(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上のウエルを有する供給源基板から、各々が１つ以上のウエルを有する１つ以上の受け取り基板へ液体を分配する分配システムにおいて、該配分システムが配分基板に、
（ａ）第１の配分室であって、１つの受け取り基板のウエルへ液体を引き渡すための前記配分基板からの第１の出口を有し、前記供給源基板の第１のウエルから液体を充填可能である第１の配分室と、
（ｂ）第２の配分室であって、複数の受け取り基板のウエルへ液体を引き渡すための前記配分基板からの第２の出口を有し、前記供給源基板の第１のウエルから液体を充填可能である第２の配分室と、
（ｃ）前記供給源基板から前記第１の配分室と第２の配分室へ分配する入口流路と、
（ｄ）前記第１の配分室へ分配された液体に接触する電極を用いて該第１の配分室の液体を前記第１の出口から運ぶ第１のポンプと、
（ｅ）前記第２の配分室へ分配された液体に接触する電極を用いて該第２の配分室の液体を前記第２の出口から運ぶ第２のポンプとを含み、
前記入口流路が前記供給源基板から前記第１の配分室と第２の配分室の双方へ液体を分配し、これによって該入口流路からの液体が前記第１または第２の出口へ配分でき、
前記配分基板が、反転可能に且つ密封可能に前記供給源基板にドッキングして前記第１のウエルからの出口を前記入口流路につなぎ、また反転可能に且つ密封可能に受け取り基板にドッキングするようになっている、配分システム。
【請求項２】
請求項１に記載の配分システムにおいて、この配分システムが相互に密封された少なくとも２つの平坦な基板から作られている、配分システム。
【請求項３】
請求項２に記載の配分システムであって、入口が形成され、該入口を通して電極ベースのポンプへのリード線が形成されている第１の平坦な基板を含む、配分システム。
【請求項４】
請求項３に記載の配分システムであって、前記配分室を中に形成した第２の平坦な基板を含む、配分システム。
【請求項５】
請求項４に記載の配分システムにおいて、前記配分室からの前記出口の各々が、前記第１の平坦基板の下面に形成した樋門と、前記第２の平坦基板を通して形成した流路とを含む、配分システム。
【請求項６】
請求項２に記載の配分システムにおいて、前記平坦な基板がガラスで形成されている、配分システム。
【請求項７】
請求項１に記載に配分システムにおいて、前記第１の配分室が選定された液体で充填され、前記第１の電極ベースのポンプが作動するとプラスマイナス１０％の再現性のある第１の等分量を運ぶ、配分システム。
【請求項８】
請求項１に記載の配分システムであって、少なくとも４つの配分室と対応する電極ベースポンプとを含む、配分システム。
【請求項９】
請求項１に記載の配分システムであって、少なくとも８つの配分室とそれに対応する電極ベースのポンプとを含む、配分システム。
【請求項１０】
配分カセットであって、
請求項１による複数の配分システムを含み、この配分カセットは受け取りトレイと共に作動するように設計され、該受け取りトレイが第１と第２の縁部と、上面に形成した複数の均一サイズのウエルとを有し、反応セルの密度が少なくとも約１cm2当たり約１０個のセルであり、
前記受け取りトレイと配分カセットとが、前記配分システムからの前記第１の出口の全てが、前記ウエルの全てまたは一部の入口と特有の整合をするように整合可能である、配分カセット。
【請求項１１】
請求項１０に記載の配分カセットであって、該カセットの第１の縁部に第１のマーカを更に含み、このマーカが前記受け取りトレイに対して該カセットを方向付ける、配分カセット。
【発明の詳細な説明】
本発明は、配分システムを使用して、小さい寸法が好ましい多数の反応ウエル（wells）の各々に流体を配分するシステムに関する。多数の前記配分システムを包含したカセットが流体を、多数の反応ウエルを含む１個以上のプレートに流体を移送するために使用されることが好ましい。
マイクロフルイデイックス（microfluidics）、すなわち区画室間の液体の小規模の移送における最近の進歩は、極めて小規模の装置における合成あるいは分析評価のような反応の実行を可能としている。例えば、１９９５年１１月に出願された、ザンズッチ他（Zanzucchi et al）による「液体分配システム」（“Liquid Distribution System”）という名称の米国特許第０８／５５６，０３６号を参照されたい。しかしながら、この進歩は、例えば、９６ウエルおよび３８４ウエルプレートのウエル中へ液体を配分するために開発されてきたロボット（robotics）のような方法を凌駕している。マイクロフイデイックスの進歩により発生した液体配分の必要性のあるものは、最近の進歩を画する極めて同じマイクロフルイデイック装置を用いて満足させることができる。しかしながら、そのようなマイクロフルイデイック装置を十分捉えていないような状況がある。そのような状況の一つは溶解性あるいは懸濁性材料が小規模の反応ウエルに形成されたり、あるいはその中に貯蔵されているような状況であって、規定量の前記材料を２個以上の異なる反応ウエルに移送することが有用であることが判明しているような状況である。本発明は、機械的方法よりも、むしろフルイデイックス、すなわちウエル、室および流路間で流体をポンピング（pumping）することを強調している装置と方法とにより前記要求を満足させる。
従来技術は典型的に、液体源のウエル中へ多数の針の突起部を浸積し、次いで規定量の液体を各突起部に吸引するためにロボットを使用している。針の突起部は次いで、機械的に別の組のウエルと、配分された液体のところまで動かされる。本発明により、本発明による多数の配分システムを収納した配分カセットを、配分すべき液体を入れたウエルを含む液体源トレイの下に持ってくることが可能である。液体源トレイに関連した電極ベースのポンプを使用することにより、液体が全てのあるいはサブセットのウエルから多数の本発明による配分システム中へ移送される各配分システムは移送を通して液体で充填された１個以上の室を有している。流体が等分される（aliquoted）ウエルを有する受け取りトレイが次いで、配分カセットの下に持ってこられ、配分システムの電極ベースのポンプが配分システムから受け取りトレイのウエル中へある量の液体をポンピングするために使用される。受け取りトレイは、例えば１９９５年１１月９日出願された、ザンズッチ他（Zanzucchi et al）による「液体分配システム」（“Liquid Distribution System”）という名称の米国特許第０８／５５６，０３６号に記載のようなマイクロフルイデイック装置に反転可能に装着するように設計されることが好ましい。マイクロフルイデイック装置は配分システムカセットを用いて受け取りトレイに等分された液体中の生物学的活動の存在を評価するために受け取りトレイ中に適切な試薬を吸引するために使用可能である。
前述の作業の中には若干の機械的作業が含まれている。しかしながら、これらの機械的作業は配分カセットの中の配分システムとウエルとを適切に整合させるために、液体源トレイとドッキングするように設計された配分カセットに対して、規定の寸法を有し、ウエルを規定配置した液体源トレイを運動させることを含む。次いで、配分カセットは受け取りトレイと整合され、電極ベースのポンプを用いて液体が等分に受け取りトレイに分配される。このように、典型的な機械的装置に対して必要とされる多数の運動や整合作業と対照的に単に２つの限定的な機械的運動が必要とされるのみである。本発明により使用される機械的作業の単純さのために、本発明に関わる装置は機械的にはるかに簡素化し、かつ必要空間がはるかに少なくて済む。本発明による限定的な機械的動作はまた時間を節約する。
発明の要約
本発明は、第１の出口を有する第１の配分室であって、もしも第１の規定レベル以上に前記第１の配分室を充填するように液体が添加されるとすれば、余分の液体が第１の出口を通して排出されるようにして第１の規定レベルまで液体で充填可能な第１の配分室と、
前記第１の配分室に液体を分配する入口流路と、
第１の出口から第１の配分室の液体を移送するための第１の電極ベースのポンプとを含む配分システムを提供する。
