JP5031991B2 - ２つ以上の固体基板間で液滴の移動を制御するデバイス - Google Patents

Description

本発明は導電性の液状媒質における微小液滴および必要な場合にはイオン化した微小液滴の移動および制御に関する。
さらに詳細には、本発明は電気的流体力を用いて固体基板上の特定の接触ゾーンに相当するであろう2つ以上の位置の間で、液状媒質、誘電体媒質、または弱誘電体媒質中でかつ当該液滴と混和しない状態で導電性微小液滴を移動させることに関する。
液体は小寸法のコンポーネントにおいて重要性が高まっている。このため、laboratories on chips、すなわち「ラボ・オン・チップ」は主として生物学、化学、光学の分野において数多くの研究の主題になっている。微小流体は微小機械加工されたチャネル内で少量の液体を循環させる際のある場合に存在する。別のアプローチは小さな液滴を操作することにある。本発明はこの後者のアプローチを特徴とする流体プロトコルに関する。

電極のマトリクスを用いて水平面上で液滴を移動かつ制御するデバイスは存在するが、その情況は重力軸と平行な第3の方向に関しては異なっている。

液滴が第1の基板上に置かれている場合、特定の反応および/または検出および/または観察場所において、別の基板に運ばれ得るこの液滴を操作することができるのは興味深いであろう。

したがって、基板の間の液滴の移動、特に垂直の移動、または第1の基板から該第1の基板と同じ平面上に含まれない第2の基板への液滴の移動を制御するという問題が生じる。

さらなる問題は、最初に液滴を移動してそれによって基板を変化させ、次にその最初の基板または第3の基板かもしれない別の基板に再度液滴を移動することができるということである。

米国特許第2002/0043463号はエレクトロウェッティングにより液滴の水平および垂直方向の移動を制御することのできるデバイスを記載している。

この文書に記載のデバイスは、操作された液滴を一方の室を他方の室に通過させることを可能にするオリフィスを含んだ穿孔されたウエハによって分離された2つの室を有している。

このデバイスでは、液滴は穿孔されたウエハと永久に接触している。

このデバイスは液滴を移動するために三次元の空間を利用することを可能にするが、生物学的および科学的プロトコルを実施するには大きな不利がある。

第1に、技術的観点から複雑である。すなわち、前記デバイスは3つの高さの基板を使用するが、これは不浸透性の問題およびアライメントの問題をもたらす。さらに、この技術的複雑さはコストが嵩む。

液滴/基板接触表面積が大きい場合、汚染および/または生体適合性の問題も生じる危険に晒される。実際、液滴が2つの室の一方に存在し、かつオリフィスを通って基板を変化させなければならない場合、液滴は2つのウエハ間に閉じ込められる。

最終的に、特に種々の反応が同じデバイスを用いて連続して行われる場合には、多数の凹部を有するそのデバイスの形状が汚染のリスクを取り除くことを容易にしておらず、故に汚染のリスクを増大させる。特に分析のための使用の範囲内でそのデバイスが生体試料を活動させる反応に使用される場合、このような問題は重要である。

このような問題を有さないデバイスがプラモッド・コラー（Pramod Kolar）によってウェブサイトhttp://www.ee.duke.edu/~pkolar上で利用可能なレポートに記載されている。

このシステムは上記文書にあるように、平行な2枚のウエハから構成されており、中間ウエハの代わりに電線を有している。まず液滴は電線とまだ接したままの状態で下部ウエハ上に置かれ、次にワイヤと上部電極との間に印加した不均一な電界の作用下で、液滴は上部ウエハに向かってその液滴の移動を引き起こす垂直方向の力を受ける。プラモッド・コラーが示すように、前記電線は電界を著しく歪ませるように、かつ電界を不均一にするように主として働く。

P. Kolarが記載したデバイスは、上部ウエハとして、機能化されかつDNAチップとなることが意図された基板を含んでいる。液滴はその基板表面上に移植されることを意図したDNAを含んでいるかもしれない。このデバイスはそのプローブを含んだ液滴をアドレスするように働き、その方法はDNAチップを得るために研究室で通常使用される方法に対する競合的方法として示されている。

このデバイスでは、垂直方向に操作された液滴は基板の上部ウエハの表面を濡らし、故に再利用され得ないので、残念ながら1回だけしか使用することができない。これは操作されるマイクロリアクタの損失を招くので、この不利のために化学的および/または生物学的プロトコルを実行するのにそのデバイスを使用不可能にしている。この不利はこの種の他の発明の範囲を著しく制限している。
米国特許第2002/0043463号 ウェブサイト: http://www.ee.duke.edu/~pkolar 仏国特許第02 07477号 国際公開第03/045556 A2号 仏国特許第03 51137号

したがって、特に化学的および/または生物学的プロトコルを実行するために重要な液滴および/または試薬および/または試料の汚染の問題を低減させる際に、第1の基板から異なる平面にある第2の基板まで液滴の移送を実行かつ制御すること、および/または液滴を操作する際に、化学的および/または生物学的プロトコルを実行することを可能にする方法を見出すという問題が生じる。

