(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が相互作用して少なくとも１種の生成物を生じることができる微小流体導管構造と、前記導管構造内の状態を自律的に制御するための自動化された閉ループ制御メカニズムとを有し、制御メカニズムが：
前記導管構造内の状態に依存する、少なくとも１種の生成物の所定の特性を表すセンサー信号を生じるように適合されたセンサーと；
分類された試薬のアレイから導管構造へ試薬を移動させるための移動メカニズムと；
前記センサー信号を受取り、前記センサー信号に依存して、前記移動メカニズムに、前記導管構造内における試薬の組み合わせを変化させるように適合されたコンピュータとを有し、
前記コンピュータは所定の特性に関連する所定の目標がプログラムされ、前記コンピュータはセンサー信号を前記所定の目標と比較し、当該比較に基づいて、前記所定の目標に到達するように、前記移動メカニズムに前記試薬の組み合わせを変化させるように適合され、
前記コンピュータは前記試薬のアレイの分類と、前記所定の目標に到達するため前記試薬の組み合わせのヒューリスティック変化をもたらす反復アルゴリズムとがプログラムされた系。
【請求項２】
前記センサーが、少なくとも１種の生成物の所定の化学的特性を表すセンサー信号を生じるように適合される請求項１記載の系。
【請求項３】
前記センサーが、少なくとも１種の生成物の所定の生物学的特性を表すセンサー信号を生じるように適合される請求項１記載の系。
【請求項４】
前記所定の目標が同一性、純度、転化率、異性体比、収率、不純物プロファイル又は色に関する請求項２記載の系。
【請求項５】
前記所定の目標が活性、効能、選択性又は持続時間に関連する請求項３記載の系。
【請求項６】
統合された、コンピュータ制御された系である請求項１記載の系。
【請求項７】
コンピュータが、試薬の組合せが定の目標を満たす所定の生物学的特性を有する生成物を生じるまで、微小流体導管構造を通って異なる組合せの試薬を自律的に走らせるように閉ループ制御メカニズムをヒューリスティックに操作する工程とを含む、
請求項１に記載された系にて実現される化合物のスクリーニング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小流体系及びその系で行なわれる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連出願）
本願は、2003年4月7日に出願された英国特許出願No.0 307 999.3に優先権主張し、この出願の全内容が、引用することによって本明細書に組み入れられる。
【０００３】
（発明の背景）
微小流体系の使用は現在、分析化学、薬剤探求、診断法、コンビナトリアル合成及びバイオテクノロジーを含む種々の分野で十分に確立されている。そのような系はまた、コンビナトリアルライブラリーの合成又はスクリーニング、ポストゲノムの特性決定等における場合であり得るように、試料体積が低くあり得る重要な用途を有する。
【０００４】
微小流体系は、その中の液体の流速が比較的高い小寸法の微小流体導管構造を有する。このことは、小さい設置面積内で、より速くかつ安価な分析及び／又は合成を可能とする。微小流体導管構造において観察される特徴的な効果は、本質的に低いレイノルズ数（Re<700）であり、これは液体の層流を生じさせる。この効果は、異なる導管からの２つの流動流が出会って１つの導管に沿って移動し、並んで流動する流れを生じるときに最も明らかに見ることができる。この現象の正味の結果は、乱流がないこと、及び界面の境界層を横切る分子の拡散によって２つの流れの間の質量移動が生じることである。この界面を横切る拡散混合は速くあり得、混合のための時間は1/1000秒〜秒の範囲である。拡散混合時間は、流動流間に反応性があるなら、より短くさえある。
【０００５】
微小流体系の微小流体導管構造は、微小流体チップにおいて形成されるか、又はキャピラリー構造によって形成されることができる。
【０００６】
背景技術として、EP-A-1 336 432を挙げることができ、これは本願の優先権主張日後に公開された。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、流体が相互作用して少なくとも１種の生成物を生じることができる微小流体導管構造及び、導管構造における状態又は導管構造の状態を自律的に制御するための自動化された閉ループ制御メカニズムを有する系であって、制御メカニズムが：
導管構造における状態又は導管構造の状態に依存する、少なくとも１種の生成物の所定の特性を表すセンサー信号を生じるように適合されたセンサー、
