(57)【要約】  流体試験試料中の検体の存在又は非存在を測定するための、マイクロ流体検定デバイスが提供される。本発明は、少なくとも１つの導入流路と、分析ゾーンと、分析ゾーンの周縁部に配置された複数のウィッキング流路とを用いることによって、マイクロ流体デバイス中の連続的な流れを達成するための技法を提供する。例えば、１つの実施形態においては、ウィッキング流路は分析ゾーンから放射状に延びる。マイクロ流体デバイスのこの特定の形状の結果として、デバイスを通して流体試験試料の流れを引き起こすために、圧力源、動電学的力等のような能動的な力を必要とすることなく、「単一ステップ」で検定を行うことができる。同様に、流速は、分析ゾーン内での流体試験試料の滞留時間が、所望の反応及び／又は検出を可能とするのに充分な長さとなるように制御される。
2008525798.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体試験試料の中の検体の存在又は濃度を検出するための検定デバイスであって、
導入流路と、
前記導入流路と流体連通し、周縁部を規定し、前記検体を検出するための場所として働く、分析ゾーンと、
前記分析ゾーンの前記周縁部から外向きに延びる複数のマイクロ流体ウィッキング流路と、
を備え、
前記検定デバイスは、前記流体試験試料が、主として毛管作用によって、前記導入流路及び前記分析ゾーンを通して流れることを可能にするように形作られていることを特徴とする検定デバイス。
【請求項２】
前記導入流路が、約２０平方ミリメートル未満の断面積を有することを特徴とする請求項１に記載の検定デバイス。
【請求項３】
前記分析ゾーンが、前記検定デバイスに加えられる前記流体試験試料の実質的に全容量を収容するのに充分なサイズであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の検定デバイス。
【請求項４】
前記分析ゾーンが、実質的に円形の形状を有することを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の検定デバイス。
【請求項５】
前記ウィッキング流路が、前記分析ゾーンの周縁部から放射状に延びることを特徴とする請求項４に記載の検定デバイス。
【請求項６】
前記流体試験試料が、前記導入流路から前記分析ゾーンまで連続的に流れることができることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の検定デバイス。
【請求項７】
前記ウィッキング流路が、前記分析ゾーンに向かって内向きにテーパー付けされていることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の検定デバイス。
【請求項８】
前記ウィッキング流路が、約０．１から約１０までのアスペクト比、好ましくは約０．２５から約５までのアスペクト比、より好ましくは約０．５から約１．５までのアスペクト比を有することを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の検定デバイス。
【請求項９】
前記ウィッキング流路が、約２０平方ミリメートル未満、好ましくは約０．００１平方ミリメートルから約１０平方ミリメートルまで、好ましくは約０．０１平方ミリメートルから約５平方ミリメートルまでの断面積を有し、より好ましくは約３から約５００までの前記ウィッキング流路を有することを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の検定デバイス。
【請求項１０】
前記検定デバイスが、約１５から約２００までの前記ウィッキング流路を備えることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の検定デバイス。
【請求項１１】
前記ウィッキング流路に流体連通するオーバーフロー・ゾーンをさらに備えることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の検定デバイス。
【請求項１２】
前記導入流路、前記分析ゾーン、及び前記ウィッキング流路が、その上又は中に配置される基板をさらに含むことを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載の検定デバイス。
【請求項１３】
前記基板に分離媒体が貼り合わせられ、前記分離媒体は、前記検体又はその複合体と結合することができる受容体材料を含むことを特徴とする請求項１２に記載の検定デバイス。
【請求項１４】
前記分離媒体が、金属コーティングを有するポリマー・フィルムを含むことを特徴とする請求項１３に記載の検定デバイス。
【請求項１５】
流体試験試料中の検体の存在又は濃度を検出するための検定デバイスであって、
導入流路と、
前記導入流路と流体連通し、周縁部を規定し、前記検体を検出するための場所として働く、実質的に円形の分析ゾーンと、
前記分析ゾーンの前記周縁部から放射状に延び、約０．１から約１０までのアスペクト比と約２０平方ミリメートル未満の断面積とを有する、複数のウィッキング流路と、
前記複数のウィッキング流路と流体連通するオーバーフロー・ゾーンと、
を備え、
前記検定デバイスは、前記流体試験試料が、主として毛管作用によって、前記導入流路及び前記分析ゾーンを通して流れることを可能にするように形作られていることを特徴とする検定デバイス。
【請求項１６】
検定を行う方法であって、
検体を含むことが推測される流体試験試料を導入流路に導入し、
前記流体試験試料が、毛管作用によって、前記導入流路から周縁部を規定する分析ゾーンまで流れることを可能にし、
前記検体の存在又は非存在を検出し、
前記流体試験試料を、前記分析ゾーンの前記周縁部から外向きに延びる複数のマイクロ流体ウィッキング流路を用いて、前記分析ゾーンから引き出す
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記流体が、前記導入流路と流体連通した試料ウェルに加えられ、前記試料ウェルから前記導入流路まで、毛管作用によって流れることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ウィッキング流路が、前記分析ゾーンの前記周縁部から放射状に延びることを特徴とする請求項１６又は請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ウィッキング流路が、約０．１から約１０までのアスペクト比、好ましくは約０．５から約１．５までのアスペクト比を有することを特徴とする請求項１６から請求項１８までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記ウィッキング流路が、約２０平方ミリメートル未満、好ましくは約０．０１平方ミリメートルから約５平方ミリメートルまでの断面積を有することを特徴とする前記請求項１６から請求項１９までのいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
マイクロ流体デバイスは、生化学分野において、ハイ・スループット・スクリーニング検定を行うために用いられている。マイクロ流体デバイスは、生化学的反応、試料の注入、及び反応生成物の分離を行うことができる、流体ネットワークを備える。多くの従来のマイクロ流体デバイスにおいては、流体の流動及び試薬の混合は、界面動電輸送現象（電気浸透及び電気泳動）を用いて達成される。界面動電輸送は、マイクロ流体デバイスの各流路の終端に印加される電位を調節することによって制御される。流路ネットワーク内では、流体を高い容量再現性で弁調節及び分配するために、交差路及び混合Ｔ字路が用いられる。混合Ｔ字路を用いて、２つの流路の相対電界強度を単に変化させることによって、２つの流体の流れを、いずれの流れからも０％から１００％までの割合で比例的に混合することができる。
【背景技術】
【０００２】
あいにく、能動的（又は外的）な力を用いて流動を引き起こすことは、コストが高く、且つ非常に複雑である。そのため、他のマイクロ流体デバイスもまた開発されている。例えば、Ａｌａｊｏｋｉ他の米国特許第６，４１６，６４２号は、それが流体と接触して内部に置かれた流路又はウェルを通して、毛管作用によって物質を引き付ける作用をするウィック（ｗｉｃｋ）（これは、予め濡らされていても、乾燥していても、或いはマイクロ流体系と接する場所で濡らされてもよい）を利用するデバイスを記載している。その代わりに、又はそれに加えて、ある容量の液体を、随意に、所定の材料又は領域の下流で注入するか、或いは抜き取り、注入場所で圧力差を作り出すことによって流速が調節される。しかし、このような従来のマイクロ流体デバイスには問題がいまだ存在している。例えば、デバイス中の流速は、データ取得の処理のためには、或いは必要な反応時間に対処するには、速すぎることがある。
そのため、比較的安価で、使用が容易な、流体試験試料中の検体の存在又は濃度を有効且つ正確に測定できる、改良されたマイクロ流体検定デバイスに対する要求がいまだ存在する。
【発明の開示】
【０００３】
