(57)【要約】マイクロ流体装置(11)用の事前準備ユニット(31)は、加圧ユニット(35)、ならびに加圧ユニット(35)よってかけられる圧力および圧力がかけられる時間を調節するフィードバックループ(55)の一部としての圧力検出器(46)および温度検出器を含む。この制御機能は、事前準備液体中の染料に対するマイクロチャネル(15)の曝露時間を調節するうえで特に有用である。これは、ある染料は、チャネルの壁に付着し、非一様な結果を生じさせる傾向があるからである。2008523390.tif 000003
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも1つのリザーバを有し、マイクロ流体ブロックを受け入れるように構成され、該リザーバがマイクロチャネルネットワークと流体連通する、キャリアと、
該キャリアを受け入れ、液体を該リザーバから該マイクロチャネルネットワークに押し込む加圧ユニットとを含む、
マイクロ流体ブロック内のマイクロチャネルネットワークに液体を事前準備する装置であって、
該加圧ユニットが、該リザーバに圧力をかける圧力印加手段と、かけられた圧力を検出する手段と、および検出された圧力に基づいて該圧力印加手段の自動化制御を行い、選択された量の液体を該リザーバから該マイクロチャネルネットワークに移動させる圧力レベルおよび加圧時間で該加圧ユニットが該リザーバを加圧するフィードバックループとを含む、装置。
【請求項２】
リザーバに圧力をかける手段が、バレルおよびモータ駆動プランジャを含む、請求項1記載の装置。
【請求項３】
モータ駆動プランジャが、ステップモータによって駆動される、請求項2記載の装置。
【請求項４】
モータ駆動プランジャが、プランジャ、および親ねじによって該プランジャに動作可能に接合されたモータを含む、請求項2記載の装置。
【請求項５】
圧力を検出する手段が、圧力トランスジューサである、請求項1記載の装置。
【請求項６】
バレル、モータ用の台、および圧力検出手段用の台は、単一の射出成形部品とし一体化される、請求項2記載の装置。
【請求項７】
バレルは圧力がリザーバに伝達される出口端部を有し、圧力トランスジューサは該出口端部に位置する、請求項5記載の装置。
【請求項８】
キャリアの温度を検出する手段をさらに含み、フィードバックループが、検出された温度および検出された圧力の両方を表す信号を受信し、該両方の信号に基づいて該圧力印加手段を制御する、請求項1記載の装置。
【請求項９】
バレルが、リザーバと接触する界面を有する出口端部を有し、手で取り外し可能な圧力シールを該界面の所にさらに含む、請求項2記載の装置。
【請求項１０】
バレル、モータ用の台、圧力検出手段用の台、および手で取り外し可能な圧力シールを受ける突起が、単一の射出成形部品とし一体化される、請求項9記載の装置。
【請求項１１】
フィードバックループが、選択された量の液体を通過させるように選択された圧力対時間の積分値に従って圧力レベルおよび持続時間を調節するようにプログラムされたコントローラを含む、請求項1記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
1．発明の分野
本発明は、マイクロ流体の分野にあり、特に、マイクロ流体装置のチャネルに液体またはゲルを充填するように構成された自動化事前準備ユニットのある特徴にある。本発明は、特に、自動化電気泳動の「ラボオンチップ」システムに関する。
【０００２】
関連出願の相互参照  
本出願は、2004年12月10日に出願され、内容が参照により全体的に本明細書に組み入れられる米国仮特許出願第60/635，223号の恩典を主張する。
【背景技術】
【０００３】
2．先行技術の説明
電気泳動は、マイクロ流体装置で自動的に実行できる実験室手順の一例である。他の例には、流体力学、構造力学、熱力学、および反応速度論のような様々なプロセスおよび現象のマイクロスケール結合分析およびシミュレーションがある。代表的な例として、電気泳動はマイクロ流体の用途および利点を代表するものである。電気泳動用の代表的なマイクロ流体装置は、プラスチックキャリアに固定された小さなガラス板（または「チップ」）である。ガラス板は、電気泳動における最適な効果をもたらすように設計されたネットワークパターンのマイクロチャネルのアレイを含む。電気泳動分析に伴う様々な手順は、サンプル注入、分離、染色、および脱染などの目的で材料を各マイクロチャネルに通過させることによって行われる。これらの手順のすべてと、検出およびデータ分析は、ユーザの介入無しで行われる。チップおよびキャリアを含むシステム全体としての構成要素は通常、電気泳動を行うのに必要な電気的、光学的、およびハードウェア構成要素を収納する電気泳動ステーション、チップに適切な液体またはゲルが充填され、電気泳動の準備がなされる事前準備ステーション、サンプルおよびローディング・バッファがチップのウェルの内側で混合されるボルテックスステーション、システム動作およびデータ処理用のソフトウェア、および特定の種類の分離用の分析キットを含む。
