(57)【要約】デジタルマイクロフルイディクス（DMF）装置のギャップ領域中の1つまたは複数の小滴、好ましくは2つ以上の小滴の位置、移動速度、蒸発速度および／またはサイズ（または他の物理的特徴）に関するフィードバックを決定提供するように構成されたデジタルマイクロフルイディクス装置（たとえばデバイスおよびシステム）が提供される。2020501107.tif 000003
2020501107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の駆動電極を有する第一のプレート；
1つまたは複数の接地電極を有し、該第一のプレートからギャップによって向かい側に離間している、第二のプレート；
電圧源；
複数の感知回路であって、該複数の感知回路からの感知回路が各駆動電極に電気的に接続されており、各感知回路が、該感知回路の充電回路中のコンデンサの充電電圧を検出するように構成されている、複数の感知回路；および
該電圧源からの電圧を該第一のプレートおよび該第二のプレートに交互に印加するように構成された制御装置であって、該第一のプレートへの電圧の印加が、該ギャップ内で1つまたは複数の小滴を動かすために該複数の駆動電極からの1つまたは複数の駆動電極に電圧を印加することを含み、該第二のプレートへの電圧の印加が、該1つまたは複数の接地電極に電圧を印加することを含み、さらに、該制御装置が、該第二のプレートへの電圧の印加時に該感知回路それぞれからの入力に基づいて該複数の駆動電極に対する1つまたは複数の小滴の位置を並行的に感知するように構成されている、制御装置
を含む、並行小滴検出を備えたデジタルマイクロ流体（DMF）装置。
【請求項２】
複数の感知回路の各感知回路が充電回路、放電回路およびアナログ-デジタル変換器を含む、請求項1記載の装置。
【請求項３】
複数の感知回路の各感知回路が充電回路、放電回路およびアナログ-デジタル変換器（ADC）を含み、さらに、該放電回路がトランジスタおよび接地を含む、請求項1記載の装置。
【請求項４】
複数の感知回路の各感知回路が充電回路、放電回路およびアナログ-デジタル変換器（ADC）を含み、さらに、該充電回路がコンデンサおよびダイオードを含む、請求項1記載の装置。
【請求項５】
複数の感知回路の各感知回路が充電回路、放電回路およびアナログ-デジタル変換器（ADC）を含み、さらに、該ADCが、該充電回路の充電電圧を検出するように構成されている、請求項1記載の装置。
【請求項６】
複数の感知回路の各感知回路が充電回路、放電回路およびアナログ-デジタル変換器（ADC）を含み、さらに、制御装置が、該放電回路、次いで該充電回路を順次アクティブ化するように、および該複数の感知回路のすべての感知回路に関して並行的に該ADCから該充電回路の充電電圧を受け取るように構成されている、請求項1記載の装置。
【請求項７】
電圧源と1つまたは複数の接地電極と複数の駆動電極との間に接続されたフォワード／リバーススイッチをさらに含み、制御装置が、該フォワード／リバーススイッチを作動させて、第一のプレートへの電圧印加と第二のプレートへの電圧印加とを切り替えるように構成されている、請求項1記載の装置。
【請求項８】
複数の電極スイッチをさらに含み、該複数の電極スイッチからの各電極スイッチが、複数の駆動電極のうちの1つの駆動電極に接続されており、かつスイッチ制御装置を介して制御装置によって制御されて、電圧源からの電圧を該駆動電極に印加する、請求項1記載の装置。
【請求項９】
電圧電源が高電圧電源を含む、請求項1記載の装置。
【請求項１０】
制御装置が、複数の感知回路のそれぞれによって感知された電圧をしきい電圧値と比較して、複数の駆動電極に対する1つまたは複数の小滴の位置を決定するように構成されている、請求項1記載の装置。
【請求項１１】
制御装置が、複数の感知回路のそれぞれによって感知された電圧を所定の電圧値または電圧値の範囲と比較して、1つまたは複数の小滴のサイズを決定するように構成されている、請求項1記載の装置。
【請求項１２】
第一の疎水性層を有する第一のプレート；
第二の疎水性層を有する第二のプレート；
該第一のプレート中の複数の駆動電極；
該第二のプレート中の1つまたは複数の接地電極；
電圧源；
該電圧源と該1つまたは複数の接地電極と該複数の駆動電極との間に接続されており、該電圧源と、該1つもしくは複数の接地電極または該複数の駆動電極のいずれかとの間の接続を切り替えるように構成された、フォワード／リバーススイッチ；
複数の電極スイッチであって、該複数の電極スイッチからの電極スイッチが、該フォワード／リバーススイッチと該複数の駆動電極の各駆動電極との間に接続されており、該電圧源から該電極への電圧の印加を可能にするように構成されている、複数の電極スイッチ；
複数の感知回路であって、該複数の感知回路からの感知回路が、該フォワード／リバーススイッチと各駆動電極との間に接続された該電極スイッチと、各電極との間に接続されている、複数の感知回路；および
該フォワード／リバーススイッチと、スイッチ制御装置を介した該複数の電極スイッチとを制御して、該フォワード／リバーススイッチが該電圧源を該複数の電極に接続するとき該第一のプレートと該第二のプレートとの間のギャップ内で1つまたは複数の小滴を動かすように構成され、さらに、該フォワード／リバーススイッチが該電圧源を該1つまたは複数の接地電極に接続するとき該感知回路それぞれからの入力に基づいて該複数の駆動電極に対する1つまたは複数の小滴の位置を決定するように構成された、制御装置
を含む、並行小滴検出を備えたデジタルマイクロ流体（DMF）装置。
【請求項１３】
デジタルマイクロフルイディクス（DMF）装置において複数の小滴の位置を同時に決定する方法であって、
第一のプレートと第二のプレートとの間のギャップ内で1つまたは複数の小滴を動かすために該第一のプレート中の複数の駆動電極に電圧を印加する工程；
該第二のプレート中の1つまたは複数の接地電極に電圧を印加する工程；
該1つまたは複数の接地電極に電圧を印加しながら、複数の感知回路において充電電圧を同時並行的に感知する工程であって、各駆動電極が該複数の感知回路からの別個の感知回路と関連付けられている、工程；および
感知された該充電電圧に基づいて、該複数の駆動電極に対する該1つまたは複数の小滴の位置を決定する工程
を含む方法。
【請求項１４】
複数の駆動電極に電圧を印加する工程および1つまたは複数の接地電極に電圧を印加する工程が、同じ高電圧源からの電圧を印加することを含む、請求項13記載の方法。
【請求項１５】
複数の駆動電極に電圧を印加する工程が、隣接する駆動電極に順次に電圧を印加することを含む、請求項13記載の方法。
【請求項１６】
1つまたは複数の小滴の決定された位置に基づいて複数の駆動電極のうちの1つまたは複数に電圧を再び印加する工程をさらに含む、請求項13記載の方法。
【請求項１７】
第二のプレート中の1つまたは複数の接地電極に電圧を印加する工程が、第一のプレート中の駆動電極に電圧を印加せずに、該1つまたは複数の接地電極に電圧を印加することを含む、請求項13記載の方法。
【請求項１８】
1つまたは複数の接地電極に電圧を印加する前に、第一のプレート中の各感知回路において電圧を放電する工程をさらに含む、請求項13記載の方法。
【請求項１９】
1つまたは複数の接地電極に電圧を印加しているとき、第一のプレート中の複数の感知回路の各感知回路中のコンデンサを充電する工程をさらに含む、請求項13記載の方法。
【請求項２０】
1つまたは複数の接地電極に電圧を印加する前に各感知回路において電圧を放電し、次いで、該1つまたは複数の接地電極に電圧を印加しているとき、該複数の感知回路の各感知回路中のコンデンサを充電する工程をさらに含む、請求項13記載の方法。
【請求項２１】
