(57)【要約】粒体間に界面が形成されるように平行な層流である、少なくとも２つの流体ストリーム間の粒子の拡散によって形成される拡散パターンの検出を、拡散方向のストリームの寸法を増加させることによって増強するための、微小流体デバイスおよび方法が提供される。このことは、変成ターンを通してストリームを流すことによってか、または発散壁を有するチャネルを通してストリームを流すことによって、達成され得る。２つのストリーム間の拡散を増強するためのデバイスおよび方法もまた提供され、これらは、狭い界面から広い界面へと、ストリーム間の界面を変化させることを含む。
2004509335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小流体デバイスであって、以下：
ａ）少なくとも２つの入口；
ｂ）該入口と流体連絡した、拡散チャネル；
ｃ）該拡散チャネルと流体連絡した、変成ターンチャネル；
ｄ）該拡散チャネルと流体連絡した、検出チャネル、
を備える、微小流体デバイス。
【請求項２】
ａ）前記入口と前記拡散チャネルとの間の、別の変成ターンチャネル、
もまた備える、請求項１に記載の微小流体デバイス。
【請求項３】
前記拡散チャネル内の流体ストリーム間の拡散の方向の寸法ｂ、および該拡散チャネルの長さとｂとの両方に対して垂直な寸法ａを有する、拡散チャネルを有し、相互拡散チャネルのアスペクト比ａ／ｂが１より大きい、請求項１に記載の微小流体デバイス。
【請求項４】
前記変成ターンチャネルが、該変成ターンチャネル内の流体ストリーム間の拡散の方向の寸法ｂ、および該変成ターンチャネルの長さとｂとの両方に対して垂直な寸法ａを有し、該変成ターンチャネルのアスペクト比ａ／ｂが１より大きい、請求項１に記載の微小流体デバイス。
【請求項５】
前記検出チャネルが、該検出チャネル内の流体ストリーム間の拡散の方向の寸法ｂ、および該検出チャネルの長さとｂとの両方に対して垂直な寸法ａを有し、該検出チャネルのアスペクト比ａ／ｂが１未満である、請求項１に記載の微小流体デバイス。
【請求項６】
前記入口と前記拡散チャネルとの間の前記変成ターンチャネルが、該変成ターンチャネル内の流体ストリーム間の拡散の方向の寸法ｂ、および該変成ターンチャネルの長さとｂとの両方に対して垂直な寸法ａを有し、該変成ターンチャネルのアスペクト比ａ／ｂが１未満である、請求項２に記載の微小流体デバイス。
【請求項７】
入口チャネルが、前記入口と前記拡散チャネルとの間にあり、そして該入口と該拡散チャネルとの両方と流体連絡している、請求項１に記載の微小流体デバイス。
【請求項８】
前記入口チャネルが、該入口チャネル内の流体ストリーム間の拡散の方向の寸法ｂ、および該入口チャネルの長さとｂとの両方に対して垂直な寸法ａを有し、該入口チャネルのアスペクト比ａ／ｂが１未満である、請求項７に記載の微小流体デバイス。
【請求項９】
前記検出チャネルが、前記入口チャネルに対して平行である、請求項８に記載の微小流体デバイス。
【請求項１０】
３つの入口を備える、請求項１に記載の微小流体デバイス。
【請求項１１】
前記検出チャネルが発散壁を有する、請求項１に記載の微小流体デバイス。
【請求項１２】
微小流体デバイスであって、以下：
ａ）第一端部および第二端部を有する、微小流体拡散チャネル；
ｂ）第一端部および第二端部を有する、微小流体検出チャネル；
ｃ）該拡散チャネルの該第二端部および該検出チャネルの該第一端部に取り付けられた、微小流体変成ターンチャネル；ならびに
ｄ）少なくとも第一および第二の流体ストリームであって、該第一および第二のストリームが、界面を有し、そして該流体が：
ｉ．入口チャネルから該拡散チャネル内に流れ；そして
ｉｉ．該拡散チャネルから該変成ターンチャネルを通って、該検出チャネル内へと流れ、その結果、該界面が回転し、そして該拡散チャネル内の界面の方向に対して垂直である、流体ストリーム、
を備える、微小流体デバイス。
【請求項１３】
前記検出チャネルが、検出領域をさらに備える、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記検出領域が、前記チャネルの少なくとも片側に、透明な窓をさらに備える、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記検出領域が、少なくとも１つの光源および少なくとも１つの検出器のための界面をさらに含む、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記検出領域が、前記流体界面に対して垂直な検出のために配置されている、請求項１５に記載のデバイス。
【請求項１７】
微小流体デバイスであって、以下：
ａ）第一端部および第二端部を有する、微小流体入口チャネル；
ｂ）第一端部および第二端部を有する、微小流体拡散チャネル；
ｃ）第一端部および第二端部を有する、微小流体検出チャネル；
ｄ）該入口チャネルの該第二端部、および該拡散チャネルの該第一端部に取り付けられた、微小流体第一変成ターンチャネル；
ｅ）該拡散チャネルの該第二端部、および該検出チャネルの該第一端部に取り付けられた、微小流体第二変成ターンチャネル；ならびに
ｆ）少なくとも１つの第一および第二の流体ストリームであって、該第一および第二のストリームが、界面を有し、そして該ストリームが：
ｉ．該入口チャネルから該第一の変成ターンチャネルを通って、該拡散チャネル内へと流れ、その結果、該流体界面が回転し、そして該入口チャネルにおける界面の方向に対して垂直であり；そして
ｉｉ．該拡散チャネルから該第二の変成ターンチャネルを通って、該検出チャネル内へと流れ、その結果、該界面が回転し、そして該拡散チャネル内の界面の方向に対して垂直である、流体ストリーム、
を備える、微小流体デバイス。
【請求項１８】
カートリッジとともに使用するためのサンプル分析器具であって、該カートリッジが、複数の微小流体チャネルおよび少なくとも１つのアスペクト比変換器デバイスを備える、器具。
【請求項１９】
分析測定装置をさらに備える、請求項１８に記載の器具。
【請求項２０】
前記分析測定装置が、光学測定装置、電気測定装置、電気化学測定装置、放射性測定装置、免疫学的測定装置、磁気共鳴測定装置からなる群より選択される、請求項１９に記載の器具。
【請求項２１】
前記分析測定装置が、光学測定装置であり、そして少なくとも１つの光源および１つの検出器を備える、請求項１９に記載の器具。
【請求項２２】
微小流体デバイスであって、以下：
ａ）狭い界面を有する層流の、２つ以上のストリームを含む、入口チャネル；
ｂ）該入口チャネルと流体連絡した拡散チャネルであって、該拡散チャネルにおいて、該ストリームが広い界面を有する、拡散チャネル；ならびに
ｃ）該拡散チャネルと流体連絡した検出チャネルであって、該検出チャネルにおいて、該流体が狭い界面を有する、検出チャネル、
を備える、微小流体デバイス。
【請求項２３】
流体ストリーム間に界面が形成されるように平行な層流である、少なくとも１つの流体ストリーム間で拡散する粒子によって形成される拡散パターンの検出を増強するための方法であって、該方法は、以下：
ａ）拡散の方向での該ストリームの寸法を増加させる工程、
を包含する、方法。
【請求項２４】
前記寸法が、前記ストリームを変成ターンに通して流すことによって増加される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記寸法が、前記ストリームを、前記拡散の方向に対して垂直な拡散壁を有するチャネルに通して流すことによって増加される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
