JP2003527601A

JP2003527601A - 交流電場を用いた極性分析物を配置および濃縮するための方法および装置

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Publication number: JP2003527601A
Application number: JP2001568062A
Authority: JP
Inventors: ズビグニューティー．ブライニング，; テレサビー．テイラー，
Original assignee: アプレラコーポレイション
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2003-09-16
Also published as: US7704363B2; US8083917B2; ATE289065T1; EP1261863B1; AU2001245558A1; DE60108848D1; US20060081474A1; WO2001069230A2; US20100203580A1; WO2001069230A3; US6969454B2; US20030057094A1; DE60108848T2; CA2402189A1; EP1261863A2; US6537433B1

Abstract

(57)【要約】交流電場中で極性分析物の濃縮を実施するための方法が、開示される。この方法において、平行移動経路に沿って、この極性分析物および交流電場の相対的な平行移動が実施される。次いで、この極性分析物の一部分は、平行移動経路と交流電場との交差によって形成される濃縮区域内に捕捉され、そして濃縮される。前述の方法を実行するための種々のデバイスもまた、開示される。このデバイスは、平行移動経路、第１組みの電極、および第２組みの電極を備え、この第１組みの電極は、平行移動経路に沿った極性分析物の動電学的平行移動を引き起こすのに十分な第１電界を提供するために位置付けられ、この第２組みの電極は、平行移動経路を交差し、そして平行移動経路および交流第２電場の交差によって形成される濃縮区域に極性分析物の一部を捕捉しそして濃縮するのに十分な交流第２電場を提供するために位置付けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（発明の分野）本発明は、交流電場を使用して極性分析物の配置および濃縮のための方法およ
び装置に関する。

【０００２】（背景）分析機器の分野における最近の傾向は、複数の操作が単一のデバイスで行われ
る一体化微小流体デバイスの開発である（例えば、Ｈａｒｒｉｓｏｎら、「Ｍｉ
ｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇａＭｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄＣａｐｉｌｌａｒ
ｙＥｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ−ＢａｓｅｄＣｈｅｍｉｃａｌＡｎａ
ｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍｏｎａＣｈｉｐ」，Ｓｃｉｅｎｃｅ，２６１：
８９５（１９９２））。このようなデバイスは、従来の分析形式に対して多くの
利点（非常に少量を扱う能力；デバイス製造の容易さおよび経済性；単一の一体
化デバイス上に複数の操作を一体化する能力；および高い程度の自動化を達成す
る機会を含む）を提供する。

【０００３】微小流体デバイスを使用して実行される多くの化学分析および生化学分析にお
いて、分析の一部として分析物を濃縮することが有利である。例えば、増加した
分析物濃縮は、一般的に、増加した化学反応速度、質量移動の増加した速度、お
よび向上した検出性を導く。しかし、従来の濃縮方法が固相引き出し工程（例え
ば、吸着）、または分析物の相変化（例えば、沈殿）、または溶媒の相変化（例
えば、蒸発）を必要とするので、これらの方法は、微小流体デバイスの使用に十
分に適合しない。

【０００４】さらに、分析物の配置を制御するための方法は、微小流体デバイスを使用する
方法の設計において重要である。例えば、分離工程の前に、空間的に規定された
注射区域内のサンプル容積を配置することが望ましくあり得る。

【０００５】従って、一体化微小流体システムにおける使用によく適した分析物の配置およ
び濃縮のための方法を有することが望ましい。

【０００６】（要旨）本発明は、交流電場を使用する極性分析物の配置および濃縮のための方法およ
びデバイスの本発明者らの発見に向けられる。

【０００７】第１の局面において、本発明は、極性分析物の濃縮のための方法を提供し、こ
の方法は、極性分析物の一部が、平行移動経路および交流電場の交差点によって
形成される濃縮区域に捕捉されそして濃縮されるように、平行移動経路に沿った
極性分析物および交流電場の相対的な平行移動をもたらす工程を包含する。

【０００８】第２の局面において、本発明は、極性分析物の濃縮のためのデバイスを提供し
、このデバイスは、平行移動経路、第１組みの電極、および第２組みの電極を備
え、この第１組みの電極は、平行移動経路に沿った極性分析物の動電学的平行移
動を引き起こすのに十分な第１電界を提供するために位置付けられ、この第２組
みの電極は、平行移動経路を交差し、そして平行移動経路および交流第２電場の
交差によって形成される濃縮区域に極性分析物の一部を捕捉しそして濃縮するの
に十分な交流第２電場を提供するために位置付けられる。

【０００９】固相引き出し工程も極性分析物または溶媒の相変化も必要としない極性分析物
の濃縮のための方法を提供することが本発明の第１の目的である。

【００１０】固相引き出し工程も極性分析物または溶媒の相変化も必要としない極性分析物
の操作または配置のための方法を提供することが本発明の第２の目的である。

【００１１】手動的干渉を必要とせず、従って自動化によく適した極性分析物の濃縮または
操作のための方法を提供することが本発明の第３の目的である。

【００１２】微小流体デバイスにおける使用によく適した極性分析物の濃縮または操作のた
めの方法を提供することが本発明の第４の目的である。

【００１３】本発明は、以下の記載、図面および添付の特許請求の範囲を参照してより良く
理解される。

【００１４】（好ましい実施形態の詳細な説明）ここで、本発明の特定の好ましい実施形態に対して詳細に参照がなされ、これ
らの例は、添付の図面に示される。本発明を選択された好ましい実施形態ととも
に記載するが、これらの実施形態が、いかなるようにも本発明の範囲を限定する
ように意図されないことが理解される。反対に、本発明は、添付の特許請求の範
囲によって決定される本発明の範囲内に含まれ得る代替物、改変体および均等物
をカバーすることが意図される。さらに、本発明の開示において使用される場合
、複数形および単数形は、それぞれ他方を包含するとみなされ、「または（ｏｒ
）」は、排他的ではなく、そして「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ、ｉｎｃｌｕｄｉｎ
ｇ）」は、限定的ではない。

【００１５】一般的に、本発明は、極性分析物が平行移動経路および交流電場の交差によっ
て形成される濃縮区域に濃縮されるように、極性分析物の相対的な平行移動を平
行移動経路に沿って交流電場に関してもたらすことによって特定の位置に極性分
析物を位置付けそして濃縮するための方法および装置を包含する。

【００１６】本発明は、極性分析物が適切な特性を有する交流電場を通過する場合に、極性
分析物が交流電場によって形成される濃縮区域に捕捉されるという発見に一部基
づく。この非常に予期されずかつ有益な現象についての理論的な説明は十分には
理解されておらず、本発明が以下のまたは任意の他の理論的説明によっていかな
るようにも限定されるようには意図されないが、この捕捉現象がＷｉｎｓｌｏｗ
効果（電気粘性（ｅｌｅｃｔｒｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ）効果とも呼ばれる）
に関連し、ここで、極性の実体が、それら自身をヘッドツーテイルで電界の線に
沿って整列させ、これによって繊維状の構造を形成する（例えば、Ｗｉｎｓｌｏ
ｗ，Ｊ．ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ（１９４７）；およびＷｉｎｓｌｏｗ
，米国特許第２，４１７，８５０号）。

【００１７】（Ｉ．定義）他に述べない限り、本明細書中で使用される以下の用語および句は、以下の意
味を有すると意図される。

【００１８】「平行移動経路」は、交流電場および極性分析物を潜在的に含む媒体の相対的
な平行移動の結果として描かれる経路を意味する。平行移動経路は、任意の形状
（例えば、直線、曲線など）を有し得る。

【００１９】「分離チャネル」は、分離プロセス（例えば、動電学的プロセス、クロマトグ
ラフィープロセス、または他の類似のプロセス）を行うのに使用されるチャネル
を意味する。

