JP2004530894A - 強化された検出システムを具備したミクロ流体システム - Google Patents
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Abstract
特に非蛍光原検出法、例えば吸光度検出法において使用するミクロ流体装置及びシステムであり、強化された検出感度を有する。一般に、本システムは、１または複数のチャネル網と検出チャネルセグメントとを含んだ平坦なミクロ流体装置を使用する。このチャネル網は、該ミクロ流体装置の主平面、例えば平坦な構造の主要面に対して平行であり、この検出チャネルセグメントは、その主平面にほぼ直交する。検出システムが、検出チャネルセグメントの長さに沿って方向付けられ、その検出方向は、従来のミクロ流体システムと一致している。
Description
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、２００１年２月１５日提出の仮特許出願第６０／２６９，１７４号に基づいた優先権を主張し、その全体をあらゆる目的のためにここで援用する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
多数の異なる種類の分析操作の微細化、自動化及び統合に関して研究者に実質的な利点を与えるミクロ流体装置及びシステムが開発されてきた。例えば、高いスループットの製薬スクリーニング操作において使用するため、非常に多数の異なる化合物について連続アッセイを実施する連続フローのミクロ流体装置が開発された（例えば米国特許第５，９４２，４４３号及び第６，０４６，０５６号参照）。相対的に短い期間でいくつかの異なる試料について素早い分子分離を実行する他のミクロ流体装置も開発された（米国特許第５，９７６，３３６号参照）。これらの装置及びシステムのすべてが、広範囲の異なる分析操作をすばやく実施できる点で共通する。
【０００３】
平坦なミクロ流体分析システムは、速度、精度及びオートマタビリティ(automatability)に関して多数の利点を有する。これらの利点にも関わらず、これらの平坦なチャネルシステムは、従来の分析システムと共通の問題を抱えている。特に、キャピラリーシステムは、その極度に小さな容積ゆえに、検出可能な量の物質を単に欠いているという理由により感度が厳しく制限される場合がある。例えば、キャピラリー又は平坦なチャネルシステムにおける物質の検出は、該キャピラリー又はチャネルの平面に直交する方向にてチャネルからの信号を検出することにより一般に実施される。このことにより、検出スポットに存在する少量の物質のみが所与の時間に検出操作を受ける。多くの場合、この欠陥は、例えば蛍光、化学発光、放射能などによる検出可能性のより高い量子収率を有するラベリング技術を用いることにより克服される。もちろん、これらの検出方式を用いれば、これらの方式により検出可能な天然のラベル又は付加されたラベルの存在が要求される。多くの興味ある分析反応では、このようなラベルは容易には利用できず、若しくはそれら自身が分析されるべき反応に悪影響を与える。
【０００４】
感度が低減された結果、ミクロ流体システムにおけるいくつかの異なる検出方策、例えばより低い量子検出収率を有する方策又は検出経路長上における感度に基づいた方策を利用するのは以前には困難であった。例えば、低濃度の検体の検出は、非蛍光性の光学手段、例えば吸光度に基づいた検出を行うようなシステムにおいては困難であった。
【０００５】
従って、以前に遭遇したミクロ流体技術のこれらの欠点を解消するミクロ流体システム、すなわち増強された光検出感度を有するシステムを提供することが大いに望まれる。本発明はこれらの要求及び他の様々な要求を満たす。
【特許文献１】
米国特許第５，９４２，４４３号
【特許文献２】
米国特許第６，０４６，０５６号
【特許文献３】
米国特許第５，９７６，３３６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明の概要
一般に、本発明は、微小規模の流体チャネルにおいて分析操作を実施するためのシステム及び方法であって、増強された光検出感度を有するシステム及び方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第一の態様では、本発明は、微小規模チャネル中で光学的に検出可能な物質を検出するシステムを提供する。本システムは、少なくとも第１検出チャネルセグメントと光検出器とを備える。この光検出器は、検出チャネルセグメントを通る検出経路を検出チャネルセグメントの縦軸に直交していない角度に方向付けるように配置されている。適宜、この縦軸に対する検出経路の種々の異なる非直交角度が採用される。好ましい態様では、検出経路は、検出チャネルセグメントを通り、検出チャネルセグメントの縦軸にほぼ平行であり、例えば検出経路と縦軸の角度は、約０゜である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図の簡単な説明
図１Ａ及び１Ｂは、検出チャネルセグメントの長さに沿った検出経路を用いる本発明のミクロ流体システムと対比して、従来のミクロ流体システムの検出チャネルと検出システムの相対的な方向を略示する。
【０００９】
図２Ａ及び２Ｂは、従来のシステムと本発明により用いられる検出システムとの比較を略示し、本発明の利点を示す。
【００１０】
図３Ａ及び３Ｂは、本発明によるミクロ流体装置と検出システムの別の例示的な構成を略示する。
【００１１】
図４は、本発明と共に使用する例示的な光検出システムを示す。
【００１２】
図５Ａは、本発明により想定される検出チャネルを用いるミクロ流体装置を示す。図５Ｂは、検出チャネルセグメントの拡大図を示す。図５Ｃ及び５Ｄは、本発明による検出チャネルを備えた装置の代替構成の別図である。
【００１３】
図６は、検出チャネルセグメントを通過する試料物質の吸光度曲線である。
【００１４】
発明の詳細な説明
一般に、本発明は、上述したミクロ流体システムに対して強化された光検出能力を備えたミクロ流体システムに関する。特に、本発明が提供するミクロ流体装置は次のようなチャネルセグメントを備える。すなわち、該チャネルセグメントは、検出器が検出チャネルセグメントに直交して検出するように配置されている従来の検出方式を用いたシステムと比較して、増大した検出経路長及び／又は増大した試料物質の体積を介して試料物質を通る光の検出を行うように方向付けられる。例えば、一実施態様では、該経路長に沿い、かつチャネルセグメントに直交する方向とは対照的に検出チャネルセグメントに平行である。チャネルに平行な方向にて光を送出及び／受信するように検出チャネルを方向付けることにより、例えば検出経路が検出チャネルセグメントの縦軸に沿っているとき、検出システムの感度を増大できる。例えば、吸光度に基づいた検出システムでは、信号レベル、よって感度は、検出経路長に比例する。そのために、検出経路長を延ばすことにより、アッセイの信号レベル及び感度を増大させる。
