(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性粒子を含む流体を処理するための微小流体工学システムであって：
ａ）第一の流体を含むよう構成された少なくとも二つのチャンバと、
ｂ）前記二つのチャンバと連通し、第二の流体を含むよう構成された少なくとも一つのチャネルであって、前記第一の流体と前記第二の流体の間の二つの流体界面において0でない表面張力が生成される、チャネルと、
ｃ）磁気源とを有しており、
・前記磁気源は、少なくとも二つの別個の磁気勾配領域であって、前記チャンバのうちの少なくとも一つのチャンバの流体中に存在する磁性粒子をこれらの領域に引き寄せる領域を提供するよう構成され、
・これらの勾配領域のうちの一つの勾配領域の少なくとも一部分は、前記磁性粒子の少なくとも一部に対して、前記流体界面を通じて前記磁性粒子を押すおよび／または引くことを許容するのに十分に高い磁気的引力を加えることができる、
微小流体工学システム。
【請求項２】
前記磁気源が永久磁石であることを特徴とする、
請求項１記載の微小流体工学システム。
【請求項３】
前記永久磁石が六面体形状を有することを特徴とする、
請求項２記載の微小流体工学システム。
【請求項４】
前記磁気源が電磁石であることを特徴とする、
請求項１記載の微小流体工学システム。
【請求項５】
前記磁気源が、前記磁性粒子を含む前記チャンバに対する前記勾配領域の相対位置が変えられるよう構成されることを特徴とする、
請求項１記載の微小流体工学システム。
【請求項６】
前記磁気源が、前記チャンバおよび／または前記チャネルに対して可動であることを特徴とする、
請求項１記載の微小流体工学システム。
【請求項７】
前記第一の流体が親水性であり、前記第二の流体が疎水性である、あるいは逆に前記第一の流体が疎水性であり、前記第二の流体が親水性であることを特徴とする、
請求項１記載の微小流体工学システム。
【請求項８】
磁性粒子を含む流体を処理するための微小流体工学システムのチャンバにおいて磁性粒子の集団の分散を達成するための方法であって、
前記微小流体工学システムは：
ａ）第一の流体を含むよう構成された少なくとも二つのチャンバと、
ｂ）前記二つのチャンバと連通し、第二の流体を含むよう構成された少なくとも一つのチャネルであって、前記第一の流体と前記第二の流体の間の二つの流体界面において0でない表面張力が生成される、チャネルと、
ｃ）磁気源とを有しており、
・前記磁気源は、少なくとも二つの別個の磁気勾配領域であって、前記チャンバのうちの少なくとも一つのチャンバの流体中に存在する磁性粒子をこれらの領域に引き寄せる領域を提供するよう構成され、
・これらの勾配領域のうちの一つの勾配領域の少なくとも一部分は、前記磁性粒子の少なくとも一部に対して、前記流体界面を通じて前記磁性粒子を押すおよび／または引くことを許容するのに十分に高い磁気的引力を加えることができ、
当該方法は：
前記集団の種々の部分が少なくとも二つの勾配領域によって生成される磁気的引力を受けるよう前記チャンバに隣接して前記磁気源を位置決めし、それにより前記集団の分割を実施することを含む、
方法。
【請求項９】
磁性粒子の前記集団が、前記磁気源の二つの勾配領域の間の少なくとも一つの接続線上に位置されることを特徴とする、
請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記磁気源が前記分割を実施するプロセスの間に動かされることを特徴とする、
請求項８記載の方法。
【請求項１１】
磁性粒子を含む流体を処理するための微小流体工学システムのチャンバにおいて磁性粒子の集団を蓄積するための方法であって、
前記微小流体工学システムは：
ａ）第一の流体を含むよう構成された少なくとも二つのチャンバと、
ｂ）前記二つのチャンバと連通し、第二の流体を含むよう構成された少なくとも一つのチャネルであって、前記第一の流体と前記第二の流体の間の二つの流体界面において0でない表面張力が生成される、チャネルと、
ｃ）磁気源とを有しており、
・前記磁気源は、少なくとも二つの別個の磁気勾配領域であって、前記チャンバのうちの少なくとも一つのチャンバの流体中に存在する磁性粒子をこれらの領域に引き寄せる領域を提供するよう構成され、
・これらの勾配領域のうちの一つの勾配領域の少なくとも一部分は、前記磁性粒子の少なくとも一部に対して、前記流体界面を通じて前記磁性粒子を押すおよび／または引くことを許容するのに十分に高い磁気的引力を加えることができ、
当該方法は：
前記集団のすべての磁性粒子が唯一の勾配領域によって生成される磁気的引力を受けさせられるよう、前記チャンバに隣接して前記磁気源を位置決めすることを含む、
方法。
【請求項１２】
前記磁気源が前記蓄積を達成するプロセスの間に動かされることを特徴とする、
