(57)【要約】  例えば、側方流れ検定デバイスに用いられる粗面マイクロ流体チャネルが提供される。粗面マイクロ流体チャネルは、他は同一である条件の下で、同様な滑面チャネルのレイノルズ数より少なくとも５０パーセントだけ大きい、流れに対するレイノルズ数により測定したときに、滑面チャネルより大きい粗さを有する。代替的に、同様な滑面チャネルより少なくとも２５パーセントだけ低い充填時間により測定したときに、粗さは、前述の滑面チャネルより大きくなる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
他は同一である条件の、同様な滑面チャネルに対し、流れに対するレイノルズ数により測定して、該滑面チャネルのレイノルズ数より少なくとも５０パーセントだけ大きい粗さを有することを特徴とするマイクロ流体チャネル。
【請求項２】
前記レイノルズ数は、前記滑面チャネルの前記レイノルズ数より少なくとも１００パーセントだけ大きいことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体チャネル。
【請求項３】
前記チャネルは、少なくとも１つの寸法が１ｍｍより小さいことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体チャネル。
【請求項４】
前記チャネルは、少なくとも１つの寸法が１００ミクロンより小さいことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体チャネル。
【請求項５】
前記チャネルは、少なくとも１つの寸法が１０ミクロンより小さいことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体チャネル。
【請求項６】
同様な滑面チャネルよりより大きい粗さを有する粗面マイクロ流体チャネルであって、該粗面マイクロチャネルが、充填時間により測定したときに、前記滑面チャネルより少なくとも２５パーセントだけ低い測定値を示すことを特徴とする粗面マイクロ流体チャネル。
【請求項７】
前記粗面チャネルの前記充填時間は、前記滑面チャネルより少なくとも５０パーセントだけ低いことを特徴とする請求項６に記載のチャネル。
【請求項８】
前記チャネルは、少なくとも１つの寸法が１ｍｍより小さいことを特徴とする請求項６に記載のマイクロ流体チャネル。
【請求項９】
前記チャネルは、少なくとも１つの１００ミクロンより小さい寸法を有することを特徴とする請求項６に記載のマイクロ流体チャネル。
【請求項１０】
前記チャネルは、少なくとも１つの寸法が１０ミクロンより小さいことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体チャネル。
【請求項１１】
他は同一である条件の下で、流れに対するレイノルズ数を測定したときに、同様な滑面チャネルより少なくとも５０パーセントだけ大きい粗さを有するマイクロ流体チャネルを含むことを特徴とする試験試料中の検体の存在又は量を検出する側方流れ式検定デバイス。
【請求項１２】
試験試料は、膣液から取得されることを特徴とする請求項１１に記載の側方流れ検定デバイス。
【請求項１３】
試験試料は、傷口滲出液から取得されることを特徴とする請求項１１に記載の側方流れ検定デバイス。
【請求項１４】
試験試料は、血液から取得されることを特徴とする請求項１１に記載の側方流れ検定デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は粗面をもったマイクロ流体チャネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体デバイスは、分子拡散係数、液体粘度、ｐＨ、化学結合係数及び酵素反応速度を含む多様な興味深い測定値を取得するのに用いることができる。マイクロ流体デバイスの他の用途は、キャピラリ電気泳動、等電点電気泳動、免疫学的検定、フローサイトメトリ、質量分析を介する分析用タンパク質試料注入、ＰＣＲ増幅、ＤＮＡ分析、細胞操作、細胞分離、細胞パターン形成及び化学勾配形成を含む。これらの用途の多くは、臨床診断に有用性がある。
【０００３】
