JP4955901B2 - 非混和性流体の液滴を生成するための集束音響エネルギー法およびデバイス - Google Patents

Description

【０００１】
(技術分野）
本発明は、一般に流体液滴を生成するための方法およびデバイスに関し、より詳細には、集中音響放射技術を使用して、非混和性流体の液滴を生成するための方法およびデバイスに関する。
【０００２】
（背景技術）
多くの分野において、通常互いに非混和性である成分（ここで、これらの成分の１種以上が非常に粘性であり得る）から構成される流体混合物の液滴を生成することがしばしば望まれる。しかしながら、粘性流体の液滴を生成するための従来方法を用いて、液滴サイズを制御することは、困難である。例えば、圧電インクジェット印刷および熱インクジェット印刷のような従来型のインクジェット技術は、粘性材料を小さいノズルに通す必要があるために制限される。容量中に１ピコリットル容量のオーダーの流体の量を分配するために、３０マイクロン以下の直径を有するノズル開口部が必要とされる。このような小さいノズル開口部から粘性流体を移動させるのに必要とされるエネルギーは、非常に高く、そして流体材料の実質的な剪断を生じる。ノズルの目詰まりもまた、これらの印刷技術に伴う問題である。
【０００３】
熱インクジェットプリンターについて、放射エネルギーは、印刷されるべき流体の気化に由来する。ほとんどの粘性流体は、非常に高い沸点を有し、そして有意な熱エネルギー入力を必要とする。圧電印刷は、粘性材料の液滴を放射する、より有効な方法であり得るが、必要とされる熱エネルギーが依然として高い。例えば、米国特許第５，２２９，０１６号は、圧電放射デバイスを用いてはんだを分配するための方法を記載している。このシステムは、２５μｍのオリフィスを通してはんだを放射するために、高温度および３０ｐｓｉの背圧を必要とする。圧力補助を用いてでさえ、はんだ付けのための最大放射率は、１０ｋＨｚのオーダーである。米国特許第５，４９８，４４４号において、圧電放射デバイス（このデバイスは、高温を加えて４０ｃｐｓまでで操作される）を使用して、ポリマーを放射するための方法が記載されている。高温の必要性により、（もちろん、粘度を低下させるために多くの材料を加熱するにつれて、操作できる材料の数は減少する）分解が生じる。流体の液滴を生成するための他のデバイス（例えば、Ｗａｌｌａｃｅらに対する米国特許第４，８１２，８５６号に記載されるようなデバイス）は、同様に、他の観点（再充填時間に起因した、ゆっくりとした反復を含む）において不都合である。
【０００４】
印刷技術において音響エネルギーを使用することが知られている。例えば、Ｌｏｖｅｌａｄｙに対する米国特許第４，３０８，５４７号は、書類に文字またはバーコードを形成するために体液から移動書類に液体を放射する際に、音響原理を使用する液滴エミッターを記載している。Ｌｏｖｅｌａｄｙらは、ノズルのないインジェット印刷装置を示しており、ここで、制御されたインクの液滴は、インクの表面または表面下で湾曲変換器によって生成される音響力によって推進される。インジェット印刷デバイスとは対照的に、前出の特許において記載されるような、ノズルのない流体放射デバイスは、目詰まりおよびそれに関連した不都合（例えば、不当な流体または不適当なサイズの液滴）に供されない。
【０００５】
しかしながら、ノズルのない流体放射の開発は、一般に、インク印刷の適用に制限される。インク印刷適用の開発は、経済的な問題に強く影響を受けるため、開発努力の大部分は、印刷の質を改善するのではなく印刷のコストを下げることに集中している。言い換えると、音響印刷のための開発努力は、精度ではなく印刷の速度を改善することに焦点を合わせている。例えば、Ｒａｗｓｏｎに対する米国特許第５，０８７，９３１号は、定常流動下でインクを音響インクプリンターに移動させるためのシステムに関し、この音響プリンターは、軸に整列された、複数のエジェクターを備え、各エジェクターは、液状インクの自由表面に関連する。複数のエジェクターを有することで、一般に、印刷速度は増大する。しかしながら、複数のエジェクターを、単一エジェクターの代わりに使用する場合、流体放射、特に液滴配置を制御することが、より難しい。
【０００６】
別の例として、Ｑｕａｔｅに対する米国特許第４，７９７，６９３号は、記録媒体に多染性画像を印刷するための音響インクプリンターを記載している。このプリンターは、複数の異なる色の液状インクを含むキャリア、発射用のキャリア（このキャリア中に音波を集中する）に音響的にカップリングされた単一音響プリントヘッド、異なる色のインクをこのプリントヘッドに連続的に整列させるためにキャリアを位置付けるためのインク移動手段、ならびにこのインクに対して付与される放射圧を調節するためのコントローラの組み合わせを含めて記載されている。この型のプリンターがコストを抑えることを実現させるように設計されていることが、開示されている。しかしながら、このデバイスは、液面が音響焦点から移動し、液滴放射が中断される前に、キャリアから制限量のインクのみを放射し得る。
【０００７】
従って、写真平版技術、液滴放射用のノズルに依存したインジェット印刷デバイス、および従来型の音響放射システムに関連した不都合なしに、集中放射技術を使用して非混和性流体の液滴を生成するための、改善されたシステムについての、当該分野における必要性が存在する。
【０００８】
（発明の要旨）
従って、本発明の主要な目的は、集中音響放射技術を使用して、非混和性流体の液滴を生成するための新規な方法およびデバイスを提供することによって、前記で言及した当該分野における必要性を満たすことである。
【０００９】
本発明の別の目的は、少なくとも２種の非混和性流体の液滴を生成するための方法を提供することであり、ここで、集中音響エネルギーが、液滴をレザバから放射するのに効果的な様式で、非混和性流体を含むレザバに付与される。
【００１０】
本発明のなお別の目的は、非混和性流体の少なくとも１種が少なくとも約１０ｃｐｓの粘度を有するような方法を提供することである。
【００１１】
本発明のなお別の目的は、第一流体が水性であり、第二流体が非水性（例えば、脂質）であり、かつこれら２種の流体の一方が生体分子または薬学的因子を含むような方法を提供することである。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、レザバが高温を維持し、その結果、レザバ内の第一流体が液状金属または超伝導合金を含み、第二流体がワックスまたはガラスを含むような方法を提供することである。
【００１３】
本発明のなおさらなる目的は、非混和性流体を含む液滴が基材表面上の別々の部位内の局在した領域に放射されるような方法を提供することである。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、各複数の流体レザバから、非混和性流体を音響的に放射するためのデバイスを提供することであり、このデバイスは、音響放射線発生器から構成される音響エジェクター、集中手段、およびレザバの各々との音響カップリング関係においてエジェクターを位置付けるための手段を備える。
【００１５】
本発明のさらなる目的、利点および新規な特性は、本明細書中の一部に記載されており、これに従って、以下の実験を行う際に当業者に一部明らかとなるか、または本発明の実施によって確認され得る。
【００１６】
１つの局面において、集中音響エネルギーを使用して、非混和性流体の液滴を生成するための流体の方法およびデバイスが提供される。本明細書中で実施されるように、集中音響エネルギーを使用することによって、驚くほど正確で、繰返し可能な液滴サイズおよび液滴速度を有する、１ピコリッロル以下のオーダーの非常に微小な液滴を生成することが可能となる。この方法は、以下を備えるデバイスの使用を含む：各々２種以上の非混和性流体を含む、１つ以上のレザバ；音響放射線を生成するための音響放射線発生器、および発生した音響放射線を集中させるための集中手段を備えるエジェクター；ならびに、レザバの各々との音響カップリング関係においてエジェクターを位置付けるための手段。
【００１７】
（発明の詳細な説明）
本発明を詳細に記述する前に、もし他に指示がなければ、本発明は、特定の流体、音響放射デバイス、基材など限定されない（これらは、変更され得る）ことが理解されるべきである。本明細書中で使用される用語は、特定の実施形態のみを記述する目的であり、制限を意図しないこともまた理解されるべきである。
【００１８】