【００２０】「動電学的平行移動」は、電界に応答した実体の動きを意味する。例示的な動
電学的平行移動プロセスは、限定しないが、電気泳動、誘電体泳動（ｄｉｅｌｅ
ｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ）、電気浸透、ミセル動電クロマトグラフィー、等速
回転電気泳動、および上記プロセスの組み合わせが挙げられる。

【００２１】「動電学的平行移動システム」は、極性分析物の動電学的平行移動を引き起こ
すのに効果的な装置を意味する。代表的には、動電学的な平行移動システムは、
媒体を支持するためのチャネル、電源、チャネルと電気的に連絡する一組の２つ
以上の電極、および電源と２つ以上の電極との間の電気的接続を備える。

【００２２】「双極子モーメント」は、積ｑ＊Ｒを意味し、ここで、ｑおよび−ｑが、距離
Ｒによって分離される反対の極性の電荷である。以下の議論で使用されるように
、双極子モーメントとしては、永久双極子モーメント、有限の分極率を有する実
体の電界誘導分極から生じる双極子モーメント、実体の配向から生じる双極子モ
ーメント（例えば、配向分極）、実体を取り囲む対イオン雰囲気の電界誘導空間
電荷分布から生じる双極子モーメント（例えば、Ｄｅｂｙｅ層）、または上記機
構の任意の組み合わせから生じる双極子モーメントが挙げられる。

【００２３】「交流電場」は、大きさまたは方向が時間とともに変化するベクトルによって
特徴付けられる電界を意味する。交流電場の定義には、多相電界が含まれる。交
流電場の空間的範囲の限界は、交流電場の電場強度が、交流電場に関して目的の
極性分析物を捕捉し、そして濃縮するのに必要とされるよりも大きい領域である
。

【００２４】「極性分析物」は、双極子モーメントを有する分析物を意味する。

【００２５】（ＩＩ．方法）図１を参照すると、好ましい実施形態において、本発明の方法は、極性分析物
５の配置および濃縮に関する方法を含み、この方法は、平行移動経路１０に沿っ
た極性分析物５の相対的な平行移動を実施する工程、および平行移動経路１０を
横切る交流電場２０で実施する工程を包含し、その結果、この極性分析物５のい
くつかまたは全てが、捕捉され、そして平行移動経路１０と交流電場２０の交差
により形成される濃縮区域３０において濃縮される。

【００２６】本発明の方法における使用のための極性分析物５は、双極子モーメントを有す
る任意の分析物であり得る。この極性分析物は、荷電されていても、荷電さてい
なくてもよく、この極性分析物が、荷電されている場合、全体的に正味の電荷を
有しても、中性であってもよい。好ましくは、この極性分析物は、緩衝化電解質
溶液、より好ましくは、低イオン強度を有する電解質溶液中に存在する。例示的
な極性分析物としては、核酸、単鎖と二重鎖との両方、タンパク質、炭水化物、
ウイルス、細胞、小器官、有機ポリマー、粒子などが挙げられる。本発明の方法
における使用のために、特に好ましい極性分析物は、電解質中に溶解した、単鎖
または二重鎖の核酸である。

【００２７】この平行移動経路１０に沿った交流電場２０に関して、極性分析物５の相対的
な平行移動を実施するために使用される手段は、極性分析物を濃縮区域３０に配
置させ得る複数の異なる手段のいずれか、または手段の組み合わせであり得る。
このような相対的な平行移動は、極性分析物５の運動、交流電場２０の運動、ま
たは極性分析物５と交流電場２０との両方の運動によって実施され得る。

【００２８】例えば、交流電場に関して、極性分析物の相対的な平行移動を実施するために
使用される手段は、重力のみであり得る。あるいは、極性分析物５の平行移動は
、選択軸の周りで、このシステム１２をスピンさせることによって誘導され、平
行移動経路１０に沿って指向された成分を有する遠心力を与え得る。代わりに、
極性分析物５は、キャピラリーの作用または他の表面媒介プロセスによって平行
移動経路１０に沿って移動させられ得る。あるいは、活性な水圧ポンプを使用し
て（例えば、従来の微少容積のシリンジポンプを使用して）圧力勾配の結果とし
て平行移動経路に沿って極性分析物５を移動させ得る。極性分析物が磁石である
、なお別の好ましい実施形態において、磁場を、（例えば、永久磁石または電磁
石を使用して）平行移動経路に沿って極性分析物を平行移動させるために使用し
得る。本発明のさらに好ましい実施形態において、電場を使用して、電気運動的
平行移動プロセスによって極性分析物の平行移動を実施し得る。

【００２９】交流電場に関して、極性分析物の相対的な平行移動を実施するための手段を、
交流電場２０の運動で実施する場合、このような運動は、従来の機械学的平行移
動システムに接続された移動可能なステージ上に、交流電場を形成するために使
用される電極を取り付けることによって達成され得る。この機械的平行移動シス
テムにより、電極の線形平行移動または非線形平行移動を実施し得る。このよう
な機械的平行移動システムは、当該分野で周知である（例えば、Ｈｕｎｋａｐｉ
ｌｌｅｒら、米国特許第４，８１１，２１８号；およびＨｕｅｔｏｎら、米国特
許第５，４５９，３２５号）。例示的な機械的平行移動システムとしては、電気
機械的システム（例えば、モーターに接続された親ねじもしくはベルト伝動、圧
電アクチュエーター）、または空気式システムもしくは圧力式システム（例えば
、ピストン−イン−シリンダードライブシステム（ｐｉｓｔｏｎ−ｉｎ−ｃｙｌ
ｉｎｄｅｒｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍ））が挙げられる。一つの特に好ましい
機械的平行移動システムは、コンピュータ−制御−ＤＣ−サーボ−モーター−駆
動ＸＹ平行移動ステージを含む。

【００３０】平行移動経路に沿った交流電場に関係して、極性分析物の相対的平行移動を実
施するために使用される手段に関係なく、濃縮プロセスの間に、相対的な平行移
動を実施するために使用される力は、交流電場の捕捉力を圧倒するほど強くては
ならない。むしろ、平行移動経路に沿って相対的に平行移動させるために使用さ
れる力は、以下により詳細に議論されるような、濃縮区域において極性分析物を
捕捉するために使用される捕捉力とバランスが保たれるべきである。

【００３１】極性分析物を捕捉するために使用される交流電場２０は、極性分析物を捕捉お
よび濃縮するために、効率的な任意の交流電場であり得る。一般に，本発明の交
流電場は、時間対磁界強度のプロフィール、周波数、および最大の磁界強度
によって特徴付けられ得る。極性分析物を捕捉するために必要とされる交流電場
の特性は、複数の容易にアクセス可能な実験パラメータに依存し、このパラメー
タとしては、極性分析物の双極子モーメントの大きさ、支持媒体の誘電率、誘導
双極子モーメントを有する極性分析物の場合、極性分析物の分極または取り囲む
対イオン雰囲気が挙げられる。

【００３２】交流電場の時間対磁界強度のプロフィールは、正弦波、鋸波、矩形、上記
の重ね合わせ、周期的もしくは非周期的プロフィール、または近代的な機能発生
機を使用して発生され得る任意の他のプロフィール（例えば、Ｍｏｄｅｌ３３
１２０Ａ１５ＭＨｚＦｕｎｃｔｉｏｎ／ＡｒｂｉｔｒａｙＷａｖｅｆｏ
ｒｍＧｅｎｅｒａｔｏｒ（ＡｇｉｌｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ））で
あり得る。好ましくは、交流電場の時間対磁界強度は、矩形である。この矩
形プロフィールが好ましい。なぜならば、高い効率性のデューティサイクルから
得られる、本質的に非零電界成分を有するからである。特定の好ましい実施形態
において、交流電場の時間対磁界強度プロフィールは、平均を、完全な１サ
イクルからとった、時間平均総和磁場強度が、０のプロフィールである。濃縮区
域に配置された極性分析物が濃縮区域の一方向に（平行移動経路に沿ってではな
く）平行移動する範囲が、最小となり、そして電極の表面で作製される電気化学
的反応物（例えば、ガスの気泡）の量が減少するので、このプロフィールは、好
ましい。