フローの平面の外の点から、そして前記ストリーム間の界面の平面の外の点から、前記拡散パターンを検出する工程もまた包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記拡散の方向に対して垂直な点から、該拡散のパターンを検出する工程を包含する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記流体ストリームを、拡散チャネル内に、界面が広いストリームフローで流す工程を包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
前記流体ストリームを、界面が狭いストリームフローで入口チャネル内に流し、そして該流体ストリームを、該入口チャネルと前記拡散チャネルとの間の変成ターンチャネルに通して流す工程をさらに包含する、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記流体ストリームを、拡散チャネル内の界面の広いストリームフローを直接提供するよう配向された入口チャネルに通して、該拡散チャネル内へと流す工程をもまた包含する、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
流体ストリーム間に界面が形成されるように平行な層流である、少なくとも２つの流体ストリーム間の拡散を増強するための方法であって、該方法は、以下：
ａ）該ストリーム間の界面を、狭い界面から広い界面へと変化させる工程、
を包含する、方法。
【請求項３２】
前記変化が、前記ストリームを変成ターンに通して流すことによって達成される、請求項３１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、２０００年９月１８日に出願された、発明の名称「Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄｓ」の米国仮出願番号６０／２３３，３９６、および２００１年２月１６日に出願された、発明の名称「Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ｆｏｒ　Ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ　Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｆｌｕｉｄｉｃ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　Ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｆｌｏｗ　Ｓｔｒｅａｍｓ」の米国仮出願番号６０／２６９，７５４（これらの両方が、本明細書と不一致にならない程度まで、本明細書中に参考として援用される）の出願日の利益を主張する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、液体サンプルを分析するための微小流体デバイスに関し、そしてより具体的には、微小流体チャネル、およびアスペクト比を１より大きい比から１未満の比へと変換するためのターンを有する、微小流体デバイスに関する。
【０００３】
（背景）
層流および拡散の原理を利用して、サンプル（例えば、全血）中の種々の分析物の存在を検出し、そして濃度を決定するための、種々のデバイスおよび方法が、以前に記載された（Ｗｅｉｇｌ，Ｂ．Ｈ．ら，米国特許第６，１７１，８６５号；Ｗｅｉｇｌ，Ｂ．Ｈ．およびＹａｇｅｒ，Ｐ．，「Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−Ｂａｓｅｄ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｅｎｓｏｒ」，Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ｂ−「Ｅｕｒｏｐｅｔｒｏｄｅ」（Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）１９９６年４月２日、Ｚｕｒｉｃｈ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ；Ｗｅｉｇｌ，Ｂ．Ｈ．ら，「Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ−Ｂａｓｅｄ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｆｌｏｗ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」，Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，μＴＡＳ　９６　Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｅｄｉｔｉｏｎ，１９９６；Ｗｅｉｇｌ，Ｂ．Ｈ．ら，「Ｒａｐｉｄ　Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｕｓｉｎｇ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ　Ｒｅｐｏｒｔｅｒ　Ｂｅａｄｓ」，μＴＡＳ　９６，Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，１９９６；Ｗｅｉｇｌ，Ｂ．Ｈ．ら，「Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ　Ａｎａｌｙｔｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　ｉｎ　Ｗｈｏｌｅ　Ｂｌｏｏｄ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　Ｆｌｏｗ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」，ＳＰＩＥ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，１９９７年２月９〜１１日、Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＩＩＩ；ならびにＢｒｏｇｙ，Ｊ．およびＹａｇｅｒ，Ｐ．，「Ｌｏｗ　Ｒｅｙｎｏｌｄｓ　Ｎｕｍｂｅｒ　Ｍｉｃｒｏ−Ｆｌｕｉｄｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅｓ」，Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｈｉｌｔｏｎ　Ｈｅａｄ，Ｓ．Ｃ．１９９６年６月２〜６日）。
【０００４】
米国特許第５，７１６，８５２号；同第５，９７２，７１０号；同第６，１７１，８６５号；およびＰＣＴ特許出願番号ＰＣＴ／Ｕ．Ｓ．９７／０５２４５（これらの各々が、本明細書と不一致にならない程度まで、その全体が本明細書中に参考として援用される）は、層流チャネル、この層流チャネルと流体連絡して指示薬ストリームおよびサンプルストリームをフローチャネル内に導くための、少なくとも２つの入口、ならびに出口を備える、微小作製されたデバイスを開示する。サンプルストリーム中のより小さな粒子が指示薬ストリーム中に拡散して、検出領域を形成し、この領域において、検出可能な特性の測定がなされる。これら３つの特許およびＰＣＴ出願は、サンプルストリーム中の分析物の濃度を決定するための方法を開示する。
【０００５】
