(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）本体構造部であって、その中に配置された主チャネルを含み、さらに、
（ａ）１又は２以上の交差地点にて主チャネルと交差する１又は２以上のフローリダクションチャネルであって、流体が前記１又は２以上の交差地点を流れ過ぎる際に主チャネル中の流体の流量を低減するように構造上構成されている前記１又は２以上のフローリダクションチャネル、
（ｂ）前記１又は２以上のフローリダクションチャネルに流動自在に連結された第１圧力源であって、該第１圧力源に向かう流れの方向において前記１又は２以上の交差地点の下流の前記１又は２以上のフローリダクションチャネルに配置される前記第１圧力源、
を含む前記本体構造部、
（ｉｉ）主チャネルに沿った第１位置にて主チャネルに流動自在に連通した第１流体物質のソース、
（ｉｉｉ）主チャネルに沿った第２位置にて主チャネルに流動自在に連通した第２流体物質のソース、及び
（ｉｖ）主チャネルに流動自在に連結された主圧力源、
を含むミクロ流体装置。
【請求項２】
第１圧力源と主圧力源が同一である請求項１記載の装置。
【請求項３】
第１圧力源と主圧力源が単一の真空源からなる請求項１記載の装置。
【請求項４】
（ｉ）本体構造部であって、その中に配置された主チャネルを含み、さらに、第１交差地点と第２交差地点にて主チャネルと交差する１又は２以上のフローリダクションチャネルを含み、この１又は２以上のフローリダクションチャネルは、流体が第２交差地点に向かう方向にて第１交差地点を流れ過ぎる際に主チャネル中の流体の流量を低減するように構造上構成される、前記本体構造部、
（ｉｉ）主チャネルに沿った第１位置にて主チャネルに流動自在に連通した第１流体物質のソース、
（ｉｉｉ）主チャネルに沿った第２位置にて主チャネルに流動自在に連通した第２流体物質のソース、及び
（ｉｖ）主チャネルに流動自在に連結された主圧力源、
を含むミクロ流体装置。
【請求項５】
前記１又は２以上のフローリダクションチャネルが、流体が前記１又は２以上の交差地点を流れ過ぎる際に主チャネル中の流体の流量を低減するように構造上構成されている、請求項１又は請求項４に記載の装置。
【請求項６】
主チャネルに流動自在に連通した２又は３以上のフローリダクションチャネルを含む、請求項１又は請求項４に記載の装置。
【請求項７】
主チャネルに流動自在に連通した約３〜約４のフローリダクションチャネルを含む、請求項１又は請求項４に記載の装置。
【請求項８】
主チャネルに流動自在に連通した約５〜約１０のフローリダクションチャネルを含む、請求項１又は請求項４に記載の装置。
【請求項９】
主チャネルに流動自在に連通した約１０又は１１以上のフローリダクションチャネルを含む、請求項１又は請求項４に記載の装置。
【請求項１０】
前記主チャネルが第１断面寸法を有し、前記１又は２以上のフローリダクションチャネルが第２断面寸法を有し、また、前記第１断面寸法と前記第２断面寸法が同じである、請求項１又は請求項４に記載の装置。
【請求項１１】
前記主チャネルが第１寸法を有し、前記１又は２以上のフローリダクションチャネルが第２寸法を有し、また、前記第１寸法と前記第２寸法が異なる、請求項１又は請求項４に記載の装置。
【請求項１２】
前記第２寸法が前記第１寸法よりも小さい、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記１又は２以上のフローリダクションチャネルが、交差しないチャネルである、請求項１又は請求項４に記載の装置。
【請求項１４】
前記１又は２以上のフローリダクションチャネルが、１又は２以上の第２フローリダクションチャネルと交差し、この第２フローリダクションチャネルが、前記１又は２以上のフローリダクションチャネルの断面寸法よりも小さい断面寸法を有する、請求項１又は請求項４に記載の装置。
【請求項１５】
主圧力源が、主圧力源に向かう流れの方向において前記１又は２以上のフローリダクションチャネルより下流の位置にて主チャネルに流動自在に連結される、請求項１又は請求項４に記載の装置。
【請求項１６】
主圧力源が真空源である、請求項１又は請求項４に記載の装置。
【請求項１７】
主圧力源が単一の真空源である、請求項１又は請求項４に記載の装置。
【請求項１８】
前記１又は２以上のフローリダクションチャネル内又はその近傍にて１又は２以上の検出領域をさらに含む、請求項１又は請求項４に記載の装置。
【請求項１９】
検出システムをさらに含み、この検出システムは、主チャネル及び前記１又は２以上のフローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つの両方の近傍に配置された１又は２以上の検出器を含む、請求項１又は請求項４に記載の装置。
【請求項２０】
前記１又は２以上の検出器が単一の検出器からなり、この検出器が前記１又は２以上のフローリダクションチャネルの各々において信号を同時に検出する、請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
検出システムにより検出された信号を分析するための装置に動作上連結されたコンピュータ及びソフトウエアをさらに含む、請求項１９記載の装置。
【請求項２２】
前記第１位置及び第２位置が前記１又は２以上のフローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つより上流にある、請求項１又は請求項４記載の装置。
【請求項２３】
前記第１位置が、前記１又は２以上のフローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つより上流にあり、前記第２位置が、前記１又は２以上のフローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つより下流にある、請求項１又は請求項４記載の装置。
【請求項２４】
前記第１位置と第２位置が、前記１又は２以上のフローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つより下流にある、請求項１又は請求項４記載の装置。
【請求項２５】
前記第１流体物質と第２流体物質が同じ物質である、請求項１又は請求項４記載の装置。
【請求項２６】
前記第１流体物質と第２流体物質が異なる、請求項１又は請求項４記載の装置。
【請求項２７】
前記第１流体物質がサンプル物質であり、前記第２流体物質が稀釈剤物質である、請求項１又は請求項４記載の装置。
【請求項２８】
前記稀釈剤が緩衝剤である、請求項２７記載の装置。
【請求項２９】
流体指示システムをさらに含み、この流体指示システムが、
（ａ）第１流体物質を第１流体物質のソースから主チャネルに移動させ、第２流体物質を第２流体物質のソースから主チャネルに移動させ、第１流体物質と第２流体物質を結合させて第３流体物質を形成すること、
（ｂ）第３流体物質の第１部分を主チャネルから前記１又は２以上のフローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つに移動させ、第３流体物質の第２部分は主チャネルに残すこと、及び
（ｃ）第３流体物質の第２部分を主チャネルを通して移動させること、
のうちの１つ又は２以上を指示する、請求項１又は請求項４記載の装置。
【請求項３０】
装置の動作中、第１流体物質は第１流量を有し、第３流体物質は第２流量を有し、また、第２流量は、第１流体物質が第２流体物質と結合した後に増大して第１流量よりも大きな流量となり、さらにまた、第２流量は、第３流体物質の第１部分が主チャネルから前記１又は２以上のフローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つに移動した後に減少する、請求項２９記載の装置。
【請求項３１】
装置の動作中、第３流体物質の第１部分が主チャネルから前記１又は２以上のフローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つに移動した後に、第２流量は実質的に第１流量と同じまで、又は第１流量より少ない量流まで減少する、請求項３０記載の装置。
【請求項３２】
第３流体物質の第１部分が主チャネルから前記１又は２以上のフローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つ中に移動することによる圧力変化により、第３流体物質の流量が調節される、請求項２９記載の装置。
【請求項３３】
前記１又は２以上のフローリダクションチャネルの下流にある第３位置にて主チャネルと流動自在に連通する第４流体物質のソースをさらに含み、また、前記流体指示システムが、第４流体物質のソースから主チャネル中への第４流体物質の移動を指示する、請求項２９記載の装置。
【請求項３４】
前記第４流体物質が試薬物質である、請求項３３記載の装置。
【請求項３５】
前記システムが、主チャネル中への試薬物質の移動前に第３流体物質の流量を低減することにより試薬物質の消費を低減する、請求項３４記載の装置。
【請求項３６】
前記第３位置の下流にある第４位置にて、主チャネル内の検出領域、又は主チャネルに流動自在に連結された検出領域をさらに含む、請求項３３記載の装置。
【請求項３７】
前記１又は２以上のフローリダクションチャネルに沿った第１位置にて前記１又は２以上のフローリダクションチャネルに流動自在に連通した第３流体物質のソース、及び
前記１又は２以上のフローリダクションチャネルに沿った第２位置にて前記第１又は２以上のフローリダクションチャネルに流動自在に連通した第４流体物質のソース、
をさらに含む、請求項１又は請求項４記載の装置。
【請求項３８】
前記第３流体物質と第４流体物質が試薬物質である、請求項３７記載の装置。
【請求項３９】
前記第１流体物質がサンプル物質であり、前記第２流体物質が緩衝剤物質であり、前記第３流体物質が基質物質であり、前記第４流体物質が酵素物質である、請求項３７記載の装置。
【請求項４０】
以下の事項、すなわち、
装置の動作中、第１流体物質を第１流体物質のソースから主チャネルに移動し、第２流体物質を第２流体物質のソースから主チャネルに移動し、第１流体物質と第２流体物質を結合させて稀釈された物質を形成すること、
装置の動作中、前記稀釈された物質の第１部分を主チャネルから前記第１又は２以上フローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つに移動させ、前記稀釈された物質の第２部分は主チャネル中に残しておくこと、
装置の動作中、前記稀釈された物質の第２部分を主チャネルを通して移動させること、
装置の動作中、第４流体物質を前記１又は２以上のフローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つ中に移動させること、
装置の動作中、第４流体物質を主チャネル中に移動させること、
装置の動作中、第５流体物質を前記１又は２以上のフローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つ中に移動させること、
装置の動作中、第５流体物質を主チャネル中に移動させること、
なる事項のうちの少なくとも１又は２以上を指示する流体指示システムをさらに含む、請求項３７記載の装置。
【請求項４１】
前記流体指示システムが、前記第４流体物質と第５流体物質を前記１又は２以上のフローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つ中に移動させることを指示し、前記第４流体物質、第５流体物質及び前記稀釈された物質を結合させて反応物質を形成する、請求項４０記載の装置。
【請求項４２】
以下の事項、すなわち
（ａ）第１流体物質を第１流体物質のソースから主チャネル中に移動させること、
（ｂ）第１流体物質の第１部分を主チャネルから前記１又は２以上のフローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つ中に移動させ、第１流体物質の第２部分は主チャネル中に残しておくこと、
（ｃ）第２流体物質を第２流体物質のソースから主チャネル中に移動させ、第２流体物質と第１流体物質の第２部分を結合させて第３流体物質を形成すること、及び
（ｄ）第３流体物質を主チャネルを通して移動させること、
の事項のうちの１つ又は２以上を指示する流体指示システムをさらに含む、請求項１又は請求項４記載の装置。
【請求項４３】
装置の動作中、第１流体物質が第１流量を有し、第１流体物質の第２部分が第２流量を有し、第３流体物質が第３流量を有し、また、第１流体物質の第１部分が前記１又は２以上のフローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つ中に移動した後に第２流量が減少して第１流量よりも小さい流量となり、また、第２流体物質と第１流体物質の第２部分とを結合させた後に第３流量が増し、第２流量よりも大きい流量を生じる、請求項４２記載の装置。
【請求項４４】
第３流量が第１流量に実質的に等しい流量まで増える、請求項４３記載の装置。
【請求項４５】
請求項１に記載の装置であって、
主チャネルが、主圧力源とサンプル物質ソースとに流動自在に連結された第１並列領域、第２並列領域、第３並列領域及び第４並列領域を含み、
前記１又は２以上のフローリダクションチャネルが、
第１並列領域に流動自在に連結した第１フローリダクションチャネル、
第２並列領域に流動自在に連結した第２フローリダクションチャネル、
第３並列領域に流動自在に連結した第３フローリダクションチャネル、
を含み、
第１圧力源と主圧力源が同じであり、そして
前記装置が、
第１並列領域、第２並列領域及び第３並列領域に流動自在に連通した稀釈剤物質のソース、
第１並列領域、第２並列領域、第３並列領域及び第４並列領域に流動自在に連通した１又は２以上の試薬物質の１又は２以上のソース、および
主チャネル、第１フローリダクションチャネル、第２フローリダクションチャネル、第３フローリダクションチャネル、第１並列領域、第２並列領域及び第３並列領域の近傍にある検出領域
を含む上記装置。
【請求項４６】
請求項４に記載の装置であって、
主チャネルが上流端と下流端とを含み、そして
前記１又は２以上のフローリダクションチャネルが、
第１位置及び第２位置にて主チャネルと交差する第１フローリダクションチャネル、
前記第１位置と第２位置の間の主チャネル上に位置する第３位置及び第４位置にて主チャネルと交差する第２フローリダクションチャネル、
前記第３位置と第４位置の間の主チャネル上に位置する第５位置及び第６位置にて主チャネルと交差する第３フローリダクションチャネル、
を含み、
主圧力源が、前記下流端にて主チャネルに流動自在に連結した真空源であり、  前記装置が、
前記上流端にて主チャネルに流動自在に連結したサンプル物質のソース、
前記サンプル物質のソースと第１位置の間の第７位置にて主チャネルに流動自在に連通した稀釈剤物質の第１ソース、
前記第１位置と第２位置の間の第８位置にて主チャネルに流動自在に連通した稀釈剤物質の第２ソース、
前記第３位置と第５位置の間の第９位置にて主チャネルに流動自在に連通した稀釈剤物質の第３ソース、
主チャネル及び前記１又は２以上のフローリダクションチャネルに流動自在に連通した１又は２以上の試薬物質の１又は２以上のソース、および
第１フローリダクションチャネル、第２フローリダクションチャネル、第３フローリダクションチャネル及び主チャネルの近傍にある検出領域、
をさらに含む上記装置。
【請求項４７】
前記１又は２以上のフローリダクションチャネルと交差する１又は２以上の反応チャネルをさらに含み、また、前記１又は２以上の試薬の１又は２以上のソースが、前記１又は２以上の反応チャネルに流動自在に連通している、請求項４６記載の装置。
【請求項４８】
前記１又は２以上の反応チャネルが第１断面寸法を有し、前記１又は２以上のフローリダクションチャネルが第２断面寸法を有し、前記第１断面寸法が前記第２断面寸法より小さい、請求項４７記載の装置。
【請求項４９】
ミクロ流体システムのチャネル中の流体の体積流量を調節するための方法であって、
（ｉ）本体構造部を設けることであり、ここで、該本体構造部はその中に配置された複数の微小規模のチャネルを含み、前記複数の微小規模のチャネルは、
（ａ）主チャネル、及び
（ｂ）１又は２以上の交差地点にて主チャネルと交差する１又は２以上のフローリダクションチャネルであって、流体が前記１又は２以上の交差地点を流れ過ぎる際に主チャネル中の流体の流量を低減するように構造上構成された前記１又は２以上のフローリダクションチャネル、
を含み、
（ｉｉ）主チャネルに動作上連結された主圧力源を設けること、
（ｉｉｉ）主チャネルを通して第１流体物質を流すこと、
（ｉｖ）主チャネル中に第２流体物質を流して第３流体物質を得ること、
（ｖ）前記１又は２以上のフローリダクションチャネルを通して第３流体物質の第１部分を流すこと、及び
（ｖｉ）主チャネルを通して第３流体物質の第２部分を流し、それにより主チャネル及び前記１又は２以上のフローリダクションチャネル中の第３流体物質の流量を調節すること、
を含む前記方法。
【請求項５０】
流体が前記１又は２以上の交差地点を流れ過ぎる際に主チャネル中の流体の流量を低減するように、前記１又は２以上のフローリダクションチャネルを構造上構成することをさらに含む、請求項４９記載の方法。
【請求項５１】
請求項４９記載の方法であって、前記本体構造部が、主チャネルに流動自在に連通した２又は３以上のフローリダクションチャネルを含み、前記方法がステップ（ｉｉ）〜（ｖ）を反復して繰り返すことを含む、上記方法。
【請求項５２】
主チャネルに流動自在に連通した約３〜約４のフローリダクションチャネルを含むように、本体構造部を構造上構成することをさらに含む、請求項５１記載の方法。
【請求項５３】
主チャネルに流動自在に連通した約５〜約１０のフローリダクションチャネルを含むように、本体構造部を構造上構成することをさらに含む、請求項５１記載の方法。
【請求項５４】
主チャネルに流動自在に連通した約１０又は１１以上のフローリダクションチャネルを含むように、本体構造部を構造上構成することをさらに含む、請求項５１記載の方法。
【請求項５５】
第１寸法を有するように主チャネルを構造上構成し、第１寸法とは異なる第２寸法を有するように前記１又は２以上のフローリダクションチャネルを構造上構成することをさらに含む、請求項４９記載の方法。
【請求項５６】
前記第２寸法が前記第１寸法よりも小さい、請求項５５記載の方法。
【請求項５７】
主圧力源が真空源からなる、請求項４９記載の方法。