別の問題は第1の基板から第2の基板への移送後の液滴の再使用のほか、前記移送を可能にしたデバイスまたは基板の再使用の問題である。

第2の基板から第1の基板への移送、すなわち反転可能な移動を制御するという問題も生じる。

さらなる問題は液滴が所定の基板上で費やす時間を制御するということである。

本発明は第1に、第1の導電性手段を有する第1の基板と、第2の導電性手段を有する第2の基板と、移動の間に導電性手段に接触させることなく第1の手段から第2の導電性手段まで1ボリューム（1つの塊、1つの量）の液体の反転可能な移動を誘導する手段とを備えた、電気的制御の作用下で少なくとも1つの少量の液体を移動するデバイスに関する。

本発明は2つの基板間で電気力を利用し、これは最初に第1の基板上に置かれかつそれを濡らす少なくとも1つの液滴の、第2の導電性手段を備え、その上で液滴が制御された持続時間に従って不動化かつ維持されるかもしれない第2の基板への移動を可能にする。

2つの基板は平坦であってよい。

液滴の移動は反転可能で、かつ移動の間にその基板または電極と接触しない。

第2の導電性手段は少量の液体に対して疎水性および弱親水性である誘電体材料の層で被覆されてよい。

次に、液滴と第2の基板との間の接触が、第2の導電性手段を覆う誘電体の疎水性または弱親水性があるために持続時間の制御が可能になる。

したがって、本発明は、第1の導電性手段を有する第1の基板と、第2の導電性手段を有する第2の基板と、液滴を電気的に荷電する手段と、導電性手段に接触させることなく第1の手段から第2の導電性手段まで荷電液滴を移動する手段と、第2の基板に対して液滴を濡らさない状態で接触を維持する手段とを備えた、電気的制御の作用下で少なくとも1つの少量の液体を移動するデバイスにさらに関する。

第1の導電性手段は疎水性であってよい。

それらは少量の液体によって疎水性でもある誘電体材料の層で被覆されてもよく、この誘電体材料の層近傍あるいはそれに接触して位置してよい電荷移送手段、例えば、電線を備える。

一変形例によれば、第1の導電性手段は少なくとも3本の電極を備え、第1および第2の電荷移送手段は隣接しない2本の電極近傍に位置する。

第1の導電性手段および/または第2の導電性手段は1つまたは2つの方向に沿って延びる電極のマトリクスを含んでよい。

液滴を種々の温度で表面に接触させるようにするために、基板の少なくとも1つは温度制御手段および/または、他の任意の検出および/または観察手段を備えてよい。

本発明は1ボリュームの液体を移動させる方法にさらに関し、このボリュームは最初に第1の導電性手段を備える第1の基板と接触しており、この方法はこれら第1の導電性手段と、第2の導電性手段を備えかつ移動される前記ボリュームの液体の直径よりも大きい距離だけ第1の基板から離れている第2の導電性手段との間に電圧を印加する工程を含む。

液滴の移動はこの液滴が何らの固体表面と接触しない相を含む。さらに、移動は反転可能である。すなわち、第2の基板上に移送された後、例えば、印加された電界に介入することによって液滴は第1の基板まで戻されるかもしれない。したがって、本発明は2つの基板の間を往復することを可能にする。

移動された液滴は、液滴が先に移動した空間の方向がどのようなものであっても、再使用されるかもしれない。

したがって、本発明は電気力を用いて、機能化されてよくかつ/または温度制御システム、および/または他の任意の検出および/または観察手段などの小型化可能なデバイスを備えてよい固体基板上にある2つ以上の位置の間で液滴の移動を可能にする。

本発明はプログラムされた持続時間の間課された位置上に液滴を維持することも可能にする。

第1の基板は、前記ボリュームの液体に対して疎水性である誘電物質の層と、当該電荷移送手段が前記誘電物質の層と接触するときに前記ボリュームの液体から電荷を移送する第1の基板に関連している電荷移送手段とを第1の導電性手段上に含む。

第2の基板は前記ボリュームの液体が構成されている液体に対して疎水性である誘電体材料の層を含んでよく、この層は第2の導電性手段に関連しているか、その上に位置するか、あるいは接している。

第2の基板まで移動した後、前記ボリュームの液体は第2の導電性手段の上に存在する誘電体材料の層に接した状態で維持されてよい。

電荷移送手段は前記ボリュームの液体が第2の基板と接触するときに前記ボリュームの液体から電荷を移送するために第2の基板と関連してよい。

移動後、例えば、第1の基板から第2の基板に液滴を移送するのに用いられたセンスとは反対のセンスの電界を適用することによって、前記ボリュームの液体が第1の基板に戻されるかもしれない。

一実施形態によれば、第1の導電性手段は誘電体および疎水性コーティングによって液体媒質から絶縁された第1の電極のマトリクスを備えており、前記疎水性コーティングおよび電荷移送電極と接触する前記ボリュームの液体は、第1の電極のマトリクスのそれぞれの電極の連続的な起動によって、第2の基板への移送の前または後に第1の基板の長さに沿って移動されることがさらに可能となっている。

別の実施形態によれば、第1の導電性手段は超疎水性電極および誘電体コーティングおよび有利には疎水性コーティングで被覆された電極のマトリクスの第2の導電性手段から構成されている。この後、電気力を用いて第2の基板上で垂直および水平方向の移動を実行することが可能である。

