(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と第２の電極とを備えたボディ構造と、
該ボディ構造に配置される複数の集積されたミクロ規模のチャネルと、を含み、
該複数の集積されたミクロ規模のチャネルが、
少なくとも前記第２の電極と電気的に通じる少なくとも第１の横断チャネルと、
該横断チャネルの第１の側面に配置される少なくとも第１および第２の側部チャネルと、を含み、該第１および第２の側部チャネルの各々が、第１および第２の端部を有し、該第１の端部が、該横断チャネルと交差し、該第２の端部が、第１の放物線状チャネルを介して少なくとも前記第１の電極と電気的に通じ、
該第１の側部チャネルを介する該第１の電極と該第２の電極との間の電流路が、該第２の側部チャネルを介する該第１の電極と該第２の電極との間の抵抗に実質的に等しい抵抗を提供する、ミクロ流体装置。
【請求項２】
前記横断チャネルの第２の側面に配置される少なくとも第３および第４の側部チャネルをさらに含み、該第３および第４の側部チャネルの各々が、第１および第２の端部を有し、
前記第１の横断チャネルが、該第３および第４の側部チャネルを介して前記第２の電極と電気的に通じ、該第３および第４の側部チャネルの該第１の端部が、該第１の横断チャネルと交差し、該第３および第４の側部チャネルの該第２の端部が、該第２の電極と電気的に通じる、請求項１に記載のミクロ流体装置。
【請求項３】
前記第１の放物線状チャネルおよび該第１の側部チャネルを介する該第１の電極と前記横断チャネルとの間の電気抵抗が、該第１の放物線状チャネルおよび該第２の側部チャネルを介する該第１の電極と該横断チャネルとの間の電気抵抗に実質的に等しい、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の放物線状チャネルが、該放物線状チャネルが前記第１の電極から延びて離れるに従ってテーパ状になる幅を有する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の放物線状チャネルが、その長さに沿って実質的に抵抗を提供しないのに十分な幅を有する、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
第３の電極をさらに含み、前記第１の電極および該第３の電極が、前記第１の放物線状チャネルの異なる端部と電気的に通じる、請求項３に記載の装置。
【請求項７】
前記第１および第２の側部チャネルが、該第１の放物線状チャネルに沿った点で該第１の放物線状チャネルと交差し、それにより、該第１の放物線状チャネルおよび該第１の側部チャネルを介する前記第１の電極と前記横断チャネルとの間の電流路が、該第１の放物線状チャネルおよび該第２の側部チャネルを介する前記第３の電極と該横断チャネルとの間の電流路に実質的に等しい抵抗を含む、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の放物線状チャネルおよび前記第１の側部チャネルを介する前記第１の電極と前記横断チャネルとの間の前記電流路が、該第１の放物線状チャネルおよび前記第２の側部チャネルを介する前記第３の電極と該横断チャネルとの間の前記電流路と実質的に同じチャネル長を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記少なくとも第３および第４の側部チャネルが、第２の放物線状チャネルを介して前記第２の電極と電気的に通じ、該第２の放物線状チャネルおよび該第３の側部チャネルを介する該第２の電極と前記横断チャネルとの間の電気抵抗が、該第２の放物線状チャネルおよび該第４の側部チャネルを介する該第２の電極と該横断チャネルとの間の電気抵抗に実質的に等しい、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第２の放物線状チャネルが、該放物線状チャネルが前記第２の電極から延びて離れるに従ってテーパ状になる幅を有する、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記第２の放物線状チャネルが、その長さに沿って実質的に抵抗を提供しないのに十分な幅を有する、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
第４の電極をさらに含み、前記第２の電極および該第４の電極が、前記第１２の放物線状チャネルの異なる端部と電気的に通じる、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記第３および第４の側部チャネルが、該第２の放物線状チャネルに沿った点で該第２の放物線状チャネルと交差し、それにより、該第２の放物線状チャネルおよび該第３の側部チャネルを介する前記第２の電極と前記横断チャネルとの間のチャネル長が、該第２の放物線状チャネルおよび該第４の側部チャネルを介する前記第４の電極と該横断チャネルとの間のチャネル長に実質的に等しい、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
第５および第６の電極をさらに含み、該第５および第６の電極が、前記第１の横断チャネルの異なる端部と電気的に通じる、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１および第２の側部チャネルが、その第１の端部に浅い領域を含み、該浅い領域が、前記横断チャネルの深さの５０％未満の深さを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１および第２の側部チャネルが、その第１の端部に浅い領域を含み、該浅い領域が、前記横断チャネルの深さの２０％未満の深さを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１および第２の側部チャネルが、その第１の端部に浅い領域を含み、該浅い領域が、前記横断チャネルの深さの１０％未満の深さを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
基板を含み、該基板が、該基板に配置される相互接続されたミクロ規模のチャネル網を有し、該チャネル網が、
第１の真っ直ぐな横断チャネルと、
少なくとも第１および第２の側部チャネルと、を含み、該第１および第２の側部チャネルの各々が、第１および第２の端部を有し、該第１および第２の側部チャネルが、該第１および第２の側部チャネルの該第１の端部で該第１の横断チャネルと交差し、該チャネル網が、
第１および第２の端部を有する少なくとも第３の側部チャネルであって、該第３の側部チャネルの該第１の端部で該第１の横断チャネルに交差する少なくとも第３のチャネルと、
該第１および第２の側部チャネルの該第２の端部と電気的に通じる第１の電圧源と、
該第３の側部チャネルの該第２の端部と電気的に通じる第２の電圧源と、をさらに含み、
該第３のチャネルを介する該第１の電圧源と該第２の電圧源との間の電流路の、該第１の側部チャネルを介する電気抵抗が、該第２の側部チャネルを介する電気抵抗と実質的に同じである、ミクロ流体装置。
【請求項１９】
ミクロ流体装置に導入された第１の材料を、複数の別個のパラレルなチャネルに輸送する方法であって、
ミクロ流体装置を提供する工程を包含し、該ミクロ流体装置が、
基板であって、該基板に配置される相互接続されたミクロ規模のチャネル網を有し、該チャネル網が、
第１の真っ直ぐな横断チャネルと、
少なくとも第１および第２の側部チャネルと、を含み、該第１および第２の側部チャネルの各々が、第１および第２の端部を有し、該第１および第２の側部チャネルが、該第１および第２の側部チャネルの該第１の端部で該第１の横断チャネルと交差し、該チャネル網が、
第１および第２の端部を有する少なくとも第３の側部チャネルであって、該第３のチャネルの該第１の端部で該第１の横断チャネルに交差する少なくとも第３の側部チャネルと、
該第１および第２の側部チャネルの該第２の端部と電気的に通じる第１の電圧源と、
該第３の側部チャネルの該第２の端部と電気的に通じる第２の電圧源と、をさらに含み、
該第３のチャネルを介する該第１の電圧源と該第２の電圧源との間の電流路の、該第１の側部チャネルを介する電気抵抗が、該第２の側部チャネルを介する電気抵抗と実質的に同じであり、該方法が、