本発明の一実施形態により、流体試験試料中の検体の存在又は濃度を検出するための検定デバイスが開示される。検定デバイスは、導入流路と、これに流体連通した分析ゾーンとを備える。分析ゾーンは、検体を検出するための場所として働く。検定デバイスはまた、分析ゾーンの周縁部から外向きに延びる複数のウィッキング流路を備え、この点で検定デバイスは、流体試験試料が、主として毛管作用によって、導入流路及び分析ゾーンを通して流れることを可能とするように形作られている。
【０００４】
本発明の別の実施形態により、検定を行うための方法が開示される。この方法は、検体を含むことが推測される流体試験試料を、導入流路内に導入するステップを含む。流体は、導入流路から、周縁部を規定する分析ゾーンまで、毛管作用によって流れることが可能となる。検体の存在または非存在が検出される。流体試験試料は、分析ゾーンの周縁部から外向きに延びる複数のウィッキング流路を用いて、分析ゾーンから引き出される。
本発明の他の特徴及び態様は、以下で、より詳細に説明される。
【０００５】
当業者に向けられた、本発明の最良の形態を含む完全且つ実施可能な開示は、本明細書の残りの部分で、添付の図面を参照してより詳しく説明される。
本明細書及び図面の中で繰り返し使用される参照符号は、本発明の同じ又は類似の特徴又は要素を表すことを意図するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
定義
本明細書において、用語「検体」は、一般に検出されるべき物質を意味する。例えば、検体は、抗原性物質、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、毒素、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、薬物（治療目的で投与されるものの他に、不法な目的で投与されるものも含む）、薬物中間産物又は副生成物、細菌、ウイルス粒子、及び上記のいずれかの物質の代謝物又は上記のいずれかの物質に対する抗体を含むが、これらに限定されない。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（ｐｈｅｎｏｂａｒｂｉｔｏｌ）、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）、濾胞刺激ホルモン（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、ミクログロブリン、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、風疹に対する抗体、例えば、風疹ＩｇＧ及び風疹ＩｇＭ、トキソプラズマ症に対する抗体、例えば、トキソプラズマ症ＩｇＧ（Ｔｏｘｏ−ＩｇＧ）及びトキソプラズマ症ＩｇＭ（Ｔｏｘｏ−ＩｇＭ）、テストステロン、サリチラート、アセトアミノフェン、Ｂ型肝炎ウイルス表面抗原（ＨＢｓＡｇ）、Ｂ型肝炎コア抗原に対する抗体、例えば、抗Ｂ型肝炎コア抗原ＩｇＧ及びＩｇＭ（抗ＨＢＣ）、ヒト免疫不全ウイルス１及び２（ＨＩＶ  １及び２）、ヒトＴ細胞白血病ウイルス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（抗ＨＢｅ）、インフルエンザ・ウイルス、甲状腺刺激ホルモン（ＴＳＨ）、チロキシン（Ｔ４）、総トリヨードサイロニン（総Ｔ３）、遊離トリヨードサイロニン（遊離Ｔ３）、癌胎児抗原（ｃａｒｃｉｎｏｅｍｂｒｙｏｉｃ  ａｎｔｉｇｅｎ）（ＣＥＡ）、リポタンパク質、コレステロール、及びトリグリセリド、並びにアルファ・フェトプロテイン（ＡＦＰ）を含む。乱用薬物及び規制物質は、アンフェタミン、メタンフェタミン、バルビツール酸塩、例えば、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、ベンゾジアゼピン、例えば、リブリウム及びバリウム、カンナビノイド、例えば、ハシシュ及びマリファナ、コカイン、フェンタニール、ＬＳＤ、メタクワロン、アヘン剤、例えば、ヘロイン、モルヒネ、コデイン、ヒドロモルホン、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、フェンシクリジン、並びにプロポキシフェンを含むが、これらに限定されることは意図されていない。他の潜在的な検体は、Ｅｖｅｒｈａｒｔ他の米国特許第６，４３６，６５１号及びＴｏｍ他の米国特許第４，３６６，２４１号に記載されている可能性がある。
【０００７】
本明細書において、用語「流体試験試料」は、一般に、検体を含むと推測される流体を意味する。流体試験試料は、例えば、供給源から直接得られた材料の他に、それらに限定されないが、濾過、沈殿、希釈、蒸留、混合、濃縮、妨害成分の不活性化、試薬の添加等の技術を使って前処理された材料を含む。流体試験試料は、血液、間質液、唾液、接眼レンズ流体、脳脊髄液、汗、尿、乳、腹水、粘液、鼻液（ｎａｓａｌ  ｆｌｕｉｄ）、痰、滑液、腹水、腟液、月経、羊水、精液等を含む生理学的流体のような、生物学的供給源から得ることができる。生理学的流体の他に、水、食品等のような、他の液体試料を用いることができる。
【０００８】
詳細な説明
ここで、本発明の種々の実施形態を詳細に参照して、その１つ又はそれ以上の実施例を以下に述べる。各々の実施例は、本発明の説明のために提示されるものであり、本発明を限定するものではない。実際、本発明の範囲又は精神を逸脱することなく、本発明に種々の変更及び改変を施すことができることが、当業者には明白となる。例えば、１つの実施形態の一部として図示又は説明されている特徴を、他の実施形態で用いて、さらに進んだ実施形態を生じることができる。従って、本発明は、そのような変更及び改変を添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内に入るものとして包含する。
【０００９】
一般に、本発明は、流体試験試料中の検体の存在又は非存在を測定するための、マイクロ流体デバイスに向けられる。本発明は、少なくとも１つの導入流路、分析ゾーン、及び分析ゾーンの周縁に配置された複数のウィッキング（ｗｉｃｋｉｎｇ）流路を用いて、マイクロ流体デバイス内に連続的な流れを実現するための技術を提供する。例えば、１つの実施形態においては、ウィッキング流路は分析ゾーンから放射状に延びる。マイクロ流体デバイスのこの特定の形状の結果として、デバイスを通して流体試験試料の流れを引き起こすために、圧力源、動電学的力等のような能動的な力を必要とすることなく、「単一ステップ」で検定を行うことができる。同様に、流速は、分析ゾーン内での流体試験試料の滞留時間が、所望の反応及び／又は検出を可能とするのに充分な長さとなるように、制御される。
【００１０】
Ａ．マイクロ流体検定デバイス
本発明のマイクロ流体デバイスは、内部を流体が流れることができる１つ又はそれ以上のゾーンを含む。本明細書において、用語「マイクロ流体デバイス」は、「毛細管スケール」の寸法、例えば、断面積が約２０平方ミリメートル未満の、１つ又はそれ以上の流体ゾーンを用いる任意のデバイスを含む。しかしながら、以下でより詳細に検討するように、マイクロ流体デバイスはまた、表面積反応容量の増大、高希釈試料の収容、検出のための領域の準備等の種々の目的のために、毛細管スケールの寸法よりも大きな１つ又はそれ以上の流体ゾーンを有することができる。
【００１１】
選択される流体ゾーンの型及び数は、目的の検体、使用される検出法、並びにデバイス及び流体試験試料の性質に関連する他の因子に依存することになる。ここで、図１を参照して、例えば、マイクロ流体デバイス１０の１つの実施形態を、より詳細に説明する。図示されるように、マイクロ流体デバイス１０は、使用者が流体試験試料を加えるための場所とすることができる、少なくとも１つの導入流路１２を含む。或いは、導入流路１２は、流体試験試料が導入流路１２に流れこむ前に最初に加えられる、試料ウェル（例えば、チャンバ、リザーバ、ポート等）と連通させることができる。ウェルは、開放されていてもよく、或いはデバイス１０の本体内に密閉されていてもよい。さらに、当技術分野で周知のように、Ｔ字形接合部、Ｙ字形接合部等で相互連結された流路１２のネットワークもまた、使用することができる。このようなマイクロ流体流路ネットワークの例は、Ｏ’Ｃｏｎｎｏｒ他の米国特許第６，４８１，４５３号及びＡｌａｊｏｋｉ他の米国特許第６，４１６，６４２号により詳細に記載されており、これらは、全ての目的について、その全体が引用により本明細書中に組み入れられる。流路１２は、円形、方形、矩形、三角形、台形、Ｖ字形、Ｕ字形、六角形、八角形、不規則形等の任意の所望の断面形状を有することができる。さらに、流路１２は、直線状、テーパー状、曲線状、蛇行状、迷路状又は他の任意の所望の形状とすることができる。
【００１２】