【０００４】
電気泳動用の代表的なマイクロ流体装置は、マイクロチャネルの相互接続ネットワークを含むチップまたはブロックである。そのような1つの装置が図1の斜視図および図2の側面図に示されている。装置11は、互いに結合された少なくとも2つの層、上部層12および下部層13から成る平面状の層化本体構造を有する。下部層13の上面14は、溝15のパターンを含むようにエッチングまたはその他の方法で切削もしくは成形される。2つの層を接合すると、これらの溝は、電気泳動が行われるゲルまたはその他の分離媒質を含むマイクロチャネルをチップ内に形成する。上部層の孔16は、2つの層を組み合わせたときにマイクロチャネルに到達できるようにする大きな開口部を形成する。図1は、4x4アレイの16個の孔を示している。このような装置を電気泳動に使用する際、粘稠性液状であることもある分離媒質が16個の孔のうちの1つ、通常アレイの四隅のうちの1つにある孔に配置される。他の孔は、バッファ、染色液、およびサンプルのような、電気泳動手順で使用される他の液体用に指定されることが多い。
【０００５】
使用時には、図1および2のマイクロ流体装置11は、一般に「キャディ(caddy)」と呼ばれるキャリア21に密閉される。このような代表的なキャリアが図3に示されている。キャリアは、マイクロ流体装置を完全に密閉し、それのため、この図では装置が見えなくなっている。キャリアの形状は、変更することができ、マイクロ流体装置と一緒に使用される残りのユニットおよび構成要素と調和して使用できるように選択される。図3に示されているキャディは、概ね矩形であり、2つの湾曲した互いに向かい合う縁部22、23を有する。キャリアは、マイクロ流体装置の孔16（図1）と同じ間隔および配置を有する円筒形の延長部24のアレイを含み、マイクロ流体装置がキャリアに挿入されるときに孔に揃う。これらの延長部は、孔上にリザーバを形成し、圧力がかけられたときに孔を通ってマイクロチャネルに入るゲルまたは液体を保持する。図示していないが、キャリア21は、マイクロ流体装置をキャリアから取り外すことなくマイクロチャネルに配置された流体に対して電気泳動（またはその他の手順）を実行できるようにする様々な構造および接続部材も含む。
【０００６】
マイクロ流体装置の信頼性、再現性、および使いやすさに影響を与える1つの因子は、電気泳動分析に必要なゲルまたは任意の液体をマイクロチャネルに事前準備する方法である。たとえば、分離マトリックス内の染料は事前準備中にマイクロチャネルの壁に結合する傾向がある。検出チャネル内の壁に結合した染料は、計器の検出感度に悪影響を与える背景信号になり、それぞれの異なるチップ間に非一様性を生じさせる。たとえば、RNAを含むマトリックスと一緒に使用することになっているチップは、RNA染料のカチオン性のために特に染料が結合しやすい。一般に、壁に結合する染料の量の差は、壁が染料にさらされる時間を調節することによって最小限に抑えるかまたは無くすことができる。たとえば、タンパク質分析に使用されるチップでは、一般的な慣習として事前準備時間が最長で1分に制限される。核酸のような他の種の分析に使用されるチップでは、より短い最長事前準備時間が必要になることがある。本発明は、事前準備プロセスを容易にし、曝露時間およびマイクロチャネルに配置されるゲルまたは液体の量に対する改良された制御を可能にするいくつかの特徴を提供する。
【発明の開示】
【０００７】
発明の概要
本発明は、加圧ユニット、圧力検出器、好ましくはさらに温度検出器と、検出器から信号を受信し、過度の曝露時間無しで、事前準備流体の粘性に基づいてマイクロ流体装置を完全に事前準備させる圧力対時間プロファイルを生成するように信号を処理するためのフィードバックループとを含む、マイクロ流体装置用の事前準備ユニットにある。本発明の好ましい態様では、専用の構成要素が、事前準備ユニットの経済性および効率にさらに寄与する。そのような要素の一例は、事前準備流体を含みマイクロチャネルに流体を送るリザーバに空気圧をかけるバレルおよびモータ駆動プランジャである。他の例は、射出成形部品のような単一の部材としての、バレル、プランジャモータ用の台、および圧力検出器用の台の組み合わせである。他の例は、ピストンバレルがキャリア内のリザーバに接触する部位に配置され、摩耗したときに容易に取り外して交換することのできる斬新なシールである。本発明のこれらおよびその他の特徴、目的、および利点ならびに本発明の用途は、以下の説明から明らかになろう。
【０００８】
発明および好ましい態様の詳しい説明
本発明は広範囲の構成および態様が可能であるが、特定の態様を詳細に検討することによって、本発明の基本的な概念および原則ならびに本発明の新規の局面を理解することができる。このような一態様を図4、5、および6に示し、以下に説明する。