前記配分システムは更に、第２の出口を有する第２の配分室であって、もしも第２の規定レベル以上に液体が第２の配分室を充填するように添加されるとすれば、余分の液体が第２の出口を通して排出されるようにして第２の規定レベルまで液体で充填可能な第２の分配室と、
第２の出口から前記第２の配分室の液体を移送するための電極ベースのポンプとを更に含み、入口流路が液体を第１の配分室と第２の配分室とに分配する。
配分システムは液体供給源とドッキングするように設計されることが好ましい。配分システムは相互に密封（シール）される少なくとも２個の平坦な基板から作ることが好ましい。配分システムは入口が形成されており、電極ベースのポンプのリード線がそこを通して形成されている第１の平坦な基板を含むことが好ましい。配分システムは、配分室が形成されている第２の平坦な基板を含むことが好ましい。配分室の出口の各々における配分システムは第１の平坦な基板の下面に形成された放水路即ちスルースと第２の平坦な基板を通して形成された流路とを含むことが好ましい。平坦な基板はガラスから形成されることが好ましい。
第１の配分室が選定された液体で充填される場合、第１の電極ベースのポンプが作動することによりプラスマイナス１０％の再現性を有する第１の等分量の液体をポンピングすることが好ましい。配分システムは少なくとも４個の配分室と、それに対応する電極ベースのポンプとを含むことが好ましい。配分システムは少なくとも８個の配分室と、それに対応する電極ベースのポンプとを含むことが好ましい。
本発明の配分カセットは上面に複数の均一サイズの反応ウエルを形成したプレートと共に機能することが好ましく、反応ウエルの密度は１cm2当たり少なくとも約１０個のウエルである。反応ウエルはローアンドコラム（in rows and columns）配列されることが好ましい。また、プレートは長方形で、ウエルのローアンドコラム配列がプレートの縁部に対して平行であることが好ましい。反応ウエルの開口（すなわちアパーチャ）の各々の面積が（１）個々のローにおける反応ウエル間のピッチと、（２）個々のコラムのおける反応ウエル間のピッチとを乗じた積によって規定される面積の約５５％以下であることが好ましい。この開口面積は個々のローにおける反応ウエルの間のピッチと（２）個々のコラムにおける反応ウエル間のピッチとを乗じた積によって規定される面積の約５０％以上出ることが尚好ましく、更には４５％がもっと好ましい。ウエルの密度は１cm2当たり約３５０以下が好ましく、１cm2当たり約１５０以下が更に好ましく、更には１cm2当たり約１２０以下がもっと好ましい。ウエルの密度は１cm2当たり少なくとも約２０が好ましく、１cm2当たり少なくとも約４０が更に好ましく、１cm2当たり少なくとも１００以上が更にもっと好ましい。
プレート上のローあるいはコラムにおける反応ウエル間のピッチは少なくとも約０．５ミリであることが好ましく、少なくとも０．９ミリが更に好ましい。各反応ウエルは各々の隣接する反応ウエルから少なくとも約０．１５ミリ離れていることが好ましく、更には少なくとも約０．３ミリ離れていることが尚好ましい。各反応ウエルは概ね四角形であることが好ましい。プレートは少なくとも約１，０００個の反応ウエルを有することが好ましい。更には約４，０００個の反応ウエル、更には少なくとも約１０，０００個の反応ウエルを有することが好ましい。前記プレートはその上面にパターン化したガスケットを有することが好ましい。
プレートは反応ウエルを方向付けるためのものであるマーカを該プレートの第１の縁部に付すことによって整合をし易くする設計とされることが好ましい。前記プレートは、反応ウエルを方向付けるためのものである第２のマーカを第１の縁部に対して垂直の第２の縁部に付すことが好ましい。更に、プレートは第２の縁部に第３のマーカを付すことが好ましい。第１と、第２と、第３のマーカは反応ウエルを機械的に方向つけるために使用される位置決めピンと相互作用するように設計された切り欠きであることが好ましい。代替的に、あるいは補完的にいうと、プレートは光学検出器のような装置を反応ウエルに対して方向付けるための２個の光学的基準構造体を、好ましくは３個を以上有することが好ましい。光学的基準構造体は少なくとも約４センチだけ離されることが好ましい。光学的基準構造体はプレートにエッチングされることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
図１（Ａ）から図１（Ｃ）は化合物を合成するために使用する液体分配システムと分析評価を行なうために使用する液体分配システムとに関連して配分カセットの作動を示す図。
図２（Ａ）から図２（Ｅ）までは図１（Ａ）から（Ｃ）までに示す配分カセットにおける特定の配分システムに集中して示す図。
図３（Ａ）から図３（Ｄ）までは配分システムにおいて使用し得る毛細管障害に集中して示す図。
図４は配分カセットを作るために２枚のプレートを接合する方法を示す図。
図５は電極ベースのポンプに給電するために電気制御装置を接続するために使用する配分カセットの頂部における電気接触面を示す図。
定義
下記する用語は以下の意味を有する。
○  毛細管障害
流路において液体によって、開口におけるメニスカス（毛細管内の液体表面の凹凸）のようなエネルギを最小化する液面を形成し易くすよう設計されたより大きな空間へ開放している流路の開口を含む流路における流体の流れに対する障害。毛細管障害はより大きな空間へ開放する直前の流路の垂直高さを高くするダム（dam）を含むことが好ましい。
発明の詳細な説明
Ａ．序論
図１（Ａ）は好ましくはガラス板である３個のプレートを含む液体配分システム１１を示す。液体配分システム１１の下側には液体源トレイ１２が反転可能にシールされており、該トレイ１２は例えば約１，０００、４，０００、１０，０００あるいはそれ以上の反応ウエル１２０１（図示せず）を収納できる。液体配分システム１１は、例えば、多数のリザーバ（図示せず）、例えば２２４個のリザーバ１１０１と、流路網と、電極ベースのポンプと、液体を各リザーバから全ての反応ウエルへ、あるいはリザーバの大部分まで移送するためのゲート機構（図示せず）とを収納しうる。リザーバ１１０１は配分システム１１の頂部プレートにおいて入口ポート１１０２（図示せず）の全体に亘って保持されている。液体配分システム１１の電極ベースのポンプ１１０３（図示せず）を駆動するために使用される電子装置は第１の電気ハウジング１３に内蔵されている。液体配分システム１１は合成試薬を反応ウエル１２０１に送るために使用できる。反応ウエル１２０１は出口１２０２（図２（Ｂ）に示す）を有している。配分システム１１の更に詳細については、本明細書において参考のためにその全体を含めている、１９９５年１１月９日に出願されたザンズッチ他による「液体配分システム」という名称の米国特願第０８／５５６，０３６号に記載されており、ここにその全文を参考文献として本明細書に援用する。
化学薬品が反応ウエル１２０１において合成された後、図１（Ｂ）は液体源トレイ１２の下で配分カセット１４を整合しうることを示している。図示によれば、配分カセット１４は２枚のプレート、すなわち頂部プレート１４０１と底部プレート１４０２とから構成されている。配分カセット１４は反応ウエル１２０１と同数の配分システム１４０３（図２（Ａ）に示す）を収容し、配分システムが反応ウエル１２０１の出口１２０２とドッキングするように配置された入口１４０４（図２（Ｂ）に示す）を有することが好ましい。以下さらに説明するように、反応ウエル１２０１における液体は各反応システム１４０３に流入しうる。配分システムは多数の配分室１４０５（図示せず、図２（Ｂ）には示している）、例えば８個の配分室１４０５を有することが好ましい。
配分室１４０５が充填された後、図１（Ｂ）は第２の（配分）電気ハウジング１５と係合している配分カセットを示す。第２の電気ハウジング１５は頂部プレート１４０１の頂部にある電気パッド１４０６（図示せず）と係合している電気ピン１５０１（図示せず）を有している。電気パッド１４０６は電極ベースのポンプ１４０９（図２（Ｂ）を参照）を形成する電極（図において特定せず）のためのリード線１４０７（図２（Ｂ）を参照）に接続されている。前記接続は典型的には頂部プレート１４０１の頂面に印刷された回路１４１０（図示せず）を介して行われる。
