(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細流体を処理するための微細流体処理デバイスであって、複数のモジュールからなる微細流体ネットワークを備え、該ネットワークは、
粒子を含んだ流体サンプルを受け取って、該流体サンプルから濃縮サンプルを生成するよう構成された濃縮モジュールと、
前記濃縮サンプルを受け取って、該濃縮サンプルから微細液滴を生成するよう構成された微細液滴準備モジュールと、
前記濃縮サンプルの微細液滴中の内部の粒子から物質を解放するよう構成された崩壊モジュールと、
１又は複数の試薬を前記濃縮サンプルの微細液滴と混合するよう構成された混合モジュールと、
前記試薬が混合された前記濃縮サンプルの微細液滴を受け取って、ＤＮＡ操作を行うＤＮＡ操作モジュールと
を備え、
前記微細流体ネットワークに備えられたこれらモジュールは前記微細流体ネットワークと一体となった１又は複数のチャネルを介して動作可能なように接続されており、これらモジュールの少なくとも１つは前記微細流体ネットワークと一体となったバルブによって分離することができ、前記微細流体ネットワークと一体となった少なくとも１つのアクチュエータが、これらモジュール内の１つのモジュールから他のモジュールに液体の微細液滴を移動させるために、流体の前記微細液滴に作用する上流側圧力と下流側圧力との間に差を生成するよう構成されている
ことを特徴とする微細流体処理デバイス。
【請求項２】
請求項１記載の微細流体処理デバイスにおいて、前記濃縮モジュールは、粒子を含んだ流体サンプルにおける粒子を凝縮させて、前記濃縮サンプルの単位体積当たりの粒子の割合が該流体サンプルにおける粒子の割合よりも高くするよう構成されていることを特徴とする微細流体処理デバイス。
【請求項３】
微細流体を処理するための微細流体処理デバイスであって、
微細流体ネットワークを備え、該ネットワークは、
細胞を含んだ微細液滴を受け取るよう構成された、前記微細流体ネットワークと一体となった崩壊モジュールと、
前記崩壊モジュールの上流側に配置された、前記微細流体ネットワークと一体となったアクチュエータであって、前記微細液滴に作用する上流側圧力及び下流側圧力の差を生成して、前記微細液滴を崩壊モジュールに移動させるよう構成されたアクチュエータと、
前記崩壊モジュールの上流側及び前記アクチュエータの下流側に配置された通気孔が開けられた通気位置決めエレメントであって、前記通気孔が開けられた通気位置決めエレメントは、前記細胞を含んだ微細液滴が移動する区域と気体をやりとりするように配置された通気孔を備え、前記通気孔が開けられた通気位置決めエレメントは、前記細胞を含んだ微細液滴の上流側部分が前記通気孔の開口を通過すると前記細胞を含んだ微細液滴の上流側の気体を前記通気孔を通じて消散させることにより、前記崩壊モジュールの崩壊位置に前記細胞を含んだ微細液滴を停止させ、かつ、前記細胞を含んだ微細液滴の一部分を前記崩壊位置における該通気位置決めエレメントの下流側に位置決めするよう構成されている通気位置決めエレメントと、
前記崩壊モジュール内に設けられた崩壊機構であって、前記崩壊位置にある前記細胞を含んだ微細液滴内の細胞から細胞内物質を解放するよう構成されている崩壊機構と
を備えていることを特徴とする微細流体処理デバイス。
【請求項４】
請求項３記載の微細流体処理デバイスにおいて、前記通気位置決めエレメントは、前記微細液滴が前記孔に入るのを防止するための湿潤低減材料を備えていることを特徴とする微細流体処理デバイス。
【請求項５】
請求項４記載の微細流体処理デバイスにおいて、前記通気位置決めエレメントはさらに、前記湿潤低減材料と前記通気孔との間で気体を選択的に遮断及び通過させるため、前記微細流体ネットワークにおいて、バルブを備えていることを特徴とする微細流体処理デバイス。
【請求項６】
微細流体を処理するための微細流体処理デバイスであって、
細胞を含んだサンプルの微細液滴を受け取るよう構成された崩壊モジュールと、
前記崩壊モジュール内に設けられた崩壊機構であって、前記崩壊モジュール内の前記サンプルの前記微細液滴内の細胞から細胞内物質を解放するよう構成されている崩壊機構と、
前記崩壊モジュールの上流側に配置された、微細流体ネットワークと一体となった第１の気体アクチュエータであって、前記サンプルの前記微細液滴を前記崩壊モジュールと部分的に重なるように下流に移動させるよう構成された第１の気体アクチュエータと、
前記崩壊モジュールの下流側に配置された位置決めエレメントであって、前記サンプルが前記位置決めエレメントに接触するときに前記サンプルの下流側の界面の表面張力を増大させることにより、前記サンプルの下流方向への移動を阻止して、前記崩壊モジュールの崩壊位置に前記サンプルの少なくとも一部分を位置決めするよう構成された位置決めエレメントと、
前記崩壊モジュールの上流で前記第１の気体アクチュエータの下流に配置された、微細流体ネットワークと一体となった第２の気体アクチュエータであって、（ａ）前記崩壊モジュール内の前記サンプルの前記細胞から解放された細胞内材料からなる崩壊された微細液滴であって、前記第２の気体アクチュエータと前記位置決めエレメントとの間の距離に等しい長さの微細液滴を準備し、かつ、（ｂ）前記崩壊された微細液滴を前記崩壊モジュールの下流に移動させて前記位置決めエレメントを通り過ぎて移動させることができる気体圧力を提供するよう構成された第２の気体アクチュエータと
を備えていることを特徴とする微細流体処理デバイス。
【請求項７】
細胞を含んでいる液体の微細液滴内の細胞から細胞内物質を解放するための方法であって、
細胞を含んだ液体の前記微細液滴を微細流体処理デバイスの微細流体ネットワークと一体となった崩壊モジュールに導入するステップと、
前記液体の前記微細液滴が前記崩壊モジュールから下流に移動しないようにするステップと、
前記崩壊モジュール内にある前記液体内の前記細胞から細胞内物質を解放するための解放機構を動作させるステップと、
前記崩壊モジュール内にある前記液体の前記微細液滴の第１の部分を、前記崩壊モジュールの上流に位置する前記液体の前記微細液滴の第２の部分から分離するための気体圧力を提供して、前記崩壊モジュール内にある前記液体の前記細胞から解放された細胞内物質からなる崩壊された微細液滴を準備するステップと
からなることを特徴とする方法。
【請求項８】
微細流体を処理するための微細流体処理デバイスであって、
微細流体ネットワークを備え、該ネットワークは、
流通部材と濃縮チャンバとを備え、粒子を含んだ流体の微細液滴を受け取るよう構成された濃縮モジュールであって、前記流通部材は前記粒子を含んだ流体の粒子の直径よりも小さい通路を有するように形成され、前記流体が該流通部材を通過し、前記流体の粒子からなる濃縮粒子サンプルを前記濃縮チャンバに累積するよう構成された濃縮モジュールと、
前記濃縮チャンバから少なくとも１つの下流処理モジュールまでの下流方向に導く、微細流体ネットワークと一体となった下流チャネルと、
前記濃縮モジュールから濃縮粒子サンプルを前記下流チャネルに沿って下流方向に移動させるよう構成された、前記微細流体ネットワークと一体となったアクチュエータと、
前記アクチュエータと前記流通部材との間に配置された、前記微細流体ネットワークと一体となった第１のバルブと
からなることを特徴とする微細流体処理デバイス。
【請求項９】
請求項８記載の微細流体処理デバイスにおいて、該デバイスはさらに、前記流通部材と前記下流チャネルとの間に配置された第２のバルブを備えていることを特徴とする微細流体処理デバイス。
【請求項１０】
請求項８記載の微細流体処理デバイスにおいて、該デバイスは、対向する上側基板及び下側基板を備え、前記流通部材は第１及び第２の表面を備え、該第１の表面は、前記濃縮チャンバに隣接しており、前記第２の表面は前記濃縮チャンバから離れておりかつ空間に隣接しており、該空間は、吸湿剤を含んでおりかつ前記下側基板とは反対側の前記上側基板の表面上に設けられていることを特徴とする微細流体処理デバイス。
【請求項１１】
請求項１、２、５、８、９及び１０いずれかに記載の微細流体処理デバイスにおいて、前記バルブは、熱作動型の物質で構成されていることを特徴とする微細流体処理デバイス。
【請求項１２】
請求項８記載の微細流体処理デバイスにおいて、前記濃縮粒子サンプルは、流体の単位体積当たりの粒子の比が、前記濃縮モジュールで受け取られる前記粒子を含んだ流体よりも大きいことを特徴とする微細流体処理デバイス。
【請求項１３】
微細流体を処理する微細流体処理デバイスであって、
