JP2004503361A - 流体注入のための装置および方法 - Google Patents

Abstract

流体パケットの計量注入に関する方法および装置。パケットを含む管はホールドオフ圧力以下の圧力まで加圧される。このパケットには、表面への管からパケットを抽出するための抽出力が加えられる。この装置は、パケットを含むように構成された管と、管に結合された圧力マニホールドと、マニホールドに結合され、かつ、ホールドオフ圧力以下の圧力まで管を加圧するように構成された圧力リザバと、プログラム可能な抽出力を発生可能な、抽出力は管から表面へパケットを抽出するように構成されている装置とを備える。
【選択図】図３

Description

【０００１】
（発明の背景）
本発明は、２０００年６月１４日に出願された米国仮特許出願番号６０／２１１，５１６の優先権を主張する。同出願を本明細書中で参考として援用する。
【０００２】
政府は、米国防総省高等研究計画局からの、認可番号Ｎ６６００１−９７−Ｃ−８６０８の修正３番に準じる本発明中の権利を所有し得る。
【０００３】
（１．発明の分野）
本発明は、概して、流体処理に関し、より詳細には、表面へ流体パケットを制御して注入する方法および装置に関する。さらに詳細には、本発明は、誘電伝達力を用いて表面へ流体パケットをプログラム可能に注入する方法および装置に関する。
【０００４】
（２．関連技術の説明）
化学プロトコルは、流体の計量、混合、輸送、分割、および他の操作を含む多くの処理工程を含む場合が多い。例えば、多くの場合に、流体を試験管中で調整し、ピペットを用いて計量し取り出し、異なる試験管へ移され、そして他の流体と混合させて、一つ以上の反応を促進する。このような手順の間に、試薬、中間生成物および／または最終生成物は、解析装置で監視され、測定されまたは感知され得る。ミクロ流体の処理は、一般的に、微小量の流体を用いたこのような処理および監視を伴う。ミクロ流体の処理は、例えば、診断医療、環境試験、農業、化学および生物戦検出、宇宙医療、分子生物学、化学、生化学、食品科学、臨床研究、および薬学の研究を含む、広い研究分野および産業分野における用途を見い出す。
【０００５】
流体処理に関する現在のアプローチはいくつかの欠点を示す。ミクロ流体処理への現在のアプローチは、微小のバルブ、ポンプ、コネクタ、ミキサおよび検出器で構成される多くのミクロ流体チャネルを利用する。これらの従来のアプローチを微小スケールで実行する装置は、少なくともある程度の有用性を示し得るが、ｋなりの改善の余地がある。例えば、現在のミクロ流体装置は、それらがマイクロチャネルの固定経路に依存しているために柔軟性に欠ける。経路が固定されているために、装置は、自身が実行するタスクの数および種類において制限される。さらに、固定経路を用いることによって、多くの種類の測定、輸送、および操作が困難になる。従来の装置を用いた場合、チャネル内である種類の試料と別の種類の試料とを分けることは困難である。
【０００６】
他の現在のアプローチは材料の電気的特性に関わることである。詳細には、材料の特定の電気的特性を用いて、限られた数の流体処理のタスクが実行されている。例えば、誘電伝達は、生物細胞を含む粒子の特徴化および分離するために用いられる。このような装置の例は、Ｂｅｔｔｓによる米国特許第５，３４４，５３５号で説明されており、同特許を本明細書において参考として援用する。Ｂｅｔｔｓは、懸濁液中の誘電分極可能な粒子に関して、誘電伝達凝集率および凝集率スペクトルを確立した。電極構造の下流の特定の位置に凝集した粒子は、光源および光検出器を用いて測定される。光検出器は、光の吸収または散乱の増減を測定し、次に、流体中に懸濁した粒子の凝集の増減を示す。粒子の誘電伝達特性を判定するためには有効であるが、このようなシステムは用途に限りがある。詳細には、このようなシステムでは、複数の試薬および反応生成物の計量、混合、融合、輸送、分割ならびに一般的操作等の、時折同時に実行される、様々な相互作用を含む一般的な流体の処理が不可能である。
【０００７】
特定の種類の処理に関してある特定の電気的特性を用いる別の例は、Ｈｅｌｌｅｒらによる米国特許第５，６３２，９５７号において開示されており、同特許を本明細書中で参考として援用する。同特許では、浸透層、付着領域およびリザバとともに電気的にアドレス可能な微小部位からなるマトリクスまたはアレイを用いることによって、制御されたハイブリッド形成が達成され得る。活性化された微小部位は、帯電した結合物を電極へ引き付ける。結合物が浸透層上に位置している付着層と接触すると、機能を有する特定の結合物は、付着層と共有結合をして付着する。ＤＮＡハイブリダイゼーションのような特定のタスクには有効であるが、改善の余地はある。詳細には、ある特定の結合物に対する接着部位を利用するこのようなシステムは、様々な流体の一般的な流体処理ではなくて、特定の用途向けに設計されている。より詳細には、このようなシステムは、付着部位と相互作用する帯電した結合物との使用向けに設計される。
【０００８】
他の処理の例は、Ｓｏａｎｅらによる米国特許第５，１２６，０２２号において開示されており、同特許を本明細書中で参考として援用する。同特許では、帯電した分子は、電極が発生した電界に反応して、溝を埋めている媒体を通って移動され得る。分離のようなタスクには有効であるが、このような装置は、多様な異なる材料と相互作用する広範囲の様々な流体処理の実行にあまり適さないという点で、改善の余地がある。
【０００９】
特定の、制限された処理タスクを実行するための誘電伝達を用いる他の例がある。ＰｅｔｈｉｇおよびＢｕｒｔによる米国特許第５，７９５，４５７号は、本明細書中で参考として援用され、異なる周波数の二つ以上の電界を電極アレイへ印加することによって、液体中に懸濁する粒子間の反応を促進する方法を開示する。おそらく、異なる種類の多くの粒子間の特定の相互作用を促進するためには有効であるが、この方法は一般的な流体処理にあまり適していない。本明細書中で参考として援用される、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒによる米国特許第４，３９０，４０３号は、誘電伝達力によって化学種を操作する方法および装置を開示する。ある化学反応を誘起するためには有効であるが、その柔軟性は制限されており、そして一般的かつプログラム可能な流体の処理は不可能である。
【００１０】
上述した欠点の（全てではないとしても）多くに対処する方法および装置は、「Ｍｅｔｈｏｄ　Ａｎｄ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｆｏｒ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｆｌｕｉｄｉｃ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」と称する、１９９９年２月１２日に出願された係属中の米国特許出願第０９／２４９，９５５号において開示されており、同出願の全体を本明細書中で参考として援用する。同出願では、反応表面、注入ポート、プログラム可能な操作力を生成する手段、位置センサおよびコントローラを用いて、材料のパケット操作に関する技術を開示する。本開示の一実施形態において、材料は、注入ポートにより反応表面上に導入される。この材料は、パケットを形成するために分けられる。パケットの位置は位置センサによって感知される。プログラム可能な操作力（一実施形態において、誘電伝達力を含み得る）は、プログラム可能な操作力を生成する手段によって、特定の位置にあるパケットに適用される。このプログラム可能な操作力は、パケットの位置に従ってコントローラにより調節可能である。パケットは、次いで、任意に選択された経路に沿って、プログラム可能な操作力に従ってプログラム通りに移動され得る。
【００１１】
「Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｆｏｒ　ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｓｐｉｒａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」と称され、１９９６年１０月１８日に出願され、１９９９年１月１２日に付与された米国特許第５，８５８，１９２号、「Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｆｏｒ　ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ　ａｎｄ　ｆｉｅｌｄ　ｆｌｏｗ　ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ」と称され、１９９６年２月２３日に出願され、１９９９年３月３０日に付与された米国特許第５，８８８，３７０号、「Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｆｏｒ　ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ　ａｎｄ　ｆｉｅｌｄ　ｆｌｏｗ　ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ」と称され、１９９６年１月３１日に出願され１９９９年１１月３０日に付与された米国特許第５，９９３，６３０号、「Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｆｏｒ　ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ　ａｎｄ　ｆｉｅｌｄ　ｆｌｏｗ　ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ」と称され、１９９９年２月１日に出願され、１９９９年１１月３０日に付与された米国特許第５，９９３，６３２号、「Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｆｏｒ　ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ　ａｎｄ　ｆｉｅｌｄ　ｆｌｏｗ　ｆｒａｃｔｉｏｎａｔｉｏｎ」と称され、１９９９年９月１４日に出願された米国特許シリアル番号０９／３９５，８９０が、それぞれ本明細書中で参考として援用される。
【００１２】
「Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｆｏｒ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｍａｇｎｅｔｏｐｈｏｒｅｔｉｃ　ａｎｄ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ　ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎａｌｙｔｅ　ｍｉｘｔｕｒｅｓ」と称され、２００１年６月１４日に出願された米国特許出願、「Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ−ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ　ｍｉｃｒｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ」と称され、２００１年６月１４日に出願された米国特許出願、および、「Ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｃｅｌｌ　ｓｕｂｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ」と称され、２００１年６月１４日に出願された米国特許出願をそれぞれ本明細書中で参考として援用する。
【００１３】
米国特許出願第０９／２４９，９５５号で開示された技術は、上述した従来の方法よりも有意な利点を提供する。例えば、これらの利点によって、微小量の試料および試薬を流体処理することが可能になる。開示された装置は、バルブ、ミキサ、ポンプのような従来のハードウェアコンポーネントを用いる必要がない。開示された装置は、容易に小型化され得、このプロセスは自動化またはプログラムされ得る。開示された装置は、多くの異なる種類のミクロ流体処理および手順に用いられ得、この装置は、平行モードで動作され得る。これにより、複数の流体処理のタスクおよび反応は、一つのチャンバ内で同時に実行される。この装置は、狭いチューブまたはチャネルに依存する必要がないので、障害物は最小化または排除され得る。さらに、障害物が存在する場合、これらの障害物の位置が特定され、そして、位置検知技術によって回避される。
【００１４】
米国特許出願第０９／２４９，９５５号で開示された装置を用いるためには、ある材料を反応表面に導入する必要がある。米国特許出願第０９／２４９，９５５号で開示されたように、これは注入ポートを用いてなされ得る。この注入ポートは単に壁の開口であってもよいし、または、注射針、マイクロピペット、チューブ、インクジェットインジェクタなどでもよい。