本明細書中および添付特許請求の範囲において使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、他に内容が明確に記されていなければ、複数の対象を含むことに注意すべきである。従って、例えば、用語「流体（単数）」は、単一流体または流体の混合物を意味することが意図され、「レザバ（単数）」は、１つ以上のレザバを意味することなどが意図される。
【００１９】
本発明の記述および主張において、以下の用語が、以下に示される定義に従って使用される。
【００２０】
用語「吸着」とは、本明細書中で使用される場合、基材表面による分子の非共有性の保持をいう。すなわち、吸着は、基材表面と吸着された分子上に存在する吸着部分との間の非共有性相互作用の結果として生じる。吸着は、水素結合、ファンデルワールス力、極性の引力または静電気力（すなわち、イオン結合を介する）を介して生じ得る。吸着部分の例としては、以下が挙げられるがこれらに限定されない：アミン基、カルボン酸部分、ヒドロキシル基、ニトロソ基、スルホンなど。
【００２１】
用語「音響カップリング」および「音響的にカップリングされた」とは、本明細書中で使用される場合、音響放射線が音響エネルギーの実質的な損失なしに目的物の間で移動するのを可能にするように、その目的物が直接的または間接的に、別の目的物と接触して配置されている状態をいう。２つの品目が間接的に、音響的にカップリングされている場合、「音響カップリング媒体」は、音響放射線が伝達され得る中間体を提供するために必要とされる。従って、エジェクターは、例えば、流体中にエジェクターを沈めることによって、またはエジェクターと流体との間に音響カップリング媒体を配置して、エジェクターによって生成された音響放射線を、音響カップリング媒体を介して流体中に移動させることによって、流体に音響的にカップリングされ得る。
【００２２】
用語「結合された（ａｔｔａｃｈｅｄ）」とは、例えば、基材表面に「結合された」オリゴヌクレオチドを有する基材の場合、共有結合、吸着、および物理的固定化を含む。用語「結合（ｂｉｎｄｉｎｇ）」および「結合（ｂｏｕｎｄ）」は、用語「結合された」と同一の意味である。
【００２３】
用語「アレイ」とは、本明細書中で使用される場合、基材表面上の二次元配置の特性をいう。アレイは、一般に、規則的な整列特性、例えば、直線グリッド、平行ストライプ、スパイラルなどから構成されるが、未整列のアレイもまた同様に、有益に使用され得る。本発明の方法を使用して調製されたアレイは、一般に、約４〜約１０，０００，０００の範囲の特性、より代表的には、約４〜約１，０００，０００特性を含む。
【００２４】
用語「生分子」および「生物学的分子」は、本明細書中で交換可能に使用されて、天然に存在するか、組換え産生されたか、または全体もしくは一部が化学的に合成された任意の有機分子（すなわち、生体の一部であるか、または生体の一部であり得る任意の有機分子）をいう。この用語は、例えば、ヌクレオチド、アミノ酸および単糖、ならびにオリゴマー種およびポリマー種（例えば、オリゴヌクレオチドおよびポリヌクレオチド）、ペプチド分子（例えば、オリゴペプチド、ポリペプチドおよびタンパク質）、糖類（例えば、二糖類、オリゴ糖、多糖類、ムコ多糖）またはペプチドグリカン（ペプチド−ポリサッカリド）などを含む。この用語はまた、リボソーム、酵素補因子、薬学的活性剤なども含む。
【００２５】
用語「流体」とは、本明細書中で使用される場合、非固形または少なくとも部分的にガス状および／もしくは気体である物質をいう。流体は、最小に、部分的にまたは完全に溶媒和した、分散したまたは懸濁した固体を含み得る。流体の例としては、制限することなしに、水溶液（水自体、および食塩水）および非水溶液（例えば、有機溶媒など）、脂性流体などが挙げられる。本明細書中で使用される場合、用語「流体」は、インクが着色料を含まなければならず、ガス状であってはいけないという点で、用語「インク」と同義語ではない。
【００２６】
用語「近傍」は、集中音響放射線の集中点から液滴が放射されるべき流体表面までの距離をいう。この距離は、流体に方向付けられる集中音響放射線が流体表面から液滴放射を生じるような距離でなければならず、当業者は、簡単かつ慣用的な実験を使用して、任意の所定の流体についての適切な距離を選択することができる。しかしながら、一般的に、音響放射線の集中点と流体表面との間の適切な距離は、流体中での音速の約１〜約１５倍の波長の範囲、より代表的には約１〜約１０倍の波長、好ましくは約１〜約５倍の波長の範囲である。
【００２７】
用語「集中手段」および「音響集中手段」とは、本明細書中で使用される場合、光学レンズのように作用する音響エネルギー源とは異なるデバイスによって、または構成的かつ破壊的な干渉により、集中点での音響エネルギーの集中に影響を及ぼす音響エネルギー源の空間的な整列によって、音波を集中点に集中させるための手段をいう。音響手段は、湾曲表面を有する固体部材と同様に単純であり得るか、またはフレスネルレンズ（これは、音響放射線を方向付けるために回折を用いる）において見出されるような複雑な構造を含み得る。適切な集中手段としてはまた、当該分野で公知のような位相アレイ方法が挙げられ、例えば、ＮａｋａｙａｓｕらおよびＡｍｅｍｉｙａら（１９９７）に対する米国特許第５，７９８，７７９号（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １９９７ ＩＳ ＆ Ｔ ＮＩＰ １３ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，６９８〜７０２頁）に記載される。
【００２８】
用語「非混和性」は、完全には混和性でない２種の流体をいう従来の意味において使用され、「非混和性」である２種の流体の混合は、１つより多い流体相を含む混合物を生じる。本明細書中に提供されるような２種の「非混和性」流体は、完全にまたはほとんど完全に非混和性（すなわち、各相が少なくとも約９５％、好ましくは少なくとも約９９％の単一流体を含む２つの相を含む混合物を生じる）であることが好ましい。
【００２９】
用語「レザバ」とは、本明細書中で使用される場合、流体を保持するまたは含むための容器またはチャンバをいう。従って、レザバ内の流体は、必然的に自由表面（すなわち、液滴がそこから放射されるのを可能にする表面）を有する。
【００３０】
用語「基材」とは、本明細書中で使用される場合、１種以上の流体が沈着され得る表面を有する任意の材料をいう。この基材は、多数の形態（例えば、ウェーハ、スライド、ウェルプレート、膜）のいずれかで構成され得る。さらに、この基材は、特定の流体の沈着が要求され得る場合、多孔性であっても非多孔性であってもよい。適切な基材材料としては以下が挙げられるがこれらに限定されない：固相化学合成のために代表的に使用される支持体（例えば、ポリマー材料（例えば、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリアクリロニトリル、ポリアクリルアミド、ポリメチルメタクリレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリカルボネート、ジビニルベンゼンスチレンベースのポリマー））、アガロース（例えば、Ｓｅｐｈａｒｏｓｅ（登録商標））、デキストラン（例えば、Ｓｅｐｈａｄｅｘ（登録商標））、セルロースポリマーおよび他の多糖類、シリカおよびシリカベースの材料、ガラス（特に、制御された細孔ガラス、すなわち「ＣＰＧ」）および機能的ガラス、セラミック、および表面コーティング剤（例えば、ミクロ細孔ポリマー（特に、セルロースポリマー（例えば、ニトロセルロース））、ミクロ細孔金属化合物（特に、ミクロ細孔アルミニウム）、抗体結合タンパク質（Ｐｉｅｒｃｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．，Ｒｏｃｋｆｏｒｄ ＩＬから入手可能）、ビスフェノールＡポリカルボネート）で処理された基材など。
【００３１】
