(57)【要約】【課題】  マイクロ流体デバイス及びマイクロ流体デバイスを用いる方法を提供する。【解決手段】  マイクロ流体デバイス（１００）であって、ハウジングと、前記ハウジング内に配置された曲がりくねったチャネル（２１２）と、前記曲がりくねったチャネル（２１２）内に配置された共鳴トンネル電極のセットとを備え、該マイクロ流体デバイス（１００）は、前記共鳴トンネル電極のセットを用いて分析物を検出するように構成されているマイクロ流体デバイス。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体デバイスであって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に配置された曲がりくねったチャネルと、
前記曲がりくねったチャネル内に配置された共鳴トンネル電極のセットとを備え、
該マイクロ流体デバイスは、前記共鳴トンネル電極のセットを用いて分析物を検出するように構成されているマイクロ流体デバイス。
【請求項２】
前記曲がりくねったチャネルは、少なくとも１つのアーチ状部と流体が連通する線形部を備え、前記線形部は、内幅Ｗを有し、前記アーチ状部は、内幅ＣＷを有し、ＣＷ：Ｗは、１．０未満であり、前記アーチ状部の幅は、少なくとも一部が狭窄されている、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３】
前記分析物は、前記共鳴トンネル電極のセットによって検出用に整列される、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４】
前記共鳴トンネル電極のセットは、前記曲がりくねったチャネルの前記アーチ状部の湾曲に接して配置されている、請求項２に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項５】
前記共鳴トンネル電極のセットは、ＣＷとほぼ等しい距離だけ分離された２つの電極を備える、請求項２に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項６】
ＣＷ：Ｗは、約０．７５から約０．２５である、請求項２に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項７】
マイクロ流体デバイス内に配置された曲がりくねったチャネル内に前記分析物を配列すること、及び、前記分析物を共鳴トンネル電極のセットを用いて検出することを含む、分析物の配列を決定する方法。
【請求項８】
前記分析物を整列させることは、前記曲がりくねったチャネル内に前記分析物を電気泳動により整列させることを含む、請求項７に記載の分析物の配列を決定する方法。
【請求項９】
前記曲がりくねったチャネルは、線形部及びアーチ状部を備える、請求項７に記載の分析物の配列を決定する方法。
【請求項１０】
試料調製デバイスと、
前記試料調製デバイスと流体が連通する曲がりくねったチャネルと、該曲がりくねったチャネル内に配置された共鳴トンネル電極のセットとを含む検出デバイスとを備えるシステムであって、
共鳴トンネル電極のセットを用いて分析物を検出するように構成されているシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体デバイス及びマイクロ流体デバイスを用いる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体デバイスは、インクジェットプリンタ及びラブ・オン・チップ（lab-on-a-chip）アッセイにおける従来からの用途とは別に、広範囲にわたる様々な応用において有用になりつつある。潜在的な応用としては、医薬、バイオテクノロジー、ライフサイエンス、防衛、公衆衛生、及び農業が挙げられる。一般に、マイクロ流体法は、小型システムにおける少量の液体又は気体（総称して流体と呼ぶ）の流れを制御する技術の集合を指す。マイクロ流体デバイスは、通常、少なくとも１つの１ｍｍ未満の寸法を有する１つ又はそれ以上のチャネルを含む。マイクロ流体デバイスで用いられる一般的な流体は、全血試料、バクテリア細胞懸濁液、タンパク質又は抗体溶液、及び様々な緩衝液を含む。マイクロ流体デバイスは、分子拡散係数、流体粘度、ｐＨ、化学結合係数、及び酵素反応速度論を含む様々な測定値を得るために用いることができる。マイクロ流体デバイスのその他の応用としては、毛管電気泳動、等電点電気泳動、イムノアッセイ、流動細胞計測、質量分光測定による分析用タンパク質の試料注入、ＰＣＲ増幅、ＤＮＡ分析、細胞操作、細胞分離、細胞パターニング、及び化学勾配形成が挙げられる。これらの応用の多くは、臨床診断において有用である。特に、マイクロ流体デバイスは、バイオポリマー分析、たとえば、ポリヌクレオチドの配列決定又はポリヌクレオチド、ポリペプチド若しくは他のバイオポリマーの検出に応用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
これらのデバイスに検出器を配置することも、一部には、マイクロ流体チャネルの構成及び検出器のサイズのために問題となっている。さらに、検出器により分析するための分析物を整列させることも問題となり得る。
【０００４】
整列の問題は、従来の電気泳動技術を用いて分析物を分離し、分析用に調製することによって、いくつかの応用において対処されてきた。たとえば、ゲル電気泳動は、同様の電荷対質量比を有する分析物を堆積するために用いることができる。電気泳動は、分析用の分析物を分離又は堆積するには効果的であり得るが、一般に電気泳動は、たとえば、高スループット配列分析において分析物を迅速に特徴づけるために用いることはできない。
【０００５】
対照的に、共鳴トンネル効果は、分析物が共鳴トンネルデバイスの電極付近又は電極内を通過する際、分析物を迅速に分析するために用いることができる。分析物は、正確に測定するために、共鳴トンネル電極によって分析できるように注意深く並べられなければならない。なぜなら、共鳴トンネル電極は、効果的に機能するためには、互いに比較的近接していなければならないからである。したがって、分析物を整列させるためには、共鳴トンネル電極間の距離を考慮しなければならない。「レーストラック効果」を補償するために毛管チャネルを狭くすることにより、近接しなければならない検出デバイスの場所を提供することができる。現存する共鳴トンネルデバイスは、分析用の分析物を確実に、且つ容易に整列させることはできない。
【０００６】
したがって、分析物を整列させ、共鳴トンネル電極を用いて、分析物を特徴づけるためのシステム及び方法が求められる。
本発明は、マイクロ流体デバイス及びマイクロ流体デバイスを用いる方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
マイクロ流体デバイス、システム及びこれらの使用方法を提供する。とりわけ、１つの例示的なデバイスは、ハウジングと、ハウジング内に配置された曲がりくねったチャネルと、曲がりくねったチャネル内に配置された共鳴トンネル電極のセットとを備え、このマイクロ流体デバイスは、共鳴トンネル電極のセットを用いて分析物を検出するように構成されている。
【０００８】
とりわけ、例示的なシステムは、試料分離デバイスと、試料調製デバイスと流体が連通する曲がりくねったチャネルと、曲がりくねったチャネル内に配置された共鳴トンネル電極のセットとを含む検出デバイスとを備え、このシステムは、共鳴トンネル電極のセットを用いて分析物を検出するように構成されている。
【０００９】
