は、好ましくはおよそ１０個より少なく、さらに好ましくはおよそ５個より少ないサブアセンブリで制限される。サブアセンブリ型の典型的な集合は、規定された量のマイクロ液滴を測定するため、マイクロ液滴の移動、２以上のマイクロ液滴の結合、可能性のある異質のマイクロ液滴の混合、マイクロ液滴における反応のシミュレーション（または励起）、反応物の観察と検出などのために提供される。
【００５４】
例えば、サブアセンブリの測定は、巨大な流体貯蔵器より、流路が規定されるだけの量の流体が満たされるように絞り込むようにするため、ガス圧力源を使用する。マイクロ液滴を動かすためのサブアセンブリは、機械的な力を生成するための圧力生成アクチュエータ、マイクロ液滴を押し出すためのガス圧力器を使用する。２つのマイクロ液滴を結合するためのサブアセンブリは、２つの入り口流路を１つの出口流路に集めることを含んでいる。ここで、入り口流路は、マイクロバルブアクチュエータで制御され、マイクロ液滴動作アクチュエータで供給される。
【００５５】
マイクロ液滴混合のサブアセンブリは、層混合を誘発するために十分に急速な動きを生じさせるマイクロ液滴動作アクチュエータより構築される。反応／解析サブアセンブリは、マイクロバルブアクチュエータにより制御されたアクセスで、チャンバー（または流路の長さ）から構築され、かつ、例えば、熱または放射線の応用を経た反応をシミュレートするアクチュエータで供給される。
【００５６】
反応／解析の結果を検出するためのサブアセンブリは、例えば、マイクロ液滴の光学的属性をセンシングするためにアクチュエータを用いる。アクチュエータ及びサブアセンブリの他の例は、以下の典型的なデジタルマイクロ流体プロセッサの記述から当業者にとって明らかであろう。
【００５７】
巨大モジュール及び階層的構造は、マイクロ流体プロセッサ設計における不必要な制限または重複を意図していない。例えば、各アクチュエータは１つのサブアセンブリ部品の一部であるのが普通であるが、１つのアクチュエータが２またはそれ以上のサブアセンブリ部分として機能することは有利かつ経済的である。同様に、あるデバイスレベルの構成要素が、２またはそれ以上のアクチュエータとして機能することもある。高レベル機能の構造の一部が技術仕様であるとき、このような構成要素またはアクチュエータが用いられる。
【００５８】
好ましいマイクロ流体プロセッサの第２の好ましい属性は、用いられるとしても稀だが、空気式、水圧式、機械式など他のタイプの信号とともに、電気信号によって、かつ光信号によってより小さな範囲で主として制御されているということである。制御信号は、本発明の方法に従って動作する本発明のシステムを制御することによって生成され、かつ直接制御可能なデバイスレベルの構成要素を調整するために制御されたマイクロ流体プロセッサで交換される。そして、その結果、より高い命令のアクチュエータ及びサブアセンブリ機能を理解するようになる。
【００５９】
例えば、特定の温度が到着したか否か、制御されたときにマイクロバルブが開閉したか否か、制御されたときにマイクロ液滴が移動したか否かなどのように先の制御信号の効果を生じさせるために、制御されたマイクロ流体プロセッサから制御システムへモニタリング信号が伝送される。言い換えれば、直接のデバイス制御、及びこのようなアクチュエータ制御やサブアセンブリ制御が、外部デバイスによる介入が殆どないか全くない状態での電気信号に応じて、マイクロ流体プロセッサ上またはマイクロ流体プロセッサ内で第一に実施される。好ましくは、外部デバイスの使用は、プロセッサ内に本来存在しないサンプルまたは反応物の避けがたいローディングに、さもなければ外部環境にインタフェースすることに制限される。
【００６０】
好ましい電気制御信号は、比較的低電圧（好ましくは５０Ｖ以下）で、さらに好ましくは２５Ｖ以下であって、より好ましくは１５Ｖか１０Ｖ以下である。コントローラからマイクロ流体プロセッサに送られる制御信号は、例えば、アクチュエータの内部動作を生じさせる電気入力、または反応物を励起したり精査したりする光入力を含んでいる。前記電気入力は、個々のマイクロ流体プロセッサに専用されたり、本発明の実施形態に従って、電気信号が多数の外部接点を少なくするための配列に分けられる。マイクロ流体プロセッサから受信された制御信号は、例えば、温度モニタリング信号やマイクロ液滴位置モニタリング信号のようなデバイス状態を監視するための電気出力を主として含んでいる。
【００６１】
光信号出力は、マイクロ液滴の存在、反応または解析の結果を規定するためのマイクロ液滴の光学的特徴などをモニタリングする。光信号が生成され、かつ外部の電気制御信号に反応してマイクロ流体プロセッサに検出されるかどうか、あるいは光信号が外部で生成され、かつ（外部の電気制御信号に反応して）あるコントローラで検出され、かつ例えば、プロセッサの光ファイバー上で光学的に変換されるかどうかは、実装上の問題である。
【００６２】
マイクロ流体プロセッサは、外部の電気信号を用いたマイクロ液滴によって制御されたマイクロ流体プロセッサを許可する任意の技術に従って構築される。例えば、マイクロ流体プロセッサは、機械的でかつシリコンを基礎とするナノテクノロジーの分野に従って構築される。流路はガラスまたはシリコン内でエッチングされ、マイクロバルブは、用いた電圧により動かされるフレキシブルなシリコン要素を含み、流体は、外部源または内部に生成されたものの何れかから利用できる移動可能なナノ要素或いは制御された圧力によって移動される。一つのマイクロ流体デバイスが、一技術に構築され、または複数の技術を含んでいる。
【００６３】
（好ましいマイクロ流体プロセッサ）
好ましいマイクロ流体プロセッサは、モニタリングまたは検出のために、光学信号とともに熱制御型アクチュエータを主として用いている。特に、それらは制御機能に関する局所抵抗加熱またはペルティエ素子冷却を使用する技術に従って構築される。例えば、熱制御型アクチュエータは、ベースラインを超える局所加熱によって制御されたアクチュエータとともに、温度制御された熱貯蔵器またはペルティエ素子のような冷却要素によって、ベースラインの温度に維持される。局所加熱は、好ましくは、例えば、５０，２５，１５または１０Ｖより小さな低電圧によって都合よく制御されたおよそ１〜２Ｗより小さな低電源抵抗加熱によって供給される。
【００６４】
プロセッサ内のガス貯蔵器に用いられた局所熱により生成されたガス圧力によって、制御目的に必要な機械力が供給される。例えば、制御されたガス圧力は、マイクロ液滴の動きを生じさせるために直接使用される。また、通常の圧力へ復帰は、前記妨害要素が戻って流路を開放することを引き出すのであるが、制御されたガス圧力は、流路の中または近くを移動する要素を遮ることによってマイクロバルブを制御するために用いられる。
【００６５】
好ましい実施形態の場合、その妨害要素は、バルブ動作に関して、局所熱によって溶解される低溶解点を有する固体である。熱制御されたマイクロバルブは、より複雑なアクチュエータに動力を供給するためのプロセッサに対して、外部供給された関連する圧力または関連する真空を認めるように動作する。また、熱制御された機械力は、他の熱感知流体、特異に拡張可能な媒体などの他の手段によって生成される。その上、局所化された加熱及び冷却は、反応制御のためのマイクロ液滴に直接的に適用される。さらに、電気信号が、引力的または反発的な磁性体や電気力のような他の方法におけるアクチュエータ制御のために用いられる。
【００６６】
本実施形態の場合、デバイスモニタリング信号は、好ましくは例えば、温度感知抵抗または半導体要素のような電気的なモニタリング信号を生成するデバイスにマウントされた温度感知要素から主として得られる。局所化された熱は、モニタされた温度によって正確に制御される。そのとき、ガス圧力は、制御された局所熱によって制御される。規定された熱量に関する温度応答を測定することによって、局所熱の容量は、小さな加熱器と結合した温度センサによって監視される。
【００６７】
マイクロ液滴が他の空の流路よりも高い熱容量を有しているので、局所熱容量のセンサを用いて、マイクロ液滴の存在または不存在がモニタされる。他の電気モニタリング信号が、マイクロ液滴の存在を検出する代替手段を供給する、例えば、局所的電気インピーダンスを検出することによって生成される。変形可能な伝導要素のマイクロセンサは、局所圧力の直接検出のために供給される。
【００６８】
光信号は、好ましくは、都合の良いマイクロ流体プロセッサに用いられる。例えば、散乱された放射線が、反応または解析結果を検出したり観察したりする最も単純な手段を供給する。入射放射線は、反応または解析を開始したりシミュレートしたりするのに役立つ。また、マイクロ液滴の位置センサは、光学を基礎とする。
【００６９】
より詳細には、図１は、正確な縮尺率ではない概略図であるが、好ましい熱制御技術の実施形態において、好ましいモジュール及び階層的方法で構築された、典型的な統合型マイクロ流体プロセッサを示している。この典型的な統合型マイクロ流体プロセッサは、以下のステップを介した単純な解析を実行するために設計されている。
すなわち、例えば、サンプルソースと解析試薬ソースとの２つのソースから、あらかじめ規定されたマイクロ液滴を計量するステップと、同質の第３のマイクロ液滴を形成するために前記計量されたマイクロ液滴を混合するステップと、前記第３のマイクロ液滴に温度制御された解析反応物を生み出すステップと、最後として解析結果を光学的にモニタするステップとである。
【００７０】
この典型的なマイクロ流体プロセッサは、３つのタイプのサブアセンブリから構成されていて、各サブアセンブリは、３つのタイプのアクチュエータから構成され、かつ各アクチュエータは、制御可能な１つのタイプのデバイスレベル構成要素から構成されている。また、プロセッサは、流路、貯蔵器、ポート、出口、光伝導体などのような受動的な構成要素を含んでいる。特に、このプロセッサは、分離した４つのサブアセンブリを備えている。すなわち、サブアセンブリとしての計量１と計量２を測定する２つのマイクロ液滴、サブアセンブリとしての計量１を混合する１つのマイクロ液滴、及び反応／検出１として引用されるサブアセンブリとしての反応／検出する１つのマイクロ液滴である。
【００７１】
これらのサブアセンブリは、すべてが受動的な入り口、放出口、通気口、貯蔵器で相互接続された、制御可能な３つの加熱アクチュエータ、制御可能な６つのバルブのアクチュエータ、及び１つの光学検出器から構成される。前記サブアセンブリは、以下の構成要素を有している。すなわち、入り口１、放出口１、バルブ１、加熱器１、流路１を含むサブアセンブリとしての計量１と、入り口２、放出口２、バルブ２、加熱器２、流路２とを含むサブアセンブリとしての計量２と、加熱器１（及び任意選択で加熱器２）、バルブ３、バルブ４、通気口１、通気口２、Ｙ型の流路３、流路４とを含むサブアセンブリとしての混合１と、バルブ５、バルブ６、加熱器３、流路５とを含むサブアセンブリとしての反応／検出１とである。ここで、加熱器１及び加熱器２は、サブアセンブリとしての混合と計量の両方に含まれている。また、加熱器１、バルブ３、バルブ４、通気口１、通気口２、流路１、及び流路４は、サブアセンブリとしてマイクロ液滴の動きを単独で形成する。最後に、受動的な流路に加えて、前記プロセッサは、制御可能なあるタイプのデバイスレベル構成要素、局所抵抗加熱器のみから構成される。抵抗加熱器は、フィードバック情報を供給する抵抗温度検出器に機能的に作用して結合されるのが好ましい。
【００７２】
サブアセンブリ動作の説明の前に、安定位置を生成しかつ定義するための典型的な流路の構成を説明する。一般的に、安定位置は、疎水性の領域によって、または主流路及び排出された側の流路の関連した配置によって生成される。（主流路は、マイクロ液滴が処理される流路に沿って延長しており、側流路は、主流路から枝分かれしたデッドエンドの流路である。）
【００７３】
最初、流路内部の残りが疎水性を有しているかまたは少なくとも可溶性の特徴（通常あるいは処置によっての何れか）を有しているのに対し、図１の例えばｈ１〜ｈ６領域のような疎水性領域は、その内部が疎水性の特徴を仮定するために扱われる領域に制限される。表面張力がマイクロ液滴に影響を及ぼすので、疎水性の領域で移動するときよりも小さな抵抗で水性のマイクロ液滴が親水性の領域の流路内を優位に移動する。その結果、事実上、親水性と疎水性の領域との間の連結部には障壁が存在する。つまり、疎水性領域がマイクロ液滴を“反発”するのに対して、親水性領域が水性のマイクロ液滴を“吸引”する。
【００７４】
このように、これら親水性―疎水性の接合部は、マイクロ液滴が反転するために外部の力を要求する安定位置を相対的に画定する。
図１における加熱器１、加熱器２、通気口１、通気口２への流路に関する疎水性の入り口領域ｈ１、ｈ２、ｈ５、ｈ６の“反発的な”効果があるため、隣接した流路１、２、４の実質的に親水性の内部における“吸引的な”効果と比較して、水性のマイクロ液滴が、これらの疎水的に“保護された”流路に入り込むことから抑制される。
【００７５】
同様に、外部力は、疎水的に保護された領域ｈ３、ｈ４を通過する水性のマイクロ液滴を生じさせることが要求される。その結果、それは、主流路１〜２と、Ｙ型の主流路３との間に安定領域を定義する。疎水性のマイクロ液滴が優位である場合、疎水的及び親水的流路の特徴が反転される。
【００７６】
本発明は、本記載において当業者にとって明白な、安定位置を生成する他の方法を含んでいる。例えば、制御可能な通気口をバルブのある隣接した流路に置換えることによって、安定位置は、バルブが閉められかつ通気口が開けられるときに生成される。
【００７７】
引力の効果は、これらデバイスに用いられた空間次元では無視できるので、デバイス内の局所流路の大きさの相違をおそらく隣接した疎水性の領域と結合して設計することにより、表面張力が利用される。例えば、狭い流路が、表面張力の毛細管効果により大きな流路から流体を引き込むので、相対的に狭い流路が相対的に広い流路に合流する場所で、相対的に安定した位置が形成される。この安定位置は、隣接した疎水性領域の存在により強化される。
【００７８】
また、安定位置は、流路の局所的な構成によっても構成され、疎水的に保護された側の流路が主流路から外部の分岐に分散することが好ましい。例えば、図１において、マイクロ液滴がその左側面に適用された圧力によって通気口３に向かう流路４に沿って移動して、バルブ４が開いている一方でバルブ３が閉じている場合、マイクロ液滴は、通気口２に続く側流路の入り口を越えて、流路５内の安定位置へ存在するためにやって来るだろう。
【００７９】
マイクロ液滴は、疎水性の領域ｈ６が存在するので通気口２への側流路に入り込まないだろう。そして、全てに適用された圧力が通気口２を通って外部へ開放されるので、マイクロ液滴は流路５の中を通過しないだろう。その結果、バルブ３とバルブ４が正確に動かされる場合、通気口２への側流路を越えたこの位置が安定位置である。（バルブ４が閉じられる場合、マイクロ液滴は、流路５を通って動き続ける。）この方法において、疎水的に保護された入り口を有するバルブを使った流路及び側流路もまた、安定位置を画定している。
