JP2004500233A - 微小流体デバイスのためのシーリング - Google Patents

Abstract

複数のユニット（１５２）を有する微小流体デバイス（１００、１５０）における微細構造のための改善されたシーリングが、開口部（２０６）を囲むカラー（１０４、２０４）を微細構造（例えば、リザバ（２０８））に提供することによって提供される。カラー（１０４、２０４）は、デバイス（１００、１５０）の表面（１０８、２０２）から延びる突出部分であり、そしてカラー（１０４、２０４）の内側壁２１０は、一般に、微細構造の内側壁（２１０）と整列する。適合可能および接着性のフタ（２１８、２２０）は、微細構造をシールするために使用される。

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明の分野は、微小流体デバイスである。
【０００２】
（背景）
微小流体デバイスは、非常に少ない容積の正確な操作、広範な種々の操作の迅速な実施、試薬の最少の使用、ならびに多くの他の利点についての可能性を提供する。全ての状況におけるように、利点には、挑戦がつきものである。多くの目的のために、１つの基材に、多くの独立した動電学的ユニットを有することが所望される。各ユニットは、しばしば、複数のレザバおよびチャネルを含むために、個々のユニットが、デバイスの設計によって必要とされるものを除いて、連絡しないことが重要である。また、重要なことには、しばしば操作に関連する非常に少ない容積の問題は、蒸発に起因する。動力学に関連する操作の定量的分析を行うことに興味がある場合、溶媒容積が実質的に一定のままであることが重要であり、その結果、反応物の濃度が、容積の減少に起因して変化しない。この目的のために、方法は、蒸発を最小化することが必要とされる。さらに、特に、長いインキュベーション時間および／または長い反応時間が関係する場合、汚染を防止することに興味がある。さらなる関心は、微細構造容器の接近の間の、偶発的な加圧であり、これは、液体をレザバからチャネルへ時期尚早に移動させ得る。
【０００３】
これらの関心に対して、フタを使用して、微小流体デバイスのポートが密封されてきた。フタは、それらの重量の圧力を介して、接着を提供することによって、掛金または止め金の種々の形態を使用して、あるいは部品の周りをぴったりとフィットさせ、そして摩擦によって保持することによって、シーリングを提供し得る。
【０００４】
微小流体デバイスの開口ポートに起因して起こり得る損傷事象を実質的に最小化するデバイスおよび方法を開発することへの興味が存在し、ここで、これらのデバイスは有効であり、そして容易に製造され得、そして方法が容易に実施され得る。
【０００５】
（関連分野）
米国特許第５，４４４３，８９０号およびそこに引用される参考文献は、微小流体デバイスの耐漏出性シーリングを記載する。ＷＯ９９／４３４３２は、被覆層を組み込んだ微小流体デバイスおよびシステムを記載する。米国特許第５，５４５，２８０号は、基材上の突出部に接着剤を適用することを記載する。
【０００６】
（発明の要旨）
改善された微小流体デバイスは、少い容積の操作に関連する操作を実施する際の使用のために提供される。チャネルおよびレザバを含む基材が形成され、ここで、このチャネルはレザバと連絡し、そしてこのチャネルは、そうでなければ、ふさがれ、そしてこのレザバは、基材の平坦な表面を越えてそしてレザバの境界から外向きに延びる、リリーフ内に整列されたカラーを有する。このレザバは、カラーのクラウンに接する適切なカバーでより効率的にシールされ得る。基材は、プラスチック成形または他の手にによって形成され得る。特に興味深いのは、デバイス中の一方の側面から他方の側面への溶液の移動のためにエレクトロキネシス（ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｓｉｓ）を使用するデバイスであり、ここで、基材は、複数の個々の電動学的ユニットを備え、そして関係する容積は、一般に約５μｌより少ない。
