(57)【要約】ある容量の液体を、表面（１２）に対して沈着させて、表面（１２）に対して液滴（１０）を生じるための方法であって、液体のボーラス（１１６）を、分配部材（１００）に対して形成する工程、液体のボーラス（１１６）を表面（１２）と接触させ、これによって、分配部材（１００）と表面（１２）との間に、液体のブリッジ（２２０）を形成する工程、および液体のボーラス（１１６）の一部のみを引き込んで、分配部材（１００）と表面（１２）との間の液体のブリッジ（２２０）を破壊し、これによって、液滴（１０）を表面（１２）上に沈着させる工程を包含する。ある容量の液滴（１０）は、最初の液滴（１０）とは異なる容量の残りの液滴（１０）を残しながら、液体のブリッジ（２２０）を分配部材（１００）の間に形成することによって、調節され得る。
2004535273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面（１２）に対してある容量の流体を沈着させて、該表面（１２）に対して液滴（１０）を生じるための方法であって、該分配する方法が、以下の工程：
分配部材（１００）を提供する工程；
該分配部材（１００）に対して、液体のボーラス（１１６）を形成するための手段を提供する工程；
該液体のボーラス（１１６）の少なくとも一部を引き込むための手段を提供する工程；
該液滴（１０）を受容するための表面（１２）を提供する工程；
該分配部材（１００）に対して液体のボーラス（１１６）を形成する工程；
該分配部材（１００）に対して形成された該液体のボーラス（１１６）を、該表面（１２）と接触させる工程であって、これによって、該分配部材（１００）と該表面（１２）との間に液体のブリッジ（２２０）を形成する工程；および
該液体のボーラス（１１６）の一部のみを引き込んで、該分配部材（１００）と該表面（１２）との間の該液体のブリッジ（２２０）を破壊する工程であって、これによって、該表面（１２）の上に液滴（１０）を分配する、工程、
を包含することを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記液体のボーラス（１１６）を前記表面（１２）と接触させる工程が、該液体のボーラス（１１６）を成長させることによって実施されることを特徴とする、請求項１に記載の分配方法。
【請求項３】
前記液体のボーラス（１１６）を成長させる工程が、前記分配部材（１００）を、前記表面（１２）から所定の固定された距離に配置して実施されることを特徴とする、請求項２に記載の分配方法。
【請求項４】
前記方法が、前記表面（１２）上に予め存在する液滴（１０）を提供する工程をさらに包含することを特徴とし、ここで、前記液滴（１０）が、該予め存在する液滴（１０）に対して沈着される、請求項１に記載の分配方法。
【請求項５】
前記液体のボーラス（１１６）を前記表面（１２）に接触させる工程が、前記分配部材（１００）および該表面（１２）の位置を、互いに近付けて移動させる工程を包含することを特徴とする、請求項１に記載の分配方法。
【請求項６】
前記分配部材（１００）および前記表面（１２）の前記位置を、互いに近付けて移動させる工程が、該分配部材（１００）を該表面（１２）の該位置に向けて移動させる工程を包含することを特徴とする、請求項５に記載の分配方法。
【請求項７】
前記分配部材（１００）および前記表面（１２）の前記位置を、互いに近付けて移動させる工程が、該表面（１２）の該位置を、該分配部材（１００）に向けて移動させる工程を包含することを特徴とする、請求項５に記載の分配方法。
【請求項８】
前記液体のボーラス（１１６）を前記分配部材（１００）に対して形成する工程が、該分配部材（１００）および前記表面（１２）の前記位置を互いに近付けて移動させる工程の後に起こることを特徴とする、請求項５に記載の分配方法。
【請求項９】
前記液体のボーラス（１１６）を形成する工程が、前記分配部材（１００）および前記表面（１２）の前記位置を互いに近付けて移動させる工程の前に起こることを特徴とする、請求項５に記載の分配方法。
【請求項１０】
前記分配部材（１００）および前記表面（１２）の前記位置を、互いに近付けて移動させる工程が、一旦、前記液体のボーラス（１１６）が形成すると、該分配部材（１００）が該表面（１２）と接触するためには十分ではないことを特徴とする、請求項５に記載の分配方法。
【請求項１１】
前記分配部材（１００）を提供する工程が、ある容量の液体（２１８）を保持するための内部容量、および液体の通過を可能にするためのオリフィスを有する分配部材（１００）を提供することを特徴とする、請求項１に記載の分配方法。
【請求項１２】
前記分配部材（１００）を提供する工程が、前記表面（１２）の近くに配置されるための開口近位端（１０１）、開口遠位端（１０２）、および該近位端（１０１）と該遠位端（１０２）との間のチャネルを有する分配部材（１００）を提供する工程を包含することを特徴とし、ここで、該チャネルが、該分配部材（１００）の前記内部容量を含む、請求項１１に記載の分配方法。
【請求項１３】
前記分配部材（１００）を提供する工程が、キャピラリーチューブ（１００）を提供する工程を包含することを特徴とし、これによって、前記液体のボーラス（１１６）の少なくとも一部を引き込むための手段を提供する工程が、少なくとも部分的に、該キャピラリーチューブ（１１６）によって示される毛細管力によって実施される、請求項１２に記載の分配方法。
【請求項１４】
前記方法が、前記キャピラリーチューブ（１００）の近位端（１０１）と前記表面（１２）上の前記液滴（１０）との間に、第二の液体のブリッジ（１１６）を形成する工程、および該液滴（１０）の少なくとも一部を、該キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量に引き込む工程をさらに包含することを特徴とする、請求項１３に記載の分配方法。
【請求項１５】
前記液体のボーラス（１１６）の少なくとも一部を引き込むための手段を提供する工程が、前記キャピラリーチューブ（１００）に低圧を付与する工程をさらに包含することを特徴とする、請求項１３に記載の分配方法。
【請求項１６】
前記分配部材（１００）に対して前記液体のボーラス（１１６）を形成する工程が、前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量に、ある容量の液体（２１８）を配置する工程、および該キャピラリーチューブ（１００）によって示される前記毛細管力を少なくとも部分的に克服して、該キャピラリーチューブ（１００）の前記近位端（１０１）において、該液体のボーラス（１１６）を形成する工程を包含することを特徴とする、請求項１３に記載の分配方法。
【請求項１７】
前記方法が、前記キャピラリーチューブ（１００）の前記近位端（１０１）と前記表面（１２）との間に、第二の液体のブリッジ（２２０）を形成すること、および該第二の液体のブリッジ（２２０）を破壊することによって、前記液滴（１０）の容量を調節する工程をさらに包含することを特徴とする、請求項１６に記載の分配方法。
【請求項１８】
前記キャピラリーチューブ（１００）の前記近位端（１０１）と前記表面（１２）との間に、前記第二の液体のブリッジ（２２０）を形成する工程が、該キャピラリーチューブ（１００）の該近位端（１０１）に対して、第二の液体のボーラス（１１６）を形成する工程、および該第二の液体のボーラス（１１６）を前記液滴（１０）と接触させる工程を包含することを特徴とする、請求項１７に記載の分配方法。
【請求項１９】
前記キャピラリーチューブ（１００）の前記近位端（１０１）と前記表面（１２）との間に前記第二の液体のブリッジ（２２０）を形成する工程が、該キャピラリーチューブ（１００）の該近位端（１０１）と前記液滴（１０）とを接触させる工程を包含することを特徴とする、請求項１７に記載の分配方法。
【請求項２０】
前記方法が、前記第二のボーラス（１１６）の容量より大きな容量の液体を、前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量に引き込む工程、および前記第二の液体のブリッジ（２２０）を破壊する工程をさらに包含し、これによって、前記液滴（１０）の前記容量を減少させることを特徴とする、請求項１８に記載の分配方法。
【請求項２１】
前記方法が、前記第二のボーラス（１１６）の容量より小さな容量の液体を、前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量に引き込む工程をさらに包含し、これによって、前記液滴（１０）の前記容量を増加させることを特徴とする、請求項１８に記載の分配方法。
【請求項２２】
前記キャピラリーチューブ（１００）によって示される前記毛細管力を少なくとも部分的に克服する工程が、該キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量内に増加した圧力を提供することによって実施されることを特徴とする、請求項１６に記載の分配方法。
【請求項２３】
前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量内に増加した圧力を提供する工程が、約０．０１Ｐｓｉと１０．０Ｐｓｉとの間の増加した圧力を提供する工程を包含することを特徴とする、請求項２２に記載の分配方法。
【請求項２４】
前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量内に増加した圧力を提供する工程が、約０．０６Ｐｓｉの増加した圧力を提供する工程を包含することを特徴とする、請求項２３に記載の分配方法。
【請求項２５】
前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量内に増加した圧力を提供する工程が、該キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量内に所定の持続時間の圧力パルスを提供する工程を包含することを特徴とする、請求項２２に記載の分配方法。
【請求項２６】
前記所定の持続時間の圧力パルスを提供する工程が、１ミリ秒と１０００ミリ秒との間の圧力パルスを提供する工程を包含することを特徴とする、請求項２５に記載の分配方法。
【請求項２７】
前記所定の持続時間の圧力パルスを提供する工程が、３ミリ秒と１５ミリ秒との間の圧力パルスを提供する工程を包含することを特徴とする、請求項２６に記載の分配方法。
【請求項２８】
前記キャピラリーチューブ（１００）を提供する工程が、０．４〜０．７ｍｍの間の内径を有する本体部分および０．０２ｍｍと０．２４ｍｍとの間の内径を有するノズルを有するキャピラリーチューブ（１００）を提供する工程を包含することを特徴とする、請求項２７に記載の分配方法。
【請求項２９】
前記圧力パルスを提供する工程が、前記キャピラリーチューブ（１００）の前記近位端（１０１）を、前記表面（１２）から１０ミクロンと３０００ミクロンとの間に配置して実施されることを特徴とする、請求項２５に記載の分配方法。
【請求項３０】
前記圧力パルスを提供する工程が、第一の弁（１５０）を開く工程、次いで第二の弁（１５２）を開く工程、次いで該第一の弁（１５０）を閉じる工程によって実施されることを特徴とし、ここで、該第一の弁および第二の弁（１５０、１５２）が、直列に取り付けられている、請求項２５に記載の分配方法。
【請求項３１】
前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量内に上昇した圧力を提供する工程が、前記液体の容量（２１８）で該キャピラリーチューブ（１００）の該内部容量に配置された第二の流体の圧力を増加させる工程を包含することを特徴とする、請求項２２に記載の分配方法。
【請求項３２】
前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量に、前記容量の液体（２１８）を配置する工程が、該キャピラリーチューブ（１００）を第二の液体に浸漬させる工程、および該容量の液体（２１８）を、少なくとも部分的に毛管現象によって、該キャピラリーチューブ（１００）の該内部容量に引き込む工程を包含することを特徴とし、これによって、該容量の液体（２１８）は、少なくとも部分的に毛管現象によって、該キャピラリーチューブ（１００）の該内部容量内に維持される傾向を有する、請求項１６に記載の分配方法。
【請求項３３】
前記キャピラリーチューブ（１００）によって示される前記毛細管力を少なくとも部分的に克服して、該キャピラリーチューブ（１００）の前記近位端（１０１）において前記液体のボーラス（１１６）の形成を誘導する工程が、該液体のボーラス（１１６）を該キャピラリーチューブ（１００）から落とさずに、そして該キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量からの該液体の前記容量（２１８）の流れを誘導せずに、該液体のボーラス（１１６）を形成する工程を包含することを特徴とする、請求項１６に記載の分配方法。
【請求項３４】
前記方法が、前記液滴（１０）の実際の容量を検出する工程、そして該液滴（１０）の該容量を、該液滴（１０）の所望の容量と比較して、該実際の容量と該所望の容量との間の任意の変動を決定する工程を包含することを特徴とする、請求項１に記載の分配方法。
【請求項３５】
前記方法が、前記実際の容量と前記所望の容量との間の変動が、所定の変動を越える場合に、前記液滴（１０）の前記容量を調節する工程をさらに包含し、これによって、前記分配方法が、一貫して正確かつ制御可能な容量の液滴（１０）を沈着させ得る、閉ループフィードバックおよび制御システムを提供することを特徴とする、請求項３４に記載の分配方法。
【請求項３６】
前記液滴（１０）の前記容量を調節する工程が、前記分配部材（１００）と前記表面（１２）との間に第二の液体のブリッジ（２２０）を形成する工程、および該第二の液体のブリッジ（２０）を破壊する工程を包含することを特徴とする、請求項３５に記載の分配方法。
【請求項３７】
前記キャピラリーチューブ（１００）の前記近位端（１０１）と前記表面（１２）との間に第二の液体のブリッジ（２２０）を形成する工程が、該キャピラリーチューブ（１００）の該近位端（１０１）に対して第二の液体のボーラス（１１６）を形成する工程、および該第二の液体のボーラス（１１６）に前記液滴（１０）を接触させる工程を包含することを特徴とする、請求項３６に記載の分配方法。
【請求項３８】
前記キャピラリーチューブ（１００）の前記近位端（１０１）と前記表面（１２）との間に第二の液体のブリッジ（２２０）を形成する工程が、該キャピラリーチューブ（１００）の該近位端（１０１）を前記液滴（１０）と接触させる工程を包含することを特徴とする、請求項３６に記載の分配方法。
【請求項３９】
前記方法が、前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量内に、前記第二のボーラス（１１６）の容量より大きな容量の液体を引き込む工程、および前記第二の液体のブリッジ（２２０）を破壊する工程をさらに包含し、これによって、前記液滴（１０）の前記容量を減少させることを特徴とする、請求項３７に記載の分配方法。
【請求項４０】
前記方法が、前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量に第二のボーラス（１１６）の容量より小さな容量の液体を引き込む工程をさらに包含し、これによって、前記液滴（１０）の前記容量を増加させることを特徴とする、請求項３７に記載の分配方法。