とりわけ、例示的な分析物の配列を決定する方法は、マイクロ流体デバイス内に配置された曲がりくねったチャネル内に分析物を配列すること、及び分析物を共鳴トンネル電極のセットを用いて検出することを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照する。図面中の構成要素は、必ずしも一律の縮尺に従っていないことに留意されたい。
【００１１】
様々な実施形態を説明する前に、以下の定義を必要に応じて提供する。
【００１２】
「ポリマー」という用語は、２つ若しくはそれ以上の単位又はモノマーが互いに付着、結合、又は物理的に関連している組成物を指す。「ポリマー」という用語は、バイオポリマーを含む。
【００１３】
「バイオポリマー」という用語は、１つ又はそれ以上のタイプの繰り返し単位のポリマーを指す。バイオポリマーは、一般的には、生物系において見出され、特に、多糖類（炭水化物等）、ペプチド（この用語は、ポリペプチド及びタンパク質を含むものとして用いられる）、グリカン、プロテオグリカン、脂質、スフィンゴ脂質、抗体等の既知の生物材料、及びポリヌクレオチド、並びにアミノ酸類似体若しくは非アミノ酸基、又はヌクレオチド類似体若しくは非ヌクレオチド基から構成されるか、又はこれらを含む化合物等の類似体を含む。これには、従来のバックボーンが、非天然の、すなわち合成のバックボーンで置換されたポリヌクレオチド、及び１つ又はそれ以上の従来の塩基が水素結合相互作用に関与可能な基（天然又は合成）で置換された、ワトソン−クリック型、ウォブル型等の、核酸（又は合成若しくは天然類似体）が含まれる。ポリヌクレオチドは、単一構成、又は１つ若しくはそれ以上の鎖が互いに完全に整列していても、整列していなくてもよい複数の鎖構成を含む。
【００１４】
「ヌクレオチド」は、核酸のサブユニットを指し、リン酸基、５炭糖、及び窒素含有塩基、並びに（ポリヌクレオチドとしての）ポリマーの形態では、２つの天然のポリヌクレオチドと類似した特異的な配列様式で、天然のポリヌクレオチドとハイブリダイズできるサブユニットの（合成又は天然の）官能性類似体を有する。バイオポリマーは、原料に関係なく、ＤＮＡ（ｃＤＮＡを含む）、ＲＮＡ、オリゴヌクレオチド、及びＰＮＡ，並びに米国特許第５，９４８，９０２号及び本明細書に引用される参考文献（そのすべてを参照により本明細書に援用する）に記載されているその他のポリヌクレオチドを含む。「オリゴヌクレオチド」は、一般に、長さが約１０から１００ヌクレオチドのヌクレオチド多量体を指すのに対して、「ポリヌクレオチド」は、任意の数のヌクレオチドをもつヌクレオチドを含む。「バイオモノマー」は、同じ又は他のバイオモノマーと結合してバイオポリマーを形成することができる単一の単位（たとえば、一方又は両方が除去可能な保護基を有し得る２つの結合基をもつ単一のアミノ酸又はヌクレオチド）であり得る。
【００１５】
「電気泳動」は、電界の影響下にある、帯電粒子又はポリマー、たとえば、コロイド粒子の動きを指す。粒子は、電気力が粒子上の粘性抵抗の均衡をとるような速度で移動する。抵抗力は、媒体の流体力学半径及び粘度によって決定される。電気力は、ゼータ電位等の流体力学電位によって与えられる。電気泳動は、分析の手段として、異なるコロイド及び高分子電解質を分離し、電位を決定するために用いられる。電気泳動はまた、異なる電荷をもつ種（異なるタンパク質等）を分離するためにも用いることができる。ポリマー又は粒子が移動する媒体は、液体、ゲル、又はポリマーネットワークのいずれかであり得る。
【００１６】
「からみ合いポリマー溶液」は、ポリマーが互いに浸透し合う溶液を指す。これは、からみ合いを引き起こし、分子の動き（レプテーション）を、各分子を取り囲み、隣接物とのからみ合いによって規定される「仮想管」に沿った移動に制限する。
【００１７】
「ゲル」という用語は、溶媒によって膨張したからみ合いポリマー又は架橋ポリマーのネットワークを指す。この用語はまた、連続したネットワークを形成するコロイド粒子の凝集システムを表すためにも用いられる。
【００１８】
「統計上有意である」とは、ランダムに発生しそうになかった場合に結果が有意であることを指す。「有意」は、（偶然によるものではなく）恐らく真実であることを指す。一般に統計上有意な配列は、ランダムな配列エラーを含む可能性が５％以下である配列を指す。
【００１９】
「曲がりくねったチャネル」は、湾曲部又はアーチ状部、たとえば、曲がりを有する導管を指す。曲がりくねったチャネルは、導管の線形及び／又は非線形部を含み得る。例示的な曲がりくねったチャネルは、「Ｓ」、「Ｕ」、又は「Ｌ」形状の部分を有する。
【００２０】
明細書中で用いられる用語のいくつかを定義したが、以下、本開示の様々な実施形態について説明する。
【００２１】
例示的なマイクロ流体デバイス
以下さらに詳細に記載するように、マイクロ流体デバイス及びその使用方法の実施形態が提供される。例として、いくつかの実施形態は、少なくとも１つの曲がりくねったチャネルを有するマイクロ流体デバイスを提供する。上記のように、曲がりくねったチャネルは、非線形部又はセグメントを有するチャネルである。非線形部は、通常、アーチ状である。開示されるマイクロ流体デバイスにおけるチャネルは、一般に、ある寸法が約１ｍｍ未満であり、深さ、幅、又はその組み合わせが、一般的には約０．１μｍから約７５０μｍ、より一般的には約１．０μｍから約５００μｍ、さらに一般的には約５０μｍから約２５０μｍである。言うまでもなく、幅、深さ、又はその組み合わせは、チャネルの全長にわたって均一でなくてもよい。チャネルは、限定はされないが、断面が矩形、管状、又は半球体を含む任意の幾何学形状であり得る。
【００２２】
１つの例示的なマイクロ流体デバイスは、少なくとも１つのチャネルがハウジング上又はハウジング内に配置されたハウジングを備える。分析物を検出、監視、又は分析するためのデバイスは、チャネル内又はチャネルに接して配置され得る。１つの実施形態では、開示されるマイクロ流体デバイスのハウジングは、限定はされないが、シリコン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、熱可塑性物質、ガラス、高分子膜、マイラー、金属、金属合金、又はその組み合わせを含む様々な材料から製造され得る。チャネルは、エッチング又は穴あけされてデバイスの表面となるか、又はデバイスの内側に形成され得る。
【００２３】
図１は、例示的なマイクロ流体システム１００の図示を示す。マイクロ流体システム１００は、検出デバイス１４０と流体が連通し、必要に応じて電気的に接続される試料調製デバイス１２０を含む。検出デバイス１４０は、限定はされないが、電極２２０、２２２を含む共鳴トンネル電極のセットを含み、これら自体は、ポリマー（たとえば、標的ポリヌクレオチド）等の分析物に関するデータが、測定及び必要に応じて収集され得るように通信接続される。
【００２４】
試料は、材料搬送システム１６０を用いてマイクロ流体デバイス１００を通して搬送される。材料搬送システム１６０は、限定はされないが、マイクロ流体デバイス１００内で材料が移動するために十分な動電構成要素、電気浸透構成要素、電気泳動又はその他の流体操作構成要素（たとえば、マイクロポンプ及びマイクロバルブ、流体スイッチ、流体ゲート等）のいずれか１つを含む。試料の特性は、検出デバイス１４０を用いて、検出、監視、及び収集され得る。
【００２５】
