▶ ニコヤ ライフサイエンシーズ インコーポレイテッドの特許一覧
特表2023-514027デジタルマイクロ流体（ＤＭＦ）システム、ＤＭＦカートリッジ、および集積型光ファイバーセンシングを含む方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-04-05
(54)【発明の名称】デジタルマイクロ流体（ＤＭＦ）システム、ＤＭＦカートリッジ、および集積型光ファイバーセンシングを含む方法
(51)【国際特許分類】
G01N 35/08 20060101AFI20230329BHJP
G01N 37/00 20060101ALI20230329BHJP
【ＦＩ】
G01N35/08 B
G01N35/08 D
G01N37/00 101
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022540571
(86)(22)【出願日】2021-01-20
(85)【翻訳文提出日】2022-08-19
(86)【国際出願番号】 CA2021050059
(87)【国際公開番号】W WO2021146804
(87)【国際公開日】2021-07-29
(31)【優先権主張番号】62/964,424
(32)【優先日】2020-01-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＴＷＥＥＮ
(71)【出願人】
【識別番号】521093303
【氏名又は名称】ニコヤ ライフサイエンシーズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＮＩＣＯＹＡ ＬＩＦＥＳＣＩＥＮＣＥＳ， ＩＮＣ．
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100225060
【弁理士】
【氏名又は名称】屋代 直樹
(72)【発明者】
【氏名】クリシュナ アイヤー
(72)【発明者】
【氏名】ゴードン ホール
(72)【発明者】
【氏名】チャンピカ サマラセケラ
(72)【発明者】
【氏名】ライアン デノーム
【テーマコード（参考）】
2G058
【Ｆターム（参考）】
2G058DA02
2G058DA07
2G058GA01
(57)【要約】
流体の測定を実施するための器機と共に使用するためのカートリッジであって、このカートリッジは、液滴操作ギャップ内の液体液滴に対して液滴操作を実施するように動作する複数のエレクトロウェッティング電極を備えるデジタルマイクロ流体基板と、液滴操作ギャップを形成するためにデジタルマイクロ流体基板から分離され、また液滴操作ギャップ内に液体を注入するための開口部を備えるトッププレートと、液滴操作ギャップ内に突入し、かつ、１つ以上のエレクトロウェッティング電極に近接して配置されたセンシング端部を有する光ファイバープローブを含むファイバーアセンブリと、を備える。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
器機と共に使用するためのカートリッジであって、液滴操作ギャップ内の液体液滴に対して液滴操作を実施するように動作する複数のエレクトロウェッティング電極を有するデジタルマイクロ流体と、及び
２つ以上の前記エレクトロウェッティング電極のセットに近接した前記液滴操作ギャップに突入する光ファイバープローブであり、２つ以上の該電極のセットのうち任意な電極の上に位置する液滴が該光ファイバープローブに接触することができる、光ファイバープローブと、
を備える、カートリッジ。
【請求項2】
器機と共に使用するためのカートリッジであって、液滴操作ギャップ内の液体液滴に対して液滴操作を実施するように動作する複数のエレクトロウェッティング電極を有するデジタルマイクロ流体基板と、
液滴操作ギャップを形成するために該デジタルマイクロ流体基板から分離され、また該液滴操作ギャップ内に液体を注入するための開口部を有するトッププレートと、
前記液滴操作ギャップ内に突入し、また１つ以上の前記エレクトロウェッティング電極に近接して配置されたセンシング端部がある光ファイバープローブを有するファイバーアセンブリと、
を備える、カートリッジ。
【請求項3】
請求項１または２に記載のカートリッジにおいて、前記液滴操作ギャップに突入する光ファイバープローブは、２つ以上の前記エレクトロウェッティング電極のセットに近接して配置され、２つ以上の該電極のセットのうち任意な電極の上に位置する液滴が該光ファイバープローブに接触することができる、カートリッジ。
【請求項4】
請求項１～３のいずれか一項に記載のカートリッジにおいて、前記プローブはリガンドを含む、カートリッジ。
【請求項5】
請求項１～４のいずれか一項に記載のカートリッジにおいて、さらに、前記光ファイバープローブへの接触を前記エレクトロウェッティング電極によって制御可能である液滴を備える、カートリッジ。
【請求項6】
請求項１～５のいずれか一項に記載のカートリッジにおいて、さらに、前記ギャップを充填する低粘度オイルを備える、カートリッジ。
【請求項7】
請求項１～６のいずれか一項に記載のカートリッジにおいて、前記トッププレートは、２つ以上の溝または開口部を備え、それぞれがファイバーアセンブリからの光ファイバープローブを整列させる、カートリッジ。
【請求項8】
請求項１～７のいずれか一項に記載のカートリッジにおいて、前記センシング端部はナノ粒子センサー表面を含む、カートリッジ。
【請求項9】
アッセイを実行する方法であって、リガンドを含む光ファイバープローブを準備するステップと、
体積が約１０００ｎＬ未満であり、また前記リガンドに対して潜在的に親和性を有する検体を含む液滴を準備するステップと、
前記液滴を前記プローブの端部に接触させ、該液滴を該プローブとの接触から離れることなく該液滴を振動させるステップと、
を含む、方法。
【請求項10】
請求項９に記載の方法において、振動範囲は約０．５～約１５Ｈｚである、方法。
【請求項11】
請求項９または１０に記載の方法において、振動範囲は約４～約１０Ｈｚである、方法。
【請求項12】
請求項９～１１のいずれか一項に記載の方法において、前記液滴の体積は約９００ｎＬ未満である、方法。
【請求項13】
請求項９～１１のいずれか一項に記載の方法において、前記液滴の体積は約８００ｎＬ未満である、方法。
【請求項14】
請求項９～１１のいずれか一項に記載の方法において、前記液滴の体積は約７００ｎＬ未満である、方法。
【請求項15】
請求項９～１１のいずれか一項に記載の方法において、前記液滴の体積は約６００ｎＬ未満である、方法。
【請求項16】
請求項９～１１のいずれか一項に記載の方法において、前記液滴の体積は約５００ｎＬ未満である、方法。
【請求項17】
請求項９～１１のいずれか一項に記載の方法において、前記液滴の体積は約４００ｎＬ未満である、方法。
【請求項18】
請求項９～１７のいずれか一項に記載の方法において、さらに、前記光ファイバープローブを介して前記液滴からの信号を測定し、コンピュータを使用して該信号から応答曲線を計算するステップ
を含む、方法。
【請求項19】
請求項９～１８のいずれか一項に記載の方法において、前記光ファイバープローブは複数のリガンドを含み、前記液滴は複数の検体を含む、方法。
【請求項20】
請求項９～１９のいずれか一項に記載の方法において、前記準備の操作は、さらに、複数の光ファイバープローブおよび複数の液滴を準備するステップと、該複数の液滴のそれぞれを対応する光ファイバープローブと接触させるステップと、該対応する光ファイバープローブと接触する該複数の液滴のそれぞれを振動させるステップと、を含む、方法。
【請求項21】
請求項９～２０のいずれか一項に記載の方法において、振動は、エレクトロウェッティング電極を介してなされる、方法。
【請求項22】
請求項２１に記載の方法において、各光ファイバープローブは、端部がエレクトロウェッティング電極に隣接するように整列される、方法。
【請求項23】
請求項２１または２２に記載の方法において、各光ファイバープローブは、端部がエレクトロウェッティング電極の端縁に近接するように整列される、方法。
【請求項24】
請求項９～２３のいずれか一項に記載の方法において、前記振動は、デジタルマイクロ流体（ＤＭＦ）カートリッジの液滴操作ギャップ内のエレクトロウェッティング電極を介してなされる、方法。
【請求項25】
請求項９～２４のいずれか一項に記載の方法において、前記振動は、前記光ファイバープローブの長さに沿って延在するラインに対してほぼ直交する、方法。
【請求項26】
請求項９～２４のいずれか一項に記載の方法において、前記振動は、前記光ファイバープローブの長さに沿って延在するラインとほぼ一致している、方法。
【請求項27】
請求項９～２４のいずれか一項に記載の方法において、前記振動は多方向である、方法。
【請求項28】
請求項２７に記載の方法において、前記振動は、前記光ファイバープローブの長さに沿って延在するラインに平行な平面内で多方向である、方法。
【請求項29】
請求項９～２８のいずれか一項に記載の方法において、前記振動は細長く伸長された液滴を用いて実行される、方法。
【請求項30】
請求項２９に記載の方法において、前記伸長された液滴は２Ｘの液滴である、方法。
【請求項31】
請求項２９に記載の方法において、前記伸長された液滴は３Ｘの液滴である、方法。
【請求項32】
請求項９～３１のいずれか一項に記載の方法において、前記アッセイは、以下、すなわち、分子ライブラリースクリーニングアッセイ、結合反応速度アッセイ、親和性決定アッセイ、結合部位マッピングアッセイ、熱力学調査、サンドイッチアッセイ、競合分析アッセイ、特異性決定アッセイ、および抗体結合の特性評価、ならびにそれらの組み合わせ、から選択される、方法。
【請求項33】
ＤＭＦシステムにおいて、該システムは、カートリッジであって、
液滴操作ギャップ内の液体液滴に対して液滴操作を実施するように動作する複数のエレクトロウェッティング電極を有するデジタルマイクロ流体、
２つ以上の前記エレクトロウェッティング電極のセットに近接した前記液滴操作ギャップに突入する光ファイバープローブであり、２つ以上の該電極のセットのうち任意な電極の上に位置する液滴が該光ファイバープローブに接触することができる、光ファイバープローブ、
を備える、カートリッジと、
前記エレクトロウェッティング電極および前記光ファイバープローブに操作上結合されたコントローラと、
前記液滴操作ギャップ内の１つ以上の液滴を照明するように配置された照明源と、
前記光ファイバープローブに光学的に結合され、該光ファイバープローブから信号を受信するように配置された光学測定デバイスと、
を備える、ＤＭＦシステム。
【請求項34】
デジタルマイクロ流体（ＤＭＦ）カートリッジであって、液滴操作を実行するための１つ以上のエレクトロウェッティング電極を有する第１基板と、
前記第１基板からオフセットされた第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に画定された液滴操作ギャップであり、前記１つ以上のエレクトロウェッティング電極が、該液滴操作ギャップ内の液体液滴に対して液滴操作を実施するように動作する、液滴操作ギャップと、
前記液体液滴と接触するための前記液滴操作ギャップ内のセンシング領域と、
第１照明源から前記センシング領域に励起光を供給し、また該センシング領域から第１光学測定デバイスに放出光を供給する光ファイバープローブと、
を備える、ＤＭＦカートリッジ。
【請求項35】
請求項３４に記載のＤＭＦカートリッジにおいて、前記センシング領域は、前記光ファイバープローブの末端表面部分に配置されたセンサー表面を含む、ＤＭＦカートリッジ。
【請求項36】
請求項３４または３５に記載のＤＭＦカートリッジにおいて、前記センシング領域は、前記液体液滴が該センシング領域に接触するように、前記１つ以上のエレクトロウェッティング電極に近接する前記液滴操作ギャップ内に配置される、ＤＭＦカートリッジ。
【請求項37】
請求項３４～３６のいずれか一項に記載のＤＭＦカートリッジにおいて、前記光ファイバープローブは、前記第１基板に貫通し、前記液滴操作ギャップ内に前記センシング領域を配置する、ＤＭＦカートリッジ。
