JP2002542489A

JP2002542489A - サンプル分析のための装置および方法

Info

Publication number: JP2002542489A
Application number: JP2000612758A
Authority: JP
Inventors: トッドエイ．テイラー，; ウィリアムダブリュー．カーソン，; ランスコートニー，
Original assignee: PerSeptive Biosystems Inc
Current assignee: Applied Biosystems LLC
Priority date: 1999-04-16
Filing date: 2000-04-04
Publication date: 2002-12-10
Also published as: US6375817B1; DE60018733D1; EP1181541B1; EP1181541A2; WO2000063704A3; WO2000063704A2; DE60018733T2

Abstract

(57)【要約】本発明は、圧力差を使用する、迅速な自動マイクロスケールサンプル分析のための装置および方法に関する。本発明は、サンプルの導入およびそのアンプルのその成分への分離のための交差するチャネルを有する装置を包含する。サンプル導入チャネルおよびサンプル分離チャネルは、好ましくは、微小製造されたデバイス（例えば、マイクロチップ）中にエッチされ、接合点を形成する。圧力勾配をチャネルに適用し、分離チャネル中にサンプルプラグを形成させる。分離チャネルには、その中に、サンプル中に含まれることが疑われる成分の分離のための媒体が配置され得る。例えば、適切な媒体によって、電圧勾配が、分離チャネルに沿って適用されて、サンプルの成分を電気泳動的に分離し得る。この装置はまた、分離後のサンプルの成分を検出するための手段を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（発明の分野）本発明は、サンプル分析のための装置および方法に関する。より詳細には、本
発明は、サンプルプラグ形成のための装置および方法、ならびに引き続く分離お
よび／または分析に関する。

【０００２】（発明の背景）マイクロスケールの化学反応の実行および分析のための方法は、しばしば、複
数の工程および試薬の広範な取り扱いを必要とする。これらの方法は、代表的に
、労働消費性であり、そして器具（例えば、ピペット、ポンプ、シリンジ、バル
ブ、チュービング、試薬容器、および反応チャンバ）の複雑な組み合わせを伴う
。このような複雑性は、不正確さ、コストの増大および反応収率の減少をもたら
し得る。

【０００３】分析技術は、代表的に、高度な労働および複雑な装置の使用を必要とする。さ
らに、多くの実験および産業の化学的プロセスは、比較的多量の試薬および複数
の実験器具の使用を伴う。代表的な大きいスケールの免疫アッセイは、例えば、
ピペット、試薬容器および反応チャンバの使用を必要とする。例えば、Ｍａｔｔ
ｉａｓｓｏｎら、Ｐｒｏｃ．Ｉｎｔ．Ｓｙｍｐ．ｏｎＥｎｚｙｍｅ−Ｌａｂｅ
ｌｅｄＩｍｍｕｎｏａｓｓａｙｏｆＨｏｒｍｏｎｅｓａｎｄＤｒｕｇ
ｓ．（Ｐａｌ，Ｓ．，Ｅｄ．，ＷａｌｔｅｒｄｅＧｒｕｙｔｅｒ，Ｂｅｒｌ
ｉｎ（１９７８）、９１頁）を参照のこと。このようなプロセスはまた、反応の
サイズに関わらず、複数の工程を必要とする。従って、不純物の導入に起因する
正確性の減少、容量測定の不正確さ、および低い再現性の潜在性が存在する。こ
れらの問題は、本質的に、生物学的サンプルを分析するマイクロスケールの診断
適用（例えば、免疫アッセイ、ポリヌクレオチド増幅またはハイブリダイゼーシ
ョン）において急務である。

【０００４】近年、費用を減少するため、正確性を増加させるため、および反応収率を改善
するために、化学プロセスを簡素化するための試行が行われている。例えば、キ
ャピラリー電気泳動技術は、免疫アッセイにおける分解能を増加させるために提
案されてきた。他の一般的な分析技術（例えば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ
））を増強するために、種々の試みが行われてきた。例えば、米国特許第５，２
７３，９０７号は、ＰＣＲ試薬を予めロードしたキャピラリーを報告し、これは
、ＤＮＡ増幅のための試薬に送達するために使用される。同様に、国際特許公開
ＷＯ９３／２２０５８は、ＰＣＲを行うためのマイクロスケールデバイスを記載
する。この場合において、第１のチャンバからのＰＣＲ試薬は、マイクロチップ
中のチャネルを通る材料の移動によって、第２のチャンバ中のサンプルと混合さ
れる。

【０００５】近年、労働および複雑性を減少するために、化学的プロセスを簡素化する試行
が行われている。１つのこのような試行は、マイクロチップアセンブリの使用に
関する。マイクロチップアセンブリは、代表的に、薄いシリカ基板または他のポ
リマー性基板からなり、その基板上に、チャネルがエッチされる。チャネルは、
試薬の輸送のための手段および／または反応チャンバ自体として作用する。マイ
クロスケールの化学反応を行うためのマイクロチップアセンブリは、一連の相互
接続したチャネルを備え得る。例えば、チャネルは、微小製造された固体の表面
上にエッチされ得る。次いで、溶液中の試薬をチャネル内に配置し、そして例え
ば、そのチャネル中の既存の試薬と反応させる。電圧勾配を使用して、サンプル
の流動および混合を制御し得る。例えば、国際公開ＷＯ９６／０４５７４を参照
のこと。水素ガスおよび酸素ガスは、しばしば、サンプルの流動を制御するため
の電圧勾配の使用から生じる。電気分解産物もまた、電極表面付近に蓄積し得る
。

【０００６】サンプルおよび溶液を注入するために電圧勾配を必要としないマイクロチップ
アセンブリが、設計されている。例えば、米国特許第５，３０４，４８７号；国
際公開ＷＯ９３／２２０５３；および国際公開ＷＯ９３／２２０５４（サンプル
分析のためのマイクロチップアセンブリを記載する）。このようなシステムにお
いて、安定な流動の液体が、マイクロチップ上にエッチされた一連のチャネルを
通してポンプされる。サンプルは、これらのチャネルの１つを介して導入され、
そしてその液体流動と混合される。これらのシステムは、液体とサンプル（各々
は、そのマイクロチップを通って流れる）と混合された液体との間の流速の変動
を測定することによって、サンプル成分の存在、またはある生物学的実体（例え
ば、細菌またはウイルス）の存在を検出するために使用される。

【０００７】マイクロスケールの生物学的サンプルの化学分析の実行に現在関与する、時間
、労働、費用、バイオハザード曝露および複雑性を減少する方法およびデバイス
の、当該分野における必要性が依然存在する。より詳細には、効率的かつ経済的
に、サンプルプラグを形成し、そしてそのサンプルプラグを分離チャネルおよび
／または分析デバイスに送達する装置および方法の必要性が存在する。

【０００８】（発明の要旨）圧力差を使用する、マイクロスケールサンプルの迅速な自動分析のための、装
置および方法を開発した。本発明のサンプルプラグ形成デバイスは、一般に、２
つの交差するチャネルである、導入チャネルおよび分離チャネルを備える。サン
プルは、本明細書中でサンプル導入チャネルと呼ばれる、第１のチャネルの開口
部を通して導入される。このサンプルは、減圧、加圧、毛管作用、またはそれら
の組み合わせによって、サンプル導入チャネルを通って移動する。サンプルの導
入点から離れて、サンプル導入チャネルは、本明細書中で分離チャネルと呼ばれ
る、第２のチャネルと接合点を形成するか、または接合（すなわち、交差）する
。分離チャネルおよび／またはサンプル導入チャネルに適用される加圧および／
または減圧の使用によって、大量のサンプルがサンプル導入チャネルとサンプル
分離チャネルとの間の接合点を通過するので、サンプルの一部が、分離チャネル
に輸送される。適切な制御によって、サンプル複製の別個のプラグが、分離チャ
ネルに形成され得、そして分離技術および／または分析に供され得る。サンプル
プラグの形成に引き続いて、サンプルプラグを形成しないサンプルの部分は、代
表的に、廃棄出口に移動される。

【０００９】チャネル接合点でのサンプルプラグの形成は、サンプル導入チャネルおよびサ
ンプル分離チャネルにおける、ならびにサンプル導入チャネルおよびサンプル分
離チャネルとの間の圧力差の適用によって制御される。第１の圧力差は、導入チ
ャネルを通って接合点へのサンプル流動を誘導するように適用される。引き続い
て、少なくとも第２の圧力差を適用して、そのサンプルの一部を、分離チャネル
の軸内および分離チャネルの軸に沿って移動させる。サンプルのプラグは、一般
に、圧力が、サンプル導入チャネルと比較して、分離チャネルに沿って軸方向に
増加される場合、その接合点で分離チャネル中に形成される。プラグ形成の頻度
およびサイズは、圧力差を制御することによって制御される。