流通部材と濃縮チャンバとを備え、粒子を含んだ流体のサンプルから濃縮された粒子サンプルを生成するよう構成された濃縮モジュールであって、前記流通部材は前記粒子を含んだ流体の粒子の直径よりも小さい通路を有するように形成される、濃縮モジュールと、
前記濃縮モジュールの下流に配置された処理モジュールと、
前記濃縮モジュールの下流側に配置され、前記微細流体処理デバイスの微細流体ネットワークと一体となったアクチュエータであって、上流側圧力及び下流側圧力の差を生成して、濃縮された粒子サンプルを、該サンプルが希釈されない状態で前記濃縮モジュールから下流に移動させるアクチュエータと、
前記アクチュエータと前記流通部材との間に配置された、前記微細流体ネットワークと一体となったバルブと
から構成されていることを特徴とする微細流体処理デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細流体処理システムを用いて試料を処理する方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
微細流体デバイスは、通例、微細流路網を含む基板（シリコン、ガラス、セラミック、プラスチック及び／又はクオーツで製作する）で形成され、推進機構の制御の下で流体がこの微細流路網を通過して流れていく。微細流路の少なくとも１つの寸法は、通例、ナノメートル〜１００ミクロン単位である。
微細流体デバイスは、従来の大規模計器類に対して様々な利点が得られる。例えば、一般に、大規模機器よりも、これらが必要とする流体試料は遥かに少なくて済み、用いる試薬も大幅に少なくて済み、これらの流体を遥かに高い速度で処理する。微細流体デバイスは、極少量の試料のみを利用すれば、試料に流体処理を行う等によって、この試料の化学的及び物理的特性を判定することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
多くの場合、これらの流体処理の精度は、試料と用いる試薬の相対的な量に左右される。例えば、ＤＮＡ「指紋」のために試料を分析する場合、結果は、試料内にあるＤＮＡを増幅するために用いられる試薬の濃度によって異なる場合がある。したがって、不適当な試料対試薬比率を用いた場合、結果も不正確となる虞れがある。微細流体デバイスは極少量の試料及び試薬を処理するので、用いる試薬又は試料の量における小さな絶対不確実性であっても、微細流体分析の結果に不確実性を招く可能性がある。
【０００４】
微細流体デバイスが処理する試料及び試薬の量の分散(variance)は、色々な発生源から由来する可能性がある。例えば、ある微細流体デバイスは、連続して流れる液体ストリームを扱う。液体の粘度変化が、ストリームの流量を変化させる可能性があり、これに対応して、所定量の物質を微細流量デバイスの所与の位置に導入するために必要な時間も変化する可能性がある。流体流ストリームを用いて微細流体デバイスのある場所から別の場所に試料成分を移動させる場合、試料の希釈が発生する可能性もある。
【０００５】
体液内の細胞の微細流体分析は、分析に利用可能な細胞の数が比較的少なく、このような物質を扱うことが本来困難であるために、特に厄介である。
試料の操作は、微細流体デバイス内部の異なる場所の間で試料を移動させることを伴う場合がある。例えば、ある微細流体デバイスでは、電界を推進機構として用いる。このようなデバイスでは、キロボルト単位の高電圧をデバイス内部の電極間に印加することによって、微細流路内に電界を発生する。電界は流体内のイオンに力を作用させることによって、イオンを推進し微細流路を通過させる。流体自体も、流体内を移動するイオンの運動によって推進する場合がある。
【０００６】
流体を推進させて微細流路を通過させるために、気体圧力も用いられる。あるデバイスでは、微細流体デバイス外部にある加圧気体源を微細流体デバイスに接続して気体圧力を供給し、流体を推進させる。気体圧は、微細流体デバイス自体の内部において加熱チャンバによって発生し、流体を微細流路内に推進させることもできる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
概略的に、本発明の第１の態様は、微細流体システム内において、流体のような試料を移動させるシステム及び方法に関する。一態様において、本発明は、微細流体システム内の異なる位置において圧力を加えることによって、試料を移動させる力を供給する、複数の気体アクチュエータの使用に関する。例えば、一実施形態では、第１気体アクチュエータは、微細流体デバイスの第１位置から第２位置に第１試料を移動させるのに十分な気体圧力を供給する。第２気体アクチュエータは、微細流体デバイスの第３位置から第４位置に別の試料を移動させる気体圧力を供給する。
別の例では、複数の気体アクチュエータが共動して同じ流体試料を移動させる。第１気体アクチュエータが、微細流体デバイスの第１及び第２処理ゾーン間で微細液滴を移動させるのに十分な気体圧力を供給し、第２気体アクチュエータが微細液滴を第３処理ゾーンに移動させる気体圧力を供給する。
【０００８】
好適な実施形態では、複数のアクチュエータが微細流体網と一体化され、この微細流体網を微細流体試料が通過する。例えば、複数の気体アクチュエータは、微細流体網を形成する同じ基板内に製作することができる。このような気体アクチュエータの１つを、第１位置において網に結合し、網内において微細流体試料を移動させる気体圧力を供給する。別の気体アクチュエータは、第２位置において網に結合され、網内において微細流体試料の少なくとも一部を更に移動させる気体圧力を供給する。
別の態様では、本発明は、複数のアクチュエータを備えたバルブの使用に関する。例えば、一実施形態では、バルブを微細流体網に結合し、バルブを閉鎖すると、実質的に第２気体アクチュエータを第１気体アクチュエータから隔離する。このようなバルブは、膨張気体がある方向に移動するのを防止しつつ、それを所望の方向には膨張させることによって、アクチュエータの推進力の方向を制御することができる。また、これらは、微細液滴から上流の区域において気体が消散するのを防止することによって、アクチュエータが微細液滴を推進することができる距離範囲を広げることができる。
【０００９】
本発明の別の態様は、例えば、バクテリアの細胞又は人の細胞を含有する液体のような、粒子含有流体を処理する微細流体システム及び方法に関する。
一態様では、本発明は、粒子含有流体から濃縮粒子試料を調製することに関する。例えば、濃縮試料を調製する微細流体システムは、濃縮ゾーンと、この濃縮ゾーンと流体連通するように配された流通部材とを含む。流通部材は、粒子含有流体が濃縮ゾーンを通過及び流出可能にする一方、粒子含有流体の粒子をゾーン内に蓄積させることによって、濃縮ゾーン内に濃縮粒子試料を備える。流通部材は、細孔のような複数の通路を含むことができ、これらは、流体の通過を可能にする十分なサイズであるが、粒子が通過するには小さすぎるサイズを有する。適した流通部材は、例えば、フィルタ紙のようなフィルタ・エレメント、多孔性ガラス、及び多孔性ゲルで構成される。
【００１０】
微細流体システムは、アクチュエータを含むこともでき、濃縮粒子試料を本質的に希釈せずに、濃縮した粒子試料を濃縮ゾーンから移動させる。一実施形態では、アクチュエータは、気体アクチュエータであり、濃縮ゾーンの上流部分に関与する気体圧力を、下流チャネルに関与する気体圧力に対して増加させることによって、試料を移動させる。例えば、気体アクチュエータは、ある体積の気体と熱的に接触する熱源を含むことができる。熱源を作動させて気体を膨張させることにより、濃縮粒子試料を濃縮ゾーンから、別の流体処理のモジュールを内蔵する位置のような、微細流体システム内の別の位置に移動させるのに十分な気体圧力を発生する。
別の態様では、本発明は、液体内に混入した細胞を含む濃縮粒子試料を処理する微細流体システム及び方法に関する。例えば、このシステムは、濃縮細胞含有試料を受ける崩壊ゾーンと、崩壊機構の近傍にある崩壊位置に濃縮細胞含有試料を配置する位置決めエレメントとを含む。崩壊機構は、ＤＮＡ又はＲＮＡのような細胞内物質を細胞から放出する。あるいは、崩壊機構は、化学的、熱及び／又は超音波技法あるいはこれらの技法のあらゆる組み合わせを用いても、細胞を崩壊することができる。
【００１１】
一実施形態では、崩壊ゾーンは、細胞含有流体の細胞から細胞内内容物を放出し、次いでこの流体から、細胞から放出した細胞内内容物を含有する微細液滴を調製する。微細液滴は、細胞含有流体の一部のみから調製することが好ましい。例えば、好適な微細液滴は、細胞含有流体の約９０パーセント未満を含む。別の実施形態では、崩壊ゾーンは、細胞含有流体の微細液滴を受け、液滴内の細胞の細胞内内容物を放出する。
