JP2005513455A - 流体を注入および制御するための誘電ゲート - Google Patents

流体を注入および制御するための誘電ゲート Download PDF

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Abstract

流体の流動を制御するための誘電ゲート(120)、および関連システム並びに方法に関する。誘電ゲートは、流入流体通路(122)と流出流体通路(124)との間に接続された1つまたは複数の電極(132)を備える。電極は、電極に適用された電気信号によって生ずる誘電力を使用することによって、流入流体からの流体を正確な方法で流入流体通路から流出流体通路に流すように構成されている。

Description

発明の背景
米国政府は、国防高等研究事業局(Defence Advanced Research Projects Agency)の助成金番号N66001-97-C-8608修正3に準じ、本発明の局面に対して権利を有しうる。米国政府はまた、陸軍研究事務所(Army Research Office)の助成金番号DAAD19-00-1-0515に準じ、本発明の局面に対して権利を有しうる。
本明細書に関連して使用することができる他の特許および出願には、各々参照として内容が本明細書に組み入れられている、1996年10月18日に出願され、1999年1月12日に発行された、「スパイラル電極を使用して操作するための方法と装置(Method and apparatus for manipulation using spiral electrodes)」と称する米国特許第5,858,192号；1996年2月23日に出願され、1999年3月30日に発行された、「汎用誘電泳動およびフィールドフローフラクショネーションを使用した分画方法および装置(Method and apparatus for fractionation using generalized dielectrophoresis and flow fractionation)」と称する米国特許第5,888,370号；1996年1月31日に出願され、1999年11月30日に発行された、「従来の誘電泳動およびフィールドフローフラクショネーションを使用した分画方法および装置(Method and apparatus for fractionation using conventional dielectrophoresis and field flow fractionation)」と称する米国特許第5,993,630号；1999年2月1日に出願され、1999年11月30日に発行された、「汎用誘電泳動およびフィールドフローフラクショネーションを使用した分画方法および装置(Method and apparatus for fractionation using generalized dielectrophoresis and field flow fractionation)」と称する米国特許第5,993,632号；1999年9月14日に出願された、「汎用誘電泳動とフィールドフローフラクショネーションを使用した分画方法および装置(Method and apparatus for fractionation using generalized dielectrophoresis and field flow fractionation)」と称する米国特許出願第09/395,890号；2001年6月14日に出願された、「流体を注入するための装置および方法(Apparatus and method for fluid injection)」と称する米国特許出願第09/883,109号；2001年6月14日に出願された、「分析混合物を磁気泳動および誘電泳動を併用して操作するための方法と装置(Method and apparatus for combined magnetophoretic and dielectrophoretic manipulation of analyte mixtures)」と称する、米国特許出願第09/882,805号；2001年6月14日に出願された、「誘電作用により工作された微粒子(Dielectrically-engineered microparticles)」と称する米国特許出願第09/883,112号；2001年6月14日に出願された、「細胞亜集団分析のためのシステムと方法(Systems and methods for cell subpopulation analysis)」と称する米国特許出願第09/883,110号；および2001年12月3日に出願されたGascoyneらによる「粒子インピーダンスセンサー(Particle Impedance Sensor)」と称する米国特許出願第10/005,373号が挙げられる。
本発明の教示内容に関連して使用することができるさらに別の出願には、参照として組み入れられている、「細胞分析および粒子サイジングのマイクロ機械加工されたインピーダンス分光分析フローサイトメーター(Micromachined impedance spectroscopy flow cytometer of cell analysis and particle sizing)」、Lab on a chip、1巻、76〜82ページ(2001)に記載されているものが挙げられる。
1. 発明の分野
本発明は、一般に流体処理に関し、より特別には、流体パケットを表面に制御可能であるように注入する方法および装置に関する。よりさらに特別には、本発明は、誘電ゲートの使用を含む、誘電力を使用して流体パケットを表面にプログラム可能であるように注入する方法および装置に関する。
2. 関連技術の説明
化学的プロトコールは、しばしば、流体の計量、混合、輸送、分割および他の操作を含む数多くの処理段階に関係する。例えば、流体は、しばしば、試験管内で調製され、ピペットを使用して計量され、別の試験管に移され、他の流体と混合されて1つまたは複数の反応を促進する。このような手法中、試薬、中間体および／または最終反応生成物は、分析装置においてモニター、測定または感知されうる。マイクロ流体処理は、一般に、少量の流体を使用したこのような処理およびモニタリングに関係する。マイクロ流体処理は、例えば、診断用医薬品、環境試験、農業、化学生物戦争検出、宇宙医学、分子生物学、化学、生化学、食品化学、臨床研究並びに薬学的探求を含む広大な研究および産業分野に用途を見出している。
流体処理に行われている現在の方法にはいくつかの欠点がある。マイクロ流体処理の現在の方法は、マイクロ弁、ポンプ、コネクタ、撹拌装置および検出装置と共に構成される数多くのマイクロ流体流路(microfluidic channel)を使用する。これらの従来の方法のマイクロスケールの器具を使用する装置は少なくともある程度の利用性を示すこともあるが、改善の余地が大幅に残されている。例えば、現在のマイクロ流体装置は、一定のマイクロ流路通路を使用するという理由で、柔軟性に欠く。一定の通路では、装置は、実施することができる作業の数および種類が制限される。また、一定の通路を使用すると、多種類の計量、輸送および操作が困難になる。従来の装置では、流路内で1つの種類の試料を別の種類の試料から分割することが困難である。
現在使用されているその他の方法は物質の電気的性質に関係している。特に、物質のある種の性質は、少数であるが、流体処理作業を実施するために使用されている。例えば、誘電泳動は、生物細胞を含む粒子の特徴づけおよび分離の助力とするために使用されている。このような装置の一例は、参照として本明細書に組み入れられている、Bettsの米国特許第5,344,535号に記載されている。Bettsは、誘電泳動により分極可能な粒子の懸濁液の誘電泳動による回収速度および回収速度スペクトルを確立している。電極構造物の下流のある位置に存在する粒子の濃度は、光源および、光線の吸収または散乱の増加または低下を測定する光線検出装置を使用して測定される（光線の吸収または散乱の増加または低下が、流体に懸濁している粒子濃度の増加または低下を示す）。このようなシステムは、粒子の誘電泳動的性質を測定するには有用であるが、用途が限られる。特に、このようなシステムでは、多数の試薬および反応生成物の計量、混合、融合、輸送、分割および一般的な操作などの、同時に実施されることもある種々の相互作用に関係する一般的な流体処理を実施できない。
特定の種類の処理のためにある種の電気的性質を使用する別の例は、参照として本明細書に組み入れられている、Hellerらの米国特許第5,632,957号に開示されている。その特許では、透過層、吸着領域および容器に連結された電子的にアドレス可能なマイクロ位置のマトリックスまたはアレイを使用して、制御されたハイブリダイゼーションを実施することができる。活性化されたマイクロ位置は、荷電した結合要素を電極に誘引する。結合要素が、透過層上に配置されている吸着層に接触すると、分画された特定の結合要素が吸着層に共有結合する。DNAハイブリダイゼーションなどの特定の作業には有用であるが、改善の余地がある。特に、ある種の結合要素の結合部位を使用するこのようなシステムは特定の用途のために設計されており、種々の流体の一般的な流体処理のために設計されていない。より具体的には、このようなシステムは、結合部位と相互作用する荷電した結合要素と共に使用するために設計されている。
別の処理例は、参照として本明細書に組み入れられている、Soaneらの米国特許第5,126,022号に開示されている。その特許では、電極によって形成される電場に応答して溝を充填する媒体を通じて、荷電分子を移動させることができる。このような装置は、分離などの作業に有用であるが、多種多様の異なる物質について多種多様の流体処理相互作用を実施するのにあまり好適でないという点において、改善の余地が残されている。
特定の制限された流体処理作業を実施するために誘電泳動を使用する他の例がある。参照として本明細書に組み入れられている、PethigおよびBurtに付与された米国特許第5,795,457号は、電極アレイに異なる周波数の2つ以上の電場を適用することによって、液体中に懸濁した粒子間の反応を促進するための方法を開示している。この方法は、異なる種類の多数の粒子間のある種の相互作用を促進するのにおそらく有用であるが、一般的な流体処理にはあまり好適ではない。参照として本明細書に組み入れられている、Batchelderの米国特許第4,390,403号は、誘電泳動力により化学種を操作するための方法および装置を開示している。この方法はある種の化学反応を誘導するのに有用であるが、その柔軟性は制限されており、一般的なプログラム可能な流体処理を斟酌していない。
シリンジ、マイクロピペット等の使用は表面に物質を注入することができるが、欠点がある。例えば、このような注入口は、系統的で、制御可能な物質の注入を常に提供するわけではない。特に、既存の装置および技法の使用は、制御可能な1つの液滴が1回に注入されることを常に保証するわけではない。むしろ、既存の技術では、あるときに1つの液滴が注入され、別のときには2つの液滴が一緒に注入される等がしばしば生じる。このように、既存の技術の制御性および計量能力は完璧に十分というわけではない。制御可能なパケット注入がないと、ある種のマイクロ流体処理の精度および再現性が損なわれることがある。
上記を考慮すると、信頼でき、再現性のある方法で定量パケットの物質を表面に系統的に注入できる技術を提供することは有利であると思われる。オペレータの介在がほとんどまたは全くない状態で処理を行うことができるように注入方法が自動化されれば、さらに有利であると思われる。このような利点は、マイクロ流体処理の全ての分野、および／または物質パケットの制御可能な注入方法が望ましい任意の分野に、利益をもたらすと思われる。
上記に列挙した任意の問題または欠点は、それが全てであることが意図されているわけではなく、以前から既知の処理および流体注入技法の有効性を損なう傾向のある、多数の問題または欠点の1つである。注目すべき他の問題も存在する可能性があるが、上記に提供したものは、当技術分野において見られる装置および方法が満足なものではなかったこと、並びに本明細書に開示される技法の必要性が存在することを証明するのに十分なはずである。
