JP2023533144A - 液滴を分注するデバイスおよび方法における改良、またはそれに関連する改良 - Google Patents

Abstract

１つまたは複数の微小液滴を分注するデバイスが提供される。デバイスは、光学的に媒介されるエレクトロウェッティング（ｏＥＷＯＤ）力を発生させるように構成されたｏＥＷＯＤ構造を有する微小流体チップを備える。微小流体チップは、第１領域および第２領域を含む。第１領域および第２領域は狭窄部によって分離される。第１領域は、キャリア流体中に分散された１つまたは複数の微小液滴を第１流量で受け取り、操作するように適合される。第２領域は、狭窄部を介して第１領域から微小液滴を受け取り、当該微小液滴を第２流量で微小流体チップの出口ポートに移動させるように構成される。第２領域は、光学的に媒介されるエレクトロウェッティング（ｏＥＷＯＤ）力の印加によって、狭窄部を介して第１領域から当該微小液滴を受け取るように構成される。第２領域における第２流量は、第１領域における第１流量よりも高い。１つまたは複数の微小液滴を分注する方法および装置も、提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、微小液滴を分注するデバイスおよび方法、特に、１つまたは複数の微小液滴を分注する微小流体チップを含むデバイスに関する。本発明はまた、１つまたは複数の微小液滴を分注する方法に関する。

液滴または磁気ビードを操作するデバイスは、当該技術分野において既知である。液滴の操作のための１つの技術は、例えば、非混和性キャリア流体の存在下で、液滴を、カートリッジまたは微小流体チューブの２つの対向する壁によって画定される微小流体空間を通って移動させることを含む。一方の壁または両方の壁内に埋め込まれた微小電極は、誘電層で覆われ、各々の誘電層は層の電場特性を修正するために、間隔をおいて迅速にスイッチをオンおよびオフされることができるＡ／Ｃバイアス回路に接続される。これは、１つまたは複数の所定の経路に沿って液滴を操縦するために使用され得る、微小電極の近傍における局所化された指向性毛管力を生じる。以下、本発明に関連して「リアル」（real）エレクトロウェッティング電極と称するものを使用するこのようなデバイスは、頭文字語ＥＷＯＤ（Electrowetting on Dielectric）デバイスによって、当技術分野で既知である。エレクトロウェッティング力が光学的に媒介されるこのアプローチの変形は、当技術分野ではオプトエレクトロウェッティング（optoelectrowetting）として既知であり、以下では対応する頭字語でｏＥＷＯＤと称する。

ｏＥＷＯＤを使用する微小流体デバイスは、第１壁および第２壁によって画定される微小流体キャビティを含んでもよい。第１壁は、複合設計であり、基板、光導電層および絶縁（誘電）層で構成される。光導電層と絶縁層との間には、互いに電気的に絶縁され、光活性層に結合された導電性セルのアレイが配置される。その機能は、絶縁層上に対応するエレクトロウェッティング電極の位置を生成することである。これらの位置では、エレクトロウェッティング場を用いて、液滴の表面張力特性を変更することができる。この場合、これらの導電性セルは、光導電層に当たる光によって一時的にスイッチオンされてもよい。このアプローチは、スイッチングがより簡単かつ迅速に行えるという利点があるものの、電極の配置によってその有用性が依然としてある程度制限される。さらに、液滴を移動可能である速度、および実際の液滴経路を変化可能である範囲に関して、制限がある。

上記のような微小流体チップにおけるＥＷＯＤまたはｏＥＷＯＤを使用する液滴操作の間および／または後に、微小流体システム上の予想されるワークフローの多くは、細胞、ビードまたは遺伝物質などの材料を、微小流体チップから取り出し、３８４ウェルプレートまたは微小チューブなどの従来の液体処理容器に回収することを必要とする。微小流体チップから分注される液滴は、さらにアッセイすることができる。これらのアッセイには、一般的に、ＰＣＲ増幅、ＤＮＡ配列決定、ＲＮＡ配列決定、および細胞拡大が含まれる。特に、遺伝子アッセイのための液滴の回収が必要であることが多い。なぜなら、微小流体チップ内で実施された場合、そのようなアッセイは、チップ上に保持された任意の細胞を死滅させるであろう極端な温度サイクルを、通常伴うためである。

微小流体システムからのサブナノリットル液滴の回収は、微小流体における長年の工学的課題である。一般に、必要とされる体積変位は、流体を変位させるために使用されるアクチュエータに機械的拘束を与える。そのため、従来の機械的動作を通して液滴を１つずつ回収することは、困難または不可能である。連続流の流体工学のために使用される既知である既存のシステムは、ドロップオンデマンド型微小アクチュエータおよび精密に設計された分注ノズルを含む。基本的には、各々が、ナノリットルの流体置換ステップを必要とする。

単一液滴の回収の代替的なアプローチは、ＤＮＡバーコードのようなバーコーディング化学物質の使用である。このクラスのスキームでは、液滴は、液滴流体システムに導入され、アッセイされる前に、ユニークなＤＮＡバーコードをロードされる。ＤＮＡ塩基配列決定には、費用のかかる複雑な器具類が必要であることが多い。次に、オンチップアッセイで興味を示す液滴は、プールされたフォーマットで回収される。バーコードが読み取られ、入力セルのアイデンティティを回復する。このようなスキームによって、液滴ごとの回収の必要性が回避される。しかしながら、それらは、オンチップアッセイの性質に制約を課し、高価で複雑な調製および分析ステップを付加するものである。

したがって、微小流体チップと組み合わせて容易に実行可能な、ユーザのための液滴回収システムを提供する必要がある。加えて、チップから材料を回収して、液滴の細胞内容に関するアッセイを行うために、微小流体チップから微小液滴を移動させる、費用効果が高く、かつ効率的な分注システムおよび方法を提供する必要もある。また、サブナノリットルの液滴を１つずつ回収する柔軟性を有する一方で、必要に応じてプールされたフォーマットで液滴を分注することが可能であるシステムに対する必要も存在する。

本発明は、上記の背景に対して生じたものである。

本発明の一態様によれば、光学的に媒介されるエレクトロウェッティング（ｏＥＷＯＤ）力を発生させるように構成されたｏＥＷＯＤ構造を有する微小流体チップを備える、１つまたは複数の微小液滴を分注するデバイスが提供される。微小流体チップは、第１領域および第２領域を含み、当該第１領域および第２領域は狭窄部によって分離され、
第１領域は、キャリア流体中に分散された１つまたは複数の微小液滴を第１流量で受け取り、操作するように適合され、
第２領域は、狭窄部を介して第１領域から微小液滴を受け取り、当該微小液滴を第２流量で微小流体チップの出口ポートに移動させるように構成され、
第２領域は、光学的に媒介されるエレクトロウェッティング（ｏＥＷＯＤ）力の印加によって、狭窄部を介して第１領域から当該微小液滴を受け取るように構成され、
第２領域における第２流量は、第１領域における第１流量よりも高い。

いくつかの実施形態において、微小流体チップを備える１つまたは複数の微小液滴を分注するデバイスが提供されてもよい。微小流体チップは、第１領域および第２領域を含む。当該第１領域および第２領域は、狭窄手段によって分離されており、
第１領域は、キャリア流体中に分散された１つまたは複数の微小液滴を低キャリア流体流量で受け取り、操作するように適合されており、
第２領域は、狭窄手段を介して第１領域から当該微小液滴を受け取り、当該微小液滴をより高いキャリア流体流量で微小流体チップの出口ポートに移動させるように構成されるデバイスにおいて、
第２領域は、光学的に媒介されるエレクトロウェッティング（ｏＥＷＯＤ）力の印加によって、狭窄手段を介して第１領域から当該微小液滴を受け取るように構成されることを特徴とする。

本発明に開示されるデバイスおよび方法は、本発明に記載されるように、微小液滴および場合によってはサブナノリットル液滴の、微小流体システムからの回収を、簡素化され費用対効果の高いシステムにおいて可能にするために、有利である。本発明に記載の液滴回収システムによって、ユーザは、液滴を微小流体デバイスから効率的に除去し、目的の液滴をマルチウェルプレートなどのレセプタクル上に回収する、または分注することが可能である。これによって、ユーザは、微小流体チップ上では容易に実施できない液滴の細胞含有量またはビード含有量について、更なるアッセイを実施することができる。これらのアッセイは、ＰＣＲ増幅、ＤＮＡ配列決定、ＲＮＡ配列決定、および／または細胞拡大を含んでもよいが、これらに限定されない。加えて、微小流体デバイスからの個々の液滴を、回収のために選択し、次いでマルチウェルプレート上に沈着させることができる。

さらに、開示されるデバイスおよび方法を用いて、個々の液滴を分注した後、予備スクリーニングを行い、目的の微小液滴のみを選択することができる。これによって、その後の無関係な液滴の分析が防止され、オンチップ液滴の関連するサブセクションのみの選択が可能になる。

加えて、微小流体デバイス内部に含まれる液滴のサブ集団を、分注のために選択することができる。一方、残存する液滴は、それらの環境条件に影響を及ぼすことを必須とせずに、チップ内に保持される。

いくつかの実施形態において、微小液滴は、装置から個別に分注されてもよい。いくつかの実施形態において、複数の微小液滴は、装置から同時に分注されてもよい。いくつかの実施形態において、微小液滴は、活性によってグループ化またはプールされてもよい。複数の選択された微小液滴は、必要に応じて、デバイスから分注されてもよい。いくつかの実施形態において、微小液滴の活性は、例えば蛍光強度によって対処されてもよい。

いくつかの実施形態において、第１領域におけるキャリア流体は、低流量またはゼロ流量である。第１領域を使用して、微小液滴を保持または貯蔵することができる。第１領域における液滴操作は、例えばアレイに、液滴を仕分け、合体させ、分割し、または配置するためのｏＥＷＯＤ動作を含んでもよいが、これらに限定されない。

いくつかの例において、微小液滴を、チップの第１領域で操作することができる。いくつかの実施形態において、低流量は、０～２０μＬ／分の範囲内であってもよい。いくつかの実施形態において、第１流量は、０～２０μＬ／分の範囲内であってもよい。

いくつかの実施形態において、第２領域におけるキャリア流体は、高流量を有する。第２領域に高流量を供給することによって、液滴は、微小流体デバイスの出口ポートに向かって移動することができる。例えば、高流量は、１０～１００μＬ／分の範囲内である。例えば、第２流量は、１０～１００μＬ／分の範囲内である。

いくつかの実施形態において、液滴を受け取っている間は低／ゼロレートの間であり、液滴または複数の微小液滴が排出されている間はより高いレートで変化しうるように、第２領域における流量を動的に制御することができる。更なる実施形態において、液滴が分注されない場合、第２領域における流量は０～２０μＬ／分であってもよい。いくつかの実施形態において、第２領域における流量は、分注手順の間に１０～１００μＬ／分であってもよい。