【請求項38】
請求項３４～３７のいずれか一項に記載のＤＭＦカートリッジにおいて、前記光ファイバープローブは、前記第２基板に貫通し、前記液滴操作ギャップ内に前記センシング領域を配置する、ＤＭＦカートリッジ。
【請求項39】
請求項３４～３８のいずれか一項に記載のＤＭＦカートリッジにおいて、前記光ファイバープローブは、前記第１基板および前記第２基板にほぼ平行な、該第１基板と該第２基板との間における液滴操作ギャップ内に突入し、該液滴操作ギャップ内に前記センシング領域を配置する、ＤＭＦカートリッジ。
【請求項40】
請求項３４～３９のいずれか一項に記載のＤＭＦカートリッジにおいて、前記第１基板または前記第２基板のうち少なくとも一方は、前記液滴操作ギャップ内に液体を導入するための少なくとも１つの開口部を有する、ＤＭＦカートリッジ。
【請求項41】
請求項３４～４０のいずれか一項に記載のＤＭＦカートリッジにおいて、前記センシング領域はリガンドを含む、ＤＭＦカートリッジ。
【請求項42】
請求項３４～４１のいずれか一項に記載のＤＭＦカートリッジにおいて、前記センシング領域はナノ粒子センサー表面を含む、ＤＭＦカートリッジ。
【請求項43】
請求項３４～４２のいずれか一項に記載のＤＭＦカートリッジにおいて、前記光ファイバープローブは、前記末端表面部分に１つ以上の光学要素を含む、ＤＭＦカートリッジ。
【請求項44】
請求項３４～４３のいずれか一項に記載のＤＭＦカートリッジにおいて、前記液滴操作ギャップは、前記液体液滴と混和しない充填剤物質を含有する、ＤＭＦカートリッジ。
【請求項45】
請求項３４～４４のいずれか一項に記載のＤＭＦカートリッジにおいて、前記第１基板および前記第２基板は、第２照明源からの励起光が該第１基板を通過して前記センシング領域に到達し、また該センシング領域からの放出光が該第２基板を通過して第２光学測定デバイスに到達することを可能にするのに十分に透明な材料を含む、ＤＭＦカートリッジ。
【請求項46】
デジタルマイクロ流体（ＤＭＦ）システムであって、請求項３４～４５のいずれか一項に記載のＤＭＦカートリッジと、
光ファイバープローブを介して前記ＤＭＦカートリッジのセンシング領域に励起光を供給する、１つ以上の照明源と、
前記光ファイバープローブを介して前記センシング領域からの放出光を受光し、処理する、１つ以上の光学測定デバイスと、
を備える、ＤＭＦシステム。
【請求項47】
請求項４８に記載のＤＭＦシステムにおいて、さらに、１つ以上のエレクトロウェッティング電極による液滴操作の実行を制御するために、該１つ以上のエレクトロウェッティング電極と動作可能に通信するコントローラ
を備える、ＤＭＦシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願への相互参照】
【0001】
本出願は、２０２０年１月２２日に出願された米国特許出願第６２／９６４，４２４号に対し優先権を主張し、これは参照により本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【0002】
本開示は、デジタルマイクロ流体（ＤＭＦ）システム、ＤＭＦカートリッジ、および集積型光ファイバーセンシングの使用方法に関する。
【背景技術】
【0003】
デジタルマイクロ流体システムは、様々なラボオンチップ（lab-on-a-chip）用途のために液滴を取扱い操作するのに役立つ。光センシング技術は、例えば、液滴内における検体の検出のために、デジタルマイクロ流体システムで一般的に使用される。単純な光ファイバーセンサーが、デジタルマイクロ流体システムにおける光の検出に使用するために説明されている。しかしながら、当技術分野では、デジタルマイクロ流体を使用して複雑な分析を実行するための光ファイバーセンシング能力を増強する必要性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本開示は、流体の測定を実施するための器機と共に使用するためのカートリッジ、該カートリッジを操作するための器機、および該カートリッジを作製および使用する方法を提供する。本開示はまた、本開示のカートリッジを組み立てるために有用なファイバーアセンブリを含む。
【課題を解決するための手段】
【0005】
一実施形態において、カートリッジは、液滴操作ギャップ内の液体液滴に対して液滴操作を実施するように動作する複数のエレクトロウェッティング電極を有するデジタルマイクロ流体を含む。カートリッジはまた、２つ以上のエレクトロウェッティング電極のセットに近接した液滴操作ギャップに突入する光ファイバープローブを含むことができ、これにより２つ以上の該電極のセットのうち任意な電極上に位置する液滴が該光ファイバープローブに接触することができる。
【0006】
別の実施形態において、カートリッジは、液滴操作ギャップ内の液体液滴に対して液滴操作を実施するように動作する複数のエレクトロウェッティング電極を備えるデジタルマイクロ流体基板と、液滴操作ギャップを形成するために該デジタルマイクロ流体基板から分離され、また液滴操作ギャップ内に液体を注入するための開口部を有するトッププレートと、を備える。カートリッジはまた、液滴操作ギャップ内に突入し、かつ、１つ以上のエレクトロウェッティング電極に近接して配置されたセンシング端部がある光ファイバープローブを有するファイバーアセンブリを含むことができる。
【0007】
若干の実施形態において、液滴操作ギャップに突入する光ファイバープローブは、２つ以上のエレクトロウェッティング電極のセットに近接して配置され、２つ以上の該電極のセットのうち任意な電極上に位置する液滴が該光ファイバープローブに接触することができる。プローブはリガンドを含むことができる。カートリッジ内の液滴は、エレクトロウェッティング電極によって光ファイバープローブに接触するよう制御可能である。低粘度のオイルまたは他の充填剤物質（例えば、充填剤流体）を使用して、液滴の周りのギャップ（隙間）を充填することができる。
【0008】
本開示はまた、アッセイを実行する方法を提供する。該方法は、リガンドを含む光ファイバープローブを準備するステップと、体積が約１０００ｎＬ未満であり、またリガンドに対して潜在的に親和性を有する検体を含む液滴を準備するステップと、液滴をプローブの端部に接触させ、また液滴をプローブとの接触から離れることなく液滴を振動させるステップと、を備えることができる。ある場合では、振動（oscillating）範囲は、約０．５～約１５Ｈｚ、または約４～約１０Ｈｚである。ある場合では、液滴の体積は、約９００ｎＬ未満、または約８００ｎＬ未満、または約７００ｎＬ未満、または約６００ｎＬ未満、または約５００ｎＬ未満、または約４００ｎＬ未満である。ある場合では、液滴の体積は、２００～４００ｎＬである。
【0009】
ある場合では、光ファイバープローブは複数のリガンドを含み、液滴は複数の検体を含む。ある場合では、該方法は、複数の光ファイバープローブおよび複数の液滴を準備するステップと、複数の液滴のそれぞれを対応する光ファイバープローブと接触させ、また該対応する光ファイバープローブと接触する該複数の液滴のそれぞれを振動させるステップと、を含む。別の実施形態において、一連のアッセイのために、単一の液滴を、あるプローブから別のプローブに輸送することができる。
【0010】
ある場合では、振動はエレクトロウェッティング電極を介してなされる。ある場合では、振動は、液滴アクチュエータまたはエレクトロウェッティングカートリッジの液滴操作ギャップ内のエレクトロウェッティング電極を介してなされる。ある場合では、光ファイバープローブは、端部が液滴操作電極に隣接するように整列される。ある場合では、光ファイバープローブは、端部が液滴操作電極の端縁（edge）に近接するように整列される。ある場合では、振動は、光ファイバープローブの長さに沿って延在するラインに対してほぼ直交する。ある場合では、振動は、光ファイバープローブの長さに沿って延在するラインとほぼ一致している。ある場合では、振動は多方向である。ある場合では、振動は、光ファイバープローブの長さに沿って延在するラインに平行な平面内で多方向である。ある場合では、振動は、例えば２Ｘ、３Ｘ、４Ｘまたはそれ以上に長い、細長く伸長された液滴を用いて実行され、ここで、Ｘは、液滴を伸長するために使用されるエレクトロウェッティング電極の個数である。
【0011】
ある場合では、アッセイは、以下のもの、すなわち、分子ライブラリースクリーニングアッセイ、結合反応速度（binding kinetics）アッセイ、親和性決定（affinity determination）アッセイ、結合部位マッピング（binding site mapping）アッセイ、競合分析（competition analysis）アッセイ、特異性決定（specificity determination）アッセイ、および抗体結合（antibody binding）の特性評価、ならびに上記の組み合わせ、から選択される。ある場合では、アッセイは応答曲線を生成する。
【図面の簡単な説明】
【0012】
以上、発明要旨を一般的な用語で説明してきたが、以下に必ずしも縮尺どおりには描かれていない添付図面につき説明する。
【図1】集積型光ファイバーセンシングを含むＤＭＦシステムの実施例のブロック図を図示する。
【図2】図２Ａは、ＤＭＦ器機に関連するＤＭＦカートリッジの実施例を示し、また光ファイバーインターフェースの実施例を示す。図２Ｂは、ＤＭＦ器機に関連するＤＭＦカートリッジの実施例、および光ファイバーインターフェースの実施例を図示する。
【図3】光ファイバープローブが上部からギャップに導入された、ＤＭＦシステムのＤＭＦカートリッジの実施例の一部分における側面図である。
【図4】光ファイバープローブが下部からギャップに導入された、ＤＭＦシステムのＤＭＦカートリッジの実施例の一部分における側面図である。
【図5】光ファイバープローブが側部からギャップに導入された、ＤＭＦシステムのＤＭＦカートリッジの実施例の一部分における側面図である。
【図6】光ファイバープローブがギャップに導入され、光センシング操作が反射モードで実施されている、ＤＭＦシステムのＤＭＦカートリッジの実施例の一部分における側面図である。
【図7A】センサー表面が光ファイバープローブの先端に設けられている、ＤＭＦシステムのＤＭＦカートリッジの実施例の一部分における側面図を図示する。
【図7B】センサー表面が光ファイバープローブの先端に設けられている、ＤＭＦシステムのＤＭＦカートリッジの実施例の一部分における側面図を図示する。
【図8】１つ以上の光学素子が光ファイバープローブの先端に設けられている、ＤＭＦシステムのＤＭＦカートリッジの実施例の一部分における側面図を図示する。
【図9】一次光学測定デバイスおよび二次光学測定デバイスの双方を含むＤＭＦシステムのＤＭＦカートリッジの実施例の側面図を図示する。
【図10】集積型光ファイバーセンシングを含むＤＭＦシステムおよび／またはＤＭＦカートリッジの使用方法の実施例におけるフロー図を図示する。
【図11】液滴操作電極上で前後に振動し、光ファイバープローブと接触しているサンプル液滴の例を図示する。
【図12A】集積型ファイバーセンシングを含むＤＭＦカートリッジの例示的なインスタンス化の頂部側から見た斜視図を図示する。
【図12B】集積型ファイバーセンシングを含むＤＭＦカートリッジの例示的なインスタンス化の底部側から見た斜視図を図示する。
【図13A】集積型ファイバーセンシングを含むＤＭＦカートリッジの例示的なインスタンス化の頂部側からみた分解図を図示する。
【図13B】集積型ファイバーセンシングを含むＤＭＦカートリッジの例示的なインスタンス化の底部側から見た分解図を図示する。
【図14B】ＤＭＦカートリッジのファイバーアセンブリの様々な実施例のうち１つを図示する。
【図15】ファイバーセンシング試作のプロセスの実施例を示す。
【図16】ナノ粒子センサー表面の例の電子顕微鏡写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【0013】
本発明は、デジタルマイクロ流体（ＤＭＦ）システム、ＤＭＦカートリッジ、および集積型光ファイバーセンシングを含む方法に関する。
