JP7449233B2 - 差動湿潤を用いた液滴の動きの方向付け - Google Patents
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Description
I.導入
I.A.エレクトロウェッティングのための液体上への液体のエレクトロウェッティング(LLEW)
I.B.液滴操作を行うための誘電体上へのエレクトロウェッティング(EWOD)
II.エレクトロウェッティングアレイの製造方法
II.A.エレクトロウェッティング用の基板
II.B.電極アレイ上への滑らかな誘電体表面の作成
II.B.1.フォトレジスト/エポキシ/埋め込み用化合物による平滑化
(a)滑らかなフォトレジスト/エポキシ樹脂/埋め込み用化合物上への誘電体の作成
(i)誘電体として薄膜コーティングを堆積
(ii)ポリマーフィルムを結合して最上部に誘電体を形成
II.B.2.過剰量のフォトレジストを用いた研磨による滑らかな誘電体表面の形成
II.B.3.滑らかな誘電体表面としてのポリマー膜
II.C.最終生成物として滑りやすい表面を作成
II.C.1.固体誘電体を修飾して疎水性を達成
(a)表面化学修飾(機能化)
(b)表面トポグラフィー修飾
(i)マイクロピラーの作成
(ii)ミクロスフェア
II.D.滑りやすい液体コーティング、および液体上への液体のエレクトロウェッティング(LLEW)
II.D.1.LLEWの薄膜液体層上の液滴
II.D.2.LLEWに対してテクスチャ加工を施した固体を作成
II.D.3.テクスチャ加工を施した固体に潤滑油を塗布
III.液体上への液体のエレクトロウェッティング(LLEW)の固有特性
III.A.低作動電圧
III.B.LLEWデバイス表面の洗浄による清掃
IV.エレクトロウェッティングの適用
IV.A.任意の大型オープンフェース
IV.B.液滴の動き、統合、分割
IV.C.ラブ・イン・ボックス(Lab in a box)(デスクトップ型デジタルウェットラブ)
IV.D.処理ステーション
IV.D.1.混合ステーション
IV.D.2.インキュベーションステーション
IV.D.3.磁気ビーズステーション
IV.D.4.核酸送達ステーション
IV.D.5.光学検査ステーション
IV.D.6.音響液体ハンドラー、またはマイクロダイアフラムベースのポンプディスペンサーを介したロード/アンロード
V.代替的な実施形態
V.A.開放表面上にあり(単一プレート構成)、2つのプレート間に挟まれた(二重プレート構成)液滴
V.B.オプトエレクトロウェッティングとフォトエレクトロウェッティング
V.C.オプトエレクトロウェッティング
V.D.フォトエレクトロウェッティング
V.E.ソフトウェアとハードウェア
V.F.他の代替案
図1を参照すると、エレクトロウェッティングデバイスが、個々の水滴(または他の水溶液、極性溶液、導電性溶液)を所々に動かすために使用されている。水が持つ表面張力と湿潤特性は、エレクトロウェッティング効果を用いて電界強度により改質することができる。エレクトロウェッティング効果は、固体と電解質との間の印加電圧差による、固体と電解質との接触角の変化から生じる。液滴の幅にわたって変動する湿潤表面張力の差異、および対応する接触角変化により、可動部分や物理的接触を必要とすることなく、液滴を動かす推進力を生じさせることができる。エレクトロウェッティングデバイス(100)は、電極(120)の格子を備えており、そこでは適切な電気的かつ表面優先度を持つ誘電体層(130)が電極(120)に重なっており、すべて固定絶縁基板(140)上に存在している。
図2Aと2Bを参照すると、「液体上への液体のエレクトロウェッティング」(LLEW)と呼ばれるエレクトロウェッティング機構が、液体-液体-気体界面(200)に生じるエレクトロウェッティング現象を利用している。水滴(110)が低表面エネルギー液体(210)(油などの)の層の表面上に載り、かつ空気(蒸気などの気体)に実質的に囲まれると、接触線(200)に液体-液体-気体界面が作り出される。油(210)は固形基板のテクスチャ加工面(220)によって固形基板の適所に安定させられ、金属電極(120)の導電層をこの固体の本体に埋め込むことができる。図2Bを参照すると、電位が液滴(110)の全長にわたって印加されたとき、液体-液体-気体界面(200)により液滴(110)は、油(210)を湿らせて、表面全体に広がりながらも、依然として油(210)の上に存在している。
図5Aと5Bを参照すると、誘電体へのエレクトロウェッティング(EWOD)は、液滴と導電性電極(120)との間の誘電体フィルム(530)上の電場を介して、水溶液、極性溶液、または導電性溶液の湿潤性が調節される場合がある現象である。電極(120)から電荷を付加、または控除すると、絶縁誘電体層(530)の湿潤性が変化し、この湿潤性の変化により、液滴(110)の接触角(540)に対する変化が反映される。接触角が変化すると、液滴(110)は形状を変化させ、移動し、より小さな液滴へと分割するか、または別の液滴と統合する場合がある。方程式2により表されるように、接触角(540)は印加電圧に応じて変動する。
