JP6033959B2 - マイクロ流体システム用使い捨てカートリッジ - Google Patents

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Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、本出願人の同時係属の、公開されていない特許出願である、２０１１年１１月２５日付の米国特許出願第１３／３０４，４８１号、及び、２０１１年７月２２日付の米国特許出願第１３／１８８，５８４号に関連し、それら特許出願の内容全体は、あらゆる目的のために本明細書において明示的に参照することによって本明細書に含まれる。
本発明は、液滴の試料を操作するためのデジタルマイクロ流体システム内、又は該システムにおいて使用することができる使い捨てカートリッジに関する。デジタルマイクロ流体システムは、基板によって支持される電極アレイと、この電極アレイの個々の電極の選択をコントロールし、かつ、エレクトロウェッティングによって液滴を操作するための個々の電圧パルスをそれらの電極に供給する中央制御装置とを備える。本発明はまた、分子技術での液滴操作を容易にするデジタルマイクロ流体システム、及び、デジタルのマイクロ流体システム又はデバイスにおいて液滴の試料を操作する代替的な方法にも関する。
自動液体処理システムが、当該技術分野において一般的に既知である。一例が、本出願人（Ｓｅｅｓｔｒａｓｓｅ １０３、ＣＨ−８７０８ メンネドルフ、スイス所在のＴｅｃａｎ Ｓｃｈｗｅｉｚ ＡＧ）によるＦｒｅｅｄｏｍ ＥＶＯ（登録商標）ロボットワークステーションである。このデバイスは、独立した機器における、又は、分析システムとの自動接続における、自動液体処理を可能にする。これらの自動システムは、一般的に、処理するためにより多量の液体（マイクロリットルからミリリットル）を必要とする。それらはまた、携帯可能であるようには設計されていないより大型のシステムである。
生体試料の自動処理に対処する多くの手法は、マイクロ流体の分野に由来する。この技術分野は一般的に、通常はマイクロ又はナノスケールのフォーマットにおける小量の液体の制御及び操作に関する。例えば、静止装置におけるマイクロポンプ又は回転実験機器における求心力によってコントロールされる、チャネルシステムにおける液体移動は、それ自体既知である。デジタルマイクロ流体において、規定の電圧が電極アレイの電極に印加され、それによって、個々の液滴が対処される（エレクトロウェッティング）。
エレクトロウェッティング法の概要については、Washizu,IEEE Transactions on Industry Applications,Volume 34,No.4,1998、及びPollack et al.,Lab chip,2002,Volume 2,96-101を参照されたい。簡潔には、エレクトロウェッティングとは、好ましくは疎水層によって被覆されている微小電極のアレイを使用して液滴を動かす方法を指す。規定の電圧を電極アレイの電極に印加することによって、処理されている電極上に存在する、液滴の表面張力の変化が誘起される。この結果として、処理されている電極に対する液滴の接触角が顕著に変化することになり、したがって液滴が動く。そのようなエレクトロウェッティング手順について、電極を配置する２つの基本的な方法が知られている。すなわち、液滴の移動を誘起するために電極アレイを有する単一の表面を使用すること、又は、同様の電極アレイの反対側にあり、少なくとも１つの接地電極を提供する第２表面を追加することである。エレクトロウェッティング技術の主な利点は、必要とされる液体が小量だけ、例えば単一の液滴であることである。したがって、大幅に短い時間内で液体処理を実行することができる。さらに、液体移動の制御を、完全に電子制御下におくことができ、結果として試料の処理が自動化される。
電極アレイ（電極の単面配置）を有する単一の表面を使用したエレクトロウェッティングによる液滴操作用の装置が、米国特許第５，４８６，３３７号明細書から既知である。全ての電極がキャリア基板の表面に置かれ、基板の中に下げられ、又は非湿潤性表面によって被覆される。電圧源が電極に接続されている。後続の電極に電圧を印加することによって液滴が動かされ、したがって、電極に対する一連の電圧印加に従って電極上の液滴の移動が誘導される。
少なくとも１つの接地電極を有する反対側の表面を有する電極アレイを使用した、液滴移動のマイクロスケール制御用のエレクトロウェッティング装置が、米国特許第６，５６５，７２７号明細書から既知である（電極の２面配置）。この装置の各表面は、複数の電極を備え得る。電極アレイの駆動電極が、好ましくは、１つ１つの電極の端部に配置されている突起によって互いに入り込んだ関係で配列されている。２つの対向するアレイが隙間を形成する。隙間に向いている電極アレイの表面が、好ましくは、電気絶縁性疎水層によって被覆されている。液滴は隙間の中に位置決めされ、隙間の反対側サイトに位置決められている複数の電極に複数の電界を連続的に印加することによって非極性フィラー液内で動かされる。
液滴の試料を操作するためのポリマーフィルムを有する容器が、国際公開第２０１０／０６９９７７号パンフレットから既知である。生体試料処理システムは、大容量処理のための容器と、下面及び疎水性上面を有する平坦なポリマーフィルムとを備える。平坦なポリマーフィルムは、突起によって容器の基部側に対して一定の距離に保持される。この距離が、容器がフィルム上に位置決められるときに少なくとも１つの隙間を形成する。液滴操作機器は、液滴移動を誘起するための少なくとも１つの電極アレイを備える。少なくとも１つの電極アレイを支持する基板、及び、液滴操作機器用の制御装置も開示されている。容器及びフィルムは、液滴操作機器に可逆的に取り付けられる。したがって、システムは、少なくとも１つのウェルから容器のチャネルを通じて平坦なポリマーフィルムの疎水性上面へと、及び少なくとも１つの電極アレイの上方に少なくとも１つの液滴を移すことを可能にする。液滴操作機器は、エレクトロウェッティングによって平坦なポリマーフィルムの疎水性上面上での上記液滴の誘導される移動をコントロールし、かつそこで生体試料を処理するように完成される。
生体試料の処理の環境において、液滴を操作するためのそのようなエレクトロウェッティングデバイスの使用は、国際公開第２０１１／００２９５７号パンフレットとして公開されている国際特許出願からも既知である。当該文献において、液滴アクチュエータが、一般的に、誘電体によって絶縁されている制御電極（エレクトロウェッティング電極）を有する底基板と、導電性上部基板と、底基板及び上部基板における疎水性コーティングとを含むことが開示されている。また、液滴アクチュエータの１つ又は複数の構成要素、すなわち、容易に交換することができる使い捨て構成要素（可動フィルム、可逆的に取り付け可能な上部基板及び底基板、ならびに自己充足型交換可能カートリッジなど）を交換するための液滴アクチュエータ装置も開示されている。
国際公開第２０１１／００２９５７号パンフレットとして公開されている国際出願から、固定底基板（例えば、ＰＣＢの）を有し、エレクトロウェッティング電極を有し、かつ取り外し可能又は交換可能上部基板を有する液滴アクチュエータが既知である。自己充足型カートリッジは、例えば、緩衝液、試薬、及びフィラー液を含むことができる。カートリッジ内の小袋を流体容器として使用することができ、カートリッジの隙間に流体（例えば、試薬又は油）を放出するために穿孔することができる。カートリッジは、疎水層に置き換えてもよい接地電極と、カートリッジの隙間に試料を充填するための開口とを含んでもよい。界面材料（例えば、液体、接着剤又はグリース）が、電極アレイに対するカートリッジの付着を提供してもよい。
分子診断分析を実行するための自動システムにおけるマイクロ流体処理及び分析のための使い捨てカートリッジが、国際公開第２００６／１２５７６７号パンフレット（英訳については米国特許出願公開第２００９／０２９８０５９号明細書を参照されたい）に開示されている。カートリッジは、平坦なチャンバデバイス（ほぼクレジットカードのサイズ）として構成され、システムに挿入することができる。試料は、ポートを通じてカートリッジ内に注入することができる。
液滴アクチュエータ構造は、国際特許出願の国際公開第２００８／１０６６７８号パンフレットから既知である。この文献は、液滴アクチュエータの電極アレイ用の様々な配線構成を特に言及しており、加えて、制御電極を備える第２基板から隙間によって分離されている基準電極アレイを有する第１基板を備えるそのような液滴アクチュエータの２層実施形態を開示している。２つの基板は、平行に配置されており、それによって隙間を形成している。隙間の高さは、スペーサーによって確立されてもよい。各事例において、疎水性コーティングが隙間に面する表面に配置されている。第１及び第２基板は、最終的には電極アレイを備えるカートリッジの形態を採ってもよい。
米国特許第５，４８６，３３７号明細書 米国特許第６，５６５，７２７号明細書 国際公開第２０１０／０６９９７７号パンフレット 国際公開第２０１１／００２９５７号パンフレット 国際公開第２００６／１２５７６７号パンフレット 国際公開第２００８／１０６６７８号パンフレット
Washizu,IEEE Transactions on Industry Applications,Volume 34,No.4,1998 Pollack et al.,Lab chip,2002,Volume 2,96-101
本発明の目的は、液滴の試料を操作するための１つ又は複数の使い捨てカートリッジを収納するように構成されるデジタルマイクロ流体システム又はデジタルマイクロ流体デバイス内又は上で使用するための代替的な使い捨てカートリッジを提示することである。
この目的は、第１の代替的な使い捨てカートリッジが提供されることにおいて達成される。本発明の第１の代替的な使い捨てカートリッジは、
（ａ） 内部に処理液、試薬あるいは試料を保持するように構成される少なくとも１つの区画を有する本体であって、上記区画の少なくとも１つは、その内容物の少なくともいくらかを送達するための貫通孔を備える、本体と、
（ｂ） 第１疎水性表面を有する底層であって、この底層は、液体に対して不浸透性であり、かつ使い捨てカートリッジの底層が電極アレイ上に置かれるときにデジタルマイクロ流体システムの電極アレイを利用してその上で液滴の試料を操作するための作業フィルムとして構成される、底層と、
（ｃ） 液体に対して不浸透性であり、かつ使い捨てカートリッジの本体の下面に取り付けられる第２疎水性表面を有する表層と、
（ｄ） 底層の第１疎水性表面と表層の第２疎水性表面との間に配置される隙間と
を備える。
本発明の第１の代替的な使い捨てカートリッジは、底層が柔軟なフィルムであって、当該柔軟な底層の周囲に沿って表層に密閉して取り付けられる、柔軟なフィルムとして構成され、したがって、使い捨てカートリッジは、柔軟な底層と表層との間に配置される、上記第１疎水性表面と上記第２疎水性表面との間の特定の距離を規定するためのスペーサーがないことを特徴とする。本発明の第１の代替的な使い捨てカートリッジは、表層が少なくとも１つの区画の下端と隙間との間に密閉を提供するように構成され、表層は、隙間へ処理液、試薬あるいは試料を移すための充填サイトを備えることをさらに特徴とする。
この目的は、第２の代替的な使い捨てカートリッジが提供されることにおいて達成される。本発明の第２の代替的な使い捨てカートリッジは、
（ａ） 下面、上面、及び少なくとも１つの貫通孔を有する本体と、
（ｂ） 第１疎水性表面を有する底層であって、この底層は、液体に対して不浸透性であり、かつ使い捨てカートリッジの底層が電極アレイ上に置かれるときにデジタルマイクロ流体システムの電極アレイを利用して、その上で液滴の試料を操作するための作業フィルムとして構成される、底層と、
（ｃ） 本体の下面に取り付けられる導電性材料であって、この導電性材料もまた液体に対して不浸透性であり、本体の下面に第２疎水性表面を提供するように構成される、導電性材料と、
（ｄ） 底層の第１疎水性表面と導電性材料の第２疎水性表面との間に配置される隙間と