【０００７】
（特定の実施形態の説明）
以下の例は、本発明の例示の目的で提供され、限定のために提供されているわけではない。微小流体デバイスが、少ない容量の操作のために提供され、ここで、デバイスは、基材、通常は有機基材であり、ここにチャネルおよびレザバがあり、ここで、レザバは、基材の平坦な表面上に突出したカラーを有する。剛性基材を含む底部フィルムが、チャネルおよびレザバの底部に付着され、そしてこれらをふさぐ。このリザバは、フィルムを補足的に使用して（ｓｉｄｅｕｓｅ）上部がシールされ得、このフィルムは、カラーの上部表面をシールする。
【０００８】
微小流体デバイスは、基材に存在する１つ以上の作動ユニットを有することによって特徴付けられ、ここで、ユニットの数は、１６〜１５３６ユニットの間で変化し得、より好ましくは約３８４以下のユニットであり、ユニットの数は、しばしば、マイクロタイターウェルプレート内のウェルの数に関連付けられる。各ユニットは、少なくとも１つのチャネルおよび少なくとも２つのレザバを有し、通常少なくとも２つのチャネルおよび少なくとも４つのレザバを有する。デバイスのためのレザバの総数は、一般に、約４〜１６００の範囲であり、より通常約６４〜１５００の範囲である。
【０００９】
シーリングカバーおよびフタはフィルムであり、これは、カラーの周りにシールを形成し、その結果、少なくとも実質的に、レザバからの流体の流れを阻止する。このカバーは、カラーと接触する可撓性（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）表面またはカラーの上部表面に接着する接着性表面、特に取り外し可能な接着性表面の結果として、カラーの上部表面とのシーリング相互作用を提供する。接触は通常、最少であるか、あるいはシーリングカバーまたはフタと平坦な表面との間に全くない。リーシングを提供する力は、重力、接着力、または機械的な力であり得る。可撓性表面（例えば、エラストマーフィルム、スキン表面（閉じたセル）フォーム、軟フィルム）について、加重裏打ちの結果として、圧力が提供され、カラーに対してフィルムを固定するための掛金デバイスまたはグリッピングデバイス、適切なように、フィルムを適所に固定し、そしてフィルムを放出し得る真空チャックなど。このフィルムが、カラーを横切るように伸展され得、基材の周囲に止め金、周囲のシーリング成形可能バンド、真空チャックなどによって適所に保持され得る。連続的なシーリングフィルムが使用され得、これはこのデバイスが連続的な様式で、例えば、ホイールまたは移動ベルト上で移動されると、リールから広げられ得る。このフィルムは、天然ゴム、ポリイソプレン、エチレン−プロピレンエラストマー、ポリウレタンフォーム、ポリジメチルシロキサンなどであり得る。このフィルムは、それらが最少の寸法を有している限り、薄くても、厚くてもよく、これらは、カラーのそれらのシーリングを提供する。一般に、このフィルムは、少なくとも５μの厚さであり得る。あるいは、薄い接着層（これは、カラーの表面に接着し、フィルムがその機能を満たした後接着剤が除去され得る）を有するフィルムが使用され得る。有用な接着剤としては、感圧性接着剤が挙げられ、例えば、エチレン含有ポリマー、ウレタンポリマー、ブチルゴム、ブタジエン−アクリロニトリルポリマー、ブタジエン−アクリロニトリル−イソプレンポリマーなどである。例えば、米国特許第５，９０８，６９５号およびそこに引用される参考文献を参照のこと。
【００１０】
