JP2001515216A - Microstructure for manipulating fluid samples - Google Patents

Microstructure for manipulating fluid samples

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、流体試料中の核酸のような所望の物質をその他の物質から分離するための微小流体装置と方法である。 (57) Abstract: The present invention is a microfluidic device and method for separating a desired substance, such as nucleic acids in a fluid sample from the other substances. 好ましい実施形態では、装置は超微細加工されたチップ(20)を備える。 In a preferred embodiment, the device comprises a chip (20) that has been processed ultrafine. チップは、入口ポート(28)と出口ポート(30)と、これらのポートと流体で連通する抽出チャンバ(26)とを有する。 Chip has an inlet port (28) and the outlet port (30), and an extraction chamber communicating with these ports and the fluid (26). チャンバ(26)は、流体試料がチャンバに連続的に流れるときに流体試料から所望の物質を捕獲する内部吸着表面を有する。 Chamber (26) has an inner suction surface to capture the desired material from the fluid sample when the fluid sample flows continuously in the chamber. 次に、溶離溶液をチャンバ(26)に強制的に流すことによって、捕獲された上記物質は溶離され、従って上記物質は内表面から溶離溶液の中に放出される。 Then, by flowing elution solution forced into the chamber (26), it captured the material is eluted, therefore the substance is released from the inner surface into the elution solution. 装置の貫流設計により、標的物質を比較的大きな容積の流体試料から遥かに小さな容積の溶離溶液中に濃縮させることができる。 The flow-through design of the device, can be concentrated elution solution of much smaller volume of a target substance from a fluid sample a relatively large volume. 内部表面は、好ましくは、コラム(32)の配列によって形成され、コラム(32)はチャンバ(26)の壁と一体に形成されると共にチャンバ(26)の中に伸びている。 Inner surface is preferably formed by an array of column (32), the column (32) extends into the chamber (26) is formed in a wall integral with the chamber (26). コラム(32)は大きな表面積を提供して所望の物質を捕獲する。 Column (32) captures the desired material provides a large surface area. この装置は、また、好ましくは一体型のヒーターを含んで溶離効率を増大させる。 The apparatus also preferably increases the elution efficiency include integrated heater.

Description

【発明の詳細な説明】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 (関連出願情報) この出願は、1997年8月13日に出願された米国出願番号第08/910 [0001] (Related application information) This application, August 1997 US application number, which was filed on the 13th the first 08/910
,434号および1998年7月14日に出願された米国出願番号第09/11 5,454号から優先権を請求する。 Claims priority from U.S. Application No. 09/11 5,454, filed 434 Patent and July 14, 1998.

【0002】 (技術分野) 本発明は一般に流体試料の処理に関し、特に、流体試料中のプロテインとか核酸とかその他の複合分子成分のような巨大分子を含む物質を操作するための新しい方法と微小流体装置に関する。 [0002] For treatment of Technical Field The present invention relates generally to a fluid sample, in particular, new methods and microfluidic for manipulating materials containing macromolecules such as protein Toka nucleic Toka other composite molecular components in the fluid sample apparatus on.

【0003】 (本発明の背景) 分子生物学および生物医学診断学の多くの分野において、生物学的試料から核酸などの標的物質を抽出し、分離し、濃縮するための有効な方法と技法に対して大きなニーズが存在する。 [0003] In many fields of molecular biology and biomedical diagnostics BACKGROUND OF THE INVENTION extracts a target substance such as a nucleic acid from a biological sample, separated, the effective method and techniques for enriching there is a great need for. これらの分野に関する実例は、食物、水、血液、生物組織、喀出物質、尿、産業流体および土壌といった医学的、工業的、環境的な容積の大きい試料の処理を含んでいる。 Illustrative of these areas may include food, water, blood, biological tissue, expectoration material, urine, medical such industrial fluid and soil, industrial, processing of large sample environmental volume. これらの試料は、遺伝子分析のために使用される。 These samples are used for genetic analysis. 遺伝子分析には、例えば、配列、病原体の識別と定量化、核酸の突然変異分析、ゲノム分析、移植に対する器官の適合性の評価、遺伝子発現の調査、薬理学的モニタリング、新薬発見のためのDNAライブラリーの創生と検証などがある。 Genetic analysis, for example, sequence, identification and quantification of pathogens, mutation analysis of nucleic acids, genomic analysis, assessment of the suitability of an organ for transplantation, investigation of gene expression, pharmacological monitoring, DNA for drug discovery there is a such as the creation and verification of the library.

【0004】 流体試料から核酸を抽出するための従来のベンチトップ技法は、試料を攪乱塩(カオトロピズム塩)およびシリカ粒子と混合する。 Conventional bench-top techniques for extracting nucleic acids from a fluid sample, mixing the sample with disrupting salt (chaotropic salts) and silica particles. シリカ粒子としては例えばガラスまたは珪藻土の粒子がある。 The silica particles for example, a glass or diatomaceous earth particles. この技法は、ブームらの米国特許第5,23 4,809号と、ギレスピーらの米国特許第5,155,018号とに記載されて いる。 This technique is a boom et al., U.S. Pat. No. 5, 23 4,809, are described in the Gillespie et al., U.S. Patent No. 5,155,018. DNA、RNA、および多くのプロテインは自然にシリカの表面に付着し結合する。 DNA, RNA, and the number of protein to adhere to the surface of the silica naturally binds. 攪乱剤は、試料中の細胞の溶解を引き起こし、核酸のシリカへの結合を増大させる。 Disrupting agent causes lysis of cells in the sample, it increases the binding of the nucleic acid of the silica. また、これによって、シリカへの付着を抑制するプロテインを変性させる。 This also denatures protein to inhibit adhesion to silica. また、これらの塩は、DNAとRNAの二次構造を和らげ、従ってそれらの付着に対して良好な化学的環境を与える。 Further, these salts relieve the secondary structure of DNA and RNA, thus providing a good chemical environment for their attachment.

【0005】 核酸を含む試料は、核酸をあらゆる表面に付着させるように、例えば振動によって流体試料に乱れを起こして、シリカの粒子と混合される。 [0005] Samples containing nucleic acids, as to attach the nucleic acid to any surface, for example, causing turbulence in the fluid sample by the vibration, is mixed with silica particles. 核酸がシリカ粒子へ付着することによって、シリカ核酸ペレットが形成される。 By nucleic acid adheres to the silica particles, silica acid pellets are formed. 次に、これらのペレットは、典型的には遠心分離と、例えば吸引などによる上清の処分とによって、流体から物理的に分離される。 Next, these pellets are typically a centrifuge, for example, by the disposition of the supernatant by suction or the like, is physically separated from the fluid. 次に、ペレットは、汚染物質を除去するために例えばヴォルテックスミキサー(渦巻型混合機)を使用して洗浄され、再び沈殿される。 Then, the pellet is washed, for example using a vortex mixer to remove contaminants (spiral mixer), and again precipitated. また、付加的な洗浄処置が数回行なわれる。 Moreover, additional cleaning treatment is carried out several times. 最後的に、水性溶液の緩衝剤を使用して、核酸はペレットから溶離される。 In the end, the use of a buffer in an aqueous solution, the nucleic acid is eluted from the pellet. これらの処置は、典型的には、 These treatments are typically,
例えば1.5mLの円錐管のような標準反応容器を使用して、作業台上(ベンチ トップ)で手作業で行なわれる。 For example using a standard reaction vessel, such as a conical tube 1.5 mL, carried out manually on the workbench (bench top).

【0006】 核酸を分離し純化するためのもう1つのベンチトップ技法は、結合マトリックスとしてヒドロキシル化されたシリカを使用する。 [0006] Another benchtop techniques for nucleic acid separation purification uses hydroxylated silica as a binding matrix. この技法は、ウッダードらの米国特許第5,693,785号に記載されている。 This technique is described in U.S. Patent No. 5,693,785 of Woodard et al. 上記のヒドロキシル化されたシリカによって、核酸は、攪乱剤を使用しなくても、室温の水性溶液中で結合する。 By the above hydroxylated silica, nucleic acids, without using a disrupting agent, binds at room temperature in aqueous solution. この方法によると、DNAを含有する溶液は、ヒドロキシル化されたシリカと共に保温されて、DNAの結合が行なわれる。 According to this method, the solution containing the DNA is being incubated with hydroxylated silica is performed the binding of DNA. 次に、この混合物は遠心分離されて、結合されたDNAと上記ヒドロキシル化されたシリカのペレットが得られる。 Then, the mixture is centrifuged, the pellet of the bound DNA and the hydroxylated silica is obtained. 次に、上記ペレットを溶離溶液中で再懸濁して、典型的には37度CのDN Then resuspended the pellet in elution solution, typically of 37 ° C DN
Aにとって破壊的でない温度に加熱することによって、DNAは上記ヒドロキシル化されたシリカから溶離する。 By heating to a temperature not destructive taking the A, DNA is eluted from the hydroxylated silica.

【0007】 従来のベンチトップ測定技法に代るものとして、自動化された微小流体装置を開発するという試みがなされて来ており、上記装置は試料準備機能と試料処理機能の内の幾らかをこなす。 [0007] As an alternative to conventional benchtop measurement techniques, have come been attempted to develop an automated microfluidic system, the apparatus do a some of the sample preparation functions and the sample processing function . 微小流体システムは、ベンチトップ測定と比較して、 Microfluidic systems, as compared with bench-top measurement,
軽便性、再生産性の向上、汚染の減少、試薬消費の減少、操作者介在の減少、低測定コストという可能性を持っている。 Portability, improved reproducibility, reduced contamination, reduced reagent consumption, reduced operator intervention, has the potential of low measurement cost. ミクロ機械加工の技術は、例えば半導体基板を使用して、微小流体装置の製造を可能にし、マイクロリットルからピコリットルの容積の試料を操作したり、反応させたり、検知したりすることができる。 Techniques micromachining, for example using the semiconductor substrate, and enables the production of microfluidic devices, and manipulate samples volume of picoliters microliters, or can be reacted or detected. 例えば、ノースロップらの米国特許第5,639,423号は、生物化学反応を行なうための超微細製作された反応器を、特にポリメラーゼ連鎖反応のようなD For example, U.S. Pat. No. 5,639,423 Northrop et al., Such as the reactors ultrafine fabrication for performing biochemical reactions, especially polymerase chain reaction D
NAベースの反応を行なうための反応器を開示している。 It discloses a reactor for performing the NA-based reaction.

【0008】 しかしながら、微小流体技術における進歩にも拘わらず、比較的大きな容積の流体試料から核酸を有効に抽出でき、且つ、次の分析処理のために核酸を小さな容積に濃縮できる微小流体装置のニーズが相変わらずある。 However, despite advances in microfluidic technology, relatively large can effectively extract nucleic acid from a fluid sample volume, and, of a microfluidic device capable of concentrating the nucleic acid into small volume for subsequent analysis process It needs there as usual. 特に診断への適用においては、例えば病原性器官または癌細胞など、数ミリリットル以上の比較的大きな容積の試料から低濃度の核酸を抽出し濃縮することが頻繁に必要になる。 Especially in diagnostic applications, for example, pathogenic organs or cancer cells, consists of a sample of a few milliliters or more relatively large volume must be frequently to extract and concentrate the low concentration of the nucleic acid. この種の処置は、例えば、食物中の有毒大腸菌0157(食物10グラム当たり1 This type of treatment, for example, toxic E. coli 0157 in food (food per 10 grams 1
生物体のレベルで有毒)、血液中のHIV(血液1ミリリットル当たり200ウィルス生物体以下)、細菌戦シナリオ中の炭疽菌(空気1リットル当たり100 Toxic) at the level of the organism, following 200 viral organisms HIV (blood per milliliter of blood), anthrax in biological warfare scenario (air per liter 100
生物体以下)、血液又は尿中の癌細胞(流体1ミリリットル当たり10細胞以下)、性病(例えば淋病やクラミジア)の尿中の病原体(流体1ミリリットル当たり100生物体以下)の検出に必要となる。 The following organisms), the following cancer cell (fluid per milliliter 10 cells in the blood or urine) is required for the detection of venereal diseases (e.g. pathogens in urine gonorrhea or chlamydia) (hereinafter 100 organisms per Fluid 1 milliliter) .

【0009】 核酸を抽出し分析するための現存する微小流体装置は、残念ながら、ピコリットルやナノリットルやマイクロリットルの試料容積に焦点が集まっている。 [0009] Microfluidic devices existing for extracting nucleic acids and analyzed, unfortunately, the focus is gathered in the sample volume of picoliters and nanoliters or microliters. 例えば、アンダーソンらは、「微小流体生化学分析システム」("Microfluidic Bioc For example, Anderson et al., "Microfluidic Biochemical Analysis System" ( "Microfluidic bioC
hemical Analysis System", Transducers '97, 1997 International Conference hemical Analysis System ", Transducers '97, 1997 International Conference
on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, June 16-19, 1997, pg.477 on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, June 16-19, 1997, pg.477
-480)と題する記事に試料準備と試料分析のための微小流体装置を開示している。 Discloses a microfluidic device for sample preparation and sample analysis to -480) entitled article.

【0010】 アンダーソンによって開示された装置は5から20のマイクロリットルのチャンバを含んでいて、チャンバには、流体試料から核酸を分離するためのガラス壁がある。 [0010] The apparatus disclosed by Anderson include a chamber of 5 to 20 microliters, the chamber, there is a glass wall for separating nucleic acids from a fluid sample. 操作に際して、まず、使用者は流体試料を攪乱塩と混合して、DNAを放出する。 In operation, first, the user mixes the fluid sample and disrupting salt, to release DNA. それから、溶解試料がチャンバ内に注入され、10〜20分間保温されて、流体試料の中の核酸をガラス壁に結合させる。 Then, dissolved sample is injected into the chamber, it is kept for 10 to 20 minutes, to bind the nucleic acids in the fluid sample to the glass wall. 次に、流体試料はチャンバから排出され、チャンバは数回洗浄されて汚染物質を除く。 Then, the fluid sample is discharged from the chamber, the chamber except washed several times with contaminants. 最後に、チャンバを溶離溶液で満たし50度Cで20分間保温することによって、核酸がチャンバから溶離される。 Finally, by incubating 20 minutes at 50 ° C satisfy the chamber elution solution, the nucleic acid is eluted from the chamber.

【0011】 その他の現存する微小流体装置は、流体試料から核酸を分離するための電気泳動法に依っている。 [0011] Other existing microfluidic devices that are depending on the electrophoresis method for separating nucleic acids from a fluid sample. このような装置は、一般に、分離溝を含んでいるか、あるいはチャンバの対向面に電極を配置したチャンバを含んでいる。 Such devices are generally either contain isolation trenches, or comprise a chamber in which to place the electrodes on the opposed surfaces of the chamber. また、チャンバは典型的には、フィルタや膜などの適当な障壁を含んでいて、障壁は電流の通路となるが、核酸やその他の巨大分子を通さないように配慮されている。 Further, the chamber typically include suitable barriers such as filters and membranes, barriers becomes a passage of the current, is considered so impervious to nucleic acid and other macromolecules. 適当な電場を与えると、試料中に存在する核酸は、正電極に向かって移動し、膜上に捕らえられる。 Given a suitable electric field, the nucleic acids present in the sample is moved toward the positive electrode, it is captured on the membrane. 膜を免れて残留する試料不純物は、続いて、チャンバから洗い流される。 Sample remaining impurities spared film is subsequently flushed from the chamber. 電圧を反転させると、核酸が膜からきれいに放出される。 Reversing the voltage, the nucleic acid is cleanly released from the membrane. このような核酸を純化するための微小流体装置は、アンダーソンらによる1997年1月23日に発行された国際公開番号第WO97/02357号に記載され、また、シェルドンらによる1998年3月12日に発行された国際公開番号WO98/10277 Such nucleic microfluidic devices for purifying is described in International Publication No. WO97 / 02357, issued on January 23, 1997 by Anderson et al., Also, March 12, 1998 by Sheldon et al. International Publication No. WO98 / 10277, which was issued in
号に記載されている。 It is described in JP.

【0012】 上記微小流体装置の主な欠点は、微小流体装置が流体試料から核酸を抽出するには効率が比較的悪く、比較的大きな容積の流体試料から小さな容積の溶離流体中に、核酸が迅速かつ効果的に濃縮されないことである。 [0012] The main drawback of the microfluidic device, the microfluidic device for extracting nucleic acid from a fluid sample efficiency is relatively poor, the fluid sample a relatively large volume elution fluid smaller volume, the nucleic acid it is not concentrated quickly and effectively. 特に、現存する上記微小流体装置は、限定され定められた量の流体試料がチャンバに保持されて保温または電気泳動される巨塊処理のアプローチに限定されている。 In particular, existing the microfluidic device, fluid sample amounts specified limited is limited to approaches 巨塊 processing incubated or electrophoresis is held in the chamber. その結果、このような装置によって処理され得る流体の容積は、チャンバの最大収容容積に限定され、典型的には、ピコリットル、ナノリットル、マイクロリットルの量になる。 As a result, the volume of fluid that can be treated by such a device is limited to a maximum volume capacity of the chamber, typically, picoliter, nanoliter, the amount of microliters.

【0013】 このような小さい試料容積は、現実の数多くの診断に適用するのには、実用的でない。 [0013] Sample volume such small, for application to a large number of diagnosis of reality, not practical. 特に、DNAのような低コピーの核酸を検出するには、正確に検出するために、数ミリリットル以上の試料容積が必要である。 In particular, in detecting low copy nucleic acids such as DNA, in order to detect accurately, it is necessary to sample volume of several milliliters. 現存の微小流体装置は、 Existing microfluidic device,
典型的にはピコリットル、ナノリットル、マイクロリットルの処理量に限定されるので、多くの核酸に関係する診断に適用するには有効でない。 Typically picoliter, nanoliter, since it is limited to the throughput of microliters, not effective in diagnostic applications relating to a number of nucleic acids. 勿論、1つの可能なアプローチとしては、大きな容積の流体試料を収容するために大きな装置を作ることである。 Of course, as one possible approach is to make a large device for receiving a fluid sample of large volume. しかしながら、もしもこの装置が集積回路チップの技術を用いて製作されるならば、超微細に製作される装置は、低濃度の核酸を検出するのに必要な試料容積を収容するために、非常に大きいものでなければならない。 However, if if the device is fabricated using integrated circuit chip technology, devices fabricated ultra fine, in order to accommodate the sample volume required to detect low concentrations of nucleic acid, very It must be large. このように大きなチップは、高価であるばかりでなく、小型化するという目的に反し、特に多種類の使い捨て型医学診断用途あるいは環境診断用途には沿わない。 Large chip Thus, not only expensive, contrary to the purpose of miniaturization, not along the particular variety of disposable medical diagnostic applications or environments diagnostic applications.

【0014】 (本発明の目的と利点) したがって、流体試料中の所望の物質をその他の物質から有効に抽出し、且つ、所望の物質が高度に濃縮された溶離液を提供するための微小流体装置と方法を提供することが本発明の目的である。 [0014] (objects and advantages of the present invention) Accordingly, the desired substance in the fluid sample by effectively extracted from other materials, and, microfluidic for providing eluent desired material was highly concentrated it is an object of the present invention to provide an apparatus and method. 特に、核酸を比較的大きな容積の流体試料から分離でき、且つ、核酸を濃縮してずっと小さな容積の溶離流体にできる貫流装置を提供することが本発明の目的である。 In particular, the nucleic acid can be separated from a relatively large volume fluid samples, and it is an object of the present invention to provide a flow-through device that can be eluted fluid much smaller volume and concentration of the nucleic acid. 抽出プロセスと溶離プロセスの効率を増大させるために一体型のヒーターを持つ装置を提供することが、本発明の更なる目的である。 Providing a device having an integrated heater to increase the efficiency of the extraction process and elution process is a further object of the present invention.

【0015】 本発明のこれらの目的と利点およびその他の目的と利点は、次の説明と添付の図面を顧慮すると明らかである。 [0015] These objects and advantages and other objects and advantages of the invention will be apparent when consideration the accompanying drawings and the following description.

【0016】 (概要) 本発明は、流体試料を操作するための新規な方法と装置とを提供する。 [0016] SUMMARY The present invention provides a device and a novel method for operating a fluid sample. 本発明の例示的使用は、流体試料中の核酸のような所望の物質をその他の物質から分離するためであり、且つ、所望の物質の高度に濃縮された溶離液を提供するためである。 Exemplary use of the present invention is to separate the desired material such as nucleic acids in a fluid sample from other substances, and, in order to provide an eluent which is highly enriched in the desired material. 所望の物質は、例えば、核酸または標的細胞または有機体または細胞またはプロテインまたは核酸または炭水化物またはウィルス粒子またはバクテリアまたは化学薬品または生化学製品である。 Desired material, for example, a nucleic acid or a target cell or organism or cell or protein or nucleic acid or a carbohydrate, or viral particles or bacteria or chemicals or biochemical products.

【0017】 第1の実施形態によると、装置は本体を、好ましくは超微細機械加工されたチップを備え、その中に形成された上記流体試料を上記本体に導入するための入口ポートと、上記本体から上記流体試料を出すための出口ポートと、上記試料が上記本体を流れるとき上記流体試料から上記所望の物質を抽出するための上記入口ポートと上記出口ポートとを流体で連通している抽出チャンバとを備える。 According to [0017] the first embodiment, the apparatus main body, preferably comprises a super-micromachined chip, an inlet port for introducing the fluid sample formed therein in the body, the an outlet port for exiting the fluid sample from the body, extracting the sample in communication with a fluid and the inlet port and the outlet port for extracting the desired substance from the fluid sample when flowing through the body and a chamber. 上記入口ポートと上記出口ポートとは、上記流体が上記抽出チャンバを通って連続的に流れることができるように配置される。 The above-mentioned inlet port and the outlet port, said fluid is arranged to be able to flow continuously through the extraction chamber. 上記チャンバは、十分に広い表面積と上記所望の物質に対して、例えば核酸に対して十分に高い結合親和力とを有する内部吸着表面を持っていて、上記流体試料が上記チャンバを流れるときに上記所望の物質例えば核酸を捕獲する。 The chamber, to the sufficiently wide surface area and the desired substance, for example, have an inner suction surface having a sufficiently high binding affinity for nucleic acid, the desired when said fluid sample flows through the chamber to capture a substance such as nucleic acids.

【0018】 流体試料中の所望の物質をその他の物質から分離するため、装置を使用する好ましい方法は、流体試料をチャンバに連続的に強いて流すステップを含み、これによって流体試料がチャンバを流れるときに所望の物質をチャンバの内部表面に結合させる。 [0018] To separate the desired material in a fluid sample from the other materials, the preferred method of using the apparatus includes a continuously by force flow step a fluid sample into the chamber, whereby when the fluid sample flows through the chamber It is attached to the interior surface of the chamber a desired substance. 流体試料は、例えば、ポンプ、電気浸透力、電気泳動力、空気圧、 The fluid sample, e.g., a pump, electro-osmotic force, electrophoretic forces, air pressure,
真空あるいは重力といった何か適当な流体起動源を使用して、チャンバに強制的に流される。 Using a suitable fluid activation source something like vacuum or gravity, forced to flow into the chamber. 次に、溶離流体をチャンバに流すことによって、捕獲された物質が装置から溶離され、したがって物質が内部表面から溶離流体に放出される。 Then, by flowing elution fluid into the chamber, the captured material is eluted from the device, therefore substance is released from the inner surface elution fluid.

【0019】 従来技法とは対照的に、チャンバに流される流体試料の容積は、好ましくは、 [0019] In contrast to conventional techniques, the volume of the fluid sample to be flowed into the chamber, preferably,
チャンバの容量容量よりも大きい。 Larger than the capacity volume of the chamber. 特に、本発明の貫流装置は、例えば数ミリリットル以上の比較的大容積の流体試料の標的物質を、例えば25マイクロリットル以下のずっと小さな容積の溶離流体に濃縮させることができる。 In particular, flow-through device of the present invention, for example, a target substance fluid sample several milliliters or more relatively large volume, for example can be concentrated to 25 microliters or less of much smaller volume elution fluid. 10から10 10 from 10
0の並外れた濃縮係数が容易に達成される。 Extraordinary concentration factor of 0 is readily achieved. また、装置は、好ましくは、チャンバを加熱するために、例えば抽出チャンバの壁に繋がれた抵抗器のようなヒーターを含む。 The device is preferably to heat the chamber includes a heater such as a resistor connected to the wall, for example extraction chamber. チャンバの加熱は、溶離効率を向上させ、また、所望の物質の捕獲を促進するために随意に使用される。 Heating the chamber improves the elution efficiency, also used optionally to facilitate the capture of the desired material.

