(57)【要約】      （修正有）【課題】バンドの広がりを低減した微小流体分離装置を提供する。【解決手段】試料の広がりを低減する流体分離装置１０および方法を提供する。カラム２５が、保持チャンバ５３の下流に配置されており、流体供給手段が、保持チャンバから分離カラムへと延びる流体路に沿って、試料を運搬するのに有効な流体流を提供する。試料は、通常、分離カラムの上流の流体路に集束させる。本発明は、任意に、エレクトロスプレー質量分析器を設けて、また微小流体用途に使用することができる。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を保持する保持チャンバ（５３）と、
前記保持チャンバ（５３）の下流に位置する、前記試料を分離する分離カラム（２５）と、
前記保持チャンバ（５３）から前記分離カラム（２５）へと延びる流路に沿って前記試料を運搬するのに効果的な流体流を提供する手段と、
前記分離カラム（２５）の上流の前記流路で前記試料を集束させる手段と
を備える、流体分離装置（１０）。
【請求項２】
前記保持チャンバ（５３）の容積が、約２０μＬ以下である、請求項１に記載の流体分離装置（１０）。
【請求項３】
前記試料保持チャンバ（５３）の容積が、約０．０２〜約５μＬである、請求項２に記載の流体分離装置（１０）。
【請求項４】
前記保持チャンバ（５３）が、試料源または前記分離カラム（２５）と切り換え可能に流体連通可能である、請求項１に記載の流体分離装置（１０）。
【請求項５】
前記流体流を提供する手段が、約１０μＬ／分以下の容積流量を提供するように構築されている、請求項１に記載の流体分離装置（１０）。
【請求項６】
前記容積流量が、約１μＬ／分以下である、請求項５に記載の流体分離装置（１０）。
【請求項７】
前記容積流量が、約２００〜約３００ｎＬ／分である、請求項６に記載の流体分離装置（１０）。
【請求項８】
前記試料を集束させる手段が、前記保持チャンバ（５３）の試料保持性が前記分離カラム（２５）より低くなるような材料を、該保持チャンバ（５３）および／または該分離カラム（２５）に含む、請求項１に記載の流体分離装置（１０）。
【請求項９】
前記試料を集束させる手段が、前記保持チャンバ（５３）を加熱する熱源を含む、請求項１に記載の流体分離装置（１０）。
【請求項１０】
前記試料を集束させる手段が、前記保持チャンバ（５３）の下流かつ前記分離カラム（２５）の上流の前記流路内に流体を運搬する入口を備えている、請求項１に記載の流体分離装置（１０）。
【請求項１１】
基板（１２）およびカバープレート（４０）をさらに備え、前記分離カラム（２５）が、該基板（１２）と該カバープレート（４０）との間に配置されている、請求項１に記載の流体分離装置（１０）。
【請求項１２】
前記分離カラム（２５）が、前記基板（１２）および／または前記カバープレート（４０）の内部表面に位置するチャネル（１８）によって少なくとも部分的に画定される、請求項１１に記載の流体分離装置（１０）。
【請求項１３】
前記分離カラム（２５）が微小カラムである、請求項１に記載の流体分離装置（１０）。
【請求項１４】
前記分離カラム（２５）の下流にエレクトロスプレー先端部をさらに備えている、請求項１に記載の流体分離装置（１０）。
【請求項１５】
試料を試料成分に分離する方法であって、
（ａ）試料を保持チャンバ（５３）に装填し、
（ｂ）前記保持チャンバ（５３）から分離カラム（２５）へと延びる流路に沿って、前記試料を運搬するのに効果的な方法で流体流を提供し、
（ｃ）前記試料が、前記分離カラム（２５）を通って移動する前に、前記流路に前記試料を集束させ、
（ｄ）前記集束した試料を、前記分離カラム（２５）を通して移動させ、前記分離カラム（２５）によって試料成分に分離すること
を含む、試料を試料成分に分離する方法。
【請求項１６】
ステップ（ｂ）を、水および有機溶媒を含む移動相を使用して実行する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記移動相が、水および前記有機溶媒の一定比率を有する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記移動相が、水および前記有機溶媒の濃度勾配を示す、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
ステップ（ｂ）が、前記保持チャンバ（５３）から前記流路に沿って前記試料を運搬する初期移動相を利用することを含み、ステップ（ｃ）が、前記保持チャンバ（５３）の下流かつ前記分離カラム（２５）の上流の前記流路内に追加的な流体を導入することであって、この場合、前記初期移動相および前記付加的な流体が共に、前記初期移動相と組成が異なる変更された移動相を形成し、該変更された移動相が、前記分離カラム（２５）を通って前記試料を運搬することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記付加的な流体が、前記初期移動相より高い水濃度を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
対向する第１の表面および第２の表面（１４，１６）を有する基板（１２）と、
前記基板（１２）の前記第１の表面に面する表面（４２）を有するカバープレート（４０）と、
試料を保持する保持チャンバ（５３）と、
前記保持チャンバ（５３）の下流に位置し、前記第１の基板（１２）の表面および前記カバープレート（４０）の表面の部分によって部分的に画定されている、前記試料を分離する分離カラム（２５）と、
前記保持チャンバ（５３）から前記分離カラム（２５）へと延びる流路に沿って、前記試料を運搬するための流体流を提供する手段と、
前記分離カラム（２５）の上流の前記流路に前記試料を集束させる手段と
を備えている微小流体装置（１０）。
【請求項２２】
前記基板（１２）および／またはカバープレート（４０）の一体部分に相当するエレクトロスプレー先端部をさらに備えているる、請求項２１に記載の微小流体装置（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概括的には、試料がその成分に分離される前に、試料の広がりを低減することを可能にする流体分離装置および方法に関する。詳細には、本発明は、分離前に試料を集束させる手段を採用する流体分離装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体試料の分析は、試料をその成分に分離することを含むことが多い。特に、液体クロマトグラフィ（ＬＣ）分離は、通常、固定相、例えば分離カラム内の分離媒体の表面を通過させて複数成分の試料を運搬する移動相を利用することを含む。成分と固定相表面との相互作用によって、成分は、その成分が移動する速度に応じて分離される。
【０００３】
ＬＣ分離は、多くの技術のうちの任意の技術を使用して実行してもよい。逆相液体クロマトグラフィでは、例えば、水および有機溶媒の混合物を含む移動相に関連して疎水性表面を使用し、疎水性の増加に応じて試料成分を分離することができる。別の例では、組成が所定時間にわたり一定である移動相を使用して、アイソクラチックＬＣを実行してもよい。これとは対照的に、グラジエントＬＣは、分離中に変動する組成を示す移動相を利用する。
【０００４】