別の態様では、本発明は、流体内に懸濁する細胞の細胞内内容物を処理する微細流体基板に関する。この基板は、濃縮ゾーン、崩壊モジュール、微細液滴形成モジュール、混合モジュール、及び増幅モジュールを含む。濃縮ゾーンは、細胞含有流体から濃縮粒子試料を調製する。崩壊モジュールは、濃縮ゾーンに結合されて濃縮粒子試料を受け、試料内にある細胞から細胞内物質を放出することによって、崩壊試料を形成する。次に、微細液滴形成モジュールは、崩壊試料から流体の第１微細液滴を形成し、これを混合モジュールに転送し、試薬の微細液滴と混合させる。増幅モジュールは、混合物から形成された微細液滴内の細胞内物質を増幅する。
【００１２】
本発明の別の態様は、例えば、バクテリア細胞又は人の細胞を含有する液体のような、細胞含有流体を処理する微細流体システム及び方法に関する。例えば、このシステムは、細胞含有試料を受ける崩壊ゾーンと、崩壊機構の近傍にある崩壊位置に細胞含有試料を位置付ける位置決めエレメントとを含む。崩壊機構は、ＤＮＡ又はＲＮＡのような細胞内物質を細胞から放出する。一実施形態では、崩壊機構は、細胞から細胞内内容物を放出するのに十分な電界を発生する電極を含む。あるいは、崩壊機構は、化学的、熱及び／又は超音波技法あるいはこれらの技法のあらゆる組み合わせを用いても、細胞を崩壊することができる。
一実施形態では、崩壊ゾーンは、細胞含有流体の細胞から細胞内内容物を放出し、次いでこの流体から、細胞から放出した細胞内内容物を含有する微細液滴を調製する。微細液滴は、細胞含有流体の一部のみから調製することが好ましい。例えば、好適な微細液滴は、細胞含有流体の約９０パーセント未満を含む。別の実施形態では、崩壊ゾーンは、細胞含有流体の微細液滴を受け、液滴内の細胞の細胞内内容物を放出する。
位置決めエレメントは、崩壊機構の近傍に細胞含有流体試料を配置し、崩壊機構が細胞から細胞内物質を放出できるようにする際に補助する。これらのエレメントは、バルブとは異なる動作を行うことが好ましい。バルブは、当該バルブに隣接する上流及び下流位置間で物質の通過を完全に遮断する。これに対して、位置決めエレメントは、通例、所望の位置（崩壊位置）で流体流に抵抗を与えることによって、流体の配置を制御する。
【００１３】
一実施形態では、位置決めエレメントは、崩壊機構の下流側に配され、細胞含有試料（微細液滴のような）の上流側部分を崩壊位置に位置付ける。位置決めエレメントは、好ましくは、細胞含有試料の下流側表面の表面聴力を含むことにより、試料の下流側への移動を妨げる。例えば、位置決めエレメントは、疎水性物質のような、ある量の湿潤低下物質を含み、細胞含有微細液滴の下流側表面の一部と接触するように配置されている。
別の実施形態では、位置決めエレメントは、崩壊ゾーンの上流側に配され、細胞含有微細液滴の下流側部分を崩壊位置に位置付ける。位置決めエレメントは、通気孔を含み、これが細胞含有液滴の上流側の気体圧力を細胞含有微細液滴の下流側の気体圧力と実質的に等しくすることによって、細胞含有微細液滴の下流側への移動を停止する。微細液滴が崩壊位置にあるとき。好ましくは、バルブは、続いて崩壊ゾーンと通気孔との間にある通路を塞ぐように配され、上流側気体圧力が再度液滴を更に下流側に移動させ、次の処理を行う。例えば、微細流体システムは、濃縮ゾーン及び／又は崩壊ゾーンの下流側に混合ゾーンを含み、これらのゾーンから出現した微細液滴を、所定量の試薬材料と混合する。
【００１４】
別の態様では、本発明は、流体内に懸濁する細胞の細胞内内容物を処理する微細流体基板に関する。この基板は、崩壊モジュール、微細液滴形成モジュール、混合モジュール、及び増幅モジュールを含む。崩壊モジュールは、試料内の細胞から細胞内物質を放出することにより、崩壊試料を形成する。微細液滴形成モジュールは、次に、崩壊試料から流体の第１微細液滴を形成し、これを混合モジュールに転送して、試薬の微細液滴と混合する。増幅モジュールは、混合によって形成された微細液滴内にある細胞内物質を増幅する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、図面を参照しながら本発明について説明する。
本発明は、試料や試薬のような物質を処理する微細流体システム及び方法に関する。更に特定すれば、本発明の一態様は、微細流体システム及び微細流体システムにおいて流体を移動させる方法に関する。以下に記載する一実施形態では、流体は、流体と共に移動し易い粒子を含む。粒子含有流体の流体成分は、気体、又は、好ましくは、液体である。粒子含有流体の粒子は、好ましくは、バクテリアの細胞、又は人のような動物の細胞といった、細胞全体である。しかしながら、これらは、このような細胞からの細胞内物質も含むことができる。例えば、本発明のシステムは、バクテリアの細胞の試料を処理して、バクテリアが病原性か否か判定する際に用いることができる。
【００１６】
Ａ．システムの概要
図１は、微細流体デバイス１１０と対応するカートリッジ１２０とを含む微細流体システム１００を示し、これらは、コンピュータ１２７ならびにデータ取得及び制御ボード（ＤＡＱ）１２６の制御の下で１つ以上の流体試料を受け取り、試料を処理する。
コンピュータ１２７は、好ましくは、ユーザに所望の動作を選択させるユーザ・インターフェースを供給したり、選択した動作についてＤＡＱ１２６に通知したり、このような動作の結果をユーザのために表示するというような、上位機能を実行する。これらの動作は、例えば、微細流体デバイスの種々の処理ゾーン内において試料に処理工程を受けさせることを含む。コンピュータ１２７を携帯用コンピュータとすれば、微細流体システムの持ち運びを容易にすることができる。
【００１７】
コンピュータ１２７は、接続部１２８を介して、ＤＡＱ１２６に接続されている。接続部１２８は、データＩ／Ｏ、電力、接地、リセット、及びその他の機能性接続を設ける。あるいは、コンピュータ１２７とＤＡＱ１２６との間にワイヤレス・リンク１３２を設け、ワイヤレス・エレメント１３２（ａ）及び１３２（ｂ）を介して、データ及び制御信号の交換を行うようにしてもよい。データ・リンクがワイヤレス・リンクの場合、例えば、ＤＡＱ１２６は、バッテリのような別個の電源を有するとよい。
一般に、ＤＡＱ１２６は、コンピュータ１２７から受け取る上位命令に応じて、微細流体デバイス１１０の動作を制御する。更に具体的には、コンピュータ１２７が要求する所望の動作を実現するために、ＤＡＱ１２６はしかるべく電気制御信号を、接点１２５を介してカートリッジ１２０に供給する。
カートリッジ１２０は、ＤＡＱ１２６と微細流体基板１１０との間で電気信号及び光信号のための電気及び光接続部１２１を設けることによって、ＤＡＱ１２６が基板の動作を制御できるようにしている。
【００１８】
チップ・キャリア・カートリッジ１２０は、ＤＡＱ１２６のインターフェース・ハードウェア・レセプタクルに挿入（又は離脱）されるように示されており、チップ・キャリア・カートリッジ１２０の対応する接点１２１と一致するように標準化された電気及び光接点１２５を有する。殆どの接点は電気信号用であるが、ある接点は、光学的監視用微細流体プロセッサ又は光励起微細流体プロセッサの場合には、光信号（ＩＲ、可視、ＵＶ等）用である。あるいは（図示せず）、ＤＡＱ１２６全体を単一のＡＳＩＣチップとし、これをチップ・キャリア・カートリッジ１２０に組み込んでも良く、その場合、接点１２１、１２５は、プリント回路基板上で導電性経路となる。
【００１９】
Ｂ．微細流体デバイス
図２は、好ましい形式の微細流体デバイスの概略構造を示す。このデバイスは、上側基板１３０を含み、これが下側基板１３２に接合されて、流体網を形成する。
図２に示す上側基板１３０は、好ましくは、ガラスで形成され、その底面１３６に微細流体網１３４を有する。シリコン、ガラス、セラミック、プラスチック、及び／又は水晶で構成された基板も、本発明に関しては受け入れ可能であることを当業者は認めるであろう。
微細流体網は、複数のゾーンを含む。ゾーンの数、及び微細流体網の全体的な形状(topology)は、微細流体デバイスが実行するように設計された個々の用途によって異なる。微細流体デバイスのゾーンの断面形状は、全体的に円弧状又は全体的に多角形というように、いずれでもよい。例えば、ゾーンは、チャネル、チャンバ、又はその他の実質的に密閉された空間を含むことができる。「実質的に密閉された」によって、物質は所定の通路を通じてのみそのゾーンに流入及び流出することを意味する。このような通路の例には、チャネル、微細チャネル等を含み、種々のゾーンを相互接続する。ゾーンは、好ましくは約２５０μｍ未満のような、又は更に好ましくは約７５μｍ未満のような、少なくとも１つの微細規模の寸法を有する。
