JP2024505501A - マイクロ液滴生成方法及び生成システム - Google Patents

マイクロ液滴生成方法及び生成システム Download PDF

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凱 ▲じん▼
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Abstract

本出願ではあるマイクロ液滴生成方法と生成システムを提出し、短時間で大量のマイクロ液滴２０１を生成することができ、液滴生成時間を大幅に短縮し、操作プロセスも簡単で便利である。高精度マイクロポンプなどの設備不要なため、システムコストを削減可能である。また、拡張性がよく、マイクロ流体チップのサイズの拡張を通じ、より多くのマイクロ液滴や複数組のサンプルを分離させることができる。さらに、上の極板と下の極板の間の隙間、吸引点の数、面積と位置の方式を調整することにより、形成したマイクロ液滴の体積と密度を精確に調整できる。したがって、本発明は素早く高密度のマイクロ液滴を形成でき、その形成した高密度マイクロ液滴の体積と密度を精確にコントロールできるマイクロ液滴生成方法とマイクロ液滴生成システムを提出する。

Description

本発明は、液滴コントロール技術分野に関し、特にマイクロ液滴生成方法と生成システムに関する。
一定体積の液体をいかに大量で体積が均一なマイクロ液滴に均等に分解できるかはマイクロ流体コントロール技術における解決すべき重点的問題であり、ドロップレットデジタルＰＣＲ（ｄｄ ＰＣＲ）、ｄＬＡＭＰ、ｄＥＬＩＳＡ、単細胞組学などの応用分野における重要な一環である。現在、ハイスループットでノルマルリットル液滴生成の技術手段というと主にマイクロ液滴マイクロ流体コントロール技術とマイクロウェルマイクロ流体コントロール技術がある。マイクロ流体コントロール技術の代表はＢｉｏ－Ｒａｄと１０ＸＧｅｎｏｍｉｃｓで、高精度のマイクロポンプでを制御し、十字型という構造を利用しサンプルの液体に持続的に押す潰すことでペタリットルからノルマルリットル級の小さな液滴を大量に生成するのがこの技術の特徴である。マイクロ液滴マイクロ流体コントロール技術に基づいたハイスループットでのノルマルリットル液滴生成といった方法は高精度マイクロポンプのプレッシャーへの正確な制御とＭＥＭＳの高精度チップ加工工法によるもので、生成するマイクロ液滴は一つの容器にまとめて保存され、液滴を一つずつマイクロ流体通路を通し、逐一検測を行うため、設備コストが高く、システムが複雑である。マイクロウェル型マイクロ流体コントロールの代表はＴｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒで、機械力を利用しサンプル液体をマイクロウェルアレイに塗布することで、サンプルは一つ一つのマイクロウェルに均等に振り分けられ、ペタリットルからノルマルリットル級の小さな液滴が形成するというのがこの技術の特徴である。マイクロウェル型マイクロ流体コントロールに基づく技術は通常機械力を借りて、試薬をマイクロウェルアレイの表面に塗布してから不活性媒体である液体をマイクロウェルの上と下の二面に充填する。この方法は操作の流れが比較的複雑、自動化水準が低い、実験流束が比較的低い、サンプル準備期間が長いといった欠点がある。
デジタルマイクロ流体コントロールは独立で各液滴を操縦する力があるため、ハイスループットでマイクロ液滴を生成するもう一種類の技術である。特許ＷＯ２０１６／１７０１０９Ａｌ及びＵＳ２０２０００６１６２０Ｓ５０ではともにデジタルマイクロ流体コントロールプラットフォームに基づいて大量マイクロ液滴を生成する方法が記載されている。しかし、上記特許で記述しているデジタルマイクロ流体コントロール技術ハイスループットでノルマルリットル液滴を生成する方法は主にデジタルマイクロ流体コントロール技術を用い、大きな液滴から小さな液滴を生成し、対応する位置に輸送するように操縦する。この方法は主に小さな液滴を生成する速度が比較的に遅い、サンプル準備期間が長いといった欠点がある。
上記内容を踏まえ、小さな液滴を生成する速度が速く、かつ安定で制御可能なマイクロ液滴生成方法と生成システムの開発が必要である。
マイクロ液滴生成システム、その特徴は以下の通り、マイクロ流体チップとマイクロ流体チップに接続している液滴駆動ユニットが含まれていて、そのマイクロ流体チップに上の極板と下の極板が含まれている、上記上の極板と下の極板との間に流体通路層が形成されていて、その吸引点は液体を吸引するために用いられる、その液滴駆動ユニットは上記流体通路層に注がれた液体がその流体通路層での流動を駆動するために用いられる、これで、上記吸引点の位置でマイクロ液滴を形成する。
本出願の一実施形態において、上記上の極板は順番通りに重ねられている上のカバー、導電層と第１疏水層からなる、下の極板は順番通りに重ねられている第２疏水層、誘電層、電極層と基板からなる、その第１疏水層と第２疏水層は相対して設置されている、上記第１疏水層と第２疏水層の間に上記流体通路層が形成される、上記電極層はアレイ式に設置されている複数の電極からなる。
本出願の一実施形態において、上記の上の極板は上記第１疏水層が上記導電層から離れているほうに親水点アレイが形成され、上記親水点アレイの親水点は上記吸引点で、隣り同士のオンになったその電極の間にはそのオフにした電極で隔てている。
本出願の一実施形態において、上記上の極板は上記第１疏水層が上記導電層から離れているほうに親水点アレイが形成され、上記親水点アレイの親水点は上記吸引点で、その吸引点は上記電極層がオンにした上記電極から形成される、隣り同士のオンになっているその電極の間にはオンになっていない電極で隔てている。
本出願の一実施形態において、その電極層の電極の形状は六角形と正方形、または六角形あるいは正方形である。
本出願の一実施形態において、その電極層はアレイ式に設置されている複数の六角形電極からなる。
本出願の一実施形態において、上記電極層にはアレイ式に設置されている複数の六角形電極とアレイ式に設置されている複数の六角形電極両側にあるアレイ式に設置されている複数の正方形電極が含まれている。
本出願の一実施形態において、その電極層にはアレイ式に設置されている複数の正方形電極とそのアレイ式に設置されている複数の正方形電極両側にあるアレイ式に設置されている複数の六角形電極が含まれている。
本出願の一実施形態において、上記六角形電極の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍで、上記正方形電極の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍである。
本出願の一実施形態において、上記電極層は順に繋がっているアレイ式に設置されている複数の第１正方形電極、アレイ式に設置されている複数の第１六角形電極、アレイ式に設置されている複数の第２六角形電極、アレイ式に設置されている複数の第２正方形電極が含まれている。
本出願の一実施形態において、上記電極層には順に繋がっているアレイ式に設置されている複数の第１六角形電極、アレイ式に設置されている複数の第２六角形電極、アレイ式に設置されている複数の正方形電極が含まれている。
本出願の一実施形態において、上記第１正方形電極あるいは上記正方形電極の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍ、上記第２正方形電極の辺の長さはその第１正方形電極の辺の長さの１／５～１／２で、上記第１六角形電極の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍで、上記第２六角形電極の辺の長さはその第１六角形の辺の長さの１／５～１／２である。
本出願の一実施形態において、上記液滴駆動ユニットは電極駆動ユニット、電極駆動ユニットは上記電極層に繋がっていて、上記電極層のその電極のオンとオフを制御するために用いられる、これで、上記流体通路層に注入された液体のその流体通路層での流動をコントロールすることで、上記吸引点でマイクロ液滴を形成する。
本出願の一実施形態において、上記マイクロ流体チップの中心部に液体排出穴が設置されていて、その液体注入穴は上記流体通路層に液体を注ぐために用いられる、上記マイクロ流体チップには複数の液体排出穴が設置されていて、その液体排出穴は余った液体がそのマイクロ流体チップから排出するために用いられる、その液滴駆動ユニットは回転駆動ユニットで、その回転駆動ユニットは上記マイクロ流体チップを回すのを駆動するために用いられる。
本出願の一実施形態において、上記マイクロ流体チップの回転速度は０ｒｐｍより大きい、１０００ｒｐｍと同等または小さい、これにより、上記流体通路層に注入される液体が回転塗布の方法により上記吸引点でマイクロ液滴を形成する。
本出願の一実施形態において、上記電極の形状は六角形で、辺の長さは５０μｍ～２ｍｍで、上記第１疏水層と上記第２疏水層との距離は５０μｍ～２ｍｍである。
本出願の一実施形態において、上記マイクロ流体チップには第１サンプル注入穴と第１サンプル排出穴、その第１サンプル注入穴と第１サンプル排出穴はマイクロ流体チップの第１対角線上に設置されていて、上記液滴駆動ユニットには第１マイクロポンプと第３マイクロポンプ、上記第１マイクロポンプがその第１サンプル注入穴に繋がっていて、上記流体通路層に液体を注入するために用いられる、これで上記液体をその流体通路層に充満させる、上記第３マイクロポンプはその第１サンプル排出穴に繋がっていて、その第１サンプル排出穴から流れ出した液体か気体を汲み取る、これにより、その吸引点でマイクロ液滴を形成する。
本出願の一実施形態において、上記マイクロ流体チップには第２サンプル注入穴と第２サンプル排出穴、その第２サンプル注入穴と第２サンプル排出穴はマイクロ流体チップの第２対角線上に設置されていて、上記液滴駆動ユニットには第２マイクロポンプと第４マイクロポンプ、上記第２マイクロポンプがその第２サンプル注入穴に繋がっていて、上記流体通路層に液体を注入するために用いられる、これで上記液体をその流体通路層に充満させる、上記第４マイクロポンプはその第２サンプル排出穴に繋がっていて、その第２サンプル排出穴から流れ出した液体か気体を汲み取る、これにより、その吸引点でマイクロ液滴を形成する。
本出願の一実施形態において、その上のカバーの厚さは０．０５ｍｍ～１．７ｍｍで、上記基板の厚さは０．０５ｍｍ～１．７ｍｍで、上記導電層の厚さは１０ｎｍ～５００ｎｍで、上記誘電層の厚さは５０ｎｍ～１０００ｎｍで、上記電極層の厚さは１０ｎｍ～１０００ｎｍで、上記第１疏水層の厚さは１０ｎｍ～２００ｎｍで、上記第２疏水層の厚さは１０ｎｍ～２００ｎｍである。
マイクロ液滴生成システム、その特徴は以下の通り。上の極板と下の極板からなるマイクロ流体チップが含まれていて、その上の極板と下の極板の間には流体通路層が形成され、上記上の極板と下の極板のうち少なくも一つが複数の吸引点を形成し、その吸引点は液体を吸引するために用いられる。上の極板１０が位置する平面と上記下の極板２０が位置する平面との間にはある角度が設定されている。その上の極板には複数のサンプル注入穴が設置されていて、そのサンプル注入穴は上の極板の端に位置し、そのサンプル注入穴は液体を注入するために用いられる。上記流体通路層には相対して設置された第１端と第２端が含まれている。上記流体通路層のその第１端の高さは上記流体通路層のその第２端の高さより低く、上記サンプル注入穴を通って、上記流体通路層のその第１端に液体を注入する時、上記液体は表面張力を受け、上記第１端から第２端に移動し、上記吸引点でマイクロ液滴を形成する。
本出願の一実施形態において、上記上の極板１０と下の極板２０との角度は０°より大きく、３°より小さい。
本出願の一実施形態において、上記第１端では、上記上の極板と下の極板との距離は０μｍ～２００μｍである。
本出願の一実施形態において、上記上の極板は順番通りに重ねられている上のカバー、導電層と第１疏水層からなる、下の極板は順番通りに重ねられている第２疏水層、誘電層、電極層と基板からなる、その第１疏水層と第２疏水層は相対して設置されている、上記第１疏水層と第２疏水層の間に上記流体通路層が形成される、上記電極層はアレイ式に設置されている複数の電極からなる。
本出願の一実施形態において、その吸引点は上記電極層がオンにした上記電極から形成される、隣り同士のオンになったその電極の間にはそのオフにした電極で隔てている。
本出願の一実施形態において、上記上の極板は上記第１疏水層が上記導電層から離れているほうに親水点アレイが形成され、上記親水点アレイの親水点は上記吸引点で、その吸引点は上記電極層がオンにした上記電極から形成される、隣り同士のオンになっているその電極の間にはオンになっていない電極で隔てている。
本出願の一実施形態において、その電極層の電極の形状は六角形と正方形、または六角形あるいは正方形である。
マイクロ液滴生成方法は、次のステップを含む。
ステップＳ１、マイクロ流体チップを提供する、マイクロ流体チップは上の極板と下の極板を含む、上の極板と下の極板の間に流体通路層が形成される。
ステップＳ２、上の極板と下の極板のうち、少なくも一つが複数の吸引点を形成する、吸引点は液体を吸引することに用いられる。
ステップＳ３、流体通路層に液体を注入する。
ステップＳ４、液体が上記流体通路層での流動を駆動することで、上記マイクロ流体チップの複数の吸引点でマイクロ液滴を形成する。
本出願の一実施形態において、上記上の極板は順番通りに重ねられている上のカバー、導電層と第１疏水層からなる、下の極板は順番通りに重ねられている第２疏水層、誘電層、電極層と基板からなる、上記電極層はアレイ式に設置されている複数の電極からなる、上記第１疏水層と第２疏水層の間に上記流体通路層が形成される。
上記ステップＳ２は以下のステップを踏んでいる、上記電極層の複数の電極をオンにして、オンになっているその電極は上記吸引点を形成し、隣り同士のオンになっているその電極の間にはオンになっていないその電極で隔てている。
本出願の一実施形態において、上記上の極板は順番通りに重ねられている上のカバー、導電層と第１疏水層からなる、下の極板は順番通りに重ねられている第２疏水層、誘電層、電極層と基板からなる、上記電極層はアレイ式に設置されている複数の電極からなる、上記第１疏水層と第２疏水層の間に上記流体通路層が形成される。
上記ステップＳ２は以下のステップを踏んでいる、レーザーかプラズマを採用し、必要の位置での疏水コーティングを処理すると、上記第１疏水層で親水点を形成し、その親水点は上記吸引点で、隣り同士の親水点は隔てて設置されている。
本出願の一実施形態において、上記ステップＳ４は以下のステップを含む。
ステップＳ１１０、一列目からＰ列目の電極をオンにし、液体が上記流体通路層の一列目からＰ列目の電極に対応する位置に大きな液滴を形成させる、そのうち、Ｐは正の整数である。
ステップＳ１２０、一列目の吸引点の電極をオンの状態のままにし、一列目のほかの電極をオフにすると同時に、Ｐ＋１列目の電極をオンにし、上記大きな液滴が上記流体通路層で一列前へ移動するように駆動させる、また、一列目の上記吸引点がマイクロ液滴を形成し、隣の上記吸引点との間には少なくも一つの電極で隔てている。
ステップＳ１３０、二列目の吸引点の電極をオンの状態のままにし、二列目のほかの電極をオフにすると同時に、Ｐ＋２列目の電極をオンにし、上記大きな液滴が上記流体通路層で一列前へ移動するように駆動させる、また、二列目の上記吸引点がマイクロ液滴を形成し、隣の上記吸引点との間には少なくも一つの電極で隔てている、上記一列目の吸引点と上記二列目の吸引点は違った列にある。
ステップＳ１４０、ｎ列目の吸引点の電極をオンの状態のままにし、ｎ列目のほかの電極をオフにすると同時に、Ｐ＋ｎ列目の電極をオンにし、上記大きな液滴が上記流体通路層で一列前へ移動するように駆動させる、また、ｎ列目の上記吸引点がマイクロ液滴を形成し、隣の上記吸引点との間には少なくも一つの電極で隔てている、ｎ列目の吸引点と上記ｎ－１列目の吸引点は違った列にあり、ｎは３より大きい正の整数である。
ステップＳ１５０、ステップＳ１４０を繰り返して、上記の大きな液滴がなくなるまで、上記マイクロ流体チップで複数のマイクロ液滴を形成する。
本出願の一実施形態において、上記ステップＳ４は以下のステップを含む。
ステップＳ２１０、一列目からＰ列目の電極をオンにし、上記流体通路層１０１での液体が上記電極層の一列目からＰ列目の電極で大きな液滴を形成させる、そのうち、Ｐは正の整数である。
ステップＳ２２０、一列目の電極をオフにすると同時に、Ｐ＋１列目の電極をオンにし、上記大きな液滴が上記流体通路層で一列前へ移動するように駆動させ、一列目の親水点でマイクロ液滴を形成する。
ステップＳ２３０、一列目の電極をオフにすると同時に、Ｐ＋２列目の電極をオンにし、上記大きな液滴が上記電極層で一列前へ移動するように駆動させ、二列目の親水点でマイクロ液滴を形成する。
ステップＳ２４０、ｎ列目の電極をオフにすると同時に、Ｐ＋ｎ列目の電極をオンにし、上記大きな液滴が上記電極層で一列前へ移動するように駆動させ、ｎ列目の親水点でマイクロ液滴を形成する、そのうち、ｎは３より大きい正の整数である。
ステップＳ２５０、ステップＳ２４０を繰り返して、上記の大きな液滴がなくなるまで、上記マイクロ流体チップで複数のマイクロ液滴を形成する。
本出願の一実施形態において、上記ステップＳ４は以下のステップを含んでいる、上記マイクロ流体チップを回転させ、上記流体通路層にある液体がオンになっている複数の電極に対応する位置でマイクロ液滴を形成する。
本出願の一実施形態において、上記ステップＳ４は以下のステップを含んでいる、上記マイクロ流体チップを回転させ、上記流体通路層にある液体が上記親水点の位置でマイクロ液滴を形成する。
本出願の一実施形態において、上記ステップＳ４では、上記マイクロ流体チップの回転速度は０ｒｐｍより大きい、かつ１０００ｒｐｍより小さいまたは同じである。
本出願の一実施形態において、上記ステップＳ３では、上記マイクロ流体チップの中心位置にある液体注入穴に液体を注入する。