マイクロ流体デバイスは、少なくとも１つの寸法が１ｍｍより小さい１つ又はそれ以上のチャネルを有することが特徴的である。マイクロ流体デバイスに用いられる一般的な流体は、全血液試料、細菌細胞懸濁液、タンパク質又は抗体溶液及び多様な緩衝液を含む。生物医学研究を実行し臨床的に有用な技術をもたらすためにマイクロ流体デバイスを用いることは、多数の重大な利点を有する。第１に、これらのチャネル内の流体の量は、通常数ナノリットルほどで非常に少ないため、用いられる試薬及び検体の総量もまた非常に少ない。このことは、高価な試薬に対して特に有意義である。マイクロ流体デバイスを構成するのに用いられる製造技術は、相対的に高価でなく、高度に精巧な多重化デバイス、さらに大量生産の両方に非常に適している。マイクロエレクトロニクスに対するものと類似した方法においては、マイクロ流体技術は、同じ基板チップ上で幾つかの異なる機能を実行するための高度に統合されたデバイスの製造を可能にする。マイクロ流体工学の分野における長期間に渡る目標の１つは、統合された、家庭用の携帯型臨床診断デバイスを製造して、時間のかかる実験室での分析をなくすことである。
【０００４】
現在のマイクロ流体システムにおいては、キャピラリ駆動サージ流れは、主として、デバイスを構成する材料の表面エネルギによって影響される。マイクロ流体チャネルの内壁のどのような表面エネルギ分散も、予測のつかない、望ましくない流体流れ挙動をもたらす可能性がある。この問題点は、多くの場合、マイクロ流体工学製品の製造にとって実情にそぐわない仕様を生むことになる。
【０００５】
マイクロ流体チャネル壁上の表面エネルギ分散による流体流れ挙動の変動がより少ないマイクロ流体デバイスを製造することが、本発明の目的である。
【発明の開示】
【０００６】
本発明者らは、粗さの規模がチャネルの寸法に対して小さいと仮定すると、マイクロ流体チャネルの内壁が粗面化された場合には、前進する空気と液体のインターフェースには連続して変化するランダムな接触角が与えられることを見出した。これは、チャネル壁の表面エネルギの分散に左右されることがはるかに少ない、それ故に、より予測可能な流れ挙動をもたらす。
【０００７】
より大きなサージ流の一貫性に加えて、粗面化壁をもつマイクロチャネルは、粗面の湿潤性が高められたことによる、より迅速な充填時間、並びに、微粒子又は細胞キャプチャのための増大した表面積を提供することができる。
【０００８】
本発明の他の特徴及び態様は、以下にさらに詳しく述べられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
ここで用いられる「マイクロ流体」という用語は、サイズが１ｍｍより小さい寸法のチャネルを有するデバイスを指し、より具体的には１００ミクロン又はそれより小さい範囲の寸法のチャネルを有し、ウィルスを検出するためには、１０ミクロン又はそれより小さい範囲の寸法のチャネルを有する。
【００１０】
マイクロ流体チャネルを通る流体の流れは、Ｒｅ＝LＶavgρ／μ（方程式１）として定義されるレイノルズ数によって特徴付けることができ、ここでＬは最も関連のある長さスケール、μは粘度、ρは流体密度であり、Ｖavgは流れの平均速度である。多くのマイクロチャネルにとっては、Ｌは、４Ａ／Ｐに等しく、ここでＡはチャネルの断面積、Ｐはチャネルの湿潤周囲である。マイクロチャネルの寸法が小さいことにより、Ｒｅは通常１００よりかなり小さく、多くの場合、１．０より小さい。このレイノルズ数方式においては、流れは、完全に層流であり乱流は起こらない。乱流への遷移は、一般にレイノルズ数２０００の範囲で起こる。
【００１１】
層流は、分子を、マイクロチャネルを通して相対的に予測可能な方法で移送することができる手段を提供する。しかしながら、１００より小さいレイノルズ数では、チャネル壁の表面エネルギ分散の影響が、比例して大きい問題になるということを留意されたい。
【００１２】
流体機構の基本法則の１つである非スリップ境界状態は、壁の流体速度がゼロでなくてはならないと示す。このことは、チャネル内で放物線軌道速度特性を生む。放物線軌道速度特性は、チャネル内で移送される分子の分布に重大な意味を有する。チャネル表面を粗化することによる層流パターンの崩壊は、乱流をもたらすことはないが、非スリップ状態を崩壊させる。このことは、流体が壁からの影響又は干渉がより少ない状態でチャネルを通って流れることを可能にする。
【００１３】
幾つかの異なる技術が、マイクロ流体チャネルを製造するために開発されてきた。例えば、高温エンボス加工技術は、プラスティックの表面にパターンを刻むのに用いることができ、或いは射出成形を用いて複雑な構造を製造してもよい。以下に要約される公知の技術の各々は、それぞれ利点及び弱点を有する。