【００１０】サンプル導入チャネルおよびサンプル分離チャネルは、接合点で交差するよう
に形成されるキャピラリーであり得る。サンプル導入チャネルおよびサンプル分
離チャネルを規定する好ましい構造は、微小製造された固体（例えば、マイクロ
チップ）である。代表的に、チャネルは、マイクロチップに直接エッチされる。
好ましい実施形態において、マイクロチップは、その表面上にエッチされた一連
のサンプル導入チャネルおよびサンプル分離チャネルを備える。このようなチャ
ネルは、好ましくは、約０．１μｍと約１０００μｍとの間の断面寸法を有する
。

【００１１】好ましい実施形態において、分離チャネルは、媒体（例えば、水、電解質、あ
るいはポリアクリルアミド溶液またはポリアクリルアミドゲル）を含む、長軸方
向の軸を備え、これは、サンプル中に存在することが疑われる成分の分離を補助
する。従って、サンプル導入チャネルおよびサンプル分離チャネルの接合点で形
成されたサンプルプラグは、分離チャネルに沿って軸方向に移動し、ここで、サ
ンプルプラグは、その成分に分離され得る。好ましくは、サンプル導入チャネル
およびサンプル分離チャネルは、サンプルおよび分離媒体（存在する場合）に適
合性の緩衝液を含む。このデバイスは、分離チャネルの長手方向の軸に沿って、
軸方向に電圧を適用するための電圧発生器を備える。分離チャネルに沿った電圧
の適用は、サンプルの成分の分離（例えば、分離が、電気泳動によって達成され
る場合）を補助し得る。

【００１２】また、好ましい実施形態において、本発明のデバイスは、検出器を備える。検
出器は、サンプルの分離された成分を検出するために、分離チャネルの近くに配
置される。検出器としては、紫外線検出器、可視光検出器、赤外線検出器、蛍光
検出器、化学発光検出器、屈折率検出器、ラマン検出器、質量分析計、電気化学
検出器および／または導電率検出器が挙げられる。好ましくは、検出器は、質量
分析計、蛍光検出器または放射活性検出器である。

【００１３】本発明のサンプルプラグ形成デバイスは、サンプル送達システムと組み合わせ
で使用され得る。好ましいサンプル送達システムは、「ＡｐｐａｒａｔｕｓＡ
ｎｄＭｅｔｈｏｄｓＦｏｒＳａｍｐｌｅＤｅｌｉｖｅｒｙ」という表題
の、共有に係る、同時係属米国特許出願第０９／（利用可能な場合において補正
される；代理人整理番号ＳＹＰ−１３１によって識別される）（本明細書中で参
考として援用される）に開示される。本出願の好ましい実施形態において、化学
反応は、サンプル送達システム中で生じ、そしてその反応産物は、本発明のデバ
イスのサンプル導入チャネルに導入される。

【００１４】好ましいサンプル送達デバイスは、サンプル導入のための開口端および閉じた
端を有するキャピラリーを規定するハウジングを有する。閉じた端は、好ましく
は、熱制御デバイスに連結され、このデバイスは、サンプルおよび反応物のサン
プル送達デバイスへの移動を制御するために使用される。化学試薬（例えば、結
合タンパク質、リガンド、レセプター、抗体または抗原）が、キャピラリー内で
固定される。これらの試薬は、検出可能に標識され得、そして好ましくは、蛍光
標識される。これらの試薬はまた、化学的または酵素的に標識され得、例えば、
検出前の増幅を可能にする。

【００１５】本発明は、マイクロスケールサンプルの迅速、正確、かつ再現可能な分析を提
供する。上記に記載されるようなサンプル送達デバイスと組合わせて使用される
場合、サンプルの分析は、最初から終了まで自動化されたプロセスである。さら
に、この自動化プロセスは、サンプル送達デバイス内で起こり得る１つ以上の反
応を含み得る。本発明は、以下の図面、説明および特許請求の範囲を考慮して、
さらに理解される。

【００１６】（発明の詳細な説明）本発明は、別々の成分に分離され、かつ／または分析され得るサンプルプラグ
の自動形成を提供する。本明細書中で使用される場合、用語「サンプル」は、検
出または同定される任意の成分を含むと推測される任意の供給源、または潜在的
に反応性の任意の化学物質を意味することが意図される。サンプルは「ニート」
であり得るか、または適切な溶媒で希釈され得る。一般に好ましいサンプルとし
ては、目的の成分を含むと推測される任意の生物学的試料が挙げられるがこれら
に限定されない。本発明における使用のための適切なサンプルとしては、血液、
血清、血漿、尿、脳脊髄液、唾液、汗、精液、涙、膣液、羊水、および腹水のよ
うな体液が挙げられるがこれらに限定されない。

【００１７】本明細書中で使用される場合、用語「成分」は、任意の同定可能または検出可
能な物質、または本発明の装置を使用してサンプル中の他の物質から分離しやす
い物質を意味することを意図される。好ましい成分としては、以下が挙げられる
がこれらに限定されない：タンパク質、ペプチド、核酸、ペプチドホルモン、非
ペプチドホルモン、乱用薬物（ｄｒｕｇｓｏｆａｂｕｓｅ）、医薬品、微生
物抗原、ウイルス抗原、炭水化物、ポリクローナル抗体、モノクローナル抗体、
抗イディオタイプ抗体、抗体フラグメント、酵素基質、酵素インヒビター、ビオ
チン、レセプター、リガンド、インヒビターおよび結合競合物のような化学的お
よび生物学的部分。成分はまた、プローブ、および特に検出可能に標識されたプ
ローブに結合し得る。通常のプローブとしては、ポリヌクレオチド、リボプロー
ブおよびペプチド核酸（ＰＮＡ）が挙げられる。

【００１８】概して、本発明は、マイクロスケールサンプルの分析のための装置および方法
を提供する。しかし、任意のサイズのサンプルは、本明細書中に開示される構想
および原理を使用する、適切な大きさに作製された本発明のサンプル分析デバイ
スで分析され得る。本発明の装置は、２つのチャネルを規定するハウジングを有
する。２つのチャネルは交差し、接合部を形成する。サンプルは、第１のチャネ
ル（サンプル導入チャネル）に導入される。このサンプル導入チャネルは、第２
のチャネル（分離チャネル）と交差する。このチャネルは、任意の角度で交差し
て、接合部を形成し得る。この分離チャネルは、代表的にサンプル導入チャネル
の長さよりも長い。好ましくは、分離チャネルは、サンプル導入チャネルの１０
倍よりも長く、そしてより好ましくは、１００倍よりも長い。サンプル導入チャ
ネルおよび分離チャネルの長さの差がさほど大きくない場合、サンプル導入チャ
ネルの断面は、圧力の落ち込みを補償するために（すなわち、圧力の落ち込みを
低減するために）、より大きくあり得る。

【００１９】本発明の装置は、チャネルに圧力勾配を適用するための圧力制御デバイスをさ
らに含む。この圧力制御デバイス自体は、蠕動ポンプのような正の圧力の供給源
であり得るか、または真空ポンプのような減圧供給源であり得る。減圧供給源は
また、表面張力を使用して液体をチャネルに引き込む（毛管作用）芯のような吸
収デバイスであり得る。しかし、この圧力制御デバイスは、制御可能な圧力供給
源（例えば、蠕動ポンプまたは加圧ガス供給源のような減圧供給源または正の圧
力の供給源）を含み得る。従って、圧力制御デバイスは、バルブ、マニホルド、
チュービングなどのようなハードウエアを備え得る。圧力制御デバイスはまた、
プロセス制御のための任意の適切なマイクロプロセッサベースのプログラム可能
なロジックコントローラ、パーソナルコンピュータコントローラなどのようなコ
ントローラを備え得る。適切なコントローラは、プログラム可能性、信頼性、柔
軟性、および耐久性のような特徴を備える。適切なコントローラは、他の特徴の
中でも、バルブの開放および閉鎖、流体の調節および計量のための連結を提供す
るために使用される種々のインプット／アウトプットポートを備える。コントロ
ーラはまた、所望の用途のためのプロセス手段を保管するための、十分なメモリ
を備える。当然のことながら、使用されるコントローラの型は、特定の用途に依
存する。