【００２０】
微細流体網のチャネル及びチャンバは、既知のリソグラフィ技法を用いて、上側基板１３０の底面１３６にエッチングされている。更に特定すれば、不透明な部分を含む透明なテンプレート又はマスクを用いて、基板の表面上に物体を光学的に定義する(photo-define)。テンプレート上のパターンは、コンピュータ支援設計プログラムによって生成され、１ミクロン未満の線幅で、構造を描画することができる。一旦テンプレートを生成したなら、これは、同一の複製構造を生産するためにほぼ無限に用いることができる。その結果、非常に複雑な微細流体網でさえも、単位当たりの増分コストを低く抑えて、大量に再生産することができる。あるいは、プラスチック材料を用いると、射出成形技法を用いて上側基板を形成することができ、成形プロセスの間に微細チャネルが形成される。
【００２１】
下側基板１３２は、ガラス基体１３８と、酸化物層１４０とを含むことができる。酸化物層４０内には、抵抗性ヒータ１４２と電気リード１４４とが、フォトリソグラフィ技法を用いて形成されている。リード１４４が端子１４６に接続し、端子１４６は基板の縁端に露出しており、これによって、ＤＡＱ１２６によりヒータを制御させることができる。更に特定すれば、ヒータ１４２を活性化するには、ＤＡＱ１２６は電圧を１対の端子１４６に（カートリッジ１２０を介して）印加し、リード１４６及びヒータ１４２を通る電流を供給することにより、抵抗性ヒータ・エレメント１４２を加熱させる。
金属製ヒータ・エレメント１４２が配置されており、上側及び下側基板を互いに接合すると、ヒータは、上側基板の流体網のある領域の直下に位置し、これらの領域の内容物を加熱できるようになっている。酸化シリコン層１４０は、加熱エレメント１４２が微細流体網内の物質と直接接触するのを防止する。
【００２２】
酸化物層１４０、加熱エレメント１４２、及び抵抗性リード１４４は、微細流体網をエッチングする際に用いるような、周知のフォトリソグラフ技法を用いて製作する。
図３は、微細流体デバイス１１０の包括的な図である。図示のように、基板は、試料入力モジュール１５０と試薬入力モジュール１５２とを有し、試料及び試薬物質をデバイス１１０にそれぞれ入力することができる。好ましくは、入力モジュール１５０、１５２は、コンピュータ制御研究室ロボット１５４を用いて、自動物質入力を可能とするように配置する。
また、基板は、試料及び試薬物質を処理する、プロセス・モジュール１５６、１５８、１６０、１６６及び１６２も含む。これらのプロセス・モジュールの中で、試料は、種々の物理的及び化学的処理工程を受ける。例えば、濃縮モジュール１５６は、比較的高い濃度の細胞粒子を有する流体試料を調製し、崩壊モジュール１６０は、細胞内物質を細胞粒子から放出し、混合モジュール１６６は、得られた試料をある試薬と混合する。別の一例として、増幅プロセス・モジュール１６２を用いれば、試料内の極少量のＤＮＡを増幅し検出することができる。
【００２３】
微細流体デバイスの種々のモジュールは、チャネル１６４等によって接続され、物質がデバイス１１０内部のある場所から別の場所に移動できるようになっている。微細流体デバイスと連動するアクチュエータ１６８、１７０、１７２は、気体圧力のような起動力を発生し、試料及び試薬物質をチャネル及びゾーンに沿って移動させる。例えば、第１アクチュエータ１６８は、物質をプロセス・モジュール１５６からプロセス・モジュール１５８に下流に向けて移動させる。プロセス・モジュール１５８内における処理が完了すると、第２アクチュエータ１７０が混合プロセス・モジュール１６０に向けて下流側に物質を移動させる。続いて、アクチュエータ１７０又は追加のアクチュエータが物質を混合モジュール１６６に移動させ、ここで物質は、アクチュエータ１７２によって移動させられる試薬と混合する。最終的に、アクチュエータ１７２、又は別のアクチュエータが混合物質をモジュール１６２に移動させる。
【００２４】
各アクチュエータは好ましくはデバイス１１０のモジュールの部分集合のみにおける物質の移動を担当するので、単一のアクチュエータがデバイス全体に及ぶ物質の移動を担当する場合よりも正確に制御することができる。アクチュエータを含む、微細流体デバイス１１０の種々の機能的エレメントは、好ましくは、コンピュータ制御下にあり、自動試料処理及び分析を可能にする。
【００２５】
Ｃ．多数のアクチュエータ
微細流体デバイス１１０の種々のアクチュエータは共動して、微細流体デバイス１１０の異なる場所の間で物質を移動させる。例えば、アクチュエータ１６８は、濃縮試料のような物質を、濃縮ゾーン９３１と微細液滴調製モジュール１５８との間で移動させる。アクチュエータ１７０は、濃縮試料から微細液滴を調製し、そうしつつ、微細液滴を崩壊ゾーン９５０に移動させる。アクチュエータ１７０は、崩壊ゾーン９５０から混合モジュール１６６に物質を移動させるために用いられる。しかしながら、別のアクチュエータを崩壊ゾーン９５０と微細液滴調製ゾーンとの中間に配置し、崩壊させた試料を混合モジュール１６６に向けて下流に移動させてもよいことを注記しておく。
また、デバイス１１０のアクチュエータは、２種類の物質量を同時に移動させる際にも共動することができる。例えば、前述のように、アクチュエータ１７２及びアクチュエータ１７０は共動して、試薬と崩壊された微細液滴とを混合する。このような共動アクチュエータは、互いに独立して制御し、適正な混合を確保することができる。例えば、一方の物質の方が粘度が高いことがわかっている場合、その物質を移動させる起動力を、他方の物質を移動させる移動力とは独立して増大させることができる。
【００２６】
微細流体デバイス１１０の多数のアクチュエータ及びモジュールは、好ましくは、動作的に接続可能であり、微細流体デバイスのバルブによって隔離可能とする。例えば、バルブ９１５、２１６のいずれかが閉鎖状態にあると、微細液滴調製モジュール１７０を濃縮モジュール１５６から隔離する。このように、１つ以上のアクチュエータを用いて、微細流体デバイス１１０内の所定の場所間で物質を移動させることができ、動作的に隔離されたモジュール内にある物質を乱したり、これに接触することはない。所望のモジュールを動作的に接続したり分離することができると、多くのプロセス機能を有する微細流体デバイスにおいては有利である。更に、これらのバルブは、膨張気体がある方向に移動するのを防止しつつ、所望の方向にこれを膨張させることによって、アクチュエータの推進力の方向も制御する。これによって、気体が微細液滴から上流の区域においてある方向に散逸することを防止して、アクチュエータが微細液滴を推進できる範囲が広がることになる。
【００２７】
以下では、複数の処理モジュール、即ち、濃縮ゾーン９１５、微細液滴調製モジュール１５８、細胞崩壊モジュール１６０、混合モジュール１６６、及びＤＮＡ操作モジュール１６７を有する実施形態の一例における、このような多数のアクチュエータの共動的動作を、例を上げて説明する。
【００２８】
１．濃縮モジュール
ａ．濃縮モジュールの構造
図４及び図５を参照すると、微細流体デバイス９０１は、受け取った試料を濃縮する濃縮モジュール１５６を含む。これらの試料は、バクテリア細胞含有流体のような、粒子含有流体を含む。概略的に、濃縮モジュール１５６は、入力モジュール１５０の入力ポート１８０から粒子含有流体の流れを受け、この流体にそのゾーンを通過させつつ、ゾーン内に粒子を蓄積する。このようにして、ゾーンを通過する流体が多い程、モジュール内における粒子の濃度が高くなる。得られた濃縮流体試料のことを、ここでは、濃縮粒子試料と呼ぶ。
濃縮モジュールは、濃縮ゾーン９３１（図５）、流通部材(flow through member)９００、バルブ９１５、９１９、及び試料導入チャネル９２９を含む。バルブ９１９は、流通部材９００とアクチュエータ１６８の間に図示のように接続されており、バルブ９１５は、流通部材と、プロセス・モジュール１５８に通じる下流チャネル９３７との間に接続されている。これらのバルブは、２００１年９月９日に出願された同時係属中の米国特許出願第０９／９５３，９２１号において論じられている熱作動バルブのような、微細流体デバイスにおける使用に適したものであればいずれのものでもよい。バルブは、開放及び閉鎖状態間で逆転可能であれば、濃縮モジュール９３１の再利用が可能となる。