選択された形状にかかわらず、流路１２の寸法は、一般に、受動的な毛管流動が、流路１２を通してデバイス１０の他のゾーンまでの流体試験試料の流れを引き起こすような寸法である。毛管流動は、一般に、流体が流路の壁に付着する力が、液体分子間の凝集力よりも大きいときに生じる。具体的には、毛管圧は、流路の断面寸法に反比例し、且つ、流体が流路を形成する材料に接触したときの接触角のコサインを掛けた液体の表面張力に正比例する。それゆえ、デバイス１０内の毛管流動を促進するために、流路１２の断面寸法（例えば、幅、直径等）を選択的に制御することができ、より小さい寸法は、一般に、より高い毛管圧をもたらす。例えば、幾つかの実施形態において、流路１２の断面寸法は、約１０ミリメートル未満であり、幾つかの実施形態では約０．００１ミリメートルから約５ミリメートルまでであり、また幾つかの実施形態では約０．０１ミリメートルから約２ミリメートルまでである。もちろん、流路１２の断面寸法は、長さの関数として変化させることもできる。流路１２の高さ又は深さもまた、異なる容量の流体試験試料を収容するために変化させることができる。例えば、流路１２の深さは、約０．１マイクロメートルから約１，０００マイクロメートルまでとすることができ、幾つかの実施形態では約５マイクロメートルから約５００マイクロメートルまで、また幾つかの実施形態では約２０マイクロメートルから約１００マイクロメートルまでとすることができる。
【００１３】
流路１２の断面積もまた変化させることができる。例えば、断面積は、典型的には約２０平方ミリメートル未満であり、幾つかの実施形態では約０．００１平方ミリメートルから約１０平方ミリメートルまでであり、また幾つかの実施形態では約０．０１平方ミリメートルから約５平方ミリメートルまでである。さらに、流路１２のアスペクト比（断面の寸法／深さ）は、約０．１から約２００までの範囲とすることができ、幾つかの実施形態では、約０．２から約１００まで、また幾つかの実施形態では、約０．５から約５０までの範囲とすることができる。断面寸法（例えば、幅、直径等）及び／又は高さが、長さの関数として変化する場合、アスペクト比は平均寸法から決定される。同様に、流路１２の長さも変化させることができる。例えば、流路１２は、約１ミリメートルから約５０センチメートルまでの長さを有することができ、幾つかの実施形態では約５ミリメートルから約５０ミリメートルまでとすることができる。より長い流路は、特に、試薬が流体試験試料と混合される場合、適切な混合時間を可能とするために望ましい。
【００１４】
流路１２は、検体の検出が起こり得る分析ゾーン１４と流体連通している。図１に示すように、例えば、流体試験試料は、流路１２から分析ゾーン１４に、連続的に流れ込むことができる。しかしながら、他の実施形態では、流体試験試料は、分析ゾーン１４に到達する前に、他の流体ゾーン（例えば、洗浄ゾーン、混合ゾーン等）を通して流れることもできる。一般的に言えば、分析ゾーン１４は、検定の実行中に、任意の試薬のみならず、流体試験試料の全容量を収容するように形作られている。このことは、流体試験試料中の検体の少なくともかなりの部分が、分析ゾーン１４内に含まれる任意の所望の試薬と接触することを確実にし、これにより、得られる結果の精度を向上させる。検体の検出を可能とするのに充分に流体試験試料の流速が遅くなるように、分析ゾーン１４のサイズ及び形状を選択することもまた望ましい。それゆえ、幾つかの実施形態において、分析ゾーン１４の断面寸法(例えば、幅、直径等）は約０．５マイクロメートルから約２０ミリメートルまでの範囲とすることができ、幾つかの実施形態では約５マイクロメートルから約１０ミリメートルまで、また幾つかの実施形態では約２０マイクロメートルから約５ミリメートルまでの範囲とすることができる。同様に、分析ゾーン１４の深さは、約０．１マイクロメートルから約５ミリメートルまでの範囲とすることができ、幾つかの実施形態では約５マイクロメートルから約３ミリメートルまで、また幾つかの実施形態では約２０マイクロメートルから約１ミリメートルまでの範囲とすることができる。さらに、分析ゾーン１４についての幾つかの適切な断面形状は、円形、方形、矩形、三角形、台形、Ｖ字形、Ｕ字形、六角形、八角形、不規則形等を含むが、これらに限定されない。例えば、図１に示される実施形態において、分析ゾーン１４は円形の形状（例えば、輪）を有し、ゾーン１４の断面の寸法は、輪の外径と内径との差で規定される。
【００１５】
マイクロ流体デバイス１０の１つの有利な面は、デバイス１０を通して流体試験試料の流体の流れを引き起こすために能動的な力（例えば、圧力源、動電学的力等）を必要としないことである。上記のように、これは部分的には、流路１２及び分析ゾーン１４について選択される特定の幾何学的形状によるものである。しかし、これに加えて、マイクロ流体デバイス１０はまた、分析ゾーン１４と流体連通した複数のマイクロ流体ウィッキング流路１６を含む。ウィッキング流路１６は、流路１２及び分析ゾーン１４の下流の圧力を調節することによって、流体の流速の制御を助ける。例えば、流路１２と分析ゾーン１４との間等における流路１２の開口部において、流体と空気の間に界面が生じる可能性がある。一旦生じると、空気／流体界面は、流体が毛管圧によってデバイス１０を通して流れる能力を低減させ、それにより、検定の十分な進展を阻害する。ウィッキング流路１６は、空気／流体界面をデバイス１０を通して押しやる助けとなる。また、ウィッキング流路１６に向かって引かれるとき、空気／流体界面は、実際に洗浄剤として作用することができ、検定が進展するにつれて、未結合の試薬及び他の材料を系から除去する。
【００１６】
ウィッキング流路１６のさらに別の利点は、分析ゾーン１４に存在している間の流体の流速を減速させる助けとなることである。具体的には、分析ゾーン１４とウィッキング流路１６との界面において、分析ゾーン１４は、典型的には、ウィッキング流路１６より大きな断面積を有する。そのため、分析ゾーン１４からウィッキング流路１６へ通過する流体は、流速の低下をもたらす圧力低下を受ける。分析ゾーン１４とウィッキング流路１６との間の流体の流速の差は、また、幾らかの背圧を生じ、これが、流体の毛管圧に打ち勝つほどには大きくはないが、分析ゾーン１４内の流速を減速させる。例えば、デバイス１０に加えられた後、流体試験試料の全てではなくとも大部分は、約１分間から約２０分間まで、幾つかの実施形態では２分間から約１８分間まで、また幾つかの実施形態では約３分間から約１５分間までの総滞留時間の後に、分析ゾーン１４から出ることができる。もちろん、総滞留時間は、分析ゾーン１４が収容する必要のある流体試験試料の容量、用いられる流体ゾーンの数及びサイズ、流体試験試料の性質等の種々の因子に基づいて、広範囲に変化させることができる。例えば、流体のレオロジー特性は、総滞留時間に影響する可能性がある。すなわち、粘性の低い流体（例えば、尿、水等）は、粘性が高い流体（例えば、血液）よりも、より速い速度で流れる傾向がある。所望であれば、デバイス１０の設計パラメータもまた、低粘性又は高粘性の流体のいずれかに対して選択的に調整することができる。
【００１７】
流体の流速に対する所望の制御を達成するために、ウィッキング流路１６のサイズ、形状、及び配置は、選択的に制御される。一般的に言えば、ウィッキング流路１６は、円形、方形、矩形、三角形、台形、Ｖ字形、Ｕ字形、六角形、八角形、不規則形状等の、任意の所望の断面形状を有することができる。また、ウィッキング流路１６の形状は、分析ゾーン１４の方向に対して内向き又は外向きにテーパーを付ける等、長さの関数として変化させることができる。このような場合、ウィッキング流路１６の狭い方の部分は、分析ゾーン１４に隣接して、及び／又は分析ゾーン１４の中に配置することができる。このことが、ウィッキング流路１６と分析ゾーン１４との間の界面１７において、より大きな圧力低下を生じさせ、分析ゾーン１４中の流体のより遅い流速をもたらす。
【００１８】
ウィッキング流路１６が分析ゾーン１４から流体を引き出し、その内部の流体の流速を低下させる機能を高めるために、ウィッキング流路１６の断面寸法もまた、選択的に制御することができる。例えば、より狭いウィッキング流路の方が、より広いウィッキング流路よりも、より遅い流速を与えることができる。幾つかの実施形態において、ウィッキング流路１６の断面寸法は、典型的には、約５００マイクロメートル未満であり、幾つかの実施形態では約５マイクロメートルから約３００マイクロメートルまで、また幾つかの実施形態では約１０マイクロメートルから約２００マイクロメートルまでである。上記のように、ウィッキング流路１６の断面寸法は、分析ゾーン１４の方向に向かって内向きにテーパーを付ける等、長さの関数として変化させることができる。このような場合、ウィッキング流路１６の最大断面寸法は、随意に、上記の例示的範囲内とすることができる。ウィッキング流路１６の高さ又は深さもまた、種々異なる容量の流体試験試料を収容するために変化させることができる。例えば、ウィッキング流路１６の深さは、約０．５マイクロメートルから約５００マイクロメートルまでとすることができ、幾つかの実施形態では約５マイクロメートルから約３００マイクロメートルまで、また幾つかの実施形態では約１０マイクロメートルから約１００マイクロメートルまでとすることができる。
【００１９】
ウィッキング流路１６の断面積もまた変化させることができる。例えば、断面積は、典型的には、約２０平方ミリメートル未満であり、幾つかの実施形態では約０．００１平方ミリメートルから約１０平方ミリメートルまでであり、また幾つかの実施形態では約０．０１平方ミリメートルから約５平方ミリメートルまでである。さらに、ウィッキング流路１６のアスペクト比（断面寸法／深さ）は、約０．１から約１０までの範囲とすることができ、幾つかの実施形態では約０．２５から約５まで、また幾つかの実施形態では約０．５から約１．５までの範囲とすることができる。断面寸法（例えば、幅、直径等）及び／又は高さが長さの関数として変化する場合には、アスペクト比は平均寸法から決定される。同様に、ウィッキング流路１６の長さもまた、約１ミリメートルから約５０センチメートルまでの範囲とすることができ、幾つかの実施形態では約５ミリメートルから約５０ミリメートルまでとすることができる。