【００２０】チャネル内の圧力勾配の適用は、サンプルを、チャネルを通って移動させる。
このチャネルは、好ましくは微小製造された固体（例えば、マイクロチップ）上
に形成される。分離チャネルは、その中に配置される粘性溶液またはゲルのよう
なふるい媒体（例えば、ポリアクリルアミド）を有し、分離および／または分析
を容易にし得る。分離の後に、サンプル成分は、分離チャネルの末端に沿って、
またはその近くに配置された検出器を使用して検出され得る。この装置は、特に
、イムノアッセイ、酵素アッセイ、化学アッセイ、レセプターアセイおよびポリ
ヌクレオチドの同定のようなアッセイを自動的に実施するために使用され得る。

【００２１】本発明の装置は、サンプル導入チャネルおよび分離チャネル上の減圧および／
または正の圧力の使用を介して、サンプルプラグの自動化された均一の調製を提
供する。サンプル導入チャネルおよび分離チャネルは、本発明の科学装置の注入
システムを規定する。図１に図示されるように、サンプル導入チャネル１０は、
分離チャネル１２と共に接合部１１を形成する。正の圧力および／または減圧の
代替的適用は、サンプルプラグ１４の、分離チャネル１２における接合部の下流
を形成する。（図１は概略的表示であり、そして実施の際にサンプルプラグ１４
はこのチャネル内に含まれることが理解されるべきである。）矢印１６、１８お
よび２０は、サンプル流の方向を示す。電圧発生器１９は、分離チャネルの長手
方向の軸に沿って電圧勾配を適用するために使用され得る。例えば、「スタッキ
ング」（以下でより完全に説明される）といわれるサンプルプラグ形成プロセス
の１つの型において、電圧勾配が適用され得、その間に圧力差がサンプルをサン
プル導入チャネルを通って移動される。

【００２２】自動化の際に本明細書中で記載される方法を補助するための本発明の別の局面
は、上記のサンプル分析装置を備える科学装置である。この科学装置は、その補
助デバイスおよび装置で、本発明のシステムの効率的な自動化を可能にする。こ
の科学装置はまた、末端利用者の要求に適応するような機能的設計を可能にする
ために、本発明の分析システムに連結される他の装置（例えば、サンプル送達シ
ステム）を許容する。例えば、分析装置は、サンプルの分析を可能にするための
本発明の科学装置に連結され得る（例えば、反応サイクルにおいて所定の回数で
）。本発明において有用な分析装置は、当業者に周知であり、そして以下が挙げ
られるがこれらに限定されない：質量分析装置、クロマトグラフィーシステム、
および種々の検出装置（例えば、紫外、赤外、蛍光、および屈折率検出器）。こ
のような検出器は、接合部から離れて配置され、そして分離チャネルと連絡され
得る。

【００２３】本発明において有用な補助装置の他の非限定的な例は、アッセイを行うための
診断装置、およびサンプルの一部となるための特定の化合物の生成を自動化する
ための合成器が挙げられる。このような合成器としては、本発明の送達システム
を用いて化合物のライブラリーのスクリーニングを可能にするコンビナトリアル
合成を行い得る合成器が挙げられる。上記の全ての装置およびデバイスは、段階
的様式で手動で操作され得る。しかし、完全自動化が好ましい。当業者によって
理解されるように、自動化は、好ましくは、本発明の方法の種々の局面を制御す
るマイクロプロセッサおよび／またはコンピュータを含むが、代表的には、少な
くとも圧力差を生じるための手段と連結される。

【００２４】本発明の方法は、サンプルプラグの形成を提供し、そして特定の実施形態にお
いて、このサンプルプラグの成分の分離を提供する。加圧／減圧の適用は、本発
明の装置の注入システムのチャネルを通って、サンプルの押し込みまたは引き込
みに作用する。分離チャネル中でサンプルプラグが形成された後、その成分は、
好ましくは電気泳動によって、分離され得る。しかし、計量されたサンプルプラ
グは、さらなる分離なしで、分析のための別の分析デバイスに輸送され得る。図
２Ａ〜２Ｆは、サンプルプラグ形成の種々の段階を示す。サンプルを装置に導入
するための多くの手段（例えば、シリンジなどからの注入）、または当該分野で
公知のサンプル送達システムから導入するための多くの手段が存在する。別の実
施形態において、綿のような吸収性物質が、導入チャネル内に配置され得る。こ
の吸収性物質は、毛管作用によってこのサンプル導入チャネル中にサンプルを引
き付ける。別の実施形態において、吸収性物質は、サンプル導入チャネルの出口
に接触して（例えば、チャネルの上に）配置され得、その結果、吸収性物質は、
表面張力からの減圧の発生（毛管作用）によって、サンプルをサンプル導入チャ
ネルを通して引き込む。

【００２５】図２Ａに示されるように、サンプル２２は、サンプル導入チャネル１０中に置
かれる。図２Ｂにおいて、サンプル導入チャネル（サンプルが導入される反対側
）への第１の圧力差の適用（すなわち、減圧）は、サンプルをサンプル導入チャ
ネルを通って、そして分離チャネル１２で形成された接合部１１を横切るように
引き込む。図２Ｃにおいて、分離チャネルへの第２の圧力差の適用（すなわち、
別の減圧）は、サンプルの一部を分離チャネルに引き込む。

【００２６】特定の間隔にわたる分離チャネル１２への圧力差の適用は、分離したサンプル
プラグを再現可能に作製する。図２Ｄにおいて、サンプル２２の流れの反対方向
からの分離チャネルへの正の圧力の適用は、残ったサンプルが浪費されるかまた
は導入位置に戻るように移動する間に、サンプル１４のプラグの、接合部１１の
下流形成を引き起こす。特定の実施形態において、正の圧力は、クロマトグラフ
ィーカラムの操作と同様の分離をもたらすために、サンプルプラグを分離チャネ
ルを通って移動させるように続けられ得る。

【００２７】好ましい実施形態において、分離チャネルは、電荷またはサイズに基づいてサ
ンプル成分を分離するためのふるい媒体を含む。このふるい媒体は、例えば、ポ
リアクリルアミド、アガロース、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリジン
およびメチルセルロースを含み得る。クロマトグラフィー粒子のような他のふる
い媒体は、特定の用途に依存して使用され得る。図２Ｅにおいて、サンプルの成
分は、分離チャネルに沿って電気泳動的に移動され、そして分離チャネル１２の
長手方向の軸に沿った電圧勾配の適用によって分離される。サンプル成分の分離
は、標準的な電気泳動法によって達成される。最後に、分離および／または分析
に続いて、図２Ｆは、このシステムを浄化するためにサンプル残留物をこのチャ
ネルの外に押し出すために、分離チャネルに沿って両方の方向から正の圧力が適
用されることを示す。

【００２８】分離チャネルにおいてサンプルプラグを形成するために使用される異なる圧力
差は、特定の用途のために適応されることが理解されるべきである。つまり、減
圧および／または正の圧力のいずれが使用されるか、そしてどの順序で使用され
るかは、行われる分析に依存する。さらに、圧力差のタイミング、強度および位
置は可変であり、本明細書中で開示される一般的な原理および概念を使用して最
適化されるべきである。例えば、１つの実施形態において、導入チャネルに適用
される第１の圧力差は、分離チャネルへの第２の圧力差の適用前に、減少される
。しかし、本明細書中で議論されそして示される特定の実施例は、本発明を例示
するように意味されるが、決して限定ではない。

【００２９】本発明の方法を使用して形成されるサンプルプラグの組成物を製造する１つの
方法は、各チャネルにおける媒体（例えば、緩衝溶液）のイオン強度を変化させ
ることである。図２Ａ〜２Ｆに示される実施例において、サンプル導入チャネル
および分離チャネルにおける媒体のイオン強度は、実質的に等価である。結果と
して、形成されたサンプルプラグは、サンプル中に存在するイオン性または荷電
された種に関して、濃縮も希釈もされない。すなわち、サンプルプラグ中の荷電
種の濃度は、サンプル導入チャネルに装填された最初のサンプルにおけるその濃
度とほぼ等しい。