Ｔセンサ（Ｔ−ｓｅｎｓｏｒ）（例えば、米国特許第６，１７１，８６５号）およびＨフィルタ（Ｈ−ｆｉｌｔｅｒ）（例えば、米国特許第６，２２１，６７７号および同第５，９３２，１００号）のようなデバイスを使用して、例えば、抗体と抗原との間、またはタンパク質とタンパク質マーカーとの間の結合反応を測定し得る。この微小流体デバイスは、２つ以上の流体入力ストリームを有し得、ここで、各入力ストリームは、目的の分析物、この目的の分析物と相互作用する検出分子、陰性コントロールおよび陽性コントロール、較正コントロールなどを含み得る。これらのデバイスは、微小チャネル内の全てのフローが層流であり、そしてストリームを横切る移送が分子の拡散によるように、設計される。
【０００６】
このような微小流体デバイスにおける微小チャネルは、このチャネルの深さがこのチャネルの幅より小さいような寸法を有し得、ここで、幅とは、流体のフロー方向に対して垂直な２つの寸法の広い方をいう。Ｔセンサに代表的な１つの流体フロー構成において、入力ストリームは、幅より小さな深さを有する平行な層流で並んで移動し、この場合、拡散は、微小チャネルの幅方向の寸法で、より広く起こる。特定の垂直Ｈセンサおよび他の微小流体デバイス（例えば、米国特許第５，９３２，１００号、同第６，２２１，６７７号、および同第６，００７，７７５号）に代表的な別の構成において、入力ストリームは、積み重なったリボンとして、シート様のフローとして移動し、この場合、拡散は、微小チャネルの深さ方向の寸法で、より狭い。
【０００７】
この性質の微小流体デバイスは、タンパク質濃度、抗原濃度、および核酸係数のようなもの測定するために、流体界面を横切る拡散を利用する。この分析は、光学測定（例えば、蛍光強度の測定）によって、流体ストリームの最初の注入の下流の特定の距離で微小チャネルを横切って実施される（先行技術の図１）。
【０００８】
多くのこのようなシステムにおいて、測定は、拡散方向によって規定される任意の平面から離れた位置（例えば、拡散の方向に対して垂直）からの、相互拡散領域を観察するために配置された検出器によって、なされる。例えば、ｘ寸法を横切る蛍光の空間分布を測定するためには、並んだストリームのｙ方向での画像化が必要とされる。より洗練された設備（例えば、共焦点顕微鏡）の使用なしには、ｘ方向（２つのストリームおよび相互拡散領域を通る）での画像化は可能ではない。
【０００９】
従って、測定の質は、部分的には、２つのストリームの十分な相互拡散が起こって、蛍光シグナルの良好な空間的分解を可能にするか否かに依存する。より具体的には、蛍光曲線（局在化スロープ、極大、および変曲点を含む）の特定の局面は、データ解析を行うために分解される必要がある。測定の質はまた、光学測定のために十分に広い相互拡散ゾーンの存在に依存する。
【００１０】
相互拡散ゾーンにおける拡散パターンの空間的分布を改善する１つの方法は、ストリームが平行なフローで流れるデバイスの作動時間を増加させることである。流速を遅くすることまたはチャネルを長くすることによって、ストリームを横切る拡散が起こる時間がより長くなる。しかし、時間間隔を増加させることに対する、潜在的に禁止的ないくつかの制限が存在する。これらとしては、実際のポンピングシステムを用いては十分に低い流速が達成できないこと、非常に長い微小流体チャネルを作製する実用性に欠けること、および長い時間間隔を必要とするアッセイの臨床的有用性に欠けることが挙げられる。
【００１１】
相互拡散の量は、積み重ねられた、幅広い、シート様のストリームを使用することによって増強され得、ここで、ストリーム間の接触の表面積は、並んで流れるより狭いストリーム（例えば、米国特許第６，１３６，２７２号；同第６，００７，７７５号；および同第６，２２１，６７７号）に対して増加する。しかし、この構成のストリームを使用して拡散が増加される一方で、拡散の寸法は非常に小さく、そして可視化が困難である。
【００１２】
これらの影響は、先行技術の図２Ａおよび２Ｂ、ならびに３Ａおよび３Ｂに示されており、ここで、指示薬色素（例えば、ブロモクレゾールパープル）の拡散が、チャネルを横切って追跡される。図２Ａおよび３Ａは、所定の微小チャネルにおいて起こった拡散の量を示し、一方で図２Ｂおよび３Ｂは、得られる拡散領域の幅を示す。図２Ｂは、０．４秒間にわたって０．１００ｍｍのチャネル幅（拡散の方向に）を横切る、２．０μｌの色素の拡散を示す（拡散係数＝２．００ｅ−４ｍｍ２／ｓ）。図２Ｂは、拡散が狭い寸法で起こるように（シート様フロー）微小チャネルが構成される場合に、６０μｍの幅を有する相互拡散領域が、この場合の拡散が効率的ではあるが、視覚的に調査するためには狭すぎることを示す（図２Ａ）。
【００１３】
より広い寸法で拡散が起こるように、拡散チャネルが構成される場合（図３）、図３Ｂに示すように、拡散の程度は、シート様フローに対する程度より小さく、そして相互拡散領域は、依然としてほんの６０μｍ（０．４７ｍｍ〜０．５３ｍｍ）であり。これは再度、視覚的に調査するためには狭すぎる。
【００１４】
図３についてのデータを作成するために使用されるチャネルの長さが１００倍長くされる場合、拡散ゾーンの幅は６００μｍであるが、拡散チャネルの増加した長さと、そのチャネルを満たすために必要とされる大きな容量（２００μｌ）との両方は、短所であり、そして小量のみの流体がアッセイのために利用可能である場合、この方法の使用を妨げる。
【００１５】
（発明の要旨）
その最も単純な形態において、本発明は、少なくとも２つの入口を備える微小流体デバイスを提供し、これらの入口は、第一のアスペクト比を有する相互拡散チャネル（本明細書中において「拡散チャネル」とも称される）と流体連絡しており、この相互拡散チャネルは、微小流体ターンチャネルと流体連絡しており、この微小流体ターンチャネルは、第二のアスペクト比を有する検出チャネルと流体接続されている。この相互拡散チャネルの拡散寸法は、検出チャネルの拡散寸法より小さい。
【００１６】
本発明は、流体ストリームの相互拡散領域を横切る増強された光学検出と組み合わせられた、２つ以上の流体ストリームの拡散を増強するための、微小流体デバイスを提供する。本発明のデバイスは、複数（２つ以上）の入口、微小チャネル、ターンおよび出口を有し得る。このデバイスは、「狭い界面」（すなわち、拡散方向の寸法より狭い、フロー方向に対して垂直な界面寸法）を有する２つ以上の流体ストリーム（本明細書中において、「界面が狭いストリーム」と称する）の平行な並んだフローを、「広い界面」（すなわち、拡散方向の寸法より広い、フロー方向に対して垂直な界面寸法）を有するリボンまたはシート様のフローのストリーム（本明細書中において「界面が広いストリーム」と称される）に転換するため、および／または界面が広いストリームフローを、界面が狭いストリームフローに転換するために、使用される。このことは、流体の界面を狭いものから広いものへと、または広いものから狭いものへと入れ換えるような様式で、これらの流体ストリームをデバイス内で約９０°ずつ２回ターンさせることによって、達成される。界面が狭いストリームフローにおける拡散寸法は、界面が広いストリームフローにおける拡散寸法（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）より大きい。界面が狭いストリームフローを界面が広いストリームフローに転換することの効果は、これら２つのストリーム間の接触の表面積を増加させることによって、これらのストリーム間の相互拡散を増加させることである。界面が広いストリームフローを界面が狭いストリームフローに転換することの効果は、高度に拡散されているが狭い相互拡散領域を、光学的測定のために十分に広い領域に変換することである。
【００１７】
