(57)【要約】デジタルマイクロ流体（DMF）方法および装置（デバイス、システム、カートリッジ、DMF読み取り装置などを含む）、特に、大きな量に適合されたDMF装置および方法が記載されている。たとえば、0.3mm〜3mmであり得るギャップ幅を有する空隙を使用するDMFのための方法および装置が本明細書に記載されている。また、より小さな量が使用されてもよいが、大きな空隙/大きな量と共に使用するために適合されたものを含む、DMFカートリッジと共に使用するためのDMF読み取り装置も本明細書に記載されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタルマイクロ流体（DMF）装置のためのカートリッジであって、
下部および上部を有し、
第一の面および第二の面を有する誘電体材料のシートであって、該第一の面が、該カートリッジの該下部の露出した下面を形成しており、該誘電体材料のシートの少なくとも該第二の面が第一の疎水性面を含む、誘電体材料のシート；
第一の面および第二の面ならびにそれらの間の厚さを有する、トッププレート；
該トッププレートの該第一の面上の接地電極；
該接地電極を覆う、該トッププレートの該第一の面上の第二の疎水性面；ならびに
第一の疎水性層と第二の疎水性層とを離隔する空隙であって、280μmを超える離隔距離を含む、空隙
を含む、カートリッジ。
【請求項２】
前記接地電極が、複数のオープンセルを形成する格子パターンを含む、請求項1記載のカートリッジ。
【請求項３】
前記接地電極の格子パターンが、不透明な材料で形成されている、請求項2記載のカートリッジ。
【請求項４】
前記接地電極が導電性インクで形成されている、請求項1記載のカートリッジ。
【請求項５】
前記接地電極が銀ナノ粒子で形成されている、請求項1記載のカートリッジ。
【請求項６】
前記格子パターンのオープンセル間の最小幅が50μmよりも大きい、請求項2記載のカートリッジ。
【請求項７】
前記複数のオープンセルのオープンセルが四辺形または楕円形を含む、請求項2記載のカートリッジ。
【請求項８】
前記接地電極が前記トッププレートの第一の面の50％よりも多くに広がっている、請求項1記載のカートリッジ。
【請求項９】
前記トッププレートが、該トッププレートの厚さ内に複数の空洞を含み、さらに、該空洞が、低い熱質量および低い熱伝導率を有する断熱材で埋められている、請求項1記載のカートリッジ。
【請求項１０】
前記断熱材が空気を含む、請求項9記載のカートリッジ。
【請求項１１】
前記誘電体材料のシートが可撓性である、請求項1記載のカートリッジ。
【請求項１２】
前記トッププレートの第二の面の上または中に形成されており、該トッププレートの該第二の面に沿って延びているマイクロ流体チャネルと、該マイクロ流体チャネルと前記空隙との間の少なくとも1つの開口とをさらに含む、請求項1記載のカートリッジ。
【請求項１３】
前記トッププレートが、ポリカーボネートおよび/またはアクリルを含む、請求項1記載のカートリッジ。
【請求項１４】
前記誘電体のシートの厚さが30ミクロン未満である、請求項1記載のカートリッジ。
【請求項１５】
前記誘電体材料の第二の面が疎水性コーティングを含む、請求項1記載のカートリッジ。
【請求項１６】
前記空隙が、400μmを超える離隔距離を含む、請求項1記載のカートリッジ。
【請求項１７】
デジタルマイクロ流体（DMF）装置のためのカートリッジであって、
下部および上部を有し、
第一の面および第二の面を有する可撓性の誘電体材料のシートであって、該第一の面が、該カートリッジの該下部の露出した下面を形成している、可撓性の誘電体材料のシート；
該誘電体材料のシートの該第二の面上の第一の疎水性層；
第一の面および第二の面ならびにそれらの間の厚さを有する、トッププレート；
不透明な材料で形成された格子パターンを含む、該トッププレートの該第一の面上の接地電極であって、該格子パターンが、該トッププレートの該第一の面に沿って複数のオープンセルを形成する、接地電極；
該接地電極を覆う、該トッププレートの該第一の面上の第二の疎水性層；ならびに
該第一の疎水性層と該第二の疎水性層とを離隔する空隙であって、400μmを超える離隔距離を含む、空隙
を含む、カートリッジ。
【請求項１８】
前記トッププレートが、該トッププレートの厚さ内に複数の空洞を含み、さらに、該空洞が、低い熱質量および低い熱伝導率を有する断熱材で埋められている、請求項17記載のカートリッジ。
【請求項１９】
前記接地電極の格子パターンが導電性インクで形成されている、請求項17記載のカートリッジ。
【請求項２０】
前記接地電極の格子パターンが銀ナノ粒子で形成されている、請求項17記載のカートリッジ。
【請求項２１】
前記格子パターンのオープンセル間の最小幅が50μmよりも大きい、請求項17記載のカートリッジ。
【請求項２２】
前記複数のオープンセルのオープンセルが四辺形または楕円形を含む、請求項17記載のカートリッジ。
【請求項２３】
前記接地電極の格子パターンが、前記トッププレートの第一の面の50％よりも多くに広がっている、請求項17記載のカートリッジ。
【請求項２４】
前記トッププレートの第二の面の中に形成されており、該トッププレートの該第二の面に沿って延びているマイクロ流体チャネルと、該マイクロ流体チャネルと前記空隙との間の少なくとも1つの開口とをさらに含む、請求項17記載のカートリッジ。
【請求項２５】
前記トッププレートが、ポリカーボネートおよび/またはアクリルを含む、請求項17記載のカートリッジ。
【請求項２６】
デジタルマイクロ流体（DMF）装置のためのカートリッジであって、
下部および上部を有し、
第一の面および第二の面を有する誘電体材料のシートであって、該第一の面が、該カートリッジの該下部の露出した下面を形成している、誘電体材料のシート；
該誘電体材料のシートの該第二の面上の第一の疎水性層；
第一の面および第二の面ならびにそれらの間の厚さを有する、トッププレート；
該トッププレートの該第一の面上の接地電極；
該接地電極を覆う、該トッププレートの該第一の面上の第二の疎水性層；
該第一の疎水性層と該第二の疎水性層とを離隔する、空隙；
該トッププレートの該第二の面の中または上に形成されており、該トッププレートの該第二の面に沿って延びているマイクロ流体チャネル；
該マイクロ流体チャネルと該空隙との間の開口；ならびに
該マイクロ流体チャネルにアクセスするための1つまたは複数のアクセスポートを含む、該マイクロ流体チャネルを覆うカバー
を含む、カートリッジ。
【請求項２７】
前記マイクロ流体チャネルが、1mlを超える流体を該マイクロ流体チャネル内に収容するように構成されている、請求項26記載のカートリッジ。
【請求項２８】
前記空隙が、500μmを超える離隔距離を含む、請求項26記載のカートリッジ。
【請求項２９】
前記マイクロ流体チャネルが第一のマイクロ流体チャネルを含み、該マイクロ流体チャネルと前記空隙との間の開口が第一の開口を含み、前記カートリッジがさらに、前記トッププレートの第二の面の中に形成されており、該トッププレートの該第二の面に沿って延びている第二のマイクロ流体チャネルと、該第二のマイクロ流体チャネルと該空隙との間の第二の開口とを含み、該第一および第二の開口が互いに隣接する、請求項26記載のカートリッジ。
【請求項３０】
前記第一および第二の開口が互いから約2cm以内にある、請求項29記載のカートリッジ。
【請求項３１】
前記カートリッジが、該カートリッジの上部から前記空隙までの窓をさらに含み、該窓を通して該空隙が見える、請求項26記載のカートリッジ。
【請求項３２】
前記窓が、前記カートリッジの上部の2〜50％を形成する、請求項31記載のカートリッジ。
【請求項３３】
前記カートリッジの下部が、前記誘電体材料のシートの第一の面によって形成されている、請求項26記載のカートリッジ。
【請求項３４】
前記カートリッジの上部から前記空隙の中に通じる複数の開口をさらに含む、請求項26記載のカートリッジ。
【請求項３５】
前記トッププレートが、ポリカーボネートおよび/またはアクリルを含む、請求項26記載のカートリッジ。
【請求項３６】
前記トッププレートの第二の面上に1つまたは複数の試薬リザーバをさらに含む、請求項26記載のカートリッジ。
【請求項３７】
前記トッププレートの第二の面上に1つまたは複数のフリーズドライ試薬リザーバをさらに含む、請求項26記載のカートリッジ。
【請求項３８】
前記誘電体材料のシートが可撓性である、請求項26記載のカートリッジ。
【請求項３９】
前記トッププレートが、該トッププレートの厚さ内に複数の空洞を含み、さらに、該空洞が、低い熱質量および低い熱伝導率を有する断熱材で埋められている、請求項26記載のカートリッジ。
【請求項４０】
デジタルマイクロ流体（DMF）装置のためのカートリッジであって、
下部および上部を有し、
第一の面および第二の面を有する誘電体材料のシートであって、該第一の面が、該カートリッジの該下部の露出した下面を形成している、誘電体材料のシート；
該誘電体材料のシートの該第二の面上の第一の疎水性層；
第一の面および第二の面ならびにそれらの間の厚さを有する、トッププレート；
該トッププレートの第一の面上の接地電極；
該接地電極を覆う、該トッププレートの該第一の面上の第二の疎水性層；
該第一の疎水性層と該第二の疎水性層とを離隔する、500μmを超える離隔距離を含む空隙；
該トッププレートの該第二の面の中に形成されており、該トッププレートの該第二の面に沿って延びている、第一のマイクロ流体チャネルおよび第二のマイクロ流体チャネル；
該第一のマイクロ流体チャネルと該空隙との間の第一の開口、および該第二のマイクロ流体チャネルと該空隙との間の第二の開口であって、約2cmの範囲内で互いに隣接する、第一の開口および第二の開口；ならびに
該マイクロ流体チャネルにアクセスするための1つまたは複数のアクセスポートを含む、該マイクロ流体チャネルを覆うカバー
を含む、カートリッジ。
【請求項４１】
デジタルマイクロ流体（DMF）読み取りデバイスであって、
下部誘電体面、接地電極を有するトッププレート、および該下部誘電体と該トッププレートとの間の空隙を有する使い捨てカートリッジと共に作動するように構成されており、
該使い捨てカートリッジを設置するための設置面；
該設置面上の第一の複数の駆動電極であって、該駆動電極のすべてまたはいくつかが、それを貫通する開口を含む、第一の複数の駆動電極；
該駆動電極を貫通する該開口のうちの1つまたは複数にそれぞれが結合している、複数の真空ポート；
該真空ポートに真空を適用するための真空ポンプ；ならびに
該カートリッジの該空隙内の液滴を該空隙内の所望の経路に沿って移動させるために1つまたは複数の選択された駆動電極を順次に作動および停止させるようにそれらにエネルギーを印加するための制御部
を含み、
該使い捨てカートリッジが該設置面上に配置されたときに該真空ポートに該真空を適用して各駆動電極を該使い捨てカートリッジの該下部誘電体に固定するように構成されている、
デバイス。
【請求項４２】
前記デバイスが、前記設置面から延びている1つまたは複数の突起をさらに含み、該1つまたは複数の突起が、前記駆動電極中の開口を通して真空が適用されたときに前記カートリッジの空隙中に仕切りを形成するように構成されている、請求項41記載のデバイス。
【請求項４３】
前記設置面に設置された前記カートリッジからの光学信号を検出するように構成されている光学読み取り装置をさらに含む、請求項41記載のデバイス。
【請求項４４】
前記設置面に設置された前記カートリッジからの光学信号を検出するように構成されている光学読み取り装置を動かすように構成されているモータをさらに含む、請求項41記載のデバイス。
【請求項４５】
前記設置面に結合された1つまたは複数の温度センサをさらに含む、請求項41記載のデバイス。
【請求項４６】
前記駆動電極のうちの少なくともいくつかの下に位置する抵抗加熱器をさらに含む、請求項41記載のデバイス。
【請求項４７】
前記設置面がプリント回路板を含む、請求項41記載のデバイス。
【請求項４８】
作動すると磁場を印加するように構成されている、前記駆動電極のうちの1つまたは複数の下にある磁石をさらに含む、請求項41記載のデバイス。
【請求項４９】
10℃未満まで冷却するように構成されている、前記駆動電極のうちの少なくともいくつかの下に位置する1つまたは複数のペルチェ冷却器をさらに含む、請求項41記載のデバイス。
【請求項５０】
前記使い捨てカートリッジを前記設置面上へと動かすように構成されているカートリッジトレーをさらに含む、請求項41記載のデバイス。
【請求項５１】
前記デバイスが、該デバイスを囲むハウジングをさらに含み、該ハウジングが積み重ね可能である、請求項41記載のデバイス。
【請求項５２】
前記デバイスによって検出された信号を出力するように構成されている出力部をさらに含む、請求項41記載のデバイス。
【請求項５３】
前記出力部がワイヤレス出力部を含む、請求項52記載のデバイス。
【請求項５４】
前記設置面を15〜25℃に冷やすように構成されている第一の熱制御部をさらに含む、請求項41記載のデバイス。
【請求項５５】
前記カートリッジが前記設置面上に設置されたときに該カートリッジのマイクロ流体チャネルにアクセスするためのアクセスポートと係合するように構成されている、該設置面の上方に配置された1つまたは複数のマイクロ流体真空ポートをさらに含む、請求項41記載のデバイス。
【請求項５６】
前記設置面の最外面上に誘電体コーティングをさらに含む、請求項41記載のデバイス。
【請求項５７】
前記設置面上の第一の複数の駆動電極がそれぞれ該複数の電極中の隣接電極から50〜120μm離隔している、請求項41記載のデバイス。
【請求項５８】
前記設置面を貫通する複数のサーマルビアをさらに含む、請求項41記載のデバイス。
【請求項５９】
デジタルマイクロ流体（DMF）読み取りデバイスであって、
下部誘電体面、接地電極を有するトッププレート、および該下部誘電体と該トッププレートとの間の空隙を有する使い捨てカートリッジと共に作動するように構成されており、
該使い捨てカートリッジを設置するための設置面；
該設置面上の複数の駆動電極であって、該駆動電極のうちの少なくともいくつかがそれを貫通する開口を含む、駆動電極；
該駆動電極を貫通する該開口のうちの1つまたは複数にそれぞれが結合している、複数の真空ポート；
該真空ポートに真空を適用するための真空ポンプ；ならびに
該カートリッジの該空隙内の液滴を該空隙内の所望の経路に沿って移動させるために1つまたは複数の選択された駆動電極を順次に作動および停止させるようにそれらにエネルギーを印加するための制御部
を含み、
該真空ポートに該真空を適用して各駆動電極を該使い捨てカートリッジの該下部誘電体に固定して該使い捨てカートリッジを該設置面上に保持するように構成されている、
デバイス。
【請求項６０】
エアマトリックスデジタルマイクロ流体（DMF）装置内の液滴蒸発を防ぐ方法であって、
該エアマトリックスDMF装置の第一のプレートと第二のプレートとの間に形成される該エアマトリックスDMF装置の空隙に水性反応液滴を導入する工程；
該第一のプレートの上または中の駆動電極に順次に電圧を印加して、該エアマトリックスDMF装置の該空隙内で該水性反応液滴を動かし、それが該エアマトリックスDMF装置の該空隙内の非極性流体の液滴と合わさるようにして、該非極性流体が該水性反応液滴をコートして該反応液滴を蒸発から保護する、コートされた反応液滴を形成させる工程；および
該駆動電極に順次に電圧を印加して、該コートされた反応液滴を該エアマトリックスDMF装置の該空隙内で動かす工程
を含む、方法。
【請求項６１】
前記非極性流体の体積が前記水性反応液滴の体積よりも少ない、請求項60記載の方法。
【請求項６２】
前記エアマトリックスDMF装置の空隙内で、前記コートされた液滴を1つまたは複数のさらなる水性液滴と合わせる工程をさらに含む、請求項60記載の方法。
【請求項６３】
前記コートされた液滴を前記エアマトリックスDMF装置の空隙からマイクロ流体チャネルの中へ少なくとも部分的に回収することによって非極性流体のコーティングを取り除く工程をさらに含む、請求項60記載の方法。
【請求項６４】
前記非極性流体の液滴を、前記第一または第二のプレート中の開口に通して前記エアマトリックスDMF装置の空隙の中に加える工程をさらに含む、請求項60記載の方法。
【請求項６５】
前記非極性流体の液滴が10℃〜100℃で液状である、請求項60記載の方法。
【請求項６６】
エアマトリックスデジタルマイクロ流体（DMF）装置内の液滴蒸発を防ぐ方法であって、
該エアマトリックスDMF装置の第一のプレートと第二のプレートとの間に形成される該エアマトリックスDMF装置の空隙に水性反応液滴を導入する工程；
該第一のプレートの上または中の駆動電極に順次に電圧を印加して、該エアマトリックスDMF装置の該空隙内で該水性反応液滴を動かし、それが該エアマトリックスDMF装置の該空隙内の非極性流体の液滴と合わさるようにして、該非極性流体が該水性反応液滴をコートして該反応液滴を蒸発から保護する、コートされた反応液滴を形成させる工程であって、該非極性流体が10℃〜100℃で液状であり、さらに、該非極性流体の体積が該水性反応液滴の体積よりも少ない、工程；および
該駆動電極に順次に電圧を印加して、該コートされた反応液滴を該エアマトリックスDMF装置の該空隙内で動かす工程
を含む、方法。
【請求項６７】
エアマトリックスデジタルマイクロ流体（DMF）装置の空隙の中へ所定量の流体を分注する方法であって、該空隙の幅が400μmよりも大きく、さらに、該DMF装置が、該空隙に隣接する複数の駆動電極を含み、該方法が、
該空隙の一部分を、該空隙と連通するポートからの該流体で満たす工程；
該空隙の満たされた該部分に隣接する第一の駆動電極にエネルギーを印加してそれを作動させる工程；および
該第一の電極が作動している間に該流体に吸引を加えて該流体を該ポートの中へ引き戻し、所定量の該流体を有する液滴を、該作動した第一の電極に隣接する該空隙の中に残す工程
を含む、方法。
【請求項６８】
前記第一の駆動電極にエネルギーを印加してそれを作動させる工程が、該第一の駆動電極と隣接する1つまたは複数の駆動電極にエネルギーを印加してそれらを作動させることを含み、さらに、該第一の駆動電極が作動している間に前記流体に吸引を加えて該流体を前記ポートの中へ引き戻す工程が、該第一の駆動電極および該第一の駆動電極と隣接する1つまたは複数の駆動電極がアクティブである間に該流体を引き込んで、該流体の液滴を、該作動した第一の駆動電極および該第一の駆動電極と隣接する1つまたは複数の駆動電極に隣接する空隙の中に残すことを含む、請求項67記載の方法。
【請求項６９】
前記第一の駆動電極が少なくとも1つの駆動電極の間隔だけ前記ポートから離隔している、請求項67記載の方法。
【請求項７０】
前記空隙の満たされた部分内にあり、かつ前記ポートと前記第一の駆動電極との間にある、該空隙の第二の部分に隣接する1つまたは複数の駆動電極を停止する工程をさらに含む、請求項67記載の方法。
【請求項７１】
前記空隙が500μmよりも大きい、請求項67記載の方法。
【請求項７２】
前記空隙の一部分を満たす工程が、正圧を加えて前記流体を前記ポートから押し出すことを含む、請求項67記載の方法。
【請求項７３】
前記空隙に隣接する駆動電極に順次に電圧を印加して、前記エアマトリックスDMF装置の該空隙内で液滴を動かす工程をさらに含む、請求項67記載の方法。
【請求項７４】
前記第一の電極が作動している間に前記流体に吸引を加えて該流体を前記ポートの中へ引き戻す工程が、10μl以上の体積を有する該流体の液滴を、該作動した第一の電極に隣接する空隙の中に残すことを含む、請求項67記載の方法。
【請求項７５】
エアマトリックスデジタルマイクロ流体（DMF）装置の空隙の中へ所定量の流体を分注する方法であって、該空隙の幅が400μmよりも大きく、さらに、該DMF装置が、該空隙に隣接する複数の駆動電極を含み、該方法が、
該空隙の一部分を、該空隙と連通するポートからの該流体で満たす工程；
該空隙の満たされた該部分に隣接する第一の駆動電極または第一の連続する駆動電極の群にエネルギーを印加してそれを作動させる工程であって、該第一の駆動電極または該第一の連続する駆動電極の群が、作動していない1つまたは複数の駆動電極によってポートから離間している、工程；および
該第一の電極または該第一の連続する駆動電極の群が作動している間に該流体に吸引を加えて該流体を該ポートの中へ引き戻して、該流体の液滴を、該第一の電極または該第一の連続する電極の群に隣接する空隙の中に残す工程
を含む、方法。
【請求項７６】
デジタルマイクロ流体（DMF）装置を制御する方法であって、
移動、加熱、取り出し、サイクル、待機、分離、混合、および分注のうちの1つまたは複数を含む流体取り扱い制御コマンドのメニューを含むグラフィカルユーザインタフェースを提供する工程；
ユーザが選択した流体取り扱い制御コマンドを含む流体取り扱いプロトコルを受け取る工程；
該流体取り扱いプロトコルに基づいて該DMF装置の空隙内で流体を動かすための経路を計算する工程であって、該経路が、汚染を回避するために該経路における重複の量を最小化する、工程；および
該計算された経路に基づいて該DMF装置を使用して該流体取り扱いプロトコルを実行する工程
を含む、方法。
【請求項７７】
前記流体取り扱い制御コマンドが、少なくとも移動、加熱、取り出し、待機、および混合を含む、請求項76記載の方法。
【請求項７８】
前記流体取り扱いプロトコルを受け取る工程が、一連の流体取り扱い制御コマンドを受け取ることを含む、請求項76記載の方法。
【請求項７９】
前記経路を計算する工程が、前記DMF装置における加熱ゾーンおよび冷却ゾーンの配置に基づいて該経路を計算することを含む、請求項76記載の方法。
【請求項８０】
前記経路を計算する工程が、自らを横切らない最短経路を決定することを含む、請求項76記載の方法。
【請求項８１】
前記DMF装置において前記流体取り扱いプロトコルを実行する工程が、該DMF装置に結合された使い捨てカートリッジにおいて該流体取り扱いプロトコルを実行することを含む、請求項76記載の方法。
【請求項８２】
デジタルマイクロ流体（DMF）読み取りデバイスであって、
下部誘電体面、接地電極を有するトッププレート、および該下部誘電体と該トッププレートとの間の空隙を有する使い捨てカートリッジと共に作動するように構成されており、
該使い捨てカートリッジを上面に設置するための設置面；
該設置面上の第一の複数の駆動電極であって、該駆動電極のすべてまたはいくつかがそれを貫通する開口を含む、駆動電極；
該設置面の第一の領域に熱エネルギーを加えるための熱制御部；
熱伝導性材料を含み、該設置面の該第一の領域と熱的に連絡するが、電極のサブセットからは電気的に隔離され、さらに該熱制御部と熱的に連絡している、複数のサーマルビア；
該駆動電極を通して該開口のうちの1つまたは複数にそれぞれが結合している、複数の真空ポート；
該真空ポートに真空を適用するための真空ポンプ；ならびに
該カートリッジの該空隙内の液滴を該空隙内で所望の経路に沿って移動させるために1つまたは複数の選択された駆動電極を順次に作動および停止させるようにそれらにエネルギーを印加するための制御部
を含む、デバイス。
【請求項８３】
前記サーマルビアがそれぞれ0.5〜1.5mmの直径を有する、請求項82記載のデバイス。
【請求項８４】
前記第一の領域中の1つの電極に対応する領域と関連して5〜15個のサーマルビアがある、請求項82記載のデバイス。
【請求項８５】
前記サーマルビアがそれぞれ熱伝導性金属で埋められている、請求項82記載のデバイス。
【請求項８６】
前記駆動電極のうちの少なくともいくつかの下に位置する抵抗加熱器をさらに含む、請求項82記載のデバイス。
【請求項８７】
前記設置面がプリント回路板を含む、請求項82記載のデバイス。
【請求項８８】
作動すると磁場を印加するように構成されている、前記駆動電極のうちの1つまたは複数の下にある磁石をさらに含む、請求項82記載のデバイス。
【請求項８９】
10℃未満まで冷却するように構成されている、前記駆動電極のうちの少なくともいくつかの下に位置する1つまたは複数のペルチェ冷却器をさらに含む、請求項82記載のデバイス。
【請求項９０】
デジタルマイクロ流体（DMF）カートリッジの空隙中の物質の位置およびアイデンティティを検出する方法であって、
該DMFカートリッジの該空隙の第一の面上の基準電極を駆動回路から切り離す工程；
該空隙の第二の面上の駆動電極のアレイの1つまたは複数の駆動電極の電圧を高い電圧に設定する工程であって、該駆動電極のアレイの他のすべての駆動電極は接地に設定する、工程；
該基準電極の電圧を感知する工程；
該基準電極で感知された該電圧に基づいて該空隙の該第一の面と該空隙の該第二の面との間の静電容量を決定する工程；および
該決定された静電容量に基づいて該1つまたは複数の駆動電極に隣接する該空隙中の物質を同定する工程
を含む、方法。
【請求項９１】
前記基準電極を前記駆動回路に再び接続する工程、および該基準電極と前記駆動電極のうちの1つとの間に電圧を印加することによって前記空隙内の液滴を駆動する工程をさらに含む、請求項90記載の方法。
【請求項９２】
前記基準電極を切り離す工程が、該基準電極を浮かせることを含む、請求項90記載の方法。
【請求項９３】
前記駆動電極のうちの1つまたは複数の電圧を高い電圧に設定する工程が、該駆動電極のうちの該1つまたは複数を10〜400Vに設定することを含む、請求項90記載の方法。
【請求項９４】
前記基準電極が前記駆動回路から切り離されているときに、前記駆動電極のアレイのすべての駆動電極の電圧を高い電圧に設定し、該基準電極の電圧を感知して全静電容量を決定することにより、前記空隙の全静電容量を決定する工程をさらに含む、請求項90記載の方法。
【請求項９５】
前記基準電極が前記駆動回路から切り離されているときに、該基準電極に接続された1つまたは複数の基準キャパシタを使用して全静電容量を決定する工程をさらに含む、請求項94記載の方法。
【請求項９６】
前記基準電極で感知された電圧に基づいて前記空隙の第一の面と該空隙の第二の面との間の静電容量を決定する工程が、全静電容量を使用することをさらに含む、請求項94記載の方法。
【請求項９７】
前記空隙中の物質を同定する工程が、複数の範囲の静電容量を含む参照データベースを使用して、決定された静電容量に基づいて該空隙中の物質を同定することを含む、請求項94記載の方法。
【請求項９８】
デジタルマイクロ流体（DMF）装置のためのカートリッジであって、
下部および上部を有し、
第一の面および第二の面を有する誘電体材料のシートであって、該第一の面が、該カートリッジの該下部の露出した下面を形成しており、該誘電体材料のシートの少なくとも該第二の面が第一の疎水性面を含む、誘電体材料のシート；
該誘電体材料のシートが実質的に平坦になるように該誘電体材料のシートの張力を保持する、テンションフレーム；
第一の面および第二の面ならびにそれらの間の厚さを有する、トッププレート；
該トッププレートの該第一の面上の接地電極；
該接地電極を覆う、該トッププレートの該第一の面上の第二の疎水性面；ならびに
第一の疎水性層と第二の疎水性層とを離隔する空隙であって、280μmを超える離隔距離を含む、空隙
を含む、カートリッジ。
【請求項９９】
前記誘電体材料のシートの周囲に延び、それから突出するリップをさらに含む、請求項98記載のカートリッジ。
【請求項１００】
前記テンションフレームが外側フレームおよび内側フレームを含み、さらに、該外側フレームと該内側フレームの間に前記シートが保持されている、請求項98記載のカートリッジ。
【請求項１０１】
