JP2003532400A - Microfluidic device - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】 非磁性及び磁性ビーズ(6)を捕捉する微小流体装置が開示される。この装置は、入口(2)、出口(20)、及びビーズ補足フィルター(4)を有し、該ビーズ補足フィルターは、溝の開口部がビーズの直径未満である溝のある壁を含む。フィルター(4)は、拡大されたゾーン(2a)備えつけられ、流れの軸の周りに伸びてもよい(例えば、箱状の形状)。該装置は、合成による配列決定の方法に使用され得る。 SUMMARY A microfluidic device for capturing non-magnetic and magnetic beads (6) is disclosed. The device has an inlet (2), an outlet (20), and a bead capture filter (4) that includes a grooved wall with a groove opening less than the diameter of the bead. The filter (4) is provided with an enlarged zone (2a) and may extend around the axis of flow (e.g. box-shaped). The device can be used in a method of sequencing by synthesis.
Description
【0001】
技術分野
本発明は、微小流体装置、詳細には、(専らそれのみではないが)ミクロビー
ズを操作するための微小流体装置に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to microfluidic devices, and in particular, but not exclusively, to microfluidic devices for manipulating microbeads.
【0002】
背景技術
ビーズとしても知られる微小球は、医療診断、微生物学、願研究、免疫学及び
分子生物学において分子の分離、合成、及び検出について移動固相として日常的
に使用されている。ビーズの均一性とその正確に定められたサイズが、各々のビ
ーズが同じ化学的、物理的特性を有することを確保する。ビーズはいくつかの異
なる物質及びサイズ(直径で数ナノメーターからミリメーターまで)で入手でき
る。ビーズの表面化学は、ビーズを疎水性、親水性、蛍光、タンパク質に結合す
る特殊な配位子に対して活性とする、種々の官能基で修飾され得る。BACKGROUND OF THE INVENTION Microspheres, also known as beads, are routinely used as a mobile solid phase for the separation, synthesis and detection of molecules in medical diagnostics, microbiology, applied research, immunology and molecular biology. . The homogeneity of the beads and their precisely defined size ensure that each bead has the same chemical and physical properties. Beads are available in several different materials and sizes (several nanometers to millimeters in diameter). The surface chemistry of the beads can be modified with a variety of functional groups that make the beads hydrophobic, hydrophilic, fluorescent, active towards specialized ligands that bind to proteins.
【0003】
ビーズ上で化学反応を行い、検出するため、ビーズは一定の体積に限定されな
ければならない。微小球を操作する微小流体装置は、今日まで、主に磁性の微小
球を包含しており、第一に、磁気活性分離に焦点があてられた。例えば、P.T
elleman、U.Larsen、J.Philip、G.Blankens
teinとA.Wolffの、Cell sorting in microfl
uidic systems、Micro Total Analysis Sys
tems ’98,BanffCanada, Oct 13−16,1998年
,39−44頁を参照のこと。In order to carry out and detect chemical reactions on the beads, the beads must be limited to a certain volume. Microfluidic devices for manipulating microspheres, to date, have predominantly included magnetic microspheres, primarily focusing on magnetically active separation. For example, P. T
elleman, U.S.A. Larsen, J .; Philip, G.M. Blankens
tein and A. Wolf's Cell sorting in microfl
uidic systems, Micro Total Analysis Sys
See tems '98, Banff Canada, Oct 13-16, 1998, pp 39-44.
【0004】
常磁性ビーズ(即ち、ポリマーシェルで封止された磁性(Fe3O4)芯)が
今日専ら使用されている。これは、外部磁石をかけることにより簡便に分離でき
るからである。しかし、磁性原理はミクロ全分析システム(μ−TAS)用途に
おいて必ずしも有利ではない。外部磁気システムは、正確な取扱いを複雑化し、
その結果かさばったシステムとなる。ウェーハレベルでの磁性成分の取り込みも
非常に複雑なプロセスである。Paramagnetic beads (ie, magnetic (Fe 3 O 4 ) cores sealed with polymer shells) are used exclusively today. This is because they can be easily separated by applying an external magnet. However, the magnetic principle is not always advantageous in Micro Total Analytical System (μ-TAS) applications. The external magnetic system complicates accurate handling,
The result is a bulky system. Incorporation of magnetic components at the wafer level is also a very complicated process.
【0005】
発明の概要
非磁性及び磁性ビーズの両方を操作する改良された方法を提供することが本発
明の目的である。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an improved method of manipulating both non-magnetic and magnetic beads.
【0006】
第一の側面からは、本発明は、予め定めた称呼サイズ又は範囲のサイズの、1
以上の粒子を捕捉する微小流体反応装置(microfluidic reac
tion apparatus)であって、流入口と、流入口に比較して拡大さ
れた断面積を有する反応ゾーンを含み、反応ゾーンは、フィルター手段で定めら
れる多数の穴を有するフィルター手段を含み、該穴は前記称呼サイズ又は範囲の
サイズよりも小さく、流体が注入口からフィルター手段を流れ抜ける間に前記粒
子を捕捉するように配列される、該装置を提供する。[0006] From a first aspect, the invention relates to a predetermined nominal size or range size of 1
A microfluidic reactor that captures the above particles
and a reaction zone having an enlarged cross-sectional area as compared to the inlet, the reaction zone including a filter means having a number of holes defined by the filter means, the hole comprising: Is smaller than the nominal size or range of sizes and is arranged to capture the particles while fluid flows from the inlet through the filter means.
【0007】
微小滴定プレートのような閉鎖系とは対照的に、本発明によるスルーフロー(
through−flow)システムを提供することにより、反応はより効率的
に進行し、反応進行に伴う副生成物の集積がないので、より正確に検出され得る
。更に、本発明によると、微小流体反応装置のスルーフロー通路は、粒子を捕獲
するためにフィルターが置かれるところで広げられることは、当業者に理解され
る。このことは、先行技術の配置と比較して、一定の穴のサイズに対してより多
くの穴が与えられ得ることを意味する。これは、フィルターが目詰まりする傾向
を低減するのに有益であり、液体によるフィルターを通る液体の均一な流れを促
進する。このことは、現在テストチューブ、微小滴定プレート等中で行われてい
る多くの実験、アッセイ等を小型化し、入手できるビーズ等の組合わせを利用す
る可能性を高める。In contrast to closed systems such as microtiter plates, the through-flow according to the invention (
By providing a through-flow) system, the reaction proceeds more efficiently and can be detected more accurately because there is no accumulation of by-products with the progress of the reaction. Furthermore, it will be understood by those skilled in the art that, according to the present invention, the through-flow passages of the microfluidic reactor are widened where a filter is placed to capture particles. This means that more holes can be provided for a given hole size compared to prior art arrangements. This is beneficial in reducing the tendency of the filter to become clogged and promotes a uniform flow of liquid through the filter by the liquid. This miniaturizes many of the experiments, assays, etc. currently performed in test tubes, microtiter plates, etc., and increases the possibility of utilizing available combinations of beads, etc.
【0008】
更に、試薬流体は、粒子又はその表面官能基を妨げることなく装置を流れ貫け
ることができるため、一箇所で多段階反応を行うために装置を使用しても良い。Furthermore, the reagent fluid may flow through the device without interfering with the particles or their surface functional groups, so the device may be used to perform multi-step reactions in one location.