γSL=γSG+γLG cos(θe)(方程式1)
式中、γSLは固形-液体表面張力であり、γLGは液体-空気表面張力であり、γSGは固体-気体表面張力であり、θeは平衡条件下の接触角である。
cos(θu)=cos(θ0)+1/γLG *1/2*C*U2(方程式2)
式中、θ0は電場がゼロ(すなわち電圧が印加されない)のときの接触角であり、θuは電圧Uが印加されたときの接触角であり、cは電極と液滴との間の1つの単位面積当たりの静電容量である。
生物学的液体の移動および混合のために使用される、エレクトロウェッティングデバイスは、絶縁基板上の電極のアレイ(120)、誘電体の薄層(130)、および、必要ならば、最終的な滑りやすいコーティング、から成る場合がある。時に、誘電体層はそれ自身、付加的化学薬品または表面トポグラフィーの修飾によって、または、それらによらずに、十分に疎水性で且つ滑りやすい挙動を提供する場合がある。
エレクトロウェッティング微小流体デバイスは、電極アレイ(120)上に直接、滑りやすい表面(低表面エネルギーという意味で)を作成することにより、形成される場合がある。電極アレイは、液滴を作動させるために電気的に帯電する導電性プレート(120)から成る。アレイにおける電極は、任意のレイアウト、例えば長方形のグリッド、または離散的な経路の集合、に配置される場合がある。電極自体は、導電性金属(例えば金、銀、銅、ニッケル、アルミニウム、プラチナ、チタン)、導電性酸化物(酸化インジウムスズ、アルミニウムドープ酸化亜鉛)、および半導体(例えば二酸化ケイ素)のあらゆる組合せで作られ得る。電極アレイをレイアウトするための基板はいかなる厚みおよび剛性のいかなる絶縁材料であってもよい。
電極アレイから液滴を電気的に分離するために、誘電体の層(130)が電極アレイ(120)の上面に施される場合がある。好ましくは、この誘電体層(130)の上面は、液滴の動きに対してほとんど或いはまったく抵抗を持たない上面を備えて形成される場合があり、結果として、液滴が弱い作動電圧(滑らかさ、滑りやすさ、および疎水性の程度に応じて、DC100V未満、80V未満、50V未満、40V未満、30V未満、20V未満、15V未満、10V未満、または8V未満)により動かされる場合がある。滑りやすい低抵抗の表面を得るために、誘電体表面は滑らかな表面トポグラフィーを有し、および疎水性であり、または、他の方法で、液滴の接着を少なくする場合がある。
1.比較的滑らかな表面を得るために、表面欠陥にパッチが当てられ、および次に誘電体材料でそれを覆う2工程の処理。欠陥にパッチを当てる工程は、典型的に、フォトレジスト、エポキシ、または埋め込み用化合物でなされる。誘電体の第2の層は同じ材料、またはポリマー膜であり得る。
2.第2の方法は、電極アレイの上に余分なフォトレジストまたはエポキシを堆積する工程と、次に、必要な厚みおよび表面の粗さまで余分な材料を磨く工程である。
3.第3の方法は、薄いポリマー膜を表面に伸し、および結合する工程である。
1.界面化学を修飾する工程
2.表面トポグラフィーを修飾する工程
3.滑りやすい液体コーティングを施す工程
ここで、我々は、また液体上への液体の(liquid-on-liquid)エレクトロウェッティング(LLEW)と呼ぶ新しいエレクトロウェッティング機構を導入する。
図7Aおよび7Bを参照すると、典型的なプロセスによって製造されたプリント基板(PCB)には:電極間の谷部(canyons)(ギャップ)、多層間の接続を確立するための孔(ビアとしても知られる)、貫通孔構成要素を接合するための孔、および他の製作誤差による欠陥があるため、表面が粗い。表面欠陥の典型的な寸法は、30μmから300μmの範囲にあり、1μm程度の小ささであり、および、製造プロセスに応じて異なる場合がある。
一旦、表面欠陥がフォトレジストまたは埋め込み用化合物またはエポキシ(804)を流すことによりパッチを当てられれば、電極アレイの最上面は多かれ少なかれ平坦化される。ほぼ平面の表面は、液滴が依然として電界によって影響を受け得る場所に広がることが電界によって可能となっている間に帯電した電極から液滴を分離するために、追加の誘電体コーティング(810)を必要とする金属電極(120)を有する場合がある。このコーティング(810)の厚みは、10nmから30μmの間のいずれの値であってもよい。誘電体層(810)は、次に記載されるような、様々なコーティング法を介した薄膜フィルムの様々な堆積によって、ポリマー膜を結合することによって、または他のいずれかの薄膜フィルムの堆積技術によって、薄膜フィルムとして形成される。
