(57)【要約】本発明は、微小滴の選択的分配の効率を著しく増大させ、定められた場所に特定の液体を分配することで空間的な目標とする選択を生成し、かつ、順応性の高い多機能なシステムを提供する方法に関する。本発明の一つの実施例であるシステムは、ダイアフラム（３）で覆われた基板（２）と、ダイアフラムを基板に設けられた各凹部に対して垂直に変形させる手段（６５）とからなり、前記凹部は、基板（２）を形成する材質をエッチングし、マトリックス型に並べられており、基板を貫通するような軸対象の側壁（１１）を有するウェル内に形成されている；各ウェルは、基板の上面および下面上に供給オリフィスと排出オリフィスをそれぞれ有しており、該供給オリフィスはノズルオリフィス（１３）よりも実質的に大なる開口部を有している。【選択図】図１３ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メンブラン（３）で被膜された上面と下面を有した基板（２）と、
該基板（２）上に形成された各凹部（１０）に対して垂直に、該メンブランを変形させる手段（６５，７０）からなる、微小滴を高効率で分配するシステムであって、
該凹部が基板を形成する材質上にエッチングされ、軸対象な連続側面（１１）が前記基板を横切るようなウェルの形状を有しており、
前記ウェルが前記基板の上面及び下面に、その各々が供給口（１２）、射出ノズル（１３）として開口したダクト（１４）となるように開口しており、
前記供給口の口はダクトの射出ノズル（１３）の開口よりも大きく、
前記ダクトは形状比が１から２０である
ことを特徴とする微小滴分配システム。
【請求項２】
前記ウェルは２次元的に１平方ｃｍあたり１０，０００以上の濃度のウェルと、少なくとも毎秒１，０００，０００個以上の滴下の流れを有するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の微小滴分配システム。
【請求項３】
前記ウェルが、マトリクス形状、同心円形状、渦状、またはこれらの組み合わせによる形状に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の微小滴分配システム。
【請求項４】
前記メンブランまたは基板が、微小ダクトを異なる層に３次元的に統合するような多層構造を有しており、
さらに、前記マイクロダクトはウェルの上開口部に対して垂直に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の微小滴分配システム。
【請求項５】
前記変形手段の全てが、多重通信ネットワークを通じてプログラム可能なコントロールユニットにより、単一または多種の液体をウェルに同時または連続的に吸引または射出するトリガーとなるように、予め選択されたウェル群、または特定の選択されたウェルごとに、制御可能であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の微小滴分配システム。
【請求項６】
前記基板またはメンブランの材質が、半導体材料、ポリシリコン、ガラス、窒化シリコン、セラミック、熱可塑性材料、エラストマー、薄い感光性樹脂、電鋳または電気浸食された金属のいずれかから選択されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の微小滴分配システム。
【請求項７】
前記基板またはメンブラン上のエッチングが、化学エッチング、ＲＩＥ，Ｄ−ＲＩＥ、フォトィソグラフィ、電気浸食または電鋳（６）によるエッチング、モールディングおよび重合、レーザーカッティング、超音波、または研磨材の射出から選択されることを特徴とする請求項５または６に記載の微小滴分配システム。
【請求項８】
前記メンブランが、ウェルに供給するための微小ダクトのネットワークを作成するようにエッチングされ、該微小ダクトが少なくとも一つの液体供給貯水槽の先端に結合されていることを特徴とする請求項７に記載の微小滴分配システム。
【請求項９】
前記メンブラン（３）を局所的に変形する手段（６５、７０）が、電磁石、圧電素子、磁気歪み、静電アクチュエータより構成されるか、または電気蒸発法によるものであることを特徴とする請求項１に記載の微小滴分配システム。
【請求項１０】
前記メンブランへの変形力が、メンブラン（３）の共振始動またはダクト（１４）の先端の振動によって生じるものであることを特徴とする請求項１に記載の微小滴分配システム。
【請求項１１】
マトリクス構成の各列のウェルは、同一の貯水槽（４）から微小ダクト（２０）を通じて供給されており、前記微小ダクトは前記ウェル（１０）の列に並行してメンブラン上に形成され、かつ前記列の側面に沿って結合されるか、基板（２）の平面に直交して結合されており、前記貯水槽は、メンブラン上にエッチングされるか、遠隔に位置して可撓性連結部によって微小ダクトに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の微小滴分配システム。
【請求項１２】
バイオチップの準備のために４種のモノヌクレオチド（Ａ，Ｃ，Ｔ，Ｇ）からＤＮＡプローブの合成を行うために、前記分配ヘッド（１）が４の倍数の数だけ列を有しており、各列にある前記ウェルが、列に並行になるようにメンブラン（３）上に形成された微小ダクト（３２）を通じて同一の貯水槽より供給されており、前記貯水槽がメンブラン上にエッチングされるか、遠隔に位置して可撓性連結部（７）によって微小ダクトに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の微小滴分配システム。