特定の目的の基材は、多孔性であり、かつ上記で言及されたように、以下を含む：未コーティングの多孔性ガラススライド（ＣＰＧスライドを含む）；ポリマーコーティング剤で被覆された多孔性スライド（例えば、多孔性ポリマー表面を有する、アミノシランまたはポリ−Ｌ−リジンコーティング剤）；および多孔性コーティング剤で被覆された非多孔性ガラススライド。この多孔性コーティング剤は、多孔性ポリマーコーティング剤であってもよく、例えば、セルロースポリマー（例えば、ニトロセルロース）またはポリアクリルアミド、あるいは多孔性金属コーティング剤（例えば、ミクロ細孔アルミニウムから構成される）から構成されてもよい。多孔性表面を有する市販の基材の例としては、Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ａｒｒａｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＦＡＳＴ^ＴＭ）スライド（Ｓｃｈｌｅｉｃｈｅｒ ＆ Ｓｃｈｅｌｌ，Ｉｎｃ．（Ｋｅｅｎｅ，ＮＨ）から入手可能）が挙げられ、これは、単位表面積当たりの利用可能な結合面積を実質的に増加させる、１０〜３０μｍ厚の多孔性の流体透過性ニトロセルロース層で被覆される。他の市販の多孔性基材としては、現在、Ｅｐｐｅｎｄｏｒｆ ＡＧ（Ｈａｍｂｕｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ）から市販されているＣＲＥＡＴＩＶＥＣＨＩＰ（登録商標）透過性スライド、および「三次元」幾何学を有する基材が挙げられ、これらは、試薬が構造全体の細孔およびチャネルを通って流れて透過するのを可能にする、整列された非常に多孔性な構造に基づく。このような基材は、「Ｆｌｏｗ−Ｔｈｒｕ Ｃｈｉｐ」という商品名でＧｅｎｅ Ｌｏｇｉｃ，Ｉｎｃから入手可能であり、Ｓｔｅｅｌら、第５章、Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ Ｂｉｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＢｉｏＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ Ｂｏｏｋｓ，Ｎａｔｉｃｋ，ＭＡ，２０００）によって記載されている。
【００３２】
用語「多孔性」とは、「多孔性基材」または「多孔性表面を有する基材」における場合、それぞれ、約１％〜約９９％の範囲、好ましくは約５％〜約９９％、より好ましくは約１５％〜約９５％の範囲の多孔性（空隙パーセンテージ）、および約１００Å〜約１ｍｍ、代表的には約５００Å〜約０．５ｍｍの平均細孔サイズを有する基材または表面をいう。
【００３３】
用語「不透過性」は、水または流体を通過させないことを意味する従来の意味において使用される。用語「透過性」は、本明細書中で使用される場合、「不透過性」を意味しない。従って、「透過性基材」および「透過性表面を有する基材」とは、それぞれ、水または他の流体を透過させ得る基材または表面をいう。
【００３４】
前出の支持体材料は、簡便に使用される基材を表しているが、実際には、基材は任意の生物学的材料、非生物学的材料、有機材料および／または無機材料を含み得、そして、任意の種々の物理的形態（例えば、粒子、鎖、沈殿物、ゲル、シート、チュービング、球、コンテナ、キャピラリー、パッド、スライス、フィルム、プレートなど）であり得、そして任意の所望の形状（例えば、円盤、四角、球、円など）をさらに有し得ることが理解されるべきである。この基材表面は、平らであってもそうでなくてもよく、例えば、この表面は、凸領域または凹領域を含み得る。基材はさらに、この基材表面に化合物を共有結合する反応性官能基を含んでも、それを含むように誘導体化されてもよい。これらは、広く知られており、これらとしては、例えば、反応性Ｓｉ−ＯＨ基を含む二酸化ケイ素支持体、ポリアクリルアミド支持体、ポリスチレン支持体、ポリエチレングリコール支持体などが挙げられる。
【００３５】
用語「表面修飾」とは、本明細書中で使用される場合、基材表面または基材表面の選択された部位もしくは領域の、１つ以上の化学的特性および／または物理的特性を変化させるための付加プロセスまたは減算プロセスによる基材の化学的変更および／または物理的変更をいう。例えば、表面修飾は、以下を含み得る：（１）表面の湿潤特性を変化させること、（２）表面を官能化させること（すなわち、表面官能基を提供、修飾または置換すること）、（３）表面を脱官能化すること（すなわち、表面の官能基を取り除くこと）、（４）さもなければ、例えばエッチングによって、表面の化学組成を変更すること、（５）表面の粗さを増大または減少させること、（６）表面上にコーティング剤（例えば、その表面の湿潤特性とは異なる湿潤特性示すコーティング剤）を提供すること、ならびに／あるいは（７）表面上に粒子を配置すること。
【００３６】
「必要に応じた」または「必要に応じて」は、続いて記述される状況が生じても生じなくてもよく、その結果その記述が、その状況が生じた場合およびその状況が生じない場合を含むことを意味する。
【００３７】
用語「実質的に」とは、例えば、句「実質的に全てのアレイの分子」の場合、少なくとも９０％、好ましくは少なくとも９５％、より好ましくは少なくとも９９％、そして最も好ましくは少なくとも９９．９％のアレイの分子をいう。用語「実質的に」の他の使用は、類似の定義を含む。
【００３８】
従って、本発明は、収束した音響エネルギーを使用して非混和性流体の液滴を作製し、単一の流体液滴を、流体の自由表面（例えば、レザバまたはウェルプレート内）から、必要に応じて基板表面（例えば、各液滴がアレイ内の別個の部位に堆積する、アレイの調製において）へと排出し、極度に正確かつ繰り返し可能な液滴サイズおよび速度を可能にするための、方法およびデバイスを提供する。使用されるデバイスは、以下を備える：各々が２つ以上の非混和性流体を含む、１つ以上のレザバ；音響放射を発生させるための音響放射生成器、および音響放射をレザバの各々の流体表面に十分に近い焦点に集中させて、液滴の排出を起こすための収束手段を備える、排出器；ならびにレザバの各々に対して音響連結関係で排出器を位置決めするための手段。好ましくは、流体はいずれも、インクではない。
【００３９】
図１は、適切な収束音響排出デバイスを、単純化した断面図で示す。本明細書中で参照される全ての図面（ここで、類似の部品は類似の番号で参照される）に関して、図１は同一縮尺ではなく、そして特定の寸法が、提示を明確にするために、誇張され得る。デバイス１１は、一般に、複数のレザバ（すなわち、少なくとも２つのレザバ）を備えるが、このことは必須ではない。単純にするために、このデバイスは、２つのレザバを備えるよう図示されており、ここで第１のレザバは１３で示され、そして第２のレザバは１５で示される；しかし、単一のレザバまたは３つ以上のレザバを備えるデバイスが利用され得ることが、理解されるべきである。各レザバは、２つ以上の非混和性流体の組み合わせを含み、そして異なるレザバにおける個々の流体および流体の組み合わせは、同じであっても異なっていてもよい。２相系を含むレザバが図中に示されており、ここでレザバ１３は、流体の下層１０および流体の上層１２を含み、そしてレザバ１５は、流体の下層１４および流体の上層１６を含む。しかし、２相系は例示であり、そして単に単純にするために記載されており、そして各レザバは３つ以上の非混和性流体を含み得るので、本発明はこの点に関して限定されないことが、強調されるべきである。流体の上層１２および１６は、それぞれ１７および１９で示される流体表面を有する。示されるように、これらのレザバは、実質的に同一の構成であり、その結果、実質的に音響的に区別不可能であるが、同一の構成は必要条件ではない。これらのレザバは、別個の取り外し可能な構成要素として示されるが、所望であれば、プレートまたは他の基板内に固定され得る。例えば、複数のレザバは、ウェルプレート内の個々のウェルを構成し得、必要に応じて、アレイに配置され得るが、このことは必須ではない。レザバ１３および１５の各々は、好ましくは、示されるように軸対称であり、それぞれ垂直な壁２１および２３が、円形のレザバ底部２５および２７から上方に延び、そして開口部２９および３１で終結するが、他のレザバ形状が使用され得る。各レザバの底部の材料および厚みは、音響放射が通過して伝達され得、そしてこれらのレザバ内に含まれる流体に入り得るようにされるべきである。
【００４０】
このデバイスはまた、音響排出器３３を備え、これは、音響放射を発生させるための音響放射生成器３５、およびこの音響放射を、液滴が排出される流体表面の近くの焦点に集中させるための収束手段３７を備え、ここで、この焦点は、液滴の排出を生じるように、選択される。この焦点は、流体の上層内または流体の下層内であり得るが、好ましくは、これらの層の間の界面のすぐ下である。図１に示すように、収束手段３７は、音響放射を集中させるための凹面３９を有する、単一の固体片を備え得るが、この収束手段は、以下に議論されるような他の様式で構築され得る。従って、音響排出器３３は、それぞれレザバ１３および１５に音響連結される場合に、流体表面１７および１９の各々からの流体の液滴を排出するように、音響放射を発生させ、そして集中させるように、適合される。音響放射生成器３５および収束手段３７は、そのデバイスの所望の性能に依存して、単一の制御装置によって制御される単一のユニットとして機能し得るか、またはこれらは、独立して制御され得る。代表的に、単一の排出器の設計が、複数の排出器の設計より好ましい。なぜなら、液滴の配置の正確さならびに液滴の大きさおよび速度の一貫性が、単一の排出器を用いて、より容易に達成されるからである。