【００２０】
選択された材料及び幾何学的形状以外に、ウィッキング流路１６の物理的配置もまた、流速に対する所望の制御を達成する助けとなる。例えば、分析ゾーン１４内でのより均一で制御された流速を促進するためには、ウィッキング流路１６は、一般には、分析ゾーン１４の周縁部から外向きに延びることが望ましい。このようにして、ウィッキング流路１６は、所望の滞留時間を与えるのに充分に遅い流速で、分析ゾーン１４から流体を効果的に引き出すことができる。例えば、図１に示す実施形態においては、ウィッキング流路１６は、円形の分析ゾーン１４の周縁部から放射状に延びている。ウィッキング流路１６の間の間隔もまた、流体試験試料の流速に対する所望の影響に従って、変化させることができる。例えば、ウィッキング流路１６は、互いに直接的に隣接して配置することができ、あるいは、例えば、約０．１マイクロメートルから約５００マイクロメートルまで、幾つかの実施形態では約０．５マイクロメートルから約１００マイクロメートルまで、また幾つかの実施形態では約１マイクロメートルから約５０マイクロメートルまでの短い距離で、互いに間隔を空けることもできる。必ずしも必要ではないが、典型的には、ウィッキング流路１６は、均一な流速を達成するように、互いに等距離で間隔を空けることが望ましい。ウィッキング流路１６の数もまた、それらのサイズ、間隔、並びに分析ゾーン１４のサイズ及び形状に従って変化させることができる。例えば、多数のウィッキング流路は、少数のウィッキング流路よりも、より速い流速で分析ゾーン１４から流体を引き出すことができる。幾つかの実施形態においては、ウィッキング流路１６の数は、約３から約５００まで変化させることができ、幾つかの実施形態では約１５から約２００まで、また幾つかの実施形態では約２０から約８０まで変化させることができる。
【００２１】
必ずしも必要ではないが、本発明の特定の実施形態においては、流速の制御を向上させるために、１つ又はそれ以上のウィッキング流路１６内で、吸収体材料を用いることができる。ウィッキング流路を形成するために用いることができる幾つかの適切な吸収体材料は、ニトロセルロース、セルロース系材料、多孔質ポリエチレンパッド、ガラス繊維濾紙等を含むが、これらに限定されない。吸収体材料は、マイクロ流体検定デバイスの中に組み込まれる前に、濡れていても、乾燥していてもよい。予め濡らすことで、ある種の流体では毛管流動を促進させることができるが、普通は必要ではない。また、当技術分野で周知のように、ウィッキング流路１６は、ウィッキング・プロセスを補助するために、界面活性剤を含むことができる。
【００２２】
上記の流体ゾーンの他に、他の随意のゾーンもまた、マイクロ流体デバイス１０の中で用いることができる。例えば、図１に示すように、ウィッキング流路１６を通過した後の流体を受容するために、ウィッキング流路１６と流体連通するオーバーフロー・ゾーン１８を配置することができる。オーバーフロー・ゾーン１８の形状及び／又はサイズは、所望の液体の容量に応じて、広範囲に変更することができる。例えば、図１に示す実施形態においては、オーバーフロー・ゾーン１８は、実質的に円形の形状を有する。さらに、オーバーフロー・ゾーン１８の断面寸法は、約０．１ミリメートルから約１０ミリメートルまでの範囲とすることができ、幾つかの実施形態では約０．５から約８ミリメートルまで、また幾つかの実施形態では約１ミリメートルから約４ミリメートルまでの範囲とすることができる。例えば、より狭いオーバーフロー・ゾーン１８は、より遅い流速をもたらすことができる。所望であれば、オーバーフロー・ゾーン１８の断面寸法は、分析ゾーン１４の方向から外向きにテーパーを付ける等、長さの関数として変化させることができる。オーバーフロー・ゾーン１８の高さ又は深さもまた、種々異なる容量の流体試験試料を収容するために変化させることができる。例えば、オーバーフロー・ゾーン１８の深さは、約０．１マイクロメートルから約５ミリメートルまでとすることができ、幾つかの実施形態では約５マイクロメートルから約３ミリメートルまで、また幾つかの実施形態では約２０マイクロメートルから約１ミリメートルまでとすることができる。所望であれば、オーバーフロー・ゾーン１８は、デバイス１０を通して横切る空気を排除することを可能にする開口部を含むこともできる。
【００２３】
さらに、マイクロ流体デバイス１０はまた、種々の目的に役立つ他のゾーンを含むこともできる。例えば、マイクロ流体デバイス１０は、任意の未結合の試薬を除去するために、分析ゾーンに対して洗浄試薬の流れを与える、洗浄ゾーン（図示せず）を含むことができる。洗浄試薬の例は、例えば、水、ＰＢＳ緩衝剤、ＨＥＰＥＳ緩衝剤等のような緩衝剤溶液等を含むことができる。さらに、試薬ゾーン（図示せず）を設けることもでき、これを通してアフィニティー試薬（例えば、捕獲リガンド、レドックス・メディエータ、粒子、標識等）を流して所望の反応を開始することができる。所望であれば、追加の洗浄及び試薬ゾーンを、上記の方式で形成することができる。分離した個別の、試料追加ゾーン、洗浄ゾーン、及び試薬ゾーンを用いることによって、種々異なる溶液の、制御された、連続的な送出しを与えることができる。
【００２４】
検討された実施形態は単なる例示であり、本発明のマイクロ流体デバイスは、上で図示し、説明した特定の構成には決して限定されるものではないことを理解されたい。この点について、図２〜図７を参照すると、これらは、本発明のマイクロ流体デバイスの、幾つかの別の実施形態を示す。例えば、図２〜図４は、流路１１２、分析ゾーン１１４、複数のウィッキング流路１１６、及びオーバーフロー・ゾーン１１８を含む、マイクロ流体デバイス１００を図示する。これらの実施形態における分析ゾーン１１４は、円形の形状を有し、ゾーン１１４の断面寸法は、単に円の直径で規定される。さらに、図５〜図６は、流路２１２、分析ゾーン２１４、複数のウィッキング流路２１６、及びオーバーフロー・ゾーン２１８を含む、マイクロ流体デバイス２００を図示する。先の実施形態とは対照的に、オーバーフロー・ゾーン２１８は、外向きにテーパーが付いている。最後に、図７は、複数の流路３１２に供給するウェル３１１を含む、マイクロ流体デバイス３００を図示する。各流路３１２は、分析ゾーン３１４、複数のウィッキング流路３１６、及びオーバーフロー・ゾーン３１８と流体連通している。図７に示される実施形態は、流体試験試料の中の複数の検体の存在又は濃度を測定するために、特に有用であり得る。前述の説明を十分に考慮することで、他の種々の構成が当業者に明白となる。
【００２５】
図１を再度参照すると、用いられる流体ゾーンの型にかかわらず、マイクロ流体デバイス１０には、典型的には、その上又はその中に流体ゾーン１２、１４、１６、及び１８が配置される固体基板（図示せず）が使用される。基板を形成するために用いられる材料は、ｐＨ、温度、塩濃度、及び印加される電場の両極端を含む、マイクロ流体デバイスが曝される全ての範囲の条件に対する適合性に関連して選択することができる。このような材料は、当業者には周知である。例えば、基板は、多数の適切なプラスチック、ガラス、機能性プラスチック及びガラス、シリコン・ウェハ、箔、ガラス等のうちの任意のもので形成することができる。硬い基板よりむしろ、熱可塑性フィルムが適切である場合もある。このようなフィルムには、ポリエチレン・テレフタレート（ＭＹＬＡＲ（登録商標））、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン、アクリロニトリル−メチルアクリレート共重合体、セロハン、エチルセルロース、酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、プロピオン酸セルロース、三酢酸セルロース、三酢酸セルロース等のセルロース系ポリマー、ポリエチレン、ポリエチレン−酢酸ビニル共重合体、アイオノマー（エチレン・ポリマー）、ポリエチレン−ナイロン共重合体、ポリプロピレン、メチルペンテン・ポリマー、ポリフッ化ビニル、及び芳香族ポリスルホン等のポリマーが含まれるが、これらに限定されない。
【００２６】