別の実施形態によれば、第1および第2の導電性手段は第1および第2の電極のマトリクスを備える。

考えられる移動の一例によれば、前記ボリュームの液体は第1の電極のマトリクスのある電極から、最初の電極と同じであるか、または異なる、次に第2の基板上で移動されるかつ/または第1のマトリクスのある電極まで戻される第2のマトリクスの電極のある電極まで移動されるかもしれない。

第1のマトリクスの少なくとも2本の電極および/または第2のマトリクスの少なくとも2本の電極が、互いに異なる温度にされるかもしれない。

さらに、第1および第2の基板が互いに異なる温度にされるかもしれない。

最終的に、本発明のデバイスおよび方法は、互いに反対の電極の2本の電極および/またはマトリクスの間に一様な電界を適用することによって実施されてよい。

提示のデバイスは単一の液滴と共に示すが、いくつかの液滴がこれらデバイス内で同時に操作されてよい。

図1は本発明の第1の実施形態を示しており、好適には均一の電界を印加することによって液滴を移動させる可能性を示している。

特に、電線を用いてプラモッド・コラーの論文にあるような電界の線のゆがみを必ずしも課す必要はない。

本発明のデバイスはコンピュータ化されたデバイス3によってプログラム可能または制御可能であってよい電圧発生器/増幅器2、液滴の源である溶液に対して疎水性または僅かに疎水性である疎水性誘電体6で被覆された電極4を備える。このコーティングは電荷を通過させることができず、また有利には生体適合性である。

有利には化学的に不活性かつ生体適合性のある電極8が電荷移送電極を構成する。電極8が液滴10により非常に濡らされる場合、前記液滴は「結合が解かれ得る」という危険を冒し、この理由のために電極8は疎水性または弱親水性で製造されるのが好ましい。

電極を疎水性および/または生体適合性に製造する既知のすべての方法が使用されてよい。これを達成するために、例えば表面を構造化してよくかつ/またはテフロン（登録商標）を(典型的には、約100nmの十分な薄さで)使用してよい。

例えば数ナノリットル〜数マイクロリットルの液滴10が導電性溶液から来て、最初に下部極8上に置かれる。

液滴が移動される2つの表面間の距離は液滴の直径よりも大きく、液滴の直径の少なくとも約2倍であることが好ましい。

その距離は、例えば100μmまたは150μmまたは500μm〜1mmまたは数mm、例えば5mmの間にある。

したがって、液滴の移送は基板6、8のいずれとも接触しない相を含む。

液滴は2つの基板のうち最も大きい1つと接触され、これにより液滴/基板接触表面積を最小化することが可能となり、故に表面に対する(化学物質および/または生体適合性物質による)汚染のリスクを低減させることが可能となる。

基板の表面とその結果の間の距離に関するこれらの考察は同等に十分に本願明細書に記載の実施形態のすべてに適用される。

液滴が構成されている溶液とは混和しない誘電性液体12は、2本の電極間の空間を濡らす。

この液滴は2本の電極4、8間に十分な強度の連続的な起電力を印加することによって移動される。印加した電界により引き起こされる電気力の作用下で、荷電した液滴は垂直方向に移動され、上部電極4を絶縁する誘電体6に向かって来る。

液滴は電界が維持されている限り、この同じ電気力を用いて上部位置において誘電体6に接して維持されるかもしれない。すなわち、実際液滴と電極4との間で電荷移送はない。したがって、電界は液滴が有する電荷に作用し続ける。

デバイスの端子にゼロ電圧を印加すること、故に液滴の重量のみを用いることによるか、あるいは先に用いたセンスと反対のセンスの電界を短時間印加することによるかのいずれで、液滴は下部位置まで移動されるかもしれず、これは液滴が有する電荷に作用しようとする電機力を用いて液滴を移動させるためである。

最終的に、一旦液滴が下部電極8に接近すると、液滴はそれ自身が電極8に対して放電する。より下部位置で液滴を維持するために、ゼロ電圧がデバイスの端子に印加される。実際、液滴が電荷移送電極と接触している間に電界が存在している場合、情況は先に記載した状況と同様であり、液滴は電荷移送電極から出て行くようになる。すなわち、液滴は跳ね返るように見え、方向を変えて上部位置で自らを不動化する。

パラメータおよび寸法の例として、次のように示されるかもしれない:
液滴:2μlの食塩水
電極:間隔が1cmの電極
電源:連続+/- 2000V
誘電体6:厚さ1mmのテフロン（登録商標）製ウエハ
誘電性液体12:シグマ（Sigma）社により供給される軽油で、その密度は約0.8であってよい。

図2は図1に示したデバイスの変形例を示しており、液滴10と移送電極8の接触面積は著しく縮小されており、濡れによって電極8の部位上への固定が制御されなないという問題は特にゼロである。

したがって、このデバイスは図1のデバイスであり、液滴の源である溶液に対して疎水性でありかつ有利には生体適合性である誘電体材料の層7がそのデバイスに付加される。この誘電体を介する電荷の移送は生じ得ない。

液滴10の直径に比して著しく小さい直径の電線14は電荷移送電極の役割を果たし、有利には化学的に不活性および/または生体適合性および/または疎水性である。

電線14の役割は電荷の移送を可能にすることである。すなわち、液滴が層7と接触するときにこの電線14と液滴10との間で電荷の移送を可能にする電極と液滴の接触が存在する場合に限り、この電線の位置は重要ではない。特に、誘電体7の上面に電線を付着させることが可能である。一実施形態として、この電線は金である。

