JP4418770B2 - 流体を表面に接触させる装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、表面上への流体の境界付けに関し、具体的には、流体を表面領域に適用し、境界付けするための方法及び装置に関する。さらにより具体的には、本発明は、表面が流体内に浸漬されている間に、加法的及び減法的の両方で材料をパターン形成するために該表面を局所的に処理することに関する。

流体を表面に適用することが望ましい多くの用途がある。こうした用途の一例は、表面のパターン形成又は他の処理におけるものである。流体によるパターン形成及び処理は、化学、生物、バイオテクノロジー、材料科学、電子工学、及び光学などの様々な分野において、次第に重要になってきている。流体を表面に適用することによる表面のパターン形成は、一般に、該表面の定められた領域への流体の境界付け（ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）を伴う。

流体の液滴と表面との間の接触角が９０度より小さい場合には、一般に、表面を流体によって湿らせることができる。部分的に充填された時にチャネルが流体に負圧を作用させる場合には、典型的には、流体を運ぶためのチャネルは濡れ性である。こうした負圧は、流体によるチャネルの充填を促進する。均質な表面を有するチャネルにおいて、流体と表面との間の接触角が９０度より小さい場合には、負圧が生じる。表面は、一般に、該表面と流体との間の接触角が小さい場合には、濡れ性が大きいと見なされ、該表面と該流体との間の接触角が大きいに場合は、濡れ性が小さいと見なされる。

１つの従来の表面パターン形成技術は、リソグラフィである。リソグラフィにおいては、通常、パターン形成されることになる表面にマスクを適用する。マスク内にアパーチャが形成され、処理のために露出されることになる表面領域を定める。マスクに覆われた残りの表面領域は、処理から保護される。マスクは、典型的には、レジスト材料のパターン層から形成される。次に、露光された領域の処理のために、マスクを支持する表面は化学薬品の浴の中に浸漬させられる。リソグラフィは、多数のステップ、高価な器具、及び制御された環境をもった製造施設を必要とし、実行に比較的費用のかかる工程である。短いデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）鎖をその場で合成する場合の可能性を除いて、リソグラフィは、通常、表面上で生体分子を処理しパターン形成するのに適していない。非特許文献１に説明されるように、リソグラフィは、表面を異なる化学物質で同時に並行して処理するのにも適していない。リソグラフィに用いられる異なる工程ステップの間又は化学物質の間に、及びリソグラフィによって処理される種々の表面層の間に、両立性がないことがある。

別の従来の表面パターン形成技術は、液滴供給（ｄｒｏｐ ｄｅｌｉｖｅｒｙ）である。ピン・スポッティング・システム、インクジェット・システムなどのような液滴供給システムは、一般に、比較的少量の流体を表面上の特定の場所に発射するというものである。非特許文献２を参照されたい。しかしながら、これらのシステムは、供給された滴が表面上に広がるために、解像度に限りがある。さらに、非特許文献３によって説明されるように、こうしたシステムによって形成されたパターンの品質は、供給される流体の乾燥のために制限を受ける。さらに、これらのシステムは、一般に、材料を溶解させて表面から抽出するのに有用でなく、表面にわたる流体の流れを助けるものでなく、１つより多い流体を用いて表面を連続して処理するのにも適していない。

特許文献１は、吐出アパーチャを備えたチャネルを有する装置の使用を伴う表面パターン形成技術について説明する。照合用支柱（ｍａｔｃｈｉｎｇ ｐｉｌｌａｒ）を吐出アパーチャと係合させて、該支柱の上面への分子の付着を促進する。しかしながら、異なる支柱についてのパターン形成条件を個々に変えることは不可能である。流体への支柱の表面の露出は、試薬が拡散によって表面に達することを可能にするのに十分な程長くすべきである。この方法は、アパーチャに合致する支柱を有する表面も必要とする。係合させる前に、装置を支柱と正確に位置合わせすることが必要とされる。吐出アパーチャと支柱の間の間隔をとるのに、外部の制御を必要とする。線を描くように、支柱を表面上で動かすことはできない。

別の表面パターン形成技術は、表面への微小流体装置の適用を伴う。こうした装置の一例が、Ｂｉｅｂｕｙｃｋ他（以下、「Ｂｉｅｂｕｙｃｋ」という）に付与された特許文献２に説明されている。この微小流体装置は、表面にわたって流体の流れを確立するものである。装置内の毛管作用によって、この流れを生成することができる。この装置を用いて、異なる流体で表面を並行して処理することができる。しかしながら、処理されることになる表面の領域に流体を境界付けするために、処理されることになる表面に対してこの装置をシールしなければならない。流体の境界付けにより、比較的高いコントラスト及び解像度を有するパターンの形成が可能になる。生物学的スクリーニング及び診断目的のために表面上に生体分子がパターン形成される場合には、高いコントラスト及び解像度は望ましい品質である。

処理されることになる表面上に装置を配置し、処理流体で充填される前に、処理領域の周りをシールする。しかしながら、毛管作用によって流れが生成される場合には、幾つかの顕著な欠点が生じる。第１に、各々のパターン形成作業において、装置内の供給ポートを処理流体で充填しなければならない。また、１つの流体しか装置内の各チャネルに吐出できず、該装置を表面から分離させる前に該流体をチャネルから流し出すことができない。さらに、流体は、装置を表面から取り除く際に、処理されることになる表面の領域から外側に広がる傾向がある。したがって、この装置は、幾つかの流体を用いて表面を連続して処理するのに適していない。

加圧、電場などの外部作動によって流れが形成された場合には、他の幾つかの顕著な欠点が生じる。例えば、アクチュエータからの個々の接続を装置内の各チャネルについて行わなければならない。装置内に組み込むことができ、個々に対処することができる、例えば周辺機器のようなこれらの接続は、チャネルの密度を制限するものである。チャネルの数が増えるにつれて、ポンピング、弁調節、及び制御の複雑さが増す。外部接続は、間にある導管のために、装置と外部アクチュエータとの間に死容積（ｄｅａｄ ｖｏｌｕｍｅ）を形成する。

表面の局所的な処理のための別の微小流体装置が、非特許文献４に説明されている。この装置は、Ｂｉｅｂｕｙｃｋにおいて説明されたものと類似している。この装置は、表面からの該装置の分離を必要とせずに、幾つかの流体を同じ表面領域にわたって連続して流し出すことを可能にする。したがって、この装置は、幾つかの流体の連続吐出を必要とする化学反応及び生物学的反応に有用である。しかしながら、この装置では、充填前に、処理されることになる表面の周りをシールしなければならない。さらに、装置を表面に適用する前に、流体を充填することができない。各々の付加的なステップは、関連する流体を補足的に充填することを必要とする。さらに、リソグラフィによって、装置の線を予め構成する必要があり、後で再調整することができない。

シールを必要とすることなく、流体を、上面と下面との間の予め定められたパターンに境界付けするための別の従来の装置が、特許文献３に説明される。この装置は、境界付けられた流体の光学分析を行うのに有用である。しかしながら、この装置は、上面及び下面の両方に予め定められた地理的又は化学的パターンを必要とする。また、入口ポートも出口ポートも持たないこの装置は、流体の輸送に適していない。

所定の経路に沿って流体を案内するための別の装置が、特許文献４に説明される。この装置は、流体を境界付けするためのシールを必要とせずに、幾つかの流体を表面にわたって同時に流すことができる。しかしながら、経路間の分離用隙間は、毛管的に不作動のものとしなければならない。このことにより、経路のサイズは、１ミリメートル（ｍｍ）より大きいものに制限される。他の場合には、メニスカス圧力が、制御されていない流体の拡散をもたらす。さらに、分離後に流体が保持されず、代わりに表面にわたって広がることがあり、流体の吐出に各経路への外部接続が必要になり、面倒な周辺（ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ）流量調整装置を必要とする。