図8Bを参照すると、最上部の平坦化された表面(802)(露出した金属電極(120)および図8Aの最初の適用からのフォトレジスト(804))は、同じフォトレジスト(またはエポキシ、または埋込用化合物)材料の付加的な層、または、異なる誘電性の、結合の、および平滑化の特性を備えた異なる材料でコーティングされることで、液滴を電極から電気的に分離する誘電体層(810)を形成する場合がある。フォトレジストはスピンコーティング、スプレーコーティング、または浸漬コーティングによって施される場合がある。
図8Cを参照すると、電極から液滴を分離するために、最上部の平坦化された表面(802)(金属電極(120)およびフォトレジスト(804))は、ポリマー膜の付加的な層(816)で被覆されている場合がある。フィルム(816)は、しわを取り除き、さらに滑らかなものにするために、伸ばされる場合がある。ポリマー膜は、熱ボンディングによって、真空吸引によって、または静電気的にそれを吸いおろすことによって、または、単に機械保持によって、電極アレイ上に保持され得る。
図8Dを参照すると、滑らかな誘電体表面は、電極アレイをフォトレジストまたは他の硬化可能な誘電体材料(820)でコートし、および、次に、滑らかな表面(824)を得るように最上部表面を磨く(822)ことで、得られる場合がある。フォトレジスト/誘電体材料は、スピンコーティング、スプレーコーティング、蒸着または浸漬コーティングなどの技術を使用してコーティングされる場合がある。
図8Eを参照すると、場合によっては、薄いポリマー膜(830)(1μmから20μm)は、滑らかな誘電体表面を電極アレイの上に直接形成するために使用されてもよい。この場合、前処理は、谷部のうちのいくつかにフォトレジスト、エポキシ、または埋め込み用化合物でパッチを当てることは要求されず、これらの窪み(832)は空気で満たされたままである場合がある。代わりに、フィルムは、修飾前の電極表面に直接施される場合がある。これらの場合において、フィルムは、第1に、いかなるしわも取り除くために伸ばされ(834)、次に、電極の表面に接着される。表面自由エネルギーが低いポリマー膜がそのような用途のために使用されてもよい。PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、ETFE(エチレンテトラフルオロエチレン)、FEP(フッ素化エチレンプロピレン)、PFA(ペルフルオロアルコキシアルカン)、などの多くのフッ素化ポリマーは、エレクトロウェッティングに適している場合がある、他の、低表面エネルギーのフルオロポリマーである。ポリジメチルシロキサン(PDMS)は、エレクトロウェッティングのための誘電体として使用される場合がある、別の、低表面エネルギーの材料である。弱い接着力および優れたエレクトロウェッティング液滴の動きを目的として表面エネルギーをさらに低下させるために、これらの低表面エネルギーのポリマー膜は、時に疎水性材料の付加的な層を必要とする場合がある。ポリプロピレン、ポリイミド、マイラー(Mylar)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)などの、わずかに高い表面自由エネルギーのポリマーで作られたフィルムもまた、エレクトロウェッティングに適しているが、しかしながら、それらは、液滴の動きを促進するために、追加の疎水性材料コーティングまたは表面修飾を必要とする場合がある。
エレクトロウェッティング微小流体デバイスの表面は、液滴の上面への接着を減らし、または除去するために、さらに処置される場合がある。この付加的な処理は、低い作動電圧によって液滴がある場所から別の場所に繰り返し動かされることを可能にする場合がある。滑らかな誘電体表面を、液滴にとって滑りやすい、接着が少ない表面に変えるために、誘電体材料の表面は化学修飾または表面トポグラフィー修飾を介して疎水性表面に変えられる場合がある。あるいは、この滑りやすい表面は、潤滑液の薄層を滑らかな誘電体の上に、または電極アレイ上に直接作成することにより、作成される場合がある。疎水性コーティング材料は、3度またはそれ以上の角度で傾けられた表面上の1μlの液滴が、滑り去るようなものであり得る。以下のセクションで、これらの方法を詳細に記載する。
場合によっては、滑らかな誘電体表面は、エレクトロウェッティングによって生じさせられた液滴の動きを可能にするように十分に低い表面エネルギーを持たないこともあり得る。表面エネルギーをさらに低下させるために、誘電体表面は、化学的またはトポログラフィ的に修飾される場合がある。
図8Fを参照すると、表面エネルギーは、化学修飾によって、例えば、電極(120)および/または誘電体(130)を、フルオロカーボンがベースのポリマー(フルオロポリマー)などの疎水性または低表面エネルギーの材料(840)または他の疎水性の表面コーティングによってコーティングすることによって、下げられる場合がある。疎水性コーティングは、スピンコーティング、浸漬コーティング、スプレーコーティング、または化学蒸着、または他の方法によって、施される場合がある。