【００３０】しかし、サンプルプラグはまた、「スタッキング（ｓｔａｃｋｉｎｇ）」と呼
ばれるプロセスを使用して形成され得、サンプルプラグの形成前に接合部でサン
プルの荷電した成分を濃縮する。基本的に、圧力勾配がサンプル導入チャネルに
沿って移動する間、電位が分離チャネルに沿って軸方向に付与される場合、増加
したイオン濃度の領域が接合部で生じるが、ただしサンプル導入チャネル内の媒
体は、分離チャネル中の媒体より低いイオン強度にある。これはサンプルプラグ
内で生じ、サンプル導入チャネルに導入されたサンプルに対して１つ以上のイオ
ン種についてより濃縮される。印可された電圧の調節により、所望のサンプル濃
度が認められ得る。

【００３１】図３Ａ〜３Ｆを参照すると、「スタッキング」と称されるサンプルプラグ形成
方法は、本発明の装置を使用して示される。図３Ａ〜３Ｆは、サンプル導入チャ
ネル１０内の媒体のイオン強度が分離チャネル１２内の媒体のイオン強度よりも
低いことを除いて、図２Ａ〜２Ｆと同様の一連のダイアグラムを示す。さらに、
圧力勾配が分離チャネル１２に適用され、一方、減圧は、図３Ｂに示されるよう
に、サンプル導入チャネル１０に沿ってサンプルを移動させる。当業者に理解さ
れるように、印加された電位において、より低いイオン強度の媒体からより高い
イオン強度の媒体へ移動するイオン種は、より高いイオン強度の媒体中の低下し
た電場に起因して、その移動速度の低下を経験する。従って、図３Ｂに示される
ように、このイオン種は２つの異なるイオン強度の媒体の界面２４において、「
停滞する」かまたは集中する。接合点を通るサンプルの連続したフローにより、
サンプル中のイオン種は、界面２４で非常に集中するようになり得る。適切な量
の「スタッキング」に続いて、電位が除かれ、そして圧力差が分離チャネルに適
用されて、図３Ｃおよび３Ｄに示されるように、サンプルのイオン種に集中する
サンプルプラグを形成する。この方法の残りの工程である、図３Ｅおよび３Ｆは
、図２Ｅおよび２Ｆについて上記で記載された通りである。

【００３２】スタッキングの手順は、希釈サンプル中の成分を濃縮するのに有用であり得、
従って、検出可能な量の目的の成分（単数または複数）は、分離チャネルを通っ
て移送される。あるいは、サンプル媒体は、「アンチスタッキング（ａｎｔｉ−
ｓｔａｃｋｉｎｇ）」を使用して希釈され得る。本質的に同じ手順が実施される
が、サンプルは、分離チャネル中に存在するより高いイオン強度の媒体である。
従って、最適化されたサンプルプラグ（例えば、そのサイズおよび成分の濃度）
は、上記の技術、すなわち、スタッキング、アンチスタッキングおよびノンスタ
ッキング（ｎｏｎ−ｓｔａｃｋｉｎｇ）によって制御され得る。

【００３３】図４は、本発明の好ましい実施形態を示す。一連のサンプル導入チャネル１０
および分離チャネル１２を有する、エッチングされたマイクロチップアセンブリ
２５が示される。これらのチャネルは交わって、接合部１１を形成する。示され
るように、このマイクロチップは、複数のサンプル導入チャネルおよび分離チャ
ネルを有する。これらのチャネルは、約１０μｍと約１００μｍとの間の幅であ
り、約０．１μｍと約１０００μｍとの間の深さである。このマイクロチップは
また、サンプルおよび／または試薬を、分離チャネルおよびサンプル導入チャネ
ルに、および／またはこれらの中に移送するためのマニホルド２６および２７を
有する。

【００３４】サンプル導入チャネルおよび分離チャネルを有するマイクロチップは、固体基
板材料から大量に設計および製造され得る。これらは容易に滅菌され得る。シリ
カは、その正確かつ効率的な製造を可能にする十分に発達した技術のため、好ま
しい基板材料であるが、ポリテトラフルオロエチレンのようなポリマーを含む他
の材料が使用され得る。サンプル導入チャネルおよび分離チャネルは、当業者に
公知の任意の様々な微細加工方法によって、シリカ基板から大量に安価で製造さ
れ得る。利用可能な微細加工方法には、フィルム蒸着プロセス（例えば、スピン
コーティングおよび化学蒸着）、レーザー製造または写真平板技術（例えば、Ｕ
ＶまたはＸ線プロセス）、およびエッチング法（これは湿潤化学プロセスまたは
プラズマプロセスのいずれかにより実施され得る）が挙げられる（例えば、Ｍａ
ｎｚら、ＴｒｅｎｄｓｉｎＡｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ１
０：１４４〜１４９（１９９１）を参照のこと）。

【００３５】幅および深さを変えるチャネルは、マイクロスケール寸法で製造され得る。製
造されたサンプル導入チャネルおよび分離チャネルを備えるシリコン基板は、陽
極に結合した薄いガラスカバーで被覆および密閉され得る。他の透明または不透
明なカバー材料が使用され得る。しかし、陽極に適切に結合するために、基板ま
たはカバーの一方はシリカであり、他方はシリコンでなければならない。従って
、例えば、シリカ基板とシリコン基板とが合わせられ得るか、またはシリコン基
板が２つのガラスカバーの間に挟まれ得る。透明なカバーの使用は、チャネルの
内容物の動的な観察を容易にし、そして視覚的かまたは機械によってのいずれか
でチャネルの視覚的プローブを可能にするウィンドウを生じる。他の製造アプロ
ーチが使用され得る。

【００３６】分析されるべきサンプルは、サンプル送達システム（例えば、同一人に譲渡さ
れた同時係属出願の米国特許出願第０９／（補正される；代理人登録番号ＳＹＰ
−１３１）、表題「ＡｐｐａｒａｔｕｓＡｎｄＭｅｔｈｏｄｓＦｏｒＳ
ａｍｐｌｅＤｅｌｉｖｅｒｙ」（これは本明細書中でその全体が参考として援
用される）に開示されるもの）によって、本発明のサンプルプラグ形成デバイス
に送達される。このようなサンプル送達システムの好ましいアレイは、図５に示
される。キャピラリー２８のアレイは、アレイホルダー３０によって保持される
。このキャピラリーの内径は、好ましくは、約５μｍ〜約１０００μｍ、より好
ましくは、約２０μｍ〜約３００μｍである。寸法は、キャピラリーの実質的に
円形の断面積について提供されるが、同様の断面積が、非円形チャネル（例えば
、ある幅および深さを有する矩形チャネル）に好ましい。

【００３７】キャピラリーの各々の一端は密閉され、そして温度制御デバイス３２と接触す
る。キャピラリーはまた、開口部を有し、この開口部は好ましくは、密閉された
末端の反対側である。キャピラリーは、例えば、ガラスまたはプラスチックから
作製され、そして温度制御デバイスは、任意の市販の、または注文製の加熱およ
び冷却デバイス（例えば、ペルティエ素子）であり得る。キャピラリーは、それ
らの壁に固定された化学試薬３４をさらに含み得る。化学試薬のキャピラリー壁
への固定化は、乾燥によって達成され得る。この試薬は、例えば、この試薬をマ
イクロニードルを用いてキャピラリーに注入することによって、キャピラリーに
送達され得る。典型的に、このマイクロニードルは、キャピラリーの内径より小
さな直径を有する。一旦、化学試薬が入れられると、これらは当該分野で公知の
技術によって乾燥され得る。あるいは、これらの試薬は、加熱および冷却し、こ
れらの試薬を含む溶液をキャピラリーに吸い上げ、これらの試薬をキャピラリー
内の所望の位置で乾燥し、次いで試薬が所望されない領域を洗浄することによっ
て水圧式に充填され得る。これらの試薬はまた、当該分野で公知の他の技術によ
って充填され得る。

【００３８】キャピラリー内で固定化される化学試薬は、結合タンパク質、リガンド、レセ
プター、サンプル中に含まれる疑いのある成分に対する抗体または抗原であり得
る。これらの試薬は、緩衝液、界面活性剤、添加剤、賦形剤、キャリア、ハプテ
ンまたはサンプル成分との反応を促進するかまたはこの反応に影響を及ぼす任意
の適合性分子をさらに含み得る。

【００３９】これらの試薬はまた、検出可能な部分を含み得る。本明細書中で使用される場
合、「検出可能な部分」とは、請求される発明において使用するのに適切な任意
の部分を意味することが意図され、これには、酵素、蛍光団、ビオチン、発色団
、放射性同位体、着色粒子、電気化学的部分または化学発光性部分が挙げられる
が、これらに限定されない。現在の好ましい検出可能な部分は、ローダミンのよ
うな蛍光部分である。他の現在の好ましい検出可能な部分には、フルオレセイン
、シアニン色素、クマリン、フィコエリトリン、フィコビリンタンパク質、ダン
シルクロリド、およびＴｅｘａｓＲｅｄが挙げられる。

