(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上で材料ストリームを同時に空間的に閉じ込める装置であって、
前記基板の表面に形成された収束チャンバと、
前記基板の前記表面に形成されて、サンプル流体ストリームを搬送する第１及び第２のサンプルチャネルであって、夫々、サンプル流体発生源と流体連通した第１の端部と、前記収束チャンバと流体連通された第２の端部とを有する第１及び第２のサンプルチャネルと、
前記基板の前記表面に形成されて、収束流体ストリームを搬送する第１，第２及び第３の収束チャネルであって、前記第１のサンプルチャネルが前記第１の収束チャネルと前記第２の収束チャネルとの間に配置されると共に、前記第２のサンプルチャネルが前記第２の収束チャネルと前記第３の収束チャネルとの間に配置されるように形成され、夫々、収束流体発生源と流体連通された第１の端部と、前記収束チャンバと流体連通された第２の端部とを有する第１，第２及び第３の収束チャネルと、
前記基板の前記表面に形成された第１及び第２の排水チャネルであって、夫々、前記収束チャンバと流体連通された第１の端部と、排水リザーバと流体連通された第２の端部とを有する第１及び第２の排水チャネルと、
前記収束流体ストリームが前記サンプル流体ストリームを前記収束チャンバ内に空間的に閉じ込めるように、前記サンプル流体ストリームと前記収束ストリームとを前記各チャネルを介して前記収束チャンバ内へ追い遣る手段と、
前記基板に形成されて、前記サンプル流体ストリームを搬送する第１及び第２のサンプル収集チャネルであって、夫々、対応の排水チャネルと流体連通された第１の端部と、第１及び第２の収集リザーバと流体連通された第２の端部とを有する第１及び第２のサンプル収集チャネルと、
前記基板に形成されて、バッファー流体ストリームを搬送するバッファーチャネルであって、バッファー流体発生源と流体連通された第１の端部と、前記第１及び第２の排水チャネルと流体連通された第２の端部とを有するバッファーチャネルと、
前記バッファーチャネルを介して前記バッファー流体を駆動させて、前記サンプル流体ストリームを対応の排水チャネル、対応の収集チャネル又は排水チャネルと収集チャネルとの組合せの方向へ向けさせるための手段とを有している装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の排水チャネルの夫々の前記第１の端部が、前記収束チャンバ内において、前記第１及び第２のサンプルチャネルの夫々の前記第２の端部と実質的に向き合って配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の排水チャネルが、夫々、前記第１及び第２のサンプルチャネルの幅よりも狭い幅を有している、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１及び第２のサンプルチャネルが、夫々、前記第１及び第２の排水チャネルの幅よりも狭い幅を有している、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記サンプルチャネルの幅と前記排水チャネルの幅が、前記収束チャネルの幅よりも狭くなっている、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
微小粒子を含むサンプル流体ストリームをサンプル流体チャネルを介して収束チャンバへ誘導する工程と、
前記収束チャンバ中の前記サンプル流体ストリームの幅が検出ゾーンと略一致するように、収束流体を前記収束チャンバ内に移送することにより前記収束チャンバ内のサンプル流体ストリームの幅を狭める工程と、
収束されたサンプル流体中の前記微小粒子を前記検出ゾーンにおいて検出する工程と、
前記微小粒子の物理的特性値を測定する工程と、
測定された物理的特性値を前記物理的特性値の基準値と比較する工程と、
前記測定された物理的特性値が前記基準値に対して第１の量的関係を有する時に、前記サンプル流体ストリームを第１のリザーバへ向けさせ、或いは、前記測定された物理的特性値が前記基準値に対して第２の量的関係を有する時に、前記サンプル流体ストリームを第２のリザーバへ向けさせる工程とを含む、マイクロチップ上で流体媒体中の微小粒子を分析する方法。
【請求項７】
前記サンプル流体ストリームの幅を狭める前記工程が、前記サンプル流体チャネルの幅を狭める工程を更に含んでいる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
基板を有するマイクロチップ上で流体媒体中の微小粒子を分析する装置であって、
前記基板の表面に形成された収束チャンバと、