誘電体の表面における疎水性を引き起こすために、そのトポグラフィーは微視的なレベルで修飾される場合がある。そのような修飾は、マイクロピラー(micropillars)、またはミクロスフェアの堆積を作成するために、表面をパターン化することを含む場合がある。
図9Aを参照すると、マイクロピラー構造(910)は誘電体の層(130)のフィルム上に作成される場合がある。電極アレイの上の、この一番上の層は、疎水性表面として作用する。
図9Eを参照すると、滑りやすい、または接着が少ない表面を得るためのトポグラフィー修飾の代替的な方法は、粒径200nmから2μmのミクロスフェア(930)を堆積することによる。ミクロスフェアは表面を疎水性にするために密に詰められる場合がある。そのようなミクロスフェア粒子の好適な候補はシリカビーズである。表面を滑りやすくするために、これらのミクロスフェアは有機官能性アルコキシシラン分子によって被覆される場合がある。あるいは、フルオロカーボンベースのミクロスフェア(PTFE、ETFE)が堆積される、付加的なコーティングを必要としない場合がある。
II.D.1.LLEWの薄膜液体層上の液滴
LLEWにおいて、液滴は、潤滑性を与える、低表面エネルギーの油の薄膜フィルム上に乗る場合がある。油の薄膜フィルムは低表面エネルギーのテクスチャ加工された固体表面上に形成される場合がある。テクスチャ加工された固体と潤滑油は、潤滑油が固体を完全に湿らせるのに適し、および、優先的に液滴と相互作用しないままでいるように、選択され得る。一旦、テクスチャ加工された固体の本体が油で満たされれば、油の薄層は油で満たされた物体の真上に形成される。上部の油層のセルフレベリング性は、下地表面のトポグラフィーにおけるいかなる非均一性も隠し得る。従って、顕著な粗さ(何十マイクロメーターもの)を備えた電極アレイの表面は、潤滑油の薄膜フィルムによって、ほとんど分子レベルの滑らかな表面に変換され得る。
・ミクロン・スケールの、規則的に間隔を置かれた微視的なピラー構造を有する固体。
・規則的に間隔を置かれた空隙を備えた固体;空隙はいかなる任意形状であってよい。
・ファイバーのランダム行列。
・ミクロン・スケールの、不規則に間隔を置かれた微視的なピラー構造を有する固体。
・規則的に間隔を置かれた空隙を備えた固体;空隙はいかなる任意形状であってよい。
・多孔性テフロン、多孔性ポリカーボネート、多孔性ポリプロピレン、多孔性の紙、および多孔性の織物などの多孔質材料が、不規則な、または規則的なマイクロテクスチャを加工された固体として使用され得る。
LLEWにおいて、油で満たされた、テクスチャ加工された固体は、電極アレイと液滴との間の電気的な障壁として作用し、およびまた、液滴の動きに対して滑りやすい表面を提供する場合がある。テクスチャ加工された誘電体表面が電極アレイ上に作成され得る、多くの異なった方法がある。
・コンフォーマルコーティングまたは液体現像型(photoimageable)(LPI)ソルダマスク、またはドライフィルム現像型ソルダマスクを適合する工程
・レーザーで、または物理的なスタンピングによって、このコーティングの表面をエッチングする工程。
・直接、電極アレイ上に、ポリマー材料のメッシュを増殖させる工程。
・必要な構造を得るために一度に1つの分子を増殖させる工程。
テクスチャ加工された固体層は、スピンコーティング、スプレーイング、浸漬コーティング、ブラッシングによって、またはリザーバから分配することによって潤滑油で満たされる場合がある。
LLEWアレイには生物学的サンプルの操作にとって望ましい2つの固有特性がある。LLEWアレイにそのように滑らかな面があるため、エレクトロウェッティング作動電圧は著しく低減される場合がある。さらに、LLEWの表面の構造は、液滴が後に残すトレールを低減させること、また同様に掃除機構を改善すること、によって、標本間の相互汚染を減少させる。
LLEW電極アレイ上の油の表面のほとんど分子レベルの滑らかさは、液滴固定を減少させるか、または、排除する場合がある。油の表面に乗る水溶液である液滴は、表面からの抵抗をほとんど或いはまったく受けず、従って、進行角と後退角の間の小さな差が生じる。これらの2つの現象の排除は結果として低い作動電圧をもたらす場合がある。液滴は1V程度の低い電圧で始動する場合がある。
LLEWデバイスがほこりなどの固形微粒子で汚染される時、掃除ルーチンの一部として、液体フィルム表面から汚染物質を取り除くために、液滴は汚染物質の上で操られる場合がある。この掃除ルーチンはエレクトロウェッティングデバイスの全表面を清潔にするためにさらに拡張され得る。例えば、掃除ルーチンは相互汚染を減少するために、LLEWの微小流体チップ上の2つの生物学的実験の合間に使用されてもよい。場合によっては、液滴が長時間ひとつの場所にとどまる時、少数の分子が液滴から下の油に拡散する場合がある。液滴によって、拡散を通じて後に残されたいかなる残留物も、同様の洗浄ルーチンで掃除され得る。