【００１５】
検出チャネルセグメントの縦軸に沿った検出を行うことに加えて、本発明のシステムは、ミクロ流体装置の本体構造の主平面に直交するように検出チャネルセグメントを方向付ける。そうすることにより、例えば検出器をミクロ流体装置の側面や縁ではなく上面又は下面にて方向付ける従来の検出システム／装置の方向付けを用いて、検出チャネルセグメントの長さに沿った検出ができる。このことにより、縁に方向付けられた検出器において要求されるように、本体を通る信号の最適な伝送を保証すべくミクロ流体装置の本体構造内に光ガイドを組み込む必要がなくなるという別の利点が得られる。例えば、Liang 他著、Anal. Chem. 1996, 68(6): 1040-1046を参照のこと。従って、本発明により、ミクロ流体装置の本体内に複雑な光学要素を必要とすることなく、従来のシステムを使用して強化された検出が可能となる。
【００１６】
図１Ａ及び１Ｂにおいて、本システムの方向を概略的に示す。特に、本発明のシステムは、ある体積の流体を含んだチャネルセグメント１００を備え、この流体は、ある濃度の検出可能な第１成分をその中に含む。（光源１０２ａと検出器１０２ｂとを備えたものとして示された）検出システム１０２もまた設けられており、これは、検出経路１０４（例えば検出器が検出可能な信号を検出する経路）が検出チャネルセグメントを通過するように、チャネルセグメント１００と知覚連通(in sensory communication with) して配置される。図示されているように、検出システムは、主に光源１０２ａと試料物質を透過した光量を検出するための光検出器１０２ｂとを備えた吸光度検出器である。ここで用いられているように、「チャネルセグメントと知覚連通して」なる用語は、検出器がチャネルセグメント又はチャネルセグメント中に配置された物質からの検出可能信号を検出できるように、検出要素（例えば光学検出器）をチャネルセグメントに対して配置することを意味する。光検出器の場合、知覚連通とは、検出器がチャネルセグメント内に配置された物質（例えば試料物質など）から光信号を受信できることを意味する。
【００１７】
例えば図１Ａに示されるように、従来のミクロ流体システムでは、検出経路は、チャネルセグメントの縦軸１０６に直交する。従って、チャネルセグメントを通過する検出経路部分（矢印１０４ａで図示）の長さは、チャネルセグメントの断面寸法、例えばその深さ、幅又は円筒チャネルの場合にはその直径にほぼ等しい。このことにより、検出チャネルの断面寸法により定められる相対的に短い検出経路長となってしまう（また、吸光度に基づかない検出システムでは、このことにより、信号を検出すべき物質の量がより少なくなる）。検出可能な物質が相対的に低い濃度である場合には、使用中の検出システムの検出限界に到達するには、検出経路中に存在する物質では十分でないかもしれない。例えば、その検出経路では、検出可能な光量を吸収しないくらい十分短いかもしれない。
【００１８】
本発明によると、検出チャネルセグメントは、チャネルセグメントを通る検出経路長が単に断面寸法、例えば深さ、幅又は直径よりも長くなるように検出器に対して方向付けられる。図１Ｂは、本発明によるシステムの例を示し、検出システム１０２は、検出経路１０４が検出チャネルセグメント１００の長さをほぼ通過し、かつそのチャネルセグメントの縦軸１０６に平行となるように方向付けられる。この場合、検出経路１０４の部分（矢印１０４ｃにより図示された部分）は、図１Ａの場合よりも実質的に長く、かつチャネルセグメント１００の長さにより主に制限される。
【００１９】
さらに、図２Ａ及び２Ｂに本発明を概略的に示す。図２Ａは、微小規模のチャネル２１０、例えば平坦なミクロ流体装置におけるキャピラリールーメン(lumen) 又はチャネルを組み込んだ従来のシステムを示し、（光源２２０と透過率検出器２２２を含むものとして示されている）光検出器が、このチャネルにてチャネル平面に直交する方向に方向付けられている。この方向付けは、チャネルがミクロ流体装置の平坦な本体の主平面内にあるようなミクロ流体システムにおいては一般的である。このことは、チャネルが２以上の積層された平坦な基板層の界面にて形成されていることから生じる。この方向付けにより、相対的に短い検出経路長２４０が得られる。また、この方向付けにより、検出を行う物質２４２の量が十分少なくなる。このことは、試料からの放出光量を増すことにより感度が得られる、例えば蛍光に基づいた検出システムにおいて、特に関心が持たれる。
【００２０】
試料物質中において検出すべき物質の濃度が、体積２４２を通る検出経路長２４０が検出可能な量の物質を含むほど十分に高い場合には、検出感度は関心事ではなくなり、検出経路長を相対的に短くし得る。しかしながら、検出体積２４２中の物質濃度が十分に低い多くの場合では、検出経路長２４０は、短すぎて適切な検出ができず、例えば検出経路が短すぎて測定可能な光量を吸収できない。
【００２１】
図２Ｂは、本発明による構成を示し、検出経路長及び／又は検出される物質の体積を増し、それにより検出の感度を増大させている。特に、このシステム構成では、検出システム２２０／２２２は、検出経路がチャネルセグメント２１０の平面を通ってそれに平行な方向になるように、かつ、検出器が十分に長い検出経路長２５０（例えば説明のためにチャネルとは別に示した物質体積２５２の長さ）を通る物質を検出できる（それにより、該物質が図２Ａと同じ濃度にある場合であっても十分多くの物質を検出できる）ように、検出チャネル２１０に対して方向付けられる。検出チャネルセグメント２１０の長さを変えることにより、検出される物質の量のみならず、検出経路長も容易に調節できる。本発明のこの特定の実施態様の主な特徴は、検出器が例えば検出チャネルセグメントの軸に平行かつそれに沿ったものと同一の平面内にて光信号を送出及び／又は受信することである。
【００２２】