前記基板の前記表面に形成されて、サンプル流体ストリームを搬送するサンプルチャネルであって、微小粒子を含むサンプル流体発生源と流体連通された第１の端部と、前記収束チャンバと流体連通された第２の端部とを有するサンプルチャネルと、
前記基板の前記表面に形成されて、収束流体ストリームを搬送する収束チャネルであって、収束流体発生源と流体連通された第１の端部と、前記収束チャンバと流体連通された第２の端部とを有する収束チャネルと、
前記基板の前記表面に形成されて、前記サンプル流体を受けるために前記収束チャンバと流体連通された第１の端部を有する検出チャネルと、
前記基板の前記表面に形成されて、前記検出チャネルと流体連通された第１の端部を有する収集チャネルと、
前記基板の前記表面に形成されて、前記検出チャネルと流体連通された第１の端部を有する排水チャネルと、
前記収束流体ストリームが前記サンプル流体ストリームを前記収束チャンバ及び前記検出チャンバ内に空間的に閉じ込めるように、前記サンプル流体ストリームと前記収束流体ストリームとを前記各チャネルを介して前記収束チャンバ内へ追い遣る手段と、
前記検出チャネル内に空間的に閉じ込められたサンプル流体の微小粒子を検出する手段と、
検出された微小粒子の物理的特性値を測定する分析手段と、
測定された物理的特性値を前記物理的特性値の基準値と比較する比較手段と、
前記測定された物理的特性値が前記基準値に対して第１の量的関係を有する時に、前記サンプル流体ストリームを前記収集チャネルへ向けさせ、前記測定された物理的特性値が前記基準値に対して第２の量的関係を有する時に、前記サンプル流体ストリームを前記排水チャネルへ向けさせる方向転換手段とを有する装置。
【請求項９】
前記検出チャネルが、前記サンプルチャネルの幅よりも狭い幅を有している、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記サンプルチャネルが、前記検出チャネルの幅よりも狭い幅を有している、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記サンプルチャネルと前記検出チャネルが、前記収束チャネルの幅よりも狭い幅を夫々有している、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記基板の前記表面に形成されて、第２の収束流体ストリームを搬送する第２の収束チャネルを更に有し、前記第２の収束チャネルが、収束流体発生源に流体連通された第１の端部と、前記収束チャンバに流体連通された第２の端部とを有し、それにより、前記サンプル流体ストリームが前記第１及び第２の収束流体ストリームによって空間的に閉じ込められるようになっている、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記基板に形成されて、バッファー流体を搬送するバッファーチャネルであって、バッファー流体発生源に流体連通された第１の端部と前記収集チャネルと前記排水チャネルに流体連通された第２の端部を有するバッファーチャネルと、
前記バッファー流体発生源と前記収集チャネルと前記排水チャネルに作動的に連結されて、前記バッファーチャネルを介して前記バッファー流体を駆り立てて、前記サンプル流体ストリームを前記排水チャネル又は前記収集チャネルに向けさせ又は前記排水チャネルと前記収集チャネルとの双方へ向けさせるための手段とを更に有している、請求項８又は１２に記載の装置。
【請求項１４】
材料ストリームを空間的に閉じ込める装置であって、
基板の表面に形成された収束チャンバと、
前記基板の前記表面に形成されて、第１のサンプル流体ストリームを誘導する第１のサンプルチャネルであって、サンプル流体発生源と流体連通された第１の端部と、前記収束チャンバと流体連通された第２の端部とを有する第１のサンプルチャネルと、
前記基板の前記表面に形成されて、収束流体ストリームを誘導する収束チャネルであって、収束流体発生源と流体連通された第１の端部と、前記収束チャンバと流体連通された第２の端部とを有する収束チャネルと、
前記基板の前記表面に形成され、前記収束チャンバと流体連通された第１の端部と排水リザーバと流体連通された第２の端部とを有する第１の排水チャネルと、
前記サンプル流体発生源と前記収束流体発生源とに作動的に接続されて、前記収束流体ストリームが前記第１のサンプル流体ストリーを前記収束チャンバ内に空間的に閉じ込めるようにするために、前記サンプル流体ストリームと前記収束流体ストリームとを前記各チャネルを介して前記収束チャンバ内へ駆り立てる手段とを有し、
前記第１の排水チャネルが前記収束チャネルの幅よりも狭い幅を有している装置。
