(57)【要約】  【解決手段】  流体セルを平面基板に取り付ける方法および機器が提供される。前記平面基板上には流体内の成分を検出するセンサーまたは装置を設けることができ、および／または流体内の成分と選択的に結合し若しくはこれに反応するよう基板を処理することもできる。基板には、固体ＩＣ集積回路センサーマイクロチップ、スライドガラス、ゲノムアレイ、プロテオームアレイ、および／または前記流体セルに高い適合性で接触できる他の適切な基板を含めることもできる。この流体セルを前記基板の頂部に直接取り付けると、多種多様な実施態様の流体システムを容易に作製することができる。その組み立ての際、前記基板の修正は不要である。すべての流体接続部は、当該機器に内設されている。本装置は、低コストの材料および単純な方法で作製できる。  【選択図】      なし
2010501076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体セルであって、
基板に面した受容面と、前記受容面内に位置した深さを有する陥凹領域と、前記陥凹領域内に設置されたメサ部（台状部）であって、前記陥凹領域の深さ未満の高さを有するように構成された前記メサ部と、少なくとも２つの流体ポートとを有する支持体と、
前記受容面に接合された基板と、
前記支持体と前記基板の間に設置された圧縮性の層であって、当該圧縮性の層は前記メサ部の周囲に設置され、前記流体セルの側壁を画成するように、且つ、前記支持体と前記基板が接合されると前記メサ部の周囲に密閉部を提供するように構成されており、前記陥凹領域の深さと前記メサ部の高さとの差が前記流体セルの高さになるものである、前記圧縮性の層と
を有することを特徴とする流体セル。
【請求項２】
請求項１記載の流体セルにおいて、前記支持体は、前記圧縮性の層の周囲に、隆起したレッジ部（張り出し部）をさらに有するものである。
【請求項３】
請求項１記載の流体セルにおいて、前記圧縮性の層は、エラストマー材料から成るものである。
【請求項４】
請求項１記載の流体セルにおいて、前記支持体は、前記基板を位置合わせするよう構成されている隆起したレッジ部をさらに有するものである。
【請求項５】
請求項１記載の流体セルにおいて、この流体セルは、さらに、
前記基板への電気的接続部を有するものである。
【請求項６】
請求項１記載の流体セルにおいて、前記支持体は透明な材料から成るものである。
【請求項７】
請求項１記載の流体セルにおいて、前記基板はセンサーチップを有したキャリアボードであって、このキャリアボードは前記支持体に接合されているものである。
【請求項８】
請求項１記載の流体セルにおいて、前記流体ポートは、流体注入ポートと、流体吐出ポートとを有するものである。
【請求項９】
流体セルのアレイであって、請求項１記載の流体セルを少なくとも２つ、同じ支持体上に有する流体セルのアレイ。
【請求項１０】
流体セルであって、
基板に面した受容面と、前記受容面内に位置した深さを有する陥凹領域と、前記陥凹領域内に少なくとも２つの流体ポートとを有する支持体と、
前記受容面上に位置し、厚さを有した接着層と、
前記接着層に接合された基板であって、前記接着層は、前記支持体および前記基板が接合されると、前記陥凹領域の周囲に密閉部をもたらすように構成されており、前記陥凹領域の深さに前記接着層の厚さを加えたものが前記流体セルの高さを画成するものである、前記基板と
を有することを特徴とする流体セル。
【請求項１１】
請求項１０記載の流体セルにおいて、前記支持体は、前記基板を位置合わせするよう構成されている隆起したレッジ部をさらに有するものである。
【請求項１２】
流体セルであって、
基板に面した受容面と、前記受容面内に位置した深さを有する陥凹領域と、第１の少なくとも２つの流体ポートとを有する支持体と、
前記陥凹領域の深さを超える高さと、第２の少なくとも２つの流体ポートとを有する圧縮性シートであって、当該圧縮性シートは前記第２の少なくとも２つの流体ポート間に開流路を有し、当該開流路は深さを有するよう構成されており、当該圧縮性シートは前記支持体の前記陥凹領域内に位置し、前記第１の少なくとも２つの流体ポートおよび前記第２の少なくとも２つの流体ポートは位置合わせされているものである、前記圧縮性シートと、
前記受容面に接合された基板であって、当該基板が前記受容面に接合されると、前記圧縮性シートが圧縮され、前記圧縮性シートの圧縮後、前記開流路の深さは前記流体セルの高さになるものである、前記基板と
を有することを特徴とする流体セル。
【請求項１３】
請求項１２記載の流体セルにおいて、前記支持体は、前記基板を位置合わせするように構成されている隆起したレッジ部をさらに有するものである。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
平面基板に流体を適用する応用技術は、数多く存在する。例えば、基板上には流体内の成分を検出するセンサーまたは装置を設けることが可能であり、および／または流体内の成分と選択的に結合し若しくはこれに反応するよう基板を処理することも可能である。基板には、固体ＩＣセンサーチップ、スライドガラス、ゲノムアレイ、プロテオームアレイ、および／または他の試薬を当該基板に化学的に付着させ若しくは乾燥させて付着させ、含めることもできる。このような応用における課題の１つは、一部のタイプの流体チャンバーまたはフローセルを高い信頼性で容易に取り付けることである。