序論の説明をし易くするために、配分システムが少なくとも４個の配分室１４０５を有しており、各反応ウエル１２０１に対して配分システム１４０３があるものと想定する。また、第１の受け取りトレイ１６Ａ，第２の受け取りトレイ１６Ｂ、第３の受け取りトレイ１６Ｃおよび第４の受け取りトレイ１６Ｄ（それらを集約して「受け取りトレイ１６」と称する）はそれぞれ、反応ウエル１２０１と同数の受け取りウエル１６０１を有しているものと想定する。次に、配分カセットを使用して各反応ウエル１２０１から等分量の液体を、第１の受け取りトレイ１６Ａ，第２の受け取りトレイ１６Ｂ，第３の受け取りトレイ１６Ｃおよび第４の受け取りトレイ１６Ｄの各々における対応する受け取りトレイに分配する。
図１（Ｃ）に示すように、各受け取りトレイ１６は分析評価カセット１７に装着されており、分析評価カセット１７の方は第３の電気ハウジング１８に装着されている。受け取りトレイ１６は、もしも十分な分析評価カセット１７があるとすれば、分析評価カセット１７に同時にあるいは順に装着される。分析評価カセット１７は、例えば、受け取りトレイ１６に配分された液体に生物学的活動の存在可否に応じて色を発生させる試薬を配分するために使用される。
図２（Ａ）は、８番目の配分室１４０５Ｈまで第１の配分室１４０５Ａ、第２の配分室１４０５Ｂ等を有する排出システム１４０３の頂面図である。配分システム１４０３は配分カセット１４より上位に位置した液体源トレイに形成された反応ウエル１２０１の下で整合した状態で示されている。
図２（Ｂ）は、液体源トレイ１２に形成された反応ウエル１２０１と整合した図２（Ａ）に示す配分システム１４の側面図である。反応ウエル出口１２０２は配分システム１４０３の入口にドッキングするように整合している。入口１４０４の基部には分配部分１４１１があり、該分配部分は開放空間か、あるいは（例えば、ガラス、ステンレス鋼、あるいは耐性のある（resistant）プラスチックでありうる材料である）配分されつつある液体に対して耐性のある材料のフリット化した部材でよい。反応ウエル１２０１から入口１４０４中へ移送される液体は８個の全ての配分室１４０５まで分配される。全ての配分室が確実に充填させるようにするために、余分の液体は配分室１４０５に分配するために入口１４０４中へ移送される。例えば、第１の配分室１４０５Ａにおいて、余分の部分はスルース１４１２Ａを越えて配分室の出口１４１３Ａへこぼれ落ちる。スルース１４１２と対応する配分室の出口１４１３との間の接続部は毛細管障害１４１５（前述の定義並びに下記するＤの説明部分を参照）を形成する。毛細管障害１４１５によって発生する流れに対する抵抗が入口１４０４を介して流入させられた流体が、既に充填された配分室１４０５への流入抵抗することによって、配分システム１４の配分室１４０５への流体を均等分配するように保証する。
各配分室１４０５は電極ベースのポンプ１４０９を有している。
図２（Ｃ）は、反応ウエル１２０１からの液体で充填され、液体源トレイ１２が配分カセット１４から外された後の第１の配分室１４０５Ａと第５の配分室１４０５Ｅとを示している。
図２（Ｄ）は、付勢されて、配分システム１４０３の配分室１４０５Ｅから液体を、配分カセット１４の下で整合された受け取りトレイ１６の受け取りウエル１６０１中へ汲み出している第５の電極ベースのポンプ１４０９Ｅを示す。図２（Ｅ）は第５の電極ベースのポンプ１４０９Ｅが作動した後の配分システム１４０３と受け取りウエル１６０１とを示す。
配分システムはプラスマイナス約１０％以内の規定量の所定の液体を分配するよう作動する。
B．ポンプ
典型的には「電気流体力学的ポンプ」（ＥＨＤ）および「電気浸透」（ＥＯ）という名称で、少なくとも２タイプの電極ベースのポンプを説明する。ＥＨＤポンプは１９９０年の「センサとアクチュエータ」（Sensors and actuators）におけるバート他（Bart et al）による「マイクロ加工した電気流体力学的ポンプ」（“Microfabricated Electrohydrodynamic Pumps）（Ａ）２１−Ａ２３，１９３−１９７および1991年の「センサとアクチュエータ」のリヒタ他（Richter et al）による「マイクロ加工した電気流体力学的ポンプ」（”Ａ Micromachined Electrohydrodynamic Pump）（Ａ）２９，１５９−１６８に記載されている。ＥＯポンプは１９９４年のアナルケミ（Ａnal.Chem.,）６６のダスグプタ他（Dasgupta et al）による「電気浸透：フローインジェクション分析のための信頼しうる流体推進システム」（“Electroosmosis：A Reliable Fluid Propulsion System for Flow Injection Ａnalysis”）の１７９２〜１７９８に記載されている。
ＥＯポンプは例えば、塩、酸あるいは塩基のようなイオン材が介在すると石英、ガラスなどを含む多くの固体の表面がマイナスあるいはプラスに帯電するという原理を利用しているものと考えられている。帯電した表面は適切な導電性の溶液における反対に帯電した対イオンを誘引する。そのような溶液に電圧を加えると対イオンが反対に帯電した電極に向かって移動し、流体の大部分も同様に移動させる。容積流量は電流に比例し、流体において発生した容積流れも供給された電圧に比例する。典型的には、毛細管サイズの流路において、力が作用する電荷を発生させるのは電極のみが関係し、ＥＨＤにおける場合のようではないので電極が発生する流れはＥＨＤによるポンピング作業における場合よりも遠くに離すことが可能である。EOポンプは一般に導電性溶液をポンピングするのに適した方法と考えられている。
ＥＨＤポンプは典型的には、極めて低い導電性、例えば１０-14から１０-9Ｓ／ｃｍ（Ｓ／ｃｍ＝オーム-1ｃｍ-1）で動いている流体に対して適切なものと見なされてきた。適切に電極を離隔させかつ適切な形状とする、すなわち適切にパルス化された、すなわち直流電圧を使用して、以下説明するように電極に給電することによりポンピング作業を促進するよりも適切な溶質を使用して広範囲の溶剤や溶液をポンピングすることが可能なことが示されている。
電極ベースの内部ポンプシステムは、電極に亘ってパルス化した電圧を供給することによりポンプを作動させた場合、多数のポンピング個所において流量を制御でき、かつ余り複雑でない電子装置を用いて、本発明による配分カセットに最良に組み込むことが可能と考えられる。電圧のパルス幅がτ1で、パルス間隔がτ2であるとすれば、τ1は典型的には１μｓと約１ｍｓとの間で、好ましくは約０．１msと約１ｍｓとの間である。τ2は典型的には、約０．１μｓと約１０msとの間で、好ましくは約１ｍｓと約１０ｍｓとの間である。パルス化された電圧プロトコルは、高密度の電子装置中への内蔵化の容易さ（数十万個のポンプをウエファサイズの素子に埋設可能である）、電極において発生する電解量の低減、電極近傍での熱対流の低減およびより簡単なドライバの使用可能性を含むその他の利点も提供するものと考えられている。パルスプロトコルはまた、ブロック形状のパルス波よりも複雑な形状のパルス波を使用可能とする。
別の方法は、典型的には等間隔の多数の電極を使用し、かつ先ず、第１と第２の電極に電圧を加え、次いで第２と第３の電極に電圧を，というように電圧を加えていくタイミング要領で各対の隣接する電極の電圧を誘引する移動波プロトコルを使用している。そのような方法は１９９２年のフア他（Fuhr et al）による「マイクロ電気システム」（“Microelectrical Systems”）の１：１４１〜１４５頁に記載されている。移動波プロトコルは温度勾配と、電解誘引流体の流れを促進する対応する導電性勾配を誘発するものと考えられている。そのような温度勾配はまた、電極ベースの第１のポンプ３６０と第２のポンプ３６１とに関連して電気ヒータを位置させることによっても誘発される。
原理に束縛されないことを希望する場合、ＥＨＤポンプの力学において数種の概念が役立つのものと考えられる。誘電界に作用する力は下記の式によって表現されるものと考えられる。
0004399030.tif 000002