本発明は、微小流体デバイスを提供し、このデバイスは、以下を備える：
ａ）少なくとも２つの入口；
ｂ）上記入口と流体連絡した、拡散チャネル；
ｃ）上記拡散チャネルと流体連絡した、変成ターンチャネル；
ｄ）上記拡散チャネルと流体連絡した、検出チャネル。
【００１８】
このデバイスは、入口と拡散チャネルとの間に、別の変成ターンチャネルを有し得る。
【００１９】
その最も簡単な実施形態において、本発明の２つの流体ストリームが使用されるが、２つ以上のストリームが使用され得、そして例えば、サンプルストリーム、較正ストリーム、参照ストリームおよびコントロールストリームが挙げられ得る。
【００２０】
本発明のデバイスはまた、全てのフローが層状であるように設計される。一般的に、これは、チャネル内のフローについてのレイノルド数が、約１未満、またはいくつかの実施形態において、約０．１未満であるようなサイズの微小チャネルを備えるデバイスで達成される。２つのストリームの用語「層流」は、混ざることなく流れる、安定な、並行した、界面が狭いかまたは界面が広いストリームフローを意味する。再循環のゾーンはなく、乱流は無視できる。
【００２１】
微小チャネルが、チャネル内のフローについてのレイノルド数が約１未満、好ましくは約０．１未満であるようなサイズであるデバイスにおいて、層流は達成される。レイノルド数は、慣性力対粘性力の比である。低いレイノルド数は、慣性が本質的に無視でき、そして粘性が本質的に無視できることを意味する。隣接するストリームフローは、層状である（すなわち、ストリームは、拡散による場合を除き混合されない）。
【００２２】
デバイスへの入口は、界面が狭いストリームまたは界面が広いストリームの層流中にストリームを伝導するのにただ十分に大きいサイズである必要がある。このデバイスは、約５ｍｍ以下の長さ、約１００μｍ未満の深さ、および５ｍｍ以下の幅の微小チャネルを備え得る。この入口および出口は、これらが一部であるシステムによって必要とされるような長さ、深さおよび幅であり得るが、これらは、好ましくは、小さいサンプルサイズを収容するように約２．５μｌ未満の容量を有する。
【００２３】
入口チャネルおよび出口チャネルの幅および深さは、ストリームによって運ばれる粒子の通過を可能にするように十分に大きくなければならず、好ましくは、ストリーム中の粒子の直径の約２または３倍の間のどこか、そして約５ｍｍ未満である。好ましい粒子サイズは、有機低分子および無機低分子ならびにイオンに関して１または２〜３Åから、タンパク質については深さ約０．０１μｍまで、可撓性の長鎖分子については約０．１〜１μｍまで、赤血球については約８μｍまで、ほとんどの白血球については約１５μｍまで、そしていくつかの白血球については約２５μｍまでの範囲である。拡散チャネルは、このような粒子ならびにシステムにおいて使用され得る吸着剤または吸着性粒子の通過を可能にするのにさらに十分大きくなければならず、そして好ましくは、このような粒子の直径の約２または３倍の間、そして５ｍｍ以下である。拡散チャネルは、合理的な期間で、粒子輸送を達成するために、最も好ましくは、１００μｍ未満である。拡散チャネルおよび出口チャネルの幅および深さは、粒子およびこれらに関連する任意の他の粒子（例えば、吸着剤または吸着性粒子）の通過を可能にするように十分な大きさでなければならず、そして好ましくは、ストリーム中に存在する任意の吸着剤または吸着性粒子の直径の約２または３倍の間、そして５ｍｍ以下である。
【００２４】
アスペクト比は、一般的に、ある寸法対別の寸法の比として定義される。本明細書中で、寸法ａ、ｂ、およびｌは、所定の微小チャネル中に存在するフローの型（狭いストリームまたは広いストリーム）に関して微小チャネルについて定義される。寸法ｂは、拡散の方向のチャネル寸法であり（本明細書中で「拡散寸法」としてもまた称される）、ｌは、フローの方向のチャネル寸法であり、そしてａは、ｌおよびｂの両方に垂直なチャネル寸法である。アスペクト比は、ａ／ｂとして本明細書中に定義される。従って、本発明のデバイスにおける界面が狭いストリームフローについて（ここで、チャネル深さは、実質的にチャネル幅より小さい）、ｂはａより大きく、アスペクト比は１より小さい。界面が広いストリームフローについて、ｂはａより小さく、アスペクト比は、１より大きい。従って、界面が狭いストリームと界面が広いストリームとの間のフローを変換することによって、このデバイスは、アスペクト比コンバータとして効果的に作用する。
【００２５】
本発明の微小流体デバイスを使用するための方法がまた提供される。
【００２６】
２つの流体ストリーム間で界面が形成されるように、平行の層流中の少なくとも２つの流体ストリームの間で拡散する粒子によって形成される拡散パターンの検出を強化するための方法がまた提供され、この方法は、以下：
拡散の方向での上記ストリームの寸法を増加させる工程、
を包含する。
【００２７】
このことは、各々約９０ｏの２回の変成ターンに通してストリームを流すこと、または分岐する壁を有するチャネルにストリームを流すことによって、達成され得る。
【００２８】
界面が２つの流体ストリーム間で形成されるように、平行の層流中の少なくとも２つの流体ストリームの間の拡散を強化するための方法が提供され、この方法は、狭い界面から広い界面へのストリーム間の界面の間での変化を含む。このことは、各々約９０ｏの２回の変成ターンに通してストリームを流すことによって達成され得る。
【００２９】
本発明の実施形態において、３つの入口が相互拡散チャネルに連結され、この拡散チャネル中の界面が広いストリームフローを達成する。この界面が広いストリームフローは、最適な検出のための界面が狭いストリームに変換される。第２の実施形態において、２つの流体入口は、流体ストリームの狭いストリームフローを提供するために入口チャネルに連結される。この狭いストリームフローは、流体ストリームの強化された相互拡散のために広い界面に変換され、次いで最適な検出のために界面が狭いストリームフローに変換される。
【００３０】
（発明の詳細な説明）
本発明は、改善された拡散混合および目視検査のために十分に広い相互拡散ゾーンを提供するために、２つ以上のフローストリーム間の流体界面の操作を可能にする新規の微小流体チャネル形状を記載する。本明細書中に開示されるデバイスを使用して、実験のために必要な時間間隔を増加することなく、流体ストリームの最適な相互拡散および視覚測定のための十分なサイズの相互拡散ゾーンの両方を提供し得る。このことは、変成ターンに通して、ストリームを操作することによって達成される。「変成ターン」は、本明細書中の層流ストリームの流れの方向および面を変化させる回転または屈曲を含むチャネル形状であり、これにより、層流ストリーム間の界面は、広から狭へかまたは狭から広へ変換されるが、回転中に層流フローを維持する。このチャネルは、層流ストリーム間の界面の変換を強化するために、各々の屈曲または回転において形状を変化し得る。界面が広いストリームフローは、界面が狭いストリームフローに変換されるか、または界面が狭いストリームフローは、界面が広いストリームフローに変換され、そして界面が狭いストリームフローに戻される。いずれかの場合において、界面が広いストリームフローは、重要である。なぜなら、界面が広いストリームフローは、界面が狭いストリームフローと比較して、ストリーム間の界面のより大きい表面積を生じ、従って強化された相互拡散を生じるからである。等しく重要なことに、界面が広いストリームフローから界面が狭いフローへの変換は、界面が広いフロー中に存在するよりも広い相互拡散のゾーンを生じ、これは、相互拡散ゾーンが光学的に測定されることを可能にする。重要なことに、本発明のデバイスは、低いレイノルド数のレジーム（およそ＜１）においてのみ作動し、いずれのらせんの歪みも生じることなく、入力流体中で所望のターンを誘導する。層流は、常に維持される。