1つまたは複数の小滴の位置を決定する工程が、感知された充電電圧を所定の値または値の範囲と比較して、小滴が駆動電極上にあるかまたは駆動電極に隣接しているかを決定することを含む、請求項13記載の方法。
【請求項２２】
1つまたは複数の小滴の位置を決定する工程が、感知された充電電圧を所定のしきい電圧値と比較して、小滴が駆動電極上にあるかまたは駆動電極に隣接しているかを決定することを含む、請求項13記載の方法。
【請求項２３】
感知された充電電圧に基づいて1つまたは複数の小滴のサイズを決定する工程をさらに含む、請求項13記載の方法。
【請求項２４】
1つまたは複数の小滴の決定された位置に基づいて小滴の動きを修正する工程をさらに含む、請求項13記載の方法。
【請求項２５】
感知された充電電圧に基づいて蒸発速度を決定する工程をさらに含む、請求項13記載の方法。
【請求項２６】
デジタルマイクロフルイディクス（DMF）装置において複数の小滴のサイズまたは位置を同時に決定する方法であって、
第一のプレートと第二のプレートとの間のギャップ内で1つまたは複数の小滴を動かすために該第一のプレート中の複数の駆動電極に電圧を印加する工程；
該第一のプレート中の該複数の駆動電極に電圧を印加していないとき、複数の感知回路の各感知回路において電圧を放電する工程であって、各駆動電極が該複数の感知回路からの別個の感知回路と関連付けられている、工程；
該電圧を放電したのち、該第二のプレート中の1つまたは複数の接地電極に電圧を印加する工程；
該1つまたは複数の接地電極に電圧を印加しながら、各感知回路において充電電圧を同時並行的に感知する工程；および
感知された該充電電圧に基づいて、該複数の駆動電極に対する該1つまたは複数の小滴のサイズまたは位置を決定する工程
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本特許出願は、全体として参照により本明細書に組み入れられる、2016年8月22日に出願された米国特許仮出願第62/377,797号（「FEEDBACK SYSTEM FOR PARALLEL DROPLET CONTROL IN A DIGITAL MICROFLUIDIC DEVICE」と題する）に対する優先権を主張する。
【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。
【背景技術】
【０００３】
背景
デジタルマイクロフルイディクス（DMF）は、広い範囲の小型の生物学的および化学的用途のための強力な液体取り扱い技術として出現した（たとえば、Jebrail, M. J.; Bartsch, M. S.; Patel, K. D., Digital microfluidics: a versatile tool for applications in Chemistry, biology and medicine. Lab Chip 2012, 12 (14), 2452-2463（非特許文献1）を参照されたい）。DMFは、ポンプ、弁、可動部品または扱いにくい管材アセンブリを要することなく、固体、液体および刺激の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で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。ナノリットルないしマイクロリットル量の別々の小滴がリザーバから疎水性絶縁体でコートされた平面に小出しされ、そこで、埋め込まれた電極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。たとえば、Pollack, M. G.; Fair, R. B.; Shenderov, A. D., Electrowetting-based actuation of liquid droplets for microfluidic applications. Appl. Phys. Lett. 2000, 77 (11), 1725-1726（非特許文献2）；Lee, J.; Moon, H.; Fowler, J.; Schoellhammer, T.; Kim, C. J., Electrowetting and electrowetting-on dielectric for microscale liquid handling. Sens. Actuators A Phys. 2002, 95 (2-3), 259-268（非特許文献3）およびWheeler, A. R., Chemistry - Putting electrowetting to work. Science 2008, 322 (5901), 539-540（非特許文献4）を参照されたい。
【０００４】
この技術は、複雑なタスクの高度なフレキシブル性、容易な統合および最終的には費用効果的な自動化を可能にする。
【０００５】
本発明は、デジタルマイクロ流体デバイス上での小滴位置および小滴サイズの検出に関する。DMFデバイス上の小滴移動は、絶縁基板上にパターン化された電極パッドに高電圧を印加することによって開始される。その後、隣接する電極パッドにもこの工程を繰り返し適用して、デバイスを通過する小滴のための経路を生成する。小滴移動をより良く制御し、1つのパッドから別のパッドへの完全な小滴移行を保証するために、多くの場合、フィードバックシステムを用いて、駆動時の小滴の正確な位置を検出する。小滴が所望の移行を完了していないならば、高電圧を再び印加することができる。
【０００６】
DMF小滴を制御するために開発されたフィードバック／計測回路の大部分はインピーダンス／キャパシタンス計測に基づく。たとえば、図1Dおよび1Eに示すシステムは、インピーダンス計測に基づいて小滴位置を検出し、小滴速度を計測する（たとえば、Shih, S. C. C; Fobel, R.; Kumar, P.; Wheeler, A. R. A, Feedback Control System for High-Fidelity Digital Microfluidics. Lab Chip 2011 (11), 535-540（非特許文献5））。計測値がしきい値と比較されて小滴移動が評価される。小滴の速度は、電極の長さおよび高電圧パルスの持続期間に基づいて計算される。キャパシタンス／インピーダンスベースのシステムの他の例が、小滴がリザーバから小出しされるときに小滴サイズを正確に計測するために使用される。たとえば、Ren, H.; Fair, R. B.; Pollack, M. G., Automated on-chip droplet dispensing with volume control by electro-wetting actuation and capacitance metering. Sens. Actuators B 2004 (98), 319（非特許文献6）およびGong, J.; Kim, C.-J., All-electronic droplet generation on-chip with real-time feedback control for EWOD digital microfluidics. Lab Chip 2008 (8), 898（非特許文献7）を参照されたい。別の例においては、小滴の組成および混合効率を調査するためにキャパシタンス計測が使用される（たとえばSchertzer, M. J.; Ben-Mrad, R.; Sullivan, P. E., Using capacitance measurements in EWOD devices to identify fluid composition and control droplet mixing. Sens. Actuators B 2010 (145), 340（非特許文献8））。
