JP5869540B2 - 磁気駆動を利用する改良された液滴混合のための装置 - Google Patents

Description

本願は、少数およびアレイ状の個別の液滴を合体、混合することに関する。より詳しくは、本願は、液滴を表面上に配置し、静電駆動（アクチュエーション）、磁気駆動またはその他のメカニズムを使って表面上で液滴を移動、合体、混合するための装置、方法、システムを提案する。

磁気混合器を用いた液体混合は周知の工程である。この分野での研究では、改良されたマイクロ混合を実証するためにＭＥＭＳ技術を利用してきた（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｖｏｌ． １１， Ｎ． ５， Ｏｃｔｏｂｅｒ ２００２， ｐｐ． ４６２−４６９に掲載されたル、リュウ、リウの論文、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ６０ （２００５）， ｐｐ． ２４７９−２５０１に掲載されたＶ．ヘッセル他の“Ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒｓ - ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｎ ｐａｓｓｉｖｅ ａｎｄ ａｃｔｉｖｅ ｍｉｘｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ”参照）。さらに、磁性粒子と外部磁場を利用した生物学的試薬混合の改良に関する研究も報告されている（Ｔｈｅ ８０ｔｈ ＡＣＳ Ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ （Ｊｕｎｅ １８−２１， ２００６）で発表されたＳ．アガルワルとＰ．レイビニスによる“Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｄｒｉｖｅｎ Ｍｉｘｉｎｇ ｗｉｔｈｉｎ ａ Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ”、Ｐｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． ＭＥＭＳ ‘０２． （２００２）， Ｌａｓ Ｖｅｇａｓ， ＵＳＡ， ｐｐ． ４０−４３のＨ．スズキとＣ．ホーによる“Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｄｒｉｖｅｎ Ｃｈａｏｔｉｃ Ｍｉｃｒｏ−Ｍｉｘｅｒ”、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ‘０７ （２００７）， Ｌｙｏｎ， Ｆｒａｎｃｅ， ｐｐ． １８２９−１８３２のＬ．マオとＨ．コーザーによる“Ｏｖｅｒｃｏｍｉｎｇ ｔｈｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂａｒｒｉｅｒ： Ｕｌｔｒａ−ｆａｓｔ Ｍｉｃｒｏ−ｓｃａｌｅ Ｍｉｘｉｎｇ ｖｉａ Ｆｅｒｒｏｆｌｕｉｄｓ”参照）。

米国特許出願公開第２００６／０１３２５４２Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００６／００７８９９９Ａ１号明細書 米国特許第７１４１２１０号明細書

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ， Ｖｏｌ． １１， Ｎ． ５， Ｏｃｔｏｂｅｒ ２００２， ｐｐ． ４６２−４６９に掲載されたル、リュウ、リウの論文"Ａ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｉｃｒｏｓｔｉｒｒｅｒ ａｎｄ Ａｒｒａｙ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｍｉｘｉｎｇ" Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ６０ （２００５）， ｐｐ． ２４７９−２５０１に掲載されたＶ．ヘッセル他の"Ｍｉｃｒｏｍｉｘｅｒｓ - ａ ｒｅｖｉｅｗ ｏｎ ｐａｓｓｉｖｅ ａｎｄ ａｃｔｉｖｅ ｍｉｘｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ" Ｔｈｅ ８０ｔｈ ＡＣＳ Ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ （Ｊｕｎｅ １８−２１， ２００６）で発表されたＳ．アガルワルとＰ．レイビニスによる"Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｄｒｉｖｅｎ Ｍｉｘｉｎｇ ｗｉｔｈｉｎ ａ Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ" Ｐｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｉｎｔ． Ｃｏｎｆ． ＭＥＭＳ ‘０２． （２００２）， Ｌａｓ Ｖｅｇａｓ， ＵＳＡ， ｐｐ． ４０−４３のＨ．スズキとＣ．ホーによる"Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｄｒｉｖｅｎ Ｃｈａｏｔｉｃ Ｍｉｃｒｏ−Ｍｉｘｅｒ" Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ‘０７ （２００７）， Ｌｙｏｎ， Ｆｒａｎｃｅ， ｐｐ． １８２９−１８３２のＬ．マオとＨ．コーザーによる"Ｏｖｅｒｃｏｍｉｎｇ ｔｈｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂａｒｒｉｅｒ： Ｕｌｔｒａ−ｆａｓｔ Ｍｉｃｒｏ−ｓｃａｌｅ Ｍｉｘｉｎｇ ｖｉａ Ｆｅｒｒｏｆｌｕｉｄｓ"

本発明は、２つの液滴を混合又は合体させる装置において、混合の速度を向上させることを目的とする。

本発明は、磁気材料のアレイを移動、配置及び整列させる装置であって、アレイに組み合わされる固定具であって、前記アレイに対応する複数の特定可能な位置を有する固定具と、前記固定具が組み合わされる前記アレイに対応する前記特定可能な位置にて前記固定具に付着される複数の磁石と、を有し、前記固定具が前記アレイに組み合わされた場合に、前記磁石は、前記固定具の表面上に付着され、前記磁石によって生成される磁場は、前記アレイの少なくとも一部分に広がる、ことを特徴とする装置である。また、基板上で少なくとも２つの別の異なる液滴を合体および混合するための方法とデバイスは、表面上に液滴合体エリアを有し、ここで第一の磁気材料が第一の位置に配置される。第一の液滴を基板上の第一の位置に配置し、第一の磁気材料が少なくとも部分的に第一の液滴の中に入るようにする。第二の液滴を基板上の第二の位置に配置する。基板上の少なくとも第一の位置を含む、基板の少なくとも一部に可変磁場を印加する。ここで、可変磁場は第一の磁気材料に作用し、第一の磁気材料を第一の液滴内で移動させ、第一の液滴内で液体の内部攪拌を起こさせる。液滴合体領域内で、第一の液滴または第二の液滴の少なくとも一方のための液滴合体メカニズムによって液滴合体動作を開始し、第一の液滴または第二の液滴の少なくとも一方がもう一方の液滴に向かって移動するようにする。第一の磁気材料の運動による第一の液滴内の液体の内部攪拌が、第一の液滴と第二の液滴の混合を促進する。

本発明に係る装置は、少なくとも第一の液滴と第二の液滴を混合又は合体させる装置であって、第一の液滴を受けるための第一の位置と第二の液滴を受けるための第二の位置を含む液滴合体領域を有する表面と、第一の位置に配置された第一の磁気材料と、第一の磁気材料に印加するための可変磁場を発生するように構成された可変磁場発生器と、第一の液滴と第二の液滴の少なくとも一方をもう一方に向かって移動させるように構成された液滴合体メカニズムと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、混合の速度が向上する。