を備える。
本発明の第２の代替的な使い捨てカートリッジは、底層が柔軟なフィルムであって、当該柔軟な底層の周囲に沿って使い捨てカートリッジの導電性材料に密閉して取り付けられる、柔軟なフィルムとして構成され、したがって、使い捨てカートリッジは、柔軟な底層と導電性材料との間に配置される、上記第１疎水性表面と上記第２疎水性表面との間の特定の距離を規定するためのスペーサーがないことを特徴とする。本発明の第２の代替的な使い捨てカートリッジは、本体の少なくとも１つの貫通孔が、隙間へ処理液、試薬あるいは試料を移すための充填サイトとして構成されることをさらに特徴とする。
本発明のさらなる目的は、内部で液滴の試料を操作するための１つ又は複数のそのような使い捨てカートリッジを、その中又はその上に置くことができるマイクロ流体システム又はデバイスを提示することである。
この目的は、代替的なデジタルマイクロ流体システムが提供されることにおいて達成される。本発明の少なくとも１つの使い捨てカートリッジの、底層の第１疎水性表面と第２疎水性表面との間の隙間内にて液滴の試料を操作するためのデジタルマイクロ流体システムは、
（ａ） 使い捨てカートリッジを受け入れるように構成される少なくとも１つのカートリッジ収納サイトを有するベースユニットと、
（ｂ） ベースユニットの上記カートリッジ収納サイトに配置される電極アレイであって、この電極アレイは、底基板によって支持され、実質的に第１面において延在し、多数の個々の電極を備える、電極アレイと、
（ｃ） 上記電極アレイの個々の電極の選択をコントロールし、かつ、エレクトロウェッティングによって上記カートリッジの隙間内にて液滴を操作するための個々の電圧パルスをそれらの電極に供給する中央制御装置と、
（ｄ） 電極アレイを貫通し、ベースユニットのカートリッジ収納サイトにわたって分散されている多数の吸引孔と、
（ｅ） 排出空間内に負圧を確立するための真空源と、
（ｆ） 吸引孔を真空源に連結するための多数の真空ラインと
を備える。
本発明のデジタルマイクロ流体システムは、ガスケットが、カートリッジ収納サイトの周囲に配置されるとき、柔軟な底層、電極アレイ、底基板、及びガスケットによって形成される排出空間をカートリッジ収納サイト内に密閉することを特徴とする。本発明のデジタルマイクロ流体システムは、排出空間内の負圧が、カートリッジ収納サイトに置かれている使い捨てカートリッジの柔軟な底層を、少なくとも１つの使い捨てカートリッジの柔軟な底層の第１疎水性表面と第２疎水性表面との間に配置されるスペーサーを使用することなく、デジタルマイクロ流体システムの電極アレイ及び底基板の上方に引きつけ、それらの上に延伸するようにすることをさらに特徴とする。
本発明のまたさらなる目的は、デジタルのマイクロ流体システム又はデバイス内で液滴の試料を操作する代替的な方法を提示することである。
このさらなる目的は、作業フィルムの疎水性表面に付着する液滴の試料を操作する第１の代替的な方法が提案されることにおいて達成される。本発明による第１の代替的な方法は、
（ａ） 底層の第１疎水性表面、表層の第２疎水性表面、及び、第１疎水性表面と第２疎水性表面との間の隙間を、使い捨てカートリッジに設けること、ここでこの使い捨てカートリッジは、内部に処理液、試薬あるいは試料を保持する少なくとも１つの区画を有する本体をさらに備え、上記区画は、その内容物の少なくともいくらかを隙間に送達するための貫通孔を備える、
（ｂ） 電極アレイをデジタルマイクロ流体システムに設けること、ここで電極アレイは、実質的に第１面において延在し、また、電極アレイは多数の個々の電極を備え、この電極は、底基板によって支持され、また、上記電極アレイの個々の電極の選択をコントロールし、かつ、エレクトロウェッティングによって上記第１疎水性表面上の上記液滴を操作するために個々の電圧パルスをそれらの電極に供給する、デジタルマイクロ流体システムの中央制御装置に接続される、
（ｃ） 表層の疎水性表面が実質的に底層の上記第１疎水性表面に一定距離をおいて平行に延在するように隙間を形成すること、
のステップを含む。
本発明の液滴の試料を操作する第１の代替的な方法は、この方法が、
（ｄ） 柔軟なフィルムのような底層を設けること、この柔軟なフィルムは、柔軟な底層の周囲に沿って表層に密閉して取り付けられ、したがって使い捨てカートリッジは、柔軟な底層と表層との間に配置される、上記第１疎水性表面と上記第２疎水性表面との間に特定の距離を規定するためのスペーサーがない、
（ｅ） デジタルマイクロ流体システムのベースユニットのカートリッジ収納サイトに使い捨てカートリッジを置くこと、ここで表層は、少なくとも１つの区画の下端と隙間との間に密閉を提供するように構成され、表層は、隙間へ処理液、試薬、あるいは試料を移すための充填サイトを備える、
（ｆ） カートリッジ収納サイトの周囲に配置されるガスケットによってカートリッジ収納サイトにおいて排出空間を密閉すること、ここで排出空間は、柔軟な底層、電極アレイ、底基板、及びガスケットによって形成される、
（ｇ） 排出空間内に負圧を生成すること、このことは、カートリッジ収納サイトに置かれる使い捨てカートリッジの柔軟な底層を、電極アレイ及び底基板上に引きつけ、延伸させる、
のステップをさらに含むことを特徴とする。
このさらなる目的は、作業フィルムの疎水性表面に付着する液滴の試料を操作する第２の代替的な方法が提案されることにおいて達成される。本発明による第２の代替的な方法は、
（ａ） 下面、上面、少なくとも１つの貫通孔、及び第１疎水性表面を有する底層を備える本体を使い捨てカートリッジに設けること、ここで導電性材料は、本体の下面に取り付けられ、導電性材料もまた液体に対して不浸透性であり、本体の下面に第２疎水性表面を設けるように構成され、隙間が第１疎水性表面と第２疎水性表面との間に設けられる、
（ｂ） 電極アレイをデジタルマイクロ流体システムに設けること、ここで電極アレイは、実質的に第１面において延在し、また多数の個々の電極を備え、この電極は、底基板によって支持され、上記電極アレイの個々の電極の選択をコントロールし、かつ、エレクトロウェッティングによって上記第１疎水性表面上の上記液滴を操作するための個々の電圧パルスをそれらの電極に供給する、デジタルマイクロ流体システムの中央制御装置に接続される、
（ｃ） 第１疎水性表面及び第２疎水性表面が実質的に平行で互いにある距離にて延在するように隙間を形成すること、ここで本体の少なくとも１つの貫通孔は、隙間へ処理液、試薬あるいは試料を移すための充填サイトとして構成される、
のステップを含む。
本発明の液滴の試料を操作する第２の代替的な方法は、この方法が、
（ｄ） 底層を柔軟なフィルムとして設けること、ここでこのフィルムは、柔軟な底層の周囲に沿って導電性材料に密閉して取り付けられ、したがって、使い捨てカートリッジは、第１疎水性表面と第２疎水性表面との間に配置される、上記第１疎水性表面と上記第２疎水性表面との間に特定の距離を形成するためのスペーサーがない、
（ｅ） デジタルマイクロ流体システムのベースユニットのカートリッジ収納サイトに使い捨てカートリッジを置くこと、
（ｆ） カートリッジ収納サイトの周囲に配置されるガスケットによってカートリッジ収納サイトにおいて排出空間を密閉すること、ここでこの排出空間は、柔軟な底層、電極アレイ、底基板、及びガスケットによって形成される、
（ｇ） 排出空間内に負圧を生成すること、このことは、カートリッジ収納サイトに置かれる使い捨てカートリッジの柔軟な底層を、電極アレイ及び底基板上に引きつけ、延伸させる、
のステップをさらに含むことを特徴とする。
デジタルマイクロ流体システム、使い捨てカートリッジ、及び、液滴の試料を操作する方法の、追加の及び創造性のある特徴、並びに、好ましい実施形態及び変形形態は、それぞれの従属請求項から導き出される。
本発明の利点は、以下のものを含む。
・ カートリッジとデジタルマイクロ流体システムのＰＣＢとの間のガスケットは、カートリッジの幾何形状、柔軟な底層、及びこの柔軟な底層の裏面に加えられる負圧とともに、隙間を取り囲む２つのフィルム間の隙間を形成するのに十分である。
・ 本発明の使い捨てカートリッジは、エレクトロウェッティングが行われる、隙間を取り囲む２つのフィルム間のスペーサーを必要としない。
・ ガスケットは、使い捨てカートリッジの一部分とすることができるか、又は、ＰＣＢの表面に固定することができる。
各々が電極アレイ及び可動カバープレートを備えた４つのカートリッジ収納サイトを有する、中央制御装置及びベースユニットを備えたデジタルマイクロ流体システムを概観する概略図である。 第１実施形態による使い捨てカートリッジが内部に収納されている１つのカートリッジ収納サイトの断面図である。 第２実施形態による使い捨てカートリッジが内部に収納されている１つのカートリッジ収納サイトの断面図である。 第３実施形態による使い捨てカートリッジが内部に収納されている１つのカートリッジ収納サイトの断面図で、部分的にカバーが閉じられているカートリッジ収納サイト内に据えられているクッション状カートリッジを示す断面図である。 第３実施形態による使い捨てカートリッジが内部に収納されている１つのカートリッジ収納サイトの断面図で、カバーが完全に閉じられることによって、カートリッジ収納サイト内部で圧迫されて動作形状になっているクッション状カートリッジを示す断面図である。 第４実施形態による使い捨てカートリッジが内部に収納されている１つのカートリッジ収納サイトの断面図である。 第５実施形態による使い捨てカートリッジが内部に収納されている１つのカートリッジ収納サイトの断面図である。 各々が電極アレイ及び固定カバープレートを備えた１２個のカートリッジ収納サイトを有する、中央制御装置及びベースユニットを備えたデジタルマイクロ流体システムを概観する概略図である。 第６実施形態による使い捨てカートリッジが内部に収納されている１つのカートリッジ収納サイトの断面図で、実質的に垂直な電極アレイ及びカバープレートを有する実質的に垂直なカートリッジ収納サイト内に挿入されているトップエントリカートリッジを示す断面図である。 第６実施形態による使い捨てカートリッジが内部に収納されている１つのカートリッジ収納サイトの断面図で、図８Ａに示す断面Ｂから見たトップエントリカートリッジを示す断面図である。 使い捨てカートリッジが第７実施形態に従って構成されている、その収納サイトに達する前の１つの使い捨てカートリッジの断面図である。 使い捨てカートリッジが第７実施形態に従って構成されており、クランプによって適所に保持されている、その収納サイトに達した後の図９の使い捨てカートリッジの断面図である。 使い捨てカートリッジが第８実施形態に従って構成されており、クランプによって適所に保持されている、その収納サイトに達した後の使い捨てカートリッジの断面図である。 使い捨てカートリッジが第９実施形態に従って構成されており、クランプを用いずに適所に保持されている、その収納サイトに達した後の使い捨てカートリッジの断面図である。
本発明による自己充足型使い捨てカートリッジ、デジタルマイクロ流体システム、及び、試料の操作方法は、本発明の範囲及び要点を狭めることなく、本発明の選択された、及び、例示的な実施形態を示す添付の概略図面を用いて説明される。
図１は、各々が電極アレイ９及びカバープレート１２を備えた４つのカートリッジ収納サイト８を有する、中央制御装置１４及びベースユニット７を備えた例示的なデジタルマイクロ流体システム１を概観する概略図を示す。デジタルマイクロ流体システム１は、底層３、表層４、及び、最終的には底層３と表層４との間に隙間６を形成するスペーサー５を含む使い捨てカートリッジ２内で液滴２３の試料を操作するように構成されている。したがって、液滴２３の試料は、使い捨てカートリッジ２の隙間６内にて操作される。
一般的なデジタルマイクロ流体システム１は、使い捨てカートリッジ２を受け入れるように構成される少なくとも１つのカートリッジ収納サイト８を有するベースユニット７を備える。デジタルマイクロ流体システム１は、それに対して多数の作業員が、自身が携行するカートリッジ２を用いて作業している、独立型で固定のユニットとすることができる。したがって、デジタルマイクロ流体システム１は、多数のカートリッジ収納サイト８及び多数の電極アレイ９を備えてもよく、それによって、多数のカートリッジ２が同時に及び／又は並行して作業され得る。カートリッジ収納サイト８、電極アレイ９、及びカートリッジ２の数は、１、もしくは、例えば、１から１００の間の任意の数、又はさらにはそれ以上であってもよく、この数は、例えば、中央制御装置１４の動作容量によって制限される。