一般に、グラジエントＬＣは、アイソクラチックＬＣに比べて多くの利点を提供する。例えば、グラジエントＬＣは、高速かつ高分解能で広範囲の化合物を分離するのに好適である。さらに、移動相の組成は、例えば、固定相の上流部分において一定の試料構成成分が捕捉されるような濃度勾配を示すように制御可能に変えることができ、それにより、塩等の妨害化合物が洗い流されることが可能となる。したがって、グラジエントＬＣは、分離効率を低下させることなく大きな試料容積の注入を可能にするものであり、低濃度試料の分析に好適である。
【０００５】
微小流体（マイクロ流体）技術は、グラジエントＬＣを実行するのに使用されてきた。集積微小流体ＬＣ装置は、例えば、Yinらによる米国特許出願公開第２００３／００１７６０９号明細書に記載されている。このような微小流体装置は、単一の集積装置上に、複数の機能、例えば試料の注入、分離および流れ切り換え機能を組み込んだ基板およびカバープレートからラボオンチップ(lab-on-a-chip)として形成されてもよい。さらに、オンチップ勾配発生技術および流体導入技術も提案されてきた。例えば、Killeennらへの米国特許第６，７０２，２５６号明細書は、ＬＣ用途において使用することができる微小流体流を制御する摺動可能に切り換え可能な弁を用いた装置を記載している。さらに、チャネル網を使用して移動相勾配をオンチップで生成する技術が、Yinらへの米国特許第６，９５８，１１９号明細書に記載されている。微小流体技術は、一般に、容積の小さい流体の使用に関わるため、非常に稀でありかつ／または高価な流体に対しての用途において特に望ましい。
【０００６】
しかし、微小流体用途のために通常実施のＬＣをスケーリングすることは簡単なことではない。いくつかの因子が、ＬＣ分離性能に影響を及ぼす場合があり、首尾よいスケーリングの試みには、これらの因子を考慮しなくてはならない。ＬＣ分離性能に影響を及ぼし得る例示的な因子は、使用される固定相および／または移動相、分離される試料、試料が導入される方法、移動相と固定相との間の試料成分の分割(partition)、固定相に対する移動相の流量等を含む。
【０００７】
特に、試料の導入は、微小流体用途のためにＬＣの実施をスケーリングする場合に問題を呈する場合がある。従来、高圧液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）では、約２ｍｍ〜４．６ｍｍの内径を有するカラムを使用する。移動相の流量は、通常、０．２ｍＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲にある。試料容積は、通常、１μＬ〜２０μＬである。結果として、従来のＨＰＬＣ分離のために試料を装填するには、通常、数分かかるだけである。
【０００８】
これに対して、微小流体分離技術は、通常、利用される移動相流量は小さい。特に、微小流体質量分析（ＭＳ）技術、特に、エレクトロスプレーＭＳにおける最近の発展により、ナノリットル／秒オーダーのキャリア流量が可能となっている。その結果、当該技術分野において、同様の流量を可能にするＬＣ−ＭＳ技術についての関心が高まっている。例えば、微小流体ＬＣ技術では、３００ｎＬ／分以下のＬＣ流量をもたらす７５μｍ以下の内径を有するカラムを使用する場合がある。プロテオミック(proteomic、プロテオミクス)のための用途では、試料サイズは、通常、約１μＬ〜約２０μＬである。これにより、問題が生じる。つまり、約３００ｎＬ／分の流量において、２０μＬの試料をＬＣカラム内に装填するには、１時間より長くかかるであろう。
【０００９】
さらに、ＬＣ性能は、その分離能Ｎ（プレート）に直接関連し、分離能は、
【００１０】
【数１】
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【００１１】
として計算することができる。ここで、Ｔｒは、化合物の保持時間であり、σは、クロマトグラフィ分離プロセス中の試料バンドの広がり合計(total sample band broadening)を表す。試料バンドの広がり合計σは、一般に、時間と共に増加し、種々の要因のバンドの広がりへの寄与の集合を表す。例えば、バンドの広がりを、試料注入、カラム分離および検出の寄与によって表す系では、試料の広がり合計とそれらの寄与との関係は、以下のようになる。
【００１２】
σ2 ＝ σｉｎｊ２ ＋ σｃｏｌ２ ＋ σｄｅｔ２                （式２）
上式中、σｉｎｊ、σｃｏｌおよびσｄｅｔはそれぞれ、試料注入、カラム分離および検出のバンドの広がりへの寄与である。したがって、試料の広がり合計は、以下のように一般化される。
【００１３】
σ2 = Σ σi2                                              （式３）
上式中、σｉは、要因ｉについてのバンドの広がりへの寄与を表す。よって、通常、滞留時間を低減すること、ならびに１つ以上の要因のバンドの広がりへの寄与を最小にすることにより分離性能が向上し、これにより、バンドの広がり合計が低減することは明らかであろう。
【００１４】
バンドの広がりを低減させる１つの方法は、試料装填プロセスを加速することである。例えば、Yinらによる米国特許出願公開第２００３／００１７６０９号明細書に記載されているように、微小流体システムは、所定容積の流体試料を保持する大きさに作られた装填チャンバを含むことができる。摺動可能でかつ切り換え可能な流体連通を可能にする装填チャンバを構築することによって、所定容積の流体試料を、チャンバ内に装填することができ、またはチャンバから除去することができる。装填チャンバは、所定容積の流体試料の正確でかつ精密な操作の補助となる。さらに、装填チャンバは、流体試料が、分離分解能を向上させるために、連続プラグ(contiguous plug、押出流れ操作による流れ)として導入されることを確実にするために使用できる。任意に、装填チャンバは、以下で説明するように、トラッピングカラムとして使用することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、流体分離技術における試料の広がりに関連する問題を克服するための代替法および改良法を提供する機会が、特に微小流体技術の分野において存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
第１の態様では、本発明は、流体分離装置を提供する。この装置は、試料を保持する保持チャンバと、試料を分離する分離カラムと、流体流を提供する手段と、試料を集束もしくは濃縮させる（focusing）手段とを備えている。カラムは、保持チャンバの下流に位置し、流れ提供手段は、保持チャンバから分離カラム内に延びる流路に沿って試料を運搬するのに効果的な流体流を提供する。試料集束手段は、分離カラムの上流の流路に試料を集束させる。カラムの後に、紫外／可視スペクトロスコピー（分光装置）等の検出手段を用いてもよい。本発明は、任意に、エレクトロスプレー質量分析と共に用いてもよい。
【００１７】
本発明は、微小流体用に使用することができる。例えば、保持チャンバは、約２０μＬ以下の容積を有している、例えば約０．０２μＬ〜約５μＬの容積を有していてもよい。さらに、微小流体用には、約１０μＬ／分以下、例えば約１μＬ／分以下の流体流量を有していてよい。容積流量は、任意に、約２００ｎＬ／分〜約４００ｎＬ／分である。
【００１８】
本発明のいくつかの微小流体装置の実施形態では、装置は、対向する第１の表面および第２の表面を有する基板と、基板の第１の表面を向く表面を有するカバープレートとを備えていてよい。分離カラムは、基板とカバープレートとの間に位置していてよい。任意に、分離カラムが、第１の基板の表面およびカバープレートの表面の所定部分によって部分的に画定されていてよく、例えば、基板またはカバープレートの内部表面に形成されたチャネルによって画定されていてよい。さらに任意に、保持チャンバが、試料源または分離カラムと、切り換え可能な流体連通ができるようになっていてもよい。