エンタルピーアレイを示す図である。 検出セルを示す図である。 ２つの別の独立した小滴を合体して単一の小滴とする上面と側面を示す図である。 ２つの別の独立した小滴を合体して単一の小滴とする上面と側面を示す図である。 ２つの別の独立した小滴を合体して単一の小滴とする上面と側面を示す図である。 マイクロバー攪拌方式を用いた磁気混合を示す図である。 マイクロバー攪拌方式を用いた磁気混合を示す図である。 マイクロバー攪拌方式を用いた磁気混合を示す図である。 磁気粒子が取り込まれた小滴の動作をより詳細に示す図である。 磁気粒子が取り込まれた小滴の動作をより詳細に示す図である。 磁気粒子が取り込まれた小滴の動作をより詳細に示す図である。 磁気粒子が取り込まれた小滴の動作をより詳細に示す図である。 磁気粒子が取り込まれた小滴の動作をより詳細に示す図である。 磁気粒子が取り込まれた小滴の動作をより詳細に示す図である。 ＦＲＥＴデータの概要を示すグラフである。 バー製作工程を示す図である。 バー製作工程を示す図である。 バー製作工程を示す図である。 バー製作工程を示す図である。 バー製作工程を示す図である。 バー製作工程を示す図である。 バー製作工程を示す図である。 バー製作工程を示す図である。 バー製作工程を示す図である。 バー製作工程を示す図である。 バー製作工程を示す図である。 部分的にレーザ加工したバーのＳＥＭ画像を示す図である。 部分的にレーザ加工したバーの別のＳＥＭ画像を示す図である。 検出器の下にあり、マイクロバーを所定の位置に保持するための永久磁石を示す図である。 アレイハンドリングツールとしての永久磁石を有するフィクスチャ（固定具）を示す図である。 アレイハンドリングツールとしての永久磁石を有するフィクスチャを示す図である。 マイクロバーの配置および輸送方法を示す図である。 マイクロバーの配置および輸送方法を示す図である。 マイクロバーの配置および輸送方法を示す図である。 マイクロバーの配置および輸送方法を示す図である。 マイクロバーの配置および輸送方法を示す図である。 磁気材料が粒子またはビーズである場合の液滴合体工程を示す図である。 磁気材料が粒子またビーズ（玉）である場合の液滴合体工程を示す図である。 スクリーン印刷による磁気ビーズの構成を示す図である。 電磁石を用いた本発明のコンセプトによるシステムを示す図である。 酵素反応を示すグラフである。 結合作用を示すグラフである。

図１Ａは、複数のナノカロリメータ検出セル１２を有するエンタルピーアレイ１０の一例を示し、検出セル１２は、分子間相互作用を直接測定することにより効率的な生物学的研究と薬品創成を可能にする。このようなアレイは、微細加工技術を使って、９６検出器フォーマット（９６−ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｆｏｒｍａｔ：検出器が９６個ある形式）で製作でき、自動実験装置とのインタフェース（接続）が可能である。

図１Ｂにおいて、各検出器１２は２つのまったく同じ隣接する感知領域１４，１６を備え、これらが差温測定、つまりサンプル試料温度と基準試料温度の測定を行う。各領域には２つのサーミスタが設けられ、合計４つのサーミスタが相互接続されたホイートストンブリッジとして結合され、各領域はまた、静電的に駆動されるそれぞれの等温合体・混合メカニズムを備える。サーミスタは、酸化バナジウム、アモルファスシリコンあるいはその他の好適な材料で作製できる。この説明の中で、等温とは、第一の液滴と第二の液滴の混合および／または合体によって液滴内に発生する熱量が小さく、既存の温度検出器で検出可能な量より少ないかもしれない、という事実を指す。発生した熱は、物理モデリングによる予測では、１ないし１０マイクロケルビンの範囲内と算出される。今日の一般的な温度検出器の場合、検出には３０マイクロケルビンまたはそれ以上の温度差が必要となる。したがって、混合／合体温度は既存のナノカロリメータ検出器では測定不能であるが、反応温度であればナノカロリメータ検出器によって検出される。

２つの微細な（たとえば、約２５０ｎｌ）の液滴の合体後に、検出器は、隣接領域１４に対するサンプル領域１６の相対的な温度変化を測定する。ここで、隣接領域１４上では、サンプル領域１６上の材料に似ているが反応はしない材料を、サンプル領域１６上での合体と同時に合体させている。（１６と１４はまったく同じであるため、１４をサンプル領域、１６を基準領域に選択してもよい。）この相対的測定は、温度やその他の要因における、相関する背景ドリフトを有効に差し引く。セルの基準検出器に対する相対的な温度が変化すると、ブリッジの電圧出力もこれに比例して変化する。

図２Ａ〜２Ｃには、液滴１８，２０が電極２４，２６の上にある表面２２の上で合体する場合の検出器（１４または１６）の動作の一例が示されている。液滴の合体のために、第一の液滴１８は電極２４，２６の間のギャップ２８をまたいで非対称的に置かれ、第二の液滴２０は第一の液滴の付近ではあるが、ギャップ２８の反対側に置かれる。たとえば、小滴の直径が１ｍｍ、電極ギャップが５０μｍである場合、小滴間の間隔は約５０μｍから約１００μｍの範囲とすることができる。たとえば１８０Ｖの電圧パルスが１０−５０ミリ秒にわたって液滴の下の電極対２４，２６に印加されると、静電力により、液滴１８が中央の位置に向かって移動し、液滴２０と接触し、合体／混合して、液滴３０を形成する。この構成において、電極２４，２６に必要な電圧は、小滴の間隔が約５０μｍ離れている場合、低いほうの約２５Ｖから、約１００Ｖまでの範囲とすることができる。液滴の間隔がもっと大きく、たとえば２５０μｍまたはそれ以上であれば、１００Ｖを超える電圧が必要となるかもしれない。

ナノカロリメータ検出器１２と領域１４，１６は、異なるパラメータサイズでも構成できるため、上記は例として示されたにすぎない。ある実施例では、ナノカロリメトリーのための液滴サイズの現実的な範囲は数百ナノリットル（現在、液滴の好ましい体積は２５０ナノリットル）からマイクロリットルの範囲（１から最大５０マイクロリットル）である。さらに、これらの実施例ではギャップ２８が直線的ギャップとして示されているが、ギャップは図２Ａ−２Ｃに示されている直線以外にも画定できると理解すべきである。特に、ある実施例では、角度をつけた構成が用いられている。

図１Ａ，１Ｂ，２のようなデバイスにおいて、より高速な液滴混合によって検出器の感度が高まり、より広範囲の測定が可能となる。より高速な混合により、第一と第二の液滴中の試薬はより速く相互に接近し、所定の反応の結果として感知される温度ピークは、反応熱が放散する時間が短いため、より高くなる。これによって、より低速での混合の場合より解明すべき信号が小さくなる。混合速度を高めることで、反応速度をより簡単に測定することも可能となる。そのため、個々の液滴が合体、混合する速度を高める方法および／またはデバイスが有益であると考えられる。