本出願の一実施形態において、上記マイクロ液滴生成方法は、さらに以下のステップも含んでいる、余った液体が流体通路層から出てから、上記マイクロ流体チップを回すのを止める。
本出願の一実施形態において、上記上の極板が位置する平面と上記下の極板が位置する平面との間にはある角度が設定されている、上の極板では、複数のサンプル注入穴が設置され、サンプル注入穴は上の極板の端に位置し、サンプル注入穴はサンプルを注入することに用いられる、上記流体通路層には相対して設置されている第１端と第２端が含まれている、流体通路層の第１端の高さは流体通路層の第２端の高さより低い。
本出願の一実施形態において、上記サンプル注入穴から上記流体通路層の上記第１端に液体を注入し、上記流体通路層にその液体を注入する時、上記液体は表面張力を受け、上記第１端から第２端に移動し、上記吸引点に対応する位置でマイクロ液滴を形成する。
本出願の一実施形態において、上記ステップＳ３では、上記サンプル注入穴から上記流体通路層の上記第１端に液体を注入し、その液体の注入速度は１μＬ／ｓ～１０μＬ／ｓである。
本出願の一実施形態において、上記第１端では、上記上の極板１０と下の極板２０との距離は０μｍ～２００μｍである。上記上の極板と下の極板との角度は０°より大きく、３°より小さい。
本出願の一実施形態において、上記マイクロ流体チップには第１サンプル注入穴、第１サンプル排出穴、上記第１サンプル排出穴と上記第１サンプル注入穴は上記マイクロ流体チップの第１対角線に設置されている、上記第１サンプル注入穴は第１マイクロポンプにつながっていて、上記第１サンプル排出穴は第３マイクロポンプに繋がっている。
上記ステップＳ３では、第１マイクロポンプから第１サンプル注入穴経由で上記流体通路層に液体を注入する、第３マイクロポンプで第１サンプル排出穴から出た液体を抽出する。
本出願の一実施形態において、上記マイクロ流体チップには第２サンプル注入穴、第２サンプル排出穴、上記第２サンプル排出穴と上記第２サンプル注入穴は上記マイクロ流体チップの第２対角線に設置されている、上記第２サンプル注入穴は第２マイクロポンプにつながっていて、上記第２サンプル排出穴は第４マイクロポンプに繋がっている。
上記ステップＳ４では、第２マイクロポンプから第２サンプル注入穴経由で上記流体通路層に媒体を注入する、非吸引点のところの上記液体がその媒体に推し出され、液体が吸引点に対応する位置でマイクロ液滴を残し、媒体がマイクロ液滴を包む、さらに、第４マイクロポンプで第２サンプル排出穴から出た媒体を汲み取る。
本出願の一実施形態において、上記上の極板と上記下の極板間の隙間、上記吸引点の数、面積の大きさと位置を調整する方法で、上記マイクロ流体チップが形成するマイクロ液滴の体積と密度を調整する。
マイクロ液滴生成方法、次のステップを含む。
マイクロ流体チップを提供し、マイクロ流体チップは上の極板と下の極板を含む、上の極板と下の極板の間に流体通路層が形成される、上記下の極板には電極層が含まれている、その電極層にはアレイ式に設置されている複数の電極が含まれている。
上記上の極板で複数の吸引点を形成し、その吸引点は液体を吸引するために用いられる、上記吸引点は上記電極層がオンになっている電極で形成される。隣り同士のオンになっている上記電極の間には、オンになっていない上記電極で隔てて設置されている。
上記流体通路層に液体サンプルを注入し、上記電極のオンとオフを制御することで、上記液体サンプルが上記吸引点に対応する位置でｎ１個のマイクロ液滴を形成する。
また、上記電極のオンとオフを制御することで、形成されたｎ１個のマイクロ液滴のうち、全てのマイクロ液滴が上記吸引点でｎ２個のマイクロ液滴を形成する。
さらに、上記電極のオンとオフを制御することで、形成されたｎ２個のマイクロ液滴のうち、全てのマイクロ液滴が上記吸引点でｎ３個のマイクロ液滴を形成する。
狙いの数のマイクロ液滴を形成するまで、上記電極のオンとオフを繰り返す。
そのうち、上記ｎ１、ｎ２、ｎ３は２と同等または２より大きい正の整数である。
本出願の一実施形態において、上記流体通路層に液体サンプルを注入し、上記電極のオンとオフを制御することで、液体サンプルは、上記吸引点に対応する位置に２個のマイクロ液滴を形成する。
また、上記電極のオンとオフを制御することで、形成された２個のマイクロ液滴のうち、全てのマイクロ液滴が上記吸引点で２個のマイクロ液滴を形成する。
さらに、上記電極のオンとオフを制御することで、形成された２個のマイクロ液滴のうち、全てのマイクロ液滴が上記吸引点で２個のマイクロ液滴を形成する。
狙いの数のマイクロ液滴を形成するまで、上記電極のオンとオフを繰り返す。
本出願の一実施形態において、上記流体通路層に液体サンプルを注入し、上記電極のオンとオフを制御することで、液体サンプルは、上記吸引点に対応する位置に３個のマイクロ液滴を形成する。
また、上記電極のオンとオフを制御することで、形成された３個のマイクロ液滴のうち、全てのマイクロ液滴が上記吸引点で３個のマイクロ液滴を形成する。
さらに、上記電極のオンとオフを制御することで、形成された３個のマイクロ液滴のうち、全てのマイクロ液滴が上記吸引点で３個のマイクロ液滴を形成する。
狙いの数のマイクロ液滴を形成するまで、上記電極のオンとオフを繰り返す。
本出願の一実施形態において、上記流体通路層に液体サンプルを注入し、上記電極のオンとオフを制御することで、液体サンプルは、上記吸引点に対応する位置に４個のマイクロ液滴を形成する。
また、上記電極のオンとオフを制御することで、形成された４個のマイクロ液滴のうち、全てのマイクロ液滴が上記吸引点で４個のマイクロ液滴を形成する。
さらに、上記電極のオンとオフを制御することで、形成された４個のマイクロ液滴のうち、全てのマイクロ液滴が上記吸引点で４個のマイクロ液滴を形成する。
狙いの数のマイクロ液滴を形成するまで、上記電極のオンとオフを繰り返す。
本出願の一実施形態において、上記電極の形状は正方形と六角形である。
本出願の一実施形態において、上記上の極板は順番通りに重ねられている上のカバー、導電層と第１疏水層からなる、上記下の極板には第２疏水層と誘電層も含まれている、その第２疏水層、誘電層、電極層は順番通りに重ねられている、その第１疏水層と第２疏水層は相対して設置されている、上記第１疏水層と第２疏水層の間に上記流体通路層が形成される。
本出願の一実施形態において、上記電極の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍである。
本出願の一実施形態において、上記第１疏水層と第２疏水層間の距離は５μｍ～６００μｍである。
本出願は上記マイクロ液滴生成方法と生成システムを通し、大量のマイクロ液滴を素速く生成でき、液滴の生成時間を大幅に下げられ、操作プロセスも簡単である。高精度マイクロポンプなどの設備不要なため、このシステムのコストを削減可能である。また、拡張性がよく、マイクロ流体チップサイズの拡張を通じ、より多くのマイクロ液滴や複数組のサンプルを分離させることができる。さらに、上の極板と下の極板の間の隙間、吸引点の数、面積と位置の方式を調整することにより、形成したマイクロ液滴の体積と密度を精確に調整できる。したがって、本発明は素速く高密度のマイクロ液滴を形成でき、その形成した高密度マイクロ液滴の体積と密度を精確にコントロールできるマイクロ液滴生成方法とマイクロ液滴生成システムを提出する。
本出願のマイクロ液滴生成方法と生成システムの拡張性がよく、チップサイズの拡張を通し、より多くのマイクロ液滴や複数組のサンプルを分離させることができる。また、電極層では少なくとも二種類の異なった形をしているアレイのように見える複数の電極が含めているため、電極をオンとオフすることで、大きな液滴を有する一種類のアレイ状の複数の電極でマイクロ液滴を形成し、別の形状をしているアレイ状の複数の電極でマイクロ液滴の関連実験を完成することができる。これで、液体サンプルの移し合いを避けられる。
は本発明で第１実施形態のマイクロ液滴生成システムのマイクロ流体チップの断面構造見取り図である。 は本発明で第１実施形態のマイクロ液滴生成システムの構造見取り図である。 は図１のマイクロ液滴生成システムを採用したマイクロ生成方法フローチャートである。 は大きな液滴が移動し、一つのマイクロ液滴を形成するフローチャートである。 は大きな液滴が移動し、複数のマイクロ液滴を形成するフローチャートである。 は本発明で第１実施形態の大きな液滴がマイクロ流体チップで移動し、複数のマイクロ液滴を形成するフローチャートである。 は本発明で第１実施形態の大きな液滴がマイクロ流体チップで移動し、複数のマイクロ液滴を形成する実際の実験見取り図である。 は本発明で第１実施形態の大きな液滴がマイクロ流体チップで移動し、複数のマイクロ液滴を形成する見取り図である。 は本発明で第１実施形態のマイクロ液滴生成システムのマイクロ液滴生成方法のフローチャートである。 は本発明で第２実施形態のマイクロ液滴生成システムのマイクロ液滴生成方法の見取り図である。 は本発明で第２実施形態のマイクロ液滴生成システムのマイクロ液滴生成方法のフローチャートである。 は本発明で第３実施形態のマイクロ液滴生成システムの構造見取り図である。 は本発明で第３実施形態のマイクロ液滴生成システムのマイクロ流体チップの断面構造見取り図である。 は本発明で第３実施形態のマイクロ液滴生成システムのマイクロ液滴生成方法の見取り図である。 は数字Ｅｌｉｓａ中混合溶液の構成構造見取り図である。 はマイクロ液滴生成システムを採用し数字Ｅｌｉｓａの作業プロセスを実現する見取り図である。 は本発明で第３実施形態のマイクロ液滴生成システムのマイクロ液滴生成方法のフローチャートである。 は本発明で第４実施形態のマイクロ液滴生成システムのマイクロ液滴生成方法の見取り図である。 は本発明で第４実施形態のマイクロ液滴生成システムのマイクロ液滴生成方法のフローチャートである。 は本発明で第５実施形態のマイクロ液滴生成システムのマイクロ流体チップの断面構造見取り図で、マイクロ液滴の生成プロセスを示している。 は本発明で第５実施形態の電極層の第１種類の構造見取り図である。 は本発明で第５実施形態の第１種類の電極層を採用する際液体が移動しマイクロ液滴を生成する見取り図である。 は本発明で第５実施形態の電極層の第２種類の構造見取り図である。 は本発明で第５実施形態の第２種類の電極層を採用する際液体が移動しマイクロ液滴を生成する見取り図である。 は本発明で第５実施形態の液体が移動しマイクロ液滴を生成する見取り図で、そのマイクロ液滴生成方法を採用し細胞選別実験を行うプロセスを示している。 は本発明で第５実施形態の液体が移動し、マイクロ液滴が生成される見取り図で、ペタリットルを形成するマイクロ液滴のプロセスを示している。 は本発明で第５実施形態のマイクロ液滴生成方法のフローチャートである。 は本発明で第６実施形態のマイクロ液滴生成方法のフローチャートである。 は本発明で第６実施形態の液体サンプルが移動し、マイクロ液滴が生成される第１種類の方式の見取り図である。 は本発明で第６実施形態の液体が移動しマイクロ液滴が生成される第１種類の方式の実験見取り図で、ペタリットル級のマイクロ液滴を形成するプロセスを示している。 は本発明で第６実施形態の液体が移動し、マイクロ液滴が生成される第１種類の方式の単細胞分けの実験見取り図である。 は本発明で第６実施形態の液体サンプルが移動し、マイクロ液滴が生成される第２種類の方式の見取り図である。 は本発明で第６実施形態の液体サンプルが移動し、マイクロ液滴が生成される第３種類の方式の見取り図である。 は本発明で第６実施形態の液体サンプルが移動し、マイクロ液滴が生成される第４種類の方式の見取り図である。
本出願の目的、技術プランとメリットをより分かりやすくするため、次は図や実施形態に合わせて本出願をさらに詳しく説明していく。此処で記述している詳しい実施形態は本出願を限定するのではなく、本出願を説明するだけのものであることを理解していただきたい。
第１実施形態
図１から図９の示した通り、本出願に基づいた第１実施形態のマイクロ液滴生成システムの詳しい構造とマイクロ液滴生成方法は詳しく解釈される。
具体的に、当マイクロ液滴生成システムはマイクロ流体チップ１００と当マイクロ流体チップ１００に接続されている液滴駆動ユニットが含まれていて、当マイクロ流体チップ１００は上の極板１０と下の極板２０が含まれていて、上の極板１０と下の極板２０の間に流体通路層１０１が形成され、上の極板１０と下の極板２０のうち、少なくとも一つが複数の吸引点を形成し、その吸引点は液体２００を吸収するに使用されている。液滴駆動ユニットは注入した上記の流体通路層１０１の液体２００が上記の流体通路層１０１での流動を駆動することで、上記の吸引点の位置でマイクロ液滴２０１を形成する。
より一層具体的にいうと、図１の示した通り、上の極板１０は逐次設置した上のカバー１１、導電層１２と第１疏水層１３が含まれている。上記の下の極板２０は逐次設置した第２疏水層２１、誘電層２２と電極層２３が含まれている。第１疏水層１３と第２疏水層２１は相対して設置し、第１疏水層１３と第２疏水層２１の間で流体通路層１０１が形成される。上記の上の極板１０と下の極板２０のうちの少なくも一つが複数の吸引点を形成し、その吸引点は液体２００を吸引するために使用されていて、上記の電極層２３にはアレイ設置の複数の電極２４が含まれている。
この実施形態では、上記の液滴駆動ユニットは上記の電極駆動ユニットであり、上記の電極駆動ユニットは上記の電極層２３に接続し、上記電極層２３の上記電極２４のオンとオフをコントロールすることで、上記流体通路層１０１に注入される液体２００が上記流体通路層１０１での流動をコントロールでき、上記吸引点の位置でマイクロ液滴２０１を形成する。
理解すべきことは、上記複数の吸引点の規格は同じでも、異なってもよい。数と位置は実際の需要によって設置することは、同時に同じまたは違う体積のマイクロ液滴２０１を生成するに便利である。
もう一つ理解すべきことは、上記流体通路層１０１の隙間及び上記吸引点の数、位置と面積の大きさをコントロールする方式により、上記マイクロ流体チップ１００で形成するマイクロ液滴２０１の体積と密度の調整に対応でき。そのため、本出願は高密度のマイクロ液滴を素早く形成できる、かつ形成した高密度マイクロ液滴の体積と密度を精確にコントロールできるマイクロ液滴生成方法とマイクロ液滴生成システムを提供する。
選べられるのは、図４と図５の示した通り、上記吸引点は上記電極層２３のオンにした電極２４１で形成され、隣りのオンにしている電極２４１との間はオンになっていない電極２４２で隔てて設置されている。
選べられるのは、上記電極層２３の上記電極２４の形状は六角形あるいは正方形。本実施形態では、電極２４の形状は六角形としている。電極２４の形状は六角形の場合、接触面が大きくなり、電極２４パネルの利用率がより高い。理解すべきことは、電極２４の形状は六角形と正方形の組み合わせ、あるいはほかの任意形状と任意形状との組み合わせでもよい。本出願では上記形状への制限はない。
選べられるのは、上記六角形電極の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍで、上記正方形電極の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍである。本出願は電極２４の規格への制限もない。
上記マイクロ液滴生成システムでは、大きな液滴を流体通路層１０１に入れ、電極駆動ユニットを通し電極層２３の電極２４のオンとオフをコントロールすることで、流体通路層１０１に入れる大きな液滴が電極層２３の表面で塗布と似たような方法で流動するようにコントロールし、流体通路層１０１の複数の吸引点でマイクロ液滴２０１を形成すると、液滴生成時間を大幅に短縮し、液滴生成安定性を向上させ、また需要に合わせて生成する液滴の大きさを随時調整することができ、操作プロセスが簡単で便利である。高精度マイクロポンプなどの設備はいらず、システムコスト削減につながる。また、拡張性が高く、マイクロ流体コントロールサイズを拡張することでより多くのマイクロ液滴あるいは複数組のサンプルを分離することができる。
選べられるのは、図２の示した通り、本実施形態中のある変形実施形態において、上記吸引点は親水点１３１から形成するのも可能である。具体的に、上記の上の極板１０は上記第１疏水層１３が上記導電層１２から離れているほうに親水点アレイが形成され、上記親水点アレイの親水点１３１は上記吸引点で、隣りにある親水点１３１との間に設置する。
理解すべきことは、上記親水点アレイは上記第２疏水層２１で形成することも可能である。または上記第１疏水層１３と上記第２疏水層２１ではともに親水点１３１が設置されている。本出願でこの項目について制限しない。
図２の示した通り、親水性修飾を通し、第１疏水層１３が導電層１２と離れている側で親水点アレイを形成し、隣りの親水点１３１との間には少なくも一つの電極２４が隔てている。電極駆動ユニットと電極層２３とが繋がっていて、電極駆動ユニットは大きな液滴が流体通路層１０１内に流動するために用いられる。大きな液滴は親水点１３１のところでマイクロ液滴２０１を形成する。理解すべきことは、上記マイクロ液滴生成システムで形成するマイクロ液滴２０１の体積は上記流体通路層１０１の隙間ｈの大きさと上記親水点１３１の面積次第である。
上記マイクロ液滴生成システムでは、大きな液滴を流体通路層１０１内に入れることを通じ、電極駆動ユニットは大きな液滴が流体通路層１０１の中で流動するために用いられ、大きな液滴が親水点１３１を通る際、親水点１３１の親水性により、親水点１３１でマイクロ液滴２０１が残られる。これにより液滴生成時間が大幅に短縮される。さらに、上記マイクロ液滴生成システムは電極をコントロールしてマイクロ液滴２０１を分離させることをする必要がないため、操作がより便利になる。高精度マイクロポンプなどの設備が要らず、システムコスト削減につながる。また、拡張性が高く、マイクロ流体コントロールサイズを拡張することでより多くのマイクロ液滴あるいは複数組のサンプルを分離することができる。
理解すべきことは、本出願はまた図１が示したマイクロ液滴生成システムのマイクロ液滴生成方法も提出した。下記のステップになっている。