【００３３】交流電場の周波数は、極性分析物の一部を捕捉し得る任意の周波数である。し
かし、実際的に重要な多くの極性分析物に関して、交流電場の周波数は、好まし
くは、約１０Ｈｚと１００メガヘルツ（ＭＨｚ）との間、そしてより好ましくは
、１キロヘルツ（ＫＨｚ）と１００ＫＨｚとの間である。

【００３４】交流電場の最大の磁場強度は、特定の適用に適切な任意の磁場強度であり得る
が、交流電場のピークの磁場強度によって測定される場合、好ましくは、交流電
場の最大磁場強度は、約１００Ｖ／ｃｍと１０，０００Ｖ／ｃｍとの間であり、
そしてより好ましくは、約１，０００Ｖ／ｃｍと２０，０００Ｖ／ｃｍとの間で
ある。

【００３５】交流電場は、空間的に均一または空間的に非均一であり得る。例えば、交流電
場は、二電子的輸送を実施するために使用され得る。

【００３６】捕捉された極性分析物は、交流電場の捕捉強度を減少させるか、または交流電
場に関して極性分析物の相対的な平行移動を実施するために使用される力を増加
させることのいずれかによって、濃縮区域から放出され得る。交流電場の捕捉強
度は、周波数、磁場強度、またはその両方を変化させることによって調節され得
る。あるいは、この極性分析物は、交流電場での極性分析物の相対的な平行移動
を実施するために使用される力を増加させることによって（例えば、極性分析物
の動電学的な平行移動を駆動するために使用される電場を増強させること、極性
分析物の圧力駆動フローを駆動するために使用される圧力を増強させること、ま
たは交流電場の平行移動の速度を増強させることによって）、濃縮区域から放出
され得る。

【００３７】好ましい実施形態において、本発明の方法に従った分析物濃縮工程に引き続い
て、さらなる分析工程が、実施される。１実施形態において、極性分析物が、濃
縮区域中で濃縮された後に、この極性分析物は、分析分離プロセス（例えば、動
電学的分離工程またはクロマトグラフィー分離工程）に指向される。本発明の濃
縮方法および局在化方法は、引き続く分析分離プロセスが電気泳動である場合に
、特に利点がある。なぜならば、この分離前の濃縮工程は、増加した分離効率（
例えば、減少したプレートの高さ）および分離成分の増加した検出能の両方に導
く、濃縮区域および狭い注入領域を提供し得る。

【００３８】極性分析物が核酸である本発明の好ましい実施形態において、濃縮区域での分
析物核酸の濃縮に引き続いてまたは濃縮の間に、この核酸分析物は、核酸ハイブ
リダイゼーション反応に供せられ、ここで、この濃縮核酸分析物を、続く配列特
異的ハイブリダイゼーションに適した条件下で、１以上の相補的な核酸と接触さ
せる。特定の好ましい実施形態において、この相補的な核酸は、固体支持体（例
えば、１以上の強力に相補的な核酸を含む、支持体結合核酸のアレイ）に結合さ
れる。この支持体結合核酸は、合成ポリヌクレオチドプローブ（ｃＤＮＡ分子）
または配列特異的にハイブリダイゼーションし得る、任意の他の核酸もしくは核
酸アナログであり得る。支持体結合核酸の例示的なアレイは、他に記載されてい
る（例えば、Ｓｉｎｇｈ−Ｇａｓｓｏｎら、ＮａｔｕｒｅＢｉｏｔｅｃｈｎｏ
ｌｏｇｙ，１７：９７４−９７８（１９９９）；ＢｌａｎｃｈａｒｄおよびＦｒ
ｉｅｎｄ，ＮａｔｕｒｅＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１７：９５３（１９９
９）；Ｂｒｏｗｎら、米国特許第５，８０７，５２２号）。本発明のハイブリダ
イゼーション前の濃縮工程により、増加した速度のハイブリダイゼーション、あ
まり濃縮していないサンプルを使用するための能力、またはハイブリダイゼーシ
ョン反応の産物の検出能の増強がもたらされ得る。この実施形態は、核酸ハイブ
リダイゼーションの文脈中に記載したが、生化学的器具および分析の分野の当業
者に明らかであり、この実施形態により、極性分析物を結合相補体（例えば、抗
体−抗原対、レセプター−リガンド対、ビオチン−アビジン対など）と接触させ
る、他のプロセスに等価的に適用し得ることは、明らかである。

【００３９】本発明の方法のなお別の好ましい実施形態において、濃縮区域中の極性分析物
の濃縮の間または濃縮後に、極性分析物を、検出器（例えば、蛍光検出器）を使
用して検出する。この実施形態において、この検出前の濃縮工程は、極性分析物
の増強した検出能に導き得、これにより、より高感度の測定、またはあまり洗練
されていない検出システムもしくはあまり高価でない検出システム（例えば、レ
ーザー誘導蛍光でなくＵＶ吸収）を使用する機会に導く。検出を濃縮プロセス中
に実施する場合、この濃縮プロセスが実時間でモニタリングされ得る。

【００４０】本発明のなお別の好ましい実施形態において、極性分析物の濃縮の間または濃
縮後に、この濃縮した極性分析物を、反応物と接触させ、そして化学反応を、反
応物と濃縮した極性分析物との間で実施する。このような反応としては、化学的
プロセス、免疫学的プロセス、または酵素学的プロセス（例えば、分析物の標識
、タンパク質の消化、ＤＮＡの消化もしくは分裂、ＤＮＡ合成など）が挙げられ
得る。この濃縮工程は、増加した反応速度または反応産物の増加した検出能に導
き得る。

【００４１】（ＩＩＩデバイス）本発明に従って、種々の好ましい方法の上記の議論に基づいて明らかであるよ
うに、広範な種々のデバイスは、この方法を実施するために構築され得る。本発
明のデバイスを構築および操作するために使用される、特定のエレメント、レイ
アウト、寸法、材料、および実験条件は、実施される特定の方法または適用に依
存して変化し得る。

【００４２】一般に、本発明のデバイスは、平行移動経路に沿った交流電場に関して、交流
電場を発生させるための手段、および極性分析物の相対的な平行移動を実施する
ための手段を備える。このデバイスは、操作において、濃縮区域が、平行移動経
路と交流電場との交差部に形成されるように構築される。本発明のいくつかの例
示的なデバイスが、以下に記載される。

【００４３】図２は、本発明による例示的な微少流体濃縮および検出デバイス１１９の概略
図を示す。このデバイス１１９は、分析物の充填レザバ１２０、平行移動チャネ
ル１３０、および廃液レザバ１２５を備え、この分析物充填レザバ１２０が、平
行移動チャネル１３０を通って、廃液レザバ１２５と流体連絡する。分析物充填
レザバ１２０および廃液レザバ１２５の両方は、平行移動チャネル１３０に沿っ
て、分析物の動電学的平行移動を実施するために、電極１５０ａおよび１５０ｂ
を備える。この電極１５０ａおよび１５０ｂは、電極１５０ａと１５０ｂとの間
に電圧差を提供するために、電源１７０に各々接続され、これにより、平行移動
チャネル１３０に沿って電場を与え、平行移動チャネル１３０に沿って分析物の
動電学的平行移動を行うのを十分にする。このデバイス１１９は、平行移動チャ
ネル１３０の反対サイドに配置した第２の電極の対１４０ａおよび１４０ｂをさ
らに備え、平行移動チャネル１３０の幅を横切る交流電場を与える。電極１４０
ａおよび１４０ｂは、電極１４０ａと１４０ｂとの間の異なる時間での電圧差を
提供するために、交流場電源１６０に接続され、これにより、平行移動チャネル
１３０を実質的に横切る交流電場を与える。濃縮区域１８１は、電極１４０ａと
１４０ｂとの間に配置される。必要に応じて、デバイス１１９は、位置決めされ
た検出器（示さず）をさらに備え、濃縮区域１８１に配置された材料が、検出さ
れ得る。さらに、デバイス１１９は、電源１７０に接続されたコンピュータ１８
０、交流場電源１６０、およびデバイスの操作をコントロールおよびモニタリン
グするため、ならびにデータの取得、分析、および提示を管理するための検出器
（示さず）を必要に応じてさらに備える。