IV.A.任意の大型オープンフェース
液滴は、電極アレイとカバープレート(中性ガラス、または上層電極アレイ、または単純に、唯の大きな外側電極)の間にそれらをはさまずに、開放表面上で操作されてもよい。時に、液滴より上のカバープレートは、液滴と物理的に接触しないように使用されてもよい。
液滴は、エレクトロウェッティングデバイスの開放表面上で、動かされ、統合され、および/または分割される場合がある。同じ原理は2つのプレート構成(間にはさまれた液滴)に当てはまる。
ここまでに記載された製造法のいかなる組合せも、このセクションにおいて述べられる応用に使用され得る。
エレクトロウェッティングチップ(ラブ・イン・ボックスのエンクロージャの有無に関わらず)は、各種機能のための1つ以上のステーションを含む場合がある。
図11Bを参照すると、エレクトロウェッティングデバイスは1つ以上の混合ステーション(1120)を組込む場合がある。左側においては、並列で作動する場合がある、エレクトロウェッティング・ベースの混合ステーションの2×2集合がある。単一のミキサー(1120)には駆動電極の3×3グリッドがある。混合ステーション(1120)は各々生物学的サンプル、化学試薬、および液体を混合するために使用されてもよい。例えば、2つの試薬の液滴は混合ステーションに一緒に運ばれ、次に、統合された液滴を、3×3グリッドの外側の8つの電極を周るように動かすことにより、または、2つのもとの液滴を混合するように設計された他のパターンを通して動かすことにより、混合される場合がある。各ミキサー間の中心から中心の距離は、標準96ウェルプレートの間隔と同等に、9mmであってよい。
図11Cを参照すると、エレクトロウェッティングチップは1つ以上のインキュベーションステーション(1128)を含む場合がある。個別のインキュベーター(1128)は各々、混合、加熱(例えば150℃に及ぶ温度に)、冷却(例えば-20℃に)などの、液体サンプルに適用される1つ以上の機能を統合する場合があり、蒸発による流動性の欠損を補うとともに、サンプルの温度を均質化する。加熱または冷却は、基板における熱電対または蒸発熱交換器によって遂行される場合がある。場合によって、個別化された発熱要素は、各要素の熱伝達出力およびステーション間の熱伝導レベルに応じて、各ステーションが個別の温度(例えば、-20℃、25℃、37℃、95℃)に制御されることを可能にする場合がある。
図11Dを参照すると、磁気ビーズ洗浄ステーション(1134)は、核酸、タンパク質、細胞、緩衝剤、磁気ビーズ、洗浄緩衝剤、溶離緩衝剤、および他の液体(1136)を備えたサンプルを電極グリッド上に含む場合がある。ステーションは、連続する順序で、核酸単離、細胞単離、タンパク質単離、ペプチド精製、バイオポリマーの単離または精製、免疫沈降、インヴィトロの診断、エキソソーム単離、細胞活性化、細胞伸長、および/または特定の生体分子の単離を実行するために、サンプルと試薬を混合し、加熱または他の処理を適用するように構成される場合がある。液体の混合および加熱に加えて、磁気ビーズステーションは各々、強い、および変化する磁場を局所的に発生および停止する能力を有する場合があり、これにより、例えば、磁気ビーズがエレクトロウェッティングチップの底に動く。磁気ビーズステーションは各々、エレクトロウェッティングの力、または他の力によって、過剰な上澄み液および洗液を取り除く能力も有している場合がある。
図11Eを参照すると、エレクトロウェッティングチップは1つ以上の核酸送達ステーション(1140)を含む場合がある。個別の並列核酸送達ステーションは各々、様々な挿入方法によって細胞の中へ遺伝子材料(1142)、その他の核酸および生物製剤を挿入するように設計される場合がある。この挿入は、強磁界の適用、強電界の適用、超音波の適用、レーザー光線の適用、または他の技術により実行される場合がある。1つ以上の核酸送達ステーションがエレクトロウェッティングデバイス上のシングルトンとして構成される場合があり、または、複数の核酸送達ステーションが並列で作動するために供給される場合がある。
図11Fおよび11Gを参照すると、光学的な検知およびアッセイ方法を使用する1つ以上の光学検査ステーション(1150)が、エレクトロウェッティングデバイス(100)上に提供される場合がある。光源(1152)(広域スペクトル、単一周波数、または他の、照明)は、光を調節するために光学系(1154)(フィルタ、回折格子、鏡、など)を通して経由され、および、次に、エレクトロウェッティングデバイス上に位置するサンプル(1156)を照らす場合がある。エレクトロウェッティングデバイスの反対側の光学的検知器は、分析のためにサンプルを通り抜ける光のスペクトルを検知するように構成される。光学検査は、核酸濃度の測定、核酸の質の測定、細胞密度の測定、2つの液体間の混合度合いの測定、サンプル体積の測定、サンプルの蛍光度の測定、サンプルの吸収度の測定、タンパク質定量化、比色定量のアッセイ、および他の生物学的アッセイのために使用される場合がある。