【００１９】
試料を集束させるために、１つ以上の異なる手段を使用することができる。例えば、試料を集束させる手段は、分離カラムに比べて低い試料保持性を保持チャンバに付与する材料を保持チャンバおよび／または分離カラムに含んでいてもよい。追加的にまたは代替として、保持チャンバ内の試料を加熱するための熱源を使用することもできる。いくつかの例では、保持チャンバの下流でありかつ分離カラムの上流の流路内に流体を運搬する入口が設けられてもよい。
【００２０】
別の態様では、本発明は、試料を試料成分に分離する方法を提供する。この方法は、通常、保持チャンバ内に試料を装填することと、保持チャンバから分離カラム内に延びる流路に沿って試料を運搬するのに効果的な方法で流体流を提供することとを含む。試料は、分離カラムを通って移動する前に、流路に集束させられる。これにより、集束した試料は、分離カラムを通って移動し、分離カラムによって試料成分に分離される。
【００２１】
分離プロセスは、多くの異なる移動相のうちの任意の移動相を使用して実行することができる。通常、水および有機溶媒を含む移動相を使用する。いくつかの例では、移動相は、一定比率の水および有機溶媒を含む。別態様では、移動相は、水および有機溶媒の濃度勾配を示すものであってもよい。場合によっては、保持チャンバから流路内に試料を運搬するのに移動相を最初に使用する時、保持チャンバの下流でありかつ分離カラムの上流の流路内に付加的な流体を導入してもよく、これにより、最初の移動相および付加的な流体が共に、最初の移動相と組成が異なる変更された移動相を形成し、この変更された移動相が分離カラムを通って試料を運搬する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明を詳説する前に、本発明は、特定の分離装置または特定の型の分析器具に限定されず、したがって、それ自体変更可能であることを理解されたい。本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を述べるためのものに過ぎず、限定を意図していないことも理解されたい。
【００２３】
さらに、本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される限り、単数形「１つの」（a, an）および「その」または「前記」（the）は、文脈が明確に別途指示しない限り、単数と複数の両方の指示対象を含む。そのため、例えば、「導管」という記載は、複数の導管および単一の導管を含み、「基板」という記載は、単一の基板および基板の組み合わせ、ならびにそれに類するものを含む。
【００２４】
さらに、本発明の要素間の特定の空間的関係を示すかまたは示唆する用語は、それを使用する文脈が明確に反対のことを指示していない限り、絶対的な意味ではなく、相対的な意味で解釈される。例えば、第１の基板に対する第２の基板の空間的な向きを述べるのに使用される用語「上にわたって（を覆って、over）」および「上に（on）」は、第２の基板が第１の基板の上方に配置されることを、必ずしも示さない。そのため、第１の基板上にわたって設けられた第２の基板を含む装置において、第２の基板は、装置の向きに応じて、第１の基板の上方か、第１の基板と同じ高さか、または第１の基板の下方に配置されていてよい。同様に、基板の「上部の（upper）」表面は、基板の向きに応じて、基板のその他の部分の上方か、基板と同じ高さか、または基板の下方にあってもよい。
【００２５】
本明細書および添付の特許請求の範囲において、多くの用語が記載されているが、その用語は、それが使用される文脈について明確な別途の記載がない限り、以下の意味を有すると規定するものとする。
【００２６】
本明細書で使用される用語「流路」は、流体が進むかまたは移動するルートまたはコース（路）を指す。流路は、微小流体装置の１つ以上の流体搬送機構から形成されてもよい。
【００２７】
本明細書で使用される用語「流体搬送機構」は、流体流を誘導する中実の本体または中実部分の構成を指す。本明細書で使用されているように、この用語は、毛細管、配管、チャンバ、リザーバ、導管およびチャネルを含むが、これらは限定されない。本明細書で使用される用語「導管」は、１つ以上の壁によって形成され、流体を搬送することができる入口開口と出口開口とを有する３次元の閉囲部を指す。用語「チャネル」は、本明細書では表面内の開いた溝またはトレンチを指すために使用される。チャネルは、チャネルを覆う固体片と共に導管を形成する。
【００２８】
用語「液密」は、本明細書では、物理的に接触状態にある２つの固体表面間の界面に流体が流れ込まなくなるような、表面間の空間的な関係を述べるために使用される。
【００２９】
接頭語である「微小（微細）（micro）」は、マイクロメートル台の寸法を有するかまたはマイクロリットル台の容積を有する対象を指す。そのため、例えば、用語「微小流体装置」は、マイクロメートル（ミクロン）またはマイクロメートル（ミクロン）以下の寸法の機構を有し、任意の数のプロセス（化学的プロセスまたはその他のプロセス）において使用することができ、非常に少量の流体を含む装置を指す。こうしたプロセスは、電気泳動（例えば、キャピラリー電気泳動すなわちＣＥ）、クロマトグラフィ（例えば、μＬＣ）、（例えば、ハイブリダイゼーションまたは他の結合手段を使用した）スクリーニングおよび診断、ならびに化学合成および生化学合成（例えば、ポリメラーゼ鎖反応、すなわち「ＰＣＲ」を使用して行うことができるＤＮＡ増幅）ならびに（例えば、ペプチド消化による）分析を含むが、それらに限定されない。微小流体装置の機構は、それらの特定の使用に適合される。例えば、分離プロセス、例えばＣＥにおいて使用される微小流体装置は、直径が約１μｍ〜２００μｍ、通常は１０μｍ〜７５μｍであり、長さが約０．１〜５０ｃｍの微小チャネル（閉囲される時、すなわち、第２の基板が、微小チャネルを含む第１の基板表面上に配置されている場合には、本明細書で「微小導管」と呼ばれる）を含んでもよい。化学合成および生化学合成、例えば、ＤＮＡ増幅において使用される微小流体装置は、一般に、約１ｎＬ〜約１００μＬ、通常、約１０ｎＬ〜２０μＬの容積を有する反応ゾーン（閉囲される時、すなわち、やはり第２の基板が、微小チャネルを含む第１の基板表面上の所定の場所にある時に、本明細書で「反応チャンバ」と呼ばれる）を含むであろう。接頭語「微小（微細）」を含む他の用語、例えば「微小機構」は、同様に解釈される。
【００３０】
概括的には、本発明は、バンドの広がりを低減することによって、クロマトグラフィ性能を向上させる技術を提供する。例えば、試料プラグは、ＬＣ分離カラムの上流に位置するトラッピングカラム内に注入され、これにより、プラグはその成分に分離され得る。いくつかの例では、注入プロセスは、試料プラグの広がりに寄与する場合がある。トラッピングカラムは、試料プラグを集束させるのに役立つが、試料プラグは、トラッピングカラムとＬＣカラムとの間の空所（死容量、dead space）内でさらなるバンドの広がりを示す場合がある。本発明は、試料注入からのかつ／またはトラッピングカラムによるバンドの広がりへの寄与を低減するかまたはなくすように、ＬＣ分離カラムのヘッドにおいて、クロマトグラフィバンド、例えば、試料プラグを集束または再集束させるのに役立つものであってよい。
【００３１】