発明の概要
一局面において、本開示は、流体パケットを定量注入する方法に関する。パケットを含む容器は、ホールドオフ圧力以下の圧力に加圧される。パケットは、容器から表面上にパケットを摘出する摘出力(extraction force)が適用される。
他の局面において、摘出は誘電泳動を含んでもよい。それはまた磁気泳動または任意の他の好適な力を含んでもよい。摘出力は、電極、電極アレイまたは任意の他の好適な装置によって発生させることができる。摘出力は反応表面から発生させることができる。
他の局面において、容器はフロースルー注入器を備えてもよい。圧力は、ホールドオフ圧力の0%〜95%であってもよく、さらに好ましくはホールドオフ圧力の75%〜85%であってもよい。パケットのサイズは電子的に制御されうる。
本開示の別の局面は、パケットを表面から出口ポートまで移動させる段階を含む。出口ポートは2つまたはそれ以上あってもよく、出口ポートは従来の流体装置に接続されてもよい。
本開示のさらに別の局面は、2つ以上の加圧容器から2つ以上の流体パケットを計量注入する方法を含む。切り替えポンプを使用してもよい。切り替えポンプは、第1の加圧容器の第1のパケットと第2の加圧容器の第2のパケット間で摘出力を切り替える。
別の局面において、本開示は、流体パケットを定量注入する方法に関する。第1の誘電物質を含むパケットを入れた容器はホールドオフ圧力以下の圧力に加圧される。容器に隣接する表面に接続した1つまたは複数の電極に通電する（表面は第2の誘電物質を含む流体を含む）。1つまたは複数の電極からの摘出力をパケットに適用し、パケットを容器から表面に摘出する。
別の局面において、本開示は、表面に流体パケットを注入する装置に関する。装置は、容器、圧力マニフォールド、蓄圧器、およびプログラム可能な摘出力を発生することができる装置を備える。容器はパケットを含むように構成される。圧力マニフォールドは容器に接続される。蓄圧器はマニフォールドに接続され、ホールドオフ圧力以下の圧力に容器を加圧するように構成される。摘出力は、パケットを容器から表面に摘出するように構成される。蓄圧器は2つ以上あってもよく、または容器はフロースルー注入器を備えてもよい。
さらに別の局面において、本開示は、を含む、流体パケットを移動させるための装置に関する。装置は、容器、圧力マニフォールド、蓄圧器、プログラム可能な摘出力を発生することができる装置、および出口ポートを備える。容器は、パケットを含むように構成される。圧力マニフォールドは容器に接続される。蓄圧器はマニフォールドに接続され、ホールドオフ圧力以下の圧力に容器を加圧するように構成される。摘出力は、パケットを容器から表面に摘出するように構成される。出口ポートは表面に接続され、パケットを収容す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。出口ポートは複数であってもよい。従来の流体装置を出口ポートに接続してもよい。
容器はフロースルー注入器を備えてもよく、蓄圧器は2つまたはそれ以上あってもよい。容器または出口ポートが複数ある場合には、切り替えポンプを使用してもよい。切り替えポンプは、第1の加圧容器の第1のパケットと第2の加圧容器の第2のパケット間で摘出力を切り替える。
さらに別の局面において、本開示は、流入流体通路と流出流体通路の間に接続された1つまたは複数の電極を備える誘電ゲートに関する。1つまたは複数の電極は、1つまたは複数の電極に適用された電気信号によって生ずる誘電力を使用して、流入流体通路から流出流体通路に流体を引き出すように構成されている。流入流体通路は管または流路(channel)を備えてもよい。流入流体通路は、優先的な流体流動方向を提供するように構成された親水性または疎水性表面コーティングを備えてもよい。ゲートは、流入流体通路と動作的に関連した流体注入器を備えてもよく、流体注入器は親水性または疎水性コーティングを備えてもよい。
さらに別の局面において、本開示は、流入流体通路、1つまたは複数の電極、疎水性パッチおよび流出流体通路を備える誘電ゲートに関する。1つまたは複数の電極は、流入流体通路と動作的に関連している。疎水性パッチは、電極の少なくとも1つまたは複数に隣接している。流出流体通路は電極の少なくとも1つまたは複数と動作的に関連している。1つまたは複数の電極は、1つまたは複数の電極に適用された電気信号によって生ずる誘電力を使用して、流入流体通路から流出流体通路に流体を流すように構成されている。疎水性パッチは、電気信号が存在しない場合に、流入流体通路から流出流体通路への流体の流動を阻止するように構成されている。
さらに別の局面において、本開示は、誘電ゲート、流体貯蔵器および流体装置を備える流体流動の制御のためのシステムに関する。誘電ゲートは、流入流体通路および流出流体通路を備える。流体貯蔵器は誘電ゲートの流入流体通路に接続され、流体装置は誘電ゲートの流出流体通路に接続される。誘電ゲートは、1つまたは複数の電極に適用された電気信号によって生ずる誘電力を使用して、流入流体通路を経由して流体貯蔵器から、流出流体通路を経由して流体装置へと、流体を引き出すように構成されている1つまたは複数の電極を備える。誘電ゲートは、電極の1つまたは複数に隣接する疎水性パッチを備えてもよく、電気信号が存在しない場合に、流入流体通路から流出流体通路への流体の流動を阻止するように構成されている。システムはまた、誘電ゲートに動作的に関連するインピーダンスセンサーであって、流入流体通路から流出流体通路に移動される多数の液滴を計数するように構成されているインピーダンスセンサーを備えてもよい。システム全体を単一のチップ上に組み込むことができる。流体装置はキャピラリー電気泳動装置、ポリメラーゼ連鎖反応装置、誘電泳動フィールドフローフラクショネーション装置、プログラム可能な流体プロセッサ、または1つもしくは複数の流出流体通路からの流動を収容するのに好適な任意の他の流体装置を備えてもよい。
さらに別の局面において、本開示は流体流動の制御のための方法に関する。流体は、流体貯蔵器から流入流体通路に流される。流体は、誘電ゲートによって生じる誘電力によって流入流体通路から流出流体通路に流され、流出流体通路から流体装置に流される。本発明の方法はまた、誘電ゲートの少なくとも一部に接続された疎水性パッチを使用して流入流体通路から流出流体通路への流体の流動を阻止する段階も含んでもよい。本発明の方法は、誘電ゲートと動作的に関連したインピーダンスを使用して、流入流体通路から流出流体通路に移動される多数の液滴を計数する段階も含んでもよい。流体貯蔵器から流入流体通路に流体を流動させる段階は、優先的な流体流動方向を提供する親水性または疎水性表面コーティングによって規定される、1つまたは複数の仮想流路を通じて流体を流動させる段階を伴ってもよい。同様に、流出流体通路から流体装置に流体を流動させる段階は、優先的な流体流動方向を提供する親水性または疎水性表面コーティングによって規定される、1つまたは複数の仮想流路を通じて流体を流動させる段階を伴ってもよい。
本明細書において使用する「パケット」は区分化された物質を指し、流体パケット、封入型パケットおよび／または固形パケットを指すこともある。流体パケットは液体または気体の1つまたは複数のパケットを指す。流体パケットは液体または気体のパケットまたは気泡を指すこともある。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、粒子もしくは細胞懸濁液、中間生成物のパケット、最終反応生成物のパケット、または任意の物質のパケットを指すこともある。流体パケットの一例は、油に懸濁させた水溶液のパケットである。封入型パケットは物質の層で囲まれたパケットを指す。封入型パケットは、試薬、試料、粒子、細胞、中間生成物、最終反応生成物または任意の物質を含有してもよい液体または気体の小胞または他のマイクロカプセルを指すこともある。封入型パケットの表面は、試薬、試料、粒子、細胞、中間生成物、最終反応生成物、または任意の物質でコーティングしてもよい。封入型パケットの一例は、水に懸濁させた試薬の水溶液を含有する脂質小胞である。固形パケットは、試薬、試料、粒子もしくは細胞、中間生成物、最終反応生成物、または任意の物質を含有しても、または試薬、試料、粒子もしくは細胞、中間生成物、最終反応生成物または任意の物質で被覆されていてもよい固形物質を指す。固形パケットの一例は、表面に試薬が結合されており、水溶液に懸濁されているラテックスマイクロスフェアである。本明細書に規定されているパケットを製造する方法は当技術分野において既知である。パケットは、サイズおよび形状が大幅に異なるように製造されてもよいが、本明細書に記載する態様では、パケットは約100 nm〜約1 cmの径を有してもよい。
本明細書において使用する「従来の流体装置」とは、流体流動のための流路および／または管を有するものである。「容器」は、本明細書において流体を入れることができる容器または導管と規定される。
例示的な態様の説明
本明細書に開示されている方法および装置は多数の利点を提供する。例えば、本明細書に開示されている方法および装置は、少量の試料および試薬の流体処理を可能にする、流体パケットの高分解能の定量注入を可能にする。本明細書に開示されている方法および装置は、特定の流体処理用途に従いプログラムすることができる自動流体注入を可能にする。本明細書に開示されている方法および装置により、高度に制御可能な一定の方法で異なる容量の流体パケットを形成し、注入することができる。このような定量パケットを形成、かつ注入することができると、種々の異なる分野において正確な自動マイクロ流体処理を実施することができる。本明細書に記載する装置は容易に小型化(または大型化)して使用者のニーズに適合させることができる。その処理は自動化されても、プログラムされても、手動であってもまたは部分的に自動化されてもよい。本明細書に開示されている技法は多数の異なる種類のマイクロ流体処理およびプロトコールに使用することができ、かつ並列方式で作動される過程に使用することができ、それによって多数の流体処理作業および反応が1つのチャンバー内で同時に実施される。この技術から利益を得ることができる分野には、血液および尿アッセイ法、病原菌検出、汚染モニタリング、水モニタリング、肥料分析、化学兵器および生物兵器の検出、食品の病原菌検出、品質管理およびブレンディング(blending)、大規模並列分子生物学プロトコール、遺伝子工学、発癌遺伝子検出、並びに薬剤の開発および試験が挙げられるが、これらに限定されない。
本開示は、一部には、流体パケットの形成および注入を取り扱うので、本明細書に開示されている技法のいくつかの理論的な基盤の考察を開始することは有用である。
パケット容量-圧力特性
誘電泳動による摘出力を使用するパケット注入器の操作様式を理解するため、管の末端に流体パケットを形成させるために流体充填管に適用する必要のある圧力を最初に考慮することは有用である。ここでは、表面-エネルギー効果により流体が滑らかな前面を形成するように、管の開口部の径が十分に小さく、かつ最初は、流体が管を充填して末端と同一平面になるように、適用する圧力が十分低い場合を考慮する。圧力が高くなると、出現するパケットの形状は球面の一部に近くなると考えられる。パケットの内側の圧力は表面の界面張力γに比例し、半径rに反比例し、以下によって示される。
Figure 2005513455
最初に、パケットが管の末端と同一平面である場合には、有効半径は無限で、圧力はゼロに等しい。流体表面が曲線になるにつれて、半径は低下する。しかし、パケットが管の開口部において半球を形成すると、容量のさらなる増加によりパケットの半径が増加する。パケットが成長し続けるにつれ、rが増加し続けるので内部の圧力は低下する。従って、最小の半径は開口部の径に依存し、これはパケット内の最大圧力を決定する。
この効果を図1に例示する。図1は、横のパネルにおいてマイクロピペットの先端からの流体の出現を示し、パケット形成中のパケット内の対応する圧力をグラフで示す。流体が半球より小さいパケットを形成するように加圧される場合には、これを達成するのに追加の圧力が必要になると思われるので、パケットの形成はそれ以上進行しないことが図1から明らかである。この場合には、パケット形成は「遅延されている(hold off)」ということができる。しかし、圧力がピーク値に増加されると、パケット内部の圧力が容量の増加と共に低下するので、パケットサイズが半球状態より容易に増加するので、流体は連続してパケットに流動する。その圧力に到達するまで、パケット形成は進行しないので、ピーク圧力は「ホールドオフ(hold-off)圧力」といわれる。