前記接地電極が、複数のオープンセルを形成する格子パターンを含む、請求項98記載のカートリッジ。
【請求項１０２】
前記接地電極の格子パターンが不透明な材料で形成されている、請求項101記載のカートリッジ。
【請求項１０３】
前記接地電極が導電性インクで形成されている、請求項98記載のカートリッジ。
【請求項１０４】
前記接地電極が銀ナノ粒子で形成されている、請求項98記載のカートリッジ。
【請求項１０５】
前記格子パターンのオープンセル間の最小幅が50μmよりも大きい、請求項101記載のカートリッジ。
【請求項１０６】
前記複数のオープンセルのオープンセルが四辺形または楕円形を含む、請求項101記載のカートリッジ。
【請求項１０７】
前記接地電極が前記トッププレートの第一の面の50％よりも多くに広がっている、請求項98記載のカートリッジ。
【請求項１０８】
前記トッププレートが、該トッププレートの厚さ内に複数の空洞を含み、さらに、該空洞が、低い熱質量および低い熱伝導率を有する断熱材で埋められている、請求項98記載のカートリッジ。
【請求項１０９】
前記断熱材が空気を含む、請求項109記載のカートリッジ。
【請求項１１０】
前記誘電体材料のシートが可撓性である、請求項98記載のカートリッジ。
【請求項１１１】
前記トッププレートの第二の面の上または中に形成されており、該トッププレートの該第二の面に沿って延びているマイクロ流体チャネルと、該マイクロ流体チャネルと前記空隙との間の少なくとも1つの開口とをさらに含む、請求項98記載のカートリッジ。
【請求項１１２】
前記トッププレートが、ポリカーボネートおよび/またはアクリルを含む、請求項98記載のカートリッジ。
【請求項１１３】
前記誘電体のシートの厚さが30ミクロン未満である、請求項98記載のカートリッジ。
【請求項１１４】
前記誘電体材料の第二の面が疎水性コーティングを含む、請求項98記載のカートリッジ。
【請求項１１５】
前記空隙が、400μmを超える離隔距離を含む、請求項98記載のカートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本特許は、2017年9月1日に出願された米国特許仮出願第62/553,743号（「DIGITAL MICROFLUIDICS DEVICES AND METHODS OF USING THEM」と題する）および2107年9月12日に出願された米国特許仮出願第62/557,714号（「DIGITAL MICROFLUIDICS DEVICES AND METHODS OF USING THEM」と題する）への優先権を主張する。これらの出願それぞれが全体として参照により本明細書に組み入れられる。
【０００２】
参照による組み入れ
本明細書において挙げられるすべての刊行物および特許出願は、各個の刊行物または特許出願が参照により組み入れられることが明確かつ個別に示される場合と同じ程度に、全体として参照により本明細書に組み入れられる。
【０００３】
分野
本出願は概して、デジタルマイクロ流体（DMF）装置および方法に関する。特に、本明細書に記載される装置および方法は、エアマトリックスおよび接地電極を含むカートリッジと、駆動電極を含む耐久性構成部品とを含む空隙DMF装置に関する。
【背景技術】
【０００４】
背景
近年、Lab-on-a-Chipおよびバイオチップデバイスが、小さな反応量で高度に反復性の反応工程を実行して、材料と時間の両方を節約するため、科学的研究用途と潜在的にポイント・オブ・ケアの用途の両方で多大な関心を集めている。従来のバイオチップ型デバイスは、反応工程を操作するために、バイオチップに結合されたミクロまたはナノサイズのチャネルならびに対応するマイクロポンプ、マイクロ弁およびマイクロチャネルを利用するが、これらさらなる構成部品はマイクロ流体デバイスのコストおよび複雑さを増す。
【０００５】
デジタルマイクロ流体（DMF）が、広い範囲の生物学的および化学的用途のための強力な調製技術として出現した。DMFは、ポンプ、弁または複雑な管材のアレイを要することなく、固体、液体および刺激が強い化学物質を含む複数の試料および試薬に対して正確かつ高度にフレキシブルなリアルタイム制御を可能にする。DMFにおいては、ナノリットル〜μl量の別々の液滴がリザーバから疎水性絶縁体でコートされた平面に分注され、そこで、電極のアレイに一連の電位を印加することによって操作（移送、分割、統合、混合）される。DMFのみを使用して、またはDMFがチャネルベースのマイクロ流体と統合されているハイブリッド系を使用して、複雑な反応系列を実施することができる。ハイブリッド系はとてつもない融通性を提供する。概念として、各反応工程を、それを最良に受け入れるマイクロ流体フォーマットで実行することができる。
【０００６】
多くの用途の場合、液滴を包囲するマトリックスが周囲空気であるような開放面上でDMFを実施することが非常に好都合である。図1A〜CはエアマトリックスDMF装置の一例を示す。図1AはエアマトリックスDMF装置100の例を示す。概して、エアマトリックスDMF装置は、接地電極102の反対側に1つの作動電極106を有することによって画定される、互いに隣接する複数のユニットセル191を含む。各ユニットセルは、任意の適切な形状であり得るが、概して、概ね同じ表面積を有し得る。図1Aでは、ユニットセルは長方形である。液滴（たとえば反応液滴）が、第一のプレート153と第二のプレート151（図1A〜Cにはトッププレートおよびボトムプレートとして示す）との間の空隙内に嵌まる。エアマトリックスDMF装置全体は任意の適切な形状および厚さを有し得る。図1Bは、DMFデバイスの層（たとえば、ボトムプレートを形成する層）を示す、図1Aに示すエアマトリックスDMFのサーマルゾーンの断面の拡大図である。概して、DMFデバイス（たとえばボトムプレート）は、プリント回路板（PCB）材料上に形成された層を含み得るいくつかの層を含む。これらの層は、保護的被覆層、絶縁層、および/または支持層（たとえばガラス層、接地電極層、疎水性層；疎水性層、誘電体層、作動電極層、PCB、熱制御層など）を含み得る。これらの面のいずれも硬質（たとえばガラス、PCB、ポリマー材料など）であり得る。本明細書に記載されるエアマトリックスDMF装置はまた、試料および試薬の両リザーバならびに試薬を補充するための機構を含む。
【０００７】
図1A〜Cに示す例においては、トッププレート101、この場合はガラス材料（PCBを含むプラスチック/ポリマー材料が使用され得る）が、支持を提供し、下にある層を外部微粒子から保護し、さらに、DMFデバイス内で起こる反応のためにいくらかの絶縁を提供する。したがって、トッププレートは液滴をプレート間に閉じ込め/挟み込み得、それが、開放型エアマトリックスDMF装置（プレートなし）と比べて電場を強化し得る。上側プレート（この例においては第一のプレート）は、接地電極を含み得、透明または半透明であり得る。たとえば、第一のプレートの基板はガラスおよび/または明澄なプラスチックで形成され得る。しかし、透明ではあるが、導電性材料でコートされていてもよいし、DMF回路のための、基板に隣接し、かつ基板の下にある接地電極（接地電極層102）を含んでもよい。いくつかの例において、接地電極は連続的なコーティングであるが、あるいはまた、複数の、たとえば隣接する接地電極が使用されてもよい。接地電極層の下には疎水性層103がある。疎水性層103は、表面の湿潤を減らすように作用し、反応液滴を1つの凝集単位に維持することを支援する。
【０００８】
図1A〜C中、下側またはボトムプレート151として示す第二のプレートは、ユニットセルを画定する作動電極を含み得る。この例においては、第一のプレートと同じく、プレート間の空隙104に面する最外層は疎水性層103も含む。疎水性層を形成する材料は、両プレートで同じであってもよいし、異なる疎水性材料であってもよい。空隙104は、反応液滴がはじめに試料リザーバ内に収容され、反応工程を実行し、様々な反応工程のための様々な試薬を維持するために動かされるところの空間を提供する。第二のプレート上の疎水性層103に隣接して、液滴と電極との間の静電容量を増し得る誘電体層105がある。誘電体層105に隣接し、かつその下には、作動電極を含有するPCB層（作動電極層106）がある。作動電極は各ユニットセルを形成し得る。作動電極は、電圧を印加されると、様々な条件（たとえば温度、様々な試薬と組み合わせる、磁気領域、ポンプ入口領域など）下で様々な反応工程を実行し得るようにDMFデバイス内の液滴を様々な領域へ動かし得る。支持基板107（たとえばPCB）が作動電極層106に隣接し、かつその下にあって（図1Bおよび1C）、これらの構成部品、たとえば作動電極、それらを接続するトレース（絶縁されていてもよい）および/またはさらなる制御要素、たとえば熱調整器155（TECとして示す）、温度センサ、光学センサ、磁石、ポンプなどのための支持および電気接続を提供し得る。作動電極の動作を制御する、および/または反応液滴への補充用液滴の適用を制御するための1つまたは複数の制御装置195が接続され、ただし第一のプレート153および第二のプレート151から切り離されてもよいし、第二のプレート上に形成されてもよいし、それによって支持されてもよい。図1A〜C中、第一のプレートがトッププレートとして示され、第二のプレートがボトムプレートであるが、この配置が逆であってもよい。また、溶媒（補充用流体）の供給源またはリザーバ197が、管材198によって第二のプレート中の開口部に接続された状態で示されている。
【０００９】
先に述べたように、空隙104は、反応工程が起こり得る空間を提供して、試薬を保持し得、たとえば混合、加熱/冷却、試薬（酵素、標識など）との組み合わせによって処理し得る区域を提供する。図1A中、空隙104は試料リザーバ110および一連の試薬リザーバ111を含む。試料リザーバはさらに、初期反応液滴をDMFデバイスに導入するための試料装填機能を含み得る。試料装填は、上から、下からまたは側方から装填され得、実行される反応の必要性に基づいて特有であり得る。図1Aに示す試料DMFデバイスは、各試薬をそれぞれのリザーバに導入するための開口またはポートをそれぞれが含む6つの試料試薬リザーバを含む。試薬リザーバの数は、実行される反応に依存して異なり得る。試料リザーバ110と試薬リザーバ111とは反応ゾーンを介して流体連通している。反応ゾーン112は、作動電極層106が反応ゾーン112の下に位置するところで作動電極層106と電気的に連絡している。
【００１０】
作動電極106は、図1Aにおいては格子またはユニットセルとして示されている。他の例において、作動電極は、反応の必要性に基づいて、全く異なるパターンまたは配列であってもよい。作動電極は、液滴をDMFデバイスの1つの領域から別の領域へと動かすように構成されている。液滴の動きおよび、ある程度には形状は、作動電極の電圧を切り替えることによって制御され得る。1つまたは複数の液滴は、制御されたやり方で順次に電極に電圧を印加および消勢することによって作動電極の経路に沿って動かされ得る。図示するDMF装置の例においては、100個の作動電極（約100個のユニットセルを形成する）が7つのリザーバ（試料リザーバ1つ、試薬リザーバ6つ）と接続されている。作動電極は、任意の適切な導電性材料、たとえば銅、ニッケル、金、またはそれらの組み合わせから作製され得る。
【００１１】
図1A〜Cに示す例示的デバイスにおいて、DMF装置は典型的には、電極（たとえば作動電極および接地電極）が、試料および/または流体を装填され得る同じ構造の一部であるように組み込まれている。電極は、取り外し可能であり得るカートリッジの一部であり得る。カートリッジは記載されているが（たとえばUS20130134040を参照）、そのようなカートリッジは、特にデバイスを通してイメージングするとき、およびエアマトリックス装置中で作動するとき、使い難いことがわかっている。
【００１２】
使いやすく、確実かつ廉価に作製され得るカートリッジを含むエアマトリックスDMF装置を有することは非常に好都合であろう。本明細書に記載されるものは、これらの問題に対処し得る、システムおよびデバイスを含む方法および装置である。
【発明の概要】
【００１３】
開示の概要
本明細書に記載されるものは、デジタルマイクロ流体（DMF）方法および装置（デバイス、システム、カートリッジ、DMF読み取り装置などを含む）である。本明細書に記載される方法および装置は具体的にはエアマトリックスDMF装置（本明細書においては空隙DMF装置とも呼ばれる）に適合され得るが、これらの方法および装置は、他のDMF装置（たとえばオイルギャップなど）における使用のために構成されてもよい。本明細書に記載される方法および装置は、一部には、DMF装置の空隙を形成するプレート間の離隔距離が比較的大きくあり得る（たとえば、280μmよりも大きい、300μm以上、350μm以上、400μm以上、500μm以上、700μm以上、1mm以上など）という理由で、従来のDMF装置とで可能であった相対的に大きな量を取り扱うために使用され得る。加えて、本明細書に記載される装置および方法のいずれも、使い捨てカートリッジの下部を形成するための誘電体層を有する使い捨てカートリッジを含むように構成され得；駆動電極はカートリッジの一部である必要はなく；これらの装置は、動作中、誘電体が電極にしっかりと保持される（これは、特に誘電体層がわずかに可撓性であるとき、非常に困難であることがわかっている）ことを可能にするように適合され得る。
【００１４】
本明細書に記載される装置および方法のいずれも、接地電極がカートリッジの一部として含まれるカートリッジを含み得る。いくつかの変形態様において、接地電極は、複数のセルを形成する格子パターンへと形成され得る。格子パターンは、接地電極を形成するために不透明な接地電極（たとえば不透明または半透明の材料、たとえば金属コーティング、たとえば銀導電性インク）が使用される場合でも、接地電極を通しての可視化を可能にする明澄な窓を生じさせ得る。格子パターンは、カートリッジが配置され得るDMF装置中の駆動電極の配置を模倣し得る。たとえば、格子パターンは、接地電極が空隙をはさんで駆動電極に隣接するとき、隣接する電極と電極との間の空間を覆う。あるいはまた、接地電極は、透明であるか、またはそれを通してイメージングするのに十分なほど透明である材料で形成されてもよい。いくつかの変形態様において、接地電極は導電性コーティングである。接地電極は電気的に連続（たとえば電気的に接触）し得るが、1つまたは複数の開口を含み得、たとえば、その開口を通して空隙内の液滴を可視化し得る。したがって、これらの変形態様のいずれにおいても、カートリッジの上側プレートは、透明であり得る、または少なくとも1つまたは複数の領域を通して可視化されるのに十分なほど透明であり得る。
【００１５】
たとえば、デジタルマイクロ流体（DMF）装置のためのカートリッジは、下部および上部を有し得、第一の面および第二の面を有し、第一の面が、カートリッジの下部の露出した下面を形成しており、少なくとも第二の面が第一の疎水性面を含む、誘電体材料のシートと；第一の面および第二の面を有するトッププレートと；トッププレートの第一の面上の接地電極とを含み得る。接地電極は、複数のオープンセルを形成する格子パターンを含み得る。カートリッジはまた、接地電極を覆う、トッププレートの第一の面上の第二の疎水性面；および第一の疎水性層と第二の疎水性層とを離隔する、280μmを超える離隔距離を含む空隙を含み得る。
【００１６】
本明細書に記載されるカートリッジのいずれにおいても、トッププレートは、トッププレートの厚さ内に複数の空洞を含み得；これらの空洞は、低い熱質量および低い熱伝導率を有する断熱材で閉じられ（たとえばシールされ）および/または埋められ得る。いくつかの変形態様において、断熱材は空気を含む。空洞は、加熱および/または冷却領域（たとえば熱制御領域）に対応する空隙領域の上に配置され得；これらの領域における低めの熱質量が、空洞の下の空隙中の液滴を有意により速く加熱/冷却することを可能にし得る。したがって、これらの領域中のトッププレートの厚さは空洞を含み得；空洞下部（トッププレートの下面に相当する）は厚さ1mm未満（たとえば、0.9mm、0.8mm、0.7mm、0.6mm、0.5mm、0.4mm、0.3mm、0.2mm、0.1mm、90ミクロン、80ミクロン、70ミクロン、60ミクロン、50ミクロン、40ミクロン、30ミクロン未満など）であり得る。空洞下部は、好ましくは、トッププレートの下面上の電極および任意の誘電体コーティングのための構造的支持を提供しながらも可能な限り薄くあり得る。空洞上面は空洞下面よりも実質的に厚くあり得る（たとえば1.5×、2×、3×、4×、5×など）。
【００１７】
下面を形成する誘電体材料は、疎水性に作られてもよいし（たとえばコーティング、たとえば浸漬塗工など、疎水性材料の含浸などにより）、そのものが疎水性であってもよい。たとえば、下面（たとえばカートリッジの下面）は、誘電性かつ疎水性の材料であるフィルムで形成され得る。たとえば、下面は、疎水性であり、かつ誘電体として作用するTeflonフィルム（接着剤または接着性部分、たとえばTeflonテープを含み得る）であり得る。他のフィルムは、プラスチックパラフィンフィルム（たとえば、PARAFILM Mなどの「Parafilm」）を含み得る。しかし、特に、高温（たとえば100℃以上）に耐えることができるフィルム（たとえばTeflonフィルム）が好ましい。
【００１８】
デジタルマイクロ流体（DMF）装置のためのカートリッジは、概して、下部および上部を含み得、第一の面および第二の面を有し、第一の面が、カートリッジの下部の露出した下面を形成している、誘電体材料のシート；誘電体材料のシートの第二の面上の第一の疎水性層；第一の面および第二の面を有するトッププレート；複数のオープンセルを形成する格子パターンを含む、トッププレートの第一の面上の接地電極；接地電極を覆う、トッププレートの第一の面上の第二の疎水性層；および第一の疎水性層と第二の疎水性層とを離隔する、280μmよりも大きい（たとえば、300μmよりも大きい、400μmよりも大きい、など）離隔距離を含む空隙を含み得る。
【００１９】
用語「カートリッジ」は、空隙を形成する容器を指し得、DMF読み取り/駆動装置に挿入され得る。カートリッジは使い捨て型であり得る（たとえば、1回使用型または使用回数制限型）。カートリッジは、空隙中の流体（液滴）の可視化を可能にするように構成され得る。格子パターンは、可視化を可能にしながらも適切な接地基準を駆動電極に提供するために特に有用であり得る。格子全体は、電気的に結合されて1つのリターン（接地）電極を形成してもよいし、複数の接地電極がトッププレート上に配置されてもよい（別々の、および/または隣接する格子を介して）。
【００２０】
上述したように、接地電極の格子パターンは不透明な材料で形成されている。
【００２１】
本明細書において使用される用語「格子」とは、任意の適切な形状およびサイズのオープンセル（「窓」）の反復パターンであって、オープンセルを形成する境界線が、組み込まれた（かつ電気的に導通する）材料、たとえば導電性インク、金属コーティングなどによって形成されているものを指し得る。本明細書において使用される格子は、互いに交差して一連の正方形または長方形を形成するラインのネットワークに限定されず；格子パターンは、開口を、接地電極を形成する、他のやり方で連続的な導電性材料の平面へと形成することによって形成され得る。
【００２２】
したがって、概して、接地電極の格子パターンは導電性インクで形成され得る。たとえば、接地電極の格子パターンは銀ナノ粒子で形成され得る。格子パターンは、プリント、スクリーニング、スプレーまたは他のやり方でトッププレート上に積層され得る。
【００２３】
概して、格子パターンを形成するオープンセル間の境界線は最小限の幅を有し得る。格子パターンのオープンセル間の最小限の幅は50μm以上（たとえば0.1mm以上、0.2mm以上、0.3mm以上、0.4mm以上、0.5mm以上、0.6mm以上、0.7mm以上、0.8mm以上、0.9mm以上、1mm以上など）であり得る。上述したように、格子パターンによって形成されるオープンセル（たとえば「窓」）は、四辺形（たとえば正方形、長方形など）または楕円形（たとえば卵形、円形など）および/または他の形状（＋形、H字型など）を含む任意の形状であり得る。
【００２４】
概して、接地電極の格子パターンはトッププレートの大部分（および/またはカートリッジの大部分）に延び得る。たとえば、接地電極の格子パターンはトッププレートの第一の面の50％以上（たとえば55％以上、60％以上、65％以上、70％以上、80％以上、90％以上など）に延び得る。
【００２５】
本明細書に記載されるカートリッジのいずれにおいても、誘電体材料のシートは可撓性であり得る。この可撓性は、誘電体と駆動電極との間の完全な接触を保証するために誘電体を駆動電極に固定するのに役立ち得る。典型的には、誘電体材料のシートは、相対的に低い力（たとえば50kPa以上の圧力）の下で曲がるか、または撓むような十分なコンプライアンス性を有し得る。誘電体のシートは任意の適切な厚さであり得る。たとえば、シートは厚さ30ミクロン未満（たとえば厚さ20ミクロン未満など）であり得る。
【００２６】
以下さらに詳細に説明するように、これらの装置のいずれも、トッププレートの第二の面に形成された、トッププレートの第二の面に沿って延びているマイクロ流体チャネルと、マイクロ流体チャネルと空隙との間の少なくとも1つの開口とを含み得る。
【００２７】
トッププレートは、任意の適切な材料、特に明澄または透明な材料（たとえばアクリルなど）で形成され得る。
【００２８】
たとえば、デジタルマイクロ流体（DMF）装置のためのカートリッジは、第一の面および第二の面を有し、第一の面が、カートリッジの下部の露出した下面を形成している、可撓性の誘電体材料のシート；誘電体材料のシートの第二の面上の第一の疎水性層；第一の面および第二の面を有するトッププレート；不透明な材料で形成された格子パターンを含む、トッププレートの第一の面上の接地電極であって、格子パターンがトッププレートの第一の面に沿って複数のオープンセルを形成する、接地電極；接地電極を覆う、トッププレートの第一の面上の第二の疎水性層；および第一の疎水性層と第二の疎水性層とを離隔する、280μmよりも大きい（たとえば300μm以上、400μm以上、などの）離隔距離を含む空隙を含み得る。典型的には、カートリッジは下部および上部を有する。
【００２９】
上述したように、同じく本明細書に記載されるものは、マイクロ流体チャネルがDMF構成部品、特にDMF装置のトッププレートに組み込まれているカートリッジである。本出願人らは、1つまたは複数のマイクロ流体チャネルをトッププレートに組み込むことが、カートリッジがよりコンパクトになることを可能にし得、他のやり方ならばDMFシステムのエレクトロウェッティングによって制御される空隙内のプロセスのより高度な制御および操作を可能にし得るということを見いだした。
【００３０】
たとえば、デジタルマイクロ流体（DMF）装置のためのカートリッジ（下部および上部を有するカートリッジ）は、第一の面および第二の面を有し、第一の面が、カートリッジの下部の露出した下面を形成している、誘電体材料のシート；誘電体材料のシートの第二の面上の第一の疎水性層；第一の面および第二の面を有するトッププレート；トッププレートの第一の面上の接地電極；接地電極を覆う、トッププレートの第一の面上の第二の疎水性層；第一の疎水性層と第二の疎水性層とを離隔する空隙；トッププレートの第二の面に形成された、トッププレートの第二の面に沿って延びているマイクロ流体チャネル；マイクロ流体チャネルと空隙との間の開口；およびマイクロ流体チャネルにアクセスするための1つまたは複数のアクセスポートを含む、マイクロ流体チャネルを覆うカバーを含み得る。
【００３１】
上述したように、誘電体材料のシートは可撓性であり得、カートリッジの最下面を形成し得る。シートは概して平坦（平面的）であり得るが、可撓性であってもよい。外面は取り外し可能な（たとえばピールオフ）カバーによって保護され得る。誘電性は、DMF（特にエアマトリックスDMF）装置と概して合致する性質であり得る。誘電体は、その内（第二の）側面が第一の疎水性層でコートされ得る。疎水性層は、相対的に不活性である（たとえば、空隙中を動かされる水性液滴と反応しない）疎水性材料のコーティングであってもよい。
【００３２】
トッププレートは、平面的であり得、下部誘電体材料と同じ広がりを有し（またはそれよりも大きくあり）得る。トッププレートは、任意の適切な厚さであり得、特に、マイクロ流体チャネルをトッププレートの第二の面に刻み込み得るような十分な厚さを有し得る。接地電極は、上述したように、トッププレートの第一の面の全部または一部上に形成され得、第二の疎水性層が接地電極および/またはトッププレート上に（特に、接地プレートを通過する開口した窓がトッププレートを露呈させるところに）コートされ得る。これらの例のいずれにおいても、電極がトッププレートのトッププレート底（第一の）面とで同一平面であるとみなされ得るよう、電極コーティングの厚さは最小限であり得る。
【００３３】
本明細書に記載される装置および方法のいずれにおいても、第一の疎水性層と第二の疎水性層とを（たとえば誘電体とトッププレートとを）離隔する空隙は、従来の空隙DMFシステムと比べ、相対的に大きくあり得る（たとえば＞280μm、400μm以上、500μm以上、1mm以上など）。
【００３４】
トッププレートの第二の面に形成されたマイクロ流体チャネルは典型的には、トッププレートの第二の面に沿ってトッププレートを通過して延び、マイクロ流体チャネルと空隙との間のアクセス開口がマイクロ流体チャネルと空隙との間でトッププレート中に形成され得る。また、本明細書に記載される装置のいずれも、マイクロ流体チャネルを覆うカバーを含み得る。カバーは、任意の適切な材料、たとえばアクリルで形成され得る。カバーは、マイクロ流体チャネルおよび/または空隙に通じる1つまたは複数のポートまたは開口を含み得る。
【００３５】
マイクロ流体チャネルは、空隙中の液滴とで混合、添加、取り出しまたは他のやり方で相互作用するのに有用であり得る任意の適切な量の流体を収容するように構成され得る。たとえば、マイクロ流体チャネルは、0.2ml以上の流体（たとえば0.3ml以上、0.4ml以上、0.5ml以上、0.6ml以上、0.7ml以上、0.8ml以上、0.9ml以上、1ml以上の流体、1.5ml以上、2ml以上、3ml以上、4ml以上、5ml以上、6ml以上、7ml以上、8ml以上、9ml以上、10ml以上など）をマイクロ流体チャネル内に保持するように構成され得る。マイクロ流体チャネルは、1つまたは複数のリザーバ（たとえば廃棄物リザーバ、貯蔵リザーバなど）に接続してもよいし、1つまたは複数のさらなるマイクロ流体チャネルに接続してもよい。
【００３６】
たとえば、マイクロ流体チャネルは第一のマイクロ流体チャネルを含み得、マイクロ流体チャネルと空隙との間の開口は第一の開口を含み得；装置はさらに、トッププレートの第二の面に形成された、トッププレートの第二の面に沿って延びている第二のマイクロ流体チャネルと、第二のマイクロ流体チャネルと空隙との間の第二の開口とを含み得、第一および第二の開口は互いに隣接する。第一および第二の開口は最小限の距離だけ離間し得、それが、空隙中、最小限のサイズを有する「ブリッジ液滴」の形成を可能にし得る。たとえば、第一および第二の開口は、トッププレートの表面上、互いから約2cm以内（たとえば、互いから約1cm以内、互いから約9mm以内、互いから約8mm以内、互いから約7mm以内、互いから約6mm以内、互いから約5mm以内、互いから約4mm以内、互いから約3mm以内、互いから約2mm以内、互いから約1mm以内など）にあり得る。