【請求項４１】
前記液滴（１０）の前記実際の容量を検出する工程が、横断画像化システムを提供する工程を包含することを特徴とする、請求項３５に記載の分配方法。
【請求項４２】
前記液滴（１０）の前記実際の容量を検出する工程が、垂直画像化システムを提供する工程を包含することを特徴とする、請求項３５に記載の分配方法。
【請求項４３】
前記分配部材（１００）を提供する工程が、該分配部材（１００）の前記近位端（１０１）の表面張力を変化させるために、少なくとも該近位端に塗布されたコーティングを備える、分配部材（１００）を提供する工程をさらに包含し、これによって、該表面（１２）に配置された前記液滴（１０）の前記容量に影響を与えることを特徴とする、請求項１２に記載の分配方法。
【請求項４４】
前記分配部材（１００）を提供する工程が、前記チャネルの表面張力を変化させるために、該チャネルの少なくとも一部に塗布されたコーティングを有する分配部材（１００）を提供する工程をさらに包含し、これによって、作用中の前記毛細管力に影響を与えることを特徴とする、請求項１３に記載の分配方法。
【請求項４５】
前記分配部材（１００）の少なくとも前記近位端（１０１）に塗布されたコーティングを有する分配部材（１００）を提供する工程が、該分配部材（１００）の少なくとも該近位端（１０１）に塗布された疎水性コーティングを有する分配部材（１００）を提供する工程を包含することを特徴とする、請求項４３に記載の分配方法。
【請求項４６】
前記表面（１２）を提供する工程が、該表面（１２）の表面張力を変化させるために、該表面（１２）の少なくとも一部に塗布されたコーティングを有する表面（１２）を提供する工程を包含し、これによって、該表面（１２）に沈着される前記液滴（１０）の容量に影響を与えることを特徴とする、請求項１に記載の分配方法。
【請求項４７】
前記表面（１２）を提供する工程が、該表面上の前記液滴（１０）の沈着に影響を与えるために、異なる表面張力の領域を有する表面（１２）を提供する工程を包含することを特徴とする、請求項１に記載の分配方法。
【請求項４８】
前記異なる表面張力の領域を有する表面（１２）を提供する工程が、比較的疎水性の領域（３６０）によって囲まれた親水性ウェル（３５８）を有する表面（１２）を提供する工程を包含することを特徴とする、請求項４７に記載の分配方法。
【請求項４９】
前記表面（１２）を提供する工程が、該表面（１２）に沈着された液滴（１０）を閉じ込めるための、該表面に配置された複数の円筒形カラム（３６２）を有する表面（１２）を提供する工程を包含し、ここで、該円筒形カラム（３６２）が、該円筒形カラム（３６２）の表面張力を改変するために、該円筒形カラムに塗布されたコーティングを有することを特徴とする、請求項１に記載の分配方法。
【請求項５０】
前記液滴（１０）を受容するための前記表面（１２）を提供する工程が、実質的に平坦な物理的基板（１０）を提供する工程を包含することを特徴とする、請求項１に記載の分配方法。
【請求項５１】
前記液滴（１０）を受容するための表面（１２）を提供する工程が、液滴（１０）が沈着し得る第二の分配部材（１００）を提供する工程を包含することを特徴とする、請求項１に記載の分配方法。
【請求項５２】
前記第二の分配部材（１００）を提供する工程が、前記液滴（１０）を受容するための内部容量を有する分配部材（１００）を提供する工程を包含することを特徴とする、請求項５１に記載の分配方法。
【請求項５３】
前記第二の分配部材（１００）を提供する工程が、キャピラリーチューブ（１００）を提供する工程を包含することを特徴とする、請求項５２に記載の分配方法。
【請求項５４】
前記方法が、前記分配部材（１００）の前記内部容量に、前記容量の液体（２１８）を、該容量の液体（２１８）においてインキュベーションプロセスを完了させるに十分な時間にわたって保持する工程をさらに包含することを特徴とする、請求項１１に記載の分配方法。
【請求項５５】
前記方法が、前記容量の液体（２１８）において完了するプロセスの状態を検出するための方法をさらに包含することを特徴とする、請求項５４に記載の分配方法。
【請求項５６】
前記方法が、前記表面（１２）上に予め素材する液滴（１０）を提供する工程をさらに包含し、ここで、前記液滴（１０）が、該予め存在する液滴（１０）に対して沈着されることを特徴とする、請求項１に記載の分配方法。
【請求項５７】
前記方法が、前記液滴（１０）の少なくとも一部、および前記予め存在する液滴（１０）の少なくとも一部を、前記分配部材（１００）の前記内部容量に引き込む工程をさらに包含することを特徴とする、請求項５６に記載の分配方法。
【請求項５８】
前記方法が、前記液滴（１０）の少なくとも一部、および前記予め存在する液滴（１０）の少なくとも一部を、前記分配部材（１００）の前記内部容量に、該液滴（１０）の少なくとも一部と該予め存在する液滴（１０）の少なくとも一部との間で、プロセスを完了させるに十分な時間にわたって保持する工程をさらに包含することを特徴とする、請求項５７に記載の分配方法。
【請求項５９】
前記液滴（１０）の少なくとも一部、および前記予め存在する液滴（１０）の少なくとも一部を保持する工程が、該液滴（１０）の少なくとも一部、および該予め存在する液滴（１０）の少なくとも一部を、インキュベーションプロセスを起こすに十分な時間にわたって保持する工程を包含することを特徴とする、請求項５８に記載の分配方法。
【請求項６０】
表面（１２）上の最初の液滴（１０）の容量を調節するための方法であって、該方法は以下の工程：
所定の容量の最初の液滴（１０）が配置された表面（１２）を提供する工程；
分配部材（１００）を提供する工程；
所定の容量の液体のブリッジ（１１６）を、該分配部材（１００）と該表面（１２）との間に形成する工程であって、ここで、該液体のブリッジ（２２０）の容量が、該最初の液滴（１０）を含む、工程；および
該最初の液滴（１０）とは異なる容量の残りの液滴（１０）を残しながら、該分配部材（１００）と該表面（１２）との間の液体のブリッジ（１１６）を破壊する工程、
を包含することを特徴とする、方法。
【請求項６１】
前記分配部材（１００）を提供する工程が、ある容量の液体（２１８）を保持するための内部容量、および液体の通過を可能にするためのオリフィスを有する分配部材（１００）を提供する工程を包含し、そして前記方法が、該分配部材（１００）の該内部容量に、該量の液体（２１８）を引き込むための手段を提供する工程をさらに包含することを特徴とする、請求項４０に記載の方法。
【請求項６２】
前記分配部材（１００）と前記表面（１２）との間に前記液体のブリッジ（２２０）を形成する工程が、該分配部材（１００）の近位表面（１０１）を前記最初の液滴（１０）と接触させる工程を包含することを特徴とする、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
前記分配部材（１００）と前記表面（１２）との間に前記液体のブリッジ（２２０）を形成する工程が、該分配部材（１００）に対して液体のボーラス（１１６）を形成する工程、および該液体のボーラス（１１６）を前記最初の液滴（１０）と接触させる工程を包含し、これによって、該分配部材（１００）と該表面（１２）との間の液体のブリッジ（２２０）が形成されることを特徴とする、請求項６１に記載の方法。
【請求項６４】
前記方法が、前記液体のボーラス（１１６）の容量より大きな容量の液体を吸引する工程をさらに包含し、ここで、該容量の液体が、該液体のボーラス（１１６）の少なくとも一部および前記最初の液滴（１０）の少なくとも一部を含み、これによって、前記残りの液滴（１０）の容量が、該最初の液滴（１０）の容量より小さいことを特徴とする、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
前記方法が、前記液体のボーラス（１１６）の容量より小さな容量の液体を吸引する工程をさらに包含し、これによって、前記残りの液滴（１０）の容量が、前記最初の液滴（１０）の容量より大きいことを特徴とする、請求項６３に記載の方法。
【請求項６６】
前記液体のボーラス（１１６）を前記最初の液滴（１０）と接触させる工程が、該液体のボーラス（１１６）を成長させることによって実施されることを特徴とする、請求項６３に記載の方法。
【請求項６７】
前記液体のボーラス（１１６）を前記最初の液滴（１０）と接触させる工程が、前記分配部材（１００）を前記表面（１２）のある位置の近くに移動させる工程を包含することを特徴とする、請求項６３に記載の方法。
【請求項６８】
所定の容量の最初の液滴（１０）が沈着された表面（１２）を提供する工程が、表面（１２）を提供する工程、および前記分配部材（１００）を用いて該表面（１２）に対して液滴（１０）を沈着させる工程を包含することを特徴とする、請求項６０に記載の方法。
【請求項６９】
前記分配部材（１００）を提供する工程が、開口近位端（１０１）、開口遠位端（１０２）、および該近位端（１０１）と該遠位端（１０２）との間のチャネルを有する分配部材（１００）を提供する工程を包含し、ここで、該チャネルが、該分配部材（１００）の前記内部容量を含むことを特徴とする、請求項６０に記載の方法。
【請求項７０】
前記分配部材（１００）を提供する工程が、キャピラリーチューブ（１００）を提供する工程を包含し、これによって、前記液体のボーラス（１１６）の少なくとも一部を引き込むための手段を提供する工程が、該キャピラリーチューブ（１００）によって示される毛細管力によって少なくとも部分的に実施されることを特徴とする、請求項６９に記載の方法。
【請求項７１】
前記分配部材（１００）に対して前記液体のボーラス（１１６）を形成する工程が、前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量に、ある容量の液体（２１８）を配置する工程、および該キャピラリーチューブ（１００）によって示される前記毛細管力を少なくとも部分的に克服して、該キャピラリーチューブ（１００）の前記近位端（１０１）に該液体のボーラス（１１６）を形成する工程を包含することを特徴とする、請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
前記キャピラリーチューブ（１００）によって示される前記毛細管力を少なくとも部分的に克服する工程が、該キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量内に増加した圧力を提供する工程を包含することを特徴とする、請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量内に増加した圧力を提供する工程が、約０．０１Ｐｓｉと１０．０Ｐｓｉとの間の上昇した圧力を提供する工程を包含することを特徴とする、請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量内に増加した圧力を提供する工程が、約０．０６Ｐｓｉの上昇した圧力を提供する工程を包含することを特徴とする、請求項７３に記載の方法。
【請求項７５】
前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量内に増加した圧力を提供する工程が、該キャピラリーチューブ（１００）の該内部容量に、所定の持続時間の圧力パルスを提供する工程を包含することを特徴とする、請求項７２に記載の方法。
【請求項７６】
前記所定の持続時間の圧力パルスを提供する工程が、１ミリ秒と１０００ミリ秒との間の圧力パルスを提供する工程を包含することを特徴とする、請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
前記所定の持続時間の圧力パルスを提供する工程が、３ミリ秒と１５ミリ秒との間の圧力パルスを提供する工程を包含することを特徴とする、請求項７６に記載の方法。
【請求項７８】
前記キャピラリーチューブ（１００）を提供する工程が、０．４〜０．７ｍｍの間の内径を有する本体部分（１０３）および０．０２ｍｍと０．２４ｍｍとの間の内径を有するノズル（１０４）を有するキャピラリーチューブ（１００）を提供する工程を包含することを特徴とする、請求項７７に記載の方法。
【請求項７９】
前記圧力パルスを提供する工程が、前記キャピラリーチューブ（１００）の前記近位端（１０１）を、前記表面（１２）から１０ミクロンと３０００ミクロンとの間に配置して実施される、請求項７５に記載の方法。
【請求項８０】
前記圧力パルスを提供する工程が、第一の弁（１５０）を開く工程、次いで第二の弁（１５２）を開く工程、次いで該第一の弁（１５０）を閉じる工程によって実施され、ここで、該第一の弁および第二の弁（１５０、１５２）が、直列に取り付けられていることを特徴とする、請求項７５に記載の方法。
【請求項８１】
前記方法が、前記残りの液滴（１０）の実際の容量を検出する工程、および該残りの液滴（１０）の該実際の容量を該残りの液滴（１０）の所望の容量と比較して、該実際の容量と該所望の容量との間の任意の変動を決定する工程をさらに包含することを特徴とする、請求項６０に記載の方法。
【請求項８２】
前記方法が、前記実際の容量と前記所望の容量との間の変動が所定の変動を越える場合に、前記残りの液滴（１０）の前記容量を調節する工程をさらに包含し、これによって、該分配方法が、一貫して正確な制御可能な容量の液滴（１０）を生じ得る、閉ループのフィードバックおよび制御システムを提供することを特徴とする、請求項８１に記載の方法。
【請求項８３】
前記残りの液滴（１０）の前記容量を調節する工程が、前記分配部材（１００）と前記表面（１２）との間に、第二の液体のブリッジ（２２０）を形成する工程、および該第二の液体のブリッジ（２２０）を破壊する工程を包含することを特徴とする、請求項８２に記載の方法。
【請求項８４】
前記キャピラリーチューブ（１００）の前記近位端（１０１）と前記表面（１２）との間に第二の液体のブリッジ（２２０）を形成する工程が、該キャピラリーチューブ（１００）の該近位端（１０１）に対して液体のボーラス（１１６）を形成する工程、および該液体のボーラス（１１６）を前記残りの液滴（１０）と接触させる工程を包含することを特徴とする、請求項８３に記載の方法。
【請求項８５】
前記キャピラリーチューブ（１００）の前記近位端（１０１）と前記表面（１２）との間に第二の液体のブリッジ（２２０）を形成する工程が、該キャピラリーチューブ（１００）の前記近位端（１０１）と前記残りの液滴（１０）とを接触させる工程を包含することを特徴とする、請求項８３に記載の方法。
【請求項８６】
前記方法が、前記液体のボーラス（１１６）の容量より大きな容量の液滴を、前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量に引き込む工程、および前記第二の液体のブリッジ（２２０）を破壊する工程を包含し、これによって、前記残りの液滴（１０）の前記容量が減少することを特徴とする、請求項８４に記載の方法。
【請求項８７】
前記方法が前記液滴のボーラス（１１６）の容量より小さな容量の液体を、前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量に引き込む工程をさらに包含し、これによって、前記残りの液滴（１０）の容量が増加することを特徴とする、請求項８４に記載の方法。
【請求項８８】
表面（１２）上の１つ以上の液滴（１０）と相互作用するための方法であって、該方法は、以下の工程：
１つ以上の液滴（１０）が沈着した表面（１２）を提供する工程；