【０００７】
上記従来技術システムを使用して小滴からフィードバック信号を得るためには、まず、計測用電気信号を電極パッドに供給し、次いで、トップ基板を通して共通の計測回路に供給する。共通の回路は各フィードバック計測において単一値を提供し、したがって、1つの計測においては1つの小滴のみの性質（たとえばサイズ、位置、組成）しか正確に読み取ることができない。複数の小滴のモニタリングおよび制御は同時に実施することはできず、むしろ逐次方式である。
【０００８】
DMFデバイス上での並行反応のリアルタイムモニタリングのための解決手段を提供するために、本発明者らは、複数の小滴およびそれらの性質の同時検出のための新たな電気的フィードバックシステム設計を開発した。性質は、小滴位置、サイズ、組成などを含むが、それらに限定されない。また、Sadeghi, S.; Ding, H.; Shah, G. J.; Chen, S.; Keng, P. Y.; Kim, C.-J.; van Dam, R. M., On Chip Droplet Characterization: A Practical, High-Sensitivity Measurement of Droplet Impedance in Digital Microfluidics. Anal. Chem. 2012 (84), 1915（非特許文献9）およびMurran M. A.; Najjaran, H., Capacitance-based droplet position estimator for digital microfluidic devices. Lab Chip 2012 (12), 2053（非特許文献10）を参照されたい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Jebrail, M. J.; Bartsch, M. S.; Patel, K. D., Digital microfluidics: a versatile tool for applications in Chemistry, biology and medicine. Lab Chip 2012, 12 (14), 2452-2463
【非特許文献２】Pollack, M. G.; Fair, R. B.; Shenderov, A. D., Electrowetting-based actuation of liquid droplets for microfluidic applications. Appl. Phys. Lett. 2000, 77 (11), 1725-1726
【非特許文献３】Lee, J.; Moon, H.; Fowler, J.; Schoellhammer, T.; Kim, C. J., Electrowetting and electrowetting-on dielectric for microscale liquid handling. Sens. Actuators A Phys. 2002, 95 (2-3), 259-268
【非特許文献４】Wheeler, A. R., Chemistry - Putting electrowetting to work. Science 2008, 322 (5901), 539-540
【非特許文献５】Shih, S. C. C; Fobel, R.; Kumar, P.; Wheeler, A. R. A, Feedback Control System for High-Fidelity Digital Microfluidics. Lab Chip 2011 (11), 535-540
【非特許文献６】Ren, H.; Fair, R. B.; Pollack, M. G., Automated on-chip droplet dispensing with volume control by electro-wetting actuation and capacitance metering. Sens. Actuators B 2004 (98), 319
【非特許文献７】Gong, J.; Kim, C.-J., All-electronic droplet generation on-chip with real-time feedback control for EWOD digital microfluidics. Lab Chip 2008 (8), 898
【非特許文献８】Schertzer, M. J.; Ben-Mrad, R.; Sullivan, P. E., Using capacitance measurements in EWOD devices to identify fluid composition and control droplet mixing. Sens. Actuators B 2010 (145), 340
【非特許文献９】Sadeghi, S.; Ding, H.; Shah, G. J.; Chen, S.; Keng, P. Y.; Kim, C.-J.; van Dam, R. M., On Chip Droplet Characterization: A Practical, High-Sensitivity Measurement of Droplet Impedance in Digital Microfluidics. Anal. Chem. 2012 (84), 1915
【非特許文献１０】Murran M. A.; Najjaran, H., Capacitance-based droplet position estimator for digital microfluidic devices. Lab Chip 2012 (12), 2053
【発明の概要】
【００１０】
開示の概要
概して、本明細書に記載されるものは、デジタルマイクロフルイディクス（DMF）装置のギャップ領域中の1つまたは複数の小滴、好ましくは2つ以上の小滴の位置、移動速度、蒸発速度および／またはサイズ（または他の物理的特徴）に関するフィードバックを決定提供するように構成されているデジタルマイクロフルイディクス装置（たとえばデバイスおよびシステム）である。特に、本明細書に記載されるものは、物理的特徴（サイズ、位置、移動速度、蒸発速度など）を同時にまたは同時並行的に測定するために使用され得る方法および装置である。これらの方法および装置は概して、装置の第一のプレートへの電圧印加、たとえば駆動電極に電圧を印加することによって小滴を動かすための電圧印加と、電圧印加の停止（感知回路の放電を可能にし得る）と、1つまたは複数の接地電極（たとえば1つまたは複数の第二プレート接地電極）への電圧印加との間で切り替えを行い得る。
【００１１】
たとえば、本明細書に記載されるものは、並行小滴検出を備えたデジタルマイクロ流体（DMF）装置である。そのようなDMF装置は、複数の駆動電極を有する第一のプレート；1つまたは複数の接地電極を有する第二のプレートであって、第一のプレートが、第一のプレートからギャップによって向かい側に離間している、第二のプレート；電圧源；複数の感知回路であって、複数の感知回路からの感知回路が各駆動電極に電気的に接続されており、各感知回路が、それが電気的に接続されている駆動電極と、1つまたは複数の第二プレート接地電極との間の電圧を検出するように構成されている、複数の感知回路；および、電圧源からの電圧を第一のプレートおよび第二のプレートに交互に印加するように構成された制御装置であって、第一のプレートへの電圧の印加が、ギャップ内で1つまたは複数の小滴を動かすために複数の駆動電極からの1つまたは複数の駆動電極に電圧を印加することを含み、第二のプレートへの電圧の印加が、1つまたは複数の第二プレート接地電極に電圧を印加することを含み、さらに、制御装置が、第二のプレートへの電圧の印加時に感知回路それぞれからの入力に基づいて1つまたは複数の小滴の性質（たとえば、複数の駆動電極に対する1つまたは複数の小滴の位置、1つまたは複数の小滴のサイズ、1つまたは複数の小滴の蒸発速度、1つまたは複数の小滴の移動速度など）を並行的に感知するように構成されている、制御装置を含み得る。