Ｆは力密度、ｑは電荷密度、Ｅは適用電界、Ｏは分極ベクトル、εは誘電率、ρは質量密度である。前記等式における項において、第１と第３の項は流体のＥＨＤポンプ概念において最も重要であると考えられる。第１の項（ｑＥ）は空間電荷領域とのクーロン相互作用に関係する。第３の項（１／２Ｅ2Ｖε）
は誘電率勾配に比例する誘電力に関する。
低電界、すなわち電流が電圧に直線的に比例するオーミック領域においては、誘電界によって作用する電荷の主要源は添加物、不純物からのイオンおよび流体の分子の自動解離によって形成されたイオンによるものと考えられている。中間の電界、すなわち、オーミック領域を越えて約２Ｖ／μｍまでの電界においては、電荷は主として解離と電界における電界工程によって形成されるものと考えられている。高電界においては、電荷はプラスあるいはマイナスの同質電荷を射出する電極における射出過程によって決まるものと考えられている。
本特願のために、プラス（＋）の流れとはマイナスの電極の方向における流れであり、マイナス（−）の流れはプラスの電極の方向における流れとする。
本発明の好適実施例において、制御装置１０はデータを記憶するための装置を有し、多数の溶剤あるいは溶液をポンピングするのに適した電圧と極性の値を記憶する。
実験結果によると（流れ方向のような）流体の流れの特性は溶剤の安定化能力に良く関連し、電極によって射出あるいは誘発された帯電試料を溶媒和化することを示している。流れ方向はプラスの電荷あるいはマイナスのイオンのいずれかを溶媒和化する溶剤が介在するか否かによって決まるものと考えられている。この溶媒和化の優位性は電界において制動される溶剤分子のシェルがより大きく、流体を運動させることを意味するものと考えられている。例えば、プラスの電荷の好ましい溶媒和化は流体が陽極から陰極（すなわち、プラスの方向）に流れることが好ましいことに関連する。溶剤に対する溶媒和化の好ましい程度は水素結合を受け入れる、すなわち付与する溶剤内の分子の能力によって決まるものと考えられている。本発明の一局面においては、そのポンピング挙動がまだ特定化されていない流体に対しては、制御装置は、アール．ダブリュウ．タフト（R.W.Taft）と、彼の共同研究者によって確立された直線的溶媒和化エネルギ（Linear Solvation Energy）関係を使用して推定した初期のポンピングパラメータを記憶する。１９８３年のカムレット他（Kamlet et al）によるJ.Org.Chem４８巻の２８７７―２８８７頁並びに１９８１年カムレット他（Kamlet et al）によるプログ。フィジ。オルグ。ケミProg.Phys.Org.Chem１３巻の４８５頁を参照されたい。これらの研究者は以下のパラメータに関して溶剤を分類している。πは溶剤がその誘電性によって電荷あるいは双極子を安定化する能力で、αは溶剤の水素結合付与能力で、βは溶剤の水素結合受入れ能力である。これらのパラメータは、参考のために本明細書に含めている前述のカムレット他による刊行物に更に詳しく定義されている。
円形断面の１ミリの毛細管を使用して、一対の５０ミクロンのロッド状プラチナ電極を５００ミクロンの間隔をおいて毛細管中へ５００ミクロンの深さまで垂直に挿入し、４００ボルトの電界によって給電し、流れ方向を数種の溶剤に対して決定した。流れの方向およびα、β、π、ε並びに双極子完成の値は以下の通りである。
0004399030.tif 000003
αおよびβの値は電界における溶剤のマイナスあるいはプラスに帯電した試料を溶媒和化する能力を反映しており、α−βの大きさは（−）の流れと相互に関連し、α−βの大きさは（＋）の流れと相互に関連する。本発明の一局面によれば、液体の好ましい流れ方向は、もしも流体のαとβの値の差が小さいが、零でなく、使用された電極の対が非対称の電界を発生し、そのためプラスあるいはマイナスのいずれかに帯電した試料に対して作用する力が向上するとすれば前述のように想定したものから反転することができる。そのような電極の対は、所定の流れ方向において鋭い点を備えたアルファ電極と、それが位置している流路の壁を上張りをしているβ電極とを有している。１ミリの毛細管において作った前述のような電極ベースのポンプは、電極に供給された電圧が（−）方向の流れを暗示した場合、あるいは電極に供給された電圧が（＋）方向の流れを暗示した場合、アルファ電極３６４によって指向された方向に２−プロパノール（２−purorpanol）をポンピングするのに有効であることが判明している。
液体のポンピングパラメータは、電極ベースのポンプを有しており、上向きに角度が付けられた毛細管に配置された液体のプラグを使用して較正することが可能である。もしも光学的装置が前記プラグの位置をモニタするために毛細管と関連しているとすれば、上向き方向に汲み上げられた流れの速度と下方向に推進される重力の運動速度とを測定することが可能である。これらの速度と毛細管の角度とにより、液体に供給された圧力を計算することが可能である。流体抵抗、Ｒ＝（８．μ．／）／ｍ4，但し、μは粘度であり、／＝は流体プラグの長さである。圧力、Ｐ＝ＲＡ（ＶUP−ＶDOWN）、但し、Ａ=断面積である。ポンプの効率はまた計算することが可能である。（η＝（ｑ．ρ．Ｑ．ＮA）／ｍ．，但しｑ＝ｅの電荷、ρ＝液体濃度、Ｑ＝流量＝Ｖ上流．Ａ，ｍ＝液体の質量、そしてＩ=電流である）。粘度は、固定されたＬＥＤおよび光学的検出器を使用して、あるいは光線およびカリフォルニア州ホーソンのＵＤＴセンサーズ社（ＵＤＴ Sensors,Inc.,Hawthorne,CA）から市販されているＳＬ１５あるいはＳＣ１０位置センサのようなシリコンフォトダイオードセンサを使用して連続的にプラグの前方あるいは後方境界面の位置を多数の単一点観察法を用いて測定することが可能である。後者の方法により、位置センサに接続された差異増幅器において発生する信号間の相互関係をを実験で使用する前に較正しておくことが可能である。
多数の溶剤に対するポンピングパラメータを前述の１ミリ毛細管において以下のように検出した。
0004399030.tif 000004
本発明の別の局面は合理的な電界強度でポンピングに対して抵抗性のある流体を適切な流れ向上のための添加物を添加することにより電極ベースのポンプに対してより鋭敏にしうることを観察することである。流れ向上添加物は抵抗性のある流体と混和可能であり、高圧Ｐ，高流量Ｑ，および良好な電気的効率η（すなわち、電流の電子当たりの汲み出された分子）でポンピングすることが可能であることが好ましい。一般に、流れを向上させる添加物は約０．０５％ｗ／ｗおよび約１０５ｗ／ｗの間の流れ抵抗性流体、好ましくは約０．１％ｗ／ｗと約５％ｗ／ｗの間、さらに好ましくは約０．１％ｗ／ｗと約１％ｗ／ｗとの間の流れ抵抗性流体からなる。四塩化炭素およびシクロヘキサンは、２，０００Ｖの電圧では上述した毛細管に位置した電極ポンプを使用するとポンピングが出来ない。流れ向上添加物として０．５％ｗ／ｗのアセトンあるいはメタノールを添加することにより、これらの流体の双方共１，０００Ｖの電圧においてポンピングが可能である。ある場合には、液体を所望の方向において強力にポンピングを行なえる流れ向上添加物と混合することにより液体の好ましい流れ方向を反転することが望ましいことがある。全ての場合に、添加物はそれらのポンピング特性を基準に並びに達成すべき化学作用あるいはその他のプロセスとの適合性を基準に選定される。
本発明による電極ベースのポンプは、該ポンプを望ましくない流れに対向するように作動させることによりある方向における流れに抵抗する弁として作動させることが可能である。電極ベースのポンプに駆動するために、例えば、シフトレジスタ、ラッチ、ゲートおよび例えばＤＭＯＳトランジスタのようなスイッチ装置から構成した１個以上のデジタルドライバが、各流路における流体の流れを独立して制御出来るようにして電子装置を簡素化しうる。各デジタルドライバは、個々の電極ベースのポンプを制御するために使用しうる多数のスイッチ装置に接続されることが好ましい。
Ｃ．電極ベースポンプの製作