【００８０】
要するに、疎水性領域ｈ３及びｈ４は、流路１と流路２のそれぞれに隣接した安定位置を生成する。領域ｈ５及びｈ６によって疎水的に保護された通気口１及び通気口２への側流路が、隣接しかつ流路４で接合した右側に安定領域を画定している。
【００８１】
ここでアクチュエータ及びサブアセンブリ動作に戻ると、例えばバルブ１〜バルブ６のようなマイクロバルブアクチュエータは、ガス圧力制御の下で個々の制御された流路を反対にふさぐようにするため、溶解可能な要素、例えばｍ１〜ｍ６のそれぞれを使用するのが好ましい。後述する好ましい実施形態（図６Ａ〜図６Ｂ）では、マイクロバルブが、３つの分離した加熱器と１つの温度センサ（また、３つの温度センサまで）を有しているのが普通であるが、説明を簡単にするため、マイクロバルブは１個の加熱要素だけを備えるものとして図１で概略的に示されている。個々のガス貯蔵器を加熱するヒータ１とヒータ２は、マイクロ液滴の動きとサブアセンブリ構造の一部である熱制御型ガス圧力生成アクチュエータを形成する。流路５を加熱するヒータ３は、この流路に存在するマイクロ液滴における反応の熱制御のために用意されている。流路５に完成された反応結果物が、反応領域に入射放射線を導く光入力コンダクタ０１と名付けられた光アクチュエータ、及び解析のためのサンプルから散乱され放たれた放射線を導く光出力コンダクタ０２によって、この典型的なマイクロ流体プロセッサ内に検出される。前記入射放射線は、可視のＩＲ、または特定の応用例のために要求されたＵＶ幅に存在する。他の検出手段は、他の応用例に用いられる。
【００８２】
サブアセンブリの動作は、構成要素アクチュエータの調整された動作から生じる。まず、２つのマイクロ液滴動きアクチュエータは、ヒータ１及びヒータ２により制御された圧力生成器で生成されたガス圧力手段によって、流路１，２に沿ってマイクロ液滴を動かす。次に、バルブ１、ヒータ１、入り口１、放出口１、流路１といったアクチュエータで構成されるサブアセンブリの計量１は、後述する方法でポートの入力１を通って導かれた流体の標本から、規定された量のマイクロ液滴を計測する。
【００８３】
最初、バルブ３及びバルブ１がまだ開いていない場合は、それらが開けられ通気口１への側流路がブロックされていない。次に、例えば、外部の手動または自動デバイスによって、流体が入り口１に入り、そして最初の疎水性領域ｈ３によって形成された安定位置に流れ込んで、過剰の流体がポートの放出口１を介して排出されながら流路１の幅一杯に満たされる。領域ｈ１は、入ってきた流体がヒータ１への側流路へ進入することを妨げる。最後に、ヒータ１によって生成された制御型ガス圧力は、ヒータ１への側流路の接合部と領域ｈ３との間にある流入された流体より、マイクロ液滴を絞り込む。そして、前記接合部を越えた通気口１への側流路の所にマイクロ液滴を押し進める。領域ｈ５は、マイクロ液滴が通気口１への側流路に入ってくることを妨げる。そして通気口１は、押し進められているガス圧力が逃がしている。サブアセンブリの計量２が同様に構成され動作する。（流路１，２が液滴の計測後に補充されることを妨げるために、不図示のバルブが隣接した入り口１及び入り口２に任意選択で存在する。）
【００８４】
サブアセンブリの混合１は、異なる成分を有する２つのマイクロ液滴を混合し、それらは、後述する方法により、主流路４と通気口１への側流路との接合部により生成された安定位置で隣接して位置付けられている。まず、バルブ３（及びバルブ１とバルブ２）が閉じられ、その結果、流路４内で隣接した状態にあるマイクロ液滴が、流路５に向かって押し進められる。次に、ガス圧力がヒータ１またはヒータ２、またはその両方によって生成され、その結果、流路４内の２つのマイクロ液滴が、通気口２への側流路の接合部を越えて安定位置に移動させられる。重要なことは、生成された圧力が制御されているので、その動きがマイクロ液滴を混合させるのに十分に速いということである。最後に、図１に示された残りのサブアセンブリであって、バルブ５、バルブ６、ヒータ２、ｏ１、ｏ２、流路５を含む反応／検出１は、以下のように動作する。正確な構成を有した混合マイクロ液滴が流路５に位置付けられた後で、この流路はバルブ５及びバルブ６を閉じることによって密閉される。次に、トラップされたマイクロ液滴内の反応をシミュレートするためにヒータ３が制御され、このシミュレートされた反応の結果が、ｏ１及びｏ２により導かれた放射線によって光学的に検出される。
【００８５】
また、図１は、電気信号または光信号に関するリード線及び外部コネクタを示している。例えば、バルブ１に関する制御及びモニタリングリード線８が、バルブからコネクタ１０におけるマイクロ流体プロセッサの終端まで延長する２つのリード線として示されている。（マイクロバルブの十分かつ完全な図では、４または６またはそれ以上の信号リード線を有していることが好ましい。）ここでは、リード線８が実質的に直線で示されているが、多くのアクチュエータ及びリード線を備える殆どのマイクロ流体プロセッサでは、リード線は、障害物や他のリード線を避けるために曲がったり、制御要求が許可されるところで組み合わされたり、絶縁フィルムによってそれぞれ分離されて交差したりしている。
【００８６】
終端コネクタは、例えば、外部ソケットにより適合されたピン配列のように、或いはここで示しているが、制御システムにおけるレセプタクルの接点に接続することによって受け入れられるプロセッサ端に沿って丸められた突起のように、標準化されているのが好ましい。また、典型的な光コンダクターｏ１及びｏ２が、反応／検出サブアセンブリから光カップリングまたはコネクタ７まで実質的にまっすぐ延長されるように示され、好ましくは、外部の放射線源や検出器に対するルーチン接合のために標準化される。また、これらのコンダクタは、障害物を避けたり交差したりするのに必要である。光信号の空間伝送のために、光コンダクタは、光管、光ファイバーその他の手段を含んでいる。
【００８７】
本発明の好ましい実施形態に従って、複数のアクチュエータ制御を要求された多数の終端コネクタは、配列の様式において各アクチュエータへの接触配線を配置／分配することによって減少する。多数の終端コネクタの圧縮結果は、マイクロ流体プロセッサ全体の通信を簡略化するのに都合がよい。リード線及び接触子の従来の配置に従って、各アクチュエータが電気回路を完全にする２つのリード線を要求するのに対して、Ｎ個のアクチュエータを含むデバイスは、２Ｎ個のリード線と２Ｎ個の終端接触子を含んでいる。しかしながら、配列の接触配線を構成することによって、要求された多数の終端コネクタは、わずか２√Ｎ個に減少する。例えば、１００個のアクチュエータを含む親水性のデバイスでは、多数の外部接触子は、２００から２０まで減少する。これは、外部の配線及びデバイス制御を大きく簡略化させる。
【００８８】
前述した状態では、前記圧縮は、配列の接触子を配置することによって達成される。この配列に従って、Ｎ個のアクチュエータに関する電気接触子は、ＲＣ＝ＮであるようなＲ行Ｃ列で構成される。ここで好ましくは、ＲはほぼＣに等しく、もっと好ましくは、Ｒ＝Ｃである。この配列で、与えられた行に位置付けられたアクチュエータは、共通の電気接触子を共有する。同様に、与えられた列に配置されたアクチュエータも、接触子を共有する。各アクチュエータは固有のアドレスを、これは行／列の固有の組合せによって与えられるのであるが、有している。したがって、各アクチュエータは、適切な行と列の組合せの供給電流によって個々に動作する。
【００８９】
本発明による制御に関するマイクロ流体プロセッサが物理的に標準化されていることが好ましく、その結果、異なる反応または解析のために設計されたマイクロ流体プロセッサが、単一の外部制御システムによって制御される。
例えば、標準化は、マイクロ流体プロセッサを幾つかの選択された大きさのみに制限する。電気及び光のコネクタは、標準化された様式、位置及び位置合わせに制限される。入り口ポート、放出口、通気口などは、標準様式及び（簡易な自動アクセスのための）場所に制限される。標準化を推進するマイクロ流体プロセッサのさらに好ましい特徴は、自己説明機能である。プロセッサは、制御可能で受動的な構成要素、相互関係及び内部接続、各制御可能な構成要素に関して制御とモニタリング信号のためのコネクタ識別を可能にすることによって説明される。この自己説明情報は、特定のマイクロ流体プロセッサに関する正確なコネクタに正確な制御信号を生成する制御方法及びシステムによって用いられ、さもなければ、このような自己説明情報は、ユーザまたはその方法の“ハードコード”によって明確に入力されなければならない。この機能は、様々に実行される。例えば、すべての自己説明情報は、マイクロ流体プロセッサに格納される。あるいはまた、プロセッサは、別の所に格納されているこの自己説明情報のデータベースに対してあるキーを格納する。
【００９０】
好ましくは、マイクロ流体プロセッサの構成及び機能のさらなる詳細は、２０００年４月１１日、２０００年５月２日、２０００年１０月１０日にそれぞれ発行された、米国特許番号６０４８７３４号、６０５７１４９号、及び６１３００９８号に提供されている。これらの特許は、ここで権利要求された発明の先行技術を容認することなく、引用によって全体として組み込まれている。
【００９１】
＜好ましい制御システム及び方法＞
本発明の制御システムは、デジタルマイクロ流体デバイスの全体を制御し、一連の構成または“状態”変換のような意図した反応または解析を実行するマイクロ流体デバイスを生じさせるための正確なやり方及び手順における物理的な制御情報を生成する。初期の構成から始まり、マイクロ流体デバイスは、一連の中間構成を通って通過するため、かつ意図した反応または解析が実行される最後の構成での動作を完全にするため制御される。順次の構成変化のそれぞれは、マイクロ液滴の計測、混合、または移動による新たなマイクロ液滴の生成、熱または光手段によるマイクロ液滴の励起、反応結果の検出などから典型的には生じる。これらの動作の間、マイクロ流体デバイスは、前記制御システム及び方法が各動作の成功した完了を保証するために用いるモニタリング信号を生成するのが好ましい。
【００９２】
好ましい実施形態では、本発明の制御システム及び方法は、前述したように、モジュラで階層的に構成され、かつ電気信号及び光信号で制御されるデジタルのマイクロ流体デバイスを制御する。言い換えると、好ましい実施形態では、本発明はマイクロ流体プロセッサを制御する。さらに好ましくは、前述したように、制御されたマイクロ流体プロセッサは、熱制御型技術において実行され、物理的に標準化される。以下の説明は、より好ましくは、実施形態に大きく制限されるのであるが、当業者は、他の技術での全体的なマイクロ流体プロセッサ、及び全体的なデジタルマイクロ流体デバイスの制御に関して記載された好ましい実施形態を生成する方法をたやすく理解するだろう。
【００９３】
したがって、このより好ましい実施形態において、本発明の制御システムは、好ましくは熱制御型マイクロ流体プロセッサに関する個々に制御可能なデバイスレベルの構成要素を制御するための電気（及び光）信号を生成する。また、任意選択で、前記システムは、電気（及び光）信号を受信する。このとき、本発明の制御方法は、好ましいマイクロ流体プロセッサのモジュラ且つ階層的構成要素に反映する信号を生成するために、本発明の制御システムを命令する。個々に制御可能なデバイスレベルの構成要素を制御する信号は、アクチュエータとして一緒に機能する構成要素を生じさせるために生成される。さらに、これらの信号は、マイクロ液滴を動作させるサブアセンブリとして一緒に機能するアクチュエータを生じさせるために生成される。
【００９４】
最高の制御レベルで、好ましくは、前記反応を実行するために設計されたあらかじめ規定された一連の構成を通過することにより、これらの信号は、マイクロ流体プロセッサが意図した反応または解析を全体として実行するために一緒に機能するサブアセンブリを生じさせるために生成される。
【００９５】
また、この階層的な信号生成は、階層的に拘束された信号生成としてみなされる。繰り返すと、デバイスレベルで、好ましいマイクロ流体プロセッサは、より要素的なエンティティの集合としての構成のために実質的または意義深く分解可能でなく、１つの原子的及び基本的エンティティとして選択されたナノテクノロジーに従って構成される個々に制御可能なデバイスレベルの構成要素に含まれる。
最初の拘束は、制御信号が生成されその結果、個々に制御可能な構成要素がアクチュエータとしてのみ一緒に機能し、構成要素の制御信号が要求されたアクチュエータ制御機能によって規定されるということである。２番目の拘束は、そのときアクチュエータの制御機能が生成されその結果、分離した制御可能なアクチュエータが処理を操作するサブアセンブリとしてのみ一緒に動き、アクチュエータ制御機能が要求されたサブアセンブリの制御機能によって規定され、またおそらくサブアセンブリの制御信号として表れるということである。結局、“サブアセンブリ制御”機能は、スクリプトまたはプログラムに従って要求され、その結果マイクロ流体プロセッサは、最初の構成から意図した反応または解析が実行される構成までをリードする構成を実行する。
【００９６】
別の見方をすれば、マイクロ流体プロセッサは、制御システムの“プログラミング”による本発明に従って制御されることが好ましい。その結果、サブアセンブリは、反応を完成させるのに必要な正確な手順において、正確な構成を達成するために機能する。この“プログラミング”は、生成、混合、移動、熱（または他の）励起、及びマイクロ液滴内の反応結果を検出するような、サブアセンブリ機能の用語である。言い換えると、この“プログラミング”は、試薬が計量、混合、加熱等される化学実験室から直感的に理解しやすい用語である。
【００９７】
個々に制御可能なマイクロ流体プロセッサ構成要素すべてのための正確で詳細な制御信号を生成するために、このような“サブアセンブリプログラム”を変換または解釈またはその他の処理を行うこと、及び好ましくは、個々のマイクロ流体プロセッサ構成要素がアクチュエータとして機能しそのアクチュエータがサブアセンブリとして機能するために、これらの信号を生成することは、本発明のシステム及び方法である。本発明のシステムによって実行される本発明の方法は、前述した階層的な拘束を強化し、制御型マイクロ流体プロセッサのデバイスレベルの詳細をカプセル化する。エンドユーザは、非常に簡略化された制御、または“プログラミング”タスクを提供される。
【００９８】
これらの“サブアセンブリプログラム”は、好ましくは少なくとも２レベルの階層として構成される本発明の制御システムにより実行される。最高レベルには、例えば、ＰＵ型コンピュータまたは組み込み型マイクロプロセッサのような１またはそれ以上のプログラム可能な構成要素がある。その次のレベルには、プログラム可能な構成要素の制御下にあり、電気（及び光）制御信号を実際に生成して応答する周辺インタフェース回路を含んでいる。
