(57)【要約】  ここに記載するシステムと方法は、少なくとも１つの試薬の処理用で、構成変更可能な流体輸送システムを提供するために相互結合された複数の微小機構を持つ微小流体チップを含む。チップの１以上の微小機構に取り外し可能に取り付けられた挿入物が提供され、この挿入物は、試薬と相互作用する箇所を含んでいる。以下の記載から分かるように、微小流体チップと挿入物は、複数の分析を並行して実行するための効率的で正確な手法を提供する。
2009524054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の流路がその中に形成された基板、
物質を保持できる種類の少なくとも１つの試薬容器、及び
前記少なくとも１つの試薬容器から複数の出口容器へ、分配弁に結合された少なくとも１つの前記流路を介して前記物質の流れを制御可能に導くよう適合された分配弁
から成る微小流体装置。
【請求項２】
前記基板が、これにエッチングされた複数の流路と前記物質を前記複数の流路の少なくとも１つに導入するためにプラスチック基板の頂面に取り外し可能に結合された少なくとも１つの試薬容器とを有するプラスチック基板である、請求項１の装置。
【請求項３】
前記分配弁が、前記物質を少なくとも１つの試薬容器から複数の出口容器の少なくとも１つへポンプ動作により輸送する少なくとも１つの双方向性ポンプに結合されている、請求項１の装置。
【請求項４】
更に、少なくとも１つの流路内に取り付けるように構成され、かつ前記物質と相互作用する反応面を有する少なくとも１つの挿入物から成る、請求項１の装置。
【請求項５】
更に、開と閉の状態を有し、少なくとも１つの試薬容器を複数の出口容器へ分配弁を介して流体的に結合する少なくとも１つの試薬弁から成る、請求項１の装置。
【請求項６】
更に、少なくとも１つの流路に関連する少なくとも１つの双方向性ポンプから成る、請求項１の装置。
【請求項７】
前記双方向性ポンプが、それぞれ１つの流路により直列に結合され、独立に動作し得る少なくとも３個の弁構造体を含む、請求項６の装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの流路が第１容器と第２容器を結合し、前記少なくとも１つの双方向性ポンプが第１容器へ向かう第１方向と第２容器へ向かう第２方向で前記物質を往復させるように適合している、請求項６の装置。
【請求項９】
更に、それぞれ１つの前記流路に関連する複数の双方向性ポンプから成り、
前記分配弁は、それぞれ１つの前記流路に対応する１つの前記双方向性ポンプを介して流体的に結合し、
閉状態では、前記分配弁は、流路間及び少なくとも１つの試薬容器と流路の間の流体連通を実質的に阻止する、
請求項１の装置。
【請求項１０】
更に、前記基板に取り外し可能に結合し、かつ前記物質を基板に配置された複数の流路に運ぶためにその上に配置された少なくとも１つの試薬容器を有するように適合されたカートリッジから成る、請求項１の装置。
【請求項１１】
前記挿入物は、少なくとも１つの流路の空洞空間内に取り外し可能に取り付けられ、
前記挿入物の反応面と前記空洞空間の表面との間には、前記物質を通過させるのに適した空隙が形成されている、
請求項４の装置。
【請求項１２】
前記空洞空間は、前記挿入物を前記空洞空間に流体的に結合された少なくとも１つの容器の開口から受け入れるように適合しており、前記空洞空間の幅は少なくとも前記挿入物の幅にほぼ等しい、請求項１１の装置。
【請求項１３】
前記空洞空間は、前記挿入物を前記空洞空間の開口から受け入れるように適合しており、ふた部材が前記開口を取り外し可能に覆うように提供されている、請求項１１の装置。
【請求項１４】
前記挿入物が薄膜から成る、請求項４の装置。
【請求項１５】
前記挿入物が、更に、前記薄膜の粘着層開口部上方に配置された少なくとも１つの薄膜円板から成る、請求項１４の装置。
【請求項１６】
前記開口部が、円形状、及び円形領域とこの円形領域に開いた２つの対向する矩形領域とから成る形状の一方である、請求項１５の装置。
【請求項１７】
前記薄膜円板は化学的物質と生物学的物質の少なくとも一方が塗布されている、請求項１５の装置。
【請求項１８】
前記薄膜円板はニトロセルロース、ＰＶＤＦ、ポリスチレン及びナイロンの１つから構成されている、請求項１５の装置。
【請求項１９】
前記基板が複数の重ねられた層を含み、少なくとも１つの層に配置された複数の流路を有する、請求項１の装置。
【請求項２０】
前記物質が、流体物質、気体物質、流体物質中に実質的に溶解している固体物質、泥状流動体物質、乳濁液物質及びその中に粒子が懸濁している流体物質の１つである、請求項１の装置。
【請求項２１】
更に、前記物質の温度を調節する少なくとも１つの加熱要素から成る、請求項１の装置。
【請求項２２】
更に、
独立して作動できる複数の弁構造体を有する少なくとも１つのポンプ、及び
少なくとも１つの試薬容器から複数の出口容器へ分配弁に結合された少なくとも１つの流路を介して物質の流れを導くための弁構造体を空気圧で作動することができるプログラマブルコントローラ
から成る、請求項１の装置。
【請求項２３】
その中に複数の流路が配置された基板、
前記基板の複数の流路のそれぞれ１つと流体的に連通し、複数の容器がその上に配置された試薬チップ、及び
前記容器から前記基板の流路へその中の複数の導管流路を介して流体物質を運ぶ導管チップ
から成る、微小流体装置。
【請求項２４】
前記試薬チップが、更に、
内部に分配弁が配置された積み込みチップ、及び
前記積み込みチップに取り外し可能に結合され、その上に前記容器が配置されたカードリッジを含み、
前記分配弁が前記容器から前記基板の複数の流路へ前記導管流路を介して前記流体物質を導く、
請求項２３の装置。
【請求項２５】
更に、前記試薬チップに結合された複数の基板から成り、前記流体物質が前記容器から前記複数の基板の少なくとも１つに配置された複数の流路へ運ばれる、請求項２３の装置。
【請求項２６】
基板及び内部に配置された少なくとも１つの流路から成る微小流体装置を備えること、
前記流路内に少なくとも１つの挿入物を取り付けること、
内部の前記挿入物に接触するように前記流路を通じて少なくとも１つの流体物質を流すこと、
前記流体物質を前記挿入物から抜き去ること、そして
前記挿入物の相互作用を検知すること
から成る、生物学的分析を遂行するための方法。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの流体物質を流すことが、試薬を試薬容器から複数の出口容器へ流すために分配弁を作動させることから成る、請求項２６の方法。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの流体物質を流すことが、前記流路に結合された第１の容器に向かう第１の方向と前記流路に結合された第２の容器に向かう第２の方向で前記流体物質を繰り返し往復させることから成り、
前記流路に結合された分配弁は、分配弁が閉の状態のとき、前記流路の流体物質を実質的に閉じこめるものである
請求項２６の方法。
【請求項２９】
前記流体物質を前記挿入物から抜き去ることは、流路に結合された第１の容器に向かう第１の方向と前記流路に結合された第２の容器に向かう第２の方向の少なくとも１つで前記流体物質を流すことから成る、請求項２６の方法。
【請求項３０】
更に、廃棄物を前記流路から前記基板上の容器へ輸送することから成る、請求項２６の方法。
【請求項３１】
相互作用を検知することが、前記挿入物の少なくとも１つの標本に対応する色強度値を発生することから成る、請求項２６の方法。
【請求項３２】
色強度値を発生することが、
複数の画素を発生するために標本に対応する色をデジタル化すること、
前記複数の画素のそれぞれ１つに対して複数の数値を与えること、及び
前記色強度値を与えるために前記複数の数値の平均をとること
から成る、請求項３１の方法。
【請求項３３】
更に、閾値を計算すること及び前記相互作用を検知するために前記色強度値を前記閾値と比較することから成る、請求項３１の方法。
【請求項３４】
更に、少なくとも１つの前記色強度値と前記閾値をデータベースに記憶することから成る、請求項３３の方法。
【請求項３５】
前記閾値が少なくとも１つの陰性対照標本を用いて計算される、請求項３３の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］  本出願は、２００６年１月１９日にされた仮出願６０／７６０５５２号に基づく優先権を主張するものであり、その全体を参照によりここに組み入れる。