マイクロ流体システム１００は、限定はされないが、作動システム１８０を含む。作動システム１８０は、限定はされないが、ポリマー（たとえば、ポリヌクレオチド）等の分析物がチャネルに沿って移動する際にその特性を測定することが可能な電子機器、特性の測定を制御し、対応するデータを保存することが可能なコンピュータシステム、検出デバイスの条件を制御することが可能な制御機器、及び／又は以下に記載されるように測定を実施するために用いられる検出デバイス１４０内に含まれる構成要素を含む。マイクロ流体システム１００はまた、ＬＡＮ、ＷＡＮ、ワールドワイドウェブ、インターネット、及び／又はイントラネット等の分散したコンピュータネットワークと通信することが可能である。
【００２６】
検出デバイス１４０は、限定はされないが、ポリマー等の分析物が検出デバイス１４０付近又は検出デバイス１４０内を通過するとき、個々の導電率又は電子トンネル電流の変化の振幅又は持続時間などの特性を測定することができる。通常、分析物（すなわち、ポリマー）が検出デバイス１４０を横断するとき、分析物（すなわち、ポリマー）内で生じる導電率が検出又は定量化される。さらに詳細には、電子トンネル導電率測定値は、各モノマーが検出デバイス１４０を横断するとき、分析物（すなわち、ポリマー）の各モノマーに対して検出される。このような測定値には、限定はされないが、モノマーを連続して同定できるデータの変化が挙げられる。これは、各モノマーが特徴的な導電率変化サインを有し得るからである。たとえば、容量、形状、プリン塩基若しくはピリミジン塩基、又は各モノマー上の電荷は、特徴的に導電率に影響を与えることができる。同様にポリヌクレオチド全体のサイズは、モノマー依存導電率の変化が起こる時間の長さ（たとえば、持続時間）を観察することによって決定され得る。あるいは、ポリヌクレオチド内のヌクレオチドの数（たとえば、サイズの測定値）は、ナノポア開口部を横断するある核酸に対するヌクレオチド依存導電率の変化の数の関数として決定され得る。ヌクレオチドの数は、導電率変化の数に必ずしも対応しないかもしれない。なぜなら、核酸の各ヌクレオチドが連続して検出デバイスを通過するとき、１つより多くの導電率レベルの変化があり得るからである。しかし、既知の配列を有するポリヌクレオチドで基準となるものを調製することによって決定され得る２つの値の間には比例関係があり得る。
【００２７】
開示されるシステムの構成要素には、マイクロ流体デバイスが含まれる。図２は、代表的なマイクロ流体デバイス２００の図を示す。本実施形態では、ハウジング２０２は、複数のウェル又は試料注入口２０４を含む。試料注入口２０４は、チャネル２１２及び２１４によってウェル２１０に接続されている。ウェル２１０は、分析された又は処理された試料を収容するための容器として作用し得る。動作中、試料は、試料注入口２０４に収容される。材料搬送システム１６０（図示せず）は、チャネル２１２を通じてマイクロ流体デバイス全体にわたって試料を移動させる。チャネル２１２はまた、試料調製デバイスとしても作用する。たとえば、チャネル２１２は、電気泳動により試料を分類する分離マトリクスを有し得る。
【００２８】
チャネル２１２は、通常、少なくとも１つの線形部と、少なくとも１つの非線形部とを有する曲がりくねったチャネルである。非線形部は、湾曲部又はアーチ状部であり得る。湾曲、折り返し、又は曲がりは、約９０°、約９０°未満、９０°より大きい、１８０°より大きい、９０°と１８０°との間、又は約１．０°から約９０°の間であり得る。言うまでもなく、チャネル２１２は、複数の曲がり、折り返し、又は湾曲を有し得る。１つの実施形態では、検出デバイス（たとえば、共鳴トンネル電極）は、チャネル２１２のアーチ状部内に、又はアーチ状部に接して配置されている。
【００２９】
共鳴トンネル電極１４０は、分析物が電極を分離する空間を通過する際、分析物の導電率、たとえば、トンネル電流を監視するように構成され得る。チャネル２１２の幅又は深さは、Ｗとして示される。チャネルが曲がる又は折り返す際、幅は、狭窄幅ＣＷへとテーパー状になる。ここで、ＣＷ＜Ｗである。一般に、チャネル２１２のアーチ状部の幅は、試料が曲がり又は折り返しを通過する際に、分析物の散乱を低減する又はなくすように十分に狭窄される。１つの実施形態では、アーチ状部の幅は、ＣＷ：Ｗが約０．７５から約０．２５、通常、約０．５になるように狭窄される。チャネル２１２の狭窄部の長さは、ＲＬで示される。別の実施形態では、アーチ状部は、ＲＬ：Ｗが１．０より大きくなり、必要に応じて、ＣＷ：Ｗが約０．５から約１．５になるように狭窄される。さらに別の実施形態では、チャネル２１２は、ＲＬ：Ｗが約１．０から約１．５になるように構成されている。１つの実施形態では、共鳴トンネル電極は、チャネルのアーチ状部内に配置され、アーチ状部の幅を所望の値に狭めることができる。言うまでもなく、アーチ状部の折り返し、曲がり、又は湾曲は、分析物が電極２２０及び２２２を分離する空間を通過する際、共鳴トンネル電極の電極２２０及び２２２が導電率又はトンネル電流の変化を検出するのに十分な幅ＣＷまでテーパー状にされ得る。
【００３０】
図３は、代替的なチャネル構成を有する開示されるマイクロ流体デバイスの代替的な実施形態の図を示す。本実施形態では、複数のチャネルが、必要に応じて少なくとも１つの折り返し又は曲がりを含むと共に、「Ｔ」接合部で交差する。試料のセグメントは、試料が各Ｔ接合部を通過する際、異なるチャネルに引き寄せられて異なる分析がなされ得る。あるいは、異なる試薬は、注入口３０６また３０８を通してマイクロ流体デバイスに送達され得る。
【００３１】
図３は、別の代表的なマイクロ流体デバイス３００の図を示す。本実施形態では、ハウジング３０２は、複数のウェル又は試料注入口２０４を有する。試料注入口２０４は、チャネル３１６により、ウェル３１０に接続されている。ウェル３１０は、分析された又は処理された試料を収容するための容器として作用し得る。動作中、試料は、試料注入口２０４に収容される。材料搬送システム１６０（図示せず）は、チャネル３１２を通してマイクロ流体デバイス全体にわたって試料を移動させる。チャネル３１２はまた、試料調製デバイスとしても作用し得る。たとえば、チャネル３１２は、電気泳動により試料を分類する分離マトリクスを有し得る。
【００３２】
チャネル３１２は、通常、少なくとも１つの線形部と、少なくとも１つの非線形部とを有する曲がりくねったチャネルである。非線形部は、湾曲部又はアーチ状部であり得る。湾曲、折り返し、又は曲がりは、約９０°、約９０°未満、９０°より大きい、１８０°より大きい、９０°と１８０°との間、又は約１．０°から約９０°の間であり得る。言うまでもなく、チャネル３１２は、複数の曲がり、折り返し、又は湾曲を有し得る。１つの実施形態では、検出デバイス（たとえば、共鳴トンネル電極）は、チャネル３１２のアーチ状部内に、又はアーチ状部に接して配置されている。
【００３３】
共鳴トンネル電極１４０は、分析物が電極を分離する空間を通過する際、分析物の導電率、たとえば、トンネル電流を監視するように構成され得る。チャネル３１２の幅又は深さは、Ｗとして示される。チャネルが曲がる又は折り返す際、幅は、狭窄幅ＣＷへとテーパー状になる。ここで、ＣＷ＜Ｗである。一般に、チャネル３１２のアーチ状部の幅は、試料が曲がり又は折り返しを通過する際に、分析物の散乱を低減する又はなくすように十分に狭窄される。１つの実施形態では、アーチ状部の幅は、ＣＷ：Ｗが約０．７５から約０．２５、通常、約０．５になるように狭窄される。チャネル３１２の狭窄部の長さは、ＲＬで示される。別の実施形態では、アーチ状部は、ＲＬ：Ｗが１．０より大きくなり、必要に応じて、ＣＷ：Ｗが約０．５から約１．５になるように狭窄される。さらに別の実施形態では、チャネル３１２は、ＲＬ：Ｗが約１．０から約１．５になるように構成されている。１つの実施形態では、共鳴トンネル電極は、チャネルのアーチ状部内に配置され、アーチ状部の幅を所望の値に狭めることができる。言うまでもなく、アーチ状部の折り返し、曲がり、又は湾曲は、分析物が電極２２０及び２２２を分離する空間を通過する際、共鳴トンネル電極の電極２２０及び２２２が導電率又はトンネル電流の変化を検出するのに十分な幅ＣＷまでテーパー状にされ得る。
