JP2004000935A - 静電力を用いて流体を移動させるための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液滴自体の他は何も動くものがない状態で液滴を表面上で移動させる。
【解決手段】静電界の力を用いて液滴を表面上で移動させるための装置であって、単一の基板と、基板上に配置され、互いに離間された複数の電極と、基板に隣接して配置され、電極を囲む誘電層と、液滴の移動を容易にするのに適当な材料からなる表面であって、表面が誘電層の上に配置される表面、を備えることを特徴とする、液滴を表面上で移動させるための装置。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、分析、合成及び精製手順に関連する縮小化された遺伝的、生化学的及び化学的プロセスに関する。詳細には、本発明は、静電的活性化を用いることによって液滴自体の他は何も動くものがない状態で液滴を表面上で移動させるための装置及び方法を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、液滴の制御された動作及び／又は変形が必要であるような、いかなる状況においても応用範囲を持つことが理解されるであろう。１つの例は、２つの液滴の融合である。この例は特に、微小な体積の流体の間の、化学反応，あるいは混合，を促進することに関して有利である。流体の例には、液体，溶媒，及びエマルジョン，粒子固体−液体エマルジョン，及び、粒子固体−液体サスペンション（ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ）が含まれる。本発明の微小な体積の流体の移動能力は、小さな装置サイズを可能とし、それによって、多数の液滴移動器のアレイ（ａｒｒａｙ）が、大規模に並行的に、液滴を取り扱うこと（物質発見あるいは合成のための組合せアプローチ（ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌ　ａｐｐｒｏａｃｈｓ）において要求される）を可能とする。物質発見あるいは合成のための組合せ化学（ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）は、数多くの分野と産業に存在するが、特に、生物科学に存在する。最近は、迅速にそして信頼性を持って、少ない量のサンプルと試薬を用いて、大量にチュー・キャル（ｃｈｅｗ　ｃａｌ．）及び生物化学反応を実行する能力を開発することが望まれて来ている。例えば、化学，生物科学，及び生物医学研究者に加えて薬学研究者は、新薬発見のための新規の先導化合物のリソースとして、大量に、組合せライブラリ（ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌ　ｌｉｂｒａｒｉｅｓ）を並行スクリーニングすることに目を向けている。組合せライブラリは、試薬としての多数の化学”構築ブロック（ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｂｌｏｃｋｓ）”を組合せることによって、化学合成か生物合成かのいずれかによって生成されてきた、化学合成物の集合である。例えば、組合せポリペプチド・ライブラリは、所定の化合物長さ（即ち、ポリペプチド化合物でのアミノ酸の数）のための、全てのあり得る方法において、アミノ酸の組を組合せることによって形成される。膨大な化学化合物が、そのような、化学構築ブロックの組合せ混合を通じて理論的には合成され得る。
【０００３】
一旦ライブラリが構築されると、それは、いくつかの種類の生物学的あるいは薬学的機能を持つ化合物を特定する（ｉｄｅｎｔｉｆｙ）ためにスクリーニングされねばならない。長年を通じて薬産業は、薬の候補を発見するために、より多く、高いスループットの、化学化合物のライブラリのスクリーニング（ＨＩＳ）に依存してきた。ＨＴＳは、同時にあるいは同じに近い状態で、生物的機能について大量の試験化合物がスクリーニングされるように、多くの別個の化合物が並行して試験されるような方法を説明する。現在、最も広く確立されている技術は、９６ウェル・マイクロタイマ・プレートを用いる。この様式で、９６の独立の試験が、１つの８ｃｍ×１２ｃｍのプラスチックプレート（９６の反応ウェルを含む）の上で同時に実行される。これらのウェル（ｗｅｌｌｓ）は一般的に、５０から５００^＊＊マイクロリッターまでの範囲のアッセイ体積（ａｓｓａｙ　ｖｏｌｕｍｅ）を必要とする。９６ウェルフォーマットを広い範囲の均一及び異質なアッセイ（ａｓｓａｙｓ）に適合させるために、プレートに加えて、多くの道具，材料，ピペット（ｐｉｐｅｔｔｏｒｓ），ロボット，プレート洗浄機，及びプレートリーダが商業的に入手可能である。最近、マイクロリッター・プレートのアプローチが、３８４及び１５３６ウェル・フォーマットに拡張された。しかし、プレートの縮小化と、対応する装置の再設計のコストと、が固有のコストを持つようなポイントが存在し、縮小化に対するそのようなアプローチを制限する複雑さが存在する。
【０００４】