本発明は、いくつかの実施形態では、装置として提供することができる。この装置は、通常、試料を分離する分離カラムと、流体流を提供する手段と、試料を集束させる手段とを含む。カラムは、保持チャンバの下流に位置し、流れ提供手段は、保持チャンバから分離カラム内に延びる流路に沿って試料を運搬するのに効果的な流体流を提供する。試料集束手段は、分離カラムの上流の流路に試料を集束させる。任意に、本発明は、エレクトロスプレー質量分析と共に使用することができる。
【００３２】
本発明はまた、いくつかの実施形態では、方法として提供することができる。方法は、通常、保持チャンバ内に試料を装填することと、保持チャンバから分離カラム内に延びる流路に沿って試料を運搬するのに効果的な方法で流体流を提供することとを含む。ここでも、試料は、分離カラムを通って移動する前に流路に集束させられ、分離カラムによって試料成分に分離されてよい。
【００３３】
本発明は、微小流体用に使用されてもよい。通常、微小流体用では、分離カラムの上流で試料を保持する保持チャンバが設けられている。こうしたチャンバは、多くの目的に利用され得る。いくつかの例では、チャンバは、所定容積の試料を保持するのに役立つに過ぎない。例えば、微小流体用途で使用するための保持チャンバは、約２０μＬ未満の容積、例えば約０．０２μＬ〜約５μＬの容積を有してもよい。他の例では、保持チャンバは、試料を処理する、例えば、試料をトラップもしくは集束させかつ／または付加的な機能として働くように使用することができる。
【００３４】
本発明の微小流体装置は、対向する第１の表面および第２の表面を有する基板と、基板の第１の表面に面する表面を有するカバープレートとを含んでもよい。分離カラムは、基板とカバープレートとの間に位置することができる。任意に、分離カラムは、第１の基板の表面の部分とカバープレートの表面の部分とによって部分的に画定されていてよく、例えば、基板またはカバープレートの内部表面内に形成されたチャネルによって画定されていてもよい。さらに任意に、保持チャンバは、試料源または分離カラムと切り換えできるよう流体連通可能になっている。
【００３５】
図１に、本発明から利益を享受し得る、Yin他に対する米国特許出願公開第２００３／００１７６０９号明細書に記載された装置と同じ例示的な微小流体装置を示す。本明細書で参照される図（全ての図において、同じ部品を同じ番号で示す）と同様、図１は、必ずしも一定比例尺に従っておらず、寸法は、明確に提示するために誇張されている場合もある。図１Ａに示すように、装置１０はそれぞれ、対向する実質的に平坦な第１の表面および第２の表面（１４および１６で示す）を備える基板１２を含み、装置を通して搬送されることになる流体に対して実質的に不活性な材料からなっている。基板１２は、その上側表面１４に、分離微小チャネル１８の形態の流体搬送機構を有する。分離微小チャネル１８は、以下で説明する分離導管２５の一部分を表す。流体搬送機構は、レーザアブレーション技術あるいは以下で説明されるかまたは当該技術分野で知られている他の技術によって形成することができる。分離微小チャネル１８を、全体が伸張された形態で表しているが、この実施形態および他の実施形態の分離微小チャネルは、種々の構成、例えば真直ぐの、蛇紋の、螺旋のまたは任意の曲がりくねった経路を有していてよいことは容易に理解されるであろう。さらに、上述したように、分離微小チャネル１８は、様々なチャネル幾何形状、例えば半円形、矩形、菱形等で形成され、チャネルは、広範なアスペクト比で形成することができる。装置はまた、複数の分離微小チャネルを有していてよい。分離微小チャネル１８は、第１の端部に試料入口末端（インレットターミナル）２０を、対向端部に試料出口末端２２を有する。図１に示すように、試料出口末端は、基板１２の突出部に位置し、基板１２は、この突出部がなければ矩形である。さらに、任意の補給(make-up)流体微小チャネル２４が、試料入口末端２０の下流にかつ試料出口末端２２の上流に、分離微小チャネル１８と流体連通した状態で、第１の平坦な表面１４内に形成されている。試料入口末端２０には、表面１６を通って延びる円筒導管２６が配置されている。５つの付加的な円筒導管２８、３０、３２、３４、３６はまた、基板１２を貫通して延び、導管２６と共に、等辺六角形の頂点を表す。
【００３６】
装置１０は、基板１２に関して相補的に形作られたカバープレート４０も含み、対向する実質的に平坦な第１の表面および第２の表面（それぞれ４２および４４で示す）を有する。カバープレート４０の接触表面４２は、表面間の液密な接触を達成するために、基板１２の接触表面１４に密接にインターフェース（相互接続）することができる。カバープレート４０は、基板接触表面１４を覆って実質的に固定され、分離微小チャネル１８と組み合わされるカバープレート接触表面４２は、分離導管２５を画定する。同様に、カバープレート４０は、補給流体チャネル２４と組み合わせて、補給流体源（図示せず）から流体分離導管へ補給流体を運搬するための、補給流体導管２７を画定する。カバープレートの接触表面および基板の接触表面は、液密接触しているため、分離導管および補給流体導管も液密である。カバープレート４０は、以下で説明するように、基板１２を形成するのに適した任意の材料から形成することができる。さらに、カバープレート４０は、当該技術分野で知られている多くの手段のうち任意のものによって、基板接触表面１４上で位置合わせすることができる。分離導管が液密であることを確実にするために、例えば、部品を互いに付勢するために、外部手段（クリップ、引張ばねまたはそれと連結したクランプ等）を使用することによるか、内部手段（はめ込み継手等）を使用することによるかまたは化学的手段（例えば、接着剤または溶接）を使用することによって、圧力シール技術を利用してもよい。しかし、本明細書で述べる全ての実施形態と同様に、この圧力シール技術によって、接触表面が、約１００メガパスカルまでの、通常、約０．５〜約４０メガパスカルの装置内流体圧力下で、液密接触状態のままであることが可能になる。
【００３７】
図１Ａに示すように、カバープレート４０および基板１２は、別々の構成要素であってよい。そのような場合、カバープレートを基板と位置合わせするために、当業者に知られているマイクロアライメント手段を利用することができる。しかし、いくつかの例では、基板およびカバープレートは、単一の中実の可撓性部品として形成することもできる。単一部品の基板およびカバープレート構成を有する装置は、例えば、Kaltenbachらへの米国特許第５，６５８，４１３号明細書および第５，８８２，５７１号明細書に記載されている。
【００３８】
カバープレート４０は、種々の機構を含んでいてよい。図示するように、試料入口ポート４６は、表面４２と４４との間の連通を提供するために、カバープレート接触表面４２に直交する方向にカバープレートを貫通して延びる円筒導管として設けられる。試料入口ポート４６は、軸対称であるとともに直交することが好ましいが、軸対称である必要はないし、カバープレート接触表面に関して直交方向に延びる必要もない。入口ポート４６は、基板１２の導管３６と連通するように構成することができる。図示のように、入口ポート４６は、その長さに沿って実質的に一定の断面積を有する。試料入口ポート４６があることにより、導管３２を通る外部源（図示せず）からの流体通路が、以下で説明される切り換えプレート６０と連通することが可能となる。入口ポートの断面積は、導管３２の断面積および形状に相当すべきである。同様に、２つの付加的な円筒導管、すなわち、廃棄（廃液もしくはドレイン）ポート４８および移動相入口ポート５０はそれぞれ、導管３０および３６と流体連通した状態で設けられている。さらに、補給流体ポート４０も、補給流体源からの補給流体が補給流体導管２８内に導入されうるように設けられている。
