JP4614221B2 - 光・電気濡れに基づくマイクロフルイディクスの光学的駆動のための装置と方法 - Google Patents
光・電気濡れに基づくマイクロフルイディクスの光学的駆動のための装置と方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は一般に、溶滴(droplet)の操作に関する。特に、本発明はマイクロフルイディック(microfluidic:微細流体)回路中の溶滴の操作或いは駆動に関する。
(政府機関の権利)
本発明はDARPA(米国国防総省国防高等研究事業局)によって与えられた契約番号MDA972-00-0019の下の米国政府機関の援助を使って行われている。米国政府機関は本発明に対していくらかの権利を有する。
本発明はDARPA(米国国防総省国防高等研究事業局)によって与えられた契約番号MDA972-00-0019の下の米国政府機関の援助を使って行われている。米国政府機関は本発明に対していくらかの権利を有する。
液体の取り扱いは生物学や化学など、科学の多くの分野にとって基本である。相当多くの回数の試験を能率的に行うために、小型研究所環境が作られてきた。従来の小型研究所には相当複雑で複合された、高価でマイクロマシン加工されたポンプとバルブを含み得る。
マイクロマシン加工されたポンプとバルブの必要を除去するために現出する公知の技術は、電気濡れ(electrowetting:エレクトロウェッティング)によって溶滴を活性化する。Cho, S.他の“Towards Digital Microfluidic Circuit: Creating, Transporting, Cutting and Merging Liquid Droplets by Electrowetting-Based Actuation”, Technical Digest, 15th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (2002), pp. 32-35を参照されたい。不利益にも、従来の電気濡れ技術は相当大きく高価な制御電極配列を必要とする。更に、交流バイアスを利用するのが望ましいこともあり、この交流バイアスは配列を切り替えるのが相当困難であり得る。その結果として、大量の試験が行われ、小型研究所環境が一度使った後に廃棄される用途において、従来のエレクトロウェッティング技術は相当高価で、コストが法外になることがある。さらに、従来のエレクトロウェッティング技術を用いる複数の溶滴の同時制御は、多数の交流バイアス電極を独立に制御することの非現実性に起因して、現実問題として達成できないかもしれない。
ある公知の方法では光に反応する薬品を使用して表面をコーティングし、接触角を変えて、それによって溶滴を操作する。不利益にも、そのような化学反応技術は反応に分の桁の時間がかかり、実際の使用にとっては遅すぎる。Ichimura, K.他の“Light-Driven Motion of Liquids on a Photoresponsive Surface”, Science, Vol. 288 (June 2000), pp. 1624-1626を参照されたい。更に、少なくともひとつのそのような技術では水滴を操作することができない。Ichimura, K.他を参照されたい。
酸化亜鉛(ZnO)あるいは酸化チタン(TiO2)を用いる他の公知の技術では水溶液あるいは水性溶剤の接触角を変えることができる。Sun他の“Photoinduced Surface Wettability Conversion of ZnO and TiO2 Thin Films”, J.Phys. Chem. B, Vol. 105 (February 2001), pp. 1984−1990を参照されたい。不利益にも、紫外光が化学反応を発生させるために使われている。Sun他を参照されたい。紫外光は生物学的有機的組織体には有害になりうる。更に不利益にも、化学反応は遅く、発生するのに少なくとも20分は要する。Sun他を参照されたい。それ故、そのような化学反応技術は、“anti-fogging glass and self-cleaning construction materials”に応用可能であるかもしれないが(Sun他を参照されたい)、そのような化学技術は研究所環境には適していない。
電気濡れ表面を形成するために効果的で低価格の技術が必要とされている。
（発明の要約）
本発明の実施形態は、利益的には、表面の電気濡れ特性を光を用いて制御することによって、溶滴を操作し、それによって溶滴の表面張力に傾きを生じさせる。表面張力の傾きは毛管力によって溶滴を推進させる。輸送、結合、切断、作成などの種種の操作を遂行させることが可能である。利益的に、本発明の実施形態は相当大きく複雑な制御電極配列を作成する必要を回避する。複数の光導電セルあるいは光導電性材料の層は、電気的なバイアスを行う電極を電気的なバイアスがかかっていないフローティングな導電性のセルと光線に応じて選択的に結合する。導電性セルに印加された電気的なバイアスは溶滴の接触角を変えることができる局所的電界を生み、その結果、溶滴を推進させることができる。
本発明の実施形態は、利益的には、表面の電気濡れ特性を光を用いて制御することによって、溶滴を操作し、それによって溶滴の表面張力に傾きを生じさせる。表面張力の傾きは毛管力によって溶滴を推進させる。輸送、結合、切断、作成などの種種の操作を遂行させることが可能である。利益的に、本発明の実施形態は相当大きく複雑な制御電極配列を作成する必要を回避する。複数の光導電セルあるいは光導電性材料の層は、電気的なバイアスを行う電極を電気的なバイアスがかかっていないフローティングな導電性のセルと光線に応じて選択的に結合する。導電性セルに印加された電気的なバイアスは溶滴の接触角を変えることができる局所的電界を生み、その結果、溶滴を推進させることができる。