分配部材（１００）を提供する工程であって、該分配部材が、ある容量の液体（２１８）を保持するための内部容量、および液体の通過を可能にするためのオリフィスを有する、工程；
該分配部材（１００）の前記内部容量に、ある容量の液体を引き込むための手段を提供する工程；
該分配部材（１００）と該表面（１２）との間に、液体のブリッジ（２２０）を形成する工程であって、ここで、該液体のブリッジ（２２０）が、該表面（１２）に沈着した該１つ以上の液滴（１０）を含む、工程；
該分配部材（１００）の該内部容量に、該液体のブリッジ（２２０）の少なくとも一部を引き込む工程であって、ここで、該液体のブリッジ（２２０）の少なくとも一部が、該１つ以上の液滴（１０）の少なくとも一部を含む、工程；および
該分配部材（１００）と該表面（１２）との間の該液体のブリッジ（２２０）を破壊する工程；
を包含し、これによって、該１つ以上の液滴（１０）の少なくとも一部が、該分配部材（１００）の該内部容量内に保持され得ることを特徴とする、方法。
【請求項８９】
前記１つ以上の液滴（１０）が沈着した表面（１２）を提供する工程が、複数の液滴（１０）が沈着した表面（１２）を提供する工程を包含することを特徴とする、請求項８８に記載の方法。
【請求項９０】
前記分配部材（１００）と前記表面（１２）との間に液体のブリッジ（２２０）を形成する工程が、該表面（１２）に配置された前記複数の液滴（１０）の複数を含む液体のブリッジ（２２０）を形成する工程を包含し、ここで、該液体のブリッジ（２２０）の少なくとも一部を、該分配部材（１００）の前記内部容量に引き込む工程が、該複数の液滴（１０）の各々の少なくとも一部を引き込む工程を包含し、これによって、該複数の液滴（１０）の各々の少なくとも一部が、該分配部材（１００）の該内部容量に同時に保持され得ることを特徴とする、請求項８９に記載の方法。
【請求項９１】
前記複数の液滴（１０）が沈着した表面（１２）を提供する工程が、互いに異なる組成を有する少なくともいくらかの液滴（１０）を有する、複数の液滴（１０）を提供する工程を包含し、これによって、異なる組成を有する該液滴（１０）の少なくとも一部が、前記分配部材（１００）の前記内部容量に同時に保持され得、該液滴間の相互作用を可能にすることを特徴とする、請求項９０に記載の方法。
【請求項９２】
前記方法が、異なる組成を有する前記液滴（１０）の少なくとも一部を、前記分配部材（１００）の前記内部容量内に、プロセスを起こすために十分な時間にわたって保持する工程をさらに包含することを特徴とする、請求項９１に記載の方法。
【請求項９３】
前記方法が、前記プロセスの状態を検出するための手段を提供する工程をさらに包含することを特徴とする、請求項９２に記載の方法。
【請求項９４】
前記分配部材（１００）と前記表面（１２）との間に前記液体のブリッジ（２２０）を形成する工程が、該分配部材（１００）の前記近位表面（１０１）を、前記１つ以上の液滴（１０）と接触させる工程を包含することを特徴とする、請求項８８に記載の方法。
【請求項９５】
前記分配部材（１００）と前記表面（１２）との間に前記液体のブリッジ（２２０）を形成する工程が、該分配部材（１００）に対して液体のボーラス（１１６）を形成する工程、および該液体のボーラス（１１６）を前記１つ以上の液滴（１０）の１つ以上と接触させる工程を包含し、これによって、該分配部材（１００）と該表面（１２）との間に、液体のブリッジ（２２０）が形成されることを特徴とする、請求項８８に記載の方法。
【請求項９６】
前記液体のボーラス（１１６）を前記１つ以上の液滴（１０）と接触させる工程が、該液体のボーラス（１１６）を成長させることによって実施されることを特徴とする、請求項９５に記載の方法。
【請求項９７】
前記液体のボーラス（１１６）を前記１つ以上の液滴（１０）と接触させる工程が、前記分配部材（１００）を、前記表面（１２）上のある位置に近付けて移動させる工程を包含することを特徴とする、請求項９５に記載の方法。
【請求項９８】
前記分配部材（１００）を提供する工程が、キャピラリーチューブ（１００）を提供する工程を包含し、これによって、該分配部材（１００）の前記内部容量にある容量の液体を引き込むための手段を提供する工程が該キャピラリーチューブ（１００）によって示される毛細管力によって少なくとも部分的に実施されることを特徴とする、請求項８８に記載の方法。
【請求項９９】
前記分配部材（１００）に対して前記液体のボーラス（１１６）を形成する工程が、ある容量の液体（２１８）を、前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量に配置する工程、および該キャピラリーチューブ（１００）の該内部容量に上昇した圧力を提供することによって、該キャピラリーチューブ（１００）によって示される毛細管力を少なくとも部分的に克服する工程を包含することを特徴とする、請求項９５に記載の方法。
【請求項１００】
前記キャピラリーチューブ（１００）の前記内部容量に増加した圧力を提供する工程が、該キャピラリーチューブ（１００）の該内部容量に、所定の持続時間の圧力パルスを提供する工程を包含することを特徴とする、請求項９９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般に、液体を分配するための方法およびシステムに関する。より具体的に述べると、本特許は、正確かつ制御可能な容量の液体の液滴を、物理的基板上に選別、移動、および分配するための、システムおよび方法を開示し、そして保護する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
小さな（例えば、マイクロリットル未満の）容量の液体の操作は、製薬産業および保健産業において、次第に重要になってきている。ハイスループットのスクリーニングと組み合わせられた、コンビナトリアルケミストリーの出現は、製薬会社が、潜在的な薬物候補の研究において、何百万もの標的をスクリーニングすることを可能にした。ライブラリーが大きく成長したので、製薬産業は、部分的には、自動化によってスクリーニングプロセスを速めることにより、効果を示した。このより迅速な発見のための努力の副作用として、消費できる試薬の費用が急騰している。なぜなら、必要とされる試薬の容量が、自動化によってもたらされる漸増するスループットに規模を合わせているからである。
【０００３】
この費用を補うために、小型化のための第二の努力が、より高いスクリーニングスループットのための努力に応答して起こっている。一例として、５μｌの容量のアッセイを１００ｎｌの容量のアッセイに減少させることが必要である場合、試薬の費用は、百万の化合物のライブラリーのスクリーニングの間に、数百ドルから、数十ドル〜数千ドルまで減少し得る。これらの費用節約を達成しながらデータの質を維持する際の主要な障害は、マイクロリットル未満の容量にて既存の分配器において見られる、高い変動係数である。分配の変動は、シグナル対バックグラウンド比の誤差をもたらす。このような誤差は、首尾良い薬物の発見を妨げ得る。
【０００４】
製薬産業における自動化の発展は、マイクロタイタープレートのフットプリントを中心としている。初期の自動化は、９６ウェルプレートとインターフェースし、そして引き続く繰り返しを介して、器具類は、３８４ウェルおよび１５３６ウェルの形式が実施される点まで発展した。しかし、９６ウェルの形式に付きまとう名残の問題点は、小さなバイオテク会社と大きな製薬会社との両方に対して、問題を生じる。９６ウェルプレート内に保存されるライブラリーの全体的な物理的大きさは、そのライブラリーを支持するために必要とされる自動化の基礎設備と共に、多くの小さなバイオテク会社が大きなライブラリーを現場で維持することを妨げる。大きな製薬会社でさえ、ライブラリーの維持およびスクリーニングの基礎設備を、種々のＲ＆Ｄグループを提供する単一のコアスクリーニング設備に統合することを選択している。その結果、大きなライブラリーへのアクセスが、次第に困難になっている。
【０００５】
近年、マイクロリットル未満の容量の液体を生体工学適用のために分配するための、２つの優勢な技術が出現した。第一の分配技術は、ジェット技術であり、これは、チャネルを通る圧力波の伝播に基づき、いわゆる「ドロップオンデマンド（ｄｒｏｐ−ｏｎ−ｄｅｍａｎｄ）」分配システムを可能にしている。このようなシステムは、ピコリットル〜数マイクロリットルの範囲の微小液滴のストリームがオリフィスから排出されることを可能にする。
【０００６】
不運なことに、このような分配システムは、変動係数（ＣＶ）において問題点を提示する。単一の液体を分配するためのＣＶは、せいぜい約５％であり、一方で代表的なＣＶは、１５％である。この問題は、このようなシステムが種々の流体を分配することを求められる場合に、悪化する。これらの状況において、異なる流体の液滴についてのＣＶは、１１０％にまで高まり得る。この流体間の液滴の変動は、代表的に、分配される流体の種々のレオロジー特性に対するこれらのシステムの感受性に起因する。このようなシステムの例としては、ソレノイドに基づくデバイスおよび圧電デバイスが挙げられる。
【０００７】
第二の分配技術は、ピンスポッティングであり、ここで、正確に機械加工されたピンまたは針のアレイが、種々の溶液に浸漬される。これらのピンが引き抜かれるにつれて、所定の容量の流体（例えば、１００ｐＬ〜１００ｎＬ）が、ピンの幾何学的形状に大きく依存して、各ピンの先端に保持される。次いで、これらのピンが、平坦な基板（通常はガラス）と接触され、そしてこれらのピンを離すことによって、この流体が移動される。代表的に、これらのシステムは、２５〜５０％の範囲のＣＶを示す。再度、これらのＣＶは、代表的に、流体のレオロジー特性の変動に起因する。
【０００８】
上述のことを考慮して、微小液滴を、小容量で、改善された一貫性および精度で基板上に沈着させるための、改善されたシステムおよび方法が、産業において本当に必要とされていることが、明らかである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
（発明の要旨）
有利なことに、本発明は、先行技術によって示された欠点を克服し、同時にこれまでの多数の実現されなかった、先行技術より優れた利点を提供する、小容量の液体を分配するためのシステムおよび方法を提供するという、主要な課題を基礎とする。
【００１０】
より具体的には、本発明の主要な課題は、適切に改善された変動係数で、マイクロリットル未満の範囲の液滴を分配し得る、システムおよび方法を提供することである。
【００１１】
本発明のさらなる課題は、マイクロリットル未満〜１００マイクロリットルの範囲の液体を、同様に改善された変動係数で吸引し得る、システムおよび方法を提供することである。
【００１２】
本発明のなお別の課題は、迅速かつ効率的な、液体の分配と吸引とのサイクルを実施し得る、システムおよび方法を提供することである。
【００１３】
本発明のなおさらなる課題は、正確に制御可能な容量の液体の液滴を分配するための、システムおよび方法を提供することである。
【００１４】
特定の実施形態において、本発明の課題は、予め存在する液滴の容量を選択的に改変し得る、システムおよび方法を提供することである。
【００１５】
本発明の特定の実施形態のなおさらなる課題は、基板上に配置された液体の１つ以上の液滴と相互作用するための、システムおよび方法を提供することである。
【００１６】
本発明のこれらおよび他の課題および利点は、本明細書および図面を検討した人のみでなく、操作の際に本発明の実施形態を観察する機会を有する人にもまた、明らかである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
これらの課題を進める際に、本発明の１つの実施形態は、本質的に、ある容量の流体を表面に対して分配して、この表面に対して液滴を作製するための方法を包含する。この方法は、分配部材、液体のボーラスをこの分配部材に対して形成するための手段、この液体のボーラスの少なくとも一部を引き込むための手段、およびこの液滴を受容するための表面の提供を包含する。付記として、当業者は、ボーラスの液体が、最も一般的には、液体の丸い塊であると定義され得ることに気付く。このことに関して、液体のボーラスは、分配部材に対して形成され、そしてこの液体のボーラスは、表面と接触される。これは、分配部材と表面との間に液体のブリッジとみなされ得るものを形成する。次いで、このボーラスの一部が引き込まれ得、これによって、この液体のブリッジを破壊する。これによって、液体の液滴が、表面上に沈着される。
【００１８】
液体のボーラスは、種々の様式で、表面と接触され得ることが、明らかである。例えば、接触は、ボーラスを成長させることによって（おそらく、表面から所定の固定された距離に配置された、分配部材を用いて）、または例えば、表面に向かって移動する分配部材を用いて、誘導される。あるいは、接触は、すでに形成されたボーラスおよび表面のある位置を互いに向けて移動させることによって誘導され得る。これはもちろん、分配部材を表面のその位置に向けて移動させること、表面のその位置を分配部材に向けて移動させること、または表面と分配部材との両方の位置を、互いに向けて移動させることによって、実施され得る。いずれにしても、ボーラスを形成する工程は、分配部材および表面が互いに近付いて移動する前またはその後に起こり得ることが、明らかである。好ましくは、分配部材は、一旦、ボーラスが形成したら、表面が接触するまでは、移動されない。
【００１９】
本発明の方法は、広範な種々の構成の分配部材を用いて実施されることに注意しなければならない。特定の実施形態において、分配部材は、ある容量の液体を保持するための内部容量、およびそこを通る液体の通過を可能にするためのオリフィスを有する。例えば、この分配部材は、開放近位端、開放遠位端およびその間のチャネルを有し得、このチャネルは内部容量を含む。このような場合、液体のボーラスは、一時的な様式でこの分配部材から押し出される液体のサブ容量であるとみなされ得、その結果、連続性は、この内部容量中の液体の容量と排出されるサブ容量またはボーラスとの間で常に維持される。本議論の目的のために、この分配部材の近位端は、表面に近い端部とみなされ、一方、表面から離れた端部は、遠位端とみなされる。
【００２０】
さらにより好ましくは、この分配部材は、このボーラスに収縮のための手段として少なくとも部分的に作用するための毛細管力を及ぼすキャピラリーチューブを備える。しかし、所望であるかまたは必要である場合、この毛細管力は、キャピラリーチューブに吸引力を適用するための手段によって補充され得る。このような分配部材を用いる場合、このボーラスは、ある容量の液体をキャピラリーチューブの内部容量中に配置し（例えば、液体の所定の供給源本体からある容量の液体を内部容量中に引き込むことによって、または液体供給導管などを通してこのキャピラリーを満たすことによって）、そしてこのキャピラリーチューブにより及ぼされる毛細管力に少なくとも部分的に打ち勝つことによって（例えば、増加した圧力をキャピラリーチューブの内部容量に適用して、このキャピラリーチューブの近位端に、液体のボーラスを形成することによって）形成され得る。圧力の増加は、第１の液体の容量を有するキャピラリーチューブの内部容量中に配置され得る第２の液体または蒸気（例えば、空気）に関して圧力を増加することによって、達成され得る。しかし、好ましくは、この圧力の増加は、液体のボーラスを、キャピラリーチューブから放出される液滴または液体の流れにするほど大きくはない。
【００２１】