【００１５】
注射器、マイクロピペットなどを用いれば表面上に材料を注入することができるが、欠点が残る。例えば、このような注入口は、常に、材料を体系的に、制御して注入するとは限らない。詳細には、既存の装置および技術（米国特許出願第０９／２４９，９５５号で開示されたものを含む）を用いても、制御可能な一滴の液滴を一度に注入することを常に保証するとは限らない。むしろ、既存の技術は、あるときは一滴注入し、またあるときは二滴注入するなどに至ることが多い。従って、既存の技術の制御能力および計量能力は完全に十分ではない。制御可能なパケット注入が無ければ、あるミクロ流体の処理タスクの精度および再現性に影響を与える可能性がある。
【００１６】
上記の観点から、計量された材料のパケットが、信頼、再現性のある様態で意図的に表面に注入され得る技術を提供することは好都合である。この注入方法が自動化され、それにより、オペレータのわずかな介入または全く介入することなく、処理が行われ得ることはさらに好都合である。このような利点は、米国特許出願第０９／２４９，９５５号で想起されたミクロ流体処理に役立つだけでなく、あらゆる分野の流体処理に役立つ。詳細には、このような利点は、材料のパケットを注入する制御可能な様態が所望される任意の分野で役に立つ。
【００１７】
上記で数え上げられた任意の課題または欠点は、網羅されたものと意図されておらず、むしろ、とりわけ中でも以前に公知の操作および流体注入技術の効果を損ねがちなものである。他にも留意すべき課題が存在し得るが、上で提示された課題は、当該分野で見られる装置および方法が完全に満足のいくものではないこと、そして、本明細書中で開示される技術に対する必要性が存在することを示すのに十分である。
【００１８】
（発明の要旨）
一つの観点では、本発明は、流体パケットの計量注入の方法に関する。パケットを含む管は、ホールドオフ圧力以下の圧力まで加圧される。パケットに抽出力を加え、管から表面へパケットを抽出する。
【００１９】
他の観点では、抽出は誘電伝達を含み得る。抽出はまた、磁気伝達または他の適切な力を含み得る。抽出力は、電極、電極アレイまたは他の適切な装置によって生成される。抽出力は反応表面から生成され得る。
【００２０】
他の観点では、管は流入インジェクタを含み得る。圧力はホールドオフ圧力の６５％と８５％との間であり得、または、より好ましくは、ホールドオフ圧力の７５％と８５％との間であり得る。パケットの大きさは電気的に制御され得る。
【００２１】
本発明の別の局面は、出口ポートを通って表面からパケットを除去する工程を含む。二つ以上の出口ポートが存在してもよく、そしてこれらの出口ポートは従来の液体装置に結合されてもよい。
【００２２】
本発明のさらに別の局面は、加圧された二つ以上の管から二つ以上の流体パケットを計量注入する方法を含む。切り換えポンプが用いられ得る。切り換えポンプは、加圧された第一の管中の第一のパケットと加圧された第二の管中の第二のパケットとの間で抽出力を切り換える。
【００２３】
別の観点では、本発明は、流体パケットの計量注入の方法に関する。パケットを含む管は、ホールドオフ圧力以下の圧力まで加圧され、このパケットは第一の誘電体材料を含む。管に隣接した表面に結合された一つ以上の電極は電圧をかけられ、流体を含む表面は第二の誘電体材料を含む。パケットに一つ以上の電極から中出力を加え、管から表面へパケットを抽出する。
【００２４】
別の局面では、本発明は、流体パケットを表面へ注入する装置に関する。この装置は、管、圧力マニホールド、圧力リザバ、そしてプログラム可能な抽出力を発生可能な装置を含む。管はパケットを含むように構成される。圧力マニホールドは管に結合される。圧力リザバはマニホールドに結合され、ホールドオフ圧力以下の圧力まで管を加圧するように構成される。抽出力は、管から表面へパケットを抽出するように構成されている。二つ以上のリザバがあってもよく、または、管は流入インジェクタを含んでもよい。
【００２５】
さらに別の局面では、本発明は、流体パケットを運ぶための装置に関する。この装置は、管、圧力マニホールド、圧力リザバ、プログラム可能な抽出力を発生可能な装置および出口ポートを含む。管はパケットを含むように構成されている。圧力マニホールドは管に結合される。圧力リザバはマニホールドに結合され、そしてホールドオフ圧力以下の圧力まで管を加圧するように構成される。抽出力は、管から表面へパケットを抽出するように構成される。出口ポートは、表面へ結合され、そしてパケットを受け取るように構成される。出口ポートは好ましくは親水性である。複数の出口ポートがあってもよい。従来の流体装置が出口ポートに結合され得る。
【００２６】
管は流入インジェクタを含み、そして二つ以上の加圧された管があり得る。一つ以上の管または出口ポートがある場合、切り替えポンプが用いられ得る。切り換えポンプは、加圧された第一の管中の第一のパケットと加圧された第二の管中の第二のパケットとの間で抽出力を切り換えるように構成される。
【００２７】
本明細書中で用いられるように、「パケット」は区分された材料に関連し、そして流体パケット、カプセル化されたパケット、および／または、固体のパケットに関連し得る。流体パケットは、一つ以上の液体または気体のパケットに関連する。流体パケットは、液体または気体のパケットまたは泡に関連し得る。流体パケットは水のパケット、試薬のパケット、溶媒のパケット、溶液のパケット、試料のパケット、粒子または細胞の懸濁液、中間生成物のパケット、最終反応物のパケット、または任意の材料のパケットに関連し得る。流体パケットの例は、油中で懸濁された水溶液のパケットである。カプセル化されたパケットは、材料の層によって包まれたパケットに関連する。カプセル化されたパケットは、小胞、あるいは、試薬、試料、粒子、細胞、中間生成物、最終反応物、または、他の材料を含み得る流体もしくは気体の他の微小カプセルに関連し得る。カプセル化されたパケットの表面は、試薬、試料、粒子または細胞、中間生成物、最終反応物または任意の材料でコーティング加工され得る。カプセル化されたパケットの例は、水中で懸濁された試薬の水溶液を含む流体小胞である。固体のパケットは、試薬、試料、粒子または細胞、中間生成物、最終反応物、または他の材料を含み得る、または、覆われ得る固体の材料に関する。固体のパケットの例は、溶液中で懸濁された微小球体の表面へ結び付いた試薬を伴う乳液の微小球体である。本明細書中で定義されるようにパケットを生成する方法は当該分野では公知である。パケットは、大きさおよび形において大きく変化するように作られ得る。しかし、本明細書中で説明される実施形態では、パケットは約１００ｎｍ〜約１ｃｍの直径を有し得る。
【００２８】
本明細書中で用いられるように、「従来の流体装置」は、流体の流れのためのチャネルおよび／またはチューブを含む装置である。「管」は、流体を含むことが可能な容器または溝として、本明細書中で定義される。
【００２９】
以下の図は、本明細書の一部を成し、例として含まれ、そして本発明のある局面をさらに例示することを制限しない。本発明はこれらの一つ以上の図に対する参照としてより理解され得る。参照に似たこれらの図において、本発明は、本明細書中で提示される特定の実施形態の詳細な説明と組み合わせて、同様な要素を示す。
【００３０】
（例示的な実施形態の説明）
ここで開示される方法および装置は多くの利点を提供する。例えば、これらの利点によって、高い分解能を有する流体パケットの計量注入が可能になり、次に、微小量の試料および試薬の流体処理が可能となる。これらの利点によって、特定の流体処理の用途に従ってプログラムされ得る自動化された流体注入が可能になる。これらの利点により、異なる体積の流体パケットを高性能の制御が可能な一貫した様態で生成および注入することができる。このように計量されたパケットを生成および注入する能力は、様々な異なる分野において正確な自動化されたミクロ流体の操作を実行する能力を提供する。本明細書中で説明される装置は、ユーザのニーズに合わせて容易に小型化され得る（またはより大きく製作され得る）。このプロセスは、自動化またはプログラム化、手動化、または、部分的に自動化され得る。本発明の明細書中で開示される技術は、多くの異なる種類のミクロ流体処理および手順に用いられ得、平行モードで動作されるプロセスで用いられ得る。これによって、複数の流体処理のタスクおよび反応が単一のチャンバ内で同時に実行される。この技術により恩恵を受け得る分野は、血液および尿検査、病原体検査、環境汚染モニタリング、水質モニタリング、肥料分析、化学および生物戦の試薬検出、食物病原体検査、品質の制御および混合、大規模なパラレル分子生物学手順、遺伝子工学、発癌遺伝子検査、および薬学における開発および試験を含むが、これらに限定されない。
【００３１】
本開示の一部分では、流体パケットの形成および注入を部分的に取り扱うために、本明細書中で開示される技術のいくつかの理論的な基礎と共に説明を始めることが有効である。
【００３２】
（パケットの体積−圧力特性）
誘電伝達抽出力を用いるパケット注入の操作モードを理解するために、まず初めに、チューブの開口端で流体パケットを形成させるために、流体が満たされたチューブに加えなければならない圧力を考えることが有効である。ここで、この場合は、チューブオリフィスの直径は、表面−エネルギー効果によって流体が滑らかな表面を形成するように十分に小さく、かつ、最初に、加えられる圧力は、流体がチューブの端部と同じ面を有するまでチューブを満たすだけの低さであると考える。圧力が増加するにつれて、生じるパケットの形は球状の表面のセグメントに近づくと仮定する。パケット内部の圧力は、パケットの表面における界面張力γに比例し、パケットの半径ｒに反比例する。この圧力は、
Ｐ＝２γ／ｒ
で与えられる。最初、パケットがチューブの端部と同じ面を有する場合、有効半径は無限大であり、圧力はゼロに等しい。流体の表面がより丸みを帯びるにつれて、その半径は減少する。しかし、一度パケットがチューブのオリフィスで半球を形成すると、さらに体積が増加し、この場合もやはりパケット半径が増加する。パケットが成長し続けると、ｒが増加するにつれてパケットの内部圧力は減少する。このように、最小半径はオリフィスの直径に依存しており、このことにより、パケット内部の最大圧力が決定される。
【００３３】
この結果は図１に示される。図１は、横のパネルにマイクロピペットの先端から生じる流体の外観を示し、グラフ上にパケット形成時に相当するパケット内部の圧力を示す。流体が半球より小さいパケットを形成するように圧力が加えられる場合、このようなパケット形成を達成するためにさらに圧力を必要とするという理由から、パケット形成はこれ以上進行しないことが図１から明らかである。この場合、パケット形成は「ｈｏｌｄ−ｏｆｆ」であると言われ得る。しかし、この圧力がピーク値まで増加される場合、流体は連続的にパケット内部に流れる。なぜなら、体積の増加に伴って、パケット内部圧力が低化するので、半球の状態を越えて、パケットの大きさの増大が容易に生じるためである。ピーク圧力は「ｈｏｌｄ−ｏｆｆ圧力」と呼ばれる。なぜなら、その圧力に到達するまで、パケット形成は進行しないからである。
【００３４】
本明細書中で説明されるインジェクタの設計において、インジェクタの先端は、チューブのボア、または、ボアの対向端が結合されたより大きな流体コンテナのいずれかによって形成される流体リザバへ結合され得る。このような流体リザバに、ガス圧力、ポンプ、加圧下にある層、電圧浸透流体圧力源、または、当業者に公知の任意の他の装置のような任意の適切なソースから得られる外部圧力源によって提供され得る圧力Ｐ_ｆまで圧力がかけられ得る。圧力値Ｐ_ｆは、パケット形成が図１の左手のパネルに示されるようにｈｏｌｄ−ｏｆｆとなるように、インジェクタのｈｏｌｄ−ｏｆｆ圧力より下に保たれ得る。
【００３５】
（パケット上の誘電誘起力）
一実施形態において、電気力は、上述されたようにパケットの形成に影響を与えるために用いられ得る。しかしながら、ここで提示される理論的な考察は、電気方程式が幾何に依存しているために、単なる例示にすぎず、限定するようなものではない。詳細には、これは、全ての異なる幾何学的な構成に適応可能な特定の方程式を提供するのではなくて物理的な原理を示す。当業者であれば、任意の所与の実施形態において、方程式の正確な形がここで提示されるものとは幾分異なり得るが、同じでない場合もパケット注入を支配する物理的原理は同様であることを理解する。従って、方程式の形が異なっている場合、その物理的原理は同じである。本明細書中で例示的な実施例の利点を示せば、任意の異なる構成に適応可能な方程式および解は、当業者に直ちに明らかとなる。
【００３６】
第一の誘電材料の小球体（固体、流体または気体を含み得る）が、電界が印加されている第二の異なる誘電材料内へと導入される場合、二つの誘電材料の分極化が違うために、導入前に生じるエネルギーと比較して、誘電材料の結合系のエネルギーは変化する。このエネルギー変化はＷに比例し、Ｗは以下の式として近似される。
【００３７】
【数１】

