JP2002505009A - マイクロチャネル装置におけるサンプル注入方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 液体サンプルを少なくとも第一のマイクロチャネル（１１）と第二のマイクロチャネル（１２）と第四のマイクロチャネル（１４）との交差部分（５）から第三のマイクロチャネル（１３）へと段階によって搬送する搬送方法と搬送装置とを提供する。第一の段階においては、サンプル用液体は第四のマイクロチャネルから交差部分を通って第二のマイクロチャネルに進入する。同時にキャリア用液体が第一および第三のマイクロチャネルから交差部分を通って第二のマイクロチャネルに進入する。その後、第二の段階においては、交差部分の含有量の少なくとも一部が第三のマイクロチャネルに移動し、同時に第二および第四のマイクロチャネルの含有量の一部が交差部分を通って、第三のマイクロチャネルに進入する。その後、第三の段階においては、キャリア用液体は第一のマイクロチャネルから交差部分を通って、第二および第三および第四のマイクロチャネルに同時に進入する。或る実施態様においては、マイクロチャネルのセグメントに電界を掛けることによって、サンプル用液体とキャリア用液体とが動電学的に移動する。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロチャネル装置におけるサンプル注入方法 本発明はマイクロチャネル構造における流体のマイクロ操作に関する。 キャピラリ程度の寸法を有するマイクロチャネル構造を発展させるために多大 な関心が向けられている。このマイクロチャネル構造において、小体積の液体と 液体内に担持される少量の材料とを動電学的に、すなわち電界による駆動力によ って搬送することができる。マイクロチャネル内において液体（例えば溶媒）に 電界を掛けることによって、液体の電気浸透の運動による、液体および液体内に 担持される材料（例えば溶質）のバルク流れ（ｂｕｌｋ ｆｌｏｗ）と、液体内 の材料自体の電気移動法による電気移動作用とが生じる。従って、電気移動作用 を、液体内において異なる電気泳動の運動をする材料を分離させるために使用す ることができて、マイクロチャネル装置内で物質を点から点まで搬送させるため に電気浸透の流れと電気移動作用との両方を使用することができる。 マイクロチャネル装置内において弁を使用することなくサンプルを注入するた めに電気浸透の流れを採用する様々な試みが開示されている。 Ｄ．Ｊ．ハリソン（Ｈａｒｒｉｓｏｎ）等による「平坦なガラス製チップと一 体的なキャピラリによる電気泳動およびサンプル注入システム（Ｃａｐｉｌｌａ ｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ ａｎｄ Ｓａｍｐｌｅ Ｉｎｊｅｃｔ ｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｎ ａ Ｐｌａｎａｒ Ｇ ｌａｓｓ Ｃｈｉｐ）」（１９９２）（分析化学（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．）、６ ４巻、Ｐ１９２６からＰ１９３２）は、Ｔ字形接合部において交差するチャネル 内において弁を使用しないで流体流れを切り換える機構を提案している。この機 構において、サンプル供給用チャネルと、「可動状態」供給用チャネルと分離用 チャネルとが、共通の交差場所において交差している。電極は各チャネルのヘッ ド部における入口に配置される。蛍光染料の混合物を含むサンプルは注入器によ ってサンプル供給用チャネル内に供給され、次いで、可動状態供給用チャネルと 分離用チャネルとには緩衝液が注入器によって供給される。次いで、サンプル供 給用チャネルのヘッド部におけるリザーバと分離用チャネルとの間に電圧を印加 して、サンプル供給用チャネル内のサンプル溶液を分離用チャネルに沿ってこの 内部へと移動させて蛍光検出器に通過させる。この機構によれば、短時間にわた ってサンプル供給用リザーバと分離用リザーバとの間に電圧を印加することによ って、サンプルからなるプラグをサンプル供給用チャネルから分離用チャネル内 へと注入させることができ、次いで、サンプル供給用リザーバ内の電圧を「浮動 （ｆｌｏａｔ）」（すなわち、接地部と電源との両方から切断すること）させる ことができ、同時に可動状態供給用リザーバと分離用リザーバとの間に電圧を印 加させることによって、プラグ（ｐｌｕｇ）を分離用チャネル内で移動させて分 離させる。実際には、いくらかのサンプル用材料は、分離段階時に交差場所にお いて拡散もしくは対流することによりサンプル供給用チャネルから漏れる場合が ある。注入段階の後に可動状態供給用リザーバとサンプル供給用リザーバとの間 に電圧を印加させることによって、漏れを少なくすることができて、溶剤をサン プル供給用チャネル内に戻してサンプルを交差部から遠ざけることができる。 異なる機構はＳ．Ｃ．ヤコブセン（Ｊａｃｏｂｓｅｎ）等による 「マイクロチップ電気泳動装置の特性に関する注入機構部とカラム形状との影響 （Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｓｃｈｅｍｅｓ ａｎｄ Ｃｏ ｌｕｍｎ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｔｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ Ｄｅｖｉｃｅｓ）」（１ ９９４ｂ）（分析化学、６６巻、Ｐ１１０７からＰ１１１３）に開示されている 。