【００４４】図２Ｂは、図２Ａの１９１で記載されるデバイスの変形物を示し、ここで、ポ
リヌクレオチドハイブリダイゼーションアレイ１９２、または任意の他の支持体
に結合した結合部分のアレイは、電極１４０ａと１４０ｂとの間に位置する濃縮
区域１８１に位置する。このハイブリダイゼーションアレイ１９２の位置は、ア
レイと接触される分析物が、この分析物からこのアレイへの質量移行の速度を増
加するため、およびハイブリダイズされた分析物の検出性を増大するために、ハ
イブリダイゼーションの前にこのアレイに隣接した濃縮区域１８１で濃縮される
ような位置である。

【００４５】操作中、デバイス１９１は、一般に、以下のように働く。平行移動チャネル１
３０および廃液レザバ１２５は、支持媒体（例えば、低イオン強度緩衝化電解質
溶液）で満たされ、そして極性分析物は、分析物充填レザバ１２０に、例えば、
従来のマイクロピペットを使用して配置される。次いで、電源１７０を作動して
、それにより、分析物充填レザバ１２０から平行移動チャネル１３０への分析物
の界面動電的平行移動が起こる。次に、この分析物が、一般的に一対の電極１４
０ａと１４０ｂとの間に位置する濃縮区域１８１に達する前に、交流場電源１６
０が作動される。この分析物が、平行移動チャネル１３０を通って、この交流電
場および平行移動チャネル１３０の交差により形成される濃縮区域１８１まで平
行移動する場合、極性分析物が捕捉され、そしてこの濃縮区域で濃縮される。こ
のプロセスは、所望の量の分析物が、この濃縮区域内に位置するまで続けられる
。最後に、この濃縮区域内の極性分析物の量が、検出器によって検出される。あ
るいは、この検出器は、濃縮プロセスの時間経過を検出するために、このプロセ
ス全体にわたって濃縮区域をモニタリングする。または、図２Ｂに示されるデバ
イス１９１において、この濃縮プロセスは、極性分析物の濃度がハイブリダイゼ
ーション工程を行うのに十分になるまで続けられる。

【００４６】図２Ｃは、図２Ａで記載されるデバイス１９２の別の変形物を示し、ここで、
フリットは、電極１４０ａと１４０ｂとの間に位置する濃縮区域１８１に位置す
る。非常に予想外の有利なこの現象の理論的な説明は、十分には理解されておら
ず、そして本発明は以下の理論的説明または任意の他の理論的説明によっていず
れの様式でも制限されることを意図しないが、フリット１９３は、交流電場にお
いて空間的不均一性を生じ、これは、特定の場合、本発明の濃縮効果を増大する
ように働くことが発明者により考えられている。このフリット１９３は、流体媒
体を含有する貫通孔（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｐｏｒｅ）を含む多孔性構造を有し、そ
の結果、この材料は、フリットを通して移送され得る。好ましくは、このフリッ
トの細孔構造は、０．５μｍと５０μｍとの間の有効内径を有する細孔を含む。

【００４７】一実施形態において、このフリットは、絶縁マトリクスから作製され、その結
果、この絶縁マトリクスのＡＣ電気伝導率は、このフリットの細孔内に含まれる
流体媒体のＡＣ電気伝導率より実質的に小さい。好ましくは、流体媒体の電気伝
導率は、この絶縁マトリクスの電気伝導率より３倍大きく、より好ましくは、こ
の絶縁マトリクスの電気伝導率の１０倍と１０００倍との間大きい。この絶縁マ
トリクスは、フリットに作製され得る任意の絶縁材料から形成され得る。代表的
な材料としては、プラスチック、セラミックなど芽挙げられる。好ましくは、こ
の絶縁マトリクスは、ポリメチルメタクリレートのようなプラスチックである。

【００４８】代替の実施形態において、このフリットは、それぞれが１つ以上の導電性粒子
を含む電気的に隔離された複数の領域が存在するように、絶縁マトリクス中に懸
濁された電気導電性粒子を含む。理想的な場合では、各粒子は、この絶縁マトリ
クスにより全ての他の粒子から電気的に隔離される。導電性粒子は、任意の導電
性材料または半導電性材料から形成され得るが、好ましくは、この粒子は、金属
性（例えば、銀、金、白金、銅など）、または半導体材料（例えば、ヒ化ガリウ
ム）である。好ましい実施形態において、この粒子は、実質的に球形であり、そ
して約０．５μｍと約５０μｍとの間の直径を有する。

【００４９】本発明に従うフリットを製造するための方法は、周知である。簡潔には、１つ
の代表的な好ましいフリット製造手順は、以下のとおりである。１ｇのプレキシ
ガラス（ｐｌｅｘｉｇｌａｓｓ）を２５０ｍｌのクロロホルムに室温で溶解し、
プレキシガラス／クロロホルム混合物を形成する。次に、２０ｇの１５０メッシ
ュ（９９．５％）の銅ベースの銅粒子（ＡｌｆａＡＥＳＡＲ、ストック番号１
０１６０）と、２ｍｌのペルキシガラス／クロロホルム混合物とを混合して、粒
子懸濁液を形成する。この金属粒子は、直径約２〜１０μｍでなければならない
。混合は、この懸濁液が均一に混合されるまで、約５分間撹拌することによって
、室温で行われなければならない。フリットを形成するために、従来のピペット
球を使用して、２〜５ｍｍの長さの混合物をマイクロピペット（較正カラーコー
ド付きの使い捨ての（ｃａｌｉｂｒａｔｅｄｃｏｌｏｒｃｏｄｅｄｄｉｓ
ｐｏｓａｂｌｅ）Ｍｉｃｒｏｐｉｐｅｔｔｅｓ、ＶＷＲＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ
，カタログ＃５３４３２−９２１，サイズ１００μｌ）に吸引する。この吸引
した懸濁液を、約５分間部分的に乾燥させ、水で、この懸濁液を、剛性ワイヤま
たはロッドを使用して、マイクロピペットにさらに押し出す。最後に、このフリ
ットをさらに３０分間室温で乾燥させる。次いで、このフリットは、インサイチ
ュで使用され得るか、またはこのマイクロピペットから機械的に取り出され得る
。

【００５０】図３Ａは、本発明に従う別の代表的な微小流体（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ）
デバイス２００の略図を示す。このデバイス２００は、分析物充填レザバ２０５
、界面動電的分離チャネル２２５、および廃液レザバ２１０を備え、その結果、
この分析物充填レザバ２０５は、この界面動電的分離チャネル２２５を介してこ
の廃液レザバ２１０と流体連絡している。この分析物充填レザバ２０５および廃
液レザバ２１０は、界面動電的分離チャネル２２５に沿った極性分析物の界面動
電的平行移動を行うために、それぞれ、電極２１５ａおよび２１５ｂを備える。
このデバイスは、電極２２０ａと２２０ｂとの間に交流電場を生成するためのト
ラッピング電極２２０ａおよび２２０ｂをさらに備える。電極２２０ａおよび２
２０ｂは、交流電圧電源２３０に連結される。このデバイスは、界面動電的分離
が実質的に完了した後に、検出区域２４６内の極性分析物を検出するための充填
レザバ２０５に関して、界面動電的分離チャネル２２５の遠位端に位置する検出
器２４５をさらに備える。必要に応じて、このデバイス２００は、コンピュータ
２３５を備え、このコンピュータ２３５は、電源２３０、電源２４０、および検
出器２４５に連結されて、このデバイスの作動を制御およびモニタリングし、そ
してデータの獲得、分析および提示を管理する。このデバイス２００は、必要に
応じて、第２の交流電圧電源および一対の電極（図示せず）をさらに備え得、こ
の一対の電極は、分離した成分の検出性をさらに増大するために、検出の前また
は間に、極性分析物の分離した成分を捕捉および濃縮するための検出区域２４６
に対して近位に位置する。

