JP2018535088A - 共有結合した疎水性表面を有するマイクロ流体エレクトロウェッティングデバイス装置 - Google Patents

共有結合した疎水性表面を有するマイクロ流体エレクトロウェッティングデバイス装置 Download PDF

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Abstract

【課題】エレクトロウェッティングの現在の解決策は、性質が極めて限られたものであり、追加機能を拡大縮小又は実施することができない。【解決手段】エレクトロウェッティング構成及び最適化された液滴作動表面を有するマイクロ流体デバイスが提供される。デバイスは、誘電層と、誘電層に共有結合した疎水性層と、誘電層に電気的に結合され、且つ電圧源に接続されるように構成される第1の電極とを有する導電性基板を含む。マイクロ流体デバイスは、任意選択的にカバーに含まれ、電圧源に接続されるように構成される第2の電極も含む。疎水性層は、極性分子又は種による相互作用及び又は浸透に対して耐性を有する高密度単層を生成するように、誘電層の表面に共有結合した自己会合性分子を特徴とする。【選択図】図2H

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2015年10月27日出願の米国仮特許出願第62/246,605号、2015年10月28日出願の米国仮特許出願第62/247,725号、2016年5月26日出願の米国仮特許出願第62/342,131号、及び2016年10月19日出願の米国仮特許出願第62/410,238号の優先権を主張するものであり、これらのそれぞれの内容は、全体として参照により本明細書に援用される。本出願は、2016年4月22日出願の米国特許出願公開第15/135,707号の一部継続出願であり、この内容は、全体として参照により本明細書に援用される。
背景
マイクロ流体装置において、生体細胞等の微小物体が処理され得る。例えば、微小物体又は試剤を含む液滴は、マイクロ流体装置内で移動及び混合され得る。本発明の実施形態は、液滴の堅牢な操作に役立ち、それにより複雑な化学反応及び生体反応を小規模で精密且つ再現可能に実行できるようにするマイクロ流体装置の改善に関する。液滴は、マイクロ流体装置内のエレクトロウェッティング表面の有効ウェッティング性を変更することにより、マイクロ流体装置内で移動及び混合され得る。そのような移動は、任意選択的にマイクロ流体装置内で細胞を培養した後、細胞を処理して様々な細胞学的性質を評価するワークフローに役立つことができる。エレクトロウェッティングの現在の解決策は、性質が極めて限られたものであり、追加機能を拡大縮小又は実施することができない。したがって、改善されたエレクトロウェッティング表面、マイクロ流体用途で安定した基板、及び追加機能(例えば、エレクトロウェッティングにより可能になる、下流での処理に先立つ細胞の成長及び特徴付け)の統合に対する必要性が存在し、これらは全て更なる医療研究用途に役立つ。
発明の概要
一態様では、本発明は、液滴作動表面を有する基板を含むエレクトロウェッティング構成を含むマイクロ流体デバイスを提供し、液滴作動表面は、下の誘電層(すなわち誘電内層)の表面に共有結合した疎水性層(すなわち疎水性外層)を含む(又はそれからなる、又はそれから本質的になる)。マイクロ流体デバイスが電圧源に動作可能に接続される場合、疎水性層上に置かれるか、又は他の方法で疎水性層に接触する水性液滴を確実且つ堅牢に濡らし、それによりエレクトロウェッティング力によって移動させることができる。
マイクロ流体デバイスは、基板を含むベースを含むことができ、基板は、電圧源(例えば、AC電圧源)に接続されるように構成される少なくとも1つの電極(例えば、第1の電極)を更に有することができ、少なくとも1つの電極は、誘電内層に電気的に結合される。幾つかの実施形態では、マイクロ流体デバイスは、カバーと、少なくとも1つの離間要素とを更に含む。基板及びカバーは、互いに実質的に平行であり、且つ離間要素によって一緒に接合されて、液体媒体を保持するように構成されるエンクロージャを画定することができる。そのような実施形態では、カバーは、電圧源(例えば、AC電圧源)に接続されるように構成される少なくとも1つの電極を含むことができる。幾つかの実施形態では、マイクロ流体デバイスは、片面エレクトロウェッティング構成を含むことができる。そのような実施形態では、マイクロ流体デバイスは、カバーを含む必要がない。例えば、ベースは、基板と、電圧源(例えば、AC電圧源)に接続されるように構成される第1の電極とを含むことができ、基板は、電圧源に接続されるように構成される第2の電極(例えば、メッシュ電極)を含むことができる。
幾つかの実施形態では、疎水性外層は、誘電内層に共有結合して高密度疎水性単層を形成する自己会合性分子を含む。幾つかの実施形態では、疎水性単層の自己会合性分子は、それぞれシロキサン基を含む。他の実施形態では、疎水性単層の自己会合性分子は、それぞれホスホン酸基を含む。シロキサン基又はホスホン酸基は、誘電内層の表面に共有結合することができる。幾つかの実施形態では、疎水性単層の自己会合性分子は、表面修飾リガンドと、表面修飾リガンドを誘電内層の表面に直接又は間接的に結合させる結合基とをそれぞれ含む。表面修飾リガンドは、本明細書に開示される任意の表面修飾リガンドであり得る。例えば、表面修飾リガンドは、アルカン基等の脂肪族基を含むことができる。したがって、例えば、疎水性単層の自己会合性分子は、アルキル末端シロキサン分子又はアルキル末端ホスホン酸分子であり得る。アルキル基は、少なくとも10個の炭素(例えば、少なくとも14個、16個、18個、20個、22個、又はそれを超える個数の炭素)の鎖(例えば、非分岐鎖)を含むことができる。他の実施形態では、表面修飾リガンドは、フルオロアルキル基等のフッ素置換脂肪族基を含むことができる。したがって、例えば、自己会合性分子は、フルオロアルキル末端シロキサン分子又はフルオロアルキル末端ホスホン酸分子であり得る。フルオロアルキル基は、少なくとも10個の炭素(例えば、少なくとも14個、16個、18個、20個、22個、又はそれを超える個数の炭素)の鎖(例えば、非分岐鎖)を含むことができる。特定の実施形態では、フルオロアルキル基は、1つ又は複数(例えば、少なくとも4個、6個、8個、10個、12個、又はそれを超える個数)の全フッ素置換炭素を含む。例えば、フルオロアルキル基は、式CF−(CF)m−(CH)n−を有することができ、式中、mは、少なくとも2であり、nは、少なくとも2であり、及びm+nは、少なくとも9である。幾つかの実施形態では、表面修飾リガンドは、第1の脂肪族基と第2の脂肪族基との間にエーテル結合を含む。例えば、第1の脂肪族基は、アルキル基であり得、及び第2の脂肪族基は、フルオロアルキル基(例えば、ペルフルオロアルキル基)であり得る。特定の実施形態では、表面修飾リガンドのアルキル基又はフルオロアルキル基は、非分岐である。幾つかの実施形態では、表面修飾リガンドのアルキル基又はフルオロアルキル基は、いかなる環式構造も含まない。
幾つかの実施形態では、基板の疎水性外層は、5ナノメートル未満(例えば、約1.5〜3.0ナノメートル)の厚さを有する。幾つかの実施形態では、基板の疎水性外層は、選択領域が疎水性外層の残りの部分と比較して相対的に親水性であるようにパターン化され得る。
幾つかの実施形態では、基板の誘電内層は、第1の誘電材料層を含むことができる。例えば、誘電内層は、誘電体材料の単層からなることができる。第1の誘電体材料層は、金属酸化物層(例えば、酸化アルミニウム又は酸化ハフニウム等)等の酸化物を含むことができる。特定の実施形態では、第1の酸化物層は、原子層堆積(ALD)によって形成される。代替的に、誘電内層は、2つ以上の誘電体材料層を含む誘電体積層であり得る。したがって、特定の実施形態では、誘電内層は、第1の誘電体材料層及び第2の誘電体材料層を含むことができる。第1の誘電体材料層は、金属酸化物層(例えば、酸化アルミニウム又は酸化ハフニウム等)等の酸化物を含むことができ、第2の誘電体材料層は、酸化ケイ素等の酸化物又は窒化ケイ素等の窒化物を含むことができる。そのような実施形態では、第1の誘電体材料層は、第2の誘電体材料層に接触する第1の表面と、疎水性層が共有結合した逆表面とを有することができる。特定の実施形態では、第2の誘電体材料層は、使用される誘電体材料のタイプに応じて約30nm〜約100nmの厚さを有することができる。例えば、第2の誘電体材料層は、酸化ケイ素を含むことができ、且つ約30nm〜約50nm又は約30nm〜約40nmの厚さを有することができる。代替的に、第2の誘電体材料層は、窒化ケイ素を含むことができ、且つ約50nm〜約100nm又は約80nm〜約100nmの厚さを有することができる。特定の実施形態では、第2の誘電体材料層は、ALDによって形成される。他の実施形態では、第2の誘電体材料層は、プラズマ化学気相成長(PECVD)技法によって形成される。特定の実施形態では、第1の誘電体材料層は、約10nm〜約50nm(例えば、約10nm〜約20nm、約15nm〜約25nm、約20nm〜約30nm、約25nm〜約35nm、約30nm〜約40nm、約35nm〜約45nm、約40nm〜約50nm、又は上記端点の2つにより定義される任意の範囲)厚さを有することができ、且つALDによって形成され得る。
更に他の実施形態では、誘電内層は、第3の誘電体材料層を含むことができ、第3の誘電体材料層は、第1の誘電体材料層に接触する第1の表面と、疎水性層と共有結合した逆表面とを有する。そのような実施形態では、第1の誘電体材料層は、上述した(又は本明細書の他の箇所で説明した)ように酸化物を含むことができ、第2の誘電体材料層は、上述した(又は本明細書の他の箇所で説明した)ように酸化物又は窒化物を含むことができる。特定の実施形態では、第3の誘電体材料層は、二酸化ケイ素等の酸化物又はシロキサン基によく結合する他の誘電体材料を含むことができる。特定の実施形態では、第3の誘電体材料層は、ALDによって堆積される。特定の実施形態では、第3の誘電体材料層は、約2nm〜約10nm又は約4nm〜約6nmの厚さを有する。
誘電内層を構成する層数に関係なく、誘電内層は、約40nm〜約120nm(例えば、約40nm〜約60nm、約50nm〜約70nm、約60nm〜約80nm、約70nm〜約90nm、約80nm〜約100nm、約90nm〜約110nm、約100nm〜約120nm、又は上記端点の任意の2つにより定義される範囲)の総厚さを有することができる。同様に、誘電層は、約50kオーム〜約150kオーム(例えば、約50kオーム〜約75kオーム、約75kオーム〜約100kオーム、約100kオーム〜約125kオーム、約125kオーム〜約150kオーム、又は上記端点の任意の2つにより定義される範囲)のインピーダンスを有することができる。
幾つかの実施形態では、基板は、光応答層を更に含むことができる。光応答層は、誘電内層を含む第1の面と、少なくとも1つの電極を含む第2の面とを有することができる。特定の実施形態では、光応答層は、水素化アモルファスシリコンを含むことができる。そのような実施形態では、光ビームで光応答層の複数の領域の任意のものを照明することにより、照明された領域における光応答層の電気インピーダンスを低減することができる。他の実施形態では、光応答層は、複数の導体を含み、各導体は、フォトトランジスタスイッチを介して基板の少なくとも1つの電極に制御可能に接続可能である。
マイクロ流体デバイスがカバーを含む実施形態の場合、エンクロージャに向かって内向きに面するカバーの表面は、内層と、内層に共有結合した疎水性層(すなわち疎水性外層)とを含むことができる。基板の疎水性外層と同様に、カバーの疎水性外層は、内層に共有結合して高密度疎水性単層を形成する自己会合性分子を含むことができる。したがって、疎水性外層は、基板の疎水性外層について上述した(又は本明細書の他の箇所で説明した)任意の自己会合性分子を含むことができる。幾つかの実施形態では、カバーの疎水性外層は、基板の疎水性外層と同じ自己会合性分子を含む。他の実施形態では、基板の疎水性外層は、基板の疎水性外層と異なる1つのタイプ(又は複数のタイプ)の自己会合性分子を有する。
幾つかの実施形態では、カバーの内向き面の疎水性外層は、約5ナノメートル未満(例えば、約1.5〜3.0ナノメートル)の厚さを有する。幾つかの実施形態では、カバーの内向き面の疎水性外層は、選択領域が疎水性外層の残りの部分と比較して相対的に親水性であるようにパターン化され得る。
幾つかの実施形態では、マイクロ流体デバイスは、少なくとも1つのマイクロ流体チャネルを有するエンクロージャを含むことができる。加えて、エンクロージャは、マイクロ流体デバイスに流体的に接続された少なくとも1つのマイクロ流体チャンバ(又は隔離ペン)を含むことができる。マイクロチャネル及び/又はチャンバを画定する基板の少なくとも一部は、エレクトロウェッティング構成を有することができる。エレクトロウェッティング構成は、バイアス電位に接続され得、そのように接続されている間、基板表面の複数の対応する領域の任意のもの(すなわち液滴作動表面)のエレクトロウェッティング特性を変更することができる。基板表面のウェッティング特性は、液滴が基板表面にわたり且つマイクロ流体チャネルとチャンバとの間を移動するのに十分に変更され得る。
幾つかの実施形態では、チャンバ(又は隔離ペン)は、液滴を保持するように構成される保持領域(例えば、分離領域)と、保持領域をマイクロ流体チャネルに流体的に接続する1つ(又は複数の)接続領域とを含むことができる。第1の接続領域は、液滴をマイクロ流体チャネルとチャンバとの間で移動させるように構成され得る。第2の接続領域が存在する場合、第2の接続領域は、液滴がマイクロ流体チャネルと保持領域との間を移動するとき、流体を流れさせ、圧力を除去できるように構成され得る。幾つかの実施形態では、エンクロージャは、第2のマイクロ流体チャネルを更に含むことができる。そのような実施形態では、チャンバは、第1のマイクロ流体チャネル及び第2のマイクロ流体チャネルの両方に接続され得る。
幾つかの実施形態では、マイクロ流体チャネルは、約30〜約200μm又は約50〜約150μmの高さを有することができ、高さは、チャネルを通る流体フローの方向に直交する方向において測定される。幾つかの実施形態では、マイクロ流体チャネルは、約50〜約1000μm又は約100〜約500μmの幅を有し、幅は、チャネルを通る流体フローの方向に直交する方向において測定される。
幾つかの実施形態では、チャンバ(又は隔離ペン)は、マイクロ流体チャンネルの高さと略同じ高さを有する。例えば、チャンバの高さは、約30〜約200μm又は約50〜約150μmであり得る。幾つかの実施形態では、チャンバ(又は保持ペン)は、約100,000〜約2,500,000μm又は約200,000〜約2,000,000μmの断面積を有する。幾つかの実施形態では、接続領域(第1、第2等)は、それが終わる箇所で接続領域が開く対応するチャンバ及び/又はマイクロ流体チャネルの高さと略同じ高さを有する。幾つかの実施形態では、接続領域は、約50〜約500μm又は約100〜約300μmの幅を有する。
幾つかの実施形態では、マイクロ流体デバイスは、液滴生成器を更に含むことができる。液滴生成器は、1つ又は複数の液体媒体(例えば、水性液体媒体)の液滴をエンクロージャ内又はエンクロージャ内のマイクロ流体チャネルに選択的に提供するように構成され得る。液滴は、例えば、生物学的微小物体(例えば、細胞)又はビーズ等の微小物体を含むことができる。代替又は追加として、液滴は、溶解バッファー、親和性試剤、検出可能な標識、酵素混合物等の試剤を含むことができる。
幾つかの実施形態では、マイクロ流体デバイスは、生物学的微小物体の培養に適した培養室(例えば、隔離ペン)を含む。培養室は、エンクロージャ内に配置され得、マイクロ流体チャネルに接続され得る。培養室がエンクロージャ内に配置される場合、エンクロージャは、新鮮な培養媒体中の栄養分及び培養室内の老廃物を交換することができるように(例えば、培養室内への栄養分の拡散及び培養媒体への老廃物の拡散により)、新鮮な培養媒体を培養室に流すように構成される灌流マイクロ流体チャネルを含むことができる。灌流チャネルは、液滴生成器に接続されるマイクロ流体チャネルと別個であり得る。
幾つかの実施形態では、エレクトロウェッティング装置が電子位置決め装置と統合される。例えば、幾つかの実施形態では、マイクロ流体デバイスは、エレクトロウェッティング構成を有する基板を含むことができ、基板の一部は、誘電泳動(DEP)構成を更に含むことができる。したがって、基板は、モノリシックであり得る。代替的に、マイクロ流体デバイス又は装置は、誘電泳動(DEP)構成を有する第1の基板を有する第1のモジュール又はセクションと、エレクトロウェッティング構成を含む第2の基板を有する第2のモジュール又はセクションとを含むことができる。そのようなデバイスは、デュオリシック基板を有すると見なすことができ、各基板及びその特定の構成に関連する機能の統合を提供するブリッジが第1のモジュール又はセクションと第2のモジュール又はセクションとの間にあり得る。ブリッジは、そのままでは離散した2つのデバイスを接続する管等を含むことができる。代替的に、ブリッジは、基板を近く(例えば、2mm以内、1.5mm以内、1.0mm以内、0.5mm以内、又はそれ未満)に併設される結合材を含むことができる。更に他の代替形態では、ブリッジは、モノリシック基板上の非機能領域であり得、非機能ゾーンは、基板構成がある構成(例えば、エレクトロウェッティング構成)から別の構成(例えば、DEP構成)に切り替わる場所である。マイクロ流体デバイスがモノリシック基板を有するか、又はデュオリシック基板(又は更にはマルチリシック基板)を有するかに関係なく、エレクトロウェッティング構成及びDEP構成は、それぞれ当技術分野で既知であるか、又は本明細書に開示される任意のそのような構成であり得る。例えば、エレクトロウェッティング構成は、光学エレクトロウェッティング(OEW)構成、誘電体エレクトロウェッティング(EWOD)構成、又は片面エレクトロウェッティング構成等であり得る。同様に、DEP構成は、アモルファスシリコンの層及び/又はフォトトランジスタのアレイ、フォトトランジスタによって制御される電極のアレイ、又は電気的に作動する電極のアレイ等を含む光伝導性基板によって提供される等の光電子ツイーザ(OET)構成であり得る。特定の代替の実施形態では、基板は、エレクトロウェッティング構成を含むが、いかなる追加の構成も有さない(例えば、誘電泳動(DEP)構成を有さない)ことができる。
したがって、幾つかの実施形態では、単一モノリシック装置が両方の装置の機能を組み合わせることができる。
別の態様では、本発明は、本発明のマイクロ流体デバイスを製造する方法を提供する。本方法は、電圧源に接続されるように構成される少なくとも1つの電極を有するカバーの内面に離間要素(例えば、マイクロ流体回路材料から作られる)を接合することと、電圧源に接続されるように構成される少なくとも1つの電極を有する基板の誘電内面に離間要素及びカバーを接合することと、蒸着により、疎水性層をカバーの内面の少なくとも一部及び基板の誘電内面の少なくとも一部に形成することとを含むことができる。特定の実施形態では、離間要素は、カバー及び基板が互いに実質的に平行な向きにされるように、カバーの内面と基板の誘電内面との間に挟まれる。基板、離間要素、及びカバーは、集合的に、液体媒体を保持するように構成されるエンクロージャを画定することができる。特定の実施形態では、疎水性層は、カバーの内面の実質的に全ての露出領域及び基板の誘電内面の実質的に全ての露出領域(すなわち、エンクロージャに向かって内向きに面する実質的に全ての表面)上に堆積される。特定の実施形態では、疎水性層は、エンクロージャに向かって内向きに面する離間要素の表面に更に堆積される。
特定の実施形態では、疎水性層は、カバーの内面及び基板の誘電内面に共有結合した自己会合性分子を含み、自己会合性分子は、高密度単層を形成する。幾つかの実施形態では、蒸着によって堆積された自己会合性分子は、表面修飾リガンドと、表面修飾リガンドを誘電内層の表面に直接又は間接的に結合させる結合基とをそれぞれ含む。したがって、自己会合性分子は、上述したか又は本明細書の他の箇所で説明される任意の自己会合性分子であり得る。
別の態様では、本発明は、マイクロ流体装置において、化学材料及び/又は生体材料等の材料を処理する方法を提供する。特定の実施形態では、本方法は、一緒にエンクロージャを画定する、エレクトロウェッティング構成を有する基板と、カバーと、離間要素とを含むマイクロ流体装置のエンクロージャ又はその一部に第1の流体媒体を充填することと、AC電圧電位を基板の少なくとも1つの電極とカバーの少なくとも1つの電極との間に印加することと、液体媒体の第1の液滴をエンクロージャに導入することであって、液体媒体の液滴は、第1の液体媒体と混合しない、導入することと、エレクトロウェッティング力を第1の液滴に適用することにより、第1の液滴をエンクロージャ内の所望の位置に移動させることとを含む。第1の液体媒体は、シリコーン油、フッ素化油、又はそれらの組み合わせ等の本明細書に記載される任意の第1の液体媒体を含むことができる。
幾つかの実施形態では、本方法は、マイクロ流体チャネル等のエンクロージャの第1のセクションから第1の液滴をチャンバ等のエンクロージャの第2のセクションに、又はこの逆に引き込むことを含み得る。上記引き込みは、第1の液滴に接触し且つ/又はそれに隣接する基板表面の領域の有効エレクトロウェッティング特性を変更することを含み得る。したがって、エンクロージャに第1の液体媒体を充填することは、マイクロ流体チャネル及びチャンバに第1の液体媒体を充填することを含み得る。
幾つかの実施形態では、マイクロ流体装置は、液滴生成器を含む。本方法は、液滴生成器を使用して第1の液滴を生成することを含み得る。加えて、液滴生成器は、第1の液滴をエンクロージャに導入することができる。生成された液滴は、約100ピコリットル〜約100ナノリットル又は約1〜50ナノリットルの容量を有することができる。幾つかの実施形態では、第1の液滴は、ビーズ又は生物学的微小物体(例えば、細胞、小嚢等)、細胞分泌物、又は試剤等の微小物体を含むことができる。ビーズは、細胞分泌物(例えば、抗体)又は他の生体分子(例えば、DNA、ゲノムDNA、ミトコンドリアDNA、RNA、mRNA、miRNA、又はそれらの任意の組み合わせ等の核酸)等の対象となる材料に対して親和性を有する分子を有することができる。液滴は、単一の生体細胞等の単一の微小物体を含んでもよく、又は複数の微小物体を含んでもよい。例えば、液滴は、2〜20個又はそれを超える個数の微小物体、例えばビーズを含むことができる。幾つかの実施形態では、液滴は、細胞溶解バッファー、標識(例えば、蛍光標識試剤)、ルミネッセント試剤、又は酵素混合物等の試剤を含むことができる。
幾つかの実施形態では、本方法は、第2、第3、第4等の液滴をエンクロージャに導入することと、エレクトロウェッティング力を液滴に適用することにより、第2、第3、第4等の液滴をエンクロージャ内の所望の位置に移動させることとを更に含む。第2の液滴を第1の液滴の近傍の位置に移動させ、次に第1の液滴と混合して、第1の結合液滴を形成することができ、第3の液滴を第1の結合液滴の近傍の位置に移動させ、次に第1の結合液滴と混合して、第2の結合液滴を形成することができ、第4の液滴を第2の結合液滴の近傍の位置に移動させ、次に第2の結合液滴と混合して、第3の結合液滴を形成することができ、以下同様である。追加の各液滴は、第1の液体媒体と混合しないが、第1の液滴の液体媒体と混合する流体媒体を含むことができる。
幾つかの実施形態では、第1の液滴は、生体細胞を含み、及び第2の液滴は、試剤を含む。試剤は、第1の液滴と第2の液滴とが混合された場合、生体細胞を溶解する細胞溶解バッファーであり得る。代替的に、試剤は、蛍光標識(例えば、蛍光標識された抗体若しくは他の親和性試剤)又はルミネッセンスアッセイで使用される試剤であり得る。第3の液滴は、対象となる材料に対して親和性を有する1つ又は複数(例えば、2〜20個)の捕捉ビーズ等の試剤を含むことができる。例えば、対象となる材料は、DNA、ゲノムDNA、ミトコンドリアDNA、RNA、mRNA、miRNA、又はそれらの任意の組み合わせ等の抗体又は核酸であり得る。そのような捕捉ビーズは、任意選択的に、続く分析のために装置から搬出することができる。第4の液滴は、第2の液滴及び第3の液滴のように、逆転写反応又は全ゲノム増幅反応等の反応の実行に適した酵素混合物等の試剤を含むことができる。
幾つかの実施形態では、液滴の移動及び混合は、エレクトロウェッティング力の使用を含み、液滴の近傍の基板表面の領域の有効エレクトロウェッティング特性を変更し、それにより液滴を移動又は混合させることを含む。特定の実施形態では、基板表面の有効エレクトロウェッティング特性を変更することは、液滴の近傍の基板表面の領域におけるエレクトロウェッティング電極を活性化することを含み得る。特定の実施形態では、液滴の近傍の基板表面の領域におけるエレクトロウェッティング電極を活性化することは、基板表面のその領域に光パターンを向けることを含む。
本発明の追加の態様及び実施形態は、図面及び以下の詳細な説明から明らかになる。
本発明の幾つかの実施形態による、一般化されたマイクロ流体デバイスと、マイクロ流体デバイスを制御及び監視する関連する制御機器を有するシステムとを示す。 液体媒体と、液体媒体と混合しない液体の液滴とを保持するように構成されるエンクロージャを一緒に形成する基板、カバー、及び離間要素を有するマイクロ流体装置の垂直断面図である。基板は、液滴がエンクロージャ内で操作されることを可能にする液滴エレクトロウェッティング構成を有する。 本発明の幾つかの実施形態によるマイクロ流体デバイスを示す。 本発明の幾つかの実施形態によるマイクロ流体デバイスを示す。 本発明の幾つかの実施形態による分離ペンを示す。 本発明の幾つかの実施形態による分離ペンを示す。 本発明の幾つかの実施形態による詳細な隔離ペンを示す。 本発明の幾つかの他の実施形態による隔離ペンを示す。 本発明の幾つかの他の実施形態による隔離ペンを示す。 本発明の幾つかの他の実施形態による隔離ペンを示す。 本発明の実施形態によるマイクロ流体デバイスを示す。 本発明の実施形態によるマイクロ流体デバイスの被覆面を示す。 本発明の幾つかの実施形態による、マイクロ流体デバイス及び関連する制御機器と併用されるシステムの特定の例を示す。 本発明の幾つかの実施形態による撮像デバイスを示す。 デュオリシック基板を用いてEW構成及びDEP構成を有するマイクロ流体デバイスの例を示す。 モノリシック基板を用いてEW構成及びDEP構成を有するマイクロ流体デバイスの例を示す。 マイクロ流体装置の水平断面図であり、マイクロ流体装置は、図1Bに示されるようなエレクトロウェッティング構成を含むことができ、複数のマイクロ流体チャネル、マイクロ流体チャネルの少なくとも1つが終わる箇所で開くチャンバ、及び液滴生成器を含む。この実施形態では、1つのマイクロ流体チャネルは、水性媒体(明るい色)を含み、一方、液滴生成器に接続されたマイクロ流体チャネルは、非水性媒体(暗い色)を含み、同様にチャンバも水性媒体又は非水性媒体のいずれかを含む。 マイクロ流体装置の水平断面図であり、マイクロ流体装置は、図1Bに示されるようなエレクトロウェッティング構成を含むことができ、複数のマイクロ流体チャネル、マイクロ流体チャネルの少なくとも1つが終わる箇所で開くチャンバ、及び液滴生成器を含む。この実施形態では、1つのマイクロ流体チャネル及び第1の組のチャンバは、水性媒体(明るい色)を含み、一方、液滴生成器に接続されたマイクロ流体チャネル及び第2の組のチャンバは、疎水性媒体(暗い色)を含む。図6は、図5に示される実施形態の変形形態を提示し、この変形形態では、水性媒体を含む各チャンバは、疎水性媒体を含む対応するチャンバから疎水性媒体を有するチャネルを隔てた真向かいに配置される。 マイクロ流体装置内の生物学的微小物体を処理する方法の図である。 エレクトロウェッティング構成を有する第1のセクション及び誘電泳動構成を有する第2のセクションを有するマイクロ流体デバイスの基板を製造するために適用することができる方法である。 図9に示される方法に従って処理されている基板の垂直断面図を提供する。 図9に示される方法に従って処理されている基板の垂直断面図を提供する。 図9に示される方法に従って処理されている基板の垂直断面図を提供する。 図9に示される方法に従って処理されている基板の垂直断面図を提供する。 図9に示される方法に従って処理されている基板の垂直断面図を提供する。 図9に示される方法に従って処理されている基板の垂直断面図を提供する。 図9に示される方法に従って処理されている基板の垂直断面図を提供する。 図9に示される方法に従って処理されている基板の垂直断面図を提供する。 図9に示される方法に従って処理されている基板の垂直断面図を提供する。 図17と併せて示した実施形態による1つの機能態様での電気的に対処する動作表現の図である。 図17と併せて示した実施形態による1つの機能態様での電気的に対処する動作表現の図である。 本発明の実施形態による、修飾されたマイクロ流体表面上の水性液滴の移動の写真表現である。 本発明の実施形態による、修飾されたマイクロ流体表面上の水性液滴の移動の写真表現である。 本発明の実施形態による、修飾されたマイクロ流体表面上の水性液滴の移動の写真表現である。
本明細書は、本発明の例示的な実施形態及び適用を記載する。しかし、本発明は、これらの例示的な実施形態及び適用又は例示的な実施形態及び適用が動作する様式又は本明細書で記載される様式に限定されない。更に、図は簡易図又は部分図を示し得、図中の要素の寸法は、誇張又は他の方法で一定の縮尺ではないことがある。更に、「上」、「付着される」、「接続される」、「結合される」という用語又は同様の語が本明細書で使用される場合、ある要素(例えば、材料、層、基板等)は、直接他の要素上にあるか、付着されるか、接続されるか、若しくは結合されるか、それともある要素と他の要素との間に1つ又は複数の介在要素があるかに関係なく、他の要素「上」にあり、それに「付着され」、それに「接続され」、又はそれに「結合される」ことができる。また、文脈が別段のことを示さない限り、方向(例えば、上方、下方、頂部、底部、横、アップ、ダウン、下、上、上部、下部、水平、垂直、「x」、「y」、「z」等)は、提供される場合、相対的なものであり、限定としてではなく単なる例として、且つ説明及び考察を容易にするためにのみ提供される。更に、要素のリスト(例えば、要素a、b、c)が参照される場合、そのような参照は、それ自体により列挙される要素の任意の1つ、列挙された要素の全て未満の任意の組合せ、及び/又は列挙された要素の全ての組合せを含むことが意図される。本明細書でのセクション分割は、検討を容易にするためのみのものであり、考察される要素のいかなる組合せも限定しない。
本明細書で使用される場合、「実質的に」は、意図される目的で十分に機能することを意味する。したがって、「実質的に」という用語は、当業者により予期されるが、全体性能にそれほど影響しない等の絶対的又は完全な状態、寸法、測定、結果等からの小さくわずかな変動を可能にする。数値又は数値として表現することができるパラメータ若しくは特徴に関して使用される場合、「実質的に」は、10%以内を意味する。
「1つ」という用語は2つ以上を意味する。
本明細書で使用される場合、「複数」という用語は、2、3、4、5、6、7、8、9、10、又はそれを上回ることができる。
本明細書で使用される場合、「配置される」という用語は、その意味内に「置かれる」を包含する。
本明細書で使用される場合、「マイクロ流体デバイス」又は「マイクロ流体装置」は、流体を保持するように構成された1つ又は複数の離散マイクロ流体回路を含むデバイスであり、各マイクロ流体回路は、領域、フロー領域、チャネル、チャンバ、及び/又はペンを含むが、これらに限定されない流体的に相互接続された回路要素と、(カバーを含むマイクロ流体デバイスについて)流体(及び任意選択的に流体に懸濁した微小物体)をマイクロ流体デバイス内及び/又は外に流すように構成された少なくとも2つのポートとから構成される。通常、マイクロ流体デバイスのマイクロ流体回路は、少なくとも1つのマイクロ流体チャネル及び少なくとも1つのチャンバを含み、約1mL未満の容量の流体、例えば、約750μL未満、約500μL未満、約250μL未満、約200μL未満、約150μL未満、約100μL未満、約75μL未満、約50μL未満、約25μL未満、約20μL未満、約15μL未満、約10μL未満、約9μL未満、約8μL未満、約7μL未満、約6μL未満、約5μL未満、約4μL未満、約3μL未満、又は約2μL未満の流体を保持する。特定の実施形態では、マイクロ流体回路は、約1〜2μL、約1〜3μL、約1〜4μL、約1〜5μL、約2〜5μL、約2〜8μL、約2〜10μL、約2〜12μL、約2〜15μL、約2〜20μL、約5〜20μL、約5〜30μL、約5〜40μL、約5〜50μL、約10〜50μL、約10〜75μL、約10〜100μL、約20〜100μL、約20〜150μL、約20〜200μL、約50〜200μL、約50〜250μL、又は約50〜300μLを保持する。
本明細書で使用される場合、「ナノ流体デバイス」又は「ナノ流体装置」は、約1μL未満の容量の流体、例えば、約750nL、約500nL、約250nL、約200nL、約150nL、約100nL、約75nL、約50nL、約25nL、約20nL、約15nL、約10nL、約9nL、約8nL、約7nL、約6nL、約5nL、約4nL、約3nL、約2nL、約1nL、又はそれ未満の流体を保持するように構成された少なくとも1つの回路要素を含むマイクロ流体回路を有するタイプのマイクロ流体デバイスである。ナノ流体デバイスは、複数の回路要素(例えば、少なくとも2個、3個、4個、5個、6個、7個、8個、9個、10個、15個、20個、25個、50個、75個、100個、150個、200個、250個、300個、400個、500個、600個、700個、800個、900個、1000個、1500個、2000個、2500個、3000個、3500個、4000個、4500個、5000個、6000個、7000個、8000個、9000個、10,000個、又はこれを超える)を含むことができる。特定の実施形態では、少なくとも1つの回路要素の1つ又は複数(例えば、全て)は、約100pL〜1nL、約100pL〜2nL、約100pL〜5nL、約250pL〜2nL、約250pL〜5nL、約250pL〜10nL、約500pL〜5nL、約500pL〜10nL、約500pL〜15nL、約750pL〜10nL、約750pL〜15nL、約750pL〜20nL、約1〜10nL、約1〜15nL、約1〜20nL、約1〜25nL、又は約1〜50nLの容量の流体を保持するように構成される。他の実施形態では、少なくとも1つの回路要素の1つ又は複数(例えば、全て)は、約20nL〜200nL、約100〜200nL、約100〜300nL、約100〜400nL、約100〜500nL、約200〜300nL、約200〜400nL、約200〜500nL、約200〜600nL、約200〜700nL、約250〜400nL、約250〜500nL、約250〜600nL、又は約250〜750nLの容量の流体を保持するように構成される。
「マイクロ流体チャネル」又は「フローチャネル」は、本明細書では、水平寸法及び垂直寸法の両方よりもはるかに長い長さを有するマイクロ流体デバイスのフロー領域を指す。例えば、フローチャネルは、水平寸法又は垂直寸法のいずれか一方の長さの少なくとも5倍、例えば、長さの少なくとも10倍、長さの少なくとも25倍、長さの少なくとも100倍、長さの少なくとも200倍、長さの少なくとも500倍、長さの少なくとも1,000倍、長さの少なくとも5,000倍、又はそれを超える長さであり得る。幾つかの実施形態では、フローチャネルの長さは、その間の任意の範囲を含む約50,000μm〜約500,000μmの範囲である。幾つかの実施形態では、水平寸法は約100μm〜約1000μm(例えば、約150〜約500μm)の範囲であり、垂直寸法は約25〜約200μmの範囲、例えば、約40〜約150μmの範囲である。なお、フローチャネルは、マイクロ流体デバイスにおいて様々な異なる空間構成を有し得、したがって、完全に線形の要素に限定されない。例えば、フローチャネルは、以下の構成の任意のものを有する1つ又は複数のセクションを含み得る:曲線、湾曲、螺旋、傾斜、下降、フォーク形(例えば、複数の異なる流路)、及びそれらの任意の組合せ。加えて、フローチャネルは、経路に沿って異なる断面積を有し、広がり及び収縮して所望の流体フローを内部に提供し得る。
本明細書で使用される場合、「障害物」という用語は、一般に、マイクロ流体デバイス内の2つの異なる領域又は回路要素間の標的微小物体の移動を部分的に(完全にではなく)妨げるのに十分に大きいバンプ又は同様のタイプの構造物を指す。2つの異なる領域/回路要素は、例えば、マイクロ流体隔離ペン及びマイクロ流体チャネル又はマイクロ流体隔離ペンの接続領域及び分離領域であり得る。
本明細書で使用される場合、「狭窄」という用語は、一般に、マイクロ流体デバイスでの回路要素(又は2つの回路要素間の界面)の幅の狭まりを指す。狭窄は、例えば、マイクロ流体隔離ペンとマイクロ流体チャネルとの間の界面又はマイクロ流体隔離ペンの分離領域と接続領域との間の界面に配置することができる。
本明細書で使用される場合、「透明」という用語は、可視光が透過する際、可視光を実質的に変更せずに透過させる材料を指す。
本明細書で使用される場合、「微小物体」という用語は、一般に、本発明により分離し収集し得る任意の顕微鏡的物体を指す。微小物体の非限定的な例としては、微粒子;微小ビーズ(例えば、ポリスチレンビーズ、Luminex(商標)ビーズ等);磁性ビーズ;微小ロッド;微小ワイヤ;量子ドット等の無生物微小物体、細胞(例えば、胚、卵母細胞、卵子、精子細胞、組織から解離された細胞、真核細胞、原生細胞、動物細胞、哺乳類細胞、免疫細胞、ハイブリドーマ、培養細胞、細胞株からの細胞、がん細胞、感染細胞、トランスフェクト細胞及び/又は形質転換細胞、レポーター細胞、原核細胞等);生物学的細胞小器官;ベシクル又は複合体;合成ベシクル;リポソーム(例えば、合成又は膜標本由来);脂質ナノクラフト(Ritchie et al. (2009)“Reconstitution of Membrane Proteins in Phospholipid Bilayer Nanodiscs”, Methods Enzymol., 464:211-231に記載のように)等の生物学的微小物体、又は無生物微小物体と生物学的微小物体との組合せ(例えば、細胞に付着した微小ビーズ、リポソームコーティング微小ビーズ、リポソームコーティング磁性ビーズ等)が挙げられる。ビーズは、蛍光標識、タンパク質、小分子シグナリング部分、抗原、又はアッセイで使用可能な化学/生物種等の共有又は非共有的に付着した他の部分/分子を更に有し得る。
本明細書で使用される場合、「細胞を維持する」という用語は、流体成分及び気体成分の両方を含み、任意選択的に、細胞の生存及び/又は増殖を維持するために必要な状況を提供する表面を含む環境を提供することを指す。
流体培地の「成分」は、溶媒分子、イオン、小分子、抗生物質、ヌクレオチド及びヌクレオシド、核酸、アミノ酸、ペプチド、タンパク質、糖、炭水化物、脂質、脂肪酸、コレステロール、代謝産物等を含め、培地に存在する任意の化学的又は生物学的分子である。
流体培地を参照して本明細書で使用される場合、「拡散する」及び「拡散」は、濃度勾配の低い方への流体培地の成分の熱力学的運動を指す。
「培地のフロー」という語句は、拡散以外の任意の機構に主に起因した流体培地のバルク移動を意味する。例えば、培地のフローは、ある箇所から別の箇所への、箇所間の圧力差に起因した流体培地の移動を含むことができる。そのようなフローは、液体の連続、パルス、周期的、ランダム、断続的、若しくは往復フロー、又はそれらの任意の組合せを含むことができる。ある流体培地が別の流体培地に流れる場合、培地の乱流又は混合が生じ得る。
「実質的にフローがない」という語句は、時間にわたり平均されると、流体培地内への又は流体培地内での材料(例えば、関心のある分析物)の成分の拡散率未満である流体培地の流量を指す。そのような材料の成分の拡散率は、例えば、温度、成分のサイズ、及び成分と流体培地との相互作用の強さに依存し得る。
マイクロ流体デバイス内の異なる領域を参照して本明細書で使用される場合、「流体接続される」という語句は、異なる領域が流体培地等の流体で実質的に充填される場合、各領域内の流体が連通して単一の流体を形成することを意味する。これは、異なる領域内の流体(又は流体培地)が必ずしも組成物内で同一であることを意味しない。むしろ、マイクロ流体デバイスの異なる流体接続領域内の流体は、流束内にある異なる組成物(例えば、タンパク質、炭水化物、鉄、又は他の分子等の異なる濃度の溶質)を有することができ、その理由は、溶質が各濃度勾配を下がって移動し、及び/又は流体がデバイスを通って流れるためである。
マイクロ流体(又はナノ流体)デバイスは、「掃引」領域及び「非掃引」領域を含むことができる。本明細書で使用される場合、「掃引」領域は、マイクロ流体回路の流体相互接続された1つ又は複数の回路要素で構成され、各回路要素は、流体がマイクロ流体回路を通って流れているとき、培地のフローを経験する。掃引領域の回路要素は、例えば、領域、チャネル、及びチャンバの全て又は部分を含むことができる。本明細書で使用される場合、「非掃引」領域は、マイクロ流体回路の流体的に相互接続された1つ又は複数の回路要素で構成され、各回路要素は、流体がマイクロ流体回路を通って流れているとき、流束を実質的に経験しない。非掃引領域は、流体接続が、拡散を可能にするが、掃引領域と非掃引領域との間で実質的に培地が流れないように構造化される場合、掃引領域に流体接続することができる。したがって、マイクロ流体デバイスは、実質的に掃引領域と非掃引領域との間での拡散連通のみを可能にしながら、非掃引領域を掃引領域での培地のフローから実質的に分離するように構造化することができる。例えば、マイクロ流体デバイスのフローチャネルは掃引領域の例であり、一方、マイクロ流体デバイスの分離領域(更に詳細に後述する)は非掃引領域の例である。
本明細書で使用される場合、「フロー領域」は、媒体の流れの軌跡を画定し、媒体の流れの軌跡を受ける1つ又は複数の流体接続された回路要素(例えば、チャネル、領域、及びチャンバ等)を指す。したがって、フロー領域は、マイクロ流体デバイスの掃引領域の一例である。他の回路要素(例えば、非掃引領域)は、フロー領域における媒体フローを受けずに、フロー領域を含む回路要素と流体接続し得る。
本明細書で使用される場合、「アルキル」は、1〜6個の炭素原子を有する(例えば、C1〜C6アルキル)、不飽和を含まない炭素原子及び水素原子のみからなる直鎖又は分岐鎖炭化水素ラジカルを指す。アルキルが本明細書に出現するときは常に、「1〜6」等の数値範囲は、所与の範囲内の各整数を指し、例えば、「1〜6個の炭素原子」は、アルキル基が1個の炭素原子、2個の炭素原子、3個の炭素原子等、最高で6個の炭素原子からなり得ることを意味するが、本定義は、数値範囲が指定されない用語「アルキル」の発生も包含する。幾つかの実施形態では、それはC1〜C3アルキル基である。典型的なアルキル基は、決して限定ではなく、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、sec−ブチルイソブチル、第三級ブチル、ペンチル、イソペンチル、ネオペンチル、及びヘキシル等を含む。アルキルは、単結合、例えば、メチル(Me)、エチル(Et)、n−プロピル、1−メチルエチル(イソプロピル)n−ブチル、n−ペンチル、1,1−ジメチルエチル(t−ブチル)、及びヘキシル等により分子の残りの部分に結合される。
本明細書において別段のことが特に記載される場合を除き、アルキル基は、任意選択的に、独立して、アリール、アリールアルキル、ヘテロアリール、へテロアリールアルキル、ヒドロキシ、ハロ、シアノ、トリフルオロメチル、トリフルオロメトキシ、ニトロ、トリメチルシリル、−OR’、−SR’、−OC(O)−R’、−N(R’)2、−C(O)R’、−C(O)OR’、−OC(O)N(R’)2、−C(O)N(R’)2、−N(R’)C(O)OR’、−N(R’)C(O)R’、−N(R’)C(O)N(R’)2、N(R’)C(NR’)N(R’)2、−N(R’)S(O)tR’(ここで、tは1又は2である)、−S(O)tOR’(ここで、tは1又は2である)、−S(O)tN(R’)2(ここで、tは1又は2である)、又はPO3(R’)2である1つ又は複数の置換基で置換し得、ここで、各R’は独立して、水素、アルキル、フルオロアルキル、アリール、アルアルキル、ヘテロシクロアルキル、又はヘテロアリールである。
本明細書で参照される場合、フッ素化アルキル部分は、アルキル部分の1つ又は複数の水素がフルオロ置換基で置換されたアルキル部分である。全フッ素置換アルキル部分は、アルキル部分に結合した全ての水素がフルオロ置換基で置換されている。
本明細書で参照される場合、「ハロ」部分はブロモ、クロロ、又はフルオロ部分である。
本明細書で参照される場合、「オレフィン性」化合物は「アルケン」部分を含む有機部分である。アルケン部分は、少なくとも2個の炭素原子及び少なくとも1個の炭素−炭素二重結合からなる基を指す。分子の非アルケン部分は、任意の種類の有機分子であり得、幾つかの実施形態では、アルキル又は任意の部分を更に置換し得るフッ素化(全フッ素置換を含むが、これに限定されない)アルキル部分を含み得る。
本明細書で使用される場合、「高密度疎水性単層」は、水、イオン、及び他の荷電種等の極性分子の相互作用及び/又は侵入に対して耐性を有するのに十分に密に一緒にパッキングされた疎水性分子の単層を指す。
本明細書で使用される場合、「μm」(又は「um」)はマイクロメートルを意味し、「μm」は立方マイクロメートルを意味し、「pL」はピコリットルを意味し、「nL」はナノリットルを意味し、「μL」(又は「uL」)はマイクロリットルを意味する。
装填方法。生物学的微小物体及び/又はビーズ等の微小物体のマイクロ流体デバイスの異なる領域への装填は、本明細書に記載のように、流体フロー、重力、誘電泳動(DEP)力、エレクトロウェッティング力、磁力、又はそれらの任意の組み合わせの使用を含むことができる。DEP力は、光電子ツイーザ(OET)構成による等、光学的に及び/又は時間/空間的パターンでの電極/電極領域の活性化による等、電気的に生成することができる。同様に、エレクトロウェッティング力は、光学エレクトロウェッティング(OEW)構成による等、光学的に及び/又は時空間パターンでの電極/電極領域の活性化による等、電気的に提供し得る。
マイクロ流体デバイス及びそのようなデバイスを動作させ観測するシステム。図1Aは、マイクロ流体デバイス100並びにマイクロ流体デバイス100及びマイクロ流体デバイス100内の微小物体及び/又は液滴の移動を制御するのに使用することができるシステム150の一般化された例を示す。カバー110を一部切り欠き、マイクロ流体デバイス100内の部分図を提供するマイクロ流体デバイス100の斜視図を示す。マイクロ流体デバイス100は、一般に、フロー領域106を含むマイクロ流体回路120を含み、フロー領域106を通って流体培地180が流れることができ、任意選択的に1つ又は複数の微小物体(図示せず)をマイクロ流体回路120内及び/又はマイクロ流体回路120を通して搬送する。1つのマイクロ流体回路120が図1Aに示されているが、適するマイクロ流体デバイスは、複数(例えば、2又は3個)のそのようなマイクロ流体回路を含むことができる。それに関係なく、マイクロ流体デバイス100はナノ流体デバイスであるように構成され得る。図1Aに示される実施形態では、マイクロ流体回路120は、複数のマイクロ流体隔離ペン124、126、128、及び130を含み、各隔離ペンは、フロー領域106に流体接続する単一の開口部を有する。更に以下で考察するように、マイクロ流体隔離ペンは、培地180がフロー領域106を通って流れているときであっても、マイクロ流体デバイス100等のマイクロ流体デバイスに微小物体を保持するように最適化された様々な特徴及び構造を含む。しかし、上記を参照する前に、マイクロ流体デバイス100及びシステム150の概説を提供する。
図1Aに概して示されるように、マイクロ流体回路120はエンクロージャ102により画定される。エンクロージャ102は異なる構成で物理的に構造化することができるが、図1Aに示される例では、エンクロージャ102は、支持構造体104(例えば、基部)、マイクロ流体回路構造108、及びカバー110を含むものとして示されている。しかし、特定の実施形態では、エンクロージャ102は、カバー110を有さず、マイクロ流体回路120は、支持構造体104及びマイクロ流体回路構造体108により画定し得る。支持構造体104、マイクロ流体回路構造体108、及び(任意選択的に)カバー110は、互いに取り付けることができる。例えば、マイクロ流体回路構造体108は、支持構造体104の内面109上に配置することができ、カバー110は、マイクロ流体回路構造体108の上に配置することができる。支持構造体104及び(任意選択的に)カバー110と一緒に、マイクロ流体回路構造体108は、マイクロ流体回路120の要素を画定することができる。
図1Aに示されるように、支持構造体104は、マイクロ流体回路120の下部にあり得、カバー110はマイクロ流体回路120の上部にあり得る。代替的に、支持構造体104及びカバー110は、他の向きで構成され得る。例えば、支持構造体104は、マイクロ流体回路120の上部にあり得、カバー110はマイクロ流体回路120の下部にあり得る。それに関係なく、それぞれがエンクロージャ102内又は外への通路を含む1つ又は複数のポート107があり得る。通路の例としては、弁、ゲート、貫通孔等が挙げられる。示されるように、ポート107は、マイクロ流体回路構造108のギャップにより作られる貫通孔である。しかし、ポート107は、カバー110等のエンクロージャ102の他の構成要素に配置することができる。1つのみのポート107が図1Aに示されているが、マイクロ流体回路120は2つ以上のポート107を有することができる。例えば、流体がマイクロ流体回路120に入るための流入口として機能する第1のポート107があり得、流体がマイクロ流体回路120を出るための流出口として機能する第2のポート107があり得る。ポート107が流入口として機能するか、それとも流出口として機能するかは、流体がフロー領域106を通って流れる方向に依存し得る。