図11Iおよび11Jを参照すると、エレクトロウェッティングデバイスは、ソースウェル、プレート、またはリザーバから、エレクトロウェッティングチップ(100)に、生物学的試料、化学試薬、および液体を乗せるために1つ以上のステーション(1160)を含む場合がある。
V.A.開放表面上にあり(単一プレート構成)、2つのプレート間に挟まれた(二重プレート構成)液滴
図12Aを参照すると、エレクトロウェッティング液滴操作のために、液滴は開放表面(単一のプレート)(1200)、(100)の上に配置されるか、または、2枚のプレート(二重プレート)(100)(1202)、(1210)の間にはさまれる場合がある。二重プレート構成(1202)において、液滴は、典型的には100μm~500μmずつに区切られて、2枚のプレート(100)、(1210)の間にはさまれ得る。2枚プレート構成は、片側に作動電圧を供給するための電極(120)を有し、同時に、反対側(1210)には基準電極(典型的に共通接地信号)を供給する。2枚プレート構成における基準電極への液滴の一定の接触によって、液滴に対する電場からの力がより強くなり、および従って液滴に対するロバスト制御がもたらされる。2枚プレート構成(1210)の液滴は、より低い作動電圧で分離され得る。単一プレート構成(1200)において、駆動電極と基準電極は同じ側にある。
図12Bおよび12Cを参照すると、アレイ電極に電位を直接印加することはエレクトロウェッティングを使用して、液滴を作動させる1つの方法である;しかしながら、この従来のエレクトロウェッティング機構と異なる代替のエレクトロウェッティング機構がある。両方とも液滴を作動させるために光を使用する、それら2つの注目すべき機構は、以下に記載される--オプトエレクトロウェッティングおよびフォトエレクトロウェッティング。上に記載された、エレクトロウェッティングアレイを製造し、滑らかな表面および滑りやすい表面を作成するための一般的な原理は、先に記載された従来のエレクトロウェッティングに適用可能であるだけでなく、オプトエレクトロウェッティングおよびフォトエレクトロウェッティング、およびエレクトロウェッティングの他の形態にも、適用可能である。
図12Bを参照すると、オプトエレクトロウェッティング機構(1230)は、交流電源(1234)が取り付けられた従来のエレクトロウェッティング回路(左側の(100))の真下にある光伝導体(1232)を使用する場合がある。正常(暗い)条件の下では、システムのインピーダンスの大多数は光伝導性の領域(1232)(それが非伝導性であるので)にあり、および、従って、電圧降下の大多数がここで生じる。しかし、光(1236)がシステム上に照らされる時、キャリア生成と再結合は光伝導体(1232)の導電率にスパイクを生じさせ、および、光伝導体(1232)にわたる電圧降下は低減される。その結果、絶縁層(130)にわたって電圧に応じて電圧降下が生じ、(1238)に対する(540)の接触角を変化させる。
通常のエレクトロウェッティングは誘電体をコーティングされた導体(液体(110)/絶縁体(130)/導体(120)のスタック)上に位置する液滴において観察されるが、フォトエレクトロウェッティングは、導体(120)を半導体(1252)に取り替える(液体/絶縁体/半導体のスタック)ことにより観察される場合がある。
本明細書に記載された様々な処理は、適切にプログラムされた汎用コンピューター、専用のコンピューターおよびコンピューティングデバイスによって実行される場合がある。一般的に、プロセッサ(例えば1個以上のマイクロプロセッサー、1つ以上のマイクロコントローラ、1つ以上のデジタル信号プロセッサ)は、命令(例えばメモリー、または同様のデバイスからの)を受けて、それらの命令を実行し、それによって、それらの命令によって定義された1つ以上の処理を実行する。命令は1つ以上のコンピュータープログラムで、1つ以上のスクリプト、または他の形態で具体的に表現される場合がある。処理は、1個以上のマイクロプロセッサー、中央処理装置(CPU)、コンピューティングデバイス、マイクロコントローラ、デジタルシグナルプロセッサー、または同様のデバイスにおいて、またはそれらの任意の組合せにおいて実行され得る。処理を実行するプログラム、および作動のデータは、様々な媒体を使用して、保存され、送信される場合がある。場合によっては、処理を実行することができるソフトウェア命令のうちの幾つかもしくは全ての代わりに、またはそれらと組み合わせて、ハードワイヤードの回路、またはカスタム・ハードウェアが使用されてもよい。記載されたもの以外のアルゴリズムが使用されてもよい。