本発明による実施形態のひとつは、光に応じて溶滴を操作するのに適したマイクロフルイディック回路である。この「溶滴」1滴の溶滴あるいは複数の溶滴のどちらの意味も含むことを理解されたい。マイクロフルイディック回路は交流電圧源の第一の端子に結合するのに適した少なくともひとつの導電層を有する第一の壁を有する。マイクロフルイディック回路は更に、交流電圧源の第二の端子に結合されるのに適したひとつの導電層を有する第二の壁を有する。第一の壁と第二の壁との間には電界が発生し、第二の壁は光に応答し、それにより、局所化された光のスポットによって照射されている第二の壁の一部は局所化されたスポット光が照射されていない第二の壁の一部よりも高い電界強度を絶縁層において持ち、第一の壁と第二の壁の少なくともひとつは更にそこを光を通過させるのに適している。溶滴を保持する空洞は第一の壁と第二の壁の間に規定されている。
本発明による他の実施形態は、光に反応して溶滴を操作するのに適したマイクロフルイディック回路である。このマイクロフルイディック回路は第一の電圧基準に結合するのに適した第一の光電気濡れ構造物を含み、それによりこの第一の光電気濡れ構造物は第一の絶縁層と少なくともひとつの第一の光に応答する領域とを含み、この第一の領域は、光に応じて第一の電圧基準を第一の絶縁層の少なくとも一部に結合する。このマイクロフルイディック回路は更に、第一の光電気濡れ構造物から隔てられている第二の光電気濡れ構造物を含み、それによりこの第二の光電気濡れ構造物は第二の電圧基準に結合するのに適しており、第二の光電気濡れ構造物は第二の絶縁層と第二の第二の光に応答する領域を含み、この第二の領域は第二の電圧基準を光に応じて第二の絶縁層の少なくとも一部に結合するのに適しており、第二の光電気濡れ構造物は十分に透明であるため、第二の光電気濡れ構造物の一方の面の第一の領域に影響を及ぼす光に、対応する第一の光電気濡れ構造物の第二の領域を通過させ、照射させることができる。第一の光電気濡れ構造物と第二の光電気濡れ構造物との間には溶滴を保持する空洞が規定されている。
本発明による他の実施形態には、微小研究所環境内での溶滴の操作方法がある。この方法は第一のプレートと第二のプレートの提供と、第一のプレートと第二のプレートの間での溶滴の保持と、第一のプレートと第二のプレートの少なくともひとつの表面に対する選択的照射を含む。この照射された区域は照射されていない区域よりも、水に対して低い接触角を示す。
本発明による他の実施形態には、微小規模研究所環境内での溶滴の操作方法がある。この方法は第一のプレートと第二のプレートの準備と、第一のプレートと第二のプレートの間での溶滴の提供と、第一のプレートと第二のプレートの少なくともひとつの表面に対する選択的照射を含む。この光を照射される区域は照射されていない区域よりも、光誘起化学反応なしで低い接触角を示す。
図解した光電気濡れ技術は全光の遺伝子センサの製造の実現を可能にする。利益的に、DNAを検出するこうした遺伝子センサが、相当複雑な機械的ポンプやバルブなしで製造できる。例えば、ここで記述した光電気濡れ技術が光学技術と結び付けられてDNAを検出することができる。こうした他の技術には分子集光や誘電泳動力もしくは電気泳動力による検出などを含むことができ、更にDNAの検出に使われている蛍光検出法も含むことができる。
本発明の他の実施形態には、マイクロマシンポンプやバルブなしで、溶滴分離法などの進んだ実験室操作を利益的に行うことができるラボ・オン・チップが挙げられる。
本発明の実施形態のひとつは、LEDアレイやレーザアセンブリを調整して、オートメーション形式で溶滴を操作する光パターンを提供する方法である。
本発明の実施形態のひとつは、少なくともひとつの電気濡れ表面で複数の溶滴を同時に操作する方法を含む。本発明の他の実施形態は、二つの電気濡れ表面の間に規定される空間内での溶滴の操作を含み、それにより二つの対立する電気濡れ表面が同時に十分に活性化される。
本発明のこれらの、および他の特徴は、簡単な図面を参照して記述される。これらの図面(スケールは一律でない)とそれに関連した記述は、本発明の好適な実施形態を示すために提供されるものであり、本発明の範囲を限定されることを意図されたものではない。
本発明はいくつかの好適な実施形態について記述されるが、ここで述べられたすべての利点および特徴を備えていない実施形態をも含む実施形態は、当業者にとっては自明であり、本発明の範囲内である。従って、本発明の範囲は添付した特許請求の範囲に関連付けることによってのみ規定される。
本発明の実施形態は、利益的には、相当安価で製造でき得るマイクロフルイディック回路内の溶滴の操作と駆動を提供する。本発明の実施形態は表面の電気濡れ特性を光によって溶滴を制御することにより溶滴を操作し、その結果、溶滴の表面張力に傾きをもたらす。表面張力の傾きは毛管力によって溶滴を推進させる。
本発明の実施形態は従って、マイクロマシンポンプやバルブといった相当複雑で高価なマイクロマシン装置なしで溶滴の操作を行うことができる。本発明の実施形態は、更に電気濡れ特性を制御するための大きな制御電極配列の必要を回避する。Cho他を参照されたい。むしろ、本発明の実施形態は、表面の選択した部分に光を照射することで表面の濡れ特性を制御することができる。照射は、レーザ、発光ダイオード(LED)のアレイといった種種の光源から提供されることができる。利益的には、相当高価で複雑な構造物の廃止が本発明の実施形態を相当安価で製造されるようにする。コストの削減が、ラボ・オン・チップユニットを廃止の経済的な実現性を促進し、実験の後にそのようなユニットが再利用されることで起こる二次汚染を防ぐことができる。しかし、そのようなユニットを、望むなら再利用することも可能であることは理解できるであろう。更に利益的には、実質上どのような極性液体も光電気濡れ表面で操作することができる。極性液体には生物学分野でよく使われる水溶液あるいは水性溶剤も含む。好ましくは、水溶液は精々107Ω-cm程の抵抗率を有するべきである。