検出経路長に比例した吸光度検出に関して主に記載しているが、本発明は他の種類の検出、例えば蛍光に基づいた検出においても有効であることが分かるであろう。この場合には、その信号は、検出されるべきラベル付けられた物質の量に比例する。試料中において該物質が一様な濃度であると仮定すると、検出されるべき物質の量は、検出されるべき物質の体積に比例する。図２Ａ及び２Ｂから分かるように、図２Ｂに示された本発明では、図２Ａに示された従来のシステムの検出体積２４２と比べて大きな検出体積２５２が得られる。蛍光に基づいた検出の場合、例えばAgilent 2100 Bioanalyzer system のような標準的な蛍光検出システムが用いられる。
【００２３】
本発明によれば、一般に検出経路長は、層状のミクロ流体装置の中心層の厚みの関数である。特に、検出チャネルは、例えば後にさらに詳細に説明するように、中心基板を通るバイア(via) として与えられる。よって、検出チャネルの長さは、該基板の厚さにより実質的に規定される。ガラス又は石英の基板の場合、装置が用いられる特定の用途におけるニーズに依存して、厚さは約０．２ｍｍから１０ｍｍ以上まで変わり得る。金属又はポリマーフィルム、シリコン基板などを含めて、実質的により薄い他の基板が使用され得る。一般に、約１ｍｍより薄い基板が選択される。一般に、検出経路長は、約１０μｍ〜約１ｍｍ、好ましくは約５０μｍ〜約５００μｍの長さであり、さらに好ましくは約１００〜約２５０μｍの長さである。また、一般に検出チャネルセグメントの断面積は、少なくともその検出チャネルセグメントに物質を供給するチャネルの断面積に匹敵するのが好ましく、すべてのチャネルセグメントが検出チャネルセグメントに流動自在に連結されるのがさらに好ましい。ここで使用されているように、用語「流動自在に連結される」、「流体連通」又はこれらの用語の派生は、２以上のチャネル、チャンバー又は流体を含有できる他の構造体の間での連通を意味し、よって流体は例えば機械的な障壁なく自由に通ることができる。このような流体連通は直接的、例えば第２チャネルが第１チャネルに交差し得、又は間接的、例えば第１及び第２チャネルが１以上の別のチャネル又はチャネルセグメントを介して連通し得る。
【００２４】
種々のチャネルの断面積を厳密に一致させることにより、装置のチャネル、例えば第１チャネルと検出チャネルの連結部内でデッドゾーンが生じる可能性が実質的に低減され、これにより流体試料物質の離散プラグの密着を妨害できる対流的なフローパターンを生じ得る。特に、検出チャネルセグメントは、少なくとも検出チャネルに供給するチャネルの断面積の約０．１〜約５倍の断面積を一般に有する。好ましくは、検出チャネルセグメントの断面積は、検出チャネルに供給するチャネルの断面積の約０．５〜約２倍である。さらに好ましい態様では、その断面積は、該検出チャネルに供給するチャネルの断面積の約１０％内、例えばその面積の約０．９〜約１．１倍である。上述したものと同じ理由により、一般に検出チャネルを通る検出経路長を最適化しつつ、検出チャネルの体積を最小化するのが望ましい。よって、一般に検出チャネルセグメントは、１００ｎｌより小さい容積、好ましくは１０ｎｌより小さい容積、さらに好ましくは１ｎｌより小さい容積を有する。
【００２５】
本発明のシステムは、一般に２以上の基板層から作られた平坦なミクロ流体チャネル網を用いる。一般に、このような平坦な装置は、第１基板層と第２基板層の間にて形成され且つ２つの基板層により定められる第１平面内に含まれる第１チャネル又はチャネル網を含む。特に、２以上の平坦な基板が、それらの広い平坦面上にて接合され、これも平坦な構造の本体を形成し、２以上の元の基板の界面にてその内部にて形成されるチャネルを有する。本発明により、第１面に直交し、第１チャネル又はチャネル網に流体連通し、かつ例えばバイアとして第２基板層を通って配置された検出チャネルセグメントが設けられる。好ましい態様では、第２チャネル又はチャネル網が、第２基板層と第３基板層の間に配置され、それにより検出チャネルセグメントが第１チャネル網と第２チャネル網の間に流体連結部を与える。
【００２６】
図３に、この構造を用いた装置の概略例を示す。図示されているように、第１チャネル３０２ａ又はチャネル網が、第１基板３２０と第２基板３２２の間にそれぞれ配置される。第２検出チャネルセグメントは、第２基板３２２を通るバイア３１０として設けられる。図示されているように、このバイア３１０は、基板３２２と基板３２４の間に形成される第３チャネルセグメント３０２ｂ又はチャネル網と流動自在に連通する。図示されているように、第１チャネル又はチャネル網は、第１基板層３２０中の溝として作られ、第３チャネル網は、第３基板層中に作られ、第２基板層がこれらの溝を密封してそれぞれのチャネルを形成する。しかしながら、好ましい態様では、すべての微細加工を１つの単一基板上にて実施するために、チャネルが中間又は第２の基板３２２中に作られることが分かる。特に、単一基板の両面上にて必要なチャネル又はチャネル網のすべてをエッチングし、その基板を通るバイアを設けることができる。中央の基板を密封する際には、外側の２つの基板層、例えば第１基板と第３基板の間に第２基板を挟む。
【００２７】
まず、本装置のチャネルは、基板の一つの平坦な第１面内の溝として作られる。しばしば、製造技術は、使用される基板の種類に依存する。例えば、一般に、シリカベースの基板は、フォトリソグラフィ技術を用いた後に基板表面に溝を湿式化学エッチングすることにより製造される。一方、ポリマー基板は、平坦な基板表面にエンボス加工した溝、又は例えば射出成形技術を用いて表面に成形された溝を有し得る。ＬＩＧＡ技術、レーザーアブレーション技術、ミクロ機械加工技術などのような他の技術も、適宜用いられる。次に、第２基板層が重ねられ第１基板層に接合され、装置の閉鎖チャネルとして溝を密封する。種々の異なる操作を実施するために、種々の異なるチャネル幾何構成が、これらの技術を用いて効果的に作成し得る。プロセスが装置内部の構造、例えばチャネルに対して過度に干渉しない場合には、集合基板層の接合は、このような場合において有効などんな技術によっても実施できる。接合方法の例として、熱接合、陽極(anodic)接合、及び接着剤による接合が挙げられる。異なる接合技術が、所望の基板組成及び／又は最終的な装置の構造上のトレランスに基づいて選択し得る。
【００２８】