【０００２】
［発明の分野］  ここに記載するシステムと方法は、一般的には、微小流体工学（microfluidics）の分野に関する。特に、このシステムと方法は、微小流体ダイヤフラム構造、微小流体チップ、携帯用微小流体試薬自動処理システム並びにその製造及び使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
「微小流体工学」は、一般に、小体積の流体を処理するシステム、素子及び方法に関する。微小流体システムは、化学的又は生物学的標本のような流体を扱う多様な操作を統合するものであるから、このシステムは、生物学的分析（例えば医療診断及び投薬）、生化学的検知器又は生命科学研究一般のような多くの応用分野を有する。
【０００４】
微小流体素子の１種に微小流体チップがある。微小流体チップは、流体貯蔵、チップ上の種々の場所への経路指定及び／又は流体試薬との反応のため、流路、弁、ポンプ及び／又は容器（reservoirs）のような微小規模の機構（すなわち「微小機構」）を有する。
【０００５】
しかしながら、既存の微小流体システムには、所定の流動パターンによること以外には複数流体の制御操作を可能とする適切な機構が欠けており、このため、システムを種々の化学的又は生物学的分析に使用するという実用性が制限されている。これは、現実世界の分析では、連続的に変化する条件の下で異なる試薬を繰り返し操作することがしばしば必要となるからである。
【０００６】
更に、既存の多くの微小流体素子は、１つの特定の用途だけに限定されており、完全に作り変えなければ他の応用に適合させたりカスタマイズすることが容易にできない。これらの素子は、モジュール性を欠き、したがって、１つの設計で多数の機能を果たし得るように共通の素子要素を共有することができない。この柔軟性の欠如により、個々の用途で異なるシステムの生産を必要とするため、生産費用の増加を招くこととなる。
【０００７】
更に、多くの既存微小流体システムは、分析から検体の相互作用又は存在を容易に検知できる直線的な終点分析（end-point assay）のための手段を欠いている。例を挙げると、分析後の標本色変化の視覚的検知が分析結果の評価にしばしば用いられるが、この技法は、微小流体システムにはめったに適用されない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
それ故、生物学的又は化学的標本の分析のために流体を処理する改良された微小流体システムの要望が存在する。システムは、大量生産でき、安価で、かつ、好ましくは使い捨てできるものであることが望ましい。システムは、操作が簡単で、かつ、多くの、又は実質的に全ての流体処理段階が自動化されたものであることが望ましい。システムは、各種用途に適合させるため容易かつ迅速に再構成できるように、カスタマイズでき、かつモジュール式のものであることが望ましい。システムは、直接的かつ有意義な分析結果をもたらし得るものであることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ここに記載するシステムと方法は、１つの実施形態では、１以上の試薬の処理用に構成されたプラスチック微小流体チップを含んでいる。このチップは、弁、ポンプ、流路及び容器の各種微小機構から成る。この微小機構は、相互結合され、使用者の指定により特定用途に適合された流動パターンの各種組合わせを可能とする。特に、このチップにより、試薬カートリッジ上のそれぞれの試薬容器から多数の分析流路へ輸送構造体を介して１以上の試薬を輸送することが可能となる。この輸送は、空気圧で駆動されるポンプと弁の自動動作によって行われる。試薬容器から流路への試薬の流れを空間的かつ時間的に調整することにより、使用者は効率的に生物学的免疫分析を行うことができる。
【００１０】
１つの態様では、微小流体チップは、複数の流路、試薬を少なくとも１つの流路に導入するための分配構造体、そして試薬の流れを流路に制御可能に導くための設定可能な輸送システムを有するプラスチック基板を含む。
【００１１】
１つの態様では、流路は、複数の入口流路、複数の出口流路及び複数の分析流路を含む。設定可能な輸送システムは、試薬を分析流路に分配するために入口流路及び出口流路に結合された分配弁から成る。分析流路は、生物学的分析を遂行するように構成されている。
【００１２】
１つの態様では、入口流路、出口流路、分析流路及び分配構造体は、基板本体内に配置されている。
【００１３】
１つの態様では、輸送装置は、基板頂面に取り外し可能に結合され、それぞれの入口流路と流体的に連通する複数の試薬容器を有する独立した試薬カートリッジである。入口流路は、試薬をそれぞれの試薬容器から分析流路へ分配弁と出口流路を通じて供給するために、独立して弁で制御される。
【００１４】
他の態様では、分配弁への入口流路に整列したバッファ容器が存在する。バッファ容器は、洗浄緩衝液貯蔵のために個々の試薬容器より実質的に大きい貯蔵容量を特徴としている。バッファ容器の下に位置するダイヤフラム弁は、分配弁を通じて洗浄緩衝液を分析流路に制御可能に放出する。
【００１５】
他の態様では、本発明は、反応用定温放置（reaction incubation）の間に輸送される試薬と緩衝液を貯蔵するための１以上のシャトル容器と出口容器を含む。シャトル容器は、それぞれの分析流路を通じて対応する出口容器に結合されている。シャトル容器と出口容器の容量は、反応用定温放置の間に分析流路の反応試薬がシャトル容器及び／又は出口容器に輸送され得るように、分析流路の容量よりも実質的に大きくなっている。
【００１６】
他の態様では、本発明は、分配弁の出口流路に整列したオンチップ廃棄物容器を含んでいる。廃棄物容器は、使用済の全ての試薬と洗浄緩衝液を貯蔵するため、バッファ容器より実質的に大きい貯蔵容量を特徴としている。廃棄物容器の下に位置し独立して作動されるダイヤフラム弁は、シャトル容器及び／又は出口容器から廃棄物容器へ分配弁を介して流れる流量を調節する。
【００１７】
他の態様では、本発明は、分析流路、シャトル容器及び分配弁の出口流路を通る流れをそれぞれが制御する３以上の弁に各々が結合された１以上の双方向性流体ポンプを含む。ポンプと弁の構造体は、試薬容器からシャトル容器、試薬容器から分析流路と出口容器、シャトル容器から分析流路を介して出口容器、出口容器から分析流路を介してシャトル容器、出口容器から廃棄物容器、そしてシャトル容器から廃棄物容器のような多数の流体抜き去り・供給パターンを可能とする。
【００１８】
他の態様では、輸送装置は、入口流路、分配弁及び複数の試薬容器を含む分離した試薬チップから成る。試薬容器は、試薬を分配弁に導くために入口流路に整列している。また、輸送装置は、出口流路を内蔵する導管チップを含む。導管チップは、試薬を試薬チップから基板の分析流路へ導くために試薬チップと基板に取り外し可能に結合するように適合している。応用チップを幾つかのモジュールに分離することにより、より大きな設計と製造の柔軟性、種々のチップ材料の利用及び試薬カートリッジの反復利用が可能になる。
【００１９】
他の態様では、本発明は、生物学的分析又は化学的反応のために分析流路の空洞空間に配置される挿入物を含み、分析流路は、挿入物を受容し、挿入物の反応表面が流路表面と接触することを防止するように構成されている。
【００２０】
他の態様では、分析流路は、分析流路に結合された出口容器の開口から挿入物を受容するように適合している。
【００２１】
他の態様では、分析流路の空洞空間は、挿入物が配置される基板の頂面の開口と空洞空間の開口を取り外し可能に覆う蓋を含んでいる。
【００２２】
他の態様では、挿入物の反応表面は、１以上の標本検体又は試薬カートリッジから供給される試薬と潜在的に相互作用する物質を含む。標本検体又は物質は、特定の応用に合わせて選択される。或る実施形態では、挿入物は、穴あき薄膜細片と、薄膜細片表面に結合し薄膜細片開口に整列する少なくとも１つの薄膜円板を含む。薄膜円板は、各々、標的分析物又は分析物捕捉抗体のような生物学的及び／又は化学的材料を含む標本物質が塗布されている。或る実施形態では、開口は、中央円形領域と円形領域に開いた２つの矩形領域とを含む。矩形領域は、分析流路を通る流体の流れの空気泡を捕獲するように構成されている。
【００２３】
他の態様では、膜細片は、非弾性プラスチック粘着材料で形成される。或る実施形態では、非弾性プラスチック材料は、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリカーボネート及びアクリルを含む。或る実施形態では、薄膜円板は、ニトロセルロース、ＰＶＤＦ及び／又はナイロンで形成されている。