【００３７】
また、これらのカートリッジのいずれも、カートリッジの上部から空隙までの窓を含み得、この窓を通して空隙が見える。これは空隙中へのイメージングを可能にし得る。このイメージングを使用して、出力（たとえば反応出力、たとえば結合、比色アッセイ、RT-PCRなど）を検出し得る。窓は適切なサイズであり得る。たとえば、窓はカートリッジの上部の2〜50％を形成し得る。窓は、カートリッジの1つの側にあってもよいし、および/またはカートリッジの一端にあってもよい。複数のイメージング窓が使用されてもよい。
【００３８】
上述したように、カートリッジの下部は誘電体材料のシートの第一の面によって形成される。カートリッジの上部は、空隙に通じる複数の開口を含み得る。
【００３９】
概して、カートリッジは、トッププレートの第二の面上に1つまたは複数の試薬リザーバを含み得る。たとえば、カートリッジは、リザーバ中または空隙内のいずれかに、1つまたは複数の試薬、特に凍結乾燥（たとえば「フリーズドライ」）試薬を含み得る。たとえば、カートリッジは、トッププレートの第二の面上に1つまたは複数のフリーズドライ試薬リザーバを含み得る。
【００４０】
たとえば、デジタルマイクロ流体（DMF）装置のためのカートリッジ（下部および上部を含む）は、第一の面および第二の面を有し、第一の面が、カートリッジの下部の露出した下面を形成している、誘電体材料のシート；誘電体材料のシートの第二の面上の第一の疎水性層；第一の面および第二の面を有するトッププレート；トッププレートの第一の面上の接地電極；接地電極を覆う、トッププレートの第一の面上の第二の疎水性層；第一の疎水性層と第二の疎水性層とを離隔する、500μmを超える離隔距離を含む空隙；トッププレートの第二の面に形成され、トッププレートの第二の面に沿って延びている、第一のマイクロ流体チャネルおよび第二のマイクロ流体チャネル；約2cmの範囲内で互いに隣接する、第一のマイクロ流体チャネルと空隙との間の第一の開口および第二のマイクロ流体チャネルと空隙との間の第二の開口；およびマイクロ流体チャネルにアクセスするための1つまたは複数のアクセスポートを含む、マイクロ流体チャネルを覆うカバーを含み得る。
【００４１】
同じく本明細書に記載されるものは、本明細書に記載されるカートリッジのいずれかと共に使用するためのDMF読み取り装置である。たとえば、DMF読み取り装置（デバイス）は、カートリッジの誘電体下面全体に真空を適用して、電極が誘電体と均一に密接して、空隙内で流体の液滴を動かすユニットセルフォームそれぞれを形成するように構成され得る。本出願人らは、驚くことに、誘電体材料を電極に接着固定するだけでは不十分であることを見いだした。理由は、それが、不均等な接触および液滴を動かすために必要なパワーの変動ならびに液滴移動、制御および一貫性における非効率を生じさせるからである。さらに、真空の使用は、接着剤との併用においてさえ、特に誘電体が可撓性であるとき、類似の問題を有する。本明細書に記載されるものは、真空を使用して、駆動電極そのもの内の、または駆動電極を包囲する/それに隣接する複数の開口を通してカートリッジの誘電体下部を固定する装置およびそれらの使用方法である。駆動電極（たとえば、設置面上、たとえば角部に一定のパターンで離間している）のすべてまたはいくつかを通して真空が適用される変形態様において、誘電体は、真空として相対的に低い負圧を使用する場合でさえ、均一なやり方で駆動電極上に一貫して保持される。この構成はまた、カートリッジ保持面（この上にカートリッジが保持される）上に突起を含めることにより、カートリッジ内の仕切りまたはバリアの形成を可能にし得る。
【００４２】
たとえば、本明細書に記載されるものは、デジタルマイクロ流体（DMF）読み取りデバイスであって、下部誘電体面、接地電極を有するトッププレート、および該下部誘電体と該トッププレートとの間の空隙を有する使い捨てカートリッジと共に作動するように構成されており、使い捨てカートリッジを設置するための設置面；設置面上の複数の駆動電極（各駆動電極はそれを貫通する開口を含む）；真空ポートに真空を適用するための真空ポンプ；およびカートリッジの空隙内の液滴を空隙内の所望の経路に沿って移動させるために1つまたは複数の選択された駆動電極を順次に作動および停止させるようにそれらにエネルギーを印加するための制御部を含み、使い捨てカートリッジが設置面上に配置されたときに真空マニホールドに真空を適用して各駆動電極を使い捨てカートリッジの下部誘電体に固定するように構成されている、DMF読み取りデバイスである。
【００４３】
いくつかの変形態様において、装置は、真空を適用するために真空ポンプを複数の真空ポートに結合する真空マニホールドを含む。
【００４４】
本明細書に記載されるDMF読み取りデバイスは、本明細書に記載されるカートリッジのいずれかと共に作動するように構成され得、そのようなカートリッジと共に使用するために適合され得る。しかし、カートリッジはDMF読み取り装置の必須部品ではないことが理解されるべきである。概して、これらの装置は、下部誘電体面、接地電極を有するトッププレート、および下部誘電体とトッププレートとの間のギャップ（たとえば、必ずしもではないが典型的には空隙）を有するカートリッジ（たとえば再使用可能または使い捨てカートリッジ）と共に作動し得る。
【００４５】
DMF装置はまた、概して、使い捨てカートリッジを設置するための設置面を含み得る。設置面は、設置面と同一平面または実質的に同一平面にあり得る駆動電極および/または誘電体をギャップ領域へと予測可能に変形させることによってカートリッジのギャップ領域（たとえば空隙）内に仕切りを形成するために使用され得る任意の突起を含み得る。設置面上の複数の駆動電極は、設置面上に成形されてもよいし、設置面中にミリング加工されてもよい。たとえば、設置面は、駆動電極が取り付けられている、または形成されている、プリント回路板のような基板（たとえば電気絶縁面）であってもよい。
【００４６】
概して、上述したように、電極アレイ中の駆動電極のすべてまたは大多数、たとえば＞50％、＞60％、＞70％、＞80％、＞90％、＞95％など）は、駆動電極を貫通し、真空源に接続する開口を含み得る。真空源は、駆動電極を貫通するこれらの開口を真空源、たとえば装置の一部である真空ポンプまたは装置に接続されている別個の真空ポンプ（たとえば壁真空）に接続する真空マニホールドであり得る。電極を貫通する開口は同じサイズであり得、駆動電極上/中の任意の位置に位置し得る。たとえば、開口は、駆動電極の中心および/または駆動電極の縁領域などを通過し得る。開口は任意の形状（たとえば円形、卵形、正方形など）であり得る。いくつかの変形態様において、開口のサイズは直径約1mm（たとえば直径1.2mm、直径1.1mm、直径1.0mm、直径0.9mm、直径0.8mmなど）であり得る。
【００４７】
典型的には、真空マニホールドは、駆動電極中の開口のうちの1つ（または、いくつかの変形態様においては、2つ以上）にそれぞれが結合する複数の真空ポートに結合され得る、および/またはそれらを含み得る。真空マニホールドは設置面の下に位置し得る。たとえば、真空マニホールドは、駆動電極中の開口に接続する、設置面の下の管材または他のチャネルであり得る。
【００４８】
本明細書に記載されるDMF装置は、典型的には、電極を連係させ、駆動するための制御装置を含む。この制御装置は、駆動電極、真空および/またはマイクロ流体制御のためのポンプ、1つまたは複数の弁（たとえばマイクロ流体制御、真空制御のための）、温度制御装置（たとえば抵抗加熱器、ペルチェ冷却器など）、モータ（たとえばデバイスドアの開閉、光学部品などを駆動するための）、1つまたは複数のディスプレイなどを作動/停止させるためにエネルギー印加を連係させることを含め、デバイスを作動させるために必要または有用な1つまたは複数のプロセッサ、メモリおよび任意の他の回路を含み得る。
【００４９】
上述したように、これらのデバイスのいずれも、設置面から延びている1つまたは複数の突起を含み得、1つまたは複数の突起は、駆動電極中の開口を通して真空が適用されたときにカートリッジの空気中に仕切りを形成するように構成されている。
【００５０】
これらの装置のいずれも、設置面上に設置されたカートリッジからの光学信号を検出するように構成されている光学読み取り装置を含み得る。光学読み取り装置は可動型または固定型であり得る。光学読み取り装置は、液滴中の1つまたは複数の相互作用（たとえば、結合、酵素反応など）によるフィードまたは変化を検出（たとえば感知）するために使用され得る。光学読み取り装置は、設置面上に設置されたカートリッジからの光学信号を検出するように構成されることができる。したがって、光学センサは装置からの読み出しの検出を提供し得る。これらの装置のいずれも、（たとえば光学読み取り装置を動かすように構成されている）1つまたは複数のモータを含み得る。
【００５１】
装置はまた、1つまたは複数の温度センサ（たとえばサーミスタなど）を含み得る。たとえば、デバイスは、設置面上に結合された1つまたは複数の温度センサを含み得る。いくつかの変形態様において、サーミスタは、設置面から突出し、カートリッジの空隙内にバリアまたはチャンバを形成し得る。代替的または追加的に、1つまたは複数の温度センサは、設置面の基板内にあり、たとえば銅などの熱伝導材料を介して設置面と熱的に接触し得る。
【００５２】
上述したように、本明細書に記載されるデバイスは、1つまたは複数の加熱器、特に抵抗加熱器を含み得る。たとえば、デバイスは、駆動電極のうちの少なくともいくつかの下に位置する（または上に位置する）抵抗加熱器を含み得；これが、装置の温度調整されたサブ領域を可能にし得る。また、駆動電極表面全体が室温よりもわずかに低い温度（たとえば15℃〜25℃、15℃〜22℃、15℃〜20℃、15℃〜18℃など）に冷却されてもよい（たとえば冷却流体の循環によって）。
【００５３】
装置はまた、作動すると磁場を印加するように構成されている、駆動電極のうちの1つまたは複数の上または下にある1つまたは複数の磁石を含み得る。したがって、DMF装置内の物質または他の反応を拘束するために磁気ビーズが使用され得、磁気ビーズは、デバイスの1つまたは複数の領域内に選択的に保持され得る。たとえば、1つまたは複数のネオジム磁石を使用して、たとえば、磁石をカートリッジに近づける、または遠ざけることにより、磁気粒子を定位置に保持し得る（たとえば、電極に対して3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mmなど上に動かすことにより）。磁気粒子を保持/解放するために電磁石が選択的に作動または停止してもよい。
【００５４】
また、本明細書に記載される装置のいずれも、10℃以下（たとえば5℃以下、7℃以下、11℃以下、12℃以下、15℃以下、20℃以下など）まで冷却するように構成されている、駆動電極のうちの少なくともいくつかの下に位置する1つまたは複数のペルチェ冷却器を含み得る。
【００５５】
また、設置面に加えて、これらのDMF読み取り装置のいずれも1つまたは複数のカートリッジトレーを含み得、当該トレーの中にカートリッジを装填すると、カートリッジは、装置内の定位置へと自動的に動かされることができる。たとえば、これらの装置のいずれも、カートリッジを所定の向きに保持するためのカートリッジトレーを含み得（カートリッジおよび受けるトレーの形状が相補的であることによって固定され得る）；カートリッジトレーは、使い捨てカートリッジを設置面上に動かすように構成され得る。設置面に着いたならば、真空を適用して定位置に固定し得る。加えて、たとえば、マイクロ流体チャネル内の流体をカートリッジの上部および/またはカートリッジ内のギャップ（たとえば空隙）領域の中/外に駆動するための正圧または負圧（たとえば真空）を適用するために、カートリッジの上部から1つまたは複数のマイクロ流体ポートへの接続が形成され得る。
【００５６】
概して、これらのデバイスのいずれも、外側ハウジング、フロントパネルディスプレイおよび1つまたは複数の入力（たとえばタッチスクリーンディスプレイ、ダイアル、ボタン、スライダなど）および/または電源スイッチを含み得る。装置は、積み重ね可能であるように構成されてもよいし、および/または1つまたは複数の他のDMF装置と共に作動するように構成されていてもよい。いくつかの変形態様において、1つのハウジングが、複数のカートリッジの並行処理を可能にする、別々にアドレス指定可能/制御可能な（たとえば1つまたは複数の制御装置によって）駆動電極アレイをそれぞれが有する複数のカートリッジ設置面を囲んでもよい。これらの変形態様において、構成部品（ポンプ、モータ、光学サブシステム、制御装置など）のすべてまたはいくつかが異なるカートリッジ設置面の間で共用されてもよい。
【００５７】
これらのデバイスのいずれも、デバイスによって検出された信号を出力するように構成されている出力部を含み得る。出力部は、1つまたは複数のディスプレイ/スクリーン上にあってもよいし、かつ/あるいは記憶/処理および/または表示のためにメモリまたは遠隔プロセッサに転送される電子的出力部であってもよい。たとえば、これらの装置のいずれもワイヤレス出力部を含み得る。
【００５８】
また、上述したように、本明細書に記載されるDMF装置のいずれも、カートリッジが設置面上に設置されたときにカートリッジのマイクロ流体チャネルにアクセスするためのアクセスポートと係合するように構成されている、設置面の上方に配置された1つまたは複数のマイクロ流体真空ポートを含み得る。
【００５９】
たとえば、下部誘電体面、接地電極を有するトッププレート、および下部誘電体とトッププレートとの間の空隙を有する使い捨てカートリッジと共に作動するように構成されているデジタルマイクロ流体（DMF）読み取りデバイスは、使い捨てカートリッジを設置するための設置面；設置面上の複数の駆動電極（各駆動電極はそれを貫通する開口を含む）；駆動電極中の開口のうちの1つまたは複数にそれぞれが結合している複数の真空ポート；真空ポートに真空を適用するための真空ポンプ；設置面から延びている1つまたは複数の突起；およびカートリッジの空隙内の液滴を空隙内の所望の経路に沿って移動させるために1つまたは複数の選択された駆動電極を順次に作動および停止させるようにそれらにエネルギーを印加するための制御部を含み得、当該DMF読み取りデバイスは、使い捨てカートリッジが設置面上に配置されたときに真空ポートに真空を適用して各駆動電極を使い捨てカートリッジの下部誘電体に固定して、1つまたは複数の突起が空隙を仕切るように構成されている。
【００６０】
同じく本明細書に記載されるものは、これらの装置のいずれかにおける蒸発を防ぐ、または減らす方法である。たとえば、本明細書に記載されるものは、エアマトリックスデジタルマイクロ流体（DMF）装置内の液滴蒸発を防ぐ方法であって、エアマトリックスDMF装置の第一のプレートと第二のプレートとの間に形成されるエアマトリックスDMF装置の空隙に水性反応液滴を導入する工程；第一のプレートの上または中の駆動電極に順次に電圧を印加して、エアマトリックスDMF装置の空隙内で水性反応液滴を動かし、それがエアマトリックスDMF装置の空隙内の非極性流体の液滴と合わさるようにして、非極性流体が水性反応液滴をコートして反応液滴を蒸発から保護する、コートされた反応液滴を形成させる工程；および駆動電極に順次に電圧を印加して、コートされた反応液滴をエアマトリックスDMF装置の空隙内で動かす工程を含む方法である。
【００６１】
非極性流体の体積は水性反応液滴の体積よりも少なくあり得る。これらの方法のいずれも、エアマトリックスDMF装置の空隙内で、コートされた液滴を1つまたは複数のさらなる水性液滴と合わせる工程を含み得る。また、これらの方法のいずれも、コートされた液滴をエアマトリックスDMF装置の空隙からマイクロ流体チャネルの中へ少なくとも部分的に回収することによって非極性流体のコーティングを取り除く工程を含み得る。方法はまた、非極性流体の液滴を、第一または第二のプレート中の開口に通してエアマトリックスDMF装置の空隙の中に加える工程を含み得る。概して、非極性流体の液滴は10℃〜100℃で液状であり得る。
【００６２】
たとえば、エアマトリックスデジタルマイクロ流体（DMF）装置内の液滴蒸発を防ぐ方法は、エアマトリックスDMF装置の第一のプレートと第二のプレートとの間に形成されるエアマトリックスDMF装置の空隙に水性反応液滴を導入する工程；第一のプレートの上または中の駆動電極に順次に電圧を印加して、エアマトリックスDMF装置の空隙内で水性反応液滴を動かし、それがエアマトリックスDMF装置の空隙内の非極性流体の液滴と合わさるようにして（いくつかの変形態様においては、非極性流体は、空隙に装填される前に試料と合わされてもよい）、非極性流体が水性反応液滴をコートして反応液滴を蒸発から保護する、コートされた反応液滴を形成させる工程（非極性流体は10℃〜100℃で液状であり、さらに、非極性流体の体積は水性反応液滴の体積よりも少ない）；および駆動電極に順次に電圧を印加して、コートされた反応液滴をエアマトリックスDMF装置の空隙内で動かす工程を含み得る。非極性液体の体積は液滴の体積よりも少なくてもよいが、液滴を被覆する非極性液体の体積は液滴の体積よりも多くてもよい（約3×までの量）。
【００６３】
本明細書に記載される方法および装置は、大きな量の液滴および処理との使用に特に好適であり得る。典型的には、DMF装置、特にエアマトリックスDMF装置の大部分の単位液滴は約4μl以下の水性流体に限定され、空隙は、駆動電極と接地電極との間（空隙領域のトップおよびボトムプレートの間）の約250または300μm未満の離隔距離に限定される。本明細書に記載されるものは、駆動電極（たとえばボトムプレート）と接地電極（たとえばトッププレート）との間の離隔距離がはるかに大きく（たとえば約280μm〜3mm、約300μm〜3mm、約400μm〜1.5mm、たとえば400μm〜1.2mmなど、または400μm以上、500μm以上、1mm以上など）あり得る、大きめの量を操作する方法である。したがって、単位液滴サイズ（1つの駆動電極によって駆動される1つのユニットセル上の液滴ははるかに大きく、たとえば5μl以上、6μl以上、7μl以上、8μl以上、9μl以上、10μl以上、11μl以上、12μl以上、13μl以上、14μl以上、15μl以上、たとえば5〜20μl、5〜15μl、7〜20μl、7〜15μlなど）であり得る。
【００６４】
エレクトロウェッティングを使用する大きな液滴の分注は慣例的に比較的小さな量（たとえば5μl未満）で実施されるが、1つのユニットとしてのより大きな量の分注は、特に高い正確度および精度では、困難であることがわかっている。本明細書に記載されるものは、エレクトロウェッティングを使用して所定量の液体を分注する方法である。たとえば、本明細書に記載されるものは、エアマトリックスデジタルマイクロ流体（DMF）装置の空隙の内へ所定量の流体を分注する方法であって、空隙は幅280μmよりも大きく（たとえば300μm以上、400μm以上など）、さらに、DMF装置は、空隙に隣接する複数の駆動電極を含み、空隙の一部分を、空隙と連通するポートからの流体で満たす工程；空隙の満たされた部分に隣接する第一の駆動電極にエネルギーを印加してそれを作動させる工程；および第一の電極が作動している間に流体に吸引を加えて該流体をポートの中へ引き戻して、流体の液滴を、作動した第一の電極に隣接する空隙の中に残す工程を含む方法である。
【００６５】
第一の駆動電極にエネルギーを印加してそれを作動させる工程は、第一の駆動電極と隣接する1つまたは複数の駆動電極にエネルギーを印加してそれらを作動させることを含み得、さらに、第一の駆動電極が作動している間に流体に吸引を加えて該流体をポートの中へ引き戻す工程は、第一の駆動電極および第一の駆動電極と隣接する1つまたは複数の駆動電極がアクティブである間に流体を引き込んで、流体の液滴を、作動した第一の電極および第一の駆動電極と隣接する1つまたは複数の駆動電極に隣接する空隙の中に残すことを含み得る。
【００６６】
第一の駆動電極は少なくとも1つの駆動電極の間隔だけポートから離隔し得る。これらの方法のいずれも、空隙の満たされた部分内にあり、かつポートと第一の駆動電極との間にある、空隙の第二の部分に隣接する1つまたは複数の駆動電極を停止する工程をさらに含み得る。空隙は500μmよりも大きくあり得る。
【００６７】
空隙の一部分を満たす工程は、正圧を加えてポートから流体を押し出すことを含み得る。方法はさらに、空隙に隣接する駆動電極に順次に電圧を印加して、エアマトリックスDMF装置の空隙内で液滴を動かす工程を含み得る。
【００６８】
第一の電極が作動している間に流体に吸引を加えて該流体をポートの中へ引き戻す工程は、10μl以上の体積を有する流体の液滴を、作動した第一の電極に隣接する空隙の中に残すことを含み得る。
【００６９】
たとえば、エアマトリックスデジタルマイクロ流体（DMF）装置の空隙の中へ所定量の流体を分注する方法であって、空隙は幅280μmよりも大きく（たとえば300μm以上、400μm以上など）、さらに、DMF装置は、空隙に隣接する複数の駆動電極を含み、空隙の一部分を、空隙と連通するポートからの流体で満たす工程；空隙の満たされた部分に隣接する第一の駆動電極または第一の連続する駆動電極の群にエネルギーを印加してそれを作動させる工程（第一の駆動電極または第一の連続する駆動電極の群は、作動していない1つまたは複数の駆動電極によってポートから離間している）；および第一の電極または第一の連続する電極の群が作動している間に流体に吸引を加えて該流体をポートの中へ引き戻して、流体の液滴を、第一の電極または第一の連続する電極の群に隣接する空隙の中に残す工程を含み得る。
【００７０】
同じく本明細書に記載されるものは、本明細書に記載されるようなDMF装置のための制御システムである。特に、本明細書に記載されるものは、これらの装置のいずれかを作動させるためのグラフィカルユーザインタフェースを含む制御システムである。これらの制御システム（サブシステム）はソフトウェア、ハードウェアおよび/またはファームウェアを含み得る。したがって、これらの装置のいずれも、本明細書に記載される方法および手順のいずれかを実施するための、非一時的媒体（たとえばメモリ）に記憶された命令として構成され得る。
【００７１】
たとえば、本明細書に記載されるものは、デジタルマイクロ流体（DMF）装置を制御する方法であって、移動、加熱、取り出し、サイクル、待機、分離、混合、および分注のうちの1つまたは複数を含む流体取り扱い制御コマンドのメニューを含むグラフィカルユーザインタフェースを提供する工程；ユーザが選択した流体取り扱い制御コマンドを含む流体取り扱いプロトコルを受け取る工程；流体取り扱いプロトコルに基づいてDMF装置の空隙内で流体を動かすための経路を計算する工程（経路は、汚染を回避するために経路における重複の量を最小化する）；および計算された経路に基づいてDMF装置を使用して流体取り扱いプロトコルを実行する工程を含む方法である。
【００７２】
流体取り扱いコマンドは、移動、加熱、取り出し、待機および混合の少なくとも1つを含み得る。たとえば、流体取り扱いコマンドは、移動、加熱、取り出し、待機および混合をすべて含み得る。ユーザは、これらのコマンドそれぞれに対応するアイコンを選択し得、それらを一定の順序で入力し得る、および/またはインキュベーションタイミングおよび温度条件を指示し得る。装置は、これらの工程それぞれを実行するために、カートリッジの空隙領域内の最適経路を自動的に決定し得る（たとえば、液滴が必要に応じて操作され得るよう、液滴を、加熱器、磁石、マイクロ流体ポートなどを含むカートリッジの適切な領域に移動させることにより。たとえば、流体取り扱いプロトコルを受け取る工程は、一連の流体取り扱い制御コマンドを受け取ることを含み得る。経路を計算する工程は、DMF装置における加熱ゾーンおよび冷却ゾーンの配置に基づいて経路を計算することを含み得る。経路を計算する工程は、自らを横切らない最短経路を決定することを含み得る。概して、DMF装置上で流体取り扱い制御プロトコルを実行する工程は、DMF装置に結合された使い捨てカートリッジにおいて流体取り扱いプロトコルを実行することを含み得る。
【００７３】
同じく本明細書に記載されるものは、デジタルマイクロ流体（DMF）読み取りデバイスであって、下部誘電体面、接地電極を有するトッププレート、および下部誘電体とトッププレートとの間の空隙を有する取り外し可能かつ/または使い捨て型のカートリッジと共に作動するように構成されており、使い捨てカートリッジを上面に設置するための設置面；設置面上の第一の複数の駆動電極（駆動電極のすべてまたはいくつかはそれを貫通する開口を含む）；設置面の第一の領域に熱エネルギーを加えるための熱制御部；熱伝導性材料を含み、設置面の第一の領域と熱的に連絡するが、電極のサブセットからは電気的に隔離され、さらに、熱制御部と熱的に連絡している複数のサーマルビア；駆動電極を通して開口のうちの1つまたは複数にそれぞれが結合している複数の真空ポート；真空ポートに真空を適用するための真空ポンプ；およびカートリッジの空隙内の液滴を空隙内の所望の経路に沿って移動させるために1つまたは複数の選択された駆動電極を順次に作動および停止させるようにそれらにエネルギーを印加するための制御部を含むデバイスである。
【００７４】
サーマルビアは任意の適切な寸法を有し得る。たとえば、各サーマルビアは約0.5〜約2mm（たとえば約0.5mm〜約1.8mm、約0.5mm〜約1.5mm、約0.5mm〜1.2mm、約0.8mm〜1.2mmなど）の直径を有し得る。1セルあたり任意の数のサーマルビアが使用され得る（たとえば、第一の領域中の1つの電極に対応する領域と関連して約5〜15個のサーマルビアがあり得る）。
【００７５】
サーマルビアはそれぞれ熱伝導性金属で埋められ得る。材料は導電性または電気絶縁性であり得る。いくつかの変形態様において、熱伝導性材料は金属である。読み取り装置はさらに、駆動電極のうちの少なくともいくつかの下に位置する1つまたは複数の抵抗加熱器を含み得る。
【００７６】
設置面は、プリント回路板（PCB）上に形成された電極のアレイ上を含め、プリント回路板（PCB）上に形成または少なくとも部分的に形成され得る。上述したように、本明細書に記載される読み取り装置のいずれも1つまたは複数の磁石を含み得；いくつかの変形態様において、磁石は、作動すると磁場を印加するように構成されており、駆動電極のうちの1つまたは複数の下にあり得る。たとえば、磁場は駆動電極中の開口を通過し得る。読み取り装置は、10℃未満まで冷却するように構成されている、駆動電極のうちの少なくともいくつかの下に位置する1つまたは複数のペルチェ冷却器を含み得る。
【００７７】
同じく本明細書に記載されるものは、デジタルマイクロ流体（DMF）カートリッジの空隙中の物質の位置および/またはアイデンティティを検出する方法である。物質は、液滴（たとえば水性液滴）、ワックス、ワックス（たとえば液体ワックス）にコート/被覆された液滴、油滴、磁気粒子を有する液滴などを含み得る。アイデンティティは、空隙中の特定の位置、たとえばカートリッジ中の空隙を形成する上面と下面との間にある物質に関して決定され得る。カートリッジはセル（たとえば、個々の駆動電極の上の領域へと分割され得る。
【００７８】