流体ゾーンは、種々の異なる既知の技術を用いて、そのような基板の上及び／又は中に作製することができる。例えば、幾つかの適切な微細加工技術には、フォトリソグラフィ、湿式化学エッチング、レーザー・アブレーション、エア・アブレーション、射出成形、エンボス、印刷等が含まれる。１つの特定の実施形態においては、印刷技術を用いて、１つ又はそれ以上のマイクロ流体ゾーンを形成することができる。幾つかの適切な印刷技術は、Ｋｕｍａｒ他の米国特許第５，５１２，１３１号、Ｅｖｅｒｈａｒｔ他の米国特許第５，９２２，５５０号、Ｋｕｈｒ他の米国特許第６，２９４，３９２号、Ｋｅｎｎｅｄｙ他の米国特許第６，５０９，０８５号、及びＥｖｅｒｈａｒｔ他の米国特許第６，５７３，０４０号に記載されており、これらは全ての目的について、その全体が引用により本明細書に組み入れられる。例えば、１つの実施形態においては、「スタンプ印刷」が、基板上にマイクロ流体ゾーンを形成するために使用される。幾つかの適切なスタンプ印刷技術は、Ｋｕｍａｒ他の米国特許第５，５１２，１３１号及びＥｖｅｒｈａｒｔ他の米国特許第５，９２２，５５０号に記載されている。例えば、エラストマー・スタンプを用いて、接触により、基板表面にインクを転写することができる。スタンプは、所望の印刷パターンの逆の原型の上でポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を成形することによって作製され、これが、所望の流路パターンを生ずることになる。原型は、標準的なフォトリソグラフィ技術を用いて作成されるか、或いはマイクロスケールの表面特性を有する既存の材料から構築される。１つの実施形態においては、フォトリソグラフィで作製された原型をガラス又はプラスチックのペトリ皿の上に置き、その上に、ＳＹＬＧＡＲＤ（登録商標）シリコーン・エラストマー１８４及びＳＹＬＧＡＲＤ（登録商標）シリコーン・エラストマー１８４硬化剤（Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）の混合物を注ぐ。このポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）エラストマーを室温に放置して硬化させる。或いは、より迅速に硬化させるために、エラストマーを、約６０℃から約６５℃までの温度で硬化させることもできる。硬化すると、ＰＤＭＳは、スタンプと基板４０の表面との良好な等角的な接触を可能とするのに十分なゴム弾性をもつ。
【００２７】
得られたエラストマー・スタンプは、流体流路の形成を補助するために用いられる所望の材料の溶液にスタンプを曝すことによって、「インク付け」される。これは、典型的には、スタンプ面を下にして、溶液中に約１０秒間から約１０分間置くことによって行われる。スタンプは、周囲条件下で、或いは空気又は窒素ガスの流れに曝すことによって、乾燥される。インク付けの後、スタンプを基板の表面に当てる。スタンプと基板の間の完全な接触を確実にするために軽い圧力が加えられる。約１秒から約５分の後、スタンプを基板からゆるやかに剥がす。スタンプを外した後、基板をすすぎ、乾燥させることができる。
【００２８】
マイクロ流体ゾーンを作成するために、上記のようなスタンプ印刷を種々の方式で用いることができる。例えば、１つの実施形態では、エラストマー・スタンプは、ゾーンを作製するために用いられるモノマー若しくはプレポリマー（後硬化の場合）、又はポリマーに対して基板が選択的に「濡れやすく」なるように、基板の表面エネルギーを大幅に変化させる材料でインク付けされる。スタンプは、所望の流路パターンを印刷するために、凸状の形態を有することができる。１つの例示的なスタンプ印刷法は、カルボキシ末端のものを含む、親水性の自己組織化単層膜（ＳＡＭ）のような湿潤剤で、スタンプにインク付けをすることを含むことができる。このような自己組織化単層膜の種々の例は、Ｅｖｅｒｈａｒｔ他の米国特許第５，９２２,５５０号に記載されている。別の実施形態においては、疎水性湿潤剤を用いることができる。具体的には、所望のパターンの逆型が、親水性基板の上にスタンプ印刷される。モノマー若しくはプレポリマー（後硬化の場合）、又はポリマーに曝すと、インクは基板の上のみを選択的に濡らし、その結果、所望の流路パターンが得られる。
【００２９】
別のスタンプ印刷技術は、単に、モノマー若しくはプレポリマー（後硬化の場合）、又はポリマーの溶液で、エラストマー・スタンプにインク付けすることを含む。スタンプは、所望の流路パターンに適合した凸状の形態を有することができるので、基板の上で流路形成材料の直接転写が起ることになる。使用することができる、さらに別の適切な接触印刷技術は、「スクリーン印刷」である。スクリーン印刷は、手動又は写真製版方式で行われる。スクリーンは、例えば、線状の１センチメートル当たり約４０個から約１２０個の開口部を有する、シルク又はナイロンの布地のメッシュを含むことができる。スクリーン材料は、枠に取り付けられ、平滑な表面を生ずるように引っ張られる。ステンシルは、スクリーンの下側、すなわち、流体ゾーンがその上に印刷される基板に接触する側に取り付けられる。プリント材料をスクリーンの上に塗布し、スキージでスクリーン（これは基板に接触している）を擦ることによって転写する。
【００３０】
接触印刷に加えて、種々の周知の非接触印刷技術のどれでも、本発明において用いることができる。例えば、１つの実施形態において、インクジェット印刷を用いることができる。インクジェット印刷は、小さなノズル（又は一連のノズル）を通してインクを押出して、基板の方に向けられる小滴を形成することを含む。２つの技術、すなわち、「ＤＯＤ」（ドロップ・オン・デマンド（Ｄｒｏｐ−Ｏｎ−Ｄｅｍａｎｄ））又は「連続式」インクジェット印刷が、一般的に用いられる。連続式システムにおいて、インクは、加圧下で、少なくとも１つのオリフィス又はノズルを通して、連続的な流れの形態で放出される。この流れは、オリフィスから一定の距離において加圧アクチュエータによってかき乱されて、小滴に砕かれる。一方、ＤＯＤシステムは、各々のオリフィス毎に加圧アクチュエータを用いて、インクを小滴に砕く。各々のシステムの加圧アクチュエータは、圧電結晶、音響デバイス、熱的デバイス等とすることができる。インクジェット・システムの型の選択は、印字ヘッドから印刷される材料の種類に応じて変わる。例えば、連続式システムの場合、小滴は静電的に偏向されるので、導電性材料が必要とされる場合がある。そのため、流体流路が誘電体材料から形成される場合、ＤＯＤ印刷技術がより望ましいことがある。
【００３１】
上記の印刷技術に加えて、本発明において、任意の他の適切な印刷技術を用いることができる。例えば、他の適切な印刷技術には、レーザー印刷、熱リボン印刷、ピストン印刷、スプレー印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷等が含まれるが、これらに限定はされない。さらに、本発明において、他の種々の非印刷技術もまた用いることができる。例えば、本発明においてマイクロ流体デバイスを形成するために用いることができる他の技術の幾つかの例は、Ａｌａｊｏｋｉ他の米国特許第６，４１６，６４２号に記載されており、これは全ての目的について、その全体が引用により本明細書に組み入れられる。
【００３２】
Ｂ．検出技術
一般的に言えば、本発明において、均一系及び不均一系の免疫学的検定を含む、任意の型の検定を用いることができる。均一系の検定は、複合体化していない標識種が複合体化した標識種から分離されない検定である。不均一系検定は、複合体化していない標識種が複合体化した標識種から分離される検定である。分離は、種のうちの１つを別の反応容器に移すこと、濾過、遠心分離、クロマトグラフィ、固相捕獲、磁気的分離等のような、物理的分離によって行うことができ、そして１つ又はそれ以上の洗浄ステップを含むことができる。分離は、非物理的であってもよく、その場合一方又は両方の種の移動は行われないが、種は相互にその場で分離される。例えば、１つの特定の実施形態において、不均一系免疫学的検定が用いられる。このような免疫学的検定は、生物にとって病原性又は異物である抗原の存在に応答して抗体が産生される、免疫系の機構を利用する。これらの抗体及び抗原、すなわち、免疫反応体は、互いに結合することが可能であり、それにより、高度に特異的な反応機構を生じ、これを、流体試験試料中の特定の抗原の存在又は濃度の測定のために用いることができる。
【００３３】
種々様々な検出技術のいずれをも、本発明において用いることができる。例えば、１つの特定の実施形態において、回折に基づく検出技術を用いることができる。用語「回折」は、波が障害物によって妨害されるときに観察され、対象物の幾何学的陰の範囲を超えて広がる攪乱によって引き起こされる現象のことを言う。この効果は、対象物のサイズが波の波長と同程度である場合に顕著である。回折に基づく検出技術に関しては、障害物は検体（付着粒子有り又は無しの）であり、波は光波である。例えば、回折に基づく検定デバイスの種々の例は、Ｅｖｅｒｈａｒｔ他の米国特許第６，２２１，５７９号に記載されており、これは、全ての目的について、その全体が引用により本明細書中に組み入れられる。例示のみの目的で、本発明において用いることができる、回折に基づく検出技術の１つの実施形態をここでより詳細に説明する。
【００３４】