【００１２】
複数の感知回路の各感知回路は、充電回路、放電回路およびアナログ-デジタル変換器（ADC）を含み得、さらに、放電回路はトランジスタおよび接地を含む。たとえば、複数の感知回路の各感知回路は、充電回路、放電回路およびアナログ-デジタル変換器（ADC）を含み得、さらに、充電回路はコンデンサおよびダイオードを含む。複数の感知回路の各感知回路は、充電回路、放電回路およびアナログ-デジタル変換器（ADC）を含み得、さらに、ADCは、充電回路の充電電圧を検出するように構成されている。たとえば、複数の感知回路の各感知回路は、充電回路、放電回路およびアナログ-デジタル変換器（ADC）を含み得、さらに、制御装置は、放電回路、次いで充電回路を順次アクティブ化するように、および複数の感知回路のすべての感知回路に関して並行的にADCから充電回路の充電電圧を受け取るように構成されている。
【００１３】
これらの装置のいずれも、電圧源と1つまたは複数の第二プレート接地電極と複数の駆動電極との間に接続されたフォワード／リバーススイッチを含み得、制御装置は、フォワード／リバーススイッチを作動させて、第一のプレートへの電圧印加と第二のプレートへの電圧印加とを切り替えるように構成されている。装置はまた、複数の電極スイッチを含み得、複数の電極スイッチからの各電極スイッチが、複数の駆動電極のうちの1つの駆動電極に接続されており、かつスイッチ制御装置によって制御されて、電圧源からの電圧を駆動電極に印加する。
【００１４】
概して、任意の適切な電圧電源を使用し得る。たとえば、電圧電源は高電圧電源を含み得る。
【００１５】
制御装置は、複数の感知回路のそれぞれによって感知された電圧をしきい電圧値と比較して、複数の駆動電極に対する1つまたは複数の小滴の位置を決定するように構成され得る。いくつかの変形態様において、制御装置は、複数の感知回路のそれぞれによって感知された電圧を所定の電圧値または電圧値の範囲と比較して、1つまたは複数の小滴のサイズを決定するように構成されている。
【００１６】
並行小滴検出を備えたデジタルマイクロ流体（DMF）装置の例は、第一の疎水性層を有する第一のプレート；第二の疎水性層を有する第二のプレート；第一のプレート中の複数の駆動電極；第二のプレート中の1つまたは複数の接地電極；電圧源；接地と電圧源と1つまたは複数の第二プレート接地電極と複数の駆動電極との間に接続されており、電圧源と、1つもしくは複数の第二プレート接地電極または複数の駆動電極のいずれかとの間の接続を切り替えるように構成された、フォワード／リバーススイッチ；複数の電極スイッチであって、複数の電極スイッチからの電極スイッチが、フォワード／リバーススイッチと複数の駆動電極の各駆動電極との間に接続されており、スイッチ制御装置によって制御され、電圧源から電極への電圧の印加を可能にするように構成されている、複数の電極スイッチ；複数の感知回路であって、複数の感知回路からの感知回路が、フォワード／リバーススイッチと各駆動電極との間に接続された電極スイッチと、各電極との間に接続されている、複数の感知回路；フォワード／リバーススイッチと、複数の電極スイッチを制御するように構成されたスイッチ制御装置とを制御して、フォワード／リバーススイッチが電圧源を複数の電極に接続するとき第一のプレートと第二のプレートとの間のギャップ内で1つまたは複数の小滴を動かすように構成され、さらに、フォワード／リバーススイッチが電圧源を1つまたは複数の接地電極に接続するとき感知回路それぞれからの入力に基づいて複数の駆動電極に対する1つまたは複数の小滴の位置を決定するように構成された、制御装置を含み得る。
【００１７】
同じく本明細書に記載されるものは、デジタルマイクロフルイディクス（DMF）装置において複数の小滴の位置を同時に決定する方法であって、第一のプレートと第二のプレートとの間のギャップ内で1つまたは複数の小滴を動かすために第一のプレート中の複数の駆動電極に電圧を印加する工程；第二のプレート中の1つまたは複数の接地電極に電圧を印加する工程；1つまたは複数の接地電極に電圧を印加しながら、複数の感知回路において充電電圧を同時並行的に感知する工程であって、各駆動電極が複数の感知回路からの別個の感知回路と関連付けられている、工程；および、感知された充電電圧に基づいて、1つまたは複数の小滴の性質（たとえば、複数の駆動電極に対する1つまたは複数の小滴の位置、1つまたは複数の小滴のサイズ、1つまたは複数の小滴の蒸発速度、1つまたは複数の小滴の移動速度など）を決定する工程を含む方法である。
【００１８】
複数の駆動電極に電圧を印加する工程および1つまたは複数の接地電極に電圧を印加する工程は、同じ高電圧源からの電圧を印加することを含み得る。複数の駆動電極に電圧を印加する工程は、隣接する駆動電極に順次に電圧を印加することを含み得る。
【００１９】
これらの方法のいずれも、1つまたは複数の小滴の決定された位置に基づいて複数の駆動電極のうちの1つまたは複数に電圧を再び印加する工程を含み得る。概して、感知回路出力（たとえば充電電圧）および／または感知回路から導出された任意の情報、たとえば小滴サイズ、位置、移動速度、蒸発速度などをフィードバックとして装置に提供して、たとえば、印加される駆動電圧を調節することなどによって動きを修正し得る。
【００２０】
第二のプレート中の1つまたは複数の接地電極に電圧を印加する工程は、第一のプレート中の駆動電極に電圧を印加せずに、1つまたは複数の接地電極に電圧を印加することを含み得る。
【００２１】
これらの方法のいずれも、1つまたは複数の接地電極に電圧を印加する前に、第一のプレート中の各感知回路において電圧を放電する工程を含み得る。これらの方法のいずれも、1つまたは複数の接地電極に電圧を印加しているとき、第一のプレート中の複数の感知回路の各感知回路中のコンデンサを充電する工程を含み得る。たとえば、方法は、1つまたは複数の接地電極に電圧を印加する前に各感知回路において電圧を放電し、次いで、1つまたは複数の接地電極に電圧を印加しているとき、複数の感知回路の各感知回路中のコンデンサを充電する工程を含み得る。
【００２２】
1つまたは複数の小滴の位置を決定する工程は、感知された充電電圧を所定の値または値の範囲と比較して、小滴が駆動電極上にあるかまたは駆動電極に隣接しているかを決定することを含み得る。1つまたは複数の小滴の位置を決定する工程は、感知された充電電圧を所定のしきい電圧値と比較して、小滴が駆動電極上にあるかまたは駆動電極に隣接しているかを決定することを含み得る。
【００２３】
また、これらの方法のいずれも、感知された充電電圧に基づいて1つまたは複数の小滴のサイズを決定する工程を含み得る。代替的または追加的に、これらの方法のいずれも、1つまたは複数の小滴の決定された位置に基づいて小滴の動きを修正する（たとえば、フィードバックを使用して小滴の動きを調節する）工程を含み得る。代替的または追加的に、これらの方法のいずれも、感知された充電電圧に基づいて蒸発速度を決定する工程を含み得る。
【００２４】