本発明の好ましい態様によると、検出器は、例えばミクロ流体システムにおいて従来行われていたように、装置の平坦な本体構造にほぼ垂直に方向付けられる。これにより、ここに記載のミクロ流体装置から検出する際には従来の機器、例えばAgilent 2100 Bioanalyzerを使用することができる。次に検出チャネルを検出光に平行な平面内に方向付けるために、本発明は、平坦な装置自体の平面から延びる検出チャネルセグメントを備えたチャネル網を設ける。特に、このような装置は、２つの平坦な基板の間に形成されていることにより、本体構造全体の平面内に存在する第１チャネル部分を含む。第２チャネルセグメント、例えば検出チャネルセグメントは、その平面から（例えば第１チャネル平面に垂直に）延び、検出を実施するチャネル長を与える。典型的に好適な態様では、検出チャネルセグメントは、例えば基板を通るアパーチャーとして、２つの平坦な基板のうちの１以上を通って少なくとも部分的に定められる。次に、検出器は、このセグメントの長さに沿って検出するように検出チャネルセグメントの上方にて方向付け・配置される。このチャネル構成及び関連の検出器を有するミクロ流体装置の例が、図３Ａ及び３Ｂに側面図及び斜視図で示される。
【００２９】
図３Ａ及び３Ｂに示しかつ上述したように、第１チャネルセグメント３０２ａが、２つの平坦な基板３２０と基板３２２の間に形成される。第１チャネルセグメントは、例えば検出チャネルセグメント３１０が基板３２２を通って配置されることにより、第１チャネルセグメント３０２ａの平面から延びる検出チャネルセグメント３１０に流動連通している。検出器３３０は、例えばチャネルセグメント３１０の一端からチャネルセグメント３１０を通るように方向付けられることにより、チャネルセグメント３１０の長さ全体を通って光を送出及び受信するように方向付けられる。適宜、検出チャネルセグメント３１０の他端に接続された別のチャネルセグメントが設けられる。例えば、検出チャネルセグメント３１０に流動連通した第３チャネルセグメント３０２ｂが示される。この追加のチャネルセグメント３０２ｂは、例えば多層チップ構成を用いて基板３２２と基板３２４の間に形成される。この実施態様に見られるように、第１チャネルセグメント３０２ａと第２チャネルセグメント３０２ｂは、例えばｘ軸により示されるように第１平面中又は該平面に平行に延び、検出チャネルセグメント３１０は、第１平面に垂直な第２平面（ｙ軸により図示）中又は該平面に平行に延びる。検出器３３０は、例えば検出チャネルセグメント３１０の長さに沿って方向付けられた第２平面に平行となるように方向付けられる。
【００３０】
検出チャネル、例えばチャネルセグメント３１０を１つの基板を通るバイアとして製造することは、いくつかの方法により実行できる。例えば、ポリマー基板の場合には、基板中にバイアを成形できる。別法として、ポリマー基板を貫通するレーザーアブレーション又は穴空けでバイアを作ることもできる。シリカベースの基板、例えばガラス、石英又はシリコンの場合、チャネル網の製造で用いたのと同様の技術により、基板を通る穴空け又はエッチングのどちらかによってバイアを作ることができる。特定の場合には、バイアが貫通形成される基板としてシリコン基板を用いるのが好ましい。具体的には、単結晶基板のように、エッチングがエッチングされる表面中に延びるだけでなく、エッチング表面から外方向に横に延びる場合、ガラスや石英のような他の基板の等方的エッチングから広がったエッチングパターンに比べて、シリコンを通るエッチング経路がよりまっすぐにできる。このことにより、例えば１０μｍと同じくらい小さい直径の中間基板層を通る極度に小さなバイアをエッチングできる。しかしながら、電流が流されるような用途、例えば物質の動電的移動を利用する用途において装置が使用される場合には、シリコン基板の半導電性ゆえに、絶縁コーティング、例えばＳｉＯ2の使用が必要となる。しかしながら、多くの場合、物質を移動させるのに圧力のみが用いられ、コーティングは必要ない。シリコン基板上への絶縁コーティングの付与は、当技術分野では周知である。例えばVLSI Fabrication Principles, Ghandi を参照のこと。このような場合、シリコン中間層とガラス又は石英の外層を用いることにより、整合的な表面特性が得られ、例えば両方ともＳｉＯ2とする。
異なる物質、例えば石英の外層とシリコン又はガラスの中間層からなる装置を製造する際、一般に物質は従来の熱接着によっては接着されない。特に、シリコン又は従来のガラス、例えばソーダ石灰、及び石英は熱膨張係数が相当違うので、接着プロセス中に異なる物質は異なって膨張し、よって、熱接着はさらに失敗しがちである。従って、異なる物質が望まれる場合には、一般に例えば接着剤による接着により非熱的手段で接着が実施される。特に好ましい態様では、ガラス、シリコン及び石英の接着において有効な接着剤は、一般に市販されており、例えばElectronic Materials Inc, Breckenridge, CO. のOptocast 3505-VLV を含めて特定用途に依存して変わり得る。一般に接着剤は、集合基板層の間に一般により広い追加のチャネルを設けることにより与えられる。このチャネルは、例えばこれらの層が一時的に水と共にアセンブル又は接着されるとき、すなわち熱融着の前には、基板の縁又は係合した基板層中の開放レザバーに連通している。接着剤はこれらのチャネルに与えられ、基板層の間の空間に運ばれ得る。別法として、接着剤が例えば該基板の縁にて集合層の結合部に与えられ、アセンブルされた集合層の間に運ばれ得る。別法として、例えばロール又はパッドを用いて接着剤を接触塗布した後に、装置の集合層をアセンブルする。
【００３１】
動作中、本発明の装置及びシステムは、１又は複数の分析操作を行い、その後に検出チャネル領域内にてその１又は複数の操作の結果の検出を行う。例として、図３の装置を参照すると、反応成分が、例えばサイドチャネル３１２、３１４、３１６及び３１８のうちの１以上からチャネルセグメント３０２ａ中に導入される。これらの試薬の反応生成物は、チャネルセグメント３０２ａに沿いかつチャネルセグメント３１０を通って移送される。一旦チャネルセグメント３１０内に入ると、反応生成物が検出チャネルセグメント３１０からチャネルセグメント３０２ｂに入るまで、検出器３３０が反応生成物を検出する。
【００３２】
上述したように、本発明のシステムは、例えば検出チャネルセグメント中の内容物の吸光度、蛍光、透過率などに基づいた光検出方式を一般に用いる。本発明によると、より小さい感度の光検出方式、例えば吸光度に基づいたシステムを用いるか、蛍光検出を使用して相当の感度を得ることができる。例えば、いくつかの生化学分析では、例えば複雑な化学構造、すなわち核酸、ポリペプチドなどの存在を検出するのに、ＵＶ吸光度に基づいた検出を利用するのが望ましい。しかし、従来のキャピラリーおよびミクロ流体システムでは、容積が小さすぎて標準的な濃度を検出することができない。しかしながら、本発明によると、被検出容積が増すので、より感度のよい検出がこれらの方法を用いて可能になる。別法として、蛍光検出方法が用いられる場合には、検出される物質の容積が増すことにより、その検出の感度が実質的に増す。