本明細書に記載されている注入器デザインにおいて、管の穴によって形成されるか、または穴の他方の端が接続されるより大きい流体貯蔵器によって形成される流体貯蔵器に、注入器の先端を接続することができる。このような流体貯蔵器は、ガス圧、ポンプ、圧縮状態の膜、電気浸透液圧源、または当技術分野において既知の任意の他の装置などの、任意の好適な起源由来の外部圧力源によって提供されうる圧力Pfに加圧することができる。圧力値Pfは、図1の左側のパネルに示すようにパケット形成が遅延されるように注入器のホールドオフ圧力より低い圧力を維持することができる。
パケットに対する誘電泳動により誘発される力
一態様において、上記のようにパケット形成に影響を与えるために電気の力を使用することができる。しかし、電気の方程式は幾何学依存的であるので、ここで示す理論的な考察は例示的にすぎず、限定するものではないことが意味される。具体的には、それは、異なる幾何学全てに適用可能な具体的な等式を提供するのではなく、物理的な原理を例示する。任意の所定の態様において、正確な形態の等式はここで示すものと幾分異なっているが、パケット注入を支配する物理的原理は、同じでないにしても、類似していることを当業者は認識すると考えられる。従って、例示的な例の利点を本明細書に示すことにより、任意に異なる配置に適用可能な等式および解は当業者に容易に明らかになる。
(固体、液体または気体を含んでもよい)第1の誘電物質の小型の球体を、電場を適用している第2の異なる誘電物質に導入すると、2つの誘電物質の分極率の差の結果として、導入を実施する前のエネルギーと比較して、誘電物質の複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、以下のように近似することができる：
Figure 2005513455
(式中、
Figure 2005513455
は電場であり、εsは第2の誘電物質の誘電率であり、rは小型の球体の半径であり、
Figure 2005513455
は適用した電場である)。fCMという項は、当技術分野において既知のいわゆるClausius-Mossotti因子であり、第1の物質ε* fと第2の物質ε* fの誘電体複合物の誘電率の差に関する球体分極率を表し、電場が空間を移動しない場合には、
Figure 2005513455
によって示される。
本開示では、第1の誘電物質は、図1の左側のパネルに示す管の末端から注入されようとしている流体であり、第2の物質は管の末端と出現している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2の液体または気体は「懸濁媒体」と呼ばれることもある。
管の末端から発生する適用電場は流体-懸濁媒体界面の圧力を変更する傾向があり、この圧力の変更は、図1によるパケットの容量を変更する。圧力の変化は、流体半径rの場合の電気エネルギーWの変化率を測定することによって推定することができる。これは、
Figure 2005513455
によって示される。
Figure 2005513455
という項は、注入された流体による懸濁媒体の置換に関連する誘電エネルギーの変化の結果として生ずる力を示す。
Figure 2005513455
という項は、電場の不均質性の結果として流体に作用する誘電泳動項である。流体圧に対するこれら2つの力の寄与の影響は、流体-懸濁媒体界面に生じる対応する圧力変化、Pすなわち単位面積あたりの力を測定することによって推定することができる。
Figure 2005513455
電場が、管内の流体と、管の外側の距離dの位置で懸濁媒体内に位置づけられた第2の点電極との間に適用された、電圧Vから生ずると仮定すると、パケット圧力に対する影響を例示するために、考えられる構成は、二次元複素平面の起点とZ=dに位置づけられた、それぞれ、ベクトル場の強度の起源V/2および強度の沈み込み-V/2によって作製されるものと広義にはほぼ同じであると近似することができる。重ね合わせ理論によって、Z-面の考えられる分布は
Figure 2005513455
である。Zについて微分すると、ベクトル場および場の勾配が、それぞれ、
Figure 2005513455
として得られる。流体-懸濁媒体界面の圧力変化の式にこれらの式を代入すると、以下の等式が得られる。
Figure 2005513455
電気的に誘導される圧力は電圧Vの平方に依存し、適用される電圧の方向は重要でないことだけでなく、交流電流(AC)場を使用することができることも示している。実際に、十分に高い周波数の電場は、(テフロンまたは任意の他の好適な絶縁物質などの)誘電物質の薄膜によって絶縁されている電極から、流体パケット操作を実施する予定のチャンバーに容量結合されうるので、AC場の使用は非常に有利である。また、AC場を使用することにより、流体の誘電率、懸濁媒体のε* f、および流体内の任意の物体のε* fの、周波数依存性を適宜利用することができる。これらの周波数依存性により、適用された異なる電場周波数における異なる物質の挙動を生じ、適当な状況では、周波数が変化すると誘電泳動力の方向の有用な変化を生ずる。
近似すると、管の流出口におけるパケット形成に対する電場の影響は、位置z=rにおけるx軸の圧力特性を調査することによって判定することができる。Rが他の電極までの距離dと比較して小さい場合には、パケット形成の早期段階においてこの条件を圧力等式に代入することにより、以下の近似式を書くことができる。
Figure 2005513455
この場合には、流体-懸濁媒体界面における圧力変化は、懸濁媒体の置換によって生じる誘電エネルギーによって支配される。
この圧力変化はパケットの正味の電荷に依存しないことが強調されるべきであり、このことは、本発明の誘電方法を、パケットを注入する手段または粒子もしくはエアゾールを形成する手段として総静電荷に依存する方法とさらに識別する。実際、AC場を誘電注入に使用する場合、時間平均したAC場の大きさはゼロなので、正味の電荷の存在は、適用されるAC場によって誘導される圧力を変更しない。しかし、望ましい場合には、荷電したパケットの注入を改善するために誘電方法を使用することができる。AC成分以外に流体にDC電圧成分を適用することによって、注入されるパケットは、注入特性に影響を与える電荷を保有する。
誘電泳動力は、反応面の上方の面に製作された個々の駆動電極アレイによって発生させられる。駆動電極要素は、ACまたはDC電気信号で個別にアドレス可能とすることができる。駆動電極に適当な信号を適用すると、注入先端または容器に含まれるパケットに作用する誘電泳動力を発生する電場が確立される。異なる電極に異なる信号を適用すると、流体装置内に電場の分布が確立される。これは、異なるパケットを異なる注入先端から装置に注入するため使用することができる。このような電場の分布を使用して、パケットを分配媒体に注入することができる。
低誘電定数液体への流体パケットの誘電注入
不混和性の低誘電定数懸濁媒体に水パケットを注入する場合には、水は懸濁媒体よりはるかに極性が高く、fCMは+1に非常に近い値であると仮定する。この場合には、パケットの圧力は電場の存在によって増加される。
パケット注入において、Vは約180ボルトの値であってよく、管の径が5ミクロンであり、かつ適用される静水圧が約50 kPaである場合には(図1に示すブロモドデカンへの注入の圧力-パケット容量データを参照されたい)、電圧適用によって生じる圧力の増加Pは約18 kPaであると算出される。流体-懸濁媒体界面に対する流体力学と誘電性の組み合わせ圧力、従って合計50 kPa+18 kPa=68 kPaは、図1に示す開口部のホールドオフ圧力を上回る。従って、流体は管からパケットに流動し、大きいサイズのパケットを形成することができる。パケットの容量が30 flを超えると、パケットを膨張させるのに必要な圧力は50 kPaより低い値に低下し(図1参照)、その時点で電場が除去されてもパケットのサイズが成長し続ける。
しかし、場を維持すると、上記圧力等式は、r>d/2の場合に、誘電泳動圧力項の符号が変わり、かつ、誘電泳動力が、パケットの成長の助けとなるだけでなく、他の電極に向かう横方向の力成分を提供することを明らかにする。
一般に、パケットは上記の誘導から仮定するように完全に球形を維持するわけではない。その理由は、流体-懸濁媒体界面の圧力が流体-懸濁媒体境界のどこにおいても等しいような形状にパケットが適合するからである。上記等式は、パケットは球形を維持することを仮定している。誘電泳動によってパケットに横方向の力を適用することもできる。パケットを管の開口部および管内の柱状の流体に結合させている有効接着力をこれらが超えると、パケットは開口部からせん断し、回収電極の方向に引っ張られる。この方法でパケットを注入する目的のために1つまたは複数の電極が構成されうること、および種々の電極の幾何学が使用されうることが理解されるべきである。さらに、前もって注入され、電極に位置する流体パケットは、注入挙動を改変するために有用に使用することができる方法で場を歪めることができる。
上記に示す基礎的な原理を他の状況に適合することができること、並びに、一般に、任意の望ましい幾何学のパケット注入特性をシミュレーションするために、有限要素および他の方法などの当技術分野において既知の数多くの技法を使用することができることが理解されるべきである。
パケット注入を図2に示し、ホールドオフ圧力より低い静水圧を図2Aに示し、圧力を供給し、パケット内に流体を引き出し、懸濁媒体を置換するために電場を適用した。パケットは図2Bおよび2Cでは成長するが、注入先端に接近して場の勾配から出現する誘電泳動力はパケットを先端方向に引き戻す。パケットが電極までの距離の半分を超えて成長すると、誘電泳動力は流体注入を増加する助けをし、パケットを電極の方向に引っ張る。図2Eでは、横方向の力が、パケットと注入管内の柱状の流体と管開口部の粘着力に打ち勝ち、そしてパケットが分離し、電極の方に移動し、かつ先端および電極の端の周囲の高電場領域に適合している。この方法により、表1に掲載するパラメーターの1つまたは複数を改変することによって、任意の表面に常に自動的に流体パケットを計り取ることができる。この方法では、一定の高分解能のマイクロ流体処理を実施することができる。
電極が平面であり、パケットが平坦な面で操作される場合に適用可能なように、電位分布V(z)について上記に使用した式は三次元空間ではなく二次元平面に適当である。他の場合では、三次元式が好適である場合もあり、さらに他の場合では、分析の解を得ることができない場合には、当技術分野において既知の種類のコンピューターシミュレーションが必要になる場合もある。それにもかかわらず、パケット形成の基礎となる物理的原理は、これら全ての場合において、例示的な目的のために本明細書において記載したものと本質的に同じであり、電場によって誘導されるパケットの圧力変化の大きさは同程度の大きさである。
第1パケットの注入が達成されたら、追加のパケットが注入され、第1のパケットと融合して、大きいパケットを形成することができる。このような用途は、参照として組み入れられている、米国特許出願第09/249,955号に説明されている。いくつかの場合において、開口部におけるパケット形成は、形成中のパケットが以前に注入されたパケットに接触したとき開口部から離れるまで進行することができる。流体は計量されてもよく、異なるサイズのパケットを誘電注入によって作製することができる。一態様において、パケット注入は適用した電場の影響下で生じるので、電気的に制御された自動パケット形成は、電場のスイッチを入れるおよび切ることによって、またはパケットの注入を実施する信号を適当に調節することによって、容易に実施することができる。パケットは、一旦注入されたら、その場で使用されてもよく、または他に操作されて、誘電泳動、進行波型誘電泳動、または任意の他の好適な力機序(force mechanism)によって注入後に望ましい位置に移動されてもよい。パケットを操作するための技法は米国特許出願第09/249,955号に記載されている。