【請求項５８】
主圧力源が単一の真空源からなる、請求項４９記載の方法。
【請求項５９】
前記１又は２以上のフローリダクションチャネルに流動自在に連結した第１圧力源と主チャネルに流動自在に連結した主圧力源とを設けることをさらに含み、ここで、この第１圧力源は、第１圧力源に向かう流れ方向にて前記１又は２以上の交差地点の下流にて前記１又は２以上のフローリダクションチャネル上に配置される、請求項４９記載の方法。
【請求項６０】
前記第１圧力源と主圧力源が同じである、請求項５９記載の方法。
【請求項６１】
前記第１圧力源と主圧力源が単一の真空源からなる、請求項５９記載の方法。
【請求項６２】
前記第１流体物質と第２流体物質が同じである、請求項４９記載の方法。
【請求項６３】
前記第１流体物質と第２流体物質が異なる、請求項４９記載の方法。
【請求項６４】
第１流体物質がサンプル物質であり、第２流体物質が稀釈剤物質である、請求項４９記載の方法。
【請求項６５】
前記第１流体物質がステップ（ｉｉ）後に第１流量を有し、前記第３流体物質がステップ（ｉｉｉ）後に第２流量を有し、第３流体物質がステップ（ｉｖ）後に第３流量を有する、請求項４９記載の方法。
【請求項６６】
前記第２流量が前記第３流量よりも大きい、請求項６５記載の方法。
【請求項６７】
前記第３流量が前記第１流量と実質的に等しい、請求項６５記載の方法。
【請求項６８】
前記第３流量が前記第１流量よりも小さい、請求項６５記載の方法。
【請求項６９】
前記１又は２以上の交差地点の少なくとも１つの下流にある検出領域を通して、前記第３流体物質を流すことをさらに含む、請求項４９記載の方法。
【請求項７０】
前記１又は２以上の交差地点の少なくとも１つより下流にある第１位置にて、第４流体物質を主チャネルに加えて第３流体物質と結合させ、第５流体物質を得ることをさらに含む、請求項４９記載の方法。
【請求項７１】
前記第４流体物質が試薬物質である、請求項７０記載の方法。
【請求項７２】
試薬物質を主チャネルに加える前に主チャネル中の第３流体物質の流量を低減することにより、試薬物質の消費を抑えることをさらに含む、請求項７０記載の方法。
【請求項７３】
主チャネルに沿って第１位置の下流に位置する検出領域を通して、第５流体物質を流すことをさらに含む、請求項７０記載の方法。
【請求項７４】
第１交差地点及び第２交差地点にて主チャネルと交差するように、前記１又は２以上のフローリダクションチャネルを構造上構成することをさらに含む、請求項４９記載の方法。
【請求項７５】
前記第１交差地点と第２交差地点の間に位置する検出領域を通して、第３流体物質を流すことをさらに含む、請求項７４記載の方法。
【請求項７６】
前記第１交差地点と第２交差地点の間にある第１位置にて主チャネルに第４流体物質を加えて該第４流体物質と第３流体物質を結合させ、第５流体物質を得ることをさらに含む、請求項７４記載の方法。
【請求項７７】
前記第１位置と第１交差又は第２交差地点の間に位置する検出領域を通して、第５流体物質を流すことをさらに含む、請求項７６記載の方法。
【請求項７８】
ミクロ流体システムのチャネル中の流体の体積流量を調節するための方法であって、
（ｉ）本体構造部を設けることであり、ここで、該本体構造部はその中に配置された複数の微小規模のチャネルを含み、前記複数の微小規模のチャネルは、
（ａ）主チャネル、及び
（ｂ）１又は２以上の交差地点にて主チャネルと交差する１又は２以上のフローリダクションチャネルであって、流体が前記１又は２以上の交差地点を流れ過ぎる際に主チャネル中の流体の流量を低減するように構造上構成された前記１又は２以上のフローリダクションチャネル、
を含み、
（ｉｉ）主チャネルに動作上連結された主圧力源を設けること、
（ｉｉｉ）主チャネルを通して第１流体物質を流すこと、
（ｉｖ）前記１又は２以上のフローリダクションチャネルの少なくとも１つを通して第１流体物質の第１部分を流すこと、及び
（ｖ）主チャネルを通して第１流体物質の第２部分を流し、それにより主チャネル及び前記１又は２以上のフローリダクションチャネルの少なくとも１つ中の第１流体物質の体積流量を調節すること、
を含む前記方法。
【請求項７９】
主チャネルを通して第２流体物質を流して第３流体物質を得ることをさらに含む、請求項７８記載の方法。
【請求項８０】
ステップ（ｉｖ）後に主チャネルを通して第２流体物質を流すことを含む、請求項７９記載の方法。
【請求項８１】
前記第１流体物質が第１流量を有し、前記第３流体物質が第２流量を有し、前記第１流量が前記第２流量に実質的に等しい、請求項７９記載の方法。
【請求項８２】
請求項１又は請求項４の装置において複数のアッセイを行う方法であって、
（ｉ）試験化合物を用意すること、
（ｉｉ）試験化合物の第１部分を第１フローリダクションチャネルに流すこと、
（ｉｉｉ）試験化合物の第２部分を第２フローリダクションチャネルに流すこと、
（ｉｖ）少なくとも第１試薬を第１フローリダクションチャネルに流して試験化合物について第１アッセイを行い、少なくとも第１生成物を得ること、及び
（ｖ）少なくとも第２試薬を第２フローリダクションチャネルに流して試験化合物について第２アッセイを行い、少なくとも第２生成物を得ること、
を含む上記方法。
【請求項８３】
試験化合物が薬剤サンプル、化合物、酵素、蛋白質、核酸又はそれらの組み合わせからなる、請求項８２記載の方法。
【請求項８４】
前記第１試薬と第２試薬が異なる、請求項８２記載の方法。
【請求項８５】
前記第１アッセイと第２アッセイが異なる、請求項８２記載の方法。
【請求項８６】
前記第１アッセイと第２アッセイが、酵素アッセイ、ＨＡＳ結合アッセイ、ターゲットスクリーン、蛍光アッセイ、結合アッセイ、ドーズ−応答アッセイ、遺伝子型アッセイ、及び選択性スクリーンのうちの１又は２以上から選択される、請求項８２記載の方法。
【請求項８７】
ステップ（ｉ）とステップ（ｉｉ）を同時に実行することを含む、請求項８２記載の方法。
【請求項８８】
ステップ（ｉｉｉ）とステップ（ｉｖ）を同時に実行することを含む、請求項８２記載の方法。
【請求項８９】
前記第１生成物が第１反応試験化合物であり、前記第２生成物が第２反応試験化合物である、請求項８２記載の方法。
【請求項９０】
前記第１生成物と第２生成物を同時に検出することをさらに含む、請求項８２記載の方法。
【請求項９１】
試験化合物をｎ個の部分に分割すること、各部分をｘ個のフローリダクションチャネルの１つに同時に流すこと、試験化合物についてｙ個の異なるアッセイを行ってｚ個の生成物を得ること、及びｚ個の生成物を同時に検出することを含む、請求項８２記載の方法。
【請求項９２】
ｎが約２〜約１００の範囲にあり、ｘが約２〜約１００の範囲にあり、ｙが約１〜約１００の範囲にあり、ｚが約１〜約１０００の範囲にある、請求項９１記載の方法。
【請求項９３】
ミクロ流体装置中への自然注入による圧力摂動を抑制する方法であって、
（ｉ）ミクロ流体装置に流動自在に連結された毛細管の開放端をサンプルソース中に浸け、サンプルソースからサンプルを引き出して毛細管に入れること、
（ｉｉ）毛細管の開放端をサンプルソースから抜き出し、その際、サンプルの第１部分は開放端に残り、その第１部分が表面張力を有し、この表面張力が毛細管に第１圧力を及ぼし、それにより第１部分を毛細管中に自然に注入すること、
（ｉｉｉ）第１交差地点にて毛細管と交差する主チャネル中に、毛細管からサンプルの第２部分を流すこと、及び
（ｉｖ）主チャネルと交差する分路チャネルを通してサンプルの第３部分を流し、第１圧力とは異なる第２圧力にて第１交差地点を維持し、主チャネルにおける圧力摂動を抑制すること、
を含む上記方法。
【請求項９４】
前記サンプルソースがマイクロウェルプレートからなる、請求項９３記載の方法。
【請求項９５】
分路チャネルが、第１交差地点にて又は第１交差地点の下流にて主チャネルと交差する、請求項９３記載の方法。
【請求項９６】
前記第２圧力が前記第１圧力より大きい、請求項９３記載の方法。
【請求項９７】
前記第２圧力が前記第１圧力より小さい、請求項９３記載の方法。
【請求項９８】
前記第１圧力が大気圧である、請求項９３記載の方法。
【請求項９９】
ステップ（ｉｖ）が、毛細管の開放端と第１交差地点の間で圧力勾配を作る、請求項９３記載の方法。
【請求項１００】
第３圧力を前記分路チャネルに加え、前記第１交差地点での第２圧力を変えることをさらに含む、請求項９３記載の方法。
【請求項１０１】
前記第３圧力が負又は正の圧力である、請求項１００記載の方法。
【請求項１０２】
ミクロ流体装置中への自然注入による圧力摂動を抑制するためのミクロ流体装置であって、
（ｉ）入口領域と出口領域とを含む毛細管であって、前記入口領域は装置の動作中は少なくとも第１サンプルソースに流動自在に連結され、また、前記入口領域は第１圧力に維持される、前記毛細管、
（ｉｉ）本体構造部であって、その中に配置された複数の微小規模のチャネルを有し、この微小規模のチャネルは、
（ａ）上流領域及び下流領域を有する主チャネルであって、前記上流領域は第１交差地点にて毛細管の出口領域に流動自在に連結される、前記主チャネル、
（ｂ）主チャネルの少なくとも上流領域に流動自在に連結された分路チャネル、
を含む前記本体構造部、及び
（ｉｉｉ）ミクロ流体装置に流動自在に連結された流体指示システムであって、主チャネル、分路チャネル、及び毛細管に流動自在に連結された少なくとも１つの流体制御要素を含み、該流体指示システムが、
（ａ）第１サンプルソースから毛細管の入口領域中へのサンプルの移動、
（ｂ）毛細管の入口領域から毛細管の出口領域へのサンプルの移動、
（ｃ）毛細管の出口領域から主チャネルの上流領域中へのサンプルの移動、及び
（ｄ）主チャネルの上流領域から分路チャネル中へのサンプルの第１部分の移動であり、サンプルの第２部分は主チャネルに残し、第１圧力とは異なる第２圧力にて第１交差地点を維持すること、
を指示する上記流体指示システム、
を含む上記ミクロ流体装置。
【請求項１０３】
少なくとも第１サンプルソースが１又は２以上のマルチウェルプレートを含む、請求項１０２記載の装置。
【請求項１０４】
前記第１圧力が大気圧に維持される、請求項１０２記載の装置。
【請求項１０５】
分路チャネルが、主チャネルの上流領域及び主チャネルの下流領域に流動自在に連結される、請求項１０２記載の装置。
【請求項１０６】
少なくとも１つの流体制御要素が圧力源又は動電学的コントローラを含む、請求項１０２記載の装置。
【請求項１０７】
前記第１圧力が前記第２圧力より大きいか又は小さい、請求項１０２記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の相互参照
３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§119(e)及び他の適用可能な法令又は規則により、本出願は、Kopf-Sill 他による１９９９年８月２５日付け提出のＵＳＳＮ６０／１５０，６７０「Dilutions in High Througput Systems with a Single Vacuum Source 」、Kopf-Sill 他による１９９９年１０月１２日付け提出のＵＳＳＮ６０／１５９，０１４「Dilutions in High Througput Systems with a Single Vacuum Source 」、及びKopf-Sill 他による２０００年４月２７日付け提出のＵＳＳＮ６０／２００，１３９「Dilutions in High Througput Systems with a Single Vacuum Source 」の利益と優先権を主張する。
【０００２】
発明の背景
化学又は生化学の分析、アッセイ、合成又は製造を行う際、アッセイすべき物質又は成分について、測定、アリコート化、移送、稀釈、混合、分離、検出などを含めて非常に多くの別々の操作を行う。ミクロ流体技術は、１又は少数のミクロ流体装置内で実行できるように、これらの操作を小規模化し統合する。
例えば、ミクロ流体装置において稀釈を行う方法は、ParceとKopf-Sillによる米国特許第５，８６９，００４号「Methods and Apparatus for in Situ Concentration and/or Dilution of Materials in Microfluidic Systems」に記載されている。これらの方法は、連続して物質を抜き出してミクロ流体チャネルに加え、連続して物質を稀釈する。これらの方法により、微小規模での環境下で高精度の稀釈を実行できる。
【０００３】
いくつかのバイオアッセイでは、固定したアッセイ反応時間を維持するのに一定流の物質が有効である。従って、ミクロ流体システムにおいて稀釈を行う際に流量を調節し一定の培養及び反応時間を得る能力は、ミクロ流体アッセイの形式での流体サンプル及び試薬の操作の統合に対して有効となる。また、例えば単一の圧力源を備えたミクロ流体装置における一定の流量は、稀釈を行った後に試薬を加えるので試薬の使用を抑えるのに役立つ。
ミクロ流体の形式への統合に有効な別の技術は、同時に異なる濃度のサンプルを測定して同時に異なる濃度の反応を行う能力、及び／又は同時に異なる試薬のパネルに対して１つのサンプルを試験する能力を有する。
従って、稀釈及び複数の濃度アッセイ中に流量を制御する改良方法は、特に高スループットで低コストのミクロ流体システムの利点を有する望ましいものである。本発明はこれら及びその他の特徴を与え、稀釈、試薬消費の低減、複数の濃度測定及び以下の記載全体から明らかとなるであろう他の多くの特徴に資する高スループットの微小規模システムを提示する。
【０００４】
発明の概要
本発明は、ミクロ流体装置において流量を調節し且つ試薬消費を抑えるための装置及び方法を提供する。一つの態様では、本発明は、構造的に主チャネルから流体を抜き出す構成のフローリダクションチャネルを含むことで主チャネル中の流量を低減する装置を提供する。
流量の調節に加えて、これらのチャネルは、サンプル物質の導入地点での物質の流量を低減することにより、試薬消費も抑える。試薬消費の追加的な抑制は、主チャネルより小さい断面寸法のフローリダクションチャネルを用いることにより適宜得られる。試薬消費の追加的な抑制のため、第２のフローリダクションチャネルも適宜追加される。
【０００５】
別の態様では、フローリダクションチャネルは、サンプルの連続(serial)稀釈を行いかつ各稀釈レベルに対応する測定値を得る方法を提供する。フローリダクションチャネルは、各稀釈にて流量を増すことなくサンプルの連続稀釈を行う方法を提供する。別法として、混合地点の下流のチャネルの断面積を変えることができる。各々のフローリダクションチャネルに検出領域が設けられ、各々の稀釈レベルにて測定値が適宜得られる。
【０００６】
一つの態様では、本発明のミクロ流体装置は本体構造部と主圧力源とを含む。本体構造部は、その中に配置された主チャネルを含み、主チャネルは主圧力源に流動自在に連結される。また、本体構造部は、１又は２以上の交差地点にて主チャネルと交差する１又は２以上のフローリダクションチャネルをも含む。構造上、フローリダクションチャネルは、流体の流れが１又は２以上の交差地点を通過する際に主チャネル中の流体の圧力又は速度を低減する構成をなす。また、本体構造部は、１又は２以上のフローリダクションチャネルに流動自在に連結された第１圧力源を含むことができる。第１圧力源は、第１圧力源に向かう流れの方向にて１又は２以上の交差地点の下流にて、１又は２以上のフローリダクションチャネルに配置される。好ましい実施態様では、第１圧力源と主圧力源は同じであり、一般にフローリダクションチャネルから下流の位置にて主チャネルに流動自在に連結された単一の真空源である。
【０００７】
別の態様では、ミクロ流体装置は、本体構造部と一般に単一の圧力源である主圧力源とを含む。本体構造部は、その中に配置され主圧力源に流動自在に連結された主チャネルを含む。また、本体構造部は、第１交差地点と第２交差地点で主チャネルと交差する１又は２以上のフローリダクションチャネルを含み、バイパスのループを形成する。構造上、この１又は２以上のフローリダクションチャネルは、流体流が第２交差地点に向かう方向に第１交差地点を通過する際に主チャネル中の流体の圧力又は速度を低減する構成をなす。例えば、一般に主圧力源は、主圧力源に向かう流れの方向にて１又は２以上のフローリダクションチャネルから下流の位置にて、主チャネルに流動自在に連結される。
本発明の装置は、主チャネルに流動自在に連結した２又はそれより多いフローリダクションチャネルを一般に含むが、適宜、約３〜約４のフローリダクションチャネル、約５〜約１０のフローリダクションチャネル又は約１０若しくは１１以上のフローリダクションチャネルを含む。フローリダクションチャネルの断面寸法は、適宜、主チャネルの断面寸法より大きいか又は小さい。
また、１又は２以上のフローリダクションチャネルは、適宜、交差しないチャネル又は交差したチャネルである。例えば、フローリダクションチャネルは、適宜、試薬などの追加物質用のソース又はリザバーと交差する。一つの実施態様では、フローリダクションチャネルは、一般にフローリダクションチャネルより小さい断面寸法の第２フローリダクションチャネルと交差する。
【０００８】
別の実施態様では、本発明の装置は、前記１又は２以上のフローリダクションチャネル内又はその近傍にて１又は２以上の検出領域をさらに含む。本装置は、適宜、１又は２以上の検出器から成る検出システムを含み、この検出器は、検出領域の近傍又は主チャネルと前記１又は２以上のフローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つの両方の近傍に配置される。好ましくは、前記１又は２以上のフローリダクションチャネルの各々における信号を同時に検出すべく、単一の検出器が配置される。別法として、単一の検出器が種々のチャネルに亘って走査する。コンピュータとソフトウエアは、適宜、検出システムにより検出される信号を分析するための装置内に含まれる。例えば、ソフトウエアは、関心のある成分やそれらの濃度などを検出する命令セットを含み得る。
別の実施態様では、本装置は、主チャネルに沿った第１位置にて主チャネルと流動自在に連結した第１流体物質のソース、及び主チャネルに沿った第２位置にて主チャネルと流動自在に連結した第２流体物質のソースをさらに含む。一般に、これらの流体物質ソースは、前記１又は２以上のフローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つより上流にあり、流体物質を本装置に導入するのに使用される。第１流体物質と第２流体物質は、適宜、同じ又は異なる物質であり、一般にサンプル物質及び稀釈剤又は緩衝剤物質を含む。