【００４１】
当業者によって理解されるように、任意の種々の収束手段が、本発明と組み合わせて使用され得る。例えば、１つ以上の湾曲した表面が使用されて、音響放射を、流体表面の近くの焦点に指向し得る。１つのこのような技術は、Ｌｏｖｅｌａｄｙらに対する米国特許第４，３０８，５４７号に記載されている。湾曲表面を有する収束手段は、市販の音響変換器（例えば、Ｐａｎａｍｅｔｒｉｃｓ Ｉｎｃ．（Ｗａｌｔｈａｍ，ＭＡ）によって製造されるもの）の構築に組み込まれている。さらに、音響エネルギーを目的平面から予め決定された収束距離に指向するためには、フレネルレンズが、当該分野において公知である。例えば、Ｑｕａｔｅらに対する米国特許第５，０４１，８４９号を参照のこと。フレネルレンズは、音響エネルギーのかなりの部分を、レンズに対して半径方向に変化する回折角で、所定の回折次数に回折する半径相プロフィールを有し得る。この回折角は、音響エネルギーを、所望の目的平面上の回折次数内で集中させるように、選択されるべきである。
【００４２】
排出器３３を各個々のレザバに、従ってその内部の流体に、音響連結するための多数の様式がまた存在する。１つのこのようなアプローチは、例えば、Ｌｏｖｅｌａｄｙらに対する米国特許第４，３０８，５４７号に記載されるような、直接の接触を介する。ここで、セグメント電極を有する半球状の水晶から構築される収束手段が、排出されるべき液体に浸漬される。上述の特許はさらに、この収束手段が、液体の表面またはそれより下に位置し得ることを開示する。しかし、収束手段を流体に音響連結するためのこのアプローチは、この排出器が複数の容器またはレザバ内の異なる流体を排出するために使用される場合には、所望ではない。なぜなら、収束手段の繰り返しの洗浄は、交差汚染を回避する目的で所望されないからである。この洗浄プロセスは、必然的に、各液滴排出事象間の移行時間を長くする。さらに、このような方法において、流体は、各レザバから取り出される場合に排出器に接着して、高価であるかまたは希少であり得る材料を浪費する。
【００４３】
従って、好ましいアプローチは、排出器を、レザバおよびレザバ流体に、排出されるべき任意の流体との排出器のいかなる部分（例えば、収束手段）の接触もなしに音響連結することである。この目的で、本発明は、排出器を、制御して、繰り返し可能に、レザバ内の流体の各々と音響連結させて配置し、これらの流体に排出器を浸漬することなくこれらのレザバから液滴を排出するための、排出器位置決め手段を提供する。このことは代表的に、排出器と各レザバの外部表面との間の、直接的または間接的な接触を包含する。排出器を各レザバに音響連結するために直接的な接触が使用される場合、この直接的な接触が、効率的な音響エネルギー移動を確実にするために、完全にコンフォーマルであることが好ましい。すなわち、排出器およびレザバは、嵌合接触のために適合された対応する表面を有するべきである。従って、音響連結が、収束手段を介して排出器とレザバとの間に達成される場合、レザバがこの収束手段の表面輪郭に対応する外側表面を有することが望ましい。コンフォーマル接触なしでは、音響エネルギー移動の効率および正確さが損なわれ得る。さらに、多くの収束手段は湾曲した表面有するので、直接的な接触のアプローチは、特別に形成した逆の表面を有するレザバの使用を必要とし得る。
【００４４】
最適には、音響連結は、図１に示すように、排出器とレザバの各々との間で、間接的な接触を介して達成される。この図において、音響連結媒体４１が、排出器３３とレザバ１３の底部２５との間に配置され、ここで排出器およびレザバは、互いから予め決定された距離を空けて位置する。音響連結媒体は、音響連結流体であり得、好ましくは、音響収束手段３７と各レザバとの両方とコンフォーマル接触する、音響的に均一な材料である。さらに、流体媒体が、流体媒体自体と異なる音響特性を有する材料を実質的に含まないことを確実にすることが、重要である。示されるように、第１のレザバ１３は、音波が音響放射生成器によって発生され、そして収束手段３７によって音響連結媒体４１に指向され、この媒体が次いで、音響放射をレザバ１３内に伝達するように、音響収束手段３７に音響連結される。
【００４５】
作動の際に、このデバイスの各レザバ１３および１５は、上で説明されたように、２つ以上の非混和性の流体の組み合わせで満たされる。音響排出器３３は、排出器とレザバとの間に音響連結媒体４１を介して音響連結を達成するために、レザバ１３の下に示される排出器位置決め手段４３によって、位置決め可能である。基板上への液滴の排出が所望である場合、基板４５は、この基板の一方の表面（図１において下側の表面４９として示される）がレザバに面し、そしてレザバ内の流体１４の表面１７に対して実質的に平行となるように、第１レザバ１３の上にこのレザバに近接して、位置決めされ得る。一旦、排出器、レザバおよび基板が適切な配置になると、音響放射生成器３５が始動されて、音響放射を生じ、この音響放射は、収束手段３７によって、第１のレザバの流体表面１７の近くの焦点に指向される。その結果、液滴４７が、流体表面１７から、必要に応じて基板の下側表面４９上の特定の部位（代表的に、予め選択された、すなわち「予め決定された」部位であるが、このことは必須ではない）に、排出される。この排出された液滴は、接触後、この基板表面上で固化することによって、この基板表面上に保持され得る；このような実施形態において、基板表面を低温に（すなわち、接触後に液滴の固化を生じる温度に）維持することが必要である。あるいは、またはさらに、この液滴内の分子部分が、接触後にこの基板表面に、吸着、物理的固定、または共有結合を介して、付着する。
【００４６】
次いで、図２に示すように、レザバ１５からの液滴を第２の部位に受容するために、基板位置決め手段５１が使用されて、基板４５（使用される場合）をレザバ１５の上に再位置決めし得る。図２はまた、排出器３３が、排出器位置決め手段４３によってレザバ１５の下に、そして音響連結媒体４１によるレザバ１５との音響連結関係において、再配置されたことを示す。一旦、図２に示されるように適切に整列すると、排出器３３の音響放射生成器３５が始動されて音響放射を生じ、この音響放射が次いで、収束手段３７によって、レザバ１５内のレザバ流体内の焦点に指向され、これによって、液滴５３を、必要に応じて基板上に排出する。このような作動は、基板表面４９上にパターン（例えば、アレイ）を形成するために複数の非混和性流体をレザバから排出するために、本発明のデバイスがどのように使用され得るかを説明するためのものであることが、明らかであるはずである。同様に、このデバイスは、複数の液滴を、１つ以上のレザバから、基板表面の同一部位へと排出するよう適合され得ることが、明らかであるはずである。
【００４７】
上で議論したように、個々の（例えば、取り外し可能な）レザバまたはウェルプレートのいずれかが、排出される非混和性流体の組み合わせを含むために使用され得、ここで、レザバまたはウェルプレートのウェルは、好ましくは、互いから実質的に音響的に区別不可能である。また、排出されるべき流体内に排出器が浸漬されることが意図されない限り、レザバまたはウェルプレートは、音響放射が排出器から排出されるべき流体の表面に運ばれることを可能にするために十分な音響伝達特性を有さなければならない。代表的に、このことは、受容不可能な散逸なしに、レザバまたはウェルの底部を通って音響放射が移動することを可能にするために十分に薄い、レザバまたはウェルの底部を提供することを包含する。さらに、レザバの構築において使用される材料は、内部に含まれる流体と適合性でなければならない。従って、レザバまたはウェルが特定の有機溶媒を含むことが意図される場合、この溶媒に溶解するかまたは膨潤するポリマーは、このレザバまたはウェルプレートを形成する際に使用するために適切ではない。水に基づく流体に対しては、多数の材料が、レザバの構築のために適切であり、そしてセラミック（例えば、酸化ケイ素および酸化アルミニウム）、金属（例えば、ステンレス鋼および白金）、ならびにポリマー（例えば、ポリエステルおよびポリテトラフルオロエチレン）が挙げられるが、これらに限定されない。多くのウェルプレートが市販されており、そして１つのウェルプレートあたり、例えば９６個、３８４個、または１５３６個のウェルを含み得る。本発明のデバイスにおける使用に適したウェルプレートの製造業者としては、Ｃｏｒｎｉｎｇ Ｉｎｃ．（Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）およびＧｒｅｉｎｅｒ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．（Ｌａｋｅ Ｍａｒｙ，Ｆｌｏｒｉｄａ）が挙げられる。しかし、このような市販のウェルプレートの適合性は、少なくとも約１０，０００のウェル、または１００，０００以上ものウェルを含む、注文製造のウェルプレートの製造および使用を妨害しない。アレイ形成適用に対して、約１００，０００〜約４，０００，０００のレザバが使用され得ることが、予測される。さらに、排出器と各レザバまたはウェルとの整列のために必要な移動の量を減少させるために、各レザバの中心は、隣のレザバの中心から約１センチメートル以下、好ましくは約１ミリメートル以下、そして最適には約０．５ミリメートル以下の位置であることが好ましい。