本発明の方法は、制御型マイクロ流体プロセッサにおいて個々に制御可能な構成要素から通ってくる制御信号を生成し受信するために、階層的な回路を制御するプログラム可能な装置を生じさせるプログラム可能な装置のためのプログラムとして実行することが好ましい。
【００９９】
さらに詳しくは、意図した反応または解析を実行するマイクロ流体プロセッサを生じさせるユーザによって供給される“サブアセンブリ”プログラムは、代替方法として、プロセッサが順番に実行させるようにするサブアセンブリ機能のリスト、またはプロセッサが順番に仮定するようにするプロセッサ構成のリストになっている。これらのプログラムリストは、テスト、分岐、統合のための指令を選択的に含んでいる。テスト及び分岐は、マイクロ流体プロセッサがモニタリング信号を生成する場合、及び本発明のシステムや方法が“サブアセンブリプログラム”レベルでモニタ情報を利用可能にする場合に都合がよい。このとき、本発明の方法は、変換したり、コンパイルしたり、解釈したり、またはマイクロ流体プロセッサに関して要求された階層型の構成や拘束された制御信号を生成するために周辺制御回路を介して動作するプログラム可能な制御システムを生じさせる他のことを行う。
【０１００】
好ましい実施形態では、制御信号の階層構造、または等価としての制御信号生成上の拘束は、好ましくは、信号生成機能の階層構造に一致するものとして実行される。このような構造の場合、特定のレベルでの機能が低レベルの機能の手段によってのみ正しく拘束された方法で動作するとき、信号の構造及び拘束は、低レベルの機能が低レベルの拘束で維持されるのと同じ期間で、すべてのレベルで自動かつ容易に維持される。
【０１０１】
例えば、“サブアセンブリレベルの”機能は、どのようなアクチュエータが各プロセッサの構成要素によって実行されるかに関係なく、“アクチュエータレベル”の機能を正確な手順を要求することによってマイクロ液滴の機能を実行する。結局、“構成要素レベル”の機能のみが、信号生成を制御するためのユーザプログラムを実際に変換してモニタリング信号を実際に受信し、かつ、熱制御されたデバイスの最も詳細な実行を含んでいる。
【０１０２】
添付データに沿った制御機能のこのような階層組織は、多くの適切なプログラム言語及びソフトウェア技術パラダイムにおいて表されている。一方で、本発明の方法は、ユーザ提供のサブアセンブリプログラムを機能要求に変換するために、制御型マイクロ流体プロセッサの動作まで待っている。例えば、構成要素、アクチュエータ、及びサブアセンブリの制御機能は、（Ｃ＋＋のようなオブジェクト指向言語を用いる）オブジェクト指向型プログラミングシステムにおけるオブジェクトとして実行される。ここで、前記制御機能は、オブジェクト方法であり、動作の間に変換されたメッセージ方法に応じて順次に演算される。
【０１０３】
同様に、前記方法は、動作の間のみ機能を呼び出すインタプリティブシステムとして実行される。他方、これらの方法は、最初のコンパイルステップの間プログラムを変換する。例えば、様々なレベルの制御機能が、手続きパラダイムにおける（Ｃのようなマクロ機能を伴う手続き言語を用いた）マクロとして実行される。そして、前記手続きパラダイムは、各サブアセンブリ命令を複数のアクチュエータ命令に対応させて変換し、その結果、プログラムはプログラム可能な装置の命令に変換される。混合された実行は可能である。例えば、制御機能はライブラリールーチンとして表され、高レベルな機能がオブジェクトであり、かつ低レベルな機能がマクロである。
【０１０４】
本発明の方法に関するデータは、例えば、マイクロ流体プロセッサの現在の構成、アクチュエータの現在の状態、プロセッサの構成要素を含んでいる。これらのデータは、（マイクロ液滴が逐次的構成の間で変化することを含みながら）マイクロ液滴の制御機能によって用いるのに適した方法で表されるのに都合がよい。
【０１０５】
（制御方法）
この節では、好ましい構造のデータとパラメータに沿った制御信号の生成機能、好ましい実行における熱制御型マイクロ流体プロセッサに関する好ましい構造について説明する。以下の説明は、前述した階層オブジェクトの実行のため、マクロによって前述した階層を包含する手続きの実行のため、ライブラリールーチンによって前述した階層を呼び出す手続きの実行のための任意の実行パラダイムに適用する。当業者であれば以下の説明を前記選択されたパラダイムに容易に適用できるであろう。また、以下は現在の好ましい機能配分を階層レベルで説明するものであるが、本発明の方法は、他の機能配分、及び他の機能の定義についても容易に適合可能である。特にアクチュエータに対する構成要素のグループ化は、実行及び技術に依存する。また、機能レベル、例えば、サブアセンブリやアクチュエータレベル、またはそれ以上の都合がよい機能レベルは数少ない。
【０１０６】
好ましい機能構造
図２は、制限するものではないが、好ましい技術で実行された熱制御型マイクロ流体プロセッサに関する、典型的だが好ましい階層的な組織の信号生成機能を示している。この図は４つの機能レベルを示し、その４つとは、構成要素レベル、アクチュエータレベル、（構成またはマイクロ液滴レベルとして図２で機能的に識別される）サブアセンブリレベル、及びユーザレベルである。高度なレベルの機能は、低レベルの機能を含むことによってのみ動作するので、自身の拘束によってとどまる必要がないばかりか低レベルの全機能の拘束によってもとどまる必要がない。前述したように、これは、最後に生成されたプロセッサの制御信号が、完全な好ましい階層構造及び拘束によってとどまることを保証している。
【０１０７】
まず、最低レベルの機能は、構成要素レベルの機能１５ｂである。それは、好ましくは、個々に制御可能なマイクロ流体プロセッサの構成要素の制御に関する電気信号または光信号の生成を直接生じさせる機能のみである。例えば、“電流／電圧制御”の原始的な機能は、特定の電気制御信号を生成したりモニタリングするための制御システムを生じさせる。前記“外部スイッチ制御”機能は、これらの信号生成器に信号コネクタをスイッチするための制御システムを生じさせる。（“内部スイッチ制御”機能は、存在する場合、電気制御信号をプロセッサから内部の構成要素へのコネクタまで迂回させる内部のマイクロ流体プロセッサにスイッチする。）したがって、これら２つの機能の結合動作は、制御システムと電気制御型プロセッサ構成要素との間の電気的な制御信号を生成しモニタする。
【０１０８】
特定の構成要素の制御に関する正確なコネクタが、コネクタ構成情報を含む前述した自己説明マイクロ流体プロセッサデータより規定される。好ましくは、自己説明マイクロ流体プロセッサの場合、自己説明情報またはこれに対するキーは、マイクロ流体プロセッサ自身から得られる。プロセッサからこの情報を読み出す機能は、“感覚デバイスタイプ”機能と呼ばれる。結局、“レーザダイオード制御”及び“フォトダイオード制御”の機能は、類似した光信号制御を与えている。
【０１０９】
また、レベル１５は、補助的なある単純機能１５ａ含んでいる。この機能１５ａは、自動的に実行可能なデバイス構成要素の動作よりもさらに幾分複雑な動作を実行するが、アクチュエータとしてよりもむしろ構成要素としてやはり単純かつ最良に分類されるものである。機能１５ａは、機能１５ｂまたは他の機能１５ａを含む。汎用化された構成要素レベル機能の例は、“センシング温度”機能であり、それは一定のセンサ要素で温度を出力する。特定の（抵抗的な）温度モニタ要素が与えられると、その外部接点が、説明的なマイクロ流体プロセッサデータによって示される。これら示された接点の電気出力は、“電気／電圧制御”及び“外部スイッチ制御”機能によって監視され、かつセンサの既知な物理属性からみた温度へ変換される。“制御された加熱”は、より原始的な制御及びスイッチ機能、加熱要素に対するパワーを用いて使用され、または一定の温度を実現するための“センシング温度”機能の出力からみた適合パワーにあわせられる。
【０１１０】
前記構成要素レベルの機能と提案された実行は、制限することを意図していない。第１に、その他且つ付加的な構成要素レベルの機能が定義され、リストされた機能が典型的であり網羅的でない。第２に、構成要素レベルの機能が実行技術によって規定されるのが典型的であるので、それらは異なる技術のマイクロ流体プロセッサと異なるのが典型的である。一技術の中にでさえ、加熱、センシングなどの詳細は、異なる特定のマイクロ流体プロセッサの実行と異なる。さらに、一プロセッサタイプのためにでさえ、異なる好ましい実施形態が、原始的で汎用的な構成要素レベルの機能をそれぞれにまとめている。
【０１１１】
アクチュエータのレベル１６は、１またはそれ以上の制御グループがある方法、ある手順で構成要素を普通に相互接続した機能を含み、その結果、それらは特別のアクチュエータ型の機能を達成するために同時に機能する。アクチュエータ型機能は、マイクロ流体プロセッサのマイクロバルブの開閉、圧力の生成、量のセンシング等のような化学反応を実行するのに必要な“配管”または“機械”に関連しているのが一般的である。例えば、“センシング反応結果”機能は、光学的に実行される。それは、“レーザダイオード制御”手段及び“フォトダイオード制御”機能によって動作し、まず、反応結果が照らされる正しい外部の光学コネクタに提供される正確な入射放射線を生じさせ、次に、観測される放射線が散乱または放射されるようにする。“マイクロ液滴センシング”機能は、事実上、局所熱容量を測定することによってマイクロ液滴の存在または不存在を検知する。したがって、このアクチュエータ機能は、まず、“制御型熱”機能手段によって一定の量の熱を供給し、次に、“温度センシング”機能手段による温度反応を判断する。大きな温度増加は、マイクロ液滴の不存在を表示する低加熱容量を示し、かつ逆も同様である。
【０１１２】
また、この機能は、マイクロ液滴プロセッサ、または“センシング反応結果”機能に類似した方法で領域の光学的属性をセンシングすることによって領域における不存在を規定するために光学的に実行される。“圧力生成”機能は、一定のパワーでまたは高圧貯蔵器のガスを加熱するための一定の温度で“制御型熱”機能を用いる。生成された圧力は、可能ならばマイクロ流体プロセッサの圧力センサでモニタされる。最後に、重要なバルブの“開閉”機能を続けて説明する。
【０１１３】
アクチュエータの個々の構成要素、及びアクチュエータの識別子で索引付けされた相互接続を記載する情報は、自己説明プロセッサのデータから利用可能である。この場合、単に、アクチュエータの識別子が、アクチュエータ機能に特定され、それは、ユーザの注意またはこの情報の入力を要求することなく、自己説明プロセッサのデータから構成要素の部分を自動的に規定する。その結果、例えばコネクタ識別子のような構成要素の情報が、構成要素レベルの機能によってこの同一データから自動的に規定される。
【０１１４】
実質的にすべてのマイクロ流体反応プロセッサによって必要とされた機能を反映するので、アクチュエータ型機能は、構成要素レベルの機能よりもより標準化されているものと期待される。例えば、実質的にすべてのマイクロ流体反応プロセッサは、バルブの開閉機能を備えたマイクロバルブを有する。それにもかかわらず、アクチュエータレベルの機能及びここで記載され提案された実行は、典型的であるが消耗的でなく制限を意図したものでもない。例えば、ある構成要素レベルの機能、特に汎用機能１５ａは、異なる実行でのアクチュエータ機能とみなされる。第２に、これらアクチュエータ型の多くは、異なるプロセッサで実質的に類似しているのであるが、その実行は、実行技術で利用可能なプロセッサ構成要素に依存する前記提案された実行とは異なる。第３に、異なるアクチュエータ機能は、異なるプロセッサに存在する異なる構成要素タイプの優位性を保って存在する。例えば、センシングアクチュエータの幅広い範囲が、拡張されたセンシング技術の優位性を保って存在している。
【０１１５】
（サブアセンブリによって汎用的に実行される）構成／マイクロ液滴１７の機能は、マイクロ液滴、好ましくは安定位置から安定位置へマイクロ液滴が移動するために原始的なアクチュエータ機能１６を呼び出すマイクロ液滴で動作するものである。したがって、構成／マイクロ液滴１７の機能は、プロセッサ内に存在するマイクロ液滴及びそれらの安定位置により定義される構成を通して、マイクロ流体プロセッサが進行することを提供する。言い換えると、マイクロ液滴機能は、安定位置での１またはそれ以上のマイクロ液滴で開始し、１またはそれ以上のマイクロ液滴が異なる安定位置で再び完成するためのアクチュエータ機能を呼び出す。これらの機能は、不安定位置、マイクロ液滴が自発的に及び不確定の方法で動く位置では、マイクロ液滴を完成しない。それゆえ、不安定位置のマイクロ液滴は、マイクロ流体プロセッサの動作を予測可能しかつ規則正しくすることを不可能にする。この状況は避けられるものである。
【０１１６】
マイクロ液滴機能に関する入力情報は、動作するべきマイクロ液滴の位置を含んでいる。この情報は、新たなマイクロ液滴位置で更新され最後の構成で機能が終了するという、初期のプロセッサ構成から得られることが好ましい。また、センシングアクチュエータが存在するところでは、これらの機能はマイクロ液滴位置をチェックし、測定された位置及び意図した位置が矛盾しているか否かのエラーを報告する。より好ましくは、マイクロ液滴位置及びプロセッサの半説明データを用いて、これらの機能が、意図した結果を達成するように呼び出すアクチュエータを自動的に規定することである。そうでなければ、マイクロ液滴位置、及びひょっとしたら正確なアクチュエータが、（先のマイクロ液滴動作が成功することを仮定する）ユーザ及びこれらの機能に対する入力によって規定されなければならない。
【０１１７】
マイクロ液滴レベルの機能は、計測、混合、過熱などのような標準型の化学的研究にあわせて供給されるのが好ましい。したがって、機能１７は、既知の量の新たなマイクロ液滴を形成するための流体源からマイクロ液滴を測定する機能、ある安定位置から別の安定位置へマイクロ液滴を移動する機能、同質のマイクロ液滴を形成するために非同質のマイクロ液滴を混合する機能、熱または他のタイプの励起などによって反応を実行する機能を含んでいるのが普通である。
【０１１８】
本発明のマイクロ流体プロセッサは、化学または生化学解析を実行するマイクロ液滴を動作させることによるデジタルの方法によって動作するので、マイクロ液滴の基本型の機能は、非常に“マイクロ流体プロセッサに独立”している。例えば、あるタイプの反応によって要求される場合に、マイクロ液滴構成の分離のようなあるマイクロ液滴機能が付加される。あるいはまた、基本のマイクロ液滴機能の組合せが、効率を上げるために一機能として使用される。詳細な機能のバリエーション及び機能の実行は、異なる技術及びプロセッサタイプの間に生じる。好ましいプロセッサに関する機能の好ましい実行を続いて説明する。
【０１１９】