【００３１】
アスペクト比変成ターンおよび本発明の方法は、以下の同時係属中の特許出願および発行された特許のデバイスおよび方法において使用され得、これらの全ては、これにより不一致でない程度に、本明細書中に参考として援用される：
【００３２】
【数１】
2004509335.tif 000003
本発明のアスペクト比コンバータデバイスの１つの実施形態は、図４に示される。この実施形態において、このデバイスは、エントリーチャネル２３０と流体連絡した入口チャネル２１５における右側の入口２１０および左側の入口２２０を備える。入口チャネル２３０は、第１の変成ターンチャネル２４０と流体連絡し、そしてこれと垂直である。第１の変成ターンチャネル２４０は、相互拡散チャネル２５０と流体連絡し、そしてこれと垂直であり、その結果、相互拡散チャネル２５０はまた、入口チャネル２３０の向きと垂直である。第２の変成（再配向）ターンチャネル２６０が、第１の変成ターンチャネル２４０と整列され、そしてこれと平行である様式で、相互拡散チャネル２５０は、第２の変成（再配向）ターンチャネル２６０と流体連絡し、そしてこれと垂直である。第２の変成（再配向）ターンチャネル２６０は、検出チャネル２７０と流体連絡し、そしてこれと垂直であり、その結果、検出チャネル２７０は、入口チャネル２３０と整列され、そしてこれと平行である。流体出口２８０は、検出チャネル２７０と流体連絡している。
【００３３】
本発明のデバイスは、低いレイノルド数レジーム（およそ＜１）でのみ作動する。図５Ａおよび５Ｂを参照すると、流体は、入口チャネル２１５中の右側チャネル２１０および左側チャネル２２０を通ってデバイスに入る。次いで、入力流体は、十分に開発された、並行の、界面が狭いストリームフローが確立されるエントリーチャネル２３０に入る。この流体が、変成ターンチャネル２４０を通る場合、右側の入口２１０からの流体は、エントリーチャネル２３０の右側から相互拡散チャネル２５０の上部に移動する。同様に、左側の入口２２０からの流体は、エントリーチャネル２３０の左側から相互拡散チャネル２５０の下部に移動する。これは、フロートレース図の使用によって示される（図５Ａおよび５Ｂ）。従って、流体は、変成ターンチャネル２４０によって操作され、その結果、エントリーチャネル２３０における界面が狭いストリームフローは、２つのストリームが薄いリボンとして堆積される相互拡散チャネル２５０において界面が広いストリームに変換される。結果として、界面が狭いストリームフローがエントリーチャネル２３０中を流れる場合、流体間の接触面積は、それらの接触表面積と比較して増加する。この増加した接触表面積は、相互拡散チャネル２５０中の流体間の増加した相互拡散を生じる。
【００３４】
相互拡散チャネル２５０の端部において、流体は、第２の変成（再配向）ターンチャネル２６０を通って別のターンを行ない、その後、検出チャネル２７０においてこれらの元の界面が狭い形状に戻る。界面が狭い形状は、ｚ軸に沿った相互拡散領域を介する視覚分析を可能にする（図４）
図４のデバイスは、米国特許出願番号０９／６８８，０５５において記載されるように積層シートを使用して作製され得る。
【００３５】
本発明のデバイスの別の実施例は、図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃにおいて示される。この実施例において、デバイスは、相互拡散チャネル３５０と流体連絡した１つ以上の入口チャネル３１０、３１１および３１２を備える。相互拡散チャネル３５０は、変成ターンチャネル３６０と流体連絡し、そしてこれと垂直である。変成ターンチャネル３６０は、検出チャネル３７０と流体連絡し、そしてこれと垂直であり、その結果、検出チャネル３７０は、相互拡散チャネル３５０と垂直であり、これに対して平面平行である。使用の際に、入口チャネル３１０、３１１および３１２は配列され、その結果、そこでのストリームは、相互拡散チャネル３５０に入る際に、シート様層流を確立する。図６はまた、検出チャネル３７０の任意の分岐壁を示す。
【００３６】
これら２つの実施形態は、長方形の転移形状を有する変成ターンチャネルを記載するが、これらの転移の形状は、三角、分枝壁を伴う三角、またはストリームが界面が狭いフローから界面が広いフローまたは界面が広いフローから界面が狭いフローへ変換するのを可能にし、従って流れるストリームを含むチャネルのアスペクト比が変換されるのを可能にする任意の他の類似の形状であり得る。
【００３７】
本発明のデバイスの重要な特徴は、相互拡散チャネルのアスペクト比（ａ／ｂ）が好ましくは、実質的に１より大きいことである。この開示において、ｂは、拡散方向でチャネルを横切る距離として定義され、ｌは、フロー方向のチャネルの長さであり、そしてａは、ｂおよびｌに垂直である。エントリーチャネルと比較した相互拡散チャネル中の２つの流体間の接触面積の増加は、このチャネルのアスペクト比の比と比例する。エントリーチャネルおよび相互拡散チャネルの両方における流体の方向は、図７に示される。図７Ａは、エントリーチャネル中の界面が狭いストリームを示す。図７Ｂは、相互拡散チャネル中の界面が広いストリームを示す。
【００３８】
従来の直線拡散チャネル（例えば、Ｔセンサー中の拡散チャネル）と比較した、本発明のフリップターンデバイスを使用する、増加した表面積および相互拡散の効果は、図８および図９にさらに示される。
【００３９】
図８Ａ、８Ｂ、および８Ｃならびに９Ａ、９Ｂ、および９Ｃは、長さに沿って異なる地点で微小チャネルの横断面で２つの流体ストリームの界面を比較することによって、直線拡散チャネルを有するＴセンサー（図８）および本発明のアスペクト比コンバータ（図９）の両方について予測される相互拡散の量（距離δによって示される）を比較する。図８のカラムの絵は、流体が、どのようにして、いずれの回転なしで直線チャネル中で挙動するかを示す。所定のフロー速度および分析物について、特定の量の相互拡散が生じ、そして拡散（図８Ｂ）および検出（図８Ｃ）を介して、流体は、並行のままである。
【００４０】
図９は、流体が、どのようにして、変成ターンおよび再配向ターン（分散および拡散の寄与を無視する）を有するデバイス中で挙動するかを示す。エントリーにおける同じ初期条件で開始して（図９Ａ）、流体界面は、相互拡散工程の前に回転する。次いで、相互拡散（距離δ）が生じる（図９Ｂ）。しかし、流体界面の表面積は、入口チャネルと比較した、相互拡散チャネルのアスペクト比における増加に等しい要因によって増加することが明らかである。最終的に、界面は、再配向ターンを通って回転し、そして流体は、検出チャネルにおいて実質的により相互拡散されている（図９Ｃ）。
【００４１】
この挙動は、再び、同じ長さの直線チャネル対アスペクト比コンバータデバイスにおける相互拡散の三次元モデル結果を示す、図１０において示される。両方の場合において、１つのストリームは、４．６×１０−６ｃｍ２／ｓの拡散係数（フルオレセインと等価である）を有する分子を含む。図１０Ａおよび図１０Ｂを着色するために使用された呈色スキームは、異なるが、同じ相互拡散プロセスが生じる。アスペクト比コンバータ（図１０Ｂ）の出力ストリームは、直線Ｔセンサー（図１０Ａ）の出力ストリームよりも十分に混合されている方にはるかに近いことが明らかである。
【００４２】
図１１において示されるような代替的なデバイス形状から同一の強化された拡散を達成することが可能である。このデバイスは、相互拡散チャネル４５０（これは、検出チャネル４７０と流体連絡している）と流体連絡した、界面が狭いストリームを含むエントリーチャネル４３０を有する。この形状において、界面表面積における同じ増加は、エントリーチャネルと比較して相反性のアスペクト比を有する相互拡散チャネルを作製することによって達成され得る。