【0009】
発明の詳細な説明
本発明により達成され得る、高められた流れ特性、特に目詰まりの低減した傾
向は、流体をフィルターに通すことが要求される(反応自体の間は必要ではない
)、プロセスのどの段階においても有益であることを当業者は理解すべきである
。従って、本発明による装置のいくつかの好ましい適用は、スルーフロープロセ
スにおいて反応流体を粒子に流すことを含み、該装置は、反応流体のフィルター
への有意な流れのない「ストップ−フロー」測定に用いられることが同様に可能
である。このような場合、上述の改良された流体特性は、粒子が懸濁されている
流体を用いてフィルターに粒子を充填する場合、及び/又は多段階反応のそれぞ
れの段階の間の洗浄工程を行う際にも有益である。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The enhanced flow characteristics, especially the reduced tendency of clogging, that can be achieved by the present invention require that the fluid be filtered (not required during the reaction itself). Those skilled in the art should understand that it is useful at any stage of the process. Therefore, some preferred applications of the device according to the invention include flowing the reaction fluid over the particles in a through-flow process, the device being used for “stop-flow” measurements without significant flow of the reaction fluid into the filter. It is likewise possible to be used. In such a case, the improved fluid properties described above may be achieved when the filter is loaded with particles using a fluid in which the particles are suspended and / or a washing step is performed between each step of the multi-step reaction. It is also useful when
【0010】
本発明の目下好ましい適用は、検体がある種のビーズ上で固定される反応に対
してであり、本発明による装置は、ビーズを含まない用途(例えば、細胞−細胞
分離、細胞変形性試験及び粒子濾過[6,7])にも使用されうることが理解され
る。A presently preferred application of the invention is for reactions in which the analyte is immobilized on certain beads, and the device according to the invention is used in bead-free applications (eg cell-cell separation, cell transformation). It is understood that it can also be used for sex testing and particle filtration [6,7]).
【0011】
フィルター手段は反応ゾーン(即ち、液体流れの方向に直交)に亘って側面に
伸びることができる。しかしながら、好ましくは、フィルター手段は流れ軸(即
ち、少なくともある程度平面にあり、その法線は流れ軸に平行ではない)周辺に
伸びる。このことは、より狭い空間への捕捉した粒子の濃度を高め、反応の検出
を助けるため、有益である。このことは、例えば、反応が光を照射するものであ
る場合は重要である。何故なら、強度を増大させ、従って潜在的に低いレベルの
光の測定を容易とするからである。特に好ましい態様において、フィルター手段
は、多孔質の反応室を形成するように流れ軸の周辺に実質的に完全に伸びる。こ
れは、流体が通過するのに良好な多孔度を与えながら、粒子が圧縮した配列で捕
捉されることを可能とする。好ましくは、該室は、反応監視装置の形状に一致す
るように形作られる。従って、1つの好ましい態様において、例えば、エンクロ
ジャーは、電荷結合素子の長方形形状に適合する実質的に長方形である。もちろ
ん、このような装置の配列は、配列が異なる全体の形状を有する場合に用いるこ
とができる。また、電荷結合素子は長方形でなくてもよい(例えば、該室も六角
形が好ましい場合は、六角形でよい)。可能な別の態様においては、該室は円形
又は、部分的若しくは実質的に球形である。The filter means may extend laterally across the reaction zone (ie orthogonal to the direction of liquid flow). However, preferably the filter means extends around the flow axis (i.e. at least to some extent in a plane, the normal of which is not parallel to the flow axis). This is beneficial because it enhances the concentration of trapped particles in a smaller space and helps detect the reaction. This is important, for example, if the reaction is to illuminate. This is because it increases the intensity and thus facilitates the measurement of potentially low levels of light. In a particularly preferred embodiment, the filter means extends substantially completely around the flow axis so as to form a porous reaction chamber. This allows the particles to be entrapped in a compressed array while providing good porosity for the fluid to pass through. Preferably, the chamber is shaped to match the shape of the reaction monitor. Thus, in one preferred embodiment, for example, the enclosure is substantially rectangular to fit the rectangular shape of the charge coupled device. Of course, an array of such devices can be used where the arrays have different overall shapes. Also, the charge coupled device need not be rectangular (eg, if the chamber is also preferably hexagonal, then hexagonal). In another possible embodiment, the chamber is circular or partially or substantially spherical.
【0012】
形状において検出装置と一致する多孔質の反応室に粒子を閉じ込めることは、
流れ特性に関らず、それ自体有益であると理解される。従って、更なる側面から
考えると、本発明は、1以上の粒子を反応室内で捕捉する多孔質の反応室、及び
反応室で補足される粒子を監視するために配列された反応監視手段を含む反応装
置であって、反応室は反応監視手段に形状において実質的に一致するように配列
されている、該反応装置を提供する。Confining particles in a porous reaction chamber that conforms in shape to the detector is
It is understood to be beneficial in its own right, regardless of flow characteristics. Thus, in a further aspect, the invention comprises a porous reaction chamber that captures one or more particles in the reaction chamber, and a reaction monitoring means arranged to monitor the particles captured in the reaction chamber. A reactor is provided in which the reaction chamber is arranged to substantially conform in shape to the reaction monitoring means.
【0013】
穴は、粒子の予め定めた称呼サイズ又は範囲のサイズよりも少なくとも1つの
次元で小さい限りは、任意の好適なサイズ又は形状でよい。粒子が球状でない場
合、粒子の「サイズ(size)」を表すために選ばれるのは最小の次元である
ことが理解されなければならない。重要な判定基準は、粒子は通過せずに穴によ
り捕捉されることである。好ましくは、穴は伸びて、最も好ましくは長方形であ
る。このことは、最小の「デッドスペース(dead space)」(即ち、
低い流れ又は流れのない領域)で実質的に横の流れを促進する。The holes may be of any suitable size or shape, so long as they are smaller in at least one dimension than the size of a predetermined nominal size or range of particles. It should be understood that if the particles are not spherical, it is the smallest dimension that is chosen to represent the "size" of the particles. An important criterion is that particles do not pass and are trapped by the holes. Preferably the holes are elongated and most preferably rectangular. This is the smallest "dead space" (ie,
Low flow or no flow) promotes substantially lateral flow.
【0014】
穴は、壁中の又はメッシュの要素間の開口部と定義されるが、好ましくは、好
ましくは長方形である、好ましくは実質的に平行な多数の別々の壁要素(wal
l element)間に限定される。このような壁要素は、好ましくは基材か
ら直行して伸びてピラーを形成する。A hole is defined as an opening in a wall or between elements of a mesh, but is preferably a large number of preferably parallel parallel, separate wall elements (walls).
limited to one element). Such wall elements preferably extend perpendicular to the substrate to form pillars.
【0015】
本発明による開口部は一方の面で開いていてもよいが、好ましくは、汚染を防
ぐために閉じている。好ましい態様において、少なくとも装置の反応ゾーンは実
質的に透明なカバーで閉じられている。これは、光を発生する又は入射光を変え
る反応(例えば、粒子にレーザー光を当てることで得られる蛍光)を監視するこ
とを可能とする。The opening according to the invention may be open on one side, but is preferably closed to prevent contamination. In a preferred embodiment, at least the reaction zone of the device is closed with a substantially transparent cover. This makes it possible to monitor reactions that generate light or change the incident light (eg fluorescence obtained by irradiating particles with laser light).
【0016】
装置は、好ましくは、実質的に平面の基板上で形成される。また、好ましいの
は、流出口が与えられ、好ましくは流入口と反応ゾーンと実質的に共直線である
ことである。The device is preferably formed on a substantially planar substrate. Also preferred is that the outlet is provided and is preferably substantially co-linear with the inlet and the reaction zone.
【0017】
本発明による装置は、標準的な光平板印刷法処理とシリコンのバルク微細加工
を用いて製造することができる。好ましくは、強反応性イオン腐食(deep
reactive inonic etching)を含むマスク加工法が用いら
れる。最も好ましくは、二段法が用いられ、実質的に平面の基板から各々の表面
が形成される。The device according to the invention can be manufactured using standard lithographic processing and bulk micromachining of silicon. Preferably, strong reactive ionic corrosion (deep)
A mask processing method including reactive inonic etching) is used. Most preferably, a two-step method is used in which each surface is formed from a substantially planar substrate.
【0018】
広範な異なるミクロ全分析システムが説明されてきた[4]が、これら装置と巨
視的世界の間の効率的な標準的な相互連結はまだ利用できない[5]。このような
相互連結を形成する改良された方法を提供することは更なる目的であり、本明細
書で開示されている更なる発明によると、外部チューブをミクロ反応装置中のチ
ャンネルに結合させる方法であって、チャンネルにガイドメンバーを置くこと、
該チューブをガイドメンバーに沿って動かすこと、該チューブの端をチャンネル
の口に結合させることを含む、該方法が提供される。Although a wide variety of different micro-total analysis systems have been described [4], efficient standard interconnections between these devices and the macroscopic world are not yet available [5]. It is a further object to provide an improved method of forming such an interconnect, and according to a further invention disclosed herein, a method of coupling an outer tube to a channel in a microreactor. And having a guide member on the channel,
A method is provided that includes moving the tube along a guide member and coupling the end of the tube to the mouth of the channel.