支持構造体104は、1つ又は複数の電極(図示せず)と、1つの基板又は複数の相互接続された基板とを含むことができる。基板は、当技術分野で既知の任意の適した基板であり得る。例えば、支持構造体104は、1つ又は複数の半導体基板を含むことができ、各基板は、1つ又は複数の電極の少なくとも1つに電気的に接続される(例えば、半導体基板の全て又はサブセットを単一の電極に電気的に接続することができる)。代替的に、支持構造体104は、1つ又は複数の電極を含むプリント回路基板組立体(「PCBA」)を含むことができる。更に他の実施形態では、支持構造体104は、PCBAに搭載される基板(例えば、半導体基板)を含むことができる。
マイクロ流体回路構造体108は、マイクロ流体回路120の回路要素を画定することができる。そのような回路要素は、マイクロ流体回路120に流体が充填されたとき、流体的に相互接続することができる、フロー領域(1つ若しくは複数のフローチャネルを含み得、又は1つ若しくは複数のフローチャネルであり得る)、チャンバ、ペン、及びトラップ等の空間又は領域を含むことができる。図1Aに示されるマイクロ流体回路120では、マイクロ流体回路構造体108は、フレーム114及びマイクロ流体回路材料116を含む。フレーム114は、マイクロ流体回路材料116を部分的又は完全に囲むことができる。フレーム114は、例えば、マイクロ流体回路材料116を実質的に囲む比較的剛性の構造体であり得る。例えば、フレーム114は、金属材料を含むことができる。代替的に、マイクロ流体回路構造体108は、フレームを有さなくてよい。例えば、マイクロ流体回路構造体108は、マイクロ流体回路材料116からなることができ、又はマイクロ流体回路材料116から本質的になることができる。
マイクロ流体回路材料116には、キャビティ等をパターニングして、マイクロ流体回路120の回路要素及び相互接続を画定することができる。マイクロ流体回路材料116は、ガス透過可能であり得る可撓性ポリマー(例えば、ゴム、プラスチック、エラストマー、シリコーン、ポリジメチルシロキサン(「PDMS」)等)等の可撓性材料を含むことができる。マイクロ流体回路材料116を構成することができる材料の他の例としては、成形ガラス、シリコーン(フォトパターニング可能シリコーン又は「PPS」)等のエッチング可能材料、フォトレジスト(例えば、SU8)等が挙げられる。幾つかの実施形態では、そのような材料 − したがって、マイクロ流体回路材料116 − は、剛性及び/又はガスを実質的に不透過であり得る。それに関係なく、マイクロ流体回路材料116は、支持構造体104上及び(任意選択的に)枠114内部に配置することができる。
カバー110は、マイクロ流体回路材料116及び/又は枠114の一体部分であり得る。代替的に、カバー110は、図1Aに示されるように、構造的に別個の要素であり得る。カバー110は、枠114及び/又はマイクロ流体回路材料116と同じ又は異なる材料を含むことができる。同様に、支持構造体104は、示されるようにマイクロ流体回路材料116若しくは枠114とは別個の構造であってもよく、又はマイクロ流体回路材料116若しくは枠114の一体部分であってもよい。同様に、マイクロ流体回路材料116及び枠114は、存在する場合、図1Aに示されるように別個の構造であってもよく、又は同じ構造の一体部分であってもよい。
幾つかの実施形態では、カバー110は剛性材料を含むことができる。剛性材料は、ガラス又は同様との特性を有する材料であり得る。幾つかの実施形態では、カバー110は変形可能材料を含むことができる。変形可能材料は、PDMS等のポリマーであり得る。幾つかの実施形態では、カバー110は、剛性材料及び変形可能材料の両方を含むことができる。例えば、カバー110の1つ又は複数の部分(例えば、隔離ペン124、126、128、130上に位置する1つ又は複数の部分)は、カバー110の剛性材料と界面を接する変形可能材料を含むことができる。幾つかの実施形態では、カバー110は1つ又は複数の電極を更に含むことができる。1つ又は複数の電極は、ガラス又は同様の絶縁材料でコーティングし得る、インジウム−錫−酸化物(ITO)等の導電性酸化物を含むことができる。代替的に、1つ又は複数の電極は、ポリマー(例えば、PDMS)等の変形可能ポリマーに埋め込まれた単層ナノチューブ、多層ナノチューブ、ナノワイヤ、導電性ナノ粒子のクラスタ、又はそれらの組合せ等の可撓性電極であり得る。マイクロ流体デバイスで使用することができる可撓性電極は、例えば、米国特許出願公開第2012/0325665号(Chiouら)に記載されており、この内容は参照により本明細書に援用される。幾つかの実施形態では、カバー110は、液滴の移動並びに/又は細胞の接着、細胞の生存、及び/若しくは細胞の成長を支持するように変更することができる(例えば、マイクロ流体回路120に向かって内側に面する表面の全て又は部分をコーティング又は調整することにより)。変更は、共有結合した分子(例えば、自己会合性分子)を有する合成若しくは天然ポリマーの被膜又は調整面を含み得る。幾つかの実施形態では、カバー110及び/又は支持構造体104は、光を透過することができる。カバー110は、ガス透過性である少なくとも1つの材料(例えば、PDMS又はPPS)を含むこともできる。
図1Aは、マイクロ流体デバイス100等のマイクロ流体デバイスを動作させ、及び制御するシステム150も示す。システム150は、電気電源192、撮像デバイス194(図示せず、しかし、撮像モジュール164の一部であり得る)、及び傾斜デバイス190(図示せず、しかし、傾斜モジュール166の一部であり得る)を含む。
電源192は、電力をマイクロ流体デバイス100及び/又は傾斜デバイス190に提供し、バイアス電圧又は電流を必要に応じて提供することができる。電源192は、例えば、1つ又は複数の交流(AC)及び/又は直流(DC)電圧源又は電流源を含むことができる。撮像デバイス194は、マイクロ流体回路120内部の画像を捕捉する、デジタルカメラ等のデバイスを含むことができる。幾つかの場合、撮像デバイス194は、高速フレームレート及び/又は高感度(例えば、低光用途用)を有する検出器を更に含む。撮像デバイス194は、刺激放射線及び/又は光線をマイクロ流体回路120内に向け、マイクロ流体回路120(又はマイクロ流体回路120内に含まれる微小物体)から反射されるか、又は発せられる放射線及び/又は光線を収集する機構を含むこともできる。発せられる光線は可視スペクトル内であり得、例えば、蛍光放射を含み得る。反射光線は、LED又は水銀灯(例えば、高圧水銀灯)若しくはキセノンアーク灯等の広域スペクトル灯から発せられた反射放射を含み得る。図3Bに関して考察するように、撮像デバイス194は顕微鏡(又は光学縦列)を更に含み得、これは接眼レンズを含んでもよく、又は含まなくてもよい。
システム150は、1つ又は複数の回転軸の周りでマイクロ流体デバイス100を回転させるように構成された傾斜デバイス190を更に含む。幾つかの実施形態では、傾斜デバイス190は、マイクロ流体デバイス100(したがって、マイクロ流体回路120)を水平向き(すなわち、x軸及びy軸に相対して0°)、垂直向き(すなわち、x軸及び/又はy軸に相対して90°)、又はそれらの間の任意の向きで保持することができるように、少なくとも1つの軸の周りでマイクロ流体回路120を含むエンクロージャ102を支持及び/又は保持するように構成される。軸に相対するマイクロ流体デバイス100(及びマイクロ流体回路120)の向きは、本明細書では、マイクロ流体デバイス100(及びマイクロ流体回路120)の「傾斜」と呼ばれる。例えば、傾斜デバイス190は、x軸又はy軸に相対して0.1°、0.2°、0.3°、0.4°、0.5°、0.6°、0.7°、0.8°、0.9°、1°、2°、3°、4°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、90°、又はそれらの間の任意の度数でマイクロ流体デバイス100を傾斜させることができる。水平向き(したがって、x軸及びy軸)は、重力により定義される垂直軸に垂直なものとして定義される。傾斜デバイスは、マイクロ流体デバイス100(及びマイクロ流体回路120)をx軸及び/又はy軸に相対して90°よりも大きい任意の角度に傾斜させるか、又はマイクロ流体デバイス100(及びマイクロ流体回路120)をx軸若しくはy軸に相対して180°に傾斜させて、マイクロ流体デバイス100(及びマイクロ流体回路120)を真逆にすることもできる。同様に、幾つかの実施形態では、傾斜デバイス190は、フロー領域106/チャネル122又はマイクロ流体回路120の何らかの他の部分により定義される回転軸の周りでマイクロ流体デバイス100(及びマイクロ流体回路120)を傾斜させる。
幾つかの場合、マイクロ流体デバイス100は、フロー領域106/チャネル122が1つ又は複数の隔離ペンの上方又は下方に位置するように、垂直向きに傾斜する。「上方」という用語は、本明細書で使用される場合、フロー領域106/チャネル122が、重力により定義される垂直軸上で1つ又は複数の隔離ペンよりも高く位置する(すなわち、フロー領域106/チャネル122の上方の隔離ペン内の物体がフロー領域/チャネル内の物体よりも高い重力位置エネルギーを有する)ことを示す。「下方」という用語は、本明細書で使用される場合、フロー領域106/チャネル122が、重力により定義される垂直軸上で1つ又は複数の隔離ペンよりも下に位置する(すなわち、フロー領域106/チャネル122の下方の隔離ペン内の物体がフロー領域/チャネル内の物体よりも低い重力位置エネルギーを有する)ことを示す。
幾つかの場合、傾斜デバイス190は、フロー領域106/チャネル122と平行な軸の周りでマイクロ流体デバイス100を傾斜させる。更に、マイクロ流体デバイス100は、フロー領域106/チャネル122が、隔離ペンの真上又は真下に配置されずに、1つ又は複数の隔離ペンの上方又は下方に配置されるように、90°未満の角度に傾斜することができる。他の場合、傾斜デバイス190は、フロー領域106/チャネル122に直交する軸の周りでマイクロ流体デバイス100を傾斜させる。更に他の場合、傾斜デバイス190は、フロー領域106/チャネル122に平行でもなく直交もしない軸の周りでマイクロ流体デバイス100を傾斜させる。
システム150は培地源178を更に含むことができる。培地源178(例えば、容器、リザーバ等)は、それぞれが異なる流体培地180を保持する複数のセクション又は容器を含むことができる。したがって、培地源178は、図1Aに示されるように、マイクロ流体デバイス100の外部にある、マイクロ流体デバイス100とは別個のデバイスであり得る。代替的に、培地源178は、全体的又は部分的に、マイクロ流体デバイス100のエンクロージャ102内部に配置することができる。例えば、培地源178は、マイクロ流体デバイス100の部分であるリザーバを含むことができる。
図1Aは、システム150の一部を構成し、マイクロ流体デバイス100と併せて利用することができる制御及び監視機器152の例の簡易ブロック図表現も示す。示されるように、そのような制御及び監視機器152の例は、マスタコントローラ154と、培地源178を制御する培地モジュール160と、マイクロ流体回路120での微小物体及び/又は培地(例えば、培地の液滴)の移動及び/又は選択を制御する原動モジュール162と、画像(例えば、デジタル画像)を捕捉する撮像デバイス194(例えば、カメラ、顕微鏡、光源、又はそれらの任意の組合せ)を制御する撮像モジュール164と、傾斜デバイス190を制御する傾斜モジュール166とを含む。制御機器152は、マイクロ流体デバイス100に関する他の機能を制御、監視、又は実行する他のモジュール168を含むこともできる。示されるように、機器152は、表示デバイス170及び入/出力デバイス172と機能的に結合されている(又はこれらを更に含む)ことができる。
マスタコントローラ154は、制御モジュール156及びデジタルメモリ158を含むことができる。制御モジュール156は、例えば、メモリ158内に非一時的データ又は信号として記憶される機械実行可能命令(例えば、ソフトウェア、ファームウェア、ソースコード等)に従って動作するように構成されたデジタルプロセッサを含むことができる。代替的に又は追加として、制御モジュール156は、ハードワイヤードデジタル回路及び/又はアナログ回路を含むことができる。培地モジュール160、原動モジュール162、撮像モジュール164、傾斜モジュール166、及び/又は他のモジュール168は、同様に構成され得る。したがって、マイクロ流体デバイス100又は任意の他のマイクロ流体装置に関して実行されるものとして本明細書で考察される機能、プロセス行動、動作、又はプロセスのステップは、上述したように構成されたマスタコントローラ154、培地モジュール160、原動モジュール162、撮像モジュール164、傾斜モジュール166、及び/又は他のモジュール168の任意の1つ又は複数により実行され得る。同様に、マスタコントローラ154、培地モジュール160、原動モジュール162、撮像モジュール164、傾斜モジュール166、及び/又は他のモジュール168は、通信可能に結合されて、本明細書において考察される任意の機能、プロセス、行動、動作、又はステップで使用されるデータを送受信し得る。
培地モジュール160は培地源178を制御する。例えば、培地モジュール160は、培地源178を制御して、選択された流体培地180をエンクロージャ102に入れる(例えば、流入口107を介して)ことができる。培地モジュール160は、エンクロージャ102からの培地の取り出し(例えば、流出口(図示せず)を通して)を制御することもできる。したがって、1つ又は複数の培地を選択的にマイクロ流体回路120に入れ、マイクロ流体回路120から搬出することができる。培地モジュール160は、マイクロ流体回路120内部のフロー領域106/チャネル122での流体培地180のフローを制御することもできる。例えば、幾つかの実施形態では、媒体モジュール160は、微小物体又はビーズを隔離ペンに装填する前、フロー領域106/チャネル122内及びエンクロージャ102を通る媒体180のフローを停止させる(例えば、重力、エレクトウェッティング(EW)力、誘電泳動(DEP)力、又はこれらの組み合わせを使用して)。
原動モジュール162は、マイクロ流体回路120内の微小物体及び/又は媒体の液滴の選択、捕獲、及び/又は移動を制御するように構成することができる。本明細書において詳述されるように、エンクロージャ102は、エレクトロウェッティング構成、例えば、光学エレクトロウェッティング(OEW)、誘電体エレクトロウェッティング(EWOD)構成、又は片面エレクトロウェッティング構成等を含むことができる。特定の実施形態では、エンクロージャ102は、誘電泳動(DEP)構成、例えば、光電子ツイーザ(OET)構成及び電気作動DEP構成等を更に含むことができる。原動モジュール162は、そのようなEW構成及び/又はDEP構成に含まれる電極及び/又はトランジスタ(例えば、フォトトランジスタ)の活性化を制御して、フロー領域106/チャネル122及び/又は隔離ペン124、126、128、130内の微小物体及び/又は媒体の液滴を選択し、移動させることができる。
撮像モジュール164は撮像デバイス194(図示せず)を制御することができる。例えば、撮像モジュール164は、撮像デバイス194から画像データを受信し、処理することができる。撮像デバイス194からの画像データは、撮像デバイス194により捕捉された任意のタイプの情報を含むことができる(例えば、微小物体、培地の液滴、蛍光標識等の標識の蓄積の有無等)。撮像デバイス194により捕捉された情報を使用して、撮像モジュール164は、物体(例えば、微小物体、培地の液滴等)の位置及び/又はマイクロ流体デバイス100内のそのような物体の移動速度を更に計算することができる。
傾斜モジュール166は、傾斜デバイス190(図示せず)の傾斜移動を制御することができる。追加として、傾斜モジュール166は、例えば、重力を介して1つ又は複数の隔離ペンへの微小物体の移送を最適化するように、傾斜率及びタイミングを制御することができる。傾斜モジュール166は、撮像モジュール164と通信可能に結合されて、マイクロ流体回路120での微小物体及び/又は培地の液滴の移動を記述するデータを受信する。このデータを使用して、傾斜モジュール166は、マイクロ流体回路120の傾斜を調整して、マイクロ流体回路120内で微小物体及び/又は培地の液滴が移動する率を調整し得る。傾斜モジュール166は、このデータを使用して、マイクロ流体回路120内での微小物体及び/又は培地の液滴の位置を繰り返し調整することもできる。
図1Aに示される例では、マイクロ流体回路120は、マイクロ流体チャネル122から本質的になる単一のフロー領域106を含むものとして示される。隔離ペン124、126、128、及び130のそれぞれは、フロー領域106/チャネル122への単一の開口部を含むが、ペンが、フロー領域106/チャネル122又は他のペン内の微小物体及び/又は流体媒体180から、そのペンの内部の微小物体を実質的に分離することができるように、その他の箇所は囲まれる。隔離ペンの壁は、ベースの内面109からカバー110の内面まで延び、それにより、そのような分離を促進することができる。フロー領域106/チャネル122へのペンの開口部は、流体媒体180のフローがペン内に向けられないように、フロー領域106/チャネル122内の流体媒体180のフローに関して傾斜して向けることができる。フローは、例えば、ペンの開口部の平面の接線方向又は直交方向であり得る。幾つかの場合、ペン124、126、128、及び/又は130は、1つ又は複数の微小物体をマイクロ流体回路120内に物理的に囲い入れるように構成される。本発明による隔離ペンは、詳細に後述するように、EW、OEW、DEP、及び/又はOET力、流体フロー、及び/又は重力と併用されるように最適化された様々な形状、表面、及び特徴を含むことができる。
マイクロ流体回路120は、任意の数のマイクロ流体隔離ペンを含み得る。5つの隔離ペンが示されるが、マイクロ流体回路120は、より小数又はより多数の隔離ペンを有し得る。示されるように、マイクロ流体回路120のマイクロ流体隔離ペン124、126、128、及び130は、マイクロ流体デバイス100を用いた微小物体及び/又は流体媒体の液滴の操作に有用な1つ又は複数の利点を提供し得る異なる特徴及び形状をそれぞれ含む。したがって、幾つかの実施形態では、マイクロ流体回路120は、複数のマイクロ流体隔離ペンを含み得、隔離ペンの2つ以上は、異なる利点を提供する異なる構造及び/又は特徴を含む。しかし、幾つかの実施形態では、マイクロ流体回路120は、複数の同一のマイクロ流体隔離ペンを含む。微小物体及び/又は媒体の液滴の操作有用なマイクロ流体デバイスは、隔離ペン124、126、128、及び130、又は後述する図2B、図2C、図2D、図2E、及び図2Fに示されるように構成されるペンを含むペンの変形形態のいずれかを含み得る。
図1Aに示される実施形態では、単一のフロー領域106が示される。しかし、マイクロ流体デバイス100の他の実施形態は、複数のフロー領域106を含み得、各フロー領域106は、流体がマイクロ流体デバイス100を通って流れる別個の経路を提供するように構成される。マイクロ流体回路120は、フロー領域106と流通する流入弁又はポート107を含み、それにより、流体媒体180は、流入ポート107を介してフロー領域106/チャネル122にアクセスすることができる。幾つかの場合、フロー領域106は、単一の流路を含む。他の場合、フロー領域106は、複数の流路(例えば、2つ、3つ、4つ、5つ、6つ、又はそれを超える個数)を含み、各フロー領域106は、マイクロチャネル(例えば、チャネル122のような)を含み得る。複数の流路の2つ以上(例えば、全て)は、互いに実質的に平行であり得る。例えば、フロー領域106は、複数の平行チャネル(例えば、チャネル122のような)に分割することができる。特定の実施形態では、フロー領域106(及びフロー領域に含まれる1つ又は複数のチャネル)は、ジグザグパターンで配置され、それにより、フロー領域106は、マイクロ流体デバイス100を交互の方向で2回以上通る。幾つかの場合、各フロー領域106内の流体培地は、順方向又は逆方向の少なくとも一方で流れる。幾つかの場合、複数の隔離ペンは、標的微小物体と並列に配置されることができるように構成される(例えば、フロー領域106/チャネル122に相対して)。
幾つかの実施形態では、マイクロ流体回路120は、1つ又は複数の微小物体トラップ132を更に含む。トラップ132は、一般に、フロー領域106/チャネル122の境界を形成する壁に形成され、マイクロ流体隔離ペン124、126、128、及び130の1つ又は複数の開口部の逆に位置し得る。幾つかの実施形態では、トラップ132は、フロー領域106/チャネル122から1つの微小物体を受け取り、又は捕捉するように構成される。幾つかの実施形態では、トラップ132は、フロー領域106/チャネル122から複数の微小物体を受け取り、又は捕捉するように構成される。幾つかの場合、トラップ132は、1つの標的微小物体の容積に概ね等しい容積を含む。
トラップ132は、標的微小物体のトラップ132へのフローを支援するように構成された開口部を更に含み得る。幾つかの場合、トラップ132は、1つの標的微小物体の寸法に応じたサイズの高さ及び幅を有する開口部を含み、それにより、他の微小物体(又はサイズがより大きい微小物体)が微小物体トラップに入らないようにされる。トラップ132は、トラップ132内への標的微小物体の保持を支援するように構成された他の特徴を更に含み得る。幾つかの場合、トラップ132は、微小流体隔離ペンの開口部と位置合わせされ、微小流体隔離ペンの開口部に関してチャネル122の逆側に配置され、それにより、チャネル122に平行な軸の周りでマイクロ流体デバイス100を傾斜されると、捕捉された微小物体は、微小物体を隔離ペンの開口部に落とす軌道でトラップ132を出る。幾つかの場合、トラップ132は、標的微小物体よりも小さく、トラップ132を通るフローを促進し、それにより、トラップ132内への微小物体の捕捉確率を増大させるサイド通路134を含む。
更に詳細に後述するように、幾つかの実施形態では、エレクトロウェッティング(EW)力は、1つ又は複数の電極(図示せず)を介してマイクロ流体デバイス100の支持構造体104(及び/又はカバー110)の表面上の1つ又は複数の位置(例えば、フロー領域及び/又は隔離ペン内の位置)に適用されて、マイクロ流体回路120に配置された液滴を操作、輸送、分離、及びソートする。例えば、幾つかの実施形態では、EW力は、支持構造体104(及び/又はカバー110)の表面上の1つ又は複数の位置に適用されて、液滴をフロー領域106から所望のマイクロ流体隔離ペンに移す。幾つかの実施形態では、EW力を使用して、隔離ペン(例えば、隔離ペン124、126、128、又は130)内の液滴がそこから変位しないようにする。更に、幾つかの実施形態では、EW力を使用して、本発明の教示に従って先に収集された液滴を隔離ペンから選択的に取り出す。幾つかの実施形態では、EW力は、光エレクトロウェッティング(OEW)力を含む。
幾つかの実施形態では、誘電泳動(DEP)力は、1つ又は複数の電極(図示せず)を介して流体培地180にわたり適用されて(例えば、フロー領域及び/又は隔離ペンにおいて)、内部に配置された微小物体の操作、輸送、分離、及びソートを行う。例えば、幾つかの実施形態では、DEP力は、マイクロ流体回路120の1つ又は複数の部分内に適用されて、1つの微小物体をフロー領域106から所望のマイクロ流体隔離ペンに輸送する。幾つかの実施形態では、DEP力を使用して、隔離ペン(例えば、隔離ペン124、126、128、又は130)内の微小物体が隔離ペンから変位しないようにする。更に、幾つかの実施形態では、DEP力を使用して、本発明の教示により前に収集された微小物体を隔離ペンから選択的に取り出す。幾つかの実施形態では、DEP力は、光電子ピンセット(OET)力を含む。
幾つかの実施形態では、DEP力及び/又はEW力は、フロー及び/又は重力等の他の力と組み合わせられて、マイクロ流体回路120内の微小物体及び/又は液滴の操作、輸送、分離、及びソートを行う。例えば、エンクロージャ102は傾斜して(例えば、傾斜デバイス190により)、フロー領域106/チャネル122及びフロー領域106内に配置された微小物体をマイクロ流体隔離ペンの上に位置決めすることができ、重力は、微小物体及び/又は液滴をペン内に輸送することができる。幾つかの実施形態では、DEP力及び/又はEW力は、他の力の前に適用することができる。他の実施形態では、DEP力及び/又はEW力は、他の力の後に適用することができる。更に他の場合、DEP力及び/又はEW力は、他の力と同時に又は他の力と交互に適用することができる。
マイクロ流体デバイスの原動構成。上述したように、システムの制御及び監視機器は、マイクロ流体デバイスのマイクロ流体回路において微小物体又は液滴等の物体を選択し移動させる原動モジュールを含むことができる。本発明のマイクロ流体デバイスは、移動される物体のタイプ及び他の考慮事項に応じて様々な原動構成を有することができる。特に、マイクロ流体デバイス100の支持構造体104及び/又はカバー110は、マイクロ流体回路120内の流体培地180内の液滴に対して電子ウェッティング(EW)力を選択的に誘導し、それにより、個々の液滴又は液滴群の選択、捕捉、及び/又は移動を行う電子ウェッティング(EW)構成を含むことができる。特定の実施形態では、本発明のマイクロ流体デバイスは、EW構成を有する第1のセクションと、誘電泳動(DEP)構成を有する第2のセクションとを含むことができる。したがって、マイクロ流体デバイス100の支持構造体104及び/又はカバー110の少なくとも1つのセクションは、マイクロ流体回路120における流体媒体180内の微小物体に対してDEP力を選択的に誘導し、それにより個々の微小物体又は微小物体群を選択、捕捉、及び/又は移動させるDEP構成を含むことができる。
エレクトロウェッティング構成。特定の実施形態では、本発明のマイクロ流体デバイスは、エレクトロウェッティング構成を含むことができ、この構成は、誘電層及び液滴作動表面を有する基板を含み、液滴作動表面は、誘電層に共有結合した疎水性層を含む。誘電層は、基板上に置かれた液滴が疎水性層に直接接触するように疎水性層の下に配置することができる。図2Aは、そのようなマイクロ流体デバイスの一部の一例を示す。
示されるように、装置400は、ベース104を含むことができ、ベース104は、基板及び少なくとも1つの電極(例えば、第1の電極)418を含む。基板は、疎水性外層412、誘電内層414、導電層416、電極418、及び任意選択的に支持体420を含め、様々な層を含むことができる。疎水性層412及び誘電内層414は、エンクロージャを部分的に画定する基板102の内向き面を提供することができる。
装置400は、カバー110も含み、カバー110は、疎水性外層422と、少なくとも1つの電極を含み得る内層428と、任意選択的な支持体430とを含む。カバー110及びベース104は、互いに実質的に平行であり、離間要素108(例えば、マイクロ流体回路材料)によって一緒に接合されて、液体媒体を保持するように構成されるエンクロージャ435を画定する。液体媒体は、例えば、油等の疎水性液体であり得る。加えて、エンクロージャ435は、水性媒体等の液体440の液滴を保持することができる。通常、液体媒体及び液滴の液体は、不混和性の液体であるように選択される。
離間要素108は、ポリマーを含むことができる。ポリマーは、例えば、両方ともDow Corningから入手可能なポリジメチルシロキサン(PDMS)又は光パターン化可能シリコーン(PPS)等のケイ素系有機ポリマーであり得る。代替的に、離間要素108は、エポキシ系接着剤を含むことができる。エポキシ系接着剤は、例えば、SU−8又は同等のタイプの材料であり得る。離間要素108は、少なくとも30μm、少なくとも40μm、少なくとも50μm、少なくとも60μm、少なくとも70μm、少なくとも80μm、少なくとも90μm、少なくとも100μm、又はそれよりも大きい厚さ(すなわち、基板104の内面とカバー110との間のギャップ)を有することができる。したがって、例えば、離間要素108の厚さは、30〜60μm、40〜80μm、50〜100μm、60〜120μm、70〜140μm、75〜150μm、80〜160μm、90〜180μm、又は100〜200μmであり得る。
離間要素108は、エンクロージャ内に1つ又は複数のマイクロ流体チャネルを画定することができる。加えて、離間要素108は、エンクロージャ内に複数のチャンバ(又は隔離ペン)を更に画定することができ、各チャンバは、少なくとも1つのマイクロ流体チャネルに流体的に接続され、少なくとも1つのマイクロ流体チャネルが終わる箇所で開く。したがって、例えば、離間要素108は、単一のマイクロ流体チャネル及びそれに流体的に接続される複数のチャンバ又はそれぞれ複数のチャンバに流体的に接続される複数のマイクロ流体チャネルを画定することができる。更に、各チャンバは、図6及び図7に示されるように、2つ以上のマイクロ流体チャネルに流体的に接続することができる。
基板104の少なくとも1つの電極418及びカバー110の少なくとも1つの電極428がAC電圧源(図示せず)の逆の端子に接続される場合、基板104は、基板104の疎水性外面412(すなわち液滴作動表面)に接触する水性液滴にエレクトロウェッティング力を適用することが可能である。特定の実施形態では、マイクロ流体デバイス内の液滴のエレクトロウェッティングに基づく移動を達成するのに使用されるAC電圧は、少なくとも20ボルトピークツーピーク(ppV)(例えば、約20〜80ppV、約20〜60ppV、約25〜50ppV、約25〜40ppV、又は約25〜35ppV)である。特定の実施形態では、マイクロ流体デバイス内の液滴のエレクトロウェッティングに基づく移動を達成するのに使用されるAC電圧の周波数は、約1〜100kHz(例えば、約5〜90kHz、約10〜80kHz、約15〜70kHz、約20〜60kHz、約25〜50kHz、又は約30〜40kHz)である。
基板104の疎水性外層412及びカバー110の疎水性外層422は、基板104の誘電内層414又はカバー110の内層428にそれぞれ共有結合した自己会合性分子の高密度単層をそれぞれ含むことができる。単層の自己会合性分子は、十分な二次元パッキング密度を含み、単層が結合される表面と疎水性液体との間に疎水性バリアを作成する(例えば、極性分子又は他の化学種の単層への相互作用及び/又は侵入を避けるため)。高密度単層のパッキング密度は、使用される自己会合性分子に依存する。アルキル末端シロキサンを含む高密度単層は、通常、少なくとも1×1014分子/cm(例えば、少なくとも1.5×1014分子/cm、2.0×1014分子/cm、2.5×1014分子/cm、又はそれよりも高い密度)を含む。
更に詳細に後述するように、自己会合性分子は、シロキサン基又はホスホン酸基等の結合基をそれぞれ含むことができる。シロキサン基は、誘電内層414又は内層428の分子と共有結合することができる。同様に、ホスホン酸基も誘電内層414又は内層428の分子と共有結合することができる。自己会合性分子は、長鎖炭化水素を含むことができ、これは非分岐であり得る。したがって、自己会合性分子は、アルキル末端シロキサン又はアルキル末端ホスホン酸を含むことができる。長鎖炭化水素は、少なくとも10個の炭素(例えば、少なくとも16個、少なくとも18個、少なくとも20個、少なくとも22個、又はそれを超える個数の炭素)の鎖を含むことができる。自己会合性分子は、フッ素化炭素鎖を含むことができる。したがって、例えば、自己会合性分子は、フルオロアルキル末端シロキサン又はフルオロアルキル末端ホスホン酸を含むことができる。フッ素化炭素鎖は、式CF−(CF)m−(CH)n−を有することができ、式中、mは、少なくとも2であり、nは、0、1、2、又はそれを超える数であり、及びm+nは、少なくとも9である。
自己会合性分子の単層は、約5ナノメートル未満(例えば、約1.0〜約4.0nm、約1.5〜約3.0nm、又は約2.0〜約2.5nm)の厚さを有することができる。
基板104の疎水性外層412は、選択領域が疎水性外層の残りの部分と比較して相対的に親水性であるようにパターン化され得る。これは、例えば、下の誘電内層122にわたる電圧降下をある時間期間にわたり50ppV以上(例えば、60ppV、65ppV、70ppV、75ppV、80ppV、又はそれよりも高い値)に増大させることにより達成することができる。理論による拘束を意図せずに、比較的親水性の高い領域は、単層に挿入された水分子を含むと考えられる。
幾つかの実施形態では、基板の誘電内層は1つ又は複数の酸化物層を含むことができる。例えば、誘電内層は、金属酸化物層等の単一の酸化物層を含んでもよく、又は単一の酸化物層からなってもよい。代替的に、誘電内層は、2層を含んでもよく、又は2層からなってもよい。幾つかの実施形態では、層は、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素であり得、外層は、酸化アルミニウム等の金属酸化物であり得る。特定の実施形態では、金属酸化物層の厚さは、約15nm〜約45nm、約30nm〜約40nm、又は約33nm〜約36nmの範囲であり得る。金属酸化物層は、原子層堆積(ALD)技法によって堆積され得、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素を含む層は、プラズマ化学気相成長(PECVD)技法によって堆積され得る。
更に別の実施形態では、誘電内層は、3つの誘電体材料層を含むことができる。幾つかの実施形態では、第1の層は、酸化アルミニウム又は酸化ハフニウム等の金属酸化物を含むことができ、第1の層は、二酸化ケイ素層と窒化ケイ素層との間に挟むことができる。特定の実施形態では、金属酸化物層の厚さは、約5nm〜約20nmの範囲であり得、層は、原子層堆積(ALD)技法によって堆積され得る。酸化ケイ素層もALDによって堆積され得、約2nm〜約10nmの厚さを有することができる。窒化ケイ素層は、プラズマ化学気相成長(PECVD)技法によって堆積され得、且つ約80nm〜約100nm又は約90nmの厚さを有することができる。
誘電内層を構成する層数に関係なく、誘電内層は、約50〜105nmの厚さ及び/又は約50〜150kΩ、好ましい実施形態では約100kΩのインピーダンスを有することができる。
基板104は、誘電内層414に接触する第1の面を有する光反応層146を含むことができる。光反応層416の第2の面は、少なくとも1つの電極418に接触することができる。光反応層416は、水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)を含むことができる。例えば、a−Si:Hは、約8%〜約40%水素(すなわち、100水素原子数/水素原子及びケイ素原子の総数として計算される)を含むことができる。a−Si:H層は、少なくとも約500nm(例えば、少なくとも約600〜1400nm、少なくとも約700〜1300nm、少なくとも約800〜1200nm、少なくとも約900〜1100nm、又は約1000nm)の厚さを有することができる。しかし、a−Si:H層の厚さは、誘電内層414の厚さに従って変更して、基板104がオン状態(すなわち、照明され導電する)及びオフ状態(すなわち、暗く導電していない)であるとき、誘電内層414のインピーダンスとa−Si:H層のインピーダンスとの間に適する差を達成することができる。例えば、誘電内層414のインピーダンスは、約50kΩ〜約150kΩであるように調整することができ、a−Si:H層のインピーダンスは、オフ状態で少なくとも約0.5MΩであり、オン状態で約1kΩ以下であるように調整することができる。これらは単なる例であるが、堅牢なオン/オフ性能を示す光応答(この場合、光伝導)層416を達成するために、インピーダンスをどのように調整することができるかを例示する。基板104が、a−Si:H層から形成される光応答層416を有する実施形態では、基板104は、任意選択的に、光応答層416と誘電内層414との間に配置される浮動電極パッドを含むことができる。そのような浮動電極パッドは、例えば米国特許第6,958,132号に記載されており、この米国特許の内容は、参照により本明細書に援用される。
光応答層416は、代替的に、複数の導体を含むことができ、各導体は、フォトトランジスタスイッチを介して基板102の少なくとも1つの電極に制御可能に接続可能である。フォトトランジスタスイッチによって制御される導体は、当技術分野において周知であり、米国特許出願公開第2014/0124370号に記載されており、この米国特許出願の内容は、参照により本明細書に援用される。
基板104は、AC電圧源に接続されるように構成される単一の電極418を含むことができる。単一の電極418は、インジウム錫酸化物(ITO)の層を含むことができ、この層は、例えば、ガラス支持体420上に形成することができる。代替的に、単一の電極418は、導電性シリコンの層を含むことができる。他の実施形態では、基板104は、当技術分野で周知のEWODデバイスのように、個々にアドレス指定可能な複数の電極を含むことができる。個々にアドレス指定可能な電極は、対応するトランジスタスイッチを介して1つ又は複数のAC電圧源に接続可能であり得る。
カバー110は、基板のように、疎水性層422に併設される誘電層(図示せず)と、誘電層と電極428との間に併設される導電層(図示せず)とを更に含むことができる。したがって、マイクロ流体装置400は、基板104と、エレクトロウェッティング力をエンクロージャ435内に配置される水性液滴440に提供するように構成されるカバー110との両方を有することができる。そのような実施形態では、カバー110の誘電層は、基板104の誘電内層414について本明細書において開示した任意の方法で構成することができ、カバー104の導電層は、基板102の導電層126について本明細書において開示した任意の方法で構成することができる。
誘電泳動(DEP)構成。本明細書で考察するように、本発明のマイクロ流体デバイスは、DEP構成を有するセクションを含むことができる。そのようなセクションの一例は、図1C及び図1Dに示されるマイクロ流体デバイス200である。簡潔にするために、図1C及び図1Dは、開放領域/チャンバ202を有するマイクロ流体デバイス200のエンクロージャ102の部分の垂直断面図及び水平断面図をそれぞれ示すが、領域/チャンバ202が、成長チャンバ、隔離ペン、フロー領域、又はフローチャネル等のより詳細な構造を有する流体回路要素の部分であり得ることを理解されたい。更に、マイクロ流体デバイス200は他の流体回路要素を含み得る。例えば、マイクロ流体デバイス200は、マイクロ流体デバイス100に関して本明細書に記載される等の複数の成長チャンバ、或いは隔離ペン及び/又は1つ若しくは複数のフロー領域又はフローチャネルを含むことができる。DEP構成は、マイクロ流体デバイス200の任意のそのような流体回路要素に組み込み得るか、又はその部分を選択し得る。上記又は下記の任意のマイクロ流体デバイス構成要素及びシステム構成要素がマイクロ流体デバイス200内に組みこまれ得、及び/又はマイクロ流体デバイス200と組み合わせて使用し得ることを更に理解されたい。例えば、培地モジュール160、原動モジュール162、撮像モジュール164、傾斜モジュール166、及び他のモジュール168の1つ又は複数を含む上述した制御及び監視機器152を含むシステム150は、マイクロ流体デバイス200と併用し得る。
図1Cにおいて見られるように、マイクロ流体デバイス200は、下部電極204及び下部電極204に重なる電極活性化基板206を有する支持構造体104と、上部電極210を有するカバー110とを含み、上部電極210は下部電極204から離間される。上部電極210及び電極活性化基板206は、領域/室202の両面を画定する。したがって、領域/室202に含まれる培地180は、上部電極210と電極活性化基板206との間に抵抗接続を提供する。下部電極204と上部電極210との間に接続され、領域/室202でのDEP力の生成のために必要に応じて電極間にバイアス電圧を生成するように構成された電源212も示されている。電源212は、例えば、交流(AC)電源であり得る。
特定の実施形態では、図1C及び図1Dに示されるマイクロ流体デバイス200は、光学作動DEP構成を有することができる。したがって、原動モジュール162により制御し得る光源216からの光218の変更パターンは、電極活性化基板206の内面208の領域214においてDEP電極の変更パターンを選択的に活性化又は非活性化することができる。(以下ではDEP構成を有するマイクロ流体デバイスの領域214を「DEP電極領域」と呼ぶ)。図1Dに示されるように、電極活性化基板206の内面208に向けられる光パターン218は、正方形等のパターンで、選択されたDEP電極領域214a(白色で示される)を照明することができる。照明されないDEP電極領域214(斜線が付される)を以下では「暗」DEP電極領域214と呼ぶ。DEP電極活性化基板206を通る相対電気インピーダンス(すなわち、下部電極204から、フロー領域106において培地180と界面を接する電極活性化基板206の内面208まで)は、各暗DEP電極領域214での領域/室202において培地180を通る(すなわち、電極活性化基板206の内面208からカバー110の上部電極210まで)相対電気インピーダンスよりも大きい。しかし、照明DEP電極領域214aは、各照明DEP電極領域214aでの領域/室202での培地180を通る相対インピーダンス未満である電極活性化基板206を通る相対インピーダンスの低減を示す。
電源212が活性化されている場合、上記DEP構成は、照明DEP電極領域214aと隣接する暗DEP電極領域214との間に流体培地180内で電場勾配を生じさせ、次に、電場勾配は、流体培地180内の付近の微小物体(図示せず)を引き寄せるか、又は排斥する局所DEP力を生成する。したがって、流体培地180内の微小物体を引き寄せるか、又は排斥するDEP電極は、光源216からマイクロ流体デバイス200に投射される光パターン218を変更することにより、領域/室202の内面208での多くの異なるそのようなDEP電極領域214において選択的に活性化及び非活性化することができる。DEP力が付近の微小物体を引き寄せるか、それとも排斥するかは、電源212の周波数並びに培地180及び/又は微小物体(図示せず)の誘電特性等のパラメータに依存し得る。
図1Cに示される照明DEP電極領域214aの正方形パターン220は単なる例である。デバイス200に投射される光パターン218により、任意のパターンのDEP電極領域214を照明する(それにより、活性化する)ことができ、照明/活性化されるDEP電極領域214のパターンは、光パターン218を変更又は移動させることにより繰り返し変更することができる。
幾つかの実施形態では、電極活性化基板206は、光伝導性材料を含むか、又は光導電性材料からなることができる。そのような実施形態では、電極活性化基板206の内面208は、特徴を有さないことができる。例えば、電極活性化基板206は、水素化非晶質シリコン(a−Si:H)の層を含むか、又はa−Si:Hの層からなることができる。a−Si:Hは、例えば、約8%〜40%の水素を含むことができる(水素原子の数/水素及びケイ素原子の総数に100を掛けたものとして計算)。a−Si:Hの層は厚さ約500nm〜約2.0μmを有することができる。そのような実施形態では、DEP電極領域214は、光パターン218により、電極活性化基板206の内面208上の任意の場所に任意のパターンで作成することができる。したがって、DEP電極領域214の数及びパターンは、固定される必要がなく、光パターン218に対応することができる。上述したような光伝導層を含むDEP構成を有するマイクロ流体デバイスの例は、例えば、米国特許第RE44,711号(Wuら)(元々は米国特許第7,612,355号として発行された)に記載されており、その内容全体は参照により本明細書に援用される。
他の実施形態では、電極活性化基板206は、半導体分野で既知等の半導体集積回路を形成する複数のドープ層、絶縁層(又は領域)、及び導電層を含む基板を含むことができる。例えば、電極活性化基板206は、例えば、横型バイポーラフォトトランジスタを含む複数のフォトトランジスタを含むことができ、各フォトトランジスタはDEP電極領域214に対応する。代替的に、電極活性化基板206は、フォトトランジスタスイッチにより制御される電極(例えば、導電性金属電極)を含むことができ、そのような各電極はDEP電極領域214に対応する。電極活性化基板206は、パターンになったそのようなフォトトランジスタ又はフォトトランジスタ制御される電極を含むことができる。パターンは、例えば、図2Bに示される等、行列に配置された実質的に正方形のフォトトランジスタ又はフォトトランジスタ制御される電極のアレイであり得る。代替的に、パターンは、六角形格子を形成する実質的に六角形のフォトトランジスタ又はフォトトランジスタ制御される電極のアレイであり得る。パターンに関係なく、電気回路素子は、電極活性化基板206の内面208におけるDEP電極領域214と下部電極210との間に電気接続を形成することができ、それらの電気接続(すなわち、フォトトランジスタ又は電極)は、光パターン218により選択的に活性化又は非活性化することができる。活性化されない場合、各電気接続は、電極活性化基板206を通る(すなわち、下部電極204から、領域/室202内の培地180と界面を接する電極活性化電極206の内面208まで)相対インピーダンスが、対応するDEP電極領域214における培地180を通る(すなわち、電極活性化基板206の内面208からカバー110の上部電極210まで)相対インピーダンスよりも大きいような高いインピーダンスを有することができる。しかし、光パターン218内の光により活性化される場合、電極活性化基板206を通る相対インピーダンスは、各照明DEP電極領域214での培地180を通る相対インピーダンス未満であり、それにより、上述したように、対応するDEP電極領域214でのDEP電極を活性化する。したがって、培地180内の微小物体(図示せず)を引き寄せるか、又は排斥するDEP電極は、光パターン218により決まるように、領域/室202での電極活性化基板206の内面208での多くの異なるDEP電極領域214において選択的に活性化及び非活性化することができる。
フォトトランジスタを含む電極活性化基板を有するマイクロ流体デバイスの例は、例えば、米国特許第7,956,339号(Ohtaら)に記載されており(例えば、図21及び図22に示されるデバイス300並びにその説明を参照されたい)、この内容全体は参照により本明細書に援用される。フォトトランジスタスイッチにより制御される電極を含む電極活性化基板を有するマイクロ流体デバイスの例は、例えば、米国特許出願公開第2014/0124370号(Shortら)に記載されており(例えば、図面全体を通して示されるデバイス200、400、500、600、及び900並びにその説明を参照されたい)、これらの内容全体は参照により本明細書に援用される。
DEP構成のマイクロ流体デバイスの幾つかの実施形態では、上部電極210はエンクロージャ102の第1の壁(又はカバー110)の一部であり、電極活性化基板206及び下部電極204は、エンクロージャ102の第2の壁(又は支持構造体104)の一部である。領域/室202は、第1の壁と第2の壁との間にあり得る。他の実施形態では、電極210は第2の壁(又は支持構造体104)の一部であり、電極活性化基板206及び/又は電極210の一方又は両方は、第1の壁(又はカバー110)の一部である。更に、光源216は代替的に、下からエンクロージャ102を照明するのに使用することができる。
DEP構成を有する図1C及び図1Dのマイクロ流体デバイス200を用いて、原動モジュール162は、光パターン218をデバイス200に投射して、微小物体を囲み捕捉するパターン(例えば、正方形パターン220)で電極活性化基板206の内面208のDEP電極領域214aでの第1の組の1つ又は複数のDEP電極を活性化することにより、領域/室202での培地180内の微小物体(図示せず)を選択することができる。次に、原動モジュール162は、光パターン218をデバイス200に相対して移動させて、DEP電極領域214での第2の組の1つ又は複数のDEP電極を活性化することにより、捕捉された微小物体を移動させることができる。代替的に、デバイス200を光パターン218に相対して移動させることができる。
他の実施形態では、マイクロ流体デバイス200は、電極活性化基板206の内面208でのDEP電極の光活性化に依存しないDEP構成を有することができる。例えば、電極活性化基板206は、少なくとも1つの電極を含む表面(例えば、カバー110)とは逆に位置する、選択的にアドレス指定可能且つエネルギー付与可能な電極を含むことができる。スイッチ(例えば、半導体基板のトランジスタスイッチ)を選択的に開閉して、DEP電極領域214でのDEP電極を活性化又は非活性化し得、それにより、活性化されたDEP電極の近傍での領域/室202内の微小物体(図示せず)に対する正味DEP力を生成する。電源212の周波数及び培地(図示せず)及び/又は領域/室202内の微小物体の誘電特性等の特徴に応じて、DEP力は、付近の微小物体を引き寄せるか、又は排斥することができる。DEP電極の組(例えば、正方形パターン220を形成するDEP電極領域214の組における)を選択的に活性化又は非活性化することにより、領域/室202における1つ又は複数の微小物体を捕捉し、領域/室202内で移動させることができる。図1Aの原動モジュール162は、そのようなスイッチを制御し、したがって、DEP電極の個々の電極を活性化及び非活性化して、領域/室202の周囲の特定の微小物体(図示せず)を選択、捕捉、及び移動させることができる。選択的にアドレス指定可能且つエネルギー付与可能な電極を含むDEP構成を有するマイクロ流体デバイスは、当技術分野で既知であり、例えば、米国特許第6,294,063号(Beckerら)及び同第6,942,776号(Medoro)に記載されており、これらの内容全体は参照により本明細書に援用される。