導管構造における状態又は導管構造の状態を変えるように適合された手段、及び
センサー信号に依存して、手段に、導管構造における状態又は導管構造の状態を変えさせるように適合されたコンピュータ
を有する系が提供される。
【０００８】
典型的には、コンピュータは、所定の特性に関連した所定の目標を有してプログラムされ、コンピュータは、センサー信号を所定の目標と比較し、かつ手段に、所定の目標を達成しようとして比較に基づいて、導管構造における状態又は導管構造の状態を変えさせるように適合される。
【０００９】
導管構造は、流体が相互作用するように流動可能である流動導管構造であり得る。
【００１０】
適当には、流体は、導管構造中で反応して、少なくとも１種の反応生成物を生じる。すなわち、流体は試薬である。本願において「試薬」という語は、試薬である流体（例えば液体）及び１種以上の試薬を含む流体（例えば液体）を包含する。
【００１１】
微小流体導管構造は、微小流体チップにおいて形成することができる。系のセンサーは、チップの一部を形成するか、又はそれとは別であり得る。
【００１２】
センサーは、別個の要素であることができ、この場合には、系は少なくとも１種の生成物をセンサーへ運ぶための自動化移動メカニズムを有することができる。
【００１３】
系のセンサーは、系の複数の異なるセンサーのうちの１つであることができ、それぞれが、少なくとも１種の生成物の異なる特性を検知する。コンピュータはその後、独立したセンサー信号の全てを斟酌して状態を変える。
【００１４】
系の閉ループ制御メカニズムは、導管構造における、及び／又は導管構造の複数の異なる状態を自律的に制御するように適合され得る。これらの状態は、１つのセンサー又は複数のセンサーからのセンサー信号に依存して、変えられ得る。１つの場合には、各状態は、系のセンサー配列における異なるセンサーに依存して変えられ得る。
【００１５】
手段は、導管構造における物理的状態、例えば温度、圧力、流速、電場等を変えるように適合され得る。
【００１６】
手段は、導管構造の物理的状態、例えば外形、導管表面の性質、導管表面電位等を変えるように適合され得る。
【００１７】
手段は、導管構造における化学的状態、例えば流体の化学組成、流体のpH、導管構造中又は導管構造上の固相、濃度等を変えるように適合され得る。手段は、導管構造に導入された電極によって、導管構造におけるイオンの電気泳動的(electropheretic)挙動を変えるように適合され得る。
【００１８】
手段は、例えば導管構造の表面処理によって、例えば化学技術において公知なように、化学変性によって、又は「キャッチアンドリリース」メカニズムにより放出され得る荷重によって、導管構造の化学的状態を変えるように適合され得る。
【００１９】
導管構造は、１つの流動導管及び３個以上のそれへの入口を有することができ、少なくとも１つの入口は、他の入口の１つの下流に配置され、変化させる手段は、センサー信号に依存して、入口を介した流動導管への流体の導入の順序及び／又はタイミング及び／又は時点を変えるようにコンピュータによって制御されるように適合される。例として、順序は、入口を介した導入の相対的なタイミング又は相対的な流速を変えることによって、又は流体が流動導管へ導入される入口を変える、すなわち周囲の流体の入口を交換することによって、変えることができる。これは、導管構造の外形をいかに変えることができるかの例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の他の態様及び特徴は、特許請求の範囲及び以下の典型的な実施態様の説明において示される。
【００２１】
以下の説明においては、類似の参照番号は、異なる実施態様において類似の特徴を示すために使用される。
【００２２】
図１においては、外部チップ表面5に備えられたY-字形の微小流体導管構造3を有する典型的な微小流体チップ1が概略的に示される。チップ1は、ケイ素、シリカ又はガラスから形成され、導管は、当技術分野で公知なように、ウェット（化学）又はドライ（例えばプラズマ）エッチングによってその中に備えられる。チップはまた、プラスチック材料から形成することができる。
【００２３】
導管構造3は、２種の試薬A、Bを共通の流動導管11へと同時導入するための1対の入口枝導管7、9を有する。導管7、9、11は、その中に層流を有して低いレイノルズ数（Re<700、好ましくはRe<10）を維持することができる寸法を有する。このために、導管は、好ましくは300ミクロン以下の幅Wを有する。導管7、9、11の深さは、典型的には幅以下であり、さらに典型的には50％以上幅より短い（すなわち、幅対深さのアスペクト比が少なくとも2：1）。
【００２４】