【００３４】
試料調製デバイス
検出器によって分析される前に、分析物（たとえば、生体分子）は、データが各分析物、すなわち生体分子から収集され得るように分類又は整列されなければならない。分析物を分析するための整列は、試料調製デバイス１２０を用いて実施され得る。１つの実施形態では、試料調製デバイス１２０は、たとえば、共鳴トンネル電極１４０によって分析される、特定の質量若しくは質量範囲、分子量、大きさ、電荷、一重鎖若しくは二重鎖コンフォメーションを含むコンフォメーション、又は電荷対質量比の同様の分析物（たとえば、ポリマー）を有利に分類及び必要に応じてグループ分け又は積層する。同様の又は同一の特性を有する複数のポリマーを提供することにより、同じポリマー（すなわち、分析物）に対して複数のデータ点を収集することができる。複数のデータ点を分析することができ、たとえば、ポリマー内のモノマーの配列を決定する際の結果の忠実度を向上させるために、統計分析を実施することができる。いくつかのデータ点は、分析されるポリマーの特性を正しく示さない、たとえば、誤ったモノマーの配列を示すかも知れない。誤った又は特定範囲外のデータ点は、データセットから無視又は削除され、より信頼のおける統計上有意な結果を提供することができる。
【００３５】
試料分類及び積層
いくつかの実施形態では、複数の分析物（たとえば、ポリマー）は、限定はされないが、電気泳動、毛管電気泳動、分子篩、抗体の捕捉、クロマトグラフィー、アフィニティー、ポリヌクレオチド捕捉、クロマトグラフィー、逆相クロマトグラフィー、及びイオン交換クロマトグラフィーを含む従来の技術を用いて、試料調製デバイス１２０で分類、積層、又は分離され得る。言うまでもなく、試料調製デバイス１２０は、マイクロ流体デバイスのチャネルであり得る。
【００３６】
１つの実施形態では、毛管電気泳動はまた、１つより多くのマイクロ流体チャネルで実施され得る。マイクロ流体チャネルは、限定はされないが、１つの中央注入口及び少なくとも１つの排出口を有する、表面微細加工されたラビリンスを含む。これらの分離は、チャネル内に緩衝溶液及びイオン種それぞれの電気浸透流、電気泳動流、又はその組み合わせを生成し得る、高電圧を用いることによって簡単になる。分離の特性及びそれによって得られる電気泳動図は、従来のポリアクリルアミドゲル電気泳動（ＰＡＧＥ）と、最新の高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）との組み合わせに類似する特性を有する。１つの実施形態では、電気泳動デバイス１２０は、高電界強度、たとえば、約５００Ｖ／ｃｍ以上を用いる。ＣＥを駆動する１つのプロセスは、電気浸透である。電気浸透は、チャネルの壁上の表面電荷の結果である。分離に通常用いられるいくつかのチャネルは、チャネル内に含まれる緩衝剤と接触するイオン性シラノール基を有する。イオン化度は、主に、緩衝剤のｐＨによって制御され得る。
【００３７】
負に帯電したチャネル壁は、正に帯電したイオンを緩衝剤から引き寄せ、電気二重層を形成する。電圧がチャネルにわたって印加されると、二重層の拡散部における陽イオンは、カソードの方向に移動し、陽イオンと共に水を運搬する。この結果、正味の緩衝溶液が、負電極の方向に流れる。未処理のマイクロチャネルでは、緩衝剤ｐＨが７．０より高いとき、電荷に関係なく、大半の溶質は、負電極の方へ移動する。
【００３８】
毛管電気泳動は、限定はされないが、毛管ゾーン電気泳動、等電点電気泳動、毛管ゲル電気泳動、等速回転電気泳動、及びミセル界面動電毛管クロマトグラフィーを含む。自由溶液毛管電気泳動としても既知の毛管ゾーン電気泳動（ＣＺＥ）は、ＣＥの最も簡単な形態である。分離機構は、電荷対質量比の差に基づく。ＣＺＥの原理は、緩衝溶液の均質性及び毛管の長さにわたる一定の電界強度である。電圧を投入及び印加した後、試料混合物の成分は、図４Ｂのマイクロチャネル４０８及び試料分離マトリクス４２０に示されるように、別個のゾーン４１４に分離する。
【００３９】
等電点電気泳動（ＩＥＦ）では、分子は、帯電している限り移動し、中性になると停止する。ＩＥＦは、ｐＨがアノードで低く、カソードで高くなるｐＨ勾配で起こる。ｐＨ勾配は、キャリア両性電解質として既知の一連の両性イオン化学物質によって発生する。電圧が印加されると、両性電解質混合物は、毛管内で分離する。正に帯電した両性電解質は、カソード側に移動するのに対して、負に帯電したものはアノード側に移動する。言うまでもなく、アノード緩衝剤のｐＨは、分析物への移動を防止するために、最も酸性の両性電解質の等電点よりも低くなければならない。同様に、カソード液は、最も塩基性の両性電解質よりも高いｐＨをもたなければならない。
【００４０】
核酸は、一般に、中性又は塩基性緩衝剤において、負に帯電した燐酸基を有する陰イオンとして電気泳動される。小さなＤＮＡ断片、たとえば、ヌクレオシド、ヌクレオチド、及び小さなオリゴヌクレオチドに対しては、自由溶液技術（ＣＺＥ、ＭＥＣＣ）が、一般に、コーティングされていない毛管又はマイクロ流体チャネルと共に適用され得る。あるいは、より大きなデオキシオリゴヌクレオチドの分離は、一般に、コーティングされた毛管又はマイクロ流体チャネルを用いて、毛管ゲル電気泳動で達成され得る。この場合、名称が示すように、毛管又はチャネルにはポリアクリルアミド又はアガロース等の非対流性媒体が充填される。ゲルは、電気浸透流を抑制し、篩として作用し、分析物を大きさによって分類する。オリゴヌクレオチド、たとえば、ポリ（ｄＡ）４０−６０は、この方法によって、単位塩基分解能により３５分足らずで、８％モノマーのゲル及び１００ｍＭのトリスホウ酸塩（ｐＨ８．３）を２ｍＭのＥＤＴＡ及び７Ｍの尿素と共に含む緩衝剤を用いて、分離され得る。
【００４１】
等速回転電気泳動は、ゼロ電気浸透流に依存し、緩衝剤系は、異質性である。これは、自由溶液技術であり、毛管又はチャネルは、決定される試料成分のいずれよりも移動度が高い先端電解液で充填される。次に、試料が注入される。終端電解液は、対向する貯蔵部を占有し、その電解液のイオン移動度は、試料成分のいずれよりも低い。分離は、分析物の個々の移動度に基づき、先端電解液と終端電解液との間の間隙で起こる。
【００４２】
ミセル界面動電毛管クロマトグラフィー（ＭＥＣＣ）は、ミセル形成界面活性溶液を用いる自由溶液技術であり、毛管電気泳動の利点を有する逆相液体クロマトグラフィーに類似した分離を引き起こし得る。等電点電気泳動、又は等速回転電気泳動と異なり、ＭＥＣＣは、強力で制御可能な電気浸透流に依存する。ＭＥＣＣは、ミセルを含む擬似静止相に分析物を差別分割することを利用する。イオン性、非イオン性、及び両性イオン性界面活性剤は、ミセルを生成するために用いることができる。代表的な界面活性剤としては、限定はされないが、ＳＤＳ、ＣＴＡＢ、Ｂｒｉｊ、及びスルホベタインが挙げられる。ミセルは、疎水性及び静電相互作用に基づき、分子レベルで分析物を組織化する能力を有する。中性分子でさえ、ミセルに結合することが可能である。なぜなら、疎水性コアは、非常に強力な可溶力を有するからである。
【００４３】
