KR20050071505A - 전기습윤 기반의 기술에 의한 액적(液滴) 조작 방법 및장치 - Google Patents

전기습윤 기반의 기술에 의한 액적(液滴) 조작 방법 및장치 Download PDF

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필립 와이. 팩
홍 렌
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Abstract

(a) 기판면(substrate surface)을 구비한 기판; (b) 상기 기판면 상에 배치된 전극들의 어레이; (c) 기준 요소들의 어레이로서, 상기 전극 어레이와 실질적으로 동일 평면상의 관계로 배치되고, 기준 전위로 설정될 수 있으며, 각각의 기준 요소는 상기 전극들 중 적어도 하나에 인접한 기준 요소들의 어레이; (d) 상기 기판면에 배치되고 상기 전극들을 덮도록 패터닝된 유전체층; 및 (e) 상기 어레이의 하나 이상의 선택된 전극들을 순차적으로 활성화 및 비활성화시켜 상기 선택된 전극들을 활성 전압으로 순차적으로 바이어스(bias)시키는 것으로서, 상기 기판면에 배치된 액적이 상기 선택된 전극들에 의해 한정된 소망된 경로를 따라 이동하도록 하는 전극 선택기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치를 개시한다.

Description

전기습윤 기반의 기술에 의한 액적(液滴) 조작 방법 및 장치{Methods and apparatus for manipulating droplets by electrowetting-based techniques}
본 발명은 미세 유체(microfluidic) 스케일 상의 액적(液滴, droplet) 기반의 샘플 준비, 혼합 및 희석과 같은 액적 기반의 액체 취급 및 처리의 분야에 관계된 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 전자습윤(electrowetting) 기반의 기술에 의해 액적을 조작하는 것에 관한 것이다.
미세 유체 시스템은 모세혈관 사이즈의 연속적인 유체의 유동에 대한 특정한 처리 기술을 수행할 수 있는 잠재능력 때문에 최근 연구되고 있다. 특히, "랩스-온-칩(LoC: labs-on-chip)"과 마이크로 통합 분석 시스템(μ-TAS: micro total analysis system)이라고도 알려져 있는 "케미스트리-온-칩(chemistry-on-chip)" 센서와 분석기로 흔히 언급되는 미세 유체 장치의 개발이 현재 큰 관심을 끌고 있다. 이 분야에서의 궁극적인 연구 목적은 대부분의 일반적인 (생)화학 실험 절차들과 장비를 소형화되고 자동화된 침 기반의 체제(chip-based format)로 축소시키고, 그것에 의해 신속하고 이동가능하며 저렴하고 신뢰성 있는 (생)화학 기계 고안을 가능케 하는 것이다. 응용예들은 의학 진단, 환경 감시 및 기초 과학 연구를 포함한다.
연속적인 유동의 온라인 감시는 대부분 샘플 수집 및 주입을 위한 적절한 유동 제어 및 밸브조절을 통해 연속적인 유동의 출력을 고압 액체 크로마토그래피(HPLC: high pressure liquid chromatography), 모세관 전기영동(CE: capillary electrophoresis) 또는 질량 분광계(MS: mass spectrometry) 시스템과 같은 거대한 분석 기계의 입력에 연결함에 의해 이루어지고 있다. 연속적인 감시를 위한 미세 유체 시스템은 통상적으로 소형화된 특정한 검체(analyte)를 인지하는 생체 감응 센서(biosensor)를 이용하는데, 연속적인 유동의 스트림이 일련의 생체 감응 센서의 상부로 또는 생체 감응 센서를 통해 지나가게 된다. 센서는 공통 채널에 위치하기 때문에, 센서들 사이의 크로스 토크 또는 오염이 종종 관심사이다. 시약(reagent)이 유동과 혼합돼야만 하는 분석에서, 유동이 같은 종류의 스트림으로 분리되고 각 스트림에서 시약을 첨가하고 유동을 제어하며 혼합하고 검출을 수행하기 위한 서로 분리된 수단들을 가지지 않는다면, 한번에 오직 하나의 검체만이 측정될 수 있다. 게다가, 미세 유체 유동에서의 혼합은 일반적으로 대단히 어렵다. 충분한 시간과 거리가 혼합을 위해 제공돼야만 하는데, 이는 칩 설계와 시스템 유동 비율을 구속한다.
일반적으로, 혼합은 화학 분석과 생물학적 응용에서 기초적인 처리이다. 미세 유체 장치에서의 혼합은 마이크로 통합 분석 시스템(μ-TAS: micro total analysis system) 또는 "랩-온-칩(lab-on-chip)" 시스템을 구현하는데 있어서 결정적 스텝이다. 이하에서 기술될 본 발명에 따르면, 이러한 시스템에서의 혼합은 전처리 샘플 희석 또는 특정한 비율의 샘플과 시약 사이의 반응에 사용될 수 있다는 것을 가정한다. 최소한의 칩 영역을 사용하는 동안에 액체를 신속하게 혼합할 수 있는 능력은 그러한 시스템의 처리량을 극도로 향상할 것이라는 것도 가정한다. 향상된 혼합은 두 원리에 의존할 것인데, 그것은 확산을 통해 혼합을 증진시키기 위한 작은 스케일로 몹시 난류이고 비가역적인 유동을 만들어내거나 다중 래머네이트(multilaminates)을 만들어내는 능력이다.
혼합기는 연속적인 유동 구조와 액적 기반의 구조로 대체로 분류할 수 있다. 모든 연속적인 유동 시스템 사이에서의 공통적인 제약은 유체 이송이 물리적으로 영구하게 식각된 구조에 국한되며 혼합을 증진시키기 위해 부가적인 메커니즘이 필요하다는 것이다. 사용된 이송 메커니즘은 일반적으로 외부 펌프에 의한 압력 구동 또는 고전압 인가에 의한 전기동역학적 구동이다. 이는 밸브와 복잡한 채널링(channeling)의 사용을 필요로 하는데, 값비싼 부동산을 칩에 소비하는 것을 초래하게 된다. 이러한 제약은 연속적인 유동 미세 혼합기가 진정하게 독립되고 부품이 바뀔 수 있는 랩-온-칩이 되는 것을 방해한다. 종래의 연속 유동 시스템이 국한된 채널에서의 연속적인 액체 유동에 의존하는 것과 달리, 액적 기반의 시스템은 불연속적인 액체 볼륨을 활용한다. 연속적인 유동 구조와 액적 기반의 구조는 모두 능동 혼합기와 수동 혼합기로 더 분류될 수 있다. 수동 혼합기에서, 처리를 위해 외부로부터 에너지가 입력되지 않은 채 확산을 통해 수동적으로 혼합이 이루어진다. 반면, 능동 혼합은 어떤 종류의 발동(actuation)을 통해 확산된 다중 래머네이트 또는 난류를 만들어낸다는 외부 에너지의 이점을 갖는다. 미시적인 세계에서, 기계적인 발동에 의해 난류 유동을 만들기가 어렵기 때문에 효과적인 혼합은 기술적 과제이다. 난류를 만드는 관성력, 그리고 혼합을 증진시키기 위해 필요한 결과적인 넓은 계면 표면 면적이 없다. 따라서, 한정된 계면 면적을 통한 확산에 의존하는 혼합은 제약이 있다.
최근, 음향파에 의한 능동 혼합(비벡(Vivek) 등, "신규 음향 마이크로 혼합기", MEMS 2000 p. 668-73 참조), 초음파(양(Yang) 등, "미세 유체 시스템을 위한 초음파 마이크로 혼합기", MEMS 2000, p. 80), 및 압(壓)전기적으로 구동되는 밸브가 없는 마이크로 펌프를(양(Yang) 등, "압전기적으로 구동되는 밸브가 없는 마이크로 펌프를 가진 마이크로 혼합기", 마이크로 통합 분석 시스템 '98, p. 177-180)가 제안되었으며, 그 유효성이 증명되었다. 전기 삼투압 유동에 의한 혼합 역시 폴(Paul) 등에게 허여된 미극 등록 특허 제 6,086,243호에 개시되었다. 혼합을 위한 카오스적 수평 기류(advection)를 이용하는 다른 혼합 기술이 최근 보고되고 있다. 리(Lee) 등에 의한 극미세 전자기계 시스템(MEMS: micro electro mechanical system)에 관한 2001년의 제 14회 IEEE 워크샵 p. 483-485의 "전기적 구동 및 압력 구동 미세 유동에서의 카오스적 혼합", 류(Liu) 등에 의한 2000년 6월의 극미세 전자기계 시스템 저널 9권(No. 2) p. 190-197의 "3차원 구불구불한 마이크로 채널에서의 수동 혼합", 그리고 에반스(Evans) 등에 의한 제 10회 연례 극미세 전자기계 시스템(MEMS 97) p. 96-101의 "평판 층류 혼합기" 등을 참조하라. 리(Lee) 등은 카오스적 수평 기류를 발생시키기 위해 유전-전기영동력(dielectrophoretic force) 또는 압력을 이용했으며, 반면 류(Liu) 등은 유사한 수평 기류를 유도하기 위해 마이크로 채널의 구조에 의존했다. 에반스(Evans) 등은 평면상의 혼합 챔버를 만들었는데, 그 측면 상에서 비대칭 소스 및 흡수 장치(sink)가 유동의 필드를 발생시키며, 그것에 의해 유체 입자의 초기 위치에서의 작은 차이가 최종 위치에서의 큰 차이로 이어진다. 이는 유체 입자들의 카오스적인 재배열을 유발시키며, 따라서 두 유체들을 혼합한다. 가장 최근에는, 능동 혼합을 위해 전기 유체역학 대류를 사용하는 기술이 제안되었다. 진(Jin) 등에 의한 기술 다이제스트, 고체 상태 센서 및 액튜에이터 워크샵 p. 52-55의 "미세 유체 기반의 생화학 분석을 위한 전기 유체역학(EHD: electrohydrodynamic) 대류를 이용한 능동 혼합기"를 참조하라.
분자 확산은 작은 레이놀드 수(Reynold number) 유체 유동에서 중요한 역할을 한다. 일반적으로, 확산 속도는 두 유체 사이의 접촉 표면의 증가에 따라 증가한다. 분자 확산에 필요한 시간은 확산 거리의 제곱에 비례하여 증가한다. 단순한 좁은 혼합 채널을 갖는 신속한 확산 혼합기가 빈스트라(Veenstra) 등에 의해 증명되었는데, J. Microchem. Microeng. 9권 pg. 199-202 (1999)의 "미세 유동 주입 분석 시스템에서 적용될 수 있는 새로운 확산 혼합기를 위한 특징짓기 방법"을 참조하라. 확산 기반의 마이크로 혼합에 대한 최초의 해결방법은 두 유체를 나눔으로써 계면 면적을 증가시키고 확산 거리를 줄이는 것이었다. 나누는 것은 구조의 형태를 조작함에 의해 이루어진다. 한 해결방법은 미세 노즐 어레이를 통해 한 유체를 다른 유체로 주입하는 것이다. 미야케(Miyake) 등에 의한 극미세 전자기계 시스템 학회보 p.248-253(1993)의 "신속한 확산을 가진 마이크로 혼합기"를 참조하라. 대체적인 방법은 다중 스테이지 분리 및 재결합에 의한 박막으로서 하나의 채널에 두 유동 스트림을 쌓는 것이다. 브라네브제르그(Branebjerg) 등에 의한 IEEE 극미세 전자기계 시스템 학회보 p. 441(1996)의 "래머네이트에 의한 신속한 혼합", 크로그(Krog) 등에 의한 극미세 전자기계 시스템 p. 177-182(1998)의 "판상의 실리콘/글라스 기술을 이용하여 제조된 마이크로 혼합기에 대한 실험 및 시뮬레이션", 쉐싱어(Schwesinger) 등에 의한 J. Micromech. Microeng. 제 6권 pg. 99-102(1996)의 "통합된 마이크로 혼합기를 가진 모듈라 미세 유체 시스템", 그리고 쉐싱어(Schesinger) 등에 의한 SPIE 학회보, 국제 광학 공학 협회, 마이크로 기계 장치 및 부품, 제 2642호 p. 150-155의 "실리콘에 형성된 정적인 마이크로 혼합기"를 참조하라. 이 유형의 혼합기의 특징은 코흐(Koch) 등에 의해 제공되어 있는데, J. Microomech. Microeng. 제 8권 p.123-126의 "실리콘을 기초로 한 두 개의 단순한 마이크로 혼합기", 코흐(Koch) 등에 의한 센서와 액튜에이터, 피지컬(74) p. 207-210의 "마이크로 기계화된 화학 반응 시스템", 그리고 코흐(Koch) 등에 의한 J. Microme. Microeng. 제 9권 p. 156-158(1999)의 "마이크로 혼합기를 위한 개선된 특징 기술"을 참조하라. 래머네이트 기술의 변형은 사인파 형상의 유체 채널에서의 유체의 제작, 재배열 및 이어지는 재통합에 의해 유사하게 달성된다(캄퍼(Kamper) 등에 의한 극미세 전자기계 시스템 1997, p. 338의 "생물학적 미세 반응기 및 화학적 미세 반응기를 위한 미세 유체 성분"을 참조하라). 또는 사인파 형상의 유체 채널이 아니라 두개의 반대의 유동 유체의 대체적인 채널에서(http://www.imm-mainz.de/Lnews/Lnews_4/mire.html 참조), 또는 내부의 교차하는 채널을 형성하는 일련의 정지(靜止)된 단단한 요소를 갖는 3차원 파이프에서 달성된다(베르츠(Bertsch) 등에 의한 극미세 전자기계 시스템 2001 제 14회 극미세 전자기계 시스템 학회 p. 507-510의 "3차원 마이크로 혼합기 - 큰 스케일의 산업 정지 혼합기의 축소" 참조). 순수하게 확산을 기반으로 하는 정지된 혼합의 단점은 평면 밖으로의 유체 유동을 제공하기 위해 복잡한 3차원 구조가 필요하다는 것이다. 다른 단점은 유동을 특징짓는 낮은 레이놀드 수인데, 이는 긴 혼합 시간을 초래한다.
능동 혼합기에 있어서의 문제점은 혼합 공정 중의 에너지 흡수가 온도에 민감한 유체에 적용할 수 없게 한다는 것이다. 더욱이, 몇몇 능동 혼합기는 대류 및 국지화된 난류를 형성하기 위해 대전된 또는 분극된 유체 입자에 의존한다. 따라서, 낮은 전도성을 가진 유체는 적절하게 혼합될 수 없다. 그러나 섭동(攝動)력(perturbation force)이 기계적인 마이크로 펌프로부터 전달될 때, 밸브가 없는 마이크로 펌프의 존재는 혼합을 위한 용액들의 유동 비를 제어하는 것을 매우 어렵게 만든다.
연속적인 유동 시스템에서, 혼합비의 제어는 항상 기술적 문제이다. 샘플과 시약 유동 비율을 변화시킴에 의해, 혼합비는 시약과 샘플 포트에서의 적절한 압력의 제어로 얻어질 수 있다. 그러나, 유체 특성과 혼합 챔버/채널의 형상에 대한 압력의 의존성은 그 제어를 매우 복잡하게 만든다. 유입이 마이크로 펌프에 의해 제어될 때, 작동 주파수와 유동 비율간의 비 선형적 관계는 그 유동 비율을 자유롭게 변화시키는 것을 자명하지 않은 일로 만든다. 혼합기와 전기적으로 작동되는 플래퍼 밸브(flapper valve)의 통합에 의한 두 유체의 불연속적 혼합이 볼드만(Goldman) 등에 의해 증명되었는데, 극미세 전자기계 시스템 저널 제 9권 No.3 (2000년 가을)의 "통합된 유체 혼합기/밸브"를 참조하라. 디자인은 혼합비의 범위를 얻기 위해 복잡한 압력-유동 측정을 필요로 했다.
액적 기반의 혼합기가 호소카와(Hosokawa) 등에 의해 연구되었는데, 호소카와(Hosokawa) 등에 의한 극미세 전자기계 시스템 '99 p. 388의 "소수성 미세 모세관의 구멍을 이용하는 액적 기반의 나노/피코리터 혼합기", 호소카와(Hosokawa) 등에 의한 분석 화학 1999, 71권 p. 4781-4785의 "폴리(디메틸실록산) 기반의 미세 유체 장치에서의 피코리터 유체 샘플의 취급", 와시주(Washizu) 등에 의한 IEEE 산업 응용에 관한 거래 34권(No. 4) p. 732-737(1998)의 "미세 반응기 응용을 위한 액체 액적의 정전기 활성화", 번(Burn) 등에 의한 사이언스 282권(No. 5388) p. 484 (1998년 10월 16일)의 "통합된 나노리터 디엔에이 분석 장치", 폴락(Pollack) 등에 의한 응용 물리학 레터 77권 p. 1725 (2000년 9월)의 "미세 유체 응용을 위한 유체 액적의 전기습윤 기반의 활성화", 파물라(Pamula) 등에 의한 극미세 전자기계 시스템 학회, 2001, 8-10의 "미세 유체 전자습윤 기반의 액적 혼합", 파울러(Fowler) 등에 의한 IEEE 극미세 전자기계 시스템 학회보, 2002, 97-100의 "액적 기반의 미세 유체에 의한 혼합의 증진", 폴락(Pollack)에 의한 듀크 대학의 전자 컴퓨터 공학과의 박사학위논문 주제 "디지탈 미세 유체를 위한 액적의 전자습윤 기반의 미세 활성화", 우(Wu)에 의한 듀크 대학의 전자 컴퓨터 공학과의 석사학위논문 주제 "유닛 유동 미세 유체 시스템을 위한 입력 버퍼의 디자인과 제조"를 참조하라.
액적 기반의 혼합기가 연속적인 유동 기반의 미세 유체 장치 이상의 많은 장점을 제공하기 위해 디자인되고 제조될 수 있다고 믿어진다. 불연속적인 유동은 연속적인 미세 유체 장치에 의해 부과된 유동 비율 상의 제한을 제거할 수 있다. 액적 기반의 혼합 장치 디자인은 저비용으로 제조될 수 있는 평면상의 구조를 기초로 할 수 있다. 공기 구동(pneumatic drive), 정전기력 또는 전자습윤을 기초로 한 활성화 메커니즘은 히터를 필요로 하지 않으며, 따라서 (생)화학에 최소의 영향을 준다. 적절한 액적 생성 기술을 제공함에 의해, 액적 기반의 혼합기가 더 좋은 액체 볼륨 조절을 제공할 수 있다. 최종적으로, 액적 기반의 혼합기는 액적 내에서 내부 재순환을 발생시키기 위해 왕복운동시키거나 흔드는 것과 같은 액적 조작을 할 수 있게 하여, 확산 우위의 스케일에서 혼합 효율을 증가시킬 수 있다.
전술한 것의 관점에서, 연속적인 유동을 필요로 한 예전의 분석적이고 혼합 기술과 관련된 문제들을 다루기 위해 새로운 액적을 다루는 기술을 제공하는 것이 유리하다. 특히, 하기에서 설명되고 청구된 것과 같이 본 발명은 부분적으로, 연속적인 유동의 구조에 대해 대체적이고 더 좋은 해결책은 채널과 혼합 챔버가 영구히 식각되지 않으나 오히려 실질적이며 플라이(fly) 상에 배열되고 재배열될 수 있는 시스템을 디자인하는 것이라는 점을 발견하는 것으로부터 발전했다. 본 발명은 유체를 액적로 불연속적으로 만들기 위한 수단과 개개의 액적들을 독립적으로 제어하기 위한 수단을 제공하고, 각각의 액적이 실질적인 혼합 또는 반응 챔버로서 행동하는 것을 허용하는 것에 의해 그와 같은 시스템을 가능하게 한다.
도 1은 본 발명에 따라 양측(two-sided) 전극 구성을 갖는 전자습윤 미세 활성화 메커니즘의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따라 서로 맞물려 있는 주변부를 갖는 전극 셀들의 어레이의 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 구조화된 전자습윤 미세 활성화 메커니즘의 이행을 나타내는 전압 함수에 따른 스위칭율의 플롯이다.
도 4A-4D는 본 발명의 전자습윤 기술에 의해 이동되는 액적의 연속적인 개략적 도면들이다.
도 5A-5C는 본 발명의 전자습윤 기술을 이용하여 두 개의 액적들이 합쳐서 액적로 되는 것을 도시하는 연속적인 개략적 도면들이다.
도 6A-6C는 본 발명의 전자습윤 기술에 의해 하나의 액적이 두 개의 액적로 분리되는 것을 도시하는 연속적인 개략적 도면들이다.
도 7A 및 7B는 전극 어레이 상에 분배된 액체와 그 액체로부터 형성된 액적을 도시하는 연속적인 개략적 도면들이다.
도 8A는 1차원 선형 합체 공정을 구비한 본 발명의 전자습윤 미세 활성화 메커니즘을 도시하는 단면도이다.
도 8B는 상부 평면을 제거하여 도 8A의 구성을 도시하는 평면도이다.
도 9A, 9B 및 9C는 본 발명에 따라 액적들의 일차원의 선형 혼합이 수행될 수 있는 1전극, 3전극 및 4전극 구성을 각각 도시하는 평면도들이다.
도 10A, 10B 및 10C는 본 발명에 의해 가능해진 수송중의 혼합 공정의 예를 도시하는 개략적인 도면들이다.
도 11은 본 발명에 의해 가능하게 된 2차원 선행 혼합 공정을 도시하는 개략적인 도면이다.
도 12A는 본 발명에 따라 2차원 루프 혼합 공정이 수행되는 전극 셀들의 어레이를 도시하는 평면도이다.
도 12B는 회전하는 동안 액적의 일부분이 고정된, 2차원 루프 혼합 공정이 수행되는 2 X 2 전극 셀들의 어레이를 도시하는 평면도이다.
도 13은 도 9A, 9B 및 9C에 각각 도시된 1전극, 3전극 및 4전극 구성을 이용하여 능동 액적의 혼합을 수행하는 것을 특징짓는 데이터 플롯이다.
도 14는 도 12B에 도시된 2 X 2 전극 구성의 수행을 특징짓는 데이터의 플롯이다.
도 15A는 연속적인 유동 소스로부터의 액적들의 형성과 그 액적들이 전극을 갖는 표면을 가로질러 표면의 처리 영역으로 이동하는 것을 도시하는 개략도이다.
도 15B는 연속적인 유동 소스로부터, 전극을 갖는 표면의 전체 또는 그 일부분을 가로지르는 액적들을 형성하는 것을 도시하는 개략도이다.
도 16은 실시간 베이시스상의 전극 어레이 상에 국한될 수 있는 액적로부터 액적로의 혼합을 도시하는 평면도이다.
도 17은 본 발명에 따라 제공된 바이너리 혼합 장치의 개략도이다.
도 18A는 본 발명에 따라 하나의 상 혼합(one-phase mixing)을 할 수 있는 바이너리 혼합 유닛의 구성을 도시하는 개략도이다.
도 18B는 도 18A에 도시된 바이너리 혼합 유닛의 바이너리 혼합 조작이 이루어지는 매트릭스 부분을 자세히 도시하는 부분적인 개략도이다.
도 19A-19F는 소정의 소망된 혼합 비율을 갖는 액적을 얻기 위한 바이너리 혼합 조작을 수행하는 예시적 공정을 도시하는, 본 발명의 바이너리 혼합 유닛에 의해 제공되는 전극 어레이 또는 그 일부분을 도시하는 일련의 개략도들이다.
도 20은 본 발명에 따른 두개의 상 혼합(two-phase mixing)을 할 수 있는 바이너리 혼합 유닛을 위한 구성을 도시하는 개략도이다.
도 21은 본 발명의 바이너리 혼합 구성에 의해 가능하게 된 하나의 상 및 두개의 상 혼합 플랜의 혼합 지점의 플롯이다.
도 22는 본 발명의 바이너리 혼합 구성에 의해 가능하게 된 하나의 상, 두개의 상 및 세개의 상 혼합 플랜의 혼합 지점의 플롯이다.
도 23A는 본 발명의 다른 구현예에 따른 일측(one-sided) 전극 구성을 갖는 전자습윤 미세 활성화 메커니즘을 도시하는 단면도이다.
도 23B는 상부 평면을 제거하여 도 23A에 도시된 메커니즘의 일부분을 도시하는 평면도이다.
도 24A-24D는 대체적인 일측 전극 구성을 갖는 전자습윤 미세 활성화 메커니즘을 도시하는 것으로서, 그 메커니즘의 어긋나게 배치된 전극 어레이 상에 위치한 액적의 전자습윤 기반의 이동을 도시하는 연속적인 개략도들이다.
도 25A 및 25B는 정렬된 어레이로서 정렬된 일측 전극 구성을 갖는 대체적인 전자습윤 미세 활성화 메커니즘의 개략도들로서, 각각 북서 및 동서 방향으로 활성화된 액적을 도시하고 있다.