特許文献１は、一連のチャンネル（ｃｈａｎｎｅｌｓ），溝，あるいはスポットが、基板の上あるいはそれに隣接して形成されること、を教示する。試薬（ｒｅａｇｅｎｔｓ）は、基板上の選択された位置において異なった化合物（ｃｏｍｐｏｕｎｄ）を有するアレイ（ａｒｒａｙ）を形成する、チャンネル，溝，スポット，を通じて選択的に流され、あるいはチャンネル内に蒸着される（ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ）。
【０００５】
特許文献２は、複数の開口（これは、移動要素として動作する）を有する移転プレートを開示する。各開口は、電気的に活性化される能力を持つ。移動プレートは、マルチウェル（ｍｕｌｔｉｗｅｌｌ）プレートに付着されて、移動要素の開口を除いてシールされたシステムを形成する。移動プレートは、移動プレートでの開口を電気的に活性化することによって、正確な液体の量の、マルチウェル・プレートからサンプル受容プレートへの、同時の移動に適合される。
【０００６】
特許文献３は、２つの要素，つまり回転可能なマイクロプラットフォーム及びマイクロ操作装置，の組合せを備えるシステムを教示する。マイクロプラットフォームは、好ましくは、サンプル，ポート，流体マイクロチャンネル，試薬貯蔵部，反応チャンバ，検知チャンバ，流体入力ポート，空気アウトレットポート，空気置換チャンネル，及びサンプルアウトレットポート，を含むディスクである。ディスクは、約１から３０，０００ｒｐｍまでの速度で回転され、流体の移動を可能とする求心的加速度を生成する。入力ポートは、処理及び／又は分析のためにサンプルがディスクに入ることを可能とする。空気アウトレットポート及び空気置換ポートは、流体が空気を置換して、ディスク上で、禁止されていない流体の移動を保証するための手段を提供する。ディスク上の特定の位置は、好ましくは、流体が分析されることを許容する要素（これらのエフェクタに対する検知器に加えて、熱源，光源，及び音源を含む）もまた備える。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許公報第６，０４０，１９３号
【特許文献２】
米国特許公報第６，２８４，１１３号
【特許文献３】
米国特許公報第６，３１９，４６９号
【０００８】
【発明の概要】
手短に述べると、本発明の１つの態様によれば、静電界の力を用いて液滴を表面上で移動させるための装置が開示される。この装置は、複数の電極が間隔をおいて配置された単一の基板を含む。誘電材料が基板上の電極を囲む。液滴が置かれる表面は、液滴の移動を容易にする材料から作られる。
【０００９】
本発明の他の特徴として、１つの基板と、基板上で互いに間隔を置かれた複数の電極を有する装置の表面上で液滴を移動させるための方法が開示される。誘電層が、基板及び電極の上に置かれる。誘電層の表面は、液滴の移動を促進するための適切な材料を含む。１つの液滴以上の表面上への堆積（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）の後に、電極の少なくとも２つの間に電圧が印加され、液滴の移動を引き起こす。
【００１０】
【発明の実施の形態】
ここで用いられる「スクリーニング」という用語は、目的分子と結合する能力について多数の分子又は化合物を試験することをいう。
ここで用いられる「サンプル」という用語は、より複雑な混合物の成分として分離又は検出された、或いは前駆種（ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ　ｓｐｅｃｉｅｓ）から合成された、対象となる化学種又は微粒子種のいずれかをいう。
ここで用いられる「基板」という用語は、硬質の又は半硬質の、或いは可撓性の表面をもつ材料をいう。多くの実施形態においては、基板の少なくとも１つの表面はほぼ平坦であるが、幾つかの実施形態においては、異なるサンプルのための合成領域を、例えば、ウェル（ｗｅｌｌ）、隆起領域、エッチングされたトレンチ等で物理的に分離することが望ましい場合がある。幾つかの実施形態においては、基板自体が、合成領域の全て又は一部をなすウェル、トレンチ、フロースルー領域（ｆｌｏｗ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｒｅｇｉｏｎ）、多孔質固体領域などを含んでいても良い。
【００１１】
ここで用いられる「アレイ」という用語は、マルチアッセイ（ｍｕｌｔｉ−ａｓｓａｙ）・カード上の複数の電極構造体や、基板上の複数の試験領域等のような複数の要素の配置をいう。
ここで用いられる「平面アレイ」という用語は、平面内、例えばアレイを備える平坦な基板のような物体の平面である平面内に配置されたアレイをいう。
ここで用いられる「ミクロ流体的な」という用語は、流体であって、毛管寸法に一致するオーダーの大きさのものを意味し、又はこのような流体に関するものである。
ここで用いられる「ミクロ流体的な処理」という用語は、ミクロ流体的なスケールで行われる処理をいう。この処理は、毛管寸法のチャンバ、チャネル、又は表面に係る流体の取扱い、移送及び操作に関係する。