デジタルマイクロフルイディクス（DMF）装置において複数の小滴の位置を同時に決定する方法の例は、第一のプレートと第二のプレートとの間のギャップ内で1つまたは複数の小滴を動かすために第一のプレート中の複数の駆動電極に電圧を印加する工程；第一のプレート中の複数の駆動電極に電圧を印加していないとき、複数の感知回路の各感知回路において電圧を放電する工程であって、各駆動電極が複数の感知回路からの別個の感知回路と関連付けられている、工程；電圧を放電したのち、第二のプレート中の1つまたは複数の接地電極に電圧を印加する工程；1つまたは複数の接地電極に電圧を印加しながら、各感知回路において充電電圧を同時並行的に感知する工程；および、感知された充電電圧に基づいて、複数の駆動電極に対する1つまたは複数の小滴のサイズまたは位置を決定する工程を含み得る。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本発明の新規な特徴は添付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な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良い理解が得られるであろう。
【００２６】
【図１−１】図1Aは、デジタルマイクロ流体（DMF）装置の一例の上方斜視図である。図1Bは、図1Aに示す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（この例においてはエアマトリックス）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駆動電極を通過する開口を含み、補充用の小滴を開口（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装置のエアギャップの中に送り出し得るように構成されている。
【図１−２】図1Dおよび1Eは、従来技術の小滴制御システムの回路図を示す。図1Dは、PC、関数発生増幅器、リレーボックス、DMFデバイスおよび計測回路の間の関係を示す、小滴制御システムの全体回路図を示す。図1Eは、Shih, S. C. C; Fobel, R.; Kumar, P.; Wheeler, A. R. A, Feedback Control System for High-Fidelity Digital Microfluidics. Lab Chip 2011 (11), 535-540から適合されたDMGデバイスおよび計測／フィードバック回路の詳細回路図および回路モデルを示す。
【図２Ａ】プレート間のギャップ中の1つまたは複数の小滴の位置、たとえば駆動電極に対する位置を（並行的に）決定するように構成された、本明細書に記載されるDMF装置の例である。
【図２Ｂ】DMF装置上の小滴の操作のための制御システムを特に示す、本明細書に記載される並行小滴検出を備えたDMF装置の別の回路図である。
【図３】DMF装置における複数の小滴の位置の同時並行（たとえば並行）決定を含むデジタルマイクロ流体デバイス設計の別の変形態様の概略図を示す。
【図４】対応するphotoMOSリレー動作を備えたデジタルマイクロ流体デバイスを使用する小滴駆動を示す。
【図５】スイッチ制御装置構成の一例を示す。この例において、スイッチはphotoMOSスイッチを含み、感知回路は充電および放電ブロックを含む。この例において、感知回路はまた、アナログ-デジタル変換器（ADC）を含み得る。
【図６】小滴動き制御のためのフォワードストリーミング（たとえばアルゴリズムとして具現化され得る）および小滴フィードバック（たとえば感知）のためのリバースストリームアルゴリズムの方法の一例である。
【図７】本明細書に記載される装置に基づく充放電タイミング図を示す。
【図８】電極によって小滴を駆動するための「フォワードストリーム」モードの場合の電気回路の回路図を示す。
【図９】電極上の小滴の存在を検出するための「リバースストリーム」モードの場合の電気回路の一例の回路図を示す。スイッチ制御装置が、2つのシナリオ：1）小滴が電極上に存在するシナリオ、および2）小滴が電極上に存在しないシナリオで、異なるADC値を読み取る。
【図１０】電極パッドを占有する小滴のサイズに依存する電圧値を検出する1つの方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
詳細な説明
本明細書に記載されるものは、他すべての必要な機能を実行するために特化されているチャネルベースのマイクロ流体モジュールへのおよびそこからの試料および試薬の多重化処理およびルーティングのために使用され得るデジタルマイクロフルイディクス（DMF）装置（たとえばデバイスおよびシステム）である。これらのDMF装置は、エアマトリックス（たとえばオープンエア型）、閉鎖型および／またはオイルマトリックスDMF装置ならびにそれらの使用方法であり得る。特に、本明細書に記載されるものは、小滴の性質（たとえば、装置に対する位置、小滴の移動速度、小滴の蒸発速度、小滴のサイズなど）を同時並行的に（たとえば同時に、並行的になど）決定するためのDMF装置およびそれらの使用方法である。これは、装置が、特定の駆動電極にそれぞれが接続された複数の個々の感知回路、および、駆動電極への電圧印加と、それに続く複数の駆動電極（および感知回路）とは反対側の接地電極への電圧印加とを切り替える制御装置を含み得るため、可能である。制御装置はまた、感知回路データを受け取り、結果（たとえば充電電圧データ）を所定の値または値の範囲と比較して、小滴の位置、サイズ、移動速度などを推測し得る。多様なDMF装置のいずれにも組み込まれ得る本明細書に記載される要素の配置のおかげで、結果的に得られるデータは、DMF装置の動作を制御およびモニタするための、リアルタイムフィードバックを含むフィードバックのために使用され得る。
【００２８】
たとえば、DMFはチャネルベースのマイクロ流体モジュールを組み込み得る。本明細書に記載される装置（システムおよびデバイスを含む）は、以前に記載されているDMF装置の特徴または要素、たとえば駆動電極、温度調節器、ウェル、反応領域、下（ベースまたは第一の）プレート、上（第二の）プレート、接地などのいずれを含んでもよい。
【００２９】
本明細書において使用される語「温度調節器」（または、場合によっては熱電モジュールまたはTE調節器）は、熱電冷却器またはペルチェ冷却器を指し得、小さなヒートポンプとして機能する半導体ベースの電子部品である。低電圧DC電力をTE調節器に印加することにより、熱は、構造を通って一方の側から他方の側へと移動する。それにより、温度調節器の一面は冷却され、同時に反対側面は加熱され得る。温度調節器は加熱および冷却の両方に使用され得るので、正確な温度制御用途に非常に適している。使用され得る他の温度調節器は、抵抗加熱および／または再循環加熱／冷却（水、空気または他の流体熱媒体が、たとえばエアギャップを形成するプレートを介してエアギャップのすべてまたは一領域と熱的に連通した熱交換領域を有するチャネルを通って再循環する）を含む。
【００３０】
本明細書において使用される語「温度センサ」は、抵抗温度検出器（RTD）を含み得、温度を計測するために使用され得る任意のセンサを含む。RTDは、RTD素子の抵抗を温度と相関させることによって温度を計測し得る。大部分のRTD素子は、セラミックまたはガラスの芯に巻かれた細いコイル巻ワイヤからなる。RTD素子は、高純度の材料、一般的には白金、ニッケルもしくは銅または熱的性質が特性決定されている合金から作られ得る。材料は、温度の変化に伴って予測可能な抵抗の変化を有し、この予測可能な変化こそが、温度を測定するために使用されるものである。
【００３１】
本明細書において使用される語「デジタルマイクロフルイディクス」は、別々の小滴のマイクロマニピュレ−ションに基づく「lab-on-a-chip」システムを指し得る。デジタルマイクロ流体処理は、装置上で移送、貯蔵、混合、反応、加熱および／または分析され得る流体（試薬、反応成分）の別々のパケットに対して実施される。デジタルマイクロフルイディクスは、より高度の自動化を用い得、一般的には、より少ない物理的部品、たとえばポンプ、管材、弁などを使用する。