본 발명은 전자습윤 기반의 기술을 채용함에 의해 액적 기반의 취급 및 조작 방법을 제공한다. 액적은 서브 마이크로리터 사이즈일 수 있고, 전극에의 전압을 제어함에 의해 자유롭게 이동될 수 있다. 일반적으로, 액적의 활성화 메커니즘은 전압에 의해 유도된 전자습윤 효과에 의해 액적 내에서 유도된 표면 장력 변화도(gradient)에 기초를 두고 있다. 본 발명의 메커니즘은 액적이 칩(chip) 상의 어디서든 수행될 혼합을 위한 실질적인 챔버로서 작용하는 동안, 액적이 이송되는 것을 가능하게 한다. 칩은 소망된 작업을 수행하기 위해 실시간으로 재배열될 수 있는 전극들의 어레이를 포함한다. 본 발명은 독립적으로 제어할 수 있는 액적 샘플, 시약, 희석제 및 그와 같은 것 상에서 수행될 몇몇 서로 다른 유형의 취급 및 조작 작업을 가능하게 한다. 그러한 작업은 통상적으로 연속적인 액체 유동상에서 수행되어 왔다. 예컨대 이러한 작업은 활성화 또는 이동, 감시, 검출, 조사, 부화, 반응, 희석, 혼합, 투석, 분석 및 그와 같은 것들을 포함한다. 더욱이, 본 발명의 방법은 미세 유체 칩에서 제공된 연속적인 유입으로부터와 같은 연속적인 유동의 액체 소스로부터 액적들을 형성하는데 사용될 수 있다. 따라서 본 발명은 연속적인 유동을 바람직한 수의 균일한 크기의 독립적으로 제어 가능한 액적 유닛으로 불연속적으로 만들거나 조각화하는 것에 의한 연속적인 샘플링 방법을 제공한다.
미세 조작을 위해 액체를 불연속적이고 독립적으로 제어되는 패킷(packet) 또는 액적로 분할하는 것은 연속적인 유동의 시스템 이상의 몇몇 중요한 이점을 제공한다. 예컨대, 유체 조작 또는 유체공학의 기초적이고 반복적인 작업(예컨대 액체의 한 유닛을 한 유닛 단계로 옮기는 것)으로의 감소는 디지탈 전자공학과 유사한 계층적이고도 세포 기반의 디자인 접근을 가능하게 한다.
상기의 이점들 외에, 본 발명은 다음의 부가적인 이점들을 위해 액적 활성화 또는 조작을 위한 메커니즘으로서 전자습윤을 이용한다:
1. 액적의 위치의 개선된 제어.
2. 조밀한 전극 어레이 레이아웃을 가진 높은 유사 가능성.
3. 재구성가능성.
4. 혼합율에서의 더 좋은 제어 가능성과 정확성을 낳는, 프로그래밍 조작을 사용한 혼합율 제어.
5. 증가된 유사를 제공하는 높은 처리량 능력.
6. 비동시적인 제어 가능성과 정확성에 있어서의 개선을 제공할 수 있는 광학 검출과의 통합의 가능.
특히, 본 발명은 액적 기반의 샘플 준비 및 분석을 가능하게 하는 샘플링 방법을 제공한다. 본 발명은 전자습윤 현상을 유발시키고 제어함에 의해 연속적인 액체의 유동을 미세 유체 칩 또는 다른 적합한 구조 위나 그 내부에 균일한 사이즈의 일련의 액적로 조각화하거나 불연속화한다. 액체는, 배출구에서 연속적인 유동을 위해 결국 재결합되거나, 집적 저장소(collection reservoir) 내에 쌓이거나, 또는 분석을 위해 유동의 채널로부터 다른 곳으로 돌려지는 일련의 액적으로서, 그 구조를 통해 또는 가로질러 그 뒤에 계속해서 이동된다. 모든 경우에 있어서, 샘플화된 액적은 그 후 분석을 위해 그 구조의 특정한 영역으로 이동될 수 있다. 따라서, 분석은 분석이 메인 유동으로부터 분리되는 것을 가능케 하는 온라인(on-line)으로 수행되지만, 메인 유동에 대해서는 인라인(in-line)이 아니다.
일단 메인 유동으로부터 분리되면, 각각의 액적의 움직임을 독립적으로 제어하기 위한 설비가 존재한다. 화학 분석의 목적을 위해, 샘플인 액적은 칩 또는 다른 구조물 상의 또는 그에 인접한 시약 저장소로부터 형성된 특정한 화학 시약을 포함하는 액적과 결합되고 혼합될 수 있다. 액적의 혼합, 반응 또는 부화와 같은 특정한 기능에 할당된 칩의 부분의 경우에는 다중 단계 반응 또는 희석이 필요할 수 있다. 일단 샘플이 준비되면, 그것은 검체의 검출 또는 측정에 할당된 칩의 다른 부분으로 전자습윤에 의해 이송될 수 있다. 예컨대 몇몇 검출 위치는 결합효소(bound enzyme) 또는 다른 생체고분자 인식제(biomolecular recognition agent)를 포함할 수 있다. 그리고 몇몇 검출 위치는, 다른 것들이 형광 또는 흡광도 기반의 분석을 위한 광학 시스템과 같은 일반적인 검출 수단을 구성할 수 있는 것과 달리, 특정한 검색체에 대해서만 특유할 수 있다. 연속적인 유동의 소스로부터 칩의 분석 부분으로의 액적의 유동(분석 유동)은, 분석을 수행함에 있어서 매우 많은 유연성을 제공하면서, 연속적인 유동(입력 유동)과 무관하게 제어된다.
본 발명의 방법은 연속적인 유동으로부터 미세한 액적을 형성하기 위한 수단을 이용하고, 독립적으로 이송하고 합체시키며 혼합하고 그 외의 그 액적의 다른 처리를 위한 수단을 이용한다. 바람직한 구현예는 이러한 조작을 수행하기 위한 표면 장력의 전기적 제어(즉, 전기습윤)를 이용한다. 일 구현예에서, 액체는 두 평행한 플레이트 사이의 공간 내에 국한된다. 하나의 플레이트는 그 표면 상에 식각된 구동 전극들을 포함하는 반면, 다른 플레이트는 식각된 전극들 또는 접지되거나 기준 전위로 고정된 하나의 연속적인 평판 전극을 포함한다. 소수성의 절연체가 전극을 덮고 전기장이 대향하는 플레이트들의 전극들 사이에서 발생된다. 이 전기장은 액적이 전압이 인가된 전극을 부분적으로 덮도록 하여 그 전극 방향으로 이동하게 하는 표면 장력 변화도를 만든다. 전극들의 적절한 배열 및 제어를 통해, 액적은 그것을 인접한 전극들 사이에 연속적으로 이송시킴에 의해 이송될 수 있다. 패터닝된 전극들이 2차원 어레이로 배열될 수 있는데, 이 2차원 배열은 액적을 그 어레이에 의해 덮인 임의의 위치로 이송하는 것을 허용하도록 하는 배열이다.
다른 구현예에서, 접지 또는 기준 전위를 위해 사용된 구조는 구동 전극들과 동일 평면상에 있으며, 만일 사용된다면 제 2 플레이트는 단지 억제 공간만을 한정한다. 동일 평면상의 접지 요소는 전극 어레이 상에 겹쳐 놓여진 도전성 그리드일 수 있다. 대체(代替)적으로, 접지하는 요소는 어레이의 전극들로서 접지 또는 기준 전극으로 작용하도록 동적(動的)으로 선택된 어레이의 전극들일 수 있는데, 이때 어레이의 다른 전극들은 구동 전극들로서 작용하도록 선택된다.
액적들은 그들을 동일한 전극 상부로 동시에 이송시킴에 의해 함께 결합될 수 있다. 액적들은 그 후 계속해서 수동적으로 또는 능동적으로 혼합된다. 액적들은 확산에 의해 수동적으로 혼합된다. 액적들은 전자습윤 현상의 이점을 취함에 의해 그 결합된 액적을 이동시키거나 "흔듦(shaking)"으로서 능동적으로 혼합된다. 바람직한 구현예에서, 액적들은 2 바이 2 (2-by-2) 어레이의 전극 주변에서 그들을 회전시킴에 의해 혼합된다. 액적의 활성화는 난류이고 비가역적인 유동을 만들거나, 확산을 통한 혼합을 증진시키기 위해 분산된 다중 레머네이트을 만든다. 액적들은 더 큰 액적 또는 연속적인 액체의 몸체로부터 다음과 같은 방식으로 분리될 수 있다: 액체의 바로 아래의 전극과 함께 액체 몸체의 가장자리에 인접한 적어도 두 개의 전극들에 전압이 인가되고, 액체가 전압이 인가된 전극들의 넓이을 가로질러 퍼지도록 움직인다. 그 후 두 개의 효과적으로 친수성 영역들 사이에 소수성 영역을 생성하기 위해 중간 전극에 전압이 인가되지 않게 된다. 액체 매니스커스(meniscus)는 소수성 영역 상부를 깨트리고, 다라서 새로운 액적을 형성한다. 이 공정이 연속적으로 흐르는 스트림으로부터 액적들을 형성하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 액적들을 조작하기 위한 장치는 기판면(substrate surface)을 구비하는 기판과, 기판면 상에 배치된 전극들의 어레이와, 기준 요소들의 어레이와, 기판면 상에 배치된 유전체층과, 전극 선택기를 구비한다. 기준 요소들은 기준 전위로 세팅될 수 있다. 기준 요소들의 어레이는, 각 기준 요소가 전극들의 적어도 하나에 인접하도록, 전극 어레이와 실질적으로 동일 평면상의 관계에서 배치된다. 유전체층은 기판면 상에 배치되고 전극들을 덮도록 패터닝된다. 전극 선택기는 선택된 전극들을 활성 전압으로 연속적으로 바이어스하기 위해 어레이의 하나 또는 그 이상의 선택된 전극들을 연속적으로 활성시키고 비활성시키기 위한 마이크로프로세서 또는 다른 적합한 구성요소로서 제공될 수 있다. 전극 선택기에 의해 수행되는 시퀀스 작용은 기판면 상에 배치된 액적이 선택된 전극들에 의해 정의된 소망된 경로를 따라 이동하게 하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 액적은 액적은, 전극들의 어레이와 실질적으로 동일 평면의 기준 요소들의 어레이를 구비하는 표면 상에 액적을 제공함에 의해 활성화된다. 액적은 전극들의 제 1 전극 상에 배치된다. 그리고 전극들의 제 2 전극과, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된 기준 요소들의 하나에 적어도 일부분이 부분적으로 겹쳐진다. 제 1 전극과 제 2 전극은 액적 중 적어도 제 2 전극에 걸치는 부분을 펼치도록 활성화된다. 제 1 전극은, 제 1 전극으로부터 제 2 전극으로 액적을 이동시키기 위해 비활성화된다.
이 방법의 일 특징에 따르면, 제 2 전극은 제 1 방향을 따라 제 1 전극에 인접해 있다. 게다가, 전극 어레이는 하나 또는 더 많은 부가적인 방향을 다라 제 1 전극에 인접한 하나 또는 더 많은 부가적인 전극들을 구비한다. 액적은 제 2 전극뿐만 아니라 이 부가적인 전극들과 적어도 부분적으로 겹친다. 이 방법의 이러한 특징에 따르면, 제 1 전극과 제 2 전극을 포함하는 제 1 방향은 액적이 이동할 바람직한 방향으로서 선택된다. 제 2 전극은 제 1 방향의 선택에 기초하여 활성화를 위해 선택된다.
본 발명의 다른 방법에 따르면, 하나의 액적이 두 개 또는 더 많은 액적들로 분리된다. 최초 액적은 전극들의 어레이와 실질적으로 동일 평면에 있는 기준 요소들의 어레이를 구비하는 표면 상에 제공된다. 전극 어레이는 제 1 외측 전극, 제 1 외측 전극에 인접한 중앙 전극, 그리고 중앙 전극에 인접한 제 2 외측 전극의 적어도 세 전극들을 구비한다. 최초 액적은 초기에 이들 세 전극들 중 적어도 하나상에 배치되며, 이 세 개의 전극들 중 적어도 다른 하나에 부분적으로 적어도 겹친다. 각각의 세 전극은 세 전극들을 가로질러 최초 액적이 퍼지도록 활성화된다. 중앙 전극은 최초 액적을 제 1 분리 액적 및 제 2 분리 액적로 분리하기 위해 비활성화된다. 제 1 분리 액적은 제 1 외측 전극 상에 배치되어 있고, 제 2 분리 액적은 제 2 외측 전극 상에 배치되어 있다.
본 발명의 또 다른 방법에서, 두개 또는 더 많은 액적들이 하나의 액적로 병합된다. 제 1 액적과 제 2 액적이 실질적으로 동일 평면상의 기준 요소들의 어레이에 전극들의 어레이를 구비하는 표면 상에 제공된다. 전극 어레이는 제 1 외측 전극, 제 1 외측 전극에 인접한 중앙 전극, 그리고 중앙 전극에 인접한 제 2 외측 전극을 구비하는 적어도 세 개의 전극들을 구비한다. 제 1 액적이 제 1 외측 전극 상에 배치되고 중앙 전극에 적어도 부분적으로 겹쳐진다. 제 2 액적이 제 2 외측 전극 상에 배치되고 중앙 전극과 적어도 부분적으로 겹쳐진다. 세 개의 전극들 중 하나는 목적 전극으로서 선택된다. 목적 전극의 선택에 기초하여 세 개의 전극들 중 두 개 또는 더 많은 전극들이 일련의 활성화 및 비활성화를 위해 선택된다. 시퀀스 작용을 위해 선택된 전극들은 제 1 액적과 제 2 액적 중 하나를 다른 액적로 향하게 하기 위해, 또는 제 1 액적과 제 2 액적이 서로 향하여 움직이게 하기 위해 순차적으로 활성화되고 비활성화된다. 제 1 액적과 제 2 액적은 서로 합쳐져서 목적 전극 상에 결합된 액적을 형성한다.
이 방법의 일 특징에 따르면, 제 1 액적은 제 1 조성을 가지고 제 2 액적은 제 2 조성을 가지며, 결합된 액적은 제 1 조성과 제 2 조성을 모두 가진다. 방법은 제 1 성분과 제 2 성분을 혼합하는 단계를 더 구비한다. 본 발명에 따르면, 혼합 단계는 수동 또는 능동일 수 있다. 본 발명의 일 특징에서, 혼합 단계는 결합된 액적을 2 바이 2 (2-by-2) 네 개의 전극들의 서브 어레이 상으로 이동시키는 것을 구비하는데, 이는 결합된 액적을 회전시키도록 네 개의 전극들을 순차적으로 활성화 및 비활성화시킴에 의해 이루어진다. 결합된 액적의 적어도 일부분은 결합된 액적이 회전하는 동안 네 개의 전극들의 교차하는 영역 또는 그 인접 영역에서 실질적으로 정지해있다. 본 발명의 다른 특징에서, 혼합 단계는 전극 어레이의 선형으로 배열된 전극들의 세트를 순차적으로 활성화 및 비활성화시키는 단계를 구비하는데, 이는 결합된 액적을 선형으로 배열된 전극을 따라 바람직한 회수 및 바람직한 주기로 앞뒤로 흔든다. 본 발명에 따라 제공되는 부가적인 혼합 전략들이 이하에서 상세히 설명된다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 액적들을 조작하기 위한 장치는 기판면을 구비하는 기판과, 기판면 상에 배치된 전극들의 어레이와, 기판면 상에 배치되고 전극들을 덮는 유전체층과, 전극 선택기를 구비한다. 전극 선택기는 동적으로 일련의 전극 쌍들을 만든다. 각 전극 쌍은 제 1 전압으로 바이어스된 전극들 중 선택된 제 1 전극과, 제 1 전압보다 낮은 제 2 전압으로 바이어스되고 선택된 제 1 전극에 인접하여 배치된 전극들 중에 선택된 제 2 전극을 구비한다. 바람직하게는, 제 2 전압은 접지 전압 또는 다른 기준 전압이다. 기판면 상에 배치된 액적은 전극 선택기에 의해 만들어진 전극 쌍들 사이에서 이동하는 바람직한 경로를 따라 이동한다.
본 발명의 또 다른 방법에 따르면, 전극들의 어레이를 구비하는 표면 상에 액적을 제공함에 의해 액적이 활성화된다. 액적은 초기에 전극들 중 제 1 전극 상에 배치되어 있고, 제 1 전극으로부터 제 1 갭(gap) 만큼 떨어져 있는 전극들 중의 제 2 전극에 적어도 부분적으로 겹쳐져 있다. 제 1 전극은 제 1 전압으로 바이어스되고, 제 2 전극은 제 1 전압보다 낮은 제 2 전압으로 바이어스된다. 이 방식으로, 액적은 제 1 갭상에 중심이 있게 된다. 제 1 전극과 제 2 전극에 인접한 전극들 중 제 3 전극이 그 액적을 제 3 전극 상부로 펼치기 위해 제 2 전압보다 더 높은 제 3 전압으로 바이어스된다. 액적을 제 1 전극으로부터 이동시키기 위해 제 1 전극 상의 바이어스는 제거된다. 액적은 제 2 전극과 제 3 전극 사이의 제 2 갭상에 중심이 있게 된다.
본 발명의 또 다른 방법에 따르면, 하나의 액적은 두 개 또는 더 많은 액적들로 분리된다. 최초 액적이 전극들의 어레이를 구비하는 표면 상에 제공된다. 전극 어레이는 제 1 외측 전극, 제 1 외측 전극에 인접한 중앙 전극, 그리고 중아 전극에 인접한 제 2 외측 전극을 구비하는 적어도 세 개의 전극들을 구비한다. 최초 액적은 초기에 세 전극들 중 적어도 하나의 상부에 배치되고, 세 개의 전극들 중 적어도 다른 하나에 적어도 부분적으로 겹쳐진다. 각각의 세 전극들은 최초 액적을 세 전극들을 가로질러 퍼지게 하기 위해 제 1 전압으로 바이어스되어 있다. 중앙 전극이 최초 액적을 제 1 분리 액적 및 제 2 분리 액적로 분리하기 위해 제 1 전압보다 더 낮은 제 2 전압으로 바이어스된다. 제 1 분리 액적이 제 1 외측 전극 상에 형성되고, 제 2 분리 액적이 제 2 외측 전극 상에 형성된다.
본 발명의 또 다른 방법에 따르면, 두 개 또는 더 많은 액적들이 하나의 액적로 합쳐질 수 있다. 제 1 액적 및 제 2 액적이 전극들의 어레이를 구비하는 표면 상에 제공된다. 전극 어레이는 제 1 외측 전극, 제 1 외측 전극에 인접한 중앙 전극, 중앙 전극에 인접한 제 2 외측 전극을 구비하는 적어도 세 개의 전극을 구비한다. 제 1 액적이 제 1 외측 전극 상에 배치되고 중앙 전극에 적어도 부분적으로 겹쳐진다. 제 2 액적이 제 2 외측 전극 상에 배치되고 적어도 중앙 전극에 일부분이 겹쳐진다. 세 전극들중 하나가 목적 전극으로서 선택된다. 목적 전극의 선택에 기초하여 일련의 바이어스를 위해 세 전극들 중 하나 또는 그 이상의 전극들이 선택된다. 시퀀스 작용을 위해 선택된 전극들은, 제 1 액적과 제 2 액적 중 하나를 다른 액적을 향해 이동시키거나 제 1 액적과 제 2 액적을 서로를 향해 둘 다 이동시키기 위해 제 1 전압과 제 2 전압 사이에서 연속적으로 바이어스된다. 제 1 액적과 제 2 액적은 서로 합쳐져서 목적 전극 상에 결합된 액적을 형성한다.
본 발명은 또한 연속적인 액체 유동을 샘플링하는 방법을 제공한다. 액체 유동은 제 1 유동 경로를 따라 표면에 공급된다. 그 표면은 전극들의 어레이와 실질적으로 동일 평면상에 있는 기준 요소들의 어레이를 구비한다. 액체 유동의 적어도 일부분은 전극들 중 제 1 전극 상에 배치되고, 전극들 중 제 2 전극, 그리고 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 기준 요소에 적어도 부분적으로 겹쳐진다. 제 1 전극, 제 2 전극 및 전극들 중 제 2 전극에 인접한 제 3 전극은 제 2 전극과 제 3 전극을 가로질러 액체 유동 부분을 펼치기 위해 활성화된다. 제 3 전극 상에 액체 유동으로부터의 액적을 형성하기 위해 제 2 전극이 비활성화된다. 액적은 액체 유동으로부터 구별되며 독립적으로 제어될 수 있다.
연속적인 액체 유동을 샘플링하기 위한 본 발명의 다른 방법에 따르면, 액체 유동이 제 1 유동 경로를 따라 표면에 공급된다. 그 표면은 전극들의 어레이를 구비한다. 액체 유동의 적어도 일부분은 전극들 중 제 1 전극 상에 배치되고, 전극들 중 제 2 전극에 적어도 부분적으로 겹쳐진다. 제 1 전극, 제 2 전극, 그리고 제 2 전극에 인접한 전극들 중 제 3 전극은 제 2 전극과 제 3 전극을 가로질러 액체 유동 부분을 펼치기 위해 제 1 전압으로 바어어스된다. 제 3 전극 상에 액체 유동으로부터 액적을 형성하기 위해 제 1 전압보다 더 작은 제 2 전압으로 제 2 전극이 바이어스된다. 그와 같이 형성된 액적은 액체 유동으로부터 구분되고 독립적으로 제어될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 바이너리 혼합 장치는 제 1 혼합 유닛과, 제 2 혼합 유닛과, 전극 선택기를 구비한다. 제 1 혼합 유닛은 제 1 표면 영역과, 제 1 표면 영역 상에 배치된 제 1 전극들의 어레이와, 제 1 전극들과의 관계에서 실질적으로 동일 평면상에 배치된 제 1 기준 요소들의 어레이를 구비한다. 제 2 혼합 유닛은 제 2 표면 영역과, 제 2 표면 영역 상에 배치된 제 2 전극들의 어레이와, 제 2 전극들과의 관계에서 실질적으로 동일 평면상에 배치된 제 2 기준 요소들의 어레이와, 제 2 표면 영역과 제 1 혼합 유닛과 소통하는 액적 배출 영역을 구비한다. 제 1 표면 영역에 공급된 두 개의 액적들을 같이 혼합하기 위해, 전극 선택기는 하나 또는 그 이상의 선택된 제 1 전극들을 순차적으로 활성화시키고 비활성화시킨다. 제 2 표면 영역에 공급된 두 개의 다른 액적을 서로 혼합하기 위해, 전극 선택기는 또한 하나 또는 그 이상의 선택된 제 2 전극들을 순차적으로 활성화시키고 비활성화시킨다.
따라서 본 발명의 목적은 연속적인 유동의 액체 유입 소스를 샘플링하여, 연속적이고 자동화된 베이시스상에 균일한 크기이고 독립적으로 제어 가능한 액적들이 형성하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이송, 혼합, 검출, 분석 및 그 밖의 것들과 같은 액적 기반의 조작을 도구화하고 제어하기 위해 전자습윤 기술을 이용하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고 정밀도로 소망된 혼합율을 얻기 위해 액적들의 바이너리 혼합을 효율적으로 수행하기에 적합한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 몇몇 목적들이 상술되었으나, 하기에서 자세히 기술되는 것과 같이 첨부된 도면들과의 관계에서 설명이 진행됨에 따라 다른 목적들도 자명해질 것이다.
본 개시의 목적을 위해, “층(layer)” 및 “필름(film)”이라는 용어는 반드시 평탄하거나 또는 실질적으로 평탄하지는 않지만 통상 평탄하며 또한 통상 퇴적, 형성, 코팅, 처리 또는 다른 방식으로는 다른 구조체 상에 퇴적되는 구조체 또는 본체를 의미하도록 호환되어 사용된다.
본 개시의 목적을 위해, “연통하는(communicate)”(예를 들면, 제1 구성요소는 제2 구성요소와 “연통한다”)이라는 용어는 2개 또는 그 이상의 구성요소 또는 요소 사이의 구조적, 기능적, 기계적, 전기적, 광학적 또는 유체적 관계, 또는 이들의 임의의 조합을 가리키도록 본원에 사용된다. 따라서, 일 구성요소가 제2 구성요소와 연통한다고 말해지는 사실은 부가적 구성요소가 제1 및 제2 구성요소 사이에 존재하거나 그리고/또는 이들에 작동적으로 관련되거나 결합되는 가능성을 배제하도록 의도되지는 않는다.