たとえば、位置および/またはアイデンティティを検出する方法は、DMFカートリッジの空隙の第一の面上の基準電極を駆動回路から切り離す工程；空隙の第二の面上の駆動電極のアレイの1つまたは複数の駆動電極の電圧を高い電圧に設定し、駆動電極のアレイの他のすべての駆動電極を接地に設定する工程；基準電極の電圧を感知する工程；基準電極で感知された電圧に基づいて空隙の第一の面と空隙の該第二の面との間の静電容量を決定する工程；および決定された静電容量に基づいて1つまたは複数の駆動電極に隣接する空隙中の物質を同定する工程を含み得る。
【００７９】
方法はまた、基準電極を駆動回路に再接続する工程および基準電極と駆動電極のうちの1つとの間に電圧を印加することによって空隙内の液滴を駆動する工程を含み得る。これらの工程は、空隙中の物質の動きを追跡するために、反復的に繰り返されてもよい。
【００８０】
基準電極を切り離す工程は、基準電極を浮かせる（たとえば接地させない）ことを含み得る。基準電極は上電極全体（駆動電極のアレイとは反対側の、空隙の第一の面にある）であり得る。基準電極を駆動回路から（たとえば、空隙中の液滴の移動をデジタルマイクロ流体によって駆動する制御装置から）切り離す工程は、基準電極を、基準電極の電圧、ひいては空隙の静電容量を検出するための感知回路に接続することを含み得る。基準回路は、空隙静電容量の測定を可能にするように配置された1つまたは複数の基準キャパシタを含み得る。
【００８１】
駆動電極のうちの1つまたは複数の電圧を高い電圧に設定する工程は、駆動電極のうちの1つまたは複数を10〜400V（たとえば100V〜500V、たとえば約300Vなど）に設定することを含み得る。
【００８２】
これらの方法のいずれも、基準電極が駆動回路から切り離されているとき、駆動電極のアレイのすべての駆動電極の電圧を高い電圧に設定し、基準電極の電圧を感知して全静電容量を決定することにより、空隙の全静電容量を決定する工程を含み得る。方法はさらに、基準電極が駆動回路から切り離されているとき、基準電極に接続された1つまたは複数の基準キャパシタを使用して全静電容量を決定する工程を含み得る。たとえば、基準電極で感知された電圧に基づいて空隙の第一の面と空隙の第二の面との間の静電容量を決定する工程はさらに、全静電容量を使用することを含み得る。
【００８３】
空隙中の物質を同定する工程は、複数の範囲の静電容量を含む参照データベースを使用して、決定された静電容量に基づいて空隙中の物質を同定することを含み得る。
【００８４】
同じく本明細書に記載されるものは、下部誘電体材料を張力維持、ひいては平坦に維持するテンションフレームを含む、デジタルマイクロ流体（DMF）装置のためのカートリッジ（たとえば使い捨て型かつ/または取り外し可能なカートリッジ）である。たとえば、本明細書に記載されるカートリッジのいずれも以下を含み得る：第一の面および第二の面を有し、第一の面が、カートリッジの下部の露出した下面を形成している、誘電体材料のシート（誘電体材料のシートの少なくとも第二の面は第一の疎水性面を含む）；誘電体材料のシートが実質的に平坦になるように誘電体材料のシートの張力を保持する、テンションフレーム；第一の面および第二の面ならびにそれらの間の厚さを有するトッププレート；トッププレートの第一の面上の接地電極；接地電極を覆う、トッププレートの第一の面上の第二の疎水性面；および第一の疎水性層と第二の疎水性層とを離隔する、280μmを超える離隔距離を含む空隙。本明細書に記載される他のカートリッジ機能のいずれかが、これらのカートリッジに含まれてもよい。
【００８５】
また、これらのカートリッジのいずれも、誘電体材料のシートの周囲に少なくとも部分的に（完全に、を含め）延びかつ該シートから突出するリップを含み得る。このリップは、設置面上のチャネルまたはトラフと係合し得る。代替的または追加的に、カートリッジは、読み取り装置の設置面の突起が係合する周辺チャネルまたはトラフを含み得る。
【００８６】
テンションフレームは外側フレームおよび内側フレームを含み得る。シートは外側および内側フレームの間に保持され得る。これらのカートリッジは、本明細書に述べられる他のカートリッジ機能のいずれを含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
本発明の新規な特徴は以下の特許請求の範囲の中で詳細に述べられる。本発明の原理が利用されている例示的態様を記す以下の詳細な説明および添付図面を参照することにより、本発明の特徴および利点のよりよい理解が得られるであろう。
【００８８】
【図１】図1Aは、エアマトリックスデジタルマイクロ流体（DMF）装置の一例の上斜視図である。図1Bは、図1Aに示すエアマトリックスDMF装置の熱調整領域（サーマルゾーン）の断面の拡大図を示す。図1Cは、図1AのエアマトリックスDMF装置の領域の第二の断面の拡大図を示す。この領域は、ボトムプレートおよび作動電極を通過する開口を含み、補充用の液滴を開口（この例においては取り付けられたシリンジとして示す溶媒のリザーバに接続する）からエアマトリックスDMF装置の空隙に送り込み得るように構成されている。
【図２】図1A〜Cに示すものに類似する、電極および空隙領域を含む剛性カートリッジを使用したDMF表面の例である。
【図３Ａ】たとえば剛性カートリッジを使用する典型的なDMF構造の例を示す。
【図３Ｂ】カートリッジ315が、複数の局所真空ポート（電極に隣接する、または電極を貫通する）によって再使用可能な電極上に保持される、電極を含まない使い捨て部分であるDMF構造の例を示す。
【図３Ｃ】取り外し可能/使い捨て型のカートリッジと共に作動するように構成されているコンパクトな駆動装置/読み取り装置として構成されているDMF装置の例である。DMF装置は、電極のアレイ（たとえば500を超える異なる電極）ならびに加熱/冷却（熱サイクリングなど）、磁気ビーズの制御、マイクロ流体チャネルのポンピング、カートリッジの自動設置・シールおよび光学的視認/管理のための複数の独立した領域を含む。
【図３Ｄ】900よりも多い（たとえば920よりも多い）異なる電極と、等温領域およびサーマルサイクラのための独立した加熱装置と、独立して作用/解除することができる磁気ゾーンと、使い捨てカートリッジ中でマイクロ流体を作動させるためのポンプおよび弁（複数の電極を介するDMF制御に加えて）と、複数の電極と連係する真空マニホールド（たとえば、正確かつ信頼しうるDMF制御のために誘電体を電極にシールし、固定するための、電極を貫通するポートを有する）と、複数の独立したqPCRゾーンと、複数の光学チャネルと、装置の上と下の両方からのアクセスを可能にする、カートリッジを挿入する/取り出すためのドロー機構とを含み得るコンパクトな駆動装置/読み取り装置として構成されている、本明細書に記載されるDMF装置の別の例である。図3Cおよび3Dに示す装置は、周囲および加熱ゾーンの液冷を提供し得る。
【図３Ｅ】ポンプ（たとえば、カートリッジを固定するための真空ポンプ）と、液体冷却器およびコンプレッサと、カートリッジを受けるドロワを作動させ、光学部品を作動させるための1つまたは複数のモータと、ドロワを開閉するための制御部と、カートリッジ上で任意のマイクロ流体を作動させるためのマニホールド（DMFに加えて、またはその代わりに）と、カートリッジ中でDMFを駆動するための電極アレイとの例示的な配置を示す、図3C〜3Dに示す装置の別の例である。この例において、使い捨てカートリッジは、装置に挿入された状態で示されている。
【図３Ｆ】シングルトレー（カートリッジ）装置として構成されている、図3C〜3Eに示すものなどの例示的なDMF装置の外側ハウジングの例である。図3F中、トレーは、延ばした状態で示されている。示される寸法は、例を示すためだけのものであり、たとえば±5％（たとえば10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、50％、75％、100％など）大きくても小さくてもよい。
【図３Ｇ】図3Fの例示的なDMF装置の前面側の例を示す。カートリッジの装填/取り出しのためのトレーは、閉じた状態で示されている。
【図３Ｈ】図3Fの例示的なDMF装置の背面側の例を示す。カートリッジの装填/取り出しのためのトレーは、閉じた状態で示されている。
【図３Ｉ】複数のカートリッジを処理するように構成されている例示的なDMF装置の別の例を示す。図3Iは、6つのカートリッジを処理するように構成されている、色分けされ得る6つのアクセス制御部およびディスプレイパネルを含む装置の正面図である。図示される外側ハウジング内で、ポンプ、モータ、光学部品、制御装置などの構成部品が共用されてもよいし、複数の別々の構成部品（たとえば電極アレイ、サブ制御装置など）が使用されてもよい。ハウジングは、複数の装置の積み重ねを可能にするように構成され得る。
【図３Ｊ】図3Iの装置の前斜視図である。
【図３Ｋ】図3I〜3Jの多重化装置の背面図の例を示す。
【図３Ｌ】カートリッジ特有のディスプレイ、入力（たとえばボタン、タッチスクリーンなど）およびカートリッジドロワを含む一番左のカートリッジドロワの拡大図である。
【図４】図4Aは、装置の一部として形成された電極（たとえば電極アレイ）の平面図を示す。電極は、図示するように、それを貫通する複数の真空開口を含み得る。電極は、熱制御領域（たとえば、サーミスタおよび/または冷却および/または加熱を有する領域）を含む様々な領域を画定し得る。図4Aには、18の行および10の列が示されているが；より大きい、またはより小さいアレイが使用されてもよい。図4Bは、上電極層を形成する電極の拡大領域を示し、電極の大部分（たとえば＞50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％など）または全部を貫通する真空開口を示す。正方形の電極が示されているが（中心に真空開口を含む）、他の電極形状、たとえば格子組、長方形、円形などまたは電極を貫通する真空開口位置（中心から外れた位置など）が使用されてもよい。図4Bには、温度センサ（たとえばサーミスタ）が示されている。図4Cは、電極層（図4Bに示すような）の下に存在し得る抵抗加熱層を示す。1つの連続した、または複数の別々の抵抗材料トレースがアレイの下で使用され得る。黒点は真空マニホールドを示す（電極を貫通する複数の真空開口を形成する。抵抗加熱層は、その上の電極から電気的に隔離され得；抵抗加熱層を通して印加される電流は制御装置によって局所的に制御され得る。制御装置はPID制御を含み得る。
【図５−１】図5Aは、電極収容PCBと、冷却液と、カートリッジ誘電体を電極上に固定するための真空との間に形成され得る接続を示す、装置の部分分解図を示す。図5Bは、電極を含むカートリッジ接触面の冷却液のために使用され得るファンおよびヒートシンク、リザーバおよびポンプの例を示す。ポンプ、管材、ファン、ヒートシンクおよびリザーバは、冷却液が電極の下を通過するとき熱を吸収することができるよう、水または冷却液を電極の下方に移動させるために使用され得、水または冷却液は、ファンおよびヒートシンクを通過する間に再び冷却されたのち、再循環され得る。
【図５−２】図5Cは、真空ポンプおよび冷却液（入力および出力）に接続された、図4A〜4Cに示すものに類似する電極を有するPCBの別の図を示す。図5Dおよび5Eは、カートリッジ（ここでは概念実証として誘電体材料のみによって示す）を固定するための真空の適用を示す。図5D中、真空はオフであり、誘電体は電極に対して固定されていない。誘電体はしわが寄るおそれがあり、接触不良、たとえば電気的接触不良の領域を含むおそれがある。比較として、図5Eは、誘電体を電極に対して均一に保持し、取り外し可能なカートリッジと電極との間に驚くほど均一な電気的性質を生じさせる、電極を貫通する複数の開口によって電極に対して保持された誘電体を示す。図5Fは、各電極の中央領域を貫通する穴が形成されている小さな電極アレイを示す、PCBの平面図の例を示す。図5Gは、真空ポンプに接続され得るPCB形成を貫通する穴を示す、図5FのPCBの、電極の下方の一部分（その上に他の層が形成され得る）を示す。
【図６】電極アレイおよび/または取り外し可能なカートリッジによって形成され得る様々な機能的領域を示す。図6中、取り外し可能なカートリッジは透明に作られている（カートリッジのDMF部分を形成するトッププレート、空隙および誘電体の上方のマイクロ流体領域が透明に作られている）。異なる領域が異なるボックスによって示され、アレイ上に特定の配置で分布し得る。たとえば、図6中、電極の7つが、局所的な（その電極に対する）磁力を加えて磁気ビーズまたは粒子を電極上で液滴内に保持することができる磁気領域605として構成されている。周辺領域の8つ（それぞれ6つの電極にまたがる）が、ペルチェ素子または他の熱冷却領域と熱的に接触し得る冷却ゾーンとして構成されている。加えて、図6中、左側の6つの16電極領域もまた、同じまたは異なるペルチェ素子（たとえば、それらを10℃未満に保持する）と熱的に接触し得る冷却ゾーンとして構成されている。また、2つの中央加熱ゾーン（一方は5つの電極にまたがり、他方は32の電極にまたがる）が含まれ、ゾーン全体またはゾーンの領域にかけて熱サイクルされ得る。4つの光学読み取りゾーン（それぞれ4つの電極にまたがる）がデバイスの右側周囲で互いから離間している。概して、加熱および/または熱サイクル領域は中央に配置されて周辺冷却/貯蔵領域から離れている。磁気ゾーンと加熱/冷却ゾーンとの間など、ゾーン間に重複があってもよい。図6はまた、空隙の上（かつ、記載したように、トッププレートの中）に形成され得るマイクロ流体部分を透視図で示す。たとえば、図6中、マイクロ流体部分611は、空隙に通じる開口（弁によって調整され得る）にそれぞれが接続する一対の蛇行マイクロ流体チャネル615、616を含む。マイクロ流体部分はまた、弁を含んでもよい。図6中、マイクロ流体チャネルはまた、一対のポート617、618を含み、これらのポートを通して正圧および/または負圧を加えて、マイクロ流体領域中の、および（いくつかの変形態様においては）空隙に出入りする流体の移動を（いずれかの弁に沿って）変調し得る。マイクロ流体部分はまた、1つまたは複数の廃棄物チャンバ621を含み得る。
【図７Ａ】本明細書に記載される例示的なカートリッジの平面図である。この例において、カートリッジは、空隙によって離隔されたトッププレートおよび誘電体を含むDMF部分と、空隙に接続し、外部的にチャネル入力および/または出力に接続し得るマイクロ流体部分とを含む。流体が、空隙に通じる1つまたは複数の開口（小さな開口として示す）を通して、および/またはチャネル入出力を通してカートリッジ中に加えられ得る。カートリッジの右側は窓領域を含み、カートリッジを通して視認を可能にしている。
【図７Ｂ】図7Aのカートリッジの上斜視図を示す。
【図７Ｃ】図7Aおよび7Bのカートリッジの左側からの端面または側面図であり、上マイクロ流体チャネルおよび下DMF部分を示す（空隙を形成する、トップ、接地、プレートおよび誘電体の間隔を示す。
【図７Ｄ】マイクロ流体チャネルのカバーが取り外され、チャネルを示している、図7A〜7Cのカートリッジの平面図である。
【図８Ａ】プラスチックトッププレートおよび誘電体を含む、使い捨てカートリッジの例である。
【図８Ｂ】カートリッジの一部として使用され得るペーパーデジタルマイクロ流体を示す。
【図９】図9Aは、使い捨てプラスチックトッププレートおよび誘電体の下の電極のオープンアレイの例を示す。図9Bは、電極上に固く取り付けられた状態を維持するために真空によって定位置に保持された、オープンアレイ上のカートリッジを示す。図9Cは、電極アレイを貫通する開口の使用を示す。これらの開口は、カートリッジ（たとえば下部、誘電体層）を装置に整合させ、固定するのに十分な吸引（たとえば真空）を適用するために使用され得る。カートリッジを解放するためには正圧を加え得る。
【図１０】図10Aは、本明細書に記載されるトッププレート上のパターン化された接地電極の例を概略的に示す。図10Bは、図8Aに示すパターン化されたトッププレートの側面図を示す。
【図１１】図11Aおよび11Bは、格子を形成する複数の窓開口を含む格子パターンに形成された、不透明な導電性インク（たとえば銀導電性インク、カーボン導電性インクなど）で形成された接地電極を含むトッププレートの別の変形態様のそれぞれ正面図および側面図を示す。
【図１２】図12Aは、トッププレート上に接地電極を形成するために適用される導電性インクの例である。図12Bは、パターン化されたトッププレート接地電極（それを貫通する複数の開口を含む）の例を示す。
【図１３】図13Aおよび13Bは、可撓性の透明な基板上のパターン化された接地電極（トッププレート）の例を示す。
【図１４】図14A〜14Cは、パターン化された接地電極を使用するDMF装置の動作を示す。
【図１５】図15A〜15Cは、本明細書に記載されるDMF空隙領域とインタフェースするマイクロ流体チャネルの一例を示す。図15A中、カートリッジのマイクロ流体部分は一対のチャネルとして示され、チャネルそれぞれは、入口/出口に接続され、それぞれカートリッジのDMF部分の空隙に通じる開口を形成するブリッジ領域（この例においては、マイクロ流体部分の下方）で終端している。流体は、DMF部分の空隙の中/外へ取り出し、添加、洗浄などされ得る。図15Bおよび15C中、流体は、図示するように、入口/出口間で交互に吸引を加えることにより、ブリッジ液滴を通して洗浄されて空隙に入る。この例においては、外部流体構成部品（たとえば管材およびリザーバ）がDMF部分のトッププレートに組み込まれて、コンパクトなフォームファクタを可能にしている。マイクロ流体チャネルは、試薬を加える/取り出す（たとえば、廃棄物を除去する、洗浄する、など）ために使用され得る。ブリッジ液滴は電極または電極群であり得、液滴のサイズはDMFによって調整され得る。
【図１６】図16Aは、DMF部分に隣接する（たとえば、DMF部分の上または下、トッププレートの一部として）マイクロ流体チャネルを形成するためのトッププレートの断面の一例を示す。図16Bは、マイクロ流体チャネルが中に形成されているトッププレートの例を示す。図16Cは、マイクロ流体チャネルとして構成されているDMF装置のトッププレートの別の例である。トッププレートは、チャネルおよび穴が中に形成されている（たとえば、ミリング、研削、ラスタ加工などによって）アクリル材料として示されている。図16Dは、カートリッジのDMF部分のトッププレート中に形成されたマイクロ流体チャネルの別の例を示す。
【図１７Ａ】図17Aおよび17Bは、分岐チャネルを含む流体適用・抽出技術を使用して、2つのリザーバ間で多量の流体を交換することを可能にする、本明細書に記載されるDMF装置（たとえばカートリッジ）中の流体の抽出および混合を示す。図17A中、流体適用・抽出デバイスはトッププレートを通して接続されている。図17B中、流体適応・抽出デバイスはサイドプレートから接続されている。図17Cは、DMFカートリッジの空隙中で流体を1つまたは複数の液滴と混合、抽出、添加などするように構成されているDMFカートリッジの別の例である。図17C中、マイクロ流体チャネル、たとえば一部がトッププレート1117によって形成されたマイクロ流体チャネルであってもよい流体ラインのためのインタフェース1127がトッププレートを通してインタフェースし、（図17Aとは違って）このインタフェース領域中の空隙はDMFカートリッジの他の部分中の空隙よりも大きくあり得る。図17D中、流体ラインのためのインタフェース1127は、図17Bと同様に、空隙の縁にある。図17D中、空隙領域はカートリッジの他の領域中よりも大きい。図17A〜17Dのいずれにおいても、流体ライン（たとえば1143、1145）およびリザーバ（1105、1107）はDMF装置の一部を形成し、カートリッジ上、たとえばカートリッジの上面上のポートおよび/または1つまたは複数の弁とインタフェースし得る。
【図１７Ｂ】図17Aの説明を参照。
【図１７Ｃ】図17Aの説明を参照。
【図１７Ｄ】図17Aの説明を参照。
【図１８】図18A〜18Cは、図17Aに示すものに類似する流体適用・抽出デバイスの動作を示す。
【図１９】図19A〜19Cは、95℃に保持された空隙DMF装置中で2分間の液滴に対する蒸発の効果を示し、実質的な蒸発を示す。
【図２０】図20A〜20Cは、非極性物質（たとえば流動パラフィン）の被覆を使用したときの耐蒸発性を1時間（図20B）後および2時間（図20C）後で示し、蒸発がほとんどまたはまったくないことを示す。
【図２１Ａ】図21A〜21Dは、エアマトリックスDMF装置における非極性被覆材料の使用を示す。図21A〜21Bは、液滴と共に移動する非極性被覆材でコートされているときの水性（極性）液滴の動きを示す。図21C〜21Dは、液滴へのさらなる極性物質の添加を示し、液滴は拡大してそのさらなる極性物質を取り込む。図21E〜21Iは、大きな試料を被覆材に加え、試料を混合する様子を示す。
【図２１Ｂ】図21Aの説明を参照。
【図２１Ｃ】図21Aの説明を参照。
【図２１Ｄ】図21Aの説明を参照。
【図２１Ｅ】図21Aの説明を参照。
【図２１Ｆ】図21Aの説明を参照。
【図２１Ｇ】図21Aの説明を参照。
【図２１Ｈ】図21Aの説明を参照。
【図２１Ｉ】図21Aの説明を参照。
【図２２】図22A〜22Dは、液滴（たとえば試薬）をDMF装置の空隙に分注するときの液滴量の制御を示す。特に、本明細書に記載される空隙は大きな空隙（たとえば、上下の誘電体間の離隔距離が280マイクロメートルよりも大、300マイクロメートルよりも大、＞400マイクロメートル、＞500マイクロメートル、＞600マイクロメートルなど）であり得る。そのような場合、エレクトロウェッティング力だけでは、所定量の液滴を分注するのに十分ではないおそれがある。図22A〜22Dに示すように、大きな量からの液滴の分離を使用して所定量を分注し得る。図22A中、分注電極が作動し、分注ポート（管）から離間する。図22B中、分注される試薬が空隙に加えられて、少なくとも1つの電極によって分注ポートから離隔する分注電極を含む領域を満たす。次いで、図22C中、分注電極はアクティブであるが、分注ポートと分注電極との間の電極はアクティブではない間に試薬が分注ポートの中へ吸い戻されてくびれを形成し、このくびれ（図22Dに示すような）が最終的に分離して、所定量の液滴を分注電極上に残す。
【図２３】図23A〜23Fは、上記図22A〜22Dに記載された技術を使用して所定量の液滴を分注する例を示す。
【図２４】グラフィカルユーザインタフェースを使用して装置をプログラミングすることを含む、本明細書に記載されるDMF装置を制御する方法の例を示す。
【図２５Ａ】図25は、視覚的制御またはコマンドの例（図25A）およびこれらの視覚的制御/コマンドの使用して記載されたプロトコル（図25B）を示す。
【図２５Ｂ】図25Aの説明を参照。
【図２６−１】図26A〜26Hは、本明細書に記載されるDMF装置を制御するためのユーザインタフェースの例を示す。
【図２６−２】図26-1の説明を参照。
【図２７】図27Aおよび27Bは、本明細書に記載されるデジタルマイクロ流体カートリッジの上部分の一例のそれぞれ上斜視図および下斜視図を示す。
【図２８】熱制御領域を示すカートリッジの一部分の例を示す。
【図２９】シート部分に保持されたカートリッジの温度調整速度を高めるために熱質量を減らした読み取り装置の一部分（たとえばカートリッジシート部分）の例である。
【図３０】シート部分に保持されたカートリッジの温度調整速度を高めるために熱質量を減らした読み取り装置の一部分（たとえばカートリッジシート部分）の別の例である。
【図３１】図31Aおよび31Bは、カートリッジの（たとえば、カートリッジの空隙の1つまたは複数のセルの）温度制御を支援するためのサーマルビアを含む読み取り装置の例を示す。
【図３２】カートリッジ中の液滴に流体をサンプリングまたは添加するための開口をトッププレート中に含むカートリッジの例である。
【図３３】図33Aは、スイッチを有するITO感知回路を示す。図33Bは、複数の基準キャパシタを含む容量性感知回路の別の例を示す。
【図３４】図34A〜34Cは、本明細書に記載される、空隙中の液滴を同定および/または位置特定する1つの方法を示す。図34Aは、特定のセルの空隙中の様々な物質（たとえば水性液滴、ワックスなど）の存在または非存在に対応する静電容量の範囲の一例を示す。図34Bは、感知電極（上電極）からの例示的な電圧測定値を示すグラフである。図34Cは、温度の関数としての水の誘電率の変化の例を示すグラフである。
【図３５】図35Aは、真空チャックの一例の平面図である。図35Bは、図35Aの真空チャックの断面図である。
【図３６】図35A〜35Bに示すチャックの等角図を示す。
【図３７】図35A〜35Bに示すものに類似するチャックの平面図を示す。
【図３８】図38Aは、真空チャックの別の例を示す。図38Bは、このチャックの拡大断面図を示す。
【図３９】図35A〜35Bに示すものに類似するチャックの下面図を示す。
【図４０】図35Aに示すものに類似するチャックの等角図を示す。
【図４１】図41Aは、本明細書に記載される読み取りデバイスのいずれかに含まれ得る熱放散システムの一例を示す。図41Bは、図41Aのチャックの断面図である。
【図４２】チャックおよびファンの正面図を示す。
【図４３】チャック、ファンおよびPCB（設置面の一部）の配置の例を示す。
【図４４】カートリッジの温度を調整するための熱放散システムを含み得るチャックの斜視図である。
【図４５】図45Aは、図44のチャックの平面図である。図45Bは、図45Aのチャックの断面図である。
【図４６】チャック、ヒートシンクおよび一対の冷却ファンのアセンブリの側面図を示し、矢印が温度の流れを示す（装置に装填されたときに、チャック、ひいてはカートリッジを冷却する）。
【図４７】図47A〜47Cは、真空チャックおよび冷却サブシステム（たとえばヒートシンクブロックおよび冷却ファン）のアセンブリを示す。
【図４８】DMFをカートリッジ（図示せず）に適用するための電極のアレイを有するPCBと、PCB上にカートリッジ下部を保持するための真空ブロックと、ヒートシンク/ヒートブロックおよび一対の冷却ファンを含む温度調整サブシステムとを含む読み取り装置のアセンブリの一例を示す。
【図４９】図49Aおよび49Bは、カートリッジの下部を形成し得る滑らかなフィルム（たとえば誘電体フィルム）を固定し、保持するためのテンションフレームおよびフィルムフレームをそれぞれ示す。図49Cは、組み立てられたテンションフレームの側面図である。図49Dは、組み立てられたテンションフレームの斜視図である。
【図５０Ａ】カートリッジの分解図の例である。
【図５０Ｂ】カートリッジの分解図の別の例である。
【図５１】カートリッジおよび読み取り装置のカートリッジ設置部分の例の分解図である。
【図５２】図52Aは、カートリッジが設置され得る読み取り装置のPCBの平面図である。図52Bは、図52Aに示すPCB部分の側面図である。図52Cは、読み取り装置の設置面上に示されたカートリッジの側面図の例である。図52Dは、図52Cの拡大図である。
【図５３】読み取り装置のカートリッジおよび設置面/領域の分解図である。
【図５４】図54Aは、読み取り装置のPCB（設置面を形成し得る）の平面図である。図54Bは、図54Aに示す読み取り装置の部分の断面図である。
【図５５】独立した動作ゾーンを有する電極格子セットアップの例を示す。
【図５６】4つの独立制御される1プレックスモジュールを、それらすべてを作動させ得るコンソールユニットと共に概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００８９】
詳細な説明