項ｆ_ＣＭは、当該分野で公知の、いわゆるクラウジウス−モソッティ係数であり、第一の材料の複素誘電率ε^＊ _ｆと第二の材料の複素誘電率ε^＊ _ｓとの間の差という形で球体の分極率を表し、電界が空間を伝わらない場合、
【００３８】
【数２】

で与えられる。
【００３９】
本開示では、第一の誘電材料は、図１の左手のパネルで示されるようなチューブ端から注入される寸前の流体であり、第二の誘電材料は、チューブ端および生じた流体を取り囲む不混和性の液体または気体であると仮定する。第二の流体または気体は「浮遊媒体」と呼ばれ得る。
【００４０】
チューブ端から広がる印加電界は、流体と浮遊媒体との表面での圧力を変える傾向があり、この圧力変化は、次に、図１によるパケットの体積を変える。この圧力変化は、流体半径ｒに対する電気エネルギーＷの変化率を決定することによって見積もられ得る。これは、
【００４１】
【数３】

で与えられる。項
【００４２】
【数４】

は、注入された流体による浮遊媒体の変位に関する誘電エネルギー変化から生じる力を表す。項
【００４３】
【数５】

は、電界中の不均一性から生じる流体に作用する誘電伝達項である。流体の圧力に寄与するこれら二つの力の作用は、流体と浮遊媒体との表面において生じる相当圧力変化Ｐ、すなわち、単位面積あたりの力、
【００４４】
【数６】