この機構においては、四つのチャネルが共通の交差部分において交差して、「 注入用交差箇所（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｃｒｏｓｓ）」を形成している。従って 、検体供給用チャネルは検体用リザーバから注入用交差箇所まで延びており、検 体廃棄用チャネルは注入用交差箇所から検体廃棄用リザーバまで延びており、緩 衝液供給用チャネルは緩衝液用リザーバから注入用交差箇所まで延びており、さ らに、分離用チャネルは注入用交差箇所から廃棄用リザーバまで延びている。こ の装置は、「サンプル充填モード」と「分離モード」とにおいて作動する。サン プルの導入に関する二つの形式をサンプル充填モードについて説明する。「浮動 」タイプのサンプルを充填する際に、検体廃棄用リザーバを接地すると共に検体 用リザーバに電圧を印加して、緩衝液用リザーバと廃棄用リザーバとを浮動させ る。サンプルはサンプル用リザーバから注入用交差箇所を通ってサンプル廃棄用 チャネル内へと導かれるために、いくらかのサンプルが緩衝液供給用チャネルと 廃棄用チャネルとの内部へと横断方向に移動する。「圧迫される（ｐｉｎｃｈｅ ｄ）」形式のサンプルを充填する際には、検体廃棄用リザーバを接地しつつ、検 体用リザーバと緩衝液用リザーバと廃棄用リザーバとに電圧を印加する。サンプ ルは交差部分を通って導かれるので、サンプルの流れは、緩衝液用リザーバと廃 棄用リザーバとから進入する緩衝液の流れにより拘束される。圧迫されるサンプ ルもしくは浮動のサンプルを充填した後 に、装置を分離モードに切り換える。ここでは、廃棄用リザーバを接地すると共 に、電圧を緩衝液用リザーバに印加する。テーリングを避けるのに必要な注入用 プラグを完全に破断させるために、交差部分において電圧を、緩衝液用リザーバ の電圧よりも低くて他の三つのリザーバの電圧よりも高いように維持することに よって、緩衝液は緩衝液用チャネルから導かれて、検体用チャネルと検体廃棄用 チャネルと分離用チャネルとに同時に進入して、サンプル供給用チャネルとサン プル廃棄用チャネルとの内部のサンプルを交差部分から遠ざける。 注入用交差箇所を採用している「ゲートで制御された弁」注入機構が、Ｓ．Ｃ ．ヤコブセン（Ｊａｃｏｂｓｅｎ）等による「一体的な柱状カラム反応器による マイクロチップキャピラリ電気泳動法（Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ Ｃａｐｉｌｌａｒ ｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ ａｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｓｔ ｃｏｌｕｍｎ Ｒｅａｃｔｏｒ）」（１９９４ｂ）（分析化学、６６巻、Ｐ３４ ７２からＰ３４７６）に開示されている。ここでは、検体廃棄用リザーバが接地 されつつ、検体用リザーバに電圧を連続的に印加させ、それによりサンプルは検 体用リザーバから交差部分まで連続的に導かれ、次いで交差部分から検体廃棄用 リザーバまで横断方向に移動される。廃棄用リザーバが接地されつつ、緩衝液用 リザーバに電圧を印加し、検体の流れを検出してサンプルが分離用チャネルに移 動するのを妨げる。サンプルが検体供給用チャネルから交差部分を横切って分離 用チャネルに移動できるようにするために、緩衝液用リザーバと検体廃棄用リザ ーバとにおける電圧は短時間にわたって浮動している。サンプルからなるプラグ が分離用チャネルを通過するときに、サンプルからなるプラグを分離させるため に、緩衝液用リザーバと検体廃棄用リザーバとにおいて電圧を再印加する。 同様の構成と変更例とが国際公開第ＷＯ９６／０４５４７号公報に開示されて いる。 発行された欧州特許出願第０６２０４３２号公報は、サンプルを充填するため の「ズレＴ」マイクロチャネル形状を開示している。ここでは、供給用チャネル と引き出し用チャネルとが、電解質用チャネルに通ずる各供給用ポートと導出用 ポートとによって開放している。電解質用チャネルに沿った供給用ポートと導出 用ポートとの間の距離は固定されたサンプルの体積を表している。サンプルは、 供給用チャネルと引き出し用チャネルとの間において或る時間にわたって電圧を 印加することによって充填される。電圧を印加する時間は、最も低い電気泳動易 動度を有するサンプル構成要素が所定のサンプルの体積に含まれるのに少なくと も十分長い時間である。次いで、電圧を電界質用チャネルに沿って印加して、サ ンプルからなるプラグを移動させてこれを分離させる。サンプルを充填した後で あって分離させる前に、電解質の緩衝液を電解質用チャネルから供給用チャネル 内および引き出しチャネル内へと前進させて、サンプルをこれらチャネル内へと 押し込んで電解質用チャネル内のサンプルからなるプラグから遠ざけることがで きるのが好ましい。 図１ａ、図２ａ、図３ａ、図４ａは、本発明に基づくサンプル注入方法の実施 態様において図示される工程におけるマイクロチャンネル形状の略図である。 図１ｂ、図２ｂ、図３ｂ、図４ｂは、さらに詳細な図１ａ、図２ａ、図３ａ、 図４ａの注入用交差箇所を示す略図である。 図５から図８は、図１に示されるよう構成される装置において、本発明に基づ くサンプル注入を行うのに適した電圧パラメータを示す略図である。 