図４Ａは、様々なポリマー又は分析物を分離するために電圧勾配又は電界を用いる例示的な電気泳動デバイス４００の図を示す。試料注入口４０２は、試料、たとえば、複数のポリヌクレオチドを含む試料を収容する。試料は、好ましくは、所望のｐＨ及びイオン強度に緩衝された溶液内の流体試料である。一般に、電気泳動デバイスは、注入口４０２にアノード緩衝剤を有し、排出口４０４にカソード緩衝剤を有する。言うまでもなく、緩衝剤のｐＨ及びイオン強度は、それぞれ調節可能であり、これにより、ポリマー又は分析物の電気泳動分離を調節することができる。さらに、粘度上昇剤、界面活性剤、変性剤、又は他の添加物は、試料又は緩衝剤に添加され、ポリマーの分離分解能を変更する。いくつかの実施形態では、毛管電気泳動において、毛管又はチャネルの壁、たとえば、溶融シリカのチャネルに対する調節が必要である。壁は、電気浸透流を調節又は抑制し、及び／又は好ましくない壁と分析物との相互作用を低減するように調節され得る。１つの実施形態では、電気泳動デバイス４００は、分離されるポリマーに電気浸透流を作用させない。たとえば、管又はマイクロチャネル４０８は、電気泳動中、中和又は帯電されない表面を有し得る。管又はマイクロチャネル４０８の帯電表面は、必要に応じて、たとえば、陽イオン又は陰イオン性界面活性剤等のイオン性界面活性剤でコーティングされ得る。例示的なコーティング物質又は緩衝剤添加物としては、限定はされないが、ＳＤＳ、セチルトリメチルアンモニウム臭化物（ＣＴＡＢ）、ポリオキシエチレン−２３−ラウリルエーテル；スルホベタイン（ＢＲＩＪ）、ＴＷＥＥＮ、ＭＥＳ、トリス、ＣＨＡＰＳ、ＣＨＡＰＳＯ、メチルセルロース、ポリアクリルアミド、ＰＥＧ、ＰＶＡ、メタノール、アセトニトリル、シクロデキストリン、クラウンエーテル、胆汁酸塩、尿素、ホウ酸塩、ジアミノプロパン、及びその組み合わせが挙げられる。チャネル４０８の帯電表面を中和すると、電気浸透流をなくすか又は低減することができる。あるいは、チャネル４０８の表面又は緩衝剤への調節によって、電気浸透力をなくすか又は逆転させることができる。たとえば、ポリアクリルアミドによる中和不活性化により電気浸透流はなくなる。これは、効果的な壁電荷の減少及び壁における粘度の増加により生じる。陽イオン基による不活性化は電気浸透流を逆転させ、両性分子による不活性化は、ｐＨを変更することにより電気浸透力の方向を制御させる。
【００４４】
電気浸透流を完全に抑制する共有結合及び吸着された様々な毛管又はマイクロ流体チャネルコーティングは、当該技術分野で既知であり、市販されている。線形ポリアクリルアミド等の共有結合した、又は吸着された中和ポリマーのコーティングは、非常に安定しており、様々な分析物の影響を受けにくく、電気浸透流をほぼ検出できないレベルにまで低減する。このようなコーティングは、目的の分析物がすべて同じ方向に移動する（たとえば、同じ符号の電荷を有する）ことが必要な、ＤＮＡ及びタンパク質分離を含む広範囲な応用に有用である。しかし、その他の多くの応用では、電気浸透流は、正及び負の電荷の分析物（たとえば、広範囲な等電点をもつタンパク質の混合物）を移動させるか、又は電気泳動移動度が非常に低い種を移動させるためのポンプとして用いることができる。露出した溶融シリカ毛管は、強いカソードの電気浸透流を示すが、分析物を吸着する傾向があり、その結果、再生不可能な移動時間及び良好でないピーク形状となる。
【００４５】
１つの実施形態では、ポリマーの電気泳動分離は、管、毛管、又はマイクロ流体チャネル４０８内で起こる。管又はマイクロ流体チャネル４０８は、コーティングされていてもいなくてもよい。別の実施形態では、例示的なマイクロ流体チャネルは、１ｍｍ未満、一般的には約５００μｍ未満、さらに一般的には約２００μｍ未満、又は約１μｍから約１００μｍの直径を有する。
【００４６】
図４Ｂは、分析物のバンド又はゾーン４１４が電圧勾配に沿って分離している様子を示す管４０８の断面図である。一般に、試料は、アノードからカソードへ移動する。しかし、言うまでもなく、極性は、緩衝剤系を変更するか、イオン性界面活性剤を試料若しくは緩衝材に添加するか、又は毛管の内面をコーティングして、電気浸透流を低減又はなくすことによって、反転され得る。通常、１つのバンド４１４における分析物は、均一のサイズ、均一のモノマー数、及び必要に応じて均一の配列を有する。
【００４７】
図４Ａにおいて、電源４１２は、アノード４１６とカソード４１８との間に電圧勾配を提供する。電源４１２は、従来の電気導電体４１０を用いてウェル４０２、４０４と電気的に接続している。一般に、電源４１２は、約１０から約６０ｋＶ、通常約３０ｋＶを供給することができる。言うまでもなく、電圧は、ポリマー分離を調節するために調整され得る。電圧勾配が確立されると、個々の分析物は、たとえば、それらの電荷、質量、又は電荷対質量比に従って、電圧勾配に沿って移動する。従来の毛管電気泳動では、小さな正に帯電した分析物は、アノードからカソード側にすばやく移動する。より大きな正に帯電したポリマーは、試料の端部で移動する大きな負に帯電したポリマーに続く。
【００４８】
分離中、分析物は、チャネル４０８を通って移動する。チャネル４０８には、分離マトリクス４２０及び／又は緩衝剤が充填され、イオン状態及びｐＨ状態を維持する。イオン状態及びｐＨ状態は、特定の分析物の分離分解能を増加させるように最適化され得る。言うまでもなく、異なる分析物は、異なる緩衝剤、イオン濃度、電圧、及び分離時間を用いて、特定の分析物又は分析物群の分離を達成する。代表的な分離マトリクスとしては、限定はされないが、ポリアクリルアミド、メタクリレート、ポリシロキサン、アガロース、寒天、ポリエチレングリコール、セルロース、又は網の目状のフレーム構造若しくは篩を形成することが可能な他の任意の物質を含むポリマーが挙げられる。分離マトリクスは、コロイド、「ポリマー溶液」、「ポリマーネットワーク」、「からみ合いポリマー溶液」、「化学ゲル」、「物理ゲル」、及び／又は「液体ゲル」であり得る。特に、分離マトリクスは、チャネル壁に化学的に固定される比較的高粘度の架橋ゲル（「化学」ゲル）及び／又は比較的低粘度のポリマー溶液（「物理」ゲル）であり得る。網の目又は篩は、大きな分析物の移動を抑えるか又は妨害し、小さな分析物は、網の目を通ってすばやく移動する。長さ、分子量、又は電荷等の特性が同様又は同一の分析物は、共に積層するか、又はバンド４１４内を移動する。言うまでもなく、分離マトリクスの孔の大きさは、異なる分析物又は分析物群を分離するように変更され得る。
【００４９】
別の実施形態では、マイクロ流体デバイスの注入口４０２又はチャネル４０８は、特定の分析物又は分析物群と特異的に結合する物質でコーティングされ得る。たとえば、注入口４０２又はチャネル４０８の表面は、ポリペプチド又はポリヌクレオチド等の特異的な分析物に直接的又は間接的に特異結合する抗体でコーティングされ得る。あるいは、所定の配列を有するポリヌクレオチドは、試料中に存在する相補配列と結合するための開示されるマイクロ流体デバイスの注入口４０２の表面に結合され得る。適切なポリヌクレオチドは、少なくとも約６個のヌクレオチド、一般的には、約１０から約２０個のヌクレオチド、さらに一般的には、約６から約１５個のヌクレオチドである。言うまでもなく、ポリヌクレオチドが、その相補配列又はその相補配列を含むポリマーと特異的にハイブリダイズし得る限り、任意の数のヌクレオチドを用いることができる。
【００５０】
別の実施形態は、貯蔵部、管、又はチャネルの内面に付着されるポリペプチドを有するマイクロ流体デバイスを提供する。付着されたポリペプチドは、別のポリペプチドと特異的に結合し得る。付着された例示的なポリペプチドは、限定はされないが、ポリクローナル抗体若しくはモノクローナル抗体、抗体の断片、ポリペプチド、たとえば、他のポリペプチドと二量体を形成するポリペプチド、又は他のポリペプチド若しくは小分子と特異的に結合して巨大分子複合体若しくは２つ以上のサブユニットの複合体を形成するポリペプチドを含む。