【００１２】
ここで用いられる「電気活性化」という用語は、静電的活性化、圧電的活性化などを含む電気力学的に作動される活性化をいう。
ここで用いられる「電導性材料」という用語は、電気刺激を伝えることができる材料をいう。こうした材料の例は、例えばニッケル、銅、金、銀、プラチナ、ロジウム、パラジウムなどのような金属と、例えば金と銅の合金、パラジウムとニッケルの合金、ステンレス鋼などのようなこれらの合金である。その他の例は、水溶液、食塩水、生物学的分子及び可動イオンを含むその他の材料の水性懸濁液のようなイオン伝導体である。
【００１３】
ここで用いられる「平面状表面」という用語は、固体基板上のほぼ２次元の構造をいい、通常は、必ずというわけではないが硬質であり、必ずというわけではないが平坦である。この表面は、例えば、ポリマー、プラスチック、樹脂、多糖類、シリカ又はシリカベースの材料、カーボン、金属、無機ガラス、膜などの多種多様な材料のいずれかで構成することができる。この表面は、上に置かれた液体と反応しないものであってもよいし、液体の成分と結合することができる反応性官能基を含んでいても良い。一方、表面は、化学的合成または分析を行うための１つ又はそれ以上の試薬を含んでいても良い。表面が横たわる基板は、ディスク（ｄｉｓｃ）形、正方形等といった都合の好いどんな形にしてもよい。基板が表面とは異なる材料から形成される場合には、基板はガラス、変成シリコン、ポリマー材料又はこれらの組合せから形成することができる。他の基板材料は、本開示を読めば当業者には容易に分かるであろう。
【００１４】
本発明は種々の用途に使用可能である。例えば、本発明は、合成ツール（例えばペプチド合成の）、スクリーニングツール（例えば薬物活性についての化合物ライブラリー・スクリーニングの）、又はモニタリング／診断ツール（例えば医療又は環境試験の）において１つ又はそれ以上の液滴を動かすか、又は２つ又はそれ以上の液滴を結合させるのに用いることができる。別の例としては、本発明は、合成ツール、スクリーニングツール、又はモニタリング／診断ツールにおいて、１つ又はそれ以上の液滴を多孔質の又は開口した固体の中に移動させるのに用いることができる。多孔質の又は開口した固体は、用途に応じて、液滴に対して受動性又は反応性にしたり、或いは液滴と相互作用させたりすることができる。一実施形態においては、固体の孔は、液滴の液体に毛管力を及ぼして、物質の移動、反応又は相互作用を十分に増強させるのに十分なほど小さいものとされる。上記の組合せも本発明の一部として含まれる。
【００１５】
次に図１を参照すると、本発明の一実施形態に係る静電液滴移動装置１００の断面図と平面図が示されている。この実施形態の例は、感知できるほどの熱を発生させずにサンプルの液滴を移動できるようにし、複数の種類のサンプルの混合を容易にするものである。静電液滴移動装置１００は、上に少なくとも２つの電極１１０及び１４０を備えた単一の基板１６０からなる。他の液滴移動装置の技術は、以下の文献、すなわち、Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｇ．Ｐｏｌｌａｃｋａ及びＲｉｃｈａｒｄ　Ｂ．Ｆａｉｒｂ著、「Ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ−ｂａｓｅｄＡｃｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｄｒｏｐｌｅｔｓ　ｆｏｒ　Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、２０００年９月、第７７巻、第１１号と、Ｊｅｓｓｅ　Ｆｏｗｌｅｒ、Ｈｙｅｊｉｎ　Ｍｏｏｎ及びＣｈａｎｇ−Ｊｉｎ“ＣＪ”Ｋｉｍ著、「Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｉｘｉｎｇ　ｂｙ　Ｄｒｏｐｌｅｔ　ｂａｓｅｄ　Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ」、カリフォルニア州ロサンゼルス所在のＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ　Ｌｏｓ　Ａｎｇｅｌｅｓ、に開示されており、液滴の反対側に、１つ又はそれ以上の電極を備えた第２の基板の存在を必要とし、２つの基板の間に液滴が実効上挟まれる。本発明が単一の基板しか必要としないことは本発明の特徴を区別する鍵であることが理解されるであろう。これは、製造の容易さ、コスト、及び、液滴を配置する、液滴の特性を測定する等の間の使用のしやすさのために有利である。基板１６０は、例えばガラス、プラスチック又は樹脂のような当該技術分野では公知の種々の材料から製造することができる。
【００１６】
