JP2002536167A - プログラム可能な微小流体処理のための方法および装置 - Google Patents

プログラム可能な微小流体処理のための方法および装置

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JP2002536167A JP2000598268A JP2000598268A JP2002536167A JP 2002536167 A JP2002536167 A JP 2002536167A JP 2000598268 A JP2000598268 A JP 2000598268A JP 2000598268 A JP2000598268 A JP 2000598268A JP 2002536167 A JP2002536167 A JP 2002536167A
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ピーター ガスコイン，
シャオボー ウァン，
ジュディ ビコウカル，
ガスペリス， ジオバッニ デ
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Abstract

(57)【要約】 プログラム可能にパケットを操作することにより微小流体処理を行うための方法および装置。物質は反応表面に導入され、パケットを形成するように区画される。パケットの位置は、位置センサで検知される。プログラム可能な操作力が、その位置でそのパケットに加えられる。プログラム可能な操作力は、コントローラによって、パケットの位置に応じて調整可能である。パケットは、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可能に移動する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の背景） （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、反応表面上で物質の１以
上の区画されたパケット（ｐａｃｋｅｔ）をプログラム可能に操作し、相互作用
するための方法および装置に関する。
【０００２】 （２．関連技術の記載） 化学のプロトコルは、しばしば、流体の計量、混合、移送、分割および他の操
作を含むいくつかの処理工程を伴う。例えば、流体は、しばしば、試験管の中に
調製され、ピペットを用いて計量して取り出され、異なる試験管に移送され、１
以上の反応を促進するために他の流体と混合される。そのような手順の中で、反
応物、中間体、および／または最終反応生成物は、分析装置において監視され、
測定され、または検知され得る。微小流体処理は、通常、微小量の流体を用いた
そのような処理および監視を伴う。微小流体処理は、例えば、診断医学、環境試
験、農業、化学および生物戦争の発見、宇宙医学、分子生物学、化学、生物化学
、食品科学、臨床研究、および薬学研究を含む広範な研究及び産業の分野に用途
を見出す。
【０００３】 流体および微小流体処理への現在のアプローチは、マイクロバルブ、ポンプ、
コネクタ、混合器および検出器で構成されるいくつかの微小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現したものを使用するデバ
イスは、少なくとも幾ばくかの有用性を示すものの、改良の余地が大いにある。
例えば、従来の流体移送において用いられるポンプおよびバルブは、機械的であ
る。機械的なデバイスは、特に、細い微小チャネルに結合された場合に、故障し
たり、つまったりしがちである。特に、細いチャネルは、チャネルの汚れが積み
重なることによって狭くなるか、または部分的につまり得、これによって、関連
するデバイスが機械的故障に至り得る。現在の微小流体デバイスはまた、微小チ
ャネルの固定された経路を前提としているので、柔軟性に欠ける。固定された経
路では、デバイスは、それらが行い得る役目の数および種類が限られる。また、
固定された経路を使用すると、多くの種類の計量、移送、および操作が困難にな
る。従来のデバイスでは、チャネルの中で１つの種類のサンプルを他の種類のサ
ンプルから区画することは困難である。
【０００４】 物質の電気的性質が、限られた数の流体処理の役目を実行するために採用され
てきた。例えば、誘電泳動が、生物細胞を含む粒子の特徴付けおよび分離を容易
にするために利用されてきた。そのようなデバイスの例は、Ｂｅｔｔｓに与えら
れた米国特許第５，３４４，５３５号に記載されており、本明細書で参考のため
に援用する。Ｂｅｔｔｓは、懸濁液中の誘電分極可能な粒子について、誘電泳動
集合速度および集合速度スペクトルを確立する。電極構造の下流のある位置にお
ける粒子濃度は、光源と、増加または減少した光の吸収または散乱を測定する光
検出器とを用いて測定される。増加または減少した光の吸収または散乱は、今度
は、流体中に懸濁する粒子の濃度の増加または減少を示す。このようなシステム
は、粒子の誘電泳動特性を決定するには有用であるものの、用途が限定される。
特に、このようなシステムは、複数の反応物および反応生成物の計量、混合、融
解、移送、分割および一般的な操作のような時々同時に行なわれる種々の相互作
用を伴う一般的な流体処理を考慮していない。
【０００５】 特定の種類の処理のある電気的特性を用いる他の例が、Ｈｅｌｌｅｒらに与え
られた米国特許第５，６３２，９５７号に開示されており、本明細書で参考のた
めに援用する。これによれば、電子的にアドレス指定可能な微小区域のマトリク
スまたはアレイを浸透層、付着領域および貯槽とともに用いることによって、制
御されたハイブリダイゼーションが達成され得る。活性化された微小区域は、帯
電した結合体を電極に向かって引きつける。浸透層の上に位置する付着層に結合
体が接触すると、機能した特定の結合体が付着層に共有結合的に付着するように
なる。ＤＮＡハイブリダイゼーションのような特定の役目には有用であるものの
、改善の余地がある。特に、ある結合体のための付着部位を用いるそのようなシ
ステムは、特定の用途のために設計され、種々の流体の一般的な流体処理のため
に設計されるものではない。より詳細には、そ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体とともに使用するために設計される。
【０００６】 処理の他の例がＳｏａｎｅらに与えられた米国特許第５，１２６，０２２号に
開示されており、本明細書で参考のために援用する。これによれば、帯電した分
子は、電極によって生成される電界に応答して、トレンチを満たす媒体中を移動
し得る。分離のような役目には有用であるものの、そのようなデバイスは、広範
な異なる物質での広範な流体処理相互作用を実行するためにはあまり適していな
いという点で、改善の余地がある。
【０００７】 特定の、限定された流体処理の役目を実行するための誘電泳動を用いた他の例
がある。本明細書で参考のために援用する、ＰｅｔｈｉｇおよびＢｕｒｔに与え
られた米国特許第５，７９５，４５７号は、異なる周波数の２以上の電界を電極
アレイに印加することによって、液体中に懸濁する粒子の反応を促進させる方法
を開示する。異なる種類の多くの粒子の間のある相互作用を容易にするためには
恐らく有用であるものの、その方法は一般的な流体処理にはあまり適していない
。本明細書で参考のために援用する、Ｂａｔｃｈｅｌｄｅｒに与えられた米国特
許第４，３９０，４０３号は、誘電泳動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。ある化学反応を誘発するためには有用であるものの、その柔軟
性は限られており、一般的なプログラム可能な流体処理は、考慮していない。
【０００８】 上記に列挙したいかなる問題または欠点も、網羅的であることを意図するもの
ではなく、むしろ既に知られた処理技術の効果を損いがちな多くのもののうちの
一部である。他に注目に値する問題もまた存在し得る。しかしながら、上記に示
された問題は、当該技術において知られている装置および方法が全く満足できる
ものではないことを示すのに十分というべきである。
【０００９】 （発明の要旨） １つの局面において、本発明は、パケットをプログラム可能に操作する装置で
ある。「パケット」とは、本明細書中において用いられるように、区画化された
物質を指し、流体パケット、カプセル化パケット、および／または固体パケット
を指し得る。流体パケットは、液状またはガス状の１つ以上のパケットを指す。
流体パケットは、液体またはガスの小滴または泡を指し得る。流体パケットは、
水の小滴、試薬の小滴、溶媒の小滴、溶液の小滴、試料懸濁液、粒子懸濁液ある
いは細胞懸濁液の小滴、中間生成物の小滴、最終反応生成物の小滴または任意の
材料の小滴を指し得る。流体パケットの一例として、油中に懸濁された水溶液の
小滴がある。カプセル化パケットは、層状材料によって封入されたパケットを指
す。カプセル化パケットは、試薬、試料、微粒子、細胞、中間生成物、最終反応
生成物または任意の材料を含み得る液体またはガスのベシクルまたは他のマイク
ロカプセルを指し得る。カプセル化パケットの表面は、試薬、試料、微粒子、ま
たは細胞、中間生成物、最終反応生成物あるいは任意の材料でコーティングされ
得る。カプセル化パケットの一例として、水中に懸濁した試薬の水溶液を含むリ
ピドベシクルがある。固体パケットは、試薬、試料、微粒子または細胞、中間生
成物、最終反応生成物あるいは任意の材料を含み得るかまたはこれらの材料で被
覆され得る固体材料を指す。固体パケットの一例として、水溶液中に懸濁された
ラテックス微小球表面に試薬を結合させたラテックス微小球がある。本明細書中
において定義したようなパケットを作製する方法は、当該分野において公知であ
る。パケットは、サイズおよび形状が大きく異なるように作製可能であるが、本
明細書中に記載する実施形態において、パケットの直径は、約１００ｎｍ〜約１
ｃｍであり得る。
【００１０】 この観点において、本発明は、反応面と、注入ポートと、プログラム可能な操
作力をパケット上に生成する手段と、位置センサーと、コントローラとを含む。
反応面は、パケット用に相互作用部位（ｓｉｔｅ）を提供するように構成される
。注入ポートは、反応面に結合され、反応面上にパケットを導入するように構成
される。プログラム可能な操作力をパケット上に生成する手段は、反応面の周囲
において、任意選択された経路に沿ってパケットをプログラム可能に移動させる
。「任意選択された経路」とは、本明細書中において用いられるように、反応面
周囲で任意の形状となるように選択され得る経路を意味する。任意選択された経
路は、事前定義された移動に限定されない。任意選択された経路は、反応面周囲
において非限定的様式で変更可能であり、ゆえに、任意のパターンを追跡するこ
とが可能である。位置センサーは反応面に結合され、パケットの反応面上での位
置を感知するよう構成される。コントローラは、プログラム可能な操作力を生成
する手段および位置センサーに結合される。コントローラは、上記位置に従って
、プログラム可能な操作力を調節するように構成される。
【００１１】 別の局面において、本装置は、反応面に結合された排出ポートも含み得る。排
出ポートは、反応面からパケットを収集するように構成され得る。上記操作力を
生成する手段は、電界を生成するように適合された導電体を含み得る。上記操作
力を生成する手段は、光源を含み得る。上記操作力は、誘電電気泳動（ｄｉｅｌ
ｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ）力、電気泳動力、光学的力、機械的力またはこれ
らの任意の組み合わせを含み得る。位置センサーは、パケットの電気インピーダ
ンスを測定するように構成された導電体を含み得る。位置センサーは、パケット
の位置をモニタリングするよう構成された光学システムを含み得る。上記プログ
ラム可能な操作力を生成する手段および位置センサーは、一体化され得る。
【００１２】 別の局面において、本発明は、パケットをプログラム可能に操作することによ
り、微小な流体の処理を行う装置である。本装置は、反応面と、注入ポートと、
駆動電極アレイと、一列のインピーダンス感知電極のアレイとを含む。「アレイ
」とは、本明細書中において用いられるように、任意のグループ分けまたは構成
を指す。あるアレイは、素子を直線的に配列した構成であり得る。また、あるア
レイは、縦列および横列を有する２次元のグループ分けであり得る。縦列および
横列間を均等に間隔付けることまたは縦列および横列を直角に配列することは不
要である。アレイを任意の３次元構成にしてもよい。反応面は、パケット用に相
互作用部位を提供するように構成される。注入ポートは反応面に結合され、反応
面上にパケットを導入するように構成される。駆動電極アレイは、反応面に結合
され、かつ、プログラム可能な操作力をパケット上に生成して、これにより、任
意選択された経路に沿ってパケットを移動させることにより、微小な流体の処理
を導くように構成される。インピーダンス感知電極のアレイは、反応面に結合さ
れ、かつ、微小な流体の処理中、パケットの位置を感知するように構成される。
【００１３】 別の局面において、本装置はまた、反応面に結合された排出ポートも含み得る
。排出ポートは、反応面からパケットを収集するように構成され得る。本装置は
また、駆動電極アレイおよびインピーダンス感知電極のアレイに結合されたコン
トローラも含み得る。コントローラは、インピーダンス感知電極のアレイから駆
動電極アレイにフィードバックを提供するように適合可能である。駆動電極アレ
イおよびインピーダンス感知電極アレイは、一体化され得る。本装置はまた、駆
動電極アレイおよびインピーダンス感知電極アレイに結合された集積回路も含み
得る。本装置はまた、反応面の疎水性を変更するコーティングも含み得る。本装
置はまた、メンテナンスポートも含み得る。
【００１４】 別の局面において、本発明は、１つの分割媒体中の複数のパケットを処理する
装置である。「分割媒体」とは、本明細書において用いられるように、他の物質