この基材は、一般に、少なくとも約２０μｍ、より通常少なくとも約４０μｍ、および約０．５ｃｍ以下、通常約０．２５ｃｍ以下の厚さを有する。基材の幅は、収容されるユニットの数によって決定され得、そして約２ｍｍほどに小さくあり得、そして約６ｃｍ以上までであり得る。他の方向における寸法は、一般に、少なくとも約０．５ｃｍおよび約２０ｃｍ以下であり、通常約１０ｃｍ以下である。この基材は、可撓性フィルムまたは比較的非可撓性の固体であり得、ここで、微細構造（例えば、レザバおよびチャネル）は、エンボス加工、成形、機械加工などによって提供され得る。カラーは、同じプロセスを使用して同時に形成され得るが、より高価なプロセス（例えば、フォトリソグラフィーまたはレーザーアブレーション）が、使用され得る。この場合において、カラー領域は、保護されるが、基材は侵食される。チャネル寸法は、一般に、約０．１μｍ〜１ｍｍの深さ、および約０．５μｍ〜５００μｍの幅の範囲であり、ここで、断面は、０．１μｍ^２〜約０．２５ｍｍ^２であり得る。チャネル長さは、チャネルが使用される操作に依存して広範に変化し、一般に約０．０５ｍｍ〜１０ｃｍの範囲であり、より通常、約０．５ｍｍ〜１ｃｍの範囲である。レザバは、一般に、約１０ｍｌ〜１０μｌの範囲の容積を有し、より一般的に約２０ｎｌ〜１μｌの範囲の容積を有する。このレザバは、円柱状の形状であってもよく、円錐状の形態（特に、逆円錐）であってもよく、ここで、ポートの直径は、レザバの底部の直径の約１．５倍〜２５倍であり、通常１．５倍〜１５倍であり、ここで、レザバは、チャネルに接続される。
【００１１】
フィルムがデバイスを作製するためにエンボス加工されるか否か、またはデバイスが成形されるか否かに依存して、微細特徴が開いたままであるか否かは、支持フィルムおよび／またはふさぎフィルムが、提供されるか否かに依存する。この支持フィルムは、一般に、少なくとも約４０μｍ、および約５ｍｍ以下の厚さである。チャネルおよびレザバの底部をふさぐために使用されるフィルムは、一般に約１０μｍ〜２ｍｍの範囲の厚さを有し、より通常約２０μｍ〜１ｍｍの範囲である。選択された厚さは、良好なシーリングおよびデバイスが計装を収容するために使用される様式の利便性および保証の主に１つである。従って、範囲は、重要ではない。
【００１２】
レザバポートを囲むカラーは、一般に、基材の平坦な表面から、約０．１〜１ｍｍ、より通常約０．２〜１ｍｍ、および好ましくは約０．２５〜０．７５ｍｍの範囲の高さを有する。クラウンは、シーリングフィルムまたはフタとクラウンとの間の良好なシールを提供するに十分な厚さであり、その結果、通常それは、約０．０５〜１ｍｍ厚であり、より通常約０．１〜約０．５ｍｍ厚であり得る。カラーは、微細構造の内側壁の延びを考慮され得、このカラーは、微細構造の内側表面と整列した内側壁を有し、ここで、次いでカラーは、火山の構造と同様に、内側壁から外側に向かって延びる。あるいは、カラーの内側壁は、レザバ内側壁から移動され得、一般に約１ｍｍ未満移動され、より好ましくは約０．５ｍｍ未満移動され、そして約０．１ｍｍ未満であり得る。この様式において、内側壁は、レザバの縁から間隔が空けられ、レザバの周りのフェンスとして機能する。
【００１３】
１つのユニットによって占有される面積は、デバイスのユニットの数、ユニットの機能などに依存して、広範に変化する。例示されるように、ほとんどの部品について、デバイスが、９６または３８４マイクロタイターウェルプレートと適合されるように設計される場合、ユニットは、約４．５〜９ｍｍの間隔を有する。
【００１４】
示されるように、基材は、可撓性フィルムまたは非可撓性固体であり得、その結果、製造方法は、基材の性質と共に変化する。エンボス加工のために、少なくとも２つのフィルムが使用され、ここで、このフィルムはロールから引き出され得、一方のフィルムがエンボス加工され、他方のフィルムがエンボス加工されたフィルムに接着されて、物理的支持を提供する。個々のユニットは、刻み目をつけられ得、その結果、別個に使用され得るか、またはデバイスのロールは、無傷のままである。例えば、出願番号ＰＣＴ／９８／２１８６９を参照のこと。デバイスが個々に製造される場合、それらは、従来の成形技術を使用して、通常成形される。