【００１４】
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【００１５】
フォトリソグラフィは、例えば、ＳＵ−８のような感光性エポキシにエッチングされたチャネルを製造する。ＳＵ−８は、透明で安価であり、高品質マイクロ流体チャネルの製造を可能にする。マイクロ流体チャネルの設計は、基本的なＣＡＤプログラムを用いて、ＰＣコンピュータモデリングによって行われる。これらの技術は当技術分野で公知であり、例えば、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ第４１７７巻の議事録において発行されるＥｄｗａｒｄｓ他によるＲａｐｉｄ  Ｔｏｏｌｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇ  ＳＵ−８  ｆｏｒ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ、及びＰｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、２００４年３月／４月、第２４巻２号において発行されるＨｉｌｌ他によるＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  Ｓｉｍｐｌｅ  ａｎｄ  Ｒｏｂｕｓｔ  Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓに概説されることができる。それ故、マイクロ流体チャネルの粗面化は、当業者に公知である。
【００１６】
製造は、典型的には、北アメリカ、ワシントン州シアトル所在のＭｃＮｅｅｌのＲｈｉｎｏｃｅｒｏｓ３．０のＣＡＤ環境に、望ましい流体設計を配置することで構成される。この設計は、６０度カッターを用い、ＧｒａｐｈＴｅｃｈＧＣ３０００−４０プロッタを用いて、転写粘着剤（例えば、二重剥離層システム、０．００２”／５０．８ミクロン厚の３Ｍ  ４６７ＭＰ）に切り込まれる。プロッタ設定は、力１２、速度１、質１及び無接線カットで構成され、４６７ＭＰの上部には、低力剥離層（ＬＦＲＬ）が配置される。これらの設定は、低力剥離ライナ及び粘着剤を切断するのには十分であるが、高力剥離層（ＨＦＲＬ）を切断するには不十分である。望ましくない粘着剤を覆うＬＦＲＬは、注意深く除去される。露出粘着剤は、Ｍｏｄｕｌａｍ１３０（速度１、無熱）ラミネータを用いて、一枚の紙に貼り付けることによって除去される。次に、紙は望ましくない粘着剤と共に剥がされる。チャネルは、全ての粘着剤が除去されたことを確認するために点検される。余分の粘着剤がある場合には、流体フィールドから取り除かれる。（上述のプロセスは、看板製作産業においてウィーディングとして知られている。）次に、３Ｍ  Ｓｃｏｔｃｈブランドのテープが、連続ストリップとして、残っているＬＦＲＬに適用され、ラミネーションがその後に続く。次いで、テープが除去され、残っているＬＦＲＬもまた取り除かれる。新しい露出粘着剤は、一枚の平面シート素材で蓋をされ、冷ラミネーションがその後に続く。ＨＦＲＦは、ＬＦＲＬについて説明されたように除去され、転写粘着剤はシート素材に付着した状態で残される。次に、２枚目のシート素材が粘着剤に適用され、次いで冷ラミネーションが続く。結果は、一組の連動流体デバイスである。両方のシート素材は、組成が同一である必要はないことに留意されたい。
【００１７】
流れダイナミクスにおける滑面に対する粗面の影響を評価するために、一連の流体デバイスが構成された。この一連のデバイスにおいて、チャネルは、幅２．５ミリメートル及び長さ２０ミリメートルであった。チャネルの近位端では、一貫した試料適用域を提供するために円形ウェルが構成された。これらのチャネルは互いに連動させられ、次に上述のように３Ｍ  ４６７ＭＰ転写粘着剤に切り込まれた。粘着剤は、２枚のＨｕｒｃｕｌｅｎｅつや消し仕上げ製図用フィルム（１９１１５３  ＬｏｔＦ１３５２３１１２４）の間で、ラミネート加工された。このフィルムは、一方の面がつや消し仕上げであり、他方の面が光沢仕上げであることに留意されるべきである。２つの別個の連動システムは、このフィルムによって構成された。一例においては、つや消し面仕上げは、露出粘着剤に面して配置された。