を懸濁または区画化して、反応面上に複数のパケットを形成するように適合可能
な物質を指す。分割媒体は、流体とパケットとの間の疎水性の差を利用すること
により機能し得る。例えば、炭化水素分子は、水溶液パケット用の分割媒体とし
て機能し得る。なぜならば、水溶液の分子が懸濁炭化水素流体中に導入されると
、水溶液の分子同士が強固に会合した状態になり易くなるからである。この現象
は疎水効果と呼ばれ、表面上にあるいは表面上にわたって存在するパケットを区
画化し、容易に移送することを可能にする。分割媒体は、試料溶液に混和しない
誘電性キャリア液体でもあり得る。他の適切な分割媒体としては、空気、水溶液
、有機溶媒、油および炭化水素がある（但し、これらに限定されない）。本装置
は、チャンバと、プログラム可能な誘電電気泳動アレイと、インピーダンス感知
アレイとを含む。本明細書において用いられるように、「プログラム可能な誘電
電気泳動アレイ（ＰＤＡ）」とは、個々の素子を異なる電気信号でアドレシング
することが可能な電極アレイを指す。電気信号で電極素子をアドレシングすると
、異なる電界分布が開始し、誘電電気泳動操作力が生成される。これらの誘電電
気泳動操作力は、電極面の上あるいは電極面の上側のパケット上の他の操作をト
ラップし、拒絶し、移送し、または実行する。電気信号を用いてアレイ内の電極
素子をプログラム可能にアドレシングすることにより、電界分布とパケットに作
用する操作力とをプログラム可能にし、これにより、任意選択された経路または
所定の経路に沿ってパケットを操作することが可能となる。チャンバは、パケッ
トおよび分割媒体を含むように構成される。プログラム可能な誘電電気泳動アレ
イは、チャンバに結合され、パケット処理を導くプログラム可能な誘電電気泳動
力を生成するように構成される。インピーダンス感知電極アレイは、プログラム
可能な誘電電気泳動アレイと一体化される。インピーダンス感知電極アレイは、
チャンバ内におけるパケットの位置を感知するように構成される。
【００１５】 別の局面において、本装置はまた、プログラム可能な誘電電気泳動アレイの電
極およびインピーダンス感知電極アレイに結合された集積回路を含む。本装置は
また、プログラム可能な誘電電気泳動アレイの電極およびインピーダンス感知電
極アレイに結合されたコントローラも含み得る。コントローラは、インピーダン
ス感知電極アレイからプログラム可能な誘電電気泳動アレイにフィードバックを
提供するよう適合可能である。これらの電極は、約１ミクロン〜約２００ミクロ
ンであり、約１ミクロン〜約２００ミクロンで間隔付けられ得る。
【００１６】 別の局面において、本発明は、パケットを操作する方法である。この方法にお
いて、反応面と、反応面に結合された注入ポートと、パケットに作用するプログ
ラム可能な操作力を生成する手段と、反応面に結合された位置センサーと、プロ
グラム可能な操作力を生成する手段および位置センサーに結合されたコントロー
ラとが提供される。ある材料を、注入ポートを備える反応面上に導入する。その
材料を区画化して、パケットを形成する。パケットの位置は、位置センサーで感
知される。プログラム可能な操作力を生成する手段を用いて、プログラム可能な
操作力を、感知された位置にあるパケットに適用する。プログラム可能な操作力
は、その位置に従って、コントローラによって調節され得る。パケットは、プロ
グラム可能な操作力に従って、任意選択された経路に沿ってプログラム可能に移
動される。
【００１７】 別の局面において、パケットは、流体パケット、カプセル化パケットまたは固
体パケットを含み得る。区画化工程は、材料を分割媒体中に懸濁させる工程を含
み得る。材料は、分割媒体に対して非混和性であり得る。反応面はコーティング
を含み得、コーティングの疎水性は、分割媒体の疎水性よりも高くなり得る。プ
ログラム可能な操作力を適用する工程は、駆動信号を、アレイ状に構成された１
つ以上の駆動電極に適用して、プログラム可能な操作力を生成する工程を含み得
る。プログラム可能な操作力は、誘電電気泳動力、電気泳動力、光学的力、機械
的力またはこれらの任意の組み合わせを含み得る。位置を感知する工程は、感知
信号を、アレイ状に構成された１つ以上のインピーダンス感知電極に適用して、
パケットと関連付けられたインピーダンスを検出する工程を含み得る。
【００１８】 別の局面において、本発明は、流体を処理する方法である。この方法において
、反応面と、反応面に結合された注入ポートと、反応面に結合された駆動電極ア
レイと、反応面に結合されたインピーダンス感知電極アレイとが提供される。１
つ以上の材料を、注入ポートを備える反応面上に導入する。１つ以上の材料を区
画化して、複数のパケットを生成する。インピーダンス感知電極の１つ以上に感
知信号を適用して、複数のパケットのうち１つ以上の位置を判定する。駆動電極
の１つ以上に駆動信号を適用して、その位置にある複数のパケットのうち１つ以
上の上にプログラム可能な操作力を生成する。プログラム可能な操作力に従って
、複数のパケットの１つ以上を相互作用させる。
【００１９】 別の局面において、複数のパケットのうち少なくとも１つは、流体パケット、
カプセル化パケットまたは固体パケットを含み得る。感知信号および駆動信号は
、信号処理信号であり得る。処理信号は、感知信号に対応する第１の周波数成分
と、駆動信号に対応する第２の周波数成分とを含み得る。複数のパケットの位置
に従って、パケット分布マップが形成され得る。反応面上の１つ以上の障害物の
位置が判定され得る。１つ以上のパケットを相互作用させる工程は、移動、融解
、結合、混合、反応、計量、区画化、分割、感知、収集またはこれらの任意の組
み合わせを含み得る。
【００２０】 別の局面において、本発明は、反応面上において１つ以上のパケットを操作す
る方法である。この方法において、反応面に結合された、プログラム可能な誘電
電気泳動アレイと、プログラム可能な誘電電気泳動アレイと一体化されたインピ
ーダンス感知電極アレイとが提供される。ある材料を、反応面上に導入する。材
料を区画化して、１つ以上のパケットを形成する。反応面上に１つの経路を指定
する。プログラム可能な誘電電気泳動アレイを用いて、１つ以上のパケット上に
プログラム可能な操作力を適用し、１つ以上のパケットをその経路に沿って移動
させる。１つ以上のパケットの位置を、インピーダンス感知電極アレイで感知す
る。その位置が上記経路に対応するかどうかをモニタリングする。上記１つ以上
のパケットを相互作用させる。
【００２１】 別の局面において、１つ以上のパケットの少なくとも１つは、流体パケット、
カプセル化パケットまたは固体パケットを含み得る。上記方法はまた、障害物の
位置を感知する工程と、変更後の経路を判定する工程と、変更された経路が障害
物を回避する工程と、プログラム可能な操作力を１つ以上のパケット上に適用し
て、１つ以上のパケットを変更された経路に沿って移動させる工程も含み得る。
経路を指定する工程は、初期位置および最終位置を指定する工程を含み得る。材
料を導入する工程は、誘電電気泳動抽出力を用いて、注入器から反応面上に材料
を抽出する工程を含み得る。１つ以上のパケットを相互作用させる工程は、移動
、融解、結合、混合、反応、計量、区画化、分割、感知、収集またはこれらの任
意の組み合わせを含み得る。
【００２２】 本発明の他の機能および利点は、以下の典型的実施形態を添付の図面と共に読
めば、明らかとなる。図面中、類似の参照符号は類似の構成要素に当てはまる。
【００２３】 （例示的実施形態の説明） 開示された方法および装置は、多くの利点を提供する。例えば、これらは最小
数の試料および試薬の流体処理を可能にする。本装置は、バルブ、ミキサ、およ
びポンプのような従来のハードウェアコンポーネントの使用を必要としない。本
装置は、容易に小型化され、本装置のプロセスは、オートメーション化か、また
はプログラムされ得る。本装置は、多くの異なるタイプの微小流体処理および手
順について使用され得、並列モードで動作され得て、これにより、複数の流体処
理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。本装置が、狭管
（ｎａｒｒｏｅ ｔｕｂｅ）またはチャネルに依存する必要がないので、妨害物
は、最小化され得るか、または除去され得る。さらに、障害物がある場合、位置
検出技術を用いて、これら障害物の位置を見つけ、回避し得る。
【００２４】 フレキシブルな微小流体処理を可能にすることにより、開示された方法および
装置は、血液および尿検査、病原体検出、汚染管理、水質管理、肥料解析、化学
戦物質（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｗａｒｆａｒｅ ａｇｅｎｔ）および生物戦物質（
ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｗａｒｆａｒｅ ａｇｅｎｔ）の検出、食物病原体検出
、品質制御および混合、大規模並列の分子生物学的な手順、遺伝工学、癌遺伝子
検出、ならびに医薬開発および試験を含むが、これらに限定されない、膨大なア
プリケーションを有する。
【００２５】 開示された方法および装置の１実施形態において、図１に示す流体デバイス１
０が使用される。図示するように、流体デバイス１０は、反応表面１２、ポート
１５、パケット２１、壁２２、位置センサ２３、力生成器２５、およびコントロ
ーラ８１を備え得る。
【００２６】 動作において、１以上の材料が、ポート１５を介して反応表面１２上に導かれ
得る。１以上の材料が、区画化され、分割媒体（図示せず）内でパケット２１を
形成する。力生成器２５はパケット２１上に操作力を発生させ、流体操作および
相互作用を容易にする。図示された実施形態において、力生成器２５は２つの力
Ｆ1およびＦ2を発生させ、パケット２１をマニピュレートし、図１の破線に従い
これらを移動させる。位置センサ２３は、パケット２１の位置を検出し、任意の
パケット相互作用を監視することが可能である。コントローラ８１は位置センサ
２３を力生成器２５と結合させて、フィードバック関係が確立され得る。このよ
うなフィードバックは、反応表面１２上のパケット２１の位置の決定を含み、位
置情報に基づくパケット２１上の操作力の付加を可能にし得る。従って、操作の
間のパケットの位置は、連続的に監視され得、この情報は１以上の操作力を連続
的に調節するために使用されて、反応表面１２上の所望の位置に向かう所望の軌
道に沿うパケット２１の移動を達成し得る。
【００２７】 図１の図示された実施形態において、力Ｆ1、Ｆ2は、多くの異なるタイプの力
を含む。例えば、力Ｆ1、Ｆ2は、誘電電気泳動的か、電気泳動的か、光学的か（
例えば、光ピンセットの使用を介して起こるような）、機械的か（例えば、弾性
進行波からか、または音響波から起こるような）、または任意の他の適切なタイ
プの力（またはそれらの組み合わせ）であり得る。１実施形態において、力Ｆ1
、Ｆ2は、プログラマブルであり得る。プログラマブル力を使用して、パケット
は、任意に選択される経路に沿ってマニピュレートされ得る。
【００２８】 図１の図示された実施形態において、位置センサ２３は種々の機構を用いて動
作し得、パケット２１の位置を検出する。例えば、光学画像処理システムが、パ
ケットの位置を決定し、監視するために使用され得る。詳細には、光学顕微鏡が
ＣＣＤイメージカメラに接続され得、これはコンピュータのイメージカードとイ
ンターフェースをとり得る。イメージカードからの情報は、イメージ解析ソフト
ウェアを使用して、コンピュータ内で処理され得る。あるいは、ＣＣＤイメージ
デバイスは、反応表面１２内か、またはその上で組込まれ、パケットの位置を監
視し得る。従って、反応表面１２上のパケットの位置およびそれらの動きは、コ
ンピュータ内で連続的に監視され、記録され得る。パケット位置検出の異なる機
構は、電気インピーダンスを使用する。２つの電極素子間のパケットの有無は、
電極間の電気インピーダンスに影響を及ぼし得る。従って、電極素子間の電気イ
ンピーダンスの測定は、パケット位置の間接的な監視を可能にする。
【００２９】 現在開示された方法および装置の動作および設計をより理解するために、この
方法および装置が誘電電気泳動力に関してまず議論され得て、いくらか詳細に誘
電電気泳動理論を議論することが有用である。このような議論は、２つのパケッ
ト、２１ａおよび２１ｂのこれら両方が誘電電気泳動力の影響を受けていること
を示す図２により補助される。
【００３０】 誘電電気泳動力は、パケットが不均質な電場（ＡＣまたはＤＣ）中に位置する
場合に起こり得る。図２において、電場は、右側よりも左側で弱い。電場は、パ
ケット中に電気分極を誘導する。分極変化は、フィールドライン３５に沿う、２
つのパケット２１ａ、２１ｂの端部において示される。力は、（図２において、
ｍ1およびｍ2として符号付けされた）誘導分極と印加された不均質場との間の相
互作用の結果として生じる。パケットが、分割媒体のような異なる誘電特性を有
する媒体中で浮遊される場合、パッケットは区画化されたままであり得、粘性抵
抗に抗する操作力に容易に反応し得る。非均一強度の場において、パケットは、
強い（パケット２１ａ）電場領域か、または弱い（パケット２１ｂ）電場領域か
のどちらかの向きに方向付けされ得、これは、パケットが、分割媒体より、より
多く（パケット２１ａ）分極可能であるか、またはより少なく（パケット２１ｂ
）分極可能であるかどうかに依存する。非均一な位相分布の場（すなわち、進行
電場）において、パケットは、より大きな位相分布の場領域か、またはより小さ
な位相分布の場領域かのどちらかの向きに方向付けされ得、これは、パケットが
、分割媒体の反応時間より、より長い誘電反応時間か、またはより短い反応時間
を有するかどうかに依存する。
【００３１】 （ＤＥＰ理論） 異なる誘電特性の不混和性媒体中に浮遊させられた、半径ｒのパケットが、周
波数ｆの電場にさらされる場合、パケットの分極は、実効双曲子モーメントを用
いて表され得る（Ｗａｎｇらによる、「Ａ Ｕｎｉｆｉｅｄ Ｔｈｅｏｒｙ ｏ