配分システムは流体をポンピングするために多数の電極を必要とする。これらの電極は一般に、２個以上のカセットから形成されている配分カセットの頂部プレートに作られている。典型的には、各ポンプは一対の離隔した電極（例えば５０から２５０ミクロン離されている）から構成されている。直径が約２５ミクロンから約１５０ミクロンであることが好ましく、更に好ましくは約５０ミクロンから約７５ミクロンである電極が作られる。好適実施例においては、配分カセットは、例えば１，０００個、より好ましくは１０，０００個の反応ウエルを収容したプレートから液体を受け入れるか、あるいは該プレートに液体を送るように設計されている。このことは、配分カセットが、各々が電極ベースのポンプを必要とする、少なくとも１個の、好ましくはそれ以上の配分室を備えている均等数の配分システムを収容していることが好ましいことを意味する。このように、配分カセットは、例えば、約１，０００から約８０，０００個の電極ベースポンプを必要としうる。大量生産技術を用いてそのような構造体を製作するには電極を順次にではなく、並列に形成することを必要とする。電極を形成する好適な方法は電極が突出する孔をプレート（例えば、頂部プレート１４０１）に形成し、所定の温度で焼結して、焼結温度以下に冷却されると導電性の固体となる質量を形成する流体材料である金属性の厚い膜のインク（すなわち、所謂「バイアインク“via ink”」）で前記孔を充填し、次いで前記プレートと充填されたインクとを焼結してインクを、前記孔を流体が漏れないようシールする良好な導電体に変換する段階を含む。この方法はまた、前記プレートを通して突出し、一方の側で流路内の液体中へ突出する電極を提供し、他方の側で電気制御装置を装着するための接点を提供する電極の部分を提供する。
例えば、エキシマレーザを使用してホウ珪酸ガラスの５００ミクロンの厚さのプレートに孔を穿設する。次いで、５０から１５０ミクロンの間の直径の孔を、商業的な射出バイアフィルマシン（カリフォルニア州サンマーコスのパシフィックトリネチックス社＃ＶＦ−１０００型）（Via-fill Machine（Pacific Trinetics Model ＃VF-111,San Marcos、CA）を使用して厚いフイルムのインクで充填する。焼結されたインクが孔の側部に接着し、焼結工程の間亀裂が入ることなく、流体が流れないように孔をシールするように高度のアスペクト比の孔を充填するようにバイアインクの選定した形成物のみが十分機能することが判明した。このように高度のアスペクト比のシールされた導電性導管を形成する上で重要な一つのパラメータは十分微細な寸法でバイアインクのために金属粉末とガラス粉末成分とを選択することである。一つの適切な形成物は下記を使用している。
．８９．３％ｗ／ｗの１２−５０７Ａｕ粉末（ロードアイランド、ウーンソケットのテクニック社（TechnicInc.,Woonsocket,RI）の金の粉末）
．５．７％ｗ／ｗ，Ｆ−９２粉末化した鉛ホウ珪酸ガラス（ペンシルバニア州カーネギのオー．ホンメル社（O.HommelCo.,Carnegie,PA）
．テキサノール（テネシー州キングスポートのイーストマンケミカルプロダクツ社のモノイソブタレートエステル２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオール）（TexanolTM（monoisobutarate ester of 2,2,4-trimethyl-1,3-pentandiol,Eastman Chemical Products,Kingsport,TN）中の１５％ｗ／ｖのエチルセルローズＮ−３００（デラウエア州ウィルミントンのアクアロン社）（Aqualon,Wilmington,DE）の中の２．４％ｗ／ｗ
．テリピネオールＴ−３１８（デラウエア州ウイルミントンのハーキューリーズ社の混合した第三テルペンアルコール）（Terpinel T−３１８）（mixed tertiary terpene alcohols,Hercules Inc.,Wilmington,DE）におけるエルヴァサイト２０４５（ポリイソブチルメタアクリレート）（Elvacite２０４５TM（polyisobutyl methaacrylate）の中の２．１％
．０．５％のヂュオンミーンＴＤＯ（イリノイ州シカゴのアクゾケミカルズ社Ｎ−タローアルキルトリメチレンヂアミンオレアート）（DuomeenTDOTM（N-tallow alkyl trimethylenediamine oleates,Akzo Chemicals,Chicago,IL）
テクニック社（Technic,Inc）から市販されている金の粉末は０．９ミクロンの平均粒径を有している。別の適当な形成物は下記を使用している。
．８０．８％ｗ／ｗ，Ａｇ粉末のＱ粉末（ニュージャージ州サウスプレインフィールドのメッツ社の銀粉末）（silver particles,Metz,South Plainfield,N.J.）
．５．２％ｗ／ｗ，Ｆ−９２粉末鉛ほうけい酸ガラス（ペンシルバニア州カーネギのオー、ヘンメル社）（O.Hemmel Co.,Carnegie,PA）
．３．７％ｗ／ｗ，VC-1樹脂（３７％ｗ／ｗテルピネール−３１８、５５．５５％ｗ／ｗブチルカービトール、７．５％ｗ／ｗエチルセルローズＮ−３００，デラウエア州ウイルミントンアクアロン社（Terpineol T-31855。5％ｗ／ｗ butyl carbitol,７．５％ ethylcellulose N-300,Aqualon,Wilmington,DE）
．テキサノール中の１５％ｗ／ｗエチルセルローズＮ−３００中の４．０％ｗ／ｗ
．テルピネオールＴ−３１８中の１５％ｗ／ｖエルヴァサイト（ElvaciteTM）（ポリイソブチルメタアクリラート）
．０．６％ｗ／ｗヂュオミーンＴＤＯ（DuomeenTDOTM）および
．１．６％ｗ／ｗ，トリピネオール（Toripineol）
これらの形成物は５５０℃で焼結され高アスペクト比導電性導を形成した。
ガラスあるいは金属粉末のサイズが増えるにつれて、（亀裂のない、液体に対する良好なシール、孔の側部に対する良好な接着性を有する）良好な充填性を、バイアインクにおける有機物の量を減少しても依然として得ることが出来ることが多い。
バイアインクをプレートの孔に挿入するために使用される装置は典型的にはプレートの開口に対して開放している開口を備えた金属ステンシルを含む。バイアインクはプレートに載置されているステンシルの上に供給され、インクを加圧して孔を充填するようにさせるためにブラダー装置が使用される。充填後、バイアインクで孔を充填したプレートは、以下説明する別の処理を行なうべく取り外される。
焼結の前に、バイアインクの有機成分の多くが、例えばインクを充填したプレートを１から５分間（例えば１００℃で）炉の中に位置させることにより、蒸発する。焼結は約４５０℃から約７００℃までの間、より好ましくは約５００℃から約５５０℃の間の温度で実行されることが好ましい。しかしながら、適当な焼結温度範囲の上限は主として処理されつつあるプレートが反りは始める温度によって決まる。従って、ある種のプレートでははるかに高い温度が考えられる。
焼結の後プレートより上位あるいは下位に突出する導電性材料が確実にあるようにするためにプレートの頂面および底面には所望の突出長さと等しい厚さの表層をコーティングすればよい。表層は前記プレートに孔を形成する前、あるいは後で付与することが出来る。もしも前に行われるとすれば、孔は前記プレート並びに表層を貫通して形成される。もしも後で行われるとすれば、（ａ）表層を貫通する孔はプレートの一方の側から他方の側で、孔を覆う表層材料を吹き飛ばす差圧を発生させることにより形成することが可能で、あるいは（ｂ）インクの圧力が表層を通り孔の中まで押し入ると（前記孔には無害な量の表層材料が残されるが）、少なくとも頂面の表層が形成される。表面層は焼結工程の間に適切に焼失する。表層は、例えば、テルピネオルＴ-318（Terpineol T-318TMあるいはテキサノル（TexanolTM）に分解されたエチルセルローズ樹脂（例えばデラウエア州ウイルミントン、アクアロン社のエチルセルローズN−３００（Ethyl Cellulose N-300,Aqualon,Wilmington,DE）の５−２５ｗ／ｗ％混合物あるいはテルピネオルＴ-318に分解されたエルバサイト２０４５（Elvacite 2045TM）の５−５０％ｗ／ｗ混合物でプレートをコーティングすることにより作ることができる。焼結の後、電極の表面は例えば、ニッケル、銀、金、プラチナ、ロジウム等の金属でメッキすることにより質を高めることが出来る。ある実施例においては、電極はニッケルの層で、続いて（ニッケルを活性化するために）金の層でメッキすることが可能である。そのような金属のメッキは標準的な電解質および（または）無電解メッキ浴および無電解メッキ技術を使用して実行可能である。