該第１の材料を、該第１の横断チャネルに導入する工程と、
該第１の電圧源と該第２の電圧源との間に電流を付与して、該第１の材料の少なくとも一部分を、該第１および第２のチャネルの各々に動電学的に輸送する工程と、をさらに包含する、方法。
【請求項２０】
前記導入工程において、前記第１および第２の電圧源の各々から前記第１の横断チャネルに別個の電流が付与され、前記第１、第２および第３の側部チャネルの各々から該第１の横断チャネルへの電流の制限流（pinching flow）を提供する、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
関連出願へのクロスリファレンス
本願は、1996年11月19日出願の米国仮出願第60/031,406号の優先権を主張する。本明細書において、上記出願全体を、あらゆる目的のために参考として援用する。
発明の背景
エレクトロニクス産業では、製造業者および開発業者は、小型化により、製品の性能、速度および能力、ならびに、それらから得られる利益を増加することを求めてきた。同様に、製薬産業、バイオテクノロジー産業、および関連産業は、これらの産業において行われる動作およびプロセスの小型化および自動化により、同様の利益を求めてきた。従って、ますます多くの動作をますます小さい空間で行なうことが、これらの産業における主要な関心となっている。従って、空間は、おそらく最後の未開拓分野ではないが、かなりの開拓を必要とする分野のままである。
この小型化を達成するために、バイオテクノロジー産業および製薬産業は、近年、フォトリソグラフィ、ウェット化学エッチング、レーザアブレーションなどの、エレクトロニクス産業において化学的および生物学的応用で使用される流体装置のミクロ製造に効果的であることが証明された同じ技術のうちの幾つかを適用している。例えば、1979年のような初期では、研究者は、シリコンウエハ上での小規模ガスクロマトグラフの製造を報告している（Terryら、IEEE Trans. Electron. Devices（1979）ED-26:1880を引用している、Manzら、Adv. in Chromatog.（1933）33:1-66において説明されている）。それ以来、これらの製造技術は、より広い範囲の様々な応用のためのより複雑な装置の製造に適用されている。
様々な使用のためのこれらの固体基板における流体装置のミクロ製造のさらなる報告がある。この技術に関する使用のうちで最も優れたものは、ミクロ毛管電気泳動の分野のものであった。ミクロ毛管電気泳動は、典型的には、例えば核酸またはタンパク質などの、サンプルを含む高分子の、毛細管の１つの端部への導入を含む。毛細管はまた、アガロース、ポリアクリルアミドなどの分離媒体を含む。毛管に電位が付与され、チャネルを通してサンプルを引き寄せて、サンプル中の高分子を、分離媒体におけるそれらの高分子の相対運動性に基づいて分離する。この相対運動性は、高分子のサイズおよび電荷により変動し得る。これらの方法は、典型的には、電気泳動方法の実行のために溶融シリカ毛管を使用したが、より最近の努力では、溶融シリカ毛管の代わりに、固体平坦基板のエッチングされたチャネルが使用されている。被覆基板は、毛管の最後の壁を提供する。ミクロ流体装置の製造のための平坦チップ技術の使用の初期の説明は、Manzら、Trends in Anal. Chem.（1990）10（5）:144-149、およびManzら、Adv. in Chromatog.（1993）33:1-66に提供されている。上記文献は、シリコン基板およびガラス基板における流体装置および特にミクロ毛管装置の製造を説明している。
ミクロ製造された装置内での、例えば流体、サンプル、分析物、緩衝剤、および試薬などの材料の輸送および方向付けは概して、（１）装置内に機械ミクロポンプおよびバルブを組み込むこと（公開された英国特許出願第2 248 891号、公開された欧州特許出願第568 902号、米国特許第5,271,724号、同第5,277,556号、および同第5,171,132号を参照）、（２）電場を使用して、帯電した元素を含む流体を装置内で移動させること（例えば、公開された欧州特許出願第376 611号、Harrisonら、Anal. Chem.（1992）64:1926-1932、Manzら、J. Chromatog.（1992）593:253-258、Soaneの米国特許第5,126,022号を参照）、（３）音響エネルギーを使用して、音響手段の効果により流体サンプルを装置内で移動させること（NorthrupおよびWhiteの公開されたＰＣＴ出願第94/05414号を参照）、または（４）外部圧力を付与して、装置内で流体を移動させる（例えば、Wildingらの米国特許第5,304,487号を参照）ことにより行われてきた。
ミクロ流体システムがより複雑になるに従って、これらのシステム内で流体の流れを正確に制御し且つ方向付ける能力は、ますます困難になっている。従って、これらの複雑なミクロ流体システムに関連する問題を考慮する改良されたミクロ流体装置またはシステムを提供することが望ましい。本発明は、上記および様々な他の必要を満たす。
発明の要旨
本発明は概して、ミクロ流体システムと、単一のミクロ流体システム内で複数のパラレルな動作を行なう際に使用される方法とに関する。そのようなパラレルな分析は、単一のサンプル材料または多数のサンプル材料に対して行われ得る。
１つの局面では、本発明は、ボディ構造を含むミクロ流体装置であって、ボディ構造が、ボディ構造に配置される複数の集積されたミクロ規模のチャネルを含む、ミクロ流体装置を提供する。複数の集積されたミクロ規模のチャネルは、少なくとも第１の横方向のチャネルと、横方向のチャネルの第１の側面に配置される少なくとも第１および第２の側部チャネルとを含む。第１および第２の側部チャネルの各々は、第１および第２の端部を有し、第１の端部は、横方向のチャネルと交差し、第２の端部は、少なくとも第１の電極と電気通信する。横方向のチャネルの第２の側面に配置される少なくとも第３および第４の側部チャネルもまた、含まれる。第３および第４の側部チャネルの各々は、同様に、第１および第２の端部を有し、第１の端部は、横方向のチャネルと交差し、第２の端部は、少なくとも第２の電極と電気通信する。側部チャネルが提供されることにより、第１の側部チャネルを介する第１の電極と横方向のチャネルとの間の電流路が、第２の側部チャネルを介する第１の電極と横方向のチャネルとの間の抵抗に実質的に等しい抵抗を提供する。
本明細書において説明されるミクロ流体装置は概して、最低限の制御ノードを用いて、多数の集積されたチャネル内での制御された材料輸送を提供するために有用である。例えば、関連する局面では、本発明は、複数の交差するミクロ規模のチャネルの間で材料を制御可能に輸送するためのミクロ流体装置を提供する。この装置は、ボディ構造を含み、ボディ構造は、ボディ構造に配置されるチャネル網を有する。このチャネル網は、複数の交差するミクロ規模のチャネルを含み、これらのチャネルは、ｎ個のチャネル交差部と、ｘ個の交差していないチャネル末端とを含み、ここで、ｎは、ｘよりも大きいかまたはそれに等しく、ｘは少なくとも２であり且つｎは少なくとも３であるとする。複数のミクロ規模のチャネルの交差していない末端または電気制御ノードの各々に別個の電位を供給するために、電源もまた含まれ、それにより、ｘ個の交差していないチャネル末端の各々に供給された電位が、ｎ個の交差部での材料輸送を制御する。好適な局面では、電源は、多数の電極で、制御された電流を使用して、材料輸送に影響を及ぼす。そのような電源の例は、米国出願第08/678,436号および国際特許出願第PCT US97/12930号に詳細に説明されている。本明細書において、上記出願を参考として援用する。