【００４８】
上記のことから、このデバイスの種々の構成要素は、基板上にアレイを形成するために、個々の制御または同調を必要とし得ることが明らかである。例えば、排出器位置決め手段は、各レザバから、基板表面上に調製されるべきアレイに関連して予め決定された順序で液滴を排出するよう適合され得る。同様に、基板表面を排出器に対して位置決めするための、基板位置決め手段は、基板表面上のパターンまたはアレイで液滴を受容するように、基板表面を位置決めするよう適合され得る。いずれかまたは両方の位置決め手段（すなわち、排出器位置決め手段および基板位置決め手段）は、例えば、モータ、レバー、滑車、歯車、またはこれらの組み合わせ、あるいは当業者に公知の他の電気化学的手段または機械的手段から構築され得る。基板の動き、排出器の動き、および排出器の始動の間に、適切なパターン形成を確実にするための対応が存在することを確実にすることが、好ましい。
【００４９】
このデバイスはまた、特定の性能増強特徴を含み得る。例えば、このデバイスは、基板表面の温度を低下させて、例えば、排出された液滴がこの基板に接着することを確実にするための、冷却手段を備え得る。この冷却手段は、基板の表面を、流体がこの表面に接触した後に、流体を部分的にかまたは好ましくは実質的に固化させる温度に維持するよう適合され得る。このデバイスはまた、レザバ内の流体を一定温度に維持するための手段を備え得る。なぜなら、流体への繰り返しの音響エネルギーの適用は加熱を生じ、これは次に、流体の特性（例えば、粘度、表面張力および密度）における所望でない変化を引き起こし得るからである。このような温度維持手段の設計および構築は、当業者に公知であり、そして少なくとも１つの加熱要素および／または少なくとも１つの冷却要素の組み込みを包含する。多くの生体分子の適用に対して、生体分子を含む流体は、一定の温度に、その温度から約１℃または２℃より大きくは離れずに維持されることが、一般的に所望される。さらに、特に熱感受性の生体分子の流体に対しては、この流体は、この流体の融点より約１０℃高い温度を超えない温度、好ましくは、この流体の融点より約５℃高い温度を超えない温度に維持されることが、好ましい。従って、例えば、生体分子を含む流体が水性である場合には、排出の間、この流体を約４℃に維持することが最適であり得る。
【００５０】
いくつかの場合において、基板表面は、その上への流体の音響堆積の前に、改変され得る。表面改変は、官能基化または脱官能基化、平滑化または粗雑化、コーティング、分解あるいは他の様式で表面の化学組成または物理的特性を変化させることを包含し得る。好ましい表面改変方法は、例えば、この表面上に排出された液滴の、指定された領域への閉じ込めを容易にするため、または排出された液滴に含まれる分子部分の表面付着に関する動力学を増強するために、表面のぬれ特性を変化させることを包含する。基板表面のぬれ特性を変化させるための好ましい方法は、流体を音響排出して基板表面上にアレイを形成する前に、適切な表面改変流体の液滴を、この基板表面の、アレイ要素が付着する各部位に堆積させることを包含する。この様式で、音響排出された液滴の「広がり」は、最適化され、そしてスポットの大きさ（すなわち、直径、高さおよび全体的な形状）の一貫性が確実にされ得る。この方法を実施するための１つの様式は、排出器を、表面改変流体を含む改変剤レザバに音響連結し、次いで上に詳述されるように、この排出器を始動して、表面改変流体の液滴を作製し、そしてこの基板表面上の特定の部位に排出することを包含する。この方法が所望されるように繰り返されて、表面改変流体をさらなる表面部位に堆積させる。
【００５１】
上述の収束音響エネルギーシステムは、液滴の排出を、同じレザバから１分間あたり少なくとも約１，０００，０００の液滴の速度で、そして異なるレザバから１分間あたり少なくとも約１００，０００の液滴の速度で、可能にする。さらに、現在の位置決め技術は、排出器位置決め手段が１つのレザバから別のレザバへと、迅速にかつ制御された様式で移動することを可能にし、これによって、異なる流体の迅速かつ制御された排出を可能にする。すなわち、現在の市販されている技術は、排出器が、１つのレザバから別のレザバへと、繰り返し可能な制御された音響連結で、各レザバにおいて、高性能位置決め手段に対しては約０．１秒未満で、そして通常の位置決め手段に対しては約１秒未満で、移動されることを可能にする。注文により設計されたシステムは、排出器が、１つのレザバから別のレザバへと、繰り返し可能な制御された音響連結で、約０．００１秒未満で移動されることを可能にする。注文で設計されるシステムを提供するためには、２つの基本的な動き（すなわち、パルスおよび連続）が存在することに留意することが重要である。パルス運動は、排出器を適所に移動させること、音響エネルギーを発すること、および排出器を次の位置へと移動させることの、別個の工程を包含する；再度、このような方法を使用する高性能位置決め手段を使用すると、繰り返し可能な制御された音響連結を、各レザバにおいて、０．１秒未満で可能にする。他方で、連続運動の設計は、排出器およびレザバを、同じ速度でではないが同時に移動させ、そして移動の間に、排出を起こす。パルス幅は非常に短いので、この型のプロセスは、１０Ｈｚを超えてのレザバの並進、および１０００Ｈｚを超えてさえのレザバの並進を可能にする。
【００５２】
流体排出の正確さを確実にするためには、液滴が排出される流体表面の、排出器に対する位置および配向を決定することが重要である。そうでなければ、排出される液滴は、不適切な大きさになり得るか、または不適切な軌道を移動し得る。従って、本発明の別の実施形態は、排出事象間の、レザバ内の流体表面または流体層の高さを決定するための方法に関する。この方法は、流体を含むレザバを音響放射生成器に音響連結する工程、およびこの生成器を始動して検出音波を発生させる工程を包含し、この音波は、流体表面に移動し、そしてこの表面によって、反射音波として反射される。次いで、音響放射生成器と流体表面との間の空間的関係を評価するために、反射音響放射のパラメータが分析される。このような分析は、音響放射生成器と流体表面との間の距離、および／または音響放射生成器に関する流体表面の配向の決定を包含する。
【００５３】
より具体的には、音響放射生成器は、低エネルギーの音響放射（これは、流体表面から液滴を排出するためには不十分なエネルギーである）を発生するよう始動され得る。このことは、代表的に、液滴の排出のために通常必要とされるパルス（マイクロ秒のオーダー）より極度に短い（数１０ナノ秒のオーダー）パルスを使用することによってなされる。音響放射が流体表面に反射されて音響放射生成器に戻るために要する時間を決定すること、次いでこの時間を流体中の音速と相関付けることによって、距離（および従って、流体の高さ）が、計算され得る。もちろん、レザバの底部と流体との間の界面によって反射される音響放射が考慮されることを確実にするために、注意を払わなければならない。このような方法は、従来のソナー技術または改変されたソナー技術を使用することが、超音波顕微鏡の当業者によって理解される。
【００５４】
一旦、分析が実施されると、流体表面の近くに焦点を有する排出音波が、少なくとも１つの流体の液滴を排出するために発生され、ここで、排出音波の最適な強度および方向性（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）は、必要に応じてさらなるデータと組み合わせて、上述の分析を使用して決定される。「最適な」強度および方向性は、一般に、一貫した大きさおよび速度の液滴を作製するよう選択される。例えば、排出音波の所望の強度および方向性は、上記のように割り当てられた空間的関係のみでなく、レザバに関する幾何学的データ、排出されるべき流体に関する流体特性データを使用することによって、および／または排出順序に関する履歴的な液滴排出データ使用することによって、決定され得る。さらに、データは、所望であれば、排出音波の焦点が流体表面の近くであることを確実にするために、音響放射生成器を流体表面に対して再配置するように、排出器を再配置する必要性を示し得る。例えば、分析によって、排出音波が流体表面の近くに集中され得ないように音響放射生成器が位置決めされたことが明らかとなった場合、この音響放射生成器は、垂直方向移動、水平方向移動、および／または回転移動を使用して再配置されて、排出音波の適切な集中を可能にする。