【００３９】
５４および５６で示す、２つの末端を有する直線チャネル５２は、接触表面４２内に位置する。末端５４、５６は、それぞれ、導管３４、２８と流体連通する。末端５４および５６は、導管４６、４８、および５０と共に、等辺六角形の６つの頂点のうちの５つの頂点を表す。それに応じて、導管のそれぞれは、チャネル５２の中心点から同じ距離に位置する。上述のように、カバープレート４０は、基板接触表面１４を覆って実質的に固定される。これにより、基板表面１４は、チャネル５２と組み合わせられて、試料保持チャンバの役割を果たす導管５３を形成する。あるいは、直線チャネル５２は、基板表面１４上に設けられてもよい。その場合、末端５４および５６は、それぞれ、導管３４および２８に所定位置に一致する。
【００４０】
保持チャンバは、所定容積の流体試料を保持する大きさに作られる。さらに、チャンバは、通常、分離分解能を向上させるために、連続体(contiguous body)としての流体試料の円滑、正確かつ精密な装填および排出を可能にする。任意に、以下に説明するように、保持チャンバは、トラッピングカラムの役割を果たすこともできる。
【００４１】
分離導管２５は、分子重量、極性、疎水性または他の特性に応じて流体試料成分を分離するようになっている分離カラムを含んでもよく、分離カラムの役割を果たしてもよい。こうしたカラムは、例えば、多くの既知の、分離導管内に含まれてもよい液体クロマトグラフィ充填材料の任意のものを含んでもよい。こうした充填材料は、通常、約１００ｍ２／ｇ〜約５００ｍ２／ｇの表面積を示す。通常の液体クロマトグラフィ充填材料が、分離導管内にスラリー状で充填される場合、試料出口ポートまたはその近くで、微細加工されているかまたはその他の方法によって形成されているフリット構造(frit structure)が含まれてもよい。フリット構造は、流体試料および／または移動相が導管を通して運搬される時に充填材料が分離導管内から変位しないことを確実にするよう機能する。さらに、特に、試料出口ポートが、例えば米国特許出願第０９／７１１，８０４号明細書に記載されるエレクトロスプレー先端部の一部である場合、分離導管の断面積は、フリット構造から下流に向かって減少することが好ましい。
【００４２】
付加的にまたは別態様で、導管の内部表面は、選択された特性に応じて、流体試料の成分の分離を実行するために、当該技術分野で既知の技術を使用して、化学的、機械的またはその他の方法で改質されていてよい。例えば、Brennenらへの米国特許第６，９１９，１６２号明細書は、レーザアブレーションされた大表面積微小チャネルを記載し、Nelson他に対する米国特許第５，７７０，０２９号明細書は、大表面積構造を用いた集積試料濃縮(enrichment)手段を可能にする電気泳動装置を記載し、Frechetらへの米国特許第５，３３４，３１０号明細書は、その場で生成した（in-situ generated）ポリマーを内部に有する微小チャネルを記載している。そのため、導管の内部表面は、充填材料に関連するものに類似した、吸収特性および表面積等の表面特徴を示していてよい。いずれにしても、一般的な試料は、ヌクレオチドおよび／またはペプチド部分といった生体分子を含んでもよい。
【００４３】
また、切り換えプレート６０が設けられてもよい。この切り換えプレート６０は、Killeenらへの米国特許第６，７０２，２５６号明細書に記載のプレートに類似している。図１Ａに示すように、切り換えプレート６０は、実質的に平坦でかつ円形の接触表面６２およびこれに対向する接触表面６４を有する。図示するように、表面６２および６４は、ほぼ一致する。６６、６８および７０で示す３つの湾曲した流体搬送チャネルはそれぞれ、接触表面６２上に位置する。流体搬送機構は、チャネル５２の長さに等しい直径を有する円に沿って存在する。各流体搬送チャネルは２つの末端を有し、末端７２および７４は機構６６に、末端７６および７８は機構６８に、末端８０および８２は機構７０に連結している。切り換えプレート６０の操作を容易にする任意選択のハンドル８４は、チャネルの中心から外側に延びる。
【００４４】
切り換えプレート接触表面６２は、基板表面１６と、摺動可能でかつ液密な接触状態で設置することができる。これにより、流体搬送チャネル６６、６８および７０は、基板表面１６と共にそれぞれ、３つの湾曲導管６７、６９および７１を形成する。
【００４５】
切り換えプレートと基板の相対的な向きに応じて、少なくとも２つの可能な流路構成を作ることができる。図１Ｂに示すように、第１の流路構成は、試料入口ポート４６から流入する流体が、順に、導管３２、導管６７、導管３４、導管５３、導管２８、導管６９、導管３０および廃棄ポート４８を通って移動することを可能にする。第１の流路構成はまた、移動相入口ポート５０から流入する流体が、順に、導管３６、導管７１、導管２６、および導管２５を通って移動することを可能にする。切り換えプレート６０をその中心の周りに６０°回転させることによって、図１Ｃに示すように、第２の流路構成が得られる。第２の流路構成は、試料入口ポート４６から流入する流体が、順に、導管３２、導管６７、導管３０および廃棄ポート４８を通って移動することを可能にする。さらに、第２の流路構成は、導管５０から流入する流体が、順に、導管３６、導管７０、導管３４、導管５３、導管２８、導管６９、導管２６および分離導管２５を通って移動することを可能にする。
【００４６】
使用時、装置は、簡易キャピラリ液体クロマトグラフィ装置に類似の方法で動作する。まず、装置の切り換えプレート６０を、前述の第１の流路構成を生じるように構成する。ポンプの形態の流体流提供手段は、移動相入口ポート５０、導管３６、導管７１、導管２６および導管２５を通して移動相を送るための高圧勾配を生成する。装置の内圧および移動相の流量を制御するために、一体になっているかまたはその他の方式のスプリッタを、移動相の一部分を導管５０に流入させる前に迂回させるのに利用することができる。さらに、流体試料が、試料源から試料入口ポート４６内に注入される。これにより、流体試料は、試料入口ポート４６、導管３２、導管６７、導管３４、導管５３、導管２８、導管６９、導管３０および廃棄ポート４８を通って流れる流体の連続体を形成する。導管６６から流出する試料は、回収され、再利用されてもよい。その後、効果的に、導管５３には試料が装填される。
【００４７】
前述の第２の流路構成を形成することによって、導管５３は、今度は導管５０を通って装置に入る移動相の流路に配置される。すなわち、移動相は今度は、順に、導管５０、導管３６、導管７０、導管３４、導管５３、導管２８、導管６９、導管２６および分離導管２５に進む流路を通って圧送される。そのため、導管５３内に残る流体試料も、分離導管２５を通って押し出される。次に、切り換えアセンブリの基板を回転させることによって、導管５３によって画定される所定容積の流体試料が、試料源から装置１０の分離導管２５内に制御可能に導入されることが明らかであろう。試料プラグは、次に、成分特性に応じて試料成分に分離され、試料出口ポートから出る。出口は、試料バイアル、プレートまたは毛管等の回収器とインターフェース（相互接続）されていてよい。回収器は、貯蔵装置の役割を果たしてもよく、回収されたフラクション（画分）を使用しかつ／または分析する別の装置に対する媒介物であってもよい。あるいは、分析装置は、回収されたフラクション分析のために出口ポートと直接インターフェースしてもよい。
【００４８】