エッチングされた開口を有するプレートが電極を含むようにすべく処理される場合、まずエッチングが行われ、続いて表層でコーティングされ、電極孔を形成することが好ましい。
代替的な製造方法においては、各ポンプに対して、例えば、直径が約１−１０ミルの金あるいはプラチナのワイヤである２本以上の金属ワイヤが、例えば、１５０ミクロン離した流路ウエルの開口中へ挿入される。ワイヤは、ガラスのマトリックスにおける微細に分割した金属粒子で作った従来の金あるいはプラチナのバイアフィルインクによって流路中に密封される。開口の外側でワイヤの基部の周りにバイアフィルインクを付与した後、流路はバイアフィルインクの流動化温度以上の温度まで加熱され、ワイヤと流路との間で素晴らしいシールを提供する。孔をシールするために使用されるバイアフィルインクは、例えば、はんだ、あるいは接着剤に代えることが可能である。
Ｄ．毛細管障害
毛細管障害については既に述べた。しかしながら、ある場合には、前述したものよりはるかに複雑な設計を検討することによって液体が配分室の出口１４１３中へ流入しないよう阻止する、毛細管障害の設計に影響を与える。ある場合には、関連の電極ベースのポンプ１４０９が作動すると、適切な流量で到来するよう適切に流れに対する抑制（すなわち流れに対する摩擦抵抗）を増すようスルース１４１２によって形成されるゲートを狭めることが望ましい。そのように狭めることについては図３（Ａ）を図３（Ｄ）の狭くなったスルース１４１２と比較することによって示されている。この設計変更により発生しうる問題は狭くされた流路が毛細管作用力を増加させることによって流路の開路の効果を制限することである。
このように、一好適実施例においては、流路の開路は更に図３（Ｂ）と（Ｃ）とに示すように、１個以上の上向きに指向された鋭い縁部１４１４を含む。流路の開路は２個以上の上向きに指向された鋭い縁部１４１４を含むことが更に好ましい。図３（Ｂ）においてはスルース１４１２の部分１４１２Ａは頂部プレート１４０１へより深く切り込まれて上向きに指向された鋭い縁部１４１４の作動に対して効果的な開放空間を形成している。
Ｅ．供給トレイと受け取りトレイ
反応ウエル１２０１は典型的には供給トレイ１２の上層に形成された窪みである。図２（Ｂ）において、反応ウエル１２０２はスルース１４１２によって反応ウエル１２０１に接続されている。この場合、反応ウエルの容積に比較すれば大きな容積であるが、絶対量（例えば１５０ｎｌ）においては極めて小さい洗浄容積は反応ウエル１２０１を通り、先に反応ウエル１２０１に導かれた所定の反応剤の全てを除去する。
供給トレイ１２の反応ウエル１２０１において行われる合成工程はメリーフィールド（Merrifield）が固相のペプチド合成技術を導入した際、メリーフィールドが使用したスチレン−デビニールベンゼンのような「ビード」と典型的に称せられる不溶性サポートにおいて行われる。１９６３年のメリーフィールドのジェイエイ．エム．ケミ．ソサイエテイ（Merrifield,J.Am.Chem.Soc.）８５：２１４９頁を参照のこと。また、１９９１年英国カンタベリにおける第２回国際シンポジウムのロージャエプトン（Roger Epton）編集の収録論文である、バーラニ他（Barany et al.）による固相合成における革新と見通し：ペプチド、ポリペプチド、およびオリゴンクレオチドにおける「固相合成における最近の進歩」（“Recent Advances in Solid−Phase Synthetis”in Innovation and Perspectives in Solid Phase Syntehesis: Peptides,Polypeptides,and Oligonucleotides）も参照されたい。これらのサポートは典型的には、期待される製品の第１の構成ブロックを反転可能に装着しうる「ハンドル」を提供するように誘導される。ペプチド合成領域においては、適当なサポートはペンシルバニア州キンゴオブプラッシアのバッヘムバイオサイエンス社（Bachem Bioscience,Inc.、King of Prussia,PA）から市販されているｐ−アルコイキシベンジルアルコール樹脂（ｐ−alkoyxbenzyl alcohol resin）（「ワング」またはＰＡＭ樹脂、ケンタッキ州ルイスビルのアドバンスドケムテック（Advanced Chemtech,Louisville,KY）から市販されている置換された２−クロトリチル樹脂（２−chlorotrityl resins），マサチューセッツ州フラミンガムのパーセプチブバイオシステムズ（Per Septive Biosystems,Framingham,MA）から市販されているポリエチレングリコールグラフテッドポリスチレン樹脂（PEG-PS樹脂）あるいはドイツのラップポリメア（Rapp Polymere）からテンガゲル（Tenga Gel）の商標にて市販されている樹脂を含む。例えば、ポリスチレンビードのような同様の固相サポートもフォスフォトリースタ（Phosphotoriester）法（１９９４年ニュジャージ州ヒューマナプレスエスのアガラワ編集のオリゴヌクレオリドコンジュゲートのためのプロトコルにおけるドリストドウロウの「オリゴヌクレオチド合成：ホスホトリースタ法」を参照されたい）（Dhtostodoulou “Origonucleoride Synthesis:Phosphotriester Approach”in Protocols for Oligonucleotide Conjugates,S Agrawal,Ed.,Humana Press,N.J.,1994）によって、フォスフォラミダイト法（phosphoramidite approach）（１９９４年ニュージャージ州のヒュマナプレスのエス．アガラワル編集のオリゴヌクレオチデコンジュゲーテトプロトコルにおけるボイケージによる「オリゴデオキシヌクレオチド合成：ホスホラミダイト法」を参照のこと（Beaucage“Oligodeoxynucleotide Synthesis：Phosphoramidite Approach”in Protocols for Oligonucleotide Conjugates,S.Agrawal,Ed.,,Humana Press,N.J.1994），Ｈ−ホスポネーテ法（Ｈ−phosponate approach）（１９９４年ニュージャジ州ヒューマナプレスのエス。アグラワル編集のオリゴヌクレオリドコンジュゲーツのプロトコルにおけるフレーヤによる「オリゴオキシヌクレオチド合成：Ｈ−ポスポネート法」を参照のこと）（Froehler,Origodeoxynucleotide Synthesis:H-Posponate Approach、“in Protocols for Ooxynucleotide Conjugates,S.Agarawal,Ed.,Humana Press,N.J,１９９４）、あるいはシリル−ホスホラミダイト法（sylyl-phosphoramidite method）（１９９４年のニュージャージ州ヒューマナプ��スのエス。アガラワル編集のオリゴヌクレオチドコンジュゲーツのプロトコルにおけるダーマおよびオジルビによるオリゴオキシヌクレオチド合成:「シリル−ホスホラミダイト法」を参照のこと）（Damha and Ogilvie,Oligodeoxynucleotide Synthesis:”Silyl-Phosphoramidite Method,“in Protocols for Oligonucleotide Conjugates,S.Agrawal,Ed.,Humana Press,N.J.,１９９４）によってオリゴニュコレオチド合成にも使用される。オリゴヌクレオチド合成のために適切なサポートはカリフォルニア州フォスタシテイのアプライドバイオシステムズ社（Applied Biosystems、Foster City,CA）から市販されている制御されたポアガラス（ｃｐｇ）およびポリスチレンサポートを含む。固体サポートはまた、１９９４年のゴーデン他（Gorden et al）によるジェイ、メデイシナルケミ（J.Medicinal Chem）３７の１３８５−１４０１に記載のような有機性高分子ダイバーシティのためのオリゴカバメート（origocarbamete）合成に記載のようなその他の小さい分子および高分子有機合成においても使用される。