【0020】 好ましい実施形態では、所望の物質を捕獲するための内部吸着表面は、内部微小構造体の配列によって形成される。 [0020] In a preferred embodiment, within the adsorbent surface for capturing the desired material is formed by an array of internal microstructure. 内部微小構造体は、好ましくは、高いアスペクト比を持ち、抽出チャンバの少なくとも1つの壁に一体に形成され、チャンバの中に伸びる。 Internal micro structure preferably has a high aspect ratio is formed integrally on at least one wall of the brewing chamber, extending into the chamber. 高アスペクト比のコラムは大きな表面積を与え、この大きな表面積に所望の物質が結合する。 Column high aspect ratio have a large surface area, the desired substance binds to the large surface area. したがって、流体試料がチャンバを静かにすなわち層流で流れて、物質の有効な抽出が生じる。 Therefore, flows quietly i.e. laminar fluid sample chamber, effective extraction of material occurs. したがって、微小構造体は、簡単な一段抽出処理を可能にする。 Accordingly, the microstructure allows for simple one-step extraction process. 対照的に、従来の技法は、二段抽出処理を必要とする。 In contrast, conventional techniques require a two-step extraction process. この処理では、流体試料とシリカ粒子とが、まず、振動などによって乱流を作って混合され、次に、遠心分離のような技法によって物理的に分離される。 In this process, the fluid sample and the silica particles first be mixed to create a turbulent flow, such as by vibration, and is then physically separated by techniques such as centrifugation.
本発明の微小構造体は、チャンバから流体へ非常に有効な熱的界面を提供する。 Microstructure of the present invention provides a very effective thermal interface from the chamber to the fluid.

【0021】 好ましくは、流体がチャンバを流れる際に流体とコラム表面の相互作用が最小となる配列に、コラムは配置される。 Preferably, the sequences interacting fluid and column surface when the fluid flows through the chamber is minimized column are arranged. 好ましい実施形態では、コラムは列をなし、一列に並んだコラムは、各々隣接する一列に並んだコラムから一定の距離だけ間隔を開けて配置される。 In a preferred embodiment, the column is a row, column in a row is spaced each by a predetermined distance from the aligned to the adjacent one row column spacing. さらに、好ましくは、隣接する列は、各列のコラムが隣接するコラムに対して僅かでも一直線上に並ばないように、互いにオフセットして(ずらして)配置される。 Further, preferably, adjacent columns, as a column in each column not arranged on a straight line even slightly relative to adjacent columns, offset from one another (staggered) is arranged. さらに、好ましい実施形態では、各列のコラムが少なくとも2つ前の列あるいは2つ後の列と一直線上に並ばないように、列が配置される。 Furthermore, in a preferred embodiment, the column in each column so as not arranged in at least two previous column or two columns after alignment with the columns are arranged. この非同一直線上配列は連続する列のパターンに適用されて、チャンバは1つのパターンまたは繰返しパターンを含んでいる。 The non-collinear array is applied to the pattern of successive rows, the chamber includes a single pattern or repeat pattern. 例えば、このパターンは3列毎ないし10列毎に繰返される。 For example, the pattern is repeated for each every three rows to 10 rows. 代替えとして、コラムの非同一直線上配列は、列から列へ無作為なものであってもよい。 As an alternative, a non-collinear arrangement of the column may be one randomized from row to row. 列のこのオフセットは、流体流を細分化することによって、流体とコラム表面との相互作用を増大させる。 The offset of the column, by subdividing the fluid flow, thereby increasing the interaction between the fluid and the column surface. この流体流の細分化は、流体が抽出チャンバを流れるときに流れのあらゆる部分がコラムの非常に短い間隔の中に入って来て起こる。 The subdivision of the fluid flow, all parts of the flow when the fluid flows through the brewing chamber occurs come in a very short interval of the column.

【0022】 代替えの実施形態では、内部吸着表面は、抽出チャンバ内に収容された固形支持体によって形成される。 [0022] In an embodiment alternative, within the adsorbent surface is formed by the contained solid support in the extraction chamber. 標的物質を捕獲するのに適した固形支持体は、例えば、ビードとファイバと膜とグラスウールとフィルタペーパーとゲルとを含む。 Solid support suitable for capturing a target substance, for example, including beads and fibers and films and a glass wool filter paper and gels.

【0023】 所望の物質の効果的な捕獲を確実にするために、チャンバの1つ以上の内部表面が、上記物質と高い結合親和力を持つ材料で被覆される。 [0023] In order to ensure effective capture of the desired substances, one or more internal surfaces of the chamber is coated with a material having the above material and a high binding affinity. 適した材料としては、例えば、シリコン、二酸化けい素のようなシリコン誘導体、ポリマー、ポリアミドのようなポリマー誘導体、核酸、或る種の金属、ポリペプチド、プロテイン、多糖類、または所望の物質と高い結合親和力を持つ他の物質がある。 Suitable materials, for example, silicon, silicon derivatives, polymers, polymer derivatives, such as polyamides, such as silicon dioxide, nucleic acid, certain metals, polypeptides, proteins, polysaccharides or desired material and high there are other materials that have binding affinity.

【0024】 本発明の装置は、好ましくは、カートリッジとの組み合わせで使用され、上記カートリッジは流体試料のための前処理サイトおよび/または溶離された核酸の ための後処理サイトを持つ。 The apparatus of the present invention are preferably used in combination with the cartridge, the cartridge has a post-processing site for the pretreatment site and / or eluted nucleic acid for the fluid sample. 一例として、流体試料を前処理するために、前処理サイトは細胞溶解領域と析出領域と純化領域とを備え、後処理サイトは、毛細管電気泳動領域と等電点電気泳動領域と核酸拡大領域と交雑形成領域と溶離材料の交雑形成領域の配列とを備えている。 As an example, to pretreat the fluid sample, the pretreatment site includes a purification region and cell lysis region and precipitation regions, post-processing sites, and the capillary electrophoresis region and isoelectric focusing region and the nucleic acid expanded region and a sequence of cross-forming region of the cross forming region and eluted material. これらの実施形態では、入口ポートが前処理サイトと流体連通し、および/または出口ポートが後処理サイトと流体連通するようにして、装置はカートリッジの中に挿入される。 In these embodiments, through the processing site and in fluid communication before the inlet port, and / or outlet ports in the fluid communication with the post-processing site, the device is inserted into the cartridge.

【0025】 カートリッジは、流体試料を抽出チャンバに強制的に流すために、ポンプや空気圧源や吸引装置のような1以上の流体起動源を随意に含むかあるいは結合される。 The cartridge, in order to flow to force the extraction chamber a fluid sample, one or more fluid activation source is or bound optionally include such as a pump or air pressure source or suction device. カートリッジは、カートリッジの操作を制御するために、例えば1つ以上のマイクロプロセッサとマルチプレキサと電力制御回路とセンサー回路を有するプロセッシングエレクトロニクスを含むか或いは結合される。 Cartridges, in order to control the operation of the cartridge, for example, or coupling including processing electronics having one or more microprocessors and multiplexer and a power control circuit and the sensor circuit.

【0026】 (発明を実施するための最良の形態) 本発明は、流体を微小規模で制御し、移動させ、或いは逆に手作業で操作するという状況を扱う。 [0026] (BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION) The present invention controls the fluid in microscale, move, or handle a situation where operating manually reversed. 十分に自動化された生化学的分析に有用な微小流体システムは、微小流体回路に組み込まれるならば、容積測定や流体混合や加熱あるいは液相分離などの特定の機能性を必要とする。 Useful microfluidic system in fully automated biochemical analysis, if incorporated into a microfluidic circuit, requires specific functionality such volumetric or fluid mixing and heating or liquid phase separation. それら微小流体システムは、従来の巨視的な設計のアプローチを無効にする例えば低レイノルズ数のような微小スケールな影響を克服するべく設計されねばならない。 They microfluidic system must be designed to overcome the small scale effects, such as to disable the approach of the conventional macroscopic design such as low Reynolds number.

【0027】 流体の混合は、殆どの生化学分析的な詳細計画(プロトコル)において、共通且つ重大な事象である。 The mixing of the fluid, in most biochemical analytical details plan (protocol), which is a common and serious events. 従来の巨視的規模では、2つ以上の流体の混合を行なうために、ピペットや渦巻装置や吸引/分配ロボット工学を含めて、様々な有効な手段が存在する。 In conventional macroscopic scale, in order to perform the mixing of two or more fluids, including pipetting and swirling device or aspirating / robotics, there are a variety of effective means. しかしながら、微小流体システムでは、流体の混合が困難であることは周知のことである。 However, in a microfluidic system, that mixing of the fluids is difficult is well known. この問題は、殆どの微小流体システムにおいて、レイノルズ数が一般に非常に小さく(100未満)、流れが実質的に常に層状であるという事実から生じている。 This problem, in most microfluidic systems, the Reynolds number is generally very small (less than 100), the flow is occurring from the fact that it is substantially always laminar. レイノルズ数は、密度×速度×溝幅/粘度である。 Reynolds number is the density × speed × groove width / viscosity. 微小流体システムでは、溝幅が非常に小さいので、レイノルズ数は小さい。 The microfluidic system, since the groove width is very small, the Reynolds number is small. 巨視的なシステムでは、乱流が始まる前は、レイノルズ数は約2300以上であるに違いない。 The macroscopic system, before the turbulence begins must Reynolds number is about 2300 or more. 微小流体システムでは、流体流が実質的に決して乱流とならないので、混合はほぼ完全に拡散によって起こる。 The microfluidic system, the fluid flow is not substantially never turbulent mixing occurs by substantially completely diffused. 拡散による混合は非常に遅い場合がある。 Mixing by diffusion can be very slow. 一例としては、深さが300μm、幅が600μmの「ジグザグ」溝がある。 As an example, the depth is 300 [mu] m, a width a "zigzag" groove of 600 .mu.m. この溝は100mmの流長のみで流体を完全に混合させる。 This groove is thoroughly mixed fluid only Nagarecho of 100 mm.

【0028】 生物化学分析では、混合以外に、他の手法が必要である。 [0028] In biochemical analysis, besides mixing is required other approaches. 例えば、生物学的化合物を含んだ水性溶液からプロテインおよびその他の疎水性の化学物質を抽出する方法として広く容認された方法は、液相分離である。 For example, widely accepted methods as a method for extracting protein and other hydrophobic chemicals from aqueous solution containing the biological compound is a liquid phase separation. プロテインは、通常、漿液や原形質(プラズマ)や組織ホモジェネートなどの水性生物溶液において高濃度で存在し、構造的には疎水性ドメインと親水性ドメインとから成っている。 Protein is usually present in high concentrations in aqueous biological solutions, such as serum and cytoplasmic (plasma) or tissue homogenate, the structurally it consists a hydrophobic domain and a hydrophilic domain. 疎水性ドメインと親水性ドメインとは、共に、それらを分解する溶媒の機能として2次構造と3次構造を決定する。 The hydrophobic domain and a hydrophilic domain, together to determine the secondary structure and tertiary structure them as a function of the solvent decomposes. 通常、疎水性ドメインは親水性ドメインよりもはるかに大きいが、疎水性ドメインが球形構造の芯部に自己結合し、親水性ドメインが溶媒に晒されるとき、極性のある溶媒内で安定な構造が得られる。 Usually, the hydrophobic domain is much larger than the hydrophilic domain, the hydrophobic domain is self-bonded to the core of the spherical structure, when the hydrophilic domain is exposed to a solvent, stable structure with a polar the solvent can get. これが、溶媒特性の関数として折り畳まれた構造と折り畳まれていない構造との間のギブス自由エネルギー状態の差を満たす。 This satisfies the difference in Gibbs free energy state between the structural unfolded and a folded structure as a function of the solvent properties. しかしながら、状態は水性の相において作り出され得て、殆どの場合、極端な塩分濃度やpHあるいは変性剤または洗浄剤の存在によってもっぱら限定されるが、プロテインに対する低いギブス自由エネルギー状態は、例えばアルコールや種々のアルカンやクロロホルムのような非極性溶媒において達成され得る。 However, the state is obtained produced in the aqueous phase, in most cases, but it is exclusively limited by the presence of extreme salt concentrations and pH, or denaturing agents or detergents, lower Gibbs free energy state to protein, for example an alcohol Ya It can be achieved in a non-polar solvent such as various alkanes and chloroform.

【0029】 極性ベースの生物試料からプロテインを抽出するために、プロテインの選択的な分割、極性溶媒から非極性溶媒へのプロテインの移動または拡散が使用される。 [0029] To extract the protein from the polar-based biological sample, selective splitting of protein, movement or diffusion of the protein from the polar solvent to the nonpolar solvent is used. 例えばクロロホルムのような非極性の液体が、水ベースの溶液に加えられたとき、これらの流体(液体)は混り合うことなく、混合することのない2つの相に分かれたままとなる。 For example, non-polar liquids such as chloroform, when added to water-based solutions, these fluid (liquid) without fit intermingled, and remains divided into two phases without mixing. より密度の希薄な非極性相が上昇し、極性相の上面の上に分離層として留まる。 Denser dilute non-polar phase is elevated and remains as a separate layer on the top surface of the polar phase. 極性相内の少数のプロテインは、3次構造において変化が生じて、それらは、非極性相での溶解に伴う低エネルギー状態を好むがために、 A few protein polarity in phase occurs a change in the tertiary structure, they are to prefer a lower energy state associated with the dissolution of the non-polar phase,
2相間の境界を横切る。 Across the two phases boundary of. 非常に長期間に渡ると、極性相にはプロテインが存在しなくなる。 When the very over a long period of time, protein is no longer present in the polar phase. 混合しあうことのない流体が勢いよく掻き回されると、溶液はエマルジョン(乳濁液)となる。 When the fluid never mutually mixing is vigorously agitated, the solution is an emulsion (emulsion). このようなエマルジョンの中では、非極性相が多数の小さな液滴を形成する。 Among such emulsions are non-polar phase forms a large number of small droplets. これらの液滴は極性相によって包囲され、極性相の隅々まで等しく分配されている。 These droplets are surrounded by a polar phase, which is equally distributed throughout the polar phase. これは、プロテインの非極性相との相互作用およびプロテインの非極性相への拡散に対して、2相間の有効表面積を劇的に増加させる。 This means that for the interaction and diffusion of the protein of the non-polar phase and a nonpolar phase protein dramatically increases the effective surface area between the two phases. プロテインの非極性相への移動速度は、極性相の構造的な安定性を低下させるという極性相内の条件を変化させることによって、高めることができる。 The moving speed of the non-polar phase of protein, by changing the conditions in the polar phase of reducing the structural stability of the polar phase, it is possible to increase. 高塩分濃度、洗浄剤、フェノールおよび/または錯乱剤の存在は、極性相におけるプロテインの折り畳まれた状態の安定性を減少させることができる。 High salinity, detergents, the presence of phenol and / or confusion agents can reduce the stability of the folded state of the protein in the polar phase.

【0030】 エマルジョンを掻き回すことなくしばらく静かに放置した後には、或いは(2 [0030] After a while quietly left without stir the emulsion, or (2
つの相の間に密度の違いが存在するなら)相対的に増大された遠心力の補助を用いると、2相は終いに再び分離し、非極性相が極性相の上面の上に層を形成する。 One of if the density difference between the between the phases is present) With the aid of relatively increased centrifugal force, the two phases were separated again put away, a layer on the top surface of the non-polar phase is a polar phase Form. そして、非極性相はプロテインでもって高度に濃縮され、極性相はプロテインがなくなる。 Then, the non-polar phase is highly concentrated with a protein, the polar phase protein is eliminated. プロテインの元の濃度が非常に高い場合、残留プロテインは戻り拡散のために極性相の中に尚も存在し得る。 If the original concentration of protein is very high, residual protein may still present in the polar phase for the return of the diffusion. したがって、新たな非極性相の溶媒が加えられて、分離が繰返される。 Therefore, the solvent of the new non-polar phase is added, the separation is repeated. 同じような相分離方法は、水ベースの生物学的溶液からプロテインを分離するために多年に渡って使用されている。 Similar phase separation method is used over the years to separate the protein from the water-based biological solution.

【0031】 本発明は、流体を迅速かつ有効に混合したり、従来の攪拌ベースの液相分離法と同じプロテイン抽出機能を行なうための手段を与える人工のエマルジョンを作ったりするのに有用な非常に大きな微小流体界面を産出するのに適した微小装置を提供する。 [0031] The present invention, or a mixture of fluids quickly and efficiently, very useful for or making artificial emulsion provides a means for performing the same protein extract features with conventional agitation-based liquid phase separation method providing a micro device which is suitable for producing a large microfluidic interface. 流体の効率的な混合ができる構造とするために、超超微細機械加工された微小流体溝を作るために、新しいプロセス技術が利用できるようになって来ている。 In order to efficient mixing can structure of the fluid, in order to make the ultra-micromachined microfluidic groove, new process technologies have become available. 深部反応イオンエッチング(DRIE)として知られた方法によって、非常に深く、然も驚くほど狭い溝の形成が可能である。 By methods known as deep reactive ion etching (DRIE), very deep, it is possible also surprisingly narrow groove formation natural. 迅速な拡散混合は、このプロセスを用いて、深く垂直な溝に2つの流体を流し、そられを一緒に合流させることによって実現される。 Rapid diffusion mixing, using this process, shed two fluids into deep grooves perpendicular, is achieved by merging the Re sky together. これによって2つの薄い垂直のシース(鞘状部) This two thin vertical sheath (sheath portion)
ができ、これらのシースは従来型の溝よりもずっと短い距離の拡散によって混合する。 It can be, these sheaths are mixed by diffusion of much shorter distance than conventional grooves. DRIEプロセスを利用した微小溝構造が、液相分離プロセスを支援するべく設計される。 Microgrooves structure using DRIE process is designed to support the liquid phase separation process. 図1〜5に示されているように、流体溝は固体の基板に様々な外面形態で形成される。 As shown in Figure 1-5, the fluid grooves are formed in various outer surface forms the substrate of the solid. 図2は、2つの深い溝70,72が1つの共通溝74に 合流する装置を示す。 Figure 2 shows an apparatus in which two deep grooves 70, 72 merge into a common groove 74. 溝は、DRIEを用いて、シリコン基板をエッチングして作られる。 Grooves, using DRIE, made the silicon substrate by etching. 各溝は、その幅75よりも大きな深さ73を持ち、3:1よりも大きな表面積比を提供する。 Each groove has a depth greater 73 than its width 75, 3: provides a large surface area ratio than 1. 分離された溝70,72を流れる流体は、共通溝74で 合流して2つの並流する薄い流体シースを形成する。 Fluid flowing through the separated groove 70, 72 forms a thin fluid sheath two parallel flow merges with a common groove 74. 幅に対して深くなった溝は、2つの流体が拡散混合するために、流対流の間に大きな界面領域を提供する。 It deepened groove the width, in order two fluids mixed diffusion, provides a large interfacial area between the flow convection.
図1Eは、6つの深い溝が単一の共通溝に合流する同種の装置の走査型電子顕微鏡写真である。 FIG. 1E, six deep grooves is a scanning electron micrograph of a device of the same type which merge into a single common groove. 別々の溝を通る流体は、共通溝において合流して6つの並流する流体シースを形成する。 Fluid through a separate groove forms a six fluid sheath cocurrent with merge at a common groove.

【0032】 図3は、2つの非混合性流体流(極性溶媒と非極性溶媒)を通すための2つの深溝70,72を持つもう1つの装置を示す。 [0032] Figure 3 shows another device with two deep groove 70, 72 for the passage of the two immiscible fluids flow (polar and non-polar solvents). 溝70,72とは、接触領域80において合流する。 The grooves 70, 72, merge in the contact region 80. 流体は非混合性なので、領域80の間では互いに並流し、次に、対応する溝76,78にそれぞれ入って行く。 Since the fluid is non-miscible, flow parallel to each other between the regions 80, then going into to corresponding grooves 76 and 78. 流体が接触領域80内にある間 、非混合性流体はそれら自身で混ざり合うことないけれど、一方の流体はもう一方の流体に対して有利な分配係数を持っており、一方の流体の分子は流体間で拡散する。 While the fluid is in contact area 80, but never mix with immiscible fluids themselves, one fluid may have a favorable distribution coefficient for the other fluid, the molecules of one of the fluid diffusion between fluids.

【0033】 図4は、溝70,72,76,78のネットワークを持つ装置を示し、溝は合流 して複合的な接触領域80を形成し、流体の接触時間を増大させる。 [0033] Figure 4 shows a device with a network of grooves 70,72,76,78, groove joins to form a composite contact region 80, increasing the contact time of the fluid. 増大した接触時間は粒子拡散を増大させる。 Increased contact time increases the particle diffusion. 領域85は、単一基板上の全経路長を増すために、反回転(180度回転)させる流体経路である。 Region 85, to increase the total path length on a single substrate, a fluid path for reverse rotation (180 ° rotation).

【0034】 上記装置の溝は、内部と外面の面積比が3:1よりも大きな値を持つ。 [0034] groove of the device, the area ratio of the internal and external surface 3: with a value greater than 1. 「内部表面面積」という用語は、ここで使用されるときは、溝内部の全表面積のことをいい、ピラー(枕)やマイクロコラム(微小柱)のような内部構造物の表面積を含んでいる。 The term "internal surface area" is used herein when used, refers to the total surface area of ​​the groove includes a surface area of ​​the internal structures such as pillars (pillow) or Micro Column (micro column) . その最も簡単な実施形態では、本発明の装置は単一溝を備え、「内部表面積」は2つの側壁の表面積と底部の表面積の合計である。 In its simplest embodiment the apparatus comprises a single groove, "internal surface area" is the sum of the surface areas of the two side walls and a bottom. この実施形態では、溝の深さは、最小限の表面積比を確保するために、幅と少なくとも同じ大きさである。 In this embodiment, the depth of the groove, in order to ensure a minimal surface area ratio is at least as large as the width.

【0035】 「外面表面積」という用語は、ここで使用されるときは、外面上の面積であって、内部構造を作るために取り除かれる基板表面の面積のことをいう。 The term "outer surface area" is used herein when used is an area on the outer surface refers to the surface area of ​​the substrate surface to be removed in order to make the internal structure. 単一溝の例では、「外面表面積」は溝の上面の表面積である。 In the example of a single groove, "outer surface area" is the surface area of ​​the upper surface of the groove. ここで使用されるときは、 When it is used here,
外面表面積に対する内部表面積の比に適用されている「実質的に大きな」という用語は、約3:1よりも大きく、好ましくは約5:1よりも大きく、より好ましくは約10:1よりも大きく、最も好ましくは約20:1よりも大きいことを意味している。 The term "substantially greater" is applied to the ratio of internal surface area to external surface area is from about 3: greater than 1, preferably from about 5: greater than 1, more preferably from about 10: greater than 1 , and most preferably from about 20: which means that greater than 1. 溝の典型的な寸法は、深さが10μmから1,000μmであり、 幅が5μmから50μmである。 Typical dimensions of the grooves are 1,000μm depth from 10 [mu] m, a 50μm width from 5 [mu] m. 溝を形成するのに多くの様々な方法が使用され得るが、1つの好ましい方法は、シリコン基板の深部反応イオンエッチングである。 While many different ways to form the groove may be employed, one preferred method is deep reactive ion etching of the silicon substrate.