いずれにしても、移動相は、所望の試料分離性能に応じて選択することができる。通常、移動相は、水および有機溶媒を含む。有機溶媒が、試料に応じて選択されてもよいことは、当業者により理解されるであろう。有機溶媒は、水に対して相溶性があり、アルコール、ケトン、ニトリルおよび芳香剤等を含んでいてよい。いくつかの例では、例えば、アイソクラチックＬＣ用途の場合、移動相は、水および有機溶媒の一定比率を有してもよい。他の例では、例えば、グラジエントＬＣ用途の場合、移動相は、水および有機溶媒の濃度勾配を示してもよい。
【００４９】
試料バンドの広がりは、多くの理由で起こり得る。例えば、バンドの広がりは、保持チャンバの構築の結果として起こり得る。試料保持チャンバによるバンドの広がりへの寄与は、試料分析物が、分離カラムに装填される前にその中に存在する移動相容積に直接関連する。よって、大きな試料保持チャンバは、小さなチャンバに比べてより大きくバンドの広がりに寄与することになる。さらに、保持チャンバの内容物は分離カラム内に直接に移されない場合がある。例えば、図１Ｃに示すように、導管５３内の任意の流体試料は、分離カラム２５に達する前に導管２８、６９および２６を通って移動しなければならない。つまり、導管２８、６９および２６は、バンドの広がりを起し得る死容積（dead volume）を事実上含む。保持チャンバが、試料分析物を集束させるのに役立つトラッピングカラムとして使用される時、導管２８、６９および２６の死容積は、トラッピングカラム自体の何らかのバンドの広がりへの寄与に加えて、試料を集束させないよう働き得る。
【００５０】
よって、先に説明したように、試料は、分離カラムの上流で、集束させられてもよいし、再集束させられてもよい。一般に、試料が分離カラム内に導入される直前に、試料集束または再集束を行うことが望ましい。例えば、分離カラムのヘッドにおいてまたはヘッドの近くで集束を行うことが、通常望ましい。さらに、試料集束を行うことができる方法は数多く存在する。例えば、保持チャンバがトラッピングカラムとして使用される時、トラッピングカラムが、分離カラムより大きくなっていてよい。これにより、保持チャンバは、分離カラムより大幅にバンドの広がりに寄与し得る。
【００５１】
バンドの広がりへの寄与の差に対処するために、その相対的なサイズに関わらず、保持チャンバが、分離カラムに比べて試料保持性が低いようなシステムを設計し、構築することができる。例えば、保持チャンバが、分離カラムに比べて試料保持性が低くなるようにするために、所定の材料を保持チャンバ内に設けるかまたは保持チャンバから省略することができる。付加的にまたは別態様では、分離チャンバの試料保持性がトラッピングカラムに比べて高くなるように、分離カラム内の表面が改質されてもよい。
【００５２】
こうした手法の有効性は、実験的に立証されている。ウシ血清アルブミントリプシン消化物を含む試料について、３つの実験分析が実行された。５つの選択されたイオンについての抽出されたイオンクロマトグラムを合成し（合わせ）、その後、他の分析から同様のプロットに重ねる。実験分析は、各分析が、保持チャンバおよびそれに続く下流の分離カラムを通して試料を運搬するための水および有機溶媒がグラジエントを示す移動相を利用している点で類似であった。しかし、保持チャンバおよび分離カラムにおいてそれぞれ、異なるトラッピング材料および分離媒体を使用した。第１の分析においては、１８個の炭素（Ｃ１８）を含むポリマートラッピング材料を、３．５μｍのＣ１８ＬＣ分離媒体と組み合わせて使用した。第２の分析においては、Ｃ３トラッピング材料を、３．５μｍのＣ１８ＬＣ分離媒体と組み合わせて使用した。第３分析においては、Ｃ３トラッピング材料を、２．１μｍのＣ１８ＬＣ分離媒体と組み合わせて使用した。
【００５３】
図２に、実験分析の結果を示す。各成分は、異なる実験分析について、実質的に同じ滞留時間を示したが、成分は、異なるバンドの広がり挙動を示した。この種のデータを調べることによって、当業者は、保持チャンバが、ＬＣカラムに比べて試料保持性が低くなるように、分離システムを最適化することができるであろう。グラジエント溶離中、試料成分は、分離カラムにある場合より低い有機溶媒含有量で保持チャンバから溶離されてよい。したがって、トラッピング材料および分離媒体を適切に選択することによって、任意の特定の試料成分のＬＣバンドを、ＬＣ分離カラムのヘッドで集束または再集束させることができる。
【００５４】
ＬＣカラムのヘッドで試料分析物バンドを再集束させる手段は他にも存在する。いくつかの例では、トラッピングカラムを、分離カラムと異なる温度で別々に試料成分と相互作用させてよい。したがって、有利には、バンドの広がりを減少させるために、保持チャンバ内で試料を加熱するための熱源を使用することができる。例えば、水および有機溶媒の混合物を含む移動相を採用するシステムでは、トラッピングカラムおよびＬＣカラムを、同じ材料で充填することができる。トラッピングカラムを高温に加熱すると、試料成分は、分離カラムにより低い有機溶媒濃度でトラッピングカラムから溶離し得る。これにより、試料バンドの広がりが低減され得る。トラッピングカラムの温度を上げるために多くの加熱手段のうちの任意のものを使用できることは、当業者により理解されるであろう。
【００５５】
さらに、移動相の組成は、分析物バンドを再集束させるよう機能しうる。特に、水および有機溶媒の混合物から成る移動相を採用するグラジエントＬＣ用途では、移動相の組成の変化は、分析物保持に劇的な影響を及ぼすことができる。特に、試料に関して流路内の対象物の相対的な保持特性が変わる場合がある。これにより、流路の選択された場所において移動相の組成を制御しながら変更することを、試料を集束または再集束させる手段として利用することができる。
【００５６】
例えば、試料がトラッピングカラムによって処理された後に、付加的な流体を移動相にトラッピングカラムの下流で加え、これにより、試料を運搬する移動相の組成を変えることができる。これは、例えば、付加的な流体源と流体連通する入口を備えることによって行われてもよい。トラッピングカラムの下流で水を流路に加えると、溶媒に対する水の比を増加させることができる。特定の例では、このように移動相の組成を変化させることによって、試料成分に対する流路の異なる部分と関連する時間遅延が、効果的にリセットされるかまたはリワインドされる。例えば、トラッピングカラムを通して、有機溶媒および水の混合物を含む移動相によって運搬される試料は、試料がＬＣカラムに達する前の３８．１秒の時間遅延に関連付けられていることがある。トラッピングカラムの下流の流路で移動相に水を加えることによって、遅延時間は、３０秒に減少し得る。これにより、試料は、ＬＣカラムで再集束されてもよい。
【００５７】
移動相の組成の制御された変更は、流路の選択された場所で、他の方法でも実行することができる。例えば、水および第１の有機溶媒を含む最初の移動相を、保持チャンバから試料を運搬するのに使用する場合、第１の溶媒と異なる第２の有機溶媒をチャンバの下流で加えてもよい。同様に、水および有機溶媒の混合物を含む最初の移動相を、保持チャンバから試料を運搬するのに使用する場合、異なる比で水および有機溶媒を含む混合物をチャンバの下流で加えてもよい。いくつかの例では、流路から試料成分を抽出することなく、移動相または移動相の成分を選択的に抽出することが可能となり得る。さらに、相変化を誘導する、例えば、ガスに核生成を起こさせるまたは１つ以上の試料成分から固体を析出させるのに効果的な方法で移動相を変化させる流体を導入することが有用となり得る。
【００５８】