ユーザレベル１８の機能は、マイクロ流体プロセッサにおける意図した反応や解析を実行しモニタリングするエンドユーザに役立つ仕事を行う。機能１８ａは、“プロトコル／コンパイラ／インタプリタ”機能であるが、意図した反応を実際に実行するためのマイクロ流体プロセッサに関与する。キー機能であるインタプリタ、コンバート、コンパイラその他は、ユーザ提供の反応プログラム、好ましくは、必要な反応物を含むマイクロ液滴を準備するマイクロ液滴レベルの一連の機能として実質的に特定されたプログラムを処理し、この準備したマイクロ液滴に意図した反応が生じるようにし、そして反応結果を検出したりセンシングしたりする。前述したように、反応は、マイクロ液滴レベルの機能を呼び出すことによって非常に“プログラム化”されていること、及び呼び出された機能を実行するマイクロ流体プロセッサを生じさせる正しいコネクタへ必要な制御信号を最後に生成するため、本発明の階層的な機能を利用していることが好ましい。アクチュエータ及び構成要素機能と同様なマイクロ液滴機能が、詳細なアクチュエータ動作を殆どカプセル化しているので、ユーザは化学的な実験動作をルーチン化するのに対応した期間で反応を特定するのに都合がよい。自己説明のマイクロ流体プロセッサのデータは、内部プロセッサの詳細を気にすることなく本仕様を許可する。
【０１２０】
また、ユーザレベル１８は、動作型機能１８ｂを含んでおり、これは、反応の選択またはマイクロ流体プロセッサにより実行される“プログラム”の解析を許可することにより、プロセッサの準備を完了した後選択された反応“プログラム”を開始することにより、及び反応を終了させてセンシングされた反応結果を戻す等により、マイクロ流体プロセッサの制御を可能にする。また、操作機能は、それが反応を処理するときにマイクロ流体プロセッサをモニタリングすることを可能にする。例えば、モニタリング機能は、マイクロ液滴の現在位置マイクロ流体プロセッサアクチュエータ及び構成要素の現在の状態などのマイクロ流体プロセッサの現在の状態の描写を、すでに実行されたりまだ実行されていない“プログラム”ステップの指示に沿って、適当なディスプレイ装置にグラフィカル（或いは他の形式で）に示す。任意選択で、操作型の機能は、プログラム開発、デバッグツールを含んでいる。例えば、マイクロ液滴機能命令を入力するため、プログラムを介した“単一ステップの”プロセッサのため、コンピュータシステムに関するプログラミング環境からの親近感をさらに促進するためのツールである。
【０１２１】
特定の階層レベルの機能は、要求を行うことによってその行動を実行するので、要求の交換が基礎となり様々に参照される。例えば、高レベルの機能が、要求を生成し、送信し、変換などする。そしてそこでの低レベルの機能が、要求を処理し、受け入れ、受信等している。あるいはまた、高レベルの機能が低レベルの機能へ要求をもたらす。
【０１２２】
好ましいデータ構造
階層的に配置された信号生成機能は、例えば、マイクロ流体プロセッサに関する自己説明データ、現在のプロセッサ状態のデータ記述、及びプロセッサ内のマイクロ液滴の構成や状態といったデータを利用し維持するのが好ましい。マイクロ流体プロセッサに関する自己説明データは、プロセッサの構成要素、その構成要素がどのように内部接続され、どの外部接点によって制御されているかを一般的に特定する。例えば、プロセッサの構成要素は、原子構成、そのタイプ、属性、及びそこでの制御可能な制御コネクタのリストとして記載される。また、アクチュエータは、それらが構成される以外のタイプ、属性、及び原子構成として記載される。アクチュエータの構成要素を制御する外部接点は、これらの構成要素を制御するアクチュエータ及びコネクタの構成要素から規定される。構成要素の相互接続は、流路、疎水性領域、入り口部分、出口部分、通気口等のリストによって、ネットワークフロー図として表される要素に関する連結性の指示に沿りながら記載される。
【０１２３】
自己説明プロセッサデータは、好ましくはマイクロ流体プロセッサによって、あまり好ましくなく制御システムによってまたはこれらの組合せで動作することによって自動的に提供される。ある実施形態において、ＲＯＭタイプのメモリ（またはＥＰＲＯＭ、または他の永久或いは準永久メモリ）が、少なくともプロセッサ説明データを含むマイクロ流体プロセッサの中やその上に埋め込まれる。あるいはまた、このメモリは、完全な自己説明データを検索する制御システムのデータベースで検索キーの情報のみを格納する少ない（１０個以下）バイトに制限される。他の実施形態の場合、バーコードのような機械読み出し可能なしるし、またはシリアル番号のような人間が読み出し可能なしるしは、マイクロ流体プロセッサに形成される。標準型コネクタ手段（例えば、全てのマイクロ流体プロセッサ上の接続“１，２，３，及び４”）によって埋め込まれたマイクロ流体プロセッサメモリをアクセスすること、または機械読み出し可能なしるしによって読み出すこと、または人間が読み出し可能なしるしを手作業で入力することによってのいずれかで、“センシングデバイス型”の構成要素機能は自己説明データを取得する。
【０１２４】
自己説明マイクロ流体プロセッサデータは、象徴的に識別された構成要素及びアクチュエータによって、構成及びアクチュエータレベル機能の簡単なパラメータ表示を許可する。例えば、“制御型加熱”機能は、“加熱器６Ｂ”に用いられる。ここで、“加熱器６Ｂ”は、自己説明データの機能によって識別される。それに較べて、外部接続３９，４２，４３，及び６８に対して“制御型加熱”機能を適用することは、柔軟性が少ない。“開／閉バルブ”機能は、“バルブ１２”の構成要素またはそれらのコネクタの代わりに、“バルブ１２”を適用することがより好ましい。また、マイクロ流体プロセッサを記載する情報は、象徴的に識別される構成要素及びアクチュエータの状態を含んでいることが好ましい。例えば、現在の温度または“加熱器６Ｂ”の過去の加熱が８０Ｃであり、“バルブ１２”が現在“開”などである。
【０１２５】
機能はマイクロ液滴構成または“状態”データをさらに含んでおり、“状態”データは、マイクロ流体プロセッサに現在存在するマイクロ液滴のリスト、及びそれらの構成や現在位置を含んでいる。例えば、マイクロ液滴構成要素は、前記ソースまたはマイクロ液滴が形成されたソースによって記録される。マイクロ液滴位置は、構成間の変化の間、瞬間的にだけ発生する現在の不安定位置を記録する。マイクロ液滴は、その構成において象徴的に特定される。例えば、６番目のマイクロ液滴が“マイクロ液滴６”を生成し、マイクロ液滴機能が、象徴的に特定されたマイクロ液滴に用いられる。例えば、“マイクロ液滴移動”機能が“マイクロ液滴６”に用いられるとき、その機能は、現在のプロセッサ構成からこのマイクロ液滴の現在位置を規定する。この規定された位置により、次に、“マイクロ液滴移動”機能は、“マイクロ液滴６”を移動することを呼び出す正しいアクチュエータを自己説明プロセッサデータから、そしてこれらアクチュエータの現在状態を現在の状態情報から規定する。前記規定されたアクチュエータが、その構成要素に呼び出されるとき、構成要素のコネクタ及び構成要素の状態が同様に規定される。あるいはまた、単純ではあるがあまり好ましくない実施形態では、アクチュエータ、構成要素、及びコネクタが、あらかじめ特定される。
【０１２６】
最後に、ユーザレベルの動作モニタリング及び表示機能が、この機能データを表示する。例えば、マイクロ流体プロセッサ動作のアニメーションが、マイクロ流体プロセッサ構成要素及びマイクロ液滴の現在位置や現在の構成要素の活性化に沿った接続のマップとして表示される。
制限された現在の状態についても、動作選択されて表示される。
【０１２７】
本発明の一実施形態では、マイクロ流体プロセッサが、オブジェクト指向プログラミングパラダイムにあらわされる。典型的なオブジェクトの表示において、そこではいくつかのまたは全ての構成要素、アクチュエータ、マイクロ液滴などが、オブジェクトとしてあらわされるのだが、維持されたデータが、各オブジェクトのタイプ、状態、他のオブジェクトとの幾何学的関係などを定義するオブジェクトのインスタンスデータとしてあらわされる。この制御機能は、構成要素、アクチュエータ、及びマイクロ液滴オブジェクトを操作する方法である。これらマイクロ流体プロセッサ制御機能は、維持されたデータがリスト、テーブル、ツリー、その他既知の構造体としてあらわされる他のプログラミングパラダイムにあらわされる。
【０１２８】
（制御システム）
本発明の制御システムは、分散され、かつ階層的な構造を有しているのが好ましく、図２に示されている階層的な制御機能構造を並列しているのが一般的である。構成要素レベル機能１５及びアクチュエータレベル機能１６のような低レベルの制御機能は、制御型マイクロ流体プロセッサ（例えば、図３Ａのデータ収集と制御盤３６）に直接接続するために構成されたシステムインタフェースハードウェアで実行される。高レベルの機能、ユーザレベルの機能１８、特に動作機能１８ｂが、ユーザのインタアクション（例えば、図３Ａの個人コンピュータ２７）のために構成されたユーザシステムのハードウェアで実行される。中間機能レベル、反応制御１８ａレベル、マイクロ液滴レベル１７（または構成要素レベル）、及びアクチュエータレベル１６が、前記インタフェースで、または前記ユーザのハードウェアで、または中間のハードウェアレベルで都合よく実行される。（マイクロ液滴レベル１７機能は、前述した物理的なサブアセンブリによって実行され、その結果、それはアクチュエータ及びおそらく個々の構成要素で構成される。）
【０１２９】
制御システム及び特にシステムのインタフェースハードウェアは、インテル、モトローラ、その他のサブアセンブリ製造業者から利用可能なものとしてマイクロプロセッサで実行される。混乱を避けるため、このような制御システムのプロセッサは、“マイクロプロセッサ”と常に呼ばれ、一方で、マイクロ流体プロセッサプロセッサは、“マイクロ流体プロセッサ”と単に“プロセッサ”の両方で呼ばれる。
【０１３０】
図３Ａは、典型的な好ましい２つのレベルの制御を示している。マイクロ流体プロセッサ２０は、標準化された大きさ、形状、及び電気的光学的コネクタ２１を含む標準型の物理構成を有するものとして示され、電気的光学的コネクタ２１は長方形のマイクロ流体プロセッサ２０の３つの端に沿って配置されている。このプロセッサは、プロセッサの接点２１と接続するために標準化された電気的及び光学的コネクタ２５を有するインタフェースハードウェアのレセプタクルに着脱される。殆どのコネクタは電気信号用であるが、光学的にモニタされたりマイクロ流体プロセッサを励起されたりする場合には、光学信号（ＩＲ、可視光、ＵＶ）用である。さらに、典型的なマイクロ流体プロセッサ２０は、流体の試薬またはサンプルを受け入れるために３つの入力ポート２２を有している。好ましくは、これらの入力ポートはプロセッサ上の標準位置にあり、その結果、利用可能な実験ロボット２４が、マイクロ流体プロセッサの幾つかのタイプのポートにおける自動ローディングのために容易にプログラム化される。そうでなければ、前記ポートは、手作業のローディングのためにアクセス可能である。可能であれば、反応物はマイクロ流体プロセッサであらかじめ実装される。さらに、プロセッサ２０は、少なくとも自己説明プロセッサ情報を格納するために標準的なコネクタを介してアクセス可能なマイクロ回路２３を有している。あるいまた、プロセッサ２０は、デバイスタイプやさらなる情報を含むバーコードのようなしるしを生じる。
【０１３１】
図示した第１のレベルのインタフェースハードウェアは、マイクロ流体プロセッサ２０に直接接続されたデータ収集（“ＤＡＱ”）ボード２６を含んでいる。好ましいＤＡＱボードは、例えば、ＲＡＭメモリ（例えば１〜８ＭＢ）とともに埋め込まれたマイクロプロセッサを含んでプログラム可能であり、それは、電気的光学的なセンサ／ドライバ回路を制御し、かつこれらの回路の出力とコネクタ２５との間にスイッチする。センサ／ドライバ回路は、マイクロ流体プロセッサに制御信号を供給するため、またはモニタリング信号を受信するためのマイクロプロセッサ制御の下で、コネクタ２５の間でスイッチされる。例えば、レーザダイオード放射線源やフォトダイオード放射線検出器のような光信号構成要素が、マイクロプロセッサによって同様に制御される。
【０１３２】
また、ＤＡＱボードは、制御システムの広範囲な高レベル部分へのリンクを許可する標準的な外部インタフェースを含んでいる。ここで示したのは、ＵＡＲＴ、ＵＳＢ、ファイアワイヤ、イーサネット（Ｒ）など本発明で用いられるすべての標準インタフェースに類似する、汎用の５有線で双方向の逐次インタフェース２８である。他の実施形態において、前記ＤＡＱボードは、高レベルの制御システムのバスにプラグされるように構成される。ユーザのハードウェアは、標準プロトコルに従ってメッセージ交換手段によりＤＡＱと通信することが好ましい。
【０１３３】
意味のあるマイクロプロセッサとメモリソースを備えたＤＡＱボードは、制御機能すべてを可視的に実行する。例えば、このようなボードは構成要素レベル機能１５、アクチュエータレベル機能１６、マイクロ液滴レベル機能１７、及び反応制御機能１８ａを実行する。この好ましい実施形態では、ユーザインタフェース機能だけがユーザのハードウェアでより効果的に実行される。可能性のあるＤＡＱボードは、制限された資源の殆どのユーザハードウェアで機能する。高レベルの反応制御機能で開始し、機能階層の低いところで進行しながら、可能性があまりないＤＡＱボードで、制御機能がユーザのハードウェアに都合よくシフトされる。前者の場合、限定的なモニタリングメッセージが、ＤＡＱボードとユーザハードウェアの間で交換されることが必要とされ、後者の場合、ユーザハードウェアがパラメータ化されたメッセージが低レベルの機能を呼び出すＤＡＱボードに送られる。これらのメッセージは、ＤＡＱインタフェースによる実際の転送のためのパケットに分配され、その転送がエラーチェックされる。
【０１３４】
代替の実施形態において、最も低いレベルの制御機能が、プロセッサ２０自身、例えば、マイクロ回路２３に埋め込まれた制御ハードウェア上に、ＤＡＱボードからオフロードされる。例えば、この回路は内部スイッチとして使用され、その結果、少数の外部接点２１が、多数の制御またはプロセッサ上のモニタリングリード線の間でスイッチされ外部接点に保存される。他の構成要素制御機能は、マイクロ流体プロセッサにオフロードされる。
【０１３５】
（ここでは“ホスト”とも称される）ユーザハードウェアは、本発明におけるトップレベルの制御システムである。殆どの実施形態において、ユーザハードウェアは、図２のユーザインタフェース機能１８ｂを少なくとも実行する。ユーザの入力に応答して、これらトップレベルの機能は、プロセッサの反応を開始し、モニタリングし及び停止すること、及び反応結果を報告することの最終制御を有している。
【０１３６】