【0036】 2つ以上の分離された溝が(各溝は一非混合性の流体を通す)交差して単一の溝に合流するように配置されている。 [0036] Two or more separate grooves (pass each groove an immiscible fluid) intersecting are arranged to join the single groove. この合流距離の最大値は多くの要因に左右され、上記要因には、各流体の極性、溝の内部表面の疎水性/親水性、流体の非混合性の度合や表面張力、2つの並流する薄い流体シースの流体安定性、相対的な流速や粘度がある。 The maximum value of the merged distance is dependent on many factors, the above factors, the polarity of each fluid, hydrophobicity / hydrophilicity of the inner surface of the groove, immiscible degree and surface tension of the fluid, the two parallel flow fluid stability of the thin fluid sheath, there is a relative velocity and viscosity. 比較的安定した流体シースを仮定すると、低レイノルズ数のために乱流混合は除外される。 Assuming a relatively stable fluid sheath, turbulent mixing for low Reynolds number are excluded. この距離の後、好ましくは、合流した溝は2つ以上の溝に分けられ、再び2つ以上の非混合性流体流に分離される。 After this distance, preferably merged grooves is divided into two or more grooves, it is separated again two or more immiscible fluids flow.

【0037】 2つの独立した流れが合流し界面で接触する時間中、そしてその距離間において、界面におけるプロテインおよびその他の疎水性の溶液は、界面を横切って非極性流体の流れの中に拡散する。 [0037] During the two independent flows merge time in contact with the interface, and between that distance, the solution of protein and other hydrophobic at the interface will diffuse across the interface into the non-polar fluid flow . 2つの流れがはじめて接触したとき、プロテインは極性流体の中を隈なく均一に分配される。 When the two streams have first contact, the protein is uniformly distributed without thoroughly through the polar fluid. しかしながら、流体が共通溝を移動するとき、2つの流体流の界面における極性流体中のプロテイン濃度は、プロテインが界面を横切って非極性流体に移動するにつれて減少し始める。 However, when the fluid moves the common groove, protein concentration in the polar fluid at the two interfaces of the fluid flow begins to decrease as protein moves across the surface in a non-polar fluid. そして、 And,
極性流体の界面において減少帯を形成し、極性流体流の幅を横切って濃度勾配を形成する。 Forming a reduced band at the interface of the polar fluid to form a concentration gradient across the width of the polar fluid flow. 減少帯が補充される速度は、形成される濃度勾配および溶質拡散係数の関数になっていて、プロテインが異なる毎に変化する。 Speed ​​reduction zone is replenished is not a function of the concentration gradient and the solute diffusion coefficient is formed, the protein is changed for each different. 典型的には極性流の幅が非常に小さいので、減少帯の補充速度は非常に速い。 Since typically the width of the polarity flow is very small, replenishment rate of reduction zone very fast. したがって、流体が接触領域を移動するときに、より多くのプロテインが非極性流に吸収される。 Therefore, when the fluid moves the contact area, the more protein is absorbed into the non-polar flow. 流体流が共通溝に存在した後、極性流に残留するプロテインは、平衡化して再び均一な分布になる。 After the fluid flow is present in the common groove, protein remaining in the polar stream will again uniform distribution equilibrated. しかしながら、プロテインの全体の濃度は減少する。 However, the total concentration of protein is reduced.

【0038】 多くのこのような拡散領域が一連となって配置されると、高レベルのプロテインは、極性流から除去され、非極性流によって吸収され、非極性流に溶け込む。 [0038] If the number of such diffusion regions are arranged in a series, a high level of protein is removed from the polar stream is absorbed by the non-polar flow, blend in a non-polar flow.
非常に多くの拡散領域が、シリコンチップのような超微細に製作された小さな要素に組み込まれる。 Numerous diffusion region is incorporated into the ultra finely fabricated small elements such as silicon chips. ここに示された典型的な外形構造は、1mm 2当たり少なく とも50個の拡散領域が可能である。 Typical outer structure shown here, at least per 1 mm 2 are possible 50 diffusion region.

【0039】 この概念に関して多くの変形が可能である。 [0039] There are many possible variations on this concept. 例えば、互いに接触する流体流の安定性に依って、平衡領域のない非常に長い拡散領域を持つことが可能である。 For example, it is possible to have depending on the stability of the fluid flow, a very long diffusion region no equilibrium region in contact with each other.
この場合、流体流は要素の表面上で「平坦」である。 In this case, the fluid flow is "flat" on the surface of the element. 一方、流体流の安定性が非常に低い場合、流体が混合したり流れが不安定になる傾向を防ぐために、(ミニチュアの監獄格子のように)接触領域に沿って非常に小さいミクロコラムまたは「ピラー」を設けることが可能である。 On the other hand, if the stability of the fluid flow is very low, in order to prevent the tendency of the fluid is mixed or flow instability (as miniature prison grating) very small micro column or along the contact region " it is possible to provide a pillar. " 図5はピラー91を有する装置を示している。 Figure 5 shows a device with a pillar 91. ピラー91は流体流の安定性を増大させるために共通溝内に配置されている。 Pillars 91 are arranged in a common groove to increase the stability of the fluid flow. 図1F〜1Gは、このような装置の多くの例を示す走査型電子顕微鏡写真である。 FIG 1F~1G is a scanning electron micrograph showing a number of examples of such devices. なお、装置は、更なる下流側の処理を行なうべく逆操作するために、すなわち、共通溝に流れる流体を多数の別々の流れに分離するために使用することができる。 Incidentally, the device, in order to reverse the operation to perform the further downstream processing, i.e., can be used to separate the fluid flowing through the common grooves on the number of separate streams. 例えば、図1Eの装置は、共通溝に流れる流体を6つの別々の流れに分離するために使用され得る。 For example, the apparatus of FIG. 1E, may be used to separate the fluid flowing through the common grooves into six separate streams.

【0040】 図1Hは、流構造に有用な本発明による流体力学的集束装置を示す。 [0040] Figure 1H shows a hydrodynamic focusing device according to the present invention useful in the flow structure. この装置は、入口ポートと、このポートの反対側に配置された2つの側部溝とを含んでいる。 The device includes an inlet port, and two side grooves arranged on the opposite side of the port. 入口ポートと側部溝とは、合流して共通溝に至る。 The inlet port and the side grooves, merging to reach the common groove. 作動中、試料流体は入口ポートに加えられ、試薬すなわち集束する流体は側部溝を通って流れる。 In operation, the sample fluid is applied to inlet port, a reagent or fluid converging flows through the side grooves. 側部溝を通って流れる流体は、試料流体を共通溝の中央の流中に流し込ませ、したがって試料流体を集束させる。 Fluid flowing through the side groove causes poured a sample fluid into the central flow of the common groove, thus focusing the sample fluid. この装置は、また、試料流体の特性を決定するために、共通溝に隣接して配置された光学検知器を含んいる。 The apparatus also, to determine the characteristics of the sample fluid, which contains an optical detector positioned adjacent to the common groove.

【0041】 上記装置の溝の表面を変更できることによって、大きな順応性が得られて、流体流の安定性を増大させたり、物理的な混合を防止したりできる。 [0041] The ability to modify the surface of the groove of the device, when a large flexibility is obtained, or to increase the stability of the fluid flow, can or prevent physical mixing. 例えば、非極性流体を通す領域内の溝表面が疎水性であるならば、流速および粘性における小さな累積的な相違の結果として、極性流体が非極性流体に不用意に流れる傾向は、著しく減少する。 For example, if the groove surface in the region through the non-polar fluid is hydrophobic as a result of small cumulative differences in flow rate and viscosity, it tends to polar fluid flows inadvertently nonpolar fluid is significantly reduced .

【0042】 液相分離のための装置に加えて、本発明は、試料流体内の所望の物質を他の物質から分離するための方法と装置とを提供する。 In addition to the device for the liquid phase separation, the present invention provides a method and apparatus for separating a desired substance in the sample fluid from other materials. この所望の物質は、例えば、核酸、標的細胞、有機体、プロテイン、炭水化物、ウィルス粒子、バクテリア、化学製品あるいは生化学製品であってもよい。 The desired material, for example, a nucleic acid, a target cell, organism, protein, carbohydrates, virus particles, bacteria, or may be a chemical or biochemical products.

【0043】 本発明の装置の典型的な使用例としては、試料流体から核酸の抽出と精製と濃縮がある。 [0043] A typical application of the apparatus of the present invention is enrichment and purification from a sample fluid and the extraction of nucleic acids. 「核酸」という用語は、ここで使用されるときは、DNAやRNAあるいはPNAのような人工的あるいは自然に生じる核酸であって、あらゆる可能な形態、すなわち、二重ストランド核酸や単一ストランド核酸の形態やそれらの組合せたものの形態での核酸を指す。 The term "nucleic acid" as used herein when used is an artificial or naturally occurring nucleic acids such as DNA or RNA, or PNA, all possible forms, double-stranded nucleic acid and single-stranded nucleic acid forms and of the combination thereof refers to a nucleic acid in the form. 「試料流体」という用語は、ここで使用されるときは、ガスと液体とを含み、好ましくは液体をいう。 The term "sample fluid" as used herein when used, includes a gas and a liquid, preferably refers to liquid. 試料流体は、粒子、 Sample fluid, particles,
細胞、微生物、イオン、例えばプロテインや核酸等の大小の分子を含む水性溶液である。 Cells, is an aqueous solution comprising microorganisms, ions, for example, molecules of large and small, such as proteins and nucleic acids. 特別の用途では、流体試料は、例えば、血液または尿の身体の流体あるいは微粉砕食品のような浮遊物であってもよい。 In special applications, the fluid sample, for example, may be a suspension, such as fluid or pulverized food blood or urine body. 流体試料は、例えば薬品との混合や遠心分離あるいはペレット処理など事前処理されてもよいし、未加工の状態であってもよい。 The fluid sample, for example, may be pre-processed such as mixing or centrifugation or pellet processing and chemicals, may be in the form of raw.

【0044】 本発明の好ましい実施形態は、図6〜12に示される。 A preferred embodiment of the present invention is shown in Figure 6-12. 図6は、流体試料から例えば核酸などの所望の物質を抽出し、その物質の高濃度の溶離液を供する微小流体装置20の概略断面図である。 6, to extract the desired substances, such as from a fluid sample such as nucleic acids, is a schematic cross-sectional view of the microfluidic device 20 to provide an eluent of a high concentration of the substance. この装置20は、入口ポート28と出口ポート30と抽出チャンバ26とを形成する本体をその中に含み、上記抽出チャンバ26は流体試料が本体を通って流れるときに流体試料から核酸を抽出する。 The device 20 comprises a body forming a extraction chamber 26 inlet port 28 and outlet port 30 therein, the extraction chamber 26 is fluid sample nucleic acid is extracted from a fluid sample as it flows through the body. チャンバ26は、入口ポート28と出口ポート30とを流体で連通している。 Chamber 26 is in fluid communication with the inlet port 28 and outlet port 30. これらのポートは、流体がチャンバを通って連続的に流れるように、好ましくは、チャンバ26と対向する側に配置されている。 These ports, as the fluid flows continuously through the chamber, are preferably disposed on the side facing the chamber 26.

【0045】 本体は、好ましくは、ベース基板22と、このベース基板22に結合されたトップ基板24とを備える微細加工されたチップである。 The body is preferably a base substrate 22, a chip that is microfabricated and a top board 24 which is coupled to the base substrate 22. 基板22と24とは、例えば、シリコン、ガラス、二酸化けい素、プラスチック、セラミックスなどの適当な基板材料を備えている。 The substrate 22 and 24, for example, a silicon, glass, silicon dioxide, plastic, a suitable substrate material such as ceramics. 好ましい実施形態では、抽出チャンバ26はベース基板22に形成され、流体ポート28,30はトップ基板24に形成されている 。 In a preferred embodiment, the extraction chamber 26 is formed on the base substrate 22, the fluid ports 28, 30 are formed on the top substrate 24. しかしながら、代替えの実施形態では、多くの異なる形が可能である。 However, in the embodiment alternative, it is capable of many different forms. 例えば、チャンバ26はトップ基板24の中に部分的あるいは完全に形成されてもよいし、流体ポートはベース基板22の底部または側部に形成されてよい。 For example, chamber 26 may be partially or completely formed in the top board 24, the fluid port may be formed on the bottom or side of the base substrate 22. 幾つかのこれら代替えの実施形態が以下に説明する。 Some embodiments of these alternative will be described below. 抽出チャンバ26は、流体試料がチャンバを通って流れるときに核酸を捕らえるため、十分に大きな表面積と、核酸に対して結合親和力を有する内部吸着表面とを有する。 Extraction chamber 26 comprises for capturing nucleic acids when the fluid sample flows through the chamber, and sufficiently large surface area, and an inner suction surface having a binding affinity for nucleic acids. 好ましい実施形態では、 In a preferred embodiment,
内部吸着表面は、チャンバ26の壁に一体に形成されてチャンバ内に伸びる内部微小構造体の配列によって、好ましくは高アスペクト比のコラム32によって、 Within the adsorbent surface, by an array of internal microstructure extending chamber is formed integrally with the wall of the chamber 26, the column 32 of preferably a high aspect ratio,
形成される。 It is formed. 図を簡単にするために、25本のコラムのみが、図6の概略図に示されている。 For simplicity of illustration, only 25 pieces of columns is illustrated in the schematic diagram of FIG. しかしながら、本発明の装置はより多くのコラムを含んでいると理解されねばならない。 However, the apparatus of the present invention must be understood to include more columns. 一般には、少なくとも100本のコラムを用いて装置を作ることが好ましく、さらに、1,000から10,000本のコラムを用いて装置を作ることが好ましい。 In general, it is preferred to make a device using at least 100 columns, more preferably make a device using a 10,000 columns 1,000. コラムの数は、とりわけ、試料中の核酸の量と濃度、チャンバの寸法、コラムの間隔、チャンバを通る流体の流速などに左右される。 The number of columns, inter alia, the amount and concentration of nucleic acids in a sample, the size of the chamber, the spacing of the column depends etc. to the flow rate of fluid through the chamber. 装置を製造する特定の技術は以下に説明する。 Particular technique for manufacturing the device will be described below.

【0046】 図8は、抽出チャンバの底部壁23から伸びるコラムの列の一部を示す。 [0046] Figure 8 shows a portion of a column of a column extending from the bottom wall 23 of the brewing chamber. コラム32は、好ましくは、少なくとも2:1のアスペクト比(高さと幅または直径との比)を持ち、より好ましくは、少なくとも4:1のアスペクト比を持つ。 Column 32 is preferably at least 2: has 1 aspect ratio (ratio between the height and the width or diameter), more preferably at least 4: with 1 aspect ratio. この高アスペクト比のコラム32は、核酸を捕獲するために大きな表面積を提供する。 Column 32 of the high aspect ratio provides a large surface area to capture the nucleic acid. 流体試料がチャンバを通って流れるとき、核酸はコラム32の表面と接触してその表面に付着する。 When the fluid sample flows through the chamber, the nucleic acid is attached to the surface thereof in contact with the surface of the column 32. 核酸を抽出するために、抽出溶液はチャンバ内を強制的に流され、核酸をコラム32の表面から抽出溶液の中に放出する。 To extract the nucleic acid, the extraction solution is forced to flow in the chamber and released into the solution extracted nucleic acids from the surface of the column 32. 好ましい実施形態では、コラム32は、好ましくは少なくとも100μmの抽出チャンバの深さと等しい高さを持つ。 In a preferred embodiment, column 32 preferably has a depth equal to the height of at least 100μm extraction chamber. 代替えの実施形態では、抽出チャンバの深さは浅いが、 In an embodiment alternative, the depth of the extraction chamber is shallow,
100μm未満の深さでは、チャンバを通る流体の流れが過度に遅くなる。 The depth of less than 100 [mu] m, the flow of fluid through the chamber becomes excessively slow.

【0047】 図9は、チャンバ26の中に配置されたコラム32の配列の概略図である。 [0047] Figure 9 is a schematic diagram of an array of column 32 disposed within the chamber 26. 流体は入口ポート28を通ってチャンバ26に入り、コラム32の間を流れて出口ポート30に至る。 Fluid enters the chamber 26 through the inlet port 28, leading to the outlet port 30 flows between the column 32. コラム32は、好ましくは、流体がチャンバ26を通って流れるときの流体とコラム表面との相互作用が最適化される配列に配置される。 Column 32 is preferably fluid is arranged in an array interaction is optimized the fluid and column surface when flowing through the chamber 26. コラム配列の最適化は、抽出の有効性を失うことなく、チャンバを通る流体の流速がより速くなる。 Optimization of the column sequence, without losing the effectiveness of the extraction, the flow rate of fluid through the chamber is faster.

【0048】 好ましい実施形態では、コラム32は幾つも列を成して配置され、一列に並んだ各々はその列に隣接するコラムから一定の間隔を開けて配置される。 [0048] In a preferred embodiment, the column 32 several arranged in rows, each arranged in a row are arranged at regular intervals from the column adjacent to the column. すなわち、一列に並んだコラムは、好ましくは、均一な中心間隔を持つ。 That is, a column in a row are preferably has a uniform center spacing. 例えば、図9は、水平方向に10列になった均一間隔のコラム32を示す。 For example, Figure 9 shows a column 32 of uniform spacing became 10 line in the horizontal direction. 加えて、隣接する列は、好ましくは、各列のコラムが隣接する列のコラムと一直線上に並ばないように、互いにオフセットされている(ずらされている)。 In addition, adjacent columns, preferably, as a column in each column not arranged in line with the column of adjacent columns, (being offset) are offset from each other. 例えば、図9におけるコラムの各列は、隣接する列から水平方向にオフセットされている。 For example, each row of the column in FIG. 9 is horizontally offset from the adjacent row.

【0049】 好ましい実施形態では、各列のコラムが少なくとも2つの前および/または次の列におけるコラムと一直線上に並ばないように、列はオフセットされている。 [0049] In a preferred embodiment, as each row of the column is not line up the column and on a straight line in at least two front and / or the next column, the column is offset.
このコラムの非直線性配列は続く列の形態においても行なわれ、チャンバは一つのパターンあるいは反復パターンを含んでいる。 Nonlinearity sequence of this column is also performed in the form of subsequent column, the chamber contains a single pattern or repeat pattern. パターンは、例えば、3〜10 Pattern is, for example, 3 to 10
列毎に繰返されてもよい。 It may be repeated for each column. コラムの非直線性配列は、列から列に無作為であってもよい。 Nonlinearity sequence of columns may be randomly column from the column. 一般的に、上記配列における2つの隣接する列は、互いに、第1の列のコラムが第2の列のコラム間の丁度中間点で並ぶようにオフセットされるべきでない。 In general, the column of two adjacent in the sequence, to each other, the column of the first row is not to be offset so as to be arranged just midpoint between the second row of the column. それよりむしろ、目下のところ、コラム間における中心と中心の間隔の5 Rather, 5 of the current place, and the center of the center of the inter-column spacing
0%以上または以下の距離だけ、隣接するコラムをオフセットさせるのが好ましい。 Only 0% more or less of the distance, it is preferable to offset adjacent columns. この配置は、チャンバを通って非対称的に分裂する流れパターンを考えたものであり、流体流の支流が出来る限りコラムの表面と強力に相互作用するのを確実にする。 This arrangement, which is considered the asymmetrically dividing flow pattern through the chamber, to ensure that strongly interact with the surface of the column as possible tributary fluid flow.

【0050】 図9を参照すると、コラムの適切な配置の特定例が与えられている。 Referring to FIG. 9, a specific example of a suitable arrangement of the column are given. 各列では、隣接するコラム間の中心と中心の間隔は15μmである。 Each column spacing of the centers of adjacent columns is 15 [mu] m. コラムは、5列毎に繰返されるパターンで配置されている。 Column are arranged in a pattern repeated every five columns. 特に、上部の5列は、各々、前あるいは次の列から6μmオフセットされている。 In particular, five columns in the upper, respectively, are before or 6μm offset from the next row. 下部の5列(6番目から10番目の列)は上部の5つのパターンが繰り返えされ、第6番目の列と一番上の列が一直線上に並ぶように配置されている。 Bottom of the five columns (6 th to 10 th column) is Kaee repeated the top of the five patterns, the sixth column and the top row are arranged so as to be aligned in a straight line. 例えば、コラム32Aはコラム32Bと一直線上にある。 For example, column 32A is on the line with the column 32B. 勿論、これがコラムの適切な配列の一例であり、本発明の範囲を限定する意図はない。 Of course, this is an example of a suitable arrangement of the column, it is not intended to limit the scope of the present invention. この説明から、好ましくは上述の一般的なガイドライン内で、 From this description, preferably the general guidelines above,
コラムが他の多くのパターンで配置され得ることは当業者には明らかである。 It will be apparent to those skilled in the column can be arranged in many other patterns.

【0051】 図10は、列中の2つの隣接するコラムの平面図である。 [0051] Figure 10 is a plan view of two adjacent columns in the row. コラム32は、好ましくは、コラムの表面と流体の接触を最大にする断面形状と大きさを持ち、同時に流体がチャンバを通って滑らかに流れるように配慮されている。 Column 32 preferably has a cross-sectional shape and size to maximize the contact surface and the fluid column, the fluid at the same time are taken into consideration to flow smoothly through the chamber. 好ましい実施形態においては、このコラムは、例えば図10に示すように、六画形の流線形状をした細長い断面を持つコラムを作ることによって達成される。 In a preferred embodiment, this column, for example, as shown in FIG. 10, is achieved by creating a column having an elongated cross section six strokes shaped streamlined shape. 特に、コラム3 In particular, column 3
2は、それぞれ、断面長さLと断面幅Wの比が、好ましくは少なくとも2:1、 2, respectively, the ratio of the cross-section length L and cross-sectional width W, preferably at least 2: 1,
より好ましくは少なくとも4:1である。 More preferably at least 4: 1. さらに、断面の長さLは、好ましくは2から200μmの範囲の中にあり、断面の幅Wは、好ましくは0.2から20 μmの範囲の中にある。 Further, the length L of the cross section is preferably located from 2 within the range of 200 [mu] m, the width W of the cross-section, preferably in the range of 0.2 to 20 [mu] m.

【0052】 一列に並んだ隣接するコラム間の間隙距離Sは、好ましくは、流体が過度の抵抗を持つことなくコラム間を流れることができるように、出来るだけ小さい値が選定される。 [0052] gap distance S between the columns adjacent arranged in a row are preferably to be able to flow between the column without fluid has excessive resistance, small value as possible is selected. 一般的には、間隙距離Sは0.2から200μmの範囲であるが、 より好ましくは、2から20μmの範囲である。 In general, the gap distance S is in the range of 0.2 to 200 [mu] m, more preferably in the range from 2 to 20 [mu] m. 2から20μmの範囲は、チャンバを通る流体流に過度の抵抗を引き起こすことなく、流体がコラムの表面と実質的に接触するので、現在最も好まれている。 2 from 20μm range, without causing undue resistance to fluid flow through the chamber, the fluid is in contact with the surface substantially in a column, are presently most preferred. 隣接するコラム間の中心と中心の間隔は、断面幅Wと間隙距離Sの合計であり、好ましくは、0.2から40μm の範囲内にある。 Distance between centers of adjacent columns, the sum of the sectional width W and gap distance S, preferably in the range of 0.2 to 40 [mu] m.

【0053】 図9における縦の寸法である抽出チャンバ26の長さは、好ましくは、100 [0053] The length of the extraction chamber 26 is a vertical dimension in FIG. 9, preferably, 100
から5,000μmの範囲の中にあり、より好ましくは、少なくとも1,000μ Located in the range 5,000μm from, more preferably at least 1,000μ
mである。 A m. 抽出チャンバ26の幅は、好ましくは、100から3,000μmの 範囲内である。 The width of the extraction chamber 26 is preferably in the range of 100 to 3,000 microns. 流体ポート28と30とは、各々、好ましくは、少なくとも10 The fluid port 28 and 30, respectively, preferably at least 10
0μmの幅または直径を持つ。 Having a width or diameter of 0μm. 現在のところ、チャンバ26は、コラム32の配列と流体ポート28,30とに対して十分な余裕を持つために、最小1,000μ Currently, the chamber 26, in order to have a sufficient margin with respect to the arrangement and the fluid port 28, 30 of the column 32, the minimum 1,000μ
mの長さを持つことが好ましい。 It preferably has a length of m. 特に、チャンバ26の端部に流体ポート28, 30が加わわる開放空域を残し、コラム23の配列をチャンバ26の中央領域に制限するのが目下のところ好ましい。 In particular, leaving a fluid port 28, 30 is Kuwawawaru open airspace on the end of the chamber 26, it is presently preferred to limit the arrangement of the column 23 in the central region of the chamber 26. この配置は、流体がコラム32の間に流れる以前において、チャンバ26に流れ込む流体の均一性を増大させる。 This arrangement, in previous fluid flows between the column 32, to increase the uniformity of the fluid flowing into the chamber 26.