液滴が構成される溶液と混和しない誘電性液体12は2つの誘電体の間で媒質を濡らす。

このデバイスの機能は図1に関して詳細に示したものと第1の実施形態のものと同じであるが、下部位置における電荷移送は電線14によって保証される。したがって、液滴が電荷移送電極と接触している間に電界が存在する場合、液滴は方向を変えて上部位置で自らを不動化する。上記と同じ考察が基板との接触および一方基板から他方の基板への基板への移動間の接触の欠如に関して有効である。既に示したものと同じパラメータおよび寸法の例がこの変形例に対して保持されてよい。

したがって、この実施形態のデバイスは電界を印加するための少なくとも2本の電極を有するシステムとそれを用いて液滴が移動されかつ永久的には接触していない電荷移送電極14とを備えている。この移送電極14は電界を生成する電極のうちの1つであってよい。

特に液滴の垂直方向の移動が最初に引き起こされようとする時の瞬間に、移動される液滴と電荷移送電極14との電気的接触が最初に確立される。

電界の印加は液滴への電荷移送を引き起こす。この工程が完了すると、印加された電界によって誘起された電気力の作用下で液滴はその出発部位、故に移送電極を去って、別の基板(基板6)に属する別の部位に向かい、その上で同じ電気力により液滴が維持されるかもしれない。液滴を再度移動させ、かつ特にその出発点に戻すために、その帰還の時間の間に電界のセンスが逆転される。これは液滴が晒される電気力のセンスを逆転させ、液滴がその上で先に保持されていた基板6から液滴を出発させる。

図3は別の実施形態を示しており、各位置(「上部」および「下部」)に対する電荷移送電極16、17およびコンピュータ化された手段15によってプログラム可能または制御可能であってよい電圧発生器増幅器13を備えている。

この電荷移送電極は図3では非常に概略化して示しており、特に、その形態を詳細に示していない。それらの電極は図示のように平坦であってよいか、または平坦でなくてよい。例えば、電線がこれら電荷移送電極の一方または他方に用いられてよい。これら電極は電荷の移送が可能であれば、コーティングで被覆されてよい。特に、誘電体が使用される場合、コーティングはこの移送を可能にするように十分に薄くなければならない。

図1および2に示したデバイスの上部部分の上部電極4に接続された電線を加えることによって、図3の変形例を製造することが可能となる。これらの電線19、21を図1および2に破線で示す。

次に、図2に示したデバイスは対称的、すなわち2つの位置「上部」および「下部」が同じになる。

2つの基板の側からの電荷移送に関しそのようなデバイスにおける液滴の挙動は他のデバイスにおける液滴の挙動と異なり、その場合下部基板の高さでのみ電荷移送が生じる。実際、図3の構成では、十分に強力な連続的な電界が印加されると、液滴は安定した平衡位置を有さず、一方の電極から他方の電極へと連続的に移動される。各電極は液滴が有する電荷の移送を可能にする。

図4は図2に示したデバイスの変形例を示しており、この変形例はコンピュータ化されたデバイスによってプログラム可能または制御可能であってよい電圧発生器増幅器22、上部電極24、電極28の下部マトリクス、およびこのマトリクスの電極および必要に応じて発生器22の電極を制御するプログラム可能であってよいデバイスまたは手段25を備えている。

液滴の源である溶液に対して疎水性であり、かつ有利には生体適合性である2本の誘電体26、27が電極を被覆している。電荷はこれら誘電体を介して移送され得ない。

液滴の直径に比して著しく小さい直径の電線44は電荷移送電極の役割を果たす。この電線は有利には化学的に不活性および/または生体適合性および/または疎水性である。

この電線の位置は電極-液滴の接触が存在する限りは重要ではなく、それが下部位置にあるときは電線と液滴との間で電荷の移送を可能にする。特に、誘電体27の上面に電線を付着させることが可能である。

導電性液体からの液滴40は最初に誘電体27上に置かれる。

液滴が構成されている溶液とは混和しない誘電性液体は2本の電極間の空間を濡らす。

この実施形態によれば、仏国特許第02 07477号に従ってエレクトロウェッティングによって液滴の水平方向の移動を制御することが可能であり、これは導線44を用いて可能である。つまり、マトリクス28の種々の電極を連続的に起動することによって、液滴40を移動することができる。しかし、本発明によれば、上記の同じ原理に従ってその液滴を垂直方向に移動することもできる。したがって、(上記文書に記載のような)第1の水平方向の移動、すなわち層27の平面に沿って移動させ、次に第2の基板、すなわち反対の基板への移動が可能になる。したがって、三次元の移動が可能である。

したがって、本発明のデバイスは水平の基板上のエレクトロウェッティングによる液滴の移動に適合する。

さらに別の変形例によれば、上部電極を電極のマトリクスに置き換えることによって、いくつかの液滴を個々に垂直方向に操作すること、あるいはいくつかの反応部位をなくすことが可能となる。