【００５１】
他の実施形態では、結合剤は、貯蔵部、管、又はチャネル内に配置されるマトリクス又は樹脂に付着される。結合マトリクス又は結合樹脂は、必要に応じて交換又は再充填される。樹脂又はその下にあるマトリクスは、それに結合する結合剤とは異なって、一般に不活性及び生物学的に不活性であり、結合剤を付着させることが可能なプラスチック、金属、ポリマー、又は他の物質であり得る。結合剤は、ポリペプチド、小さな有機分子、核酸、ビオチン、ストレプトアビジン、炭水化物、抗体、又はイオン化合物、その断片、若しくはその組み合わせであり得る。
【００５２】
１つの実施形態では、注入口４０２は、標的分析物を含む複数の分析物を収容する。標的分析物ではない試料中の分析物は、マイクロ流体デバイスの注入口４０２の表面、管、又はチャネルに付着した結合分子によって捕捉され、固定される。標的分析物は、移動可能であり、マイクロ流体デバイスを通って搬送される。
【００５３】
別の実施形態では、標的分析物は、ポリペプチド又はポリヌクレオチド等の結合剤によって特異的に固定される。他の分析物は、マイクロ流体デバイスから流出される。他の分析物が標的分析物から一旦分離されると、標的分析物は、たとえば、ｐＨ、イオン強度、温度、又はその組み合わせを変化させることによって、結合剤から放出される。次に、標的分析物からのデータは、標的分析物がマイクロ流体デバイスを移動する際、マイクロ流体デバイスによって捕捉され得る。
【００５４】
反応
他の実施形態は、複数の分析物を含む試料に対して、反応、たとえば、化学反応又は酵素反応を実施するか、容易にするか、又は含むように構成されたマイクロ流体デバイスの貯蔵部、ウェル、又は調節された管若しくはチャネルを提供する。１つの実施形態では、貯蔵部、チャネル、又は管は、たとえば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を用いてポリヌクレオチド増幅又はプライマー伸長を実施するように構成され得る。
【００５５】
ＰＣＲ及びＰＣＲを実施する方法は、当該技術分野で既知である。ＰＣＲを実施するために、複製又は増幅されるＤＮＡポリマーの配列の少なくとも一部が既知でなければならない。３’末端のＤＮＡポリマーの既知の部分に対して正確に相補的な（約２４個のヌクレオチドを含む）短いオリゴヌクレオチドプライマーが合成される。ＤＮＡポリマー試料は、その鎖を分離するために加熱され、プライマーと混合される。プライマーがＤＮＡ内にその相補的な配列を見出す場合には、このような配列と結合する。合成は、テンプレートとして元の鎖を用いて開始される（通常のとおり５’−＞３’）。反応混合物は、４つのすべてのデオキシヌクレオチドトリホスフェート（ｄＡＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＧＴＰ、ｄＴＴＰ）、ＤＮＡポリメラーゼ、たとえば、ＤＮＡ鎖を分離するのに必要な高温で変性されないＤＮＡポリメラーゼを含まなければならない。適切な熱安定性ＤＮＡポリメラーゼは、当該技術分野で既知であり、限定はされないが、Ｔａｑポリメラーゼが挙げられる。
【００５６】
重合は、新たに合成された各鎖がフランキングプライマーによって認識される部位を含むように十分進行するまで続行する。プロセスは、ＤＮＡ分子の数を２倍にする各サイクルで繰り返される。自動機器を用いると、複製の各サイクルは、５分未満で完了できる。３０サイクル後、ＤＮＡの単一分子として開始したものは、十億のコピーより多く増幅された。言うまでもなく、逆転写酵素ＰＣＲもまた、本開示の範囲内にある。
【００５７】
他の例示的な反応は、試料の分析物を断片化することを含む。分析物の断片化は、プロテアーゼ、ペプチダーゼ、エンドヌクレアーゼ、エキソヌクレアーゼ、リボヌクレアーゼ、物理的せん断、音波処理、及びその組み合わせを用いて、酵素的に達成され得る。分析物、たとえば、核酸及びタンパク質を断片化するための試薬は、当該技術分野で既知であり、市販されている。
【００５８】
検出デバイス
検出用に試料が一旦整列され、且つ／又は処理されると、試料は、検出器１４０に供給され得る。１つの実施形態では、検出デバイス１４０は、マイクロ流体デバイスに使用可能なように接続され、分析物に関するデータを監視、収集、送信、及び／又は検出するように構成され得る。同じ配列の複数の分析物は、電気泳動デバイス１２０、たとえば、マイクロチャネルから別個の量又はバンドで検出デバイス１４０に送達され得る。さらに別の実施形態では、検出デバイス１４０は、電気泳動デバイス１２０から電気的に絶縁されるが、必要に応じて流体が電気泳動デバイス１２０と連通したままとなる。２つの構成要素を電気的に絶縁することによって、異なる電圧勾配が異なる構成要素に印加され得る。別の実施形態では、電気泳動デバイス１２０は、電気泳動デバイス１２０内で維持される電圧勾配も検出デバイス１４０内でも維持されるように、検出デバイス１４０と電気接続されている。さらに別の実施形態では、電気泳動デバイス１２０の極性は、検出デバイス１４０内で維持される。別の実施形態では、電気泳動デバイス１２０の極性は、検出デバイス１４０の極性とは異なる。
【００５９】
上記のように、検出デバイス１４０はまた、分析物がマイクロチャネルを横断する際に、分析物からのデータを収集するための、電極又は他の感知器等の検出器２２０を含む。１つの実施形態では、検出器は、マイクロチャネル内の曲がり又は折り返しに配置され得る（図５〜図６）。図５及び図６は、システム１００のマイクロ流体デバイス構成要素の例示的な曲がりくねったチャネル２１２の拡大図である。図５において、共鳴トンネル電極１４０の電極２２０、２２２は、折り返し又は曲がりを形成する円弧の内面に接して配置されている。電極は、チャネル２１２のアーチ状部の内径を狭めるように用いることができる。図６は、検出デバイスが、チャネル２１２の内面に接し、チャネル２１２を妨害しない別の実施形態を示す。
【００６０】
検出器は、限定はされないが、導電率、イオン電流、トンネル電流、温度、抵抗、インピーダンス、蛍光、放射能、又はその組み合わせを含む異なるタイプのデータを、分析物がマイクロチャネルを通過する際に検出又は収集するように構成され得る。検出器によって収集、記録、又は送信されたデータは、ポリマーを形成するモノマーの配列を確認できるように、特定のモノマーと相関され得る。たとえば、特定のポリマーのモノマーから得られるデータは、特定のモノマーを示す所定の値に相関され得る。所定の値は、既知の配列のモノマーを有するポリマーから計算又は決定され得る。
【００６１】
検出器
上記のように、マイクロ流体システム１００は、分析物（すなわち、ポリマー）が開示されるマイクロ流体デバイスのチャネルを横断する際、データを収集するための少なくとも１つの検出器を含む。データは、ポリマーを形成するモノマーの配列を決定するために用いられ得る。データは、電磁、導電、色量的、蛍光定量的、放射線応答、又は電磁、導電色量、蛍光定量、又は放射線成分の速度の変化であり得る。検出器は、標識された化合物を検出することができ、通常の標識は、螢光間接撮影、色量、及び放射線成分を含む。例示的な検出器としては、共鳴トンネル電極、分光光度計、フォトダイオード、顕微鏡、シンチレーションカウンタ、カメラ、膜等、及びその組み合わせが挙げられる。適切な検出器の例は、当業者に既知の様々な市販のソースから広範囲に入手可能である。
【００６２】