請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記磁気的引力を生成する前記少なくとも二つの勾配領域が、前記チャンバのうちの少なくとも一つのチャンバの流体中に存在する前記磁性粒子の集団の直径の1ないし5倍離間されている前記磁気源の二つ以上の先端によって生成されることを特徴とする、
請求項１ないし７のうちいずれか一項記載の微小流体工学システム。
【請求項１４】
前記集団の分割が、前記磁気源の上面に平行な方向に起こる、請求項８ないし１０のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項１５】
前記集団の分割が、複数の集団への分割である、請求項８ないし１０のうちいずれか一項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、米国国防高等研究計画庁（DARPA）によって授与されたHR0011-12-C-0007のもとでの米国政府助成を用いてなされた。米国政府が本発明に一定の権利を有している。
【０００２】
発明の分野
本発明は、磁性粒子を含む流体を処理するための微小流体工学システム（microfluidic  system）に関する。さらに、本発明は、そのような微小流体工学システムにおいて磁性粒子の集団〔アンサンブル〕のそれぞれ分散および蓄積を達成するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
特許文献１は、磁性粒子を有する有意な表面張力をもつ液体のための磁気毛細管バルブ（magneto-capillary  valve）を有する微小流体工学デバイスを開示している。このデバイスは、それぞれ機能的にされた（functionalized）表面をもつ少なくとも二つの平面状固体基板を有しており、少なくとも第一の固体基板は、少なくとも一つの疎水性領域によって互いから隔てられた少なくとも二つの親水性領域を有するパターン化された表面をもつ（非特許文献１も参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０７０４６１号
【特許文献２】国際公開第２０１１／０４２８２８号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Remco  C.  den  Dulk,  Kristiane  A.  Schmidt,  Gw´enola  Sabatt´e,  Susana  Li´ebana,  Menno  W.J.  Prins、"Magneto-capillary  valve  for  integrated  purification  and  enrichment  of  nucleic  acids  and  proteins"、Lab  Chip,  2013,  13,  106
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この背景に鑑み、磁気毛細管バルブを有するシステムにおける磁性粒子の多用途な扱い方を許容する手段を提供し、同時にシステムのコンパクトなデザインを可能にすることが本発明の目的であった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、請求項１記載の微小流体工学システム、請求項８記載の方法および請求項１２記載の方法によって対処される。好ましい実施形態は従属請求項において開示される。
【０００８】
第一の側面によれば、本発明のある実施形態は、磁性粒子を含む流体を処理するための微小流体工学システムであって、当該システムは以下のコンポーネント、すなわち：
ａ）第一の流体を含むよう構成された少なくとも二つのチャンバ、
ｂ）前記二つのチャンバと連通し、第二の流体を含むよう構成された少なくとも一つのチャネルであって、前記第一の流体と前記第二の流体の間の二つの流体界面において0でない表面張力が生成される、チャネル、
ｃ）磁気源であって、以下の特徴、すなわち：
・該磁気源は、少なくとも二つの別個の磁気勾配領域であって、前記チャンバの（少なくとも）一つの流体中に存在する磁性粒子をこれらの領域に引き寄せる領域を提供するよう構成されること、
・これらの勾配領域のうちの一つの勾配領域の少なくとも一部分は、前記磁性粒子の少なくとも一部に対して、前記二つの流体界面を通じて前記磁性粒子を押すおよび／または引くことを許容するのに十分に高い磁気的引力を加えることができること、
を備える磁気源
を有する、システムに関する。
【０００９】
用語「磁性粒子」は、永久磁性粒子および磁化可能な粒子、たとえば超常磁性ビーズの両方を含む。磁性粒子のサイズは典型的には3nmから50μmの間の範囲である。さらに、磁性粒子は、関心対象である束縛された目標成分を有していてもよい。