概して、本明細書に記載されるものは、デジタルマイクロ流体装置および方法である。特に、本明細書に記載されるものは、システムおよびデバイスを含むエアマトリックスデジタルマイクロ流体装置およびそれを作動させて流体試料を処理する方法である。たとえば、DMF装置は、取り外し可能/使い捨て型のカートリッジと共に作動するように構成されているコンパクトなDMF駆動装置/読み取り装置を含み得る。DMF駆動装置/読み取り装置は、カートリッジ上の複数の地点、具体的には電極接触点に負圧および/または正圧を加えることによってカートリッジを定位置に整合させ、固定するように適合されている駆動電極のアレイを含み得る。カートリッジは、側方（横）開口および/または上部開口などの開口を介して環境（たとえば空気）に通じる空隙を含み得る。空隙は2つの誘電体層の間に形成され得る。上側、すなわち上部領域は1つまたは複数の接地電極を含み得る。接地電極は、好都合には、上部を通してのイメージングを可能にする1つまたは複数の窓を含むようにパターン化されている不透明な材料で形成され得る。これらの窓は、接地領域が、駆動電極とは反対に、駆動電極の周囲および/または間に延びるよう、電極上に配置され得る。
【００９０】
また、本明細書に記載される装置のいずれも、カートリッジの上部または側面を通して空隙に接続される流体適用・抽出部品（たとえば流体適用および/または抽出デバイス）を含み得る。本明細書に記載される装置のいずれも、装置中の水性液滴の周囲に保護被覆を形成し、液滴と共に動かされ得る非極性被覆材料（たとえば非極性液体、たとえば室温ワックス）を含むかまたは使用し得る。同じく本明細書に記載されるものは、装置を制御して移動、混合、組み合わせ、洗浄、磁気的に濃縮、加熱、冷却などさせるためのユーザインタフェースを含む、装置と対話するためのインタフェースである。これらのユーザインタフェースは、手動、自動または半自動のプロトコル入力、制御および/または実行を可能にし得る。
【００９１】
図2は、図1A〜Cに示すものに類似するDMF装置の例を示す。図2中、DMF装置は、複数の駆動電極201（非正方形/非長方形に成形され、互いに隣接して行または列に配置されている）を含む。図2中、4つのリザーバ領域203、205、207、209が右側に配置され、DMF装置の動作中に加えられる物質の液滴を事前に装填され、または他のやり方で保持し得る。電極のいくつかまたはすべては加熱または冷却され得る。
【００９２】
図2の装置において、DMF駆動電極211は固く平面的な電極である。駆動電極と接地または基準電極との間のエネルギーの印加が水性（たとえば極性）液滴の移動を生じさせる。図2中、接地または基準電極は、同じく明澄（透明）である上側プレート上の透明な導電性コーティング（たとえばITO）として形成されている。これは、セル、たとえばユニットセルのいずれかのモニタリングを含め、デバイスをエアマトリックス/空隙の上からモニタすることを可能にする。
【００９３】
しかし、駆動電極を含まない使い捨てカートリッジと共に使用され得るDMF読み取り装置（たとえばデバイス、システムなど）を提供することは有益であろう。図3Aおよび3Bは、組み込まれた駆動電極を含むDMFシステム（図3A）、ならびに駆動電極が読み取り装置の一部であるが、カートリッジが接地電極（たとえばトッププレート）、空隙、および誘電体下部のみを含むシステムの、異なる構造を示す。たとえば、図3A中、空隙は、接地されたトッププレート303と、駆動電極および誘電体フィルム305（たとえばテフロンフィルム）との間に形成されている。駆動電極および誘電体フィルムは、トッププレートを含むカートリッジの一部であり、メインプロセッサ309および電源ボード311に接続する基板（スイッチボード307）に別々に取り付けられ得る。
【００９４】
対照的に、図3B中、カートリッジは駆動電極313を含まず、代わりに、トッププレート/接地電極、誘電体およびそれら315の間の空隙を含む。本明細書中さらに詳細に説明するように、真空（たとえば真空マニホールド）が電極313の下に配置されて、誘電体、ひいてはカートリッジの残り部分を読み取り装置に完全に固定するための圧力（たとえば50kPa〜250kPa、50kPa以上、60kPa以上、70kPa以上、80kPa以上、90kPa以上、100kPa以上、110kPa以上など）を加え得る。電極は、同じくメインプロセッサ319および電源321に接続され得る基板、たとえばプリント基板またはスイッチボード317上に支持され得る。図3Bに示すように、誘電体フィルムは、疎水性であってもよいし（たとえばテフロンフィルムが使用され得る）、少なくとも空隙に面する側を疎水性にするために疎水性材料で処理、コート、スプレー、浸漬などされてもよい。
【００９５】
図3Cは、本明細書に記載されるカートリッジのいずれかと共に使用され得るコンパクトなDMF駆動装置/読み取り装置の例である。図3Cに示す斜視図において、寸法（高さ15cmまたは6インチ、幅20cmまたは8インチ）は単なる例であり、読み取り装置のコンパクトさを示す。読み取り装置はカートリッジ設置面351を含み得、その下に、真空、加熱、冷却、磁気および他の構成部品、たとえば制御回路が配置され得る。この例においては、これらの要素の制御のために、マイクロ流体制御部品（たとえば弁、ポンプなど）がカートリッジ設置面上に配置され得る。
【００９６】
図3Dは、設置面の一部に組み込まれた駆動電極を含むDMF読み取り装置の別の例を示す。カートリッジを挿入/取り出しし、それを設置面に設置するためにはドロワ（図示せず）が使用され得、真空を使用してカートリッジを定位置に固定し、駆動電極とカートリッジの誘電体との間で完全な電気的接触を形成し得る。マイクロ流体ハンディング部分355および光学部品（たとえば光学読み取り装置）が設置面上に配置され得る。図3Eは、例示的な使い捨てカートリッジ363を保持するドロワ361を示す、図3Cおよび3Dの装置の別の斜視図を示す。ドロワは、図示するようにカートリッジを装置に引き入れ、装置から引き出し、カートリッジを、駆動電極（この例においては、以下さらに詳細に示す）それぞれが、誘電体を駆動電極上に保持するための真空の適用のための開口を含む、駆動電極アレイ365を含む設置面に配置するために開閉し得る（たとえば、ボタン362などの制御部を押すことにより）。設置面、ひいてはカートリッジの上で、マイクロ流体部分は、設置面上に保持されたカートリッジと係合し得る。たとえば、マイクロ流体弁マニホールド367が含まれ、ポンプ369に接続し得る。同じ、または別個のポンプ371を使用して、電極を介して誘電体を設置面上に保持するための圧力を提供し得る。システムはまた、装置に対して実施されている反応に関するデータをレポートアウトするために、カートリッジの少なくとも一部分を通してイメージングするための光学部品サブシステム373を含み得る。また、光学部品の駆動および/またはドロワ開閉のためのモータが含まれ得る。また、たとえばカートリッジの下で冷却液を循環させるための液冷却器およびコンプレッサ375が含まれ得る。
【００９７】
図3Fは、ドロワ361が開き、カバー381が取り付けられている、図3Eの装置の斜視図を示す。ハウジングは、これらのデバイスを簡単かつ確実に積み重ね得るよう、上面の受け部位385と係合し得る足383を含み得る。図3Gおよび3Hはそれぞれ正面図および背面図を示す。
【００９８】
いくつかの変形態様において、装置は、複数のカートリッジに対して並行に作動するための複数のカートリッジ受け部位（たとえば設置面）を含み得る。たとえば、図3I〜3Kは、6つのカートリッジ受けドロワを使用して6つの別々のカートリッジに対して同時に作動することができる装置の例を示す。この例において、各受けドロワは、ドロワを開閉するためのボタンを含み得、別個の読み出しスクリーン390が含まれ得る。図3Iおよび3Jはそれぞれ正面図および前斜視図を示し、図3Kは背面図である。この変形態様において、内部の構成部品、たとえばプロセッサおよび光学センサは、装置の各サブ領域内の異なる設置面の間で共用され得る。図3Lは装置の前面の一例の詳細図を示す。
【００９９】
例示的なDMF読み取りデバイスの設置面が図4A〜4Cおよび図9A〜9Cに詳細に示されている。図4A中、設置面は駆動電極401のアレイ（行0〜9および列A〜Rと標識）を含む。これらの駆動電極それぞれは、電極を貫通する中央の穴または開口を含み、この穴または開口を通して、カートリッジの誘電体を駆動電極に対して保持するための真空を適用することができる。図4A中、設置面はまた、電極の間で異なる向きに配置された温度センサ（サーミスタ405）を含む。図4Bは、駆動電極間のサーミスタ405を示す、駆動電極を含む設置面の拡大図を示す。真空開口407は図4B中でより明確に見える。格子組の駆動電極を含め、任意の形状およびサイズの駆動電極を使用し得る。加えて、モノリシックではない駆動電極のパターンが形成されてもよい。たとえば、電極パターンは、図1Aおよび2に示すような、駆動電極を含まない開放領域（たとえば、駆動電極を取り囲む領域など）を含んでもよい。
【０１００】
図4Cは、駆動電極のうちのいくつか、たとえば図4Bに示す駆動電極のサブセットの下に配置され得る加熱器の例を示す。この例においては、抵抗加熱回路409が駆動電極の下に位置し得る（たとえば、設置面を形成するPCBの任意の層に埋め込まれ得る）。概して、抵抗加熱およびサーミスタが電極PCBの任意の層に埋め込まれ得る。加熱器は、図4A〜4Cに示すように、電極およびサーミスタを有するPCBの一部であり得る。電流、ひいては駆動電極および/または隣接する誘電体（ひいては、誘電体/駆動電極の下のセル上の任意の液滴）の温度は、たとえば、サーミスタと組み合わせたPID制御ループによって調整され得る。誘電体（および設置面全体）を冷やすためには、冷却液を、基板に通して、たとえば設置面の下部上で循環させ得る。図4Cの例において、抵抗加熱器は、低抵抗材料（たとえば、約10〜15オームの抵抗値を有する）の連続的なトレースとして示されている。
【０１０１】
任意の適切な温度調整技術を用い得る。たとえば、撹拌（たとえば磁気撹拌）を用い得る。少量の液滴でさえ一定範囲の局部温度を含み得、したがって、温度分布は標準偏差を有し得る。これを、たとえば磁気ビーズを用いる撹拌によって減らすことができる。十分に撹拌すると、液滴を等温状態に近づけ得る。これらの変形態様のいずれにおいても、トッププレートを使用して温度の調整を支援し得る。たとえば、トッププレートはヒートシンクのために使用され得る。トッププレート上の熱導体（たとえばスチールブロック）が、トッププレートが冷めるために要する時間を大幅に減らし得る。トッププレートが大きな熱質量を有する、または質量がそれに加えられるならば、一定回数の熱サイクルに必要な時間を減らし得る。
【０１０２】
トッププレートと下部加熱器（たとえば埋め込まれた加熱器）との間の温度差が、温度標準偏差を決定するのに役立ち得る。トッププレートを電極と同時に加熱すると、温度を上げるために必要な時間を減らし得る。たとえば、トッププレートは、図4Cに示すものに類似する局所抵抗加熱器を含み得る。加熱/冷却されるトッププレートは、設置面上にあるときカートリッジの上部と係合する上部熱質量を含めることにより、カートリッジとは別に達成され得る。たとえば、加熱および/または冷却される上部熱質量は、カートリッジに押し当てられるマニホールドであり得る。
【０１０３】
上述したように、冷却液をカートリッジの下部および/または上部に適用し得る。特に、循環する冷却液を使用し得る。いくつかの変形態様においては、カートリッジの下部全体を冷却し得る（たとえば、室温から3〜5℃の範囲内に、たとえば15〜35℃に）。図5Aには、冷却液を設置面501に通して503の中および505の外にポンピングし得るように設置面の基板に結合された冷却液を示すためにデバイスから取り外された設置面501の例が示されている。
【０１０４】
図5Bは、冷却水または冷却液を電極の下で動かすために使用されるポンプ511、管材517、ファン515、ヒートシンク516およびリザーバ513を示す。冷却剤は、電極の下を通過しながら熱を吸収し、ファンおよびヒートシンクを通過しながら再び冷却される。
【０１０５】
上述したように、デバイスによって電極中の開口を通して加えられる真空は、カートリッジの誘電体を確実かつ解放可能に保持することを可能にする。電極を貫通しない開口は誘電体を設置面上に滑らかに保持しない。しかし、作動し得る駆動電極のすべてを通して真空が適用されると、誘電体は、駆動電極に対して平坦に保持され、一貫してより低いエネルギーが印加され得る。たとえば、図5Dおよび5Eは、真空が適用されるとき通す開口を有する電極を有する設置面上に誘電体（例示のために、カートリッジに取り付けられていない状態で示す）を固定する様子を示す。図5D中、真空はオフであり、誘電体555は設置面上に緩く載り、多くのしわが寄っている。図5E中、電極を通して真空が適用されている。
【０１０６】
この方法での真空の使用は、誘電体厚さの減少、ひいては所要パワー（たとえば電圧）の削減を可能にする。図5A〜5Eに示す構成は、接着剤の使用または電極に対して外に適用される真空の使用と比べ、DMFのための所要パワーを半分に削減した。図示する例において、誘電体の厚さは7〜13ミクロンであり得る。接着剤が使用されるとき、誘電体はほぼ2倍の厚さ（たとえば25ミクロン）である。
【０１０７】
図5Cには、ポンプ560が、電極中の穴を通して空気を引き込むように構成されている真空マニホールドに管材を介して接続された状態で示されている。誘電体フィルムが上に位置し、ポンプが空気を引き込む限り、固く留まる。加えて、誘電体の表面の任意の突起（特に、カートリッジの空隙の幅の周囲にある、またはそれよりもわずかに小さい突起）は、シールを妨害せず、空隙を仕切るのに役立ち得る、囲い、チャネル、バリア、または他の構造を空隙内に形成する。
【０１０８】
図5Fおよび5Gは、設置面の上および中間層を示し、真空源（コネクタ565を介する）の間、機械的および/または管材マニホールドを通過する（図5G）、および電極を貫通する開口から出る（図5F）接続を示す。
【０１０９】
図9A〜9Cは、電極を通過する真空ポートによってカートリッジが上に保持され得る設置面900の例を示す。図9A中、設置面は、基板（たとえばPCBまたは他の電気絶縁面）上に形成され、この例においては四辺形（たとえば正方形）として示される電極のアレイ901を含む。任意の他の適切な形状が使用されてもよい。駆動電極901は、設置面と同一平面または実質的に同一平面であってもよいし、設置面上にわずかに突出してもよい、薄い導電面である。図9B中、カートリッジ905は、設置面900上、駆動電極901のアレイ上に配置された状態で示されている。このカートリッジは、ドロワ（先に図3Eおよび3Fに示したような）によって設置面上に配置され得る。設置面に載ると、誘電体（ひいてはカートリッジ）を定位置に保持するために、駆動電極のすべてまたはサブセット（たとえば、流体が空隙中を運ばれるときかかるもの）に通して真空を適用し得る。上述したように、電極を通して真空が適用されないならば、空隙内で流体を確実に駆動するためにより多くのエネルギーが必要になり得、誘電体はより厚くならなければならない。図9Cは、設置面900の一部分の拡大図を示し、真空マニホールドに通じる中央の開口909を有する電極901を示す。
【０１１０】
装置の設置面は、加熱、磁気ビーズ制御、洗浄、溶液添加、冷却、イメージング/検出などを含む、様々な部分の位置および動作を制御する機能的領域へと分割され得る。これらの領域はDMF読み取り装置中で画定され得る。たとえば、次に図6を参照すると、図6は、設置面の中および/または下（または、いくつかの変形態様においては、上）の接続に基づいて画定される様々な機能的領域を示す。たとえば、図6中、溶液は、カートリッジの上部（たとえばトッププレート）に通して、1つまたは複数の穴を介して分注され得る。したがって、固定された誘電体の下の駆動電極は複数のユニットセルを形成し得（1ユニットセルあたり駆動電極1つ）、各セルまたはセル（複数のセル）の領域が、指定された機能を実行するように制御され得る。たとえば、図6中、DMF装置は、カートリッジの周囲に配置されているゾーンまたはユニットセル、たとえば冷却ゾーン（たとえば、下に位置するペルチェゾーンによる冷却）の配置を含む。これらの領域はまた、溶液を貯蔵するために使用され、3℃〜20℃（たとえば10℃未満、約2℃〜25℃）に保持され得る。中央加熱ゾーン609は、液滴を加熱するために使用され得る。1つまたは複数の磁気ゾーン603が、磁性粒子（たとえば、物質を除去するためなどの）を固定化するために有用であり得る磁場をオン/オフにするために使用され得る。ゾーンのいずれかが重複してもよい。たとえば、加熱ゾーン中の少なくとも1つのユニットセルが磁気ゾーンであってもよい。他の機能的ゾーンはイメージング/光学ゾーンを含む。この場合、抵抗加熱を使用するとき磁石を加熱ゾーンの真下に配置し得るため、二重機能が可能であり得る。
【０１１１】
DMF装置の設置面の構造によって形成されるゾーンに加えて、溶液のアリコートを提供する、溶液を混合する、および/または溶液を除去するための機能的ゾーンが、カートリッジ中、たとえばトッププレート中への切削によって形成されて、空隙への密接なアクセスを提供し得る。図6中、上（トッププレート）マイクロ流体領域は透明に作られている。概して、混合、分注および空隙領域からトッププレート上への廃棄のためにはマイクロチャネルが使用され得る。加えて、これらのカートリッジのいずれも、トッププレート中に試薬リザーバを含み得る。流体は、分注し、混合し、廃棄するための1つまたは複数の弁によって（たとえば弁制御によって）制御され得る。
【０１１２】
カートリッジ
概して、本明細書に記載されるカートリッジは、誘電体と、誘電体上の第一の疎水性コーティングと、接地電極（および/またはトッププレート）上の第二の疎水性コーティングと、接地電極が結合されているトッププレートとを含み得る。疎水性コーティングは、たとえばテフロンコーティングであり得る。カートリッジはまた、1つまたは複数のマイクロ流体チャネル、特に、空隙への制御されたアクセスを有する、トッププレート中に直接成形されたものを含み得る。
【０１１３】
たとえば、図7A〜7Dは、デバイスのマイクロ流体部分にアクセスするための1つまたは複数のアクセスポート705、707を有する703カバーによって覆われた、上面上のマイクロ流体領域703を含むカートリッジ700の一例を示す。カバー703はまた、流体および/または気体（たとえば空気）を送達除去するために使用され得る1つまたは複数の弁および/または1つまたは複数の開口709を含み得る。カートリッジはまた、マイクロ流体チャネルをチャネル内の空隙領域に接続する開口を含む、トッププレートを貫通する開口713を含み得る。
【０１１４】
また、本明細書に記載されるカートリッジのいずれも、空隙内の1つまたは複数の領域（読み出し領域）を光学的にイメージングするための1つまたは複数の透明な窓領域711を含み得る。図7Bは図7Aのカートリッジの上斜視図である。図7Bは、最下部の誘電体フィルム751材料を示すカートリッジの側面図を示す。空隙は、図7Cには見えないが、誘電体と接地電極との間の空間753を指し得る。図7Dは、カバーを取り外したトッププレートを示す。図7Aを、上部を取り外した図7Dと比較すると、マイクロ流体チャネルから空隙に通じる開口をそれぞれが有する第一および第二の両マイクロ流体チャネルが示されている。図7D中、2つのチャネルは、洗浄、混合、廃棄物除去などのために流体を1つのチャネルに通してそれらの下に位置するセルの中へと押す/引くことにより、同時に使用され得る。図7A〜7D中、トッププレートを貫通して空気に通じるビアホールがある。トッププレートはより厚くてもよいが、いくつかの変形態様においては、再水和させ得るフリーズドライ試薬を含む、より多くの試薬を含むことが有益であり得る。
【０１１５】
図8A〜8Bは、使用され得るカートリッジの異なる例を示す。図8A中、例示的なカートリッジ800（図7A〜7Dに示すものに類似）が、電極を含む設置面803の上に示されている。カートリッジ800は、カートリッジの一端で空隙（図8Aには見えない）の上に形成されたマイクロ流体部分805を含む。カートリッジの他端は窓領域807を含み、この窓領域を通して空隙の一部分をイメージングすることができる。カートリッジの前（窓）領域と後（マイクロ流体）領域の両方は、空隙および/またはマイクロ流体部分にアクセスするためのアクセス領域を含み得る。図8Bには、紙上の3つの異なるDMF設計構成が示されている。ペーパーDMFデバイスは、紙基板上の接触パッドに接続された銀駆動電極のアレイおよびリザーバのアレイをインクジェットプリントすることによって形成されたものである。
【０１１６】
カートリッジ内で、トッププレートは、アクリルなどの透明な材料を含む任意の適切な材料であり得る。トッププレートは1つまたは複数の導電性ポリマーで形成され得る（またはそれを含み得る）。接地電極はトッププレート上に形成され得る。特に、接地電極は、特にプリントされた導電性材料、たとえば導電性インクを含む導電性材料で形成され得る。リターン電極は、特に、格子を形成する複数の窓開口を有するパターン（たとえば格子パターン）であり得る。パターンは、カートリッジが読み取り装置の設置面に固定されたときに窓開口が駆動電極と整合するように選択され得る。図10Aには、複数の開放した正方形の窓1003を含む格子パターンを有する接地電極1001が示されている。すでに述べたように、格子パターンを形成する窓開口は、他の四辺形（たとえば長方形など）、他の多角形、楕円形（たとえば円形、卵形など）、規則的および不規則的形状を含む任意の適切な形状であり得る。さらなる層、たとえば疎水性層が導電性材料パターンとプレートの両方を覆ってもよい。図10Bは、プレート1005および導電性のパターン化された電極1001を示す例示的な側面図（厚さは一定の縮尺ではない）を示す。概して、本明細書に記載される図面のいずれも、別段の指示がない限り、必ずしも一定の縮尺で描かれてはいない。
【０１１７】
図11Aおよび11Bは、第一のプレート1105上に形成された、楕円形（この例においては円形）の窓開口1103を有する、格子パターンに形成された接地電極1101の別の例を示す。
【０１１８】
たとえば、電極は、図8Bに示すように、銀インクなどの導電性インクで形成され得る。このようなプリント可能なインクは、明確ではないが、ITOなどの前記他の導電性材料に対して利点を有し得る。格子へと形成された銀ナノ粒子の使用は、より低く、より繰り返し精度が高く、より正確な所要エネルギーを生じさせ得る。図10A〜10B中、電極のパターンは、約50〜200ミクロン（たとえば100ミクロン）の最小厚さを有する。開放した窓の周囲の輪郭は、駆動電極アレイ中の隣接する電極間の空間の上に配置されるように構成され得る。カートリッジが駆動電極上で整合し、定位置に固定されると、ボトムプレート上の駆動電極間の重複間隔は覆われるが、中央領域（特に、上記のように真空を適用するための開口を含み得る）は窓の中で中央に位置し得る。多くの導電性インク（たとえば銀インク）は透明でないため、開放した窓は接地電極の下の空隙の可視化を可能にし得る。最小厚さは50〜150ミクロンであり得るが、実際には、格子パターンの最小厚さは100ミクロン幅よりも大きくてもよい。たとえば、最小厚さは100〜200ミクロンであり得る。
【０１１９】
接地電極は、任意の適切なやり方で基板（たとえばトッププレート）上に形成され得る。たとえば、図12Aおよび12Bは、接地電極を形成する2つの方法を示す。図12A中、明澄な基板を導電性インクでコートし、得られた層を乾燥させることによって上電極を形成する。図12B中、プリント技術（たとえばスクリーニング、プリントなど）によって上記のようなパターンを形成する。図12B中、パターンは、図10Aに示すものに類似するパターンで導電性銀ナノ粒子インクをプリントすることによって形成される。
【０１２０】
図13Aおよび13Bは、格子パターンの接地電極を有するトッププレートの例を示す。図13Aおよび13B中、格子パターンは、流体を空隙中に貯蔵するためのリザーバならびに様々な反応（加熱、混合、冷却など）が実行され得る通路およびチャンバを含む領域を有する二次パターンへと形成されている。図14A〜14Cは、図13A〜13Bの接地プレートの動作を示し、カートリッジ中のこの接地プレート構造を使用して液滴の動きを駆動する駆動電極を示す。図14A中、液滴1403は第一のユニットセル上の空隙中に保持されている。図14A中、空隙は、駆動電極を通して加えられる真空により、設置面に押し当てられる誘電体と駆動電極との間にある。接地電極を形成する格子のパターンは設置面中の駆動電極の配置と一致する。駆動電極1411はそれぞれ、真空マニホールドに接続された開口1413を含み、その開口を通して真空が適用されて誘電体、ひいてはカートリッジを定位置に保持する。
【０１２１】
図14Aと図14Bとの間で、液滴の下に位置する電極と、1つまたは複数の隣接する電極とにパワーが順次に印加されて、液滴のエレクトロウェッティングの変化を可能にして、図14Bに示すように液滴1405を左に駆動する。このプロセスを繰り返すと、図14Cに示すように、液滴を空隙中の別のユニットセル1407に移動させ得る。格子パターンの接地電極を使用する移動は、モノリシック接地電極の移動と同等またはそれよりも良好である。
【０１２２】
これらの変形態様のいずれにおいても、カートリッジのトッププレート上のリターン電極は、トッププレート上に積層される材料で形成され得る。たとえば、トッププレート上にリターン電極を形成する導電層は、アルミニウムおよび誘電体および/または疎水性材料のフィルムで形成され得る。いくつかの変形態様において、電極は、ITO、接着剤ならびに誘電体および/または疎水性フィルムで形成され得る。いくつかの変形態様において、導体はITOフィルム（プライマおよびテフロンコーティングを含む）で形成され得る。
【０１２３】
すでに上述したように、これらの装置および方法のいずれも、カートリッジに組み込まれた1つまたは複数のマイクロ流体チャネルを含み得る。特に、装置は、マイクロ流体混合・抽出領域を含み得る。これが図15A〜15Cに示されている。たとえば、2つのマイクロ流体チャネル1501、1503が空隙のトッププレート中に形成され、空隙に通じる開口が互いから一定の距離内に配置され得る。流体は、1つのマイクロ流体チャネルから別のマイクロ流体チャネルへと、空隙を通して送られ得る。これらの開口の間の空隙の領域がこれら2つの領域1505を橋渡しをし得る。この構成は、空隙内で容易に混合することができるよりも大きい液滴（たとえば、5μlよりも大きい、7μlよりも大きい、10μlよりも大きい、15μlよりも大きい、20μlよりも大きい、25μlよりも大きい、30μlよりも大きい、1mlよりも大きい、など）を混合するために使用され得る。
【０１２４】
たとえば、図15Aには、第一の圧力源1507（負圧および/または正圧）が、マイクロ流体チャネルの一端に取り付けられた状態で示され、第二の圧力源1509（正圧および/または負圧）が、別のマイクロ流体チャネルに取り付けられた状態で示されている。流体は、空隙から開口1505を通って第一のチャネル1501に引き込まれ得る。代替的または追加的に、正圧1507を加えることにより、流体を第一のチャネル1501から開口1505に通して空隙の中へ移動させてもよい。同時並行的に、第二のチャネル内に負圧1509を加えることにより、流体を空隙から同じ開口1505またはその近くで第二のチャネルに引き込み得る。図15Bおよび15Cに示すように、正圧と負圧とを交互に加えると、比較的多量の溶液を2つのマイクロ流体チャネルの間で空隙の内外に通過させ得る。
【０１２５】