본 개시의 목적을 위해, 층, 영역 또는 기판과 같은 소정 구성요소가 본원에서 다른 구성요소 “상에”, 또는 다른 구성요소 “내에”, 또는 다른 구성요소“에” 퇴적되거나 형성되는 것으로 참조되는 경우, 이 소정 구성요소는 다른 구성요소 상에 직접 존재할 수 있거나, 또는, 변형예로서, 개재된 구성요소(예를 들면, 하나 또는 그 이상의 버퍼층, 층간막, 전극 또는 접점)가 또한 존재할 수 있음이 이해될 것이다. “퇴적된” 및 “형성된”이라는 용어는 소정 구성요소가 다른 구성요소에 대하여 어떻게 배치되는가 또는 위치되는가를 기술하도록 호환되어 사용됨이 또한 이해될 것이다. 따라서, “퇴적된” 및 “형성된”이라는 용어는 물질 이송, 퇴적 또는 제조의 특별한 방법에 관하여 임의의 제한을 도입하는 것으로 의도되지는 않는다.
본 개시의 목적을 위해, 임의의 형태의 액체(예를 들면, 이동하거나 정지되어 있든지 간에 액적 또는 연속체)가 전극, 어레이, 매트릭스 또는 표면 “상에”, 또는 “그 곳에”, 또는 “그 위에”존재하는 것으로 기술되며, 이러한 액체는 전극/어레이/매트릭스/표면과 직접 접촉할 수 있거나, 또는 액체와 전극/어레이/매트릭스/표면 사이에 개재된 하나 또는 그 이상의 층 또는 필름과 접촉할 수 있음이 이해될 것이다.
본원에 사용된, “시약(reagent)”이라는 용어는 표본 재료와 반응하거나, 희석하거나, 용매화하거나, 현탁시키거나, 유화시키거나, 캡슐화하거나, 상호작용하거나, 부가시키기 위해 사용되는 임의의 물질을 기술한다.
필요한 경우 첨부한 도 1 내지 도 25b를 참조하여 본 발명에 의해 제공된 액적에 근거한 방법 및 장치에 대해 보다 상세하게 설명한다.
전기습윤(electrowetting)에 의한 액적에 근거한 작동
도 1을 참조하면, 펌프, 밸브 또는 고정 채널을 필요로 하지 않는 액적(D) 상에 전기습윤에 근거한 조작을 실행하기 위한 바람직한 실시예로서 전기습윤 마이크로액츄에이터 기구(10)가 도시되어 있다. 액적(D)은 전해성, 분극성, 또는 전류를 전달하거나 전기적으로 대전될 수 있다. 액적(D)은 하측 평면(12)과 상측 평면(14) 사이에 협지되어 있다. “상측”과 “하측”이라는 용어는 본 문맥에서 단지 이들 2개의 평면(12, 14)을 구분하도록 사용되며, 수평면에 대하여 평면(12, 14)의 배향에 대한 제한으로서 사용되지는 않는다. 하측 평면(12)은 독립적으로 어드레스 가능한 제어 전극의 어레이를 포함한다. 예로서, 직렬의 3개의 제어 또는 구동 전극(E)(상세하게는, E1, E2, E3)이 도 1에 도시되어 있다. 그러나, 제어 전극(E1, E2, E3)은 원과 같은 비선형 경로를 따라서 배치될 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 본 발명으로부터 도출되는 장치(예컨대 마이크로 유체 칩(microfluidic chip))의 구성에서는, 제어 전극(E1, E2, E3)은 통상 2차원 전극 어레이 또는 그리드를 집합적으로 형성하는 다수의 제어 전극의 일부가 된다. 도 1은 대체로 C(상세하게는, C1, C2, C3)로 지시된 단위 셀을 개념화하도록 인접한 제어 전극(E1, E2, E3) 사이에 파선을 구비한다. 바람직하게는, 각 단위 셀(C1, C2, C3)은 단일의 제어 전극(E1, E2, E3)을 각자 수용한다. 통상, 각 단위 셀(C) 또는 제어 전극(E)의 크기는 대략 0.05㎜ 내지 2㎜ 사이에 있다.
제어 전극(E1, E2, E3)은 적합한 하측 기판 또는 플레이트(21) 내에 매설되거나 또는 그 상에 형성된다. 소수성의 절연성인 얇은 하측 층(23)이 제어 전극(E1, E2, E3)을 덮어서 전기적으로 절연시키도록 하측 플레이트(21)에 도포된다. 하측 소수층(23)은 단일층 또는 연속층일 수 있고, 변형예로서 제어 전극(E1, E2, E3)이 존재하는 하측 플레이트(21) 상의 영역만을 덮도록 패터닝될 수 있다. 상측 평면(14)은 적합한 상측 기판 또는 플레이트(25) 내에 매설되거나 또는 그 상에 형성된 단일의 연속 접지 전극(G)을 포함한다. 변형예로서, 다수의 접지 전극(G)은 대응하는 제어 전극(E1, E2, E3)의 배치와 동시에 제공될 수 있으며, 이 경우 하나의 접지 전극(G)이 하나의 대응하는 제어 전극(E)과 관련될 수 있다. 바람직하게는, 소수성의 절연성인 얇은 상측 층(27)이 또한 접지 전극(G)을 절연시키도록 도포된다. 하측 층(23)과 상측 층(27)에 적합한 소수성 재료의 하나의 비제한적 예로서 TEFLON® AF 1600(미국 델라웨어주 윌밍톤 소재의 이.아이. 듀퐁 드내무어 앤드 캄퍼니로부터 입수 가능함)이 있다. 마이크로액츄에이터 기구(10)의 기하학적 형성과 액적(D)의 부피는 액적(D)의 접지면(footprint)이 중앙 제어 전극(예컨대, E2)에 인접한 적어도 2개의 전극(예컨대, E1, E3)과 겹치면서 상측 층(27)과 접촉하도록 제어된다. 바람직하게는, 이것은 액적(D)이 구속되지 않은 상태에서 가지는 직경보다 작으며 하측 평면(12)과 상측 평면(14) 사이에 한정된 간극 또는 간격(d)을 특정함으로써 달성된다. 통상, 간격(d)의 횡단면 치수는 대략 0.01㎜ 내지 대략 1㎜ 사이에 있다. 바람직하게는, 매체가 간극(d)을 채우고 그 결과 액적(D)을 둘러싼다. 매체는 액적(D)의 증발을 방지하도록 공기와 같은 불활성 가스 또는 실리콘과 같은 비혼화성(immiscible) 유체가 될 수 있다.
접지 전극(G) 및 제어 전극(E1, E2, E3)은 종래의 도전성 리드선(L1, L2, L3)을 통해 바람직하게는 DC 전압원 이지만 변형예로서 AC 전압원 일 수 있는 적어도 하나의 적합한 전압원(V)과 전기적 연통 상태로 배치된다. 각 제어 전극(E1, E2, E3)은 다른 제어 전극(E1, E2, E3)과 독립하여 통전될 수 있다. 이것은 각각의 제어 전극(E1, E2, E3)과 연통하는 적합한 스위치(S1, S2, S3)를 제공하거나, 또는 각 제어 전극(E1, E2, E3)을 독립적으로 활성(온상태, 고전압, 또는 바이너리의 1) 또는 비활성(오프상태, 저전압, 또는 바이너리의 0)으로 하는 다른 적합한 수단을 제공함으로써 달성될 수 있다. 다른 실시예 또는 전극 어레이의 다른 영역에 있어서, 2개 또는 그 이상의 제어 전극(E)이 함께 활성화되도록 공통으로 접속될 수 있다.
전기습윤 마이크로액츄에이터 기구(10)의 구조는 종래의 마이크로 유체 및/또는 마이크로일렉트로닉 구성요소가 또한 통합될 수 있는 마이크로 유체 칩의 일부를 표현할 수 있다. 예로서, 칩은 또한 MOS(metal oxide semiconductor) 회로와 인터페이스되는 저항성 가열 영역, 마이크로 채널, 마이크로 펌프, 압력 센서, 광학 도파관 및/또는 생체감지(biosensing) 또는 화학감지(chemosensing) 요소를 구비할 수 있다.
도 2를 참조하면, 제어 전극(미도시)과 관련된 인접 단위 셀(예컨대, C1, C2) 사이의 각각의 구조적 인터페이스가 바람직하게는 각각의 단위 셀(C1, C2)의 주된 평면 구조로부터 외측으로 연장되는 상호 로크되는 돌출부(42, 43)에 의해 한정된 맞물림 영역(interdigitated region)(40)을 특징으로 하는, 전극 어레이 또는 그 일부가 도시되어 있다. 이러한 맞물림 영역(40)은, 하나의 단위 셀(예컨대, C1)로부터 인접한 단위 셀(C2)로의 변이를 보다 연속적으로 함으로써 셀 대 셀 인터페이스에서의 직선형 에지의 경계를 제공하는 것과는 달리 유용하다. 그러나, 본 발명의 임의의 실시예에 따른 전극 또는 단위 셀은 치밀하게 형성된 2차원 어레이에 적합한 정방형 또는 팔각형과 같은 임의의 다각형을 가질 수 있음에 주의해야 한다.
다시 도 1을 참조하여, 마이크로액츄에이터 기구(10)의 설계에 의해 가능한 기본적인 전기습윤 기술에 대해 설명한다. 처음에는, 모든 제어 전극(예컨대, 액적(D)이 중앙에 위치한 제어 전극(E2)과 인접한 제어 전극(E1, E3))은 접지되거나 플로팅(floating) 되어 있으며, 액적(D)상의 모든 곳에서의 접촉각(contact angle)은 액적(D)과 관련된 평형 접촉각과 동등하다. 전위가 액적(D) 아래에 놓인 제어 전극(E2)에 인가되면, 경계 에너지 γSL의 국부적 감소로 인해 전하층이 액적(D)과 통전된 제어 전극(E2) 사이에 구성된다. 하측 소수성 절연층(23)에 의해 제공된 고상 절연체(solid insulator)가 액적(D)과 제어 전극(E2) 사이의 커패시턴스를 제어하므로, 이 효과는 이전에 개발된 비절연 전극 실시예의 경우에서와 같이 액적(D)의 전해 액상의 특정 공간전하 효과에 의존하지는 않는다.
경계 에너지 감소의 전압 의존성은 다음과 같이 수학식 1로 설명되며, 여기서 ε은 절연체의 유전율이고, d는 절연체의 두께이며, V는 인가된 전위이다.
γSL에서의 변화는 액적(D)과 통전된 제어 전극(E2) 사이의 경계면에서의 접촉각을 감소시키도록 영 방정식(Young's equation)을 통해 작용한다. 액적(D)의 일부가 또한 접지된 전극(E1 또는 E3)과 겹치면, 액적의 메니스커스(meniscus)는 비대칭으로 변형되어 액적(D)의 단부 사이에 압력 그래디언트가 확립되며, 이에 의해 통전된 전극(E1 또는 E3) 쪽으로 벌크 유동(bulk flow)을 초래한다. 예를 들면, 액적(D)은 제어 전극(E2, E3)을 접지 상태로 유지하면서 제어 전극(E1)을 통전시킴으로써 좌측(예컨대, 단위 셀(C1))으로 이동될 수 있다. 다른 예로서, 액적(D)은 제어 전극(E1, E2)을 접지 상태로 유지하면서 제어 전극(E3)을 통전시킴으로써 우측(예컨대, 단위 셀(C3))으로 이동될 수 있다.
이하의 예는 대체로 도 1 및 도 2를 참조하면서 전기습윤 마이크로액츄에이터 기구(10)의 원형적 실시예를 기술한다.
예
1.5㎜의 피치로 맞물린 7개의 제어 전극(E)의 단일의 선형 어레이로 구성되는 원형 장치가 제조되어 시험되었다. 제어 전극(E)은 표준 미시제조 기술을 사용하여 하측 유리 플레이트(21) 상에 2000Å 두께의 크롬층을 패터닝함으로써 형성되었다. 그 후 칩은 대략 2000Å의 TEFLON® AF 1600의 층(23)에 후속하여 7000Å의 파릴렌 C(Parylene C)로 코팅되었다. 접지 전극(G)은 투명 인듐-주석-산화물(ITO)의 도전층(Rζ < 20Ω/square)으로 코팅된 유리의 상측 플레이트(25)로 구성되었다. TEFLON® AF 1600의 얇은(500Å 미만) 층(27)이 또한 접지 전극(G)에 도포되었다. 접지 전극(G) 상의 얇은 TEFLON® 코팅은 표면을 소수화하도록 기능하지만, 절연성인 것으로 추정되지는 않는다. TEFLON®으로 코팅한 후, 양측 표면은 물에 대하여 104°의 접촉각을 가진다.
100mM KCI의 수액적(water droplet)(0.7 내지 1.0μl)이 피펫을 사용하여 어레이 상에 분배되었고, 상측 플레이트(25)가 대향하는 전극(E, G) 사이에 0.3㎜의 간극(d)을 제공하도록 배치되었다. 스프링 장착형 접촉 핀을 가진 맞춤형 클램프(미도시)가 본드 패드(bond pad)에 연결하도록 사용되었다. 120V DC 전원이 접지 및 전압 출력 사이의 각 출력을 독립적으로 스위칭할 수 있는 맞춤형 전자 인터페이스를 제어하도록 컴퓨터가 사용되었다.
액적(D)은 처음에는 접지된 중앙 전극(예컨대, E2)의 중심에 놓여지며 인접 전극(예컨대, 중앙 전극(E1) 또는 전극(E3)) 상의 전위는 운동이 관측될 때까지 증가되었다. 통상, 30 내지 40V의 전압이 액적(D)의 최초 운동을 개시하는데 필요했다. 일단 이 문턱(threshold)을 넘게되면, 액적 운동은 급속하게 되고 반복 가능하게 된다. 접촉각의 이력현상(hysteresis)이 이러한 문턱 효과의 원인이 되는 메커니즘인 것으로 생각된다. 4개의 인접한 제어 전극(E)을 80V의 인가 전위에서 순차적으로 통전시킴으로써, 액적(D)은 15㎐의 스위칭 주파수에서 4개의 제어 전극(E) 모두를 가로질러 전후방으로 반복적으로 이동되었다.
액적(D)의 변이 시간(transit time)(ttr)은 액적(D)이 전위 인가를 추종하여인접한 전극의 멀리 있는 에지에 도달하는데 필요한 시간으로서 규정된다. 따라서 변이 시간(ttr)은 연속적인 이송 사이에 허가된 최소량의 시간을 표현하며, (1/ttr)은 액적(D)의 연속 이송에 대한 최대 스위칭 속도였다. 전압의 함수로서의 최대 스위칭 속도가 도 3에 도시되어 있으며, 여기서 ttr은 이동하는 액적(D)이 기록된 비디오 프레임을 계산함으로써 결정되었다.
1000㎐까지의 스위칭 속도에서 수 천 사이클에 걸쳐 지속된 액적 이송은 6nL 부피의 액적에 대해 입증되었다. 이 속도는 액적의 전기 조작을 위한 이전에 보고된 방법보다 거의 300배인 10.0㎝/s의 평균 액적 속도에 대응한다. 엠. 와시주(M. Washizu)의 IEEE Trans. Ind. Appl. 34, 732 (1998) 참조. (물의 경우) 액적(D)의 끝점 사이의 요구 온도 차이가 100℃를 초과하기 때문에, 비교될 수 있는 속도는 열모세관(thermocapillary) 시스템에서는 얻어질 수 없다. 사마코(Sammarco) 등의 AlChe J., 45, 350 (1999) 참조. 이러한 결과는 액적에 근거한 마이크로 유체 시스템을 위한 작동 기구로서 전기습윤의 실행가능성을 입증한다. 이 설계는 다수의 액적(D)에 대한 정밀하고 독립적인 제어를 허가하고 마이크로 유체 처리를 위한 일반적인 플랫폼으로서 기능하도록 임의의 대형의 2차원 어레이까지 연장될 수 있다.
도 4a 내지 도 7b를 참조하면, 기본적인 액적 조작의 작용의 일부 예가 도시되어 있다. 도 1의 경우와 같이, 3개의 단위 셀(C1, C2, C3)의 선형 배치와 이에 관련된 제어 전극(E1, E2, E3)이 도시되어 있으며, 이들 단위 셀(C1, C2, C3) 및 제어 전극(E1, E2, E3)이 단위 셀/제어 전극의 직렬, 비직렬, 또는 2차원 어레이를 형성함이 또한 이해될 것이다. 설명의 편의를 위해, 도 4b 내지 도 7b에서는, 대응하는 제어 전극 및 단위 셀은 제어 전극(E1, E2, E3)으로서 포괄적으로 지칭된다. 또한, 단위 셀(C1, C2, C3)은 칩 표면 상의 영역 또는 개념적 요소와 같은 물리적 실체가 될 수 있다. 도 4a 내지 도 7b의 각 도면에 있어서, 활성(즉, 통전된) 제어 전극(E1, E2 또는 E3)은 그 관련된 전기 리드선(L1, L2 또는 L3)을 “온”으로 지정함으로써 지시되며, 비활성(즉, 단전되거나, 플로팅되거나 또는 접지된) 제어 전극(E1, E2 또는 E3)은 그 관련 전기 리드선(L1, L2 또는 L3)을 “오프”로 지정함으로써 지시된다.
도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 기본적 이동(MOVE) 작용이 나타내져 있다. 도 4a는 액적(D)이 제어 전극(E1)에 중심을 둔 개시 위치를 나타낸다. 처음에는, 모든 전극(E1, E2 , E3)은 접지되어 액적(D)은 제어 전극(E1) 상에 정지해 있고 평형상태에 있다. 변형예로서, 제어 전극(E1)은 모든 인접한 제어 전극(예컨대, E2)이 초기에 액적(D)을 “유지(HOLD)” 또는 “저장(STORE)” 상태로 유지하고 이에 의해 액적(D)을 다른 조작 작용이 다른 액적 상에 일어날 수도 있는 어레이의 인접 영역으로부터 격리시키도록 접지되어 있으면서 제어 전극(E1)이 통전될 수 있다. 도 4a 및 도 4b의 화살표로 지시된 방향으로 액적(D)을 이동시키기 위해, 제어 전극(E2)이 통전되어 액적(D)을 끌어당기고 이에 의해 도 4b에 도시된 바와 같이 액적(D)을 이동시켜 제어 전극(E2) 상의 중앙에 위치시킨다. 제어 전극(E2)에서의 전위의 제거에 후속하여, 제어 전극(E3)의 후속 활성화가 액적(D)을 도 4c에 도시된 바와 같이 제어 전극(E3) 상에 이동시킨다. 이러한 전극의 시퀀스작용은 액적(D)을 화살표로 지시된 소망의 방향으로 계속해서 이동시키도록 반복될 수 있다. 액적(D)이 전극 어레이를 가로질러 이동하는 정밀한 경로는 소정 절차에 따라서 어레이의 선정된 전극을 활성화하고 비활성화도록 적절하게 프로그램된 전기적 제어 유닛(예컨대 종래의 마이크로프로세서)에 의해 용이하게 제어됨이 또한 명백하다. 따라서, 예를 들면, 액적(D)은 어레이 내에서 우측 및 좌측 반전하도록 작동될 수 있다. 예를 들면, 도 4b에 도시된 바와 같이 액적(D)이 제어 전극(E1)으로부터 제어 전극(E2)으로 이동된 후, 액적(D)은 도 4d에 도시된 바와 같은 전극(E4 내지 E6)의 다른 열의 제어 전극(E5) 상으로 이동될 수 있다. 또한, 액적(D)은 위의 예에서 기술된 바와 같이, 소망 수의 단위 셀을 따라서 전후방으로(예컨대, 요동) 또한 액적(D)의 교반과 같은 다양한 목적을 위해 소망의 주파수에서 순환될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 2개의 액적(D1, D2)이 단일의 액적(D3)으로 결합되는 기본적인 병합(MERGE) 또는 혼합(MIX) 작용을 나타낸다. 도 5a에 있어서, 2개의 액적(D1, D2)은 초기에 제어 전극(E1, E3)에 배치되며, 적어도 하나의 개재된 제어 전극(E2)에 의해 분리된다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 그 후 3개의 모든 제어 전극(E1, E2, E3)이 통전되어, 도 5b의 화살표로 지시된 바와 같이 액적(D1, D2)을 중앙 제어 전극(E2)을 가로질러 서로를 향해 끌어당긴다. 일단 양측의 액적(D1, D2)이 중앙 제어 전극(E2)에서 서로 직면하면, 2개의 액적(D1, D2)을 함께 이어주는 단일의 메니스커스(M)가 생성된다. 도 5c에 도시된 바와 같이, 그 후 2개의 외측 제어 전극(E1, E3)이 접지 상태로 복귀하며, 이에 의해 외측 전극(E1, E3)과 관련된 단위 셀의 표면의 소수성이 증대하여 병합한 액적(D1, D2)을 밀어내는 반면, 통전된 중앙 제어 전극(E2)은 액적(D1, D2)과 접촉하는 그 근접 표면의 습윤성을 증대시킨다. 그 결과, 액적(D1, D2)은 도 5c에 도시된 바와 같이 단일이 혼합된 액적(D3)으로 결합되며, 이것은 이러한 상태 하에서 액적(D3)에 가능한 최저 에너지 상태를 나타낸다. 결과적인 결합 액적(D3)은 기생 손실이 거의 무시할 만하거나 또는 0이 되므로 원래의 혼합되지 않는 액적(D1, D2) 중 어느 하나의 부피 또는 질량의 두 배를 가지는 것으로 가정될 수 있다. 이것은 액적 재료의 증발이 충전재(filler) 유체(예컨대, 공기 또는 실리콘 오일과 같은 비혼화성 액체)의 바람직한 사용에 의해 회피되고, 액적 재료와 접촉하는 표면(예컨대, 도 1에 도시된 하측 소수층(27, 23))이 저마찰 표면이며, 그리고/또는 본 발명에 의해 채용된 전기습윤 기구가 열을 가지지 않기 때문이다.
본 논의에 있어서, 병합 및 혼합이라는 용어는 2개 또는 그 이상의 액적의 결합을 뜻하도록 호환되어 사용된다. 이것은 액적의 병합이 직접 또는 즉시 초기에 분리된 액적의 구성요소의 완전한 혼합을 모든 경우에서 초래하지는 않기 때문이다. 병합이 혼합을 초래하는 가는 많은 요인에 좌우될 수 있다. 이러한 요인에는, 혼합되는 액적의 각자의 조성 또는 화학적 성질, 온도와 압력과 같은 액적 또는 이들의 환경의 물리적 성질, 점성 또는 표면 장력과 같은 액적의 파생 성질 및 액적이 이동 전에 결합 상태로 유지되거나 다시 분리되는 시간의 양이 포함될 수 있다. 일반적으로, 액적이 서로 혼합되는 메커니즘은 수동 혼합(passive mixing) 또는 능동 혼합(active mixing)으로서 분류될 수 있다. 수동 혼합에서는, 병합된 액적은 혼합 과정을 거쳐 최종 전극 상에 남게된다. 수동 혼합은 결합된 액적 내에서의 허용 가능한 확산도가 일어나는 조건 하에서 충분할 수 있다. 한편, 능동 혼합에서는, 병합된 액적은 완전하거나 또는 보다 완전한 혼합을 실행하도록 과정에 에너지를 부가하는 방식으로 이동된다. 본 발명에 의해 가능한 능동 혼합 전략은 이하에 설명될 것이다
별개의 혼합 작용이 병합 작용 후 일어나는 경우, 이러한 두 작용은 칩의 전극 어레이 상의 상이한 섹션 또는 영역에서 일어날 수 있다. 예를 들면, 2개의 액적은 하나의 섹션에서 병합될 수 있고, 기본적인 이동 작용의 하나 또는 그 이상이 병합된 액적을 다른 섹션으로 이송하도록 수행될 수 있다. 그러면 능동 혼합 전략은, 이하에 설명되는 바와 같이, 이 다른 섹션에서 또는 병합된 액적이 다른 섹션으로 변이하면서 실행될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본질적으로 위에서 기술한 병합 또는 혼합 작용의 메커니즘과 반대가 되는 메커니즘인 기본적 분할(SPLIT) 작용을 나타낸다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 초기에는, 3개의 모든 제어 전극(E1, E2, E3)이 접지되어, 단일의 액적(D)이 그 평형 상태에서 중앙 제어 전극(E2) 상에 제공된다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 그 후 외측 제어 전극(E1, E3)이 통전되어 액적(D)을 외측 제어 전극(E1, E3) 상으로 측방 외측으로(화살표 방향으로) 끌어당긴다. 이것은 양측의 통전된 제어 전극(E1, E3) 상에 형성되고 있는 외측 로브(lobe)를 가진 “네킹(necking)”으로서 특징 되는 수축 메니스커스의 결과를 가진다. 결국, 메니스커스(M)의 중앙 부분이 파단되고, 이에 의해 도 6c에 도시된 바와 같이 원래의 액적(D)으로부터 분리된 2개의 새로운 액적(D1, D2)을 생성한다. 분할된 액적(D1, D2)은 부분적으로 전기습윤 마이크로액츄에이터 기구(10)(도 1)의 물리적 구성요소 및 구조의 대칭과 외측 제어 전극(E1, E3)에 인가된 동등한 전위 때문에 동일한 또는 실질적으로 동일한 부피를 가진다. 분석적 및 검정적 절차와 같은 본 발명의 다수의 실행예에 있어서, 분할 작용은 마이크로 유체 칩 또는 다른 어레이 포함 장치 상에서 균일한 크기의 액적을 유지하도록 병합 또는 혼합 작용 후 즉시 실행됨에 주의해야 한다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 이산화(DISCRETIZE) 작용이 기본적 분할 작용으로부터 파생될 수 있다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 표면 또는 I/O 포트가 전극 그리드 또는 전극을 포함하는 단위 셀(예컨대, 제어 전극(E1))에 인접한 그 에지에 제공되며, 액체를 위한 투입부 및/또는 배출부로서 기능한다. 액체 분배 장치(50)가 제공되며, 이것은 일정 양의 액체(LQ)를 분배하고 그리고/또는 흡입하기에 적합한 임의의 종래의 형태(예컨대, 모세관, 피펫, 유체 펜, 주사기 등)가 될 수 있다. 분배 장치(50)는 액체(LQ)의 계량된 투여량(예컨대, 분취량(aliquot))을 분배하거나 또는 I/O 포트에 또는 제어 전극(E1)에 직접 액체(LQ)의 연속 유동을 제공하도록 적합될 수 있다. 분배 장치(50)를 사용하는 것에 대한 변형예로서, 액체(LQ)의 연속 유동은 제어 전극(E1, E2, E3)이 연속 유동의 방향으로 또는 연속 유동에 대하여 동일 직선이 아닌(예컨대, 수직한) 방향으로 배치된 상태에서 마이크로 유체 칩의 표면을 가로질러 수행될 수 있다. 도 7a에 도시된 특정한 예시적 실시예에 있어서, 분배 장치(50)는 액체(LQ)를 제어 전극(E1)에 공급한다.