【００２４】
他の態様では、分析温度を制御して分析の再現性、速度及び感度を強化するために、加熱要素が微小流体チップに結合されている。
【００２５】
他の態様では、本発明は、生物学的分析を遂行するための方法を提供する。１以上の標本が点在された挿入物を適当な分析流路に配置した後、試薬カートリッジからの試薬を分配構造体を介して分析流路に流し、ここで挿入物の反応面と接触させることができる。また、バッファ容器の洗浄緩衝液を分析流路に流し、流路の挿入物に接触させることができる。反応用定温放置期間又は洗浄期間の間、分析流路の過剰な反応試薬及び／又は洗浄緩衝液は、各分析流路に結合されたシャトル容器と出口容器との間で前後にポンプで動かされる。分析の最後に、シャトル容器と出口容器に貯蔵された流体廃棄物が分配構造体を介して廃棄物容器へポンプで動かされる。緩衝液、洗浄試薬、抗体、抗原、酵素複合体及びこれらの基質を含む適当な試薬を流すことにより、微小流体チップは、各薄膜円板上で免疫分析又は他の生物学的分析を遂行して標的分析物を検知するために使用することができる。
【００２６】
他の態様では、シャトル容器は、各分析流路での個々の分析条件を作り出すための試薬容器として使用することができる。全ての分析流路で一様な分析条件を作り出す試薬容器から供給される試薬とは異なり、シャトル容器の異なる試薬又は異なる濃度の試薬は、並行しているが一様ではない生物学的分析を遂行するために、分析流路へ個別に供給される。
【００２７】
他の態様では、分析の最終結果は、自動化画像分析手順を用い、挿入物上の色変化で検知される。この手順は、分析チップに点在する標本の色の配列を量的にデジタル化することと、標本点の各画素に対応する色強度を量的に決定して各標本に対する平均化した、又は画素化した値を生成することを伴う。標本の色強度値は、対応する薄膜円板上の生物学的標本に関する情報を生ずる。閾値は、陰性対照標本（negative control samples）を用いて計算することができる。閾値、色強度値、そして標本配列に対応する各種画像は、後で参照するために記憶し保管することができる。
【００２８】
他の態様では、本発明により、チップ上のポンプと弁構造体を駆動できるコントローラを微小流体チップに用いることが可能となる。コントローラを電子的に又は無線で計算機又はブラックベリ（BlackBerry）若しくはパームパイロット（Palm Pilot）のような個人用デジタル補助装置（ＰＤＡ）に接続し、使用者がチップ上の分析反応をプログラム制御するインターフェイスを提供するようにしてもよい。
【００２９】
装置の大きさは本質的に小さく、携帯用の微小流体システムが達成される。幾つかの試薬の流れを幾つかの微小流路を通じて幾つかの出口容器へプログラム制御で導くことと相まって、本発明は、ほとんど訓練されていない使用者でも実行可能な自動分析処理を有する携帯用「ポイントオブケア」（ＰＯＣ）システムを提案するための枠組みを提供する。
【００３０】
１つの態様では、本発明の微小流体チップは、全体的にプラスチック材料で形成される。１つの実施形態では、携帯用免疫分析に適した微小流体チップ全体がポリスチレンで形成され、結果的に製造費用が極めて低くなる。内蔵される微小機構の完全性と信頼性を保持しつつ、このような応用におけるポリスチレンの使用を可能とするものは、弱い溶媒結合である。この技術のこのような側面は、アメリカ合衆国特許出願１１／２４２６９４号に記載されており、参照により全体的にここに組み入れる。
【００３１】
これらの、及び他の特徴と利点は、添付図面を参照して以下の例示的な説明により更に十分に理解されるが、ここで、図面は一定の縮尺で描かれたものではない。
図１は、本発明の微小流体チップの１つの実施形態を示す。
図２は、図１の微小流体チップの別の図を示す。
図３ａ、ｂは、図１に示された実施形態で使用される微小流体弁を示す。
図４ａ〜ｆは、図１に示された実施形態で使用される微小流体ポンプを示す。
図５ａ〜ｃは、図１に示された実施形態で使用される入口弁を示す。
図６ａ、ｂは、図１に示された実施形態で使用されるカートリッジと容器を示す。
図７は、分離した試薬チップに結合した導管を有する分析チップを示す。
図８〜１０は、図７の素子の製造のための段階を示す。
図１１ａ〜ｃは、図１に示された実施形態に取り付ける大きさと形状の例示的な挿入物を示す。
図１２は、単一の駆動力で試薬を複数の出口容器に分配するチップの実施形態を示す。
図１３は、複数の駆動力で試薬を複数の出口容器に分配するチップの実施形態を示す。
図１４は、複数の試薬を複数の出口容器に分配する複数の駆動力を有するチップの実施形態を示す。
図１５ａ〜ｃは、図１に示された実施形態の流路内に図１１ａ〜ｃの例示的挿入物を取り付ける方法を示す。
図１６ａ、ｂは、微小流体に基づくオンチップ免疫分析過程の結果を示す。
図１７は、標的分析物を含む標本を同定する段階を示す。
図１８は、計算機、コントローラ及びチップを含む、完全かつ内蔵型の微小流体システムを示す。
図１９は、コントローラに接続したチップの他の実施形態を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明は、種々の実施形態で微小流体のチップ、システム及び方法を提供する。以下の詳細な説明は、添付図面を参照する。以下の詳細な説明は、発明を限定するものではない。むしろ、発明の範囲は、少なくとも添付の特許請求の範囲とその均等物で規定される範囲である。
【００３３】
図１は、分析チップ５とチップ５の全幅に沿ってチップ５上に配置されたカートリッジ１０とを含む微小流体システム１を示す。カートリッジ１０は、流体試薬保持室を規定する側壁を持つ複数の試薬容器を含む。チップ５は、洗浄緩衝液を保持する円筒側壁を持つバッファ容器１６、分析操作中に試薬を保持するように適合された複数のシャトル容器１７、及び分析操作後に使用済試薬と使用済緩衝液を保持するように適合された廃棄物容器１８を含む。また、チップ５は、種々の容器に整列するように位置する複数の入口弁を含む。入口弁１４は、容器とチップ５の個々の微小流路との間の流量を制御するためのものである。
【００３４】
図２に示されているように、チップ５は、複数の入口流路２０、分配弁２５、入口３０、廃棄物流路３８、複数の試薬及び／又は緩衝液の出口流路３５、分析流路４０、流体ポンプ４４、出口容器４８を含む。分配弁２５は、入口流路２０から入口３０への流体放出を制御する。分配弁２５は、入口３０から廃棄物流路３８への流体放出を制御する。入口３０は、分析流路４０と流体的に通じている出口流路３５への入口として機能する。ポンプ４４は、出口容器４８に向けて方向６０に流体を送るが、また、一般にシャトル容器１７と入口３０に向けて方向６２に流体を送るようにプログラムすることもできる。
【００３５】
図１に示されているように、チップ５は、一般に、第１基板６、第２基板７及び２つの基板６と７の間に配置される膜８（不図示）から構成される。膜８は、約１０μｍと約１５０μｍの間、又は約１５μｍと約７５μｍの間の厚さを有する。図示された第１基板６と第２基板７は、膜８の厚さより実質的に大きい厚さをそれぞれ有するが、他の実施例では、膜８の厚さ以下の厚さを有する。微小流体流路２０、２５、３８及び４０は、任意の適当な寸法でよいが、或る実施形態では、約１μｍと約５００μｍの間、又は約１μｍと約５０μｍの間の断面寸法を有する。
【００３６】
或る実施形態では、第１基板６、第２基板７及び膜８は、全てプラスチック製である。材料の例としては、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、ポリカーボネート及びアクリルのような非弾性高分子がある。これらの材料は、適度に剛性で、第１基板６及び第２基板７に適しているので、少なくとも部分的には有益である。更に、これらの材料は、薄層で用いられると変形可能であり、第１基板６及び第２基板７に対して曲がり得る膜８に適している。
【００３７】
システム１は、自動化した「多対多」の試薬の調製と処理を提供する。入口弁１４、分配弁２５及び流体ポンプ４４を選択的に作動させることにより、試薬容器１２、バッファ容器１６、廃棄物容器１８、シャトル容器１７及び出口容器４８の間の流体流動パターンの種々の組合わせが達成可能となる。特に、分配弁２５は、図３ａ、ｂで描かれた弁構造に従って構成される。図３ａ、ｂは３層活性平面弁構造を示し、アセトニトリル利用の結合により形成される。弁構造体３９９は、中間配置された微小流路３０１と３０３を有する第１基板３００を含む。膜層３０４は、領域３０６で第１基板３００に選択的に結合され、これによりダイヤフラム構造３０８を形成している。第２基板３０２は、膜３０４に結合されている。第２基板は、駆動室３１０を含む。