別の関連する局面では、本発明は、上記のようなミクロ流体装置を含むミクロ流体システムを提供する。具体的には、このシステムは、ボディ構造を含むミクロ流体装置であって、ボディ構造が、ボディ構造に配置される複数の集積されたチャネルを有する、ミクロ流体装置を含む。これらの集積されたチャネルは、少なくとも第１の横方向のチャネルと、横方向のチャネルの第１の側面に配置される少なくとも第１および第２の側部チャネルとを含む。第１および第２の側部チャネルの各々は、第１および第２の端部を有し、第１の端部は、横方向のチャネルと交差し、第２の端部は、第１の材料の少なくとも第１のソースと流体連通している。これらの集積されたチャネルには、横方向のチャネルの第２の側面に配置される少なくとも第３および第４の側部チャネルもまた含まれる。第３および第４のチャネルの各々は、第１および第２の端部を有し、第１の端部は、横方向のチャネルと流体連通し、第２の端部は、廃棄物リザーバと流体連通する。このシステムはまた、第２の材料を横方向のチャネルに輸送するため、および、第２の材料の部分を第３および第４のチャネルに輸送するための材料輸送システムを含む。輸送は、第１の材料の流れを、第１のソースから、第１および第２のチャネルを介して、横方向のチャネルに向けることにより、影響を受ける。
本発明はまた、シリアル−パラレル材料輸送動作における材料輸送方法を提供する。具体的には、本発明は、ミクロ規模のチャネルにシリアルに導入された１つ以上の材料を、ミクロ規模のチャネルと流体接続された複数のパラレルなチャネルに向ける方法を提供する。この方法は、少なくとも第１のミクロ規模の横方向のチャネルと、横方向のチャネルの第１の側面に交差する少なくとも第１および第２のミクロ規模の側部チャネルと、横方向のチャネルの第２の側面に交差する少なくとも第３および第４のミクロ規模の側部チャネルとを有するミクロ流体装置を提供する工程を含む。１つ以上の材料が、第１の横方向のチャネルにシリアルに導入される。次いで、材料を第１および第２のチャネルから横方向のチャネルに向けることにより、１つ以上の材料の少なくとも一部分が、少なくとも第３および第４のチャネルに向けられる。
別の局面では、本発明は、複数の相互接続されたミクロ規模のチャネルの間で材料を制御可能に輸送する方法を提供する。この方法は、ボディ構造を有するミクロ流体装置であって、ボディ構造が、ボディ構造に配置されるチャネル網を含む、ミクロ流体装置を提供する工程を含む。このチャネル網は、複数の交差するミクロ規模のチャネルを含み、これらのチャネルは、ｎ個のチャネルと、ｘ個の交差していないチャネル末端とを含む。ここで、ｘは、ｎよりも小さいかまたはそれに等しく、ｘは少なくとも２であり且つｎは少なくとも３であるとする。ｘ個のリザーバの各々には、別個の選択された電位が付与され、このとき、材料は、ｎ個の交差部で、および、ｎ個の交差部を通って、制御可能に移動される。
【図面の簡単な説明】
図１は、典型的なミクロ流体装置の多層構成の実施例を概略的に示す。
図２は、単一のミクロ規模のチャネルにおけるシリアルな向きの材料を、多数のミクロ規模のチャネルにおけるパラレルな向きへの変換を概略的に示す。図２Ａ〜図２Ｄは、本発明のチップレイアウトまたは設計を使用するミクロ流体装置を用いた、サンプル流体のシリアル−パラレル変換の代替の応用を示す。
図３は、ミクロ流体装置にシリアルに導入された流体またはサンプルを多数のパラレルなチャネルに向けるためのミクロ流体装置のチャネルレイアウトの実施形態を示す。
図４は、ミクロ流体装置にシリアルに導入された材料、流体またはサンプルを複数のパラレルなチャネルに向けるための、代替のチャネルレイアウトを組み込むミクロ流体装置を示す。
図５は、ミクロ流体装置にシリアルに導入された材料、流体またはサンプルを複数のパラレルなチャネルに向けるための別の代替のチャネルレイアウトを組み込むミクロ流体装置を示す。
図６は、図３に示される幾何学的形状を使用するミクロ流体装置における、図１Ａに概略的に示されるような多数のパラレルなチャネルへの、別個の蛍光材料プラグ（明るい領域）の注入を示す写真である。
図７は、単一のミクロ流体装置内の５つのパラレルな相互接続されたチャネルにおける核酸フラグメントのサイズベースの分離を示す。
図８は、装置にシリアルに導入された単数または複数のサンプルの多数の電気泳動分離をパラレルに行なう際に使用される装置の概略図である。
図９Ａ〜図９Ｃは、チャネルにシリアルに導入されたサンプルを、第１のチャネルと交差する複数のパラレルなチャネルに変えるためのプロセスおよび装置構造を概略的に示す。
発明の詳細な説明
本発明は概して、動電学的材料輸送システムを使用して、集積されたボディ構造内に配置された、集積され相互接続されたミクロ規模のチャネルの複雑な構成を通る、および、この複雑な構成の間での、材料の輸送を選択的に制御および方向付けするミクロ流体装置およびシステムを提供する。
本明細書において、「ミクロ規模」または「ミクロ製造」という用語は概して、約０．１μｍ〜約５００μｍの範囲の少なくとも１つの製造寸法を有する、装置の構造エレメントまたは特徴を指す。従って、ミクロ製造またはミクロ規模と呼ばれる装置は、そのような寸法を有する少なくとも１つの構造エレメントまたは特徴を含む。「ミクロ規模」、「ミクロ製造」、または「ミクロ流体」という用語は概して、通路、チャンバまたは導管などの流体エレメントを説明するために使用される場合は、例えば深さ、幅、長さ、直径、などの少なくとも１つの内部断面寸法を有する１つ以上の流体通路、チャンバ、または導管を指す。この内部断面寸法は、５００μｍ未満であり、典型的には、約０．１μｍと約５００μｍとの間である。本発明の装置では、ミクロ規模のチャネルまたはチャンバは、好ましくは、約０．１μｍと約２００μｍとの間、より好ましくは約０．１μｍと約１００μｍとの間、そしてしばしば約０．１μｍと約２０μｍとの間である少なくとも１つの断面寸法を有する。従って、本発明に従って準備されたミクロ流体装置またはシステムは、典型的には、少なくとも１つのミクロ規模のチャネル、通常は少なくとも２つの交差するミクロ規模のチャネル、そしてしばしば３つ以上の交差するチャネルを含む。チャネルは、単一のボディ構造内に配置される。チャネルの交差部は、十字形交差部、「Ｔ」字形交差部、または、２つのチャネルが流体連通するいかなる数の他の構造をも含む、多数の形で存在し得る。
本明細書において説明されるミクロ流体装置のボディ構造は、典型的には、２つ以上の別個の層の集合を含み、これらの層は、適切に合わされるまたは接合されると、本発明のミクロ流体装置であって、例えば本明細書において説明されるチャネルおよび／またはチャンバを含むミクロ流体装置を形成する。典型的には、本明細書において説明されるミクロ流体装置は、頂部、底部、および内側部を含み、内側部は、装置のチャネルおよびチャンバを実質的に規定する。
好適な局面では、ミクロ流体装置は、ミクロ規模のチャネルが配置される多層ボディ構造を含み、この多層ボディ構造の１つの実施例が、図１に示される。装置の底部１２は、実質的に平坦な構造の固体基板を含み、この固体基板は、少なくとも１つの実質的に平坦な上面１４を有する。様々な基板材料が、底部として使用され得る。典型的には、装置がミクロ製造されるため、基板材料は、例えばフォトリソグラフィ、ウェット化学エッチング、レーザアブレーション、空気アブレーション技術、ＬＩＧＡ法、射出成形、エンボシング、およびその他の技術、などの公知のミクロ製造技術との適合性に基づいて選択される。基板材料はまた、概して、ｐＨ、温度、塩濃度、および電場付与の極値、などのミクロ流体装置が曝露され得る条件の完全な範囲との適合性に関して選択される。従って、幾つかの好適な局面では、基板材料は、そのようなミクロ製造技術が常時使用される半導体産業に通常関連する材料を含み得、例えば、ガラス、石英、シリコン、またはポリシリコ、などのシリカベースの基板、および、ガリウム砒素などの他の基板材料、などである。半導体材料の場合、基板材料の上に、例えばシリコン酸化物などの絶縁性コーティングまたは層を提供することが望ましい場合が多く、装置またはその内容物に電場が付与される応用では特にそうである。本発明によるミクロ流体装置の製造、そのような装置の使用、そのような装置の動作方法、およびそのようなミクロ流体装置とともに使用される周辺装置は概して、米国特許
出願シリアル番号第08/691,632号、同第08/683,080号、同第08/671,987号、同第08/678,436号、および米国特許仮出願シリアル番号第60/015,498号に説明されている。本明細書において、上記出願の各々の全体を、あらゆる目的のために参考として援用する。