シールを必要とせずに、表面に沿って流体を案内する、さらに別の方法が非特許文献５に説明される。この方法において、表面は、濡れ性のパターンを用いてパターン形成される。具体的には、互いに酷似している２つの濡れ性パターンが、別の方法で非濡れ性の上面及び下面上に定められる。このことにより、マイクロメートルの幅を有することができる、横方向の壁を持たない「仮想」チャネルがもたらされる。しかしながら、この方法は、上面及び下面の両方の上に濡れ性パターンを必要とする。言い換えれば、リソグラフィを用いて流体の流れのための経路を予め定めなければならず、これは、費用がかかり、融通性を欠くものである。さらに、後で流路の再調整を行うことができない。

さらに、２つのパターン間の濡れ性コントラストを非常に大きくしなければならず、上面上にも下面上にも両方共非濡れ性領域を必要とし、仮想チャネル内に高濡れ性領域が必要とされる。２つのパターンの形状及び配置は、互いに厳密に合致しなければならない。毛管作用を用いてチャネルを充填できるが、流体を取り除くことも交換することもできない。十分に非濡れ性の表面を生成することは比較的難しいので、この方法は、制御されていない流体の拡散の影響も受けやすい。

二重ピペット・システムを、局所的に制御された薬物注入のために用いることができる。例えば、非特許文献６を参照されたい。すなわち、２つの同心ピペットを別個に操作し、指定された二重ホルダによって別々に加圧することができる。内側ピペットは、望ましい溶液を有する状態で取り付けられ、ソースとして働き、外側ピペットは、シンクとして働く。この構成は、周囲の流体内にわずかな距離だけ突出し、分散消失しない２つのピペットの間の溶液の流れをもたらす。しかしながら、ピペットを動かさない場合には、注入がわずかの間しか生じず、２次元パターンの形成が可能でない。

特許文献５において、溶解可能な流体を基板の表面に提供するために用い得る二重毛管システムが説明されている。ここでは、第２の毛管要素を用いて、材料を、基板の表面から微小流体装置の分析チャネル内に引き込む。毛管は互いに隣接して配置され、流体が、一方の毛管から供給され、例えば、微小流体装置又は基板を動かすことなく、他方の毛管内に引き込まれ、該他方の毛管によってサンプル採取される。流体は、流体吐出毛管からサンプル材料の表面に放出され、そこで、該サンプル材料が、放出された流体内に少なくとも部分的に溶解される。次に、溶解されたサンプル材料を有する基板上の流体の一部が、分析チャネル内に引き込まれる。放出された流体内の溶解されたサンプル材料が、分析チャネル内に引き込まれる。

このシステムは、毛管間の最短距離が可能になるように設計されるので、放出された流体内の溶解されたサンプル材料が、流体吐出毛管の近くに収容される。二重毛管システムは、流体の吐出及びサンプリングの間、サンプル表面上を移動されることはない。この溶解技術が適切に機能する場合には、流体の吐出とサンプリングの間に何らかの遅延があるはずである。さらに、サンプリングは、溶解された材料の一部だけをサンプリング毛管内に引き込むことを含む。

国際公開ＰＣＴ ＷＯ０１／６３２４１ Ａ２号パンフレット 米国特許第６，０８９，８５３号明細書 欧州特許第００７５ ６０５号明細書 国際公開ＰＣＴ ＷＯ９９／５６８７８号明細書 国際公開ＰＣＴ ＷＯ０１／４９４１４号パンフレット Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ａｎｎｕ．、Ｒｅｖ．Ｂｉｏｍｅｄ．３、３３５−３７３、２００１年 Ｍ．Ｓｈｅｎａ、「Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ Ｂｉｏｃｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」、Ｅａｔｏｎ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、２０００年 Ｊ．Ｔ．Ｓｍｉｔｈ、「Ｓｐｒｅａｄｉｎｇ Ｄｉａｇｒａｍｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｑｕｉｌｌ Ｐｉｎ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ Ｄｅｎｓｉｔｙ」、１８ ＬＡＮＧＭＵＩＲ、６２８９−２９３、２００２年 ＩＢＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ＲＤ ｎ４４６、Ａｒｔｉｃｌｅ １６５、１０４６ページ（ＩＢＭは、ＩＢＭ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの商標） Ｂ．Ｚｈａｏ他、「Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｆｌｏｗ Ｉｎｓｉｄｅ Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｓ」、２９１ ＳＣＩＥＮＣＥ １０２３−２６、２００１年 Ｏ．Ｆｅｉｎｅｒｍａｎ、「Ａ Ｐｉｃｏｌｉｔｅｒ "Ｆｏｕｎｔａｉｎ Ｐｅｎ" Ｕｓｉｎｇ Ｃｏ−Ａｘｉａｌ Ｄｕａｌ Ｐｉｐｅｔｔｅｓ」、１２７ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＮＥＵＲＯＳＣＩＥＮＣＥ ＭＥＴＨＯＤ、７５−８４、２００３年

したがって、この技術を用いて２次元パターンを形成することが可能になる、流体を表面上に境界付けするための技術を提供することが望ましい。

本発明の第１の態様によると、流体パターン形成装置とも呼ばれる、流体を表面に適用するための装置が提供される。この装置は、第１の流体の流れを表面の方向に指向させるための第１の導管と、第２の流体の流れを該表面から遠ざかるように指向させるための第２の導管とを含む。第１の導管は第１のアパーチャを含み、第２の導管は第２のアパーチを含み、第１の導管は、装置の作動において、第２の流体が実質的に第１の流体からなるように第２の導管に対して配置され、該第１のアパーチャが該第２のアパーチャからある距離を置いて配置される。第１のアパーチャは、吐出アパーチャとも呼ばれ、第２のアパーチャは吸入アパーチャとも呼ばれる。

この装置は、吐出アパーチャと吸入アパーチャと表面との間の処理流体の流れの流体力学的境界付けを可能にする。これにより、第１の導管から第２の導管に向かう第１の流体の流路に対応するパターンを形成することができる。この技術は、マイクロメートルの解像度においてさえも実現可能である。この流体パターン形成装置を用いて、同じ流体又は異なる流体内に浸漬された表面上において第１の流体を境界付け、運ぶこともでき、例えば、マイクロエレクトロニクス、光学、生物学、及び生化学のための表面及び・又は粒子処理／パターン形成における用途を見出すことができる。

好ましい実施形態において、流体パターン形成装置は、第１の流体のための第１の流体容器及び・又は第２の流体のための第２の流体容器を含むことができる。第１の流体容器及び・又は第２の流体容器を有することにより、流体パターン形成装置が遠隔の流体容器から独立し、より移動性をもたせて該流体パターン形成装置を用いることが可能になる。

別の好ましい実施形態において、流体パターン形成装置は、第１の流体の第１の流量又は第１の圧力を制御するための第１の流量制御装置、並びに、第２の流体の第２の流量又は第２の圧力を制御するための第２の流量制御装置の両方、又はこれら第１の流量制御装置及び第２の流量制御装置の何れか一方をさらに含むことができる。流量制御装置を用いて、例えば、表面と接触する単位時間当たりの流体の量を増加させ、又は第２の流体内に含まれる、該第１の流体以外の流体の量を減少させることができる。

第１及び第２の圧力を調整して第１の流体を第２のアパーチャの方向に引き込むように、流体パターン形成装置を設定できることが好ましい。第１の流体を第２のアパーチャの方向に引き込むことにより、形成されるパターンの精度が増す。

流体パターン形成装置が、第２の流体から第１の流体を再生するためのフィルタを含む場合には、結果として生じる第１の流体をパターン形成のために再使用することができ、よって無駄になる流体の量が減少する。この例示的な実施形態において、少ない第１の流体の容積しか貯蔵する必要がないので、第１の流体のための容器を小さくすることができる。