エレクトロウェッティング構成及び誘電泳動(DEP)構成を有するマイクロ流体デバイス。図4は、様々な実施形態による、複数のマイクロ流体用途を統合したマイクロ流体デバイス又は装置450の垂直断面図である。デバイス450は、2つの異なるセクションを含み(しかし、3つ以上の異なるセクションがあってもよい)、各セクションは、単一のマイクロ流体構成を有する。セクション460は、エレクトロウェッティング構成を含み、この構成は、基板を含むベース104を含む。基板は、疎水性外層412、誘電内層414、導電層416、及び電極418を含め、様々な層を含む。疎水性層412及び誘電内層414は、エンクロージャ435を部分的に画定する基板の内向き面を提供することができる。セクション460は、電極428と疎水性外層422とを含むカバー110並びにマイクロ流体回路材料108も含み、マイクロ流体回路材料108は、ベース104をカバー110に接続し、不混和性流体を保持するように構成されるエンクロージャ435を含め、エレクトロウェッティングセクションのマイクロ流体回路を画定するのに更に役立つ。
マイクロ流体デバイス450のセクション470は、誘電泳動DEP構成を含み、この構成は、ベース104、第1の電極479、電極活性化基板474、及びエンクロージャ475を部分的に画定する内向き面を含む。セクション470は、電極468を含むカバー110と、ベース104をカバー110に接続し、DEPセクションのマクロ流体回路の画定に更に役立つマイクロ流体回路材料108とを更に含む。
図4に示されるように、エレクトロウェッティングセクション460及びDEPセクション470は、同じベース104及びカバー110を共有することができ、一方、基板及び電極は共有されない。デバイス450のエレクトロウェッティングセクション460及びDEPセクション470は、ブリッジ465によって接合することができ、ブリッジ465は、管、接着材料等、又はそれらの任意の組み合わせであり得る。
図5は、様々な実施形態による、複数のマイクロ流体用途を統合したマイクロ流体デバイス又は装置500の垂直断面図である。デバイス400のように、デバイス500は、2つの異なるセクションを含み(しかし、3つ以上の異なるセクションがあってもよい)、各セクションは、単一のマイクロ流体構成を有する。特に、セクション460は、エレクトロウェッティング構成を含み、セクション470は、DEP構成を含む。デバイス500の様々な構成要素は、対応する参照符号で示されるように、デバイス400における構成要素と対応する部品を有する。しかし、デバイス500は、導電層416、第1の電極418、及び第2の電極428を有するモノリシック基板を有し、これらは全てセクション460及び470の両方により共有される。
図19A及び図19Bは、図5と併せて示した実施形態による1つの機能態様での電気的に対処する動作表現の図を提供する。図5と併せて先に説明したように、システムは、モノリシック基板416を共有するDEPモジュール及びEWモジュールにより示されるように、2つのマイクロ流体動作を統合する。この実施形態では、DEP(OETであり得る)モジュールは、EWモジュールよりも低いインピーダンスを有する。動作中、EWモジュールのインピーダンスは、DEPモジュールのインピーダンスを克服し、基本的にDEPモジュールを短絡させる。
図19Aに示される一実施形態では、OEPモジュールは、100kHz〜10mHzの範囲の周波数において1ボルト〜10ボルトの範囲の電圧を印加することにより動作する。同じ実施形態において、図19Bに示されるように、OEWモジュールは、1kHz〜300kHzの範囲の周波数において10ボルト〜100ボルトの範囲の動作を印加することにより動作する。好ましい一実施形態では、OEPモジュールは、1Mhzの周波数において5ボルトの電圧を印加することにより動作し、OEWモジュールは、30kHzの周波数において30ボルトの電圧を印加することにより動作する。
隔離ペン。一般的な隔離ペン224、226、及び228の非限定的な例は、図2A〜図2Cに示されるマイクロ流体デバイス230内に示されている。各隔離ペン224、226、及び228は、分離領域240と、分離領域240をチャネル122に流体接続する接続領域236とを画定する分離構造体232を含むことができる。接続領域236は、チャネル122への基端開口部234及び分離領域240への先端開口部238を含むことができる。接続領域236は、チャネル122から隔離ペン224、226、228内に流れる流体培地(図示せず)のフローの最大侵入深さが分離領域240内に及ばないように構成され得る。したがって、接続領域236に起因して、隔離ペン224、226、228の分離領域240内に配置された微小物体(図示せず)又は他の材料(図示せず)は、チャネル122内の培地180のフローから分離され、チャネル122内の培地180のフローにより実質的に影響されないことができる。
図2A〜図2Cの隔離ペン224、226、及び228は、チャネル122に対して直接開く単一の開口部をそれぞれ有する。隔離ペンの開口部は、チャネル122から横に開く。電極活性化基板206がチャネル122及び隔離ペン224、226、及び228の両方の下にある。隔離ペンのフロアを形成する、隔離ペンのエンクロージャ内の電極活性化基板206の上面は、マイクロ流体デバイスのフローチャネル(又はそれぞれフロー領域)のフロアを形成する、チャネル122(又はチャネルが存在しない場合、フロー領域)内の電極活性化基板206の上面と同じ高さ又は略同じ高さに配置される。電極活性化基板206は、特徴を有さなくてもよく、又は約3μm未満、約2.5μm未満、約2μm未満、約1.5μm未満、約1μm未満、約0.9μm未満、約0.5μm未満、約0.4μm未満、約0.2μm未満、約0.1μm未満、又はそれを下回って最高隆起部から最低陥没部まで変化する不規則又はパターン化表面を有してもよい。チャネル122(図示せず)及び隔離ペンの両方にわたる基板の上面の隆起の変動は、隔離ペンの壁の高さ又はマイクロ流体デバイスの壁の高さの約3%未満、約2%未満、約1%未満、約0.9%未満、約0.8%未満、約0.5%未満、約0.3%未満、又は約0.1%未満であり得る。マイクロ流体デバイス200について詳細に説明したが、これは、本明細書に記載される任意のマイクロ流体デバイス100、230、250、280、290、600、700にも当てはまる。
したがって、チャネル122は掃引領域の例であり得、隔離ペン224、226、228の分離領域240は非掃引領域の例であり得る。述べたように、チャネル122及び隔離ペン224、226、228は、1つ又は複数の流体培地180を含むように構成され得る。図2A〜図2Bに示される例では、ポート222はチャネル122に接続され、流体培地180がマイクロ流体デバイス230内に導入又は外に取り出せるようにすることができる。流体培地180を導入する前に、マイクロ流体デバイスは、二酸化炭素ガス等のガスでプライミングし得る。マイクロ流体デバイス230が流体培地180を含むと、チャネル122内の流体培地180のフロー242は選択的に生成及び停止させることができる。例えば、示されるように、ポート222はチャネル122の異なる位置(例えば、両端部)に配置することができ、流入口として機能するあるポート222から流出口として機能する別のポート222への培地のフロー242を生成することができる。
図2Cは、本発明による隔離ペン224の例の詳細図を示す。微小物体246の例も示されている。
既知のように、隔離ペン224の基端開口部234を越えたマイクロ流体チャネル122内の流体培地180のフロー242は、隔離ペン224内及び/又は外への培地180の2次フロー244を生じさせることができる。隔離ペン224の分離領域240内の微小物体246を2次フロー244から分離するために、隔離ペン224の接続領域236の長さLcon(すなわち、基端開口部234から先端開口部238まで)は、接続領域236への2次フロー244の侵入深さDよりも大きい値であるはずである。2次フロー244の侵入深さDは、チャネル122内を流れる流体培地180の速度並びにチャネル122及びチャネル122への接続領域236の基端開口部234の構成に関連する様々なパラメータに依存する。所与のマイクロ流体デバイスでは、チャネル122及び開口部234の構成は固定され、一方、チャネル122内の流体培地180のフロー242の速度は可変である。したがって、隔離ペン224毎に、2次フロー244の侵入深さDが接続領域236の長さLconを超えないことを保証するチャネル122内の流体培地180のフロー242の最高速度Vmaxを識別することができる。チャネル122内の流体培地180のフロー242の流量が最大速度Vmaxを超えない限り、結果として生成される、チャネル122及び接続領域236への2次フロー244を制限することができ、分離領域240に入らないようにすることができる。したがって、チャネル122内の培地180のフロー242は、微小物体246を分離領域240外に引き込まない。むしろ、分離領域240内に配置された微小物体246は、チャネル122内の流体培地180のフロー242に関係なく、分離領域240内に留まる。
更に、チャネル122内の培地180のフロー242の流量がVmaxを超えない限り、チャネル122内の流体培地180のフロー242は、様々な粒子(例えば、微粒子及び/又はナノ粒子)をチャネル122から隔離ペン224の分離領域240内に移動させない。したがって、接続領域236の長さLconを2次フロー244の最大侵入深さDよりも大きくすることで、ある隔離ペン224の、チャネル122又は別の隔離ペン(例えば、図2Dの隔離ペン226、228)からの様々な粒子による汚染を回避することができる。
チャネル122及び隔離ペン224、226、228の接続領域236は、チャネル122内の培地180のフロー242により影響を及ぼすことができるため、チャネル122及び接続領域236は、マイクロ流体デバイス230の掃引(又はフロー)領域と見なすことができる。他方、隔離ペン224、226、228の分離領域240は、非掃引(又は非フロー)領域と見なすことができる。例えば、チャネル122内の第1の流体培地180中の成分(図示せず)は、実質的に、チャネル122から接続領域236を通り分離領域240内の第2の流体培地248への第1の培地180の成分の拡散によってのみ、分離領域240内の第2の流体培地248と混合することができる。同様に、分離領域240内の第2の培地248の成分(図示せず)は、実質的に、分離領域240から接続領域236を通り、チャネル122内の第1の培地180への第2の培地248の成分の拡散によってのみ、チャネル122内の第1の培地180と混合することができる。幾つかの実施形態では、拡散による隔離ペンの分離領域とフロー領域との間での流体媒体交換の程度は、流体交換の約90%、約91%、約92%、約93%、約94%、約95%、約96%、約97%、約98%、又は約99%よりも高い割合である。第1の培地180は、第2の培地248と同じ培地であってもよく、又は異なる培地であってもよい。更に、第1の培地180及び第2の培地248は、同じ培地として開始され、異なるようになることができる(例えば、分離領域240内の1つ又は複数の細胞により又はチャネル122を通って流れる培地180を変更することにより、第2の培地248を調整することを通して)。
チャネル122内の流体培地180のフロー242により生じる2次フロー244の最大侵入深さDは、上述したように、幾つかのパラメータに依存し得る。そのようなパラメータの例としては、チャネル122の形状(例えば、チャネルは、培地を接続領域236に向けることができ、接続領域236から培地を逸らすことができ、又はチャネル122への接続領域236の基端開口部234に実質的に直交する方向に培地を向けることができる)、基端開口部234でのチャネル122の幅Wch(又は断面積)及び基端開口部234での接続領域236の幅Wcon(又は断面積)、チャネル122内の流体培地180のフロー242の速度V、第1の培地180及び/又は第2の培地248の粘度等が挙げられる。
幾つかの実施形態では、チャネル122及び隔離ペン224、226、228の寸法は、チャネル122内の流体培地180のフロー242のベクトルに対して以下のように向けることができる:チャネル幅Wch(又はチャネル122の断面積)は、培地180のフロー242に略直交することができ、開口部234での接続領域236の幅Wcon(又は断面積)は、チャネル122内の培地180のフロー242に略平行であり得、及び/又は接続領域の長さLconは、チャネル122内の培地180のフロー242に略直交することができる。上記は単なる例であり、チャネル122及び隔離ペン224、226、228の相対位置は、互いに対して他の向きであり得る。
図2Cに示されるように、接続領域236の幅Wconは、基端開口部234から先端開口部238まで均一であり得る。したがって、先端開口部238での接続領域236の幅Wconは、基端開口部234での接続領域236の幅Wconについて本明細書において識別された任意の範囲内にあり得る。代替的に、先端開口部238での接続領域236の幅Wconは、基端開口部234での接続領域236の幅Wconよりも大きい値であり得る。
図2Cに示されるように、先端開口部238での分離領域240の幅は、基端開口部234での基端領域236の幅Wconと略同じであり得る。したがって、先端開口部238での分離領域240の幅は、基端開口部234での接続領域236の幅Wconについて本明細書において識別された任意の範囲内であり得る。代替的に、先端開口部238での分離領域240の幅は、基端開口部234での接続領域236の幅Wconよりも大きくてもよく、又は小さくてもよい。更に、先端開口部238は基端開口部234よりも小さくてよく、接続領域236の幅Wconは、基端開口部234と先端開口部238との間で狭め得る。例えば、接続領域236は、様々な異なるジオメトリ(例えば、接続領域を面取りする、接続領域に勾配を付ける)を使用して基端開口部と先端開口部との間で狭め得る。更に、接続領域236の任意の部分又はサブ部分を狭め得る(例えば、基端開口部234に隣接する接続領域の部分)。
図2D〜図2Fは、図1の各マイクロ流体デバイス100、回路132、及びチャネル134の変形形態であるマイクロ流体回路262及びフローチャネル264を含むマイクロ流体デバイス250の別の例示的な実施形態を示す。マイクロ流体デバイス250は、上述した隔離ペン124、126、128、130、224、226、又は228の追加の変形形態である複数の隔離ペン266も有する。特に、図2D〜図2Fに示されるデバイス250の隔離ペン266をデバイス100、200、230、280、290、又は320での上述した隔離ペン124、126、128、130、224、226、又は228のいずれかで置換可能なことを理解されたい。同様に、マイクロ流体デバイス250は、マイクロ流体デバイス100の別の変形形態であり、上述したマイクロ流体デバイス100、200、230、280、290、320と同じ又は異なるDEP構成及び本明細書に記載される任意の他のマイクロ流体システム構成要素を有することもできる。
図2D〜図2Fのマイクロ流体デバイス250は、支持構造体(図2D〜図2Fでは見えないが、図1Aに示されるデバイス100の支持構造体104と同じ又は概して同様であり得る)、マイクロ流体回路構造256、及びカバー(図2F〜図2Fでは見えないが、図1Aに示されるデバイス100のカバー122と同じ又は概して同様であり得る)を含む。マイクロ流体回路構造256は枠252及びマイクロ流体回路材料260を含み、これらは図1Aに示されるデバイス100の枠114及びマイクロ流体回路材料116と同じ又は概して同様であり得る。図2Dに示されるように、マイクロ流体回路材料260により画定されるマイクロ流体回路262は複数のチャネル264(2つが示されるが、より多くのチャネルがあり得る)を含むことができ、チャネル264に複数の隔離ペン266が流体接続される。
各隔離ペン266は、分離構造272、分離構造272内の分離領域270、及び接続領域268を含むことができる。チャネル264の基端開口部274から分離構造272での先端開口部276まで、接続領域268はチャネル264を分離領域270に流体接続する。一般に、図2B及び図2Cの上記考察によれば、チャネル264内の第1の流体培地254のフロー278は、チャネル264から隔離ペン266の各接続領域268内及び/又は外への第1の培地254の2次フロー282をもたらすことができる。
図2Eに示されるように、各隔離ペン266の接続領域268は、一般に、チャネル264の基端開口部274と分離構造272の先端開口部276との間に延びるエリアを含む。接続領域268の長さLconは、2次フロー282の最大侵入深さDよりも大きい値であり得、その場合、2次フロー282は、分離領域270に向かってリダイレクトされずに接続領域268内に延びる(図2Dに示されるように)。代替的に、図2Fに示されるように、接続領域268は、最大侵入深さDよりも小さい長さLconを有することができ、その場合、2次フロー282は、接続領域268を通って延び、分離領域270に向かってリダイレクトされる。この後者の状況では、接続領域268の長さLc1及びLc2との和は最大侵入深さDよりも大きく、したがって、2次フロー282は分離領域270内に延びない。接続領域268の長さLconが侵入深さDよりも大きいか否か又は接続領域268の長さLc1及びLc2の和が侵入深さDよりも大きいか否かに関係なく、最大速度Vmaxを超えないチャネル264内の第1の培地254のフロー278は、侵入深さDを有する2次フローをもたらし、隔離ペン266の分離領域270内の微小物体(示されていないが、図2Cに示される微小物体246と同じ又は概して同様であり得る)は、チャネル264内の第1の培地254のフロー278により分離領域270外に引き出されない。チャネル264内のフロー278は、様々な材料(図示せず)もチャネル264から隔離ペン266の分離領域270内に引き込まない。したがって、チャネル264内の第1の培地254内の成分をチャネル264から隔離ペン266の分離領域270内の第2の培地258内に移動させることができる唯一の機構は、拡散である。同様に、隔離ペン266の分離領域270内の第2の培地258内の成分を分離領域270からチャネル264内の第1の培地254内に移動させることができる唯一の機構も拡散である。第1の培地254は、第2の培地258と同じ培地であり得、又は第1の培地254は、第2の培地258と異なる培地であり得る。代替的に、第1の培地254及び第2の培地258は、同じ培地から始まり、例えば、分離領域270内の1つ又は複数の細胞により又はチャネル264を通って流れる培地を変更することにより、第2の培地を調整することを通して異なるようになることができる。
図2Eに示されるように、チャネル264内のチャネル264の幅Wch(すなわち、図2Dにおいて矢印278で示されるチャネルを通る流体培地フローの方向を横断してとられる)は、基端開口部274の幅Wcon1に略直交することができ、したがって、先端開口部276の幅Wcon2に略平行であり得る。しかし、基端開口部274の幅con1及び先端開口部276の幅Wcon2は、互いに略直交する必要はない。例えば、基端開口部274の幅Wcon1が向けられる軸(図示せず)と、先端開口部276の幅Wcon2が向けられる別の軸との間の角度は、直交以外であり得、したがって、90°以外であり得る。代替的に向けられる角度の例としては、以下の任意の範囲内の角度を含む:約30°〜約90°、約45°〜約90°、約60°〜約90°等。
隔離ペンの様々な実施形態(例えば、124、126、128、130、224、226、228、又は266)では、分離領域(例えば、240又は270)は、複数の微小物体を含むように構成される。他の実施形態では、分離領域は、1つのみ、2つ、3つ、4つ、5つ、又は同様の相対的に少数の微小物体を含むように構成され得る。したがって、分離領域の容積は、例えば、少なくとも1×10立方μm、少なくとも2×10立方μm、少なくとも4×10立方μm、少なくとも6×10立方μm、又はこれを超える大きさであり得る。
隔離ペンの様々な実施形態では、基端開口部(例えば、234)でのチャネル(例えば、122)の幅Wchは、以下の任意の範囲内であり得る:約50〜1000μm、約50〜500μm、約50〜400μm、約50〜300μm、約50〜250μm、約50〜200μm、約50〜150μm、約50〜100μm、約70〜500μm、約70〜400μm、約70〜300μm、約70〜250μm、約70〜200μm、約70〜150μm、約90〜400μm、90〜300μm、約90〜250μm、約90〜200μm、約90〜150μm、約100〜300μm、約100〜250μm、約100〜200μm、約100〜150μm、及び約100〜120μm。幾つかの他の実施形態では、基端開口部(例えば、234)におけるチャネル(例えば、122)の幅Wchは、約200〜800μm、約200〜700μm、又は約200〜600μmの範囲であり得る。上記は単なる例であり、チャネル122の幅Wchは、他の範囲(例えば、上記列挙された任意の端点により定義される範囲)であってもよい。更に、チャネル122の幅Wchは、隔離ペンの基端開口部以外のチャネルの領域において、これらの任意の範囲であるように選択することができる。
幾つかの実施形態では、隔離ペンは、約30〜約200μm又は約50〜約150μmの高さを有する。幾つかの実施形態では、隔離ペンは、約1×10〜約3×10平方μm、約2×10〜約2×10平方μm、約4×10〜約1×10平方μm、約2×10〜約5×10平方μm、約2×10〜約1×10平方μm、又は約2×10〜約2×10平方μmの断面積を有する。幾つかの実施形態では、接続領域は、約100〜約500μm、200〜約400μm、又は約200〜約300μmの断面幅を有する。
隔離ペンの様々な実施形態において、基端開口部(例えば、234)におけるチャネル(例えば、122)の高さHchは、以下の任意の範囲内であり得る:20〜100μm、20〜90μm、20〜80μm、20〜70μm、20〜60μm、20〜50μm、30〜100μm、30〜90μm、30〜80μm、30〜70μm、30〜60μm、30〜50μm、40〜100μm、40〜90μm、40〜80μm、40〜70μm、40〜60μm、又は40〜50μm。上記は単なる例であり、チャネル(例えば、122)の高さHchは、他の範囲(例えば、上記列挙された任意の端点により定義される範囲)であってもよい。チャネル122の高さHchは、隔離ペンの基端開口部以外のチャネルの領域において、これらの任意の範囲であるように選択することができる。
隔離ペンの様々な実施形態において、基端開口部(例えば、234)におけるチャネル(例えば、122)の断面積は、以下の任意の範囲内であり得る:500〜50,000平方μm、500〜40,000平方μm、500〜30,000平方μm、500〜25,000平方μm、500〜20,000平方μm、500〜15,000平方μm、500〜10,000平方μm、500〜7,500平方μm、500〜5,000平方μm、1,000〜25,000平方μm、1,000〜20,000平方μm、1,000〜15,000平方μm、1,000〜10,000平方μm、1,000〜7,500平方μm、1,000〜5,000平方μm、2,000〜20,000平方μm、2,000〜15,000平方μm、2,000〜10,000平方μm、2,000〜7,500平方μm、2,000〜6,000平方μm、3,000〜20,000平方μm、3,000〜15,000平方μm、3,000〜10,000平方μm、3,000〜7,500平方μm、又は3,000〜6,000平方μm。上記は単なる例であり、基端開口部(例えば、234)におけるチャネル(例えば、122)の断面積は、他の範囲(例えば、上記列挙された任意の端点により定義される範囲)であってもよい。
隔離ペンの様々な実施形態では、接続領域(例えば、236)の長さLconは、以下の任意の範囲内であり得る:約1〜600μm、5〜550μm、10〜500μm、15〜400μm、20〜300μm、20〜500μm、40〜400μm、60〜300μm、80〜200μm、又は約100〜150μm。上記は単なる例であり、接続領域(例えば、236)の長さLconは、上記例と異なる範囲(例えば、上記列挙される任意の終点により定義される範囲)内であることもできる。
隔離ペンの様々な実施形態では、基端開口部(例えば、234)での接続領域(例えば、236)の幅Wconは、以下の任意の範囲内であり得る:20〜500μm、20〜400μm、20〜300μm、20〜200μm、20〜150μm、20〜100μm、20〜80μm、20〜60μm、30〜400μm、30〜300μm、30〜200μm、30〜150μm、30〜100μm、30〜80μm、30〜60μm、40〜300μm、40〜200μm、40〜150μm、40〜100μm、40〜80μm、40〜60μm、50〜250μm、50〜200μm、50〜150μm、50〜100μm、50〜80μm、60〜200μm、60〜150μm、60〜100μm、60〜80μm、70〜150μm、70〜100μm、及び80〜100μm。上記は単なる例であり、基端開口部(例えば、234)の接続領域(例えば、236)の幅Wconは、上記例と異なることができる(例えば、上記列挙される任意の終点により定義される範囲)。
隔離ペンの様々な実施形態において、基端開口部(例えば、234)における接続領域(例えば、236)の幅Wconは、隔離ペンが意図される微小物体(例えば、T細胞、B細胞、卵子、又は胚であり得る生体細胞)の最大寸法と少なくとも同じ大きさであり得る。例えば、液滴が配置される隔離ペンの基端開口部234における接続領域236の幅Wconは、以下の任意の範囲であり得る:約100μm、約110μm、約120μm、約130μm、約140μm、約150μm、約160μm、約170μm、約180μm、約190μm、約200μm、約225μm、約250μm、約300μm、又は約100〜400μm、約120〜350μm、約140〜200〜200 300μm、又は約140〜200μm。上記は単なる例であり、基端開口部(例えば、234)における接続領域(例えば、236)の幅Wconは、上記例と異なってもよい(例えば、上記列挙される任意の端点により定義される範囲)。
隔離ペンの様々な実施形態において、接続領域の基端開口部の幅Wprは、隔離ペンが意図される微小物体(例えば、細胞等の生物学的微小物体)の最大寸法と少なくとも同じ大きさであり得る。例えば、幅Wprは、約50μm、約60μm、約100μm、約200μm、約300μm、又は約50〜300μm、約50〜200μm、約50〜100μm、約75〜150μm、約75〜100μm、又は約200〜300μmの範囲であり得る。
隔離ペンの様々な実施形態において、接続領域(例えば、236)の長さLconと基端開口部234における接続領域(例えば、236)の幅Wconとの比率は、以下の任意の比率以上であり得る:0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、又はこれを超える比率。上記は単なる例であり、接続領域236の長さLconと基端開口部234における接続領域236の幅Wconとの比率は、上記例と異なってもよい。
マイクロ流体デバイスの様々な実施形態100、200、230、250、280、290、320、600、700において、Vmaxは、約0.2μL/秒、約0.3μL/秒、約0.4μL/秒、約0.5μL/秒、約0.6μL/秒、約0.7μL/秒、約0.8μL/秒、約0.9μL/秒、約1.0μL/秒、約1.1μL/秒、約1.2μL/秒、約1.3μL/秒、約1.4μL/秒、又は約1.5μL/秒に設定することができる。
隔離ペンを有するマイクロ流体デバイスの様々な実施形態において、隔離ペンの分離領域(例えば、240)の容積は、例えば、少なくとも5×10立方μm、少なくとも8×10立方μm、少なくとも1×10立方μm、少なくとも2×10立方μm、少なくとも4×10立方μm、少なくとも6×10立方μm、少なくとも8×10立方μm、少なくとも1×10立方μm、少なくとも5×10立方μm、少なくとも1×10立方μm、少なくとも5×10立方μm、少なくとも8×10立方μm、又はそれを超える容積であり得る。隔離ペンを有するマイクロ流体デバイスの様々な実施形態において、隔離ペンの容積は、約5×10立方μm、約6×10立方μm、約8×10立方μm、約1×10立方μm、約2×10立方μm、約4×10立方μm、約8×10立方μm、約1×10立方μm、約3×10立方μm、約5×10立方μm、又は約8×10立方μm、又はそれを超える容積であり得る。幾つかの他の実施形態では、隔離ペンの容積は、約1ナノリットル〜約50ナノリットル、2ナノリットル〜約25ナノリットル、2ナノリットル〜約20ナノリットル、約2ナノリットル〜約15ナノリットル、又は約2ナノリットル〜約10ナノリットルであり得る。
様々な実施形態において、マイクロ流体デバイスは、本明細書に記載される任意の実施形態でのように構成された隔離ペンを有し、その場合、マイクロ流体デバイスは、約5〜約10個の隔離ペン、約10〜約50個の隔離ペン、約100〜約500個の隔離ペン、約200〜約1000個の隔離ペン、約500〜約1500個の隔離ペン、約1000〜約2000個の隔離ペン、又は約1000〜約3500個の隔離ペンを有する。隔離ペンは、全て同じサイズである必要はなく、様々な構成(例えば、異なる幅、隔離ペン内の異なる特徴を含み得る。
幾つかの他の実施形態では、マイクロ流体デバイスは、マイクロ流体デバイスが約1500〜約3000個の隔離ペン、約2000〜約3500個の隔離ペン、約2500〜約4000個の隔離ペン、約3000〜約4500個の隔離ペン、約3500〜約5000個の隔離ペン、約4000〜約5500個の隔離ペン、約4500〜約6000個の隔離ペン、約5000〜約6500個の隔離ペン、約5500〜約7000個の隔離ペン、約6000〜約7500個の隔離ペン、約6500〜約8000個の隔離ペン、約7000〜約8500個の隔離ペン、約7500〜約9000個の隔離ペン、約8000〜約9500個の隔離ペン、約8500〜約10,000個の隔離ペン、約9000〜約10,500個の隔離ペン、約9500〜約11,000個の隔離ペン、約10,000〜約11,500個の隔離ペン、約10,500〜約12,000個の隔離ペン、約11,000〜約12,500個の隔離ペン、約11,500〜約13,000個の隔離ペン、約12,000〜約13,500個の隔離ペン、約12,500〜約14,000個の隔離ペン、約13,000〜約14,500個の隔離ペン、約13,500〜約15,000個の隔離ペン、約14,000〜約15,500個の隔離ペン、約14,500〜約16,000個の隔離ペン、約15,000〜約16,500個の隔離ペン、約15,500〜約17,000個の隔離ペン、約16,000〜約17,500個の隔離ペン、約16,500〜約18,000個の隔離ペン、約17,000〜約18,500個の隔離ペン、約17,500〜約19,000個の隔離ペン、約18,000〜約19,500個の隔離ペン、約18,500〜約20,000個の隔離ペン、約19,000〜約20,500個の隔離ペン、約19,500〜約21,000個の隔離ペン、又は約20,000〜約21,500個の隔離ペンを有する、本明細書で考察される任意の実施形態でのように構成された隔離ペンを有する。
図2Cは、一実施形態によるマイクロ流体デバイス280を示す。マイクロ流体デバイス280は図2Gに示され、マイクロ流体デバイス100の定型化された図である。実際には、マイクロ流体デバイス280及びその構成回路要素(例えば、チャネル122及び隔離ペン128)は本明細書で考察された寸法を有する。図2Gに示されるマイクロ流体回路120は、2つのポート、及び4つの別個のチャネル122を有するフロー領域106を有する。マイクロ流体デバイス280は、各チャネル122に通じる複数の隔離ペンを更に含む。図2Gに示されるマイクロ流体デバイスでは、隔離ペンは、図2Cに示されるペンと同様のジオメトリを有し、したがって、接続領域及び分離領域の両方を有する。したがって、マイクロ流体回路120は、掃引領域(例えば、チャネル122及び2次フロー244の最大侵入深さD内の接続領域236の部分)及び非掃引領域(例えば、分離領域240及び2次フロー244の最大侵入深さD内にない接続領域236の部分)の両方を含む。
図3A〜図3Bは、本発明によるマイクロ流体デバイス(例えば、100、200、230、280、250、290、320)を動作させるため及び観測のために使用することができるシステム150の様々な実施形態を示す。図3Aに示されるように、システム150は、マイクロ流体デバイス100(図示せず)又は本明細書に記載される任意の他のマイクロ流体デバイスを保持するように構成された構造体(「ネスト」)300を含むことができる。ネスト300は、マイクロ流体デバイス320(例えば、光学的に作動される動電学的デバイス100)と界面を接することができ、電源192からマイクロ流体デバイス320への電気接続を提供することができるソケット302を含むことができる。ネスト300は、一体型電気信号生成サブシステム304を更に含むことができる。電気信号生成サブシステム304は、マイクロ流体デバイス320がソケット302により保持されているとき、バイアス電圧がマイクロ流体デバイス320内の電極の対にわたり印加されるように、バイアス電圧をソケット302に供給するように構成され得る。したがって、電気信号生成サブシステム304は電源192の部分であり得る。バイアス電圧をマイクロ流体デバイス320に印加する能力は、マイクロ流体デバイス320がソケット302により保持されている場合には常にバイアス電圧が印加されることを意味しない。むしろ、大半の場合、バイアス電圧は、断続的に、例えば、マイクロ流体デバイス320内での電気泳動又は電子ウェッティング等の動電力の生成を促進するために必要な場合にのみ印加される。
図3Aに示されるように、ネスト300は、プリント回路基板組立体(PCBA)322を含むことができる。電気信号生成サブシステム304は、PCBA322に搭載され、PCBA322に電気的に集積することができる。例示的な支持体は、同様にPCBA322に搭載されるソケット302も含む。
通常、電気信号生成サブシステム304は波形生成器(図示せず)を含む。電気信号生成サブシステム304は、波形生成器から受信される波形を増幅するように構成されたオシロスコープ(図示せず)及び/又は波形増幅回路(図示せず)を更に含むことができる。オシロスコープは、存在する場合、ソケット302により保持されるマイクロ流体デバイス320に供給される波形を測定するように構成され得る。特定の実施形態では、オシロスコープは、マイクロ流体デバイス320の基端位置(及び波形生成器の先端位置)において波形を測定し、それにより、デバイスに実際に印加されている波形を測定するに当たりより大きい精度を保証する。オシロスコープ測定から得られるデータは、例えば、フィードバックとして波形生成器に提供され得、波形生成器は、そのようなフィードバックに基づいて出力を調整するように構成され得る。適する結合された波形生成器及びオシロスコープの例は、Red Pitaya(商標)である。
特定の実施形態では、ネスト300は、電気信号生成サブシステム304の検知及び/又は制御に使用される、マイクロプロセッサ等のコントローラ308を更に含む。適するマイクロプロセッサの例としては、Arduino Nano(商標)等のArduino(商標)マイクロプロセッサが挙げられる。コントローラ308を使用して機能及び分析を実行し、又は外部マスタコントローラ154(図1Aに示される)と通信して機能及び分析を実行し得る。図3Aに示される実施形態では、コントローラ308は、インタフェース310(例えば、プラグ又はコネクタ)を通してマスタコントローラ154と通信する。
幾つかの実施形態では、ネスト300は、Red Pitaya(商標)波形生成器/オシロスコープユニット(「Red Pitayaユニット」)を含む電気信号生成サブシステム304と、Red Pitayaユニットにより生成された波形を増幅し、増幅電圧をマイクロ流体デバイス100に渡す波形増幅回路とを含むことができる。幾つかの実施形態では、Red Pitayaユニットは、マイクロ流体デバイス320での増幅電圧を測定し、次に、マイクロ流体デバイス320での測定電圧が所望の値であるように、必要に応じてそれ自体の出力電圧を調整するように構成される。幾つかの実施形態では、波形増幅回路は、PCBA322に搭載されるDC−DCコンバータの対により生成される+6.5V〜−6.5V電源を有することができ、その結果、マイクロ流体デバイス100において13Vppまでの信号が生成される。
図3Aに示されるように、支持構造体300は、熱制御サブシステム306を更に含むことができる。熱制御サブシステム306は、支持構造体300により保持されるマイクロ流体デバイス320の温度を調整するように構成され得る。例えば、熱制御サブシステム306は、ペルチェ熱電デバイス(図示せず)及び冷却ユニット(図示せず)を含むことができる。ペルチェ熱電デバイスは、マイクロ流体デバイス320の少なくとも1つの表面と界面を接するように構成された第1の表面を有することができる。冷却ユニットは、例えば、液冷アルミニウムブロック等の冷却ブロック(図示せず)であり得る。ペルチェ熱電デバイスの第2の表面(例えば、第1の表面とは逆の表面)は、そのような冷却ブロックの表面と界面を接するように構成され得る。冷却ブロックは、冷却ブロックを通して冷却流体を循環させるように構成された流体路314に接続することができる。図3Aに示される実施形態では、支持構造体300は、流入口316及び流出口318を含む、外部リザーバ(図示せず)から冷却された流体を受け取り、冷却された流体を流体路314に導入し、冷却ブロックを通し、次に、冷却された流体を外部リザーバに戻す。幾つかの実施形態では、ペルチェ熱電デバイス、冷却ユニット、及び/又は流体路314は、支持構造体300のケース312に搭載することができる。幾つかの実施形態では、熱制御サブシステム306は、ペルチェ熱電デバイスの温度を調整して、マイクロ流体デバイス320の標的温度を達成するように構成される。ペルチェ熱電デバイスの温度調整は、例えば、Pololu(商標)熱電電源(Pololu Robotics and Electronics Corp.)等の熱電電源により達成することができる。熱制御サブシステム306は、アナログ回路により提供される温度値等のフィードバック回路を含むことができる。代替的に、フィードバック回路はデジタル回路により提供され得る。
幾つかの実施形態では、ネスト300は、抵抗(例えば、抵抗1kオーム+/−0.1%、温度係数+/−0.02ppm/C0)及びNTCサーミスタ(例えば、公称抵抗1kオーム+/−0.01%を有する)を含むアナログ分圧回路(図示せず)であるフィードバック回路を有する熱制御サブシステム306を含むことができる。幾つかの場合、熱制御サブシステム306は、フィードバック回路からの電圧を測定し、次に、計算された温度値をオンボードPID制御ループアルゴリズムへの入力として使用する。PID制御ループアルゴリズムからの出力は、例えば、Pololu(商標)モーター駆動デバイス(図示せず)上の方向信号及びパルス幅変調信号ピンの両方を駆動して熱電電源を作動させることができ、それにより、ペルチェ熱電デバイスを制御する。
ネスト300はシリアルポート350を含むことができ、シリアルポート324により、コントローラ308のマイクロプロセッサは、インタフェース310(図示せず)を介して外部マスタコントローラ154と通信することができる。加えて、コントローラ308のマイクロプロセッサは、電気信号生成サブシステム304及び熱制御サブシステム306と通信することができる(例えば、Plinkツール(図示せず)を介して)。したがって、コントローラ308、インタフェース310、及びシリアルポート324の組合せを介して、電気信号生成サブシステム304及び熱制御サブシステム306は、外部マスタコントローラ154と通信することができる。このようにして、マスタコントローラ154は、特に、出力電圧調整のためにスケーリング計算を実行することにより電気信号生成サブシステム304を支援することができる。外部マスタコントローラ154に結合された表示デバイス170を介して提供されるグラフィカルユーザインタフェース(GUI)(図示せず)は、熱制御サブシステム306及び電気信号生成サブシステム304からそれぞれ得られる温度データ及び波形データをプロットするように構成され得る。代替的に又は追加として、GUIは、コントローラ308、熱制御サブシステム306、及び電気信号生成サブシステム304への更新を可能にすることができる。
上述したように、システム150は撮像デバイス194を含むことができる。幾つかの実施形態では、撮像デバイス194は光変調サブシステム330(図3B参照)を含む。光変調サブシステム330は、デジタルミラーデバイス(DMD)又はマイクロシャッタアレイシステム(MSA)を含むことができ、これらのいずれかは、光源332から光を受け取り、受け取った光のサブセットを顕微鏡350の光学縦列に送るように構成され得る。代替的に、光変調サブシステム330は、有機発行ダイオードディスプレイ(OLED)、液晶オンシリコン(LCOS)デバイス、強誘電性液晶オンシリコンデバイス(FLCOS)、又は透過型液晶ディスプレイ(LCD)等のそれ自体の光を生成する(したがって、光源332の必要性をなくす)デバイスを含むことができる。光変調サブシステム330は、例えば、プロジェクタであり得る。したがって、光変調サブシステム330は、構造化光及び非構造化光の両方を発することが可能であり得る。適する光変調サブシステム422の一例は、Andor Technologies(商標)のMosaic(商標)システムである。特定の実施形態では、システム150の撮像モジュール164及び/又は原動モジュール162は、光変調サブシステム330を制御することができる。
特定の実施形態では、撮像デバイス194は顕微鏡350を更に含む。そのような実施形態では、ネスト300及び光変調サブシステム330は、顕微鏡350に搭載されるように個々に構成され得る。顕微鏡350は、例えば、標準の研究等級の光学顕微鏡又は蛍光顕微鏡であるように構成され得る。したがって、ネスト300は、顕微鏡350のステージ344に搭載するように構成され得、及び/又は光変調サブシステム330は、顕微鏡350のポートに搭載されるように構成され得る。他の実施形態では、本明細書に記載されるネスト300及び光変調サブシステム330は、顕微鏡350の一体構成要素であり得る。
特定の実施形態では、顕微鏡350は1つ又は複数の検出器348を更に含むことができる。幾つかの実施形態では、検出器348は撮像モジュール164により制御される。検出器348は、接眼レンズ、電荷結合素子(CCD)、カメラ(例えば、デジタルカメラ)、又はそれらの任意の組合せを含むことができる。少なくとも2つの検出器348が存在する場合、1つの検出器は、例えば、高速フレームレートカメラであり得、一方、他の検出器は高感度カメラであり得る。更に、顕微鏡350は、マイクロ流体デバイス320から反射された光及び/又は発せられた光を受け取り、反射光及び/又は放射光の少なくとも部分を1つ又は複数の検出器348に結像するように構成された光学縦列を含むことができる。顕微鏡の光学縦列は、各検出器での最終倍率が異なることができるように、異なる検出器で異なるチューブレンズ(図示せず)を含むこともできる。
特定の実施形態では、撮像デバイス194は、少なくとも2つの光源を使用するように構成される。例えば、第1の光源332は構造化光の生成(例えば、光変調サブシステム330を介した)に使用することができ、第2の光源334は非構造化光の提供に使用することができる。第1の光源332は、光学的に作動される動電学的及び/又は蛍光励起のために構造化光を生成することができ、第2の光源334は、明視野照明の提供に使用することができる。これらの実施形態では、原動モジュール164を使用して第1の光源332を制御することができ、撮像モジュール164を使用して第2の光源334を制御することができる。顕微鏡350の光学縦列は、(1)デバイスがネスト300により保持されているとき、構造化光を光変調サブシステム330から受け取り、構造化光を光学作動式動電学的デバイス等のマイクロ流体デバイス内の少なくとも第1の領域で結像し、(2)マイクロ流体デバイスから反射された光及び/又は発せられた光を受け取り、そのような反射光及び/又は放射光の少なくとも部分を検出器348上に結像するように構成され得る。光学縦列は、デバイスがネスト300により保持されているとき、非構造化光を第2の光源から受け取り、非構造化光をマイクロ流体デバイスの少なくとも第2の領域で結像するように更に構成され得る。特定の実施形態では、マイクロ流体デバイスの第1及び第2の領域は重複領域であり得る。例えば、第1の領域は、第2の領域のサブセットであり得る。
図3Bでは、光を光変調サブシステム330に供給している第1の光源332が示されており、光変調サブシステム330は構造化光をシステム355(図示せず)の顕微鏡350の光学縦列に提供する。ビームスプリッタ336を介して非構造化光を光学縦列に提供している第2の光源334が示される。光変調サブシステム330からの構造化光及びに示されるように、第2の光源334からの非構造化光は、ビームスプリッタ336から光学縦列を通って一緒に移動して、第2のビームスプリッタ(又は光変調サブシステム330によって提供される光に応じて、ダイクロイックフィルタ338)に到達し、ここで、光は反射し、対物レンズ336を通して試料面342まで下がる。次に、試料面342からの反射光及び/又は放射光は再び対物レンズ340を通って移動し、ビームスプリッタ及び/又はダイクロイックフィルタ338を通り、ダイクロイックフィルタ346に到達する。ダイクロイックフィルタ346に達する光の一部のみが透過され、検出器348に到達する。
幾つかの実施形態では、第2の光源334は青色光を発する。適切なダイクロイックフィルタ346を用いて、試料面342から反射された青色光は、ダイクロイックフィルタ346を透過し、検出器348に到達することが可能である。これとは対照的に、光変調サブシステム330から来る構造化光は、試料面342で反射されるが、ダイクロイックフィルタ346を透過しない。この例では、ダイクロイックフィルタ346は、495nmよりも長い波長を有する可視光を濾波して除外する。光変調サブシステム330からの光のそのような濾波は、光変調サブシステムから発せられる光が495nmよりも短いいかなる波長も含まない場合にのみ完了する(示されるように)。実際には、光変調サブシステム330から来る光が495nmよりも短い波長(例えば、青色波長)を含む場合、光変調サブシステムからの光の幾らかがフィルタ346を透過して検出器348に到達する。そのような実施形態では、フィルタ346は、第1の光源332から検出器348に到達する光の量と第2の光源334から検出器348に到達する光の量とのバランスを変更する役割を果たす。これは、第1の光源332が第2の光源334よりもはるかに強力な場合、有益であり得る。他の実施形態では、第2の光源334は、赤色光を発することができ、ダイクロイックフィルタ346は、赤色光以外の可視光(例えば、650nmよりも短い波長を有する可視光)を濾波して除外することができる。
表面修飾。生体材料を操作し貯蔵するための材料、デバイス、及び/又は装置の表面は、限定ではなく、微小物体(限定ではなく、生体細胞等の生物学的微小物体を含む)、生体分子、生体分子又は生物学的微小物体の断片、及びそれらの任意の組み合わせを含み得るそのような材料との短期及び/又は長期の接触に最適化されていない生来の特性を有し得る。1つ又は複数の生体材料に接触する生来の表面に関連する1つ又は複数の望ましくない減少を低減するように、材料、デバイス、又は装置の1つ又は複数の表面を修飾することが有用であり得る。他の実施形態では、望ましい特性を表面に導入し、それにより、材料、デバイス、及び/又は装置の取り扱い能力、操作能力、又は処理能力を拡張するように材料、デバイス、及び/又は装置の表面特性を改善することが有用であり得る。そのために、望ましくない特性を低減するか、又は望ましい特性を導入するように表面を修飾することができる分子が必要とされる。
表面の修飾に有用な化合物。様々な実施形態において、表面修飾化合物は、結合した表面を共有修飾するアルキル部分等の非ポリマー部分又はフルオロアルキル部分(限定ではなく、ペルフルオロアルキルを含む)等の置換アルキル部分であり得る表面修飾リガンドを含み得る。表面修飾化合物は接続部分も含み、接続部分は、式1に概略的に示されるように、表面修飾リガンドを表面に共通結合した基である。共有修飾された表面は、結合基LGを介して結合した表面修飾リガンドを有し、表面修飾リガンドは、接続部分と表面の官能基との反応の産物である(水酸化物、酸化物、アミン、又は硫黄を含む)。
Figure 2018535088
幾つかの実施形態では、表面修飾化合物は、直鎖(例えば、少なくとも10個の炭素、又は少なくとも14個、少なくとも16個、少なくとも18個、少なくとも20個、少なくとも22個、又はそれよりも多数の炭素の直鎖)を形成する炭素原子を含み得、非分岐アルキル部分であり得る。幾つかの実施形態では、アルキル基は、置換アルキル基(例えば、アルキル基内の炭素の幾つかはフッ素化又は全フッ素化することができる)を含み得る。幾つかの実施形態では、アルキル基は、第1のセグメントを含み得、第1のセグメントは、非置換アルキル基を含み得る第2のセグメントに結合する、ペルフルオロアルキル基を含み得、ここで、第1のセグメント及び第2のセグメントは、直接又は間接的(例えば、エーテル結合により)に結合し得る。アルキル基の第1のセグメントは、結合基の先端部に配置し得、アルキル基の第2のセグメントは接続部分の近傍に配置し得る。
様々な実施形態では、表面修飾化合物は、式I:
Figure 2018535088