図９は、実施例１に示されるよう構成されるマイクロチャンネル 部分の断面を示す略図であって、マイクロチャネルの横断面を示している。 図１０は、図１ａおよび図１ｂから図４ａおよび図４ｂに示される装置を使用 するサンプル注入データのプロットを示しており、図３ａ、図３ｂに示される工 程における本発明によるサンプルのプロフィルとの比較が種々の時間（ｔ＝０． １０、０．２０、０．５０および１．００秒）に関して行われており、図３ａ、 図３ｂ（ｔ＝０秒）に示される工程は省略してある。 図１１は、図１ａおよび図１ｂから図４ａおよび図４ｂに示される装置を使用 するサンプル注入データのプロットを示しており、図３ａ、図３ｂに示される工 程における本発明によるサンプルのプロフィルとの比較が種々の時間（ｔ＝０． ０５、０．１０、０．１５、０．２０、０．３０、０．４０、０．５０、０．７ ５、１．００および１．５０秒）に関して行われており、図３ａ、図３ｂ（ｔ＝ ０秒）に示される工程は省略してある。 一つの一般的な態様は、本発明はサンプル用液体を、少なくとも第一の、第二 の、および第四のマイクロチャネルの交差部分から第三のマイクロチャネルまで 段階ごとに搬送する搬送方法に関する。第一の段階においては、第四のマイクロ チャネル内のサンプル用液体は第四のマイクロチャネルから交差部分を通って第 二のマイクロチャネルまで移動され、同時に第一のマイクロチャネル内と第三の マイクロチャネル内とのキャリア用液体は、第一および第三のマイクロチャネル から交差部分を通って第二のマイクロチャネルまで移動される。次いで、第二の 段階において、交差部分の含有量の少なくとも一部が第三のマイクロチャネルへ と移動され、同時に第二および第四のマイクロチャネルの含有量の一部が交差部 分を通って第三のマイクロチャネルまで移動される。次いで、第三の段階におい ては、キャリア用液体は第一のマイクロチャネルから交差部分を通って第二およ び第三および第四のマイクロチャネルまで同時に移動される。 或る実施態様においては、第二の段階の継続時間の少なくとも一部のときに、 第一のマイクロチャネルの含有量の少なくとも一部が交差部分を通ってさらに移 動される。 或る実施態様においては、マイクロチャネルのセグメントに電界を掛けること によって、サンプル用液体とキャリア用液体とを動電学的に移動させる。電界は 電気浸透によってマイクロチャネルの含有量の液体のバルク運動を引き起こすこ とができて、マイクロチャネル内において帯電した材料、すなわち小イオンおよ び帯電したサンプル用材料に電気泳動の運動を引き起こすことができる。さらに 、液体の運動は、ここでは用語として使用されるように、マイクロチャネル内の 液体のバルク流れ、もしくはマイクロチャネルの含有量における帯電した材料の 流れ、もしくは液体のバルク流れと帯電した材料の流れとの混合状態を想定して いる。電気浸透によるキャリア用液体とサンプル用液体の運動の速度、および電 気泳動による帯電した材料の運動の速度を、セグメント内における電界の強さを 調節することによって、すなわち、各マイクロチャネルのセグメントの端部にお いてマイクロチャネルの含有量と接触している電極における電位差を調節するこ とによって各マイクロチャネルのセグメント内において調節することができる。 通常、リザーバは、交差部分と対向するマイクロチャネルの端部と流体連通す るよう設けられていて、それによりサンプル用液体、キャリア用液体、もしくは 廃棄用液体のそれぞれが、リザーバと各マイクロチャネルとの間で移動できるよ うになる。或る実施態様においては、異なる電圧を印加するために、さらに各段 階において各 マイクロチャネルのセグメントに異なる電界を掛けるために、電極はリザーバ内 の流体と接触するようリザーバ内に設けられている。 本発明は、高い再現性を有していて寸法の程度について正確に計量されたサン プルを搬送することに関する。 図１ａを参照すると、単純なマイクロチャネル装置１０が示されており、この マイクロチャネル装置１０は、第一のチャネル１１と、第二のチャネル１２と、 第三のチャネル１３と、第四のチャネル１４とに流体連通しているリザーバ１、 ２、３、４を有しており、これらチャネルは共通の交差部分もしくは注入用交差 箇所５において交差している。従って、注入用交差箇所は緩衝液供給用チャネル １１によって緩衝液用リザーバ１に、サンプル供給用チャネル１４によってサン プル用リザーバもしくはサンプル供給用リザーバ４に、サンプル廃棄用チャネル １２によってサンプル廃棄用リザーバ２に、および分離用チャネル１３によって 廃棄用リザーバ３に接続されている。リザーバ１、２、３、４のそれぞれは、電 極（図示しない）と関連付けられていて、これら電極は各電極における電圧を手 動および／または自動で制御するための制御手段によって電源（図示しない）に 接続されている。 マイクロチャネル装置は、キャリア用液体の媒体、例えば緩衝液によってリザ ーバおよびチャネルを充満することによって使用できるよう準備され、サンプル 用リザーバ４は、対象となる材料を担持している液体によって充満される。 図１ａおよび図１ｂに示される本発明に基づくサンプル注入の第一の段階にお いては、リザーバにおける電圧は、対象となる材料を含む液体がサンプル用リザ ーバ４からサンプル供給用チャネル１４を通って注入用交差箇所５へと流れ、次 いで注入用交差箇所５を横切ってサンプル廃棄用チャネル１２内に進入してサン プル廃棄用リ ザーバ２に向かうように、および同時にキャリア用液体の媒体が緩衝液用リザー バ１から緩衝液供給用チャネル１１を通って注入用交差箇所５まで流れて次いで サンプル廃棄用チャネル１２に進入し、かつ廃棄用リザーバ３から分離用チャネ ル１３を通って注入用交差箇所５まで流れてサンプル廃棄用チャネル１２に進入 するように調節される。