ユーザのハードウェアまたはホストは、ソフトウェア命令と、自身のため及び接続されたＤＡＱボードのためのデータとの間で、管理上の機能をさらに実行する。ホストが実行するようにさせるソフトウェア命令は、光ディスク２９のようなコンピュータ読み出し可能な媒体からロードされたり、ネットワーク相互接続３０からダウンロードされたりする。また、データはコンピュータ読み出し可能な媒体からホストコンピュータにロードされ、特に、マイクロ流体プロセッサの説明データのデータベースがホストにロードされる。さらに、ホストは、例えば、ＲＯＭ／フラッシュメモリカードや小さなハードディスクに格納されていることによって、まだ常駐していないソフトウェア命令やデータをＤＡＱボードに“ダウンロード”する。このダウンロード及びロードされたデータは、ＤＡＱボードが割り当てたタスクを実行するようにする。ユーザのハードウェアは、マイクロプロセッサ、メモリ、及び記憶装置でプログラム可能であることが好ましく、ＤＡＱボード上の標準インタフェース手段によって、制御されたＤＡＱボードに接続する。
【０１３７】
本発明の階層的制御システム、つまり、ハードウェア、ＤＡＱボード、及び任意選択でマイクロ流体プロセッサ自身であるが、異なるアプリケーションに適する多数の異なった設計点で都合よく構成されている。図３Ａに示すように、ユーザハードウェア２７は、５００Ｍｈｚまたはより高速のマイクロプロセッサと、６４ＭＢまたはそれ以上のメモリとを典型的に備え、ＰＣにプラグする双方向のＵＡＲＴ２８によってスタンドアローンＤＡＱボード２６に接続されるラップトップＰＣである。この実行は、携帯型の中間スループット例または右の実験使用に適している。
【０１３８】
より携帯型設計点は、手で持てるサイズの解析システムである。ホスト２７は手のひらに乗るサイズまたは他のタイプの手の中に収まるような小型のコンピュータであり、ＤＡＱボード２６は、“拡張”ソケットまたは他のレセプタクル（コンセント）または前記手で持てるサイズのホスト上のプラグである。その結果、マイクロ流体プロセッサ２０は、ＤＡＱボードレセプタクルにプラグする。また、前記小型のコンピュータは、無線でアクセスするような遠隔通信インタフェースを含んでいる。この設計点は、医療例で医者のオフィス、ベット脇、緊急状態等で使用される場合も含んでいる。また、工業化学の製造方法の“分野”に関する工業例を含んでいる。他の例は、当業者であれば容易に理解できよう。
【０１３９】
別の設計点としては、携帯型ではないが、ホスト２７が任意のＰＣ型またはワークステーション型実験コンピュータ、及び多数の適切な構成で配置されたマイクロ流体プロセッサ２０を有する１またはそれ以上のＤＡＱボード２６である高スループットな実験解析システムであるということにある。単純な配置の場合、ＤＡＱボードはデータケーブル２８経由でホスト２７に接続する（不図示の）テーブルトップホルダーに存在する。
【０１４０】
あるいはまた、関連するＤＡＱボードを備えた多重のマイクロ流体プロセッサ２０が、１つのホルダー、または複数のホルダーに存在し、そしてイーサネット（Ｒ）接続のようなネットワーク接続によってホスト２７へ接続される。さらに完全な自動化実験のため、関連するＤＡＱボードを備えた１またはそれ以上のプロセッサ２０が構成され、サンプルまたは反応物が、１またはそれ以上の標準型実験ロボットによってプロセッサに導入される。図３Ａでは、マイクロ流体プロセッサ２０の入力ポート２２にアクセスする実験ロボット２４が示されている。この実験ロボットは、ケーブル３１を介してホスト２７より制御されていて、マイクロ流体プロセッサローディング及びプロセッサ動作が、１つのコンピュータより都合よく及び自動的に制御される。あるいはまた、ロボットは、分離されたコンピュータによってステップされる。
様々な他の例に適する広範囲な他の設計点は、当業者であれば容易に理解できよう。
【０１４１】
＜好ましい熱制御型の実施形態＞
より好ましい実施形態では、本発明のシステム及び方法が、図１に示されるような熱制御型のマイクロ流体プロセッサに適用される。ここでの小章には、そのシステム及び方法のより好ましい実施形態を順に説明する。
【０１４２】
（ＤＡＱボードアーキテクチャ）
実施形態のＤＡＱボードは、比較的能力があり、このため広い能力を有するユーザ装置またはホストにインタフェースされる。ＤＡＱボードアーキテクチャは、ここで述べる好ましいハードウェアアーキテクチャと、好ましいシステムソフトウェアアーキテクチャの両方を含んでいる。
【０１４３】
ハードウェアアーキテクチャ
図３Ｂは、本実施形態のＤＡＱボードに関する好ましいハードウェアアーキテクチャを示している。まず、ＤＡＱボードは、１またはそれ以上のレセプタクル、スロット、ソケット等を有している。１またはそれ以上の置換え可能なマイクロ流体プロセッサは、外部のコネクタと良好に接続するしっかりサポートされた方法で適応される。マイクロ流体プロセッサは、例えばＰＣＢボードのような比較的堅い基板にマウントされるのが好ましい。プロセッサ基板は、選択された形状、サイズ、及びＤＡＱボードレセプタクルタイプに対応しながら、容易に置換えられるような１または殆どが少数のコネクタ構成を有するために標準化される。したがって、図３Ｂは、基板３６にマウントされるマイクロ流体プロセッサ３７を示している。
【０１４４】
標準型電気コネクタ３８ａは、電気制御線３９と、マイクロ流体プロセッサ３７に至る基板３６上の線との間、及び電気モニタリング線４０と、体操する基板線との間を接続する。光学コネクタ３８ｂは、ＤＡＱボードの光源から光コンダクタ４２とＤＡＱボードの光源への光コンダクタ４１の両方と、マイクロ流体プロセッサに至るプロセッサ基板３６上の対応光コンダクタとの間を接続する。プロセッサ基板がＤＡＱボードレセプタクルに挿入されるとき、かみあわされるコネクタの端として多くの実施形態を有する電気コネクタが示されている。あるいはまた、コネクタはフレキシブルなリボンケーブルをまたはマルチピンソケットなどによってかみ合わせるために適している。光コネクタは、光ファイバーケーブルとして知られたタイプのものである。
【０１４５】
ホストコンピュータインタフェース４４は、特定の制御システムに用いられたホスト型従って選択されるのが好ましい。例えば、手で持てるサイズのホストのＤＡＱボードは、使用可能なスロットまたは手のひらサイズのデバイスに統合されたインタフェースにプラグインする。ＰＣまたはワークステーションタイプのホストを用いる実験システムのため、ＤＡＱボードは、モジュラ方式の単純で、しかも好ましくは、例えばＵＳＢ、ファイアワイヤ、イーサネット（Ｒ）ケーブル接続に適した、標準型のコネクタ及びインタフェースを提供する。図３Ｂには、ケーブルコネクタ３８ｃを備えた単純で双方向のＵＡＲＴシリアルインタフェースが示されている。このインタフェースは、シリアルなデータイン線及びデータアウト線、及び残りの線を有し、ＤＡＱボードを既知状態にもってくることが可能である。また、このインタフェースは、電源とアース線を供給する。
【０１４６】
ＤＡＱボードは、ホストコンピュータによって（またはスタンドアローンホルダーによって）外部的に電源供給されるのが好ましい。電源は、ボード自身が変換し、要求された内部電圧で調整される、例えば＋１２Ｖ、＋５Ｖ、またはその他の電圧のような標準電圧を供給する。好ましくは、ＤＡＱボードは、ボードの電源及び接続されたマイクロ流体プロセッサに関するホスト（またはそのホルダー）と取り決め、電源供給が要求に合ってない場合にエラー表示を生成することが可能である。同様な電源取り決めとしては、個人コンピュータに用いられるＵＳＢインタフェースが知られている。
【０１４７】
図３Ｂは、マイクロプロセッサを基礎としたＤＡＱボードの好ましいアーキテクチャの全体を示している。マイクロプロセッサ及び（ＲＡＭまたはＲＯＭのような）メモリ４３は、ホストインタフェースコントローラ４４と、幾つかのデバイスと高速度に通信するのに最適なマイクロプロセッサ上の内部バスコントローラ４５との両方と通信する。内部バス４６は、マイクロプロセッサバスと異なっているのが普通である。というのは、それは、多数で低速度の周辺回路コントローラに対するインタフェースを制御しモニタリングするために、設計され最適化されるからである。内部バスコントローラ４５は、内部バスと双方向にマイクロプロセッサバスとリンクする。あるいはまた、このマイクロプロセッサバスは、周辺回路コントローラと直接接続し、そして内部バスは削除される。図示されていないが、ＤＡＱボードは、１またはそれ以上の小型のハードディスク、フラッシュデバイスのためのリーダ、ＲＡＭ、その他のインタフェースも含んでいる。
【０１４８】
経済的な実施形態においては、信号生成及びセンシング機能は、ごく少数のバス制御型信号生成とモニタリング回路が、膨大な数のリードまたはマイクロ流体プロセッサへ接続する結線の間の回路をスイッチするバス制御型信号によってスイッチ（または多重化）される周辺回路を含んでいる。このように、マイクロプロセッサは、信号生成を制御することによってマイクロ流体プロセッサの制御信号と、内部バス４６手段による回路をスイッチングする信号とを制御する。あるいはまた、ドライバ／センサ回路は、各外部コネクタのために供給され、前記信号スイッチが除去される。
【０１４９】
したがって、図３Ｂは、バアナログスイッチ４８によってスイッチされたり経路が決められたり、相対的に膨大な数の制御線３９の間でバス４６によって制御された、出力リードが相対的に殆ど無いス４６によって制御された熱ドライバ４７回路を示している。
熱ドライバ回路は、一定の電圧または電流源、または制御された幅または周波数のパルス源の何れか、或いは他のモジュラ式スキーマの信号源を供給することによって、マイクロ流体プロセッサ上の熱要素を制御する。熱要素は、零から最大パワーまで制御可能であり、その最大値は、１．０〜２．０Ｗであることが好ましく、より好ましくは０．５〜２．５Ｗである。また、マイクロ流体プロセッサは、例えば、ペルティエデバイスのような少なくとも１つの冷却デバイスを有するのが普通であり、それは、例えば部屋温度がほぼ２５℃かそれよりも低い状態で実行される反応や解析に適するように、動作温度のベースラインを確立するために用いられる。それゆえ、ＤＡＱボードは、このような冷却デバイスをステップするためのマイクロプロセッサによって制御可能な周辺回路も含んでいる。
【０１５０】
同様に、マイクロ流体プロセッサに生成され、相対的に膨大なモニタリング結線４０に導かれたモニタリング信号は、バス４６の制御の下、アナログからデジタルへの類似の変換器である、相対的に少ないデジタルセンサ回路４９の１つに、スイッチ５０によって切り替えられる。また、センサ回路は、必要とされるアクティブセンサに信号を供給する。デジタル化されたモニタリング信号は、内部バス４６上によりマイクロプロセッサ及びメモリ４３へ送信される。モニタリング信号は、温度検出器によって、好ましくは各抵抗加熱器の制御のために付加した少なくとも１つの検出器によって生成されるのが一般的である。温度検出器は、２５℃で１０００Ω〜４０００Ωの範囲の抵抗を有する（好ましくは白金の）抵抗温度検出器であるのが好ましい。温度測定は、正確でかつほぼ０．５℃の分解能を有しているのが好ましいので、温度センサ回路は、正確かつほぼ０．２５％、より好ましくはほぼ０．１３％より良い分解能で、前述した範囲の（白金温度検出器のための）抵抗を測定することが可能である。
【０１５１】
同様なスイッチを基礎とする制御が、光信号のために用いられる。図３Ｂは、相対的に多数のレーザダイオード及びドライバ５３に、バス供給された制御信号をスイッチするバス制御型アナログスイッチ５４を示したものである。レーザダイオードの出力は、光コンダクタ４２によって、基板３６へ、そしてマイクロ流体プロセッサ３７へ導かれる。マイクロ流体プロセッサへ励起した光を供給するため、ＤＡＱボードは少なくとも１つの好ましくは２以上の、１〜１０ｍＷのパワー範囲であり反応励起や検出に有用な波長のレーザダイオード（またはその他の制御可能な光源）を有している。複数のレーザダイオードは、複数の異なる反応または解析を実行する複数の異なるマイクロ流体プロセッサ固有の複数の波長で供給されることが好ましい。さらに、レーザダイオードまたは光コンダクタは、フィルタや偏光子のような光要素を任意選択で供給される。レーザダイオードに関するドライバ回路は（マイクロプロセッサによって）制御可能であることが好ましく、その結果、レーザダイオードの出力パワーは、それらの範囲を超えて調整される。
【０１５２】
光学モニタリング信号は、光コンダクタ４１で受信され、フォトダイオード５１（または他の光センサ）によってセンシングされる。デジタル型のフォトダイオード出力は、スイッチ５４によってバス上でスイッチされる。マイクロ流体プロセッサから戻ってきた光をモニタするために、ＤＡＱボードは１またはそれ以上のフォトダイオードを有しているのが好ましく、反応または解析に固有の波長応答性、暗電流、量子効果などの特性を有する４、５、これよりも多いフォトダイオードを有しているのが好ましい。複数のフォトダイオードは、様々な反応または解析を実行する様々なマイクロ流体プロセッサ固有の特性が供給される。さらに、フォトダイオードまたは光コンダクタは、応答性を反応物に合わせるために、スペクタルフィルタのような光要素を任意選択的に供給される。フォトダイオードのデジタル回路は、異なる特性のフォトダイオードを適合させるために調整可能なゲインと範囲を有しているのが好ましい。
【０１５３】
あるいはまた、制御可能な光スイッチが経済的に利用可能な場合、図示されたアーキテクチャは、電気信号生成とモニタリング、すなわち、膨大な光コンダクタ間でスイッチされた少ない光源と光センサと同様なスイッチ型アーキテクチャによって置換えられる。
【０１５４】
図３Ｂは、制限するものではないが、好ましいＤＡＱボードアーキテクチャを示したつもりである。第１に、アーキテクチャは、容易に拡張できる。マイクロ流体プロセッサは並行して動作する多くの電気駆動の加熱器と電気センサを備えているのが一般的であり、ＤＡＱボードは、例えば、２またはそれ以上のアナログのスイッチ／ドライバ、またはアナログのスイッチ／センサの組を有することによって、少なくとも２つの加熱器で同時に駆動し、少なくとも２つのモニタリングリードで同時にセンシングする能力を備えているのが好ましい。１より多い光信号に関する同時の生成及びモニタリングが常に要求されるのではないが、この能力は電気信号で必要なときに提供される。第２に、ＤＡＱボードは、他のタイプのプログラム可能なデバイスに基づいていて、制御信号を生成しモニタリング信号をセンシングする前述したように当業者にとって明らかな他のタイプの構成要素の配置を有している。例えば、内部バスは、マイクロプロセッサと信号の生成／モニタリング要素間の直接通信のために削除される。また、１またはそれ以上のスイッチが、信号生成またはセンシング回路の数を増加するために削除される。最後に、単一のＤＡＱボードが、１以上のマイクロ流体プロセッサを制御するために、レセプタクルで周辺的な回路を備えている。
【０１５５】
ソフトウェアアーキテクチャ