【００３２】
本明細書において使用される語「サイクルしきい値」は、蛍光シグナルが検出され得るように蛍光シグナルがしきいレベルを超える（すなわち、バックグラウンドシグナルを超える）ために必要なポリメラーゼ連鎖反応（PCR）アッセイにおけるサイクルの回数を指し得る。
【００３３】
本明細書に記載されるDMF装置は、プリント回路板（PCB）、プラスチック、ガラスなどを含み得る材料の層から構築され得る。電気接続が駆動電極とは別個の層を占有し、より多くのスペースを小滴駆動のために与え、電子部品のオンチップ集積を簡単にすることができるという点で、多層PCBが従来の単層デバイス（たとえばクロムまたはITO付きガラス）よりも有利であり得る。
【００３４】
DMF装置は、対象となる特定の反応工程に適する任意の寸法または形状であり得る。さらに、DMFデバイスのレイアウトおよび特定の部品はまた、対象となる反応に依存して異なり得る。本明細書に記載されるDMF装置は、1つの平面（小滴が中を移動するエアギャップの平面と同じであってもよい）に位置する試料リザーバおよび試薬リザーバを主に記載し得るが、試料リザーバおよび／または試薬リザーバは、互いにおよび／またはエアギャップに対して異なる層にあってもよく、互いに流体連通していてもよいと考えられる。
【００３５】
図1Aは、典型的なDMF装置100のレイアウトの例を示す。概して、このエアマトリックスDMF装置は、1つの駆動電極106を第二プレートの接地電極102とは反対側に有することによって画定される、互いに隣接する複数の単位セル191を含む。各単位セルは、任意の適切な形状であり得るが、概して、同じおおよその表面積を有し得る。図1A中、単位セルは長方形である。小滴（たとえば反応小滴）は、第一のプレート153と第二のプレート151（図1A〜1Cにはトッププレートおよびボトムプレートとして示す）との間のエアギャップ内に嵌まる。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を示す。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、保護用被覆層、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、駆動電極層、PCB、熱制御層など）を含み得る。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。
【００３６】
図1A〜1Cに示す例においては、トッププレート101、この場合はガラスまたは他のトッププレート材料が、支持を提供し、下にある層を外部微粒子から保護するだけでなく、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、トッププレートは小滴をプレートの間に閉じ込め／挟み得、それが、オープンエア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。上プレート（この例では第二のプレート）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／または透明なプラスチックで形成され得る。DMF回路のための接地電極（接地電極層102）が、基板（たとえばガラス）に隣接しかつその下にある。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、反応小滴を1つの凝集単位に維持するのを支援する。
【００３７】
図1A〜1Cに下プレートまたはボトムプレート151として示す第一のプレートは、単位セルを画定する駆動電極を含み得る。この例においては、第一のプレートと同じく、プレート間のエアギャップ104に面する最外層もまた、疎水性層103を含む。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。エアギャップ104は、反応小滴がはじめに試料リザーバ内に収容され、1つまたは複数の反応工程を実行するためにおよび様々な反応工程用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、小滴と電極との間のキャパシタンスを増加させ得る誘電体層105がある。駆動電極を含有するPCB層（駆動電極層106）が、誘電体層105に隣接しかつその下にある。先に述べたように、駆動電極は各単位セルを形成し得る。駆動電極は、様々な条件（たとえば温度、様々な試薬と組み合わせる、など）下で様々な反応工程を実行し得るようにDMFデバイス内の小滴を異なる領域へ動かすために通電され得る。支持基板107（たとえばPCB）が駆動電極層106に隣接しかつその下にあり（図1Bおよび1C）、これらの部品、たとえば駆動電極、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、たとえば温度調節器155（TECとして示す）、温度センサ、光センサなどのための支持および電気接続を提供し得る。駆動電極の動作を制御する、および／または反応小滴への補充用小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から分離していてもよいし、そのような1つまたは複数の制御装置195が第二のプレート上に形成されかつ／または第二のプレートによって支持されていてもよい。図1A〜1C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、この配置が逆でもよい。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に接続された状態で示されている。
【００３８】
先に述べたように、エアギャップ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）と組み合わせることによって処理し得る区域を提供する。図1A中、エアギャップ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、初期の反応小滴を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独特であり得る。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112を介して流体連通している。反応ゾーン112は、駆動電極層106と電気的に連通しており、駆動電極層106は反応ゾーン112の下に位置する。
【００３９】
駆動電極106は、図1Aにおいてはグリッドまたは単位セルとして示されている。他の例において、駆動電極は、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。駆動電極は、小滴を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。小滴の動きおよび、ある程度にはその形状は、駆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つまたは複数の小滴は、電極を制御されたやり方で順次に通電および遮断することによって駆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、（約100個の単位セルを形成する）100個の駆動電極が、7個のリザーバ（試料リザーバ1個および試薬リザーバ6個）と接続されている。駆動電極は、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製造され得る。
【００４０】