図1はひとつの光電気濡れ表面110を有するマイクロフルイディック回路100を一般的に図解する断面図である。マイクロフルイディック回路100は第一の壁102と第二の壁104を有する。空洞106は第一の壁102と第二の壁104の間の空間に規定される。マイクロフルイディック回路100は溶滴108を空洞106内に収容する。
図解したマイクロフルイディック回路100では、第一の壁102が疎水性表面109を含み、第二の壁104が光電気濡れ表面110を含む。疎水性表面を有する構造物の実施形態は、図6に関連付けて後ほど詳細に述べる。光電気濡れ表面を有する構造物の種種の実施形態については、図3A、3B、4A、4B、5、6に関連付けて後ほど詳細に述べる。
第一の壁102と第二の壁104との間には電気的なバイアスが印加されている。図1のマイクロフルイディック回路100では、交流(AC)電圧源112がバイアスを提供している。利益的には、交流電圧源112は絶縁層の存在下で、電界の操作を行うことができる。
交流電圧源112の電圧と周波数の特性はマイクロフルイディック回路100の構成に使われている材料や、望まれる濡れ特性に応じて選択することができる。実施形態によっては、第一の壁102もしくは第二の壁104のうちのひとつを更にアースに結合する。交流電圧源の特性は広い範囲で変化することができる。交流電圧源の振幅は絶縁層の厚さあるいは誘電率によって変化する。例えば、交流電圧源112は、約10ボルトから数百ボルトまで周波数約10Hzから100Hzまでで供給できる。利益的には、交流電圧源112はおよそ100Vを500Hzで供給するように設定することができる。実施形態によっては、交流電圧源112は2本の導体あるいは導線のみでマイクロフルイディック回路100に結合されている。別の実施形態では、交流電圧源112がマイクロフルイディック回路100と誘導結合されており、故にマイクロフルイディクス回路100と結合するために交流電圧源112に導線が必要ない。暗いところでは、光導電体のインピーダンスが絶縁体のインピーダンスを支配するように、交流周波数を調整することができる。
光はマイクロフルイディック回路100の第二の壁104の選択された部分に当てられる。光源122は、第一の光線114で図示されるように、第二の壁104に直接光を当てるように設定される。代わりに、あるいは更に、別の光源124が、第二の光線116によって図示されるように、第一の壁102を通して第二の壁104に間接的に光が当たるように設計される。光が第一の壁102を通過して第二の壁104に届くように、第一の壁102は、十分に透明であり、光に第二の壁104の望む部分の光電気濡れ特性を通過させ、活性化させることができる。
図3Aと3Bに関連付けて後に詳しく述べる実施形態によっては、第二の壁104は電圧バイアスと直列に配置された絶縁層と光導電層を含む。アース基準を含むことができる電圧基準は、光導電層に結合されている。光導電層の導電率は光によって変化する。「暗い」状態、つまり、光に特に照らされていない状態では、光導電層は相当高い電気抵抗を有し、第一の壁102と第二の壁104の間のかなりの電圧降下が光導電層の両端間で起きる。実施形態によっては、例えばルームライトからのような周囲の光は、光導電層を十分には活性化しない。結果として、相当小さい電圧が絶縁層の両端間で降下し、相当小さい電界が絶縁層の中および周囲に生まれている。結果として、溶滴108は相当大きな接触角、α118を示す。接触角は固体/液体の境界面と、液体/気体の境界線で形成される、液体の側から測定される角である。
照射された状態では、光導電層は相当低い抵抗値を有し、相当小さい印加電圧が光導電層の光を当てられた部分の両端間で降下する。むしろ、大量の電圧が絶縁層の両端間で降下し、その結果対応する部分に相当大きな電界が生じる。その結果として、溶滴108はより小さい接触角β120を示す。
式1は絶縁層の境界面での溶滴の接触角θを、絶縁層の対応する領域の両端間で降下する電圧VAの関数としておおよそ表している。
リップマン-ヤングの式としても知られる式1では、θ(0)が印加電圧なしでの接触角に相当する。これは光導電層が暗い状況におおよそ相当し、故に、絶縁層の両端間におきる電圧降下VAは相当低い。変数εは絶縁層の誘電率(誘電定数εｒと空間の誘電率ε0との積)に相当する。変数dは絶縁層の厚さ、つまり電圧VAが降下する両端間の厚さに相当する。印加される電圧が交流であるときは、式1では二乗平均平方根(RMS)の値が電圧として使われる。変数γLVは操作されるべき溶滴を形成する液体と、空洞106内の環境との間の界面張力に相当する。通常、溶滴はガス雰囲気などの気相環境にある。しかし、環境は、操作されるべき溶滴を形成する液体とは異なる表面張力を有する液体(オイルなど)を含むことができ、環境はまた真空も含みうるということは理解できるであろう。
溶滴を輸送あるいは輸送ではなく操作するために、電界の傾きが光スポットによって生じさせられ、その結果として起こる接触角の非対称性が毛管作用によって溶滴に力を与える。図8A-Dに関連付けて後ほど述べるように、溶滴の操作は溶滴の輸送、複数の溶滴をひとつにする結合、ひとつの溶滴から少なくともふたつの小さい溶滴への切断あるいは分離、流体リザーバからの溶滴の作成を含み得る。
図2はふたつの光電気濡れ表面を有するマイクロフルイディック回路200を一般的に図解する断面図である。利益的には、ふたつの光電気濡れ表面に関する溶滴の接触角の変化が、より大きな毛管力を提供することができ、この毛管力は、溶滴をより早く輸送し、より多くの方法で操作し、より小さいバイアス電圧で操作するなどをできるようにするために使用されることができる。
マイクロフルイディック回路200は第一の光電気濡れ構造物202と第二の光電気濡れ構造物204を含む。第一の光電気濡れ構造物202と第二の光電気濡れ構造物204の間に規定される空間206が溶滴208を収容する。
電圧バイアスが第一の光電気濡れ構造物202と第二の光電気濡れ構造物204の間に印加される。図解された実施形態では、交流バイアス210が使用される。