【００１０】
前記少なくとも二つのチャンバおよび前記付随するチャネルは典型的には、一体の微小流体工学デバイス（またはカートリッジ）として実現され、前記磁気源は前記デバイスとは別個のコンポーネントである。前記チャンバおよび前記チャネルは一般には任意の形状をもちうる。通例、チャンバは、ある量の流体の受け入れを許容するコンパクトな形状、たとえば直方体形状をもつ。チャンバの容積は典型的には約1マイクロリットルから約1000マイクロリットルの間の範囲である。チャネルは通例、付随するチャンバの容積より（ずっと）小さい容積をもつ細長い形状をもつ。チャネルは典型的には二つのチャンバを直線に沿って接続する。
【００１１】
チャンバおよびチャネルは、それらのチャンバにおける親水性領域がチャネルの疎水性領域によって（あるいはその逆）互いから隔てられるよう、それぞれ機能的にされた表面をもちうる。そのような実施形態についてのさらなる詳細は特許文献１に見出されうる。
【００１２】
二つのチャンバにおける第一の流体およびチャネルにおける第二の流体は同じ種類であってもよく、あるいはそれらの一部または全部が異なる種類であってもよい。第一の流体のそれぞれは、チャネル内に受け入れられる第二の流体に向かう流体界面（メニスカス）の一つを生成する。よって、前記界面は通例、チャンバがチャネルに接続される領域に位置される。第一の流体と第二の流体の間の0でない表面張力の生成はたとえば、第一の流体が第二の流体と不混和であるときに達成されることができる。そのような実施形態についてのさらなる詳細は特許文献２に見出されうる。
【００１３】
「磁気勾配領域」は、磁気源の磁気的性質によって決定される。すなわち、その局在は通例、源に対して固定されている。源がチャンバまたは前記チャネルに隣接して位置するとき、前記磁気勾配領域の少なくとも一部が前記チャンバまたはチャネル中にまで届き、その中に位置される磁性粒子に対する磁気的引力の生成を引き起こす。
【００１４】
一般に、あらゆる磁石は周囲の空間における磁場を生成し、それに付随する磁気勾配は何らかの位置で最大を取る。「勾配領域」はこのコンテキストでは、磁気勾配の値が前記最大の約70%より上、好ましくは約80%より上の範囲である空間領域として定義されることができる。微小流体工学システムの多くの実際的な用途では、「勾配領域」は、磁気勾配の値が約800T/mまたは約500T/mまたは約300T/mまたは約200T/mまたは最も好ましくは約100T/mより大きい空間領域として定義されうる。
【００１５】
前記第一の流体の一方に含まれる磁性粒子は典型的には、前記第一の流体と前記第二の流体の間の流体界面における0でない表面張力のため、すなわち毛細管力のため、前記第二の流体にはいることを妨げられる。よって、磁性粒子が第一の流体から第二の流体に（またはその逆に）通る場合、これは通例、関連する流体界面における何らかの抵抗が克服されることを要求する。記載される微小流体工学システムでは、勾配領域のうちの一つの勾配領域の少なくとも一部分が、前記抵抗を克服するのに十分に高い磁気的引力の生成を許容するよう構成される。流体界面を通じて磁性粒子を引っ張ることは、典型的には、それぞれの勾配領域が前方に、すなわち前記界面の反対側に位置していることと、磁性粒子が前記界面を通じてこの領域に向けて引き寄せられることを要求する。
【００１６】
上記の微小流体工学システムは、単一の磁気源を使うだけなので、コンパクトなデザインを許容するという利点がある。同時に、磁性粒子を異なる諸勾配領域に引き寄せることによって磁性粒子がチャンバ内の第一の流体と混合されることができ、磁性粒子が前記少なくとも二つのチャンバの間のチャネルによって構成される磁気毛細管バルブを通じて（同じ磁気源により）動かされることができるので、磁性粒子の多用途の扱いが可能になる。
【００１７】
以下では、本発明のさまざまな好ましい実施形態がより詳細に記述される。
【００１８】
第一の好ましい実施形態によれば、磁気源は永久磁石であってもよい。永久磁石は、コンポーネントの小型化を許容するという利点がある。
【００１９】
上述した永久磁石のある好ましい実施形態によれば、これは六面体形状、特に立方体形状または平行六面体形状を有していてもよい。これらの形状は容易に生産されることができ、複数の別個の勾配領域を提供することができる。
【００２０】
もう一つの実施形態では、磁気源は電磁石であってもよい。電磁石は、その電源供給の制御によりその磁気的挙動の多用途かつ柔軟な制御を許容する。
【００２１】