例えば、多孔質膜、ポリマー・フィルム等のような分離媒体を用いて、検定を行うことができる。回折に基づく検出を促進するために、随意に、分離媒体に金属コーティングを付けることができる。金属コーティングを有するこのような分離媒体は、約５％から約９５％までの光学的透明度を有することができ、幾つかの実施形態においては約２０％から約８０％までとすることができる。１つの実施形態において、分離媒体は、少なくとも約８０％の光学的透明度を有し、金属コーティングの厚みは、約２０％よりも大きな光学的透明度を維持するような厚みであり、その結果、回折パターンは、反射光又は透過光のいずれかによって生成され得る。これは、約１０ナノメートルから約２０ナノメートルまでの厚みの金属コーティングに対応する。しかしながら、他の実施形態においては、金属の厚みは、およそ１ナノメートルと１０００ナノメートルの間とすることができる。フィルム上に堆積させるための好適な金属は、金である。しかしながら、銀、アルミニウム、クロム、銅、鉄、ジルコニウム、白金、チタン、及びニッケル、並びにこれらの金属の酸化物を用いることができる。金属化層を作製するために酸化クロムを用いることができる。金属コーティングの他に、分離媒体の表面は、改善された流動方向を与える等、マイクロ流体システムにおけるその有用性を高めるため、例えば、誘導体化又はコーティングされた表面のように、他の材料で処理することもできる。さらに、特に、デバイス又はその内容物に電場を印加するような用途においては、酸化ケイ素等の絶縁体層を分離媒体上に形成することができる。
【００３５】
目的の検体又はその複合体に結合することができる受容体材料を、分離媒体に付着させることもできる。受容体材料は、生物学的受容体材料とすることができる。このような生物学的受容体材料は、当技術分野で周知であり、抗体、抗原、ハプテン、ビオチン、アビジン、ストレプトアビジン、ニュートラアビジン、キャプトアビジン（ｃａｐｔａｖｉｄｉｎ）、プロテインＡ、プロテインＧ、炭水化物、レクチン、ヌクレオチド配列、ペプチド配列、エフェクター及びレセプター分子、ホルモン及びホルモン結合タンパク質、酵素補因子及び酵素、酵素阻害剤及び酵素、並びにこれらの誘導体を含むが、これらに限定されない。受容体材料を付着させるために、任意の適切な方法を用いることができる。受容体材料は、分離媒体の表面（例えば、上面）を部分的又は均一に覆うように付着させることができる。必ずしも必須ではないが、付着の際の接触による汚染の可能性を排除するためには、非接触的な方法で受容体材料を付着させることが望ましい。適切な付着方法は、分離媒体の試験表面全体の上に受容体材料層を概ね均一に付着させることができる、浸漬、噴霧、ローリング、スピン塗布、及び任意の他の技術を含むが、これらに限定されない。単純な物理吸着が、ポリスチレン、ガラス、ナイロン、又は当業者に周知の他の材料等の多くの材料上で起り得る。受容体材料層を固定する１つの特定の実施形態は、チオール又はジスルフィド含有化合物と金との間で可能であるような分子付着を含む。例えば、約５ナノメートルから約２０００ナノメートルまでの厚みの金コーティングは、シリコン・ウェハ、ガラス、又はポリマー・フィルム（例えば、ＭＹＬＡＲ（登録商標）フィルム）の上に支持することができる。受容体材料は、金表面をその溶液に曝すことによって、金表面に付着する。受容体材料層は、メタライズされた熱可塑性フィルム上の、アルカンチオレート、カルボン酸、ヒドロキサム酸、及びホスホン酸の自己組織化単層膜として、分離媒体上に形成することもできる。自己組織化単層膜は、それに結合した受容体材料を有する。例えば、米国特許第５，９２２，５５０号は、全ての目的について、その全体が引用により本明細書中に組み込まれるが、そのような自己組織化単層膜及び単層膜を生成する方法のより詳細な説明を与えている。
【００３６】
ひとたび受容体材料層が分離媒体に付着すると、次に、マスク（図示せず）を媒体の上に置き、このマスクをエネルギー源で照射する。その基本的な形態において、「マスク」は、受容体材料の少なくとも１つの範囲又は区域を、照射エネルギー源から遮蔽又は「保護」し、少なくとも１つの隣接する区域をエネルギー源に曝露するように働く。例えば、マスクは、一般に、透明又は半透明のブランク（例えば、材料の細片）であって印刷又はその他の手段でその上に規定された遮蔽領域の任意のパターンを有するものとすることができる。曝露されるマスクの非遮蔽領域は、分離媒体の露出範囲に対応する。或いは、マスクは、単純に、分離媒体の上に置かれる単独の物体であってもよい。この物体の下の範囲は保護されることになるので、受容体材料の活性範囲を規定し、この物体の周りの範囲は、エネルギー源に曝露されることになるので、不活性な受容体材料の範囲を規定する。或いは、物体は、それを通して規定される、露出領域に対応する任意のパターンの開口部を有することができる。
【００３７】
マスクは、その下の部分の分離媒体を照射エネルギー源から保護する、任意の適切な材料で形成することができる。抗体溶液で被覆された金メッキＭＹＬＡＲ（登録商標）フィルムの上に、活性及び不活性の受容体材料領域のパターンを規定するために有用であることが実証されている材料は、その上に印刷された遮蔽又は保護領域のパターンを有する、透明又は半透明のポリマー・フィルム（例えば、ＭＹＬＡＲ（登録商標））である。このタイプのマスクは、約３３０ナノメートル以上の波長を有する光源に対して有用である。約３３０ナノメートル未満の波長を有する光源に対しては、その上に規定されたクロム又は他の金属でメッキされた遮蔽領域を有する、石英又は石英ガラスのマスクを用いることができる。活性領域と不活性領域との間の目に見える回折コントラストを最大にするように、孔のパターン及びサイズを選択することが望ましいことがある。パターンの一例として、活性領域が、直径約１０ミクロンの概ね円形として規定され、互いに約５ミクロンの間隔を置かれている場合に、適切であることが見出されている。しかしながら、規定された回折像をもたらす他のパターンも適切となる。
【００３８】
エネルギー源は、マスクを通して曝露された受容体材料が、不活性又は検体を結合することが不可能になるように選択される。理論に制限されるものではないが、１つの起り得る機構は、エネルギー源が、ラジカル機構によって受容体材料の結合構造体を本質的に破壊することである。エネルギー源は、マスクを通して曝露される受容体材料が不活性となるように選択される。エネルギー源は、受容体材料の結合構造体をラジカル機構によって本質的に破壊する。マスクの遮蔽範囲の下の受容体材料は、照射ステップの間保護される。そのため、マスクを除去すると、活性及び不活性な受容体材料の範囲のパターンが規定される。用語「パターン」は、わずか１つの活性範囲及び１つの不活性範囲をも含むことを理解されたい。次いで、この回折に基づく検定デバイスを、目的の検体を含む媒体に曝すと、その検体は、活性範囲の中の受容体材料に結合することになる。この検体は、活性範囲に対応する可視の回折パターンで、透過光及び／又は反射光の回折を生ずる。
【００３９】
マスクと分離媒体との組合せを照射するために、任意の適切なエネルギー源を選択することができる。エネルギー源は、例えば、紫外（ＵＶ）光源等の光源、電子線、放射線源等とすることができる。１つの特定の実施形態においては、受容体材料は、抗体等のタンパク質ベースの材料であり、不活性化エネルギー源はＵＶ光源である。このセンサは、抗体を不活性化するのに充分な時間ＵＶ光源に曝露されることになる。波長及び曝露時間は、受容体材料の特定の種類に依存して変化させることができる。他の適切なエネルギー源は、同調されたレーザー、電子線、ガンマ線及びＸ線源を含む種々のタイプの放射線、マイクロ波及びそれ未満の波長において充分な光度を有する光線を含んだ種々の強度及び波長の光、等を含むことができる。任意の数のエネルギー源を、特定の抗体又は他の種類の生体分子を不活性化するために、専用に調整することができることを認識されたい。エネルギー源が下にある分離媒体又はマスクに損傷（例えば、溶融）を与えないように注意すべきである。
【００４０】
検体が容易に検出するには小さ過ぎるときのような幾つかの場合には、検体を標識するために、検出プローブを用いることができる。一般に、目視又は機器によって検出可能な信号を発生させることができる、任意の物質を用いることができる。種々の適切な検出可能な物質には、色原体、発光化合物（例えば、蛍光性、燐光性等）、放射性化合物、可視標識（例えば、ラテックス粒子、又は金等のコロイド金属粒子）、信号発生物質を含むリポソーム又は他の小胞等が含まれる。他の適切な検出可能な物質は、全ての目的について、その全体が引用により本明細書に組み入れられる、Ｊｏｕ他の米国特許第５，６７０，３８１号及びＴａｒｃｈａ他の米国特許第５，２５２，４５９号に記載されている可能性がある。
【００４１】