図5は本発明の一実施形態を示しており、静電気力を用い、図4に示したデバイスに関して必要なエレクトロウェッティングを用いずに液滴は水平面で移動することができる。

超疎水性電極31上に置かれた液滴40は、液滴が位置する2本の電極間に電圧を印加することによって垂直方向に移動でき、液滴がその下に位置する電極とは異なるマトリクス28のある電極間に電圧を印加することによって水平方向に移動できる。

液滴を上部位置に維持しかつ液滴を下部位置に戻す動作は、既に記載したデバイスについて詳細に示したように行われる。

図6Aは別の変形例を示しており、上部電極は2本の電極54、64に置き換えられている。

この図の他の要素は(2つの電圧発生器21-1、22-2を備えた)図4の要素と類似するか、または同じである。このデバイスの機能は図4のものと同じであってよく、それに加え、2本の電極54、64の各々の電圧を調整する機能およびこれら2本の電極の一方または他方へ液滴を移動する能力を有する。

図6Bは図6Aのデバイスの変形例を示しており、特定の基板は各上部電極に相当する。

図7Aおよび7Bは、一時的にカテナリから離れることによって水平方向の移動に相当する移動を操作することが可能なデバイスを示している。より正確に言うと、仏国特許第02 07477号に記載の方法によれば、エレクトロウェッティングによって液滴を移動させるために、一列になった電極の2つのマトリクス78、79を用いる。これら2つのマトリクスを図7Aに平面図で示している。

最初に電極78-1の上に位置し、かつ移送電極と接している液滴が印加された電界の作用下で荷電され、次いで移動した後、電気力によって上部電極74を絶縁している誘電体76に対して固定される。電極78-1のマトリクスを制御するプログラム可能であってよい電圧発生手段73および75は、所望の電極への電圧の印加の制御を可能にする。

次に、電界を用いて電極78-2を分極化することによって、その最初の位置(電極78-1の上)ではないがその最初の位置に近接する位置まで液滴を再度下げることが可能となる。液滴は強制的に引き離されるのでこの液滴は決して導体に接触せず、したがって依然として電荷を有している。次に、既に用いた方法に従って、液滴は上記のように「上部」位置に運ばれ、次いでその最初の「下部」位置に隣接する所まで再度下げられる。この液滴は図7Bに示した矢印の経路に沿って少しずつ一方のラインから他方のラインへと移動する。

図8は各ウエハが図7Bに示した実施形態と類似し、かつ温度制御デバイス82、88に接続された一実施形態を示している。

図8の実施形態は、例えば図5のようなもので、同じ機能を有する長手方向の電極を備えている。

ウエハが替わる毎に、ウエハが手段82および88によって種々の温度にされる場合、液滴は温度を変えてよい。

付与された温度変化に加え、例えば図4に関連する上記説明に従って液滴の移動を実行することが可能である。

温度制御手段が図1〜7Bにデバイスの各々に、その上で電極がエッチングされる1つまたは複数の電極上あるいは基板の1または複数のセグメントの上で適用されてよい。

特に図6Aの場合、使用されてよい温度制御手段は温度制御デバイス3であり、2つは電極54、64と組み合され、1つは電極マトリクス28の温度を制御するためのものである。

したがって、2つの温度(図8)間または3つの温度間で液滴の熱サイクリングを実行できる。

本発明の用途のうち、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)に言及することができ、これは本発明により持続時間を短縮させることが可能な反応である。実際、この反応は長時間の熱サイクルの実行を必要とする。この反応は2つまたは3つの温度間での反応液の熱サイクリングに存し、従来は約数mlという非常に少量で実行される。

ミックスPCRとして一般に知られている反応液から微小液滴が生じると仮定する。この微小液滴は、適した電界の作用下で図8に概略的に示したデバイスの一方のウエハから他方のウエハに迅速に移送できる。

各ウエハは温度制御手段82、88に接続されている。したがって、2つのウエハは異なる温度になされる。この場合、ウエハが替わる毎に液滴は温度を変える。PCR反応が2つの温度で実行されてよく、故に2つの単一の位置ウエハ高/ウエハ低はそのプロトコルを実現するのに十分である。

PCRプロトコルを3つの温度で実行するために、上記のように3つの加熱部位を用いる。既に記載の液滴移動デバイスは1つまたは複数の液滴を水平方向に移動させることおよびそれら液滴を例えば所定の加熱部位の下に持っていくことを可能にする。図6Aおよび6Bの電極54、64などの2本の電極上に2つの加熱部位が存在する場合、電極のマトリクス(28)が刻み込まれた基板の温度が加熱デバイスを用いて調整される。次に液滴を3つの温度間で熱サイクリングに晒すことおよび故に3つの温度においてPCRを実行することが可能となる。

ある温度と別の温度との間の反応液の移送時間は、数秒で温度変化を実行する従来のデバイスの移送時間に比して非常に短く、無視してよいほどである。

PCR以外の用途が存在することは明白である。

例えば、本発明のデバイスを用いて、操作された液滴のある物理的パラメータを研究することが可能となる。電極の上に液滴を置くとする。この場合、その液滴を適した交互に替わる電界に晒すことによってその液滴を振動させることが可能となる。その液滴によって採用された振動モードを観察および研究することにより、あるレオロジーパラメータ(粘度、表面張力等)に関する情報が提供される。