導管構造3における低いレイノルズ数は、図１の挿入画に示されるように、試薬A、Bが、平行又は並んでいる流動流13、15において、共通の流動導管11中に層をなして流れるという結果を生じる。この現象の正味の結果は、乱流がないこと、及び界面の境界層17を横切る分子の拡散によって２つの流動流13、15間に質量移動が生じることである。
【００２５】
入口枝導管7、9の一致点からの平行した流動流13、15の長さは、試薬の反応性に依存する。図１に示されるように、流動流13、15の相互作用は、共通の流動導管11中に形成している一連の「反応領域」19の展開を結果として生じ、これは、例えば異なる色を有し得る。
【００２６】
反応領域19は異なる反応生成物を含み、試薬A、Bの全反応の異なる段階に対応する。言い換えれば、A及びBの反応の時間分解能を、共通の流動導管11中で観察することができる。これは、共通の流動導管11中の反応領域19の異なる滞留時間に起因する。言い換えれば、時間の所定時点では、先導領域19aは、後に続く領域19bより共通流動導管11中で長い滞留時間を有していた。かくして、先導領域19a中の試薬A、Bの反応成分間の相互作用は、後に続く領域19bにおけるより多く進んだ。
【００２７】
上記したタイプの不均質反応は、異なる方式で行なうことができる。方式Iにおいては、試薬A、Bの連続流が、入口枝導管7、9の一致点で相互作用し、その中で反応領域19が静止していると思われるように、共通の流動導管11中で安定した状態を達成する。他方、方式IIにおいては、短い持続時間の試薬A、Bの別個の栓流が、それぞれの入口枝導管7、9において、連続する反応しない溶媒流動流中に開放され、共通の流動導管11中で不均質な方法で、方式Iと同様ではあるが、方式Iで到達した安定状態を達成せずに反応する。方式IIIにおいては、試薬の１種が連続する反応しない溶媒流動流へと拍動で送られ、一方、他の試薬の連続する流動流が提供される。
【００２８】
担体液体又は試薬が非混和性であるなら、異なる反応領域が異なる相中に形成されることができる。
【００２９】
安定状態方式Iの例として、試薬Aが水性過マンガン酸カリウムであり、試薬Bがアルカリ性水性エタノール溶液である場合を考える。反応領域19は、過マンガン酸カリウムとアルカリ性エタノールの段階的還元について知られているものに対応する異なる特徴的な色を有する。
【００３０】
方式IIの例として、臭化ベンジルホスホニウム（試薬A）の栓流が入口枝導管7の１つの中で反応しない連続する溶媒流動流（例えばメタノール）中に開放され、一方アリールアルデヒド及び塩基、例えばナトリウムメトキシドの混合物（試薬B）の栓流が、他の入口枝導管9中で反応しない連続の溶媒流動流（例えばメタノール）中に開放される。これは、共通の流動導管11中での不均質反応を結果としてもたらし、これはスチルベン反応生成物の栓流を放出する。
【００３１】
方式IIIの例は、ハロゲン化アリールの種々の栓流が、触媒-並列された共通の流動導管11内でアリールホウ酸の連続流動流中に開放されるSuzuki反応である。
【００３２】
認識されるように、入口枝導管7、9は共通の流動導管11と共に、Y-字形の代わりに、他の形、例えばT-字形を形成することができる。
【００３３】
微小流体チップ1を組み込んだ発明のコンピュータ制御された系20が、図２に概略的に示される。この系は、微小流体チップ1に動作可能に結合されたコンピュータ21により制御される。コンピュータ21は、Pentium（商標） 4 プロセッサ (Intel Corporation, USA)を有し、Windows（商標）動作系（Microsoft Corporation, USA）を実行する標準のPCフォーマットを有する。
【００３４】
系20はさらに試薬ライブラリー23を含み、これは、系20で行なわれるべきプロセスに依存して、たった２種の試薬しか有さないか、又は多数の試薬を有することができる。試薬ライブラリー23が多数の異なる試薬を含む場合には、ライブラリーは、「LibraryCard」としてCaliper Technologies Corporation (California, USA) により記載されたような、分類された試薬配列の形態をとる。代案として、分類された試薬配列中の試薬は、１つ以上のプレート（例えばマイクロタイタープレート）の管又はウェル中にあり得る。
【００３５】
試薬ライブラリー23は、移動メカニズム25を介して微小流体チップ1に動作可能に結合される。移動メカニズムは、試薬からチップ1の入口枝導管7、9へと伸びるキャピラリー又は、小体積分配装置、例えばCaliper Technologies Corporation(USA)から入手可能な「シッパーチップ」の形態をとり得る。