デジタルマイクロ流体システム１を液体処理ワークステーション又はＦｒｅｅｄｏｍ ＥＶＯ（登録商標）ロボットワークステーションに統合することが好適であり得、それによって、注入ロボットを利用して、液体部分及び／又は液体を含む試料をカートリッジ２へ、及びカートリッジ２から移すことができる。
代替的に、システム１は、少数の、例えば、単一の使い捨てカートリッジ２のみを備え、それを用いて作業することが可能である手持ち式ユニットとして構成することもできる。当業者であれば誰でも、言及されているような２つの極端な事例の間に位置決められる中間的な構成も動作し機能することを理解するであろう。
一般的なデジタルマイクロ流体システム１はまた、第１面において実質的に延在し、多数の個々の電極１０を備える少なくとも１つの電極アレイ９も備える。そのような電極アレイ９は、ベースユニット７の上記カートリッジ収納サイト８の各々に配置される。好ましくは、各電極アレイ９は、底基板１１によって支持され、当該底基板１１は、ベースユニット７に固定される。「電極アレイ」、「電極レイアウト」、及び「プリント回路基板（ＰＣＢ）」という表現は、本明細書においては同義語として利用されることに留意されたい。
一般的なデジタルマイクロ流体システム１はまた、上部基板１３を有する少なくとも１つのカバープレート１２も備える。各事例において、少なくとも１つのカバープレート１２は、上記カートリッジ収納サイト８に配置される。カバープレート１２の上部基板１３、及び電極アレイ９又はＰＣＢを有する底基板１１は、それぞれ、空間又はカートリッジ収納サイト８を形成する。第１変形形態（ベースユニット７の中央部における２つのカートリッジ収納サイト８を参照されたい）において、カートリッジ収納サイト８は、それぞれのカートリッジ収納サイト８の電極アレイ９に対して実質的に平行な方向に可動である、スライドして挿入される使い捨てカートリッジ２を受け入れるように構成される。そのような正面又は上部装填は、使い捨てカートリッジ２の部分挿入の後、カートリッジ２を、カートリッジ２が正確に載置されるカートリッジ収納サイト８内の最終的な行き先に搬送する自動的引通し（drawing-in automatism）によって支持することができる。好ましくは、これらのカートリッジ収納サイト８は、可動カバープレート１２を備えない。液滴の試料に対する全ての意図した操作が実行された後、使用済みカートリッジ２が自動的引通しによって吐出され、分析ステーションに搬送されるか、又は廃棄され得る。
第２変形形態（ベースユニット７の左右の２つのカートリッジ収納サイト８を参照されたい）において、カートリッジ収納サイト８は、それぞれのカートリッジ収納サイト８の電極アレイ９に対して可動であるように構成されるカバープレート１２を備える。カバープレート１２は、好ましくは、１つ又は複数のヒンジ１６を中心として、及び／又は実質的に電極アレイ９に垂直である方向において可動であるように構成される。
一般的なデジタルマイクロ流体システム１は、また、上記少なくとも１つの電極アレイ９の個々の電極１０の選択をコントロールし、かつ、エレクトロウェッティングによって上記カートリッジ２内にて液滴を操作するための個々の電圧パルスをそれらの電極１０に供給する中央制御装置１４を備える。図１に部分的に示すように、１つ１つの個々の電極１０が中央制御装置１４に動作可能に接続されており、それゆえ、当該技術分野において既知の方法で必要な電位を生成及び供給する適切なソースをも備えるこの中央制御装置１４によって独立して処理され得る。
少なくとも１つのカバープレート１２は、第２面において、及び、当該少なくとも１つのカバープレート１２が割り当てられているカートリッジ収納サイト８の電極アレイ９に実質的に平行に延在する導電性材料１５をさらに備える。カバープレート１２のこの導電性材料１５は、好ましくは、接地電位源に接続されるように構成される。この導電性材料１５は、デジタルマイクロ流体システム１において操作される液滴のエレクトロウェッティング動作に寄与する。
本出願人は、驚くべきことに、カバープレート１２の導電性材料１５と、ある電位（例えば接地電位）の任意のソースとの間に接続がない場合でも、導電性材料１５はまた、デジタルマイクロ流体システム１において操作される液滴のエレクトロウェッティング動作に寄与することを見出した。したがって、カバープレート１２は、任意の方向に可動であるように構成することができ、カバープレート１２の特定の好適な移動を選択するときに電気的接触を考慮に入れる必要はない。したがって、カバープレート１２は、電極アレイ９に実質的に平行な方向において可動であり、かつ、ベースユニット７のそれぞれの電極アレイ９に対する直線移動、円移動又は任意の移動を実行するようにも構成され得る。
図２は、第１実施形態による使い捨てカートリッジ２が内部に収納されている１つの例示的なカートリッジ収納サイト８の断面図を示す。カバープレート１２が、ヒンジ１６を介してデジタルマイクロ流体システム１のベースユニット７と機械的に接続されており、したがって、カバープレート１２は旋開することができ、使い捨てカートリッジ２は、トップエントリ装填（top-entry loading）を介してカートリッジ収納サイト８に置くことができる（図１参照）。カバープレート１２の導電性材料１５は、上部基板１３に取り付けられる薄い金属板又は金属箔として構成される。
代替的に、カバープレート１２の導電性材料１５は、上部基板１３に堆積される金属層として構成される。導電性材料１５のそのような堆積は、それ自体既知であるように、化学又は物理気相成長技法によって実行されてもよい。
カバープレート１２は、ベースユニット７のカートリッジ収納サイト８に収納される使い捨てカートリッジ２に力を加えるように構成される。この力は、カートリッジの底層３を、電極アレイ９の表面に可能な限り近くに位置決めされるために、電極アレイ９に対して使い捨てカートリッジ２を圧迫する。この力はまた、使い捨てカートリッジ２を、カバープレート１２の穿孔設備１８に対して電極アレイ９上の完全な位置へと圧迫する。この穿孔設備１８は、試料液滴をカートリッジ２の隙間６に導入するように構成される。穿孔設備１８は、カバープレート１２の全体にわたり通り、穿孔ピペット先端２０が押し通されてカートリッジ２の表層４を貫通することを可能にする貫通孔１９として構成される。穿孔ピペット先端２０は、手持ち式ピペット（図示せず）又は注入ロボット（図示せず）の一部であってもよい。
この場合、電極アレイ９は、誘電体層２４によってカバーされる。電極アレイ９は、底基板１１に固定され、全ての個々の電極１０が中央制御装置１４と電気的にかつ動作可能に接続される（ここでは１０個の電極１０のうち３つの接続のみが図示されている）。デジタルマイクロ流体システム１は、隙間６を含む使い捨てカートリッジ２内にて液滴２３の試料を操作するように構成される。したがって、液滴２３の試料は、使い捨てカートリッジ２の隙間６にて操作される。
使い捨てカートリッジ２は、底層３、表層４、及び、隙間６にて液滴２３の試料を操作するために底層３と表層４との間に隙間６を形成するスペーサー５を備える。底層３及び表層４は、カートリッジ２の隙間６に対して露出される疎水性表面１７を備える。カートリッジ２の底層３及び表層４は、全体が疎水性フィルムであるか、又は、少なくとも、カートリッジ２の隙間６に対して露出される疎水性表面を備える。この図２から、カートリッジ２は導電層を有しないことが明らかである。ここで、カートリッジ２のスペーサー５は、少なくとも部分的に、隙間６における試料液滴に適用される分析において必要とされる試薬のための区画２１を含む本体として構成される。
図３は、第２実施形態による使い捨てカートリッジ２が内部に収納されている１つの例示的なカートリッジ収納サイト８の断面図を示す。前述の実施形態とは異なり、カバープレート１２は、デジタルマイクロ流体システム１のベースユニット７と機械的に接続され、それと不動に固定される。カバープレート１２の導電性材料１５は、上部基板１３に取り付けられる厚い金属板として構成される。ここで、カバープレート１２は、ベースユニット７のカートリッジ収納サイト８に収納される使い捨てカートリッジ２に力を加えるようには構成されず、したがって、カバープレート１２は適所に留まり、使い捨てカートリッジ２は、フロントエントリ装填を介してカートリッジ収納サイト８に置くことができる。そのようなフロントエントリ装填は、通常、電極アレイ９に平行である方向における使い捨てカートリッジ２の移動を含む（図１参照）。使い捨てカートリッジ２の適切な引通しを可能にし、かつカートリッジを収納サイト８に整然と位置決めされるために、ベースユニット７は、好ましくは、複数の挿入ガイド２５を設ける。これらの挿入ガイド２５は、好ましくは、テトラフルオロエチレンのような自己潤滑性プラスチック材料から成り、好ましくは、それらの間に、使い捨てカートリッジ２をスライドして挿入するのにちょうど十分な空間を残す。代替的に、カバープレート１２の導電性材料１５は、上部基板１３の材料の間に挟まれる金属板、金属箔、又は金属層として構成される（図８Ａ参照）。
図３の使い捨てカートリッジ２は、底層３、表層４、及び、隙間６にて液滴２３の試料を操作するために底層３と表層４との間に隙間６を形成するスペーサー５を備える。底層３及び表層４は、カートリッジ２の隙間６に対して露出される疎水性表面１７を備える。カートリッジ２の底層３及び表層４は、全体が疎水性フィルムであるか、又は、少なくとも、カートリッジ２の隙間６に対して露出される疎水性表面を備える。図２に示すものとの違いとしては、このカートリッジ２は、底層３に取り付けられるか、又はその一部を形成する誘電体層２４を有する。したがって底層３は、誘電体層２４によってカバーされるか、又は、底層３自体が誘電体材料から作成される。その結果、電極アレイ９は、そのような誘電体層２４を有する必要がない。ここで、カートリッジ２のスペーサー５は、少なくとも部分的に、隙間６における試料液滴に適用される分析において必要とされる試薬のための区画２１を含む本体として構成される。この場合、電極アレイ９は誘電体層２４によって被覆される。
電極アレイ９は、底基板１１に固定され、全ての個々の電極１０が中央制御装置１４と電気的にかつ動作可能に接続される（ここでは１０個の電極１０のうち３つの接続のみが図示されている）。デジタルマイクロ流体システム１は、隙間６を含む使い捨てカートリッジ２内にて液滴２３の試料を操作するように構成される。したがって、液滴２３の試料は、使い捨てカートリッジ２の隙間６において操作される。
カバープレート１２はまた、試料液滴をカートリッジ２の隙間６に導入するように構成される穿孔設備１８をも含む。穿孔設備１８は、カバープレート１２の全体にわたって通り、穿孔ピペット先端２０が押し通されてカートリッジ２の表層４を貫通することを可能にする貫通孔１９として構成される。穿孔ピペット先端２０は、手持ち式ピペット（図示せず）又は注入ロボット（図示せず）の一部であってもよい。ここで、カバープレート１２は、穿孔ピペット先端２０がカバープレート１２を貫通する貫通孔１９を通じて押し込まれ、カートリッジ２の表層４を貫通して、試薬部分を区画２１から取り出すための、かつ、上記試薬部分をカートリッジ２の隙間６に導入するための追加の穿孔設備２２を備える。ここで、区画２１は、スペーサー５の本体における切り欠きとして構成され、切り欠きは、底層３及び表層４によって閉じられる。