必要ではないが、本発明の基本的な実施形態を実施するために、多数の追加の機能および利点が、キャピラリーチューブの近位端と表面上に配置された液滴との間の液体の第２のブリッジを形成することによって、達成され得る。この第２のブリッジは、第２のボーラスを形成し、そしてこの第２のボーラスを表面上に配置された液滴と接触させることによって、形成され得る。あるいは、この第２のブリッジは、キャピラリーチューブの近位端を液滴と接触させることによって（例えば、キャピラリーチューブを液滴に突き刺すことによって）形成され得る。
【００２２】
この第２のブリッジを用いる場合、液滴の容量は、必要であるかまたは所望の場合、液滴の容量を減少または増加することによって、例えば、所望の液滴容量を達成するように、有利に調節され得る。例えば、液体の第２のボーラスが形成される液滴の容量を減少するために、第２のボーラスの容量よりも大きい容量の液体が、キャピラリーチューブの内部容量に引き込まれ得、そして第２のブリッジが破壊され得る。同じ状況にある液滴の容量を増加するために、第２のボーラスの容量より小さい容量の液体が、引き込まれ得、そして第２のブリッジが破壊され得る。
【００２３】
好ましい実施形態において、表面上に配置された液滴の容量の制御を可能にするための手段もまた包含される。もちろん、この手段は、各々が単独でかまたは種々の組み合わせで作用し得る種々の形態をとり得る。例えば、本発明者らは、以下でより十分に考察されるように、包含される技術的局面の適切な理解を用いて、沈着されるべき液滴の容量は、表面に関して分配部材の近位（例えば、キャピラリーチューブの近位端）の制御により制御され得ることを、有利に理解する。本発明者らは、液滴の容量が、多数の関連の因子の適切な理解を再び用いて、ボーラスの容量の制御によって制御され得ることをさらに理解する。もちろん、液滴の容量の制御は、液滴の容量を検出するための手段、およびさらにまたはあるいは、ボーラスの容量を検出するための手段を提供することによって、非常に容易になる。
【００２４】
なおさらに、表面上に沈着される液滴の容量は、コーティング（例えば、疎水性コーティング）を分配部材の自由表面エネルギーを変更するための細長分配部材の少なくとも近位端に適用することによって、影響を受け得、そして少なくともある程度まで制御され得る。さらに、その表面張力を変更し、それにより表面上に沈着される液滴の容量に影響を与えるために、この表面にコーティングが適用され得る。
【００２５】
分配部材が、内部容量を含む場合、本発明の方法は、プロセス（例えば、インキュベーションプロセス）が完了するのに十分な時間、液体の容量を内部容量に維持する工程をさらに包含し得る。このようなプロセスが完了する場合、本発明は、完了されるプロセスの状態を、液体の容量で定量するための手段（例えば、光検出器）をさらに備え得る。
【００２６】
本発明はまた、表面上に最初に液滴が存在する場合に実施され得、その結果、液滴は、最初の液滴に対して沈着されることが理解されるべきである。このような場合、液滴および最初の液滴のいくつかまたは全てが、分配部材中に引き込まれ得、ここで、これらの液滴は保持され、そして例えば、インキュベーションまたは他のプロセスにおけるように相互作用され得る。
【００２７】
別の実施形態において、本発明は、表面上の最初の液滴の容量を調節するための方法として記載され得る。この場合、この方法は、分配部材（例えば、キャピラリーチューブ）、およびこの上に配置された最初の液滴を有する表面を提供する工程を包含する。この最初の液滴は、本発明に従って分配され得るか、またはこれは、任意の他の方法によって予め存在するかもしくは適用され得る。液体のブリッジは、分配部材と表面との間で形成され得、この液滴のブリッジは、最初の液滴を含む。次いで、この液滴のブリッジは、最初の液滴とは異なる容量の残りの液滴を残しつつ、破壊され得る。
【００２８】
第２のブリッジは、分配部材の近位表面を最初の液滴と接触させることによって、または分配部材に関して液滴のボーラスを形成し、そしてこのボーラスを最初の液滴と接触させることによって、形成され得る。残りの液滴は、このボーラスの容量よりも大きい容量の液滴の容量を吸引することによって、最初の液滴よりも小さくされ得、ここで、この液体の容量は、ボーラスの少なくとも一部および最初の液滴の少なくとも一部を含む。残りの液滴は、ボーラスの容量より小さい容量の液体の容量を吸引することによって、最初の液滴より大きくされ得る。
【００２９】
さらなる局面において、本発明は、表面上の少なくとも１つの液滴と相互作用するための方法を含むと言われ得、ここでこの方法は、少なくとも１つの液滴が表面上に配置された表面を提供する工程、分配部材を提供する工程、およびこの分配部材の内部容量にある容量の液体を引き込むための手段を提供する工程を包含する。また、最初の液滴は、本発明に従う方法を含む任意の方法によって、適用され得る。提供されるこれらの要素を用いて、液体のブリッジは、分配部材と少なくとも１つの液滴を含むブリッジを有する表面との間で形成され得る。液体のブリッジの少なくとも一部は、少なくとも１つの液体の少なくとも一部を含む液体のブリッジの少なくとも一部を有する分配部材の内部容量に引き込まれ得る。次いで、このブリッジは破壊され、それにより、この少なくとも１つの液滴の少なくとも一部が、この分配部材の内部容量中に保持され得る。
【００３０】
１つの液滴との相互作用は、本発明の複数の目的および利点を達成し得るが、他のさらなる目的は、所定の表面上の複数の液滴と相互作用することによって、達成され得る。液体のブリッジは、液滴の１つを含むように、または非常に多数の、そしておそらく全ての液滴を含むように、形成され得、そして非常に多数の液滴の各々の少なくとも一部は、分配部材中に吸引され得、そして同時に、それらの間の相互作用を可能にするようにその中に保持され得る。このことを用いて、異なる組成の液滴が、吸引され得、その結果、内部容量は、インキュベーションチャンバなどとして作用し得る。プロセスが分配部材中で生じ得る場合、本発明は、このようなプロセスの状態を検出するための手段をさらに備え得る。
【００３１】
本発明のこのような好ましい実施形態において、液体は、５％と１５％との間の範囲であり得る変動係数でマイクロリットル以下の範囲で分配され得る。さらに、液体は、同一基準（ｃｏｍｍｅｎｓｕｒａｔｅ）変動係数で、マイクロリットル以下の範囲で、吸引され得る。さらに、必要な場合、完全な分配および吸引サイクルが、１０Ｈｚ程度の周波数で実施され得る。なおさらに、特定の実施形態において、本発明は、リアルタイムで作動する閉ループ制御システムを可能にし得る。なおより好ましい実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、液滴の容量をリアルタイムでモニタリングし得、同時にまた、ピコリットルのような容量の液体を最初の液滴に添加または最初の液滴から除去することによって、分配誤差を補正する。これによって、本発明のシステムおよび方法は、広範囲にわたる（例えば、数ピコリットルからマイクロリットル）容量を分配し得る。最も有利なことに、このような分配は、１％未満の変動係数で行われ得、それにより、従来技術を越える顕著な改良点を規定する。なおさらに有利なことに、このシステムおよび方法は、異なる液体力学的特性を有する種々の液体に対処しつつ、これを行い得る。代表的な変動係数を示しつつ少量を分配する同時能力は、従来技術の方法およびシステムを越える顕著な進歩を示す。なおさらなる利点は、本発明の実施形態において達成可能な減少した変動係数と組み合わせて、大きな動的範囲の分配容量から導かれ得る。
【００３２】
なおさらに、本発明の実施形態は、最小の死容量で液体の操作および保存のためのマイクロ〜ミクロの界面を可能にし、これは従来技術を越える顕著な改良点を示す。例えば、当業者は、ジェッティング技術が代表的に数マイクロリットルほどの大きな死容量を有することを知っている。一方、本発明のシステムおよび方法は、５０ｎＬの代表的な死容量を有する数ピコリットル〜数百ナノリットルほどの低い死容量を証明し得る。次いで、この能力は、約８ｆｔ３の容量において、約２００，０００の化合物の化合物ライブラリーに対する自動化可能アクセスを可能にするのに十分な密度の様式での液体の保存を可能にする。
【００３３】
本発明のなお別の実施形態において、第１の液滴が、物理的基板上に沈着された後、１つ以上のさらなる液滴が、この第１の液滴の上に沈着されて、最終的な液滴を形成し得る。これからは、この最終的な液滴を、アッセイ液滴と呼ぶ。好ましくは、この最初の液滴およびさらなる液滴は、例えば、種々の濃度の、水性塩溶液、またはタンパク質（例えば、酵素）、小分子（例えば、薬物）、細胞、もしくは蛍光性化合物を含有する溶媒を含む。
【００３４】
これにより、生化学的得反応は、酵素および薬物の活性および特異性を試験するための以前に記載された試薬の混合物を使用して、アッセイ液滴内で行われ得る。さらに、このシステムは、インヒビターまたはアクチベータの存在下で、これらの酵素および薬物の残りの活性および動力学を測定し得る。均質アッセイは、液体のみを含み、一方、細胞ベースのバイオアッセイは、生きた細胞を含み、そして異質アッセイは、予め固定された結合パートナーを含む。このような細胞ベースのアッセイは、薬物発見の経路および毒性において重要である。
【００３５】
アッセイ液滴が、分配部材によって物理的基板上に沈着され、そして試薬が適切に混合された後、次いで、試薬を含まないキャピラリーが、このアッセイ液滴の上に配置され、そしてこのアッセイ液滴を引き込むために使用される。同様に、新しい分配部材（これは、少なくとも１つの予め固定された結合パートナーを含む）が、このアッセイ液滴を収容するために使用され得、異質アッセイの実行を可能にする。あるいは、アッセイ容量は、液滴の配列を吸引することによって、空のキャピラリー内に形成され得る。
【００３６】
前述の議論は、以下の詳細な説明のより十分な理解を可能にするため、および本発明者らの当該分野への寄与の十分な評価を教え込むために、本発明の特定のより重要な特徴を広範に概説していることが理解される。本発明の任意の実施形態が詳細に説明される前に、構築、形状の記載および本発明の概念の例示の以下の詳述は、本発明の多くの可能な明示の単なる例であることが明らかにされるべきである。
【００３７】
（詳細な説明）
多くの発明者らと同様に、液体を分配するためのシステムおよび方法についての本発明は、広範な種々の実施形態の対象である。しかし、当業者が理解し得、適切な場合において、本発明を実施し得ることを保証するために、本明細書中に示される広範な本発明の特定の好ましい実施形態は、以下に記載されそして添付の図面に示される。
【００３８】
本発明は、その実行に関する物理学の適切な基本的な理解の達成を必要とする。従って、最初に、少量の液体は、液体の分子内引力によって球の形状にされることが、注目される。重力により生成される圧力勾配の非存在下において、液体−蒸気界面を横切る圧力差は、以下のように記載される：
ＰＬＶ＝（２γＬＶ）／ＲＬＶ
ここで、γＬＶは、液体−蒸気界面の表面張力であり、そしてＲＬＶは、液体−蒸気界面の曲率半径である。この様式において、表面張力は、力／距離の単位を有する。容量の表面積の拡大は、この容量を球にする圧力に対して作用する傾向がある。従って、より高い射角に向かって上向きにある質量を押すことが重力ポテンシャルエネルギーを増加させるのと同じように、表面積の任意の増加は、保存されたエネルギーの増加を表す。球の表面内保存されたエネルギーの量は、以下である：
ＥＬＶ＝γｌｖ４πＲＬＶ２
ここで、γｌｖは、ここでは、液体−蒸気界面の表面積あたりのエネルギーを示す。従って、この議論において、表面エネルギーは、表面により保存された全エネルギーを示し、そして表面張力は、この表面積の面積あたりのエネルギーを示す。
【００３９】
液体容量の表面エネルギーは、この容量を、より小さい全表面積を有するより小さい小片に破壊することによって、減少され得る。この効果は、液体の流れにおいて明らかである。このような流れは、最初に、この流れの直径の部分のみが表面張力により減少されるネッキング（ｎｅｃｋｉｎｇ）を受ける。このネッキングが継続する場合、この流れは、一連の別個の液滴に破壊する。このような一連の液滴は、液滴サイズの有意な変化を示す。類似の効果は、２つの表面の間の液体のブリッジにおいて生じる。
【００４０】
このネッキングおよびその後の破壊を引き起こす力は、ヤング式により示される。ヤング式は、以下として、任意の表面にわたる圧力差を特定する：
ＰＬＶ＝γＬＶ（１／Ｒ１＋１／Ｒ２）
ここで、Ｒ１およびＲ２は、表面に対して垂直な２つの垂直平面内の表面の曲率半径である。以下の配置は、ヤング式における曲率半径に対する洞察を提供する。楕円および突起は、２つの異なる正の曲率半径を有する。円柱は、無限大の第１の半径および正の有限の値の第２の半径を有する。ネックは、反対の極性を有する２つの曲率半径を有する。
【００４１】
液体の球が成長するにつれて、重力がこの球プロフィールを平らにする。重力に起因して差示的な圧力は、以下のように表される：
ＰＬＶ＝（ρＬ−ρＶ）ｇ（ｚ−ｚ０）
ここで、ρＬは、液体の密度であり、ρＶは、蒸気の密度であり、ｇは、重力加速度であり、そしてｚは、射角であり、そしてｚ０は、液体の頂点の射角である。小さな範囲の射角にわたって、重力の影響は無視できる。大きな範囲の射角にわたって、重力により生じる圧力差は、複雑な様式で表面プロフィールに影響する。重力に起因するエネルギーは、以下である：
【００４２】
【数１】
2004535273.tif 000003
ここで、積分を、液体の容量について行う。
【００４３】
基板の上にある液滴は、一般に、定着液滴と呼ばれる。定着液滴の３つの界面が存在する：液体−蒸気、液体−基板、および基板−蒸気。この系の全エネルギーは、以下のように表される：
【００４４】
【数２】
2004535273.tif 000004
ここで、γｎは、界面の表面張力であり、Ａｎは、対応する表面積であり、そして積分は、液体の重力エネルギーを表す。重力の非存在下において、３つの表面張力は、このプロフィールを、基板の上の球形キャップにする。液体−基板の表面張力が優勢である場合、この液体は、薄膜がこの基板を覆うまで、この基板に沿って広がることによって、この表面をぬらす。液体−蒸気の表面張力が優勢である場合、この液体は、基板の上に球形ビーズを形成する。この球形ビーズは、半球を越え得る。重力エネルギーが有意になる場合、このビーズは、平坦化することによって、球形プロフィールではなくなる。
【００４５】
図面を特によく見ると、図１は、物理的基板１２上の液滴１０を示す。基板１２の平面の角度に対する液滴プロフィールの角度は、表面張力についての重要な情報を提供し得る。液滴プロフィールと基板表面との交差点における液体プロフィールに対する正接１４は、接触角１６を規定する。この接触角１６は、以下として、表面エネルギーに関する：
γＬＶｃｏｓθＣ＝γＬＳ−γＳＶ
ここで、γＬＶは、液体−蒸気界面の表面張力であり、γＬＳは、液体−基板界面の表面張力であり、γＳＶは、基板−蒸気界面の表面張力であり、そしてθＣは、接触角１６である。
【００４６】