【００４３】
本発明の単純な実施形態において、単一のインジケータまたは希釈ストリームおよび目的の粒子を含む単一のサンプルストリームが使用されるが、本発明の方法およびデバイスもまた、複数のサンプルおよび／またはインジケータもしくは希釈ストリームを使用し、そして層状の参照または較正ストリームが相互に流れる。本発明の好ましい実施形態は、液体ストリームを使用するが、この方法およびデバイスはまた、気体ストリームと共に使用するために適切である。用語「流体連絡（ｆｌｕｉｄ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｎ、ｆｌｕｉｄｉｃ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ、ｆｌｕｉｄｉｃ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）」とは、要素が、１つの要素内を流れる流体が直接的または間接的に他の要素に流れるように接続されていることを意味する。
【００４４】
本発明のデバイスはまた、他の公知の微小流体デバイス（例えば、他の分析センサ、シースフローアセンブリおよび貯蔵チャネル）と組み合わされ得る。すなわち、本発明のデバイスの入力は、別の微小流体デバイスの出力であり得るか、このデバイスの出力は、別の微小流体デバイスの入力であり得るか、または他の微小流体デバイス要素は、本発明のマイクロチャネルデバイスに組み込まれるか、もしくはこのマイクロチャネルデバイ内で一体化され得る。例えば、このデバイスの入力は、別のデバイス（この別のデバイスは、それ自体、すでに界面が広いストリームフローまたは界面が狭い層状のストリームフローである２つ上のストリームを提供する）の出力（例えば、ＴセンサまたはＨフィルタの出力）であり得るか、またはこのデバイスの出力は、フローサイトメーター測定装置と、さらに流体連絡し得る。わずか２つの例が存在する；当業者は、本発明のアスペクト比変換デバイスを当該分野で公知の他の微小流体デバイスに一体化することの利点を容易に認識する。
【００４５】
本明細書中で記載されるデバイスは、より複雑なデバイスを提供するために、直列または並列に接続され得る。
【００４６】
本発明は、複数の入口；この入口に接続されたこの入口の少なくとも１つを通る流体フローを制御するための手段；この入口と流体連絡した層状フロー相互拡散チャネル；およびこの層状フローチャネルと流体連絡した少なくとも１つの出口、を含む微小流体システムを提供する。好ましくは、このシステムはまた、この出口を通る流体フローを制御するための手段を含む。この微小流体システムは、複数（２つ以上）の出口を有し得、好ましくは、この出口に接続されたこの出口の少なくとも１つを通る流体フローを制御するための手段を有する。本発明の一実施形態において、このシステムは、２つの入口を有する。このシステムは、２つの出口、少なくとも３つの出口、または少なくとも４つの出口を有し得る。一実施形態において、このシステムは、少なくとも６個の入口および少なくとも６個の出口を有する。
【００４７】
本発明のデバイスは、層状フロー相互拡散チャネルに複数の入口ストリームを導くために、このチャネルと流体連絡した複数の入口分岐を備え得る。これらは、「枝付き燭台」様アレイで配置され得るか、または「Ｔ」の「横線」に沿って、「Ｙ」の分岐点、または「Ｈ」配置の入口棒に連続的に配置され、制限は、全てのストリームの層状フローが存在しなければならないことのみである。
【００４８】
入口は、入口チャネルまたは「分岐部」を備え、そしてまた、このデバイスに供給流体を注入するための手段を提供する他の手段（例えば、チューブ、シリンジなど）を備え得る。出口は、回収ポート、および／または出口から流体を取り出すための手段（これはこの流体のためのレセプタクルを備える）であって、毛管作用、圧力、重力および当該分野で公知の他の手段によりフローを誘導する手段、を備える。このようなレセプタクルは、分析デバイスまたは検出デバイスの一部であり得る。
【００４９】
複数の入口；この入口に連結された少なくとも１つの入口を通る流体フローを制御するための手段；この入口と流体連絡した層状フロー相互拡散チャネル；この層状フローチャネルと流体連絡した少なくとも３つの出口；およびこの出口と接続された出口の少なくとも１つを通る流体フローを制御するための手段、を含む微小流体システムもまた提供される。一実施形態において、このシステムは、少なくとも４つの出口、例えば、少なくとも６つの入口および少なくとも６つの出口）を有する。
【００５０】
各入口および出口は、入口および／または出口チャネル、流入チャネル、ならびに移動および／または再配向ターンチャネルを介してこの相互拡散チャネルに接続され得る。
【００５１】
この流入チャネルは、１つ以上の入口が流れるチャネルである。入口が、この入口の直後でシート様かまたは狭い並行したフローが生じるように配置されるデバイスは、流入チャネルを有さなくてもよい。
【００５２】
流体フローを制御するための手段は、全ての入口、全ての出口、１つの出口を除く全ての出口、１つの入口を除く全ての入口に接続され得、好ましい実施形態において、全ての出口と１つの出口を除く全ての出口、または全ての出口と１つの入口を除く全ての入口に接続される。
【００５３】
流体フローを制御するための手段は、当該分野で公知の任意の手段であり得、これには、圧力制御手段（例えば、水柱）、電気浸透力、光学的な力、重力および表面張力が挙げられる。このデバイスは、当該分野で公知の内部および／または外部ポンプ、ならびにバルブを使用して、流体フローをさらに制御し得る。内部ポンプは、マイクロマシン型微小流体メカニカルポンプ、電気浸透ポンプおよび当該分野で公知の他の「オンチップ（ｏｎ−ｃｈｉｐ）」ポンプを含み得る。外部ポンプ（例えば、シリンジポンプ）および他のメカニカルポンプもまた、使用され得る。例えば、米国特許第５，７２６，４０４号は、空気式弁、積層に基づく逆止め弁、ピンチ弁および圧力弁を記載する。このデバイスは、内部ポンプおよび外部ポンプ、ならびに流体フローを制御するためのバルブのコンピューター制御のためのエレクトロニクスまたは電子インターフェイスをさらに備え得る。
【００５４】
本発明の入力ストリームは、抽出、検出または分析されるべき粒子を含むサンプルストリーム、および抽出または希釈ストリームである入力ストリームを含み得る。これらのストリームはまた、ネガティブコントロールまたはポジティブコントロール、あるいはインジケータストリームであり得る。用語「粒子」とは、本明細書中で使用される場合、分枝、細胞、マイクロスフェア、懸濁粒子および溶解粒子、イオン、ならびに原子を含む、特定の物質をいう。これらの粒子は、有機性または無機性であり得る。
【００５５】
相互拡散チャネルまたは拡散チャネルは、大部分の分散が生じる微小流体デバイスのチャネルである。アスペクト比変換デバイスにおいて、この相互拡散チャネルは、シート様フローが存在するチャネルである。
【００５６】