ここでの説明のために電極は矩形形状で示されているが、当業者であれば、電極とこれを分離するギャップは種々の形状及び構成をとることができ、これらの全ては本発明の開示において考慮されているものであることが分かるであろう。例えば、図１０は、三角形の電極の縁１０１０をもつ実施形態を示している。この実施形態においては、液滴１０２０は、電極の間のギャップ部分の上に置かれることが好ましく、図１０に示されるような形状は、こうした配置における自由度を増大する。具体的には、液滴が図１０のギャップの一部又は全てにわたるように液滴を配置する場合の自由度は、２つのギャップセグメントを含む三角形の底辺から頂点までの長さのオーダーである。一方、直線状のギャップにおける対応する自由度はギャップの幅である。
【００１７】
電極１１０及び１４０は、当該技術分野では公知のいずれかの薄膜蒸着プロセスを用いてパターン付けされた金属薄膜とすることができる。電極１１０及び１４０は、各々の側においておよそ１０ミクロンから５ｍｍまでの範囲のサイズとすることができ、互いにギャップ１７０によって離間され、このギャップはおよそ１μｍからおよそ５００μｍまでの範囲のサイズとすることができる。電極１１０及び１４０は、絶縁／誘電層１５０で包まれ、この層は、約０．１μｍから約１００μｍまでの範囲の厚さとすることができる。好適な材料の例は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、酸化タンタル、又はＰａｒｙｌｅｎｅ、Ｄｕｐｏｎｔ　Ｔｅｆｌｏｎ　ＡＦ、３Ｍ　Ｆｌｕｏｒａｄ、３Ｍ　ＥＧＣ１７００のようなポリマー、その他のフルオロポリマー、ポリシロキサン、ダイアモンド状の炭素、又は他のスピンコートされた、スプレーコートされた、浸漬被覆された、又は蒸着されたポリマーを含む。基板に沿って大きく横方向に移動することが望まれる実施形態においては、誘電層の表面１２０は、基板に沿った液滴の移動のしやすさを向上させるために、液滴が水性ベースのものであれば高疎水性であることが好ましく、液滴が油ベースのものであれば高疎油性であることが好ましい。一例として、疎水性の表面は、疎水性の誘電層（例えばＰａｒｙｌｅｎｅ）を用いるか、又は誘電層の上に疎水性層を蒸着させることによって達成可能である。好適な疎水性材料は、典型的には、Ｄｕｐｏｎｔ　Ｔｅｆｌｏｎ　ＡＦのようなＦｌｕｏｒｏｃａｒｂｏｎ、３Ｍ　Ｆｌｕｏｒａｄ、３Ｍ　ＥＧＣ１７００のようなフルオロカーボン、その他のフルオロポリマー、ポリシロキサン、ダイアモンド状の炭素、或いは蒸着又はプラズマ蒸着されたフルオロカーボンを含む。
【００１８】
本発明の一実施形態において液滴を移動させるためには、液滴１３０は、図１の平面図に示されるように、ギャップ１７０に非対称にまたがるように疎水性表面上に置かれる。液滴１３０は両方の電極の一部を覆うが、液滴の大部分は一方の電極上にあり、この例では電極１４０上にある。２つの電極間に十分に大きい電圧差がかけられると、静電力によって液滴１３０が表面１２０上で移動され、液滴１３０の中央がギャップ１７０上にくるようにされる。
【００１９】
一般に、本発明は、単一の基板のみを必要としながら、液滴自体以外は何も動く部分がない状態で、静電的活性化の使用により液滴を表面上で移動させるための装置及び方法を提供する。本発明の実施においては、実施形態は、対象となる特定の用途に好適な１つ又はそれ以上のメカニズムの効果を高めるための優先度に基づいて選択することができるが、本発明は、全ての実施形態を含み、ここに記載されるメカニズムの例に拘束されることを意図されていない。
こうした物理的メカニズムの１つは、例えば、平行板コンデンサのギャップの中に移動可能に及び部分的に（すなわち板の平面内でずらして）挿入された誘電材料のシートが、電圧が印加されたときにコンデンサの中央に向けて引っ張られるという、コンデンサ内の誘電材料のクーロン「引力」（ｃｏｕｌｏｍｂｉｃ　’ｓｕｃｔｉｏｎ’）に基づいている。エネルギー論的には、コンデンサ板の間に最大限の量の誘電材料を備えることが好ましい。逆に、電圧が印加された平行板コンデンサの横方向にずらされた板は、ずれを最小にする方向に横方向に動こうとする。本発明のこの実施形態においては、移動可能な材料は液滴１３０であり、コンデンサ板は局所的にほぼ同一平面上にある。この場合、エネルギー論的に最も好ましい構成は、液滴１３０の中央がギャップ１７０の上にきたときに達成される。
【００２０】
水溶液又は他のイオン伝導性流体において作用する別の物理的メカニズムは、電極に向かう可動イオンのマイグレーションによって誘起された電界に基づいている。静電エネルギーの減少により、電極の界面張力エネルギーが効果的に低下して、表面張力のバランスが変化し、結果として接触角が変化する。液滴が電圧印加された電極の組に対して非対称に配置されると、アンバランスな力によって液滴上に正味の横方向の力が生じ、液滴が対称な位置に向けて押される。
液滴を変形させるのに適したさらに別の物理的メカニズムは、電界の存在下で誘電性流体材料に作用する静電「体積力（ｂｏｄｙ　ｆｏｒｃｅ）」に基づいている。例えば、図１１は、電圧印加された電極１１２０の組の上にあり、電界の影響を受けて平らに広がっている液滴１１１０を示す。近くに別の液滴がある場合、液滴の変形が液滴間のスペースを超えたときに液滴の融合が生じる。
【００２１】