もう一つの実施形態によれば、磁気源は、磁性粒子を含むチャンバに対する勾配領域の相対位置が変えられるよう構成されてもよい。これは、前記チャンバ内でのまたは前記チャンバを通じた磁性粒子の動きを許容する。そのような動きはたとえば、洗浄目的のために、すなわち不純物を磁性粒子から周囲の流体に移行させるために活用されることができる。さらに、動きは、何らかの処理アッセイの要求に従って磁性粒子を操作するために使われることができる。
【００２２】
磁気源が電磁石である場合、チャンバに対する勾配領域の位置の上述した変化は、該磁石における種々のコイルまたは線を通る電流を変えることによって達成されてもよい。あるいはまた、特に永久磁石である磁気源の場合、磁気源はチャンバおよび／またはチャネルに対して可動であるよう構成されてもよい。磁気源全体を動かすことによって、勾配領域の位置の上述した変化が達成されることができる。好ましくは、磁気源は、チャンバおよびチャネルを含む平面に隣接している二次元面内で可動である。
【００２３】
チャンバおよびチャネルを満たす流体の種類は、当該微小流体工学システムを用いて実行される具体的なプロセスに依存する。第一の流体の一つはたとえば、磁性粒子の助けにより目標物質が抽出されるもとになる体液のような試料に由来する水性液体であってもよい。さらに、前記第一の流体の少なくとも一つは、不純物を前記試料流体中に残して（束縛された目標物質）磁性粒子が移行される先の溶媒または緩衝液であってもよい。一般に、第一の流体は好ましくは親水性であり、一方、関連する第二の流体は疎水性である。別の実施形態では、第一の流体が疎水性であり第二の流体が親水性である逆の状況があってもよい。
【００２４】
第二の側面によれば、本発明は、上記の種類の微小流体工学システムのチャンバにおいて磁性粒子の集団の分散（dispersion）を達成するための方法であって、当該方法は、前記集団の種々の部分が少なくとも二つの勾配領域によって生成される磁気的引力を受けるよう前記チャンバに隣接して前記磁気源を位置決めし、それにより前記集団の分割を実施することを含む、方法に関する。
【００２５】
先述した磁性粒子の「集団」（またはクラウド、クラスター）は典型的には、溶液中の磁性粒子が外部の磁力は受けないが相互の磁気的引力に従うことができるときに、自発的に形成される。
【００２６】
すると、いくつかの磁気勾配領域の存在は、磁性粒子の集団を分散させるために活用されることができる。すなわち、前記磁性粒子を周囲の流体と混合させるためである。これは単に、磁気源を適切に位置決めする、すなわち前記集団が少なくとも二つの異なる勾配領域の影響のもとで引き裂かれるようにすることによって達成できる。任意的に、磁性粒子の前記集団は、二つより多くの勾配領域の影響を受けさせられてもよく、それに関連して前記集団のいくつかの部分へのさらなる分裂が許容される。
【００２７】
上記の方法のある好ましい実施形態によれば、磁性粒子の前記集団は、二つの勾配領域の間の少なくとも一つの接続線上に位置されてもよい。すると、前記集団の磁性粒子は逆方向に引き裂かれ、各粒子は最終的には、最大の力で引き寄せられる勾配領域に移動する。
【００２８】
ある好ましい実施形態では、磁気源は分散プロセスの間、動かされてもよい。そのような動きは、前記集団を分割するプロセスを支援しうる。さらに、粒子は周囲の流体を通じて動かされてもよく、それにより洗浄プロセスを達成しうる。動きは好ましくは前後式に行なわれてもよい。さらに、磁性粒子に対する効果は、磁気源と粒子の間の相対的な動きの軌跡および速度の両方に依存するので、磁気源の動きは好ましくは、種々の選択可能な速度で可能である。両方とも、所与のカートリッジ幾何構成および材料選択について適切に選択される必要がある。たとえば、非常に高速では、前記集団のその基板との摩擦が優勢であって、粒子が全く動かず、分散／収集（dispersal/collection）が達成されないのでもよい。この効果は、たとえば、意図的に粒子の集団を残すために使用されることができる。
【００２９】
比較的速く、前記集団を同様のサイズの諸部分に分割することを許容する分散プロセスは関連するコンポーネントの寸法を適正に決めることによって達成されうる。特に、前記集団において前記の磁気的引力を生成する前記少なくとも二つの勾配領域の間の距離は、前記集団の直径の約1ないし約5倍に対応してもよい。前記二つの勾配領域は典型的には、前記集団内で互いと境を接するか、部分的に重なり合う。
【００３０】
第三の側面によれば、本発明は、上記の種類の微小流体工学システムのチャンバにおいて磁性粒子の集団を蓄積するための方法であって、当該方法は、前記集団の（好ましくはすべての）磁性粒子が唯一の勾配領域によって生成される磁気的引力を受けさせられるよう、前記チャンバに隣接して磁気源を位置決めすることを含む、方法に関する。
【００３１】