一般に、想定された実施形態がどのようなものであれ、本発明は移動された液滴の再使用を可能にするとともに、空間の2方向または3方向に沿って液滴の移動を可能にする。

想定された実施形態がどのようなものであれ、本発明は2つの特定の位置間で少なくとも1つの液滴の非常に高速(数十〜数百ミリ秒)の移動を可能にする。特に、サイクルを実行しなければならない場合に、ある化学的および/または生物学的プロトコルを実行する時間を短縮する目的で、この特性が利用されてよい。

汚染および/または生体適合性の問題は、厳密に最小まで抑えられる。さらに、液滴/電極の接触の持続時間が制御可能になる。

どのような実施形態であっても、液滴は常に単一の基板に接触するだけである。これにより液滴/基板の接触表面を最小にすること、故に構成要素(吸収された化学物質および/または生物学的存在)の表面に対する汚染のリスクを低減することが可能となる。さらに、液滴を加熱し、その後冷却する必要がある場合、液滴は単一の基板に接触されるだけである。つまり、第2の基板と同時に接触すると、本発明の場合に望ましくない熱損失が生じてしまう。

最終的に、影響を決定する使用されるコーティングおよび電圧の性質を利用することによって、液滴/電極の接触面が調整可能になる。

本発明のデバイスはマイクロ技術の方法を用いて製造されてよい。例えば、ガラス基板上に厚さ0.2μmの金の電極28のマトリクスが形成される。第1のパッシベーション層が、厚さ0.2μmの窒化珪素Si₃N₄の堆積(PECVD法)によって得られる。次に、厚さ100μmの樹脂(EPON-SU8)を用いてマイクロカテナリ44の支持体として働く枠組みを形成する。ヒステリシスを殆ど有さない疎水性に表面をするために、シラン(例えば、オクタデシルトリクロロシラン)、またはパリレン被覆あるいはテフロン（登録商標）コーティングを用いてよい。

テフロン（登録商標） AF 1601S(デュポン社)の層を用いて良好な結果が得られた。厚さの薄い(1μm)の均質な層を得るために、テフロン（登録商標）がスピンコーティング法で堆積される。

基板を切断後、チップは標準的なセラミックのパッケージにボンディングされる。マイクロエレクトロニクスにおいて従来用いられるボールボンディングマシンは、マイクロカテナリおよび電気的架橋を形成して電極をパッケージに結合することができる。使用される電線の直径は例えば25μmであり、金である。

一変形例によれば、電荷移送電極は微小技術によってマトリクスの電極を絶縁する誘電体上に直接ライン状に構造化されてよい。次に、表面は典型的には約100nmの厚さのテフロン（登録商標）の層の堆積により疎水性にされる。

別の変形例によれば、電極のマトリクスは活性マトリクスであってよい。この点で、国際公開第03/045556 A2号を参照してよい。

このデバイスのカバーはガラス表面であり、その下面は薄い、導電性かつ光学的に透過性のあるITO(インジウムスズ酸化物)の膜で被覆されている。この層はデバイスの上部電極を構成する。上部電極はテフロン（登録商標） AF 1601S(デュポン社)の付着によって絶縁され、疎水性にされている。

そのような方法は上記の実施形態の1つまたは他のものによるデバイスの形成に適合されてよい。

加熱デバイス82は例えば発熱体またはペルチェ効果モジュールであろう。

ある構成では(特に図1(電極8)図3(電極17および/または16)、および図5(電極31)の構成では)、液滴の移動に対抗するかもしれない毛管力を制限するために非常に疎水性があるとともに、導電性表面をなくすことを意図している。導電性表面が概ね金属性であり、かつ金属はむしろ疎水性である限り、このような制限は矛盾しているようにみえる。

本発明のデバイスおよび方法において電荷移送を可能にするのに十分薄い疎水性高分子膜で被覆された導電性表面を用いることによって、この対立を克服することが可能である。織物状に加工された導電性表面、すなわち粗い表面であり、液滴に対して疎水性である非常に薄い高分子膜で被覆された表面を使用することが特に可能である。

そのような膜の実施形態の一例が、物理的乾燥プロセスによって得られる超疎水性高分子の形成に特に関わる仏国特許第03 51137号に記載されている。実際、カーボンナノチューブ(CNT)は導電性があり、それを導電性表面上に付着させることによってその表面を織物状にすることが可能となる。つまり、高分子膜が表面を疎水性にすることを可能にする。

より正確に言うと、疎水性および/または疎油性表面を有するデバイスは、例えばカーボンのナノファイバのカバーを備えてよく、このカーボンナノファイバは、例えばポリシロキサンまたはフルオロカーボンの高分子の連続的な疎水性および/または疎油性高分子膜によってシース被覆あるいは全体的にシース被覆されており、これらナノファイバ間の表面はこの同じ高分子の層で被覆されている。

次に、疎水性および/または疎油性表面を有するデバイスを形成する1つの方法は、次の工程を含む:
前記デバイスの表面上にナノファイバを付着させる工程
物理的気相堆積法または電気的移植法によって達成される、疎水性および/または疎油性の高分子を用いて上記ナノファイバをシース被覆する工程