図１２は、液滴を融合させることができる更に別の適用可能な物理的メカニズムを示す。これは、２つの近接して配置され反対のイオン伝導性をもつか又は誘電性をもつ液滴１２１０及び１２２０の間の直接的な静電引力に基づいている。イオン移動によって、互いに向かい合う液滴１２１０及び１２２０の側面が反対の電荷を帯び、これにより互いに引き寄せられ、液滴が互いに向けて変形することになる。近接している場合、液滴間の物理的接触が保証され、２つの液滴が効果的に１つに融合される。
上記のメカニズムのいずれか又は全ては、本発明の種々の実施形態で達成される液滴の変形及び／又は移動において同時に役割を果たす。本発明の本質は、本来は拘束されることがない液滴を支持する単一の、好ましくはほぼ平坦な基板の上に配置された電極構成を用いて、これらのメカニズムのいずれか又は全てを利用することである。
【００２２】
図１とこれに対応する実施形態の例を参照すると、Ａ_２は液滴１３０が電極１１０を覆う面積であり、Ａ_１は液滴１３０が電極１４０を覆う面積であり、液滴１３０は絶縁／誘電体１５０によって電極１１０及び１４０から離されている場合に、電極１１０及び１４０は、液滴１３０の抵抗を通して直列に接続された２つのコンデンサに対応する。これに等しい回路図が図６に示されており、図中６３０は液滴の抵抗を指し、６１０及び６４０は直列に接続されたコンデンサを指す。絶縁体１５０と液滴１３０における電気的二重層とが、２つの界面におけるキャパシタンスに寄与することになるが、絶縁体１５０の寄与は、該絶縁体の約０．５ミクロンより大きい厚さと、生化学的緩衝剤に用いられるものに匹敵し約１０^−６Ｍから約１０^−１Ｍまでの範囲となるイオン強度とに支配される。以下の例示的な式と計算は、電気的二重層のキャパシタンスへの寄与は含まないが、当業者であれば分かるように、本発明はこうしたケースに限定されるものではなく、多くの可能な実施形態のいずれにも存在する全ての層、表面などの寄与を包含する。さらに、本発明は、例えば、脱イオン水、純水、或いは無極性溶媒又は水より極性の低い溶媒を含む他の溶媒といった、ここでの種々の実施形態において用いられるものより低いイオン強度も包含する。
【００２３】
図６の２つのコンデンサ６１０及び６４０に蓄えられた全エネルギーは、
【数１】

であり、ここでＵはエネルギーであり、Ｃ_Ｔは図６の回路の等価キャパシタンスであり、Ｖは電圧である。それぞれ面積Ａ_１及びＡ_２と、単位面積あたり、
【数２】
εε_ｐ／ｄ
のキャパシタンスをもち、εは絶縁／誘電層の比誘電率であり、ε_ｐは真空誘電率であり、ｄは絶縁／誘電層の厚さである２つのコンデンサにおいて、直列の２つのコンデンサの等価キャパシタンスは次式のようになる。
【数３】

【００２４】
エネルギー収量の式（Ｕ）にＣ_Ｔを代入すると、Ａ_１及びＡ_２の関数としての蓄えられたエネルギーが得られる。液滴は、印加電圧がかけられると、蓄えられた容量性のエネルギーを最適化させるために横方向に移動することを認識すると、移動方向の横方向変位に関して、エネルギーＵを微分することにより、横方向変位の関数として実効的な力を導くことができる。このようにして得られる実効的な力の式は、以下の通りである。
【数４】

上記の式において、Ｒは液滴と絶縁層との接触面積の半径であり、Ｖ＝Ｖ_２−Ｖ_１であり、ｙは液滴が電極２の上で移動した距離をＲによって割ったものである。この例においては、数値例を単純にするための理想化として、接触面積を円形とみなした。
【００２５】
次に図７を参照すると、ｆ（ｙ）の挙動が示されている。ｙの値が小さいとき力は急速に上昇し、ｙ＝０．３３のあたりで最も強くなり、これは、半径の３３％のところでむしろ重なりが小さいときである。ｙの値が小さいとき、変位が増加するのに伴って力も増加し、移動がｙ＜０．３３でスタートする場合は、液滴の移動のしやすさが高められることが示唆される。ｙ＝１のとき、力が０まで下がるのに伴って、図６の直列になった２つのコンデンサに蓄えられた位置エネルギーは最大になる。液滴がさらに移動すると、ｆ（ｙ）が負になることに対応して、液滴を中央の位置（ｙ＝０）に押し戻そうとする復原力が働く。しかしながら、ｙが１を上回るほど液滴の運動量が十分に大きい場合、復原力は、液滴が電極１から完全に離れて移動することを防ぐのに十分なほど大きくはならない。こうした移動は、幾つかの実施形態においては有利となるが、その他においては望ましくない。
【００２６】
ε＝３、Ｒ＝３６０ミクロン、及びｄ＝１ミクロンという典型的な値において、
【数５】

上式は、コンデンサによって生じた力の算出された大きさを示す。この力は、３相接触線において液滴に及ぼされる移動に対する抵抗に打ち克つ必要がある。普通は、この力は、接触角が大きい（例えば接触角が９０°より大きい）とき小さく、接触角が小さいとき大きい。液滴を動かすのに要する力の量的な観点での予測は、液滴の形、固体表面の粗さ、表面不均一性、及び多くのその他のファクタに影響される。
【００２７】