流通部材も、試料導入チャネル９２９を通じて試料入力モジュール１５０に接続され、流体が濃縮ゾーンを通過することを可能にする。バルブ９１３は、この試料導入チャネルに接続され、この入力ポートからの流体の流入及び流出を制御する。
【００２９】
図５は、濃縮ゾーンの断面図であり、流通部材を更に詳細に示す。図示のように、流通部材９００は、第１及び第２表面９４１、９４３を有する。第１表面９４１は、好ましくは、濃縮チャンバ９３１に隣接する。第２表面９４１は、好ましくは、流通部材９００によって、濃縮チャンバ９３１から離間されている。流通部材９００は、好ましくは、例えば、直径が約２ミクロン未満、例えば、約０．４５ミクロンの細孔のような、濃縮する粒子の直径よりも小さい通路を有する材料で形成する。流通部材９００を構成するのに適した材料は、例えば、紙又は繊維のようなフィルタ媒体、通路網を有するポリマ、及びガラス・フリットのようなガラス状材料が含まれる。
【００３０】
図６及び図７は、上側基板１３０の断面図を示し、濃縮ゾーン９３１を図示する。図示のように、流体は表面９４１を通って濃縮ゾーン９３１から流出し、流通部材９００を通過し、空間４００に流入する。空間４００は、吸収材４０２を含み、流出する流体を吸収することができる。このように、空間４００は、好ましくは、実質的に自己充足領域を設け、その中で、濃縮ゾーンから流出する流体を、微細流体システム１００の外部とは接触することなく、収集することができる。
空間４００は、上側基板１３０の製造中に形成される。先に論じたように、ゾーン及びチャネルのような微細流体構造は、基板１３０の表面１３６に作られる。しかしながら、空間４００は、表面１３７に作られ、好ましくは、基板１３０の他方側、即ち、反対側の表面１３６に配置される。こうすると、表面１３６を下側基板１３２と合わせたときでも、流体は流通部材９００を通って濃縮ゾーン９３１から流出することができる。
【００３１】
流通部材９００及び吸収材４０２は、基板１３０内に位置付けるために、接着剤やその他の締結具を必要としない。むしろ、流通部材９００及び吸収材４０２は、空間４００に実質的に対応する形状及びサイズに形成することができる。これにより、流通部材９００及び吸収材４０２が一旦空間４００内に配置されると、摩擦がこれらを適所に保持する。流通部材９００と基板１３０との間の位置４０４におけるいずれの残留空隙も非常に小さくして、粒子が空隙４０４を通って濃縮ゾーン９３１から流出することが妨げられるようにしなければならない。当然、接着剤又はその他の締結手段を用いて、流通部材９００又は吸収材４０２を固着してもよい。
代替実施形態では、流通部材は、細孔又はその他の通路を基板内に導入する化学的エッチングのような、微細製造技法を用いることによって、基板と一体的に形成する。細孔は、濃縮ゾーン９３１と基板の外部との間に流体路を設ける。
【００３２】
ｂ．濃縮モジュールの動作
試料を濃縮するために、デバイス９０１は以下のように動作する。図４を参照すると、バルブ９１５、９１９は初期状態では閉じており、バルブ９１３は開いている。粒子含有流体を入力ポート１８０に導入する。バルブ９１３が開いているので、試料はチャネル９２９に沿って通過し、濃縮ゾーン９３１に達する。あるいは、濃縮ゾーン９３１は、注入等によって、試料を直接受けるように構成することも可能である。バルブ９１５及び９１９は閉じているので、流体は実質的にアクチュエータ９７７及び下流チャネル９３７に逃げることが阻止される。
このように、流通部材９００は、流体が濃縮チャネルから流出する経路のみを設けられる。流体は、表面９４１を通過し、第２表面９４３を通って濃縮ゾーン９３１から流出し、一方粒子はゾーン内に蓄積する。濃縮ゾーン９３１は、したがって、濃縮チャンバ９３１の容積よりも大きい体積の流体を受けることができる。つまり、流体がチャンバを通過するに連れて、チャンバ内の粒子の濃度は、試料入力において供給される粒子含有流体における濃度に比較して、高くなる。粒子が細胞の場合、ゾーン９３１内における細胞の濃度即ち数は、下流の処理モジュールにおいて細胞から放出したポリヌクレオチドの重合酵素連鎖反応（ＰＣＲ：polymerase chain reaction）分析を行うことができる程度となることが好ましい。
【００３３】
こうして、濃縮ゾーン９３１は、その中で受けた粒子含有流体の粒子から、濃縮粒子試料を調製する。濃縮粒子試料の流体体積に対する粒子の比率（ＰＰＶＦ）は、濃縮ゾーンが受けた粒子含有流体の対応する比率よりもはるかに高くなっている。濃縮粒子試料のＰＰＶＦは、粒子含有流体のＰＰＶＦよりも、好ましくは少なくとも２５倍、好ましくは約２５０倍、更に好ましくは約１，０００倍である。
十分な体積の粒子含有流体を濃縮ゾーン９３１によって受けた後、バルブ９１３を閉鎖することによって、流体のそれ以上の濃縮ゾーンへの流入を阻止し、ゾーン９３１内の物質が試料導入ポート１８０に戻るのを防止する。次いで、バルブ９１５、９１９を、好ましくは、連動する熱源を作動させて、開放する。バルブ９１９が開くと、アクチュエータ１６８は濃縮試料を押し出すことができ、バルブ９１５は濃縮試料を下流に移動させることができる。
【００３４】
アクチュエータ１６８が発生する起動力は、濃縮粒子試料を濃縮ゾーン９３１から移動させる。アクチュエータ１６８は、好ましくは、気体アクチュエータであり、ある体積の気体９７７と熱的に連通する、熱源９７５の作動時に気体圧力を供給する。熱源９７５の作動によって温度が上昇し、したがって、気体９７７の圧力も上昇する。流通部材及びその中の流体は、実質的に気体が濃縮ゾーンから逃げ出すのを防止する。このため、得られた気体圧力は濃縮粒子試料を濃縮ゾーン９３１から下流に移動させる。
気体アクチュエータは、化学的圧力発生のような、代替圧力発生技法に役立つエレメントを含むこともできる。別の実施形態では、アクチュエータは、濃縮ゾーンの上流部分に関与する気体の体積を減少させることによって、試料間に差圧を生じさせて、試料を濃縮ゾーンから移動させる。このようなエレメントの一例は、プランジャやダイアフラムのような、機械式アクチュエータである。
【００３５】
濃縮ゾーンから上流に正圧力を発生する代わりに、気体アクチュエータは、このゾーンから下流の圧力を上流の圧力に対して低下させることもできる。例えば、気体アクチュエータは、このゾーンの下流部分に関与する体積の気体に熱的に接触する冷却エレメントを含むことができる。冷却エレメントを作動させて気体を収縮させると、濃縮ゾーンの上流及び下流部分の間に気体圧力差が生じ、濃縮粒子試料を濃縮ゾーンから移動させる。あるいは、機械式アクチュエータを用いて、濃縮ゾーンの下流部分に関与する気体の体積を増大させることによって、気体の圧力を減少させて、濃縮粒子試料を濃縮ゾーンから移動させることもできる。
【００３６】
濃縮粒子試料は、その希釈が実質的に起こらずに下流に移動する、即ち、濃縮粒子の濃度が濃縮ゾーン９３１からの移動時に実質的に低下しないことが好ましい。つまり、本発明の濃縮チャネルからの粒子の取り出しは、濃縮チャネルに導入された粒子含有流体の流体とは異なる流体で粒子を希釈したり、それ以外でこれらを接触させる必要はない。対照的に、表面吸着によって物質を濃縮するシステムでは、吸着した物質を取り出すには、溶出流体が必要であり、これを接触させることによって物質を希釈する。
本発明において、濃縮ゾーンから取り出すときに、濃縮粒子試料は、下流チャネル９３７によって受けられることが好ましい。下流チャネル９３７は、他の処理モジュールに至り、このモジュールが濃縮粒子試料の別の処理を実行する。図３の実施形態では、濃縮粒子試料は、微細液滴調製モジュール１５８によって受け入れられ、濃縮粒子試料の一部から成る微細液滴試料を調製する。
【００３７】
２．微細液滴調製モジュール
ａ．微細液滴の特性
微細液滴８０２は、例えば、約１．０ピコリットル及び約０．５マイクロリットルの間の所定の体積を有する離散試料である。つまり、微細液滴調製モジュールが調製する微細液滴は、更に別の処理のために既知量の試料を供給する。微細液滴調製モジュールが調製する微細液滴の体積は、好ましくは、微細液滴の流体の粘度、導電性、及び浸透力とは本質的に独立している。
微細液滴８０２は、好ましくは、それぞれの気体液体界面８０４、８０６によって各々形成される上流及び下流境界によって規定される。界面の液体は、微細液滴を形成する液体の表面によって形成される。界面の気体は、微細流体デバイス９０１のチャネル微細流体内に存在する気体である。