【0054】 再び、図6を参照すると、例えばコラム32やチャンバ壁のようなチャンバ2 [0054] Referring again to FIG. 6, for example, the column 32 and the chamber walls chambers 2
6の内表面は、核酸と結合親和力の強い材料で被覆される。 Inner surface of 6 is coated with a strong material binding affinity to the nucleic acid. 適当な材料としては、例えば、シリコンや二酸化けい素のようなシリコン誘導体、ポリマーやポリアミドのようなポリマー誘導体、核酸、或る種の金属、ポリペプチド、プロテイン、多糖類が含まれる。 Suitable materials include, for example, silicone derivatives, polymer derivatives, such as polymers or polyamides such as silicon or silicon dioxide, nucleic acid, certain metals, polypeptides, proteins, polysaccharides.

【0055】 ガラスの珪酸塩(SiO 2 )の特性は、核酸を攻撃して固化することができる 。 [0055] properties of the glass silicate (SiO 2) can be solidified by attacking the nucleic acid. シリコンが酸化されると、表面は同じような化学的な性質になる。 When silicon is oxidized, the surface becomes similar chemical properties. このような表面に対する非永続的な(非共有結合の)付着(吸着)は、典型的には、その表面と捕獲される成分との間の弱い双極分子や水素結合あるいはイオン相互作用に基づいている。 Non-persistent (non-covalent) attachment to such surfaces (adsorption) will typically based on weak dipoles or hydrogen bonding or ionic interactions between the components to be captured and the surface there. これらの相互作用は、溶媒および/または表面のイオン特性における変化、熱、或いはその他の生理化学的な手段を介して、可逆的である。 These interactions, changes in the ionic character of the solvent and / or surface, heat, or through other physiochemical means, is reversible. 多くの物質が、溶液中の溶媒と溶質との様々な相互作用を有するように、調整され得る。 Many substances, so as to have a different interaction between the solvent and the solute in the solution, may be adjusted. ポリマーは、特定の相互力を与える活性表面郡を持つことができ、また、イオンまたは水素結合能力を与える共重合体またはドーパントを持つことができる。 The polymer can have an active surface gun afford certain mutual force, can also have a copolymer or dopant impart ionic or hydrogen bonding capability. あるポリマーは、可逆的な極性あるいは調整可能な伝導性を持つことができる。 Some polymers can have a reversible polarity or adjustable conductivity. 人工または自然界のポリペプチドとプロテインは、同じように、溶質分子と様々な相互作用を持つ能力を示す。 Polypeptide and protein of the artificial or natural, like, showing the ability to have a different interaction with the solute molecule. 金のような金属は、DNAを捕獲する能力を持つことことが良く知られており、その電子特性の故に、溶質との相互作用を変化できる。 Metals such as gold, DNA is well known that to have the ability to capture, because of their electronic properties, can alter the interaction of a solute. チャンバ26の内表面は、例えばウィルスからの特定配列のRNAやバクテリアからの特定配列のDNAなど、特に目標となる核酸と強い結合親和力のある材料で被覆されてもよい。 Inner surface of the chamber 26, for example, DNA of a particular sequence from a particular sequence of the RNA and bacteria from viruses, may be coated with a material of particular the target nucleic acid and a strong binding affinity. これは、目標の核酸配列に対して相補する特定的核酸配列で内表面を被覆することによって、成し遂げられる。 This is accomplished by coating the inner surface with a specific nucleic acid sequence complementary to the nucleic acid sequence of the target is achieved. これらの表面は装置製造中あるいは使用直前に被覆される。 These surfaces are coated immediately before during device fabrication or use.

【0056】 微小流体装置20は、好ましくは、抽出チャンバ26を加熱するヒーターを含んでいる。 [0056] The microfluidic device 20 also preferably includes a heater for heating the brewing chamber 26. このヒーターは、チャンバから核酸を非常に効率的に放出するように配慮されていて、大量の核酸が小さな容積の溶離流体に放出される。 The heater, have been considered so very efficiently release the nucleic acid from the chamber, a large amount of nucleic acid is released into the elution fluid smaller volume. ヒーターは核酸の捕獲を促進するために使用される。 Heater may be used to facilitate the capture of nucleic acids. 小さな容積のミクロチャンバでヒーターを使用することの1つの利点は、最小限のエネルギーが装置を加熱するのに必要とされることである。 One advantage of using a heater in the micro chamber of small volume is that the minimum energy is required to heat the device.

【0057】 一般に、ヒーターはチャンバ26を加熱するために適当な機構を備え、この加熱機構には、抵抗型ヒーターあるいは可視光線や赤外線を伝える光学ヒーターあるいは電磁気ヒーターが含まれる。 [0057] In general, the heater is provided with a suitable mechanism to heat the chamber 26, this heating mechanism includes resistive heaters or optical heater or electromagnetic heater convey visible light or infrared. もし、装置20の本体が電気的に伝導性のある物質から、好ましくはシリコンから製造されるならば、ヒーターは、チャンバ26を形成する本体の一部に電圧を加えるために、電源と電極とを簡単に備えることができる。 If a material body of the device 20 is a electrically conductive, if preferably manufactured from silicon, the heater, in order to apply a voltage to a part of the body forming a chamber 26, a power source and electrodes it can be equipped with easily. また、熱伝導性の高い物質は、加熱時間を短くし、要求される電力を減少させ、温度を均一にする。 Also, high thermal conductivity material, the heating time shortened, reducing the power required, a uniform temperature. この実施形態は、以下により詳細に記載される。 This embodiment is described in more detail below.

【0058】 好ましい実施形態では、ヒーターは、チャンバ26の底部壁に結合した抵抗型加熱要素34を備えている。 [0058] In a preferred embodiment, the heater comprises a resistive heating element 34 attached to the bottom wall of the chamber 26. 図8に示すように、抵抗型加熱要素34は、好ましくは、基板22の底部表面にパターン化される金属または炭素またはポリシリコンの薄膜である。 As shown in FIG. 8, the resistive heating element 34, preferably a thin film of a metal or carbon or polysilicon are patterned on the bottom surface of the substrate 22. この代替えとして、加熱要素は積層にされた加熱源を備えてもよい。 As this alternative, the heating element may comprise a heating source that is in the lamination. 上記積層にされた加熱源は、例えば、基板22に取付けられエッチングされた箔膜加熱要素である。 Heating source that is in the lamination, for example, a foil membrane heating element that is mounted etched into the substrate 22. 電気伝導性を有する結合パッド38A,38Bは、基 板22上でパターン化されて、加熱要素34の対向端部に電気的に接触する。 Bond pads 38A, 38B having electrical conductivity, is patterned on the board 22, in electrical contact with opposite ends of the heating element 34.

【0059】 結合パッド38A,38Bとは、加熱要素34に電圧を印加するために電気リ ード線によって電源に接続される。 [0059] bonding pads 38A, 38B and is connected to a power source by electrical lead wire for applying a voltage to the heating element 34. 好ましくは、例えばコンピューターまたはマイクロプロセッサーまたはマイクロコントローラのような適当にプログラムされたコントローラによって、電源の制御が行なわれる。 Preferably, for example, by a computer or a suitably programmed controller, such as a microprocessor or microcontroller, control of the power supply is performed. 上記コントローラは、幾つかの予め決められた時間/温度グラフを用いて、加熱要素34に供給される電力量を変化させることによって、チャンバ26を制御するようにプログラムされている。 The controller uses the number of predetermined time / temperature graph, by varying the amount of power supplied to the heating element 34, is programmed to control the chamber 26.

【0060】 微小流体装置は、好ましくは、抽出チャンバ26の温度を測定するために、コントローラとつながる1個以上の温度センサーを含む。 [0060] The microfluidic device preferably for measuring the temperature of the extraction chamber 26, includes one or more temperature sensors connected to the controller. 一般的に、温度センサーは、サーモカップル、抵抗型温度計、サ−ミスター、IC温度センサー、クオーツ温度計など、温度を測定するための適切な装置である。 Generally, the temperature sensor is a thermocouple, resistance thermometer, Sa - Mr, IC temperature sensors, quartz thermometers, etc., a suitable device for measuring the temperature. これに代わって、加熱要素34の抵抗温度係数は、温度を示す抵抗値を測定することによって、チャンバ温度を監視し、熱の投入量を制御する手段として使用される。 Alternatively, the resistance temperature coefficient of the heating element 34, by measuring the resistance value indicative of a temperature to monitor the chamber temperature is used as means for controlling the input of heat.

【0061】 好ましい実施形態では、温度センサーは電気伝導性材料のストリップ(細長片)36を備え、ストリップ36は基板22上にパターン化されている。 [0061] In a preferred embodiment, the temperature sensor comprises an electrically conductive material strip (strips) 36, the strip 36 is patterned on the substrate 22. ストリップ36は、材料の温度に依って変化する電気抵抗を持つ材料から成っていて、ストリップ36の抵抗を監視することによって、チャンバ26の温度が監視される。 Strip 36 is consisted of a material having an electrical resistance which varies depending on the temperature of the material, by monitoring the resistance of the strip 36, the temperature of the chamber 26 is monitored. また、電気伝導性のある結合パッド40A,40Bが、基板22上にパターン 化されて、センサーストリップ36の対向端部に電気的に接触する。 The electrical conductivity is bonded pads 40A, 40B may be patterned on the substrate 22, in electrical contact with opposite ends of the sensor strip 36.

【0062】 代替えの実施形態では、基板22は、基板にパターン化された付加的な結合パッド42を持ち、基板22にバルク接触を提供している。 [0062] In an embodiment alternative, the substrate 22 may have an additional bond pads 42 patterned on the substrate, provides a bulk contact with the substrate 22. このバルク接触は、核酸を誘引および/または溶離する電圧で、チャンバの内部吸着表面を帯電するのに使用される。 The bulk contact is a voltage to attract and / or elution of nucleic acids, is used to charge the internal suction surface of the chamber. 抵抗型加熱要素とセンサーストリップと結合パッドを形成する適当な金属には、アルミニウムと金と銀と銅とタングステンとが含まれる。 Suitable metals for forming the resistive heating element and sensor strip bonding pads include aluminum and gold and silver and copper and tungsten.

【0063】 結合パッド40A,40Bは、電気導線によってコントローラに接続される。 [0063] bonding pads 40A, 40B are connected to the controller by the electrical leads. コントローラは、好ましくは、センサーストリップ36の抵抗値に依って、加熱要素34に供給される電力量を調整するようにプログラムされる。 Controller preferably depending on the resistance value of the sensor strip 36 is programmed to adjust the amount of power supplied to the heating element 34. こうして、コントローラと電源と加熱要素と温度センサーとは、チャンバ26の温度を制御するための閉回路温度制御システムを形成する。 Thus, the controller and power supply and heating element and a temperature sensor, to form a closed circuit temperature control system for controlling the temperature of the chamber 26. 閉回路システムが目下のところ好まれるが、代替えの実施形態では、温度センサーを除去してもよく、また、装置は開回路形式で作動してもよい。 While closed circuit system are preferred Presently, in the embodiment alternative, may be removed a temperature sensor, also, the device may operate in an open circuit form. さらに、例えば、1つ以上のマイクロプロセッサとマルチプレキサ(多重チャンネル)と電力制御回路構成要素とセンサー回路構成要素とを有するプロセッシングエレクトロニクスが、装置に含まれてもよく、或いは装置本体外に配置されて装置本体と接続されてもよい。 Furthermore, for example, processing electronics having one or more microprocessors and multiplexer and (multichannel) and a power control circuitry and sensor circuitry components may be included in the apparatus, or an apparatus disposed outside the body it may be connected to the apparatus main body Te.

【0064】 本発明の微小流体装置は、好ましくは、流体試料の処理と分析のためのカートリッジまたはこれと同類の装置と組合せて使用される。 [0064] The microfluidic device of the present invention are preferably used in combination with the cartridge or its similar devices for analysis and processing of the fluid sample. 微小流体装置が使用され得る適当なカートリッジは、1997年12月24日に出願された米国特許出願第08/998,188号に開示されている。 Microfluidic device suitable cartridge that may be used are disclosed in U.S. Patent Application Serial No. 08 / 998,188, filed December 24, 1997. この開示内容は、言及によってこ こに組み込まれる。 The disclosure contents of which are incorporated here by reference.

【0065】 図12は、カートリッジ101の例を示し、このカートリッジとともに本発明の微小流体装置が使用されている。 [0065] Figure 12 shows an example of the cartridge 101, the microfluidic device of the present invention is used with the cartridge. この例では、カートリッジ101は、生物学上の液体試料を処理し、例えばポリメラーゼ連鎖反応(PCR)によって核酸を拡大するように設計されている。 In this example, the cartridge 101 is designed to enlarge the nucleic acid by processing the liquid samples on the biological, such as the polymerase chain reaction (PCR). カートリッジ101は、流体試料をカートリッジに導びく試料ポート103と、溶解試薬を貯蔵する貯蔵サイト109と、洗浄試薬を貯蔵する貯蔵サイト125とを含んでいる。 Cartridge 101 includes a guide budge sample port 103 a fluid sample into the cartridge, and storage sites 109 for storing a lysing reagent, and a storage site 125 for storing a washing reagent. また、カートリッジは、流体試料を溶解するための溶解サイト107と、流体試料がフィルタと接触して試料から有機堆積物や細胞を取り除くフィルタサイト119と、溶離流体を貯蔵するための貯蔵サイト127とを含んでいる。 The cartridge includes a dissolution site 107 for dissolving the fluid sample, a filter sites 119 to remove organic deposits or cells from a sample fluid sample in contact with the filter, and the storage site 127 for storing elution fluid It contains.

【0066】 カートリッジは、好ましくは、微小流体装置20を収容する窪みまたは凹部またはへこみと共に製造される。 [0066] cartridge is preferably produced with recesses or depressions or indentations for accommodating the microfluidic device 20. 装置20はカートリッジ101に挿入されて、装置の入口ポートが溶解サイト107やフィルタサイト119といった1つ以上の前処理サイトと流体で繋がる。 Device 20 is inserted into the cartridge 101, the inlet port of the device leads with one or more pretreatment sites fluid such dissolved site 107 or filter sites 119. 装置20の出口ポートは、廃棄サイト139およびPCR試薬の入った試薬サイト141と流体で繋がる。 Outlet port of the device 20 is connected with the reagent site 141 and the fluid containing the waste site 139 and PCR reagents. 試薬サイト141は、 Reagent site 141,
PCRの増幅と検出のためのPCR反応サイト143と流体で繋がっている。 It is connected by a PCR reaction site 143 and fluids for amplification and detection of PCR.

【0067】 カートリッジ101は、好ましくは、カートリッジを通る流体の流れを制御するために、流体ダイオードまたは流体バルブのような流れコントローラ123を含んでいる。 [0067] Cartridge 101 is preferably, in order to control the flow of fluid through the cartridge, including a flow controller 123 such as a fluid diode or fluid valves. カートリッジ101は、また、好ましくは、様々な溝とサイトにおける流体の存在を検知する抵抗型センサー115を含んでいる。 Cartridge 101 also preferably includes a resistive sensor 115 that detects the presence of fluid in the various grooves and site. また、カートリッジ101は、流体をカートリッジに強制的に流す外部流体動力源を含むか或いは連結されている。 The cartridge 101 is or coupling including an external fluid power source for supplying fluid to force to the cartridge. 一般的に、流体動力源は、流体をカートリッジに強制的に流す適当な機構を備える。 Generally, the fluid power source is provided with a suitable mechanism to flow fluid to force to the cartridge. その機構にはポンプや空気圧源や吸引装置が含まれている。 It contains the pump and an air pressure source and the suction device is in its mechanism. 図12の実施形態では、流体動力源は、サイト103,109,125,12 7に配置された複数の電解ポンプあるいは流体充満ポーチを備え、流体充満ポーチは空気圧や機械的圧力や油圧によって空にされる。 In the embodiment of FIG. 12, the fluid power source is provided with a plurality of electrolytic pump or fluid filled pouch disposed sites 103,109,125,12 7, fluid filled pouch emptied by pneumatic or mechanical pressure and hydraulic It is.

【0068】 また、カートリッジ101は、例えば、1以上のマイクロプロセッサとマルチプレキサと電力制御回路とセンサー回路などのプロセッシングエレクトロニクス151を含んでいて、カートリッジおよび微小流体装置20の作動を制御する。 [0068] The cartridge 101 is, for example, comprise processing electronics 151 such as one or more microprocessors and multiplexer and a power control circuit and the sensor circuit to control the operation of the cartridge and the microfluidic device 20.
プロセッシングエレクトロニクス151は、電気リード線147によってカートリッジ内の様々なサイトと貯蔵領域とポンプとセンサと溝とに接続されている。 Processing electronics 151 is connected to the a variety of sites in the cartridge storage area and pump and sensor and the groove by electrical leads 147.
特に、リード線147はプロセッシングエレクトロニクス151を微小流体装置20の結合パッドに接続して、装置内の抽出チャンバの温度が正確に制御される。 In particular, lead 147 connects the processing electronics 151 to bond pads of the microfluidic device 20, the temperature of the brewing chamber in the apparatus is precisely controlled.

【0069】 図12では、プロセッシングエレクトロニクス151はカートリッジ101の上に物理的に配置されているが、プロセッシングエレクトロニクスは、カートリッジの外部、例えば、カートリッジ101が挿入される大きなプロセッシング器械の中に配置され得ることを理解されねばならない。 [0069] In FIG. 12, but the processing electronics 151 are physically located on the cartridge 101, processing electronics, the outside of the cartridge, for example, may be arranged in a large processing instruments cartridge 101 is inserted it should be understood that. この実施形態では、カートリッジ101は、好ましくは、薄いカード状の部分を含んでいて、カートリッジを器械内の嵌合コネクタに電気的に接続する。 In this embodiment, the cartridge 101 preferably include a thin card-shaped portion, for electrically connecting the cartridge to a mating connector within the instrument. 嵌合コネクタは、プリント回路基板に使用される標準エッジコネクタと同様じようなものである。 Mating connectors is such like any like standard edge connector used printed circuit board. この代わりに、 Instead of this,
カートリッジのインストルメント(器械)へのデータリンクは他のものでもよく、例えば無線周波数リンクや赤外線リンクのようなものであってよい。 Data links to the cartridge instrument of (instrument) may be any other, it may be one such as a radio frequency link or an infrared link.

【0070】 作動中に、核酸を含む流体試料は、カートリッジの試料ポート103に加えられ、(例えば、電解ポンプまたは機械的なポンプを用いて)強制的かつ連続的に溝105に流されて、溶解サイト107に至る。 [0070] In operation, a fluid sample containing a nucleic acid is added to the sample port 103 of the cartridge, (e.g., using an electrolytic pump or mechanical pump) forces and is flowed continuously groove 105, leading to the dissolution site 107. 同時に、溶解試薬が貯蔵サイト109から放出され、強制的かつ連続的に溝111に流されて、溶解サイト10 At the same time, the lytic reagent is released from the storage site 109, forced and is continuously flowed into the groove 111, dissolved site 10
7に至る。 Leading to 7. 適切な溶解試薬には、例えば、グアニジン塩化水素、グアニジンチオシアン酸塩、グアニジンイソチオシアン酸塩、ヨー化ナトリウム、尿素、過塩素酸ナトリウム、臭化カリウムといった攪乱塩入りの溶液が含まれている。 Suitable lysing reagent, for example, guanidine hydrogen chloride, guanidine thiocyanate, guanidine isothiocyanate, sodium iodide, urea, sodium perchlorate, contains a solution of disrupting salt containing such potassium bromide.

【0071】 溝105と111の中をそれぞれ移動する流体試料および溶解試薬は、抵抗型センサー115によって検出される。 [0071] Fluid samples and dissolved reagents to move respectively in the grooves 105 and 111 is detected by resistive sensors 115. 溶解試薬が、溶解サイト107を流れる流体試料と接触するとき、流体試料中に存在する細胞は溶解する。 Lysis reagent, when in contact with the fluid sample flowing through the dissolution site 107, cells present in the fluid sample dissolves. 流体試料と溶解試薬とは続いてフィルタサイト119に流入し、フィルタサイト119において、試料がフィルタと接触して小片は流体試料から除去される。 Following the lysis reagent and fluid sample to flow into the filter sites 119, the filter sites 119, the sample piece in contact with the filter is removed from the fluid sample. 流体試料と溶解試薬とは、フィルタサイト119から溝121に行き、強制的かつ連続的に微小流体装置20に流される。 The lytic reagent and fluid sample, go into the groove 121 from the filter sites 119, flowed forcibly and continuously microfluidic device 20.

【0072】 図9を再び参照すると、流体試料と溶解試薬が抽出チャンバ26を貫流するとき、流体試料中の核酸はチャンバ壁とコラム32の表面に付着し、一方過剰な物質は出口ポート30を通ってチャンバ26から流出する。 [0072] Referring again to FIG. 9, when the lytic reagent and fluid sample to flow through the extraction chamber 26, the nucleic acid in a fluid sample is deposited on the surface of the chamber wall and the column 32, whereas the excess material outlet port 30 through and flows out from the chamber 26. チャンバ26を通る流体試料の流速は、好ましくは、0.1〜50μL/secの範囲である。 Flow velocity of the fluid sample through the chamber 26 is preferably in the range of 0.1~50μL / sec. 図12 を再び参照すると、装置20内に存在する流体試料と溶解試薬とは、溝135を流れて、流れコントローラ41Aを通り、溝136を通って廃棄サイト139に至る。 Referring again to FIG. 12, the fluid sample and lysing reagent present in the device 20, it flows through the groove 135, through the flow controller 41A, to disposal site 139 through the groove 136. 他の実施形態では、流体試料は、チャンバを貫流した後、再度方向付けらて追加の回数だけチャンバを再循環する。 In other embodiments, the fluid sample after flowing through the chamber to the recirculation chamber many times additional Te et redirected.

【0073】 流体試料が装置20に強制的に流された後、貯蔵サイト125中の洗浄試薬は溝129に流されて、装置20に流れ込む。 [0073] After the fluid sample is forced to flow to the device 20, the cleaning reagent during storage site 125 is flowed into the groove 129, it flows into the device 20. 好ましい洗浄流速は、約0.5〜5 0μL/secである。 Preferred cleaning flow rate is about 0.5~5 0μL / sec. 溝121、129、131内の流れコントローラ123 Flow controllers in the grooves 121,129,131 123
は、流体がカートリッジ内で上流側に流れるのを防止する。 The fluid is prevented from flowing upstream in the cartridge. 洗浄試薬は、装置2 Wash reagents, apparatus 2
0の内部吸着表面上から、攪乱塩のような残留汚染物質を洗い落す。 From the inner adsorption surfaces of 0, drop wash residual contaminants such as disrupting salt. 変化するp Changing p
Hと溶媒成分とイオン力の種々適切な洗浄溶液が、この目的に使用されており、 Various suitable washing solution H and the solvent component and ionic force have been used for this purpose,
それらの洗浄溶液は当該技術では周知となっている。 These cleaning solutions has become well known in the art. 例えば、適切な洗浄試薬の一つは、80mM酢酸カリウムと8.3mM三重塩化水素とpH7.5の40uM For example, one suitable washing reagent, 40 uM of 80mM potassium acetate and 8.3mM triple hydrogen chloride pH7.5
エチレンジアミン四酢酸と55%エタノールとの溶液である。 A solution of ethylenediaminetetraacetic acid and 55% ethanol. 洗浄試薬は、続いて、流れコントローラ41Aを通って廃棄サイト139に流れ込む。 Washing reagent, subsequently, through the flow controller 41A flows into the waste site 139.