【請求項１３】
予め反応物（５１）で満たした、又は微小電気式エッチング、加工、モールディング、熱成形によって形成された微小凹部（８０）を有する滴下プレート（８１）を有した、請求項１から１２のいずれかに記載の分配システムを少なくとも１つ含んだことを特徴とする分配カートリッジ。
【請求項１４】
少なくとも１つの吸引ポンプ（８）と、予め液で満たされた、少なくとも１つの滴下プレート（８１）を備えた、請求項１から１２に記載の少なくとも１つの分配システムからなることを特徴とする分配キット。
【請求項１５】
セルの反応性が光学的又は電気的であって、前微小凹部が極性を有する電極を持ち合わせていることを特徴とする、請求項１３に記載の分配カートリッジまたは請求項１４に記載の分配キット。
【請求項１６】
セルの中で極性を生じさせ、セル上に治療的効果をもたらすために、前記電極間において電位差を生じさせることを特徴とする、請求項１５に記載の滴下プレート。
【請求項１７】
オリゴヌクレオチドのインシチュ合成またはプレ合成による堆積によるバイオチップの準備、または、生物的、科学的分子のスクリーニングに対する準備、または、セル上での、ドラッグや、製薬試験または免疫学的、生化学的、または遺伝的スクリーニングの試験の準備に対して適用されることを特徴とする請求項１３に記載のカートリッジまたは１４に記載のキット。
【請求項１８】
少なくとも１つのセル内において含有または形成された少なくとも１つのドラッグの校正された量についての処理のための圧電セル（７０）上に適切な電位差を供給するシステムより構成される、イオント・フォレシスによるドラッグの経皮投与に適用されることを特徴とする請求項１または１０に記載の分配システム。
【請求項１９】
ドラッグが、極性を有する電極を備えた滴下プレート（８１）上の微小凹部（８０）内に含有されたセル上に載置されており、セル反応テストが光沢的または電気的であるような、薬学上のテストセルのスクリーニングについて適用されていることを特徴とする、請求項１から１２のいずれかに記載の分配システム。
【請求項２０】
セル中に極性を生じさせ、セル上に治療的効果をもたらすために、前記電極間に適切な値の電位差を与えることを特徴とした、請求項１９に記載の分配システム。
【請求項２１】
単一または多種のバイオ・セルまたは、ウェルまたはウェル群毎に合成された生化学のバイオセルのための分配ヘッドのウェルの壁面に固着されることによる選択的濾過に適用されたことを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の分配システム。
【請求項２２】
前記分配ヘッドが、注射器の先端に集約していることを特徴とする請求項２１に記載の分配ヘッド。
【請求項２３】
質量分光分析器またはクロマトグラフのカラムに、並行または連続的に供給することを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の分配システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、数ナノリットル、さらには数ピコリットルオーダーの極めて微小滴を並行かつ選択的に分配するための高効率なシステムに関するものであり、さらに、該システムにおいて適用される持ち運び可能なカートリッジと該分配対象となるキットに関するものであって、特に化学、生物学、バイオテクノロジー、医薬の分野−とりわけバイオ・チップの作成、製薬・免疫・生化学試験、ドラッグライブラリまたは血清バンクスクリーニング、イオン導入療法によるドラッグまたはその経皮投与−と、その他化粧品分野における香水の噴霧または煙霧の生成、またはインクジェット印刷、またはとりわけ気体や液体燃料の注入のための自動車の電子制御に適用される。
【０００２】
ゲノムおよびプロテオミクスに関する近年の研究の進歩によって、試験のための生物学的および治療学的分子の多くが利用可能となった。にもかかわらず、汎用の生化学的製品は低品質かつ高コストであり、そのため、効率最適化による実験能力の著るしい増大が求められている。
【０００３】
そのため、生化学的液体を取り扱うことを目的として、コロニートランスファーシステムや、圧電アクチュエータ、近年においてはインクジェットプリント技術を用いたマイクロピペッティングシステムやといった、様々な技術が用いられている。
【０００４】
これらの技術の目的は、多くの場合、ガラス、ナイロン、セルロースといった異なるタイプのサポートの表面上でプレ合成される生物学的プローブ（オリゴヌクレオチドやタンパク質、ペプチドなど）を分配することによってバイオチップを製造することである。
【０００５】
米国特許５０５３１００号公報や、米国特許６０８３７６２号公報に見受けられる公知例として、マイクロディスペンサ上に設けた圧電変換素子を使った分配器がある。これは、オリゴヌクレオチドのインシチュ・プレ合成または合成する際に適用される技術である。しかしながら、これらのシステムは、ユニットによって作られており、高密度並列分配には不適当である。
【０００６】
米国特許６０２８１８９号公報においては、圧電素子で駆動するインクジェットタイプのマイクロポンプを用いて試薬の分配がなされている。前記マクロポンプはシリコンブロック中に、液滴導入路と排出路とともに設けられている。インシチュ合成を得るためには、２軸に沿って動きを制御されるガラス基板上に設けられた、４つのマイクロポンプによってＤＮＡベースを円形のウェル中に排出しなければならない。