電極層２３の電極２４のオンとオフを制御することにより、大きな液滴が電極層２３を通る時、電極層２３の複数の吸引点でそれぞれマイクロ液滴２０１が形成される。
上記マイクロ液滴生成方法では、電極層２３の電極２４のオンとオフをコントロールし、大きな液滴が電極層２３に流れて通る時、電極層２３の複数の吸引点でそれぞれマイクロ液滴２０１を形成する。こうすることで、液滴生成時間を大幅に短縮させ、操作プロセスも簡単で便利である。
理解すべきことは、上記の複数の吸引点のサイズは同じでも、異なってもよい。これは同時に異なる体積のマイクロ液滴２０１を生成するに便利である。
なお、複数の吸引点の間には少なくも一つの電極２４で隔てている。複数の吸引点の間には少なくも一つの電極２４で隔てていることで、マイクロ液滴２０１の結合を避ける。より好ましいのは、複数の吸引点の間に二つの電極２４で隔てている。
具体的な操作方法は図３を参考に、電極層２３の電極２４のオンとオフをコントロールし、大きな液滴が電極層２３に流れて通る時、電極層２３の複数の吸引点でそれぞれマイクロ液滴２０１を形成する操作は以下の通りである。
ステップＳ１１０、一列目からＰ列目の電極２４をオンにし、液体２００が上記流体通路層１０１での一列目からＰ列目の電極２４に対応する位置に大きな液滴を形成させる。そのうち、Ｐは正の整数である。
ステップＳ１２０、一列目の吸引点の電極２４をオンの状態のままにし、一列目のほかの電極２４をオフにすると同時に、Ｐ＋１列目の電極２４をオンにし、上記大きな液滴が上記流体通路層１０１で一列前へ移動するように駆動させる。また、一列目の上記吸引点がマイクロ液滴２０１を形成し、隣の上記吸引点との間には少なくも一つの電極２４で隔てている。
ステップＳ１３０、二列目の吸引点の電極２４をオンの状態のままにし、二列目のほかの電極２４をオフにすると同時に、Ｐ＋２列目の電極２４をオンにし、上記大きな液滴が上記流体通路層１０１で一列前へ移動するように駆動させる。また、二列目の上記吸引点がマイクロ液滴２０１を形成し、隣の上記吸引点との間には少なくも一つの電極２４で隔てている。上記一列目の吸引点と上記二列目の吸引点は違った列にある。
ステップＳ１４０、ｎ列目の吸引点の電極２４をオンの状態のままにし、ｎ列目のほかの電極２４をオフにすると同時に、Ｐ＋ｎ列目の電極２４をオンにし、上記大きな液滴が上記流体通路層１０１で一列前へ移動するように駆動させる。また、ｎ列目の上記吸引点がマイクロ液滴２０１を形成し、隣の上記吸引点との間には少なくも一つの電極２４で隔てている。ｎ列目の吸引点と上記ｎ－１列目の吸引点は違った列にあり、ｎは３より大きい正の整数である。
ステップＳ１５０、ステップＳ１４０を繰り返して、上記の大きな液滴がなくなるまで、上記マイクロ流体チップ１００で複数のマイクロ液滴２０１を形成する。
理解すべきことは、ステップＳ１５０でステップＳ１４０を繰り返す具体的操作は下記の通りである。ｎ＝３で、ステップＳ１４０を一回実行する。ｎ＝４で、ステップＳ１４０を一回実行する。ｎ＝５で、Ｓ１４０を一回実行する。大きな液滴が使い切るまで繰り返す。すなわち、大きな液滴を順番通りに一列目からｎ列目まで移動させ、一列目からｎ列目までそれぞれ複数のマイクロ液滴２０１を形成する。
理解すべきことは、上記マイクロ液滴生成方法における「排（上記では列と訳している）」は「列」で表示することができる。すなわち、大きな液滴が順番通りに一列目からｎ列目まで移動し、一列目からｎ列目までそれぞれ複数のマイクロ液滴２０１を形成する。
ある実施形態では、第１疏水層１３と第２疏水層２１との距離及び一つの電極２４のサイズを調節することで、マイクロ液滴２０１の体積をコントロールすることができる。第１疏水層１３と第２疏水層２１との距離及び一つの電極２４のサイズを調節することで、マイクロ液滴２０１の体積をペタリットル級からノルマルリットル級まで精確にコントロールできるようになる。
具体的に図４を参考にしてみると、大きな液滴が図中矢印方向に向かって、電極アレイ側に沿って移動するように、電極２４からなる電極アレイがコントロールする。電極アレイをコントロールすることで、大きな液滴から一滴のマイクロ液滴２０１を分離させることができる。大きな液滴は引き続き矢印の方向に沿って移動していくが、マイクロ液滴２０１は元の位置のままで動かない。
なお、図５の示した通り、図４の操作を繰り返すことにより、大きな液滴がその移動路線上に複数のマイクロ液滴２０１を残し、マイクロ液滴２０１の間にいくつかの電極２４で隔てていて、マイクロ液滴２０１の結合を避ける。マイクロ液滴２０１の下に位置する電極２４がオンの状態になっていて、マイクロ液滴２０１を元の位置に固定する。目標となるマイクロ液滴２０１の数だけ分離して止めることでも良いし、大きな液滴を完全に使い切るまで分離のステップを繰り返すのことでも良い。
さらに、図６の示した通り、大きな液滴を図６（Ａ）から図６（Ｆ）の順番通りにコントロールすることで、通路上に複数のマイクロ液滴２０１を残させる。マイクロ液滴２０１の間にいくつかの電極２４で隔てていて、マイクロ液滴の結合を避ける。マイクロ液滴２０１の下に位置する電極２４がオンの状態になっていて、マイクロ液滴２０１を元の位置に固定する。目標となるマイクロ液滴２０１の数だけ分離して止めることでも良いし、大きな液滴が完全に使い切るまで分離のステップを繰り返すことでも良い。マイクロ液滴２０１は第１疏水層１３と第２疏水層２１の間にある。流体通路層１０１の隙間ｈと電極２４のサイズを調節することで、マイクロ液滴２０１の体積をペタリットル級からノルマルリットル級まで精確にコントロールできるようになる。
図７は本発明の第１実施形態における大きな液滴がマイクロ流体チップで移動し、複数のマイクロ液滴を形成する実際の実験プロセスを示した。その大きな液滴はマイクロ流体チップで移動し複数のマイクロ液滴を形成するプロセスは図６と一致している。
図８を参考に、電極２４の大きさが異なる、あるいは隣り同士の一個から複数個の電極２４をオンにする場合、電極層２３で大きさの違うマイクロ液滴２０１を形成できる。
また、本出願は図２の示したマイクロ液滴生成システムのマイクロ液滴生成方法を提供した。ステップは以下の通りである。
電極層２３の電極２４のオンとオフをコントロールし、大きな液滴が電極層２３で流れて通る時、電極層２３の親水点アレイでマイクロ液滴２０１を形成する。
ある実施形態では、親水点１３１のサイズをコントロールしてマイクロ液滴の体積をコントロールしている。
上記マイクロ液滴生成方法は、大きな液滴を流体通路層１０１に入れることで、電極駆動ユニットが大きな液滴が流体通路層１０１での流動を駆動するために用いられ、大きな液滴が親水点１３１を通る時、親水点１３１の親水作用によって、親水点１３１でマイクロ液滴２０１を残すことにより、液滴生成時間を大幅に短縮できる。なお、上記マイクロ液滴生成システムは電極２４をコントロールしマイクロ液滴２０１を分離することも不要で、操作がより便利になる。
図９を参考に、電極層２３の電極２４のオンとオフをコントロールし、大きな液滴が電極層２３で流れて通る時、電極層２３の親水点アレイでマイクロ液滴２０１を形成する操作は以下の通りである。
ステップＳ２１０、一列目からＰ列目の電極２４をオンにし、上記流体通路層１０１での液体２００が上記電極層２３の一列目からＰ列目の電極２４で大きな液滴を形成させる。そのうち、Ｐは正の整数である。
ステップＳ２２０、一列目の電極２４をオフにすると同時に、Ｐ＋１列目の電極２４をオンにし、上記大きな液滴が上記流体通路層１０１で一列前へ移動するように駆動させ、一列目の親水点１３１でマイクロ液滴２０１を形成する。
ステップＳ２３０、一列目の電極２４をオフにすると同時に、Ｐ＋２列目の電極２４をオンにし、上記大きな液滴が上記電極層２３で一列前へ移動するように駆動させ、一列目の親水点１３１でマイクロ液滴２０１を形成する。
ステップＳ２４０、ｎ列目の電極２４をオフにすると同時に、Ｐ＋ｎ列目の電極２４をオンにし、上記大きな液滴が上記電極層２３で一列前へ移動するように駆動させ、ｎ列目の親水点１３１でマイクロ液滴２０１を形成する。そのうち、ｎは３より大きい正の整数である。
Ｓ２５０、Ｓ２４０を繰り返して、上記の大きな液滴がなくなるまで、上記マイクロ流体チップ１００で複数のマイクロ液滴２０１を形成する。
理解すべきことは、Ｓ２５０でＳ２４０を繰り返す具体的操作は下記の通り。ｎ＝３で、Ｓ２４０を一回実行する。ｎ＝４で、Ｓ２４０を一回実行する。ｎ＝５で、Ｓ２４０を一回実行する。…大きな液滴を使い切るまで繰り返す。すなわち、大きな液滴が順番通りに一列目からｎ列目まで移動させ、一列目からｎ列目までそれぞれ複数のマイクロ液滴２０１を形成する。
理解すべきことは、上記マイクロ液滴生成方法における「排（上記では列と訳している）」は「列」で表示することができる。すなわち、大きな液滴が順番通りに一列目からｎ列目まで移動し、一列目からｎ列目までそれぞれ複数のマイクロ液滴２０１を形成することである。
上記マイクロ液滴生成方法を使って、分離ステップを繰り返すと液滴を狙いの数まで分離できる。
上記マイクロ液滴生成方法は伝統のデジタルマイクロ流体コントロールを用いたマイクロ液滴２０１を生成する方法と異なり、伝統のデジタルマイクロ流体コントロールは大きな液滴が一つのマイクロ液滴２０１を生成するように操縦し、そのマイクロ液滴２０１を目的地まで運ぶ。上記マイクロ液滴生成方法は液体２００が流体通路層１０１を通るようにコントロールし、電極２４を制御することで大きな液滴がその通り道にマイクロ液滴２０１を残させる。あるいは、上のカバー１１にアレイ式の親水修飾を行い、大きな液滴が親水点１３１で流れて通る時は親水点１３１の親水作用により、親水点１３１でマイクロ液滴２０１を残す。伝統のデジタルマイクロ流体コントロールでマイクロ液滴２０１を生成する方法と比べて、上記マイクロ液滴生成方法は液滴生成時間を大幅に短縮することができる。
上記マイクロ液滴生成方法を通じ、大きな液滴が電極層２３で塗布のようなコントロールを実現できる。電極２４への制御あるいは上のカバー１１へのアレイ式の親水修飾を通して、ハイスループットノルマルリットル級の液滴生成を実現できる。電極２４のサイズ、電極２４の隙距離、または親水修飾点のサイズなどの調節で液滴の体積を精確に調整することができる。ハイスループットノルマルリットル液滴分離が完了後、デジタルマイクロ流体チップで対応する実験や検測を行うことが可能である。当方法を光学検測モジュールと合わせて用いると、ｄｄＰＣＲ、ｄＬＡＭＰ、ｄＥＬＩＳＡ単細胞実験などの生物化学応用機能の実現も可能である。ほかの核酸検査、例えば等温増幅に適用することができる。なお、マイクロ流体チップ１００種類の任意マイクロ液滴に絞り込みや独立した実験を行い、マイクロ流体チップ１００のサイズを拡張することで、より多くのマイクロ液滴やより多いグループのサンプルを分離することができる。
第２実施形態
図１０から図１３の示した通り、本出願における第２実施形態のマイクロ液滴生成システムの詳しい構造とマイクロ液滴生成方法が具体的に説明されている。第２実施形態は第１実施形態の改造例である。
第２実施形態のマイクロ液滴生成システムには、マイクロ流体チップ１００と上記マイクロ流体チップ１００の液滴駆動ユニットが含まれている。上記マイクロ流体チップ１００には上の極板１０と下の極板２０が含まれていて、上記下の極板２０には順次に設置した第２疏水層２１、誘電層２２と電極層２３が含まれている。上記第１疏水層１３と上記第２疏水層２１が相対して設置され、上記第１疏水層１３と上記第２疏水層２１の間に上記流体通路層１０１が形成され、上記電極層２３にはアレイ式に設置されている複数の電極２４が含まれている。上記上の極板１０と上記下の極板２０のうち、少なくも一つが複数の吸引点を形成し、その吸引点が液体２００の吸引に用いられる。上記液滴駆動ユニットの用途は、上記流体通路層１０１に注がれた液体２００が上記流体通路層１０１での流動を駆動することである。そうすることで、上記吸引点の位置でマイクロ液滴２０１が形成される。
第２実施形態と変わっているのは、図１０の示した通り、上記マイクロ流体チップ１００の中心に液体注入穴１３２が設置されていて、その液体注入穴は上記流体通路層１０１に液体２００を注ぐために使われている。上記マイクロ流体チップ１００にはまた複数の液体排出穴１３３が設置されていて、その液体排出穴１３３は余った液体２００が上記マイクロ流体チップ１００から排出するために使われている。上記液滴駆動ユニットは回転駆動ユニットで、その回転駆動ユニットは上記マイクロ流体チップ１００が回転するために使われている。これで、上記流体通路層１０１に注がれた液体２００が回転塗布方式で、上記吸引点でマイクロ液滴２０１を形成できる。
理解すべきことは、上記液体注入穴１３２は上記マイクロ流体チップ１００の中心に設置されているのは、液体２０が均等に上記流体通路層１０１に注がれ、上記マイクロ流体チップ１００を回す時、そのマイクロ流体チップ１００でマイクロ液滴２０１が均等に形成されるためである。本出願において、上記液体注入穴１３２が上記マイクロ流体チップ１００の中心に位置していない実施形態もある。本出願ではこれへの制限はない。
特に言っておきたいのは、上記回転駆動ユニットは上記マイクロ流体チップ１００を回せるのであれば、回転台、ローターなどでの代用は可能である。本出願は上記回転駆動ユニットの具体的構造への制限はない。
具体的に、図１０（Ａ）から図１０（Ｆ）の示した順番通り、まずは図１０（Ａ）の示した通り、電極２４からなるマイクロ流体チップ１００はまず液体注入穴１３２を経由し液体２００を限度まで入れる。その次に、マイクロ流体チップ１００が図１０（Ｂ）の第１矢印３１の示す方向に沿って回転し、遠心力が発生することにより、液体２００が図１０（Ｂ）の第２矢印３２の示す方向に向かって、マイクロ流体チップ１００に沿って移動し始める。マイクロ流体チップ１００の上の部分の電極２４がオンになるようにコントロールし、図１０（Ｂ）の示した通り、隣のオンになった電極２４１との間にはオンになっていない電極２４２で隔てていて、液体２００が次のグループのマイクロ液滴２０１で残される。図１０（Ｃ）から図１０（Ｆ）の示した通り、マイクロ流体チップが持続的に回転し、液体２００は引き続き矢印の方向に沿って、アレイの角に位置する液体排出穴から排出され、マイクロ液滴２０１はオンになっている電極２４１の位置に残される。マイクロ流体チップ１００を持続的に回転し、遠心力を維持することで、液体２００がその排出通路に複数グループのマイクロ液滴２０１を残すことが可能になる。マイクロ液滴２０１の下に位置する電極２４はオンの状態のままで、マイクロ液滴２０１を元の位置に固定することにより、余った液体２００が完全になくなるまで、狙いのマイクロ液滴２０１の数を分離するまで遠心状態を続ける。
理解すべきことは、図１１の示した通り、第２実施形態を実施する際、上記マイクロ液滴生成方法は下記ステップが含まれている。
ステップＳ１０、マイクロ流体チップ１００を提供する。マイクロ流体チップ１００は上の極板１０と下の極板２０からなっている。上の極板１０と下の極板２０の間に流体通路層が形成される。
ステップＳ２０、上の極板と下の極板のうち、少なくも一つが複数の吸引点を形成する。吸引点は液体２００を吸引することに用いられる。
ステップＳ３０、流体通路層１０１に液体２００を注入する。
ステップＳ４０、マイクロ流体チップ１００を回転させ、液体２００が吸引点に対応する位置で複数のマイクロ液滴２０１を形成する。
理解すべきことは、ステップＳ２０とステップＳ３０の順番に関して、ステップＳ２０を先に実施してからステップＳ３０を始めるとは限られていない。特定の場合、ステップＳ３０を実施してからステップＳ２０を行うことも可能である。
上記マイクロ液滴生成方法では、流体通路層１０１に液体２００を入れ、マイクロ流体チップ１００を回転させることを通じて、遠心力を利用し、液体２００が流体通路層１０１で流動するように操縦できる。液体２００が吸引点２００を通る時、吸引点の吸引作用により、流体通路層１０１のなかの吸引点に対応する位置にマイクロ液滴２０１を残す。上記マイクロ液滴生成方法を使い、短時間で大量のマイクロ液滴２０１を生成することができ、液滴生成時間を大幅に短縮し、操作プロセスも簡単で便利である。高精度マイクロポンプなどの設備不要なため、システムコストを削減可能である。また、拡張性がよく、マイクロ流体チップ１００のサイズの拡張を通じ、より多くのマイクロ液滴や複数組のサンプルを分離させることができる。
具体的に、異なる方法で吸引点を形成することができる。次はマイクロ液滴生成方法について詳しく説明する。
本出願の第２実施形態では、上記吸引点は上記電極層２３がオンにした電極２４１で形成し、隣りのオンにした電極２４１との間にはオンにしていない電極２４２で隔てて設置されている。
対応して、図１２を参考に、上記マイクロ液滴生成方法は下記のステップを踏んでいる。
ステップＳ１００、マイクロ流体チップ１００を提供する。マイクロ流体チップ１００は上の極板１０と下の極板２０からなっている。上の極板１０は順番通りに重ねられている上のカバー１１、導電層１２と第１疏水層１３からなる。下の極板は順番通りに重ねられている第２疏水層２１、誘電層２２と電極層２３からなる。電極層２３はアレイ式に設置されている複数の電極２４からなる。第１疏水層１３と第２疏水層２１の間に流体通路層１０１が形成される。
Ｓ２００、電極層２３の複数の電極２４をオンにすることで、オンにした電極２４１で上記吸引点を形成し、隣りのオンにした電極２４１との間にオンにしていない電極２４２で隔てて設置されている。
ステップＳ３００、流体通路層１０１に液体２００を注入する。
ステップＳ４００、マイクロ流体チップ１００を回転させ、液体２００がオンにした複数の電極２４で複数のマイクロ液滴２０１を形成する。
理解すべきことは、ステップ２０とステップＳ３０の順番は限られていない。ステップＳ２０を先に実施してからステップＳ３０を始めてもよく、ステップＳ３０を実施してステップＳ２０を行ってもよい。