전극 어레이 상에 액적을 생성하기 위해, 액체(LQ)의 본체 바로 아래의 제어 전극(제어 전극(E1))과 액체 본체의 에지에 인접한 적어도 2개의 제어 전극(예컨대, 제어 전극(E1, E3))이 통전된다. 이것이 분배된 액체(LQ)의 본체를 도 7a에 도시된 바와 같이 제어 전극(E1, E2)을 가로질러 확산시킨다. 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 위에서 기술된 분할 작용에 유사한 방식으로, 그 후 중간 제어 전극(제어 전극(E2))이 단전되어 2개의 유효 친수성 영역 사이에 소수성 영역을 생성한다. 액체의 매니스커스가 소수성 영역 위에서 파단되어, 도 7b에 도시된 바와 같이 제어 전극(E3) 상에 중심을 둔 새로운 액적(D)을 형성하거나 또는 “잘라낸다(pinch off)”. 이 시점에서, 어레이의 다른 전극의 또 다른 통전/단전 절차가 액적을 임의의 소망의 행방향 및/또는 열방향으로 전극 어레이 상의 다른 영역으로 이동시키도록 실행될 수 있다. 또한, 액체(LQ)의 연속 투입 유동의 경우, 이 분배 과정은 그리드 또는 어레이 상에 일련의 액적을 생성하도록 반복될 수 있으며, 이에 의해 연속 유동을 이산화시킨다. 이하에 보다 상세하게 기술되는 바와 같이, 이산화 과정은 어레이 상에 액적에 근거한 처리를 실행하는데, 특히 다수의 액적에 대하여 다수의 전류 작용이 고려되는 경우 매우 유용하다.
액적에 근거한 혼합 전략
본 발명에 따른 액적을 혼합하기 위한 몇 개의 전략의 예에 대해서 설명한다. 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 도 1을 참조하여 위에서 기술한 전기습윤 마이크로액츄에이터 기구(10)와 같은 형태가 2개 또는 그 이상의 액적, 예컨대 액적(D1, D2)에 대한 병합 및 혼합 작동을 실행하도록 채용될 수 있다. 도 8a 및 도 8b에 있어서, 액적(D1, D2)은 초기에 각각 제어 전극(E2, E5)에 중심을 두고 배치된다. 액적(D1, D2)은 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 이전에 기술된 방식으로 서로를 향해 이동되어 서로 병합하도록 전기습윤에 의해 작동될 수 있다. 최종 전극은 전극(E3 또는 E4)과 같은 중간 배치 전극일 수 있다. 변형예로서, 하나의 액적이 하나 또는 그 이상의 제어 전극을 가로질러 이동되어 다른 정지 액적과 병합할 수 있다. 따라서, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 액적(D1)은 화살표로 지시된 바와 같이 중간 전극(E3, E4)을 가로질러 이동되어 전극 상에 체재하는 액적(D2)과 병합하도록 작동될 수 있으며, 그 결과 액적(D1, D2)의 병합은 전극(E5) 상에서 일어난다. 그 후 결합된 액적은 1차원 선형 혼합 전략, 2차원 선형 혼합 전략 또는 2차원 루프 혼합 전략에 따라 능동 혼합될 수 있다.
1차원 선형 혼합 전략의 일 예로서, 기술된 바와 같이 다수의 액적이 병합될 수 있고, 그 후 결과적인 결합 액적은 결합 액적의 내용물에서의 교란을 일으키도록 몇 개의 전극에 걸쳐 소망 주파수에서 전후방으로 진동(또는 “요동” 또는“스위칭”)될 수 있다. 혼합 처리는 위에서 개시된 예에서 기술되어 있으며 어레이의 행 또는 열 내의 전극과 같이 임의의 수의 선형 배치된 전극을 포함할 수 있다. 도 9a, 도 9b 및 도 9c는 요동에 의해 병합 및 혼합이 수행될 수 있는 2전극 열, 3전극 열 및 4전극 열을 각기 나타낸다. 1차원 선형 혼합의 또 하나의 예로서, 다수의 액적이 병합되고 그 후 결합 액적 또는 액적들이 위에서 기술된 바대로 분할된다. 그 후 결과적인 분할된/병합된 액적은 몇 개의 전극에 걸쳐 소망의 주파수에서 전후방으로 진동된다. 그 후 분할된/병합된 액적은 소망의 혼합 정도가 얻어질 때까지 다수의 연속하는 사이클 동안 재결합, 재분할 및 재진동될 수 있다. 이러한 1차원 선형 혼합 접근법 모두가 결합 액적 또는 액적들 내에 가역 유동을 발생시킨다. 따라서, 일 방향의 운동에 의해 확립된 혼합 전류는 결합 액적이 다른 방향으로 다시 진동하는 경우 복귀하거나 반대로 될 수 있다. 그러므로, 일부 경우에 있어서, 1차원 혼합 처리에 참여하는 가역적 유동은 바람직하지 않게 큰 혼합 시간을 필요로 한다.
도 10a 내지 도 10c를 참조하면, “이송 혼합(mixing-in-transport)”으로서 참조되는 1차원 선형 혼합의 또 다른 예가 나타내져 있다. 이 방법은 2개 이상의 액적을 결합하여 결합 액적을 혼합이 완료될 때까지 소망의 유동 경로를 따라서 전방으로 연속적으로 작동시키는 것을 수반한다. 도 10a를 참조하면, 결합 액적(D)은 개시 전극(E0)으로부터 어레이 상의 전극의 프로그램된 경로를 따라서 사전에 선정된 목적 전극(Ef)에 도달할 때까지 이송된다. 목적 전극(Ef)은 분석, 반응, 육성 또는 검출과 같은 후속 처리가 일어나도록 프로그램된 어레이 상의 한 곳이 될 수 있다. 이러한 경우, 화살표로 지시된 바와 같이 결합 액적(D)이 능동 혼합되는 유동 경로가 또한 표본이 투입부로부터 어레이 상의 처리 영역으로 이송되는 분석 전달 경로로서 기능한다. 개시 전극(EO)으로부터 목적 전극(Ef)까지의 선정된 경로를 포함하는 전극의 수는 결합 액적(D)이 받게되는 작동의 수에 대응한다. 따라서, 충분한 수의 중간 경로 전극을 사용함으로써, 결합 액적(D)은 목적 전극(Ef)에 도달할 때까지 완전히 혼합될 것이다. 위에서 기술한 진동 혼합 기술의 경우와 같이 유동 경로가 반대로 되지는 않음에 주의해야 한다. 그러나, 유동 경로는 도 10a 내지 도 10c의 각각의 화살표로 지시된 바와 같이 어레이의 x-y 평면을 통해 하나 또는 그 이상의 직각 반전을 구비할 수 있다. 일부 경우, 경로의 반전은 혼합 효과를 향상시키는 고유한 유동 패턴을 발생시킨다. 도 10b에 있어서, 유동 경로는 다수의 직각 반전으로 구성되는 사다리 또는 계단 구조를 가진다. 도 10c에 있어서, 목적 전극(Ef)은 개시 전극(EO)과 동일한 행에 놓이지만, 결합 액적(D)은 결합 액적(D)이 이동되는 전극의 수와 실행된 반전의 수를 증가시키도록 이 행으로부터 이탈하고 계속해서 이 행에 복귀하는 유동 경로를 통해 작동된다.
도 11을 참조하면, 2차원 선형 혼합 전략의 예가 나타내져 있다. 어레이의 하나의 전극 행(EROW) 및 하나의 전극 열(ECOL)이 이용된다. 액적(D1, D2)은 전극 행(EROW)을 따라서 위에서 기술된 바와 같이 서로를 향해 이동되어 병합되어, 전극 행(EROW)과 전극 열(ECOL)의 교점에 배치된 전극 상에 중심을 둔 병합 액적(D3)을 형성한다. 그 후 전극 열(ECOL)의 선정된 전극은 위에서 기술된 방식으로 순차적으로 통전 및 단전되어 병합 액적(D3)을 분할된 액적(D4, D5)으로 분할한다. 그 후 분할 액적(D4, D5)은 전극 열(ECOL)을 따라서 이동된다. 분할 액적(D4, D5)의 이 연속 운동이 분할 액적(D4, D5)의 내용물에 대한 혼합 효과를 향상시킨다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 2차원 루프 혼합 전략의 예가 나타내져 있다. 도 12a에 있어서, 결합 액적(D)은 화살표로 지시된 바와 같이 어레이의 선정된 열 및 행의 전극을 따라서 원형, 장방형 또는 다른 폐루프 경로 내에서 시계방향 또는 반시계방향으로 순환된다. 결합 액적(D)의 이러한 순환 작동은 선정된 경로를 포함하는 전극의 적절한 시퀀스작용을 통해 실행된다. 결합 액적(D)은 이러한 방식으로 그 내용물을 혼합하기에 충분한 시간 동안 순환된다. 결합 액적(D)의 순환이 혼합 효과를 향상시키고 완전한 혼합에 필요한 시간을 감소시키는 비가역적 유동 패턴을 발생시킨다. 도 12a에 있어서, 경로는 보다 많은 중앙 전극을 에워싸도록 보다 크게 될 수도 있지만, 작동에 사용되지 않는 단지 하나의 중앙 전극만을 에워싸고 있다.
도 12b에서는, 적어도 4개의 인접한 전극(E1 내지 E4)의 서브어레이가 이용된다. 결합 액적(D)은 서브어레이의 4개의 모든 전극(E1 내지 E4)을 동시에 중첩할만큼 크다. 결합 액적(D)의 보다 큰 크기는 분할 없이 2개의 보다 작은 크기의 액적을 병합하는 결과가 될 수 있거나, 또는 두 쌍의 액적을 먼저 병합한 후 2개의 병합 액적을 결합하는 결과가 될 수 있다. 결합 액적(D)은 시계방향 또는 반시계방향 회전을 실행하기에 적합한 순서로 전극(E1 내지 E4)을 시퀀스작용시킴으로써 서브어레이를 돌아서 회전된다. 그러나, 도 12a에 나타낸 혼합 전략과 비교하면, 보다 큰 크기의 결합 액적(D)은 서브어레이의 4개의 전극(E1 내지 E4)의 교점에서 또는 그 부근에서 “속박되어” 유지된다. 따라서, 사실상 결합 액적은 속박 부분이 위치되는 교차 영역을 중심으로 회전된다. 이 효과가 결합 액적(D)을 회전시키는 것에 귀속되는 혼합 효과를 향상시키고 비가역적 유동을 촉진하는 고유한 내부 유동 패턴을 일으킨다. 또한, 단지 4개의 전극(E1 내지 E4)만을 사용하여 결합 액적(D)을 혼합하는 능력이 순환 작동을 높은 주파수에서 또한 보다 낮은 동력 요건으로 일어나게 한다.
도 12b에 나타낸 혼합 전략은 또한 다른 크기의 어레이를 사용하여 실행될 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따르면 2×4 어레이가 잘 작용하는 것으로 발견되었다.
위에서 기술된 모든 혼합 전략에 있어서, 관련된 액적은 동등한 크기로 혹은 동등하지 않은 부피로 될 수 있음에 주의해야 한다. n:1의 혼합 부피비가 필요한 상황에서는, 전극 영역은 일 액적(n) 대 일 액적(1)의 혼합을 가져오도록 비례적으로 선택될 수 있다.
도 13은 1차원 혼합 전략의 성능을 나타내는 도식적 데이터를 도시한다. 완전 혼합을 위한 시간(예컨대, 하나의 전극과 인접한 전극 사이의 스위칭 시간)이 액적 진동의 주파수의 함수로서 도시되어 있다. 2전극(도 9a 참조), 3전극(도 9b 참조) 및 4전극(도 9c 참조) 혼합 형태에 대한 곡선들이 각각 도시되어 있다. 혼합 시간은 1, 2, 4, 8 및 16㎐ 주파수에 대하여 얻어졌다. 각 전극에 인가된 작동 전압은 50V였다. 스위칭 주파수의 증가가 보다 빠른 혼합 시간을 초래하는 것으로 관측되었다. 마찬가지로, 소정 주파수에 대하여, 전극 수의 증가가 또한 개선된 혼합을 초래한다. 병합 액적의 진동이 수행되는 전극의 수를 증가시키는 것이 액적 내에 발생된 다중 라미네이션(multi-laminate) 형태의 수를 증가시켜, 이에 의해 확산을 위해 가용되는 경계 영역을 증가시키는 것으로 귀결되었다.
도 14는 액적이 2×2 전극 서브어레이(도 12b 참조)에 중첩할 만큼 충분히 큰 2차원 루프 혼합 전략의 성능을 나타내는 도식적 데이터를 도시한다. 혼합 시간은 8, 16, 32 및 64㎐에 대하여 얻어졌다. 도 13의 도표를 발생시켰던 실험과 같이, 각 전극에 인가된 작동 전압은 50V였다. 2차원 혼합은 1차원 혼합과 관련된 유동 가역성 효과를 감소시키는 것으로 귀결되었다. 또한, 액적이 한 점을 중심으로 회전한다는 사실이 스위칭 주파수가 50V의 작동 전압에 대하여 64㎐까지 증가되는 것을 가능하게 한다. 이 주파수는 동일 전압에서 1차원 작동의 경우에는 불가능했다. 또한, 액적이 4개의 모든 전극을 동시에 중첩한다는 사실이 액적 이송을 그만큼 높은 주파수와 낮은 전압으로 가능하게 하는 것으로 생각되었다. 2×2 서브어레이의 임의의 2개의 인접한 전극의 순차적 발사 사이의 시간은 액적이 양 전극과 동시에 전기적 연통하기 때문에 감소될 수 있다. 즉, 액적이 하나의 전극으로부터 또 하나의 전극으로 물리적으로 이동되기에 필요한 지연 시간 및 거리는 감소된다. 결과적으로, 액적 속도는 2차원 혼합의 경우 증가될 수 있어, 와동(vortex)이 형성되는 것을 허용하여 혼합을 촉진시킨다.
액적근거 샘플링 및 처리
도 15a 및 도 15b를 참조하면, 본 발명에 따른 연속 유동 유체 투입원(61)으로부터 액적을 샘플링하고 순차적으로 처리하는 방법이 나타내져 있다. 보다 상세하게는, 본 방법은, 액적에 근거한 순차적인 온칩 및/또는 오프칩 절차(예컨대, 혼합, 반응, 육성, 분석, 검출, 모니터링 등)의 준비시 위에서 기술된 바와 같은 전기습윤에 근거한 기술에 의해 연속 유동원(61)으로부터 균일한 크기의 표본 액적(S)을 이산화시키는 것을 가능하게 한다. 본 문맥에 있어서, “연속”이라는 용어는 보다 작은 부피의 액적으로 이산화되지 않는 일정 부피의 액체를 뜻하는 것으로 사용된다. 연속 유동 투입의 비제한적 예로서, 적절한 공급원 또는 분배 장치로부터 기판 표면 또는 다른 평면에 도입된 유체의 모세관 규모의 흐름, 손가락, 슬러그, 분취량 및 계량된 투여량이 포함된다. 표본 액적(5)은 관심사의 검체 물질(analyte substance)(예컨대, 질량 분관측정법에 의해 확인될 수 있는 약학 분자, 또는 농도가 분광기에 의해 결정될 수 있는 공지된 분자)을 통상 포함한다. 도 15a 및 도 15b에 도시된 몇 개의 표본 액적(S)은 연속 유동원(61)으로부터 이산화된 분리된 표본 액적(S) 또는 시간 경과에 따라서 또한 전극의 시퀀스작용에 따라 가용되는 다양한 분석 유동 경로를 따라서 전극 상의 상이한 위치로 이동되는 단일의 표본 액적(S)을 표현한다.
본 방법은 신호의 처리를 용이하게 하도록 아날로그 입력으로부터의 디지털화된 분석 신호로서 특징될 수 있다. 도 15a 및 도 15b에 도시된 액적 조작 작용은 위에서 기술된 바와 같이 전극 어레이 상에 유리하게 일어날 수 있음이 이해될 것이다. 이러한 어레이는 IC, MEMS 및 마이크로 유체 기술과 보통 관련되는 다른 특징 또는 장치를 가지거나 가지지 않고서 마이크로 유체 칩의 표면 상에 제조될 수 있거나 또는 그 표면 내에 매설될 수 있다. 적절한 전기적 제어기와의 연통을 통해 어레이의 전극을 적절하게 시퀀스작용하고 제어함으로써, 샘플링(액적 형성 및 이송을 포함함)은 연속적이고 자동화된 기준으로 행해질 수 있다.
도 15a에 있어서, 연속 유동원(61)의 액체 투입 유동이 적합한 주입점에서 전극 어레이에 공급된다. 위에서 기술된 전기습윤에 근거한 기술을 이용하여, 연속 액체 유동은 균일한 크기의 일련의 표본 액적(S)으로 세분화되거나 이산화된다. 그 후 이들 새로이 형성된 표본 액적(S)의 하나 또는 그 이상의 액적은 위에서 기술된 기본적인 이동, 병합, 혼합 및/또는 분할 작동 중 하나 또는 그 이상 및 이들 기본 작동으로부터 파생된 임의의 작동을 구비할 수 있는, 소망의 프로토콜에 따라서 조작될 수 있다. 특히, 본 발명은 표본 액적(S)이 온칩 분석 또는 다른 온칩 처리를 위해 연속 액체 투입 유동(61)으로부터 파생되는 것을 가능하게 한다. 예를 들면, 도 15a는 셀(63, 65)과 같은 마이크로 유체 칩의 표면 상에 위치한 하나 또는 그 이상의 기능 셀로 프로그램 가능한 분석 유동 경로를 따라서 마이크로 유체 칩을 가로질러 이송되는 액적을 도시한다.
기능 셀(63, 65)은 예컨대 혼합기(mixer), 반응기(reactor), 검출기(detector) 또는 저장 영역을 포함할 수 있다. 혼합기와 반응기의 경우, 표본 액적(S)은 마이크로 유체 칩 상의 또는 이에 인접한 하나 또는 그 이상의 분리된 저장소 또는 주입 사이트로부터 공급되고 전기습윤 기술에 의해 마이크로 유체 칩을 가로질러 반송되는 부가적 액적(R1 및/또는 R2)과 결합된다. 혼합기의 경우, 부가적 액적(R1 및/또는 R2)은 조성이 표본 액적(S)과는 상이한 다른 표본 물질일 수 있다. 변형예로서, 표본 액적(S)의 희석이 소망되는 경우, 부가적 액적(R1 및/또는 R2)은 다른 유형의 용제가 될 수 있다. 반응기의 경우, 부가적 액적(R1 및/또는 R2)은 다른 유형의 화학 시약을 포함할 수 있다. 예를 들면, 전극 어레이 또는 그 일부는 96웰 마이크로타이터 플레이트(96-well microtitre plate), 용제 병, 액체 이송 배관, 주사기 또는 연동식 펌프, 다부분 밸브(multi-part valve) 및 로봇 시스템과 같은 대형 구성요소를 사용하는 것이 통상 필요한 다표본 액체 취급/검정 장치의 소형 형태로서 채용될 수 있다.
기능 셀(63, 65)은 바람직하게는 어레이 상에 하나 또는 그 이상의 전극 수용 단위 셀을 포함한다. 이러한 기능 셀(63, 65)은 많은 경우에 이들의 대응하는 제어 전극을 시퀀스작용시킴으로써 정의될 수 있으며, 여기서 시퀀스작용은 소망 프로토콜의 부분으로 프로그램되고 마이크로 유체 칩과 연통하는 전기적 제어 유닛에 의해 제어된다. 또한, 기능 셀(63, 65)은 마이크로 유체 칩의 전극 어레이 상의 임의의 곳에 생성될 수 있으며 실시간 기준으로 재구성될 수 있다. 예를 들면, 도 16은 본원에 개시된 임의의 혼합 전략에 따라서 부가적 액적(R)으로 표본 액적(S)을 혼합하거나 희석하기 위해 생성될 수 있는 혼합기 셀(MC)을 나타낸다. 혼합기 셀(MC)은 칩에 의해 제공된 대형의 전극 어레이의 일부가 될 수 있는 전극 수용 단위 셀의 5×3 매트릭스를 포함한다. 따라서 혼합기 셀(MC)은 5개의 전극/셀 행(행1 내지 행5)과 3개의 전극/셀 열(열1 내지 열3)로 되어 있다. 병합 및 분할 작용이 도 5a 내지 6c를 참조하여 위에서 기술된 바와 같이 중앙에 위치한 전극(E1 내지 E3)에서 일어날 수 있다. 외측 열(열1, 열3) 및 외측 행(행1, 행5)과 관련된 전극이 표본 액적(S)과 부가적 액적(R)이 연속 유동원(61)으로부터 이산화된 후(도 15a 또는 도 15b 참조) 전극 어레이의 다른 영역으로부터 반송되는 이송 경로를 한정하도록 사용될 수 있다. 2×2 서브어레이가 도 12b에 나타낸 바와 같은 2차원 루프 혼합 전략을 실행하기 위해 한정될 수 있다. 혼합, 병합, 분할 또는 유지 작용 도중, 외측 열(열1, 열3) 및 외측 행(행1, 행5)과 관련된 전극의 일부 또는 전부는 게이트로서 기능하도록 접지되어 혼합기 셀(MC)을 칩 상의 다른 영역과 절연시킬 수 있다. 필요한 경우, 완전한 또는 실질적으로 완전한 혼합은 확산과 같은 수동 메커니즘에 의해 또는 위에서 기술된 전기습윤에 따른 결합 액적의 이동 또는 “요동”과 같은 능동 메커니즘에 의해 달성될 수 있다.
본 발명은, 본질적으로 반응기, 검출기 및 다른 분석 또는 측정 장비와 같은 종래의 거시규모의 장치 또는 기구의 소형 실시예 또는 모방예인 기능 셀을 비롯하여 기능 셀의 다른 유형을 제공하는 것을 의도한다. 예를 들면, 액적은 주 전극 어레이의 단일의 행 또는 열 내에, 또는 주 어레이에서 벗어나 위치한 셀에서 공지된 광학적 분광 기술과 관련하여 광선이 통과되는 표본 보유 셀 또는 유동 셀을 모방하도록 절연되어 유지될 수 있다. 초기 강도의 광선이 광섬유로부터 제공되어 표본 셀에 의해 수용된 액적을 통과할 수 있다. 그 후 액적을 벗어나면서 감쇠된 광선은 출력 광섬유로 진입할 수 있고 포토셀(photocell)과 같은 적절한 검출 장치로 지향된다. 광섬유는 표본 셀의 일 측에 배치될 수 있거나, 또는 표본 셀과 합체되거나 그 내로 삽입된 소형 딥 프로브(dip probe) 내에 제공될 수 있다.