図４は、第３実施形態による使い捨てカートリッジ２が内部に収納されている１つの例示的なカートリッジ収納サイト８の断面図を示す。電極アレイ９は、底基板１１に固定され、全ての個々の電極１０が中央制御装置１４と電気的にかつ動作可能に接続される（ここでは１０個の電極１０のうち３つの接続のみが図示されている）。デジタルマイクロ流体システム１は、隙間６を含む使い捨てカートリッジ２内にて液滴２３の試料を操作するように構成される。したがって、液滴２３の試料は、使い捨てカートリッジ２の隙間６にて操作される。カバープレート１２は、ヒンジ１６を介してデジタルマイクロ流体システム１のベースユニット７と機械的に接続されており、したがってカバープレート１２は、旋開することができ、使い捨てカートリッジ２は、トップエントリ装填を介してカートリッジ収納サイト８に置くことができる（図１参照）。ここで、カバープレート１２の導電性材料１５は、金属導電性材料から作製され、上部基板１３と導電性材料１５の両方を、単一の一体部分として含む。代替的に、カバープレート１２の導電性材料１５は、チタンインジウム酸化物（ＴＩＯ）のような化合物、又は、上部基板１３に取り付けられるか、もしくは一体化される導電性フィラー材料を有するプラスチック材料として構成される（図示せず）。両方の事例において、導電性材料１５は、プラスチック層（図示せず）によって被覆されることが好適であり得、このプラスチック層の材料は、好ましくは、ポリプロピレン（ＰＰ）及びポリアミド（ＰＡ）を含む群から選択される。閉鎖手段３０によってカバープレート１２の自動開閉が達成されてもよい。
カバープレート１２はまた、カートリッジ２の隙間６に試料液滴を導入するように構成される穿孔設備１８をも含む。穿孔設備１８は、カバープレート１２の全体にわたって通り、穿孔ピペット先端２０が押し通されてカートリッジ２の表層４を貫通することを可能にする貫通孔１９として構成される（図４Ｂ参照）。穿孔ピペット先端２０は、手持ち式ピペット（図示せず）又は注入ロボット（図示せず）の一部であってもよい。ここで、カバープレート１２は、穿孔ピペット先端２０が、カバープレート１２を貫通する貫通孔１９を通して押し込まれ、カートリッジ２の表層４を貫通して、例えばシリコーン油をカートリッジ２の隙間６から取り出すための追加の穿孔設備２２を備える（図４Ｂ参照）。
図４Ａは、部分的にカバープレート１２が閉じられているデジタルマイクロ流体システム１のベースユニット７のカートリッジ収納サイト８に置かれるクッション状カートリッジ２を示す。この使い捨てカートリッジ２は、底層３及び表層４を備えるが、隙間６にて液滴２３の試料を操作するために底層３と表層４との間に隙間６を形成するであろうスペーサーは備えない。底層３及び表層４は、カートリッジ２の隙間６に対して露出する疎水性表面１７’、１７’’を備える。カートリッジ２の底層３及び表層４は、全体が疎水性フィルムであるか、又は、少なくとも、カートリッジ２の隙間６に対して露出する疎水性表面を備える。図２に示すものと同様に、このカートリッジ２は、底層３に取り付けられるか、又はその一部を形成する誘電体層を有しない。その結果、電極アレイ９は、そのような誘電体層２４を有する必要がある。スペーサーがないこのカートリッジ２は、好ましくは、シリコーン油、他の油、又は、ヘキサデカンのような、水と混和性でない別の化学的に実質的に不活性な材料で充填されるサック（sack）又はピロー（pillow）として構成される。
図４Ｂは、カバープレート１２が完全に閉じられることによって、カートリッジ収納サイト８の内部で動作形状に圧迫されたクッション状カートリッジ２を示す。カバープレート１２が少なくとも部分的に開いている限り（図４Ａ参照）、クッション状又はサック状カートリッジ２は、主に、好適な充填油がカートリッジ２の膜袋又はサックに作用する力に起因する形状をとり得る。カートリッジ２の処理（収納サイト８への挿入及び収納サイト８からの取り出し）は、好ましくは、ロボット化された吸引デバイス（図示せず）を用いて実行される。しかしながら、圧迫されて動作形状になると（図４Ｂ参照）、クッション状又はサック状カートリッジ２は、ベースユニット７のカートリッジ収納サイト８の内側空間に一致する形状にさせられる。したがって、何らスペーサーを設ける必要なく、表層４は底層３及びその下の電極アレイ９に実質的に平行に向けられ、それらに対して規定の距離におかれる。
ピロー状カートリッジ２を貫通する間又はその後の、油の漏れ又は流出を回避するために、カートリッジ２の表層４は、セルフシールの穿孔可能な膜として構成されてもよい。代替的に、又は、セルフシールの穿孔可能な表層４と組み合わせて、カバープレート１２は、少なくとも穿孔設備１８、２２の領域において、セルフシールの穿孔可能な膜を設けられてもよい。少なくとも穿孔設備１８、２２の領域にあるそのようなセルフシールの穿孔可能な膜（図示せず）は、好ましくは、カートリッジ２に接しているカバープレート１２の表面に置かれる。
図５は、第４実施形態による使い捨てカートリッジ２が内部に収納されている１つの例示的なカートリッジ収納サイト８の断面図を示す。カバープレート１２が、ヒンジ１６を介してデジタルマイクロ流体システム１のベースユニット７と機械的に接続されており、したがってカバープレート１２は、旋開することができ、使い捨てカートリッジ２は、トップエントリ装填を介してカートリッジ収納サイト８に置くことができる（図１参照）。ここで、カバープレート１２の導電性材料１５は、金属導電性材料から作製され、上部基板１３と導電性材料１５の両方を、単一の一体部分として含む。代替的に、カバープレート１２の導電性材料１５は、チタンインジウム酸化物（ＴＩＯ）のような化合物、又は、上部基板１３に取り付けられるか、もしくは一体化される導電性フィラー材料を有するプラスチック材料として構成される（図示せず）。両方の事例において、導電性材料１５は、プラスチック層（図示せず）によって被覆されることが好適であり得、このプラスチック層の材料は、好ましくは、ポリプロピレン（ＰＰ）及びポリアミド（ＰＡ）を含む群から選択される。
またここで、カバープレート１２は、ベースユニット７のカートリッジ収納サイト８に収納される使い捨てカートリッジ２に力を加えるように構成される。この力は、カートリッジの底層３を、電極アレイ９の表面に可能な限り近くに位置決められるために、電極アレイ９に対して使い捨てカートリッジ２を圧迫する。この力はまた、使い捨てカートリッジ２を電極アレイ９上の規定位置に強制的に置く。加えて、穿孔設備１８が設けられる。すなわち、この第３実施形態による使い捨てカートリッジ２は、カートリッジ２の隙間６に配置され、かつ表層４が底層３に対する方向に変位されるときに表層４を穿孔するように構成される穿孔ピン２７を備える。好ましくは、穿孔ピン２７は、ピンプレート２８に取り付けられ、このピンプレート２８は、穿孔ピン２７を、使い捨てカートリッジ２のスペーサー５の一部と接続している。カバープレート１２は、カバープレート１２の全体にわたって通り、カートリッジ収納サイト８に載置される適切に位置決めされた使い捨てカートリッジ２の穿孔ピン２７と位置合わせされて配置される貫通孔１９をさらに備える。カバープレート１２は、底層３に対する方向に表層４を変位するためにカバープレート１２から突出する変位部分２９をさらに備える。この変位部分２９は、表層４を穿孔するときに穿孔ピン２７と協働するように構成される。したがって、この穿孔設備１８を利用することによって、試料液滴及び／又は試薬部分を、カートリッジ２の隙間６に導入することができる。貫通孔１９の一部は、試料液滴及び／又は試薬部分を使い捨てカートリッジ２の隙間６に注入するために、使い捨てピペット先端２６を使用してもよいように、好ましくは広くなっている。使い捨てピペット先端２６は、手持ち式ピペット（図示せず）又は注入ロボット（図示せず）の一部であってもよい。
この場合、電極アレイ９は、誘電体層２４によってカバーされる。電極アレイ９は、底基板１１に固定され、全ての個々の電極１０は、中央制御装置１４と電気的にかつ動作可能に接続される（ここでは１０個の電極１０のうち３つの接続のみが図示されている）。デジタルマイクロ流体システム１は、隙間６を含む使い捨てカートリッジ２内にて液滴２３の試料を操作するように構成される。したがって、液滴２３の試料は、使い捨てカートリッジ２の隙間６にて操作される。
すでに紹介した第１及び第２実施形態と同様に、使い捨てカートリッジ２は、底層３、表層４、及び、隙間６にて液滴２３の試料を操作するために底層３と表層４との間に隙間６を形成するスペーサー５を備える。底層３及び表層４は、カートリッジ２の隙間６に対して露出する疎水性表面１７を備える。第１疎水性表面１７’は、底層３の内部に配置され、第２疎水性表面１７’’は、表層４の内部に配置される。カートリッジ２の底層３及び表層４は、全体が疎水性フィルムであるか、又は、少なくとも、カートリッジ２の隙間６に対して露出する疎水性表面を備える。この図２から、カートリッジ２が導電層を有しないことは明らかである。ここで、カートリッジ２のスペーサー５は、隙間６における試料液滴に適用される分析に必要とされる試薬用の区画２１を含む本体として構成される必要はない。なぜならば、これらの試薬は、手持ち式ピペット又は注入ロボット（上述を参照）を用いた従来の注入によって隙間６に加えられ得るからである。
図６は、第５実施形態による使い捨てカートリッジ２が内部に収納されている１つの例示的なカートリッジ収納サイト８の断面図を示す。前述の実施形態と同様に、カバープレート１２は、ヒンジ１６によってデジタルマイクロ流体システム１のベースユニット７と機械的に接続される。使い捨てカートリッジ２の適切な上部装填を可能にし、かつカートリッジを収納サイト８に整然と位置決めするために、ベースユニット７は、好ましくは、複数の挿入ガイド２５を設ける。これらの挿入ガイド２５は、好ましくは、テトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のような自己潤滑性プラスチック材料から成り、好ましくは、それらの間に使い捨てカートリッジ２をスライドして挿入するのにちょうど十分である空間を残す。また、前述の実施形態と同様に、かつ第１の代替の解決策として、カバープレート１２の導電性材料１５は、金属導電性材料から作製され、上部基板１３と導電性材料１５の両方を、単一の一体部分として含む。代替的に、カバープレート１２の導電性材料１５は、チタンインジウム酸化物（ＴＩＯ）のような化合物、又は、上部基板１３に取り付けられるか、もしくは一体化される導電性フィラー材料を有するプラスチック材料として構成される（図示せず）。両方の事例において、導電性材料１５は、プラスチック層（図示せず）によって被覆されるのが好適であり得、このプラスチック層の材料は、好ましくは、ポリプロピレン及びポリアミドを含む群から選択される。
またここで、カバープレート１２は、ベースユニット７のカートリッジ収納サイト８に収納される使い捨てカートリッジ２に力を加えるように構成される。この力は、カートリッジの底層３を、電極アレイ９の表面に可能な限り近くに位置決めするために、使い捨てカートリッジ２を電極アレイ９に対して圧迫する。この力はまた、使い捨てカートリッジ２を強制的に電極アレイ９上の規定位置におく。加えて、穿孔設備１８が設けられる。すなわち、この第３実施形態による使い捨てカートリッジ２は、カートリッジ２の隙間６に配置され、かつ表層４が底層３に対する方向に変位されるときに表層４を穿孔するように構成される穿孔ピン２７を備える。好ましくは、穿孔ピン２７は、ピンプレート２８に取り付けられ、ピンプレート２８は、穿孔ピン２７を、使い捨てカートリッジ２のスペーサー５の一部と接続している。カバープレート１２は、カバープレート１２の全体にわたって通り、カートリッジ収納サイト８に載置され適切に位置決めされた使い捨てカートリッジ２の穿孔ピン２７と位置合わせされて配置される貫通孔１９をさらに備える。カバープレート１２は、底層３に対する方向に表層４を変位するためにカバープレート１２から突出する変位部分２９をさらに備える。この変位部分２９は、表層４を穿孔するときに穿孔ピン２７と協働するように構成される。したがって、この穿孔設備１８を利用することによって、試料液滴及び／又は試薬部分を、カートリッジ２の隙間６に導入することができる。貫通孔１９の一部は、好ましくは、試料液滴及び／又は試薬部分を使い捨てカートリッジ２の隙間６に注入するのに使い捨てピペット先端２６を使用してもよいように、広くなっている。使い捨てピペット先端２６は、手持ち式ピペット（図示せず）又は注入ロボット（図示せず）の一部であってもよい。