上記マイクロ液滴生成方法では、流体通路層１０１に液体２００を入れ、マイクロ流体チップ１００を回転させることを通じて、遠心力を利用し、液体２００が流体通路層１０１でオンにした複数の電極２４の位置で複数のマイクロ液滴２０１を形成するように操縦できる。上記マイクロ液滴生成方法を使い、短時間で大量のマイクロ液滴２０１を生成することができ、液滴生成時間を大幅に短縮し、操作プロセスも簡単で便利である。高精度マイクロポンプなどの設備不要なため、システムコストを削減可能である。また、拡張性がよく、マイクロ流体チップ１００のサイズの拡張を通じ、より多くのマイクロ液滴や複数組のサンプルを分離させることができる。
理解すべきことは、マイクロ液滴２０１を生成するとき、オンになっている電極２４１とオンになっていない電極２４２を含めて、電極層２３の電極２４は全部オンになっていないこと。マイクロ液滴２０１が互いに結合することを避けるため、隣りのオンになっている電極２４１との間にはオンになっていない電極２４２で隔てて設置されている。最適なのは、隣り同士のオンになっている電極２４１の間に互いに二つのオンになっていない電極２４２で隔てている。
特に言っておきたいのは、流体通路層１０１に液体２００を注入するステップで述べているのは、流体通路層１０１の中心に液体２００を注入すること。図９（Ａ）を参考に、すなわち、マイクロ流体チップ１００の中心に一つの液体注入穴１３２を設置し、液体２００を液体注入穴１３２から流体通路層１０１に入れる。理解すべきことは、マイクロ流体チップ１００のほかの位置に液体２００を入れるのも可能である。流体通路層１０１全体に充満し、マイクロ流体チップ１００を回転させ、余った液体２００を排出すればよい。言うまでもなく、液体２００をマイクロ流体チップ１００の中心に注入し、マイクロ流体チップ１００の回転により、液体２００を中心から周囲に分散させることができ、オンにした電極２４１で小さな液体２００を形成する。そうすることで、効果的に液体２００の使用量を減らせる。
特に言っておきたいのは、上記ステップＳ４００では、余った液体２００が流体通路層１０１から排出後、マイクロ流体チップ１００を回転させることを止める。具体的に、図９（Ｂ）を参考に、マイクロ流体チップ１００の四つの角では液体排出穴１３３が設置されていて、余った液体２００が液体排出穴１３３を経由し流体通路層１０１から排出される。
本出願の当実施形態において、マイクロ流体コントロール１００の回転速度は０ｒｐｍより大きい、かつ１０００ｒｐｍより小さいまたは同じである。
本出願の当実施形態において、第１疏水層１３と第２疏水層２１との距離ｈは５μｍ～６００μｍである。
本出願の当実施形態において、電極２４は正六角形で、電極２４の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍである。理解すべきことは、電極２４の形状は任意形状あるいは任意形状の組み合わせである。上記マイクロ液滴２０１の体積は電極２４のサイズ、電極２４の隙間の距離などを調節することで精確に調整することができる。
本出願の当実施形態において、上のカバー１１の材質はガラスベースを選択してよい。上のカバー１１の厚さは０．０５ｍｍ～１．７ｍｍである。
本出願の当実施形態において、導電層１２の材質はＩＴＯ導電層を選択してよい。導電層１２の厚さは１０ｎｍ～５００ｎｍである。
本出願の当実施形態において、第１疏水層１３の材質はフッ素含有の疏水コーティングを選択してよい。第１疏水層１３の厚さは１０ｎｍ～２００ｎｍである。
本出願の当実施形態において、第２疏水層２１の材質はフッ素含有の疏水コーティングを選択してよい。第２疏水層２１の厚さは１０ｎｍ～２００ｎｍである。
本出願の当実施形態において、誘電層２２の材質は有機絶縁層か無機絶縁層を選択してもよい。誘電層２２の厚さは５０ｎｍ～１０００ｎｍである。
本出願の第２実施形態において、上記吸引点は親水点１３１から形成してもよい。具体的に、上記上の極板１０は上記第１疏水層１３が上記導電層１２と離れている側に親水点アレイが形成されていて、上記親水点アレイの親水点１３１は上記吸引点で、隣りの上記親水点１３１との間に隔てて設置されている。
対応的に、図１３の示した通り、上記マイクロ液滴生成方法は下記ステップを踏んでいる。
ステップＳ１０００、マイクロ流体チップ１００を提供する。マイクロ流体チップ１００は上の極板１０と下の極板２０からなっている。上の極板１０は順番通りに重ねられている上のカバー１１、導電層１２と第１疏水層１３からなる。下の極板は順番通りに重ねられている第２疏水層２１、誘電層２２と電極層２３からなる。電極層２３はアレイ式に設置されている複数の電極２４からなる。第１疏水層１３と第２疏水層２１の間に流体通路層１０１が形成される。
ステップＳ２０００、上記第１疏水層１３で親水点１３１を形成し、その親水点１３１は上記吸引点で、隣りの上記親水点１３１との間に隔てて設置されている。
ステップＳ３０００、流体通路層１０１に液体２００を注入する。
ステップＳ４０００、マイクロ流体チップ１００を回転させ、液体２００がオンにした複数の電極２４で複数のマイクロ液滴２０１を形成する。
上記マイクロ液滴生成方法では、流体通路層１０１に液体２００を入れ、マイクロ流体チップ１００を回転させることを通じて、遠心力を利用し、液体２００が流体通路層１０１で流動するように操縦できる。大きな液滴が親水点１３１を通る時、親水点１３１の親水作用により、流体通路層１０１のなかの親水点１３１に対応する位置にマイクロ液滴２０１を残す。上記マイクロ液滴生成方法を使い、短時間で大量のマイクロ液滴２０１を生成することができ、液滴生成時間を大幅に短縮し、操作プロセスも簡単で便利である。上記マイクロ液滴生成方法では、電極２４をコントロールすることなしに、マイクロ液滴２０１を分離することができ、操作がより簡単になる。高精度マイクロポンプなどの設備不要なため、システムコストを削減可能である。また、拡張性がよく、マイクロ流体チップ１００のサイズの拡張を通じ、より多くのマイクロ液滴や複数組のサンプルを分離させることができる。
理解すべきことは、流体通路層１０１に液体２００を注入するステップで言っているのは、流体通路層１０１の中心に液体２００を注入すること。すなわち、マイクロ流体チップ１００の中心に一つの液体注入穴１３２を設置し、液体２００を液体注入穴１３２から流体通路層１０１に入れる。理解すべきことは、マイクロ流体チップ１００のほかの位置に液体２００を入れるのも可能である。流体通路層１０１全体に充満し、マイクロ流体チップ１００を回転させ、余った液体２００を排出すればよい。言うまでもなく、液体２００をマイクロ流体チップ１００の中心に注入し、マイクロ流体チップ１００の回転により、液体２００を中心から周囲に分散させることができ、オンにした電極２４１で小さな液体２００を形成する。そうすることで、効果的に液体２００の使用量を減らせる。
本出願の当実施形態において、上記ステップＳ４０００では、余った液体２００が流体通路層１０１から排出後、マイクロ流体チップ１００を回転させることを止める。具体的に、マイクロ流体チップ１００の四つの角では液体排出穴１３３が設置されていて、余った液体２００が液体排出穴１３３を経由し流体通路層１０１から排出される。
本出願の当実施形態において、マイクロ流体コントロール１００の回転速度は０ｒｐｍより大きい、かつ１０００ｒｐｍより小さいまたは同じである。
本出願の当実施形態において、第１疏水層１３と第２疏水層２１との距離は５μｍ～６００μｍである。すなわち、流体通路層１０１の隙間ｈは５μｍ～６００μｍである。
本出願の当実施形態において、親水点１３１の生成方法の以下の通り。レーザーかプラズマを使い、上記第１疏水層１３の目標位置での疏水コーティングを処理すると、上記親水点１３１が形成される。
本出願の当実施形態において、第１疏水層１３の複数の親水点１３１はアレイ式で設置される。
理解すべきことは、第２実施形態では、上記マイクロ液滴生成システムは上記回転駆動ユニットが回転で得た遠心力を利用し、電極アレイ表面に回転塗布に似たような操作を実現し、電極２４へのコントロールまたは上のカバー１１にアレイ式に親水修飾を通じてハイスループットノルマルリットル級の液滴を生成する。電極２４のサイズ、隙距離、または親水修飾点のサイズなどの調節で液滴の体積を精確に調整することができる。
第３実施形態
図１４から図２１の示した通り、本出願における第３実施形態のマイクロ液滴生成システムの詳しい構造とマイクロ液滴生成方法が具体的に説明されている。第３実施形態は第１実施形態の改造例である。
第３実施形態のマイクロ液滴生成システムには、マイクロ流体チップ１００と上記マイクロ流体チップ１００に接続されている液滴駆動ユニットが含まれている。上記マイクロ流体チップ１００には上の極板１０と下の極板２０が含まれていて、上記上の極板１０には順次に設置した上のカバー１１、導電層１２と第１疏水層１３が含まれている。上記下の極板２０には順次に設置した第２疏水層２１、誘電層２２と電極層２３が含まれている。上記第１疏水層１３と上記第２疏水層２１が相対して設置され、上記第１疏水層１３と上記第２疏水層２１の間に上記流体通路層１０１が形成され、上記電極層２３にはアレイ式に設置されている複数の電極２４が含まれている。上記上の極板１０と上記下の極板２０のうち、少なくも一つが複数の吸引点を形成し、その吸引点が液体２００の吸引に用いられる。上記液滴駆動ユニットの用途は、上記流体通路層１０１に注がれた液体２００が上記流体通路層１０１での流動を駆動すること。そうすることで、上記吸引点の位置でマイクロ液滴２０１が形成される。
具体的に、図１４と図１５の示した通り、第１実施形態と異なるのは、上記マイクロ流体チップ１００には第１サンプル注入穴１３４と第１サンプル排出穴１３５が設置されていて、その第１サンプル注入穴１３４と第１サンプル排出穴１３５は上記マイクロ流体チップ１００の第１対角線上に設置されている。上記液滴駆動ユニットには第１マイクロポンプ４１と第３マイクロポンプ４３が含まれていて、その第１マイクロポンプ４１は上記第１サンプル注入穴１３４に接続されていて、上記流体通路層１０１に液体２００に注入するために用いられている。そうすることで、流体通路層１０１を上記液体２００で充満させる。上記第３マイクロポンプ４３は上記第１サンプル排出穴１３５に接続されていて、上記第１サンプル排出穴１３５から出た液体２００を抽出するために用いられる。
特に言っておきたいのは、第１サンプル注入穴１３４と第１サンプル排出穴１３５の対角線に設置しているのは、気泡を残さずに、液体２００が流体通路層１０１に充満するためである。
さらに、上記マイクロ流体チップ１００に第２サンプル注入穴１３６と第２サンプル排出穴１３７が設置されていて、上記第２サンプル注入穴１３６と上記第２サンプル排出穴１３７は上記マイクロ流体チップ１００の第２対角線に設置され、上記液滴駆動ユニットには第２マイクロポンプ４２と第４マイクロポンプ４４が含まれていて、その第２マイクロポンプ４２は上記第２サンプル注入穴１３６に接続されていて、上記流体通路層１０１に媒体３００を注入するために用いられる。第２マイクロポンプ４２が上記流体通路層１０１に媒体を注入する時、上記吸引点ではないところの上記液体２００が上記媒体３００に推し出されて、その液体２００が上記吸引点に対応する位置にマイクロ液滴２０１を残し、上記媒体３００がそのマイクロ液滴を包み込む。上記第４マイクロポンプ４４はその第２サンプル排出穴１３７に接続され、第２サンプル排出穴１３７から出る媒体３００を抽出するために用いられる。
特に言っておきたいのは、第１サンプル注入穴１３４と第１サンプル排出穴１３５の対角線に設置しているのは、媒体３００が流体通路層１０１全体の吸引点ではないところの液体２００を十分に排出することを保証するためである。上記媒体３００は空気か油などの媒体３００でも可能である。
また、特に言っておきたいのは、上記第１マイクロポンプ４１、上記第２マイクロポンプ４２、上記第３マイクロポンプ４３と上記第４マイクロポンプ４４はデジタル注射ポンプだが、デジタルポンプとは限らない。液体２００が安定的に流れ込むことと流れ出すことさえ保証できれば使用可能である。
本出願の当実施形態において、上のカバーの材質はガラスベースで可とする。上のカバーの厚さは０．０５ｍｍ－１．７ｍｍでよい。
本出願の当実施形態において、導電層１２の材質はＩＴＯ導電層で可とする。導電層１２の厚さは１０ｎｍ－１０００ｎｍでよい。
本出願の当実施形態において、第１疏水層１３の厚さは１０ｎｍ－２００ｎｍでよい。
本出願の当実施形態において、第２疏水層２１の厚さは１０ｎｍ－２００ｎｍでよい。
本出願の当実施形態において、誘電層２２の材質は有機か無機の絶縁材料で可とする。誘電層２２の厚さは５０ｎｍ－１０００ｎｍでよい。
本出願の当実施形態において、電極層２３の材質は金属やその酸化物導電材料で可とする。電極層２３の厚さは１０ｎｍ－５００ｎｍでよい。
本出願の当実施形態において、下の極板に基板２５が含まれていることを可とする。基板２５は電極層２３の誘電層２２から遠いサイドに設置されている。基板２５は下の極板２０を保護するために用いられる。ある実施形態では、基板２５の材質はガラスかＰＣＢ板材で可とする。基板２５の厚さは０．０５ｍｍ－５ｍｍでよい。
理解すべきことは、上の極板１０に吸引点を形成するのも可能で、下の極板２０に吸引点を形成するのも可能である。または同時に上の極板１０と下の極板２０に吸引点を形成する。上の極板１０あるいは下の極板２０における複数の吸引点はアレイ式で設置されている。
上記吸引点は親水点１３１で形成するのも可とする。具体的に、上記上の極板１０は上記第１疏水層１３の上記導電層１２から遠いサイドに親水点アレイが形成されていて、その親水点アレイの親水点１３１は上記吸引点で、隣同士の親水点１３１は隔てて設置されている。より具体的に言うと、上記第１疏水層１３に親水修飾、例えばフォトリソグラフィ、エッチングなどのマイクロ・ナノ加工工法を採用し、上記第１疏水層１３で必要の位置での疏水コーティングを処理すると、親水点アレイが形成される。
図１６は上記マイクロ液滴生成システムの液体注入のプロセスを示している。第１マイクロポンプ４１を調節することで、液体２００が第１サンプル注入穴１３４から流れ込むと同時に、第３マイクロポンプ４３は余った空気を抽出する。マイクロ流体チップ１００が注入された液体２００で充満する時、余った液体が第１サンプル排出穴１３５から排出される。プロセス全体において、マイクロ流体チップ１００内部の圧力均等を保証し、流体通路層全体を液体２００で充満させ、液体の注入を完了する。
図１７は上記マイクロ液滴生成システムのサンプル排出プロセス、つまり高密度マイクロ液滴形成のプロセスを示した。まずは上記マイクロ流体チップ１００のうち、マイクロ液滴２０１を生成する必要のある電極２４に給電する。通常、生成した高密度のマイクロ液滴２０１が互いにクロストークが発生しないように、マイクロ液滴２０１は互いに一つの電極２４で隔てている。つまり、給電する電極２４は給電していない電極２４で隔てている。第２マイクロポンプ４２を調節することで、媒体３００が第２サンプル注入穴１３６からマイクロ流体チップ１００に注入される。これと同時に、第４マイクロポンプ４４は液体２００を抽出するために用いられる。液体媒体２００が第２サンプル排出穴１３７から全部排出されてから、余った媒体３００が第２サンプル注入穴から排出され、これでサンプル排出が完了する。マイクロ流体チップ１００における給電する電極２４の位置にマイクロ液滴２０１が残される。同時に、マイクロ液滴２０１は標的となる媒体に包まれる。
図１８と図１９はマイクロ液滴生成システムのデジタルＥｌｉｓａ作業のプロセスを示している。図１８の示した通り、ミックス溶液にはマイクロスフェア（磁気ビーズ、ＰＳなど）、捕捉抗体５２、目的の抗原と蛍光標識抗体５４が含まれている。当ミックス溶液５０が免疫反応起きてから目的の抗原と蛍光標識抗体の入った第１マイクロスフェア５１１と目的の抗原と蛍光標識抗体の入っていない第２マイクロスフェア５１２を生成する。次に、マイクロスフェア５１を洗浄することで、非特異的結合のタンパクを無くす。次は基質を入れ、最後に当ミックス溶液に上記マイクロ液滴生成方法を用い、ポンプ注入式でエレクトロウェッティングマイクロアレイマイクロ流体チップ１００に注いで、一個の液滴につき、一つまたは複数のマイクロスフェア５１しか含まれていない高密度マイクロ液滴アレイを形成する。図１９はマイクロ液滴２０１が生成したエレクトロウェッティングマイクロ流体チップ１００の断面図を示した。そのうち、目的の抗原５３が入ったマイクロスフェア５１は蛍光標識抗体５４つきのため、蛍光を発し、ＣＣＤイメージングシステムでデジタル化し、ポアソン分布理論をベースに目的の蛋白濃度を算出する。当算出方法は伝統のＥｌｉｓａシミュレーション計算ではなく、デジタル化計算であるため、デジタルＥｌｉｓａと呼ばれている。
なお、異なる吸収と発射波長の蛍光標識物で異なる傾向標識抗体５４にマークをつけると、複数種類の目的の抗原５３の検測が可能になる。
この案では、定番の酵素結合免疫吸着測定法（Ｅｌｉｓａ）を使い、極微量のタンパク質定量検測を可能にする。当案の顕著な特徴は単分子の検測を実現し、シミュレーション計算を採用したため、検知感度が伝統式より遥かに高い。Ｑｕａｎｔｅｒｉｘ社の検測原理と似ているが、高密度アレイ式マイクロ液滴形成方法はまるで違う。Ｑｕａｎｔｅｒｉｘ社と違った点に関して、上記マイクロ液滴生成方法はエレクトロウェッティングという技術を用いて、高密度液滴アレイを形成することで、生成された液滴を任意に操縦することができる。
上記マイクロ液滴生成システムでは、第１マイクロポンプ４１で流体通路層１０１に液体２００を注ぎ、液体２００を流体通路層１０１に充満させる。液体２００が給電される電極２４に吸引される。第２マイクロポンプ４２で流体通路層１０１に媒体３００を注ぎ、非吸引点の液体２００が媒体３００に推し出され、液体２００が流体通路層１０１内に給電される電極２４のところで複数のマイクロ液滴２０１を形成し、媒体３００がマイクロ液滴２０１を包む。以上マイクロ液滴生成方法を用い、大量のマイクロ液滴２０１を素早く生成し、液滴生成時間を大幅に短縮でき、操作プロセスが簡単で便利である。