例えばサンプル廃棄用リザーバ２における電圧を他の三 つのリザーバ内の電圧よりも高くすることによって、この流れのパターンを形成 することができ、それにより、流体は他の三つの源から動電学的に導かれてサン プル廃棄用リザーバ２に向かうようになる。 図１ｂよりさらに明らかであるように、この第一の段階時に、チャネルの交差 部分において、対象となる材料を含む液体の流れ（図１ｂにおいて矢印２１で示 される）が、一側において緩衝液供給用チャネルから交差部分へと進入するキャ リア用液体の流れ（図１ｂにおいて矢印２０で示される）と他側において分離用 チャネルから交差部分に進入するキャリア用液体の流れ（図１ｂにおいて矢印２ ２によって示される）とによって圧迫される。 次いで、図２ａおよび図２ｂに示すように全てのチャネル内の流れは、一瞬、 停止する。このとき、対象となる材料を含む液体はサンプル供給用チャネル１４ と、チャネルの交差部分のほとんどと、交差部分に隣接しているサンプル廃棄用 チャネル１２の少なくとも一部とを占めている。例えば、四つの全てのリザーバ 内の電圧が同じになるように調節することによって流れを停止させることができ る。 次いで、図３ａおよび図３ｂに示される第二の段階において、リザーバにおけ る電圧を、交差部分と交差部分に隣接しているチャネル１１、１２、１４の一部 とから流体の分離用チャネル１３内に流 れるように調節する。例えばサンプル廃棄用リザーバ２における電圧を他の三つ のリザーバ内の電圧よりも高くすることによって、この流れのパターンを形成す ることができ、それにより、流体は他の三つの源から動電学的に導かれて廃棄用 リザーバ３に向かうようになる。 図３ｂよりさらに明らかであるように、この第二の段階において、対象となる 材料を含む液体からなるプラグ３０が形成されて分離用チャネル１３内において 廃棄用リザーバ３に向かって移動し始める。このプラグ３０はサンプル供給用チ ャネル１４（矢印２６で示される）およびサンプル廃棄用チャネル１２（矢印２ ４で示される）から供給されて、緩衝液供給用チャネル１１（矢印２５で示され る）からのキャリア用媒体の運動によって後方から押される。この第二の段階は 、選択された時間にわたって維持されて、このときに、プラグ３０はプラグ３０ が廃棄用リザーバ３に向かって移動するときに形成され続ける。 図４ａおよび図４ｂに示される第三の段階において、リザーバにおける電圧を 調節して、それにより、キャリア用媒体が交差部分へと移動して次いでサンプル 廃棄用チャネル１２とサンプル供給用チャネル１４と分離用チャネル１３とに進 入するようになる。これと同時に、対象となる材料を含む流体は交差部分から離 れてサンプル供給用チャネル１４に進入してサンプル用リザーバ４に向かい、お よびサンプル廃棄用チャネル１２に進入してサンプル廃棄用リザーバ２に向かう ようになって、注入されたサンプルを構成しているプラグ３０が分離用チャネル １３に進入して廃棄用リザーバ３に向かうようになる。 注入用交差箇所内の流れパターンは図４ｂよりさらに明らかに示されており、 プラグ３０の運動は矢印２８で示されている。対象と なる材料を含む液体の運動は、矢印２７および矢印２９でそれぞれ示されるよう に交差部分から離れて、サンプル供給用チャネル１４およびサンプル廃棄用チャ ネル１２内へと移動する。 サンプルは、電気泳動の運動が異なる構成要素からなる混合物を含むというこ とで明らかであるように、これら構成要素は、分離用チャネル内において電界内 を移動するときに分離される。分離用チャネルに沿った下流の場所に配置される 適切な検出器を使用して、構成要素が通過するときに構成要素を検出することが できる。 本発明に基づくマイクロチャネル装置をあらゆる技術を使用してあらゆる材料 から製造することができる。好ましい装置は、要求される形状と寸法とを有する 開放チャネルパターンを基材の平坦面に形成して、次いで平坦なカバー材料によ って表面を覆ってチャネルを封止することによって製造される。フォトリソグラ フィとウェットエッチングとの技術が、マイクロチャネルをシリコンもしくはガ ラスもしくは石英製基材に形成するのに採用されており、このことは前述したＤ ．Ｊ．ハリソン等（１９９２）の例、Ｓ．Ｃ．ヤコブセン等（１９９４ａ）の例 、Ｓ．Ｃ．ヤコブセン等（１９９４ｂ）の例、国際公開第ＷＯ９６／０４５４７ 号公報、および欧州特許第０６２０４３２号明細書、ならびに米国特許第４９０ ８１１２号明細書、米国特許第５２５０２６３号明細書に開示されている。プラ スチック材料からマイクロチャネル装置を組み立てる技術の例は、１９９７年５ 月９日に出願された米国特許出願第０８／８５３６６１号明細書に開示されてい る。 図９は、マイクロチャネル装置のチャネルを横断方向に横切る断面を示してい る。ベース用プレート４２が、略平坦面４３に形成されたチャネル４０を有して いる。カバー４５が略平坦面４２を有しており、この略平坦面４２はベース用プ レートの略平坦面４３と並 置されてチャネル４０を封止している。ベース用プレートは射出成形、例えばフ ォトリソグラフィとウェットエッチングとの技術により単一工程もしくは一連の 工程から成形されており、結果的に形成されるチャネルの断面形状はおおよそ台 形状である。