別の好適な局面では、基板材料は、ポリマー材料、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン（ＴＥＦＬＯＮTM）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリスルホンなどのプラスチックを含む。そのようなポリマー基板は、上記のような利用可能なミクロ製造技術を用いて容易に製造されるか、または、射出成形、エンボシングもしくはスタンピング、などの周知の成形技術を用いて、ミクロ製造されたマスタから容易に製造されるか、または、モールド内でポリマー前駆体材料を重合することにより容易に製造される（米国特許第5,512,131号参照）。そのようなポリマー基板材料は、製造の容易さ、低コスト、および使い捨てに関して、ならびに、ほとんどの極値の反応条件に対して概して不活性であることに関して、好ましい。同様に、これらのポリマー材料は、ミクロ流体システムにおけるポリマー材料の有用性を高めるために、例えば被覆またはコーティングされた表面、などの処理表面を含む場合が多く、または、これらのポリマー材料は、例えば、1997年４月14日出願の米国特許出願シリアル番号第08/843,212号（Attorney Docket No. 17646-002610）に説明されているように、例えば、増強された流体方向付けを提供するなど、適切な表面電荷を提供するように選択され得る。本明細書において、上記出願の全体を、あらゆる目的のために参考として援用する。
ミクロ流体装置のチャネルおよび／またはチャンバは、典型的には、上記の製造技術を用いて、ミクロ規模の溝または窪み１６として、底部基板または底部１２の上面に製造される。頂部または頂部基板１８はまた、第１の平坦表面２０と、第１の平坦表面２０に対向する第２の表面２２とを含む。本明細書において説明される方法に従って準備されるミクロ流体装置では、頂部はまた、例えば第１の平坦表面２０から第１の平坦表面に対向する第２の表面２２までなど、頂部を通って配置される複数の開口部、孔、またはポート２４を含む。
次いで、頂部基板１８の第１の平坦表面２０は、例えば底部基板１２の平坦表面１４と接触されるなど、底部基板１２の平坦表面１４と合わされ、そして、底部基板１２の平坦表面１４に接着されて、底部基板の表面において溝および／または窪み１６を覆い且つ封止して、これらの２つの構成要素の界面で装置のチャネルおよび／またはチャンバ（即ち、内側部）を形成する。装置の頂部の孔２４は、底部基板の溝または窪みから装置の内側部に形成されるチャネルおよび／またはチャンバのうちの少なくとも１つと連通するような向きにされる。完成した装置では、これらの孔は、装置の内側部のチャネルまたはチャンバへの流体または材料の導入を容易にするため、および、電極が装置内の流体と接触され得るポートを提供し、装置のチャネルに沿った電場付与で、装置内の流体輸送を制御および方向付けすることを可能にするためにリザーバとして機能する。
多くの実施形態では、ミクロ流体装置は、装置の１つ以上のチャネルおよび／またはチャンバにわたって配置される光検出ウィンドウを含む。光検出ウィンドウは、典型的には透明であり、そのため、光検出ウィンドウは、光検出ウィンドウが上に配置されているチャネル／チャンバからの光信号を透過することができる。光検出ウィンドウは、単に、透明なカバー層の領域であり得、例えば、カバー層は、ガラスまたは石英であるか、または、例えばＰＭＭＡ、ポリカーボネート、などの透明なポリマー材料である。あるいは、装置の製造において不透明基板が使用される場合、上記材料から製造される透明検出ウィンドウは、装置に別個に製造され得る。
これらの装置は、様々な応用において使用され得る。これらの応用としては、例えば、薬物発見における高スループットスクリーニングアッセイ、イムノアッセイ、診断、遺伝子分析、などがある。従って、本明細書において説明される装置は、多数のサンプルのパラレルまたはシリアルな導入および分析のために、多数のサンプル導入ポートまたはリザーバを含む場合が多い。あるいは、これらの装置は、分析のために多数のサンプルを装置にシリアルに導入する、例えばピペター（pipettor）、などのサンプル導入ポートに連結され得る。そのようなサンプル導入システムの例は、例えば、1996年12月６日出願の米国特許出願第08/761,575号および1996年12月６日出願の同第08/760,446号（それぞれ、Attorney Dock et No. 17646-000410およびNo. 17646-000510）などに説明されている。本明細書において、上記出願の各々の全体を、あらゆる目的のために参考として援用する。
上記のように、本明細書において説明される装置、方法およびシステムは、動電学的材料輸送システム、好ましくは、制御された動電学的材料輸送システムを使用して、装置内に含まれる様々なチャネルの間で材料を制御可能に方向付ける。本明細書において使用される「動電学的材料輸送システム」は、材料への電場付与により、相互接続されたチャネルおよび／またはチャンバを含む構造内で材料を輸送および方向付けし、それにより、チャネルおよび／またはチャンバを通して、ならびに、チャネルおよび／またはチャネルの間で、材料の移動を引き起こすシステムを含む。
そのような動電学的材料輸送および方向付けシステムとしては、構造に付与された電場内での帯電した種の電気泳動移動度を頼りにするシステムなどがある。そのようなシステムは、より具体的には、電気泳動材料輸送システムと呼ばれる。他の動電学的材料方向付けおよび輸送システムは、チャネルまたはチャンバ構造への電場の付与により起こる、そのような構造内での流体および材料の電気浸透流を頼りにする。簡単に言えば、流体が、例えばエッチングされたガラスチャネルまたはガラスミクロ毛管における水酸基、などの帯電した官能基を有するチャネルに入れられると、これらの基はイオン化し得る。水酸官能基の場合、例えば中性のｐＨなどでのこのイオン化により、表面からおよび流体へのプロトンの解放が起こり、流体／表面界面付近でのプロトンの集中、または、チャネルのバルク流体を囲む正に帯電したシースが作り出される。チャネルの長さにわたって電圧勾配を付与することにより、このプロトンシースは、電圧降下の方向、即ち、負電極の方に移動する。
本明細書で使用される「制御された動電学的材料輸送および方向付け」という用語は、多数の電極、即ち、２つよりも多い電極に印加される電圧の能動制御を使用する上記のような動電学的システムを指す。言い換えると、そのような制御された動電学的システムは、少なくとも２つの交差するチャネルにわたって付与される電圧勾配を付随的に調節する。制御された動電学的材料輸送は、Ramseyの公開されたＰＣＴ出願第WO 96/04547号に説明されている。本明細書において、上記出願の全体を、あらゆる目的のために参考として援用する。具体的には、本明細書において説明される好適なミクロ流体装置およびシステムは、例えば相互接続された囲まれたチャンバなどの少なくとも２つの交差するチャネルまたは流体導管を含む、ボディ構造を含む。これらのチャネルは、少なくとも３つの交差していない末端を含む。２つのチャネルの交差部とは、２つ以上のチャネルが互いに流体連通する点を指し、「Ｔ」字形交差部、十字形交差部、多数のチャネルの「ワゴンホイール（wagon wheel）」形交差部、または、２つ以上のチャネルがそのように流体連通している他のいかなるチャネルの幾何学的形状をも含む。チャネルの交差していない末端は、例えば「Ｔ」字形交差部などのように、チャネルが、そのチャネルが別のチャネルと交差する以外の結果として終端している点を指す。好適な局面では、装置は、少なくとも４つの交差していない末端を有する、少なくとも３つの交差するチャネルを含む。単一の水平方向のチャネルが単一の垂直方向のチャネルと交差し且つ横切る基本的な十字形チャネル構造では、制御された動電学的材料輸送は、交差部において他のチャネルからの流れの制約を提供することにより、交差部を通る材料の流れを制御可能に方向付けるように動作する。例えば、第１の材料を、水平方向のチャネルを通って、垂直方向のチャネルとの交差部を横切って、例えば左から右に輸送したいと仮定する。この場合、交差部を横切るこの材料の単純な動電学的な材料流は、水平方向のチャネルの長さにわたって電圧勾配を付与することにより、即ち、このチャネルの左側の末端に第１の電圧を印加し且つこのチャネルの右側の末端に第２のより低い電圧を印加することにより、または、右側の末端を接地することにより、達成され得る。しかし、交差部で材料のこのタイプの材料流が起こると、交差部においてかなりの量の拡散が起こる。この拡散は、使用される媒体において輸送されている材料の自然拡散特性と、交差部での対流効果との両方から起こる。