これらのシステム、すなわち、前述の資料に記載の、数百ヘルツの振動数で４つのポンプを駆動させることで、数百秒間に１００，０００滴を供給する機械では、本発明に関する１平方ｃｍあたりに数百から数千滴の供給を行うような高効率なアプリケーションを達成することはできない。２５のオリゴヌクレオチドプローブの合成に、２時間以上も要する。
【０００７】
本発明は、フォトリソグラフィック・マスクを用いた特定の分子を固定させるためのフォトリソグラフによって得られる高密度に匹敵するような、並列アプリケーションによる密度の増加によって、微小滴を選択的に分配する効率を大幅に増大させることを目的としている。本方法は、フォトリソグラフによって固定され得る分子を制限するものであり、基本的には薬品の滴一つ一つを取り扱うようにしたものではない。さらに、インシチュ合成は、本手法によって２５のモノヌクレオチドに制限されている。
【０００８】
また、本発明は、予め決められたまたはプログラムされた場所上で試薬を分配するという空間的な選択性のみならず、予め定められた場所上で複数種の試薬から選択された一つの試薬を分配するという選択性を付与しうることをも目的としている。
【０００９】
また、本発明は容易に適合可能とするために、例えば膨大な数のアプリケーションを可能にするための生物または生化学分析のミニチュアキットなどといった多機能システムを、異なる形式下において生成することを目的としている。特に、本発明は、１プローブあたりの２５ヌクレオチドの合成に限定されるものではなく、高効率を維持すれば、例えば７０ヌクレオチドの長いプローブを合成することも可能とするものである。
【００１０】
これらの目的は、高密度超小型電子タイプの技術によって特定の形状のウェルのマトリクス内部に作成され、かつ選択的分配の高出力のための特定の接続を与えられた分配ヘッドを用いることによって、実現される。
【００１１】
より正確には、本発明の対象は、高効率の微小滴分配システムであって、メンブランによって被膜された基板と、該基板上に設けられた各空洞に対して垂直方向に前記メンブランを変質させる手段と、基板を形成する材質上に刻まれた空洞が、側方に連続した軸対象な内部壁によって基板を横切るようなウェル形状に設けられている。；
各ウェルは、基板の上面および底面が開口されており、その各々の開口が供給口と排出ノズルとしてのダクトであって、該排出ノズルに比して該供給口の開口部を高い位置に設け、かつ、ダクトの形状比（ｓｈａｐｅ ｒａｔｉｏ）を１から２０の間としている。
【００１２】
本発明において「分配」とは、一瞬にして並行に分配される数十〜数千の液滴の高出力によって、微小滴を排出または吸引することと解され、「軸対象の壁」とは、例えば方形断面を有する回転体または円柱の表面などと解され、さらに、「形状比」とは、ダクトの高さと開口との比率を意味する。
【００１３】
このような効率の達成するためには、前記基板には１秒間あたり百万以上の微小滴が流れるような、１平方センチメートルあたり１００００個に達するウェル密度が必要である。
【００１４】
好適には、前記基板の材質はタングステン、ステンレス綱などの金属と同様に、例えばシリコン、ガリウムヒ素、シリコンカーバイド、ゲルマニウム、オキサイド、絶縁化合物（例えばＳＯＩ、初期の絶縁シリコンオキサイド）、ガラス、窒化シリコン、ポリシリコン、セラミック、熱可塑性材料−例えばポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリジメチルシロキサンなどの光感光性樹脂（例えばＳＵ８樹脂）−などの半導体材料より選択される。
【００１５】
また、ウェルまたはマイクロチャンネルを作成する微細加工技術は、基板の材質に応じて選択することが好ましい：
−シリコンやガラスについては、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）またはＤｅｅｐエッチング（Ｄ−ＲＩＥ）のようなウェットまたドライ化学エッチング；
−金属についてはスパークや電鋳法によるエッチング；
−熱可塑性材料については重合またはキャスティング；
−大部分の基板材料については写真平板、レーザーカッティング、超音波または研磨材の射出によるエッチング　である。
【００１６】
望ましい具体例に関しては、メンブランの材質はガラス、シリコン、エラストマー、熱可塑性物質から選択される；該メンブランは、微小流路を提供するためのウェルネットワークを生成するために、上述のエッチング技術を用いてエッチングされてもよい；前記微小流路の両端は少なくとも１つの液貯留漕に接続されている。
【００１７】
さらに特定の実施例については、メンブランを部分的に変形させる手段として、電磁気、磁気歪み、圧電素子アクチュエイターなどが挙げられる。その他の手段としては、インクジェットタイプまたはバイメタリック型効果による熱可塑性素材の熱的手段、各ウェル間の電場によって生じる電気蒸発法、または静電アクチュエイターなども考えられる。
【００１８】
前記変形手段のすべては、多重送信ネットワークを通じて、一つのプログラミング可能なコマンドユニットによって操作可能である。そのようなコマンドユニットは、同一又は異なる液体の吸引または分配をすべてのウェルまたはウェル群または特定のウェルを通じて、同時にまたは継続的に引き起こすことを可能とする。
【００１９】