【0019】
前記結合は、好ましくは、チューブの端を部分的に溶融させるように前記チャ
ンネルの口を加熱することにより達成される。好ましい態様において、結合の強
度が、チューブの底面の周りに接着剤を塗布することにより高められる。チャン
ネルがシリコンガラス中で腐食され、チューブがポリエチレンである好ましい態
様においては、接着剤はエポキシ接着剤である。The bonding is preferably accomplished by heating the mouth of the channel to partially melt the ends of the tube. In a preferred embodiment, the bond strength is enhanced by applying an adhesive around the bottom surface of the tube. In the preferred embodiment where the channels are corroded in silicon glass and the tubing is polyethylene, the adhesive is an epoxy adhesive.
【0020】
好ましくは、チャンネルの口は、チューブをそこに結合する前に粗らされる。
このことは結合の強度を高める。Preferably, the mouth of the channel is roughened prior to connecting the tube thereto.
This increases the strength of the bond.
【0021】
本発明の装置は多くの異なる目的に使用され得る。装置の好ましい使用は、核
酸(即ち、DNA、RNA又はcDNA)の分析又は配列決定においてである。
特に好ましい核酸配列決定の適用は、シークエンシング・バイ・シンセシス(s
equencing−by−synthesis)である。合成反応による配列
決定でのヌクレオチドの取り込みを検出する任意の適した方法が用いられ得る。
即ち、蛍光標識ヌクレオチド、比色検出、放射性ラベルの使用、又は酵素検出シ
ステムの使用である。最も好ましくは、装置は、WO98/13523中で完全
な詳細が述べられている、出願人のPyroSequencing(商標)シー
クエンシング・バイ・シンセシス技術において使用される。従って、問題となる
検体が核酸(即ち、DNAフラグメント)を含み、液体がヌクレオチドを含むこ
とが重要である。好ましくは、核酸フラグメントは一本鎖である。本発明による
装置は、このような技術において特に有益である。何故なら、それら技術は、異
なるヌクレオチドが粒子(好ましくはダイナビーズ(商標)(ノルウエイのダイ
ナル・バイオテックASAから入手可能)等のミクロビーズ)上に周期的に注入
されるようにし、ヌクレオチドが同じ位置にとどまり、従って、該技術に関連す
る光の発生において監視することが容易であるからである。The device of the present invention can be used for many different purposes. A preferred use of the device is in the analysis or sequencing of nucleic acids (ie DNA, RNA or cDNA).
A particularly preferred nucleic acid sequencing application is sequencing by synthesis (s).
(equencing-by-synthesis). Any suitable method of detecting nucleotide incorporation for sequencing by synthetic reactions can be used.
That is, the use of fluorescently labeled nucleotides, colorimetric detection, the use of radioactive labels, or the use of enzyme detection systems. Most preferably, the device is used in Applicants' PyroSequencing ™ sequencing by synthesis technology, which is described in full detail in WO98 / 13523. Therefore, it is important that the analyte in question contains nucleic acids (ie DNA fragments) and the liquid contains nucleotides. Preferably, the nucleic acid fragment is single stranded. The device according to the invention is particularly useful in such a technique. Because these techniques ensure that the different nucleotides are periodically injected onto the particles (preferably microbeads such as Dynabeads ™ (available from Dynal Biotech ASA of Norway)) and the nucleotides are the same. Because it stays in position and is therefore easy to monitor in the generation of light associated with the technique.
【0022】
本出願の文脈において、ヌクレオチドの用語は、デオキシ及びジデオキシヌク
レオチド三リン酸塩(dNTP類及びddNTP類)を含むことが理解される。
更に、ポリメラーゼにより成長DNA鎖に通常取込まれる、dNTP及びddN
TPの類似体も含まれる。In the context of this application, the term nucleotide is understood to include deoxy and dideoxynucleotide triphosphates (dNTPs and ddNTPs).
In addition, dNTPs and ddN, which are normally incorporated into the growing DNA strand by polymerase.
Also included are analogs of TP.
【0023】
実際、このような技術へのスルーフローシステムの使用は、それ自体で新規性
及び進歩性があり、従って、更なる側面から考えると、本発明は、スルーフロー
チャンネル中に与えられるフィルター手段上の、多数のビーズ固定した標的を捕
捉すること、該捕捉ビーズに少なくとも1種のヌクレオチドを通すことを含む、
合成によるシーケンシングの方法を提供する。Indeed, the use of a through-flow system for such a technique is novel and inventive in its own right, and thus in a further aspect, the present invention provides a filter provided in a through-flow channel. Capturing a large number of bead-immobilized targets on the means, passing at least one nucleotide through the capture beads,
A method for synthetic sequencing is provided.
【0024】
本発明の特定の好ましい態様が、添付の図面を参照しながら、実施例のみによ
り以下記載される。Certain preferred aspects of the invention are described below, by way of example only, with reference to the accompanying drawings.
【0025】
実施例
図1aから1cを見ると、3つの異なる図式的なフィルター及びチャンネルの
配置が見られる。図1aは、平面のフィルターAが均一なチャンネルBに亘って
横に置かれている、公知のフィルター配列を示す。この配列は、ビーズCが詰め
込まれると、目詰まりする傾向があり、従って、チャンネルへの液体の自由な流
れを妨害する。Examples Looking at FIGS. 1a to 1c, three different schematic filters and channel arrangements can be seen. FIG. 1a shows a known filter arrangement in which a planar filter A is placed laterally over a uniform channel B. This arrangement tends to clog when beads C are packed, thus impeding the free flow of liquid into the channels.
【0026】
図1bは本発明によるフィルター配列を示す。この態様において、流入口チャ
ンネル2は、入口チャンネルに比較して拡大された断面のあるゾーン2aに開い
ており、そのゾーンに亘ってフィルター4’が横に配置されている。粒子6の一
定のサイズ又はサイズの範囲(従って、フィルター4’での穴のサイズ)につい
て、図1aの配列よりも多数の穴が与えられる。このことは、図1aに比べて、
フィルター4’が目詰まりする傾向を著しく低減し、より均一な流れ特性となる
。FIG. 1b shows a filter arrangement according to the invention. In this embodiment, the inlet channel 2 is open in a zone 2a with an enlarged cross section compared to the inlet channel, over which the filter 4'is laterally arranged. For a given size or range of sizes of particles 6 (and thus the size of the holes in filter 4 '), more holes are provided than in the arrangement of Figure 1a. This means that compared to FIG.
The tendency of the filter 4'to become clogged is significantly reduced, resulting in more uniform flow characteristics.
【0027】
図1bにおける配列は、流体流れ特性の点から、図1aの配列に対する改良で
ある。しかし、ある状況において、ビーズ6は図1a配列におけるよりもより広
がるという不都合が(例えば、ビーズ表面上で起こる反応が低いレベルの光を発
生する場合)あり得る。The arrangement in FIG. 1b is an improvement over the arrangement in FIG. 1a in terms of fluid flow characteristics. However, in some situations there may be the disadvantage that the beads 6 are more spread out than in the FIG. 1a arrangement (eg if the reaction taking place on the bead surface produces a low level of light).
【0028】
図1cで示される配列は、この問題を克服する。この配列において、フィルタ
ー4は、拡大された断面のあるゾーン2aに同様に配置される。しかし、この態
様において、フィルター4は流れ軸8の周りの全ての方向に伸びて、多孔質の反
応室10を形成する。これは、ビーズ6が、室10内のより密集した領域に閉じ
込められ、それにより、図1a及び1bの配列に比較して、更に改良された流体
流れを促進する増加した数の穴を与えながら、例えば放出された光の強度を高め
る。The arrangement shown in FIG. 1c overcomes this problem. In this arrangement, the filter 4 is likewise arranged in the zone 2a with enlarged cross section. However, in this embodiment, the filter 4 extends in all directions around the flow axis 8 to form a porous reaction chamber 10. This allows the beads 6 to be confined in a more densely packed area within the chamber 10, thereby providing an increased number of holes that facilitate further improved fluid flow compared to the arrangements of FIGS. 1a and 1b. E.g. increase the intensity of the emitted light.