【０００９】
別の実施態様では、本装置の流体物質は、流体指示システムによりチャネルを通して指示される。流体指示システムは、第１流体物質と第２流体物質の移動をそれらのソースから主チャネルに方向付け、それにより、第１流体物質と第２流体物質を結合させて第３流体物質を形成する。また、流体指示システムは、第３流体物質の第１部分の移動を主チャネルからフローリダクションチャネルに向ける一方、第３流体物質の第２部分は主チャネル中に残す。次に、第３流体物質の第２部分は、適宜、主チャネルを通して送られる。
本装置の動作中、第１流体物質（例えばサンプルは）、それが主チャネルを通って流れる際に第１流量を有する。第２流体物質（例えば緩衝剤）を加えて第３流体物質（例えば稀釈されたサンプル）を形成する際、主チャネル中の流量は増大する。従って、第３流体物質又は稀釈されたサンプルは、第１流体物質又はサンプルの流量より大きな第２流量を有する。第２流量は、第３流体物質の第１部分が主チャネルからフローリダクションチャネル中に移動した後に減少する。一つの実施態様における第２流量は、第１流量と実質的に同じレベルまで減少し、その結果、本装置は実質的に一定の流量を維持する。
【００１０】
別の実施態様では、本発明の装置は、前記１又は２以上のフローリダクションチャネルのうちの少なくとも１つの下流にある第３位置にて、主チャネルと流動自在に連結した第４流体物質のソースをさらに含む。流体指示システムは、第４流体物質の移動をそのソースから主チャネルに向ける。一般に、第４流体物質は、第３流体物質（例えば稀釈されたサンプル）と反応して生成物を作る試薬物質である。１又は２以上の試薬物質（例えば基質物質と酵素）が、適宜、この方法にて本装置に加えられる。本装置は、試薬物質が主チャネルに移動する前に第３流体物質の流量を低減することにより試薬物質の消費を抑える。
【００１１】
別法として、試薬物質がフローリダクションチャネルに加えられる。フローリダクションチャネルが主チャネルより小さい断面寸法を有する構成の場合には、試薬の消費はさらに抑えられる。また、第２フローリダクションチャネルが適宜加えられてフローリダクションチャネルから流体を抜き出す。第２圧力チャネルの小さい寸法によっても同様に試薬の消費が抑えられる。
ミクロ流体装置において流体の体積流量を調節する方法も与えられる。この方法は、上述したような本体構造部を設けること、及び主チャネルを通して第１流体物質を流すことを含む。第２流体物質を主チャネル中に流して第１流体物質と結合させ、第３流体物質を得る。第３流体物質の第１部分をフローリダクションチャネルに流し、第３流体物質の第２部分を主チャネルに流し、それにより、主チャネル中及び１又は２以上のフローリダクションチャネル中の第３流体物質の流量を調節する。適宜、これらの工程を反復して繰り返し、チャネル内の物質の流量を実質的に増すことなく連続稀釈を行う。
【００１２】
一つの実施態様では、本方法は、検出領域を通して第３流体物質を流すことをさらに含む。この検出領域は、適宜、第４流体物質を主チャネルに加えて第３流体物質と反応させる位置の下流にある。フローリダクションチャネルにより流量を低減した後に第４物質を加えることにより、試薬の消費を減少させる。
また、本方法は、各フローリダクションチャネルの近傍に検出器を設けることにより、複数又は反復濃度にて単一サンプルの複数の測定値を、又は複数のアッセイを行った後の単一サンプルの複数の測定値を得る。別法として、チャネルは、１つの検出器が各チャネルからの信号を検出することで同時に複数の濃度又はアッセイ生成物を測定できるように構成される。
別の実施態様では、本発明は、ミクロ流体装置への自然注入(spontaneous injection）から圧力の摂動を抑える方法及び装置を提供する。上述の装置は、適宜、自然注入による圧力の摂動を抑えるのに使用される。外部のサンプルソース（例えば１又は２以上のマイクロウェルプレート）からサンプルを吸って毛細管を通ってミクロ流体装置に入れる際に、自然注入が生じる。
【００１３】
自然注入による圧力摂動を低減又は除去する方法は、毛細管の開放端をサンプルソースに浸すことでサンプルソースからサンプルを抜き出して毛細管に入れることを含む。一般に第１圧力に維持されている毛細管は、ミクロ流体装置に流動自在に連結され、サンプルが毛細管から該装置に流される。本方法は、毛細管の開放端をサンプルソースから引き出すことをさらに含む。サンプルの第１部分は、この開放端に残り、毛細管に圧力を及ぼすサンプルの表面張力により毛細管に自然に注入される。サンプルは毛細管からミクロ流体装置に流される。サンプルの第２部分は、毛細管から第１交差地点にて毛細管と交差する主チャネルに流される。サンプルの第３部分は、第１交差地点又は第１交差地点の下流にて主チャネルと交差するフローリダクションチャネル又は分路チャネルを通って流される。サンプルの一部をフローリダクションチャネルに流すことにより、主チャネルで必要な流量よりも大きな流量が毛細管において作られ、それにより、毛細管においてより大きな圧力勾配が生じる。毛細管におけるこのより高い圧力勾配により、毛細管の開放端での自然注入の圧力摂動の影響が抑えられ、それにより、主チャネルにおける圧力摂動が抑制される。
【００１４】
自然注入を抑制する装置例では、毛細管は入口領域と出口領域とを含む。一般に第１圧力（例えば大気圧）に維持された入口領域は、装置の動作中少なくとも第１サンプルソースと、及びミクロ流体の本体構造部に流動自在に連結される。
一般に、本装置の本体構造部は、その中に配置された複数の微小規模のチャネルを含む。微小規模のチャネルは、上流領域と下流領域とを有する主チャネルを含む。主チャネルの上流領域は、第１交差地点にて毛細管の出口領域に流動自在に連結される。主チャネルに加えて、本装置は、上述の分路チャネル又はフローリダクションチャネルを含む。分路チャネルは、主チャネルの少なくとも上流領域に流動自在に連結され、適宜、同様に主チャネルの下流領域に流動自在に連結される。一般に、流体指示システムは、流体を毛細管の出口領域から主チャネルに送り、流体の一部を分路又はバイパスチャネルに振り分け、それにより、主チャネルへの自然注入による主チャネルにおける圧力摂動を低減する。
【００１５】
発明の詳細な説明
本発明は、ミクロ流体チャネルシステムにおいて流量を調節するためのミクロ流体方法及び装置を提供し、特に、チャネルを通る物質の流れが単一の圧力源により駆動される圧力誘導流(pressure induced flow）であるシステムを提供する。本発明は、フローリダクションチャネルを含んだ装置を提供し、このフローリダクションチャネルは、構造上、主チャネル中に物質が流れる際に装置の主チャネルから物質を抜き出す構成をなし、それにより、主チャネルにおける圧力、体積流量及び／又は速度を低減する。要するに、本発明は、物質の流れを複数の部分に分割し、これら全てを単一の真空源により制御することで流量を制御する。
これらの方法は、例えば、吸引毛細管を含むミクロ流体装置において実行されるとき、自然注入摂動を抑制するのにも有効である。例えば、サンプルは、一般に、マイクロウェルプレートから吸引毛細管に流し、次にミクロ流体チャネル（例えば主チャネル）に入れる。サンプルの一部を主チャネルからフローリダクションチャネルに流すと、吸引毛細管と、フローリダクションチャネルと主チャネルの交差地点との間に差圧が生じる。この差圧が、吸引毛細管の先端からミクロ流体装置への流体の自然注入による圧力摂動を抑制する。
【００１６】
また、本発明は、例えば、単一の検出領域内に集まったチャネルを設けることにより、種々のフローリダクションチャネル中の信号を同時に検出することにより、単一のサンプルについて複数の濃度測定値を同時に得るための方法を提供する。従って、本発明により、単一の真空源を備えたミクロ流体装置において、実質的に流量を増やしたり試薬消費を増やしたりすることなく、連続稀釈と複数の濃度測定値の取得が可能になる。
他の実施態様では、本発明の装置は、単一の試験化合物について同時に複数のアッセイを行うのに使用される。例えば、単一のサンプルが、適宜、複数の部分に分割され、複数の並列チャネルに流される。複数のチャネルの各々に流動自在に連結された試薬ウェルが、サンプルの種々の部分を種々の試薬と接触させるのに使用される。異なる反応又はアッセイ（例えば結合アッセイ(binding assay）が、適宜、異なるチャネルの各々において実行される。別法として、例えば異なる酵素イソフォーム(isoform）のみが相違点で、同じ反応が各チャネルで実行される。単一の検出領域に集中する複数のチャネルを設けることにより、種々のアッセイの結果が、適宜、同時に検出される。
【００１７】
Ｉ．フローリダクションチャネルを含むミクロ流体装置
ミクロ流体装置においては、関心のあるサンプル物質の容積は極度に小さいが、これらの物質の濃度を稀釈するために、より大きい容積の第２物質、例えば稀釈剤や緩衝剤などがサンプル物質に加えられる。より大きな容積の流体をミクロ流体システムに加えると、稀釈後のサンプルに加えられる試薬、例えば基質及び酵素試薬が稀釈された抑制剤サンプルに加えられるので、試薬消費が増す。例えば、単一の真空源により流れが駆動される装置のチャネルについて容積を増せば、流量が増し、このことが試薬消費を増大させる。本発明の装置は、稀釈が行なわれるチャネルから流体を抜き出してフローリダクションチャネルに入れることによりこの問題を解決する。例えば、流体が主チャネルに加えられて例えばサンプルを稀釈する際に、主チャネル中の流体の流量が増す。チャネル（例えばフローリダクションチャネルやバイパスループ）が流体の一部を主チャネルから取り入れるべく配置されている場合、主チャネル中の流体の量が減ると、流量が例えばそのプレ稀釈レベル(pre-dilution level)まで減少する。従って、ミクロ流体装置におけるチャネルの配置は、流体を主チャネルから除去することにより流量を低減させる。追加的な流量の低減は、例えばフローリダクションチャネルから流体を抜き出して第２フローリダクションチャネルに入れることにより、適宜実現される。
【００１８】
フローリダクションチャネルがミクロ流体吸引装置（例えば外部吸引毛細管を含む装置）において用いられて流体を主チャネルから分路するとき、吸引毛細管に対する圧力勾配が生じる。この圧力勾配は、例えば毛細管がマイクロウェルプレートのウェルからウェルに移動する際に、吸引毛細管への流体の自然注入による圧力摂動を低減させる。
流量を制御するべく本発明において使用されるフローリダクションチャネルの構成は、複数の濃度アッセイ用の装置をも提供する。複数の濃度アッセイは、複数のフローリダクションチャネルを含む装置において連続稀釈を行うことにより実現される。各稀釈の後、流体の一部が主チャネルから抜き出されてフローリダクションチャネルに入れられる。複数の稀釈後に複数のフローリダクションチャネルが使用されるとき、各々のフローリダクションチャネルは異なる濃度のサンプル物質を含む。次に、１又は２以上の検出器により、複数の濃度にてサンプルが検出される。
さらに、試薬をフローリダクションチャネルに加えることにより、フローリダクションチャネルにおいて反応を適宜起こさせる。このことにより、例えば高スループットシステムにおいて酵素の反応機構(kinetics)を決めるために、種々のサンプル濃度にて同時に反応を実行可能となる。
【００１９】
別法として、複数のアッセイは、例えば同一又は異なる濃度にてフローリダクションチャネル又は並列チャネル領域において実行される。例えば種々のフローリダクションチャネルにおいて複数のサンプルに分割された同一の化合物について、異なるアッセイを行うべく異なる試薬が各チャネルに適宜加えられる。限定的ではないが、応用例として、人間の血清アルブミン結合アッセイ、遺伝子型アッセイ、高スループットターゲットスクリーン、例えば薬剤スクリーニング、例えば異なる酵素又はアイソチームのパネルの選択性スクリーン、固有の薬剤蛍光の測定などが含まれる。反復測定のために例えば異なる濃度又は同一濃度にて並列チャネル領域の各々において同じアッセイが適宜繰り返される。
また、フローリダクションチャネルにより、流量の低減によりアッセイにおける試薬消費が低減される。上述のフローリダクションチャネルは、一般にミクロ流体装置に結合され、下記記載のように使用される。
一般に、本装置は本体構造部を含み、その中に微小規模のチャネルが配置される。例えば、本システムは、例えば主チャネル、１又は２以上のフローリダクションチャネル、及び１又は２以上の第２フローリダクションチャネル又は反応チャネルを一般に含む。これらのチャネルは、互いに、及び流体物質の種々のリザバー又は他のソースに流動自在に連結される。限定的ではないが、本発明で使用される物質には、緩衝剤、稀釈剤、基質溶液、酵素溶液、及びサンプル溶液が含まれる。また、チャネルは検出領域を適宜含む。
【００２０】
例えば、種々のチャネル及びチャネル領域がミクロ流体装置の至る所に配置される。一般に、本装置は主チャネルを含み、その中にサンプルが導入される。例えば、関心のある酵素の潜在的な調節剤(modulator）又は活性剤を含んだサンプルがチャネルに導入される。次に、酵素の反応速度についての調節剤（例えば活性剤又は抑制剤）の効果を決めるアッセイが、調節剤の存在下で酵素が基質と反応できるようにすることにより適宜実行される。運動(kinetic）パラメータへの濃度の効果を決めるのに、しばしば、複数の濃度にて反応速度が調べられる。本発明の装置により、流量を増すことなく試薬消費を最小にする一方で固定チャネル長に対して一定の反応時間を維持して、ミクロ流体装置において連続稀釈を行い得る。本発明では、複数の濃度測定を同時に行うための装置も提供される。
【００２１】
フロー及び／又は圧力低減チャネルは、主チャネル又は別のフローリダクションチャネルにおいて圧力及び／又は流量を低減する構造上の構成をなしたチャネルである。「圧力／流量を低減する構造上の構成をなした」チャネルは、所望の流量を与える構成をなしたものである。チャネル中の流体の圧力、流量又は速度を低減する構造上の構成をなしたチャネルを含む装置は、一般に、例えば真空源や動電学的な力のような力の調整に基づくのとは対照的に、流体を運んでチャネル中の圧力及び／又は速度を調整するチャネルの構造上の構成に基づいている。流量を調節すべくチャネルを構成することにより、単一で一定の駆動力が、システム全体（例えば単一の真空源）に亘って適宜加えられる。
例えば、複数のチャネルとサンプルソースが流動自在に連結されている場合、単一の真空源は、該ソースから試薬を抜き出してチャネルに入れ、チャネルを通してサンプルを移動させることができる。本発明においてチャネルがフローリダクションチャネルとして構成されている場合、真空は主チャネルのみならずフローリダクションチャネルを通しても流体を引張り、その流れを２つの部分に分割して速度を低下させる。一般に、本発明のフローリダクションチャネルは、流れの一部がフローリダクションチャネル中に方向が変えられる前にアッセイ成分の混合が完了するように、十分離して間隔を開けて配置される。
【００２２】
一般に、チャネルは、チャネル長又は断面を変えるか、又は流れ遅延マトリックスを加えることにより構成される。チャネル構成におけるこれらの変化により、チャネル中の流体の流れに対する抵抗が変わり、それにより流量が変化する。例えば、チャネル幅を狭くすることにより、流れに対する抵抗が大きくなることで流量は減少する。構造上、流体の流れを減少させるべくチャネルを構成する好ましい方法は、１つのチャネル（例えば圧力及び／又はフローリダクションチャネル）が別のチャネル（例えば主チャネル）から流体を引っ張ることで主チャネル中の抵抗を減少させるように、複数のチャネルを設計又は配置することである。よって、チャネル中の物質の流量は正確に調節され、試薬消費がフローリダクションチャネルの適当な構成により抑えられる。上述の方法のうち１つ又はそれより多くを用いることにより、所望の特定量だけ圧力又は流量を低減するように適宜チャネルが構造上構成される。チャネル長及び寸法を用いて所望の流量のチャネル構造を構成することの詳細は、例えば１９９９年１月２８日付けのＵＳＳＮ０９／２３８，４６７を参照されたい。
【００２３】
本発明では、流量及び／又は圧力の低減は、一般に、例えば圧力を抜く(tapping off）ことにより主チャネルから流体を抜き出してフローリダクションチャネル又は分路チャネルに入れることで実現される。第２フローリダクションチャネルは、別のフローリダクションチャネルから流体を抜き出すフローリダクションチャネルである。好ましくは、これらの第２フローリダクションチャネルは、流体を抜き出すチャネルよりも小さい断面寸法を有する。この場合、チャネルは、試薬物質のソースに流動自在に連結されている場合には反応チャネルとして適宜機能する。この種の反応チャネルは試薬の消費を低減させる。というのは、流量が低減され、チャネルの寸法が縮小され、その結果、関心のあるアッセイを実行するのに必要な試薬の量がより少なくなるからである。
【００２４】
別法として、本発明におけるチャネルは、例えば単一の化合物について複数のアッセイを行うために、アッセイチャネルを設けるよう構成される。例えば、ミクロ流体装置は、適宜、複数の並列チャネルを設けるように構成される。単一のサンプルが、適宜、並列チャネルに流動自在に連結された毛細管を通して該装置に吸引される。サンプルは、適宜、部分に分割され、その各々が別々の並列チャネル領域を通って流される。次に、異なるアッセイが、例えば異なるチャネルの化学的作用を用いることにより、又は異なる試薬を各チャネルに加えることにより、適宜、サンプルの各部分に対して実行される。例えば、異なるチャネルには、適宜、異なる化学的作用を伴う種々のビーズアレイ、又は異なる分離マトリックスが充填される。別の実施態様では、個別のチャネルは、例えば各チャネルに異なる化学的作用を与えるべく、異なる表面改質を含む。
用語「下流」は、チャネル又はミクロ流体装置における位置であって、選択されたサイト(site)又は領域に対して流体又は物質の流れの選択された方向においてチャネル又は複数のチャネルに沿ってもっと遠い位置を意味する。例えば、圧力源は、適宜、緩衝剤ウェル又はフローリダクションチャネルよりもチャネルシステムにおける流れの方向に沿ってもっと遠い。従って、流体は主チャネルを下って流れ緩衝剤ウェルを過ぎ、フローリダクションチャネルを過ぎ、圧力源に向かう。この実施態様では、圧力源は一般に真空源である。
【００２５】