【００３８】
ｂ．微細液滴調製モジュールの構造及び動作
図８ａ、図８ｂ及び図９ａ、図９ｂを参照すると、微細液滴調製モジュール１５８は、その中に受け入れた微細流体試料から微細液滴８０２を調製する。このモジュールは、微細液滴調製ゾーン８００、位置決めエレメント９７９、気体アクチュエータ１７０、及びバルブ２１６を含み、これらが共動して、濃縮ゾーンから受け取った微細流体試料から微細液滴８００を調製する。
先に説明したように、濃縮ゾーンのアクチュエータ１６８は、濃縮試料を微細液滴調製ゾーン８００に押し込む。濃縮試料は、位置決めエレメント９７９に達するまで移動する。一般に、位置決めエレメントは、微細流体試料の下流への進行を妨げることによって、試料を所望の場所に位置付ける。しかしながら、以下で更に詳しく説明するが、位置決めエレメントは、試料の進行を永続的に妨げる訳ではない。逆に、所定の時間の後、微細流体試料を下流に流出させる。
位置決めエレメント９７９に達した微細流体試料８０８の先端は、気体アクチュエータ１７０の開口９２０から下流に位置する。したがって、微細流体試料８０８の第１部分８２１は、開口８２０の上流に配され、微細流体試料８０８の第２部分は開口８２０から下流に配される。
【００３９】
図８ａ及び図８ｂを参照すると、気体アクチュエータ１７０は、ＤＡＱ１２６等によって作動され、これによって微細流体試料８０８の第２部分８２２から微細液滴８０２を分離するのに十分な気体圧力を発生する。この気体圧力は、好ましくは、熱源９５８の作動によって供給する。熱源９５８は、気体アクチュエータ９５７に関与する体積の気体を加熱する。圧力が上昇するに連れて、気体が膨張し、これによって微細液滴８０２を試料８０８の残り部分から分離する。微細液滴８０２は、微細液滴調製ゾーン８００が受け入れた微細流体試料８０８の７５％未満、又は５０％未満というような、一部のみで構成すればよい。微細液滴８０２の寸法は、流体バリア９７９と開口８２０との間のチャネルの容積によって決定される。例えば、均一の断面積を有するチャネルでは、微細液滴８０２の長さｌ１は、位置決めエレメント９７９と開口８２０との間の距離ｄ４に対応する。このように、微細流体デバイスは、流体バリアと対応するアクチュエータの開口との間の長さを変化させることによって、あらゆる体積の微細液滴でも調製するように構成することができる。
気体アクチュエータ１７０を連続的に作動することによって、位置決めエレメントの９７９の抑制的効果を克服し、これによって微細液滴８０２を微細液滴調製ゾーン８００の下流位置まで駆動し、一方微細流体試料の第２部分８２２は微細液滴８０２から細胞崩壊モジュール１６０まで上流に向かって移動する。
【００４０】
３．細胞崩壊モジュール
図３を再度参照すると、崩壊モジュール１６０が、微細液滴調製ゾーン８００調製した微細液滴８０２を受ける。概略的に、崩壊モジュール１６０は、細胞から細胞内物質を放出することによる等で、粒子の内側から物質を放出する。
図４及び図１２に示すように、崩壊モジュール１６０は、崩壊ゾーン９５０、崩壊ゾーン内部にある（電極９５４のような）崩壊機構、及び崩壊ゾーンの上流に位置する通気位置決めエレメント２００を含む。崩壊機構は、好ましくは、崩壊ゾーンにおいて電界を発生するための１組の電極又はその他の構造を含む。通気位置決めエレメントは、好ましくは、通気孔２０２、バルブ２０４、及び流体が通気孔内に流入するのを妨げる第２位置決めエレメント２０６を含む。
【００４１】
先に説明したように、微細液滴調製モジュール１５８のアクチュエータ１７０は、微細液滴を細胞崩壊モジュール１６０内に送り込む。微細液滴がモジュール１６０内に移動すると、通気位置決めエレメント２００は、微細液滴８０２を電極９５４に対して崩壊位置に位置付ける。更に具体的には、微細液滴が崩壊モジュール１６０内に到達すると、位置決めエレメント２００の開口を通過する。何故なら、第２位置決めエレメント２０６は微細液滴が通気孔２０２に流入するのを妨げるからである。微細液滴の後端がバリア２００の開口を通過すると、アクチュエータ１７０からの推進気体が通気孔２０２を通じて消散し、これによって液滴８０２の上流側の気体圧力を微細液滴８０２の下流側の圧力と実質的に等しくする。このため、微細液滴は、バリア２００の丁度下流にある崩壊位置において移動を停止する。好ましくは、崩壊位置において、微細液滴８０２の実質的に全てが電極９５４の上流縁２１２と下流縁との間に配される。
微細液滴８０２が細胞崩壊位置に置かれた後、ＤＡＱ１２６のパルス回路がパルス状電圧信号を電極９５４間に供給する。これに応答して、電極９５４は電極の近傍にパルス状電界を発生する。微細液滴はこの近傍に位置するので、微細液滴内の細胞はパルス状電界を受ける。好ましくは、微細液滴の細胞の、約７５％よりも多いというような、実質的に全てが、その中から細胞内部物質を放出するのに十分な電界を受ける。このように、崩壊モジュールは、所定量の試料を含む崩壊微細液滴を調製する。
【００４２】
好ましいパルス回路を図１４に示す。概略的に、この回路は、一連の電圧パルスを発生し、電極９５４の近傍に対応する一連の電界パルスを生成し、微細液滴内の細胞から所望量の細胞内物質を放出するのに十分な振幅及び期間を有する。
崩壊微細液滴内に存在する細胞内物質を利用して、次の処理工程に進むことができる。例えば、細胞から放出されたＤＮＡ及び／又はＲＮＡは、重合酵素連鎖反応（ポリメラーゼチェーン反応）による増大に利用することができる。ここで用いる場合、崩壊という用語は、細胞が完全に破壊されなければならない訳ではない。逆に、崩壊は、細胞内物質の放出を意味する。例えば、細胞を破壊する代わりに、電界は、メンブレーンの永久的な破壊を伴わずに細胞内物質の放出を可能にする量だけ、細胞膜の穿孔を増大させればよい。
【００４３】
他の崩壊機構も、細胞から細胞内物質を放出するために用いることができる。例えば、物質を放出するには、例えば、浸透衝撃又は圧力を含むその他の力を細胞に加えればよい。界面活性剤、溶剤、及び抗生物質から成る群から選択した化学薬品を細胞と接触させてもよい。機械的剪断方法も、細胞内物質を放出するために用いることができる。
崩壊した微細液滴は、下流に向けて混合モジュール１６０に移動し、次の処理を受けることができる。崩壊微細液滴を下流に移動せるために、崩壊ゾーン９５０の上流に配置されているバルブ２１６を閉鎖する。バルブ２０４も閉鎖して、気体が通気孔を通じて崩壊ゾーン９５０から流出するのを防止する。次いで、前述のようにアクチュエータ１７０を作動させて、崩壊微細液滴を崩壊ゾーン９５０の下流に移動させるのに十分な気体圧力を供給する。
【００４４】
代替実施形態では、図１３ａ及び図１３ｂに示すような崩壊モジュール３００は、体積が確定できない微細流体試料３０６から所定の体積の崩壊微細液滴３０４を調製するように構成された崩壊ゾーン３０２を含む。崩壊ゾーン３０２は、好ましくは、電極３０８のような崩壊機構を含む。電気リード３１０が、接点１１２、チップ・キャリア１２０、及び接点１２５を通じてＤＡＱ１２６のパルス回路への接続を設ける。位置決めエレメント３１２が、崩壊ゾーン３０２の下流に配されている。アクチュエータ３１４が崩壊ゾーンの上流に配されている。アクチュエータ３１４は、好ましくは、第２位置決めエレメント３１６を含み、微細流体試料からの流体がその中に入るのを防止する。
崩壊ゾーン３０２は次のように動作する。微細流体試料３０６は、崩壊ゾーン３０２に流入し、微細流体試料３０６の下流側界面３１６が位置決めエレメント３１２に達するまで、下流に移動する。位置決めエレメント３１２は、好ましくは、微細流体試料３０６の下流側界面の表面張力を高めることによって、それ以上の下流側への移動を妨げ、微細流体試料の一部を、電極３０８に対して崩壊位置に位置付ける。崩壊位置は、アクチュエータ３１４の下流側で位置決めエレメント３１２の上流側に配された微細流体試料の一部の場所として定義される。好ましくは、アクチュエータ３１４及び位置決めエレメント３１２は、電極３０８に隣接して配置され、崩壊位置にある物質の実質的に全てが、電極３０８を作動させたときに、電界を受けるようにする。
【００４５】
前述の実施形態における電極３０８の駆動によって、崩壊位置にある微細流体試料の前述の部分にある細胞から細胞内物質を放出するのに十分な電界を発生する。一旦、十分な量の細胞内物質が放出されたならば、アクチュエータ３１４を作動させて、微細流体試料３０６から崩壊微細液滴３０４を調製する。アクチュエータ３１４は、好ましくは、混合モジュール１６６のような、微細流体デバイスの下流部分に崩壊微細液滴３０４を移動させるのに十分な気体圧力を供給する。