制御された動電学的物質輸送において、交差部を横切って輸送される物質は、側面チャネル、例えば、上部チャネルおよび下部チャネルからの低レベルの流れによって抑制される。交差部でのこの制御された物質輸送は、物質流れの経路に沿って、例えば、垂直チャネルの上部端部および下部端部から右側端部に向かって非常に小さい電圧勾配を印加することによって達成される。この結果、交差部で物質の流れの「ピンチ（pinching）」が生じ、これによって物質が垂直チャネルに流れるのが防止される。次いで、物質のピンチされた容積は、垂直チャネルの長さにわたって、すなわち、上部端部から下部端部へ電圧勾配を印加することによって、垂直チャネルに注入され得る。この注入の間の水平チャネルからの物質のあらゆるずれを防止するために、流れの低レベルは側方チャネルに再び導かれ、その結果、交差部からの物質の「引き戻し」が生じる。
ピンチされた注入機構に加えて、制御された動電学的物質輸送は、機械的部品あるいは動作部品を全く有さない仮想バルブを生成させるために容易に用いられる。詳細には、上記の十字交差部を参照すると、あるチャネルセグメントから別のチャネルセグメント、例えば、水平チャネルの左腕部から右腕部への物質の流れは、垂直チャネルからの、例えば、垂直チャネルの下部腕部から上部腕部への制御された流れによって有効に調整され、停止され、再開され得る。詳細には、「オフ」モードでは、左端部および上部端部に電圧勾配を印加することによって、物質が左腕部から交差部を通り上部腕部に輸送される。抑制流れは、この経路に沿って（下部端部から上部端部へ）同様の電圧勾配を印加することによって下部腕部から上部腕部に導かれる。次いで、物質の調節された（metered）量は、左から上へ向かう印加電圧勾配を左から右への勾配へと切り換えることによって、水平チャネルの左腕部から右腕部へ分散される。時間量および印加された電圧勾配は、このように分散される物質の量を示す。上記の各物質流れプロファイル、例えば、ピンチされた、ゲート制御された、あるいは引き戻されたプロファイルは、交差部での制御された物質輸送の例である。
交差部での制御された動電学物質輸送は、また、動電学物質輸送システムを用いる共通の交差部で交わる２つのチャネルからの物質の相対的に正確な混合を可能にし／包含する。詳細には、例えば所望の比で、各チャネルに適切な動電学力を与えることによって、各チャネルからの混合される物質の比を相対的に正確に指示し得る。
図示のために一つの四叉十字交差部に関して記載したが、本発明によるとこのようなシステムは、より複雑なチャネル幾何学的構成にも容易に適用される。例えば、いずれも1996年６月28日に提出され、本明細書中で参考として援用される米国特許出願第08/671,987号および第08/671,986号に記載されているように、ミクロ流体装置（microfluidic device）は、一つあるいは複数のサンプルに多数のパラレルな操作を行うため、すなわち、生物学的サンプルのスクリーニング、薬物発見のための試験化合物のスクリーニングなどを行うために用いられることが多い。これらの操作を実行するために、基板は、代表的には、一つあるいはそれ以上の共通チャネルによって相互接続されているパラレルチャネルのアレイを用いる。対象となる反応のために要求される液体、例えば、サンプルあるいは試薬は、一つあるいはそれ以上の共通チャネルに沿って導かれ、各パラレルチャネルに送達される。次いで、物質は、共通チャネルにおけるシリアルな向きから様々なパラレルチャネルにおけるパラレルの向きに変換されなければならない。本発明は、この変換を達成するための装置、システムおよび方法を提供する。
ある局面において、本発明は、概して、相互接続されたパラレルチャネル、すなわち、共通の横断チャネルに接続されているパラレルチャネル内での制御された物質輸送を確実にする新規の基板チャネル配置を提供し、それによってミクロ流体装置内の複数の別々のパラレルチャネルにシリアルに導入される流体あるいはサンプルの方向づけを容易にする。これらのミクロ流体装置内で一つのチャネルにおけるシリアルな向きから複数のチャネルにおけるパラレルな向きへの物質の方向づけは、本明細書において、概して「シリアル−パラレル変換」と称される。
ミクロ流体装置内での物質のシリアル−パラレル変換は、複数の理由により重要である。例えば、複数の別々の分析を一つのサンプルに行う場合、シリアル−パラレル変換は、ミクロ流体装置内の複数の別々のチャネルに単一のサンプルを等分するために用いられ得、ここでは異なる分析あるいはアッセイが各々異なるチャネルで用いられる。あるいは、複数の物理的に別個の異なるサンプル、例えば、薬物候補（candidate）、診断サンプルなどは、一つの装置にシリアルに導入され、サンプルを同一の基本的な分析に供する複数の異なるパラレルチャネルに配分され得る。
シリアル−パラレル変換の概略的な図が、図2Aから図2Dに示される。例えば、図2Aにおいて、サンプル物質の一つのプラグ（１）が、一連のパラレルチャネル中のサンプル物質の複数の別々の等分に変換されるのが示されている。あるいは、図2Bに示されるように、一つのチャネル内でシリアルな向きに設けられている同一のサンプル物質の別々の等分は、いくつかの別々のパラレルチャネルの各々に配分される。特に有用な側面においては、図2Cに示されるように、複数の異なる化合物（１、２、３および４）が微小規模チャネル（上部）にシリアルに導入され、次いで、各々が異なる分析のために別々のパラレルチャネルに再び導かれる。図2Dも、シリアル−パラレル変換の特に有用な用途を図示し、ここでは複数の異なるサンプル（１、２、３および４）はミクロ流体チャネルにシリアルに導入され、複数のパラレルチャネルに配分され再び導かれ、ここでは各パラレルチャネルは各サンプルの一部を受け取り、元に呈されたシリアルな向きを反映する（下部）。これは多数のサンプル物質の超高スループット分析において、例えば、複数の異なるサンプル（例えば、１、２、３および４）が複数の異なる分析（例えば、各別々のパラレルチャネルで）に供され得る場合に、特に有用な用途である。
シリアル−パラレル変換はミクロ流体システムにおける流体制御の重要な局面であるが、問題がないわけではない。例えば、上述のように、動電学的システム中での物質輸送は、システム内の異なる点に配置された電極間に電流を流すことによって行われる。さらに、電流の流れに反比例して関連付けられた流体チャネル中の抵抗は、経路長さおよび幅の関数として変化し、故に、異なる長さチャネルは異なる抵抗を有する。共通するチャネルに相互接続される複数のパラレル電流経路、例えば、チャネルを有するシステムにおいて、各パラレルチャネルに沿った物質輸送は、各パラレルチャネルの端部に電極対を設けることによって最も容易に制御される。次いで、これらの電極対は、各パラレルチャネルに一致する電流を与えるために用いられる。特に、全てのパラレルチャネルに対して共通する電極のみを用いることによって、様々なパラレルチャネルに横断電界が形成され得る。これらの横断電界は装置の能力を破壊し、それによってこれらの装置内に流体流れを導き得る。特に、電流、すなわち流体流れは、電極間の最小抵抗の経路、例えば、最短経路に追従する。これらのパラレルチャネルに一致する電流を提示することによって、あるパラレルチャネルから次のパラレルチャネルへのこれらの横断電界の形成が回避される。各チャネルについて別々の電極対を用いることによって横断電界の問題が防止されるが、この多くの電極およびこれらの各電極に印加された電位を制御するための制御システムが組み込まれた装置の製造は、避け難く複雑であることを証明する。これは、例えば１〜10cm2である、一つの小規模装置において数十、数百、あるいは数千個までものパラレルチャネルを扱う場合に特に当てはまる。従って、本発明は、各別々のパラレルチャネルについて別々の電極を必要とせずに、複数の各パラレルチャネルを通る電流の流れが等しいか、あるいはいくつかの前もって選択されたレベルのいずれかであることを確実にすることによって、シリアル−パラレル変換を作用させるためのミクロ流体装置を提供する。