図15A〜15Cに示す例において、トッププレートは、マイクロ流体チャネルならびにリザーバおよび管材を組み込む。代替的または追加的に、1つまたは複数のポート（たとえば、圧力源、弁などに接続するための）が含まれてもよい。たとえば、マイクロ流体チャネルを覆うカバーが、ポートおよび/または弁などと共に含まれてもよい。たとえば、蠕動ポンプの極性を逆にすることにより、マイクロ流体チャネル内に正圧および負圧を加え得る。
【０１２６】
図16A〜16Dは、含まれ得るマイクロ流体チャネルの例を示す。たとえば、図16Aは、部分的にトッププレートによって形成されたマイクロ流体チャネルの形成を示す。図16A中、チャネルの一部分がプレート（たとえばアクリル樹脂プレート）そのものの中に形成され、チャネルの第二の部分が、導電性材料（すなわち酸化インジウムスズ、銅、ニッケル、クロム、および金）で他方の側がコートされている別の材料から形成され得る。層は、接着剤によっていっしょに保持されてもよいし、いっしょに接着されてもよい。
【０１２７】
たとえば、本明細書に記載されるカートリッジおよび装置のいずれかにおけるマイクロ流体チャネルはレーザ切削によって形成され得る。たとえば、図16A中、ラスタチャネルが部分B（トッププレートを形成するアクリル樹脂）に切削され、穴が部分B中に切削され得る。加えて、1つまたは複数のポンプ穴が部分A中に切削され得る。両面接着剤（たとえばテープ）を使用して部品Aを部品Bに固定し、ローラを使用して、気泡を避けながら、部品Aを部品B上に配置し得る。その後、試薬を分注するためのピペット穴を切り抜き、下部をテフロン（たとえば疎水性）コートし、アセンブリ全体を80〜200度（たとえば90〜18度など）で焼成し得る。接地電極はプレート上にすでに形成されていてもよい。
【０１２８】
図16Bは、トッププレート中に形成された一組のマイクロ流体チャネル1605、1607の別の例を示す。また、試薬を装填するための空隙領域に通じる開口を提供する一組の試薬入口1609が示されている。代替的または追加的に、試薬は、トッププレート上またはトッププレート中の1つまたは複数のリザーバの中、たとえばマイクロ流体チャネルの中、および/または直接的に空隙領域の中を含め、カートリッジの中へ事前装填されてもよい（湿または乾/凍結乾燥）。図16Cおよび図16Dは、カートリッジのトッププレート中に形成され得るマイクロ流体チャネルのさらなる例を示す。
【０１２９】
図17Aおよび図17Bは、DMF装置1120の空隙へ/から流体を適用し、取り出す（洗浄を含む）方法の例を概略的に示す。図17A中、たとえば、カートリッジの空隙1121はトッププレート1117と下誘電体1126との間に形成されている。コネクタインタフェース1127が第一の流体チャネル1143および第二の流体チャネル1145のための組み合わせ入口/出口ポートを接続する。これらの流体チャネルは1つまたは複数のリザーバ1105、1107に接続され得る。すでに上述したように、いくつかの変形態様において、2つの別々のコネクタインタフェース（ポート）を使用し得、1つが各流体ライン（たとえば、上記のように、マイクロ流体チャネルであり得る）に接続される。空隙領域1121中のブリッジ液滴が入口ラインと出口ラインの両方に接続し、流体が流体ライン1143、1145に引き込まれ、またそれから引き出されて液滴を混合し、流体を液滴に加え、液滴から流体を取り出し、固相捕捉要素（たとえば磁気ビーズ、非磁気ビーズなど）を同じ流体に繰り返し暴露して、関心対象の分析対象物から流体を枯渇させて、たとえば固相または他の表面上に分析対象物を濃縮するなどし得る。
【０１３０】
あるいは、図17Cおよび17Dに示すように、カートリッジは異なる高さの空隙を含み得る。たとえば、図17D中、トッププレート1115（または、別のトッププレート1117に接続された別個のトッププレート1115）の一部分は誘電体1126からさらに離間し得るため、コネクタインタフェース1127の周囲の領域の空隙は、トッププレートの他の領域と誘電体1121との間の空隙よりも大きく（たとえば0.5〜2mm）てもよい。同様に、図17D中、たとえばトッププレート1117の一部分を誘電体最下層1126からさらに離間させることにより、装置の縁におけるコネクタインタフェースに近い空隙1119が他の領域中の空隙1121よりも大きくてもよい。
【０１３１】
図17Cに示す原理を説明するプロトタイプDMF装置およびカートリッジが図18A〜18Cに示され、DMFカートリッジの空隙中でより多量の溶液を混合するための原理の証明を実証するために使用された。図18A中、DMFカートリッジの上側プレートは、第一の流体ライン1843および第二の流体ライン1845に接続されたトッププレート1801を貫通する開口を含むものであった。第一の流体ラインと第二の流体ラインとの間で負圧（吸引）を交互に加えることにより、図18A、18Bおよび18Cのシーケンスに示すように、流体を第一のリザーバ1805と第二のリザーバ1807との間で行き来させた。この例において、関心対象の分析対象物を保持する磁性粒子は、流体がリザーバ間で交換される間、DMF装置1809によって空隙内に磁気的に保持されて（たとえば、下部、たとえば疎水性コートされた誘電体に対して）、結合および/または洗浄を強化する。
【０１３２】
本明細書に記載される空隙装置のいずれにおいても、特に液滴を空隙内で加熱するときの蒸発が抑制または低減され得る。図19A〜19Cは、わずか数分後の液滴1903に対する蒸発の効果を示す。図19Aには、完全なままの液滴が示されている。95℃で1分後、液滴の体積は顕著に減少した（たとえば、図19Bに示すように、液滴の体積の5〜15％を失う。2分後（図19C）、液滴は20〜34％小さくなっている。蒸発によるこの損失を防ぐために、図20A〜20Cに示すように、空隙内の液滴を非極性包被中に被覆し得る。たとえば、流動パラフィン材料（たとえば、本明細書に記載される動作範囲、たとえば10℃〜99℃で液状である非極性材料を使用し得る。図20A中、流動パラフィン2005に被覆された液滴2003を加熱する（たとえば65℃以上）。1時間後（図20B）、液滴は、認めうるほどには蒸発していない。同様に、2時間後（図20C）、液滴はほぼ同じ量のままであった。
【０１３３】
使用中、図21A〜21Iに示すように、DMF手順中の任意の時点で非極性被覆材料を加え、除去し得る。驚くべきことに、除去は、上記のように、たとえば、被覆された液滴を、空隙から、たとえば、マイクロ流体チャネルに入るポートから引き出すことによって達成され得る。たとえば、流動パラフィンは、空隙の上部または側面を通過するポートから液滴に負圧を加えることにより、廃棄物リザーバ中に取り出し得る。より低密度の流動パラフィンは、吸い上げられて水性液滴を後に残す最初の層となり得る。以前、非極性液体の包被を除去することは困難または不可能であると考えられていた。
【０１３４】
たとえば、図21Aは、水性液滴2101が非極性液体2103（たとえば流動パラフィン）によって包囲されている被覆された液滴を示す。また、この例においては、小さな気泡が流動パラフィン中に形成している。図21Bに示すように、液滴は容易に移動させ得、駆動電極へのエネルギーの連係された印加によって水性液滴のエレクトロウェッティングを変化させることによる液滴移動を示す。図21B中、被覆された液滴は右に移動している。はじめに、液滴の真上で、または液滴が移動して入り得る空隙の領域のいずれかで、非極性液体を空隙中に適用することにより、水性液滴を非極性液体と合わせ得る。被覆された液滴はまた、それ自体の非極性液滴を含み得る、または非被覆状態であり得る1つまたは複数のさらなる液滴と合わされ得る。いくつかの変形態様においては、被覆液滴（小さな水性液滴と比較的多量の非極性溶液とを含む）を標的液滴と合わせて、標的液滴を被覆し得る。被覆液滴中の少量の水性液体は、緩衝液、希釈剤または被覆液滴が空隙中に動かされることを可能にする他の溶液であり得る。この技術は、比較的大きい（たとえば0.5mm以上の）ギャップ幅を有するDMFカートリッジで使用される場合、特に役立つ。比較的大きいギャップ幅は、他のやり方ならば、比較的大きい液滴が、典型的にはより低密度の非極性被覆材料の包被を維持することを困難にし得る。図21Cおよび21Dは、別の液滴と合わされて、より大きな被覆液滴2101'を形成した液滴2101を示す。図21Cおよび21Dに示すように、駆動電極の制御された動作により、比較的大きい液滴をも移動させ得る。
【０１３５】
図21E〜21Iは、磁気ビーズ材料を含む試料における非極性液体包被の使用を示す。図21E中、被覆液滴は、少量の水性液体2121および比較的多量の非極性被覆材料2123を含み、これら2つは、たとえば、図21Fに示すように、被覆液滴2123を試料液滴2121の中へ移動させることによって合わされ得、それらが合わさることを可能にして、被覆材料は今や試料液滴を被覆している。この場合、試料液滴はかなり大きく、一定濃度の試料吸収磁性ビーズを含む。
【０１３６】
組み合わされると、被覆された液滴2121'は、空隙に通じるポートへ移動され得（DMFによって）、このポートから、図21Hに示すように溶液が抽出され得る。この例においては、正圧および負圧を加えて溶液を流体チャネル2131に出し入れすることにより、溶液を混合し得る。負圧を加えて溶液を空隙から上ポートに通して引き出すことにより、液滴を被覆する非極性溶液を除去し得る。除去される最初の溶液は被覆材料である。その後、図21Iに示すように、所望の分析対象物が結合した磁性粒子を（たとえば、磁場を印加することにより）空隙の底側に保持し、非極性被覆溶液（存在する場合、磁性粒子からの分析対象物の結合または放出を妨害するおそれがある）の非存在下で、液滴溶液を除去および/または洗浄し得る。図21I中、磁性粒子2133は空隙中に残り、洗浄および/または溶出液滴2135を磁性粒子上で動かすことによって別個の洗浄緩衝液を適用し得る。
【０１３７】
上述の蒸発を抑制するための技術（たとえば、非極性液体の包被を使用する）に加えて、本明細書に記載される方法および装置のいずれも、カートリッジ内の水蒸気の分圧を制御して、たとえば水面を離れる水分子の速度と水面に入る水分子の速度とを均衡させることにより、「ゼロ蒸発」条件を創造することをも含み得る。均衡は完全である必要はないが、ゼロ蒸発条件に可能な限り近く留まるように温度および圧力を調節することによって調節され得る。これは温度と共に変化し得る。たとえば、相対湿度が制御されるならば、たとえば、装置を使用するハイブリダイゼーションまたはPCRサイクリング中、湿度を温度と共に上下に調節することが最良であり得る。代替的または追加的に、これらの装置のいずれも、局所的な補充を使用して、液滴をわずかに移動させて近くの凝縮物を再捕獲することにより、蒸発を調節し得る（たとえば、主液滴を取り囲む蒸発液滴を示す図19B〜19Cを参照）。これらの方法および装置のいずれも、追加的または代替的に、壁で囲まれた加熱ゾーンを使用して、蒸発が起こり得る表面積を減らし得る。たとえば、上述したように、いくつかの変形態様において、DMF装置の設置面は、カートリッジ内に局所領域を形成する突起を含み得る。可撓性誘電体と電極との間の接触を制御するために正確に真空が適用され得るため、設置面上の突起は、蒸発表面積を減らし得る部分的に壁に囲まれた加熱ゾーンを形成することを含め、空隙内にチャンバまたはチャネルを創造し得る。いくつかの変形態様において、トッププレートは、カートリッジ全体で異なって離間し得；蒸発速度は、厚い液滴に比べて薄い液滴の方が低くなり得る。したがって、加熱領域のいずれも、蒸発を減らすために比較的狭い空隙幅を有し得る。
【０１３８】
大容量液滴DMFカートリッジのいずれか、たとえば、0.5mm以上（たとえば0.6mm以上、0.7mm以上、0.8mm以上、0.9mm以上、1mm以上、たとえば0.4mm〜2mm、0.5mm〜2mm、0.5mm〜1.8mm、0.5mm〜1.7mmなど）のギャップ離隔距離を有するDMFカートリッジにおいては、相対的に大きな液滴の表面張力が、より大きな液滴からより小さな液滴を放出させるためにより大量のエネルギーを必要とし得るため、予測可能な量を有する液滴を分注することが特に困難であることがわかった。概して、DMFシステムにおいて、スペーサ（空隙）厚さと電極サイズとの比が液滴分注量を決める。従来のデジタルマイクロ流体手法においては、約500マイクロメートル（0.5mm）未満のスペーサ厚さが、エレクトロウェッティング力がより大きな量の液体から単位液滴を分割することを可能にする。これは、より大きいスペーサ厚さ（たとえば500マイクロメートルよりも大きい）では可能ではなかった。本明細書に記載されるものは、500μm以上の幅（たとえばスペーサ厚さ）を有する空隙中、より大きな量から単位液滴を分割する方法である。いくつかの変形態様において、これは、たとえば、ポート（サイドポート、トップポートまたはボトムポートであり得る）から分注される溶液で空隙の領域を満たしたのち、満たされた領域中のセル（駆動電極に対応する）を選択的に作動させ、次いで、作動した電極からオフセットしているポート（または別のポート）の中へ溶液を引き戻して、溶液がポートの中へ引き込まれるときに液滴が作動した電極上に留まるようにすることによって実行され得る。作動した電極上の液滴はより大きな量から分離して（たとえば、くびれて切れることによって）、分注された液滴を後に残し、次いで、その液滴を、駆動電極によって駆動する、1つまたは複数の他の液滴と合わせる、などし得る。
【０１３９】
たとえば、組み込まれたコンパニオンポンプを使用して、多量の水溶液をDMFデバイスに（たとえば、DMFカートリッジの空洞中に）送り込み、作動した電極にかけることができる。次いで、水溶液をDMF装置から回収して、作動した電極上、単位液滴の後に分注し得る。図22A〜22Dはこの方法の例を示す。図22A中、DMFカートリッジの空隙2205へのポート2201が、水溶液（試薬2203）を保持するチューブ2209として図22Aに示される流体チャネル（たとえば、上記マイクロ流体チャネル）に接続する。この例においては、1つの駆動電極2207が作動している。または、いくつかの変形態様において、電極は、DMF装置の領域を満たすまでは作動しない。それを事前に作動させると、既定の量を、駆動電極によって画定されたユニットセルに分配するのに役立ち得る。これらの例のいずれにおいても、1つよりも多い隣接する駆動電極を作動させて、より多量の液滴を分注してもよい。
【０１４０】
次に、図22Bに示すように、作動した駆動電極を含む空隙の領域を水溶液2203で満たす。図22Aは、チャネル（管2209）からの大きな量（たとえば250μL）の放出を示す。いくつかの変形態様において、試薬が遠位端チャネル2209に近づくと、駆動電極2207が作動し（たとえば、390VrmのAC電位、またはDC電位を使用して、他のやり方で交番電界効果を創造することにより）、これが、エレクトロウェッティング力を生成し、この力が、管2209から作動した駆動電極2207への試薬の移送をさらに促進し；チャネルからのさらなる流れが生じ、その結果、液滴は成長して、作動した駆動電極を完全に覆うようになる。
【０１４１】
次いで、図22C中、水溶液（試薬2203）を、同じポート2201または別個のポートに通して空隙から回収する。作動した駆動電極は、溶液が中に引き込まれるポートから一定距離（たとえば、作動した電極の幅にほぼ等しくあり得る距離）だけ離れている。この距離は、作動した駆動電極上の液滴が、チャネル2209の中へ引き戻される液体からくびれて切れるのに十分である。たとえば、図22Cに示すように試薬を管の中へ吸い戻すと、溶液の残り部分からの液滴のくびれを生じさせ得る。くびれ領域は連続的に収縮して、図22Dに示すように、作動した駆動電極上に単位液滴（たとえば10μL）が残るようになる。図23A〜23Eに示すように、2つ、3つ、および5つの電極を作動させて同じプロセスを繰り返して、それぞれその単位液滴の概ね倍数（たとえば20、30および50μL）を分注することができる。上述したように、複数の液滴を個別に分注し、合わせてもよいし、または、複数の電極を使用してより大きな量を一度で分注してもよい。液滴のサイズ（液滴の体積）は、一部には、駆動電極のサイズおよび空隙の間隔に基づき得る。
【０１４２】
図23A〜図23Fは、上記方法を使用して、カートリッジの上のリザーバから様々な所定量の溶液を分注する様子を示す。図23A中、たとえば、より大きい空隙（たとえば幅0.5mm）の上の溶液を保持するチャネルに接続するポートを含む空隙の領域を、図示するように溶液2301で満たし、図23Bに示すように、1つの作動した電極を使用して所定量の溶液（たとえば10μl）を分離する。この液滴は、充満領域から離れるように移動し、プロセスを複数回繰り返すと、ほぼ均一な量（たとえば10μl±5％、10％、15％、20％、25％など）の複数の液滴を生成し得る。図23Dには、第一の単位液滴2303（たとえば10μlの量を有する）が、2倍の量（たとえば20μl）を有する第二の液滴を形成する2つの合わされた単位液滴2305に隣接する状態で示されている。同様に、図23Eは、5つの単位液滴を合わせることによって形成された大きな液滴2307（たとえば50μl）を示す。図23Fは、より大きな単位液滴2311（たとえば40μL単位液滴）を形成するために空隙領域を満たすときに作動し得る、より大きな駆動電極2315（たとえば、約4倍の表面積を有する）の使用を例示する。
【０１４３】
したがって、空隙の分注領域を多量の水溶液で満たし、またはフラッシュし、駆動電極（または、すでに作動された駆動電極の上）を作動させ、次いで溶液を除去する（たとえばポンプアウトする）ことにより、相対的に正確な量の液滴を残し得る。上述したように、0.4または0.5から3mmまでの間隔を有する大容量DMF装置（カートリッジ）を使用する場合、この技術を使用して、より大容量のリザーバからより少量の液滴を妥当な力で分注し得る。エレクトロウェッティングエネルギーを適用することによってより大きな量からより少量の液滴を直接分注し得る、より小さな空隙を有する空隙DMF装置とは異なり、より大きな力は、より大きな空隙のデバイスにおけるDMFによる直接分注を効果的に防ぐ。本明細書において提供される例の多くにおいて、空隙のギャップ間隔は1mm〜1.3mm（たとえば約1.14mm）であるが、少なくとも3mmまでの間隔が正常に使用されている。
【０１４４】
本明細書に記載される溶液の分注は、試料を処理する（たとえば混合するなど）こと、およびそのようなシステム中で蒸発によって失われた溶液を補充することにおいて特に重要となり得る。
【０１４５】
ユーザ制御インタフェース
本明細書に記載される装置および方法のいずれにおいても、DMF装置は、DMF装置（たとえばカートリッジ）に挿入される試料に対して1つまたは複数のプロトコル（たとえば実験室手順）を実行することができるよう、ユーザによって制御され得る。たとえば、DMF装置は、ユーザがDMF装置の動作を制御してユーザが選択したプロトコルまたはユーザが入力したプロトコルを実行することを動的かつ柔軟に可能にするユーザインタフェースを含み得る。概して、DMF装置による動作のために処理プロトコルを変換する場合、手順中の汚染を防ぐことを含め、数多くの考慮事項がある。プロトコルが実行されている試料液滴を、手順中の前の工程（または並行工程）によってたどられた経路上で移動させるとき、汚染が発生するおそれがある。典型的には、処理されている1つまたは複数の反応液滴は、DMFカートリッジの空隙中の異なる場所に移されたり、一時的に空隙領域から出されたりする必要があり得る。さもなければ、ユーザがこれらの動きを連係させて、以前または将来の経路（たとえば汚染）を回避し、加熱、冷却、混合、添加、取り出し、熱サイクリングなどに適する場所を覚えることは困難であろう。
【０１４６】
本明細書に記載されるものは、ユーザがプロトコル情報/工程をDMFにより簡単に入力することを可能にする、DMF装置の動作を制御するためのユーザインタフェースである。これは、実行され得る工程のグラフィカル工程表現（たとえば、混合、添加、加熱、冷却、サイクリング、洗浄など）のセットを提供し、ユーザがこれらの工程を、工程の持続時間または適用される程度（たとえば温度など）を直感的に提供するやり方で選択/入力することを可能にすることにより、部分的に達成され得る。そして、入力されると、装置は、汚染を回避するために、DMF装置および/またはカートリッジの既定のレイアウト制約内で入力されたプロトコルを実行するための効率的な経路を決定し得る。たとえばこれらの装置のいずれも、空隙中の経路交差（そのような交差が汚染を生じさせ得る）を防ぐかまたは減らす経路を決定し得る（経路探索）。
【０１４７】
図24は、本明細書に記載されるDMF装置のいずれかを制御することに関与する工程を示す例示的な模式図である。たとえば、図24中、ユーザは、グラフィカル/ビジュアルユーザインタフェース（本明細書においては「SAM」と呼ぶ）を使用してプロトコルを入力し得る。これは、図25A〜26Bを参照してさらに詳細に説明され得る。次いで、グラフィカルプロトコルを一連のターゲット目標に変換し、このターゲットプロトコルを装置によって使用して、このプロトコルをDMF装置に合わせ得る。図24中、システムは、プロトコルを達成するために、経路を決定し、駆動電極、加熱器、冷却（たとえばペルチェ）、磁気、マイクロ流体（ポンプなど）の制御を誘導し得る。経路は、最短経路を要するように最適化され得るが、汚染、材料（試薬および/またはテフロンを含む）の損失、熱放散などを防ぐために、経路における重複を制限または削減することを強要される。
【０１４８】
上述したように、図25Aおよび25Bは、所望のプロトコルを入力するためのビジュアルインタフェース（たとえばグラフィカルユーザインタフェース）の一例を示す。図25Aには、一連の制御アイコン（「移動」、「加熱」、「取り出し」、「サイクル」、「混合」、「分離」、「分注」、および「待機」）が示されている。図25Bに示すように、ユーザは、処理プロトコルのグラフィック表現を提供するために、これらのアイコンを選択または配置し得る。各アイコンは、対応する持続時間を有し得、したがって、これらのアイコンは、試料のための処理命令または工程を選択するために使用され得る。この例において、アイコンは、色、画像およびテキストの1つまたは複数によって一意に識別される。
【０１４９】
ユーザは、プロトコルを、装置に直接入力してもよいし、DMF装置と通信するコンピュータまたは他のプロセッサに入力してもよい。
【０１５０】
入力されると、プロトコルはデータ構造フォーマット（たとえば、プロトコルおよび試料の名称、試料をどこに送るのか、どの量を使用するのか、などを指示するJSONフォーマット）に変換され得る。次いで、このデータ構造を直接使用して、またはフォーマット（たとえばJavaスクリプト）に変換して、装置が、所望のプロトコルを達成するために、カートリッジを取り込む経路を決定し得るようにし得る。経路探索は、ローカルで（たとえばDMF装置中で）実施されてもよいし、遠隔で実施され、DMF装置に送信されてもよい。経路探索は、汚染を防ぐために、交差またはいくつかの交差を回避する最短経路長に基づいて最大化するように構成され得る。したがって、装置は、汚染を回避する最短ルートを決定し得る。概して、ユーザインタフェースは、ユーザが所望の動作および要素（たとえば混合など）を容易に選択することを可能にすることができる。装置はすでに試薬（たとえばデバイスの要素）と関連していてもよい。その場合、ユーザは、動作、持続時間、温度などを選択することができる。
【０１５１】
図26A〜26Hは、入力プロトコルから経路を決定する装置の一例を示す。たとえば、図26Aは、最初のセットの工程、たとえば試料調製を計画するDMFカートリッジ空隙の特定の構成の図解を示す。装置は、空隙中のセルの分布およびDMFカートリッジ中の機能ゾーン（加熱器、冷却器、混合/マイクロ流体、廃棄物除去、分注など）の構成を知り得る。図26Bは、ゲノムDNA（またはDNAの断片）を有する試料をアダプタタグで標識するための経路を決定する装置の図解である。図26C中、第一の緩衝液（たとえばSureSelect QXT緩衝液）を将来の処理のために適切な場所に移動する工程を実行する。経路は、過去の移動と将来の移動の両方に照らして選択され、将来のプロトコル工程が決定されるとき再帰的に変更され得る。図26D中、DNA試料を移動するための経路が（黒色で）示されている。図26Eは、試料と結合するための、酵素ミックスが保存されている冷却領域からの酵素ミックスの移動を示す。図26Fは、試料を緩衝液および酵素ミックスと混合するユーザを示す。次いで、混合された試料（図26G）は、計算された経路に沿って、サイクリングのための加熱/冷却ゾーンに移される（図26H）。次いで、指示されるようにさらなる工程を実行し得る。
【０１５２】
熱制御
本明細書に記載される装置のいずれも、熱制御（たとえば加熱および/または冷却）および/または液滴検出（たとえば追跡および/または識別）のための機能を含み得る。たとえば、カートリッジおよび読み取り装置を含む装置は、液滴温度を速やかかつ正確にサイクリングさせるように構成され得る。代替的または追加的に、液滴検出は、液滴（試薬、ワックス、水などを含むが、これらに限定されない）に関して電極格子を速やかかつ正確にスキャンし得る。
【０１５３】
上記のように、読み取り装置は、冷却および/または加熱を含む1つまたは複数の熱制御要素を含むように構成され得る。たとえば、読み取り装置は、空隙中の液滴を加熱するために、セルのいくつかの中に抵抗加熱を含み得る。たとえば、いくつかの変形態様において、抵抗加熱器は、プリント回路基板（PCB）の第二層、たとえばPCBの表面下の第一の銅層の一部に含まれ得る。装置はまた、ヒートシンクまたは冷却要素、たとえば、PCBと絶えず熱的に接続している液体冷却器（チラー）を含み得る。また、これらの変形態様のいずれも、セル中の温度変化速度を高める熱質量減少および/またはPCBを介する（たとえば、読み取り装置中のPCBの一部を形成する電極を介する）熱伝導の1つまたは複数を含み得る。
【０１５４】
熱質量減少とは、ある温度または温度範囲に達するために必要な総エネルギー量を減らすための装置（たとえばシステム、デバイスなど）からの熱質量の減少または除去を指し得る。理想的には、熱質量が少ない場合、熱サイクリング中に試料温度を下げるためにシステムから取り出す必要があるエネルギーは少なくなるため、非常に大きな加熱および冷却システムを要することなく（すなわち、スタックアップへのさらなる液冷なしで）、より速いサイクル速度が可能になる。本明細書に記載される装置および方法は、カートリッジの上（トップ）プレート中の液滴または1つまたは複数の液滴を保持する領域の上から熱質量を減らす/除くことにより、熱質量を減らし得る。たとえば、上/トッププレートがアクリルまたはポリカーボネート材料で形成されている場合、トッププレート（たとえばポリカーボネートおよび/またはアクリル構造）に1つまたは複数の空洞を含め、その空洞を断熱材または低い熱伝導率の材料（たとえば空気）で満たすことにより、空隙領域上の熱質量を減らし得る。空洞は、熱制御装置領域の上のカートリッジのトッププレート中に配置され得、物質の液滴が空洞の下にあるとき、たとえばPCBから読み取り装置によって加えられる加熱/冷却が空隙領域中の液滴の温度をより急速に変化させ得るようになっている。液滴の上の熱質量を除くことは、本明細書に記載されるカートリッジのいずれかの設計に組み込まれ得る。空洞は、トッププレートの下面の近くに（たとえば、空隙の1つの側に直接）形成され得る。空洞は、トッププレートの上面と下面の間の厚さを部分的に貫通し得る。図28は、カートリッジ2804のトッププレート2801中の熱制御領域を示すカートリッジの一部分の例を示す。カートリッジは読み取り装置2803上に配置され得る。カートリッジの空隙領域（たとえば、上側プレート2801の下面と、下誘電体材料シート2809の上面とによって画定される領域）内の液滴2807。したがって、トッププレートを含むカートリッジボディがトッププレート上の固いポリカーボネート部品で形成される変形態様においては、1つまたは複数の空洞が創造され得（たとえば図29）、低い熱質量を有する絶縁材で囲まれるかまたは満たされ得る。これが、試料からの熱がその上の貯蔵領域に伝導するのを防ぎ得る。ボイド置換材料は、空気または低い熱伝導率および低い熱質量を有する類似の物質であることができる。