本装置の別の実施態様では、圧力源は、適宜、主チャネルの上流端に配置される。「上流」はチャネル又はチャネルシステムにおける位置であって、選択されたサイト又は領域に対して流体の流れ又は物質流と反対の方向にてチャネル又は複数のチャネルに沿ってもっと遠い位置を意味する。例えば、圧力源は、適宜、検出領域より上流にある。圧力源は、適宜、サンプルウェルに配置され、ここでサンプル物質がシステムに導入される。この場合、圧力源は、圧力源から離れる方向であってチャネルの反対端（例えば検出領域又は廃棄ウェル）に向かう方向にチャネルを通じて流体を押す。
リザバー又はウェルは、サンプル、成分、試薬などをアッセイすべく当該装置に加える場所である。システムへのこれらの要素の導入は、下記のように行われる。一般に、リザバーは、サンプル又は試薬がそれが使用される場所より上流にてシステムに加えられるように配置される。例えば、サンプルが試薬による反応の前に稀釈されなけらばならないならば、稀釈緩衝剤が試薬ソースより上流で加えられる。
この場合、一般に、稀釈緩衝剤はフローリダクションチャネルの上流にて主チャネルに加えられ、その結果、緩衝剤物質を加えることによる流量の増加は、フローリダクションチャネルによる圧力の低減により打ち消される。一方、試薬物質は、より少ない量の試薬を加えるべく流量が低減された後に加えられるように、一般にフローリダクションチャネルの下流で加えられる。
【００２６】
ある実施態様では、異なる試薬ウェル又は複数の試薬ウェルが、例えば並列チャネル構成のフローリダクションチャネルの各々、又は各チャネル若しくはチャネル領域に流動自在に連結される。この場合、例えば各チャネルにおいて異なるアッセイを行うため、例えば単一のターゲットについて複数の結合サイトを同時にアッセイするため、又は種々の酵素イソフォームをスクリーニングするため、適宜、試薬ウェルを使用して異なる１つの試薬又は複数の試薬を各チャネルに加える。
検出領域も本装置に含まれる。検出領域は、適宜、１つのチャネル又は空間において近接した複数のチャネルのサブユニットであり、それは、適宜、ミクロ流体装置において複数のチャネルと流動自在に連結した別個のチャネルを含む。検出領域は、適宜、主チャネルの近傍に配置される。例えば、図５において、検出領域５３２は主チャネル５０４の近傍にある。別法として、検出領域は図６のように１又は２以上のフローリダクションチャネルの近傍に配置され、図６では、検出領域６３４、６３６及び６３８がそれぞれフローリダクションチャネル６１２、６１０及び６０８の近傍にある。別の実施態様では、検出領域は、１又は２以上の第２フローリダクションチャネルの近傍に配置される。例えば、検出領域７３４、７３６及び７３８は第２フローリダクションチャネル７４２、７４４及び７４６の近傍にある。
【００２７】
別法として、検出領域は、当該装置におけるフローリダクションチャネルの全て及び主チャネルの近傍にある領域を含み得る。例えば、検出領域は、主チャネルとフローリダクションチャネルの両方の近傍に位置すべく、主チャネル及びフローリダクションチャネルの全ての下流地点に適宜配置される。このような装置を図８に示す。フローリダクションチャネルと主チャネルが全て集中するように構成される場合には、全ての近接チャネルからの信号を検出するには１つの検出領域で十分である。例えば、複数のアッセイが、複数の並列チャネルにおいて例えば異なるアッセイ条件下又は種々の濃度にて単一のサンプルについて適宜実行され、その結果は、適宜、複数のチャネル領域の全てが集中する単一の検出領域において同時に検出される。
一般に信号がモニターされる検出窓又は領域は透明なカバーを含み、視覚又は光学的観測やアッセイ結果の検出、例えば比色定量又は蛍光光度計の信号又はラベルの観測を可能にする。このような領域は、適宜、１又は２以上の検出器を含む。検出領域において使用するのに適した検出器の例は、当業者には周知であり、後に詳細に説明する。
【００２８】
限定的ではないがフローリダクションチャネル、バイパスループ、検出領域及びリザバーを含めた上述の要素は、流量の制御、試薬消費の抑制及び例えば単一のサンプルについての複数の濃度測定又は複数のアッセイの実行において有効なミクロ流体装置に適宜結合される。チャネル構成の特定の例が下記説明する図面に与えられる。実質的に同じ要素を用いた他の可能な構成も、本開示全体を参照すれば明らかとなろう。
【００２９】
本発明の装置の一つの実施態様を図３に示す。図示されているように、本装置はサンプルウェル３０２を含み、サンプル又は流体物質を本装置に導入するのに使用される。サンプルウェル３０２から主チャネル３０４を通して流体物質が流される。流体物質が主チャネル３０４を通って流れる際に追加物質が適宜この流体物質に加えられる。例えば、流体物質を稀釈するために適宜緩衝剤が加えられる。また、適宜、試薬が流体物質に加えられ、試薬と反応して生成物を形成する。例えば、主チャネルの下流端に適宜配置された圧力源３０６を用いて、流体物質が本装置を通って流される。別法として、圧力源がサンプルウェル３０２に配置される。図３に示した構成では、圧力源３０６は下流端にて主チャネル３０４に流動自在に連結される。第２流体物質（例えば稀釈緩衝剤）が主チャネル３０４において流体物質に加えられると、主チャネル中の流体物質の流量が増す。主チャネル中の流量を減少させるため、流体物質の第１部分がフローリダクションチャネル３０８に流し込まれる。フローリダクションチャネル３０８は、流体を主チャネル３０４から抜き出して主チャネル３０４中の圧力及び／又は速度を低減させるように構成される。この実施態様では、フローリダクションチャネル３０８はその下流端にて圧力源３０６に流動自在に連結される。
【００３０】
主チャネル３０４中の圧力又は速度の低減は、複数の目的に資する。一つの実施態様では、この流量低減により、フローリダクションチャネル３０８の下流で実行される任意の反応において主チャネル３０４に加えられなければならない試薬についての体積流量を低減し、よってその量を低減する。例えば、流体物質を用いたアッセイにおいて使用される試料が、適宜、試薬ウェル３１８を通して加えられる。流体を抜き出してフローリダクションチャネル３０８に入れることにより流量が低減された後には、試薬ウェル３１８からの必要な試薬の量はより少なくなる。
別法として、このフロー低減により、同一のサンプル物質の複数の濃度を一つの装置において測定することが可能となる。例えば、適宜、稀釈緩衝剤が、サンプルウェル３０２から導入されたサンプルに対して緩衝剤ウェル３１６から加えられる。次に、得られた流体の第１部分が、主チャネル３０４から抜き出されてフローリダクションチャネル３０８に入れられ、検出領域３３２において検出される。同時に、得られた流体の第２部分が主チャネル３０４を通して流され、そこで再度試薬ウェル３１８からの稀釈緩衝剤により稀釈され、サンプル物質の連続稀釈が行なわれる。次に、この稀釈された物質が、主チャネル３０４及び検出領域３３２を通して流され、そこで第１稀釈により同時に検出される。
【００３１】
図４に示す別の実施態様では、フローリダクションチャネル４０８は、構造上、主チャネル４０４を離れてバイパスループを形成することにより流体を主チャネル４０４から抜き出すように構成される。この実施態様は、実質的に図３と同じ方法にて作用する。例えば、流体はサンプルウェル４０２から主チャネル４０４に流れ込む。次に、追加の流体がリザバー４１６から加えられ、流体の一部が主チャネル４０４から抜き出されてフローリダクションチャネル４０８に入れられ、それにより、主チャネル４０４中の圧力を低減しかつ流体の流量を減少させる。一般に、流体の流れは真空源４０６により制御されるが、適宜、流体を主チャネル４０４から抜き出し又は入れる他の任意の種類の圧力制御システムにより制御される。
【００３２】
図５は図４の装置の代わりの実施態様を示し、複数のフローリダクションチャネルが装置に含まれる。例えば、サンプルが、サンプルウェル５０２を通して本装置に導入され、主チャネル５０４を通して移される。この地点で、複数の稀釈が、適宜、図５の装置において実行される。例えば、稀釈緩衝剤がリザバー５１６を通してサンプルに加えられて稀釈されたサンプルを生じ、この地点にて主チャネル５０４中の流量及び／又は圧力が増大する。稀釈された流体の一部を抜き出してフローリダクションチャネル５０８に入れることにより、圧力を低減させる。適宜、追加の稀釈が、稀釈緩衝剤をリザバー５１８から主チャネル中に加えることにより実行され、第２の稀釈されたサンプルが得られる。この地点で、主チャネル５０４中の圧力が再度増すことで流量が増大する。従って、圧力を低減するのにフローリダクションチャネル５１０（第２フローリダクションチャネル又はバイパスループ）が用いられ、それにより主チャネル５０４中の流量が制御される。適宜、追加のフローリダクションチャネルにより圧力を制御することにより、この地点でさらなる稀釈が実行される。所望の稀釈濃度が得られた後、サンプルは、適宜、リザバー５２０及び／又は５２２を通してサンプルに加え得る種々の試薬と反応させられる。また、サンプルは、適宜、検出領域５３２の近傍に配置された検出器により検出される。
【００３３】
図４の別な実施態様を示す図６は、アッセイが同じサンプルについて種々の濃度にて適宜実行されかつ同時に検出される装置を示す。図６の装置は、（フローリダクションチャネル６０８及び６１０に加えた）フローリダクションチャネル６１２の追加により可能な追加的な稀釈工程を用いて上述の図５の装置と同様に作用する。また、図６の装置は、主チャネル６０４並びにフローリダクションチャネル６１２、６１０及び６０８の近傍にそれぞれ配置された検出領域６３２、６３４、６３６及び６３８を含む。よって、検出領域６３２、６３４、６３６及び６３８の近傍に配置された検出器は、適宜、流体が主チャネル６０４及びフローリダクションチャネル６０８、６１０及び６１２を通って流れる際に該流体を検出するのに使用される。これらフローリダクションチャネル６０８、６１０及び６１２は、上述のように構成され動作する場合には、サンプルウェル６０２にて注入又は吸引された種々の濃度のサンプル物質を含む。別法として、同じサンプルについて異なるアッセイを行うのに、適宜、フローリダクションチャネル６０８、６１０及び６１２が使用され、該サンプルの一部が３つのチャネルの全てを通って流される。各アッセイ用の試薬が、例えばリザバー６２２、６２４、６２６及び／又は６２８からフローリダクションチャネルに加えられる。
また、図６は、物質（例えば基質や酵素のような試薬）を主チャネル６０４及びフローリダクションチャネル６０８、６１０、６１２中に加えるための追加のリザバー６２２、６２４、６２６及び６２８を含む。従って、関心のあるアッセイが、適宜、フローリダクションチャネル中のサンプル物質の種々の濃度全てにて実行される。また、フローリダクションチャネルにより流量を減少させることで、試薬の使用が減少する。
【００３４】
本発明の別の実施態様では、関心のあるアッセイが実行されるチャネル寸法を変えることにより、試薬の使用がもっと大きく低減する。例えば、図７が示す装置では、より小さい寸法のフローリダクションチャネルがバイパスループとして加えられている。例えば、第２フローリダクションチャネル７４２、７４４及び７４６が、フローリダクションチャネル７０８、７１０及び７１２に流動自在に連結されている。第２フローリダクションチャネルは、フローリダクションチャネルから流体を抜き出すことによりフローリダクションチャネル７０８、７１０及び７１２中の圧力及び／又は速度を低減すべく機能する。従って、第２フローリダクションチャネル７４２、７４４及び７４６は、チャネル中の流量を低減することにより試薬の消費を減少させる。
また、第２フローリダクションチャネル７４２、７４４及び７４６は、反応チャネルとして使用される場合には、試薬の消費をさらにもっと減少させる。反応チャネルの場合、一般にそれらはフローリダクションチャネル（例えばフローリダクションチャネル７０８、７１０及び７１２）より小さな断面寸法を有するように構成される。この実施態様では、リザバー７２２、７２４、７２６及び７２８は第２フローリダクションチャネル７４２、７４４及び７４６に流動自在に連結され、それにより、より小さい寸法のチャネル中にリザバーから加えられる試薬量はより少なくなる。また、検出領域７３２、７３４、７３６及び７３８は、第２フローリダクションチャネル７４２、７４４及び７４６における物質の検出のために、これらのチャネルの近傍に配置される。よって、関心のあるアッセイが、適宜、試薬消費を抑えるべく小容量で種々の稀釈レベルにて同時に実行され、次にそれらのレベルにて同時に検出される。また、種々のフローリダクションチャネルにおける検出領域が、１つの検出器を用いて全てのフローリダクションチャネル及び主チャネルから同時に信号を検出できるように適宜構成される。
【００３５】
図８のパネルＡ及びＢは概略図であり、１つの可能なチャネル構成の実際的な実施態様であり、種々のフローリダクションチャネル、第２フローリダクションチャネル及び主チャネルにおける流体が同じ検出器により検出可能である。他の構成も可能である。図８の装置は、主チャネル上に位置する毛細管取付地点８０２、８０２Ｂを与える。サンプルは、毛細管取付地点８０２、８０２Ｂにて装置中に導入される。サンプルは、並列チャネル領域８０８、８０８Ｂ、８１０、８１０Ｂ、８１２、８１２Ｂ及び主チャネル領域８０４、８０４Ｂに流し込まれる。これらのチャネルは、流体を主チャネル領域８０４、８０４Ｂから抜き出して並列チャネル領域８０８、８０８Ｂ、８１０、８１０Ｂ及び８１２、８１２Ｂに入れることにより主チャネル領域８０４、８０４Ｂ中の体積流量を減少させるように構造上構成されている点において、フローリダクションチャネルとして動作する。チャネル領域８０８、８０８Ｂ、８１０、８１０Ｂ及び８１２、８１２Ｂ中の流体は、チャネル領域８０８、８０８Ｂ、８１０、８１０Ｂ、８１２、８１２Ｂ、８４４、８４６、８４８、８５０及び８５２に流動自在に連結されたリザバー８１６、８１６Ｂ及び８１８、８１８Ｂからの物質を用いて適宜稀釈される。稀釈後、圧力及び／又は流量が、適宜、第２フローリダクションチャネル（又は反応チャネル）８４２、８４４、８４６、８４８、８５０及び８５２によりさらに低減される。利用可能な第２フローリダクションチャネル全てを利用することにより、複数の連続稀釈が、適宜、主チャネル領域８０４及び並列チャネル領域８０８、８１０、８１２を通して流体の流量を有意に増大させることなく行われる。所望の稀釈レベルに達した後、アッセイがチャネル領域８０４、８０４Ｂ、８０８、８０８Ｂ、８１０、８１０Ｂ、８１２、８１２Ｂ、８４２、８４４及び８４６において得られる複数の稀釈レベルにて適宜実行される。チャネル領域８０４、８０４Ｂ、８０８、８０８Ｂ、８１０、８１０Ｂ、８１２、８１２Ｂ、８４２、８４４及び８４６全てが廃棄ウェル８０６、８０６Ｂに達する前に検出領域８３２、８３２Ｂ内に集中しているので、種々のアッセイ又は濃度レベルの結果が同時に検出される。別の実施態様では、単一の圧力源が、適宜、チャネルシステムを通る流れを発生させるために廃棄ウェル８０６、８０６Ｂにて適用される。
【００３６】
一つの実施態様では、図８Ａと８Ｂの並列チャネル構成が、例えば同じ試験化合物又は異なる試験化合物について複数のアッセイを行うのに用いられる。例えば、試験化合物（例えば単一の試験化合物）が毛細管（例えばマイクロウェルプレート）から図８Ａに示されるミクロ流体装置に適宜吸引される。次に、化合物は適宜４つの部分に分割される。１つの部分は並列チャネル領域８０４を通って流される。第２部分は並列チャネル領域８０８を通って流され、第３部分はチャネル領域８１０を通って流され、第４部分はチャネル領域８１２を通って流される。次に、各サンプル部分は適宜異なるアッセイが行われる。例えば、リザバー８２０は、適宜、チャネル８０４において人間の血清アルブミン（ＨＳＡ）アッセイにおいて結合サイトＩを調べるアッセイに必要な試薬を加えるのに用いられる。リザバー８２２は、チャネル８０８においてＨＳＡアッセイにおいて結合サイトＩＩを調べるのに必要な試薬を加えるのに用いられる。リザバー８２４及び８２６も、適宜、チャネル８１０及び８１２への他のアッセイのために試薬を加えるのに用いられる。別法として、リザバーが同じ試薬を各チャネルに加え、それにより、反復測定（例えば４回）又は異なる濃度での同じアッセイを得るのに同じアッセイが行われる。他の実施態様では、同一の反応が各チャネルにおいて行われ、唯一異なるのは、例えば異なる酵素イソフォームである。次に、異なるアッセイの結果は、適宜、検出窓８３２において同時に検出される。
【００３７】
種々のミクロ流体装置が、適宜、後に記載のフロー低減コンポーネントの付加により本発明において使用すべく適応される。これらの装置は、米国特許第５，６９９，１５７号（J. Wallace Parce）（１９９７年１２月１６日付け発行）、米国特許第５，７７９，８６８号（J. Wallace Parce et al.)（１９９８年７月１４日付け発行）、米国特許第５，８００，６９０号（Calvin Y. H. Chow et al.）（１９９８年９月１日付け発行）、米国特許第５，８４２，７８７号（Anne R. Kopf-Sill et al.）（１９９８年１２月１日付け発行）、米国特許第５，８５２，４９５号（J. Wallace Parce）（１９９８年１２月２２日付け発行）、米国特許第５，８６９，００４号（J. Wallace Parce et al.)（１９９９年２月９日付け発行）、米国特許第５，８７６，６７５号（Colin B. Kennedy）（１９９９年３月２日付け発行）、米国特許第５，８８０，０７１号（J. Wallace Parce et al.)（１９９９年３月９日付け発行）、米国特許第５，８８２，４６５号（Richard J. McReynolds)（１９９９年３月１６日付け発行）、米国特許第５，８８５，４７０号（J. Wallace Parce et al.)（１９９９年３月２３日付け発行）、米国特許第５，９４２，４４３号（J. Wallace Parce et al.)（１９９９年８月２４日付け発行）、米国特許第５，９４８，２２７号（Robert S. Dubrow）（１９９９年９月７日付け発行）、米国特許第５，９５５，０２８号（Calvin Y. H. Chow)（１９９９年９月２１日付け発行）、米国特許第５，９５７，５７９号（Anne R. Kopf-Sill et al.）（１９９９年９月２９日付け発行）、米国特許第５，９５８，２０３号（J. Wallace Parce et al.)（１９９９年９月２８日付け発行）、米国特許第５，９５８，６９４号（Theo T. Nikiforov)（１９９９年９月２８日付け発行）、及び米国特許第５，９５９，２９１号（Morten J. Jensen）（１９９９年９月２８日付け発行）、並びに公開されたＰＣＴ出願、例えばＷＯ９８／００２３１、ＷＯ９８／００７０５、ＷＯ９８／００７０７、ＷＯ９８／０２７２８、ＷＯ９８／０５４２４、ＷＯ９８／２２８１１、ＷＯ９８／４５４８１、ＷＯ９８／４５９２９、ＷＯ９８／４６４３８、及びＷＯ９８／４９５４８、ＷＯ９８／５５８５２、ＷＯ９８／５６５０６、ＷＯ９８／５６９５６、ＷＯ９９／００６４９、ＷＯ９９／１０７３５、ＷＯ９９／１２０１６、ＷＯ９９／１６１６２、ＷＯ９９／１９０５６、ＷＯ９９／１９５１６、ＷＯ９９／２９４９７、ＷＯ９９／３１４９５、ＷＯ９９／３４２０５、ＷＯ９９／４３４３２及びＷＯ９９／４４２１７を含めて、本発明者及びかれらの協力者による種々のＰＣＴ出願及び発行された米国特許に記載されている。