ソフトウェア命令は、マイクロプロセッサ４３（または他のプログラム可能な制御要素）の制御ＤＡＱボードによって命令される。特に、ホストメッセージ及び制御信号生成への応答は、階層的なマイクロ流体プロセッサ制御機能に従って実行可能である。ホスト、ＤＡＱボード、及びマイクロ流体プロセッサ間の制御システム機能の割り当ては、前述したように柔軟性があるのが好ましいが、マイクロ流体プロセッサが自己識別だけを供給することを必要とするため、ユーザの装置がオペレータのインタフェースだけを供給することを必要とするため、ＤＡＱボードは制御機能の殆どを実行する。その結果、マイクロ流体プロセッサの価格は減じられ、ユーザ装置は実時間マイクロ流体プロセッサ制御から給電される。
【０１５６】
好ましいソフトウェアアーキテクチャは、本技術分野でよく知られたように層をなしている。最下層は“オペレーティングシステム”であるが、それは例えば、標準型ソフトウェアプロセス制御、通信、メモリ割り当て、ＤＡＱボード周辺回路の制御のアクセスを供給するのが好ましい。ソフトウェアプロセス及びメモリ制御は、ＣやＣ＋＋のような標準言語でインタフェースする非同期の実時間制御を供給する。周辺回路のドライバは、マイクロ流体プロセッサへの電気または光信号出力上、及び制御型プロセッサから非同期センシングするモニタリング信号上で非同期制御をもたらす。このようなシステムは、例えば、周辺回路ドライバを有して拡大した最小のＬｉｎｕｘ  Ｋｅｒｎｅｌから構築される。
【０１５７】
ソフトウェア処理に基づく方法の実行において、オペレーティングシステムは、例えば、マイクロ流体プロセッサ制御機能、ホスト通信、及び内部ＤＡＱボード管理用機能のようなソフトウェア処理管理を実行する。ホスト通信ソフトウェア処理は、層型の通信プロトコルを実装するのが好ましい。ネットワーク層では、通信は、（例えば、伝送喪失や誤りパケットにおけるチェックサムによって）エラーチェックを有するパケットベースであるのが好ましい。物理層では、プロトコルは、伝送率、パケットサイズなどの取り決めを規定しながら、ホストインタフェース４４からの図示したシリアルリンク、イーサネット（Ｒ）などのようなホスト通信リンク上で実装される。典型的なプロトコルは、ＳＬＩＰやＴＣＰのようなＩＰファミリから、または他の既知のプロトコルから選択される。
【０１５８】
内部管理用ソフトウェア処理は、例えば、ＤＡＱボード状態及び接続されたマイクロ流体プロセッサの動作や状態に関するホスト要求への応答を提供する。また、管理用ソフトウェア処理は、ＤＡＱボードソフトウェア更新を規定する。例えば、ホスト状態要求に答えて、ＤＡＱボードはその状態（つまり、自由度、処理反応、完成されたステップ、現時点で利用可能な結果など）を報告する。また、ＤＡＱボードは、ボード自身の診断テストを実行し、ボード上のセンサ回路をキャリブレーションする。電源の要件要求に応えて、ＤＡＱボードは、前もって（つまり、特定のマイクロ流体プロセッサにおける特定の反応のために）ホストから引かれるとおもわれる電源を取り決める。ソフトウェア更新要求に応えて、ＤＡＱボードはホストからのソフトウェア（またはファームウェア）を要求したり受け入れたりする。さらに、内部の状態要求及び応答が規定される。
【０１５９】
マイクロ流体プロセッサの制御ソフトウェアは、前記図２に関して全体的に述べた機能を実行し、好ましい熱制御型マイクロ流体プロセッサについて詳細な内容を以下に記載している。好ましい実施形態において、構成要素レベル、アクチュエータレベル、マイクロ液滴レベル、及びユーザ供給された反応制御機能が、ＤＡＱボードのソフトウェア処理によって実行される。好ましくは少なくとも、液滴の計量、混合、温度サイクル、分離した媒体内のマイクロ液滴構成要素の分離に関する機能が、ＤＡＱボード上で実行される。ソフトウェア処理に基づく実施形態において、ソフトウェア制御処理の機能は、機能自身が存在するように階層的に構成される。例えば、アクチュエータソフトウェア処理は、構成要素レベルのソフトウェア処理に要求メッセージを送信する。他の制御実行は、当業者にとって明らかなものである。
【０１６０】
（方法及び機能）
この小章では、好ましい熱制御型マイクロ流体プロセッサ、構成要素レベル機能、アクチュエータレベル機能、マイクロ液滴レベル機能、及び最近のユーザレベル機能に関する機制御能を説明する。この説明は、典型的であるが制限するものではない。以下の説明において、当業者は、説明された機能についての他の実行を構成する仕方、また好ましい熱制御された技術で構成された他の可能性のある構成要素及びアクチュエータが、本発明に従ってどのように制御されるかを理解するだろう。
【０１６１】
（温度制御機能）
温度センシング及び制御された熱は、好ましい熱制御型マイクロ流体プロセッサにおける構成要素レベルの機能として重要である。温度センサ要素は、温度変化に応じて計測可能な抵抗変化を有するために構成された抵抗要素（抵抗型温度検出器または“ＲＴＤ”）であるのが好ましい。このようなセンサは、２５℃でほぼ１０００Ω（オーム）〜４０００Ωの範囲に存在する白金で作られている。その結果、正確でほぼ０．５℃の分解能が、ほぼ０．２５％の抵抗測定値、またはこれよりもよい正確さと分解能で使用可能なセンサ回路で達成される。
【０１６２】
図４Ａは、少なくとも２つのモードで動作する典型的なＲＴＤを示している。図４Ｂは、第１のモードの温度計測を実行する機能を示している。その機能は、第１に、入力パラメータ、ここでは特に問題の特定のＲＴＤの主な識別を取得する。ＲＴＤ識別子は、例えば、手続き的な機能の呼び出しの入力として供給されたり、またはこのＲＴＤを表す主題や他の手段における局所変数となり得るものである。しかしながら、提供されたこの識別子は、制御リード（及びＤＡＱボードコネクタ）を規定する。例えば、図４Ａのリード５７〜６０である計測に用いられている。その結果、ＤＡＱボードマイクロプロセッサは、適切な周辺回路を制御できる。次に、例えば、電圧が、リード５８及び５９のような第２の一対のリードでセンシングされる一方で、小さな回路は、例えば、リード５７及び６０の一対のリード上におけるＲＴＤで適用される。最後に、ＲＴＤの抵抗は、供給された電流と計測された電圧から規定され、そしてその温度が計測された抵抗から変換される。用いられた電流は、有効な局所加熱を生成するのに十分でないほど小さくないが、前記精度で液滴を計測できる電圧を生成するのに十分な大きさに選択される。２組のリードの使用は、正確さを改良する。というのは、その電圧計測はごく微小か殆ど無い電流で行われるので、計測リード５８、５９で発達する液滴の電圧はごく微小か殆ど無く、計測される液滴の電圧の殆どはＲＴＤで測定される。あるいはまた、十分な正確さがない場合では、一組のリードが電源供給及び電圧計測に用いられる。
【０１６３】
第２のモードでは、前記ＲＴＤは、局所的な特定の熱を計測することによって、存在または不存在のマイクロ液滴をセンシングし、それは、マイクロ液滴が近くの流路に存在するときに、どんなマイクロ液滴も存在しないときよりも大きくなる。用いられた電流が大きく、かつ測定可能な値、例えばマイクロ液滴の無いほぼ２℃〜４℃、によって周辺温度を増加するのに十分な熱を生成するための十分な時間が与えられたときを除き、このモードは、第１のモードと実質的に類似する方法で機能する。したがって、マイクロ液滴の存在または不存在が、温度増加の比率を計測することによってセンシングされる。
【０１６４】
また、加熱は、抵抗性があって低電圧源で０．５Ｗ及び１．５Ｗの熱の間で制御可能に生成されるよう構成される。低電圧源は、５〜１０Ｖかそれよりも低く、２５℃でほぼ１５Ω〜１０００Ωの範囲に（実のところ、小さな熱が５Ｖより小さな電圧源のために必要とされているが）熱抵抗であることが好ましい。図４Ａに示すように、ＲＴＤ近くの熱は、制御された加熱を供給する。
【０１６５】
図４Ｃは、構成要素レベルの制御型加熱機能を示している。入力パラメータは、熱／ＲＴＤ組の識別子を含んでいる。その結果、内部バスを経由するマイクロプロセッサは、エネルギーを与えたり、正しいリード（及び正しいＤＡＱボードコネクタ）及び所望の温度や温度許容範囲を監視できる。例えば、図４Ｂに示したような機能をセンシングする温度を用いて、加熱器での温度が規定される。このとき、熱電流は、計測された温度、所望の温度、及びその許容範囲を一望して調整される。スムースな制御特性を実現するための時間遅延が選択される。これら制御ステップ、特に電流調整ステップが、現在測定された温度、過去において最近計測された１またはそれ以上の温度に依存するＰＩＤまたはファジー理論のような代替ステップ方法を実行する。
【０１６６】
さらに、温度に関連した構成要素レベルの機能が、デバイス温度のベースラインを制御するために供給される。熱に加えて、好ましいマイクロ流体プロセッサは、例えば、２５℃の温度の部屋というようなベースライン温度でプロセッサを全体的に維持するために、ペルティエ（または他の）冷却デバイスを備えている。あるいはまた、ボードに挿入されるとき、ペルティエ冷却は、マイクロ流体プロセッサに熱接続させる方法で、ＤＡＱボードにマウントされる。このような冷却は、反応または解析のコースの間に生成された熱効果の進行的な構築を阻止する。所望のベースライン温度で特定の温度センサを維持する制御電流を調整することによって、冷却デバイスは、抵抗性を有する加熱器と同様に制御され、そこでは、特定のセンサがプロセッサ温度の背景をセンシングする加熱器からの熱距離でマウントされる。
【０１６７】
（構成要素レベルの機能）
構成要素レベルの機能は、例えば、マイクロ流体プロセッサ内のマイクロ液滴または他の材料を移動するための圧力を制御可能に生成する。この機能は、熱制御型の機械力を要求する幾つかの高レベルなアクチュエータに関する有用な構成要素である。圧力生成の好ましい実施形態は、制御された熱要素のガス貯蔵器と、そのアプリケーションのポイントに加熱することで加圧されたガスを導く流路と含んでいる。図５Ａは、流路６８の圧力例のポイントにリンクする、比較的大きなガス貯蔵器６５と比較的小さな導入流路６６を備えた好ましい実施形態を示している。貯蔵器のガスは、空気になり得る窒素またはアルゴンのような不活性ガスであるのが好ましい。その貯蔵器は、その底部（または頂上）に埋め込まれた制御型加熱器６９（添付の温度センサが図示されていない）を有している。流路６８の領域６７は、疎水性の面を有しているので、流路６８に存在するどんな（水性の）流体もガス貯蔵器６９から排除される。
【０１６８】
図５Ｂは、この圧力生成器に関する構成要素レベルの制御機能を示している。第１のステップにおいて、その機能は圧力生成器、及び関連する熱と生成された所望の圧力をあらわすパラメータの識別をする。次のステップで、所望の圧力は、必要とされた熱の所望量に変換され、そして最後のステップで、前記熱は、必要とされた熱を供給するのに十分な時間の温度に（同一の構成要素から規定されたコネクタ上の制御信号によって）制御される。
【０１６９】
前述した温度効果に依存するマイクロ液滴センサに加え、構成要素レベルの機能がマイクロ流体プロセッサに存在する他のタイプのマイクロ液滴センサをさらに制御する。例えば、マイクロ液滴センサは、容量性の検出器に基づいていて、２つのリード間のインピーダンスが、マイクロ液滴の存在、不存在により変更される。このとき、ＤＡＱボードは、スイッチ可能なインピーダンスセンシング回路を含んでいる。また、圧力センサが存在し、後述するようなマイクロ液滴位置センサとして用いられる。圧力センサは、図５Ａ、Ｂの制御可能な圧力機能に用いられるための直接フィードバックを提供する。
【０１７０】
（マイクロバルブ機能）
マイクロバルブ機能は、殆どのマイクロ流体プロセッサに存在するアクチュエータレベルの重要な機能である。図６Ａは、制御された流路７８を開閉するためのマイクロバルブに関する好ましい実施形態を示している。このマイクロバルブは、例えば、加熱器ＨＴＲ１及び制御された流路７８に接続する側流路７７とともに、ガス貯蔵器７５を含む圧力生成器を有している。側流路７７は、低溶融点で不活性材料のプラグ７６によってブロックされる。前記溶融点は、流路７８のマイクロバルブによって制御された任意のマイクロ液滴の沸点より低いが、マイクロ流体プロセッサの温度を操作するベースラインよりも高い方が好ましい。例えば、溶融点は、４０℃から９０℃までにあり、５０℃〜７０℃であるのが好ましい。その材料は、ワックス（例えば、オレフィン）、または共晶合金（例えば、はんだ）である。また、図示したように、マイクロバルブは、側流路７７の制御された加熱に関する加熱器ＨＴＲ２、及び制御型流路７８の制御された加熱に関する加熱器ＨＴＲ３を含んでいる。これら３つの加熱器に選択的に付随するセンサは、簡単かつ制限無く、図６Ａから省略される。
【０１７１】
リード７９〜８２の構成は、直接経路づけられ重複していない４つの制御リードのみで、３つの加熱器全ての独立した制御をもたらす１つの配置である。この示された配置は典型的なものである。例えば、各加熱器に２つの６つのリードが替わりに供給され得る。
【０１７２】
図６Ａでは、閉動作するマイクロバルブに関して示されおり、オープン状態のマイクロバルブを描いている。図６Ｂは、クローズ状態のマイクロバルブを描いている。図６Ｃは、マイクロバルブの閉機能のステップを描いている。この閉機能は、まず、入力パラメータ８３を取得し、その入力パラメータ８３は、特定のマイクロバルブを閉じるためのパラメータ、その加熱器、及び加熱制御リードかつ任意の選択的なセンサからの信号をモニタリングするためのコネクタを識別する。また、入力パラメータは、マイクロバルブの閉機能のための“オープン”にしなければならない現在のマイクロバルブ状態を含んでいる。（マイクロバルブがすでに閉である場合、この閉機能は単に抜け出る。）
【０１７３】
次に、ステップ８４で、（リード７９、８０を活性化することによって）加熱器ＨＴＲ２と側流路７７とを温度Ｔ2にわずかに、しかし十分に、前記プラグが溶融するためプラグ７６の温度を溶融する以上に（例えば、１℃〜５℃以上）制御する。プラグ溶融でその後または同時に、ステップ８５で、加熱器ＨＴＲ１を、十分なガス圧力が溶融したプラグを出口流路７７から制御された流路７８へ移動するために生成される時間、温度Ｔ1に制御する。好ましくは、Ｔ1＞Ｔ2である。この圧力は、前記プラグを流路７８に移動するのに十分に規定された時間遅延８６の間、維持される。あるいはまた、プラグに関する位置センサが利用（例えば、ＨＴＲ３に関する熱センサ）可能な場合、プラグの十分な移動がセンシングされるまで遅延が続く。
【０１７４】
そのとき、ステップ８７で、ＨＴＲ２を非活性にし、その温度があるプロセッサのベースライン温度Ｔ0の許容範囲内に戻るまで待つ。その結果、プラグは再び凝固する。ベースライン温度への復帰は、センサによってセンシングされるか、十分な時間遅延の後に仮定されるかの何れかである。プラグが凝固された後、ステップ８８で、同様に、ＨＴＲ１とガス貯蔵器７５との温度をベースラインに戻す。流路７７からのプラグの動きによってガス量は大きくなるので、マイクロバルブが開いているときよりも閉じているときに、ベースライン温度で、貯蔵器７５の中には比較的低いガス圧力がある。
【０１７５】
制御された流路７８が凝固されたプラグでブロックされているので、いまマイクロバルブは閉じている。ステップ８９で、マイクロ流体プロセッサの現在の状態を記述するデータに、マイクロバルブの状態が閉として印される。