概して、本発明の装置およびシステムは、各パラレルチャネルを通る電流の流れが実質的に等しくなることを確実にすることによって、相互接続されたパラレルチャネル構造におけるこの制御された動電学的輸送を達成する。実質的に等しい電流の流れの維持は、いずれかの与えられた電流経路に沿って抵抗量を制御することによって概して達成される。すなわち、これは、電流経路の少なくとも一部の上で経路長さあるいは幅、あるいはこれら二つの組み合わせを制御することによって達成され得る。
上記のように、横断電界を形成させずに相互接続されたパラレルチャネルネットワークにおける物質の制御を可能にするのに加え、本発明は、流体システムにおける最少の電気制御ノード（例えば、電極）を用いて、多数の相互接続されたチャネル内および複数のチャネル交差部での物質輸送の制御を可能にするという利点も提供する。
交差部での「物質輸送の制御」は、物質方向、およびチャネルセグメントからこれらのセグメントが流体的に連通している交差部への流れ速度の正確な制御を意味する。代表的には、このような制御された物質輸送は、交差部と連通する様々なチャネルセグメントからのこの交差部への電流の制御された入力を用いる。このような正確な制御は、各チャネルセグメントから交差部への物質の流れを正確に制御するため、あるいは、チャネルネットワーク全体における交差しないチャネル端部での電流の制御によって、１つあるいはそれ以上のチャネルセグメントから交差部へ物質が流れ込むのを防止するために用いられる。第一の図示例において、交差部での制御された物質輸送は、少なくとも二つのチャネルセグメントから特定の交差部への電流の流れの同時印加を伴なう。従って、この点において、交差部での制御された物質の輸送は、交差部を通る物質の単方向を超える流れ、例えば、あるチャネルセグメントから交差部を通り、別のチャネルセグメントを通って出る流れを伴なう。または、物質は、少なくとも二つのチャネルセグメントを通って交差部に入り、第３のチャネルセグメントから出て輸送される。交差部でのこのタイプの制御された輸送の例は、例えば、物質の混合流れ、ピンチされた流れ、ゲートされた流れおよび／または「引き戻し」流れを含む。
交差部での物質の制御は、物質が与えられた交差部に流れ込むのを防止するために正確な電流制御も用いる。このタイプの制御は、例えば、図9Aから図9Cに図示されているようなパラレルチャネル構造に概略的に図示されている。図9Aに示されているように、装置は、中央サンプルロードチャネル（容器３と容器４とを接続する）および横断チャネルとも称される２つの連結チャネル（容器１と容器２とを、および容器５と容器６とをそれぞれ接続する）を有して概略的に図示されている。工程において各連結チャネルを接続し、サンプルロードチャネルと交差しているのは複数の分離チャネルである。実質的にさらに詳細に記載されているように、本明細書において、代表的には連結チャネルと組み合わせられる分離チャネルは、用いられるパラレルチャネルとは無関係に、電極間で等価の電気抵抗を提供するように設計されている。
動作中、サンプルロードチャネルを介して電流を印加することによって、サンプルはサンプルロードチャネルを介してロードされる。分離チャネルおよび連結チャネルを通る電流のループを防止するために、等価電流が連結チャネルを介して印加され、その結果、分離チャネルを通る正味電流がゼロになる（図9B）。相関的な印加電圧が各容器／電極について、例えばV1、V2と示される。サンプルロードチャネル内のピンチされた流れも、連結チャネルにわずかに小さい電圧勾配を印加し、連結チャネルから分離チャネルを通るサンプルロードチャネルへの非常に小さいレベルの電流の流れを生じさせることによって提供され得る。例えば、10mAの電流が容器３に印加され得る。容器１および５に10mAを印加し、容器２および６では9.9mAを取り出すことのみによってピンチ流れが印加される。残りの0.1mAは、容器４で10.2mAを導くこと（taking off）によってサンプルロードチャネルに向かって流れを流す。
次いで、サンプルロードチャネルと分離チャネルとの交差部を横切って配置される単数あるいは複数のサンプルは、容器１および２から容器５および６（図9C）に電流を印加することによって、各分離チャネルに注入され分離される。
この同じ動作は、以下のように、図３に図示される装置に関して図示される。要するに、このチャネルを通る電流、例えば、容器204と206との間の電圧勾配を印加することによって、チャネル208〜244とのチャネルの交差部を横切るチャネル202を通って材料が輸送される。これらの交差部での物質輸送は、チャネル224および246を通る一致電流を印加することによって制御され、それによって側面チャネル208〜244のいずれもを通る電流流れを防止する。これは以下でより詳細に記載される。
従って、交差部での物質輸送の制御は、これらのチャネルセグメントのいくつかから、あるいはこれらのいくつかへの電流流れを防止することを含む、交差部と連通する各チャネルセグメントからこの交差部への電流流れのレベルを制御する能力によって特徴付けられる。
本明細書において用いられるように、用語「物質」は、概して、代表的には運ばれる流体である分子種を概して指す。例えば、電気浸透物質輸送を用いるシステムにおいて、目的となる物質は、代表的には、バルク（bulk）および輸送されているその全ての構成要素を含む。しかし、電気泳動物質輸送システムにおいて、輸送されている物質は、目的の物質、例えば、サンプル成分、およびこのような電気泳動制御下で移動しているイオン種、例えば、緩衝塩、イオンなどを含む荷電した分子種を含む。
代表的には、動電学的手段による特定の交差部での物質輸送の制御は、交差部で連通する各チャネルの交差しない端部で別々の電極を必要とする。従って、ミクロ流体システムが、４つの交差するチャネル（代表的な、四叉すなわち十字交差部）からなる単一の交差部を有する場合、代表的には４つのチャネルの交差しない端部に配置される４つの電極には、各チャネルから交差部への物質の動きを制御することが要求される。同様に、３つのチャネルセグメントが交差部で連通している一つの「Ｔ字」交差部を有するシステムにおいて、交差部での物質輸送の制御は、代表的には、チャネルセグメントの交差しない端部に配置されている少なくとも３つの別々の電気制御ノードを必要とする。さらには、さらに付加された交差部は、代表的には、新しい交差部での物質輸送を制御するために少なくとも一つの新しい電極を付加することを必要とする。詳細には、２つの分離チャネル、例えば、２つの「Ｔ字」交差部によって２つの異なる点で交差する主チャネルからなるチャネルネットワークは、チャネルセグメントの交差しない端部に配置された４つの別々の電極を必要とする。
上記に基くと、複数の交差部を有するミクロ流体システムは、代表的には、これらの交差部での物質輸送を制御するために多数の電極を必要とすることがわかり得る。詳細には、ｎ個の交差部を有するシステムは、これらの交差部での物質輸送を制御するためには少なくとも（ｎ＋２）個の電極を代表的には必要とする（複数の「Ｔ字」交差部での複数の他のチャネルと交差する主チャンネルの最も単純な幾何学的構成を仮定する）。より複雑なシステム、例えば、２つの共通する横断チャネルの間に配置されるパラレルチャネルについては、さらなる電極、例えば、ｎ＋４個の電極が必要になる。言い換えれば、代表的に記載されるミクロ流体システムにおいて、交差部の数は、これらの交差部での物質輸送制御に用いられる電極の数よりも常に少なく、多くの場合、大幅に少ない。
他方で、本発明のミクロ流体装置およびシステムは、上記のように、少なくともｎ個のチャネル交差部および交差しないチャネル端部でのｘ個の電気制御ノードを含む複数の交差する微小規模チャネルを含む。しかし、これらの装置において、少なくとも２つのチャネル交差部、好ましくは少なくとも３つのチャネル交差部、および少なくとも２つの電気制御ノードがあると仮定すると、チャネル交差部の数（ｎ）は、交差しないチャネル端部に配置される電気制御ノードの数（ｘ）よりも常に大きいかあるいはこれに等しい。本発明の装置は、選択的に、少なくとも４、５、10あるいは20を超える数のチャネル交差部を含む。従って、本発明の装置は、少なくとも３、４、５、10あるいは20個の異なる電気制御ノードを選択的に含む。