を決定することによって見積もられ得る。
【００４５】
電界が、チューブ内の流体とチューブ外に距離ｄだけ離れた浮遊媒体内の位置に置かれている第二の尖った電極との間印加された電圧Ｖから生じると仮定される場合、パケット圧力に及ぼす影響を示すために、ポテンシャル構成は、それぞれ、二次元の複素平面内の原点に位置するベクトル場の電圧吸い込み−Ｖ／２によって生成されるポテンシャル構成と大体類似するように近似され得る。従って、重ね合わせの理論より、ｚ平面内のポテンシャル分布は、
【００４６】
【数７】

となる。ｚについて微分すると、ベクトル場およびベクトル場の勾配は、それぞれ、
【００４７】
【数８】

として得られる。これらの式を流体と浮遊媒体との表面における圧力変化に関する式に代入すると、次の方程式が得られる。
【００４８】
【数９】

電気的に誘導された圧力は電圧Ｖの二乗に依存する。これは、印加電圧の方向が重要ではないということだけではなく、交流電流（ＡＣ）場が用いられ得るということを意味する。実際、ＡＣ場を用いることは大変有益である。なぜなら、十分に高い周波場は、（テフロン（Ｒ）または任意の適切な絶縁材料のような）誘電材料の薄層によって絶縁された電極から流体パケット操作が実行されるべきチャンバ内へ容量結合され得るからである。さらに、所望ならば、ＡＣ場を用いることによって、浮遊媒体からなる流体の誘電率ε^＊ _ｆの周波数依存性、および、流体内の任意の物質の周波数依存性を利用できる。これらの周波数依存性によって、異なる印加周波数場におけ物質場は異なる挙動をし、適切な環境下では、周波数を変化させるにつれて誘電伝達力の方向は有効に変化し得る。
【００４９】
チューブ出口でのパケット形成に与える電界の効果は、近似的に、位置ｚ＝ｒでのｘ軸に沿った圧力特性を検査することによって判断され得る。ｒが他の電極までの距離ｄと比較して小さい場合、パケット形成の初期の段階において、この条件を圧力方程式に代入することによって、近似式が次のように書かれ得る。
【００５０】
【数１０】

この場合、流体と浮遊媒体との表面における圧力変化は、浮遊媒体の変位から生じる誘電エネルギーによって支配される。
【００５１】
この圧力変化が、パケットの正味の電荷に依存せず、この圧力変化によって、パケットの注入あるいは粒子またはエアロゾルの形成のための手段として、この誘電法と正味の静電荷に依存する誘電法とがさらに識別されることに留意されたい。実際、ＡＣ場の時間平均振幅がゼロであるので、ＡＣ場が誘電注入に用いられる場合、正味の電荷が存在すれば印加ＡＣ場によって誘導された圧力は変化しない。しかし、所望ならば、誘電法は、帯電されたパケットの注入を改善するために用いられ得る。ＡＣ成分に加えてＤＣ電圧成分を流体に印加することによって、注入されたパケットは、注入特性に影響を与える電荷を運ぶ。
【００５２】
誘電伝達力は、反応表面の上面に製造された単一の駆動電極アレイによって発生され得る。駆動電極要素は、ＡＣまたはＤＣ電気信号によって個々にアドレス可能であり得る。適切な信号を駆動電極に適用することによって、注入口または管に含まれるパケットに作用する誘電伝達力を発生する電界が設定される。電極ごとに信号を切り替えることによって、流体装置内の電界分布が設定される。これは、異なる注入口から異なるパケットを装置内へ注入するために用いられ得る。このような電界分布は、パケットを仕切られた媒体中へ注入するために利用され得る。
【００５３】
（低誘電率液体中への流体パケットの誘電注入）
水のパケットを不混和性で低誘電率の浮遊媒体中へ注入する場合、この水は浮遊媒体よりはるかに分極しやすく、ｆ_ＣＭは＋１に極めて近い値であると仮定する。この場合、パケットの圧力は電界の存在によって増加される。
【００５４】
パケットを注入する際に、Ｖは約１８０ボルトの値であり、５ミクロンのチューブ直径、および、約５０ｋＰａの適用された静水圧（図１に示されるブロモドデカン中への注入に関する圧力−パケット体積データを参照されたい）を用いた場合、電圧を印加することによって生じる圧力上昇Ｐは約１８ｋＰａになると計算される。従って、流体と浮遊媒体との表面における流体力学上の圧力と誘電圧力との混合圧力は、５０ｋＰａ＋１８ｋＰａ＝６８ｋＰａであり、この圧力は、図１に示されるオリフィスに関するホールドオフ圧力を十分に越えている。従って、流体は、チューブからパケットに流れ、そして、大きなサイズのパケットを形成可能である。一度パケットの体積が３０ｆｌを越えると、パケットを膨張させるために必要な圧力は、依然として５０ｋＰａ（図１を参照されたい）以下に下がり、電界をこの時点で取り去ってもパケットのサイズは増大し続ける。
【００５５】
しかし、電界が維持される場合、上記の圧力方程式は、ｒ＞ｄ／２の場合に、誘電伝達圧力項の符号が変化し、誘電伝達力は、パケットの成長を促進するだけでなく他の電極へ向けられた横方向の力成分を提供することを示す。
【００５６】
一般的に、パケットは、上記の導出で仮定された完全な球体のままではない。なぜならそのパケットは、流体と浮遊媒体との表面における圧力が、流体と浮遊媒体との境界においてどこでも等しいような形に一致しているからである。上記の方程式はパケットが球体を維持することを仮定している。横方向の力はまた、誘電伝達によってパケットに加えられ得る。これらが、パケットをチューブのオリフィスおよびチューブ中の流体柱へ結び付ける有効接着力を超えると、パケットはオリフィスから逸れ、そして凝集電極へ引かれる。一つ以上の電極がこのようにパケットを注入するために構成され得、様々な幾何学的形状の電極が用いられ得ることを理解されたい。さらに、以前に注入されそして電極に付着している流体パケットは、注入の挙動を修正するために通常用いられ得る様式で、パケット自身、電界を歪め得る。
【００５７】
上記で表現された基礎原理が他の状況に適応され得、一般的に有限要素法および他の方法のような当該分野で公知の数値計算技術が、任意の所望の幾何に関してパケット注入特性のシミュレーションに用いられ得ることは、理解されるべきである。
【００５８】
パケット注入は図２に示される。この図２において、図２Ａはホールドオフ圧力より下の静水圧を示し、圧力を補い、流体をパケット内へ引き込むために電界がちょうど印加され、その結果、浮遊媒体が移動する。パケットは図２Ｂおよび図２Ｃで成長するが、注入口に近い場の勾配から生じる誘電伝達力は、先端へパケットを引き戻す。パケットが電極へ半分以上成長すると、誘電伝達力は流体注入の増加を助け、パケットを電極へ引く。図２Ｅでは、横方向の力は、パケットと、注入チューブ内の流体柱と、チューブオリフィスとの間の粘着力を超え、パケットは離れ、電極へ移動し、電極の先端およびエッジの周囲の高電界領域に適合する。このように、以降に示す表１に記載された一つ以上のパラメータを変更することによって、一貫し、自動的に、任意の表面上への流体パケットを計量し得る。この様態で、一貫した高分解能のミクロ流体処理は達成され得る。
【００５９】
ポテンシャル分布Ｖ（ｚ）に関する上記で用いられた式は、三次元空間ではなくて、二次元平面に適切である。このような二次元平面は、電極が平面で、パケットが平らな表面で操作されるようないくつかの場合に適用可能である。他の場合、三次元の方程式がより適切であり得、さらに別の場合において、当該分野で公知の種類のコンピュータシミュレーションは、解析結果が得られない場合に必要とされ得る。しかし、パケット形成の基礎を成す物理的原理は、いずれの場合も例示目的で本明細書で説明したものと基本的に同じであり、電界によって誘導されたパケットの圧力変化は大きさの点で比較可能である。
【００６０】
第一のパケットの注入が達成されると、さらなるパケットが注入され、より大きなパケットを形成するために、第一のパケットと一体となり得る。このような応用は、米国特許出願第０９／２４９，９５５号で説明され、同出願を参考として援用する。いくつかの場合、オリフィスにおけるパケット形成は、形成したパケットが前に注入されたパケットと接触して、オリフィスから離れるまで進行し得る。流体は測定して取り出され得、異なる大きさのパケットが誘電注入によって生成され得る。一実施形態において、印加電界の影響下でパケット注入が起きるので、電気的に自動制御されたパケット形成は、場をｏｎおよびｏｆｆに切り換えることによって、または、パケット注入を達成する信号を適切に調節することによって容易に達成され得る。一度注入されると、パケットは、その位置で用いられ得るか、または、誘電伝達、進行波誘電伝達、または注入後の任意の他の適切な力学機構によって操作され、所望の場所へ移動され得る。パケットの操作に関する技術は米国特許出願第０９／２４９，９５５号で説明される。
【００６１】
（パケット注入に影響を与えるパラメータ）
誘電の手段によって注入されたパケットの圧力、大きさおよび形成に影響を与えるパラメータのいくつかを試験することは有益である。これらは以下の表１に挙げられたパラメータを含む。
【００６２】
【表１】