特定の具体例によると、バイオ・チップ製造のための４つの基本ヌクレオチドモノマーからＤＮＡプローブを合成するために、分配ヘッドは４つまたは４列の複数列と、所望の密度に適応された複数のウェルのカラムとを有している。各列のウェルは、同一の貯水槽よりメンブラン上においてウェル列に対して並行に形成された微小ダクトを通じて供給されており、前記列と側面的に、もしくは基板平面に対して垂直になるように結合されている。前記貯水槽はメンブラン上にエッチングされるか、離れた場所に位置して可撓性連結手段によって微細流路に接続されている。
【００２０】
本発明はまた、上述のように定義づけられた分配ヘッドの応用にも関連する。少なくともそのうちのいくつかを実現するためには、以下のような使用形態を準備をする方が好ましい：
試薬で満たされ、かつ、マイクロエレクトロニックタイプ、マイクロマシニングタイプ、マイクロモールディング、熱形成またはそのような製造構成に対応した技術によるエッチングにより形成された微小凹部を有した、半導体または熱可塑性材質で作成された滴定プレートを備えた少なくとも一つの分配ヘッドを含んだ分配カードリッジ；　または
少なくとも一つの吸引ポンプと、試薬で満たされている又は満たされていない、少なくとも一つの滴定プレートを備え、少なくとも１つの分配ヘッドを含んだ分配キット。
【００２１】
これらのカートリッジまたはキットは、特にオリゴヌクレオチドのインシチュ合成またはプレ・インシチュ合成の堆積によるバイオチップの準備や、生物分子または細胞の集合的または個別的スクリーニングや、ドラッグの準備、製薬試験や免疫・生化学・生物学スクリーニングに使用されうるものである。
【００２２】
イオン・フォトレシス（イオン導入療法）によるドラッグの経皮投与は、予め構成を定義づけられた複数のウェルで形成された分配ヘッドによって行われる。圧電素子上での十分な電位差を提供するためのシステム、または他の電磁気的駆動手段が、このウェル内で含有または形成された少なくとも１つのドラッグの校正量の処理デバイスを形成している。
【００２３】
さらに上述の適用に加えて、本発明を、例えば選択的濾過によるクロマトグラフィにおいて、選別や分類に用いることも可能である。各ウェルまたはウェル群に対して、本発明に関する分配ヘッドのウェルの壁面上に、任意の既知の手段によって同一または異なるバイオ・セルがまず固定、移植、遮断、または取付けられる。前記分配ヘッドは、一つのシリンジの先端に集約されてもよい。
【００２４】
他の特性、長所、応用については、特に、本発明の制限されないいくつかの実施例について、各々に示す付属の図面を参照することによって詳細を説明した、以下の記載により明らかとなる。
【００２５】
全ての図において、各々の参照番号は、同一の、または技術的に均等の要素を表すものとする。示された全ての要素を可視化するために、メンブランは透視的に表している。
【００２６】
周囲が分散ウェル１０を囲む場合に限定された、分散ヘッドの一例を図１に示す。各ウェル１０は、パイレックス（登録商標）・メンブラン３によって被膜されたシリコン基板２上に施された化学的ウェット・エッチングに続いて、フォトリソグラフィによってエッチングされる。該メンブランおよび基板は、ヘッド１を形成するために、陽極溶接によって形成されている。
【００２７】
ウェル１０は逆ピラミッド型であって、シリコンの結晶面１−１−１によって確定された４面の連続スロープ壁１１で、シリコン基板２を横断している。メンブラン３と通じているウェルの上開口部１２は、滴下の射出を迅速に行うために、下部ダクト１３よりも大きい方形に形成されている。液を補充し、ウェルからあふれた液を排出するためのマイクロチャンネル２０は、メンブラン３上に機械加工されている。
【００２８】
この具体例において、ウェルの寸法は以下の通りである：
上開口部の１辺：５００μｍ、
下部ダクト１３の１辺：１０〜５０μｍ（３０μｍ程度）、
メンブランの厚み：１０〜５０μｍ、
基板の厚み：３６０μｍ　である。
【００２９】
図２に示すＩＩ−ＩＩ間の断面図において、微小ダクト１３が液の供給または貯水のための貯水槽４につながっている様子を示す。この図において、基板２のほぼ平坦な下面２ｉが、ダクト１４を形成するウェル１０の側壁１１の周囲から延びるように突き出ている。該ダクトは該下面を機械加工することによって形成される。このダクトのＣ側、すなわち開口部１３側に関する高さＨは、例えば形状比がほぼ３であり、これによってピコリットルのオーダーの体積の微小滴を形成することができる。形状比の値は技術的な制約を受けるため、材質や用いられるエッチング技術によって、１から２０の間で適切な妥協値を求められることになる。また、２つのウェル間の平均距離は、概して５５０μｍ程度である。
【００３０】
図３において、８つのウェルで構成された分配ヘッド１の斜視図を示す。該ウェルはそれぞれ８つの微小ダクト２０によって、８つのリザーバ４に接続されている。ヘッドの一般的な寸法は：
長さ：３ｍｍ、
幅：５ｍｍ、
厚さ：リザーバの厚さに関して１ｍｍ
図４に示す、前記図３のＩＶ−ＩＶ間における断面図においては、異なる液５ａ及び５ｂの分配または吸引を行うリザーバ５が別個に設けられている様子を明確に示している。
【００３１】
他の例として、図５および図６に、１６個の微小ダクト２０によって１６個のリザーバ４に接続された１６個のウェル１０によって構成された分配ヘッドの斜視図および面Ｖ−Ｖに関する断面図をそれぞれ示す。このような構造は、１６の異なる液を分配する際に有効的に用いられる。
【００３２】
図５および図６に示された分配ヘッドにおける基板２のほぼ平坦な下面２ｉは、図７に斜視図として示されており、図８にはその変形例が示されている。図７において、ウェル１０の壁面はピラミッド型に突出している。この側面の斜面形成は、停滞による液の停留を防ぐために有効である。さらに、流体力学上の観点から、圧力と速度を連続分配するようなより好適な流れとなりうる。図８において、同じ側壁が、直径１００ミクロンの円柱型として透視的に示されており、該側壁は、同様の円柱形状で直径２０ミクロンの中央に配置されたチップ６まで伸びている。