次のコンセプトを活用できるアレイは、前述のもの以外の構成および異なる数とタイプの検出器でも設計できる。また、より高速な液滴の混合／合体は、エンタルピーアレイ以外の分野でも有益であろう。したがって、以下は、ナノカロリメータ検出器とこのような検出器からなるエンタルピーアレイに特に注目して、前述の混合／合体速度を高める方法とデバイスについて論じているが、このコンセプトは、開示されたコンセプトから利益を得られる他のデバイスと方法によって他の分野にも適用できると理解される。

２つの液滴が合体すると、２つの液滴の成分（たとえば、生体分子）は、混合動作を行わなければ、主として拡散によって混合し、この混合は合体直前の移動する液滴が有する運動量により促進される。（移動する液滴は静止している液滴の中に「注入される」と考えることができる。あるシステムにおいては、両方の液滴を移動させてもよい。）

純粋な拡散混合の時定数は、
によって予測することができ、Ｌは特徴長さ、Ｄは分子種の拡散係数である。この時定数は、混合がいかなる手段によっても促進されていない場合のナノカロリメータ・タイプのサイズ／寸法について８００秒のオーダーで算出できる（たとえば、（４００μｍ）^２／２ｅ−６ｃｍ^２／秒＝８００秒。ここで２ｅ−６＝２×１０^−６）。

成分として蛍光色素標識ＤＮＡオリゴヌクレオチドの溶液を用い、ナノカロリメータのサイズ／寸法を模倣した蛍光共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）実験によれば、混合のための時定数は２０−５０秒である。この数字と純粋拡散混合の違いは、移動する液滴の運動量の影響によるものとすることができる。

より高速な混合、好ましくは、熱放散（散逸）時定数より小さい時定数（つまり、２〜３秒）による混合が望まれる。これはデバイスの感度を高め、したがって、その結果を改善し、使用分野を広げるからである。

次に、磁気混合に関して、液滴内の試薬の混合速度を高めるために、本願は、混合／合体対象となる液滴（たとえば、試薬液滴）の一方または両方の中に磁気材料を配置し、混合／合体動作中にデバイスの液滴合体エリアに可変磁場を印加して液滴内の内部攪乱を発生させるコンセプトを開示する。合体そのものは、現状行われているように液滴の下の検出器の電極に電圧を印加するか、あるいは磁気材料の運動を利用して混合／合体工程を誘発することによって実現される。

磁気材料の運動が合体工程の誘発に利用されるある実施例では、２段階の磁気駆動（アクチュエーション）工程を利用する。第一の強力な磁場が短時間に印加され、これによって液滴は相互に向かって移動し、合体する。次に、第一の磁場より弱い第二の磁場が印加され、合体された液滴を静止状態に保ちながら、合体された液滴内の試薬の混合速度を高める。磁場とこれらが印加される速度の具体的な数値は、具体的な用途ごとに応じて変化する。この実施例を利用することは、液滴の下にある検出器の上の電極に電圧を印加して発生される静電駆動が不要であることを意味する。

液滴内に磁気材料を設置し、次に、たとえば密接して配置された磁石等を使って可変磁場を供給すると、この可変磁場により磁気材料に力が加えられることになる。その結果、液滴内部の磁気材料が移動し、あるいは回転し、２つの液体の混合は液滴内の攪拌作用によって促進される。この説明において、液滴は、固体表面と接触し、固液界面と液気または液液界面との両方を有する少量の液体を意味するものと理解される。ある例での液滴は基板等の表面上に配置され、空気その他の気体と接触し、すなわち液気界面を作る。別の実施例では、液滴を基板等の表面上に配置し、別の液体の中に浸漬することもある。水溶性の液滴が、オイル、あるいは液滴内の液体が非混合性を示すその他の液体、の中に完全に浸漬された表面上にある場合もある。他の実施例では、水溶性液滴はその表面全体に薄い液体の膜／コーティングを有する。以下の説明は、これらのケースを含み、これらに適用されるものと理解される。

図３Ａ〜３Ｃには、上記のコンセプトの実施例が示されている。図３Ａは、磁性材料の小片３２を含む液滴１８，２０の１つを示し、この小片３２は幅と長さが２００×４００ミクロン、厚さ１５ミクロンの長方形のバーまたはチップである。バーは、サウスカロライナ州コンウェイのＭｅｔｇｌａｓ社のコバルトベースのアモルファス金属、Ｍｅｔｇｌａｓ（登録商標）２７１４Ａ等の材料でなる。この分類の金属は、既知の最高のＤ．Ｃ．透磁率の１つ（たとえば、Ｍｅｔｇｌａｓ（登録商標）の指定された最大比透磁率（ＤＣ）は１０^６である）を有する軟強磁性材料（つまり、高い透磁性を持ち、残留磁気が低い）である。磁性材料は、この特定の種類に限定されず、なかんずく、常磁性、超常磁性、強磁性、フェリ磁性特性等の磁気特性を有するさまざまな材料とすることができる。

バーは、液滴１８，２０を置く前にナノカロリメータ検出器（１４，１６）の上に置かれている。ナノカロリメータ検出器の下に、可変磁場発生器３４によって可変磁場が印加される。図３Ｂにおいて、これは、電圧源とコントローラモジュール４１によって励起、制御されるモータ４０によって駆動されるロータ３８の上に取り付けられたネオジミウムベースの希土類永久磁石（ＮｄＦｅＢ）のような磁石３６を回転または作動させることによって実現される。この回転磁場を印加すると、バーは液滴内で浮遊状態となり、液滴内部の流体運動を作る。次に、図３Ｃのように、電圧源コントローラメカニズム４２を通じて電圧パルスが検出器の電極に印加され（図２参照）、静電駆動によって２つの液滴が合体し、液滴３０となる。バー３２の攪拌動作により、液滴１８と液滴２０からの２つの試薬が相互に接触する前に合体液滴３０の中で拡散する必要のある長さスケールが短縮されるため、混合が促進される。拡散の長さスケールの考えに注目すると、図３Ａ〜３Ｃに示される２つの液滴の中で、液滴内の試薬が分子グループＡ（たとえば、左側の液滴の中）と分子グループＢ（たとえば、右側の液滴の中の分子）を含むと考えることができる。右側の液滴の中のグループＢの分子から最も遠い地点に、Ａグループの分子の少なくとも一部がある。そのため、外的な混合メカニズムが適用されなければ、分子が相互に接触するためには、最大でも合体液滴（たとえば、液滴３０）の直径の半分だけ拡散する必要がある。したがって、この場合、拡散の長さスケールは合体液滴内の分子Ａのグループと分子Ｂのグループの間の平均距離である。磁気攪拌メカニズムによって、合体液滴の中では内部回転流体流が作られ、有効にこの長さスケールを短縮する。時定数は、長さスケールが分かっていれば、前述の式（１）を使って混合速度に関連付けることができ、また逆もできる。