パケット注入に影響を与えるパラメーター
誘電手段によって注入されるパケットの圧力、サイズおよび形成に影響を与えるパラメーターのいくつかを調査することは有益である。これらには、以下の表1に掲載するものが挙げられる。
（表１）誘電手段によって注入されるパケットの圧力、サイズおよび形成に影響を与えるパラメーター
Figure 2005513455
本開示の利点により、上記の因子の任意の1つまたは任意の組み合わせを、不必要に実験することなく、異なる注入特性を達成するために、改変することができることを当業者は認識すると考えられる。
追加の問題
管系の表面特性が、注入される流体のエネルギー論に多大な寄与をする場合には、管からパケットを取り出すのに必要な圧力は、上記の式から逸脱してもよい。管系表面が流体に親和性を有する場合または流体を忌避する傾向を有する場合にはこれが生じることがある。例えば、流体が水である場合には、親水性管系表面は、パケットをその場所に強く保持する傾向がある結合エネルギーに寄与することができる。一方、疎水性表面は、注入中にパケットが開口部から自由に分離することを容易にすると思われる忌避力に寄与すると思われる。管の表面を改良することによって、流体注入エネルギーを制御することができ、注入特性に影響を与える。
管表面を改変する一例は、ガラス製の管系をシラン処理して疎水性を強くすることである。水性パケットは、親水性の管開口部よりシラン処理したガラス製の管開口部からの方が分離が容易である。
上記の考察は、流体パケットの注入の助けとなる誘電泳動力に関するが、本明細書に記載する流体パケットの注入を実施するために任意の数の異なる種類の力を使用することができることが理解される。具体的には、他の分離力を使用することができる。例えば、パケットを開口部から振動させて分離するために、音響および／または振動エネルギーを使用することができる。懸濁媒体が低粘性である場合には、このような運動が誘導するパケットの分離は不活性となることがある。一方、懸濁媒体が十分に高粘性である場合には、開口部が十分に速やかに離脱されるので、パケットの分離は、パケットと懸濁媒体との間の流体力学的な抵抗によって生じうる。本開示の利点により、当業者は、他の分離力を使用することを選択することができる。流体パケットを開口部から表面に分離して定量注入を実施するのに十分なこのような他の力は全て本出願の趣旨および範囲内である。
本明細書において使用する「1つの」は1つまたは複数を意味することがある。特許請求の範囲において使用するように、「含む(comprising)」という用語と関連して使用する場合には、「1つの」という用語は1つまたは複数を意味することがある。本明細書において使用する「別の(another)」は少なくとも第2のものまたはそれ以上を意味することがある。
以下の実施例は、限定するためではなく、むしろ本発明の具体的な態様を例示するために含まれる。以下の実施例に開示されている技法は、本発明を実施する際に十分に機能するために本発明者らによって発見された技法を示しており、本発明の実施のための具体的な様式を構成すると考えることができる。しかし、当業者は、本開示を考慮して、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、開示されている具体的な態様に多数の変更を加えることができ、同じかまたは同様の結果を得ることを考慮するべきである。
実施例1
プログラム可能な流体プロセッサ
一態様において、一定量サイズのパケットを、誘電泳動によって、米国特許出願第09/249,955号に記載されている装置などのプログラム可能な流体プロセッサ(PFP)の側壁の1つまたは複数の流入ポートから、反応面を被覆している不混和性の担体液体に注入することができる。
流体の流動はPFPでは連続的ではなくデジタル式にすることができ、パケットを電子的に制御することができる。このような設定における唯一の可動部品は流体パケットであり、弁または機械的なポンプは必要とされない。本開示による注入器は、試薬または任意の他の好適な流体もしくは気体を含有する隣接する試薬貯蔵器に直接取り付けることができる。パケットはサイズが大幅に異なってもよいが、一態様において、約20〜約100μmの径を有してもよい。パケットは容量が大幅に異なってもよいが、一態様において容量は0.1〜1 nLの範囲であってもよい。容量が約10μLの本開示によるオンチップ貯蔵器は、各々約105試薬パケットまでを提供することができ、約60日間の1分あたり1アッセイに十分であると思われる。
「バイオフリップ(BioFlip)」と名づけられたPFPに基づいた一般目的用生物分析装置のデザインを図3に示す。2つの試料流のサンプリング、次に16の選択肢から選ばれる2つの試薬の混合および配列決定を必要とする2つの別個のアッセイを実行しているのを示す。
異なる影で示されている試料および試薬がバイオフリップの貯蔵器および注入器内に存在する。パケット流が衝突しないで交差する能力であるように、パケットの融合が例示されている(パケットの操作に関係する詳細は米国特許出願第09/249,955号に含まれる開示を参照されたい)。示されている過程において、パケット流は、インピーダンスセンサーなどのセンサーを通過し、その後4つの廃棄ラインの1つに送られる。16の試薬から選択することができることにより、異なるアッセイを実行することができる。反応面の広さに応じて、全く異なるアッセイを大量に平行して実行することができる。別個の性質のパケットは、異なるアッセイを空間的および時間的に交互配置することができることを意味する。
例示するように、貯蔵器はピペットと一体型であってもよい（流体貯蔵器の細長い延長部として示されている）。または、別個の流体貯蔵器を使用してもよく、そのような別個の貯蔵器は、当技術分野において既知の任意の手段により、マイクロピペット、管等であってもよい流体注入器に接続されてもよい。ガス蓄圧器が貯蔵器の各々に接続される。以前に記載されているように、例えば、ホールドオフ圧力を達成できるように、貯蔵器内の流体に圧力を適用するためにガス圧を使用してもよい。ガス蓄圧器は、当技術分野において既知の種々の手段のいずれかによって流体貯蔵器に接続することができる。例示するように、接続は加圧マニフォールドを介して達成される。このようなマニフォールドは、流体貯蔵器および流体パケット注入器へのガス圧のモニタリングおよび適用を容易にする任意の数の弁、ゲージおよび他の機器を備えてもよい。さらに、注入器、貯蔵器またはシステム全体の動作を視覚的にモニターするために、CCDカメラ等などの好適な光学的モニタリング装置を使用してもよい。
実施例2
流体処理システム
図4は、本明細書に開示する態様による注入技術を使用する流体処理システムのブロックダイアグラムを示す。「バイオフリップ」と名づけられた流体処理装置を図4の右側に示す。これはサイズが大きく異なるが、一態様において、そのサイズは約3”×2”×0.5”であってもよい。それは、アラームおよび小型LCD以外のユーザーインターフェースを備えていないカートリッジ形態であってもよい。それは内蔵型で、独立操作ができてもよい。それは、左に示す手持ち式装置(Windows CEまたはGameboy-スタイル)によってプログラム可能であってもよい。
試料および試薬貯蔵器からの物質のパケット注入は可動部品を用いないで誘電泳動によって制御することができ、パケットサイズは、開口部サイズおよび／または圧力などの、上記に考察し、かつ表1に掲載した種々のパラメーターによって制御することができ、パケットは、誘電泳動または別の好適な操作力を介して二次元アレイの任意の場所に移動することができ、パケットは融合することができ、試料および試薬パケットがアレイ上で融合される場合には、化学反応が生じてもよい。このような反応は、別個の電子装置によって駆動される、ガラス上のフォトリトグラフィーによりパターン化した金電極の2×8および8×8のオープン-トップアレイで見ることができる。
誘電泳動により約5μmの開口部径のガラスピペットからのパケット注入を例示する写真を図5に示す。ピペットサイズ、ピペットの先端と電極の間隔、圧力およびAC電圧を適当な範囲に調節すると、パケットサイズおよび注入速度を電気的に制御することができる。写真は、例えば、誘電泳動場によってマイクロピペットの先端から引き出される57μm(〜100pL)のパケット流を示す。電場を適当に作動することにより1つまたは複数のパケットを注入することができる。
パケットは速やかにアレイから移動しても、または計量された追加のパケットと表面上で融合して、整数容量関係を有する大きい容量を形成するように、近位電極に留まってもよい。1秒あたり数十のパケットの注入速度が達成可能である。例示した態様では、注入に約100〜約200ボルトの電圧ピーク-ピーク、および移動に約30ボルトピーク-ピークを使用した。しかし、他の態様において、これらの値は広範に変わってもよい。
実施例3
圧力関係
パケットを維持するために必要な静水圧差は、一般に、
Figure 2005513455
(式中、PinおよびPextは内側および外側の静水圧である、γは表面張力であり、rはパケットの半径である)によって示される。従って、パケットを維持するのに必要な圧力差はパケットの半径に逆比例する。
水は親水性ガラスに接着するので、外側の面が疎水性でない場合には、注入されるパケットは注入器ピペットの先端に接着したままになる傾向がある。これは、シグマコート(Sigmacote)(登録商標)(シリコーンのヘプタン溶液)またはCytonix, Inc社製のPFC1601A(フルオロポリマー)などであるが、これらに限定されないぬれ防止剤(anti-wetting agent)にピペットをディップコーティングすることによって実施することができる。
パケットの内側の圧力は半径に反比例する。従って、メニスカスが注入器の先端において平坦である場合には、半径は無限であり、圧力はゼロである。流体が流動して初期のパケットを形成するとき、パケットが、注入器開口部の径、注入器の先端の湿潤エネルギー、およびパケットと不混和性懸濁媒体の間の界面エネルギーに関連する半径に到達するまで、メニスカスの半径は低下する。この方法では、圧力は初期のパケット容量の増加、流体の流動の遅延(hold off)、およびパケット形成の阻害により増加する。しかし、臨界容量を超えると、パケットの半径は容量の増加により増加し、パケットの圧力は低下する。従って、注入器は、臨界静水圧まではパケット形成を「遅延(hold off)」する。
適用される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な状態を維持し、流体は反応表面に注入されない。しかし、初期のパケットに作用する適用誘電泳動力(または他の種類の力)は効果的に静水力を供給し、パケット注入の電位障壁を低下する。この方法では、流体は、静水力と誘電泳動力の組み合わせだけを使用してピペットから反応表面に引き出される。
実施例4
注入に関する考慮
本発明者らは、2×8および8×8 PFPに水性パケットを注入するために誘電泳動を使用した。図6の上2つの曲線は、水性パケットをピペットから自発的に注入するのに必要な静水圧が、ピペット開口部の径およびパケットを注入する媒体によってどのように変化するかを例示する。下の図は、ピペット開口部領域に適用される誘電泳動力が、パケットが注入される静水圧をどのように低下するかを示す。誘電泳動による注入圧と静水注入圧の差は、注入開口部によって提供される「遅延(hold off)」である。誘電泳動力だけを使用する真の「非可動部品」ポンプである、サブ注入予備水圧(sub-injection priming pressure)を適用することによって、試薬パケットを反応表面に注入することができる。
図6は、約8 psiが、径約2.5μmの開口部から炭化水素への水性パケットの自発的な注入を防止する程度に低いことを示している。より大きい開口部は、より低い圧力において注入をホールドオフする。注入されるパケットの径の制御は、ピペット開口部、誘電泳動電位、ピペットと電極の間隔およびホールドオフ圧力の関数として詳細に検討することができる。