【０１５５】
代替的または追加的に、材料を除去すること（たとえば精密ミリングによって）および/または非常に低い熱質量を有する材料を使用することにより、PCBから熱質量を除いてもよい。たとえば、熱質量を減らすために、加熱器ゾーン（たとえば、加熱または熱制御領域）においてPCBの1つまたは複数の層を除去し得る。これは、電極の表面仕上げを損傷しないよう、基板の底側から実施され得る。
【０１５６】
図29は、カートリッジの空隙中の液滴の温度変化に対する応答時間を増すために、より低い熱質量を有する読み取り装置のPCBにおけるミリングされた領域の例である。断面図を示すこの概略例において、下部（たとえばPCB）の層は、たとえば銅の1つまたは複数の層を含み得、液滴の下の誘電体（読み取り装置のPCB中の）がミリングされて、空気などの断熱材で満たされ得る空洞またはボイドを創造している。したがって、PCBを介する熱伝導を減らし得る。概して、トップおよび/またはボトムプレート中の空洞は、トッププレートとボトムプレートの間の空隙中の液滴を熱的に隔離するのに役立ち得る。
【０１５７】
本明細書に記載される方法および装置のいずれも、熱質量を減らすことによって液滴の温度変化を速めることに加えて、加熱器源と電極との間の熱伝導率を高めて性能を改善し得る。たとえば、PCB上の加熱器層が第二層にあるならば、図30に示すように、高熱伝導性誘電体層を使用すると、加熱器層から電極への熱伝達が増す。図30は、加熱器3003と電極3001の銅領域との間の高伝導性誘電体3005を示す。
【０１５８】
いくつかの変形態様において、読み取り装置（特に読み取り装置のPCB部分）は、代替的または追加的に、各アクティブ（たとえば駆動）電極/セルの近くに1つまたは複数のサーマルビアを含むことによって熱伝導率を高めるように構成されてもよい。サーマルビアは、熱制御領域の、PCB材料などの、電極の下にある領域を含む、電極の近くの領域と熱接触するチャネルまたは通路であり、任意の熱伝導性材料で満たされ得る。たとえば、熱伝導性材料（たとえば銅、エポキシ、樹脂など）でビアを満たすと、熱伝導率をさらに高め、空隙中の液滴または他の物質の熱応答時間を劇的に増し得る。したがって、加熱および/または冷却は、ビアがない場合よりもはるかに速くなり得る。熱伝導性ビアは、PCB中のミリング領域（ミリング領域を熱伝導性ビアと共に示す図31Aおよびミリング領域なしで熱伝導性ビアを示す図31Bに示す）の有無にかかわらず具現化することができる。たとえば、図31Aは、熱制御されたアクティブな領域の周囲に熱的隔離領域を提供するためにミリングされたボトムプレート（たとえばPCB）の例における複数の熱伝導性ビア3105を示す。
【０１５９】
ビアは、任意の適切な熱伝導性材料で満たされ得る。いくつかの変形態様において、ビアは、導電性ではない熱伝導性材料（たとえばエポキシ、樹脂など）で満たされる。
【０１６０】
ビアの一端は、読み取り装置デバイスの最終的な上面（たとえばカートリッジ接触面）および/または電極に隣接する領域と熱接触し得る（たとえば接触し得る）。特に、サーマルビアが導電性材料（たとえば銅）で満たされているとき、熱伝導性ビアは、電極に隣接する領域とは接触し得るが、電極とは電気的に接触し得ない。サーマルビアの別の部分が上面（たとえば側面および/または下面）の下のヒートシンクと熱的に接触し得る。いくつかの変形態様において、ビアの反対側端は、温度制御された面（たとえば冷却された表面、加熱された表面など）と接触し得る。いくつかの変形態様において、ビアは、その一端の領域が熱制御装置（たとえば加熱器、冷却器、ヒートシンクなど）と熱的に連絡し得る。ビアは、PCBが位置する真空チャックを貫通し得る。
【０１６１】
ビアは任意の適切な寸法であり得る。たとえば、熱伝導性ビア（本明細書においてはサーマルビアまたは単にビアと呼ぶ）は、0.1mm〜3mm、0.1mm〜2mm、0.5mm〜1.5mm、約0.8mm、約1mm、約1.2mm、約1.4mmなどの直径を有し得る。サーマルビアは、円形、卵形、長方形、正方形、三角形または任意の他の断面を有し、プリント回路基板を通って熱制御部（たとえば、加熱器、冷却器、ヒートシンクなどの1つまたは複数）から電極の真下または電極に隣接する領域まで延びる（いくつかの変形態様においては、電極から電気的には隔離されるが熱的には隔離されないままであるよう、電極と接触することなく）円筒形であり得る。
【０１６２】
上述したように、セルごとに任意の適切な数のビアが形成され得る（たとえば、カートリッジの空隙中の流体の移動を駆動する各電極と対応して）。たとえば、熱的に制御された領域中の各セル（複数の熱的に制御されたセルを含み得る）は、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12など、またはより多くのビアと接触し得る。たとえば、各熱的に制御されるセルは8つよりも多いビアと接触し得る。
【０１６３】
サーマルビアの使用は、サーマルビアを含まないシステムと比べ、熱的に制御される領域の加熱および/または冷却の速度の変動に対して劇的な改善を提供し得る。
【０１６４】
カートリッジ特徴
上記の特徴に加えて、カートリッジのいずれも、代替的または追加的に、セルのいくつか（たとえば、1つまたは複数の駆動電極に対応する領域）の上のトッププレート中の1つまたは複数の開口を含み得る。図32に示すように、これらの開口は開放し、直接イメージング3221を可能にし得る。代替的または追加的に、開口は、空隙からの流体の受動的分注のために使用されてもよい。たとえば、図32中、カートリッジ3205のトッププレート中の開口3203を使用して、開口の下に配置された液滴3211から流体を受動的に分注し得る。液滴は、上記のように、DMFによって開口の下で動かされ得る。配置されると、所定量の流体が、たとえば毛管作用により、液滴から開口の中へ受動的に分注され、液滴は開口から離れるように移動し得る。次いで、サンプリングされた物質を、カートリッジの上部中のマイクロ流体を使用して分析または処理してもよいし、所定の位置で分析してもよい。または、サンプリングされた物質を、最初の液滴3211が離れたのち、別の液滴3219に加えてもよい。第二の液滴を、サンプリングされた物質3203を含むトッププレート中の開口の下に配置する。第一の液滴からのこのサンプリングされた物質（流体）は、開口3203の寸法に基づいて計量された量であり得る。トッププレートは親水性表面または表面コーティングを含み得る。いくつかの変形態様において、トッププレートの開口は、液体ワックスまたは他のコーティング材料などの物質を事前に装填されてもよく、その物質は、液滴が開口の下を移動するとき、液滴と合わされてもよい（たとえば、コーティング材、たとえば流動パラフィン、油などの抗蒸発コーティングを分注するため）。トッププレート中の開口は断熱材としても働く。開口は、リターン電極が開口の縁にあり得るようにセルの一部分の上に延び得る。開口は任意のサイズおよび寸法（たとえば円形、正方形など）であり得る。図32Aに示す変形態様は、トッププレートを通したイメージング（光学部品3221を使用する）を示すが、いくつかの変形態様において、イメージングは、下から、カートリッジの下部を通して実施されてもよい。たとえば、カートリッジの下部の領域（たとえば誘電体フィルム）は、イメージング（たとえば蛍光）のために透明または光透過性であり得る。
【０１６５】
本明細書に記載されるカートリッジのいずれにおいても、トッププレートは、1つまたは複数の材料を空隙の中へ送達するための複数のマニホールドを含み得る。図27Aおよび27Bは、ポリマー材料（たとえばアクリルおよび/またはポリカーボネート）で形成されたトッププレートの一例を示す。図27Aは、トッププレート（図示されない1つまたは複数のカバーによって覆われ得る）の上領域を示す。図27A中、異なるサイズの複数の分注領域2704、2706、2708が含まれている。たとえば、廃棄および/または混合領域2710と同様に、小型のもの2706（たとえば2〜20μlサイズ）、中型のもの2704（たとえば100μl〜1mL）および大型のもの2708（たとえば1mL〜5mL）が示されている。これらのチャンバは、流体を事前に装填され、それぞれが、空隙領域に通じる開口を含み得る。圧力制御を使用して、流体を分注領域の開口から空隙の中へ駆動するための圧力を加え得、これは、読み取り装置またはカートリッジを保持する他のデバイスによって制御され得る。したがって、読み取り装置は、トッププレートからの流体の放出およびトッププレート中の流体取り扱いを制御するために使用され得る1つまたは複数の圧力インタフェースを含み得る。図27Bは、図27Aに示すトッププレート部分の下面を示す。下面は、上記のように、電極および/または誘電体および/または疎水性コーティングでコートまたは被覆され得る。図27B中、トッププレートは、追加的または代替的に、上記のように混合を可能にし得る1つまたは複数のチャネル2712をプレートの表面に含み得る。これらのチャネルの下面は、上誘電体および/またはリターン電極（いくつかの変形態様において、誘電体、疎水性フィルムおよび/または電極層を含み得る）によって形成され得る。
【０１６６】
本明細書に記載されるカートリッジのいずれにおいても、読み取り装置の設置面、特に読み取り装置の駆動電極と接触するように構成され得る下面は、上記のように誘電体材料で形成されている。下面は、第一の面および第二の面（第一の面は、カートリッジの下面に露出した下面を形成する）を有する誘電体材料のシートであり得る。誘電体材料のシートの第二の面は、疎水性表面を含み、空隙の1つの側面を形成し得る。下面は、たとえば、そのものが誘電体である、および/または誘電体材料でコートされているフィルムであり得る。たとえば、いくつかの変形態様において、フィルムは誘電体および/または疎水性フィルムである。この下面が実質的に平坦であることは有益であり得る。本明細書に記載されるカートリッジのいずれも、誘電体材料のシートに張力を加えるように構成され得る。たとえば、これらのカートリッジのいずれも、誘電体材料の張力を保持するためのフレームを含み得る。したがって、カートリッジは、カートリッジの下部シートを保持するテンションフレームを含み得る。
【０１６７】
誘電体および/または疎水性フィルムテンション設計は、読み取り装置の設置面（たとえばPCB）とのインタフェース中およびDMF装置の使用中にシートの表面が平面的になり、平面的なままであるよう、シート（たとえば誘電体および/または疎水性フィルム）に事前に張力を加え得る。フィルム（たとえば誘電体および/または疎水性フィルム）をカートリッジ中に保持するテンションフレームの目的は、装置の使用中、フィルムが電極格子（たとえば駆動電極）と完全に接触したままであることを保証するために、設置面（たとえば、PCBインタフェースなどの）とインタフェースすることである。
【０１６８】
本明細書に記載されるカートリッジのいずれにおいても、カートリッジの下部は、上記のように、第一の面および第二の面を有し、第一の面が、カートリッジの下部の露出した下面を形成する、誘電体材料のシートを含み得る。本明細書に記載されるカートリッジのいずれも、張力を加えることによってシートを平坦に保持するためのテンションフレームを含み得る。シートは、カートリッジの下部として露出したとき、以下さらに詳細に説明するように、読み取り装置のリップまたは凹みに嵌まり得るカートリッジ下部の外周と比べてわずかに凹んでいてもよい。したがって、カートリッジの下部にある誘電体材料のシートは一番下の面である必要はない。
【０１６９】
たとえば、図49A〜51は、カートリッジの下部（たとえば誘電体シート）を伸ばす/平滑化するためのフレームを含むカートリッジアセンブリの一例を示す。図49A〜49Dはテンションフレームの一例を示す。この例において、カートリッジボディは2部品型フィルムテンション機構を備える。図49A〜49B（および49C〜49Dの組み立て図）に示す2つの部品は、テンションフレーム4901と、誘電体および/または疎水性フィルムフレーム4903とを含み得る。組み立てられると、カートリッジの下部を形成するフィルムは誘電体および/または疎水性フィルムフレーム4903に接着し得る。フィルムおよびフィルムフレーム4903アセンブリは、コネクタ（たとえばスナップ嵌め機構）を用いることにより、テンションフレーム4911の溝に挿入され得る。テンションフレームにスナップ嵌めすると、フィルムはX−Y面のすべての方向にしっかりと張られる。次いで、このフレームアセンブリをカートリッジボディに固定し得る。組み立てられたフレームは、カートリッジ下面のフィルムをバイパスして上側プレート上のリターン電極を電気的に接続するためのアクセスを提供し得る、より低プロファイルの（たとえば切り抜き）領域4909を含み得る。
【０１７０】
下部メンブレンを平坦に保持するためのフレームを含むカートリッジの一例が図50Aの分解図に示されている。図15Aには、カートリッジおよびフィルムテンションアセンブリにおける個々の構成部品が示されている。この図はまた、アセンブリにおけるそれらの配置の概要を示す。組み立てる最初2つの構成部品は、たとえば、光学的に明澄な両面接着剤5002と、誘電体材料のシート5003（導電性材料上にコートされている）とを含み得る。また、フレーム（たとえばテンションフレーム5004）および誘電体材料を含むシート5005が含まれ得、フィルムは、フィルムフレーム5006の第二の部分によって定位置に固定される。空隙5009は、フィルム5005と上部品（リターン電極を含み得る）の下面5003との間に形成され得る。
【０１７１】
図50Bは、光学的に明澄な両面接着剤と、導電性材料上にコートされた誘電性かつ/または疎水性の材料とを組み立てた後の、カートリッジおよびフィルムテンションアセンブリの個々の構成部品を示す。導電性材料は、ITO、アルミニウムフィルム、銅などの任意の導電性材料であることができる。
【０１７２】
フィルム/カートリッジおよびPCBインタフェースは上記フィルムテンションフレームを含み得、PCBの上面にドリルアウトされた溝（トラフ）が、読み取り装置の電極格子の周囲に境界を形成し得る。図51は、フィルム5120およびフィルムテンションフレーム（外側フレーム5121および内側フレーム5123）ならびにカートリッジの上（上部）部分5109を含むカートリッジのアセンブリの例の等角分解図を示す。図51はまた、カートリッジの設置面を形成するPCB5111を含む、読み取り装置の一部分を示す。設置面はまた、カートリッジの下部フィルムの周囲のリップ（この例では、テンションフレーム5103によって形成される）を受けるためのトラフ5105を含む。トラフは、電極格子の周囲にドリルアウトされる溝であり得る。この態様のアセンブリ配置が示すように、フィルムテンションフレーム5103は電極格子の周囲のこのトラフ5105に嵌まり込み得る。組み立てられると、フィルムテンションフレーム5103は、フィルムをXおよびY方向に張り得るが、フィルムの縁でZ方向に下に引っ張ってもよい。フィルムは、電極格子（図示せず）の境界のわずかに外で、トラフのフィレットされた端に覆い被さってもよい。
【０１７３】
図52Aおよび52Bは、下部誘電体（および疎水性または疎水性コートされた）フィルムと、読み取り装置のPCBアセンブリ部分に設置されたフィルムテンションフレームとを含むカートリッジの一例のそれぞれ平面図および断面図を示す。図52Bの断面図は、PCBの電極（駆動電極）の少なくともいくつかを貫通する真空ポートを使用して誘電体および/または疎水性膜を電極にかけてしっかりと張り、シールし得る方法を強調し、また、フィルムを設置するためのPCB設置面に形成されたトラフ中の縁（フィルムから突出して延びる）の設置を示す。完全に組み立てられると、これらの構成部品は、確実な十分に張られた平面的な誘電体（および/または疎水性）フィルムをPCBの駆動電極格子に固定することを可能にし得る。図53は、カートリッジ上ボディフレーム5306、テンションフレーム5304によって張力を保持した誘電体フィルム5305、読み取り装置上の設置面を形成するPCB5302、PCB上の駆動電極のアレイの周囲の設置面上の溝またはチャネルおよび真空チャック5301を含む個々の構成部品およびアセンブリ中のそれらの配置を示す分解図である。
【０１７４】
図54Aおよび54Bは、アセンブリのそれぞれ平面図および断面図を示す。断面図は、カートリッジ5413およびフィルムアセンブリならびにPCB5415上の真空チャック5411の関係を強調する。図54Bの断面はまた、このシステムのいくつかの異なる効果を強調する。矢印5405が、チャックの外側の隔膜真空ポンプ5407から生じる真空のチャネルを示す。これは、先に図35Bに記載した同じチャネルであってもよい。矢印は、PCB中のビアホールを介して真空によってフィルムに加えられる下向きの力を描く。真空チャックおよびPCBとのインタフェースは、フィルムを電極にしっかりと接着させ、Z方向に下向きの力を加える。フィルムテンション機構およびPCBトラフは、トラフ内縁に沿うフィレットによって縁の周囲の接触を維持しながらXおよびY方向に力を加えることにより、フィルムが平面的なままであることを保証する。
【０１７５】
読み取り装置特徴
概して、本明細書に記載される読み取り装置のいずれも、電極アレイ、能動的熱制御部（たとえば加熱器、冷却器など）、磁場アプリケータなどを含み得るPCB部分と、PCBに取り付けられ得るチャック（真空チャック）とを含み得る。読み取り装置のこの部分は、カートリッジの下部のための設置面を形成し得、カートリッジが、読み取り装置にしっかりと所定の向きで設置され得るようになっている。たとえば、カートリッジは、所定のやり方で設置面に嵌合するようにキーを有してもよい（たとえば、1つまたは複数の配向スロット、ピンなどを含めることにより）。読み取り装置はまた、読み取り装置の活動を制御し得、液滴を駆動し、カートリッジからの情報を分析するように構成され得る、1つまたは複数のプロセッサを含む、1つまたは複数の制御ユニットを含み得る。制御装置はまた、メモリ、1つまたは複数のデータストアを含み得る。
【０１７６】
読み取り装置の設置面は、カートリッジを設置するように、また、設置面上の複数の電極の間のアーク放電、スパーク発生または短絡を防ぐように構成され得る。たとえば、設置面は、パリレンおよび/または代替またはさらなる材料などのさらなる誘電体（その上にカートリッジの誘電体下面が位置し得る）でコートされてもよい。誘電体下面は、設置面上の電極（駆動電極）のアレイ中の電極間のアーク放電を防ぎ得る。駆動電極間の間隔は約50〜120マイクロメートルであり得る。他の点では平坦な表面上の電極間のこの密な詰め込みは、他のやり方ならば電極間のアーク放電/短絡を受けやすく、したがって、外側誘電体コーティングの使用（カートリッジの誘電体層に加えて）は電極間のスパーク発生/アーク放電を制限し得る。
【０１７７】
先に詳述し、記載したように、電極のいくつかまたはすべては開口を含み得、それを通して、電極をデバイス上に設置するための真空源に接続され得る。たとえば、いくつかの変形態様において、アレイのすべての電極がそれを貫通する開口を含む。他の変形態様においては、1つおきの電極が開口を含み得る（たとえば交互に）。いくつかの変形態様においては、3つおきの電極、4つおきの電極など。いくつかの変形態様においては、角部電極だけが開口を含み得る。
【０１７８】
液滴検出
本明細書に記載されている装置のいずれも、液滴検出を含み得る。上記のように、液滴検出は、電極を通る電流をモニタすることにより、駆動電極のアレイ中の電極の静電容量に基づいて実行され得る。同じく本明細書に記載されるものは、液滴検出が、キャパシタ分割器を創造することによる静電容量測定に基づく装置（たとえば、読み取り装置を含むシステムまたはデバイス）である。この例において、トッププレートは基準フレーム（たとえば、ITO電極などの基準電極）を形成し、通常は0〜300Vで駆動されてAC信号を生成し得る。液滴検出中、基準電極（上電極）は駆動信号から切断され得、その電圧は、制御装置（たとえばマイクロプロセッサ）（感知電極として作用し得るため、図33Aおよび33Bにおいては「ITOセンス」と呼ばれる）によって感知され、1つまたは複数の基準キャパシタに電気的に結合され得る。1つまたは一群の電極が、より高い既知の電圧（たとえば300V DC）で作動してもよいが、他のすべての電極は接地される。これが、図33Aに示すような分割器を創造する。図33Aは、感知（たとえば、基準/トッププレートからの容量感知）と（たとえば1つまたは複数の液滴を動かすための）駆動との間をトグルで切り替えるためのスイッチを有するITO感知回路を示す。
【０１７９】
図33A中、ITO感知ノード（ITO感知電極）の電圧は、C_Aと総静電容量（C_A＋C_B）との比によって駆動される。C_Aの静電容量は、キャパシタのプレート間（電極とITOの間）の材料誘電率に基づいて変化する。C_Bの静電容量もまた、ITOと残りの電極との間に存在するものに対して変化する。空気、ワックス、水および試薬は異なる誘電率を有し、したがって、ITOセンスにおける静電容量および電圧を変化させる。これが、この液滴検出方法が、液滴（たとえば液滴の存在/非存在）を検出するだけでなく、液滴を識別し、電極格子内の特定の試薬を同定することを可能にする。
【０１８０】
ベース静電容量の変動性のせいで、2つのキャリブレーションキャパシタが含まれ得る（たとえば、図33B中、C_REFおよびC_REF_LARGE）。図33Bは、複数の基準キャパシタを含む容量感知回路の別の例を示す。すべての電極（たとえば、すべての駆動電極）を300Vに駆動することにより、参照キャパシタを使用することによって総静電容量C_Totalを計算することができる。ITOセンスの電圧を飽和させるのに十分な大きさのC_Totalがある場合は、基準静電容量を増すことができる。ITOセンスのためのコンディショニング回路は、小さなリーク電流から電圧を分離し得る。
【０１８１】
図34Aは、空隙内の1つまたは複数のセル中の液滴の存在または非存在（および/または物質のアイデンティティ）を示し得る静電容量の例示的な値を示す。上述したように、空隙中の「セル」は、空隙を含むカートリッジが、カートリッジ設置領域上に駆動電極のアレイを有し得るDMF読み取り装置の中に配置されるとき、駆動電極の上の領域に対応し得る。図34A中、「ITO」は、カートリッジの上側プレート上の上（たとえばリターン）電極に対応する。この例において、C18、C21、C24、C27、C30は基準キャパシタ（たとえば、この場合には11.9pF）であり、C16、C19、C1、C25、C28は、上記のように決定された静電容量であり、液滴あり、またはなしで異なる駆動電極が測定されたとき（たとえば、他の駆動電極を接地しながら高電圧に設定）の静電容量に対応する。水、ワックス、空気（液滴なし）は非常に異なる静電容量を有し、それらを使用して、液滴の存在または非存在を識別することができる（たとえば、静電容量0.09pF以上、0.1pF以上、など）。この例において、この閾値を超える静電容量（たとえば、0.06pF、0.07pF、0.08pF、0.09pF、0.1pF、0.11pFなどを超える）は、検査された（高い電圧、たとえば300Vに設定）を超える空隙中の物質の存在を示す。さらに、この閾値を超える測定静電容量の範囲は、液滴の組成、たとえば、水性（水）および/またはワックス/油を示し得る。たとえば、約3pFを超える静電容量（たとえば3pF、3.1pF、3.2pF、3.3pF、3.4pF、3.5pFなど）は、液滴が水性であることを示し得るが、約0.09pF〜約3pFの静電容量は、液滴がワックスまたは油であることを示し得る（たとえば、約0.07pF〜約3.3pF、約0.09pF〜約3.0pFなど）。
【０１８２】
図34Bは、この技術を使用して測定された電圧の例を示すグラフであり、1つの試験セル上で、様々な液滴（水、ワックス）で測定された様々な電圧と、液滴なし（空気）で測定された電圧との差を示す。図34中、水性液滴が存在する場合に検出された電圧は約3.3Vであり、それに比べ、液滴が存在しなかった場合のそれは0.085V、ワックスが存在した場合のそれは0.176Vである。ワックスの測定値は空気の2倍であり（液滴/物質料なし）、水ははるかに高い。この例において、回路は値を3.3Vに制限する。異なる物質はそれらの異なる誘電率によって検出されることができる。水の誘電率は温度の関数でもあり得る。したがって、いくつかの変形態様において、液滴が存在する場合、静電容量は温度の関数として変化し得る。この性質はさらに、水を識別するために使用され、また、温度を推定するためにも使用され得る。したがって、いくつかの変形態様においては、液滴の静電容量測定を使用してその温度を推定してもよい。たとえば、図34Cは、水の静的比誘電率を示すグラフであり、温度変化（0〜300℃）に伴う比誘電率の変化を示す。
【０１８３】
チャック設計
本明細書に記載される装置のいずれか、たとえば読み取り装置は、上述したように、設置面の一部を形成し得るチャック（たとえば真空チャック）を含み得る。真空チャックは、電極アレイ（たとえば、プリント回路基板の一部であり得る駆動電極）に取り付けられてもよいし、磁石および/または熱放散機構と統合されてもよい。これらの要素またはこれらの要素の一部分のいずれかが含まれ、または省略されてもよく、任意の組み合わせで使用されてもよい。
【０１８４】
真空チャック設計は、確実かつ効果的な真空がカートリッジの下部（たとえば、いくつかの変形態様においては、誘電体層および/または誘電体層を形成する疎水性層）を電極格子に付着させることを保証するのに役立ち得る。真空は、ビア（たとえば銅ビア）の1つまたは複数（たとえばマニホールド）を通して加えられ得る。
【０１８５】
加えて、本明細書に記載される読み取り装置のいずれも、チャックおよび/または設置面を含む、基部に組み込まれる磁石を含み得る。組み込まれた磁石は、作動可能な磁石が、真空チャックを通してカートリッジ中の物質（たとえば、空隙中の液滴中の磁気ビーズ）と係合することを可能にするように構成され得る。磁石は、真空性能または機能に影響することなく、読み取り装置の設置面を形成するPCBのわずか下方に位置し得る。
【０１８６】
本明細書に記載される読み取り装置のいずれも、追加的または代替的に、カートリッジが読み取り装置の設置面に設置され、保持されるときカートリッジ中の1つまたは複数のセルの温度を制御する読み取り装置中の加熱器から熱を速やかかつ正確に放散し得る1つまたは複数の熱放散要素を含む、1つまたは複数の熱調整器を含み得る。たとえば、本明細書に記載されるものは、別々またはよりタイトに使用され得る熱放散要素のための2つの設計である。1つの例示的な熱放散設計は、熱電加熱器から熱を放散するように構成され、別の設計は、埋め込まれた加熱器から熱を放散するように構成されている。