の構造を有し得、式中、接続部分Vは、−P(O)(OH)Q−又は−Si(T)Wであり、Wは、−T、−SH、又は−NHであり、且つ表面に接続するように構成された部分であり、Qは、−OHであり、且つ表面に接続するように構成された部分であり、Tは、OH、OC1−3アルキル、又はClである。Rは、水素又はフッ素であり、Mは、水素又はフッ素である。hの各インスタンスは、独立して2又は3の整数であり、jは、0又は1であり、kは、0又は1であり、mは、0又は1〜25の整数であり、nは、0又は1〜25の整数である。幾つかの実施形態では、(n+[(h+j)・k]+m)の和は、11〜25の整数であり得る。幾つかの実施形態では、Mは、水素である。様々な実施形態では、mは、2である。幾つかの実施形態では、kは、0である。他の実施形態では、kは、1である。様々な実施形態では、jは、1である。式Iの化合物では、kが1の整数である場合、mは、少なくとも2であり得、且つMは、水素である。式Iの化合物では、kが0であり、且つRがフッ素である場合、mは、少なくとも2であり得、且つMは、水素である。
様々な実施形態では、表面修飾化合物が式Iの構造を有する場合、接続部分Vは、−Si(T)Wであり得、式中、T及びWは、上記のように定義される。Wは、OC1−3アルキル又はClであり得る。Wは、メトキシ、エトキシ、又はプロポキシであり得る。幾つかの実施形態では、Wは、メトキシであり得る。Tは、OC1−3アルキル又はClであり得る。様々な実施形態では、接続部分Vは、−Si(OMe)である。様々な他の実施形態では、Vは、−P(O)(OH)Qであり得、式中、Qは、OHである。
式Iの表面修飾化合物は、化合物の直鎖骨格を構成する好ましい範囲の原子数を有し得る。上記で定義されたように、式Iの化合物を構成する各セグメントは様々なサイズを有し得る。したがって、式Iの化合物は、(n+[(h+j)・k]+m)が25に等しいように、上記で定義されたような反復単位を有し得、これは、接続部分に結合される末端CR−基を含め、原子26個分の全長をもたらす。25に等しい(n+[(h+j)・k]+m)の場合、様々な異なる組成を含むことができる。例えば、セグメント−[CR−はn=23を有し得、−[(CH−(O)−はk=0を有し得、−[CM−はm=2を有し得る。同じ合計(n+[(h+j)・k]+m)が25に等しい別の場合は、−[CR−(式中、n=6である);−[(CH2)h−(O)j]k−(式中、k=3である)を有し得、j=1及びh=2を含み;−[CM−はm=4を有し得る。
幾つかの実施形態では、(n+[(h+j)・k]+m)の和は、11、13、15、17、又は21であり得る。他の実施形態では、(n+[(h+j)・k]+m)の和は、15又は17であり得る。更に他の実施形態では、(n+[(h+j)・k]+m)の和は、13又は15であり得る。
幾つかの実施形態では、1つ又は複数のエーテル結合が式Iの化合物中に存在し得る。幾つかの実施形態では、jは、1であり得る。幾つかの実施形態では、k及びjが両方とも1である場合、mは、少なくとも2であり得る。
更に他の実施形態では、骨格炭素をフッ素化し得る。幾つかの実施形態では、骨格炭素を全フッ素化し得、その場合、CR−、及び/又は−[CR−、及び/又は−[CM−の各Rをフッ素化し得る。幾つかの実施形態では、化合物のあるセクションは、フッ素化される炭素骨格原子を有し得、化合物の他のセクションは、水素で置換される炭素骨格原子を有し得る。例えば、幾つかの実施形態では、CR−セグメント及び−[CR−セグメントは、フッ素非骨格置換基を有し得(例えば、Rはフッ素である)、一方、−[CM]−セグメントは水素非骨格置換基を有し得る(例えば、Mは、水素である)。幾つかの実施形態では、Rがフッ素である場合、kは、0である。他の実施形態では、Rは、フッ素であり得、kは、1であり、jは、1であり、且つhは、2である。様々な実施形態では、Mは、水素であり得る。
更に他の実施形態では、式Iの化合物は、後述するように、オレフィンのヒドロシリル化から合成し得、この場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素である。幾つかの実施形態では、mは、2であり、且つMは、水素である。
式Iの様々な化合物の幾つかは、以下の式で記述される化合物のサブセットでより容易見られ得るが、これらの式は、式Iの範囲を決して限定しない。
幾つかの実施形態では、式Iの化合物は、式110:
CH(CHSi(OC1〜3アルキル)
式110
の化合物を含み得、式中、mは、9〜23の整数である。幾つかの実施形態では、mは、11、13、15、17、又は19であり得る。幾つかの他の実施形態では、mは、13又は15であり得る。
他の実施形態では、式Iの化合物は、式111:
CF(CF(CHSi(OC1〜3アルキル)
式111
の化合部を含み得、式中、nは、9〜22の整数である。代替的に、nは、11〜17の整数であり得る。幾つかの他の実施形態では、nは、9、11、13、又は15であり得る。幾つかの実施形態では、nは、13又は15であり得る。
更に他の実施形態では、式Iの化合物は、式112:
CR(CR(CH2)O(CHSi(OC1〜3アルキル)
式112
の化合物を含み得、式中、nは、3〜19の整数であり、hは、2又は3であり、且つmは、2〜18の整数である。幾つかの実施形態では、Rは、フッ素であり得る。幾つかの実施形態では、nは、3〜11の整数であり、hは、2であり得、且つmは、2〜15の整数であり得る。
代替的に、式Iの化合物は、式113:
CR(CR(CMP(O)(OH)
式113
の化合部を含み得、式中、nは、3〜21の整数であり、且つmは、2〜21の整数である。式113の化合物の幾つかの実施形態では、Rは、フッ素であり得る。幾つかの実施形態では、Mは、水素であり得る。様々な実施形態では、nは、5、7、9、又は11であり得る。他の実施形態では、mは、2、4、5、7、9、11、又は13であり得る。
修飾の表面。式Iの化合物を含め、本明細書に記載される表面修飾化合物により修飾可能な表面は、金属、金属酸化物、ガラス、又はポリマーであり得る。共有修飾された表面をその中に有し得る幾つかの材料は、限定ではなく、ケイ素及びその酸化物、シリコーン、アルミニウム又はその酸化物(Al)、インジウムタンタル酸化物(ITO)、二酸化チタン(TiO)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ハフニウム(IV)(HfO)、酸化タンタル(V)(Ta)、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。表面は、これらの材料のウェーハ若しくはシートであってもよく、又は装置若しくはデバイス内に組み込まれてもよい。幾つかの実施形態では、これらの任意の材料を含む表面は、本明細書に記載されるマイクロ流体デバイス内に組み込み得る。
ポリマーは任意の適するポリマーを含み得る。適するポリマーとしては、限定ではなく、(例えば、ゴム、プラスチック、エラストマー、シリコーン、又は有機シリコーン、例えばポリジメチルシロキサン(「PDMS」)等)を挙げ得、ガス透過性であり得る。他の例としては、成形ガラス、パターン化可能な材料、例えばシリコーンポリマー(例えば、光パターン化可能シリコーン又は「PPS」)、又はフォトレジスト(例えば、SU8等のエポキシ系フォトレジスト)等を挙げることができる。他の実施形態では、天然繊維又は木材等の材料の表面は、式Iの化合物を含め、本明細書に記載される表面修飾化合物により、共有修飾された表面を導入するように機能化し得る。
修飾される表面は、水酸化物、アミノ、及びチオールを含むがこれに限定されない求核部分を含み得る。表面の求核部分(例えば、水酸化物(幾つかの実施形態では、酸化物と呼ばれる))は、式Iの化合物を含め、本明細書に記載される表面修飾化合物と反応して、シロキシ結合基又はホスホン酸塩結合基を介して表面収束リガンドを表面に共有結合し、機能化表面を提供し得る。修飾される表面は、生来の求核部分を含むこともあれば、又は試剤(例えば、ピラニア溶液)を用いて若しくはプラズマ処理により処理して、求核部分(例えば、水酸化物(代替的に酸化物と呼ばれる))を導入することもある。
幾つかの実施形態では、表面は、上記の任意の単独の又は任意の組み合わせでの材料から形成し得る。表面は半導体基板を含み得る。様々な実施形態では、半導体基板を含む表面は、本明細書に記載されるDEP基板又はEW基板を更に含み得る。幾つかの実施形態では、DEP基板又はEW基板を有する半導体基板を含む表面は、本明細書に記載されるマイクロ流体デバイスの一部であり得る。
幾つかの実施形態では、修飾表面は、本明細書に記載されるマイクロ流体デバイスの少なくとも1つの内向き面であり得る。少なくとも1つの表面は、マイクロ流体デバイスのフロー領域の部分(チャネルを含み得る)であってもよく、又は本明細書に記載される隔離ペンを含み得る、ペン等の囲まれた構造の表面を含んでもよい。
共有修飾表面。共有修飾表面は、表面修飾リガンドを含み得、表面修飾リガンドは、アルキル部分等の非非ポリマー部分、フルオロアルキル部分(ペルフルオロアルキル部分を含むがこれに限定されない)等の置換アルキル部分であり得、接続部分と表面との反応から生成される部分である結合基を介して表面に共有結合する、上述した任意の表面修飾リガンドであり得る。結合基は、シロキシ結合基又はホスホン酸塩結合基であり得る。
幾つかの実施形態では、表面修飾リガンドは、直鎖(例えば、少なくとも10個の炭素、又は少なくとも14個、少なくとも16個、少なくとも18個、少なくとも20個、少なくとも22個、又はそれよりも多数の炭素の直鎖)を形成する炭素原子を含み得、非分岐アルキル部分であり得る。幾つかの実施形態では、アルキル基は置換アルキル基(例えば、アルキル基内の炭素の幾つかはフッ素化又は全フッ素化することができる)を含み得る。幾つかの実施形態では、アルキル基は、第1のセグメントを含み得、第1のセグメントは、非置換アルキル基を含み得る第2のセグメントに結合する、ペルフルオロアルキル基を含み得、ここで、第1のセグメント及び第2のセグメントは、直接又は間接的(例えば、エーテル結合により)に結合し得る。アルキル基の第1のセグメントは、結合基の先端部に配置し得、アルキル基の第2のセグメントは、接続部分の近傍に配置し得る。
式IIの共有修飾表面。幾つかの実施形態では、共有修飾表面は、式II:
Figure 2018535088