【００３３】
前記ウェルを通じて単一の液体が同時に分配または吸引される際に、図９に示されるようなメンブランの構成が好適に配置される。この構成において、メンブラン３は１つの開口部３０を有し、この開口部によって、マイクロダック（ｍｉｃｒｏ−ｄｕｃｋ）を用いずに全てのウェル４について液を供給または吸引することが可能になる。この液は、メンブラン３を横切る１つのマイクロキャピラリ４０に接続された可撓性パイプ７を通じて、遠隔の貯水槽（図示していない）からの輸送または貯水槽への吸引が行われる。
【００３４】
複数種の液を分配する場合、例えば４つのモノヌクレシドＡ，Ｃ，Ｔ，Ｇの場合を図１０の斜視図において示す。この図においては、上記メンブラン３は３つの柵３１によって分割され、４つの独立した供給または吸引のための液体路３２に形成される。該液体路は、４つのマイクロキャピラリ４１に接続され、メンブラン３と４つの可撓性パイプ７を通じて、４つの遠隔の貯水槽（図示していない）に接続される。このような構成は、シリコン化合物層８３に被膜されたプレート８２上に、ファーストヌクレオチドの結合を可能とするマイクロチップ用のプローブ９を形成するための４種の基本ヌクレオチドの分配について、特に好適である。プレート８２は、位置デバイス８６によってＸＹＺ軸に関して支持されている。
【００３５】
それぞれのウェルを他のウェルから独立して用いるような選択的手法によって、微小滴による液の供給のためには、図１１の断面図に示されるように、メンブラン３を局所的に接近させている。ウェル１０に分配する選択的駆動手段は、力Ｆを与えてメンブラン３を部分的に変形させることで生じる。
【００３６】
図１２ａおよび１２ｂに示す断面図においては、電磁気的駆動手段によって駆動されたメンブランの局所的変形により、ウェル１０の活性化した２つの駆動フェーズが示されている。これらの手段は、中空のエアギャップ６４に接合したコイル６３を含んだ一般的な電気回路を形成する励弧回路によって構成された、基本的な電磁石６０によって具体化されている。該電磁石手段は、ウェルについて垂直向になるように、メンブラン３上に固定され、該電磁石によって分極されうる磁気チップ６５をも含んでいる。該チップは、永久磁石であってもよく、また、反磁性磁石であっても、常磁性磁石であってもよい。
【００３７】
電流６２が流れると、中空６３よりチップ６５に対する引力Ｆａが発生する。それによってメンブラン３は、電磁石の方向に変形し、液の流れ５１は開口部１３で停止する（図１２ａ）。電流が回路の逆方向に流れると、中空６３よりチップ６５に対する斥力Ｆｒが発生する。メンブランは窪み状に曲がり、液５１は、ダクトの寸法と電気信号の供給による振幅・継続によって、体積が校正かつ制御された微小滴５０となって排出ダクトの開口部１３より排出される（図１２ｂ）。
【００３８】
または、射出される滴下は電流パルスの供給またはメンブランの共振周波数における交流の供給によって行われてもよい。
【００３９】
微小滴の分配を選択的に行うためには、すなわち前記制御を各ウェルごとに行うためには、前記局所的変形は一組の駆動手段によって為されなければならない。図１３ａおよび１３ｂにおいて、電磁気手段および圧電手段によって具体化されたそれぞれの１組の例を示す。
【００４０】
前記電磁気手段は、各ウェル４に対して垂直なマトリクス形状に配置された複数の電磁石６０および複数の磁石６５を含み、また、前記圧電手段は、電磁気手段に用いられるのと同タイプの励起回路６１に接続されたいくつかの圧電チップ７０を含むものとする。電磁気式（図１２および１３ａ）の場合において、トリガーは、回路６１を閉じ、滴下５０の流れを停止するためにスイッチ６６を開放することによって作動するが、微小滴５０（図１３ｂ）の圧電式トリガーはこれと同様の方式で作動する。圧電作動デバイスを用いる時、電気信号は、電位差の場合おいて、圧電要素の端子に供給される。
【００４１】
前記作動手段はカップリングまたは多重通信されたネットワークを通じてプログラミング可能なコントロールユニット（図示していない）によって制御されるが、これらの作業は当業者によく知られたことである。このようなユニットはトリガーを同時に作動させたり、単一または複数種の液体をウェルを通じて継続的に吸引または分配させることを可能にする。
【００４２】
それゆえに、例えば単一ウェルで毎秒１００個の滴下などの滴下の高射出流が可能となる。そのため、外部信号によってメンブランの変形を制御することで、１０００のウェルからなる分配ヘッドによって、１００，０００個の滴下を達成することも可能となる。実際、液体はほとんど圧縮不可能であり、上開口部−ウェルの射出口間の液体の流速比は各々の表面比に反比例する。図示した例においては、開口側の比は約１５であり、それゆえ滴下排出速度はメンブランの変形による射出速度の約１５倍となる。
【００４３】
本発明に関する分配カートリッジを準備のために、図１４の断面図に示すように分配ヘッドは液体を吸引する。このような吸引のために、プレート８１にエッチングされた微小凹部８０には、ウェル４の容積に応じた量の液体が満たされる。この場合、前記プレートには、０．６ｍｍ四方のサイズの９，６００の微小凹部が含まれる。従来用いられている滴定プレートが、一般に１平方ｃｍあたりに１ないし４程度の凹部しか設けられていないのに対して、（本考案では）１ｃｍ四方に数千の微小凹部を同様にしてに設けることができる。