【００５１】作動中、このデバイス２００は、以下のように働く。第１に、界面動電的分離
チャネル２２５および廃液レザバ２１０は、この界面動電的分離チャネル２２５
に沿った極性分析物の界面動電的平行移動を支持し得る電解質溶液で満たされる
。次いで、分析物充填レザバ２０５は、例えば、従来のマイクロピペットを使用
して分析物で満たされる。次いで、電源２４０が、前方向の極性で作動されて、
極性分析物の界面動電的分離チャネル２２５に沿った界面動電的平行移動を開始
する。さらに、電源２３０が作動されて、電極２２０ａと２２０ｂとの間にほぼ
位置する濃縮区域１８１において極性分析物を捕捉および濃縮するために使用さ
れる交流電場を確立する。必要に応じて、この濃縮区域に捕捉された分析物の量
を増加させるために、電源２４０の極性は、この極性分析物が濃縮区域を通って
前後に平行移動するように、前方向の極性と逆方向の極性との間で循環され得る
。一旦、十分な量の極性分析物がこの濃縮区域内に充填され、そして濃縮される
と、電源２４０が逆方向の極性で作動され、それにより、捕捉されていない材料
は界面動電的分離チャネル２２５から引き出されて、充填レザバ２０５に戻る。
この時点において、分析物充填レザバ２０５に残っている任意の分析物が取り出
され、そして適切な電解質溶液と取り替えられ得る。次に、電源２３０が切られ
、そして極性分析物の成分が検出区域２４６に平行移動されて、検出器２４５に
より検出されるまで、界面動電的分離プロセスが、界面動電的分離チャネル２２
５に沿って続けられる。

【００５２】図３Ｂは、本発明に従うさらに別の代表的な微量流体デバイスの略図を示す。
このデバイス４２０は、図３Ａのデバイス２００の変形物であり、ここで、この
デバイス２００内の単一の分析物充填レザバ２０５は、一対のレザバ：分析物充
填レザバ４０５および分析物廃液レザバ４１０で置き換えられる。この分析物充
填レザバ４０５は、電極４００を備え、そして分析物廃液レザバ４１０は、電極
４１５を備える。分析物充填レザバ４０５は、分岐チャネル４０６によって界面
動電的分離チャネル２２５に連結され、そして分析物廃液レザバ４１０は、分岐
チャネル４０７によって界面動電的分離チャネルに連結される。このデバイス４
２０の他の要素は、図３Ａのデバイス２００に関して記載された通りである。

【００５３】作動中、このデバイス４２０は、以下のように働く。第１に、界面動電的分離
チャネル２２５、廃液レザバ２１０、分岐チャネル４０７および４０６、ならび
に分析物廃液レザバ４１０は、この界面動電的分離チャネル２２５に沿った極性
分析物の界面動電的平行移動を支持し得る電解質溶液で満たされる。次いで、分
析物充填レザバ２０５は、例えば、従来のマイクロピペットを使用して分析物で
満たされる。次いで、電源２４０が、前方向の極性で作動されて、電極４００と
２１５ｂとの間の電位差を生成し、分岐チャネル４０６を通り、界面動電的分離
チャネル２２５に沿って濃縮区域１８１に至る極性分析物の界面動電的平行移動
を開始する。上記のように、電源２３０が作動されて、実質的に電極２２０ａと
２２０ｂとの間に位置する濃縮区域１８１において極性分析物を捕捉および濃縮
するために使用される交流電場を確立する。必要に応じて、電極２４０の極性は
、この極性分析物が濃縮区域を通って前後に平行移動するように、前方向の極性
と逆方向の極性との間で循環され得る。一旦、十分な量の極性分析物がこの濃縮
区域に位置して濃縮されると、この電源２４０が逆方向の極性で作動されて、電
極４１５と４００と２１５ｂとの間の電位差を生成し、その結果、捕捉されてい
ない材料は、界面動電的分離チャネル２２５および分析物充填レザバ４０５から
分析物廃液レザバ４１０へと排出される。必要に応じて、この捕捉されていない
分析物を分析物廃液レザバ４１０に排出した後、廃液レザバに存在する分析物は
、取り出され、そして適切な電解質溶液で置き換えられる。次に、電源２３０が
切られ、そして極性分析物が検出区域２４６に平行移動されて、検出器２４５に
より検出されるまで、分離プロセスは、電極４００と２１５ｂとの間の界面動電
的分離チャネル２２５に沿って続けられる。

【００５４】本発明の多くの好ましいデバイスにおいて使用される流体チャネルは、極性分
析物および溶媒、または本発明の方法を実施するために必要な他の支持媒体を含
むサンプルを支持し得る任意のチャネルであり得る。このチャネルは、別個（例
えば、個々の毛細管）であり得るか、または一体型微小流体デバイスの一部（例
えば、ガラス基板をエッチングされたチャネル）として形成され得る。好ましく
は、この流体チャネルは、１つ以上の交差チャネルおよびレザバを備える一体型
微小流体デバイスの一部として形成される。代表的な微小流体デバイス、および
デバイス製造のためのいくつかの代替の方法は、ＳｏａｎｅおよびＳｏａｎｅ、
米国特許第５，７５０，０１５号および同第５，１２６，０２２号；Ｍａｎｚ、
米国特許第５，２９６，１１４号および同第５，１８０，４８０号；Ｊｕｎｋｉ
ｃｈｉら、米国特許第５，１３２，０１２号；ならびにＰａｃｅ、米国特許第４
，９０８，１１２号に開示される。微小流体デバイスを記載している他の参考文
献としては、Ｈａｒｒｉｓｏｎら、Ｓｃｉｅｎｃｅ，２６１：８９５（１９９２
）；Ｊａｃｏｂｓｅｎら、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．６６：２９４９（１９９４）；
Ｅｆｆｅｎｈａｕｓｅｒら、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．６６：２９４９（１９９４）
；およびＷｏｏｌｌｅｙおよびＭａｔｈｉｅｓ、Ｐ．Ｎ．Ａ．Ｓ．ＵＳＡ，９１
：１１３４８（１９９４）が挙げられる。微小製造技術の一般的な考察は、Ｍａ
ｄｏｕ、ＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓｏｓＭｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ
、ＣＲＣＰｒｅｓｓ、ＢｏｃａＲａｔｏｎ、ＦＬ（１９９７）により提供さ
れる。

【００５５】流体チャネルは、取り組まれている特定の用途に依存して、様々な構成でデバ
イス内に存在し得る。チャネルの内部容量は、好ましくは、約１ｎｌ〜約１０μ
ｌの範囲、好ましくは、約１０ｎｌ〜約２μｌの範囲である。チャネルの長さは
、一般に、約１ｍｍ〜約５０ｃｍの範囲であり、通常は、約５ｃｍと３０ｃｍと
の間である。しかし、特定の用途、例えば、チャネルが界面動電的分離チャネル
またはクロマトグラフの分離チャネルとして使用される場合では、このチャネル
は１００ｃｍまでの長さまたは１００ｃｍを越える長さを有し得る。断面寸法（
例えば、幅、高さ、直径）は、約１μｍ〜約４００μｍの範囲、通常は、約２０
μｍ〜約２００μｍの範囲である。このチャネルの断面形状は、任意の断面形状
であり得、これには、円形、楕円形、矩形、台形、正方形またはそれらの形状の
組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。流体チャネルは、特定の用
途の要件に依存して、直線構成、湾曲構成、螺旋構成、渦巻き構成、または任意
の他の構成であり得る。例えば、小さな基板内で長い流体チャネルを構築するこ
とが所望される場合、渦巻き形状または蛇行形状を有するチャネルを構築するこ
とが有利であり得る。