도 15a를 다시 참조하면, 기능 셀(예컨대, 셀(63) 또는 셀(65))에서 실행된 처리의 완료시, 결과적인 산출 액적(미도시)은 폐기물 취합, 저장 또는 배출을 위해 마이크로 유체 칩 상에 또는 이를 벗어나서 위치된 각자의 저장소(67, 69)로 반송될 수 있다. 또한, 표본 액적(S) 및/또는 산출 액적은 취합, 폐기물 수용 또는 다음 처리로의 배출을 위해 마이크로 유체 칩 상의 또는 이에 인접한 적합한 배출 사이트에서 연속 액체 배출 유동(71)으로 재결합될 수 있다. 또한, 기능 셀(63, 65)에 의해 처리된 액적은 하나 또는 그 이상의 단계에서 희석되고 그리고/또는 반응된 후 검체의 검출 또는 측정을 위해 지정된 칩의 또 다른 부분으로 전기습윤에 의해 이송되는 표본 액적으로 준비될 수 있다. 예를 들면, 일부 검출 사이트는 바운드 효소(bound enzyme) 또는 생체분자 인식제를 포함할 수 있으며 특별한 검체를 위해 특정될 수 있다. 다른 검출 사이트는 위에서 주어진 예인 형광 또는 흡광에 근거한 검정과 같은 일반적인 검출 수단으로 구성될 수 있다.
도 15b에 도시된 변형 실시예에 있어서, 연속 액체 유동(61)은 투입 사이트(61A)로부터 공급되어 배출 사이트(61B)로 마이크로 유체 칩의 표면을 완전히 횡단한다. 본 실시예에 있어서, 표본 액적(S)은 연속 액체 투입 유동(61)의 길이를 따라서 도시된 위치(73)와 같은 특정되고 선정 가능한 단위 셀 위치에서 형성되며(예컨대, 연속 액체 투입 유동(61)이 샘플링되며), 도 15a의 실시예와 관련하여 위에서 기술된 바와 같이 후속되는 전기습윤에 근거한 조작이 실행된다.
도 15a 및 도 15b와 관련하여 기술된 방법은 다수의 응용예에 유용하다. 온라인 마이크로 유체 분석의 응용예에는, 예컨대, 투석 또는 다른 생물학적 살포 유동의 분석, 환경 및 수질 모니터링 및 발효와 같은 산업적 및 화학적 처리의 모니터링이 포함될 수 있다. 분석은 유동하는 액체 내의 임의의 특정 물질의 존재, 농도 또는 활성의 결정을 포함할 수 있다. 온라인 연속 분석은 시간에 따라 변화하는 화학적 신호의 실시간 측정이 필요한 임의의 응용예에 유익하며, 그 전형적 예로서 당뇨병 환자의 포도당 모니터링이 있다. 마이크로 유체는 분석에 필요한 표본의 수량을 감소시켜, 소형화되고 휴대 가능한 기기가 실현되는 것을 허용하면서 측정되어지는 검체를 소모시키는 것을 회피하는 침습성이 덜한 샘플링 기술을 가능하게 한다.
본 발명의 액적에 근거한 방법은 공지된 연속 유동에 근거한 미시규모 방법과 종래의 거시규모 기기에 근거한 방법에 비해 많은 이점을 제공한다. 도 15a 또는 도 15b를 참조하면, 표본 액적(S)의 연속 유동원(61)으로부터 칩의 분석 부분까지의 유동(예컨대, 분석 유동)은 연속 유동(예컨대, 투입 유동)에 무관하게 제어되어, 분석을 실행함에 있어 많은 유연성을 가능하게 한다. 연속 투입 유동으로부터 분석 유동의 분리가 각각의 유동이 개별적으로 최적화되고 제어되는 것을 가능하게 한다. 예를 들면, 마이크로투석에 있어서, 연속 유동은 특별한 감도 또는 샘플링 속도를 위해 최적화되면서 특별한 회복율을 달성하도록 최적화될 수 있다. 시약 액적(R)은 주 투입 유동에 영향을 주거나 오염시키지 않으면서 분석 유동 내에서 표본 액적(S)과 혼합될 수 있다. 분석 유동 내의 표본 액적(S)은 투입 유동을 방해하지 않으면서 한정적으로 저장되거나 육성될 수 있다. 상이한 길이의 시간을 필요로 하는 분석은 투입 유동을 방해하지 않으면서 동시에 또한 병행하게 실행될 수 있다.
도 15a 또는 도 15b에 도시된 실시예에 있어서, 표본 액적(S)의 분석 또는 다른 처리는 분석이 연속 유동원(61)의 투입과 동일한 순차적 처리의 일부로서 일어나는 한 온라인 상에서 실행된다. 그러나, 새로이 형성된 표본 액적(S)이 연속 액체 투입 유동(61)으로부터 분기되기 때문에, 분석은 연속 액체 투입 유동(61)에 대하여 인라인(in-line)으로 실행되지는 않는다. 따라서, 이 설계가 분석 유동이 투입 유동으로부터 분리되는 것을 가능하게 한다.
또 다른 이점으로서, 다수의 검체가 동시에 측정될 수 있다. 연속 액체 유동(61)이 표본 액적(S)으로 세분화되므로, 각 표본 액적(S)은 상이한 시약 액적(R1, R2)과 혼합될 수 있거나 또는 혼신(cross-talk) 또는 교차오염(cross-contamination) 없이 단일의 표본 내의 다수의 검체의 동시 측정을 가능하게 하도록 칩 상의 상이한 테스트 사이트로 전달될 수 있다. 또한, 다단계 화학 프로토콜이 가능하여, 광범위한 유형의 분석이 단일 칩 내에서 수행되게 한다.
또한, 교정 및 표본 측정이 복합될 수 있다. 교정 액적은 표본 간에 발생되어 측정될 수 있다. 교정을 위해 투입 유동이 중단될 필요는 없으며, 모니터링 도중 주기적 재교정이 가능하다. 또한, 검출 및 감지가 다수의 검체에 대하여 복합될 수 있다. 예를 들면, 형광계 또는 흡광도 검출기가 표본 액적(S)을 검출 사이트로 전달하는 시퀀스작용에 의해 다수의 검체를 측정하도록 이용될 수 있다.
또 다른 중요한 이점은 칩 작용의 재구성이다. 샘플링 속도는 소프트웨어 제어를 통해 동적으로 변화될 수 있다. 혼합비, 교정 절차 및 특정 테스트가 모두 소프트웨어를 통해 제어될 수 있어, 칩의 유연하고 재구성 가능한 작용을 가능하게 한다. 피드백 제어가 가능하여, 분석 결과가 칩의 작용에 영향을 주게 한다.
액적에 기초한 바이너리 인터폴레이팅 디지털 혼합
도 17을 참조하면, 전체적으로 도면 번호 100 으로 표시되어 있는 2 중 혼합 장치가 본 발명에 따라서 도시되어 있다. 바이너리 혼합 장치는 소망하는 혼합비를 획득하도록 하나, 또는 둘 또는 그 이상의 혼합 단계로 액적에 기초한, 가변적인 희석 바이너리 혼합 기술을 수행하는 유용하다. 결과적인 혼합비의 정확도는 사용된 개별의 바이너리 혼합 유니트의 수에 달려있다. 일 예로서, 도 17 은 개략적으로 제 1 의 바이너리 혼합 유니트(110)와 제 2 의 바이너리 혼합 유니트(210)를 도시한다. 하나 이상의 혼합 유니트가 제공되었을 때, 바람직스럽게는 버퍼(310)가 혼합 유니트와 유체 소통되도록 제공되어서 필요에 따라 혼합 유니트들 사이에 중간 제품을 저장하고 중간 제품을 전달한다. 컴퓨터 프로그램의 명령을 수행할 수 있는 마이크로프로세서와 같은 적절한 전자 콘트롤러(EC)는 제 1 의 바이너리 혼합 유니트(110), 제 2 의 바이너리 혼합 유니트(210) 및 버퍼(310)와 적절한 통신 라인(111,211,311)을 통해서 각각 통신한다.
바이너리 혼합 장치(100)는 본 발명에 따라서 바이너리 인터폴레이팅(binary interpolating) 디지털 혼합 과정을 수행할 목적으로 마이크로유체 칩 위에서 제조될 수 있다. 바이너리 혼합 장치(100)(그것의 예는 도 18a 및 도 20 에 도시되어 있다)의 다양한 액적 취급 구성 요소들의 물리적인 배치를 설계하는데 있어서, 전극의 디자인과 이송의 디자인(예정표의 작성)이 고려되었다. 특정의 물리적인 배치가 최소한 부분적으로 전자 콘트롤러(EC)에 의해 수행되는 코드 또는 명령의 세트를 결정하여 전극을 제어하고 따라서 수행되어야 하는 액적에 기초한 처리의 시퀀스를 제어한다. 바람직스럽게는, 바이너리 혼합 장치(100)의 전극을 포함하는 액적 취급 영역들이 도 1 의 단면으로 도시되고 위에서 전기습윤(electro-wetting) 마이크로액튜에이터 메카니즘(10)과 관련하여 설명된 바와 같이 구성되거나, 또는 이후에 설명된 단일 측면의 전극 구성에 따라서 구성된다.
바이너리 혼합 장치(100)의 구조는, 다중 지점의 캘리브레이션들에 대하여 동적으로 변화될 수 있는 정확하게 제어된 혼합비를 허용하면서, 액적-대-액적의 혼합 실험에서 관찰되는 가속된 비율의 완전히 이용하여 설계된다. 여기의 설명으로부터 명백해질 바로서, 바이너리 혼합 장치(100)는 특정의 정확도로써 혼합비의 넓은 범위를 취급할 수 있고, 혼합 구성 요소들의 2 차원의 어레이(array)로 구성되는 것에서의 비례화 가능성(scalability) 뿐만 아니라 혼합 작업에서의 높은 병렬성을 나타내는 혼합 패턴을 가능하게 하다. 바이너리 혼합 장치(100)는 액적 크기들의 넓은 범위를 취급할 수 있다. 그러나, 샘플 액적들이 검출 또는 측정의 목적으로 준비된 것이라면 액적 제한은 낮다.
바이너리 혼합 장치(100)의 구조는 대부분의 유효한 혼합이 서로를 향하여 움직이는 2 개의 액적들 사이에서 대부분 발생할 것이라는 인식에 기초한다. 이것은 실험에서 관찰되었으며 유체의 전단 운동에 의해 유도된 대류가 순수한 물리적인 확산보다 훨씬 빠르게 혼합 과정을 가속시킨다는 사실에 의해 설명될 수 있다. 따라서, 일반적인 디자인의 원리로서, 하나씩의 혼합이 가능한 한 많이 사용된다. 위에서 지적된 바와 같이, 하나씩의 혼합이 바람직스럽게는 균일한 액적 크기를 유지하도록 혼합과 분리 작업을 모두 포함한다. 기본적인 MIX 및 SPLIT 작업은 도 5a 내지 도 6c를 참조하여 위에서 설명되었다.
바이너리 혼합 장치(100)의 구조를 디자인하는데는 특정으 가정이 이루어졌으며 다음을 포함한다.
1. 충분한 시간이 주어진다면 완전한 혼합이 화학적 및/또는 물리적 과정과 관련하여 발생한다.
2. 동등한 액적의 분리가 물리적인 체적과 화학적인 성분들과 관련하여 발생한다.
3. 무시할만한 잔여물이 액적 이송 동안에 발생한다.
4. 희석의 큰 비율을 위한 혼합 시간은 지체된 상태(bottleneck)이다.
5. 혼합비에는 공차들이 있다.
6. 이송 시간은 혼합에 비교하여 무시할만 하다.
바람직한 디자인 요건들과 제약이 또한 고려되었으며, 다음을 포함한다.
1. 검출 가능성을 보증하는 혼합 출력의 최소 체적
2. 독립적인 제어 전극의 최대 수.
3. 최대의 혼합 부위
4. 전극당 작용의 최대수.
5. 상이한 혼합비에 대한 재배치 가능성(reconfigurability).
따라서, 하나의 디자인 목적은 혼합비의 정확도를 유지시키면서 혼합-분리 작동의 최소 수를 이용하여 완전한 혼합 과정을 완성하는 것이었다.
더욱이, 이상적인 혼합 구조에대한 일부 소망되는 특성들이 다음과 같이 되도록 고려되었다.
1. 정확한 혼합비
2. 작은 수의 혼합 사이클. 많은 혼합 과정들은 하나 이상의 혼합 단계를 포함할 것이므로, 제 1 의 단계에서 2 개의 바이너리 혼합 유니트(110,210)들이 서로에 대하여 병렬로 그리고 독립적으로 작동된다. 그러나, 제 2 의 혼합 단계는 제 1 의 혼합 단계가 종료된 이후에만 시작할 수 있다. 따라서, 2 단계 혼합의 전체 혼합 시간은, 제 1 단계에서 제 1 및 제 2 의 바이너리 혼합 유니트(110,210)의 최대 혼합 시간을, 제 2 단계에서 제 1 의 바이너리 혼합 유니트(110)나 또는 제 2 의 바이너리 혼합 유니트(210)의 혼합 시간에 더한 것이어야 한다. 그러므로, 혼합 사이클은 하나의 혼합 과정을 종료시키는데 필요한 전체적인 혼합 시간으로서 정의된다. 이것은 혼합 작용들과 관련하여 표준화되는데, 이들 혼합 작용들은 예를 들면 액적 이송에 비교하여 가장 시간이 소모되는 작용들인 것으로 가정된다.
3. 전체 혼합 작용의 최소 수. 혼합, 분리 및/또는 이송으로 구성된 단일의 바이너리 혼합 작용은 에러의 근원이다. 또한, 혼합 작용들이 많아질수록 전극들을 많이 사용한다는 것을 의미하며, 이것은 전극상의 전하 축적에 기인한 에러의 다른 원인일 수 있다.
4. 작용들의 단순성.
5. 비례화 가능성. 바이너리 혼합 장치(100)가 상이한 혼합비를 취급할 수 있는 성능과 대량의 산출량이 요구될 때 구성을 다중의 혼합 유니트로 연장시킬 수 있는 가능성.
6. 병렬성
바이너리 혼합 장치(100)의 구조는 바이너리 혼합 단계들의 다중적인 계급화(hierarchy)를 이루는데, 제 1 의 계급은 대략적인 혼합비 및 캘리브레이션 메카니즘으로서 채용된 다음의 것들을 제공한다. 이러한 개념은 인터폴레이팅 디지털-아날로그 콘버터(DAC)와 유사한데, 그 구조는 2 개의 부분들로 분할되어, 상위의 DAC는 MSB(most significant bit)를 바이너리의 방식으로 처리하고 하위의 DAC 는 LSB(least significant bit)로의 캘리브레이션과 교정을 처리한다. 1/32 의 농도로 희석된 16 개의 샘플 액적들을 발생시키도록 수행된 하나의 단계인 바이너리 혼합 과정의 예는 도 19a 내지 도 19f를 참조하여 설명된다.
바이너리 방식으로의 혼합은 단지 몇 개의 혼합 작용들만을 가지고 2 배율인 큰 비율로 희석되는 결과를 초래한다. 비율의 정확도는 바이너리 방식으로 2 개의 중간 제품들을 더욱 혼합시킴으로써 캘리브레이션될 수 있다. 예를 들면, 하나의 혼합 과정은 1/8 의 농도를 발생시킬 수 있으며, 다른 과정은 1/16 의 농도를 발생시킬 수 있다. 이들 2 개의 혼합물들이 1:1, 1:3, 3:1, 1:7 및 7:1 의 비율로 각각 더욱 혼합될 때, 최종의 제품은 1/10.67, 1/12.8, 1/9.14, 1/14.2 및 1/8.3 의 농도를 각각 가지게 된다. 이러한 원리에 기초하여, 그 어떤 비율이라도 몇 개의 혼합 단계에서 허용 가능한 공차와 함께 획득될 수 있다. 심화된 정확도가 필요하다면, 이전의 단계로부터의 제품을 사용하는 부가적인 혼합 단계가 사용되어 비율을 캘리브레이션할 수 있다. 이전에 지적된 바와 같이, 예상된 비율을 높은 정확도에 접근시키는 과정은 아날로그 대 디지털 콘버터 설계에서 사용되는 것과 유사한 연속적인 근사 과정(approximation process)으로서 특징지워질 수 있다. 이것은 속도를 정확도와 교환하는 접근접이다. 그러나, 충분한 정확도에 필요한 혼합 단계들의 수는 놀랍게도 작다. 일반적으로, 필요한 비율이 32 보다 작을 때, 종종 2 개의 혼합 단계들로 충분하다. 32 보다는 크지만 64 보다는 작은 비율들이 가능하게는 3 개의 혼합 단계를 필요로 한다. 바이너리 비율들의 범위와 혼합된 중간 제품들의 상이한 조합들이 정확도를 더욱 증가시키도록 보다 많은 인터폴레이팅 지점들을 만들고, 따라서 여분의 혼합 단계들을 사용할 필요성이 배제된다는 점이 관찰되었다.
공지된 수학적 원리에 기초하여, 바이너리 혼합 장치(100)의 구조는 바람직스럽게는 2 개의 같은 구성인 혼합 유니트들 (예를 들면, 도 17 에 도시된 바와 같이, 제 1 의 바이너리 혼합 유니트(110) 및 제 2 의 바이너리 혼합 유니트(210))을 가지고, 각각의 바이너리 혼합 유니트(110,210)가 바이너리 혼합을 처리하고 특정한 혼합물의 체적을 발생시키도록 설계될 수 있다. 각각의 바이너리 혼합 유니트(110,210)는 상이한 작용들에 따라서 2 배율의 상이한 혼합비를 발생시킬 수 있다. 제 1 의 혼합 단계에서, 2 개의 바이너리 혼합 유니트(110,210)를 병렬로 사용하여, 샘플은 그 어떤 계열의 비율 (1:1, 1:3, 1:7...1:2n-1)로도 시약과 혼합된다. 제품은 같은 체적을 가진 2 개의 혼합물이다. 2 개 호합물들의 비율은 최종 제품의 필요한 비율에 의해 결정되며, 바람직스럽게는 컴퓨터 프로그램에 의해 제어된다. 제 2 의 단계에서, 2 개의 혼합물들은 2 개 유니트들중 하나에서 특정의 바이너리 비율로 혼합된다. 버퍼(310)는 제 2 단계의 혼합이 바이너리 혼합 유니트(110 또는 210)들중 하나에서 수행될 때 중간 제품들의 일부를 저장하도록 사용된다. 중간 제품의 체적은 제한되기 때문에 (예를 들면 16 액적), 제 2 혼합은 임의의 커다란 바이너리 비율로 수행될 수는 없다. 바이너리 혼합 장치(100)의 구조와 작용에 대한 여기의 설명으로부터, 4 개의 컬럼(column)과 16 개의 액적들이 각각의 유니트로부터 발생된다면, 다음의 혼합 단계에서의 가능한 바이너리 비율이 31 보다 작거나 같도록 제한된다는 점을 나타낼 수 있다. 그렇다할지라도, 충분한 정확성이 제 2 단계 이후에 획득될 수 있다. 심화된 정확도가 요구된다면, 요건에 근접한 혼합이 발생되도록 2 배율 계열의 비율을 가진 다른 혼합물(예를 들면, 캘리브레이션 혼합물)과 제 2 단계로부터의 제품을 사용하여 부가적인 혼합이 수행될 수 있다.
위의 설명으로부터, 2 배수 계열의 혼합물을 발생시키는 것은 예상된 비율을 획득하는데 있어서 기본적인 공정일 수 있다는 점이 관찰될 수 있다. 이러한 혼합물의 정확한 비율은 시기에 앞서서 결정될 수 있거나, 또는 동적으로 변화될 수 있다. 예를 들면, 혼합의 제 1 단계 동안에, 2 개의 비율들이 필요한 비율에 따라서 시기에 앞서서 계산될 수 있다. 그러나, 제 2 단계 이후의 단계에서, 이전의 혼합 품질로부터 피드백이 주어진다면 캘리브레이션 혼합물이 동적으로 결정될 수 있다. 미리 결정되었을지라도, 다른 단계의 혼합이 수행되기 이전에 캘리브레이션 혼합물을 준비하도록 여분의 시간이 필요할 것 같다. 그러한 경우에, 2 개의 바이너리 혼합 유니트(110,210)만을 사용하는 것이 충분할 수 있으며, 그리고 여분의 바이너리 혼합 유니트가 이전의 캘리브레이션 혼합 공정과 병렬로 캘리브레이션 혼합물을 준비하도록 부가될 수 있다.
혼합 계획의 결정은 필요한 비율과 그것의 공차를 따라서 각각의 단계에 대한 혼합비와 혼합 단계들의 수를 계산하는 것을 포함한다. 이러한 결정은 목적 함수(objective function)로서 혼합의 시간과 혼합 작용의 수를 가지고 최적화 과정에 의해 해결될 수 있다.
이제 도 18a 및 도 18b를 참조하면, 제 1 의 바이너리 혼합 유니트(110)에 대한 예시적인 구조가 도시되어 있는데, 제공되어 있는 제 2 의 바이너리 혼합 유니트(210)와 그 어떤 다른 부가적인 혼합 유니트들이 유사하게 설계될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 도 18a 에 도시된 구현예는 하나의 단계로 혼합시킬 수 있는 반면에, 도 20 에 도시된 구현예(이하에 간략하게 설명된다)는 두 개의 단계로 혼합시킬 수 있다. 도 18a 에 도시된 바와 같이, 제 1 의 바이너리 혼합 유니트(110)는 전체적으로 7 x 7 의 전극 매트릭스 또는 어레이를 구비하는데, 이것은 EA 로 표시되어 있고, 49 개의 매트릭스 전극들과 그들의 셀(Eij)로 이루어지며, 여기에서 "i"는 전극들의 1,2,...,7 의 행을 표시하고, "j"는 전극들의 1,2,...,7 열들을 표시한다. 도 18b 는 행(ROW1-ROW7)과 열(COL 1-COL7)의 2 차원 시스템에 따른 전극 어레이(EA)의 매트릭스 전극(Eij)을 식별한다. 그러나 본 발명은 그 어떤 특정한 수의 전극들, 행들 및 열들에 제한되지 않는다. 보다 크거나 또는 보다 작은 전극 어레이(EA)이 적절한 것으로서 제공될 수 있다.
도 18a를 참조하면, 샘플 저장조(113), 폐기물 저장조(115) 및 시약 저장조(117)도 제공된다. 전극 어레이(EA)에대한 저장조(113,115,117)의 위치에 따라서, 이송 또는 경로 전극들의 적절한 수 및 배치와 관련 셀들(T1-T4)들이 액적들을 전극 어레이(EA)들에 대하여 그리고 그로부터 이송시키도록 제공된다. 다수의 전기적인 리이드(lead, 예를 들면 L)들이 매트릭스 전극들(Eij)과 이송 전극들(T1-T4)에 연결되어 액적들의 운동과 다른 처리를 제어한다. 전기적인 리이드(L)들은 마이크로프로세서(예를 들면, 도 17 의 전자 콘트롤러(EC))와 같은 적절한 전자 콘트롤러와 통신한다는 점이 이해될 것이다. 각각의 매트릭스 전극(Eij)은 그 자체의 독립적인 전기 리이드 연결을 가질 수 있다. 그러나, 전기적인 리이드(L)들의 수를 감소시키고 따라서 제 1 의 바이너리 혼합 유니트(110)의 구조를 단순화시키기 위하여, 각각의 열(COL2-COL7)의 전극들 (도 18b 참조)은 도 18a 에 도시된 바와 같은 공통의 전기적인 리이드(L)에 연결된다. 제 1 의 바이너리 혼합 유니트(110)에 의해서 수행되어야 하는 혼합 작용에 대한 프로토콜(protocol)을 작성할 때 이들 공통의 연결들이 고려되어야 한다.