【０００２】
平面基板に流体を適用する方法および機器の応用の１つは、「ラボオンチップ」（ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ：ＬＯＣ）装置である。ＬＯＣ装置は、マイクロリットルスケールの容積と、ミリメートル〜マイクロメートルスケールの構成要素とを使い、卓上の化学的手段および生化学的手段に代わるものである。このような装置には、試薬の消費量を削減でき、製品廃棄物の量を削減でき、工程パラメータをより容易に制御でき、反応時間が向上し、化学分析をより迅速に行えるなど、標準的な実験システムに勝るいくつかの利点がある。
【０００３】
ＬＯＣシステムの特長の１つは、平面上でいくつかの個別試験を並行して行う能力である。例えば、一般的な平面状ＤＮＡオリゴヌクレオチドマイクロアレイは、ロボットスポッターによりグリッド（格子）パターンで基板上に配置された直径５０〜２００マイクロメートルのスポットから成る。そのアレイには、最高数千（例えば、３０，０００など）の一意のＤＮＡプローブ配列を含めることができ、動作上、少なくとも数千の実験を並行して実行することができる。
【０００４】
これらのような生化学的捕捉面を実装したすべてのアッセイでは、標的を含んだ試料を任意の必要な試薬とともに前記捕捉面に送達する方法が重要な構成要素となる。ほとんどの場合、それらの試薬は、マイクロタイターウェルなどの静的な流体環境で送達される。より最近では、平面基板上の動的な流れ（多くの場合、層流）により流体を送達する様々なマイクロシステムが開発されてきている。例としては、以下の文献を参照。）Ｂｅｃｋｅｒら「高分子マイクロ流体装置（Ｐｏｌｙｍｅｒ  ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  ｄｅｖｉｃｅｓ）」、Ｔａｌａｎｔａ  ５６、２６７−２８７（２００１）。Ｍａｓｔｒａｎｇｅｌｏら「遺伝子診断用に微細加工（微細製作）した装置（Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｄｅｖｉｃｅｓ  ｆｏｒ  ｇｅｎｅｔｉｃ  ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ）」、Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ  ８６、１７６９−１７８７（１９９８）。Ｂａｒｄｅｌｌら「細胞および化学物質を検出するためのマイクロ流体使い捨て（装置）−モデル結果および流体工学的検証実験（Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  ｄｉｓｐｏｓａｂｌｅｓ  ｆｏｒ  ｃｅｌｌｕｌａｒ  ａｎｄ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ−ＣＦＤ  ｍｏｄｅｌ  ｒｅｓｕｌｔｓ  ａｎｄ  ｆｌｕｉｄｉｃ  ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ）」Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ  ４２６５、１−１３（２００１）。Ｈｏｆｍａｎｎら「バイオセンサ表面への効率的な試料送達のための３次元マイクロ流体閉じ込め。平面状光導波路での免疫アッセイへの応用（Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  ｆｏｒ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｓａｍｐｌｅ  ｄｅｌｉｖｅｒｙ  ｔｏ  ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ  ｓｕｒｆａｃｅｓ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙｓ  ｏｎ  ｐｌａｎａｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ）」Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７４、５２４３−５２５０（２００２）。Ｌｉら「オンチップ生物学：培養細胞の挙動を研究するための微細加工（Ｂｉｏｌｏｇｙ  ｏｎ  ａ  ｃｈｉｐ：ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｓｔｕｄｙｉｎｇ  ｔｈｅ  ｂｅｈａｖｉｏｒ  ｏｆ  ｃｕｌｔｕｒｅｄ  ｃｅｌｌｓ）」Ｃｒｉｔ．Ｒｅｖ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｅｎｇ．３１、４２３−４８８（２００３）。Ｅｒｉｃｋｓｏｎら「一体型（集積）マイクロ流体装置（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  ｄｅｖｉｃｅｓ）」Ａｎａｌ．Ｃｈｉｍ．Ａｃｔａ  ５０７、１１−２６（２００４）。課題は、流体工学部品と選択した（例えば、電気的、光学的な）検出技術とを、いかに小型基板と一体化するかという点になる。