基材および付随のフィルムは、一般にプラスチック、特に有機ポリマーであり、ここで、このポリマーとしては、付加ポリマー（例えば、アクリレート、メタクリレート、ポリオレフィン、ポリスチレンなど）または縮合ポリマー（例えば、ポリエーテル、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミドなど）が挙げられる。好ましくは、これらのポリマーは、固有に低い蛍光を有し得るか、または添加物またはブリーチングによってそのようにされ得る。次いで、下にあるふさぎフィルムは、任意の好都合な手段（熱接着、接着剤など）によって、基材に接着される。文献は、このようなフィルムの接着の多くの例を有し、例えば、米国特許第４，５５８，３３３号；および同第５，５００，０７１号を参照のこと。
【００１５】
液体は、任意の好都合な手段（エレクトロキネシス、空気力学、音響効果、熱的、など）によってユニットを介して移動され得る。動電学的ユニットは、通常、ミクロチャネルによって接続された２つ以上のレザバを有し、ここを、ミクロチャネルは横切り得、１つのミクロチャネルから別のミクロチャネルへのプラグの注入を提供する。このデバイスは、核酸の配列決定、２つの実体間（例えば、タンパク質と、タンパク質、小分子または細胞との）の結合の検出、あるいは薬物、単一ヌクレオチド多型の決定についての種々のアッセイなどにおける使用を見出し得る。
【００１６】
本発明のデバイスを使用する方法は、約２０ｎｌ〜０．５ｍｌ、通常５０ｎｌ〜０．１ｍｌの範囲の反応容積とともに、約１０ｎｌ〜５００μｌの範囲の容積の、デバイスの微細構造への移動に関連し得る。この容積は、任意の効率的な手段（ピン、インクジェットディスペンサー、他の圧電デバイス、ピペットなど）によって移動され得る。液体が分配された後、適用可能なシールが、適用され得る。液体を微細構造に分配する代わりに、プロセスは、微細構造から液体を引くことを包含し得る。シールが適所にある場合、このシールは除去され、液体が微細構造から引かれ、そしてシールが補充される。この様式において、微細構造中の溶液の濃度の統合性が維持され得る。あるいは、自己シーリングフィルムが使用され得、ここで、このシールは、液体の移動のために穿刺される。
【００１７】
本発明のさらなる理解のために、ここで、図面を考慮する。図１は、９６ウェルマイクロタイタープレートに適切な間隔を有する９６個のユニットを有する微小流体デバイスの平面図を示し、ここで、カラーの間隔が示される。デバイス１００は、レザバ１０６と関連したカラー１０４を有する基材１０２を有する。図１ａにおいて、デバイス１００の断面図が示される。デバイス１００は、レザバ１０６とともに示され、２つのレザバのみが明瞭化のために示されている。カラー１０４が、デバイスの平坦な上部表面１０８上の、レザバ１０６の上にある。ふさぎフィルム１１０が、デバイスの底部を提供し、レザバ１０６およびチャネル１１２をふさぐように機能する。
【００１８】
図２において、デバイス１５０が示され、個々の微小流体ユニット１５２の詳細を提供するために、シーリングフィルムが除かれている。微小流体ユニット１５２の拡大バージョンが、図２ａの平面略図に示される。このユニットは、例示の目的のみのためであり、そして反応をインキュベーションとともに実施し、次いで、電気泳動を使用する反応混合物の成分を分離し、そして検出器（示されず）で生成物を同定するためのユニットを例示する。ユニット１５２は、分離チャネル１５４を有し、これは、電気泳動緩衝液レザバ１５６で始まり、そして廃棄物レザバ１５８で終わる。アッセイチャネル１６０が、試薬インキュベーションレザバ１６２で始まり、そして第二の廃棄物レザバ１６４で終わる。試薬インキュベーションレザバ１６２は、試薬が反応し得る反応の種々の成分を受容する。試薬インキュベーションレザバ１６２内の液体のいくつかは、分離チャネルを通って止め−中継レザバ１６８へ、毛細管現象によって運ばれ得るが、ただし、アッセイチャネル１６０において、反応溶液の移動が止められる。