【請求項１５】
前記基板の前記表面に形成されて、第２のサンプル流体ストリームを誘導する第２のサンプルチャネルを更に有し、前記第２のサンプルチャネルが、第２のサンプル流体発生源と流体連通された第１の端部と前記収束チャンバと流体連通された第２の端部とを有し、前記サンプル流体ストリームと前記収束流体ストリームとを駆り立てる前記手段が、前記第２のサンプル流体ストリームを前記収束チャンバへ駆り立てるよう構成されて、前記収束流体ストリームが前記第１及び第２のサンプル流体ストリームを前記収束チャンバ内に空間的に閉じ込めるようになっている、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記収束チャネルが、前記第１のサンプルチャネルと前記第２のサンプルチャネルとの間に配置された前記収束チャンバに接続されて、前記排水チャネルと実質的に向き合っている、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記基板の前記表面に形成された第２の排水チャネルを更に有し、前記第２の排水チャネルが、前記収束チャンバに流体連通された第１の端部と第２の排水リザーバに流体連通された第２の端部とを有し、前記収束流体ストリームが前記収束チャンバ内に入った時に前記第１及び第２のサンプル流体ストリームを前記収束チャンバ内に閉じ込めるように、前記収束チャネルが前記第１のサンプルチャネルと前記第２のサンプルチャネルとの間に配置された前記収束チャンバに接続されている、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
前記第１のサンプルチャネルが、前記収束チャネルの幅よりも狭い幅を有している、請求項１４に記載の装置。
【請求項１９】
前記基板の前記表面に形成されて、第２の収束流体ストリームを誘導する第２の収束チャネルを更に有し、前記第２の収束チャネルが、収束流体発生源に流体連通された第１の端部と前記収束チャンバに流体連通された第２の端部とを有し、前記第１のサンプルチャネルが、前記第１の収束チャネルと前記第２の収束チャネルとの間に配置され、前記第１及び第２の収束流体ストリームが前記第１のサンプル流体ストリームを前記収束チャンバ内に閉じ込めるように、サンプル流体ストリームと収束流体ストリームを駆り立てる前記手段が、前記第１のサンプル流体ストリームを前記収束チャンバへ駆り立てるように構成されている、請求項１４又は１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記第１及び第２のサンプルチャネルが、夫々、前記収束チャネルの幅よりも狭い幅を有している、請求項１５又は１６に記載の装置。
【請求項２１】
前記第１及び第２のサンプルチャネルが、夫々、前記収束チャネルの幅よりも狭い幅を有している、請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
前記第１及び第２の排水チャネルが、夫々、前記収束チャネルの幅よりも狭い幅を有している、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記第１及び第２の排水チャネルが、夫々、前記収束チャネルの幅よりも狭い幅を有している、請求項１７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、流体化学的材料と生物的材量の動電的操作のための微細製造設計に関する。より特定的には、本発明は、動電的な力と移送細胞測定の提示によって２つ以上のサンプル材料ストリームを空間的に同時に閉じ込めるマイクロチップデバイスに関する。
【０００２】
【背景技術】
生物学及び化学の発展を容易にするために、流体マイクロチップ技術が、調整された微細製造された環境下で従来の科学研究所の機能を実行するためにますます利用されている。微細製造された化学的計測法は、ラボオンチップ技術としても知られ、複数の微細製造された機能エレメント又はマイクロチップ上で協働するようにリンクされた単位プロセスを開発して、小体積の化学／生物学測定法を開発する必要がある。
【０００３】
現在、これらの「オンチップ」研究所によって、流体化学的／生物学的材料の正確な移送と分析が容易化されている。マイクロチップの特徴は、分析時間及び試薬消費量が少ないこと、オートメーション化が容易なこと及びナノリッター未満の体積をバルブ無しで流体制御できることである。様々な電気駆動式分離操作がマイクロチャネルネットワーク内で実行されてきた。マイクロチップはまた、固相化学用の配列、ポリメラーゼ鎖反応用の反応ウェル、移送注入分析用の不動化済み酵素を持つチャネル及び均質酵素アッセイ用のマニホルドを含む化学反応を制御するために開発されてきた。