【００３８】
例えば、細胞に基づいた微小規模のアッセイを行う草分け的な技術が、Parce et al.による米国特許第５，９４２，４４３号"High Throughput Screening Assay Systems in Microscale Fluidic Devices" 及びBurd Mehta et al. により１９９９年４月４日に提出された第６０／１２８，６４３号"Manipulation of Microparticles In Microfluidic Systems"に記載されている。流体の取扱い、信号の検出、サンプルの貯蔵及びサンプルへのアクセスを伴う完全な集積システムが利用できる。例えば、米国特許第５，９４２，４４３号は、ミクロフルイディックス(microfluidics）とサンプルの選択及び操作を統合するための草分け的技術を提示する。
また、適宜、粒子セット、分離ゲル、抗体、酵素、基質などのような種々の他の要素が装置に含まれる。これら任意に選んだ要素は、種々のアッセイを行う際に使用される。例えば、キナーゼ反応において、生成物と基質は例えば分離ゲル上にて一般に電気泳動的に分離される。細胞に基づいた微小規模のアッセイも、適宜、本発明の装置において実行される。例えば細胞アッセイでは、一定の流量が、細胞の培養時間を確かめて調節するためには重要である。細胞に基づいた微小規模システムは、ＷＯ９８／００２３１（Parce et al.、"High Throughput Screening Assay Systems in Microscale Fluidic Devices" ）及びMehta et al.により１９９９年４月４日に提出された第６０／１２８，６４３号"Manipulation of Microparticles In Microfluidic Systems"に記載されている。
流体の取扱い、信号の検出、サンプルの貯蔵及びサンプルへのアクセスを伴う完全な集積システムも利用できる。例えば、ＷＯ９８／００２３１（上記）は、ミクロフルイディックスとサンプルの選択及び操作を統合するための草分け的技術を提示する。
サンプル物質、酵素及び基質のソースも、本発明の集積システムに含まれる。これらの流体物質は、後に記載の方法により本装置に導入される。
【００３９】
アッセイ成分のソース及びミクロ流体形式の統合
本発明では、緩衝剤、稀釈剤、基質、酵素、試薬などのソースとしてリザバー又はウェルが設けられる。例えば、図３はサンプルウェル３０２、緩衝剤ウェル３１６及び試薬ウェル３１８などのような種々のリザバーを示す。これらのリザバーは主チャネル３０４に流動自在に連結される。図６は、リザバー６２２、６２４、６２６及び６２８などの試薬ウェルの代わりの配置を示す。これらのリザバーは、フローリダクションチャネル６０８、６１０及び６１２に流動自在に連結すべく配置される。例えば、図８Ａでは、リザバー８２０、８２２、８２４及び８２６の各々は、適宜、例えばチャネル８０４、８０８、８１０及び８１２において異なるアッセイを行うために異なる試薬を含む。別の実施態様では、各チャネルにおいて異なるアッセイを行うべく、異なるアッセイチャネルが製造され又は異なる試薬が事前に充填される。例えば、チャネル８０４、８０８、８１０及び８１２は、各々、アッセイ前又はアッセイ中に異なる試薬にさらすか又は充填される。例えば異なる特性を有する異なる試薬から成る例えばビーズ、例えばゲルのような分離マトリックス、及び／又はチャネル表面を改質又はそれと反応する試薬を用いて、各チャネルにおいて異なる化学的作用が実現される。
【００４０】
サンプル、緩衝剤、試薬（例えば基質、酵素など）のソースが、ここに記載のミクロチャネルに任意の様々な方法にて流動自在に連結される。特に、Knapp et al.の“Closed Loop Biochemical Analyzers"（ＷＯ９８／４５４８１；ＰＣＴ／ＵＳ９８／０６７２３）及びParce et al.の“High Throughput Screening Assay Systems in Microscale Fluidic Device”（ＷＯ９８／００２３１）及び例えばMehta et al.により１９９９年４月４日に提出された第６０／１２８，６４３号“Manipulation of Microparticles In Microfluidic Systems”に記載の物質ソースを含んだシステムが適用できる。
これらのシステムでは、「ピペットチャネル」（その中で成分がソースから第２チャネル又はリザバーのような微小規模の要素に移動し得るチャネル）が、一時的又は永久的に物質のソースに連結される。このソースは、ピペットチャネルを含んだミクロ流体装置の内部又は外部に配し得る。ソース例として、微小規模装置自体及びその他の本体においてマイクロウェルプレート、膜又は凍結乾燥した成分、ウェル又はリザバーを含んだ他の固体基板が含まれる。
【００４１】
例えば、細胞タイプ、成分又は緩衝剤のソースは、例えば選択された細胞タイプ又は成分を備えた少なくとも１つのウェルを有して本体構造部の外部のマイクロウェルプレートとし得る。別法として、ソースは、本体構造部の表面上に配置されたウェルであり、選択された細胞タイプ、成分又は試薬を含み、リザバーは、本体構造部内に配置され、選択された細胞タイプ、成分、成分の混合物又は試薬を含み、容器は、本体構造部の外部にあり、少なくとも１つの区画を含み、選択された粒子タイプ、成分又は試薬を含み、又は固体位相構造は、選択された細胞タイプ又は凍結乾燥若しくはその他の方法で乾燥された形態の試薬を含む。
装填チャネル領域は、適宜、本体構造部の外部のポートを有するピペットチャネルに流動自在に連結される。装填チャネルは、本体構造部の外部のポートを有する電気ピペットチャネル、本体構造部の外部のポートを有する圧力ベースのピペットチャネル、本体構造部の内部のポートを有するピペットチャネル、本体構造部の表面上のウェルに流動自在に連結された本体構造部内の内部チャネル、本体構造部内のウェルに流動自在に連結された本体構造部内の内部チャネルなどに連結し得る。
【００４２】
本発明の集積ミクロ流体システムは、適宜、評価されるべき試薬を貯蔵するための非常に多様な貯蔵要素を含む。これらには、ウェルプレート、マトリックス、膜などが含まれる。試薬は、液体（例えばミクロタイタープレート上のウェルの中）にて又は凍結乾燥した形態（例えば膜上又は多孔性マトリックス内にて乾燥）にて貯蔵され、また、従来のロボット工学を用いて又はミクロ流体システムの一領域又はチャネルに流動自在に連結された電気ピペット又は圧力ピペットチャネルを用いてミクロ流体装置におけるアレイコンポーネント、領域又はチャネルに転送され得る。
後に記載する方法において、上述の装置、システム、特徴及びコンポーネントが、例えば単一の圧力源のミクロ流体システムにおいて連続稀釈を行う際に、流量を調節し、複数の濃度測定を行い、複数のアッセイを行い、試薬の消費を抑えるのに使用される。
【００４３】
ＩＩ．ミクロ流体装置を通る流体の移動
本発明では、例えばサンプル物質を稀釈し又はサンプル物質と試薬物質を反応させるために、サンプル物質が主チャネルを通して流され、種々の物質が主チャネルに加えられる。例えば、高スループットのスクリーニング用途では、装置に入るサンプルを１０、１００、１０００又は１０，０００倍のファクターだけ稀釈することがしばしば有効である。真空駆動のフローシステムでは、このことは、稀釈緩衝剤を装置に導入しかつ所望の稀釈に比例した流体力学的抵抗を有するように緩衝剤と化合物流体の通路を設計することにより達成できる。しかしながら、体積流量は１０〜１０，０００倍に上昇する。よって、後続の試薬の添加は、稀釈のない場合に要求される容積よりも１０〜１０，０００倍大きな容積としなければならない。
本発明は、流体をフローリダクションチャネル又はバイパスアームを通して引くことにより主チャネル中の圧力、流量及び／又は速度を低減するフローリダクションチャネル又はバイパスアームを設ける。このようにして、装置を通る流体の流量又は速度が抑えられる。チャネルは、適宜、稀釈剤が加えられる前には流量が初期流量に等しくなるように、又は初期流量よりも少なくなるように流量を低減すべく構成される。流量を低減することにより、次に行われる試薬の添加では、増加した流量の要求を満たすべく１０〜１０，０００倍大きいことは要求されない。
【００４４】
一般に、本発明のミクロ流体装置を通る流体物質の移動は、圧力源により駆動される。一般に、圧力源は主チャネルの下流の終点に適用される真空源である。例えば、図４では、真空源４０６が主チャネル４０４の一方の端に適用される。真空源４０６又は後の記載するような別の種類の圧力源が圧力を加え、主チャネル４０４やフローリダクションチャネル４０８のような本装置のチャネルを通して流体を引き抜く、即ちポンピングする。これらの加えられた圧力又は真空が、チャネル長に亘って差圧を発生させ、それらを通る流体の流れを駆動する。図４に示したもののようにここに記載の相互連結されたチャネル網では、体積についての差動流量は、適宜、異なる圧力又は真空を複数のポートに加えることにより、又は好ましくは単一の真空を共通の廃棄ポートに加え且つ所望の流量を生じるべく適当な抵抗を有する種々のチャネルを構成することにより実現される。例えば、図４のチャネルは、真空源４０６が主チャネル４０４の端部に適用される場合に装置を通して流量を制御するように構成される。単一の真空源が主チャネル４０４を通して流体を引き抜くのに使用され、追加の流体がリザバー４１６を通して加えられるとき、流量はフローリダクションチャネルの構成により制御される。流体の一部が引き抜かれてフローリダクションチャネル４０８に入れられることで、主チャネル４０４の圧力を低減する。
【００４５】
微小規模要素に圧力の力を加えることで上述の流体の移動を達成するのに、種々の技術が利用できる。流体の流れ（及び細胞又は他の粒子を含めて、流体内にて懸濁又は可溶化した物質の流れ）が、適宜、ミクロ流体システムにおけるサイトにて液体を変位させかつ圧力を高め又は低めるべく、例えばピストン、圧力ダイヤフラム、真空ポンプ、プローブなどを用いた流体の変位に基づいた機構などの圧力ベースの機構により規制される。圧力は、適宜、空圧式、例えば圧力ガスを用い、又は水圧力、例えば圧力液体を使用し、別法として、チャネル又は他の導管を通して物質に力を及ぼすための正変位機構、即ち物質リザバーに設けられたプランジャを用い、又はこれらの力の結合である。
他の実施態様では、真空源は、リザバー又は図８に示されたような廃棄ウェルなどのウェルに適用される。廃棄ウェル８０６、８０６Ｂは、チャネルシステムの一方の端にて真空源を含み、懸濁液をチャネルから抜き出す。圧力又は真空源は、適宜、装置又はシステム（例えばチャネルの入口又は出口に密封して取り付けられた外部真空又は圧力ポンプ）に外部から供給され、又はそれらが装置（例えば装置内に集積されかつチャネルに動作上リンクしたミクロ製造ポンプ）に内部にて供給される。ミクロ製造ポンプの例は当該技術においては広く記載されている。例えば公表された国際出願ＷＯ９７／０２３５７を参照されたい。
【００４６】
本発明のシステムは、単一の真空源に関して記載されているが、装置の複数のリザバー又はチャネルでの圧力源（だだしこれに限定されない）を含めて、動電学的な流れ及び他の種類の圧力駆動流のような流体移動の他のソースを含み得る。例えば、動電学的な技術は、適宜、流体を装置に注入するため、又は装置の１つのチャネルからクロス注入にて別のチャネルに移すために使用される。以下の技術が、流体制御の代替案をさらに与えるべく本発明の技術に関連して適宜使用される。
装置におけるチャネル又は部分中の流れを制御するための別の方法は、細胞やサンプル物質のような物質の流体流のための圧力を与えるべく流体静力学、ウイッキング(wicking）及び毛細管の力の使用を伴う。例えば、Alajoki et al.の“METHOD AND APPARATUS FOR CONTINUOUS LIQUID FLOW IN MICROSCALE CHANNELS USING PRESSURE INJECTION, WICKING AND ELECTROKINETIC INJECTION"、ＵＳＳＮ０９／２４５，６２７、１９９９年２月５日提出、を参照されたい。これらの方法では、吸着剤物質又は分岐毛細管構造が、圧力が加えられる領域に流動自在に接触して配置され、それにより、吸着剤物質又は分岐毛細管構造に向かって流体を移動させる。
細胞や他の物質を微小規模のフロー経路の中心に集めるための機構は、例えば圧力ベースの流れにおいて流速を規制することによりアッセイのスループットを高めるのに有効であり、H. Garrett Wada et al.による“FOCUSING OF MICROPARTICLES IN MICROFLUIDIC SYSTEMS" 、ＵＳＳＮ６０／１３４，４７２、１９９９年５月１７日提出、に記載されている。要するに、流体流を反対側のチャネルから主チャネルに強制することにより、又は他の流体操作により、物質がチャネルの中心に集められる。
【００４７】
代わりの実施態様では、ミクロ流体システムは、遠心分離機において回転する遠心分離機ローター装置に組み込み得る。流体と粒子は、重力及び求心／遠心圧力により装置を通って進む。
ミクロ流体チャネルによる伝送を実現する別の方法は、動電学的な物質の伝送による。ここで使用する「動電学的な物質の伝送システム」は、電場を物質に加えることによりミクロチャネル及び／又は構造を含んだチャンバー内で物質を伝送して方向付け、チャネル及び／又はチャンバーを通して及びその間にて物質を移動させるシステムを含み、即ち、陽イオンは負電極に向かって移動する一方、負イオンは正電極に向かって移動するシステムを含む。様々な動電学的なコントローラ及びシステムが、ここに記載の種々の文献のみならず、例えばRamseyのＷＯ９６／０４５４７、Parce et al.のＷＯ９８／４６４３８及びDubrow et al．のＷＯ９８／４９５４８にも記載されている。本発明では、動電学的伝送又は電気ポンピングが、適宜、圧力駆動される流れを導入するのに使用される。
上述の圧力駆動流は、チャネルシステムを通して流体物質を伝送して種々のアッセイを行うのに本システムにおいて使用される。種々のアッセイにおける流量は、例えば試薬の消費を抑えるため、及び／又は反応時間を調節するために、後に記載するチャネル構成により制御される。
【００４８】
ＩＩＩ．バイパス・ループを用いた流量の調節
ミクロ流体装置における流体物質の流量は、チャネル中の流体の圧力及び／又は速度若しくは流量が低減すべくチャネルを構成することにより、適宜調節される。ミクロ流体装置中、例えば主チャネル中での流量を減少させる種々のチャネル構成例が、例えば図３〜１０及び１２に示される。
一つの実施態様では、フローリダクションチャネルは、バイパスループ、例えば図５に示すようなフローリダクションチャネル５０８であり、これは主チャネル５０４と２つの地点で交差している。例えば図４では、フローリダクションチャネル４０８は、第１位置及び第２位置にて主チャネル４０８と交差する。図４の装置における流量は、次の方法により適宜調節される。サンプルはサンプルウェル４０２から吸引される。緩衝剤、稀釈剤又は他の流体物質がリザバー４１６からサンプルに加えられる。この追加の流体物質がサンプルに加えられる際、主チャネルにおいて圧力が増し、流量が高まる。主チャネルから流体を抜き出してフローリダクションチャネル４０８に入れることにより、圧力が減少して流量が初期の流量に戻る。フローリダクションチャネルは、それが追加の流体物質の導入地点より下流にて主チャネルと交差するように構成される。バイパスのための交差の第２位置は、一般に第１位置よりも下流にある。反応又はアッセイのために追加の物質がサンプルに加えられるならば、第２位置は一般に反応地点又は試薬物質の添加地点の下流にある。例えば、図４では、フローリダクションチャネル４０８は、リザバー４１６の下流にある第１位置、及び試薬ウェル４１８及び４２０の下流でかつ圧力源４０６の上流にある第２位置にて主チャネル４０４と交差する。
【００４９】
別法として、フローリダクションチャネルは、追加の流体物質の交差地点より上流にある主チャネル（例えば主チャネル４０８）と交差するように構成される。この実施態様では、流体は例えば主チャネル４０８から抜き出されてフローリダクションチャネルに入れられ、それにより、例えば緩衝剤、稀釈剤などの添加の前に主チャネル中の流体の流量が低減される。次に行う例えば緩衝剤、稀釈剤又は他の流体物質の添加により、流量が、例えばその元の値又は標準の値、即ち流体が抜き出されてフローリダクションチャネルに入れられる前の流量に増やされる。この実施態様では、チャネルは、フローリダクションチャネルが試薬又は稀釈剤の導入チャネルよりも上流にあるように構成される。このように、流量は例えば稀釈混合地点の前にて減少し、稀釈剤、緩衝剤などの導入後に標準値（増大値とは対照的）に戻る。このことにより、試薬又は稀釈剤のサンプルへの混合がもっと短い距離にて発生可能となる。
【００５０】
別の実施態様では、フローリダクションチャネルは１つの位置でのみ主チャネルと交差するが、その下流端にて圧力源、一般には主チャネルの下流端に流動自在に連結された同一の圧力源に連結される。このフローリダクションチャネルの構成例としては、限定的ではないが、図３及び８の装置を含む。図３では、フローリダクションチャネル３０８が主チャネル３０４と交差し、圧力源３０６に流動自在に連結される。図８では、チャネル領域８０８、８０８Ｂ、８１０、８１０Ｂ及び８１２、８１２Ｂが主チャネル領域８０４、８０４Ｂと交差し、圧力源が適用される廃棄ウェル８０６、８０６Ｂに流動自在に連結される。