光沢面は、粘着剤チャネルの別の組に面して配置された。次に、流体システムは、Ｌｏｇｉｔｅｃｈ  ＱｕｉｃｋＣａｍ  Ｚｏｏｍウェブカメラの下に配置された。カメラは、３２０×２４０ピクセル解像度で１秒間に３０フレームを集めるように設定された。ビデオコレクションが開始され、１．５マイクロリットルアリコートの血液が後に続いた。ビデオコレクションは、流れが終了するまで進行した。このプロセスは、両方の種類の流体チャネルについて、１．５、２．０、２．５及び２．７５マイクロリットルの血液に対して、二通りに繰り返された。各ビデオは、チャネル充填量が時間の関数として決定されるようにソフトウェアを用いて処理された。このデータは、ＧｒａｐｈＰａｄ４．０以内の非線形最小二乗分析を用いて、簡単な指数方程式に嵌められ、図１に示される。さらに、適用された量に対する充填されたチャネル百分率、及び、適用された量に対する観察された一次速度定数の二次的プロットが構成された。図１において、０から１００秒までの時間がＸ−軸上にあり、０から１２０までのチャネル充填量の百分率がＹ−軸上にある。高い方の線はつや消し仕上げに対応し、低い方の線は光沢仕上げに対応する。嵌められた全てのものに対するＲ2値は、０．９８より大きかった。図１に見られるように、より粗いつや消し仕上げのチャネルは、より滑らかな光沢仕上げのチャネルよりはるかに迅速に充填された。
【００１８】
表面粗さは、製図用フィルム両面に対して、ＭｉｃｒｏＰｈｏｔｏｎｉｃｓ  ＴＲ２０００粗さ計を用いて求められた。つや消し側は平均１．０４５マイクロメートルの粗さを有し、光沢側は０．４３９マイクロメートルであった。平均粗さは、ミーンラインからの特性の平均偏差であり、又は評価の長さにわたる、特性からミーンラインまでの平均距離である。このパラメータは、ＴＲ２０００によって収集されたデータから自動的に計算される。接触角度測定値は、製図用フィルムの小さい部分を両面粘着テープでガラススライドに粘着させることによって取得された。１マイクロリットルの血液が、テープによって適所に保持される基板に適用され、接触角度が測定された。次の結果が得られた。
【００１９】
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【００２０】
データは、表面の粗さがマイクロチャネル内の流体移動に重大な役割を果たすことを明確に示した。また、粗面チャネルシステム内の流体流れントは、はるかに良好に定められ、このことは、表面の粗さが局部的な表面積の不一致を平均化する／排除する助けになることを示唆する。
【００２１】
マイクロ流体チャネルの粗面化技術は当業者に公知のものであるが、本発明者らはこれまでその実践を見ない。実際、従来の知識では、層流はより効果的でより良い結果を生むとする信念で滑面チャネルを好んできた。
【００２２】
マイクロ流体チャネルの「粗さ」の定量化は、それが相対的な尺度であるために、幾分困難な作業である。しかしながら、それは、一方は粗面チャネルであり一方は滑面チャネルであること以外は同一の条件の下での、２つの同様なチャネルを通る流れのレイノルズ数における増加により特徴付けることができる。本発明者らは、少なくとも５０パーセントより多い、より具体的には１００パーセントより多いレイノルズ数の増加が、本発明の有益な効果を体験するのに必須であると信じている。代替的に、マイクロ流体チャネルの充填時間は、他は同一の条件の下で、粗面チャネルが滑面チャネルよりはるかに低い充填時間をもつ状態で測定することができる。粗面チャネルの充填時間は、滑面チャネルより少なくとも２５パーセント、より具体的には５０パーセントより多く、短くあるべきである。
【００２３】
本発明の別の利点は、粗さの増加による表面積の増加が、検体又は汚染物の「キャプチャ」に用いることができる領域の増加を可能にすることである。例えば、抗体又はレクチン等の赤血球細胞（ＲＢＣ）を選択的に結合するように設計された試薬により領域を処理することによって、より多くの赤血球細胞を試料から取り除くことができる。一般に、チャネルのサイズが小さいこと及び典型的には血液中に見出されるＲＢＣ量のために、従来のマイクロ流体チャネルの限られた表面積は、小さい流れ通路内のＲＢＣを完全にキャプチャするのに充分でない。粗さ、すなわち表面積を増加させることによって、より多くのＲＢＣをキャプチャすることができ、このことはより小さい流れ通路を可能にする。
【００２４】