【0014】
ＤＭＦシステムおよびＤＭＦカートリッジは、例えば、ＤＭＦカートリッジの液滴操作ギャップに直接的に挿入された光ファイバープローブを含むことができる。ＤＭＦシステムは、例えば、ＤＭＦカートリッジ、１つ以上の照明源、１つ以上の光学測定デバイス、およびコントローラを含むことができる。ＤＭＦカートリッジは、ＤＭＦカートリッジの液滴操作ギャップに直接的に挿入された光ファイバープローブをさらに含むことができる。
【0015】
いくつかの実施形態において、ＤＭＦシステム、ＤＭＦカートリッジ、および方法は、光ファイバープローブの先端がＤＭＦカートリッジの液滴操作ギャップに直接的に挿入される光ファイバープローブを提供する。
【0016】
いくつかの実施形態において、ＤＭＦシステム、ＤＭＦカートリッジ、および方法は、ＤＭＦカートリッジの上面、下面および／または側面を通して挿入される光ファイバープローブを提供し得る。
【0017】
いくつかの実施形態において、本開示は、ＤＭＦカートリッジの液滴操作ギャップ内のセンシング領域に出入りする光の導管として機能し得る単一の光ファイバープローブを提供する。
【0018】
本開示のアッセイで使用される液滴は、多くの従来のアッセイよりもはるかに小さい量、例えば、約１０００ｎＬ未満、または約９００ｎＬ未満、または約８００ｎＬ未満、または約７００ｎＬ未満、または６００ｎＬ未満、または約５００ｎＬ未満、または約４００ｎＬ未満、または約３００ｎＬ未満、または約２００ｎＬ未満、または約１００ｎＬ未満であり得る。
【0019】
本開示のＳＰＲアッセイで使用される液滴は、多くの従来のＳＰＲアッセイよりもはるかに小さい量、例えば、約１０００ｎＬ未満、または約９００ｎＬ未満、または約８００ｎＬ未満、または約７００ｎＬ未満、または６００ｎＬ未満、または約５００ｎＬ未満、または約４００ｎＬ未満、または約３００ｎＬ未満、または約２００ｎＬ未満、または約１００ｎＬ未満であり得る。
【0020】
本開示のＳＰＲ生体分子相互作用アッセイで使用される液滴は、多くの従来のＳＰＲ生体分子相互作用アッセイよりもはるかに小さい量、例えば、約１０００ｎＬ未満、または約９００ｎＬ未満、または約８００ｎＬ未満、または約７００ｎＬ未満、または６００ｎＬ未満、または約５００ｎＬ未満、または約４００ｎＬ未満、または約３００ｎＬ未満、または約２００ｎＬ未満、または約１００ｎＬ未満であり得る。ＳＰＲ生体分子相互作用アッセイの例としては、分子ライブラリースクリーニングアッセイ、結合反応速度アッセイ、親和性決定アッセイ、結合部位マッピングアッセイ、競合分析アッセイ、特異性決定アッセイ、および抗体結合の特性評価が挙げられる。
【0021】
いくつかの実施形態において、本開示は、光ファイバープローブに励起光を供給するための１つ以上の照明源と、同じ光ファイバープローブからの放出光を受光および処理するための１つ以上の光学測定デバイスと、を提供し得る。
【0022】
いくつかの実施形態において、本開示は、自由空間光学系を使用して励起光を供給するための１つ以上の照明源と、放出光を受光および処理するための１つ以上の光ファイバープローブと、を提供し得る。同様に、いくつかの実施形態において、本開示は、光ファイバープローブに結合された励起光を供給するための１つ以上の照明源と、自由空間光学を使用して放出光を受光および処理するための１つ以上の光学測定デバイスと、を提供し得る。
【0023】
いくつかの実施形態において、本開示は、ＤＭＦカートリッジの液滴操作ギャップに直接的に挿入された光ファイバープローブであって、光センシング操作が反射モード、透過モード、または、反射モードおよび透過モードの両方で起こり得る光ファイバープローブを提供する。
【0024】
いくつかの実施形態において、本開示は、ＤＭＦカートリッジの液滴操作ギャップ内の光ファイバープローブの先端に、他の構成要素および／または要素（例えば、センシング層、光学要素）を提供する。
【0025】
さらに、本開示は、集積型光ファイバーセンシングが設けられる場合のＤＭＦシステムおよびＤＭＦカートリッジの使用方法を提供する。
【0026】
図１は、集積型光ファイバーセンシングを含むＤＭＦシステム１００の実施例のブロック図である。ＤＭＦシステム１００は、例えば、検体の分析のためのプラズモン共鳴（ＰＲ）システムおよび／または局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）システムであり得る。分析とは、例えば、検体の検出、同定、定量化、もしくは測定、ならびに／または結合反応速度および熱力学などの他の物質と検体との相互作用を意味し得る。例示的な検体としては、小分子、タンパク質、ペプチド、原子、およびイオンなどを含み得るが、これらに限定されない。例えば、ＤＭＦシステム１００を使用して、受容体などの高分子へのリガンドの結合反応速度を測定し得る。
【0027】
ＤＭＦシステム１００は、同様に、バイオレイヤー干渉法（ＢＬＩ）または単色リフレクトメトリー（ＳＣＯＲＥ）などの反射干渉計センサーとして構成され得る。これらの干渉計センサーは、化学蒸着（ＣＶＤ）または物理蒸着（ＰＶＤ）などの技術を使用して、硫化亜鉛、二酸化チタン、フッ化マグネシウム、二酸化ケイ素などの薄膜コーティングに使用される一般的な材料を用いて、金などのプラズモニック金属の究極の金属層と共に光ファイバーの先端に蒸着される。例えば、リガンドはファイバーの先端に固定化され得る。リガンドと相互作用する検体の有無によって、センサーから反射された光に関して波長のシフトまたは干渉パターンの変化が引き起こされる。分析とは、例えば、検体の検出、同定、定量化、もしくは測定、ならびに／または結合反応速度などの他の物質と検体との相互作用を意味し得る。例示的な検体としては、小分子、タンパク質、ペプチド、原子、およびイオンを含み得るが、これらに限定されない。例えば、ＤＭＦシステム１００を使用して、受容体などの高分子へのリガンドの結合速度論を測定し得る。１つの分析実施形態において、検体に露出されたＢＬＩファイバーセンサーによって反射された光は、検体に露出されていないＢＬＩファイバーセンサーによって反射された光と比較され得る。
【0028】
ＤＭＦシステム１００は、同様に、蛍光測定システムとして構成され得る。この場合のセンサーは、未修正センサーとすることができる、または蛍光物質（fluorophore）をファイバーの先端に固定化することができる。別の例では、ファイバーの先端は、クエンチによって、またはフォースター共鳴エネルギー転移などのエネルギー転移によって、蛍光物質の発光特性を修正するコーティングを用いてコーティングすることができる。１つまたは複数の蛍光物質は、互いに組み合わせて同時に使用することができる。そのような設定により、蛍光の強度および／または寿命を測定することができる。蛍光を示すサンプルは、溶液中にあるか、または光ファイバーの先端で捕捉されるかのいずれかであり得る。蛍光は、サンプルに固有のものである可能性もあるし、または、検体に結合するか、それ以外の相互作用をする、小分子、量子ドットなどの蛍光物質を使用して生成される可能性もある。分析とは、例えば、検体の検出、同定、定量化、もしくは測定、ならびに／または結合反応速度などの他の物質と検体との相互作用を意味し得る。例示的な検体としては、小分子、タンパク質、ペプチド、原子、およびイオンを含み得るが、これらに限定されない。例えば、ＤＭＦシステム１００を使用して、受容体などの高分子へのリガンドの結合反応速度を測定し得る。
【0029】
ＤＭＦシステム１００は、光ファイバーベースのセンサーとデジタルマイクロ流体との統合を特徴としている。例えば、ＤＭＦシステム１００は、ＤＭＦカートリッジ１１０を含み得る。ＤＭＦカートリッジ１１０は、例えば、液滴の合体、分割、分注、および希釈などの液滴操作を一般的に実行するためのＤＭＦ機能を設ける液滴アクチュエータデバイスであり得る。これらＤＭＦ機能の１つのアプリケーションは、サンプル調製である。ただし、ＤＭＦ機能は、廃棄物の除去または実行の間のフラッシングなどの他のプロセスに使用されてもよい。ＤＭＦカートリッジ１１０は、光ファイバープローブ１３０に結合され得るオンボードセンシング領域１５８を含み得る。ＤＭＦカートリッジ１１０において、単一の光ファイバープローブ１３０は、オンボードセンシング領域１５８に出入りする光の導管として機能し得る。光ファイバープローブ１３０は、１つの光ファイバーまたは複数の光ファイバーの束を含み得る。ＤＭＦカートリッジ１１０、オンボードセンシング領域１５８、および光ファイバープローブ１３０の詳細は、図３～図９につき以下に示され、説明される。
【0030】
様々な実施形態において、光ファイバープローブ１３０のセンシング端部は、該端部が液滴操作電極１２０に隣接するように整列される。様々な実施形態において、光ファイバープローブ１３０の端部は、該端部が液滴操作電極１２０の端縁に近接するように整列される。様々な実施形態において、光ファイバープローブ１３０の端部は、該端部が液滴操作電極１２０の端縁と一直線になるように整列される。
【0031】
ＤＭＦシステム１００は、さらに、コントローラ１５０、ＤＭＦインターフェース１５２、照明源１５４、および光学測定デバイス１５６を含むことができる。コントローラ１５０は、ＤＭＦカートリッジ１１０、照明源１５４、および光学測定デバイス１５６などの、ＤＭＦシステム１００の様々なハードウェア構成要素に電気的に結合され得る。例えば、コントローラ１５０は、ＤＭＦインターフェース１５２を介してＤＭＦカートリッジ１１０に電気的に結合することができ、ここで、ＤＭＦインターフェース１５２は、例えば、ＤＭＦカートリッジ１１０に機械的および電気的に接続するためのプラグ接続可能なインターフェースとすることができる。ＤＭＦカートリッジ１１０、コントローラ１５０、ＤＭＦインターフェース１５２、照明源１５４、および光学測定デバイス１５６は、ともにＤＭＦ器機１０５を形成する。
【0032】
コントローラ１５０は、例えば、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、パーソナルコンピュータ、マイクロプロセッサ、または他のプログラム可能なデータ処理装置とすることができる。コントローラ１５０は、ソフトウェア命令の保存、解釈、および／または実行などの処理能力を提供するとともに、ＤＭＦシステム１００の全体的な動作を制御するのに役立つ。コントローラ１５０は、これらデバイスのデータおよび／または電力の局面を制御するように構成およびプログラムすることができる。例えば、コントローラ１５０は、電極をアクティブ化／非アクティブ化することによって、ＤＭＦカートリッジ１１０内の液滴操作を制御する。一般に、コントローラ１５０は、ＤＭＦシステム１００の任意な機能のために使用され得る。例えば、コントローラ１５０は、プリンタ製造業者が自身のブランドのインクカートリッジをチェックする方法と同様の方法でＤＭＦカートリッジ１１０を認証するために使用することができ、コントローラ１５０は、ＤＭＦカートリッジ１１０が有効期限を過ぎていないことを検証するために使用することができ、コントローラ１５０は、その目的のためのプロトコルを実行することによってＤＭＦカートリッジ１１０の清浄度を確認するために使用することができる、等々である。
【0033】
コントローラ１５０は、処理ユニットを入力デバイスに接続する１つ以上の入力インターフェースを含み得る。入力インターフェースにより、ＤＭＦシステム１００のユーザーがコマンドをプロセッサーに通信することを可能にする。そのような例示的なコマンドの１つは、プログラムコードの実行である。入力デバイスは、キーボード、マウスデバイス、音声起動システム、タッチスクリーン、および／または当業者に知られている他の適切なデバイスの形態をとり得る。
【0034】
