(57)【要約】電気化学的セルの中のバブルフリー電極ならびに／またはこれを調製するためおよびこれらを使用するための方法を有する分析デバイス。この分析デバイスは、電気化学的セルを備え、このセルは、バブルフリー電極が内部に配置されたアノードレザバおよびカソードレザバ有し、電極の極性反転または接触切り替えのために提供された電源に接続される。この分析デバイスは、サンプル格納チャンバならびにサンプルをチャンバに導入するため、および電気浸透流または圧力を使用するサンプルの移動方法のための、インレットおよびアウトレットをさらに備える。
2005501234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的セルおよびサンプル格納デバイスを備える分析デバイスであって、
該電気化学的セルは、以下：
電解質を受容するように適合されたアノードレザバ；
電解質を受容するように適合されたカソードレザバ；
該アノードレザバと該カソードレザバとの間の接続部であって、該レザバのうちの少なくとも１つから該レザバのもう一方へと電解質の連絡を可能にするための、接続部；
第１のバブルフリー電極であって、該アノードレザバおよび該カソードレザバのうちの１つの中に位置付けられる電極；
第２の電極であって、該アノードレザバおよび該カソードレザバのうちのもう一方の中に位置付けられる電極；
正端子および負端子を備える電源であって、該正端子は通常は該第１の電極と電気的に接触し、かつ該負端子は通常は該第２の電極と電気的に接触しており、該電源を作動させ、該セルが作動の正常なモードで作動しているときに、該電気化学的セルが電解モードで作動しそして電場を生じる、電源；および
該電源の端子と該第１の電極および該第２の電極との間の接触の切り換えのための電源極性反転デバイスであって、該切り替えの結果、該負端子は第１の電極と電気的に接触しかつ該正端子は該第２の電極と電気的に接触する、電源極性反転デバイス；
を備え、
該サンプル格納デバイスは、サンプルを該チャンバ内に導入するための開口部を備えるサンプル格納チャンバを備え、そして、該電気化学的セルによって生じた電場が該サンプル格納チャンバ内に配置されるサンプルのうちの少なくとも１個の成分の少なくとも１個の特性に影響を与え得るように、該サンプル格納チャンバが該電気化学的セルに対して位置付けられる、
分析デバイス。
【請求項２】
前記少なくとも１個の特性が前記少なくとも１個の成分の移動度を含む、請求項１に記載の分析デバイス。
【請求項３】
前記少なくとも１個の特性が前記少なくとも１個の成分のレオロジーを含む、請求項１に記載の分析デバイス。
【請求項４】
前記少なくとも１個の特性が前記少なくとも１個の成分の粘度を含む、請求項１に記載の分析デバイス。
【請求項５】
前記第２の電極がバブルフリー電極である、請求項１に記載の分析デバイス。
【請求項６】
前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１個の電極がパラジウム金属材料を含む、請求項１に記載の分析デバイス。
【請求項７】
前記第１の電極および前記第２の電極の両方がパラジウム金属材料を含む、請求項１に記載の分析デバイス。
【請求項８】
前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１個の電極が、水酸化ニッケル材料を含む、請求項１に記載の分析デバイス。
【請求項９】
前記水酸化ニッケル材料が式Ｎｉ（ＯＨ）ｘ（ｘは２または４である）の水酸化ニッケル化合物を含む、請求項８に記載の分析デバイス。
【請求項１０】
前記第１の電極および前記第２の電極の両方が水酸化ニッケル材料を含む、請求項１に記載の分析デバイス。
【請求項１１】
前記水酸化ニッケル材料が式Ｎｉ（ＯＨ）ｘ（ｘは２または４である）の水酸化ニッケル化合物を含む、請求項１０に記載の分析デバイス。
【請求項１２】
前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１個の電極が、ニッケル−カドミウム電極系を含む、請求項１に記載の分析デバイス。
【請求項１３】
前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１個の電極が、イオン性液体を含む、請求項１に記載の分析デバイス。
【請求項１４】
前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１個の電極が、イオン伝導体を含み、該イオン伝導体は、液体電解質、ゲル、ポリマー電解質、セラミックス、ガラス、メンブレン、およびこれらの組合せから選択される、請求項１に記載の分析デバイス。
【請求項１５】
前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１個の電極が前記電源に接続しており、そして該電源は交流電源を含む、前記請求項１に記載の分析デバイス。
【請求項１６】
前記サンプル格納デバイスが電気泳動デバイスを含む、請求項１に記載の分析デバイス。
【請求項１７】
前記サンプル格納デバイスが電気浸透デバイスを含む、請求項１に記載の分析デバイス。
【請求項１８】
前記電源極性反転デバイスが前記端子の間の接触を切り換えるときに、前記電気化学的セルがガルヴァーニ電気モードで作動する、請求項１に記載の分析デバイス。
【請求項１９】
前記電源が５ボルトを超えて約２００ボルトまで生じる、請求項１に記載の分析デバイス。
【請求項２０】
電気化学的セルであって、
電解質を受容するように適合されたアノードレザバ；
電解質を受容するように適合されたカソードレザバ；
該アノードレザバと該カソードレザバとの間の電気接続部であって、該レザバのうちの少なくとも１つから該レザバのもう一方へと電解質の連絡を可能にするための、電気接続部；
第１のバブルフリー水素吸収電極であって、該アノードレザバおよび該カソードレザバのうちの１つの中に位置付けられる電極；
第２の電極であって、該アノードレザバおよび該カソードレザバのうちのもう一方の中に位置付けられる電極；
正端子および負端子を備える電源であって、該正端子は通常は該第１の電極と電気的に接触し、かつ該負端子は通常は該第２の電極と電気的に接触している、電源；および
該電源の端子と該第１の電極および該第２の電極との間の切り替えのための電源極性反転デバイスであって、該切り替えの結果、該負端子は第１の電極と電気的に接触しかつ該正端子は該第２の電極と電気的に接触する、電源極性反転デバイス；
を備える、
電気化学的セル。
【請求項２１】
前記第２の電極がバブルフリー水素吸収性電極である、請求項２０に記載の電気化学的セル。
【請求項２２】
前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１個の電極がパラジウム金属材料を含む、請求項２０に記載の電気化学的セル。
【請求項２３】
前記第１の電極および前記第２の電極の両方がパラジウム金属材料を含む、請求項２０に記載の電気化学的セル。
【請求項２４】
前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１個の電極が、水酸化ニッケル材料を含む、請求項２０に記載の電気化学的セル。
【請求項２５】
前記水酸化ニッケル材料が式Ｎｉ（ＯＨ）ｘ（ｘは２または４である）の水酸化ニッケル化合物を含む、請求項２４に記載の電気化学的セル。
【請求項２６】
前記第１の電極および前記第２の電極の両方が水酸化ニッケル材料を含む、請求項２０に記載の電気化学的セル。
【請求項２７】
前記水酸化ニッケル材料が式Ｎｉ（ＯＨ）ｘ（ｘは２または４である）の水酸化ニッケル化合物を含む、請求項２６に記載の電気化学的セル。
【請求項２８】
前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１個の電極が、ニッケル−カドミウム電極系を含む、請求項２０に記載の電気化学的セル。
【請求項２９】
前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１個の電極が、イオン性液体を含む、請求項２０に記載の電気化学的セル。
【請求項３０】
前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１個の電極が、イオン伝導体を含み、該イオン伝導体は、液体電解質、ゲル、ポリマー電解質、セラミックス、ガラス、メンブレン、およびこれらの組合せから選択される、請求項２０に記載の電気化学的セル。
【請求項３１】
前記第１の電極および前記第２の電極のうちの少なくとも１個の電極が交流電源に接続している、前記請求項２０に記載の電気化学的セル。
【請求項３２】
前記電源極性反転デバイスが前記端子の間の接触を切り換えるときに、前記電気化学的セルがガルヴァーニ電気モードで作動する、請求項２０に記載の電気化学的セル。
【請求項３３】
前記電源が５ボルトより大きく約２００ボルトまで生じる、請求項２０に記載の電気化学的セル。
【請求項３４】
請求項２０に記載の電気化学的セルおよびサンプル格納デバイスを備える、分析デバイス。
【請求項３５】
前記サンプル格納デバイスが電気泳動デバイスを含む、請求項３４に記載の分析デバイス。
【請求項３６】
前記サンプル格納デバイスが電気浸透デバイスを含む、請求項３４に記載の分析デバイス。
【請求項３７】
少なくとも１個の成分をサンプル中の１個以上の他の成分から分離する方法であって、該方法は、以下：
請求項１に記載の分析デバイスを提供する工程；
該分析デバイスのサンプル格納デバイス中に、複数の成分を有するサンプルを充填する工程；および
分析デバイスの電気化学的セルを作動して場を生成する工程であって、該場は、該サンプル中の少なくとも１つの他の成分から、該サンプルの少なくとも１つの成分の分離を与える、工程；
を包含する、方法。
【請求項３８】
複数の成分を含むサンプル中で、１以上の他の成分から少なくとも１つの成分を分離する方法であって、該方法は、以下：
請求項２０に記載の電気化学的セルを提供する工程；
該電気化学的セルを作動させて場を発生させる工程；および
該発生された場を使用して、サンプル中の１以上の他の成分から該サンプルの少なくとも１つの成分を分離する工程；
を包含する、方法。
【請求項３９】
サンプル中の少なくとも１つの成分の少なくとも１つの特性に影響を与える方法であって、該方法は、以下：
請求項１に記載の分析デバイスを提供する工程；
１つの成分を有するサンプルを該分析デバイスのサンプル格納デバイス中にロードする工程；および
該分析デバイスの電気化学的セルを作動させて、該サンプルの成分の少なくとも１つの特性に影響を与える場を発生する工程
を包含する、方法。
【請求項４０】
サンプル中の少なくとも１つの成分の少なくとも１つの特性に影響を与える方法であって、該方法は、以下：
請求項２０に記載の電気化学的セルを提供する工程；
該電気化学的セルを作動させて場を発生させる工程；および
該発生された場を使用して、該サンプルの成分の少なくとも１つの特性に影響を与えて該成分を操作する工程；
を包含する、方法。
【請求項４１】
電気分解条件下でバブルフリー操作のためのバブルフリー電極を調製する方法であって、該方法は、以下：
請求項１に記載の分析デバイスを提供する工程であって、該バブルフリー電極が水素吸収性材料を備える、工程；
前記電源の端子と前記第１の電極および前記第２の電極との間の接触を切り換えるための前記電源極性反転デバイスを作動して、その結果として、前記負端子が第１の電極と電気的に接触しかつ前記正端子が該第２の電極と電気的に接触する、工程；
前記電気化学的セルを、該セルの通常の作動に関して反転した極性の条件下で作動させることによって、該バブルフリー電極を事前に充電する工程であって、該事前に充電する工程が該電気化学的セルの通常作動条件下でアノードとして作動する電極で水素を生じてそして蓄積するのに十分な電気的条件かつ十分な時間のもとで行われる、工程；および
事前に充電する工程の後で、作動の通常モードで電気化学的セルを作動させて、その結果、該アノードで蓄積された水素が、通常作動条件下の該アノードで形成された酸素ガスと反応し、それによって、該アノードでの酸素ガス気泡の形成を防止するかまたは低減する工程；
を包含する、方法。
【請求項４２】
通常の作動条件でアノードとして作動する電極が、パラジウム材料を含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
サンプルの成分を分離するためのデバイスであって、該デバイスは、以下：
１以上の内部壁によって少なくとも部分的に規定されるチャネル；
該チャネルを通る流れ媒体（ｆｌｏｗ  ｍｅｄｉｕｍ）の流れを発生させるための流れ発生デバイス；
１以上の内部壁にまたはそれ隣接して配置される少なくとも１つの電極を備える電極対；
該流れ方向を横切る方向で該電極対の間に広がる電場を形成するのに十分な電圧および／または電流の電力供給を該電極対に供給するための電力供給；および
該電力供給を制御して、該流れ方向を横切る方向に該サンプルの荷電した成分を移動するコントローラー；
を備える、デバイス。
【請求項４４】
前記流れ発生デバイスが電気泳動流発生デバイスである、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項４５】
前記流れ発生デバイスが圧力駆動流発生デバイスである、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項４６】
請求項４３に記載のデバイスであって、前記コントローラーによって、前記電力供給が制御され、その結果、前記電極の少なくとも１つが前記流れから１つ以上の成分を捕捉する、デバイス。
【請求項４７】
前記電極対のうちの少なくとも１つの電極がバブルフリー電極である、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項４８】
前記電極対の両方の電極がバブルフリー電極である、請求項４３に記載のデバイス。
【請求項４９】
請求項４３に記載のデバイスであって、該デバイスは、第２の電極の電気泳動場発生対をさらに備え、ここで、該第２の電極は、前記チャネルの対向する末端またはその周辺に、それぞれが配置される、デバイス。
【請求項５０】
前記第２の電極の少なくとも１つがバブルフリー電極である、請求項４９に記載のデバイス。
【請求項５１】
前記第２の電極の両方がバブルフリー電極である、請求項４９に記載のデバイス。
【請求項５２】
サンプルの成分を分離する方法であって、該方法は、以下：
１以上の内部壁によって少なくとも部分的に規定されるチャネルを提供する工程；
流れ方向に該チャネルを通る流れ媒体の流れを引起す工程であって、該流れは、速い流れの領域と遅い流れの領域を含む流れプロファイルを有している、工程；