【０１７６】
マイクロバルブを開ける動作が図６Ｂに示されており、クローズ状態のマイクロバルブを描いている。図６Ａは、オープン状態のマイクロバルブを描いている。そして、図６Ｄは、マイクロバルブの開機能のステップを描いている。いつものように、この機能は、まず入力パラメータ９０を取得する。これらのパラメータは、ステップ及びモニタリングコネクタを識別し、閉状態を表示する（その他では、この機能は単に抜け出る）。まず、この機能は、加熱器ＨＴＲ２と側流路７７とを温度Ｔ2に制御し、ＨＴＲ３と制御された流路７８を温度Ｔ1に制御する。前述したように、Ｔ1とＴ2は両方とも、プラグの溶融点を超えている。したがって制御された流路７８のプラグ７６は、溶融するとともに、閉じているマイクロバルブからガス貯蔵器７５に残っている比較的低い圧力の影響のある下で、側流路７７へ引き戻される。これらの加熱器は、プラグが側流路７７に戻るのに十分な時間遅延９１の間、活性化される。あるいはまた、プラグの位置センサが利用可能（例えば、ＨＴＲ２に関連した熱センサ）な場合、プラグの動きがセンシングされるまで、その遅延は続く。
【０１７７】
最後に、加熱器ＨＴＲ２とＨＴＲ３は、非活性にされ、そして、出口流路の熱に近い温度が、（温度モニタリングによる、または時間遅延によるの何れかで）ベースラインの範囲内に戻るまで、ステップ９２は続く。最後に、マイクロバルブの状態が、出口流路７７及びブロックされていない制御された流路７８に凝固されたプラグが閉であるとして印される。
【０１７８】
以下の記載では、図６Ａ、Ｂのように、３つの加熱器及び少なくとも４つのリードを備えた説明の替わりに、１つの加熱器と１組のリードを概略的に示したものであるが、これに制限されるものではない。
【０１７９】
（光学的検出器の機能）
流路から反応結果のどんな物理的除去もなく、マイクロ流体プロセッサの外部で容易に実行されることから、マイクロ流体プロセッサの反応または解析に関する結果は、光学センシングで行われるのが好ましい。あるいはまた、マイクロ流体プロセッサが反応結果に関して分離した機構を含んでいる場合、分離した構成要素の検出が、光学手段によってなされることが好ましい。光学的センシングは、散乱した入射放射線、または生成された蛍光性の放射線などに依存する。また、本発明は、放射線による反応や解析の励起を供給する。
【０１８０】
基本的な光学検出構成要素及び制御機能が、図１１Ａ、Ｂに示されている。図１１Ａは、マイクロ液滴のｍｄ１の光学センシングに関する典型的な構成要素を備えたマイクロ流体プロセッサの限定部分１６５を示している。そしてそれは、主流路１６７の疎水性領域ｈ１へ隣接する安定した位置として示されている。光構成要素は、（例えば、ＤＡＱボードのレーザダイオードからの）入射放射線をｍｄ１に導くための放射線コンダクタ１６６、及び（例えば、ＤＡＱボードフォトダイオードへ）解析に関するマイクロ液滴１からの放射線を導くための放射線コンダクタ１６９を含んでいる。ｍｄ１から導かれた放射線は、散乱した放射線、蛍光性の放射線などである。レンズ１６８は、集めて、焦束し、波長をフィルタリングするなどの放射線に関する要素を概略的に示している。また、センシングされたマイクロ液滴を通る放射線の通り道を２重にするため、主流路に隣接して反射板が置かれる。このような反射板は、例えば、干渉フィルターまたは二色性ミラーのような波長に基づく属性を選択的に有している。
【０１８１】
限定部分１６５は、マイクロ流体プロセッサの平面外の光コンダクタを実質的に垂直に配置して示し、かつプロセッサの厚さを通る光を通過している、実質的に垂直の描写である。また、この部分は、マイクロ流体プロセッサの平面内の光コンダクタを実質的に水平に配置して示し、かつプロセッサの１つの流路のみを通る光を通過している、実質的に水平の描写である。さらに、光コンダクタは、目標に近い最後の方向に方向転換することのためだけに、（水平的に）プロセッサの平面に実質的に実行する。
【０１８２】
図１１Ｂは、アクチュエータレベルの光センシング機能を示している。この機能は、特定の光センシングアクチュエータを識別するパラメータ１７０を取得することによって開始し、その結果、ＤＡＱボードのマイクロプロセッサは、放射線の生成、及び識別された光検出センサのために正しいコネクタに接続する検出構成要素を制御する。次に、入力放射線コンダクタは１７１であり、生じた放射線はセンシングされた１７２である。
【０１８３】
完全に外部でなす他の検出方法は、外部に適用された磁性（ＮＭＲ）または電磁場、或いは光検出器によるこれらの場を組合せに基づくものだが、本発明のマイクロ流体プロセッサにおいて用いられるのが好ましい。この場合、場を生成する構成要素は、マイクロ流体プロセッサやＤＡＱボード（またはＤＡＱボード筐体）に置かれ、制御機能を識別し、制御機能によって活性化されなければならない。
【０１８４】
（マイクロ液滴の移動機能）
マイクロ液滴の移動機能は、殆どのマイクロ流体プロセッサに存在するであろう重要な構成レベル機能である。この機能は、マイクロ液滴を第１の位置から第２の位置へ移動させる。そのために、マイクロ流体プロセッサの歩みは、マイクロ液滴が移動した第１の構成から第２の構成へ前進し、第２の位置に存在する。このマイクロ液滴の移動機能、及び他のマイクロ液滴レベルの移動機能は、初期及び最後のマイクロ液滴位置が安定であるときに確実に働く。それらは、マイクロ液滴が安定位置に正しく位置付けられていることを、現在のプロセッサ構成を記述するデータが表示しているとき、呼び出されるだけかまたは作用するだけでいるのが好ましい。前述したように、安定位置は、例えば、流路内の疎水性領域によって、または流路の局所構成によって確立される。
【０１８５】
経路のマイクロ液滴運動は、一般的にはマイクロ流体プロセッサにおけることが好ましいが、熱制御された機械的な力を要求する。そして、この機械的な力は、圧力生成アクチュエータにより圧力生成されたガスである。マイクロ液滴運動は、その運動圧力が例えば、外部のプロセッサへの通気口によって発散されるときに停止する。また、その運動は、（圧力生成アクチュエータを非活性にして接続された）供給されるよりも大きな運動力を要求する疎水性領域によって停止させられる。
【０１８６】
マイクロ液滴運動は、図７Ａに示され、初期位置９６におけるマイクロ液滴９５を描写している。図７Ｂは、最終位置９７におけるマイクロ液滴９５を描写している。そして、図７Ｃは、マイクロ液滴運動機能のステップを描写している。前記図（及びこの後の図）におけるマイクロバルブは、１つの加熱器のみで概略的に表示されている。
習慣的に、移動機能のステップ１００は、移動するマイクロ液滴９５ここではバルブ１とバルブ２とＨＴＲ１、それらの空間的関係、及びそれらのステップリードまたは外部コネクタに関する部本構成を識別するパラメータを取得する。典型的な構成の場合、初期のマイクロ液滴位置９６は、側流路から通気口１へちょうど超えたところであって、駆動圧力を発散するために主流路９８からアクセス可能な通気口１をそのままにしながら、バルブ１が開状態で先の移動後に安定している位置となる。あるいはまた、（図示していないが）初期安定位置は、流路９８の疎水性領域、バルブ１、通気口１によって定義され、かつ、接続する側流路は、マイクロ流体プロセッサに存在していない。
【０１８７】
既知の電流、マイクロ流体プロセッサ構成が、プロセッサに存在するマイクロ液滴全ての位置を記録するので、マイクロ液滴９５は、初期安定位置９６に正確に存在するように入力構成データに基づいて規定される。位置９６にマイクロ液滴が存在しない場合、この機能がなすべきことは何も無く存在することになる。先の機能の結果としてマイクロ液滴９５が位置９６に存在するときのみ、本運動機能は高レベルの機能によって呼び出される。
【０１８８】
次に、ステップ１０１は、（バルブ１が存在してあらかじめ開いている場合、マイクロ流体プロセッサ構成の状態データによって規定されるように）バルブ１を閉じるため、及び（あらかじめ閉じている場合、その状態データによって規定されるように）バルブ２を開けるため、アクチュエータレベルのマイクロバルブ機能を呼び出すことによって、マイクロ液滴運動のためのマイクロバルブを準備する。そのとき、ステップ１０２は、アクチュエータレベルの圧力生成機能１０２を呼び出すことによって、あらかじめ規定された圧力を生成する。
【０１８９】
（生成された圧力が流路９８の左側に発散されず、流路９８が位置９７の右側で“開”でありことを仮定するならば、）生成された圧力は、用いられた圧力が通気口２を通って外へ発散される最後の位置９７まで、マイクロ液滴を右に移動させる。マイクロ液滴自身は、接続する側流路の疎水性の防護によって入り靴の通気口２から保護される。マイクロ液滴がその最後の位置に到達するとき、１０３の時間遅延後、ステップ１０４は非活性のＨＴＲ１によって圧力生成機能を停止する。活性圧力生成期間は、あらかじめ選択された時間間隔として規定され、プロセッサ構成に選択的に依存する。あるいはまた、マイクロ液滴位置センサが使用可能（例えば、熱型センサまたは光方センサ）の場合、ステップ１０３は、マイクロ液滴が最後の位置でセンシングされるまで待つ。選択的なステップとして、ステップ１０５は、バルブ１及びバルブ３をマイクロ液滴が運動する前の状態に戻すためのマイクロバルブ機能を呼び出す。
【０１９０】
最後に、マイクロ流体プロセッサ構成データにおけるマイクロ液滴位置がステップ１０６に更新されて、一連の動作が完了する。
【０１９１】
（マイクロ液滴の計量機能）
構成レベルのマイクロ液滴計量機能は、マイクロ流体プロセッサに導入された、通常は数が少なく、正確に知られた大きな量の流体（反応物、サンプルなど）から、より好ましい既知で小さな流体の新たなマイクロ液滴を形成する。
【０１９２】
流体は、手作業の変換手段（例えば、ビベット）によって、または自動変換手段（例えば、ロボット）によって外部ソースからポートを介してプロセッサに導入される。ポートは、様々な流体変換手段（例えば、洗浄器、ビベット）を受け入れるためにマイクロ流体プロセッサ上に準備される。図８Ｃは、洗浄器に合わせた外部ポートを示している。ポート１は、穴があけられた膜１１３（例えば、自己密封、ゴムのような素材）で覆われ、かつマイクロ流体プロセッサ内の流路１１０に接続された流体貯蔵器１１４を含んでいる。この図は、穴のあいた膜１１３と、流体がすでにポートへ導入された洗浄器１１５を示している。この膜は、注入された流体が逆流することなくプロセッサへ浸透することを保証している。ビベットの場合、貯蔵器１１４の形状は、流体変換のビベット先端にびったり密封するように合わせられる。
【０１９３】
好ましい実施形態において、一般的にはガス圧力によって、新たなマイクロ液滴が、大きな量から絞り込まれることにより計量される。図８Ａにマイクロ液滴計量を示す。ここでは、計量の前の初期の構成が示されている。図８Ｂは、新たに計量されたマイクロ液滴１１２による最後の構成を示している。図８Ｃは、計量制御機能のステップを示している。図８Ａは、疎水性領域ｈ１によって形成された安定位置まで流路１１０が満たされるように、（図８Ｃに示すポートのような）ポート１を通って導入された流体標本１１１を示している。疎水性領域ｈ２は、ＨＴＲ１への側流路の中へ流体が入り込むことを阻止している。バルブ１が初期状態では開であるので、過剰な流体は通気口１を通って排出され、そして、バルブ２が初期状態では開であるので、過剰なガスが通気口２を通って排出される。流路１１０は設計され、つまり、図示するような相対的な大きさを有し、その結果、過剰な液体が通気口１に拡大する前に、流体標本１１１が疎水性のパッチを拡大できるように、流体標本１１１は、放出口１への側流路にあるよりも大きな毛管力を有する。この流路サイズの構成は、疎水性領域ｈ１によって形成された安定位置をさらに安定化させる。
【０１９４】
いつものように、ステップ１２０で、計量動作は開始し、計量の構成要素、その状態、その配置、中所、及びその信号線や外部コネクタを識別する。選択ステップとして、ステップ１２１は、緒器状態では開でない場合、アクチュエータレベルのマイクロバルブ機能手段によってバルブ１とバルブ２を開ける。次に、計量機能は、マイクロ液滴が計量される流体標本のローディングのために待つ（ステップ１２２）。このローディングは、ユーザの装置へ供給された（及びＤＡＱボードへ伝送された）外部の手作業信号により表示されたり、またはロボットローディングの遂行により自動的に表示されたり、または、内部センサが流路１１０の疎水性領域ｈ１に隣接する流体の存在を検出することができるまで供給される。
ステップ１０３は、マイクロバルブの閉機能を呼び出すことによってバルブ１を閉じ、その結果、殆どの流体が通気口１から排出されなくなる。
【０１９５】
ステップ１２４は、（ＨＴＲ１を活性化する）アクチュエータレベルの圧力生成機能を呼び出すことによって圧力を生成する。この圧力生成は、（圧力センサが使用可能であれば）あらかじめ規定された圧力、あるいはまた、あらかじめ規定された計量温度に制御される。生じたガス圧力は、圧力生成器への側流路の出口と、あらたなマイクロ液滴を形成する安定位置での標本の終わりとの間にある標本１１１の長さＬを絞り込む。計量されたマイクロ液滴の量は、長さＬと、流路１１０の交わり部分とによって規定される。
【０１９６】
ここで図８Ｂを参照すると、生成された圧力は、前述したマイクロ液滴の動作機能の方法で、さらに新たなマイクロ液滴１１２を、通気口２への側流路をちょうど超えた位置１１７に移動するように作用する。バルブ２が開いているので、生成された圧力は通気口２から発散する。ステップ１２５と１２６は、あらかじめ規定された時間遅延のあと、圧力生成を止めるか、あるいはまた、その後、マイクロ液滴１１２が、（マイクロ液滴位置センサによって）位置１１７にセンシングされる。最後に、選択なステップが、さらなるガスの放出を防ぐためにバルブ２を閉じ、それにより、新たなマイクロ液滴が、流体標本１１１を再結合することを維持する。バルブ１は、初期状態に戻る。
最後に、ステップ１２７は、（標本１１１と同一の）新たなマイクロ液滴の圧力、位置、及び構成を反映させるために、マイクロ流体プロセッサの構成を更新する。
【０１９７】
（マイクロ液滴の混合機能）
特に生物学的分子の単純な拡散は非常にゆっくりしていて、物理的な接触における隣接したマイクロ液滴のためでさえ実用的でないことから、異質のマイクロ液滴を効果的に混合することは有用である。一般的に、流路サイズや液滴の粘性からみて、マイクロ液滴の混合は、マイクロ液滴の混合を誘起するために十分に急速な動きでなされる。マイクロ液滴の速さは、内部の臨界速さに等しいかまたは超えるものであるのが好ましい。好ましい実施形態では、マイクロ液滴レベルの混合機能は、その動きが十分に速い方法でのマイクロ液滴レベルの動作機能を呼び出す。これは、圧力生成器を活性化することにより実現され、その圧力生成器は、マイクロ液滴を移動させるための機械的な力を供給する。その結果、生成された圧力は、急速な動きを生じさせる十分に高いレベルの速さを引き起こす。特定の粘性を有するマイクロ液滴の混合が、様々なサイズの流路内で起こるようにするための圧力生成器の熱を適切にすることは、実験にもとづいて容易に規定され、この混合機能による使用のために記憶される。