【０００４】
２体積接続部を持つチャネルマニホルドを設計して機械加工することが可能なことによって、マイクロチップは分析プロセスのための複数の工程を１つのデバイス上に組み合わせることに適している。マイクロスケールＣＥ分析速度を持つ化学反応を組み合わせるマイクロチップは、分離前と分離後の反応や、断片サイジングによるＤＮＡ制限ダイジェストや、細胞分析（ｃｅｌｌ  ｌｙｓｉｓ）、多重ＰＣＲ増幅及び電気泳動サイジングに対して効果的であること実証されている。
【０００５】
動電的技法、すなわちイオンを電気浸透的に誘導して流体移送及び／又は電気浸透的移行すること、は生物適材量及び化学的材料をマイクロチップデバイス上で操作する好ましい方法である。マイクロチップ上で２つ以上の液相の材料を混合したり試薬材料を調合したりする操作は、様々なリザーバに印加される電位を制御して、これらリザーバ中の材料をミクロチップのチャネル中で動電的に駆動することによって達成される。電気泳動は、帯電種を移送するが、その一方、電気浸透は全てのイオンと中性種に速度を与える。電気泳動と電気浸透の双方が動作可能であるような条件下では、イオンの正味速度は電気浸透の速度と電気泳動の速度とのベクトル和である。
【０００６】
動電式移送メカニズムは、上記の高度に有用な多くの実験を実証する目的には大いに効果的である。１部の応用分野では、首尾一貫した再現性を持つサンプルとしての材料ストリームを空間的に閉じ込める機能が必要である。この空間的閉じ込めすなわち「動電的収束」とは、動電移送によって、流体とイオンの双方の移送を空間的に閉じ込めることである。このような収束の例が、サンプルストリームを空間的に閉じ込めるデバイスと方法の製造を説明して示す１９９６年９月２６日に出願された関連の同時係属出願第０８／７２１，２６４号に開示されている。
【０００７】
最近では、複数の微小流体サンプルストリームを動電的にそして同時に収束できる改良型のマイクロチップに対する需要が起きており、また、流体ストリーム中の極微の粒子を効果的に分析する必要性が認識されている。
【０００８】
【発明の開示】
本発明の１つの態様によれば、動電的に駆動された流体材料ストリームを基板上に同時に空間的に閉じ込めるようになっている流体マイクロチップが提供される。装置は、基板の表面に形成された収束チャンバと、サンプルの流体ストリームを自身の中で搬送する前記の基板の表面に形成された２つのサンプルチャネルとを含んでいる。
【０００９】
このデバイスはまた、収束するストリームを自身の中で搬送するための前記基板の表面に形成された３つの収束チャネルを含んでいる。このサンプルチャネルはそれぞれが、収束チャンバと流体連通している第１の端を有している。収束チャネルは、１つのサンプルチャネルが第１の収束チャネルと第２の収束チャネル間に位置付けされ、また、第２のサンプルチャネルが第２の周桑チャネル第３の収束チャネル間に位置付けされるように形成されている。これらの収束チャネルは、収束流体の発生源と流体連通しているそれぞれの第１の端と、収束チャンバと流体連通しているそれぞれの第２の短とを有している。
【００１０】
この装置は、サンプル流体の発生源及び収束流体の発生源に接続され、これによって、サンプル流体と収束流体のそれぞれのストリームをそれぞれのチャネルを介して前記収束チャンバ中に、収束流体ストリームが第１と第２のサンプル流体ストリームを収束チャンバ中に閉じ込めるように、動電的に駆動するように動作可能な起電力手段をさらに含んでいる。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、流体ストリーム中の極微粒子をマイクロチップ上で分析する方法が提供される。この方法は、極微粒子を含むサンプル流体のストリームを、サンプル流体チャネルを介して収束チャンバに送出する工程を含んでいる。このプロセスにおいては、サンプル流体ストリームの幅は、サンプル流体ストリームの両側にある収束チャンバ中に収束流体を動電的に移送することによって収束チャンバ中で狭くなる。このプロセスは、収束されたサンプル流体中の極微粒子ををマイクロチップ上の事前選択された検出ゾーンで検出する工程をさらに含んでいる。
【００１２】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明による流体マイクロチップを、その２つの好ましい実施形態と関連させて説明する。一つの実施形態では、収束チャンバは、２つのサンプル材料ストリームが、３つの収束チャネル中で提供される収束流体を用いて横方向に閉じ込められるすなわち収束されるマイクロチップ上に提供される。第２の実施形態では、本発明によるマイクロチップは、収束されたサンプル材料ストリームを受容する収集チャネルと、収束済みサンプル材料ストリームの移送をこの収集チャネル中に選択的に方向付けするためのバッファ流体を提供するバッファチャネルと、を含んでいる。本発明に従ってマイクロチップを用いて流体サンプル材料を分析する方法もまた、移送細胞測定法の動作例と関連して説明する。