該チャネル中で分離される成分を有するサンプルを配置して、その結果、該サンプルが流れ方向にある該流れ媒体によって運ばれる工程；
電極対を提供し、そして、該１以上の内部壁またはその周辺に該対の少なくとも１つの電極を配置する工程；
流れ方向を横切る方向で該電極対の間に広がる電場を形成するのに十分な電圧および／または電流の電力供給を該電極対に供給する工程；および
該流れ方向を横切る方向で該サンプルの荷電した成分を移動させるように該電力供給を制御しして、第１の速度の領域から第２の速度の領域への流れにおいて該荷電した成分の１つ以上の位置を変化させる工程であって、該第２の速度は該第１の速度とは異なる、工程；
を包含する、方法。
【請求項５３】
流れ媒体の前記流れが圧力駆動流である、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記電極対のうち少なくとも１つの電極がバブルフリー電極である、請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
前記電極対のうちの両方の電極がバブルフリー電極である、請求項５２に記載の方法。
【請求項５６】
サンプルの成分を分離する方法であって、該方法は、以下：
１以上の内部壁によって少なくとも部分的に規定されるチャネルを提供する工程；
該チャネルを通る流れ媒体の流れを流れ方向で引き起す工程であって、該流れは、一様な断面流れプロファイルを有している、工程；
分離される成分を有するサンプルを該チャネル中に配置して、該サンプルが該流れ媒体によって該流れ方向へと運ばれる工程；
電極対を提供して、そして、該電極対のうちの少なくとも１つの電極を該１以上の内部壁またはその周辺に位置付ける工程；
流れ方向を横切る方向で該電極対の間に広がる電場を形成するのに十分な電圧および／または電流の電力供給を該電極対に供給する工程；および
該電力供給を制御して該サンプルの該荷電した成分を該流れ方向を横切る方向で移動させて、そして、該流れの中の該荷電した成分のうちの１以上の位置を維持して電極で荷電した成分の濃縮を与える工程
を包含する、方法。
【請求項５７】
前記電力供給を制御して前記電極対のうちの１つまたは両方で成分を捕捉する工程をさらに包含する、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記捕捉した成分を前記電極対の１つまたは両方の電極から前記流れの中に解放する工程をさらに包含する、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記流れ媒体の流れが圧力駆動流である、請求項５６に記載の方法。
【請求項６０】
サンプル分離デバイスであって、以下：
電気化学的セルを備え、該電気化学的セルが、該セルの通常作動の間にアノードして作用する電極および該セルの通常作動の間にカソードとして作用する電極を備え、ここで、該セルは、充電され、その結果として、通常作動アノードが水素を吸収して、そして、該アノードが通常の電気分解の作動条件下の時間間隔に亘って気泡を発することなく作動し得る、デバイス。
【請求項６１】
請求項６０に記載のデバイスであって、ここで、核形成準備の条件下にある脱気した溶液中において、１．０秒間にて、該デバイスの通常作動の間にアノードして作用する前記電極が、約７２Ａ／ｍ２で維持される電流密度の条件下で裸眼によって視認される酸素の気泡を発生させない、デバイス。
【請求項６２】
パラジウムアノードであって、該パラジウムアノードは、核形成準備の条件下にある脱気した溶液中において、１秒間にて、７２Ａ／ｍ２で維持される電流密度の条件下で、裸眼によって視認される酸素の気泡を発生させない、パラジウムアノード。
【請求項６３】
請求項６２に記載のパラジウムアノードを備える、電気化学的セル。
【請求項６４】
請求項６２に記載の電極を備える、サンプル分離デバイス。
【請求項６５】
請求項６２に記載のパラジウムアノードを備える、電気泳動デバイス。
【請求項６６】
分析デバイスであって、以下：
流れ経路；
該流れ経路に隣接する流れ操作セルであって、該流れ操作セルは閉じたレザバを備える、流れ操作セル；
前記レザバと連絡する排出ポート、および
該レザバにおける圧力発生電極であって、該セル中の圧力を増加するために該圧力発生電極がレザバ中にガス気泡を発生する、圧力発生電極；ならびに
該流れ経路を通る流れを与えるための該流れ経路と連絡している圧力解放経路
を備える、分析デバイス。
【請求項６７】
前記圧力発生電極がパラジウム電極である、請求項６６に記載の分析デバイス。
【請求項６８】
請求項６６に記載の分析デバイスであって、前記圧力発生電極が、核形成準備の条件下で予め脱気した溶液中で電流密度約７２Ａ／ｍ２で維持されるときに、少なくとも１．０秒間の時間間隔に亘って気泡を発することなく作動するパラジウムアノードである、分析デバイス。
【請求項６９】
前記流れ経路が電気泳動分離チャネルを含む、請求項６６に記載の分析デバイス。
【請求項７０】
前記排出ポートが崩壊性シールを備える、請求項６６に記載の分析デバイス。
【請求項７１】
前記崩壊性シールが熱融解可能でありそして発熱体と連絡している、請求項７０に記載の分析デバイス。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（発明の背景）
水性媒体中の電場の生成に関する多くの適用について、代表的には、電極は緩衝水溶液中に直接置かれ、そして外部電源に接続されて印加電位の差を形成する。この印加電圧は、約１ボルトを超過した場合（これは、電気泳動用途および電気浸透用途において代表的である）、この印加電圧は水の電気分解を生じる。この電気分解によって、カソード（陰極）にて水素ガスおよびアノード（陽極）にて酸素ガスが発生する。
【０００２】
電流の外部供給源、通常は高電圧電力供給への接続の必要性のために、マイクロチャネルデバイスおよび生体分子の配列決定または濃縮のための他の一体型デバイスを操作する際の問題が存在する。従来、このような接続は、電解質緩衝溶液で満たした小さい容器中に電線（例えば、プラチナ電線）を浸すことにより行われる。電気分解によって生じた、発生された水素ガスの気泡（バブル）および酸素の気泡が、排出されるかまたは大気中に放出される。
【０００３】
電気化学的セルを備える多くのデバイスにおいて、１つまたは両方の電極表面で気泡が形成されることが、重大な問題を生じ得る。これらのデバイスとしては、微生物分析デバイス、微量電気泳動デバイス、バルクフロートランスポートシステム、および電極が閉じ込め流体チャネルまたは密閉流体チャネル中に置かれなければならない電極を有するデバイスが挙げられる。このようなデバイスと電極との界面は特定の問題を生じる。これらの問題は、逆流（ｓｉｐｈｏｎｉｎｇ）、電解質の揮発、過剰な電流経路長および付随する加熱の必要性、過度に複雑な電気化学的システムおよびそれらの配置、過度に大きいシステムおよび電解質レザバ、過剰な試薬および／または電解質の消費、ならびに、いくつかの場合においては、チャネルまたは密閉したチャンバの中にＤＣ電流または低周波数ＡＣ電流によって駆動される電極を設置することの困難性を含む。
【０００４】
パラジウムは、電気泳動デバイス（米国特許第５，８３３，８２６号（これは、その全体が参考として援用される）において記載される電気泳動デバイス）における電極材料として使用されてきた。さらに、パラジウムは水素を吸収することが周知である。しかし、パラジウムは、電気化学的セルの陽極で生じた酸素ガスを吸収せず、これによって、パラジウムは、以下における電極材料としてあまり望まれないものとなる：細菌学的分析デバイス、微量電気泳動デバイス、バルクフロートランスポートシステム、および電極が閉じ込め流体チャネルまたは密閉流体チャネル中に置かれなければならない電極を有するデバイス。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（発明の要旨）
本発明は、バブルフリー電極材料ならびにそれらを使用するシステムおよび方法を提供することによって、気泡を生じる電極に伴う問題を解決する。本発明のデバイスは、１以上のバブルフリー電極、バブルフリー電極を調製する方法、およびバブルフリー電極を備えるデバイスを用いる分析方法を含む。本明細書中において、語句「バブルフリー電極」は、本明細書中で定義されるように作動中に気泡を生じない様々な電極を包含する。
【０００６】
本発明に従う別の使用によると、同様の環境および電気的条件下において本発明に従って調製されていない類似の寸法のパラジウム電極よりも少ない気泡を生じる本発明に従って調製されたバブルフリーパラジウム電極が提供される。
【０００７】
本発明の実施形態によると、同様の環境および電気的条件下において本発明に従って調製されていない類似の寸法のパラジウム電極よりも少ない気泡を生じる本発明に従って調製されたバブルフリーパラジウム電極が提供される。
【０００８】
本発明のさらに別の実施形態によると、核形成準備の条件下（すなわち、自発的な気泡形成によって溶存酸素が過飽和となることを妨げる条件下）にある脱気した電解質溶液の中で、約１０秒間に亘って約７２Ａ／ｍ２（アンペア／平方メートル）の電流密度で充電したときに裸眼で視認される酸素の気泡を生じないバブルフリーアノードが提供される。
【０００９】
本発明の別の実施形態によると、蓄積された水素を含まない匹敵する寸法のパラジウム電極と比較したときに、電解条件下で、アノードによる酸素ガスの気泡形成を低減するのに十分な量でアノード材料中に蓄積された水素を含むパラジウムアノードが提供される。
【００１０】
本発明の実施形態によると、その電極構造内に水素を吸収しそして蓄えるためにカソードとして、予め充電される１個以上のパラジウムアノードを備える、電気化学的セルが提供される。続いて、この電極を電解条件下でアノードとして使用して気泡を生じないように作動させる。本発明の例示的実施形態によると、その電気化学的セルの通常の作動時においてアノードとして作動するがカソードしての条件下で予め充電されるパラジウム含有電極を備える、電気化学的セルが提供される。この事前の充電の間に、このカソードで発生した水素は、このカソードの構造中に吸収されかつ蓄積される。この電極が、反転した電気的極性条件の下で充電される場合、このパラジウム金属材料は、水素を吸収しかつ蓄積する。個々の反転した電気的条件下で時間が経過した後に、この電極がバブルフリーアノードとしての通常の作動のもとで機能することを可能にするように十分な量の水素が吸収される。この電極は、各々の電気的条件下で所定の時間に亘って予め充電され、その結果、続く正常作動条件下でこの電極はバブルフリーアノードとして作動する。
【００１１】
本発明はまた、セル電極材料（特に、このセルの通常作動時に通常はアノードとして作動する電極のための材料）として他の水素吸収性材料を含む電気化学的セルを提供する。パラジウムおよび他の水素吸収性材料の中の水素の蓄積を達成するために、この材料からなる電極は、アノードして使用される前にカソード条件下で作動され得る。切り換え（スイッチ）を備える電気化学的セルが、本発明の実施形態に従って提供され、これによって、この電気化学的セルの極性が反転され得、そして、このセルが反転作動条件すなわち事前の充電条件下で作動され得る。
【００１２】
スイッチが提供されるにしろ、そうでなく、一時的に、そのセルが反転した極性の事前の充電条件下で作動するようにするにしろ、事前に充電することは、その電極がアノード条件下でバブルフリー電極として作動することを可能にするのに十分な程度までまたは時間で達成され得る。
【００１３】
本発明に実施形態によると、バブルフリー電極を備えるサンプル中の成分の１以上の特性に影響を与えるためのデバイスが提供される。このデバイスは、バブルフリー電極としてパラジウム電極、またはいくつかの他の電極材料または材料の組合せを含み得る。
【００１４】
１以上のアノードおよび本発明のバブルフリー電極を用いて電場を発生させる方法はまた、１以上のアノードまたは本発明のバブルフリー電極を用いて生じた電場にサンプル中の成分を曝露することにより、サンプル中の成分を分離する方法として提供される。
【００１５】
本発明の実施形態によると、バブルフリー電極を備える電気化学的セルがデバイス内に電場を生じるために使用される方法もまた提供され、ここで、この電場は、サンプルの１以上の特性に影響を与えるのに有用である。例えば、バブルフリー電極が、サンプルの１以上の成分の移動度に影響を与えるために使用される電場を生じるのに使用されるデバイスが、本発明に従って提供される。
【００１６】
本発明の他の実施形態は、圧力ジェネレーターおよび電気工学機器を備えたマイクロチップデバイスを包含し、ここで、この圧力ジェネレーターは崩壊性または融解性のシールとともに構成され、この電気工学機器はナノリットルサイズのサンプルの正確な注入および分離を達成する。
【００１７】
本明細書で言及される全ての特許および刊行物は、それらの全体が参考として本明細書中で援用される。
【００１８】
前述の一般的な記載および以下の詳細な説明は例示的なものでありかつ単に説明を目的としていたものであり、そして、一方で特許請求される本発明のさらなる説明を提供することが意図される。本明細書中において援用されかつ本明細書の一部分を構成する添付の図面は、本発明のいくつかの例示的な実施形態を例示し、そして、本明細書の記載とともに、本発明の原理を説明する役割を担う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（発明詳細な説明）
本発明のバブルフリー電極は、様々な設計および組成物を含み得る。様々な材料および設計が本発明のバブルフリー電極を得るために使用され得、これは、様々な化合物および化合物の組合せを含む。本発明に従う有用なバブルフリー電極の例は、パラジウム金属アノードである。
【００２０】
パラジウム金属アノードは、本発明の実施形態に従って特に有用である。水の電気分解を生じる条件下で、パラジウムがカソードとして使用される場合、このパラジウムは、パラジウム格子の隙間に水素を吸収することによって、カソードにより生じた水素を蓄積し得る。パラジウムを含まない金属電極において、水素はその金属に吸収されず、その電極表面における水素ガス気泡の生成に至る。本発明の実施形態に従うと、そのアノードを備えるセルの作動の間にアノードにおいて酸素の気泡の生成を防ぐのに有用である蓄積された水素を含むパラジウムアノードが提供される。
【００２１】