１つの実施形態では、検出システムは、光学検出システムであり、たとえば、蛍光に基づく信号を検出する。検出器は、フルオロフォアに電磁放射線を放射させるのに十分な量及び持続時間で励磁量の電磁放射線に分析物を露出することができるデバイスを含んでいてもよい。次に、蛍光は、適切な検出器素子（たとえば、光電子倍増管（ＰＭＴ））を用いて検出される。同様に、色量信号を用いるスクリーンでは、試料における光源を検出し、試料の吸光度又は透過率の測定値を提供する分光光度検出システムが用いられる。
【００６３】
他の実施形態は、システム又は分析物の特定の特性又は物理パラメータを検出するための非光学検出器又はセンサを有する検出システムを提供する。このようなセンサは、必要に応じて、温度（たとえば、反応によって熱が生成されるか若しくは吸収されるとき、又は反応がＰＣＲ若しくはＬＣＲのように熱のサイクルを含むときに有用である）、導電率、電位差（ｐＨ、イオン）、（酸化又は還元され得る化合物、たとえば、Ｏ2、Ｈ2Ｏ2、Ｉ2、酸化／還元性有機化合物等のための）電流測定を含む。
【００６４】
さらに他の検出器は、レセプターとそのリガンドとの相互作用を反映する信号を検出することができる。たとえば、レセプター−リガンド結合のｐＨ効果を示すｐＨインジケータは、生化学システムに従って（たとえば、カプセル化されたセルの形態で）デバイス内に導入され、それによって、結合により生じるわずかなｐＨの変化が検出され得る。さらに、検出器は、レセプター−リガンド結合から得られる酵素の活性化（たとえば、キナーゼの活性化）を検出するか、又は、たとえば活性時における酵素の立体構造の変化により活性化又は消失されるフルオロフォアを導入することにより、活性時におけるこのような酵素の立体構造の変化を検出することができる。このようなリポーター分子は、限定はされないが、分子ビーコンを含む。
【００６５】
共鳴トンネル電極
代表的な検出器は、共鳴トンネル電極のセットを含む。共鳴トンネル電極は、当該技術分野で既知であり、Floryの米国特許出願公開第２００４／０１４４６５８号に記載されており、参照によりその全体を本明細書に援用する。１つの実施形態は、共鳴トンネル電極のセットを含むマイクロ流体デバイスを提供する。電極２２０及び２２２は、マイクロ流体デバイスのマイクロチャネルを移動するポリマー等の分析物からデータを得るように構成された共鳴トンネル電極の代表的なセットを形成する。「共鳴」又は「共鳴トンネル」という用語は、電極内の電流キャリア間の相対的なエネルギーが近接した分析物又はポリマーセグメントのエネルギーレベルと比較的類似している効果を指す。これにより、導電率が増加する。共鳴トンネル電極は、たとえば、バイオポリマー等の分析物を通した１つの電極２２０から別の電極２２２へのトンネル電流を測定又は検出する。
【００６６】
電極２２０、２２２は、限定はされないが、導電性金属及び合金を含む様々な導電性材料の１つ又はそれ以上の全体又は一部に形成され得る。例示的な金属及び合金としては、限定はされないが、錫、銅、亜鉛、鉄、マグネシウム、コバルト、ニッケル、銀、白金、金、及び／又はバナジウムが挙げられる。導電を提供する当該技術分野で既知の他の材料を用いてもよい。第１の電極２２０がマイクロ流体デバイスの固体基板又はハウジングの一部に配置されるか、又はこれを含む場合、第１の電極２２０は、第２の電極２２２に対して任意の位置に配置され得る。電極２２０、２２２は、通常、電位がこれらの電極間に確立され得るように、マイクロチャネルのアーチ状部に配置される。動作中、バイオポリマー等の分析物は電極２２０、２２２に十分に近接して配置され、一般に、バイオポリマー内の特定のモノマー及びその配列を検出及び同定することができる。言うまでもなく、共鳴トンネル電極は、マイクロチャネルの非線形部の湾曲又は曲がりの形状及び構成に適合し得る。したがって、マイクロチャネル２１２と共に使用できる電極２２０、２２２は、環状又は他の形状の湾曲部であり得る。電極はまた、分裂した形態で設計されるか、又は互いに間隔を置いて配置され得る。しかし、電極は、分析物が電極を分離する空間を通過する際、電位、導電率、又はトンネル電流を検出することが可能でなければならない。
【００６７】
製造方法
開示されるデバイスを、限定はされないが、フォトレジスト（正又は負）をシリコン基板上にスピニングすることを含む従来の技術を用いて製造することができる。フォトレジストは、所望のデバイスパターンを有する高解像度マスクを通してＵＶ光に露出される。過剰の重合されていないフォトレジストを洗い流した後、シリコンウェハは、フォトレジストによって保護されていない場所でシリコンを非等方的にエッチングするウェット化学エッチング浴槽に配置される。この結果、マイクロチャネルがエッチングされるシリコンウェハとなる。いくつかの実施形態では、チャネルを完全に閉塞するためにカバーガラスが用いられ、ガラスが穿孔されて、流体のアクセスが可能になる。さらに直線のエッジ及びさらに深いエッチ深さのためには、深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）をウェット化学エッチングの代わりに用いる。シリコンは、超小型電子システム又は他の微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）と接続されるマイクロ流体チャネル用の良好な材料である。また、シリコンは、良好な剛性を有し、かなり剛性のマイクロ構造の形成を可能にし、寸法安定性に対して有用であり得る。
【００６８】
使用方法
開示されるデバイスは、分析物（たとえば、生体分子）を特徴づけるために用いることができる。１つの実施形態は、ポリヌクレオチドを特徴づけるための例示的な方法を提供する。図７に示されるように、複数の分析物（たとえば、生体分子）は、各分析物（すなわち、生体分子）が独立して検出器に供給されるように、ステップ７０１において組織化又は整列される。複数の分析物は、たとえば、上述された電気泳動技術を用いて整列され得る。分析物は、分離又は積層され、検出器（たとえば、共鳴トンネル電極のセット）によって個々に検出され得る。ステップ７０２において、各分析物からのデータを得ることができる。複数の分析物を分析することができるため、統計上有意なデータを収集することができる。ステップ７０３において、データは、分析物を特徴づける、たとえば、核酸の配列を同定するために用いることができる。
【００６９】
ポリヌクレオチドの配列決定については記載されている（Church et al.の米国特許第５、７９５、７８２号；Baldarelli et al.の米国特許第６、０１５、７１４号、これらの教示は共に、参照によりその全体を本明細書に援用する）。一般に、ナノ孔配列決定は、検出デバイス１４０によって分離される２つの領域間に確立された電圧勾配をポリマーが下る際、ポリマーのモノマーを検出することを含む。検出デバイス１４０は、領域の１つに存在するポリヌクレオチドの個々のモノマー残基と連続して相互作用することができる。測定は、ポリヌクレオチドの個々のモノマー残基が連続して相互作用するような期間にわたって続行し、ポリヌクレオチドのモノマー依存特性を推測するのに適したデータを生成する。いくつかの実施形態では、開示されるマイクロ流体システム１００を用いて達成されるモノマー依存の特徴化には、限定はされないが、個々のポリヌクレオチドを形成するモノマーの数及び組成等の物理的特性を連続して同定することを含み得る。
【００７０】
本明細書で用いられる「配列決定」という用語は、ポリマー内のモノマー（たとえば、ポリヌクレオチド分子内のヌクレオチド）の配列順序を決定することを指す。本明細書で用いられる配列決定は、その定義の範囲において、配列が予め未知であるポリヌクレオチドのヌクレオチド配列を新たに決定することを含む。本明細書で用いられる配列決定はまた、その定義の範囲において、配列が予め既知であったポリヌクレオチドのヌクレオチド配列を決定することを含む。配列が予め既知のポリヌクレオチドの配列決定は、ポリヌクレオチドを同定し、ポリヌクレオチドを確認し、又は多型及び遺伝子突然変異を探索するために用いられ得る。