この場合、電極アレイ９は、誘電体層２４によってカバーされる。電極アレイ９は、底基板１１に固定され、全ての個々の電極１０は、中央制御装置１４と電気的にかつ動作可能に接続される（ここでは１０個の電極１０のうち３つの接続のみが図示されている）。デジタルマイクロ流体システム１は、隙間６を含む使い捨てカートリッジ２内にて液滴２３の試料を操作するように構成される。したがって、液滴２３の試料は、使い捨てカートリッジ２の隙間６にて操作される。
すでに紹介された第１、第２、及び第４実施形態と同様に、使い捨てカートリッジ２は、底層３、表層４、及び、隙間６にて液滴２３の試料を操作するために底層３と表層４との間に隙間６を形成するスペーサー５を備える。底層３及び表層４は、カートリッジ２の隙間６に対して露出する疎水性表面１７を備える。第１疎水性表面１７’は、底層３の内部に配置され、第２疎水性表面１７’’は、表層４の内部に配置される。カートリッジ２の底層３及び表層４は、全体が疎水性フィルムであるか、又は、少なくとも、カートリッジ２の隙間６に対して露出する疎水性表面を備える。この図２から、カートリッジ２が導電層を有しないことは明らかである。ここで、カートリッジ２のスペーサー５は、隙間６における試料液滴に適用される分析に必要とされる試薬用の区画２１を含む本体として構成される必要はない。なぜならば、これらの試薬は、手持ち式ピペット又は注入ロボット（上述を参照）を用いた従来の注入によって隙間６に加えられ得るからである。
使い捨てカートリッジ２の第４実施形態（図５参照）の穿孔ピン２７は、その後部を底層３の第１疎水性表面に配置していることに留意されたい。したがって、表層４がカバープレート１２の変位部分２９によって変位されるとき、底基板１１及び電極アレイ９は、穿孔ピン２７に安定性を与える。その結果、ピンプレート２８を非常に薄くすることができる。代替的に、ピンプレート２８は省かれ、穿孔ピン２７が底層３の第１疎水性表面に接着される。そのような小さい穿孔ピン２７を底層３の内側表面に接着するだけということには、より多くの個々の電極１０をエレクトロウェッティングに使用することができるという利点がある。もう１つの利点は、穿孔ピン２７の（また、無論カバープレート１２における貫通孔１９の）位置を、スペーサー５へのいずれの距離において任意に選択することができるということである。しかしながら、使い捨てカートリッジ２の大量生産において穿孔ピン２７の正確な位置決めがいくぶん煩わしくなるかもしれない。
対照的に、使い捨てカートリッジ２の第５実施形態の穿孔ピン２７（図６参照）は、スペーサー５に対してはるかに近くに配置され、スペーサー５と自己支持ピンプレート２８によって接続される。したがって、カバープレート１２の変位部分２９によって表層４が変位されるときに、スペーサー６は穿孔ピン２７に安定性を与える。電極アレイ９が穿孔プロセスに関係せず、又はそれによる影響を受けず、個々の電極１０の全てをエレクトロウェッティングに使用することができることは有利である。注入された液体が自己支持ピンプレート２８に沿って第１疎水性表面１７’へと流れ落ちることを回避すべき場合には、いわゆる排水溝（weather groove）を穿孔ピン２７の下側部分に追加することが好適である（図６参照）。しかしながら、そのように流れ落ちることが好適である場合、そのような排水溝の追加は省くことができる。
図７は、各々が電極アレイ９及び固定カバープレート１２を備えた１２個のカートリッジ収納サイト８を有する、中央制御装置１４及びベースユニット７を備えたデジタルマイクロ流体システム１を概観する概略図を示す。このベースユニット７は、第６実施形態によるカートリッジ２を受け入れ、また、これらのカートリッジを、実質的に垂直な電極アレイ９及びカバープレート１２を有する実質的に垂直なカートリッジ収納サイト８（図８参照）に装填するのに、特に適している。そのような装填は、好ましくは、液体処理ワークステーションのロボット化把持装置（図示せず）によって実行される。
図８は、第６実施形態による使い捨てカートリッジ２が内部に収納されているデジタルマイクロ流体システム１のベースユニット７の、１つの例示的なカートリッジ収納サイト８の断面図を示す。図８Ａから、トップエントリカートリッジ２が、実質的に垂直な電極アレイ９及びカバープレート１２を有する実質的に垂直なカートリッジ収納サイト８へ挿入されることが直ちに明らかになる。この使い捨てカートリッジ２は、底層３及び表層４、ならびに、隙間６にて液滴２３の試料を操作するために底層３と表層４との間に隙間６を形成するスペーサー５を備える。底層３及び表層４は、カートリッジ２の隙間６に対して露出する疎水性表面１７’、１７’’を備える。カートリッジ２の底層３及び表層４は、全体が疎水性フィルムであるか、又は、少なくとも、カートリッジ２の隙間６に対して露出する疎水性表面を備える。図２に示すものと同様に、このカートリッジ２は、底層３に取り付けられるか、又はその一部を形成する誘電体層を有しない。その結果、電極アレイ９は、そのような誘電体層２４を有する必要がある。このカートリッジ２は、好ましくはシリコーン油で充填される。
電極アレイ９は、底基板１１に固定され、全ての個々の電極１０が中央制御装置１４と電気的にかつ動作可能に接続される（ここでは１４個の電極１０のうち４つの接続のみが図示されている）。デジタルマイクロ流体システム１は、隙間６を含む使い捨てカートリッジ２内にて液滴２３の試料を操作するように構成される。したがって、液滴２３の試料は、使い捨てカートリッジ２の隙間６にて操作される。
カバープレート１２は、デジタルマイクロ流体システム１のベースユニット７と機械的に接続されるか、又は全体がベースユニットと一体化され、可動ではない。したがって、使い捨てカートリッジ２は、トップエントリ装填を介してカートリッジ収納サイト８に挿入することができる（図７参照）。ここで、カバープレート１２の導電性材料１５は、金属導電性材料から作製され、上部基板１３の材料の間に挟まれる。代替的に、カバープレート１２の導電性材料１５は、上部基板１３の材料に代えて又はそれに加えてプラスチック層によって被覆されてもよい（図示せず）。
スペーサー５はまた、カートリッジ２の隙間６に試料液滴を導入するように構成される穿孔設備１８をも含む。穿孔設備１８は、スペーサー５の拡大部分として構成される。この拡大スペーサー部分は、好ましくは、穿孔ピペット先端２０を通して押し込み可能にする、穿孔可能なセルフシール膜３１を設けられる。穿孔ピペット先端２０は、手持ち式ピペット（図示せず）又は注入ロボット（図示せず）の一部であってもよい。カートリッジ２の隙間６への液体の自動送達、又は隙間６からの液体の取り出しは、カートリッジ２のこの拡大スペーサー部分によって提供される相対的に広い穿孔領域によって単純化される。約１〜３ｍｍの隙間幅を仮定すると、この穿孔領域の幅は、好ましくは約５〜１０ｍｍであり、それゆえ、９６ウェルマイクロプレートのおおよそ１つのウェルのサイズを有する。これは、液体処理システム又は液体処理ワークステーションの自動ピペッターが容易に到達可能なものである。区画２１用の空間を提供すると同時に（図８Ｂも参照）、カートリッジ２の拡大スペーサー部分はまた、好ましくは、デジタルマイクロ流体システム１の外部のカートリッジを取り扱い、並びにカートリッジ２の挿入及び収納サイト８からのカートリッジ２の取り出しに利用される自動ロボットグリッパー（図示せず）によって把持される把持表面も提供する。加えて、カートリッジ２の拡大スペーサー部分は、カートリッジ２が収納サイト８に正確に収納されたとき、ベースユニット７の表面に当接する当接表面を提供する。
液滴２３を区画２１からプリント回路基板（ＰＣＢ）又は電極アレイ９における別の位置まで動かすことを可能にするために、電極アレイ９は、ベースユニット７の表面に対して前端位置まで延在するのが好ましい。また、特に、反応生成物がデジタルマイクロ流体システム１の外部で、かつ、またカートリッジ２の外部で分析される場合には、電極アレイ９における反応サイトから区画２１への反対の方向に、液滴２３を動かすことは、また、大いに好ましい。
図８Ｂは、図８Ａに示す断面Ｂから見た図８Ａのトップエントリカートリッジ２を示す。この断面は、隙間６を通り、自己充足型使い捨てカートリッジ２の底層３と表層４との間のものである。この断面はまた、スペーサー５も横切り、そのＵ字状部分が底層３と表層４との間に位置し、拡大スペーサー部分がＵ字状部分ならびに底層３及び表層４の周囲に提供される。好ましくは、スペーサー５のＵ字状部分は、プラスチック材料（好ましくは射出成形）から成り、底層３及び表層４に接着又は融着される。拡大スペーサー部分も射出成形によって作製されることが好ましい。すなわち、これによって、一方では穿孔可能膜３１の下に区画２１を生成し、かつ他方では穿孔可能膜３１を安定させる、分離バー３２の提供が可能になる。そのような安定化は、好ましくは、分離バー３２及び拡大スペーサー部分を穿孔可能膜３１に背面射出形成することによってもたらされる。好ましくは、拡大スペーサー部分は、その後、底層３及び表層４と共にスペーサー５のＵ字状部分に押し付けられる。
すでに指摘したように、スペーサー５はまた、スペーサー５の拡大部分として構成される穿孔設備１８をも含む。この拡大スペーサー部分は、好ましくは、穿孔ピペット先端２０が通り押し込まれることを可能にする、穿孔可能なセルフシール膜３１を設ける。穿孔ピペット先端２０は、手持ち式ピペット（図示せず）又は注入ロボット（図示せず）の一部であってもよい。ここで、スペーサー２は、穿孔ピペット先端２０がセルフシール膜３１を通り押し込まれ、及びカートリッジ２の隙間６から例えばシリコーン油を取り出す、追加の穿孔設備２２を備える。この図８Ｂのカートリッジ２では、液滴２３（例えば試料）は、穿孔設備１８にある穿孔ピペット先端２０によって導入され、その後、底層３の疎水性表面１７’上を現在の位置まで動かされている。区画２１及び隙間６に液滴２３を導入するのと同時に、同様の量のシリコーン油（又は、液滴２３と混合しない、化学的に不活性な任意の他の液体）が、追加の穿孔設備２２にてそれぞれの区画２１から取り出される。このように隙間６において同時に液体のバランスをとることに代えて、液滴２３を挿入する直前又は直後に、予測される量の油又は不活性な液体の除去が実行されてもよい。区画２１はまた、この液体から移動可能な液滴２３を生成するのに必要であるよりも多くの液体を貯蔵するための容器としての役割も果たすこともできる。すなわち、その結果、少なくとも１つの区画２１へ一旦導入されると、単一の液体容量から多くのそのような液滴２３を生成することができる。しかしながら、油又は不活性な液体の取り出しのために１つの区画２１を確保しておき、かつ、試薬生成物の取り出しのためにもう１つの区画２１を確保しておくことが賢明である。
代替のかつ非常に単純な実施形態（図示せず）によれば、各事例において隙間６に向けられている疎水性表面１７’、１７’’を有する底層３及び表層４を備える使い捨てカートリッジ２は、エレクトロウェッティング用にＰＣＢ上に搭載することができる。導電性材料１５を設けられるカバープレート１２を利用する代わりに、導電性フィルム（例えばアルミニウム箔）が表層４の外側表面に取り付けられてもよい。そのような導電性フィルムは、たとえこの導電性フィルムが接地されていない場合であっても、エレクトロウェッティングを可能にすることが判明している。接地されていない導電性フィルムをカートリッジに取り付ける代わりに、表層４は、その外側表面上に薄膜コーティングを有してもよく、この薄膜コーティングは、任意の金属からのものでもよく、化学又は物理気相成長技法によって堆積されてもよい。表層４の外側表面上のこの導電性薄膜は、さらには、導電ペイントによるものであってもよい。したがって、第２面において実質的に電極アレイ９に平行に延在する導電性材料１５を提供することが提案され、上記導電性材料１５は、カートリッジ２の表層４上に載置され、液滴２３の試料の操作中、別の電位に接続されない。