ｆ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ ａｎｄ Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ Ｗａ
ｖｅ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ」，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙ
ｓｉｃｓ Ｄ：Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ ２７，ｐｐ．１５７
１〜１５７４，１９９４、本明細書中で参考として援用する）。
【００３２】
【数１】
【００３３】 この方程式で、
【００３４】
【数２】
【００３５】 は、周波数領域における、双極子モーメントおよびベクトル場であり、ＰCM（ｆ
）は、次方程式で与えられる、いわゆるＣｌａｕｓｉｕｓ−Ｍｏｓｓｏｔｔｉ因
子である。
【００３６】
【数３】
【００３７】 この方程式で、
【００３８】
【数４】
【００３９】 は、パケット材料（ｋ＝ｄ）およびパッケットの浮遊媒体（ｋ＝ｍ）の複素誘電
率であり、εおよびσを、それぞれ、誘電率および電気伝導度と呼ぶ。実効双極
子モーメント法を用いて、パケット上で作用するＤＥＰ力は、次方程式で与えら
れる、
【００４０】
【数５】
【００４１】 この方程式で、Ｅ（ｒｍｓ）は場の強度のＲＭＳ値であり、
【００４２】
【数６】
【００４３】 は、それぞれ、デカルト座標フレーム中のフィールド構成成分の大きさおよび位
相である。方程式（３）は、ＤＥＰ力が２つの独立項を含むことを示す。第１の
項は、分極因子の（位相中の）実数部Ｒｅ[Ｐ（ｆ）]および場の大きさ
【００４４】
【数７】
【００４５】 の均一性に関する。Ｒｅ[Ｐ（ｆ）]の符号に依存して、この力はパケットを、強
いか、または弱いフィールド領域のどちらかの向きに方向付ける。第２項は、分
極因子の（位相外の）虚数部（Ｉｍ「Ｐ（ｆ）」）および、大きな位相領域から
小さな位相領域への空間を介して進行するフィールドに応答する、フィールド位
相非均一性
【００４６】
【数８】
【００４７】 に関する。Ｉｍ[Ｐ（ｆ）]の符号に依存して、この力は、パケットを、フィール
ド構成成分の位相値がより大きい、またはより小さい領域の向きに方向付ける。
【００４８】 方程式（１〜３）は、ＤＥＰ現象が、次の特性を有することを示す。： （１） パケットが受けるＤＥＰ力は、パケット
【００４９】
【数９】
【００５０】 および分割媒体
【００５１】
【数１０】
【００５２】 の誘電特性に依存する。
【００５３】 （２） 三次元ＤＥＰ力の、フィールド構成への強い依存により、誘電
電気泳動操作実行が多様になり得る。
【００５４】 （パケットのＤＥＰ力） １実施形態において、従来の誘電電気泳動構成要素が、パケット操作について
使用され得る。この場合、ＤＥＰ力は、次方程式で与えられる。
【００５５】
【数１１】
【００５６】 この方程式で、ｒはパケット半径で、εmは浮遊流体の誘電率である。Ｒｅ[Ｐ
（ｆ）]は、分極因子の（位相中の）実数部であり、
【００５７】
【数１２】
【００５８】 はフィールドの非均一因子である。炭化水素流体（ε＝〜２およびσ＝〜０）中
に浮遊させられた水のパケット（ε＝７８およびσ＞１０-4Ｓ／ｍ）に対して、
因子Ｒｅ[Ｐ（ｆ）]は、常に正で、１に近い。従って、水パケットは、常に、大
きなフィールド強さの領域方向に引き付けられる。例えば、六角形様式で配列さ
れる回路電極を構成する電極配列が提供される場合、水パケットは、誘電電気泳
動的に、例えば、電極対の間で、電気信号が印加される単一電極上か、または複
数の電極上へ移動され得、捕捉され得る。電気信号の切り替えは、結果としてＤ
ＥＰ捕捉の運動を生じ得、水パケットがチャンバ内に移動することを引き起こす
。従って、パケット操作は、電極配列に印加される電気信号を切り替えることに
より実現され得、それにより、ＤＥＰフィールド捕捉は、チャンバ内で「可動」
にされる。
【００５９】 （典型的な力および速度） デカンのような炭化水素流体中に浮遊させられた１００μｍの水パケットにつ
いて、フィールド非均一性が、（１０００μｍで０に減退するフィールドに、距
離５０μｍの電極対を印加させた５Ｖ ＲＭＳと同等の）１．２５×１０13Ｖ2
／ｍ3の場合、ＤＥＰ力は、１０００ｐＮのオーダであり得る。炭化水素流体の
粘性が小さい（デカンについて０．８３８ｍＰａ）場合、パケット速度は、６０
０μｍ／ｓｅｃのオーダであり得、パケットの第１の操作が、電極配列で可能で
あることを示す。上記の解析において、ＤＥＰ力方程式（４）が使用され、この
式は、非変形粒子について開発され、（細胞、ゴム粒子のような）浮遊粒子につ
いてよく適用される。流体パケットは、パケットについてＤＥＰ力を述べる際の
方程式（４）の正確性に影響し、印加電場の影響下で変形され得る。それにも関
らず、方程式（４）は、概して、異なるパケット形状に対するいくらかの可能な
修正因子を用いて適用可能である。
【００６０】 図３は、図２の位置センサ２３の１つの可能なインプリメンテーションを示す
。図３は、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、および１９ｅとして図示される、
５つのインピーダンス感知電極１９を示す。各感知電極１９は、インピーダンス
センサ２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、および２９ｄとして図示される、インピーダン
スセンサ２９と結合され得る。１実施形態において、インピーダンス感知電極１
９は、図１の流体デバイス１０の表面１２との動作関係において、位置決めされ
得る。例えば、感知電極１９が、表面１２上か、またはその近傍に配置され得る
。パケット２１が、適切な操作力の付与により、表面１２についてマニピュレー
トされるので、インピーダンス感知電極１９およびセンサ２９は、１以上のイン
ピーダンス測定を使用することで、パケット２１の位置を検出し得る。
【００６１】 電極上の誘電媒体が、異なる誘電および／または伝導特性を有するパケットに
より置き換えられる場合、電極素子において検出されたインピーダンスは、変化
し得る。従って、パケットに関連するインピーダンス測定を示すことにより、パ
ケット２１の位置を決定することができる。図３に示すように、インピーダンス
感知電極１９ａと１９ｂとの間のインピーダンス（インピーダンスセンサ２９ｄ
参照）は、例えば、インピーダンス感知電極１９ｂと１９ｃとのインピーダンス
（インピーダンスセンサ２９ｃ参照）と比較して、「高い」。従って、分割媒体
に起因するインピーダンスに対応する「高い」インピーダンスの値を先に規定す
ることで、分割媒体に対して異なるインピーダンスを有するいくらかの材料が、
インピーダンス感知電極１９ｄと１９ｅとの間、および１９ｂと１９ｃとの間の
どこかに存在することが、推論される。というのは、これら電極に関連するイン
ピーダンスは「低い」からである（インピーダンスセンサ２９ａ参照）。同様の
理由により、インピーダンス感知電極１９ｃと１９ｄとの間に、いかなるパケッ
トも存在しないことが想定され得る。というのは、これら２つの電極の間のイン
ピーダンスが、比較的「高い」からである（インピーダンスセンサ２９ｂおよび
２９ｃ参照）。
【００６２】 上記の「低い」および「高い」値が、パケットおよび浮遊媒体の相対インピー
ダンスに依存して、反転され得ることが、当業者に理解される。言い換えるなら
ば、ある状況において、比較的「高い」インピーダンス測定は、電極対の間のパ
ケットの存在を示す信号を出し得、一方、比較的「低い」インピーダンス測定は
、パケットの欠如を示す信号を出し得る。個々のインピーダンス測定が、（単に
「低い」か、または「高い」かというだけでなく）広範囲の値を提示し得、これ
らの関連インピーダンス測定を示すことで、材料の異なるタイプおよび大きさを
特徴付けることが可能になり得ることがまた、当業者に理解される。例えば、イ
ンピーダンスセンサ２９ａおよび２９ｃ上で読まれるインピーダンスの任意の差
異を示すことにより、図３の２つのパケット２１を、タイプにより区別すること
が可能になり得る。
【００６３】 インピーダンス検出は、不均質システムのインピーダンスを、種々のシステム
構成要素およびそれらの量分数の誘電特性と関連付ける、いわゆる混合理論に基
づき得る。２つの構成成分、すなわち、複素誘電率
【００６４】
【数１３】
【００６５】 を有する構成成分２である不均質システム、ｆは周波数、および複素誘電率
【００６６】
【数１４】
【００６７】 を有する構成成分１で浮遊されている量分数αである。全システムの複素誘電率
は、（Ｗａｎｇらによる、「Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍ
ｅｎｔａｌ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｄｅｐ
ｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ，ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐ
ｈｏｒｅｔｉｃ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ
ｏｆ ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ」，Ｊ． Ｐｈｙｓ． Ｄ：
Ａｐｐｌ Ｐｈｙｓ．２６：３１２〜３２２，１９９３、本明細書中に参考とし
て援用する）により与えられる。
【００６８】
【数１５】
【００６９】 システムの全インピーダンスは、長さＬおよび断面積Ａを有することを仮定し
て、次方程式で与えられる。
【００７０】
【数１６】
【００７１】 パケットの存在か、または欠如において、２つの電極素子の間の電気インピー
ダンスは、実験的に決定されたパラメータＬおよびＡを有する上記の方程式を用
いて解析され得る。パケットの存在は、α＞０に対応し得、パケットの欠如は、
α＝０に対応し得る。これらの方程式から、インピーダンスの変更は、分割媒体
【００７２】
【数１７】
【００７３】 と異なる誘電特性
【００７４】
【数１８】
【００７５】 を有するパケットが、２つの電極間の空間に導入される場合において、起こり得
る。
【００７６】 比較的低いインピーダンス測定は、表面１２上か、またはその近傍の障害物ま
たは（図３に示すような）パケットを示し得る。インピーダンス値を決定するた
めに、表面１２に対応する障害物またはパケットの位置をマッピングし得る。こ
の方法により、流体デバイス１０の反応表面１２に関するパケットおよび／また
は障害物の分布マップが、生成され得る。この開示の利点により、図３に関連す
る説明が、多数の異なる方法で実行され得ることが、当業者に理解され得る。特
に、１以上の電極と共に機能する、当該分野において公知の任意の適切なタイプ
のインピーダンス測定デバイスを使用し得る。これらのデバイスは、インピーダ
ンスアナライザ、ＤＣ／ＡＣコンダクタンスメータ、もしくは同様の機能を有す
るこれらまたは他の機器の動作方法に基づく任意の回路を備え得る。
【００７７】 図４は、本開示の流体素子（ｆｌｕｉｄｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）１０の１つの実
施形態の３次元図を示す。流体素子１０には、反応面１２、注入ポート１４、排
出ポート１６、駆動電極１８、インピーダンス感知電極１９、コネクタ２０およ
び壁２２が含まれる。
【００７８】 反応面１２は、パケット用の相互作用部（ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｓｉｔｅ
）を提供する。１つの実施形態において、反応面１２は、分割媒体（図４には図
示せず）あるいは他の基質（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）で完全にまたは部分的に覆わ
れてもよい。１つの実施形態において、反応面１２は、コーティングされてもよ
い。特に、疎水性分割媒体内の水性パケットの操作に関して、反応面１２は、疎
水性コーティング、あるいは分割媒体の疎水性と同様の、または分割媒体の疎水
性より大きい疎水性を有する層を含み得る。このようなコーティングを行うこと
により、水性パケットの固着、広がり、または反応面１２との接触が不安定にな
るのを防ぐことが可能である。加えて、コーティングは、適切な操作力によるパ
ケットの操作を容易にするために、パケットと反応面との間の結合力および／ま
たは相互作用力を修正し得る。さらに、コーティングは、パケット内の試薬によ
る反応面の汚染を低減するために使用され得る。なおさらに、コーティングは、
反応面でのまたは反応面上の意図的な接着、ぬれあるいはパケットの検出を容易
にし得る。誘電体層のコーティングが付与される場合、この層は、ＡＣ電界がこ
の誘電体層を貫通できるように十分薄くなければならない。１つの実施形態おい
て、この層の厚さは、約２ｎｍ〜約１ミクロンの間であり得る。１つの実施形態
において、疎水性コーティングは、スパッタリングまたはスピンコーティング等
の技術で公知の手段で付与され得るテフロン（登録商標）であり得る。パケット
と反応面との間の相互作用を修正する他のあらゆる適切なコーティングが用いら
れてもよいことが理解されるべきである。
【００７９】 反応面１２は、多数の適切な材料から形成され得る。例示した実施形態におい
て、反応面１２は、駆動電極１８とインピーダンス感知電極１９とを備える上面
を有する平坦な表面である。反応面１２と同一平面状にあるように示されるが、
駆動電極１８およびインピーダンス感知電極１９はまた、反応面１２により高く
ても押しつけられていてもよい。同様に、反応面１２は、平坦である必要はない