第一の光源220からの第一の光線212、第二の光源222からの第二の光源214によって示されているように、マイクロフルイディック回路200の一方の側もしくは両側に、光が選択的に当てられる。好適には、第一の光電気濡れ構造物202と第二の光電気濡れ構造物204の少なくともひとつは十分に透明であり、十分に透明な光電気濡れ構造物の一方の側にだけ当てられた光は、十分に透明な光電気濡れ構造物を活性化し、他方の光電気濡れ構造物の対応する部分も通過し活性化する。相当透明な光電気濡れ構造物のひとつの実施形態は、図5に関連付けて後ほど詳しく述べる。実施形態によっては、第一の光電気濡れ構造物202と第二の光電気濡れ構造物204が同一であるが、異なる構造をそれぞれに対し用いることができることは理解できるであろう。
溶滴208の接触角は、従って、第一の接触角216と第二の接触角218で図示されるように、両方の光電気濡れ構造物の表面で操作される。
図3Aは光電気濡れ表面を提供し得る基板アセンブリ300のひとつの実施形態の斜視図である。明確化のために、図3A内の基板アセンブリ300の斜視図は切断図と分解図の様式で示す。図解された基板アセンブリ300は基部層302、電極層304、光導電材料の層306、複数の導電セル308と絶縁層310を含む。基板アセンブリ300のサイズは非常に大きな範囲で変えることができ、基板アセンブリ300の相当小さい一部分のみが図3Aに示されているということは理解できるであろう。
基部層302は絶縁材料で形成されるのが好ましい。基部層302はシリコン酸化物(SiO2)、ガラス、プラスチックなど、種種の材料で作ることができる。基板アセンブリ300の基部層側から光が当てられる場合、相当透明な材料を基部層302に選択するべきである。しかし、設定によっては、マイクロフルイディック回路は、基部層302を通してではなく反対の面を通して光を当てるように設定することもでき、故に基部層302は透明である必要がないことは理解できるであろう。
電極層304は図3Aで示されるように基部層302の上部に形成される。基部層302の形成される前でも後でも電極層304を形成することができることは、当業者には理解できるであろう。電極層304は基板アセンブリを電圧基準と結合することができる。電圧基準は、交流電圧基準と同様に、アース基準を含むことは当業者には理解できるだろう。電極層304は固体面、格子面、導電体の線といった形状に形成することができる。図解された実施形態では、電極層304は電気的に同じポテンシャルに結合されたおおよそ平行な導電体の列を含む。電極層304によって運ばれる電流量は相当小さく、電極層304は種種の導電材料で製造することができる。実施形態によっては、電極層304はアルミニウムで形成される。光が基板アセンブリの基部層302側から当てられる場合、インジウム-スズ酸化物(ITO)などの相当透明な導電体を使用することができる。
光導電材料の層306は電極層304と導電セル308の間に形成される。光導電材料の層306は暗いときには相当低い導電率を示し、光源から照射されているときには高い導電率を示す。光導電材料の層306は、適切な動作を効率的に確認できるように、可視光に応答するものを選択されるのが好ましい。更に、相当短い電子-正孔対再結合時間が、利益的には速いスイッチングを含み得る。
実施形態によっては、選択された光導電材料は、暗導電率約10６から1011Ω-cmの範囲の材料に相当する。光導電材料の層306にふさわしい材料の一例としては、約108Ω-cmの暗導電率を有するアモルファスシリコンがある。実施形態によっては、波長約400nmから1100nmの光をアモルファスシリコン部分に照射するために使用する。光電気濡れを活性化する光の強度は利益的には低くすることができる。アモルファスシリコンのスイッチングのための模範的な光の強度は、約65mW/cm2である。光導電材料の層306は絶縁層310の対応する部分の両端間で降下した電圧の光学的制御を可能にする。
絶縁層310は導電セル308の上部に形成される。マイクロフルイディック回路では、絶縁層310は溶滴を収容するチェインバと導電セル308の間に配置される。実施形態によっては、絶縁層310はシリコン酸化物(SiO2)の相当厚い層の堆積とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の薄い層を含み、シリコン酸化物はPTFEの相当薄い層と導電セル308の間に配置される。PTFEはテフロン（登録商標）として知られる。実施形態によっては、PTFE層はシリコン酸化物層に比べて相当薄く、故にPTFE層両端間の電圧降下に比べシリコン酸化物層両端間の電圧降下は相当高い。光導電材料の層306を活性化させる光が絶縁層310を通過する場合には、絶縁層310は相当透明であるべきである。例えば、PTFE層は十分に薄く形成させれば実質的な減衰なしで光を通過させることができる。
光導電材料の層306に選択的に当てられる光線は光導電材料の層306に相当低い抵抗値を持つ領域を生み出す。利益的には、相当低い抵抗値を持つ領域は、ひとつの導電セル308もしくは導電セル308の一群を電極層304に、そして対応する電圧基準に選択的に結合する。光導電材料は光導電材料の層306の全体を満たさなくてもよいことは理解できるであろう。例えば、光導電材料の層306は、導電セル308を電極層304に選択的に結合するために配置された光導電材料で満たされたビアホールを有する絶縁材料層で形成することができる。
光導電材料の層306を通して選択的な結合にもかかわらず、導電セル308は電気的にお互いに絶縁しており、故に光導電材料の層306は個々の導電セル308あるいは導電セル308の一群を電極層304に選択的に結合することができる。導電層308は種種の導電性材料から作ることができる。実施形態によっては、光導電材料を活性化する光が絶縁層310と導電セル308と通過する場合には、導電層308をインジウム-スズ酸化物(ITO)などの相当透明な材料で形成することができる。