【００３８】
図１の流路ポンプ４４は、図４ａ〜ｆに示されたポンプ構造に従って構成される。微小流体ポンプは、一般に、正圧及び／又は負圧を流体に印加すること、及び／又は、１以上の所望方向への流体の流れを容易化することができる任意の構造体又は構造体群である。描かれた微小ダイヤフラムポンプ４００は、一般に、３個の弁を含み、これは、入口弁４０２、駆動弁４０４及び出口弁４０６であり、微小流路４１８の一部４１８ｂと４１８ｃで相互接続されている。動作時には、ポンプ４００は、順次活性化される６状態を循環して蠕動状ポンプ効果を発生することにより流体を微小流体流路４１８へ送り込む。図４はポンプ４００を構成する３個の弁構造体４０２、４０４及び４０６を示しているが、ポンプの他の実施形態では、４以上の弁構造体を含んでいてもよい。
【００３９】
より詳しく説明すると、図４Ａでは、入口弁４０２が開き、微小流体流路４１８の入口部４１８ａから流体を引き込み、膜４０８と第２基板の間の空間（volume）４２５とする。図４Ｂでは、駆動弁４０４が開き、より多くの流体をポンプシステムに引き込む。図４Ｃでは、入口弁４０２が閉じる。図４Ｄでは、出口弁４０６が開く。図４Ｅでは、駆動弁４０４が閉じ、これにより流体を出口弁４０６を通して微小流体流路の出口部４１８ｄへ送る。そして、図４Ｆでは、出口弁４０６が閉じる。これらの６状態で１つのポンプ周期が完成し、多量の流体をポンプ４００により移動させる。
【００４０】
ポンプ４００は、双方向性である。周期が逆転されると、部分４１８ｄは微小流体流路４１８の入口部となり、部分４１８ａは微小流体流路４１８の出口部となり、流体は、部分４１８ｄから部分４１８ａへ流れる。
【００４１】
弁構造体４０２、４０４及び４０６は、弁構造体の任意の１つが他の弁構造体の状態に殆ど影響なく、又は実質的に何の影響もなく動作できるという点で、独立動作可能である。当業者であれば、代替的な状態系列によりポンプ効果を生ずることができ、また、本発明に他のポンプを使用することが可能であることが分かる。
【００４２】
図５ａ、ｂは、図１の入口弁構造体１４の典型例を示す。弁１４は、駆動室５１０が形成された第１基板５０８、第２基板５１５及び膜５２０を含む。容器は、第２基板５１５の上方に配置され、流路５４５への流体源となるように容器口５４０と整列している。容器については、図６ａ、ｂに関連して詳細に説明する。図５ｃは、図１の入口弁１４が複数直列接続された典型的構造を示す。
【００４３】
種々の実施形態や代替物を本発明のポンプと弁構造に適用することができる。特に、図５ｃの弁構造体５６５に類似した３以上の弁を微小流路で直列接続し、図１のポンプ４４のように蠕動状機構で動作するポンプを形成することもできる。また、微小流路で相互接続された他の弁構造体配置により一般的なポンプ構造を形成することもできる。
【００４４】
図５ａ、ｂに関して上述したように、容器が第２基板５１５の上方に置かれ、流路５４５への流体源となるよう容器口５４０と整列している。これは、図６ａ、ｂでより詳細に示されている。図６ａは、頂部側６０２と底部側６０４を持ち、その上に試薬容器６１２が形成されたカートリッジ６１０を示す。特に、カートリッジ６１０は、頂部側６０２及び底部側６０４の双方が適当な接着材料で封止されている。この実施形態では、頂部接着材料６０５は封止テープであり、底部封止材料（不図示）も封止テープでよい。また、他の適当な接着材料を用いることもできる。
【００４５】
図６ａは、その上に試薬容器６１２だけが配置されたカートリッジ６１０を示しているが、他の種々のカートリッジ構成も可能である。１つの例示的な実施形態では、カートリッジは、試薬容器６１２に加え、バッファ容器６１６、廃棄物容器６１８及び複数のシャトル容器を含む。或る実施例では、カートリッジは、試薬容器６１２及びバッファ容器６１６を含む。シャトル容器６１７と廃棄物容器６１８は、チップ６１５上に統合して形成されてもよく、また、分離したカートリッジ上にあってもよい。或る実施例では、３個の分離したカートリッジが、シャトル容器６１７、試薬容器６１２並びにバッファ容器６１６及び廃棄物容器６１８をそれぞれ含むようにされる。或る実施例では、カートリッジは異なる試薬を分析流路６３０〜６３５に分配するシャトル容器だけを有する。
【００４６】
図７〜１０は、多数の容器を分析チップに結合する代替的な方法を示す。図７は、分析チップ７０５、試薬チップ７１０及び導管チップ７１５を示す。試薬チップ７１０は、試薬カートリッジ７２０と試薬積み込みチップ７２５を含む。導管チップ７１５は、試薬チップ７１０と分析チップ７０５との間で流体が双方向に流れるように働く。特に、試薬チップ７１０により導管チップ７１５を通じて分析チップ７０５へ運ぶ前に、数個の試薬容器７３５〜７３９から試薬を容器７４０に送ることが可能となる。ある配置では、試薬容器７３５〜７３９の内の１つは、緩衝液貯蔵用のバッファ容器である。ある配置では、試薬容器７３５〜７３９の内の１つは、分析後の使用済試薬貯蔵用の廃棄物容器である。
【００４７】
導管チップ７１５は、分析チップ７０５を試薬チップ７１０につなぐために必要な構造的支持が得られるよう十分な剛性を有する。しかし、導管チップ７１５は変形可能であり、試薬チップ７１０と分析チップ７０５とを導管チップ７１５によって取り付ける場合に垂直軸７５０に沿って正確に整列させる必要はない。
【００４８】
図８ａを参照してより具体的に説明すると、導管チップ８００は、図７に示される流路７３０の一部の上に通常配置される被覆層８０５を含む。更に、導管チップは、第１支持層８１０、流路層８１５及び第２支持層８２０をも含む。層８０５と８１０には、開口８２５が備えられており、これは流体を流路８３０から下方８３２に流し得るように整列されている。流路層は、複数の中間配置された流路８３０を含む。第１支持層８１０、流路層８１５及び第２支持層８２０には開口８４５があり、これは容器８４０から下方８３２に流体を流し得るように実質的に整列している。粘着性のＯリング８３５は、容器８４０を第２支持層８２０に粘着する。この層は、ここに描かれているように、積層されて隣接している。図８ｂは、組み立て後の図８ａの導管チップを示している。
【００４９】
図９ａでは、試薬積み込みチップ９２５には、駆動室９０７を有する下部基板層９０５、薄膜層９１０及び微小流路をエッチングした上部基板層９１５が有る。この層は、ここに描かれているように適当に積層されて取り付けられる。図９ｂは、試薬積み込みチップ９２５の上面図を示している。
【００５０】
図１０は、導管チップ１０１５、試薬積み込みチップ１０２５、試薬カートリッジ１０２０及び分析チップ１００５を有する全体構造の分解図を描いている。特に図１０は、試薬積み込みチップ１０２５に積層された試薬カートリッジ１０２０、試薬積み込みチップ１０２５に結合された導管チップ１０１５、及び導管チップ１０１５に取り付けられた分析チップ１００５を示している。
【００５１】
図１及び１０のそれぞれの微小流体システム１及び１０００に種々の代替構成を適用することができる。例えば、図１に示された閉鎖分析流路４０に替えて、図１０に示されているように、複数のボイド領域１０６０〜１０６５を個々の分析流路に置いてもよい。このボイド領域１０６０〜１０６５は、チップ１００５の頂面で開かれている。各流路のボイド領域１０６０〜１０６５の上には被覆粘着層が配置される。
【００５２】
他の態様では、加熱器や冷却器のような温度調節装置を微小流体システム１及び１０００に結合し、システムの流体温度を調節し、チップ上の生物学的及び／又は化学的反応が起こる最適環境を提供する。図１では、６個の試薬容器１２、６個のシャトル容器１７、６個の出口容器４８、１個の廃棄物容器１８及び１個のバッファ容器１６が存在する。図１０では、６個の試薬容器１０３５〜１０３９が存在し、その内の任意のものがバッファ容器又は廃棄物容器であってもよい。しかし、試薬容器、シャトル容器、出口容器、廃棄物容器及びバッファ容器の他の種々の組合わせが可能である。
【００５３】
分析流路には、微小流体システムに導入される試薬と反応する生物学的又は化学的物質が備えられる。特に、挿入物には、試薬との反応のために微小流路に挿入される生物学的又は化学的薬剤が備えられる。挿入物の例が図１１ａ、ｂに示されている。或る例では、挿入物は、片面に粘着性被覆を有する柔軟なプラスチック片である。或る例では、挿入物は、薄いポリスチレン片である。或る例では、挿入物は、厚さが約５０μｍから約５００μｍであり、幅が約１ｍｍから約５ｍｍであり、長さが約５ｍｍから約１００ｍｍである。したがって、或る事例では、分析流路は、その中に配置される挿入物に適合するように構成される。