。むしろ、反応面１２は凹部または凸部を有し得、別のある様式で変形し得る。
反応面１２は、ガラス、シリコン酸化物、高分子、セラミック、または任意の適
切な電気的絶縁性材料であってもよい。反応面１２の寸法は、その用途によって
様々にばらつきがあり得るが、約２０ミクロン×約２０ミクロン〜約５０センチ
メートル×約５０センチメートルの間であり得る。さらに詳細には、反応面１２
は、約３ミリメータ×約３ミリメータ〜約３０センチメータ×約３０センチメー
タの間であり得る。
【００８０】 注入ポート１４は、反応面１２上に材料を注入または導入するために適合され
得、かつ、反応面１２に注入可能な任意の構造であり得る。例示した実施形態に
おいて、注入ポート１４は、壁２２の開口部からなる。このような開口部は、任
意の適切なサイズまたは形状であり得る。また、注入ポート１４は、シリンジニ
ードル、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、または反
応面１２上へ材料を導入して注入することができるその他の任意の適切な装置で
あってもよい。マイクロピペットまたはその等価物を用いることにより、壁２２
は、全ての開口部を含む必要はない。むしろ、材料は、上部から反応面１２上に
導入され得る。マイクロピペットまたはその他の任意の等価な装置は、顕微操作
ステージ（図４には図示せず）に取り付けられ得、それにより、材料は、反応面
１２の特定の位置に正確に堆積され得る。１つの実施形態において、注入ポート
１４は、反応面１２上のシリンダ型チューブの開口部からなってもよい。このよ
うなチューブは、約１マイクロメータ〜約１ｍｍの間、より詳細には、約１０〜
１００ミクロンの間の直径を有し得る。
【００８１】 排出ポート１６は、反応面１２から材料のパケット収集するように適合され得
る。排出ポート１６は、反応面１２から出ることが可能な任意の構造であり得る
。例示した実施形態において、排出ポート１６は、壁２２の開口部からなる。こ
の開口部は、任意の適切なサイズまたは形状であり得る。また、排出ポート１６
は、マイクロピペット、または反応面１２から材料を収集することができるその
他の任意の等価な装置であってもよい。壁２２は、全ての開口部を含む必要はな
い。むしろ、材料のパケットは、上部の反応面１２から収集され得る。シリンジ
またはその他の任意の等価な装置は、顕微操作ステージ（図４には図示せず）に
取り付けられ得、それにより、パケットは、反応面１２上の特定の位置から正確
に収集され得る。１つの実施形態において、排出ポート１６は、反応面１２上の
シリンダ型チューブの開口部からなってもよい。このようなチューブは、約１ミ
リメータの直径で約３センチメータ以上の長さを有し得る。
【００８２】 １つの実施形態において、注入ポート１４および排出ポート１６は、一体であ
り得る。例えば、図１に示される実施形態において、ポート１５は、反応面１２
上のシリンダ型チューブの開口部である。代替的な実施形態において、１つのマ
イクロピレットは、注入ポートと排出ポートの両方の役割を果たし得る。また、
壁２２の単一の開口部は、注入機能と排出機能の両方の機能を果たし得る。別の
実施形態置いて、複数の注入ポートおよび排出ポートが用いられてもよい。
【００８３】 流体素子１０は、任意の数の注入ポートおよび排出ポートを含んでもよい。例
えば、図４に示される壁２２の番号のついていない開口部の３つのうちいずれか
１つが、図１のポート１５のように、注入ポート、排出ポートまたは一体型注入
−排出ポートの役割を果たし得る。別の実施形態において、複数の注入ポートお
よび／または排出ポートは、壁２２に沿って一面にまたは部分的に施され得、そ
れにより、材料は、反応面１２へ導入され得かつ／または反応面１２から収集さ
れ得る。このような実施形態において、反応面に材料をより正確に導入または収
集し得る。
【００８４】 図４において、反応面１２上のアレイに配置された多数の他の駆動電極のうち
の１つが、駆動電極１８である。この実施形態において、駆動電極１８は、図１
の力ジェネレータ（ｆｏｒｃｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）２５に関連し得る。とい
うのも駆動電極１８にとっては、力の発生（例えば、図１力Ｆ1およびＦ2）を付
与し得、これにより、反応面１２上の材料のパケットを促進するよう（例えば、
微小な液体の相互作用）に操作するからである。
【００８５】 誘電電気泳動力は、反応面１２の上面で作製される個々の駆動電極１８のアレ
イにより発生され得る。駆動電極素子１８は、ＡＣまたはＤＣ電気信号で個々に
アドレス可能であり得る。駆動電極１８に適切な信号を印加することにより、電
界を設定する。この電界は、（図３について上述されたように、インピーダンス
測定をとおしてある位置にあると知られている）パケット上に作用する誘電電気
泳動力を発生する。異なる電極への異なる信号の切り換えは、流体素子１０内の
電界分布を設定する。このような電界分布は、分割媒体のパケットを操作するの
に利用され得る。
【００８６】 特に、操作力の影響下でのパケットの動きは、駆動電極１８の異なる組合せに
対して適切な電気信号を切り換えることにより制御され得る。具体的に、電気信
号の切り換えは、異なる電界分布を起こし得、かつ、トラップ、反発、移動（ｔ
ｒａｎｓｐｏｒｔ）または材料のパケット上で他の操作を実行する操作力を発生
し得る。アレイ内の駆動電極１８の異なる組合せに対して電気信号をプログラム
可能に切り換えることにより、電界分布およびパケット上に作用する操作力は、
プログラム可能であり得、それにより、パケットは、反応面１２に沿った分割物
質の任意の選択された経路またはあらかじめ決められた経路に沿って操作され得
る。従って、パケットは、限定していない様式で操作され得る。信号は、例えば
、パケットが単一の「単位距離（ｕｎｉｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ）」（すなわち、
隣接する２つの電極間の間隔）を動かすことができるように、適切に切り換えら
れ得る。さらに、電気信号をプログラム可能に切り換えることにより、異なる微
小な液体の反応が、連続してまたは同時に（ｉｎ ｐａｒａｌｌｅｌ）に生じ得
る。駆動電極１８の異なる組合せに対するプログラム可能な電気信号の切り換え
によるプログラム可能な誘電電気泳動力を利用可能なこのような能力を有する電
極アレイは、プログラム可能な誘電電気泳動アレイ（ＰＤＡ）と称され得る。
【００８７】 図４において、反応面１２上のアレイに配置された多数の他のインピーダンス
感知電極のうちの１つが、インピーダンス感知電極１９である。この実施形態に
おいて、インピーダンス感知電極１９は、図１の位置センサ２３に関連し得、か
つ、図３に示される。インピーダンス感知電極１９は、反応面１２上のパケット
位置の検出に役立ち、それにより、材料のこれらのパケットは、位置に関してモ
ニタされ、かつ操作され得る。
【００８８】 例示した実施形態において、駆動電極１８およびインピーダンス感知電極１９
は、反応面１２の表面に接続した２次元電極アレイの電極である。アレイのサイ
ズは、必要に応じて変化し得るが、１つの実施形態において、１６×１６のアレ
イが使用される。流体素子１０は、拡大縮小（ｓｃａｌｅａｂｌｅ）であるため
、より小さなアレイまたはより大きなアレイが、本開示を著しく逸脱することな
く作製され得る。例えば、２５６×２５６のアレイまたはこれより大きなアレイ
が、本開示に従って作製され得る。アレイ内の駆動電極１８およびインピーダン
ス感知電極１９は、均一な間隔であってもよいし、または不均一な間隔であって
もよい。この間隔は、様々にばらつきがあり得るが、１つの実施形態において、
この間隔は、約２ミクロン〜約２００ミクロンの間であり得る。電極は、異なる
形状（例えば、直線、四角形、円、ひし形（ｄｉａｍｏｎｄ）、多角形またはそ
の他の適当な形）を有し得る。各電極の寸法は、変化し得るが、典型的な電極は
、約０．２ミクロン〜約１０ｍｍの間、より詳細には、約１ミクロン〜約２００
ミクロンの間であり得る。駆動電極１８およびインピーダンス感知電極１９は、
当該分野で公知の任意の方法を用いて形成され得る。１つの実施形態において、
このような電極は、標準写真平板（ｓｔａｎｄａｒｄ ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇ
ｒａｐｈｙ）技術を用いて形成され得る。例えば、本明細書中で参考として援用
されるＤ．Ｑｉｎらの「Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，Ｍｉｃｒｏｓｔｒ
ｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ」、Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅ
ｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｌｉｆｅ Ｓ
ｃｉｅｎｃｅ（編集者ＭａｎｚおよびＢｅｃｋｅｒ）、スプリンガー、ベルリン
、１９９７年、１〜２０頁を参照されたし。また、ＭａｄｏｕのＦｕｎｄａｍｅ
ｎｔａｌｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ、ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ、
Ｂｏｃａ Ｒａｔｏｎ、１９９７年も参照し得、これも本明細書中で参考として
援用される。特別な用途によって決まる、パケットおよび分割媒体の性質、電極
１８および１９のサイズおよび間隔は、パケットの直径と比較して、小さくても
、同じであっても、または大きくてもよい。
【００８９】 １つの実施形態において、インピーダンス感知電極１９は、駆動電極１８と一
体化されてもよい。このような実施形態において、結果として生じるアレイは、
一体型アレイと称される。一体型アレイに関して、反応面１２と接続した単一の
導体は、パケットを駆動するかつパケットの位置を検出するという両方の目的を
果たし得る。従って、プログラム可能な操作力は、反応面１２上のパケット上に
発生され得、これらのパケットの位置は、単一の電極アレイで検出され得る。
【００９０】 図４の実施形態において、壁２２は、反応面１２の１つ以上の側面を囲むよう
に適合される。壁２２は、反応面１２の１つ以上の側面および／または表面（ｔ
ｏｐ）を囲むことが可能な任意の適切な構造であり得る。示されたように、壁２
２は、反応面１２の４つの側面を囲み、開口している反応面チャンバーを規定し
ている。最も典型的な実施形態において、このチャンバーの厚さは、約１０ミク
ロン〜約２０ミリメータの間であり得る。別の実施形態において、壁２２は、反
応表面１２の表面（ｔｏｐ）を囲むことが可能で、密閉した反応チャンバーを形
成している。
【００９１】 壁２２は、任意の適切な材料から形成され得る。１つの実施形態において、壁
２２は、機械加工性（ｍａｃｈｉｎｅｄ）プラスチック、アルミニウム、ガラス
、プラスチック、セラミックまたはこれらの任意の組合せから形成されてもよい
。１つの実施形態において、壁２２は、放射線の波長を特定するために、部分的
にまたは完全に透明であり得る。従って、放射線は、壁２２を通り抜けて伝達し
得、これにより、特定の微小な液体反応または検出に対する処理を開始するまた
は維持する。例えば、光化学反応は、壁２２を介して開始され得る。
【００９２】 図４のコネクタ２０は、駆動電極１８に、およびインピーダンス感知電極１９
に電気的接続を提供するために適合され得る。コネクタ２０は、電極の全体のア
レイに、あるいは、あらかじめ選択されたアレイ（ｏｎｅ）またはグループに電
気的接続を提供し得る。１つの実施形態において、コネクタ２０は、コントロー
ラ（図４には図示せず）に接続される。このコントローラは、インピーダンス感
知電極１９で検出した１つ以上のパケット位置に従って、駆動電極１８により発
生したプログラム可能な操作力分布を調節し得る。従って、このようなコントロ
ーラは、駆動電極１８とインピーダンス感知電極１９との間のフィードバックメ
カニズムを有効に提供し得る。駆動電極１８に印加された信号は、インピーダン
ス感知電極１９からの１つ以上の結果を考慮して調節され得る。
【００９３】 図５には、本発明の開示に従う流体デバイス１０の側断面図が示される。流体
デバイス１０は、反応チャンバ４１、および統合（ｉｎｔｅｇｒａｌ）インピー
ダンス感知電極と駆動電極のアレイ、統合アレイ４３を含む。例示された実施形
態において、制御チップ６０は、統合アレイ４３に結合される。毛管６４の下表
面を形成する毛管壁６２は、制御チップ６０の上部表面上に位置し得る。毛管６
４は注入ポート１４につながり得る。注入ポート１４はチャンバ４１へつながる
。１つの注入ポートしか例示されていないが、チャンバ４１にアクセスを提供す
るそういった数個のポートがあり得ることが意図される。上記の毛管６４の上に
ある基板６６は、１実施形態においてガラスで作製されるが、その代わりに任意
の適切な当該分野で公知の物質が利用され得る。
【００９４】 １実施形態において、制御チップ６０は、統合アレイ４３を制御するように構
成される集積回路であり得る。あるいは、制御チップ６０は、別の制御デバイス
につながる制御インターフェースであり得る。別の制御デバイスは、集積回路、
コンピュータ、または統合アレイ４３を制御し得る類似のデバイス等である。制
御チップ６０は、制御チップ６０に往復する異なる信号をスイッチングすること
によって統合アレイ４３の電気制御を確立するフリップチップ技術または任意の
別の適切な技術を利用し得る。
【００９５】 図６は、本発明で開示される方法および装置の１実施形態に従うコントローラ
８１を示す。コントローラ８１は、コンピュータ８０、信号ジェネレータ８２、
電極セレクタ８４、変換器８８、および駆動電極１８およびインピーダンス感知
電極１９を有する流体デバイス１０を含む。