導管がアプリケータ頭部に配置される場合には、頭部制御装置を介して、該頭部を表面の近くに配置することが可能であり、パターン形成されることになる表面を有する装置を処理する際により大きな融通性が可能になる。特に、流体パターン形成装置は、表面に対してアプリケータ頭部を移動させるための、例えば駆動装置のような手段を含むことができる。アプリケータ頭部を移動できることにより、所望のパターンを形成する際により容易な位置決めが可能になる。すなわち、パターン形成中にアプリケータ頭部を移動でき、多種多様のパターン形成の形成が可能になる。

導管のアパーチャの少なくとも１つがアプリケータ頭部の凹部内に配置される場合には、流体の流れをよりうまく制御し、環境流体から分離させることができる。好ましい実施形態において、第１及び第２のアパーチャは、流路として働く凹部内に配置される。この実施形態において、流路は、直線ではなく、例えば、湾曲したものである。凹部の形状が流路の形状を形成する。流路が直線でない時には、能動的な流路形成手段を用いることなく、多種多様のパターン形成を得ることができる。

第１のアパーチャ及び第２のアパーチャが、表面からほぼ同じ距離を置いて配置される場合には、該第２のアパーチャに向かう（すなわち、第１のアパーチャからの）第１の流体の流れは同質のものであり、これにより表面と接触する該第１の流体の量を正確に定めることが可能になる。この量を正確に定める能力は、第１の流体と表面との間の化学的相互作用を推定するのに有利である。

例示的な実施形態において、第３の流体が第１の流体の流れ方向に影響を及ぼすように、該第３の流体の流れを指向させるための第３の導管が配置される。流路のための能動的な形成手段として働く影響付与装置となるように、及び・又は（ａｎｄ／ｏｒ）所定の反応特性を有するように、第３の流体を選択することができ、該第３の流体をパターン形成工程の一部にすることが可能になる。例えば、第３の流体は、第１の流体と反応し、該第１の流体を弱めたり強めたりし、よって反応の強さ及び最終的に形成されるパターンを変えることができる。第３の流体パターン形成装置は、表面とも反応し、他の流体によって形成されたパターン形成を修正することができる。

流体パターン形成装置は、アパーチャと表面との間の距離を判断するための距離要素を含むことが好ましい。この距離要素は、アパーチャと表面との間の距離が一定に保持されることを保証する有効な手段を提供する。アパーチャと表面との間の一定距離を維持することにより、パターンがより予測可能になる。

流体パターン形成装置は、一体構造である場合、例えば単一部品の材料から製造される場合には、該流体パターン形成装置は、頑強になり、製造がより容易である。同時に、機械的公差は重要な問題ではなく、結果として生じる流体パターン形成装置は、達成可能な高い精度及び位置合わせを示すものとなる。表面上に精密なパターンを形成するために、位置合わせは重要な問題である。

例示的な実施形態において、第１のアパーチャが表面から遠く離れている時に第１の流体が第１の流体容器内に保持されるように、第１の圧力が調整される。第１のアパーチャが表面に近接するように移動された時に、該第１のアパーチャから該表面への第１の流体の流れを開始するように、圧力を変えること、例えば加えることができる。装置が表面から後退させられる時には、表面から過度の流体を引き戻すように、第１の圧力を再調整することができる。さらに、各々が第１のアパーチャに連結された複数の第１の流体容器があってもよく、そこで、該複数の第１の流体容器の各々における第１の流体のための圧力が、並列に又は個別に制御される。

シリンジ・ポンプ又は蠕動ポンプのような外部ポンプ、微細加工によりつくられたポンプのような一体型ポンプ、動電学的ポンプ、毛管力ベースのポンプ、他のポンプ手段、又は他の加圧手段によって、第１又は第２の圧力を生成することができる。さらに、第１又は第２の流体の流量を制御するために、弁を設けることもできる。こうした弁は、外部連結の内部、流体容器内、流体容器とアパーチャの間の連結部内、又はアパーチャ内に配置することができる。こうした弁は、要求に応じて開閉することができる。

ここに説明される本装置は、流体ネットワークの一部とすることができる。こうした流体ネットワークにおいて、例えば、アパーチャ及び流体容器の両方又はこれらの何れか一方における圧力のようなネットワーク圧を測定するためのフィードバック・システムがあってもよい。代替的に、ポンプで注入された容積に基づいてフィードバックを提供することもできる。このフィードバックは、流体量の制御を容易にし、表面上への好ましくない流体の拡散を回避する。各々がアパーチャに連結された複数の流体容器が存在する場合、各々の流体容器において、並列に又は個別に、圧力を制御することができる。さらに、１つ又はそれ以上の弁が、各々の流体容器のための流れを（例えば、流量制御装置を使って）、並列して又は別々に制御することができる。

流量制御装置は、アパーチャが表面から遠く離れている時に流体を保持するための圧力を加えることができる。流量制御装置はまた、流体に圧力を加えるための毛管ネットワークを含むこともできる。この毛管ネットワークは、１つ又はそれ以上の平行な毛管部材、メッシュ、多孔質材、及び繊維性材料を含むことができる。各々がアパーチャに連結された複数の流体容器があってもよい。加えられる圧力により、表面からのアパーチャの後退に対応して、流体が流量制御装置に向けて引き込まれる。各々がアパーチャに連結された複数の第１及び第２の流体容器を設け、圧力は、各々の流量制御装置において、並列に又は個別に制御されるようにしてもよい。

流路が表面から遠く離れている時に第１の流体が第１のアパーチャ内に保持されるように、第１の流体容器のための圧力を調整することができる。流路が表面に近接して配置される（装置内の第１の流体が該表面に接触している）場合には、第１の圧力と第２の圧力との間の差が該流路を介する第１の流体容器から第２の流体容器までの流れを促進するように配向されるように、第２の流体容器のための圧力を調整することもできる。さらに、表面からの流路の後退に対応して、過剰な流体が少なくとも第２の流体容器の方向に引き込まれるように、第１及び第２の圧力を調整することができる。各々が流路に連結された複数の第１の流体容器があってもよい。同様に、各々が流路に連結された複数の第２の流体容器があってもよい。

上述のように、例えば、外部ポンプによって第１及び第２のアパーチャ内の圧力を生成することができる。例えば、第１及び第２のアパーチャにおいて、及び・又は第１及び第２の流体容器において、システム内の圧力を測定するフィードバック・システムを設けることができる。このフィードバック・システムは、第１及び第２の流体容器においてポンプ注入された流体の容量に基づくことができる。このフィードバック・システムを用いることは、流量の制御を容易にし、表面上への好ましくない流体の拡散の防止を助けることができる。各々が第１及び第２のアパーチャに連結された複数の第１及び第２の流体容器を設け、圧力は、該第１及び第２のアパーチャの各々の中で並列に又は個別に制御されるようにしてもよい。さらに、第１及び第２のアパーチャの各々の流れを並列に又は個別に制御する１つ又はそれ以上の弁を設けてもよい。各々が流路に連結された複数の第１の流体容器、及び、各々が流路に連結された複数の第２の流体容器の両方又はこれらの何れか一方を設けてもよい。

本発明の例示的な実施形態において、第１の流量制御装置は、第１の圧力を加え、流路が表面から遠く離れている時に流体を保持する。第２の流量制御装置は、第２の流体に第２の圧力を加え、流路が表面に近接して位置させられることに応答して、第１の圧力と第２の圧力の差が、該流路を介する第１の流体容器から第２の流体容器までの第１の流体の流れを促進するように配向されるようにする。本発明の他の多くの用途も可能である。

上述のように、装置を一体構造とすることができ、これらに限られるものではないが、エラストマー、シリコン、ＳＵ−８、フォトレジスト、熱可塑性物質、セラミック、金属、及び上記の材料の少なくとも１つを有するような組み合わせを含む材料から形成することができる。代替的に、この装置は、これらに限られるものではないが、ガラス、ポリマー、シリコン、ＳＵ−８、フォトレジスト、熱可塑性物質、セラミック、金属、及び上記の材料の少なくとも１つを有するような組み合わせを含む材料から形成された各層を有する、層状構成から構成することができる。