疎水性表面１７に付着する液滴２３の試料を操作する方法は、この方法が、使い捨てカートリッジ２の底層３上に第１疎水性表面１７’を提供するステップを含むことを特徴とする。この底層３は、デジタルマイクロ流体システム１の電極アレイ９の上方に実質的に平行に配置される。上記電極アレイ９は、実質的に第１面において延在し、デジタルマイクロ流体システム１のベースユニット７の底基板１１によって支持される多数の個々の電極１０を備える。上記電極アレイ９は、上記電極アレイ９の個々の電極１０の選択をコントロールし、かつ、エレクトロウェッティングによって上記第１疎水性表面１７’上の上記液滴２３を操作するための個々の電圧パルスをそれらの電極１０に供給するために、デジタルマイクロ流体システム１の中央制御装置１４に接続される。
上記方法はまた、実質的に上記第１疎水性表面１７’に平行で第１疎水性表面に対してある距離をおく第２疎水性表面１７’’を提供するステップをも含む。このように、第１疎水性表面１７’と第２疎水性表面１７’’との間に隙間６が形成される。好ましくは、このような隙間６は、第１疎水性表面１７’を含む底層３及び第２疎水性表面１７’’を含む表層４が取り付けられるスペーサー５によって形成される。
上記方法は、上部基板１３を有するカバープレート１２を提供するステップをさらに備える。カバープレート１２はまた、第２面において実質的に電極アレイ９に平行に延在する導電性材料１５をも備える。カバープレート１２の導電性材料１５は、液滴２３の試料の操作中、別の電位に接続されないことが特に好ましい。
図示し又は説明する全ての実施形態において、使い捨てカートリッジ２の隙間６は、実質的にシリコーン油で充填されるのが好ましい。カートリッジ２の底層３及び表層４は、全体が疎水性フィルムであるか、又は、カートリッジ２の隙間６に対して露出する疎水性表面１７’、１７’’を備えることも、常に好適である。使い捨てカートリッジ２の隙間６による少なくとも１つの液滴２３をエレクトロウェッティングし、操作した後、使い捨てカートリッジ２が依然としてカートリッジ収納サイト８に存在する間に、すなわち、デジタルマイクロ流体システム１、又は、デジタルマイクロ流体システム１が一体化されているワークステーションの分析システムを利用して、操作又はその分析の結果を評価することができる。代替的に、使い捨てカートリッジ２は、デジタルマイクロ流体システム１のベースユニット７から取り出され、他の場所で分析されてもよい。
分析後、使い捨てカートリッジ２は処分することができ、電極アレイ９は再使用することができる。デジタルマイクロ流体システム１の構成要素は、カートリッジ２の第１又は第２実施形態とともに動作するときに、いかなる試料又は試薬とも決して接触することがないため、他の使い捨てカートリッジ２によるそのような再使用は、直ちに、いかなる中間洗浄もなしに、行うことが可能である。デジタルマイクロ流体システム１のカバープレート１２の貫通孔１９は、カートリッジ２の第３又は第４実施形態とともに動作するとき、試料及び試薬と接触する場合があるため、他の使い捨てカートリッジ２によるそのような再使用は、何らかの中間洗浄後、又はカバープレート１２の交換後に実行することができる。
本発明の目的は、エレクトロウェッティングによる液滴２３の操作中に、電極アレイ９から液滴２３を分離する作業フィルムを有する取り外し可能な使い捨てカートリッジを提供することである。上述の明細書に提示されている自己充足型使い捨てカートリッジ２の８つの異なる実施形態に示すように、取り外し可能な使い捨てフィルムは、好ましくは、カートリッジ２の底層３及び表層４として設けられる。
好適な実施形態において、カートリッジ２の底層３は、真空によってＰＣＢに引きつけられる。ＰＣＢ内の小さい排気孔は、この目的のために真空ポンプに接続される。底層３にそのような真空吸引を適用することによって、カートリッジ２の底層３を電極アレイ９の表面により良好に接触させるために任意の液体又は接着剤を使用することが回避される。
添付の図９、図１０、及び図１１において、第７及び第８実施形態による使い捨てカートリッジの特に好適な実施形態が示されている。各事例において、使い捨てカートリッジ２は、内部に処理液、試薬あるいは試料を保持するように構成される少なくとも１つの区画２１を有する本体４７を備える。上記区画２１の少なくとも１つは、その内容物の少なくともいくらかを下の隙間６に送達するための貫通孔１９を備える。使い捨てカートリッジ２はまた、第１疎水性表面１７’を有する底層３を備え、この底層３は、液体に対して不浸透性であり、かつ使い捨てカートリッジ２の底層３が上記電極アレイ９の上に置かれるときに、デジタルマイクロ流体システム１の電極アレイ９を利用して、その上で液滴２３の試料を操作するための作業フィルムとして構成される。使い捨てカートリッジ２は、液体に対して不浸透性であり、かつ使い捨てカートリッジ２の本体４７の下面４８に取り付けられる、第２疎水性表面１７’’を有する表層４をさらに備える。その上、使い捨てカートリッジ２は、底層３の第１疎水性表面１７’と表層４の第２疎水性表面１７’’との間に配置される隙間６を備える。独創的なカートリッジ２の底層３は、柔軟な底層３の周囲４０に沿って表層４に密閉して取り付けられる柔軟なフィルムとして構成される。したがって、使い捨てカートリッジ２は、上記第１疎水性表面１７’と上記第２疎水性表面１７’’との間に特定の距離を規定するために柔軟な底層３と表層４との間に配置されるスペーサー５が存在しない。表層４は、少なくとも１つの区画２１の下端と隙間６との間に密閉を提供するように構成される。加えて、表層４は、隙間６へ処理液、試薬、あるいは試料を移すための充填サイト４１を備える。
図９において、１つの使い捨てカートリッジ２の、その収納サイト８に達する前の断面図が提示されている。柔軟な底層３は、その周囲４０でのみ表層４に取り付けられているものとして示され、底層３の大部分はその周囲４０から緩くつるされ表層４と接していない。したがって、使い捨てカートリッジ２をカートリッジ収納サイト８の中又は上に正確に置く前に、隙間６は取り囲まれるが、その幅及び平行な配向において規定されない。ここで、使い捨てカートリッジ２の本体４７は、基本的に平坦な下面４８を備え、枠構造で、当該枠構造全体を貫通する中心開口４３を有する枠構造として構成される。
図１０において、使い捨てカートリッジ２がデジタルマイクロ流体システム１の電極アレイにおけるそのカートリッジ収納サイト８に達した後の、図９の使い捨てカートリッジ２の断面図が示されている。使い捨てカートリッジ２は、第７実施形態に従って構成され、クランプ３７によって適所に保持される。一方において、クランプ３７は好ましくは、ヒンジ１６によってデジタルマイクロ流体システム１のベースユニット７の基板１１に取り付けられる。他方において、クランプ３７は、例えば、クリップ、スナップ留め、又はネジ（図示せず）によってデジタルマイクロ流体システム１のベースユニット７の基板１１に取り付けられてもよい。
図９及び図１０の第７実施形態において、使い捨てカートリッジ２は、使い捨てカートリッジ２の本体４７の下面４８に取り付けられる平面剛性カバープレート１２をさらに備える。表層４は、上記剛性カバープレート１２に取り付けられ、剛性カバープレート１２は、表層４の充填サイト４１に（ここでは、穿孔サイト４１’及び毛管穴４１’’に）配置される貫通孔１９を備える。ここで、剛性カバープレート１２は、表層４用の直接の取り付け面を提供し、貫通孔１９も備える。カバープレートは、透明なＭｙｌａｒ（登録商標）（ＤｕＰｏｎｔ Ｔｅｉｊｉｎの商標、テレフタル酸ポリエチレン、ＰＥＴ製のフィルム）のような剛性材料から製造されてもよい。剛性カバーは、前述のようにカバープレート１２の機能を達成するために、例えばチタンインジウム酸化物（ＴＩＯ）製の、又は、導電性フィラー材料を有するプラスチック材料製の導電性材料１５で（好ましくは下面を）コーティングされてもよい。より太い線によって示すように、カバープレート１２は、使い捨てカートリッジ２の本体４７の下面４８に取り付けられる。この取り付けは、好ましくはちょうどＭｙｌａｒのような化学的に不活性な材料製である粘着テープ又は接着ストリップを使用することによって達成されてもよい。カートリッジ２の本体４７の材料に応じて、カバープレート１２をカートリッジ２に取り付けるために溶接方法も適用されてもよい。より太い線によって示すように、ここで、表層４は、カバープレート１２の下面４８に密閉して取り付けられる。この表層４の取り付けは、粘着テープもしくは接着ストリップを使用することによって、又は溶接によって（例えば、レーザ溶接によって）実行されてもよい。柔軟な底層３は、粘着テープもしくは接着ストリップを使用することによって、又は溶接技法を適用することによって、柔軟な底層３の周囲４０に沿って表層４に密閉して取り付けられる。
図９において、注入穴４１’’’も図示されている。したがって、使い捨てカートリッジ２の中央開口４３に配置されており、かつ、ピペット先端が到達可能であるように構成されるそのような注入穴４１’’’は、処理液、試薬あるいは試料を直に隙間６に注入するのに使用することができる。無論、注入穴４１’’’は、カバープレート１２において開口（存在する場合）及び表層４内の貫通孔を含む。そのような注入穴４１’’’は、各事例において区画２１の下に配置される１つ又は複数の穿孔穴４１’に加えて、又はそれに代えて使用することができる。
この使い捨てカートリッジ２は、それぞれの区画２１の内容物を表層４のそれぞれの充填サイト４１に対して押すために、各事例において手動で又は作動要素３８（図１０参照）によって区画２１内で可動であるように構成される少なくとも１つのプランジャ４２を備える。プランジャ４２は、区画２１のそれぞれの充填サイト４１において表層４を貫通するように構成される穿孔ピン２７を含む。したがって、プランジャ４２は、区画２１の内容物のいくらかを、表層４の穿孔サイト４１’を通して隙間６の中へと押し込むように構成される。代替的に、プランジャ４２は、区画２１の内容物のいくらかを、表層４の毛管穴４１’’を通して隙間６の中へと押し込むように構成される。この毛管穴４１’’は好ましくは、プランジャ４２によって圧力を加えることなく（図１１左側参照）、水性液体の流れを防止する毛管力を呈するようなサイズにされる。したがって、充填サイト４１は、好ましくは、穿孔サイト４１’、毛管穴４１’’、及び注入穴４１’’’を含む群から選択される。
図１１において、デジタルマイクロ流体システム１の電極アレイ９上のそのカートリッジ収納サイト８に達した後の、使い捨てカートリッジ２の断面図が示されている。使い捨てカートリッジ２は、第８実施形態に従って構成され、クランプ３７によって適所に保持される。
図１１において、プランジャ４２は、使い捨てカートリッジ２の本体４７の上面４９に対して区画２１を密閉するように構成される。好ましくは、この密閉は、プランジャ４２の周囲のＯリングシール３９を用いて達成される。代替的に、図９及び図１０に示すように、使い捨てカートリッジ２の本体４７の上面４９に、区画２１の少なくとも１つを上記上面４９に対して密閉するように構成される弾性層４４が密閉して付けられる。好ましくは、プランジャ４２は、弾性層４４にその裏側で取り付けられ、そのため、弾性層の外部に（手動で又は作動要素３８、図１０参照、を用いて）何ら圧力を加えることなく、プランジャ４２は、本体４７の上面４９付近の適所に保持される（図９参照）。
しかしながら、プランジャ４２が押し下げられると（図１０及び図１１の右側参照）、穿孔ピン２７がカバー層１２又は本体４７における貫通孔１９に貫入し、表層４を貫通する。同時に、処理液、試薬あるいは試料（溶液又は懸濁液中の）である、区画２１の内容物の一部が、プランジャによって隙間６の中に押し込まれる。結果として、底層３の第１疎水性表面１７’に、液滴２３が構築され、底層３のこの第１疎水性表面１７’と表層４の第２疎水性表面１７’’との間の隙間内にて操作することができる。液滴２３の操作は、使い捨てカートリッジ２が収納されているデジタルマイクロ流体システム１の電極アレイ９によって実行される。
代替的に、プランジャ４２を押し下げることによって、処理液、試薬あるいは試料（溶液又は懸濁液中の）である、区画２１の内容物の一部が、毛管穴４１’’を通して隙間６の中へと強制的に動かされる（プランジャ４２を動かす準備ができている図１１の左側参照）。結果として、底層３の第１疎水性表面１７’に、液滴２３が構築されることになり、底層３のこの第１疎水性表面１７’と表層４の第２疎水性表面１７’’との間の隙間において操作することができる。ここでも、液滴２３の操作は、使い捨てカートリッジ２が収納されているデジタルマイクロ流体システム１の電極アレイ９によって実行されることになる。