代表的なキャピラリー１００（例えば、図２Ａ〜Ｅに一般的に示されるようなキャピラリー）は、基本的に、毛細作用が生じるのに十分小さい内径を有する剛性チューブを含む。毛細作用は、液体とキャピラリー壁との間の分子間力を示す。この系の表面エネルギーは、いくつかの界面を含む：液体−蒸気、液体−キャピラリー、およびキャピラリー−蒸気。このキャピラリー１００内の液体の全表面エネルギーは、液体の他の構成にエネルギー的に有利であり得る。結果として、ある容量の液体は、任意の適切な方法によって、キャピラリー１００内のチャネル中に配置され得る。例えば、キャピラリー１００の近位端１０１または遠位端１０２は、液体の供給源（図示せず）に浸漬するかまたは沈められ得、そしてこの液体の一部は、引き込まれるかまたは吸引され得、あるいはそうでなければ液体２１８の容量と同じになるまでチャネル中に引き込まれ、これはキャピラリー１００内で液体柱２２２を形成する。さらにまたはあるいは、液体は、例えば、液体の供給源（例えば、液体供給導管など）からキャピラリー１００の遠位端１０２まで充填され得る。
【００４７】
いずれにしても、液体の球がキャピラリー１００のチャネル中に引き込まれる場合、この液体の表面積は、大きく増加するが、この系の表面エネルギーは減少する。得られる液体２１８の容量は、図５Ａおよび５Ｂに示されるように、キャピラリー１００内に液体柱２２２を形成する。逆に、このキャピラリー１００内の液体柱２２２は、このキャピラリー１００内の力２１９によって移動され得る。液体柱２２２のこのような移動は、図５Ｂに示されるように、キャピラリー１００の外側の液体のボーラス１１６を生成する。
【００４８】
毛細作用は、重力に抵抗し得る。ある時点において、重力および毛細力は、平衡状態になり、この時点で、このキャピラリーは、そのチャネルへの液体の引き込みを停止する。静止時の全エネルギーは、以下によって示される：
【００４９】
【数３】
2004535273.tif 000005
ここで、γｎは、界面の表面張力であり、Ａｎは、対応する表面積であり、そして積分は、液体の重力エネルギーを示す。
【００５０】
移動は、外力の適用により生成される液体の移動を示す。このような力は、キャピラリー１００を通って誘導される第２の液体、またはキャピラリー１００の一端のみにおける調節された蒸気圧であり得る。代表的には、移動は、キャピラリー１００から液体を駆動するために使用される。これはまた、より多くの液体をキャピラリーに引き込むために使用され得る。移動により生成されるさらなるエネルギーは、以下である：
【００５１】
【数４】
2004535273.tif 000006
ここで、ＰＤは、移動による圧力であり、そしてこれは移動の容量にわたって積分される。液体がキャピラリー１００を出る場合、液体の丸い塊またはボーラス１１６が形成される。このボーラス１１６は、本質的に、液体−蒸気界面により一部規定されるある容量の液体を含む。このボーラス１１６の形状は、さらなる界面との相互作用により、さらに規定される。
【００５２】
図６Ｂおよび６Ｃにおける２２０において示されるようなブリッジは、本質的に、例えば、キャピラリー１００と表面または物理的基板１２との間の液体の連続容量を含む。本発明において、特定される場合を除いて、用語、表面は、液体の液滴１０が沈着され得る任意の材料または構造を含むと解釈されるべきであることが明らかであるはずである。従って、液滴１０は、平坦なスライドのような平坦な物理的基板１２上に沈着または分配され得ることが理解される。以下で考察されるように、液滴１０はまた、インキュベーション期間の間および後に、例えば、異なる表面エネルギーの領域を有してパターン化され、追加の機能性（例えば、アッセイ結果の検出）を提供するように構築される基板１２に沈着され得る。なおさらに、図１６Ａおよび１６Ｂに示されるように、さらに図２Ａ〜２Ｃを参照すると、液滴１０は、本発明によると、１つの分配部材から（例えば、第１の分配キャピラリー１００Ａの近位端１０１から）、別の分配部材に対して（例えば、第２の移動キャピラリー１００Ｂの近位端１０１上およびその中に）沈着され得る。なおさらに、本明細書中でもまた考察されるように、液滴１０は、１つ以上の予め存在する液滴に対して、ビーズ上に、光ファイバー上に、および実質的に任意の他の可能な表面上に分配され得る。
【００５３】
図１６Ａおよび１６Ｂをより詳細に参照すると、液体のキャピラリー間の移動の２つの実施形態が理解される。図１６Ａにおいて、移動キャピラリー１００Ｂは、分配キャピラリー１００Ａから液体の小滴を受容するための表面または基板として作用する。この実施形態において、そのように作用するように、移動キャピラリー１００Ｂは、分配キャピラリー１００Ａにある角度で配置される。液体の第１容量２１８Ａへの輸送力２１９の適用により、分配キャピラリー１００Ａと移動キャピラリー１００Ｂとの間の液体ブリッジ２２０を形成する。移動キャピラリー１００Ｂ内での毛管力２００は、液体ブリッジ２２０の一部を移動キャピラリー１００Ｂに液体の小滴または第２容量２１８Ｂとして引き出す。
【００５４】
あるいは、図１６Ｂに示されるように、液体の開始容量２１８Ｂを含む移動キャピラリー１００Ｂは、分配キャピラリー１００Ｂと共にボーラスを形成することによって、表面または基板として作用し得る。各ボーラスは、互いに接触し、２本のキャピラリー１００Ａと１００Ｂとの間に液体のブリッジ２２０を生じる。流体の交換は、液体のブリッジ２２０を横切って生じる。液体のブリッジ２２０の混合流体のいくらかまたは全ては、キャピラリー力２００Ａまたは２００Ｂを介して（さらにまたは代替的に、他の力によって（例えば、より低い圧力の適用によって））キャピラリー１００Ａまたは１００Ｂのいずれかに引っ込められ得る。
【００５５】
ブリッジ２２０は、多数の方法で形成され得、この方法は、ボーラスが間隙を基板１２までブリッジするまで、ボーラス１１６をキャピラリー１００から成長させることによる方法を含む。このブリッジ２２０はまた、キャピラリー１００を基板１２の方に移動させることによってか、基板１２をキャピラリー１００の方に移動させることによってか、またはキャピラリー１００および基板１２を互いの方に移動させることによって、キャピラリー１００上の静的ボーラス１１６を、基板１２と接触するように移動させることにより形成され得る。
【００５６】
キャピラリー１００内の置換はまた、ブリッジ２２０を破壊するために使用され得ることに注目すべきである。この置換が液体をキャピラリー１００に引き出す場合、ネッキングがブリッジ２２０内で生じる。ブリッジ２２０のネックが狭い場合、破壊が強力に有利となる。この破壊後、液体の２つの別個の容量が残る。液体の第１容量は、ボーラス１１６の残りを含み、このボーラスは、キャピラリー１００に引き出される。液体の第２容量は、基板１２に引き出され、ここで、この第２容量は定着性の滴または小滴１０を形成する。この小滴１０の容量は、このシステムおよび方法の多数のパラメータに依存する。
【００５７】
破壊前および破壊後の両方で、このシステムの総エネルギーは、以下のように記載される：
【００５８】
【数５】
2004535273.tif 000007
ここで、γｎは、界面の表面張力であり、Ａｎは、対応する表面積であり、そして積分は、液体の重力エネルギーを記載する。この破壊の間、液体の移動に起因するさらなるエネルギーが存在する。毛管作用および置換の両方は、定着性小滴１０の少なくとも一部をキャピラリー１００に引き出す。これから、このプロセスは、吸引として言及される。吸引をまた使用して、貯蔵容器（示さず）から液体を引き出し得る。
【００５９】
再度、キャピラリー１００の構造を参照すると、代表的なキャピラリー１００がスルーチャネル（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｃｈａｎｎｅｌ）を有し、そして任意の固体材料（例えば、金属、ガラス、セラミック、およびプラスチック）から作製され得ることが理解される。好ましくは、キャピラリー１００は、第２末端または近位末端１０１、第１末端または遠位末端１０２、および図２Ａ〜２Ｃに示されるような直線で円筒形状の本体１０３を有する。キャピラリー１００は、図２Ｂに示されるように一方の末端１０１または１０２にテーパー付けされたノズル１０４を有するか、またはこのキャピラリー１００は、図２Ｃに示されるように両方の末端１０１および１０２にテーパー付けされたノズル１０４を有し得る。キャピラリー１００のノズル１０４は、図２Ｄに示されるように平らな末端１０５または図２Ｅに示されるように角度が付けられた末端１０６を有し得る。
【００６０】
キャピラリー１００の内側表面１０８（これは、内側チャネルを規定する）、ならびに外側表面１１０、１１２、および１１４が、図３に示される。この外側表面は、円筒状本体の外側１１０、ノズルの外側１１２、およびノズル末端１１４を備える。これらの表面は、液体を貯蔵および分配する際に、キャピラリー１００の性能を最適にするために、特定の表面張力を有するように処理され得る。キャピラリー１００の内側表面１０８は、毛管作用によって液体をチャネルに引き出す、合理的な親水性表面を含む。キャピラリー１１０の外側表面１１０、１１２、および１１４は、キャピラリー１００内の液体による外側表面のぬれを制限するために、適切に疎水性表面を備え得る。外側表面１１０、１１２、および１１４のぬれは、所望されない。なぜならば、これは、図３から理解され得るように、蒸気／液体界面の表面積の増加により、貯蔵された液体の蒸発を促進するからである。より基本的なレベルにおいて、平滑な壁に起因するシステムチャレンジング（ｓｙｓｔｅｍ  ｃｈａｌｌｅｎｇｉｎｇ）でのキャピラリー１００の操作および相互汚染の可能性を与えそうである点で、ぬれは不利である。
【００６１】
基板１２は、任意の固体材料（例えば、金属、セラミック、ガラス、および有機材料（ポリマーを含む））から作製され得る。原則的に、キャピラリー分配は、分配液体が基板１２に接触する限り、その表面張力およびトポロジー（ｔｏｐｏｌｏｇｙ）に関係なく、任意の固体基板１２に適合する。しかし、小滴１０の形状、容量、およびサイズの効率的な制御は、基板１２の表面張力およびトポロジーの洗練された選択を必要とする。
【００６２】
生物学的物質（例えば、タンパク質および細胞）を含む水溶液の基板上への沈着は、生物学的材料の吸着を制御するために、適切な表面の改変を必要とし得る。タンパク質の非特異的な吸着が所望されない場合、基板１２の表面は、吸着を最小にするために、薄いフィルム（示されない）（例えば、エチレングリコールで処理したシランフィルム）で改変され得る。細胞を含む溶液を分配する場合、基板１２の表面は、細胞吸着を増強するために処理された薄いフィルムを含み得る。
【００６３】
本発明の方法およびシステムの重要な特徴は、小滴の吸引（１０に示されるような吸引）である。この開示の文脈内で、吸引は、分配部材（例えば、キャピラリー１００）による小滴１０の全てまたは一部の取り込みを含むと読取られ得る。空のキャピラリー１００は、キャピラリー１００を小滴１０に投じた後、単に毛管作用によって単一の小滴１０のほとんどを吸引し得る。言い換えると、小滴１０の本質的に全ては、キャピラリー１００内での液体カラムの置換によって吸引され得る。
【００６４】
本明細書中に記載される分配技術において、ボーラス１１６を形成するための好ましい方法は、キャピラリー１００の遠位端１０２に空気の圧力パルスを適用する。この圧力パルスは、圧力パルスによる、チューブなどに適切にシールする適合手段、または不適切にシールする適合手段によってキャピラリー１００に送達され得る。代表的な構成において、図４Ａに単純に示されるように、空気圧式システムは、好ましくは、０．０３と３Ｐｓｉとの間まで正確な様式で圧力を下げるために、１工程または２工程のレギュレーターのいずれかを通る高圧（１０〜１５０Ｐｓｉ）空気供給源１５４を備え、この正確な圧力は、キャピラリー１００の設計を含む、多数の因子に依存する。本明細書中で特に記載されるキャピラリー１００の好ましい圧力は、約０．０６Ｐｓｉである。一旦、空気流がレギュレーターを出ると、１つまたはそれより多くのソレノイド弁１５０または１５２によってゲート制御され得る。理想的には、短い応答時間（代表的に、３〜７ミリセカンド）でソレノイド弁１５０または１５２を使用して、圧力パルスに関する持続時間の正確な制御を提供する。上記のキャピラリー１００を使用する場合、好ましい圧力パルスの持続時間は、５ミリセカンドと７ミリセカンドとの間である。
【００６５】
基板１２と接触させるためのボーラス１１６に関して、キャピラリー先端または近位端１０１は、基板１２の特定の距離内になければならない。この距離は、最終の小滴容量を決定および調整することに関するシステムにおいて、最も高感度なパラメータの１つとして認識される。小滴１０の所望の容量およびキャピラリー１００の設計に依存して、この高さは、数ミクロンと数ミリメートルとの間で変化し得る。代表的に、上記のキャピラリー１００に関して、キャピラリー先端１０１と基板１２との間の距離は、１００ミクロンと１２００ミクロンとの間である。この距離は、多数の方法を介して制御され得るが、代表的に、自動制御モーター、あるいは親ねじステージにより駆動されるステッパーモーターまたはリニアモーター（いずれも示されない）で制御される。キャピラリー１００（特に、列または他の配列で配置された複数のキャピラリー１００）は、配置される剛性本体に保持され得るか、またはキャピラリー１００（単数または複数）は、可撓性キャリア内に配置され得るかのいずれかである。
【００６６】
図４Ａに示されるように、より高速で、かつ、より正確な圧力パルス持続時間を提供するために、２つの弁１５０および１５２（これは、ソレノイド弁であり得る）は、キャピラリー１００と正確に調節された圧縮空気供給源１５４との間で連続してポンピングし得る。図４Ｂは、時間依存性の３つのパラメータを示す：空気圧１５８；第１弁１５０のためのロジックシグナル１６０；および第２弁１５２のためのロジックパルス１６２。圧力パルス１５８の上昇エッジは、第１弁１５０を開口し、次いで第２弁１５２を開口することによって作製され得る。このパルスの最終エッジは、第２弁１５２を開口した直後、第１弁１５０を閉鎖することによって作製され得る。
【００６７】
いずれにしても、図５Ｂを再び参照すると、ボーラス１１６が、最も一般的に、丸い液体の塊と考えられ得ることにさらに注目される。キャピラリー１００の近位端１０１に形成される場合、連続性が、キャピラリー１００の内部容量内の液体と排出されたサブ容量またはボーラス１１６との間で同時に保持されるような一時的な様式で、ボーラス１１６は、好ましくは、分配部材またはキャピラリー１００の外に押出される。ボーラス１１６は、代表的に、約３００ナノリットルの容量を有するが、このシステムは、有意に変化するボーラス容量（例えば、１ナノリットルと５マイクロリットルとの間）を許容する。ボーラスの形成は、代表的に、５０ミリセカンドで生じるが、多数のシステム変数に依存し、そして１０ミリセカンドから数分までの範囲であり得る。好ましい実施形態において、ボーラスの形成は、ソレノイド弁（例えば、第１弁１５０）の調節を介して適用される圧力パルスによって制御される。ソレノイド弁１５０は、正確に調節された圧力供給源（例えば、空気供給源１５４）と分配部材１００への接続部との間に、空気圧式システムで配置される。ソレノイド弁１５０は、代表的に、３ｍｂａｒの空気圧式フローを調節し、これは、例えば、分配部材１００の設計に基づいて０．５ｍｂａｒ〜８００ｍｂａｒの範囲であり得る。ソレノイド弁１５０を、５ミリセカンドの代表的な持続時間で作動させ、この持続時間は、１〜１０００ミリセカンドの範囲であり得る。
【００６８】