【００５４】
上述のように、挿入物には化学的及び／又は生物学的薬剤が備えられる。例示的な実施形態では、挿入物は、表面粘着剤と薄膜１１０４に粘着する薄膜円板１１１０とを有する薄膜１１０４を含み、薄膜円板１１１０は化学的及び／又は生物学的薬剤を有する。更に薄膜１１０４は、その上に薄膜円板１１１０が置かれる開口１１１５を備える。開口１１１５は、薄膜１１０４に粘着される穴あき被覆片１１０５に含まれる。開口は、薄膜円板１１１０の底部と挿入物１１０７が配置される流路１１３０の流れとの間の流体接触を可能とするように働く。図１１ａに示された挿入物の例では、開口１１１５は円形である。図１１ｂに示された例では、開口１１１５は、各々中心円形領域１１２０を含み、２つの対向する矩形領域１１２２が円形領域１１２０側に開いている。矩形領域１２２は、挿入物１１０７上で、挿入物１１０７が分析流路１１３０に配置されるときの流れの方向に整列する方向１１３２に向けられている。この特徴により、挿入物１１０７が流体中の空気の泡を捕捉することが可能になる。薄膜円板１１１０は、円形であることが好ましいが、他の形状も可能である。開口１１１５は、薄膜円板１１１０の構造的支持を提供するような形状と大きさを有する。図１１ａに示されているような円板と円形開口の場合には、円板１１１０は、約１ｍｍから約５ｍｍの直径を有することが好ましく、開口１１１５は、円板１１１０の直径より約５％から約１０％小さい直径を有することが好ましい。図１１ｂのように形成された長円形の円板と開口の場合には、開口１１１５の中央円形領域１１２０の直径は、薄膜円板１１１０の外径より約５％から約１０％小さい。矩形領域１１２２の幅１１２４は、中央円形領域１１２０の直径より約５％から約１０％小さい。
【００５５】
薄膜円板１１１０は、ニトロセルロースのような多孔性物質から成る。薄膜円板１１１０の多孔率は、流体と塩が十分通過できる程度に大きく、流体中の巨大分子、ウイルス又はバクテリアと十分相互作用する程度に小さい。薄膜円板１１１０は、ニトロセルロース、ＰＶＤＦ及び／又はナイロンから成り、これらは、以下に説明するように、微小流体に基づくドットチップ過程（ｄｏｔ−ｃｈｉｐ  ｐｒｏｃｅｓｓ）での使用に適切な物質である。薄膜円板１１１０と開口１１１５は、例えばダイス切断やレーザ切断で形成される。図１の微小流体システム１の各種要素の操作については、以下に説明する。入口弁１４、分配弁２５及び流路ポンプ４４を選択的に操作することにより、流体の流動パターンの各種組合わせが達成される。特に、試薬容器１２に蓄えられた１以上の試薬及び／又はバッファ容器１６の洗浄緩衝液は、適当な速度、量及び温度で分析流路４０に入れられ、流路４０で定温放置され、廃棄物容器１８を通り、出口容器４８とシャトル容器１７を介して配置される。この操作の適用例をここで検討する。
【００５６】
図３ａ、ｂは、図１の分配弁２５の１つの操作方法を示している。特に、上向きの正圧が駆動室３１０を介してダイヤフラム３０８に印加され、薄膜３０８は、２つの微小機構３０１及び３０３間の弁座３１２に対して押しやられ、その間の流体の移動を効率的に防止する。逆に、駆動室３１０に下向きの負圧がかけられると、薄膜３０８は弁座３１２から引っ張られ、流体は、空洞領域３１４を介して微小機構３０１と３０３間で自由に流れる。圧力は、駆動室３１０を通って空気で与えられるか、又は駆動室３１０を通って薄膜に接触して物理的に与えられる。
【００５７】
図４ａ〜ｆは、図１のポンプ構造４４で流体をくみ上げる１つの方法を例示している。この方法は、ポンプ構造に、ポンプ効果を生じるために順次作動される６状態を循環させることから成る。図４ａでは、入口弁４０２が開放され、流体は、入口微小流路４１２から薄膜４０８と第１基板４１０との間の空間４０２ａへ引き込まれる。図４ｂでは、駆動弁４０４が開放され、より多くの流体をポンプシステムへ引き込む。図４ｃでは、入口弁４０２が閉鎖される。図４ｄでは、出口弁４０６が開放される。図４ｅでは、駆動弁４０４が閉鎖され、出口弁４０６を通じて出口微小流路４１８へ流体を放出する。このとき、出口弁４０６は閉鎖される。この６状態で１ポンプサイクルを完成し、ポンプを通じて大量の流体を移し換える。ポンプは、双方向性である。サイクルが反転されると、微小流路４１８は入口微小流路として働き、微小流路４１２は出口微小流路として働き、流体は、入口微小流路４１８から出口微小流路４１２へ引き込まれる。当業者であれば、状態の他の順序が他のポンプ効果を生ずるということが分かる。
【００５８】
図５ａ、ｂは、図１の入口弁１４を操作する１つの方法を示している。特に、正圧の空気力５２５は駆動室５１０を通して印加され、弁５００は閉鎖位置にされ、入口流路５４５と容器口５４０との間には流体的連通がない。負圧の空気力５３０が駆動室５１０を通して印加されると、弁５００は開放位置になり、容器口５４０は入口流路５４５と流体的に連通する。
【００５９】
図５ｃは、直列結合された複数の入口弁の操作を示している。図示のように、入口弁５５０と５５７の間の連通は、入口弁に結合された弁構造体５６５の作動により制御される。特に、正圧の空気力５７０が底部基板５９３に配置された駆動室５８６を通して印加される。この力は、頂部基板５９２の領域５９０と共形的に接触するように薄膜５８８を押す。この場合、弁は閉鎖位置にあり、隣接する微小流路５７２と５７３の間は実質的に流体的連通がない。負圧の空気力５７５が駆動室５８６を通して印加されると、薄膜５８８は、領域５８７で駆動室５８６に対して空洞を形成するように、薄膜５８８を頂部基板５９２から引っ張る。この場合、弁は開放位置になり、隣接する微小流路５７２と５７３は流体的に連通する。
【００６０】
図６ｂを参照すると、使用者は、カートリッジ６１０を分析チップ６１５に結合するために、底部６０４が上向きとなるようにカートリッジ６１０を回転させ、底部封止用裏当てを取り除き、試薬容器６１２が各々の弁６１４に整列するようにカートリッジ６１０を分析チップ６１５に整列させ、その後分析チップ６１５をカートリッジ６１０に向けて押す。試薬カートリッジが分析チップ６１５に固定されたとき、個々の試薬容器６１２内の試薬６２０は、開口６２４表面の疎水性のために試薬容器６１２内に留まる。その後、チップ組立体はコントローラ（不図示）上に置かれ、以下に記載の対応する弁とポンプの作動により試薬６１０を分析チップ６１５へ解放するように被覆用封止テープが外される。
【００６１】
図１２〜１４は、上記のポンプと弁との構造体の作動により、図１のチップ１を通じて流体を分配する各種の実施形態を示している。図１２は、試薬を試薬容器１２０５ａからチップ１２００上の複数の微小流路１２２０〜１２２３に分配する単一の駆動力を示している。単一の駆動力は、入口弁１２１５ａ及び入口弁１２１５ａと出口弁１２２５との中間に位置する駆動ダイヤフラム１２２４により発生される。これらの３つの弁は、図４に関して上述したような蠕動状のポンプ機構に従って動作し、容器１２０５ａの内部流体を出口流路１２１０〜１２１３へ移す。同様に、容器１２０５ｂ〜ｄの内部試薬は、入口弁１２１５ｂ〜ｄ、駆動ダイヤフラム１２２４及び出口弁１２２５それぞれの１つにより生じるポンプ作用を介して出口流路１２１０〜１２１３へ分配される。これにより「多対多」という機能がもたらされ、数個の試薬が数個の出口容器に分配される。
【００６２】
しかしながら、出口流路１２１０〜１２１３の流動抵抗は、分析流路１２２０〜１２２３での流動速度に影響する。特に、分析チップの各流路における流動速度は、前記流路の流動抵抗に反比例する。異なる流路でそれぞれ異なる流動速度を必要とする応用の場合には、出口流路１２１０〜１２１３は、異なる流動抵抗を有するように製造される。しかし、流路間で抵抗が変わることを意図しない場合には、流動速度が流路抵抗に感応することは、試薬処理にとって有害である。特に、分析中に形成される空気の泡は、流動抵抗を変化させることとなり、分析流路１２２０〜１２２３間の試薬分配を不均一なものとする。
【００６３】