粗面化マイクロ流体チャネルの１つの具体的な用途は、流れスルー又は側方流れ検定にあり、それは多くの検体に一般的になった。これらの検定は、試験試料にある検体の存在又は量を検出する。これらのデバイスは、マイクロ流体チャネルを通して、体液のような移動相のキャピラリ流れの原理で動作する。チャネル壁からの干渉は、本明細書に教示される壁の粗面化によって最少にすることができる。
【００２５】
ここで用いられる「検体」という用語は、一般に試験試料で検出される物質を指す。試験試料は、血液、間質液、唾液、接眼レンズ流体、脳脊髄流体、汗、尿、乳、腹水、粘液、滑液、腹水、膣液、羊水等を含む生理流体のような生物学的ソース由来とすることができる。生理流体の他に、水、食品等の他の液体試料を用いてもよい。さらに、検体を含むと思われる固形材料もまた試験試料として用いることができる。検体は、抗原物質、ハプテン、抗体及びこれらの組み合わせを含むことができる。検体は、毒、有機化合物、タンパク質、ペプチド、微生物、アミノ酸、核酸、ホルモン、ステロイド、ビタミン、薬（治療目的で投与されたもの並びに不正目的で投与されたものも含む）、媒介剤又は副産物、バクテリア、ウィルス粒子、イースト、菌類、原生動物及び上記の物質のいずれかの代謝産物又は抗体を含むが、これに限定されるものではない。幾つかの検体の具体的な例は、フェリチン；クレアチニンキナーゼＭＢ（ＣＫ−ＭＢ）；ジゴキシン；フェニトイン；フェノバルビタール；カルバマゼピン；バンコマイシン；ゲンタマイシン；テオフィリン；バルプロ酸；キニジン；黄体形成ホルモン（ＬＨ）；卵胞刺激ホルモン（ＦＳＨ）；エストラジオール、プロゲステロン；Ｃ反応性タンパク質；リポカリン；ＩｇＥ抗体；サイトカイン；ビタミンＢ２マイクロ−グロブリン；糖化ヘモグロビン（Ｇｌｙ．Ｈｂ）；コルチゾール；ジギトキシン；Ｎ−アセチルプロカインアミド（ＮＡＰＡ）；プロカインアミド；免疫グロブリンＧ及び免疫グロブリンＭのような風疹に対する抗体；トキソプラズマｌｇＧ（Ｔｏｘｏ−ｌｇＧ）及びトキソプラズマｌｇＭ（Ｔｏｘｏ−ｌｇＭ）のようなトキソプラズマ症に対する抗体；テストステロン；サリチル酸塩；アセトアミノフェン；Ｂ型肝炎ウィルス表面抗原（ＨＢｓＡｇ）；アンチ−Ｂ型肝炎コア抗原ｌｇＧ及びｌｇＭ（アンチ−ＨＢＣ）のようなＢ型肝炎コア抗原に対する抗体；ヒト免疫不全ウィルス１及び２（ＨＩＶ１及び２）；ヒトＴ細胞白血病ウィルス１及び２（ＨＴＬＶ）；Ｂ型肝炎ｅ抗原（ＨＢｅＡｇ）；Ｂ型肝炎ｅ抗原に対する抗体（アンチ−ＨＢｅ）；インフルエンザウィルス；甲状腺刺激ホルモン（ＴＳＨ）；チロキシン（Ｔ４）；全トリヨードチロニン（全Ｔ３）；遊離トリヨードチロニン（フリーＴ３）；癌胎児性抗原（ＣＥＡ）；リポタンパク、コレステロール、及びトリグリセリド；アルファフェトプロテイン（ＡＦＰ）を含む。乱用薬及び制御物質は、アンフェタミン；塩酸メタンフェタミン；アモバルビタール、セコバルビタール、ペントバルビタール、フェノバルビタール及びバルビタールのようなバルビタール酸塩；リブリウム及びバリウムのようなベンゾジアゼピン；ハシッシュ及びマリファナのようなカンナビノイド；コカイン；フェンタニル；ＬＳＤ；メタカロン；ヘロイン、モルヒネ、コデイン、ヒドロモルフォン、ヒドロコドン、メタドン、オキシコドン、オキシモルホン及びアヘンのようなアヘン剤；フェンシクリジン；プロポキシヘンを含むがそれに限定されることを意味するものではない。他の可能性のある検体は、米国特許第６，４３６，６５１号に記載されるとすることができる。
【００２６】
本発明が、具体的な実施形態に関して詳細に記述されたが、当業者は、上記を理解した上で、これらの実施形態の変更、変形態様及び等価物を容易に思い描くことができることが理解される。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲及びあらゆる等価物の範囲として評価されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】つや消し仕上げチャネル及び光沢仕上げチャネルの、時間（ｘ−軸）に対する充填時間（ｙ−軸）のグラフである。
【図１】
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【国際調査報告】
2009520183.tif 000006
2009520183.tif 000007
2009520183.tif 000008