【００７１】
マイクロ流体システム１００によって配列決定されたバイオポリマーは、複数のヌクレオチドモノマー、たとえば、ヌクレオチドトリホスフェート（ＮＴＰ）を含むポリヌクレオチドを含み得る。ヌクレオチドトリホスフェートは、天然及び合成ヌクレオチドトリホスフェートを含み得る。ヌクレオチドトリホスフェートは、限定はされないが、上記のすべてに対するＡＴＰ、ｄＡＴＰ、ＣＴＰ、ｄＣＴＰ、ＧＴＰ、ｄＧＴＰ、ＵＴＰ、ＴＴＰ、ｄＴＴＰ、ｄＵＴＰ、５−メチル−ＣＴＰ、５−メチル−ｄＣＴＰ、ＩＴＰ，ｄＩＴＰ、２−アミノ−アデノシン−ＴＰ、２−アミノ−デオキシアデノシン−ＴＰ、２−チオチミジントリホスフェート、ピロロ−ピリミジントリホスフェート、２−チオシチジン、及びアルファチオトリホスフェート、並びに上記のすべての塩基に対する２’−Ｏ−メチル−リボヌクレオチドトリホスフェートを含み得る。好ましくは、ヌクレオチドトリホスフェートは、ｄＡＴＰ、ｄＣＴＰ、ｄＧＴＰ、ｄＴＴＰ、ｄＵＴＰ、及びその組み合わせを含む群から選択される。修飾塩基はまた、ヌクレオチドトリホスフェートの代わりに又はそれに加えて用いられ、限定はされないが、５−Ｂｒ−ＵＴＰ、５−Ｂｒ−ｄＵＴＰ、５−Ｆ−ＵＴＰ、５−Ｆ−ｄＵＴＰ、５−プロピニルｄＣＴＰ、及び５−プロピニル−ｄＵＴＰを含み得る。さらに、ヌクレオチドは、検出可能な標識、たとえば、限定はされないが、直径が約１００ｎｍ以下の金属粒子を含む共鳴トンネル電流を調節する標識で標識化され得る。
【００７２】
１つの実施形態は、核酸を配列決定する方法を提供する。この方法においては、限定はされないが、標的核酸、第１及び必要に応じて第２の配列決定プライマー、（必要に応じてＰＣＲ、ｄＮＴＰ、及びｄｄＮＴＰにおける使用のための熱安定性ポリメラーゼを含む）ポリメラーゼを含む配列決定反応の生化学成分は、ｄＮＴＰの標的依存重合を可能にする条件下でマイクロ流体デバイスにおいて混合される。重合生成物は、マイクロ流体デバイスにおいて分離され、標的核酸の配列を提供する。通常、この方法によって得られる配列決定情報は、さらなる配列決定プライマー及び／又はテンプレートを選択するために用いられ、プロセスは繰り返される。一般に、第２の配列決定プライマーは、標的核酸の配列に基づき選択され、第２の配列決定プライマーは、選択された第２の配列決定プライマーの標的依存伸長を可能にする条件下でマイクロ流体デバイスにおいて標的核酸と混合され、それによって、マイクロ流体デバイス内で大きさにより分離される重合生成物を提供し、標的核酸のさらなる配列を提供する。核酸は、単一バンドにおけるポリマーが一様な電荷対質量比又は大きさを有し、同じ配列のモノマーを有するバンド４１４に電気泳動により積層される。次に、各バンドは、検出デバイス１４０によって分析される。
【００７３】
多くの変形及び改変が上記の実施形態に対してなされ得ることを強調しておかなければならない。このような改変及び変形はすべて本開示の範囲内で本明細書に含まれ、添付の特許請求の範囲により保護されるものとする。
【００７４】
以上本発明の各実施例について説明したが、実施例の理解を容易にするために、実施例ごとの要約を以下に列挙する。
[１]  マイクロ流体デバイス（１００）であって、ハウジングと、前記ハウジング内に配置された曲がりくねったチャネル（２１２）と、前記曲がりくねったチャネル（２１２）内に配置された共鳴トンネル電極のセットとを備え、該マイクロ流体デバイス（１００）は、前記共鳴トンネル電極のセットを用いて分析物を検出するように構成されているマイクロ流体デバイス。
[２]   前記曲がりくねったチャネル（２１２）は、少なくとも１つのアーチ状部と流体が連通する線形部を備え、前記線形部は、内幅Ｗを有し、前記アーチ状部は、内幅ＣＷを有し、ＣＷ：Ｗは、１．０未満であり、前記アーチ状部の幅は、少なくとも一部が狭窄されている、[１]に記載のマイクロ流体デバイス（１００）。
[３]   前記分析物は、前記共鳴トンネル電極のセットによって検出用に整列される、[１]に記載のマイクロ流体デバイス。
[４]   前記共鳴トンネル電極のセットは、前記曲がりくねったチャネル（２１２）の前記アーチ状部の湾曲に接して配置されている、[２]に記載のマイクロ流体デバイス。
[５]   前記共鳴トンネル電極のセットは、ＣＷとほぼ等しい距離だけ分離された２つの電極を備える、[２]に記載のマイクロ流体デバイス。
[６]   ＣＷ：Ｗは、約０．７５から約０．２５である、[２]に記載のマイクロ流体デバイス。
[７]   マイクロ流体デバイス（１００）内に配置された曲がりくねったチャネル（２１２）内に前記分析物を配列すること、及び前記分析物を共鳴トンネル電極のセットを用いて検出することを含む、分析物の配列を決定する方法。
[８]   前記分析物を整列させることは、前記曲がりくねったチャネル（２１２）内に前記分析物を電気泳動により整列させることを含む、請求項７に記載の分析物の配列を決定する方法。
[９]   前記曲がりくねったチャネル（２１２）は、線形部及びアーチ状部を備える、[７]に記載の分析物の配列を決定する方法。
[１０]   試料調製デバイス（１２０）と、前記試料調製デバイス（１２０）と流体が連通する曲がりくねったチャネル（２１２）と、該曲がりくねったチャネル（２１２）内に配置された共鳴トンネル電極のセットとを含む検出デバイス（１４０）とを備えるシステムであって、共鳴トンネル電極のセットを用いて分析物を検出するように構成されているシステム。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】マイクロ流体システムの例示的な実施形態の概略図である。
【図２】マイクロ流体デバイスの代替的な実施形態の図である。
【図３】マイクロ流体デバイスの別の実施形態の図である。
【図４Ａ】例示的な試料調製デバイスの図である。
【図４Ｂ】試料調製デバイスとして作用するマイクロチャネルの他の図である。
【図５】マイクロチャネルの例示的なアーチ状部分の図である。
【図６】マイクロチャネルのアーチ状部分の代替的な実施形態の図である。
【図７】生体分子を特徴づけるための例示的な方法の流れ図である。
【符号の説明】
【００７６】
１００  マイクロ流体システム
１２０  試料調製デバイス
１４０  検出デバイス
１６０  材料搬送システム
２００  マイクロ流体デバイス
２０２  ハウジング
２０４  試料注入口
２１０  ウェル
２１２，２１４  チャネル
２２０、２２２  電極
３００  マイクロ流体デバイス
３０２  ハウジング
３１０  ウェル
３１２，３１６  チャネル
４００  電気泳動デバイス
４０２  試料注入口
４０４  排出口
４０８  マイクロチャネル
４１２  電源
４１４  バンド又はゾーン
４１６  アノード
４１８  カソード
【図１】
2006258813.tif 000003
【図２】
2006258813.tif 000004
【図３】
2006258813.tif 000005
【図４Ａ】
2006258813.tif 000006
【図４Ｂ】
2006258813.tif 000007
【図５】
2006258813.tif 000008
【図６】
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【図７】
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