【００９６】 コンピュータ８０は、流体デバイス１０および反応表面１２で生じる流体処理
を制御するように構成され得る。コンピュータ８０は、ユーザインターフェース
を有し得る。そのユーザインターフェースにより信号ジェネレータ８２および変
換器８８のシンプルなプログラミングを行い、インピーダンスを測定し、プログ
ラム可能な微小流体処理を行う。特に、コンピュータ８０は、信号ジェネレータ
８２からの１つ以上の信号の開始／終了、周波数、電圧、および特定の波形を含
む１つ以上の信号パラメータをプログラムにより制御し、電極１８および１９の
異なる組み合わせに対するジェネレータ８２からの１つ以上の信号のスイッチン
グを制御し得る。
【００９７】 コンピュータ８０は、多くの方式で信号を変化し得る。例えば、第１の周波数
成分を有する１信号は、電極セレクタ８４を通じて駆動電極１８に送信され得、
一方第２の、異なる周波数成分を有する別の信号は、例えば、電極セレクタ８４
を通ってインピーダンス電極１９に送信され得る。信号の任意のシーケンスまた
は信号の組み合せは、流体デバイス１０から異なる電極の組み合わせに送信され
得る。任意の信号パラメータは変化され得、任意の電極の選択は適切な電場が反
応表面１２上の特定の位置で確立され得るように制御され得る。交流または直流
信号は利用され得る。
【００９８】 信号ジェネレータ８２は、駆動信号を１つ以上の駆動電極１８に送信し得、一
方感知信号を１つ以上のインピーダンス感知電極１９に送信し得る。１実施形態
において、駆動信号および感知信号は、異なる周波数成分を有する、単一の、合
成処理信号を含み得る。そのような信号は統合アレイで使用され得、プログラム
可能操作力（ｆｏｒｃｅ）を発生するための周波数成分およびインピーダンス感
知信号を提供する周波数成分を（信号処理信号を介して）提供する。操作および
インピーダンス感知構成要素はまた、当該分野で公知のように時間における多重
化またはスイッチングによって組み合わされ得る。
【００９９】 １実施形態において、信号ジェネレータ８２は、電極セレクタ８４を通じて１
つ以上のプログラム可能駆動信号を１つ以上の駆動電極１８に提供し、非一様な
場等のプログラム可能交流電場が、反応表面１２で生成され得る。その電場は、
１つ以上の駆動電極１８に隣接するまたはその中の物質のパケットの分極を含む
。パケットを制御可能で、プログラム可能なように操作するプログラム可能な誘
電電気泳動アレイ分布は、このように、生成され得、変化されるプログラム可能
流体相互作用が反応表面１２上で生じ得る。
【０１００】 １実施形態において、信号ジェネレータ８２は、インピーダンスの測定を行う
ことができるように、感知信号を１つ以上のインピーダンス感知電極１９に供給
する。インピーダンス感知信号は、インピーダンス感知電極１９の１つ以上の対
に印加され得、電圧または電気の変化を検出して、感知電極８８およびワイヤ８
６を介してコンピュータ８０に伝送し得る。次いでコンピュータ８０は、インピ
ーダンスを計算して、調査中のインピーダンス感知電極１９の対（単数または複
数）に、またはその近隣に、パケットまたは障害が存在するかどうかを判定し得
る。
【０１０１】 信号統合アレイ（別のインピーダンス感知電極および駆動電極アレイの代わり
に、統合アレイは、パケットの駆動および感知の両方を行う機能を有する電極を
利用する）を利用する別の実施形態において、統合アレイは、プログラム可能操
作力の生成およびインピーダンスの感知の両方を行い得る。１つのアプローチで
は、電極インピーダンスを感知する電気感知信号は、パケットの操作のために駆
動信号と異なる周波数で適用され得る。信号振幅（図示せず）の和は、感知エレ
クトロニクスおよび駆動エレクトロニクスからの信号を組み合わせるために使用
され得る。周波数フィルタネットワーク（図示せず）を用いることによって、電
極インピーダンス感知信号は、駆動信号から分離され得る。例えば、感知周波数
ｆsの一定の電流は、統合された電極対に適用され、測定され得る。感知電極８
８は、次いで適用された周波数ｆsのみで操作され得、統合電極対にわたる電圧
降下を引き起こし得、従って、感知周波数ｆsでインピーダンスは駆動信号から
の干渉なしで駆動され得る。
【０１０２】 別の実施形態において、駆動信号は、電気インピーダンスを直接にモニタする
ように使用され得る。駆動信号は、１つ以上の統合電極にスイッチングされ得、
反応表面上のパケットの操作または相互作用させる力を生成する。同時に、電流
感知回路は、付勢された統合電極を流れる電流を測定するように使用され得る。
電極インピーダンスは電流のそのような測定から導出することができる。
【０１０３】 任意の適切なデバイスが使用され得るが、１実施形態において、ファンクショ
ンジェネレータは、信号ジェネレータ８２として使用される。さらに詳細には、
電圧または電力増幅器または変圧器を組合せた任意の波形の信号ジェネレータは
、必要な電圧を生成するように使用され得る。１実施形態において、信号ジェネ
レータ８２は、ＧＨｚの範囲までの周波数、さらに詳細には約１ｋＨｚと約１０
ＭＨｚの間の周波数、および約１Ｖピークトゥピークと約１０００Ｖピークトゥ
ピークの間の電圧、さらに詳細には約１０Ｖピークトゥピークと約１００Ｖピー
クトゥピークの間の電圧を有する正弦波信号を提供し得る。
【０１０４】 示されるように、信号ジェネレータ８２は、電極セレクタ８４に接続され得る
。電極セレクタ８４は、信号ジェネレータ８２からの１つ以上の信号を１つ以上
の個々の電極に適用し得る（インピーダンス感知電極および／または駆動電極は
個々にアドレス可能であり得る）。電極セレクタ８４は、スイッチ、マルチプレ
クサ等の多数の適切なデバイスの１つであり得る。あるいは、電極セレクタ８４
は１つ以上の信号を１つ以上の電極群に適用し得る。１実施形態において、セレ
クタ８４は電気スイッチまたはマルチプレクサで作製され得る。セレクタ８４は
デジタル的に制御され得る。本開示の利点によって、当業者は、セレクタ８４は
任意の方式で１つ以上の信号を１つ以上の電極にプログラムにより転換する任意
の適切なデバイスであり得ることを理解する。
【０１０５】 図６で示されるように、コントローラ８１は、信号ジェネレータ８２、セレク
タ８４、および変換器８８に結合されるコンピュータ８０を介してインピーダン
ス感知電極１９から駆動電極１８へのフィードバックループ機構を提供する。本
開示の利点によって、当業者は、コントローラ８１がより多くのまたはより少な
い構成要素を含み得ることを認識する。フィードバック機構は、反応表面１２上
のパケットの位置に従って、インピーダンス感知電極１９によって判定されるよ
うに、コンピュータ８０がそのコマンドを信号ジェネレータ８２に合わせること
を可能にする。従って、コントローラ８１は、（インピーダンス感知電極１９に
よって判定されるように）パケットの位置に従って駆動信号の調整（従ってプロ
グラム可能操作力の調整）を可能にする。統合インピーダンス感知電極１９およ
び駆動電極１８を有する電極の統合アレイを利用する実施形態において、フィー
ドバック機構は以下のように動作し得る。パケットの位置は、インピーダンス感
知信号を統合アレイに適用することによる電気的要素間のインピーダンスの測定
よって判定され得る。位置情報は、次いで、統合アレイへの駆動信号を制御し、
パケットの操作による微小流体処理を実行するように使用され得る。１実施形態
において、コンピュータ８０は、その目的のために特定に設計された特定用途向
け集積回路コントローラ（ＡＳＩＣ）によって取り替えられ得る。
【０１０６】 図７は、本開示による方法および装置の実施形態に従う、電極ドライバ９４を
示す。ドライバ９４は、コンピュータ８０、信号ジェネレータ８２、レジスタネ
ットワーク１００、スイッチングネットワーク１０４、およびビットマップ１０
８を含む。ドライバ９４は、反応表面１２および統合アレイ４３を含む流体デバ
イス１０に結合される。
【０１０７】 ドライバ９４は、統合アレイ４３へ信号を適用する際の助けとなり得、それに
より、反応表面１２上での物質のパケットの微小流体相互作用を生じさせる。１
実施形態において、コンピュータ８０は、信号ジェネレータ８２に統合アレイ４
３へのＡＣ信号を適用させる。例示的な実施形態において、例えば、レジスタネ
ットワーク１００を用いて、信号ジェネレータ８２から８つの増加させた電圧振
幅が供給され得る。しかし、より多くのまたはより少ない電圧振幅が使用され得
る。８つのＡＣ信号は、ビットマップ１０８に従ってまたはコンピュータ８０あ
るいは別のデバイスに格納された任意の他の適切なデータ構造に従って、統合ア
レイ４３に、コネクション１０６を介してスイッチングネットワーク１０４によ
って配信され得る。コンピュータ８０を介してビットマップ１０８を変更するこ
とによって、異なる電圧振幅が、異なる電極に適用され得る。
【０１０８】 １実施形態において、統合アレイ４３の各電極への信号は、３ビットでビット
マップ１０８において表され、８つの利用可能な電圧振幅にアドレスし得る。ビ
ットマップ１０８の電圧振幅分布は、当該分野で周知の通信プロトコルを使用し
て、コネクション１１０を介してスイッチングネットワーク１０４へ、同時に１
２ビットが連続的に伝送され得る。１実施形態において、通信プロトコルは、次
の規定を使用し得る。統合アレイ４３の単一の電極にアドレスするために、第１
の４ビットはアレイの行を特定し得る。第２の４ビットはアレイの列を特定し得
る。次の３ビットは、適用される所望の電圧を特定し得る。最後のビットは、パ
リティチェックによる誤り制御のために使用され得る。行／列の配列は、アレイ
の異なるレイアウトのために使用され得る。例えば、アドレスシングの行／列の
規定は六角形グリッドアレイ構成にさえ、使用され得る。当業者は、他の方法が
コンピュータ８０から電気スイッチングネットワーク１０４にアドレスするため
に使用され得ることを理解する。
【０１０９】 図８は、流体デバイス１０の１実施形態の側断面図である。流体デバイス１０
は、反応表面１２の側部および上部を囲んで反応チャンバ４１を形成する壁２２
を含む。反応表面１２は、統合アレイ４３を含む。インタフェースボード５４は
統合アレイに結合され得る。インタフェースボード５４は、インターコネクト５
５およびはんだバンパー５２を介して、集積アレイ４３と集積回路５０とのイン
ターフェースをとる。
【０１１０】 図８の実施形態において、インタフェースボード５４は、チャンバ４１と集積
回路５１の間に挟まれ得る。一方の側面では、インタフェースボード５４は電気
信号（ＡＣまたはＤＣ）を統合アレイ４３の電極に提供し、一方インターフェー
スボード５４の他方の側面は、集積回路５０のフリップチップマウント用のパッ
ドを含み得る。インターフェースボード５４の中間層は、統合アレイ４３の電極
と集積回路５０の間を往復する電力および信号を送るインターコネクト５５等の
電気リード、インターコネクタおよびバイアを含み得る。
【０１１１】 インタフェースボード５４は、当該分野で周知の適切なＰＣ基板およびフリッ
プチップ技術を用いて、製造され得る。適切なシルクスクリーンまたは電気めっ
きフリップチップはんだバンパー技術が同様に使用され得る。あるいは、インク
ジェットはんだ堆積が、当該分野周知のように使用され得る。
【０１１２】 図９Ａは、流体デバイス１０の実施形態の上面図である。例示的な実施形態に
おいて、流体デバイス１０は、４つの個別の８×８の統合アレイ４３で作製され
、１６×１６アレイを形成する。各８×８アレイの下に、集積回路（図９Ａには
図示なし）が配置され得る。集積回路は、統合アレイ４３の電極についての制御
および信号処理を提供し得る。統合アレイは、回路導電パッド３４に結合され得
る。回路導電パッド３４は、ボンディングワイヤ３８（１つの象限にのみ示され
る）を介してインタフェース導電パッド３６に結合され得る。インターフェース
パッド３６に接続されるのはワイヤ４２、またはコンピュータあるいは他の適切
な制御デバイスにつながるＰＣボードコネクタ等の別の適切なコネクタであり得
る。
【０１１３】 図９Ｂは、流体デバイス１０の実施形態の別の上面図である。この実施形態に
おいて、多くのポート１５は流体デバイス１０のエッジに沿って配置される。こ
れらのポート１５は、反応表面１２に往復するパケット２１を入れるおよび／ま
たは集める。ポート１５の隣に位置するセンサ１２２がまた、示される。そのよ
うなセンサは、以下の図１０を参考にして説明される。
【０１１４】 図１０は、微小流体処理システム１１５のブロック図である。処理システム１
１５は、微小流体相互作用サイトとして機能し、本発明の開示に従って構成され
るプログラム可能な誘電電気泳動アレイ（ＰＤＡ）１１６を制御するように設計
される。広範な機能を考慮して、ＰＤＡ１１６は、コンピュータ分野で中央演算
処理装置によって果たされる役割に類似してる流体処理の分野における役割を果
たし得る。
【０１１５】 流体センサ１２２はＰＤＡ１１６に結合され得る。流体センサ１２２は、ＰＤ
Ａ１１６からの、またはＰＤＡ１１６の中、または上にある流体物を測定し、モ
ニタし得る。例えば、流体センサ１２２は、反応物の測定および識別し得、パケ
ットの間の反応を定量化し得る。１実施形態において、流体センサ１２２は、光
学顕微鏡または１つ以上のセンサ（化学的、電気化学的、電気的、光学的等のセ
ンサ）を含み得るが、これらに代わって当該分野で公知の任意の他の適切なモニ
タデバイスが代用され得る。例えば、流体センサ１２２は、パケット溶液の電気
的活性（ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ）の（酸化還元性の）分子の存在および濃
度をモニタする電気化学的なセンサであり得る。電気化学的センサは、２つ以上
の微小電極の形式を取りえる。３電極構成では、例えば、電極は作動、参照、お
よびカウンタ電極に対応し得る。分析されるパケットは移動し、３つの電極に接
触し得る。電圧信号は、作動および参照電極の間に印加され得、作動およびカウ