表１：誘電の手段によって注入されたパケットの圧力、大きさおよび形成に影響を与えるパラメータ
本開示の利点を用いれば、当業者は、異なる注入特性を達成するために、過度に実験することなく、上記のパラメータのうち任意の一つまたは任意の組み合わせを変更し得ることを理解する。
【００６３】
（さらなる問題）
チューブからパケットを取り除くために必要な圧力は、チューブの表面特性が注入されている流体のエネルギー特性に大きく寄与している場合、上記で与えられた式から逸脱し得る。これは、チューブの表面が流体に対して親和性を有する場合、または、流体に対して反発する傾向を有する場合に起こり得る。例えば、流体が水である場合、親水性のチューブの表面は、パケットをより強くその位置に保持しようとし得る結合エネルギーに寄与し得る。対照的に、疎水性の表面は、注入の間にパケットがオリフィスから開放され易くなる反発力に寄与する。チューブの表面を変更することによって、流体注入のエネルギー特性は制御され得、次に、注入特性に影響を与え得る。
【００６４】
チューブの表面を変更する例として、ガラス管をシラン化処理して強い疎水性にするものがある。親水性のチューブオリフィスからよりもシラン化ガラスチューブオリフィスから水溶性のパケットを分離する方が、かなり容易である。
【００６５】
上記の説明は、流体パケットの注入を促進する誘電伝達力に関するが、かなり多くの異なる種類の力が本明細書中で説明される流体パケット注入を達成するために利用され得ることが理解される。詳細には、他の分離力が利用され得る。例えば、オリフィスからパケットを効果的に解き放つために、音響および／または振動エネルギーが用いられ得る。浮遊媒体の粘性が低い場合、このような運動によって誘導されるパケット分離は慣性の状態であり得る。一方、浮遊媒体の粘性が十分高い場合、オリフィスを十分速く引くときのパケットと浮遊媒体との間の流体抵抗によって、パケット分離が生成され得る。本開示の利点を受けて、当業者は他の分離力に頼ることを選択してもよい。オリフィスから表面上へ流体パケットを分離して、計量注入を達成するのに十分なこのようなあらゆる他の力は、本出願の意図および範囲内である。
【００６６】
本明細書中で用いられるように、規定「ａ」または「ａｎ」は一つ以上を意味し得る。特許請求の範囲で用いられるように、単語「包含する」と組み合わせて用いられる場合、言葉「ａ」または「ａｎ」は一つ以上を意味し得る。本明細書中で用いられるように、「ａｎｏｔｈｅｒ」は少なくとも第二番目以上を意味し得る。
【００６７】
以降の例は、制限するためではなく、むしろ、本発明の特定の実施形態を示すために含まれる。当業者であれば、以降に示す実施例に開示される技術は、本発明を実行する際にうまく機能するように、発明者によって発見された技術を示すことを理解されたい。従って、実行するにあたって特定のモードを構成するものと見なされ得る。しかし、本開示内容に鑑みて、当業者であれば、開示される特定の実施形態内で多くの変更を為し得、本発明の意図および範囲を逸脱することなく、さらに、同様のまたは類似の結果を得ることを理解されたい。
【００６８】
（実施例１）
（プログラム可能な流体プロセッサ）
一実施形態において、大きさを計量されたパケットは、米国特許出願第０９／２４９，９５５号に記載される装置のような、プログラム可能な流体プロセッサ（ＰＦＰ）の側壁（単数または複数）上にある一つ以上の注入口から反応表面を覆う不混和性の運搬流体中へ誘電伝達によって注入され得る。
【００６９】
流体の流れは、ＰＦＰにおいて連続的ではなくデジタル形式にされ得、パケットは電気的に制御され得る。このような設定において唯一の可動部分は流体パケットであり、バルブも機械的なポンプも必要とされない。本開示に従うインジェクタは、試薬もしくは任意の他の適切な流体または気体を含むリザバのすぐ隣りに取り付けられ得る。パケットの大きさは大きく変化し得るが、一実施形態において、直径約２０〜約１００μｍを有し得る。パケットの体積は広く変化し得るが、一実施形態において、その体積は０．１〜１ｎＬの範囲内であり得る。これにより、約１０μＬの体積を有する本開示に従うチップ上のリザバは、各々約１０^５個までの試薬パケットを提供し得る。この約１０^５個までの試薬パケットは、約６０日の間１分間に１アッセイに十分である。
【００７０】
「ＢｉｏＦｌｉｐ」と呼ばれる、ＰＦＰに基づく汎用生物解析装置が図３に示される。二つの試料ストリームのサンプリングの後に１６の選択肢か選択された二つの試薬の混合およびシークエンシングが必要である二つの分離アッセイの実行が示される。
【００７１】
異なる陰影で表された試料および試薬は、ＢｉｏＦｌｉｐ内のリザバおよびインジェクタに存在する。ここでは、パケットストリームが衝突することなしに横断可能であり（パケット操作を含む詳細に関しては米国特許出願第０９／２４９，９５５号に含まれる開示を参照されたい）、パケットの融合が示される。示されるプロセスにおいて、パケットのストリームはインピーダンスセンサのようなセンサを通って、その後、４つの廃棄ラインのうち１つに送られる。１６個の試薬から選択可能であることにより、異なるアッセイを行うことができる。反応表面が生成される範囲に応じて、多くの数の完全に異なるアッセイが並行して行われ得る。パケットの離散的な性質は、異なるアッセイが空間的にも時間的にも交互に配置され得ることを意味する。
【００７２】
示されたように、リザバは、（流体リザバの長く狭い範囲の部分のような）ピペットと一体であり得る。あるいは、別の流体リザバを用いてもよく、これらの別のリザバは、当該分野で公知の任意の手段に従って、マイクロピペット、チューブなどであり得る流体インジェクタへ結合され得る。気体圧力リザバは各リザバへ結合される。以前に説明されたように、気体圧力はリザバ内の流体へ圧力を加えるために用いられ得る。それにより、例えばホールドオフ圧力が達成され得る。気体リザバは、当該分野で公知の任意の様々な手段によって流体リザバへ結合され得る。示されたように、結合は加圧マニホールドを通して達成される。このようなマニホールドは、複数のバルブ、ゲージ、および、気体圧力をモニタリングし、流体リザバおよび流体パケットインジェクタへ気体圧力を加えやすくする他の測定器を含む。さらに、ＣＣＤカメラなどのような適切な光学的モニタリング機器は、インジェクタ、リザバまたはシステム全体を視覚的に監視するために用いられ得る。
【００７３】
（実施例２）
（流体処理システム）
図４は、本明細書中で開示された実施形態に従う注入技術を用いた流体プロセッシングシステムのブロック図を示す。図４の右側に、「ＢｉｏＦｌｉｐ」と呼ばれる流体プロセッシング装置が示される。この大きさは顕著に変化し得るが、一実施形態において、その大きさは約３”×２”×０．５”であり得る。これは、アラームおよび小さなＬＣＤと同様にユーザインターフェースを備えていないカートリッジの形式であり得る。これは、内蔵式であり得、自律して動作し得る。これは、左側に示される携帯式のユニット（Ｗｉｎｄｏｗｓ（Ｒ）ＣＥまたはゲームボーイスタイル）によってプログラム可能であり得る。
【００７４】
試料リザバおよび試薬リザバからの材料のパケット注入は、可動部分を有しない誘電伝達によって制御され得る。パケットの大きさは、上述され、そして、表１で挙げられたオリフィスサイズおよび／または圧力のようなパラメータを変化させることによって制御され得る。パケットは、誘電伝達力または他の適切な操作力を介して二次元アレイ上の任意の場所で動かされ得る。パケットは融合され得、そして、試料および試薬パケットがアレイ上で融合されるとき、化学反応が生じ得る。このような反応は、離散電子工学によって推進されたフォトリソグラフィを用いてガラス上にパタニングされた金の電極の２×８および８×８のオープントップアレイ上で見られている。
【００７５】
オリフィス直径約５μｍのガラスのマイクロピペットからの誘電伝達によるパケット注入を示す写真が図５で示される。適切な範囲内で調節されたピペットの大きさ、ピペット先端と電極との間隔、圧力およびＡＣ電圧を用いて、パケットの大きさおよび注入率が、電気的に制御され得る。この写真は、例えば、誘電伝達場によってマイクロピペットの先端から引き出されている５７μｍ（〜１００ｐＬ）のパケットのストリームを示す。適切に場を作動させることによって、一つ以上のパケットを注入可能である。
【００７６】
パケットが、アレイを横切って直ちに動かされ得る、または、近位の電極に残され得ることにより、これらのパケットは、計量されているさらなるパケットと一体となって、整数体積関係を伴ってより大きな体積を形成する。一秒あたり数十個のパケットの注入率が達成され得る。示された実施形態において、注入には約１００から約２００ボルトのピーク−ピーク電圧、および、移動には約３０ボルトのピーク−ピーク電圧が用いられた。しかし、他の実施形態で、これらの値は広く変化し得る。
【００７７】
（実施例３）
（圧力関係）
パケットを維持するために必要な静圧差は、一般的に
Ｐ_ｉｎ−Ｐ_ｅｘｔ＝γ／ｒ
で表される。ここで、Ｐ_ｉｎおよびＰ_ｅｘｔは内部および外部静圧であり、γは界面張力であり、ｒはパケットの半径である。従って、パケットを維持するために必要な圧力差は、パケットの半径に反比例する。
【００７８】
水は親水性のガラスに付着するため、外表面が親水性にされていない限り、注入されたパケットは、注入ピペットの先端に付着したままとなる。これは、反水和性試薬中でピペットをディップコーティングすることによって行われ得る。反水和性試薬は、例えば、Ｓｉｇｍａｃｏｔｅ（登録商標）、ヘプタン中のシリコン溶液、または、Ｃｙｔｏｎｉｘ，Ｉｎｃ．製のＰＦＣ１６０１Ａのようなフルオロポリマーであるが、これらに制限されない。
【００７９】
パケット内部の圧力はパケット半径に反比例する。従って、メニスカスがインジェクタの先端で平面である場合、パケットの半径は無限であり、その圧力はゼロとなる。初期のパケットを形成するために流体が流れるにつれて、パケットが、インジェクタの開口部の直径、インジェクタの先端の湿潤エネルギー、および、パケットと不混合性の浮遊流体との間の表面エネルギーに関連する半径に達するまで、メニスカスの半径は減少していく。この方式では、初期のパケット体積を増加し、流体の流れをホールドオフし、そして、パケットの形成を妨げることにより、圧力は増加する。しかし、臨界体積以上では、パケット半径は体積の増加とともに増加し、パケット内部の圧力は減少し、その結果、流体流れおよびパケット形成が促進する。従って、インジェクタは、ある臨界静水圧までパケット形成を「ホールドオフする」。
【００８０】
加えられた静水圧がホールドオフ圧力以下である限り、水／炭化水素境界は安定したままであり、反応表面上に注入される流体はない。しかし、初期のパケットに作用する適用された誘電伝達力（または他の種類の力）は、静水力を効果的に補い得る。その結果、パケット注入に対するポテンシャル壁を低下させる。このように、静水力および誘電伝達力の組み合わせのみを用いて、流体は、ピペットから反応表面上へ引き出され得る。
【００８１】
（実施例４）
（注入の考察）
発明者らは、２×８および８×８ＰＦＰ上へ水溶性パケットを注入するために誘電伝達力を用いた。図６の上部二つの曲線は、ピペット開口部直径およびパケットが注入される媒体によって、ピペットから水溶性のパケットを自発的に注入するために必要な静圧が変化する様子を示す。下部の曲線は、ピペット開口部の周りの領域に加えられた誘電伝達力が、パケットが注入される時点の静圧を減少させる様子を示す。誘電伝達注入圧力と静注入圧力との間の差が、注入開口部によって提供される「ホールドオフ圧力」である。誘電伝達力のみを用いる精巧な「可動部分を有しない」ポンプを用いて副注入プライミング圧力を加えることによって、試薬のパケットは反応表面上へ注入され得る。
【００８２】
図６は、直径約２．５μｍの開口部から炭化水素中へ水溶性のパケットの自然注入を防ぐために、約８ｐｓｉが十分低いことを示す。より大きな開口部が大きくなれば、より低い圧力で注入をホールドオフする。注入されたパケットの直径の制御は、ピペット開口部、誘電伝達ポテンシャル、ピペットと電極との間隔、および、ホールドオフ圧力の関数として詳細に調べられ得る。