水素を蓄積する能力は、以下によって強く影響される：アノードの温度、水素が生成される速度、パラジウム表面の形態、およびそのパラジウムの結晶粒度。当業者がパラメータおよび得られる電極特性を最適することを可能にするガイダンスが、例示的な、本明細書中に記載の電極、デバイスおよび実施例によって提供される。一旦、水素蓄積能の限度を超えると、蓄積される水素の電極を枯渇するための何らかを行わなければ、このパラジウムアノードは、水素の気泡を発生する。このアノードは、同一の工程において極性を反転させて、このアノードをカソードにすることによって水素を用いて調製され得、そして同時に、このカソードはアノードとして作動され、次のサイクルに備えて調製中に水素が取り除かれ得る。
【００２２】
電気化学的セルが提供されそしてこのセルアノードが水素を蓄積するために反転した極性条件下で充電される本発明の実施形態に従うと、事前の充電条件下の電極を作動させるための時間の量は、電源によって提供される電流および電圧に依存し得る。十分な量の充電時間は、アノードが、その水素吸収能の少なくとも約１％以上（例えば、その水素吸収能の５０％より多く、その水素吸収能の９０％より多く、またはその電極の水素吸収能および蓄積能のほぼ全て）を得るための時間であり得る。
【００２３】
本発明の実施形態に従って使用されるパラジウム金属材料および他の電極材料は、酸素ガスを蓄積し得ないが、この材料を含むセルが事前の充電の後に通常のアノードとしての作動条件下で作動するときに、電極での酸素ガス気泡の生成または電極に起因する酸素ガス気泡の生成が防止されるかまたは低減される。酸素ガスを生成するかわりに、本発明の事前に充電されるパラジウムまたは水素吸収電極（例えば、アノード）は、事前に充電される電極材料において蓄積される水素のレザバと反応する。事前の充電の結果として、この蓄積される水素は、酸素ガスを発生するのではなく酸化される。
【００２４】
本発明に従う方法およびデバイスの例示的な実施形態に従うと、第１の電極（通常作動条件下でアノードして作動する）は、反転した極性の事前の充電準備プロセスの間ではカソードとして作動する。この第１の電極は、エキソサイチュで事前の充電がなされ得るかまたはインサイチュで事前の充電がなされ得る。インサイチュで事前充電する場合に、この電極を含むデバイスは解放条件または事前に密閉された条件で作動され得、その結果、事前の充電の間にアノードとして作動するこの電極によって発生される気泡は大気中に排気され得、その一方で、水素が、事前の充電の間はカソードとして作用する水素吸収性電極に蓄積する。この電極がそれぞれの電気的条件下で十分な量の水素を蓄積することを可能するのに十分な長さの充電期間の後に、このセルは密閉され得る。
【００２５】
このセルは、事前に充電され得、次いで、通常の作動前または通常の作動中に密閉されるかまたは閉じ込められ得る。このセルを密閉するかまたは閉じ込める間に、電気分解は中断され得、そして、その後、このセルは、ある期間に亘るバブルフリー電極としての通常条件下で作動する。本発明に従う別の使用に従うと、この密閉されたかまたは閉じ込められたセルは、電極（先立って、事前の充電が行われ、水素を蓄積する）がバリアフリーアノードとして作動するような条件下で事前の充電の後で作動し得る。
【００２６】
このセルは、事前の充電がなされつつ、事前充電のプロセスの間に発生された酸素ガスを同時に排気し得る。この準備および排気の後に、このデバイスは、再度排気する必要性を伴わずに永久的に密閉され得る。
【００２７】
本発明の実施形態によると、電気化学的セルを備えるデバイスが作製され得、この電気化学的セルは、電極で蓄積される水素の体積およびこのセルアノードでの酸素気泡発生を防ぐこのセルの能力によって主に制限される長い時間の間、通常の電気分解操作のもとで気泡を発生することなく作動し得る。本発明に従う別の使用に従うと、電気化学的セルを備える、図９に示されるようなデバイス（例えば、１０ｃｍの分離チャネルを有する）が提供され、この電気化学的セルは、約５ｍＡまでの電流および約２ｋＶ（キロボルト）までの電圧にて、少なくとも２０分間に亘る、通常の電気分解操作下（すなわち、通常の極性条であって、反転した極性ではない条件の下）で気泡を発生することなく作動し得る。
【００２８】
本発明の実施形態に従うと、１秒間に亘って電流密度が７２Ａ／ｍ２（アンペア／平方メートル）で維持されるときにそのアノードで酸素の気泡を発生しないバブルフリーアノード電極が提供される。これは、この溶液が事前に脱気されていること、そして、気泡形成が容易に核形成されることを前提としている。本発明の実施形態に従うバブルフリー操作のための条件を決定する際に、不定形の平面電極の表面における純粋な蒸留水の電気分解が、温度２５℃および圧力１気圧（ａｔｍ）を含む標準状態で試験された。この電気分解の結果として、酸素の気泡がこの電極表面において生成され、このときその表面における酸素濃度は、飽和値Ｃｓに達することが前提となった。このことがいかに迅速に生じるかということは、この電極が作動する電流密度ｊおよび水中に溶存している初期酸素濃度Ｃｏに依存している。その酸素は拡散のみによってその電極から輸送されることもまた前提として、そしてこの酸素の拡散係数はＤである。酸素濃度が、その電極表面において飽和値に達する時間は、以下の式によって与えられる：
ｔ＝６４×ｐＦ２（Ｃｓ−ＣＯ）×Ｄ／ｊ２                                  （１）
ここで、Ｆはファラデー定数であり、Ｆ＝９６５００  Ｃ／ｍｏｌである。式（１）は、初期酸素濃度および電流密度の関数としての臨界時間の評価を可能する。酸素について、Ｃｓ＝１．３ｍＭ／Ｌであり、Ｔ＝２５℃においてＤ＝２×１０−５ｃｍ２／ｓである。初期酸素濃度が０．１×Ｃｓであると仮定すると、ｔ＝５１２０／ｊ２と計算され得る。従って、ｊ＝７２Ａ／ｍ２であるとき、ｔ＝１秒である。参考として、１０ｍＡの電流で５０ｍｍのキャピラリー（ｃａｐｉｌｌａｒｙ）中の電流密度は、約５０００Ａ／ｍ２である。
【００２９】
このような仕様のバブルフリーパラジウムアノードを備える電気化学的セルがまた、本発明に従って提供される。このようなパラジウムアノードを備える電気泳動デバイスのような、このような電極を備えるサンプル分離デバイスがまた、本発明によって提供される。
【００３０】
本発明の実施形態によると、バリアフリー電極を備えるサンプル中の成分の１以上の特性に影響を与えるデバイスが提供される。このデバイスは、バブルフリー電極としてパラジウム電極を備え得るか、またはいくつかの他の電極材料もしくは材料の組合せを備える。例示的実施形態は、Ｍｇ２Ｎｉ、（ＲＥ）Ｎｉ５（ここで、ＲＥは希土類元素である）、ＬｉＮｉＯ２、Ｖ２Ｏ５またはそれらの混合物、組み合わせ、あるいはそれらの併用を含む電極システムを有する電気化学的セルを含むデバイスである。本発明の実施形態に従って使用されてサンプル成分の特性に影響を与える場を形成し得る他のバブルフリーセルおよびシステムとしては、可逆電極（例えば、米国特許第５，６０５，６６２号に記載の可逆電極）、ガルヴァーニセル、ＲＡＭセル、ニッケル−カドミウムセル、ＡＣ電圧動力型（ｐｏｗｅｒｅｄ）電極、微細加工セルおよび微細加工デバイス、ならびにバブルフリーセルおよび電極系，ならびにそれらの組合せが挙げられる。
【００３１】
本発明の実施形態によると、少なくとも約３ボルト、例えば、少なくとも約５ボルトの電圧条件の下、気泡を発生することなく作動し得る電気化学的セルが提供される。発明の実施形態によると、少なくとも約１０ボルト／ｃｍ、例えば、少なくとも約２５ボルト／ｃｍという長さあたりの電圧の条件下で、気泡を発生することなく作動し得る電気化学的セルが提供される。本発明の実施形態によると、約１００ボルト／ｃｍまでの、長さあたりの電圧の条件下で、気泡を発生することなく作動し得る電気化学的セルが提供される。本発明の実施形態に従って、バブルフリー電気化学的セルが提供される。本発明の実施形態において、約２００ボルト／ｃｍまでの電圧条件下で気泡を生じることなく作動し得る。水素吸収性電極を備える本発明に従う電気化学的セルにとって、このセルは、これらの電気的条件の一方で電解条件のもとで、気泡を発生することなく作動し得る。
【００３２】
本発明の実施形態によると、パラジウム以外のバブルフリー電極を備える、サンプル中の成分の１以上の特性に影響を与えるためのデバイスが提供される。例示的実施形態は、Ｍｇ２Ｎｉ、（ＲＥ）Ｎｉ５（ここで、ＲＥは希土類元素である）、ＬｉＮｉＯ２、Ｖ２Ｏ５あるいはそれらの混合物、組み合わせまたは併用を含む電極システムを有する電気化学的セルである。
【００３３】
本発明の１実施形態に従って使用され得る他のバブルフリー電極材料およびシステムは、ＲＡＭセル、ニッケル−カドミウムセル、および他のものを備え、
このＲＡＭセルは、例えば、
ＭｎＯ２，ＭｎＯＯＨ｜Ｈ２Ｏ，ＫＯＨ｜Ｚｎ，ＺｎＯ
であり、このニッケル−カドミウムセルは、例えば、
Ｃｄ，ＣｄＯ｜ＫＯＨ（２０％水溶液）｜Ｎｉ（ＯＨ）４，Ｎｉ（ＯＨ）２，Ｎｉ
である。
【００３４】
本発明の別の実施形態によると、本発明のデバイスおよび方法における、バブルフリー電極操作のための電極材料としては、電気めっきした酸化イリジウム電極が挙げられる。
【００３５】
本発明の別の実施形態によると、本発明のデバイスおよび方法における、バブルフリー電極操作のための電極材料としては、イオン伝導体、ポリマー電解質、液体電解質、ゲル、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）材料、セラミック（例えば、ＮＡＳＩＣＯＮ）、ＮＡＦＩＯＮメンブレンなど、ならびにそれらの混合物および組み合わせが挙げられる。本発明はまた、バブルフリー電極材料としてこれらの電極材料のうちの２以上の併用物を包含する。このような合わされた材料の例は、ＮＡＦＩＯＮ材料、ＰＥＯ材料、ゲル（例えば、ポリアクリルアミドおよびゼラチン）、架橋ゲル、イオン性液体電解質（例えば、有機融解塩）またはポリマー電解質と、Ｎｉ（ＯＨ）ｘ電極物質との混合物である。電極は、このような混合した材料から作製され得るか、または、このような材料は、例えば、米国特許第６，２４５，５０８号；同第６，１２９，８２８号；および同第５，８４９，４８６号（これらは、本明細書中でその全体が参考として援用される）に記載される電極のための材料に及ぶように使用され得る。
【００３６】
本発明の実施形態に従う有用な、他の電極または電解材料としては、例えば、塩溶解物のような電子的に挙動するイオン性液体が挙げられる。本発明の実施形態に従う例示的で有用な液体は、約３００℃の温度範囲を超えると流体のままであり、そして／または、これは非常に低い蒸気圧を有している。イミダゾールベースのイオン性液体が使用され得、これは、以下の式：
【００３７】
【化１】
2005501234.tif 000003
【００３８】
を有している、イオン性液体であり、ここで、Ｒは、２０個以下の炭素原子の低級アルキル基、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、または約２０個以下の炭素原子を含む他の有機基である。このイオン性液体は、上で示されるようにＰＦ６−との塩であり得るかまたは別にアニオンとの塩であり得る。
【００３９】
さらに、本発明の実施形態に従って使用され得る他の電極材料および設計としては、「Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｎａｌｙｔｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄｓ」と題される、Ｂｒｙｎｉｎｇらに対する同時係属米国特許出願第＿＿＿＿＿＿＿＿＿号（その全体が参考として援用される）において教示され、代理人登録番号４７２７として示されるそれらの電極および設計が挙げられる。
【００４０】
細かく分断したパラジウムおよび多孔性パラジウムは、有用なバブルフリー電極材料である。これらの材料を使用する製造方法によって、広範な利点が提供される。基材にペーストを適用し、そして８００℃以上の温度でアニーリングすることによってか、またはこの電極を単に乾燥することによって、この電極は、所望する用途に依存して種々の基材上に作製され得、この基材としては、金属、ガラス、プラスチックなどが挙げられる。
【００４１】
本発明の実施形態に従うバブルフリー電極は、約７〜約９のｐＨ（例えば、約８のｐＨ）で化学的に安定であり得る。好ましくは、この電極は、低い毒性を示し、かつ容易に形成される。
【００４２】
本発明の実施形態によると、電気化学的セルおよびサンプル格納デバイスを備える分析デバイスが提供される。この電気化学的セルは、少なくとも、アノードレザバ、カソードレザバ、このアノードレザバとカソードレザバとの間の電気的接続部、ならびに少なくとも上記のアノードレザバおよびカソードレザバのうちの１つの中に配置された第１のバブルフリー電極を備える。第２の電極は、もう一方のレザバ中に配置され、そして、バリアフリー電極であり得る。１個以上の正端子および１個以上の端子を有する電源が提供され、ここで、この正端子は通常は第１の電極と電気的に接触しており、そしてこの負端子は第２の電極と電気的に接触している。電源が作動してそしてこのセルが作動の通常のモードで作動するときに、電気化学的セルは電気分解モードで作動し、そして電場を発生させる。分析デバイスはさらに、電源の端子と第１の電極および第２の電極との間の接触を切り換えるための電源極性反転デバイスをさらに備える。
【００４３】
これらの端子の極性を反転させることによって、このセルは、逆に充電されて、その結果、この１以上の電極が、作動の通常の電気分解モードで稼動されるときに電極表面での気泡発生を防ぐ気泡防止化合物を蓄積または作製する。サンプル格納デバイスは、サンプル格納チャンバを備え、このチャンバは、サンプルをこのチャンバに導入するための開口部を有し、電気化学的セルによって発生された電場がそのサンプル格納チャンバ中に配置されるサンプル中の少なくとも１つの成分の少なくとも１つの特性（例えば、移動度）に影響を与え得るように、この開口部は電気化学的セルに関して位置付けられ得る。
【００４４】
本発明のバブルフリー電極は、試薬および分離媒体がすでに事前に装填されている自己格納型（ｓｅｌｆ−ｃｏｎｔａｉｎｅｄ）デバイス（例えば、カード型デバイス）として実施され得るので、これらは特に一体型使い捨て処理可能（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｄｉｓｐｏｓａｂｌｅ）デバイスとして特に有用である。より具体的には、本発明のバブルフリー電極は、密閉されたデバイス（例えば、試薬および分離媒体が事前に装填されたカード型デバイス）として実施され得、これらは揮発を防ぐために密閉されており、そして例えば、サンプル排出ポートのみを備え、ここで、これらは一体型使い捨て処理可能デバイズにおいて有用である。本発明はまた、生体分子を捕捉しそして移動させるのに有用な低電圧バブルフリー電極を可能にする。本発明の別の適用は、サンプル調製、サンプル濃縮、サンプル精製、サンプル送達における、ハイスループット研究ならびに分離デバイスおよび分離方法で使用される、安価で、使い捨て可能であり、洗浄可能であるかまたは回復可能であるデバイスの形態にある。