パケットは、径約2.5〜約12μmの開口部、約100〜約250Vp-pのDEP電位、約30〜約300μmのピペットと電極の間隔、および約1.3〜約5.5 psiの静水圧で注入された。
水性パケットは、水が容易に接着するガラス製のマイクロピペットを介してPFPの表面に注入された。シグマコート(登録商標)（シリコーンのヘプタン溶液）またはCytonix, Inc社製のPFC1601A（フルオロポリマー）などのぬれ防止剤(anti-wetting agent)にピペットをディップコーティングすると、水の接着が低下し、PFP表面へのパケット注入を促進することができる。
実施例5
差動的メニスカス弁
一態様において、プログラム可能な流体プロセッサ(「PFP」)における流体パケットを計量し、処理後それらを回収するための手段として差動的メニスカス弁を使用することができる。本発明者らは、捕獲された気泡の挙動には2つの別個の寄与、すなわち空気および水のチャンバー面に対する相対的な接着エネルギー、並びに気泡の曲率半径が存在すると思われることに注目した。後者は気泡の圧力に逆に関係する。本開示の差動的なメニスカス弁は、プログラム可能な誘電泳動アレイおよびプログラム可能な電気泳動アレイを備えるPFP装置のように、疎水性流体に流体パケットを注入するのに好適な弁を構成するために、これら2つの特性を使用するために設計されている。
差動的なメニスカス弁を図7に例示する。例示の装置は可動部品および閉め具を備えていない。作動原理を図7Aに例示する。そこでは、PFPチャンバーは右側にあると仮定し、液源(貯蔵器または他の好適な容器)は左側で注入されると仮定する。マイクロ流体管は、PFPチャンバー内に存在する末端方向に開いており、内側は親水性物質でコーティングされている。当技術分野において既知の任意の親水性物質を使用することができる。
図2Bのように、チャンバーおよび管が充填されると、親水性表面に対する親水性流体の拡散エネルギーは、口を開いている領域の末端に親水性流体を引っ張る傾向がある。図2Cに示すように、左の親水性流体末端に圧力が加えられると、パケットが形成し始める。このパケットが形成するときの曲率半径、r1は、開いている開口部の半径によって制御される。この半径は大きいので、パケットの圧力は比較的小さい。一方、親水性の液体を管内に誘導するために圧力を適用する場合には、親水性表面は、管の表面に疎水性流体が接着するのを阻止する。従って、疎水性流体の先端は、管の狭い部分に流入しようとするので、はるかに小さい半径r2を取らされる。r2はr1より小さいので、疎水性流体を管に誘導するのに必要な圧力は、反対方向に親水性流体を誘導してチャンバー内にパケットを形成するのに必要な圧力より大きい。
実施例6
差動的なメニスカス注入器
一態様において、上記の差動的なメニスカス弁を組み込んだパケット注入器を使用することができる。特に、PEEK管系コネクタの先端は差動的メニスカス弁設計を組み込んでもよい。PEEK管系コネクタの先端は、Surface Evolverソフトウェアなどの当技術分野において既知のソフトウェアを使用した計算によって決定される、必要な注入器形状に一致させるために精密加工することができる。精密加工法は、転換時間の速い多種多様の形状を作製する柔軟性を提供する。注入器(および回収器)は、密度を増加し、注入される最小パケットサイズを低下するために、当技術分野において既知の技法によりマイクロ機械加工することができる。
弁を作動するための外部圧力源はシリンジポンプ、蓄圧器等によって提供することができる。また、上記に考察するように、パケットを注入、かつ回収するために、誘電泳動力または他の好適な操作力をメニスカス弁注入器と併用して使用することができる。供給源貯蔵器は、PFPチャンバーまたは表面に向かうキャピラリーの親水性コーティングによって引き寄せられる試薬の水性物にわずかな正の圧力を有する、疎水性層でコーティングすることができる。PFP界面では、パケットは、注入器の先端付近の1つまたは複数の電極に電位を適用することによって、キャピラリーから誘電液に引っ張ることができる。パケットは、一旦PFPチャンバー内に入ると、望ましいように操作され、流出キャピラリー付近に位置づけることができる。
実施例7
差動的メニスカス回収器
一態様において、パケットコレクタは上記のメニスカス弁を使用することができる。流出キャピラリーでは、弁を引き寄せる作用が活性化されている場合には、流出部付近の電極の電場分布を適切に選択し、スイッチを切ると、別の作動的メニスカス弁が1つまたは複数のパケットを吸収することができる。1つまたは複数の廃棄物貯蔵器は、試薬をキャピラリー内に保持することができる任意の圧力勾配を最小にするために、内側に親水性コーティングを有してもよい。
実施例8
製造の実施例
シリンジポンプなどのマイクロスケール流体要素とマイクロ製造された小型流体装置を接続するために、低デッドボリュームコネクタを使用することができる。先端だけが流体チップのマイクロ機械加工した開口部内に適合するように、PEEK管系の長さ方向の一方の端を精密加工することによって1 mmのODコネクタを製造することができる。また、密封を形成するための小型O-リングを収容するために溝を管系の先端に加工することができる。
適当な形状のノズルを形成するために管系の先端の内側を加工することができる。加工後のPEEK管系は、流体コネクタと試料注入器の両方を形成することができ、流体コネクタは試料、チャンバー液および他の溶液を導入するために必要とされているので、工作の点から理にかなった設計である。さらに、管系を使用することにより、疎水性チャンバーコーティングから独立した親水性フィルムで注入器をコーティングすることができる。
注入器は、サイズが大幅に異なる外径を有するPEEK管系から製造することができるが、一態様において、外径サイズは約500ミクロンで、内径は約65ミクロンであってもよく、これは径が100〜500ミクロンのパケットを形成するのに十分であるはずである。この場合には、パケットをチャンバーに注入するために外部弁を備えたシリンジポンプまたは蓄圧器を使用することができる。
注入器は、市販の高速液体クロマトグラフィーの管系から精密機械加工してもよい。これは、従来ケイ素すなわちガラス系マイクロ機械加工またはプラスチック成形を使用するMicroFlume製造とは全く異なる方法である。二次元または「押し出された」形状しか製造することができない実質的に全てのリトグラフィー系マイクロ機械加工技法と異なり、精密加工により、許容差約5ミクロンで部品を三次元で自由に形成することができる(多数の高縦横比マイクロ機械加工方法に匹敵する)。設計の迅速な転換は精密加工の別の利点である。精密加工により最適な設計が確立されたら、大量生産のための部品を成形するために型押しを実施することができる。
NISTによって開発されたSurface Evolverなどの当技術分野において既知の適当なソフトウェアを使用して、注入されるパケットサイズを決定する表面張力および構成による影響をモデル化することができる。このようなプログラムはまた、電子工学的要素の存在下において再還流後のはんだ接続部の形状を分析するために使用することができ、従ってデザインの最適化の助けとすることができる。
一態様において、高密度注入器アレイをバッチ製造するためにシリコンマイクロ機械加工を使用することができる。マイクロ機械加工により、さらに小さいパケットサイズを生ずる小型の注入器が可能になるが、注入器の先端の構成を制御することはさらに困難である。PFPアレイ先端を有する注入器の配置はマイクロ機械加工方法を用いるとさらに正確になり、特にパケットをチャンバーに引き入れるために誘電泳動力を使用する場合にはこれはパケットサイズにとって重要となる。
実施例9
誘電弁
本発明の一態様において、誘電弁を備えるPFPスイッチングステーションが考慮される。この弁は可動部品がなく、パケットおよび周囲の媒体の圧力および誘電性に基づいて装置を通過するパケットの動きを制御することができる。このPFPは1つまたは複数の注入ポート、1つもしくは複数の出口または流出ポートおよびスイッチングステーションを備える。液滴は、
Figure 2005513455
(式中、rは液滴の半径であり、γは液滴の界面張力である)の圧力で注入ポートから注入される。親水性管として構成されている出口ポートは、液滴の圧力に応じて装置の表面から液滴を受け取る。出口ポート開口部のサイズは、液滴が出口ポートに流入するのに必要な圧力に反比例する。従って、出口ポートが小さい装置は、液滴を出口ポートに搬送するために高い圧力(例えば、より小さい液滴径またはより大きい液滴界面張力)を必要とする。出口ポートのサイズの変更を使用して、誘電弁を介して流体の流動を制御することができる。
出口ポートは、壁または管の開口部などの、反応面からの流出を可能にする任意の構造であってもよい。開口部は任意のサイズまたは形状であってもよい。または、流出ポートはマイクロピペットまたは反応面から物質を回収することができる任意の他の等価な装置であってもよい。物質のパケットは、上記反応面から回収することができる。パケットが特定の位置から反応面に正確に回収されるように、シリンジまたは任意の他の等価な装置をマイクロ操作ステージに取り付けてもよい。一態様において、出口ポートは、反応面の円筒形の管の開口部からなってもよい。このような管は、約1ミリメーターの径および約3センチメーター以上の長さを有してもよく、親水性にコーティングされてもよい。
例えば、複数の容器から複数のパケットを反応面に注入することが望ましい場合には、スイッチングステーションを使用することができる。スイッチングステーションは、反応面へのパケットの注入を制御するための電極アレイなどの1つの装置またはアレイを用いつつ、複数の容器および複数の出口ポートを使用することを考慮している。
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(=1)に正規化した、流体取り扱いシステムにおける流体の圧力と、反応面に注入される水性液滴の径との関係を例示する。注入器の開口部は、AC電圧(誘電泳動場またはDEP場)で通電した100マイクロメーター(μm)四方の電極付近に位置づけた。適用したDEP場は、40 kHzにおいて180ボルト最大振幅(Vp-p)であった。注入器の開口部は径2.3μmで、活性電極の端から100、200または300μmの距離で隔離された。図8は、このような条件下において、流体取り扱いシステムが最大ホールドオフ圧力の0.65倍より低い圧力に加圧される場合に、DEP液滴注入は生じないことを例示している。また、システムが最大ホールドオフ圧力の0.75〜0.85倍に加圧されると、隔離距離プラス100μmの電極幅に応じて一定のサイズの液滴が反応面に注入される。最大ホールドオフ圧力の0.65〜0.85倍の圧力領域では、中間の、制御可能で、反復可能な径の、液滴または流体アリコートが形成される。図8のグラフの線は、各々の隔離距離に関するデータに適合させた形態
Figure 2005513455
の曲線である。
図9は、最大ホールドオフ圧力(=1)に正規化した流体取り扱いシステムにおける流体の圧力と反応面に注入される水性液滴の径との関係を例示する。注入器の開口部は、AC電圧(誘電泳動場またはDEP場)で通電した100マイクロメーター(μm)四方の電極付近に位置づけた。適用したDEP場は、100 kHzにおいて180ボルト最大振幅(Vp-p)であった。注入器の開口部は径4.2μmで、活性電極の端から100、200または300μmの距離で隔離された。図9は、このような条件下では、流体取り扱いシステムが最大ホールドオフ圧力の0.7倍より低い圧力に加圧される場合には、DEP液滴注入は生じないことを例示している。また、システムが最大ホールドオフ圧力の0.86倍より高い圧力に加圧されると、約300μm(14ナノリッター)の一定のサイズの液滴が反応面に注入される。最大ホールドオフ圧力の0.7〜0.85の圧力領域では、中間の、制御可能で、反復可能な径の、液滴または流体アリコートが形成される。
実施例11
フロースルー注入器
本発明の一態様においてフロースルー注入器を有する容器を使用してもよい。この容器により、試料は、好ましくは遅い流速で注入器の先端から流動することが可能になる。これは、注入器の先端に常に新鮮な試料が存在するように数滴の試料を除去することを考慮している。