反応ウエル１２０１は矩形であって、水平方向寸法が約４００ミクロンから約１２００ミクロンの間であることが好ましく、さらに約５００ミクロンから約１０００ミクロンまでの間であることが好ましく、更に好ましくは約６４０ミクロン以上で、深さが約２００ミクロンから約４００ミクロンまでの間である。反応ウエル１２０１においてビード（beads）が使用される場合、反応ウエル１２０１の深さは広がったビードの直径より少なくとも約５０ミクロン大きいことが好ましい。固相合成において典型的に使用されるようなサポートビードは典型的には直径が約５０ミクロンから約２５０ミクロンの間であって、反応個所の能力は約０．１ｍｍｏｌｅｓ／ｇと約１．６ｍｍｏｌｅｓ／ｇとの間である。典型的には約１から１０までの間のそのようなビードが反応ウエル１２０１中へ装入され反応ウエル当たり約１ｎｍｏｌｅと約１０ｎｍｏｌｅとの間の所望の能力を提供する。最近では、ビードを膨張させるために使用される溶剤と個々のビードとの間のサイズの変動によって、約２００ミクロンから約４００ミクロンまでの範囲の直径を有するビードが市販されており、約５ｎｍｏｌｅから約２０ｎｍｏｌｅの間の反応個所の能力が得られるようになっている。これらのより大きなビードはマサチューセッツ州アムハーストのポリマラボラトリーズ社（Polymer Laboratories,Amhearst,MA）から市販されているビードを含む。望ましい反応個所での機能性はハロゲン、アルコール、アミンおよびカルボン酸群を含む。これらの大きなビードにより、核反応ウエル１２０１に１個のみのビードを装入することが好ましい。
受け取りウエル１６０１は典型的には受け取りトレイ１６の上層に形成された窪みである。受け取りウエル１６０１は、受け取りウエル１６０１において行なう予定の工程によって出口を付けたり、あるいは付けなかったりする。
Ｆ．配分カセット、供給トレイおよび受け取りトレイの製作
本発明の配分カセット、供給トレイおよび受け取りトレイは、本装置において行なうべき化学工程において使用しようとする化学薬品に対する耐性を有するかまたは耐性を有し得る支持材料から作ることが可能である。前述の実施例の全てに対して、好ましい支持材料は、例えばガラス、石英ガラス、石英、シリコンウエファ、あるいは適切なプラスチックのような約５０ミクロンから約２５０ミクロンまでの断面積を有する流路を形成することが可能なマイクロ加工法に敏感であることが判明しているような材料である。ガラス、石英、シリコンおよびプラスチックの支持材料は、蛋白質あるいは核酸のような生物学的分子に結合される反応個所を含む、当該材料の反応個所を最小にするシリコン処理剤（siliconizing agent）のような適切な処理剤で表面処理されることが好ましい。比較的稠密に詰め込んだ電気素子を必要とする実施例においては、例えば適切なガラスのような非導電性支持材料が好ましい。好ましいガラスはホウ珪酸塩ガラス、低アルカリライムーシリカガラス、ガラス質シリカ（石英）あるいはその他の各種の化学薬品に露出された場合同様の耐久性を有するガラスを含む。例えば、ニューヨク州コーニングのコーニングガラス会社（Corning Glass Co.,Corning,N.Y）から市販されている、例えばコーニング０２１１，１７３３，１７３７あるいは７７４０のようなホウ珪酸塩ガラスが好ましいガラスに含まれる。
本発明の配分カセットは、流路、分配部、および室が形成される材料の個別のプレートから構成されることが好ましく、これらのプレートはその後接合されて配分カセットを形成する。前記プレートの接合は、例えば接着剤、あるいはガラスとガラスとを熱結合するような技術を用いて行なうこと可能である。前記プレートは典型的には矩形であって、平坦面の寸法は約５０．８ミリ（２インチ）から約２０３．２ミリ（８インチ）の間である。プレートの厚さは約０．２５４ミリ（０．０１インチ）から約２．５４ミリ（０．１インチ）の間であることが好ましく、更には約０．３８１ミリ（０．０１５インチ）から約０．７６２ミリ（０．０３インチ）の間であることがより好ましい。
前記プレートを永続的に接合する好ましい一方法は先ず、厚さが約５０ミクロンから約５００ミクロンの間、さらに好ましくは約７５ミクロンから約１２５ミクロンの間のガラス光滑剤の層をプレートにコーティングすることである。前述の厚さはガラス光滑剤に著しい量の流路構造体が形成されるものと考えた結果である。そうでない場合、光滑剤は一般に、厚さが約１ミクロンから約１００ミクロンの間、より好ましくは約１０ミクロンから約２５ミクロンの間である。これらの方法はガラス板を接合するのに適用することが好ましい。適切な光滑剤はオハイオ州シンシナティのフェロ社（Ferro Corp.,Cincinnati,OH）から市販されている。光滑剤を塗ったプレートは下記するように流路や、リザーバ、あるいは反応ウエルを形成する。光滑剤を塗布したプレートは別の光滑剤を塗布していないプレートに対して位置され、２枚のプレートは光滑剤の軟化温度あるいはそれ以上であるが、プレートの光滑剤を塗布していない部分の軟化温度よりは低い温度まで加熱される。
ガラスプレートを永久的に接合する別の好ましい方法は電界支援熱結合方法を使用する。電界支援熱結合を使用したガラス対ガラスのシールは、もしも結合すべきプレートの間に電界支援結合剤を介装するとすれば、ガラスの導電性が低くても可能であることが判明している。
一方のガラスプレートの頂面あるいは底面に電界支援結合材料が付与される。電界支援結合材料の層は厚さが約５０ｎｍから約１，０００ｎｍの間、より好ましくは約１５０ｎｍから約５００ｎｍの間である。電界支援結合材料は本明細書に記載の方法を用いて、ガラス基板を結合しうる材料であればよい。電界支援結合材料は珪素あるいはシリカである。電界支援結合材料は珪素であることがより好ましい。
電界支援結合材料は、例えば蒸着法あるいは陰極が希少ガス排出からのプラスのイオンで衝撃され、表面分子が近表面と衝突し、近表面に結合した場合陰極から表面分子が放出されるスパッタリング法によってプレートに供給することが可能である。本発明によれば、厚さが約１５０ｎｍから約５００ｎｍの間の珪素層はこの層が介在しない場合はシール法が効果的とは考えられるが、約２０Åの層のような２酸化珪素の外面層を発生させるもとのと考えられる条件下でガラスプレートに結合される。コーティングされたプレートは必要に応じて処理されて、下記する方法を用いて流路、リザーバ、あるいは反応ウエルを形成する。代替的に、プレートは電界支援結合剤を用いてコーティングする前に処理した。次いで、コーティングされたプレートは、コーティングされないことが好ましい別のプレートに対して配置され、例えば図４に示すように電界支援結合装置７００に入れられる。電界支援結合装置７００は例えば加熱ゲートのような加熱装置７１０を有している。電界支援結合装置７００は更に、電極７２０と、第１のプレートと珪素の層７６０が付与されている第２のプレート７５０とに亘って電圧を加えることが出来るようにする接地７３０とを有している。矢印７７０は電界の方向を示している。一般に電界支援結合は常温において行われる。