【００４５】
本発明に従う別の使用は、負に荷電した生体分子または色素分子を電極に濃縮して、そしてプラグをチャネルへと解放して、それによって、濃縮された生体分子のプラグが単一のプラグまたはパルスとしてチャネルへと解放されることを可能にすることである。別の用途は、平面状表面の電極としてのアレイ様形式で負に荷電した色素の濃縮および操作を実施することである。このようなデバイスのさらなる例は、以下に詳細に記載され、例えば、図１０、図１１、図１２、図１４および図１５と関係して記載される。
【００４６】
本発明のさらに別の実施形態に従うと、流れ経路、この流れ経路に隣接した流れ操作セルおよび圧力解放経路を備える分析デバイスが提供される。この流れ操作セルは、閉じたレザバ、このレザバと連絡している排出ポート、およびこのレザバ内の圧力発生電極を備える。圧力発生電極は、セル内の圧力を増大するための制御された電源の適用において、このレザバ中のガス気泡を生成する。この圧力解放経路は流れ経路と連絡しており、そしてこの流れ経路を通る流れに影響を与えるために有用である。圧力発生電極は、例えば、本発明のバブルフリーパラジウムアノードのようなパラジウム電極であり得る。圧力発生電極は、予め脱気した溶液中に約７２Ａ／ｍ２の電流密度で維持される場合、少なくとも１秒間の時間間隔で気泡を発生することなく作動するパラジウムアノードであり得る。この流れ経路は、電気泳動分離チャネルを備え得る。この排出ポートは、崩壊性シール（例えば、発熱体と連絡している熱融解シール）を備える。
【００４７】
本発明はまた、バブルフリー電極および電気化学的セルを形成する方法、ならびにこれらを備える分析デバイス、本発明の１以上の電極および／またはセルによって形成される電場におけるサンプルの成分を操作する方法、ならびに本発明に従った圧力発生電極を使用するサンプル注入方法を提供する。さらに、本発明は、サンプル調製用途およびサンプル浄化用途、米国特許第５，８３３，８２６（「電気的流れ（ｅｌｅｃｔｒｏｆｌｏｗ）」の適用として本明細書中で言及されるような）に記載のような検出用途、能動プログラム可能電気デバイス（ａｃｔｉｖｅ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ｄｅｖｉｃｅｓ）、Ａｌｉｅｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙナノブロック回路技術（ｎａｎｏｂｌｏｃｋ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、米国特許第６，０７１，３９４号に記載のデバイス、診断用途のための自己格納型カードデバイス、サンプル調製方法、進行波分離法、多段階分離法、同期周期的キャピラリー電気泳動法（ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ  ｃｙｃｌｉｃ  ｃａｐｉｌｌａｒｙ  ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ  ｍｅｔｈｏｄ）などにおけるバブルフリー電極の用途に関する。
【００４８】
バブルフリー電極および本発明に従ってこれを使用する方法を利用するように本発明に従って適合され得る、例示的なデバイス、システム、方法は、以下に記載されている：米国特許第６，１２９，８２８号；米国特許第６，０９９，８０３号；米国特許第６，０７１，３９４号；米国特許第６，０６８，８１８号；米国特許第５，９６５，４５２号；米国特許第５，８３３，８２６号；米国特許第５，６３２，９５７号；米国特許第５，６０５，６６２号；米国特許第５，３８４，０２４号；米国特許第５，２４０，５７６号；米国特許第４，００１，１００号；国際特許公開番号ＷＯ  ００／７４８５０  Ａ２；国際特許公開番号ＷＯ  ９９／５０４８０；国際特許公開番号ＷＯ  ９９／１４３６８；および国際特許公開番号ＷＯ  ９８／４８０８４（これらの全ては、本明細書中でその全体が参考として援用される）。
【００４９】
本発明のバブルフリー電極、それらの使用する方法、およびそれらを使用するシステムは、１以上の電極を備える広範な種類のデバイスにおいて使用され得る。例えば、種々の本発明の実施形態は、以下において使用され得る：Ｋｒｉｓｈｎａｍｏｏｒｔｈｙらによって刊行物（Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｓａｍｐｌｅ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｂａｎｄ−Ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ  ｉｎ  Ｃａｐｉｌｌａｒｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ  Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐｓ，ｆｒｏｍ  ＣＦＤ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈｕｎｔｓｖｉｌｌｅ  ＡＬ）の中で記載されるようなキャピラリー電気泳動マイクロチップ；Ｂｅｃｋｅｒらによって刊行物（Ｐｏｌｙｍｅｒ  ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ，ｖｏｌ．２１，ｐｐ．１２−２６（２０００））の中で記載されるようなミクロ流体分析デバイス；Ｄｏｌｎｉｋらによって刊行物（Ｃａｐｉｌｌａｒｙ  ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ  ｏｎ  ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ，Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ，ｖｏｌ．２１，ｐｐ．４１−５４（２０００））の中で記載されるようなキャピラリー電気泳動マイクロチップ；Ｈｕａｎｇらによって刊行物（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｂｉｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ａｎｄ  Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ，Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｖｏｌ．２００１，ｐｐ．１５４９−１５５９（２００１））の中で記載されるような微細加工デバイス；Ｃａｍｐａｎａらによって刊行物（Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｃａｐｉｌｌａｒｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，Ｊ．Ｍｉｃｒｏ．Ｓｅｐ．１０，ｐａｇｅｓ  ３３９−３５５（１９９８））の中に記載されるような微細加工技術および微細加工デバイス；Ｌｉｕらによって刊行物（Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈｉｇｈ−  Ｓｐｅｅｄ  ＤＮＡ  Ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  Ｃａｐｉｌｌａｒｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ  Ｃｈａｎｎｅｌｓ，Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｖｏｌ．７１，ｐｐ．５６６−５７３（１９９９））の中に記載されるような微小組み立て（ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ）キャピラリー電気泳動チャネル；ＭｃＤｏｎａｌｄらによって刊行物（Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｉｎ  ｐｏｌｙ（ｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ），Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ，ｖｏｌ．２１，ｐｐ．２７−４０（２０００））の中に記載されるようなミクロ流体システム；Ｍｏｒｇａｎらによって刊行物（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ  Ｂｉｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｂｙ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ，Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ，ｖｏｌ．７７，ｐｐ．５１６−５２５（１９９９））の中に記載されるようなジエレクトロフェオレシス（ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ）サブミクロン生体分子分離デバイスおよび方法；Ｍｏｒｉｓｈｉｍａらによって刊行物（Ｔｒａｎｐｏｒｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＤＮＡ  Ｍｏｌｅｃｕｌｅ  Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｃｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｌ  Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｈｉｇｈｅｒ  ｏｒｄｅｒ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｏｆ  ＤＮＡ，ＣＣＡＢ  ９７、これは１９９８年２月１３日にインターネットで公開された）の中に記載されるようなＤＮＡ分子輸送；Ｓｉｍｐｓｏｎらによって刊行物（Ａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈ  ａｎｄ  ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ＤＮＡ  ａｎａｌｙｓｉｓ，Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ，ｖｏｌ．２１，ｐｐ  １３５−１４９（２０００））の中に記載されるような透過型画像処理分光システム（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈｉｃ  ｓｙｓｔｅｍ）および微小組み立て（ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ）チャネルシステム；Ｓｏａｎｅらによって米国特許第５，１２６，０２２号の中で記載されたデバイス；Ｒａｍｓｅｙらによって米国特許第５，８５８，１８７号で記載されたマイクロチップ電気力学的収束（ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃ  ｆｏｃｕｓｉｎｇ）デバイスおよびマイクロチップ電気力学的収束的方法；Ｍａｔｈｉｅｓらによって米国特許第６，０４５，６７６号に記載された電気化学的検出器；Ｗｅｓｔらによって米国特許第  ６，１５９，３６３号に記載されたキャピラリー電気泳動分離システム；Ｃｈｏｗらによって米国特許第６，１７４，６７５  Ｂ１号に記載の微細加工デバイス；Ｓｉｍｐｓｏｎらによって米国特許第６，２３６，９４５Ｂ１号で記載された微細加工デバイス；ＷａｔｅｒｓらによってＭｉｃｒｏｃｈｉｐ  Ｄｅｖｉｃｅ  ｆｏｒ  Ｃｅｌｌ  Ｌｙｓｉｓ，Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ  ＰＣＲ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ  Ｓｉｚｉｎｇ，Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｖｏｌ．７０，ｐｐ．１５８−１６２（１９９８）に記載されたマイクロチップデバイス；ＣｈｅｎｇらによってＰＣＴ国際公開番号ＷＯ  ００／３７１６３に記載された生物学的検出システム；ＭａｔｈｉｅｓらによってＰＣＴ国際公開番号ＷＯ  ００／４２４２４に記載された微細加工キャピラリー電気泳動チップ；ＢｕｋｓｈｐａｎによってＰＣＴ国際公開番号ＷＯ  ００／７３７８０  Ａ１に記載された微小組み立てデバイス；ＰＣＴ国際公開番号ＷＯ  ９４／２９７０７に記載のマイクロリソグラフアレイ；ＡｕｓｔｉｎによってＰＣＴ国際公開番号ＷＯ  ９８／０８９３に記載された分類デバイス；ＭａｔｈｉｅｓらによってＰＣＴ国際公開番号ＷＯ  ９８／０９１６１に記載された電気泳動デバイスチップ；ＷｅｓｔらによってＰＣＴ国際公開番号ＷＯ  ９８／４９５４９に記載されたキャピラリー電気泳動分離システム；ＳｏｓｎｏｖｓｋｉらによってＰＣＴ国際公開番号ＷＯ  ９９／２９７１１に記載された微小組み立てデバイス（ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｄｅｖｉｃｅｓ）；ＯｓｔｅｒｇａａｒｄらによってＰＣＴ国際公開番号ＷＯ  ９９／４９３１９に記載された微��組み立てデバイス；Ｗｏｏｌｌｅｙらによって「Ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ  ｓｐｅｅｄ  ＤＮＡ  ｆｒａｇｍｅｎｔ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｓ  ｕｓｉｎｇ  ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｃａｐｉｌｌａｒｙ  ａｒｒａｙ  ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ  ｃｈｉｐｓ」，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ａｃａｄｅｍｙ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，ＵＳＡ  ｖｏｌ．９１，ｐｐ．１１３４８−１１３５２（１９９４）に記載された微細加工キャピラリーアレイ電気泳動チップ；ＷｏｏｌｌｅｙらによってＦｕｎｃｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＰＣＲ  Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃａｐｉｌｌａｒｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ  ｉｎ  ａ  Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ＤＮＡ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｄｅｖｉｃｅ，Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｖｏｌ．６８，ｐｐ．４０８１−４０８６（１９９６）に記載された微細加工デバイス；ならびにＷｏｏｌｌｅｙらによって「Ｃａｐｉｌｌａｒｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ  Ｃｈｉｐｓ  ｗｉｔｈ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ」，Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ｖｏｌ．７０，ｐｐ．６８４−６８８（１９９８）に記載されたキャピラリー電気泳動チップ。これらの特許および他の刊行物の全ては、本明細書中で全体が参考として援用される。