사실상, 바이너리 혼합 장치의 각각의 바이너리 혼합 유니트(110,210)는 각각의 셀이 샘플, 시약 또는 중간 혼합물을 저장하는 상태로 4 x 4 의 논리 셀들을 가지도록 설계된다. 이것은 도 18b 의 매트릭스 배치를 도 19a 내지 도 19f 에 도시된 4 x 4 논리 셀 매트릭스와 비교함으로써 개념화된다. 4 x 4 의 구성은, 액적들이 근접한 제어 전극들(예를 들면, 도 5a 내지 도 6c 도시된 중간 제어 전극(E2) 및 근접 제어 전극(E1 및 E3))로부터의 중간 제어 전극들상에 결합되고, 혼합된 액적이 다음에 분리되고, 새로이 형성된 혼합 액적들은 MIX (또는 MIX-SPLIT) 작용의 완료시에 근접한 제어 전극들로 복귀되는 사실을 설명한다. 따라서, 전극들의 특정한 행은 사실상 액적 조합의 경우 동안에 단지 일시적인 중간 전극들로서 사용될 필요가 있다. 구성은 또한 전극들의 특정한 열들이 단지 액적의 이송을 위해서 사용될 필요가 있다는 사실을 설명한다 (예를 들면, 새로운 시약의 액적을 부가하기 위한 공간을 만들도록 하나의 열로부터 다른 열로 액적을 이동시킨다). 전기한 바에 비추어, 도 16b 에 도시된 바와 같은 전극의 행(ROW2, ROW4 및 ROW6)과, 열(COL2, COL4 및 COL6)은 도 19a 내지 도 19f 에 선으로서 간단하게 도시되어 있다. 또한 도 19a 내지 도 19f에서, 활성의 전극들은 음영이 표시된 막대에 의해 표시되고, 혼합 작용은 기호"-----> <-----"에 의해 표시되고, 이송 작용들은 기호 "---->"에 의해 표시된다. 또한, 액적의 농도들은 액적들이 존재하는 곳인 행과 열의 다음에 숫자(에를 들면 0, 1 1/2)에 의해 표시된다.
활성의 전극들이 2 개의 셀들 사이에 존재하는지의 여부에 따라서, (도 19a 및 도 19b를 포함하는 도면으로부터) 수평 또는 수직 방향들에서 일부 근접한 셀들 사이에 하나씩의 혼합이 발생할 수 있다는 점을 알 수 있다. 제 1 의 열에 있어서, 액적을 포함하는 그 어떤 2 개의 근접한 행의 셀들 사이에, 2 개의 근접한 행의 셀이 혼합 작용을 수행할 수 있게 하는 활성 전극이 존재한다. 다른 열들에 있어서, 2 개의 행의 셀들 사이에 활성의 전극들이 존재하지 않는다. 이것은 예를 들면 도 19a 에 도시되어 있다. 액적을 포함하는 그 어떤 열들의 사이에, 하나의 열에 있는 그 어떤 셀들이라도 근접한 열의 셀들과 혼합 작용을 동시에 수행할 수 있게 하는 전극들이 존재한다. 이것은 예를 들면 도 19d 에 도시되어 있다. 활성 전극들의 사용에 의해, 논리 셀(즉, 액적)의 내용은 제 1 의 열에서 하나의 행으로부터 다른 행으로 움직일 수 있거나, 또는 열들 사이에서 움직일 수 있다. 4 x 4 논리 구조의 채용은 다음의 예에 의해서 나타낸 바와 같이 바이너리 작용의 최적화를 위해서 설계된다. 최종 제품의 물리적인 체적이 각각의 액적의 크기를 변화시킴으로써 조절될 수 있을지라도 제 1 의 바이너리 혼합 유니트(110)인 하나의 혼합 유니트 구현예의 체적 출력은 16 액적들에 제한된다는 점이 주목될 것이다.
혼합 장치(100)가 어떻게 2 배율의 비율을 발생시키는지를 나타내도록, 도 19a 내지 도 19f 는 1 : 31 비율 (1/32 농도와 같음)을 목표로 하는 일련의 혼합 작용에 대한 예를 도시한다. 혼합 과정이 2 개의 기본적인 단계를 가진다는 점을 알 수 있다. 이는 행의 혼합(row mix) 및 열의 혼합(column mix)이다. 일반적으로, 행의 혼합의 목적은 2 개의 혼합 입력의 최소 체적을 가지고 혼합비의 범위에 접근하는 것이다. 열의 혼합의 목적은 출력에서 필요한 체적을 만들고 그리고 동시에 비율에 있어서 다른 4 배의 증가를 획득하려는 것이다. 따라서, 도 19a 내지 도 19f 에 표시된 바와 같이, 1:13 의 비율을 얻으려면, 행의 혼합이 1:7 의 비율 또는 1/8 의 농도(도 19d 참조)를 초래한다 (도 19d 참조). 열의 혼합은 1:31 또는 1/32 농도의 최종 제품 비율을 달성하는데 도움이 된다.
도 19a를 참조하면, 단일 행의 혼합이 1 의 농도 (즉, 100 %)를 가진 샘플 액적(S1)과 0 의 농도를 가진 시약(또는 용매) 액적(R1)을 조합함으로써 수행된다. 이러한 결과는 2 개의 중간 혼합물 액적(l1, l2)을 초래하는데, 각각은 도 19b 에 도시된 바와 같이 1/2 의 농도를 가진다. 중간 혼합물 액적(예를 들면 l1)들중 하나가 폐기되며, 새로운 시약 액적(R2)이 나머지의 중간-혼합물 액적(예를 들면 l2)에 근접한 논리 셀로 움직인다. 다른 행의 혼합은 중간 혼합물 액적(l2)과 시약 액적(R2)을 결합함으로써 수행된다. 이것은 2 개의 중간 혼합물 액적(l3 및 l4)를 초래하며, 그 각각은 도 19c 에 도시된 바와 같이 1/4 의 농도를 가진다. 2 개의 새로운 시약 액적 R3 및 R4 가 부가되고, 2 중 행의 혼합 작용으로 개별의 중간 혼합물 액적(l3 및 l4)과 조합된다. 이것은 4 개의 중간 혼합물 액적(l5-l8)을 초래하고, 각각은 도 19d 에 도시된 바와 같이 1/8 의 농도를 가진다.
도 19d 에 도시된 바와 같이, 4 개의 새로운 시약 액적(R5-R5)이 개별의 중간 혼합물 액적(l5-l8)에 근접한 매트릭스로 움직인다. 다음에 열의 혼합이 시약 액적(R5-R8)과 중간 혼합물 액적(l5-l8)의 각각의 대응하는 쌍 사이에서와 같이 수행된다. 이것은 8 개의 중간 혼합물 액적(l9-l16)을 발생시키는데, 그 각각은 도 19e 에 도시된 바와 같이 1/16 의 농도를 가진다. 또한 도 19e 에 도시된 바와 같이, 4 개의 중간 혼합물 액적(l9-l12 및 l13-l16)의 각각의 열은 개별적으로 하나의 열을 넘어서 우측으로 이동하여, 새로운 시약 액적들(R9-R12 및 R13-R16)의 2 개의 열들이 개별적으로 매트릭스의 외측 열으로 적재될 수 있다. 중간 혼합물 액적들과 시약 액적들 (예를 들면 l9 ala 및 R9, l10 및 R10 등)의 각각의 대응하는 쌍은 다음에 부가적인 열의 혼합 작용을 통하여 조합된다.
이러한 혼합 작용들의 결과로서, 16 개의 최종 혼합물 제품 액적들(P1-P16)이 생산되는데, 각각은 도 19f 에 도시된 바와 같이 1/32 의 최종 농도 (1:31 의 목표 혼합비에 해당함)를 가진다. 이제 제품 액적(P1-P16)이 예상되는 차후의 작업을 위해서 준비되는데, 상기 차후의 작업은 위에서 예로든 샘플링(sampling), 검출, 분석등과 같은 것이다. 또한, 위에서 설명된 바와 같이 필요하다면, 소망되는 정확한 혼합비에 따라서, 제품 액적들(P1-P16)이 제 2 의, 또는 심지어는 제 3 의 혼합 작업의 단계를 거칠 수 있다. 그러한 부가적인 혼합 단계들은, 제 1 의 바이너리 혼합 유니트(110)의 일부일 수 있는 전극 어레이 위의 상이한 부위에서 발생할 수 있다. 이와는 달리, 도 17 에 도시된 바와 같이, 최종의 혼합물 액적들이 다른 바이너리 혼합 장치(예를 들면, 제 2 의 바이너리 혼합 유니트(210))로 이송될 수 있는데, 상기 다른 바이너리 혼합 장치는 제 1 의 바이너리 혼합 유니트(110)와 직접적으로 유체 소통되거나 또는 버퍼(310)를 통하여 소통된다.
본 발명의 방법은 31 보다 작거나 또는 큰 비율에도 적용될 수 있다. 예를 들면, 1:15 의 비율을 얻는 것이 목표라면, 행의 혼합은 투입을 1:3 의 비율로 호합시키는데, 이는 1:7 의 혼합비를 얻기 위한 3 번의 혼합 작용 대신에 2 번의 혼합 작용을 필요로 한다. 혼합 작용과 관련하여, 행의 혼합(단일)을 위한 제 1 단계 및 제 2 단계를 위한 폐기 작용이 그러한 경우에 제거될 수 있다는 점을 나타내도록 도 19a 내지 도 19f 가 사용될 수 있다.
1:31 의 혼합을 완수하기 위한 상세한 작용을 더욱 설명하도록, 도 19a 내지 도 19f 에 상세하게 도시된 (그리고 도 18b를 전체적으로 참고하는) 예에 대한 가상의 코드가 다음과 같이 나열된다.
1. 적재 S (1,1), 적재 R(2,1), 행의 혼합 (1,2)
2. (폐기(1,1), 적재 R(3,1), 행의 혼합(2,3)
3. 적재 R(1,1), 적재 R(3,1), (행의 혼합(1,2), 행의 혼합(3,4))
4. 열의 적재(R2), 열의 혼합(1,2)
5. 열의 움직임(2에서 3 으로), 열의 움직임 (1에서 3 로, 열의 적재(R1)
열의 적재(R4), (열의 혼합 (1,2), 열의 혼합(3,4))
6. 종료
위의 가상 코드는 가능한 혼합 작용을 하나의 혼합 과정으로 표준화시킨다. 작용의 시퀀스는 혼합 작용의 수를 감소시키면서 혼합의 산출량을 증가시키도록 보다 가능성이 있는 최적화를 받게 된다. 이러한 디자인은 모든 혼합 작용들이 적절하게 기능하는 것을 보장하면서 활성 전극들의 수가 가능한 한 작게 유지되어야 한다는 점을 염두에 둬야 한다. 바람직한 구현예에 있어서, 각각의 바이너리 혼합 유니트(110,210)(도 17 참조)는 혼합 기능들을 처리하도록 13 개의 활성 전극들을 가지도록 설계된다. 액적들을 각각의 바이너리 혼합 유니트(110,210)의 내측으로 그리고 안으로 이송시키는 가능성은 다른 고려 사항이다. 처음에, 어레이의 2 개의 외측 열들은 혼합기의 양변을 따라서 형성된 이송 채널로서 사용될 수 있어서 혼합기의 다른 작용들과 동시에 액적들을 혼합기 안으로 전달한다. 같은 수의 전극들이 이러한 이송 기능을 처리할 수도 있다.
제 2 의 단계는 혼합 과정으로서 2 개의 바이너리 혼합 유니트(110,210)들로부터의 중간 제품들이 혼합되어야할 때이다. 이것은 도 19a 내지 도 19f를 참조하여 위에 설명된 제 1 의 단계에서 표준의 바이너리 혼합 과정과 유사하다. 제 2 단계의 혼합이 이전의 혼합 제품(예를 들면, 도 19f 에 도시된 제품 액적 P1 -P16)을 유지하는 바이너리 혼합 유니트(110 및 210)들중 하나에서 수행된다는 점이 단지 차이일 뿐이다. 이전에 지적된 바와 같이, 버퍼(310)는 과정 동안에 일부의 제품을 유지하도록 사용된다.
제 2 단계 동안에 최대의 혼합비가 31 로 제한된다는 점이 계산될 수 있다. 그 이유는 최대의 비율을 획득하도록 행의 혼합이 가능한 한 많이 사용되어야 한다는 것이다. 행의 혼합이 비율을 증가시키도록 사용될 때, 폐기 과정에서 보다 적은 투입이 손실되다. 따라서, 한정된 양의 투입 재료가 있을 때, 제 1 의 선택은 혼합물 산출에 대한 요건을 충족시키기에 충분한 체적이 남을 때까지 얼마나 멀리 행의 혼합이 진행할 수 있는가를 보는 것이다. 이러한 방식으로, 산출 요건이 16 개보다 적은 액적들로 지정되었을 때, 16 개의 액적을 가진 2 개의 혼합물이 단지 1:31 의 최대 비율로써만 혼합될 수 있다는 점을 알 수 있었다. 또한 도 19a 내지 도 19f 로부터 나타낼 수 있는 바로서, 1:31 의 비율로써 혼합되려면 16 개의 시약 액적들이 최소의 양이 된다.
도 18a 에 도시된 제 1 의 바이너리 혼합 유니트(110)에 대한 물리적인 배치는 보다 낳은 2 단계의 혼합 성능을 달성하도록 개량될 수 있다. 따라서 도 20을 참조하면, 전체적으로 도면 번호 410 으로 표시된 2 단계 혼합 유니트가 도시되어 있다. 2 단계 혼합 유니트(410)의 구조는 도 18a 의 제 1 의 바이너리 혼합 유니트(110)의 구조와 유사하며, 따라서 7 x 7 의 매트릭스, 샘플 저장조(413), 폐기물 저장조(415), 시약 저장조(417) 및, 다양한 저장조들로부터 7 x 7 의 매트릭스로 액적들을 이송시키는데 필요한, 어레이 이외(off-array)의 전극들의 적절한 수와 배치를 구비한다. 2 단계 혼합 유니트(410)는 제품 액적들을 다른 혼합 유니트나 또는 버퍼(310)(도 17 참조)로 이송시키기 위한 유출 장소(421) 뿐만 아니라, 혼합 과정들 사이에 세정용 유체를 공급하도록 세정용 저장조(419)를 부가적으로 구비한다. 더욱이, 전극들의 부가적인 행과 열이 7 x 7 매트릭스의 주변에 제공되어서 액적들이 매트릭스로 가거나 그로부터 오는 이송 경로를 제공한다.
바이너리 혼합 장치(100)의 구조의 성능은 이후에 기재된 표를 고려함으로써 더 잘 이해될 수 있다. 이러한 표는 63 인 최대의 혼합비를 위한 2 단계 혼합 계획을 이용하는 모든 가능성 있는 인터폴레이팅 혼합비를 열거하도록 구성되었다. 제 1 단계에서의 혼합 유니트(1,2)(예를 들면, 제 1 및 제 2 의 바이너리 혼합 유니트(110,210))에 대한 혼합비, 제 2 단계에 대한 혼합비 및, 전체적인 혼합 사이클과 같은 해당 혼합 파라미터들이 또한 기록되어 있다. 이러한 표는 정확도와 시간을 교환하는 것과 관련하여 적절한 혼합 계획 및/또는 다른 최적화를 선택하기 위한 기초로서의 역할을 할 수 있어서, 여러 개의 혼합기가 존재할 때 자원의 사용법을 향상시키고, 병행성을 향상시킨다. 표는 장치(100)를 제어하도록 사용된 소프트웨어의 일부로서 참고용 표 또는 데이터 구조로 제공될 수 있다.
표에는 본 발명의 구조를 이용하여 총 196 개의 혼합 계획들이 있다는 점이 도시되어 있는데, 이는 152 개의 유일한 혼합 지점들에 해당한다. 196 개의 혼합 계획들은 그 어떤 가능한 2 개 혼합물을 조합이라도 63 아래에서 2 배율의 비율과 인터폴레이팅시킴으로써 계산된다. 이들 지점들은 선형의 간격 대신에 비선형이다. 비율이 작을수록, 간격이 작아진다. 달성 가능한 지점들이 도 21 에 도시되어 있다. 표로부터 명백한 바로서, 달성 가능한 비율의 수는 전통적인 선형의 혼합 지점들보다 크고 그 분포는 보다 합리적이다. 더욱이, 하나의 액적이 아닌 산출의 특정한 체적은 하나씩의 혼합에 의해 야기된 에러에 보다 많은 공차를 허용한다. 혼합 사이클과 관련하여, 가장 우수한 성능은 그들의 근접한 비율에 비교된 2 배율의 혼합비이다. 정확도와 관련하여, 비율이 커질수록 전체적으로 성능은 저하되는데, 이는 적은 수의 인터폴레이팅 지점들이 달성될 수 있기 때문이다.
도 21 에 도시된 2 단계의 혼합 방안으로부터 관찰될 수 있는 바로서, 목표 비율이 36 보다 크지 않을 때 충분한 지점들이 존재하지 않는다. 도 21 은 40 의 비율 주변에 지점이 없는 것을 도시한다. 목표와 이론적으로 달성 가능한 비율 사이의 차이는 3 에 달할 수 있다. 그러나, 40 의 주변에서 달성 가능한 지점들의 주의 깊게 검사함으로써, 이용 가능한 지점들을 더욱 캘리브레이션하는 제 1 단계로부터의 나머지 혼합물의 적절한 이용은 36.5714 와 42.6667 사이에 몇 개의 부가적인 인터폴레이팅 지점들을 초래할 수 있는데, 여기에서 가장 큰 에러는 제 2 단계 혼합 방안으로부터 존재한다. 예를 들면, 표에 있는 혼합 방안 # 183 은 혼합물(1)과 혼합물(2)을 1:31 과 1:63 의 비율로 각각 획득하고, 다음에 그들을 3:1 의 비율로 혼합할 것을 요구한다. 따라서 3:1, 7:1 등의 비율을 사용하여 36.517 의 농도를 가진 제 2 단계로부터의 혼합물을 농도 63 의 혼합물(2)과 혼합시키는 것도 가능하다. 이것은 40.9, 38.5 등에 있는 지점으로 이끈다. 그러한 방식으로, 부가적인 혼합 단계와 함께 보다 낳은 정확도가 가능하지만, 이는 혼합 사이클에서 단지 작은 증가만이 있는 것이며 (상기 예에서 각각 2 개와 3 개의 사이클만이 있음), 그리고 캘리브레이션 혼합물의 부가적인 준비를 희생시키지 않으면서 가능한 것이다.
도 22 는 하나의 단계, 2 개의 단계 및 3 개의 단계 혼합 방안에 의해 달성 가능한 모든 방안들을 나타낸다. 지점들의 모든 수는 2044 이다. 제 3 단계에 의해 달성된 지점들은 제 2 단계로부터의 제품과 제 1 단계로부터의 나머지 제품을 사용하여 얻어진다. 이들은 제 2 단계가 완료된 이후에 제 1 단계로부터의 나머지 제품의 체적을 고려하고 그들을 재사용하여 제 2 단계로부터의 제품과 혼합시킴으로써 계산된다. 제 3 단계의 가능성 있는 혼합비들은 제 2 단계의 혼합비에 의해 결정된다.
표
단일 측면의 전극 어레이상에서 전기습윤에 기초한 액적 작동
본 발명의 특징은 도 1 에 도시된 마이크로액튜에이터 메카니즘(10)과 같은 양쪽 측면의 전극 구성을 가진 액적 작동 장치의 사용과 관련하여 지금까지 설명되었다. 즉, 하부 평면(12)은 제어 또는 구동 전극(E1-E3)을 구비하고 상부 평면(14)은 접지 전극(G)을 구비한다. 마이크로액튜에이터 메카니즘(10)과 관련하여, 상부 평면(14)의 기능은 접지 전위 또는 일부 다른 기준 전위에서 액적(D)을 바이어스시키는 것이다. 하부 평면(12)의 구동 전극(E1 - E3)의 선택적인 바이어스와 관련된 상부 평면(14)의 접지(또는 기준에 대한 바이어스)는 액적(D)이 여기에 설명된 단계 방식의 전자 습윤 기술에 의해 움직일 수 있게 하는 전위 편차를 발생시킨다. 그러나, 본 발명의 다른 구현예에 따라서, 2 차원의 전기 습윤에 기초한 액적 처리를 위해 채용된 장치의 디자인은 접지된 상부 평면(14)에 대한 필요성을 배제시킴으로써 단순화될 수 있으며 보다 유연해질 수 있다.
이제 도 23a 및 도 23b를 참조하면, 도면 번호 500 으로 표시된 단일 측면의 전기습윤 마이크로액튜에이터가 도시되어 있다. 마이크로액튜에이터 메카니즘(500)은 도 1 의 메카니즘(10)의 것과 유사한 하부 평면(512)을 구비하며, 따라서 적절한 기판(521)을 구비하는데, 상기 기판 위에는 근접하게 포장된 구동 전극(E)(예를 들면, 구동 전극 E1 -E3 및 다른 것들)의 2 차원 어레이는 구리, 크롬, ITO 등의 도전층을 패턴화시킴으로써 함입된다. 도 1 의 마이크로액튜에이터 메카니즘(10)과의 주된 차이로서, 기준 전위에서의 도전성 라인(G)(예를 들면, 도전성 라인 G1 - G6)의 2 차원 격자는 도 23a 및 도 23b 의 마이크로액튜에이터 메카니즘(500)의 전극 어레이상에 중첩되었으며, 각각의 도전성 라인(G)은 근접한 구동 전극(E)들 사이의 간극을 통해 형성된다. 기준 전위는 접지 전위, 명목상의 전위, 또는 구동 전극(E)에 적용된 작동 전위보다 낮은 일부 다른 전위일 수 있다. 각각의 도전성 라인(G)은 와이어, 바아, 또는 구동 전극(E)과 관련하여 훨씬 좁은 폭/길이의 면 비율을 가지는 그 어떤 다른 도전성 구조일 수 있다. 각각의 도전성 라인(G)은 대안으로서 근접하게 포장된 일련의 보다 작은 전극들을 구비할 수 있지만, 대부분의 경우에 이러한 대안은 필요한 전기 연결부의 수가 증가되기 때문에 실질적인 것이 되지 않는다.
중요한 것으로서, 도전성 라인의 격자는 전극 어레이와 공통의 평면이거나 또는 실질적으로 공통의 평면이다. 도전성 라인의 격자는 마이크로칩 위에 도전성 상호 연결 구조를 만드는데 공통적으로 사용되는 마이크로제조 공정에 의해 하부 평면(512)상에 함입될 수 있다. 따라서 마이크로액튜에이터 메카니즘(500)이 단일 측면의 장치로서 구성될 수 있다는 점을 알 수 있다. 그러나, 적절한 플라스틱 시이트 또는 혐수성 유리 플레이트와 같은, 혐수성 표면(527)을 가지는 플레이트(525)를 구비하는 상부 평면(514)을 구비하는 것이 바람직스럽다. 그러나, 도 1 의 마이크로액튜에이터 메카니즘(10)과 달리, 도 23a 와 도 23b 의 마이크로액튜에이터 메카니즘(500)의 상부 평면(514)은 액적(D)을 바이어스시키는 전극으로서 기능하지 않는다. 대신에, 상부 평면(514)은 액적(D) 및 불활성 개스 또는 혼합할 수 없는 액체와 같은 그 어떤 충전재 유체라도 포함하는 구조상의 성분으로서만 기능한다.
전기 습윤에 기초하는 액적 처리를 위한 마이크로액튜에이터 메카니즘(500)의 사용에 있어서, 액적(D)에 대한 접지 또는 기준 전위의 연결이 액적의 이송의 경우를 통하여 내내 실질적으로 일정하게 유지되어야 한다는 것은 여전히 하나의 요건이다. 따라서, 액적(D)이 존재하는 구동전극(예를 들면, 도 23b 의 전극(E2))을 둘러싸는 도전성 라인(G) 뿐만 아니라 모든 근접한 구동 전극(E)에 액적(D)이 겹치도록 액적(D)의 크기나 또는 체적이 선택된다. 더욱이, 도전성 라인(G)이 액적(D)에 노출되거나 또는 적어도 액적(D)로부터 전기적으로 격리되지 않도록 유전층(523)이 단지 구동 전극(E) 만을 덮게끔 패턴화되는 것이 바람직스럽다. 그러나, 동시에, 액적(D)의 운동을 손상시키지 않도록 도전성 라인(G)이 구동 전극(E)과 함께 혐수성이 되는 것이 바람직스럽다. 따라서, 바람직한 구현예에서, 유전층(523)이 패턴화된 이후에, 구동 전극(E)과 도전성 라인(G)은 그들이 혐수성이 되도록 코팅되거나 또는 그와 다르게 처리된다. 도전성 라인(G)의 혐수성 처리는 도 23a 및 도 23b 에 상세하게 도시되어 있지 않다. 그러나, 도전성 라인(G)을 덮는 혐수성 층은 액적(D)과 도전성 라인(G) 사이의 전기적인 접촉이 혐수성 층의 다공성에 기인하여 여전히 유지될 정도로 얇다는 점이 이해될 것이다.