つまり、バンドの広がりを低減することができる少なくとも３つの技術、すなわち「自由度」が存在する。１つの技術は、保持チャンバの試料保持性が分離カラムより低くなるように選択された材料で、保持チャンバおよび分離カラムを構築することを含む。別の技術は、流路に沿って、保持チャンバまたは他の流体搬送機構の温度を選択的に変えること、例えば、加熱することを含む。さらに別の技術は、流路の異なる場所で、移動相の組成を選択的に変更することを含む。これらの各技術およびこれらの技術の別の態様は、これら自体または互いに組み合わせて使用することができる。
【００５９】
いずれにしても、分析器は、入口ポートを含む本発明の装置の流路の任意の部分と連結していてよい。分析器は、例えば、質量分析計であってよく、その場合、出口ポートは、イオン化チャンバ内に位置しているかまたはイオン化チャンバに流体試料を送るようになっていてよい。２０００年１１月１３日付け出願の米国特許出願第０９／７１１，８０４号明細書（「A Microdevice Having an Integrated Protruding Electrospray Emitter and a Method for Producing the Microdevice」）、発明者Brennen、YinおよびKilleenを参照されたい。さらに、質量分析技術は、当該技術分野で既知であって、例えば、レーザ脱離技術およびイオン化技術を含んでよく、装置と関連したそれらの使用は、米国特許第５，７０５，８１３号明細書および第５，７１６，８２５号明細書に記載されている。代替の態様または別態様では、分析器が、所定波長の電磁放射を生成するように構成された電磁放射源であって、放射と試料との間の相互作用が測定されるようになっていてもよい。流体試料および／または使用される任意の分子ラベル（標識）の固有の特性に応じて、放射は、紫外放射、可視放射または赤外放射であってよい。
【００６０】
本発明は、任意の特定の試料サイズを含む分離用に限定されるものではないが、微小流体分離技術にとって特に有益であることが明らかである。バンドの広がりの問題は、微小流体用途において特に顕著である。さらに、本発明は、低流量を利用する用途に特に適し、それというのは、このような低い分析物流量で大容積の試料注入を行うには、トラッピングカラムが必要になることが多いからである。例えば、本発明は、約１０μＬ／分未満の容積流量を利用する用途の使用に成功している。同様に、本発明は、約１μＬ／分未満の容積流量を利用する用途の使用にも成功している。約２００〜約４００μＬ／分未満の容積流量を利用する用途は、本発明から特に利益を受けることができる。
【００６１】
上述の本発明の微小流体装置の基板を形成するのに使用される材料は、微小流体装置の適切な機能にとって望ましい物理的および化学的特徴に関連して選択される。基板は、ミクロンまたはサブミクロンの寸法である、高精細度（もしくは高「分解能」）機構、すなわち、微小チャネル、チャンバ等の形成を可能にする材料から作製されていてよい。すなわち、材料は、所望の小型表面機構（造作もしくはフィーチャ）を有するように微細加工が可能でなければならない。
【００６２】
基板は、基板の表面内に、表面上にかつ／または、表面を貫通して機構を形成するように、微細加工されることが可能であることが好ましい。これは、材料除去技術、例えば、ドライエッチング、ウェットエッチング、レーザエッチング、レーザアブレーション等を使用して行うことができる。しかし、どの材料除去技術も、制御されない材料除去を避けるために、慎重に採用されるべきである。例えば、エッチングプロセスに伴う場合がある制御不良のアンダーカットを避けるために、エッチング組成物および／またはエッチングパラメータの慎重な選択が必要であろう。
【００６３】
他の技術によって、微細構造を基板の表面上に形成することもできる。例えば、機構を、基板の表面上に成型しかつ／またはエンボス加工してもよい。さらに、アディティブ技術を使用することもできる。材料を基板に追加すること、例えば、光画像形成可能なポリイミドを使用してガラス基板の表面上にポリマーチャネルを形成することによって、微細構造を形成することもできる。また、使用される全ての装置材料は、流体試料を導入するために使用する時に接触する任意の物質に関して（例えば、ｐＨ、電界等に関して）、化学的に不活性でかつ物理的に安定であることが望ましい。
【００６４】
本装置を形成するために適した材料は、ポリマー材料、セラミックス（酸化アルミニウムおよびこれに類するものを含む）、ガラス、金属、複合材およびその積層体を含むが、これらに限定されない。一般に、用語「金属」、「セラミック」、「半導体」および「ポリマー」は、それらの通常の意味で本明細書で使用されている。例えば、用語「金属」は、一般に、通常、光沢のある表面を有し、一般に、熱および電気の良導体であり、薄いシートまたはワイヤに形成することができる陽性元素の類の任意のものを表す。同様に、用語「半導体」は、絶縁体より高いが、良導体より低い導電率を有する種々の固体結晶物質の任意のものを示すのに用いる。例示的な半導体は、ＳｉおよびＧｅ等の元素固体ならびにＧａＡｓ等の化合物半導体を含む。用語「セラミックス」は、無機化合物、例えばアルミニウム、ジルコニウム、シリコン酸化物、チッ化物および炭化物等の単一金属酸化物または混合金属酸化物を高温で加熱することによって通常作られる、剛性があり、もろく、耐熱性があり、耐食性がある誘電体材料を示すのに用いられる。セラミック材料は、単結晶、多結晶またはガラスの場合のようにアモルファスであってよい。
【００６５】
ポリマー材料は、本明細書では特に好ましく、通常、ホモポリマーまたはコポリマー、自然発生かまたは合成、架橋結合であるかまたは非架橋結合である有機ポリマーである。対象となる特定のポリマーは、限定されることなく、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリアミド、ポリエーテル、ポリウレタン、ポリフルオロカーボン、ポリスチレン、ポリスルフォン、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）（ＡＢＳ）、アクリレートおよびアクリル酸ポリマー、例えば、ポリメチルメタクリレート、ならびに他の置換ポリオレフィンおよび非置換ポリオレフィン、さらにはそれらのコポリマーを含む。いくつかの例では、ハロゲン化ポリマーを使用してもよい。例示的な市販のフッ素化ポリマーおよび／または塩素化ポリマーは、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニリデン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレンおよびそれらのコポリマーを含む。
【００６６】
微小流体装置が、生物学的流体を搬送するのに用いられる場合、一般に、基板の少なくとも１つは、耐生物付着性(biofouling-resistant)ポリマーを含む。ポリイミドは、特に重要であり、多くの環境において、非常に望ましい基板材料であることが分かっている。ポリイミドは、例えば、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）（DuPont、デラウェア州ウィルミントン(Wilmington, Del)）およびＵｐｉｌｅｘ（登録商標）（Ube Industries, Ltd.、日本）との商品名で市販されている。ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）もまた、所望の耐生物付着特性を示す。
【００６７】