ンダ電極の間の電流はモニタされ得る。電圧−電流の関係により、パケット溶液
における電気活性分子の有無および濃度を判定し得る。また、ＰＤＡ１１６の適
切な注入ポートまたは抽出ポート（図１０に図示なし）に結合される適切な物質
注入および抽出デバイス１２０が、ＰＤＡ１１６に接着される。そのようなデバ
イスは、ＰＤＡ１１６への注入口およびＰＤＡ１１６からの抽出口を与える任意
の適切な構造であり得る。
【０１１６】 ＰＤＡ電圧ドライバ１２６および誘電体位置センサ１２４は、電気的にＰＤＡ
１１６と通信する。ＰＤＡ電圧ドライバ１２６はＰＤＡ１１６内で電極１１６を
駆動するように適応し得、ＰＤＡ１１６の物質の１つ以上のパケットを操作し、
微小流体相互作用を促進する操作力を生み出す電場が確立し得る。１実施形態に
おいて、ＰＤＡ電圧ドライバ１２６は、図７と関連して説明される信号ジェネレ
ータおよびスイッチングネットワークを含み得る。誘電体位置センサ１２４は、
ＰＤＡ１１６内のパケットの位置を測定し得る。１実施形態において、誘電体位
置センサ１２４は、適切なセンサに接続される測定デバイスを含み得る。そのよ
うなセンサは、本発明の開示の教示に従い、。例えば、ＰＤＡ１１６内で隣接す
るインピーダンス感知電極の間のインピーダンスの変化を感知すること、または
インピーダンスのその変化をその隣接するセンサの隣に位置するパケットと相関
させることによって、物質の１つ以上のパケットの位置を判定し得る。
【０１１７】 コンピュータインタフェース１２８は、パケット注入および抽出デバイス１２
０、ＰＤＡ電圧ドライバ１２６、および誘電体位置センサ１２４に結合され得る
。コンピュータインターフェース１２８は、ホストコンピュータ１３０がＰＤＡ
１１６とインターラクティブであり得るように構成され得る。１実施形態におい
て、コンピュータインターフィース１２８は、インピーダンスデータを分析し、
パケット分布図を作成し得るデジタルまたはアナログカードあるいはボードであ
り得る。
【０１１８】 図１０の１実施形態において、ホストコンピュータ１３０は、コンピュータイ
ンターフェース１２８に結合され得、ＰＤＡ１１６の制御を提供し得る。ホスト
コンピュータ１３０は、位置トラッキングエージェント１３２および低位制御エ
ージェント１３４に結合され得る。位置トラッキングエージェント１３２は、流
体プロセッサＰＤＡ１１６内のパケットの位置を格納し、処理し、トラッキング
するように適応され得る。低位制御エージェント１３４は、ライブラリインタフ
ェース１３６およびソフトウェアインターフェース１３８からのホストコンピュ
ータ１３０への命令を提供するように構成され得る。ライブラリインターフェー
ス１３６は、ＰＤＡ１１６の物質のパケットをプログラム可能に操作する様々な
サブルーチンのセットを保持し得る。ソフトウェアインタフェース１３８は、プ
ログラム可能にパケットを操作する流体プロセッサＰＤＡ１１６によって実行さ
れる命令のカスタムプログラミングを与え得る。あるいは、特定の流体処理のた
めの操作命令についての確立されたプログラムが、ＰＤＡ流体プロセッサ１１６
によって、格納されたデータから読み出され、実行され得る。
【０１１９】 図１１は、本発明の開示された方法および装置の動作を示す。図１１において
、白抜きの四角は、統合アレイの電極を表す。しかし、以下の説明は、個別のイ
ンピーダンス感知電極および駆動電極を利用するデバイスに等しく適用すること
が理解される。
【０１２０】 例示的な実施形態において、パケット２１ａは、統合インピーダンスセンサ／
電極２０１が表されている位置に隣接する反応表面１２に導入され得る。パケッ
トは、混合することのできない隔離媒体（図示なし）で区画化され得る。パケッ
トの導入は、電極２０１に隣接して位置する適切な注入ポートを用いて達成され
得る。あるいは、パケットは、電極２０１への適切な信号を印加して抽出力を生
成することにより、電極２０１に導入され得る。その抽出力によって、パケット
は注入ポートからまたは直接、インジェクタから反応表面１２の上、および電極
２０１の隣に抽出される。
【０１２１】 一旦反応表面１２に位置すると、パケット２１ａは、点ワイヤ２５０によって
示される所定の経路に沿って、移動させられ得る。経路は、多数の異なる仕方で
特定され得る。１実施形態において、ユーザは特定の経路を定義し得る。例えば
、コントローラまたは処理システムの適切なプログラミングによって、番号２５
０で示されるように、経路は特定され得る。あるいは、ユーザは、始点および終
点の位置を特定することにより、経路を定義し得る。例えば、ユーザは、パケッ
ト２１ａを電極２０１に隣接して導入し、電極２１５に隣接する位置で終わるべ
きことを特定し得る。あるいは、ユーザは、始点および終点の間の特定の経路の
情報と共に始点および終点の位置を特定し得る。例えば、ユーザは始点の位置、
終点の位置、その間のウェーブしている経路を特定し得る。図１１から理解され
るように、経路は、任意の形を有し得、任意の数の仕方でプログラムされ得る。
【０１２２】 概して、経路にそってパケット２１ａ動かすために、電気信号は積算インピー
ダンスセンサ／電極ペアに適切に切り替えられ得、その結果、プログラム可能な
操作力は、パケット２１ａにその作用を作成し得、それにより、概して、特定の
経路にそって自身を進める。以前に述べられているように、信号は、適切な操作
力を成し得るために、多くの方法で変化され得る。図示された実施形態において
、電極ペア２０２および２０３への印加電圧信号は、概して、経路２５０にそっ
て、電極２０１から電極２０３に向かってパケット２１ａを動かす誘引性誘電電
気泳動力（ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ）を生み出し得る。パケット２
１ａが、概して、特定の経路にそって動くと、積算アレイは、反応表面１２上の
パケットの位置をマッピングするためにインピーダンスを測定し得る。パケット
の位置を知ることは、操作力が適切な位置に方向付けられことを可能とし、タス
クまたは相互作用を処理する所望の微小な液体（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ）を
得る。特に、パケットの位置を知ることは、適切な信号が適切な電極または電極
ペアに切り替えられることを可能とし、１つ以上の命令によりパケットをさらに
進ませるか相互に作用させる操作力を生成する。
【０１２３】 パケット２１ａは電極２０１から電極２０３に向かって移動すると、電極２０
２と電極２０３との間のインピーダンス値は変化し得、パケット２１ａが、それ
らの２つの電極間（または、部分的な間）にあることを示す。インピーダンスは
、図３に記載されるように測定され得る。コントローラまたは処理システム（図
１１に示さず）は、パケット２１ａの位置を記録し得、例えば、電極ペア２０４
および２０５へ信号を印加し得、概して、経路２５０にそってそれらの電極に向
かってパケット２１ａを進ませる誘引性誘電電気泳動力を生成する。電極２０４
と電極２０５との間のインピーダンス値が変化すると、コントローラまたは処理
システムは、経路２５０にそってパケット２１ａを進ませるために電極２０６お
よび２０７に信号を印加し得る。パケット２１ａは、経路２５０にそって続くと
、電極２０６と電極２０７との間のインピーダンス値が変化し得、パケット２１
ａがアレイにそった位置の近くに存在することを示す。従って、パケット２１ａ
が経路２５０にそって移動すると、コントローラまたは処理システムは、電極ペ
ア間のインピーダンスを測定することにより、パケットの位置を絶えずモニタし
得、適切な電極または電極ペアへの電極信号を調整し得（それ故、操作力を調整
し得）、それにより、特定の経路にそってさらにパケットを進ませることを続け
る。
【０１２４】 電極ペア間のインピーダンスを測定することは、パケットの位置を決定するこ
とを可能にするだけでなく、反応表面１２上の障害物または妨害物の位置を決定
することも可能にする。例えば、電極２１１と２１３との間のインピーダンスを
測定することは、障害物２１２の存在を示し得る。障害物２１２の位置を記録す
ることにより、コントローラまたは処理システムは、障害物の周辺の１つ以上の
パケットの再経路を決め得る。その結果、微小な液体の処理の相互作用との干渉
は生じない。例えば、障害物に２１２によって占められる領域を通る経路が、特
定される場合、コントローラーまたは処理システムは、障害物を取り除く間、概
して、特定の経路にそって、パケットを進ませるために電気信号を変更し得る。
例えば、より強いかまたは、より弱い信号が障害物２１２の近位の１つ以上の電
極または電極ペアに送られ得、それにより、概して、本来特定されていた経路（
より詳細には、本来、特定されたエンドポイント）をずっと維持する間、妨害物
のパケットクリアを導き得る。
【０１２５】 現在開示されている方法および装置によるコントローラまたは処理システムは
、いくつかの障害物および／またはパケットをスキャンするようにプログラムさ
れ得る。このようなスキャンは、分布マップを形成し得、全反応表面１２または
その一部上の種々のパケットおよ／または障害物の位置を示す。このような分布
マップは、仮想的なマップであり得、例えば、コンピュータのメモリに保存され
るか表示される。再度、図１１に戻って、経路２５０に隣接する全ての電極ペア
のインピーダンスは、障害物がその経路を遮断するかどうかまたはパケットをそ
の領域のどこかに配置するかどうかを決定するために測定され得る。経路が明確
である（例えば、全ての電極のペアが明確な領域を示すインピーダンス値を示す
）ことを決定される場合、パケットは概して経路にそって安全に進められ得、一
方、他のパケットおよび／または障害物との任意の相互作用を排除している。し
かしながら、障害物が発見されると、いくつかの異なる動作が取られ得る。１つ
の実施形態において、ユーザは、妨害物が特定の経路にそって存在することに気
づき得る。次に、ユーザは、異なる経路を特定し得るかまたは、他の適切な命令
を与え得る。他の実施形態において、コントローラまたは処理システムは、障害
物が、概して同じ特定の経路をずっと維持している間、障害物が取り除かれ得る
かどうかを決定し得る。可能である場合、電気信号は変更され得、１つの電極ま
たは電極のペアに送達され得、障害物を取り除くことを支援する適切な操作力を
設定する適切な電界分布を生成する。。すくなくとも部分的に、操作の間、パケ
ットの位置および反応を絶えず測定するこの性能のために、コントローラまたは
処理システムは、流体処理の整合性をモニタし、記録し、そして生じ得るいくつ
かのエラーを報告および訂正することができる。
【０１２６】 また、図１１は、処理が２つのパケット上で実行され得る方法を示す。図示さ
れた実施形態において、第２のパケット２１ｂは、電極２１７近位の反応表面１
２で開始する。第２の経路（経路２６０）は、電極２１９で終わることが特定さ
れ得る。参照され得るように、経路２５０および２６０は、相互作用ポイント２
４０で交差し得る。相互作用ポイント２４０では、２つのパケットが、例えば、
図１２に示されるように多くの方法で相互作用し得る。相互作用は、（限定され
ないが）融合、併合、混合、反応、分配、分割、またはその組み合わせを含み得
る。例えば、２つのパケットは、相互作用ポイント２４０で相互作用し得、それ
により、１つ以上の中間生成物または最終反応生成物を形成し得る。２つの本来
のパケットが操作された時、それらの製品は、同じかまたは同様の様態で操作さ
れ得る。
【０１２７】 また、図１１は、メンテナンスが反応表面１２上で実行され得る方法を示す。
反応表面１２上のメンテナンスを行うために適応されるメンテナンスパケット２
１ｃは、メンテナンスポート（図１１に示さず）により反応表面１２上に導入さ
れ得る。メンテナンスポートは、構成において内部ポートに類似し得るが、具体
的に示される１つ以上のメンテナンスパケット２１ｃの導入に専念され得、例え
ば、それにより、反応表面１２、表面コーティング、あるいは１つ以上の電極ま
たはセンサをクリーンにするか維持する。また、メンテナンスパケット２１ｃは
、障害物を取り除くような方法で障害物と反応し得る。図示されるように、メン
テナンスパケット２１ｃは、電極２４１の近位で始まり得る。次に、パケット２
１ｃは、経路２７０にそって進行し得、おそらく電極２４２および２４３にメン
テナンスを提供する。メンテナンスパケット２１ｃは、メンテナンスポートに戻
るように進み得、反応表面１２から取り出され、再度、後に使用されるかまたは
、メンテナンスパケット２１ｃは排出ポートで捨てられ得る。
【０１２８】 図１２は、現在開示されている方法および装置を用いて、実行され得るいくつ
かの異なる可能な流体の相互作用を実証している。図示される実施形態において
、パケット２１は（１つのみが、便宜上、表示される）、積算アレイ４３（１つ
のみの電極が、便宜上、表示される）を有する反応表面１２上に存在する。図１
２の上部ペイン（ｔｏｐ ｐａｎｅ）において、相互作用が示され、そこにおい
て、単一のパケットは、プログラムされた形態でパケットを動かすことにより反
応表面上で操作される。中間ペインにおいて、反応表面上の異なる位置で開始す
る２つのパケットは、適切な電気信号を介して方向付けられ、それにより、特定
の位置（アレイの中心の近く）に共に進み、共に融合し、例えば、反応を開始す
る。融合したパケットは、オリジナルのパケットがちょうど操作されたとき、操
作され得る。例えば、融合したパケットは、種々の位置に移動され得るか、また
は再度、他のパケット（単数または複数）と融合し得る。図１２の下部ペインに
示されるのは、分割する相互作用である。示されるように、単一のパケットは、
異なるプログラム可能な操作力を受ける。操作力は、パケットを２つの別のパケ
ットに分割する。このような相互作用は、最初に、分割されるパケットの位置を
記録することによりなされ得、次に、適切な信号を電極のペアに印加することに
よりなされ得、それにより、パケットを離れて分割させる２つ以上の反対の力を
生成する。