【０１９８】
混合を要求する異質のマイクロ液滴は、様々な理由のために生じる。通気口図９Ａ〜９Ｃは、隣接した２つのマイクロ液滴に異なる２つの流体標本を計量した結果としての異質なマイクロ液滴の形態を示している。図９Ａは、第１の流体の標本１３１と、第２の流体の標本１３２とをローディングした後、マイクロ液滴を計量する前の、計量１及び計量２という２つのサブアセンブリを計量する際の一部を示している。（図８Ａ、Ｂは、このような計量サブアセンブリが満たされている様子を示したものである。）圧力生成熱のＨＴＲ１及びＨＴＲ２は、これら２つの計量サブアセンブリの一部である。次に、図９Ｂは、標本１３１から計量された後、位置１３３内にあるマイクロ液滴ｍｄ１を示している。次に、図９Ｃは、標本１３２から計量された後、位置１３３内にあるマイクロ液滴ｍｄ２を示している。Ｍｄ２は、ｍｄ１に隣接して位置付けられていて、これら２つのマイクロ液滴は、事実上、異質で単一のマイクロ液滴を形成する。
【０１９９】
混合機能は、混合に先立つ構成を描画した図９Ｃに示されている。図９Ｄは、混合後の構成を描画している。そして図９Ｅは、ステップ１３７の実際の混合機能と同様、前述した、混合する異質のマイクロ液滴を準備するための混合準備ステップ１３５、１３６を描画している。これまでのように、ステップ１３８は、混合するサブアセンブリの構成要素（ここでは、２つの混合サブアセンブリの一部分）の識別子、制御線、及び混合されるマイクロ液滴の位置を含む必要な入力パラメータを取得する。
【０２００】
この場合、マイクロ液滴混合のための圧力は、混合構成要素に存在する圧力生成器の何れかまたは両方によって生成される。ステップ１３９は、（先の計量ステップの結果として常に開き状態である）バルブ１を閉じ、必要ならばバルブ２を開けるアクチュエータレベルのマイクロバルブ機能を呼び出す。次に、ステップ１４０は、マイクロ液滴の混合を生じさせる重要な温度（混合温度）に加熱されたＨＴＲ１及びＨＴＲ２のいずれかまたは両方を使用しながら、圧力を急速に生成するアクチュエータレベルの圧力生成機能を呼び出す。ステップ１４１は、マイクロ液滴ｍｄ３が位置１３４に達するまで時間遅延し（またはそのときセンシングする）、そして、ステップ１４２はｍｄ３の背後のバルブ２を閉じる。
最後に、ステップ１４４は、新たなマイクロ液滴の（混合された）位置及び構成を反映するため、マイクロ流体プロセッサ構成を更新する。
【０２０１】
（好ましい反応機能）
一般的に、意図した反応または解析のために、正しい構成で作られたマイクロ液滴を準備する。反応にとって、このマイクロ液滴は、残りのマイクロ流体プロセッサで蒸発または意図しない相互作用を避けるために隔離され、その反応が意図したように進むために規定された温度に調整される。顕著なポリメラーゼチェーン反応（ＰＣＲ）は、マイクロ液滴が規定された温度プロトコルを介して巡回的に繰り返されることを要求する。他の反応は、マイクロ流体プロセッサの反応領域に存在することを必要とする（固体の）触媒を要求する。さらに、反応は、放射線のシミュレーションを要求する。以下の記述は、限定するものではなく、規定された温度での反応においてであるが、当業者であれば、温度プロトコル、触媒、放射線シミュレーションなどをいかに準備するかを容易に理解できるものである。
【０２０２】
したがって、前述した好ましい実施形態の場合、反応は、隔離される制御可能に加熱された流路領域内で、或いは、マイクロ液滴が移動及び隔離され得る制御可能に加熱された貯蔵器内で、残りのマイクロ流体プロセッサの結果より実行される。図１０Ａは、制御可能な加熱器ＨＴＲ１、及び隔離されたバルブのバルブ１、バルブ２を備えた流路１５０内の（触媒を欠いた）反応領域１５６を典型的に示している。例えば、側流路１５１は制御可能な通気口につながるので、領域１５６は、マイクロ液滴の安定位置となる。（同様の安定位置が、とりわけ図１で議論されている。）あるいはまた、適切に置かれた疎水性領域が、この安定位置を定義している。
【０２０３】
反応制御機能が、図１０Ｃに示され、反応前の反応領域１５６を描画している。図１０Ｄは、反応過程における反応領域を描画している。そして、１０Ｅは、反応制御機能のステップを描画している。ステップ１５７は、マイクロ流体プロセッサ構成、反応のための温度プロファイル、反応領域、及びその制御線とコネクタとを形成する構成要素の識別子を含むパラメータを取得する。取得した構成から、この機能は、結果としてまたはマイクロ流体プロセッサステップの前に、正しい構成を有するマイクロ液滴が、反応領域に位置付けられているかをチェックする。位置付けられていない場合、この機能は、おそらくエラー識別子とともに存在する。次に、ステップ１５８は、バルブ１とバルブ２を閉じることによって、反応領域１５６を隔離するアクチュエータレ場ル野マイクロバルブ機能を呼び出す。ステップ１５９は、前述した熱プロトコルを実行する。いかなるマイクロ液滴もこの機能によって変換されないので、その構成は、反応が実行されていることを表示している範囲にだけ更新される必要がある。
【０２０４】
完了した反応は、マイクロ流体処理の最終結果であり、この場合、結果として生じたマイクロ液滴の内容がセンシングされるか、或いは、それは中間反応となってこの場合、マイクロ液滴はさらに処理される。
【０２０５】
次に、典型的に好ましい構成である熱制御されたマイクロ流体プロセッサを簡単に説明する。例えば、図１０Ｂは、プレート１５２及びトッププレートに対して密封した状態で位置付けられ結合された並行底プレート１５５からのプロセッサの全体構成を描画した、図１０Ａにおける線１０Ａ−１０Ｂに沿った断面を示している。このプレートは、シリコン、プラスティックポリマー、ガラスなどである。流路１５０のような流路は、機械加工され、エッチングされ、或いは１つのプレートで他に定義される。ここで、底プレートは実質的に平らであるのだが、頂上プレートはマイクロ液滴が処理されるよう扱われた壁面を有している。特に、疎水性（または親水性）の流路領域は、プレートの結合前の処置によって定義される。リード１５４のような電気的な構成要素及びリード線は、エッチングされていない実質的に平らなプレートに置かれるのが好ましく、流路の中に挿入される絶縁層１５３によって覆われる（また必要ならば、基礎となる）。リード線は、例えば、アルミニウムのような絶縁材質を蒸発させる。絶縁層は、セラミックまたは例えば、シリコン二酸化物のようなポリマーである。光コンダクタは、プレート結合の後でプロセッサに接続された光ファイバーから作られる。その構成方法は、半導体製造で用いられる石版技術分野で良く知られた方法から適応される。例えば、米国特許番号６０４８７３４号、６０５７１４９号を参照されたい。
【０２０６】
（統合されたデバイス動作機能）
前述したマイクロ液滴レベル機能は、多くの異なる反応または解析を実行する多くの異なるタイプのマイクロ流体プロセッサに関するユーザレベルの反応制御機能を生成するために組み合わされる。本発明に従った制御機能の構成またはプログラミングは、非常に簡略化される。というのは、計量する、移動する、混合する、または反応するのような化学及び生物学におなじみの実験機能を特定するマイクロ液滴レベル機能を直観により認識するのにだけ注意を払うことが必要とされるからである。ここのマイクロ流体プロセッサ構成要素及びそれらの一連の制御の詳細は、それら全てが低レベルのマイクロ流体プロセッサ制御を実行する際に共同して機能する構成要素レベル、アクチュエータレベル、及びマイクロ液滴レベル制御機能の階層的構成によって隠される。制御型マイクロ流体プロセッサのデジタル性質から、この階層的制御は可能である。
【０２０７】
これらの優位性が、図１に示された好ましい熱制御柄マイクロ流体プロセッサに関するユーザレベルの反応制御機能によって示されている。このプロセッサは、とりわけ、サンプル及び幾つかのＰＣＲ試薬を含む第１のマイクロ液滴を計量することによって、
残りのＰＣＲ試薬を含む第２のマイクロ液滴を計量することによって、２つのマイクロ液滴を混合することによって、混合されたマイクロ液滴でのＰＣＲ温度プロトコルを実行することによって、及び反応結果を検出することによって、単純ＰＣＲのサンプル解析を実行する能力がある。
【０２０８】
より詳細には、図１２は、ホストシステムに入力されたユーザ命令によって制御された、ユーザレベルのＰＣＲ反応制御機能を示している。ユーザがホスト装置に命令を入力すると、ステップ１７５は、反応ステップ機能を開始する。次に、ステップ１７７、１７８は、反応が実行されるマイクロ流体プロセッサのデータ説明を含む入力パラメータを取得する。前述したように、この説明データは、マイクロ流体プロセッサ自身によって供給されたり、またはプロセッサがデータベースへこのようなデータのキーを供給する。
【０２０９】
この機能は、構成要素、アクチュエータ、及び後述するマイクロ液滴レベル機能によって要求されたサブアセンブリを識別し、好ましくは、このプロセッサが正確な配置にこれら正確な資源を有しているかを確認する。図１のマイクロ流体プロセッサの場合、これらの資源が確認され、かつ計量１、計量２、混合１、及び反応／検出１として識別される。次に、計量１及び計量２サブアセンブリによってパラメータ化された計量マイクロ液滴レベル機能を用いるステップ１７７、１７８は、ＰＣＲ解析及び試薬に関するサンプルを含む、第１及び第２のマイクロ液滴を計量する。２つの計量ステップは、マイクロ液滴が計量される反応物を表示する信号が、プロセッサにロードされる間、待つ（例えば、図８Ｄを参照）。次に、ステップ１７９は、計量されたマイクロ液滴を混合するため、混合１サブアセンブリによってパラメータ化された混合マイクロ液滴レベル機能を呼び出す。混合されたマイクロ液滴は、反応／検出１サブアセンブリの反応領域に位置付けられるので、ステップ１８０は、実行反応マイクロ液滴レベル機能を呼び出すことによって反応を実行する。最後に、ステップ１８１は、反応結果のアクチュエータレベル機能を呼び出すことによって、反応結果を光学的に解析する。競争反応で、ステップ１８２は、ホストシステムに対して反応結果と競争信号を戻す。例えば、様々に呼び出された機能によって更新されるようなマイクロ流体プロセッサ構成データをモニタリングすることによって、この機能の動作の全体にわたり、非同期のホストモニタリングまたは制御１８３が進行の中に存在する。
【０２１０】
したがって、この典型的なＰＣＲ反応は、高レベルのマイクロ液滴機能に完全に特定される流体。この機能を実行するために調和的にされなければならない個々の構成要素の詳細な動作は、反応制御が表現されるマイクロ液滴機能によってカプセル化されるのが一般的である。
【０２１１】
代替の実施形態では、反応制御機能は、マイクロ流体プロセッサ説明を取得した後で、意図した反応を実行するのに使用するプロセッサ構成要素自身を規定する。マイクロ液滴が、直接的に接続されていない構成要素間に移動されることを必要とする場合、その制御機能は、必要なマイクロ液滴移動機能呼び出しを挿入する。この判断は、半導体チップの（ＶＨＤＬのような）高レベルのハードウェア記述言語の中に表現されるハードウェア説明のレイアウト及び記述に類似し、かつ類似の方法によって実行され得る。さらに、当業者にとって明らかな代替の装置もまた、本発明に含まれている。
【０２１２】
本発明の制御システム及び方法は、生物学及び医学サンプルのあらかじめ規定された解析を実行するマイクロ流体プロセッサを制御することに適用する上で都合がよい。典型的な解析は、生物の疾患状態を表示し、その疾患状態を診断するある核酸またはたんぱく質の存在を判断することを含んでいる。
【０２１３】
したがって、図１３は、このような解析例の調整を示している。まず、例えば、ばらばらにしたりふき取りしたりすることによって生物外から、または例えば、生検や外科の標本によって生物の内部から得られたサンプルのような生物学または医学の標本が取得される。次に、サンプルが標本から用意される。これは、前記標本を（細胞外の材料が解析されようとする細胞を除去する）異質の材料から精錬するステップと、（細胞内の材料が解析されようとする）細胞を溶解するステップと、（例えば、たんぱく質からの核酸のような）他のタイプから解析される材料を分離するステップとを含んでいる。最後に、用意されたサンプルは、本発明のシステム及び方法による解析に関するマイクロ流体プロセッサへロードされる。
【０２１４】
これらの実施形態が本発明の幾つかの側面の説明として意図されているので、ここで述べられかつ権利主張した本発明は、本開示した好ましい実施形態による視野に限定されるものではない。任意の等価な実施形態は、本発明の視野内にあると意図されている。実際、ここで示されかつ記載された内容に加えて本発明の様々な修正が、先の記載から当業者にとって明らかであろう。また、このような修正は、付加した請求の範囲の視野内に入るよう意図されている。
【０２１５】
多数の参考文献が、全目的の参照により、全開示を構成するものとして完全に組み込まれ引用される。さらに、これらの引用文献のどれも、どのような特徴があるかにかかわらず、ここで権利主張した本発明の主題に先立って認められるものである。
【図面の簡単な説明】
【０２１６】
例えば、図５Ａ及び図５Ｂのような、同じ番号の図であるが異なるアルファベット文字がある場合、同一の要素は、同じ符号で引用されている。
【０２１７】
【図１】好ましい方法で熱制御された典型的なマイクロ流体デバイスを示す図である。
【図２】本発明の機能的な階層を示す図である。
【図３Ａ−Ｂ】本発明の好ましい制御システム構造を示す図である。
【図４Ａ−Ｃ】好ましいマイクロ流体プロセッサに関する制御された熱構成要素の機能を示す図である。
【図５Ａ−Ｂ】好ましいマイクロ流体プロセッサに関する圧力生成構成要素の機能を示す図である。
【図６Ａ−Ｄ】好ましいマイクロ流体プロセッサに関するマイクロバルブアクチュエータ機能を示す図である。
【図７Ａ−Ｃ】好ましいマイクロ流体プロセッサに関するマイクロ液滴動作を示す図である。
【図８Ａ−Ｄ】好ましいマイクロ流体プロセッサに関するマイクロ液滴計量機能を示す図である。
【図９Ａ−Ｅ】好ましいマイクロ流体プロセッサに関するマイクロ液滴混合機能を示す図である。
【図１０Ａ−Ｅ】好ましいマイクロ流体プロセッサに関する反応／解析機能を示す図である。
【図１１Ａ−Ｂ】好ましいマイクロ流体プロセッサに関する光検出アクチュエータ機能を示す図である。
【図１２】典型的な反応制御機能を示す図である。
【図１３】典型的なサンプル準備方法を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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