上述のフローリダクションチャネルを通して流体を送ることにより、ミクロ流体装置における流量が、主チャネルへの物質の添加に応じて調節される。この流量調節の別の利点は、連続的又は一定の流量を維持することに加えて、増大した流量要求を満たすべく後続の試薬添加をより多量とする必要がないことである。このことにより、ミクロ流体装置においてアッセイを実行するのに必要な試薬の量が節約される。
【００５１】
さらに試薬の消費を抑えるために、アッセイ用の試薬が、適宜、第２フローリダクションチャネル又は反応チャネルに加えられる。第２フローリダクションチャネルを含んだ装置を図７に示す。例えば、第２フローリダクションチャネル７４２、７４４及び７４６は、それぞれフローリダクションチャネル７１２、７１０及び７０８に流動自在に連結される。従って、流体は例えばフローリダクションチャネル７０８から抜き出されて第２フローリダクションチャネル７４６に入れられ、それによりチャネル７４６中の物質の流量を減少させる。アッセイに必要な基質、反応体又は酵素が、適宜、フローリダクションチャネル又は第２フローリダクションチャネルに加えられる。例えば、試薬がリザバー７２６又は７２８から反応チャネル７４２中に適宜加えられる。反応チャネル７４２がフローリダクションチャネル７１２より小さな断面寸法を有するならば、試薬の消費は反応チャネルのより小さな寸法ゆえにさらに抑えられる。別法として、それらは流体の一部が抜き出されてフローリダクションチャネルに入れられた後に主チャネル中に加えられる。両方の場合とも、流量及び／又はチャネル寸法が小さくなるので、アッセイを行うべく添加しなければならない試薬物質の量が少なくなる。
【００５２】
ＩＶ．ミクロ流体装置における複数の濃度測定値の取得および複数のアッセイの実行
ミクロ流体装置においてフローリダクションチャネルを用いることの別の利点は、適宜これらのチャネルを使用し、１つのアッセイにおいて同じサンプル物質について複数の測定値を得ることである。例えば、適宜、稀釈剤が加えられ、主チャネルにおいてサンプル物質の１０：１の稀釈が作られる。１０：１に稀釈された物質の一部が主チャネルから抜き出されてフローリダクションチャネルに入れられる際、フローリダクションチャネル内に位置する検出領域において適宜測定値が得られる。このようにして得られた、例えば１００：１、１０００：１又は１０，０００：１の付加的な稀釈レベル全てについて、分離した検出領域が、適宜、フローリダクションチャネル内に配置されて信号が検出される。
例えば図６を参照されたい。検出器が各フローリダクションチャネル、例えば６０８、６１０及び６１２の近傍に配置される。また、検出器が主チャネルの近傍に配置される。一般に、アッセイが装置内で行われるとき、検出器が配置された検出領域は、試薬リザバー、例えばリザバー６２６、６２８、６２２及び６２４の下流に配置される。次に、アッセイが実行され、アッセイの結果に相関する信号を検出するのに当該検出器が使用される。
【００５３】
別の実施態様では、可動検出器が使用され、関心のある検出領域の各々から信号を検出すべく検出領域間で移動させる。
別法として、単一の検出器が、フローリダクションチャネル全てから同時に信号を検出するように配置される。このような構成を図８に示す。主チャネルとフローリダクションチャネルは、単一の検出窓８３２、８３２Ｂにおいて集中する並列チャネル領域８０４、８０４Ｂ、８０８、８０８Ｂ、８１０、８１０Ｂ及び８１２、８１２Ｂを含む。
これらのチャネル構成を用いることで、１つのアッセイを使用して複数の濃度にて単一のサンプルについての測定値を得ることができる。また、試薬リザバーはフローリダクションチャネルに流動自在に連結されるように適宜配置されるので、反応又はアッセイは、適宜、連続稀釈から得られる種々の稀釈レベルにて実行される。例えば、図６に示すように、リザバー６２２及び６２４は、フローリダクションチャネル６０８及び６１０に流動自在に連結される。従って、反応又はアッセイは、連続稀釈を行うために上述のように動作する際に異なる濃度のサンプルを含んだフローリダクションチャネル６０８及び６１０において、適宜実行される。
【００５４】
ここに記載のチャネル構成は、適宜、例えば同時に例えば複数のアッセイを実行するか又は複数のサンプル測定するのに使用される。単一のサンプル又は試験化合物が、適宜、例えばミクロ流体装置に流動自在に連結された毛細管を通して該装置に導入される。試験化合物は、適宜、薬剤、潜在的薬剤、化合物、酵素、蛋白質、核酸などである。サンプルは、適宜、ｎ個の部分に分割される（ｎは約２〜約１００の範囲）。これらの部分は、適宜、それらの初期濃度にて使用されるか又は後に記載のように稀釈される。
各部分はｘ個のアッセイチャネル（例えば並列アッセイチャネル）のうちの一つを通って流される（ｘは約１〜約１００の範囲）。ここで使用される「アッセイチャネル」とは、種々の化合物（例えば化学的又は生化学的な化合物）についてアッセイ、試験、スクリーニングなど（例えば生化学アッセイ）を行うのに使用される例えば並列構成の微小規模チャネルをいう。本発明のフローリダクションチャネルは、適宜、アッセイチャネルとして使用される。サンプル又は試験化合物の一部が、適宜、複数の同時アッセイを行うべくアッセイチャネル中に同時に流し込まれる。
【００５５】
一旦サンプル部分がアッセイチャネルに流し込まれると、１又は２以上の試薬が各チャネルに加えられ、試薬とサンプル部分を結合させてアッセイが行われる。異なる試薬が各アッセイチャネルに適宜加えられ、それによりｘ個のアッセイチャネルにおいてｙ個の異なるアッセイを行う（ｙは約１〜約１００の範囲）。適宜、これらのアッセイは同時に実行され、例えば種々のサンプル部分がチャネルを通って同時に流され、１又は２以上の試薬（例えば異なる試薬）と同時に反応する。これらの試薬は、適宜、ＨＳＡ結合アッセイ、ターゲットスクリーニング、薬剤スクリーニング、酵素アッセイ、蛍光アッセイ、ドーズ応答(dose-response）アッセイ、選択性スクリーニング、プロテアーゼアッセイ、結合アッセイなどを実行するのに使用される。異なるアッセイの実行又は単一化合物に複数の化学的作用を課する代替方法は、アッセイチャネルの各々において異なるチャネル化学的作用を用いることを含む。
各アッセイはｚ個の生成物を生じる（ｚは約１〜約１０００の範囲）。例えば、各反応は１又は２以上の生成物を作り、ｙ個のアッセイからｘ個のチャネルの各々における生成物は、適宜、それらが検出領域（例えばｘ個のチャネル全ての近傍にある検出領域）を通って流れる際に同時に検出される。このようにして、本発明の装置及び方法を用いて、単一の試験化合物について複数のアッセイが同時に実行される。
【００５６】
Ｖ．本発明の装置を用いて適宜実行されるアッセイ
例えば図８に示すような装置は、適宜、連続フロー酵素抑制アッセイにおいてターゲット酵素の抑制のために化合物を試験するのに使用される。例えば図８に示すような装置は、サンプル注入ポートとして機能させるために毛細管取付地点８０２、８０２Ｂにてミクロ流体本体構造部に取り付けられた毛細管、及び４つの並列な反応／処理チャネル、例えばチャネル領域８０４、８０４Ｂ、８０８、８０８Ｂ、８１０、８１０Ｂ及び８１２、８１２Ｂを組み込む。チャネル領域は、１又は２以上の固定稀釈ステージを組み込み、これは３オーダーの大きさの範囲に亘って試験化合物の最終濃度を変える。また、４つの並列チャネル領域は、化合物が酵素及び基質と混合されるアッセイ領域と検出窓８３２、８３２Ｂとを含む。この検出窓８３２、８３２Ｂでは、４つのチャネル領域８０４、８０４Ｂ、８０８、８０８Ｂ、８１０、８１０Ｂ及び８１２、８１２Ｂが近接して配置され、結果として得られる蛍光を画像化又は走査技術を用いて同時にモニターすることを容易にする。
【００５７】
試験化合物は、廃棄ウェル８０６、８０６Ｂにて真空を適用することにより、サンプル毛細管を介してミクロ流体装置に注入される。主チャネル領域たるチャネル領域８０４、８０４Ｂにおいて、試験化合物が装置内に運ばれ、さらなる稀釈なしで酵素及び基質と混合される。チャネル領域８０８、８０８Ｂは、濃度を１０倍小さくするために１つの稀釈ステージを組み込む。これは、リザバー８１６、８１６Ｂから追加のアッセイ緩衝剤を加え、成分の混合を可能にし、追加の流体を抜き出して廃棄チャネルに入れて流量全体を一定に保持することで行われる。同様に、チャネル領域８１０、８１０Ｂ及び８１２、８１２Ｂは、２つ及び３つの稀釈ステージをそれぞれ組み込み、試験化合物の濃度を１００倍及び１０００倍低減させる。稀釈ステージからの廃棄流を図に示したように連結する代わりに分離したまま保持することにより、試験化合物は適宜オート蛍光(autofluorescence)についてモニターされ（なぜなら、廃棄チャネルも画像化又は走査されるから）、このデータは％抑制の計算の前にアッセイについての生の蛍光データを修正するのに適宜使用される。
【００５８】
流量をさらに調節するために、チャネル寸法は、適宜、例えばループや曲がりくねった特徴を組み込むことにより調節される。これは、幅や深さを変化させ、所望の稀釈ファクター、流量及び混合時間を達成すべく相対的な流体力学的抵抗を変化させるものである。サンプル注入回路は、適宜、試験化合物溶液が並列チャネル領域に同時に到達するように調節される。同様に、並列チャネル領域（及び望めば廃棄流）の全長は、適宜、サンプルが同期して検出窓に到達するように調節される。同様の設計が、適宜、キナーゼアッセイ、結合アッセイ、細胞に基づいたアッセイなどにおいて使用される。
別法として、本発明の装置は、複数のアッセイを同時に行うのに使用される。例えば、部分に分割される単一のサンプルプラグ(sample plug）について、ＨＳＡアッセイ及び高スループットのターゲットスクリーニングが適宜組み合わされて実行される。この分割された部分は、本発明の種々のアッセイチャネルに流し込まされ、各々は異なる反応の化学的作用を受ける。別法として、固有の薬剤蛍光が高スループットターゲットスクリーニングと組み合わせれて測定され、又は同様の酵素のパネルが選択性スクリーニングにおいて同時に評価される。他の実施態様では、ドーズ応答の実験が、上述のようにインライン稀釈を用いて実行され、単一のサンプルについて解離定数の範囲全体を調べる。
【００５９】
別の実施態様では、同じ反応が各チャネルにおいて実行され、唯一の相違点は例えば異なる酵素イソフォームである。例えば、単一のヌクレオチド多形（ＳＮＰ）は現在公知であり、かつ全ての酵素すなわち遺伝子生成物について急速に決定されつつある。これらの酵素は、適宜、薬剤ターゲット、新陳代謝で重要な酵素など、例えばＰ４５０酵素である。一般に、酵素は、例えば高スループット形式にて潜在的薬剤又は薬剤化合物に対してスクリーニングされる。酵素の複数の型に対して並列にスクリーニングを行うことは、一般に試薬の消費及び時間に関して試験的である。個々の酵素、例えばｐ４５０酵素における差異は、異なる薬剤−薬剤相互作用及び薬剤の副作用に大きな影響を与える重要なファクターとなり得る。本発明の装置は、適宜、１つのサンプルを用いて並列にて酵素又は蛋白質の所望のフォーム全てを同時にスクリーニングするのに使用される。このことにより、例えば人間の被験者についての臨床試験を含めて次の高額の段階の前に、例えば薬剤の発見プロセスの初期に個々の化合物間の重要なＳＮＰ差異を考慮することが可能となる。また、このような方法は、高スループットのターゲットスクリーニング及び非ターゲット依存の高スループットスクリーニングにおいて有効である。
【００６０】
例えば、上述のように複数の試薬ウェルを組み込んで異なる試薬を各チャネルに加えることにより、同じ装置において異なる反応が同時に実行される。例えば、リザバー８２２は、適宜、試薬をチャネル領域８０４に加え、リザバー８２０はチャネル８０８に加え、リザバー８２６はチャネル８１０に加え、リザバー８２４はチャネル８１２に加える。複数の反応がフローリダクションチャネルなしで装置において適宜実行されるので、チャネル８４２、８４４及び８４６は任意選択できる。別法として、フローリダクションチャネルが、追加のアッセイチャネルとして使用され、又は種々のアッセイに供する前にサンプル部分を稀釈するのに使用される。
【００６１】
他の実施態様では、装置の種々のアッセイチャネルのチャネル寸法を変えることにより、例えば異なるアッセイチャネルにおいて異なるチャネルコーティング、物質などを用いることにより、単一のサンプル又は試験化合物について単一の装置において複数のアッセイが同時に実行される。例えば、１つのチャネルは、分離マトリックスを適宜含み、又は機能化されたガラス、例えばシラン化(silanized）ガラスを適宜含む。ある実施態様では、異なる試薬、異なる試薬から成るビーズなどが、チャネルに事前に装填されて異なる化学的作用を与える。ポリマー基質の表面改質は、適当に帯電した物質を有するコーティングを含めて種々の異なる型を取り得、表面上に存在する分子を変性(derivatizing)させてその表面上に帯電基を生じ、及び／又は帯電化合物を表面にカップリングする。チャネルコーティングの適用及び使用についての説明については、例えばParce et al.による米国特許第５，８８５，４７０号“Controlled Fluid Transport in Microfabricated Polymeric Substrates”、及び同一人の公開されたＰＣＴ出願ＷＯ９８／４６４３８を参照されたい。
【００６２】
ＶＩ．ミクロ流体装置への自然注入による圧力摂動の抑制
一般に、自然注入は、例えばサンプルをサンプルプレートからミクロ流体装置に移送するために外部毛細管を用いるミクロ流体システムにおいて発生する。ここで使用される用語「自然注入」は、外部からの力、例えば差圧や電場などが加わらない状況で流体又は他の物質が所与の通路又は導管内に移動する動作をいう。一般に、ここでも使用されるように、自然注入は、チャネル内での毛細管作用、チャネル外部での流体の表面張力などの結果として流体が充填した毛細管チャネルの先端にて流体がチャネル中に移動する動作をいう。よって、チャネル、チャンバー又は他の導管に「自然注入」される流体又は他の物質は、外部から加えられる起動力の助けなしで前記チャネル、チャンバー又は他の導管内に移動する。
一般に、自然注入の減少は、毛細管チャネル及びチャネル先端の形状に依存して変わり得るサンプリングにおける一定の容積誤差（サンプリングされた容積には依存しない）を与えるので、毛細管電気泳動の適用において問題と見なされる。この効果を低減又は除去するための方法が、例えばChow et al．によるＵＳＳＮ０９／４１６，２８８“External Material Accession Systems"に記載されており、これは、この現象を利用して改善されたサンプル取得を得るための方法、例えば極度に小容量の流体をサンプリングするための方法をも与える。
【００６３】
外部吸引毛細管を含むミクロ流体装置への自然注入も、圧力のような実質的に一定の駆動力（例えば単一の真空源）の下で、又は動電学的に駆動される流れにおける流量の摂動を起こすものとして公知である。吸引毛細管は流体リザバー（例えばサンプルウェル）から揚げられる際、毛細管の端での液体の滴の曲率が、毛細管の内側方向に追加の圧力を及ぼし、より大きな流量を生じる。流量の摂動はアッセイ信号の摂動を生じさせ、これがアッセイの結果の定量分析を妨害し得る。例えば図１１を参照されたい。例えば、信号の摂動は、酵素の抑制反応における抑制を不明瞭にし得る。従って、流体の滴がミクロ流体装置中に自然に注入される際に増大した流量による圧力摂動を最小にするのが望ましい。
【００６４】
本発明は、ミクロ流体装置への自然注入による圧力摂動を抑制するための方法を提示する。本方法は、一般に、毛細管の開放端をサンプルソース（例えばマイクロウェルプレート）に浸け、それによりサンプルソースからサンプルを引き抜いて毛細管に入れることを含む。毛細管は、一般に、ミクロ流体装置に流動自在に連結された外部吸引毛細管である。本方法は、サンプルソースから毛細管の開放端を引っ込めることを含む。サンプルの第１部分は、開放端に残り、毛細管に圧力を及ぼす表面張力により毛細管内に自然に注入される。サンプルの第２部分は、第１交差地点又は圧力ノードにて毛細管と交差する主チャネル中に毛細管から流される。サンプルの第３部分は、分路チャネルを通して流され、第１交差地点又は圧力ノードと毛細管の開放端との間の差圧を作る。一般に、分路チャネルは、第１交差地点又は第１交差地点の下流にて主チャネルと交差する。分路又はバイパスチャネルを通る流体の流れが、第１交差地点にて圧力を変化させ、それにより主チャネルにおける圧力摂動を抑制する。第１交差地点での圧力は、適宜、毛細管の開放端での圧力（一般に大気圧）よりも大きい、又は小さい。
【００６５】
上述の方法は、吸引毛細管からバイパスチャネルに流体を流してシステムにおける圧力地点を変えることにより、自然注入の効果を小さくする。例えば、チップ上の試薬が混合され、又は吸引毛細管からミクロ流体装置に導入された試薬若しくはサンプルを合流する圧力ノードが、ミクロ流体装置における圧力摂動の程度を決める。一般に、この圧力ノードが大気圧から離れれば離れる程、自然注入の圧力摂動の効果は小さくなる。本発明のフローリダクションチャネル又は分路チャネルは、この圧力ノード又は交差地点での圧力を成形し且つ圧力摂動を最小にするのに使用される。また、分路チャネルは、適宜、差圧を増大又は減少させるべく適宜圧力が調節される制御自在チャネルである。例えば、コントローラに連結された圧力源は、適宜、例えば分路チャネルに正又は負の圧力を加えることにより、分路チャネルに流動自在に連結されて分路チャネル中の圧力を制御する。別法として、分路チャネルは、例えば幅、深さ、チャネルコーティングなどを用いて特定の差圧を与えるように構成される。
【００６６】
例えば、図９Ａに示されたような分路チャネルのないミクロ流体装置では、内部圧力ノードＰ1 は、流量Ｑ1 、流体力学的な抵抗Ｒ1 及び加えられた圧力Ｐ0 により次のように決められる。
Ｐ1 ＝Ｐ0 ＋Ｑ1 Ｒ1
図９Ｂは、分路チャネル９０２を付加した装置を示す。流体が分路チャネル９０２に例えば毛細管９０４から流される際、例えば全ての外部圧力ノードＰ0 、Ｐ2 及びＰ3 が変わらなければ、Ｑ1 はＱ1 ’に増加する。毛細管９０４、分路９０２及びサイドチャネル９０６の交差点での内部圧力ノードＰ1 は、次の通りである。
Ｐ1 ’＝Ｐ0 ＋Ｑ1 ’Ｒ1