第２領域が第１領域から複数の微小液滴を受け取るいくつかの実施形態において、第２領域における流量は、０．０２～２．００μＬ／分であってもよい。または、第２領域における流量は、０．０２、０．０５、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、１．５または２μＬ／分を超えてもよい。いくつかの実施形態において、第２領域における流量は、２、１．５、１、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、０．２、０．１または０．０５μＬ／分未満であってもよい。第２領域における流量が０μＬ／分を超えると、微小液滴が狭窄部をブロックすることを防止することができる。続いて、第２領域が複数の微小液滴をいったん受け取ると、流量を増加させて、微小液滴を流体デバイスから効率的に分注することができる。いくつかの実施形態において、第２領域における流量が増加される前に、第２領域は、１～１００００の微小液滴を受け取ってもよい。いくつかの例において、第２領域は、１、５０、１００、２００、５００、７００、１０００、１２５０、１５００、１７５０、２０００、２５００、３０００、３５００、４５００、５０００、５５００、６０００、６５００、７５００、８０００、８５００、９０００、９５００または１００００を超える微小液滴を受け取ってもよい。いくつかの実施形態において、第２領域における流量は、２、５、１０、１５または２０μＬ／分を超えて増加させることができる。

いくつかの実施形態において、第１領域の断面積は、１×１０⁸～１．３×１０¹⁰μｍ²であってもよい。いくつかの実施形態において、第１領域の面積は、１×１０⁸、２．５×１０⁸、５×１０⁸、７．５×１０⁸、１×１０⁹、２．５×１０⁹、５×１０⁹、７．５×１０⁹、１×１０¹⁰または１．２５×１０^１０μｍ^２を超えてもよい。いくつかの実施形態において、第１領域の面積は、１．３×１０¹⁰、１×１０¹⁰、７．５×１０⁹、５×１０⁹、２．５×１０⁹、１×１０⁹、７．５×１０⁸、５×１０⁸または２．５×１０⁸μｍ^２未満であってもよい。

いくつかの実施形態において、第１領域の面積は、第２領域の面積よりも大きくてもよい。第１領域が大きな断面積を有して、多数の液滴を効率的に操作することが有利である。これによって、高いスループット装置が容易になる。第１領域が同時に収容してもよい液滴の数は、第１領域の面積に加えて、液滴のサイズに左右される。例えば、面積が１．２４５×１０¹⁰μｍ²の第１領域は、平均の液滴径が１００μｍである約２２００００液滴および１１００００細胞を収容してもよい。面積が１．２４５×１０¹⁰μｍ^２の第１領域は、平均の液滴径が８０μｍである約４３２０００液滴および２１６０００細胞を収容してもよい。面積が１．２４５×１０¹⁰μｍ²の第１領域は、平均の液滴径が５０μｍである約１．２×１０⁶液滴および６０００００細胞を収容してもよい。

いくつかの実施形態において、本発明の微小流体チップは、ｏＥＷＯＤ力を発生させるように構成されたｏＥＷＯＤ構造を有する。ｏＥＷＯＤ構造は、ｏＥＷＯＤ力を発生させることができる任意の構造であってもよい。

いくつかの実施形態において、本発明の微小流体チップは、以下を備えるｏＥＷＯＤ構造を含む。すなわち、ｏＥＷＯＤ構造は、
第１複合壁であって、第１基板と、７０～２５０ｎｍの範囲の厚さを有する基板上の第１透明導体層と、４００～１０００ｎｍの波長範囲の電磁放射によって活性化される導体層上の光活性層であって、３００～１５００ｎｍの範囲の厚さを有する光活性層と、３０～１６０ｎｍの範囲の厚さを有する光活性層上の第１誘電層と、を備える、第１複合壁と、
第２複合壁であって、第２の基板と、７０～２５０ｎｍの範囲の厚さを有する基板上の第２導体層と、任意選択で、第２導体層上にあって３０～１６０ｎｍまたは１２０～１６０ｎｍの範囲の厚さを有する第２誘電層と、を備える第２複合壁と、であって、
第１誘電層および第２誘電層の露出表面は、１８０μｍ未満離れて配置され、微小液滴を含むように適合された微小流体空間を画定する、第１複合壁および第２複合壁と、
第１導体層および第２導体層を接続する第１複合壁および第２複合壁の両端間に電圧を供給するＡ／Ｃ源と、
第１誘電層の表面の対応する仮想エレクトロウェッティング位置を誘導するために光活性層上に衝突するように適合された、光活性層のバンドギャップよりも高いエネルギを有する、少なくとも１つの電磁放射源と、
仮想エレクトロウェッティング位置の配置を変化させ、それによって微小液滴をそれにそって移動させることができる少なくとも１つのエレクトロウェッティング経路を作るように、光活性層上の電磁放射の衝突点を操作する手段と、を備える。

いくつかの実施形態において、第１誘電層および第２誘電層は、単一の誘電材料から構成されてもよい、または２つ以上の誘電材料の複合体であってもよい。誘電層は、Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂から作ることができるが、これらに限定されない。

いくつかの実施形態において、構造は、第１誘電層と第２誘電層との間に設けられてもよい。第１誘電層と第２の誘電層との間の構造は、エポキシ、ポリマー、シリコンまたはガラス、またはそれらの混合物、または複合体製としてもよいが、これらに限定されるものではなく、直線状、角度のある、湾曲した、または微細構造の壁／面を有する。第１誘電層と第２誘電層との間の構造は、上下の複合壁に接続されて、シールされた微小流体デバイスを作り、デバイス内部のチャネルおよび領域を画定してもよい。この構造は、２つの複合壁の間の間隙を占めてもよい。

いくつかの実施形態において、本発明の微小流体チップは、以下を備えるｏＥＷＯＤ構造を含む。すなわち、ｏＥＷＯＤ構造は、
第１複合壁であって、第１基板と、７０～２５０ｎｍの範囲の厚さを有する基板上の第１透明導体層と、４００～８５０ｎｍの波長範囲の電磁放射によって活性化される導体層上の光活性層であって、３００～１５００ｎｍの範囲の厚さを有する光活性層と、２０～１６０ｎｍの範囲の厚さを有する光活性層上の第１誘電層と、を備える、第１複合壁と、
第２複合壁であって、第２の基板と、７０～２５０ｎｍの範囲の厚さを有する基板上の第２導体層と、任意選択で、第２導体層上にあって２０～１６０ｎｍの範囲の厚さを有する第２誘電層と、を備える第２複合壁と、であって、
第１誘電層および第２誘電層の露出表面は、２０～１８０μｍ離れて配置され、微小液滴を含むように適合された微小流体空間を画定する、第１複合壁および第２複合壁と、
第１導体層および第２導体層を接続する第１複合壁および第２複合壁の両端間に電圧を供給するＡ／Ｃ源と、
第１誘電層の表面の対応する仮想エレクトロウェッティング位置を誘導するために光活性層上に衝突するように適合された、光活性層のバンドギャップよりも高いエネルギを有する、第１電磁放射源および第２電磁放射源と、
仮想エレクトロウェッティング位置の配置を変化させ、それによって微小液滴をそれにそって移動させることができる少なくとも１つのエレクトロウェッティング経路を作るように、光活性層上の電磁放射の衝突点を操作する手段と、を備える。

いくつかの実施形態において、本発明の微小流体チップは、第１複合壁および第２複合壁を含むｏＥＷＯＤ構造を備える。第１複合壁および第２の複合壁は各々、基板と、導体層と、誘電層とを備える。加えて、第１複合壁は光活性層を有する。

導体層の各々は、７０～２５０ｎｍの範囲の厚さを有し、透明であってもよい。誘電層は、２０～１６０ｎｍの範囲の厚さを有してもよい。光活性層は、４００～８５０ｎｍの波長範囲の電磁放射によって活性化される。光活性層の厚さは、３００～１５００ｎｍである。さらに、使用時に、第１誘電層および第２誘電層の露出表面は、２０～１８０μｍ離れて配置され、微小液滴を含む微小流体空間を画定する。

チップはまた、第１導体層および第２導体層に接続された第１複合壁および第２複合壁の両端間に電圧を供給するＡ／Ｃ源も含む。チップはまた、光活性層のバンドギャップよりも高いエネルギを有する第１電磁放射源および第２電磁放射源も含む。これらの電磁放射源は、第１誘電体の表面上の対応する仮想エレクトロウェッティング位置を誘導するために光活性層上に衝突するように適合される。チップはまた、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ：digital micromirror device）を含む。デジタルマイクロミラーデバイスは、使用時に、仮想エレクトロウェッティング位置の配置を変化させ、それによって微小液滴がそれに沿って移動する少なくとも１つのエレクトロウェッティング経路を作るように、光活性層上の電磁放射の衝突点を操作する。

これらの構造の第１壁および第２壁は、透明であり、その間に微小流体空間が挟まれる。

適切には、第１基板および第２基板は、機械的に強い材料、例えばガラス金属またはエンジニアリングプラスティック製である。いくつかの実施形態において、基板は、ある程度の可撓性を有してもよい。さらに別の実施形態において、第１基板および第２基板は、１００～１０００μｍの範囲の厚さを有する。いくつかの実施形態において、第１基板は、シリコン、溶融シリカ、およびガラスのうちの１つで構成される。いくつかの実施形態において、第２基板は、溶融シリカおよびガラスのうちの１つで構成される。

第１導体層および第２導体層は、第１基板および第２基板の一方の表面上に位置し、典型的には、７０～２５０ｎｍ、好適には７０～１５０ｎｍの範囲の厚さを有する。これらの層のうちの少なくとも１つは、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、銀などの導電性金属の非常に薄いフィルム、またはＰＥＤＯＴなどの導電性ポリマーのような透明な導電性材料でできている。これらの層は、連続シート、またはワイヤなどの一連の離散構造として、形成されてもよい。代替的に、導体層は、電磁放射がメッシュのすき間の間に向けられる導電性材料のメッシュであってもよい。

光活性層は、第２電磁放射源による刺激に応答して局所的な電荷領域を生成することができる半導体材料から適切に構成される。例として、３００～１５００ｎｍの範囲の厚さを有する水素化アモルファスシリコン層が挙げられる。いくつかの実施形態において、光活性層は、可視光の使用によって活性化される。第１壁の場合の光活性層および第２壁の場合の任意選択の導電層は、典型的には２０～１６０ｎｍの厚さである誘電層でコーティングされる。この層の誘電特性は、好適には、＞１０＾７ Ｖ／ｍの高誘電強度および＞３の誘電率を含む。好適には、それは、絶縁破壊を回避することと一致して可及的に薄い。いくつかの実施形態において、誘電層は、アルミナ、シリカ、ハフニアまたは薄い非導電性ポリマーフィルムから選択される。