上述のように、本装置は、第１の流体を、流体容器、井戸、リザーバ、又は類似した流体容器から表面に運び、該装置と該表面の間に物理的シールを必要とすることなく、該第１の流体を該表面上に境界付けするのに特に有用である。したがって、装置の各アパーチャは、これらに限られるものではないが、シリコンを含む非シール材料によって、かつ、非シール材料から構成することができる。本装置の非接触式作動は、処理される表面及び・又は該装置への汚染及び・又は損傷を防止する。

本処理技術は、幅広い特性及び濡れ性を有する表面に適用可能である。本装置は、第１の流体の流れを付加することを可能にし、よって処理される表面に吸収される材料が枯渇することを防止する。その結果、例えば、同質の生体分子のパターンを生成することができる。処理されることになる表面上で本装置をトレースする時には、生成される線は、インクジェット印刷のような従来の技術を用いて得られるものより滑らかで小さなものになる。例えば、付着される第１の流体の量が比較的少ない場合には、表面上への材料の拡散、急速乾燥はほとんどなく、過剰な蓄積はない。

本技術によると、装置が処理される表面上で移動させられる時に、付着された材料の濃度を変えることができる。このようにして、付着された材料の濃度の一連の勾配を生成することができる。したがって、こうした装置は、表面への材料の加法的及び減法的パターン形成の両方に有用である。さらに、一連のこうした装置を表面上で順に移動させることができる。こうした一連の装置の各アパーチャは、表面上で連鎖反応を総合的に行わせるための可能性ある試薬のグループのうちの異なるものを含むことができる。

本発明の教示によると、その後の繰返し適用及び処理中の表面の除去のために、装置を処理液体で予め充填することができる。（工程を遅延させることになる）補充なしで、同じ装置を用いて表面処理を多数回繰り返すことができる。従来の微細加工技術を介して、本装置を迅速に大量生産することもできる。一般的な用途において、本装置は、表面上の任意の位置に配置することができ、寸法及び接触時間によって、工程パラメータを制御することができる。こうした装置のアレイは、製造が比較的容易である。

本装置は、ビード又はシリンダのような湾曲した表面、不均質な表面、様々な濡れ性をもつ表面、波形又は他の形の粗表面などを処理するのに適している。さらに、本装置を用いて、例えばバイオ・アレイを作るために、選択された表面の領域内に生体分子を付着させることができ、よってバイオ・チップの大量生産が容易になる。本装置はまた、これらに限られるものではないが、表面上のパターン欠陥の修理、表面の特定領域のエッチング、表面上への金属の付着、表面上への電気化学反応の位置特定、表面上への金属の付着、表面上へのガラス又はラテックス・ビード、又は他の粒子の付着、表面の特定領域の不動態化、表面上へのたんぱく質、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、細胞、又は他の生物学的存在のパターン形成、細胞の分析及び染色を含む他の工程に、選択された表面の領域を曝す際に用いることもできる。

特に、装置の寸法が小さいものとなるように選択され、流体界面の力が慣性力を超えるような時には、本装置を下方に面する表面に向けて上向きに作動させることができる。一般に、重力は装置に限定的な効果しかもたないので、小さい重力環境においてこの装置を使用することが可能である。

本発明の１つの態様において、２つのアプリケータ頭部が表面に近接して配置される。第１の流体は、アプリケータ頭部を介して表面に供給される。次に、アプリケータ頭部を表面から後退させる。

第１の流体を供給する間、第１の流体は、流路を介して第１の流体容器から第２の流体容器に流れる。表面に第１の流体を供給する際に、第１の流体容器から第２の流体容器への第１の流体の流れを変えることができる。アプリケータ頭部を後退させる前に、アパーチャの１つ又はそれ以上において第１の流体が表面に接触した状態で、アプリケータ頭部を該表面に対して移動させることができる。

アプリケータ頭部が表面に対して移動される時に生成される流体の軌跡が、別個のまま、又は代替的に重なり合うように、該アプリケータ頭部を該表面に対して配向することができる。アプリケータ頭部を表面に近接して配置する前に、同じ流体を流体容器の各々の中に装填することができる。代替的に、１つ又はそれ以上の流体を流体容器の１つ又はそれ以上の中に装填することができる。

ここにさらに開示されるのは、以下のステップを含む、流体を表面に適用する方法である。アプリケータ頭部のアレイが、表面に近接して配置される。第１の流体は、アレイを介して表面に供給される。アプリケータ頭部のアレイの各々において、第１の流体は、流路を介して第１の流体容器から第２の流体容器に流される。各々のアパーチャ内の第１の流体が表面に接触した状態で、アレイが該表面に対して移動される。次に、アレイが表面から後退させられる。

少なくとも１つのアプリケータ頭部のアレイにおいて、表面への第１の流体の供給の際に、第１の流体容器から第２の流体容器への第１の流体の流れを変えることができる。アレイが表面に対して移動される時に生成される第１の流体の流れの軌跡が、別個のままであるか、又は代替的に重なり合うように、該アレイを該表面に対して配向することができる。類似した又は異なる第１の流体を、各アプリケータ頭部のアレイの中に装填することができる。

本発明の１つの実施形態において、アプリケータ頭部を表面の近くにもっていき、アパーチャの幾何学的形状によって定められるマイクロメートルの寸法の領域で、該表面を流体と接触させる。次に、アプリケータ頭部が、表面から取り外される。アプリケータ頭部を取り外す前に、該アプリケータ頭部内の第１の流体が表面内で接触したままの状態で、該表面を該アプリケータ頭部に対して横方向に移動させることができる。代替的に、アプリケータ頭部を用いてトレースを遂行し、該アプリケータ頭部がトレースされる時にアパーチャの間を流れる第１の流体が、該表面上にわたるようにすることができる。

本発明のより完全な理解、及び本発明のさらなる特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図を参照することによって得られるであろう。

全ての図は、明確にするために実際の寸法で示されておらず、実際の規模において示される寸法間の関係も示されていない。

最初に図１を参照すると、上表面１１を有する基板が、環境流体（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆｌｕｉｄ）２０で充填された空間を囲むフェンス２１を表面１１上に支持する。流体アプリケータが、第１の流量制御装置７を介して、表面１１に近接して配置された第１のアパーチャ１８を有する第１の導管１に連結された第１の流体容器９を含む。第２の流体容器１０が、第２の流量制御装置８を介して、該表面１１に近接して配置され、第１のアパーチャ１８を囲む第２のアパーチャを有する第２の導管２に連結される。第２の流体容器１０は、フィルタ１３を介して、第１の流体容器９に連結される。第１の流体容器９は第１の流体３を保持しており、この第１の流体３は、第１の導管１を通して第１のアパーチャ１８の方向に移動可能であり、そこから表面１１の方向に指向させることができる。第２のアパーチャ１９は、第２の導管２を通して、第２の流体容器１０内に表面１１から遠ざかる第２の流体４の流れを提供する。

この構成により、第１の導管１から出て、表面１１に沿い、第２の導管２に入る流体の流れの形成が可能になる。例えば、表面をエッチングする酸を第１の流体３として選択することによって、該表面１１を修正するために、この構成を用いることができ、そこで酸が該表面１１に衝突し、これによりエッチングされたパターン１２が形成される。第２の流体４は、第１の流体３の一部と環境流体２０とから構成される。

第１の流量制御装置７及び第２の流量制御装置８は、対応する導管１、２を通して流れる流量を制御するように機能する。フィルタ１３を用いて、第２の流体４から第１の流体３を再生することができる。第１の流量制御装置７は、第１の流体３の第１の流量及び・又は第１の圧力ｐ３を制御するように配置される。第２の流量制御装置８は、第２の流体４の第２の流量及び・又は第２の圧力ｐ４を制御するように配置される。