図４〜９は、液滴１８の中でのバー３２の浮遊と攪拌動作をより詳細に示す図である。図４において、バー３２は表面２２と接触している。図５において、液滴１８はバー３２の位置に載置されており、これによってバーは少なくとも部分的にその液滴の中にあるが、依然として表面２２の上にある。図６において、回転する磁石３６が検出器（１４，１６）の裏側に近づけられると、バーは磁場線（磁力線）４４に応じた向きになる。磁石が回転すると（この例では約１５００ｒｐｍ）、図７に示されるように、それまでは静止していたバーは液滴の中で浮遊する。可変磁場により、浮遊状態のバーが液滴内で移動し、その結果、攪拌動作と内部流体運動１８ａが起こる。

図８は、本発明のコンセプトによる液滴を示しており、この液滴は液固界面（たとえば、液滴と基板の界面）と液液界面または液気界面を有する。この実施例において、前述のように、ナノカロリメータの動作は、液滴が液体または気体環境４６の中に浸漬される場合に実行される。この状況で、液滴１８と液体または気体４６があり、液滴はこの液体および／または気体と混合しない。図９は、液滴１８がその表面全体に薄い液膜（オイルのコーティング等）４８を有する実施例を示す。

蛍光共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）実験を実行した。その結果を図１０の発光グラフ５０と表５２にまとめる。

ＦＲＥＴは、原則として、結合事象(binding event)がある時にＦＲＥＴ発光波長で検出される光子の数が増えるため、混合のダイナミクス（動力学）を定量化するための有効な技術である。これは、試薬（液体中の材料／粒子）に付着された２つの蛍光色素分子の間の非放射性エネルギー移動が、試薬の２つが相互から分子距離以内にあるときにのみ起こるため、正しい。

ＦＲＥＴ実験の試薬は、反応そのものの速度が結合速度を制限せず、混合を制限するように選択する必要がある。また、試薬は適当な蛍光色素セット（つまり、適当な吸収および発光スペクトルと、容易にフィルタで除去できるＦＲＥＴ発光スペクトルを有するもの）と入手可能である必要がある。

この例で使用されるＦＲＥＴ材料は、２つのＤＮＡオリゴヌクレオチド、つまり、ピーク吸収が５５０ｎｍ、ピーク発光が５７０ｎｍのＡｌｅｘａ ５５５−５’−ＴＴＧＧＴＧＡＴＣＣ−３’と、ピーク吸収が６５０ｎｍ、ピーク発光が６７０ｎｍのＡｌｅｘａ ６４７−５’−ＧＧＡＴＣＡＣＣＡＡ−３’からなる。後者の吸収スペクトルは、前者の発光スペクトルとの重複が最も小さく、これによって「偽陽性」光子の生成が防止される。Ａｌｅｘａ ６４７の蛍光色素は、２つのＤＮＡオリゴヌクレオチドが結合されたときにのみ（６７０ｎｍで）発光する。

光は、光電子倍増管（ＰＭＴ）と６７０ｎｍのフィルタを使って測定される。図１０に示すデータは、ＦＲＥＴ信号の最大振幅に関して正規化されるが、これは、後者が実験ごとに異なる可能性があるからである（たとえば、ＰＭＴの位置合わせにおける小さな変化等による）。

データトレース５４は、内部に磁気材料を持たない２つの液滴を用いた対照実験（つまり、磁気混合を行わない）を示し、図からわかるように、時定数は約２０秒で、完全な混合は２分後でも実現されない。

これ以外のトレース５６〜６４は、バーが１つの液滴内にあり、磁気拡散を用いる実験を示したものであり、モータは１５００ｒｐｍで回転する（トレース６２により表されるケースは例外で、６００ｒｐｍで攪拌される）。より詳しくは、Ｃ９ではペンシルバニア州ジャミソンのＫ＆Ｊ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ社から入手可能なＤ１６型磁石と１つのＭｅｔｇｌａｓ（登録商標）２７１４Ａのバーとが使用され、Ｂ９では、６００ｒｐｍで回転する１つのＭｅｔｇｌａｓ（登録商標）２７１４Ａのバーと０．１ｍｇ／ｍＬのウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）とＤ１６磁石が使用され、Ｆ７とＤ７では１つのＭｅｔｇｌａｓ（登録商標）２７１４Ａのバーと１ｍｇ／ｍＬのＢＳＡとＤ２４ＤＩＡ磁石が使用され、Ｆ６では１つのＭｅｔｇｌａｓ（登録商標）２７１４Ａのバーと１ｍｇ／ｍＬのＢＳＡとさらに別のタイプの磁石（ＡｌＮｉＣｏ）が使用された。トレース６４によって示される攪拌を用いた実験（Ｃ９）は、混合速度の改善を示している。この例の時定数は、約１秒となっている。データは一般に、移動するバーが一部の光を散乱させるため、多少ノイズが大きいことに注意されたい。

攪拌を用いた他の実験（トレース５６，５８，６０により示される）では、ＢＳＡ（ウシ血清アルブミン）が異なる濃度で液滴に添加され、「ねばねばする（粘着性の高い）」たんぱく質の効果が模倣された。別の可変要素は、前述のように、磁石のタイプである。

すべてのケースにおいて、混合は大きく改善され、粘着性の高い材料の場合は最適化に幾分かの余地がある。

実際のナノカロリメータ測定（ＢａＣｌ２−１８−クラウン−６および酵素作用）において、感度の大幅な改善が見られる。

Ｍｅｔｇｌａｓ（登録商標）２７１４Ａがバーの形成に使用されたが、他の材料も利用できる。この材料は、厚さ約１５μｍから１８μｍ、幅約２インチのシートまたはリボンの形態で入手できる。

あるバー形成手順において、Ｍｅｔｇｌａｓシートは両面接着ＵＶテープ（テープの接着剤はＵＶ照射によって分解される）の上に設置される。次に、フォトレジスト等、保護力があり、除去しやすいコーティングがシート表面上に塗布される。次に、材料は、従来のウェハダイシングソーを使って、適当な大きさの直方体のダイ（つまり、バー）に切断される。その後、ＵＶ照射とアセトンまたは同様の溶液内への浸漬が行われ、ＵＶテープと一番上のフォトレジスト層が除去され、個々のバーが回収される。アセトン内での（超）音波処理とアセトン／イソプロピルアルコール／水での洗浄が行われ、回収されたバーの縁辺部からデブリ（くず）が除去される。