【００５０】
ここで図面を参照すると、図１において示される本発明の実施形態において、パラジウム電極６およびパラジウム電極７は、ＤＣ電源１に接続しており、そしてそれぞれ、閉じられたレザバ４および５において位置づけられる。通常作動モード条件下において、電極６は、アノードとして作動して、そしてこの電極７はカソードとして作動する。この通常の作動アノード６は、例えばレザバ４に挿入される前に、インサイチュまたは通常作動前の事前の充電期間の間に電極の電荷を反転させることによってインサイチュで事前に充電される。アノードの事前充電は、水素の多い環境に電極を曝露することによって与え得る。
【００５１】
４つのバルブ２ａ〜２ｄを使用して、レザバ４および５を試薬で満す。キャピラリー３は、２つのレザバ４および５に挿入され、そして、試薬で満されている。アノード６の事前の充電に起因して、このシステムは、通常作動電気泳動条件下にあるアノード６またはカソードで、気泡を発生しない。このシステムの通常の作動の間において気泡が発生しないために、このレザバおよびキャピラリーは、閉じたシステムであり得る。このような閉じたシステムは、閉じたシステムにより逆流が防止されるので、２つのレザバの高度（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）の差異において非常に寛容である。
【００５２】
適切なサンプル充填特性（例えば、当業者によって周知のそのような特性のうちの１つ）は、このシステムに組み込まれ得る。サンプルから分離される成分の電荷を含む因子に依存して、サンプル注入は、キャピラリー３の適切な端にまたはその付近に配置され得る。
【００５３】
例えば、図２ａおよび図２ｂに示されるような本発明の実施形態において、このシステムは、Ｔ注入特性を備える微細加工デバイス１１として構成される。このデバイスは、４つの電極１６ａ〜１６ｂを備え、これらの電極のうち少なくとも１つは本発明のバブルフリー電極を含む。特定の適切なリードが、電極１６ａ〜１６ｂについて提供され得、これは、例えば、示されるような突出リードである。図２ａおよび図２ｂにおいて示されるようなデバイスは、例えば、パラジウム材料含有電極を備え得る。この電極は、ウェル１２、１３、１４および１５へとパターン化される（ｐａｔｔｅｒｎ）。パターン化ウェル１４とパターン化ウェル１５との間でチャネル１９が提供され、それらに沿ってサンプルの成分の電気泳動分離が、電極対１６ａおよび１６ｂに対する電荷の適切な適用に基づいて生じ得る。電荷量は、任意の適切な電荷（例えば、従来使用された電荷および本明細書に記載の本発明の例示的実施形態によって教示される適切な電荷）であり得る。サンプル注入チャネル１７が、パターン化されたウェル１２および１３の間で提供され、そして、サンプルを通し、電気泳動分離チャネル１９へと分離し得る。ウェル１２または１３のいずれかからのサンプルのＴ注入は、電極対１６ｃおよび１６ｄに適切な電荷を適用することによって制御され得る。
【００５４】
シーリングカバー１８は、本発明のバブルフリー電極が使用される場合に、気泡が発生しないために、このデバイスの作動の間に使用され得る。このシステムは、作動の間は閉じたシステムであり得、逆流（ｓｉｐｈｏｎｉｎｇ）が起こらないことが必要であり、そして揮発が取り除かれるかまたは低減され得る。このデバイス１１は、示されたように、充填され、ついで、密閉されるか、またはシーリングカバー１８を通る１以上のアクセスポートが提供される。アクセスポートが、例えば、パターン化されたウェル１２、１３、１４および１５の任意の数の上、またはさもなければそれらに隣接して提供される。
【００５５】
本発明のさらに別の実施形態において、図３に示されたようにシステムが配置される。この実施形態において、米国特許第５，８３３，８２６号に記載されるような「電気的流れ（ｅｌｅｃｔｒｏｆｌｏｗ）」として知られる技術が可能となる。このシステムは、４つのバルブ３１ａ〜３１ｄならびにパラジウム電極３２および３３を有している。電場が、電極３９および電極３３によってキャピラリー３８の中に確立される。キャピラリー３８において分離された成分は、端３８’でチューブを出て、そして、電極３２と３３との間に形成された電場中の検出領域を通り過ぎる。示された実施形態において、電極３３は、通常電解作動条件下でアノードとして作動する。
【００５６】
このパラジウム電極３２および３３によって、イオンがキャピラリー３８を出てキャピラリー３８の中の電場と一致した場において流れる。本発明は、電気的流れ（ｅｌｅｃｔｒｏｆｌｏｗ）電極３２および３３を検出キュベット３５に非常に近いところで位置づけられ得る。従って、電源３６および３７は低電圧で作動し得、そして、検出システムによって調べられた、この領域中のキャピラリー３８における場と等しい場をなお提供する。この検出システムは、励起レーザー（示さず）ならびに、画像化および色分解のためのカメラ３４を備え得る。この配置はまた、電流がバルブ３１ａ〜３１ｄのいずれかを通過する必要はなく、そしどのバルブもバルブの開口部に含まれる試薬の中を通過してならないという点で、事前の設計に対して実質的な利益を提供する。この閉じたシステムは、レザバからレザバへの逆流またはロードバーからレザバへの逆流を回避する。
【００５７】
このロードバー３９は、導電性金属バー、電極（例えば、パラジウムまたはステンレス鋼）に機械加工された凹部（ｒｅｃｅｓｓ）のアレイであり得る。分離キャピラリーの末端は、サンプル、緩衝液、または両方に沿った凹部中に位置付けられ得る。適切なサンプル注入技術は、このシステムに組み込まれ得るか、または、ロードバー３９のサンプルレザバ３９’は、キャピラリー３８の末端３８’’に引きこまれ得る。
【００５８】
本発明の別の実施形態は、図４において例示される。この配置において、ヒーター４１（ヒーターコントローラー４４によって制御される）は、パラジウム電極４２および４６の温度を上昇させ、このパラジウムの水素透過性を上昇させる。２つのレザバ４７ａおよび４７ｂは、バルブ４３ａ〜４３ｄを介して適切な導電性緩衝剤で満たされる。キャピラリー４５は、同一であるかまたは異なる導電性の緩衝液で満たされる。各レザバ４７ａおよび４７ｂは、それぞれのバルブおよびキャピラリー４５と連絡している湿潤面（ｗｅｔ−ｓｉｄｅ）ならびに電極４６および電極４２のそれぞれの向いにある乾燥面を有している。陰極４２によって吸収されなかった水素は、陰極４２を透過し、そして、減圧または真空５１によって引き取られる水素ガスを形成する。電源４９が提供される。水素ガスが、レザバ４７ａの乾燥面を介して陽極４６に対してポンプ４８によって提供され、ここで、水素は、電極４６を透過し、そして酸化されてその結果として、酸素の気泡の発生を防ぐと考えられる。この配置の主な利点は、原子状水素で陽極を予備的に変化させるのに必要とされる機械注視周期が存在しないということである。このような配置は、連続的に作動し得る。
【００５９】
適切なサンプル注入特性は、このシステムに組み込まれ得る。サンプルから分離されることが求められる成分の電荷を含む因子に依存して、サンプル注入は、キャピラリー４５の末端またはその付近に配置され得る。
【００６０】
図５は、本発明の例示的実施形態に従うカード型のデバイスの頂面図である。このデバイスは、ｍｍ長以下ほどの小さいサイズまで微小組み立てされ得る。あるいは、このデバイスは、１ｍｍを超える長さ（例えば、１０ｃｍ以上）であり得る。このデバイスは、チャネル５４、電極対５０および５０’、ならびに電極５６、５７、５８および５９を備える。電極５０、５０’、５６、５７、５８および５９の全ては、本発明の１以上の実施形態に従うバブルフリー電極であり得る。サンプルは、注入によってかまたはサンプルアクセスホール５５でのこのデバイスとの他の接触によって充填され得る。このサンプルは、予め充填され得、その後、必要に応じて密閉されるか、またはサンプルとの接触のために開口部が提供される。このデバイスを密閉することは、従来の方法（例えば、ハーメチックシール）を使用して達成され得る。
【００６１】
電極対５０または５０’のいずれかまたは両方は、電極５６と電極５７との間の電気泳動場を流れる検体を濃縮するために使用され得る。ＡＣ電圧が電極対５０および５０’に印加され、バブルフリーフロー効果（ｂｕｂｂｌｅ  ｆｌｏｗ  ｅｆｆｅｃｔ）を引き起し、この効果は、サンプルの成分の流れおよび分離に影響を与えるために有利に使用され得る。様々な電極対を使用することによって、特に、電極対５０および５０’にＡＣ電圧が印加されたときに、分離の様々なパラメータが達成され得る。この結果は、サンプルから１以上の非常に特異的な成分または生体分子を捕捉するために調整され得るシステムである。電極対５０および５０’のいくつかの使用のさらなる記載は、以下に示された図８の記載と関連させたときに、当業者にとって明らかである。
【００６２】
図５はまた、例示的なフィルター５３および５３’ならびにフィルターの位置づけを例示する。フィルター５３および５３’は、多孔性メンブレン、プレスチックフィルター、ゲル、半透性メンブレン、アニオン性メンブレン、または好ましくはサンプルから１以上の成分を物理的に分離または単離し得る他の適切な分離デバイス、ならびにそれらの組合せを備え得る。フィルター５３の位置付けによって、成分がこのフィルターを通過することが可能にされる。サンプル成分は、フィルター５３上またはその中において濃縮され得る。
【００６３】
図６は、本発明の例示的実施形態に従ったマトリクスデバイスの側面図であり、ここで、参照番号６４は、アクセスホール（示さず）を備えるカバープレートまたはアッパープレートを示しており、これらは、例えば、ガラス材料またはプラスチック材料か作製され得る基材６２から間隔が開けられている。基材６２中に提供されるホールは、本発明に従った好ましい複数のバブルフリー電極６０で満たされている。この基材におけるホールは、電着のような析出によって電極ペースト材料で満たされているか、または、プラグ型電極は、電極材料の圧縮、注入、または溶解形成（ｍｅｌｔ  ｆｏｒｍｉｎｇ）によって、この穴に挿入され得る。
【００６４】
このカバープレート６４および基材６２は、スペーサー６５によって、互いに間隔をあけて位置付けられており、これらは弾性材料および／または接着性材料で作製され得る。スペーサー材料は、試薬、サンプル、このデバイスを用いる分析技術について使用される条件において、不活性であり得る。カバープレート６４と基材６２の間の間隔は、本発明に従ってバブルフリー電極が電極６０について使用される場合に密閉され得るサンプル格納体積６６を規定する。
【００６５】
電極６０の各々が、電源との接続であるためのリードまたはコネクター６１が提供される。電極６０の各々は、他の電極６０に関して分離しているかまたは独立している電源または電力供給によって、動力が供給され得、そして、各電極に対して印加されている電圧は、検体の引力および斥力の差異を引起すほど異なり得る。様々な電圧が、以下の目的のために所定時間で種々の電極に印加され得る：電極のうち特定の電極に対して、その電極から、その電極で、またはその電極の付近で生物サンプルからサンプル成分（例えば、生体分子）を移動、分離および／または濃縮すること。１以上の特定の電極に対して適用した電荷を反転させることによって、特定の成分に対する反対の親和性が達成され得る。例えば、反対の電荷を提供することによって、正電荷条件下で特定の電極に引き付けられる生体分子は、負の電荷条件下でのその電極によって反発される。このように、生体分子の所望の操作が達成され得る。本発明のこの実施形態は、米国特許第６，０７１，３９４号に記載のミクロチップマトリクスデバイスにおいて特に有利に使用され得る。本発明に従うデバイスは、微細加工配置の中に１００以上もの電極を有し得る。
【００６６】
コントロールユニットのような手段が、独立した電源または電力供給を各電極６０に供給するために提供され得、この結果、各電極は、他の電極によって提供されるよりも、特定のサンプル成分に対して様々な親和性を提供する。種々の電極６０に印加する電圧を変化させることによって、各電極に異なる電圧を提供することによって、および／または特定の時間間隔または十分な時間間隔に亘って電極に電圧を印加することによって、特定のサンプル成分の選択的な引力および／または斥力が達成され得る。さらに、特定のサンプル成分の単離および濃縮は、特定の電圧に対するこのような成分の既知または試験された親和性または斥力に基づいて達成され得る。このようなマトリクスデバイスのより具体的な用途は、添付の図面の図１４ａおよび図１４ｂにおいて示され、これらは以下において詳細に記載される。
【００６７】