の構造を有し、式中、表面であり、Vは、−P(O)(OY)W−又は−Si(OZ)Wである。Wは、−O−、−S−、又は−NH−であり、且つ表面に接続する。Zは、表面に結合した隣接ケイ素原子への結合であるか、又は表面への結合である。Yは、表面に結合した隣接リン原子への結合であるか、又は表面への結合である。式IIの共有修飾表面では、R、M、h、j、k、m、及びnは、上記で定義されるようなものである。kが1の整数である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素である。kが0であり、且つRがフッ素である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素である。式IIの共有修飾表面は、式IIAでのように、結合基LGを介して結合した表面修飾リガンドとして説明することができ、ここで、LGは、表面に結合する。
Figure 2018535088

共有修飾表面は、式Iの表面修飾化合物について上述したように、式IIの任意の表面を任意の組み合わせで含み得る。
幾つかの実施形態では、式IIの共有修飾表面は、式210:
Figure 2018535088

の表面であり得、式中、
Figure 2018535088

は、表面であり、ケイ素原子に結合した酸素も表面に結合し、mは、11〜23の整数である。幾つかの実施形態では、mは、11、13、15、17、又は19であり得る。幾つかの他の実施形態では、mは、13又は15であり得る。
幾つかの他の実施形態では、式IIの共有修飾表面は、式211:
Figure 2018535088

の表面であり得、式中、
Figure 2018535088

は、表面であり、ケイ素原子に結合した酸素も表面に結合し、nは、9〜22の整数であり得る。代替的に、nは、11〜17の整数であり得る。幾つかの他の実施形態では、nは、7、9、11、13、又は15であり得る。幾つかの実施形態では、nは、13又は15であり得る。
更に他の実施形態では、式IIの共有修飾表面は、式212:
Figure 2018535088

の表面であり得、式中、
Figure 2018535088

は、表面であり、ケイ素原子に結合した酸素も表面に結合し、nは、3〜21の整数であり、hは、2又は3の整数であり、mは、2〜21の整数である。幾つかの実施形態では、Rは、フッ素であり得る。幾つかの実施形態では、nは、3〜11であり得、hは、2であり得、mは、2〜15の整数であり得る。
代替的に、式IIの共有修飾表面は、式213:
Figure 2018535088

の表面を有し得、式中、
Figure 2018535088

は、表面であり、リン原子に結合した酸素も表面に結合し、nは、3〜21の整数であり、mは、2〜21の整数である。式113の化合物の幾つかの実施形態では、Rは、フッ素であり得る。幾つかの実施形態では、Mは、水素であり得る。様々な実施形態では、nは、5、7、9、又は11であり得る。他の実施形態では、mは、2、4、5、7、9、11、又は13であり得る。
幾つかの実施形態では、マイクロ流体デバイスは、第1の流入口及び第1の流出口に流体的に接続されるフロー領域を含み、フロー領域は、第1の流体媒体のフローを含むように構成される。マイクロ流体デバイスは、フロー領域への1つ又は複数のチャンバ開口部を含み得る。共有修飾表面は、マイクロ流体デバイスの共有修飾基板であり得、フロー領域及び/又は少なくとも1つのチャンバの下にあり得る。幾つかの実施形態では、流体に面するように構成されたマイクロ流体デバイスの全て又は略全ての内面は、式IIの共有修飾表面を有する。
図2Hは、例示的な共有修飾表面298を含むマイクロ流体デバイス290の断面図を示す。示されるように、共有修飾表面298(概略的に示される)は、マイクロ流体デバイス290の基板286の内面294及びカバー288の内面292の両方に共有結合した高密度分子の単層を含むことができる。共有修飾表面298は、幾つかの実施形態では及び上述したように、マイクロ流体デバイス290内に回路要素及び/又は構造を画定するのに使用されるマイクロ流体回路材料(図示せず)の表面を含め、マイクロ流体デバイス290のエンクロージャ284の近傍にあり、且つエンクロージャ284に向かって内側に面する略全ての内面294、292上に配置することができる。代替の実施形態では、共有修飾表面298は、マイクロ流体デバイス290の複数の内面の1つのみ又は幾つかに配置することができる。
図2Hに示される実施形態では、共有修飾表面298は、アルキル末端シロキサン分子の単層を含み、各分子は、シロキシリンカー296を介してマイクロ流体デバイス290の内面292、294に共有結合する。簡潔にするために、隣接ケイ素原子に結合した追加の酸化ケイ素結合が示されるが、本発明はそのように限定されない。幾つかの実施形態では、共有修飾表面298は、エンクロージャに面する末端(すなわち、内面292、294に結合されず、エンクロージャ284の近傍にある表面修飾リガンド298の単層の部分)においてフルオロアルキル基(例えば、フッ素化アルキル基又は全フッ素化アルキル基)を含むことができる。図2Hはアルキル末端修飾表面を有するものとして考察されるが、本明細書に記載されるように、任意の適する表面修飾化合物が使用可能である。
生来の表面。修飾されるマイクロ流体デバイスの少なくとも1つの表面は、ガラス、金属、金属酸化物、又はポリマーであり得る。マイクロ流体デバイス内に組み込まれ得、式IIの共有修飾表面を内部内に導入するように修飾し得る幾つかの材料は、限定ではなく、ケイ素及びその酸化物、シリコーン、アルミニウム又はその酸化物(Al)、インジウムタンタル酸化物(ITO)、二酸化チタン(TiO)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ハフニウム(IV)(HfO)、酸化タンタル(V)(Ta)、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。ポリマーは、任意の適するポリマーを含み得る。適するポリマーとしては、限定ではなく、(例えば、ゴム、プラスチック、エラストマー、シリコーン、又は有機シリコーン、例えばポリジメチルシロキサン(「PDMS」)等)を挙げ得、ガス透過性であり得る。他の例としては、成形ガラス、パターン化可能な材料、例えばシリコーンポリマー(例えば、光パターン化可能シリコーン又は「PPS」)、又はフォトレジスト(例えば、SU8等のエポキシ系フォトレジスト)等を挙げることができる。
共有修飾表面の物理的特性及び性能特性。幾つかの実施形態では、共有修飾表面は疎水性特性を増大させ得る。修飾表面の疎水性特性の増大は、生体材料によるファウリングを阻止し得る。本明細書で使用される場合、表面ファウリングとは、タンパク質及び分解産物、核酸、及び各分解産物等の生体材料の永久的又は半永久的堆積を含み得る、マイクロ流体デバイスの表面に無差別的に堆積された材料の量を指す。そのようなファウリングは、表面への生物学的微小物体の付着量を増大させ得る。他の実施形態では、共有修飾表面の疎水性特性の増大は、表面ファウリングにより引き起こされる付着から独立して、表面への生物学的微小物体の付着を低減し得る。
表面の修飾は、表面の耐久性、機能性、及び/又は生体適合性を上げ得る。これらの各特性は、生存率(成長率及び/又は細胞倍加速度を含む)、式IIの構造を有する表面を含め、本明細書に記載される共有修飾表面上に形成されるコロニーの性質、又は修飾表面上及び共有修飾表面を有するデバイス及び/又は装置内の微小物体若しくは生体分子の可搬性(搬出時の生存率を含む)にとって更に有益であり得る。
幾つかの実施形態では、式IIの表面を含め、本明細書に記載される任意の表面であり得る共有修飾表面は、10nm未満(例えば、約7nm未満、約5nm未満、又は約1.5〜3.0nm)の厚さを有し得る。これは、有利には、特に約30〜50nmの典型的な厚さを生成するスピンコーティングされるペルフルオロテトラヒドロフラニルポリマーであるCYTOP(登録商標)等の他の疎水性材料とは対照的に、薄い層を修飾表面上に提供し得る。表1に示されるデータは、表に示されるような共有修飾表面を有するように処理されるケイ素/酸化ケイ素表面についてのデータである。静的液滴(static sessile drop)法(Drelich, J. Colloid Interface Sci. 179, 37-50, 1996)を使用して接触角測定値を得た。偏光解析法により厚さを測定した。
Biolin Scientificの接触角ゴニオメータを使用して接触角ヒステリシス測定を実行した。化学的に修飾されたOEW表面を透明ホルダ内に入れられた5cStシリコーン油の浴中に配置した。次に、リン酸緩衝生理食塩(PBS)液滴を油中の表面に分注した。白金(Pt)ワイヤを液滴中に挿入し、水滴接触角を測定した。次に、30kHz周波数における50Vppkの印加AC電圧をOEW基板と、PBS液滴中に挿入されたPtワイヤとの間に10秒間印加した。次に、印加電圧をなくし、接触角を再び測定した。50VppkのAC電圧の印加後のゼロバイアスでの接触角を電圧印加前のゼロバイアスでの元の接触角から差し引くことにより、接触角ヒステリシスを計算した。
Figure 2018535088
修飾表面で観測された接触角は、10度未満である、プラズマクリーニングされたシリコン表面上の水の場合の接触角とは対照的である。これらの各表面は、生来のケイ素/酸化ケイ素表面よりも湿潤性が低い。
表面の特徴付けに適した他の解析方法としては、赤外線分光法及び/又はX線光電子分光法を挙げることができる。
本発明の修飾表面の別の望ましい特徴は、表面修飾化合物の化学的性質に依存し得る自己蛍光がないことである。
幾つかの実施形態では、式IIの表面を含め、本明細書に記載される共有修飾表面は、単層を形成し得る。単層修飾表面の均一性及び均等性は、特に単層修飾表面が他の機能的属性を有する場合、有利な性能を提供し得る。例えば、式IIの表面を含め、本明細書に記載される共有修飾表面は、電極活性化基板を含むこともでき、誘電泳動構成又はエレクトロウェッティング構成を有する材料、デバイス、及び/又は装置で見られ得るように、任意選択的に誘電層を更に含み得る。修飾表面のペルフルオロアルキル部分の不飽和がないことにより、例えば、オレフィン部分又は芳香族部分を含む単層と比較して「電荷捕獲」を最小に抑えることができる。更に、式IIの表面を含め、本明細書に記載される表面に形成される単層の高密度性は、陽イオンが単層を通って、下にある金属、金属酸化物、ガラス、又はポリマー材料まで到達する潜在性を最小に抑え得る。理論により制限されずに、基板組成への陽イオンの追加による基板表面の破壊は、基板の電気特性を破壊し得、それにより動電学的に機能する基板の能力を低減し得る。
更に、共有結合を介して修飾表面を導入する能力は、修飾表面の誘電強度を増大させ得、電場が印加される状態下において、下の材料を破壊から保護し得る。式IIの表面を含め、本明細書に記載される共有修飾表面を有する材料、デバイス、及び/又は装置の誘電泳動又はエレクトロウェッティング表面の均一性及び薄さは、材料、デバイス、及び/又は装置が光学的に作動する場合、そのような修飾された誘電泳動及び/又はエレクトロウェッティング表面に有利な利点を更に提供し得る。
共有修飾表面の準備方法。デバイス又は装置の構成要素として使用し得る材料の表面は、デバイス又は装置の組み立て前に修飾し得る。代替的に、部分的又は完全に構築されたデバイス又は装置は、生体分子を含む生体材料及び/又は微小物体(生物学的微小物体を含み得る)に接触することになる全ての表面が同時に修飾されるように修飾し得る。幾つかの実施形態では、デバイス及び/又は装置内の異なる表面に異なる材料がある場合であっても、デバイス及び/又は装置の内部全体を修飾し得る。幾つかの実施形態では、部分的又は完全に構築されたデバイス及び/又は装置は、本明細書に記載されるマイクロ流体デバイス又はその構成要素であり得る。
修飾される表面は、修飾前にクリーニングして、表面上の求核部分が反応に自由に利用できること、例えば、油又は接着剤で覆われていないことを保証し得る。クリーニングは、アルコール又はアセトンを含む溶媒を用いる処理、超音波処理、及び蒸気クリーニング等を含む任意の適する方法により達成し得る。幾つかの実施形態では、修飾される表面は、汚染物を除去するのと同時に、追加の酸化物(例えば、水酸化物)部分を表面に導入することができる酸素プラズマ処理を用いて処理される。これは、有利には、修飾のためのより多くの場所を表面上に提供し、それにより、より高密度の修飾表面層を提供することができる。
修飾前にクリーニングして、表面上の求核部分が反応に自由に利用できること、例えば、油又は接着剤で覆われていないことを保証し得る。クリーニングは、アルコール又はアセトンを含む溶媒を用いる処理、超音波処理、及び蒸気クリーニング等を含む任意の適する方法により達成し得る。幾つかの実施形態では、修飾される表面は、汚染物を除去するのと同時に、追加の酸化物(例えば、水酸化物)部分を表面に導入することができる酸素プラズマ処理を用いて処理される。これは、有利には、修飾のためのより多くの場所を表面上に提供し、それにより、より高密度の修飾表面層を提供することができる。
幾つかの実施形態では、表面を共有修飾する方法は、式I:
Figure 2018535088

の化合物に表面を接触させるステップを含み、式中、Vは、−P(O)(OH)Q又は−Si(T)Wである。Wは、−T、−SH、又は−NHであり、且つ表面に接続するように構成される部分である。代替的に、Vは、−P(O)(OH)Qであり、Qは、−OHであり、且つ表面に接続するように構成される部分である。Tは、OH、OC1−3アルキル又はClである。R、M、h、j、k、m、及びnのそれぞれは、式Iの化合物について上記で定義したようなものである。(n+[(h+j・k]+m)の和は、11〜25の整数である。様々な実施形態では、kが1の整数である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素であり、及びkが0であり、且つRがフッ素である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素である。式Iの化合物は、表面の求核部分と反応し、共有修飾表面が形成される。上述したように、式Iの化合物の任意の組み合わせ又は部分的組み合わせが使用可能である。
方法の様々な実施形態では、そうして形成される共有修飾表面は単層である。
方法の幾つかの実施形態では、式Iの化合物は、式110:
CH(CHSi(OC1〜3アルキル)
式110
の化合物であり得、式中、mは、9〜23の整数である。幾つかの実施形態では、mは、11、13、15、17、又は19であり得る。幾つかの他の実施形態では、mは、13又は15であり得る。
方法の他の実施形態では、式Iの化合物は、式111:
CF(CF(CHSi(OC1〜3アルキル)
式111
の化合物であり得、式中、nは、9〜22の整数である。代替的に、nは、11〜17の整数であり得る。他の実施形態では、nは、11〜17の整数であり得る。幾つかの他の実施形態では、nは、9、11、13、又は15であり得る。幾つかの実施形態では、nは、13又は15であり得る。
方法の更に他の実施形態では、式Iの化合物は、式112:
CR(CR(CH2)O(CHSi(OC1〜3アルキル)
式112
の化合物であり得、式中、nは、3〜21の整数であり、hは、2又は3の整数であり、mは、2〜21の整数である。幾つかの実施形態では、Rは、フッ素であり得る。幾つかの実施形態では、nは、3〜11の整数であり得、hは、2であり得、mは、2〜15の整数であり得る。
代替的に、式113の化合物であり得る式I:
CR(CR(CMP(O)(OH)
式113
の化合物により表面に接触し得、式中、nは、3〜21の整数であり、mは、2〜21の整数である。式113の化合物の幾つかの実施形態では、Rは、フッ素であり得る。幾つかの実施形態では、Mは、水素であり得る。様々な実施形態では、nは、5、7、9、又は11であり得る。他の実施形態では、mは、2、4、5、7,9、11、又は13であり得る。
接触ステップは、表面に式Iの化合物を含む液体溶液を接触させることにより実行し得る。例えば、0.01mM、0.1mM、0.5mM、1mM、10mM、又は100mMの式Iの化合物を含む溶液に表面を露出し得る。反応は、周囲温度で実行し得、約2時間、約4時間、約8時間、約12時間、約18時間、約24時間、又はそれらの間の任意の値の範囲の時間期間にわたって実行し得る。溶媒の例としては、限定ではなく、トルエン、1,3ビストリフルオロベンゼン、又はFluorinert(商標)(3M)フッ素化溶媒が挙げられる。酢酸等の酸を溶液に添加して、トリアルコキシ基が存在する場合、トリアルコキシ基の加水分解を促進することにより、反応速度を上げ得る。
代替的に、式Iの化合物を含む気相に表面を接触させ得る。幾つかの実施形態では、反応ステップが表面に気相の式Iの化合物を接触させることにより実行される場合、制御された量の水蒸気も存在する。制御された量の水蒸気は、予め選択された量の硫酸マグネシウム七水和物を、修飾する表面を有する物体と同じチャンバ又はエンクロージャ内に配置することによって提供し得る。他の実施形態では、外部水蒸気供給を介して、制御された量の水を反応室又はエンクロージャ内に導入し得る。反応は、大気圧と比較して減圧下で行い得る。幾つかの実施形態では、減圧は100トール以下であり得る。他の実施形態では、減圧は10トール未満又は1トール未満であり得る。
反応は、約150℃〜約200℃の範囲の温度で行い得る。様々な実施形態では、反応は、約150℃、約155℃、約160℃、約165℃、約170℃、約175℃、約180℃、約185℃、又は約190℃の温度で行い得る。反応は、約2時間、約6時間、約8時間、約18時間、約24時間、約48時間、約72時間、約84時間、又はそれを超える時間にわたり実行を継続し得る。
幾つかの実施形態では、共有修飾表面は、式II:
Figure 2018535088