図１３は、流路の流動抵抗変動による流動速度変動を克服する、図１のチップ１の実施形態を示す。各分析流路１３１０〜１３１５と各出口流路１３６０〜１３６５は、それぞれの流体ポンプ１３２０〜１３２５と関連している。各ポンプ１３２０〜１３２５により流路に分配される流体の量は、流動抵抗が流体ポンプ１３２０〜１３２５の作動に使用される空気駆動力より実質的に小さいときには、分析流路１３１０〜１３１５間の流動抵抗変動に相対的に影響を受けない。流路間の流動速度変動は、流路の流動抵抗よりもポンプ１３２０〜１３２５の特性に支配される。図１３は、分配弁１３５２を介して出口流路１３６０〜１３６５間に分配される（矢印参照）試薬容器１３５０の試薬を示している。或る実施形態では、各試薬容器１３５０〜１３５５からの複数の試薬は、分配弁１３５２に供給され、そこで試薬は試薬混合物を生成するように混合される。或る実施形態では、試薬ないし試薬混合物は、更に、選択された分析流路１３１０〜１３１５、出口容器１３３０〜１３３５及び／又はシャトル容器１３４０〜１３４５へ分配される。
【００６４】
図１４は、図１に示された微小流体システムにおける付加的な流体分配パターンを示している。特に、各シャトル容器１４４０〜１４４５、分析流路１４１０〜１４１５及び出口流路１４６０〜１４６２は、直列に結合されて流体ポンプ１４２０〜１４２５を形成し、各流体ポンプ１４２０〜１４２５は、それぞれの微小機構間での双方向性の流動を提供する。１つの実施形態では、流体ポンプ１４２０〜１４２５は、分析流路１４１０〜１４１５でそれぞれ結合されたシャトル容器１４４０〜１４４５と出口容器１４３０〜１４３５間の双方向性流動を提供する。１つの実施形態では、出口容器１４３２の試薬は、出口流路１４６１及び分配弁１４６２を通じて廃棄物容器１４６４へ供給される。１つの実施形態では、シャトル容器１４４３の試薬は、出口流路１４６１及び分配弁１４５２を介して廃棄物容器１４６４へ供給される。１つの実施形態では、異なる試薬又は異なる濃度の試薬は、対応するシャトル容器１４４０〜１４４５から分析流路１４１０〜１４１５へ導入される。シャトル容器から試薬を導入することにより、調整された試薬供給を通じて分析流路条件を可変とすることができる。
【００６５】
図１９、２０に関して検討するように、図１のポンプと弁は、選択的にかつプログラム的に作動される。特に、使用者は、或る入口弁１４を選択的に作動させることにより、選択された試薬容器１２に貯蔵されている選択された試薬及び／又はバッファ容器１６に貯蔵されている洗浄緩衝液を放出する。使用者は、流路ポンプ４４を選択的に作動させることにより、これらの流体を選択されたシャトル容器１７と出口容器４８に貯蔵し、選択されたシャトル容器１７と出口容器４８に貯蔵されたこれらの流体を放出し、これらの流体を廃棄物容器１８に貯蔵する。このようにして、使用者は、試薬容器１２とバッファ容器１６にある流体の定温放置、混合、反応、吸引の内の任意の所望の組合わせを実行できる。
【００６６】
図１０の微小流体システム１０００は、本発明の分析機能を試薬供給機能から分離している。特定の分析を繰り返し行うことが必要という状況では、大きなカートリッジを繰り返し使用することは、数個の小さなものを使用するよりも不便である。１つの例を挙げると、微小流体システム１０００は、多数の同じ分析を並行して行うために使用される。このように、試薬容器１０３５〜１０３９は数回の分析を行うのに十分な試薬を有し、試薬チップ１０１０は各分析が行われるときに試薬を数個のチップに供給する。他の例では、導管チップ１０１５は、使用済の試薬を分析チップ１００５から試薬チップ１００５上の容器１０４０へ導くために使用される。そして、容器１０４０の使用済試薬は、処分用に廃棄物容器１０３５へ移される。廃棄物容器１０３５は、１以上の分析チップからの使用済試薬の貯蔵に利用される。
【００６７】
微小流体システム１０００は、流体を試薬容器１０３５〜１０３９から容器１０４０へ流すことにより動作する。流体は、容器１０３７から容器１０４０へ弁１０４１を介して供給され、これは、弁５５０からの流体が弁５６５を介して弁５５５へ供給される、図５ｃに示された過程にかなり類似している。より具体的にいうと、弁１０５０の作動により流路１０７２に流体が供給され、弁１０４１の作動により流体が流路１０７３に供給され、弁１０５５の作動により流体が容器１０４０に供給される。他の態様では、流体は、図５ｃに示されたものと同様の機構により、容器１０４０から試薬容器１０３６に流れる。例えば、弁１０５５、１０４１及び１０６２が全て開放状態であると、弁１０５５の作動は流体を流路１０７３に押出し、弁１０４１の作動は流体を流路１０６４に押出し、弁１０６２の作動は流体を容器１０３５に押し出す。
【００６８】
図１１ｃに示されているように、本発明の微小流体システム１１００を使用する分析を行うために、まず挿入物１１０７が、分析流路１１３０の端部に位置し分析流路１１３０の幅と実質的に同じ幅を有する出口容器１１３４の開口を通じて、分析流路１１３０に配置される。挿入物１１０７は、流路の全長１１３６に亘るまで滑らされる。図７に示されているような或る実施形態では、挿入物は、流路空間７３０を通じて分析流路７６０に挿入される。特に、流路空間７３０は、挿入物が配置される上部開放部として提供される。挿入物は、流路７６０の被覆部の長さ７６２に亘るまで、流路７３０中に滑り込まされる。挿入後、分析流路７６０の端にシャトル容器を形成するために、粘着性の被覆が流路空間領域７３０の上に置かれる。
【００６９】
図１５ａは、挿入物１５０７の挿入を図示しており、特に、挿入物１５０７の使用に便利な流路構造の例を示している。流路１５２０は、図１５ｂの断面図に示されているように、幅の広い底部１５２２と幅の狭い頂部１５２４を有する段付き流路である。挿入物２０１７は、図１５ｃに示されているように、薄膜１５１０の上に通常あるように段付き流路１５２０に挿入される。具体的にいうと、図１５ｃは、開口１５１５と薄膜円板１５２５を有する挿入物１５０７を示している。挿入物１５０７は、流路１５２０内で薄膜円板１５２５の頂面が流路１５２０の頂面１５１７に接触しないように位置し、流路１５２０の流体が薄膜円板１５２５の周りを流れて接触できるようにする。
【００７０】
一つの形態では、挿入物は、原理的かつ機能的にドット・イライザ（ｄｏｔ−ＥＬＩＳＡ）法に類似した分析を実行するために用いる。ドット・イライザ法は、本技術分野で公知であるが、標本中の標的分析物の存在を検知する方法である。従来のドット・イライザ過程の欠点は、標準化の困難性である。多くの手順は、しばしばペトリ皿を用いて人手で行われ、その手続の詳細は曖昧である。加えて、標本の位置は、殆ど制御できない。標本が薄膜表面に点在させられると、物質の親水性により急速に標本が広がり拡散する可能性がある。標本の量が多いと、点在領域が大きくなる。その上、検知感度は単位面積あたりの検体密度に関係するから、この拡散は、標本量の多さが必ずしも検知限界の低下に結びつかないことを意味する。本発明は、類似した分析処理を採用するが、標準化され、より効率的な取り扱い、処置及び分析を可能にする。特に、標本は、図１１ａ、ｂに示されるように、薄膜円板１１１０に与えられる。標本は空気乾燥され、その後挿入物１１０５は、図１のものと同様に、微小流体チップの分析流路に配置される。
【００７１】
図１を参照し、分析遂行時の微小流体チップ１の操作について論じる。オンチップ免疫分析実行用に、各種試薬が試薬容器１２に貯蔵される。試薬には、ドット・イライザ分析で使用される流体が含まれる。具体的にいうと、各種試薬は、１以上のバッファ洗浄緩衝液、抗体、複合酵素を有する抗体及び酵素基質を含む。或る場合には、バッファ容器１６は、洗浄緩衝液の貯蔵に使用される。バッファ容器１６は、個々の試薬容器１２より実質的に大きい空間容量を特徴とする。試薬は、個々の入口弁１４を作動させることによりその個々の容器１２から放出され、その後分配弁２５と流路ポンプ４４の作動によって試薬を分析流路４０まで分配する。また、バッファ容器１６の洗浄緩衝液は、同様にして分析流路４０に放出される。個々の容器から試薬とバッファを放出する順序と時期は、使用される分析方法の段階に対応する。一例として、試薬は、免疫分析過程に関連して上に述べた試薬に対応し、上記段階の順序と時期に従って放出される。放出された試薬は、分析流路４０まで流れ、そこで挿入物７０と接触する。図１５ｃに関しては、段付き流路１５２０の幅の狭い部分１５２４を流れる流体は、薄膜円板１５２５上の試薬と接触し、反応する。開口１５１５は、薄膜円板１５２５の底部に沿った付加的な流体との接触の可能性を提供する。
【００７２】