理解すべきことは、流体通路層１０１の隙と電極２４のサイズを調節することで、マイクロ液滴２０１の体積をｆＬ級からμＬ級まで精確にコントロールすることができる。電極２４の密度とマイクロ流体チップ１００の大きさを調節することで、マイクロ液滴２０１の数をコントロールすることができる。高密度ｎＬ液滴が分離完了後、デジタルマイクロ流体チップで液滴を精確にコントロールでき、実験と検測をすることが可能である。例えば、ｄｄＰＣＲ、ｄＬＡＭＰ、ｄＥＬＩＳＡ単細胞実験などである。
当システムでは、高密度マイクロ液滴が該当実験を完成してから、マイクロポンプで流体通路層１０１に洗浄液を注入することを通じ、マイクロ流体チップ１００を高速洗浄することが可能である。マイクロ流体チップ１００はリサイクル可能である。デジタルマイクロポンプを調節することで、媒体３００または洗浄液をサンプル注入穴に注ぐと同時に、マイクロ流体チップ１００内の廃液がサンプル排出穴から排出される。当方式は高速、便利で操作しやすい。
図２０の示した通り、第３実施形態では一つマイクロ液滴生成方法を提出された。下記のステップを踏んでいる。
ステップＳ６１、マイクロ流体チップ１００を提供する。マイクロ流体チップ１００は上の極板１０と下の極板２０からなっている。上の極板１０と下の極板２０の間に流体通路層１０１が形成される。
ステップＳ６２、上の極板１０と下の極板２０のうちの少なくも一つが複数の吸引点を形成し、その吸引点は液体２００を吸引するために使用されている。
ステップＳ６３、流体通路層１０１に液体２００を注ぎ、液体２００を流体通路層１０１に充満させる。
ステップＳ６４、流体通路層１０１に媒体３００を注ぎ、非吸引点のところの液体２００が媒体３００に推し出され、液体２００が吸引点に対応する位置でマイクロ液滴２０１を残し、媒体３００がマイクロ液滴２０１を包む。
理解すべきことは、ステップＳ６２とステップＳ６３の順番に関して、ステップＳ６２を先に実施してからＳ６３を始めるとは限られていない。特定の場合、Ｓ６３を実施してからステップＳ６２を行うのも可能である。
図２１の示した通り、上記マイクロ液滴生成方法は下記のステップを踏んでいる。
ステップＳ６１０、マイクロ流体チップ１００を提供する。マイクロ流体チップ１００は上の極板１０と下の極板２０からなっている。上の極板１０は順番通りに重ねられている上のカバー１１、導電層１２と第１疏水層１３からなる。下の極板は順番通りに重ねられている第２疏水層２１、誘電層２２と電極層２３からなる。電極層２３はアレイ式に設置されている複数の電極２４からなる。第１疏水層１３と第２疏水層２１の間に流体通路層１０１が形成される。
ステップＳ６２０、流体通路層１０１に液体２００を注ぎ、液体２００を流体通路層１０１に充満させる。
ステップＳ６３０、電極層２３の複数の電極２４をオンにすることで、隣りのオンにした電極２４１との間にオンにしていない電極２４２で隔てて設置され、オンにした電極２４１が吸引点を形成する。
ステップＳ６４０、流体通路層１０１に媒体３００を注ぎ、非吸引点のところの液体２００が媒体３００に推し出され、液体２００が吸引点に対応する位置でマイクロ液滴２０１を残し、媒体３００がマイクロ液滴２０１を包む。
理解すべきことは、ステップＳ６２０とステップＳ６３０の順番は限られていない。ステップＳ６２０を先に実施してからＳ６３０を始めてもよく、ステップＳ６３０を実施してステップＳ６２０を行うのもよい。
理解すべきことは、マイクロ液滴２０１を生成するとき、オンになっている電極２４１とオンになっていない電極２４２を含めて、電極層２３の電極２４は全部オンになっていないこと。マイクロ液滴２０１が互いに結合することを避けるため、隣りのオンになっている電極２４１との間にはオンになっていない電極２４２で隔てて設置されている。最適なのは、隣り同士のオンになっている電極２４１の間に互いに二つのオンになっていない電極２４２で隔てている。
理解すべきことは、第３実施形態では、本出願がデジタル注射ポンプで、サンプルを一定の体積と流速でデジタルマイクロ流体チップに注入し、塗布と似たような操縦を実現する。次にデジタル注射ポンプでサンプルを排出し、電極２４をコントロールすることで、高密度液滴アレイを電極２４の給電する位置に残す。電極２４の数、電極２４のサイズ、隙距離などの調節で液滴の体積を精確に調整することができる。
第４実施形態
図２２から図２７の示した通り、本出願における第４実施形態のマイクロ液滴生成システムの詳しい構造とマイクロ液滴生成方法が具体的に説明されている。図２２から図２４の示した通り、第４実施形態では、上記マイクロ液滴生成システムには、上の極板１０と下の極板２０からなっているマイクロ流体チップ１００が含まれている。上記上の極板１０と下の極板２０の間に上記流体通路層１０１が形成され、上記上の極板１０と上記下の極板２０のうち、少なくも一つが複数の吸引点を形成し、その吸引点が液体２００の吸引に用いられる。上記上の極板１０が位置する平面と上記下の極板２０が位置する平面との間にはある角度が設定されている。上記上の極板１０には複数のサンプル注入穴が設置され、そのサンプル注入穴は上記上の極板１０の端に位置し、そのサンプル注入穴は液体２００を注入するために用いられる。上記流体通路層１０１には相対して設置された第１端と第２端が含まれている。上記流体通路層１０１のその第１端の高さは上記流体通路層１０１のその第２端の高さより低く、上記サンプル注入穴を通って、上記流体通路層１０１のその第１端に液体２００を注入する時、上記液体２００は表面張力を受け、上記第１端から第２端に移動し、上記吸引点でマイクロ液滴２０１を形成する。
理解すべきことは、流体通路層１０１の第１端の高さが流体通路層１０１の第２端の高さより低いとは、第１端で、上の極板１０と下の極板２０との距離が一番小さく、第２端で、上の極板１０と下の極板２０との距離が一番大きい。
特別に、上記上の極板１０と下の極板２０との角度は０°より大きく、３°より小さい。上記第１端では、上記上の極板１０と下の極板２０との距離は０μｍ～２００μｍである。
図２２から図２４の示した通り、上の極板１０は逐次設置した上のカバー１１、導電層１２と第１疏水層１３が含まれている。上記の下の極板２０は逐次設置した第２疏水層２１、誘電層２２と電極層２３が含まれている。第１疏水層１３と第２疏水層２１は相対して設置され、第１疏水層１３と第２疏水層２１の間で流体通路層１０１が形成される。上記の電極層２３にはアレイ設置の複数の電極２４が含まれている。
図２２から図２４の示した通り、本出願では、スペーサーを使い上の極板１０の片側を高くして、上の極板１０と下の極板２０との間に一定の角度を作り、上の極板１０と下の極板２０との距離を変化するものにする。上の極板１０と下の極板２０との距離は右から左へ次第に大きくなる。図２３と図２４を参考に、液滴を右側からマイクロ流体チップ１００に注入する時、液体２００は隙間の大きいところに移動する。即ち、右側から左側へと移動する。ここで、電極層２３に電圧をかけ、対応する電極２４の表面を親水にする。液体２００がその電圧をかけた電極２４を流れて通る時、複数の電極２４単体の大きさのマイクロ液滴２０１に***し、中から出される。マイクロ液滴２０１同士の間はいくつかのオンになっている電極２４１で隔てていて、マイクロ液滴２０１が互いに融合することを避ける。液体２００に注入する速度が早いほど、マイクロ液滴２０１に***し出される成功率が高い。
図２５は液滴が移動する鳥瞰図で、上記マイクロ液滴生成システムのマイクロ液滴生成方法のプロセスを示した。本出願の当実施形態では、上のカバー１１と電極２４表面で形成された角度を利用し、大きな液滴が隙間の大きいところへと移動する力を受けることにしてから、エレクトロウェッティングで大きな液滴の方向をコントロールし、吸引点エリアの一面にわたり、ノルマルリットル級も液滴を生成する。電極２４のサイズ、隙間距離、親水修飾点のサイズを調節することで、液滴の体積をコントロールすることが可能である。つまり、上記マイクロ液滴生成システムで、マイクロ液滴を高速で大量に生成することができる。さらに、計算を通じて、大量の異なった体積のマイクロ液滴２０１を生成することで、異なった濃度のサンプルの生成に便利である。
伝統のデジタルマイクロ流体コントロールでは、大きな液滴から一個のマイクロ液滴２０１を生成し、そのマイクロ液滴２０１を対応する位置に運ぶようにコントロールする。上記マイクロ液滴生成方法では、流体通路層１０１の第１端に液体２００を注入し、その注入された液体２００は表面張力を受け、液体２００は第１端から次第に第２端に移動する。すなわち、図２２から図２４の示した矢印の方向に向かって移動する。流体通路層１０１内に吸引点に対応する位置でマイクロ液滴２０１を残し、液滴生成の時間を大幅に短縮できる。
今後の実験では、目的の液滴量を選んで実験することができる。ハイスループットノルマルリットル液滴が分離完了後、マイクロ流体チップ１００で関連実験と検測をすることが可能である。例えば、ｄｄＰＣＲ、ｄＬＡＭＰ、ｄＥＬＩＳＡ単細胞実験などである。ほかの核酸検査、例えば等温増幅に適用することができる。なお、マイクロ流体チップ１００種類の任意マイクロ液滴に絞り込みや独立した実験を行い、マイクロ流体チップ１００のサイズを拡張することで、より多くのマイクロ液滴やより多いグループのサンプルを分離することができる。
特に言っておきたいのは、電極２４の形状は六角形あるいは正方形、どちらでも可能である。当然、電極２４の形状は六角形と正方形とは限らない。具体的に、電極層２３はｎ×ｍの電極アレイで、そのうち、ｎとｍはともに正の整数である。
本出願の当実施形態では、電極２４の形状は正方形としている。辺の長さの範囲は５０μｍ－２０００μｍである。理解すべきことは、電極２４の形状は任意形状と任意形状との組み合わせでも可能である。
理解すべきことは、電極２４のサイズ、複数の電極２４の間の隙間距離などを調節することで、マイクロ液滴２０１の体積を精確に調整できる。違った電極２４のサイズを調整することで、違った体積のシングル液滴を素早く生成できる。
本出願の当実施形態において、上のカバー１１の材質はガラスベースを選択してよい。上のカバー１１の厚さは０．７ｍｍ－１．７ｍｍである。
本出願の当実施形態において、導電層１２の材質はＩＴＯ導電層を選択してよい。導電層１２の厚さは１０ｎｍ～５００ｎｍでもよい。
本出願の当実施形態において、第１疏水層１３の材質はフッ素含有の疏水コーティングを選択してよい。第１疏水層１３の厚さは１０ｎｍ～２００ｎｍでもよい。
本出願の当実施形態において、第２疏水層２１の材質はフッ素含有の疏水コーティングを選択してよい。第２疏水層２１の厚さは１０ｎｍ～２００ｎｍでもよい。
本出願の当実施形態において、誘電層２２の材質は有機絶縁層か無機絶縁層を選択してよい。誘電層２２の厚さは５０ｎｍ～１０００ｎｍでもよい。
本出願の当実施形態において、電極層２３の材質は透明導電ガラスか金属を選択してよい。電極層２３の厚さは１０ｎｍ－１０００ｎｍでもよい。
理解すべきことは、上の極板１０に吸引点を形成するのも可能で、下の極板２０に吸引点を形成することも可能である。または同時に上の極板１０と下の極板２０に吸引点を形成する。
具体的に、吸引点を異なる方法を使って形成できる。
本出願の当実施形態において、上記吸引点はその電極層２３がオンにした電極２４１に形成でき、隣りのオンになっている電極２４１との間はオンになっていない電極２４２で隔てて設置されている。
上記吸引点は親水点１３１で形成するのも可とする。具体的に、上記上の極板１０は上記第１疏水層１３の上記導電層１２から遠いサイドに親水点アレイが形成されていて、その親水点アレイの親水点１３１は上記吸引点で、隣り同士の親水点１３１は隔てて設置されている。より具体的に言うと、上記第１疏水層１３で、レーザーかプラズマを採用し、必要の位置での疏水コーティングを処理すると、親水点アレイが形成される。
図２６の示した通り、第４実施形態のマイクロ液滴生成システムは下記ステップを含む。
ステップＳ５１、マイクロ流体チップ１００を提供する。マイクロ流体チップ１００は上の極板１０と下の極板２０からなっている。上の極板１０が位置する平面と上記下の極板２０が位置する平面との間にはある角度が設定されている。上の極板１０と下の極板２０の間に流体通路層１０１が形成される。上の極板では、複数のサンプル注入穴が設置され、サンプル注入穴は上の極板１０の端に位置し、サンプル注入穴はサンプルを注入するために用いられる。流体通路層１０１には相対して設置されている第１端と第２端が含まれている。流体通路層１０１の第１端の高さは流体通路層１０１の第２端の高さより低い。
ステップＳ５２、上の極板１０と下の極板２０のうちの少なくも一つが複数の吸引点を形成し、その吸引点は液体２００を吸引するに使用されている。
ステップＳ５３、サンプル注入穴で流体通路層１０１の第１端に液体２００を注入する。
ステップＳ５４、流体通路層１０１に液体２００を注入する時、表面張力を受け、液体２００は上記第１端から第２端に移動する。液体２００が上記吸引点に対応する位置でマイクロ液滴２０１を形成する。
上記ステップ５４は具体的に、上記液体２００をその流体通路層１０１に注入後、上記上の極板１０と下の極板２０を次第に近づけ、表面張力を受け、上記液体２００は上記第１端から第２端に移動する。液体２００が上記吸引点に対応する位置でマイクロ液滴２０１を形成する。
理解すべきことは、ステップＳ５２とステップＳ５３の順番に関して、ステップＳ５２を先に実施してからステップＳ５３を始めるとは限られていない。特定の場合、ステップＳ５３を実施してからステップＳ５４を行うこともできる。
図２６の示した通り、第４実施形態のマイクロ液滴生成システムは下記ステップを含む。
ステップＳ５１０、マイクロ流体チップ１００を提供する。マイクロ流体チップ１００は上の極板１０と下の極板２０からなっている。上の極板１０が位置する平面と上記下の極板２０が位置する平面との間にはある角度が設定されている。上の極板１０は逐次設置した上のカバー１１、導電層１２と第１疏水層１３が含まれている。上記の下の極板２０は逐次設置した第２疏水層２１、誘電層２２と電極層２３が含まれている。電極層２３にはアレイ式に設置されている複数の電極２４が含まれている。第１疏水層１３と第２疏水層２１の間で流体通路層１０１が形成される。流体通路層１０１には相対して設置されている第１端と第２端が含まれている。流体通路層１０１の第１端の高さは流体通路層１０１の第２端の高さより低い。上の極板１０では複数のサンプル注入穴が設置され、サンプル注入穴は上の極板１０の端に位置し、サンプル注入に用いられる。
ステップＳ５２０、流体通路層１０１の第１端に液体２００を注入する。
本出願の当実施形態において、サンプル注入穴で流体通路層１０１の上記第１端に液体２００を注入する。
ステップＳ５３０、電極層２３の複数の電極２４をオンにし、隣りのオンにした電極２４１との間にオンにしていない電極２４２で隔てて設置される。
ステップＳ５４０、上の極板１０と下の極板２０を次第に近づけ、液体２００は上記第１端から第２端へと移動する。液体２００が上記吸引点に対応する位置でマイクロ液滴２０１を形成する。
理解すべきことは、ステップＳ５２０とステップＳ５３０の順番は限られていない。ステップＳ５２０を先に実施してからステップＳ５３０を始めてもよく、Ｓ５３０を実施してステップＳ５２０を行うのもよい。
上記マイクロ液滴生成方法では、流体通路層１０１の第１端に液体２００を注入し、上の極板１０と下の極板２０を近づく時、液体２００が第１端から第２端へと移動する。液体２００がオンになった複数の電極２４を通る時、液体２００は流体通路層１０１内にオンになった複数の電極２４の位置で複数のマイクロ液滴２０１を形成する。
上記マイクロ液滴生成方法を使い、短時間で大量のマイクロ液滴２０１を生成することができ、液滴生成時間を大幅に短縮し、操作プロセスも簡単で便利である。高精度マイクロポンプなどの設備不要なため、システムコストを削減可能である。また、拡張性がよく、マイクロ流体チップ１００のサイズの拡張を通じ、より多くのマイクロ液滴や複数組のサンプルを分離させることができる。
理解すべきことは、マイクロ液滴２０１を生成するとき、オンになっている電極２４１とオンになっていない電極２４２を含めて、電極層２３の電極２４は全部オンになっているわけではない。マイクロ液滴２０１が互いに結合することを避けるため、隣りのオンになっている電極２４１との間にはオンになっていない電極２４２で隔てて設置されている。理解すべきことは、隣り同士の電極２４１の間には少なくも一つのオンになっていない電極２４２で隔てて設置されている。最適なのは、隣り同士のオンになっている電極２４１の間に互いに二つのオンになっていない電極２４２で隔てている。
特に言っておきたいのは、流体通路層１０１の第１端に液体２００を注入するステップにおいて、液体２００の注入速度は１μＬ／ｓ－１０μＬ／ｓである。
上記マイクロ液滴生成方法では、流体通路層１０１の第１端に液体２００を注入し、上の極板１０と下の極板２０を近づく時、液体２００が第１端から第２端へと移動する。液体２００が吸引点を通る時、吸引点の吸引作用で、流体通路層１０１内に吸引点に対応する位置でマイクロ液滴２０１を残す。上記マイクロ液滴生成方法を使い、短時間で大量のマイクロ液滴２０１を生成することができ、液滴生成時間を大幅に短縮し、操作プロセスも簡単で便利である。高精度マイクロポンプなどの設備不要なため、システムコストを削減可能である。また、拡張性がよく、マイクロ流体チップ１００のサイズの拡張を通じ、より多くのマイクロ液滴や複数組のサンプルを分離させることができる。
上記マイクロ液滴生成方法では、上の極板１０と下の極板２０との隙間距離を変えることとエレクトロウェッティングを結合することで、複数のマイクロ液滴２０１を同時かつ高速に生成することができる。また、上の極板１０と下の極板２０間の隙間や電極２４の大きさを調整することで、マイクロ液滴２０１の体積をコントロールできる。操作方法は便利で、制御しやすい。同時に、液滴が自発的に移動し、指定された場所やエリアにマイクロ液滴２０１を残すように制御できる。さらに、電極２４のオンとオフをコントロールすることで、マイクロ液滴２０１を移動させ、エレクトロウェッティングを通じ液滴を制御し、チップでの実験を完成させる。液滴による複数の生物化学応用に適用することができる。