【００４４】
前記プレートは、微小距離調整機構（Ｚ方向）によって、微小凹部８０の縁部に固定されたテフロン（登録商標）製防水ジョイント８２に押し返されるまで、基板２の方向に動かされる。該ジョイントの形成には、他の材質も用いることができる；シリコン、ヴィトン（登録商標）、ポリマー、エラストマーまたは他の適切な熱可塑性材料
さらに、前述のように、ウェル４の排出ダクトに接続された排出パイプ７に取り付けられたポンプ８のトリガーによって、液体はウェル内に吸引される。プレート８１は、別の微小凹部から、前記ウェル内の液を（他の液と）混合させるための吸引を行うために、ＸＹ方向についても移動可能としている。前記プレートは、ＸＹＺ駆動テーブル（図１０に示す）上に載置される。
【００４５】
これらの適応例に基づいて、前記液体は種々のタイプのものであってもよい：ＤＮＡｃ，オリゴヌクレオチド、遺伝子、セル、ＲＮＡｍ、タンパク質、ＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒｉｓａｔｉｏｎ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）によって増幅されたＤＮＡまたはＲＮＡシーケンス、抗原、抗体、治療分子、血清などである。
【００４６】
バイオ・チップ製作のためのプローブを準備するという観点から、図１５に示すように、滴下プレート上または可動なストリップ上で、オリゴヌクレオチドまたはタンパク質の蓄積が行われている。分配ヘッドは、図１０に示すように、前記貯水槽およびポンプの駆動によって液を供給される。ウェルの中には、種々の治療液５２ないし５６が供給されている。取り扱い対象のセルは、滴下プレート８１上の微小凹部中に載置されている。前記ヘッドおよびプレートは、参照ポイントを用いることによって正確に位置合わせされている。滴下プレートは、メチルポリメタクリルまたはポリカーボネートといった熱可塑性材料を射出成型することで製作される。
【００４７】
前記プローブは、駆動デバイスのコントロールユニットからのプログラムされた要求にもとづいて、ストリップの動作によって製作される。この動作時にプローブの即時製作が可能となる；従来では連続層形成によって多大な時間を要していた、プローブ９の製作時間は最適化される。本発明に関する分配システムによって得られる高流出は、機能ゲノムまたは遺伝子発現に用いるアプリケーションに必要な６０から７０のヌクレオチドにまで達することができる。前記プレートおよび前記ストリップは、刻印された幅に前記射出口を位置させるために、ＸＹ方向についての位置調整機構によって動かされる。
【００４８】
遺伝子テスト内でのハイブリダイゼーションを検出するためのアプリケーションの一例として、図１６に示す断面図のように、前図において用いられたストリップ８２上に、患者９０からの遺伝子流れが通過している。前記患者のＤＮＡは、従来より磁場中で分子の流れを停留させるために用いるマーブル（ｍａｒｂｌｅ）９１の接合によって、もしくは蛍光によって磁気的標識を付せられている。
【００４９】
本解決法は、従来では滴下凹部中に読み出しコイルを設けなければならなかったのに対し、使用する電気材料の量を減らすことができる検出によるテストの読み出しを可能にする分配駆動手段を再使用するというさらなる利点を有する。
【００５０】
前記ハイブリダイゼーションまたは免疫学的作用は、プローブ９上で患者のＤＮＡを固定する。このようなハイブリダイゼーションの検出は、回路６１において発生したハイブリダイズされたプローブに対して垂直な誘導流の形成、または光学的検出によってなされる。前記検出は、配置されたプローブの精度と、磁気的指標の場合は、同様の回路６１によってプローブの分配およびハイブリダイゼーションの検出が確定されている、という事実によって可能になっている。
【００５１】
イオント・フォレートの応用においては、図１７の断面図を参照するように、分配ヘッドから分配ウェル４までの間でドラッグの経皮投与が実行される。前記ウェルにおいては、前述の詳細な記載にあるように、ドラッグが供給されている。メンブラン３を変形させるための圧電セル７０上の電圧発生回路６１によって生じる数ミリボルトの電圧が付加される。予め校正されたドラッグ５０の量は、このようにして所定時間管理される。ウェルの向かい合う２つの壁面も又、皮膚の毛穴の拡張を引き起こすことによって、ドラッグの吸収を促進させるように極性を持たせることも可能である。
【００５２】
本発明は、上述のような具体例に限定されるものではない。
【００５３】
例えば、前記ウェルや駆動手段、滴下凹部の構成は、マトリクス状ではない方法でも行える；同心円状や螺旋状などが同様に適用される。
【００５４】
また、微小ダクトは基板上またはメンブラン上にエッチングされていてもよい。前記メンブランまたは基板は多層構造に形成し、異なる層に前記微小ダクトを三次元的に集積することも可能である。その場合、前記微小ダクトはウェルの上開口部に垂直になるように、ウェルと結合される。
【００５５】
さらに、メンブランの局所的変形のトリガーするための技術として、熱弾性を用いたバイメタルなストリップの効果または磁気歪み効果による、他の技術も用いることが可能である；
すなわち、ストリップをメンブラン上のウェルに対して垂直に形成するために配置されたバイメトリック・ストリップ型の材質の熱弾性変形である。各ストリップは強磁性体層で、かつ導電性材料（銅、アルミニウム、金など）で形成され、強磁性体材質は電磁石による磁場の影響下で変形する。また、電気蒸発法または静電場アプリケーションによる空気圧手段を用いることも可能である。