【００４６】
４．混合モジュール及び試薬入力モジュール
再度図４を参照すると、崩壊モジュール１６０によって調製された崩壊試料は、混合モジュール１６６によって受け取られる。混合モジュール１６６は、混合ゾーン９５８を含む。このゾーンでは、たとえば、試薬源モジュール１５２から受けたある量の試薬と混合して、崩壊細胞試料を接触させる。試薬源モジュール１５２は、試薬微細液滴調製ゾーン（ＲＭＰＺ）４３４を含み、これは、所定の体積の試薬を有する微細液滴を調製するように動作することが好ましい。
【００４７】
ａ．試薬入力モジュール
試薬入力モジュール１５２は、本質的に、微細液滴形成モジュール１５８と同一であるが、細胞崩壊モジュール１６０からの微細液滴と混合したときに、試薬の試料に対する所望の比率が得られる、所定の体積を有する試薬の微細液滴の形成のために特別に設計されている。モジュール１５２は、入力ポート４２０、バルブ４２２、及びアクチュエータ１７２を含み、その各々は試薬源チャネル４２８に合流する。同様に試薬源チャネル４２８に合流するオーバーフロー・チャネル４２４も設けてもよい。アクチュエータ１７２は、液体がその中に流入するのを防止するために、第２位置決めエレメント４３２を含むことができる。
試薬材料は、好ましくは少なくとも１種類の液体から成り、ピペット又はシリンジ等によって、入力ポート４２０を通じて導入する。適した試薬材料の例には、酵素のような、崩壊細胞試料の今後の処理を促進する物質や、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）によってその中のＤＮＡを増幅するその他の材料が含まれる。試薬材料は、試薬材料の下流部分が位置決めエレメント４２６に接触するまで、試薬源チャネル４２８内を下流に向かって移動する。試薬源モジュール内で受け取られ続ける追加の試薬材料はいずれも、オーバーフロー・チャネル４２４に流入することが好ましい。試薬の導入が完了したなら、バルブ４２２を閉鎖して、試薬が試薬ポート４２０を通じて試薬源チャネルから流出するのを防止する。
【００４８】
ｂ．混合モジュール
混合モジュールの混合ゾーン９５８は、隣接する第１及び第２チャネル４１０、４１２を含む。混合ゾーン９５８に向かって下流側に移動する物質は、互いに接触し、その中で混合することが好ましい。混合ゾーン９５８の寸法が微細規模であるため、試料及び試薬材料は、機械的な撹拌のような、その他の質量輸送源がなくても、拡散によって混合することが好ましい。しかしながら、音響波のような撹拌力を加えると、混合ゾーン９５８における混合が強まることは言うまでもない。
【００４９】
ｃ．混合モジュール及び試薬入力モジュールの動作
試薬源モジュール１５２及び混合モジュールは１６６は、好ましくは、以下のように動作する。崩壊ゾーン９５０からの崩壊試料を試薬材料と混合する用意ができたなら、アクチュエータ１７２を作動させて、試薬の微細液滴を調製する。試薬の微細液滴は、アクチュエータ１７２の開口４３０の下流及び位置決めエレメント４２７の上流にある試薬材料の部分から調製する。したがって、試薬源チャネル４２８の寸法が一定であると仮定すると、試薬の微細液滴の体積は、位置決めエレメント４２６とアクチュエータの開口４３０との間の距離によって決定される。
試薬の微細液滴は、試薬混合ゾーンのチャネル４１２に向かって下流側に移動する。その間、崩壊微細液液のような、崩壊物質の試料は、崩壊ゾーン９５０から混合ゾーン９５８のチャネル４１０に向かって下流側に移動する。アクチュエータ１７０は、崩壊微細液滴を下流に移動させる起動力を供給することができる。あるいは、先に論じたように、崩壊ゾーン９５０の上流側で、かつアクチュエータ１７０の下流側に別のアクチュエータを設けて、必要な起動力を供給することもできる。
【００５０】
試料及び試薬材料は、混合ゾーン９５８の下流チャネル４３８に流入し、これらの物質が接触し混合する。崩壊試料及び試薬材料の双方は微細液滴の形態で混合するので、混合ゾーン９５８は、所定の試料対試薬比を有する、ある量の混合物質を調製する。微細流体デバイス１１０内で調製される微細液滴の体積は、微細液滴の粘度、導電性、浸透力というような物理的特性とは独立していることが好ましい。このように、混合ゾーン９５８は、ある量の混合物質を調製し、その試料対試薬材料比も、混合物質の物理的及び化学的特性とは独立している。通気孔４４０は、微細流体デバイス１１０の種々のゾーンの下流側にあり、下流側で蓄積される圧力が、微細流体デバイス１１０内部における試料の下流への移動を妨げないことの確証を得る。
【００５１】
５．ＤＮＡ操作モジュール
混合した崩壊細胞試料及び試薬は、ＤＮＡ操作モジュール１６２のＤＮＡ操作ゾーン９７１内に受け入れられる。モジュール１６２は、例えば、ＤＮＡ物質の抑制、消化、連結、混成化、及び増幅を実行することができる。一実施形態では、ＤＮＡ操作ゾーン９７１は、崩壊細胞試料内に存在する核酸のＰＣＲ増幅を実行するように構成されている。通気孔４４０が、崩壊細胞試料及び試薬が導入されるに連れてゾーン９７１内で圧力が上昇するのを防止する。ＤＮＡ操作モジュール１６２のバルブ９７２及び９７３を閉鎖すれば、その中のゾーンにある物質が、ＰＣＲ増幅の間、蒸発などによって出ていくのを防止することができる。ＤＮＡ操作ゾーンには、コンピュータ１２７の制御下にある熱源が設けられており、増幅の間ＤＮＡ操作ゾーンの熱サイクルを可能にしている。これは、当業者には理解できるであろう。
システム９０１は、ＰＣＲによって生成される増幅ポリヌクレオチドの存在を検出する検出器９８１も含む。検出器９８１は、好ましくは、光ファイバ９８１等によって、ゾーン９７１と光学的に連通する光検出器である。レーザ・ダイオードのような光源が、光をＤＮＡ操作ゾーン９７１に導入し、その中に存在する増幅ポリヌクレオチドの量を示す蛍光を発生する。この蛍光は、増幅時にポリヌクレオチドに関与し試薬に含まれる蛍光タグから発生する。
【００５２】
Ｄ．好ましい位置決めエレメント
好ましい位置決めエレメントについて、以下に論ずる。
１．非湿潤性位置決めエレメント
位置決めエレメント９７９は、微細流体試料と接触するように配された非湿潤性材料で形成することができる。非湿潤性材料の物理化学特性は、微細流体試料を形成する液体の種類を考慮する際に選択する。例えば、微細流体試料が水溶性試料である場合、位置決めエレメントは、疎水性材料から成ることが好ましい。疎水性材料の例には、脂肪族シランのような非極性有機化合物を含み、微細流体デバイス９０１の内面を改変することによって形成することができる。有機溶剤で形成した微細流体試料に対しては、非湿潤性材料は葉状(hydrophilic)材料から成るものがよい。
微細流体試料８０８が位置決めエレメント９７９に到達すると、微細流体試料の液体は、下流界面８１０において表面張力の上昇を受け、表面張力の上昇によって、微細流体試料８０８の連続する下流への移動が妨げられる。微細流体試料の上流及び下流部分間の気体圧力差を増大させることによって抵抗に打ち勝ち、微細流体試料を下流に移動させる。
【００５３】
２．細管補助位置決めエレメント
図１０ａ〜図１０ｃを参照すると、微細流体チャネルの寸法を変更して細管補助位置決めエレメント（ＣＡＦＢ：capillary assisted positioning element）７００を形成することによって、別の種類の位置決めエレメントを形成することができる。ＣＡＦＢは、上流供給ゾーン７０２、装填ゾーン７０４、及び停止ゾーン７０４を備えている。ＣＡＦＢにたどり着いた微細流体試料７２０は、微細流体試料の下流側界面７１０が装填ゾーン７０６の上流面７１４と接触するまで、下流側に移動する。この時点で、下流側試料界面７１０が装填ゾーン７０４と停止ゾーン７０６との間の開口７１２に達するまで、毛管作用が微細流体試料を下流に移動させる。表面張力は、微細流体試料が開口７１４を通過して下流に進もうとするのに抵抗する。このため、微細流体試料７２０は、位置決めエレメント７００に対して、チャネル軸に沿った所定の場所に位置付けられる。
ＣＡＦＢに達する微細流体試料の体積は、装填ゾーン７０４の容積よりも大きく、微細流体試料が全て確実に開口に進むようにすることが好ましい。水と同様の表面張力及び界面特性を有する流体では、装填ゾーン７０４の深さｄ１は、停止及び供給ゾーンのそれぞれの深さｄ２、ｄ３の約５０％以下であることが好ましい。