【００３３】
上記記載に基づいて、本発明のシステムにおいて用いられる検出器としては、光源、例えばレーザー、レーザーダイオード、ＬＥＤなどを備えたエピフルオレセント(epifluorescent)検出器を含めて、いくつかの異なる検出器タイプが挙げられる。光源は、適当な光学器系列を用いて検出チャネルセグメントに方向付けられる。この光学器系列は、検出チャネルセグメントから放出される蛍光も集める。蛍光検出器の例は、当技術において周知である。
【００３４】
好ましい態様では、本発明のシステムでは吸光度検出器が用いられる。検出チャネルセグメントを透過した光量を検出し、引き算により該チャネル中の物質により吸収された光量を検出するため、光源と検出器は一般に検出チャネルセグメントの異なる側に配置される。例えば、光源が、例えば図２Ａ中の検出器２２０により示されるように、平坦な基板の上方または検出チャネルセグメントの一端に近接して配置され、検出器２２２が、検出チャネルの下方または検出チャネルセグメントの他端に近接して配置される。ここで用いられている用語「近接」は、特定の距離を示すのではなく、例えば検出チャネルやお互いに対する検出器コンポーネント（光源および検出器）の相対的な位置を示すのに用いられる。ここでも、吸光度に基づいた検出器は、当技術において周知であり、本発明のシステムにおいて使用するように容易に構成される。好ましい態様では、このような吸光度検出器は、関心のある物質、例えばタンパク質、核酸などを検出する際に使用するためにＵＶ範囲のスペクトルの光を発生する光源を含む。
【００３５】
図４に例示的な吸光度検出器ユニットを示す。図示されているように、検出器４００は光源４０２を含む。一般に、最も広い用途のため、または所与の用途に特に適した光を与えるために、特定の光源を選ぶ。この光源としては、アークランプ、レーザーなど、例えば水銀アークランプ、重水素ランプなどが挙げられる。図示されているように、光源４０２からの光は、光ファイバー４０４を介して検出器４００の本体内の光学器系列に送られる。次に、光はコリメートレンズ４０６を通過する。第１ビームスプリッター４０８が設けられ、光の一部の進路を変えて基準検出器４１０上に送り、一方、残りの光（一般に相当な割合、例えば９５＋％）を通過させる。
【００３６】
残りの光は対物レンズ４１２を通って送られ、この対物レンズ４１２が、ミクロ流体装置４２０内の検出チャネルセグメント中に光をフォーカスする。それから、検出チャネル中の試料により吸収されない光部分が、信号検出器４２２により検出される。次に、検出チャネルを流れる物質のその吸光度の変化から生じる該信号の変化が、識別され定量化される。
【００３７】
採用し得る態様では、第２ビームスプリッター４１４が光学器系列中に設けられ、ミクロ流体装置４２０からの反射光信号の一部をＣＣＤカメラ４１６に送る。これにより、オペレーターがミクロ流体装置の検出チャネルセグメントの上に検出器を手動で配置することができる。特に、ミクロ流体装置から反射した光が、対物レンズ４１２により集められ、第２ビームスプリッター４１４に送り返され、ＣＣＤカメラ４１６上にフォーカスされ、そこで検出チャネルセグメントまたはそのチャネルの場所のインジケータが画像化される。一旦その画像が観察されると、検出器４２２に当たる光の量を最大にするように対物レンズ４１２が動かされる。次に、対物レンズ４１２が、検出チャネルが配置されたミクロ流体装置４２０の中央からオフセットした所望の高さに下ろされる。位置決めのさらなる最適化が、対物レンズを３次元すべてにおいて調節して検出器４２２に当たる光の量を最大にすることにより実施される。採用しうる態様として、例えば図４の例示的な検出器に示されているＣＣＤカメラの代わりにエミッションフィルターやフォトダイオードまたはＰＭＴを用いた検出システムにおいては、蛍光検出要素が、適宜または代わりに用いられる。ある場合には、過剰な光が検出器により検出されるのを防止する障壁を設けるのが望ましい。この過剰な光は、例えば試料を通過しなかった光が検出器に当たって試料の吸光度の読み取り値を不正確にすることにより、システムの分解能と感度を低下させてしまう。この防止は、本装置を光遮蔽室内に設置することにより実現でき、検出器によるアクセスは、例えば検出チャネルセグメントの上方のアパーチャーを通して行う。別法として、検出チャネルセグメント上方にアパーチャーを含んだ障壁層を本装置自体に設けることもできる。このような層として、エッチングまたは腐食により検出チャネルセグメント上方にアパーチャーを設けた塗布(applied) 層を挙げることができる。別法として、このようなアパーチャーを有するフィルム層を本装置の表面上に重ねることもできる。このような障壁は、検出チャネルセグメント内およびそれからの散乱光をフィルタリングして除く空間フィルターとして機能する。
【００３８】
さらに別の態様では、検出される反射光レベルを低減するために、不透明な基板、例えばシリコン中に検出チャネルセグメントを製造することができる。同様に、同じ目的を達成する追加の中間層、例えば検出用の小さなアパーチャーを備えて反射光を減らす追加の中間層を設けることもできる。例として、金属層を検出チャネルの上方に付与し、検出チャネルの上方に小さなアパーチャーを配置して光を通過させることもできる。不透明な中間層の使用と同様に、検出チャネルに送られてそこから出ていく光を確実に最大にするために、空間フィルター（例えばアパーチャー）を検出チャネルセグメントにできるだけ近づけて設けるか、またはもし可能ならば、中間層を通るアパーチャー若しくは透明領域として検出チャネルセグメントを設けるのが一般には望ましい。よって、好ましい態様では、中間層の一面または両面に金属層が設けられ、検出チャネル自体がアパーチャーを形成する。図５Ｃに、この構造の装置を製造する方法の一つを示す。図示されているように、装置全体は、上部基板層、下部基板層および中間基板層（それぞれ５０２、５０４および５０６）を備える。第１チャネルセグメントまたは網５０８ａが、上部基板と中間基板の接合面（例えば組み立てられた装置において互いに向き合って係合している面）の一方または両方に設けられ、上部基板と中間基板５０４の間にチャネルセグメントまたは網を形成する。一方、第２チャネルセグメントまたは網５０８ｂが、下部基板と中間基板の接合面の一方若しくは両方に製造され、下部基板層５０６と中間基板層５０４の間にチャネルセグメント若しくは網を付与する。