駆動電極によって形成される単位セルのすべてまたはいくつかは、少なくとも1つの温度調節器（たとえばTEC155）および少なくとも1つの温度検出器／センサ（RTD157）と熱的に連通し得る。加えて、図示する駆動電極それぞれはまた、装置の動作中に時々、小滴の性質（位置、サイズなどを含む）に関するフィードバックを提供するための感知回路を含み得る。
【００４１】
たとえば、図2Aおよび2Bは、小滴性質の同時分析を提供する装置の例を示す。この例においては、デジタルマイクロ流体デバイス上の小滴の位置およびサイズをモニタするための新たなフィードバックシステムが開発されている。
【００４２】
たとえば、図2Aは、並行小滴検出を備えたデジタルマイクロ流体（DMF）装置として構成された装置を示す。この例における装置は、第一の疎水性層を有する第一のプレート（下プレート209）と、第二の疎水性層を有する第二のプレート207とを含む。図2Aに示す一般例はまた、第一のプレート中に複数の駆動電極213を含む（任意の数の駆動電極が含まれ得る）。先に述べたように、これらの電極は、第一のプレートの中または下に形成され得、たとえば、この第一のプレートの、異なる層および／または領域を含み得る一部であり得る。図2Aに示す例示的システムはまた、第二のプレート中に1つまたは複数の接地電極を含む。たとえば、1つの第二プレート接地電極が、ギャップ（たとえばエアギャップ）をはさんで駆動電極の向かい側にあり得る。図2A中、制御装置201は、電圧源205に接続され（かつ、それを制御し）、接地、電圧源205、1つまたは複数の第二プレート接地電極および複数の駆動電極に接続されているフォワード／リバーススイッチ203に接続され（かつ、それを制御し）得る。フォワード／リバーススイッチ203は、電圧源と、1つもしくは複数の第二プレート接地電極または複数の駆動電極のいずれかとの間の接続を切り替えるように構成され得る。制御装置201はまた、複数の電極スイッチ（223、224、225、226、227など）を含む（が、それらに限定されない）1つまたは複数のスイッチを調節し得るスイッチ制御装置202、および、いくつかの変形態様においては、各感知ユニット233、234、235、236、237などの中のトランジスタに接続され（かつ、それらを制御し）得る。図2Aに示す装置はまた、複数の感知回路（233、234、235、236、237など）を含み、この複数の感知回路からの感知回路が各電極と電極スイッチとの間に接続され得る。複数の電極スイッチ（223、224、225、226、227など）は、スイッチ制御装置202（開／閉状態を制御する）に接続され得、また、フォワード／リバーススイッチを介して電圧源にも接続され得る。このように、各駆動電極は、電圧源からの電圧の印加を可能にするように構成され得る。
【００４３】
先に述べたように、図2Aの制御装置201およびスイッチ制御装置202は、フォワード／リバーススイッチおよび複数の電極スイッチを制御して、フォワード／リバーススイッチが電圧源を複数の電極に接続するときには第一のプレートと第二のプレートとの間のギャップ内で1つまたは複数の小滴を動かすように構成され、さらに、フォワード／リバーススイッチが電圧源を1つまたは複数の第二プレート接地電極に接続するときには、各感知回路からの入力に基づいて、複数の駆動電極に対する1つまたは複数の小滴の位置（または他の性質）を決定するように構成され得る。
【００４４】
小滴の動きは、高電圧（HV）駆動信号を発生するための高電圧発生器と、photoMOSリレースイッチを制御し、駆動信号を個々の電極に送るスイッチ制御装置と、DMFデバイスとを含み得る、図2Bに示すDMF制御システムによって生成され制御される。
【００４５】
DMF制御装置は、DMFデバイスならびにスイッチ制御装置および高電圧発生器のような副制御装置を制御する、メインプロセッサである。標準動作モードでは、ユーザが、副制御装置へ出されるコマンドを主制御装置ソフトウェア中で生成する。そのようなコマンドの例は、photoMOSリレーへのON/OFFコマンド、高電圧発生器への高電圧制御コマンド、たとえば信号周波数、波形（方形波または正弦波）などである。実行されると、プロセッサは、設定電圧、周波数、小滴位置、電極パッド状態などを含む結果をユーザに報告する。制御装置のためのソフトウェアは、ホストコンピュータ上に提供されているか、制御装置と統合されたコンピュータ上に提供されているか、またはワイヤレスで提供される。
【００４６】
DMFデバイスは、2つの絶縁基板（図3）、すなわち、パターン化された電極パッドを有するボトム基板（一般的には、銅電極パッドを有するプリント回路板（PCB））および少なくとも1つの導電性パッドを有するトップ基板（一般的には、酸化インジウムスズ（ITO）でコートされたフロートガラス）で構成されている。標準設計においては、トップ基板上の導電性パッドが接地電極として作用し、高電圧はボトム電極に提供される。ボトム基板および電極パッドは、テフロンのような疎水性層が上に付着されている誘電体層でコートされている。同様に、トップ基板は疎水性層でコートされている。小滴は、数百マイクロメートル離れた2つの基板の間に挟まれる。
【００４７】
電極のグリッド上で小滴を操作するために、スイッチ制御装置は、photoMOSリレーを制御して、高電圧信号を小滴の近くの電極パッドに割り当てる。静電気力により、小滴は、通電された電極に移動する。図4は、3つの電極を通過する小滴の移動の場合のphotoMOSリレー動作を示す。第一の工程（1）で、小滴が、通電された電極に配置される。第二の工程（2）で、ユーザは、第一のパッド／photoMOSがOFFにされるとき、対応するphotoMOSがON位置となることによりHVが割り当てられる隣接する電極を選択する。これが、第一のパッドから第二のパッドへの小滴移動を生じさせる。類似の工程を適用して、第三のパッドをONに選択し、第二のパッドをOFFに選択すると、小滴は第二のパッドから第三のパッドに移動する。
【００４８】
本発明のリバースストリームフィードバックシステムは、充電および放電ブロックならびにアナログ-デジタル変換器（ADC）を各photoMOSリレーと対応する電気パッドとの間で回路に加えることによって動作可能にされる。図5が示すように、放電ブロックはトランジスタおよび接地からなり、充電ブロックはコンデンサおよびダイオードを含む。トランジスタは、コンデンサを放電する場合にはONになり、コンデンサを充電する場合にはOFFになる。この構成により、本発明者らのシステムは、小滴を動かすためのフォワードストリームモードまたは小滴位置およびサイズを検出するためのリバースストリームモードのいずれかで作動することができる。両モードを包含するアルゴリズムが図6に提示されている。
【００４９】
フォワードストリームモードにおいては、メインプロセッサが小滴移動コマンドをスイッチ制御装置に送り、photoMOSリレーを介して高電圧を電極パッドに割り当てるので、電極は小滴駆動のために通電される。このモード中、図8に示すように、高電圧接地（HV GND）がシステム接地に接続される。フォワードストリーム中、充電ブロックまたは放電ブロックのいずれも作動しない。
【００５０】
小滴駆動およびフォワードストリームモードののち、スイッチ制御装置はすべてのphotoMOSリレーを動作不能にし、photoMOSリレーとデバイスとの間に高電圧信号は流れない。放電ブロック中のトランジスタがONにされて、高電圧ラインおよびコンデンサ上の不要なキャパシタンスを放電する。これが、図7に示すような放電期間を構成する。
【００５１】