【００５５】
本発明のプロセスおよびデバイスを使用して、基板表面上にアレイを調製する場合、アレイ構成要素の特性は、一般に、特定のアレイに適切な様式でスクリーニングされる。物質特性のスクリーニングは、マイクロアレイに容易に適合され得る慣用的な方法によって、物理的特性および化学的特性を測定すること（限定ではなく例として、化学的、機械的、光学的、熱的、電気的、または電子的な測定が挙げられる）によって実施され得る。バルク材料の特性または特徴に加えて、表面の特定の特徴が、表面特定物理学的技術、および表面の特徴付けに適合される物理的技術によって測定され得る。吸着、触媒、表面反応（酸化を含む）、硬度、潤滑、および摩擦を含む微視的な表面の現象は、このような特徴付け技術を使用して、分子規模で試験され得る。種々の物理的表面特徴付け技術としては、回折技術、分光技術、微視的な表面画像化技術、表面イオン化質量分析技術、熱脱着技術および楕円偏光法が挙げられるが、これらに限定されない。これらの分類は、説明の目的で任意になされ、そしていくらかの重なりが存在し得ることが、理解されるべきである。
【００５６】
上述のデバイスおよび方法は、所望される実質的に任意の型および量の流体を排出するよう適合され得、そして基板上への堆積は任意である。すなわち、多くの場合において、非混和性の流体の液滴を作製することが所望され得、ここで例えば、１つの流体が別の流体をカプセル化しており、そしてさらにここで、これらの液滴は、基板への付着なしで、それ自体で有用である。例えば、第１の流体は、生体分子を含む第２の流体をカプセル化し得る。例えば、脂質相が、薬学的因子または他の生物学的に活性な物質を含む水性流体をカプセル化し得る。さらに、本発明の技術を使用して可能な正確さに起因して、このデバイスを使用して、約１００ナノリットル以下の流体、好ましくは約１０ナノリットル以下の流体を含むよう適合されたレザバから、液滴を排出し得る。特定の場合において、排出器は、約１〜約１００ナノリットルの流体を含むよう適合されたレザバから、液滴を排出するよう適合され得る。このことは、排出されるべき流体が、希少であるかまたは高価な生体分子を含む場合に特に有用であり、ここで、約１ピコリットル以下の体積を有する液滴、例えば、約０．０２５ｐＬ〜約１ｐＬの範囲の体積を有する液滴を排出することが、所望され得る。
【００５７】
非混和性流体に関して、任意の１つのレザバ、従って任意の１つの液滴は、２つ以上の非混和性流体を含み得るが、しばしば２つのみの非混和性流体が存在する。この非混和性流体は、異なる粘度を有し得、この流体の１つ以上は、かなり高い粘度（例えば、少なくとも約１０ｃｐｓ、おそらく、少なくとも約１００ｃｐｓ）を有し得る。一実施形態において、例えば、単一のレザバ内の流体の１つは、約１０ｃｐｓ〜約１０，０００ｃｐｓの範囲の粘度を有し得、そしてこのレザバ内の流体の他方は、約０．３ｃｐｓ未満の粘度を有し得る。第１の流体を第２のカプセル化流体を含むべきであり、下層は第１の流体を含むべきであり、そして上層は、第２の流体を含み、流体をカプセル化するべきであり、ここで、上層の厚みは、好ましくは、下層の厚みの約１０％未満であり、より好ましくは下層の厚みの約５％未満であり、代表的には、下層の厚みの約０．１％〜５％の範囲である。しかし、上層は、いくつかの場合において、例えば、非常に薄いカプセル化「コーティング」が所望される場合、分子二重層、またはさらに分子単層を含み得る。
【００５８】
代表的な場合において、レザバ内の非混和性流体の１つは、水性流体であり、この非混和性流体の他方は、非水性である。水性流体は、水自体ならびに、様々な非流体材料の水溶液、分散液および懸濁液を含む。非水性流体は、例えば、有機溶媒、脂質材料などであり得る。有機溶媒の例としては、以下が挙げられるが、これらに限定されない：炭化水素（脂肪族アルカン（例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン等など）、環式アルカン（例えば、シクロヘキサン）を含む）、および芳香族炭化水素（例えば、ベンゼン、クメン、プソイドクメン、シメン、スチレン、トルエン、キシレン、テトラヒドロナフタレンおよびメシチレン）；ハロゲン化化合物（例えば、四塩化炭素、ならびに塩素化、フッ素化および臭素化炭化水素（例えば、クロロホルム、ブロモホルム、メチルクロロホルム、クロロベンゼン、ｏ−ジクロロベンゼン、クロロエタン、１，１−ジクロロエタン、テトラクロロエタン、エピクロロヒドリン、トリクロロエチレンおよびテトラクロロエチレン））；エーテル（例えば、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジイソブチルエーテル、１，４−ジオキサン、１，３−ジオキソラン、ジメトキシメタン、フランおよびテトラヒドロフラン）；アルデヒド（例えば、ギ酸メチル、ギ酸エチルおよびフルフラール）；ケトン（例えば、アセトン、ジイソブチルケトン、シクロヘキサノン、メチルエチルケトン、Ｎ−メチル−２−ピロリドンおよびイソホロン）；（アミド（例えば、ジメチルホルムアミドおよびジメチルアセトアミド）；アルコール（例えば、エタノール、イソプロパノール、ｔ−ブチルアルコール、シクロヘキサノール、グリセロール、エチレングリコールおよびプロピレングリコール）；アミン（環式アミン（例えば、ピリジン、ピペリジン、２−メチルピリジン、モルホリンなど）、および一置換、二置換および三置換のアミン（例えば、トリメチルアミン、ジメチルアミン、メチルアミン、トリエチルアミン、ジエチルアミン、エチルアミン、ｎ−ブチルアミン、ｔ−ブチルアミン、トリエタノールアミン、ジエタノールアミンおよびエタノールアミン）、およびアミン置換炭化水素（例えば、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン）を含む）；カルボン酸（例えば、酢酸、トリフルオロ酢酸およびギ酸）；エステル（例えば、酢酸エチル、酢酸イソペンチル、酢酸プロピルなど）；ラクタム（例えば、カプロラクタム）；ニトリル（例えば、アセトニトリル、プロパンニトリルおよびアジポニトリル）；有機ニトレート（例えば、ニトロベンゼン、ニトロエタンおよびニトロメタン）；ならびにスルフィド（例えば、二硫化炭素）。
【００５９】
脂質材料の例としては、以下が挙げられるが、これらに限定されない：リン脂質（例えば、リン酸化ジアシルグリセリド、特に、ジアシルホスファチジルコリン、ジアシルホスファチジルエタノールアミン、ジアシルホスファチジルセリン、ジアシルホスファチジルイノシトール、ジアシルホスファチジルグリセロール、ジアシルホスファチジン酸およびそれらの混合物からなる群から選択されるリン脂質（ここで、アシル基の各々は、約１０〜約２２個の炭素原子を含み、そして飽和であるかまたは不飽和である））；脂肪酸（例えば、イソ吉草酸、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ラウリル酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、アラキジン酸、ベヘン酸、リグノセリン酸、オレイン酸、リノール酸、リノレン酸およびアラキドン酸）；上記の脂肪酸のエステルを含む低級脂肪酸エステル（ここで脂肪酸のカルボン酸基は、エステル部分−（ＣＯ）−ＯＲで置換され、ここでＲは、１つまたは２つのヒドロキシル基で必要に応じて置換されたＣ_１〜Ｃ_３アルキル部分である）；上記の脂肪酸に対応する脂肪アルコール（ここで、脂肪酸のカルボン酸基は、−ＣＨ_２ＯＨ基で置換される）；糖脂質（例えば、セレブロシドおよびガングリオシド）；油（動物油（例えば、タラ肝油およびメンヘーデン油）、および植物性油（例えば、ババス油、ヒマシ油、コーン油、実綿油、アマニ油、カラシ油、オリーブ油、パーム油、パームナッツ油、ピーナツ油、ケシ油、ナタネ油、サフラワー油、ゴマ油、大豆油、ヒマワリ油、キリ油およびコムギの胚種油）を含む）；ならびに蝋、すなわち、高級脂肪酸エステル（動物蝋（例えば、蜜蝋およびシェラック）、鉱蝋（例えば、モンタン蝋）、石油蝋（例えば、微晶蝋およびパラフィン）、および植物蝋（例えば、カルナウバ蝋）を含む）。