プレートに亘って適切な電極が付与されると、結合工程を促進するに有効な温度までプレートは加熱される。理論で束縛されないことを願う場合は、第１のプレート７４０に付与される陰極と高温によって発生する（例えばナトリウムイオンのような）イオンのより大きなサイト交換移動とを組み合わせることにより陰極が付与されるプレートと対向する第１のプレートの面においてイオンを減耗させるものと考えられている。イオンの減耗は第１のプレート７４０の底面において表面電荷を発生させ、これは第２のプレートに対して強力な局所的静電誘引を起こすことに関連するものと考えられている。この過程で基板間で強力な結合をもたらすことが明らかであり、これは第１のプレート７４０のシリカと第２のプレート７５０にコーティングされた珪素との間の化学的結合の形成によるものと考えられている。温度は約２００℃から約６００℃までの間、更に好ましくは約３００℃から約４５０℃までの間に上げられることが好ましい。この工程の間、典型的には約２００Ｖから約２，５００Ｖまでの間、好ましくは約５００Ｖから約１，５００Ｖまでの間の電圧が第１のプレート７４０と第２のプレート７５０とに亘って供給される。最も適切な電圧はプレートの厚さによって変わる。電圧がプレートの一方に付与された珪素の層７６０を含めて第１のプレート７４０と第２のプレート７５０とを引張り緊密に接触させる。プレートの平坦部の寸法に応じて典型的には数分から約１時間の間に気密シールが達成される。適切なシールを達成するに要する時間は、とりわけプレートの滑らかさ、電界の強度、温度、およびプレートの寸法によって変わる。プレート間の結合は、プレート間の境界面が消えて２枚のプレートの薄い寸法に亘って観察すると結合部分にグレイの色が形成されると達成されているので、その結合は典型的には目で見て明らかである。
前述の方法はガラス基板を別のガラス基板と第３のガラス基板とに同時に結合するために使用することが可能である。
当業者には熱による結合のための加熱を行なうものとして高温のプレートの使用が示されているが、炉を含むその他の加熱装置を使用しうることが認められる。また、可能であれば結合すべき基板の熱膨張係数を合わせておくことが望ましいことも認識される。
配分カセットのリザーバ、反応ウエル、水平流路、およびその他の構造体、並びに供給トレイおよび受け取りトレイは以下の手順によって作ることが出来る。プレートは両側で、厚さが約５００Åの第１の薄いクロームの層と、厚さが約２０００Åの第２の銀の膜で、例えば、蒸着あるいはスパッタリングのような周知の方法により順次コーティングされプレートをその後のエッチング液から保護する。例えば、ニュージャージ州ブリッジウオータのヘキストセラニーズ社のダイナケムＥＰＡ（Dynakem EPA of Hoechst-Celanese Corp.,Bridgewater,NJ）のようなフォトレジストの２ミクロン層が吐出され、マスクを使用するか、四角あるいは長方形の像を使用し、マサチューセッツ州アクトンのＭＲＳテクノロジイ社（MRS Technology,Inc.,Acton,MA）から市販されているＭＲＳ４５００ステッパを適切に使用してフォトレジストが露出される。レジスト層に開口を形成するよう現像し、レジストをベーキングして溶剤を除去した後、開口の金の層は２５ミリリットルの水の中に４グラムの沃化カリウムと１グラムの沃素（ｌ2）を加えた標準的なエッチング液を使用してエッチングする。下に位置するクロームの層は次いで例えばカリフォルニア州サニイベールのＫＴＩケミカルズ社のＫＴＩクロームエッチング液（KTI Chrome Etch of KTI Chemicals,Inc.,Sunnyvale,CA）を使用して個々にエッチングされる。次いで、プレートは１４：２０：６６の比率でＨＦ−ＨＮＯ3−Ｈ2Ｏの超音波浴においてエッチングされる。超音波浴においてこのようにエッチング液を使用することにより各種構造体のための垂直の側壁を作る。縦型の流路は典型的にはレーザによる除去により形成される。
配分システムの実施例における各種の水平方向流路は典型的には深さが約５０ミクロンから約２５０ミクロンの間、好ましくは約５０ミクロンから約１５０ミクロンの間、更に好ましくは約５０ミクロンから約１００ミクロンの間である。水平方向の流路の幅と垂直方向の流路の直径とは典型的には約５０ミクロンから約２５０ミクロンの間、好ましくは約１２０ミクロンから約２５０ミクロンの間、更に好ましくは約１５０ミクロンから約２００ミクロンの間である。
Ｇ．配分カセットと供給トレイあるいは受け取りトレイとの間のシール
プレートを該プレート共に機能する器具に反転可能にシールするためにガスケットを使用し得る。ガスケットは必要に応じて、セルおよびその他の構造体のための開口を残してプレートに装着することが出来る。ガスケットを装着する方法の一つはシルクスクリーニングである。シルクスクリーンしたガスケットはシリコンあるいはその他の化学的に耐性があり、弾性の材料から作ることが出来る。
フォトリソグラフィを利用している多段圧縮成形法を代替的に使用することが可能である。先ず、その上に一般にセルやその他の構造体を形成しているプレートの上面にフォトレジストをコーティングする。フォトレジスト層は厚さが約１ミルであることが好ましい。フォトレジスト層は標準的なフォトリソグラフィ技術により処理されてガスケット材が所望されるセルの開口から離れた領域（「ガスケット領域」）からフォトレジストを除去する。硬化して弾発的な、弾性材料からなる固体とし得る流動性のガスケット材料の層が供給される。研磨した面、例えば研磨したガラス面を有するプレートがガスケット材の上に置かれ、圧力が加えられてガスケット材をガスケット領域へ押し込み、ガスケット材を概ねフォトレジストをコーティングした領域から除去する。これで、ガスケット材は硬化される。次いで、フォトレジストが溶解され、プレートにパターン化したガスケットを残す。その下にあるフォトレジストが溶解しうるようにするに十分除去されると、ガスケットは概ね除去されたことになる。
この方法においては、ガスケット材は、硬化するとその上にガスケットが形成されるプレートにおいて実行すべき化学的処理に適合しうる、すなわち硬化するとフォトレジストを除去するのに使用する溶剤に対して耐性のあるようになる前述の圧縮成形技術に使用するに適したいずれかの弾性材料である。ガスケット材はＲＴＶタイプのシリコンゴム（例えば、ミシガン州ミッドランドのダウコーニング社（Dow Corning,Midland,Michigan）から市販されているシラスチックＪ．ＲＴＶシリコンゴム（Silastic J.RTV Silicone Rubber））のようなシリコンであることが好ましい。フォトレジストは典型的にはプレート上の構造体が圧縮成形工程の間充填されることがないようフィルムタイプのフォトレジストであるか、前記構造体が圧縮成形工程の間一時的に充填され、該工程の完了時にはエッチングされるような液体タイプのフォトレジストでよい。ある場合には、フォトレジストを付与する前に、例えば、ミシガン州ミッドランドのダウコーニングから市販されている１２００RTVプライムコート（1200 RTV Prime Coat from Dow Corning,Midland,Michigan）のようなガスケット材の接着を促進するためのプライマでプレートを処理することが望ましい。プレートはまた、ガスケット材がプレートに接着し易くするために粗く加工すればよい。例えば、５ミクロンの粗さをラッピングによって提供することができる。プレートは剥離促進剤で処理するか、あるいはシラスチックジェイシリコンゴム（Silastic J sillicone rubber）の場合は剥離促進剤をガスケット材に組み込むことが好ましい。圧縮成形工程により不要の個所にはガスケット材の残留物を残す。これらの残留物はレーザによりプレートから切除するか、ある場合には所望個所でのガスケット材の厚い層に顕著な影響を与えることなく露出されたガスケット材残留物の薄いフイルムを溶解する溶剤に調時露出を行なって除去する。
Ｈ．電気コネクタの製作
電極１４０８のためのリード線１４０７との電気接触は頂部プレート１４０１の上面に形成された電気パッド１４０６を用いて実行可能である。電気パッド１４０６は各々、図５に示すように、電気コネクタ１４１６によってリード線１４０７に接続されている。図５において、それぞれ１個のみしか番号で指示していないが、多数の電気パッド１４０６、電気コネクタ１４１６およびリード線１４０７がある。電気パッド１４０６と電気コネクタ１４１６とは典型的には硬質の金を用いて、薄膜リソグラフィによって形成されている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図４】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図５】
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