【0074】 上記装置20を洗浄した後、貯蔵サイト127からの溶離流体は、強制的に溝131に流れされ、上記装置20に通される。 [0074] After washing the device 20, elution fluid from the storage site 127 is flowed to forcibly groove 131, it is passed to the device 20. そして、核酸は抽出チャンバの内部表面から溶離流体の中に放出される。 Then, the nucleic acid is released from the inner surface of the brewing chamber into the elution fluid. この時点で、流れコントローラ41A, 41Bは変更されて、溶離流体が流れコントローラ41Aを通って流れるのを防止し、溶離流体が流れコントローラ41Bを通って試薬サイト141内に流れ込む。 At this point, the flow controller 41A, 41B can be changed, to prevent flow through the controller 41A elution fluid flows, flows into the reagent site 141 through the controller 41B elution fluid flows. 装置20を通る溶離流体の流速は、好ましくは、0.1〜1μ/secの範 囲内にある。 Flow rate of elution fluid through the device 20 is preferably in within range of 0.1~1μ / sec. 溶離流体の流速は流体試料の速度と比較して比較的遅く、より多くの核酸がチャンバから放出されるよう考慮されている。 The flow rate of elution fluid is relatively slow compared to the speed of the fluid sample, more of the nucleic acid is considered to be released from the chamber.

【0075】 一般的に、適当な溶離流体が装置20から核酸を溶離するのに使用される。 [0075] In general, a suitable elution fluid is used to elute the nucleic acid from the device 20. このような溶離流体は当該技術においては周知である。 Such elution fluids are well known in the art. 例えば、溶離流体は分子グレードの純水あるいは緩衝溶液をからなる。 For example, the elution fluid consists of pure water or a buffer solution of molecular grade. 緩衝溶液は、限定されるものではないが、TRIS/EDTAとか、例えば4mMトリスアセテート(pH7.8) と0.1mM EDTAと50mM塩化ナトリウムとのTRIS/アセテート/E Buffer solution, but is not limited, TRIS / EDTA Toka, e.g. TRIS / acetate / E of 4mM Tris-acetate and (pH 7.8) and 0.1 mM EDTA and 50mM sodium chloride
DTAとか、TRIS/ホウ酸塩とか、TRIS/ホウ酸塩/EDTAとか、リン酸カリウム/DMSO/グリセロールとか、NaCL/TRIS/EDTAと か、NaCL/TRIS/EDTA/TWEENとか、TRIS/NaCL/TW Toka DTA, Toka TRIS / borate, Toka TRIS / borate / EDTA, Toka potassium phosphate / DMSO / glycerol, or a NaCL / TRIS / EDTA, Toka NaCL / TRIS / EDTA / TWEEN, TRIS / NaCL / TW
EENとか、リン酸塩緩衝剤とか、TRIS緩衝剤とか、HEPES緩衝剤とか、核酸拡大緩衝剤とか、核酸交雑緩衝剤とかの溶液を含む。 Toka EEN, including Toka phosphate buffer, Toka TRIS buffer, Toka HEPES buffer, Toka nucleic expansion buffer, a solution of Toka nucleic hybridization buffer.

【0076】 溶離流体を装置20に強制的に流す前に、中間的な空気間隙段階が随意に行なわれる。 [0076] Before forced flow for elution fluid device 20, an intermediate air gap step is optionally performed. ガスは、好ましくは空気は、強制的に装置20に通って流される。 Gas, preferably air, flows through the forced apparatus 20. これは、洗浄溶液を装置に流した後に、且つ溶離流体が装置に流す前に行なわれる。 This, after flowing the cleaning solution to the device, and elution fluid is performed prior to flowing to the device.
空気間隙段階は、液相を明確に分離するものであり、また、溶離前に残留する洗浄溶液のチャンバを少なくとも実質的に乾燥させるのに役立つ。 Air gap step is intended to clearly separate the liquid phase, also serve to at least substantially dry chamber cleaning solution remaining before elution.

【0077】 装置20の抽出チャンバは、好ましくは、溶離流体が装置に強制的に流されるときに加熱されて、溶離効率を増大させる。 [0077] Extraction chamber of the device 20, preferably, is heated when the elution fluid is forced to flow in the apparatus, increasing elution efficiency. 以前に記載したように、この加熱は、好ましくは、プロセッシングエレクトロニクス151の制御下で、閉回路フィードバックシステムにおいて装置20の抵抗型加熱要素に電力を供給することによって行われる。 As previously described, the heating is preferably under the control of the processing electronics 151 is performed by supplying power to the resistive heating element of closed circuit feedback system in the apparatus 20.

【0078】 好ましい実施形態では、チャンバの内部表面は、溶離流体がチャンバ1に流れるときに、60度Cから95度Cの範囲の温度に加熱される。 [0078] In a preferred embodiment, the interior surface of the chamber, elution fluid as it flows into the chamber 1, is heated from 60 ° C to a temperature in the range of 95 ° C.

【0079】 核酸を含む溶離流体は、装置20を出て溝135に移動し、試薬サイト141 [0079] Elution fluid containing the nucleic acid is moved into the groove 135 exits the device 20, the reagent site 141
に至る。 Leading to. 溶離流体と核酸は、サイト141に入れられた乾燥PCR試薬と接触し、再構成される。 Elution fluid and nucleic acid contact with a dried PCR reagents placed in the site 141, reconstructed. そして、溶離流体と核酸とPCR試薬は、続いて、PCRの拡大と検出のために反応サイト143に流入する。 The elution fluid and nucleic acid and PCR reagents, subsequently, flows into the reaction sites 143 for the detection and expansion of PCR. 代替えの実施形態では、溶離流体は既にPCR試薬を含んでいるので、サイト141で試薬を乾燥させる必要はない。 In an embodiment alternative, because it contains elution fluid already PCR reagents, it is not necessary to dry the reagent on the site 141. 通気孔145は、廃棄サイト139と繋がっていて、反応サイト143は処理中にガスの放出ができる。 Vents 145 are connected to the disposal site 139, the reaction site 143 may release a gas during processing.

【0080】 好ましい実施形態の貫流装置の利点は、例えば数ミリリットル以上の比較的大きな容積の流体試料からの核酸を、例えば25μL以下のはるかに小さな容積の溶離流体中に濃縮させることができる。 [0080] An advantage of the flow-through device of the preferred embodiment, it is possible to concentrate the nucleic acids from the fluid sample a relatively large volume of several milliliters example, for example, the elution fluid of the following much smaller volume 25 [mu] L. 従来の微小流体装置は流体試料の容積をマイクロリットルの丸い塊りに限定するが、この従来の微小流体装置とは対照的に、本発明の装置は、ミリリットルの量の流体試料から核酸を効率的に抽出し、 Conventional microfluidic devices to limit the volume of the fluid sample into rounded microliters lumps, but in contrast to this conventional microfluidic devices, the device of the invention, the efficiency of nucleic acid from milliliter quantities of fluid sample to extract,
核酸を溶離してマイクロリットルの量の溶離液にすることによって並はずれた濃縮率を可能にしている。 Thereby enabling the concentration ratio extraordinary by the eluent in the amount of microliters nucleic eluting.

【0081】 特に、装置を強制的に流された流体試料の容積と抽出チャンバの最大収容容積との比は、好ましくは少なくとも2:1であり、より好ましくは少なくとも10 [0081] In particular, the ratio between the maximum volume capacity of the volume and the brewing chamber of the fluid sample is forced to flow the device is preferably at least 2: 1, more preferably at least 10
:1である。 : 1. 好ましい実施形態では、抽出チャンバは、0.1から25μLの範 囲の最大収容容積を持つ。 In a preferred embodiment, the extraction chamber has a maximum volume capacity of the range of 25μL 0.1. 装置を強制的に流れる流体試料の容積は、0.5から 500mLの範囲にあって、100以上の濃縮率を可能にする。 Volume of the fluid sample through the device to force is in the range of 0.5 to 500 mL, allowing more than 100 concentration rate. 例えば、この装置では、1mLの流体試料から核酸が捕獲されて、10μL以下の溶離流体中に濃縮される。 For example, in this apparatus, a nucleic acid from a fluid sample of 1mL is captured and concentrated in the following elution fluid 10 [mu] L. これらのパラメータは、好ましい実施形態の具体例であって、本発明の範囲を限定しようとするものではない。 These parameters are preferably a specific example embodiments, it is not intended to limit the scope of the present invention. 代替えの実施形態では、抽出チャンバの最大収容容積および処理される流体試料の容積は、特定の用途に装置を調整するために変化され得る。 In an embodiment alternative, the volume of the fluid sample to be Max capacity and process of the brewing chamber can be varied to adjust the device for a particular application.

【0082】 好ましい実施形態の微小流体装置のもう1つの利点は、チャンバの内部吸着表面の急速直接加熱が考慮されていることである。 [0082] Another advantage of the microfluidic device of the preferred embodiment is that the rapid direct heating of the inner suction surface of the chamber is considered. チャンバ壁およびコラム構造の一体性と高い熱伝導性は、チャンバ内の流体の加熱を要することなく、加熱要素から吸着表面へ直接的かつ急速な熱移動を引き起こす。 Integrity and high thermal conductivity of the chamber walls and column structures, without requiring the heating of the fluid in the chamber, causing direct and rapid heat transfer from the heating element to the adsorbent surface. この効率の改善は、加熱に要する電力の減少のみならず、加熱速度および加熱精度あるいは正確さという点で重要である。 This improvement in efficiency not only reduces the power required for heating is important in that the heating rate and the heating accuracy or precision. 特に、核酸が結合する内部表面の急速かつ直接的な加熱は、核酸の溶離度と溶離効率を著しく増大させ、従来技術の方法や装置に重要な改善をもたらす。 In particular, rapid and direct heating of the inner surface which the nucleic acid is bound a nucleic acid greatly increases the elution of the elution efficiency, resulting in significant improvement in the prior art methods and apparatus.

【0083】 好ましい実施形態の微小流体装置の利点は、微小流体装置が、一体に形成された微小構造の配列を含んで、好ましくは高アスペクト比のコラムを含んで、流体試料から核酸を分離する際に、高い効率と制御とを提供していることである。 [0083] Advantages of the microfluidic device of the preferred embodiment, a microfluidic device, comprising an array of micro-structures formed integrally, preferably include a column of high aspect ratio, to separate the nucleic acid from a fluid sample when, it is that it provides a control and high efficiency. 吸着表面の直接かつ急速な加熱に加えて、この微小構造は、核酸を補足し溶離させるチャンバ有効表面積を著しく増大させる。 In addition to the direct and rapid heating of the adsorption surface, the microstructure significantly increases the chamber effective surface area eluting supplemented with nucleic acid. さらに、この微小構造体の形状と配置は、ビードやフィルタや膜に比較して、流体処理中に流体試料または核酸が装置の中に補足される可能性を増大させる。 Furthermore, the shape and arrangement of the fine structure in comparison with the bead and the filter or film, the fluid sample or nucleic acid increases the possibility of supplement into the apparatus during fluid treatment.

【0084】 さらに、規則的に間隔の開いたコラムを用いて、コラム間の拡散距離は一定であって、均一な流体流が存在する。 [0084] Further, by using a column which open regularly spaced, the diffusion distance between the columns is constant, there is uniform fluid flow. したがって、核酸は、不揃いな特性をもつビードや繊維とは対照的に、同一「微小環境」に晒される。 Thus, a nucleic acid, as opposed to the bead or fibers with irregular characteristics, exposed to the same "microenvironment". この均一性が、各処理段階に必要な時間、流速、加熱量、流体容積などを含む抽出パラメータの予知を可能にしている。 This uniformity is, the time required for each processing stage, allowing the flow rate, the amount of heat, the prediction of the extraction parameters, including fluid volume. さらに、内部構造の配列を用いることによって得られる効率の増大、および、吸着面の急速かつ直接的な加熱によって得られる効率の増大は、 Furthermore, the increase in efficiency obtained by using a sequence of the internal structure, and an increase in efficiency obtained by rapid and direct heating of the adsorption surface,
チャンバを通る流体の比較的高い流速で、効率的な核酸の抽出と溶離を可能にしている。 At a relatively high flow rate of fluid through the chamber, and enables the extraction and elution of efficient nucleic acid. これは、抽出と溶離に要する全時間を減少させる。 This reduces the total time required for extraction and elution.

【0085】 さらには、装置20を少し変化させたものは、溶液またはエマルジョンから核酸を選択的に抽出するのに使用され得る。 [0085] Further, those obtained by slightly changing the device 20 can be used to selectively extract the nucleic acids from the solution or emulsion. 下に伝導体を持つシリコン−ガラスをベースにした薄厚絶縁体は、本質的に、分離装置として役立つ。 Silicon with a conductor under - the thin insulator that is based on glass, essentially serve as a separation device. 絶縁体の厚みは1〜1,000μmである。 The thickness of the insulator is 1 m to 1,000 m. 直流電圧(0.1〜100V)が伝導体に印加される。 DC voltage (0.1~100V) is applied to the conductor. 流体試料内の核酸はガラス表面に選択的に誘引され、続いて核酸がガラス表面から容離される。 The nucleic acid in the fluid sample is selectively attracted to the glass surface, followed by the nucleic acid is separated containers from the glass surface.

【0086】 一実施形態では、装置は抽出チャンバを含み、抽出チャンバは単一の基板から作られた垂直コラムを有しており、垂直コラムは電気的にも物理的にも均一のものである。 [0086] In one embodiment, the device comprises a brewing chamber, the brewing chamber has a vertical column made from a single substrate, the vertical column is of electrically and physically uniform even . コラムは二酸化けい素の薄層で被覆されている。 Column is coated with a thin layer of silicon dioxide. 基板は、その上にパターン化された結合パッドを有して、基板にオーミック接触を与える。 Substrate, a bond pad is patterned thereon, providing an ohmic contact with the substrate. オーミック接触は第1の電極として機能し、装置はさらに第2の電極を、好ましくはチャンバに配置されたワイヤを含んで、流体試料と電気的な接触を行なう。 Ohmic contact functions as a first electrode, a further second electrode device, preferably comprise a wire positioned in a chamber, for electrical contact with the fluid sample. 電極は、 Electrode,
核酸を誘引および/または溶離する電圧で、流体試料に対してチャンバの内部吸 着面を帯電させるために使用される。 Voltage to attract and / or elution of nucleic acids, is used to charge the internal absorption Chakumen chamber to the fluid sample.

【0087】 試料が装置を貫いて流れるときに、電圧が電極間に印加され、制御された密度の表面電荷が形成されてチャンバの内部表面を均一に覆う。 [0087] When the sample flows through the device, voltage is applied between the electrodes, uniformly covering the surface charge of the controlled density is formed an inner surface of the chamber. 緩衝溶液および担体溶液の成分は、標的巨大分子の正味電荷と同様に、コラム表面の電荷分布を制御するために変更され得る。 Component of the buffer solution and the carrier solution, as well as the net charge of the target macromolecule may be varied to control the charge distribution of the column surface. 例えば、微小構造体の表面における電荷の深さと密度は、流体のpHとイオン力によって著しく影響を受ける。 For example, the depth and density of the charge on the surface of the microstructure is significantly affected by the pH and ionic strength of the fluid. 例えば、標的と共に溶 けている両性電解質と両性イオンと大量の巨大分子を使用することによって、あるいは、二重電気泳動におけるように、複数の印加される電圧をパルスさせることによって目標成分の吸着は増大する。 For example, by using large amounts of macromolecules ampholytic and zwitterionic are only soluble with the target, or, as in double electrophoresis, adsorption of the target component by a pulse voltage to be multiple applied increased. 後者の方法は、試料または洗浄溶液が流れている間に、より強力に結合した標的成分から弱い結合の非標的混合物を分離するために使用される。 The latter method, while the sample or cleaning solution is flowing, is used to separate the non-target mixture weak binding from a more strongly bound target components.

【0088】 この代わって、交流電圧は、チャンバの内表面へのDNA(他の分子ではない)の誘引および保持を促進する周波数に整調される。 [0088] In this place, the AC voltage is tuned to a frequency to promote attraction and retention of the DNA into the inner surface of the chamber (not other molecules). 流体試料の全容積が装置を通過した後、様々な洗浄溶液が装置に導入されて、緩く結合した不要物質を除去する。 After the entire volume of the fluid sample passes through the device, various cleaning solution is introduced into the apparatus, to remove unnecessary substances loosely bound. pHや塩濃度の変化、あるいは洗浄剤や攪乱剤のような添加剤の使用は、 Changes in pH or salt concentration, or the use of additives such as detergents and disrupting agents,
このような除去を増大させるのに使用される。 It is used to increase such removal. 溶離のために、少量の担体溶液がこの装置に導入される。 For elution, a small amount of carrier solution is introduced into the apparatus. 電圧の極性は、(核酸を保持する)正から負に転換される。 Polarity of the voltage is converted from positive to negative which (holding the nucleic acid). そして、核酸は、内部表面から放出され、非常に濃縮された丸塊となって装置から流出する。 The nucleic acids are released from the interior surface, and flows out from the apparatus so that the highly concentrated Marukatamari. 内部表面から核酸を移動させる交流周波数が選択された二重電気泳動を使用することによって、放出の効率は増大する。 By using a dual electrophoresis AC frequency to move the nucleic acids from the interior surface is selected, the efficiency of the emission is increased.

【0089】 生物分析物の構造物への吸着または生物分析物の構造物からの放出は、装置に超音波エネルギー伝達手段を付与することによって増大される。 [0089] release from the structure of the adsorption or biological analyte to the structure of the biological analyte is increased by applying ultrasonic energy transmission means in the apparatus. 構造物は振動するように誘導されて、抽出工程では個々の分子とコラムとの間の接触頻度が増大し、放出段階すなわち溶離段階では分子が構造体から剥ぎ取られる。 Structure is induced to vibrate, in the extraction step contact frequency is increased between the individual molecules and column discharge stage i.e. molecules eluting stage is stripped from the structure. 加えて、圧電性セラミックディスクが装置の外表面に結合される。 In addition, piezoelectric ceramic disk is coupled to the outer surface of the device. このディスクに交流電圧を印加することによって、撓みが起こり、微小構造体の配列が曲がる。 By applying an alternating voltage to the disk, it occurs deflection, array of microstructure bends. 共振時に、構造物の動きは最大になる。 At resonance, the movement of the structure is maximized. 小型の超音波ホーンを装置に組み込ませても、この目的を達成することができる。 Even if incorporated a small ultrasonic horn to the apparatus, it is possible to achieve this object.

【0090】 別の実施形態では、伝導性材料からなる別の一組みの反応構造物が、この装置の中に含まれる。 [0090] In another embodiment, the reaction structures another set consisting of conductive material is included in this device. これらの反応構造物は、電気泳動パルスを引き起こす電極として機能し、非伝導性であるが帯電した吸着表面に巨大分子が遭遇する確立を増大させる。 These reactions structures, functions as an electrode to cause electrophoretic pulses, is non-conductive to increase the probability of encountering the macromolecules charged adsorption surface. また、上記反応構造物は、非伝導性の構造物すなわちコラムの配列から結合標的分子の除去を促進するのにも使用される。 Further, the reaction structure is also used to facilitate removal of bound target molecules from the non-conductive structure i.e. a column of the array. 後者は、非伝導性キャパシタンス電極の電圧極性の反転を同時に伴ってあるいは伴うことなく為され、また、 The latter is made without or with a reversal of the voltage polarity of the non-conductive capacitance electrodes simultaneously and,
化学的に介在した脱着を伴ってあるいは伴うことなく為される。 It made without or with chemically interposed desorption.

【0091】 本発明の別の局面では、配位子結合方法が装置の構造体に使用される。 [0091] In another aspect of the present invention, the ligand binding method is used in the structure of the apparatus. 特定の分析物捕獲表面を形成するために、核酸やプロテインにような配位子結合部分が、構造体の表面に能動的あるいは受動的に取付けられる。 To form a specific analyte capture surface, the ligand binding moiety, such as a nucleic acid or protein, attached to the surface of the structure actively or passively. シランベースの化学反応のような配位子結合化学反応が使用される。 Ligand coupling chemistry are used, such as silane-based chemistry. 二重機能のリンカ(連鎖)が使用され、内部表面に結合する一方の機能と、流体試料中の標的に結合する他方の機能とを有する。 Is used dual function of the linker (chain) has one a function of binding to the interior surface, and the other functions that binds to a target in the fluid sample. 次に、試験分析物の入った試料が装置に通され、分析物が配位子で覆われた表面に結合する。 Next, containing samples of test analytes is passed through the device, analyte binds to the surface covered with ligands. 続いて1以上の洗浄溶液で洗浄した後、配位子と分析物の複合体を溶離することができる。 After washing with 1 or more wash solution can be subsequently eluted complex of the ligand and the analyte. 代替として、レポート分子と共役な二次的反分析物分子が装置に通され、この共役物が分析物によって補足される。 Alternatively, the report molecule conjugate with secondary anti-analyte molecules is passed through the device, the conjugate is supplemented by the analyte. この複合体も溶離される。 The complex also is eluted.

【0092】 本発明の装置は、オレゴヌクレオチドおよびポリペプチドのようなバイオポリマーの連結合成物に対して有用である。 [0092] device of the present invention is useful for connecting composite of biopolymers, such as Orego nucleotides and polypeptides. 連結合成物は、非常に多数の配列を装置の中で合成させる。 Consolidated composite may be synthesized very large number of sequences in the device. これは、別個にアドレスできる反応/抽出微小構造体において、単量体を運搬、濃縮、反応させることによって、試薬と触媒を結合と非ブロック化することによって行なわれる。 This is because, in the reaction / extraction microstructure which can separately address, transport monomers, concentration, by reacting is carried out by combining the deblocking reagents and catalyst. このように使用することによって、装置の能力を利用して、互いからそして近くの試薬から選択された微小構造体を絶縁する。 By using in this way, by utilizing the capabilities of the device, it insulates the microstructure selected from each other and from the nearby reagents.

【0093】 好ましい実施形態の微小流体装置20は、フォトリソグラフィおよび/または超微細機械加工を含む様々な技法を使用して製作される。 [0093] Preferred embodiments of the microfluidic device 20 is fabricated using a variety of techniques including photolithography, and / or ultrafine machining. 製作は、好ましくは、 Production is, preferably,
シリコン上またはガラスや二酸化けい素やプラスチックやセラミックスのような他の適当な基板材料上で行なわれる。 Other performed on a suitable substrate material such as silicon or glass or silicon dioxide, plastic and ceramics. 深部反応イオンエッチング(DRIE)を使用して微小流体装置を製作する好ましい方法が、ここに記載される。 A preferred method of using deep reactive ion etching (DRIE) fabricating a microfluidic device is described herein.

【0094】 ベース基板22のスターティング材料として、100mmのn型(100)の0.1−0.2オームcm両側面研磨シリコンウエハが使用されている。 [0094] As starting material for the base substrate 22, 0.1-0.2 ohm cm both sides polished silicon wafer of 100 mm n-type (100) is used. ウエハの厚みは、好ましくは、望まれる構造体に依って、350から600μmの範囲にある。 Wafer thickness, preferably, depending on the structure desired, from 350 in the range of 600 .mu.m. 装置を作る一実施例では、好ましくは、背面領域に0.2から5μmの深 さまで燐イオンを注入してオーミック接続がなされる。 In one embodiment of making the device, preferably, an ohmic connection is made by implanting phosphorous ions at a depth s of 5μm from 0.2 on the back region. 代わりに、p型のシリコンウエハが使用されてもよく、オーミック接触はボロンイオン注入を用いて行なわれる。 Alternatively, may be p-type silicon wafer is used, ohmic contact is carried out using boron ion implantation. 注入の次は、基板を加熱してドーパントを活性化させる。 Following injection activates the dopants by heating the substrate.

【0095】 次に、ウエハは回転され、前面側に(例えば、シップレイ(Shipley)から入手 可能な)フォトレジストを使用して、DRIE処理をマスクするのに十分なフォトレジスト厚を得る。 [0095] Then, the wafer is rotated, the front side (e.g., possible available from Shipley (Shipley)) using the photoresist, obtaining sufficient photoresist thickness to mask DRIE process. この厚みはエッチングの最終所望厚みに依る。 This thickness depends on the final desired thickness of the etching. シリコンエッチング速度とフォトレジスト腐食速度との比は、典型的には50:1よりも大きい。 The ratio of the silicon etch rate and the photoresist erosion rate is typically 50: greater than 1. 200μmの構造体をエッチングするには、通常、4μmのフォトレジストで十分である。 To etch the structure of 200μm is usually sufficient, 4 [mu] m photoresist. フォトレジストは90度Cで約30分間ソフトベークされ、次に、シリコンウエハ処理技術では周知のプロセスを使用して、所望のマスクパターンで露光され、現像され、ハードベイクされる。 The photoresist is soft-baked for about 30 minutes at 90 ° C, then, the silicon wafer processing techniques using known processes, are exposed in a desired mask pattern, developed, and a hard bake.