例として、２つの横断するチャネルを接続する10個のパラレルチャネルを組み込むミクロ流体装置は20個の交差部を含み、一つの交差部では、各パラレルチャネル（10）が各横断チャネル（２）と交差する。これらの20個の交差部での物質輸送は、本発明によると、４つの存在する横断チャネルの端部に印加される電圧をただ単に制御することによって制御される。これは、これらのチャネルの横断チャネルとの交差部で物質輸送を制御するために各パラレルチャネルの端部で電極を用いることに有利に匹敵する。特に、与えられた例におけるこのようなシステムは、上記の４つの電極および各パラレルチャネル端部での付加的な20個の電極、計24個すなわち（ｎ＋４）個の電極を必要とする。
明瞭のために、本明細書で用いられているように、用語「交差部」は、３つあるいはそれ以上のチャネルあるいはチャネルセグメントが流体連通しているミクロ流体チャネルシステムあるいはネットワーク内の点を指す。従って、上記で言及したように、交差部は、３つのチャネルセグメントが連通する一つの「Ｔ字」交差部および一つの十字あるいは四叉交差部を含む。他のタイプの交差部もこの定義に含まれ、例えば、より多くの数、例えば５個あるいはそれ以上のチャネルセグメントが流体連通している「ワゴン車輪」交差部とも称される放射状交差部が含まれる。
多くの異なるチャネル幾何学的配置および配置が、最少の電気制御ノードを必要とすると同時に、相互接続されたパラレルチャネル内に実質的に等しい電流を提供するために用いられる。これらの幾何学的配置のいくつかが、図３〜図５および図８に図示される。
例えば、ある実施態様において、図３は、平坦基板200から製造されるミクロ流体装置を図示する。装置は、シリアル−パラレル変換あるいはパラレルチャネル内での等しい流体流を達成するために用いられ得るチャネルの向きを用いる。基板200は、チャネル202の端部で各ポート204および206内に配置される電極を含む主チャネル202を含む。一連のパラレルチャネル208〜222および230〜244は、主チャネル202内で終端を有する。これらのパラレルチャネルの反対側の端部は、放物状チャネル224および246にそれぞれ接続される。電極は、これらの放物状チャネルの終端で含まれるポート226、228、248および250内それぞれに配置される。従って、図示される装置内では、チャネル208から222および230から244の放物状チャネル246および224ならびに横断チャネル202との交差点での物質輸送は、容器204、206、226、228、248および250での適切な電圧印加によって制御される。従って、６つの容器への電圧印加によって、32個の異なるチャネル交差部での物質輸送および方向決めが制御される。図示される装置全体は、33個のチャネル交差部および電気制御ノードとも称される電圧が印加される容器を８個のみ含む。
動作中、流体あるいはサンプルプラグは、電極204と206との間に電圧勾配を印加することによって主チャネル202に沿ってポンピング（pumped）される。等しい電圧勾配が電極226と228との間、および電極248と250との間に印加され、その結果、パラレルチャネルを通過する正味ゼロの流れとなる。詳細には、これらのパラレルチャネルの長さに沿う電圧勾配は存在しない。
サンプルは、一つのサンプルの長いスラグまたは単数あるいは複数のサンプルの複数のスラグとして主チャネル202内に存在し得る。単数あるいは複数のサンプル物質が主チャネルのパラレルチャネル、例えば、参照符号230〜244との交差部に到達すると、電極226：246と電極228：248との間に電位勾配を印加することによって、このサンプル物質はパラレルチャネル内に導かれてそれを通過し、その結果として、パラレルチャネル208〜222からサンプルをパラレルチャネル230〜244に流し込む物質輸送が生じる。各パラレルチャネル208〜222および230〜244における抵抗、従って電流流れは、パラレルチャネルの長さを調節することによって一定に維持され、その結果として、各パラレルチャネルを各々の電極に接続する放物状チャネル構造となる。パラレルチャネル間の放物状チャネル内の抵抗は、チャネル幅を調節して、チャネル全体の放物状形状から生じるチャネル長さの変化を適応させることによって、一定に維持される。例えば、チャネルセグメント224aはチャネルセグメント224bより長いが、セグメント224aは適切により長くなっているので、同一の抵抗を有する。従って、チャネル224および246の放物状設計は、これらの先細りの構造と組み合わされた結果、全てのパラレルチャネルに沿て抵抗が等しくなり、それによって選択された経路とは無関係に等しい流体流が生じる。概して、抵抗がチャネル間で等しくなることを確実にするようにチャネル寸法を決定することは、公知の方法によって実行され、概して、基板を通って移動される流体の組織などの要素に依存する。
別の例において、図４は、パラレルな流体流を作用するために用いられる電極が少ない基板設計において本発明の原理がどのように用いられ得るかを図示している。特に、パラレルチャネルのアレイ内の流体流は、一対の電極によって制御されている。図示されているように、基板302は複数のパラレルチャネル304〜332を含む。これらのパラレルチャネルは、各々が横断チャネル334および336内で終端を有する。横断チャネル334は、最も近いパラレルチャネル304と交差する点の最も広い幅から最も遠いパラレルチャネル332と交差する点の最も狭い幅までの先細りの幅を有する。一方、横断チャネル336は、パラレルチャネル332と交差する点の最も広い部分からパラレルチャネル302と交差する点の最も狭い部分へ向かう。電極は、横断チャネル334および336の幅が広い方の端部のポート338および340にそれぞれ含まれる。これらの先細りのチャネルの寸法は、各パラレルチャネルを通り、先細りのチャネルを介して送達される電流の流れが実質的に等しく、それによって各パラレルチャネル内での流れ速度を等しくすることを可能にするものである。図示されているように、横断すなわちサンプル導入チャネル342は、横断チャネル342の交差部での電位が各パラレルチャネル内で同一であることを確実にし、また、横断電界の形成すなわちチャネルのアレイの「短絡（shorting out）」を防止するために、一つのあるいはもう一方の電極に関して同一点で各パラレルチャネルと交差するように方向が決められる。この結果、サンプル導入チャネル342が、図示されるように非垂直角でパラレルチャネルを横切って配置される。
動作中、例えば、ポート344内に配置されるサンプル流体は、ポート344および346に電位を印加することによって、横断チャネル342を通り、パラレルチャネル304〜332の交差部を横切って流れる。例えば、所望のシリアル−パラレル変換によって指示されるように（図2A〜図2Dを参照）、サンプルが一つあるいはそれ以上の所望のパラレルチャネルを横切って配置されると、電位がポート338および340を横切って印加され、その結果、各パラレルチャネルを通って等しい流体流が生じ、かつ、各所望のパラレルチャネル内にサンプル流体が注入される。
図５は、本明細書に記載される原理を実行するためのさらに別の実施態様を図示する。この実施態様において、基板は、複数のパラレルチャネルを含む。検討を容易にするために、本明細書においてこれらのチャネルはパラレルチャネル404〜410と称されるが、好ましい局面は、およそ50、100、500個あるいはそれ以上の分離パラレルチャネルを含むことが理解されるべきである。パラレルチャネル404〜410は、一方の終端を横断チャネル412内で有し、他方の終端を横断チャネル414内で有する。電極は、これらの横断チャネルの終端にあるポート416および418ならびにポート420および422内に設けられる。この実施態様において、各パラレルチャネルに印加されるように、これらの横断チャネルの長さにわたる電流の変化が、無視できるほど小さいあるいは存在しないように十分な幅を横断チャネル412および414に与えることによって、異なるパラレルチャネル内で変化する電流の問題が扱われる。あるいは、またはさらに、各パラレルチャネルとの横断チャネルの交差部での等しい電流の流れを保証するために、これらの各横断チャネルの長さにわたって電極が配置され得る。