【００４０】上記のようなサンプル送達システムは、分析用のサンプルの送達のためのマイ
クロチップアセンブリ２５のサンプル導入チャネルの開口部上に配置され得る。
作動中、サンプル送達システムは、サンプルを取り上げ、このサンプルをそれら
の壁に固定化された化学試薬と反応させ、次いでこの反応の生成物があればこれ
を本発明のデバイスのサンプル導入チャネルに送達する。図５に示されるように
、このようなサンプル送達システムのアレイは、複数のサンプルをマイクロチッ
プアセンブリ２５の複数のサンプル導入チャネルに同時に送達し得る。

【００４１】温度制御デバイス３２によるキャピラリーの密閉された末端付近の温度の調節
は、サンプルの取り上げおよび送達、すなわち、キャピラリー内のサンプルの移
動を制御する。キャピラリーは一端で密閉されるため、キャピラリーの密閉され
た末端における気体の加熱および冷却により、この気体は、それぞれ膨張または
収縮し得る。気体が加熱される場合、その気体が占める容量、故にキャピラリー
内の圧力は、ほぼ理想気体の法則ＰＶ＝ｎＲＴに従って増加する。ここで、Ｐは
圧力であり、Ｖは容量であり、ｎは気体分子の数であり、Ｒは定数８．３１４Ｊ
Ｋ^-1ｍｏｌ^-1であり、そしてＴは温度である。従って、気体が加熱された場合、
この気体はキャピラリー内の開口部に強制的に通される。次いで、このキャピラ
リーはサンプルに浸漬され、そして冷却される。冷却されると、キャピラリー内
の気体は収縮し、そしてサンプルがキャピラリーに入る。キャピラリー内の気体
が収縮するにつれて、キャピラリー内の圧力が下がる。キャピラリーの外側と内
側との間の圧力差により、サンプルがキャピラリーに入る。

【００４２】十分に冷却すると、サンプルはキャピラリー壁に固定化された化学試薬と接触
し、そしてそれらの試薬と反応する。サンプルがこれらの試薬と接触したままで
ある時間は、実施される反応によって決定される。キャピラリーのさらなる加熱
および／または冷却により、サンプルが反応器内の第１の位置から第２の位置お
よび引き続く位置まで移動し、ここで第２および引き続く反応が起こる。反応が
完了した後、キャピラリーの再加熱により気体が膨張し、サンプルをキャピラリ
ーから出す。キャピラリーが本発明の装置のサンプル導入チャネルの開口部上に
配置される場合、このサンプルは、サンプルプラグ形成のための装置に直接送達
される。

【００４３】本発明のサンプル分析デバイスと共に使用されるサンプル送達システムは、多
数のタイプの化学反応を行うために使用され得る。例えば、システムおよびデバ
イスは、診断用途（例えば、血液試験（例えば、血液成分を同定するため、また
は血液中のＤＮＡを検出／同定するため）、イムノアッセイ（例えば、サンプル
中の特定の抗原の存在を検出するため）、または比色アッセイ、あるいは他のア
ッセイ（例えば、放射化学アッセイ、化学発光アッセイ、結合アッセイなど））
において使用され得る。このシステムおよびデバイスは、サンプル（例えば、生
物学的サンプルまたは環境的サンプル）中のトキシン（例えば、細菌、アルコー
ル、薬物、ウイルス、生物、金属、異常なレベルの生理化学物質など）、または
他の成分を検出するために使用され得る。サンプル送達システムはまた、化学合
成（薬物、ペプチド、ヌクレオチドなど）に用いられ得る。さらに、サンプル送
達システムは、多数の研究技術（例えば、ペプチドまたはヌクレオチドの配列決
定、増幅または修飾）において使用され得る。

【００４４】標的ポリヌクレオチド配列を増幅し、これを検出する際に役立つサンプル送達
システムはまた、サンプルを本発明の装置に送達するために使用され得る。図６
は、温度制御デバイス３２と熱的に結合した、キャピラリー２８のアレイを示す
。各キャピラリーは、温度制御デバイス３２付近にある密閉された一端を有する
。キャピラリーは、それぞれ、キャピラリー壁に固定化された化学試薬の第１セ
ット３８および第２セットの化学試薬４０を含む。第２の温度制御デバイス４２
（これは気体または液体を加温および／または冷却するためのコンジットを有す
る）は、キャピラリーの別個の部分（例えば、化学試薬を含む領域）の温度の制
御を可能にする。示されるサンプル送達システムは、本発明の装置のサンプル導
入チャネル１０で反応生成物を蓄積するために、マイクロチップアセンブリ２５
上に配置される。

【００４５】第２の温度制御デバイスの使用により、キャピラリーの密閉された末端内の気
体の温度に影響を及ぼすことなく、反応の温度を制御し得る。図５について上で
議論したように、キャピラリーの加熱により、ガスが膨張し、従って、サンプル
がキャピラリー内に、またはキャピラリーから外に移動する。試薬およびサンプ
ルが入れられるキャピラリーの別個の部分を加熱することによって、反応の温度
は、サンプルをキャピラリー内に移動することなく制御され得る。キャピラリー
の中または外側に存在する様々な絶縁体が、サンプルをキャピラリー内で静止し
たままにし、また局在化した加熱および／または冷却を可能にするために使用さ
れ得る。すなわち、絶縁体は、キャピラリーの密閉された末端付近の気体を熱的
にシールドして、その膨張および縮小を防ぐ。

【００４６】本発明の一実施形態において、第１セットの試薬３８は、ＰＣＲのようなポリ
ヌクレオチド増幅反応を実施するための試薬であり得る。ＰＣＲは、当該分野で
周知である。例えば、米国特許第５，３３０，８９２号を参照のこと。さらに、
当該分野で公知のポリヌクレオチド増幅反応（制限酵素／ＤＮＡポリメラーゼ系
を使用するＤＮＡの等温インビトロ増幅（Ｗａｌｋｅｒら、Ｐｒｏｃ，Ｎａｔｌ
．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．Ｕ．Ｓ．Ａ．，８９：３９２〜９６（１９９２））、およ
びリガーゼ連鎖反応（ＬＣＲ）（Ｂａｃｋｍａｎ，Ｃｌｉｎ．Ｃｈｅｍ．３８：
４５７〜５８（１９９２））これらの各々は本明細書中で参考として援用される
）を含む）は、反応器を使用して実施され得る。

【００４７】ＰＣＲを実施するための試薬は、典型的に、緩衝液、少なくとも１つのプライ
マー、ポリメラーゼ（例えば、Ｔａｑポリメラーゼ）、および少なくとも１つの
ヌクレオシド三リン酸を含む。緩衝液、プライマーおよび他の成分の選択は、増
幅されるべき配列の特性（例えば、長さ、サンプル中の存在比、Ｇ／Ｃ含有量）
に基づき、当業者の範囲内である。ポリメラーゼは、Ｔａｑポリメラーゼ、Ｅ．
ｃｏｌｉＤＮＡポリメラーゼＩ、Ｅ．ｃｏｌｉＤＮＡポリメラーゼＩのクレ
ノウフラグメント、Ｔ４ＤＮＡポリメラーゼ、他の利用可能なＤＮＡポリメラ
ーゼ、逆転写酵素、および他の酵素（熱安定性酵素を含む）からなる群から選択
され得る。ヌクレオシド三リン酸には、ｄＣＴＰ、ｄＧＴＰ、ｄＡＴＰまたはｄ
ＴＴＰが挙げられ得る。