【0029】
好ましい態様のより詳細な図が、図2に示される。微小流体反応装置が、実質
的に平面で長方形の基板2で記載される。加工の方法はこの後より詳細に記載さ
れる。流体と粒子が、垂直に配置された入口チューブによって導入され、基板1
2の他の表面から垂直に伸びてくる。類似した出口チューブ16が、装置の他の
端に配置される。入口チューブ14は、入口チャンネル2と流体連結している。
入口チャンネル2は、大きな断面の反応ゾーン2aに開いている。フィルター4
は、流れ軸8の周りの全ての方向に伸びて、箱状の反応室10を形成する。大き
なゾーン2aの残り部は、フィルター4を通過した流体を集める排水室18を形
成する。排流体は、入口チャンネル2と類似のサイズであり、出口チューブと流
体連結している出口チャンネル16に流れる。A more detailed view of the preferred embodiment is shown in FIG. The microfluidic reactor is described with a substantially planar and rectangular substrate 2. The method of processing will be described in more detail below. The fluid and particles are introduced by a vertically arranged inlet tube,
2 extends vertically from the other surface. A similar outlet tube 16 is located at the other end of the device. The inlet tube 14 is in fluid communication with the inlet channel 2.
The inlet channel 2 opens into a reaction zone 2a of large cross section. Filter 4
Extend in all directions around the flow axis 8 to form a box-shaped reaction chamber 10. The remainder of the large zone 2a forms a drainage chamber 18 which collects the fluid that has passed through the filter 4. The drainage fluid flows to the outlet channel 16 which is similar in size to the inlet channel 2 and is in fluid communication with the outlet tube.
【0030】
図3、4a、4b及び5を参照すると、図2に描かれた態様の種々の走査型電
子顕微鏡写真(SEM)像が見られる。これらから、フィルター4は、基板12
に腐食された、拡大されたゾーン2aの底部から垂直に伸びている一連の水平垂
直ピラー22で構成されていることがわかる。ピラー22間の間隔は、補足した
いビーズ又は他の粒子よりも小さくなければならない穴を定める。With reference to FIGS. 3, 4 a, 4 b and 5, various scanning electron micrograph (SEM) images of the embodiment depicted in FIG. 2 are seen. From these, the filter 4 is the substrate 12
It can be seen that it is composed of a series of horizontal and vertical pillars 22 extending vertically from the bottom of the enlarged zone 2a, which has been corroded. The spacing between pillars 22 defines holes that must be smaller than the beads or other particles that one wants to capture.
【0031】
図2乃至5に示される装置は、次のように加工される。まず、直径100ミリ
メートルで535μm厚みのp−ドープしたシリコン(100オフ)ウェーハを
開始材料として用いる。ホトレジスト(1.5μm厚み)を2つの腐食マスクと
して用いる。まず、強反応性イオン腐食(DRIE)(英国のサーフェス・テク
ノロジー・システム)を用いる第1のマスクで前面をパターン化、腐食して、入
口チャンネル2、反応室10、フィルター4、排水室18及び出口チャンネル2
0を定める。DRIE法での気体切替は、図5で観察され得る、ピラー22上に
波のようなパターンを引起す。装置を封止するため、170、300又は500
μm厚みのパイレックス(登録商標)ガラスウェーハを前面に陽極的に結合させ
る。それから、背面を、第2のDRIE工程において、第2のマスクでパターン
化して、入口及び出口チューブ14,16用の流体節を形成する。それから、シ
リコン−ガラスの積層を9×5mmのチップに切る。The device shown in FIGS. 2 to 5 is processed as follows. First, a 100 millimeter diameter, 535 μm thick p-doped silicon (100 off) wafer is used as the starting material. Photoresist (1.5 μm thick) is used as two corrosion masks. First, the front face is patterned and corroded with a first mask using Strong Reactive Ion Corrosion (DRIE) (British Surface Technology System) to introduce inlet channel 2, reaction chamber 10, filter 4, drain chamber 18 and Exit channel 2
Set 0. Gas switching in the DRIE method causes a wave-like pattern on the pillar 22 that can be observed in FIG. 170, 300 or 500 to seal the device
A Pyrex glass wafer of μm thickness is anodically bonded to the front side. The back surface is then patterned with a second mask in a second DRIE step to form fluid nodes for the inlet and outlet tubes 14,16. The silicon-glass stack is then cut into 9x5 mm chips.
【0032】
外部のポリエチレン(PE)チューブを、入口及び出口チューブ14、16と
して用い、図6a乃至6dで図式的に示されるように、多段階法においてチップ
に固定する。PEチューブの良好な接着性を確保するため、第2のDRIE工程
により、マスクで定めたシリコン表面の粗らしを流体開口部周辺で行う(図6a
)。チューブ固定化プロセスの間、チップ上の各々の開口部とPEチューブ14
,16を並べるため、ガイドワイヤ24を用いる(図5b)。シリコン−ガラス
の積層28を短時間加熱すると、チップ上へのPEチューブ14,16の局部的
融解を発生する(図6c)。組立品に更なる強度を与えるため、チップとPEチ
ューブ14,16の界面をそれからエポキシ接着剤で覆う。External polyethylene (PE) tubing is used as the inlet and outlet tubes 14, 16 and is secured to the tip in a multi-step process, as shown schematically in FIGS. 6a-6d. In order to ensure good adhesion of the PE tube, a second DRIE step is used to roughen the silicon surface defined by the mask around the fluid opening (Fig. 6a).
). PE tube 14 with each opening on the tip during the tube immobilization process
, 16 are arranged using a guide wire 24 (FIG. 5b). Short heating of the silicon-glass stack 28 causes localized melting of the PE tubes 14, 16 onto the chip (FIG. 6c). The interface between the tip and the PE tubes 14, 16 is then covered with epoxy adhesive to provide additional strength to the assembly.
【0033】
図2で示される型のいくつかの好例な装置を、サイズを変えて作った。これら
のサイズを、以下の表1の1乃至8の行に示す。行9は、図1aのものと類似の
設計と関係し、比較のために含められる。Several exemplary devices of the type shown in FIG. 2 were made of varying sizes. These sizes are shown in rows 1-8 of Table 1 below. Row 9 relates to a design similar to that of FIG. 1a and is included for comparison.
【0034】[0034]
【表1】 [Table 1]
【0035】
微細加工した構造物のサイズを走査型電子顕微鏡を用いて測定し、最初の仕様
と比較した。反応室内及び異なる反応室間でのフィルターのピラーのサイズのば
らつきのなさを評価した。The size of the microfabricated structures was measured using a scanning electron microscope and compared to the original specifications. The uniformity of the filter pillar size within the reaction chamber and between different reaction chambers was evaluated.
【0036】
測定した構造物のサイズは最初の仕様とよく一致した。微細加工した構造物は
、均一で再生可能な加工方法を示す、高い均一性を有することが見出された。The measured structure size was in good agreement with the original specifications. The microfabricated structures have been found to have a high degree of uniformity, indicating a uniform and reproducible processing method.
【0037】
外部PEチューブをチップに固定するメルト−オン法は、非常に簡便で信頼で
きることが判明した。それは、少ないデッド体積の、強固で正確に位置決めされ
た巨視的世界への相互連結となる。組立品に強固さを与えるのにエポキシ接着剤
が重要であると考えられる。The melt-on method of fixing the outer PE tube to the chip has proven to be very simple and reliable. It provides interconnection to a robust, precisely positioned macroscopic world with low dead volume. Epoxy adhesives are believed to be important in providing robustness to the assembly.