これらの構造の別の実施形態において、少なくとも第１誘電層、好適には両方を、防汚層でコーティングして、所望の微小液滴／キャリア流体／表面接触角度を様々な仮想エレクトロウェッティング電極位置で確立することを補助し、追加的に、微小液滴がチップを通って移動するにつれて、微小液滴の内容物が表面に付着して、減少することを防止する。第２壁が第２誘電層を含まない場合、第２防汚層は、第２導体層上に直接に塗布されてもよい。

最適な性能のために、防汚層は、２５０℃で空気‐液体‐表面三点界面として測定した場合、５０～１８０℃の範囲にあるべき微小液滴／キャリア流体／表面接触角を確立するのを助けるべきである。いくつかの実施形態において、これらの層は１０ｎｍ未満の厚さを有し、典型的には単分子層である。別の場合、これらの層は、メタクリル酸メチルのようなアクリル酸エステルのポリマー、または親水性基で置換されたその誘導体、例えばアルコキシシリルからなる。防汚層のどちらか、または両方は、最適な性能を保証するために疎水性である。いくつかの実施形態において、化学的に両立架橋を提供するために、２０ｎｍ未満の厚さのシリカの間質層を、防汚コーティングと誘電層との間に介在させることができる。

第１誘電層および第２誘電層、したがって第１壁および第２壁は、微小流体空間を画定する。微小流体空間は、幅が少なくとも１０μｍ、好適には２０～１８０μｍの範囲であり、その中に微小液滴が含まれる。好適には、それらが含まれる前に、微小液滴自体は、微小液滴空間の幅よりも１０％を超える、適切には２０％を超える固有直径を有する。したがって、チップに入ると、微小液滴は圧縮され、例えば、より良好な微小液滴合体能力を介して、エレクトロウェッティング性能が向上する。いくつかの実施形態において、第１誘電層および第２誘電層は、フルオロシランなどの疎水性コーティングで被覆される。

別の実施形態において、微小流体空間は、第１壁および第２壁を所定量だけ離して保持するための１つまたは複数のスペーサを含む。スペーサの選択肢には、光パターニングによって生成された中間レジスト層から生成されたビード、またはピラー、隆起が含まれる。代替的に、酸化シリコンまたは窒化シリコンなどの堆積材料を使用してスペーサを作ってもよい。代替的に、接着剤コーティングの有無にかかわらず、可撓性プラスチックフィルムを含むフィルムの層を使用して、スペーサ層を形成することができる。様々なスペーサ形状を使用して、ピラーの線によって画定される、狭いチャネル、先細りのチャネル、または部分的に囲まれたチャネルを形成することができる。注意深い設計によって、これらのスペーサを使用して、微小液滴の変形を助けることができ、続いて、微小液滴の分割および変形された微小液滴に対する効果操作を実施することができる。同様に、これらのスペーサを使用して、チップのゾーンを物理的に分離し、液滴集団間の相互汚染を防止し、液圧下でチップに負荷をかけるときに液滴の正しい方向への流れを促進することができる。

第１壁および第２壁は、導電体層に取り付けられたＡ／Ｃ電力源を使用してバイアスされ、それらの間の電圧電位差を提供する。適切には１０～５０ボルトの範囲である。これらのｏＥＷＯＤ構造は、典型的には、第２電磁放射源と関連して使用される。第２電磁放射源は、４００～８５０ｎｍ、好適には６６０ｎｍの範囲の波長を有し、光活性層のバンドギャップを超えるエネルギを有する。適切には、光活性層は、使用される照射の入射強度が０．０１～０．２Ｗｃｍ^-2の仮想エレクトロウェッティング電極位置で活性化される。

電磁放射源が画素化される場合、ＬＥＤまたは他のランプからの光によって照明されるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などの反射スクリーンを使用して、直接的または間接的に、電磁放射源が適切に供給される。これによって、仮想エレクトロウェッティング電極位置の高度に複雑なパターンが、第１誘電層上に迅速に作られ、破壊されることが可能になる。これによって、密接に制御されたエレクトロウェッティング力を用いて、微小液滴を、本質的に任意の仮想経路に沿って精密に操縦することが可能になる。このようなエレクトロウェッティング経路は、第１誘電層上の仮想エレクトロウェッティング電極位置の連続体から構築されていると見なすことができる。

電磁放射源の光活性層への衝突点は、従来の円形または環状を含む任意の好都合な形状とすることができる。いくつかの実施形態において、これらの点の形態が、対応するピクセル化の形態によって決定され、別には、いったん微小流体空間に入った微小液滴の形態に、完全にまたは部分的に対応する。一実施形態において、衝突点、したがって、エレクトロウェッティング電極位置は、三日月形状であってもよく、微小液滴の意図された進行方向に配向されてもよい。適切には、エレクトロウェッティング電極位置自体は、第１壁に付着する微小液滴表面よりも小さく、液滴と表面誘電体との間に形成される接触線を横切る最大の電界強度勾配を与える。

ｏＥＷＯＤ構造のいくつかの実施形態において、第２壁は、同じまたは異なる電磁放射源によって第２誘電層上にも仮想エレクトロウェッティング電極位置を誘導することを可能にする光活性層も含む。第２誘電層の添加は、構造の上面から下面への微小液滴のウェットエッジの転移、および各微小液滴へのより多くのエレクトロウェッティング力の印加を可能にする。

第１誘電層および第２誘電層は、単一の誘電材料から構成されもよいし、２つ以上の誘電材料の複合体であってもよい。誘電層は、Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂から作られてもよいが、これらに限定されない。

第１誘電層および第２誘電層は、ピンホール欠陥の悪影響を最小限に抑えることによって、比較的大きな面積にわたって数千の微小液滴の同時操作を容易にすることができる。誘電層には、常に、疎なピンホール欠陥があり、小さな分離された領域において導電性となる。ピンホール欠陥は、液滴を捕捉し、それを移動不能とする可能性がある。その影響は、緩衝溶液のような伝導性媒体の液滴を使用する場合に、より深刻である。本発明の第１誘電層および第２誘電層は、絶縁破壊電圧より下で動作させることができ、導電パスを形成するあらゆる単一のピンホール欠陥の可能性を最小限に抑えることによって、ピンホール欠陥の影響を否定することができる。第２誘電層の存在によって達成されるこのピンホール緩和特徴は、比較的大きな面積において数千個の液滴の同時操作を可能にする鍵である。いくつかの実施形態において、装置は、５０ｃｍ^２を超える領域にわたって約５０，０００の液滴を同時に操作することができる。

いくつかの実施形態において、光学的に媒介されるエレクトロウェッティングは、誘電層の絶縁破壊電圧より下の電圧を、第１誘電層および第２誘電層にわたって印加することによって、達成できる。いくつかの実施形態において、光学に媒介されるエレクトロウェッティングは、ＬＥＤなどの照明の低電源を使用して達成できる。いくつかの実施形態において、光学に媒介されるエレクトロウェッティングは、０．０１Ｗ／ｃｍ²の電力を有する照明源で達成することができる。デバイスを絶縁破壊電圧より下で動作させることにより、誘電体のピンホールの悪影響を排除することができる。低電力により、非導電性の微小液滴に加えて、導電性の液滴の操作および制御が可能になる。

いくつかの実施形態において、デバイスを用いて、高電流によってダメージを受ける可能性のある生体分子を含むイオン緩衝液から形成された伝導性の微小液滴を、操作および制御できる。２つの誘電層にわたって印加される低電圧は、導電性の液滴の破壊的なイオン化を防止し、生体分子の破壊を防止する。

構造は、第１誘電層と第２誘電層との間に、設けられてもよい。第１誘電層と第２誘電層との間の構造は、エポキシ、ポリマー、シリコンまたはガラス、またはそれらの混合物、または複合体製としてもよいが、これらに限定されるものではなく、直線状、角度のある、湾曲した、または微細構造の壁／面を有する。第１誘電層と第２誘電層との間の構造は、上下の複合壁に接続されて、シールされた微小流体デバイスを作り、デバイス内部のチャネルおよび領域を画定してもよい。この構造は、２つの複合壁の間の間隙を占めてもよい。代替的または追加的に、導体および誘電体を、既に壁を有する成形基板上に堆積させてもよい。

本発明の方法および装置のいくつかの態様は、誘電泳動または光ピンセットを介して微粒子を操作するように構成されたデバイスなどの、エレクトロウェッティングデバイス以外の光学活性化デバイスへ適用するのに適している。このようなデバイスにおいて、細胞または粒子は、操作され、機能的に同一の光学機器を用いて検査され、仮想的な光学的誘電泳動勾配を生成する。本明細書で定義される微粒子とは、生体細胞、ポリスチレンおよびラテックスを含む材料で作られたマイクロビード、ハイドロゲル、磁気マイクロビードまたはコロイドなどの粒子を指してもよい。誘電泳動および光ピンセット機構は、当業者にはよく知られており、当業者によって容易に実施することができる。

いくつかの実施形態において、微小液滴は、生体物質、１つもしくは複数の細胞、または１つもしくは複数のビードを含んでもよい。いくつかの実施形態において、微小液滴は、生物学的細胞、細胞培地、化学化合物または組成物、薬物、酵素、その表面に任意選択で結合させた材料を有するビードまたは微小球を含んでもよい。より具体的には、細胞は、哺乳動物、細菌、真菌、酵母、マクロファージ、ハイブリドーマであることができ、ＣＨＯ、Ｊｕｒｋａｔ、ＣＡＭＡ、ＨｅＬａ、Ｂ細胞、Ｔ細胞、ＭＣＦ‐７、ＭＤＡＭＢ‐２３１、大腸菌またはサルモネラから選択することができるが、これらに限定されない。微小液滴内部に含まれる化学物質は、酵素、アッセイ試薬、抗体、抗原、薬物、抗生物質、溶解試薬、界面活性剤、染料または細胞染色剤とすることができる。微小液滴内部に含まれてもよい他の生物学的または化学的物質には、ＤＮＡオリゴ、ヌクレオチド、ロードまたはアンロードされたビード／微小球、蛍光レポータ、ナノ粒子、ナノワイヤまたは磁性粒子が含まれる。

いくつかの実施形態において、狭窄部は、物理的バリアなどの物理的要素であってもよい。

いくつかの実施形態において、狭窄手段は、開口部または間隙を備えてもよい。第１領域からの微小液滴は第２領域に、その逆もまた、間隙を通って入ってもよい。開口部は、微小液滴が第１領域を通過して第２領域に入るのに十分な幅を有していなければならない。いくつかの実施形態において、開口部の幅は、２０～２００ミクロンの間であってもよい。いくつかの実施形態において、開口部の幅は、２０、４０、６０、８０、１００、１２０、１４０、１６０または１８０ミクロンよりも大きくてもよい。いくつかの実施形態において、開口部の幅は、２００、１８０、１６０、１４０、１２０、１００、８０、６０、４０または３０ミクロン未満であってもよい。いくつかの実施形態において、開口部の幅は、２０～４００ミクロンの間であってもよい。いくつかの実施形態において、開口部の幅は、２０、５０、１００、１５０、２００、２５０、３００または３５０ミクロンよりも大きくてもよい。いくつかの実施形態において、開口部の幅は、４００、３５０、３００、２５０、２００、１５０、１００、５０または３０ミクロン未満であってもよい。