実施例12
誘電ゲート
この実施例では、低圧に維持されていてもよい、流体装置またはマイクロ流体装置への、加圧した貯蔵器からの流体の流動を制御するために使用することができる、誘電泳動注入器の用途に関する態様を考察する。
一態様において、流体貯蔵器は、流体通路を介して、1つまたは複数の電極を有する領域の流入部に流体を供給する。流体通路は、貯蔵器から領域への流体の優先的な流動方向を提供するように構成された親水性または疎水性表面コーティングによって規定される管、流路または通路を備えてもよい。1つもしくは複数の流体装置またはマイクロ流体装置への接続を提供するように構成された、1つもしくは複数の同様のまたは異なる流体流出通路を領域に接続してもよい。
領域はチャンバーを形成する壁に含まれてもよく、または大きい容積の内側に面領域もしくは容積領域を含んでもよい。領域は、貯蔵器から流体装置またはマイクロ流体装置に至る1つまたは複数の流体流出通路への流体の流動に、親水性または疎水性障壁を提供するように構成されてもよい。
貯蔵器内の圧力および領域の性質は、流域を通過する流体の流動が自発的に生じないように構成することができる。代わりに、流体の流動は、1つまたは複数の電極または電場を提供するように構成された他の手段によって正確に制御されうる。一態様において、領域の電極は、ACまたはDC電気信号を提供することができる制御回路に接続することができる。本発明者らは、「誘電ゲート」を構成するように、このように構成した領域(誘電力を介して流動を正確に制御するための電極を含む領域)を作製した。流体流入口に近位の電極が適当な電気信号によって活性化されると、誘電力が流入通路から流体を引き出す。電極および必要に応じて、領域内の追加の電極への電気信号のスイッチングにより、流体の1つまたは複数の液滴が流入通路から1つまたは複数の流出通路に移動される。信号励起を変更することにより、流体の流動が停止される。
従って、領域の1つまたは複数の電極に適当な配列の電気信号を適用することによって、1つまたは複数の従来の流体装置またはマイクロ流体装置への貯蔵器からの流体の流動を正確に電子的に制御することができる。液滴は十分に規定された容量であってもよく、制御回路は、流入通路から流出通路に移動される液滴の数を計数するように構成することができる。一態様において、このような計数は、1つまたは複数のインピーダンスセンサーを使用して実施することができる。従って、この実施例に開示されている誘電ゲートは、望ましい場合には、流体流動速度を制御し、移動される流体の容量を正確に計量するための方法として使用することができる。当業者に理解されるように、貯蔵器、誘電ゲートおよび流体装置は別個であっても、または1つのチップに一体化されてもよい。
図10および11は、誘電ゲートに関する具体的な態様を例示する。図10の態様において、流体貯蔵器100は、加圧され、流路110を介して誘電ゲート120に接続される容器を備える。誘電ゲート120の流入部分122は、本明細書に記載される任意の種類の注入器を備えてもよい。
流出部分124は、異なる態様において、キャピラリー電気泳動、ポリメラーゼ連鎖反応、DEP-FFF、バイオフリップ(bioflip)、または任意の他の流体システムを含む、流体装置またはマイクロ流体装置130に、誘電ゲート120から流体を誘導するために提供される。
電極132は、流入部分122に隣接する流入注入器から液滴を引き出して、流出部分124に移動させるために、本明細書および参照として組み入れられている米国特許第6,294,063号に記載されているように作動することができる。異なる態様において、誘電ゲート120は空気、気体または誘電性の分配媒体を充填してもよい。
一態様において、誘電ゲート120の注入器および／または流出部は、注入器からの液滴の分離および流出部分124における液滴の回収を増加するために、親水性または疎水性コーティングで処理してもよい。
図11は、貯蔵器並びに流入通路および流出通路が、さもなければ疎水性である表面に親水性行路を備えてもよい態様を例示する。面は流路もしくは管内にあっても、または流体が、親水性パターンによって規定される「仮想流路」内に含まれるように大きい面にパターン化されてもよい。
貯蔵器からの通路は、1つまたは複数の電極132に隣接する疎水性パッチ134によって遮断されてもよい。電極に1つまたは複数の電気信号を適当な順序で適用すると、疎水性パッチ134を通過し、出口通路124を介してマイクロ流体または流体ステージに至る流体の流動が誘導される。
電気信号を除去すると、パッチ134を通過する流体の流動は停止する。この方法では、流体の流動は、可動性機械部品を用いないで、正確に電子的に制御または計量することができる。
異なる態様において、誘電ゲート120は1つまたは複数の流出通路を有するように構成することができ、複数の流体システムを1つの誘電ゲートによって制御することができる。
当業者に理解されるように、本発明の教示内容、特にこの実施例は、化学および生物学的な用途のためにマイクロ流体システムに流体を正確に弁で調節し、分注し、計量するための可動部品のない機序を提供し、ポンプおよび機械的弁の必要性をなくしている。このような技術の用途は広大であり、マイクロ分析、ラボ-オン-チップ(lab-on-a-chip)、マイクロ合成装置、キャピラリー電気泳動、遺伝子チップおよび他の流体装置における流体の制御および計量が挙げられるが、これらに限定されない。
実施例13
理論的および実験的考慮I
本明細書において教示されている注入される液滴のサイズは、水道から落ちる液滴のサイズを算出するものと全く同じように理解することができる。典型的に関係する流速において、特に粘性の流体を別の粘性の懸濁媒体に注入することを考慮する場合には、妥当な近似として慣性効果を無視し、低いレイノルズ数の流動特徴が支配すると仮定することができる。DEP力の場が確立されて、液滴形成のホールドオフ条件を超えると、液滴を開口部から引っ張る横方向のDEP力が、開口部に液滴を保持する表面張力を超えるまで、液滴は開口部において膨張し続ける。液滴が容積
Figure 2005513455
(式中、aは開口部の径であり、γは液滴／媒体の界面張力であり、
Figure 2005513455
は開口部から引っ張られる液滴を誘導する電場の勾配である)を達成すると、力は釣り合う。その容積はごく少量こえただけでも、液滴はDEP力によって開口部から引っ張られ、従って注入される。電場および電場の勾配は共に、適用される電圧Vによって変わり、注入器-電極の構成の幾何学によって決定されるので、注入される液滴の容積は、所定の幾何学Gについて近似することができる。
Figure 2005513455
ただし、注入される液滴サイズは開口部の径によって増加するが、注入電圧の平方によって低下する。これは、Vを変更することによって液滴サイズを制御する機会を提供している。従って、液滴は、先に考察したように、Vがホールドオフ圧力を超えるのに十分に大きい限り液滴が形成され、注入される液滴のサイズは、Vをその基準に合うようにできるだけ低く維持することによって増加し、またはVを大きくすることによって低下することができる。Gという幾何学項は電極およびチャンバーの幾何学によって支配されるが、チャンバーにすでに注入されている他の液滴からの寄与を含んでもよい。液滴の界面張力γは、液滴と注入器の先端の周囲との接触に関連する任意のエネルギー効果を考慮するためにγ’と変更してもよい。これは、親水性および疎水性の先端は異なる注入特性を有するということを裏付けている。
液滴が注入された後に注入電圧を維持すると、別の液滴が直ちに形成し始める。しかし、注入器の管および開口部の流体力学的な抵抗が流体の流動速度、従って液滴の形成速度を制限する。流体力学的な抵抗は、液体を開口部に供給する通路の長さおよび穴に依存する。再び低レイノルズ数の流動を仮定し、通路が円形の断面であり、径a、長さLであると仮定すると、流体の粘性はηであり、圧力Pに対応する流速Φはポアズイユ(Poiseuille)の式
Figure 2005513455
によって示される。
DEP力が液滴を開口部から引っ張る容積になるまで各液滴を満たすのにかかる時間を正確に算出するには、考慮対象の液滴容積の液滴圧力を正確に変更しなければならない。しかし、この物理学を例示するためには、DEP場によって誘導される液滴圧力への寄与の近似式は以下のようである：
Figure 2005513455
液滴形成を駆動する正味の圧力は、全ての圧力成分の合計、すなわちシステムに適用される静水圧(Phydro)、DEP誘導される圧力(PDEP)および液滴表面からの逆圧力(Pmeniscus)の合計である。
Figure 2005513455
従って、液滴への流体の流動は、
Figure 2005513455
と書くことができる。
PmeniscusおよびPDEPの式を代入すると、
Figure 2005513455
が得られる。
Phydroがホールドオフ圧力より小さいと仮定すると、式13-7は、十分に高いDEP電圧の適用が、流動を開始させて、VDEPが除去されても充填し続ける、すなわち
Figure 2005513455
であるような、径が2aより大きい液滴を形成しうることを示す。
液滴が半径r>>aに到達すると、分母のrの項は小さくなり、流動は主にPhydroによって支配されることにも注目される。横方向のDEP力成分によって液滴が、注入器の先端から引き離されるほど十分なサイズに到達したとき、DEP場が依然として適用されていると、別の液滴が形成する。これは、容積
Figure 2005513455
で生じることが予想される。液滴の径は、
Figure 2005513455
または
Figure 2005513455
によって与えられる。すなわち、
Figure 2005513455
である。
これは、VDEPが低いと、液滴は大きいサイズまで成長して、例えば、電極に到達するが、VDEPが高いと、小さい液滴が形成されることを示す。式13-12はまた、注入される液滴の径は開口部サイズにあまり依存しないことを予測している。
注入される液滴の容積Λは式13-9で示される。注入される液滴が径D>>2aを有すると仮定すると、第1の近似において、液滴注入速度RはΦに比例し、注入過程のほとんどにおいて主にPhydroに依存する。
実施例14
理論的および実験的考慮II
DEP注入を支配する主な因子には、注入器の開口部の径、流体システムの圧力P、DEP電位VDEPおよび注入器の開口部-電極の間隔Zが挙げられる。この実施例では、これらの因子は、注入過程に対するそれらの影響を判定するために調査される。
実験デザイン
一態様において、本発明者らは、誘電媒体として作用する〜113μlの1-ブロモドデカンを使用する。脱気し、３回蒸留した水(3×H2O)を充填したマイクロピペット注入器を、Huxley-Wahlマイクロマニピュレーターを使用してアレイの開いた端、すなわち、電極がリードによって隠されないアレイの側の電極に隣接して操作した。反応面の上方に位置する注入器の高さは、顕微鏡ステージを上昇させて焦点を合わせ、縦軸の制御ノブの所定の数の「カチカチ音」だけステージを低下し、マイクロマニピュレーターの縦軸を使用して注入器の開口部の焦点を合わせることによって制御した。ピペットは、焦点面を変更する液体誘電媒体(屈折率=1.46)中で操作されていたので、この過程は反復しなければならなかった。一般に、注入器は、反応面の上方10〜20μmに維持した。ガラス製の注入器と反応面との接触は、典型的には、この態様において注入器にとって最悪であった。
DEP注入は、8×8電極アレイの端の電極に隣接して注入器の開口部を配置することによって試験した。DEP電圧の振幅および周波数、VDEPおよびfDEPは、それぞれ、外部DC電源および関数発生器で制御した。注入器の開口部から電極の端までの横方向の距離は、Huxley-Wahlマイクロマニピュレーターで制御した。流体取り扱いシステムにおいて液滴流体の圧力、Pを制御するために手動式シリンジポンプを使用し、特注の圧力センサー回路が圧力をモニターした。液滴注入の各実験順序をビデオテープに取り、パラメーターの各セットは、実験順番号を記録したフレームカウンターを参照した。
静水ホールドオフの測定