いくつかの実施形態において、コントローラ１５０は、グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）などの、処理ユニットを出力デバイスに接続する１つ以上の出力インターフェースを含み得る。これにより、ＤＭＦシステム１００は、実験結果などの様々な処理操作の結果をユーザーに通信することが可能となる。ソフトウェア命令は、コントローラ１５０のメモリユニットに保存することができ、従来の半導体ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）または当技術分野で知られている他の形態のメモリを含み得る、および／または、ソフトウェア命令は、ハードドライブ、ＵＳＢドライブ、読み取り／書き込みＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ、テープドライブ、フラッシュドライブ、光学ドライブなどの１つ以上のコンピュータ可読記憶媒体にプログラムコードの形式で保存され得る。これらの命令は、入力デバイスを介してＤＭＦシステム１００とユーザーとの相互作用に応答して実行され得る。
【0035】
いくつかの実施形態において、ＤＭＦカートリッジ１１０は、容量性フィードバックセンシングを含み得る。つまり、液滴の位置および体積を検出できる容量センサーからの信号である。さらに、他の実施形態においては、容量性フィードバックセンシングの代わりに、またはそれに加えて、ＤＭＦカートリッジ１１０は、液滴の位置および体積の光学的測定をもたらすカメラを含むことができ、この測定値は、コントローラ１５０をトリガーして、液滴を適切な位置に再経路付けし得る。
【0036】
いくつかの実施形態において、ＤＭＦカートリッジ１１０は、加熱ゾーン（図示せず）を含むことができる。様々なサンプル調製ステップおよびアッセイが温度制御の恩恵を受けることが理解されよう。参照により本明細書に組み込まれる米国特許第８,６５８,１１１号に記載されているように、熱制御は、一般に、以下の３つのやり方、すなわち、（１）ＤＭＦカートリッジ１１０全体の熱制御、（２）制御された領域と接触しているかまたは制御されている領域に近接しているヒーターを使用する、ＤＭＦカートリッジ１１０のある領域の熱制御、および、（３）ＤＭＦカートリッジ１１０に集積されたヒーターを使用する、ＤＭＦカートリッジ１１０のある領域またはＤＭＦカートリッジ１１０全体の熱制御（例えば、電極の経路若しくはアレイを含む基板内、および／または上部基板が存在するとき、ＤＭＦカートリッジ１１０の該上部基板内）のやり方で得ることができる。上述した手法の組み合わせも可能である。加熱技術の例としては、カートリッジに隣接する器機に取り付けられたヒーターバー、およびカートリッジ自体に集積されたヒーターが挙げられる。
【0037】
集積されたヒーター手法では、ＤＭＦカートリッジ１１０に直接的に集積された熱制御要素を使用して、温度ゾーンを作成および制御することができる。熱制御要素（加熱および／または冷却）は、ＤＭＦカートリッジ１１０の下部基板および／もしくは上部基板（存在する場合）、ならびにいずれかの基板の下面および／もしくは上面に集積することができる、または、いずれかの基板の構造内に集積することができる、または基板間に配置することができる。ある場合では、熱制御要素は、コントローラ１５０に電子的に結合し、また制御することができる。熱ゾーンは、別個の加熱要素を使用して作成することができ、したがって、ＤＭＦカートリッジ１１０内の別個の熱ゾーンとして機能し得る。この配置により、サンプル調製および熱サイクルなどの分析における複数ステップが可能となり、ＤＭＦカートリッジ１１０の異なる熱ゾーンにおいて異なる温度で同時に実施されるように異なる温度を必要とする。例えば、エレクトロウェッティングを介した液滴操作を使用して、液滴は物理的に輸送されるか、または異なる固定温度の熱ゾーン間を往復させて、増幅反応のための熱サイクルを実施し得る。
【0038】
一実施形態において、熱ゾーンのヒーターは、薄い導電性フィルムを使用して形成することができる。適切な薄膜の例には、Ｐｔヒーターワイヤおよび透明な酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）が挙げられる。一実施形態において、ＤＭＦカートリッジ１１０の基板内の金属（例えば、銅）ビアが使用される。
【0039】
温度調節用の熱電対を使用して、熱ゾーンの温度を制御することもできる。温度プローブを使用して、熱ゾーンの温度を測定し、コントローラに温度測定値を供給して、コントローラが関連する熱ゾーンの温度を正確に制御できるようにし得る。
【0040】
ＤＭＦ器機１０５はネットワークに接続することができる。例えば、コントローラ１５０は、ネットワーク１６２を介してネットワーク化されたコンピュータ１６０と通信し得る。ネットワーク化されたコンピュータ１６０は、例えば、任意の集中型サーバーまたはクラウドサーバーとすることができる。ネットワーク１６２は、例えば、インターネットに接続するためのローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）またはワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）とすることができる。
【0041】
ＤＭＦシステム１００では、照明源１５４および光学測定デバイス１５６は、ＤＭＦカートリッジ１１０のオンボードセンシング領域１５８および／または光ファイバープローブ１３０に関連して配置することができる。照明源１５４としては、以下に限定されないが、例えば、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）、ハロゲン電球、アークランプ、白熱灯、およびレーザーなどがあり、可視範囲（波長４００～８００ｎｍ）の光源とすることができる。照明源１５４は、白色光源に限定されない。照明源１５４は、ＤＭＦシステム１００で有用な任意の色光とすることができる。照明源１５４は、ＤＭＦカートリッジ１１０のオンボードセンシング領域１５８に励起光１３２を供給する。
【0042】
光学測定デバイス１５６は、例えば、光強度の読み取り値を得るために使用される任意の光学変換器デバイスとすることができる。光学測定デバイス１５６は、例えば、電荷結合デバイス、光検出器、分光計、フォトダイオードアレイ、カメラ、またはそれらの任意の組み合わせとすることができる。さらに、ＤＭＦシステム１００は、１つの照明源１５４および１つの光学測定デバイス１５６のみに限定されない。ＤＭＦシステム１００は、ＤＭＦシステム１００および／またはＤＭＦカートリッジ１１０における任意の検出操作を支援するために、複数の照明源１５４および／または複数の光学測定デバイス１５６を含むことができる。光学測定デバイス１５６は、ＤＭＦカートリッジ１１０のオンボードセンシング領域１５８からの放出光１３４を受光し、また処理する。したがって、ＤＭＦカートリッジ１１０の単一の光ファイバープローブ１３０は、オンボードセンシング領域１５８への励起光１３２およびオンボードセンシング領域１５８からの放出光１３４の両方のための導管として機能し得る。
【0043】
ＤＭＦシステム１００および／またはＤＭＦ器機１０５の構成要素は、ＤＭＦカートリッジ１１０のオンボードセンシング領域１５８および／または光ファイバープローブ１３０に光学的に結合することができ、また減結合（decoupling）することができる。この光学的な結合／減結合（coupling/decoupling）は、例えば、光ファイバーコネクタ、光ファイバーカプラ、および／または自由空間光カプラとすることができる。
【0044】
ＤＭＦデバイスからの光刺激の従来の測定方法では、自由空間光学を使用して刺激を捕捉する。本文脈での自由空間光学の制限は、主に迷光および光損失の結果としてパフォーマンスが比較的低下することによるものである。パフォーマンスの低下は、レンズ、フィルター、その他の同様の光学的コンポーネントなどの光学的コンポーネントを使用することで克服されることがしばしばあるが、これらのコンポーネントはシステムのコストを押し上げる。従来の方法と比較して、ＤＭＦに対する光ファイバーセンサーの集積には若干の利点がある。例えば、光ファイバーベースのセンサーとデジタルマイクロ流体との集積を特徴とするＤＭＦシステム１００の利点としては、以下に限定しないが、局所的な光学調査技術を可能にすること、高い光学性能を達成する低コストの方法（例えば、低コストのためコンポーネント数の低減）を提供すること、信号を改善するためにシステム内の光損失を制限すること、および、低ノイズのために迷光の収集を制限することがあり得る。
【0045】
ＤＭＦシステム１００では、光ファイバープローブ１３０は、光ファイバープローブ１３０の先端がＤＭＦカートリッジ１１０の液滴操作ギャップに直接的に存在するように、ＤＭＦカートリッジ１１０に集積される（図３～図９を参照）。このようにして、光ファイバープローブ１３０の先端は、ＤＭＦカートリッジ１１０で処理されている液滴と直接的に相互作用し得る。したがって、光ファイバープローブ１３０の先端は、オンボードセンシング領域１５８を形成し、ここで、ＤＭＦカートリッジ１１０は、オンボードセンシング領域１５８との間で液滴を移動させることができる。ＤＭＦシステム１００および／またはＤＭＦカートリッジ１１０は、１つの光ファイバープローブ１３０および１つのオンボードセンシング領域１５８のみに限定されない。これは単なる例示である。ＤＭＦシステム１００および／またはＤＭＦカートリッジ１１０は、任意の数の光ファイバープローブ１３０および／またはオンボードセンシング領域１５８を含み得る。さらに、１つ以上の光ファイバープローブ１３０は、ファイバーアセンブリ１２５の形態で設けることができる（図１４Ａおよび図１４Ｂを参照）。ＤＭＦカートリッジの液滴操作ギャップにおける光ファイバープローブ１３０の実施例のさらなる詳細は、図３～図９につき以下に示され、また説明される。
【0046】
図２Ａおよび図２Ｂは、光ファイバーインターフェースの実施例を示すＤＭＦ器機１０５に関連するＤＭＦカートリッジ１１０の実施形態を図示する。この実施例では、ＤＭＦカートリッジ１１０は、ＤＭＦ器機１０５などの対応するＤＭＦ器機１０５にドロップインするように設計することができる。この例では、ＤＭＦ器機１０５は、ＤＭＦカートリッジ１１０を受け入れるための凹んだ領域１６４を含む。すなわち、ＤＭＦカートリッジ１１０は、ＤＭＦ器機１０５の凹んだ領域１６４に適合するようにサイズ決定される。このようにして、ＤＭＦカートリッジ１１０は、ＤＭＦ器機１０５に流体結合、光学結合、および／または電気結合され得る。この実施形態は、カートリッジを器機に結合することにより、カートリッジの光ファイバー要素が器機の光ファイバー要素と自動的に整列する様々な実施形態の例示である。一実施形態において（図示せず）、整列は、器機の対応する支柱（post）または開口部と嵌合するＤＭＦファイバーインターフェースの支柱または開口部、および当業者に明らかである様々な同様の手法によって高まり得る。
【0047】
例えば、光結合に関して、ＤＭＦカートリッジ１１０の光ファイバープローブ１３０は、１つの光ファイバーまたは複数の光ファイバーの束を含むことができる。さらに、光ファイバーは、マルチモードもしくはシングルモード、または２つの組み合わせ（複数のコアおよび／またはクラッド層を有する）とすることができる。ＤＭＦカートリッジ１１０は、１つ以上の光ファイバーをＤＭＦ器機１０５に結合することを可能にするために、１つまたは複数のインターフェースを含むことができる。光インターフェースは、例えば、光ファイバーコネクタ、光ファイバーカプラ、および／または自由空間光カプラとすることができる。例えば、図２Ａおよび図２Ｂは、ＤＭＦカートリッジ１１０がＤＭＦ器機１０５の凹んだ領域１６４に装荷されるとき、ＤＭＦカートリッジ１１０内の光ファイバープローブ１３０の外側端部が、例えば、照明源１５４および／または光学測定デバイス１５６につながる１つ以上の光ファイバー１６６とほぼ一直線になり得ることを示す。システムおよびカートリッジは、ＤＭＦカートリッジが器機に結合されたときに、器機の光ファイバー要素とカートリッジとの間の光接続が光学的に結合されることを確実にするために、整列要素を含むことができる。例えば、ＤＭＦカートリッジ１１０がＤＭＦ器機１０５に挿入されると、ＤＭＦ器機１０５は、ＤＭＦカートリッジ１１０内のファイバーとＤＭＦ器機１０５内のファイバーとの間の結合効率を最大化するための整列ステップを自動的に実施することができる。カートリッジを器機に電気的および光学的に結合するために、多種多様なメカニズムが可能であることは理解されよう。