の構造を有し得、式中、R、M、n、h、j、k、m、及びVは、任意の組み合わせでの上述したようなものである。方法の幾つかの実施形態では、共有修飾表面は、各式で許容可能な要素の任意の組み合わせを有する上述した式210、211、212、又は213の式を有し得る。
方法の様々な実施形態では、表面は、水酸化物、アミノ、及びチオールからなる群から選択される求核部分を含み得る。表面は、金属、金属酸化物、ガラス、ポリマー、又はそれらの任意の組み合わせであり得る。金属表面は、ケイ素、酸化ケイ素、酸化ハフニウム、インジウムタンタル酸化物、アルミナ、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。
方法の様々な実施形態では、共有修飾表面を形成するステップをDEP基板又はEW基板で実行し得る。共有修飾表面を形成するステップは、マイクロ流体デバイスのマイクロ流体回路要素の少なくとも1つの表面上に共有修飾表面を形成することを含み得る。マイクロ流体回路要素は、DEP基板又はEW基板を含め、壁、フロー領域、ペン、及び電極活性化基板を含み得る。共有修飾し得るマイクロ流体回路内の表面は、マイクロ流体デバイスの流体担持部に面する全て又は略全ての表面であり得る。例えば、マイクロ流体デバイス200、230では、全てマイクロ流体チャネル122及びペン244、246、248に面する上部電極210の内面、電極活性化基板206の上面、マイクロ流体回路材料116の表面(図1B、図1C、図2A、図2B参照)が修飾可能である。同様に、図2D〜図2Fでは、マイクロ流体回路材料260の内面、隔離ペン266を画定する分離構造272の表面、又はマイクロ流体回路262に面する全ての表面は、本明細書に記載される方法により共有修飾可能である。
不混和性媒体。基板の表面上の水性液滴の移動は、1つ又は複数のフロー領域(フローチャネルを含み得る)内及びチャンバが存在する場合、フロー領域に流体的に接続されたチャンバ内に局所的に分布した水不混和性流体媒体内で実行し得る。水不混和性流体媒体は、純水の液滴よりも高い動粘性率を有し得る。水不混和性流体媒体は、約1センチストークス(cSt)〜約15cStの範囲の動粘性率を有し得、ここで、1cStは1ミリパスカル又は1センチポアズ(CPS)に等しい。幾つかの実施形態では、水不混和性流体媒体は、約3cSt〜約10cSt又は約3cSt〜約8cStの範囲の粘度を有し得る。水不混和性流体媒体は、少なくとも100℃の温度で不燃性であり得る。水不混和性流体媒体は、生体細胞が水不混和性流体媒体内の水性液滴内で処理、培養、又は貯蔵されている持続時間にわたり、生きている生体細胞にとって非毒性であり得る。
水不混和性流体媒体は、水に対して低い又はごくわずかな溶解度を有し得る。水不混和性流体媒体は、水の層に接触した(水で仕切られた)場合、水の総量の約5%未満、約4%、約3%、約2%、約1%、又は約1%未満に溶解し得る。水不混和性流体媒体は、約25℃〜約38℃の範囲の温度で水不混和性流体媒体内に存在する水性液滴の容量の約5%、約10%、約15%、約20%、約25%、又は約30%を超えて溶解可能ではない。幾つかの実施形態では、水不混和性流体媒体は、水不混和性流体媒体内に存在する水性液滴の容量の約20%未満に溶解可能である。
水不混和性流体媒体は、炭素、ケイ素、及び酸素から選択される原子を含む主鎖構造を有する少なくとも1つの有機化合物又は有機ケイ素化合物を含み得る。幾つかの実施形態では、水不混和性流体媒体は、2つ以上の有機化合物/有機ケイ素化合物を含み得、その場合、2つ以上の化合物は、高分子化合物の様々な分子量のサブユニットを有する高分子有機化合物/有機ケイ素化合物である。例えば、高分子有機化合物/有機ケイ素化合物は、ポリマー(例えば、コポリマー)を構成する2つの異なるサブユニットを有し得、2つの異なるサブユニットは、それぞれ一般式AaBbを有する様々な反復で提示し得、式中、A及びBは2つの異なるポリマーサブユニットであり、a及びbは各サブユニットの反復数である。反復数a及びbは単一の整数でなくてもよく、様々な反復ユニットであり得る。
他の実施形態では、2つ以上の有機化合物/有機ケイ素化合物を含む水不混和性流体媒体は、有機化合物の混合物、有機ケイ素化合物の混合物、又はそれらの任意の組み合わせを含み得る。水不混和性流体媒体は、適した性能を提供する異なる化学構造及び/又は分子量を有する化合物の任意の適した混合物を含み得る。
水不混和性流体媒体の化合物は、約1000Da未満、約700Da未満、約500Da未満、又は約350Da未満の分子量を有し得る。他の実施形態では、水不混和性媒体の化合物は、約1000Daよりも高い分子量を有し得、それでもなお適した性能を提供し得る。
様々な実施形態では、水不混和性流体媒体の有機化合物/有機ケイ素化合物は、骨格を構成する原子が炭素、ケイ素、又は酸素である主鎖構造を有し得る。骨格炭素の置換は水素又はフッ素であり得る。幾つかの実施形態では、水不混和性流体媒体は1つ又は複数の有機ケイ素化合物を含み得、その場合、有機ケイ素化合物の骨格はケイ素原子及び酸素原子を含み得る。有機ケイ素化合物のケイ素原子は、炭素置換基を有し得、及び炭素置換基は、水素置換基又はフッ素置換基を有し得る。幾つかの実施形態では、有機ケイ素化合物の炭素置換基は全てのフッ素であり得る(例えば、全フッ素化し得る)。他の実施形態では、有機ケイ素化合物の炭素置換基は部分的にフッ素化し得る。様々な実施形態では、有機ケイ素化合物の炭素原子の置換基は、約90%以下、約80%以下、約70%以下、約60%以下、約50%以下、約40%以下、約30%以下、約20%以下、又はそれ未満がフッ素であり得る。
他の実施形態では、水不混和性流体媒体の有機化合物は、骨格を構成する原子が炭素又は酸素である主鎖構造を有し得る。幾つかの実施形態では、骨格炭素の置換基は水素又はフッ素であり得る。他の実施形態では、骨格炭素の置換基は、エーテル成分、カルボニル成分、又は炭酸塩成分等の酸素含有部分を含み得る。幾つかの実施形態では、水不混和性流体媒体の有機化合物は、全炭素主鎖構造を有し得る。水不混和性流体媒体の有機化合物の全炭素主鎖構造の幾つかの実施形態では、炭素原子への全フッ素置換基を有し得る(例えば、全フッ素化される)。他の実施形態では、有機化合物の置換基は部分的にフッ素化し得る(例えば、全フッ素化されない)。様々な実施形態では、全炭素骨格を有する化合物を含め、有機化合物の炭素原子の置換基は、約90%以下、約80%以下、約70%以下、約60%以下、約50%以下、約40%以下、又はそれ未満がフッ素であり得る。幾つかの実施形態では、水不混和性流体媒体の適する有機化合物は、1−フルオロオクタン、1−フルオロデカン、1−フルオロドデカン、又は1−フルオロテトラデカン等のモノフルオロ置換炭化水素を含み得、又はモノフルオロ置換炭化水素であり得る。
他の実施形態では、水不混和性流体媒体の有機化合物は、炭素へのフッ素置換基を有さず、水素置換基を有し得る。幾つかの実施形態では、水不混和性流体媒体の有機化合物は、不飽和炭素−炭素結合、例えば、骨格炭素内又は末端位置におけるオレフィン基を有し得る。
幾つかの実施形態では、水不混和性流体媒体への包含に適切な化合物の選択は、化合物の他の特性の考慮を含むことになる。様々な実施形態では、水不混和性流体媒体内での使用に適した化合物は、レーザ、マイクロ流体デバイスに投射される構造化光、又は日光/研究所照明により照明されたときに自己蛍光しない。
他の実施形態では、共有修飾される疎水性表面の性質は、水不混和性流体媒体内での使用に適した化合物の選択に影響する。例えば、共有修飾表面は、全フッ素化水不混和性流体媒体内の水滴が、本明細書に記載される光エレクトロウェッティング構成を使用して移動可能ではないほど十分に高い表面張力を示し得るように十分な疎水性を有し得る。
幾つかの他の実施形態では、マイクロ流体回路材料の性質は、水不混和性流体媒体内での使用に適した化合物の選択に影響し得る。水不混和性流体媒体による回路材料の膨張は、許容可能な限度内に維持し得る。例えば、幾つかの実施形態では、マイクロ流体回路材料がSU8又は光パターン化可能アリール置換有機シリコーンを含む場合、直鎖炭化水素、直鎖フッ化炭素、又は環式基、アリール基、若しくはヘテロアリール基を含む炭素骨格化合物を使用に選択し得る。
他の実施形態では、マイクロ流体回路材料は、アリール置換基を含まない光パターン化可能有機シリコーン等の他の材料を含み得、膨張は、水不混和性流体媒体中に異なる化合物を使用することにより、許与可能な限度に制限し得る。例えば、水不混和性流体媒体への事前露出と比較して約40%未満、約30%未満、約20%未満、又は約10%未満の膨張が許容可能であり得る。しかし、幾つかの実施形態では、膨張を生じさせる水不混和性流体媒体内の化合物をそれでもなお使用に選択し得る。
幾つかの実施形態では、水不混和性流体媒体の化合物は、炭素原子又は酸素原子を含む骨格を有する有機化合物であり得る。幾つかの実施形態では、有機化合物は、炭素原子を含み、酸素原子を含まず、更に、炭素原子骨格が分岐しない骨格を有し得る。様々な実施形態では、水不混和性流体媒体の有機化合物の分岐鎖炭素原子骨格は、非環式である。分岐鎖炭素骨格を有する水不混和性流体媒体の有機化合物は更に、いかなる環式部分も含まないことができる。
上記選択基準を使用して、水不混和性流体媒体内に組み込む1つ又は複数の化合物を選択し得、許容可能な性能を提供しない可能性がある化合物をなくし得るが、許容可能な水不混和性流体媒体は、複数成分混合物であり得、水不混和性流体媒体の単独成分として使用された場合には許容可能な性能を提供しない個々の有機化合物又は有機ケイ素化合物のいくらかの部分を含み得る。例えば、成分は、単独で使用される場合、フッ素化されすぎているか、又はマイクロ流体回路材料を許容不可能に膨張させる可能性があるが、他の有機化合物又は有機ケイ素化合物と組み合わせて使用して水不混和性流体媒体を形成し得る。
単独で又は任意の種類の組み合わせで水不混和性流体媒体内への使用に適した幾つかの有機化合物としては、イソセタン、2−(トリフルオロメチル)−3−エトキシドデカフルオロヘキサン(HFE-7500、3MTM、NovecTM)、ヘプタメチルノナン(HMN)、炭酸ビス(2−エチルヘキシル)(TEGOSOFT(登録商標)DEC、(Evonik))、及び(トリデカフルオロ−1,1,2,2,−テトラヒドロオクチル)テトラメチルジシロキサン(Gelestカタログ番号SIB1816.0)、又はシリコーン油(5センチストローク粘度、Gelestカタログ番号DMS−T05)を挙げ得る。
水性液滴。水性液滴は、生体細胞又はビーズを含み得る1つ又は複数の微小物体を含み得る。水性液滴は、核酸又はタンパク質を含み得る生物由来物質を含み得る。幾つかの他の実施形態では、水性液滴は、アッセイ用の試剤を含み得、アッセイ用の試剤は、酵素、抗体、蛍光標識プローブ、又は化学試剤等の任意の種類の試剤であり得る。
幾つかの実施形態では、水性液滴は、界面活性剤を含むこともできる。界面活性剤は、水不混和性流体媒体内の水性液滴の可搬性を増大させ得る。幾つかの実施形態では、適する界面活性剤は、非イオン性界面活性剤を含み得る。様々な実施形態では、界面活性剤は、限定ではなく、F68(ThermoFisherカタログ番号2400032)を含め、Pluronic(登録商標)ブロックアルキレンオキシドコポリマー;TWEEN(登録商標)20(Signa Aldrichカタログ番号P1379)又はTWEEN(登録商標)60(Sigma Aldrich P1629)等の脂肪酸エステルエトキシル化ソルビタン;2,4,7,9,テトラメチル−5−デシン−4,7,−ジオールエトキシレート(TET、Sigma Aldrichカタログ番号9014−85−1);Capstone(登録商標)FS-30(DuPont(商標)、Synquest Laboratoriesカタログ番号2108−3−38等の非イオン性エトキシル化フッ素系界面活性剤)であり得る。幾つかの実施形態では、ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)を界面活性剤として使用し得る。様々な実施形態では、リン酸緩衝生理食塩溶液(PBS)を界面活性剤として使用し得る。界面活性剤は、約1容量%、約3容量%、約5容量%、約10容量%、約15容量%、約20容量%、約25容量%、又はそれらの間の任意の値の範囲で水性液滴に添加し得る。
システム。水性媒体と適合し、及び/又は水性媒体に可溶性の微小物体、生物由来物質、及び/又は試剤を輸送するシステムが本発明によって提供される。システムは、例えば、本明細書に開示される任意のマイクロ流体デバイス(例えば、ベースと、マイクロ流体回路構造体とを含むエンクロージャを有するマイクロ流体デバイスであって、ベースは、ベースの上面の少なくとも一部に共有結合した疎水性単層を含む、マイクロ流体デバイス)を含むことができる。加えて、システムは、流体媒体及び水性液滴を含み、流体媒体及び水性液滴は不混和性流体である。流体媒体は、本明細書に記載される任意の不混和性媒体であり得、水性液滴は、本明細書に記載される任意の生体材料及び/又は化学物質を含むことができる(例えば、タンパク質、核酸、洗浄剤、及び界面活性剤等)。
キット。本発明は、水性媒体と適合し、及び/又は水性媒体に可溶性の微小物体、生物由来物質、及び/又は試剤の輸送に適したキットも提供する。キットは、本明細書に開示される任意のマイクロ流体デバイス(例えば、ベースと、マイクロ流体回路構造体とを含むエンクロージャを有するマイクロ流体デバイスであって、ベースは、ベースの上面の少なくとも一部に共有結合した疎水性単層を含む、マイクロ流体デバイス)を含むことができる。加えて、システムは、流体媒体及び水性液滴を含み、流体媒体及び水性液滴は不混和性流体である。キットは、水性媒体と不混和性の流体媒体及び他の有用な試剤(例えば、界面活性剤等)を更に含むことができる。
マイクロ流体デバイスを製造する方法。装置400等の本発明のマイクロ流体デバイスは、(i)AC電圧源(図示せず)に接続されるように構成される少なくとも1つの電極を有するカバー110の内面428に離間要素108を接合することと、(ii)AC電圧源(図示せず)に接続されるように構成される少なくとも1つの電極418を有する基板104の誘電面414に離間要素108(及び関連するカバー110)を接合することであって、それにより、離間要素108は、カバー110及び基板104が互いに実質的に平行を向けられた状態で、カバー110の内面428と基板104の誘電面414との間に挟まれ、基板104、離間要素108、及びカバー110は、集合的に、液体を保持するように構成されるエンクロージャ435を画定する、接合することと、(iii)蒸着により、疎水性外層412をカバー110の内面428の少なくとも一部に形成し、且つ疎水性外層412を基板104の誘電内層414の少なくとも一部に形成することとにより製造することができる。
両親媒性分子の蒸着を通して、疎水性層422及び412は、両親媒性分子がカバー110の内面428及び基板104の誘電内層414の分子にそれぞれ共有結合した高密度単層を達成することができる。本明細書に記載される任意の自己会合性分子及びその均等物は、マイクロ流体装置の内面に蒸着させることができる。所望のパッキング密度を達成するために、例えば、アルキル末端シロキサンを含む自己会合性分子は、少なくとも110℃(例えば、少なくとも120、130、140、150、160等)の温度で少なくとも15時間(例えば、少なくとも20時間、少なくとも25時間、少なくとも30時間、少なくとも35時間、少なくとも40時間、少なくとも45時間、又はそれを超える時間)にわたり蒸着することができる。そのような蒸着は、通常、真空下において、硫酸マグネシウム七水和物(すなわちMgSO・7H0)等の水源の存在下で実行される。通常、蒸着の温度及び持続時間を上げることにより、疎水性層422及び412の特性は改善する。蒸着プロセスは、任意選択的に、例えば、カバー110(離間要素108を有する)及び基板104を予めクリーニングすることにより改善することができる。例えば、そのような事前クリーニングは、アセトン浴、エタノール浴、又はそれらの組み合わせ等の溶媒浴を含むことができる。溶媒浴は超音波処理を含むことができる。代替又は追加として、そのような事前クリーニングは、カバー110(離間要素108を有する)及び基板104を酸素プラズマクリーナ内で処理することを含み得る。酸素プラズマクリーナは、例えば、真空条件下において100Wで60秒間にわたり動作させることができる。
図6は、マイクロ流体チャネル612、614及び複数のチャンバ616を有するエンクロージャと、流体液滴620をエンクロージャに提供する液滴生成器606とを含むマイクロ流体装置600の例を示す。マイクロ流体チャネル614は、第1の流体媒体624を保持するように構成される。通常、第1の流体媒体は、油(例えば、シリコーン油又はフッ素系油)等の疎水性流体である。マイクロ流体チャネル614は、界面608を介して液滴生成器606に接続され、界面608は、液滴生成器606により生成された液滴620をチャネル614に受け取らせる。受け取られる液滴620は、第1の流体媒体624と不混和性の液体を含む。通常、受け取られる液滴は、細胞若しくはビーズ等の微小物体又は水性媒体に可溶性の試剤を含み得る水性媒体を含む。マイクロ流体チャネル614は、複数のチャンバ616のそれぞれにも接続され、チャンバ616内に且つチャンバ616間での受け取られた液滴620(及び第1の流体媒体624に不混和性の流体のリザーバから引っ張られた液滴632)の移動を促進する。
装置600のマイクロ流体チャネル612は、チャンバ616のサブセットに接続され、したがって、そのようなチャンバ616を介してマイクロ流体チャネル614に間接的に接続される。示されるように、マイクロ流体チャネル612及びそこに接続されるチャンバ616は、第1の流体媒体624に不混和性の流体媒体622を含む。したがって、例えば、流体媒体622は、細胞培養媒体等の水性媒体であり得る。流体媒体622が細胞培養媒体である場合、培養媒体を含むチャンバ616は、細胞を成長させる培養室として使用することができ、マイクロ流体チャネル612は、新鮮な培養媒体のフローを提供する灌流チャネルであり得る。本明細書で考察されるように、灌流チャネル内の新鮮な培養媒体のフローは、灌流チャネルと培養室との間の分子の拡散を介して、栄養分をチャンバに提供するとともに、チャンバから老廃物を除去し、したがって細胞成長の継続を促進することができる。
図7は、マイクロ流体チャネル612、614、第1の複数のチャンバ716、及び第2の複数のチャンバ616を有するエンクロージャと、流体液滴620をエンクロージャに提供する液滴生成器606とを含むマイクロ流体装置700の別の例を示す。図7は、図6に示されるマイクロ流体装置600の変形形態を提示し、この変形形態では、チャンバ616は、第1の流体媒体624(マイクロ流体チャネル614内に配置される)と不混和性の媒体622を含み、対応するチャンバ716からマイクロ流体チャネル614にわたり直接配置される。この構成は、選択チャンバ616から対応するチャンバ716への流体液滴632(任意選択的に微小物体630又は生体材料を含む)の移動を促進し、対応するチャンバ716において、流体液滴(及び任意の微小物体630又は生体材料)を処理することができる。
マイクロ流体装置の別の例は、マイクロ流体チャネル612、614、第1の複数のチャンバ716、及び第2の複数のチャンバ616を有するエンクロージャと、流体液滴620をエンクロージャに提供する液滴生成器606とを含む。この実施形態は、図7に示されるマイクロ流体装置700の変形形態を提示し、この変形形態では、チャンバ616は一端部においてテーパ形を有し、マイクロ流体装置が、チャンバ616のテーパ形端部が非テーパ形端部と比較して低い電位(適用可能な重力場において)を有するように傾斜される場合、第1の流体媒体624と第2の流体媒体622との界面への微小粒子の移動を促進する。
マイクロ流体チャネル612、614及びチャンバ616、716によって形成されるマイクロ流体回路は単なる例であり、多くの他の構成のチャネル及びチャンバが本発明により包含される。例えば、装置600及び700のそれぞれにおいて、マイクロ流体チャネル612及びチャネル612に直接接続されるチャンバ616は任意選択的な特徴である。したがって、装置600及び700は、灌流チャネル及び培養室を有さなくてもよい。
マイクロ流体チャネル612が存在する実施形態では、チャネル612及び/又は直接接続されるチャンバ616の画定を促進する(例えば、チャネル及び/又はチャンバのベースを形成することにより)基板は、エレクトロウェッティング構成を有することができる。しかし、代替的に、チャネル612及び/又は直接接続されるチャンバ616の画定を促進する基板は、エレクトロウェッティング構成を有さなくてよい(例えば、その代わり、DEP構成を有することができ、又はエレクトロウェッティング構成もDEP構成も有さなくてよい)。マイクロ流体チャネル612が存在し、チャネル612及び/又は直接接続されるチャンバ616の画定を促進する基板がエレクトロウェッティング構成を有する実施形態では、基板の疎水性外層は、基板の疎水性外面よりも高い親水性を有するようにパターン化することができ、これはチャネル614の画定に役立つ。親水性の増大は、例えば、上述したように達成することができる。
液滴生成器606及び液滴生成器606が液滴を提供する任意のマイクロ流体回路は、図面に示されるか、又は本明細書に記載される任意のマイクロ流体デバイスのようであり得るマイクロ流体デバイスの一部である(一体部分又は接続される)ことができる。1つの液滴生成器606が図6及び図7に示されるが、2つ以上のそのような液滴生成器606が装置600及び700のマイクロ流体回路に液滴を提供することができる。液滴生成器606自体は、エレクトロウェッティング構成を含むことができ、したがって、光応答層を有する基板を含むことができ、光応答層は、a−Si:H(例えば、米国特許第6,958,132号に示されるような)、光作動回路基板(例えば、米国特許出願公開第2014/0124370号に示されるような)、フォトトランジスタベースの基板(例えば、米国特許第7,956,339号に示されるような)、又は電気作動回路基板(例えば、米国特許第8,685,344号に示されるような)を含むことができる。代替的に、液滴生成器はT字形又はY字形流体力学的構造(例えば、米国特許第7,708,949号、米国特許第7,041,481号(RE41,780号として再発行)、米国特許出願公開第2008/0014589号、米国特許出願公開第2008/0003142号、米国特許出願公開第2010/0137163号、及び米国特許出願公開第2010/0172803号に示されるような)を有することができる。上記米国特許文献は、全て全体として参照により本明細書に援用される。
示されるように、液滴生成器606は、1つ又は複数の流体入口602及び604(2つが示されるが、より少数又はより多数であってもよい)と、マイクロ流体チャネル614に接続することができる流体出口208とを含むことができる。入口602及び604を通して、液体媒体622、624、生物学的微小物体630、試剤、及び/又は他の生物学的媒体を液滴生成器606内に装填することができる。液滴生成器606は、液体媒体622(1つ又は複数の生物学的微小物体630を含むことができるが、そうである必要はない)、試剤、又は他の生物学的媒体の液滴を生成し、チャネル614に出力することができる。チャネル614がエレクトロウェッティング構成を有する場合、液滴620は、エレクトロウェッティング(又は光エレクトロウェッティング)を利用してチャネル614内を移動することができる。代替的に、液滴620は、他の手段によりチャネル614内を移動することができる。例えば、液滴620は、流体フロー又は重力等を使用してチャネル614内を移動することができる。
上述したように、マイクロ流体チャネル614及び選択チャンバ616/716に第1の流体媒体624を充填することができ、マイクロ流体チャネル612及びそれに直接接続されたチャンバ616に第2の流体媒体622を充填することができる。第2の流体媒体622(以下、「水性媒体」)は、生物学的微小物体630を維持又は培養等するための試料媒体等の水性媒体であり得る。第1の流体媒体624(以下、「不混和性媒体」)は、水性媒体622が不混和性である媒体であり得る。水性媒体622及び不混和性媒体624の例は、様々な媒体について上述した任意の例を含む。
液滴生成器606を利用して、生物学的微小物体を装填し、及び/又はマイクロ流体装置での生物学的及び/又は分子生物学的ワークフローの実行を促進することができる。図6及び図7は非限定的な例を示す。液滴生成器を使用することにより、装置は、流体回路全体を通してエレクトロウェッティング構成を有することができる。
図6及び図7は、液滴生成器606が、試剤(又は他の生体材料)を含む液滴620を生成する例を示す。試剤含有液滴620は、マイクロ流体チャネル614を通り、不混和性媒体624を含むチャンバ616/716の1つに移動することができる。試剤含有液滴620をチャンバ616/716の1つに移動する前又は後、1つ又は複数の液滴632内の1つ又は複数の微小物体630は同じチャンバ616/716内に移動することができる。次に、試剤含有液滴620は、微小物体630を含む液滴632と混合されて、液滴620の試剤を液滴632の内容物と混合し、化学的に反応させることができる。1つ又は複数の微小物体含有液滴632は、液滴生成器606(図示せず)により供給することができ、又は図6及び図7に示されるように、保持ペン616から取得することができる。微小物体630は、処理室616/716に移動する前、任意選択的に培養された(例えば、チャンバ616内で)、細胞等の生物学的微小物体であり得る。代替的に、微小物体630は、試料中の対象となる分子(例えば、試料材料622を使用して1つ又は複数の生体細胞を培養した後、試料材料622中に存在する細胞分泌物)に結合可能である、親和性ビーズ等のビーズであり得る。更に他の代替では、1つ又は複数の液滴632は、微小物体を含まないことができ、例えば、試料材料622を使用して1つ又は複数の生体細胞を培養した後の細胞分泌物を含む、試料材料622等の水性媒体のみを含むことができる。
図8は、装置600及び700のいずれかのようなマイクロ流体回路を含むマイクロ流体デバイスにおいて実行することができるプロセス800の例を示す。
プロセス800のステップ802において、試料媒体(例えば、細胞培養媒体)が充填された保持ペン内で生物学的微小物体を培養することができる。例えば、図6又は図7の微小物体630は、生物学的微小物体であり得、チャンバ616内で培養することができる。培養は一般に、上述したようなものであり得る。例えば、培養は、培養媒体622を用いてチャネル612を灌流することを含み得る。ステップ802は、指定された時間期間にわたり実行することができる。
ステップ804において、培養された生物学的微小物体を、それが培養された試料媒体充填チャンバ616から、試料媒体が不混和性である媒体が充填されたチャンバ616/716に移動させることができる。例えば、上述したように、図6及び図7に示されるように、培養された微小物体630は試料媒体622の液滴620又は632内で保持ペン616の1つから保持ペン616/716の1つに移動することができる。
ステップ806において、培養された生物学的微小物体は、不混和性媒体充填保持ペンにおいて1つ又は複数の処理又はプロセスを受けることができる。例えば、図6及び図7に示され、上述したように、1つ又は複数の試剤を含む1つ又は複数の液滴620を液滴生成器606により生成し、不混和性媒体充填チャンバ612/716内に移動させ、培養された生物学的微小物体630を含む液滴632と混合することができる。例えば、第1の試剤含有液滴620は溶解試剤を含むことができる。培養された生物学的微小物体630を含む液滴632と溶解試剤を含む第1の試剤含有液滴620とを混合すると、培養された生物学的微小物体630が溶解される。換言すれば、培養された生物学的微小物体630からの細胞溶解物を含む結合液滴(図示せず)が形成される。次に、追加(例えば、第2、第3、第4等)の試剤含有液滴620を、細胞溶解物を含有する新しい液滴と混合して、必要に応じて細胞溶解物を更に処理することができる。
加えて又は別の例として、対象となる分泌物又は培養された生物学的微小物体630を生成した他の1つ若しくは複数の材料(例えば、DNA若しくはRNA等の核酸、タンパク質、代謝物、若しくは他の生体分子)に対して親和性を有する1つ又は複数の標識された捕捉微小物体(図示せず)を含有する1つ又は複数の液滴を液滴生成器606により生成し、不混和性媒体充填ペン616又は716に移動させ、同様に培養された生物学的微小物体630を含む試料媒体622の液滴と混合することができる。培養された生物学的微小物体630が既に溶解していた場合、捕捉微小物体含有液滴620は、1つ又は複数の親和性ビーズ(例えば、DNA、RNA、又はマイクロRNA等の核酸への親和性を有する)を含むことができ、親和性ビーズは、保持ペン616又は716において細胞溶解物含有液滴と混合されると、溶解物中に存在する標的分子に結合することができる。
ステップ808において、標的生物学的微小物体を任意選択的に処理することができる。例えば、ステップ806において、捕捉物体(図示せず)が、培養された生物学的微小物体630を有する不混和性媒体充填チャンバ616/716内に移動する場合、ステップ808において、標識された捕捉微小物体に結合された対象となる材料の数量を示す反応(例えば、蛍光シグナル)を探して、チャンバ616/716を監視することができる。代替的に、そのような捕捉微小物体(図示せず)をチャンバ616/716から除去し(例えば、液滴622において)、続く分析のためにマイクロ流体デバイス(図6及び図7において示されず)から搬出することができる。更に別の例として、処理された生物学的微小物体630は、チャンバ616/716から除去し(例えば、液滴632において)、続く分析のためにマイクロ流体デバイス(図示せず)から搬出することができる。
図9は、エレクトロウェッティング構成及び誘電泳動(DEP)構成の両方を含むマイクロ流体デバイスの基板を形成する方法を概説する。例えば、図9に示される方法を利用して、図5のマイクロ流体デバイスに示されるタイプのモノリシック基板を形成することができる。図10〜図18は、図9の方法における様々なステップが実行された後に形成される中間構造の断面図を示す。フォトトランジスタのアレイを含むDEP構成を有する基板が図10〜図18における開始点である。当然ながら、当業者は理解するように、開始基板は、フォトトランジスタのアレイを有するDEP構成の基板に限定されず、むしろ、アモルファスシリコンの層又は電気的に作動する電極のアレイを含む基板等の他のタイプの基板にも適用することができる。更に、図9の方法におけるステップは、独立して及び/又は他の組み合わせで使用して、本明細書に記載された他のマイクロ流体デバイスを含め、導電性基板を有する他のタイプのマイクロ流体デバイスを生成することもできる。
図9の方法におけるステップ902は、更なる処理のために初期基板を準備することを含む。図10の垂直断面に示されるように、初期基板1000は、その上にフォトトランジスタ1020のアレイが形成された導電性シリコンの高濃度ドープ層1010を含む。基板1000を準備するステップは、熱アニールプロセスを含むことができる。ステップ902のプロセスは、基板1000上に続けて堆積される材料の適切な接合を保証するように基板1000の表面を準備することができる。
図9の方法におけるステップ904は、選択的耐エッチング性材料を初期基板の上面に堆積させることを含む。図11における垂直断面に示されるように、条件付き耐エッチング性材料の層1130は、アレイになったフォトトランジスタ1020の表面を覆うように基板1000の上面に堆積される。幾つかの実施形態では、条件付き耐エッチング性材料1130は窒化物であり得る。
図9の方法におけるステップ906は、ステップ904中に基板上に堆積された条件付き耐エッチング性材料上に第1のパターンを適用することを含む。図12に示されるように、パターンにより、条件付き耐エッチング性材料1130を基板1000の選択領域(例えば、基板1000の左側のフォトトランジスタアレイの表面)から除去することができる。ステップ904中に基板1000に堆積された条件付き耐エッチング性材料1130へのパターンの塗布は、半導体処理業界で周知のように、リソグラフィプロセスにより達成することができる。そのようなリソグラフィプロセスは、例えば、Eビーム、X線、UV、及び深UVを含む。通常、ポリマーを使用してパターンを画定する。
図9の方法のステップ908に記載されるように、ステップ906において堆積されたパターン(例えば、ポリマー)は、続けて、光応答層をパターン上に堆積させ、次に光応答層の部分を選択的に光(例えば、光応答層の材料に適した波長及び強度を有する光)に露出させることにより処理される。
図9の方法におけるステップ910は、第1の所定の位置まで下方に光応答層(及び光応答層のエッチング可能部分の下にある任意の条件付き耐エッチング性材料)をエッチングすることを含む。図12に示されるように、第1の所定の位置は、例えば、基板の表面(例えば、フォトトランジスタ1020の表面)であり得る。
図9の方法における任意選択的な後続のステップの組(図示せず)は、基板に条件付き耐エッチング性層がパターン化された後、導電性材料の層を堆積させ、パターン化し、エッチングすることである。図13に示されるように、導電材料1330を基板表面(例えば、基板1000の左側のフォトトランジスタ1020の表面)並びにステップ908及び910中に除去されなかった条件付き耐エッチング性層1130の部分の両方上に堆積させることができる。導電材料1330は、例えば、アモルファスシリコン又は高濃度ドープシリコン等の導電性シリコンであり得る。図14に示されるように、次に、導電材料1330のパターン化及びエッチングにより、導電材料1330が上(例えば、基板1000の左側のフォトトランジスタ1020の表面上)に直接堆積された基板1000の第1の部分及び条件付き耐エッチング性材料の層1130が上(例えば、基板1000の右側のフォトトランジスタ1020の表面上)に直接堆積された基板1000の第2の部分を生成することができる。
図9の方法におけるステップ912は、基板(及び基板上に既に堆積し、エッチングにより除去されていない任意の材料)上に少なくとも1つの誘電層を堆積させることを含む。本明細書の他の箇所に記載される(例えば、図1Bのデバイスに関連して)ように、誘電層の積層の個々の層(例えば、誘電材料の第1の層、誘電材料の第2の層、誘電材料の第3の層等)を順次基板上に堆積させることができる。例えば、図15に示されるように、2層の誘電材料からなる誘電体積層1530を基板1000上に堆積させることができる。本明細書における他のセクションとの一貫性のために、誘電体積層1530の第1の層は、基板1000上に堆積される最初の層である必要はない。むしろ、第1及び第2という用語は、任意に又は表面から始まり、基板の内側に向かって移る誘電材料の層の順序に関して使用することができる。したがって、図15に関しては、基板1000上に堆積される誘電材料の第1の層は、誘電材料の「第2の層」であり得、基板1000上に堆積される誘電材料の第2の層は、誘電材料の「第1の層」であり得る。
図9の方法におけるステップ914は、少なくとも1つの誘電層上に第2のパターンを適用し、少なくとも1つの誘電層を第2の所定の位置までエッチングすることを含む。幾つかの実施形態では、第2の所定の位置は、条件付き耐エッチング性材料の層1130の表面であり得る。したがって、図16に示されるように、誘電体積層1530の層は、条件付き耐エッチング性材料1130の表面まで下方に基板1000の選択された部分から離れてエッチングすることができる。上述したように、条件付き耐エッチング性材料1130は窒化物であり得る。したがって、ステップ914において使用されるエッチング材料は、誘電材料をエッチングして除去するが、窒化物は除去しないことに適した材料であり得る。
様々な実施形態において、任意選択的なステップを更に実行し得る。例えば、第3のパターンを堆積させることができ、条件付き耐エッチング性層を剥がすことができる(任意選択的に、最高で10umまでシリコン基板中にエッチングすることができる)。図17に示されるように、条件付き耐エッチング性層1130を基板1000の右側からエッチングして除去し、その結果、右側のフォトトランジスタ1020の表面を再度露出させる。加えて、図18に示されるように、基板1000の下部の酸化物を剥がし、裏面を金属化して、導電性金属(例えば、銀又は金)の層1830を基板に追加するステップを行うことができる。その結果生成される図18に示される基板は、DEP力を生成するように構成される第1のセクション(例えば、右側)と、エレクトウェッティング力を生成するように構成される第2のセクション(例えば、左側)とを有することができる。第1のセクションと第2のセクションとの接合部において、基板は、少なくともDEP力及びエレクトロウェッティング力の生成に関して電気的に非活性であり得る。非活性領域の厚さは、マスキング及びエッチングステップの精度に依存し、例えば、2mm未満(例えば、1.5mm未満、1.0mm未満、0.5mm未満、又はそれよりも小さい)の厚さであり得る。
本発明の特定の実施形態及び適用について本明細書において説明したが、これらの実施形態及び適用は単なる例であり、多くの変形形態が可能である。例えば、図8の方法は、細胞分泌物を含有する試料材料(例えば、試料材料682が1つ又は複数の生体細胞の培養に使用された後)に関して実行することができる。そのような実施形態では、ステップ802は同じままであるが、ステップ804は、微小物体を含まず、細胞分泌物を含む試料材料622等の水性媒体のみを含むことができる液滴632を不混和性媒体含有チャンバ616/716に移動させることを含み、ステップ806及び808は、そのような水性媒体含有液滴632に対して実行される。更に、本明細書において考察されたエレクトロウェッティング構成は、当技術分野で既知の任意のタイプのエレクトロウェッティング構成であり得、その例は、米国特許第6,958,132号(OEW構成について)及び米国特許出願公開第2016/0158748号(片面OEW構成について)において開示されている。エレクトウェッティング構成の他の例としては、電子的に制御することができる誘電体エレクトロウェッティング(EWOD)デバイスが挙げられ、その例は米国特許第8,685,344号に開示されている。同様に、本明細書において考察された誘電泳動構成も当技術分野で既知の任意のタイプの誘電泳動構成であり得、その例は、米国特許第RE44,711号(Wuら)、同第7,956,339号(Ohtaら)、同第6,294,063号(Beckerら)、同第6,942,776号(Medoro)、及び同第9,403,172号(Wuら)に開示されている。上記米国特許文献は、全て全体として参照により本明細書に援用される。
システム及びマイクロ流体デバイス:マイクロ流体デバイス及びマイクロ流体デバイスを動作させる機器をBerkeley Lights, Inc.により製造した。システムは、少なくともフローコントローラ、温度コントローラ、流体媒体調整及びポンプ構成要素、光活性化DEP又はEW構成用の光源、マウントステージ、並びにカメラを含んだ。マイクロ流体デバイスは、後述する表面を有するEW構成を含んだ。
例1.修飾された内面を有するエレクトロウェッティングマイクロ流体デバイスの準備
感光シリコンの半導体層及びアルミナの上面を有する誘電層を有する電極活性化基板を含んだベースと、ITO電極を有するガラス支持体を有するカバーと、ベースとカバーとを隔てる光パターン化可能シリコンのマイクロ流体回路材料とを有するマイクロ流体デバイス(Berkeley Lights, Inc.)を、100W電力、240mトール(約31.9Pa)圧及び440sccm酸素流量を使用して1分間、酸素プラズマクリーナ(Nordson Asymtek)内で処理した。真空反応室の下部にフォイルボート内にトリメトキシ(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,11,12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,16)−ノナイコサフルオロヘキサデシル(nonaicosafluorohexadecyl))シラン(0.3g、合成の詳細は2016年10月19日出願の米国仮特許出願第62/410238号に記載されている)があり、真空反応室の下部に別個のフォイルボート内の、水反応物質源としての硫酸マグネシウム七水和物(0.5g、Acros)が存在する状態で、プラズマ処理されたマイクロ流体デバイスを真空反応室内で処理した。次に、真空ポンプを使用してチャンバを750mトール(約99.9Pa)にし、封止した。真空反応室を180℃に加熱したオーブン内に24時間〜48時間配置した。室温まで冷まし、真空室にアルゴンを導入した後、全ての内面にジメトキシ(3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,11,12,12,13,13,14,14,15,15,16,16,16−ノナコサフルオロ−ヘキサデシル)シロキシ部分の疎水性外層を有するマイクロ流体デバイスを反応室から取り出した。取り出した後、使用前にマイクロ流体デバイスをシリコーン油(5センチストーク(5mm/s)粘度、Gelestカタログ番号DMS−T05)でプライミングした。図20A〜図20Cは、不混和性シリコーン油相内で、疎水性層(すなわち、液滴作動表面)上を動いている水滴の連続写真画像である。液滴は、マイクロ流体デバイスの光学的に作動するエレクトロウェッティング構成及び液滴作動表面を使用して、優れた移動能力を示した。
実施形態の列挙
1.エレクトロウェッティング構成を有するマイクロ流体デバイスであって、
誘電層、液滴作動表面、及びAC電圧源に接続されるように構成される第1の電極を有する基板と、
AC電圧源に接続されるように構成される第2の電極と
を含み、
誘電層は、第1の電極に電気的に結合され、
液滴作動表面は、誘電層に共有結合された疎水性層を含む、マイクロ流体デバイス。
2.片面エレクトロウェッティング構成を有する、実施形態1に記載のマイクロ流体デバイス。
3.第2の電極は、基板に含まれるメッシュ電極である、実施形態2に記載のマイクロ流体デバイス。
4.光学エレクトロウェッティング(OEW)構成を有する、実施形態1に記載のマイクロ流体デバイス。
5.誘電体エレクトロウェッティング(EWOD)構成を有する、実施形態1に記載のマイクロ流体デバイス。
6.疎水性層は、表面修飾リガンドと、表面修飾リガンドを表面に結合させる結合基とを含む単層であり、液滴作動表面は、式II:
Figure 2018535088

の構造を有し、式中、
Figure 2018535088

は、誘電層の表面であり、Vは、−P(O)(OY)W−又は−Si(OZ)W−であり、Wは、−O−、−S−、又は−NH−であり、且つ表面に接続し、Zは、表面に付着した隣接ケイ素原子への結合であるか、又は表面への結合であり、Yは、表面に付着した隣接リン原子への結合であるか、又は表面への結合であり、Rは、水素又はフッ素であり、Mは、水素又はフッ素であり、hは、独立して2又は3の整数であり、jは、1であり、kは、0又は1であり、mは、0又は1〜20の整数であり、nは、0又は1〜20の整数であり、(n+[(h+j)・k]+m)の和は、11〜25の整数であり、kが1である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素であり、及びkが0であり、且つRがフッ素である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素である、実施形態1〜5のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
7.デバイスのエレクトロウェッティング構成は、デバイスの第1のセクションによって構成され、デバイスは、誘電泳動(DEP)構成を有する第2のセクションを更に含む、実施形態1〜6のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
8.マイクロ流体デバイスであって、電圧源に接続されるように構成される少なくとも1つの電極を有する基板と、電圧源に接続されるように構成される少なくとも1つの電極を有するカバーと、少なくとも1つの離間要素とを含み、
基板及びカバーは、互いに実質的に平行であり、且つ離間要素によって一緒に接合されて、液体を保持するように構成されるエンクロージャを画定し、基板は、エンクロージャを部分的に画定する液滴作動表面を有し、液滴作動表面は、誘電内層及び疎水性外層を有し、
疎水性外層は、誘電内層の表面に共有結合した自己会合性分子を含み、それによりその上に高密度の疎水性単層を形成し、
基板の少なくとも1つの電極及びカバーの少なくとも1つの電極が電圧源の逆の端子に接続される場合、基板は、基板の液滴作動表面に接触する水性液滴にエレクトロウェッティング力を適用することが可能である、マイクロ流体デバイス。
9.疎水性単層の自己会合性分子は、表面修飾リガンドと、表面修飾リガンドを誘電内層の表面に結合させる結合基とをそれぞれ含み、液滴作動表面は、式II:
Figure 2018535088