【０００５】
複数の試料またはアッセイプロトコルを扱うよう設計された流体装置の例としては、ＨＪ．Ｒｏｓｅｎｂｅｒｇの米国特許第３，４８１，６５９号明細書、Ｅｌｋｉｎｓの米国特許第３，７７７，２８３号明細書、Ｇ．Ｂｏｌｚらの米国特許第４，３３８，０２４号明細書、Ｇｏｌｉａｓの米国特許第４，５０５，５５７号明細書、Ｃｌａｔｃｈの米国特許第６，１６５，７３９号明細書、およびＷｉｌｄｉｎｇらの米国特許第６，５５１，８４１号明細書といった発明がある。
【０００６】
また、市販のスライドに複数の流体区画を組み込んだものや、スライド上に個々のチャンバーを作製する手段などもいくつかある（Ｆｉｓｈｅｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、Ｇｒａｃｅ  Ｂｉｏ−Ｌａｂｓ）。水晶で作製され若しくはポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ：ＰＤＭＳ）から成形された種々のマイクロリットル容積カスタムフローセル、ならびにマルチウェルのフロースルー（貫流）ハイブリダイゼーションチャンバーで、３つのチップ全体を並行して培養し、磁力弁別アッセイにかけるものが、これまで開示されている。Ｍａｌｉｔｏら「平面基板上の層流用の単純なマルチチャネル（複数流路）流体システム（Ａ  Ｓｉｍｐｌｅ  Ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ  Ｆｌｕｉｄｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｌａｍｉｎａｒ  Ｆｌｏｗ  Ｏｖｅｒ  Ｐｌａｎａｒ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ）」ＮＲＬ／ＭＲ／６１７０−０６−８９５３、ＭＲ−８９５３、（２００６）を参照。
【０００７】
一般に、これらの装置で採用するアプローチは、各用途に合わせたものとなっている。例えば、複数の試料を一度に（静的な容積で）分析するには、装置の単一の顕微鏡スライド上で、容積を個別に分離することができる。他の装置は、個々の粒子を分析するため、単一の流路を含んでいる。ただし全般的には、これら装置のうち、Ｃｌａｔｃｈ、Ｗｉｌｄｉｎｇ、Ｃｏｖｉｎｇｔｏｎ、およびＭａｌｉｔｏにより開示された装置を除けば、流量を制御して行うアッセイに適したものはない。ＣｌａｔｃｈおよびＷｉｌｄｉｎｇによる前記装置は、異なる反応またはアッセイ条件を並行して監視する際使用できるが、この装置は、上記報告にもあるように、複雑な半導体微細加工方法を要し、単一リザーバからの試薬を共有するよう設計されており、あるいは制御されない毛細管現象により前記試薬が分配される。Ｃｏｖｉｎｇｔｏｎの装置には、複数流路を形成するため何層かのステンシル材料が必要であり、当該装置を流体源に接続する手段は明確に示されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
現在使用されている方法および装置は、複雑な設計および製造方法が障害となり、大量生産により廉価に使い捨てできる最終製品としては適さず、また標準的な市販のポンプ部品およびバルブ部品との併用にも適合しない。例としては、Ｊｏｌｌｅｙの米国特許第４，７０４，２５５号明細書、Ｍａｎｎｓの米国特許第５，０４７，２１５号明細書、Ｓｈａｒｔｌｅの米国特許第５，６２７，０４１号明細書、Ｐａｃｋａｒｄらの米国特許第５，６４０，９９５号明細書、およびＺａｎｚｕｃｃｈｉらの米国特許第５，７５５，９４２号明細書を参照。
【０００９】
大半のマイクロ流体システムのもう１つの欠陥は構造が複雑なことで、例えば標準的なマイクロピペッタと同程度の容易さで、検査技師が定期的に組み立てて再使用できる単純な用具（ツール）としては扱えない。Ｂｒｅｖｉｇらの「マイクロ流体システムで固定した細胞および分子のサブセットに使用する流体力学的誘導（Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ  ｇｕｉｄｉｎｇ  ｆｏｒ  ａｄｄｒｅｓｓｉｎｇ  ｓｕｂｓｅｔｓ  ｏｆ  ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄ  ｃｅｌｌｓ  ａｎｄ  ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ  ｉｎ  ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  ｓｙｓｔｅｍｓ）」ＢＭＣ  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ２００３、３：１０（２００５年９月１９日）では、接着剤または結合方策を使わずに、単一のマイクロ流体セルを平坦な基板（スライドガラスなど）で密閉するため機械的な力を提供する単純なドッキングステーションについて開示している。また、このフローセルは、２つの付加的な誘導流を使って、試料流の軌跡を能動的に方向付け、その幅を制御するよう設計されている。ただし、前記誘導流の個々の流量を操作するため、外部流体制御要件の複雑さが増してしまう。もう１つの欠陥は、ドックが単一の流体セル、ひいては単一のアッセイしか操作できないことである。