【0048】
図３、図４、図５は、図１に示されるＤＭＦシステム１００のＤＭＦカートリッジ１１０の一部における実施例の側面図を示し、光ファイバープローブ１３０は、それぞれ、上部、下部、および側部からギャップに導入される。ＤＭＦカートリッジ１１０は、液滴操作ギャップ１１６によって分離された下部基板１１２および上部基板１１４を含むことができる。液滴操作ギャップ１１６は、液滴と十分に混和しないガスまたは液体のような充填剤流体であって、所望の分析プロセスをほぼ妨害しない、該充填剤流体で満たすことができる。一実施形態において、充填剤流体は、シリコーンオイルまたはヘキサデカンなどの低粘度オイルである。さらに、液滴操作電極１２０（例えば、エレクトロウェッティング電極）の配置が、下部基板１１２の上に設けることができる。ＤＭＦカートリッジ１１０は、液滴操作電極１２０の任意のラインまたは経路を含むことができる。
【0049】
一つの実施例では、下部基板１１２は、白色光（または任意の色採光）に対してほぼ透明性を示す材料とすることができる。例えば、下部基板１１２は、ガラス、プラスチック、または熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）として知られているポリマー類で形成することができる。別の例では、下部基板１１２は、ほぼ透明であるプリント回路基板（ＰＣＢ）とするか、または光透過を可能にする穴または開口部を含むＰＣＢとすることができる。下部基板１１２と同様に、上部基板１１４は、白色光（または任意な色採光）に対してほぼ透明性を示す材料で形成することができる。例えば、上部基板１１４は、ガラス、プラスチック、またはＴＰＥで形成することができる。さらに、上部基板１１４の内面は、透明導電層（例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホン酸塩（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ））、または他の同様の透明もしくは非透明（例えば、不透明）導電性コーティングなどの導電層１１８でコーティングすることができる。他の実施形態において、ＤＭＦカートリッジ１１０のすべての領域は、ほぼ透明な基板および／またはコーティングもしくは層を含む必要はない。例えば、基板および／またはコーティングもしくは層は、検出領域を除いて、透明、半透明、および／または不透明でなくてよい。ある場合では、このような基板は、透明な層を必要とし得る自由空間光プローブである場合は不適切であろう。このことは、透明性を有しない光ファイバープローブを使用することができ、これにより基板および製造技術の選択融通性がより増すために、この本開示の利点である。
【0050】
「上部（top）」、「下部（bottom）」、「～の上方（over）」、「～の下方（under）」、「～内（in）」、および「～上（on）」という用語は、ＤＭＦカートリッジの上部基板および下部基板の相対位置のように、ＤＭＦカートリッジの構成要素の相対位置について明細書全体にわたり使用される。ＤＭＦカートリッジは、空間内におけるその向きに関係なく機能することが理解されよう。
【0051】
ＤＭＦカートリッジ１１０では、液滴操作ギャップ１１６は、液滴操作を介して任意の関心対象液体、例えば、以下に限定されないが、液体試薬、緩衝液、サンプル流体等々を処理するための空間とすることができる。ギャップの高さは、例えば、数１００ミクロンとすることができる。液滴操作電極１２０は、エレクトロウェッティングを介して液滴操作を実施するために使用することができる。「液滴操作（droplet operations））」とは、デジタルマイクロ流体デバイスまたはカートリッジ上における任意な液滴操作を意味する。液滴操作としては、例えば、デジタルマイクロ流体デバイス内への液滴装荷、ソース液滴からの１つ以上の液滴分注、１つの液滴を２つ以上の液滴への分割、分離もしくは分裂（dividing）、液滴をある場所から別の場所へと任意な方向に輸送、２つ以上の液滴を１つの液滴へと合体もしくは結合、液滴希釈、液滴混合、液滴攪拌、液滴変形、液滴の所定位置での保持、液滴インキュベート、液滴加熱、液滴蒸発、液滴冷却、液滴廃棄、ＤＭＦカートリッジ１１０からの液滴輸送、本明細書に記載した他の液滴操作、および／または上述した操作の任意な組み合わせ、を挙げることができる。さらに、液滴操作ギャップ１１６で生起するプロセスの温度を制御するために、ペルチェヒートポンプ（Peltier heat pump）などの温度制御素子（図示せず）を、ＤＭＦカートリッジ１１０と組み合わせて使用することができる。
【0052】
さらに、図３、図４、図５は、エレクトロウェッティング法（例えば、液滴操作電極１２０を使用する）を介して液滴を操作するものとしてＤＭＦカートリッジ１１０を説明しているが、これは単なる例示である。他の実施形態において、液滴は、他の方法、例えば、以下に限定されないが、光学的方法、磁気的方法、熱毛細管法、弾性表面波法、および誘電泳動などの他の電気的方法、ならびにそれらの任意の組み合わせのような他の方法を介して、ＤＭＦカートリッジ１１０内で取扱い操作することができる。
【0053】
ここで図３を参照すると、これはＤＭＦシステム１００のＤＭＦカートリッジ１１０が示され、光ファイバープローブ１３０が上部から液滴操作ギャップ１１６に導入される（例えば、上部基板１１４を通って、ＤＭＦカートリッジ１１０の平面に対してほぼ垂直である）。サンプル液滴１４０は、液滴操作ギャップ１１６内、および特定の液滴操作電極１２０の上に存在する。光ファイバープローブ１３０の先端は、サンプル液滴１４０内に／サンプル液滴１４０と直接的に相互作用し、それにより、オンボードセンシング領域１５８を形成し得る。ＤＭＦカートリッジ１１０は、液滴操作を介して、オンボードセンシング領域１５８との間で液滴を移動させるために使用することができる。光ファイバープローブ１３０を液滴操作ギャップ１１６内に直接、およびサンプル液滴１４０の経路に集積することにより、局所的な光学的調査技術が可能になる。図３は、光ファイバープローブ１３０を介してサンプル液滴１４０に送達される励起光１３２を示している。さらに、サンプル液滴１４０からの放出光１３４は、光ファイバープローブ１３０を介して射出する。この場合も、光ファイバープローブ１３０は、１つの光ファイバーまたは複数の光ファイバーの束を含むことができる。
【0054】
ここで図４を参照すると、ＤＭＦシステム１００のＤＭＦカートリッジ１１０が示され、光ファイバープローブ１３０が下部から液滴操作ギャップ１１６に導入される（例えば、下部基板１１２を通って、ＤＭＦカートリッジ１１０の平面に対してほぼ垂直である）。
【0055】
ここで図５を参照すると、ＤＭＦシステム１００のＤＭＦカートリッジ１１０が示され、光ファイバープローブ１３０が側部から液滴操作ギャップ１１６に導入される（例えば、下部基板１１２と上部基板１１４との間で、ＤＭＦカートリッジ１１０の平面に対してほぼ平行である）。
【0056】
ここで図６を参照すると、ＤＭＦシステム１００のＤＭＦカートリッジ１１０の例の側面図であり、光ファイバープローブ１３０が液滴操作ギャップ１１６に導入され、光センシング操作が反射モードで実施されている。図６は、図５に示された光ファイバープローブ１３０の構成を示しているが、図４および図５に示された光ファイバープローブ１３０の構成は、反射モードでの操作に関して等しく適用可能である。
【0057】
図６は、励起光１３２が、光ファイバープローブ１３０を介して照明源１５４からサンプル液滴１４０に送達されていることを示している。さらに、サンプル液滴１４０からの放出光１３４が、光ファイバープローブ１３０を介して光学測定デバイス１５６に射出する。ＤＭＦシステム１００およびＤＭＦカートリッジ１１０のこの構成は、液体の光学特性（例えば、サンプル液滴１４０の光学特性）の反射センシングを可能にする様態で、ＤＭＦカートリッジと共に集積された光ファイバーを提供する。光ファイバープローブ１３０は、デジタルマイクロ流体に必要な他の構成要素をも含むＤＭＦカートリッジ１１０の一部である。
【0058】
この場合も、照明源１５４は１つまたは複数の光源とすることができる。光源は単色性又は多色性とすることができる。これら光源としては、以下に限定しないが、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザー、白熱光源、蛍光光源、またはそれらの任意の組み合わせが挙げられる。光源は、非常に迅速に強度を調整できるように変調することができる。光源はまた、明るさを調整するために、光検出器などの１つ以上のセンサーを含むことができる。光源はまた、入射光の品質を確保するための追加のフィルターも含有し得る。さらに、光源は、複数の個別の発光要素の組み合わせとすることができる。これらの要素は、同じまたは異なる波長でアクティブになることができる。
【0059】
この場合も、光学測定デバイス１５６は、１つまたは複数の光学センサーとすることができる。光学測定デバイス１５６は、例えば、狭帯域センサーまたは広帯域センサーとすることができる。光学測定デバイス１５６は、光信号をさらに処理され得る電子信号に変換する。光学測定デバイス１５６はまた、光スペクトルの様々な部分に敏感な複数のセンサーを使用することができる。これは、電磁スペクトルの様々な部分に増感される分光計または複数の個別センサーの形式とすることができる。光学測定デバイス１５６は、最高の性能を確保するために必要な追加の光学フィルターを含有し得る。光学測定デバイス１５６は、相関器などの閉ループ制御を使用して照明源１５４の制御を可能にする追加の構成要素を含むことができる。
【0060】
操作中、照明源１５４からの励起光１３２は、光ファイバープローブ１３０を通過する。光ファイバープローブ１３０は、調査されている液滴（例えば、サンプル液滴１４０）に入射光を導く。放出光１３４は、システムの構成に応じて、ファイバーの同じコア（core）に沿って、または異なるコアに沿って、液滴から反射されて戻る。光ファイバープローブ１３０は、単一または複数のコアを有することができる。これらコアは、例えば、シングルモードまたはマルチモード（または２つの任意の組み合わせ）とすることができる。この反射された放出光１３４は、光学測定デバイス１５６に結合される。
【0061】
光学センシング操作が反射モードで実行されている、図３、図４、図５に示されたＤＭＦカートリッジ１１０内の光ファイバープローブ１３０の構成は、以下のような、しかしこれらに限定されない、液滴特性付けのための特定技術、すなわち、
（１）赤外分光法などの反射分光法、
（２）光路長可変分光法、
（３）酵素結合免疫吸着測定法（ＥＬＩＳＡ）の読み取りおよびポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の読み取りに使用されるような吸光度分光法、
（４）ラマン分光法、
（５）レーザー誘起破壊分光法および原子発光分光法などの光電子分光法、
（６）ＥＬＩＳＡの読み取りおよびＰＣＲの読み取りに使用されるような蛍光分光法、
（７）濁度測定、
（８）光子相関分光法および蛍光相関分光法などの時間分解分光法、
（９）マイクロスケール熱泳動、
の使用を可能にする。
（１）赤外分光法などの反射分光法、
（２）光路長可変分光法、
（３）酵素結合免疫吸着測定法（ＥＬＩＳＡ）の読み取りおよびポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の読み取りに使用されるような吸光度分光法、
（４）ラマン分光法、
（５）レーザー誘起破壊分光法および原子発光分光法などの光電子分光法、
（６）ＥＬＩＳＡの読み取りおよびＰＣＲの読み取りに使用されるような蛍光分光法、
（７）濁度測定、
（８）光子相関分光法および蛍光相関分光法などの時間分解分光法、
（９）マイクロスケール熱泳動、
の使用を可能にする。
【0062】
図７Ａは、ＤＭＦシステム１００のＤＭＦカートリッジ１１０の例の側面図であり、センサー表面１４２は、液滴操作ギャップ１１６内にある光ファイバープローブ１３０の先端に設けられる。