Ｑ1 ’はＱ1 より大きいので、Ｐ1 ’もＰ1 より大きい。この差圧により、図９Ｂの装置はＰ0 （例えば交差地点９０８）での自然注入圧力摂動に対して図９Ａの装置よりも大きい耐性を有する。分路設計の他の利点は、限定的ではないが、毛細管を通るサンプルプラグの相対的な流体力学的分散のレベルが下げられること、及び毛細管を装置上のミクロチャネルに連結する吸引ジョイントを通るサンプルプラグの最後部(tailing）が低減されることを含む。
【００６７】
ＶＩＩ．機器
ここに特定して説明した装置は、一般に少数の又は１つの特定操作の実行に関して記載されているけれども、これらのシステムの柔軟性により別の操作をこれらの装置に容易に統合できることは本明細書から容易に分かるであろう。例えば、記載された装置及びシステムは、適宜、ここに特定して説明した操作より上流と下流の両方での任意数の操作を実際上実行するための構造、試薬及びシステムを含む。このような上流での操作としては、サンプルの取扱い及び調製操作、例えば細胞の活性化、ラベル付け反応、稀釈、アリコート化(aliquotting）などを含む。同様に、下流での操作としては、例えばサンプル成分の分離、成分のラベル付け、アッセイ・検出操作、粒子セットに接触した成分又は粒子セットから開放された物質の動電学的又は圧力による注入などを含めて、同様の操作が含まれ得る。
【００６８】
本発明では、細胞、蛋白質、抗体、酵素、基質、緩衝剤などのような物質は、例えば関心のある成分の存在を検出できるように、化合物の活性を決めることができるように、又は例えば酵素の活性についての調節剤の効果を測定できるように、適宜モニター及び／又は検出される。ラベル信号の測定値に依存して、次の流体の操作、例えば運動(kinetic）情報を決めるために特定の成分を詳細にアッセイするか否かについて適宜決定される。
一般に、ここに記載のシステムは、装置内での流体の移送、流量及び方向を制御するための別の機器、システムにより実行された操作の結果を検出又は感知するための検出機器、事前にプログラムされた命令により制御機器に命令を出し、検出機器からデータを受け取り、該データを分析し、記憶し、解釈し、容易にアクセスできる報告フォーマットにてデータ及び解釈を与えるためのプロセッサー（例えばコンピュータ）と共に、上述のミクロ流体装置を含む。
【００６９】
流体指示システム
様々な制御機器が、例えば圧力ベース又は動電学的な制御により本発明の装置内で流体物質及び／又は物質の伝送及び方向を制御するために、上述のミクロ流体装置と共に適宜利用される。
本システムでは、流体指示システムが、ミクロ流体装置を通るサンプルの移送、流れ及び／又は移動を制御する。例えば、流体指示システムは、主チャネル中へのサンプルの移動及び主チャネルを通るサンプルの移動を適宜指示し、主チャネルにて、サンプルが緩衝剤又は他の稀釈剤により適宜稀釈される。この流体指示システムは、適宜、物質ソースから主チャネル中への緩衝剤又は他の稀釈剤の移動を指示し、それにより第１の稀釈されたサンプルが得られる。該システムは第１の稀釈されたサンプルの一部のフローリダクションチャネル中への移動をも指示する一方、第１の稀釈されたサンプルの第２部分は主チャネルを流れたままである。また、流体指示システムは、連続稀釈を行って第２の稀釈されたサンプルを作るために、緩衝剤の第２アリコートの主チャネル中への移動を適宜指示する。その後、流体指示システムは、第２の稀釈された物質の第１部分を第２フローリダクションチャネル中に送る一方、第２の稀釈された物質の第２部分は主チャネルに残す。また、流体指示システムは、サンプル物質のさらなる連続稀釈を行うべくこれらの移動を反復して繰り返し、流体物質の一部をフローリダクションチャネル中に送ることにより各稀釈後に主チャネルにおける圧力を低減する。
【００７０】
システムの種々のチャネルにおいて所望の稀釈レベルが得られた後、流体指示システムは、適宜、試薬リザバーから主チャネル及び／又はフローリダクションチャネルへの１又は２以上の試薬物質（例えば基質、酵素など）の移動を指示し、サンプル物質及び／又は稀釈された物質と反応させる。試薬の使用を抑えるために、流体指示システムは、適宜、フローリダクションチャネルから第２フローリダクションチャネル又は低減チャネルへの稀釈されたサンプルの移動を指示する。また、チャネルを通るサンプル物質及び稀釈された物質の（それらが検出される）検出領域中への移動も、流体指示システムにより制御される。
【００７１】
例えば単一のサンプルについて複数のアッセイを行うために、流体指示システムは、サンプルをｎ個の部分に分割し、ｎ個のサンプル部分をｘ個のアッセイチャネル（例えば図８Ａ及び８Ｂに示すような並列アッセイチャネル）に送る。また、流体指示システムは、適宜、ｘ個のチャネルの各々への種々の試薬の添加を指示する。異なる試薬が、適宜、ｘ個のチャネルの各々に加えられ、それにより、サンプルの各部分を異なる化学的作用（例えば異なる反応やアッセイ）にさらすことで、ｙ個の異なるアッセイを行い、かつ、ｚ個の異なる生成物を作る。一般に、使用されるサンプル部分の数ｎは、約２〜約１００の範囲である。一般に、サンプル部分の数は、チャネルの数ｘに実質的に等しい。一般に、流体指示システムは、１つのサンプル部分を異なるチャネルの各々に送る。別法として、１０個のチャネルを備えた装置が使用され、サンプルが２つの部分にのみ分割されて２つのチャネルのみが使用される。他の実施態様では、異なるサンプルが１０個のチャネルの各々に送られる。一般に、チャネル数は約２〜約１００の範囲である。好ましくは、チャネル数は約２〜約２０の範囲である。さらに好ましくは、チャネル数は約４〜約１０個のチャネルである。一旦サンプルがチャネル中に存在すると、流体指示システムは、例えばｙ個の異なるアッセイを行うべく、種々の試薬をリザバーからアッセイチャネルに送る。一般に、異なるアッセイの数ｙは約２〜約１００の範囲である。しかしながら、アッセイの数は、チャネル数又はサンプル部分の数に等しくする必要はない。異なるアッセイが、適宜、ｘ個のチャネルの各々において実行される。例えば、いくつかの異なる酵素基質が、適宜、本発明の異なるチャネルにおいて同時にスクリーニングされ、又はいくつかの異なる蛋白質結合サイトが、適宜、異なるチャネルにおいて各結合サイトを調べることにより同時に探索される。別法として、１つのアッセイ（例えばサイトＩＨＳＡ結合）がいくつかのチャネル（例えばチャネルの半分）にて実行され、別のアッセイ（例えばサイトＩＩＨＳＡ結合）が残りのチャネルにて実行される。一般に、ｙ個のアッセイはｚ個の異なる生成物を作る、例えば、各アッセイが１又は２以上の生成物を作る。従って、生成物の数は一般には少なくともアッセイの数に等しいが、しばしば、アッセイの数ｙよりも大きい。一般に、生成物の数は約１〜約１０，０００の範囲であり、さらに一般には約２〜約１０００の範囲であり、最も一般的には約２〜約１００の範囲である。一般に各々のアッセイは、１又は２以上の生成物を生じ、それを流体指示システムがアッセイチャネルを通して検出領域に方向付け、単一の検出領域に集中しているアッセイチャネルから検出（例えば同時検出、蛍光検出）を行う。
【００７２】
外部毛細管からミクロ流体装置への流体の自然注入により生じる圧力摂動を抑制するために、（主チャネル、分路チャネル及び毛細管に流動自在に連結された少なくとも１つの流体制御要素を含んだ）流体指示システムが、第１サンプルソースから毛細管の入口領域へのサンプルの移動、及び毛細管の入口領域から毛細管の出口領域へのサンプルの移動を指示する。次に、サンプルは毛細管の出口領域から主チャネルの上流領域に送られる。上述のように、主チャネルの上流領域からのサンプルの第１部分は分路チャネルに流され、サンプルの第２部分は主チャネル中に残る。この流体の移動が、毛細管の入口領域の圧力とは異なる圧力にて主チャネルと毛細管との交差点にて維持される。この圧力差により、自然注入の圧力摂動の効果が抑えられる。
【００７３】
一般に、例えば上記説明したようなミクロ流体装置における流体の移送及び方向は、外部又は内部の圧力ソースを組み込んで流体流を駆動する圧力ベースのフローシステムを用いて、全体的又は部分的に制御される。内部ソースは、ミクロ製造されたポンプ、例えば、当該技術において記載されているダイヤフラム・ポンプ、熱ポンプ、ラム波ポンプなどを含む。例えば、米国特許第５，２７１，７２４号、第５，２７７，５５６号、及び第５，３７５，９７９号、並びに公開されたＰＣＴ出願第ＷＯ９４／０５４１４号及び第ＷＯ９７／０２３５７号を参照されたい。上述のように、ここに記載のシステムは、動電学的な物質の方向付け及び移送システムを利用することもできる。好ましくは、外部圧力源を使用し、チャネル終点にてポートに加える。さらに好ましくは、主チャネルの終点にて単一の圧力源を使用する。一般に、圧力源は、主チャネルの下流の終点に適用される真空源である。適用されるこれらの圧力又は真空が、チャネル長に亘って差圧を発生し、チャネルを通して流体の流れを駆動する。ここに記載の相互連結されたチャネルネットワークでは、異なる圧力又は真空を複数のポートに加えることにより、好ましくは単一の真空を共通の廃棄ポートに加え且つ所望の流量を生じるべく適当な抵抗を有する種々のチャネルを構成することにより、体積の異なる流量が適宜実現される。システム例が、１９９９年１月２８日付けのＵＳＳＮ０９／２３８，４６７に記載されている。
【００７４】
一般に、コントローラシステムは、ここに記載のようにミクロ流体装置又はシステム要素を受け入れ又はそれとインターフェースするように適切に構成される。例えば、コントローラ及び／又は検出器は適宜ステージを含み、このステージ上に本発明の装置が取り付けられてコントローラ及び／又は検出器と本装置との適切なインターフェースを容易にする。一般に、このステージは、例えば嵌め合せウェル、位置合わせピン及び／又は穴、（適切な装置の位置合わせを容易にするための）非対称エッジ構造などのような適当な取り付け／位置合わせの構造要素を含む。これらの多くの構成がここに引用した文献に記載されている。
上述の制御機器も、動電学的な注入を与えること又は上流の流量を制御するために関心のある領域の下流で物質を抜き出すことに適宜使用される。上述の同じ機器及び技術も、流体を下流のポートに注入してフロー制御要素として機能させるために使用される。
【００７５】
検出器
ここでの装置は、例えば蛍光、燐光、放射能、ｐＨ、電荷、吸光度、ルミネセンス、温度、磁性、色などを検出する信号検出器を適宜含む。蛍光及び化学ルミネセンスの検出が特に好ましい。
検出器は、適宜、装置の１又は２以上の検出領域、例えば図３及び図８中の検出領域３３２又は８３２、８３２Ｂから１つ又は複数の信号をモニターする。当該１つ又は２以上の検出領域は、連続稀釈により達成された種々のサンプル濃度、又はアッセイされている種々のサンプルに対応し得る。例えば、検出器は、例えばラベル付けされた抗体や例えば検出領域８３２、８３２Ｂ中に位置する蛋白質のようなラベル付けされた成分に対応する光信号を適宜モニターする。
【００７６】
一つの実施態様では、検出領域は、複数の主チャネル及び／又はフローリダクションチャネルに及んでおり、全てのチャネルからの信号を同時に検出するのに１つの検出器が使用される。例えば図８では、検出領域８３２、８３２Ｂは、例えば未稀釈のサンプルを含んだ主チャネル領域８０４、８０４Ｂ並びに例えば１：１０の稀釈のサンプル物質、１：１００の稀釈のサンプル物質及び１：１０００の稀釈のサンプル物質を含んだ並列領域８０８、８０８Ｂ、８１０、８１０Ｂ及び８１２、８１２Ｂからの信号をモニターする。別法として、２又は３以上のアッセイチャネル、例えば並列アッセイチャネル領域の各々に近接した単一の検出器が、例えば２又は３以上のチャネルに分割して複数のアッセイを行った同一サンプルについて実行される２又は３以上の異なるアッセイの結果を検出する。例えば異なる生成物を作る複数の酵素アッセイの結果が、適宜、全ての関連のアッセイチャネルに近接して配置された検出器により同時に検出される。例えば、サイトＩ及びサイトＩＩへのＨＳＡ結合の結果は、適宜、２つの異なるチャネルにおいて同時に探索されるとき同時に検出される。
【００７７】
別法として、フローリダクションチャネルが互いに近接していないならば、各チャネルからの信号を検出するのに別々の検出器が適宜使用される。例えば、図６では、チャネルは、検出器が互いに近接しないように適宜構成される。チャネルがループ状となって検出器を互いに近接させるならば、単一の検出器で十分である。単一の検出器が全ての信号を検出しないとき、又は異なる種類の検出が要求されるとき、図６のチャネル構成が適宜使用される。検出器は、主チャネル６０４からの信号を検出するために検出器領域６３２の近傍に、フローリダクションチャネル６１２からの信号を検出するために検出領域６３４の近傍に、フローリダクションチャネル６１０からの信号を検出するために検出領域６３６の近傍に、及びフローリダクションチャネル６０８からの信号を検出するために検出領域６３８の近傍に配置される。別法として、単一の検出器が、検出領域６３２、６３４、６３６及び６３８の間で移動される。
上記ケースでは、検出は適宜次の通り行われる。すなわち、未稀釈で未反応のサンプルが検出領域６３２内で検出され、未稀釈で反応したサンプルが検出領域６３４内で検出され、２倍に稀釈され反応したサンプルが検出領域６３６内で検出され、一旦稀釈され試薬と反応したサンプルが検出領域６３８内で検出される。一旦検出されると、チャネル中の細胞の流量と速度も、上述のように適宜測定及び制御される。
【００７８】
本発明において有効な検出システムの例は、光センサー、温度センサー、圧力センサー、ｐＨセンサー、導電性センサーなどを含む。これらの種類のセンサーの各々が、ここに記載のミクロ流体システムに容易に組み込まれる。これらのシステムでは、これらのセンサーは、検出器が本装置、チャネル又はチャンバーとのセンサー通信(sensory communication）可能域内にあるように、本装置におけるミクロ流体装置又は１若しくは２以上のチャネル、チャンバー又は導管の内部又はそれらの近傍に配置される。一般に、ここで使用している特定の要素又は領域に対する用語「近傍」は、検出器がミクロ流体装置、ミクロ流体装置の一部又はミクロ流体装置の一部の内容の特性（検出器が意図するもの）を検出できるような位置への検出器の配置を意味する。例えば、微小規模チャネルとセンサー通信するよう配置されたｐＨセンサーは、そのチャネル中に配置された流体のｐＨを決定できる。同様に、ミクロ流体装置の本体とセンサー通信するよう配置された温度センサーは、装置自体の温度を決定できる。
【００７９】
特に好ましい検出システムは、ここに記載のミクロ流体システムに組み込まれるミクロ流体装置のチャネル及び／又はチャンバー内にて物質の光学特性を検出するための光検出システムを含む。一般に、このような光検出システムは、ミクロ流体装置の微小規模チャネルに隣接して配置され、装置のチャネル又はチャンバーを横切って配置された光検出窓を介してチャネルとセンサー通信する。光検出システムは、物質の特性のみならずチャネル内の物質から放出された光、物質の透過率又は吸光度を測定できるシステムを含む。検出器の例としては、光電子増倍管、ＣＣＤアレイ、走査検出器、ガルボ(galvo）スキャナーなどが挙げられる。例えば、好ましい態様では、蛍光、化学ルミネセンス又は他の光学的な検出器がアッセイ中に使用される。検出可能な信号を放出する蛋白質、抗体又は他の成分が、流されて検出器を通過し、又は別法として検出器がアレイに対して移動できて蛋白質の位置を決める（又は検出器が例えばＣＣＤアレイ内のチャネル領域に対応するいくつかの空間位置を同時にモニターできる）。
【００８０】
好ましい態様では、検出器は、例えば蛍光性又は化学ルミネセンス性の物質のような物質から放出される光の量を測定する。一般にそのようなものとして検出システムは、検出窓を通して伝送される光に基づく信号を集め、その信号を適当な光検出器に伝送するための収集光学系を含む。屈折力、フィールド径(field diameter)及び焦点距離を変える顕微鏡の対物レンズが、少なくともこの光学機器列の一部として容易に利用される。光検出器は、適宜、アバランシェフォトダイオード、光電子増倍管、ダイオードアレイ又はある場合には電荷結合素子（ＣＣＤ）のような画像化装置である。好ましい態様では、フォトダイオードは少なくとも部分的に光検出器として使用される。一般に検出システムは、検出された光信号をコンピュータに伝送して分析、記憶及びデータ操作するために、アナログ−デジタル又はデジタル−アナログ変換器を介してコンピュータ（後に詳細に説明する）に連結される。
【００８１】
ラベル付けされた細胞のような蛍光物質の場合、一般に検出器は、チャネル又はチャンバーに含まれる物質に対して検出窓を通して光源を方向付ける光学系だけでなく、蛍光物質を活性化するのに適切な波長の光を作る光源を含む。この光源は、レーザー、レーザーダイオード及びＬＥＤを含めて、適当な波長を与える幾つかの任意の光源とし得る。他の検出システムに対しては他の光源が要求される。例えば、一般に広帯域の光源は、光の散乱／透過率の測定などで使用される。一般に光選択パラメータは当業者には周知である。
検出器は別々の装置として設け得るが、コントローラシステムと共に単一の機器内に統合するのが好ましい。単一の装置へのこれらの機能の統合は、少数又は単一の通信ポートを使用可能にしてコントローラ、検出器及びコンピュータ間で情報を伝送することにより、これらの機器とコンピュータ（後に記載）との接続を容易にする。一般に、検出システムとコンピュータシステムの統合は、検出器の信号情報をアッセイの結果情報（例えば基質の濃度、生成物の濃度、関心のある化合物の存在など）に変換するためのソフトウエアを含む。
【００８２】
コンピュータ
上述のように、流体指示システム及び／又は検出システムのどちらか又は両方が、適当にプログラミングされたプロセッサー又はコンピュータに連結される。このプロセッサー又はコンピュータは、事前にプログラミングされた又はユーザーが入力した命令に従ってこれらの機器の動作を命令し、これらの機器からデータと情報を受け取り、この情報を解釈し、操作し、ユーザーに報告する。そのようなものとして、一般に、コンピュータは、（必要ならば例えばアナログ−デジタル変換器又はデジタル−アナログ変換器を含めて）これらの機器の１つ又は両方に適切に連結される。