【0038】
フロースルー微細加工素子の流体挙動を調べた。反応室がビーズを集め、同時
に妨害されないフロー−スルーを可能とする能力を試験するため、2つの異なる
材料及びサイズからなるストレプタビジン(streptavidin)被覆ビ
ーズを用いた(即ち、直径5.50μmのポリスチレンビーズ(米国インディア
ナ州のバングス・ラボラトリーズ)及び直径2.8μmの磁性ダイナビーズ(ノ
ルウェイのダイナル・バイオテックASA)。ビーズ溶液を、40×対物レンズ
の標準的な光学顕微鏡下で、ピペットを用いて手で塗布した。ミクロ流体素子中
の個々のビーズの詳細な観察を可能とするため、ビーズを低濃度(10000ビ
ーズ/mL)で塗布した。出口での試料を集め、顕微鏡下で調整して、ビーズが
フィルターを通過していないことを確認した。The fluid behavior of the flow-through microfabricated element was investigated. To test the ability of the reaction chamber to collect the beads and simultaneously allow unhindered flow-through, streptavidin-coated beads of two different materials and sizes were used (ie, polystyrene beads with a diameter of 5.50 μm). (Bangs Laboratories, Indiana, USA) and magnetic Dynabeads with a diameter of 2.8 μm (Dynal Biotech ASA, Norway). The bead solution was pipetted under a standard light microscope with a 40 × objective. The beads were coated at a low concentration (10000 beads / mL) to allow detailed observation of the individual beads in the microfluidic device.A sample was collected at the outlet and adjusted under a microscope to It was confirmed that the beads did not pass through the filter.
【0039】
ミクロ流体素子自体の流体挙動を調べるため、ビーズを含まない水を最初加え
た。入口で一定の圧力3.0kPaがかけられている場合、表1に提示された全
ての設計について水の流速は約3.5μL/分であった。流速は、液体カラムの
速度を測定することにより決定される。異なるフィルターのサイズとピラーの数
は、水の圧力損失に著しい影響を与えないことを証明した。To investigate the fluid behavior of the microfluidic device itself, bead-free water was first added. When a constant pressure of 3.0 kPa was applied at the inlet, the water flow rate was about 3.5 μL / min for all designs presented in Table 1. The flow rate is determined by measuring the velocity of the liquid column. Different filter sizes and number of pillars proved not to significantly affect water pressure drop.
【0040】
次に、各々の反応室にビーズを充填した。顕微鏡を通して、該室を充填するこ
とは容易であることが観察された。ビーズは入口チャンネルを自由に通過し、反
応室を底から頂点まで充填した。全ての設計は、直径5.50μmのビーズをう
まく捕らえた。フィルターを通過するビーズは全くないことが観察され、それゆ
え、顕微鏡下で調べると、出口においては、濾過した液体中にビーズは全く見出
されなかった。Next, beads were filled in each reaction chamber. It was observed that it was easy to fill the chamber through the microscope. The beads were free to pass through the inlet channel, filling the reaction chamber from bottom to top. All designs successfully captured the 5.50 μm diameter beads. It was observed that no beads passed through the filter and therefore no beads were found in the filtered liquid at the outlet when examined under a microscope.
【0041】
最も小さい反応室(設計1,5,6)は0.5nLの体積を有し、直径5.5
0μmの約50個のビーズを収容している。液体又は気体の流液(flow−t
hrough)体積に上限はなく、非常に低い試料濃度で動かす時にこのことは
重要である。装置を充填するために必要な最小体積は3.0nLである(入口チ
ャンネルと反応室の体積)。The smallest reaction chamber (design 1, 5, 6) has a volume of 0.5 nL and a diameter of 5.5
It contains about 50 beads of 0 μm. Liquid or gas flow (flow-t
There is no upper limit on the volume), which is important when working with very low sample concentrations. The minimum volume required to fill the device is 3.0 nL (volume of inlet channel and reaction chamber).
【0042】
今度は、反応室がビーズで完全に充填される場合、設計1−8の各々について
の水の流速は約2.2μL/分(入口において一定の圧力3.0kPaを再びか
けた)であった。従って、反応室がビーズで充填される場合は、流速は約40%
減少する。反応室の異なるサイズとピラーの数は、流速にあまり影響しない。結
果を表2に示す。This time, when the reaction chamber was completely filled with beads, the water flow rate for each of designs 1-8 was about 2.2 μL / min (again a constant pressure of 3.0 kPa was applied at the inlet). Met. Therefore, when the reaction chamber is filled with beads, the flow rate is about 40%.
Decrease. The different size of the reaction chamber and the number of pillars do not significantly affect the flow rate. The results are shown in Table 2.
【0043】[0043]
【表2】
表2.一定の流速3.5μL/分についての、計算した及びかけた圧力損失(
入口での)[Table 2] Table 2. Calculated and applied pressure drop (for constant flow rate 3.5 μL / min)
At the entrance)
【0044】
異なる構成要素(例えば、入口及び出口チャンネル)及びビーズの無い反応室
におけるフィルター上の圧力損失を得るために、解析計算を行った。チャンネル
上の圧力損失を計算するために、ポアズイユの法則(Poiseuille’s
law)を用いた[8]。フィルター上の圧力損失は、平行な短いチャンネル
数について以下の式Analytical calculations were performed to obtain the pressure drop over the filter in the reaction chamber without the different components (eg inlet and outlet channels) and beads. To calculate the pressure drop on the channel, Poiseuille's law
Law) was used [8]. The pressure drop on the filter is calculated as
【0045】[0045]
【式1】
を用いて計算した。ここで、ΔPは圧力損失、Qvは容積流量、Cは摩擦係数(
直角断面積w>>hについて96)、μは流体力学的速度、Aは流路の断面積、
及びDhは水力直径である[9]。式1は、2<L/Dh<50(ここで、Lは
チャンネル長[8])の場合に有効である。表2に、流速3.5μL/分での入
口及び出口チャンネル、及びフィルターにおいて算出した圧力損失の値を示す。
比較のため、同様の流速(3.5μL/分)を達成するためにかけられる圧力を
表2示す。理論値と実験値は良く一致する。主要な圧力損失は、最も小さいフィ
ルターの設計の場合でさえ、入口及び出口チャンネルにおけるものであった。[Formula 1] Was calculated using. Here, ΔP is pressure loss, Q v is volumetric flow rate, and C is friction coefficient (
96) for a right-angled cross section w >> h), μ is the hydrodynamic velocity, A is the cross section of the flow path
And D h are hydraulic diameters [9]. Equation 1 is valid when 2 <L / D h <50 (where L is the channel length [8]). Table 2 shows the values of pressure loss calculated in the inlet and outlet channels and the filter at a flow rate of 3.5 μL / min.
For comparison, Table 2 shows the pressure applied to achieve a similar flow rate (3.5 μL / min). The theoretical and experimental values are in good agreement. The major pressure drops were in the inlet and outlet channels, even with the smallest filter designs.
【0046】
フィルターの目詰まり(clogging)はほとんど無く、逆圧を与えるこ
とによって容易に除去可能である。設計1−8は、目詰まりに対して、設計9よ
りもはるかに影響され難いと結論づけられる。これは、おそらく設計1−8のよ
り広いフィルター域によるものである。設計9は、設計1−8が70−790個
のピラー(pillar)であるのに比べ、わずか20個のピラーから成るフィ
ルターを有するチャンネルである。There is almost no clogging of the filter, and it can be easily removed by applying a back pressure. It is concluded that designs 1-8 are much less sensitive to clogging than design 9. This is probably due to the wider filter range of designs 1-8. Design 9 is a channel with a filter consisting of only 20 pillars, compared to designs 1-8 of 70-790 pillars.
【0047】
2.8μm及び5.5μmのビーズの混合物を用いて、設計7及び8について
選択性試験を行った。小さい方のビーズは容易にフィルターを通過したのに対し
、大きい方のビーズは反応室において有効に捕捉された。Selectivity studies were conducted on designs 7 and 8 using a mixture of 2.8 μm and 5.5 μm beads. The smaller beads easily passed the filter, while the larger beads were effectively trapped in the reaction chamber.
【0048】
試料に存在する気泡は、装置の性能に影響しなかった。ビーズは、逆圧を与え
ることにより、容易に反応室から除去することができる。ビーズを除去し、微細
加工した流液装置を慎重にクリーニングした後、再使用できる。Air bubbles present in the sample did not affect the performance of the device. The beads can be easily removed from the reaction chamber by applying back pressure. It can be reused after removing the beads and carefully cleaning the microfabricated flow device.