例えばこの方法は次の工程を含む:
一部の表面上にカーボンナノファイバを付着させる工程であり、この工程は連続的に次の工程を含んでいる:PVD法(物理的蒸着法)による触媒を堆積させる工程であり、前記触媒は数10^-3mbarの圧力の真空下で付着され、触媒材料から構成されるターゲットはイオン化されたアルゴンの流束によって攻撃され、このようにしてターゲットの原子が放出されてこの表面を被覆する。カーボンナノファイバを付着させるために、このようにして被覆された部分を真空下でCVDオーブンのエンクロージャに導入する工程であり、まず触媒は前記部分の温度の上昇の作用下で液滴に形成され、次に炭化水素前駆物質がこのエンクロージャに導入されて、カーボンナノファイバの成長が触媒が液滴に形成された場所において起こる。
-PECVD法(「Plasma enhanced chemical vapour deposition」)または電気的移植法を用いて疎水性高分子によりナノファイバをシース被覆する工程。

上記付着工程の間、圧力は例えば0.1〜3mbarである。ポリシロキサン(ヘキサメチルジシロキサン、オクタメチルシクロテトラシロキサン、ヘキサメチルジシラン、ジフェニルメチルシラン等)またはフルオロカーボン前駆物質がエンクロージャに導入され、キャリアガス(Ar、He、H2等)で蒸留される。付着されるナノファイバのカバーの厚さは約100nmである。

この技術によって、固体上で非常に高い接触角を得ることを可能にする疎水性ナノファイバの形成が可能となる。この接触角は、例えば160°より大きい。

図9はこのタイプのデバイスを示しており、疎水性および/または疎油性表面を有し、連続的な疎水性および/または疎油性高分子膜121で全体的にシース被覆されたナノファイバ120のカバーを備えている。これらのナノファイバ間に延在する表面122もこの同じ高分子の層で被覆されている。

高分子膜が連続していることによって、表面123上でカーボンナノファイバの結合または強固な固着が可能となる。

シース被覆は物理的気相堆積法または電気的移植（エレクトログラフティング）法によって達成されてよい。

このようにして以下の特性が得られる:
使用されるナノファイバの例:カーボンナノファイバ
使用される高分子膜の例:ポリシロキサンまたはフルオロカーボンの高分子
ナノファイバ120の直径:約20〜30nm
ナノファイバの長さ:約3μm
疎水性高分子膜の厚さ:約50nm

さらに別の実施形態によれば、図1のようなデバイスは以下のパラメータを用いて形成されてよい:
電極間の距離:約7mm
下部電極:上記のように、高分子膜でシース被覆されたナノファイバ型
誘電性液体:密度0.84の鉱物油
液滴に用いられる液体:0.5Mの塩化ナトリウム水溶液
液滴の量（ボリューム）:2μl
液滴の結合を解くのに要する電圧:約950V

本発明の一実施形態を示す略図である。 図1に示したデバイスの一変形例を示す略図であり、その違いは電荷位相電極として平面ではなく電線を使用していることである。 本発明の特定の変形例を示す略図であり、その特徴は2本の電荷移送電極が存在することである。 図2に示したデバイスの一変形例を示す略図である。 本発明の別の実施形態を示す略図である。 液滴の垂直方向の移動が図のゾーンに従って組織化されるような、図4の一変形例を示す略図である。 液滴の垂直方向の移動が図のゾーンに従って組織化されるような、図4の一変形例を示す略図である。 液滴がエレクトロウェッティングによってその上で移動されてよい電極の2本のライン間で液滴を移動させる元のデバイスを示す略図である。電極の2本のラインの各々の上にカテナリを備えた水平方向の移動に用いられる電極の構成を示す略図である。 液滴がエレクトロウェッティングによってその上で移動されてよい電極の2本のライン間で液滴を移動させる元のデバイスを示す略図である。カテナリに対して垂直である電極のカラムの高さで切った縦断面図である。 概略的に示した基板の温度を制御するデバイスを備えた図4の一変形例を示す略図である。 高分子でシース被覆されたナノファイバのカバーを有する疎水性表面を示す略図である。

符号の説明

2 電圧発生器/増幅器
3、15 コンピュータ化されたデバイス
4、8、54、64 電極
6 誘電体
7 層
10、40 液滴
12 誘電性液体
13、22 電圧発生器増幅器
14、19、21、44 電線
16、17 電荷移送電極
22-1、22-2 電圧発生器
24、74 上部電極
25 プログラム可能なデバイスまたは手段
26、27、76 誘電体
28、78、78-1、78-2、78-3、79 電極のマトリクス
31 超疎水性電極
73、75 電圧発生手段

Claims (29)