【００６０】
薬学的用途およびバイオテクノロジー用途において、２つの相の１つは、生体分子（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、アンチセンスオリゴヌクレオチド、ペプチド、タンパク質（蛍光タンパク質を含む）、リボソームおよび酵素補因子（例えば、ビオチン）からなる群から選択される分子部分）を含み得る。この生体分子はまた、例えば、以下の群から選択される薬学的因子であり得る：鎮痛剤；麻酔薬；抗関節炎剤；呼吸器薬（喘息鎮静剤を含む）；抗癌剤（抗新生物薬を含む）；抗コリン薬；鎮痙薬；抗うつ薬；抗糖尿病薬；下痢止め薬；駆虫薬；抗ヒスタミン剤；抗高脂血症薬；抗高血圧薬；抗感染薬（例えば、抗生物質および抗ウイルス剤）；抗炎症剤；抗偏頭痛調製物；制吐剤；抗新生物薬；抗パーキンソン病薬；抗神経病薬；止痒；解熱薬；鎮痙薬；抗結核剤；抗潰瘍剤；抗ウイルス剤；抗不安薬；食欲抑制剤；注意欠陥障害（ＡＤＤ）薬および注意欠損多動障害（ＡＤＨＤ）薬；心臓血管調製物（カルシウムチャンネルブロッカー、ＣＮＳ薬を含む）；βブロッカーおよび抗不整脈薬；中枢神経刺激薬；咳および風邪の調製物（うっ血除去薬を含む）；利尿薬；遺伝物質；薬草治療薬；ホルモン剤；睡眠薬；低血糖症薬；免疫抑制剤；ロイコトリエンインヒビター；有糸分裂インヒビター；筋肉弛緩薬；麻酔アンタゴニスト；ニコチン；栄養剤（例えば、ビタミン、必須アミノ酸および脂肪酸）；眼用剤（例えば、抗緑内障薬）；副交感神経遮断薬；ペプチド薬；精神刺激薬；鎮痛薬；ステロイド；交感神経作用薬；精神安定薬；および血管拡張薬（全身冠状血管、末梢血管および大脳血管を含む）。
【００６１】
しかし、本発明は、水性流体および非水性流体の組み合わせに関して限定されない。本発明の方法およびデバイスは、制限されない数の非混和性流体（例えば、非常に高い融点を有する流体（例えば、金属、合金およびガラス）を含む）と共に使用され得ることが、強調されるべきである。このような材料の微細な液滴を生成する能力は、圧電系が高温で最適以下で作動する限り、圧電技術に対して際だって対照的である。本発明の方法によって、音響放射発生器は、高温の流体（例えば、液体金属）から除去され得、そして音響結合媒体の場合、熱緩衝または冷却を提供し得る。冷却ジャケットもまた使用され、これは例えば、米国特許第５，５２０，７１５号および同第５，７２２，４７９号（Ｏｅｆｔｅｒｉｎｇ）に記載される。
【００６２】
従って、非混和性流体の１つは、液体金属（水銀、アルミニウム、ハンダ、金、銀、プルトニウム、アメリシウムおよびこれらの混合物、ならびに超伝導合金からなる群から選択される金属が挙げられるが、これらに限定されない）であり得る。液体金属と共に排出される第２の非混和性流体は、例えば蝋、セラミック材料、セラミック材料の前駆体、アモルファス材料、またはセラミック材料の前駆体であり得る。金属液滴（例えば、水銀）を蝋（例えば、蜜蝋またはパラフィン）のような材料でコーティングすることは、この金属液滴が飛行する場合、この金属を酸素から有利に分離したままにして、酸化を防止する。別の適用は、ガラスビーズを金属薄層でコーティングして、例えば、逆反射体を形成する工程を包含する。これは、液体金属と液体ガラスの組み合わせを含む液滴を排出する工程を包含する。さらに別の適用は、本発明の液滴排出技術を使用して、毒性化合物をガラスまたは他の材料に入れて、このような化合物を処理のために安全にする工程を包含する。この適用の変形は、放射性化合物を放射される放射線に対して透明な材料に入れる工程を包含する。例えば、α放射体（例えば、プルトニウムまたはアメリシウム）は、α粒子に対して透明である材料の層（すなわち、例えば、多孔性ガラスまたは多孔性ポリマー材料を含み得る、非常に薄い多孔性の層）に入れられ得る。
【００６３】
本発明は、それらの好ましい特定の実施形態と共に記載されてきたが、上記の説明は本発明の例示であり、本発明の範囲を限定することを意図しないことが、理解されるべきである。他の局面、利点および改変は、本発明が属する分野の当業者に明らかである。
【００６４】
以下の実施例は、本発明をどのように実行するかの完全な開示および記載を当業者に提供するように、記載され、そして本発明者らが本発明とみなす範囲を制限することを意図しない。
【００６５】
（実施例）
この実施例は、非混和性流体の液滴の生成における、集束音響排出技術の使用を示す。色素を含む水性流体は、鉱油の非混和性層を通して排出され、そして排出は、６ｍｍの開口部および水中で１８ｍｍの公称焦点距離を有するＦ＝３のレンズを用いて行った。水を結合流体として使用して、音響エネルギーをレンズからＧｒｅｉｎｅｒ ３８７ポリスチレンウェルプレート（これは３６μＬの水溶液を含む多数のウェルを含む）の底部に伝達した。
【００６６】
従って、５μｇ／ｍｌシアニン−５色素（Ｐｈａｒｍａｃｉａ）および４×濃度のクエン酸ナトリウム緩衝液（４×ＳＣＣ）（ｐＨ＝７．０）を含む水溶液を調製した。青色食品着色料もまた、添加して、排出される液滴の可視化を助けた。水溶液を調製した後、１μＬ、２μＬおよび４μＬの白色鉱油（Ｒｉｔｅ−Ａｉｄ）を、ウェルプレート中の３つの個々のウェルに含まれる水性流体にピペットで添加し、水溶液上に脂質層を提供した。この脂質層は、全ウェル深さの約２．７％〜１１％の範囲であった。
【００６７】
変換器に伝達されるＲＦエネルギーは、３０ＭＨｚであり、６５μ秒間、１５０Ｖのピーク間振幅で伝達された。この変換器からウェルプレートまでの距離は、音響エネルギーの焦点が水性層内に保たれるが、排出を達成するのに十分に水／油界面に近いように、調節した。安定な液滴排出は、３回全ての場合で観察され、すなわち、排出された全ての液滴のサイズ、速度および方向は一致していた。比較の目的のために、水および鉱油の液滴を、同じ条件下で排出させた。油で被覆された水性流体の液滴サイズは、油で被覆されていない水性流体の液滴サイズと類似していた。沈着された水のみのスポットの直径の平均サイズは、多孔性表面（すなわち、ニトロセルロース被覆ガラススライド（Ｓｃｈｌｅｉｃｈｅｒ ａｎｄ Ｓｃｈｕｅｌｌ，Ｉｎｃ．，Ｋｅｅｎｅ，ＮＨ製のＦＡＳＴ^ＴＭスライド））に排出した場合、約１２０ミクロンの直径であった。水／油レザバから形成された液滴は、類似のサイズを有し、そして同様に類似のサイズのスポットを形成した。
【００６８】
この実験を、４×ＳＳＣの代わりにジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）を使用して繰り返した。また、液滴排出は、安定であり、そして生成された液滴のサイズは、油を含まないＤＭＳＯ液滴のサイズと類似していた（この油およびＤＭＳＯは、僅かに混和性であるが、何時間も層状のままであり、従って、本発明の目的について、「非混和性」である）。ＤＭＳＯのみのスポットのスキャンは、水のスポットの直径よりも有意に大きな直径を有した。なぜなら、ＤＭＳＯは、ＦＡＳＴ^ＴＭスライド上のニトロセルロースの上層を溶解する傾向があるからである。同じ基板上に形成されるＤＭＳＯ／油のスポットサイズは、はるかによく一致しており、このことはこの油が、ＤＭＳＯと基板との間の保護層として働いたことを示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、オリゴヌクレオチドアレイの調製における集中音響放射デバイスの操作を、単純化した断面図において概略的に例示する。図１は、第一レザバに音響的にカップリングされ、そしてこのレザバ内から基材表面上の特定の部位に、流体の液滴を放射するために作動している音響エジェクターを示す。
【図２】 図２は、オリゴヌクレオチドアレイの調製における集中音響放射デバイスの操作を、単純化した断面図において概略的に例示する。図２は、第二レザバに音響的にカップリングされた音響エジェクターを示す。

Claims (47)

1. 少なくとも２つの非混和性流体からなる液滴を生成するための方法であって、該方法は、集中点に指向された集束音響エネルギーを、該少なくとも２つの非混和性流体を含む流体含有レザバに付与する工程を包含し、ここで該集束音響エネルギーは、該レザバから流体の液滴が排出されるのに効果的である様式で付与され、
   ここで、該レザバ中に含有される該少なくとも２つの非混和性流体は、流体下層中に第１の流体を含み、そして流体上層中に第２の流体を含み、そして
   該集束音響エネルギーについての集中点は、該流体下層中に位置する、方法。