【００１０】
前記流体装置の異なる層の組み立て、特に流路を収容するカバープレートは、接着剤、高圧下の熱接着（熱融着）、化学結合、熱風溶接、超音波溶接などの機構に依存してきた。この中で、組み立てによく使われる手段は接着剤である。
【００１１】
Ｃｏｖｉｎｇｔｏｎらの米国特許第６，８４８，４６２号明細書では、接着剤を使用しない、いくつかのマイクロチャネル形式を有したマイクロ流体装置について開示しており、前記マイクロチャネル形式はその発明者らがステンシル層と呼ぶものにより決定され、これにより流路構造を容易に変更して高速プロトタイプ製造が可能である。しかしながら、この装置を構築するには、少なくとも２つの熱可塑性カバー層間で、いくつかのステンシル層を高圧・高温圧縮しなければならない可能性がある。前記装置の他の実施形態では、種々の材料層を適切に配向させる上で、位置合わせピンが必要とされる。
【００１２】
Ｅｋｓｔｒｏｍらの米国特許第５，３７６，２５２号明細書およびＯｈｍａｎの米国特許第５，４４３，８９０号明細書では、エラストマー離間層または注入密閉材料を利用して、少なくとも２つのカバープレート間に中程度の圧力下で密閉されたマイクロチャネルを形成している。どちらの開示でも、まず溝および／またはリッジ部を前記カバープレートに作製して、前記エラストマー材料を安定させなければならない。この設計の欠陥は、流路構造を、基板に永久的に画成しなければならない点である。新しい流路構造が必要になった場合は、新しい基板を作製しなければならない。  
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本開示で提供するのは、支持体を有した流体セルであり、前記支持体は中央領域および少なくとも２つの流体ポートを有し、前記支持体と基板の間に配置された圧縮性の層によって前記基板に接合されている。前記圧縮性の層は、前記支持体と前記基板が接合されて前記流体セルを形成すると、前記中央領域の周囲に密閉部をもたらすよう構成されている。前記中央領域は、前記支持体内にフライス加工で作製されたメサ部（台状部）内に位置する。このメサ部は、当該メサ部と前記基板の間に空隙を生じるよう構成された高さを有する。前記圧縮性の層は、前記メサ部内の溝の中に配置しても、前記メサ部を取り囲むようにしてもよい。通常、前記圧縮性の層は、エラストマー材料から成る。前記支持体は、前記基板を受容するよう構成された凹部を伴ったレッジ部（張り出し部）を有することもできる。前記メサ部の高さは、前記基板を横切って前記流体ポート間に層流をもたらすように構成することもできる。前記流体セルは、前記支持体と前記基板の間で間隔を保って前記基板を横切る流れをもたらすように構成されたスタンドオフを前記支持体上に有してもよい。この流体セルの周囲には、前記基板への電気的接続部を収容するように構成された空隙を含めることもできる。前記支持体は、通常、プラスチックなどの透明な材料である。通常、この基板は、センサーチップまたはスライドガラスである。前記基板上には、流体セルのアレイを提供するため、２つ以上の流体セルを配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、流体セルの一実施形態である。
【図２】図２は、流体セルの一実施形態である。
【図３】図３は、流体セルの一実施形態である。
【図４】図４は、流体セルの一実施形態である。
【図５】図５は、並列アッセイ実験用に一体化した複数の流体セルのプラットフォームである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
平面基板に流体セルを取り付ける方法および機器は、ｃｏｍｐａｃｔ  Ｂｅａｄ  Ａｒｒａｙ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｓｙｓｔｅｍ（ｃＢＡＳＳ（商標）（小型ビーズアレイセンサーシステム））と呼ばれる磁気標識ベースのバイオセンサ用アッセイカートリッジを迅速に組み立てる必要性から生まれたものである。このバイオセンサシステムでは、Ｂｅａｄ  ＡＲｒａｙ  Ｃｏｕｎｔｅｒ（ＢＡＲＣ（商標）（ビーズアレイカウンタ））とその関連技術を使って、核酸および毒素を含むタンパク質、細菌、およびウイルスの多重検出を行う。このバイオセンサは、受容体をパターン化したマイクロチップ上で捕捉された生体分子を、磁性マイクロビーズで標識化するもので、前記マイクロチップには、磁性マイクロセンサアレイを埋め込んでいる。以下を参照。Ｂａｓｅｌｔの米国特許第５，９８１，２９７号明細書。Ｂａｓｅｌｔら「磁気抵抗技術に基づいたバイオセンサ（Ａ  ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）」Ｂｉｏｓｅｎｓ．ａｎｄ  Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎ．、１３、７３１−７３９（１９９８）。Ｅｄｅｌｓｔｅｉｎら「生物兵器としての生物剤検出に対するＢＡＲＣバイオセンサ応用（Ｔｈｅ  ＢＡＲＣ  ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ  ａｐｐｌｉｅｄ  ｔｏ  ｔｈｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  ｗａｒｆａｒｅ  ａｇｅｎｔｓ）」Ｂｉｏｓｅｎｓ．Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎ．、１４、８０５（２０００）。Ｍｉｌｌｅｒら「磁性マイクロビーズおよび磁気電子検出を利用したＤＮＡアレイセンサー（Ａ  ＤＮＡ  ａｒｒａｙ  ｓｅｎｓｏｒ  ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍｉｃｒｏｂｅａｄｓ  ａｎｄ  ｍａｇｎｅｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）」Ｊ．Ｍａｇ．Ｍａｇ．Ｍａｔ．、２２５、１３８（２００１）。Ｔａｍａｎａｈａら「アレイ式固体装置での磁気的なＤＮＡ検出方法（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ＤＮＡ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｎ  ａｎ  ａｒｒａｙｅｄ  ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ｄｅｖｉｃｅ）」Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ２００１（Ｋｌｕｗｅｒ  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、Ｂｏｓｔｏｎ、ｐｐ．４４４−４４６）（２００１）。Ｗｈｉｔｍａｎら「ＢＡＲＣバイオセンサ（Ｔｈｅ  ＢＡＲＣ  ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ）」２００１  ＮＲＬ  Ｒｅｖｉｅｗ、ｐ．９９。Ｒｉｆｅら「バイオセンサ内の磁性マイクロビーズ検出のためのＧＭＲセンサーの設計および性能（Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ＧＭＲ  ｓｅｎｓｏｒｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍｉｃｒｏｂｅａｄｓ  ｉｎ  ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ）」Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ａ  １０７、２０９−２１８（２００３）。
【００１６】
前記ＢＡＲＣ（商標）マイクロチップ内のセンサーは、ミクロンスケールのワイヤー状構造であり、巨大磁気抵抗（ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ：ＧＭＲ）材料で作製されている。ＧＭＲセンサーの上方に磁性ビーズが存在すると、検出可能な量だけ抵抗が低下し、ビーズが増えるほど抵抗の低下も増す。このＢＡＲＣ（商標）チップでのアッセイは、それに一体化された流体セルおよび層流条件を必要とする。層流は、試料に含まれる任意標的の捕捉および標識化を改善するほか、チップ面上のマイクロビーズにかかる流体力を制御するよう調整して、捕捉された標的分子を特異的に標識化しないマイクロビーズを選択的に除去することができる（Ｓｈｅｅｈａｎら「ナノスケールバイオセンサの検出限界（Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｌｉｍｉｔｓ  ｆｏｒ  ｎａｎｏｓｃａｌｅ  ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ）」Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．５、８０３−８０７（２００５）およびＲｉｆｅら米国特許出願公開第２００４０２５３７４４号を参照）。このユニークなアッセイ工程は、流体力による弁別（ｆｌｕｉｄｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ：ＦＦＤ）と呼ばれ、望ましくない背景信号を大幅に削減することにより、試料をほとんど、またはまったく処理せずに、捕捉された生体分子を高い感度および特異度で高速に識別できるようにする。これまで、増幅工程または予備濃縮工程なしでも、血液や食品など種々の複雑な試料マトリックスを使って、非常に高感度な多重ＤＮＡアッセイ（<１０ｆＭ）および免疫アッセイ（<１０ｐｇ／ｍＬ）を２０分間未満で行えることが実証されている。
【００１７】
磁気標識およびチップベースの磁気電子検出を使うと、ｃＢＡＳＳ（商標）の利点が数多く得られるが、アッセイ性能は、ビーズをカウント（計数）する磁気エレクトロニクス（磁気電子工学）と無関係であり、磁気エレクトロニクスとは別個に最適化できる。現在、システム性能は、アッセイにより決定され、最終的には検出に利用できるビーズの数から決定される一方、ビーズ標識密度は光学顕微鏡法および粒子計数を使って決定される。そのため、ＢＡＲＣ（商標）センサーチップまたはそれと同様な化学的性質を伴った単純な基板と併用可能な平面アッセイ基板に流体セルを取り付ける方法および機器を使ったアッセイを開発することが望ましい。このようにして、アッセイは、ＢＡＲＣ（商標）試作品（プロトタイプ）マイクロチップを消費する必要なく開発できる。また、単一基板上の異なるフローセルで並行して多重アッセイを行う能力があれば、アッセイプロトコルを最適化する能力が強化される。