図１１の第８実施形態によれば、使い捨てカートリッジ２の本体４７は、基本的に平坦な下面４８を有するプレート状構造として構成され、各事例において、区画２１は、穿孔サイト４１’又は毛管穴４１’’にある貫通孔１９によって上記下面４８に通じている。
本発明の使い捨てカートリッジ２の第７及び第８実施形態において、１つの好適な代替形態は、柔軟な底層３が単層の疎水性材料として構成されることである。第２の好適な代替形態によれば、柔軟な底層３は、単層の非導電性材料として構成され、柔軟な底層３の上面１７が、疎水性になるように処理される。第３の好適な代替形態によれば、柔軟な底層３は、下層及び疎水性上層を備える積層体として構成され、下層は、導電性又は非導電性である。本発明の使い捨てカートリッジ２の別の好適な実施形態によれば、誘電体層２４は、底層３の下面上に積層される（例えば、図１１参照）。
本発明の使い捨てカートリッジの第７及び第８実施形態の１つの変形形態によれば、使い捨てカートリッジ２は、柔軟な底層３の下面に、底層の周囲４０に沿って取り付けられるガスケット３６をさらに備える。したがって、使い捨てカートリッジ２がデジタルマイクロ流体システム１の電極アレイ９の上方に置かれるときに、ガスケット３６は、上記第１疎水性表面１７’と上記第２疎水性表面１７’’との間に特定の距離を規定する。これは、上記デジタルマイクロ流体システム１が電極アレイ９において吸引孔３５を設ける場合で、かつ柔軟な底層３が上記吸引孔３５によって吸引される場合に当てはまる。
図１２は、第９実施形態に従って構成され、クランプを用いずに適所に保持されている使い捨てカートリッジ２が、その収納サイト８に達した後の使い捨てカートリッジ２の断面図を示す。実際に、第９実施形態における２つの異なる形態を以下に示す。
・左側において、本体４７はプレート構造として構成されている。
・右側において、本体４７は枠構造として構成されている。
両方の事例において、使い捨てカートリッジ２の本体４７の下面４８は、基本的に平坦である。したがって、第９実施形態に従って構成される使い捨てカートリッジ２は、下面４８、上面４９、及び少なくとも１つの貫通孔１９を有する本体４７を備える。少なくとも１つの貫通孔１９は、ピペット先端２６が到達可能であるように構成される注入穴４１’’’として設計される。したがって、貫通孔１９は、処理液、試薬、あるいは試料を隙間６へ注入することを可能にする。
本体４７に加えて、使い捨てカートリッジ２は、液体に対して不浸透性であり、かつ液滴２３の試料を操作するための作業フィルムとして構成される第１疎水性表面１７’を有する底層３を備える。そのような操作は、使い捨てカートリッジ２の底層３が電極アレイ９の上方に置かれるときに、デジタルマイクロ流体システム１の上記電極アレイ９を利用して実行される。好ましくは、柔軟な底層３は、粘着テープもしくは接着ストリップによって、又は代替的に溶接によって、柔軟な底層３の周囲４０に沿って導電性材料１５に密閉して取り付けられる。
使い捨てカートリッジ２は、本体４７の下面４８に取り付けられる導電性材料１５をさらに備える。導電性材料１５は、液体に対して不浸透性であり、本体４７の下面４８に第２疎水性表面１７’’を設けるように構成される。底層３は、当該柔軟な底層３の周囲４０に沿って使い捨てカートリッジ２の導電性材料１５に密閉して取り付けられる柔軟なフィルムとして構成され、したがって、使い捨てカートリッジ２は、柔軟な底層３と導電性材料１５との間に配置される、上記第１疎水性表面１７’と上記第２疎水性表面１７’’との間に特定の距離を規定するためのスペーサー５がない（図２、図６、及び図８〜図１０と比較）。
使い捨てカートリッジ２は、底層３の第１疎水性表面１７’と導電性材料１５の第２疎水性表面１７’’との間に配置される隙間６をさらに備える。本体４７の少なくとも１つの貫通孔１９は、処理液、試薬、あるいは試料を隙間６へ移すための充填サイト４１として構成される。
使い捨てカートリッジ２は、１つ又は複数の充填サイト４１の周囲に配置される本体４７の１つ又は複数の容器状のくぼみとして構成される、区画２１のようなものをさらに備える。しかしながら、これらの区画２１は、長期間にわたって、あるいはさらには出荷中に液体を貯蔵するようには意図されておらず、それらは、ピペット先端２６（使い捨てであるか、又はそうでない）が充填サイト４１に配置される注入穴４１’’’付近に達することを可能にするように構成されるにすぎない。好ましくは、これらの「区画２１」は充填サイト４１の周囲の中央のくぼみを含み、中央のくぼみは、何らかの液体が隙間６へ移される前に、液体が一時的に保持されることを可能にする。
すでに示した全ての他の実施形態のように、柔軟な底層３は、好ましくは、単層の疎水性材料として構成される。第１の好適な代替変形形態によれば、柔軟な底層３は、単層の非導電性材料として構成され、柔軟な底層３の上面が、疎水性表面１７になるように処理される。第２の好適な代替変形形態によれば、柔軟な底層３は、下層及び疎水性上層を備える積層体として構成され、下層は導電性又は非導電性である。
他の代替的な実施形態において、使い捨てカートリッジ２は、柔軟な底層３の下面に、柔軟な底層３の周囲４０に沿って取り付けられるガスケット３６をさらに備える。したがって、上記デジタルマイクロ流体システム１が電極アレイ９に吸引孔３５を設ける場合で、かつ柔軟な底層３が上記吸引孔３５によって吸引される場合に、使い捨てカートリッジ２がデジタルマイクロ流体システム１の電極アレイ９の上方に置かれるときに、ガスケット３６は、上記第１疎水性表面１７’と上記第２疎水性表面１７’’との間に特定の距離を規定する。
図１２において、ガスケット３６は、電極アレイ９の個々の電極１０を支持する底基板１１に取り付けられる。ここで、誘電体層２４は、電極アレイ９の表面に取り付けられ、酸化、機械的衝撃、及び汚染のような他の影響から個々の電極を保護する。誘電体層２４はまた、使い捨てカートリッジ２の収納サイト８の周囲に延在する閉リングとして構成されるガスケット３６をも被覆する。誘電体層２４は、挿入ガイド２５の少なくとも一部をさらに被覆し、使い捨てカートリッジ２の一部にわたって（左側参照）、又はその高さ全体を越えて（右側参照）延びる。
これまでに説明した本発明の使い捨てカートリッジ２の第７、第８、及び第９実施形態によれば、これらの本発明の使い捨てカートリッジ２の少なくとも１つを、ベースユニット７の電極アレイ９に配置されるそのカートリッジ収納サイト８に受け入れるように構成される代替的なデジタルマイクロ流体システムも提案される。少なくとも１つのそのような使い捨てカートリッジ２の柔軟な底層３と表層４との間の隙間６内にて液滴の試料を操作するためのそのようなデジタルマイクロ流体システム１は、好ましくは、
（ａ）使い捨てカートリッジ２を受け入れるように構成される少なくとも１つのカートリッジ収納サイト８を有するベースユニット７と、
（ｂ）ベースユニット７の上記カートリッジ収納サイト８に配置される電極アレイ９であって、底基板１１によって支持され、実質的に第１面において延在し、多数の個々の電極１０を備える、電極アレイ９と、
（ｃ）上記電極アレイ９の個々の電極１０の選択をコントロールし、かつ、エレクトロウェッティングによって上記カートリッジ２の隙間６内にて液滴を操作するための個々の電圧パルスをそれらの電極１０に供給する中央制御装置１４と、
を備える。
独創的なデジタルマイクロ流体システム１は、さらに、
（ｄ）電極アレイ９を貫通し、ベースユニット７のカートリッジ収納サイト８にわたって分散されている多数の吸引孔３５と、
（ｅ）排出空間４６内に負圧を確立するための真空源３３と、
（ｆ）吸引孔３５を真空源３３に連結するための多数の真空ライン３４と、
を備える。
独創的なデジタルマイクロ流体システム１は、ガスケット３６が、カートリッジ収納サイト８の周囲４５に配置されるとき、使い捨てカートリッジ２の柔軟な底層３、デジタルマイクロ流体システム１の電極アレイ９及び底基板１１、ならびにガスケット３６によって形成される排出空間４６をカートリッジ収納サイト８に密閉することを特徴とする。
独創的なデジタルマイクロ流体システム１は、排出空間４６内の負圧によって、カートリッジ収納サイト８に置かれる使い捨てカートリッジ２の柔軟な底層３が、デジタルマイクロ流体システム１の電極アレイ９及び底基板１１に引きつけられ、それらの上に延伸させられることをさらに特徴とする。使い捨てカートリッジ２の柔軟な底層３のこの延伸によって規定される隙間６は、使い捨てカートリッジ２の柔軟な底層３と表層４との間に配置されるスペーサー５を使用することなく有効にされるということに、特に留意されたい。
本発明の使い捨てカートリッジ２の第７及び第８実施形態の別の変形形態によれば、使い捨てカートリッジ２は、ガスケット３６を備えない。代わりに、ガスケット３６は、デジタルマイクロ流体システム１のベースユニット７の底基板１１に永続的に固定されるか、又は、ガスケット３６は、電極アレイ９及び底基板１１を永続的に被覆する誘電体層２４に固定される。無論、この場合、誘電体層２４は、排出空間４６に負圧を生成することを可能にするためにベースユニット７の吸引孔３５の場所に孔を有し、このことは、カートリッジ収納サイト８に置かれる使い捨てカートリッジ２の柔軟な底層３を、デジタルマイクロ流体システム１の電極アレイ９及び底基板１１に引きつけ、延伸させられる。
本発明の使い捨てカートリッジ２の第７及び第８実施形態のさらなる変形形態によれば、ガスケット３６は、ベースユニット７のカートリッジ収納サイト８に置かれることになる使い捨てカートリッジ２の柔軟な底層３の下面で、その周囲４０に沿って永続的に取り付けられる。
独創的なデジタルマイクロ流体システム１は、好ましくはベースユニット７を設け、ベースユニット７は、使い捨てカートリッジ２を内部に収納するような大きさを有する枠として構成される挿入ガイド２５を備える。ベースユニット７が、ベースユニット７のカートリッジ収納サイト８における所望の位置にこの使い捨てカートリッジ２を固定するように構成されるクランプ３７を備えることが特に好適である。第９実施形態に関連して説明されているように（図１２参照）、そのようなクランプ３７を使用することが絶対に必要であるとは限らない。ここで、層は全て十分に密閉されており、底面における排出空間４６の真空が、使い捨てカートリッジ２を、デジタルマイクロ流体システム１のカートリッジ収納サイト８内で安全に適所に保持する。
ベースユニット７は、各事例において、カートリッジ収納サイト８に置かれる使い捨てカートリッジ２の区画２１内で可動であるように構成されるプランジャ４２を作動させるように構成される作動要素３８を備えることがさらに好ましい。したがって、プランジャ４２は、各事例において、ベースユニット７のカートリッジ収納サイト８に配置される使い捨てカートリッジ２の隙間６に、それぞれの区画２１の内容物を押し込むように構成される。好ましくは、作動要素３８は、モータ駆動であり、デジタルマイクロ流体システム１の中央制御装置１４によってコントロールされるように構成される。挿入ガイド２５は、好ましくは、アルミニウムから、別の軽金属もしくは軽合金から、又はステンレス鋼から製造される。
本発明の使い捨てカートリッジ２を製造するのに、以下の材料及び寸法が特に好適である。
Figure 0006033959
独創的な使い捨てカートリッジ２及び独創的なデジタルマイクロ流体システム１は、疎水性表面１７に付着する液滴２３の試料を操作する代替的な方法が実行されることを可能にする。この方法は、
（ａ） 底層３の第１疎水性表面１７’、表層４の第２疎水性表面１７’’、及び、第１疎水性表面１７’と第２疎水性表面１７’’との間の隙間６を、使い捨てカートリッジ２に設けること、ここで使い捨てカートリッジ２は、内部に処理液、試薬あるいは試料を保持する少なくとも１つの区画２１を有する本体４７をさらに備え、上記区画２１は、その内容物の少なくともいくらかを隙間６に送達するための貫通孔１９を備える、