2. 前記非混和性流体が、異なる粘度を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記非混和性流体の少なくとも１つが、少なくとも約１０ｃｐｓの粘度を有する、請求項２に記載の方法。
4. 前記非混和性流体の少なくとも１つが、少なくとも約１００ｃｐｓの粘度を有する、請求項３に記載の方法。
5. 前記流体の１つが、約１０ｃｐｓ〜約１０，０００ｃｐｓの範囲の粘度を有し、該流体の別のものが、約０．３ｃｐｓ未満の粘度を有する、請求項３に記載の方法。
6. 前記流体の１つが、水性であり、該流体の別のものが、非水性である、請求項１に記載の方法。
7. 前記非水性流体が、脂質材料からなる、請求項６に記載の方法。
8. 前記水性流体が、生体分子を含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記非水性流体が、生体分子を含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記生体分子が、ＤＮＡ、ＲＮＡ、アンチセンスオリゴヌクレオチド、ペプチド、タンパク質、リボソームおよび酵素補因子からなる群から選択される、請求項８または９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記生体分子が、ＤＮＡである、請求項１０に記載の方法。
12. 前記生体分子が、ＲＮＡである、請求項１０に記載の方法。
13. 前記生体分子が、アンチセンスオリゴヌクレオチドである、請求項１０に記載の方法。
14. 前記生体分子が、ペプチドまたはタンパク質である、請求項１０に記載の方法。
15. 前記生体分子が、タンパク質である、請求項１４に記載の方法。
16. 前記タンパク質が、蛍光タンパク質である、請求項１５に記載の方法。
17. 前記生体分子が、リボソームである、請求項１０に記載の方法。
18. 前記生体分子が、酵素補因子である、請求項１０に記載の方法。
19. 前記生体分子が、ビオチンである、請求項１８に記載の方法。
20. 前記液滴が、前記脂質材料中にカプセル化された前記水性流体中の生体分子を含む、請求項８に記載の方法。
21. 前記脂質材料が、リン脂質からなる、請求項７、８、９、または２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 前記リン脂質が、リン酸化ジアシルグリセリドである、請求項２１に記載の方法。
23. 前記リン脂質が、ジアシルホスファチジルコリン、ジアシルホスファチジルエタノールアミン、ジアシルホスファチジルセリン、ジアシルホスファチジルイノシトール、ジアシルホスファチジルグリセロール、ジアシルホスファチジン酸、およびそれらの混合物からなる群から選択され、ここで各アシル基が、約１０〜約２２個の炭素原子を含み、そして飽和または不飽和である、請求項２１に記載の方法。
24. 前記脂質材料が、脂肪酸、脂肪酸エステル、脂肪アルコール、糖脂質、油および蝋からなる群から選択される、請求項７、８、９または２０のいずれか１項に記載の方法。
25. 前記生体分子が、薬学的因子である、請求項８または９のいずれか１項に記載の方法。
26. 前記流体の１つが、液体金属である、請求項１に記載の方法。
27. 前記金属が、水銀、アルミニウム、ハンダ、金、銀、プルトニウム、アメリシウムおよびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項２６に記載の方法。
28. 前記流体の１つが、超伝導合金である、請求項２６に記載の方法。
29. 前記流体の別のものが、蝋である、請求項２６に記載の方法。
30. 前記流体の別のものが、セラミック材料、セラミック材料の前駆体、アモルファス材料、またはセラミック材料の前駆体である、請求項２６に記載の方法。
31. 前記流体の別のものが、ガラスである、請求項２６に記載の方法。
32. 前記流体の１つが、α粒子放射体であり、該流体の別のものが、α放射線に対して透明である材料からなる、請求項１に記載の方法。
33. 第２の流体に実質的にカプセル化された第１の流体からなる液滴を生成するための方法であって、該方法は、（ａ）第１の厚みを有し、該第１の流体からなる下層と、（ｂ）第２の厚みを有し、該第２の流体からなる上層とを含むレザバに、集中点に指向された集束音響エネルギーを付与する工程を包含し、ここで、該第１および第２の流体は、非混和性であり、さらにここで、該集束音響エネルギーは、該レザバから液滴を排出するのに効果的な様式で付与され、そしてここで、該第２の厚みは、該第１の厚みの約１０％未満であり、
    ここで、該集束音響エネルギーについての集中点は、該下層に位置する、方法。
34. 脂質材料にカプセル化された生体分子からなる液滴を生成するための方法であって、該方法は、（ａ）第１の厚みを有し、該生体分子を含む水性流体からなる流体下層と、（ｂ）第２の厚みを有し、該脂質材料からなる流体上層とを含むレザバに、集中点に指向された集束音響エネルギーを付与する工程を包含し、ここで該集束音響エネルギーは、該レザバから液滴を排出するのに効果的な様式で付与され、そしてここで、該第２の厚みは、該第１の厚みの約１０％未満であり、
    ここで、該集束音響エネルギーについての集中点は、該流体下層に位置する、方法。
35. 前記第２の厚みが、前記第１の厚みの約０．１％〜５％の範囲である、請求項３３または３４に記載の方法。
36. 請求項３５に記載の方法であって、基板は、該基板の１つの表面が前記レザバに面し、かつ該レザバ内の流体の表面に対して実質的に平行であるように、該レザバに対して近位に配置され、これにより、前記集束音響エネルギーによって生成される前記流体の液滴が、該基板の表面に排出される、方法。
37. 前記脂質材料が、前記液滴表面にレセプター結合部位を提供するように選択された分子部分をさらに含む、請求項２４に記載の方法。
38. 基板表面に液滴のアレイを生成するための方法であって、該液滴の各々は、少なくとも２つの非混和性流体からなり、該方法は、各々が少なくとも２つの非混和性流体を含む複数の流体含有レザバの各々に、集中点に指向された集束音響エネルギーを付与する工程を包含し、ここで該集束音響エネルギーは、各レザバから基板表面上の異なる部位に向かって、流体の液滴を排出するのに有効な様式で付与され、
    ここで、該複数の流体含有レザバの各々に含まれる該少なくとも２つの非混和性流体は、流体下層中に第１の流体を含み、そして流体上層中に第２の流体を含み、そして
    該集中点は、該流体下層に位置する、方法。
39. 基板表面に液滴のアレイを生成するための方法であって、該液滴の各々は、水性流体および脂質流体からなり、該方法は、複数の流体含有レザバの各々に集中点に指向された集束音響エネルギーを付与する工程であって、該レザバの各々は、（ａ）第１の厚みを有し、該水性流体からなる下層と、（ｂ）第２の厚みを有し、該脂質流体からなる上層とを含む、工程、を包含し、ここで該集束音響エネルギーは、各レザバから基板表面上の異なる部位に向かって、液滴を排出するのに有効な様式で付与され、そしてここで、該第２の厚みは、該第１の厚みの約１０％未満であり、
    ここで、該集束音響エネルギーについての集中点は、該下層に位置する、方法。
40. 前記第２の厚みが、前記第１の厚みの約０．１％〜５％の範囲である、請求項３９に記載の方法。
41. 前記上層が、分子単層である、請求項３９に記載の方法。
42. 前記上層が、分子二重層である、請求項３９に記載の方法。
43. 前記水性流体が、生体分子を含む、請求項３９に記載の方法。
44. 前記非水性流体が、生体分子を含む、請求項３９に記載の方法。
45. 前記生体分子が、ＤＮＡ、ＲＮＡ、アンチセンスオリゴヌクレオチド、ペプチド、タンパク質、リボソームおよび酵素補因子からなる群から選択される、請求項４４に記載の方法。
46. 少なくとも２つの非混和性流体の液滴を、複数の流体レザバの各々から音響的に排出するためのデバイスであって、該デバイスは、以下：
    複数の流体レザバであって、各々が２つ以上の非混和性流体を含む、レザバ；
    排出器であって、該排出器は、音響放射を生成するための音響放射生成器、および集中点に該音響放射を集中させるための集束手段を備え、該レザバから流体の液滴を排出する、排出器；ならびに
    該排出器を、該複数の流体レザバの各々に対して音響的に連結した関係で配置するための手段、
    を備え、
    ここで、該複数の流体レザバの各々に含まれる該２つ以上の非混和性流体は、流体下層中に第１の流体を含み、そして流体上層中に第２の流体を含み、そして
    該集中点は該流体下層中に位置する、デバイス。
47. 単一の排出器を備える、請求項４６に記載のデバイス。

Images