検出可能な物質は、単独で、或いは微粒子（「ビーズ」又は「マイクロビーズ」と称されることがある）と組み合わせて用いることができる。例えば、核、マイコプラズマ、プラスミド、プラスチド、哺乳類細胞（例えば、赤血球ゴースト）、単細胞微生物（例えば、細菌）、多糖類（例えば、アガロース）、酸化物粒子（例えば、シリカ、チタン・ダイオード等）等のような天然由来の粒子を用いることができる。さらに、合成粒子もまた用いることができる。例えば、１つの実施形態においては、蛍光染料又は着色染料で標識されたラテックス粒子が用いられる。本発明においては、いかなるラテックス粒子も用いることができるが、ラテックス粒子は、典型的には、ポリスチレン、ブタジエン−スチレン、スチレン−アクリル−ビニル三元共重合体、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、スチレン−無水マレイン酸共重合体、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピリジン、ポリジビニルベンゼン、ポリブチレンテレフタレート、アクリロニトリル、塩化ビニル−アクリレート等、或いは、それらのアルデヒド、カルボキシル、アミノ、ヒドロキシル、又はヒドラジド誘導体から形成される。他の適切な微粒子としては、Ｊｏｕ他の米国特許第５，６７０，３８１号及びＴａｒｃｈａ他の米国特許第５，２５２，４５９号に記載されている可能性がある。市販の適切な蛍光粒子の例には、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｐｒｏｂｅｓ，Ｉｎｃ．から商品名「ＦｌｕｏＳｐｈｅｒｅ」（Ｒｅｄ  ５８０／６０５）及び「ＴｒａｎｓｆｌｕｏＳｐｈｅｒｅ」（５４３／６２０）として販売されている蛍光カルボキシル化ミクロスフェア、及び、やはりＭｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｐｒｏｂｅｓ，  Ｉｎｃ．から販売されている「Ｔｅｘａｓ  Ｒｅｄ」並びに５−及び６−カルボキシテトラメチルローダミンが含まれる。これに加えて、市販の適切な着色ラテックス微粒子の例には、Ｂａｎｇ’ｓ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，  Ｉｎｃ．から販売されているカルボキシル化ラテックス・ビーズが含まれる。
【００４２】
用いられる場合、粒子の形状は、一般に変化させることができる。例えば、１つの特定の実施形態においては、粒子は球形の形状である。しかし、板、ロッド、円盤、棒、管、不規則形状等の、他の形状もまた本発明で考慮されていることを理解されたい。さらに、粒子の大きさもまた変化させることができる。例えば、粒子の平均サイズ（例えば、直径）は、約０．１ナノメートルから約１，０００ミクロンまでの範囲とすることができ、幾つかの実施形態においては、約０．１ナノメートルから約１００ミクロンまで、また幾つかの実施形態においては、約１ナノメートルから約１０ミクロンまでの範囲とすることができる。例えば、「ミクロン・スケール」の粒子が所望されることが多い。用いられる場合、このような「ミクロン・スケール」の粒子は、約１ミクロンから約１，０００ミクロンまでの平均サイズを有することができ、幾つかの実施形態においては、約１ミクロンから約１００ミクロンまで、また幾つかの実施形態においては、約１ミクロンから約１０ミクロンまでの平均サイズを有することができる。同様に、「ナノ・スケール」粒子もまた用いることができる。このような「ナノ・スケール」粒子は、約０．１ナノメートルから約１０００ナノメートルまでの平均サイズを有することができ、幾つかの実施形態においては、約１０ナノメートルから約６００ナノメートルまで、また幾つかの実施形態では、約２０ナノメートルから約４００ナノメートルまでの平均サイズを有することができる。
【００４３】
幾つかの例においては、より容易に検体と結合することができるように、何らかの方法で検出プローブを修飾することが所望されることもある。このような例において、検出プローブは、それに付着して結合プローブ（ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ  ｐｒｏｂｅ）を形成する、特定の特異的結合メンバーで修飾することができる。特異的結合メンバーとは、一般に、特異的結合対、すなわち、２つの異なる分子のうちの１つが化学的及び／又は物理的にもう一つの分子に結合しているもの、のメンバーを意味する。例えば、免疫反応性の特異的結合メンバーは、抗原、ハプテン、アプタマー、抗体（一次又は二次）、及びそれらの複合体を含むことができ、組換えＤＮＡ法又はペプチド合成によって形成されるものを含む。抗体は、単クローン若しくは多クローン抗体、組換えタンパク質、又はその混合物若しくは断片、並びに抗体と他の特異的結合メンバーとの混合物とすることができる。このような抗体の調製、及び特異的結合メンバーとして使用するための適性の詳細は、当業者には周知である。他の一般的な特異的結合対には、ビオチンとアビジン（又はその誘導体）、ビオチンとストレプトアビジン、炭水化物とレクチン、相補的ヌクレオチド配列（標的の核酸配列を検出するためのＤＮＡハイブリダイゼーション検定において用いられるプローブ及び捕獲核酸配列を含む）、組換え法で形成されるものを含む相補的ペプチド配列、エフェクター分子とレセプター分子、ホルモンとホルモン結合タンパク質、酵素補因子と酵素、酵素阻害剤と酵素、等が含まれるが、これらに限定されない。さらに、特異的結合対は、元の特異的結合メンバーの類似体であるメンバーを含むことができる。例えば、検体の誘導体又は断片、すなわち検体類似体は、検体と共通の少なくとも１つのエピトープを有する限り、用いることができる。
【００４４】
特異的結合メンバーは、一般に、種々の周知技術のいずれかを用いて、検出プローブに付着させることができる。例えば、検出プローブ(例えば、粒子）に対する特異的結合メンバーの共有結合は、カルボキシル、アミノ、アルデヒド、ブロモアセチル、ヨードアセチル、チオール、エポキシ及び他の反応性又は結合性官能基を、残基の遊離ラジカル及びラジカル・カチオンと共に用いて達成することができ、これによりタンパク質カップリング反応を達成することができる。検出プローブの表面は、比較的高い表面濃度の極性基を含むことができるので、表面官能基もまた、官能化コモノマーとして組み込むことができる。さらに、検出プローブは、合成後に官能化されることが多いが、ポリ（チオフェノール）のような特定の場合には、プローブは、更なる修飾を必要とすることなく、直接タンパク質と共有結合することが可能である。共有結合の他に、物理吸着のような他の付着法を用いることもできる。
【００４５】
本発明によるマイクロ流体検定デバイスを形成するために、分離媒体は、１つ又はそれ以上の流体ゾーンを有する基板に隣接して配置することができる。必ずしも必須ではないが、分離媒体及び基板は、一般に、液密のシールを形成するように互いに貼り合わされる。例えば、適切な接合技術は、接着接合、超音波接合、熱拡散接合等を含むことができる。使用の際には、流体試験試料は、試料ウェル及び／又は導入流路に加えられる。流体試験試料は、目的の検体と、随意に、検定を行うための試薬（例えば、検出プローブ）とを含むことができる。そのため、試料添加ウェル及び／又は導入流路は、流体試験試料を加える場所として働くほかに、デバイス内で用いられる試薬を、混合、希釈、又は反応させるための場所としても働くことができる。或いは、検定試薬は、分離媒体に（脱水を経て）付着させることができて、そこで流体試験試料と接触すると、検定試薬は流体試験試料中に再懸濁されることができる。例えば、分離媒体は、脱水された検定試薬が導入流路に隣接して位置するように、基板に貼り合わせることができる。さらに他の実施形態においては、所望の検定試薬は、単純に分析ゾーンに加えることができる。とにかく、流体試験試料は、分析ゾーンに到達するまでデバイス中を流れる。分離媒体は、一般に、分析ゾーンの充分近くに配置されるので、流体中に含まれる検体又はその複合体は、検出のための受容体材料に結合することができる。
【００４６】
上記の実施形態においては、個別の構成要素を用いて、マイクロ流体検定デバイスが形成される。すなわち、検定デバイスには、流体ゾーンが形成された基板と、受容体材料が付けられた分離媒体とを用いられている。基板と分離媒体の組合せは、検体の存在又は量を検出することが可能なマイクロ流体デバイスを形成する。しかしながら、本発明はまた、単一の構成要素のみを用いる実施形態を包含することを理解されたい。例えば、受容体材料は、上記の任意の技術を用いて、流体ゾーンを含む基板の表面に直接付けることができる。１つの実施形態においては、受容体材料は、分析ゾーン内の基板上に存在する金属コーティングに直接付けられる。この方式では、流体試験試料は、導入流路を通って分析ゾーンに流れ込むことができ、そこで検体（又はその複合体）は受容体材料と結合することができる。
【００４７】
さらに、本発明においては、公知の任意の種類の検定又は検出法を用いることができる。例えば、燐光、蛍光、吸光等の、他の公知の光学的検出法を用いることができる。一例として、光学検出器には、随意に、分析ゾーンの上に形成される光学検出窓に隣接して配置される光源及び検出器を用いることができる。さらに、マイクロ流体デバイスには、電気化学的検出法を用いることができ、これは、典型的には、検体（又はその複合体）と電極ストリップ上の捕獲リガンドとの間の電気化学的反応の検出を含む。種々の例示的な電気化学的検出システムは、Ｗａｌｌｉｎｇ他の米国特許、第５，５０８，１７１号、Ｖｒｅｅｋｅ他の米国特許第５，５３４，１３２号、Ｍｏｎｂｏｕｑｕｅｔｔｅの米国特許第６，２４１，８６３号、Ｃｒｉｓｍｏｒｅ他の米国特許第６，２７０，６３７号、Ｈｅｌｌｅｒ他の米国特許第６，２８１，００６号、及びＦｅｌｄｍａｎ他の米国特許第６，４６１，４９６号に記載されており、これらは全ての目的について、その全体が引用により本明細書中に組み入れられる。
【００４８】
用いられる特定の検出機構にかかわらず、本発明のマイクロ流体デバイスは、デバイス中の流体試験試料の流れを引き起こすために、圧力源、動電学的力等のような能動的な力を必要とすることなく、「単一ステップ」で検定を行うことを可能にする。同様に、流速が制御されて、分析ゾーン中での流体試験試料の総滞留時間が、所望の反応及び／又は検出を完了させるのに充分に長くなる。