【多重動電的収束】
【００１３】
本発明を実現するデバイスは、動電力を用いて、流体材料のストリームを微細製造されたチャネルを介して駆動する。この微細製造されたデバイスは、内部を同時に走行している流体材料のストリームを閉じ込めるための収束チャンバと流体連通している複数のサンプルチャネルと収束チャネルを含んでいる。この収束チャンバは、マイクロチップの基板に形成されているサンプルチャネルと収束チャネルの合流点に形成されている。
【００１４】
サンプル流体ストリームと収束流体ストリームは、サンプル流体ストリームの幅が実質的に狭くできるように動電的に操作される。サンプル流体ストリームは、電気泳動法、電気浸透法又はこれらの組合せによって収束される。収束すなわち空間的閉じ込めは、収束チャネルを介して収束チャンバに送出される流体バッファ材料を用いて達成される。収束チャンバ中を通過中のサンプル流体ストリームの空間的閉じ込めは、収束流体チャネル中での動電的電場強度をサンプル流体チャネル中でのそれより相対的に大きくすることによって発生する。
【００１５】
全体にわたって同一又は同様の構成部品が同様の参照番号によって示されている図面、特に図１をここで参照すると、本発明による微細製造された（マイクロチップ）デバイス１０が図示されている。マイクロチップデバイス１０は、固体の基板材料、好ましくはガラスから設計、製造されている。しかしながら、シリコンもまた用いられるが、それは、良好に開発された技術によって、それを正確にそして効率的に製造できるからである。ポリマー、石英、溶成シリカ、サファイア又はプラスチックを含む他の材料もまた、基板材料として適している。微細製造されたデバイス１０の表面はカバープレートによって覆われ、密封されている。
【００１６】
マイクロチップデバイス１０上の導通チャネルは、当業者には周知の微細加工方法によって形成される。利用可能な微細加工方法には、スピンコーティングや化学的気相成長法などの膜堆積プロセス、紫外線プロセスやＸ線プロセスなどのレーザ製造やフォトリソグラフィ技法、湿式化学的プロセス又はプラズマプロセスで実行されるエッチング方法などがある。マイクロチャネル構成物は、正の光レジスト、光マスク及び紫外線露光によって基板材料上に転送されるのが望ましい。チャネルは希釈され攪拌されたＨＦ／ＮＨ４Ｆバス中で基板中にエッチングされる。
【００１７】
微細製造されたデバイス１０は、その表面に形成されたサンプルチャネル２８及び３６、収束チャネル４０、３２及び４２並びに排水チャネル４８、５０及び４６を有している。サンプルリザーバ１４と１８は、サンプルチャネルがそれぞれのリザーバと流体連通するようにそれぞれサンプルチャネル２８と３６の端に形成すなわち位置付けされている。
【００１８】
収束リザーバ１２、１６及び２０は収束チャネル４０、３２及び４２と同様に結合している。排水リザーバ２４は排水チャネル４６の端に形成すなわち位置付けされている。ここに図示して説明する実施形態では、サンプルチャネル２８及び３６、収束チャネル４０、３２及び４２並びに排水チャネル４８、５０及び４６は各々が、半分の深さでの４２μｍの公称幅と８．６μｍの公称深さとを有している。
【００１９】
電圧源（図示せず）が様々なリザーバに接続されている。リザーバに対する電気的接触は、デバイス１０を電位源と動作可能にリンクするプラチナワイヤで達成されている。このマイクロチップの電気浸透的移動度は自然ガラスのそれである。
【００２０】
ここで図２Ａを参照すると、収束チャンバ２２は、マイクロチップデバイス１０の表面の、サンプルチャネル２８及び３６、収束チャネル４０、３２及び４２並びに排水チャネル４８及び５０の合流点のところに形成されている。図示の実施形態では、収束チャンバは約３６０μｍの幅、約７１μｍの長さ及び約８．６μｍの深さを有している。チャネルと収束チャンバの寸法は触針ベースの表面プロファイラで測定され、また、通知されたチャネルの幅と長さは半分深さのところで測定された。
【００２１】
ここに図示して説明するマイクロチップデバイス１０では、サンプル流体は収束チャンバを介して連続的に注入される。リザーバの電位は、横方向の収束を増加又は減少させるように調整される。各サンプルリザーバと収束リザーバに印加された電位は互いに独立に制御され、排水リザーバは接地される。チャネルの長さと幅を少し変動させるには、これらリザーバに印加される電圧が互いに少し異なり、これによって電場強度を均衡させて収束チャンバ中での流体移送料が対称的となることが必要である。