【0063】
光ファイバーを用いたセンサーの製造には、様々な技術が有用であることが知られている。一実施形態では、本開示は、非特許文献１（Jeong, Hyeon-Ho & Erdene, Norov & Lee, Seung Ki & Jeong, Dae & Park, Jae-Hyoung. (2011) Fabrication of fiber-optic localized surface plasmon resonance sensor and its application to detect antibody-antigen reaction of interferon-gamma. Optical Engineering. 50. 124405-124405. 10.1117/1.3662418.）に記載されている技術を利用する。非特許文献２（Proll, G., Markovic, G., Steinle, L., & Gauglitz, G. (2009). Reflectometric Interference Spectroscopy. Methods in Molecular Biology: Biosensors and Biodetection , 503, 167-178. doi: 10.1007/978-1-60327-567-5_8.）も参照されたい。ヨング氏ら（Jeonget al.）およびプロル氏ら（Prollet al.）の開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
【0064】
センサー表面１４２は、例えば、液滴または液滴中の検体の特性を光学応答に変換することができる光学層とすることができる。例えば、光学応答に変換された特性としては、検体の存在、温度、温度変化、検体または溶液の特性変化、等々を挙げることができる。
【0065】
一例では、センサー表面１４２は干渉フィルターを使用し得る。干渉フィルターは、真空堆積技術を使用してファイバー上に堆積され得る。干渉フィルターは、単色強度もしくは位相測定または多色分光測定を用いて、表面への結合の測定を可能にする。
【0066】
本開示の光ファイバープローブに有用なフィルターを製造するための技術の一例は、非特許文献３（Proll G., Markovic G., Steinle L., Gauglitz G. (2009) Reflectometric Interference Spectroscopy. In: Rasooly A., Herold K.E. (eds) Biosensors and Biodetection. Methods in Molecular BiologyＴＭ, vol 503. Humana Press）に記載され、その開示全体は参照により本明細書に組み込まれる。
【0067】
別の実施例では、センサー表面１４２は、湿式化学を使用して堆積され得る干渉フィルターまたは光学材料とし得る。光学材料は、金属ナノ粒子を含み得るが、これに限定されない。表面プラズモン共鳴または表面増強ラマン分光法などの特性を使用して、液滴および／または液滴中の検体を分析し得る。センサー表面１４２の他の例は、リソグラフィー技術を使用するナノ構造化表面の堆積を含むことができる。材料の例としては、金属（例：プラズモニックナノ粒子）、ガラス（例：回折要素）、プラスチック（例：ナノインプリントされた回折要素）が挙げられる。さらに、センサー表面１４２は、励起光１３２をより小さな領域に集束させるために使用される誘電体ミクロスフェアの形態とし得る。
【0068】
光学センサー表面１４２は、増強された信号に対して溶液から表面へ検体が結合することに関与する層を含み得る。例えば、この層は、光学センサー表面１４２の上に堆積させることができる。この層はまた、検体からの光信号を増強するよう、ファイバーの先端に検体を集中させるための層として、光学センサー表面１４２なしでも使用され得る。一実施例では、層は、結合部位の増加を促進するゲルマトリックスである。別の実施例では、層は、検体の表面濃度の増加を促進するための多孔質材料である。結合部位（例えば、疎水性部位）を増加させるか、または特異的結合部位（例えば、抗体／抗原またはアプタマー／検体）を追加するための様々な化学的増強が当業者に知られている。多孔質材料は、ある場合では、ポリマーブラシ、ゲル、ナノ粒子、またはその他の高表面積構造などの生来的な有機物であり得る。これらの有機多孔質媒体は、ポリジメチルシロキサン、ジビニルベンゼン、ポリエチレングリコールなどの合成ポリマーとし得る。別の実施形態では、多孔質媒体は、セルロース、キチン、コラーゲンなどのように生物由来とし得る。
【0069】
代案として、多孔質媒体は、ナノ構造炭素、シリカ、チタニアなど実際上無機物とすることができる。多孔質媒体は、これら材料を任意に組み合わせることができ、検体の固有の化学的特性を活用して、それらの表面濃度を増加させることができる。
【0070】
別の例では、センサー表面１４２は、１つ以上の捕捉分子で機能化されたＬＳＰＲセンサー層とし得る。ＬＳＰＲセンサー層は、金属ナノ構造および／または層の１つが金属である多層ナノ構造から構成し得る。ＬＳＰＲセンサーに通常使用される金属の例としては、金、銀、白金、パラジウムおよび、銅のナノ粒子が挙げられる。一例では、捕捉分子は、ＬＳＰＲセンサー層の表面に固定化されたリガンドである。例えば、リガンドとしてタンパク質、抗体、抗原またはアプタマーが、カルボキシル、ＮＴＡ、またはストレプトアビジン表面付着化学を使用して、金属ナノ粒子センサー層に付着し得る。この例では、リガンドは２つの結合パートナーのうちの１つであり、他方の結合パートナーは、サンプル液滴１４０中の標的検体１４４である。
【0071】
別の例では、センサー表面１４２は、ゲルマトリックスに含有されるフルオレセインなどのｐＨ感受性光学層とし得る。これらｐＨ感受性ゲルの光学特性は、それらが発生する環境のｐＨに関連している。結果として、光信号の読み出し値は、サンプル液滴１４０のｐＨに基づいて変化することができる。
【0072】
別の例では、センサー表面１４２は、熱変色性コーティングなどの感熱層、または酸化ケイ素などの不動態化層でコーティングされたＬＳＰＲセンサーでさえあり得る。これらセンサーの光学特性は、それらが置かれている環境の温度と強く相関している。その結果、光信号は、サンプル液滴１４０の温度の関数として変化することができる。
【0073】
センサー表面１４２がＤＭＦカートリッジ１１０内の光ファイバープローブ１３０の先端に存在する、図７Ａに示される構成は、以下のような、しかしこれらに限定されない、特定の特性付け技術、すなわち、
（１）単色リフレクトメトリー、
（２）バイオレイヤー干渉法および単色リフレクトメトリー（ＳＣＯＲＥ）などの反射型干渉分光法、
（３）表面増強ラマン分光法、
（４）表面プラズモン共鳴、
（５）回折光学測定、
（６）固相マイクロ抽出（光学的読み出し法との組み合わせ）、
（７）温度測定、
を可能にする。
（１）単色リフレクトメトリー、
（２）バイオレイヤー干渉法および単色リフレクトメトリー（ＳＣＯＲＥ）などの反射型干渉分光法、
（３）表面増強ラマン分光法、
（４）表面プラズモン共鳴、
（５）回折光学測定、
（６）固相マイクロ抽出（光学的読み出し法との組み合わせ）、
（７）温度測定、
を可能にする。
【0074】
図７Ｂは、光ファイバープローブ１３０の先端にナノ粒子センサー表面１４３を含むＤＭＦシステム１００のＤＭＦカートリッジ１１０の実施例の側面図である。例示的なナノ粒子センサー表面１４３の詳細は、図１５を参照して以下に示されている。
【0075】
ここで図８を参照すると、ＤＭＦシステム１００のＤＭＦカートリッジ１１０の実施例の側面図であり、１つ以上の光学要素１４８は、液滴操作ギャップ１１６内にある光ファイバープローブ１３０の先端に設けられる。１つ以上の光学要素１４８は、単独で、または図７に示されるセンサー表面１４２に加えて設けられ得る。１つ以上の光学要素１４８を使用して、光をサンプル液滴１４０および／またはセンサー表面１４２（内に、および／または、の外へ）、より効果的に結合し得る。１つ以上の光学要素１４８は、限定しないが、以下を含む、すなわち、
（１）円錐状テーパーなどのテーパー光ファイバー、
（２）Ｕ字型光ファイバー、
（３）半球レンズ、ボールレンズ、ＧＲＩＮレンズ、および非球面レンズなどのレンズ、
（４）ＡＴＲプリズムおよびクレッチマン（Kretschmann）プリズムなどのプリズム、
（５）サイドポリッシュおよびウェッジポリッシュなどの角度付きポリッシュ、
（６）拡散要素、
（７）ファブリペローエタロンおよび半透過（transflection）キャビティなどの反射キャビティ、
を含むことができる。
（１）円錐状テーパーなどのテーパー光ファイバー、
（２）Ｕ字型光ファイバー、
（３）半球レンズ、ボールレンズ、ＧＲＩＮレンズ、および非球面レンズなどのレンズ、
（４）ＡＴＲプリズムおよびクレッチマン（Kretschmann）プリズムなどのプリズム、
（５）サイドポリッシュおよびウェッジポリッシュなどの角度付きポリッシュ、
（６）拡散要素、
（７）ファブリペローエタロンおよび半透過（transflection）キャビティなどの反射キャビティ、
を含むことができる。
【0076】
図９は、第２照明源１５４’および第２光学測定デバイス１５６’を追加した以外は、図６に示されるものとほぼ同様に構成されるＤＭＦシステム１００のＤＭＦカートリッジ１１０の実施例の側面図である。この実施例では、照明源１５４’および／または光学測定デバイス１５６’は、独立して、または照明源１５４および光学測定デバイス１５６に結合された光ファイバープローブ１３０と組み合わせて使用し得る。
【0077】
光学測定デバイス１５６と同様に、光学測定デバイス１５６’は、光検出器、カメラ、分光計またはハイパースペクトル画像器などの光測定デバイスの形態とし得る。光学測定デバイス１５６’は、時間分解測定を行い得る。さらに、光学測定デバイス１５６’からの入力を使用して、照明源１５４および／または照明源１５４’を制御し得る。
【0078】
第２照明源１５４’および第２光学測定デバイス１５６’の存在が、様々な操作モードを可能にする。一例では、第１照明源１５４および第１光学測定デバイス１５６を使用して、光センシング操作は、完全に光ファイバープローブ１３０を介して反射モードで実施し得る。すなわち、光ファイバープローブ１３０を使用して、照明および収集の両方を行う。別の例では、第１照明源１５４および第２光学測定デバイス１５６’を使用して、光センシング操作は透過モードで実施し得る。すなわち、光ファイバープローブ１３０および第１照明源１５４を使用して照明するが、外部の第２光学測定デバイス１５６’を使用して収集する。さらに別の例では、第２照明源１５４’および第１光学測定デバイス１５６を使用して、光センシング操作は再び透過モードで実施し得る。すなわち、外部第２照明源１５４’を使用して照明するが、光ファイバープローブ１３０および第１光学測定デバイス１５６を使用して収集する。
【0079】
ここで図１０を参照すると、集積された光ファイバーセンシングを含むＤＭＦシステム１００および／またはＤＭＦカートリッジ１１０を使用する方法２００の実施例のフロー図である。方法２００は、限定しないが、以下のステップを含み得る。
【0080】
ステップ２１０で、集積型ＲＩセンシングを含むＤＭＦシステムおよび／またはＤＭＦカートリッジを準備する。例えば、ＤＭＦカートリッジ１１０の液滴操作ギャップ１１６に集積された光ファイバープローブ１３０を含むＤＭＦシステム１００および／またはＤＭＦカートリッジ１１０を、例えば、図１～図９に示されるように準備する。
【0081】
ステップ２１５で、処理される液滴は、ＤＭＦカートリッジのセンシング領域に輸送される。例えば、ここで図３～図９を参照すると、処理されるサンプル液滴１４０は、液滴操作を使用して、ＤＭＦカートリッジ１１０のオンボードセンシング領域１５８に輸送され得るが、ここで、オンボードセンシング領域１５８は、光ファイバープローブ１３０の先端にある。