本発明は、以下の実施例を参照することで、さらによく理解することができる。
【実施例１】
【００４９】
本発明の１つの実施形態により、マイクロ流体デバイスを形成することの実施可能性を実証した。具体的には、最初に、マイクロ成形されたポリマー・シートを、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）シリコーン・ゴム（「Ｓｙｌｇａｒｄ  １８４」、ミシガン州ＭｉｄｌａｎｄのＤｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇから入手可能）から形成した。ＰＤＭＳプレポリマーは、３９００センチポアズの粘度を有する液体であった。ＰＤＭＳプレポリマーは、白金ベースの触媒を用いる（触媒１部：プレポリマー１０部）ラジカル媒介機構によって重合した。ＰＤＭＳの初めの液体特性は、高い忠実度及び良好な寸法安定性を有する精巧に構造化された金型を複製することを可能にした。
【００５０】
次に、５０マイクロメートルの厚みのフォトレジスト（Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌから「ＥＰＯＮ  ＳＵ−８」という名称で入手可能）をシリコン・ウェハの上に形成した。具体的には、３ミリメートルのＳＵ−８フォトレジストを、直径６”のシリコン・ウェハの上に１００ＲＰＭで施し、ゆっくりと５００ＲＰＭまで加速し、次に急速に２０００ＲＰＭまで加速して３０秒間維持した。堆積されたフォトレジストは、接触ホットプレート上で穏やかにベークした（６５℃で２分間、次に９５℃で５分間）。次に、ＬＳ−１０００  Ｓｏｌａｒ  Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ（ペンシルバニア州フィラデルフィアのＳｏｌａｒ  Ｌｉｇｈｔ）を用い、このＳＵ−８フォトレジストを、予め設計された流体ゾーンのパターンを有する、クロムでパターン付けされた石英フォトマスクを用いて、３０秒間露光した。流体ゾーンの設計は、ＣＡＤプログラムを用いて作製した。この設計は図１に示され、以下の寸法を有する。
【００５１】
表１：流体ゾーンの寸法
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【００５２】
接触ホットプレート上、９５℃での７分間の露光後ベークの後、ＳＵ−８現像液（マサチューセッツ州、ＮｅｗｔｏｎのＭｉｃｒｏＣｈｅｍ）中に約６分間浸漬し、次いで遠心脱水サイクル（２０００ＲＰＭ、３０秒間）を行うことによって、原型を現像した。最後に、前記の遠心脱水条件を用いて、動的イソプロパノール・リンス・サイクル（１ｍＬ）によって、パターンを洗浄した。得られたネガティブ・レリーフの原型を用いて、ポジのＰＤＭＳマイクロ流体デバイスの成型を行った。いったん硬化したら、ＰＤＭＳマイクロ成型流路を注意深く金型から外し、次いでフィルムに接着した。ＰＤＭＳ部分の表面エネルギーは、これをフィルムに密着させたときに、液密の接合が形成されるようなものであった。
【００５３】
フィルムは、バージニア州、ＭａｒｔｉｎｓｖｉｌｌｅのＣＰＦｉｌｍｓ，Ｉｎｃ．から入手され、１０ナノメートル厚の金コーティング（≦１３オーム毎平方インチ）を有する７ミルのＭｙｌａｒ（登録商標）フィルムであった。この金コーティング・フィルムを、ＣＲＰ（ＢｉｏｓＰａｃｉｆｉｃ）に対して反応性のチオレート化された単クローン抗体に２分間曝した。次に、フィルムを蒸留脱イオン水ですすぎ、０．２ミクロンのフィルターを通した空気でドライヤー乾燥した。このコーティングされたフィルムを真空圧盤の上に取り付け、クロムでパターン付けされた石英フォトマスクを、フィルムのコーティングされた面に直接接触させて置いた。マスクとフィルムの間の空隙は、強力な真空引きによってさらに低減された。次に、コーティングされたフィルムを、２２２ナノメートル光（ジョージア州、ＤｕｌｕｔｈのＨｅｒａｅｕｓ  Ｎｏｂｌｅｌｉｇｈｔから入手された一対のＫｒＦエキシマ・ランプによって発生された単色光）に２分間露光した。検定デバイスの移動相は、直径３００ナノメートルのカルボキシレート修飾ラテックス・マイクロスフェア（Ｂａｎｇｓ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ）から形成した。単クローン抗ＣＲＰ抗体（ＢｉｏｓＰａｃｉｆｉｃ）を、このラテックス・マイクロスフェアに結合させ、この粒子を、ｐＨ７．２のリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）及びＴｒｉｔｏｎ  Ｘ−１００（０．３％）の中に、固体濃度１．２５％で貯蔵した。
【００５４】
検定を開始するために、この結合粒子を、様々の濃度のＣ反応性タンパク質を含む試料と予備混合し、得られた混合物を、組み立てられたマイクロ流体デバイスの導入流路に加えた。混合物は導入流路に流れ込み、分析ゾーンを満たし、最終的にウィッキング流路に流れ込み始めた。３分から５分の後、ウィッキング流路は、導入流路、及び最終的に分析ゾーンから液体が無くなる程度にまで満たされた。退いていく空気／液体界面は、「サンドイッチ」構造体を形成するのに充分な検体が存在する分析ゾーン内に信号粒子のみを残して、あらゆる未結合の移動相を運び去った。結果は、全ての目的について、その全体が引用により本明細書中に組み入れられるＫａｙｌｏｒ他の２００３／０１０７７４０に記載されているような回折に基づく検出法を用いて、得られた。様々な検体濃度でこの実験を繰り返して、図８に示される用量反応曲線を作成した。
【実施例２】
【００５５】
図２に示され、以下の寸法を有する設計を用いたこと以外は実施例１に記載された通りに、マイクロ流体デバイスを形成した。
【００５６】
表２：流体ゾーンの寸法
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【実施例３】
【００５７】
図３に示され、以下の寸法を有する設計を用いたこと以外は実施例１に記載された通りに、マイクロ流体デバイスを形成した。
【００５８】
表３：流体ゾーンの寸法
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【実施例４】
【００５９】
図４に示され、以下の寸法を有する設計を用いたこと以外は実施例１に記載された通りに、マイクロ流体デバイスを形成した。
【００６０】
表４：流体ゾーンの寸法
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【実施例５】
【００６１】
図５に示され、以下の寸法を有する設計を用いたこと以外は実施例１に記載された通りに、マイクロ流体デバイスを形成した。
【００６２】
表５：流体ゾーンの寸法
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【実施例６】
【００６３】
図６に示され、以下の寸法を有する設計を用いたこと以外は実施例１に記載された通りに、マイクロ流体デバイスを形成した。
【００６４】
表６：流体ゾーンの寸法
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【実施例７】
【００６５】
図７に示され、以下の寸法を有する設計を用いたこと以外は実施例１に記載された通りに、マイクロ流体デバイスを形成した。
【００６６】
表７：流体ゾーンの寸法
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【００６７】
本発明は、その特定の実施形態に関して詳細に説明されたが、当業者は、前述のことがらを理解することで、これらの実施形態の変更、改変、及び等価物を容易に考え付くことができることが認識される。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその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】
【００６８】
【図１】本発明のマイクロ流体検定デバイスの１つの実施形態の概略図である。
【図２】本発明のマイクロ流体検定デバイスの他の実施形態の概略図である。
【図３】本発明のマイクロ流体検定デバイスの他の実施形態の概略図である。
【図４】本発明のマイクロ流体検定デバイスの他の実施形態の概略図である。
【図５】本発明のマイクロ流体検定デバイスの他の実施形態の概略図である。
【図６】本発明のマイクロ流体検定デバイスの他の実施形態の概略図である。
【図７】本発明のマイクロ流体検定デバイスの他の実施形態の概略図である。
【図８】実施例１において得られた用量反応曲線であり、相対反応がＣ反応性タンパク質の濃度（マイクログラム毎ミリリットル）に対してプロットされている。
【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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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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