【００１８】
したがって、使い捨てアッセイカートリッジから実験用マルチチャネル（複数流路）アッセイプラットフォームに至るまで、一連の装置に一体化する上で十分柔軟な「押し合わせて一体化（プレスフィット）する」（ｐｒｅｓｓ−ｔｏｇｅｔｈｅｒ）設計の、単純で再使用可能な流体セルが望まれている。最適な物質移動条件を得るための流路ヘッドスペース制御、また所与のセンサーレイアウトに基づく流体制御のための流路構造は、アッセイを行う基板に影響を及ぼさず容易に高速プロトタイピングできるはずである。また、一体化した流体セルは、埋め込まれたセンサーへの電子接続を確立するため使用されるワイヤーボンドなど、基板に取り付けられた他の構成要素に影響を及ぼすことなく機能できるはずである。その設計は、層流および光学検査を使って、固体基板上の不均一アッセイに対応できるはずである。
【００１９】
基本的な「押し合わせて一体化（プレスフィット）する」アセンブリは、次の３つの標準構成要素から成る。１）支持体。通常はプラスチックで、その内部には一体型の流体セル用メサ部（台状部）が機械加工で設けられる。２）一体型の流体セルの側壁として機能し、前記支持体および平面基板に対して水密な密閉部を確立するエラストマーガスケット。３）センサーチップやスライドガラスなどであってよい平面基板。本発明の重要な特徴は、この流体セル設計が前記支持体とは無関係である点にある。このセル設計を制限するのは、前記流体セルが接触している平面基板上での、アッセイ反応の表面積および位置だけである。ＩＣマイクロチップの場合は、メサ部の設計場所として避けなければならないワイヤーボンドがチップ縁部にあるかどうかなどを他に考慮する。したがって、基本的な設計および製造工程は、カートリッジ用であっても、顕微鏡観察のための複数流路プラットフォーム用であっても同一になる。もう１つの特徴は、シリコン（または同様なエラストマー）層の圧縮を利用して水密な密閉部を形成する実施形態は、分解後、完全に再使用可能であるという点である。
【００２０】
一般的な工程は、ＡｕｔｏＤｅｓｋ  Ｉｎｖｅｎｔｏｒ（登録商標）などのＣＡＤプログラムを使ってセル構造を設計することから始まる。ＣＮＣフライス盤をプログラミングするためのコードが生成され、これにより自立構造のメサ部が自動的にフライス加工されて、前記一体型の流体セルの基礎を形成するプラスチックの前記支持体となる。図１ａは、前記流体セルの側面図である。図１ｂは、この流体セルの上面図である。図１では、基板７０を受容する受容面１２を有した支持体１０を示している。この支持体１０は、陥凹領域１５内にメサ部（台状部）２０を有する。この基本的な一体型の流体セル構造は、シリコン（または同様なエラストマー）でできた圧縮性の層（ガスケット）３０を前記メサ部２０の周囲に有する。上記のプラスチックの支持体１０および平面基板７０が一体的に固定された状態で、前記陥凹領域１５の深さから陥凹領域の底を基点とした前記メサ部の高さを差し引いたものが、当該流体セルの容積の高さ６０になる。この高さは、目的の生化学アッセイ用途について、流体流量および物質移動の関係の条件を最適化する適切な流体セルの高さを実現するよう注意深く測定されたものである。流体の注入ポートおよび吐出ポート８０は、外部チューブの取り付け用、または当該支持体１０にフライス加工した拡張流路へのマージ用に、前記メサ部２０にドリリングされる。任意選択で、当該支持体１０上で前記平面基板７０が着座する場所に、適切な深さの凹部を伴ったレッジ部（張り出し部）のフレーム（図示せず）を機械加工して設け、前記平面基板７０の位置合わせに役立てることができる。一般に、シリコンガスケットは、金型を作製し、これにより一体型セルの形状に成形できる。ガスケットの金型は、アルミニウムブロックで作製した。ガスケット（シリコンエラストマーなど）は、その金型で成形した。成形したシリコンガスケット３０は、前記メサ部２０の周囲に配置した。このアセンブリを完成させるには、当該支持体１０に平面基板７０を圧入し、またはネジで永久的に固定する。すると、前記基板７０が前記シリコンガスケット３０に接触し、十分な圧力がかかって前記メサ部２０の周囲に水密な密閉部が形成される。通常、前記フローセルの高さは、約１０マイクロメートル〜約１０００マイクロメートルの範囲である。このフローセルの高さは、約１００マイクロメートルであることがより好ましい。上記の圧縮性材料は、前記流体セルを密閉するよう作用し、当該流体セルの側壁としても作用する。前記基板および前記支持体のプレスフィットにより構造的な完全性を提供し、確実に水密な密閉部をもたらすため、前記自立構造のガスケット３０は、前記平面基板の表面に当接して画成された厚い壁を有する。前記メサ部２０の周囲に密に嵌着するよう成形される。
【００２１】