【０１８７】
図35A〜48は、本明細書に記載される読み取り装置のいずれかと共に使用され得る読み取り装置の真空チャック部分を示す。概して、真空チャックは、負圧が、チャックを通して加えられ（たとえば真空ポンプから）、（たとえばOリングによって）空気的に隔離される区域の設置面（たとえば、設置面の一部を形成するPCB）の下に送られるように構成され得る。設置面はビアホールを有し得（たとえばPCB中）、このビアホールは、負圧が、設置面の上面（たとえば、設置面を形成するPCB）に設置されているカートリッジ（たとえば誘電体および/または疎水性フィルム）の下部に直接作用することを可能にして、カートリッジ下部をZ方向に引き下げ、それを電極格子に接着させる。
【０１８８】
真空チャックは、両端にポートを有する真空チャネル、Oリングのための溝、PCBを取り付けるためのねじ穴および電極格子の下の凹みの1つまたは複数を含み得る。たとえば、図35Aは真空チャック3500の一例の平面図であり、図35Bは断面図である。断面A−Aは、真空チャネルおよびそれに付随するポートを強調する。空気流3505は、図35Bに示す矢印の経路をたどる。まず、少なくとも1つの入口ポートを通過し、次いでチャネル3507を通って流れ、最後にサイドポート3509から流れ出る。チャックの一部分（PCBによって形成された設置面がその上に配置される）がOリング3503によって包囲されている。
【０１８９】
たとえば、図36は、図35A〜35Bに示すチャックの等角図を示す。溝3509（たとえば、Parker O-Ring設計標準を使用して設計され得る）は、Oリングに適合するように構成されている。定位置に配されると、チャックがPCBに固定された状態で、Oリングは、電極格子の真下で真空を空気的に隔離し得る。設置面は、電極（図示せず）を有するPCBをチャックに固定することによって形成され得る。たとえば、図37に示すように、チャックは、設置面（たとえばPCB）を取り付けるための複数のねじ穴3701を含み得る。図37は、図35A〜35Bに示すものに類似するチャックの平面図を示す。いくつかの変形態様において、チャックは最低で4つのねじ穴を含み（図37には8つを示す）、それぞれが少なくともXまたはY方向に等距離にあり、チャックの原点を中心に配されている。ねじ穴は2つの目的に働き得る。第一に、PCBを、チャックに対し、2つの構成部品のインタフェースが平面になるように固定し、第二に、Oリングの周囲でZ方向に下向きの力を加えて、空気シールを効果的に創造する。
【０１９０】
図38Aは、図35A〜35Bに示すものに類似するチャックの平面図を示し、図38Bはこのチャックの拡大断面図を示す。図35Bは、断面A−Aの拡大画像を示し、PCBとチャックの表面との間（ただし、真空がアクティブである隔離された区域のみ）に空間を創造し得る凹みの境界線3801、3803（X軸に沿う）を示す。この空間は、本明細書に記載されるように、真空の空気流を最適化し得る。図38中、磁石のための開口3805が上領域にあり、磁石をカートリッジに/カートリッジから移動させる（たとえば、空間内で上下に、またはいくつかの変形態様においては、横方向に動かすことにより）のに十分な空間を含み得る。磁石開口の周囲の領域は、外側のOリングに類似する、磁石領域を真空領域から隔離するためのガスケットまたはシーリングリング（たとえばOリング）3809を含み得る。
【０１９１】
上述したように、本明細書に記載される装置のいずれも、組み込まれた磁石を含み得る。図35A〜39中、凹んだ領域3905を使用して、システムによって上下に動かされて磁場を作用/解除させ得る組み込まれた磁石を保持し得る。または、いくつかの変形態様において、磁石は、固定され、読み取り装置の制御装置によってトグル（オン/オフおよび/または強さ変更）で切り替えてもよい。
【０１９２】
したがって、真空チャックは、組み込まれた磁石を含み、したがって、磁石がチャックの中を通過することを可能にする切り抜き部と、磁石ゾーンを真空の空気流から隔離する第二のOリング溝の一方または両方を含み得る。図39は、図35A〜35Bに示すものに類似するチャックの下面図を示す。スルーカット領域3905が示され、所望の磁石に合うようにサイズ設定されることができ、作動可能な磁石の中断されない移動を可能にする。磁石は、作用するときは、切り抜き部を通過してPCBの真下に付けることもできるし、使用しないときは、切り抜き部から外しておくこともできる。
【０１９３】
図40は、図35Aに示すものに類似するチャックの等角図を示す。溝4001がOリングに適合し得る。定位置に配されると、チャックがPCBに固定された状態で、Oリングは磁石切り抜きゾーンを真空チャックの残り部分から空気的に隔離して、特に、真空が磁石切り抜きによって損なわれないことを保証する。
【０１９４】
図41Aおよび41Bは、図35Aおよび35Bに示すものに類似するが、加熱部品、たとえば加熱器（たとえば抵抗加熱器）4105に熱的にアクセスするためのギャップ4115を含むチャックのそれぞれ平面図および断面図を示す。加熱器4105は、容易に熱的に調整（たとえば冷却）され得るよう、チャック中の空洞4115の上にある状態で示されている。抵抗加熱器はPCB（図41Aおよび41Bには示さず）中にあってもよい。
【０１９５】
たとえば、図41Aは、本明細書に記載される読み取りデバイスのいずれかに含まれ得る熱放散システムの一例を示す。この熱放散システムは、読み取り装置中（たとえばPCB中）の加熱器4105によって生成される任意の熱負荷が正しくかつ効果的に放散され得るように構築され得る。第一の熱放散構成は、PCBに埋め込まれた加熱器によって生成された熱を放散するように構築され得、以下、埋め込まれた加熱器の熱放散と記される。第二の熱放散設計は、真空チャックに埋め込まれた熱電冷却器によって生成される熱を放散するように構築され得、以下、熱電冷却器の熱放散と記される。両熱放散設計とも、真空チャックにおける独自の特徴と、熱を放散するための付属部品とを用い得る。両設計は、いっしょに、またはアセンブリとして使用することもできるし、独立して使用することもできる。
【０１９６】
たとえば、真空チャックに埋め込まれた加熱器の熱放散は通気チャンバとして構成され得る。図41A中、チャックの平面図はチャックの熱放散局面を示す。図41Bは、加熱器が配置されている領域の一部であり得る、またはその下にあり得る（または、他のやり方でそれに接続されている）冷却チャンバ4103に供給する一対の空気チャネル4101を示す。図41Bには、このシステムにおいて作用する複数の空気要素（チャネル4101、4101'）の経路が示されている。4101に引き込まれた空気は、PCB（たとえば設置領域、図示せず）中の加熱器からの残留熱を含む熱によって暖められ、覆われていても、部分的に覆われていてもよく、PCB中の加熱器（または、加熱器と熱連通している1つまたは複数のサーマルビア）に通じていてもよい真空チャックのスルーカット4115領域の上を流れ得る。断面A−A（図41Bに示す）は、チャックに対して同一平面に固定され、スルーカット4115を中心に位置するファンがオンにされたときの、2つの空気要素、すなわち暖気4105および周囲空気の空気流を示す。ファン（図示せず）は、加熱器によって生成された暖気を真空チャックのスルーカットから押し出し得る。同時に、ファンは、チャック中の2つのチャネル4101、4101'を介して周囲空気をチャックおよびスルーカットの中へ引き込み得る。システムは、周囲空気をチャックの中へ、また暖気をチャックの外へ連続的または間欠的にサイクルさせて、PCB加熱器によって生成される任意の熱を効果的に放散する。
【０１９７】
同じく本明細書に記載されるものは、埋め込まれた加熱器の熱放散のためのシステムである。たとえば、図42に示すアセンブリは、チャック4203とファン4205の両方を含むように構成され得る。上記の空気流は、チャック42031の下部に固定されたファン4205によって制御され得る。図42はチャック4203およびファン4205の正面図を示す。第一の矢印4221は真空チャック（上部構造）を指し、第二の組の矢印4201、4201'は気流経路を示す。図43は、チャック4303、ファン4307、設置面を形成するPCB4305（たとえば、図示されていない電極のアレイを含む）およびカートリッジ4311の配置の例を示す。カートリッジは、開口（たとえば、電極のいくつか中の）を通して真空によって保持され得る。
【０１９８】
図44は、真空チャックを介して熱電冷却器の温度を調整するための熱放散システムの例を示す。図45中、チャック（図35Aに示すものに類似）の等角図が図45Bに示されている。示されるチャックは、熱電冷却器（TEC）が嵌まり込むことができるように設計された凹み4509を含む。
【０１９９】
図45A〜45Bは、図35Aに示すものに類似するチャックのそれぞれ平面図および断面図を示す。図45Bに示す断面（A−Aから見た）は、熱電冷却素子4525によって生成される熱の経路を強調する。長方形4525はTECを表し、チャック中の矢印はチャック全体に広がる熱を示す。装置は、チャックの下部およびTECの下に固定され得、次いで熱を吸収する、所望のサイズの1つまたは複数のヒートシンクを含み得る。最後に、ヒートシンクの各側に固定された2つのファン（図46に示す）が協働して、システム全体から熱い空気を押し出し、周囲空気をシステムの中に送り込む。
【０２００】
図47A〜47Cは、熱電冷却器の熱放散のために構成された1つまたは複数のデバイスのアセンブリを示す。たとえば、図46はチャックの正面図を示す。図46の下向き矢印4613は、図45に記載されるチャック中の熱の経路を示す。矢印4611、4611'は、ファンによってヒートシンクに押し込まれる空気のチャネルと、ファンによってヒートシンクから引き出される空気のチャネルとを示す。ファンは同時に同じ方向に作動する。図47A〜47Cは、アセンブリプロセスならびにこの装置およびそれを使用する方法に含まれ得る複数の構成部品を示す。たとえば、図47Aはチャック4701を示し、図47Bはチャック4701およびヒートシンク4703を示し、図47Cはチャック4701およびヒートシンク4703ならびに2つのファン4709、4709'を示す。図48は、図47のアセンブリ（たとえば、チャック4801、ヒートシンク4803、ファン4809、4809'）と、駆動電極および加熱器（見えない）を含むPCB4807とを含む、読み取り装置アセンブリの部分的配置の分解図を示す。加えて、カートリッジ4811が、真空を介してPCBの設置面に取り付けられている。
【０２０１】
動作ゾーン
本明細書に記載される装置のいずれも、プロトコルの実行のために液滴が付されることができる様々な可能な動作を戦略的に配置する1つまたは複数の動作ゾーンを含み得る。多重化戦略の目標は、よりフレキシブルでモジュール式の方法で様々な実験室要件に適応することである。実行されるプロトコルの様々な段階を戦略的に動作ゾーンへとグループ化して、プロトコル設計者がボード上の抽象的な標的を定義することを可能にし得る。動作ゾーンは、反応（すなわち、混合、合流、加熱、冷却、サーモサイクリング、磁石捕捉、廃棄、光学的検出など）に使用される、電極ボードの下または上の固定領域であり得る。
【０２０２】
図55は、磁気捕捉、等温またはサーマルサイクラであることができる加熱器、4℃までの能動的冷却ゾーンであるペルチェ、トッププレートに達し、チャネルを通過し、廃棄物チャンバに入る廃棄物接続、トッププレートに達し、チャネルを通過する混合接続および光学検出のための独立した動作ゾーンを有する電極格子セットアップの例を示す。したがって、図55は、別々の動作ゾーンを有する電極格子を示す。
【０２０３】
様々なユーザ必要性および実験室空間によりよく適合するために、自らのパワーと、環境と、内部コンピュータと、ユーザインタフェースのためのコンソールユニットへの接続とをそれぞれが有する独立した単独のモジュールをマルチ化し得る。加えて、ユーザインタフェースのためのコンソールユニットは、様々なモジュールならびに他の実験室要求機能、たとえば試料IDおよびカートリッジIDをスキャンし、その情報をローカル実験室または試料管理システムに組み込む機能を制御するように統合されることができる。コンソールユニットへの接続は、ワイヤレス接続であることもできるし、ケーブルによる接続であることもできる。図56は、コンソールユニットを有する、4つの独立制御される1プレックスモジュールを概略的に示す。
【０２０４】
本明細書に記載される方法（ユーザインタフェースを含む）のいずれも、ソフトウェア、ハードウェアまたはファームウェアとして具現化され、プロセッサによって実行されると、プロセッサをして、表示、ユーザとの通信、分析、パラメータ（タイミング、頻度、強さなどを含む）の変更、決定、警告などをはじめとする工程のいずれかを実行させる、プロセッサ（たとえばコンピュータ、タブレット、スマートフォンなど）によって実行されることができる命令のセットを記憶する非一時的なコンピュータ可読記憶媒体として記載され得る。
【０２０５】
本明細書中、ある特徴または要素が別の特徴または要素の「上」にあると参照されるとき、それは、その別の特徴または要素のすぐ上にあることもできるし、介在する特徴および/または要素が存在してもよい。対照的に、特徴または要素が別の特徴または要素の「すぐ上」にあると参照されるとき、介在する特徴または要素は存在しない。また、ある特徴または要素が別の特徴または要素に「接続」、「付着」または「結合」していると参照されるとき、それは、その別の特徴または要素に直に接続、付着または結合していることもできるし、介在する特徴および/または要素が存在してもよいことが理解されよう。対照的に、特徴または要素が別の特徴または要素に「直に接続」、「直に付着」または「直に結合」していると参照されるとき、介在する特徴または要素は存在しない。記載または図示される特徴および要素は、1つの態様に関して記載または図示されているが、他の態様に当てはまることができる。また、別の特徴に「隣接」して位置する構造または特徴の参照が、その隣接する特徴の上に重なる、または下に重なる部分を有してもよいということが当業者によって理解されよう。
【０２０６】
本明細書において使用される専門用語は、特定の態様を説明するためだけのものであり、本発明を限定することを意図しない。たとえば、本明細書において使用される単数形の冠詞は、複数形をも含むことを意図する（文脈が別段明確に指示しない限り）。さらに、「含む」および/または「含み」は、本明細書において使用されるとき、述べられる特徴、工程、動作、要素および/または構成要素の存在を指定するが、1つまたは複数の他の特徴、工程、動作、要素、構成要素および/またはそれらの群の存在または追加を除外しないということが理解されよう。本発明において使用される「および/または」は、関連する挙げられた項目の1つまたは複数の任意およびすべての組み合わせを含み、「/」と省略されることもある。
【０２０７】
空間的関係を示す語、たとえば「の下」、「の下方」、「下」、「の上方」、「上」などは、本明細書中、図面に示すような、1つの要素または特徴と別の要素または特徴との関係の説明を容易にするために使用され得る。空間的関係を示す語は、図面に示された向きに加えて、使用または動作中の装置の様々な向きを包含することを意図することが理解されよう。たとえば、図中の装置が上下逆さであるならば、他の要素または特徴の「下」にあると記載される要素は、他の要素または特徴の「上」に配されていることになる。したがって、例示的な語「の下」は、上および下の両方の配置を包含することができる。装置は他のやり方で配置されてもよく（90°回転または他の向き）、本明細書において使用される空間的関係を示す記述語は相応に解釈される。同様に、語「上向き」、「下向き」、「垂直」、「水平」などもまた、本明細書において説明のためだけに使用される（特に別段指示されない限り）。
【０２０８】
本明細書において様々な特徴/要素（工程を含む）を説明するために語「第一の」および「第二の」が使用されることがあるが、これらの特徴/要素はこれらの語によって限定されるべきではない（文脈が別段指示しない限り）。これらの語は、1つの特徴/要素を別の特徴/要素から区別するために使用され得る。したがって、本発明の教示を逸脱することなく、以下に記載される第一の特徴/要素は第二の特徴/要素と呼ばれることもでき、同様に、以下に記載される第二の特徴/要素は第一の特徴/要素と呼ばれることもできる。
【０２０９】
本明細書および以下の特許請求の範囲を通して、文脈が別段要求しない限り、語「含む」およびその変形、たとえば「含み」は、方法および物品（たとえば、デバイスおよび方法を含む組成物および装置）において様々な構成要素が共に用いられることができることを意味する。たとえば、語「含み」は、任意の述べられた要素または工程の包含を意味するが、任意の他の要素または工程の除外を意味しないものと理解されよう。
【０２１０】
概して、本明細書に記載される装置および方法のいずれも、包括的であるものと理解されるべきであるが、構成要素および/または工程のすべてまたはサブセットは、代替的に、排他的であり、様々な構成、工程、サブ構成要素またはサブ工程「からなる」または「から本質的になる」と表現される場合もある。
【０２１１】
別段明示的に指定されない限り、実施例において使用されることを含め、本明細書および特許請求の範囲において使用されるすべての数値は、語「約」または「およそ」が前に付くものと読まれ得る（そのような語が明示的に出ないとしても）。語「約」または「およそ」は、大きさおよび/または位置を記載するとき、記載される値および/または位置が値および/または位置の妥当な予想値範囲内であることを示すために使用され得る。たとえば、数値は、述べられた値（または値の範囲）の±0.1％、述べられた値（または値の範囲）の±1％、述べられた値（または値の範囲）の±2％、述べられた値（または値の範囲）の±5％、述べられた値（または値の範囲）の±10％などである数値を有し得る。また、本明細書に記される任意の数値は、文脈が別段指示しない限り、約またはおよそのその値を含むものと理解されるべきである。たとえば、数値「10」が開示されるならば、「約10」もまた開示される。本明細書に記載される任意の数値範囲は、その中に包含されるすべての部分的範囲を含むことを意図する。また、数値が開示されるとき、当業者によって適切に理解されるように、「その数値以下」、「その数値以上」および数値間の可能な範囲もまた開示されるということが理解されよう。たとえば、数値「X」が開示されるならば、「X以下」および「X以上」（たとえば、Xは数値である）もまた開示される。また、本出願を通して、データはいくつかの異なるフォーマットで提供され、このデータが、終点および起点ならびにデータ点の任意の組み合わせの範囲を表すということが理解されよう。たとえば、特定のデータ点「10」および特定のデータ点「15」が開示されるならば、10および15よりも大きい、それら以上、それら未満、それら以下およびそれらに等しいデータ点ならびに10と15との間のデータ点もまた開示されたものとみなされることが理解されよう。また、2つの特定の単位の間の各単位もまた開示されるということが理解されよう。たとえば、10および15が開示されるならば、11、12、13および14もまた開示される。
【０２１２】
様々な例示的態様が上述されているが、特許請求の範囲によって記載されるような発明の範囲を逸脱することなく、様々な態様に対して数多くの変更を加え得る。たとえば、多くの場合、記載される様々な方法工程が実行される順序が代替態様において変更されてもよく、他の代替態様においては、1つまたは複数の方法工程が一斉に省略されてもよい。様々な装置およびシステム態様の任意選択の特徴は、いくつかの態様には含まれ、他の態様には含まれないことがある。したがって、前記は、主に例示目的に提供され、発明の範囲を特許請求の範囲に記されるとおりに限定するものと解釈されるべきではない。
【０２１３】
本明細書に含まれる例および例示は、主題が実施され得る特定の態様を実例として示すものであり、限定ではない。上述したように、本開示の範囲を逸脱することなく構造および論理の置換および変更を実施し得るような他の態様が利用され、それから導出され得る。本発明主題のそのような態様は、本出願の範囲を任意の1つの発明または発明的概念に自発的に限定することを意図することなく、本明細書中、単に便宜上、個別または集合的に「発明」によって参照され得る（実際には2つ以上が開示されているとしても）。したがって、特定の態様が本明細書に例示され、記載されているが、同じ成果を達成するものと推定される任意の構造が、示された特定の態様に代えて用いられてもよい。本開示は、様々な態様の任意およびすべての改変または変形を包含することを意図したものである。上記を考察すると、上記態様と、本明細書に具体的に記載されていない他の態様との組み合わせが当業者には明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2020532723.tif 000005
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
2020532723.tif 000009
【図３Ｇ】
2020532723.tif 000010
【図３Ｈ】
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【図３Ｉ】
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【図３Ｊ】
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【図３Ｋ】
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【図３Ｌ】
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【図４】
2020532723.tif 000016
【図５−１】
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【図５−２】
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【図６】
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【図７Ａ】
2020532723.tif 000020
【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
2020532723.tif 000025
【図９】
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【図１０】
2020532723.tif 000027
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2020532723.tif 000033
【図１７Ａ】
2020532723.tif 000034
【図１７Ｂ】
2020532723.tif 000035
【図１７Ｃ】
2020532723.tif 000036
【図１７Ｄ】
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【図１８】
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【図１９】
2020532723.tif 000039
【図２０】
2020532723.tif 000040
【図２１Ａ】
2020532723.tif 000041
【図２１Ｂ】
2020532723.tif 000042
【図２１Ｃ】
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【図２１Ｄ】
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【図２１Ｅ】
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【図２１Ｆ】
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【図２１Ｇ】
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【図２１Ｈ】
2020532723.tif 000048
【図２１Ｉ】
2020532723.tif 000049
【図２２】
2020532723.tif 000050
【図２３】
2020532723.tif 000051
【図２４】
2020532723.tif 000052
【図２５Ａ】
2020532723.tif 000053
【図２５Ｂ】
2020532723.tif 000054
【図２６−１】
2020532723.tif 000055
【図２６−２】
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【図２７】
2020532723.tif 000057
【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
2020532723.tif 000061
【図３２】
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【図３３】
2020532723.tif 000063
【図３４】
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【図３５】
2020532723.tif 000065
【図３６】
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【図３７】
2020532723.tif 000067
【図３８】
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【図３９】
2020532723.tif 000069
【図４０】
2020532723.tif 000070
【図４１】
2020532723.tif 000071
【図４２】
2020532723.tif 000072
【図４３】
2020532723.tif 000073
【図４４】
2020532723.tif 000074
【図４５】
2020532723.tif 000075
【図４６】
2020532723.tif 000076
【図４７】
2020532723.tif 000077
【図４８】
2020532723.tif 000078
【図４９】
2020532723.tif 000079
【図５０Ａ】
2020532723.tif 000080
【図５０Ｂ】
2020532723.tif 000081
【図５１】
2020532723.tif 000082
【図５２】
2020532723.tif 000083
【図５３】
2020532723.tif 000084
【図５４】
2020532723.tif 000085
【図５５】
2020532723.tif 000086
【図５６】
2020532723.tif 000087
【国際調査報告】
2020532723.tif 000088
2020532723.tif 000089
2020532723.tif 000090
2020532723.tif 000091
2020532723.tif 000092