液滴境界の圧力差は界面張力に直接関連し、液滴径に反比例する。液滴注入の場合、初期の液滴径は、液滴流体が押し出される開口部径の関数であった。各注入実験の適当な圧力限界を確立するために、DEP場が適用されていない場合に液滴が最初に注入器の開口部から排出される圧力、すなわちホールドオフ圧力の測定を実施した。硬い壁のある小容量の流体取り扱いシステム内の圧力の突然の変化は開口部に圧力波を伝播して、真のホールドオフ圧力より低い平均圧力で流体を排出するので、この測定は、流体取り扱いシステム内の圧力を非常に緩やかに上昇させることを必要とした。
ホールドオフ圧力の測定は、開放大気中で、1−ブロモドデカン誘電媒体に含浸した注入器の開口部を用いて実施した。径2.6〜40μmの注入器の開口部を使用した数多くの異なる実験の結果を図12に示す。空気および1−ブロモドデカン条件での異なる曲線は、水／空気系および水／ブロモドデカン系の界面張力の差を反映する。データは、
Figure 2005513455
の形態の曲線に適合させて示してある。
注入閾値対VDEP
適用したDEP場の変化が、液滴が注入されると考えられる圧力にどのように影響するかを判定する測定を実施した。以前のように、Huxley-Wahlマイクロマニピュレーターを使用して注入器を反応面の上方に位置づけた。DEP電圧は120、180または250 Vp-pに設定し、ビデオテープシステムの電源を入れ、手動シリンジを使用して流体取り扱いシステムを徐々に加圧した。
図13は、2つの異なる電極アレイサイズの場合に、VDEPの増加が注入圧をどのように低下するかを例示する。図13において、電場を適用していない場合(P/H=1)の注入器について測定したホールドオフ圧力は、液滴注入が生じる閾値圧力を正規化する。例示した両方の場合において、注入器の開口部は径2.6μmであった。開口部の内部はフルオロペル(FluoroPel)(登録商標)で処理して疎水性にした。注入器の開口部と活性電極の端の距離Zは、どちらの場合も電極の幅の1.5倍、すなわち30μmの電極は45μmであり、100μmの電極は150μmであった。注入が開始するVDEP ２とP/Hの関係は直線であった。
圧力対注入される液滴の径および注入速度
流体取り扱いシステムの圧力と注入される液滴のサイズおよび注入速度の関係を求めるために、一定の注入器の開口部の径(2.6μm)、電極サイズ(30μm四方)および注入器-電極の間隔(100μm)という条件下で実験した。
以前のように、Huxley-Wahlマイクロマニピュレーターを使用して注入器を反応面の上方に位置づけた。DEP電圧は120 Vp-pに設定し、流体取り扱いシステムは、ブロモドデカン中で測定したホールドオフ圧力の60%〜90%の種々のレベルに、手動式シリンジを使用して加圧した。ビデオテープシステムの電源を入れ、DEP電圧、VDEP=120のスイッチを入れた。
液滴注入速度は、第1および第2の液滴注入の間のビデオフレームの数(＠1秒あたり30フレーム)を計数することによって求めた。図14は、流体システムの圧力がホールドオフ圧力(P/H=1)に近づくと、液滴注入速度は迅速に増加するが、注入される液滴の半径は本質的に変わらなかったことを示す。
式13-6は、液滴流動速度が静水圧Phydroの線形関数であることを示すことが思い出される。このため、液滴注入速度および半径は、
Figure 2005513455
の形態の直線に適合させることができる。
距離および電圧依存性
注入器-電極の隔離距離の変更が、注入される液滴の径に与える影響を求める実験を実施した。Huxley-Wahlマイクロマニピュレーターを使用して注入器を反応面の上方に位置づけ、DEP電圧を設定し、手動式シリンジを使用して流体取り扱いシステムを加圧し、ビデオテープシステムの電源を入れた。
図15は、一定の注入器の開口部の径(2.6μm)および電極アレイサイズ(一辺が30μmの四角い電極で、30μmの間隔)の条件下で実施した注入セットの結果をグラフで示す。注入器の開口部を、通電した電極から30、45、60、および100μmの距離に位置づけて、3つの異なる電圧120、180および250 Vp-p＠60 kHzを適用した。流体システムの圧力をP/H=0.90＠120V、0.81＠180V、および0.71＠250Vに設定した。開口部の内側はフルオロペル(登録商標)でシラン処理して疎水性にした。
適用した電場が異なる条件下では、適用したDEP場は2つの別個の流体注入様式を刺激することができる。低DEP場を特徴とする1つの様式では、流体は、開口部から引き出されて、チャンバー内で安定に膨張する流体の液滴を形成し、注入器から離れなかった。高DEP場を特徴とする他の様式では、膨張を続ける流体の液滴は十分に規定されたサイズに到達すると、開口部から自由に分離して、横方向のDEP力の影響下で、いくらか距離が離れた通電した電極の方に速やかに移動した。
適用された低DEP場が、注入器から別個の液滴を注入するのではなく、開口部から離れないで、液体をチャンバー内に引き入れる傾向を例示するために、図15の縦軸に示す液滴の径を、電極の端の長さに正規化する。図15の破線は、注入器と電極との間の隙間を完全に満たすほど十分に液滴が成長する条件に対応する、Z+電極幅の輪郭を示す。VDEP=120(丸印)では、活性電極の幅(30μm)および電極と注入器の間の距離(Z)にわたるほどの液滴が形成するまで、流体は注入器の開口部から連続的に引き出される。注入器-電極の間隔がさらに広くなると、VDEP=120において引き出される液滴はさらに大きく成長し、自発的な注入状況を生じる傾向がある。さらに高いVDEPでは、液滴はZの増加と共に成長するが、破線の下側に向かっているそれらの径から明らかなように、別個の液滴として開口部から注入された。隔離距離が増加すると、VDEP=180および250における液滴の径は横ばいになり、Zとは無関係になった。
図16は、ビデオテープで捕らえたフレームセットで、同じ注入構成に対して適用されるVDEPの増加に対して液滴径が漸進的に低下することを示す。3つのフレームは全て、30μm四方の活性電極から60μmの位置に配置された径2.6μmの注入器の開口部を示す。
実施例15
理論的および実験的考慮III
本開示は、可動部品を用いない方法において、DEPによって別個の液滴注入が容易に実施されること、並びに注入器の開口部サイズ、DEP場、電極-注入器の間隔、構成、適用されるシステム圧力および親水性／疎水性は、注入液滴サイズおよび液滴注入速度の誘導を正確に制御するために調節することができることを示す。
具体的には、注入器の開口部径(または、さらに適切には周囲)および注入される媒体と懸濁媒体の界面張力が、注入器の静水的ホールドオフを決定することができる。流体取り扱いシステム内の静水圧は、液滴を注入するのに必要なDEP場および液滴注入速度を決定することができるが、液滴のサイズは決定しない。また、注入器-電極の間隔Zは、低DEP場において注入される液滴の径を制御することができる。
図17をみると、上2つの曲線は、水／空気系および水／ブロモドデカン系の界面張力の差を反映している。水／空気界面張力は水の表面張力72.0 dyne/cmであり、算出された水／ブロモドデカンの界面張力は52.6 dyne/cmである。一番下の曲線は、DEP場が注入器の開口部のホールドオフをどのように効果的に低下し、ホールドオフ圧力より低い圧力で別個の液滴の注入を可能にするかを例示するために、DEP場を活性化した種々の条件下のデータに適合してある。
上2つの曲線は、流体取り扱いシステム内の水が、所定の径の注入器の開口部から自発的に噴出す圧力を示す。上2つの曲線はまた、注入器の開口部が流体の流動のチェック弁として作用することができることを示す。誘電媒体内にAC電場を適用することにより、流体はチェック弁から反応面に引き出されるかまたは排出される。
注入過程の要約
水性液滴の制御可能なアリコートを、不混和性の誘電媒体に注入する過程は、(1)注入器の開口部の径(d)、(2)DEP電圧の平方(VDEP 2)、(3)静水ホールドオフ圧力に対する流体システムの圧力(P/H)、(4)注入器の開口部-電極の端の間隔(Z)、および(5)電極の横方向の長さ(e)、の少なくとも制御可能な物理パラメーターの関数である。
図18では、縦軸に示す注入された液滴の径を、VDEP、P/HおよびZの複合関数(combined function)に対してグラフ化する。個々のデータ点は、平均液滴重心によって示され、エラーバーは横軸の関数と縦軸の径の標準偏差を示す。図18の顕著な特徴には、以下が挙げられるが、これらに限定されない：
1. 大きい3.7μm注入器の開口部の内側を親水性(210の部分)から疎水性(220の部分)に変更しても、注入される液滴のサイズは変更されないが、低いVDEPおよびP/Hにおける注入を可能にする。疎水性のこのような変更は受動的なホールドオフ圧力を3%しか低下せず、ホールドオフはほぼ完全に水／油界面張力の関数であり、注入器の開口部の表面の濡れではないことを示唆している。
2. 小さい2.6μmの注入器の開口部の内側を親水性(250の部分)から疎水性(260の部分)に変更すると、高いVDEPであっても、より小さい液滴が、引き出されるのではなく注入される。
3. 電極サイズを100μmから30μmに変更すると(210の部分対230の部分、および240の部分対260の部分)、より小さい液滴の注入を可能にする。
注入される液滴の径の範囲は、径を電極の端の長さ(e)、および電極／注入器の間隔(Z)に正規化することによってさらに明らかにすることができる。特に低VDEPでは、液滴は、電極および電極と注入器の間の距離のほとんどに至るまで注入器の開口部から引き出される。この現象は、ホールドオフ圧力を一時的に低下するVDEPと機能的に等価であり、流体の反応面への自発的な注入を可能にする。実際の流体の圧力が十分に低いと(P/H<〜0.9)、液滴が電極を被覆すると同時にこの過程は自動的に停止する。さらに、VDEPが停止されないと、液滴が添加される。高VDEPでは、より小さい液滴が、注入器から引き出されるのではなく注入される。
図19は、図18と同じデータをグラフで示すが、液滴の径をZとeの合計で割ってあり、単位のない量を導いている。dia/(Z+e)=1より大きい液滴は引き出され、自発的に注入されるものを示す。dia/(Z+e)=1より小さい液滴は、DEP注入され、反応面上に排出されるものを示す。このように比較すると、いくつかのことが明らかになる：
1. より大きい注入器、例えば、3.7μmからの注入は比較的高いVDEPにおいてだけ可能である。
2. 小さい液滴の注入は、注入器の内側を疎水性にすることによって容易になる(340の部分および360の部分対350の部分)。
3. 注入される液滴の径は電極の寸法で決まる(340の部分および360の部分)。これは、電極のサイズが、注入器に対する場の勾配を決定することを示唆している。
本開示は種々の改変および別の形態に適合可能であるが、具体的な態様は実施例によって示され、本明細書に記載されている。しかし、本開示は開示されている特定の形態に限定される意図のものではないことが理解されるべきである。むしろ、本開示は、添付の特許請求の範囲によって規定される開示の趣旨および範囲内に入る全ての改変、等価物および代替物を含むべきである。さらに、開示されている装置および方法の異なる局面を、種々の組み合わせでおよび／または個別に使用することができる。従って、本発明は本明細書に示されているような組み合わせだけに限定されるのではなく、他の組み合わせを含むこともできる。
以下の図面は本明細書の一部を形成し、本発明のある種の局面をさらに証明するために例として含まれ、制限するものではない。本発明は、本明細書に提供されている具体的な態様の詳細な説明と合わせて、同じ参照番号が同じ構成要素を示す、これらの図面の1つまたは複数を参照することによってより良く理解されうる。