上記のように、流路には流体試薬が反応する物質が与えられており、換言すれば、試薬は、薄膜円板が配置された分析流路を流れ、そこで試薬と薄膜円板上の検体との相互作用を引き起こす。流路を反応試薬が多数通過することによる反応のためには、動的流動条件又は長期定温放置時間を可能とすることが望ましい。これは、部分的には、本発明の双方向性ポンプ機能により達成される。特に、図１を参照すると、双方向性ポンプは、シャトル容器１７と出口容器４８との間を個々の分析流路４０に沿って、試薬を繰り返し往復させるために用いられる。この循環動作により、反応時間が長く遙かに大きな効率をもたらす多数の通過が行われる。出口容器４８とシャトル容器１７は、直接大気にさらされており、これによってポンプ周期の間に流路４０から空気を放出することを可能としている。或る例では、各シャトル容器１７と各出口容器４８の空間体積は、ポンプの往復動作の間に流路４０の試薬が容器に貯蔵されるように、各分析流路４０の空間体積より実質的に大きい。分析動作の後、使用済の試薬は、その後、処分用に廃棄物容器１８に移される。１つの例では、廃棄物容器１８の空間体積は、分析操作の後に使用済の試薬と洗浄緩衝液を貯蔵するため、バッファ容器１６の空間体積より実質的に大きい。挿入物が異なる試薬で処理された後、標本中の標的分析物の存在を薄膜円板の色で観察する。
【００７３】
上述のシステムは、従来のドット・イライザ形式の分析に対して、幾つかの新たな分析上の効果を有する。特に、図１１を参照すると、液体標本の本来の表面張力と共に挿入物１１０７の疎水性により、使用者が大量の標本を薄膜円板に与えても、標本が近傍の他の円板１１１０に拡散したり広がったりすることはない。１つの実施形態では、挿入物１１０７への標本の点在は、挿入物１１０７を濾紙のような吸収剤裏打ち材料上に薄膜円板が濾紙に接触するように置くことにより行われる。裏打ち材料の吸水能力と挿入物１１０７の標本保持能力との組合わせは、点在時の急速な標本の吸収と濃縮という効果を生じる。更に、標本液滴拡散領域は、実質的に薄膜円板１１１０の領域で規定される。これにより、大量の標本が薄膜円板上で乾燥した後に薄膜円板１１１０で規定される領域内で高い標本密度が達成されるというような幾つかの効果が生じる。加えて、異なる薄膜円板１１１０間での標本の拡散と汚染の危険性が無いため、薄膜円板１１１０は、図２２に示される１枚の薄膜２２０５上に標本点２２１０を置くよりも近接して置くことができ、このため、オンチップ処理の空間的効率性と試薬節約の可能性の向上につながる。更に、薄膜円板１１１０をチップ上の埋め込みバーコード又は他の識別子と共に挿入物１１０７に沿って規定のかつ周知の位置に置くことにより、オンチップ免疫分析結果のデータ保管をより一層有効にする自動データ収集画像分析法での分析チップの使用が便利になる。
【００７４】
図１６ａは、分析が行われた後の流路における複数の挿入物１７０５を図示している。図示されているように、或る薄膜円板１７１０ａは、酵素基質反応結果が陽性のために発色し、対応する薄膜円板に配置された標本中の標的分析物の存在を指示している。他の薄膜円板１７１０ｂは、実質的に発色しておらず、対応する薄膜円板に配置された標本に標的分析物がないことを指示している。好ましい配置では、各挿入物１７０５は、８個の薄膜円板１７１０を含んでいる。各チップは６以上の分析流路を含み、そのため、少なくとも４８標本を同時に分析することができる。
【００７５】
１つの実施形態では、オンチップ免疫分析結果の自動処理に画像分析法を用いる。特に、微小流体チップは、分析操作後に挿入物の１以上の発色画像を取得するために、例えば光学スキャナやデジタルカメラを用いて、走査される。図１６ａは、８×６の標本点在配列画像の例を提供している。１つの実施形態では、走査画像は、その後のオフライン処理のために携帯機器に蓄積されるか、又はオフライン画像分析のために遠隔の計算機に送られる。そして、画像分析ソフトウエアが、取得した色彩画像から薄膜円板の色強度を分析するために使用される。その後、各薄膜円板１７１０の強度は、数値が各々に割り当てたられた画素にデジタル化される。各薄膜円板の画素の数値の平均により、薄膜円板１７１０に対応する色強度値を系統的に決定する。図１６ｂは、図１６ａに示される薄膜円板配列に対応する色強度値１７１６の配列の例を図示している。
【００７６】
１つの実施形態では、標本配列の各薄膜円板１７１０は、チップ埋め込みバーコードと薄膜円板が位置する流路及び挿入位置とを特定する１組の座標との組合わせにより一意的に識別される。例えば、図１６ａに示されるように、チップ−０００１とバーコードが付されているチップの左上隅の薄膜円板１７１０ｃは、チップ−０００１−Ａ１と名付けられ、ここで、Ａ１は円板１７１０ｃが存在する位置の列１７１２と行１７１４の組合わせを示している。したがって、薄膜円板１７１０をバーコード付きチップの所定位置に置くことにより、その対応する色強度値１７１６をその後の参照用にデータベースに保管することが容易となる。
【００７７】
１つの例では、対応する薄膜円板１７１０上に配置された標本における標的分析物の存在を識別するために、色強度値１７１６の解釈用に規約が用いられる。この規約によると、閾値が陰性対照円板を用いて計算され、色強度値１７１６は、色強度値が閾値以上の場合に、標的分析物に対する結果が陽性であると解釈される。図１７は、８個の標本例中における標的分析物存在の決定のための図解を示している。これらの標本は薄膜円板１８１４上に配置され、計算された色強度値１８１２に対応する。この特定の実施形態における閾値１８１０は、図１６ｂに示されているＣ１、Ｆ１、Ｂ２、Ｅ２、Ｈ２、Ｃ３、Ｆ３、Ｂ５、Ｅ５及びＨ５の算術平均により、２６．８である。図のように、位置Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅ、Ｇ、Ｈの薄膜円板１８１４は、標的分析物を含む溶液で覆われていると識別される。この自動識別手順は、特に対応する色強度１８１４ａが閾値１８１０にかなり近い位置Ｆのような標本の判別時に、人間による読み取り誤りを減少する。
【００７８】
分析用の標本と標的分析物は、免疫分析過程で用いられるのに適当な任意の標本と標的でよい。標本には、対照用標本や実験用標本を含んでいてもよい。実験用標本は、通常、関心のある条件を有する対象から採られ、対照用標本は、通常、この対象に似ているが関心のある分析物を有しない。典型的には、実験用標本は、潜在的に病気の患者から採られる。対象は、例えば人間、動物又は植物である。
【００７９】
図１８は、分析チップ１９０５、カートリッジ１９１０、コントローラ１９１５及び計算機１９２０を含む完全なシステムを示している。コントローラ１９１５により、チップ１９０５の種々のポンプと弁の構造の自動制御が可能となる。特に、チップ１９０５は、実質的にチップ１９０５のポンプと弁の構造に整列するように位置づけられた空気圧駆動器１９２０（不図示）を含む。正又は負の空気圧は、入力線１９２５で与えられる入力信号に従い、駆動器１９２０を介して印加される。
【００８０】
計算機１９２０は、コントローラ１９１５を制御するユーザインターフェイスを提供する。使用者は、計算機１９２０により与えられる図式的な使用者入力を使用し、特定の分析を実行する上での特殊な条件を入力する。計算機は、電気的にコントローラ１９１５と接続され、使用者の入力に従って動作するようにコントローラ１９１５に信号を与える。
【００８１】
図１９は、分離した試薬チップ２０１０と導管接続された分析チップ２００５をプログラマブルコントローラ２０１５の上に有する実施形態を示している。コントローラ２０１５は、一群の空気電磁弁を含んでいる。電磁弁からの各空気圧信号は、チップを介して特殊なチップ配置上の１つ又は一連の微小流体弁へ送られる。例えば、１つの実施形態では、図１の対応する試薬容器１２の各々に結合された個々の電磁弁があるが、全６個の流路ポンプ４４は、並列に結合され４個の電磁弁の組となり、協働して動作する。コントローラ２０１５にはソレノイド駆動盤があり、計算機から信号を取り出し、要求された微小流体弁を作動させるように適当な電磁弁を動かす。計算機からの電気信号により、電磁弁を常時加圧状態から真空状態へ切り替えさせる。これにより、取り付けられた微小流体弁が開かれる。特定順序の電磁弁動作が繰り返し実行される場合には、計算機をコントローラに接続する必要はない。制御盤のマイクロプロセッサは、順序を記憶するメモリを有し、その結果、外部計算機制御と独立に分析を実行することができる。
【００８２】