【０００９】
図4の事前準備ユニット31は、基部32および頂部33を含み、基部32および頂部33は、基部の背部の所のヒンジ連結部によって接合されている。ユニットは、開位置で示されており、頂部を下方に矢印34の方向へ回転させることによって閉じられる。ユニットをマイクロ流体装置の事前準備のために準備する場合、マイクロ流体装置を保持するキャリアのリザーバのうちの1つまたは複数に事前準備流体を充填する。これは、キャリアを事前準備ユニットの内側に配置する前または配置した後で、事前準備ユニットをキャリア上に閉じる前にピペットによって行うことができる。事前準備ユニットを閉じた後、事前準備ユニット内の供給配管をキャリア内のマイクロ流体装置に係合させる。事前準備ユニットは、リザーバ上に圧力シールを形成し、それによってリザーバ内に流体を密封し、リザーバを事前準備ユニットの内側で発生する圧力で加圧するのを可能にする。この圧力は、リザーバ内の液体をマイクロ流体装置のマイクロチャネルに押し込む。圧力は、事前準備ユニットの内側のバレル内を移動しモータによって駆動されるプランジャによって生成される空気圧として供給される。電気モータ特にステップモータは、適切なモータの例である。モータによって発生した力は、従来の手段、一例として親ねじによってプランジャに伝達される。
【００１０】
マイクロ流体装置を保持するキャリア21は、マイクロ流体装置が適切な固定具または嵌め合い輪郭、あるいはその両方によって所定の位置に固定された、基部32の所定の位置に示されている。キャリア上の円筒形の延長部24は、露出され、上向きに開放している。圧力が加圧構成要素からキャリア21の適切な円筒形延長部、そして、延長部およびその下の孔によって形成されたリザーバまで伝達される送達ポートとして働く界面シール(interfacing seal)36を有するモータ駆動加圧構成要素35が、事前準備ユニットの頂部33に取り付けられている。圧力をかけると、リザーバ内の液体がマイクロ流体装置内のチャネルに流入する。
【００１１】
図5は、加圧構成要素35の拡大図である。この構成要素は好ましくは、射出成形またはその他の従来の鋳造、機械加工、もしくは成形技術によって形成された単体の成形プラスチック部品である。この図に示されている構成要素は透明であり、バレル41、バレル内を軸方向に移動するプランジャ42、プランジャ42の位置を調節する親ねじ43、親ねじを駆動するモータ44から成っている。上記に指摘したように、モータ44は、厳密な制御を受けながら小刻みに移動することのできる任意の従来のモータであってよい。リニアステップモータは適切モータの例である。バレルの出口端部45は、圧力トランスジューサ46用の台を形成するように拡大されており、トランスジューサの検知面はバレルの内側に面している。バレル出口端部45の一方の側の突起47は、圧力印加出口として働き、内部バレル圧力を外側の矢印48で示される方向へ、マイクロ流体装置キャリア上の圧力受け円筒形延長部に伝達する導管を形成している。
【００１２】
バレル41の入口端部に、親ねじ43が走行できる拡大ハウジング51がある。ハウジング51の壁の溝または長穴53内まで延びる、タブまたはピンなどのフォロア52が、親ねじに固定されかつ親ねじから横方向に突き出ている。親ねじ43がモータ44に応答して軸方向に移動すると、フォロア52が溝または長穴53内を走行する。フォロア52は、親ねじ43がモータによって駆動されるときに親ねじ43が回転するのを防止し、それによって親ねじの直線走行移動を制限する。親ねじの方位のさらなる固定は、両側フォロアを使用することによって実現することができる。フォロア52は、親ねじの走行範囲の一方または両方の端部の所のスイッチをし、プランジャ42の走行を制限するように構成することもできる。
【００１３】
図6は、界面シール36の拡大図である。シールは、円筒形プラグ部61およびタブ62から成っている。タブは、挿入、取り外し、および交換のためにシールを手で取り扱う場合に使用される。プラグ部61は、加圧構成要素（図5）の突起47の内側に嵌る。プラグ部の上面63は丸くなっているかまたは環状であり、かつ弾性的であり、突起の内部に対するOリング型シールを形成する。プラグの中央通路64は、圧力をプラグを通して下方のキャリアおよびマイクロ流体装置に伝達するのを可能にする。外部リブ65は、突起内部の溝または切り欠きと嵌め合い、シールの方位を調節する。
【００１４】