図７は、本発明の例示的実施形態に従った閉じたキャピラリー分析デバイスの側面図である。このデバイスは２つのバブルフリー電極７０を備え、２つのバブルフリー電極７０は、密閉されたキャピラリー７２の反対側に間隔をおいて位置付けられて、そして電極リードまたはコネクターが提供される。このデバイスは、キャピラリー環境において本発明のバブルフリー電極を使用することを例示している。このデバイスは、これらの２つの電極に対して種々の電圧または交流電圧を供給することによって使用され得、そして、キャピラリーの中に配置されたサンプルまたはサンプルの成分を分離、移動、濃縮、または他の場合では操作をするために使用され得る。サンプルが、（例えば、電極がキャピラリーの末端においてまたその上に位置付けられる前にキャピラリー作用によって）このキャピラリーに充填された後に、次いで、このデバイスは、このキャピラリーの末端にある電極の１つまたは両方を挿入または形成することによって密閉され得る。この電極は本発明に従ったバブルフリー電極であるので、この電極がキャピラリーの末端において位置付けられたかまたは形成された後に、このデバイスは永久的に密閉され得る。電極ペースト材料、電極プラグまたは融解成形（ｍｅｌｔ−ｍｏｌｄｅｄ）電極材料が使用され得る。
【００６８】
複数のこのようなキャピラリーデバイスはアレイ中または図７ｂに示されるような構造７００において配置され得る本発明の実施形態に従って、複数の末端密閉電極７０３の内の各々を備える基材７０１が提供され得、これらの複数の電極の各々は、基材７０１中に形成された凹部７０５を受けるキャピラリーの中央に位置付けられる。この電極は、このキャピラリーの末端を整列させるかまたはこの基材７０１に形成されたキャピラリー受容凹部で電極をキャピラリー末端を導くことによって、複数のキャピラリーが密閉され得、そして本発明に従う複数の密閉されたキャピラリーデバイスが同時に形成され得るように、基材の上に備え付けられるかまたは固定される。この用途について、ピン型電極またはピン形状電極が適切であり、またはこれらは、このキャピラリー中のサンプルを挿入したかまたは廃棄した後にキャピラリー末端中の適当な位置に、密閉され、接着され、融解され、かしめられ、また、そうでなければ、固定され得る。
【００６９】
図８ａは、例えば、図５のデバイスにおいて使用され得る、濃縮デバイスの側面図であり、ここで、図８ａの電極７３および７４が図５の電極５０および５０’として使用され得る。図８ａにおいて、対向する電極７３および電極７４は、チャネル７１の向かい側に配置される。チャネル７１は、例えば、環状部材によって規定される。本発明の実施形態に従うと、交流（ＡＣ）が、対向する電極７３および７４適用され得、チャネル７１を通る流れに影響を与えるこれらの間の場が発生させ得る。図８ａに示されるように、トレース８００は、電極７３と電極７４との間に形成される電場において比較的遅く動き、またはゆっくりと応答する分子のトレースであり、すなわち、８００は  低い、サイズに対する電荷の比（ｃｈａｒｇｅ  ｔｏ  ｓｉｚｅ  ｒａｔｉｏ）を有する分子についてのトレースである。トレース８０２は、電極７３と電極７４との間に形成される電場において比較的速く動き、または迅速に応答する分子のトレースであり、すなわち、８０２は、高い、サイズに対する電荷の比を有する分子についてのトレースである。電極７３と７４との間で低いＡＣ電圧を適用することによって、荷電した生体分子の操作が、以下にさらに説明されるように達成され得る。
【００７０】
図８ａに示されるように、チャネル７１を通る流れの流体力学的流れ７５が示されている。この流体力学的流れ７５は、有効速度のプロファイルまたはこの流れの「包絡線（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）」のプロファイルである。この流体力学的流れ７５は、ベクトル７６ａ〜７６ｃによって例示されるような種々のベクトル成分を有している。図８ａにおいて示されるように、チャネル７１の中心におけるベクトルすなわち流れは、ベクトル７６ｃとして表され、ベクトル７６ａおよび７６ｂによって表されるチャネル７１の縁（すなわちチャネル規定管状部材の壁により近い）における流れよりも速く、よって、ベクトル７６ｃについてのベクトル長がより長い。この現象は、本明細書中において圧力駆動流（ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｄｒｉｖｅｎ  ｆｌｏｗ）として参照する。
【００７１】
特定の生体分子が電場中でより遅く移動する場合、この生体分子はしばしば、流体の流れのより速く動くベクトルの中を動く（すなわち、側面というよりもチャネルの中央の近くを動く）。特定の生体分子が電場中でより速く移動する場合、この生体分子はしばしば、流体の流れのより遅く動くベクトルの中を動く（すなわち、チャネルの中央というよりも側面の近くを動く）。図８ａに示されるように、本発明のデバイスは、チャネル７１を通って流れる特定の生体分子の頻度を変化するかまたは調節してこのチャネル７１を通って流れるサンプルの特定の成分を選択的に濃縮するように濃縮可能である。このように挙動する場合、特定の生体分子を位置づけるかまたは流体の流れの相対的に早いかまたは遅いベクトルへと特定の分子の舵をとるが、達成され得る。
【００７２】
本発明の実施形態に従うと、ＤＣ電圧は、管状部材規定チャネル７１の対向する末端で電極に供給され得、このチャネルを通って流れるサンプルの電気泳動分離を引き起す。ゲルまたは篩媒体（ｓｉｅｖｉｎｇ  ｍｅｄｉｕｍ）の非存在下で、このサンプルの全ての荷電した成分が、例えば、トレース８００および８０２のおける矢印によって示されるような方向に、このチャネルを通って流れるべきである。しかし、電気泳動分離チャネルを形成するための、図５に示される電極５６および電極５７のような対向する電極に、ＡＣ電圧が、印加される場合に、これらの電極の間を移動するサンプルのいくつかの成分は、他のものに比べて、向かいあう電極５６と電極５７との間でより速く移動する。より速く移動する成分（例えば、速く動く生体分子）は、ＡＣ場の電極（例えば、図５における５０および５０’または図８ａにおける７３および７４）に引き付けら得、そして、特定の条件下で、これらのより速く動く成分は、ＡＣ場電極によって捕捉される様になり得る。さらに、篩媒体が電気泳動チャネルにおいて提供されるようなデバイスにおいて、ＡＣ場発生電極のさらなる使用によって、複数の次元の分離を有する包括的なデバイスを提供し得る。
【００７３】
図８ａのデバイスのためのチャネルサイズは、このデバイスの意図する使用およびサイズに基づいて変化し得る。これらのチャネルは、幅において約１ミクロンから約１０ミクロンで変化し得る。ＡＣ場発生電極７３と７４との間の距離は、任意の適切な距離であるが、これは、約２ミクロン〜数ｃｍであり得る。ＡＣ場発生電極７３および電極７４に印加される適切な電圧は、約１０００ボルト／ｃｍ〜約１０，０００ボルト／ｃｍであり得る。この交流の周波数は、約０．１Ｈｚ〜約１ｋＨｚであり得、例えば、約０．１Ｈｚ〜約１０Ｈｚであり得る。より高い電圧を用いる場合、低周波数が使用され得る。例示的な電圧供給スキームは、約５０μｍ（マイクロメーター）の電極の間の分離距離を伴って約１Ｈｚの周波数で電極７３および電極７４に対して±５ボルトの供給を伴う。
【００７４】
図８ａのデバイスは、好ましくは、図５のデバイスのようなデバイスにおいて使用される場合に、調整可能であって荷電した生体分子の特異的で効率的な分離を達成し得、そして、このデバイスは、サンプルの特異的な生体分子のみを捕捉するのに使用され得る。このデバイスは、流体の流れまたは圧力駆動流分離の分離の特性とＡＣ場分離効果（ＡＣ  ｆｉｅｌｄ  ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｅｆｆｅｃｔ）とを合わせる。
【００７５】
図８ｂは、電気泳動流プロファイルおよび電気浸透流または電気内部浸透流（ｅｌｅｃｔｒｏｅｎｄｏｏｓｍｏｔｉｃ  ｆｌｏｗ）の方向に関して横方向に配置される成分保持電極（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  ｒｅｔａｉｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）を使用する成分濃縮機の側面図である。図８ｂに示されるように、チャネル８０１を通る流れの電気内部浸透流８０５が示されている。この電気内部浸透流８０５は、有効速度またはこの流れの「包絡線（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）」のプロファイルである。この電気浸透流８０５は、ベクトル８０６ａ〜８０６ｃによって例示されるように種々のベクトル成分を有しておいり、しかし、図８ａにおける圧力駆動流における様々なベクトルと異なって、この種々のベクトル８０６ａ〜８０６ｃは、図８ｂにおいて示されているように電気内部浸透流条件下でも等価である。図８ａに示されているように、チャネル８０１の中心におけるベクトルまたは流れは、ベクトル８０６ｃによって表現され、これは、ベクトル８０６ａおよび８０６ｂによって表現されるチャネル８０１の縁での（すなわち、管状部材を規定する壁に近い）流れに等しい。
【００７６】
電極８０３および８０４は、チャネル８０１を通る電気内部浸透流の横方向に互いに向かって配置される。特定の生体分子８０２は荷電しており、そして電流が電極８０３および電極８０４に適用された場合に、対向する電極８０３と電極８０４との間に生じた場によって、生体分子８０２が、これらの電極のうち少なくとも１つの電極、示される実施形態の電極８０４に、引き付けられ、維持され、そして濃縮されることが引き起される。荷電していない成分は、チャネル８０１を通って通過しつつ、目的の荷電した成分は適切な電極８０３または８０４において蓄積され得る。
【００７７】
図８ｂに示されているように、チャネル８０１を通って流れる特定の生体分子の頻度が、チャネル８０１を通って流れるサンプルの特定の成分を選択的に濃縮するために、変化されるかまたは調整可能であり得るように本発明は調整可能である。そのようにする場合、チャネル中において特定の生体分子を電極８０３および８０４に蓄積または濃縮することが達成され得る。
【００７８】
本発明の実施形態に従うと、ＤＣ電圧は、管状部材規定チャネル８０１の対向する末端で供給され得、このチャネルを通って流れるサンプルの電気泳動分離を引起す。ゲルまたは篩媒体（ｓｉｅｖｉｎｇ  ｍｅｄｉｕｍ）の非存在下で、このサンプルの全ての荷電した成分が、等しい速度で、このチャネルを通って流れるべきである。しかし、電気泳動分離チャネルを形成するための、図５に示される電極５６および電極５７のような対向する電極に、ＡＣ電圧が、印加される場合に、これらの電極の間を移動するサンプルのいくつかの成分は、他のものに比べて、向かいあう電極５６と電極５７との間でずっと速く移動する。より速く移動する成分（例えば、速く動く生体分子）は、ＡＣ場の電極（例えば、図５における５０および５０’または図８ｂにおける８０３および８０４）に引き付けら得、そして、特定の条件下で、これらのより速く動く成分は、ＡＣ場電極によって捕捉される様になり得る。さらに、篩媒体が電気泳動分離チャネルにおいて提供されるようなデバイスにおいて、ＡＣ場発生電極のさらなる使用によって、複数の次元の分離を有する包括的なデバイスが提供され得る。
【００７９】
図８ｂのデバイスのためのチャネルサイズは、このデバイスの意図する使用およびサイズに基づいて変化し得る。これらのチャネルは、例えば、幅において約１ミクロンから約１０ミクロンで変化し得る。ＡＣ場発生電極８０３とＡＣ場発生電極８０４の間の距離は、任意の適切な距離であるが、これは、約２ミクロン〜数ｃｍであり得る。ＡＣ場発生電極８０３および電極８０４に印加される適切な電圧は、例えば、約１０００ボルト／ｃｍ〜約１０．０００ボルト／ｃｍであり得る。この交流の周波数は、約０．１Ｈｚ〜約１ｋＨｚであり得、例えば、約０．１Ｈｚ〜約１０Ｈｚであり得る。より高い電圧を用いる場合、より低い周波数が使用され得る。例示的な電圧供給スキームは、約５０μｍ（マイクロメーター）の電極の間の分離距離を伴って約１Ｈｚの周波数で電極８０３および電極８０４に対して±５ボルトの供給を伴う。
【００８０】
図８ｂのデバイスは、好ましくは、図５のデバイスにおいて使用されるようなデバイスにおいて使用される場合に、荷電した生体分子の特異的で効率的な分離を達成するように調整可能であり得、そして、サンプルの特的の生体分子のみを補足するために使用され得る。このデバイスは、流体の流れまたは圧力駆動流分離の分離の特性とＡＣ場の分離効果とを合わせる。
【００８１】
図９は、本発明のさらに別の実施形態に従う分析デバイス６９の頂面図である。このデバイスは、ＰＣＲ反応およびサンプルチャンバ７７、シール７８、８０、および８２４、試薬コンテナ７９、圧力ジェネレータ８１、低電圧ダクト８２、電気泳動分離のためのチャネル８３、緩衝液コンテナ８４、８６、および８７、低電圧ダクト８５、８１３、８１４、８１６、８１８、８２０、および８２２、ならびに高電圧ダクト８５’、ならびに緩衝液コンテナ８６および８７を備える。
【００８２】
圧力ジェネレータは、例えば、少なくとも１つの圧力発生電極を備えることおよび気体発生を可能にする条件によって、圧力を発生する。例示的システムは、本発明に従って事前に充電されていない気体発生パラジウム電極であり、そして、アノードしての条件下で作動して、酸素を発生する。他の気体発生電極システムが使用され得、このシステムは、パラジウム電極、他の気体発生金属、他の導電性気体発生材料、半導体などを含む。圧力ジェネレータ８１のコンテナ部分はまた、適切な緩衝液または気体発生を引起すのに必要な他の材料（例えば、イオン溶液）を備える。他の発生された気体（ガス）（例えば、水素ガス、塩素ガス、二酸化炭素ガスなど）は、サンプル注入を引起すために使用され得る。
【００８３】
圧力ジェネレータによるガスの発生は、リードまたは低電圧ダクト８２０に対する電流の活性化と同期され得る。ダクト８２０に対する電流の適用は、熱融解性材料のような崩壊性材料から作製されるシール８０を崩壊するのに有用である。シール８０ならびにシール７８および８２４は、例えば、パラフィン蝋材料、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン、プレキシグラス、または任意の適切な融解性可塑性材料または熱可塑性材料を含み得る。このシールは、（例えば、シール７８および８０の場合において、チャネル８３０の部分として形成されるように）チップ６９の材料と一体化して作製され得る。それぞれ、ダクト８１８および８２０へ電流を適用することによってシール８０および７８を溶かすときに、圧力ジェネレータ８１から発生された圧力が、チャネル８３０を通して流れ得、試薬を試薬コンテナ７９から、崩壊したかまたは溶けたシール７８を通過して、チャネル８３０のさらに下へと流れ、そして、サンプルコンテナ７７からサンプルがチャネル８３４を通るように力が加えられる。ダクト８１６を介して電流を適用してシール８２４を溶かすときに、このサンプルは、ここでは、電気泳動分離のためにチャネル８３にＴ注入され得る。コンテナ７７から流れるサンプルは、孔（示さず）があけられ得る緩衝液コンテナ８６に続く。緩衝液コンテナ８４および８７は、電気泳動チャネル８３の対向する端にあり、これは、穿孔され得るが、本発明の実施形態に従うバブルフリー電極を使用する場合は、孔を必要としない。ダクト８５’は、唯一の高電圧ダクトであり得る。