마이크로액튜에이터 메카니즘(500)을 작동시키도록, 적절한 전압 소스(V)와 전기적인 리이드 성분들은 도전성 라인(G)과 구동 전극(E)에 연결된다. 도전성 라인(G)은 구동 전극(E)과 같은 평면에 배치되기 때문에, 구동 전극들(E1,E2,E3) 중에서 선택된 하나와 (선택은 도 23a 의 스위치 S1 - S3 에 의해 표시된다) 도전성 라인(G) 사이에 전기적인 전위를 적용하는 것은 액적(D) 아래 유전층(523)의 영역에서 전기장을 설정한다. 도 1 의 마이크로액튜에이터 메카니즘(10)의 작동과 유사하게, 전기장은 차례로 표면 장력 그래디언트(gradient)를 발생시켜서 전기가 인가된 전극과 겹치는 액적(D)이 전극(예를 들면, 움직임이 도 23a에서 좌측 방향으로 의도되었다면 구동 전극(E3))을 향하여 움직이도록 한다. 전극 어레이는 소프트웨어 명령의 세트에 따르는 소정의 방식으로나, 또는 적절한 피드백 회로에 응답하는 실 시간으로 시퀀스를 이룰 수 있다.
단일 측면의 전극 구성을 가진 마이크로액튜에이터 메카니즘(500)이 도 1 의 양쪽 측면의 전극과 관련하여 위에서 설명된 모든 기능과 방법을 이행하도록 사용될 수 있다는 점이 주목될 것이며, 상기 기능들은 축소화된 칩 위의 실험실 시스템 (lab-on-chip system)을 실현시키는, 예를 들면 분배, 이송, 병합, 혼합, 배양, 분리, 분석, 모니터링, 반응, 검출, 배치 등이다. 예를 들어, 도 23b 에 도시된 액적(D)을 우측으로 움직이도록, 구동 전극(E2, E3)들은 구동 전극(E2 및 E3 )이 액적(D)을 구동 전극(E3)의 위로 펼쳐지도록 활성화된다. 구동 전극(E2)을 차후에 비활성화시키는 것은 액적(D)이 보다 선호되는 낮은 에너지 상태로 이완되게 하여, 액적(D)이 구동 전극(E3)상에서 중심화된다. 다른 예로서, 액적(D)을 분리시키도록, 구동 전극들(E1, E2, E3)은 액적(D)이 구동 전극들 (E1 및 E3) 상으로 펼쳐지도록 활성화된다. 다음에 구동 전극(E2)은 액적(D)이 구동 전극(E1 및 E3)상에 각각 중심화된 2 개의 액적들로 깨지도록 비활성화된다.
이제 도 24a 내지 도 24d를 참조하면, 다른 단일 측면의 전극 구성이 본 발명에 따라서 도시되어 있다. 행과 열의 바이어스 전극(Eij)의 어레이를 구비하는 베이스 기판이 다시 이전에 설명된 구현예로서 사용된다. 특히 도 24a를 참조하면, 어레이 또는 어레이의 일부가 도시되어 있는데 여기에서 3 개의 전극 행(E11-E14, E21-E25, 및 E31-E34)들이 각각 제공되어 있다. 전극 어레이의 행과 열들은 본 발명의 다른 구현예들에 대하여 여기에서 설명된 바와 같이 정렬될 수 있다. 이와는 달리, 도 24a에서 상세하게 도시된 바와 같이, 그 어떤 주어진 행에 있는 전극들이 근접한 행의 전극들로부터 오프셋(offset)되도록 어레이가 오정렬될 수도 있다. 예를 들면, 제 1 행의 전극들(E11 -E14)과 제 3 행의 전극들(E31 -E34)은 중간의 제 2 행의 전극(E21 -E25)들로부터 오프셋되어 있다. 정렬되거나 또는 정렬되지 않거나 간에, 전극 어레이는 이전에 설명된 구현예들에서와 같이 절연층과 혐수성의 층들로 덮히는 것이 바람직스럽다. 도 23a 및 도 23b 에 도시된 구성에서와 같이, 상부 플레이트(미도시)는 봉쇄(containment)를 위해서 제공될 수 있지만 전극으로서 기능하지는 않는다.
작동에 있어서, 선택된 바이어스 전극(Eij)은 구동 전극 또는 접지(또는 기준)의 전극으로서 동적으로 할당된다. 액적의 작동을 이루도록, 주어진 전극을 구동 전극으로서 할당하는 것은, 근접한 전극이 접지 또는 기준 전극으로서 할당되어 액적(D)을 포함하는 회로를 만들고 그에 의하여 작동 전압의 인가가 가능할 것을 필요로 한다. 도 24a에서, 전극(E21)은 전기가 인가되고 따라서 구동 전극의 역할을 하게 되며, 전극(E22)은 접지되거나 또는 그와는 다르게 기준 전위로 설정된다. 도시된 어레이의 모든 다른 전극들(Eij), 또는 구동/기준 전극의 쌍(E21/E22)을 둘러싸는 적어도 이들 전극들은 전기적으로 부동의 상태(floating state)로 유지된다. 도 24a 에 도시된 바와 같이, 이러한 활성화는 전극(E21)과 전극(E22) 사이의 간극 또는 계면의 영역을 따라서 중심화를 이루기 위하여, 양쪽 전극(E21,E22)과 겹치는 액적(D)이 움직임으로써 에너지적으로 유리한 상태를 구하게 한다.
도 24b에서, 전극(E21)은 비활성화되고 근접한 행으로부터의 전극(E11)은 다음의 구동 전극으로서의 역할을 하도록 활성화된다. 전극(E22)은 접지되거나 또는 기준화되어 유지된다. 이것은 화살표로 표시된 바와 같이 액적(D)이 결과적으로 북동쪽 방향으로 움직여서 전극(E21 과 E22)들 사이에 자체를 중심화시키도록 한다. 도 24c 에 도시된 바와 같이, 액적(D)은 전극(E11)을 비활성화시키고 전극(E12)을 활성화시킴으로써 제 1 의 2 개 전극의 행들 사이에 간극을 따라서 우측으로 작동된다. 도 24d 에 도시된 바와 같이, 전극(E22)은 접지 또는 기준으로부터 분리되고 전극(E23)이 다음에 접지되거나 또는 기준 전위가 되어 액적(D)이 우측으로 계속 전진하게 한다. 전극들을 구동 전극이 되거나 또는 기준 전극으로 되게 하는 전극(Eij)의 부가적인 시퀀스 작용은 전극 어레이 상에서 그 어떤 소망되는 유동 경로를 따라서 그 어떤 방향으로도 액적(D)이 움직이도록 수행될 수 있다는 점이 이해될 수 있다. 또한, 이전에 설명된 구현예들과는 달리, 액적 이송의 유동 경로는 전극(Eij) 자체의 중심을 따라서 발생되는 것과는 반대로 전극(Eij)들 사이의 간극을 따라서 발생된다는 점을 또한 알 수 있다. 또한 필요한 작동 전압이 대부분의 경우에 도 23a 및 도 23b 에 도시된 구성과 비교하여 높아지게 되는 것도 관찰되는데, 이는 유전층이 구동 전극과 기준 전극 모두를 덮고 있고 따라서 그것의 두께가 사실상 두 배로 되기 때문이다.
이제 도 25a 및 도 25b를 참조하면, 정렬된 행과 열을 가진 전극의 어레이는 북/남의 방향(도 25a) 이나 또는 동/서의 방향(도 25b)으로 액적 이송이 직선상에서 일어나도록 사용될 수 있다. 작동은 도 24a 내지 도 24d 를 참조하여 방금 설명되었던 것과 유사하다. 즉, 구동 전극과 기준 전극들의 쌍의 프로그램 가능한 시퀀스 작용은 액적(D)이 의도된 방향을 따라서 움직이게 한다. 도 25a에서, 하나의 칼럼의 전극(E12, E22 및 E32)들이 선택적으로는 접지 전위 또는 기준 전위로 설정되고, 근접한 칼럼의 전극(E13, E23 및 E33)은 선택적으로 전기가 인가된다. 도 25b에서, 하나의 행의 전극(E11, E12 , E13 및 E14)들은 선택적으로 전기가 인가되고, 근접한 행의 전극(E21, E22 , E23 및 E24)들은 선택적으로 접지되거나 또는 그와는 다르게 기준 전위가 된다.
도 24a 내지 도 24d 및 도 25a 및 도 25b 에 도시된 대안의 단일 측면 전극 구성들이 제공된 마이크로액튜에이터 메카니즘은, 도 1 에 도시된 양쪽 측면의 전극 구성과 관련하여 위에서 설명된 모든 기능들 및 방법을 수행하도록 사용될 수 있다는 점이 주목될 것이다. 예를 들면, 대안의 어느 구성들에서건 액적(D)을 분리하려면, 3 개 또는 그 이상의 근접한 전극들이 활성화되어서 액적(D)을 펼치게 되고 적절하게 선택된 개입의 전극이 다음에 비활성화되어서 액적(D)을 2 개의 액적로 나눈다.
본 발명의 여러 가지 상세 내용들이 본 발명의 범위를 이탈함이 없이 변화될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 또한, 상기의 설명은 단지 예시의 목적을 위해서만 주어진 것이며, 제한을 위한 것은 아니며, 본 발명은 청구항들에 의해서 한정된다.
본 발명은 액적에 기초한 액체의 처리 및 공정등에서 사용될 수 있다.
[관련된 출원]
본원은 2002년 9월 24일에 출원된 미국 특허출원 제 10/253,368호의 이익을 주장하며, 상기 출원의 의 개시는 본원에 참조로서 포함된다.
[정부 이익]
미국 국방성 고등 연구 프로젝트 계획부에 의해 수여된 수여번호 제 F30602-98-2-0140 하의 미국 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 일정한 권리를 갖는다.

Claims (94)

  1. (a) 기판면(substrate surface)을 구비한 기판;
    (b) 상기 기판면 상에 배치된 전극들의 어레이;
    (c) 기준 요소들의 어레이로서, 상기 전극 어레이와 실질적으로 동일 평면상의 관계로 배치되고, 기준 전위로 설정될 수 있으며, 각각의 기준 요소는 상기 전극들 중 적어도 하나에 인접한 기준 요소들의 어레이;
    (d) 상기 기판면에 배치되고 상기 전극들을 덮도록 패터닝된 유전체층; 및
    (e) 상기 어레이의 하나 이상의 선택된 전극들을 순차적으로 활성화 및 비활성화시켜 상기 선택된 전극들을 활성 전압으로 순차적으로 바이어스(bias)시키는 것으로서, 상기 기판면에 배치된 액적이 상기 선택된 전극들에 의해 한정된 소망된 경로를 따라 이동하도록 하는 전극 선택기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기판면과의 사이에 공간을 한정하기 위한 거리만큼 상기 기판면으로부터 이격된 플레이트를 구비하고, 상기 거리는 상기 공간에 배치된 액적을 포함하기에 충분한 거리인 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 기판면을 마주보는 플레이트면을 구비하고, 상기 플레이트면은 소수성인 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 공간에 배치된 충전 유체(filler fluid)를 구비하는 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전극들과 상기 기준 요소들의 적어도 외측 부분들은 각각 소수성화된 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전극들과 상기 기준 요소들 상에 도포된 소수성 필름을 구비하는 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 기준 요소들의 어레이는 가늘고 긴 구조의 그리드를 구비하는 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 기준 요소들은 상기 활성 전압보다 낮은 기준 전압으로 설정되는 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 기준 요소들은 접지 전위로 설정되는 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 유전체층의 적어도 일부는 소수성인 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 선택기는 전자 프로세서를 구비하는 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 면과 소통하는 액적 유입구(inlet)를 구비하는 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 면과 소통하는 액적 배출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  14. (a) 전극들의 어레이 및 실질적으로 동일 평면상의 기준 요소들의 어레이를 구비하는 면 상에 액적을 공급하되, 상기 액적이 상기 전극들 중 제 1 전극 상에 배치되며, 상기 액적이 상기 전극들 중 제 2 전극과, 상기 기준 요소들 중 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 배치된 개재(intervening) 요소와 적어도 부분적으로 겹치도록 공급하는 단계;
    (b) 상기 액적의 적어도 일부분을 상기 제 2 전극을 가로질러 퍼지도록 하기 위해, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극들을 활성화시키는 단계; 및
    (c) 상기 액적이 상기 제 1 전극으로부터 상기 제 2 전극으로 이동하도록 하기 위해, 상기 제 1 전극을 비활성화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 활성 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 제 1 방향을 따라 상기 제 1 전극에 인접해 있고, 상기 어레이는 하나 이상의 추가 방향들을 따라 상기 제 1 전극에 인접한 하나 이상의 추가 전극들을 구비하며, 상기 액적은 상기 하나 이상의 추가 전극들과 적어도 부분적으로 겹쳐지며,
    상기 방법은,
    (a) 상기 액적이 움질일 소망된 방향으로서 상기 제 1 방향을 선택하는 단계; 및
    (b) 상기 제 1 방향 선택을 기초로 하여 활성화할 제 2 전극을 선택하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 액적 활성 방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 활성화시키는 단계는, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극을 구동 전압으로 선택적으로 바이어스하는 단계를 구비하고, 상기 비활성화시키는 단계는 상기 제 1 전극을 상기 구동 전압으로부터 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적 활성 방법.
  17. (a) 전극 어레이 및 실질적으로 동일 평면상인 기준 요소들의 어레이를 구비하는 표면 상에 최초 액적을 제공하되, 상기 전극 어레이는 제 1 외측 전극, 상기 제 1 외측 전극에 인접한 중앙 전극, 및 상기 중앙 전극에 인접한 제 2 외측 전극을 구비하는 적어도 세 개의 전극들을 구비하며, 상기 최초 액적은 상기 세 개의 전극들 중 적어도 한 개의 전극상에 배치되고 상기 세 개의 전극들 중 적어도 다른 하나의 전극에 부분적으로 겹치도록 제공하는 단계;
    (b) 상기 최초 액적이 상기 세 개의 전극들에 걸쳐 있도록 하기 위해 상기 세 개의 전극들 각각을 활성화시키는 단계; 및
    (c) 상기 최초 액적을 제 1 분리 액적과 제 2 분래 액적으로 분리하기 위해 상기 중앙 전극을 비활성화시키되, 상기 제 1 외측 전극 상에 상기 제 1 분리 액적이 배치되고 상기 제 2 외측 전극 상에 상기 제 2 분리 액적이 배치되도록 상기 중앙 전극을 비활성화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하나의 액적을 두 개 이상의 액적들로 분리하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 활성화시키는 단계는 상기 세개의 전극들을 구동 전압으로 선택적으로 바이어스하는 단계를 포함하고, 상기 비활성화시키는 단계는 상기 중앙 전극을 상기 구동 전압으로부터 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하나의 액적을 두 개 이상의 액적들로 분리하는 방법.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 활성시키는 단계 및 상기 비활성화시키는 단계를 제어하기 위해 전극 선택기를 사용하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 하나의 액적을 두 개 이상의 액적들로 분리하는 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 전극 선택기는 전자 프로세서를 구비하는 것을 특징으로 하는 하나의 액적을 두 개 이상의 액적들로 분리하는 방법.
  21. (a) 전극 어레이 및 실질적으로 동일 평면상인 기준 요소들의 어레이를 구비하는 표면 상에 제 1 액적 및 제 2 액적을 제공하되, 상기 전극 어레이는 제 1 외측 전극, 상기 제 1 외측 전극에 인접한 중앙 전극, 및 상기 중앙 전극에 인접한 제 2 외측 전극을 구비하는 적어도 세 개의 전극들을 구비하며, 상기 제 1 액적은 상기 제 1 외측 전극 상에 배치되고 상기 중앙 전극에 적어도 부분적으로 겹치도록 제공하며, 상기 제 2 액적은 상기 제 2 외측 전극 상에 배치되고 상기 중앙 전극에 적어도 부분적으로 겹치치록 제공하는 단계;
    (b) 상기 세 개의 전극들 중 한 개의 전극을 목표 전극으로 선택하는 단계;
    (c) 상기 목표 전극 선택을 기초로 상기 세 전극들 중 순차적으로 활성화시키고 비활성화시킬 두 개 이상의 전극들을 선택하는 단계; 및
    (d) 상기 제 1 액적 및 상기 제 2 액적 중 하나가 다른 액적을 향해 이동하거나 상기 제 1 및 상기 제 2 액적 모두가 서로를 향해 이동하도록 하여 상기 제 1 액적과 상기 제 2 액적을 함께 병합시켜 상기 목표 전극 상에 하나의 결합 액적을 형성하는 시퀀스 작용을 위해, 선택된 전극들을 순차적으로 활성화시키고 비활성화시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 제 1 외측 전극이 목표 전극으로 선택되고, 상기 시퀀스 작용 단계는, 상기 제 2 액적이 상기 중앙 전극을 가로질러 퍼지도록 하기 위해 상기 제 2 외측 전극과 상기 중앙 전극을 활성화시키는 단계와, 상기 제 2 액적을 상기 제 2 외측 전극으로부터 움직이도록 하기 위해 상기 제 2 외측 전극을 비활성화시키는 단계와, 상기 제 1 액적과 상기 제 2 액적이 서로를 향해 퍼지도록 상기 제 1 외측 전극을 활성화시키는 단계와, 상기 제 1 외측 전극 상에 결합 액적을 형성하기 위해 상기 중앙 전극을 비활성화시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  23. 제 21항에 있어서,
    상기 제 2 외측 전극이 목표 전극으로 선택되고, 상기 시퀀스 작용 단계는, 상기 제 1 액적이 상기 중앙 전극을 가로질러 퍼지도록 하기 위해 상기 제 1 외측 전극과 상기 중앙 전극을 활성화시키는 단계와, 상기 제 1 액적을 상기 제 1 외측 전극으로부터 움직이도록 하기 위해 상기 제 1 외측 전극을 비활성화시키는 단계와, 상기 제 2 액적과 상기 제 1 액적이 서로를 향해 퍼지도록 상기 제 2 외측 전극을 활성화시키는 단계와, 상기 제 2 외측 전극 상에 결합 액적을 형성하기 위해 상기 중앙 전극을 비활성화시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  24. 제 21항에 있어서,
    상기 중앙 전극이 목표 전극으로 선택되고, 상기 시퀀스 작용 단계는,
    상기 제 1 액적과 상기 제 2 액적을 상기 중앙 전극을 가로질러 그리고 서로를 향해 퍼지도록 하기 위해 제 1 외측 전극과 상기 중앙 전극과 상기 제 2 외측 전극을 활성화시키는 단계와, 상기 제 1 외측 전극과 상기 제 2 외측 전극으로부터 각각 상기 제 1 액적과 상기 제 2 액적이 이동하여 상기 중앙 전극 상에 결합 액적을 형성하기 위해 상기 제 1 외측 전극과 상기 제 2 외측 전극을 비활성화시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  25. 제 21항에 있어서,
    상기 결합 액적이 형성되기 전에 상기 제 1 액적을 이동시켜 상기 제 1 외측 전극과 전기적으로 소통하게 하기 위해, 상기 전극 어레이의 다른 전극들을 순차적으로 활성화 및 비활성화시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  26. 제 21항에 있어서,
    상기 시퀀스 작용을 위해 선택된 전극들을 순차적으로 활성화시키고 비활성화시키는 단계는, 상기 하나 이상의 선택된 전극들을 구동 전압으로 순차적으로 바이어스하고 상기 하나 이상의 선택된 전극들을 상기 구동 전압으로부터 분리하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  27. 제 21항에 있어서,
    상기 제 1 액적은 제 1 조성을 구비하고, 상기 제 2 액적은 제 2 조성을 구비하며, 상기 결합 액적은 상기 제 1 조성 및 상기 제 2 조성을 구비하고, 상기 방법은 상기 제 1 조성과 상기 제 2 조성을 서로 혼합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 결합 액적을 형성하는 단계는 상기 제 1 조성과 상기 제 2 조성을 서로 혼합하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  29. 제 27항에 있어서,
    상기 혼합 단계는, 상기 결합 액적 내에서 확산이 일어나도록 하여 상기 제 1 조성과 상기 제 2 조성을 수동적으로 서로 혼합하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  30. 제 27항에 있어서,
    상기 혼합 단계는, 네 개의 전극들로 된 2x2 서브 어레이 상에서 상기 결합 액적을 회전시키기 위해 상기 네 개의 전극들을 순차적으로 활성화시키고 비활성화시킴으로써 상기 결합 액적을 이동시키는 것을 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  31. 제 30항에 있어서,
    상기 결합 액적이 회전하는 동안 상기 결합 액적의 적어도 일부분은 상기 네개의 전극들의 교차 영역 또는 그 근처에서 실질적으로 정지해 있는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  32. 제 27항에 있어서,
    상기 혼합 단계는, 전극 어레이의 선형으로 정렬된 전극들의 집합을 순차적으로 활성화시키고 비활성화시키는 것을 구비하여, 상기 결합 액적을 상기 선형으로 정렬된 전극 집합을 따라 소망된 회수 및 소망된 주파수로 앞뒤로 진동시키는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  33. 제 27항에 있어서,
    상기 혼합 단계는, 상기 전극 어레이의 전극들의 집합을 혼합 전극들로서 선택하는 단계와, 상기 결합 액적을 하나 이상의 분리 액적들로 분리하고 그 분리된 액적들을 하나 이상의 선형 경로들을 따라 소망된 회수 및 소망된 주파수로 진동시키기 위해 상기 하나 이상의 혼합 전극들을 순차적으로 활성화시키고 비활성화시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  34. 제 33항에 있어서,
    새로운 결합 액적을 형성하기 위해 상기 분리 전극들을 병합시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  35. 제 34항에 있어서,
    상기 새 결합 액적을 둘 이상의 새로운 분리 액적들로 분리하고, 상기 새로운 분리 액적들을 진동시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  36. 제 27항에 있어서,
    상기 혼합 단계는, 상기 전극 어레이의 전극들의 집합을 이송 전극들로 선택하는 단계와, 상기 결합 액적이 상기 이송 전극들에 의해 형성된 이송 경로를 따라 이동하도록 하기 위해 상기 하나 이상의 이송 전극들을 순차적으로 활성화시키고 비활성화시키는 단계를 구비하되, 상기 결합 액적이 상기 이송 경로를 따라 이동함에 따라 상기 결합 액적의 상기 제 1 조성과 상기 제 2 조성이 서로 혼합되도록 하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  37. 제 36항에 있어서,
    상기 이송 경로는 상기 전극 어레이 상에서 반복되는 루프를 포함하고, 상기 결합 액적은 상기 루프를 따라 소망된 회수만큼 활성화되는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  38. 제 27항에 있어서,
    상기 혼합 단계는, 상기 전극 어레이의 전극들의 집합을 혼합 전극들로서 선택하는 단계와, 상기 결합 액적을 두 개 이상의 분리 액적들로 분리하고 상기 분리 액적들을 두 개 이상의 경로들을 따라 이동시키도록 하기 위해 상기 하나 이상의 혼합 전극들을 순차적으로 활성화시키고 비활성화시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  39. (a) 기판면을 구비하는 기판;
    (b) 상기 기판면 상에 배치된 전극들의 어레이;
    (c) 상기 기판면 상에 배치되고 상기 전극들을 덮는 유전체층; 및
    (d) 일련의 전극 쌍들을 동적으로 생성하는 전극 선택기로서, 각 전극 쌍이, 상기 전극들 중 제 1 전압으로 바이어스된 선택된 제 1 전극과, 상기 전극들 중 상기 선택된 제 1 전극에 인접하여 배치되고 상기 제 1 전압 보다 낮은 제 2 전압으로 바이어스된 선택된 제 2 전극을 구비하며, 상기 기판면 상에 배치된 액적은 상기 전극 선택기에 의해 생성된 상기 전극 쌍들 사이로 이어진 소망된 경로를 따라 이동하게 하는 전극 선택기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  40. 제 39항에 있어서,
    상기 기판면과의 사이에 공간을 한정하기 위한 거리만큼 상기 기판면으로부터 이격된 플레이트를 구비하고, 상기 거리는 상기 공간에 배치된 액적을 포함하기에 충분한 거리인 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  41. 제 39항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 기판면을 마주보는 플레이트면을 구비하고, 상기 플레이트면은 소수성인 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  42. 제 39항에 있어서,
    상기 공간에 배치된 충전 유체(filler fluid)를 구비하는 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  43. 제 39항에 있어서,
    상기 어레이는 전극들로 된 선형으로 정렬된 복수개의 그룹들을 구비하고, 각 그룹은 인접한 그룹들에 대해 치우쳐 있는 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  44. 제 39항에 있어서,
    상기 전극들의 적어도 외측 부분들은 소수성화된 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  45. 제 39항에 있어서,
    상기 전극들 상에 배치된 소수성 필름을 구비하는 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  46. 제 39항에 있어서,
    상기 유전체층의 적어도 일부는 소수성인 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  47. 제 39항에 있어서,
    상기 전극 선택기는 전자 프로세서를 구비하는 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  48. 제 39항에 있어서,
    상기 제 2 전압은 기준 전압인 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  49. 제 39항에 있어서,
    상기 제 2 전압은 접지 상태인 것을 특징으로 하는 액적 조작 장치.