図１に関連して上述したように、本発明の微小流体チップは、一般に、頂部基板７、底部基板６及びその間に配置される薄膜８を含んでいる。微小機構（例えば、ポンプ、弁又は容器）は、頂部基板７、底部基板６及び薄膜８の１以上に作られる。或る製造方法では、頂部基板７と薄膜８は共に積層され、同様に薄膜８と底部基板６は共に積層される。本技術分野で公知の任意の積層方法を用いることができるが、本発明の１つの態様では、１）弱い溶剤結合剤を使用すること、２）低温又は低圧のような穏和な条件下で層を積層すること、によって、これらの層は積層される。この積層法は積層過程で微小機構の損傷を減少又は除去するので、少なくとも部分的には有益である。より詳細に説明すると、例示的な使用では、弱い溶剤結合剤は一方又は双方の粘着面に塗布され、その後、軽い圧力（例えば、適度な加熱又は適度な物理的圧力で表面を共に加圧すること）により表面を粘着する。
【００８３】
１つの態様によれば、弱い溶剤結合剤は、化学的に次のように定義されるものである。
【化１】
2009524054.tif 000003
ここで、Ｒ１＝Ｈ、ＯＨ又はＲであり、また、Ｒ＝アルキル基、又は欠けており（absent）、Ｒ２＝Ｈ、ＯＨ又はＲであり、また、Ｒ＝アルキル基、又は欠けており、かつ、Ｒ２＝Ｈ、ＯＨ又はＲであり、また、Ｒ＝アルキル基、又は欠けている。
【００８４】
代わりに、弱い溶剤は、次の化学式を有する。
【化２】
2009524054.tif 000004
ここで、Ｒ１＝Ｈ、ＯＨ又はＲであり、また、Ｒ＝アルキル基、又は欠けており、かつ、Ｒ２＝Ｈ、ＯＨ又はＲであり、また、Ｒ＝アルキル基、又は欠けている。
【００８５】
代わりに、弱い溶剤は、次の化学式を有する。
【化３】
2009524054.tif 000005
ここで、Ｒ１＝Ｈ、ＯＨ又はＲであり、また、Ｒ＝アルキル基、又は欠けている。
【００８６】
１つの特定の態様では、弱い溶剤結合剤は、アセトニトリルである。アセトニトリルは、分析化学や他の応用に広く用いられる多用途の溶剤である。これは、水と混和し、優れた光学特性を呈する。周囲環境条件下で高分子表面に殆ど又は全く影響しないが穏和な圧力下で表面に粘着するというアセトニトリルの能力は、ポリスチレン、ポリカーボネート、アクリル又は他の線状高分子のような高分子材料の積層に非常にふさわしいものである。例えば、室温で少なくとも数分アセトニトリルと処理されたポリスチレン基板上の微小構造体は、その特徴に対する顕著な損傷を示さなかった。
【００８７】
幾つかの材料はポリスチレンよりもアセトニトリルからの損傷を受けやすいかも知れないが、この感受性の増加については、アセトニトリルを低温で加えること、又は、代わりに、アセトニトリルと他の不活性溶剤の組合わせを使用することにより制御できる。
【００８８】
アセトニトリルに基づく積層の付加的な効果は、その過程で、ふた板と床板の双方を使用して構成された多要素の層又は流体網を含む構造に対して基板の整列が可能となることである。高分子表面に浸透しがちで溶剤適用後数秒以内に粘着性の結合面を形成する従来の強力な溶剤の積層とは異なり、室温でのアセトニトリルは、表面を徐々に軟化する。アセトニトリルがその上に配置された２つの面を押圧前に比較的低温で接触するとき、操作者は、その整列状態を調節するために２つの面を相互に摺動することができる。面の整列後、操作者は、これを積層するために面に圧力をかける。
【００８９】
本発明の好適な実施形態についての先の記述は、図解と説明の目的でされたものである。これは、網羅的であること又は本発明を開示した正確な形に限定することを意図するものではない。その教示に照らし、多くの修正や改変が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の微小流体チップの１つの実施形態を示す。
【図２】図１の微小流体チップの別の図を示す。
【図３ａ】図１に示された実施形態で使用される微小流体弁を示す。
【図３ｂ】図１に示された実施形態で使用される微小流体弁を示す。
【図４ａ】図１に示された実施形態で使用される微小流体ポンプを示す。
【図４ｂ】図１に示された実施形態で使用される微小流体ポンプを示す。
【図４ｃ】図１に示された実施形態で使用される微小流体ポンプを示す。
【図４ｄ】図１に示された実施形態で使用される微小流体ポンプを示す。
【図４ｅ】図１に示された実施形態で使用される微小流体ポンプを示す。
【図４ｆ】図１に示された実施形態で使用される微小流体ポンプを示す。
【図５ａ】図１に示された実施形態で使用される入口弁を示す。
【図５ｂ】図１に示された実施形態で使用される入口弁を示す。
【図５ｃ】図１に示された実施形態で使用される入口弁を示す。
【図６ａ】図１に示された実施形態で使用されるカートリッジと容器を示す。
【図６ｂ】図１に示された実施形態で使用されるカートリッジと容器を示す。
【図７】分離試薬チップに結合した導管を有する分析チップを示す。
【図８ａ】図７の素子の製造のための段階を示す。
【図８ｂ】図７の素子の製造のための段階を示す。
【図９ａ】図７の素子の製造のための段階を示す。
【図９ｂ】図７の素子の製造のための段階を示す。
【図１０】図７の素子の製造のための段階を示す。
【図１１ａ】図１に示された実施形態に取り付ける大きさと形状の例示的な挿入物を示す。
【図１１ｂ】図１に示された実施形態に取り付ける大きさと形状の例示的な挿入物を示す。
【図１１ｃ】図１に示された実施形態に取り付ける大きさと形状の例示的な挿入物を示す。
【図１２】単一の駆動力で試薬を複数の出口容器に分配するチップの実施形態を示す。
【図１３】複数の駆動力で試薬を複数の出口容器に分配するチップの実施形態を示す。
【図１４】複数の試薬を複数の出口容器に分配する複数の駆動力を有するチップの実施形態を示す。
【図１５ａ】図１に示された実施形態の流路内に図１１ａ〜ｃの例示的挿入物を取り付ける方法を示す。
【図１５ｂ】図１に示された実施形態の流路内に図１１ａ〜ｃの例示的挿入物を取り付ける方法を示す。
【図１５ｃ】図１に示された実施形態の流路内に図１１ａ〜ｃの例示的挿入物を取り付ける方法を示す。
【図１６ａ】微小流体に基づくオンチップ免疫分析過程の結果を示す。
【図１６ｂ】微小流体に基づくオンチップ免疫分析過程の結果を示す。
【図１７】標的分析物を含む標本を同定する段階を示す。
【図１８】計算機、コントローラ及びチップを含む、完全かつ内蔵型の微小流体システムを示す。
【図１９】コントローラに接続したチップの他の実施形態を示す。
【図１】
2009524054.tif 000006
【図２】
2009524054.tif 000007
【図３ａ】
2009524054.tif 000008
【図３ｂ】
2009524054.tif 000009
【図４ａ】
2009524054.tif 000010
【図４ｂ】
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【図４ｃ】
2009524054.tif 000012
【図４ｄ】
2009524054.tif 000013
【図４ｅ】
2009524054.tif 000014
【図４ｆ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６ａ】
2009524054.tif 000019
【図６ｂ】
2009524054.tif 000020
【図７】
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【図８ａ】
2009524054.tif 000022
【図８ｂ】
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【図９ａ】
2009524054.tif 000024
【図９ｂ】
2009524054.tif 000025
【図１０】
2009524054.tif 000026
【図１１ａ−ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
2009524054.tif 000029
【図１４】
2009524054.tif 000030
【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
2009524054.tif 000032
【図１５ｃ】
2009524054.tif 000033
【図１６ａ】
2009524054.tif 000034
【図１６ｂ】
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【図１７】
2009524054.tif 000036
【図１８】
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【図１９】
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