実際に行ったテストから見ると、上記マイクロ液滴生成方法で、大量の液滴を高速に分離させ、その分離された液滴の移動をコントロールすることができ、分離効率が向上する。
第５実施形態
図２８から図３５の示した通り、本出願における第５実施形態のマイクロ液滴生成システムの詳しい構造とマイクロ液滴生成方法が具体的に説明されている。
図２８を参考に、第４実施形態のマイクロ液滴生成システムには下記アイテムが含まれている。
マイクロ流体チップは上の極板１０と下の極板２０からなっている。上記上の極板１０と下の極板２０の間に上記流体通路層１０１が形成される。
下の極板２０で複数の吸引点が形成され、その吸引点が液体の吸引に用いられる。液体サンプルは流体通路層１０１で流動し、吸引点でマイクロ液滴２０１を形成する。
下の極板には電極層２３が含まれている。電極層２３には少なくも二種類の形をしているアレイ式に設置されている複数の電極２４が含まれている。
吸引点は電極層２３がオンにした電極２４１によって形成され、隣り同士のオンになっている電極２４１の間にはオンになっていない電極２４２で隔てている。
説明すべきことは、本出願実施形態で紹介したマイクロ液滴生成システムでは、流体通路層１０１に液体サンプルを入れることで、流体通路層１０１に液体サンプルを充満させ、液体サンプルが流体通路層で流動し、液滴サンプルが吸引点に対応する位置でマイクロ液滴を形成する。具体的に、電極層２３の電極２４のオンとオフを制御することで、エレクトロウェッティング原理（電極に液体が存在する場合、電極に電場を印加することにより、電極が対応する位置の固体-電解液界面の濡れ性を変化させることができる。これにより、液滴と電極界面の接触角も変化する。液滴エリアの電極間に電場差があることで、接触角が異なる場合、横向きの推進力が出て、液滴が電極基板で横方向に移動する）を利用し、液体サンプルはオンになっている電極で吸引され、流体通路層でオンになっている複数の電極に対応する位置で複数のマイクロ液滴を形成する。当マイクロ液滴生成方法を使い、液滴生成時間を大幅に短縮し、液滴生成安定性を向上させる。また、ニーズに応じ、どのタイミングでも生成した液滴の大きさを調整でき、操作プロセスも簡単で便利である。高精度マイクロポンプなどの設備不要なため、システムコストを削減可能である。また、拡張性がよく、マイクロ流体コントロールのサイズの拡張を通じ、より多くのマイクロ液滴や複数組のサンプルを分離させることができる。さらに、本出願の電極層２３には少なくも二種類の異なった形をしているアレイ式に設置されている複数の電極２４が含まれている。例で言うと、正方形、長方形、六角形、五角形、三角形、円形などの形状のうち、少なくも二種類の異なる形状のアレイ式に設置されている複数の電極２４が含まれている。これで、電極２４のオンとオフをコントロールすることで、大きな液滴がそのうちの一種類のアレイ式に設置されている複数の電極２４でマイクロ液滴２０１を形成することを実現できる。なお、別の形をしているアレイ式に設置されている複数の電極２４でマイクロ液滴の関連実験を行う。例えば、正方形のアレイ式に設置されている複数の電極２４で大きな液滴からマイクロ液滴を形成する一方、円形のアレイ式に設置されている複数の電極２４でマイクロ液滴の関連実験を行う。こうすることで、液体サンプルの移し合いを避けられる。
具体的に、上記実施形態では、隣り同士のオンになっている電極２４１の間にはオンになっていない電極２４２で隔てて設置されている。最適なのは、隣り同士のオンになっている電極２４１の間に互いに二つのオンになっていない電極２４２で隔てている。
いくつかの実施形態では、電極層２３にはアレイ式に設置されている複数の正方形電極２４３とアレイ式に設置されているフッ素が含まれている。電極のサイズ、電極の隙間距離を調整することで、マイクロ液滴の体積を精確に調整することができる。異なる電極のサイズをコントロールすることにより、異なる体積のシングル液滴が素早く形成される。例えば、電極のサイズ、電極の隙間距離を調節することで、マイクロ液滴の体積がｐＬ（ペタリットル）級に達する。さらに、オンになっている電極の位置と数をコントロールすることで、マイクロ液滴が形成される位置と数をコントロールできる。即ち、マイクロ液滴が形成する密度を精確にコントロールすることができる。
具体的に、正方形電極２４３と六角形電極２４４は互いに交差して設置することが可能である。または需要に応じて別の設置方法でもできる。
上記実施形態において、アレイ式に設置されている複数の六角形電極２４４は二つのアレイ式に設置されている複数の正方形電極２４３の間に位置している。図３０のステップＳ１～ステップＳ４を参考に、応用時、六角形電極２４４が対応しているエリアにあるのは液体２００、六角形電極２４４にある電極のオンとオフをコントロールすることで、液体２００がマイクロ液滴２０１を形成する。次は電極のオンとオフを制御することにより、マイクロ液滴２０１が正方形電極２４３の対応しているエリアに移動し、液滴選別を完成させる。なお、正方形電極２４３エリアでマイクロ液滴の関連実験を行うことで、マイクロ液滴と大きな液滴との移し合いを避ける。
いくつかの実施形態では、図３１の示した通り、電極層２３にはアレイ式に設置されている複数の正方形電極２４３とアレイ式に設置されている複数の正方形電極２４３両側に位置するアレイ式に設置されている複数の六角形電極２４４が含まれている。
上記実施形態では、アレイ式に設置されている複数の正方形電極は二つのアレイ式に設置されている複数の六角形電極２４４の間に位置している。図３２のステップＳ１～ステップＳ３を参考に、応用時、六角形電極２４４が対応しているエリアにある液体２００、六角形電極２４４にある電極のオンとオフをコントロールすることで、液体２００がマイクロ液滴２０１を形成する。次は電極のオンとオフを制御することにより、マイクロ液滴２０１が正方形電極２４３の対応しているエリアに移動し、液滴選別を完成させる。なお、正方形電極２４３エリアでマイクロ液滴の関連実験を行うことで、マイクロ液滴と大きな液滴との移し合いを避ける。
具体的に、いくつかの実施形態では、六角形電極２４４の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍ、正方形電極２４３の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍである。実際、使用上のニーズによって六角形電極２４４、正方形電極２４３の辺の長さを調整することができる。
いくつかの実施形態では、図３３を参考に、電極層２３には順に繋がっているアレイ式に設置されている複数の第１正方形電極２４３１、アレイ式に設置されている複数の第１六角形電極２４４１、アレイ式に設置されている複数の第２六角形電極２４４２、アレイ式に設置されている複数の第２正方形電極２４３２が含まれている。
上記実施形態では、電極層２３には二つのアレイ式に設置されている正方形電極と二つのアレイ式に設置されている六角形電極が含まれている。また、正方形電極は六角形電極の間にあり、正方形電極、六角形電極の辺の長さやサイズはそれぞれ異なっている。図３３のステップＳ１～ステップＳ９はそのうちの一つの具体的応用を示している。複数の細胞２０２を含む液体２００が第１正方形電極２４３１の対応する場所に入り、電極のオンとオフをコントロールすることで、複数の細胞２０２を含む液体２００が第１六角形電極２４４１の対応する場所に移動し、一つの細胞２０２を含むマイクロ液滴２０１を形成する。引き続き電極のオンとオフをコントロールすることで、その一つの細胞２０２を含むマイクロ液滴２０１が最終的に第２正方形電極２４３２の対応する場所に移動する。こうした結果、必要の細胞量を選別し終わるまで、複数の細胞２０２を含む液体２００が一つの細胞２０２を含む複数のマイクロ液滴２０１を形成し、第２正方形電極２４３２の対応する場所で関連する細胞実験を行う。
具体的に、上記実施形態では、第１正方形電極２４３１の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍで、第２正方形電極２４３２の辺の長さは第１正方形電極２４３１の辺の長さの１／５～１／２である。第１六角形電極２４４１の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍで、第２六角形電極２４４２の辺の長さは第１六角形電極２４４１の辺の長さの１／５～１／２である。
いくつかの実施形態では、図３４を参考に、電極層２３には順に繋がっているアレイ式に設置されている複数の第１六角形電極２４４１、アレイ式に設置されている複数の第２六角形電極２４４２、アレイ式に設置されている複数の正方形電極２４３が含まれている。
具体的に、図３４のステップＳ１～ステップＳ６は上記実施形態の具体的応用を示した。液体２００が第１六角形電極２４４１の対応する場所に入り、電極のオンとオフをコントロールすることにより、液体２００が第２六角形電極２４４２の対応する場所でより体積の小さい液滴を形成する。引き続き電極のオンとオフをコントロールし、第２六角形電極２４４２の対応する場所の液滴が正方形電極２４３の対応する場所で２０個のペタリットル級のマイクロ液滴２０１を形成し、正方形電極２４３の対応する場所でマイクロ液滴２０１の関連実験を行う。
具体的に、上記実施形態では、正方形電極２４３の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍで、第１六角形電極２４４１の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍで、第２六角形電極２４４２の辺の長さは第１六角形電極２４４１の辺の長さの１／５～１／２である。
いくつかの実施形態では、引き続き図２８を参考に、上の極板１０は逐次設置した上のカバー１１、導電層１２と第１疏水層１３が含まれている。下の極板２０は第２疏水層２１、誘電層２２が含まれている。第２疏水層２１、誘電層２２と電極層２３は順次に重ねて設置されている。第１疏水層１３と第２疏水層２１は相対して設置されている。第１疏水層１３と第２疏水層２１の間で流体通路層１０１が形成される。
いくつかの実施形態では、上のカバー１１の厚さは０．０５ｍｍ～１．７ｍｍで、導電層１２の厚さは１０ｎｍ～５００ｎｍで、誘電層２２の厚さは５０ｎｍ～１０００ｎｍで、電極層２３の厚さは１０ｎｍ～１０００ｎｍで、第１疏水層１３の厚さは１０ｎｍ～２００ｎｍで、第２疏水層２１の厚さは１０ｎｍ～２００ｎｍである。
いくつかの実施形態では、上のカバー１１の材質はガラスベースで可とする。導電層１２の材質はＩＴＯ導電層で可とする。誘電層２２の材質は有機か無機の絶縁材料で可とする。電極層２３の材質は金属やその酸化物導電材料でも可能である。
いくつかの実施形態では、第１疏水層１３と第２疏水層２１の距離は２０μｍ～２００μｍである。第１疏水層１３と第２疏水層２１はともに疏水材でできている。例えば、ＰＴＥＥ、弗化ポリエチレン、フルオロカーボンワックスあるいはほかのフッ素含有のポリマーなどの材料からなる疏水層である。
いくつかの実施形態では、マイクロ流体チップにはサンプル注入穴（図未表示）とサンプル排出穴（図未表示）が含まれている。サンプル注入穴はマイクロ流体チップに液体サンプルと媒体を注入することができ、サンプル排出穴は液体サンプルと媒体を排出することができる。具体的に、上の極板１０にサンプル注入穴とサンプル排出穴を設置できる。
同じ構想に基づき、本出願の実施形態はまたあるマイクロ液滴生成方法を提出した。図３５の示した通り、以下のステップを含む。
ステップＳ１１、上記マイクロ流体チップを提供する。
ステップＳ１２、マイクロ流体チップの下の極板で複数の吸引点を形成する。吸引点は液体を吸引するために用いられる。
ステップＳ１３、マイクロ流体チップの流体通路層に液体サンプルを注入する。液体サンプルは吸引点に対応する場所でマイクロ液滴を形成する。
ステップＳ１４、吸引点はマイクロ流体チップの電極層がオンにした電極で形成し、隣り同士のオンになっているその電極の間にはオンになっていないその電極で隔てている。
説明すべきことは、本出願の実施形態のマイクロ液滴生成方法は上記マイクロ流体チップを使ってマイクロ液滴を生成する。当マイクロ流体チップ１００は上の極板１０と下の極板２０が含まれていて、上の極板１０と下の極板２０の間に流体通路層１０１が形成される。下の極板２０で複数の吸引点を形成し、その吸引点は液体２００を吸収するに使用されている。下の極板２０には電極層２３が含まれている。電極層２３には少なくも二種類の形をしているアレイ式に設置されている複数の電極２４が含まれている。流体通路層に液体サンプルを注入し、液体サンプルが吸引点に吸引され、エレクトロウェッティング原理を利用し、液体サンプルは吸引点に対応する場所でマイクロ液滴を残す。上記マイクロ液滴生成方法を使い、短時間で高密度のマイクロ液滴を生成することができ、液滴生成時間を大幅に短縮し、操作プロセスも簡単で便利である。高精度マイクロポンプなどの設備不要なため、システムコストを削減可能である。また、拡張性がよく、チップのサイズの拡張を通じ、より多くのマイクロ液滴や複数組のサンプルを分離させることができる。なお、電極層には少なくも二種類の形をしているアレイ式に設置されている複数の電極が含まれているため、電極のオンとオフをコントロールすることで、大きな液滴がある一種類のアレイ状の複数の電極でマイクロ液滴を形成し、別の形状をしているアレイ状の複数の電極でマイクロ液滴の関連実験を完成することができる。これで、液体サンプルの移し合いを避けられる。
いくつかの実施形態では、マイクロ液滴生成方法は以下の通り。マイクロ流体チップの流体通路層に媒体を注入し、その流体通路層に媒体で充満させる。具体的に、媒体は空気、シリコーン油や鉱油でも可能である。
次に、マイクロ流体チップの流体通路層に液体サンプルを注入し、液体サンプルが媒体に包まれ、液体サンプルはその吸引点に対応する場所でマイクロ液滴を形成する。
第６実施形態
図３６から図４２の示した通り、本出願における第６実施形態のマイクロ液滴生成システムの詳しい構造とマイクロ液滴生成方法が具体的に説明されている。
図３６を参考に、本出願はマイクロ液滴高速生成方法を提出した、下記のステップを踏んでいる。
ステップＳ７１、マイクロ流体チップを提供する。マイクロ流体チップは上の極板１０と下の極板２０からなっている。上の極板と下の極板の間に流体通路層が形成される。下の極板２０には電極層２３が含まれている。電極層２３にはアレイ式に設置されている複数の電極２４が含まれている。
ステップＳ７２、下の極板２０で複数の吸引点を形成する。吸引点は液体を吸引するために用いられる。吸引点は電極層２３がオンにした電極２４１から形成する。隣り同士のオンになっている電極２４１の間にはオンになっていない電極２４２で隔てて設置されている。
ステップＳ７３、流体通路層１０１に液体サンプルを注入し、電極２４のオンとオフを制御することで、上記液体サンプルが上記吸引点に対応する位置でｎ１個のマイクロ液滴を形成する。
ステップＳ７４、また、電極２４のオンとオフを制御することで、形成されたｎ１個のマイクロ液滴のうち、全てのマイクロ液滴が上記吸引点でｎ２個のマイクロ液滴を形成する。
ステップＳ７５、さらに、電極２４のオンとオフを制御することで、形成されたｎ２個のマイクロ液滴のうち、全てのマイクロ液滴が上記吸引点でｎ３個のマイクロ液滴を形成する。
ステップＳ７６、狙いの数のマイクロ液滴を形成するまで、上記電極のオンとオフを繰り返す。
そのうち、上記ｎ１、ｎ２、ｎ３は２と同等または２より大きい正の整数である。
説明すべきことは、本出願の実施形態で説明したマイクロ液滴高速生成方法では、流体通路層１０１に液体サンプルを注ぎ、液体サンプルを流体通路層１０１に充満させる。液体サンプルが流体通路層１０１で流動し、吸引点に対応する箇所でマイクロ液滴を形成する。具体的に、電極層２３の電極２４のオンとオフを制御することで、エレクトロウェッティング原理（電極に液体が存在する場合、電極に電場を印加することにより、電極が対応する位置の固体-電解液界面の濡れ性を変化させることができる。これにより、液滴と電極界面の接触角も変化する。液滴エリアの電極間に電場差があることで、接触角が異なる場合、横向きの推進力が出て、液滴が電極基板で横方向に移動する）を利用し、液体サンプルはオンになっている電極で吸引され、流体通路層でオンになっている複数の電極に対応する位置で複数のマイクロ液滴を形成する。吸引点は電極層２３がオンにした電極２４１によって形成され、隣り同士のオンになっている電極２４１の間にはオンになっていない電極２４２で隔てている。さらに、電極のオンとオフを制御することで、マイクロ液滴の移動を制御できる。液体サンプルがマイクロ液滴を形成する具体的方法は以下の通り。電極２４のオンとオフを制御することで、液体サンプルが吸引点に対応する位置でｎ１個のマイクロ液滴を形成する。次に、電極２４のオンとオフを制御することで、形成されたｎ１個のマイクロ液滴のうち、全てのマイクロ液滴が吸引点でｎ２個のマイクロ液滴を形成する。さらに、電極２４のオンとオフを制御することで、形成されたｎ２個のマイクロ液滴のうち、全てのマイクロ液滴が吸引点でｎ３個のマイクロ液滴を形成する。狙いの数のマイクロ液滴を形成するまで、電極２４のオンとオフを繰り返し、形成された複数のマイクロ液滴の全てが引き続き複数のマイクロ液滴を形成する。そのうち、ｎ１、ｎ２、ｎ３は２と同等または２より大きい正の整数である。具体的に、ｎ１、ｎ２、ｎ３は２、３、４、５、６、７、８、９、１０でも可である。また、ｎ１、ｎ２、ｎ３の値は同じでもそうでなくても可である。即ち、前後の二回で形成したマイクロ液滴の数には関連性がなく、一回で形成したマイクロ液滴の数は多いほど、マイクロ液滴の生成効率がよい。例えば、液体サンプルが吸引点に対応する位置で１０個のマイクロ液滴を形成し、電極２４のオンとオフを制御することで、形成した１０個のマイクロ液滴の全てが吸引点でもう一度１０個の（８個や１１個などでも可であり、具体的にはニーズに応じて需要の数を形成する）マイクロ液滴を形成する。引き続き電極２４のオンとオフを制御することで、形成された１０個のマイクロ液滴のうち、全てのマイクロ液滴が吸引点で１０個のマイクロ液滴を形成する。電極２４のオンとオフを繰り返し、最終的に１０ｎ個のマイクロ液滴を形成できる。本発明のマイクロ液滴高速生成方法を用い、短時間にマイクロ液滴を大量に形成し、必要の数にマイクロ液滴を高速に生成することができ、マイクロ液滴の生成効率や流束を向上させる。本発明のマイクロ液滴高速生成方法は液滴の数への需要が大きい実験（デジタル ＰＣＲ、デジタルＥｌｉｓａ、生成単細胞）では優位性を占めている。