【００４８】試薬の第２のセット４０は、増幅した標的ＤＮＡに結合するためのプローブを
含む。反応器において使用するためのプローブは、任意のＤＮＡ結合タンパク質
であり得、そして好ましくは、リボプローブ、ポリヌクレオチド、またはＰＮＡ
のような、相補的配列であり得る。これらのプローブは、検出可能に標識される
ことが、好ましい。好ましい標的としては、放射性同位体、蛍光標識もしくは比
色定量標識、酵素標識、および分子量標識が挙げられる。特に好ましいプローブ
は、ペプチド核酸（すなわちＰＮＡ）である。ペプチド核酸は、中性のポリマー
骨格を有する周知のＤＮＡ模倣物であり、このポリマー骨格上に、核酸塩基が、
ＤＮＡのリン酸骨格に付着する様式と同じ様式で、付着する。Ｅｇｈｏｌｍら、
Ｎａｔｕｒｅ、３６５：５６６−５６８（１９９３）；Ｏｅｒｕｍら、Ｎｕｃｌ
．ＡｃｉｄｓＲｅｓ．、２３：５３３２−３６（１９９３）；Ｐｌｕｓｋａｌ
ら、ＴｈｅＦＡＳＥＢＪｏｕｒｎａｌ、Ｐｏｓｔｅｒ＃３５（１９９４）
；ＰｒａｃｔｉｃａｌＰＮＡ：ＩｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇＰｏｉｎｔＭｕｔ
ａｔｉｏｎｓｂｙＰＮＡＤｉｒｅｃｔｅｄＰＣＲＣｌａｍｐｉｎｇ、
ＰｅｒＳｅｐｔｉｖｅＢｉｏｓｙｓｔｅｍｓ第１巻、第１号（１９９５）を
参照のこと。ペプチド核酸のシントンおよびオリゴマーは、市販されている（Ｐ
ｅｒＳｅｐｔｉｖｅＢｉｏｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．、Ｆｒａｍｉｎｇｈａｍ
、ＭＡ）。ＰＣＴ公開公報ＥＰ９２／０１２１９、ＥＰ９２／０１２２０、およ
びＵＳ９２／１０９２１（本明細書中に参考として援用される）もまた参照のこ
と。ペプチド核酸プローブは、代表的に、ＤＮＡ／ＤＮＡ二重鎖と比較してより
安定な二重鎖を、ＤＮＡと共に形成する。さらに、ＰＮＡ／ＤＮＡ複合体は、類
似のＤＮＡ／ＤＮＡ二重鎖より高い熱融点を有するので、ＰＮＡプローブの使用
は、ブロッティングアッセイの再現性を向上させ得る。

【００４９】フルオレセイン標識またはビオチン標識されたＰＮＡプローブは、Ｅｘｐｅｄ
ｉｔｅＮｕｃｌｅｉｃＡｃｉｄＳｙｓｔｈｅｓｉｓＳｙｓｔｅｍ（Ｐｅ
ｒＳｅｐｔｉｖｅＢｉｏｓｙｓｔｅｍｓ）で合成される。８−アミノ−３，６
−ジオキサオクタン酸（−ｏ−）のスペーサーユニットを、樹脂に結合したＰＮ
Ａに添加し、その後、ビオチン（Ｂｉｏ）またはフルオレセイン（Ｆｌｕ）の活
性化エステル（例えば、１−（４’−ニトロフェニル）ピラゾリン−５−オンの
ジメトキシトリチルビオチンエステル（ＤＭＴｒ−ｂｉｏ−ＨＰＰ）、または５
，６−カルボキシフルオレセイン−Ｎ−ヒドロキシスクシンイミド）を、ＰＮＡ
と反応させる。標識化の後に、ＰＮＡを樹脂から切断し、そして例えば、ＴＦＭ
ＳＡ／ＴＦＡ／ｍ−クレゾール／チオアニソール（２：６：１：１）混合物を使
用して、室温、２時間で、あらゆる保護基を除去する。無水エーテルの添加によ
り、標識したＰＮＡを沈殿させる。粗製ＰＮＡ沈殿物を、Ｄｅｌｔａｐａｃｋ
Ｃ１８カラム（Ｗａｔｅｒｓ）でのＳｅｐｈａｄｅｘＧ−２５による高速液体
クロマトグラフィーで精製して、蛍光性不純物を除去する。

【００５０】化学試薬のキャピラリー壁への固定は、乾燥により達成され得る。この試薬は
、例えば、マイクロニードルを用いてこの試薬をキャピラリーに注入することに
より、キャピラリーに送達され得る。試薬をキャピラリーまたはチャネル内に導
入するための他の技術は、以前に記載されたか、または当業者に公知である。化
学試薬が適所にきた後に、例えば、これらの上に温空気を吹き付けるか、または
これらをオーブンに入れることにより、これらを乾燥させる。ＰＣＲ試薬は、炭
水化物マトリックス（例えば、デキストランまたはトレハロース）中で乾燥され
得、その後、キャピラリー壁に固定される。化学試薬の各セットは、好ましくは
、キャピラリー壁の周囲の別個のリングにおいて乾燥される。

【００５１】操作において、キャピラリーの閉じた端部を加熱して気体を追い出し、このキ
ャピラリーをサンプル中に入れ、次いでキャピラリーの閉じた端部を冷却して気
体を収縮させ、これによりサンプルを吸引させることによって、標的ポリヌクレ
オチド配列を含むと疑われるサンプルを、キャピラリー内の第１のセットの試薬
（すなわち、ＰＣＲ試薬）と接触させる。一旦、キャピラリーが十分に冷却され
ると、サンプルは、第１のセットの化学試薬に接触する。第２の温度制御デバイ
ス４２（反応器の、ＰＣＲ試薬に占められる位置に設置される）は、熱サイクル
を制御する。第２の温度制御デバイス４２は、最初に、サンプル中の二本鎖ＤＮ
Ａを変性するために、ＰＣＲ試薬により占められる位置で温度を上昇させる。次
いで、同じであるかまたは異なる温度制御デバイスが、ＰＣＲ試薬を含む反応器
領域を冷却し、ＰＣＲプライマーの、一本鎖テンプレート鎖へのアニーリングを
引き起こす。変性のための温度とアニーリングのための温度との間の中間の温度
に加熱することにより、プライマー伸長を引き起こす。多数のこのようなサイク
ルを、反応が完了するまで繰り返す。ＰＣＲサイクルの数、ならびに使用される
正確な試薬は、利用可能なテンプレートＤＮＡの量、反応効率、および他の公知
の因子に依存して、変動する。ＰＣＲのための一般的なプロトコルおよびパラメ
ータは公知であり、そして例えば、ＳｈｏｒｔＰｒｏｔｏｃｏｌｓｉｎＭ
ｏｌｅｃｕｌａｒＢｉｏｌｏｇｙ、１５−１〜１５−４０（Ａｕｓｅｂｅｌら
編、１９９５）（本明細書中に参考として援用される）において利用可能である
。

【００５２】一旦、ＰＣＲが完了すると、温度制御デバイス３２を用いて、キャピラリーの
閉じた端部内の気体を冷却することにより、増幅された標的配列を、相補的プロ
ーブのセットと接触させる。単一の温度制御デバイスを使用して、サンプルを移
動させるためにキャピラリーを加熱または冷却し得、そしてＰＣＲのために別個
のキャピラリー領域を加熱または冷却し得ることを、当業者は理解する。しかし
、図６に示すように、別個の温度制御デバイスが好ましい。プローブのセットは
、増幅された標的の少なくとも一部とハイブリダイズすることが既知である単一
のプローブの、複数のコピーを含み得るか、またはこのセットは、いくつかが標
的の部分とハイブリダイズし、いくつかが標的と相補的ではない、複数の異なる
プローブを含み得る。

【００５３】上記のように、キャピラリーを冷却してサンプルを上方に（気体／サンプル入
口の点から離れて）移動させ、そしてこのキャピラリーのプローブを含む領域と
接触させることにより、増幅された核酸を含むサンプルをプローブと接触させる
。サンプルを、所望のレベルのストリンジェンシーにハイブリダイゼーションを
引き起こすに十分な時間にわたって、プローブのセットと共にインキュベートす
る。ハイブリダイゼーションパラメータ（すなわち、時間、緩衝液、塩濃度、温
度など）は、配列の長さ、Ｇ／Ｃ含有量、所望のストリンジェンシー、および当
業者に公知の他の基準に基づいて、決定される。例えば、Ａｕｓｕｂｅｌ、前出
、６−７を参照のこと。一旦、所望のレベルのハイブリダイゼーションが達成さ
れると、反応器をさらに加熱することにより、サンプル（標的とプローブとの間
で形成されたハイブリッド二重鎖を含む）を、本発明のサンプルプラグ形成デバ
イス内に溶出する。次いで、溶出されたサンプルを洗浄して、過剰の（結合して
いない）標識を除去し得る。次いで、標的ポリヌクレオチド配列を、本発明のサ
ンプル分析装置を使用して検出して、標的ＤＮＡの存在および／または量を決定
する。