壁部４６、４７、４８はベース用プレートの材料内に形成されてお り、封止用壁部４２はカバー４５の表面４４の一部分から形成されている。略平 坦面４３と表面４４とを結合させるのに適した技術が、１９９７年５月９日に出 願された米国特許出願第０８／８５３６６１号明細書に開示されている。リザー バを、例えば適切な場所にカバー材料を通る穴を設けることによって形成するこ とができる。 装置内において要求される場所に電極を配置するのに適した技術が、例えば米 国特許第５１２６００２号公報、および１９９７年５月９日に出願された米国特 許出願第０８／８５３６６１号明細書に開示されている。電極は導電性材料を含 んでいて、要求される場所においてリザーバ内もしくはチャネル内において流体 と接触している。導電性材料は、電気化学的に不活性な不活性材料、例えばプラ チナもしくはパラジウムもしくは炭素などであるのが好ましい。電極を、例えば 電気メッキもしくは真空メッキなどの技術によって、ベース用プレートもしくは カバー上にパターン（ｔｒａｃｅ）として配置することができる。 以下の実施例は、図１ａおよび図１ｂから図４ａおよび図４ｂに示されるマイ クロチャネル形状を有するマイクロチャネル装置の製造と、本発明に基づくマイ クロチャネル装置の操作とを示している。 実施例１ この実施例は、図１ａから図４ａおよび図１ｂから図４ｂに示さ れるマイクロチャネル形状を有するマイクロチャネル装置が、アクリル性ポリマ からなるベース用プレートとカバーとから構成され、並置される表面は熱結合技 術によって一緒に結合されている。 簡潔に言えば、フォトリソグラフィによる電鋳技術と射出整形技術とが、アク リル性ポリマ（アットハス社のプレキシグラス（ＡｔｏＨａａｓ，Ｐｌｅｘｉｇ ｌａｓ）（登録商標）Ｖ８２５ＮＡ−１００）からなるマイクロチャネルのベー ス用プレートを準備するのに使用される。マイクロチャネル構造は、長さがそれ ぞれ２センチメートルおよび５．５センチメートルの寸法からなる交差した二つ の線形のチャネルに対応している。チャネルの断面は台形状であって、最も幅が 広い部分は約１２０マイクロメートルで、最も幅の狭い部分は約５０マイクロメ ートルであり、平均深さは約５０マイクロメートルである。チャネルの終端部に おいては、直径が３ミリメートルの穴が緩衝液用リザーバとして開けられている 。 同様な技術により射出整形された平坦なアクリル性ポリマのプレートが、マイ クロチャネル構造を封止するカバーとして使用される。ベース用プレートとカバ ー用プレートとを、通常以下のように行われる熱結合手順によって物理的に結合 させる。マイクロチャネルのベース用プレートと平坦なカバー用プレートとが、 プレートを加熱して圧力下で二つのプレートを機械的に包むことのできる機械的 な取付具内に一緒に取り付けらる。これらを結合させるために、マイクロチャネ ルのカセット構造を含む取付具をオーブン内において毎分１度の速度で１０４度 まで加熱させる。次いで温度を１０４度において２時間維持する。このときに、 二つのプレートの表面が溶解して互いに融合する。完全に結合させるために、温 度を毎分１度の速度で室温まで下げる。次いで、取付具を開放させて、アクリル ／アクリルのマイクロチャネル構造を取り外す。 結果的に形成されたマイクロチャネルを含むカセットにおいては、チャネルは 、同一のアクリル性射出整形用樹脂から製造された四つのアクリル性の壁によっ て形成されている。チャネルの断面はおおよそ台形であって、深さ（図９におけ るｄ）が約５０マイクロメートルで、狭い方の幅の寸法（図９におけるｗ）は約 ５０マイクロメートルで、広い方の幅の寸法（図９におけるｗ’）は約１２０マ イクロメートルである。 ７６マイクロメートルの直径を有するプラチナ製ワイヤからなる電極は、四つ のリザーバのそれぞれまで形成されて、ＫＫ（登録商標）電気ヒータ（ワルドン エレクトロニクス社（Ｗａｌｄｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｎｃｓ））の、ピッチ が２．５４ミリメートルである四つのピンを備えたチップの一端で終端している 。 実施例２ この実施例においては、図１ａおよび図１ｂから図４ａおよび図４ｂに示され るマイクロチャネル形状を有するマイクロチャネル装置が、アクリル性ポリマか らなるベース用プレートとカバーとから構成され、熱活性化される接着剤によっ てマイラー（Ｍｙｌａｒ）（登録商標）のシートを熱的にラミネートしている。 簡潔に言えば、アクリル性ポリマのベース用プレートは実施例１に示されるよ うに形成されており、チャネルを、熱活性化される接着剤（トップフライト社（ Ｔｏｐ Ｆｌｉｇｈｔ Ｃｏ．）により製造されたモノコテ（ＭｏｎｏＫｏｔｅ ）（登録商標）で被覆された２ミル（約５０マイクロメートル）の厚さのマイラ ーのシートを１０５度において５分間、熱的にラミネートすることによって被覆 する。 このように形成された分離用マイクロチャネルは、三つのアクリ ル性限定用壁部（図９における４６、４７、４８）と、モノコテの接着剤からな る第四の壁部の表面（図９における４２）とを有している。チャネルの断面は、 深さ（図９におけるｄ）は約５０マイクロメートルで、狭い方の幅の寸法（図９ におけるｗ）は約５０マイクロメートルで、広い方の幅の寸法（図９におけるｗ ’）は約１２０マイクロメートルである。 