本発明に開示されており、特に明記されていない限り、本明細書中の「狭窄手段」または「狭窄部」という用語は、第１領域および第２領域を分離することを可能にする任意の構造または配置を意味する。狭窄部は、第１領域および第２領域を分離するための壁またはバリアなどの物理的要素であってもよい。代替的たは追加的に、狭窄部は、シース液流または半透膜であってもよい。

いくつかの実施形態において、狭窄部は半透膜であってもよい。半透膜は、分子またはイオンの選択的拡散を可能にするために提供されてもよい。いくつかの実施形態において、半透膜は、非多孔性であってもよい。

いくつかの実施形態において、狭窄部はシース液の流れであってもよい。本発明に開示され、特に明記されない限り、用語「シース液」または「シース流」は、流体が混合しないように、十分に異なる密度または速度の少なくとも２つの流体を指す。

いくつかの実施形態において、第２領域のジオメトリは、実質的に三日月形状のチャネルであってもよい。三日月形状または馬蹄形状の構成は、第２領域の入口ポートおよび出口ポートが装置内部で極めて接近して製造されることを可能にするので、有利な場合がある。この構成は、微小流体チップ内部の使用可能なスペースを最大化することができる。さらに、三日月形状の構成も、デバイスを製作する負担を減らし、製造コストを低くするという付加的な利点を有する。いくつかの実施形態において、第２領域の入口ポートと出口ポートとの間の距離は、１５００μｍであってもよい。代替的に、第２領域のジオメトリは、半円形状のチャネルであってもよいし、正方形、長方形、または湾曲されたジオメトリであってもよい。いくつかの実施形態において、第２領域は、チップ上で必要とされる可能性のある他の微小流体の特徴または構造を収容するために、直線の、湾曲された、または蛇行状のジオメトリを有してもよい。いくつかの実施形態において、第２領域のジオメトリは、任意の適切な形状または構成であってもよい。

第２領域のジオメトリは、１０～１０００ミクロンの間のチャネル幅を有してもよい。第２領域は、一定の幅、または変化する幅のチャネルを備えてもよい。いくつかの実施形態において、チャネルの幅は、入口ポートまたは出口ポートに向かって狭窄されてもよく、液滴が詰まる可能性がある低流量領域が発生する可能性を低減し、液滴が微小流体チップから出るのにかかる時間を低減することもできる。

いくつかの実施形態において、三日月形状のチャネルの幅は、１０、２０、４０、６０、８０、１００、１２０、１４０、１６０、１８０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、８５０、９００または９５０ミクロンより大きくてもよい。いくつかの実施形態において、三日月形状のチャネルは、１０００、９５０、９００、８５０、７００、７５０、７００、６５０、６００、５５０、５００、４５０、４００、３５０、３００、２５０、２００、１８０、１６０、１４０、１２０、１００、８０、６０、５０、４０、３０または２０ミクロン未満の幅を有してもよい。

いくつかの実施形態において、第２領域は、複数のチャネルを更に備えてもよい。各チャネルは、微小液滴を第１領域から受け取り、当該微小液滴を微小流体チップの出口ポートに移動させるように構成されてもよい。

いくつかの実施形態において、第２領域は、１～１０００チャネルを備えてもよい。いくつかの実施形態において、第２領域は、１、１０、５０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、８５０、９００または９５０チャネルよりも多く備えてもよい。いくつかの実施形態において、第２領域は、１０００、９５０、９００、８５０、７５０、７００、６５０、６００、５５０、４５０、４００、３５０、３００、２５０、２００、１５０、１００、５０または１０チャネル未満を備えてもよい。

いくつかの実施形態において、第２領域における複数のチャネルの各々は、実質的に三日月形状のジオメトリを有してもよい。いくつかの実施形態において、第２領域における複数のチャネルの各々は、馬蹄形状の構成を有してもよい。いくつかの実施形態において、第２領域における複数のチャネルの各々は、半円形状のジオメトリを有してもよい。または、各チャネルは、正方形、長方形、または湾曲されたジオメトリであってもよい。いくつかの実施形態において、第２領域における複数のチャネルの各々は、チップ上で必要とされる可能性のある他の微小流体の特徴または構造を収容するために、直線の、湾曲された、または蛇行状のジオメトリを有してもよい。いくつかの実施形態において、第２領域における複数のチャネルの各々は、任意の適切な形状または構成でもよい。三日月形状または馬蹄形状の構成は、第２領域の入口ポートおよび出口ポートが装置内部で極めて接近して製造されることを可能にするので、有利な場合がある。この構成は、微小流体チップ内部の使用可能なスペースを最大化することができる。さらに、三日月形状の構成も、デバイスを製作する負担を減らし、製造コストを低くするという付加的な利点を有する。

いくつかの実施形態において、第２領域における複数のチャネルは、並列に配置されてもよい。いくつかの実施形態において、第２領域における複数のチャネルは、直列に配置されてもよい。

いくつかの実施形態において、第２領域における複数のチャネルを用いて、微小液滴の選別を容易にしてもよい。いくつかの実施形態において、複数のチャネルは、単一の出口で結合されてもよい。いくつかの実施形態において、目的の微小液滴および無関係であることが判明された微小液滴は、同じ出口を通ってデバイスから分注されてもよい。いくつかの実施形態において、第２領域における複数のチャネルは、第２領域における複数の出口に導かれてもよい。複数のチャネルおよび複数の出口は、複数の微小液滴を微小流体デバイスから同時に分注できるように構成されてもよい。複数の液滴をデバイスから同時に分注することは、微小液滴をデバイスから分注するのに要する時間を最小化することによって、デバイスの処理能力を最大化する。

いくつかの実施形態において、微小液滴は、微小流体デバイスから任意の所望の順序で分注されてもよい。いくつかの実施形態において、微小液滴は、微小流体デバイスにロードされた順序と同じ順序でデバイスから分注されてもよい。いくつかの実施形態において、微小液滴は、流体デバイスにロードされた順序とは異なる順序でデバイスから分注されてもよい。

いくつかの実施形態において、デバイスは、微小流体チップの入口ポートから出口ポートまでの微小流体チップを通るキャリア流体の流れを制御する手段を更に備えてもよい。

いくつかの実施形態において、キャリア流体の流量を制御する手段は、弁および／またはポンプであってもよい。単なる例として、ポンプはシリンジポンプまたは高圧ポンプであってもよい。弁は、２ポート２方弁または３ポート切換弁であってもよい。

いくつかの実施形態において、流れを制御する手段は、シリンジポンプまたは高圧ポンプなどのソフトウェア制御ポンプ源であってもよい。これらのポンプは、微小流体チップの１つの入口ポートに接続可能であってもよい。１つまたは複数の切換弁と組み合わせて、ポンプは、微小流体チップの複数のポートに接続されてもよい。これによって、１つまたは複数のポートは流れを受け取ることができる。一方、他のポートはシールされる。ソフトウェア制御ポンプを有することによって、手動介入を必要とすることなく、ポンプ源を自動的に制御し、オンまたはオフすることができる。追加的または代替的に、弁および／またはポンプを、手動で制御できる。さらに、キャリア流体の流れを制御するために使用されるポンプおよび／または弁は、微小流体チップの入口ポートから出口ポートまで微小流体チップ全体にわたって、一定の流量を提供する。

いくつかの実施形態において、弁および／またはポンプなどの、流れを制御する手段は、導管によって微小流体チップの出口ポートに接続されるように構成されてもよい。導管は、内径２０～５００ミクロンのチューブとすることができよう。いくつかの実施形態において、導管は、２０、５０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００または３５０ミクロンよりも大きい内径を有してもよい。いくつかの実施形態において、導管は、５００、４５０、４００、３５０、３００、２５０、２００、１５０、５０または２０ミクロン未満の直径を有してもよい。

いくつかの実施形態において、弁は、２ポート２方弁、４ポート２方弁、および／または６ポート２方弁であってもよい。弁は、追加的に、「閉」位置を有してもよい。これによって、流体が流れることができないように、微小流体チップの出口ポートがシールされる。同様の結果を達成するために、複数の弁が、シーケンスまたはネットワークで連結されてもよい。

４ポート２方弁を有することによって、弁は、液滴が分注されている間に微小流体チップをシールすることができて、微小流体チップ内部の望ましくない液滴移動の可能性を低減する。４ポート２方弁は、液滴が４ポート２方弁をいったん通過した後、より高い流量を使用して分注を高速化してもよい。加えて、チップ内の圧力を、よりいっそう制御できる可能性がある。

６ポート２方弁を提供することによって、捕捉ループにおいて所望される液滴のみを捕捉することにより、気泡および／または余分な液滴を大幅に低減する、またはより容易に除去するという、更なる利点がある。加えて、６ポート２方弁の使用によって、サンプリングループを導管に導入することを可能にし、少量の流体のみがチップ内から分注されるようにしてもよい。これによって、小量の不混和性キャリア媒体のみが液滴と共に分注されるように、分注のためのキャリア相を水性媒体にすることが可能となり、分注プロセスに必要とされる不混和性キャリア媒体の量が低減される。

４ポート２方弁を設けることによって、バイパスルートが提供されてもよく、いったん液滴がチップから弁を通って除去されると、流れを、ポンプから液滴を含む分注導管に直接をリルートさせることができる。液滴の更なる運動は、チップを通過する流体を必要としない。これによって、更に望ましくない液滴または他の材料をチップから分注された体積に導入する可能性が低減される。加えて、それによって、チップの内容物の外乱の可能性が低減される場合もある。さらに、それによって、チップの内容物が、高い流量によって生じるより高い圧力にさらされる時間を低減させることができる。４ポート２方弁の使用は、第２領域内の更なるｏＥＷＯＤ操作を直ちに開始することを可能にして、その後の分注動作に要する時間を短縮することができる。

追加的または代替的に、８ポート２方弁または１０ポート２方弁が設けられてもよい。８ポート２方弁または１０ポート２方弁は、分注プロセスを更に加速することができるように、導管への第２サンプリングループの組み込みを可能にしてもよい。

いくつかの実施形態において、多ポート切換弁が提供される。多ポート切換弁は、本明細書に開示されるように、他の任意の弁と組み合わせて使用して、分注プロセスをさらに多重化することができる。

本発明によるデバイスは、微小流体チップの第２領域の出口ポートに接続された弁および／またはポンプなどの流れの手段を制御するように構成されたコントローラを更に備えてもよい。コントローラは、コンピュータまたはマイクロプロセッサ上のソフトウェアアプリケーションであってもよい。