具体的に、隣りのオンになっている電極２４１との間にはオンになっていない電極２４２で隔てて設置されている。最適なのは、隣り同士のオンになっている電極２４１の間には少なくも二つのオンになっていない電極２４２で隔てている。
いくつかの実施形態では、流体通路層１０１に液体サンプルを注入し、電極２４のオンとオフを制御することで、液体サンプルが上記吸引点に対応する位置で二つのマイクロ液滴を形成する。
次に、電極２４のオンとオフを制御することで、形成された二つのマイクロ液滴の全てが吸引点の位置で二つのマイクロ液滴を形成する。
引き続き、電極２４のオンとオフを制御することで、形成された二つのマイクロ液滴の全てが上記吸引点の位置で二つのマイクロ液滴を形成する。
上記実施形態では、図３７を参考に、図では電極２４は正方形の形をしており、液体２００が電極２４のオンとオフを制御することで、液体サンプルが移動後、まず二つのマイクロ液滴を形成し、引き続き電極２４のオンとオフを制御する事で、形成された二つのマイクロ液滴の全てがもう一度二つのマイクロ液滴を形成する。この時点で合計４個のマイクロ液滴を形成する。そしてもう一度電極２４のオンとオフを制御し、形成された全てのマイクロ液滴がもう一度二つのマイクロ液滴を形成し、この時点で合計８個のマイクロ液滴を形成する。そしてもう一度電極２４のオンとオフを制御し、形成された全てのマイクロ液滴がもう一度二つのマイクロ液滴を形成し、この時点で合計１６個のマイクロ液滴を形成する。このように繰り返して、最終的に２ｎ個のマイクロ液滴を形成する。
いくつかの実施形態では、流体通路層１０１に液体サンプルを注入し、電極２４のオンとオフを制御することで、液体サンプルが上記吸引点に対応する位置で三つのマイクロ液滴を形成する。
次に、電極２４のオンとオフを制御することで、形成された三つのマイクロ液滴の全てが吸引点の位置で三つのマイクロ液滴を形成する。
引き続き、電極２４のオンとオフを制御することで、形成された三つのマイクロ液滴の全てが上記吸引点の位置で三つのマイクロ液滴を形成する。
電極２４のオンとオフを繰り返して制御し、狙いの数のマイクロ液滴を形成する。
上記実施形態では、電極２４のオンとオフを制御することで、液体サンプルが移動後、まず三つのマイクロ液滴を形成し、引き続き電極２４のオンとオフを制御する事で、形成された三つのマイクロ液滴の全てがもう一度三つのマイクロ液滴を形成する。この時点で合計９個のマイクロ液滴を形成する。そしてもう一度電極２４のオンとオフを制御し、形成された全てのマイクロ液滴がもう一度三つのマイクロ液滴を形成し、この時点で合計２７個のマイクロ液滴を形成する。そしてもう一度電極２４のオンとオフを制御し、形成された全てのマイクロ液滴がもう一度三つのマイクロ液滴を形成し、この時点で合計８１個のマイクロ液滴を形成する。このように繰り返して、最終的に３ｎ個のマイクロ液滴を形成する。
いくつかの実施形態では、流体通路層１０１に液体サンプルを注入し、電極２４のオンとオフを制御することで、液体サンプルが上記吸引点に対応する位置で四つのマイクロ液滴を形成する。
次に、電極２４のオンとオフを制御することで、形成された四つのマイクロ液滴の全てが吸引点の位置で四つのマイクロ液滴を形成する。
引き続き、電極２４のオンとオフを制御することで、形成された四つのマイクロ液滴の全てが上記吸引点の位置で四つのマイクロ液滴を形成する。
電極２４のオンとオフを繰り返して制御し、狙いの数のマイクロ液滴を形成する。
上記実施形態では、電極２４のオンとオフを制御することで、液体サンプルが移動後、まず四つのマイクロ液滴を形成し、引き続き電極２４のオンとオフを制御する事で、形成された四つのマイクロ液滴の全てがもう一度四つのマイクロ液滴を形成する。この時点で合計１６個のマイクロ液滴を形成する。そしてもう一度電極２４のオンとオフを制御し、形成された全てのマイクロ液滴がもう一度四つのマイクロ液滴を形成し、この時点で合計６４個のマイクロ液滴を形成する。そしてもう一度電極２４のオンとオフを制御し、形成された全てのマイクロ液滴がもう一度四つのマイクロ液滴を形成し、この時点で合計２５６個のマイクロ液滴を形成する。このように繰り返して、最終的に４ｎ個のマイクロ液滴を形成する。
いくつかの実施形態では、電極２４は正方形か六角形の形をしている。理解すべきことは、六角形電極の場合、六つの方向で液滴の***が可能なため、正方形の四つの方向での液滴***より優位性を占めている。電極の形状に関して、正方形や六角形以外にも、任意の形状や任意の形状の組み合わせでも可とする。
いくつかの実施形態では、電極２４の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍである。
電極のサイズ、電極の隙間距離を調整することで、マイクロ液滴の体積を精確に調整することができる。さらに、オンになっている電極の位置と数をコントロールすることで、マイクロ液滴が形成される位置と数をコントロールできる。即ち、マイクロ液滴が形成する密度を精確にコントロールことができる。
図３８は本出願の第６実施形態での液体が移動しマイクロ液滴を生成する実際の実験プロセスを示した。具体的に、図では電極２４は正方形の形をしており、液体２００が電極２４のオンとオフを制御することで、液体サンプルが移動後、まず二つのマイクロ液滴を形成し、引き続き電極２４のオンとオフを制御する事で、形成された二つのマイクロ液滴の全てがもう一度二つのマイクロ液滴を形成する。この時点で合計４個のマイクロ液滴を形成する。そしてもう一度電極２４のオンとオフを制御し、形成された全てのマイクロ液滴がもう一度二つのマイクロ液滴を形成し、この時点で合計８個のマイクロ液滴を形成する。そしてもう一度電極２４のオンとオフを制御し、形成された全てのマイクロ液滴がもう一度二つのマイクロ液滴を形成し、この時点で合計１６個のマイクロ液滴を形成する。そしてもう一度電極２４のオンとオフを制御し、形成された全てのマイクロ液滴がもう一度二つのマイクロ液滴を形成し、この時点で合計３２個のマイクロ液滴を形成する。
図３９は本出願の第６実施形態での液体が移動しマイクロ液滴を生成する方式１の単細胞分離の実験プロセスを示した。図では電極２４は正方形の形をしており、液体２００が電極２４のオンとオフを制御することで、液体サンプルが移動後、まず１６個のマイクロ液滴を形成し、引き続き電極２４のオンとオフを制御する事で、形成された１６個のマイクロ液滴の全てがもう一度二つのマイクロ液滴を形成する。この時点で合計３２個のマイクロ液滴を形成する。ここまでは第６実施形態の液体サンプルが移動しマイクロ液滴を生成する単細胞分離実験のプロセスである。図３８と違っているのは、当方式は単細胞を含む液滴を生成することである。
いくつかの実施形態では、図４０を参考に、図では電極２４は正方形の形をしており、液体２００が電極２４のオンとオフを制御することで、液体サンプルが移動後、まず３個のマイクロ液滴を形成し、引き続き電極２４のオンとオフを制御する事で、形成された２個のマイクロ液滴の全てがもう一度三つのマイクロ液滴を形成する。この時点で合計９個のマイクロ液滴を形成する。そしてもう一度電極２４のオンとオフを制御し、形成された全てのマイクロ液滴がもう一度二つのマイクロ液滴を形成し、この時点で合計１８個のマイクロ液滴を形成する。
上記実施形態では、図４１を参考に、図では電極２４は六角形の形をしており、液体２００が電極２４のオンとオフを制御することで、液体サンプルが移動後、まず二つのマイクロ液滴を形成し、引き続き電極２４のオンとオフを制御する事で、形成された二つのマイクロ液滴の全てがもう一度二つのマイクロ液滴を形成する。この時点で合計４個のマイクロ液滴を形成する。そしてもう一度電極２４のオンとオフを制御し、形成された全てのマイクロ液滴がもう一度二つのマイクロ液滴を形成し、この時点で合計８個のマイクロ液滴を形成する。そしてもう一度電極２４のオンとオフを制御し、形成された全てのマイクロ液滴がもう一度二つのマイクロ液滴を形成し、この時点で合計１６個のマイクロ液滴２０１を形成する。
いくつかの実施形態では、図４２を参考に、図では電極２４は六角形の形をしており、液体２００が電極２４のオンとオフを制御することで、液体サンプルが移動後、まず３個のマイクロ液滴を形成し、引き続き電極２４のオンとオフを制御する事で、形成された３個のマイクロ液滴の全てがもう一度三つのマイクロ液滴を形成する。この時点で合計９個のマイクロ液滴を形成する。そしてもう一度電極２４のオンとオフを制御し、形成された全てのマイクロ液滴がもう一度二つのマイクロ液滴を形成し、この時点で合計１８個のマイクロ液滴を形成する。
本出願の第６実施形態のマイクロ流体チップの構造は第５実施形態の構造とは同じである。図２８と同様、第６実施形態では、上の極板１０は逐次設置した上のカバー１１、導電層１２と第１疏水層１３が含まれている。下の極板２０は第２疏水層２１、誘電層２２が含まれている。第２疏水層２１、誘電層２２と電極層２３は順次に重ねて設置されている。第１疏水層１３と第２疏水層２１は相対して設置されている。第１疏水層１３と第２疏水層２１の間で流体通路層１０１が形成される。
いくつかの実施形態では、上のカバー１１の厚さは０．０５ｍｍ～１．７ｍｍで、導電層１２の厚さは１０ｎｍ～５００ｎｍで、誘電層２２の厚さは５０ｎｍ～１０００ｎｍで、電極層２３の厚さは１０ｎｍ～１０００ｎｍで、第１疏水層１３の厚さは１０ｎｍ～２００ｎｍで、第２疏水層２１の厚さは１０ｎｍ～２００ｎｍである。
いくつかの実施形態では、上のカバー１１の材質はガラスベースで可とする。導電層１２の材質はＩＴＯ導電層で可とする。誘電層２２の材質は有機か無機の絶縁材料で可とする。電極層２３の材質は金属やその酸化物導電材料でも可能である。
いくつかの実施形態では、第１疏水層１３と第２疏水層２１の距離は５μｍ～６００μｍである。第１疏水層１３と第２疏水層２１はともに疏水材でできている。例えば、ＰＴＥＥ、弗化ポリエチレン、フルオロカーボンワックスあるいはほかのフッ素含有のポリマーなどの材料からなる疏水層である。
いくつかの実施形態では、マイクロ液滴生成方法は以下の通りである。
マイクロ流体チップの流体通路層に媒体を注入し、流体通路層１０１に媒体で充満させる。次に、マイクロ流体チップの流体通路層に液体サンプルを注入し、液体サンプルが媒体に包まれ、液体サンプルはその吸引点に対応する場所でマイクロ液滴を形成する。
具体的に、媒体は空気、シリコーン油や鉱油などでも可能である。
いくつかの実施形態では、マイクロ流体チップにはサンプル注入穴（図未表示）とサンプル排出穴（図未表示）が含まれている。サンプル注入穴はマイクロ流体チップに液体サンプルと媒体を注入することができ、サンプル排出穴は液体サンプルと媒体を排出することができる。具体的に、上の極板１０にサンプル注入穴とサンプル排出穴を設置できる。
全体的に言うと、本出願の第１実施形態から第６実施形態に基づき、本出願はあるマイクロ液滴生成方法を提出した。以下のステップを含む。
ステップＳ１、マイクロ流体チップ１００を提供する。マイクロ流体チップ１００は上の極板１０と下の極板２０からなっている。上の極板１０と下の極板２０の間に流体通路層１０１が形成される。
ステップＳ２、上の極板１０と下の極板２０のうち、少なくも一つが複数の吸引点を形成する。吸引点は液体２００を吸引するために用いられる。
ステップＳ３、流体通路層１０１に液体２００を注入する。
ステップＳ４、液体２００が記流体通路層１０１での流動を駆動することで、上記マイクロ流体チップ１００の複数の吸引点でマイクロ液滴２０１を形成する。
本出願では上記マイクロ液滴生成方法を使い、短時間で大量のマイクロ液滴２０１を生成することができ、液滴生成時間を大幅に短縮し、操作プロセスも簡単で便利である。高精度マイクロポンプなどの設備不要なため、システムコストを削減可能である。また、拡張性がよく、マイクロ流体チップ１００のサイズの拡張を通じ、より多くのマイクロ液滴や複数組のサンプルを分離させることができる。さらに、上の極板と下の極板の間の隙間、吸引点の数、面積の大きさと位置の方式を調整することにより、形成したマイクロ液滴の体積と密度を精確に調整できる。したがって、本発明は素早く高密度のマイクロ液滴を形成でき、その形成した高密度マイクロ液滴の体積と密度を精確にコントロールできるマイクロ液滴生成方法とマイクロ液滴生成システムを提出する。
公開された実施形態に対する上記説明に基づき、当分野の専門技術者が本出願を実現または使用できる。当分野の専門技術者にとって、以上の実施形態を参考にし、自分なりに応用しやすい。本文で定義された一般的原理は本出願の内容または範疇以内に、別の実施形態で実現可能である。従って、本出願は本文で示した実施形態にとらわれず、本明細書により公開された原理と新たな特徴とが一致する最も広い範囲に適合するべきである。

Claims (50)

  1. マイクロ液滴生成システムであって、マイクロ流体チップとマイクロ流体チップに接続している液滴駆動ユニットを含み、前記マイクロ流体チップは上の極板と下の極板を含み、前記上の極板と下の極板との間に流体通路層が形成され、吸引点が液体を吸引することに用いられ、前記液滴駆動ユニットは前記流体通路層に注がれた液体が流体通路層での流動を駆動するために用いられ、これにより、前記吸引点の位置でマイクロ液滴を形成することを特徴とするマイクロ液滴生成システム。
  2. 前記上の極板は順番通りに重ねられている上のカバー、導電層及び第１疏水層からなり、前記下の極板は順番通りに重ねられている第２疏水層、誘電層、電極層及び基板からなり、前記第１疏水層と第２疏水層は相対して設置されていて、前記第１疏水層と第２疏水層の間に前記流体通路層が形成され、前記電極層はアレイ式に設置されている複数の電極からなることを特徴とする請求項１に記載したマイクロ液滴生成システム。
  3. 前記吸引点は前記電極層がオンにした前記電極から形成され、隣り同士のオンになった電極の間にはオフにした電極で隔てていることを特徴とする請求項２に記載したマイクロ液滴生成システム。
  4. 前記上の極板は前記第１疏水層が前記導電層から離れている方に親水点アレイが形成され、前記親水点アレイの親水点は前記吸引点で、隣り同士の前記親水点の間に隔てて設置されていることを特徴とする請求項２に記載したマイクロ液滴生成システム。
  5. 前記電極層の前記電極の形状は六角形あるいは正方形であることを特徴とする請求項２に記載したマイクロ液滴生成システム。
  6. 前記電極層にはアレイ式に設置されている複数の正方形電極とアレイ式に設置されている複数の六角形電極が含まれていることを特徴とする請求項２に記載したマイクロ液滴生成システム。
  7. 前記電極層にはアレイ式に設置されている複数の六角形電極と、前記アレイ式に設置されている複数の六角形電極の両側にあるアレイ式に設置されている複数の正方形電極が含まれていることを特徴とする請求項６に記載したマイクロ液滴生成システム。
  8. 前記電極層にはアレイ式に設置されている複数の正方形電極と、前記アレイ式に設置されている複数の正方形電極の両側にあるアレイ式に設置されている複数の六角形電極が含まれていることを特徴とする請求項６に記載したマイクロ液滴生成システム。
  9. 前記六角形電極の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍで、前記正方形電極の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍであることを特徴とする請求項７あるいは８に記載したマイクロ液滴生成システム。
  10. 前記電極層は順に繋がっているアレイ式に設置されている複数の第１正方形電極、アレイ式に設置されている複数の第１六角形電極、アレイ式に設置されている複数の第２六角形電極、アレイ式に設置されている複数の第２正方形電極が含まれていることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ液滴生成システム。
  11. 前記電極層には順に繋がっているアレイ式に設置されている複数の第１六角形電極、アレイ式に設置されている複数の第２六角形電極、アレイ式に設置されている複数の正方形電極が含まれていることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ液滴生成システム。
  12. 第１正方形電極あるいは正方形電極の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍ、第２正方形電極の辺の長さは前記第１正方形電極の辺の長さの１／５～１／２で、第１六角形電極の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍで、第２六角形電極の辺の長さは前記第１六角形電極の辺の長さの１／５～１／２であることを特徴とする請求項１０あるいは１１に記載したマイクロ液滴生成システム。
  13. 前記液滴駆動ユニットは電極駆動ユニットを含み、電極駆動ユニットは前記電極層に繋がっていて、前記電極層のその電極のオンとオフを制御することに用いられ、前記流体通路層に注入された液体の流体通路層での流動をコントロールすることで、前記吸引点でマイクロ液滴を形成することを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載のマイクロ液滴生成システム。