選択された導電セルと電極層304を結合は、選択された導電セルのポテンシャルと電極層304のポテンシャルを結びつける。選択された導電セルと溶滴の間の絶縁層310の対応する部分は、同様に、相当大きな電界と低い接触角の原因となる大きな電圧降下を有する。対照的に、選択されていない導電セル、すなわち光導電材料の暗い領域に対応する導電セルは、電極層304のポテンシャルに結び付けられていない。むしろ、絶縁層310(のチェインバ側)の表面から電極層304までの電圧降下は光導電材料の層306と絶縁層310の間で分けられる。光によって活性化されていないとき、光導電材料の層306の両端間の電圧降下は、絶縁層310の両端間の電圧降下に比べてかなり大きいことが好ましい。その結果として、光導電材料の照射されていない領域に相当する絶縁層310の領域は、同様に、相当小さい電界強度と相当高い溶滴に対する接触角を有する。接触角のこの傾きが溶滴を操作されるようにする。
電気的結合を光学的に活性化することで、利益的には、局所的な電界を生み出す個々に選択可能な制御電極の配列を備える必要性を未然に防ぎ、従って電気濡れ装置が相当安価で製造できる。図解された基板アセンブリ300では、光導電材料は選択的に導電セルを大体「垂直」方向に、すなわち層を通って、光に応じて結合する。後ほど図4A、4B、5に関連付けて述べるような他の設定では、光導電材料は選択的に導電セルを大体「水平」方向に、すなわち大体層の側面に沿って結合する。
図3Bは図3Aの基板アセンブリの一部の断面図である。この断面図は図3Aの破線312に沿っている。この断面図は基部層302上の電極層304の電極を示す。光導電材料の層306は導電セル308と電極層304の電極の間に配置される。光がない場合もしくは周囲の光のみの場合は、光導電材料の層306は導電セル308を電極層304からの電極から絶縁する。光導電材料の層306が照射されている場合は、光導電材料の層306は導電セル308と電極とを相当小さい抵抗値で結合する。
図3Aおよび3Bで示される本実施形態では、導電セル308はおおよそ電極層304の導電線上に集まっている。導電セル308と電極層304は種種の形や設定に対応できるが、図解された導電セル308はさらに「H」の字の形のパターンにパターン化され、電極層304は、導電セル308と電極層304間の寄生容量を縮小するために、相当長い線を含み得る。更に、導電セル308のサイズと光スポットのサイズはマイクロフルイディック回路で操作しうる溶滴の最小サイズを決定することができると認識されるべきである。ひとつの例としては、導電セルは約50μm×100μmで、約20000個の導電セルが1平方センチメートル内の区域に配置される。
図4Aは光電気濡れ表面を提供しうる他の実施形態の基板アセンブリ400の斜視切断図である。図4Aの基板アセンブリ400の斜視図は切断図、分解図の様態で示す。図解された基板アセンブリ400は基部層402、電極層404、光導電材料の層406、複数の導電セル408、絶縁層410を有する。
図4に図解された基板アセンブリ400は、利益的には、電極層404と導電セル408との間に相当低い寄生容量を提供する。更に、図4で示された基板アセンブリ400の設定は、電極層404と導電セルとの間の光導電材料の層406に対し、絶縁破壊までは相当高い抵抗値を提供する。光導電材料の層406は相当薄くできるので、絶縁破壊電圧は相当低くすることができる。例えば、利益的には、光導電材料の層406の厚さは約10nmから1μmの間である。実施形態によっては、光導電材料の層406の厚さは約500ナノメータ(nm)である。基板アセンブリ400によって可能になったより高い絶縁破壊電圧はマイクロフルイディック回路に印加されたバイアスポテンシャルを増やすことを可能にし、従って、利益的には、光電気濡れ表面によって生み出された接触角を増大させることができる。
基板アセンブリ400の一部の、破線412に沿って得られた断面図が図4Bである。図4Bに示されるように、導電セル408は電極層404の相当する線から側面に沿って埋め合わされ、従って導電セル408と電極層404の線との間の間隔が増大する。電極層404の線は、導電セル408の列か行の間で相当均一に(横に)間隔を空けられるのが好ましい。電極層404の線と導電セル408の間の横の間隔は、光導電材料の層406の厚さに比べて、相当大きいのが好ましい。例えば、電極層404の線と導電セル408の横の間隔は約5μmである。更に、図4に図解される基板アセンブリ400の導電セル408は、正方形、長方形、円、楕円などのように相当簡単に製造できる形状で形成され、更に電極層404とは相当低い寄生容量を示す。
図5はひとつの光電気濡れ表面を提供し得る別の実施形態の基板アセンブリ500の斜視切断図である。利益的には、基板アセンブリ500は相当透明であり、従って、ふたつの活性な光電気濡れ表面を有するマイクロフルイディック回路の製造が容易になる。更に、図解された基板アセンブリ500は導体の単層から製造することができ、従って複数の導体層を持つ実施形態よりも製造工程を減らし、製造コストを抑えられる。
図5に図解される基板アセンブリ500は、基部層502、電極504、複数の導電セル506、複数の光導電セル508と絶縁層を含む。図解された絶縁層は、絶縁材料である第一の層510と第二の層512の複層の堆積である。例えば、第一の層510はシリコン酸化物の相当厚い層から、第二の層512はPTFEのような疎水性材料から形成することができる。基板アセンブリ500のサイズは非常に広い範囲で変化することができ、図5に示されているのは基板アセンブリ500の相当小さい部分に過ぎないことは理解できるだろう。
基部層502は絶縁材料で形成することができる。複数の電極の一部である電極504は、交流電圧源端子などの電圧基準やアース基準に結合されている。光導電セル508を通過する導電性パスにもかかわらず、導電セル506はお互いに或いは電極504から、電気的に絶縁されている。実施形態によっては、導電セル506と電極504は、同じインジウム-スズ酸化物(ITO)の層などの同じ材料の層から形成されパターン化されている。