【００５６】デバイスの流体チャネルは、チャネルの一端または両端（すなわち、いずれか
の末端）に流体レザバを必要に応じて備える（通常は、備える）。レザバが備え
られる場合、これらは、様々な目的（様々な流体（例えば、緩衝液、溶離液、ふ
るい媒体、試薬、リンス溶液または洗浄溶液）をチャネルに導入するための手段
；チャネルから廃液を収容するための手段（例えば、界面動電的流路）；または
電極と電解質を接触させ、イオンを供給して界面動電的プロセスを支持するため
の電極レザバとして、を含む）を果たし得る。一般に、このレザバは、１μｌと
１００μｌとの間の容量、好ましくは、約１μｌと１０μｌとの間の容量を有す
る。このレザバが複数の流体チャネルに供給する場合、より大きなレザバが所望
され得る。

【００５７】本発明のデバイスはまた、必要に応じて、分析物のデバイスへの導入を補助す
るためのインターフェースシステムを備え得る。例えば、この分析物が、シリン
ジを使用してデバイス内に導入される場合、このインターフェースシステムは、
シリンジインターフェースを備え得、このシリンジインターフェースは、デバイ
スへのシリンジ針のガイド（例えば、分析物導入レザバ上のシールとして）とし
て作用する。

【００５８】特定の適用に依存して、構成、デバイスが作製される材料、特定の分析物の存
在を検出するための検出領域が、デバイスに含まれ得る（例えば、図３の要素２
４６）。例えば、好ましくは、界面動電チャネルの少なくとも１つの領域は、検
出領域を含み、この検出領域は、一般的に、１８０ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲の
波長の光、通常２５０〜８００ｎｍの光が、低い透過損失（すなわち、約２０％
未満、好ましくは約５％未満）で材料を透過することを可能にする、光学的透明
な材料から作製される。適切な光学的に透明な材料としては、石英ガラス（ｆｕ
ｓｅｄｓｉｌｉｃａ）、特定の光学的に透明なプラスチック、石英ガラス（ｑ
ｕａｒｔｚｇｌａｓｓ）、ホウケイ酸ガラスなどが挙げられる。

【００５９】本発明によるデバイスは、広範な種々の材料（ガラス、石英ガラス、熱可塑性
樹脂、シリコンなど）から作製され得る。好ましくは、これらの材料は、高い絶
縁破壊ポテンシャル（例えば、約１００ｋＶ／ｃｍより大きい）を有し、機械的
剛性であり、極性分析物および任意の会合溶媒または媒体と化学的に適合性であ
り、そして低い誘電損率（１ＭＨｚで約０．０５未満）を有する。一体化デバイ
スの種々の構成要素は、デバイスの特定の用途、経済的な関心、溶媒適合性、光
学的清澄性色、機械的強度、機械的特徴、電気的特性、熱的特性などに依存して
、同じまたは異なる材料から作製され得る。例えば、微小流体経路を備える平面
状基板およびカバープレートは、同じ材料（例えば、ポリメチルメタクリレート
（ＰＭＭＡ））から作製されてもよいし、または異なる材料（ＰＭＭＡの基板お
よびガラスのカバープレート）から作製されてもよい。使い捨て一体化デバイス
を有することが所望される適用において、製造の容易さおよび材料の費用に起因
して、デバイスは、代表的に、プラスチックから作製される。検出および作製の
容易さのために、デバイス全体が、プラスチック材料から作製され得、このプラ
スチック材料は、検出のために使用される光学的波長に対して光学的に透明であ
る。また、特定の適用における興味は、電気泳動の条件下で低い表面電荷を有す
るプラスチックである。本発明による使い捨てデバイスの作製のために有用な特
定のプラステッィクとしては、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、
ポリエチレンテレフタレート、ポリスチレンまたはスチレンコポリマーが挙げら
れるが、これらに限定されない。

【００６０】必要に応じて、デバイスを作製するために使用される材料の表面特性は、分析
物−壁相互作用、電気浸透、結合特性、またはこれらの材料の任意の他の表面媒
介特性を制御するために、変更され得る。この表面改変は、コーティング薬剤の
共有結合、または物理的結合（例えば、イオン性、疎水性、またはｖａｎｄｅ
ｒＷａｌｌｓ相互作用による）に基づき得る。例示的な表面改変技術は、タン
パク質のところ（例えば、Ｈｊｅｒｔｅｎ，米国特許第４，６８０，２０１号；
Ｃｏｂｂら，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，６２：２４７８−２４８３（１９９０）；
ｖａｎＡｌｓｔｉｎｅら，米国特許第４，６９０，７４９号；ならびにＢｅｌ
ｄｅｒおよびＳｃｈｏｍｂｕｒｇ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｉｇｈＲｅｓｏ
ｌｕｔｉｏｎＣｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ，１５：６８６−６９３（１９９
２））に記載される。

【００６１】本発明によるデバイスは、類似のデバイスを作製するために使用される任意の
好都合な手段を使用して作製され得る。本発明の好ましい実施形態において、従
来の成形技術およびキャスティング技術が、これらのデバイスを作製するために
使用される。例えば、プラスチックから製造されるデバイスについて、シリコン
鋳型マスター（これは、デバイスの平面状の基板のチャネル構造に対して凹型で
ある）が、エッチングまたはレーザー微細加工によって製造され得る。基板にチ
ャネルを形成する上昇した縁を有することに加えて、このシリカ鋳型は、レザバ
または他の流体特徴を形成するために平面状に基板にキャビティを提供し得る上
昇した領域を有し得る。好都合である場合、米国特許第５，１１０，５１４号に
記載される手順が使用され得る。カバープレートは、任意の好都合の手段（超音
波溶接、接着剤など）によって基板にシールされ得る。

【００６２】あるいは、これらのデバイスは、以下のようなマイクロ電子コンピュータチッ
プの製造において使用されるフォトリソグラフ技術を使用して作製され得る。最
初に、ポリメチルメタクリレートカード（ほぼ従来のクレジットカードのサイズ
）のような基板支持体が提供される。このカード自体の表面は、電気伝導性では
ないか、あるいは、このカードが電気伝導性ではない。カード上には、最初に、
電気伝導性材料（例えば、金属）の薄層が堆積される。このコーティングは、当
業者に公知の種々の異なる技術によって適用され得、そして種々の異なる型の材
料（例えば、白金、金など）から構成され得る（ただし、それらは、電気を伝導
することが可能であり、そして好ましくは化学的に不活性である）。この層は、
好ましくは、薄い；１００Åのオーダーから、数ミクロンの厚さ。一旦、感光性
の非伝導性の層が、完全に電気伝導層を覆う場合、感光性の非伝導性の層の表面
に、マスクが適用される。このマスクが層を覆った後、これは、光に露光され、
溶媒溶解性の感光性材料の部分と溶媒非溶解性である部分のパターンを生じる。
この溶解性部分は洗い流され、そして曝露された電気伝導性材料は、ワイヤのト
レースと感光性材料の不溶性部分の下のワイヤへのコネクターを残して、エッチ
ングされる。この横たわる電気伝導性材料は、流体チャネルおよびレザバへの電
極接続を提供する。不溶性材料の一部分を、電気伝導性材料から残る電気伝導性
トレースの端部またはコネクターから除去することによって、電気的接続が、流
体要素への電極接続になされ得る。さらに、電極トレースは、保護コーティング
による摩耗（ｗｅａｒ）および磨り減り（ａｂｒａｓｉｏｎ）から保護される。
当業者に明らかなように、上記の保護手順において使用されるマスクは、本質的
に限定されない数の、デバイスへの異なる電極接続を提供するように製造され得
る。例えば、Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ，ＶＬＳＩＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｅｃｏｎｄ
Ｅｄｉｔｉｏｎ，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，ＮｅｗＹｏｒｋ，ＮＹ（１９８
８）を参照のこと。