【0082】
ステップ２２０で、光センシング操作は、集積型光ファイバーセンシングを使用してＤＭＦカートリッジ内で実施される。例えば、ここで図６～図９を参照すると、光センシング操作は、ＤＭＦカートリッジ１１０の液滴操作ギャップ１１６、照明源１５４、および光学測定デバイス１５６に集積型光ファイバープローブ１３０を使用して、ＤＭＦカートリッジ１１０において実施される。操作中、照明源１５４からの励起光１３２は、光ファイバープローブ１３０を通過し、調査されているサンプル液滴１４０に向かい、その中へ進む。次いで、放出光１３４は、サンプル液滴１４０から光ファイバープローブ１３０に沿って反射されて光学測定デバイス１５６に戻り、光学測定デバイス１５６は、処理のために光学読み取り値を捕捉する。一例では、ＤＭＦカートリッジ１１０内の光センシング操作は、図６、図７および図８に示されるように、反射モードで生じ得る。別の実施例では、ＤＭＦカートリッジ１１０内の光センシング操作は、図９に示されて説明されるように、反射モード、透過モード、または反射モードと透過モードとの両方で生じ得る。
【0083】
特定の実施形態において、液滴がセンサーと接触している間に液滴を振動させることが有用であり得る。例えば、一実施形態において、第１の反応電極および第２の反応電極が交互に活性化されて、第１の反応電極と第２の反応電極との間で液滴の振動を誘発し、ＳＰＲセンサー表面に対する液滴の動きを誘発する。一実施形態において、第１の反応電極と第２の反応電極との間の液滴の振動は線形である。一実施形態において、振動は、約０．５～約１５Ｈｚの範囲である。別の実施形態において、振動は、約４～約１０Ｈｚの範囲である。
【0084】
別の実施形態において、ＳＰＲセンサー表面は、３つ以上の反応電極の間に配置され、３つ以上の反応電極が交互に活性化されて、３つ以上の反応電極間で液滴の振動を誘発し、ＳＰＲセンサー表面に対する液滴の動きを誘発する。別の実施形態において、３つ以上の反応電極間の液滴の振動は円形である。
【0085】
一実施形態において、電極のセットは、液滴をセット内のある電極から次の電極に移動させることによる振動が液滴をセンサーのセンシング先端と接触させたまま保持するように、センサーのセンシング先端に対して配置される。
【0086】
図１１は、液滴操作電極１２０上で前後に振動し、かつ光ファイバープローブ１３０と接触している２Ｘサンプル液滴１４０の例を示している。図１１では、液滴は、一般に、液滴操作電極１２０の経路に沿って、光ファイバープローブ１３０の長さに沿ったライン（図示せず）に対して直交する方向に移動している。本開示の範囲内では、他の種類の移動、例えば、光ファイバープローブ１３０の長さに沿ったライン（図示せず）と一致する方向、様々な方向への移動が可能であることが理解されよう。また、振動は、液滴の伸長および短縮を含み得る。さらに、画像は２倍の伸長を示しているが、伸長は３倍、４倍、またはそれ以上であり得ることが理解されよう（Ｘ ＝ 液滴を伸長するために使用される活性化電極の数）。
【0087】
図１２Ａおよび図１２Ｂは、集積型ファイバーセンシングを含むＤＭＦカートリッジ１１０の例示的なインスタンス化のそれぞれ、上面斜視図および下面斜視図を示している。例えば、図１２Ａおよび図１２Ｂは、ＤＭＦカートリッジ１１０の上部基板１１４、ファイバーアセンブリ１２５、および光ファイバーコア１４６の実施例を示している。
【0088】
ファイバーアセンブリ１２５は、アセンブリの第１端縁から延在するファイバー、及びアセンブリの第２端縁から延在するファイバーのセットとして構成し得る。ファイバーアセンブリ１２５がＤＭＦカートリッジ１１０と共に組み立てられると、上部基板１１４と下部基板１１２との間の液滴操作ギャップ１１６が密封され、光ファイバープローブがギャップ内に延在する。理想的には、ファイバーは、１つ以上のエレクトロウェッティング電極１２０であって、１つ以上のエレクトロウェッティング電極１２０と相互作用する液滴が光ファイバープローブの端部に接触する、該１つ以上のエレクトロウェッティング電極１２０と十分に近接して延在する。液滴の振動を必要とするアッセイの場合、電極のセットは、液滴をセット内のある電極から次の電極に移動させることによる振動が液滴をセンサーのセンシング先端と接触させたまま保持するように、プローブのセンシング先端に対して配置し得る。
【0089】
図１３Ａおよび図１３Ｂは、それぞれ、ＤＭＦカートリッジ１１０の実施例の上部分解図および下部分解図を示している。上部基板１１４は、緩衝液、試薬およびサンプルをＤＭＦカートリッジ１１０内に堆積させるための開口部を含む。試薬、緩衝液およびサンプルをＤＭＦカートリッジ１１０に導入するためのマルチチャネルピペッターの使用を可能にするために、開口部は離間されている。ＤＭＦカートリッジ１１０のフットプリントは、ウェルプレートで使用される器機で使用するために最適化し得る。下部基板１１２は、液滴の作動を制御するためにその中にパターン化された電極を備えたプリント回路基板である。下部基板１１２は、ＤＭＦのエレクトロウェッティング力を最適化するための疎水性コーティングを有する。上部基板１１４は、ポリカーボネート、アクリル、環状オレフィンコポリマーなどの射出成形ポリマーから作製されている。上部基板１１４は、その導電性を増強するために、酸化インジウムスズなどの導電性コーティングを適用する。上部基板１１４は、シリコーンなどのエラストマー接着剤を使用して下部基板１１２に密封されている。ファイバーは、ファイバーの整列に役立つ上部基板１１４のＶ字溝を介してカートリッジに導入される。上記のエラストマー接着剤はまた、ファイバーが上部基板１１４と下部基板１１２との間のギャップに入るため、ファイバーの周囲を密封する。ファイバーアセンブリ１２５は、接着剤、留め具、超音波溶接、ヒートステーキング、または他の固着方法のいずれかを使用して、上部基板１１４に固定される。
【0090】
図１４Ａおよび図１４Ｂは、ＤＭＦカートリッジ１１０のファイバーアセンブリ１２５の実施例の様々な図である。図１４Ａは、ファイバーアセンブリ１２５の分解図および断面図を示している。図１４Ｂは、ファイバーアセンブリ１２５の斜視図を示している。ファイバーアセンブリ１２５は、２つの主要な構成要素；複数の光ファイバー１８０（すなわち、光ファイバープローブ１３０、およびファイバーホルダー１８２を形成するためのもの）を含み得る。ファイバーホルダー１８２はまた、各端部に１つずつ、２つの位置合わせ（alignment）穴１８４を含む。ファイバーアセンブリ１２５を製造するために、光ファイバー１８０は、ある長さに切断され、ファイバーホルダー１８２に接着される。光ファイバー１８０は、ファイバーホルダー１８２の一方の面（センサー端部）から約２０ｍｍ延在し、反対側（器機の嵌合面１８６）から約５ｍｍ延在する。器機側の余分なファイバーは、ルビースクライブで切断して器機の嵌合面１８６と同一平面にした後、研磨し得る。光ファイバー１８０が長さに劈開（cleave）されている場合、その他方の端部（センサー端部）を研磨する。次いで、センサー端部は、光ファイバープローブ１３０を形成するためにさらなる処理を受ける。例えば、処理は、センサー端部の先端にナノ粒子をコーティングすることを含み得る。
【0091】
要約すると、ここで再び図１～図１４Ｂを参照すると、ＤＭＦシステム１００、ＤＭＦカートリッジ１１０、および／または方法２００は、使い捨てカートリッジ（例えば、ＤＭＦカートリッジ１１０）に直接的に集積された光ファイバー（例えば、光ファイバープローブ１３０）を使用して、局所的な光調査技術を可能にする。従来の方法と比較して、ＤＭＦシステム１００における光ファイバーセンサーとデジタルマイクロ流体の統合により、局所的な光学的調査技術が可能になり、高い光学性能を達成するための低コストの方法を提供し（例えば、低コストのために構成要素数を減らし）、信号を改善するためにシステム内の光損失を制限し、および低ノイズのために迷光の収集を制限する。
【実施例】
【0092】
［実施例１］
ここで図１５を参照すると、これはセンサーファイバーを作製するプロセス３００の実施例である。プロセス３００は、（１）ファイバーを所定長さまで剥き出して劈開する（strip and cleave fibers to length）ステップ、（２）ジグにファイバーを固定するステップ、（３）ファイバーの先端にセンサーを堆積するステップ、および（４）光学特性、ファイバーの完全性、および結合特性をテストするステップを含み得るが、これらに限定されない。これは、ＤＭＦカートリッジの液滴操作ギャップに挿入するための光ファイバープローブをどのように作製して準備するかの方法の一例である。
ここで図１５を参照すると、これはセンサーファイバーを作製するプロセス３００の実施例である。プロセス３００は、（１）ファイバーを所定長さまで剥き出して劈開する（strip and cleave fibers to length）ステップ、（２）ジグにファイバーを固定するステップ、（３）ファイバーの先端にセンサーを堆積するステップ、および（４）光学特性、ファイバーの完全性、および結合特性をテストするステップを含み得るが、これらに限定されない。これは、ＤＭＦカートリッジの液滴操作ギャップに挿入するための光ファイバープローブをどのように作製して準備するかの方法の一例である。
【0093】
［実施例２］
この実験は、ＤＭＦデバイス内の光ファイバーベースの表面プラズモン共鳴検出法を使用して、一般的なタンパク質－タンパク質間相互作用であるプロテインＡとＩｇＧとの親和性を決定するためのものであった。該実験は、ＤＭＦデバイスの自律的処理および少量であるという利点、ならびに光ファイバー検出の低バックグラウンド、制限された構成要素、および整列の利点の両方を実証した。
この実験は、ＤＭＦデバイス内の光ファイバーベースの表面プラズモン共鳴検出法を使用して、一般的なタンパク質－タンパク質間相互作用であるプロテインＡとＩｇＧとの親和性を決定するためのものであった。該実験は、ＤＭＦデバイスの自律的処理および少量であるという利点、ならびに光ファイバー検出の低バックグラウンド、制限された構成要素、および整列の利点の両方を実証した。
【0094】
［材料］
直径１２５μｍの光ファイバーを劈開および処理して、ファイバーの先端に金ナノ粒子を堆積させ、次いで、それらのナノ粒子をカルボキシル基で表面仕上げした。要約すると、光ファイバーを徹底的に洗浄し、酸化した。酸化の例示的な方法としては、水酸化ナトリウムへの曝露などの高塩基性の溶液への曝露、オゾン曝露、または酸素プラズマ曝露が挙げられる。次に、自己組織化されたインターフェース層を堆積させ、金をセンサーに結合する。この例では、（３－メルカプトプロピル）トリメトキシシランなどのメルカプトシラン化合物を使用した。最後に、光ファイバーを、所望のサイズおよび形状の金ナノ粒子を含有する溶液に浸漬した。この場合、直径１０ｎｍの金ナノ粒子を使用した。金の堆積後、チオール化合物を使用して、将来の化学のための官能基を発現させた。様々な化合物を使用でき、例えば、片側にチオール基、反対側にヒドロキシ基を有する化合物は、将来の化学反応のためにカルボキシル表面を発現する。３－メルカプト－１－プロパノールを使用した。例えば、図１６は、ナノ粒子センサー表面１４３の例の詳細を示している（図７Ｂを参照）。図１６は、得られた光ファイバープローブの先端の電子顕微鏡写真を示しており、光ファイバークラッド１４５、光ファイバーコア１４６、およびナノ粒子コーティング１４７を示している。
直径１２５μｍの光ファイバーを劈開および処理して、ファイバーの先端に金ナノ粒子を堆積させ、次いで、それらのナノ粒子をカルボキシル基で表面仕上げした。要約すると、光ファイバーを徹底的に洗浄し、酸化した。酸化の例示的な方法としては、水酸化ナトリウムへの曝露などの高塩基性の溶液への曝露、オゾン曝露、または酸素プラズマ曝露が挙げられる。次に、自己組織化されたインターフェース層を堆積させ、金をセンサーに結合する。この例では、（３－メルカプトプロピル）トリメトキシシランなどのメルカプトシラン化合物を使用した。最後に、光ファイバーを、所望のサイズおよび形状の金ナノ粒子を含有する溶液に浸漬した。この場合、直径１０ｎｍの金ナノ粒子を使用した。金の堆積後、チオール化合物を使用して、将来の化学のための官能基を発現させた。様々な化合物を使用でき、例えば、片側にチオール基、反対側にヒドロキシ基を有する化合物は、将来の化学反応のためにカルボキシル表面を発現する。３－メルカプト－１－プロパノールを使用した。例えば、図１６は、ナノ粒子センサー表面１４３の例の詳細を示している（図７Ｂを参照）。図１６は、得られた光ファイバープローブの先端の電子顕微鏡写真を示しており、光ファイバークラッド１４５、光ファイバーコア１４６、およびナノ粒子コーティング１４７を示している。