検出チャネルセグメント５１０が、中間基板層５０４を通って設けられ、第１チャネルセグメントを第２チャネルセグメントに連結している。図示されているように、金属表面５２０ａおよび５２０ｂが、組み立てられた装置内に金属層が配置されてそれぞれ第１チャネルセグメントおよび第２チャネルセグメントまたは網５０８ａおよび５０８ｂを有する検出チャネルの連結部を包囲するように、下部基板層と中間基板層の上面に設けられる。この場合、スパッタ金属は、検出チャネルセグメントの開口を包囲する「Ｏ」形状であり、検出チャネルセグメントの開口を包囲する光障壁層を形成する。追加の物質を中間層または場合によっては上部層および下部層の表面上に収容するために、受入空洞またはウエル５２２および５２４を向きあった基板上に設けて追加の物質を受け入れることで、中空の残らない様々な層の接合を可能にできる。この下部層は、ピペット要素またはキャピラリー、例えば図５Ｂのキャピラリー５２８を受け入れるための開口５２６を含んだものとして示される。
【００３９】
一般に、金属層は、微細加工技術の当業者になじみのスパッタリング方法、例えばスパッタリング、ＣＶＤなどを含めて既知の方法により付与される。一方、受入ウエルは、シリカベースの基板のチャネルセグメントまたはチャネル網を製造するのに用いられるのと同じ方法、例えば湿式ケミカルエッチングなど、またはポリマー基板の場合と同じ方法、例えば射出成形、エンボス加工若しくはレーザーアブレーションなどにより製造される。図５Ｄは、図５Ｃに示される装置の組み立て後の構成を示す。
【００４０】
例示的な装置では、約０．８μｍの厚さのスパッタ金属「Ｏ」が設けられ、該層の開放中心は、役８０μｍの内径（ＩＤ）と、約３００μｍの外形（ＯＤ）を有する。受入ウエルは、追加のスパッタ金属を収容するために同等またはわずかに大きな寸法を有する。
【００４１】
上述の例から分かるように、空間フィルターは、例えば図５Ａおよび５Ｂに示されているように、完成または組み立てられた本体構造の外面上に設けることができる。または、空間フィルターは、例えば図５Ｃ及び５Ｄに示されるように挿入構造（すなわち金属ｏリング）として、若しくはバイアを貫通配置した基板と一体となった不透明中間層若しくは分離している不透明中間層におけるアパーチャーとして、組み立て済みの本体構造の内部領域内に設けることができる。端部の空間フィルターは、検出チャネルセグメントの両端に設けられるか、または検出チャネルの両端と光検出システム全体、例えば光源および／または光検出器の関連部分との間に設けられる。
【００４２】
上述したように、一般に本発明は、分析チャネル網と、このチャネル網内の物質を検出するのに用いられる検出器との改善した構成を含む。一般に、上述したミクロ流体システムは、これらのシステムにおいて用いられる他の要素も用いる。例えば、ミクロ流体システム全体は、ミクロ流体チャネル網内の流体の流れを生じさせ方向付ける流体方向付け・制御システムをも一般に用いる。このようなフロー制御システムは、システムに差圧が加えられた状況下で特定のフロープロファイルを生じるように最適化されたチャネル網構成と、圧力コントローラシステム、例えばチャネル網内の１又は複数のポートに適用される圧力源若しくは真空源の組合わせであるのが好ましい。例えば、ある好ましい場合では、単一の真空源が、ミクロ流体チャネル網における１つのポートに適用される。種々のチャネルすべてにおける物質の相対的な流速は、本装置のチャネルの設計された流れ抵抗によって制御される。別法では、複数の圧力源および／または真空源が、装置の複数の異なるポートに適用され、装置の異なるチャネル間の圧力差を異なる時間に規制し、装置内のフロープロファイルを制御する。このようなマルチポート圧力コントローラは、例えば米国特許出願第６０／２１６，７９３号（２０００年７月７日提出）に記載されており、あらゆる目的のためにそのすべてをここに援用する。
【００４３】
別の実施態様では、本発明の装置は、動電的物質方向付けシステムを用いる。一般に、動電的システムは、これらのチャネルを通って物質の移動させるため、チャネルを通して電場を加えることにより動作する。動電的移動は、電気泳動と電気浸透のうちの１つ又は両方を伴い得る。
【００４４】
一般に、ミクロ流体チャネル網における動電的物質方向付けシステムは、チャネル網の種々のチャネルの末端、例えばそれらの非交差末端に配置されたレザバー若しくはポートにて電極を備える。各電極は、１又は複数の電源に接続される。この電源が、制御された電流を装置のチャネルを介して流し、電気泳動又は電気浸透により物質を移動させる。このようなシステムの例として、Agilent 2100 Bioanalyzerおよび関連のCaliper LabChip （登録商標）ミクロ流体装置が挙げられる。ミクロ流体チャネル網における物質移動の動電的制御は、例えば米国特許第５，５８８，１９５号および第５，９７６，３３６号に詳細に記載されており、あらゆる目的のためにその各々をここに援用する。一般に、このようなシステムは、流体で満たされたレザバーとチャネルの末端にて接触するピン電極を用い、チャネル網の種々のチャネルを通して電流を流す。電流の流される量、時間およびチャネルを制御することにより、それらのチャネルを通る物質移動の方向および速度が正確に制御できる。別法として、電気回路がミクロ流体装置上に含まれ、１または複数のスライドコネクターによりコントローラに接続される。これらの機器は、例えばコントローラ−検出器機器とインターフェースするここに記載のもののような改善されたチャネル網を備えることにより、本発明に従って動作するように容易に構成できる。
【実施例１】
【００４５】
例１： 直交した検出器チャネルセグメントの効果
図４に示した検出器を用いて、吸光度検出器方式を用いたミクロ流体システムを組み立てた。また、このシステムは、図５Ａおよび５Ｂに示した構造をもった単純なミクロ流体装置を用いた。特に、装置５００は、３つの基板層５０２、５０４および５０６の集合体として製造され、その際、チャネル５０８ａは基板５０２と基板５０４の間に製造し、チャネル５０８ｂは基板５０４と基板５０６の間に製造した。これら２つのチャネルは、基板層５０４を貫通して製造したバイア５１０により接続し、検出チャネルセグメントを形成した。バイアまたは検出チャネルセグメント５１０は、公称厚さが７００μｍの中心基板全体を通って配置された。一方の端部のチャネル厚と加えると、約７２０μｍの検出経路長が作られた。チャネル５０８ａは、一方の端がレザバー５１２にて終端し、もう一方の端がバイア５１０にて終端していた。一方、チャネル５０８ｂは、一方の端がバイア５１０にて終端し、もう一方の端がサンプリングキャピラリー５２８にて終端していた。検出した光のみが検出チャネルを通過したものであることを保証するために、金属ディスク５１４および５１８を装置の表面上に置き、検出チャネルセグメントを包囲した。これらのディスクは小さなアパーチャー（５０μｍ）５１６および５２０をそれぞれ備え、これらを検出チャネルセグメントまたはバイア５１０の上方に配置した。