説明のために、液滴を移動させるのに要する電圧として予測される典型的な大きさを示すために、幾つかの近似を行うことができる。例えば、移動に対する主な抵抗は表面張力γに比例し、接触線の投影は移動方向に対して垂直な軸線に沿って低下し、円形の接触領域においては接触線の投影は２Ｒに等しいと仮定することができる。この場合には、２γＲがα_ＦＶ^２に等しいものとして、液滴を移動させるのに要する電圧の大きさのオーダーの推定を与えることができ、これにより、Ｖについて解いて、液滴を移動させるのに要する電圧の以下の近似を得ることができる。
【数６】

式中、γ＝７２ｍＮ／ｍ（単に説明のために選ばれたもので、２５℃における水の値である）であり、その他の関連するパラメータの値は上記で既に与えられたものである。
【００２８】
液滴移動の幾つかの用途においては、液滴の移動中のキャパシタンスの充電及び放電中に放出された熱を考慮することも必要である。主な抵抗が液滴自体内に存在するものとなる図６に示された等価回路においては、液滴は、Ｃ_ＴＶ^２／２エネルギー単位から加熱され、これは、
【数７】

の温度上昇に対応し、式中ｍは液滴の質量であり、Ｃ_Ｐは比熱である。Ｃ_Ｔについては既に説明した式を用い、種々のパラメータについては上記と同じ値を用い、Ａ_１＝Ａ_２＝πＲ^２／２とし、Ｖ＝９０Ｖ、ｍ＝（２πＲ^３／３）×１ｇ／ｃｍ^３、及びＣ_Ｐ＝４．１８Ｊ／ｇ／℃と設定すると、
ΔＴ＝５４×１０^−６℃となる。
【００２９】
マイクロ熱量測定のような幾つかの用途においては、この温度上昇は対象となる信号に匹敵するので望ましくない。この場合、こうした問題に対処するために、対照サンプルによる共通モード拒否（ｃｏｍｍｏｎ　ｍｏｄｅ　ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ）を用いることができる。
或いは、図６の液滴の外側に、図８に示すように抵抗を付加することができる。コンデンサ８１０及び８４０と液滴抵抗８３０（Ｒ_ｄｒｏｐ）は、上記のような液滴と液滴移動電極に対応するが、この場合は電圧を電極の１つに供給する線に、外部抵抗８７０（Ｒ_ｅｘｔ）が付加されている。図８に示されるケースでは、本発明のこの実施形態の方法による液滴の移動に起因する液滴のΔＴの値は、Ｒ_ｄｒｏｐ／（Ｒ_ｄｒｏｐ＋Ｒ_ｅｘｔ）の因子によって減少されるので、Ｒ_ｅｘｔはΔＴを許容可能なレベルまで減少させるのに十分大きくなるように選択される。外部抵抗を付加するその他の形式及び方法も有益に用いることができる。
【００３０】
次に図２を参照すると、図解２１０において、液滴２１６は電極２１２及び２１４の表面に非対称にまたがるスタート位置で示されている。最初に液滴を動かす際に、電極表面上の液滴の表面張力によって生じる静止摩擦に打ち克つことが必要とされる。例えば、液滴の大きさ、液体材料の種類、表面品質、及び誘電層材料並びに厚さに応じて、最小電圧をおよそ５Ｖからおよそ１０００Ｖまで変わることになる。位置２２０において、電極２２２及び２２４の表面の上にある液滴２２６に小さい電圧パルスが印加される。静止摩擦に打ち克つのに十分なこの電圧パルスによって、液滴２４６が電極２４２及び２４４の上の表面上の平衡位置まで移動される。閾値を十分に上回るＤＣ電圧が印加されると、液滴は通常、平衡位置に到達する。或いは、閾値レベルを上回るがオーバーシュート閾値レベルを下回る大きさの電圧パルスが印加されたときにも平衡が達成される。この例においては、パルスの持続時間は、１ｍｍの液滴について、およそ５ｍｓからおよそ５００ｍｓまでの範囲とすることができる。しかしながら、適切な持続時間と十分な大きさの電圧パルスが電極２３２及び２３４にわたって印加されたときに、平衡位置を越えて動かすことが可能である。この場合、液滴２５６が移動する距離は、液滴寸法の１０倍となることがある（例えば、Ｔｅｆｌｏｎ表面上の１ｍｍの液滴において５００Ｖの１００ｍｓパルス）。
【００３１】
次に図３を参照すると、液滴３１２及び３１４が電極３１８及び３１９の上の表面３１６上で融合される本発明の一実施形態が示されている。液滴を融合させるために、第１の液滴３１２が、前の図に示されるように電極３１８及び３１９の間のギャップ３２２にわたって非対称に置かれ、第２の液滴３１４が、第１の液滴の近傍の、ギャップ３２２と反対側に置かれる。例えば、直径１ｍｍの液滴と５０μｍの電極ギャップについては、液滴間のスペースは、およそ５０μｍからおよそ１００μｍまでの範囲とすることができる。電圧が印加されると、液滴３１２が中央位置に向けて移動し、液滴３１４に接触し融合し、液滴３３２が形成される。この構成においては、電極３１８及び３１９の間に必要とされる電圧は、液滴がおよそ５０μｍまで互いに離間されているとき、およそ２５Ｖの低さからおよそ１００Ｖまでの範囲とすることができる。液滴の間隔が広いとき、例えば２５０μｍ又はそれ以上のときは、１００Ｖを超える電圧が必要とされる。本発明は、液滴の融合に要する時間を拡散に比べて大きく減らすものである。例えば、直径１ｍｍの２つの液滴の場合に、本発明は、拡散プロセスに要する１０−６０秒の時間に対して、１秒より少ない時間内で液滴の融合を与える。アッセイ・スクリーニング（ａｓｓａｙ　ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ）用途においては、混合時間が短いことは、多数のサンプルの迅速なスクリーニングを行うのに特に重要である。また、図解３４０、３５０及び３６０に示されるように、体積が大幅に異なる液滴を用いると、混合時間がさらに減少する。当業者であれば分かるように、液滴は、両方の液滴を互いの方向に移動させることによっても融合可能である。