【０１２９】 図１３は、動作の方法の１実施形態を示すフローチャートである。材料は、反
応表面上に導入され得、工程３００において１つ以上のパケットを形成するるた
めに区画され得る。複数の材料は、反応表面１２に沿って異なる位置に導入され
得、それにより、複数のパケットを形成する。経路は、工程３１０のように特定
され得る。経路は、微小な液体処理、操作、または相互作用の任意のタイプを達
成するよう設計され得る。異なる反応は、異なる経路により、連続にまたは並列
に実行され得る。そのような処理を管理する命令は、図１０のコンピュータイン
ターフェース１２８を通して経路を決められ得る仮のコードで具体化され得る。
例示的なコードは、以下のように読み取られ得る：
【０１３０】
【表１】
【０１３１】 工程３１５において、図６のコンピュータ８０または他の任意の適したデバイ
スは、工程３１５において特定される経路に沿って次のユニットの工程を決定し
得る。換言すれば、経路は、ユニット工程および次のユニット工程の中で破壊さ
れ得るか、工程が特定の経路に関係して決定され得る。工程３２０において、プ
ログラム可能な操作力は、本明細書において開示されるいくつかの機構を使用し
て、反応表面１２上に生成される。プログラム可能な操作力は、ユーザからの命
令により１つ以上のパケットを操作し得る。工程３３０において、１つ以上のパ
ケットの反応（単数または複数）は、モニタされ得る。この工程は、本明細書に
記載されるように、反応表面上のインピーダンスを測定することを含み得る。特
に、１つ以上のパケットが仮定されていた場所に移動したかどうか、あるいは、
指示されるように１つ以上のパケットが相互に作用されたかどうかを判定し得る
。工程３４０において、パケットの動きが成功したかを判定し得る−すなわち工
程３１５において決定されたユニット工程に対応する位置にパケットが達した（
ｅｎｄｅｄ ｕｐ）かどうかを判定し得る。
【０１３２】 パケットの移動が成功だった場合（すなわち、パケットがプログラム可能な 操作力（単数または複数）に正確に反応した場合）、特定の経路と比較すること
により、パケットが目的地に到達したどうかが判定され得る。換言すれば、パケ
ットが特定の経路の目標位置まで移動したかどうかが判定され得る。目的地に到
達しなかった場合、次のユニット工程の移動が、工程３１５および工程３２０、
３３０、３４０で決定され得、３６５は、繰り返され得る。目的地に達した場合
、工程３７０において他のパケットが操作されるべきかどうかが判定され得る。
この工程は，ユーザのプロンプトを含む。パケットがさらに操作されない場合、
工程３８０において、流体の処理が完了されたかどうかが判定される。はいであ
る場合、処理は、工程３９０で終了され得る。工程３９０は、１つ以上のパケッ
トの収集、さらなる解析、反応表面の離れた位置での投入（ｔｈｒｏｗｉｎｇ
ａｗａｙ）、または本明細書に記載される任意の手順を含み得る。処理が完了し
てない場合、処理の次の工程は工程３９５で判定され得る。例えば、次の工程は
、別のパケットの命令、別の経路の特定、または図１３の任意の他の工程を必要
とする。
【０１３３】 パケット操作が不成功である場合（すなわち、適用されたプログラム可能な操
作力（単数または複数）が、工程３４０により示されるように、所望の相互作用
または特定の経路に沿っての動作を生み出さなかった場合）、工程３５０におい
て示されるように反応表面上に障害物を配置し得、これは本明細書に教示される
。任意の障害物が配置された後、新たな、修正された経路は、工程３６０により
示されるように、決定され得るかまたは特定され得、工程３１０へ導かれる。
【０１３４】 図１に関連して述べられるように、本開示は、多くの異なるタイプの力が 反応表面上の材料のパケット間で流体の相互作用を促進するための操作力として
、使用され得ることを熟慮する。詳細には、誘電電気泳動以外の適切な力には、
電気泳動力、光学力、機械力、またはその任意の組み合わせを含む。以下に、電
気泳動および光学操作力を取り扱う本開示の実施形態を述べる。
【０１３５】 （プログラム可能な電気泳動アレイ（ＰＥＡ）） プログラム可能な電気泳動アレイを組み込む流体の処理システムは本開示によ
り構成され得る。本明細書に使用されるように、「プログラム可能な電気泳動ア
レイ」（ＰＥＡ）は、電極アレイと呼ばれ、その個々の素子は、ＤＣ、パルス、
または低周波数のＡＣの電気信号（典型的には、約１０ｋＨｚ以下の電気信号）
を扱い得る。電気信号を使用する電極素子のアドレシングは、種々の電界の分布
を開始し、電極面上および電極面の上部の帯電したパケットにより他の操作を捕
捉し、拒絶し、移送し、または実行する電気泳動操作力を生成する。電気信号を
使用するアレイ内で電極素子をプログラム可能にアドレシングすることにより、
帯電したパケットに作用する電界分布および電気泳動操作力は、プルグラム可能
になり得、その結果、パケットは、任意に選択された経路か所定の経路にそって
操作され得る。ＰＥＡは、ＤＣでの電気泳動力または低周波数（典型的に、約１
０ｋＨｚ以下）のＡＣ電界を使用し得る。このような電気泳動力は、別の操作力
（例えば、誘電電気泳動）の代わりまたはそれに加えて使用され得る。
【０１３６】 負または正の電荷は、流体パケットに誘導され得るかまたは投入され得る。帯
電したパケットは、電気泳動力により移動され得るか操作され得、電気泳動力は
、本開示によるチャンバーの内部表面上に作られた電極アレイにより作成される
。電極アレイ（プログラム可能な電気泳動アレイ（ＰＥＡ）と称される）は、均
一または不均一に間隔のある電極素子からなる。個々の電極素子は、ＤＣ、パル
ス化、または低周波数のＡＣ電気信号（約１０ｋＨｚ未満）を使用して、独立し
て、扱われ得る。個々の電極素子の特有の寸法は、任意のサイズであってもよい
が、１実施形態において、０．２ミクロンと１０ｍｍとの間にあり得る。個々の
電極素子は、同様なあるいは種々の幾何学的形状（例えば、４角、円、ダイヤモ
ンドまたは他の形状）を取り得る。プログラム可能に切り替え可能な電気信号は
、個々の電極素子に加えられ得、その結果、プログラム可能な電界分布が生成さ
れ得る。このような分布は、分割媒体での帯電パケットを捕捉し、拒絶し、移送
し、または操作する電気泳動力を課し得る。さらに、電気信号は、このような配
列に印加され得、その結果パケットは、２つ以上のパケットに対し破壊され得る
。ＰＥＡのプログラム可能性は、帯電パケットに作用する電界分布および電気泳
動力は、プログラム可能であり得、その結果、帯電パケットは、捕捉され得また
は拒絶され得、あるいは分割媒体の任意の選択された経路にそって移送され得、
ＰＥＡは、パケットの異なる操作プロトコル（サイズ、数および／または試薬の
タイプの濃度）が要求され得る場合、連続して、または並行して異なる反応を行
うためにプログラムされ得るという事実に反映され得る。ＰＤＡ表面が変更され
ると、誘電体層コーティングがパケット反応表面間の相互作用力を変更するため
にＰＥＡの表面に適用される場合、誘電体層は、十分に薄く(典型的には２ｎｍ
〜１ミクロン)作成され得、それにより、電界透過が可能となる。
【０１３７】 （光学操作） 光ピンセット（光強度諧調を使用するフォーカスレーザビームからなり得るも
の）は、また、材料のパケットを捕捉し、操作するために使用され得る。光学操
作は、パケットの屈折率が、それらの保留している媒体、例えば、本明細書に記
載されているように分割媒体の屈折率とは異なるということを要求する。光は、
１つ以上のパケットを通過するので、振動する双極子を誘発し得る。それらの双
極子は、電磁場の傾きと相互作用し得、その結果、光学力は、光のより明るい領
域に向かうかあるいは離れるように方向づけられる。それらの屈折率が分割媒体
の屈折率よりも大きい場合、パケットは、明領域に捕捉され得、レーザ光が分割
媒体に対して動く場合、パケットは，光のビームに従い得、光学操作力を可能と
する。逆にそれらの分割媒体より小さい屈折率をパケットが有する場合、パケッ
トは、明領域から離れてそれらを方向付ける力を経験する（ｅｘｐｅｒｉｅｎｃ
ｅ）。
【０１３８】 従って、パケットが分割媒体（例えば、大気中またはオイルの中の水のパケッ
ト）の屈折率と異なる屈折率を有する場合、光学のピンセットは、パケットに力
を及ぼし得る。従って、パケットを操作し相互作用させるために、１つ以上のレ
ーザピンセットを組み込んでいる顕微鏡または他の光学システムが使用され得る
。本開示による分割媒体を含むチャンバーは、このような光学システムに配置さ
れ得る。チャンバーの中への材料のパケットの導入に従い、レーザピンセットは
、パケットを補足するために使用され得る。分割媒体（例えば、レーザピンセッ
トの位置を固定している間、分割媒体を含んでいる薄いチャンバーを保持するス
テージを移動する）に対して光学ピンセットの焦点のポイントを動かすことによ
り、および／または分割媒体内の異なる深さにレーザビームをフォーカスするこ
とによりパケットは，本明細書に記載されるように操作され得る。コンピュータ
で制御可能な多軸平行移動ステージのような装置を使用することで、停止してい
る媒体に対する光学ピンセットの動きは、プログラムされ得るかまたは、自動的
に制御され得る。従って、媒体に対して、いくつかの任意の選択された経路また
は所定の経路に沿って、光学ピンセットは動かされ得る。そのようにすることに
より、光学ピンセットの影響下のパケットは、いくつかの任意の選択された経路
または所定の経路に沿って操作され得る。
【０１３９】 （実施例１） 水溶性材料は、分割媒体として疎水性液体を使用してパケットを形成するため
に、区別化されている。そのように使用される分割媒体は、デカン、ブロモデカ
ン（ｂｒｏｍｏｄｏｃａｎｅ）、鉱油および３ ｉｎ １（登録商標）オイルを
含んでいる。パケットは、２０〜５０マイクロリットルの水溶性媒体が加えられ
た疎水性液体の約３ミリリットルを短く超音波処理することにより形成されてい
る。テストされた水溶性媒体は，脱イオン化した水、水道水（約４０ｍＳ／ｍ）
の電気伝導性）およびリン酸緩衝化塩生理食塩水（ＰＢＳ）溶液を含んでいる。
【０１４０】 （実施例２） 鉱油、ブロモデカン（ｂｒｏｍｏｄｅｃａｎｅ）および３ ｉｎ １（登録商
標）オイルに懸濁されている水溶性パケットは、２０、８０、および１６０ミク
ロン間隔をそれぞれ有するゴールドオンガラスの電極アレイへ正弦信号を印加す
ることで誘電電気泳動により収集されている。２０ミクロンの電極アレイは、平
行線の電極（２０ミクロンの幅および間隔）からなる。８０および１６０ミクロ
ンの電極アレイは、インターディジテイティッド形状でキャストレイテッド形状
である。水溶性パケットは、１００Ｈｚと２０Ｍｈｚとの間のＡＣ電圧信号が印
加された場合、電極の端部および先端で収集された。印加電圧は、１０〜１００
Ｖ（ピーク間）であった。水パケットのパールチェーン（ｐｅａｒｌ−ｃｈａｉ
ｎ）の形成もまた、観察されている。
【０１４１】 （実施例３） 疎水性懸濁液の水溶性パケットは、共に起こっており、例２で使用される同じ
電極アレイ上の誘電電気泳動力の影響下で融合されている。
【０１４２】 （実施例４） ＡＣ電界が２０ミクロンの幅と間隔とを有する平行線の電極のアドレシング可
能なアレイ上で切り替えられる場合、パケットは、誘電電気泳動力の影響下で一
方の電極素子から他方の電極素子に移動される。
【０１４３】 （実施例５） 感受性のＡＣインピーダンスモニタは、微小電極配列での使用のために形成さ
れている。このようなモニタは、感受性誘電体がパケットの位置を検出すること
を提供し得る。
【０１４４】 本開示は、種々の変更および代替の形状を適用可能にし得るが、特定の実施形
態は、実施例のために示されており、本明細書において記載されている。しかし
、本開示は、開示される特定の形状に限定されることを意図しないことが理解さ
れるべきである。どちらかと言えば、本開示は、全ての修正物、同等物、および
代替物を網羅し、上述の特許請求の範囲によって定義されるように開示の意図お
よび範囲内に限定される。さらに、開示されている装置および方法の異なる局面
は、種々の組み合わせでおよびまたは独立的に使用され得る。したがって、本発
明は本明細書において示されるそれらの組み合わせにのみ限定されるだけでなく
、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、本発明に開示される方法および装置の１つの実施例に従う微小流体デ
バイスを説明する単純化された模式図である。
【図２】 図２は、誘電泳動力現象を説明する単純化された図である。
【図３】 図３は、本発明に開示される方法および装置の１つの実施例に従う位置検知シ
ステムを説明する図である。
【図４】 図４は、本発明に開示される方法および装置の１つの実施例に従う微小流体デ
バイスの立体図である。
【図５】 図５は、本発明に開示される方法および装置の１つの実施例に従う微小流体デ
バイスの側断面図である。
【図６】 図６は、本発明に開示される方法および装置の１つの実施例に従う微小流体シ
ステムの単純化されたブロック表現である。
【図７】 図７は、本発明に開示される方法および装置の１つの実施例に従う信号印加構
成の単純化されたブロック表現である。
【図８】 図８は、本発明に開示される方法および装置の１つの実施例に従う微小流体デ
バイスの横断面図である。
【図９Ａ】 図９Ａは、本発明に開示される方法および装置の１つの実施例に従う微小流体
デバイスの上面図である。
【図９Ｂ】 図９Ｂは、本発明に開示される方法および装置の１つの実施例に従う微小流体
デバイスの他の上面図である。
【図１０】 図１０は、本発明に開示される方法および装置の１つの実施例に従う微小流体
システムの単純化されたブロック表現である。
【図１１】 図１１は、本発明に開示される方法および装置の１つの実施例に従う微小流体
処理を示す微小流体デバイスの上面図である。
【図１２】 図１２は、本発明に開示される方法および装置の１つの実施例に従うあるパケ
ットの相互作用を説明する図である。