  14. 前記マイクロ流体チップの中心部に液体注入穴が設置され、前記液体注入穴は前記流体通路層に液体を注ぐために用いられ、前記マイクロ流体チップには複数の液体排出穴が設置されていて、前記液体排出穴は余った液体がそのマイクロ流体チップから排出するために用いられ、前記液滴駆動ユニットは回転駆動ユニットを含み、前記回転駆動ユニットは前記マイクロ流体チップを回すのを駆動するために用いられ、これにより、前記流体通路層に注入される液体が回転塗布の方法で前記吸引点でマイクロ液滴を形成することを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載のマイクロ液滴生成システム。
  15. 前記回転駆動ユニットが駆動するとき、マイクロ流体チップの回転速度は０ｒｐｍより大きく、１０００ｒｐｍと同等または小さいことを特徴とする請求項１４に記載したマイクロ液滴生成システム。
  16. 前記電極の形状は六角形で、辺の長さは５０μｍ～２ｍｍであり、第１疏水層と第２疏水層との距離は５μｍ～６００μｍであることを特徴とする請求項１４に記載のマイクロ液滴生成システム。
  17. 前記マイクロ流体チップには第１サンプル注入穴と第１サンプル排出穴が設置され、前記第１サンプル注入穴と第１サンプル排出穴はマイクロ流体チップの第１対角線上に設置され、前記液滴駆動ユニットには第１マイクロポンプ、第３マイクロポンプが含まれ、前記第１マイクロポンプがその第１サンプル注入穴に繋がっていて、前記流体通路層に液体を注入するために用いられ、これにより前記液体を前記流体通路層に充満させ、前記第３マイクロポンプはその第１サンプル排出穴に繋がっていて、前記第１サンプル排出穴から流れ出した液体か気体を汲み取り、これにより、前記吸引点でマイクロ液滴を形成することを特徴とする請求項２から５のいずれか一つに記載のマイクロ液滴生成システム。
  18. 前記マイクロ流体チップにはさらに第２サンプル注入穴と第２サンプル排出穴が設置され、前記第２サンプル注入穴と第２サンプル排出穴はマイクロ流体チップの第２対角線上に設置され、前記液滴駆動ユニットにはさらに第２マイクロポンプ、第４マイクロポンプが含まれ、前記第２マイクロポンプは前記第２サンプル注入穴に繋がっていて、前記流体通路層に媒体を注入するために用いられ、前記第４マイクロポンプは前記第２サンプル排出穴に繋がっていて、前記第２サンプル排出穴から流れ出した余った液体あるいは媒体を汲み取ることに用いられ、これにより、前記媒体が前記吸引点で形成したマイクロ液滴に包まれることを特徴とする請求項１７に記載のマイクロ液滴生成システム。
  19. 前記上のカバーの厚さは０．０５ｍｍ～１．７ｍｍで、前記基板の厚さは０．０５ｍｍ～１．７ｍｍで、前記導電層の厚さは１０ｎｍ～５００ｎｍで、前記誘電層の厚さは５０ｎｍ～１０００ｎｍで、前記電極層の厚さは１０ｎｍ～１０００ｎｍで、前記第１疏水層の厚さは１０ｎｍ ～２００ｎｍで、前記第２疏水層の厚さは１０ｎｍ ～２００ｎｍであることを特徴とする請求項１７に記載のマイクロ液滴生成システム。
  20. マイクロ液滴生成システムであって、
    上の極板と下の極板からなるマイクロ流体チップが含まれ、前記上の極板と下の極板の間には流体通路層が形成され、前記上の極板と下の極板のうち少なくも一つが複数の吸引点を形成し、前記吸引点は液体を吸引することに用いられ、
    前記上の極板が位置する平面と前記下の極板が位置する平面との間にはある角度が設定され、前記上の極板には複数のサンプル注入穴が設置され、前記サンプル注入穴は上の極板の端に位置し、前記サンプル注入穴は液体を注入することに用いられ、前記流体通路層は相対して設置された第１端と第２端を含み、前記流体通路層の第１端の高さは前記流体通路層の第２端の高さより低く、前記サンプル注入穴を通って、前記流体通路層の第１端に液体を注入する時、前記液体は表面張力を受け、前記第１端から第２端に移動し、前記吸引点でマイクロ液滴を形成することを特徴とするマイクロ液滴生成システム。
  21. 前記上の極板１０と下の極板２０との角度は０°より大きく、３°より小さいことを特徴とする請求項２０に記載のマイクロ液滴生成システム。
  22. 前記第１端では、前記上の極板と下の極板との距離は０μｍ～２００μｍであることを特徴とする請求項２０に記載のマイクロ液滴生成システム。
  23. 前記上の極板は順番通りに重ねられている上のカバー、導電層及び第１疏水層からなり、前記下の極板は順番通りに重ねられている第２疏水層、誘電層、電極層及び基板からなり、前記第１疏水層と第２疏水層は相対して設置され、前記第１疏水層と第２疏水層の間に前記流体通路層が形成され、前記電極層にはアレイ式に設置されている複数の電極が含まれていることを特徴とする請求項２０から２２のいずれか一項に記載のマイクロ液滴生成システム。
  24. 前記吸引点は前記電極層がオンにした前記電極から形成され、隣り同士のオンになっているその電極の間にはオンになっていない電極で隔てていることを特徴とする請求項２３に記載のマイクロ液滴生成システム。
  25. 前記上の極板は前記第１疏水層が前記導電層から離れている方に親水点アレイが形成され、前記親水点アレイの親水点は前記吸引点で、隣り同士の吸引点の間には隔てて設置されていることを特徴とする請求項２３に記載のマイクロ液滴生成システム。
  26. 前記電極層の電極の形状は六角形と正方形、または六角形あるいは正方形であることを特徴とする請求項２３に記載のマイクロ液滴生成システム。
  27. マイクロ液滴生成方法であって、
    マイクロ流体チップを提供し、マイクロ流体チップは上の極板と下の極板を含み、上の極板と下の極板の間に流体通路層が形成されるステップＳ１、
    上の極板と下の極板のうち、少なくも一つが複数の吸引点を形成し、吸引点は液体を吸引するために用いられるステップＳ２、
    流体通路層に液体を注入するステップＳ３、
    液体が前記流体通路層での流動を駆動することで、前記マイクロ流体チップの複数の吸引点でマイクロ液滴を形成するステップＳ４、を含むことを特徴とするマイクロ液滴生成方法。
  28. 前記上の極板は順番通りに重ねられている上のカバー、導電層及び第１疏水層からなり、前記下の極板は順番通りに重ねられている第２疏水層、誘電層、電極層及び基板からなり、前記電極層はアレイ式に設置されている複数の電極からなり、前記第１疏水層と第２疏水層の間に前記流体通路層が形成され、
    前記ステップＳ２は、前記電極層の複数の電極をオンにし、オンになっているその電極は前記吸引点を形成し、隣り同士のオンになっているその電極の間にはオンになっていない電極で隔てていることを特徴とする請求項２７に記載のマイクロ液滴生成方法。
  29. 前記上の極板は順番通りに重ねられている上のカバー、導電層及び第１疏水層からなる、前記下の極板は順番通りに重ねられている第２疏水層、誘電層、電極層及び基板からなり、前記電極層はアレイ式に設置されている複数の電極からなり、前記第１疏水層と第２疏水層の間に前記流体通路層が形成され、
    前記ステップＳ２は、レーザー又はプラズマを採用し、必要の位置での疏水コーティングを処理すると、前記第１疏水層で親水点を形成し、前記親水点は前記吸引点で、隣り同士の親水点は隔てて設置されているステップを含むことを特徴とする請求項２７に記載のマイクロ液滴生成方法。
  30. 前記ステップＳ４は、
    一列目からＰ列目の電極をオンにし、液体が前記流体通路層の一列目からＰ列目の電極に対応する位置に大きな液滴を形成させ、そのうち、Ｐは正の整数であるステップＳ１１０、
    一列目の吸引点の電極をオンの状態のままにし、一列目のほかの電極をオフにすると同時に、Ｐ＋１列目の電極をオンにし、前記大きな液滴が前記流体通路層で一列前へ移動するように駆動させ、また、一列目の前記吸引点がマイクロ液滴を形成し、隣の前記吸引点との間には少なくも一つの電極で隔てているステップＳ１２０、
    二列目の吸引点の電極をオンの状態のままにし、二列目のほかの電極をオフにすると同時に、Ｐ＋２列目の電極をオンにし、前記大きな液滴が前記流体通路層で一列前へ移動するように駆動させ、また、二列目の前記吸引点がマイクロ液滴を形成し、隣の前記吸引点との間には少なくも一つの電極で隔てており、前記一列目の吸引点と前記二列目の吸引点は違った列にあるステップＳ１３０、
    ｎ列目の吸引点の電極をオンの状態のままにし、ｎ列目のほかの電極をオフにすると同時に、Ｐ＋ｎ列目の電極をオンにし、前記大きな液滴が前記流体通路層で一列前へ移動するように駆動させ、また、ｎ列目の前記吸引点がマイクロ液滴を形成し、隣の前記吸引点との間には少なくも一つの電極で隔てており、ｎ列目の吸引点とｎ－１列目の吸引点は違った列にあり、ｎは３より大きい正の整数であるステップＳ１４０、
    ステップＳ１４０を繰り返して、前記の大きな液滴がなくなるまで、前記マイクロ流体チップで複数のマイクロ液滴を形成するステップＳ１５０を含むことを特徴とする請求項２８に記載のマイクロ液滴生成方法。
  31. 前記ステップＳ４は、
    一列目からＰ列目の電極をオンにし、前記流体通路層１０１での液体が前記電極層の一列目からＰ列目の電極で大きな液滴を形成させ、そのうち、Ｐは正の整数であるステップＳ２１０、
    一列目の電極をオフにすると同時に、Ｐ＋１列目の電極をオンにし、前記大きな液滴が前記流体通路層で一列前へ移動するように駆動させ、一列目の親水点でマイクロ液滴を形成するステップＳ２２０、
    一列目の電極をオフにすると同時に、Ｐ＋２列目の電極をオンにし、前記大きな液滴が前記電極層で一列前へ移動するように駆動させ、二列目の親水点でマイクロ液滴を形成するステップＳ２３０、
    ｎ列目の電極をオフにすると同時に、Ｐ＋ｎ列目の電極をオンにし、前記大きな液滴が前記電極層で一列前へ移動するように駆動させ、ｎ列目の親水点でマイクロ液滴を形成し、そのうち、ｎは３より大きい正の整数であるステップＳ２４０、
    ステップＳ２４０を繰り返して、前記の大きな液滴がなくなるまで、前記マイクロ流体チップで複数のマイクロ液滴を形成するステップＳ２５０を含むことを特徴とする請求項３０に記載のマイクロ液滴生成方法。
  32. 前記ステップＳ４は、前記マイクロ流体チップを回転させ、前記流体通路層にある液体が複数の前記電極の位置でマイクロ液滴を形成するステップを含む請求項２８に記載のマイクロ液滴生成方法。
  33. 前記ステップＳ４は、前記マイクロ流体チップを回転させ、前記流体通路層にある液体が親水点の位置でマイクロ液滴を形成するステップを含むことを特徴とする請求項２８に記載のマイクロ液滴生成方法。
  34. 前記マイクロ流体チップの回転速度は０ｒｐｍより大きく、かつ１０００ｒｐｍより小さいまたは同じであることを特徴とする請求項３２または３３に記載のマイクロ液滴生成方法。
  35. 前記ステップＳ３では、前記マイクロ流体チップの中心位置にある液体注入穴に液体を注入することを特徴とする請求項３２または３３に記載のマイクロ液滴生成方法。
  36. 余った液体が流体通路層から出てから、前記マイクロ流体チップを回すのを止めるステップを更に含むことを特徴とする請求項３２または３３に記載のマイクロ液滴生成方法。
  37. 前記上の極板が位置する平面と前記下の極板が位置する平面との間にはある角度が設定されていて、前記上の極板には、複数のサンプル注入穴が設置され、前記サンプル注入穴は上の極板の端に位置し、前記サンプル注入穴はサンプルを注入するために用いられ、前記流体通路層には相対して設置されている第１端と第２端が含まれており、前記流体通路層の第１端の高さは前記流体通路層の第２端の高さより低く、
    前記ステップＳ３では、前記サンプル注入穴から前記流体通路層の前記第１端に液体を注入し、前記流体通路層にその液体を注入する時、前記液体は表面張力を受け、前記第１端から第２端に移動し、前記吸引点に対応する位置でマイクロ液滴を形成することを特徴とする請求項２８または３０に記載のマイクロ液滴生成方法。
  38. 前記ステップＳ３では、その液体の注入速度は１μＬ／ｓ～１０μＬ／ｓであることを特徴とする請求項３７に記載のマイクロ液滴生成方法。
  39. 前記第１端では、前記上の極板１０と下の極板２０との距離は０μｍ～２００μｍであり、前記上の極板と下の極板との角度は０°より大きく、３°より小さいことを特徴とする請求項３７に記載のマイクロ液滴生成方法。
  40. 前記マイクロ流体チップには第１サンプル注入穴、第１サンプル排出穴が設置されていて、前記第１サンプル排出穴と前記第１サンプル注入穴は前記マイクロ流体チップの第１対角線に設置されており、前記第１サンプル注入穴は第１マイクロポンプに繋がっていて、前記第１サンプル排出穴は第３マイクロポンプに繋がっており、
    前記ステップＳ３では、前記第１マイクロポンプから第１サンプル注入穴経由で前記流体通路層に液体を注入し、前記第３マイクロポンプで第１サンプル排出穴から出た液体を抽出することを特徴とする請求項２８または３０に記載のマイクロ液滴生成方法。
  41. 前記マイクロ流体チップにはさらに第２サンプル注入穴と第２サンプル排出穴が設置され、前記第２サンプル排出穴と前記第２サンプル注入穴は前記マイクロ流体チップの第２対角線に設置され、前記第２サンプル注入穴は第２マイクロポンプに繋がっており、前記第２サンプル排出穴は第４マイクロポンプに繋がっており、
    前記ステップＳ４では、前記第２マイクロポンプから第２サンプル注入穴経由で前記流体通路層に媒体を注入し、非吸引点のところの前記液体がその媒体に推し出され、液体が吸引点に対応する位置でマイクロ液滴を残し、媒体がマイクロ液滴を包み、さらに、前記第４マイクロポンプで第２サンプル排出穴から出た媒体を汲み取ることを特徴とする請求項４０に記載のマイクロ液滴生成方法。
  42. 前記上の極板と前記下の極板間の隙間、前記吸引点の数、面積の大きさと位置を調整する方法で、前記マイクロ流体チップが形成するマイクロ液滴の体積と密度を調整することを特徴とする請求項２７～３３のいずれか一項に記載のマイクロ液滴生成方法。
  43. マイクロ液滴生成方法であって、
    マイクロ流体チップを提供し、マイクロ流体チップは上の極板と下の極板を含み、前記上の極板と下の極板の間に流体通路層が形成され、前記下の極板には電極層が含まれており、前記電極層にはアレイ式に設置されている複数の電極が含まれているステップと、
    前記上の極板で複数の吸引点を形成し、前記吸引点は液体を吸引するために用いられ、前記吸引点は前記電極層がオンになっている電極で形成され、隣り同士のオンになっている前記電極の間には、オンになっていない前記電極で隔てて設置されているステップと、
    前記流体通路層に液体サンプルを注入し、前記電極のオンとオフを制御することで、前記液体サンプルが前記吸引点に対応する位置でｎ１個のマイクロ液滴を形成するステップと、
    前記電極のオンとオフを制御することで、形成されたｎ１個のマイクロ液滴のうち、全てのマイクロ液滴が前記吸引点でｎ２個のマイクロ液滴を形成するステップと、
    前記電極のオンとオフを制御することで、形成されたｎ２個のマイクロ液滴のうち、全てのマイクロ液滴が前記吸引点でｎ３個のマイクロ液滴を形成するステップと、
    狙いの数のマイクロ液滴を形成するまで、前記電極のオンとオフを繰り返すステップと、を含み、
    そのうち、前記ｎ１、ｎ２、ｎ３は２と同等または２より大きい正の整数であることを特徴とするマイクロ液滴生成方法。
  44. 前記流体通路層に液体サンプルを注入し、前記電極のオンとオフを制御することで、液体サンプルが前記吸引点に対応する位置で二つのマイクロ液滴を形成し、
    次に、電極のオンとオフを制御することで、形成された二つのマイクロ液滴の全てが前記吸引点の位置で二つのマイクロ液滴を形成し、
    引き続き、電極のオンとオフを制御することで、形成された二つのマイクロ液滴の全てが前記吸引点の位置で二つのマイクロ液滴を形成し、
    電極のオンとオフを繰り返して制御し、狙いの数のマイクロ液滴を形成することを特徴とする請求項４３に記載のマイクロ液滴生成方法。
  45. 前記流体通路層に液体サンプルを注入し、前記電極のオンとオフを制御することで、液体サンプルが前記吸引点に対応する位置で三つのマイクロ液滴を形成し、
    次に、電極のオンとオフを制御することで、形成された三つのマイクロ液滴の全てが前記吸引点の位置で三つのマイクロ液滴を形成し、
    引き続き、電極のオンとオフを制御することで、形成された三つのマイクロ液滴の全てが前記吸引点の位置で三つのマイクロ液滴を形成し、
    電極のオンとオフを繰り返して制御し、狙いの数のマイクロ液滴を形成することを特徴とする請求項４３に記載のマイクロ液滴生成方法。
  46. 前記流体通路層に液体サンプルを注入し、前記電極のオンとオフを制御することで、液体サンプルが前記吸引点に対応する位置で四つのマイクロ液滴を形成し、
    次に、電極のオンとオフを制御することで、形成された四つのマイクロ液滴の全てが前記吸引点の位置で四つのマイクロ液滴を形成し、
    引き続き、電極のオンとオフを制御することで、形成された四つのマイクロ液滴の全てが前記吸引点の位置で四つのマイクロ液滴を形成し、
    電極のオンとオフを繰り返して制御し、狙いの数のマイクロ液滴を形成することを特徴とする請求項４３に記載のマイクロ液滴生成方法。
  47. 前記電極の形状は正方形または六角形であることを特徴とする請求項４３～４６のいずれか一項に記載のマイクロ液滴生成方法。
  48. 前記上の極板は順番通りに重ねられている上のカバー、導電層及び第１疏水層を含み、前記下の極板には第２疏水層と誘電層が含まれており、前記第２疏水層、誘電層、電極層は順番通りに重ねられており、前記第１疏水層と第２疏水層は相対して設置されており、前記第１疏水層と第２疏水層の間に前記流体通路層が形成されることを特徴とする請求項４７に記載のマイクロ液滴生成方法。
  49. 前記電極の辺の長さは５０μｍ～２ｍｍであることを特徴とする請求項４７に記載のマイクロ液滴生成方法。
  50. 前記第１疏水層と第２疏水層間の距離は５μｍ～６００μｍであることを特徴とする請求項４８に記載のマイクロ液滴生成方法。
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