【００３２】
大きさの等しい２つの液滴が互いに寄せられると、これらは単一の液滴に合体され、このときの対流的混合は極めて小さく、組み合わされた液滴の片側は第１の液滴からの液体を有し、組み合わされた液滴の他方の側は第２の液滴の液体を有する状態となる。内部で流体移動が起こるが、この移動は２つの側の内部で対称となる傾向があり、２つの液体が混合されることにはならない。この場合の混合は、２つの液体間の境界における拡散によって生じる。一方の液滴が他方の液滴より小さく、２つの液滴が互いに寄せられる場合には、小さい方の液滴の運動量によって、組み合わされた液滴内部にスワール運動（ｓｗｉｒｌｉｎｇ　ｍｏｔｉｏｎ）が生じることになる。これは、拡散がおこる内部領域を増加させ、相対速度に応じて液滴内部に剪断運動（ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｍｏｔｉｏｎ）を生じさせ、これが内部に弱い渦（ｖｏｒｔｉｃｅｓ）（回転する流体の束）を生じさせ、混合速度をさらに高める。或いは、小さい方の液滴が大きい方の液滴の中に強制的に移動させられることがあり、この場合には、小さい方の液滴は、大きい方の液滴の直径のおよそ１／４から１／２のサイズにされる。小さい方の液滴の直径が小さくなると質量が減少し、与えられた速度における運動量又は運動エネルギーも減少し、これにより大きい方の液滴の中にスワール流動を生じさせる能力が低下する。これとは逆に、小さい方の液滴の直径が大きい方の液滴の直径のおよそ１／２より大きくなると、直径の差が小さくなり、同等な大きさの液滴に一層似た状態になって２つの液滴が接合し、剪断流れが生じず、良く混合されない。
【００３３】
図４に示すように、図１に示された電極構造を空間的に反復形成し、しかるべき順序及びタイミングで電圧を印加することによって、液滴を大きい距離にわたって動かすことができる。静止位置４１０において、第１電極４１２と第２電極４１４との間に電圧パルスＶ２−Ｖ１が印加され、液滴４１５が第２電極４１４に向けて移動される。この例では、位置４２０において液滴４１５は電極４１２及び４１４の間の第１ギャップを越えて移動し、電極４１４と、電極４１４及び４１６の間の第２ギャップに非対称にまたがる第２位置に到達する。しかしながら、電極が液滴の直径の半分より狭い場合には、液滴が「ギャップ１」にまたがる平衡位置にあるときにも、「ギャップ２」の非対称な橋絡（ｂｒｉｄｇｉｎｇ）を達成することが可能である。次いで、位置４２０に示されるように、電極４１４及び４１６の間に電圧パルスが印加され、液滴４１５が、位置４３０に示されるように、電極４１６と電極４１６及び４１８の間の第３ギャップにまたがって非対称に配置されるように動かされる。この手順は液滴４１５が次の電極と電極ギャップを横切って移動するまで繰り返され、これにより一方向の（ｏｎｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）液滴移動が与えられる。
【００３４】
こうした液滴移動は、図５に示されるように、２次元にまで拡げることができる。「線形の」電極ではなく、位置５１０に示される一連の「ピクセル化された」電極５１６と液滴５１５においては、液滴を、表面を横切って２次元方向に移動させることができる。この実施形態では、位置５２０において、電極縦列５２２及び５２６間に電圧パルスが印加され、液滴５１５が、位置５３０に示されるように、電極縦列５２２及び５２６間のギャップにまたがって非対称に配置されるように動かされる。或いは、位置５４０において、電極列５４２及び５４４間に電圧パルスが印加され、液滴５１５が、位置５５０に示されるように、電極列５４２及び５４４間のギャップにまたがって非対称に配置されるように動かされる。本発明の種々の実施形態においては、当業者であれば分かるように、液滴の材料、印加される電圧、及び液滴が動かされる表面に応じて、液滴がギャップではなく電極上に配置されるように、液滴を動かすことができる。
【００３５】
次に図９を参照すると、本発明に係るミクロ流体的な液滴の移動、変形、及び／又は融合に関するさらに別の実施形態が示されている。図９においては、液滴９２０は、パターン付けされたインターディジタル電極の組を含む非伝導性基板の上に、何らかの公知の手段によって置かれる。１つの用途においては、液滴９２０はパターン付けされたインターディジタル電極のフィンガの組９１０の縁に置かれる。次いで、電極９１０に電圧が印加され、液滴が両方ともインターディジタル領域（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ　ｒｅｇｉｏｎ）の中央に向けて横方向に動かされて平たくなり、電界フリンジ（ｆｒｉｎｇｅ）によって作用させられる誘電体積力（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂｏｄｙ　ｆｏｒｃｅ）に基づいて、これらは単一の液滴９３０に合体する。