十分な時間のインキュベーションの後、試薬インキュベーションレザバ１６２に残る液体が、圧力によって止め−中継レザバ１６８に移動され、そして電気泳動プロセスが、廃棄物レザバ１５８および１６４、止め−中継レザバ１６８、ならびに緩衝液レザバ１５６に電極を導入することによって、開始される。止め−中継レザバ１６８および緩衝液レザバ１６４内の電極を作動させることによって、反応成分が、分離チャネル１５４への注入のために交差部分１６６に移動され得る。次いで、レザバ１６４および１６８内の電極が浮遊されるが、緩衝液レザバ１５６および廃棄物レザバ１５８内の電極は、生成物の検出のための、電気泳動輸送および分離チャネル１５４における分離のために作動される。
【００１９】
図３において、基材上にカラーを有するレザバの断面が示される。基材２００は、平坦な上部表面２０２を有する。平坦な上部表面２０２から、カラー２０４の外部壁が上向きに延びる。図に示されるように、カラー２０４は、レザバ２０８の上部開口部２０６と一致する。レザバ２０８の壁２１０が、直線的に平坦な表面を有する円錐として示されるが、必要ならば、垂直的または変則的であり得る。レザバ壁２１０は、カラー壁２０４と整列されて、滑らかな移行を有し、基材を成形する場合、単一特徴である。既に示されたように、カラーの内側壁は、ポート縁から間隔を空けられ得る。レザバ２０８は、チャネル２１２への底部で終わる。チャネル２１２は、フィルム２１４でふさがれ、このフィルム２１４は、基材の底部表面に接着される。レザバ２０８は、適合可能なカバーフィルム２１８によってふさがれ、加重裏打ち２２０によって裏打ちされて、カラー２０４の上部表面２２２とのシーリング関係でフィルム２１８を固定する。
【００２０】
本発明は、通常可逆的に、小さいレザバまたは他の微細構造をふさぐ際に多くに利点を提供する。本発明のカラー構造は、小さな接触面積を有し、これは、デバイスの表面全体に結合するカバーと比較して、非常に小さな面積へのフタの適用の手段のいずれによっても生成される力を集中するように機能する。フタの適用の間に生成される圧力差の減少が達成される。リリーフ内の範囲を除いて、上部表面が平坦である場合、適用可能なフタが、シールされる範囲の周りの大きな環とそれを通常最初に接触されるような様式で装着（ｃｏｍｅ　ｄｏｗｎ）される。この環内にトラップされた空気は、シールされる容積に加圧される。目的の構造との比較により、フタは、それがデバイスの主表面に達する前に接触させられ、多量の容積の空気をトラップすることを回避する。さらに、重力、摩擦および機械的クリップのようなフタ装着機構について（ここで、力は、接触範囲に直接関係しない）、本発明の方法は、フタが部品に装着される局所圧力を増加させる。この増加した圧力は、一般に、シールを改善し、そして適合可能なフタの接近性を改善する。この改善されたシールは、加重フタの使用を可能にして、大きな質量または極端に適合可能なフタ材料を必要とすることなく気密シールを生成し得る。シールが実質的に気密である場合、フタは、流体の流れに対抗またはそれを防ぐように作用する。毛細管止めジャンクションは、凝集または他の機構による機能不全を起こしやすくあり得、この場合において、シールされたフタは、バックアップ機構を提供する。また、シールされたフタは、比較的強力な流体力（例えば、表面張力）を容易に相殺し得る。このカラーのなお別の利点は、隣合う２つの壁の間の有効な漏出経路（表面経路）が増加されることである。これは、２つの隣接する壁における、高い電圧差に対する耐久性を増加する。実際に、複数の同心円状のカラーは、この問題をさらに減少するために、有益である。最後に、フタの適用および除去において、デバイスのフタおよび表面と微細構造との間に、液体が漏れる可能性がある。デバイスとフタとの間の短い距離は、非常に強力な毛細管圧力を生じ得る。本発明において、フタは、カラー表面に、密接に接近しているのみであり、その結果、流体は、この表面に沿って移動するのみである。異なる微細構造間の連続的なリッジを回避することによって、微細構造間の液体の移動が排除され得る。