【0049】
ここに示した微細加工した流液反応室は、非磁性及び磁性ビーズのいずれをも
捕集する。非磁性ビーズは、磁性ビーズと比較して、μ―TASにおける改良さ
れた流体力学的挙動を生じる、より低い密度を有する。The microfabricated flow reaction chamber shown here captures both non-magnetic and magnetic beads. Non-magnetic beads have a lower density that results in improved hydrodynamic behavior in μ-TAS compared to magnetic beads.
【0050】
流液微小流体装置のバッチ組立て工程は、単純かつ再生可能であり、わずか2
回のマスクと2つの異なる加工技術しか含まない。これらは、平行化及び経済的
なμ―TASに有効な生産コストの観点において重要な因子である。チップの面
積(9x5mm)は実用的な取扱いを容易にするために選ばれたものであり、も
し必要ならばさらに小さくすることができる。0.5nLの最小の反応室は、約
50のビーズを捕集し、減少されたビーズの数又は流液容積が重要である場合に
はさらに小規模にもできる。The batch assembly process of flowing microfluidic device is simple and reproducible, only 2
It only includes a single mask and two different processing techniques. These are important factors in terms of effective production cost for parallelization and economical μ-TAS. The chip area (9 x 5 mm) was chosen to facilitate practical handling, and can be made smaller if desired. A minimum reaction chamber of 0.5 nL collects about 50 beads and can be smaller if reduced number of beads or flow volume is important.
【0051】
装置を密封する場合、反応室のビーズにおける化学反応のリアルタイム光学検
出を可能にするために異なる厚さ(170−500μm)のパイレックスガラス
を用いた。ほんのわずかな光子しか発生しない化学反応の検出のために、最も薄
いパイレックスウェーハが用いられるであろう。試料流液は、ビーズ又はその表
面の官能基を置換しないので、多段階反応が微小組立て装置における1の地点で
実行されることができ、それにより光学検出が促進される。When sealing the device, Pyrex glass of different thickness (170-500 μm) was used to allow real-time optical detection of chemical reactions on the beads in the reaction chamber. The thinnest Pyrex wafers will be used for the detection of chemical reactions that generate only a few photons. Since the sample flow does not displace the beads or functional groups on its surface, a multi-step reaction can be carried out at one point in the microassembly device, facilitating optical detection.
【0052】
本発明の好ましい応用において、図2に示す装置を、出願人のPyroseq
uencing(商標)シークエンシング−バイ−シンセシス技術において用い
た。この技術は、配列決定プライマーを1本鎖核酸の鋳型とハイブリダイゼーシ
ョンさせること、及び酵素DNAポリメラーゼ、ATPスルフリラーゼ及びルシ
フェラーゼとの培養によって実行される。特定のデオキシリボヌクレオチドトリ
ホスフェート(dNTP、ヌクレオチド)を反応に加えた。鋳型鎖における塩基
に対して相補的な場合のみ、DNAポリメラーゼは、配列決定プライマーDNA
鎖へのヌクレオチドの取り込みを触媒する。この技術は、ヌクレオチドの取り込
みにおいて放出されるピロリン酸(PPi)の検出にも用いられ得る。放出され
たPPiは、ATPスルフリラーゼによってATPに変換され、比例量の検出可
能な光がルシフェラーゼにより生じる。この技術の応用分野の1つは、一塩基多
型(SNP)の分析である。この研究において、異なる3’末端を有する2つの
プライマーを、可変位置の直接分析に用いた。腫瘍サプレッサー遺伝子(エキソ
ン4、コドン72)における1つのSNP位置を、分析のために選択した。SN
P部位を増幅させるために外部PCRを行った。外部PCRは、〜80bpフラ
グメントを生じる内部PCRの後に行った。固定化するために、内部プライマー
の1つを5’末端でビオチン化した。ビオチン化された内部PCR生成物を、ス
トレプタビジンで被覆されたビーズ上に固定化した。固定化されたPCR生成物
をNaOH中で培養することにより、1本鎖DNAを得た。固定化されたDNA
鎖をH2O中で再度懸濁し、アニーリングバッファーを1本鎖の鋳型に加えた。
その後、溶液を2つのくぼみ(well)に分け、それぞれのくぼみにプライマ
ーを加えた。プライマーは、3’末端で異なり、5’−GCTGCTGGTGC
AGGGGCCACGG−3’、及び5’−GCTGCTGGTGCAGGGG
CCACGC−3’の塩基配列を有する。ハイブリダイゼーション行い、アニー
ルされたプライマー(基質)を有する1本鎖DNAを反応室で捕捉した。試薬混
合物をその後加えた。微小流体装置をCCDカメラの上に設置し、得られたデー
タを解析した。In a preferred application of the invention, the device shown in FIG. 2 is adapted from Applicant's Pyroseq.
used in the uencing ™ sequencing-by-synthesis technique. This technique is carried out by hybridizing a sequencing primer to a template of single-stranded nucleic acid and culturing with the enzymes DNA polymerase, ATP sulfurylase and luciferase. Specific deoxyribonucleotide triphosphates (dNTPs, nucleotides) were added to the reaction. Only when complementary to the bases in the template strand is the DNA polymerase a sequencing primer DNA.
Catalyzes the incorporation of nucleotides into the chain. This technique can also be used to detect pyrophosphate (PPi) released upon nucleotide incorporation. The released PPi is converted to ATP by ATP sulfurylase and a proportional amount of detectable light is produced by luciferase. One application of this technology is the analysis of single nucleotide polymorphisms (SNPs). In this study, two primers with different 3'ends were used for direct analysis of variable positions. One SNP position in the tumor suppressor gene (exon 4, codon 72) was selected for analysis. SN
External PCR was performed to amplify the P site. The outer PCR was performed after the inner PCR that generated a -80 bp fragment. One of the internal primers was biotinylated at the 5'end for immobilization. The biotinylated internal PCR product was immobilized on beads coated with streptavidin. Single-stranded DNA was obtained by culturing the immobilized PCR product in NaOH. Immobilized DNA
The strands were resuspended in H 2 O and the annealing buffer was added to the single-stranded template.
Then, the solution was divided into two wells, and the primer was added to each well. Primers differ at the 3'end and are 5'-GCTGCTGGGTGC
AGGGGCCACGG-3 ', and 5'-GCTGCTGGTGCAGGGG
It has a base sequence of CCACGC-3 '. Hybridization was performed, and single-stranded DNA having an annealed primer (substrate) was captured in the reaction chamber. The reagent mixture was then added. The microfluidic device was placed on top of the CCD camera and the data obtained was analyzed.
【0053】
本研究で用いたSNPにおける対立遺伝子特異パイロ−エクステンションの原
理を図7に示す。プライマーの3’末端が鋳型DNAとマッチし(a)、4種の
塩基を全て含む試薬混合物がアニールされた鋳型に加えられた場合、光のシグナ
ルが生じる。このシグナルは、DNAポリメラーゼがプライマーを伸長するため
に塩基を使い、放出されたPPiがATPに変換され光が生じる、ということを
示している。プライマーの3’末端が鋳型DNAとマッチしない場合(b)、D
NAポリメラーゼはプライマーを伸長することができず、光は生じない。この原
理を、p53遺伝子のコドン72におけるSNPの解析に用いた。コドン72で
のコードするSNPは、アミノ酸のプロリン(CCC)又はアルギニン(CGC
)に対応するG又はC残基のいずれかを含む。これら2つの変異体を、12.5
nLの反応室を有する装置においていくつかの独立時間で解析した。図8におい
て、捕集された光の全量を対立遺伝子特異パイロ−エクステンションの時間に対
してプロットしている。マッチするプライマーの伸長では、ミスマッチの伸長に
比べ5倍の光量が得られた。反応のスナップショットを図9に示す。ここで、(
a)は図8におけるマッチする場合に、(b)は図8におけるミスマッチの伸長
に対応する。マッチの伸長については、光がフィルター室内および外部で検出さ
れる。ミスマッチの伸長については、弱いシグナル(バックグラウンドレベル)
がフィルター室内で検出される。ここで示した結果は、SNP解析が微細加工し
た流液のフィルター室で実施され得ることを明確に証明するものである。The principle of allele-specific pyro-extension in SNP used in this study is shown in FIG. A light signal is generated when the 3'end of the primer matches the template DNA (a) and a reagent mixture containing all four bases is added to the annealed template. This signal indicates that the DNA polymerase uses bases to extend the primer and the released PPi is converted to ATP to produce light. If the 3'end of the primer does not match the template DNA (b), D
NA polymerase is unable to extend the primer and no light is generated. This principle was used to analyze the SNP at codon 72 of the p53 gene. The SNP encoded at codon 72 is the amino acid proline (CCC) or arginine (CGC).