【００８４】
ダクト８１６、８１８、および８２０は、大変な狭さであり得るか、または非常に抵抗性の材料であり、そして、十分に荷電しており、それぞれのシールを局所的に加熱し、そしてそれらのシールを融解するか、またはバルブ型再接続可能シール（ｒｅ−ｃｌｏｓａｂｌｅ  ｓｅａｌｓ）が開くことを引起す。低電圧ダクトのための適切な電力供給は、約１．５〜約３０ボルト、例えば、約５〜約１２ボルトまたは約５〜約６ボルトで提供することが可能である供給装置である。高電圧装置は、約１００〜約１０，０００ボルト、例えば、約１０００〜約３０００ボルトを提供し得る。
【００８５】
図９において示されるデバイスは、極少量のサンプルを分離チャネルに注入するために使用され得る例示的なマイクロチップ型デバイスであり、このデバイスは、ナノリットルサイズの容積で作用するときに要求されるような極少量かつ極めて正確な量の適切な試薬およびサンプルを注入し得る。このデバイスは、微細加工され得、そして、適切な低電圧を使用して１０ｍｍ長よりも短く作製され得るか、または１０ｃｍ以上ほどの大きさで作製され得る。このデバイスは、密閉前に適切な試薬および緩衝液で満たされ得る。サンプルは、密閉の前に導入され得るか、または、このデバイスは、コンテナ７７においてサンプル注入ポートが提供され得る。このチャネルは、エッチングされ得るか、成形さ得るかまたは穿孔され得、そしてこのシール（密閉物）は、挿入され得るか、配置され得るか、さもなければ、適当な位置に形成され得る。チップのための基材は、ガラス材料またはプラスチック材料などから作製され得る。電圧ダクト（ｖｏｌｔａｇｅ  ｃｏｎｄｕｉｔｓ）は、設置されるか、溶接されるか、電着されるか、さもなければ、溶着される。
【００８６】
図１０〜１３は、本発明のバブルフリー電極から利益を得る本発明の実施形態に従う種々の例示的な分析デバイスの頂面図である。図１０〜図１３において、Ｎｉ（ＯＨ）ｘ電極８９は、チャネル８８に隣接するかまたはその中にで使用され、そして、アクセスポート９０はこのチャネルについて提供される。図１０は、簡単な、高電圧バブルフリーチップデバイスを示す。図１１は、図８に関して記載された分離技術を使用するデバイスを示す。図１２は、液体操作のための例示的Ｔ注入デバイスを示し、ここで、サンプル注入部は電気泳動分離チャネルの末端の電極の直近くである。図１３は、図１２の実施形態の代替物を示し、ここで、大きなサンプルアクセスポートが提供されるので、その結果、フィリングベントはこのデバイスには必要とされない。サンプルは、分離チャネル８８に到達するまでサンプル注入チャネル８８’を通して電気泳動的に移動され、そして、分離チャネル８８に注入される。図１０〜１３のデバイスの各々において、適切なリードまたは電気的コネクターが電極の各々について提供される。図１０〜１２において示されたデバイスにおいて、アクセスポート９０のいずれかはサンプルを他のアクセスポート９０に満たすためのベントとして使用され得る。
【００８７】
図１４ａおよび１４ｂは、それぞれ、図６に示される実施形態に類似の本発明のさらに別の実施形態に従う側面図および頂面図である。図１４ａおよび１４ｂにおいて、Ｎｉ（ＯＨ）ｘ電極を備える、アレイ様デバイスが提供される。この電極９５は、基材９３の上またはその中に形成され、そして、導線９６がシルバープレート９４上のそれぞれの電極に接続される。ガスケット９２は、電極９５からカバーガラスを分離する。アクセスホール９０が、カバーガラス９１に提供される。このようなデバイスの例示的長さ９７は、約２ｃｍであり得る。
【００８８】
図１５ａ、１５ｂ、および１６は、本発明のバブルフリー電極および気体発生電極を試験するために使用され、そして本発明として使用される種々のシステムを示す。図１５ａにおいては、以下の記載の実施例と関連する。
【実施例】
【００８９】
（バルク多孔性電極実験）
図１５ａおよび１５ｂに示されているデバイスを、大容量の発生された酸素を大気中に放出させるためにこの実験において使用した。このデバイスは、気泡を発することなくパラジウム電極の電気容量が持続することを試験するのに有用である実用的なデバイスである。このデバイスは、白金電極に対してパラジウム電極を比較し得る。図１５ａは、試験デバイスの側面図であり、そして図１５ｂは、同じデバイスの底面図である。このデバイスは、白金導線２００、その上部端で開いているピペットチップ２０２、顕微鏡スライド２０４および２０５、多孔性パラジウム電極２０６、ラバーガスケット２０８、スライド２０４中のアクセスホール２１０、およびバッファ２１２を備える。この電極を備えるセルは、１５ｍｍ×１５ｍｍ×１ｍｍの寸法を有していた。２つのアクセスホールを、平行に接続されてそして対向する電極としての役割を果たす白金導線を用いて上記のセルを２つのピペットチップに接続するために、上部ガラス中に穿孔した。試験電極を、ナノポーラスパラジウム（粒径３０ｎｍ、比重（ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｄｅｎｓｉｔｙ）５．４２４ｇ／ｃｍ３（４５％  Ｐｄ）、サイズ１ｍｍ×ｌ．５ｍｍ×８ｍｍ）から作製した。開始時において、全てのレザバまたは容器を、同じ緩衝材料で満たした。このＰｄ電極を、深さ１．５ｍｍで緩衝液に浸漬した。緩衝液に露出したＰｄの容積は、２．２５ｍｍ３であった。ファラデーの法則を使用すると、当業者にとって公知であるように、白金電極によって発生したガスの量および本発明のパラジウム電極によって吸収されるガスの量が計算され得る。
【００９０】
（新しい電極の作動：）
１ｍＭ  ＥＤＴＡと混合した１０ｍＭ  Ｔｒｉｓ  ＨＣｌを含む緩衝液を使用し、そしてこれは、約８．０のｐＨであった。印加した電力は、電圧１００Ｖ、３ｍＡの初期電流、および最終電流０．５ｍＡであった。５０分間にわたって気泡は形成されず、そして、通過した総電荷量は、約５Ｃであった（これは０．５５  ｍｌのＨ２に等しい）。次いで、この極性は、反転され、そしてこのセルを、初期電流０．５ｍＡおよび最終電流０．９ｍＡで作動し、それによって、３５分間にわたってＯ２気泡は形成されなかった。
【００９１】
（反復される作動：）
緩衝液を提供し、そして、これはＨ２ＳＯ４（１：１００希釈）を含んだ。４ｍＡの電流が、適用され、そして、アノードは５分間にわたって気泡を発生させずに作動した。２．３ｍＡの適用した電流を用いて、このアノードは、１０分間にわたって気泡を発しないで作動した。通過した電荷量は、約１．２Ｃ（０．１４ｍｌのＨ２）であった。
【００９２】
数回の反復した作動の後に、いくつかの亀裂が緩衝液に対して露出された電極の部分において観察された。これは、電極の浸漬された部分と電極の浸漬されていない部分の異なる膨張に起因する。Ｈ２の蓄積または拡散は、より高い電流で、亀裂により不利に影響を与えられた。いくつかの気泡が、電極が完全な電気容量に達する前に亀裂の鋭い縁において観察された。
【００９３】
（薄膜電極）
細いＣｕ導線を、電極の１つの末端に半田付けした。この導線の露出した部分と半田とを、エポキシで被覆して緩衝液との接触を防いだ。測定のために、この電極を、小さなペトリ皿の中の緩衝液に浸漬した。この緩衝液は、１ｍＭ  ＥＤＴＡと混合した１０ｍＭ  Ｔｒｉｓ  ＨＣｌを含み、そして、ｐＨは約８．０であった。印加した電圧、電流、およびＨ２の形成時間を、モニターした。
【００９４】
気泡の形成を、顕微鏡下で観察した。
【００９５】
以下の３つの型の電極を試験した。：
−（１）６００℃にてＡ１２Ｏ３基材上で焼成した、薄膜ナノポーラスＰｄ  ２０μｍ厚（１１ｍｍ×６ｍｍ）；
−（２）１００℃にてＡ１２Ｏ３基材上で乾燥した薄膜ナノポーラス  Ｐｄ  ４０μｍ厚（５．５ｍｍ×１０ｍｍ）薄膜；および
−（３）米国特許第５，８３３，８２６号で使用された固体パラジウムホイル２５０μｍ厚。このホイルは、エポキシで被覆され、そして１４ｍｍ×４ｍｍの寸法の片面のみを緩衝液に対して露出した。
【００９６】
第１の電極についての条件は以下であった：印加した電圧４Ｖ、電流１．１ｍＡ、最初に気泡が発生するまでの時間２０分間、通過した総電荷量１．３Ｃ。反転した極性、電流１．４ｍＡ、１５分間Ｏ２の気泡を発生せず。
【００９７】
第２の電極についての条件は以下のとおりであった：
印加した電圧２０Ｖ、電流１０ｍＡ、最初に気泡が発生するまでの時間５分間、総電荷量３Ｃ。
【００９８】
どちらの場合にも、電流が最も強い縁部にて、気泡が形成された。異なる電極配置について、総電荷はより高いものであり得る。
【００９９】
第３の電極についての条件は、以下であった。印加した電圧は、４Ｖであって、適用した電流は、１ｍＡであって、最初の気泡形成までの時間は１００分間であって、そして、通過した総電荷量は６Ｃであった。印加した電圧１５Ｖにおいて、適用された電流１１ｍＡで、３０分間の時間間隔について、通過した電荷は、１９．８Ｃであった。反転した極性条件下で、印加した電圧は１０Ｖであって、適用した電流は、６．２ｍＡであって、そして時間間隔は、１２分間にわたった。
【０１００】
（試験したＰｄ電極について通過した電荷の要約）
【０１０１】
【表１】
2005501234.tif 000004
【０１０２】
（水酸化ニッケル電極）
水酸化ニッケルは、再充電可能アルカリ電池で使用される。Ｐｄ電極と異なって、水酸化ニッケル電極は、以下の式に従ってＨ２およびＯ２の気泡を発生することなく、Ｈ＋イオンおよびＯＨ−イオンと反応した：
Ｎｉ（ＯＨ）２（ｓ）＋２ＯＨ-←→Ｎｉ（ＯＨ）４（ｓ）＋２ｅ−  そして
Ｎｉ（ＯＨ）４（ｓ）＋２Ｈ＋←→Ｎｉ（ＯＨ）２（ｓ）＋２Ｈ２Ｏ−２ｅ−
ここで、（ｓ）は「固体」であり、ｅ−は、電子である。
【０１０３】
一方の側で、電極は、電気的伝導体（金属）に接続されるべきであり、そして、形状、電流密度、粒径、充填密度、電極の電気的伝導性、亀裂などのパラメータが、このシステムを最適化するのに重要な役割を担っている。しかし、生体分子の電気泳動において使用される比較的低い電流は、都合のよいように機能する。
【０１０４】
（水酸化ニッケル電極実験）
２つの短いガラスチューブ（Ｉ．Ｄ．１．５ｍｍ，１０ｍｍ長）に、部分的に充電したＮｉ−Ｃｄ電池からＮｉ（ＯＨ）２およびＮｉ（ＯＨ）４の混合物を充填した。一方の側で、Ｐｔ導線は、混合物の内部に３ｍｍ挿入され、そしてこの側をエポキシで密閉した。次いで、この短いチューブを、５０ｍＭのＴｒｉｓ緩衝液で満たしたより薄いガラスチューブ（Ｏ．Ｄ  １．２ｍｍ，Ｉ．Ｄ．０．６ｍｍ，１３５ｍｍ長）の端に置き、そして、これらの間の間隙をエポキシでシールした。より長いチューブの２つの開いた末端を、５０ｎＭ  Ｔｒｉｓ緩衝液を満たしたバイアルに配置した。
【０１０５】
図１６は、水酸化ニッケル電極システムにおける高電圧条件下で、視覚による検査によって決定されるような、気泡形成の前の時間の長さを試験するためのデバイスを示す。Ｐｔ導線を、ＫＥＩＴＨＬＥＹ電位計に接続して、そして、図１６に示されるように、１０００Ｖ  ＤＣの高電位を印加した。図１６のデバイスにおいて、参照番号２１５は、ＫＥＩＴＨＬＥＹ電位計を示し、２２０および２２２は、電極を示し、そして、２２４および２２６は、長いチューブを示す。この測定された電流は、２７５μＡに等しかった。１０分後に、１つの電極において小さな気泡が視認し得た。通過した総電荷は、０．１６５Ｃに等しく、これは、電極の完全な理論的電気容量（約１０Ｃ）のうちの一部分であるに過ぎない。水酸化ニッケルの充填は、乏しく、そして、Ｐｔ導線に対する短い経路が存在したことが明らかであった。この問題を解決するために、細かく微粉化された水酸化ニッケルのペーストを、結合剤としてＮＡＦＩＯＮ溶液を用いて作製した。このペーストの特定の組成は、それが使用される特定の用途の要件によって決定され得る。
【０１０６】
結論として、バブルフリー電極のための２つの選択された材料が期待どおりに機能して、そして広範囲の適用をカバーするために一緒に使用され得る。このパラジウム電極は、より高価であるが、固体形態またはバルクナノポーラス形態において、再利用可能デバイスに組み込まれ得る。ナノポーラスパラジウムインクは、ガラスまたはプラスチック上に印刷することによって適用され得る。固体であるかまたは高温で焼成したパラジウム電極は、高い電気伝導性を有しており、進行波分離のような高速の用途において有利である。試験された電極について外部電気工学機器に接続されることは、同じ理由で比較的簡単である。
【０１０７】
水酸化ニッケル電極は、安価であり、容易に製造され得、そして、使い捨てデバイスにおいて有用である。この電極は、カソードまたはアノードとしての用途について最適化される。
【０１０８】
（電気的流れの実施例１）
ここで、図１７を参照すると、電気的流れ配置は、パラジウムから作製される電極が、米国特許第５，８３３，８２６号に記載のような電気的流れのブレットボードでの、配列決定泳動の間に発生する水素ガスの体積を排除するか否かの確立について示されている。前述のように、電気分解からの気泡の発生は、流体経路および電気的流れのブレットボードの熱管理局面を複雑化する傾向がある。
【０１０９】
図１７に示されているように、配置１００は、パラジウム管状材料からなる陰極１０２および陽極電極１０４を備え、そして１ｍｍの外径および０．１ｍｍの壁を有する。この電極１０２および１０４を、レザバ１０６中に含まれる水道水に浸漬させた。電極の浸漬の深度は約３ｃｍであった。電気的システム１０８を使用して、電気分解のために約７４ＶのＤＣ電圧を電極１０２および１０４に提供し、そして、感知された電流は、約２１ｍＡであった。この配置を、約２１℃の温度で維持した。電極１０２の先端を、クリンピングし、エポキシ絶縁体１０３を提供した。このエポキシ絶縁体の役割は、電極１０２の先端によって提供される縁における場の密度を最小化することであり、かつ局所的な気泡の発生を最小化することであった。
【０１１０】
約１２分間の期間の後に、気泡が陰極のパラジウム電極に生じた。陰極１０２から水素を取り除くために、電極の極性をおよそ同じ時間、すなわち、約１２分間に亘って反転させた。酸素ガスが、約１２分間に亘って、陽極としての電極１０２に発生しなかったことに留意のこと。
【０１１１】
上記の実験を、３回繰り返して、ほぼ同じ結果を得た。真空が、陰極にて適用されたが、効果は認められなかった。
【０１１２】