読者の便宜のために、上の記載は、全ての可能な実施形態のうち、本発明の原理を教示し、その実施について意図される最良の形態について伝える、代表的なサンプルに焦点を当てている。この出願およびその関連するファイル履歴の全体にわたって、用語「発明」が使用される時、それは記載された思想および原理の全集合を指し;対照的に、保護された排他的な知的財産権の形式的な定義は、排他的な制御を行う特許請求の範囲に明示される。記載は、すべての可能な変形を徹底的に列挙することを試みていない。他の記載されていない変形または改良が可能である。複数の代替実施形態が記載されるとき、多くの場合において、異なる実施形態の要素を組み合わせるか、またはここで記載された実施形態の要素を明確に記載されない他の改良または変形と組み合わせることが可能である。他の方法で明らかに明記されないかぎり、項目の列記は、項目のいずれかまたは全てが相互排他的であること、および、項目のいずれかまたは全ては任意のカテゴリーについて包括的であることを示唆しない。多くの場合において、1つの特徴または特徴の群は、記載された機器または方法の全体から別れて使用されてもよい。そのような記載されていない変形および改良の多くは、以下の特許請求の正確な範囲内にあり、および他も同等である。
Claims (40)
- サンプルを処理するためのシステムであって、該システムは、
(a)アレイであって、
(i)複数の電極、
(ii)前記複数の電極のうち隣接する電極間のギャップを満たすギャップ充填材、
(iii)前記複数の電極および前記隣接する電極間のギャップを満たす前記ギャップ充填材の上に配置された誘電体であって、前記ギャップ充填材は液状ポリマーを含む、誘電体、ならびに
(iv)前記誘電体の上に配置された液体層を含み、
前記液体層は、前記液体層の表面上に液滴を支持するように構成され、前記液滴は、前記サンプルを含み、前記液体層は、前記誘電体に対する湿潤親和性特性を有している液体を含み、前記液体は、前記液滴と混ざらず、前記複数の電極は、前記液体層の前記表面に沿って前記液滴を動かすために、電場を供給するように構成される、アレイと、
(b)制御装置であって、前記複数の電極と作動可能に結合され、前記制御装置は、前記複数の電極のうち少なくとも一部に対して、前記液体層の前記表面の湿潤特性を改質するために前記電場を供給するように指示するように構成され、それによって、前記液体層の前記表面に沿って前記液滴を動かす、制御装置と、
を備えているシステム。 - 前記電場は、前記複数の電極のうち一部の電極間に存在している、請求項1に記載のシステム。
- 前記液体層は、疎水性であり、前記液体層の上側面は、前記液滴に対して滑りやすい液体-液体面を形成する、請求項1または2のいずれかに記載のシステム。
- 前記液体層を形成するために液体を保持するようにテクスチャ加工されている、固体面をさらに備えている、請求項1から3のいずれか1つに記載のシステム。
- 前記液体層の前記液体は、油である、請求項4に記載のシステム。
- 前記複数の電極は、10μm未満の厚さを有している、請求項1に記載のシステム。
- 前記液体層の前記表面は、1つ以上の経路を含み、前記1つ以上の経路のうち1つの経路は、前記液滴の動きのための1つ以上の軌道を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記液体層は疎水性である、請求項1に記載のシステム。
- 前記システムは、電極やプレートが重ならない、または対面していない、開いた状態である、請求項1または8に記載のシステム。
- 前記複数の電極は、プリント基板技術を用いて基板に印刷される、請求項1または8に記載のシステム。
- 前記複数の電極は、薄膜トランジスター(TFT)技術を用いて製造される、請求項1または8に記載のシステム。
- 前記複数の電極は、アクティブマトリクスまたはパッシブマトリクスバックプレーン技術を用いて基板に製造される、請求項1または8に記載のシステム。
- 前記液体層の前記表面は、追加のサンプルまたは化学サンプルを含む、追加の液滴を支持するように構成されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記液体層は、前記液滴の量が5μlである場合に3度以下の摺動角を有している、請求項1から13のいずれか1つに記載のシステム。
- 前記システムは、前記制御装置と作動可能に結合された光源をさらに備え、前記制御装置は、前記光源に対して、前記アレイに光を適用するように指示することによって、前記液体層の前記表面の前記湿潤特性を改質するように構成されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記液滴を前記表面に分配する、または前記表面から取り除くように構成された、1つ以上のディスペンサーをさらに備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記誘電体は、2μm以下の滑らかさを有している、請求項1から16のいずれか1つに記載のシステム。
- 前記複数の電極は、同一平面上にある、請求項1に記載のシステム。