（ｂ） 電極アレイ９をデジタルマイクロ流体システム１に設けること、ここで電極アレイ９は、第１面において実質的に延在し、また、底基板１１によって支持され、かつデジタルマイクロ流体システム１の中央制御装置１４に接続される多数の個々の電極１０を備え、この中央制御装置は、上記電極アレイ９の個々の電極１０の選択をコントロールし、かつ、エレクトロウェッティングによって上記第１疎水性表面１７’上の上記液滴２３を操作するための個々の電圧パルスをそれらの電極１０に供給する、
（ｃ） 表層４の疎水性表面１７’’が底層３の上記第１疎水性表面１７’に実質的に平行に、ある距離をおいて延在するように隙間６を形成すること、
のステップを備える。
この方法は、
（ｄ） 底層３を、柔軟なフィルムとして、当該柔軟な底層３の周囲４０に沿って表層４に密閉して取り付けられること、よって使い捨てカートリッジ２は、柔軟な底層３と表層４との間に配置され、上記第１疎水性表面１７’と上記第２疎水性表面１７’’との間のある距離を規定するためのスペーサー５がない、
（ｅ） デジタルマイクロ流体システム１のベースユニット７のカートリッジ収納サイト８に使い捨てカートリッジ２を置くこと、ここで表層４は、少なくとも１つの区画２１の下端と隙間６との間に密閉をもたらすように構成され、表層４は、隙間６へ処理液、試薬あるいは試料を移すための充填サイト４１を備える、
（ｆ） カートリッジ収納サイト８の周囲４５に配置されるガスケット３６によって排出空間４６をカートリッジ収納サイト８に密閉すること、ここで排出空間４６は、柔軟な底層３、電極アレイ９、底基板１１、及びガスケット３６によって形成される、
（ｇ） 排出空間４６に負圧を生成すること、これは、カートリッジ収納サイト８に置かれる使い捨てカートリッジ２の柔軟な底層３を、電極に引きつけ、その上に延伸させる、
のステップを備えることを特徴とする。
この方法を適用するとき、好ましくは、排出空間４６の負圧は、真空源３３によって生成され、真空源３は、デジタルマイクロ流体システム１の中央制御装置１４によってコントロールされ、電極アレイ９を貫通しベースユニット７のカートリッジ収納サイト８にわたって分散される吸引孔３５へ多数の真空ライン３４によって連結される。使い捨てカートリッジ２の区画２１に含まれるプランジャ４２が手動で又は作動要素３８によって動かされ、それぞれの区画２１の内容物が表層４のそれぞれの充填サイト４１に押されることは、さらに好ましい。プランジャ４２の穿孔ピン２７によって、表層４が区画２１のそれぞれの穿孔サイト４１’にて穿孔され、区画２１の内容物のいくらかが、空けられた空孔を通じて表層４のこの穿孔サイト４１’及び隙間６に押し込まれることもまた好ましい。代替的に又は付加的に、区画２１の内容物のいくらかが、プランジャ４２によって表層４のそれぞれの毛管穴４１’’を通じて隙間６へと押し込まれることもまた好適であり、毛管穴４１’’は、プランジャ４２によって圧力が加えられることなしで、水性液体の流れを防止する毛管力を呈するようなサイズにされる。
各事例において、エレクトロウェッティングによって上記第１疎水性表面１７’上の液滴２３を操作した後、及び／又はこれらの液滴２３のいくらかの試料を分析した後、使い捨てカートリッジ２は、デジタルマイクロ流体システム１のベースユニット７のカートリッジ収納サイト８から取り出され、廃棄されることが好ましい。
当業者にとって合理的であると考えられる、ここに開示するカートリッジ２の異なる実施形態の特徴の任意の組合せは、本発明の要点及び範囲に含まれる。
各事例において、たとえそれらが特に記載されていない場合であっても、参照符号は、デジタルマイクロ流体システム１、特に、本発明の使い捨てカートリッジ２の同様の要素を指す。
１ デジタルマイクロ流体システム
２ 使い捨てカートリッジ
３ 底層
４ 表層
５ スペーサー
６ ３と４との間の隙間
７ ベースユニット
８ カートリッジ収納サイト
９ 電極アレイ
１０ 個々の電極
１１ 底基板
１２ カバープレート
１３ 上部基板
１４ 中央制御装置
１５ 導電性材料
１６ ヒンジ
１７ 疎水性表面
１７’ 第１疎水性表面
１７’’ 第２疎水性表面
１８ 穿孔設備
１９ 貫通孔
２０ 穿孔ピペット先端
２１ 区画
２２ 追加の穿孔設備
２３ 液滴
２４ 誘電体層
２５ 挿入ガイド
２６ 使い捨てピペット先端、ピペット先端
２７ 穿孔ピン
２８ ピンプレート
２９ 変位部分
３０ 閉鎖手段
３１ 穿孔可能膜
３２ 分離バー
３３ 真空源
３４ 真空ライン
３５ 吸引孔
３６ ガスケット
３７ クランプ
３８ 作動要素
３９ シール
４０ ３の周囲
４１ 充填サイト
４１’ 穿孔サイト
４１’’ 毛管穴
４１’’’ 注入穴
４２ プランジャ
４３ 中央開口
４４ 弾性層
４５ ８の周囲
４６ 排出空間
４７ 本体
４８ ４７の下面
４９ ４７の上面

Claims (15)

  1. デジタルマイクロ流体デバイス（１）の中又は上の液滴（２３）の試料を操作するように構成される使い捨てカートリッジ（２）であって、
    デジタルマイクロ流体デバイス（１）は、使い捨てカートリッジ（２）を収納するように構成され、ベースユニット（７）と、使い捨てカートリッジ（２）を受け入れるためのカートリッジ収納サイト（８）と、底基板（１１）によって支持されカートリッジ収納サイト（８）に配置される電極アレイ（９）と、電極アレイ（９）の個々の電極（１０）の選択をコントロールし、かつ、エレクトロウェッティングによって上記使い捨てカートリッジ（２）内にて液滴（２３）を操作するための個々の電圧パルスをそれらの電極（１０）に供給する中央制御装置（１４）と、を備え、
    使い捨てカートリッジ（２）は、
    ａ） 液体に対して不浸透性であり、その上で液滴（２３）の試料を操作するための第１疎水性表面（１７’）を有する作業フィルムとして構成される底層（３）と、
    ｂ） 第２疎水性表面（１７’’）を有する本体（４７）であって、
    −使い捨てカートリッジ（２）の隙間（６）へ処理液、試薬あるいは試料を移す少なくとも１つの貫通孔、又は
    −内部に処理液、試薬あるいは試料を保持するように構成され、使い捨てカートリッジ（２）の隙間（６）にその内容物の少なくともいくらかを送達するための貫通孔（１９）を備える少なくとも１つの区画（２１）
    を有する、本体（４７）と、
    ｃ） 底層（３）の第１疎水性表面（１７’）と本体（４７）の第２疎水性表面（１７’’）との間に配置される隙間（６）と、
    ｄ） 使い捨てカートリッジ（２）に取り付けられるガスケット（３６）と、
    を備え、
    ガスケット（３６）は、隙間（６）の外側で柔軟な底層（３）の周囲（４０）に沿って使い捨てカートリッジ（２）に取り付けられ、ガスケット（３６）は、使い捨てカートリッジ（２）と、使い捨てカートリッジ（２）が収納されているデジタルマイクロ流体システム（１）のカートリッジ収納サイト（８）との間に配置されるように構成され、ガスケット（３６）は、使い捨てカートリッジ（２）の柔軟な底層（３）及びガスケット（３６）によって、ならびに、デジタルマイクロ流体デバイス（１）の電極アレイ（９）及び底基板（１１）によって、形成される排出空間（４６）を、カートリッジ収納サイト（８）において密閉するように構成され、
    使い捨てカートリッジ（２）の底層（３）は、柔軟なフィルムであり、このフィルムは、柔軟な底層（３）の周囲（４０）に沿って本体（４７）に密閉して取り付けられ、この柔軟な底層（３）は、カートリッジ収納サイト（８）に置かれるように構成され、排出空間（４６）における負圧によってデジタルマイクロ流体システム（１）のカートリッジ収納サイト（８）に引きつけられ、その上で延伸するように構成され、これにてガスケット（３６）が上記隙間（６）を形成した状態にある、
    ことを特徴とする、使い捨てカートリッジ（２）。
  2. 使い捨てカートリッジ（２）の柔軟な底層（３）は、全体が疎水性フィルムであるか、又は、使い捨てカートリッジ（２）の隙間（６）に露出する第１疎水性表面（１７’）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の使い捨てカートリッジ（２）。
  3. 表層（４）が、使い捨てカートリッジ（２）の本体（４７）の下面（４８）に密閉して取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の使い捨てカートリッジ（２）。
  4. 使い捨てカートリッジ（２）の表層（４）は、全体が疎水性フィルムであるか、又は、使い捨てカートリッジ（２）の隙間（６）に露出する第２疎水性表面（１７’’）を備えることを特徴とする、請求項３に記載の使い捨てカートリッジ（２）。
  5. 使い捨てカートリッジ（２）の表層（４）は、少なくとも１つの区画（２１）の下端と隙間（６）との間に密閉を提供するように構成されることを特徴とする、請求項３に記載の使い捨てカートリッジ（２）。
  6. 使い捨てカートリッジ（２）の表層（４）は、処理液、試薬、あるいは試料を隙間（６）へ移すための充填サイト（４１）を備えることを特徴とする、請求項５に記載の使い捨てカートリッジ（２）。
  7. 柔軟な底層（３）は、柔軟な底層（３）の周囲（４０）に沿って表層（４）に密閉して取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の使い捨てカートリッジ（２）。
  8. 使い捨てカートリッジ（２）の本体（４７）の上面（４９）に、区画（２１）の少なくとも１つを上記上面（４９）に対して密閉するように構成される弾性層（４４）が密閉して付けられることを特徴とする、請求項１に記載の使い捨てカートリッジ（２）。
  9. 導電性材料（１５）が本体（４７）の下面（４８）に取り付けられ、導電性材料（１５）は、液体に対して不浸透性であり、本体（４７）の下面（４８）に第２疎水性表面（１７’’）を設けるように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の使い捨てカートリッジ（２）。
  10. 柔軟な底層（３）は、柔軟な底層（３）の周囲（４０）に沿って導電性材料（１５）に密閉して取り付けられることを特徴とする、請求項９に記載の使い捨てカートリッジ（２）。
  11. 柔軟な底層（３）は、単層の疎水性材料として構成されることを特徴とする、請求項１に記載の使い捨てカートリッジ（２）。
  12. 柔軟な底層（３）は、単層の非導電性材料として構成され、柔軟な底層（３）の上面は、疎水性表面（１７）になるように処理されることを特徴とする、請求項１に記載の使い捨てカートリッジ（２）。
  13. 柔軟な底層（３）は、下層及び疎水性上層を備える積層体として構成され、下層は、導電性又は非導電性であることを特徴とする、請求項１に記載の使い捨てカートリッジ（２）。
  14. 使い捨てカートリッジ（２）の本体（４７）は、本質的に平坦な下面（４８）を備え、本体（４７）は、枠構造として、又はプレート構造として構成され、
    少なくとも１つの貫通孔（１９）は、ピペット先端（２６）が到達可能であり、よって、処理液、試薬あるいは試料を隙間（６）に注入することを可能にするように構成される注入穴（４１’’’）として構成されることを特徴とする、請求項１に記載の使い捨てカートリッジ（２）。
  15. 使い捨てカートリッジ（２）の本体（４７）は、本質的に平坦な下面（４８）を備え、枠構造全体を貫通する中央開口（４３）を有する枠構造として構成され、
    使い捨てカートリッジ（２）は、さらに、使い捨てカートリッジ（２）の本体（４７）の下面（４８）に取り付けられる平面剛性カバープレート（１２）を備え、表層（４）が上記平面剛性カバープレート（１２）に取り付けられ、平面剛性カバープレート（１２）は、表層（４）の充填サイト（４１）に配置される貫通孔（１９）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の使い捨てカートリッジ（２）。
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