記載される方法は、チャンバに含まれるすべての磁性粒子の、単一の集団としての操作を許容する。たとえば前記磁性粒子が別の位置に移行させられる場合である。単一の集団における磁性粒子のこの蓄積は、それらを単一の磁気勾配領域のみの影響にさらすことによって達成される。実質的に一つだけの勾配領域が前記チャンバに重なり、他の勾配領域は前記チャンバの外に位置されるよう、前記磁気源はたとえば前記チャンバに隣接して位置されてもよい。
【００３２】
本方法のある好ましい実施形態では、磁気源は動かされてもよく、それにより前記チャンバを通じた前記磁性粒子の集団の関連する輸送が許容される。すでに上記で説明した理由により、磁気源の動きは、好ましくは、種々の選択可能な速度で可能であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
本発明のこれらおよび他の側面は、以下に述べる実施形態から明白となり、それを参照することで明快にされるであろう。
【図１】磁性粒子の集団の分散および輸送の諸段階の間の、本発明のある実施形態に基づく微小流体工学システムの側面図である。
【図２】図１のシステムの磁気源の三次元的な図解である。
【図３】四つの勾配領域による磁性粒子の集団の分散の始まりにおける、磁気源の上面図である。
【図４】流体界面を通じた磁性粒子の集団の輸送の間の、磁気源の上面図である。  図面において同様の参照符号は同一のまたは同様の構成要素を指す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
液体についての磁気毛細管バルブ（MCV:  magneto-capillary  valve）をもつ微小流体工学デバイスが特許文献１に開示されている。そのようなMCV技術を使った試料調製の間、磁性粒子は外部磁場と相互作用し、それにより種々の緩衝溶液のいくつかの静的かつ別個な体積を通じて変位させられる。このプロセスにおいて、粒子は、もとの試料マトリクスが漸進的に洗浄緩衝液によって希釈されるにつれて洗浄される。
【００３５】
前記MCVは磁性粒子の（緩衝液から緩衝液への）輸送および（新たな緩衝液における）混合を要求し、いずれの機能も異なる磁気的構成を必要とする。これは、漏話を避けるために数センチメートルの距離離間される必要がある輸送磁石および洗浄磁石という二つの磁石を含むMCV機器によって達成できる。しかしながら、二つの磁石を設ける必要性のため、MCV機器を小型化する可能性が制限される。
【００３６】
上述した必要性に対処するため、ここで輸送および洗浄の両方を行なうことができる単一の磁石を設計することが提案される。特に、流体を処理するための微小流体工学システムの実施形態は、次のものを備える。
・（第一の）流体を含むよう構成された少なくとも二つのチャンバと、前記二つのチャンバと連通し、（第二の）流体を含むよう構成された少なくとも一つのチャネルとを有する微小流体工学デバイス。前記微小流体工学デバイスはさらに、前記流体の間の二つの流体界面（すなわちメニスカス）において0でない表面張力が生成されるよう構成される。表面張力条件のため、上述したチャネルは前記二つのチャンバの間のMCVである。
・磁気源。該磁気源は、少なくとも二つの別個の磁気勾配領域であって、一つのチャンバの流体中に存在するいくつかの磁性粒子をこれらの領域に引き寄せる領域を提供するよう構成される。これらの領域のうちの一つの領域の少なくとも一部分は、前記粒子が前記チャンバと前記チャネルの間の界面に対して磁気的に押されるまたはこの界面から磁気的に引かれる場合に、前記粒子の少なくとも一部に対して、前記チャンバと前記チャネルの間の流体界面の抵抗を克服するのに十分に高い磁気的引力を加える。上述した押すことまたは引くことの効果は、MCVを通じて粒子を駆動することである。好ましくは、粒子の集団は二つの勾配領域の間に位置されてもよく、それにより少なくとも二つの粒子が異なる引力ゾーンに引き寄せられる。任意的に、磁気源は、チャンバに対する勾配領域の相対位置が変更されることができるよう構成されてもよい。それにより、磁性粒子の混合が許容される。
【００３７】
図１は、上記の原理のある実施形態に基づく微小流体工学システム１００を、その使用の四つの異なる段階において概略的に示している。
【００３８】
図１のａでは、微小流体工学システム１００の微小流体工学デバイスが示されている。磁性粒子MPをもつ第一の流体（たとえば生体試料）が第一のチャンバ１１０内に含まれ、別の（第一の）流体（たとえば緩衝液）が第二のチャンバ１２０に含まれ、第一のチャンバ１１０を第二のチャンバ１２０につなぐチャネル１３０が、第一および第二のチャンバ内の第一の流体と不混和な第二の流体で満たされている。第二の流体はたとえば空気または他の何らかの気体であってもよい。二つの流体界面１３１および１３２が、これらの前記第一の流体と前記第二の流体との間に構成され、そこには0でない表面張力がある。さらに、微小流体工学構成の任意的な洗練として、チャンバ１１０、１２０およびチャネル１３０の壁の少なくとも一部は異なる機能的にされた表面、特にチャンバでは親水性表面、チャネルでは疎水性表面を有していてもよい。