【００４６】
上述したように検出器を配置し、信号検出器を装置の下、例えばアパーチャー５２０の下に配置した。具体的には、光源からの光をアパーチャーと検出チャネルセグメントを通して送り、かつアパーチャーをＣＣＤ上に画像化するように、対物レンズをアパーチャー５１６の上方に配置した。次に、アパーチャーと検出ボリュームの中央との間の高さのオフセットに等しい距離だけ、対物レンズを下ろした。検出器の位置を三次元すべてについて調節して検出器への入射光を最大にすることにより、位置を微調整した。
【００４７】
サンプリングキャピラリー５２８を使用して試料物質をチャネル５０８ｂに引き入れた。このため、レザバー５１４に負の圧力を加えて試料物質を試料ウエルまたは管から吸引した。チャネル５０８ｂに引き入れた後、その物質は検出チャネルセグメント５１０に移動して入り、その地点にて検出を行った。それから、その物質はチャネル５０８ａに移動して入り、レザバー５１２に向かって出ていった。
【００４８】
キャピラリー要素を介して２５ｍｅｒのＤＮＡの試料プラグをチップ中に吸引し、検出チャネルセグメント中に移動させた。２５ｍｅｒの漸減する濃度（２０μＭ、１０μＭ、４μＭ、２μＭ、１μＭ、０．５μＭおよび０．２μＭ）を含有した連続的なプラグを規則的な間隔にて導入した。図６に吸光度曲線を示す。図から分かるように、本発明のシステムにおいて検出されたような異なる試料プラグの吸光度から濃度差を容易に識別することができる。
【００４９】
上述したように７２０μｍの長さの検出チャネルセグメントにおいて、例えばチャネル厚と同じ１０μｍの検出経路長を有する従来の検出方向での濃度の１／７２の濃度にて、１つの試料物質の比較測定を行った。１０μｍ厚のチャネルにおける２５０μＭ溶液の測定では、光の８６％（吸光度＝０．０６１）が検出器に当たることができた。一方、７２０μｍのスルーホールを通って進んだ２５ｍｅｒの２５０／７２＝３．５μＭ溶液では、光の８７％（吸光度＝０．０６５）が試料を通過することができた。これから分かるように、これらの測定値はほぼ等しく、相対的に低濃度な試料物質における吸光度を測定する際の本発明の効果を示している。
【００５０】
各個別の刊行物または特許出願を具体的かつ個別に援用すべく示したように同程度に、すべての刊行物および特許出願をここに援用する。明確さと理解のために説明および例としていくらか詳細に本発明を説明したが、本発明の範囲内にて一定の変化および変更が可能であるのは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１Ａ−Ｂ】検出チャネルセグメントの長さに沿った検出経路を用いる本発明のミクロ流体システム（図１Ｂ）と対比して、従来のミクロ流体システムの検出チャネルと検出システムの相対的な方向（図１Ａ）を略示する。
【図２Ａ−Ｂ】従来のシステム（図２Ａ）と本発明により用いられる検出システム（図２Ｂ）との比較を略示し、本発明の利点を示す。
【図３Ａ−Ｂ】本発明によるミクロ流体装置と検出システムの別の例示的な構成を略示する。
【図４】本発明と共に使用する例示的な光検出システムを示す。
【図５Ａ−Ｂ】図５Ａは、本発明により想定される検出チャネルを用いるミクロ流体装置を示す。図５Ｂは、検出チャネルセグメントの拡大図を示す。
【図５Ｃ−Ｄ】図５Ｃ及び５Ｄは、本発明による検出チャネルを備えた装置の代替構成図である。
【図６】検出チャネルセグメントを通る試料物質の吸光度曲線である。
【符号の説明】
【００５２】
１０２ 検出システム
１０２ａ 光源
１０２ｂ 検出器
１０４ 検出経路
１０６ 検出チャネルセグメントの縦軸
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、２００１年２月１５日提出の仮特許出願第６０／２６９，１７４号に基づいた優先権を主張し、その全体をあらゆる目的のためにここで援用する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
多数の異なる種類の分析操作の微細化、自動化及び統合に関して研究者に実質的な利点を与えるミクロ流体装置及びシステムが開発されてきた。例えば、高いスループットの製薬スクリーニング操作において使用するため、非常に多数の異なる化合物について連続アッセイを実施する連続フローのミクロ流体装置が開発された（例えば米国特許第５，９４２，４４３号及び第６，０４６，０５６号参照）。相対的に短い期間でいくつかの異なる試料について素早い分子分離を実行する他のミクロ流体装置も開発された（米国特許第５，９７６，３３６号参照）。これらの装置及びシステムのすべてが、広範囲の異なる分析操作をすばやく実施できる点で共通する。
【０００３】
平坦なミクロ流体分析システムは、速度、精度及びオートマタビリティ(automatability)に関して多数の利点を有する。これらの利点にも関わらず、これらの平坦なチャネルシステムは、従来の分析システムと共通の問題を抱えている。特に、キャピラリーシステムは、その極度に小さな容積ゆえに、検出可能な量の物質を単に欠いているという理由により感度が厳しく制限される場合がある。例えば、キャピラリー又は平坦なチャネルシステムにおける物質の検出は、該キャピラリー又はチャネルの平面に直交する方向にてチャネルからの信号を検出することにより一般に実施される。このことにより、検出スポットに存在する少量の物質のみが所与の時間に検出操作を受ける。多くの場合、この欠陥は、例えば蛍光、化学発光、放射能などによる検出可能性のより高い量子収率を有するラベリング技術を用いることにより克服される。もちろん、これらの検出方式を用いれば、これらの方式により検出可能な天然のラベル又は付加されたラベルの存在が要求される。多くの興味ある分析反応では、このようなラベルは容易には利用できず、若しくはそれら自身が分析されるべき反応に悪影響を与える。
【０００４】
感度が低減された結果、ミクロ流体システムにおけるいくつかの異なる検出方策、例えばより低い量子検出収率を有する方策又は検出経路長上における感度に基づいた方策を利用するのは以前には困難であった。例えば、低濃度の検体の検出は、非蛍光性の光学手段、例えば吸光度に基づいた検出を行うようなシステムにおいては困難であった。