【００８３】
パケットは、直径約２．５〜約１２μｍ、約１００〜約２５０Ｖ_ｐ−ｐのＤＥＰポテンシャル、約３０〜約３００μｍのピペットと電極との間隔、および、約１．３〜約５．５ｐｓｉの静圧で、開口部から注入された。
【００８４】
水溶性のパケットは、水が容易に付着するガラスのマイクロピペットを介して、ＰＦＰの表面上へと注入された。Ｓｉｇｍａｃｏｔｅ（登録商標）、ヘプタン中のシリコン溶液、または、Ｃｙｔｏｎｉｘ，Ｉｎｃ．製作のＰＦＣ１６０１Ａ、フルオロポリマーのような反水和性試薬中でピペットをディップコーティングすることにより、水の付着力を減少させ、ＰＦＰ表面上へのパケットの注入を容易にし得る。
【００８５】
（実施例５）
（差動メニスカスバルブ）
一実施形態において、差動メニスカスバルブは、プログラム可能な流体プロセッサ（「ＰＦＰ」）中へ流体パケットを計量し、それらをプロセッシング後に集める手段として用いられ得る。発明者らは、捕捉された気泡の挙動に対して二つの異なる寄与成分（すなわち、空気および水のチャンバ表面への相対付着エネルギー、および、泡の曲率半径）があることに着目した。後者は泡の圧力と反比例の関係にある。本開示の差動メニスカスは、これら二つの特徴を利用して、プログラム可能な誘電伝達アレイおよびプログラム可能な電気伝達アレイを含むＰＦＰ装置内におけるように、流体パケットを疎水性の流体中へ注入するに適した値を構築するように設計されている。
【００８６】
差動メニスカスバルブは図７において示される。示された装置は可動部分および圧縮された部分を有しない。また、操作原理が図７Ａに示される。ここで、ＰＦＰチャンバは右側に、注入されるべき流体のソース（リザバまたは他の適切な容器）は左側にあると仮定される。ミクロ流体チューブは、ＰＦＰチャンバ内の端部へ向かってフレア状になっており、その内部は親水性の材料でコーティングされている。当該分野で公知の任意の親水性の材料が用いられ得る。
【００８７】
チャンバおよびチューブが図２Ｂのように満たされるとき、親水性の表面に沿った親水性流体の伝搬エネルギーは、親水性流体をフレア状の領域の端部へ引っ張る傾向がある。ここで、図２Ｃで示されるように、圧力が左側の親水性の流体の端部に影響を及ぼす場合、パケットは形成し始める。このパケットが形成する際の曲率半径ｒ１は、フレア状の開口部の半径によって制御される。この半径が大きいので、パケット中の圧力は比較的小さい。一方、親水性の液体をチューブへ移動させるために、圧力を加える場合、親水性の表面によって、疎水性の流体がチューブ表面へ付着するのを防ぐ。従って、疎水性の流体の先端のエッジは、チューブのより狭い部分に入ろうとする際には、はるかに小さな半径ｒ２を仮定せざるを得ない。ｒ２はｒ１より小さいので、疎水性の流体をチューブへ移動させるために必要とされる圧力は、チャンバ内でパケットを形成するために、親水性の流体を反対方向へ向けるために必要とされる圧力より大きい。
【００８８】
（実施例６）
（差動メニスカスインジェクタ）
一実施形態において、上記された差動メニスカスバルブを組み込むパケットインジェクタが用いられ得る。詳細には、ＰＥＥＫ管のコネクタの先端は、差動メニスカスバルブの設計を組み込み得る。ＰＥＥＫ管のコネクタの先端は、Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｖｏｌｖｅｒソフトウェアのような当該分野で公知のソフトウェアを用いる計算によって決定されるように、必要なインジェクタの形状と整合するように精密機械加工され得る。精密機械加工によって、素早い応答時間で広い範囲の形状を製作する柔軟性が提供される。インジェクタ（およびコレクタ）は、密度を増加させるために、かつ、注入されたパケットの最小の大きさを減少させるために、当該分野で公知の技術に従って微細機械加工され得る。
【００８９】
バルブを動作させるための外部圧力源は、シリンジポンプ、圧力がかけられたリザバなどによって提供され得る。さらに、上述したように、誘電伝達力または他の適切な操作力は、パケットを注入し、収集するために、メニスカスバルブインジェクタとともに用いられ得る。ソースリザバは、試薬の水性含有物に働く小さな正圧を有する疎水性の層で覆われ得る。この層は、ＰＦＰのチャンバまたは表面へのキャピラリの疎水性のコーティングによって引き付けられる。ＰＦＰ界面において、パケットは、ポテンシャルをインジェクタの先端近くの一つ以上の電極へ印加することによって、キャピラリから誘電流体中へ引き出され得る。ＰＦＰチャンバ内に入ると、パケットは所望のように操作され得、次いで、出口キャピラリの近くに位置付けられ得る。
【００９０】
（実施例７）
（差動メニスカスコレクタ）
一実施形態において、パケットコレクタは、上述したメニスカスバルブを用い得る。出口近くの電極（単数または複数）間の電界分布が適切に選択され、バルブ吸引効果が達成された際に、切り換えられる場合、出口キャピラリにおいて、別の差動メニスカスは一つ以上のパケットを吸収し得る。一つ以上の廃棄リザバは、内部の親水性のコーティングを有し、その上、試薬をキャピラリ内に保ち得る任意の圧力勾配を最小化し得る。
【００９１】
（実施例８）
（製造例）
低死空間コネクタは、シリンジポンプのような微小な流体装置を微細製作されたミクロ流体要素と接続するために用いられ得る。１ｍｍＯＤコネクタは、ちょうど先端のみが流体チップ内の微小機械加工されたオリフィス内に一致するように、ＰＥＥＫ管の長さ方向の一端を精密機械加工することによって、製造され得る。さらに、密閉するための小さなＯリングを収容するように、チューブの先端に溝が機械加工され得る。
【００９２】
管先端の内部は、適切な形状をしたノズルを形成するように、機械加工され得る。機械加工されたＰＥＥＫ管は、次いで、流体コネクタと試料インジェクタとの両方を、工学の観点で意味を成すような設計で形成し得る。なぜなら、流体コネクタは、今まで試料、チャンバ流体、および他の溶液を導入するために必要とされてきたからである。さらに、管を用いることによって、疎水性のチャンバコーティングとは無関係の親水性のフィルムでインジェクタをコーティングすることが可能である。
【００９３】
インジェクタは、大きさが広く変化する外径を有するＰＥＥＫ管から作られ得る。しかし、ある実施形態において、この外径は、約５００ミクロンであり得、この内径は約６５ミクロンであり得る。このことは、直径が約１００〜５００ミクロンのパケットを製作するのに十分であるはずである。この場合、シリンジポンプまたは外部バルブを有する圧力がかけられたリザバは、パケットをチャンバ内へ注入するために用いられ得る。
【００９４】
インジェクタは、市販の高性能液体クロマトグラフィー管から精密機械加工され得る。これは、微小水路製作に対して全く異なるアプローチであり、従来よりシリコンまたはガラスを基礎とした微小機械加工技術、あるいは、プラスチック成型を採用する。二次元または「突出した」形状を唯一生成することが可能な、実質的にすべてのリソグラフィに基づく微小機械加工技術とは異なり、精密に機械加工することにより、（多くの高アスペクト比の微小機械加工プロセスに匹敵する）約５ミクロンの許容差で、部分部分を三次元で自由に形成することができる。設計を素早く立て直せることが精密な機械加工の別の利点である。一度最適設計が精密機械加工によって確立されると、ツーリングは大量生産用の部品を成型し得る。
【００９５】
Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｖｏｌｖｅｒのような、ＮＩＳＴによって開発された当該分野で公知の適切なソフトウェアは、注入されたパケットの大きさを決定する界面張力、圧力、および、幾何学的な効果をモデル化するために用いられ得る。このようなプログラムはまた、電子コンポーネントの前を再流させた後、ハンダバンプを解析するために用いられ得、従って、最適設計を支援し得る。
【００９６】
一実施形態において、シリコン微小機械加工は、高密度インジェクタアレイをバッチ製造するために用いられ得る。インジェクタ先端の幾何学的形状を制御することはより困難であるが、微小機械加工により、より小さなインジェクタが可能である。その結果、パケットの大きさはさらに小さくなる。ＰＦＰアレイチップを有するインジェクタの配置は、微小機械加工のアプローチによってより精密となり、特にチャンバ内へのパケットの吸引が誘電伝達力に依存している場合、このことはパケットサイズにとって重要である。
【００９７】
（実施例９）
（誘電バルブ）
本発明の一実施形態では、誘電バルブを有するＰＦＰ切り換えステーションが想定される。このバルブは可動部分を持たず、圧力ならびにパケットおよび周囲の媒体の誘電特性に基づく装置を介してパケットの動きを制御できる。このＰＦＰは、一つ以上のインジェクタポート、一つ以上の出口または排水口、切り換えステーションを含む。液滴は、
Ｐ＝２γ／ｒ
の圧力で注入ポートから注入される。ここで、ｒは液滴の半径でありγは液滴の界面張力である。親水性のチューブとして構成される出口ポートは、液滴圧力に依存する装置の表面から液滴を受け取る。出口ポート開口部の大きさは、液滴が出口ポートに入るために必要な圧力と反比例関係にある。従って、より小さな出口ポートを有する装置は、液滴を出口ポートの中へ運ぶためにより高い圧力（すなわち、より小さな液滴の直径、または、より大きな液滴の界面張力）を必要とする。出口ポートの大きさを変化することは、誘電バルブを流れる流体の流れを制御するために用いられ得る。
【００９８】
出口ポートは、壁またはチューブにある開口部のような反応表面から出ていくことが可能な任意の構造であり得る。開口部は任意の適切な大きさまたは形状であり得る。あるいは、出口ポートは、マイクロピペット、または、反応表面から材料を収集可能な任意の他の等価な装置であり得る。材料のパケットは、上記の反応表面から収集され得る。シリンジまたは任意の他の等価装置が微小操作ステージに取り付けられ、それによりパケットは正確に反応表面上の特定の位置から収集され得る。一実施形態において、出口ポートは反応表面上に開口部のある円筒形のチューブで構成され得る。このようなチューブは、直径約１ミリメートルおよび長さ約３センチメートル以上であり、親水性となるようにコーティングされ得る。
【００９９】
例えば、複数のパケットを複数の管から表面上へ注入することが望まれる場合、切り換えステーションが用いられ得る。この切り換えステーションによって、表面上へのパケット注入を制御する電極のアレイのような単一の装置またはアレイを用いると同時に、複数の管および複数の出口ポートを用いることが可能である。
【０１００】
（実施例１０）
（ホールドオフ圧力）
図８は、最大ホールドオフ圧力を１として正規化された流体処理システムの圧力と反応表面上へ注入された水溶性液滴の直径との関係を示す。インジェクタオリフィスは、ＡＣ電気ポテンシャル（誘電伝達場すなわちＤＥＰ場）で加圧された１００μｍ^２の電極の近くに位置された。印加ＤＥＰ場は、４０ｋＨｚで１８０ボルトピークツーピーク（Ｖ_ｐ−ｐ）あった。インジェクタオリフィスは、直径が２．３μｍであり、活性電極のエッジから１００、２００または３００μｍ離された。図８は、流体処理システムが最大ホールドオフ圧力の０．６５倍より小さな圧力をかけられる場合、これらの状況下ではＤＥＰ液滴注入が生じないことを示す。さらに、システムが最大ホールドオフ圧力の０．７５から０．８５倍まで圧力をかけられる場合、分離距離に１００μｍの電極幅を加えた長さに相当する固定された大きさの液滴が反応表面上へ注入される。最大ホールドオフ圧力の０．６５倍と０．８５倍との間の圧力領域において、制御可能かつ再現性のある直径を有する中間生成物の液滴または一定分量の流体が生成される。図８のグラフ上の線は、各分離距離に対するデータにフィッティングさせた形式
【０１０１】
【数１１】