【図１３】 図１３は、本発明に開示される方法および装置の１つの実施例に従う微小流体
処理を示すフローチャートである。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年８月２０日（２００１．８．２０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ガスコイン， ピーター アメリカ合衆国 テキサス 77401， ベ ライル， フイサッチェ ストリート 5313 (72)発明者 ウァン， シャオボー アメリカ合衆国 テキサス 77478， シ ュガーランド， ウィンディング リバー ドライブ 4910 (72)発明者 ビコウカル， ジュディ アメリカ合衆国 テキサス 77030， ヒ ューストン， ドライデン ナンバー２ 1937 (72)発明者 デ ガスペリス， ジオバッニ イタリア国 アイ−67100， ラクイラ， ヴィア ジオバッニ フェネツィアーニ 14 Ｆターム(参考） 4D054 FA01 FB02 FB12 FB18 FB20 4G075 AA13 AA39 AA62 AA65 BB05 BD15 CA14 CA56 EC21

Claims (41)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パケットをプログラム可能に操作する装置であって、 該パケット用に相互作用部位を提供するように構成された反応面と、 該反応面に結合され、該パケットを該反応面上に導入するように構成された注
    入ポートと、 該パケット上にプログラム可能な操作力を生成して、該反応面周囲において該
    パケットを任意選択された経路に沿ってプログラム可能に移動させる手段と、 該反応面に結合され、該パケットの該反応面での位置を感知するように構成さ
    れた位置センサーと、 該プログラム可能な操作力を生成する手段および該位置センサーに結合された
    コントローラであって、該位置に従って該プログラム可能な操作力を調節するよ
    うに構成される、コントローラと、 を備える装置。
  2. 【請求項２】 前記反応面に結合され、該反応面から該パケットを収集する
    ように構成された排出ポートをさらに備える、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記操作力を生成する手段は、電界を生成するように適合さ
    れた導電体を備える、請求項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記操作力を生成する手段は光源を備える、請求項１に記載
    の装置。
  5. 【請求項５】 前記操作力は、誘電電気泳動力、電気泳動力、光学的力、機
    械的力またはこれらの任意の組み合わせを備える、請求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記位置センサーは、前記パケットの電気インピーダンスを
    測定するように構成された導電体を備える、請求項１に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記位置センサーは、前記パケットの位置をモニタリングす
    るように構成された光学システムを備える、請求項１に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記プログラム可能な操作力を生成する手段および前記位置
    センサーは一体化される、請求項１に記載の装置。
  9. 【請求項９】 パケットをプログラム可能に操作することにより微小な流体
    を処理する装置であって、 該パケット用に相互作用部位を提供するように構成された反応面と、 該反応面に結合され、該パケットを該反応面上に導入するように構成された注
    入ポートと、 該反応面に結合され、プログラム可能な操作力を該パケット上に生成して、該
    パケットを任意選択された経路に沿って移動させることにより、該微小な流体の
    処理を導くように構成された駆動電極アレイと、 該反応面に結合され、該微小な流体の処理中に該パケットの位置を感知するよ
    うに構成されたインピーダンス感知電極のアレイと、 を備える装置。
  10. 【請求項１０】 前記反応面に結合され、該反応面から前記パケットを収集
    するように構成された排出ポートをさらに備える、請求項９に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記駆動電極アレイおよび前記インピーダンス感知電極ア
    レイに結合され、該インピーダンス感知電極アレイから該駆動電極アレイにフィ
    ードバックを提供するように適合されたコントローラをさらに備える、請求項９
    に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記駆動電極アレイおよび前記インピーダンス感知電極ア
    レイは一体化される、請求項９に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記駆動電極アレイおよび前記インピーダンス感知電極ア
    レイに結合された集積回路をさらに備える、請求項９に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 前記反応面の疎水性を変更するコーティングをさらに備え
    る、請求項９に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 メンテナンスポートをさらに備える、請求項９に記載の装
    置。
  16. 【請求項１６】 分割媒体においてパケットを処理する装置であって、 該パケットおよび該分割媒体を含むように構成されたチャンバと、 該チャンバに結合され、かつ、プログラム可能な誘電電気泳動力を生成して、
    該パケットの処理を導くように構成されたプログラム可能な誘電電気泳動アレイ
    と、 該プログラム可能な誘電電気泳動アレイと一体化されるインピーダンス感知電
    極アレイであって、該パケットの該チャンバ内での位置を感知するように構成さ
    れた、インピーダンス感知電極アレイと、 を備える装置。
  17. 【請求項１７】 前記プログラム可能な誘電電気泳動アレイおよび前記イン
    ピーダンス感知電極アレイに結合された集積回路をさらに備える、請求項１６に
    記載の装置。
  18. 【請求項１８】 前記プログラム可能な誘電電気泳動アレイおよび前記イン
    ピーダンス感知電極アレイに結合されたコントローラであって、該インピーダン
    ス感知電極アレイから該プログラム可能な誘電電気泳動アレイにフィードバック
    を提供するように適合されるコントローラをさらに備える、請求項１６に記載の
    装置。
  19. 【請求項１９】 前記電極は、約１ミクロン〜約２００ミクロンであり、約
    １ミクロン〜約２００ミクロンの間隔で配置される、請求項１６に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 パケットを操作する方法であって、 反応面と、該反応面に結合された注入ポートと、プログラム可能な操作力を該
    パケット上に生成する手段と、該反応面に結合された位置センサーと、該プログ
    ラム可能な操作力を生成する手段および該位置センサーに結合されたコントロー
    ラとを提供する工程と、 該注入ポートを備える反応面上に材料を導入する工程と、 該材料を区画化して該パケットを形成する工程と、 該位置センサーを用いて該パケットの位置を感知する工程と、 該プログラム可能な操作力を生成する手段を用いて、該位置にある該パケット
    にプログラム可能な操作力を適用する工程であって、該プログラム可能な操作力
    は、該位置に従って該コントローラによって調節可能である、工程と、 該プログラム可能な操作力に従って、任意選択された経路に沿って該パケット
    をプログラム可能に移動させる工程と、 を包含する方法。
  21. 【請求項２１】 前記パケットは、流体パケット、カプセル化パケットまた
    は固体パケットを備える、請求項２０に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 前記区画化工程は、前記材料を分割媒体中に懸濁させる工
    程を包含する、請求項２０に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 前記材料は、前記分割媒体において非混和性である、請求
    項２２に記載の方法。
  24. 【請求項２４】 前記反応面はコーティングを備え、該コーティングの疎水
    性は、該分割媒体の疎水性よりも大きい、請求項２２に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 前記プログラム可能な操作力を適用する工程は、アレイ状
    に構成された１つ以上の駆動電極に駆動信号を適用して、該プログラム可能な操
    作力を生成する工程を包含する、請求項２０に記載の方法。
  26. 【請求項２６】 前記プログラム可能な操作力は、誘電電気泳動力、電気泳
    動力、光学的力、機械的力またはこれらの任意の組み合わせを備える、請求項２
    ０に記載の方法。
  27. 【請求項２７】 前記位置感知工程は、アレイ状に構成された１つ以上のイ
    ンピーダンス感知電極に感知信号を適用して、前記パケットと関連付けられたイ
    ンピーダンスを検出する工程を包含する、請求項２０に記載の方法。
  28. 【請求項２８】 前記パケットを相互作用させる工程をさらに包含し、該相
    互作用は、移動、融解、結合、混合、反応、計量、区画化、分割、感知、収集ま
    たはこれらの任意の組み合わせを包含する、請求項２０に記載の方法。
  29. 【請求項２９】 流体を処理する方法であって、 反応面と、該反応面に結合された注入ポートと、該反応面に結合された駆動電
    極アレイと、該反応面に結合されたインピーダンス感知電極のアレイと、を提供
    する工程と、 該注入ポートを備える反応面上に１つ以上の材料を導入する工程と、 該１つ以上の材料を区画化して複数のパケットを形成する工程と、 該インピーダンス感知電極のうち１つ以上に感知信号を適用して、該複数のパ
    ケットの１つ以上の位置を判定する工程と、 該駆動電極の１つ以上に駆動信号を適用して、該位置にある該複数のパケット
    の１つ以上の上にプログラム可能な操作力を生成する工程と、 該プログラム可能な操作力に従って、該複数のパケットの１つ以上を相互作用
    させる工程と、 を包含する方法。
  30. 【請求項３０】 前記複数のパケットの少なくとも１つは、流体パケット、
    カプセル化パケットまたは固体パケットを備える、請求項２９に記載の方法。
  31. 【請求項３１】 前記感知信号および前記駆動信号は、信号処理信号を備え
    る、請求項２９に記載の方法。
  32. 【請求項３２】 前記信号処理工程は、前記感知信号に対応する第１の周波
    数成分と、前記駆動信号に対応する第２の周波数成分とを備える、請求項３１に
    記載の方法。
  33. 【請求項３３】 前記複数のパケットの位置に従ってパケット分布マップを
    形成する工程をさらに包含する、請求項２９に記載の方法。
  34. 【請求項３４】 前記反応面上の１つ以上の障害物の位置を判定する工程を
    さらに包含する、請求項２９に記載の方法。
  35. 【請求項３５】 前記相互作用工程は、移動、融解、結合、混合、反応、計
    量、区画化、分割、感知、収集またはこれらの任意の組み合わせを包含する、請
    求項２９に記載の方法。
  36. 【請求項３６】 １つ以上のパケットを反応面上で操作する方法であって、 該反応面に結合されたプログラム可能な誘電電気泳動アレイと、該プログラム
    可能な誘電電気泳動アレイと一体化されたインピーダンス感知電極アレイとを提
    供する工程と、 該反応面上に材料を導入する工程と、 該材料を区画化して該１つ以上のパケットを形成する工程と、 該反応面上に経路を指定する工程と、 該プログラム可能な誘電電気泳動アレイを用いて、プログラム可能な操作力を
    該１つ以上のパケット上に適用し、該１つ以上のパケットを該経路に沿って移動
    させる工程と、 該インピーダンス感知電極アレイを用いて、該１つ以上のパケットの位置を感
    知する工程と、 該位置が該経路に対応するか否かをモニタリングする工程と、 該１つ以上のパケットを相互作用させる工程と、 を包含する方法。
  37. 【請求項３７】 前記１つ以上のパケットの少なくとも１つは、流体パケッ
    ト、カプセル化パケットまたは固体パケットを備える、請求項３６に記載の方法
    。
  38. 【請求項３８】 障害物の位置を感知する工程と、 変更された経路を判定する工程であって、該変更された経路は、該障害物を回
    避する、工程と、 該１つ以上のパケット上にプログラム可能な操作力を適用して、該１つ以上の
    パケットを該変更された経路に沿って移動させる工程と、 をさらに包含する、請求項３６に記載の方法。
  39. 【請求項３９】 前記経路指定工程は、初回位置および最終位置を指定する
    工程を包含する、請求項３６に記載の方法。
  40. 【請求項４０】 前記材料導入工程は、誘電電気泳動抽出力を用いて、前記
    材料を注入器から前記反応面上に抽出する工程を包含する、請求項３６に記載の
    方法。
  41. 【請求項４１】 前記相互作用工程は、移動、融解、結合、混合、反応、計
    量、区画化、分割、感知、収集またはこれらの任意の組み合わせを包含する、請
    求項３６に記載の方法。
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