【００５４】注入、サンプル成分の分離、および標識された成分の検出のための、サンプル
分析装置は、既存のシステムに固有の複雑な機構、時間およびバイオハザードの
曝露なしでの生物学的サンプルの迅速な自動化分析のために、上記のようなサン
プル送達デバイスと組み合わせられ得る。図７は、統合されたサンプル分析装置
および反応器アレイを示す。この統合されたデバイスは、膜を有するサンプルカ
ード４４を備え、この膜上に、例えば血液のようなサンプルが堆積される。この
カードは、例えば、ＩｓｏＣｏｄｅ^TMカード（Ｓｃｈｌｅｉｃｈｅｒ＆Ｓｃ
ｈｕｅｌｌ、Ｋｉｎｇ、ＮＨ）であり得る。このカードは、このカード膜上に堆
積されたサンプルの細胞を溶解するための化学試薬を含み得る。次いで、この溶
解液を、オーブン４６により乾燥し、これによって、この溶解した細胞からのＤ
ＮＡをカード膜に固定する。この統合されたデバイスは、図５または図６に関し
て上記のような反応器４８をさらに備える。このデバイスは、サンプル導入チャ
ネルおよび分離チャネルを有するマイクロチップアセンブリ２５を備え、これら
のチャネルは、加圧／減圧ユニット５０、高圧電源５２、および高圧カートリッ
ジ５４に接続される。

【００５５】マイクロチップアセンブリの分離チャネルの端部の近くに、光学検出モジュー
ル５６が存在する。この光学検出モジュールは、サンプル中の目的の成分に結合
する、検出可能な部分の存在を検出する。検出は、以下が挙げられるがこれらに
限定されない方法論により、達成され得る：紫外線の吸光度、可視光の吸光度、
蛍光、屈折率、ラマンスペクトル分光分析または質量分析、電気化学、および伝
導率。蛍光による検出が好ましい。このモジュールを使用する蛍光検出は、マイ
クロチップのチャネルにわたって走査する、マイクロチップレーザービームを含
む。

【００５６】この統合されたデバイスは、滅菌脱イオン水ユニット５８、ふるいゲル緩衝液
ユニット６０、およびマイクロチャネル再馴化溶液ユニット６２をさらに備える
。これら３つのユニットの各々は、記載されるように、２つの半体に分割され、
一方の半体は新鮮な溶液を含み、そして他方の半体は廃棄溶液を含む。

【００５７】操作において、サンプルを、サンプルカード４４の膜上に堆積させ、そしてこ
のカードを、図７に示されるように、統合デバイスに挿入する。このサンプル中
の細胞が、この膜に含まれる化学試薬により、溶解される。次いで、細胞性ＤＮ
Ａ、または他のサンプル成分を、オーブン４６での加熱により、この膜上で乾燥
させる。この時点で、このカードは取り外されて保管（ａｒｃｈｉｖｅ）され得
るか、またはこのカードは、引き続くプロセシングにおいて使用され得る。ある
いは、ガスリー紙で乾燥された血液ブロットを使用して、サンプルを堆積させ得
る。

【００５８】サンプルをカードに乾燥させた後に、このカード膜を、ユニット５８からの滅
菌脱イオン水を使用して水蒸気加熱し、その結果、サンプル成分が、少量の液体
中に抽出される。次いで、反応器４８のキャピラリーを加熱して気体を追い出し
、膜の上の位置に移動させ、そしてサンプルを含む液体中に浸漬する。これらの
キャピラリーの冷却の際に、これらのキャピラリーの閉じた端部内の気体が収縮
し、そしてサンプルがこれらのキャピラリー内に引き込まれる。これらのキャピ
ラリーは、好ましくは、上記のように、実施されるべき免疫アッセイまたはポリ
ヌクレオチド検出に特異的な試薬を、予め装填される。

【００５９】上記のように一旦キャピラリー中で反応したサンプルは、マイクロチップアセ
ンブリ２５のサンプル導入チャネル内に堆積される。これらのキャピラリーは上
部を移動し、その結果、これらのキャピラリーは、サンプル導入チャネルの上に
位置する。次いで、これらのキャピラリーを、図５および図６に関して上記のよ
うに、温度制御デバイス３２により加熱し、その結果、キャピラリーの閉じた端
部の内側の気体が膨張し、そしてサンプルをこのキャピラリーから押し出す。一
旦使用されると、このサンプル送達システムは、処分され得、そして次の目的の
反応のための試薬を含む新たなシステムが、この統合されたデバイスに挿入され
得る。

【００６０】一旦、マイクロチップアセンブリのサンプル導入チャネルに堆積されると、加
圧／減圧ユニット５０を使用して、このマイクロチップのサンプル導入チャネル
および分離チャネル内に、圧力勾配を生じさせ、これによって、図２に関して上
記のように、サンプルを分離チャネル内に注入する。電圧発生器５２をまた使用
して、この分離チャネルに電圧勾配を適用し、図３に関して上記のようなスタッ
キング技術を実施し得る。

【００６１】分離チャネルにおいてサンプルプラグを形成した後に、電圧発生器５２を使用
して、マイクロチップの分離チャネルに軸方向に沿って電圧を印加し、このサン
プルの成分を分離する。ふるい媒体を、このマイクロチップのチャネル内に予め
装填する。ユニット６０からの緩衝液を、この分離チャネルに注入し、その後、
サンプルプラグを形成する。

【００６２】サンプルが分離チャネルの端部に到達すると、光学検出モジュール５６を使用
して、分離チャネル内のサンプル成分に付着した検出可能な部分の存在を検出す
る。ポリヌクレオチドの同定については、光学検出の結果を、遺伝子型実験から
生成されたデータと比較する。このデータは、強度対時間のグラフの形態であり
、これらは、適合類似性の決定において、電子的に検索可能である。

【００６３】分析の実施の後に、高圧カートリッジ５４からの圧力を使用して、分離チャネ
ルの両端に圧力を付与し、これによって、マイクロチップアセンブリのチャネル
を掃除する。次いで、これらのチャネルを、ユニット６２からの再馴化溶液を使
用して、再馴化する。次いで、このマイクロチップアセンブリは、引き続く分析
において再使用され得る。あるいは、このマイクロチップアセンブリは、処分さ
れ得る。

【００６４】当該分野において公知の方法と比較して、本発明のサンプルプラグ形成デバイ
スは、圧力差を使用して、分離および／または分析のためのサンプルプラグを形
成する。本発明の利点としては、非イオン性種を含むサンプルプラグの形成およ
び分離の能力、ならびに電場の印加なしでサンプルプラグを形成する能力（その
結果、チャネルの表面特性およびチャネル内の媒体は、サンプルプラグ形成にさ
ほど影響を与えない）が挙げられる。従って、本発明は、当該分野において公知
のプラグ形成デバイスおよび方法より優れたいくつかの利点を提供する。

【００６５】さらに、上記サンプル送達システムと組み合わせて使用する場合に、さらなる
利点が実現される。従来の容量制御装置（例えば、シリンジおよびポンプ）と比
較して、熱制御サンプル送達システムは、磨耗し得るかまたは高価なメンテナン
スが必要である可動部品を、より少なく有する。さらに、このサンプル送達シス
テムは、分析機器から独立し得るので、他の利点が実現される。例えば、サンプ
ル送達チャネルは、低費用の材料（例えば、プラスチックキャピラリーチュービ
ング）から作製され得る。なぜなら、光学品質も統合された電極も必要とされな
いからである。従って、洗浄工程および／または相互汚染を排除し得る、チャネ
ルの単回使用が魅力的である。

【００６６】さらに、これらのチャネルは、代表的に、分析技術においては直接使用されな
いので、これらのチャネルは、容易に移動可能であり得、そして本発明のサンプ
ルプラグ形成デバイスとの位置決めのためのより高度の許容を有し得る。すなわ
ち、分析デバイスの検出システムは、代表的に静止したままであるので、液体検
出キャピラリーの光学的整列が、複数のサンプルの分析の間に最適な精度で一回
行われることが、必要である。さらに、サンプル送達システムが化学試薬を含み
、そして反応を行うために使用される場合には、存在するかまたは反応の間に形
成される任意の粒子状物質が、反応生成物のサンプルプラグ形成デバイスへの導
入の前に、容易に濾過され得、これによって詰まりおよび／または不正確な分析
を防止する。これら上記の特徴は、簡単かつ安価な自動化ロボットを使用するこ
とを可能にする。