別のバー形成工程では、ＭｅｔｇｌａｓシートがＵＶテープの上に設置され、２６６ｎｍのトリプルＮｄ：ＹＡＧレーザシステムを使用するもののような、レーザ微細機械加工ツールを使ってパターニング（パターン形成）される。シートは再びフォトレジストでコーティングされ、剥離された材料のリキャスト（ｒｅｃａｓｔ：改変）が防止される。その後、ＵＶ照射とアセトンでの洗浄が行われ、複数のバーが放出される。レーザツールの利点は、その柔軟性とよりきれいな仕上がりである（縁辺のデブリが少ない）。

上記の技術によって形成されるバーは、アモルファス磁気金属材料だけからなる。すると、バーが生体材料を含む液滴の中に浸漬させたときに問題が生じる。１つの具体的な問題は、バーからの材料（たとえば、金属原子やイオン）が液滴中に溶解し、その結果、酵素の汚染等の問題が生じる可能性があることである。別の問題は、たんぱく質がバーの表面に吸着し、反応に利用できる生体材料が減ることである。

第二の問題に関して、バーが有する表面積は、検出工程中に液滴が接触する水の表面と同程度である。後者は大きな問題の原因になるとは考えられないため、バーの表面積が大きくなっても問題ではないと考えられる。しかしながら、用途によっては吸着が問題となるという懸念に対処するために、バーを適切な材料でコーティングすることは、吸着の可能性を低減させるのに役立つ作業であると考えられる。

バーのコーティングはまた、第一の問題（つまり、液滴への金属の溶融）も解決する。バーをコーティングするためのいくつかの方法が紹介されており、これらを以下に示す。

図１１〜２１は、コーティングされた磁気バーを製造するための工程を描いている。第一のステップで、厚さ約１５μｍのアモルファス磁気金属のシートまたはリボン（たとえば、前述のＭｅｔｇｌａｓ等）７０ａが、厚さ約１００μｍの一片のＵＶテープ７０ｃを介してガラス基板７０ｂに保持される。Ｍｅｔｇｌａｓ ７０ａを図１２（側面）と図１３（上面）に示すような形態にパターニングするのに、２６６ｎｍトリプルＮｄ：ＹＡＧレーザシステム等のレーザ７０ｄを使うことができる。図１４において、このアセンブリは、ガラス基板７０ｂの裏側から照明系７０ｅを通じてＵＶ光に暴露され、Ｍｅｔｇｌａｓシート７０ａとＵＶテープ７０ｃの間の結合が除去されて、Ｍｅｔｇｌａｓシートがテープから剥がれる。その後、Ｍｅｔｇｌａｓシートは、アセトン中での超音波処理等によって洗浄され、アセトン、イソプロピルアルコールおよび水ですすがれ、その後６０℃から８０℃で乾燥される。次の酸素プラズマ洗浄ステップ（たとえば、２００Ｗ、２００ｍトールの酸素分圧で２分間）を行って、材料の表面をさらに洗浄することもできる。

図１５において、Ｍｅｔｇｌａｓシート７０ａを酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）の共形層（シート７０ａの形状に適合した形状の層）でコーティングするために（コーティングは７０ｆで示される）、ＰＥＣＶＤ工程が実行される。図１５は、スパッタリングされた酸化シリコンコーティング工程あるいは適切なその他のコーティング工程に代えてもよいものとする。

図１６において、フォトレジスト７０ｇがガラス基板７０ｈの上に塗布され、ＳｉＯＮでコーティングされたＭｅｔｇｌａｓストリップ７０ａがフォトレジスト層７０ｇの上に置かれる。このデバイスが次に、９０℃で約１０分間焼き固められる。

図１７において、コーティングされたＭｅｔｇｌａｓシート７０ａの上に別のフォトレジスト層７０ｉが塗布され、再び９０℃で約１０分間焼き固められる。この時点で、レーザ７０ｄを使ってさらにレーザカットが行われ、Ｍｅｔｇｌａｓシート７０ａがパターニングによってバーの形態となり、パターニング後のＳｉＯＮとフォトレジストでコーティングされたＭｅｔｇｌａｓシート７０ａが図１８に示される。

図１９において、フォトレジストは、アセトン等の適切な溶剤で洗い流される。その後、図２０に示されるように、バー３２の形態にパターニングされたＭｅｔｇｌａｓシートは、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）で溶液コーティング（ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｃｏａｔ）される。ＰＥＧコーティングの使用により、バーが液滴内にあるとき、磁気作動を受けたときに摩擦その他の表面力を克服する信頼性が高まる。このコーティングがないと、バーが表面に付着したままとなる場合もある。

ＰＥＧコーティング工程は、複数のステップで実行される。最初のステップで、バーが洗浄され、５０％硫酸ですすぎが行われ、その後さらに脱イオン（ＤＩ）水でのすすぎが行われる。次に、バーは乾燥され、バイアル等の容器またはその他の液体保持構造の中に入れられる。その後、このバイアルに、トルエン２０ｍｌ、ヘキシルアミン２０マイクロリットル、ＰＥＧ溶液（たとえば、ノースカロライナ州ウィンストンセイレム(Winston Salem)のＣｒｅａｔｉｖｅ ＰＥＧｗｏｒｋｓが販売する“ｍＰＥＧ ｓｉｌａｎｅ １ｋＤａ”）０．０５４ｇを含む混合物が加えられる。容器（バイアル等）内の混合物は、約２時間またはそれ以上混合される。ある実施例において、混合はバイアルをエンドツーエンド回転器（ｅｎｄ−ｔｏ−ｅｎｄ ｒｏｔａｔｏｒ）の中に設置することによって行われる。その後、トルエンが注がれ、バーはトルエン、アセトン、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）ですすがれ、最後に再び脱イオン（ＤＩ）水ですすがれる。最終的に、バーは乾燥され、コーティング工程が完了する。

図２０は複数のバーを示しており、それぞれが上記の工程で形成される。図２１は、ＰＥＧコーティングされたバーが乾燥されている様子を示す。

別のバー製作工程において、Ｍｅｔｇｌａｓシートは、ＰＥＣＶＤシステムを使い、酸窒化シリコン、二酸化シリコンまたは窒化シリコンによってコーティングされてからパターニングされる。これらにはパリレン−Ｃの別の層がコーティングされてもよい（パリレンが良好に接着するよう、シランをベースとする接着促進剤を用いる）。共形パリレンコーティングは、その下の層に小さな穴や欠陥があれば、これをふさぐ。

縁辺全体をコーティングするには、さらに別のコーティング工程を使ってもよい。たとえば、バーが基板から解離された後に、バーをパリレンでコーティングしてもよい。この工程において、バーは、パリレン付着中に浮遊状態つまり運動状態に保たれ、すべての表面が暴露されるようにする。これは、パリレン反応器の中に埋め込まれた機械的（タンブラー）、磁気または超音波による攪拌系によって実現される。