【００５６】
さらに、メンブランを変形させる力もしくはメンブランの加熱は、例えばフーコー電流の支援によって作り出される。メンブランの共振は、メンブランの変形またはダクトのチップの振動によって行われる。
【００５７】
さらに、他の適応例も特定のアプリケーションを満たすことは可能である。例えば、薬学におけるテスト・セル・スクリーニングにおいては、図１５を参照するように、滴下プレートの微小凹部８０は、極性を有する電極８７を備えている。前記セル反応性テストは、光学的、すなわち蛍光及び／または分光による測定か、電気的又は電気化学的インピーダンス測定による電気的な測定である。逆に、セルにおける極性を発生させるための電極間に適合する値の電位差を加えることが可能になり、それによってセルに治療的効果がもたらされる。
【００５８】
本発明に関する分配システムの他の応用例は、上述のように並行または連続的に供給される化合物の特性決定のためのマススペクトルの列における液の分配に関する。この応用例は、クロマトグラフにも同様に適切に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１には、本発明に関するシステムの基本ウェルの環境に限定された、分配ヘッドついての部分的斜視図を示す。
【図２】図２には、満たされた貯水槽が加られた図１の分配ヘッドのＩＩ−ＩＩについての断面図を示す。
【図３】図３においては、８つの分配ウェルを有する本発明に関する分配ヘッドシステムの斜視図を示す。
【図４】図４においては、前図のＩＶ−ＩＶについての断面図を示す。
【図５】図５においては、１６個の分配ウェルを有する本発明についての分配ヘッドシステムの斜視図を示す。
【図６】図６においては、前図のＶ−Ｖについての断面図を示す。
【図７】図７においては、図５に示す分配ヘッドシステムおよびその変形例の底面についての斜視図を示す。
【図８】図８においては、図５に示す分配ヘッドシステムおよびその変形例の底面についての斜視図を示す。
【図９】図９においては、分設された試薬分配手段を有する場合の、図５に示すシステムについての斜視図を示す。
【図１０】図１０においては、図５に示すシステムで、可動板上においてプローブを形成するための４つのモノヌクレオチドを分配する、分設された分配手段を有する場合を示す図である。
【図１１】図１１においては、本発明についての分配システムであって、分配ウェルの選択的駆動原理を説明する断面図である。
【図１２】図１２ａおよび１２ｂにおいては、電磁気による選択的駆動手段による２つの駆動面を示す断面図である。
【図１３】図１３ａおよび１３ｂにおいては、本発明に関する分配システムについての断面図であって、電磁気および圧電的選択駆動手段によって行われる、各々の選択動作を示す図である。
【図１４】図１４においては、本発明に関する分配カートリッジの準備として、液の吸引によって分配ヘッドが充填された状態を示す図である。
【図１５】図１５において、滴下プレート上におけるセルの取り扱いに応用される本発明についての分配システムの断面図である。
【図１６】図１６においては、遺伝子テストにおけるハイブリダイゼーション検出に応用される本発明についての分配システムの断面図である。
【図１７】図１７において、薬の経皮投与に応用される本発明に関する分配システムの断面図である。
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成14年7月9日(2002.7.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メンブラン（３）で被膜された上面と下面を有した基板（２）と、
該基板（２）上に形成された各凹部（１０）に対して垂直に、該メンブランを変形させる手段（６５，７０）からなる、微小滴を高効率で分配するシステムであって、
該凹部が基板を形成する材質上にエッチングされ、軸対象な連続側面（１１）が前記基板を横切るようなウェルの形状を有しており、
前記ウェルが前記基板の上面及び下面に、その各々が供給口（１２）、射出ノズル（１３）として開口したダクト（１４）となるように開口しており、
前記供給口の口はダクトの射出ノズル（１３）の開口よりも大きく、
前記ダクトは形状比が１ないし２０であり、
前記ウェルは２次元的に１平方ｃｍあたり１０，０００以上の濃度のウェルと、少なくとも毎秒１，０００，０００個以上の滴下の流れを有するように形成されており、
前記メンブランまたは基板が、微小ダクトを異なる層に３次元的に統合するような多層構造を有しており、
さらに、前記マイクロダクトはウェルの上開口部に対して垂直に接続されていることを特徴とする微小滴分配システム。
【請求項２】
前記ウェルが、２次元的な構成の代わりにマトリクス形状、同心円形状、渦状、またはこれらの組み合わせによる形状に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の微小滴分配システム。
【請求項３】
前記変形手段の全てが、多重通信ネットワークを通じてプログラム可能なコントロールユニットにより、単一または多種の液体をウェルに同時または連続的に吸引または射出するトリガーとなるように、予め選択されたウェル群、または特定の選択されたウェルごとに、制御可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の微小滴分配システム。
【請求項４】