【００３６】
最後に系20は、チップ1の共通流動導管11中に形成される反応生成物の所定の特性を表すセンサー信号を生じるためのセンサー27を有する。センサー27は、後に理解されるように、系20の意図される作業に依存して、種々の形態、例えば受動的又は介入的な形態をとることができる。センサーは、チップ1の一部を形成することができる。
【００３７】
センサー27は、反応生成物の所定の特性を表し、その処理のためにこれらをコンピュータ21にフィードバックするセンサー信号29を発生させる。
【００３８】
後でより詳細に述べるように、コンピュータ21は、反復アルゴリズムを使用して、系20に：
(i)  共通流動導管11における反応条件の最適化、例えば収率の最適化もしくは特定の結果の生成、又は
(ii)  所定の特性がセンサー27により検知されるか、又は所定の値を有するように検知される、共通流動導管11における反応生成物
を生じるための操作又は生成するための試みをさせる。
【００３９】
これについては、コンピュータ21及びセンサー27が、系20の自動化された閉ループ制御（又はフィードバックループ制御）を形成する。説明のために、センサー信号29はコンピュータ21により処理され、センサー信号29に応答するアルゴリズムによる出力である要求信号31を生じる。要求信号31は、チップ導管構造3における状態及び／又はそれの状態に変化を生じさせるために使用される。より詳細には、要求信号31は、チップ導管構造3中の試薬が経験する状態、例えば流速、温度、圧力等を変えるために使用され得る。あるいは、又は追加的に、要求信号31は、ライブラリー23から微小流体チップ1へと運ばれる１種以上の試薬を変えるために使用され得る。後者の場合には、アルゴリズムによる交換試薬の選択の方法は、アルゴリズムが、最も適当な探求から必要であると予測する試薬に最もよく似ている試薬を選択することができるように、試薬ライブラリー23に適用される分類（この分類は、コンピュータ21においてプログラムされる）によって容易にされる。
【００４０】
系20はかくして、アルゴリズムの目標又は複合的目標、例えば反応生成物の１つ以上の特性の最適化を得ようとするように、チップ1において「理知的に」かつヒューリスティックに反応のパラメータを変えると思われる。このために、アルゴリズムは、単純アルゴリズム又は遺伝学的アルゴリズム又はその組合せであり得る。アルゴリズムの代わりに、又は同様に、神経回路網を使用することができる。
【００４１】
系20の使用の種々の例がここに与えられる。
【００４２】
実施例１-  化学センサー
この例では、系20は、反応の化学特性、例えば試薬A及びBの反応における特定の反応生成物の収率、時間分解反応もしくは生成物領域19の相対的な量又は特定の異性体の量を最適化するために使用される。
【００４３】
この場合には、センサー27は化学センサー、例えばオンラインセンサー又はオフラインセンサー、例えば画像形成装置、ラマン分光器又は液体クロマトグラフィー-マススペクトロメーターの形態をとる。センサー信号29が、反応生成物の収率がアルゴリズムにおける設定点の高さに達していないことを示すときには、要求信号31が、例えば試薬の流速を変えるように移動メカニズムに供給されるか、及び／又は導管構造3における別の状態、例えば温度等に変化を生じさせるためにチップ1（この例では、チップ1の周囲状態を制御するための任意の関連する装置を含む）に供給される。
【００４４】
幾つかの反応生成物が、共通流動導管11中で同時に監視されている場合には、これらは、マススペクトル法でそれらの分子量を決定することによって、互いに識別され得る。これは一般に、系20の操作に適用する。
【００４５】
あるいは、又は追加的に、ライブラリー23は同じ試薬を、しかし異なる濃度等で含む。要求信号31は、移動メカニズム25に、チップ1への試薬の組合せ投入量を変えさせる。
【００４６】
実施例２-  バイオセンサー
この例では、系20は、チップ1によって種々の異なる試薬の組合せをランし、反応生成物を１種以上のバイオセンサーに通して製薬用途、例えば薬剤発見における可能な使用のための試験をするために使用される。言い換えれば、系20は、反応生成物の高処理量スクリーニング(HTS)のために使用される。ここで、閉ループ制御は、製薬用途のさらなる研究のために、試薬ライブラリー23から反応生成物を見出すように作動する。
【００４７】
バイオセンサーは、バイオアッセイ及び、反応生成物とバイオアッセイとの相互作用を検出し、センサー信号29を出力するための１個以上の検出器を含むことができる。これに関しては、バイオアッセイは、ビーズに基づくものであることができ、複数の異なるバイオアッセイビーズを含むことができる。検出器は、画像形成装置又は他のタイプの光放射検出器、例えば共焦蛍光検出器を用いて使用されるNikon TE2000U(Genapta Limited, Cambridgeshire, UKから入手可能)を含むことができる。