あるいは、ボーラス１１６は、分配部材１００内に液体２２２のカラムに慣性充填することによって、形成され得る。所望のボーラス１１６形成の方向と反対の方向への分配部材１００の加速は、分配部材１００の内側全体に液体２２２のカラムを保持する力に打ち勝つのに十分な液体上の慣性充填を作製し得る。必要とされる加速の大きさは、例えば、負の背圧、毛管作用、液圧流動抵抗、重力、電子−浸透圧流（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｓｍｏｔｉｃ  ｆｌｏｗ）、および静電学に関するシステム力に依存する。
【００６９】
あるいは、ボーラス１１６は、正の置換分配システムの使用を介して形成され得る。正の置換システムにおいて、液体が、分配部材１００の内部空隙率の減少により外に押出される。分配部材１００の内部空隙率の減少は、多くの技術（例えば、内部容量の機械的減少または内部容量に配置された物質の熱膨張）により生じ得る。
【００７０】
あるいは、ボーラス１１６は、分配部材１００内の液体に対して作用する重力によって形成され得る。ボーラス１１６の形成は、重力の場内の分配部材１００の方向を調整することを介して制御され得る。
【００７１】
あるいは、ボーラス１１６は、分配部材１００中の液体内に含まれる電荷に対する静電力を使用して形成され得る。液体は、液体内に含まれる電荷を制御された電場に曝すことによって、分配部材１００の外に押出される。
【００７２】
いずれにせよ、ボーラスの形成は、分配部材１００内に液体を保持する力に一時的に打ち勝つことを必要とする。これは、本明細書中に記載される単一の技術または技術の任意の組み合わせを使用して達成され得る。
【００７３】
ボーラス１１６の一部は、物理学的基板１２の表面上に小滴１０を残して、分配部材１００内に引っ込められる。ボーラス１１６が分配部材１００に引っ込められる手段は、変化し得るが、好ましい実施形態は、分配部材１００の毛管作用を使用する。この毛管作用は、とりわけ、分配部材１００の内部の表面エネルギーに影響を与えることを通じて制御され得る。
【００７４】
あるいは、ボーラス１１６は、負圧（例えば、減圧）を、分配部材１００の内部容量に適用することによって引っ込められ得る。この負圧は、内部容量を部分的減圧供給源に曝すこと、または分配部材１００の密閉部分の内部容量を膨張することによって発生され得る。この内部容量は、機械的手段を介して、またはそうでなければ硬質分配部材１００内部に配置されるさらなる物質の容量を減少させることを介して膨張され得る。
【００７５】
あるいは、ボーラス１１６は、慣性力の使用を介して引っ込められ得る。
【００７６】
さらに別の代替において、重力を使用して、重力の場内における分配部材１００の方向を調整することを介して、ボーラス１１６の引っ込みを制御し得る。
【００７７】
あるいは、ボーラス１１６は、分配部材１００中の液体内に含まれる電荷上の静電力を使用して引っ込められ得る。この液体は、液体内に含まれる電荷を制御された電場に曝すことによって分配部材１００に引き出される。
【００７８】
ボーラス１１６の引っ込みは、例えば、本明細書中に記載される手段のいずれか、またはこれらの手段の任意の組み合わせを介して達成され得る。さらに、ボーラス１１６を引っ込めるための技術は、本明細書中で主張される分配技術でボーラス１１６を形成するために、前で議論した技術のいずれかと組み合わせられ得る。
【００７９】
図６Ａ〜Ｄは、小滴沈着における一連の事象を示す。図６Ａは、空気パルスの導入の前に、基板１２上で止まったある容量の液体２１８を含むキャピラリー１００を示す。図６Ｂは、空気パルスの適用直後のシステムを示し、ここで、膨張したボーラスは、キャピラリー１００と基板１２との間に、流体のカラム２２２がキャピラリー１００内に残った状態で、ブリッジ２２０を形成する。図６Ｃは、空気パルスの休止の直後のシステムを示し、ブリッジ２２０は、毛管力に起因してネック部分２０８でネックされている。図６Ｄは、表面１２上に存在する固着性小滴１０と平衡状態のシステムを示し、ブリッジ２２０を以前に形成した流体の大部分は、流体のカラム２２２としてキャピラリー１００内に引っ込められる。小滴１０の容量は、システム内の複数の界面力に依存する。
【００８０】
以下の分析モデルは、本発明のより完全な理解を提供し得、これは、液体を分配および吸引するためのシステムおよび方法で特に具体化され得る。本発明の分析は、小滴１０の形成前の時点で、瞬時に実施される。空気パルスの休止の際、このシステムは、図７Ａ〜Ｅに示されるような４つの重要な力を受ける。図７Ｂにおいて、キャピラリー力２００は、重力２０３の力に対して液体を上側に引き出す。図７Ｃにおいて、キャピラリー１００の面１０５への液体の吸着は、ブリッジ２２０のプロフィールを、キャピラリーの壁の外側エッジとの交差に拘束する。図７Ｄにおいて、液体間の粘着力２１２は、ネッキングを形成する。図７Ｅにおいて、液体は、基板１２の表面に吸着する。これらの４つの力は、小滴１０の容量を決定する際の主要な要因である。
【００８１】
数学的に、４つの力は、以下のように記載され得る。各力は、圧力Ｐ（単位面積当たりの力）または表面張力Ｔ（単位長さ当たりの力）として記載される。
【００８２】
キャピラリーの上昇または駆動圧力２００は、毛細現象のラプラス方程式により記載される：
【００８３】
【数６】
2004535273.tif 000008
ここで、γＬＶ、Ｒ１、Ｒ２、ρＬ、ρＶ、ｇ、ｚ、ｚ０は、それぞれ、液体−蒸気の界面２０２での表面張力、メニスカスの湾曲部の原理的半径、液体の密度、蒸気の密度、重力２０３、任意の高さ標準、および初期の高さである。
【００８４】
図７Ｃに示される、液体のキャピラリー面１０５への吸着に起因する抵抗力２０４は、以下である：
ＴＣＦ＝γＬＶ（１＋ｃｏｓθ２）
ここで、θ２は、キャピラリー面１０５における液体の接触角である。
【００８５】
図７Ｄに示される、流体の内側の動きをもたらす、ネッキング点２０８における液体間の粘着力２１２に起因する抵抗力は、以下：
ＴＬＣ＝２γＬＶ
である。
【００８６】
抵抗力または接着力２１４は、基板１２への流体の吸着に起因する。図７Ｅに示されるような基板１２への吸着力２１４は、数学的に以下のように表現される：
ＴＳＡ＝γＬＶｓｉｎθ４
ここで、θ４は、液体−基板の界面２１７における接触角である。
【００８７】
これらの力の記載は、システムによって分配された容量を制御するために数種の様式を示す。多数の技術を使用して、小滴１０の沈着および吸引を制御するためのこれらの力を操作し得る。
【００８８】
例えば、図６Ａ〜６Ｄをさらに参照することによって、液体の容量２１８は、キャピラリー１００の内部チャネルに保持されるアッセイを含み得る。少なくとも２つの可能性が、アッセイをキャピラリー１００に引き出すために利用可能である。第１の方法は、毛管作用であり、これは、キャピラリー１００の内部表面１０８に沿ってアッセイ液体２１８の表面張力によって駆動される。あるいは、液体の容量２１８は、空気をキャピラリー１００の遠位端から引き出し、これにより、例えば、アッセイ小滴１０をキャピラリー１００の近位端１０１を介してキャピラリー１００に引くことによって、内部チャネルに吸引され得る。アッセイ小滴１０をキャピラリー１００に引っ込めるための他の方法は、確実に可能である。好ましくは、液体は、凹面メニスカス（例えば、図１１Ａにおいて３０４で示される）をキャピラリー１００の内部容量内に形成する。
【００８９】
不均一な生化学的アッセイは、特定の結合カスケードを用いて、本発明下で実施され得る。このプロセスは、アッセイ小滴１０を分配部材１００に吸着させることによって開始され得る。一つの実施形態において、分配部材１００は、その内部表面１０８上で固定された適切に特異的な結合パートナーを含む。次に、適切な持続時間のインキュベーション工程により、分配部材１００の内部表面１０８上に所望の検体を捕捉する。実質的に完全または少なくとも有意な範囲の、検体の内部表面１０８上への特異的な結合を達成すると、次いで、この検体除去アッセイ小滴１０は、分配部材１００から除去され得る。
【００９０】
続いて、１以上の洗浄工程は、必要に応じて、任意の残った未結合検体および／または他の潜在的に妨害する種を除去するために実施され得、これは、適切な数の液体吸引を実施すること／上記のようなサイクルを排除することによって提供される。必要な場合または所望される場合、１以上の特異的に検出可能な「レセプター」種を固定化するために、さらなる特異的結合工程（各々は、１以上の関連する洗浄工程を含んでも含まなくてもよい）が、実施され得る。特異的な結合カスケードが、直接的に検出可能なレポーター種（例えば、フルオレセインまたはＣｙ５のような蛍光団）の固定化を生じた場合、１以上の特異的なシグナルの検出が、当該分野で公知の広範な種々の検出手段（例えば、蛍光、ルミネセンス、比色法、または放射測定法）によって達成され得る。あるいは、適切な触媒的に活性なレポーター種（例えば、アルカリホスファターゼのような酵素）が特異的に固定化された場合、分配部材１００は基板溶液で充填され得、続いて、必要に応じて、上で示したような当該分野で公知の広範な種々の検出手段を使用して酵素反応の産物を検出する前に、適切な持続時間の吸引工程を行う。
【００９１】
別の実施形態において、不均一な生物学的アッセイを、任意の予め固定化した結合パートナー種を欠く分配部材１００を使用する代わりに、上記のような本発明の方法によって実施し得る。所定の結合カスケードに関連する全ての他の特異的結合相互作用が、分配部材１００内の均一溶液中で生じた後、本明細書中で議論され得るように、分配部材の表面ではなく、異なる固体基板表面（例えば、基板１２の表面）上への特異的な結合カスケードの固定化が、分離工程として実施される。この実施形態において、適切に特異的な結合パートナー（捕捉試薬）が、予め固定された代替の基板は、アッセイプレート（例えば、３８４ウェルまたは１５３６ウェルのマイクロプレート）、フラットスライド（例えば、ガラスまたはプラスチック）、親水性ウェルスポットアレイを用いて疎水的にマスクされたスライドまたは当該分野で公知の任意の配置であり得る。
【００９２】
あるいは、この液体は、末端から末端でキャピラリー１００を回転することによって混合され得る。このような回転は、末端から末端でキャピラリー１００をフリップし、続いてフリップの間に適切な沈降時間を設けることを含む。必要な場合または所望される場合、１以上の特異的に検出可能な「レポーター」種を固定化するために、さらなる特異的な結合工程（各々は、１以上の関連する洗浄工程を含んでも含まなくてもよい）が、実施され得る。あるいは、適切なレポーター種（例えば、酵素）が、特異的に固定化される場合、分配部材１００が、当該分野で公知の広範な種々の検出手段（例えば、蛍光、ルミネセンス、比色法、または放射測定法）によって、１種以上の特異的なシグナルを検出する前に、基板溶液で充填され得る。
【００９３】
インキュベーションおよび検出が、注意深く制御された環境を必要とすることが理解される。液体で充填されたキャピラリー１００は、制御された温度および湿度を有する厳重な遮光室に収容されるべきである。理想的には、液体で充填されたキャピラリー１００は、エバポレーションだけでなく、キャピラリー１００間の相互汚染を排除するために、末端１０１と１０２との両方で密閉される。インキュベーション期間の終わりに、光学的検出が、アッセイに対して実施され得るが、このアッセイはさらに、キャピラリー１００内に含まれる。
【００９４】
あるいは、キャピラリー１００内の液体は、いくつかの構成的な目的のためにキャピラリー１００から排除され得る。最初に、特異的な検出方法（例えば、表面プラズモン共鳴）は、特別な基板１２を必要とし、この方法は、ミクロンのオーダーで特異的な寸法の平面フィルムを必要とする。第２に、このアッセイは、試薬を含有する小滴上に沈着され得、これは、生化学的反応を停止させ、そして新しいアッセイ小滴を形成する。最後に、新しいアッセイ小滴は、複数の目的のためにキャピラリー１００に引き出され得る。
【００９５】
図３に使用されるような一つの好ましい実施形態において、テーパー付けされた末端を有するキャピラリー１００は、ガラスから製造される。このキャピラリー１００は、有機小分子を含む液体（例えば、ＤＭＳＯ溶液）または生物学的材料（例えば、タンパク質および細胞）を含む水溶液を分配するために使用され得る。この例示的な実施形態において、キャピラリー１００の本体のＩＤおよびＯＤは、それぞれ、０．４〜０．７ｍｍおよび０．９５ｍｍであり、そしてキャピラリー１００のノズル１０４のＩＤおよびＯＤは、それぞれ、０．１４〜０．２４ｍｍおよび０．３８〜０．４８ｍｍである。キャピラリー１００の長さは、例えば、２７ｍｍであり得る。好ましいキャピラリー１００の内部壁１０８は、親水性表面、主に、洗浄されたベアガラス表面を有する。この親水性ベアガラス表面は、このキャピラリー１００を、プラズマ酸化または酸性洗浄溶液もしくは塩基性洗浄溶液に曝し、そして高温で潜在的に焼成することによって得られ得る。
【００９６】
キャピラリー１００の外部表面１１０、１１２、および１１４は、シラン試薬またはポリマー種でコーティングされた、疎水性表面を有し得る。改変された外部表面（例えば、１１０および１１２）の表面張力は、キャピラリー１００の円筒形本体の外部１１０およびノズル外部１１２を、例えば、ＤＭＳＯおよび水溶液によるぬれを避けるのに十分低い（１８〜３０ｍＮ／ｍ）べきである。シラン試薬（例えば、パーフルオロデシルトリクロロシラン、パーフルオロオクチルトリエトキシシラン、オクタデシルトリクロロシラン、およびオクタデシルトリエトキシシラン）によって調製される薄い疎水性フィルムは、液体（例えば、ＤＭＳＯおよび水溶液）によるぬれを避ける、満足のいく実施を示す。
【００９７】
本発明の一つの実施形態において、１ｎｌ〜１００μｌの範囲の液体の容量は、マイクロタイタープレート（示さず）または他の供給源からキャピラリー１００に、毛管作用を介して導入される。このキャピラリー１００は、低圧の空気供給源（例えば、空気供給源１５４）に接続され、約１０ｍｓｅｃの保持期間にわたって、０．０１〜１０ｐｓｉで空気の短いパルスを送達し得る。このキャピラリー１００は、４０°〜１２０°、好ましくは、６０°〜１００°の範囲の接触角を有して、１０〜３０００ミクロン内の適切な疎水性基板１２にもたらされる。圧力パルスは、以下の配置を作製する：キャピラリー１００からのボーラス１１６の成長、キャピラリー１００と基板１２との間の液体のブリッジ２００の形成、およびブリッジ２２０のネッキング、ならびにブリッジ２００の最終的な破壊。操作中の界面現象により、小滴１０は、基板１２上に残される。
【００９８】
基板１２の好ましい表面張力は、分配液の表面張力ならびに所望される小滴１０の容量および形状によって決定される。一般に、基板１２の表面張力は、４０〜１２０°、好ましくは、６０〜１００°の範囲の接触角１６を示して、小滴１０を生じるように選択される。基板１２の表面張力および位相は、キャピラリー分配におけるその性質を決定する２つの鍵となるパラメータである。
【００９９】
この適用において、ガラス基板１２上でジメチルスルフオキシド（ＤＭＳＯ）および水溶液を分配する例が、提供される。ＤＭＳＯの表面張力は、４３．５ｍＮ／ｍであり、基板１２の適切な表面張力は、１８〜３５ｍＮ／ｍである。例えば、６０ｍＮ／ｍを越える表面張力を有するガラス基板１２は、シラン試薬（例えば、パーフルオロデシルトリクロロシラン、またはパーフルオロデシルトリエトキシシラン、またはオクタデシルトリクロロシラン、またはオクタデシルトリエトキシシラン）を用いて改変され得る。これらの試薬から形成される薄いシランフィルムは、１８〜３０ｍＮ／ｍの表面張力を有する基板１２を生成する。水溶液が分配される場合、低い表面張力（例えば、２５〜５５ｍＮ／ｍ）を有する基板１２が、水のより高い表面張力（７２．５ｍＮ／ｍ）に起因して好ましい。しかし、水溶液の表面張力が、溶解された溶質によって変化するので、基板１２の表面張力は、６０〜１００°の間の接触角を得るために適合される。