上記の実験は、感知した温度において、パラジウムは特定の体積の水素を表面のみで吸収するとの結論が導いた。上記の実験において感知された電流（すなわち、２１ｍＡ）は、電気的流れの用途ための通常の電流よりは高かった。しかし、約６０分間以上の電気分解時間が実用上異常なものでないと仮定して、利用可能なフローセルおよび配管に対応する電気的流れの電流が計算され、そして実験的な論拠に基づいて約１３ｍＡであるとの確証を得て、これについては、以下でさらに詳細に記載される。将来の改変は、電流についての値を、約９ｍＡまで低下させ得る（例えば、スリット高が０．００８インチ）。このスリットは、フローセル中の長方形の解放された部分であると理解されるべきである。このスリット高を減少させることによって、この導電性ポリマーの抵抗性部分は減少して、その結果、この部分を通る有効抵抗の増加が得られる。この抵抗増加は、オームの法則によって与えられるように、所定の電圧についての電流を低下させる。
【０１１３】
以下の式１を考慮すると：
ＮαＴ×Ｉ                                式１
ここで、
Ｎ：吸収される水素原子の総数；
Ｔ：電気分解の実行時間（分）；
Ｉ：適用された電流（ｍＡ）
であり、示されることは、吸収される水素原子の総数は、電気泳動の実行時間（分）と適用された電流（ｍＡ）との積に比例するということである。実施例１において、Ｉは、２１ｍＡに等しく、そして、Ｔは１２分間に等しかった。
従って、：
Ｎα  １２（分）×２１（ｍＡ）            式２
である。
【０１１４】
上述したように、利用可能なフローセルおよび配管に対応する電気的流れが、計算され、そして、実験的論拠に基づいて約１３ｍＡであると確証を得た。
【０１１５】
従って、
Ｎα  １９．４（分）×１３（ｍＡ）      式３
であり、換言すると、電気的流れの実施例１において使用された表面積の電極を用いる電気分解において１９．４分間という気泡の発生しない実行時間を有する。電極の表面積を増大させることによって、気泡が発生しない実行時間が増やされる。
電極１０２の表面積は、以下；
Ａ＝浸漬深度×２×電極の半径×π
＝３０ｍｍ×２×０．５（ｍｍ）×π＝９４．２４ｍｍ２        式４
である。従って、約９４．２４ｓｑ．ｍｍの面積Ａについて、約１３  ｍＡで、実行時間は、水素ガスの発生を伴わずに約１９．４分まで到達し得る。従って、約６０分間という実行時間に亘って、この面積は、以下：
Ａ＝（６０／１９．４）×９４．２４ｍｍ２＝２９２．１７５ｍｍ２      式５
でなければならない。
【０１１６】
上述の観点において、約３００ｍｍ２の表面積を有する電極は、図１７の配置において機能すべきであることが結論づけられ得る。
【０１１７】
ここで、図１８を参照すると、改変した電極のための設計が、電極１０２’の形態で示される。ここで、この電極１０２’は、パラジウムのシートを含み、このシートは約１２．５ｍｍ×１２．５ｍｍの寸法であり、そして、露出したパラジウム表面１０１を縁取る絶縁性縁取り１０３を用いてその縁で絶縁されている。
【０１１８】
本発明の１つの実施形態に従って、パラジウム表面から水素を取り除くための設定は、このパラジウム電極の近くに位置づけられた特別な水素除去電極を含み得る。この水素除去電極は、電気的流れの配置の「浄化」サイクルの間のみ使用される。密な近接性によって、非常に高い電流（例えば、１０００ｍＡ）が低い電圧（例えば、１２Ｖ  ＤＣ）で比例的に短い時間（例えば、１分間）に亘って使用されることが可能となる。
【０１１９】
本発明の代替的実施形態に従うと、酸素が水素と反応する傾向が、利用され得る。この実施形態に従って、図１８に記載の電極と類似の２つのパラジウム電極が使用され得る。配列決定をするためにこの機器を使用する前に、反転した極性が、この電極に対して印加され得る。これは、通常の陽極を水素で飽和させる。配列決定泳動の間に、この電極は陽極であり、ついで、酸素の気泡が発生されるよりも、酸素は水素で飽和された電極と優先的に反応する。この陰極のパラジウム電極は、水素の気泡を吸収する。配列決定周期の最後において、この電極の極性は、次の配列決定泳動の前に、電極を「再充電」するために再び反転される。１原子の酸素だけが、使用される２つの水素原子ごとに生成されるので、陰極の約２分の１の表面積だけの表面積を有する陽極を使用することがさらに可能である。上記の設計の可能な利益は、バブルフリー電気的流れシステム、実質的により低い電気的流れの電圧を生じる、電気的流れのための非常に短い導電性経路を備え、導線も関連するバルブも備えず、そして、潜在的なコスト節約および性能の増大を伴う。
【０１２０】
（電気的流れの実施例２）
図１９をここで参照すると、図１７の配置の改変されたバージョンを、使用した。ここで、図１７の電極１０２を電極１０２’で置き換えた。電極１０２’は、約１１ｍｍの浸漬深度で水道水中に置かれ、そして、約２２ｍｍの幅をさらに有するパラジウムの平面状のシートであった。水素を吸収する能力は、表面の現象であり、非常に薄いゲージまたは材料を使用した。電極１０２’の縁における場の密度を最小化するために、電極１０２’の縁を、エポキシからなる絶縁性の縁取りで被覆した。電気的システム１０８’は、電気分解のために、約５０ＶのＤＣ電圧を電極１０２’および電極１０４に供給するために使用し、そして、感知された電流は、約１３ｍＡであった。
【０１２１】
約６０分間の期間の後に、気泡が陰極のパラジウム電極で生じた。この陰極１０２’から水素を取り除くために、電極の極性を、おおよそ同じ量の時間、すなわち、約６０分間に亘って反転させた。酸素ガスが電極１０２’で生じず、この作動の期間に亘って陽極として作用することに留意のこと。
【０１２２】
本発明の１つの実施形態に従って、実施例１および実施例２で実証される原理が、実施され得る。この点に関して、ここで、図２０を参照すると、ここでは、本発明の１実施形態に従った電気泳動配置１１１が、模式的な形態で示されている。ここで、第１の電極１１２、第２の電極１１４、および第３の電極１１６（これら、全てはパラジウムから作製される）は、チャネルのアレイ（例えば、１２４で示されるようなキャピラリー）とともに使用されることが示される。第２の電極１１４および第３の電極１１６は、キュベット１１８中に位置づけられ、このキュベットには、ポリマーのような電解質（例えば、ＰＯＰ６電解質または別の適切なおよび／または従来の電解質）が供給されている。この電解質を、インレット１２２を通し供給し、そしてこのポリマーは示されるようなアウトレット１２０を通して排出され得た。このインレット１２２およびアウトレット１２０に、キュベット１１８に出入りするポリマーの流れを制御するためにそれぞれバルブ１２３およびバルブ１２１を提供した。
【０１２３】
作動時において、キュベット１１８を、最初、電解質ポリマーで満たし、次いで、バルブ１２１および１２３を閉じた。次いで、第３の電極１１６を、アノードとして設定して、そして、第２の電極１１４をカソードとして設定した。次いで、この電気分解を、第２の電極１１４を所望の程度まで充電するための時間に亘って実施した。この最初の作動の時間間隔は、おおよそ、この電極で気泡を発生することなく配列決定泳動が続いて実行される時間間隔に対応した。第１の作動の間、酸素の気泡は、第２の電極１１４で形成した。その後、このキュベットのポリマーを、新しいポリマーで洗浄して、そして、サンプル注入後に、第１の電極１１２を、カソードに設定し、第２の電極１１４を、アノードに設定し、そして、第３の電極１１６をカソードに設定した。次いで、電気泳動の作動を、第２の電極での気泡形成を伴うことなく、上記の電気的流れの実施例１および実施例２に関して記載された理由のために、有利に実行した。このように、気泡によって電気泳動が損われることは、有利に防止される。
【０１２４】
本発明に従う上記電気的流れの実施例は、米国特許第５，８３３，８２６号（この開示は、本明細書中でその全体が参考として援用される）に示されるシステムに類似の電気泳動システムにおける本発明の原理の使用を示す。
【０１２５】
（ステンレス鋼電極を使用する比較実施例）
他の実験にしたがって、ステンレス鋼電極の使用によって、大変短い時間の後に、これらの電極で電気分解条件のもとガスの気泡の形成に至るが、一方で、パラジウムからなる電極の使用によって、かなり長時間にわたってこのようなガスの気泡の形成が防がれることが見出された。パラジウム電極が、電気分解の間に水素原子を吸収する時間間隔は、特に、その露出した表面積、すなわち、電気分解について利用可能である表面積に依存することに留意のこと。この電極の露出した表面積が大きくなればなるほど、パラジウム電極が電気分解条件の下でガス気泡を形成することを防止する時間間隔が長くなる。一方、ステンレス鋼電極は、１５秒ほどの短い時間でガス気泡の形成に至る。
【０１２６】
本発明の精神または範囲から逸脱することなしに、種々の改変およびバリーションが本発明の実施形態に対してなされ得ることが当業者にとって自明である。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲にある本発明の他の改変およびバリエーションに及ぶことが意図される。
本発明は、添付の図面を参照することによってより完全に理解され得る。これらの図は、発明の範囲を限定することなしに例示的な本発明の実施形態を示すことを意図する。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】図１は、本発明の実施形態に従う分析デバイス例の略図である。
【図２ａ】図２ａは、本発明の実施形態に従う分析デバイスの頂面図である。
【図２ｂ】図２ｂは、図２ａの線ＩＩｂに沿ってとった断面図である。
【図３】図３は、本発明の別の実施形態に従う分析デバイスの略図である。
【図４】図４は、本発明のさらに別の実施形態に従う分析デバイスの略図である。
【図５】図５は、本発明の例示的実施形態に従うカード型のデバイスの頂面図である。
【図６】図６は、本発明の例示的実施形態に従うマトリクスデバイスの側面図である。
【図７ａ】図７ａは、本発明の例示的実施形態に従う密閉キャピラリー分析デバイスの側面図である。
【図７ｂ】図７ｂは、図７ａに示されるチューブのような複数のキャピラリーチューブの末端を密閉するためのシーリングデバイスの頂面図である。
【図８ａ】図８ａは、サンプル中の成分の吸引を与えるための圧力駆動フロープロファイルを使用する本発明の実施形態に従う低周波数濃縮装置の側面図である。
【図８ｂ】図８ｂは、電気泳動流プロファイルおよび電気泳動流の流れ方向に関して横方向である成分保持電極を利用する成分濃縮装置の側面図である。
【図９】図９は、本発明のさらに別の実施形態に従う圧力ジェネレータおよび崩壊性シールを備える分析デバイスの頂面図である。
【図１０】図１０〜１３は、本発明の実施形態に従う種々の例示的な分析デバイスの頂面図である。
【図１１】図１０〜１３は、本発明の実施形態に従う種々の例示的な分析デバイスの頂面図である。
【図１２】図１０〜１３は、本発明の実施形態に従う種々の例示的な分析デバイスの頂面図である。
【図１３】図１０〜１３は、本発明の実施形態に従う種々の例示的な分析デバイスの頂面図である。
【図１４ａ】図１４ａおよび図１４ｂは、それぞれ、本発明のさらなる別の実施形態に従う分析デバイスの側面および頂面図である。
【図１４ｂ】図１４ａおよび図１４ｂは、それぞれ、本発明のさらなる別の実施形態に従う分析デバイスの側面および頂面図である。
【図１５ａ】図１５ａ、図１５ｂ、および図１６は、以下に記載の実施例とともに使用される種々のシステムを示す。
【図１５ｂ】図１５ａ、図１５ｂ、および図１６は、以下に記載の実施例とともに使用される種々のシステムを示す。
【図１６】図１５ａ、図１５ｂ、および図１６は、以下に記載の実施例とともに使用される種々のシステムを示す。
【図１７】図１７は、エポキシによって被覆された電極の先端を示す細長部分を含む本発明の実施形態に従った装置の概略図である。
【図１８】図１８は、本発明の実施形態に従う有用な改変された電極の概略図である。
【図１９】図１９は、本発明のさらに別の実施形態に従った装置の概略図である。
【図２０】図２０は、本発明の実施形態に従う電気泳動デバイスの概略図である。
【図１７】
2005501234.tif 000005
【図１９】
2005501234.tif 000006
【国際公開パンフレット】
2005501234.tif 000007
2005501234.tif 000008
2005501234.tif 000009
2005501234.tif 000010
2005501234.tif 000011
2005501234.tif 000012
2005501234.tif 000013
2005501234.tif 000014
2005501234.tif 000015
2005501234.tif 000016
2005501234.tif 000017
2005501234.tif 000018
2005501234.tif 000019
2005501234.tif 000020
2005501234.tif 000021
2005501234.tif 000022
2005501234.tif 000023
2005501234.tif 000024
2005501234.tif 000025
2005501234.tif 000026
2005501234.tif 000027
2005501234.tif 000028
2005501234.tif 000029
2005501234.tif 000030
2005501234.tif 000031
2005501234.tif 000032
2005501234.tif 000033
2005501234.tif 000034
2005501234.tif 000035
2005501234.tif 000036
2005501234.tif 000037
2005501234.tif 000038
2005501234.tif 000039
2005501234.tif 000040
2005501234.tif 000041
2005501234.tif 000042
2005501234.tif 000043
2005501234.tif 000044
2005501234.tif 000045
2005501234.tif 000046
2005501234.tif 000047
2005501234.tif 000048
2005501234.tif 000049
2005501234.tif 000050
2005501234.tif 000051
2005501234.tif 000052
2005501234.tif 000053
2005501234.tif 000054
2005501234.tif 000055
2005501234.tif 000056
2005501234.tif 000057
2005501234.tif 000058
【国際調査報告】
2005501234.tif 000059
2005501234.tif 000060