実施例１のように、７６マイクロメートルの直径を有するプラチナ製ワイヤか らなる電極は、四つのリザーバのそれぞれまで形成されていて、ＫＫ（登録商標 ）電気ヒータ（ワルドンエレクトロニクス社）の、ピッチが２．５４ミリメート ルである四つのピンを備えたチップの一端で終端している。 実施例３ この実施例は、実施例１もしくは実施例２のように形成された本発明に基づく 装置の動作を示している。 組み立てられた装置は、緩衝液によってリザーバ１、２、４を充満させ、次い でリザーバ３を減圧して緩衝液をチャネル１１、１２、１３、１４内に引き出す ことによって緩衝液により充填される。次いで、リザーバ３が緩衝液により充填 される。次いで、緩衝液はサンプル供給用リザーバ４から取り除かれて、サンプ ル用材料を含む緩衝液に置換される。 次いで、図５から図８に示すように、各段階において電圧を印加する。 特に、図５に示される第一の段階において、サンプル供給用リザーバ４におけ る電極は接地され、４５０ボルトの電圧がサンプル廃棄用リザーバ２における電 極に印加される。同時に、廃棄用リザーバ３における電極が接地されて、１００ ボルトの電圧が緩衝液供給 用リザーバ１における電極に印加される。これにより、図１ａ、図１ｂを参照し て前述されるように注入用交差箇所を通る流体の運動のパターンが得られる。従 って、サンプル供給用リザーバとサンプル廃棄用リザーバとの間の電位差によっ て、サンプル用材料がサンプル供給用チャネルを通って、交差部分を横切って、 サンプル廃棄用チャネルに進入する。同時に、廃棄用リザーバとサンプル廃棄用 リザーバとの間の電位差、および緩衝液供給用リザーバと廃棄用リザーバとの間 の電位差によって、緩衝液は交差部分へと導かれ、次いで、サンプル用材料から なる流れの両側においてサンプル廃棄用チャネルに進入する。 一旦、サンプル用材料からなる流れがサンプル廃棄用チャネルに強制的に進入 して第一の段階が完了すると、図６に示されるように四つの電極の全てが約１ミ リ秒間、接地されることによって、図２ａ、図２ｂに示すように運動は一瞬、停 止する。 次いで、図７に示される第二の段階において、比較的高い電圧（この実施例で は１０００ボルト）が廃棄用リザーバ３における電極に印加され、他の三つのリ ザーバ１、２、４が接地される。この段階は、時間ｔにわたって維持され、後述 されるように時間ｔを増やすことによって、サンプルからなるプラグの寸法が大 きくなって、同時にプラグ内のサンプル用材料の定量的な再現性が得られるよう になる。これにより、図３ａ、図３ｂを参照して前述されるような注入用交差箇 所内における流れパターンが得られる。従って、廃棄用リザーバにおける電極と 他のリザーバとの間の電位差によって、流体がサンプル供給用チャネルとサンプ ル廃棄用チャネルと緩衝液供給用チャネルとから導かれて交差部分へと進入し、 分離用チャネル１３においてサンプルからなるプラグ３０が変形し始める。 次いで、図８に示される第三の段階において、廃棄用リザーバ３ における電極が、比較的高い電圧（この実施例では１０００ボルト）において維 持され、緩衝液供給用リザーバ１における電極は接地され続ける。同時に、サン プル供給用リザーバ４における電極およびサンプル廃棄用リザーバ２における電 極は中間の値の電圧（この実施例では４５０ボルト）まで上昇される。これによ り、図４ａ、図４ｂを参照して前述されるような注入用交差箇所内における流れ パターンが得られる。従って、廃棄用リザーバにおける電極と緩衝液供給用リザ ーバにおける電極との間の電位差によって、緩衝液が導かれ、緩衝液供給用チャ ネルを通って、交差部分を横切って、分離用チャネルに進入し、サンプルからな るプラグは瞬時に廃棄用リザーバに向かう。同時に、サンプル供給用リザーバに おける電極と緩衝液供給用リザーバとの間の電位差、およびサンプル廃棄用リザ ーバにおける電極と緩衝液供給用リザーバとの間の電位差によって、緩衝液が導 かれて、交差部分を通って、サンプル供給用チャネルおよびサンプル廃棄用チャ ネルに進入し、廃棄用チャネル内のサンプル用材料を、交差部分と移動している プラグとから離させる。 前述したように、異なる段階における流れパターンを提供するのに要求される 電位差はチャネルの異なる形状と寸法とに応じて異なっている。 実施例４ 一般的に、第二の段階において、図３ａ、図３ｂに示される流れパターンを生 じさせる電位差を長く維持するほど、プラグ内におけるサンプル用材料の量は増 大し、プラグ内におけるサンプル用材料の定量的な再現性はさらに良好となる。 この実施例は、図１の装置が第二の段階において保持される時間ｔの長さを変更 させることによるサンプルからなるプラグの寸法に対する影響を示している。こ の実施例においては、キャリア用液体は０．５倍の（０．５Ｘ）ＴＢＥ緩衝液（ ４９．５ミリモルのトロメタミンと４９．５ミリモルのホウ酸と１ミリモルのエ チレンジアミン四酢酸、ｐＨ８．３）であって、サンプル用材料はフルオレセイ ンであって、サンプル供給用リザーバ内において濃度約１００マイクロモルであ る。フルオレセインのサンプルからなるプラグは、分離用チャネルの下流におい て蛍光検出される。 結果を図１０にプロットする。「遅延時間」は、装置が第二の段階において維 持される時間ｔの長さである。 実施例５ この実施例は、実施例１で示される装置が第二の段階で維持される時間ｔの長 さを変更するサンプルからなるプラグの寸法への影響を示している。 この装置は、実施例４に示されるように動作する。結果を図１１にプロットす る。