【０１００】
キャピラリー１００によって分配された容量は、多数のパラメータ（例えば、ノズル１０４のＩＤおよびＯＤ、キャピラリー１００中の液体の量、空気パルスの圧力、先端面１０５または１０６の角度、基板１２からのキャピラリー１００の距離、ならびに液体、キャピラリー１００の内部および外部、および基板１２の表面張力）によって決定される。これらのパラメータでもとりわけ、基板１２からのキャピラリー１００の距離、先端面１０５または１０６の角度、ならびに固体基板１２およびキャピラリー１００の内部の表面張力が、重要な変数であり、これは、得られた小滴１０のサイズを決定する。分配小滴１０の容量は、これらのパラメータを制御することによって調節され得る。
【０１０１】
分配容量は、基板１２とキャピラリー１００との間の距離を変更することよって調製され得る。この距離は、分配される液滴１０の容量を決定するパラメーターのうちはるかに最も重要である。図８Ａは、キャピラリー１００と基板１２との間の距離の増加とともに分配される容量の代表的な変動を記載する図を示す。横座標３７０は、キャピラリー−基板距離（ミクロン）を表す。縦座標３７２は、液滴容量（リットル）を表す。第１曲線３７４は、個々のデータ点が黒丸で表される実験データである。グラフにおいて、容量は、２００〜３３０μｍの高さにおいて、１．５〜７ｎＬの範囲である。この試験において、キャピラリー１００（それぞれ、０．９５ｍｍおよび０．７ｍｍの本体ＯＤおよびＩＤ、ならびにそれぞれ０．４８ｍｍおよび０．２４ｍｍのノズル１０４ＯＤおよびＩＤを有する）は、約２２ｍＮ／ｍの表面張力を有する疎水性オクタデシルシランフィルムでコーティングされたガラススライド上に分配するために使用された。
【０１０２】
このプロセスの新規性の一部は、このプロセスが、分配および吸引を介して完全に可逆的であり、そして液滴１０のサイズが、基板１２に関してキャピラリー１００を移動させることによって調整され得ることである。キャピラリー−基板距離に対する、分配される容量のこのような実質的な依存性は、距離の変化に伴うネック破断点の変動から生じる。キャピラリー１００は、サブマイクロリットルの範囲の任意の量の液体を沈着しそして吸引し得る。分配容量は、特に、キャピラリー１００の表面張力を変化させることによって調整され得る。代表的には、所与のキャピラリー１００について、キャピラリー１００の外部１１０、１１２、および１１４の異なる表面張力に基づく分配量の変化は、２０％未満である。対照的に、内面１０８の表面張力は、分配される液滴１０の容量に対する劇的な効果を示す。内面１０８の特徴の有意な効果は、キャピラリー力を決定する際のそれらの優勢な役割に由来する。
【０１０３】
分配容量は、キャピラリー先端１０１の設計における種々の形状を使用することによって調整され得る。先端形状の２つの例は、図２Ｄおよび２Ｅ（平面１０４または角度付き面１０６）に示される。角度付き面１０６を有するキャピラリー１００は、平面１０４より小さい液滴１０を生成する傾向がある。先端表面１０４または１０６の角度を変化させることによって、分配容量は、調整され得る。これは、液体／キャピラリー界面の異なる面積および位置に起因する、異なる形状のボーラス１１６から生じる。角度付き先端表面１０６は、液体／液滴界面が基板１２と平行ではなく、そしてより大きな界面面積を露出するボーラス１１６を生成する。液体／キャピラリー界面におけるこのような変化は、所与のキャピラリー１００についてより少ない容量の液滴１０を作製するようである。
【０１０４】
なおさらに、液体−表面接着が、適切なコーティングの適用による基板の自由エネルギーを変えることによって改変され得ることに注目すべきである。このような改変は、異なる範囲の分配容量を生じる。図８Ｂは、キャピラリー分配に対する表面張力の効果を示し、ここで、約２１ｍＮ／ｍおよび約２８ｍＮ／ｍの表面張力を示すオクタデシルシランフィルムでコーティングされた２枚のガラス基板１２が試験された。横座標３７０は、キャピラリー−基板距離（ミクロン）を表す。縦座標３７２は、液滴容量（リットル）を表す。より低い表面張力の基板１２に対するプロット３７６は、より高い表面張力の基板１２についてのプロット３７８よりも大きな液滴容量を示す。これは、より低い表面張力がボーラス１１６に向かうより強い引力を提示し、従って、ネック破断時にその表面上により多くの液体を保持するからである。一般的に、より低い表面張力の基板１１６は、界面相互作用の点から予期されるように液体のより強い保持を示す。基板１２の表面に対する分配容量のこのような依存性は、必要とされる場合、容量を調節するために使用され得る。
【０１０５】
さらに、分配容量は、異なるトポロジーの基板表面を使用することによって調整され得る。表面トポロジーの例は、図９に提示され、これは、平坦な頂部を有する円筒形カラム３６２を有する表面を示す。円筒形カラム３６２は、分配液体とこの表面上の特定の領域内の表面との間の接触を制限する。分配部材１００からのボーラス１１６が基板１２と接触する場合、ボーラス１１６は、カラム３６２の頂部のみに接し、そして形成される液滴１０の直径は、カラム３６２の直径と同じである。ボーラス１１６と基板１２表面との接触は、指定される表面内に限定され、従って、所定の領域のみを占める液滴１０を生成する。一定容量の液滴１０を必要とする適用について、このような液滴直径の固定は、分配の速度および正確性を有意に改善すると予期される。
【０１０６】
なおさらに、本発明は、分配容量が、異なる表面張力のパターンを基板表面に設計に導入することによって調整され得ることを発見した。均一な表面または比較的疎水性の領域３６０によって囲まれる親水性ウェル３５８を露出する表面が図１０に示される、表面パターン化の例が提供される。親水性ウェル３５８に隣接する疎水性表面３６０の存在は、分配の間、ウェル３５８内へのボーラス１１６の拡散を制限し、それによって、疎水性ウェル３５８の直径と同じ直径の液滴１０を生成する。このアプローチは、原則として、表面露出円筒形カラム３６２と類似し、これは、特定の表面と分配液体の接触を制限する。
【０１０７】
有利には、特定の実施形態において、分配部材（例えば、キャピラリー１００）は、インキュベーションチャンバとして作用するように使用され得る。当業者が知っているように、アッセイは、酵素および薬物の活性および特異性を試験するために、試薬の混合物よって作製される生化学反応である。アッセイはまた、インヒビターの存在での、酵素および薬物の残存する活性および速度論を測定し得る。アッセイは、潜在的薬物化合物の高スループットスクリーニングにおいて非常に重要である。
【０１０８】
平均して、今日のアッセイは、１μＬ以上の容量である。消費される材料の費用を減少させるためにさらなる減少が望ましい。限定供給される高価な化合物の実際の量が、容量よりも、より重要である。このような高価な化合物の例は、単一片のＤＮＡからのタンパク質の発現である。本発明は、アッセイの容量を現在の標準の１μＬより下に減少させる。
【０１０９】
キャピラリー１００への液滴の回収は、少容量でのこのような重要なアッセイのための容器を提供する。さらに、アッセイの温度およびエバポレーションは、キャピラリー１００内でより容易に制御され得る。多くのアッセイは、長期の時間を必要とし、この間、エバポレーションは、特に、オープンな環境で、１μＬ未満の容量で制御するのが非常に困難になる。有利には、キャピラリー１００の透明な特徴は、化学的活性の測定の多くの光学的方法を可能にする。
【０１１０】
液体を充填されたキャピラリー１００は、ライトパイプとして構成的に作用し得る。ライトパイプは、キャピラリーの外側壁で、全反射による伝達光を制限する。結果として、ライトパイプは、同じ横断領域内に光を含みながら、長距離にわたって、長手方向に光を伝達する。
【０１１１】
先に記載されるように、キャピラリー１００は、図１１Ａに示されるように、インキュベーションおよび検出の間に、液体を保持し得る。図１１Ａにおいて、液体充填キャピラリー１００が示される。本体部分３０３のキャピラリー壁３００は、液体が保持されるチャネルを規定する。液体は、チャネル内の２つのメニスカス３０２および３０４を形成する。第１メニスカス３０２は、キャピラリー１００の近位端１０１に名目的に配置される。第２メニスカス３０４は、チャネル内に存在する。図１１Ｂにおいて、蛍光プロセスが示される。励起光３０６は、キャピラリー１００の軸に関して横方向に移動する。大部分の得られる蛍光発光３１０は、ライトパイプによって横方向で制限される。制限された蛍光３１０は、キャピラリー１００の近位端１０１に向かって進み、ここで、この制限された蛍光は、ライトパイプを出るが、一方、制限されない励起光３０８は、キャピラリー１００を通る。励起蛍光３１２は、レンズ３１４によって収集され、そして検出器に向けられる（図示されず）。
【０１１２】
キャピラリー１００はまた、いずれかの末端から入る光を用いて励起され得る。この状況によって、励起光はまた、ライトパイプによって制限を経験する。この状況は、均一および効率的な励起を生成する。しかし、任意の後方反射光は、検出器に潜在的に達し得、ここで、スペクトル的に選択的なフィルターによって拒絶されなければならない。
【０１１３】
キャピラリー１００は、同じ出口開口部を維持しながら、任意の長さで作製され得る。蛍光３１２の長さは、液体の容量に比例する。従って、液体容量の長さが増加するので、出てくる蛍光３１２の強度は、出てくる蛍光３１２によって占められる空間−および−角度が一定のままである間、増加する。空間−角度の分布が光学的システムに対して非常に重要であり、このシステムは、特定の視野絞りにわたって光を収集し、この視野絞りは、収集の空間および収集の角度を規定するレンズ開口部を規定する。キャピラリー１００が増加するとき、ライトパイプ内の励起の容量は、収集オプティクスにおける空間−角度分布が静的なままである間、増加する。結果的に、光から出てくる蛍光３１２の量は、その空間−角度分布が一定なままである間、増加する。
【０１１４】
蛍光３１２はまた、キャピラリー１００の近位端１０１から離れて移動する間に含まれる。この光は、遠位端１０２に反射物３１６を配置することによって近位端１０１に向かって向けられ得る。反射物３１６は、鏡、または好ましくは、入射経路に沿って光を反射する逆反射フィルムであり得る。
【０１１５】
キャピラリー１００の内面は、液体中に溶解される分子を、基板１２の表面へのそれらの吸着を向上するかまたは避けることによってのいずれかで収容することができるべきである。これは、キャピラリー１００内に生物学的材料（例えば、タンパク質および細胞）を有する溶液を保存する際に特に重要である。内面は、従って、その表面特性を調整する（ｔａｉｌｏｒ）ための薄い有機フィルムを用いて改変され得る。例えば、内面上にエチレングリコールで終結する薄膜の存在は、生体分子の非特異的な吸着を最小化する。
【０１１６】
インキュベーションキャピラリー１００の内部容量は、長くかつ狭くあるべきである。この縦横比には２つの重要な利点が存在する。第１に、この縦横比は、液体−蒸発界面の面積を減少させることによってエバポレーションを最小化する。第２に、この縦横比は、キャピラリー１００の空の容量の長さを減少させ、これは、ライトパイプからの光を散乱させ得る。
【０１１７】
上に考察されるように、沈着される液滴１０の容量は、圧力パルスの間に基板１２の上にキャピラリー１００の高さに依存して強い。高さのこのパラメーターは、沈着された液滴１０の容量の測定に応答して繰り返し調節され得る。容量の測定のための２つの好ましい方法が記載される。容量測定のための第１の方法は、図１２Ａに示されるように、横方向画像化システムを使用する。図１２Ａは、横方向ビジョンシステム（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｖｉｓｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）の図としてであり、そして図１２Ｂは、画像の図である。
【０１１８】
図１２Ａにおいて、キャピラリー１００は、その軸４０２に沿って移動する。沈着される液滴１０は、基板１２の上で静止（ｒｅｓｔ）する。拡散光源４０８は、液滴１０に対する逆光４１０を提供する。代表的に、逆光４１０は、基板１２によって反射される。結果として、液滴１０から出てくる光４１２は、基板１２から上に進む。出てくる光４１２は、対物レンズ４１４によって収集される。レンズ４１４は、基板１２の上に中心に収集開口４１６を有し、その光学軸は、基板１２の表面内に名目上配置される。
【０１１９】
レンズ４１４の２つの重要な方向が存在する。第１に、その焦点は、キャピラリー１００の軸４０２と一致しなければならない。これは、液滴１０の光学的焦点を保証する。第２に、レンズ４１４の光学軸は、キャピラリー１００の軸に対して垂直であるべきである。これは、キャピラリー１００に対する縁部にそって一定の焦点を確実にする。
【０１２０】
横方向画像化システムによって作製される画像を、図１２Ｂに示す。この画像は、キャピラリー１００の第１画像４０１および液滴１０の第１画像４０４だけではなく、キャピラリー１００の鏡像４０３および液滴１０の鏡像４０５もまた含む。基板１２の縁部は、液滴１０の画像４０４と４０５との間のシームとしてわずかに見える。キャピラリー画像４０１および４０３の分離は、沈着前に、キャピラリー１００の高さを測定するために使用され得る。これは、最初の沈着のための受容可能な範囲内にキャピラリー１００を位置づけるために重要である。
【０１２１】
液滴１０の容量は、その横方向プロフィールに由来する。液滴１０は、平坦な基部および球形のキャップを有すると想定される。液滴１０に対して球形のプロフィールを想定することによって、画像の２つのパラメーターのみが、容量の計算のために必要である。横方向ビジョンシステムのこの実施形態において使用される２つのパラメーターは、横方向プロフィールの半径および横方向プロフィールの高さである。容量は、これら２つのパラメーターから容易に計算される。
【０１２２】
垂直（ｎｏｒｍａｌ）ビジョンシステムはまた、既知の接触角度で液滴１０の容量を導くために使用され得る。このような垂直ビジョンシステムは、図１３Ａに示され、ここで、基礎的な構成要素は、照明なしで示される。液滴１０は、基板１２の上で静止する。レンズ４２０は、基板１２に対して垂直に、基板１２の下に方向付けられる。図１３Ｂにおいて、方向性の逆光からの光線が加えられる。方向性の逆光は、基板１２に対してほぼ垂直に光線を送達する。液滴１０の外側４２２における光線は、レンズ４２０によって収集され、そして最終的な画像にリレーされる。液滴１０の縁部４２４における光線は、液滴１０によって強く反射され、そしてレンズ４２０に入らない。結果として、液滴１０の縁部４２４は、非常に暗い画像である。液滴１０の中心４２６における入射光線もまた、反射されるが、レンズ４２０による収集を妨げるには不十分である。従って、液滴１０の中心４２６は、明るいディスクとして見える。完全な画像は、明るい背景の上の暗い輪である。この輪の外縁は、鋭い焦点および高いコントラストの両方を有し、これは、縁部検出に対する重要な特徴である。従って、暗い輪の外縁は、液滴１０の基部直径の優れた測定を提供する。この直径は、容量を導くための接触角度とともに使用され得る。