次に図２ａを参照すると、１つが第１の流体容器９のための、もう１つが流体容器１０のための２つの開口部を有する固形材料の塊からなるアプリケータ頭部１５が図示されている。第１の流体容器９もまた、第１の導管１に連結されており、該第１の導管１は、パターン１２を表面上に形成するために第１の流体３を表面１１に配置することができる。第２の流体容器１０もまた、第２の導管２に連結されており、該第２の導管２は、第２の流体４が表面１１から遠ざかるように第２の流体容器１０内に移動させることができる。表面１１に近接した第１の導管１の端部は、第１のアパーチャ１８であり、該表面１１に近接した第２の導管２の端部は、第２のアパーチャ１９である。両アパーチャ１８及び１９は、互いに距離ｄだけ隔てて配置される。したがって、第１のアパーチャ１８から出て、第２のアパーチャ１９に向けて引き込まれる時、第１の流体３は、該アパーチャ１８と該アパーチャ１９との間の細長い流路に沿って移動する。

表面１１上に形成されるパターンは、流路の形状に対応したものである。したがって、このアプリケータ頭部１５を用いる場合、（図１に示される装置の結果と比較すると）ポイント形成されていないパターンを形成することができる。第１の流体３の大部分又は全部さえも、第２のアパーチャ１９内に引き込まれるように第２の流体４の流量を制御することができ、これにより所望のパターン領域の外側の場所における、表面１１と第１の流体３との間の接触により生じる該パターンのぼけ（ｂｌｕｒｒｉｎｇ）が減少される。この効果を高めるために、第１のアパーチャ１８より大きくなるように、第２のアパーチャ１９を設計することができる。

図２ｂは、アプリケータ頭部１５の底面図であり、該アプリケータ頭部を用いて形成することができるパターン１２の可能な形状も示す。アプリケータ頭部１５は、図１からの構成と組み合わせ可能であり、導管の同軸構成を置き換える。したがって、第１の流量制御装置７及び第２の流量制御装置８も含むように、アプリケータ頭部１５を修正することができる。第１の流体容器９及び第２の流体容器１０を含まず、代わりに、例えば図１に示される第１の流体容器９及び第２の流体容器１０に接続できるように、アプリケータ頭部１５を修正することができる。

アプリケータ頭部１５の第１のアパーチャ１８及び第２アパーチャ１９を、環境流体２０内に浸漬された、処理される表面１１に近接して位置させることができる。第１の流量制御装置７は、第１のアパーチャ１８を通して該第１の流体３を供給して、第１の流体３を表面１１に接触させるために使用することができる。同時に、第２の流量制御装置８は、第１の流量制御装置７の第１の流量と等しいか又はこれより速い第２の流量で、第２の流体４を吸引することができる。このことは、絶対値が第２の圧力ｐ４より小さい第１の圧力ｐ３を設定することによって達成することができる。流量は、第１のアパーチャ１８から供給される該第１の流体３が、第２のアパーチャ１９内に吸い戻され、環境流体２０の本体の中に第１の流体３の漏れ又は拡散が殆ど又はわずかしかないようにするように選択されることが好ましい。

層流（こうした流れは、小さな寸法に典型的である）をもたらす供給速度を選択することが有利である。層流のもとでは、供給される第１の流体３を周囲の環境流体２０と混合する乱気流が少なくなり、よって該第１の流体３の漏れを効果的に防止することができる。第１の流体容器９には、処理されることになる表面１１に供給されるべき流体３が充填される。

表面１１は、ガラスの表面とすることができる。しかしながら、表面１１は、他の形態を有することもできる。例えば、表面１１を、（Ａ）平坦な、（Ｂ）粗い、（Ｃ）波形の、（Ｄ）多孔質の、（Ｅ）繊維性の、（Ｆ）化学的に不均一の、及び（Ｇ）これら全ての組み合わせによる、並びに（Ｈ）これらの任意の組み合わせによる、面とすることができる。

作動において、第１のアパーチャ１８が、表面１１に近づけられる。第１の流体容器９の第１の圧力を調整することによって、第１の流体３が表面１１に接触する。流体容器９の圧力を調整するために、外部ポンプ、一体型ポンプ、及び弁のような能動的な流量制御装置を設けることができる。

第１の流体３の供給は、第１の流体容器９を介して、必要に応じて補充することができる。こうした補充により、装置を繰返し再使用することが可能になる。第１の流体容器９には、第１のアパーチャ１８を介して下から第１の流体３を充填すること及び・又は取り出すことができる。第１の流体容器９を閉鎖するために、蓋を設けることができる。第１のアパーチャ１８を介して第１の流体３を導入することだけができるように、蓋を永久的にシールすることもできる。例えば不使用期間中の蒸発を防ぐために、同様に第１のアパーチャ１８に蓋を設けることもできる。蓋を取り外さずに第１の流体容器９を充填、再充填、及び吐出するために、第１の流体３のためのリザーバを有する支持装置を設けることができる。

第１の流体３は、表面１１の領域を処理するための処理剤を含むことができる。装置を表面１１と係合させることにより、第１のアパーチャ１８に面している表面１１の領域が処理剤に露出される。処理剤は、分子からなるものとすることができる。したがって、この装置は、バイオ・パターン形成用途において有用である。しかしながら、異なる処理剤を表面１１に連続的に吐出するといった、他の用途も可能である。同様に、望まれる表面処理に応じて、他の流体材料を用いることもできる。可能な流体材料の例には、これらに限られるものではないが、表面１１上に局所的な化学反応を生じさせるためのエッチング液が含まれる。

図３に、２つより多いアパーチャを備えるアプリケータ頭部（ヘッド）１５の構成が図示される。この構成において、第１のアパーチャ１８と第２のアパーチャ１９との間の流路の側部には、各々が導管５に属する２つの付加的なアパーチャ２１及び２２が配置されている。図３に矢印で示されるように、第３の流体６を表面１１の方向に吐出し、これにより第１の流体３の流れに影響が及ぶように、ここでは第３の導管５が配置される。この第３の流体６の影響のもとで、第１の流体３の流れを狭くすることができる。したがって、第３の流体６は、第１の流体３の流体の流れに異なる形状を、よってそれと共に表面１１上に結果として生じるパターン１２をも与える成形用流体として働く。

第２のアパーチャ１９から遠い側の第１のアパーチャ１８の側部に別の付加的なアパーチャ１７を設け、第３の流体６を同様に吐出し、該第３の流体６を形成流体として用いて第２のアパーチャ１９から遠ざかるように指向される第１の流体３の流れを減少させるようにすることができる。第１のアパーチャ１８から遠い側の第２のアパーチャ１９の側部に、同様のアパーチャ１６を配設することができる。したがって、パターンの品質を改善するために、例えば１６、１７、２１、及び２２のような、第３の導管５に属する全ての付加的なアパーチャにより、第２のアパーチャ１９に向かう第１の流体３の流体の流れを成形することが可能になる。

図４に図示されるように、パターンの品質をさらに改善するために、第１のアパーチャ１８及び・又は第２のアパーチャ１９を凹部３０内に配置することができる。次に、この凹部３０は、第１の流体３の流体の流れの成形をサポートするための半開放式チャネルとして働く。凹部３０が、例えば弧のような直線でない形状を有する場合には、この構成は特に有用になる。凹部３０がない場合には、第１の流体３は直線経路を辿ることになるであろうが、該凹部３０は、該第１の流体３を該凹部３０の形状に通し、例えば弧のような凹部形状に対応するパターンの形成を可能にする。アプリケータ頭部１５は、該アプリケータ頭部１５が表面１１と接触させられたときに、第１のアパーチャ１８及び・又は第２のアパーチャ１９と該表面１１との間の最小距離を定める２つの距離要素を含むこともできる。このようにして、流路に沿って流体の流れを成形するように存在し機能する幾何学形状が定められ、固定される。この技術は、流体の流れの正確な計算及び結果として生じるパターン形成を可能にする。この技術は、アプリケータ頭部１５を繰返し使用することを可能にし、結果として生じるパターンは、該アプリケータ頭部１５の各々の使用においてほぼ同じである。