用語「検出」とは、本明細書中で使用される場合、特定の物質が存在することを決定することを意味する。代表的には、検出はまた、特定の物質の濃度を決定する工程を包含する。本発明の方法および装置は、サンプルストリーム中の物質の濃度を決定するために使用され得る。検出は、代表的には、このデバイスの検出チャネル内で起こり、このデバイスはまた、検出領域を含み得る。検出は、任意の相互拡散チャネル内で起こり得るが、好ましくは、アスペクト比変換デバイス内で起こり、この検出チャネルは、この分散チャネルの後ろ、かつ再配向ターンチャネルの後にある。検出チャネル内のストリームは、狭い界面を有する。この検出領域は、マイクロチャネルの少なくとも１つの側面上の１つ以上の透明なウインドウから構成される。好ましくは、この透明なウインドウは、光源および／または検出器が、ストリーム間の拡散面積の変化を測定するマイクロチャネルと整合され得るように、配置される。好ましくは、測定は、流体界面に対して垂直に行われる。
【００５７】
本発明のシステムは、分析物粒子との接触の結果として、インジケータストリーム内の運搬されたインジケータ物質の変化を検出するための外部検出手段を含み得る。検出および分析は、当該分野で公知の任意の手段（光学的手段および視覚的手段（例えば、吸収分光法、蛍光分光法およびリン光分光法を含む、光学分光法）、および光散乱）によって；分析物に暴露された場合に、色または他の特性が変化する化学的インジケータによって；免疫学的手段によって；電気的手段（例えば、デバイスに挿入された電極）によって；ならびに電気化学的手段、放射性手段、当該分野で公知の実質的に任意の分析技術および微小分析技術（磁気共鳴技術を含む）、または分析物（例えば、イオン、分子、ポリマー、ウイルス、核酸もしくは核酸配列、抗原、微生物、細胞または他の因子）の存在を検出するための当該分野で公知の他の手段によって、行われる。さらに、データ収集は、手動または自動であり得、そしてコンピューター、またはデータを収集、グラフ化、処理および分析するための他の電気的手段を使用し得る。分析技術および微小分析技術のために使用される装置は、まとめて、「分析測定装置」と称される。好ましくは、光学手段または蛍光手段が使用され、そして抗体、核酸配列などが、蛍光マーカーに結合される。
【００５８】
透過の光学測定を可能にする本発明のデバイスの実施形態が、提供される。このような実施形態において、チャネルセルシステム、または少なくとも１つの分析物検出領域は、マイクロチャネルが形成される基板の幅を横切り得る。本明細書中で使用される場合、基板とは、本発明のマイクロチャネルが形成される材料（例えば、シリコンウェハまたは１つ以上のプラスチックシート）をいう。検出チャネル、および必要に応じて他のマイクロチャネルは、この基板プレートの幅全体を通って横切る空間の光学的に透明なプレートの間に存在する。
【００５９】
反射光を利用する光学測定は、本明細書中で、反射による測定と称され、一方、透過光を利用する光学測定は、本明細書中で、透過による検出と称される。
【００６０】
本発明のデバイスはまた、独立型用途のため、または分析機器と共に使用するための分析カートリッジに組み込まれ得る。このようなカートリッジは、例えば、米国特許出願０９／６８８，０５５（これはその全体が本明細書と矛盾しない程度まで、本明細書中で参考として援用される）に以前に記載されている。このカートリッジは、さらなるバルブおよびポンプならびに／または流体管理のためのバルブおよびポンプインターフェイスを備え得る。これは、一体型サンプル貯蔵容器および廃液貯蔵容器を有する内蔵型の使い捨てカートリッジであり得、そして流体充填の間に気体を放出するための排気口を備え得る。このカートリッジはまた、外部機器内への配置を容易にするために、このカートリッジ上に整列マークを有し得る。例えば、検出チャネルの透明部分と光源および外部機器の検出器とを整列させることは、有用であり得る。さらに、カートリッジは、このカートリッジ内に組み込まれた本発明の複数のデバイスを有し得、そして本発明のデバイスと流体連絡した他の微小流体デバイス（例えば、分析センサ（フローサイトメーター測定デバイスを含む）、シースフローアセンブリ、Ｔセンサ、Ｈリアクタ、貯蔵チャネル、流体レザバなど）をさらに有し得る。
【００６１】
本発明の微小流体デバイスおよび任意の関連のカートリッジは、当該分野で公知の任意の微小製造技術、および当該分野で公知の微小製造のための任意の材料を使用して製造され得る。このデバイスおよび／またはカートリッジの製造のための材料としては、シリコンおよび他の半導体材料、金属、ガラス、セラミックならびにポリマーが挙げられる。
【００６２】
半導体微小製造における一般的な技術としては、ＬＩＧＡ、熱可塑性マイクロパターン移動、樹脂ベースのマイクロキャスティング、キャピラリーにおけるマイクロ成形（ＭＩＭＩＣ）、湿式等方性エッチングおよび湿式非等方性エッチング、レーザー援助化学エッチング（ＬＡＣＥ）、およびリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）、微小製造の分野において公知の他の技術が上げられる。シリコン微小製造の場合において、大きなウェハは、複数の構成で、本発明の複数のデバイスを収容する。数個の標準的なウェハのサイズは、３インチ、４インチ、６インチおよび８インチである。新規の新たに現れた微小製造方法を使用して、本明細書中に示される原理を適用することは、本発明の範囲内にあり、そして特許請求の範囲の意図である。
【００６３】
好ましくは、本発明のデバイスは、プラスチックおよびポリマー、またはプラスチック積層から作製される。ポリマーおよび積層を使用するマイクロチャネルおよび他の微小流体の特徴を形成するための公知の技術としては、レーザーカッティング、レーザー切除、および材料を選択的に除去してポリマー基板内に微小構造を作製するための他のレーザー方法、色素カッティング、射出成形、ならびに熱形成が挙げられる。
【００６４】
本発明のデバイスの形成に使用されるポリマー材料は、当該分野で公知であり、そして例えば、Ｓｏａｎｅら（米国特許第６，１７６，９６２−Ｂ１）、Ｐａｒｃｅら（米国特許第５，８８５，４７０号）およびＨｏｌｌら（米国特許出願０９／６８８，０５５）（これらの全ては本明細書と矛盾しない程度まで、その全体が本明細書中で参考として援用される）で詳細に議論される。一般的な材料としては、酢酸セルロース、ポリカルボネート、メチルメタクリレートおよびポリエステルが挙げられる。好ましくは、このデバイスは、ポリエステルＭｙｌａｒＴＭから形成される。さらに、ポリマーシートの層は、当該分野で公知の任意の方法（機械圧縮、溶接、または接着剤の使用を含む）によって一緒に結合されて、積層体を形成し得る。結合方法は、米国特許第６，１７６，９６２−Ｂ１号および米国特出願０９／６８８，０５５（この両方は、本明細書と矛盾しない程度まで、その全体が本明細書中で参考として援用される）で詳細に議論される。
【００６５】
（実施例）
本発明のデバイスによって誘導される相互拡散の増加の主な用途は、以下を含む：
（高分子量拡散免疫アッセイ）
拡散免疫アッセイ（ＤＩＡ）は、サンプル中の抗原の濃度の測定を可能にする、微小流体アッセイである。代表的な配向は、図１の配向と類似している。１つの流体は、目的の抗原に対する抗体を含み、そして他の流体は、この抗原の蛍光アナログでスパイクされたサンプルである。競合アッセイは、２つの流体の相互拡散および得られる濃度プロフィールの解釈に依存する。ＤＩＡは、小さな迅速に拡散する分子である、フェニトインで実証された。しかし、いくつかの場合において、ＤＩＡスキームを、大きなゆっくりと拡散する分子に適用することに興味がもたれる。目的の１つのこのような分子は、心臓トロポニンＩ（ｃＴｎＩ）（これは、心筋梗塞のマーカーと考えられる分析物である）である。
【００６６】
直線型チャネルを使用してｃＴｎＩについてのＤＩＡから得られ得る一次元モデルを、蛍光強度曲線を推定するために使用した（図１２）。
【００６７】