【００６７】化学物質の送達、混合および／または反応のために毛管作用に依存する、伝統
的なシステムを使用することと比較して、本発明のサンプル送達システムは、い
くつかの利点を示す。本発明のサンプル送達システムのチャネルの表面は、親水
性表面を必要とする毛管作用表面とは対照的に、親水性であっても疎水性であっ
てもよい。また、チャネルの表面に関して、サンプル溶液計量の再現性が、表面
特性およびサンプル成分にさほど依存しない。さらに、本発明のサンプル送達シ
ステムは、サンプルおよび試薬の計量に対する直接的な制御を可能にし、そして
気泡による分離が慣用的に実施されることを可能にする。これらの利点は、上記
サンプル送達システムにより達成されるのみでなく、圧力差を使用する本発明の
サンプルプラグ形成デバイスに関してもまた達成される。

【００６８】化学物質の送達、混合および／または反応のための、電気浸透流と比較して、
圧力を使用するサンプル送達システムは、上記毛管作用を使用することと比較し
て、いくつかの同じ利点を示す（すなわち、表面特性および溶液計量の再現性）
。さらに、このサンプル送達システムは、代表的に、分析および／または化学反
応を実施するための、その溶液組成が制限されない。すなわち、ｐＨ、イオン強
度、緩衝液組成、化学的添加物および溶媒のような可変物は、しばしば、特定の
応用に依存して無制限である。これらの可変物は、代表的に、効果的な電気浸透
流が生じるために、制限される。再度、上記のように、これらの利点は、上記サ
ンプル送達システムを用いて実現されるのみでなく、圧力差を使用する本発明の
サンプルプラグ形成デバイスに関してもまた、実現される。

【００６９】従って、上で記載および図示したように、本発明は、従来の技術の複雑さ、時
間、労力およびバイオハザード曝露なしに、マイクロスケールの生物学的サンプ
ルの高速分析を可能にする。本発明のさらなる局面および実施形態は、上記開示
の考慮により明らかである。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲の
範囲によってのみ、制限される。

【００７０】本発明は、他の特定の形態において、実施され得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明のサンプルプラグ形成デバイスの系統図である。サンプル導入
チャネルは、分離チャネルと共に非平行接合部を形成し、この分離チャネルでサ
ンプルプラグが形成される。サンプルの流れの方向は、矢印１６、１８、および
２０で示される。

【図２】図２：Ａ〜Ｆは、本発明の方法の実施の間の種々の段階で、このチャネルを通
るサンプルの流れを示す、本発明のデバイスの概略断面図である。

【図３】図３：Ａ〜Ｆは、分離チャネルに沿って「スタッキング」電圧を適用したチャ
ネルを通るサンプルの流れを示す、本発明のデバイスの概略断面図である。

【図４】図４は、本発明の好ましい実施形態を示し、これは一連のサンプル導入チャネ
ルおよび分離チャネルでエッチされたマイクロチップアセンブリである。示され
るマイクロチップは、チャネルを通る圧力および／または電圧を制御する結合部
を有する。

【図５】図５は、図４に示される本発明のマイクロチップアセンブリの実施形態に関連
する、サンプル送達システムを示す。このサンプル送達システムは、化学試薬の
セットと共に前装填され、そして温度制御デバイスと関連するキャピラリーのア
レイを備える。このキャピラリーは、マイクロチップアセンブリの上に位置付け
られ、そしてマイクロチップアセンブリのサンプル導入チャネルにサンプルを送
達するために使用される。

【図６】図６は、化学試薬の第１のセットおよび化学試薬の第２のセットを含む、キャ
ピラリーのアレイを示す。温度制御デバイスは、キャピラリーと関連して示され
る。局在的な加熱および冷却のための第２の温度制御デバイスはもまた示される
。このキャピラリーは、サンプルをサンプル導入チャネルに送達するために、マ
イクロチップアセンブリの上に位置付けられる。

【図７】図７は、一体化されたサンプル送達システム、サンプルプラグ形成デバイス、
およびマイクロスケールのサンプルの迅速な自動分析を行うための他の関連装置
を備える、本発明の科学装置を示す。示されるそれぞれの図における同じ参照文
字は、一致する部分を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 500 ＯｌｄＣｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔＰａｔｈ，Ｆｒａｍｉｎｇｈａｍ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ 01701，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓｏｆＡｍｅｒｉｃａ (72)発明者テイラー，トッドエイ．アメリカ合衆国マサチューセッツ 01701，フラミングハム，バーノンストリート 10 (72)発明者カーソン，ウィリアムダブリュー．アメリカ合衆国マサチューセッツ 01748，ホプキントン，ショフィールドロード 14 (72)発明者コートニー，ランスアメリカ合衆国マサチューセッツ 01844，メスエン，ワシントンストリートナンバー86 45 Ｆターム(参考） 2G058 DA01 DA07 EB22 EC01 GE01 GE04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】サンプルプラグ形成デバイスであって、以下：ハウジングであって、以下：長手方向の軸を含む、分離チャネル、および該分離チャネルと接合点を形成する、導入チャネルを規定する、ハウジング；ならびに該分離チャネルおよび該導入チャネルと独立して連絡する、圧力制御デバイス
を備え、ここで、該導入チャネルに示差的に適用された第１の圧力が、サンプルを該接合点に輸
送し、そして該分離チャネルに示差的に適用された第２の圧力が、該接合点における該サン
プルの一部を該分離チャネルに輸送して、サンプルプラグを形成する、サンプルプラグ形成デバイス。
【請求項２】前記分離チャネル内に配置された分離媒体をさらに含む、請
求項１に記載のサンプルプラグ形成デバイス。
【請求項３】前記ハウジングが、微小製造された固体を含む、請求項１に
記載のサンプルプラグ形成デバイス。
【請求項４】前記導入チャネルおよび前記分離チャネルが、独立して、約
０．１μｍ〜約１０００μｍの範囲内の平均直径を有する、請求項１に記載のサ
ンプルプラグ形成デバイス。
【請求項５】前記長手方向の軸に沿って電位を提供するための、前記分離
チャネルと連絡する電圧発生器をさらに備える、請求項１に記載のサンプルプラ
グ形成デバイス。
【請求項６】前記圧力制御デバイスが、制御可能な圧力供給源を備える、
請求項１に記載のサンプルプラグ形成デバイス。
【請求項７】請求項１に記載のサンプルプラグ形成デバイスを備える、科
学装置。
【請求項８】前記圧力制御デバイスを制御するための、該圧力制御デバイ
スと連絡するコンピューターをさらに備える、請求項７に記載の科学装置。
【請求項９】化学成分を検出するための、前記接合点から離れて配置され
、かつ前記分離チャネルと連絡する検出器をさらに備える、請求項７に記載の科
学装置。
【請求項１０】前記サンプルを前記導入チャネルに導入するための、熱制
御送達システムをさらに備える、請求項７に記載の科学装置。
【請求項１１】サンプルプラグを形成するための方法であって、以下の工
程：（ａ）以下を備える、サンプルプラグ形成デバイスを提供する工程：ハウジングであって、以下：長手方向の軸を含む、分離チャネル、および該分離チャネルと接合点を形成する、導入チャネルを規定する、ハウジング；ならびに該分離チャネルと連絡する、圧力制御デバイス；（ｂ）第１の圧力を該導入チャネルに示差的に適用して、該導入チャネルと連
絡するサンプルを、該接合点に輸送させる工程；および（ｃ）第２の圧力を該分離チャネルに示差的に適用し、該接合点における該サ
ンプルの一部を該分離チャネルに輸送して、サンプルプラグを形成させる工程を包含する、方法。
【請求項１２】前記導入チャネルに示差的に適用された前記第１の圧力が
、前記分離チャネルへの示差的な第２の圧力の適用前に減少される、請求項１１
に記載の方法。
【請求項１３】前記長手方向の軸に沿って電位を適用する工程をさらに包
含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】前記長手方向の軸に沿って電位を適用する工程が、工程（
ｂ）の間に生じる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】前記長手方向の軸に沿って電位を適用する工程が、前記サ
ンプルプラグ中の成分を分離する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】前記サンプルプラグ中の成分について分析する工程をさら
に包含する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】前記分離チャネルに正の圧力を適用して、該分離チャネル
に沿って前記サンプルプラグを移動させる工程をさらに包含する、請求項１１に
記載の方法。
【請求項１８】正の圧力を適用する工程が、前記サンプルプラグ中の成分
を分離する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】前記サンプルプラグ中の成分について分析する工程をさら
に包含する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】前記分離チャネルに第２の圧力を示差的に適用する工程が
、特定の間隔で行われる、請求項１１に記載の方法。
【請求項２１】前記サンプルを前記導入チャネルと連絡させる熱制御サン
プル送達デバイスを提供する工程をさらに包含する、請求項１１に記載の方法。