アプリケータ頭部１５は、該アプリケータ頭部１５をより安定化させ、製造が簡単であり、損傷しにくい一体構造とすることができる。アプリケータ頭部１５は、エラストマー材料又は剛性材料から形成することができる。こうしたエラストマー材料又は剛性材料は、前述の微細加工技術の少なくとも１つを含む、フォトリソグラフィ、エッチング、射出成形、及びそれらの組み合わせのような微細加工技術によって形成することができる。代替的に、アプリケータ頭部１５を、積層組立体のような集合体の一部としてもよい。各々の層は、エラストマー、シリコン、ＳＵ−８、フォトレジスト、熱可塑性物質、セラミック、及び金属のような異なる材料から形成することができる。

共通の流路を介して単一の第２のアパーチャ１９に連結された、多数の第１の導管１又は第１のアパーチャ１８を備えることができる。流路内における反応のために、各々の導管に異なる反応剤を導入することができる。このようにして、流路は、反応流体容器として働くことができる。同様に、共通の流路を介して共通の第１のアパーチャ１８に連結された多数の第２のアパーチャ１９ｗｐ備えることができる。さらに、共通の流路を介して多数の第２のアパーチャ１９又は第２の導管２に連結された、多数の第１の導管１又は第１のアパーチャ１８を備えることができる。

ここに説明された装置の多数を一体化してアレイを形成することができる。異なる数の装置を含む、こうしたアレイの異なる多数の構成が可能である。こうしたアレイの第１の流体容器９及び第２の流体容器１０を相互連結して、カスケードを形成することができる。相互連結された第１の流体容器９及び１０の一部は、その中で第１の流体が反応する反応流体容器を提供することができる。この反応生成物を、他の流体容器内又は表面１１上で分析することができる。表面１１を処理し、該表面１１と反応させるために、こうした生成物を用いることができる。

図５を参照すると、本装置は、異なる流体を装置の異なる流体容器に充填して、それぞれの流体を、表面１１上でトレースするために用いることができる。したがって、アプリケータ頭部１５は、マニピュレータとも呼ばれる駆動装置１６に連結される。マニピュレータ１６を用いて、表面１１に対してアプリケータ頭部１５を位置決めすることができる。駆動装置１６を用いる場合には、一連のパターンを次々に形成することができる。パターン形成工程中にアプリケータ頭部を移動させる時、すなわち第１の流体３が第１のアパーチャ１８から流れ出る際に、連結されたパターンを形成することもできる。したがって、より複雑なパターンを形成することができる。マニピュレータ１６は、手動で制御することができ、又はプログラム可能なコンピュータ又は同様の電子制御システムを介して自動制御することができる。マニピュレータ１６は、アプリケータ頭部１５上及び・又は表面１１上で作動することができ、（面内に入ったり及び・又は該面から出たりする）相対的な並進運動及び・又は回転運動を制御する。

図６を参照すると、表面１１に対するアプリケータ頭部１５の配向と動きによって、異なる第１の流体を、該表面１１の選択された領域において混合することができる。こうした混合は、例えば、表面１１の選択された領域における第１の流体間の局所的な反応を助ける。同様に、類似した第１の流体を別個の軌跡で表面１１にわたってトレースするために、アプリケータ頭部１５を用いることができる。表面１１に対するアプリケータ頭部１５の配向と動きによって、軌跡を別々のものにすることも、互いに重ね合わせるようにすることもできる。

複数のアプリケータ頭部１５を１つのアレイにまとめることができる。例えば、こうした１つのアレイは、別個の第１の流体容器９から延びる２つの第１のアパーチャ１８を含むことができる。各々の第１の流体容器９は、同じ流体材料又は異なる流体材料を含むことができる。他のアレイは、２つより多いアパーチャを含むことができる。こうしたアパーチャのグループは、共通の流体容器を共有することができる。

図７を参照すると、２つ又はそれ以上のこうしたアプリケータ頭部１５をアレイ内に取り付けることができ、このアプリケータ頭部１５を用いて、第１の流体３の流れを表面１１上でトレースすることができる。流量及びトレース速度を独立制御することにより、アプリケータ頭部１５を介して適用された表面処理の調整が可能になる。こうしたアレイを用いて、２つの流体の流れを表面１１上でトレースすることもできる。

図８は、図７の構成の使用後、表面上に結果として生じるパターン１２を示す。流体の流れは、同じ流体材料又は異なる流体材料を含むことができる。また、表面１１に対するアプリケータ頭部１５の配向と動きによって、流体の流れの軌跡を別々のものにしても、互いに重ね合わせるようにしてもよい。トレース速度及び流量を独立制御することにより、例えば、吸収された表面上の分子において傾斜を形成することが可能になる。

例示的な実施形態において、流路は、約１００マイクロメートルの長さ及び約１００マイクロメートルの幅を有する。同様に、第１のアパーチャ１８は、約１００マイクロメートルの幅にすることができる。凹部３０は、約１マイクロメートルの深さから約１０マイクロメートルの深さまでの間にすることができる。流体容器９及び１０の容積は、それぞれ約５００ナノリットルとすることができる。しかしながら、与えられた寸法は例示的なものにすぎず、他の寸法も可能であることを理解すべきである。

本アプリケータ頭部１５を含む本技術の場合、第１の流体３をリザーバすなわち第１の流体容器９から表面１１に局所的に運び、物理的なシールも表面の自由エネルギーの境界付けも必要とせずに該第１の流体３を境界付けすることが可能である。例えば液体、気体、又はそれらの混合物とすることができる環境流体内に浸漬された表面１１のような、異なる流体環境内で、アプリケータ頭部１５を用いることができる。したがって、アパーチャ１８及び１９、並びにアプリケータ頭部１５の濡れ性を最適化することなく、吐出アパーチャ１８を定めるために、シリコンのような非シール材料を用いることが可能である。

供給された第１の流体３を再回収すること、例えば、再使用することができる。第１の流体３は、物理的接触によって処理される表面１１を汚染又は損傷することを防止する。アプリケータ頭部１５によって生成される流れは、この流れがない場合に生じるこれらの小規模の材料の枯渇を防止することができる。表面処理の局所化を、数マイクロメートルの面積まで、ことによるとさらに小さい面積まで低下させることができる。この装置は、高密度で吐出／吸引アパーチャのアレイを形成することを可能にする。アプリケータ頭部１５が表面上を移動させられるとき、この装置は、滑らかな線を生成することができ、この滑らかな線は、該表面に接触する時に第１の流体３が著しく広がらないという事実、及び乾燥する大きな容積がないという理由のために、インクジェット・パターンより滑らかであり、潜在的にインクジェット・線より細かいものである。

流れを摺動と併せて用いる場合には、例えば勾配を生成するなど、付着された材料の濃度を連続的に変えることができる。表面１１の加法的又は減法的（アスピレータ）パターン形成のために、アプリケータ頭部１５を用いることができる。一連のアプリケータ頭部１５が前後に並んで移動させられる場合には、各々の吐出アパーチャ、例えば、第１のアパーチャ１８が、「連鎖反応」試薬を含むようにすることができる。別の用途においては、幾つかの吐出アパーチャを単一のアスピレータすなわち第２のアパーチャ１９と組み合わせて、表面の領域上での複雑な工程の実施を可能にすることができる。例えば、幾つかの吐出アパーチャが、ＤＮＡ内に存在する４つのヌクレオチド塩基を含み、これらを順々に吐出するようにすることができ、或いは幾つかの吐出アパーチャは、例えば、接着するなど、部品を互いに結合させるために用いることができる、相互に反応する２つの成分を含むことができる。本発明の潜在的な用途には、これらに限られるものではないが、有機材料のパターン形成、生体材料のパターン形成、脆い細胞の亜母集団を特定の化学処理に局所的に曝すこと、ビードの亜母集団を特定の化学処理に局所的に曝すこと、溶液内で表面上に線を描くことが含まれる。