【0096】 図11は、ウエハの前面側の試料マスクパターンを示す。 [0096] Figure 11 shows a front side of the sample mask pattern on the wafer. エッチマスクは、チャンバパターン44を定めて基板22内に抽出チャンバを形成し、コラムパターン46の配列を定めて基板内に対応するコラムの配列を形成する。 Etch mask, to form an extraction chamber in the substrate 22 defines a chamber pattern 44, defining an array of column pattern 46 to form an array of columns corresponding to the substrate. 図面サイズの空間的な限定により、エッチマスクは数百のコラム46のみで図示されている。 The spatial limitation of the drawing size, etch mask is shown only by a column 46 hundreds.
しかしながら、配列は1,000から10,000のコラムパターンを含み、基板22内に対応する数のコラムを形成する。 However, sequence comprises a column pattern of 1,000 to 10,000, to form a number of columns corresponding to the substrate 22.

【0097】 次に、パターン化されたウエハは、DRIEプロセスを使用してエッチングされ、抽出チャンバと一体型コラムを形成する。 Next, patterned wafers are etched using a DRIE process to form an extraction chamber integral column. エッチングするのに有用な装置は、カリフォルニア州レッドウッドのサーフェステクノロジーシステムから入手できる。 Apparatus useful for etching are available from Redwood surface technology system. DRIEプロセスは、誘電結合プラズマエッチングと、フッ素ベースの化学薬品を使用した析出とを交互に用いる。 DRIE process uses a dielectric coupled plasma etching, and deposition using fluorine based chemistries alternately. エッチングされた構造体における20 20 in etched structures
:1のアスペクト比は、容易に達成される。 : 1 aspect ratio is readily achieved. エッチング速度は典型的には2μm Etching rate is typically 2μm
/分以上である。 / Is min or more.

【0098】 エッチング後、残りのフォトレジストは、例えば酸素プラズマエッチングまたは硫酸中での湿式化学ストリッピングによって、ウエハから除去される。 [0098] After etching, the remaining photoresist, for example by wet chemical stripping with oxygen plasma etching or sulfuric acid, are removed from the wafer. 次に、 next,
基板は、チャンバの内部表面すなわちチャンバ壁およびコラム表面を酸化層で覆うように酸化される。 Substrate is oxidized inner surface or chamber wall and the column surface of the chamber so as to cover oxide layer. 酸化層は、好ましくは1から100nmの厚みであり、例えば、熱成長または化学成長または電気化学成長あるいは析出などの周知の技術を使用して形成される。 The oxide layer, preferably a thickness from 1 100 nm, for example, is formed using known techniques such as thermal growth or chemical deposition or electrochemical deposition, or precipitation.

【0099】 次に、例えばアルミニウムまたは金または銅などの電気的に伝導性のある材料が、基板の背面側に析出されパターン化されて、抵抗型加熱要素と温度センサと結合パッドを形成する。 [0099] Then, for example, aluminum or gold, or electrically with a conductive material such as copper, is deposited on the back side of the substrate is patterned to form a resistive heating element and a temperature sensor coupling pad. 加熱要素およびセンサを形成するのに別の材料が使用されてもよい。 Another material may be used to form the heating element and the sensor. 基板上の金属をパターン化する具体的な技術は、当該技術分野においては周知になっている。 Specific techniques for patterning the metal on the substrate, have become well known in the art. 次に、基板は、例えば500μmの薄いパイレックス(登録商標)ガラスカバーに陽極結合される。 Then, the substrate is anode bonded to a thin Pyrex glass cover for example of 500 [mu] m. このグラスカバーには、その中に例えば超音波ミーリングによって孔が作られている。 The glass cover, holes are made by therein for example, ultrasonic milling. 上記孔はチャンバへの流体ポートを形成する。 The hole forms a fluid port into the chamber. 結合後、基板対は、ダイヤモンドソーを用いて、さいの目状に切断される。 After binding, the substrate pairs, using a diamond saw, is diced shape. その結果得られる構造は、図6に概略的に示される。 The resulting structure is shown schematically in FIG.

【0100】 微小流体装置の正確な寸法と構造は、装置を特定な用途に適合させるように変更される。 [0100] The exact dimensions and structure of the microfluidic device is modified so as to adapt the device to specific applications. 本発明による可能な装置の特定例としては、次のものがある。 Specific examples of apparatus which can according to the invention is the following. この装置は4.0mm平方で0.9mmの厚みがある。 The apparatus has 0.9mm thickness at 4.0mm square. 抽出チャンバは200μmの深さと2.8mmの長さおよび幅をもっている。 Extraction chamber has a length and width of the depth and 2.8mm of 200 [mu] m. 流体ポートはそれぞれ0.4mmの幅を持っている。 Each fluid port has a width of 0.4 mm. 装置は、チャンバ内に2.0mm×2.8mmの面積を占有する蜜なコラムの配列を持っている。 Device has a sequence of honey a column that occupies an area of ​​2.0 mm × 2.8 mm into the chamber. コラムは、200μmの高さと、50μmの断面 長さと、7μmの断面幅と、列になって隣接するコラム間の8μmの間隙距離と、 Column, the height of 200 [mu] m, and a cross-sectional length of 50 [mu] m, and a cross-sectional width of 7 [mu] m, and the gap distance 8μm between columns adjacent in rows,
15μmの中心間の間隔とを持つ。 With a center-to-center spacing of 15μm. その配列には、約7,000のコラムが存在する。 In the sequence, there are about 7,000 of the column. 勿論、これらの寸法は、代表的な一実施例であって、本発明の範囲を限定するものではない。 Of course, these dimensions is a representative embodiment, are not intended to limit the scope of the present invention. 代替の実施形態では、装置の各材料の特定寸法は、好ましくは、本稿のはじめに記載した一般的な指針内で変化し得る。 In an alternative embodiment, the specific dimensions of each material of the device may preferably vary within the general guidelines described in the beginning of this paper.

【0101】 本発明の微小流体装置との使用に適したカートリッジを製作するための特定技術は、1997年12月24日出願された米国特許出願番号第08/998,1 88号に開示されている。 [0102] Certain techniques for fabricating a cartridge suitable for use with the microfluidic device of the present invention is disclosed in U.S. Patent Application Serial No. 08 / 998,1 88, filed Dec. 24, 1997 there. 例えば、カートリッジは少なくとも1つの射出成形ま たはプレス成形または機械加工されたポリマー部品から作られる。 For example, the cartridge was or at least one injection molding made from a press molded or machined polymeric part. ポリマー部品は、窪みまたは凹部またはへこみがその表面に作られて、幾つかの溝の壁と反応サイトと貯蔵サイトとを形成する。 Polymer component, indentations or recesses or indentations made on the surface to form a storage site with several grooves walls with the reaction site. 射出成形または機械加工に適したポリマーの例には、例えば、ポリカーボネイト、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、アクリル、および市販の高分子化合物がある。 Examples of suitable injection molding or machining the polymer, for example, polycarbonate, polystyrene, polypropylene, polyethylene, acrylic, and commercial polymer compound. 第1の部分に対して形状が補間的な第2の部分は、第1の表面に嵌合されて、カートリッジの残りの部分を形成する。 A second portion shaped interpolation with respect to the first portion is fitted to the first surface to form a remaining portion of the cartridge. 第2の部分または第3の部分は、カートリッジと電気的な接触をするためのプリント基板であってもよい。 A second portion or third portion, may be a printed circuit board for the cartridge and the electrical contact. これらの技術を使用して、微小流体装置をカートリッジの窪みの1つに組み込む。 Using these techniques, incorporating the microfluidic device into one of the recesses of the cartridge. 装置は、シリコン接着剤のような可撓性のあるポリマーを塗って、カートリッジに取付けられる。 Device, paint the flexible polymer that is such as silicon adhesive, it is attached to the cartridge. これに代わって、装置の流体ポートに孔を合わせてガスケットが作られ、密閉された流体アセンブリが微小流体装置とカートリッジ本体との間に形成される。 Alternatively, the gasket is tailored holes in fluid port of the device, the sealed fluid assembly is formed between the microfluidic device and the cartridge body. この装置は、ガスケット材料に対して、しっかりプレスされ、装置上に別のプラスチック品を結合することによって密閉さて、装置は完全にカートリッジの中に被包される。 The device for the gasket material is firmly pressed, sealed by combining the different plastic articles on the device Now, the device is encapsulated entirely within the cartridge.

【0102】 代替として、装置は、ガスケットを使用することなく、カートリッジに直接溶融または溶接される。 [0102] Alternatively, the device without the use of gaskets, is directly melted or welded to the cartridge. 特に有利な実施例では、カバーを形成するために例えばパイレックス(登録商標)ガラスの別の基板を使うのでなく、カートリッジの一部が装置のカバーになる。 In a particularly advantageous embodiment, for example, Pyrex to form the cover rather than using a separate substrate (registered trademark) glass, part of the cartridge is the cover of the device. この実施例では、基板22がカートリッジに挿入され、 In this embodiment, substrate 22 is inserted into the cartridge,
カートリッジの壁に密封される。 It is sealed to the wall of the cartridge. この壁は、その中に孔を持っていて、抽出チャンバへの流体ポートを形成する。 This wall, have a hole therein to form a fluid port into the extraction chamber.

【0103】 図13は、本発明の代替えの実施形態を示していて、この実施形態では微小流体装置は、頂部基板24でなくベース基板22に形成された流体ポート28,3 0を持つ。 [0103] Figure 13 is shows an embodiment alternative of the present invention, the microfluidic device in this embodiment has a fluid port 28,3 0 formed on the base substrate 22 instead of the top substrate 24. 装置は、チャンバ26の内部表面を加熱するための電極48Aと48 Device includes an electrode 48A for heating the interior surface of the chamber 26 48
Bを含んでいる。 It contains B. これらの電極は、好ましくは、抽出チャンバの底部壁23上の対向する側に配置される。 These electrodes are preferably arranged on opposite sides of the bottom wall 23 of the brewing chamber. ベース基板22は、熱的に伝導性のある好ましくはシリコンから製造される。 Base substrate 22 is preferably thermally conducive is fabricated from silicon. したがって、底部壁23および一体に形成されたコラムは、電極48Aと48Bとに適当な電圧を印加することによって加熱される。 Thus, the bottom wall 23 and the column which is formed integrally, is heated by applying an appropriate voltage to the electrodes 48A and 48B. 好ましい実施形態では、装置は、好ましくは、流体試料のための前処理サイトおよび/または後処理サイトとを持つカートリッジとの組合わせて使用される。 In a preferred embodiment, the device is preferably used in combination with the cartridge having a pre-processing sites and / or post-site for the fluid sample. カー トリッジは電極48Aと48Bに電力を供給するための適当な処理電極を含んでいる。 Cartridge includes a suitable processing electrode for supplying power to the electrodes 48A and 48B. 装置の作用は、チャンバ26の内部表面が電極48Aと48Bとに電圧を印加することによって加熱される以外、上記の好ましい実施形態の作用に類似している。 Action of the device, except that it is heated by the interior surface of the chamber 26 applies a voltage to the electrodes 48A and 48B, similar to the operation of the preferred embodiment. 底部壁23は、チャンバ26を加熱する抵抗型加熱要素として機能する。 Bottom wall 23 functions as a resistive heating element for heating the chamber 26.

【0104】 図13の微小流体装置は、フォトリソグラフィおよび/または超微細機械加工 を含む様々なテクニックを使用して製造される。 [0104] The microfluidic device of FIG. 13 is manufactured using a variety of techniques including photolithography, and / or ultrafine machining. 装置を製造するための好ましい方法がここに記載される。 A preferred method for manufacturing a device are described herein.

【0105】 100mmのn型(100)シリコンウエハが、バース基板22のスターティング材料として使用される。 [0105] 100 mm n-type (100) silicon wafer is used as a starting material for the berth board 22. ウエハは、好ましくは、電極48A,48B間の所 望の最終的な抵抗に依って、1ないし100オーム-cmの抵抗率を持つ。 Wafers, preferably, the electrodes 48A, depending on the final resistance of Nozomu Tokoro between 48B, having 1 to resistivity of 100 ohm -cm. ウエ ハの厚みは、好ましくは、所望の構造に依って350から600μmの範囲内にある。 The thickness of the upper blade is preferably in the range of 600μm to 350 depending on the desired structure. 背面側に好ましくは0.2から5μmの深さまでの燐イオンの注入を用い てオーミック接続がなされる。 Preferably the rear side is made ohmic contact with the implantation of phosphorus ions from 0.2 to a depth of 5 [mu] m. この代わりに、p型のシリコンウエハが使用されてもよく、また、オーミック接続はボロンイオン注入を使用して行なわれてもよい。 Alternatively, may be p-type silicon wafer is used, also, ohmic contact may be carried out using boron ion implantation. 注入の後は、ドーパントを活性化するために基板を加熱する。 After implantation, the substrate is heated to activate the dopant.

【0106】 次に、ウエハの背面側に、例えば窒化シリコンのような適当なマスキング材料を析出し、パターニングを行い、このマスクを使用してシリコンを異方性エッチングすることによって、流体ポート28と30が形成される。 [0106] Next, the back side of the wafer, for example, a suitable masking material such as silicon nitride deposited and patterned by anisotropic etching of silicon using the mask, the fluid port 28 30 is formed. 次に、ウエハは前面側にフォトレジストでパターン化されて、DRIE処理のためのエッチマスクを得る。 Then, the wafer is patterned with a photoresist on the front side, to obtain an etch mask for the DRIE process. 図13に示すように、エッチマスクは、基板22に抽出チャンバを形成するためのチャンバパターン44を定め、基板にコラムの配列を形成するためのコラムパターン46の配列を定める。 As shown in FIG. 13, the etch mask defines a chamber pattern 44 for forming the extraction chamber to the substrate 22, defining an array of column pattern 46 for forming an array of columns on the substrate. パターン化されたウエハは、DRIE処理を使用してエッチングされて、抽出チャンバと一体型コラムを形成する。 Patterned wafer is etched using a DRIE process to form an extraction chamber integral column. ウエハは十分な深さにまでエッチングされて、抽出チャンバ26が流体ポート28と3 Wafer is etched to a sufficient depth, extraction chamber 26 is fluid port 28 and 3
0とに出合う。 Meet to 0 and.

【0107】 エッチング後、残留するフォトレジストはウエハから除去され、次に基板は酸化されて、チャンバ26の内部表面は好ましくは1μmから100μmの厚みの酸化層で被覆される。 [0107] After etching, the remaining photoresist is removed from the wafer, then the substrate is oxidized, the interior surfaces of the chamber 26 is preferably coated with an oxide layer of 100μm thick from 1 [mu] m. 次に、例えばアルミニウムや金や銅のような電気的に伝導性のある材料が、基板の背面側の注入領域上に析出され、パターン化されて、電極48Aと48Bとが形成される。 Then, for example, aluminum, gold or electrically with a conductive material such as copper, is deposited on the implanted region of the back surface side of the substrate, it is patterned, and the electrode 48A and 48B is formed. 次に、基板22はカバー24に、好ましくは薄いパイレックス(登録商標)ガラスに、陽極結合される。 Next, the substrate 22 in the cover 24, is preferably a thin Pyrex glass, anodic bonding. 結合の後、基板対はさいの目に切断されて、図13に示す最終構造を形成する。 After binding, the substrate pairs are diced to form the final structure shown in FIG. 13.

【0108】 図14は本発明の別の実施形態による貫流装置21を示し、この流装置21においては、核酸を捕獲し溶離するための内部吸着面が、チャンバ26内に収容された1つ以上の固形支持物によって形成される。 [0108] Figure 14 illustrates another embodiment according to the flow-through device 21 of the present invention, in the flow device 21, within the adsorbent surface for eluting capture nucleic acids, one or more housed in the chamber 26 It is formed by the solid support. 流体試料がチャンバ26を流れるとき、核酸は固形支持体に接触し付着する。 When the fluid sample flows through the chamber 26, the nucleic acid is attached in contact with the solid support. 核酸を溶離するために、溶離流体がチャンバ内に流される間、チャンバ26は加熱され、したがって、核酸が固形支持体から溶離流体に放出される。 To elute the nucleic acid, while the elution fluid is flowed into the chamber, the chamber 26 is heated, thus, the nucleic acid is released into the elution fluid from the solid support. 核酸を捕獲するための適当な固形支持体は、 Suitable solid support for capturing nucleic acids,
例えばシリカやジエチルアミノエーテル(DEAE)およびポリマーのような核酸と結合親和性のある物質を備えたビーズ、ファイバ、膜、グラスウール、フィルタペーパー、ゲル等を含む。 Including, for example beads having a silica or diethylamino ether (DEAE) and nucleic acids with binding affinity substances such as polymers, fibers, films, glass wool, filter paper, gel or the like.

【0109】 図14の実施の形態においては、固形支持体はチャンバ26の中に詰められたガラスビード50である。 [0109] In the embodiment of FIG. 14, the solid support is a glass bead 50 packed into the chamber 26. 固形支持体としてビーズ、ファイバ、ウールまたはゲルを使用する実施例では、好ましくは、装置は出口ポート30に隣接したチャンバ26の中に配置された障壁52を含んでいて、固形支持体がチャンバから流出するのを防止する。 Beads as solid support, fibers, in the embodiment using the wool or gel Preferably, the apparatus include a barrier 52 disposed in the chamber 26 adjacent the outlet port 30, the solid support from the chamber to prevent the outflow. 障壁52は、固形支持材料をチャンバ26内に保持するために、何か適当な保持膜やフィルタ、例えば櫛型フィルタであってもよい。 Barrier 52 is to hold the solid support material into the chamber 26, any suitable retaining film and filter may be, for example, a comb filter. この代わりに、障壁52は、十分な小さい間隔を有して固形支持物質を保持するコラムのような複数の内部構造物をチャンバの中に備えてもよい。 Alternatively, barrier 52, a plurality of internal structures such as the column that holds the solid support material having a small enough gap may be provided in the chamber. 図1Dは、フィルタを形成する一列のコラムを示し、コラムはチャンバの中にビーズを保持するのに適している。 Figure 1D shows a single row of the column to form a filter, column is suitable for holding the beads in the chamber.

【0110】 好ましい実施例において、好ましくは、装置21はカートリッジと組み合わせて使用され、上記カートリッジは流体試料のための前処理サイトおよび/または 溶離された核酸のための後処理サイトを持つ。 [0110] In a preferred embodiment, preferably, apparatus 21 is used in conjunction with the cartridge, the cartridge has a post-processing site for the pretreatment site and / or eluted nucleic acid for the fluid sample. カートリッジは、また、抵抗型加熱要素34に対して電力を供給するための適当なプロセッシングエレクトロニクスを含んでもよい。 The cartridge also power may include a suitable processing electronics for supplying to the resistance-type heating elements 34. 一体に形成された微小構造体の配列によってではなく、チャンバ26内の内部吸着表面がビード50のような固形支持体によって提供されるということの外は、装置21の作用は上記の実施例の作用と類似している。 Rather than by an array of micro-structures formed integrally outside the fact that within the adsorbent surface in the chamber 26 is provided by a solid support such as a bead 50, the action of the device 21 of the above embodiment It is similar to the action.

【0111】 装置21は、フォトリソグラフィおよび超微細機械加工を含む前述の実施例に記載された技法と同じものを使用して製造される。 [0111] device 21 is manufactured using the same as the technique described in the previous examples, including photolithography and ultrafine machining. 装置を作るための好ましい方法が、ここに記載される。 A preferred method for making the device is described herein.

【0112】 100mmのn型(100)の0.1から0.2オームcmのシリコンウエハが、好ましくは、ベース基板22のためのスターティング材料として使用される。 [0112] Silicon wafers of 0.1 to 0.2 ohm cm of 100 mm n-type (100) is preferably used as a starting material for the base substrate 22.
ウエハはフォトレジストで前面側においてパターン化されて、DRIE処理のためのエッチマスクを得る。 Wafer is patterned on the front side with a photoresist to obtain an etch mask for the DRIE process. エッチマスクは、基板22の中にチャンバ26を形成するためのチャンバパターンを定め、内部障壁構造体を形成するための障壁パターンを定め、好ましくはチャンバ26内にびっしりと間隔の詰まったコラムを形成するための障壁パターンを定める。 Etch mask defines a chamber pattern for forming a chamber 26 in the substrate 22 defines a barrier pattern for forming an internal barrier structure, preferably form a column full of closely packed To intervals into the chamber 26 establish a barrier pattern for. 次に、パターン化されたウエハは、DRI Next, patterned wafers, DRI
E処理を使用してエッチングされて、チャンバ26と内部障壁構造体を形成する。 It is etched using the E treatment to form a chamber 26 and the internal barrier structure. 勿論、構造体はビード50の直径よりも小さな間隔を持ち、チャンバ26内にビード26を保持する。 Of course, the structure has a smaller spacing than the diameter of the bead 50, to retain the bead 26 into the chamber 26.

【0113】 エッチング後、残りのフォトレジストはウエハから除去される。 [0113] After etching, the remaining photoresist is removed from the wafer. 次に、1以上の電気的に伝導性のある材料が基板の背面側に析出されパターン化されて、抵抗型加熱要素と温度センサと結合パッドとを形成する。 Then, one or more electrically conducive material is deposited on the back side of the substrate is patterned to form a resistive heating element and a temperature sensor and a coupling pad. 基板は、流体ポート28, 30を形成する孔を持ったガラスカバーに陽極結合される。 Substrate is anodically bonded to a glass cover having a hole forming the fluid port 28, 30. ビード50は、カバーを取付ける前または後に、好ましくはカバーが取付けられた後に、チャンバ内に詰められる。 Bead 50, before or after attaching the cover to the, preferably after the cover is attached, are packed in the chamber. ビード50は、入口ポート28を通して挿入される。 Bead 50 is inserted through the inlet port 28. 勿論、障壁52は、ビード50を詰め込む前に正規の位置に置いてビードがチャンバから流出するのを防ぐ。 Of course, the barrier 52, the bead prevents the outflow from the chamber at the normal position before packing the bead 50.

【0114】 図15は、本発明の別の実施例による貫流装置31を示し、チャンバの中に収容された固形支持体は、核酸を捕獲するための膜またはフィルタ60を備えている。 [0114] Figure 15 shows a flow-through device 31 according to another embodiment of the present invention, the solid support is contained within the chamber comprises a membrane or filter 60 for capturing the nucleic acid. 装置31は、ベース基板58と、トップ基板54と、トップ基板とベース基板の間に挟まれたミドル基板56とを含んでいる。 Device 31 has a base substrate 58 includes a top substrate 54, and a middle substrate 56 sandwiched between the top substrate and the base substrate. 抽出チャンバ26は、トップ基板54とベース基板58とに形成される。 Extraction chamber 26 is formed on the top substrate 54 and the base substrate 58. フィルタ60はヒータ34と熱的な接触する。 Filter 60 is in contact heater 34 and thermal. この代わりに、フィルタ60は出口ポート30に隣接してベース基板58に配置されてもよい。 Alternatively, filter 60 may be disposed on the base substrate 58 adjacent to the outlet port 30.

【0115】 抵抗型加熱要素34は、好ましくは、チャンバ26を加熱するためのミドル基板56に配置される。 [0115] resistive heating element 34 is preferably arranged on the middle substrate 56 for heating the chamber 26. 加熱要素34は、チャンバ26を流れる流体から加熱要素34を保護するために、例えば二酸化けい素、シリコンカーボネエイト、窒化シリコン、プラスチック、膠または他のポリマー、レジスト、セラミックといった絶縁材料の層62によって覆われる。 Heating element 34, in order to protect the heating element 34 from the fluid flowing through the chamber 26, for example silicon dioxide, silicon carbonate Ne Eight, silicon nitride, plastic, glue or other polymers, resist, the layer of ceramic such as an insulating material 62 It is covered by. ミドル基板56は、加熱要素34の周りに配置された孔(図15の断面図に示さず)を含んでいて、流体はチャンバを通って入口ポート28から出口ポート30に連続的に流れる。 Middle substrate 56 comprise disposed holes around the heating element 34 (not shown in the sectional view of FIG. 15), the fluid flows continuously from the inlet port 28 to outlet port 30 through the chamber.