の曲線である。
【０１０２】
図９は、最大ホールドオフ圧力を１として正規化された流体処理システムの圧力と反応表面上へ注入された水溶性液滴の直径との関係を示す。インジェクタオリフィスは、ＡＣ電気ポテンシャル（誘電伝達場すなわちＤＥＰ場）で加圧された１００μｍ^２の電極の近くに位置された。印加ＤＥＰ場は、１００ｋＨｚで１８０ボルトピークツーピーク（Ｖ_ｐ−ｐ）であった。インジェクタオリフィスは、直径が４．２μｍであり、活性電極のエッジから１００、２００または３００μｍ離された。図９は、流体処理システムが最大ホールドオフ圧力の０．７倍より小さな圧力をかけられる場合、これらの状況下ではＤＥＰ液滴注入が生じないことを示す。さらに、システムが最大ホールドオフ圧力の０．８６倍より大きな圧力をかけられる場合、約３００μｍ（１４ナノリットル）の固定された大きさの液滴が反応表面上へ注入される。最大ホールドオフ圧力の０．７倍と０．８５倍との間の圧力領域において、制御可能かつ再現性のある直径を有する中間生成物の液滴または一定分量の流体が生成される。
【０１０３】
（実施例１１）
（流入インジェクタ）
流入インジェクタを含む管は本発明のある実施形態で用いられ得る。この管によって、試料はインジェクタ先端を通って、好ましくは低い流速で流れることが可能である。これにより、通常インジェクタ先端で新鮮な試料であるように数滴の試料をパージできる。
【０１０４】
本開示は様々な改変例および別の形態に適応可能であるが、特定の実施形態を例示を目的として示し、そして本明細書中で説明した。しかし、本開示を開示された特定の形式に限定するように意図されないことを、理解されたい。むしろ、本開示は、特許請求の範囲によって規定されるような開示の意図および範囲内に属する全ての改変例修正、均等物および代替例を網羅すべきである。さらに、開示された装置および方法の異なる局面は、様々な組み合わせおよび／または独立して利用され得る。従って、本発明は、本明細書中で示されたこれらの組み合わせのみに制限されず、むしろ、他の組み合わせを含み得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本開示の実施形態に従う、水のパケットが直径５ミクロンのマイクロピペットから形成する場合の圧力特性および体積特性を示すグラフおよび図である。この図において、パケットの半径がチューブオリフィスの直径の半分であるとき、ピーク圧力が生じる。
【図２Ａ】図２Ａは、本開示の実施形態に従う、誘電パケット注入の段階を示す概略図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本開示の実施形態に従う、誘電パケット注入の段階を示す概略図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本開示の実施形態に従う、誘電パケット注入の段階を示す概略図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本開示の実施形態に従う、誘電パケット注入の段階を示す概略図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、本開示の実施形態に従う、誘電パケット注入の段階を示す概略図である。
【図３】図３は、本開示の実施形態に従う、汎用の解析装置を示す概略図である。この装置は本明細書中で記述されるようなパケット注入技術を用いる。
【図４】図４は、本開示の実施形態に従う、別の汎用の解析装置を示す概略図である。この装置は本明細書中で記述されるようなパケット注入技術を用いる。
【図５】図５は、本開示の実施形態に従う、誘電伝達場によってマイクロピペットの先端部から引き出されている、５７ミクロンのパケットのストリームを示す写真である。
【図６】図６は、本開示の実施形態に従う、圧力とピペットの直径との間の関係を示すグラフである。
【図７Ａ】図７Ａは、本開示の実施形態に従う、メニスカスバルブの原理を示す概略図を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本開示の実施形態に従う、メニスカスバルブの原理を示す概略図を示す。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本開示の実施形態に従う、メニスカスバルブの原理を示す概略図を示す。
【図７Ｄ】図７Ｄは、本開示の実施形態に従う、メニスカスバルブの原理を示す概略図を示す。
【図８】図８は、本開示の実施形態に従う、１００μｍ、２００μｍおよび３００μｍ間隔毎の、ホールドオフ圧力比と注入された液滴の直径との間の関係を示すグラフである。
【図９】図９は、本開示の実施形態に従う、１００μｍ、２００μｍおよび３００μｍ間隔毎の、ホールドオフ圧力比と初期液滴の直径との間の関係を示すグラフである。