放電期間ののち、主制御装置がガラスITOを通して高電圧信号を充電ブロックに送るリバースストリームモードが続く。この充電期間中、photoMOSおよびトランジスタはOFFであり、送られる高電圧はコンデンサを充電することができる。エアギャップ中に小滴が存在する場合、信号／電圧はその小滴を通過して移動し、コンデンサは、小滴の非存在下で信号が空気だけを通過して移動するときよりも多く充電されて、より高い充電電圧を生じさせる。これは、小滴が空気よりも高い伝導率を有することによる。スイッチ制御装置は、アナログ-デジタル変換器（ADC）を通して充電電圧を検出する。たとえば、図9のリバースストリームモード中、2つの異なる充電電圧値：ギャップ中に小滴が存在する場合の2.4V〜2.8Vという高いほうの値、およびエアギャップのみ／電極なしの場合の1.4V〜2.0Vという低いほうの値が報告される。リバースストリームが完了したのち、メインプロセッサは、高電圧切り替えを可能にし、高電圧接地（HV GND）とシステム接地（GND）とを再び接続してシステムをフォワードストリームモードに戻し、さらなる小滴駆動に備える。
【００５２】
以前に報告されているDMFフィードバックシステムは、1つの時点で1つの充電電圧（または別の電気的パラメータ）しか計測することができない。これらのシステムにおいては、すべてのパッドに共通の1つの計測回路およびコンデンサがある。充電用HV信号は1つのパッド（または複数のパッド）を介してトップ基板およびコンデンサに送られて、このコンデンサは1つのフィードバック値のみを報告する。複数のパッドが作動し、計測されるとしても、1つの電圧出力しか得られない。複数のパッド読み取りを得るためには、生じた充電電圧をパッドごとに順次計測しなければならず、それがDMFの動作を遅くし、非効率的にする。それとは反対に、リバースストリームは、各パッドがそれ自体の充電ブロック、コンデンサおよびADCを備えているため、1つの時点で異なるパッドからの充電信号を読み取ることができ、ひいては、複数の小滴を同時に検出することができる。複数の並行小滴操作を要する複雑な生化学プロトコルを小型化するためにデジタルマイクロ流体デバイスが一般的に使用されるため、これが、リバースストリームフィードバックシステムを従来技術よりも有利なものにする。
【００５３】
「リバースストリーム」フィードバックシステムの適用
リバースストリームフィードバックシステムは、電極パッド上の小滴の存在に依存する電圧値を報告する。計測用信号が送られるとき通過する電極パッドを小滴が占有している場合、コンデンサはより多く充電され、報告される電圧は、エアギャップを通して計測用信号が送られる、小滴が存在しない場合よりも、有意に高くなる。これは、2つの媒質、すなわち空気と水の伝導率の差による。
【００５４】
本発明者らはまた、報告される電圧値が、電極パッドを覆う小滴ベース区域サイズとともに変化することを確認した。小滴によって被覆される区域が大きければ大きいほど、電圧読み取り値は高くなる（図10）。本発明者らのフィードバックシステムの感度は、電極パッド上の小滴存在の問いに対して簡単なYes/No回答を可能にするだけでなく、区域のどれほどが小滴によって占有されているのかを決定するのにも役立つことができる。
【００５５】
フィードバックシステムの主な使用は、小滴の動きを修正するための使用である。検出される電圧がしきい電圧未満であり、電極が完全に被覆されていないことを暗示する場合、しきい電圧に達するまで高電圧信号を再び印加することができる。しきい電圧は電極の完全な被覆および良好な小滴駆動を暗示する。
【００５６】
加えて、小滴によって被覆される区域に関する情報は、静止状態の小滴の蒸発速度を測定するために使用することもできる。蒸発とともに、小滴のベース区域、ひいては、検出される電圧は減少する。計測された蒸発速度を使用して、小滴補充のような蒸発管理法を発動することができる。たとえば、フィードバック電圧読み出し値が、電極区域の70％が小滴によって被覆されている、すなわち小滴の30％が蒸発したことを示す場合、補充用小滴を駆動して、蒸発しつつある小滴と統合して量の損失を補正し得る。
【００５７】
別の態様において、リバースストリームシステムは、小滴の組成を決定するために使用することもできる。小滴の伝導率はその構成成分に依存し、充電電圧に影響を及ぼすことができる。システムは、十分な感度をもって、異なる伝導率および組成の溶液を潜在的に区別することができる。
【００５８】
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直に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「直に上」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。
【００５９】
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「a」、「an」、「the」は、文脈が別段明確に指示しない限り、複数形をも含むことを意図する。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／または部品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、部品および／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。
【００６０】
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、特に別段指示されない限り、本明細書において説明のためだけに使用される。
【００６１】
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、文脈が別段指示しない限り、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。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。
【００６２】
本明細書および添付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、装置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。
【００６３】
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」が明示的に記載されていなくても、そのような語が前に付くものとして読まれ得る。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る。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、開示されるという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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。先に述べたように、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交換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せずに、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。この開示は、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１−１】
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【図１−２】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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