【００３９】
磁性粒子MPは第一のチャンバ１１０内の第一の流体に含まれる。磁性粒子は、相互の磁気的引力のため、集団（またはクラウド、クラスター）を形成する傾向がある。
【００４０】
図１のｂでは、微小流体工学システム１００は、磁性粒子MPに磁力を受けさせる磁気源１５０によって完成される。
【００４１】
磁気源１５０の可能な実施形態は図２に示されている。この源１５０は、その上側においてN極（磁気北極）、下側においてS極（磁気南極）を示す立方体形状の永久磁石である。立方体形状のため、磁気勾配が特に高い磁気源１５０の四つのコーナーにおいて四つの勾配領域GRが形成される。図では一つのそのような勾配領域GRが点線によって概略的に示されている。勾配領域GRは磁気源１５０の表面から隣接空間のいくらか中まで延びる。これらの領域内での磁気勾配は、実質的に、関連する座標系のxy面内にある。よって、勾配領域GR内において勾配領域GRによって磁性粒子に及ぼされる力もこの平面内にあり、実質的に磁気源１５０のコーナーを向く。
【００４２】
図１ｂに戻ると、磁性粒子MPの集団はいくつかの勾配領域GR（図では二つが見て取れる）の影響を同時に受けさせられる。したがって、磁性粒子MPの集団は、それぞれの勾配領域内に集まるいくつかの部分に分割される。矢印で示されるように、磁気源１５０はさらに、第一のチャンバ１１０に対して動かされてもよい。分割する効果を支援し、周囲の流体を通じて磁性粒子を動かすことによる洗浄効果を達成するためである。
【００４３】
よって、微小流体工学システム１００は、何らかの所与の速度で微小流体工学デバイスに隣接する磁気源を位置決めすることによって蓄積した磁性粒子の集団の分散を達成する方法を提供する。そのような位置決めは、微小流体工学デバイスの平面内に投影されたとき、粒子の集団が、磁場勾配領域のうちの少なくとも二つの間の少なくとも一つの接続線上に位置され、粒子の集団の異なる部分に対して及ぼされる磁力の場が少なくとも二つの引力ゾーンを示し、それにより粒子集団の分割を実現するようなものである。
【００４４】
図１のｃおよびｄでは、磁性粒子MPの集団の、チャネル１３０によって形成される磁気毛細管バルブを通じた移行が示されている。この手順では、第一のチャンバ１１０内の試料のすべての磁性粒子MPは磁気源１５０の一つの勾配領域に引き寄せられる。源１５０が右に動かされるとき、磁性粒子MPの集団はまず第一の界面１３１から引っ張られ、次いでチャネル１３０内を動かされ、最後に第二の界面１３２を通じて引っ張られて第二のチャンバ１２０の流体中に放出される。
【００４５】
このように、微小流体工学システム１００は、何らかの所与の速度で微小流体工学デバイスに隣接する磁気源を位置決めすることによって磁性粒子の集団を蓄積する方法を提供する。そのような位置決めは、微小流体工学デバイスの平面内に投影されたとき、粒子の集団の異なる部分に対して及ぼされる磁力の場がただ一つの引力ゾーン、すなわち前記磁気勾配領域のうちの一つの磁気勾配領域の近傍における引力ゾーンを示すよう粒子の集団が位置されるようなものである。
【００４６】
このように、磁気源１５０は、システム１００における磁気アクチュエーターのサイズおよびスピード要件の軽減を許容する粒子輸送および混合の両方のために使用できる。
【００４７】
磁気源１５０は、MCV微小流体工学デバイスの下面までのある一定の距離を保ちつつ二次元的に（図におけるxおよびy方向に）磁石の変位を許容するアクチュエーターに取り付けられてもよい。カートリッジ内で粒子の輸送および混合の両方を行なうためにただ一つの磁石を使うことによって、アクチュエーターの進行範囲は、カートリッジの関連する流体工学構造の最大広がりより大きい必要はない。
【００４８】
一般に、磁気源１５０は電磁石および／または永久磁石であってもよい。ある個別的な実施形態では、磁気源１５０は、六面体形状をもつ単一の永久磁石として実現されてもよい。形状は、特に、立方体（図２に示されるように）または平行六面体であってもよい。そのような磁石の磁場は、磁石の極を含む面の四つのコーナー（先端）において最も強い勾配を示す（すなわち、この特定の実施形態では四つの磁気勾配領域がある）。磁石を変位させるとき、粒子集団はこれらの先端のうちの一つに引きつけられる。
【００４９】