いくつかの実施形態において、微小液滴からのキャリア流体が微小流体デバイスの出口ポートを通過して出ることができるように、コントローラを作動させて、弁を開位置に切り換えてもよく、またはポンプをスイッチオンしてもよい。ポンプは、特定の流量を提供するように制御されてもよく、および／またはポンプは、一定の流量を供給または維持するように制御されてもよい。１つまたは複数の弁は、微小流体デバイスの特定の入口ポートへ出入りするように、および／または特定の接続された導管に沿うように、流体の流れを導くよう制御されてもよい。

いくつかの実施形態において、本発明に開示されるデバイスは、検出信号を、微小流体チップの出口ポートから分注された微小液滴から検出する検出システムを更に備えてもよい。いくつかの実施形態において、接続された導管の内側または近傍に完全にまたは部分的に配置されたセンサまたは検出モジュールによって、接続された導管の特定の位置または領域における分注された微小液滴の有無を検出するために、検出システムが利用されてもよい。

検出システムは、センサまたは検出器を備えてもよい。いくつかの実施形態において、センサまたは検出器は、光センサまたは電気検出器とすることができる。光センサの例は、光源、レンズ装置およびフォトダイオード、またはフォトトランジスタ、またはレンズおよびカメラとすることができるが、これらに限定されない。電気センサまたは検出器の例は、静電容量検出器またはインピーダンス検出器とすることができるが、これらに限定されない。

いくつかの実施形態において、コントローラは、第２領域におけるチャネルの各々において、微小液滴の流れを、または微小液滴の各々の流れを同時に制御するように構成されてもよい。第２領域における複数のチャネルにおける微小液滴の同時フローは、微小液滴をデバイスから分注するのに要する時間を最小限に抑えることができる。いくつかの実施形態において、コントローラは、第２領域におけるチャネルの各々において、微小液滴の流れを連続的に制御するように構成されてもよい。第２領域における複数のチャネルを通る微小液滴の連続的な流れは、デバイスから分注する前の微小液滴のソーティングを容易にすることができる。

いくつかの実施形態において、複数の微小液滴を、微小流体チップの出口ポートに同時に移動させることができる。いくつかの実施形態において、複数の微小液滴を、微小流体チップから同時に分注することができる。

いくつかの実施形態において、本発明のデバイスは、第１領域の入口ポートまたは出口ポートと、第１領域の入口ポートまたは出口ポートに設けられた弁と、を更に備えてもよい。いくつかの実施形態において、デバイスは、第１領域の入口ポートまたは出口ポートで接続された弁を更に備えてもよい。第１領域における流れを防止するために、第１領域の入口ポートおよび／または出口ポートに弁を設けることが有利である。したがって、これによって、第２領域における流れが、第１領域内部の液滴操作または貯蔵を妨げないことが保証される。

いくつかの実施形態において、デバイスは、アナログ回路を備えるリーダモジュールを更に備えてもよい。リーダモジュールは、センサまたは検出モジュールから生成された信号を読み取ってコントローラに送信するように構成される。その上で、コントローラは、微小液滴が分注されるように弁を開位置に配置するように更に構成されてもよい。いくつかの実施形態において、デバイスは、センサまたは検出モジュールから生成された信号を読み取ってコントローラに送信するように構成されたリーダモジュールを更に備えてもよい。その上で、コントローラは、微小液滴が分注されるように弁を開位置に配置するように更に構成される。リーダモジュールは、マイクロコントローラなどのコントローラであってもよい。弁は、ウェルプレートおよび／または分注ヘッドにおける流れの方向を制御するために使用されてもよい。いくつかの実施形態において、流れは、廃棄容器またはチャネルに向けられてもよい。しかしながら、液滴が検出されると、液滴がウェルプレートまたは他の分注レセプタクルに向けられるように、弁がスイッチされる。

いくつかの実施形態において、本発明の装置は、レセプタクルを更に備えてもよい。レセプタクルは、分注された微小液滴を受け取るように構成することができる。いくつかの実施形態において、本発明の装置は、レセプタクルを更に備えてもよい。レセプタクルは、分注された微小液滴を受け取るように構成することができる。

いくつかの実施形態において、レセプタクルは、マルチウェルプレート、ＰＣＲチューブまたは微小遠心チューブである。レセプタクルは、９６または３８４マルチウェルプレートなどのマルチウェルプレートとすることができる。代替的に、レセプタクルは、ＰＣＲチューブ、またはエッペンドルフチューブなどの微小遠心チューブ、または他の適切な容器とすることができる。

いくつかの実施形態において、マルチウェルプレートは、多軸運動制御型ステージ上に載置されてもよい。多軸運動制御型ステージは、標的ウェルが弁の出口ポートの下に位置するように、マルチウェルプレートを第１位置に移動させるように構成することができる。多軸運動制御型ステージは、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸運動制御型ステージであってもよい。いくつかの実施形態において、マルチウェルプレートは、多軸運動制御型ステージ上に載置されてもよい。多軸運動制御型ステージは、標的ウェルが微小流体チップの出口ポートに設けられた弁の下に位置するように、マルチウェルプレートを第１位置に移動させるように構成することができる。

代替的に、弁または分注ヘッドは、ウェルプレートが静止し、分注ヘッドがウェルプレート上を移動するように、運動制御型ステージ上に取り付けられてもよい。代替的に、ウェルプレートおよび分注ヘッドの両方は、運動制御型ステージに載置されてもよい。

いくつかの実施形態において、６、８または１０ポート弁を開位置に切り換えて導管内部、すなわちサンプルループ内部で液滴をトラップするように、センサを導管内、すなわち試料ループ内に配置することができる。レセプタクル内に分注される液滴をトリガするために、第２センサを設けて、分注ヘッド近傍の分注チューブにおいて液滴を検出することができる。サンプリングループが使用されて、水性媒体を使用して液滴が分注されることを可能にする実施形態において、センサは、サンプリングループにおいてキャプチャされて、かつ微小液滴を含むであろう非混和性キャリア流体のプラグの存在を検出するであろう。

いくつかの実施形態において、各ウェルは、一定量の細胞培地で予め充填されてもよい。細胞培地は、ＥＭＥＭ、ＤＭＥＭ、ＲＰＭＩ、Ｋ１２、Ｈａｍｓを含んでもよいが、これらに限定されない。

いくつかの実施形態において、各ウェルは、以下のうちの、すなわち緩衝液、水または油の１つまたは複数の一定量で予め充填されてもよい。いくつかの実施形態において、緩衝液は溶解緩衝液であってもよい。いくつかの実施形態において、緩衝液または水または油は、その後のアッセイにおいて使用される成分または要件を含んでもよい。例えば、ＰＣＲまたはｑＰＣＲが続く場合、要件は、プライマーまたは適切な制御を含めることができる。

いくつかの実施形態において、本明細書に開示される分注手順の間、外側チューブの端部などの導管の端部は、ウェル内の予め充填された体積の表面の下に下げられてもよい。

分注システムは、相互汚染の可能性を低減するために、導管、弁、分注ヘッドおよび分注の間のチューブを洗浄するための更なる成分またはプロセスを含んでもよい。

本発明の別の態様において、１つまたは複数の微小液滴を分注する方法が提供される。方法は以下のステップを含む。すなわち、
第１領域と、狭窄部によって分離された第２領域と、を備える微小流体チップを提供するステップと、
微小液滴を第１領域から第２領域に移送するステップと、を含み、微小液滴は第１領域において第１流量でキャリア流体中に分散され、第２領域は、狭窄手段を介して第１領域から微小液滴を受け取り、当該微小液滴をより高いキャリア流体流量で微小流体チップの出口ポートへと移動させるように構成され、
第２領域は、光学的に媒介されるエレクトロウェッティング（ｏＥＷＯＤ）力の印加によって、狭窄部を介して第１領域から当該微小液滴を受け取るように構成され、
第２領域における第２流量は、第１領域における第１流量よりも高い。

いくつかの実施形態において、１つまたは複数の微小液滴を分注する方法が提供される。方法は以下のステップを含む。すなわち、
第１領域と、狭窄手段によって分離された第２領域と、を備える微小流体チップを提供するステップと、
微小液滴を第１領域から第２領域に移送するステップと、を含み、第２領域は、狭窄手段を介して第１領域から微小液滴を受け取り、当該微小液滴をより高いキャリア流体流量で微小流体チップの出口ポートへと移動させるように構成される方法において、
第２領域は、光学的に媒介されるエレクトロウェッティング（ｏＥＷＯＤ）力の印加によって、狭窄手段を介して第１領域から当該微小液滴を受け取るように構成される。

本発明の方法は、コントローラを使用して、微小流体チップの出口ポートを通るキャリア流体の流れを制御するために、ポンプおよび／または弁を作動させるステップを更に含んでもよい。いくつかの実施形態において、方法は、コントローラを使用して微小流体チップの出口ポートを通るキャリア流体の流れを制御する手段を作動させるステップを更に含んでもよい。

いくつかの実施形態において、キャリア流体の流れを制御する手段は、導管によって微小流体チップの出口ポートに接続されてもよい。

いくつかの実施形態において、キャリア流体の流れを制御する手段は、ポンプおよび／または弁であってもよい。

いくつかの実施形態において、ポンプの作動は、固定された体積の流体を微小流体チップおよび導管を通って移動させるステップを含んでもよい。導管はチューブ、すなわち外側チューブとすることができる。外側チューブは、プラスチック製とすることができる。いくつかの実施形態において、外側チューブは透明である。いくつかの実施形態において、外側チューブは、フルオロポリマー製である。好適には、外側チューブは、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）である。その結果、オペレータおよびセンサは、液滴が外側チューブ内を移動するのを見ることができる。チューブは任意の長さを有してもよい。しかしながら、それは、１０～１０００ｍｍの間のチューブとすることができる。例えば、外側チューブは、ウェルプレートの反対側に伸張できるように（１３０ｍｍ×８５ｍｍ）、２００ｍｍのチューブとすることができる。

微小流体チップおよび導管を通って移動させるために供給される流体の量は、１～１０μｌである。いくつかの実施形態において、液体の固定された体積は、２、３、４、５、６、７、８または９μｌより多くすることができる。いくつかの実施形態において、液体の固定された体積は、１０、９、８、７、６、５、４、３または２μｌ未満であってもよい。

好適は、液体の固定された量は、７μｌである。７μｌの体積は、標的ウェルプレートの体積よりも大幅に少ないが、フラッシュされなければならない導管または流体経路の体積よりも大幅に多くすることができる。

いくつかの実施形態において、方法は、レセプタクルを更に含んでもよい。レセプタクルは、マルチウェルプレートとすることができる、またはＰＣＲチューブとすることができる。