ここでは、サンプルからなるプラグが通過するときに検出器により蛍光検出 される強度が、第二の段階が存在しない状態（ｔ＝０）および第二の段階が或る 時間にわたって維持される状態から得られるサンプルに対してプロットされてい る。 実施例６ この実施例は、時間ｔを増大させたことによって改良される再現性を示してお り、この時間ｔにおいては、実施例１のように形成される装置（「アクリル性カ バー」）、および実施例２のように形成される装置（「モノコテ製カバー」）が 本発明に基づいて操作され、第二の段階において或る時間ｔにわたって維持され る。 結果を表１に示す。 表１ サンプルの再現性 他の実施態様は請求項に含まれる。 例えば、交差部分におけるチャネルの他の形状配置を使用することもでき、四 つよりも多数のマイクロチャネルを交差部分と流体連通させることもできる。例 えば、交差部分は、整列されたマイクロチャネルの二つの対からなる交差部を形 成する必要はなく、各マイクロチャネルは図に示すように直角に交差する必要は ない。チャネルは共通の点において交差する必要がなく、交差部分はマイクロチ ャネルのセグメントを構成してそれにより、ズレＴが形成される場合がある。 さらに、例えば本発明の要旨に開示されているように、第二の段階において流 体は交差部分を通って緩衝液供給用チャネルから導かれる必要はなく、その代わ りに、第二の段階において緩衝液供給用リザーバにおける電圧を浮動させること ができるか、もしくはいくらか固定するかまたは（図に示すように接地させるよ りはむしろ）変更可能な中間の値の電圧にまで調節してもよい。それにより、第 二の段階の少なくとも初期においてキャリア用液体が交差部分を通ることがほと んどなくなるようになる。 認識されるように、種々の段階におけるマイクロチャネルの種々のセグメント の含有量の運動の速度と運動のタイミングとを、各電 極における電圧の大きさを調節して変更することによってかなり正確に制御する ことができる。良好に近似させるために、リザーバからマイクロチャネルのセグ メントを通って交差部分に進入する液体の運動がほとんどないために、リザーバ と交差部分との間の電界の強さは常にほぼゼロとなり、さらに大きい電位差によ って、さらに迅速に流体がセグメントを通過することができる。種々のセグメン トにおいて要求される流れを生じさせるのに必要な電圧を、相互接続された抵抗 器からなる配列体としてマイクロチャネル構造を扱うことによって、および電気 回路の解析の原理を装置に適用することによって概算することができる。断面の 与えられた寸法を有していて与えられたキャリア用液体を含むマイクロチャネル のセグメントを適切に近似させるために、電気抵抗をセグメントの長さに比例さ せる。 或る実施態様においては、マイクロチャネルの含有量は比較的低密度であり、 マイクロチャネルのセグメントに電圧を印加することによって、電気浸透による バルク流れと、電気泳動によって液体内で帯電した粒子による電気泳動との両方 が生じる。バルク流れの現象は、例えば、チャネルが先端において緩衝液により 充満される場合と、キャリア用液体とサンプル用液体とが緩衝液である場合にお いて支配的である。他の実施態様においては、複数のマイクロチャネル（もしく はマイクロチャネルの少なくともいくつか）を、ふるい分け特性を有する電気泳 動の媒体によって充満させることができる。そのような媒体はさらに高粘度であ る。そのような媒体を採用する場合には、電圧を印加したことによるバルク流れ の程度が小さくなる。マイクロチャネルを先端において粘性ポリマ、もしくは電 気泳動用ジェル媒体、例えばポリアクリルアミドまたはアガロースによって充満 させることができる。そのような実施例においては、 電気泳動による帯電した材料の流れの程度が支配的であって、バルク流れはほと んどない。もしくは、マイクロチャネルの壁部の表面を、電気浸透の流れが少な いことを特徴とする材料、例えば中性ポリマもしくは中性プラスチックから形成 してもよい。このときにはバルク流れの程度を概ね少なくすることができる。 前述の結果と論述とから、マイクロチャネル構造において材料を搬送する改良 した搬送方法が提供されているのは明らかである。 本明細書内に提示された個々の刊行物と特許出願明細書との全てを、明確かつ 独立して参照することによって記載に代える。出願日よりも前に開示されている 刊行物を引用することによって、本発明がそのような刊行物に先行するものであ ることを意図するものではない。 前述した発明は図面によって理解を明白にするために詳細に開示されているが 、当業者にとっては、添付される請求の範囲の精神と範囲とから逸脱することな く特定の変更例と変種例とを行うことができるのは明らかである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも一つのサンプル用材料を含むサンプル用液体を、少なくとも第 一のマイクロチャネルと第二のマイクロチャネルと第四のマイクロチャネルとを 伴う、第三のマイクロチャネルの交差部分から前記第三のマイクロチャネルへと 搬送する搬送方法において、 第一の段階において、前記第四のマイクロチャネル内のサンプル用液体を前記 第四のマイクロチャネルから前記交差部分を通って前記第二のマイクロチャネル 内に移動させ、同時に前記第一のマイクロチャネル内と前記第三のマイクロチャ ネル内のキャリア用液体を前記交差部分を通って前記第二のマイクロチャネル内 に移動させ、 第二の段階において、前記交差部分の含有量の少なくとも一部を前記第三のマ イクロチャネル内に移動させ、同時に、前記第二のマイクロチャネルの含有量の 一部と前記第四のマイクロチャネルの含有量の一部とを前記交差部分を通って前 記第三のマイクロチャネル内に移動させ、それにより前記サンプル用材料の量を 前記第三のマイクロチャネル内に移動させ、 第三の段階において、キャリア用液体を前記第一のマイクロチャネルから前記 交差部分を通って前記第二のマイクロチャネル内と前記第三のマイクロチャネル 内と前記第四のマイクロチャネル内とに同時に移動させる搬送方法。 ２．少なくとも一つのサンプル用材料を含むサンプル用液体を、少なくとも第 一のマイクロチャネルと第二のマイクロチャネルと第四のマイクロチャネルとを 伴う、第三のマイクロチャネルの交差部分から前記第三のマイクロチャネルへと 搬送する搬送方法において、 第一の段階において、前記第四のマイクロチャネル内のサンプル用液体を前記 第四のマイクロチャネルから前記交差部分を通って前記第二のマイクロチャネル 内に移動させ、同時に前記第一のマイクロチャネル内と前記第三のマイクロチャ ネル内のキャリア用液体を前記交差部分を通って前記第二のマイクロチャネル内 に移動させ、 第二の段階において、前記交差部分の含有量の少なくとも一部を前記第三のマ イクロチャネル内に移動させ、同時に、前記第二のマイクロチャネルの含有量の 一部と前記第四のマイクロチャネルの含有量の一部と前記第三のマイクロチャネ ルの含有量の一部とを前記交差部分を通って前記第三のマイクロチャネル内に移 動させ、それにより前記サンプル用材料の量を前記第三のマイクロチャネル内に 移動させ、 第三の段階において、キャリア用液体を前記第一のマイクロチャネルから前記 交差部分を通って前記第二のマイクロチャネル内と前記第三のマイクロチャネル 内と前記第四のマイクロチャネル内とに同時に移動させる搬送方法。 ３．前記第二の段階が時間ｔにわたって維持されて、時間ｔを長くするほど前 記第三のマイクロチャネル内に移動されるサンプル用液体の量が増大する請求項 １に記載の搬送方法。 ４．前記第二の段階が時間ｔにわたって維持されて、時間ｔを長くするほど前 記第三のマイクロチャネル内に移動されるサンプル用液体の量が増大する請求項 ２に記載の搬送方法。 ５．前記時間ｔが少なくとも約０．０１秒である請求項３に記載の搬送方法。 ６．前記時間ｔが少なくとも約０．０１秒である請求項４に記載の搬送方法。 ７．前記各段階における移動作用が、少なくとも一つの前記マイ クロチャネルの少なくとも一つのセグメントにおける液体の含有量の部分に電界 を掛けることによって生ずる請求項１に記載の搬送方法。 ８．前記各段階における移動作用が、少なくとも一つの前記マイクロチャネル の少なくとも一つのセグメントにおける液体の含有量の部分に電界を掛けること によって生ずる請求項２に記載の搬送方法。 ９．リザーバが、前記交差部分と対向する前記マイクロチャネルのそれぞれの 端部と流体連通するよう設けられていて、前記電界が、前記リザーバの少なくと も二つの内部で流体と接触している少なくとも二つの電極間に電位差を掛けるこ とによって生ずる請求項７に記載の搬送方法。 １０．リザーバが、前記交差部分と対向する前記マイクロチャネルのそれぞれ の端部と流体連通するよう設けられていて、前記電界が、前記リザーバの少なく とも二つの内部で流体と接触している少なくとも二つの電極間に電位差を掛ける ことによって生ずる請求項８に記載の搬送方法。 １１．前記マイクロチャネルのセグメントにおける液体の含有量の部分に電界 を掛けることによって、前記マイクロチャネルのセグメント内において前記流体 の電気浸透の流れが生じて、前記マイクロチャネル内で前記液体の含有量の部分 のバルク運動が起こる請求項７に記載の搬送方法。 １２．前記マイクロチャネルのセグメントにおける液体の含有量の部分に電界 を掛けることによって、前記マイクロチャネルのセグメント内において前記流体 の電気浸透の流れが生じて、前記マイクロチャネル内で前記液体の含有量の部分 のバルク運動が起こる請求項８に記載の搬送方法。 １３．前記マイクロチャネルのセグメントの液体の含有量の部分に電界を掛け ることによって、前記マイクロチャネルのセグメント内において前記流体の電気 浸透の流れが生じて、前記マイクロチャネル内で前記液体の含有量の部分のバル ク運動が起こり、前記マイクロチャネル内において前記サンプル用材料に電気泳 動の泳動作用が起こる請求項７に記載の搬送方法。 １４．前記マイクロチャネルのセグメントの液体の含有量の部分に電界を掛け ることによって、前記マイクロチャネルのセグメント内において前記流体の電気 浸透の流れが生じて、前記マイクロチャネル内で前記液体の含有量の部分のバル ク運動が起こり、前記マイクロチャネル内において前記サンプル用材料に電気泳 動の泳動作用が起こる請求項８に記載の搬送方法。 １５．前記段階のそれぞれにおける前記移動作用の速度が前記電圧によって決 定される請求項９に記載の搬送方法。 １６．前記段階のそれぞれにおける前記移動作用の速度が前記電圧によって決 定される請求項１０に記載の搬送方法。 １７．前記マイクロチャネルのセグメントの含有量内に前記電界を掛けること によって、前記マイクロチャネル内の前記サンプル用材料の電気泳動の泳動作用 が起こる請求項７に記載の搬送方法。 １８．前記マイクロチャネルのセグメントの含有量内に前記電界を掛けること によって、前記マイクロチャネル内の前記サンプル用材料の電気泳動の泳動作用 が起こる請求項８に記載の搬送方法。