磁気源１５０への上面図において図３に示されるように、磁石１５０は、粒子集団が磁石の諸先端によって囲まれるよう位置決めされることができる。結果として生じる磁力は、粒子を、異なる点に向けて引きつけ、それにより磁性粒子集団の分裂を引き起こす。よって、磁性粒子MPの集団が磁石の上面の中心の上方に位置されるとき、混合が達成されうる。粒子集団の投影された面積が、磁石の上面より実質的に大きくない場合には、磁性粒子クラウドは、磁石１５０の四つのコーナーから発するほぼ等しい力Fを経験する。たとえば長い巨大分子の絡まりによる粒子間の凝集力が加えられる磁力より大きくない限り、粒子集団は分散されることになる。重要なことに、粒子の分散は、磁石の高速な動きを必要としない。
【００５０】
磁気源１５０への別の上面図において図４に示されるように、粒子MPを磁石１５０の四つの上側コーナーのいずれかの上方に集中させることによって、磁性粒子輸送が達成される。磁性粒子集団を流体メニスカス（たとえば１３１または１３２）を通じて輸送するとき、流体メニスカスおよび磁石によって及ぼされる合力は、粒子MPを磁石の後側先端のほうに引きつける。たとえば、磁石の上面の対角線がMCVカートリッジの主輸送方向（すなわち、この図ではx軸に対応するカートリッジの長軸）と整列されている場合、磁性粒子MPは、チャンバ間での輸送の間、磁石の最も後方のコーナー（図では左のコーナー）に向けて引きつけられる。この効果は、流体メニスカス１３１における毛細管力と磁気勾配力との間の均衡によって説明できる。
【実施例】
【００５１】
同等またはよりよい輸送および混合性能を達成することにおいて単一の立方体磁石１５０の有効性を証明するために、発明者は、放射活性物質で標識したRNAの抽出収率、すなわち入力RNAのうち微小流体工学チャネル１３０を通じて輸送され下流の処理のために利用可能にされることのできる割合を決定した。この証拠を確立するために、発明者は、本発明に基づく単一立方体磁気源１５０を、特許文献１の図５において開示されている円筒磁石を有する磁気システムと比較した。立方体磁気源１５０の辺は5mmであり、円筒磁石の直径は10mmの長さにわたって4mmであった。いずれも同じ（すなわち同じ性質および同じ数をもつ）磁性粒子に対して、それらの粒子をチャンバ１１０からチャネル１３０を介してチャンバ１２０に輸送するために適用された。チャンバ１１０および１２０はそれぞれ220マイクロメートルの高さおよび約20マイクロリットルの容積をもち、チャネル１３０は約5mmの幅をもつ。円筒磁石についてさらに、単一の立方体磁気源１５０で見出されたのと等価な抽出収率を見出すために、発明者は、前記磁気システムに、逐次反対の極性をもつ磁石のアレイをさらに加えなければならなかった。該アレイは、上記のチャンバ（単数または複数）の上方でこの磁気アレイを動かすことによってチャンバ１１０および／またはチャンバ１２０内の磁性粒子を混合するよう構成される。
【００５２】
したがって、同じ長さおよび同じ試料マトリクスのアクチュエーション・プロトコルを使って、発明者は、コンパクトな正方形磁石システム１５０が前記二磁石アセンブリーと同等によい性能を発揮できることを示した。特に、本発明の磁気源１５０は単一の磁気要素でありよって明らかに二磁石アセンブリーより単純であり、それほどわずらわしくないにもかかわらず、円筒磁石の輸送の機能および磁気アレイの混合の機能はいずれも、単一の立方体磁気源１５０によって、同じ効率で実施される。
【００５３】
さらに、前記二磁石アセンブリーの統合は、二つの型の磁石の間の漏話を防止するために十分大きな空隙によって前記円筒磁石を前記磁気アレイから離間させることにつながる。典型的には、これは円筒磁石を磁気アレイから約30mm離間させることにつながり、このことはこの磁気アセンブリーのサイズを著しく増す。
【００５４】
上述したように、MCVを運用するための単一の（たとえば立方体の永久）磁石の使用は、周囲の機器または機器のサブアセンブリーのさらなる小型化につながる。これは、検出技術との統合のためおよびコンパクトな機器における動作のために本質的である。さらに、磁石アクチュエーターについての速度要件は低減されることができ、これは、たとえば標準的なCDドライブに見出されるもののような低コストのアクチュエーターを可能にする。
【００５５】
まとめると、磁石の形状が試験管内診断のための粒子ベースの試料調製においてアクチュエーターとして使用される手法が開示された。複数の先端をもちアクチュエーションされるべき粒子集団に匹敵するサイズをもつ磁石を選ぶことにより、一つの磁石が粒子輸送および混合の両方のために使用されることができ、そのことは磁気アクチュエーターのサイズおよびスピード要件を軽減する。本発明のある実施形態に基づく微小流体工学システムは、
（ｉ）磁性粒子の集団の輸送を実施するのに十分なバルク寸法および先端先鋭さをもつ少なくとも一つの先端（すなわち、三次元において磁性粒子を引き寄せる増大した磁場勾配の領域）、および
（ｉｉ）粒子クラウド内部の粒子を異なる先端のほうに引きつける磁力を生成するような、粒子集団の直径の1倍ないし5倍離間されていることが好ましい二つ以上の先端