  50. (a) 전극들의 어레이를 구비하는 면 상에 액적을 공급하되, 상기 액적은 초기에 상기 전극들 중 제 1 전극 상에 배치되고 상기 전극들 중 상기 제 1 전극으로부터 제 1 갭(gap) 만큼 이격된 제 2 전극에 적어도 부분적으로 겹치도록 액적을 공급하는 단계;
    (b) 상기 액적이 상기 제 1 갭 상에 중심이 있도록 하기 위해, 상기 제 1 전극을 제 1 전압으로 바이어스하고 상기 제 2 전극을 상기 제 1 전압보다 낮은 제 2 전압으로 바이어스하는 단계;
    (c) 상기 액적을 상기 제 3 전극 상에 퍼지도록 하기 위해, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극에 근접한 제 3 전극을 상기 제 2 전압보다 높은 제 3 전압으로 바이어스하는 단계; 및
    (d) 상기 액적이 상기 제 1 전극으로부터 이동하여 상기 액적이 상기 제 2 전극과 상기 제 3 전극 사이의 제 2 갭 상에 중심이 있도록 하기 위해, 상기 제 1 전극의 바이어스를 제거하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 액적 활성화 방법.
  51. 제 50항에 있어서,
    상기 제 2 전압은 접지 상태인 것을 특징으로 하는 액적 활성화 방법.
  52. 제 50항에 있어서,
    상기 제 1 전압과 상기 제 3 전압은 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 액적 활성화 방법.
  53. (a) 전극 어레이를 구비하는 표면 상에 최초 액적을 제공하되, 상기 전극 어레이는 제 1 외측 전극, 상기 제 1 외측 전극에 인접한 중앙 전극, 및 상기 중앙 전극에 인접한 제 2 외측 전극을 구비하는 적어도 세 개의 전극들을 구비하며, 상기 최초 액적은 상기 세 개의 전극들 중 적어도 한 개의 전극상에 배치되고 상기 세 개의 전극들 중 적어도 다른 하나의 전극에 부분적으로 겹치도록 제공하는 단계;
    (b) 상기 최초 액적이 상기 세 전극들을 가로질러 퍼지도록 하기 위해 상기 세개의 전극들 각각을 제 1 전압으로 바이어스하는 단계; 및
    (c) 상기 최초 액적을 제 1 분리 액적 및 제 2 분리 액적으로 분리하여 상기 제 1 분리 액적이 상기 제 1 외측 전극 상에 형성되고 상기 제 2 분리 액적이 상기 제 2 외측 전극 상에 형성되도록 하기 위해, 상기 중앙 전극을 상기 제 1 전압보다 낮은 제 2 전압으로 바이어스하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하나의 액적을 두 개 이상의 액적들로 분리하는 방법.
  54. 제 53항에 있어서,
    상기 세 개의 전극들을 상기 제 1 전압으로 바이어스하는 단계는 상기 세 개의 전극들을 전압 전원에 선택적으로 연결하는 것을 구비하는 것을 특징으로 하는 하나의 액적을 두 개 이상의 액적들로 분리하는 방법.
  55. 제 53항에 있어서,
    상기 제 2 전압은 대략 0인 것을 특징으로 하는 하나의 액적을 두 개 이상의 액적들로 분리하는 방법.
  56. (a) 제 1 외측 전극, 상기 제 1 외측 전극에 인접한 중앙 전극, 상기 중앙 전극에 인접한 제 2 외측 전극을 구비하는 적어도 세 개의 전극들을 구비하는 전극들의 어레이를 구비한 한 면 상에 제 1 액적과 제 2 액적을 제공하되, 상기 제 1 액적은 상기 제 1 외측 전극 상에 배치되고 상기 중앙 전극에 적어도 부분적으로 겹치며, 상기 제 2 액적은 상기 제 2 외측 전극 상에 놓이고 상기 중앙 전극에 적어도 부분적으로 겹쳐지도록 제 1 액적과 제 2 액적을 제공하는 단계;
    (b) 상기 세 개의 전극들 중 한 전극을 목표 전극으로 선택하는 단계;
    (c) 상기 목표 전극의 선택을 기초로 순차적 바이어스를 위해 상기 세 개의 전극들 중 두 개 이상의 전극들을 선택하는 단계; 및
    (d) 상기 제 1 액적과 상기 제 2 액적 중 하나가 다른 액적을 향해 이동하거나 상기 제 1 액적과 상기 제 2 액적 모두가 서로를 향해 이동하도록 하여 상기 제 1 액적과 상기 제 2 액적이 서로 병합되어 상기 목표 전극 상에서 하나의 결합 액적을 형성하도록 하기 위해, 제 1 전압과 제 2 전압 사이에서 시퀀스 작용을 위해 선택된 전극들을 순차적으로 바이어스하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  57. 제 56항에 있어서,
    상기 제 1 외측 전극이 상기 목표 전극으로 선택되고, 상기 순차적 바이어스 단계는, 상기 제 2 액적이 상기 중앙 전극을 가로질러 퍼지도록 하기 위해 상기 제 2 외측 전극 및 상기 중앙 전극을 상기 제 1 전압으로 바이어스하는 단계와, 상기 제 2 액적을 상기 제 2 외측 전극으로부터 이동하게 하기 위해 상기 제 2 외측 전극을 상기 제 2 전압으로 바이어스하는 단계와, 상기 제 1 액적과 상기 제 2 액적이 서로를 향해 퍼지도록 하기 위해 상기 제 1 외측 전극을 상기 제 1 전압으로 바이어스하는 단계와, 상기 결합 액적이 상기 제 1 외측 전극 상에 형성되도록 하기 위해 상기 중앙 전극을 상기 제 2 전압으로 바이어스하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  58. 제56 항에 있어서,
    상기 제 2 외측 전극이 상기 목표 전극으로 선택되고, 상기 순차적 바이어스 단계는, 상기 제 1 액적이 상기 중앙 전극을 가로질러 퍼지도록 하기 위해 상기 제 1 외측 전극 및 상기 중앙 전극을 상기 제 1 전압으로 바이어스하는 단계와, 상기 제 1 액적을 상기 제 1 외측 전극으로부터 이동하게 하기 위해 상기 제 1 외측 전극을 상기 제 2 전압으로 바이어스하는 단계와, 상기 제 1 액적과 상기 제 2 액적이 서로를 향해 퍼지도록 하기 위해 상기 제 2 외측 전극을 상기 제 1 전압으로 바이어스하는 단계와, 상기 결합 액적이 상기 제 2 외측 전극 상에 형성되도록 하기 위해 상기 중앙 전극을 상기 제 2 전압으로 바이어스하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  59. 제 56항에 있어서,
    상기 중앙 전극이 상기 목표 전극으로 선택되고, 상기 순차적 바이어스 단계는, 상기 제 1 액적과 상기 제 2 액적이 상기 중앙 전극을 가로질러 서로를 향해 퍼지도록 하기 위해 상기 제 1 외측 전극과 상기 중앙전극과 상기 제 2 외측 전극을 상기 제 1 전압으로 바이어스하는 단계와, 상기 제 1 액적과 상기 제 2 액적을 각각 상기 제 1 외측 전극과 상기 제 2 외측 전극으로부터 이동시켜 상기 중앙 전극 상에 결합 액적을 형성하기 위해 상기 제 1 외측 전극과 상기 제 2 외측 전극을 바이어스하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  60. 제 56항에 있어서,
    상기 결합 액적을 생성하기 전에, 상기 제 1 액적을 상기 제 1 외측 전극과 전기적으로 소통 상태가 되도록 이동시키기 위해, 상기 전극 어레이의 다른 전극들을 순차적으로 바이어스하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  61. 제 56항에 있어서,
    상기 제 2 전압은 대략 0인 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  62. 제 56항에 있어서,
    상기 제 1 액적은 제 1 조성을 구비하고, 상기 제 2 액적은 제 2 조성을 구비하며, 상기 결합 액적은 상기 제 1 조성과 상기 제 2 조성을 구비하고, 상기 방법은 상기 제 1 조성과 상기 제 2 조성을 서로 혼합하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  63. 제 62항에 있어서,
    상기 결합 액적을 형성하는 단계는 상기 제 1 조성과 상기 제 2 조성을 서로 혼합하는 것을 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  64. 제 62항에 있어서,
    상기 혼합 단계는, 상기 결합 액적 내에서 확산이 일어나도록 하여 상기 제 1 조성과 상기 제 2 조성을 수동적으로 서로 혼합하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  65. 제 62항에 있어서,
    상기 혼합 단계는, 네 개의 전극들로 된 2x2 서브 어레이 상에서 상기 결합 액적을 회전시키기 위해 상기 네 개의 전극들을 순차적으로 바이어스함으로써 상기 결합 액적을 이동시키는 것을 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  66. 제 65항에 있어서,
    상기 결합 액적이 회전하는 동안 상기 결합 액적의 적어도 일부분은 상기 네개의 전극들의 교차 영역 또는 그 근처에서 실질적으로 정지해 있는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  67. 제 62항에 있어서,
    상기 혼합 단계는, 전극 어레이의 선형으로 정렬된 전극들의 집합을 순차적으로 활성화시키고 비활성화시키는 것을 구비하여, 상기 결합 액적을 상기 선형으로 정렬된 전극 집합을 따라 소망된 회수 및 소망된 주파수로 앞뒤로 진동시키는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  68. 제 62항에 있어서,
    상기 혼합 단계는, 상기 전극 어레이의 전극들의 집합을 혼합 전극들로서 선택하는 단계와, 상기 결합 액적을 하나 이상의 분리 액적들로 분리하고 그 분리된 액적들을 하나 이상의 선형 경로들을 따라 소망된 회수 및 소망된 주파수로 진동시키기 위해 상기 하나 이상의 혼합 전극들을 순차적으로 비아어스하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  69. 제 68항에 있어서,
    새로운 결합 액적을 형성하기 위해 상기 분리 전극들을 병합시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  70. 제 69항에 있어서,
    상기 새 결합 액적을 둘 이상의 새로운 분리 액적들로 분리하고, 상기 새로운 분리 액적들을 진동시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  71. 제 62항에 있어서,
    상기 혼합 단계는, 상기 전극 어레이의 전극들의 집합을 이송 전극들로 선택하는 단계와, 상기 결합 액적이 상기 이송 전극들에 의해 형성된 이송 경로를 따라 이동하도록 하기 위해 상기 하나 이상의 이송 전극들을 순차적으로 바이어스하는 단계를 구비하되, 상기 결합 액적이 상기 이송 경로를 따라 이동함에 따라 상기 결합 액적의 상기 제 1 조성과 상기 제 2 조성이 서로 혼합되도록 하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  72. 제 71항에 있어서,
    상기 이송 경로는 상기 전극 어레이 상에서 반복되는 루프를 포함하고, 상기 결합 액적은 상기 루프를 따라 소망된 회수만큼 활성화되는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  73. 제 62항에 있어서,
    상기 혼합 단계는, 상기 전극 어레이의 전극들의 집합을 혼합 전극들로서 선택하는 단계와, 상기 결합 액적을 두 개 이상의 분리 액적들로 분리하고 상기 분리 액적들을 두 개 이상의 경로들을 따라 이동시키도록 하기 위해 상기 하나 이상의 혼합 전극들을 순차적으로 바이어스하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 개 이상의 액적들을 한 개의 액적으로 병합하는 방법.
  74. (a) 전극들의 어레이 및 실질적으로 동일 평면상의 기준 요소들의 어레이를 구비하는 면에 제 1 유동 경로를 따라 액체 유동을 제공하되, 상기 액체 유동의 적어도 일부는 상기 전극들 중 제 1 전극 상에 위치되고, 상기 전극들 중 제 2 전극 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 기준 요소와 적어도 부분적으로 겹치도록 제공하는 단계;
    (b) 상기 액체 유동 부분을 상기 제 2과 상기 전극들 중 상기 제 2 전극에 인접한 제 3 전극을 가로질러 퍼지도록 하기 위해, 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극을 활성화시키는 단계; 및
    (c) 상기 제 3 전극 상에 상기 액체 유동으로부터 액적을 형성하여 상기 액적이 상기 액체 유동으로부터 구별되고 독립적으로 제어될 수 있도록 하기 위해, 상기 제 2 전극을 비활성화하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 연속 액체 유동을 샘플링하는 방법.
  75. 제 74항에 있어서,
    상기 면 상에서 상기 액적을 제 2 유동 경로를 따라 이동시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 연속 액체 유동을 샘플링하는 방법.
  76. 제 75항에 있어서,
    상기 액적을 이동시키는 단계는 상기 전극 어레이의 전극들의 집합을 순차적으로 활성화시키고 비활성화시키는 것을 구비하는 것을 특징으로 하는 연속 액체 유동을 샘플링하는 방법.
  77. 제 75항에 있어서,
    처리 영역을 생성하기 위해 상기 전극 에레이의 전극들의 집합을 활성화시키는 단계를 구비하고, 상기 액적은 상기 제 2 유동 경로를 따라 상기 처리 영역으로 이동하는 것을 특징으로 하는 연속 액체 유동을 샘플링하는 방법.
  78. 제 74항에 있어서,
    상기 제 1 유동 경로는 입력 방향을 따라 상기 면을 따라 이어지고, 상기 제 2 전극과 상기 제 3 전극은 상기 입력 방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 연속 액체 유동을 샘플링하는 방법.
  79. 제 74항에 있어서,
    상기 제 1 유동 경로는 입력 방향을 따라 상기 면을 따라 이어지고, 상기 제 2 전극과 상기 제 3 전극은 상기 입력 방향과 다른 이송 방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 연속 액체 유동을 샘플링하는 방법.
  80. 제 74항에 있어서,
    액체 배출 유동 스트림을 형성하기 위해, 상기 면 상에서 상기 액적을 하나 이상의 추가 액적들과 결합하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 연속 액체 유동을 샘플링하는 방법.
  81. (a) 전극들의 어레이를 구비하는 면 상에 제 1 유동 경로를 따라 액체 유동을 공급하되, 상기 액체 유동의 적어도 일부가 전극들 중 제 1 전극 상에 배치되고 전극들 중 제 2 전극과 적어도 부분적으로 겹쳐지도록 액체 유동을 공급하는 단계;
    (b) 상기 액체 유동 부분을 상기 제 2 전극과, 상기 제 2 전극에 인접한 제 3 전극을 가로질러 퍼지도록 하기 위해, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극과 상기 제 3전극을 제 1 전압으로 바이어스하는 단계;
    (c) 상기 제 3 전극 상에 상기 액체 유동으로부터의 액적을 형성하여 상기 액적이 상기 액체 유동과 구별되고 독자적으로 제어될 수 있도록 하기 위해, 상기 제 2 전극을 상기 제 1 전압보다 낮은 제 2 전압으로 바이어스하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 연속 유체 유동을 샘플링하는 방법.
  82. (a) 제 1 면 영역과, 상기 제 1 면 영역 상에 배치되는 제 1 전극들의 어레이와, 상기 제 1 전극들과 실질적으로 동일 평면상의 관계로 배치되는 제 1 기준 요소들의 어레이를 구비한 제 1 혼합 유닛;
    (b) 제 2 면 영역과, 상기 제 2 면 영역 상에 배치되는 제 2 전극들의 어레이와, 상기 제 2 전극들과 실질적으로 동일 평면상의 관계로 배치되는 제 2 기준 요소들의 어레이와, 상기 제 2 면 영역 및 상기 제 1 혼합 유닛과 소통하는 액적 유출 영역을 구비한 제 2 혼합 유닛; 및
    (c) 선택된 하나 이상의 제 1 전극들을 순차적으로 활성화 및 비활성화하여 상기 제 1 면 영역에 공급된 두 액적을 서로 병합하고, 선택된 하나 이상의 제 2 전극들을 순차적으로 활성화 및 비활성화하여 상기 제 2 면 영역에 공급된 다른 두 액적들을 서로 병합하도록 하는 전극 선택기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 바이너리 혼합 장치.
  83. 제 82항에 있어서,
    상기 제 1 혼합 유닛 및 상기 액적 유출 영역과 소통하고 상기 전극 선택기에 의해 제어되는 버퍼 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는 바이너리 혼합 장치.
  84. (a) 제 1 면 영역 및 상기 제 1 면 영역 상에 배치된 제 1 전극들의 어레이를 구비하는 제 1 혼합 유닛;
    (b) 제 2 면 영역과, 상기 제 2 면 영역 위에 배치된 제2전극들의 어레이와, 상기 제 2 면 영역 및 상기 제 1 혼합 유닛과 교통하는 액적 유출 영역을 구비하는 제 2 혼합 유닛; 및
    (c) 상기 제 1 면 영역에 제 1 전극 쌍들의 시퀀스 작용을, 그리고 제 2 면 영역 상에 제 2 전극 쌍들의 시퀀스 작용을 동적으로 생성하는 전극 선택기;를 포함하고,
    상기 제 1 전극 쌍 각각은 제 1 전압으로 바이어스된 제 1 선택 전극과 제 1 전압보다 낮은 제 2 전압으로 바이어스된 제 2 선택 전극을 구비하고, 상기 제 2 전극 쌍 각각은 제3전압으로 바이어스된 제3선택 전극과 제3전압 보다 낮은 제4전압으로 바이어스된 제 4 선택 전극을 구비하여, 상기 제 1 면 영역에 공급된 두 액적들이 상기 제 1 전극 쌍들에 의해 활성화되어 서로 혼합되고 상기 제 2 면 영역에 공급된 다른 두 개의 액적들은 상기 제 2 전극 쌍들에 의해 활성화되어 서로 혼합되는 것을 특징으로 하는 바이너리 혼합 장치.
  85. (a) 면과, 상기 면 상에 배치되는 전극들의 어레이와, 상기 전극 어레이와 실질적으로 동일 평면상의 관계로 배치되는 전도 소자들의 어레이를 제공하는 단계;
    (b) 초기 농도를 가진 샘플 액적 및 희석용 액적을 상기 면에 공급하는 단계;
    (c) 결합 액적을 생성하기 위해, 상기 전극들의 선택된 집합에 순차적으로 에너지를 가하고 에너지를 뺏음으로써, 상기 샘플 액적을 상기 희석용 액적과 병합하는 단계; 및
    (d) 결합 액적의 농도를 상기 샘플 액적의 초기 농도 이하로 떨어뜨림으로써 결합 액적의 감소 농도가 대략적 혼합 비율에 대응하도록, 결합 액적을 혼합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 소망된 혼합율을 가진 액적을 만드는 방법.
  86. 제 85항에 있어서,
    최종 결합 액적의 감소 농도가 소망된 정확도의 범위 안에서 소망된 혼합 비율에 접근할 때까지, 하나 이상의 새로운 결합 액적들을 형성하도록 하나 이상의 추가 희석용 액적들을 사용하여 소정 회수만큼 상기 병합 및 혼합 단계를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소망된 혼합율을 가진 액적을 만드는 방법.
  87. 제 85항에 있어서,
    상기 혼합된 결합 액적을 두 개의 혼합 액적로 분리하는 단계와, 상기 두 혼합 액적들 중 적어도 하나를 추가 희석용 액적과 병합하여 새로운 결합 액적을 생성하는 단계와, 상기 새로운 결합 액적을 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소망된 혼합율을 가진 액적을 만드는 방법.
  88. 제 85항에 있어서,
    상기 결합 액적을 혼합한 후에, 상기 결합 액적의 대략적 혼합 비율이 소망된 정확도의 범위 안에서 소망된 혼합 비율에 근접하는지의 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소망된 혼합율을 가진 액적을 만드는 방법.
  89. 제 88항에 있어서,
    상기 판단 단계는 상기 결합 액적의 감소 농도를 나타내는 값을 측정하고 그 측정값을 상기 소망된 혼합 비율을 나타내는 소정 셋 포인트 값과 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소망된 혼합율을 가진 액적을 만드는 방법.
  90. 제 88항에 있어서,
    상기 결합 액적의 상기 대략적 혼합 비율이 소망된 정확도의 범위 내에서 소망된 혼합 비율에 근접하지 않았다고 판단하면, 상기 결합 액적을 새로운 희석 액적과 병합하여 상기 소망된 혼합 비율에 보다 가깝게 근접하는 농도를 가진 새 결합 액적을 생성함을 특징으로 하는 소망된 혼합율을 가진 액적을 만드는 방법.
  91. (a) 면 상에 배치되는 전극들의 어레이를 제공하는 단계;
    (b) 초기 농도를 가진 샘플 액적과 희석용 액적을 상기 면 상에 공급하는 단계;
    (c) 상기 어레이로부터, 각 쌍이 제 1 전압으로 바이어스된 제 1 선택 전극과 제 1 전압 보다 낮은 제 2 전압으로 바이어스된 제 2 선택 전극을 포함하는 전극 쌍들의 시퀀스 작용을 동적으로 생성하여, 상기 샘플 액적 및 상기 희석용 액적 중 하나 또는 둘 모두가 상기 전극 쌍들의 시퀀스에 의해 생성된 경로를 따라 동작하도록 하기 위해, 상기 샘플 액적을 상기 희석용 액적과 병합하여 결합 액적을 생성하는 단계; 및
    (d) 상기 샘플 액적의 초기 농도 이하로 그 농도를 감소시켜 상기 결합 액적의 감소 농도가 대략적 혼합 비율에 상응하도록 하기 위해, 상기 결합 액적을 혼합하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 소망된 혼합 비율을 가진 액적의 생성 방법.
  92. 제 91항에 있어서,
    상기 혼합 단계는 상기 결합 액적을 동작시키도록, 상기 어레이로부터 전극 쌍들의 추가 시퀀스 작용을 동적으로 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소망된 혼합 비율을 가진 액적의 생성 방법.
  93. (a) 제 1 면 영역 및 상기 제 1 면 영역 상에 배치된 제 1 전극들의 어레이와, 상기 제 1 전극들과 실질적으로 동일 평면상의 관계로 배치된 제 1 전도 소자들의 어레이를 구비하는 제 1 혼합 유닛에서, 제 1 샘플 액적을 제 1 희석용 액적과 혼합하여 소망된 제 1 중간 혼합 비율을 가진 제 1 결합 액적을 생성하는 단계;
    (b) 제 2 면 영역과, 상기 제 2 면 영역 상에 배치된 제 2 전극들의 어레이와, 상기 제 2 전극들과 실질적으로 동일 평면상의 관계로 배치된 제 2 전도 소자들의 어레이를 구비하는 제 2 혼합 유닛에서, 제 2 샘플 액적을 제 2 희석용 액적과 혼합하여 소망된 제 2 중간 혼합 비율을 가진 제 2 결합 액적을 생성하는 단계;
    (c) 상기 제 2 결합 액적을 상기 제 1 혼합 유닛으로 이송하는 단계; 및
    (d) 상기 제 1 혼합 유닛에서, 상기 제 1 결합 액적을 상기 제 2 결합 액적과 결합하여 상기 바람직한 최종 혼합 비율을 가진 제 3 결합 액적을 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 소망된 최종 혼합 비율을 가진 액적을 생성하는 방법.
  94. (a) 제 1 면 영역에 배치된 제 1 전극들의 어레이를 구비하는 제 1 혼합 유닛에서, 각 쌍이 제 1 전압으로 바이어스된 제 1 구동 전극과 제 1 전압 보다 낮은 제 2 전압으로 바이어스된 제 1 기준 전극을 포함하는 제 1 전극들의 제 1 쌍들의 제 1 시퀀스 작용을 동적으로 생성하여 제 1 샘플 액적을 제 1 희석용 액적과 혼합함으로써, 상기 제 1 샘플 액적과 제 1 희석용 액적이 활성화되어 소망된 제 1 중간 혼합 비율을 가진 제 1 결합 액적을 생성하는 단계;
    (b) 제 2 면 영역 상에 배치된 제 2 전극들의 어레이를 구비하는 제 2 혼합 유닛에서, 각각이 제 3 전압으로 바이어스된 제 2 구동 전극과 제 3 전압 보다 낮은 제 4 전압으로 바이어스된 제 2 기준 전극을 포함하는 제 2 전극들의 제 2 쌍들의 제 2 시퀀스 작용을 동적으로 생성하여 제 2 샘플 액적을 제 2 희석용 액적과 혼합함으로써, 상기 제 2 샘플 액적과 제 2 희석용 액적이 활성화되어 소망된 제 2 중간 혼합 비율을 가진 제 2 결합 액적을 생성하는 단계;
    (c) 상기 제 2 결합 액적을 상기 제 1 혼합 유닛으로 이송하는 단계; 및
    (d) 상기 제 1 혼합 유닛에서, 상기 제 1 결합 액적을 상기 제 2 결합 액적과 결합하여 상기 소망된 최종 혼합 비율을 가진 제 3 결합 액적을 생성하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 소망된 최종 혼합 비율을 가진 액적을 생성하는 방법.
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