アプリケータ頭部１５から供給された流体は、流体の流れによって定められた容積内に限定される。アプリケータ頭部１５と表面、すなわち流体が接触することになる表面との間の物理的シールを必要としない。

アプリケータ頭部１５のようなアプリケータ頭部は、これらに限られるものではないが、マイクロエレクトロニクス、光学、生物学、生化学、及びバイオテクノロジーなどの様々な分野において表面処理を適用する際に有用である。本技術は、こうしたアプリケータ頭部１５のアレイにも適用される。

例えば、アパーチャ１８及び１９、及び・又は流体容器９及び１０における、こうしたネットワーク内の圧力を測定するために、フィードバック・システムを設けてもよい。代替的に、ポンプで注入された流体の容積に基づいて、フィードバックを提供することができる。フィードバックは、第１の流体の制御を助け、表面上への該第１の流体の望ましくない拡散を回避することができる。複数の流体容器を設け、各々の容器がアパーチャに連結され、圧力が、各々の容器において並列に又は個別に制御されるようにすることができる。さらに、各々の流体容器に対する流れを並列に又は個別に制御する、１つ又はそれ以上の弁を設けてもよい。

流体容器は、アパーチャが表面から遠く離れている時に、流体を保持するための圧力を加えることができる。流体容器は、流体に圧力を加えるための毛管ネットワークを含むことができる。毛管ネットワークは、複数の平行な毛管部材、メッシュ、多孔質材、及び繊維性材料の少なくとも１つを含むことができる。各々がアパーチャに連結された複数の流体容器を設けてもよい。表面からのアパーチャの後退に応答して、流体が流体容器に向けて引き込まれる。各々がアパーチャに連結された複数の第１及び第２の流体容器を設け、圧力は、各々の流体容器において、並列に又は個別に制御されるようにすることができる。

本発明の別の例示的な実施形態によると、流体を表面に適用する方法が提供される。この方法は、該表面に近接して単一のアパーチャ装置を位置決めし、アプリケータ頭部１５を介して流体を該表面に供給し、該アプリケータ頭部１５を該表面から後退させるステップを含む。

本発明を実施したアプリケータ頭部１５のようなアプリケータ頭部を用いて、バイオ・アレイを作るために選択された表面の領域内に生体分子を付着させ、これによってバイオ・チップの大量生産を容易にすることができる。本発明を実施したアプリケータ頭部１５は、これらに限られるものではないが、表面上のパターン欠陥の修理、表面の特定領域のエッチング、表面上への金属の付着、表面上への電気化学反応の局所化、金属の無電解析出のための触媒粒子の付着、表面上へのガラス、又はラテックス・ビード、或いは他の粒子の付着、表面の特定領域の不動態化、表面上のたんぱく質、ＤＮＡ、細胞、又は他の生物学的存在のパターン形成、細胞の分析及び染色などのための工程を含む、表面の選択された領域に他の工程を加えるために、等しく用いることができる。

アプリケータ頭部１５は、二重導管システムから構成される。導管１及び２のアパーチャ１８及び１９は、距離ｄだけ隔てて配置され、この距離ｄは、該アパーチャ１８及び１９自体の直径より大きいことが好ましい。吐出アパーチャ１８から吐出される第１の流体３は、距離ｄに沿って進み、次に、第２のアパーチャ１９内に引き込まれる。したがって、装置は、第１の流体３が常に動いており、環境流体２０への拡散を限定するという点で、動的な流体吐出システムとして働く。第１の流体３の一定の流れのため、該第１の流体３の適用中にも、アプリケータ頭部１５を表面１１上で移動させることができる。第１のアパーチャ１８から基板表面１１内に放出される第１の流体３の主要部分が、第２のアパーチャ１９内に引き込まれる。理想的な場合、第２のアパーチャ１９内に引き込まれる第１の流体の部分は、該第１の流体３の放出量の９０％より多い。アパーチャ１８とアパーチャ１９との間の距離ｄが、結果として生じる表面１１上のパターン１２のサイズを決定する。したがって、流体の適用中にアプリケータ頭部１５を移動させない用途においては、パターン１２は、実質的に距離ｄに対応する長さを有する。より正確には、アパーチャの中心間の距離で測定される場合には、その方向におけるパターン１２の長さは、距離ｄに、アパーチャ１８及び１９の各々の中心と遠い側のアパーチャ・リムとの間の距離を加えたものに対応する。アプリケータ頭部１５が、例えば、鉛筆のような筆記用具のように移動され用いられる場合において、２つのアパーチャ１８及び１９を結ぶ線に直角に移動されるときには、距離ｄが、線幅を決定する。

結果として生じるパターン１２の所望の精度を達成するために、第１のアパーチャ１８からの第１の流体３の放出は、第２のアパーチャ１９への第２の流体４の吸引と同期して生じる。第２の流体４の流体の流れが、第１の流体３の流体の流れと同時に生じることを保証するために、流量制御装置７及び８は、単一のスイッチ・オン信号に応答するように連結しても、機械的に連結してもよい。理想的には、アプリケータ頭部１５は、全てではないが、放出された第１の流体３のできる限り多くを第２のアパーチャ１０内に引き込むように作動される。

細胞、ビード、分子、又はナノデバイスのような粒子を操作するために、装置を作動させることもできる。したがって、アプリケータ頭部１５は、環境流体２０において表面１１上にある粒子の近くに配置される。次に、第１の流体３は、表面１１に向けて移動され、これにより粒子が該表面１１から取り除かれ、第２の導管２内に引き込まれる。その後、アプリケータ頭部１５をその位置から取り外すことができる。その後、粒子を第１の導管１内に、そして該第１の導管１から異なる位置に移動させることによって、或いはアプリケータ頭部１５の作動を逆にし、第２の流体を表面１１に向けて移動させることによって、同じ形態又は修正された形態で、該粒子を異なる位置に付着させることができる。

本発明の例証となる実施形態がここに説明されたが、本発明がそれらの厳密な実施形態に制限されないこと、また、当業者であれば、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく種々の他の変更及び修正をなし得ることを理解すべきである。

同軸構成の導管を有する流体アプリケータの側断面図／機能ダイアグラムである。 第１の導管が第２の導管からある距離を置いて配置された、アプリケータ頭部の断面図である。 図２ａに示されるアプリケータ頭部の底面の平面図である。 ２つより多い導管を有するアプリケータ頭部の底面の平面図である。 弧形状の凹部内に２つのアパーチャを有する、アプリケータ頭部の断面図／下面図である。 流れモードで作動している、図３に示される装置の平面図である。 図５に示される流れモードによって処理される表面の平面図である。 流れモードで作動している、多数経路装置の平面図である。 図７に示される流れ作動によって処理される表面の平面図である。

符号の説明

１、２、５：導管
３、４、６：流体
７、８：流量制御装置
９、１０：流体容器
１１：表面
１２：パターン
１３：フィルタ
１５：アプリケータ頭部
１６、１７、１８、１９：アパーチャ
２０：環境流体
２１：フェンス

Claims (21)