図２２，２３は、図１１〜２１に関して説明され示されるような工程にしたがって部分的にレーザ加工された構造の画像を示す。図２２は、バーを作り出すもとになる長方形以外の構造を示し、図２３は、バーが作り出されるもとになる構造が長方形であることを示す。前述のコンセプトのように、バーはＭｅｔｇｌａｓシートからレーザ加工され、その間、小さな取り付け部またはブリッジには手がつけられず、バーは周辺の材料に取り付けられたままの状態に保たれる。次に、シートは酸窒化シリコンとパリレンで共形的にコーティングされる。第二のレーザ加工ステップでブリッジが切断され、バーが解離される。この工程を使い、バーはごく小さな部分（長さ約２０μｍ）を除いて全体がコーティングされる。露出表面積は、１００倍以上縮小される。図２２，２３は、上記の図１１〜２１の工程がありとあらゆる幾何学形状のバーに適用できることを強調するためのものである。

各種のバー製造工程を、前述の工程以外においても用いることができる。Ｍｅｔｇｌａｓ（登録商標）２７１４Ａ以外の材料も使用できるほか、バーは異なる寸法、形状、形態でもよい。異なるバーの形状により、流れのパターンが異なる可能性があり、より高速な混合が可能となる。また、硬強磁気材料（高い残留磁気を有する）で形成されるバーも利用でき、この場合、バーは小さな永久磁石で、攪拌特性を改善するからである。

バーが製作されると、バーは液滴を載置できる地点に置く必要がある。バーは、低度ないし中度のスループット動作モードの単純なピックアンドプレース（摘んで置く）技術を使って、ナノカロリメータ検出器の上に載置される。これは、微細ツイザ（ピンセット）や真空ツイザを使って手作業で行っても、あるいはカリフォルニア州アナハイムのＷｅｓｔ−Ｂｏｎｄ社が販売するＷｅｓｔ−Ｂｏｎｄモデル７３７２Ｅ等のピックアンドプレース機械を使って行ってもよい。

上記の技術の１つを用いて、バーが検出器の液滴合体電極の一方の上に設置される。設置されると、試薬の液滴が液滴合体電極の上に載置され、このとき、電極の少なくとも一方はバーの上にある。液滴の載置は、手作業（シリンジを用いる）のほか、アイルランド、ダブリンのＤｅｅｒａｃ Ｓｐｏｔ−ｏｎが販売する液体拡散系、Ｄｅｅｒａｃ Ｓｐｏｔ−ｏｎ^ＴＭによっても行われている。実験において、バーの存在は、拡散系の障害とならず、また正確な液滴設置を妨害しないようであった。また、表面力および／または静止摩擦力が、液滴載置前の単純なウェハハンドリング作業中にバーを所定の位置に保持するのに十分であるようであった。

バーを設置するための拡張可能な方法は、図２４に示すコンセプトを実現することによって実行可能である。この設計では、磁石８０が検出器（１４，１６）の下に配置され、バー３２を所定の位置に保持する。したがって、この装置は移動可能で、バーはその位置合わせされた位置にとどまる。図２５Ａ〜２５Ｂに示すように、このコンセプトをフィクスチャ（ｆｉｘｔｕｒｅ：固定具）８２と併せて使うことにより、このコンセプトは検出器アレイ用に拡張される。磁石８０がフィクスチャ８２の上に実装されるため、フィクスチャがアレイ１０と組み合わされたときに、磁石はナノカロリメータ検出器（たとえば図２４の１４または１６）のアレイの下に位置決めされる。実装された磁石は、アレイ１０のステンレススチール製支持部８４の開口部から突出し、磁石が液滴合体電極の下にある個々の検出器のポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）膜（図示せず）に密接して位置決めされる（図１Ａ，１Ｂ，２Ａ−２Ｃ参照）。

フィクスチャ８２をアレイと整合させ、これを所定の位置に掛止し、あるいは接続することにより、フィクスチャは、アレイハンドリングツールおよび、バーを載置して整列させるためのツールの両方として使用できる。フィクスチャをアレイに掛止または接続するのは、フィクスチャを、アレイにパチンと嵌るような寸法にすることによって実現される。別の掛止設計は、アレイとフィクスチャとに、たとえばこれら各コンポーネントの外周等に、お互いに相補的に係合するタップを組み込むことである。たとえば、図２５Ａ〜２５Ｂを参照すると、雄タブ８３ａが雌コネクタ８３ｂに挿入される。これらのコンポーネントの外側縁辺に沿って設けられた複数のタブにより、所望の掛止が実現する。

フィクスチャは、アレイハンドリングツールとバー載置ツールとして使用できる。アレイハンドリングツールとしては、フィクスチャが所定の位置にあると、バーが磁力によってアレイに有効に保持され、その位置は磁石の設置によって決定される。たとえば、磁石が円筒形で直径方向(diametrically)に磁化され、直径が２つの液滴合体電極の間の横方向の距離と同じまたはそれより小さい場合、このフィクスチャの設計によって、バーを自己整列させる単純で有効な方法が得られる。

図２６〜３０は、フィクスチャ８２がバー３２のパッケージのためのバー載置ツールとして使用される手順を示している。この実施例において、フィクスチャは、バーのアレイをパッケージからナノカロリメータアレイ１０に移動させた後、バーをその位置に保持するために使用される。図２６〜３１は、パッケージと検出器アレイが、アレイの出荷と取扱を簡単にできる複合的アセンブリを構成する様子を示している。

ステップ９０において、ピラー９２のアレイが、ベアシリコンウェハ等の基板９４の上に形成される。ピラーは、フォトレジストまたはその他の好適な材料で形成され、バーと同じ高さ／厚さ（たとえば、１５μｍ）を有する。ステップ９６において、厚さ５０から１００μｍのフレキシブルポリマまたはエラストマ（ＰＤＭＳ等のたとえば、モールド）９８がピラー９２のアレイを含む基板上に成形される。図２８のステップ１０２において、ピラーは、結果として得られるフレキシブルポリマのモールド９８の中に、このモール度９８が基板９４から外されたときにウェル１００となるパターンを作るために使用される。ウェル１００には次にバー３２が充填される（図２９のステップ１０４）。ステップ１０４のようにバー３２をウェルの中に配置することは、別の構成によっても実現される。たとえば、ピックアンドプレース技術や磁気自己組織化(self-assembly)技術等が利用できる。あるいは、バーは、モールドの上に設置されたアモルファス磁気材料のシート（たとえば、Ｍｅｔｇｌａｓシート）から所定の位置に形成され、レーザ微細加工ツールを使ってパターニングしてもよい。ステップ１０４はさらに、バー３２をエンタルピーアレイ１０と整列させ、エンタルピーアレイ１０に付着させた状態のフレキシブルポリマモールド９８を示す。

フレキシブルポリマは、アレイの背後に残留物が残らないように選択すべきである。あるいは、モールドは、この挙動を得るために、パリレンまたはその他の適切な材料でコーティングしてもよい。