) Corresponding to either G or C residues. These two mutants were
Analysis was performed at several independent times in a device with nL reaction chamber. In FIG. 8, the total amount of light collected is plotted against the time of allele-specific pyro-extension. The extension of the matched primer gave 5 times more light than the extension of the mismatch. A snapshot of the reaction is shown in Figure 9. here,(
(a) corresponds to the case of the match in FIG. 8, and (b) corresponds to the extension of the mismatch in FIG. For match extension, light is detected inside and outside the filter chamber. Weak signal (background level) for mismatch extension
Is detected in the filter chamber. The results presented here clearly demonstrate that SNP analysis can be performed in a microfabricated flow filter chamber.
【0054】
好ましい実施態様の前述の記載について、さらに試料の流液速度は調節可能で
あり、そのことはビーズ上で化学反応を実施する場合に重要である。気体及び液
体の有効な、制限の無い流液容積は、希薄な分子又は生体物質(100コピー/
mL以下)の検出を可能にする[11]。流液微小流動反応室は、副生成物の蓄
積を減らし、それが閉鎖系(例えば、微小滴定プレート)に比べた反応及び検出
感度の向上をもたらす。With respect to the above description of the preferred embodiments, the flow rate of the sample is also adjustable, which is important when carrying out the chemical reaction on the beads. Efficient, unlimited flow volumes of gases and liquids can be achieved with dilute molecules or biological materials (100 copies /
<11 ml) [11]. The flow-through microfluidic reaction chamber reduces the accumulation of by-products, which results in improved reaction and detection sensitivity compared to closed systems (eg, microtiter plates).
【0055】
本研究に含まれる設計1−8における反応室面積の違いは、ピラーが機械的な
バリヤを形成している限りは、ビーズアッセイにおける装置の性能(例えば、ビ
ーズの捕集、気泡感度、圧力損失)にさほど影響を与えない。解析計算により、
最も大きな圧力損失は入口及び出口チャンネルに存在することが明らかとなった
。それゆえ、反応室及びフィルター面積は、ビーズサイズ及び化学反応のパラメ
ーターについて最適化され得る。細胞に基づく分析では、フィルター面積が重要
である。例えば、細胞を濾過する場合、細胞活性、スティクション(stict
ion)、および細胞の破壊を少なくできるように、細胞ができるだけ速くフィ
ルターを通過することが重要となる[12]。The differences in the reaction chamber area for designs 1-8 included in this study are due to the performance of the device in the bead assay (eg, bead collection, bubble sensitivity) as long as the pillars form a mechanical barrier. , Pressure loss) is not significantly affected. By analytical calculation,
It was revealed that the largest pressure drop exists in the inlet and outlet channels. Therefore, the reaction chamber and filter area can be optimized for bead size and parameters of the chemical reaction. Filter area is important for cell-based analysis. For example, when filtering cells, cell activity, stiction
ion), and it is important that the cells pass through the filter as quickly as possible so that the destruction of the cells can be reduced [12].
【0056】
微小流体装置におけるビーズ上で化学反応を行うためには、反応室がビーズで
充填された場合でも流れ抵抗が小さく保たれることが重要である。さもなければ
、反応室を経て反応物を流すことが困難となる。本明細書に示した装置では、反
応室がビーズで充填された場合、流速は40%減少する。これは約2μL/mi
nに対応するものであり、それでも十分μ―TASの利益の範囲内である。In order to carry out a chemical reaction on beads in a microfluidic device, it is important that the flow resistance be kept small even when the reaction chamber is filled with beads. Otherwise, it will be difficult to flow the reactants through the reaction chamber. In the device shown herein, the flow rate is reduced by 40% when the reaction chamber is filled with beads. This is about 2 μL / mi
n, and still well within the benefit of μ-TAS.
【0057】
少なくとも本発明の好ましい実施態様は、固相DNA配列決定、マイクロポン
プを用いたビーズの自動導入、プラスチック複製技術を用いた平行化及び装置作
製、に用いることができる。At least the preferred embodiments of the present invention can be used for solid phase DNA sequencing, automated bead introduction using micropumps, parallelization using plastic replication techniques and device fabrication.
【0058】
フィルターは独立したピラーによって作られるものとして述べられているが、
濾過されるビーズの直径よりも狭い隙間のスリットを有する壁でできたフィルタ
ーを形成することも考えられる。また、反応室の外周に沿って横に配置されたい
くつかのスリットを有することも可能である。これらの横スリットは、濾過され
るビーズの直径よりも狭いものであるべきである。ピラーのフィルター設計は、
流動装置において最小限度の“デッドボリューム(dead volumes)
” (すなわち、流れがほぼ無い場合に体積がほとんど無いに等しい状態)を伴
う実質的に横からの流れを与える垂直なフィルターの隙間を生む。これは、化学
的及び生化学的分析の質を向上させるので、とても魅力的な性質である。さらに
、化学反応(例えば、光学検出を用いる場合)の検出における最良の条件を得る
ために、反応室中のビーズは“点(point)”の形状(例えば、円形又は二
次曲線的な境界)において捕集される。流れ抵抗を最も小さくすること及びビー
ズを“点”で捕集できる配置ということを考慮すると、可能な限り平面の外周が
フィルターの壁で作られる、円形又は二次曲線的な反応室が導き出される。The filter is described as being made by independent pillars,
It is also conceivable to form a filter made of walls with slits whose gap is smaller than the diameter of the beads to be filtered. It is also possible to have some slits arranged laterally along the outer circumference of the reaction chamber. These lateral slits should be narrower than the diameter of the beads to be filtered. The pillar filter design is
Minimal "dead volumes" in flow equipment
Creates a vertical filter gap that provides substantially side-to-side flow with "(i.e., almost no volume equals almost no flow). This improves the quality of chemical and biochemical analyses. It is a very attractive property because it enhances.In addition, in order to obtain the best conditions in the detection of chemical reactions (eg when using optical detection), the beads in the reaction chamber have a "point" shape. (Eg, circular or quadratic boundaries) Filters should be as close to the plane as possible, given the lowest flow resistance and the placement of beads at “points”. A circular or quadratic-shaped reaction chamber, which is made up of walls, is derived.
【0059】参照文献
[1]
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8th Annual International Conference
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and Biology Society, Amsterdam, 1997,
256-257
【図1】 図1aは先行技術のフィルター配列を示す。 図1bと1cは、本発明によるフィルター配列の異なる態様を示す。[Figure 1] FIG. 1a shows a prior art filter arrangement. 1b and 1c show different embodiments of the filter arrangement according to the invention.
【図2】
図2は、図1cのフィルター配列を用いる、本発明による装置の一態様の平面
図を図式的に示す。2 diagrammatically shows a plan view of an embodiment of the device according to the invention using the filter arrangement of FIG. 1c.
【図3】 図3は、本発明による素子の一態様の走査電子顕微鏡(SEM)写真を示す。[Figure 3] FIG. 3 shows a scanning electron microscope (SEM) photograph of one embodiment of the device according to the invention.
【図4】 図4a及び4bは、本発明による反応室の一態様のSEM像を示す。[Figure 4] 4a and 4b show SEM images of one embodiment of the reaction chamber according to the present invention.
【図5】 図5は、図5の反応室のピラーのSEM写真を示す。[Figure 5] FIG. 5 shows an SEM photograph of the pillar of the reaction chamber of FIG.