【００４８】
複数のバイオセンサーを、例えば出力生成物を種々のバイオアッセイに提供する多種多様の系によって、又は識別が例えばコード化されたビーズに基づく系又はバイオアッセイ配列例えばホログラフィーセンサーの配列(Smart Holograms Limited, Cambridge, UK)に基づくことができる複合バイオアッセイによって、使用することができる。
【００４９】
系20は、先立つ反応生成物を表すセンサー信号29に応答して、チップ1への試薬の組合せ入力を変えて、バイオセンサーに対して反応生成物を最適化するように作動する。コンピュータ21による「新たな」試薬の選択は、試薬ライブラリー23（上記参照）中の試薬の分類によって容易にされる。
【００５０】
実施例３
この例においては、系20のチップ1は、図３に概略的に示された導管構造103を有する。導管構造103は、試薬Aのための入口枝導管107及び試薬B（この場合には、入口枝導管107から外れている（下流である））のための入口枝導管109を有する。導管構造103はさらに、別の試薬Cのための１個以上の追加の入口枝導管125を有する。各入口枝導管107、109、125は、独立して動作可能なように、弁130を有する。再び、層流動流が、共通流動導管111中に生成される。
【００５１】
このように、選択された反応領域（図1、19）における反応生成物は、選択された反応領域をそれと並列にして、入口枝導管125の開放を同時に行なうことによって、試薬Cと反応することができる。新たな試薬Cとの反応のための反応領域の選択性は、時間分解反応領域19が、試薬Cのための入口枝導管125の１つの通過前に「失われ」ないように、一連の入口枝導管125（図３において仮像で示される）を有することによって援助される。
【００５２】
かくして閉ループ制御が作動して、試薬Cと反応する時間分解反応領域19を変えてセンサー27に対して反応生成物を最適化するか又は、例えばコンピュータによる流速の制御によって、例えばチップと関連する圧力ポンプ(Eksigent Technologies, USA)の制御によって、それが試薬Cと反応する前に特定の反応領域の滞在時間を変えることができる。このように、試薬Cが入る最適点が見出される。
【００５３】
この操作は、先に詳述した方式I〜IIIのそれぞれについて適用されることが認識される。
【００５４】
その上、図３に示された種類の入口配置は、コンピュータ21が試薬（例えばA〜C）に、それぞれの新たなその循環において異なる入口枝導管107、109、125を通して投入させられることを可能にすることによって、複数の試薬の混合の順序を系20により変えることを可能にする。言い換えれば、試薬のために使用される入口は交換されて、最適配置が見出される。
【００５５】
本発明は、上記した特定の実施態様に限定されず、添付の特許請求の範囲内の他の概観、形態及び変形を取り得ることが理解されるであろう。例として、図１〜３に関して記載した導管構造は、チップに形成する代わりにキャピラリーネットワークによって形成することができた。別の例としては、系は、生成物をそれの１個より多くの特性の決定のための１個より多くのセンサーを通過させることができ、コンピュータは、全てのセンサー信号に応答して導管構造における状態及び／又は導管構造の状態を変えるように、例えば1個より多くの生成物特性を最大にしようとするか、及び／又は1個より多くの生成物特性を最小にしようとするように作動する。さらに、２個以上の最適化する系を一緒に結合することができる。その上、最適化は、反応の幾つかの段階にわたって探求されることができ、その段階は、個々に最適化されるか又は最適化されないことができる。反応の各段階は、同じ微小流体導管構造において行なうことができる。例えば、各段階の中間体生成物を、さらに加工処理するために導管構造中へと戻して再循環させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１は、その微小流体導管構造を示す、微小流体チップの概略の断片的な図である。
【図２】図２は、本発明の系の概略のブロックダイヤグラムである。
【図３】図３は、微小流体チップの概略の断片的な図であるが、別の微小流体導管構造を有するものである。
【図１】
0004647589.tif 000002
【図２】
0004647589.tif 000003
【図３】
0004647589.tif 000004