【００２２】
サンプル電場強度はサンプルチャネル中の電場強度と定義され、これと対応して、収束電場強度は収束チャネル中での電場強度である。サンプルストリームのプロフィールは全て、収束チャンバの出口（排水チャネルの取り入れ口）のところで全幅半値（ｆｗｈｍ）方式で測定される。実験的条件、例えばバッファの相対的導通性、印加電圧、電気浸透性移送量などは不変であり、ストリーム幅の経時変動は本質的に一定である。
【００２３】
本発明によるマイクロチップデバイス１０では、サンプル材料は、図２Ａに示すような狭い収束チャンバを横断して１つ以上の狭い排水チャネル中を移送する必要はない。その代わり、サンプルチャネルと収束チャネルは、サンプルチャネルと収束チャネルの全てに及ぶ幅を有する収束チャンバ中で終端してもよい。このような場合、収束チャンバは数ｍｍ以上になることがある。これでも収束は、このような開成収束チャンバ設計によって達成される。しかしながら、サンプルストリームの空間的閉じ込めは、３つのチャネルが１つの狭い排水チャネルに集中している図２Ａに示すようなデバイスでは約１．６倍ほど改善される。
【００２４】
収束されたストリーム幅は収束チャンバの出口（排水チャネルの取り入れ口）の幅に比例する。例えば、図２Ａと２Ｂに示す実施形態では、収束チャネル４０及び３２並びにサンプルチャネル２８の中の流体ストリームは排水チャネル４８に集中し、また、収束チャネル３２及び４２並びにサンプルチャネル３６中の流体ストリームは排水チャネル５０に集中する。狭い排水チャネル４８と５０は物理的バリヤ、すなわち移送の障害物と成るが、これによって、動電的な収束の閉じ込め性が向上する。これは、単一サンプルと複数サンプルの双方の場合の動電的収束チャンバに応用される。したがって、収束チャンバと排水チャネルを狭くすることによってより緊密な横方向の閉じ込めが達成される。
【００２５】
本書に述べるようなマイクロチップデバイス１０によって提供される多重動電的収束効果は、撮像用の電荷結合素子（ＣＣＤ）と共にレーザー誘導の蛍光（ＬＩＦ）を用いると観察された。アルゴンイオンレーザービーム（５１４．５ｎｍ、１００ｍＷ）がレンズを用いて微細製造デバイス１０の表面のところに直径で約５ｍｍに拡大された。蛍光信号が光顕微鏡を用いて収集され、スペクトル的にフィルタリングされ（５５０ｎｍカットオン（ｃｕｔ−ｏｎ））、ＣＣＤで測定された。
【００２６】
この動作例では、収束チャネル４０、３２及び４２中で用いられるバッファ材料は１０ｍＭの四ボロンナトリウムであり、また、サンプルチャネルの材料は１０ｍＭバッファ中のローダミン６Ｇ（１０μＭ）である。サンプルチャネル２８と３２中のサンプル流体ストリームが収束チャンバ２２中を通過する際に受ける収束効果は、図２ＢのＣＣＤ像に明瞭に観察される。
【００２７】
図２Ｂでは、サンプル流体ストリーム２８と３６が同時に約８μｍの平均幅に図１と２Ａの収束マイクロチップ１０を用いて収束されている。ストリーム幅は収束チャンバの出口で測定される。サンプルチャネル２８と３６は中心同士間で１６０μｍだけ間隔が空いている。サンプルチャネル（２８と３６）中の平均電場強度は４０Ｖ／ｃｍである。２つに外側の収束チャネル（４０と４２）中の平均電場強度は４００Ｖ／ｃｍであり、中心収束チャネル（３２）中の平均電場強度は７５０Ｖ／ｃｍである。中心収束チャネル中の電場強度は外側の収束チャネル中の電場の値のほぼ２倍であるが、その理由は、中心チャネルはチャネル２８と３６中でサンプル流体ストリームの収束させる支援をしなければならないからである。
【００２８】
各収束リザーバ（１２、１６及び２０）の電位は、収束流体の収束効果をチューニングさせ、また、収束されたサンプルストリームの対称性を達成するために個別に調整される。このような機能性によって、移送動力学を研修する際のフレキシビリティが増すが、マイクロチップ設計が完了したらもはや不必要となる。
【００２９】
サンプルチャネル２２からのサンプル材料ストリームの横方向空間閉じ込め（収束）は、収束流体が収束チャンバ２２中に収束チャネル４０と３２の各々から移送される量がサンプルチャネル２８から収束チャンバ２２中にサンプル流体が移送される量より大きい場合に発生する。同様に、サンプル材料ストリームのサンプルチャネル３６中への横方向空間閉じ込めは、収束流体が収束チャンバ２２中に収束チャネル３２と４２の各々から移送される量が、サンプルチャネル３６から収束チャンバ２２中にサンプル流体が移送される量より大きい場合に発生する。収束流量が大きすぎると、サンプルはサンプルリザーバから収束チャンバに動電的に移送されることはない。