Claims (27)

1. 流体パケットの計量注入に関する方法であって、
   ホールドオフ圧力以下の圧力まで該パケットを含む管を加圧する工程と、
   該パケットに抽出力を加え、該管から表面へ該パケットを抽出する工程と
   を包含する、方法。
2. 前記抽出力は誘電伝達を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記抽出力は磁気伝達を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記抽出力は電極によって生成される、請求項１に記載の方法。
5. 前記電極は前記表面に結合される、請求項４に記載の方法。
6. 前記抽出力は電極アレイによって生成される、請求項１に記載の方法。
7. 前記管は流入インジェクタを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記圧力は前記ホールドオフ圧力の６５％と８５％との間である、請求項１に記載の方法。
9. 前記圧力は前記ホールドオフ圧力の７５％と８５％との間である、請求項８に記載の方法。
10. 前記パケットの大きさは電気的に制御される、請求項８に記載の方法。
11. 出口ポートを通って前記表面から前記パケットを除去する工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
12. 二つ以上の出口ポートが存在する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記出口ポートは従来の流体装置に結合される、請求項１１に記載の方法。
14. 圧力がかけられた二つ以上の管から二つ以上の流体パケットを計量注入する工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
15. 切り換えポンプを用いる工程をさらに包含し、該切り換えポンプは、圧力がかけられた第一の管中の第一のパケットと圧力がかけられた第二の管中の第二のパケットとの間で前記抽出力を切り換える、請求項１４に記載の方法。
16. 流体パケットの計量注入に関する方法であって、
    ホールドオフ圧力以下の圧力まで該パケットを含む管を加圧する工程であって、該パケットは第一の誘電体材料を含む、工程と、
    該管に隣接した表面に結合された一つ以上の電極に電圧をかける工程であって、該表面は第二の誘電体材料を含む流体を含む、工程と、
    該パケットに該一つ以上の電極からの抽出力を加え、該管から表面へ該パケットを抽出する工程と
    を包含する、方法。
17. 流体パケットを表面へ注入する装置であって、
    該パケットを含むように構成された管と、
    該管に結合された圧力マニホールドと、
    該マニホールドに結合され、かつ、ホールドオフ圧力以下の圧力まで該管を加圧するように構成された圧力リザバと、
    プログラム可能な抽出力を発生可能な装置であって、該抽出力は該管から該表面へ該パケットを抽出するように構成されている、装置と
    を備える、装置。
18. 二つ以上の圧力リザバをさらに含む、請求項１７に記載の装置。
19. 前記管は流入インジェクタを含む、請求項１７に記載の装置。
20. 前記プログラム可能な抽出力を発生可能な装置は電極アレイである、請求項１７に記載の装置。
21. 流体パケットを運ぶ装置であって、
    該パケットを含むように構成された管と、
    該管に結合された圧力マニホールドと、
    該マニホールドに結合され、かつ、ホールドオフ圧力以下の圧力まで該管を加圧するように構成された圧力リザバと、
    プログラム可能な抽出力を発生可能な装置であって、該抽出力は該管から該表面へ該パケットを抽出するように構成されている、装置と、
    該表面に結合され、かつ、該パケットを受け取るように構成されている、出口ポートと
    を備える、装置。
22. 前記出口ポートは親水性である、請求項２１に記載の装置。
23. 複数の出口ポートを含む、請求項２１に記載の装置。
24. 前記出口ポートに結合された従来の流体装置をさらに含む、請求項２１に記載の装置。
25. 前記管は流入インジェクタを含む、請求項２１に記載の装置。
26. 加圧された二つ以上の管が存在する、請求項２１に記載の装置。
27. 切り換えポンプを用いる工程をさらに包含し、該切り換えポンプは、加圧された第一の管中の第一のパケットと加圧された第二の管中の第二のパケットとの間で前記抽出力を切り換えるように構成される、請求項２６に記載の装置。

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