1. 流体を表面に接触させる装置であって、
   第１の流体の流れを前記表面に向かう方向に指向させるための第１のアパーチャを有する第１の導管と、
   前記第１のアパーチャから所定距離だけ離れて配置され、実質的に前記第１の流体からなる第２の流体の流れを前記表面から遠ざけるように指向させることにより、前記第１のアパーチャとの間で流路を形成するための第２のアパーチャを有する第２の導管と、
   前記第１のアパーチャと前記第２のアパーチャとの間の前記流路の一方の側部に配置され、第３の流体を吐出する第３のアパーチャを有する第３の導管と、
   前記第１のアパーチャと前記第２のアパーチャとの間の前記流路の他方の側部に配置され、前記第３の流体を吐出する第４のアパーチャを有する第４の導管と、
   前記第２のアパーチャから遠い側の前記第１のアパーチャの側部に隣接して配置され、前記第３の流体を吐出する第５のアパーチャを有する第５の導管と、
   前記第１のアパーチャから遠い側の前記第２のアパーチャの側部に隣接して配置され、前記第３の流体を吐出する第６のアパーチャを有する第６の導管とを備え、
   前記第３のアパーチャ、前記第４のアパーチャ、前記第５のアパーチャ及び前記第６アパーチャから吐出される前記第３の流体により、前記第１のアパーチャと前記第２のアパーチャとの間の前記流路を成形する、流体を表面に接触させる装置。
2. 前記第１のアパーチャと前記第２のアパーチャとの間の前記所定距離が、前記表面上に生成されるパターンに対応する、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の流体及び前記第２の流体の少なくとも１つのための１つ又はそれ以上の容器をさらに備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の流体の流量及び圧力の少なくとも１つを制御するための第１の流量制御装置をさらに備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記第２の流体の流量及び圧力の少なくとも１つを制御するための第２の流量制御装置をさらに備える、請求項１に記載の装置。
6. 前記第１の流体の流量及び圧力のうちの少なくとも１つ並びに前記第２の流体の流量及び圧力の少なくとも１つが、該第１の流体が前記第２のアパーチャに向けて引き込まれるように構成された、請求項１に記載の装置。
7. 前記第２の流体から前記第１の流体を再生するためのフィルタをさらに備える、請求項１に記載の装置。
8. 前記第１の導管、前記第２の導管、前記第３の導管、前記第４の導管、前記第５の導管及び前記第６の導管がアプリケータ頭部に配置された、請求項１に記載の装置。
9. 前記アプリケータ頭部を前記表面に対して移動させるための駆動装置をさらに備える、請求項８に記載の装置。
10. 前記第１のアパーチャ及び前記第２のアパーチャが、前記表面から同じ距離を置いて配置された、請求項１に記載の装置。
11. 前記第１のアパーチャ及び前記第２のアパーチャと、前記表面との間の距離を定めるための距離要素をさらに備える、請求項１に記載の装置。
12. 前記第１のアパーチャ及び前記第２のアパーチャと、及び前記表面との間の距離をほぼ一定に保持するように、該表面と接触した距離要素をさらに備える、請求項１に記載の装置。
13. 流体を表面に接触させる装置のアレイであって、
    前記流体を表面に接触させる装置が、
    第１の流体の流れを前記表面に向かう方向に指向させるための第１のアパーチャを有する第１の導管と、
    前記第１のアパーチャから所定距離だけ離れて配置され、実質的に前記第１の流体からなる第２の流体の流れを前記表面から遠ざけるように指向させることにより、前記第１のアパーチャとの間で流路を形成するための第２のアパーチャを有する第２の導管と、
    前記第１のアパーチャと前記第２のアパーチャとの間の前記流路の一方の側部に配置され、第３の流体を吐出する第３のアパーチャを有する第３の導管と、
    前記第１のアパーチャと前記第２のアパーチャとの間の前記流路の他方の側部に配置され、前記第３の流体を吐出する第４のアパーチャを有する第４の導管と、
    前記第２のアパーチャから遠い側の前記第１のアパーチャの側部に隣接して配置され、前記第３の流体を吐出する第５のアパーチャを有する第５の導管と、
    前記第１のアパーチャから遠い側の前記第２のアパーチャの側部に隣接して配置され、前記第３の流体を吐出する第６のアパーチャを有する第６の導管とを備え、
    前記第３のアパーチャ、前記第４のアパーチャ、前記第５のアパーチャ及び前記第６アパーチャから吐出される前記第３の流体により、前記第１のアパーチャと前記第２のアパーチャとの間の前記流路を成形する、流体を表面に接触させることを特徴とする、流体を表面に接触させる装置のアレイ。
14. 第１の流体を表面に接触させる方法であって、前記方法が、
    前記第１の流体の流れを前記表面に向かう方向に指向させるための第１のアパーチャを有する第１の導管と、前記第１のアパーチャから所定距離だけ離れて配置され、実質的に前記第１の流体からなる第２の流体の流れを前記表面から遠ざけるように指向させることにより、前記第１のアパーチャとの間で流路を形成するための第２のアパーチャを有する第２の導管と、前記第１のアパーチャと前記第２のアパーチャとの間の前記流路の一方の側部に配置され、第３の流体を吐出する第３のアパーチャを有する第３の導管と、前記第１のアパーチャと前記第２のアパーチャとの間の前記流路の他方の側部に配置され、前記第３の流体を吐出する第４のアパーチャを有する第４の導管と、前記第２のアパーチャから遠い側の前記第１のアパーチャの側部に隣接して配置され、前記第３の流体を吐出する第５のアパーチャを有する第５の導管と、前記第１のアパーチャから遠い側の前記第２のアパーチャの側部に隣接して配置され、前記第３の流体を吐出する第６のアパーチャを有する第６の導管とを備え、前記第３のアパーチャ、前記第４のアパーチャ、前記第５のアパーチャ及び前記第６アパーチャから吐出される前記第３の流体により、前記第１のアパーチャと前記第２のアパーチャとの間の前記流路を成形する、流体を表面に接触させる装置を前記表面の上に位置決めする段階と、
    前記装置により前記第１の流体を前記表面に接触させる段階を含むことを特徴とする方法。
15. 前記装置を前記表面から後退させる段階をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記接触させる段階が、前記第１の流体の前記流れを変える段階をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
17. 前記第１の流体が前記表面に接触した状態で、前記装置を前記表面に対して移動させる段階をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
18. 前記移動段階が、前記装置が前記表面に対して移動される時に生成される前記第１の流体の軌跡が分離したままであるように、前記装置を前記表面に対して配向する段階をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記移動段階が、前記装置が前記表面に対して移動された時に生成される前記第１の流体の軌跡が重なり合うように、前記装置を前記表面に対して配向する段階をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
20. 第１の流体を表面に接触させる方法であって、前記方法が、
    前記第１の流体の流れを前記表面に向かう方向に指向させるための第１のアパーチャを有する第１の導管と、前記第１のアパーチャから所定距離だけ離れて配置され、実質的に前記第１の流体からなる第２の流体の流れを前記表面から遠ざけるように指向させることにより、前記第１のアパーチャとの間で流路を形成するための第２のアパーチャを有する第２の導管と、前記第１のアパーチャと前記第２のアパーチャとの間の前記流路の一方の側部に配置され、第３の流体を吐出する第３のアパーチャを有する第３の導管と、前記第１のアパーチャと前記第２のアパーチャとの間の前記流路の他方の側部に配置され、前記第３の流体を吐出する第４のアパーチャを有する第４の導管と、前記第２のアパーチャから遠い側の前記第１のアパーチャの側部に隣接して配置され、前記第３の流体を吐出する第５のアパーチャを有する第５の導管と、前記第１のアパーチャから遠い側の前記第２のアパーチャの側部に隣接して配置され、前記第３の流体を吐出する第６のアパーチャを有する第６の導管とを備え、前記第３のアパーチャ、前記第４のアパーチャ、前記第５のアパーチャ及び前記第６アパーチャから吐出される前記第３の流体により、前記第１のアパーチャと前記第２のアパーチャとの間の前記流路を成形する、流体を表面に接触させる装置が複数個一体化されたアレイを前記表面の上に位置決めする段階と、
    前記アレイの前記装置により前記第１の流体を前記表面に接触させる段階を含むことを特徴とする方法。
21. 前記接触させる段階が、前記装置のアレイの少なくとも１つの装置において、前記第１の流体の流れを変える段階をさらに含む、請求項２０に記載の方法。

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