の構造を有し、式中、
Figure 2018535088

は、誘電層の表面であり、Vは、−P(O)(OY)W−又は−Si(OZ)W−であり、Wは、−O−、−S−、又は−NH−であり、且つ表面に接続し、Zは、表面に付着した隣接ケイ素原子への結合であるか、又は表面への結合であり、Yは、表面に付着した隣接リン原子への結合であるか、又は表面への結合であり、Rは、水素又はフッ素であり、Mは、水素又はフッ素であり、hは、独立して2又は3の整数であり、jは、1であり、kは、0又は1であり、mは、0又は1〜20の整数であり、nは、0又は1〜20の整数であり、(n+[(h+j)・k]+m)の和は、11〜25の整数であり、kが1である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素であり、及びkが0であり、且つRがフッ素である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素である、実施形態8に記載のマイクロ流体装置。
10.Vは、−Si(OZ)W−である、実施形態9に記載のマイクロ流体デバイス。
11.Vは、−P(O)(OY)W−である、実施形態9に記載のマイクロ流体デバイス。
12.nは、1〜20の整数であり、Rは、水素である、実施形態9〜11のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
13.mは、1〜20の整数であり、Mは、水素である、実施形態12に記載のマイクロ流体デバイス。
14.mは、2である、実施形態13に記載のマイクロ流体デバイス。
15.nは、1〜20の整数であり、Rは、フッ素である、実施形態9〜11のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
16.mは、1〜20の整数であり、Mは、水素である、実施形態15に記載のマイクロ流体デバイス。
17.mは、2である、実施形態16に記載のマイクロ流体デバイス。
18.kは、1である、実施形態9〜17のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
19.kは、0である、実施形態9〜17のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
20.(n+[(h+j)・k]+m)の和は、13〜19の整数である、実施形態9〜19のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
21.基板の液滴作動表面の疎水性外層は、5ナノメートル未満の厚さを有する、実施形態8〜20のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
22.基板の液滴作動表面の疎水性外層は、選択領域が疎水性外層の残りの部分と比較して相対的に親水性であるようにパターン化される、実施形態8〜21のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
23.基板の液滴作動表面の誘電内層は、酸化物を含む誘電体材料の第1の層を含む、実施形態8〜22のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
24.酸化物は、金属酸化物である、実施形態8〜23のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
25.金属酸化物は、酸化アルミニウムである、実施形態24に記載のマイクロ流体デバイス。
26.誘電体材料の第1の層は、原子層堆積によって形成される、実施形態23〜25のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
27.基板の液滴作動表面の誘電内層は、誘電体材料の第2の層を更に含み、疎水性外層は、誘電体材料の第1の層に共有結合する、実施形態23〜26のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
28.誘電体材料の第2の層は、酸化物又は窒化物を含む、実施形態27に記載のマイクロ流体デバイス。
29.誘電体材料の第2の層は、二酸化ケイ素及び窒化ケイ素からなる群から選択される、実施形態28に記載のマイクロ流体デバイス。
30.誘電体材料の第2の層は、プラズマ化学気相成長法によって形成される、実施形態27〜29のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
31.誘電体材料の第1の層は、誘電体材料の第1及び第2の副層を含み、第1の副層は、疎水性層に共有結合する、実施形態23〜30のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
32.誘電体材料の第1の副層は、酸化ケイ素を含む、実施形態31に記載のマイクロ流体デバイス。
33.誘電体材料の第1の副層は、ALDによって堆積される、実施形態31に記載のマイクロ流体デバイス。
34.誘電体材料の第1の層は、約10nm〜約20nmの厚さを有する、実施形態31〜33のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
35.誘電体材料の第1の副層は、約2nm〜約10nmの厚さを有する、実施形態34に記載のマイクロ流体デバイス。
36.基板の液滴作動表面の誘電内層は、少なくとも約40ナノメートルの厚さを有する、実施形態8〜35のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
37.基板の液滴作動表面の誘電内層は、約40ナノメートル〜約120ナノメートルの厚さを有する、実施形態36に記載のマイクロ流体デバイス。
38.基板は、誘電内層に接触する第1の面及び少なくとも1つの電極に接触する第2の面を有する光応答層を更に含む、実施形態8〜37のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
39.光応答層は、水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)を含む、実施形態38に記載のマイクロ流体デバイス。
40.光応答層は、少なくとも900ナノメートルの厚さを有する、実施形態38又は39に記載のマイクロ流体デバイス。
41.光応答層は、約900ナノメートル〜1100ナノメートルの厚さを有する、実施形態40に記載のマイクロ流体デバイス。
42.光応答層は、複数の導体を含み、各導体は、フォトトランジスタスイッチを介して基板の少なくとも1つの電極に制御可能に接続可能である、実施形態38に記載のマイクロ流体デバイス。
43.基板は、AC電圧源に接続されるように構成される単一の電極を含み、単一の電極は、インジウム錫酸化物(ITO)の層を含む、実施形態8〜42のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
44.基板は、AC電圧源に接続されるように構成される単一の電極を含み、単一の電極は、導電性シリコンの層を含む、実施形態8〜42のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
45.基板は、複数の電極を含み、各電極は、1つ又は複数のAC電圧源に接続されるように構成される、実施形態8〜37のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
46.複数のうちの各電極は、トランジスタスイッチを介して1つ又は複数のAC電圧源の1つに接続可能である、実施形態45に記載のマイクロ流体デバイス。
47.カバーは、エンクロージャを部分的に画定する内向き面を有し、カバーの内向き面は、内層及び疎水性外層を有し、カバーの疎水性外層は、カバーの内層の表面に共有結合した自己会合性分子を含み、それによりその上に高密度の疎水性単層を形成する、実施形態8〜46のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
48.カバーの疎水性単層の自己会合性分子は、表面修飾リガンドと、表面修飾リガンドをカバーの内層の表面に結合させる結合基とをそれぞれ含み、カバーの内向き面は、式II:
Figure 2018535088

の構造体を有し、式中、
Figure 2018535088

は、誘電層の表面であり、Vは、−P(O)(OY)W−又は−Si(OZ)W−であり、Wは、−O−、−S−、又は−NH−であり、且つ表面に接続し、Zは、表面に付着した隣接ケイ素原子への結合であるか、又は表面への結合であり、Yは、表面に付着した隣接リン原子への結合であるか、又は表面への結合であり、Rは、水素又はフッ素であり、Mは、水素又はフッ素であり、hは、独立して2又は3の整数であり、jは、1であり、kは、0又は1であり、mは、0又は1〜20の整数であり、nは、0又は1〜20の整数であり、(n+[(h+j)・k]+m)の和は、11〜25の整数であり、kが1である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素であり、及びkが0であり、且つRがフッ素である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素である、実施形態47に記載のマイクロ流体デバイス。
49.カバーの疎水性単層の自己会合性分子は、基板の液滴作動表面の疎水性単層の自己会合性分子と同じである、実施形態48に記載のマイクロ流体デバイス。
50.カバーの内向き面の疎水性外層は、5ナノメートル未満の厚さを有する、実施形態47〜49のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
51.カバーの内層は、誘電内層である、実施形態47〜50のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
52.カバーは、光応答層を更に含む、実施形態51に記載のマイクロ流体デバイス。
53.カバーは、複数の電極を含み、各電極は、1つ又は複数のAC電圧源に接続されるように構成される、実施形態51に記載のマイクロ流体デバイス。
54.少なくとも1つの離間要素は、シリコンベースの有機ポリマーを含む、実施形態8に記載のマイクロ流体デバイス。
55.シリコンベースの有機ポリマーは、ポリジメチルシロキサン(PDMS)及び光パターン化可能シリコーン(PPS)からなる群から選択される、実施形態54に記載のマイクロ流体デバイス。
56.少なくとも1つの離間要素は、SU−8を含む、実施形態8〜53のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
57.少なくとも1つの離間要素は、少なくとも30μmの厚さを有する、実施形態8〜56のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
58.少なくとも1つの離間要素は、エンクロージャ内に1つ又は複数のマイクロチャネルを画定する、実施形態8〜57のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイス。
59.少なくとも1つの離間要素は、エンクロージャ内に複数のチャンバを更に画定し、各チャンバは、少なくとも1つのマイクロチャネルが終わる箇所で開く、実施形態58に記載のマイクロ流体デバイス。
60.マイクロ流体装置を製造する方法であって、電圧源に接続されるように構成される少なくとも1つの電極を有するカバーの内面に離間要素を接合することと、
電圧源に接続されるように構成される少なくとも1つの電極を有する基板の誘電面に離間要素及びカバーを接合することであって、それにより、離間要素は、カバー及び基板が互いに実質的に平行な向きにされた状態で、カバーの内層と基板の誘電面との間に挟まれ、基板、離間要素、及びカバーは、集合的に、液体を保持するように構成されるエンクロージャを画定する、接合することと、蒸着により、高密度の疎水性単層をカバーの内面の少なくとも一部に形成することであって、疎水性単層は、カバーの内面に共有結合した自己会合性分子を含む、形成することと、
蒸着により、高密度の疎水性単層を基板の誘電面の少なくとも一部に形成することであって、疎水性単層は、基板の誘電面に共有結合された自己会合性分子を含む、形成することと
を含む、方法。
61.カバーの疎水性分子の自己会合性分子及び基板の疎水性単層の自己会合性分子は、表面修飾リガンドと、表面修飾リガンドをカバーの内面及び基板の誘電面にそれぞれ結合させる結合基とをそれぞれ含み、カバー及び基板の結果的な表面は、式II:
Figure 2018535088

の構造体を有し、式中、
Figure 2018535088

は、誘電層の表面であり、Vは、−P(O)(OY)W−又は−Si(OZ)W−であり、Wは、−O−、−S−、又は−NH−であり、且つ表面に接続し、Zは、表面に付着した隣接ケイ素原子への結合であるか、又は表面への結合であり、Yは、表面に付着した隣接リン原子への結合であるか、又は表面への結合であり、Rは、水素又はフッ素であり、Mは、水素又はフッ素であり、hは、独立して2又は3の整数であり、jは、1であり、kは、0又は1であり、mは、0又は1〜20の整数であり、nは、0又は1〜20の整数であり、(n+[(h+j)・k]+m)の和は、11〜25の整数であり、kが1である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素であり、及びkが0であり、且つRがフッ素である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素である、実施形態60に記載の方法。
62.Vは、−Si(OZ)W−である、実施形態61に記載の方法。
63.Vは、−P(O)(OY)W−である、実施形態61に記載の方法。
64.nは、1〜20の整数であり、Rは、水素である、実施形態61〜63のいずれか1つに記載の方法。
65.mは、1〜20の整数であり、Mは、水素である、実施形態64に記載の方法。
66.mは、2である、実施形態65に記載の方法。
67.nは、1〜20の整数であり、Rは、フッ素である、実施形態61〜63のいずれか1つに記載の方法。
68.mは、1〜20の整数であり、Mは、水素である、実施形態67に記載の方法。
69.mは、2である、実施形態68に記載の方法。
70.kは、1である、実施形態61〜69のいずれか1つに記載の方法。
71.kは、0である、実施形態61〜69のいずれか1つに記載の方法。
72.(n+[(h+j)・k]+m)の和は、13〜19の整数である、実施形態61〜71のいずれか1つに記載の方法。
73.マイクロ流体装置であって、誘電体積層と、電圧源に接続されるように構成される少なくとも1つの電極とを有する導電性シリコン基板と、電圧源に接続されるように構成される少なくとも1つの電極を有するカバーと、少なくとも1つの離間要素とを含み、
導電性シリコン基板及びカバーは、互いに実質的に平行であり、且つ離間要素によって一緒に接合されて、液体を保持するように構成されるエンクロージャを画定し、
導電性シリコン基板は、エンクロージャを部分的に画定する内向き面を有し、内向き面は、誘電体積層の最外面を含み、
基板の少なくとも1つの電極及びカバーの少なくとも1つの電極がAC電圧源の逆の端子に接続される場合、基板は、基板の内向き面に接触する水性液滴にエレクトロウェッティング力を適用することが可能である、マイクロ流体装置。
74.導電性シリコン基板は、アモルファスシリコンを含む、実施形態73に記載のマイクロ流体装置。
75.導電性シリコン基板は、フォトトランジスタアレイを含む、実施形態73に記載のマイクロ流体装置。
76.導電性シリコン基板は、電極のアレイを含む、実施形態73に記載のマイクロ流体装置。
77.導電性シリコン基板の内向き面は、疎水性外層を更に含み、疎水性外層は、内部誘電体積層に共有結合された自己会合性分子を含む、実施形態73〜76のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
78.内部誘電体積層は、誘電体材料の第1の層及び誘電体材料の第2の層を含む、実施形態73〜77のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
79.誘電体材料の第1の層は、第1の表面及び逆表面を有し、第1の層の第1の表面は、第2の層と隣り合い、第1の層の逆表面は、誘電体積層の最外面を形成する、実施形態78に記載のマイクロ流体装置。
80.誘電体材料の第1の層は、金属酸化物を含む、実施形態78又は79に記載のマイクロ流体装置。
81.誘電体材料の第1の層は、酸化アルミニウム又は酸化ハフニウムを含む、実施形態80に記載のマイクロ流体装置。
82.誘電体材料の第2の層は、酸化物又は窒化物を含む、実施形態78〜81のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
83.誘電体材料の第2の層は、酸化ケイ素又は窒化ケイ素を含む、実施形態82に記載のマイクロ流体装置。
84.第2の層は、プラズマ化学気相成長(PECVD)技法によって堆積される、実施形態78〜83のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
85.第1の層は、原子層堆積(ALD)技法によって堆積される、実施形態78〜84のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
86.内部誘電体積層は、第1の表面及び逆表面を有する第3の層を含み、第3の層の第1の表面は、第1の層と隣り合い、第3の層の逆表面は、誘電体積層の最外面を形成する、実施形態78〜85のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
87.第3の層は、酸化ケイ素を含む、実施形態86に記載のマイクロ流体装置。
88.第3の層は、原子層堆積(ALD)技法によって堆積される、実施形態86又は87に記載のマイクロ流体装置。
89.誘電体材料の第1の層は、約10nm〜約50nmの厚さを有する、実施形態78〜85のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
90.誘電体材料の第1の層は、約5nm〜約20nmの厚さを有し、及び誘電体材料の第3の層は、約2nm〜10nmの厚さを有する、実施形態86〜88のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
91.誘電体材料の第2の層は、約30nm〜約100nmの厚さを有する、実施形態78〜90のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
92.基板の液滴作動表面の誘電体積層は、少なくとも約40ナノメートルの厚さを有する、実施形態73〜91のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
93.基板の液滴作動表面の誘電体積層は、約40ナノメートル〜約120ナノメートルの厚さを有する、実施形態92に記載のマイクロ流体装置。
94.誘電層は、約50kオーム〜約150kオームのインピーダンスを有する、実施形態73〜93のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
95.
第1の周波数における第1の印加電圧に応答して第1のマイクロ流体動作を実行する誘電泳動モジュールと、
誘電泳動モジュールから出力を受信し、且つ第2の周波数における第2の印加電圧に応答して第2のマイクロ流体動作を実行するエレクトロウェッティングモジュールと
を含み、
エレクトロウェッティングモジュールは、導電性シリコン基板の誘電体積層を含む、実施形態73〜94のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
96.第1のモジュールと第2のモジュールとの間にブリッジを更に含む、実施形態95に記載のマイクロ流体装置。
97.ブリッジは、第1又は第2のマイクロ流体動作を実行しない、実施形態96に記載のマイクロ流体装置。
98.ブリッジは、電気的に中性である、実施形態96又は97に記載のマイクロ流体装置。
99.ブリッジは、管を含む、実施形態96〜98のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
100.ブリッジは、ポリマーを含む、実施形態96〜98のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
101.出力は、生体材料を含む、実施形態95〜100のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
102.第1の周波数は、100kHz〜10mHzの範囲内である、実施形態95〜101のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
103.第2の周波数は、1kHz〜300kHzの範囲内である、実施形態95〜102のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
104.第1の電圧は、1〜10ボルトの範囲内である、実施形態95〜103のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
105.第2の電圧は、10〜100ボルトの範囲内である、実施形態95〜104のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
106.導電性シリコン基板は、モノリシックである、実施形態95〜105のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
107.導電性シリコン基板は、デュオリシックである、実施形態95〜106のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置。
108.導電性シリコン基板は、アモルファスシリコンを含む、実施形態106に記載のマイクロ流体装置。
109.導電性シリコン基板は、アモルファスシリコンを含む、実施形態107に記載のマイクロ流体装置。
110.導電性シリコン基板は、フォトトランジスタアレイを含む、実施形態106に記載のマイクロ流体装置。
111.導電性シリコン基板は、フォトトランジスタアレイを含む、実施形態107に記載のマイクロ流体装置。
112.導電性シリコン基板は、電極のアレイを含む、実施形態106に記載のマイクロ流体装置。
113.導電性シリコン基板は、電極のアレイを含む、実施形態107に記載のマイクロ流体装置。
114.水性媒体と相溶性であり且つ/又は水性媒体に溶融可能な微小物体、生物由来物質、及び/又は試剤を輸送するシステムであって、
ベース及びマイクロ流体回路構造体を含むエンクロージャを有するマイクロ流体デバイスであって、ベースは、ベースの上面の少なくとも一部に共有結合した疎水性単層を含む、マイクロ流体デバイスと、
水性媒体と混合しない第1の流体媒体と、
少なくとも1つの水性液滴と
を含む、システム。
115.疎水性単層は、表面修飾リガンドと、表面修飾リガンドを表面に結合させる結合基とを有し、疎水性表面は、式II:
Figure 2018535088

の構造体を有し、式中、
Figure 2018535088

は、表面であり、Vは、−P(O)(OY)W−又は−Si(OZ)2W−であり、Wは、−O−、−S−、又は−NH−であり、且つ表面に接続し、Zは、表面に付着した隣接ケイ素原子への結合であるか、又は表面への結合であり、Yは、表面に付着した隣接リン原子への結合であるか、又は表面への結合であり、Rは、水素又はフッ素であり、Mは、水素又はフッ素であり、hは、独立して2又は3の整数であり、jは、1であり、kは、0又は1であり、mは、0又は1〜20の整数であり、nは、0又は1〜20の整数であり、(n+[(h+j)・k]+m)の和は、11〜25の整数であり、kが1である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素であり、及びkが0であり、且つRがフッ素である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素である、実施形態114に記載のシステム。
116.ベースは、導電性基板を含む、実施形態114又は115に記載のシステム。
117.マイクロ流体デバイスは、実施形態1〜59のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイスである、実施形態114〜116のいずれか1つに記載のシステム。
118.マイクロ流体デバイスは、光学作動EW構成を含む、実施形態117に記載のシステム。
119.マイクロ流体デバイスは、DEP構成を更に含む、実施形態117又は118に記載のシステム。
120.第1の流体媒体は、炭素、ケイ素、及び酸素から選択される原子を含む主鎖構造を有する少なくとも1つの有機化合物又は有機ケイ素化合物を含む、実施形態114〜119のいずれか1つに記載のシステム。
121.少なくとも1つの有機ケイ素化合物の主鎖構造は、ケイ素原子及び任意選択的に酸素原子を含む、実施形態120に記載のシステム。
122.少なくとも1つの有機化合物の主鎖構造は、炭素原子及び任意選択的に酸素原子を含む、実施形態120に記載のシステム。
123.主鎖構造は、分岐している、実施形態122に記載のシステム。
124.第1の流体媒体は、1つ又は複数の非環式の有機化合物又は有機ケイ素化合物を含む、実施形態120〜123のいずれか1つに記載のシステム。
125.第1の流体媒体は、非環式の有機化合物又は有機ケイ素化合物からなる、実施形態124に記載のシステム。
126.第1の流体媒体は、パーフルオロ化炭素原子を含まない、実施形態114〜125のいずれか1つに記載のシステム。
127.第1の流体媒体の化合物の炭素原子の置換基は、90%以下のフッ素置換基を含む、実施形態114〜125のいずれか1つに記載のシステム。
128.表面修飾リガンドは、疎水性単層の内向きの末端においてパーフルオロ化炭素原子を含む少なくとも第1の部分を含む、実施形態115〜125のいずれか1つに記載のシステム。
129.疎水性単層の全ての炭素原子は、パーフルオロ化される、実施形態128に記載のシステム。
130.第1の流体媒体は、2つ以上の有機化合物又は有機ケイ素化合物を含む、実施形態114〜129のいずれか1つに記載のシステム。
131.エンクロージャは、カバーを更に含む、実施形態114〜130のいずれか1つに記載のシステム。
132.カバーは、光を透過する、実施形態131に記載のシステム。
133.カバーは、ガラス及び/又はインジウムタンタル酸化物(ITO)を含む、実施形態131又は132に記載のシステム。
134.カバーは、電極を含む、実施形態131〜133のいずれか1つに記載のシステム。
135.水性液滴は、界面活性剤を含む、実施形態114〜134のいずれか1つに記載のシステム。
136.界面活性剤は、非イオン性界面活性剤を含む、実施形態135に記載のシステム。
137.界面活性剤は、ブロックアルキレンオキシドコポリマー、脂肪酸エステルエトキシル化ソルビタン、エトキシル化フッ素系界面活性剤、ドデシル硫酸ナトリウム、又は2,4,7,9,テトラメチル−5−デシン−4,7,−ジオールエトキシレートを含む、実施形態135又は136に記載のシステム。
138.界面活性剤は、Capstone(登録商標)FS-30(DuPont商標、Synquest Laboratories)を含む、実施形態135〜137のいずれか1つに記載のシステム。
139.液滴は、リン酸緩衝生理食塩溶液を含む、実施形態114〜139のいずれか1つに記載のシステム。
140.水性液滴は、少なくとも1つの微小物体を含む、実施形態114〜139のいずれか1つに記載のシステム。
141.微小物体は、生物学的微小物体である、実施形態140に記載のシステム。
142.水性液滴は、核酸及び/又はタンパク質を含む生物由来物質を含む、実施形態114〜141のいずれか1つに記載のシステム。
143.水性液滴は、試剤を含む、実施形態114〜142のいずれか1つに記載のシステム。
144.水性媒体と相溶性であり且つ/又は水性媒体に溶融可能な微小物体、生物由来物質、及び/又は試剤を輸送するキットであって、ベース及びマイクロ流体回路構造体を含むエンクロージャを有するマイクロ流体デバイスであって、ベースは、ベースの上面の少なくとも一部に共有結合した疎水性単層を含む、マイクロ流体デバイスと、水性媒体と混合しない第1の流体媒体とを含む、キット。
145.疎水性単層は、表面修飾リガンドと、表面修飾リガンドを表面に結合させる結合基とを有し、疎水性表面は、式II:
Figure 2018535088

の構造体を有し、式中、
Figure 2018535088

は、表面であり、Vは、−P(O)(OY)W−又は−Si(OZ)2W−であり、Wは、−O−、−S−、又は−NH−であり、且つ表面に接続し、Zは、表面に付着した隣接ケイ素原子への結合であるか、又は表面への結合であり、Yは、表面に付着した隣接リン原子への結合であるか、又は表面への結合であり、Rは、水素又はフッ素であり、Mは、水素又はフッ素であり、hは、独立して2又は3の整数であり、jは、1であり、kは、0又は1であり、mは、0又は1〜20の整数であり、nは、0又は1〜20の整数であり、(n+[(h+j)・k]+m)の和は、11〜25の整数であり、kが1である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素であり、及びkが0であり、且つRがフッ素である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素である、実施形態144に記載のキット。
146.ベースは、導電性基板を含む、実施形態144又は145に記載のキット。
147.マイクロ流体デバイスは、実施形態1〜59のいずれか1つに記載のマイクロ流体デバイスである、実施形態144又は145に記載のキット。
148.実施形態8〜59のいずれか1つに記載のマイクロ流体装置を動作させるプロセスであって、
エンクロージャ又はその一部に第1の流体媒体を充填することと、
AC電圧電位を基板の少なくとも1つの電極とカバーの少なくとも1つの電極との間に印加することと、
液体の第1の液滴をエンクロージャに導入することであって、第1の液滴は、第1の流体媒体と混合しない、導入することと、
エレクトロウェッティング力を第1の液滴に適用することにより、第1の液滴をエンクロージャ内の所望の位置に移動させることと
を含む、プロセス。
149.第1の液体媒体は、油である、実施形態148に記載のプロセス。
150.第1の液体媒体は、シリコーン油、フッ素化油、又はそれらの組み合わせである、実施形態148に記載のプロセス。
151.印加されるAC電圧電位は、少なくとも20ppVである、実施形態148〜150のいずれか1つに記載のプロセス。
152.印加されるAC電圧電位は、約25〜35ppVである、実施形態151に記載のプロセス。
153.印加されるAC電圧電位は、約1〜100kHzの周波数を有する、実施形態148〜152のいずれか1つに記載のプロセス。
154.マイクロ流体装置は、液滴生成器を含み、液滴生成器は、第1の液滴をエンクロージャに導入する、実施形態148〜153のいずれか1つに記載のプロセス。
155.第1の液滴は、水溶液を含む、実施形態148〜154のいずれか1つに記載のプロセス。
156.第1の液滴は、少なくとも1つの微小物体を含む、実施形態155に記載のプロセス。
157.少なくとも1つの微小物体は、生物学的微小物体である、実施形態156に記載のプロセス。
158.生物学的微小物体は、細胞である、実施形態157に記載のプロセス。
159.水溶液は、細胞培地である、実施形態155〜158のいずれか1つに記載のプロセス。
160.少なくとも1つの微小物体は、対象となる材料に対する親和性を有する捕捉ビーズである、実施形態156に記載のプロセス。
161.第1の液滴は、2〜20個の捕捉ビーズを含む、実施形態160に記載のプロセス。
162.対象となる材料は、生体細胞分泌物である、実施形態160に記載のプロセス。
163.対象となる材料は、DNA、ゲノムDNA、ミトコンドリアDNA、RNA、mRNA、miRNA、又はそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、実施形態160又は161に記載のプロセス。
164.164.第1の液滴は、試剤を含む、実施形態155又は156に記載のプロセス。
165.試剤は、細胞溶解試剤である、実施形態164に記載のプロセス。
166.試剤は、非イオン性洗剤を含む、実施形態165に記載のプロセス。
167.非イオン性洗剤は、0.2%未満の濃度である、実施形態166に記載のプロセス。
168.試剤は、タンパク質分解酵素である、実施形態164に記載のプロセス。
169.タンパク質分解酵素は、非活性化され得る、実施形態168に記載のプロセス。
170.液体の第2の液滴をエンクロージャに導入することであって、第2の液滴の液体は、第1の液体媒体中に混合しないが、第1の液滴の液体と混合する、導入することと、
エレクトロウェッティング力を第2の液滴に適用することにより、エンクロージャ内の第1の液滴に隣接する位置に第2の液滴を移動させることと、
第2の液滴を第1の液滴と混合して、第1の結合液滴を形成することと
を更に含む、実施形態148〜169のいずれか1つに記載のプロセス。
171.第2の液滴は、エレクトロウェッティング力を第2の液滴及び/又は第1の液滴に適用することにより、第1の液滴と混合される、実施形態170に記載のプロセス。
172.第1の液滴は、生物学的微小物体を含み、第2の液滴は、試剤を含む、実施形態170又は171に記載のプロセス。
173.第2の液滴に含有される試剤は、溶解バッファー、蛍光標識、及びルミネッセントアッセイ試剤からなる群から選択される、実施形態172に記載のプロセス。
174.第2の液滴に含有される試剤は、溶解バッファーであり、生体細胞は、第1の液滴と第2の液滴との混合時に溶解される、実施形態172に記載のプロセス。
175.液体の第3の液滴をエンクロージャに導入することであって、第3の液滴の液体は、第1の液体媒体と混合しないが、第1の結合液滴の液体と混合する、導入することと、
エレクトロウェッティング力を第3の液滴に適用することにより、エンクロージャ内の第1の結合液滴に隣接する位置に第3の液滴を移動させることと、
第3の液滴を第1の結合液滴と混合して、第2の結合液滴を形成することと
を更に含む、実施形態170〜174のいずれか1つに記載のプロセス。
176.第3の液滴は、エレクトロウェッティング力を第3の液滴及び/又は第1の結合液滴に適用することにより、第1の結合液滴と混合される、実施形態175に記載のプロセス。
177.第3の液滴は、試剤を含む、実施形態175又は176に記載のプロセス。
178.第3の液滴は、プロテアーゼ阻害剤を含む、実施形態177に記載のプロセス。
179.第3の液滴は、対象となる材料に対する親和性を有する1〜20個の捕捉ビーズを含む、実施形態177に記載のプロセス。
180.捕捉ビーズは、オリゴヌクレオチド捕捉剤を含む、実施形態179に記載のプロセス。
181.オリゴヌクレオチド捕捉剤は、ポリ−dTオリゴヌクレオチドである、実施形態180に記載のプロセス。
182.対象となる材料は、DNA、ゲノムDNA、ミトコンドリアDNA、RNA、mRNA、miRNA、又はそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、実施形態179〜181のいずれか1つに記載のプロセス。
183.1〜20個の捕捉ビーズをマイクロ流体装置から搬出することを更に含む、実施形態179〜182のいずれか1つに記載のプロセス。
184.液体の第4の液滴をエンクロージャに導入することであって、第4の液滴の液体は、第1の液体媒体と混合しないが、第2の結合液滴の液体と混合する、導入することと、
エレクトロウェッティング力を第4の液滴に適用することにより、エンクロージャ内の第2の結合液滴に隣接する位置に第4の液滴を移動させることと、
第4の液滴を第2の結合液滴と混合して、第3の結合液滴を形成することと
を更に含む、実施形態175〜183のいずれか1つに記載のプロセス。
185.第4の液滴は、エレクトロウェッティング力を第4の液滴及び/又は第2の結合液滴に適用することにより、第2の結合液滴と混合される、実施形態184に記載のプロセス。
186.第4の液滴は、試剤を含む、実施形態184又は185に記載のプロセス。
187.第4の液滴に含有される試剤は、緩衝剤、dNTP、及び逆転写反応の実行に適したポリメラーゼを含む混合物を含む、実施形態186に記載のプロセス。
188.第4の液滴に含有される試剤は、緩衝剤、dNTP、及び全ゲノム増幅反応の実行に適したポリメラーゼを含む混合物を含む、実施形態186に記載のプロセス。
189.第1の液滴、第2の液滴、第3の液滴、及び第4の液滴は、約5〜50ナノリットルの容量をそれぞれ有する、実施形態148〜188のいずれか1つに記載のプロセス。
190.第1の液滴、第2の液滴、及び第3の液滴は、約5〜20ナノリットルの容量をそれぞれ有する、実施形態189に記載のプロセス。
191.第2の液滴及び/又は第3の液滴は、第1の液滴の容量と実質的に等しい容量を有する、実施形態190に記載のプロセス。
192.第4の液滴は、第1の液滴の約1〜3倍の容量を有する、実施形態190又は191に記載のプロセス。
193.第4の液滴は、約10〜30ナノリットルの容量を有する、実施形態192に記載のプロセス。
194.エンクロージャは、少なくとも1つのマイクロチャネルを含む、実施形態148〜193のいずれか1つに記載のプロセス。
195.第1の液滴をエンクロージャ内の所望の位置に移動させることは、少なくとも1つのマイクロチャネルを通して第1の液滴を移動させることを含む、実施形態194に記載のプロセス。
196.エンクロージャは、少なくとも1つのマイクロチャネルが終わる箇所で開く複数のチャンバを更に含む、実施形態194又は195に記載のプロセス。
197.第1の液滴をエンクロージャ内の所望の位置に移動させることは、複数のチャンバのうちの1つのチャンバ内に第1の液滴を移動させることを含む、実施形態196に記載のプロセス。
198.第2の液滴を第1の液滴に隣接する位置に移動させることは、少なくとも1つのマイクロチャネルを通して、且つ任意選択的に第1の液滴を含有するチャンバ内に第2の液滴を移動させることを含む、実施形態194〜197のいずれか1つに記載のプロセス。
199.第3の液滴を第1の結合液滴に隣接する位置に移動させることは、少なくとも1つのマイクロチャネルを通して、且つ任意選択的に第1の結合液滴を含有するチャンバ内に第3の液滴を移動させることを含む、実施形態198に記載のプロセス。
200.第4の液滴を第2の結合液滴に隣接する位置に移動させることは、少なくとも1つのマイクロチャネルを通して、且つ任意選択的に第2の結合液滴を含有するチャンバ内に第4の液滴を移動させることを含む、実施形態199に記載のプロセス。
201.エレクトロウェッティング力を適用して液滴を移動させ、且つ/又はそれを混合することは、液滴の近傍の基板表面の領域の有効エレクトロウェッティング特性を変えることを含む、実施形態148〜200のいずれか1つに記載のプロセス。
202.有効エレクトロウェッティング特性を変えることは、液滴の近傍の基板表面の領域におけるエレクトロウェッティング電極を活性化することを含む、実施形態201に記載のプロセス。
203.基板は、光応答層を含み、液滴の近傍の基板表面の領域におけるエレクトロウェッティング電極を活性化することは、エレクトロウェッティング表面の領域に光のパターンを向けることを含む、実施形態202に記載のプロセス。
均等物
上記の本明細書は、当業者が実施形態を実施できるようにするのに十分であると見なされる。上記説明及び例は、特定の実施形態を詳述し、考えられる最良の形態を説明している。しかし、上記が文章でいかに詳細に見え得るかに関係なく、実施形態が多くの方法で実施可能であり、添付の特許請求の範囲及び任意のその均等物に従って解釈されるべきであることが理解されるであろう。

Claims (203)

  1. エレクトロウェッティング構成を有するマイクロ流体デバイスであって、
    誘電層、液滴作動表面、及びAC電圧源に接続されるように構成される第1の電極を有する基板と、
    前記AC電圧源に接続されるように構成される第2の電極と
    を含み、
    前記誘電層は、前記第1の電極に電気的に結合され、
    前記液滴作動表面は、前記誘電層に共有結合された疎水性層を含む、マイクロ流体デバイス。
  2. 片面エレクトロウェッティング構成を有する、請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。
  3. 前記第2の電極は、前記基板に含まれるメッシュ電極である、請求項2に記載のマイクロ流体デバイス。
  4. 光学エレクトロウェッティング(OEW)構成を有する、請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。
  5. 誘電体エレクトロウェッティング(EWOD)構成を有する、請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。
  6. 前記疎水性層は、表面修飾リガンドと、前記表面修飾リガンドを前記表面に結合させる結合基とを含む単層であり、前記液滴作動表面は、式II:
    Figure 2018535088

    の構造体を有し、式中、
    Figure 2018535088

    は、前記誘電層の表面であり、
    Vは、−P(O)(OY)W−又は−Si(OZ)W−であり、
    Wは、−O−、−S−、又は−NH−であり、且つ前記表面に接続し、
    Zは、前記表面に付着した隣接ケイ素原子への結合であるか、又は前記表面への結合であり、
    Yは、前記表面に付着した隣接リン原子への結合であるか、又は前記表面への結合であり、
    Rは、水素又はフッ素であり、
    Mは、水素又はフッ素であり、
    hは、独立して2又は3の整数であり、
    jは、1であり、
    kは、0又は1であり、
    mは、0又は1〜20の整数であり、
    nは、0又は1〜20の整数であり、
    (n+[(h+j)・k]+m)の和は、11〜25の整数であり、
    kが1である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素であり、及び
    kが0であり、且つRがフッ素である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素である、請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。
  7. 前記デバイスの前記エレクトロウェッティング構成は、前記デバイスの第1のセクションによって構成され、前記デバイスは、誘電泳動(DEP)構成を有する第2のセクションを更に含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
  8. マイクロ流体デバイスであって、
    電圧源に接続されるように構成される少なくとも1つの電極を有する基板と、
    前記電圧源に接続されるように構成される少なくとも1つの電極を有するカバーと、
    少なくとも1つの離間要素と
    を含み、
    前記基板及び前記カバーは、互いに実質的に平行であり、且つ前記離間要素によって一緒に接合されて、液体を保持するように構成されるエンクロージャを画定し、
    前記基板は、前記エンクロージャを部分的に画定する液滴作動表面を有し、前記液滴作動表面は、誘電内層及び疎水性外層を有し、
    前記疎水性外層は、前記誘電内層の表面に共有結合した自己会合性分子を含み、それによりその上に高密度の疎水性単層を形成し、
    前記基板の前記少なくとも1つの電極及び前記カバーの前記少なくとも1つの電極が前記電圧源の逆の端子に接続される場合、前記基板は、前記基板の前記液滴作動表面に接触する水性液滴にエレクトロウェッティング力を適用することが可能である、マイクロ流体デバイス。
  9. 前記疎水性単層の前記自己会合性分子は、表面修飾リガンドと、前記表面修飾リガンドを前記誘電内層の前記表面に結合させる結合基とをそれぞれ含み、前記液滴作動表面は、式II:
    Figure 2018535088