光導電セル508は少なくともひとつの導電セル506を対応する電極504と結合するように配置される。基板アセンブリ500の図解された実施形態においては、光導電層508は一対の導電セル506を電極504と結合している。(周囲の光以外の)光が照射されない場合、光導電セル508は相当低い抵抗値を持ち、対応する導電セル506は電気的にフローティングである。光の照射に応じて、光導電セル508は相当高い導電率を示し、対応する導電セル506と電極504のポテンシャルを結びつける。図解された光導電セル508は第一の層510と電極504および／または、導電セル506の間に配置されるが、光導電セル508が、代案として、基部層502と電極504もしくは導電セル506との間に配置され得ることは理解できるであろう。
導電セル506がフローティングである場合の基板アセンブリ500の領域においては、フローティングな導電セル506上に配置された第一の層510と第二の層512の部分に相当小さい電位差が印加される。その結果、相当小さい電界が基盤アセンブリ500の表面に存在し、溶滴が対応する表面において相当高い接触角を有する。導電層506が電極504に結び付けられる場合は、第一の層510と第二の層512の対応する部分が相当大きな電圧降下を受け、相当強い電界が第二の層512の表面に生まれる。相当強い電界は表面の溶滴の接触角を小さくし、その接触角が毛管作用により溶滴を操作することを可能にする。
基板アセンブリ500はひとつの光電気濡れ表面を有するマイクロフルイディック回路と、ふたつの光電気濡れ表面を有するマイクロフルイディック回路の両方で使用することができる。基板アセンブリ500にとって、例えば、ふたつの光電気濡れ表面を有するマイクロフルイディック回路の少なくともひとつの壁もしくは構造のように、相当透明である場合、基部層502はガラスのような透明な材料で形成することができ、電極504と導電セル506はインジウム-スズ酸化物(ITO)のように相当透明な導電体で形成することができる。
図6はひとつの光電気濡れ表面を有するマイクロフルイディック回路600の斜視分解切断図である。マイクロフルイディック回路600は、疎水性表面を持つ第一の構造物602、光電気濡れ表面を持つ604を含む。溶滴は第一の構造物602と第二の構造物604の間の領域で操作される。
図解された第一の構造物602は、絶縁材料である第一の層606と、導電性材料である第二の層608を含む。第二の層608は交流電圧源端子のような電圧基準と結合されている。カプセルに封入されたような他の層も含まれ得るのは当業者には理解できるだろう。第一の層606と第二の層608の模範的な材料は、それぞれPTFEやインジウム-スズ酸化物(ITO)などを含む。第一の構造物602と第二の構造物604との間に印加された相当少量の電圧が第一の層606の両端間で降下するように、第一の層606は例えば20nmほどに相当薄いことが好ましい。
第二の構造物604は印加された電圧と光に応じて、ひとつの光電気濡れ表面を形成する。図解のために、図6に示された第二の構造物604は図4Aの基板アセンブリ400に対応する。しかし、第二の構造物604はまた、図3Aと図5に関連付けて述べられた構造物のように、光電気濡れ表面を形成する他の構造物にも対応することができる。
図2に関連付けて以前に述べたように、マイクロフルイディック回路はふたつの光電気濡れ表面を有して製造することができる。ふたつの光電気濡れ表面が溶滴を操作するのに用いられる場合、光電気濡れ表面を提供する少なくともひとつの構造物が対立する構造物にまで光を透過させることができるほど十分に透明であるという条件で、マイクロフルイディック回路の一方からの単一光線を使用することができる。十分に透明な基板アセンブリのひとつの実施形態は、図5に関連付けて以前に述べた。利益的には、光電気濡れ表面は光線により活性化することができ、制御電極を配列する複雑な配列技術は必要ない。
図7は光電気濡れ表面を導入したラボ・オン・チップ700を図解している。ラボ・オン・チップ700は、上部の壁702と下部の壁704両方の内側の面上の光電気濡れ表面を使用することが好ましい。実施形態によっては、上部の壁702と下部の壁704は図5に関連付けて以前述べた基板アセンブリ500に相当する。実施形態によっては、上部の壁702と下部の壁704の構成要素は対照的に配置することができ、故に上部の壁702と下部の壁704に同一の壁を使用することができる。
複数のスペーサ706は上部の壁702と下部の壁704との間隔を維持し、溶滴を操作するための空洞を提供している。利益的には、スペーサ706はSU8で形成されることができる。SU8は既にフォトリソグラフィでパターン化された、光に応答するポリマーである。スペーサ706が種種の材料から形成されることができるのは当業者には理解できるだろう。一例としては、スペーサ706は上部の壁702と下部の壁704の間隔を約50μmから100μmの範囲に維持している。しかし、上部の壁702と下部の壁704間の間隔は更に広い範囲に相当し得るのは理解できるであろう。
溶滴はラボ・オン・チップ700のほぼ中央にある液体操作区域708に輸送される。輸送、融合、混合、切断などの種種の操作を液体操作区域708で行うことができる。図1,2に関連付けて以前述べたように、上部の壁702と下部の壁704は交流電圧源のような電圧バイアスに結合されている。更に、上部の壁702は上部電極710を、下部の壁704は下部電極712を含む。上部電極710と下部電極712もまたバイアスをかけられ、好適には、それぞれ上部の壁702、下部の壁704と同じ電圧バイアスでバイアスをかけられる。
上部電極710は、下部電極712と同様に、別個の層に形成されるか、既存の電極と同じそうに形成され得る。実施形態によっては、上部の壁702は図5の基板アセンブリ702に相当し、上部電極710、電極504、導電セル506は同じ導電材料の層によって形成される。上部電極710は、光導電層508に結合されずに、光導電セル504に相当する電圧バイアスに結合されているのが好ましい。これによりラボ・オン・チップ700の電源オン状態時に、上部電極710と下部電極712に相当する領域に電気的なバイアスが提供されるようにすることができる。