1. 少なくとも1つの導電性ボリュームの液体を、該１つの導電性ボリュームの液体が構成されている溶液とは混和しない誘電性液体中で、電界の作用下で反転可能に移動させるデバイスであって、第1の導電体と、前記第１の導電体と異なる平面に配置された第2の導電体と、前記第1の導電体から前記第2の導電体への1導電性ボリュームの液体の反転可能な移動を前記移動の間に前記導電体と接触させることなく引き起こすように、前記導電体の間に電界を発生させる手段とを備えるデバイス。
2. 前記第2の導電体は疎水性または弱親水性の誘電体材料の層で被覆されている請求項1に記載のデバイス。
3. 前記第2の導電体は、ポリシロキサンまたはフルオロカーボンの高分子の膜でシース被覆されたカーボンナノファイバのカバーを備える請求項1に記載のデバイス。
4. 前記第1の導電体は疎水性である請求項1に記載のデバイス。
5. 前記第1の導電体は、ポリシロキサンまたはフルオロカーボンの高分子の膜でシース被覆されたカーボンナノファイバのカバーを備える請求項1に記載のデバイス。
6. 前記第1の導電体は疎水性または弱親水性の誘電体材料の層で被覆され、かつ電荷移送手段を備える請求項1に記載のデバイス。
7. 前記電荷移送手段は電線を含む請求項6に記載のデバイス。
8. 前記電荷移送手段は前記第1の導電体上に付着された誘電体材料の前記層の近傍あるいはそれに接して位置している請求項6に記載のデバイス。
9. 前記第1の導電体は少なくとも3本の電極を備え、第1および第2の電荷移送手段は前記少なくとも3本の電極のうち隣接しない2本の近傍に位置する請求項6に記載のデバイス。
10. 前記第1の導電体と第2の導電体の間に電圧を印加する手段をさらに備える請求項1に記載のデバイス。
11. 前記第1の導電体は1つまたは2つの次元に沿って延びている電極のマトリクスを備える請求項1に記載のデバイス。
12. 前記第2の導電体は電極のマトリクスを備える請求項1に記載のデバイス。
13. 第1および/または第2の導電体は温度制御器を備える請求項1に記載のデバイス。
14. 前記第1または前記第2の導電体の一方または他方は、少なくとも2個の温度制御器を備える請求項13に記載のデバイス。
15. 少なくとも1つの導電性ボリュームの液体を、該１つの導電性ボリュームの液体が構成されている溶液とは混和しない誘電性液体中で、電界の作用下で反転可能に移動させるデバイスであって、第1の導電体と、前記第１の導電体と異なる平面に配置された第2の導電体と、前記第1の導電体から前記第2の導電体への1導電性ボリュームの液体の反転可能な移動を前記移動の間に前記導電体と接触させることなく引き起こすように前記導電体の間に電界を発生させる手段とを備え、前記第1の導電体は疎水性または弱親水性の誘電体材料の層で被覆されかつ電荷移送手段を備えるデバイス。
16. 1導電性ボリュームの液体を、該液体が構成されている溶液とは混和しない誘電性液体中で移動させる方法であって、前記1ボリュームは最初に第1の導電性手段を備える第1の基板と接触しており、前記方法は、
    前記第1の導電体と、前記第１の導電体と異なる平面に配置された第2の導電体を備えかつ移動される前記1ボリュームの液体の直径よりも大きい距離だけ第1の基板から離れている第2の基板との間に電圧を印加する工程と、前記第1の基板から前記第2の基板まで前記1ボリュームの液体を移動させる工程と、
    次に、前記第2の基板から前記第1の基板まで前記1ボリュームの液体を移動させる工程とを含む1ボリュームの液体を移動させる方法。
17. 前記1ボリュームの液体に対して疎水性である誘電体材料の層と、前記1ボリュームの液体が前記誘電体の層と接触するときに前記1ボリュームの液体から電荷を移送するための前記第1の基板に結合された電荷移送手段とを、前記第1の基板が前記第1の導電体上にさらに備える請求項16に記載の方法。
18. 前記第2の基板は前記1ボリュームの液体が構成される液体に対して疎水性または弱親水性である誘電体材料の層を含み、該層は第2の導電体上に存在している請求項16に記載の方法。
19. 前記第2の基板まで移動された後、前記1ボリュームの液体は前記第2の導電体上に存在する前記誘電体の層と接して維持される請求項18に記載の方法。
20. 前記電荷移送手段は、前記1ボリュームの液体が前記第2の基板と接触するときに前記1ボリュームの液体から電荷を移送するための前記第2の基板に結合されている請求項18に記載の方法。
21. 前記第1の基板から前記第2の基板まで前記1ボリュームを移送するのに用いたものと反対方向の電界を印加することによって、前記1ボリュームの液体は前記第2の基板から前記第1の基板に移動される請求項16に記載の方法。
22. 前記第1の導電体は第1の電極のマトリクスを備える請求項16に記載の方法。
23. 前記第1の電極のマトリクスの種々の電極を連続的に起動することによって前記1ボリュームの液体は前記第1の基板の長さに沿ってさらに移動される請求項22に記載の方法。
24. 前記1ボリュームの液体は、前記電極のマトリクス第1の電極の上方にある前記第1の基板上のある位置から前記第2の基板までさらに移動され、次に前記第1の基板まで戻され、前記第1の電極とは異なる第2の電極の上方に位置するある位置に運ばれる請求項23に記載の方法。
25. 前記第1のマトリクスの少なくとも2本の電極は互いに異なる温度にされる請求項22に記載の方法。
26. 前記第2の導電体は第2の電極のマトリクスを備える請求項16に記載の方法。
27. 前記第2のマトリクスの少なくとも2本の電極は互いに異なる温度にされる請求項26に記載の方法。
28. 前記第1および第2の基板は互いに異なる温度にされる請求項16に記載の方法。
29. 前記1ボリュームの液体は交互に替わる電界に晒される請求項16に記載の方法。

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