このセットのシミュレーションは、０〜５０ｎＭの範囲の最も高感度のアッセイ（実行するのにわずか１０分しかかからない）を表す。多くの拡散チャネルのアスペクト比および試薬濃度を、試験した。シミュレートされたパラメーターは、以下のとおりであった（図１を参照のこと）。
【００６８】
ｄ＝２０００μｍ
ｗ＝５０μｍ
Ｌ＝５００００μｍ（５ｃｍ）
流速＝８．３ｎＬ／ｓ
［抗体］＝１５ｎＭ
［蛍光ｃＴｎＩ］＝１ｎＭ
ＤｃＴｎＩ＝２．６×１０−７ｃｍ２／ｓ
ＤＡＢ＝９．０×１０−７ｃｍ２／ｓ
Ｋｅｑ＝１×１０３ｎＭ−１
Ｋｏｎ＝１×１０−３ｎＭ／ｓ。
【００６９】
１０分のアッセイ時間の限度を、臨床的妥当性に基づく実際的な設計目的として選択した。しかし、より迅速なアッセイが好ましい。
【００７０】
このような長い時間間隔の必要性は、相互拡散領域が数百ミクロンのサイズを達成する要件によって、誘導され、その結果、様々な濃度曲線における拡散が可視化され得る。しかし、本開示において示されるデバイスは、図７Ｂに示されるように、本発明のメカニズムによって必要な相互拡散領域を達成するために必要な時間を大きく減少させるために使用され得る。これらの機構に基づいて、新たな形状によって与えられる改善点の理論的な限度は、このデバイスのアスペクト比と等しく、この比は、この場合、４０である。従って、本発明の技術の使用により、１０分のアッセイの実行時間は、１５秒ほどの短さまで減少される。
【００７１】
（低レイノルズ数の微小流体マトリクス）
微小流体における多くの用途は、サンプルと試薬との混合を必要とする。しばしば、時間および金額は、オフチップ（ｏｆｆ　ｃｈｉｐ）操作の代わりにこのようなオンチップ（ｏｎ　ｃｈｉｐ）操作を、技術者に託して実施することによって、節約され得る。チップ上で流体を混合する多数の方法がある。多くの場合において、サンプルを破壊しないように、低レイノルズ数で微小流体の混合を実施することが所望される。破壊は、意図的ではない細胞溶解、タンパク質の変性、非共有結合分子複合体の破壊、および大きな分子（例えば、ゲノムＤＮＡ）に対する損傷を含む。しかし、低レイノルド数の混合は、現在、多くの場合で長い時間間隔を必要とし得る分散混合のみに制限されている。
【００７２】
本発明の技術によって、２つのストリームの相互拡散を増大することによって、より効果的な低レイノルズ数の混合が可能となる。この概念は、どれだけ多くの相互拡散が２つの入力ストリームの間で生じたかを示すアッセイによる実施に換算された。
【００７３】
実験を、２つのデバイスを使用して行った（図１３）
従来のＴセンサからなる２つのデバイス（図１３Ａ）および本開示で示される形状のデバイス（アスペクト比変換デバイス、図１３Ｂ）。図１３Ｂは、プラスチック積層体の重なり層を示すことに注意のこと。
【００７４】
このアッセイは、ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）に暴露することにより誘導される意図的な細胞溶解を測定した。この実験において、１００ｍＭのＳＤＳおよび８０ｍＭのＮａＣｌを、左入口に導入した。８０ｍＭ　ＮａＣｌ中のＥ．ｈｅｒｂｉｃｏｌａ細胞を、右入口に導入した。流速は、８３ｎＬ／秒であった。Ｅ．ｈｅｒｂｉｃｏｌａであるこの細胞を、オフチップで添加した緑色蛍光染色によって可視化した。細胞が溶解した場合、ＤＮＡの第２の蛍光染色の強度は増加し、そして第１の蛍光団をクエンチした。従って、完全に溶解したサンプルは、緑色の蛍光を示さない。
【００７５】
両方のチャネルは、１３００μｍ（横）×１００μｍ（層厚）の断面積を有した。両方の場合、蛍光プロフィール（図１４）は、３．４ｃｍ下流であると測定された。
【００７６】
図１４から分かり得るように、アスペクト比変換デバイスで実施された実験は、より小さい蛍光により示されるように、より多くの相互拡散を生じた。アスペクト比変換デバイスにおいて、流体界面の完全な９０度の回転は観察されなかった。なぜなら、相互拡散チャネル内の蛍光シグナルが均一ではなかったからである。これはおそらく、ターンの形状の不適切な相対的サイズ決めに起因する。なぜなら、構築された寸法は、上記の三次元シミュレーションでモデル化された寸法と同じではないからである。しかし、いくつかの回転が見られ、そしてこのアッセイの結果は、線形Ｔセンサと比較してかなり改善された。
【００７７】
本明細書中で引用される全ての参考文献は、本明細書と矛盾しない程度まで、その全体が参考として援用される。
【００７８】
上記の記載は多くの特異性を含むが、これらは本発明の範囲を限定しているのではなく、単に本発明の現在の好ましい実施形態のいくつかの例示を提供しているにすぎないと解釈されるべきである。従って、本発明の範囲は、示される実施例によってではなく、添付の特許請求の範囲およびその正当な等価物によって決定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、先行技術−Ｔセンサーデバイスの概略図を示す。
【図２】
図２Ａおよび図２Ｂは、先行技術−Ｈフィルターチャネル中の狭い方向の指示色素の拡散を示す。
【図３】
図３Ａおよび図３Ｂは、先行技術−Ｈフィルターチャネル中の広い方向の指示色素の拡散を示す。
【図４】
図４は、アスペクト比コンバータの三次元モデルを示す。
【図５】
図５は、Ａ）右側の入口からデバイスに入る流体の流れの線を示すアスペクト比コンバータデバイスの三次元モデル、およびＢ）左側の入口からデバイスに入る流体の流れの線を示すアスペクト比コンバータデバイスの三次元モデルを示す。下部の線は、図５Ａおよび５Ｂにおける流体ストリームの速度の手がかりである。
【図６】
図６は、Ａ）入口が相互拡散チャネルに直接入るアスペクト比コンバータの平面図、Ｂ）断面６Ｂ−６Ｂを通る６Ａの断面、およびＣ）断面６Ｃ−６Ｃを通る６Ｂの断面を示す。
【図７】
図７は、Ａ）左側の入口および右側の入口からの流体の相対位置を示す入口チャネルの横断図、ならびにＢ）流体がデバイスの変成ターンチャネルを通過した後の左側の入口および右側の入口からの流体の相対位置を示す相互拡散チャネルの断面図を示す。
【図８】
図８は、Ａ）エントリーチャネル、Ｂ）相互拡散チャネル、およびＣ）検出チャネルの断面図であり、先行技術の直線チャネルについて予測される相互拡散の増加した量を示す。
【図９】
図９は、Ａ）エントリーチャネル、Ｂ）相互拡散チャネル、およびＣ）検出チャネルの断面図であり、Ａ）およびＢ）のアスペクト比コンバータデバイスについて予測される相互拡散の増加した量を示す。
【図１０】
図１０は、Ａ）先行技術のＴセンサーデバイスおよびＢ）本発明のアスペクト比コンバータデバイスを比較する相互拡散のモデル化した範囲を示す。
【図１１】
図１１は、図１０Ｂのアスペクトコンバータデバイスと同様の効果を達成するデバイスの代替的な形状を示す。
【図１２】
図１２は、直線チャネルを使用する拡散イムノアッセイ（ＤＩＡ）についての推定蛍光強度曲線を示す。
【図１３】
図１３は、Ａ）先行技術の直線チャネルデバイスおよびＢ）プラスチック積層を使用して作製されたアスペクト比コンバータデバイスを示す。
【図１４】
図１４は、細胞溶解アッセイの間の細胞の蛍光強度　対　拡散距離を示す。
【図１５】
図１５は、プラスチック積層から作製されたアスペクト比コンバータデバイスのいくつかの実施形態の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図１２】
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【図１４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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