- 前記複数の電極は、同一平面上にない、請求項1に記載のシステム。
- 前記アレイは、1つ以上のステーションをさらに含み、前記1つ以上のステーションは、混合ステーション、インキュベーター、磁気ビーズステーション、音響ステーション、核酸送達ステーション、光学検査ステーション、および液滴注入器から成る群から選択される、請求項1に記載のシステム。
- 前記誘電体は、少なくとも500ナノメートル、または最大15μmの厚さを有している、請求項1に記載のシステム。
- 分配、混合、加熱、冷却、磁場の印加、電場の印加、試薬の添加、光学検査またはアッセイ、およびタンパク質、ペプチド、または生体高分子の単離や精製から成る群のうち1つ以上を実行する1つ以上のステーションをさらに備えている、請求項1から21のいずれか1つに記載のシステム。
- 分配、混合、加熱、冷却、磁場の印加、電場の印加、試薬の添加、光学検査またはアッセイ、およびタンパク質、ペプチド、または生体高分子の単離や精製から成る群のうち2つ以上を目的とする1つ以上のステーションを備えている、請求項1から22のいずれか1つに記載のシステム。
- 液滴を前記システムへ導入するように構成された音響トランスデューサーをさらに備えている、請求項1から23のいずれか1つに記載のシステム。
- 液滴を前記システムへ導入するように構成されたマイクロダイヤフラムポンプをさらに備えている、請求項1から24のいずれか1つに記載のシステム。
- 液滴を前記液体層の前記表面に導入するように構成された1つ以上のインクジェットノズルをさらに備えている、請求項1から25のいずれか1つに記載のシステム。
- 液滴を前記液体層の前記表面に導入するように構成された1つ以上のシリンジポンプをさらに備えている、請求項1から26のいずれか1つに記載のシステム。
- 液滴を前記液体層の前記表面に導入するように構成された1つ以上のキャピラリーチューブをさらに備えている、請求項1から27のいずれか1つに記載のシステム。
- 液滴を前記液体層の前記表面に導入するように構成された1つ以上のピペットデバイスをさらに備えている、請求項1から28のいずれか1つに記載のシステム。
- 前記表面は、液滴または反応物を導入するように設計された1つ以上の穴を有している、請求項1から29のいずれか1つに記載のシステム。
- サンプルを処理するための方法であって、該方法は、
(a)(i)複数の電極、
(ii)前記複数の電極のうち隣接する電極間のギャップを満たすギャップ充填材、
(iii)前記複数の電極および前記隣接する電極間のギャップを満たす前記ギャップ充填材の上に配置された誘電体であって、前記ギャップ充填材は液状ポリマーを含む、誘電体、ならびに
(iv)前記誘電体の上に配置された液体層を含む、アレイを提供する工程であって、前記液体層は、前記液体層の表面上に液滴を支持するように構成され、前記液滴は、前記サンプルを含み、前記液体層は、前記誘電体に対する湿潤親和性特性を有している液体を含み、前記液体は、前記液滴と混ざらない、工程と、
(b)前記誘電体の上に配置された前記液体層の前記表面上に、前記サンプルを含む前記液滴を導入する工程と、
(c)前記複数の電極のうち少なくとも一部に対して、前記液体層の前記表面の湿潤特性を改質するために電場を供給するように指示する工程であって、それによって、前記液体層の前記表面に沿って前記液滴を動かす、工程と、
を含む、方法。 - 前記湿潤特性を改質することは、前記複数の電極のうち1つ以上の電極の充放電を順に制御することを含む、請求項31に記載の方法。
- 前記液体層は疎水性であり、
前記液体層は、固体のテクスチャ表面上に形成され、液体を保持するように設計され、前記液体層の上側面は、前記液滴に対して滑りやすい液体-液体面を形成する、請求項31または32に記載の方法。 - 前記湿潤特性を改質することは、前記アレイに光を適用することを含む、請求項31に記載の方法。
- 工程(b)中に、またはそれに続いて、前記サンプルを操作するために、前記液滴に加熱、冷却、磁場、光、音響エネルギー、または混合を施す工程をさらに含む、請求項31に記載の方法。
- 前記サンプルは核酸またはタンパク質を含み、工程(c)に続いて、前記核酸またはタンパク質は、前記液滴内で処理される、請求項31に記載の方法。
- 前記液体層は、前記液滴上に電極やプレートが重ならない、または対面していない、請求項31に記載の方法。
- 前記複数の電極は、プリント基板技術を用いて基板に印刷される、請求項31に記載の方法。
- 前記誘電体は、2μm以下の滑らかさを有している、請求項31、33または37のいずれか1つに記載の方法。
- 工程(b)中に、またはそれに続いて、前記表面の上に、1つ以上の追加のサンプルを含む追加の液滴を導入すること、および
前記液滴と前記追加の液滴を統合すること
をさらに含む、請求項31に記載の方法。
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