【０１２３】
このように、いずれのビジョンシステムも、分配される液滴１０の容量を決定するための手段として使用され得る。もちろん、当業者は、分配される液滴１０の容量を決定するための多くの他の手段に気付いており、実際、多くの他の手段を思いついており、他に特定しない限り、全てのこのような手段は、本発明の範囲内である。いずれの場合においても、分配される液滴１０の実際の容量を決定するためのこのような手段を用いて、本発明のシステムおよび方法は、液滴１０のその実際の容量と液滴１０の所望の容量とを比較し得、そして２つの間の任意の変動が、定量化され得る。実際の容量が所与の変動よりも大きく、所望の容量から異なっている場合、この変動が割合として表現されるかまたは絶対的な容量の差として表現されるかに関わらず、このシステムは、受容可能な変動が達成されるまで、液滴１０の容量を有利に調節し得る。結果として、本システムは、従来システムよりも顕著に改善された、変動係数（ＣＶ）を生じ得る。例えば、このシステムは、１％およびおそらくそれより良いＣＶを生じるように設定され得る。
【０１２４】
本発明において、実際の容量が所望の容量から所定の量より大きく異なる場合、分配液滴１０の実際の容量は、分配部材１００の間の液体の第２のブリッジ２２０を形成し、必要な場合、液滴１０に添加または液滴１０から減らされて、次いで、液体のブリッジ２２０破断し、これによって最初の液滴１０とは異なる容量の液滴１０を残すことによって、受容可能な変動を達成するために、１回または複数回、必要に応じて調節され得る。最初の液滴１０の容量が少なすぎる場合、液体は、添加され、そして最初の液滴１０の容量が多すぎる場合、液体は減らされ得る。
【０１２５】
液体２２０の第２のブリッジは、少なくとも２つの方法で形成され得る。第１に、分配部材１００の近位端１０１は、最初の液滴１０内に単純に入れられ得る。あるいは、新しいボーラス１１６は、分配部材１００の遠位端１０１に対して形成され得、そしてそのボーラス１１６は、最初の液滴１０に接触させられ得る。最初の液滴１０の容量が減少させられるべき場合、ボーラス１１６の容量よりも大きな液体の容量がキャピラリー１００内へと引き戻され得る。最初の液滴１０の容量が増加させられるべき場合、ボーラス１１６の容量より少ない液体の容量がキャピラリー１００内へと引き戻され得る。図８Ａおよび８Ｂのプロットが明らかにするように、キャピラリー１００の近位端１０１は、分配される容量の液滴１０を決定する際の主要な高さである。このように、その高さの操作は、容易に制御可能な液滴容量および液滴容量に対する調節を達成するために本発明において使用され得る。これとともに、システムおよび方法は、一定の正確さおよび制御可能な容量の沈着される液滴１０を残すために、リアルタイムで作動し得る閉ループフィードバックおよび制御システムを提供する。
【０１２６】
なおさらなる実施形態において、キャピラリー１００中のインキュベートされたアッセイ溶液のいくらかまたは全ては、基板１２上に分配され得、そして基板１２は、分配溶液内の種々の分子の内、特定の分子を選択的に固定化するためのフィルターとして使用され得る。基板１２（ここで、特定の分子がその表面上に固定化される）は、未結合分子を除くために洗浄され得、そして結合分子の存在下で検出のために読み取られ得る。本発明のこの実施のよりよい理解が、図１４Ａ、１４Ｂ、１５Ａおよび１５Ｂを参照してなされ得る。図１４Ａおよび１４Ｂの第１の例は、プロテオミクスの分野における本発明の適用に焦点を当てる。これは、複数のタンパク質の機能的分析である。サンプル溶液は、３つの異なるタンパク質４１０、４２０、および４３０を含み、それぞれ、例えば、蛍光マーカー４１１を用いて標識される。３つのタンパク質４１０、４２０、および４３０を含む溶液は、第１のタンパク質４１０と特異的に結合するが、第２タンパク質４２０にも第３タンパク質４３０にもは結合しない抗体４１２とともにインキュベートされる。この抗体４１２は、特異的結合特性もまた含むタグ４１３を有する。
【０１２７】
図１５Ａに示されるように、インキュベートされた溶液（これは、少なくとも抗体４１２および抗体４１２の複合体および第１タンパク質４１０を含む）は、液滴１０内の物理的基板１２上に本発明に従って分配される。分配が生じる前に、基板１２の表面は、固定部分（ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｒ）４１４を露出するフィルムで改変される。固定部分４１４は、タグ４１３に特異的に結合するように設計される。例えば、タグ４１３および固定部分４１４は、それぞれ、六量体ヒスチジン残基およびニッケルコーティング表面またはビオチンおよびストレプトアビジンであり得る。基板１２上の液滴１０において、抗体４１２および抗体４１２と第１タンパク質４１０との複合体は、タグ４１３と固定部分４１４との間の特定の引力または共有結合を介して、基板１２表面に結合する。対照的に、他の蛍光標識化タンパク質４２０および４３０は、未結合のままである。物理的基板１２の激しい洗浄によって、抗体４１２の結合分子および抗体４１２とタンパク質４１０との複合体のみが、図１５Ｂに示されるように、基板１２上に残る。これとともに、蛍光マーカー４１１を保有する結合分子４１２および４１０を有する基板１２が蛍光シグナルについて試験され得る。
【０１２８】
有利には、このアプローチは、抗体が特定のタンパク質に対して特定の結合特徴を有する限り、インキュベーション溶液中の無限の数のタンパク質の存在を可能にする。さらに、このアプローチは、異なるインキュベーション反応の並行処理に容易に適用され得る。多数のインキュベーション反応が、各キャピラリー１００内で実行され得、そして基板１２の表面上の特定の位置に分配されて、ＤＮＡおよびタンパク質のマイクロアレイとして同じ形式を作製する。各アッセイから生じる基板１２上のスポットは、マイクロアレイと同じ方法で読み取られ、そして分析され得る。
【０１２９】
提案されるアプローチは、プロテオミクスに利用可能な従来の方法の有意な制限（特に、マイクロアレイの形式）を克服する。より有意には、抗体のようなリガンドを伴うタンパク質のインキュベーションは、固体基板１２の表面上ではなく、溶液中で起こる。これは、タンパク質が実質的に変性する可能性を減少させ、そして任意の構造的および立体的障害なしにタンパク質およびリガンドの完全な自由を保証する。同様に重要なことに、タンパク質もリガンドも、プロセスの間（特に、インキュベーション前）、乾燥状態で存在しない。タンパク質およびペプチドに基づくリガンドの乾燥（これは、マイクロアレイ方法において頻繁に起こる）は、分子を変性させる傾向があり、それらの望ましい活性の損失をしばしば引き起こす。
【０１３０】
第２の例は、生化学酵素アッセイに焦点を当てる。例として、キナーゼ酵素反応は、以下にように記号により記載される：
【０１３１】
【数７】
2004535273.tif 000009
ここで、Ｓは、化学基質であり、ＡＴＰは、アデノシントリホスフェートであり、ＫＩＮＡＳＥは、リン酸化反応を駆動する酵素であり、ＳＰは、リン酸化基質であり、そしてＡＤＰは、アデノシンジホスフェートである。本発明のこのようなキナーゼアッセイの好ましい実施形態は、以下である：
【０１３２】
【数８】
2004535273.tif 000010
ここで、ＦＳは、発蛍光団−化学基質複合体であり、そしてＦＳＰは、リン酸化発蛍光団−化学基質複合体である。この好ましい実施形態における引き続く自発的な反応は、以下である：
【０１３３】
【数９】
2004535273.tif 000011
ここで、ＡｂＴは、物理的基板１２の表面上の固定部分に選択的に結合するためのタグを有する抗体であり、そしてＦＳＰＡｂＴは、リン酸化発蛍光団−化学基質およびタグを有する抗体の複合体である。インキュベーションの完了のときに、アッセイ溶液は、他の種とともに、少なくともＦＳＰＡｂＴおよび未反応のＡｂＴを含む。この溶液は、表面が固定部分を用いて官能基化された物理的基板１２上に分配される。分配されるアッセイ溶液の液滴１０中に存在する分子の内、ＡｂＴおよびＦＳＰＡｂＴのみが、複合体中のタグと基板１２上の固定部分との間の特定の引力または共有結合を介して、物理的基板１２の表面に結合する。物理的基板１２の表面を洗浄した後に、未結合の分子が除去され、そして結合した分子のみが残る。物理的基板１２は、例えば、従来の蛍光計測計（ｆｌｕｏｒｉｍｅｔｅｒ）を使用して読み取られる。ＡｂＴおよびＦＳＰＡｂＴの絶対量および比は、キナーゼ酵素の活性の定量的分析を可能にすると期待される。
【０１３４】
この好ましい実施形態の例は、例えば、検出のための蛍光共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）および蛍光分極（ＦＰ）を使用する従来の均質（ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ）アッセイよりも高いシグナル対ノイズ比を提供し得る。この利点は、物理的基板１２に対する産物または産物複合体の固定化、および有意なバックグラウンドシグナルを生成し得る未結合分子を洗い流すことに起因し得る。さらに、提案される発明を使用するアッセイの設計は、従来の均質アッセイよりもより単純で直線的であり得る。このアッセイ設計におけるこのような便利さは、主に、濾過工程（これは、検出のための物理的基板１２上に目的の分子のみを残す）に起因する。
【０１３５】
本発明のこの局面は、しばしば、従来の濾過に基づくアッセイよりもいくつかの有意な利点を提供する。第１に、キャピラリー１００におけるアッセイは、エバポレーションの問題を避けながら、容量スケールの最小化を可能にする。第２に、例えば、平坦な物理的基板１２上への各キャピラリー１００からの各アッセイのスポットは、マイクロアレイの分野で開発された利用可能なシステムを使用して、単純かつ直線的な平行洗浄および複数のアッセイの分析を可能にする。
【０１３６】
本発明の複数の好ましい実施形態が開示されるが、多くの変更および追加が、本発明の精神または範囲から逸脱することなく、それらに対してなされ得ることが当業者に理解される。これは、本発明の好ましい実施形態が本明細書中で明らかになる幅広い発明を単に例示することを心に留める場合、特に当てはまる。
【０１３７】
従って、本発明の主要な特徴を心に留めるものが、それらの主要な特徴を組み込むが、好ましい実施形態に含まれる特徴の全てを組み込まない実施形態を巧みに作り得る（ｃｒａｆｔ）ことが明らかである。従って、先の特許請求の範囲が、発明者らに与えられるべき保護の範囲を規定することが意図される。これらの特許請求の範囲は、それらが本発明の精神または範囲から逸脱しない限り、等価な構築物を含むと見なされる。
【０１３８】
複数の先の特許請求の範囲が、ときどき、構造または材料の説明なしに、特定の機能を実行するための手段として特定の構成要素を表現することをさらに注意するべきである。法律が要求するように、これらの特許請求の範囲は、本明細書中に明らかに記載される、対応する構造および材料だけでなく、それらの等価物もまた網羅すると解釈される。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１】図１は、基板上の液滴を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明に従うキャピラリー構造の断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、代替のキャピラリー構造の断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、別のキャピラリー構造の断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、平らな端部を有するキャピラリーノズルの断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、角度付けされた端部を有するキャピラリーノズルの断面図である。
【図３】図３は、本発明に従うキャピラリー構造の断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、２バルブパルス生成システムの略図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、２バルブパルス生成システムのためのタイミングダイアグラムである。
【図５Ａ】図５Ａは、キャピラリー内に保持された液体の容量を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、キャピラリーに関して形成されるボーラスを示す。
【図６】図６Ａ〜６Ｄは、本発明に従う基板上の液滴沈着のプロセスを示す。
【図７】図７Ａ〜７Ｅは、本発明に従う液滴沈着のプロセスに関する特定の主な力を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、液滴容量  対  キャピラリー−基板の距離のプロットである。
【図８Ｂ】図８Ｂは、基板の２つの表面処理についての、液滴容量  対  キャピラリー−基板の距離のプロットである。
【図９】図９は、表面トポロジーを有する基板に対して沈着された複数の液滴を示す。
【図１０】図１０は、表面パターニングを有する基板に対して沈着された複数の液滴を示す。
【図１１Ａ】図１１Ａは、液体メニスカスを有する液体の容量を維持するキャピラリーの断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明に従う蛍光検出配置の断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明に従う横断観察システムを示す。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、横断画像を示す。
【図１３Ａ】図１３Ａは、垂直観察システムを示す。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、垂直観察システム内の光線の通路を示す。
【図１４Ａ】図１４Ａは、未結合分子の概略図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、結合分子および未結合分子の概略図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、基板上に配置されたインキュベートされた溶液の液滴の側面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、基板上に配置された結合分子を示す。
【図１６Ａ】図１６Ａは、キャピラリーからキャピラリーへの液体移動配置を示す。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、キャピラリーからキャピラリーへの代替の液体移動配置を示す。
【国際公開パンフレット】
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2004535273.tif 000078
2004535273.tif 000079
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004535273.tif 000080
【国際調査報告】
2004535273.tif 000081