本発明の方法は、マルチウェルプレートを多軸運動制御型ステージ上に載置するステップであって、多軸運動制御型ステージはコントローラを使用してマルチウェルプレートを標的ウェルに移動させるように構成され、標的ウェルが、微小流体チップの出口ポートに設けられた弁の下に位置するステップを、更に含んでもよい。いくつかの実施形態において、方法は、マルチウェルプレートを多軸運動制御型ステージ上に載置するステップであって、多軸運動制御型ステージはコントローラを使用してマルチウェルプレートを標的ウェルに移動させるように構成され、標的ウェルが、弁の出口ポートの下に位置するステップを、更に含んでもよい。

いくつかの実施形態において、方法は、微小液滴がマルチウェルプレート上に分注されるように、弁を開位置に切り換えるステップを更に含んでもよい。

いくつかの実施形態において、方法は、コントローラを使用して標的ウェルを記録するステップを更に含んでもよい。コントローラを使用して標的ウェルを良好に記録することによって、オペレータまたはユーザは、細胞を含む液滴などの目的の液滴をどのウェルが良好に含むかを知ることができる。場合によっては、分注される液滴に対して標的ウェルを選択できるアッセイが存在し得る。

いくつかの実施形態において、方法は、目的の液滴を標的ウェルに分注できるように、コントローラを使用して標的ウェルを良好に選択するステップを更に含んでもよい。

いくつかの実施形態において、ソフトウェア機能を使用して、液滴に一意の識別子を割り当て、その液滴に対して実施された操作に関するメタデータを記録する。このメタデータは、その液滴が分注された標的ウェルの記録を含むことができる。液滴が２つの液滴に分割される場合、メタデータは、分注される一方の娘液滴の標的回収ウェルの記録、およびチップ上に保持される他方の娘液滴の一意の識別子を含むことができる。

いくつかの実施形態において、方法は、明視野顕微鏡、蛍光顕微鏡または暗視野顕微鏡を使用して液滴の光学的検査を行うステップを含んでもよい。方法は、液滴を分類するために画像解析を実行するステップと、次いで、それらの分類に基づいて分注される液滴のための標的ウェルを選択するステップと、を含んでもよい。

いくつかの実施形態において、方法は、検出モジュールまたは導管の近傍に設けられたセンサを使用して信号を生成するステップを更に含んでもよい。いくつかの実施形態において、方法は、検出モジュールまたはセンサを使用して信号を生成するステップを更に含んでもよい。

いくつかの実施形態において、方法は、生成された信号を検出モジュールまたはセンサから検出するステップと、生成された信号をコントローラに送信するステップと、を更に含んでもよい。その上で、コントローラは、微小液滴が分注されるように、弁を開位置に切り替えるように更に構成される。いくつかの実施形態において、方法は、生成された信号を検出モジュールまたはセンサから検出するステップと、生成された信号をコントローラに送信するステップと、を更に含んでもよい。その上で、コントローラは、微小液滴が分注されるように、弁を開位置に切り替えるように、更に構成される。

いくつかの実施形態において、方法は以下のステップを更に含んでもよい。すなわち、
コントローラを使用してポンプを非作動とさせるステップと、
コントローラを使用して弁を閉位置に切り換えるステップと、
コントローラを使用して、弁の出口ポートを、第１標的ウェルとは異なる更なる標的ウェルの上方に位置させるステップと、
コントローラを使用してポンプを再作動させるステップであって、ポンプは、固定された量の流体を微小流体チップおよび導管を通して移動させるように構成されるステップと、
コントローラを使用して弁を開位置に切り換えるステップであって、流体がマルチウェルプレートに分注されるステップと、
コントローラを使用して更なる標的ウェルを記録するステップと、である。

本発明の更なる態様によれば、１つまたは複数の微小液滴を分注する装置が提供される。装置は、以下を備える。すなわち、
本明細書に記載の微小流体チップであって、キャリア流体中に分散された微小液滴を、微小流体チップの出口ポートに移送するように構成された第２領域を含む、微小流体チップと、
微小流体チップの入口ポートから出口ポートまでの微小流体チップを通るキャリア流体の流れを制御するように構成されたポンプと、
微小流体チップの出口ポートに接続された導管であって、いったんチップから分注された微小液滴を受け取る導管と、
信号を生成するように構成された導管の近傍に配置されたセンサと、
生成された信号をセンサから読み取ってコントローラに送信するように構成されたリーダモジュールと、を備える装置であって、
コントローラは、微小流体チップの出口ポートに接続された弁および／またはポンプを制御するように構成され、
センサによって生成された信号に応じて、コントローラは、微小液滴が装置から分注される位置に弁を切り換えるように構成される、またはコントローラは、微小液滴がレセプタクル上に分注される位置に弁を切り換えるように構成される。

ここで、本発明を、単なる例として、添付の図面を参照して、さらに詳説する。

本発明に開示される１つまたは複数の微小液滴を分注する微小流体デバイスの図である。 本発明に開示されるチップローディングおよび分注シーケンスを示す図である。 本発明に開示されるチップローディングおよび分注シーケンスを示す図である。 本発明に開示されるチップローディングおよび分注シーケンスを示す図である。 図２Ａ～２Ｃによる液滴の分注手順および検出を示す図である。 図２Ａ～２Ｃによる液滴の分注手順および検出を示す図である。 微小流体デバイス内部の液滴操作を示す図である。 微小流体デバイス内部の液滴操作を示す図である。 微小流体デバイス内部の液滴操作を示す図である。 微小流体デバイス内部の液滴操作を示す図である。 多相流で分注される液滴を示す図である。 多相流で分注される液滴を示す図である。 液滴を分注する装置またはシステムの図である。

図１を参照すると、囲まれた体積１２を含む１つまたは複数の微小液滴を分注する微小流体デバイス１０が提供される。囲まれた体積１２は、第１領域１４および第２領域１６を含む。第１領域１４は、液滴が貯蔵され、取り扱われ、および／または操作される図１に示すような大きな領域であってもよい。第１領域１４および第２領域１６は、壁またはバリアなどの狭窄手段１８によって分離される。図１に示すような壁またはバリア１８は、液滴が通過して第２領域１６に入るのに十分な広い間隙２０を備える。目的の細胞を含む液滴は、選択されて、次いでオプトエレクトロウェッティング（ｏＥＷＯＤ）力の印加によって間隙２０を通って移動される。本デバイスはまた、いくつかのポート２２、２４、２６、２８を有する。これらは、接続された弁を使用して、独立して開くこと、またはシールすることができる。

第１領域１４は、キャリア流体中に分散された１つまたは複数の微小液滴を低キャリア流体流量で受け取り、操作するように適合される。場合によっては、低キャリア液体流量は、第１領域１４においてゼロである。これにより、液滴を容易に操作し、取り扱うことができる。流量が第１領域１４において高すぎる場合、その流量は、液滴を適所に保持する、または液滴を操作するｏＥＷＯＤ力を圧倒する。

第１領域の流量は、０～２０μＬ／分の範囲内とすることができる、または０、２、４、６、８、１０、１２、１４、１６または１８μＬ／分を超えてもよい。場合によっては、第１領域の流量は、２０、１８、１６、１４、１２、１０、８、６、４または２μＬ／分未満であってもよい。

第２領域１６は、２つの異なる流量を有してもよい。液滴が第２領域に移動されるスタンドバイモードの間、第２領域における流量は、０～２０μＬ／分の間とすることができる、または０、２、４、６、８、１０、１２、１４、１６または１８μＬ／分を超えてもよい。場合によっては、スタンドバイモードにおける第２領域の流量は、２０、１８、１６、１４、１２、１０、８、６、４または２μＬ／分未満であってもよい。

液滴がチップから分注されている分注モードの間、第２領域の流量は、１０～１００μＬ／分である、または１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０または９０μＬ／分を超えてもよい。場合によっては、分注の間の第２領域の流量は、１００、９０、８０、７０、６０、５０、４０、３０、２０または１５μＬ／分未満である。

液滴は、生体物質、細胞またはビードを含んでもよい。液滴は、単一の細胞または複数の細胞を含んでもよい。液滴は、単一または複数のビードを含んでもよい。液滴は、任意の形状またはサイズとすることができる。しかしながら、好適には、液滴は、球形または円筒形である。液滴のサイズは、２０～６００μｍの間であってもよい。しかしながら、液滴のサイズは、２０、３０、４０、５０、６０、８０、１００、１２０、１４０、１５０、１６０、１８０、２００、２２０、２４０、２５０、２６０、２８０、３００、３２０、３４０、３６０、３８０、４００、４２０、４４０、４６０、４８０、５００、５２０、５４０、５５０、５６０または５８０μｍを超えてもよい。いくつかの実施形態において、液滴のサイズは、６００、５８０、５６０、５５０、５４０、５２０、５００、４８０、４６０、４４０、４２０、４００、３８０、３６０、３４０、３２０、３００、２８０、２６０、２５０、２４０、２２０、２００、１８０、１６０、１５０、１４０、１２０、１００、８０、６０、５０、４０または３０μｍ未満であってもよい。複数の液滴を合体させて、より大きな液滴を形成することができる。代替的に、大きな液滴を分割して、適宜、より小さなサイズの液滴を形成することができる。

もし、液滴が微小流体チャンバの高さに対して小さすぎると、その場合、液滴は、微小流体チャンバ内部の壁の両側に接触していない。したがって、液滴をｏＥＷＯＤによって移動させることができない。対照的に、デバイスのジオメトリに対して大きな液滴は、微小流体チャンバ内部を移動するのが、困難となる、および／または遅くなる可能性があり、他の適切なサイズである液滴を妨害する、または正しいサイズである液滴と合体することによって単に邪魔となるだけで、他の操作を混乱させることが多い。

図１を参照すると、第２領域１６は、第２領域１６内部に含まれる入口ポートと出口ポートとの間に接続された微小チャネルなどのチャネルである。微小チャネル１６は、微小液滴を、狭窄手段１８内部の間隙２０を通して、それを介して第１領域１４から受け取り、当該微小液滴を、より高いキャリア流体流量で、微小流体チップ１０の第２領域１６の出口ポートに移動させるように構成される。このより高いキャリア流体流量は、第２領域１６内部に位置する複数のポートのうちの１つにポンプ源を取り付けることによって生成されてもよい。ポンプ源は、微小流体チップ１０の１つまたは複数の入口ポートまたは出口ポートに接続された、シリンジポンプまたは高圧ポンプであってもよい。加えて、弁は、微小流体チップ１０の１つまたは複数の出口ポートまたは入口ポートに接続されたソフトウェア制御弁とすることができる。

微小チャネルは、微小チャネルが第２領域１６内の入口ポートと出口ポートとの間に接続される方法で、微小流体チップ１０の第２領域１６の内側にパターン化することができる。

図１に示されるように、ポンプ源は、二方弁を通してポート２２およびポート２８などの１つまたは複数の出口ポートに接続される。液滴は、ポート２２から吸引することによって、例えばポート２４である別のポートを通してロードされる。液滴は、第１領域１４において操作され、次いで選択されて、ｏＥＷＯＤ力の印加を介して第２領域１６に移動される。図１はまた、液滴が、次いで、例えば出口ポート２６である出口ポートから、ポート２８にポンプすることによって分注され、一方ポート２２および２４は、弁を介して遮断されることを示す。次いで、ポンプ源がスイッチオフされ、微小流体チップ１０の出口ポートにある弁は閉鎖位置にある。