図5に戻ると、コントローラ54は、圧力トランスジューサ46およびモータ44を接合し、リザーバにかかる圧力を自動的に調節するのを可能にする単一のフィードバックループ55の一部を形成する。制御アルゴリズム、たとえば、デッドバンドアルゴリズムによって、目標圧力または圧力−時間プロファイルもしくは積分値を事前に選択してリザーバに適用することができる。好ましくは、アルゴリズムは、圧力対時間の事前に選択された積分値をリザーバに適用して、指定された体積の液体をリザーバ内に配置し、アルゴリズムに従ってモータが駆動される。積分値は、一定の圧力についての圧力と時間の単純な積または経間的に変化する圧力の積分値であってよい。事前準備が行われた後、プランジャをその開始位置に戻し、ユニットを開いてバレルをマイクロ流体キャリアから分離する。圧力のみではなく圧力対時間の積分値に基づく制御は、システムが圧力印加時間を調整して、かけられる圧力のエラーまたは変動を補償するのを可能にする。
【００１５】
バレルおよびプランジャに代わる手段はブラダ（bladder)、ブラダに空気、液体、またはオイルなどの流体を供給する流体源、および流体源とブラダとの間の制御可能な可変速度ポンプである。流体をブラダに汲み入れると、ブラダが膨張し、この膨張が、調節された圧力増大として円筒形延長部24に伝達される。他の手段は当業者に明らかであろう。
【００１６】
図4に戻ると、事前準備ユニット31の内側に温度センサ37が取り付けられている。温度センサ37は、検知される温度がキャリアおよびキャリアリザーバ内の液体の温度と同じになるようにキャリア21が取り付けられる部位に十分に近い位置に配置されている。このように検出された温度は、任意の所与の液体またはゲルの任意の関係による粘度を示し、温度による粘度の変化を補償する手段として働く。精密集積回路温度センサは、その例が当技術分野で公知であり、粘度調節に必要な精度を実現する。センサによって検出された温度は、図5に示されている同じコントローラ54によるファームウェア計算によって、好ましくは同じ制御ループで処理される。コントローラ54は、温度信号をアルゴリズムに取り込み、それに応じてプランジャ42の動きまたは位置を調整する。温度の変動は、圧力レベル、圧力印加時間、またはその両方を調整することによって補償することができる。温度は、事前準備ユニット内または周囲大気中で測定し、事前準備ユニット内のピストンを駆動するモータを動作させる制御ユニットに送信することができる。たとえば、22℃の内部温度を公称設定値として使用すると、あるゲルについての摂氏温度の1度の上昇は、圧力を3%低下させる（ゲージ圧の割合として表される）ことによって補償される。他のゲルについては他の温度−圧力（すなわち、粘度−温度）関係が成立し、ある場合には線形であり、他の場合には非線形である。任意の特定の液体またはゲルについての関係は、日常の実験によって容易に判定することができる。様々なマイクロ流体装置にそれぞれの異なる公称圧力設定値を使用することができる。したがって、3つの異なる装置はそれぞれ、50psi、75psi、および100psiの公称圧力設定値（すべてのゲージ）を有してよい。したがって、あるゲルでは、上記に指摘したように、自動化調整によって、22℃から1度変化するたびに圧力がこれらの各開始点から3%変化する。
【００１７】
本発明のある態様は他の特徴を含む。1つのそのような特徴は、ピストンストロークの開始位置近くの位置に設けられたバレルの通気穴である。この通気穴は、プランジャ上の圧力がストロークごとに周囲圧力または大気圧に戻るのを可能にする。他の特徴は、プランジャによって押し流されないバレルの体積を最小限に抑え、それによってシステム内の体積の量を最小限に抑えるように形作られたバレルを使用することである。これによって、所与のバレル体積の場合に到達できる圧力が最大になる。ある態様で恩典を与える他の特徴は、工具を使用せずに取り外し可能なシールを使用することである。シールは、このように取り外すと、洗浄または交換が容易になる。ある態様はまた、親ねじナットがモータと一体である。
【００１８】
上述の内容は主として例示のために与えられている。事前準備ユニットおよびその構成要素の構成、形状、および物理的配置の変形を施し、しかも、本発明を先行技術と区別する概念および特徴を利用することができる。これらの変形は、当業者には明らかであり、本発明の範囲内に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明を適用できるマイクロ流体装置の拡大図である（先行技術を表す）。
【図２】組み立てられた図1のマイクロ流体装置の端面図である（先行技術を表す）。
【図３】図1のマイクロ流体装置のキャリアの斜視図である（先行技術を表す）。
【図４】本発明による事前準備ユニットの斜視図である。
【図５】図4の事前準備ユニット内の加圧ユニットの斜視図である。
【図６】図4の事前準備ユニット内の界面シールの斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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