【００３６】
液滴が最初にインターディジタル電極領域の中央に置かれる場合、力が液滴を変形（平たく）させることになるが、感知できるほどの横方向の力は誘起しない。液滴が不伝導性の誘電体であり、したがって電界が液滴を目立った程度まで貫通する場合には、単位体積当りの誘電体積力は、次式によって与えられる。
【数８】

ここで、εは比誘電率であり、ε_Ｐは自由空間の誘電率であり、Ｖ_Ｄは液滴体積であり、Ｅは電界強度である。半球形の液滴の大きさをＲとし、電極の中心間の間隔も寸法Ｒとし、液滴体積の大きさをＲ^３、電界の大きさをＶ／Ｒ、インター電極領域の電界の二乗の傾きの大きさを（Ｖ／Ｒ）^２／Ｒと仮定する。得られる液滴上の誘電体積力は、次のオーダーである。
【数９】

【００３７】
液滴の寸法がインター電極の間隔と同じオーダーである場合、液滴上の力は、液滴サイズに係りなく一次の値（ｆｉｒｓｔ　ｏｒｄｅｒ）となる。比誘電率８０の水については、力は次式に等しい。
Ｆ＝０．７ナノニュートン＊Ｖ^２
印加電圧が１００Ｖのとき、液滴上のしかるべき力は７×１０^−６Ｎｔである。
【００３８】
水溶液のような電導性流体の存在下での電気分解を防ぐためには、電極は、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、二酸化ケイ素、Ｐａｒｙｌｅｎｅ、又は他の有機材料といった不活性なピンホールのない誘電層でコーティングされることが好ましい。電圧降下が主に流体において起こり、誘電層では起こらないことを確実にするために薄い層が好ましい場合には、誘電層は、０．２ミクロンから１０ミクロンまでの範囲の厚さをもつ。コーティングはまた、ＤＣ電流の流れを妨げるが、その作用がない場合には、ＤＣ電流が液体のオーム加熱を増加させる。最外層は、配置された液滴が電圧の印加前に広がって融合しないことを確実にするために、本質的に疎水性とすることができる。疎水性であることは、元来疎水性である誘電層を用いるか、又は誘電体表面をフルオロポリマーのような疎水性材料でコーティングすることによって達成される。誘電体のコーティングは、基板との迅速な熱平衡を保証するために熱伝導性であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る液滴移動構造体の断面図と平面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る液滴移動構造体上の液滴の動きを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る液滴の混合を示す図である。
【図４】本発明の別の実施形態に係る液滴移動構造体上の液滴の動きを示す図である。
【図５】本発明のさらに別の実施形態に係る液滴移動構造体上の液滴の動きを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態のアナログ回路である。
【図７】本発明の一実施形態に係る電極ギャップに対する液滴位置の関数としての液滴上の力の推定量である。
【図８】本発明の別の実施形態のアナログ回路である。
【図９】本発明に係る液滴移動構造体のさらに別の実施形態を示す図である。
【図１０】本発明に係る液滴移動構造体の別の実施形態を示す図である。
【図１１】本発明に係る液滴の変形を示す図である。
【図１２】本発明に係る２つの液滴の融合を示す図である。
【符号の説明】
１００　静電液滴移動装置
１１０、１４０　電極
１２０　表面
１３０　液滴
１５０　絶縁／誘電層
１６０　基板
１７０　電極ギャップ

Claims (7)

1. 静電界の力を用いて液滴を表面上で移動させるための装置であって、
   単一の基板と、
   前記基板上に配置され、互いに離間された複数の電極と、
   前記基板に隣接して配置され、前記電極を囲む誘電層と、
   液滴の移動を容易にするのに適当な材料を備える表面と、
   を備える装置。
2. 前記表面が前記誘電層の上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の液滴を表面上で移動させるための装置。
3. 前記複数の電極が少なくとも２つの電極を備えることを特徴とする請求項１に記載の液滴を表面上で移動させるための装置。
4. 前記複数の電極がインターディジタル電極のフィンガを備えることを特徴とする請求項１に記載の液滴を表面上で移動させるための装置。
5. 前記誘電層がさらに絶縁層を備えることを特徴とする請求項１に記載の液滴を表面上で移動させるための装置。
6. 前記表面が疎水性の表面を備えることを特徴とする請求項１に記載の液滴を表面上で移動させるための装置。
7. 前記表面が疎油性の表面を備えることを特徴とする請求項１に記載の液滴を表面上で移動させるための装置。

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