図２Ａ、２Ｂおよび２Ｃを参照すると、微小流体チップ１０上にロードされる微小液滴３０、および分注シーケンスが示される。微小流体チップ１０は、囲まれた体積１２を含む。囲まれた体積１２は、第１領域１４および第２領域１６を含む。図２Ａに示すように、弁３２は、各ポート２２、２４、２６、２８を開閉できるように、微小流体チップ１０のポート２２、２４、２６、２８に接続される。液滴３０は、液滴を含むキャリア流体の流れをこれらのポートの２つの間を通過させることによって、チップ１０の第１領域１４にロードされる。一方、他のポートは、弁３２によってシールされる。第１領域１４内の流量をゼロまで減少させるために、弁３２は閉じられる。この場合、液滴３０は、第１領域１４に貯蔵され、および／または第１領域１４において操作される。

図２Ｂを参照すると、液滴３０は、選択されて、ｏＥＷＯＤ力の印加によって、狭窄手段１８内部に位置する間隙２０を通って第１領域１４から第２領域１６に移動される。

図２Ｃに示すように、次いで、液滴３０は、シリンジポンプ３５を使用してポート２８内にポンプすることによって、例えば出口ポート２６である出口ポートから分注される。一方、ポート２２および２４は、弁３２を介してそれによって遮断される。図２Ｃに示されるように、液滴３０は、マルチウェルプレート３４などのレセプタクルに分注することができる。電圧は、分注サイクルの間にオフにされて、液滴がｏＥＷＯＤ力から解放されることを可能にしてもよい。

図３Ａを参照すると、第２領域１６を示す微小流体チップ１０が提供される。微小流体チップのポート２６、２８は、弁３２に接続される。図３Ａに示すように、両方の弁は開位置にある。キャリア流体がポンプ３５から注入され、液滴３０が第２領域１６を通って移動し、チップ１０から導管４０へと出る。出口弁３２は、廃棄チャネル３６または容器に対して開いている。センサ３８は、導管４０内部の液滴の存在を監視するために、導管４０の近傍に配置される。

検出モジュール３８は、フォトダイオードまたはフォトトランジスタのような光センサ、または静電容量センサもしくはインピーダンスセンサのような電気センサ、またはそのようなセンサのいくつかの組合せとすることができる。センサのセットは、導管の近傍の周囲に配置することができる。この場合、センサは、液滴が検出ウインドウを通過するときに、電気信号を生成するであろう。任意選択で、弁の両側のチューブ内を撮像するために検査カメラを配置し、検査カメラからのビデオまたは画像をリーダモジュールによって記録し、分析することができる。

装置は、さらに、生成された信号をセンサまたは検出モジュールから読み込んでコントローラに送信するように構成された、マイクロコントローラ（添付の図面には示されていない）などのリーダモジュールを備える。マイクロコントローラなどのリーダモジュールは、センサの出力信号を読み込み、センサのステータスをコントローラに送信するように構成される。

図３Ｂを参照すると、センサまたは光学検出器３８を使用する液滴の検出が図示される。ソフトウェアコントローラは、液滴がレセプタクル３４内に移動されるように、レセプタクル３４内に向けられた第２導管４２に対して開くように弁３２を配置する。

図４Ａを参照すると、第１領域１４内部の光学流体チャンバ内で操作およびアッセイされている標的液滴４３が示される。液滴４３を移動させ、アレイに再配置することができる。

図４Ｂおよび図４Ｃを参照すると、選択された液滴４３が、ｏＥＷＯＤ力によって、狭窄手段１８を通って第２領域１６へ移動されていることが示される。

図４Ｄに図示されるように、第２領域１６のポートに接続された弁を開き、キャリア流体を注入して第２領域１６内部に高流量を発生させ、液滴をデバイスから運び出すことによって、液滴４３が分注される。

図５Ａを参照すると、液滴は、多相流で分注することができる。１つは水性媒体４４を有し、また１つは非混和性キャリア流体４６を有する、２つの独立したポンプは、おそらくは合流部品４７によって入口ポート４８に接続される。図５Ａに示されるように、弁３２も提供される。弁３２は、互いに独立して開閉できる。場合によっては、弁は、順番に、あるいはタンデムで開閉することもあれば、同時に開閉することもある。媒体５０のプラグを、非混和性キャリア流体の体積の前および／または後に、チップ１０の第２領域１６に注入する。液滴３０を、非混和性キャリア流体部分に移動させる。次いで、混合相流体は、出口４９を通して分注レセプタクルに注入される。これによって、分注レセプタクルに導入される非混和性流体の体積が減少する。

図５Ｂに示されるように、より小さな液滴５４を選択し、それらを合体させてより大きな液滴５２を形成することによって、より大きなサイズの液滴５２を作ることができる。合体された液滴５２は、直径約５０μｍの直径サイズを有してもよい。場合によっては、デバイスへの５～１０Ｖの間の、好適には１０Ｖの電圧印加時により大きな液滴５２を形成するように、より小さな液滴５４を合体させることができる。合体された液滴５２は、ポンプを使用することによって微小流体チップの出口ポートから押し出すことができる。第２領域内部の流量は、１０～１００μＬ／分の間であってもよい。

場合によっては、液滴がチップを離れた直後に水流（またはプラグ）に混合されると、最終的にチップから排出され、最終的にウェル内に排出されなければならない油の量を、最小限に抑えられる。したがって、これにより、ウェルなどのレセプタクルが油で満たされるのを回避できるであろう。追加的または代替的に、小さな液滴５４は、大きな水性プラグ５２または合体された液滴に先行することができ、シリンジポンプを介して微小流体チップからポンプアウトすることができる。したがって、油でウェルなどのレセプタクルが満たされることが回避される。

図６を参照すると、分注装置またはシステム１００が提供される。分注装置またはシステム１００は、本発明の前述の態様において開示されたデバイスを備える。１つまたは複数の微小液滴を分注する装置１００は、微小流体チップ１０２を備える。微小流体チップ１０２（Ａ）は、第１領域および第２領域を含む。第１領域および第２領域は、狭窄手段によって分離される。第１領域は、キャリア流体中に分散された１つまたは複数の微小液滴を、低キャリア流体流量で受け取り、操作するように適合される。第２領域は、狭窄手段を介して第１領域から微小液滴を受け取り、当該微小液滴をより高いキャリア流体流量で微小流体チップの出口ポートに移動させるように構成される。第２領域は、光学的に媒介されるエレクトロウェッティング（ｏＥＷＯＤ）力の印加によって、狭窄手段を介して第１領域から当該微小液滴を受け取るように構成される。

装置はコントローラを更に備える。コントローラは、微小流体チップ１０２の出口ポートに接続された弁および／またはポンプを制御するように構成される。図６に示すように、弁１０３（Ｂ）は、微小流体デバイス１０２の出口ポートに接続される。（添付図面には示されていない）ポンプは、微小流体デバイス１０２の入口ポートに接続される。微小流体チップ１０２の出口ポートは、チューブなどの導管１０４と接続される。導管は透明とすることができる。

レセプタクル１０８は、マルチウェルプレート１０８である。マルチウェルプレートは、ＸＹＺ構成で多軸制御型ステージ１１０上に載置される。マルチウェルプレート１０８は、９６または３８４ウェルプレートでもよい。ステージ１１０は、手動で、または自動的に制御することができる。レセプタクル１０８は、廃棄容器、リザーバ、ＰＣＲチューブ、またはエッペンドルフチューブのような微小遠心チューブとすることもできる。任意選択で、各ウェルに、一定量の細胞培地で予め充填した。コントローラは、分注手順の間、マルチウェルプレートが載置されるステージの動きを制御するように構成される。各ウェルに１つの液滴を分注すること、および／または複数の液滴を１つのウェルに分注することができる。

分注手順の間、分注ヘッド１０６は、水性緩衝液を含むウェルに下降する。追加的または代替的に、ウェルは、分注ヘッド１０６に向かって移動してもよい。代替的に、分注ヘッド１０６を所定の位置に固定して、ウェルプレートを分注ヘッド１０６に向けて移動させてもよい。微小流体チップ１０２の入口ポートに接続されたポンプは、作動され、微小流体チップを通して必要とされる量の緩衝液をポンプするために、相当の時間、適切な速度でポンプする。正確な時間および速度は、微小チャネルのサイズ、相互接続チューブ、およびインターフェース接続部によって異なる。例えば、微小流体チップ１０２の入口ポートに接続されたポンプを、作動させ、５０μＬ／分で１２秒間ポンプさせることができる。微小流体チップ１０２の出口ポートに接続された弁は、典型的には約７μＬ～１０μＬである一定量の体積が微小流体チップからチューブ１０４内に押し出され、廃棄容器に分注されるように、開放される。７μＬ～１０μＬの固定された体積は、微小チャネルおよび相互接続チューブおよびインターフェース接続部を完全にパージするのに十分としてもよい。

次いで、１つまたは複数の液滴を、微小流体チップ１０２から、弁の直前に停止するチューブ１０４内へ移動させることができる。次いで、ポンプは、非作動とされ、微小流体デバイス１０２からの流体のポンピングを停止する。一方、弁は分注停止位置に移動する。ポンプは、コントローラによって更に４秒間再作動される。液滴が、ウェル１０８内に分注される。次いで、弁を手動で閉じる、またはソフトウェア制御コントローラによって弁を自動的に閉じることができる。

いくつかの例において、液滴を分注する方法または分注するシーケンスは、以下のようにすることができる。すなわち、ポンプ源をスイッチオフする。弁は、コントローラによって制御されるように閉位置にある。標的液滴を、操作し、微小流体チップ内部の光学流体チャンバ内でアッセイする。オプトエレクトロウェッティング移送は、標的液滴を、光学流体チャンバから微小流体チップ内部の微小チャネル内に移動させる。３軸ステージは、標的ウェルがソフトウェア制御弁の出口チューブの下に位置するように、マルチウェルプレートを移動させる。ソフトウェア制御ポンプを、作動させて、典型的には７マイクロリットルの固定された体積の流体の置換を開始し、微小チャネルおよび相互接続チューブおよびインターフェース接続部を適切にパージする。