しかし、図示されるように、横断すなわちサンプル導入チャネル424は各パラレルチャネルと交差し、チャネル424の端部のポート426および428内に配置された電極によって制御される。図４について上記したように、サンプル導入チャネルは、各チャネルに印加された電位が等しくなる点で各パラレルチャネルと交差する。しかし、この局面において、各パラレルチャネルが同一の電流に供されると、チャネルは横断チャネル412および414に実質的にパラレルに配置される。
動作中には、ポート426および428に電位を印加することによって、例えば、ポート426内に配置されているサンプルが、サンプルチャネル424を通って、様々なパラレルチャネル404〜410の交差部を横切って流れる。サンプル流体が適切な位置にある、すなわち、全てあるいは選択された数のパラレルチャネルを横切ると、電位はポート416：420および418：422に印加され、サンプルのプラグをパラレルチャネルに注入する。
シリアル−パラレル変換のための類似しているが別のチャネル幾何学的構成を図８に示す。図示されているように、装置はパラレルチャネルのアレイを含み、各チャネルが２つの容器／電気ノード（CBRおよびCBW）の間に結合されている。パラレルチャネルアレイの各端部のフラクタルチャネルネットワークを介して等しい電流がパラレルチャネルに印加される。サンプルは、中央チャネル導入チャネル（容器SBWとSBRとの間に配置され、これらに結合されている）を介して導入される。付加的なチャネルは、パラレルアレイ（容器SR-1とSW-1との間またはSR-2とSW-2との間に配置されているチャネル）への導入前に、サンプル物質に付加的な要素あるいは付加的なサンプルを導入するために設けられる。フラクタルチャネルネットワークは、最適な電流がパラレルチャネルアレイに送達することを確実にするために、例えば、抵抗を最小化するために、より広い断面を有する。
パラレルチャネル内での等しい抵抗を確実にするために放物状チャネル幾何学的配置あるいは幅広チャネル幾何学的配置のいずれかを用いることに関して本発明が例示されたが、これら両方が実質的に同じ目的を達成し、さらには、パラレルチャネルの端部を接続するこれらのチャネル内のより幅広のチャネル幾何学的配置と放物状チャネル幾何学的配置との組み合わせが、受容される範囲に印加電流を維持し（チャネル幅が広くなると、より大きい印加電圧が必要になる）、基板面積の使用を最小化する（放物状チャネル幾何学的配置は、代表的にはより直線的なチャネルよりも使用する基板面積が大きい）ための最適化に用いられることが多い。従って、好ましい局面を下記に示す。
実施例
１．相互接続されたパラレルチャネル内での蛍光物質のパラレル輸送
ガラスベース基板の上に別のガラス基板が存在する基板からミクロ流体装置を製造した。装置は、図４に示されるようなチャネル配置を含む。容器の一つの中に配置されたナトリウムテトラホウ酸塩（sodium tetraborate）緩衝液を用いた毛管現象によって装置を充填した。流出する緩衝液と混合されたフルオレセインを容器344中に配置し、容器344と346との間に電圧勾配を印加することによってパラレルチャネルとの交差部を横切って排出した。
フルオレセインが横断チャネル342を充填すると、電圧勾配は容器344と346との間から容器338と340との間へと変化した。横断チャネル334および336の幾何学的配置および横断チャネル342の角をなす幾何学的配置により、各パラレルチャネル304〜332を通過する電流量を実質的に等しく維持し、フルオレセインプラグを実質的に同じ速度でそれぞれのチャネルを下って輸送した。
図６は、パラレルチャネルのアレイへのフルオレセインの導入を図示する写真である。この写真から分かり得るように、各チャネル内のフルオレセインプラグは実質的に同じ速度で移動している。
２．ミクロ流体システム中の核酸片のパラレル分析
接着された二つのガラス層から製造され、図８に示されるチャネル幾何学的配置を有するミクロ流体システムを、32個のパラレルチャネル内での核酸片の同一混合物を分析するために用い、ここではサンプルを中央サンプルチャネルを介して装置内にシリアルに導入した。これらのパラレルチャネル内での物質の動きを制御するために２つの容器／電極のみを用いることによって、あるパラレルチャネルから次のパラレルチャネルへの電流を実質的に一定に維持した。２つの容器／電極（CBRおよびCBWと表示される）を、対応するフラクタルチャネルネットワークを介してパラレルチャネルに接続した。試験されるサンプルをサンプルウェル（SR-2）内に配置し、サンプルをサンプル廃棄ウェル（SBW）に輸送することによってパラレルチャネルアレイを横切って輸送した。
サンプル溶液は、Genescan緩衝液中の3.5％Genescanポリマー網目マトリクス（sieving matrix）、SYBR Green挿入（intercalating）染料の500:1希釈液、およびHaeIII（Promega Corp.）で切断された（cleaved）二鎖DNAサイズ標準ΦX174の１μg／μL溶液の5:1希釈液の組み合わせであった。始めに、SYBR Green挿入染料の500:1希釈液を含む、Genescan緩衝液中のGeneScanTMポリマーの3.5％溶液でミクロ流体装置を充填した。この溶液を、DNAサンプル溶液で充填したウェルSR-2を除く全てのウェル中に配置した。
実験は、まず、ウェルSR-2とSBWとの間に電位を印加することによってロードチャネルをDNA溶液で充填することからなった。次いで、ウェルCBWとCBRとの間に電位を短時間印加することによって、少量のサンプルをパラレル分離チャネルに注入した。次いで、ウェルSW-2とSBWとの間に電位を印加することによって、ロードチャネルを空にした。このロードチャネルを空にすることによって、制限された量DNAのみが各分離チャネルに確実に注入された。最後に、ウェルCBWとCBRとの間に電位を再び印加することによって、各チャネルにおいて同時に分離を行った。ウェルCBWの近くの分離チャネルの底面での位置で分離を観察した。
エピ蛍光検出のために、PTIモデル814 PMT検出システムを有するNikonインバート顕微鏡Diaphot 200を用いた単一の検出器を用いて、分離された種の検出を行った。40倍顕微鏡対物レンズを介して結合されたOpti-Quip 1200-1500 50Wタングステン／ハロゲンランプが光源を提供した。適切なフィルタ／二色性鏡に嵌め込まれたFTTCフィルタ立方体（Chroma、Brattleboro VT）を用いて、励起および放射波長を選択した。５つの別々の放出を行い、ここではサンプルを主チャネルを介してロードし、32個の各パラレル分離チャネルに同時に注入した。各別々の放出では、32個のチャネルの異なるチャネルで検出を行った。
各５つの異なるパラレルチャネルの異なる片の分離を、保持時間対蛍光強度として図７に示す。保持時間は第１の注入からの時間として示される。特定のチャネルが各分離について示される。一つの検出器のみを用いたので、各線は、サンプルが注入される毎に実際に同時に行われる32個の分離の一つの異なるサンプルである。各走査が類似していることは、同じ量の物質が各チャネルに注入され、さらには、各チャネル内の相対的な保持時間、例えば、電気泳動移動度が実質的に一定に維持されたことを示している。
上記の発明は明瞭および理解のために一部詳細に記載した部分があるが、本開示を読めば、本発明の真の目的から逸脱せずに、形態および詳細に様々な変更が行われ得ることが当業者には明らかである。本願で引用されている全ての刊行物および特許書類は、各個々の刊行物あるいは特許書類が個別に示されるように、全ての目的について同じ範囲でその全体が参考として援用される。
【図１】
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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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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