利益的には、上部電極710と下部電極712の間の電気的なバイアスが、貯蔵と処分のために溶滴を引き付ける。例えば、複数のリザーバ714が液体操作区域708に導入され得る化学物質を維持する。廃棄物領域716は、余分な溶滴のような廃棄化学物質を貯めるリザーバに相当する。
図8AからDは光電気濡れ表面での溶滴の操作もしくは駆動の例を示している。図8A-Dでは、正方形の区域が導電セルに相当する。これらの導電セルは、照射されていない時にはフローティングであり、レーザのような光源による照射時にはバイアス基準(アース基準を含み得る)に結び付けられている。単一のレーザは、複数の光スポットを生むように、パルス化され得ることは理解できるであろう。また、レーザ光を導くために鏡を使用することもできる。加えて、LEDアレイもまた、利益的には、相当正確な光の制御を提供することができる。更に、LEDアレイは、相当多くの制御するためのLEDに相当し得るが、LEDは、相当高い交流電圧より遥かに簡単に切り替えられる相当低い直流電圧でスイッチのオンオフを行うことができる。また、LEDアレイは光電気濡れ表面とは不可分ではなく分離することができ、故にLEDアレイは光電気濡れ表面と共に製造されたマイクロフルイディック回路の廃棄と共に廃棄されなくてもよい。更に利益的には、光電気濡れ表面は、可視光スペクトル内の単一波長の単一光源によって活性化されることができる。
図8Aは溶滴802の輸送を図解している。溶滴802を輸送するために、光スポットが連続的に導電セルの隣接する区域を活性化し溶滴802を活性化する。
図8Bは、より大きな溶滴を作成するための第一の溶滴804と第二の溶滴806の結合を図解している。ふたつを超える溶滴もまた結合できることは理解できるだろう。利益的には、溶滴の結合は化学物質を混合するのに使用され得る。溶滴を結合するために、光スポットはひとつの溶滴からもうひとつの溶滴に輸送することができ、あるいは光スポットは少なくともふたつの溶滴を同時にお互いに向けて輸送するように使用され得る。
図8Cは溶滴806の少なくともふたつの溶滴への切断もしくは分離を図解したものである。切断するために、少なくともふたつの光スポットが徐々に分離し、従って少なくともふたつの溶滴が残る。
図8Dは溶滴810の、図7に関連付けて以前述べたリザーバ714のような流体リザーバ812からの作成を図解している。溶滴810は光スポットを用いて、流体リザーバ812から溶滴を引っ張り徐々に分離して作成され得る。実施形態によっては、対応するリザーバ714が光源によって照射されている必要がない。なぜなら、リザーバは図7に関連付けて以前述べたように、既にバイアスをかけられているからである。
本発明の種種の実施形態を上記述べた。本発明はこれらの特定の実施形態に関して記述されているが、この記述は本発明の実例となることを意図されており、限定する意図はない。種種の修正や応用を、当技術分野の技術者なら、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の真の趣旨および範囲から逸脱することなく、思いつくであろう。
Claims (28)
- 光に応じて溶滴を操作するのに適したマイクロフルイディック回路であって、
交流(AC)電圧源の第一の端子に結合されるのに適した少なくともひとつの導電層を有する第一の壁と、
交流電圧源の第二の端子に結合されるのに適した第二の壁であって、前記第一の壁と当該第二の壁との間に電界が発生し、当該第二の壁は光に応答し、それにより局所的な光スポットによって照射される第二の壁の一部が局所的な光スポットにより照射されない当該第二の壁の一部よりも高い電界強度を示す、第二の壁と、
前記第一の壁と前記第二の壁との間に規定された空洞であって、前記溶滴を保持するのに適した空洞と、
前記空洞に面した、前記第一の壁に結合された疎水性の裏地と、
を具備し、
前記第一の壁、前記導電層および前記疎水性の裏地が光を透過する、マイクロフルイディック回路。 - 前記第二の壁が光を透過する、
請求項１記載のマイクロフルイディック回路。 - 前記第一の壁の前記導電層はインジウム-スズ酸化物(ITO)ガラスを具備し、前記疎水性の裏地はポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を具備する、
請求項１記載のマイクロフルイディック回路。 - 前記第二の壁が
絶縁材料で作られた基板と、
前記空洞に面した絶縁層と、
前記基板と前記絶縁層の間に配置された光導電層と、
前記基板と前記光導電層との間に配置された第一の電極であって、当該第一の電極は交流電圧源の第二の端子に結合するのに適している、第一の電極と、
前記光導電層と前記絶縁層との間に配置された複数の導電セルであって、当該導電セルは電気的に絶縁されており、それにより当該導電セルは電気的に浮いている、複数の導電セルと、
を具備する、請求項１記載のマイクロフルイディック回路。 - 前記絶縁層がシリコン酸化物(SiO2)の層と、空洞に面したポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の層とを具備する、
請求項４記載のマイクロフルイディック回路。 - 前記光導電層がアモルファスシリコンを具備する、
請求項4記載のマイクロフルイディック回路。 - 前記第一の電極が水平軸に沿って伸びた導電性の条帯を具備し、複数の前記導電セルが、導電セルが前記導電性の条帯と共に第一の電極から垂直方向には配列されないように、配置されている、
請求項4記載のマイクロフルイディック回路。 - 前記複数の導電セルが水平方位において行と列に配置され、前記第一の電極が垂直方向における前記導電セルの行の間に配置された水平な導体を含む、
請求項4記載のマイクロフルイディック回路。 - 局所的な光スポットを提供するのに適したレーザアセンブリを更に具備する、