一般に、コンピュータは、例えばＧＵＩのセット・パラメータ・フィールドへのユーザー入力の形式で、又は事前にプログラミングされた命令（例えば様々な異なる特定動作に対して事前にプログラミングされたもの）の形式でユーザー命令を受け入れるための適当なソフトウエアを含む。次に、流体の方向付け・移送コントローラの動作に命令して所望の動作を実行させるために、ソフトウエアがこれらの命令を適当な言語に変換する。例えば、ソフトウエアは流体指示システムに適宜命令し、サンプルを主チャネルに移送させ、緩衝剤又は他の稀釈剤を主チャネルに移送させ、サンプル又は稀釈されたサンプルの一部をフローリダクションチャネルに移送させ、サンプル又は稀釈されたサンプルの一部を主チャネルを通して移送させ、サンプル又は稀釈されたサンプルの一部を第２フローリダクションチャネル中に移送させ、試薬物質を主チャネル、フローリダクションチャネル又は第２フローリダクションチャネル中に移送させ、また、関心のあるアッセイの実行及び／又は関心のある成分の検出に必要な他の移動を行わせる。
【００８３】
次に、コンピュータは、システム内に含まれる１又は２以上のセンサー／検出器からデータを受け取り、このデータを解釈し、それをユーザーが理解できる形式で与えるか、又はそのデータを用いてプログラミングに従って別のコントローラ命令を開始し、例えば流量、温度、印加圧力などのモニタリングや制御を行う。
本発明では、一般にコンピュータはチャネル内での物質のモニタリング用のソフトウエアを含む。また、動電学的若しくは圧力調節された注入又は物質の引き抜きを制御するのに、ソフトウエアが適宜使用される。この注入又は引き抜きは、上述のように流量を調節するのに使用される。
また、コンピュータは、適宜、検出システムからの信号（単数又は複数）のデコンボリューション(deconvolution）用のソフトウエアを含む。例えば、このデコンボリューションは、例えば基質と生成物とが検出可能な異なるラベルを含むときに、両方とも検出された２つの検出可能な異なるスペクトル特性を識別する。
【００８４】
集積システム例
図１のパネルＡ、Ｂ及びＣ並びに図２は、ここに記載の方法を実施するのに適宜使用される集積システムの例について、さらなる詳細を与える。図示されているように、本体構造部１０２はその中に配置された主チャネル１０４を有する。例えば、リザバー１１４（又はシステム内の別の地点）に真空を適用することにより、又は適当な電圧勾配を加えることにより、サンプル又は成分の混合物がピペットチャネル１２０からリザバー１１４に向かって適宜流される。別法として、リザバー１０８、１１２にて又はピペットチャネル１２０を通して真空が適用される。例えば緩衝剤溶液、基質溶液、酵素溶液などのような追加の物質が、上述のように適宜、ウェル１０８又は１１２から流され、また、主チャネル１０４中に流される。これらのウェルからの流れは、流体圧力を調節することにより、又は上述のような動電学的なアプローチにより（又は両用により）、適宜実現される。流体が例えばリザバー１０８から主チャネル１０４に加えられる際、流量は増大する。この流量は、流体の一部を主チャネル１０４からフローリダクションチャネル１０６又は１１０に流すことにより、適宜低減される。図１に示されたチャネルの構成は、本発明において使用するのに適当かつ利用可能な多くのもののうち１つの可能な構成である。代替案が図３、４、５、６、７、８、９、１０及び１２に与えられる。例えば、ここに記載のミクロ流体要素（例えばフローリダクションチャネル）とここで参照した特許及び出願に記載された他のミクロ流体装置を組み合わせることにより、別の代替案が考えられる。また、適宜、図３、４、５、６、７、８、９、１０及び／又は１２の要素が組み替えられて代わりの構成を与える。
【００８５】
サンプル及び物質は、列挙されたウェルから、又は本体構造部の外部のソースから適宜流される。図示されるように、本集積システムは、ミクロ流体システムの外部の物質ソースにアクセスするために、例えば本体１０２から突出したピペットチャネル１２０を適宜含む。一般に、外部ソースは、ミクロタイター皿(microtiter dish）又は他の便利な貯蔵媒体である。例えば、図２に示されるように、ピペットチャネル１２０はマイクロウェルプレート１０８にアクセスでき、このマイクロウェルプレート１０８は、サンプル物質、緩衝剤、基質溶液、酵素溶液などをプレートのウェル内に含む。
検出器２０６はチャネル１０４とセンサー通信し、例えば検出領域を通って流れるレベル付き物質から生じる信号を検出する。検出器２０６は、検出が所望されている装置におけるチャネル又は領域のいずれかと適宜連結される。検出器２０６はコンピュータ２０４に動作上連結され、このコンピュータ２０４は、例えば濃度、分子量又は識別性(identity)などを決めるために、例えば上述の命令のいずれか、又は例えば他の任意の命令セットを用いて、検出器２０６により検出された信号情報をデジタル化、記憶及び操作する。
流体指示システム２０２は、例えばシステムのウェルにて、若しくはシステムのチャネルを通して、又はチャネル１０４若しくは上述の他のチャネルに流動自在に連結された真空継手にて電圧、圧力又はその両方を制御する。適宜、コンピュータ２０４は図示されたように流体指示システム２０２を制御する。実施態様の一セットにおいては、コンピュータ２０４は、ミクロ流体システム用の別のパラメータを選択すべく信号情報を使用する。例えば、マイクロウェルプレート２０８からのサンプル中における関心のある成分の存在を検出する際、コンピュータは、関心のある成分の潜在的な調節剤のシステム中への付加を適宜指令する。
【００８６】
キット
一般に、ここに記載のミクロ流体装置はパッケージ化され、装置の好ましい機能を実行するために試薬を含む。例えば、キットは、既述のミクロ流体装置のいずれかと共に、アッセイ成分、試薬、サンプル物質、蛋白質、抗体、酵素、基質、制御物質などを含む。一般に、このようなキットは、該装置及び試薬を使用するための適当な命令をも含み、また、試薬が装置自体に事前に配置されていない場合には、試薬を装置のチャネル及び／又はチャンバーに導入するための適当な命令を有する。この後者の場合には、これらのキットは、物質をミクロ流体システム中に導入するための特別の補助装置、例えば適当に構成されたスポイト(syringes)／ポンプなどを適宜含む（一つの実施態様では、装置自体が、装置内のチャネル及びチャンバーに物質を導入するための電子ピペットなどのようなピペット要素を含む）。前者の場合には、一般に、このようなキットは、装置のチャネル／チャンバー中に事前に配置された必要な試薬と共にミクロ流体装置を含む。
一般に、崩壊や引き延ばされた貯蔵中における例えばリークによるその他の損失を防止するために、これらの試薬が安定化された形態にて与えられる。例えば化学安定剤（即ち、酵素抑制剤、ミクロサイド(microcides)／静菌剤、抗凝固剤）の混入、例えば固体サポートへの固定化による物質の物理的な安定化、マトリックス（即ち、ゲル）中への閉じ込め、冷凍乾燥などのような試薬の貯蔵に対して、幾つかの安定化プロセスが広く使用される。
キットは、適宜、ミクロ流体装置、システム又は試薬要素を保持するためのパッケージング物質又は容器をも含む。
【００８７】
一般に、上述の説明は、請求の範囲に記載の本発明の特徴及び実施態様に適用できる。
また、請求した本発明の精神と範囲から逸脱することなく、ここに記載の方法及び装置を改変でき、また、本発明は以下のものを含めて幾つかの異なる使用に供され得る。
ここに記載のアッセイを行うためのミクロ流体システムの使用。
ここに記載のような複数の濃度での測定値を得るためのミクロ流体システムの使用。
ここに記載のような複数の濃度にてアッセイを行うためのミクロ流体システムの使用。
ここに記載のように複数のアッセイを行うためのミクロ流体装置の使用。
ここに記載のように単一の試験化合物について複数のアッセイを同時に行うためのミクロ流体装置の使用。
ここに記載のように試薬消費を抑制するためのミクロ流体システムの使用。
サンプルの連続稀釈を行うための、ここに記載のミクロ流体システムの使用。
ここに記載のように流量を制御又は調節するためのミクロ流体システム又は装置の使用。
ここに記載のように自然注入による圧力摂動を抑制するためのミクロ流体システム又は装置の使用。
ここに記載のミクロ流体システム又は基板のうちの任意の一つを使用するアッセイ。
【００８８】
ＶＩＩＩ．例
例１：ホスファターゼ・アッセイ
ホスファターゼ・アッセイにおいてデータを得るために、図８Ｂに示されるチャネルレイアウトを有するミクロ流体装置を使用した。一般のアッセイでは、ほぼ６０ミクロリットルの酵素溶液がウェル８２０ｂ及び８２４ｂに充填される。ウェル８２２ｂ及び８２６ｂ中に基質が加えられ、ウェル８１６ｂ及び８１８ｂに緩衝剤が充填される。主反応チャネルに送出された試薬の最終濃度は、サイドチャネル及び反応チャネルにおける相対流量により決められる。検出地点を反応チャネルに沿って異なる場所に移動させることにより、又は廃棄ウェル８０６ｂに加えられる負の圧力を変化させることにより、チップ上における反応時間が変えられる。
【００８９】
試薬
種々の濃度の試薬（例えば市販されているホスファターゼ抑制剤）が、毛細管取付地点８０２ｂにて取り付けられた吸引毛細管を通して装置中に装填すべくミクロタイタープレートに装填される。例えば、一般の抑制剤の濃度としては、１ｍＭ、０．６２５ｍＭ、１．２５ｍＭ、２．５ｍＭ、５ｍＭ及び１０ｍＭが挙げられる。
ホスファターゼ反応のために使用される一般の緩衝剤は、２５ｍＭ  Ｔｒｉｓ−ＨＣＬ（ｐＨ７．０）、５０ｍＭ  ＮａＣｌ、２ｍＭ  ＥＤＴＡ、０．０１％  Ｂｒｉｊ３５、５ｍＭ  ＤＴＴ、及び５００  ＮＤＳＢを含む。
酵素の場合、ホスファターゼの１：１００の稀釈が作られ（ほぼ１００ｎｍ）一般にミクロ流体装置のウェル内に配置される。
１００μＭのホスファターゼ基質溶液が基質ウェルに配置される。
Beckman からのマーカー染料Ｃｙ５の１ｎＭ溶液が、抑制剤サンプルと共にミクロタイタープレート中に配置される。
【００９０】
酵素抑制及びＫi の決定
アッセイ中のホスファターゼに対して高い親和力を有する競合的なペプチッドホスファターゼ抑制剤を用いて、抑制剤の滴定実験を行った。一般に、ペプチッドの濃度はミクロプレート中で０．６２５〜１０ｍＭの範囲である。パーセント抑制値は、抑制剤の注入に対応する蛍光の減少、酵素＋基質のベースライン、及び測定された基質のみのバックグラウンドから計算した。このデータの分析（１００％及び１０％チャネルから１０個の最も高い抑制剤の濃度は、ほぼ飽和応答を示すので分析から除外した）により、ディクソン(Dixon）図を用いて分析した場合には１６９．５５μＭのＫi 値を得た。パーセント抑制に対する抑制剤の濃度のグラフから、装置の基質ウェル中の基質濃度１００μＭ及び５０μＭを用いた場合に１６０及び２００μＭのＩＣ50値を概算し、また、次式、
ＩＣ50＝Ｋi * （１＋［Ｓ］／Ｋm ）
を用いて、１１３μＭ及び１０９μＭのＫｉ値を計算した。２つの異なる基質濃度を用いて４つの異なるアッセイチャネルにおいて測定した抑制剤滴定が図１５に示される。Ｋi を決定するのに用いられるディクソン図が、図１６及び図１７に示され、これらはパーセント抑制に対してプロットした抑制剤チャネル濃度のデータを与える。
【００９１】
例２：圧力摂動の抑制
一般に、図１０に示すチャネルレイアウトを有するミクロ流体装置は、高スループットのスクリーニングアッセイ、例えば蛍光原アッセイに対して使用される。一般的な実験では、ウェル１００４に酵素を配置し、ウェル１００５に蛍光原基質を配置する。潜在的抑制剤が、マイクロウェルプレートに配置され、毛細管連結地点１００８にて装置に取り付けられた毛細管を通して装置に送られる。上述のように、毛細管がマイクロウェルプレートにおける１つのウェルから持ち上げられて別のウェルに移される際に、自然注入が生じる。内部ウェル（例えばウェル１００４及び１００５）から加えられる試薬に対する稀釈ファクターにおける自然注入の効果は、装置上のウェル１００４及び１００５内の緩衝剤溶液中に染料（例えば蛍光性染料）を入れること、及び同じ緩衝剤溶液を含んだ２つのミクロプレートウェルの間で毛細管を前後に移動させることにより特徴付けられる。
図１１は、廃棄ウェル１０１０に位置する真空が−１ｐｓｉに設定された場合に測定された対応する蛍光信号を与える。データにおける二重沈みの特徴は、毛細管からミクロ流体装置中への緩衝剤の自然注入を原因とする定常状態の値に対する摂動から生じる。この沈みの大きさは定常状態の値の約９％である。
【００９２】
図１２に示すミクロ流体装置のチャネルレイアウトは、上述しかつ図１１のデータにより示された圧力摂動を抑制するのに適宜使用される変形を含む。チャネル構成は、主チャネル１２１０から流体を引き抜くのに使用されるバイパス又は分路チャネル１２０２を含む。蛍光原アッセイは、図１０の装置に対して上記説明したのと同じ方法にて図１２の装置において適宜実行される。酵素及び基質が、ウェル１２０４及び１２０５から主チャネル１２１０中に導入される。主チャネル１２１０において、酵素と基質は、毛細管連結地点１２０８を介して外部毛細管から送られたサンプルと接触する。毛細管連結地点１２０８での圧力は、流体を主チャネル１２１０から分路チャネル１２０２に分路することにより制御される。
分路チャネル１２０４を通して流体を流すことにより、交差地点での圧力が変えられ、自然注入の効果が抑えられる。例えば、図１０の装置に対して上記説明したように染料及び緩衝剤を用いて特徴付けられる場合には、図１２の装置を用いて作られた信号は、定常状態の値の３％のみの大きさを有する沈み込みを生じる。
【００９３】
図１３及び１４は、分路チャネルのない装置（図１０）及び分路チャネルのある装置（図１２）をそれぞれ用いて実行される蛍光原酵素のアッセイデータを与える。ホスファターゼ酵素のほぼ１０ｎＭ溶液をウェル１２０４に配置し、１００μＭホスファターゼ基質をウェル１２０５に配置した。使用した緩衝剤は、５０ＭＭ  Ｂｉｓ−Ｔｒｉｓ（ｐＨ６．３）、５０ｍＭ  ＮａＣｌ、０．０７５％ＢＳＡ、０．１％Ｂｒｉｊ−３５、及び２％ＤＭＳＯであった。ホスファターゼの抑制剤は１０個の異なる濃度、即ち０．１５６、０．３１３、０．６２５、１．２５、５、１０、２０、４０及び８０μＭにて与えた。マイクロウェルプレート中に抑制剤サンプルを配置し、毛細管連結地点１２０８にて取り付けられた吸引毛細管を介してマイクロウェルプレートから装置中に流した。加える圧力は、廃棄リザバー１２１２にて−１．５ｐｓｉに設定した。自然注入を原因とする定常状態信号における周期的な揺れ又は沈み込みは、分路チャネルを含んだ装置において大きさが十分に抑えられた。
【００９４】
明瞭にし理解する目的でいくらか詳細に上記発明を記載してきたが、本発明の真の範囲から逸脱することなく形態及び詳細における種々の変化が可能であることは、この明細書を読めば当業者には明らかとなるであろう。例えば、上述した技術及び装置の全てが種々の組み合わせにて使用できる。この出願において引用された全ての刊行物、特許出願、特許及びその他の文献が、あたかも各個別の刊行物又は特許文献が個別にそのように示すのと同程度にて全ての目的のためにそれら全体で参考として援用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  パネルＡ、Ｂ及びＣは、本体構造部、ミクロ製造要素及びピペットチャネルを含んだ本発明の集積システムの略図である。
【図２】  本発明の集積システムの略図であり、マイクロウェルプレート、コンピュータ、検出器及び流体検出システムの結合を示す。集積システムは、適宜、図３、４、５、６、７、８、９、１０若しくは１２の装置若しくは本体構造部又は他の適当なミクロ流体装置のどちらかと使用される。
【図３】  単一のフローリダクションチャネルを含むミクロ流体装置の略図である。
【図４】  バイパスループ構成の単一のフローリダクションチャネルを含むミクロ流体装置の略図である。
【図５】  例えば単一のサンプルの連続稀釈や単一のサンプルの複数アッセイを行うのに使用するために複数のフローリダクションチャネルを含んだミクロ流体装置の略図である。
【図６】  例えば単一のサンプルについての複数の濃度測定値を得るためや単一のサンプルに対する複数の試験化合物又は酵素をアッセイするために、複数のフローリダクションチャネル、複数の検出器及び複数の試薬ウェルを含んだミクロ流体装置の略図である。
【図７】  例えば単一のサンプルについての複数の濃度測定値を得るためや試薬の消費を抑えるために、複数のフローリダクションチャネル及び第２フローリダクションチャネルを含んだミクロ流体装置の略図である。
【図８Ａ】  パネルＡは、例えば種々の濃度又は異なるアッセイ条件にて単一のサンプルについて複数の測定値を得るために、並列に構成されかつ単一の検出窓に流動自在に連結された複数のフローリダクションチャネルを含んだミクロ流体装置の略図である。
【図８Ｂ】  パネルＢは、パネルＡの略図に対応したチャネル構成の１つの可能な実施態様を示す。
【図９】  パネルＡは、分路チャネルのないミクロ流体装置の略図であり、パネルＢは、分路チャネルを含んだミクロ流体装置の略図である。両装置とも吸引毛細管を含む。
【図１０】  分路チャネルのないミクロ流体吸引装置のチャネル構成である。
【図１１】  図１０のミクロ流体装置を用いて観測された自然注入の摂動を示すデータである。
【図１２】  分路チャネルを含んだミクロ流体吸引装置のチャネル構成である。
【図１３】  分路チャネルのない図１０の装置を用いて得られた酵素抑制データである。
【図１４】  分路チャネルを含んだ図１２の装置を用いて得られた酵素抑制データである。
【図１５】  ２つの基質濃度を用いて図８Ｂに示した装置を用いて測定した抑制剤滴定である。
【図１６】  ディクソン図により決められたＫi である。
【図１７】  パーセント抑制に対する抑制剤チャネル濃度を示す酵素抑制アッセイデータである。
【符合の説明】
１００    ミクロ流体装置
１０２    本体構造部
１０４    主チャネル
１０６    フローリダクションチャネル
１０８    リザバー
１１０    フローリダクションチャネル
１１２    リザバー
１２０    ピペットチャネル
２０２    流体指示システム
２０４    コンピュータ
２０６    検出器
２０８    マイクロウェルプレート
３０２    サンプルウェル
３０４    主チャネル
３０６    圧力源
３０８    フローリダクションチャネル
３１６    緩衝剤ウェル
３１８    試薬ウェル
３３２    検出領域
４０２    サンプルウェル
４０４    主チャネル
４０６    真空源
４０８    フローリダクションチャネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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