ステップ１０４において、磁気フィクスチャ８２がアレイの下に設置され、ここで磁石から発生される磁力がバー３２をアレイ１０の表面に整列させ、保持する。この時点で、モールドが剥がされ、バーがアレイ上の所定の位置に残り、ステップ１０６のように液滴を適用できる状態となる。

ステップ１０４で述べたようにバー３２をモールド９８のウェルに配置することは、たとえばピックアンドプレース方式や磁気自己組織化によっても実現できる。ある実施例において、磁気自己組織化方式で、磁気攪拌バー３２がまだウェル１００の中に組み込まれていない図２８のステップ１０２に示すようなモールドを用いる。複数のバーが一般にモールド９８の上表面に付着され、モールドが振動されて、バーを動かす。次に、ステップ１０４の８２のような磁石アレイがモールドの下に設置される。モールド９８の振動と磁石アレイ８２の磁気引力を使って、移動するバーがウェルの中に引きつけられる（つまり、揺動工程による）。ウェルにバーが充填されると、振動が停止され、磁石アレイが除去される。

上記の説明では、バーを液滴内に浮遊する磁気材料として使用することに焦点を当てているが、その他の構成も利用でき、たとえば、図３１Ａ，３１Ｂのように、液滴１８’の中に磁気粒子またはビーズ（玉）１１０が浮遊し、液滴２０’には粒子またはビーズがない、という構成でもよい。粒子やビーズｄとの高速混合は、酸化シリコンをコーティングしたカルボニル鉄粉を使ったＦＲＥＴ実験により実証されている（このような製品の１つが、ドイツ、ルードヴィヒスハッフェンのＢＡＳＦ社が販売する商品名、‘ＥＷ−Ｉビーズ’である）。混合は、ビーズ含有率が約１０ｍｇ／ｍｌ、攪拌速度が１５００ｒｐｍの場合、バーと同程度の速度（１から２秒の時定数）であることがわかった。図３１Ａ，３１Ｂは複数のビードを示しているが、これらのビードは非常に小さく、つまり、ミクロンの範囲であり、多くの実施例において、所望の混合速度を得るために、何千というこのようなビーズが自立した液滴の中に浮遊していることがある。したがって、これらの図面に示される粒子１１０は、描かれているものよりはるかに多くてもよい。

粒子またはビーズの使用に伴う１つの問題は、大きな表面積のために、粒子またはビーズをＰＥＧ（ポリエチレングリコール）等、たんぱく質の吸着を大幅に制限する表面コーティングで被覆する必要があることである。このようなコーティングは、ビーズからの材料（たとえば、金属）が液滴内に溶融して、生体材料と相互作用するのを防止する必要がある。この問題は、Ｍｅｇｔｌａｓ（登録商標）２７１４Ａのバーについても当てはまる（後者の場合、前述のように、バーはたとえば、共形酸窒化物またはパリレンコーティングによって不動態化される）。

液滴内に制御可能な量の粒子またはビーズを入れるために、粒子またはビーズを最初に検出器のウェハ／基板表面上に載置する。続いて、液滴が載置され、回転磁場が印加されると、粒子またはビーズが再浮遊する。これは、図３２に示すように、スクリーン印刷技術と薄いＰＥＮステンシル１１２を使ってアレイ上に載置されるＥＷ−Ｉビーズ型粒子を使って実証されている。

本願で述べる外的磁場の生成は永久磁石を一定速度で回転させることに焦点を当てたものであるが、磁場は別の設計によっても発生させることができる。図３３に示すように、電圧供給およびコントローラメカニズム１２２によって電源供給、制御される電磁石のアセンブリ（コイル等）１２０を使い、外的磁場を発生させることもできる。この設計によれば、多極磁気構成が、回転する永久磁石を用いた装置によって得られるものより複雑な可変磁場パターンを発生させることが可能となる。

別の装置において、磁石を駆動するモータは、たとえば、図３Ａ〜３Ｃと３３の電圧源およびコントローラメカニズム４１と１２２によって制御されて、スイッチの切り換えが行われる代わりに、非正弦波信号によって駆動され、あるいはゆっくりと起動されてもよい。

別の実施例において、永久磁石または電磁石のいずれかによって生成される磁場は電圧源およびコントローラメカニズム４１，１２２によって制御してもよく、この場合、１つのモードの磁気駆動を使って液滴の内部攪拌動作を誘発し、別のモードで液滴を移動させて、液滴を合体する。これにより、デバイス内に静電液滴合体メカニズムを設ける必要がなくなる。

前述の手順は、磁気材料（つまり、バーおよび／またはビーズ）が基板上に配置されるというものであった。しかしながら、磁気材料を基板上に形成し、磁気材料を基板に対して接着材料の層で接続してもよい。バーまたはビーズの浮遊は、接着剤を水溶性かさもなくば不活性にし、液滴の添加でバーまたはビーズの再浮遊を可能にすることによって実現される。バーまたはビーズが基板上に形成される場合でも、これらは基板上に配置されると考えられると理解すべきである。

磁性混合による液滴の内部混合が行われるのは液滴の移動中でもよく、あるいは移動しない液滴内でもよい。磁気材料による内部混合は、液滴合体後に継続していてもよい。内部混合は、液滴が合体した後に始まってもよい。磁気材料は１つの液滴内だけにあってもよく、別の実施例では、磁気材料が両方の液滴内にあってもよい。

磁気材料を載置する前に液滴を載置し、磁気材料を液滴の中に入れてもよい。この場合でも、磁気引力が磁気材料を液滴内で移動させることになる。

磁気材料の配置と液滴の配置は、第一の磁気材料が第一の液滴または第二の液滴の中にあるという結果にならないような場所で行なってもよい。このような実施例では、磁気材料は、たとえば、液滴の１つが液滴合体動作によって移動されるべき場所の前方に配置されるようにしてもよい。この液滴が合体動作によって移動させられると、これは磁気材料の場所の上を移動し、これによって磁気材料が液滴内に入ることになる。その後、磁気材料が液滴内にあるとき、可変磁場を使って、液滴内で磁気材料を移動させ、前述のような内部攪拌を起こす。もちろん、また別の実施例においては、これらの工程を使って磁気材料を液滴の各々の中に設置することもできる。

図３４は、出力対時間のグラフであり、純粋な非磁気混合と比較した本願のコンセプトによる磁気混合に関する酵素反応における出力を示している。非磁気混合とは、液滴が静電合体だけによって合体されるときに発生する液体混合である。トレース１３０は、磁気混合動作が行われたときのナノカロリメータ検出器の出力、トレース１３２は、静電混合が用いられた場合の酵素反応に関するナノカロリメータ動作の出力を示す。

電力出力は主として、サーミスタにより測定される温度から得られる。反応は、約１分間測定され、これは、反応からの連続的な熱放出を示す。グラフは、静電混合と比較した場合、磁気混合を用いたときの環境中への熱損失が少ないことから、より高速な混合の利点を示している。