【0095】
表面仕上げ後、先端が電極の端縁に整列するようにセンサーをＤＭＦカートリッジのギャップに挿入した。収集されたデータの各チャネルは、様々な光ファイバーセンサーを参照する。
【0096】
ＤＭＦカートリッジに２センチストークスのポリジメチルシロキサンを装荷し、ＤＭＦデバイスにオイル環境を準備した。ＤＭＦデバイスのウェルを、１００μＬのｐＨ７．４リン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）、３５μＬのエタノールアミン、３５μＬのｐＨ１．５グリシン＋塩酸（ＨＣｌ）、３５μＬのプロテインＡ（使用したリガンド）で充填した。また、カートリッジには、ファイバー感度キャリブレーション用の８μＬのＰＢＳ中の１０％グリセロールおよびＰＢＳ中の１６％グリセロール、センサーのカルボキシル表面を活性化するための８μＬの１－エチル－３－（－３－ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド塩酸塩（ＥＤＣ）および８μＬのＮ－ヒドロキシスクシンイミド（ＮＨＳ）、ならびに分析用に８μＬの９００ｎＭ ＩｇＧを装荷した。ただし、このプロトコルに必要なのは２μＬのみである。すべての試薬には、オイルと水との界面を安定させるために０．１％のＴｗｅｅｎ－２０界面活性剤を含ませた。
【0097】
図１１に示すように、液滴をプローブと接触している間に振動させた。エレクトロウェッティング電極を使用して、液滴を２Ｘ液滴に伸長し、プローブとの接触を維持しながら、１０Ｈｚで１０分間、３つの電極上を往復させた。
【0098】
［方法］
実験全体は、ＤＭＦカートリッジによって自動的に実行した。まず、センサーの感度をグリセロールで校正した。この手順は以下のこと、すなわち、
（１）ベースラインのために７００ｎＬのＰＢＳを導入し、
（２）７００ｎＬの１０％グリセロールの屈折率シフトを測定し、
（３）７００ｎＬのＰＢＳでセンサーをリンスし、
（４）７００ｎＬの１６％グリセロールの屈折率シフトを測定し、また
（５）７００ｎＬのＰＢＳでセンサーをリンスする
ものであった。
実験全体は、ＤＭＦカートリッジによって自動的に実行した。まず、センサーの感度をグリセロールで校正した。この手順は以下のこと、すなわち、
（１）ベースラインのために７００ｎＬのＰＢＳを導入し、
（２）７００ｎＬの１０％グリセロールの屈折率シフトを測定し、
（３）７００ｎＬのＰＢＳでセンサーをリンスし、
（４）７００ｎＬの１６％グリセロールの屈折率シフトを測定し、また
（５）７００ｎＬのＰＢＳでセンサーをリンスする
ものであった。
【0099】
上記は、既知の屈折率がもたらす信号シフトの程度を評価する。次に、カートリッジはシステムの結合反応速度を自動的に測定する。これは、以下のステップを含む。時間の最適化のために、多くのステップが他のステップと並行して実行されたことに留意されたい。
（１）７００ｎＬのＰＢＳでセンサーを調節するステップ、
（２）７００ｎＬのグリシン－ＨＣｌでセンサーを洗浄するステップ、
（３）７００ｎＬ ＰＢＳでファイバーをリンスするステップ、
（４）３５０ｎＬの１－エチル－３－（３－ジメチルアミノプロピル）カルボジイミドを３５０ｎＬのユニット Ｎ－ヒドロキシスクシンイミドと各チャネルで混合し、センサーのカルボキシル表面を混合物で活性化するステップ、
（５）７００ｎＬ ＰＢＳでファイバーをリンスするステップ、
（６）７００ｎＬのプロテインＡ溶液を各センサーに導入する。これにより、プロテインＡがセンサー表面に固定化され、プロテインＡ抗体のリガンドとして機能するステップ、
（７）７００ｎＬ ＰＢＳでファイバーをリンスするステップ、
（８）以下の方法でＩｇＧサンプルを作成するステップであり、すなわち、
（ａ）３５０ｎＬの９００ｎＭ ＩｇＧを採取し、７００ｎＬのＰＢＳで希釈する。上記配合を完全に混合し、片や、７００ｎＬの混合物に分割して、３００ｎＭのサンプルを作成し、
（ｂ）８ａから残りの３５０ｎＬを採取し、７００ｎＬのＰＢＳで希釈する。同様に、配合を混合し、７００ｎＬに分割して、１００ｎＭサンプル用に確保し、３５０ｎＬのドロップでさらに希釈し、また
（ｃ）８ｂを繰り返して、３３ｎＭ、１１ｎＭ、および３．６７ｎＭのサンプルを作成する。残りの３５０ｎＬのドロップは廃棄する
ことによって、ＩｇＧサンプルを作成するステップ、
（９）７００ｎＬのＩｇＧサンプルを様々なセンサーに導入する。ＩｇＧとプロテインＡとの会合（association）をリアルタイムで測定ステップ、及び
（１０）７００ｎＬ ＰＢＳでファイバーをリンスする。プロテインＡからのＩｇＧの解離（dissociation）をリアルタイムで測定するステップ。
（１）７００ｎＬのＰＢＳでセンサーを調節するステップ、
（２）７００ｎＬのグリシン－ＨＣｌでセンサーを洗浄するステップ、
（３）７００ｎＬ ＰＢＳでファイバーをリンスするステップ、
（４）３５０ｎＬの１－エチル－３－（３－ジメチルアミノプロピル）カルボジイミドを３５０ｎＬのユニット Ｎ－ヒドロキシスクシンイミドと各チャネルで混合し、センサーのカルボキシル表面を混合物で活性化するステップ、
（５）７００ｎＬ ＰＢＳでファイバーをリンスするステップ、
（６）７００ｎＬのプロテインＡ溶液を各センサーに導入する。これにより、プロテインＡがセンサー表面に固定化され、プロテインＡ抗体のリガンドとして機能するステップ、
（７）７００ｎＬ ＰＢＳでファイバーをリンスするステップ、
（８）以下の方法でＩｇＧサンプルを作成するステップであり、すなわち、
（ａ）３５０ｎＬの９００ｎＭ ＩｇＧを採取し、７００ｎＬのＰＢＳで希釈する。上記配合を完全に混合し、片や、７００ｎＬの混合物に分割して、３００ｎＭのサンプルを作成し、
（ｂ）８ａから残りの３５０ｎＬを採取し、７００ｎＬのＰＢＳで希釈する。同様に、配合を混合し、７００ｎＬに分割して、１００ｎＭサンプル用に確保し、３５０ｎＬのドロップでさらに希釈し、また
（ｃ）８ｂを繰り返して、３３ｎＭ、１１ｎＭ、および３．６７ｎＭのサンプルを作成する。残りの３５０ｎＬのドロップは廃棄する
ことによって、ＩｇＧサンプルを作成するステップ、
（９）７００ｎＬのＩｇＧサンプルを様々なセンサーに導入する。ＩｇＧとプロテインＡとの会合（association）をリアルタイムで測定ステップ、及び
（１０）７００ｎＬ ＰＢＳでファイバーをリンスする。プロテインＡからのＩｇＧの解離（dissociation）をリアルタイムで測定するステップ。
【0100】
［結果および分析］
上記ステップを使用して、各ＩｇＧサンプルの応答曲線を作成した。これらの曲線は、最初にグリセロール補正から得られた屈折率シフトに対する感度について調整し、次いで、実験中に測定されたセンサーに固定化されたプロテインＡの量について調整した。結果は、図１７Ａに示されたプロット４００に示されている。プロット４００は、応答曲線Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、およびＦを示している。凡例４１０は、応答曲線Ａが０ｎＭの親和性に対応し、応答曲線Ｂが３．６７ｎＭの親和性に、応答曲線Ｃが１１ｎＭの親和性に、応答曲線Ｄが３３ｎＭの親和性に、応答曲線Ｅが１００ｎＭの親和性に、および応答曲線Ｆが３０００ｎＭの親和性に対応している。
上記ステップを使用して、各ＩｇＧサンプルの応答曲線を作成した。これらの曲線は、最初にグリセロール補正から得られた屈折率シフトに対する感度について調整し、次いで、実験中に測定されたセンサーに固定化されたプロテインＡの量について調整した。結果は、図１７Ａに示されたプロット４００に示されている。プロット４００は、応答曲線Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、およびＦを示している。凡例４１０は、応答曲線Ａが０ｎＭの親和性に対応し、応答曲線Ｂが３．６７ｎＭの親和性に、応答曲線Ｃが１１ｎＭの親和性に、応答曲線Ｄが３３ｎＭの親和性に、応答曲線Ｅが１００ｎＭの親和性に、および応答曲線Ｆが３０００ｎＭの親和性に対応している。
【0101】
このデータに１：１の反応速度モデルを適用し、適合させた。図１７Ｂに示されたプロット４０５に示されるように、これが、他の器機での同じサンプルの測定と一致する、非常に密接な相関および２ｎＭの測定された親和性という結果をもたらす。ただし、他の器機とは異なり、サンプル調製を含むこの実験全体は、前または後のサンプルとの相互汚染のリスクなしに、使い捨ての流体カートリッジで自律的に実行された。さらに、実験では検体溶液をたった３５０ｎＬしか消費せず、他のシステムと比較して容量が劇的に減少した。
【0102】
本発明は、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組み合わせを使用して実装され得、１つ以上のコンピュータシステムまたは他の処理システムに実装され得る。一態様では、本発明は、本明細書に記載の機能を実行することができる１つ以上のコンピュータシステムを企図する。
【0103】
「好ましくは（preferably）」、「一般的に（commonly）」、および「典型的に（typically）」のような用語は、請求される実施形態の範囲を制限するため、または特定の特徴が請求される実施形態の構造もしくは機能にとって重要もしくは必須であることを意味するために本明細書で使用されるものではない。これらの用語は、本開示の特定の実施形態で利用される場合もされない場合もある代替または追加の特徴を強調することを意図している。
【0104】
「ほぼ（substantially）」という用語は、本明細書では、任意の定量的比較、値、測定、または他の表現に起因し得る固有の不確実性の程度を表すために、および、問題となる対象物の基本的な機能に変化をもたらすことなく定量的表現が記載された参照から変化し得る程度を表すために使用される。
【0105】
「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」という用語は、特許請求の範囲を含めて、本出願で使用される場合、「１つ以上（one or more）」を指す。したがって、例えば、「対象物（a subject）」への言及は、文脈が明らかに反対である場合（例えば、複数の対象物）等々を除いて、複数の対象物を含む。
【0106】
「含む、備える（“comprise”, “comprises”, & “comprising”）」、および「含む（“include”, “includes”, “including”）」という用語は、非限定的であることが意図されており、リスト内の項目の記載は、リストされた項目に置き換えられたり追加されたりし得る他の同様の項目を除外するものではない。
【0107】
上記の明細書で言及されているすべての刊行物は、参照により本明細書に組み込まれる。
【0108】
本発明の開示された方法、組成物および使用の様々な修正および変形が、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、本開示および特許請求の範囲を検討することにより当業者に明らかになるであろう。本発明は、特定の好ましい態様または実施形態に関連して本明細書に開示されてきたが、請求される本発明は、そのような特定の実施形態に過度に限定されるべきではないことを理解されたい。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図13A】
【図13B】
【図14A】
【図14B】
【図15】
【図16】
【図17】
【国際調査報告】