次いで、流体がマルチウェルプレート内にルートされるように、ソフトウェア制御弁を開位置にスイッチする。その結果生じる微小チャネルにおける流体の流れは、液滴を、キャリア相の体積と共に、マルチウェルプレート内にパージする。任意選択で、センサまたはカメラに問合せを行い、マルチウェルプレートが決定される前に出口チューブにおける液滴の存在を確認する。液滴が検出されない場合、ポンプ源に、液滴を回収するために余分な量を分注するよう命令する。ポンプのスイッチをオフとし、弁を閉じる。分注ヘッドをマルチウェルプレートから引き出し、および／またはマルチウェルプレートを分注ヘッドから引き出す。任意選択で、マルチウェルプレートを移動させて、分注ヘッドの下に廃棄物ウェルまたは代替的な廃棄物レセプタクルを配置して、微小流体経路をパージする。全ての標的液滴が微小流体デバイスから回収されるまで、上記の工程を繰り返す。マルチウェルプレートは、ＤＮＡ配列決定または細胞拡大などの更なる実験のために、回収される。

代替的に、ポンプおよび弁に依拠して正しい量を計量して液滴を回収することによって、液滴を回収することができる。単なる例として、２０ｃｍのチューブ長、０．１ｍｍの内径、２０μｌ／分で０．１μｍの分注に対して、２～５μＬの計量体積を提供することができる。これは、チューブ内部の液滴を検出するセンサまたはカメラを、提供する必要がないことを意味する。追加的または代替的に、本発明に開示される装置は、目的の１つまたは複数の液滴の回収工程と並列化するために、適宜、複数の分注経路および複数のポンプ源および弁をサポートすることができる。

本発明のデバイス、装置および方法は、単一の細胞の分注などの多くの用途に使用することができる。場合によっては、液滴が複数の細胞を含んでもよい。液滴は、単一の細胞を含むランダムな数の細胞を含んでもよい。さらに、単一の細胞または複数の細胞を含む回収された液滴に対して、ＰＣＲ増幅、ＤＮＡ配列決定、ＲＮＡ配列決定、および細胞拡大を含み得るが、これらに限定されないアッセイを行うことができる。分注の効率は、液滴をトリパンブルーで染色し、分注弁の前後でカメラを用いて液滴をフィルム化することによって、評価することができる。単なる例として、分注開始から１２秒未満で分注弁の後で液滴が検出された場合に、分注が成功である見なされる。１つの実施例のみにおいて、単一の細胞を分注してＰＣＲを行う効率は約８０％（４０／５０）であり、一方、分注後のＰＣＲの全体的な効率は７９％（６６／８４）である。

本発明の様々な更なる態様および実施形態は、本開示の観点から、当業者には明らかである。

「および／または」は、本明細書で使用される場合、２つの指定される特徴または構成要素の各々の、特定の開示とみなされるべきである。例えば、「Ａおよび／またはＢ」は、（ｉ）Ａ、（ｉｉ）Ｂ、および（ｉｉｉ）ＡおよびＢ、の各々が、あたかも各々本明細書において個別に記載されるかのように、特定の開示とみなされるべきである。

文脈上別段の指示がない限り、上記の特徴の説明および定義は、本発明の特定の態様または実施形態に限定されず、記載されるすべての態様および実施形態に等しく適用される。

さらに、本発明は、いくつかの実施形態を参照して例として説明されてきたが、開示された実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲に定義される発明の範囲から逸脱することなく代替的な実施形態を構成できることが、当業者によって理解される。

Claims (29)

1. 光学的に媒介されるエレクトロウェッティング（ｏＥＷＯＤ）力を発生させるように構成されたｏＥＷＯＤ構造を有する微小流体チップを備える、１つまたは複数の微小液滴を分注するデバイスであって、前記微小流体チップは、第１領域および第２領域を含み、前記第１領域および第２領域は狭窄部によって分離され、
   第１領域は、キャリア流体中に分散された１つまたは複数の微小液滴を第１流量で受け取り、操作するように適合され、
   第２領域は、前記狭窄部を介して第１領域から微小液滴を受け取り、前記微小液滴を第２流量で前記微小流体チップの出口ポートに移動させるように構成され、
   第２領域は、光学的に媒介されるエレクトロウェッティング（ｏＥＷＯＤ）力の印加によって、前記狭窄部を介して第１領域から前記微小液滴を受け取るように構成され、
   前記デバイスはコントローラを備え、前記コントローラは、第２領域における前記第２流量は、第１領域における前記第１流量よりも高くなるように弁および／またはポンプを制御するように構成される、デバイス。
2. 請求項１に記載のデバイスであって、前記狭窄部は物理的バリアである、デバイス。
3. 請求項１に記載のデバイスであって、前記狭窄部は半透膜である、デバイス。
4. 請求項１～３の何れか一項に記載のデバイスであって、微小液滴は、生体物質、１つもしくは複数の細胞、または１つもしくは複数のビードを含む、デバイス。
5. 請求項１または２に記載のデバイスであって、前記狭窄部は開口部を備え、前記開口部の幅は、２０～４００ミクロンの間である、デバイス。
6. 請求項１～５の何れか一項に記載のデバイスであって、第２領域のジオメトリは、実質的に三日月形状のチャネルである、デバイス。
7. 請求項１～６の何れか一項に記載のデバイスであって、第２領域は、複数のチャネルを更に備え、各チャネルは、微小液滴を第１領域から受け取り、前記微小液滴を前記微小流体チップの前記出口ポートに移動させるように構成される、デバイス。
8. 請求項１～７の何れか一項に記載のデバイスであって、弁および／またはポンプは、導管によって前記微小流体チップの前記出口ポートに接続されるように構成される、デバイス。
9. 請求項８に記載のデバイスであって、前記微小流体チップの前記出口ポートに接続された前記弁および／またはポンプを制御するように構成されたコントローラを更に備える、デバイス。
10. 請求項９に記載のデバイスであって、前記コントローラは、第２領域におけるチャネルの各々において、微小液滴の流れを、または微小液滴の各々の流れを同時に制御するように構成される、デバイス。
11. 請求項１～１０の何れか一項に記載のデバイスであって、複数の微小液滴が、前記微小流体チップの前記出口ポートに同時に移動される、デバイス。
12. 請求項１～１１の何れか一項に記載のデバイスであって、第１領域の入口ポートまたは出口ポートと、第１領域の入口ポートまたは出口ポートに設けられた弁と、を更に備える、デバイス。
13. 請求項１～１２の何れか一項に記載のデバイスであって、検出信号を、前記微小流体チップの前記出口ポートから分注された微小液滴から検出する検出システムを更に備える、デバイス。
14. 請求項９に記載のデバイスであって、センサまたは検出モジュールから生成された信号を読み取って前記コントローラに送信するように構成されたリーダモジュールを更に備え、その上で、前記コントローラは、微小液滴が分注されるように前記弁を開位置に配置するように更に構成される、デバイス。
15. 請求項１～１４の何れか一項に記載のデバイスであって、レセプタクルを更に備え、前記レセプタクルは、分注された微小液滴を受け取るように構成される、デバイス。
16. 請求項１５に記載のデバイスであって、前記レセプタクルは、マルチウェルプレート、ＰＣＲチューブまたは微小遠心チューブである、デバイス。
17. 請求項１６に記載のデバイスであって、前記マルチウェルプレートは、多軸運動制御型ステージ上に載置され、前記多軸運動制御型ステージは、標的ウェルが前記微小流体チップの前記出口ポートに設けられた弁の下に位置するように、前記マルチウェルプレートを第１位置に移動させるように構成される、デバイス。
18. 請求項１３に記載のデバイスであって、前記検出システムは光学検出器を含む、デバイス。
19. 請求項１７に記載のデバイスであって、各ウェルは、一定量の細胞培地で予め充填される、デバイス。
20. 請求項１９に記載のデバイスであって、各ウェルは、緩衝液、水または油の一定量で予め充填される、デバイス。
21. 請求項１に記載のデバイスであって、前記狭窄部はシース液である、デバイス。
22. １つまたは複数の微小液滴を分注する方法であって、
    第１領域と、狭窄部によって分離された第２領域と、を備える微小流体チップを提供するステップと、
    微小液滴を第１領域から第２領域に移送するステップと、を含み、微小液滴は第１領域において第１流量でキャリア流体中に分散され、第２領域は、狭窄手段を介して第１領域から微小液滴を受け取り、前記微小液滴をより高いキャリア流体流量で前記微小流体チップの出口ポートへと移動させるように構成され、
    第２領域は、光学的に媒介されるエレクトロウェッティング（ｏＥＷＯＤ）力の印加によって、前記狭窄部を介して第１領域から前記微小液滴を受け取るように構成され、
    第２領域における第２流量は、第１領域における前記第１流量よりも高くなるように前記キャリア流体の流れを制御するために、コントローラを使用して弁および／またはポンプを作動させるステップと、を含む、方法。
23. 請求項２２に記載の方法であって、コントローラを使用して前記微小流体チップの前記出口ポートを通るキャリア流体の流れを制御するために、ポンプおよび／または弁を作動させるステップを更に含む、方法。
24. 請求項２２および２３に記載の方法であって、マルチウェルプレートを多軸運動制御型ステージ上に載置するステップであって、前記多軸運動制御型ステージは前記コントローラを使用して前記マルチウェルプレートを標的ウェルに移動させるように構成され、前記標的ウェルが、微小流体チップ弁の出口ポートに設けられた弁の下に位置するステップを更に含む、方法。
25. 請求項２４に記載の方法であって、微小液滴が前記マルチウェルプレート上に分注されるように、前記弁を開位置に切り換えるステップを更に含む、方法。
26. 請求項２４に記載の方法であって、前記コントローラを使用して前記標的ウェルを記録するステップを更に含む、方法。
27. 請求項２２～２６の何れか一項に記載の方法であって、検出モジュールまたはセンサを使用して信号を生成するステップを更に含む、方法。
28. 請求項２７に記載の方法であって、生成された前記信号を前記検出モジュールまたは前記センサから検出するステップと、生成された前記信号を前記コントローラに送信するステップと、更に含み、その上で、前記コントローラは、微小液滴が分注されるように、弁を開位置に切り換えるように更に構成される、方法。
29. １つまたは複数の微小液滴を分注する装置であって、
    請求項１に記載の微小流体チップであって、キャリア流体中に分散された微小液滴を、前記微小流体チップの出口ポートに移送するように構成された第２領域を含む、微小流体チップと、
    前記微小流体チップの入口ポートから前記出口ポートまでの前記微小流体チップを通る前記キャリア流体の流れを制御するように構成されたポンプと、
    前記微小流体チップの前記出口ポートに接続された導管であって、いったん前記チップから分注された微小液滴を受け取る導管と、
    信号を生成するように構成された前記導管の近傍に配置されたセンサと、
    生成された前記信号を前記センサから読み取ってコントローラに送信するように構成されたリーダモジュールと、を備え、
    前記コントローラは、前記微小流体チップの前記出口ポートに接続された弁および／またはポンプを制御するように構成され、
    前記センサによって生成された信号に応答して、前記コントローラは、微小液滴が前記装置から分注される位置に前記弁を切り換えるように構成される、または前記コントローラは、微小液滴がレセプタクル上に分注される位置に前記弁を切り換えるように構成される、装置。

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