をもつ磁気源を含む。
【００５６】
本発明の実施形態はたとえば、MCV試料調製システムの磁石アクチュエーター・アセンブリーの一部として使用されることができる。
【００５７】
本発明は、図面および以上の記述において詳細に図示され、記述されているが、そのような図示および記述は制約するものではなく、例解または例示するものと考えられるべきである。本発明は開示されている実施形態に限定されるものではない。開示される実施形態に対する他の変形が、特許請求される発明を実施する際に、図面、本開示および付属の請求項の吟味から、当業者によって理解され、実施されることができる。請求項において、「有する／含む」の語は他の要素や段階を排除するものではなく、単数形は複数を排除するものではない。単一のプロセッサまたは他のユニットが請求項において記載されているいくつかの項目の機能を充足してもよい。単にある種の施策が互いに異なる従属請求項において記載されているという事実が、これらの施策の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。請求項に参照符号があったとしても、範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
いくつかの態様を記載しておく。
〔態様１〕
磁性粒子を含む流体を処理するための微小流体工学システムであって：
ａ）第一の流体を含むよう構成された少なくとも二つのチャンバと、
ｂ）前記二つのチャンバと連通し、第二の流体を含むよう構成された少なくとも一つのチャネルであって、前記第一の流体と前記第二の流体の間の二つの流体界面において0でない表面張力が生成される、チャネルと、
ｃ）磁気源とを有しており、
・前記磁気源は、少なくとも二つの別個の磁気勾配領域であって、前記チャンバのうちの少なくとも一つのチャンバの流体中に存在する磁性粒子をこれらの領域に引き寄せる領域を提供するよう構成され、
・これらの勾配領域のうちの一つの勾配領域の少なくとも一部分は、前記磁性粒子の少なくとも一部に対して、前記流体界面を通じて前記磁性粒子を押すおよび／または引くことを許容するのに十分に高い磁気的引力を加えることができる、
微小流体工学システム。
〔態様２〕
前記磁気源が永久磁石であることを特徴とする、
態様１記載の微小流体工学システム。
〔態様３〕
前記永久磁石が六面体形状、特に立方体または平行六面体形状を有することを特徴とする、
態様２記載の微小流体工学システム。
〔態様４〕
前記磁気源が電磁石であることを特徴とする、
態様１記載の微小流体工学システム。
〔態様５〕
前記磁気源が、前記磁性粒子を含む前記チャンバに対する前記勾配領域の相対位置が変えられるよう構成されることを特徴とする、
態様１記載の微小流体工学システム。
〔態様６〕
前記磁気源が、前記チャンバおよび／または前記チャネルに対して可動であることを特徴とする、
態様１記載の微小流体工学システム。
〔態様７〕
前記第一の流体が親水性であり、前記第二の流体が疎水性である、あるいは逆に前記第一の流体が疎水性であり、前記第二の流体が親水性であることを特徴とする、
態様１記載の微小流体工学システム。
〔態様８〕
態様１記載の微小流体工学システムのチャンバにおいて磁性粒子の集団の分散を達成するための方法であって、前記集団の種々の部分が少なくとも二つの勾配領域によって生成される磁気的引力を受けるよう前記チャンバに隣接して前記磁気源を位置決めし、それにより前記集団の分割を実施することを含む、方法。
〔態様９〕
磁性粒子の前記集団が、前記磁気源の二つの勾配領域の間の少なくとも一つの接続線上に位置されることを特徴とする、
態様８記載の方法。
〔態様１０〕
前記少なくとも二つの勾配領域の間の距離が、前記磁性粒子の前記集団の直径の約1ないし約5倍に対応することを特徴とする、
態様８記載の方法。
〔態様１１〕
前記磁気源が前記分散プロセスの間に動かされることを特徴とする、
態様８記載の方法。
〔態様１２〕
態様１記載の微小流体工学システムのチャンバにおいて磁性粒子の集団を蓄積するための方法であって、前記集団のすべての磁性粒子が唯一の勾配領域によって生成される磁気的引力を受けさせられるよう、前記チャンバに隣接して前記磁気源を位置決めすることを含む、方法。
〔態様１３〕
前記磁気源が前記蓄積プロセスの間に動かされることを特徴とする、
態様１２記載の方法。
【図１ａ）】
0006353155.tif 000002
【図１ｂ）】
0006353155.tif 000003
【図１ｃ）】
0006353155.tif 000004
【図１ｄ）】
0006353155.tif 000005
【図２】
0006353155.tif 000006
【図３】
0006353155.tif 000007
【図４】
0006353155.tif 000008