図２ａは、前記流体セルの第２の実施形態の側面図である。図２ｂは、この流体セルの上面図である。図２ａおよび図２ｂは図１のフローセルを示したものであるが、当該支持体１０は、ガスケット３０の周囲に隆起したレッジ部（張り出し部）１７をさらに有することにより、前記ガスケット３０を受容する溝をこの支持体１０に効果的に形成している。当該支持体１０上で前記平面基板７０が着座する場所に、適切な深さの凹部を伴ったレッジ部のフレーム７５を機械加工して設け、前記平面基板７０の位置合わせに役立てることができる。前記ガスケット３０は、圧縮下で拡張し、この隆起したレッジ部１７内で安定することにより、前記メサ部２０の周囲でしっかり着座することができる。この実施形態では、前記隆起したレッジ部が構造的完全性の維持に役立って確実に水密な密閉部が形成されるため、より厚い壁は不要である。図２は、さらに、前記基板７０上のチップ９０も示している。
【００２２】
図３ａ（側面図）および図３ｂ（上面図）で示したように、第３の実施形態では、密閉を行うため、シリコンエラストマーのガスケットの代わりに、接着層３５（アクリルの両面テープなど）を使用している。この方法は、一体型フローセルの永久的に組み立てるためのものであり、当該基板７０は再使用できず、使い捨て装置の一部となる。この流体セル実施形態は、基板７０に面した受容面１７を有した支持体１０と、その支持体内に位置した深さを有する陥凹領域１５と、その陥凹領域１５内に配置された少なくとも２つの流体ポート８０とを有する。接着層３５は、前記受容面１７上に位置する。この接着層３５は、既知の厚さを有する。基板７０は、この接着層３５に接合している。この接着層３５は、前記支持体１０および前記基板７０が接合されると、前記陥凹領域１５の周囲に密閉部をもたらす。また前記陥凹領域の深さと、前記接着層の厚さとが、この流体セルの高さを画成する。
【００２３】
図４ａ（側面図）および図４ｂ（上面図）に示したように、第４の実施形態は、上述した他の実施形態と異なり、ガスケット３０だけで流体セルを画成している。支持体１０は、基板７０用に受容面１５を有する。深さのある陥凹領域１５は、前記受容面１５内に位置する。少なくとも２つの流体ポート８０は、前記陥凹領域１５内に位置する。この陥凹領域１５の深さを超える高さを有した圧縮性シート３７（通常、エラストマー材料）は、当該陥凹領域内に位置する。この圧縮性シート３７は、当該支持体１０の前記陥凹領域１５の流体ポートに位置合わせされた少なくとも２つの流体ポート８２を有する。この圧縮性シート３７は、前記流体ポート８２間に開流路３９を有する。この開流路３９は、当該圧縮性シート３７の前記基板７０側の面にあり、深さがある。前記基板７０を当該支持体１０の受容面１５に接合すると、この圧縮性シート３７が圧縮される。この圧縮性シート３７圧縮後、前記開流路３９の深さは、当該流体セルの高さとなる。この実施形態の利点の１つは、異なるフローセルの高さおよび構造を有した異なる圧縮性シートを前記支持体の前記陥凹領域に配置すると、例えば蛇行した流路が生じるよう設計できることである。当該技術分野に精通した者であれば、単に陥凹領域の圧縮性シート挿入部材を交換するだけで、フローセル設計を迅速に切り換えられる汎用性が理解できるであろう。
【００２４】
図５で示した第５の実施形態は、顕微鏡下で行う並列アッセイ実験用に一体化した複数の流体セルのプラットフォームである。この図に示すように、これは単に、複数の流体セルを機械加工で単一のプラスチック支持体に一体化したものである。本装置のこれら一体型の流体セルは、それぞれ、上記実施形態のいずれを使って作製してもよい。これらセルへの流体接続は、マイクロチャネル延出部を支持体にフライス加工することにより提供できる。前記マイクロチャネル延出部の上から、アクリル両面接着テープでプラスチックのカバープレートを固定すると、前記流路を密閉できる。
【００２５】
前記支持体にリッジ部が存在する場合は、その深さをガスケット厚の約半分にすると、そのガスケットを着座状態で十分支持することができる。一般に、前記支持体に含めるリッジ部は、前記ガスケットを着座させる上で十分な深さにすべきである。前記リッジ部と前記メサ部の間の流路は、前記ガスケット幅よりわずかに大きくし、圧縮された前記ガスケットが拡張できるようにする空間を設けるよう、最適な幅を有するべきである。当業者であれば、当該フローセル構造は、試料基板にわたり均一な層流を促進するよう設計されていることが理解されるであろう。
【００２６】
水密な密閉部を形成する前記エラストマーシリコンガスケットは、通常、金型で作製される流路と同じ形状である。このガスケットは、流体セルの側壁を形成する。このガスケットは、前記自立構造のメサ部と前記基板の間で適合性の高い接触が生じるよう、十分な高さにすべきである。前記ガスケットは、わずかに圧縮された状態で、前記支持体と前記基板の間に防水密閉部を形成できるよう、十分な高さにすべきである。このガスケット圧縮は、試料基板およびカートリッジが押し合わされることにより生じる。
【００２７】
本発明は、ＣＮＣフライス盤を使って作製できる。この一体型流体セル独特の単純な設計は、シリコンのマイクロマシニング加工、熱可塑性物質のエンボス加工、プラスチックの射出成形、レーザーアブレーションなど、他の複雑で高価な製造技術を不要にする。ガラスまたはシリコンのマイクロマシニングは高価で組み立てが難しく、レーザーアブレーションは低速すぎて比較的小さい形状に限られてしまい、熱可塑性物質のエンボス加工および射出成形の双方は、ただ１つの設計にしか使えない高価なマスターを必要とする。
【００２８】