微細流体試料の所与の方向に移動しようとする傾向は、微細流体試料の前面(front)と微細流体試料の背面の平均曲率半径（ＭＲＣ）の間の比率によって調整する。これらの曲率は、試料の流体と、微細液滴が移動しているゾーンの寸法との接触角度によって左右される。装填ゾーンにおける微細液滴界面のＭＲＣｒ１は、供給ゾーン内における液滴界面のＭＲＣｒ２、又は停止ゾーン内における液滴界面のＭＲＣｒ３よりも小さいことが好ましい。ＭＲＣｒ２は、ＭＲＣｒ３よりも大きいことが好ましい。このように、下流側の微細液滴の界面の半径は、停止ゾーンに到達すると増大することによって、それ以上の下流への移動が妨げられる。好ましくは、流体の壁との接触角度は、細管補助装填ゾーン全体を通じて実質的に一定である。
【００５４】
３．通気位置決めエレメント
図１１ａ〜図１１ｃを参照すると、位置決めエレメント５００は、微細流体試料の上流部分５０４に作用する気体圧力を、微細流体試料の下流部分５０６に作用する気体圧力に対して低下させることによって、微細流体試料５０２を位置決めするように動作する。位置決めエレメント５００は、微細流体試料５０２が移動するゾーン５１０と気体連通するように設けられた通気孔５０８を含む。通気孔５０８は、通路５２６を通じてゾーン５１０と連通することが好ましい。このゾーンは、例えば、チャネル又は導管である。また、位置決めエレメント５００は、非湿潤材料のような、第２位置決めエレメントも含み、微細流体試料からの流体が通気孔に接触するのを実質的に防止することもできる。
バルブ５１２が開放状態にあると、気体はゾーン５１０と通気孔５０８との間を通過することができる。バルブ５１２が閉鎖状態となると、このような気体の通過は妨げられる。バルブ５１４は、熱的に作動し、ＴＲＳの質量５１４を含むことが好ましい。
アクチュエータ５１８は、位置決めエレメント５００の上流に配置されている。アクチュエータは、好ましくは、気体アクチュエータであり、アクチュエータ５１８に関与する気体を加熱する熱源５２０を含むことができる。アクチュエータ５１８は、非湿潤材料のような、位置決めエレメント５２２を含み、微細流体試料からの流体がその中に流入することを実質的に防止することができる。
【００５５】
位置決めエレメント５００は、以下のように動作することが好ましい。図１１ａを参照すると、微細流体試料５０２は、矢印５２４の方向に下流に向かって移動する。微細流体試料は、図９ａ〜図９ｃには示されていない、上流アクチュエータから供給される気体圧力によって移動させることが好ましい。気体圧力は、上流側部分５０４に作用する。
図１１ｂを参照すると、上流側部分５０４が通気孔５０８の開口を通過すると、上流側の気体が通気孔５０８を通って消散することによって、上流圧力が低下する。圧力低下は、好ましくは、下流及び上流圧力を等しくし、微細流体試料を下流側に付勢しようとする起動力を低減又は排除する。
図１１ｃを参照すると、バルブ５１２を閉鎖して、ゾーン５１０と通気孔５０８との間の気体の通過を妨げる。好ましくは、ＴＲＳ５１４が通路５２６内に移動する。バルブ５１２を閉鎖すると、アクチュエータ５１８の作動によって、次の処理のために、矢印５２８の方向に微細流体試料５０２を下流に移動させる起動力が供給される。
【００５６】
４．能動流体位置決めエレメント
図１５ａ〜図１５ｃを参照すると、微細液滴調製モジュール６５２は、微細液滴調製ゾーン６５０、能動流体位置決めエレメント６５４、アクチュエータ６５６、及びバルブ６５８を有する。第２アクチュエータが、能動位置決めエレメント６５４と動作的に連動し、微細流体試料６６６を微細液滴調製ゾーン６５０に導入する。第２アクチュエータ６６０は、好ましくは、バルブ６５８から上流側に配置する。微細液滴調製モジュール６５２は、その中に受け入れた微細流体試料６６６から、所定の体積を有する微細液滴６６８を調製する。
動作において、微細流体調製モジュール６５２は、第２アクチュエータ６６０によって供給される起動力のために下流に移動する微細流体試料６６６を受ける。この起動力は、好ましくは、微細流体試料６６６に作用する下流気体圧力よりも高い、上流気体圧力である。微細流体試料は、その下流側部分６７０が能動位置決めエレメント６５４に達するまで、下流に向けて移動する。能動位置決めエレメント６５４は、好ましくは、電気リード６７４を有するセンサ６７２を備えている。リード６７４は、微細流体デバイスのＩ／Ｏピンと電気的に連通し、センサ６７２からの信号がＤＡＱによって受け取ることができるようにする。
【００５７】
検知エレメント６７２は、好ましくは、１対の電気接点である。液体の存在を検知するには、ＤＡＱ１２６は小電圧をリード６７４間に印加して、得られる電流を測定する。微細流体試料の液体が第１及び第２接点と接触すると、これらの間を通過する電流が変化することによって、液体がセンサ６７２に到達していることをＤＡＱ１２６に示す。
液体がセンサ６７２に到達したことを検出すると、ＤＡＱは第２アクチュエータ６６０に微細流体試料６６６に作用する下流側起動力を減少させるように命令する。例えば、ＤＡＱは、第２アクチュエータ６６０と連動する熱源６７６を通過する電流を減少させることによって、その中の気体の温度を低下させる。この温度低下により、微細流体試料の上流部分６７８に作用する気体圧力が低下することにより、微細流体試料６６６の下流への移動を妨げる。微細流体試料は、第１部分６８０がアクチュエータ６５６の下流側に位置し、第２部分がアクチュエータ６５６の上流側に位置するように位置付けられる。
【００５８】
微細液滴６６８を調製するには、ＤＡＱ１２６はアクチュエータを作動させて起動力を供給し、微細流体試料６６６の第１部分から微細液滴６６８を調製する。微細液滴６６８は下流に向かって移動し、一方微細流体試料６６６の第２部分６８２はアクチュエータ６５６から上流に向かって移動する。微細液滴の調製の間、バルブ６５８を閉鎖すると、第２アクチュエータ及び微細流体デバイスのその他の上流側部分からアクチュエータ６５６を実質的に隔離することができる。
能動位置決めエレメントは、好ましくは、閉ループ・エレメントとして動作し、センサ６７２からＤＡＱにフィードバックを与える。フィードバックが示されるのは、微細流体試料が微細流体デバイス内の所定の位置に到達したときである。フィードバックを受けると、ＤＡＱは微細液滴を移動させる起動力を供給するアクチュエータの状態を変化させる。
【００５９】
以上の発明は、ある好適な実施形態を参照にして説明したが、本発明の範囲はこれらに限定される訳ではないことは念頭に入れておくべきである。したがって、当業者はこれら好適な実施形態の変形を見出すことができようが、それらは本発明の精神に該当し、その範囲は特許請求の範囲によって規定されている。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明による微細流体システムを示す図である。
【図２】微細流体デバイスの拡大図を示す図である。
【図３】図１の微細流体システムの微細流体デバイスの構成を示す図である。
【図４】図３の微細流体デバイスの上面図である。
【図５】図４の微細流体デバイスの部分断面図である。
【図６】図２の微細流体デバイスからの上側基板の部分断面図である。
【図７】図２の微細流体デバイスからの上側基板の第２の部分断面図である。
【図８ａ】微細液滴の調製前における図４の不際流体デバイスの微細液滴調製ゾーンの上面図である。
【図８ｂ】図８ａの微細液滴調製ゾーンの断面図である。
【図９ａ】微細液滴の調製後における図４に示した微細流体デバイスの微細液滴調製ゾーンの上面図である。
【図９ｂ】図９ａの微細液滴調製ゾーンの断面図である。
【図１０】ａ〜ｃは、本発明の毛管補助流体バリアの断面図である。
【図１１】ａ〜ｃは、出口を含む流体バリアの上面図である。
【図１２】ａ及びｂは、崩壊試料の調製前及び調製後における、図４に示した微細流体デバイスの崩壊モジュールの上面図である。
【図１３】ａ及びｂは、本発明の崩壊モジュールの第２実施形態を示す図である。
【図１４】図４の崩壊モジュールと連動する脈動回路を示す図である。
【図１５】ａ〜ｃは、本発明の第２の微細液滴調製モジュールを示す図である。
【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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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１５ｃ】
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