【００６３】デバイスがガラスから形成される場合、標準的なエッチング技術が使用され得
る。例えば、Ｋ．Ｆｌｕｒｉら，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｆ．，６６：４２８５−４２
９０（１９９６）；Ｚ．ＦａｎおよびＤ．Ｊ．Ｈａｒｒｉｓｏｎ，Ａｎａｌ．Ｃ
ｈｅｍ．，６６：１７７−１８４（１９９４）。

【００６４】あるいは、本発明のデバイスを作製するための、一般的に上に記載される、フ
ォトリソグラフ技術または成形技術およびキャスティング技術を使用することよ
りむしろ、極端に小さく（サイズ）そして多数の電極および流体チャネル、他の
作製技術（例えば、種々の型のレーザー技術および／または他の技術（例えば、
極端に小さく（サイズ）そして多数の電極および流体チャネルを提供することを
可能にするシルクスクリーンおよび蒸着、または積層、または押出し技術）を使
用する）を使用することが可能である。

【００６５】一般に、流体チャネルは、分析物を支持するための支持媒体を含む。この媒体
は、有機溶媒、緩衝溶液、ポリマー溶液、界面活性剤ミセル分散系、または生化
学的分離技術に関連して一般に使用される型のゲルであり得る。好ましくは、こ
の媒体は、低イオン強度（例えば、約１００ｍＭ未満の塩、より好ましくは約１
０ｍＭ未満の塩）を有し、小さい誘電率（例えば、約８０未満）を有する溶媒を
含む。特に好ましい媒体は、絡まったポリマーの水溶液を含む。例えば、Ｍａｄ
ａｂｈｕｓｈｉら，米国特許第５，５６７，２９２号。

【００６６】例えば、交流電場をもたらすために本発明のデバイスにおいて使用される電極
は、従来の材料から従来の方法を使用して、作製され得る。電極製造のための例
示的な方法は、フォトリソグラフィー、シルクスクリーン技術、および単純なワ
イヤ電極を含む。好ましくは、これらの電極を形成するために使用される材料は
、電気伝導性でありそして化学的に不活性である。特に好ましい材料は、金、白
金、タングステンなどである。

【００６７】交流電場をもたらすために使用される電極は、所望の寸法を有する１つの十分
に規定された濃縮ゾーンを生じる電場を形成するように機能する形状を有する。
図４は、いくつかの例示的な電極形状を示す；３００、３０５、３１０、３１５
および３２０。電極の間隔は、目的の極性分析物を捕獲するには十分に高いが、
電極での過剰な気泡形成を引き起こすには高くない強さを有する電場を生成する
ように選択される。例えば、Ｗａｓｈｉｚｕら，ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉ
ｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，３０（４）：８
３５−８４３（１９９４）を参照のこと。一般に、電極の間の間隔は、好ましく
は約５０μｍと２ｍｍとの間である。

【００６８】好ましくは、交流電場をもたらすために使用される電極は、平行移動経路に突
出しないかまたはそうでなければ平行移動経路と物理的に接触する。むしろ、電
極は、好ましくは、電極の間に生成される交流電場が平行移動経路を横切るよう
に配置されるが、これらの電極自体は、例えば、絶縁層または伝導性ブリッジを
介する電気的接続平行移動経路から物理的に隔離されている。絶縁層を形成する
ために有用な例示的な材料としては、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ポリイミン、ダイ
ヤモンド、ガラスなどが挙げられる。平行移動経路から電極を絶縁することは、
好ましい。なぜなら、それは、平行移動経路に存在する分析物または任意の他の
物質によって電極が汚れるようになり得るかまたは電極表面の酸化または他の化
学的変態に起因して不動態化し得る程度を最小化するように機能するからである
。

【００６９】交流電場をもたらす手段は、従来の電気的コネクターを使用する任意の交流電
源を含み得る。本発明における使用に適切な例示的な交流電源は、Ｍｏｄｅｌ
３３１２０Ａ１５ＭＨｚＦｕｎｃｔｉｏｎ／ＡｒｂｉｔｒａｒｙＷａｖ
ｅｆｏｒｍＧｅｎｅｒａｔｏｒｆｕｎｃｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ（Ａ
ｇｉｌｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）である。交流電場をもたらすための
手段は、さらに、上記の電極および電極と交流電源との間の電気的接続を含む。

【００７０】これらの電極は、多くの従来の技術のいずれか１つを使用して、本発明のデバ
イスに作製されるかまたは組込まれる。例えば、ワイヤ電極は、デバイスに機械
的付着され得、電極は、積層工程またはキャスティング工程の間にデバイスに組
込まれ得、電極は、プラスマ蓄積（ｐｌａｓｍａｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）また
は電気化学的堆積技術の間にデバイスに堆積され得る。

【００７１】上に議論されるように、本発明の特定の実施形態は、分析の間またはその後に
、分析物を検出するための検出システムを備える。任意の種類の従来の検出シス
テムが本発明とともに使用され得、これには、蛍光、放射能、光学的吸光度、蛍
光偏光、電気伝導度、電気化学的特性、屈折率などを測定するためのシステムが
挙げられる。特に好ましい検出システムは、レーザー励起蛍光を使用する。

【００７２】本発明の好ましい実施形態において、微小流体デバイスのチャネル、レザバ、
または濃縮ゾーンは、温度制御システムを使用して、制御された温度に維持され
る。例えば、温度制御は、分析の再現性を増加させるか、媒体または分析物の特
性を制御するか、または分析を迅速に行うために、所望され得る。好ましい温度
制御システムは、加熱要素（例えば、ファンと組合せた抵抗加熱要素）、冷却要
素（例えば、Ｐｅｌｔｉｅｒデバイスまたは他の従来の冷凍デバイス）、包囲さ
れた断熱チャンバ、１つ以上の温度測定センサ、およびプログラム可能なフィー
ドバック制御装置を備え得る。好ましくは、温度制御システムは、システム全体
を制御しそしてモニタリングするためのコンピュータに接続される。

【００７３】本発明のデバイスは、プロセスの特定の工程を自動化するためのロボットシス
テムと組合せて使用され得る。例えば、ロボットは、ハイスループットの多デバ
イス適用のための複数の微小デバイスを操作するために、または本発明のデバイ
スに分析物を導入するために、あるいはデバイスへまたはデバイスから媒体を平
行移動させるために使用され得る。このようなロボットは、好ましくは、流体操
作能力を有する、任意の種類の従来のラボラトリーロボットであり得る（例えば
、ＢｅｃｋｍａｎＢｉｏＭｅｋシステム）。

【００７４】本発明の特定の実施形態において、コンピュータは、デバイスの種々の局面を
モニタまたは制御するために使用され、その局面には、以下が挙げられる：デバ
イスの構成要素（例えば、電源、温度制御器、ポンプなど）の作動を制御するこ
と；このデバイスと関係するシステム（例えば、ラボラトリーロボット）を制御
すること；このデバイスの性能をモニタリングすること（例えば、電場の強さ、
温度、または圧力を測定すること）；データ収集、データ処理、およびデータ提
示活動の管理；あるいはデバイスのプログラム可能な作動のための好都合なユー
ザーインターフェースを提供すること。本発明のコンピュータは、任意の型の従
来のプログラム可能な電子コンピュータ（例えば、パーソナルコンピュータ）で
あり得る。このコンピュータは、従来のデバイス（例えば、Ａ／Ｄコンバータ）
を介して、システムの他の要素に接続され得る。

【００７５】本明細書中で言及される、全ての刊行物、特許および特許出願は、各々個々の
刊行物、特許または特許出願が、特定におよび個々に示され、参照として援用さ
れるのと同程度に本明細書に参照として援用される。