    の構造体を有し、式中、
    Figure 2018535088

    は、前記誘電層の表面であり、
    Vは、−P(O)(OY)W−又は−Si(OZ)W−であり、
    Wは、−O−、−S−、又は−NH−であり、且つ前記表面に接続し、
    Zは、前記表面に付着した隣接ケイ素原子への結合であるか、又は前記表面への結合であり、
    Yは、前記表面に付着した隣接リン原子への結合であるか、又は前記表面への結合であり、
    Rは、水素又はフッ素であり、
    Mは、水素又はフッ素であり、
    hは、独立して2又は3の整数であり、
    jは、1であり、
    kは、0又は1であり、
    mは、0又は1〜20の整数であり、
    nは、0又は1〜20の整数であり、
    (n+[(h+j)・k]+m)の和は、11〜25の整数であり、
    kが1である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素であり、及び
    kが0であり、且つRがフッ素である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素である、請求項8に記載のマイクロ流体装置。
  10. Vは、−Si(OZ)W−である、請求項9に記載のマイクロ流体デバイス。
  11. Vは、−P(O)(OY)W−である、請求項9に記載のマイクロ流体デバイス。
  12. nは、1〜20の整数であり、Rは、水素である、請求項9〜11のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
  13. mは、1〜20の整数であり、Mは、水素である、請求項12に記載のマイクロ流体デバイス。
  14. mは、2である、請求項13に記載のマイクロ流体デバイス。
  15. nは、1〜20の整数であり、Rは、フッ素である、請求項9〜11のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
  16. mは、1〜20の整数であり、Mは、水素である、請求項15に記載のマイクロ流体デバイス。
  17. mは、2である、請求項16に記載のマイクロ流体デバイス。
  18. kは、1である、請求項9に記載のマイクロ流体デバイス。
  19. kは、0である、請求項9に記載のマイクロ流体デバイス。
  20. (n+[(h+j)・k]+m)の和は、13〜19の整数である、請求項9に記載のマイクロ流体デバイス。
  21. 前記基板の前記液滴作動表面の前記疎水性外層は、5ナノメートル未満の厚さを有する、請求項8に記載のマイクロ流体デバイス。
  22. 前記基板の前記液滴作動表面の前記疎水性外層は、選択領域が前記疎水性外層の残りの部分と比較して相対的に親水性であるようにパターン化される、請求項8に記載のマイクロ流体デバイス。
  23. 前記基板の前記液滴作動表面の前記誘電内層は、酸化物を含む誘電体材料の第1の層を含む、請求項8に記載のマイクロ流体デバイス。
  24. 前記酸化物は、金属酸化物である、請求項23に記載のマイクロ流体デバイス。
  25. 前記金属酸化物は、酸化アルミニウムである、請求項24に記載のマイクロ流体デバイス。
  26. 前記誘電体材料の第1の層は、原子層堆積によって形成される、請求項23に記載のマイクロ流体デバイス。
  27. 前記基板の前記液滴作動表面の前記誘電内層は、誘電体材料の第2の層を更に含み、前記疎水性外層は、前記誘電体材料の第1の層に共有結合する、請求項23〜26のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
  28. 前記誘電体材料の第2の層は、酸化物又は窒化物を含む、請求項27に記載のマイクロ流体デバイス。
  29. 前記誘電体材料の第2の層は、二酸化ケイ素及び窒化ケイ素からなる群から選択される、請求項28に記載のマイクロ流体デバイス。
  30. 前記誘電体材料の第2の層は、プラズマ化学気相成長法によって形成される、請求項27に記載のマイクロ流体デバイス。
  31. 前記誘電体材料の第1の層は、誘電体材料の第1及び第2の副層を含み、前記第1の副層は、前記疎水性層に共有結合する、請求項23に記載のマイクロ流体デバイス。
  32. 前記誘電体材料の第1の副層は、酸化ケイ素を含む、請求項31に記載のマイクロ流体デバイス。
  33. 前記誘電体材料の第1の副層は、ALDによって堆積される、請求項31に記載のマイクロ流体デバイス。
  34. 前記誘電体材料の第1の層は、約10nm〜約20nmの厚さを有する、請求項31〜33のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
  35. 前記誘電体材料の第1の副層は、約2nm〜約10nmの厚さを有する、請求項34に記載のマイクロ流体デバイス。
  36. 前記基板の前記液滴作動表面の前記誘電内層は、少なくとも約40ナノメートルの厚さを有する、請求項8に記載のマイクロ流体デバイス。
  37. 前記基板の前記液滴作動表面の前記誘電内層は、約40ナノメートル〜約120ナノメートルの厚さを有する、請求項36に記載のマイクロ流体デバイス。
  38. 前記基板は、前記誘電内層に接触する第1の面及び前記少なくとも1つの電極に接触する第2の面を有する光応答層を更に含む、請求項8に記載のマイクロ流体デバイス。
  39. 前記光応答層は、水素化アモルファスシリコン(a−Si:H)を含む、請求項38に記載のマイクロ流体デバイス。
  40. 前記光応答層は、少なくとも900ナノメートルの厚さを有する、請求項38又は39に記載のマイクロ流体デバイス。
  41. 前記光応答層は、約900〜1100ナノメートルの厚さを有する、請求項40に記載のマイクロ流体デバイス。
  42. 前記光応答層は、複数の導体を含み、各導体は、フォトトランジスタスイッチを介して前記基板の前記少なくとも1つの電極に制御可能に接続可能である、請求項38に記載のマイクロ流体デバイス。
  43. 前記基板は、AC電圧源に接続されるように構成される単一の電極を含み、前記単一の電極は、インジウム錫酸化物(ITO)の層を含む、請求項8に記載のマイクロ流体デバイス。
  44. 前記基板は、AC電圧源に接続されるように構成される単一の電極を含み、前記単一の電極は、導電性シリコンの層を含む、請求項8に記載のマイクロ流体デバイス。
  45. 前記基板は、複数の電極を含み、各電極は、1つ又は複数のAC電圧源に接続されるように構成される、請求項8に記載のマイクロ流体デバイス。
  46. 前記複数のうちの各電極は、トランジスタスイッチを介して前記1つ又は複数のAC電圧源の1つに接続可能である、請求項45に記載のマイクロ流体デバイス。
  47. 前記カバーは、前記エンクロージャを部分的に画定する内向き面を有し、前記カバーの前記内向き面は、内層及び疎水性外層を有し、前記カバーの前記疎水性外層は、前記カバーの前記内層の表面に共有結合した自己会合性分子を含み、それによりその上に高密度の疎水性単層を形成する、請求項8に記載のマイクロ流体デバイス。
  48. 前記カバーの前記疎水性単層の前記自己会合性分子は、表面修飾リガンドと、前記表面修飾リガンドを前記カバーの前記内層の前記表面に結合させる結合基とをそれぞれ含み、前記カバーの前記内向き面は、式II:
    Figure 2018535088

    の構造体を有し、式中、
    Figure 2018535088

    は、前記誘電層の表面であり、
    Vは、−P(O)(OY)W−又は−Si(OZ)W−であり、
    Wは、−O−、−S−、又は−NH−であり、且つ前記表面に接続し、
    Zは、前記表面に付着した隣接ケイ素原子への結合であるか、又は前記表面への結合であり、
    Yは、前記表面に付着した隣接リン原子への結合であるか、又は前記表面への結合であり、
    Rは、水素又はフッ素であり、
    Mは、水素又はフッ素であり、
    hは、独立して2又は3の整数であり、
    jは、1であり、
    kは、0又は1であり、
    mは、0又は1〜20の整数であり、
    nは、0又は1〜20の整数であり、
    (n+[(h+j)・k]+m)の和は、11〜25の整数であり、
    kが1である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素であり、及び
    kが0であり、且つRがフッ素である場合、mは、少なくとも2であり、及びMは、水素である、請求項47に記載のマイクロ流体デバイス。
  49. 前記カバーの前記疎水性単層の前記自己会合性分子は、前記基板の前記液滴作動表面の前記疎水性単層の前記自己会合性分子と同じである、請求項48に記載のマイクロ流体デバイス。
  50. 前記カバーの前記内向き面の前記疎水性外層は、5ナノメートル未満の厚さを有する、請求項47〜49のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
  51. 前記カバーの前記内層は、誘電内層である、請求項47に記載のマイクロ流体デバイス。
  52. 前記カバーは、光応答層を更に含む、請求項51に記載のマイクロ流体デバイス。
  53. 前記カバーは、複数の電極を含み、各電極は、1つ又は複数のAC電圧源に接続されるように構成される、請求項51に記載のマイクロ流体デバイス。
  54. 前記少なくとも1つの離間要素は、シリコンベースの有機ポリマーを含む、請求項8に記載のマイクロ流体デバイス。
  55. 前記シリコンベースの有機ポリマーは、ポリジメチルシロキサン(PDMS)及び光パターン化可能シリコーン(PPS)からなる群から選択される、請求項54に記載のマイクロ流体デバイス。
  56. 前記少なくとも1つの離間要素は、SU−8を含む、請求項8に記載のマイクロ流体デバイス。
  57. 前記少なくとも1つの離間要素は、少なくとも30μmの厚さを有する、請求項8に記載のマイクロ流体デバイス。
  58. 前記少なくとも1つの離間要素は、前記エンクロージャ内に1つ又は複数のマイクロチャネルを画定する、請求項8に記載のマイクロ流体デバイス。
  59. 前記少なくとも1つの離間要素は、前記エンクロージャ内に複数のチャンバを更に画定し、各チャンバは、少なくとも1つのマイクロチャネルが終わる箇所で開く、請求項58に記載のマイクロ流体デバイス。
  60. マイクロ流体装置を製造する方法であって、
    電圧源に接続されるように構成される少なくとも1つの電極を有するカバーの内面に離間要素を接合することと、
    電圧源に接続されるように構成される少なくとも1つの電極を有する基板の誘電面に前記離間要素及びカバーを接合することであって、それにより、前記離間要素は、前記カバー及び前記基板が互いに実質的に平行な向きにされた状態で、前記カバーの前記内層と前記基板の前記誘電面との間に挟まれ、前記基板、離間要素、及びカバーは、集合的に、液体を保持するように構成されるエンクロージャを画定する、接合することと、
    蒸着により、高密度の疎水性単層を前記カバーの前記内面の少なくとも一部に形成することであって、前記疎水性単層は、前記カバーの前記内面に共有結合した自己会合性分子を含む、形成することと、
    蒸着により、高密度の疎水性単層を前記基板の前記誘電面の少なくとも一部に形成することであって、前記疎水性単層は、前記基板の前記誘電面に共有結合された自己会合性分子を含む、形成することと
    を含む、方法。
  61. 前記カバーの前記疎水性分子の前記自己会合性分子及び前記基板の前記疎水性単層の前記自己会合性分子は、表面修飾リガンドと、前記表面修飾リガンドを前記カバーの前記内面及び前記基板の前記誘電面にそれぞれ結合させる結合基とをそれぞれ含み、前記カバー及び前記基板の結果的な表面は、式II:
    Figure 2018535088

    の構造体を有し、式中、
    Figure 2018535088

    は、前記誘電層の表面であり、
    Vは、−P(O)(OY)W−又は−Si(OZ)W−であり、
    Wは、−O−、−S−、又は−NH−であり、且つ前記表面に接続し、
    Zは、前記表面に付着した隣接ケイ素原子への結合であるか、又は前記表面への結合であり、
    Yは、前記表面に付着した隣接リン原子への結合であるか、又は前記表面への結合であり、
    Rは、水素又はフッ素であり、
    Mは、水素又はフッ素であり、
    hは、独立して2又は3の整数であり、
    jは、1であり、
    kは、0又は1であり、
    mは、0又は1〜20の整数であり、
    nは、0又は1〜20の整数であり、
    (n+[(h+j)・k]+m)の和は、11〜25の整数であり、
    kが1である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素であり、及び
    kが0であり、且つRがフッ素である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素である、請求項60に記載の方法。
  62. Vは、−Si(OZ)W−である、請求項61に記載の方法。
  63. Vは、−P(O)(OY)W−である、請求項61に記載の方法。
  64. nは、1〜20の整数であり、Rは、水素である、請求項61に記載の方法。
  65. mは、1〜20の整数であり、Mは、水素である、請求項64に記載の方法。
  66. mは、2である、請求項65に記載の方法。
  67. nは、1〜20の整数であり、Rは、フッ素である、請求項61に記載の方法。
  68. mは、1〜20の整数であり、Mは、水素である、請求項67に記載の方法。
  69. mは、2である、請求項68に記載の方法。
  70. kは、1である、請求項61〜69のいずれか一項に記載の方法。
  71. kは、0である、請求項61〜69のいずれか一項に記載の方法。
  72. (n+[(h+j)・k]+m)の和は、13〜19の整数である、請求項61に記載の方法。
  73. マイクロ流体装置であって、
    誘電体積層と、電圧源に接続されるように構成される少なくとも1つの電極とを有する導電性シリコン基板と、
    電圧源に接続されるように構成される少なくとも1つの電極を有するカバーと、
    少なくとも1つの離間要素と
    を含み、
    前記導電性シリコン基板及び前記カバーは、互いに実質的に平行であり、且つ前記離間要素によって一緒に接合されて、液体を保持するように構成されるエンクロージャを画定し、
    前記導電性シリコン基板は、前記エンクロージャを部分的に画定する内向き面を有し、前記内向き面は、前記誘電体積層の最外面を含み、
    前記基板の前記少なくとも1つの電極及び前記カバーの前記少なくとも1つの電極がAC電圧源の逆の端子に接続される場合、前記基板は、前記基板の前記内向き面に接触する水性液滴にエレクトロウェッティング力を適用することが可能である、マイクロ流体装置。
  74. 前記導電性シリコン基板は、アモルファスシリコンを含む、請求項73に記載のマイクロ流体装置。
  75. 前記導電性シリコン基板は、フォトトランジスタアレイを含む、請求項73に記載のマイクロ流体装置。
  76. 前記導電性シリコン基板は、電極のアレイを含む、請求項73に記載のマイクロ流体装置。
  77. 前記導電性シリコン基板の前記内向き面は、疎水性外層を更に含み、前記疎水性外層は、前記内部誘電体積層に共有結合された自己会合性分子を含む、請求項73に記載のマイクロ流体装置。
  78. 前記内部誘電体積層は、誘電体材料の第1の層及び誘電体材料の第2の層を含む、請求項73に記載のマイクロ流体装置。
  79. 前記誘電体材料の第1の層は、第1の表面及び逆表面を有し、前記第1の層の前記第1の表面は、前記第2の層と隣り合い、前記第1の層の前記逆表面は、前記誘電体積層の前記最外面を形成する、請求項78に記載のマイクロ流体装置。
  80. 前記誘電体材料の第1の層は、金属酸化物を含む、請求項78に記載のマイクロ流体装置。
  81. 前記誘電体材料の第1の層は、酸化アルミニウム又は酸化ハフニウムを含む、請求項80に記載のマイクロ流体装置。
  82. 前記誘電体材料の第2の層は、酸化物又は窒化物を含む、請求項78に記載のマイクロ流体装置。
  83. 前記誘電体材料の第2の層は、酸化ケイ素又は窒化ケイ素を含む、請求項82に記載のマイクロ流体装置。
  84. 前記第2の層は、プラズマ化学気相成長(PECVD)技法によって堆積される、請求項78に記載のマイクロ流体装置。
  85. 前記第1の層は、原子層堆積(ALD)技法によって堆積される、請求項78に記載のマイクロ流体装置。
  86. 前記内部誘電体積層は、第1の表面及び逆表面を有する第3の層を含み、前記第3の層の前記第1の表面は、前記第1の層と隣り合い、前記第3の層の前記逆表面は、前記誘電体積層の前記最外面を形成する、請求項78に記載のマイクロ流体装置。
  87. 前記第3の層は、酸化ケイ素を含む、請求項86に記載のマイクロ流体装置。
  88. 前記第3の層は、原子層堆積(ALD)技法によって堆積される、請求項86に記載のマイクロ流体装置。
  89. 前記誘電体材料の第1の層は、約10nm〜約50nmの厚さを有する、請求項78に記載のマイクロ流体装置。
  90. 前記誘電体材料の第1の層は、約5nm〜約20nmの厚さを有し、及び前記誘電体材料の第3の層は、約2nm〜10nmの厚さを有する、請求項86に記載のマイクロ流体装置。
  91. 前記誘電体材料の第2の層は、約30nm〜約100nmの厚さを有する、請求項78に記載のマイクロ流体装置。
  92. 前記基板の液滴作動表面の前記誘電体積層は、少なくとも約40ナノメートルの厚さを有する、請求項73に記載のマイクロ流体装置。
  93. 前記基板の前記液滴作動表面の前記誘電体積層は、約40ナノメートル〜約120ナノメートルの厚さを有する、請求項92に記載のマイクロ流体装置。
  94. 前記誘電層は、約50kオーム〜約150kオームのインピーダンスを有する、請求項73に記載のマイクロ流体装置。
  95. 第1の周波数における第1の印加電圧に応答して第1のマイクロ流体動作を実行する誘電泳動モジュールと、
    前記誘電泳動モジュールから出力を受信し、且つ第2の周波数における第2の印加電圧に応答して第2のマイクロ流体動作を実行するエレクトロウェッティングモジュールと
    を含み、
    前記エレクトロウェッティングモジュールは、前記導電性シリコン基板の前記誘電体積層を含む、請求項73〜94のいずれか一項に記載のマイクロ流体装置。
  96. 前記第1のモジュールと前記第2のモジュールとの間にブリッジを更に含む、請求項95に記載のマイクロ流体装置。
  97. 前記ブリッジは、前記第1又は第2のマイクロ流体動作を実行しない、請求項96に記載のマイクロ流体装置。
  98. 前記ブリッジは、電気的に中性である、請求項96に記載のマイクロ流体装置。
  99. 前記ブリッジは、管を含む、請求項96に記載のマイクロ流体装置。
  100. 前記ブリッジは、ポリマーを含む、請求項96に記載のマイクロ流体装置。
  101. 前記出力は、生体材料を含む、請求項95に記載のマイクロ流体装置。
  102. 前記第1の周波数は、100kHz〜10mHzの範囲内である、請求項95に記載のマイクロ流体装置。
  103. 前記第2の周波数は、1kHz〜300kHzの範囲内である、請求項95に記載のマイクロ流体装置。
  104. 前記第1の電圧は、1〜10ボルトの範囲内である、請求項95に記載のマイクロ流体装置。
  105. 前記第2の電圧は、10〜100ボルトの範囲内である、請求項95に記載のマイクロ流体装置。
  106. 前記導電性シリコン基板は、モノリシックである、請求項95に記載のマイクロ流体装置。
  107. 前記導電性シリコン基板は、デュオリシックである、請求項95に記載のマイクロ流体装置。
  108. 前記導電性シリコン基板は、アモルファスシリコンを含む、請求項106に記載のマイクロ流体装置。
  109. 前記導電性シリコン基板は、アモルファスシリコンを含む、請求項107に記載のマイクロ流体装置。
  110. 前記導電性シリコン基板は、フォトトランジスタアレイを含む、請求項106に記載のマイクロ流体装置。
  111. 前記導電性シリコン基板は、フォトトランジスタアレイを含む、請求項107に記載のマイクロ流体装置。
  112. 前記導電性シリコン基板は、電極のアレイを含む、請求項106に記載のマイクロ流体装置。
  113. 前記導電性シリコン基板は、電極のアレイを含む、請求項107に記載のマイクロ流体装置。
  114. 水性媒体と相溶性であり且つ/又は水性媒体に溶融可能な微小物体、生物由来物質、及び/又は試剤を輸送するシステムであって、
    ベース及びマイクロ流体回路構造体を含むエンクロージャを有するマイクロ流体デバイスであって、前記ベースは、前記ベースの上面の少なくとも一部に共有結合した疎水性単層を含む、マイクロ流体デバイスと、
    水性媒体と混合しない第1の流体媒体と、
    少なくとも1つの水性液滴と
    を含む、システム。
  115. 前記疎水性単層は、表面修飾リガンドと、前記表面修飾リガンドを前記表面に結合させる結合基とを有し、前記疎水性表面は、式II:
    Figure 2018535088

    の構造体を有し、式中、
    Figure 2018535088

    は、前記表面であり、
    Vは、−P(O)(OY)W−又は−Si(OZ)2W−であり、
    Wは、−O−、−S−、又は−NH−であり、且つ前記表面に接続し、
    Zは、前記表面に付着した隣接ケイ素原子への結合であるか、又は前記表面への結合であり、
    Yは、前記表面に付着した隣接リン原子への結合であるか、又は前記表面への結合であり、
    Rは、水素又はフッ素であり、
    Mは、水素又はフッ素であり、
    hは、独立して2又は3の整数であり、
    jは、1であり、
    kは、0又は1であり、
    mは、0又は1〜20の整数であり、
    nは、0又は1〜20の整数であり、
    (n+[(h+j)・k]+m)の和は、11〜25の整数であり、
    kが1である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素であり、及び
    kが0であり、且つRがフッ素である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素である、請求項114に記載のシステム。
  116. 前記ベースは、導電性基板を含む、請求項114に記載のシステム。
  117. 前記マイクロ流体デバイスは、請求項1〜59のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイスである、請求項114に記載のシステム。
  118. 前記マイクロ流体デバイスは、光学作動EW構成を含む、請求項117に記載のシステム。
  119. 前記マイクロ流体デバイスは、DEP構成を更に含む、請求項117に記載のシステム。
  120. 前記第1の流体媒体は、炭素、ケイ素、及び酸素から選択される原子を含む主鎖構造を有する少なくとも1つの有機化合物又は有機ケイ素化合物を含む、請求項114に記載のシステム。
  121. 前記少なくとも1つの有機ケイ素化合物の前記主鎖構造は、ケイ素原子及び任意選択的に酸素原子を含む、請求項120に記載のシステム。
  122. 前記少なくとも1つの有機化合物の前記主鎖構造は、炭素原子及び任意選択的に酸素原子を含む、請求項120に記載のシステム。
  123. 前記主鎖構造は、分岐している、請求項122に記載のシステム。
  124. 前記第1の流体媒体は、1つ又は複数の非環式の有機化合物又は有機ケイ素化合物を含む、請求項120に記載のシステム。
  125. 前記第1の流体媒体は、非環式の有機化合物又は有機ケイ素化合物からなる、請求項124に記載のシステム。
  126. 前記第1の流体媒体は、パーフルオロ化炭素原子を含まない、請求項114に記載のシステム。
  127. 前記第1の流体媒体の化合物の炭素原子の置換基は、90%以下のフッ素置換基を含む、請求項114に記載のシステム。
  128. 前記表面修飾リガンドは、前記疎水性単層の内向きの末端においてパーフルオロ化炭素原子を含む少なくとも第1の部分を含む、請求項115に記載のシステム。
  129. 前記疎水性単層の全ての炭素原子は、パーフルオロ化される、請求項128に記載のシステム。
  130. 前記第1の流体媒体は、2つ以上の有機化合物又は有機ケイ素化合物を含む、請求項114に記載のシステム。
  131. 前記エンクロージャは、カバーを更に含む、請求項114に記載のシステム。
  132. 前記カバーは、光を透過する、請求項131に記載のシステム。
  133. 前記カバーは、ガラス及び/又はインジウムタンタル酸化物(ITO)を含む、請求項131に記載のシステム。
  134. 前記カバーは、電極を含む、請求項131〜133のいずれか一項に記載のシステム。
  135. 前記水性液滴は、界面活性剤を含む、請求項114に記載のシステム。
  136. 前記界面活性剤は、非イオン性界面活性剤を含む、請求項135に記載のシステム。
  137. 前記界面活性剤は、ブロックアルキレンオキシドコポリマー、脂肪酸エステルエトキシル化ソルビタン、エトキシル化フッ素系界面活性剤、ドデシル硫酸ナトリウム、又は2,4,7,9,テトラメチル−5−デシン−4,7,−ジオールエトキシレートを含む、請求項135又は136に記載のシステム。
  138. 前記界面活性剤は、Capstone(登録商標)FS-30(DuPont商標、Synquest Laboratories)を含む、請求項135に記載のシステム。
  139. 前記液滴は、リン酸緩衝生理食塩溶液を含む、請求項114に記載のシステム。
  140. 前記水性液滴は、少なくとも1つの微小物体を含む、請求項114に記載のシステム。
  141. 前記微小物体は、生物学的微小物体である、請求項140に記載のシステム。
  142. 前記水性液滴は、核酸及び/又はタンパク質を含む生物由来物質を含む、請求項114に記載のシステム。
  143. 前記水性液滴は、試剤を含む、請求項114に記載のシステム。
  144. 水性媒体と相溶性であり且つ/又は水性媒体に溶融可能な微小物体、生物由来物質、及び/又は試剤を輸送するキットであって、
    ベース及びマイクロ流体回路構造体を含むエンクロージャを有するマイクロ流体デバイスであって、前記ベースは、前記ベースの上面の少なくとも一部に共有結合した疎水性単層を含む、マイクロ流体デバイスと、
    水性媒体と混合しない第1の流体媒体と
    を含む、キット。
  145. 前記疎水性単層は、表面修飾リガンドと、前記表面修飾リガンドを前記表面に結合させる結合基とを有し、前記疎水性表面は、式II:
    Figure 2018535088

    の構造体を有し、式中、
    Figure 2018535088

    は、前記表面であり、
    Vは、−P(O)(OY)W−又は−Si(OZ)2W−であり、
    Wは、−O−、−S−、又は−NH−であり、且つ前記表面に接続し、
    Zは、前記表面に付着した隣接ケイ素原子への結合であるか、又は前記表面への結合であり、
    Yは、前記表面に付着した隣接リン原子への結合であるか、又は前記表面への結合であり、
    Rは、水素又はフッ素であり、
    Mは、水素又はフッ素であり、
    hは、独立して2又は3の整数であり、
    jは、1であり、
    kは、0又は1であり、
    mは、0又は1〜20の整数であり、
    nは、0又は1〜20の整数であり、
    (n+[(h+j)・k]+m)の和は、11〜25の整数であり、
    kが1である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素であり、及び
    kが0であり、且つRがフッ素である場合、mは、少なくとも2であり、且つMは、水素である、請求項144に記載のキット。
  146. 前記ベースは、導電性基板を含む、請求項144に記載のキット。
  147. 前記マイクロ流体デバイスは、請求項1〜72のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイスである、請求項144〜146のいずれか一項に記載のキット。
  148. 請求項8〜59のいずれか一項に記載のマイクロ流体装置を動作させるプロセスであって、
    前記エンクロージャ又はその一部に第1の流体媒体を充填することと、
    AC電圧電位を前記基板の前記少なくとも1つの電極と前記カバーの前記少なくとも1つの電極との間に印加することと、
    液体の第1の液滴を前記エンクロージャに導入することであって、前記第1の液滴は、前記第1の流体媒体と混合しない、導入することと、
    エレクトロウェッティング力を前記第1の液滴に適用することにより、前記第1の液滴を前記エンクロージャ内の所望の位置に移動させることと
    を含む、プロセス。
  149. 前記第1の液体媒体は、油である、請求項148に記載のプロセス。
  150. 前記第1の液体媒体は、シリコーン油、フッ素化油、又はそれらの組み合わせである、請求項148に記載のプロセス。
  151. 前記印加されるAC電圧電位は、少なくとも20ppVである、請求項148に記載のプロセス。
  152. 前記印加されるAC電圧電位は、約25〜35ppVである、請求項151に記載のプロセス。
  153. 前記印加されるAC電圧電位は、約1〜100kHzの周波数を有する、請求項148に記載のプロセス。
  154. 前記マイクロ流体装置は、液滴生成器を含み、前記液滴生成器は、前記第1の液滴を前記エンクロージャに導入する、請求項148に記載のプロセス。
  155. 前記第1の液滴は、水溶液を含む、請求項148に記載のプロセス。
  156. 前記第1の液滴は、少なくとも1つの微小物体を含む、請求項155に記載のプロセス。
  157. 前記少なくとも1つの微小物体は、生物学的微小物体である、請求項156に記載のプロセス。
  158. 前記生物学的微小物体は、細胞である、請求項157に記載のプロセス。
  159. 前記水溶液は、細胞培地である、請求項155に記載のプロセス。
  160. 前記少なくとも1つの微小物体は、対象となる材料に対する親和性を有する捕捉ビーズである、請求項156に記載のプロセス。
  161. 前記第1の液滴は、2〜20個の捕捉ビーズを含む、請求項160に記載のプロセス。
  162. 前記対象となる材料は、生体細胞分泌物である、請求項160に記載のプロセス。
  163. 前記対象となる材料は、DNA、ゲノムDNA、ミトコンドリアDNA、RNA、mRNA、miRNA、又はそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項160に記載のプロセス。
  164. 前記第1の液滴は、試剤を含む、請求項155に記載のプロセス。
  165. 前記試剤は、細胞溶解試剤である、請求項164に記載のプロセス。
  166. 前記試剤は、非イオン性洗剤を含む、請求項165に記載のプロセス。
  167. 前記非イオン性洗剤は、0.2%未満の濃度である、請求項166に記載のプロセス。
  168. 前記試剤は、タンパク質分解酵素である、請求項164に記載のプロセス。
  169. 前記タンパク質分解酵素は、非活性化され得る、請求項168に記載のプロセス。
  170. 液体の第2の液滴を前記エンクロージャに導入することであって、前記第2の液滴の前記液体は、前記第1の液体媒体中に混合しないが、前記第1の液滴の前記液体と混合する、導入することと、
    エレクトロウェッティング力を前記第2の液滴に適用することにより、前記エンクロージャ内の前記第1の液滴に隣接する位置に前記第2の液滴を移動させることと、
    前記第2の液滴を前記第1の液滴と混合して、第1の結合液滴を形成することと
    を更に含む、請求項148に記載のプロセス。
  171. 前記第2の液滴は、エレクトロウェッティング力を前記第2の液滴及び/又は前記第1の液滴に適用することにより、前記第1の液滴と混合される、請求項170に記載のプロセス。
  172. 前記第1の液滴は、生物学的微小物体を含み、前記第2の液滴は、試剤を含む、請求項170に記載のプロセス。
  173. 前記第2の液滴に含有される前記試剤は、溶解バッファー、蛍光標識、及びルミネッセントアッセイ試剤からなる群から選択される、請求項172に記載のプロセス。
  174. 前記第2の液滴に含有される前記試剤は、溶解バッファーであり、前記生体細胞は、前記第1の液滴と前記第2の液滴との混合時に溶解される、請求項172に記載のプロセス。
  175. 液体の第3の液滴を前記エンクロージャに導入することであって、前記第3の液滴の前記液体は、前記第1の液体媒体と混合しないが、前記第1の結合液滴の液体と混合する、導入することと、
    エレクトロウェッティング力を前記第3の液滴に適用することにより、前記エンクロージャ内の前記第1の結合液滴に隣接する位置に前記第3の液滴を移動させることと、
    前記第3の液滴を前記第1の結合液滴と混合して、第2の結合液滴を形成することと
    を更に含む、請求項170に記載のプロセス。
  176. 前記第3の液滴は、エレクトロウェッティング力を前記第3の液滴及び/又は前記第1の結合液滴に適用することにより、前記第1の結合液滴と混合される、請求項175に記載のプロセス。
  177. 前記第3の液滴は、試剤を含む、請求項175に記載のプロセス。
  178. 前記第3の液滴は、プロテアーゼ阻害剤を含む、請求項177に記載のプロセス。
  179. 前記第3の液滴は、対象となる材料に対する親和性を有する1〜20個の捕捉ビーズを含む、請求項177に記載のプロセス。
  180. 前記捕捉ビーズは、オリゴヌクレオチド捕捉剤を含む、請求項179に記載のプロセス。
  181. 前記オリゴヌクレオチド捕捉剤は、ポリ−dTオリゴヌクレオチドである、請求項180に記載のプロセス。
  182. 前記対象となる材料は、DNA、ゲノムDNA、ミトコンドリアDNA、RNA、mRNA、miRNA、又はそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項179に記載のプロセス。
  183. 前記1〜20個の捕捉ビーズを前記マイクロ流体装置から搬出することを更に含む、請求項179に記載のプロセス。
  184. 液体の第4の液滴を前記エンクロージャに導入することであって、前記第4の液滴の前記液体は、前記第1の液体媒体と混合しないが、前記第2の結合液滴の液体と混合する、導入することと、
    エレクトロウェッティング力を前記第4の液滴に適用することにより、前記エンクロージャ内の前記第2の結合液滴に隣接する位置に前記第4の液滴を移動させることと、
    前記第4の液滴を前記第2の結合液滴と混合して、第3の結合液滴を形成することと
    を更に含む、請求項175に記載のプロセス。
  185. 前記第4の液滴は、エレクトロウェッティング力を前記第4の液滴及び/又は前記第2の結合液滴に適用することにより、前記第2の結合液滴と混合される、請求項184に記載のプロセス。
  186. 前記第4の液滴は、試剤を含む、請求項184に記載のプロセス。
  187. 前記第4の液滴に含有される前記試剤は、緩衝剤、dNTP、及び逆転写反応の実行に適したポリメラーゼを含む混合物を含む、請求項186に記載のプロセス。
  188. 前記第4の液滴に含有される前記試剤は、緩衝剤、dNTP、及び全ゲノム増幅反応の実行に適したポリメラーゼを含む混合物を含む、請求項186に記載のプロセス。
  189. 前記第1の液滴、第2の液滴、第3の液滴、及び第4の液滴は、約5〜50ナノリットルの容量をそれぞれ有する、請求項148に記載のプロセス。
  190. 前記第1の液滴、第2の液滴、及び第3の液滴は、約5〜20ナノリットルの容量をそれぞれ有する、請求項189に記載のプロセス。
  191. 前記第2の液滴及び/又は前記第3の液滴は、前記第1の液滴の前記容量と実質的に等しい容量を有する、請求項190に記載のプロセス。
  192. 前記第4の液滴は、前記第1の液滴の約1〜3倍の容量を有する、請求項190に記載のプロセス。
  193. 前記第4の液滴は、約10〜30ナノリットルの容量を有する、請求項192に記載のプロセス。
  194. 前記エンクロージャは、少なくとも1つのマイクロチャネルを含む、請求項148に記載のプロセス。
  195. 前記第1の液滴を前記エンクロージャ内の所望の位置に移動させることは、前記少なくとも1つのマイクロチャネルを通して前記第1の液滴を移動させることを含む、請求項194に記載のプロセス。
  196. 前記エンクロージャは、前記少なくとも1つのマイクロチャネルが終わる箇所で開く複数のチャンバを更に含む、請求項194に記載のプロセス。
  197. 前記第1の液滴を前記エンクロージャ内の所望の位置に移動させることは、前記複数のチャンバのうちの1つのチャンバ内に前記第1の液滴を移動させることを含む、請求項196に記載のプロセス。
  198. 前記第2の液滴を前記第1の液滴に隣接する位置に移動させることは、前記少なくとも1つのマイクロチャネルを通して、且つ任意選択的に前記第1の液滴を含有する前記チャンバ内に前記第2の液滴を移動させることを含む、請求項194に記載のプロセス。
  199. 前記第3の液滴を前記第1の結合液滴に隣接する位置に移動させることは、前記少なくとも1つのマイクロチャネルを通して、且つ任意選択的に前記第1の結合液滴を含有する前記チャンバ内に前記第3の液滴を移動させることを含む、請求項198に記載のプロセス。
  200. 前記第4の液滴を前記第2の結合液滴に隣接する位置に移動させることは、前記少なくとも1つのマイクロチャネルを通して、且つ任意選択的に前記第2の結合液滴を含有する前記チャンバ内に前記第4の液滴を移動させることを含む、請求項199に記載のプロセス。
  201. エレクトロウェッティング力を適用して液滴を移動させ、且つ/又はそれを混合することは、前記液滴の近傍の前記基板表面の領域の有効エレクトロウェッティング特性を変えることを含む、請求項148に記載のプロセス。
  202. 有効エレクトロウェッティング特性を変えることは、前記液滴の近傍の前記基板表面の前記領域におけるエレクトロウェッティング電極を活性化することを含む、請求項201に記載のプロセス。
  203. 前記基板は、光応答層を含み、前記液滴の近傍の前記基板表面の前記領域における前記エレクトロウェッティング電極を活性化することは、エレクトロウェッティング表面の領域に光のパターンを向けることを含む、請求項202に記載のプロセス。
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