【００２１】
本明細書中で言及された全ての刊行物および特許出願は、本発明が属する当業者の技術レベルを示す。全ての刊行物および特許出願は、各個々の刊行物または特許出願が、具体的におよび個々に、参照として援用されることが示されるのと同程度に本明細書中に参考として援用される。
【００２２】
ここで、本発明を、完全に記載してきたが、多くの変化および改変が、添付の特許請求の範囲の意図または範囲から逸脱することなくなされ得ることが当業者に理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、微細構造の周りにカラーを有するデバイスの平面図である；図１ａは、線１ａ−１ａに沿った図１のデバイスの断面図である。
【図２】
図２は、個々のユニットの詳細を提供するためにカラーが除去された、図１のデバイスの平面図である；図２ａは、図２のユニットの分解線図である。
【図３】
図３は、カバーを有するユニットのレザバ微細構造の側面立面断面図である。

Claims (14)

1. 微小流体デバイスであって、該デバイスは、平坦な表面、微細構造の該表面内の複数の開口部、およびリリーフ内のカラーによって囲まれた該開口部の少なくとも一部分を有する基材を備える、微小流体デバイス。
2. 請求項１に記載の微小流体デバイスであって、ここで、前記カラーが、前記開口部の内側表面と整列したその内側表面、ならびに該内側表面から離れるように延びる、約０．０５〜０．５ｍｍ厚の厚みを有する、微小流体デバイス。
3. 請求項２に記載の微小流体デバイスであって、ここで、前記カラーが、適合可能な材料のフタで被覆される、微小流体デバイス。
4. 請求項２に記載の微小流体デバイスであって、ここで、前記カラーが、接着性のコーティングを有するフタで被覆される、微小流体デバイス。
5. プラスティック成形によって作製される、請求項１に記載の微小流体デバイス。
6. 微小流体デバイスであって、平坦な表面、該表面内に開口部を有する複数のレザバ、およびリリーフ内のカラーによって囲まれる該開口部の少なくとも一部分を有する基材を備え、該レザバが、約１０ｎｌ〜１０μｌの範囲の容積を有し、該カラーは、該レザバの内側表面と整列した内側表面を有し、該カラーは、約０．１〜１ｍｍの範囲の高さおよび該内側表面から離れるように延びた約０．０５〜０．５ｍｍ厚の厚さを有する、微小流体デバイス。
7. 請求項６に記載の微小流体デバイスであって、ここで、前記レザバの少なくとも一部分が、ミクロチャネルによって、１つ以上の他のレザバに接続される、微小流体デバイス。
8. 請求項６に記載の微小流体デバイスであって、ここで、前記レザバの少なくとも一部分が、９６、３８４または１５３６マイクロタイターウェルの形態に従って配置される、微小流体デバイス。
9. 請求項６に記載の微小流体デバイスであって、ここで、前記カラーが、フタで被覆される、微小流体デバイス。
10. 請求項９に記載の微小流体デバイスであって、ここで、前記各カラーがフタで被覆され、該フタが連続フィルムの一部分である、微小流体デバイス。
11. 請求項６に記載の微小流体デバイスであって、ここで、前記基材が、アクリルポリマーを含み、そして成形される、微小流体デバイス。
12. 微小流体デバイスを使用する方法であって、該方法は、少ない容積を、微細構造に導入する工程を包含し、ここで、該容積は揮発性溶媒を含み、該方法の改良が、以下：
    該少ない容積を請求項１に記載のデバイスに導入する工程；および
    カラーの各々に、可撓性または接着性のリード線を適用する工程、
    を包含する、方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、ここで、フタが連続したフィルムの一部分である、方法。
14. 請求項１２に記載の方法であって、ここで、前記微細構造が、動電学的デバイスの成分である、方法。