前記基板またはメンブランの材質が、半導体材料、ポリシリコン、ガラス、窒化シリコン、セラミック、熱可塑性材料、エラストマー、薄い感光性樹脂、電鋳または電気浸食された金属のいずれかから選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の微小滴分配システム。
【請求項５】
前記基板またはメンブラン上のエッチングが、化学エッチング、ＲＩＥ，Ｄ−ＲＩＥ、フォトィソグラフィ、電気浸食または電鋳（６）によるエッチング、モールディングおよび重合、レーザーカッティング、超音波、または研磨材の射出から選択されることを特徴とする請求項１に記載の微小滴分配システム。
【請求項６】
前記メンブランが、ウェルに供給するための微小ダクトのネットワークを作成するようにエッチングされ、該微小ダクトが少なくとも一つの液体供給貯水槽の先端に結合されていることを特徴とする請求項５に記載の微小滴分配システム。
【請求項７】
前記メンブラン（３）を局所的に変形する手段（６５、７０）が、電磁石、圧電素子、磁気歪み、静電アクチュエータより構成されるか、または電気蒸発法によるものであることを特徴とする請求項１に記載の微小滴分配システム。
【請求項８】
前記メンブランへの変形力が、メンブラン（３）の共振始動またはダクト（１４）の先端の振動によって生じるものであることを特徴とする請求項１に記載の微小滴分配システム。
【請求項９】
マトリクス構成の各列のウェルは、同一の貯水槽（４）から微小ダクト（２０）を通じて供給されており、前記微小ダクトは前記ウェル（１０）の列に並行してメンブラン上に形成され、かつ前記列の側面に沿って結合されるか、基板（２）の平面に直交して結合されており、前記貯水槽は、メンブラン上にエッチングされるか、遠隔に位置して可撓性連結部によって微小ダクトに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の微小滴分配システム。
【請求項１０】
バイオチップの準備のために４種のモノヌクレオチド（Ａ，Ｃ，Ｔ，Ｇ）からＤＮＡプローブの合成を行うために、前記分配ヘッド（１）が４の倍数の数だけ列を有しており、各列にある前記ウェルが、列に並行になるようにメンブラン（３）上に形成された微小ダクト（３２）を通じて同一の貯水槽より供給されており、前記貯水槽がメンブラン上にエッチングされるか、遠隔に位置して可撓性連結部（７）によって微小ダクトに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の微小滴分配システム。
【請求項１１】
予め反応物（５１）で満たした、又は微小電気式エッチング、加工、モールディング、熱成形によって形成された微小凹部（８０）を有する滴下プレート（８１）を有した、請求項１または２に記載の分配システムを少なくとも含んだことを特徴とする分配カートリッジ。
【請求項１２】
少なくとも１つの吸引ポンプ（８）と、予め液で満たされた、少なくとも１つの滴下プレート（８１）を備えた、請求項１または２に記載の少なくとも１つの分配システムからなることを特徴とする分配キット。
【請求項１３】
セルの反応性が光学的又は電気的であって、前微小凹部が極性を有する電極を持ち合わせていることを特徴とする、請求項１１に記載の分配カートリッジまたは請求項１２に記載の分配キット。
【請求項１４】
セルの中で極性を生じさせ、セル上に治療的効果をもたらすために、前記電極間において電位差を生じさせることを特徴とする、請求項１３に記載の滴下プレート。
【請求項１５】
オリゴヌクレオチドのインシチュ合成またはプレ合成による堆積によるバイオチップの準備、または、生物的、科学的分子のスクリーニングに対する準備、または、セル上での、ドラッグや、製薬試験または免疫学的、生化学的、または遺伝的スクリーニングの試験の準備に対して適用されることを特徴とする請求項１１に記載のカートリッジまたは請求項１２に記載のキット。
【請求項１６】
少なくとも１つのセル内において含有または形成された少なくとも１つのドラッグの校正された量についての処理のための圧電セル（７０）上に適切な電位差を供給するシステムより構成される、イオント・フォレシスによるドラッグの経皮投与に適用されることを特徴とする請求項１または２に記載の分配システム。
【請求項１７】
ドラッグが、極性を有する電極を備えた滴下プレート（８１）上の微小凹部（８０）内に含有されたセル上に載置されており、セル反応テストが光沢的または電気的であるような、薬学上のテストセルのスクリーニングについて適用されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の分配システム。
【請求項１８】
セル中に極性を生じさせ、セル上に治療的効果をもたらすために、前記電極間に適切な値の電位差を与えることを特徴とした、請求項１７に記載の分配システム。
【請求項１９】
単一または多種のバイオ・セルまたは、ウェルまたはウェル群毎に合成された生化学のバイオセルのための分配ヘッドのウェルの壁面に固着されることによる選択的濾過に適用されたことを特徴とする請求項１または２に記載の分配システム。
【請求項２０】
前記分配ヘッドが、注射器の先端に集約していることを特徴とする請求項１９に記載の分配ヘッド。
【請求項２１】
質量分光分析器またはクロマトグラフのカラムに、並行または連続的に供給することを特徴とする請求項１または２に記載の分配システム。
【国際調査報告】
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