【００３０】
マイクロチップ１０の中央にある収束チャネル３２は、サンプルストリームを２つの隣り合ったサンプルチャネル２８と３６中に閉じ込め、これによって、必要とされる収束チャネルの合計数を制限する。本発明に従って製造されたマイクロチップによって提供される多重収束は、必要に応じてサンプルストリームの数を増加させて応用することが可能である。
【００３１】
図３に、本発明による多重動電的収束デバイスの第２の実施形態を示す。マイクロチップデバイス５は、図１と２Ａに示す実施形態と同じように基板上に形成された、収束チャンバ２２と、収束チャネル４０、３２及び４２と、サンプルチャネル２８及び３６と、排水チャネル４８及び５０とを有している。しかしながら、マイクロチップデバイス５はまた、２つのサンプル収集チャネル７５及び７７と、排水チャネル４８及び５０と相互接続されているバッファチャネル８０とを有している。
【００３２】
これら収束チャネルは各々が、それぞれの収集チャネルの遠隔端に配置されている収集リザーバ（図示せず）と流体連通している。マイクロチップデバイス５においては、目的とするサンプルストリームの内の一方又は双方を、収束チャンバ２２のちょうど下流のところで探索された後で収集チャルるに分流させることが可能である。図３に示す実施形態では、サンプルチャネル２８からのサンプル流体は、収束チャンバを出た後で排水チャネル４８に方向付けされる。バッファ流体が、収束されたサンプル流体がサンプル収集チャネル７５中に走行するのを防止するに十分な移送量レベルでバッファチャネル８０を介して提供される。
【００３３】
サンプルチャネル３６からのサンプル流体は、収束チャンバ２２から出た後で収集チャネル７７に方向付けされる。このような移送方向は、サンプル収集チャネル７７と流体連通しているサンプル収集リザーバに印加される電位を下げることによって達成される。この収束されたサンプル流体をサンプル収集チャネルに方向付けする代替法法は、排水チャネル５０用の排水リザーバの電位をサンプル収集チャネル７７用の収集リザーバの電位より上げることである。サンプル収集チャネルは互いに独立にも、互いに関連しても動作させることが可能である。
【００３４】
【移送細胞測定】
図４を参照すると、微小ラテックス粒子を含むサンプル流体を動電的に収束させる移送細胞測定を実行する方法が示されている。微細製造されたデバイス７は、排水リザーバ９６と、収束リザーバ９２及び９４と、サンプルリザーバ９０と、収集リザーバ９８とを含んでいる。サンプルチャネル１００は、その一方の端がサンプルリザーバ９０と流体連通している。収束チャネル１０２と１０４は、その第１の端がそれぞれ収束リザーバ９２及び９４と流体連通している。排水チャネル１０６は、その一方の端が排水リザーバ９６と流体連通しており、また、収束チャネル１０８は、その一方の端が収集リザーバ９８と流体連通している。
【００３５】
収束チャンバ２２は、サンプルチャネル１００と収束チャネル１０２及び１０４の合流点のところに形成されている。短尺のチャネルセグメント１３５が収束チャンバ２２の下流側に装備され、これが、サンプル流体中の微小粒子を分析する探索領域となっている。この探索領域は収束チャンバ２２の出口のところ又は収束チャンバ２２の少し下流に置けば、光の散乱をチャネルの壁によって最小化することができる。撮像デバイス１６０と像制御プロセッサ１５０が、粒子に関する観察可能な情報を得て分析する目的で装備されている。マイクロチップ７は、５３．５μｍ幅と１５．８μｍ深さという均一なチャネル寸法を有している。
【００３６】
粒子の検出は光散乱技法を用いて実行するのが望ましいが、蛍光率や吸収率や屈折率などの他の技法を互いに独立して又は関連させて用いてもよい。撮像デバイス１６０は、５１４．５ｎｍの波長と約１０ｍＷの出力で動作するアルゴンイオンレーザーとして実現するのが望ましい。この撮像デバイスからのビームは、収束チャンバ２２の少し下流に位置している探索領域１３５上約５０μｍのスポットとなるように収束される。レーザービームの収束は、２００ｍｍの焦点距離を持つ集束レンズによって達成される。サンプル流体中の粒子によって散乱した光は１００倍（０．７ＮＡ）の対物レンズを用いて収集される。
【００３７】
散乱した光は空間的にフィルタリングされて、光電子増倍管を用いて測定される。この光電子増倍管の反応は処理手段１５０によって増幅されて記録されるが、この処理手段１５０は、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ社の専売特許ソフトウエアプロダクトであるＡＤＣインタフェースと実行用ソフトＬａｂｖｉｅｗ４．１を持つマッキントッシュコンピュータであるのが望ましい。本発明による細胞測定法の動作例では、直径１．８９μｍのラテックス球を包含する１０ｍＭの四ボロンナトリウムのバッファ溶剤を用いた。