【図6】
図6a−6dは、本明細書で開示された発明による、流体接続子の結合方法で
の各々の段階を示す。6a-6d show respective steps in a method of coupling a fluid connector according to the invention disclosed herein.
【図7】
図7は、SNPでの対立遺伝子特異パイロエクステンション(pyro−ex
tension)を示す。FIG. 7 is an allele-specific pyro extension (pyro-ex) at SNP.
Tension) is shown.
【図8】 図8は、時間に対する全集積光を示す。[Figure 8] FIG. 8 shows the total integrated light versus time.
【図9】
図9aと9bは、各々マッチ及びミスマッチピロ−伸張のスナップショットを
示す。9a and 9b show snapshots of matched and mismatched pyro-extensions, respectively.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),OA(BF ,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW, ML,MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,G M,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,B Z,CA,CH,CN,CO,CR,CU,CZ,DE ,DK,DM,DZ,EC,EE,ES,FI,GB, GD,GE,GH,GM,HR,HU,ID,IL,I N,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LC ,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MA,MD, MG,MK,MN,MW,MX,MZ,NO,NZ,P L,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK ,SL,TJ,TM,TR,TT,TZ,UA,UG, US,UZ,VN,YU,ZA,ZW (72)発明者 ヴァン・デル・ウィジンガアート、ウォテ ル スウェーデン国、エス‐104・05・ストッ クホルム、フォルスカーバッケン 17 Fターム(参考) 4B029 AA07 FA12 4B063 QA13 QA19 QQ27 QQ28 QQ42 QQ63 QQ89 QR07 QR08 QR32 QR42 QR50 QR55 QS34 QX02 4G075 AA02 AA27 AA39 AA65 BA10 BB05 BD16 DA02 EB01 EE01 EE05 EE12 EE13 FA01 FC04─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, I T, LU, MC, NL, PT, SE, TR), OA (BF , BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, G M, 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, B Z, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE , DK, DM, DZ, EC, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, I N, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC , LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NO, NZ, P L, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK , SL, TJ, TM, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW (72) Inventor Van der Wizingaart, Wote Le Sweden, S-104.05.stop Kholm, Forskerbacken 17 F-term (reference) 4B029 AA07 FA12 4B063 QA13 QA19 QQ27 QQ28 QQ42 QQ63 QQ89 QR07 QR08 QR32 QR42 QR50 QR55 QS34 QX02 4G075 AA02 AA27 AA39 AA65 BA10 BB05 BD16 DA02 EB01 EE01 EE05 EE12 EE13 FA01 FC04
Claims (29)
捕捉する微小流体反応装置(apparatus)であって、流入口と、流入口
に比較して拡大された断面積を有する反応ゾーンを含み、反応ゾーンは、フィル
ター手段で定められる多数の穴を有するフィルター手段を含み、該穴は前記称呼
サイズ又は範囲のサイズよりも小さく、流体が注入口からフィルター手段を流れ
抜ける間に前記粒子を捕捉するように配列される、該装置。1. A microfluidic apparatus for trapping one or more particles of a predetermined nominal size or range of sizes, the microfluidic apparatus having an inlet and an enlarged cross-sectional area compared to the inlet. A reaction zone having a plurality of holes defined by the filter means, the holes being smaller than the nominal size or range of sizes described above, while fluid flows from the inlet through the filter means. The device being arranged to capture the particles to.
1に記載の装置。2. A device according to claim 1, wherein the filter means extends laterally across the reaction zone.
周りに伸びる、請求項1に記載の装置。3. The apparatus of claim 1, wherein the inlet defines a flow axis and the filter means extends about the flow axis.
れ軸の周りに実質的に完全に伸びる、請求項3に記載の装置。4. The apparatus of claim 3, wherein the filter means extends substantially completely around the flow axis to form a porous reaction chamber.
載の装置。5. The apparatus of claim 4, wherein the porous reaction chamber is substantially rectangular.
球形である、請求項4に記載の装置。6. The apparatus according to claim 4, wherein the porous reaction chamber is circular or partially or substantially spherical.
1項に記載の装置。7. A device according to any one of the preceding claims, wherein the holes are defined between a number of separate wall elements.
か1項に記載の装置。9. The apparatus according to claim 1, wherein the reaction zone is covered with a transparent cover.
前項いずれか1項に記載の装置。10. A substantially planar substrate defining an inlet and a reaction zone,
The device according to any one of the preceding paragraphs.
って、前項いずれか1項に記載の微小流体反応装置のフィルター手段上に該粒子
を捕捉し、該流体を捕捉した粒子上に通すことを含む、該方法。11. A method for reacting a fluid with a sample immobilized on a large number of particles, wherein the particles are captured on a filter means of the microfluidic reaction device according to any one of the preceding claims, and the fluid is captured. Said method comprising passing over said particles.
。12. The method of claim 11, wherein the particles comprise microbeads.
することを含む、請求項11又は12に記載の方法。13. A method according to claim 11 or 12 comprising observing trapped particles for the visible result of the reaction.
を含む、請求項13に記載の方法。14. The method of claim 13 including using a charge coupled device to detect light emitted from the reaction.
む、請求項11乃至14いずれか1項に記載の方法。15. The method according to claim 11, wherein the analyte comprises single-stranded DNA immobilized on microbeads.
決定の方法。16. A method of sequencing by synthesis according to any one of claims 11 to 15.
ことを含む、請求項11乃至18いずれか1項に記載の方法。19. A method according to any one of claims 11 to 18, comprising flowing the fluid through the particles in a through-flow process.
手段により捕捉された粒子に液体を流すことを含む、請求項11乃至18いずれ
か1項に記載の方法。20. A method according to any one of claims 11 to 18, comprising flowing liquid to particles captured by the filter means which is substantially free of liquid passing through the filter means.
方法であって、チャンネルにガイドメンバーを置くこと、該チューブをガイドメ
ンバーに沿って動かすこと、該チューブの端をチャンネルの口に結合させること
を含む、該方法。21. A method of coupling an outer tube to a channel in a microreactor, comprising placing a guide member in the channel, moving the tube along the guide member, and placing the end of the tube in the mouth of the channel. A method comprising conjugating.
、チューブの端を部分的に溶融させることを含む、請求項21に記載の方法。22. The method of claim 21, including heating the mouth of the channel to partially melt the end of the tube to achieve the bond.
含む、請求項21に記載の方法。23. The method of claim 21, further comprising applying an adhesive around the bottom surface of the tube.
すことを含む、請求項21に記載の方法。24. The method of claim 21, comprising roughening the mouth of the channel prior to joining the tubes.
ce)であって、入口、出口、及びビーズ捕捉フィルターを有し、ビーズ捕捉フ
ィルターが、ビーズの直径未満の幅を有する開口部のある多数の溝を有する壁を
含むことを特徴とする、該装置。25. A microfluidic device (divi) for capturing non-magnetic and magnetic beads.
c) having an inlet, an outlet, and a bead-trapping filter, the bead-trapping filter comprising a wall having a number of grooves with openings having a width less than the diameter of the beads. apparatus.
るピラー間の距離がビーズの直径未満であることを特徴とする、請求項25に記
載の微小流体装置。26. The microfluidic device of claim 25, wherein the wall comprises a number of pillars spaced apart, the distance between adjacent pillars being less than the diameter of the beads.
口への全ての流れが該反応室を通過することを特徴とする、請求項25又は26
に記載の微小流体装置。27. The method according to claim 25, wherein the pillars are arranged to form a reaction chamber, and all the flow from the inlet to the outlet passes through the reaction chamber.
The microfluidic device according to.
25、26又は27に記載の微小流体装置。28. The microfluidic device according to claim 25, 26 or 27, wherein the wall is circular or square.
反応室で補足される粒子を監視するために配列された反応監視手段を含む反応装
置であって、反応室は反応監視手段に形状において実質的に一致するように配列
されている、該反応装置。29. A reaction apparatus comprising a porous reaction chamber for capturing one or more particles in the reaction chamber and a reaction monitoring means arranged to monitor the particles trapped in the reaction chamber. The reactor is arranged to substantially conform in shape to the reaction monitoring means.
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