請求項１記載のマイクロフルイディック回路。 - 局所的な光スポットを提供するのに適した発光ダイオード(LED)アレイを更に具備する、
請求項１記載のマイクロフルイディック回路。 - 前記第二の壁は可視波長の光に応答する、
請求項１記載のマイクロフルイディック回路。 - 前記第二の壁が、
透明な絶縁材料で作られた基板と、
前記空洞に面した絶縁層と、
前記基板と前記絶縁層との間に配置された複数の導電線であって、当該導電線は前記交流電圧源の第二の端子に結合されている複数の導電線と、
前記基板と前記絶縁層との間に配置された複数の導電セルであって、当該導電セルは前記導電線に隣接した、複数の導電セルと、
複数の光導電セルであって、当該導電セルは導電線を少なくともひとつの当該導電セルに結合されるように構成されている複数の光導電セルと
を具備する、請求項１記載のマイクロフルイディック回路。 - 前記導電セルは、十分に透明であり、前記第二の壁の一方の第一の区域に影響を及ぼす光に、前記第一の壁の対応する第二の区域を通過させ、照射することを可能にする、
請求項１２記載のマイクロフルイディック回路。 - 導電材料の層を更に具備し、前記導電セルと前記導電ラインとが前記導電材料の層中に形成されている、
請求項１２記載のマイクロフルイディック回路。 - 前記溶滴は水溶液を具備する、
請求項１記載のマイクロフルイディック回路。 - 前記第二の壁は１秒以内に感光する、
請求項1記載のマイクロフルイディック回路。 - 光に応じて溶滴を操作するのに適したマイクロフルイディック回路であって、
第一の基準電圧源に結合するのに適した第一の光学エレクトロウェッティング構造物であって、当該第一の光学エレクトロウェッティング構造物は、第一の絶縁層と、光に応答する少なくともひとつの第一の領域とを有し、前記第一の領域は、光に応じて、前記第一の基準電圧源を前記第一の絶縁層の少なくとも一部に電気的に結合する、第一の光学エレクトロウェッティング構造物と、
前記第一の光学エレクトロウェッティング構造物から隔てられている第二の光学エレクトロウェッティング構造物であって、当該第二の光学エレクトロウェッティング構造物は第二の基準電圧源に結合するのに適しており、当該第二の光学エレクトロウェッティング構造物は、第二の絶縁層と、光に応答する第二の領域とを有し、前記第二の領域は、光に応じて、前記第二の基準電圧源を前記第二の絶縁層の少なくとも一部に電気的に結合させ、当該第二の光学エレクトロウェッティング構造物の一方の側に入射した光が当該第二の光学エレクトロウェッティング構造物を通過して、前記第一の光学エレクトロウェッティング構造物の対応する光応答領域を露光できるよう、当該第二の光学エレクトロウェッティング構造物が十分に透明である、第二の光学エレクトロウェッティング構造物と、
第一の光学エレクトロウェッティング構造物と第二の光学エレクトロウェッティング構造物との間に規定される空洞であって、溶滴を保持するのに適している空洞と、
を具備するマイクロフルイディック回路。 - 前記第二の光学エレクトロウェッティング構造物は、
透明な絶縁材料で作られた基板と、
前記空洞に面した絶縁層と、
前記基板と前記絶縁層との間に配置された複数の導電線であって、当該導電線は交流電圧源の第二の端子に結合されている複数の導電線と、
前記基板と前記絶縁層との間に配置された複数の導電セルであって、当該導電セルは前記導電線に隣接した、複数の導電セルと、
複数の光導電セルであって、当該光導電セルは前記導電線を少なくともひとつの前記導電セルに結合するように構成されている複数の光導電セルと、
を具備する請求項１７記載のマイクロフルイディック回路。 - 前記導電セルは十分に透明であり、それにより前記第二の壁の一方の側の第一の区域に影響を及ぼす光に、対応する第一の壁の第二の区域を通過させ、照射する、
請求項１８記載のマイクロフルイディック回路。 - 導電材料の層を更に具備し、前記導電セルと前記導電線とが前記導電材料の層中に形成されている、
請求項１８記載のマイクロフルイディック回路。 - 電気的にバイアス電圧に結合された第一のプレートと第二のプレートとを提供し、
溶滴を前記第一のプレートと前記第二のプレートとの間に保持し、
前記第一のプレートまたは前記第二のプレートの少なくともひとつの面の一部に選択的に光を照射し、それにより照射された部分が照射されていない区域よりも低い水との接触角を示し、前記溶滴の操作が可能になる、
マイクロスケール実験環境での溶滴の操作方法。 - 前記第一のプレートと前記第二のプレートの少なくともひとつが光導電層を含む、
請求項２１記載の方法。 - 前記バイアス電圧が、交流(AC)電圧バイアスを前記第一のプレートと前記第二のプレートに提供し、その結果前記交流電圧バイアスが前記第一のプレートと前記第二のプレートとの間に電界を生じさせる、
請求項２１記載の方法。 - 前記一部への光の照射が更に光導電層への照射を具備し、照射された部分は照射されていない部分より低い抵抗値を示し、従って前記光導電層に隣接した対応する区域に電界の傾きを生じさせる、
請求項２２記載の方法。 - 前記溶滴は分極性液体である、
請求項２２記載の方法。 - 電気的にバイアス電圧に結合された第一のプレートと第二のプレートとを提供し、
溶滴を前記第一のプレートと前記第二のプレートとの間に保持し、
前記第一のプレートと前記第二のプレートの少なくともひとつの面の一部に選択的に光を照射し、それにより照射された部分は表面での光誘起化学反応なしで照射されていない部分より低い接触角を示し、前記溶滴の操作が可能になる、
マイクロスケール実験環境での溶滴の操作方法。 - 前記照射が単一波長光線の使用を更に具備し、溶滴を操作する。
請求項２６記載の方法。 - 前記溶滴の操作が、溶滴の輸送、複数の溶滴のひとつの溶滴への結合、ひとつの溶滴の少なくともふたつの溶滴への切断、リザーバからの溶滴の作成のうち、少なくともひとつを具備する、
請求項２６記載の方法。
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