本発明の装置は、「複合材」、すなわち異なる材料からなる組成物から作製されていてもよい。複合材は、ブロック複合材、例えば、Ａ−Ｂ−Ａブロック複合材、Ａ−Ｂ−Ｃブロック複合材等であってよい。あるいは、複合材は、材料が個々の相により区別可能である、材料のヘテロコンビネーション（heterogeneous combination)またはホモコンビネーション（異なる材料が均一に混合されている、homogeneous combination)であってもよい。本明細書で使用される場合、用語「複合材」は、「積層体」複合材を含むように用いられている。「積層体」は、同じかまたは異なる材料のいくつかの異なる結合層から形成された複合材料を指す。他の好ましい複合基板は、ポリマー積層体、ポリマー−金属積層体、例えば、銅でコーティングしたポリマー、セラミックス−イン−金属(ceramic-in-metal)またはポリマー−イン−金属(polymer-in-metal)複合材を含む。１つの好ましい複合材料は、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）等のポリイミドの第１の層を、同じくDuPont（デラウェア州ウィルミントン）から入手できるＫＪ（登録商標）として知られる熱接着形態のポリイミドの薄い第２の層とともに共押出し成形することによって形成されるポリイミド積層体である。
【００６８】
微小流体装置の形態の本発明の実施形態は、微細成形および鋳造技術、エンボス加工技術、表面微細機械加工（表面マイクロマシンニング）およびバルク微細機械加工（バルクマイクロマシンニング）を含むが、それらに限定されない任意の有用な方法を使用して作製することができる。バルクマイクロマシンニングは、通常、ウェット化学エッチングまたは反応性イオンエッチング（「ＲＩＥ」）を使用した、バルク材料への直接的なエッチングによる微細構造の形成を含む。表面マイクロマシンニングは、基板の表面上に堆積した膜からの作製を含む。
【００６９】
本発明による微小流体装置を作製するための好ましい技術は、レーザアブレーションである。レーザアブレーションでは、強力な紫外光の短パルスが、材料の薄い表面層に吸収される。レーザアブレーション技術を用いる場合、レーザは、除去される材料に応じて選択されなければならない。例えば、ガラスを気化するのに必要とされるエネルギーは、通常、有機材料の場合に必要とされるエネルギーの５〜１０倍である。レーザアブレーションは、通常、Ｆ２型、ＡｒＦ型、ＫｒＣｌ型、ＫｒＦ型またはＸｅＣｌ型の、あるいは固体Ｎｄ−ＹＡＧ型またはＴｉ：サファイア型のエキシマレーザ等の高エネルギーフォトンレーザの使用を含む。しかし、実質的に同じ光学波長およびエネルギー密度を有する他の紫外光源も使用することができる。レーザアブレーション技術は、例えば、Znotinsら著(1987)「Laser Focus Electro Optics」、54〜70頁によって、また、Schantzらに対する米国特許第５，２９１，２２６号明細書および第５，３０５，０１５号明細書に記載されている。特定の材料に対する好ましいパルスエネルギーは、約１００ミリジュール／平方センチメートルより大きく、パルス継続時間は、約１マイクロ秒より短い。このような条件下では、強力な紫外光が、基板表面の化学結合を光解離させる。吸収された紫外エネルギーは小さな容積の材料に集中するため、解離した断片を急速に加熱し、断片を基板表面から押し出す。これらのプロセスは急速に起こるため、熱が周辺材料に伝播する時間は存在しない。これにより、周辺領域は、溶解したり損傷を受けたりしない。
【００７０】
使用される作製技術は、機構の精密なアライメント、つまり「微小アライメント」が可能であるように、十分に高い精細度の機構、すなわち、微小スケール部品、チャネル、チャンバ等を実現しなければならない。すなわち、レーザアブレーションにより形成された機構は、精密にかつ正確に位置合わせされ、この位置合わせは、例えば、相補的な微小チャネルの互いのアライメント、突出部と嵌合する窪みとのアライメント、溝と嵌合する隆起部とのアライメント等を含む。
【００７１】
本発明の装置の基板を互いに固定するために、液密圧力シーリング技術を利用することができる。いくつかの態様には、部品を互いに付勢するのに（クリップ、引張ばねまたはこれらに関連するクランプ装置等の）外部手段を使用してもよい。有利には、はめ込み継手等の内部手段または溶接等の化学的手段も使用することができる。同様に、基板間にシールが設けられてもよい。シールを形成するのには、多くの材料のうちの任意のものを使用することができる。例えば、液体またはゲルとしての硬化可能物質（curable mass）の形態等の接着剤を基板間に塗布し、硬化条件に曝すことができ、これにより、基板間に接着性ポリマー層が形成される。付加的な接着剤、例えば、感圧接着剤または溶媒含有接着溶液も使用することができる。
【００７２】
本発明の様々な態様は、本明細書に含まれる開示を考慮すれば、当業者に明らかであろう。例えば、本発明の装置は、装置の意図される使用に応じて特定の機能を含むかまたは排除するように構築することができる。装置が、生体流体での利用を意図されていないとき、装置は、耐生物付着性材料を必要としなくてよい。さらに、本発明は、スケール不変（寸法によって影響を受けない）であり、微小流体またはその他の、ほとんどいずれのサイズの装置にも組み込まれてもよい。さらに、図１に示す基板およびカバープレートはそれぞれ、形状が全体に矩形である主本体部から延びる突出部を有するが、他の幾何形状を有する基板およびカバープレートもまた使用されてもよい。例えば、図３は、ＨＰＬＣ用途に適する別の微小流体装置についての構成を示す。いずれにしても、本発明は、基板上の微小チャネルを含む微小流体用途に限定されない。例えば、毛管、配管および他の流体搬送技術を使用することができる。本発明のさらなる別の形態は、本発明の精神から逸脱しなければ、日常の実験によって発見されてもよい。
【００７３】
本発明は、好ましい特定の実施形態に関連して説明したが、上記説明は、例示にすぎず、本発明の範囲を何ら限定するものでないことを理解されたい。先に述べた発明から逸脱しなければ、多くの代替形態および均等形態が存在する。例えば、本発明の任意の特定の実施形態、例えば、本明細書の任意の図面に示される実施形態は、他の実施形態の機構を包含または排除するように変更することができる。本発明の範囲内での他の態様、利点および変更は、当業者には明らかであろう。
【００７４】
本明細書中で言及する全ての特許および特許出願は、先に述べた説明と矛盾しない限りにおいて、参照によりその全体が本明細書に援用される。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１Ａ】図１Ｂおよび図１Ｃとともに図１を成す、本発明を組み込むことができる例示的な微小流体装置の分解図である。
【図１Ｂ】図１Ａおよび図１Ｃとともに図１を成す、本発明を組み込むことができる例示的な微小流体装置の第１の流路構成の概略図である。
【図１Ｃ】図１Ａおよび図１Ｂとともに図１を成す、本発明を組み込むことができる例示的な微小流体装置の第２の流路構成の概略図である。
【図２】トラッピングカラムおよび分離カラムの相対的な保持レートを制御することによって、試料バンドの広がりを小さくすることができる方法を示す実験分析の結果を示す図である。
【図３】本発明を組み込むことができる別の例示的な微小流体装置を示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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