【0116】 加熱要素34は、基板上にパターン化された金属またはポリシリコンの薄いフィルムであってもよい。 [0116] The heating element 34 may be a thin film of patterned metal or polysilicon on the substrate. この代わりに、基板56は加熱要素34を持つ薄いプラスチックのフレックス回路であってもよい。 Alternatively, the substrate 56 may be a flex circuit of thin plastic with the heating element 34. 他の実施形態では、加熱要素34は、基板56に取付けられたエッチングされた箔加熱要素のような積層の加熱源を備える。 In other embodiments, the heating element 34 is provided with a heating source of the stack, such as that etched foil heating element attached to the substrate 56. ヒーターが積層構造物の一部である実施形態では、基板56はヒーターのための支持体である。 In embodiments a heater is part of a laminate structure, the substrate 56 is a support for the heater. さらに別の実施形態では、例えば薄膜処理のような当業者に知られた技法を用いて、基板56と58は、加熱要素34と絶縁体層62と共に、単一基板から製造され得る。 In yet another embodiment, using techniques known to those skilled in the art, such as, for example, a thin film process, the substrate 56 and 58, together with the heating element 34 and the insulator layer 62 may be fabricated from a single substrate. 装置31は、好ましくは、カートリッジと組合わせて使用され、上記カートリッジは流体試料のための前処理サイトおよび/ Device 31 is preferably used in combination with the cartridge, the cartridge is pretreated sites for fluid sample and /
または溶離された核酸のための後処理サイトを持つ。 Or with post-processing site for eluted nucleic acid. カートリッジは、また、抵抗型加熱要素34に対して電力を供給するための適当なプロセッシングエレクトロニクスを含んでもよい。 The cartridge also power may include a suitable processing electronics for supplying to the resistance-type heating elements 34. 作動時には、流体試料は強制的に装置内を流れる。 In operation, the fluid sample flows forcibly the device. 流体試料がチャンバ26内を流れるとき、核酸はフィルタ60に接触し付着する。 When the fluid sample flows through the chamber 26, the nucleic acid is attached in contact with the filter 60.
チャンバは不要な微粒子を除去するために随意に洗浄される。 Chamber is optionally washed to remove unwanted particulates. 核酸を溶離するために、溶離流体がチャンバ内に流れるとき、チャンバ26は加熱要素34によって加熱され、核酸をフィルタ60から溶離流体に放出する。 To elute the nucleic acid, when the elution fluid flows into the chamber, the chamber 26 is heated by the heating element 34, to release the nucleic acid from the filter 60 to the elution fluid.

【0117】 トップ基板54とベース基板58とは、好ましくは、低コストで成形されたプラスチック部品であって、ミドル基板56は、好ましくは、プラスチックフレックス回路である。 [0117] The top board 54 and the base substrate 58, preferably a plastic part molded at a low cost, middle substrate 56 is preferably a plastic flex circuit. フィルタ60を所定寸法に予め切断し、次に例えば膠のような接着剤や超音波溶接のような溶接によって、フィルタ60と基板54,56,58 The filter 60 is pre-cut to size, then for example, by welding, such as adhesive or ultrasonic welding, such as glue, filter 60 and the substrate 54, 56
とを組み立てて、装置31は製造される。 Assembling the door, the device 31 is manufactured.

【0118】 (概要、細分化関連問題、範囲) 上記記載は多くの特殊性を含んでいるが、これらは本発明の範囲を限定するものとして解釈+されるべきではなく、単に現在の幾つかの好ましい実施形態の例に過ぎない。 [0118] (Overview, subdivided related issues, range) above description contains many specificities, these should not be construed + as limiting the scope of the present invention, merely the current number only an example of a preferred embodiment of the. 本発明の多くの他の実施形態が可能である。 Many other embodiments of the present invention are possible. 例えば、1つの代替実施形態においては、チャンバの内部吸着表面は、交流または直流の電圧で帯電されて、核酸を誘引および/または溶離する。 For example, in one alternative embodiment, within the adsorbent surface of the chamber is charged with an AC or DC voltage, to attract and / or elution of the nucleic acid. 本発明は、核酸を十分に溶離するの に必要な溶離容積を減少させるために、化学泳動と加熱泳動と電気泳動を含む1 The present invention includes in order to reduce the elution volume required to fully elute the nucleic acid, the heating electrophoresis and electrophoretic chemical electrophoresis 1
つ以上の溶離技法の組み合わせが可能である。 One combination of the above-described elution techniques are possible. 別の実施形態では、核酸は吸着表面に結合された後に処理される。 In another embodiment, the nucleic acid is treated after being bound to the adsorbent surface. 例えば、レポート分子を持つ二次結合部材が抽出チャンバを通過して、既に結合された核酸に結合する。 For example, the secondary binding member having a report molecule through the extraction chamber, binds to a nucleic acid that is already bound. 次に、この複合体は溶離される。 Then, the complex is eluted. さらに、細胞、バクテリア、ウィルスあるいは特定核酸といった特定の標的を結合させる特定な捕獲成分で、チャンバは機能化される。 Furthermore, cells, bacteria, in particular the capture component to bind a particular target such as a virus or a specific nucleic acid, the chamber is functionalized.

【0119】 吸着面を直接かつ急速に加熱するには、チャンバ壁に結合された抵抗器を使用して、チャンバを加熱することが好ましい。 [0119] To heat the suction surface directly and rapidly, using a resistor coupled to the chamber wall, it is preferred to heat the chamber. しかしながら、本発明はこの実施形態に限定されない。 However, the present invention is not limited to this embodiment. チャンバを加熱するための多くの異なる機構または方法が、 Many different mechanisms or methods for heating the chamber,
当業者には明らかである。 It is apparent to those skilled in the art. これらには、光学的加熱、超音波加熱、誘導結合コイル、マイクロウェーブまたはチャンバを加熱するための他の適当な機構が含まれる。 These include optical heating, ultrasonic heating, inductive coupling coil, includes other suitable mechanism for heating the microwave or chamber. さらに、装置がカートリッジと組み合わせて使用されるとき、カートリッジまたはカートリッジを処理するために使用される機器は、装置を過熱するためのヒーターを含んでいる。 Moreover, when the device is used in combination with a cartridge, the equipment used to process the cartridge or cartridge includes a heater for heating the device.

【0120】 目下、カートリッジと組み合わせて本発明の貫流装置を使用することが好ましいが、本発明の範囲はこの実施形態に限定されるものではない。 [0120] Currently, it is preferred to use a flow-through device of the present invention in combination with a cartridge, the scope of the present invention is not limited to this embodiment. この装置は化学分析システムに接続され得るという上記記載内容を考慮すると、この代わりに、 This apparatus is considering the description that may be connected to a chemical analysis system, alternatively,
この装置が流体試料から所望の物質を抽出するための単独型装置として使用され得ることは、当業者には明らかである。 It will be apparent to those skilled in the art that the device can be used as a standalone device for extracting desired substances from a fluid sample. さらに、核酸の抽出が本発明の例示的実施形態として提示されているが、有機体、細胞、プロテイン、炭水化物、ウィルス粒子、バクテリア、化学薬品、生物化学製剤などの流体試料から多くの他の所望の物質を分離するために、本発明の装置が使用され得ることは当業者には明らかである。 Furthermore, although the nucleic acid extraction is presented as an exemplary embodiment of the present invention, organisms, cells, proteins, carbohydrates, virus particles, bacteria, chemicals, many other desirable from a fluid sample such as biological and chemical preparations to separate the materials, it will be apparent to those skilled in the art that apparatus of the invention may be employed.

【0121】 したがって、本発明の範囲は、当請求項(クレーム)およびそれらの法的相等物によって決定されなければならない。 [0121] Accordingly, the scope of the invention should be determined by those claims (claims) and their legal equality thereof.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

図1A〜1Hは、本発明の装置の走査型電子顕微鏡写真であり、シリコンにおいてエッチングされた異なる配列の微小構造体を例示している。 FIG 1A~1H is a scanning electron micrograph of the device of the present invention, illustrating a microstructure of different sequences etched in silicon.

【図1】 入口ポートと出口ポートとを有するチャンバの中に配置されたマイクロコラムの配列を示す。 1 shows a sequence of micro-column which is arranged in a chamber having an inlet port and an outlet port.

【図2】 図1Aのマイクロコラムの配列の一部分の拡大図である。 2 is an enlarged view of a portion of the sequence of micro-column of Figure 1A.

【図3】 尖端を有するマイクロコラムの異なる配列を示す。 3 shows a different arrangement of the micro column having a tip.

【図4】 チャンバの一端にフィルタを形成している単一列の微小構造体を示す。 Figure 4 shows the microstructure of a single column to form a filter at one end of the chamber.

【図5】 1つの共通溝に収束している6つの溝を示す電子顕微鏡写真である。 5 is an electron micrograph showing the six grooves converge into one common groove.

【図6】 中に一連のピラーを配置させた1つの共通溝に合流する2つの溝を示す。 6 shows the two grooves merging into a common groove is arranged a series of pillars in.

【図7】 液相分離に適した別の溝切された装置を示す。 Figure 7 shows another groove cut by the apparatus suitable for liquid phase separation.

【図8】 流動血球計算に有用な流体力学的焦束装置を示す。 8 shows a useful hydrodynamic focused device flow cytometry.

【図9】 2つの流体の拡散混合のために2つの深溝が合流して1つの共通溝になる装置の3次元図である。 9 is a three dimensional view of the apparatus according to the one common groove joins two deep groove for diffusion mixing of the two fluids.

【図10】 2つの流体の拡散混合のために2つの深溝が合流して1つの共通溝になる別の装置の3次元図である。 It is a three dimensional view of another apparatus according to the one common groove joins two deep groove for diffusion mixing of Figure 10 two fluids.

【図11】 流体に対して多数の相互拡散領域を提供する合流溝のネットワークを有する装置の概略平面図である。 11 is a schematic plan view of a device with a network of converging grooves providing multiple interdiffusion region relative to the fluid.

【図12】 中に一連のピラーが配置させた1つの共通溝に合流する2つの溝を有する代替えの装置の3次元図である。 Is a 3-dimensional view of the apparatus of the alternative with two grooves merging into a common groove a series of pillars were placed in FIG. 12.

【図13】 本発明の好ましい実施形態による流体試料から所望の物質を抽出するための貫流装置の概略断面図である。 13 is a schematic cross-sectional view of a flow-through device for extracting desired substances from a fluid sample according to a preferred embodiment of the present invention.

【図14】 図6の装置の底面図である。 14 is a bottom view of the device of FIG.

【図15】 図6の装置の抽出チャンバに形成されたマイクロコラムの3次元図である。 Figure 15 is a three dimensional view of the micro column, which is formed in the extraction chamber of the apparatus of FIG.

【図16】 図6の装置におけるマイクロコラムの概略平面図である。 16 is a schematic plan view of the micro column in the apparatus of FIG.

【図17】 図6の装置における2つの隣接するマイクロコラムの平面図である。 17 is a plan view of two adjacent micro column in the apparatus of FIG.

【図18】 図6の装置の製造に使用されるチャンバパターンとコラムパターンとを形成するエッチマスクの概略図である。 18 is a schematic diagram of an etch mask to form the chamber pattern and a column pattern used in the manufacture of the device of FIG.

【図19】 本発明の好ましい実施形態による図6の装置を含むカートリッジの概略平面図である。 19 is a schematic plan view of the cartridge preferably includes a device 6 according to an embodiment of the present invention.

【図20】 本発明の代替えの実施形態による流体試料から所望の物質を抽出するための貫流装置の概略断面図である。 20 is a schematic cross-sectional view of a flow-through device for extracting desired substances from a fluid sample according to an embodiment alternative of the present invention.

【図21】 本発明の別の実施形態による流体試料から所望の物質を抽出するための貫流装置の概略断面図である。 21 is a schematic cross-sectional view of a flow-through device for extracting desired substances from a fluid sample according to another embodiment of the present invention.

【図22】 本発明のさらに別の実施形態による流体試料から所望の物質を抽出するための貫流装置の概略断面図である。 22 is a schematic cross-sectional view of a flow-through device for extracting desired substances from a fluid sample according to yet another embodiment of the present invention.

【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS

20…貫流装置 26…抽出チャンバ、 28…入口ポート、 30…出口ポート、 32…コラム、 34…ヒーター、 48…電極、 101…カートリッジ、 119…フィルタサイト、 109,125,127…貯蔵サイト、 139…廃棄サイト、 141…試薬サイト、 143…反応サイト、 151…プロセッシングエレクトロニクス。 20 ... flow-through device 26 ... extraction chamber, 28 ... inlet port, 30 ... outlet port, 32 ... Column, 34 ... heater, 48 ... electrode, 101 ... cartridge, 119 ... filter site, 109,125,127 ... storage site 139 ... disposal site, 141 ... reagent site, 143 ... reaction site, 151 ... processing electronics.

【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書 [Procedure amendment] of the Patent Cooperation Treaty Article 34 correction translation filings

【提出日】平成12年2月14日(2000.2.14) [Filing date] 2000 February 14 (2000.2.14)

【手続補正1】 [Amendment 1]

【補正対象書類名】明細書 [Correction target document name] specification

【補正対象項目名】特許請求の範囲 [Correction target item name] the scope of the appended claims

【補正方法】変更 [Correction method] change

【補正内容】 [Correction contents]

【特許請求の範囲】 [The claims]

【手続補正2】 [Amendment 2]

【補正対象書類名】明細書 [Correction target document name] specification

【補正対象項目名】0007 [Correction target item name] 0007

【補正方法】変更 [Correction method] change

【補正内容】 [Correction contents]

【0007】 従来のベンチトップ測定技法に代るものとして、自動化された微小流体装置を開発するという試みがなされて来ており、上記装置は試料準備機能および/または試料処理機能の内の幾らかをこなす。 [0007] As an alternative to conventional benchtop measurement techniques, it has come been attempted to develop an automated microfluidic system, the apparatus some of the sample preparation functions and / or sample processing functions the Konasu. 微小流体システムは、ベンチトップ測定と比較して、軽便性、再生産性の向上、汚染の減少、試薬消費の減少、操作者介在の減少、低測定コストという可能性を持っている。 Microfluidic systems, as compared with bench-top measurement, portability of re improve productivity, reduced pollution, reduced reagent consumption, reduced operator intervention, has the potential of low measurement cost. ミクロ機械加工の技術は、 Micro-machining technology,
例えば半導体基板を使用して、微小流体装置の製造を可能にし、マイクロリットルからピコリットルの容積の試料を操作したり、反応させたり、検知したりすることができる。 For example using the semiconductor substrate, and enables the production of microfluidic devices, and manipulate samples volume of picoliters microliters, or can be reacted or detected. 例えば、ノースロップらの米国特許第5,639,423号およびウィンディング米国特許第5,587,128号は、生物化学反応を行なうための超微細製作された装置を、特にポリメラーゼ連鎖反応のようなDNAベースの反応を行なうための反応器(PCR)を開示している。 For example, Northrop et al., U.S. Pat. No. 5,639,423 and No. Wynn Funding U.S. Patent No. 5,587,128 is a device which is ultrafine fabrication for performing biochemical reactions, such particularly as polymerase chain reaction reactor for performing DNA-based reaction (PCR) discloses. 試験サンプル内の分析物の存在あるいは量を測定するもう1つの分析装置は、ハンスマンによる1996年4月11日に発行された国際公開番号第WO96/10747号に記載されている。 Presence or another analyzer for measuring the amount of analyte in the test sample is described in International Publication No. WO96 / 10747, issued on April 11, 1996 by Hansuman.

【手続補正3】 [Amendment 3]

【補正対象書類名】明細書 [Correction target document name] specification

【補正対象項目名】0008 [Correction target item name] 0008

【補正方法】変更 [Correction method] change

【補正内容】 [Correction contents]

【0008】 しかしながら、これらの微小流体技術における進歩にも拘わらず、比較的大きな容積の流体試料から核酸を有効に抽出でき、且つ、次の分析処理のために核酸を小さな容積に濃縮できる微小流体装置のニーズが相変わらずある。 However, despite the advances in these microfluidic technology, a nucleic acid can be effectively extracted from the fluid sample a relatively large volume, and, microfluidic capable concentrating a nucleic acid for subsequent analysis process to a small volume the needs of the device is as usual. 特に診断への適用においては、例えば病原性器官または癌細胞など、数ミリリットル以上の比較的大きな容積の試料から低濃度の核酸を抽出し濃縮することが頻繁に必要になる。 Especially in diagnostic applications, for example, pathogenic organs or cancer cells, consists of a sample of a few milliliters or more relatively large volume must be frequently to extract and concentrate the low concentration of the nucleic acid. この種の処置は、例えば、食物中の有毒大腸菌0157(食物10グラム当たり1生物体のレベルで有毒)、血液中のHIV(血液1ミリリットル当たり200ウィルス生物体以下)、細菌戦シナリオ中の炭疽菌(空気1リットル当たり100生物体以下)、血液又は尿中の癌細胞(流体1ミリリットル当たり10 This type of treatment, for example, toxic E. coli 0157 in food (toxic at the level of food per 10 grams 1 organism), (200 hereinafter viral organisms blood per milliliter) HIV in the blood, anthrax in biowarfare scenario bacteria (100 or less organisms per liter air), cancer cells in the blood or urine (fluid per milliliter 10
細胞以下)、性病(例えば淋病やクラミジア)の尿中の病原体(流体1ミリリットル当たり100生物体以下)の検出に必要となる。 Cells or less) is required for the detection of venereal diseases (e.g. pathogens in urine gonorrhea or chlamydia) (100 hereinafter organisms per Fluid 1 mL).

【手続補正4】 [Amendment 4]

【補正対象書類名】明細書 [Correction target document name] specification

【補正対象項目名】0027 [Correction target item name] 0027

【補正方法】変更 [Correction method] change

【補正内容】 [Correction contents]

【0027】 流体の混合は、殆どの生化学分析的な詳細計画(プロトコル)において、共通且つ重大な事象である。 The mixing of the fluid, in most biochemical analytical details plan (protocol), which is a common and serious events. 従来の巨視的規模では、2つ以上の流体の混合を行なうために、ピペットや渦巻装置や吸引/分配ロボット工学を含めて、様々な有効な手段が存在する。 In conventional macroscopic scale, in order to perform the mixing of two or more fluids, including pipetting and swirling device or aspirating / robotics, there are a variety of effective means. しかしながら、微小流体システムでは、流体の混合が困難であることは周知のことである。 However, in a microfluidic system, that mixing of the fluids is difficult is well known. この問題は、殆どの微小流体システムにおいて、レイノルズ数が一般に非常に小さく(100未満)、流れが実質的に常に層状であるという事実から生じている。 This problem, in most microfluidic systems, the Reynolds number is generally very small (less than 100), the flow is occurring from the fact that it is substantially always laminar. レイノルズ数は、密度×速度×溝幅/粘度である。 Reynolds number is the density × speed × groove width / viscosity. 微小流体システムでは、溝幅が非常に小さいので、レイノルズ数は小さい。 The microfluidic system, since the groove width is very small, the Reynolds number is small. 巨視的なシステムでは、乱流が始まる前は、レイノルズ数は約2300以上であるに違いない。 The macroscopic system, before the turbulence begins must Reynolds number is about 2300 or more. 微小流体システムでは、流体流が実質的に決して乱流とならないので、混合はほぼ完全に拡散によって起こる。 The microfluidic system, the fluid flow is not substantially never turbulent mixing occurs by substantially completely diffused. ホルメスらは、1996年5月2日に発行された国際公開番号第WO96/12541号において、非混合性流体の間の拡散移動のための方法と装置を記載している。 Holmes et al., In International Publication No. WO96 / 12541, issued on May 2, 1996, describes a method and apparatus for diffusion transfer between immiscible fluids. 不幸にも、拡散による混合は非常に遅い場合がある。 Unfortunately, mixing by diffusion can be very slow. 一例としては、深さが300μm、幅が600μmの「 As an example, the depth is 300 [mu] m, a width of 600μm "
ジグザグ」溝がある。 There is a zig-zag "groove. この溝は100mmの流長のみで流体を完全に混合させる。 This groove is thoroughly mixed fluid only Nagarecho of 100 mm.

【手続補正5】 [Amendment 5]

【補正対象書類名】明細書 [Correction target document name] specification

【補正対象項目名】0031 [Correction target item name] 0031

【補正方法】変更 [Correction method] change

【補正内容】 [Correction contents]

【0031】 本発明は、流体を迅速かつ有効に拡散混合したり、従来の攪拌ベースの液相分離法と同じプロテイン抽出機能を行なうための手段を与える人工のエマルジョンを作ったりするのに有用な非常に大きな微小流体界面を産出するのに適した微小装置を提供する。 [0031] The present invention is useful for or create or mixed quickly and effectively diffuse the fluid, the artificial emulsion provides a means for performing the same protein extract features with conventional agitation-based liquid phase separation method providing micro devices suitable for producing very large microfluidic interface. 流体の効率的な拡散混合ができる構造とするために、超超微細機械加工された微小流体溝を作るために、新しいプロセス技術が利用できるようになって来ている。 To an efficient diffusion mixing can structure of the fluid, in order to make the ultra-micromachined microfluidic groove, new process technologies have become available. 深部反応イオンエッチング(DRIE)として知られた方法によって、非常に深く、然も驚くほど狭い溝の形成が可能である。 By methods known as deep reactive ion etching (DRIE), very deep, it is possible also surprisingly narrow groove formation natural. 迅速な拡散混合は、このプロセスを用いて、深く垂直な溝に2つの流体を流し、そられを一緒に合流させることによって実現される。 Rapid diffusion mixing, using this process, shed two fluids into deep grooves perpendicular, is achieved by merging the Re sky together. これによって2つの薄い垂直のシース( This two thin vertical sheath (
鞘状部)ができ、これらのシースは従来型の溝よりもずっと短い距離の拡散によって混合する。 Sheath portion) can be, these sheaths are mixed by diffusion of much shorter distance than conventional grooves. DRIEプロセスを利用した微小溝構造が、液相分離プロセスを支援するべく設計される。 Microgrooves structure using DRIE process is designed to support the liquid phase separation process. 図1〜5に示されているように、流体溝は固体の基板に様々な外面形態で形成される。 As shown in Figure 1-5, the fluid grooves are formed in various outer surface forms the substrate of the solid. 図2は、2つの深い溝70,72が1つの共通 溝74に合流する装置を示す。 Figure 2 shows an apparatus in which two deep grooves 70, 72 merge into a common groove 74. 溝は、DRIEを用いて、シリコン基板をエッチングして作られる。 Grooves, using DRIE, made the silicon substrate by etching. 各溝は、その幅75よりも大きな深さ73を持ち、3:1よりも大きな表面積比を提供する。 Each groove has a depth greater 73 than its width 75, 3: provides a large surface area ratio than 1. 分離された溝70,72を流れる流体は、共通 溝74で合流して2つの並流する薄い流体シースを形成する。 Fluid flowing through the separated groove 70, 72 forms a thin fluid sheath two parallel flow merges with a common groove 74. 幅に対して深くなった溝は、2つの流体が拡散混合するために、流対流の間に大きな界面領域を提供する。 It deepened groove the width, in order two fluids mixed diffusion, provides a large interfacial area between the flow convection. 図1Eは、6つの深い溝が単一の共通溝に合流する同種の装置の走査型電子顕微鏡写真である。 FIG. 1E, six deep grooves is a scanning electron micrograph of a device of the same type which merge into a single common groove. 別々の溝を通る流体は、共通溝において合流して6つの並流する流体シースを形成する。 Fluid through a separate groove forms a six fluid sheath cocurrent with merge at a common groove.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl. 7識別記号 FI テーマコート゛(参考) C07H 1/00 C07H 1/00 21/00 21/00 G01N 33/53 G01N 33/53 M 37/00 101 37/00 101 (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM ,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM) ,AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB,BG, BR,BY,CA,CH, ────────────────────────────────────────────────── ─── of the front page continued (51) Int.Cl. 7 identification mark FI theme Court Bu (reference) C07H 1/00 C07H 1/00 21/00 21/00 G01N 33/53 G01N 33/53 M 37/00 101 37/00 101 (81) designated States EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, I T, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, K E, LS, MW, SD, SZ, UG , ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, N,CU,CZ,DE,D K,EE,ES,FI,GB,GE,GH,GM,HR ,HU,ID,IL,IS,JP,KE,KG,KP, KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU,L V,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI, SK,SL,TJ,TM,TR,TT,UA,UG,U Z,VN,YU,ZW (72)発明者 ウィリアム・エイ・マクミラン アメリカ合衆国95014カリフォルニア州ク ペルティノ、プレシディオ・ドライブ8051 番 (72)発明者 エム・アレン・ノースロップ アメリカ合衆国94708カリフォルニア州バ ークリー、クレストン・ロード923番 (72)発明者 カート・イー・ピーターセン アメリカ合衆国95148カリフォルニア州サ ンノゼ、バレー・リッジ・ N, CU, CZ, DE, D K, EE, ES, FI, GB, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK , LR, LS, LT, LU, L V, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, U Z, VN, YU, ZW (72) inventor William TA McMillan United States 95014 California-click Perutino, Presidio drive 8051 No. (72) inventor M. Allen Northrop United States 94,708 California bar Kuri, Creston Road 923 No. (72) inventor Kurt E. Petersen United States 95,148 California support N'noze, Valley ridge イン3655番 (72)発明者 ファーザド・ポーラーマディ アメリカ合衆国94539カリフォルニア州フ レモント、パジャロ・ドライブ41013番 Fターム(参考) 2G042 CB03 CB04 GA01 HA02 4C057 AA10 BB02 DD01 MM02 MM04 4D017 AA11 BA07 DA01 DB02 DB03 DB04 EA05 4G057 AB34 AB38 AD01 AD11 4G075 AA13 BB01 BB04 BD07 BD15 BD16 CA02 CA54 DA01 EB01 EE31 FA02 FB04 【要約の続き】 せる。 In 3655 number (72) inventor Fazado Polar Muddy United States 94,539 California off Lemont, Pajaro drive 41013 No. F-term (reference) 2G042 CB03 CB04 GA01 HA02 4C057 AA10 BB02 DD01 MM02 MM04 4D017 AA11 BA07 DA01 DB02 DB03 DB04 EA05 4G057 AB34 AB38 AD01 AD11 4G075 AA13 BB01 BB04 BD07 BD15 BD16 CA02 CA54 DA01 EB01 EE31 FA02 FB04 to [continuation of the summary].