本開示の態様による、径5ミクロンのマイクロピペットからの水パケット形成の圧力特性および容量特性を示すグラフおよび図解である。この図において、最高圧は、パケットの半径が管の開口部の径の2分の1のとき生じる。 本開示の態様による誘電パケット注入の段階を示す略図である。 本開示の態様による一般目的用の分析装置を示す略図である。装置は、本明細書に記載するパケット注入技法を使用する。 本開示の態様による別の一般目的用の分析装置を示す略図である。装置は、本明細書に記載するパケット注入技法を使用する。 本開示の態様による誘電泳動場によってマイクロピペットの先端から引き出される57ミクロンのパケットの流れを示す図である。 本開示の態様による圧力とピペット径の関係を示すグラフである。 本開示の態様によるメニスカス弁原理を例示する略図を示す。 本開示の態様により、ホールドオフ圧力比と隔離距離100μm、200μmおよび300μmで注入した液滴径の関係を示すグラフである。 本開示の態様により、ホールドオフ圧力比と隔離距離100μm、200μmおよび300μmの最初の液滴径の関係を示すグラフである。 本開示の態様による誘電ゲートの模式図である。 本開示の態様による誘電ゲートの別の模式図である。 本開示の局面を例示するグラフである。ホールドオフ圧力は注入器の開口部の関数である。測定したホールドオフ圧力(kPa)を、注入器の開口部を大気中においた状態(丸印)および1-ブロモドデカンに浸漬した状態(四角)の注入器の開口部の径(μm)に対してプロットする。測定は、径2.6〜40μmの注入器の開口部を使用して実施した。2つの曲線は、水／空気系(72.0 dyne/cm)および水／ブロモドデカン系(52.6dyne/cm)の界面張力の差を反映している。 本開示の局面を例示するグラフである。図は液滴注入の閾値圧力対VDEP 2を示す。液滴が注入される閾値圧力はVDEP 2の一次関数であることが示されている。VDEPを増加すると、適用したDEP場が液滴を注入することができる閾値圧力が低下する。場を適用していない場合の注入について測定したホールドオフ圧力(P/H=1)は、液滴注入が生じる閾値圧力を正規化する。例示した両方の場合において、注入器の開口部の径は2.6μmであり、その内側はフルオロペル(登録商標)で処理されて疎水性になっている。注入器の開口部と活性電極の端との距離Zは電極の幅の1.5倍であった。すなわち、30μmの電極では45μmであり、100μmの電極では150μmであった。プロットしたVDEP 2は適用したDEP電位120、180、および250 Vp-pに相当する。この関係は、誘電エネルギーの作用が注入を生じていることを強く示唆している。 本開示の局面を例示するグラフである。注入された液滴の径および速度対圧力を示す。注入された液滴の径は、本質的には、流体取り扱いシステムの適用圧／ホールドオフ圧力比(P/H)に無関係であるが、液滴の注入速度は、システムの圧力がホールドオフ値に近づくと急速に増加する。一辺が30μmの活性電極から100μmの位置に径2.6μmの注入器を配置した。DEP場(VDEP =120)を活性化したとき、流体システム圧をホールドオフ圧力の60〜90%の種々の点に設定した。流体システム圧がホールドオフ圧力(P/H=1)に近づくと、液滴注入速度は急速に増加したが、注入された液滴の半径は本質的に変化はなかった。液滴注入速度および半径は直線に適合した。 本開示の局面を例示するグラフである。図はVDEPの関数として注入された液滴の径を示す。注入された液滴の径は、一定の注入構成ではVDEPで変化することが見出された。この図では、径2.6μmのシラン処理した注入器を活性電極の端から種々の距離Zに配置した。VDEP =120では、液滴は、活性電極および電極-注入器の間Zを覆うまで注入器から引き出された。DEP場を漸次高くすると、注入される液滴は小さくなり、径はZに無関係になった。 VDEPの関数としての径の変化を示す、注入された液滴の一連の写真である。注入される液滴はVDEPと逆に変化した。これらのビデオテープフレームは、一定の注入構成[a) VDEP =120、b) VDEP =180、c) VDEP =250]を考えると、適用したVDEPを増加すると液滴の径が漸次低下することを示す。3つのフレームは全て、30μm四方の活性電極から60μmの位置に配置した径2.6μmの注入器の開口部を示す。適用したVDEPについて最適化した流体システムの圧力は、VDEP =120 では0.90、VDEP =180 では0.81、VDEP =250では0.71であった。これらの液滴は図15のZ=2の3つのデータ点に対応する。 本開示の局面を例示するグラフである。図は、注入器の開口部の径の関数としてのDEPのホールドオフ圧力を示す。図は、大気中および1-ブロモドデカンに浸漬状態での、径2.6〜40μmの注入器開口部を用いて測定したホールドオフ圧力の測定値を示す。上2つの曲線は水／空気系(72.0 dyne/cm)(丸印)および水／ブロモドデカン系(52.6 dyne/cm)(四角)の界面張力の差を反映している。下の曲線(ひし形)は、DEP場が注入器開口部のホールドオフをいかに効果的に低下し、公称ホールドオフ圧力より低い圧力において液滴を別個に注入することができるかを例示するために、DEP場を活性化した種々の条件下においてデータに適合させている。 本開示の局面を例示するグラフである。図は、すべてを含めた液滴注入の平均および標準偏差を示す。注入された液滴の径の平均および標準偏差を、VDEP、P/HおよびZの複合関数に対してグラフ化している。3.7μmの注入器で開口部の内側を親水性(210)から疎水性(220)に変更しても、注入される液滴のサイズは変わらなかったが、低いVDEPおよびP/Hにおける注入が可能になる。2.6μmの注入器で開口部の内側を親水性(250)から疎水性(260)に変更すると、小さい液滴を、引き出すのではなく注入することができるが、VDEPは高い。電極サイズを100μm〜30μmに変更すると、小さい液滴の注入が可能になる。図の説明において、dは注入器の開口部(μm)を指し、eは電極の端の長さ(μm)を指し、nは特定のデータセットについての液滴の数を指す。 本開示の局面を例示するグラフである。図は、注入器-電極距離および電極サイズによって正規化した、組み合わせ液滴注入データを示す。図は図18と同じデータをグラフで示すが、液滴径はZとeの合計で割ってある。径dia/(Z+e)>1の液滴(破線の上)は引き出され、かつ自発的に注入され、径dia/(Z+e)<1の液滴(破線の下)はDEP-注入されて、反応表面に排出される。より大型の3.7μmの注入器からの注入は、比較的高いVDEPにおいてのみ可能である。小さい液滴の注入は、注入器の内側を疎水性にすることによって促進される。また、注入される液滴の径を電極の寸法で評価する。これは、電極サイズが注入器に対して場の勾配を決定することを意味する。図の説明において、dは注入器の開口部(μm)を指し、eは電極の端の長さ(μm)を指し、nは特定のデータセットについての液滴の数をいう。

Claims (31)

  1. 流入流体通路と流出流体通路との間に接続された1つまたは複数の電極を含む誘電ゲートであって、1つまたは複数の電極が、1つまたは複数の電極に適用された電気信号によって生ずる誘電力を使用して、流入流体通路から流出流体通路に流体を引き出すように構成されている、誘電ゲート。
  2. 流入流体通路が管または流路を含む、請求項1記載のゲート。
  3. 流出流体通路が管または流路を含む、請求項1記載のゲート。
  4. 流入流体通路が、優先的な流体流動方向を提供するように構成された親水性または疎水性表面コーティングを含む、請求項1記載のゲート。
  5. 流出流体通路が、優先的な流体流動方向を提供するように構成された親水性または疎水性表面コーティングを含む、請求項1記載のゲート。
  6. ゲートの少なくとも一部を覆うチャンバーをさらに含む、請求項1記載のゲート。
  7. 流入流体通路と動作的に関連した流体注入器をさらに含む、請求項1記載のゲート。
  8. 流体注入器が親水性または疎水性コーティングを含む、請求項7記載のゲート。
  9. 流入流体通路；
    流入流体通路と動作的に関連した1つまたは複数の電極；
    電極の少なくとも1つに隣接する疎水性パッチ；および
    電極の少なくとも1つと動作的に関連した流出流体通路
    を含む、誘電ゲートであって、
    1つまたは複数の電極が、1つまたは複数の電極に適用された電気信号によって生ずる誘電力を使用して、流入流体通路から流出流体通路に流体を引き出すように構成され；かつ
    疎水性パッチが、電気信号が存在しない場合に、流入流体通路から流出流体通路への流体の流動を阻止するように構成されている、誘電ゲート。
  10. 流入流体通路が管または流路を含む、請求項9記載のゲート。
  11. 流出流体通路が管または流路を含む、請求項9記載のゲート。
  12. 流入流体通路が、優先的な流体流動方向を提供する、仮想流路を規定する親水性または疎水性表面コーティングを含む、請求項9記載のゲート。
  13. 流出流体通路が、優先的な流体流動方向を提供する、仮想流路を規定する親水性または疎水性表面コーティングを含む、請求項9記載のゲート。
  14. 流出流体通路が、優先的な流体流動方向を提供する、仮想流路を規定する親水性または疎水性表面コーティングを含む、請求項9記載のゲート。
  15. ゲートの少なくとも一部を覆うチャンバーをさらに含む、請求項9記載のゲート。
  16. 流入流体通路と動作的に関連した流体注入器をさらに含む、請求項9記載のゲート。
  17. 流体注入器が親水性または疎水性コーティングを含む、請求項16記載のゲート。
  18. 流入流体通路および流出流体通路を備える誘電ゲート；
    誘電ゲートの流入流体通路に接続された流体貯蔵器；および
    誘電ゲートの流出流体通路に接続された流体装置
    を含む、流体流動の制御用システムであって、
    誘電ゲートが、1つまたは複数の電極に適用された電気信号によって生ずる誘電力を使用して、流入流体通路を経由して流体貯蔵器から、流出流体通路を経由して流体装置へと、流体を引き出すように構成されている1つまたは複数の電極を含む、システム。
  19. 誘電ゲートが、1つまたは複数の電極に隣接し、かつ電気信号が存在しない場合に流入流体通路から流出流体通路への流体の流動を阻止するように構成されている疎水性パッチを含む、請求項18記載のシステム。
  20. 流体貯蔵器が加圧貯蔵器を含む、請求項18記載のシステム。
  21. 誘電ゲートに動作的に関連し、かつ流入流体通路から流出流体通路に移動される多数の液滴を計数するように構成されている、インピーダンスセンサーをさらに含む、請求項18記載のシステム。
  22. 単一のチップを含む、請求項18記載のシステム。
  23. 流体装置がキャピラリー電気泳動装置を含む、請求項18記載のシステム。
  24. 流体装置がポリメラーゼ連鎖反応装置を含む、請求項18記載のシステム。
  25. 流体装置が誘電泳動フィールドフローフラクショネーション装置を含む、請求項18記載のシステム。
  26. 流体装置がプログラム可能な流体プロセッサを含む、請求項18記載のシステム。
  27. 流体貯蔵器から流入流体通路に流体を流動させる段階；
    誘電ゲートから生じる誘電力によって流入流体通路から流出流体通路に流体を引き出す段階；
    流出流体通路から流体装置に流体を流動させる段階
    を含む、流体流動を制御する方法。
  28. 誘電ゲートの少なくとも一部に接続された疎水性パッチを使用して、流入流体通路から流出流体通路への流体の流動を阻止する段階をさらに含む、請求項27記載の方法。
  29. 誘電ゲートと動作的に関連したインピーダンスセンサーを使用して、流入流体通路から流出流体通路に移動される多数の液滴を計数する段階をさらに含む、請求項27記載の方法。
  30. 流体貯蔵器から流入流体通路に流体を流動させる段階が、優先的な流体流動方向を提供する、親水性または疎水性表面コーティングによって規定された1つまたは複数の仮想流路を通して、流体を流動させる段階を含む、請求項27記載の方法。
  31. 流出流体通路から流体装置に流体を流動させる段階が、優先的な流体流動方向を提供する、親水性または疎水性表面コーティングによって規定された1つまたは複数の仮想流路を通して、流体を流動させる段階を含む、請求項27記載の方法。
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