【００７６】少数の実施形態が、先に詳細に記載されただけであるが、化学的装置の分野の
当業者は、多くの改変が、好ましい実施形態においてその教示から逸脱すること
なく可能であることを明らかに理解する。そのような全ての改変は、特許請求の
範囲内に包含されることが意図される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に従う、好ましい方法の概略的な表示である。

【図２Ａ】図２Ａは、本発明に従う、好ましい微小流体濃縮および検出デバイスの概略的
な表示である。

【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明に従う、好ましい微小流体濃縮、ハイブリダイゼーション、
および検出デバイスの概略的な表示である。

【図２Ｃ】図２Ｃは、濃縮区域に位置付けられたフリットを含む好ましい微小流体濃縮デ
バイスの概略的な表示である。

【図３Ａ】図３Ａは、本発明に従う、好ましい微小流体濃縮および動電学的分離デバイス
の概略的な表示である。

【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明に従う、代替的な好ましい微小流体濃縮および動電学的分離
デバイスの概略的な表示である。

【図４】図４は、本発明における使用に適したいくつかの例示的な電極構成の概略的な
表示である。

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｃ１２Ｑ 1/68 Ｇ０１Ｎ 33/483 ＦＧ０１Ｎ 27/447 33/566 33/483 37/00 １０１ 33/566 27/26 ３３１Ｚ 37/00 １０１３３５Ｚ３１５Ｋ３０１Ｚ３３１Ｆ３３１Ｋ３２５ＡＣ１２Ｎ 15/00 Ｆ (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者テイラー，テレサビー．アメリカ合衆国カリフォルニア 94086，サニーベイル，ブリスベンテラス 104 Ｆターム(参考） 2G045 DA12 DA13 DA14 FB05 HA14 4B024 AA11 AA19 CA01 CA09 CA11 HA12 HA20 4B029 AA07 AA23 BB20 CC03 FA15 4B063 QA01 QQ41 QR32 QR55 QR82 QS11 QS16 QS34 QS39 4D054 FB12 FB20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】極性分析物を配置および濃縮するための方法であって、該方
法は、以下の工程：平行移動経路に沿って該極性分析物および交流電場の相対的な平行移動を実施
する工程であり、その結果、該極性分析物の一部が、該平行移動経路と該交流電
場との交差によって形成される濃縮区域内に捕捉され、そして濃縮される、工程
、を包含する、方法。
【請求項２】前記極性分析物が、荷電している、請求項１に記載の方法。
【請求項３】前記極性分析物が、核酸を含有する、請求項２に記載の方法
。
【請求項４】前記相対的な平行移動が、前記交流電場の運動によってもた
らされる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】前記相対的な平行移動が、前記極性分析物の運動によっても
たらされる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】前記相対的な平行移動が、前記極性分析物の動電学的平行移
動によってもたらされる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】時間に対する前記交流電場の電場強度のプロフィールが、矩
形である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】１つの完全なサイクルにわたって得られた前記交流電場の、
時間に対する平均総和電場強度がゼロである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】前記交流電場の周波数が、約１０Ｈｚと１００ＭＨｚとの間
である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】前記交流電場の周波数が、約１ＫＨｚと１００ＫＨｚとの
間である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】前記交流電場の最大電場強度が、１００Ｖ／ｃｍと１００
，０００Ｖ／ｃｍとの間である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】前記交流電場の最大電場強度が、１，０００Ｖ／ｃｍと２
０，０００Ｖ／ｃｍとの間である、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】前記極性分析物が、核酸であり、そして該極性分析物の濃
縮の間または濃縮後に該極性分析物と相補的な核酸との間で核酸ハイブリダイゼ
ーション反応を行う工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】前記相補的な核酸が、固体支持体に結合される、請求項１
３に記載の方法。
【請求項１５】濃縮の間または濃縮後に、前記極性分析物を検出する工程
をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】前記極性分析物の濃縮の間または濃縮後に前記濃縮区域に
おいて、該極性分析物と反応物との間で化学反応を行う工程をさらに包含する、
請求項１に記載の方法。
【請求項１７】前記濃縮区域から前記極性分析物を放出する工程をさらに
包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】前記濃縮区域から前記極性分析物を放出する工程後に、分
析物の分離プロセスを行う工程をさらに包含する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】前記分析物の分離プロセスが、動電学的分離プロセスであ
る、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】前記動電学的分離プロセスが、電気泳動法である、請求項
１９に記載の方法。
【請求項２１】極性分析物を配置および濃縮するための方法であって、該
方法は、以下の工程：該極性分析物を、平行移動経路を有する細長チャネルに配置する工程；該平行移動経路に沿って該極性分析物の平行移動を実施する工程；該平行移動経路と前記交流電場との交差によって形成される濃縮区域内に、該
極性分析物の全てまたは一部を捕捉および濃縮するのに十分な該交流電場をもた
らす工程、を包含する、方法。
【請求項２２】極性分析物を配置および濃縮するためのデバイスであって
、以下：交流電場をもたらすための手段；平行移動経路に沿って、該交流電場について極性分析物の相対的な平行移動を
実施するための手段；を備えるデバイスであり、ここで、該交流電場が、該平行移動経路と該交流電場との交差によって形成さ
れる濃縮区域内に、該極性分析物の一部を捕捉および濃縮するのに十分である、
デバイス。
【請求項２３】極性分析物を配置および濃縮するためのデバイスあって、
以下：平行移動経路；該平行移動経路に沿って極性分析物を動電学的に平行移動させるのに有効な第
一の電場を提供するために配置された、第一組みの電極；および、該平行移動経路を横切り、かつ該平行移動経路と第二の交流電場との交差によ
って形成される濃縮区域内に、該極性分析物の一部を捕捉および濃縮するのに十
分である該第二の交流電場を提供するために配置される、第二組みの電極、を備える、デバイス。
【請求項２４】極性分析物を配置および濃縮するためのデバイスであって
、以下：平行移動経路；該平行移動経路を横切り、かつ該平行移動経路と前記交流電場との交差によっ
て形成される濃縮区域内に位置する極性分析物の一部を捕捉および濃縮するのに
十分である該交流電場を提供するために配置される、１つ以上の電極；および、該平行移動経路に沿って、該交流電場について該極性分析物の相対的な平行移
動を実施するための手段、を備える、デバイス。
【請求項２５】前記濃縮区域内に位置する物質を検出するために配置され
た検出器をさらに備える、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項２６】前記濃縮区域内に位置する、支持体と結合した結合相補体
のアレイをさらに備える、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項２７】前記極性分析物が核酸であり、かつ前記支持体と結合した
結合相補体が、相補的な核酸である、請求項２６に記載のデバイス。
【請求項２８】前記濃縮区域内に位置するフリットをさらに備え、ここで
該フリットが、絶縁マトリックスから作製されている、請求項２４に記載のデバ
イス。
【請求項２９】前記絶縁マトリックスのＡＣ電気伝導率が、前記フリット
の孔に位置する流体媒体のＡＣ電気伝導率よりも小さい、請求項２８に記載のデ
バイス。
【請求項３０】前記絶縁マトリックスのＡＣ電気伝導率が、前記流体媒体
のＡＣ電気伝導率の少なくとも１／３未満である、請求項２９に記載のデバイス
。
【請求項３１】前記絶縁マトリックスのＡＣ電気伝導率が、前記流体媒体
のＡＣ電気伝導率の約１／１０〜１／１０００未満である、請求項２９に記載の
デバイス。
【請求項３２】前記絶縁マトリックス中に懸濁される電気的に導電性の粒
子をさらに備え、その結果、１個以上の導電性粒子を各々含む複数の電気的に絶
縁された領域が存在する、請求項２８に記載のデバイス。
【請求項３３】前記濃縮区域と流体連絡する分離チャネルをさらに備える
、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項３４】前記濃縮区域と熱連絡する温度制御システムをさらに備え
る、請求項２４に記載のデバイス。