【００３８】
試験は、収束チャンバ２２中を粒子を連続的に移送して実行され、リザーバの層大敵電位を変化させて、サンプル流体ストリームの収束の度合いを増減させ、これによって、収束したストリームが検出装置中で用いられている空間フィルタの直径とほぼ釣り合うようにした。サンプルリザーバ９０並びに収束リザーバ９２及び９４に印加された電位は互いに独立に制御され、一方、サンプル収集リザーバ９８は接地された。排水リザーバには電位は印加されなかった、すなわち、その電位は浮動していた。チャネルの長さと幅を少し変動させるには、これら収束リザーバに印加される電位が少し互いに異なり、これで電場強度を均衡させて、収束チャンバ中への流体の移送を対称的にする必要があった。
【００３９】
ここで図５を参照して、本発明による細胞測定プロセスを実行する仕方を説明する。粒子１２０はサンプルリザーバ９０からサンプルチャネル１００に沿って移送される。上述したように、搬送流体のストリームは収束チャンバ２２に移送され、ここで横方向に閉じ込められる。粒子１２０は探索領域１３５を通過して、光散乱、蛍光又は双方を用いて検出される。図６に、粒子１２０の、それが動電的に収束されて探索領域１３５中で検出された後の淘汰値時間分布を示す。散乱強度はほぼ均一であるが、その理由は、粒子サイズの分布が狭く、また、動電敵襲束に起因するその横方向の位置の変動が小さいからである。
【００４０】
排水リザーバ９６と収集リザーバ９８に印加される電位を制御プロセッサ１５０によって交番させることによって、ラテックス粒子１２０を排水リザーバ又は収集リザーバのどちらかに対して、探索領域１３５で観察される粒子の蛍光識別特性に基づいて方向付けすることが可能である。本発明で用いられるラテックス粒子を他のタイプの粒子、例えば細胞、バクテリア、他のポリマー粒子、無機粒子、環境的に収集された粒子、分子などで置き換えてもよいことが理解されよう。
【００４１】
本発明による微細製造されたデバイスを説明した。このデバイスは動電的に収束させて、内部を通過する少なくとも１つのストリームのサンプル材料を空間的に閉じ込める。このようにして、この微細製造されたデバイスは複数のサンプル材料を同時に処理することが可能となる。本発明によるこのデバイスは、細胞分析を含む様々な分析手順で用いると利点がある。サンプル流体を収束チャンバ中に空間的に閉じ込めることによって、少量の体積で高度に効率的で、高度に感度の高い蛍光検出が可能となり、また、並列に配置することによってサンプルのスループットを向上させている。また、このようなデバイスは、動電的移送と圧力駆動による流れをいかようにも組み合わせて、同じような効果を達成することが可能である。
【００４２】
上記の用語と表現は既述用の用語として用いられたものであり、制限的なものではない。このような用語と表現を用いたとはいえ、それは、図示し説明した特徴又はその部分の等価物をなんら排除する意図を有するものではない。しかしながら、チャネルの寸法、一及び配置などに関する様々な修正が個々に請求され本発明の範囲内で可能であることが認識されよう。
【図面の簡単な説明】
前述の要約及び以下の詳細な説明は、次の添付図面と共に読めばよりよく理解されよう。
【図１】  本発明に従ってサンプル材料ストリームを空間的に閉じ込める流体マイクロチップの概略図である。
【図２Ａ】  図１に示す流体マイクロチップデバイス中の流体チャンバのＣＣＤ像である。
【図２Ｂ】  図２Ａの収束チャンバ中の２つの流体材料を同時に収束させたＣＣＤ像である。
【図３】  本発明による流体マイクロチップの第２の実施形態の概略図である。
【図４】  極微粒子の移送細胞測定用に用いられる本発明によるマイクロチップの概略図である。
【図５】  流体ストリーム中の極微ラテックス粒子の移送細胞測定用のマイクロチップのし用法を示す本発明によるマイクロチップの動作を概略図である。
【図６】  動電的収束と光散乱検出に続いて観察ゾーンで検出された図５に示す極微ラテックス粒子の到達時間分布のグラフである。
【図１】
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【図３】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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