本発明の特徴は、そのセル設計が前記支持体とは無関係である点にある。このセル設計を制限するのは、前記流体セルを取り付ける平面基板上での、アッセイ反応の表面積および位置だけである。ＩＣチップの場合は、メサ部の設計場所として避けなければならないワイヤーボンドがチップ縁部にあるかどうかなどを他に考慮する。したがって、基本的な設計および製造工程は、カートリッジ用であっても、顕微鏡観察のための複数セルプラットフォーム用であっても同一になる。
【００２９】
上記の支持体、平面基板、およびエラストマーシリコンガスケットは、シリコン層を圧縮して水密な密閉部を形成する実施形態において、再使用可能である。前記プラスチック支持体は、この部分の耐用期間中、無期限に再利用できる。前記エラストマーシリコンガスケットは、数週間使用できる。前記エラストマーシリコンガスケットは、圧縮時、防水密閉部を形成し、かつ前記一体型流体セルの内壁境界を画成するよう作用する。その組み立てに接着剤は不要である。ポリ（ジメチルシロキサン）すなわちＰＤＭＳなどのシリコンは、ラピッドプロトタイピング金型ですばやく（数分間で）成形できる。Ｄｕｆｆｙらの「ポリ（ジメチルシロキサン）による、マイクロ流体システムのラピッドプロトタイピング（Ｒａｐｉｄ  ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  ｓｙｓｔｅｍｓ  ｉｎ  ｐｏｌｙ（ｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ））」Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７０、４９７４−４９８４を参照。
【００３０】
前記エラストマーシリコンガスケットで画成された境界内の前記メサ部の中央面には、表面への機械加工により、特徴的な放物線状層流プロファイルを、例えば、より平坦な前縁を伴ったものに修正するよう、特徴を追加することができる。Ｔａｍａｎａｈａらの「アレイ式固体装置での磁気的なＤＮＡ検出方法（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ＤＮＡ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｎ  ａｎ  ａｒｒａｙｅｄ  ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ｄｅｖｉｃｅ）」Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ２００１（Ｋｌｕｗｅｒ  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、Ｂｏｓｔｏｎ、ｐｐ．４４４−４４６）（２００１）を参照。このような能力により、例えば生化学分析における物質移動条件、またはマイクロ流路における混合の受動的な機序を実験的に強化することができる。
【００３１】
当該システム全体は、種々の平面基板に対応できるため、非常に用途が広い。前記平面基板として顕微鏡スライドを使用する場合は、適切なベースプレートにより（下から照らす場合はアクリル製、同軸照明を使う場合はアルミニウム製）、前記顕微鏡スライドを定位置に保つことができる。カートリッジ形式のセンサーＩＣチップを使う場合は、ネジでの圧縮または前記カートリッジへの圧入により、ＰＣＢキャリアボードに適切に取り付けたチップを一体的に保つことができる。
【００３２】
このシステムは、蛍光、発光、白色光などを使った、すべての光学観測機構に適合している。前記一体型フローセルへの流体接続は、前記支持体に通じる管（チューブ）、またはフライス加工で作製したマイクロチャネル延出部に適合させやすい（図７を参照）。この方法は、再利用可能な装置および使い捨て装置の双方の製造に適している。
【００３３】
当該技術は、小型の生化学分析、バイオリアクター、化学的センサー、電気化学的センサー、薬理学的センサー、および生物学的センサーを含むいくつかの分野へ、完全に拡張可能である。
【００３４】
当業者であれば容易に理解されるように、本発明の動機付けは、一般的な実験室設備の能力で到達できる範囲の製造方法を確立することであったが、このような方法は、プラスチック以外の材料（シリコンやアルミニウムなど）でサブミリメートル寸法のシステムを製造するためのＬＩＧＡやそれに関連したＭＥＭＳ製造技術など、より高度な手順（工程）で置き換えられない理由はない。また、ＣＮＣフライス加工を使った製造方法についても上記で説明した上記の代わりにカートリッジやマルチセル（複数セル）プラットフォームを大量生産することを希望する場合は、熱可塑性物質を使って前記装置を射出成形することができる。最後に、上記では、前記一体型のセルを流体に通過させる単一の注入口／吐出口ペアを説明した。付加的な流体注入ポート／吐出ポートを追加して、当該セル内で試料の流れを流体力学的に誘導することも考えられる。
【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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【国際調査報告】
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