Ｋ_Ｍとｋ_ｃａｔは酵素反応のミカエリス定数とターンオーバー数であることに注意されたい。図３４のグラフはまた、磁性混合／合体を用いることで、Ｋ_Ｍとｋ_ｃａｔをより容易に予測できることも示している。特に、ｋ_ｃａｔは両方の信号の開始時（つまり、ゼロ“０”秒のとき）に予測できるが、磁気混合のトレース１３０を用いた予測はより特定、予測しやすい。時間０のときの熱損失が少ないため、磁気混合が用いられたときに得られる信号は、静電混合の場合の信号より５倍大きい。

さらに、反応の終了または下降時付近（たとえば、この反応では約７０秒の時点）で決定されるパラメータであるＫ_Ｍについて、下降１３０’は視覚的に認識できるため、磁気混合はここでの予測を可能にする。静電混合の場合の反応終了または下降時付近（つまり、７０秒の時点）では、これを視覚的に認識することができない。磁気混合を用いるとＫ_Ｍは予測可能であるが、静電混合では不可能である。

図３５は、結合反応のための磁気混合１５０と静電混合１５２によって発生される信号のトレースを比較するグラフであり、磁気混合によって結合反応のための信号対雑音比を大幅に増大させることを示している。結合反応においては、２つの物質が結合し、特定の量の熱が放出される。この熱は、トレース１５０，１５２のピークで検出される。磁気混合のトレース１５０のより大きなピーク信号は、液滴の混合速度が速いために環境中への熱損失が少ないことから実現する。

ナノカロリメータ測定における
・デバイスの熱放散時定数（thermal dissipation time constant）
・混合時定数
・反応時間
の３つの時定数を考えると、「低速」混合は、反応時間と熱放散時定数の両方より大きいか、またはそれらと同程度の時定数で混合することと理解できる点に注意されたい。このような場合、熱は発生時と略同じペースで損失し、比較的強力な反応だけが検出される。混合速度を上昇させるために本願で説明するコンセプトを利用することにより、サーミスタが感知する温度上昇がより急峻で高くなり、感度が改善される。

前述の方法とデバイスによって実現される「高速」混合は、信号増大によって、より弱い結合反応が検出可能であることを意味し、これによって酵素反応の完全な速度論的特徴付けも可能となる。実現されたより高速な混合により、ｋ_ｃａｔとＫ_Ｍの両方の判断が可能となる。酵素反応速度のミカエリス−メンテンモデル参照。これは、ナノカロリメータ検出器によって、より広範囲の生化学分析を実行できることを意味する。

予備的なＢａＣｌ２−１８−クラウン−６測定（結合反応のための予測可能で有益なモックアップである化学反応）と酵素測定によって上記の事柄が確認されている。

１０ エンタルピーアレイ、１２ ナノカロリメータ検出セル、１４，１６ 感知領域、１８，２０ 液滴、２２ 表面、２４，２６ 電極、２８ 電極ギャップ、３０ 合体液滴、３２ 磁気材料、バー、３４ 磁場発生器、３６ 磁石、３８ ロータ、４０ モータ、４１，１２２ 電圧源およびコントローラメカニズム、４６ 液体または気体環境、４８ 液膜、７０ａ アモルファス磁気金属シートまたはリボン、７０ｂ ガラス基板、７０ｃ ＵＶテープ、７０ｄ レーザ、７０ｅ 照明系、７０ｆ コーティング、７０ｇ，７０ｉ フォトレジスト、７０ｈ ガラス基板、８２ フィクスチャ、８４ 支持部、８３ａ タブ、８３ｂ コネクタ、９２ ピラー、９４ 基板、９８ フレキシブルポリマまたはエラストマ層、モールド、１００ ウェル、１１０ 磁気粒子またはビーズ、１１２ ＰＥＮステンシル、１２０ 電磁石。

Claims (6)

1. 磁気材料のアレイを移動、配置及び整列させる装置であって、
   アレイに組み合わされる固定具であって、前記アレイに対応する複数の特定可能な位置を有する固定具と、
   前記固定具が組み合わされる前記アレイに対応する前記特定可能な位置にて前記固定具に付着される複数の磁石と、
   を有し、
   前記固定具が前記アレイに組み合わされた場合に、前記磁石は、前記固定具の表面上に付着され、
   前記磁石によって生成される磁場は、前記アレイの少なくとも一部分に広がり、
   前記アレイは、ナノカロリメータ検出器のアレイであり、
   前記ナノカロリメータ検出器は、その表面上に配置された磁気粒子を有し、
   前記磁石は、磁力によって前記ナノカロリメータ検出器の表面上に前記磁気粒子を保持するように位置決めされる、
   ことを特徴とする装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、
   前記ナノカロリメータ検出器は、
   第一の液滴を受けるための第一の位置と第二の液滴を受けるための第二の位置とを含む液滴合体領域を有する表面と、
   前記第一の位置に配置された第一の液滴と、
   前記第二の位置に配置された第二の液滴と、
   前記第一の位置に配置されコーティングされた磁気粒子であって、前記コーティングが、前記第一の液滴の成分又は前記第二の液滴の成分と、前記磁気粒子と、の反応を防止する、コーティングされた磁気粒子と、
   前記コーティングされた磁気粒子に印加するための可変磁場を発生するように構成された可変磁場発生器と、
   前記第一の液滴及び前記第二の液滴のうちの少なくとも一方を他方に向けて移動させて合体された液滴を生成するように構成された液滴合体メカニズムと、
   を有し、
   前記第一の液滴及び前記第二の液滴が合体したときに、前記第一の液滴の成分と前記第二の液滴の成分との反応の結果、ナノカロリメータ検出器で検出可能な信号が発生し、
   前記反応は、前記可変磁場発生器の適用と前記液滴合体メカニズムの開始との組み合わせの結果である、
   ことを特徴とする装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、
   前記固定具の前記磁石は、円筒形で直径方向に磁化され、直径が、各ナノカロリメータ検出器の液滴合体メカニズムの２つの液滴合体電極の間の横方向の距離と同じ又はそれより小さい、
   ことを特徴とする装置。
4. 請求項２に記載の装置であって、
   前記液滴合体メカニズムは、静電力に基づいて作用する、
   ことを特徴とする装置。
5. 請求項１に記載の装置であって、
   前記固定具は、前記固定具を前記アレイに接続するための接続部材を含むアレイハンドリングツールである、
   ことを特徴とする装置。
6. 請求項２に記載の装置であって、
   前記液滴合体メカニズムは静電力に基づくものであり、可変磁場によって前記第一の液滴内で液体の内部撹拌を発生させた状態で、前記第一の液滴と前記第二の液滴とを静電駆動によって合体させる、
   ことを特徴とする装置。