Claims (42)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】 流体試料中の所望の物質を他の物質から分離するための貫流装置において、 a)上記流体試料を上記本体に導入するための入口ポートと、 b)上記本体から上記流体試料を出すための出口ポートと c)上記試料が上記本体を流れるとき上記流体試料から上記所望の物質を抽出するための上記入口ポートと上記出口ポートとを流体で連通している抽出チャンバとを中に形成した本体を備え、 上記入口ポートと上記出口ポートとは上記流体が上記抽出チャンバを通って連続的に流れることができるように配置され、上記チャンバは上記本体の内部表面によって形成され、上記内部表面の少なくとも1つは、上記流体試料が上記チャンバを流れるときに上記所望の物質を捕獲するために、十分に広い表面積と上記所望の物質に対し 1. A flow-through device for separating a desired substance in the fluid sample from the other substances, a) the fluid sample with an inlet port for introducing into the body, b) the fluid sample from the body outlet port and c) said sample for exiting the medium and an extraction chamber in communication with a fluid and the inlet port and the outlet port for extracting the desired substance from the fluid sample when flowing through the body with the formed body, and the inlet port and the outlet port the fluid is arranged to be able to flow continuously through the extraction chamber, the chamber is formed by the internal surface of the body, the at least one of the inner surface, to the fluid sample to capture the desired material as it flows to the chamber, to a sufficiently large surface area and the desired material 十分に高い結合親和力とを有していることを特徴とする装置。 Apparatus characterized by and a sufficiently high binding affinity.
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の装置において、上記内部表面は、上記抽出チャンバの少なくとも1つの壁と一体に形成されて上記チャンバの中に延在する内部微小構造体の表面を備えていることを特徴とする装置。 The apparatus according to the claim 1, said internal surface includes a surface of the internal micro structure is formed integrally with at least one wall of the extraction chamber extends into the chamber apparatus characterized by there.
  3. 【請求項3】 請求項2に記載の装置において、上記内部構造体は高アスペクト比のコラムの配列を備えていることを特徴とする装置。 The apparatus according to 3. The method of claim 2, characterized in that the internal structure that includes an array of columns of high aspect ratio device.
  4. 【請求項4】 請求項2に記載の装置において、上記列は、上記内部構造体は列になって配置されていると共に、各列の上記微小構造体が隣接する列の上記部小構造体と一直線上に並ばないように配置されていることを特徴とする装置。 4. The apparatus of claim 2, said column, said internal structure is arranged closer turned columns, the unit small structure of the column in which the microstructure of each column adjacent apparatus characterized by being arranged so as not aligned on a straight line with.
  5. 【請求項5】 請求項4に記載の装置において、上記列は、各列の上記微小構造体が少なくとも2つ前の列または後の列の上記部小構造体と一直線上に並ばないように配置されていることを特徴とする装置。 The apparatus according to the claim 4, the column, as the fine structure of each column not arranged in alignment with the portion small structure of at least two previous column or after the columns apparatus characterized by being arranged.
  6. 【請求項6】 請求項2に記載の装置において、上記微小構造体の各々は、 6. The apparatus of claim 2, each of the microstructure,
    少なくとも4:1の断面長さと幅の比を有していることを特徴とする装置。 At least 4: and wherein the has a ratio of 1 cross-sectional length and width.
  7. 【請求項7】 請求項1に記載の装置において、上記所望の物質は、有機体と細胞とプロテインと核酸と炭水化物とウィルス粒子とバクテリアと化学薬品と生化学製品とから成るグループから選択されることを特徴とする装置。 7. The apparatus of claim 1, said desired material is selected from the group consisting of organisms and cells and protein and nucleic acid and a carbohydrate and virus particles and bacteria and chemicals and biochemical products and wherein the.
  8. 【請求項8】 請求項1に記載の装置において、内部表面の少なくとも1つは、上記所望の物質の捕獲を促進するために上記所望の物質と結合親和力を持つ材料で被覆されていることを特徴とする装置。 The apparatus according to claim 8 according to claim 1, that at least one of the internal surfaces are coated with a material having a binding affinity with the desired material to facilitate capture of the desired material device according to claim.
  9. 【請求項9】 請求項8に記載の装置において、上記材料は、シリコンと二酸化けい素とポリマーと核酸と金属とポリペプチドとプロテインと多糖類とから成るグループから選択されることを特徴とする装置。 The apparatus according to claim 9 according to claim 8, said material, characterized in that it is selected from the group consisting of silicon and silicon dioxide and polymer and nucleic acid and a metal and polypeptide and protein and polysaccharide apparatus.
  10. 【請求項10】 請求項1に記載の装置において、上記抽出チャンバを加熱するためのヒーターを備えていることを特徴とする装置。 The apparatus according to claim 10] according to claim 1, characterized in that it comprises a heater for heating the brewing chamber device.
  11. 【請求項11】 請求項10に記載の装置において、上記ヒーターは、上記チャンバの少なくとも1つの壁に結合された抵抗型加熱要素を備えていることを特徴とする装置。 The apparatus according to 11. 10. The heater device characterized in that it comprises a resistive heating element coupled to at least one wall of the chamber.
  12. 【請求項12】 請求項10に記載の装置において、上記ヒーターは、上記チャンバを形成している上記本体の少なくとも一部分に電位差を印加するための電極を備えていることを特徴とする装置。 The apparatus according to 12. The method of claim 10, said heater device characterized in that it comprises an electrode for applying a potential difference to at least a portion of the body forming the chamber.
  13. 【請求項13】 請求項10に記載の装置において、上記ヒーターの作動を制御するためのプロセッシングエレクトロニクスをさらに備えていることを特徴とする装置。 The apparatus according to claim 13 claim 10, characterized in that it further comprises a processing electronics for controlling the operation of the heater device.
  14. 【請求項14】 請求項1に記載の装置において、上記装置は上記流体試料のための前処理サイトを有するカートリッジと結合し、且つ、上記装置は上記カートリッジに挿入されて上記入口ポートが上記前処理サイトと流体で連通するように作られていることを特徴とする装置。 The apparatus according to claim 14 according to claim 1, said device is coupled with a cartridge having a pre-processing site for the fluid sample, and, said apparatus said inlet port being inserted into the cartridge the front apparatus characterized by being made to communicate with the processing site and the fluid.
  15. 【請求項15】 請求項1に記載の装置において、上記装置は溶離物質のための後処理サイトを有するカートリッジと結合し、且つ、上記装置は上記カートリッジに挿入されて上記出口ポートが上記後処理サイトと流体で連通するように作られていることを特徴とする装置。 The apparatus according to claim 15] according to claim 1, said device is coupled with a cartridge having a post-processing site for the eluent, and, the apparatus the outlet port is inserted into the cartridge the after-treatment apparatus characterized by being made to communicate with the site and the fluid.
  16. 【請求項16】 流体試料中の所望の物質を他の物質から分離するための方法において、 a)入口ポートと出口ポートと上記入口ポートおよび上記出口ポートに流体で連通している抽出チャンバとを有する本体を備える貫流装置を設けるステップを備えて、上記抽出チャンバは上記本体の内部表面によって形成され、上記内部表面は十分に大きな表面積と上記所望の物質に対して十分に高い結合親和力を有して、上記流体試料が上記チャンバを流れるときに上記物質を捕獲し、 b)上記流体試料を上記チャンバに連続的に強いて流すステップを備え、これによって上記流体試料が上記チャンバを流れるときに上記所望の物質を上記内部表面に結合させ、 c)溶離流体を上記チャンバに強いて流すことによって上記装置から上記所望の物質を溶 16. A method for separating a desired substance in the fluid sample from the other substances, an extraction chamber in communication with fluid in a) the inlet and outlet ports and the inlet port and the outlet port comprising the step of providing a flow-through device comprising a body having, the brewing chamber is formed by the internal surface of the body, the inner surface has a sufficiently high binding affinity sufficiently for large surface area and the desired material Te, the fluid sample is captured the material as it flows through the chamber, b) the fluid sample comprises continuously by force flow step in the chamber, whereby the desired when said fluid sample flows through the chamber the substance is bound to the internal surface, c) dissolve the desired material from the apparatus elution fluid by flowing by force into the chamber 離するステップを備え、これによって上記物質を上記内部表面から上記溶離流体に放出させることを特徴とする方法。 Comprising the step of releasing, whereby wherein the to release to the elution fluid said substance from said interior surface.
  17. 【請求項17】 請求項16に記載の方法において、上記所望の物質は、有機体と細胞とプロテインと核酸と炭水化物とウィルス粒子とバクテリアと化学薬品と生化学製品とから成るグループから選択されることを特徴とする方法。 The method according to 17. Claim 16, said desired material is selected from the group consisting of organisms and cells and protein and nucleic acid and a carbohydrate and virus particles and bacteria and chemicals and biochemical products wherein the.
  18. 【請求項18】 請求項16に記載の方法において、上記チャンバに強いて流す上記流体試料の容積は上記チャンバの最大収容容積よりも大きいことを特徴とする方法。 18. The method of A method according to claim 16, the volume of the fluid sample to flow by force in the chamber may be greater than the maximum volume capacity of the chamber.
  19. 【請求項19】 請求項16に記載の方法において、上記物質を溶離する上記ステップは、上記溶離流体を上記チャンバに強いて流す間上記内部表面を加熱するステップをさらに備えていることを特徴とする方法。 The method according to 19. Claim 16, said step of eluting the material, characterized in that it further comprises the step of heating between the inner surface to flow by force of the elution fluid into the chamber Method.
  20. 【請求項20】 請求項16に記載の方法において、上記溶離流体を上記チャンバに強いて流すステップの前に、ガスを上記チャンバに強いて流すステップをさらに備えていることを特徴とする方法。 20. A method according to claim 16, wherein in that the elution fluid before by force flow step in the chamber, further comprising a step of flowing by force the gas into the chamber.
  21. 【請求項21】 請求項16に記載の方法において、上記流体試料が上記チャンバに流れるとき、上記流体試料が溶解試薬に接触するステップをさらに備えていることを特徴とする方法。 The method according to 21. The method of claim 16, when the fluid sample flows into the chamber, wherein the further comprising a step of said fluid sample contacts the lysis reagent.
  22. 【請求項22】 請求項16に記載の方法において、上記内部表面は、上記抽出チャンバの少なくとも1つの壁と一体に形成された内部微小構造体の表面を備えていることを特徴とする方法。 The method according to 22. Claim 16, said inner surface, wherein in that it comprises at least one wall and the surface of the internal microstructure formed integrally of the extraction chamber.
  23. 【請求項23】 請求項22に記載の方法において、上記微小構造体は上記チャンバの中に延在するコラムを備え、且つ、上記流体試料を上記チャンバに強いて流すステップは上記流体試料を上記コラムの間に強いて流すステップを備えていることを特徴とする方法。 23. The method of claim 22, said micro-structure comprises a column extending into the chamber, and the step of flowing by force the fluid sample into said chamber the fluid sample the column method characterized in that comprises a by force flow step during.
  24. 【請求項24】 請求項16に記載の方法において、上記所望の物質の捕獲を促進するために上記流体試料を上記チャンバに強いて流す間、上記本体と上記流体試料との間に電位差を印加するステップをさらに備えていることを特徴とする方法。 The method according to 24. Claim 16 is applied between the potential difference between the body and the fluid sample said fluid sample to facilitate capture of the desired material flow by force in the chamber wherein the further comprising a step.
  25. 【請求項25】 流体試料中の所望の物質を他の物質から分離するための貫流装置において、 a) 極微製作されたチップであって、その中に i)上記流体試料をチップに導入するための入口ポートと、 ii)上記流体試料を上記チップから出すための出口ポートと、 iii)上記流体試料が上記チップを流れるとき上記流体試料から上記所望 の物質を抽出するための抽出チャンバとを有し、 上記抽出チャンバは上記入口ポートと上記出口ポートとに流体で連通し、且つ、上記入口ポートと上記出口ポートとは上記流体が上記抽出チャンバを通って連続的に流れることができるように配置されたチップと、 b) 上記抽出チャンバを加熱するためのヒーターと、 c) 上記流体試料が上記チャンバに連続的に流れるときに上記所望の物質を捕獲する 25. The flow-through device for separating a desired substance in the fluid sample from the other substances, a) a microscopic fabricated chip, i therein) for introducing the fluid sample into chips Yes of an inlet port, an outlet port for exiting ii) the fluid sample from the tip, and an extraction chamber for iii) the fluid sample to extract the desired material from the fluid sample as it flows to the chip and, the extraction chamber is in fluid communication with the and the inlet port and the outlet port, and, arranged so that it can said fluid flows continuously through the extraction chamber and the inlet port and the outlet port and chips, b) a heater for heating the brewing chamber, c) the fluid sample to capture the desired material as it flows continuously into the chamber めの上記捕獲チャンバの中に入れられた少なくとも1つの固形支持体とを備えていることを特徴とする装置。 Apparatus characterized in that it comprises at least one solid support was placed in the capture chamber of the eye.
  26. 【請求項26】 請求項25に記載の装置において、上記固形支持体は、ビードとファイバと膜とグラスウールとフィルタペーパーとゲルとから成るグループから選択された支持物を備えていることを特徴とする装置。 26. The apparatus of claim 25, said solid support, and characterized in that it comprises a supporting structure which is selected from the group consisting of beads and fibers and films and a glass wool filter paper and gels device that.
  27. 【請求項27】 請求項25に記載の装置において、上記所望の物質は、有機体と細胞とプロテインと核酸と炭水化物とウィルス粒子とバクテリアと化学薬品と生化学製品とから成るグループから選択されることを特徴とする装置。 27. The apparatus of claim 25, said desired material is selected from the group consisting of organisms and cells and protein and nucleic acid and a carbohydrate and virus particles and bacteria and chemicals and biochemical products and wherein the.
  28. 【請求項28】 請求項25に記載の装置において、上記ヒーターは、上記チャンバの少なくとも1つの壁に結合された抵抗型加熱要素を備えていることを特徴とする装置。 28. The apparatus of claim 25, said heater device characterized in that it comprises a resistive heating element coupled to at least one wall of the chamber.
  29. 【請求項29】 請求項25に記載の装置において、上記ヒーターは、上記チャンバを形成している上記チップの少なくとも一部分に電位差を印加するための電極を備えていることを特徴とする装置。 The apparatus according to 29. 25. The heater apparatus characterized in that it comprises an electrode for applying a potential difference to at least a portion of the chip forming the chamber.
  30. 【請求項30】 請求項25に記載の装置において、上記ヒーターの作動を制御するためのプロセッシングエレクトロニクスをさらに備えていることを特徴とする装置。 The apparatus according to claim 30] according to claim 25, characterized in that it further comprises a processing electronics for controlling the operation of the heater device.
  31. 【請求項31】 請求項25に記載の装置において、上記装置は上記流体試料のための前処理サイトを有するカートリッジと結合し、且つ、上記装置は上記カートリッジに挿入されて上記入口ポートが上記前処理サイトと流体で連通するように作られていることを特徴とする装置。 The apparatus according to claim 31] of claim 25, said device is coupled with a cartridge having a pre-processing site for the fluid sample, and, said apparatus said inlet port being inserted into the cartridge the front apparatus characterized by being made to communicate with the processing site and the fluid.
  32. 【請求項32】 請求項25に記載の装置において、上記装置は溶離物質のための後処理サイトを有するカートリッジと結合し、且つ、上記装置は上記カートリッジに挿入されて上記出口ポートが上記後処理サイトと流体で連通するように作られていることを特徴とする装置。 The apparatus according to claim 32] of claim 25, said device is coupled with a cartridge having a post-processing site for the eluent, and, the apparatus the outlet port is inserted into the cartridge the after-treatment apparatus characterized by being made to communicate with the site and the fluid.
  33. 【請求項33】 流体試料中の所望の物質を他の物質から分離するための方法において、 a)入口ポートと出口ポートと上記入口ポートおよび上記出口ポートに流体で連通している抽出チャンバとを中に形成したチップを設けるステップを備えて、上記入口ポートと上記出口ポートとは上記流体試料を上記チャンバに連続的に流せるように配置され、且つ、上記抽出チャンバは上記流体試料が上記チャンバを流れるときに上記所望の物質を捕獲するための少なくとも1つの固形支持物を含み、 b)上記流体試料を上記チャンバに連続的に強いて流すステップを備え、これによって上記流体試料が上記チャンバを流れるときに上記所望の物質を上記内部表面に結合させ、 c)上記チャンバを加熱することによって上記所望の物質を上記チップか 33. A method for separating a desired substance in the fluid sample from the other substances, an extraction chamber in communication with fluid in a) the inlet and outlet ports and the inlet port and the outlet port comprising the step of providing the formed chips into, and the inlet port and the outlet port is located the fluid sample so flown continuously into the chamber, and, the extraction chamber the fluid sample to the chamber comprising at least one solid support material for capturing the desired material as it flows, b) the fluid sample comprises continuously by force flow step in the chamber, whereby when said fluid sample flows through the chamber the desired material is bound to the internal surface, c) the chip or the desired substance by heating the chamber ら溶離し、且つ、溶離流体を上記チャンバに強いて流すステップを備え、これによって上記物質を上記固形支持物から上記溶離流体に放出させることを特徴とする方法。 How to Luo eluted and the elution fluid includes a by force flow step in the chamber, thereby characterized in that to release the said elution fluid the material from the solid support.
  34. 【請求項34】 請求項33に記載の方法において、上記所望の物質は、有機体と細胞とプロテインと核酸と炭水化物とウィルス粒子とバクテリアと化学薬品と生化学製品とから成るグループから選択されることを特徴とする方法。 The method according to 34. The method of claim 33, said desired material is selected from the group consisting of organisms and cells and protein and nucleic acid and a carbohydrate and virus particles and bacteria and chemicals and biochemical products wherein the.
  35. 【請求項35】 請求項33に記載の方法において、上記チャンバに強いて流す上記流体試料の容積は上記チャンバの最大収容容積よりも大きいことを特徴とする方法。 35. A method in the method of claim 33, the volume of the fluid sample to flow by force in the chamber may be greater than the maximum volume capacity of the chamber.
  36. 【請求項36】 請求項33に記載の方法において、上記溶離流体を上記チャンバに強いて流すステップの前に、ガスを上記抽出チャンバに強いて流すステップをさらに備えていることを特徴とする方法。 The method according to 36. 33. A method, characterized in that the elution fluid before by force flow step in the chamber, further comprising a step of flowing by force the gas into the extraction chamber.
  37. 【請求項37】 請求項33に記載の方法において、上記流体試料が上記チャンバに流れるとき、上記流体試料が溶解試薬に接触するステップをさらに備えていることを特徴とする方法。 The method according to 37. Claim 33, when the fluid sample flows into the chamber, wherein the further comprising a step of said fluid sample contacts the lysis reagent.
  38. 【請求項38】 流体を操作するための装置であって、 少なくとも第1流体と第2流体とをそれぞれ通す第1溝と第2溝とを中に形成した基板を備え、上記第1溝と上記第2溝はこれらの流体流の接触領域を提供する共通溝に合流し、上記共通溝はその外面表面積の3倍以上の内部表面積を有して上記流体流の間に大きな界面面積を提供することを特徴とする装置。 38. A device for operating a fluid, comprising a substrate formed in a first groove and a second groove through each at least a first fluid and the second fluid, and the first groove the second groove is joined to a common groove to provide a contact area of ​​these fluid flow, providing a large interfacial area between the common grooves the fluid flow has an internal surface area of ​​more than 3 times the outer surface area apparatus characterized by.
  39. 【請求項39】 請求項38に記載の装置において、上記共通溝に配置されたピラーをさらに備えて上記流体流の安定性を増大させていることを特徴とする装置。 The apparatus according to claim 39 claim 38, characterized in that to increase the stability of the fluid flow further comprises a pillar disposed on the common groove system.
  40. 【請求項40】 請求項38に記載の装置において、上記第1溝と上記第2 40. The apparatus of claim 38, said first groove and said second
    溝とは複数の共通溝に合流して、対応した複数の接触領域を上記流体流に対して提供することを特徴とする装置。 The grooves merge into a plurality of common grooves, a plurality of contact areas corresponding to and providing to said fluid flow apparatus.
  41. 【請求項41】 請求項38に記載の装置において、上記接触領域から離れて上記共通溝と流体で連通している第3溝と第4溝とをさらに備えて、上記第1 The apparatus according to claim 41] Claim 38, further comprising a third groove and a fourth groove away from the contact area in communication with the common groove and the fluid, the first
    流体流と上記第2流体流とをそれぞれ通すことを特徴とする装置。 And wherein the passing a fluid flow and the second fluid, respectively.
  42. 【請求項42】 流体を操作するための装置であって、 a)第1流体流を通すための第1溝と、 b)上記第1溝と流体で連通し、且つ、上記第1流体流を第2流体流と第3流体流とに分離するために上記第1溝から分岐している第2溝と第3溝とを 中に形成した基板を備え、 上記溝の各々はその外面表面積の3倍以上の内部表面積を有して上記流体流の間に大きな界面面積を提供することを特徴とする装置。 42. A device for operating a fluid, a) a first groove for the passage of the first fluid stream, b) communicating with the first chamber and the fluid, and said first fluid flow comprising a substrate which is formed in the second groove and the third groove is branched from the first groove for separation into a second fluid and the third fluid stream, each of said grooves is an outer surface area and wherein the providing a large interfacial area between the fluid flow has an internal surface area of ​​more than three times.
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