【０００５】
従って、以前に遭遇したミクロ流体技術のこれらの欠点を解消するミクロ流体システム、すなわち増強された光検出感度を有するシステムを提供することが大いに望まれる。本発明はこれらの要求及び他の様々な要求を満たす。
【特許文献１】
米国特許第５，９４２，４４３号
【特許文献２】
米国特許第６，０４６，０５６号
【特許文献３】
米国特許第５，９７６，３３６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明の概要
一般に、本発明は、微小規模の流体チャネルにおいて分析操作を実施するためのシステム及び方法であって、増強された光検出感度を有するシステム及び方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第一の態様では、本発明は、微小規模チャネル中で光学的に検出可能な物質を検出するシステムを提供する。本システムは、少なくとも第１検出チャネルセグメントと光検出器とを備える。この光検出器は、検出チャネルセグメントを通る検出経路を検出チャネルセグメントの縦軸に直交していない角度に方向付けるように配置されている。適宜、この縦軸に対する検出経路の種々の異なる非直交角度が採用される。好ましい態様では、検出経路は、検出チャネルセグメントを通り、検出チャネルセグメントの縦軸にほぼ平行であり、例えば検出経路と縦軸の角度は、約０゜である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図の簡単な説明
図１Ａ及び１Ｂは、検出チャネルセグメントの長さに沿った検出経路を用いる本発明のミクロ流体システムと対比して、従来のミクロ流体システムの検出チャネルと検出システムの相対的な方向を略示する。
【０００９】
図２Ａ及び２Ｂは、従来のシステムと本発明により用いられる検出システムとの比較を略示し、本発明の利点を示す。
【００１０】
図３Ａ及び３Ｂは、本発明によるミクロ流体装置と検出システムの別の例示的な構成を略示する。
【００１１】
図４は、本発明と共に使用する例示的な光検出システムを示す。
【００１２】
図５Ａは、本発明により想定される検出チャネルを用いるミクロ流体装置を示す。図５Ｂは、検出チャネルセグメントの拡大図を示す。図５Ｃ及び５Ｄは、本発明による検出チャネルを備えた装置の代替構成の別図である。
【００１３】
図６は、検出チャネルセグメントを通過する試料物質の吸光度曲線である。
【００１４】
発明の詳細な説明
一般に、本発明は、上述したミクロ流体システムに対して強化された光検出能力を備えたミクロ流体システムに関する。特に、本発明が提供するミクロ流体装置は次のようなチャネルセグメントを備える。すなわち、該チャネルセグメントは、検出器が検出チャネルセグメントに直交して検出するように配置されている従来の検出方式を用いたシステムと比較して、増大した検出経路長及び／又は増大した試料物質の体積を介して試料物質を通る光の検出を行うように方向付けられる。例えば、一実施態様では、該経路長に沿い、かつチャネルセグメントに直交する方向とは対照的に検出チャネルセグメントに平行である。チャネルに平行な方向にて光を送出及び／受信するように検出チャネルを方向付けることにより、例えば検出経路が検出チャネルセグメントの縦軸に沿っているとき、検出システムの感度を増大できる。例えば、吸光度に基づいた検出システムでは、信号レベル、よって感度は、検出経路長に比例する。そのために、検出経路長を延ばすことにより、アッセイの信号レベル及び感度を増大させる。
【００１５】
検出チャネルセグメントの縦軸に沿った検出を行うことに加えて、本発明のシステムは、ミクロ流体装置の本体構造の主平面に直交するように検出チャネルセグメントを方向付ける。そうすることにより、例えば検出器をミクロ流体装置の側面や縁ではなく上面又は下面にて方向付ける従来の検出システム／装置の方向付けを用いて、検出チャネルセグメントの長さに沿った検出ができる。このことにより、縁に方向付けられた検出器において要求されるように、本体を通る信号の最適な伝送を保証すべくミクロ流体装置の本体構造内に光ガイドを組み込む必要がなくなるという別の利点が得られる。例えば、Liang 他著、Anal. Chem. 1996, 68(6): 1040-1046を参照のこと。従って、本発明により、ミクロ流体装置の本体内に複雑な光学要素を必要とすることなく、従来のシステムを使用して強化された検出が可能となる。
【００１６】
図１Ａ及び１Ｂにおいて、本システムの方向を概略的に示す。特に、本発明のシステムは、ある体積の流体を含んだチャネルセグメント１００を備え、この流体は、ある濃度の検出可能な第１成分をその中に含む。（光源１０２ａと検出器１０２ｂとを備えたものとして示された）検出システム１０２もまた設けられており、これは、検出経路１０４（例えば検出器が検出可能な信号を検出する経路）が検出チャネルセグメントを通過するように、チャネルセグメント１００と知覚連通(in sensory communication with) して配置される。図示されているように、検出システムは、主に光源１０２ａと試料物質を透過した光量を検出するための光検出器１０２ｂとを備えた吸光度検出器である。ここで用いられているように、「チャネルセグメントと知覚連通して」なる用語は、検出器がチャネルセグメント又はチャネルセグメント中に配置された物質からの検出可能信号を検出できるように、検出要素（例えば光学検出器）をチャネルセグメントに対して配置することを意味する。光検出器の場合、知覚連通とは、検出器がチャネルセグメント内に配置された物質（例えば試料物質など）から光信号を受信できることを意味する。
【００１７】
例えば図１Ａに示されるように、従来のミクロ流体システムでは、検出経路は、チャネルセグメントの縦軸１０６に直交する。従って、チャネルセグメントを通過する検出経路部分（矢印１０４ａで図示）の長さは、チャネルセグメントの断面寸法、例えばその深さ、幅又は円筒チャネルの場合にはその直径にほぼ等しい。このことにより、検出チャネルの断面寸法により定められる相対的に短い検出経路長となってしまう（また、吸光度に基づかない検出システムでは、このことにより、信号を検出すべき物質の量がより少なくなる）。検出可能な物質が相対的に低い濃度である場合には、使用中の検出システムの検出限界に到達するには、検出経路中に存在する物質では十分でないかもしれない。例えば、その検出経路では、検出可能な光量を吸収しないくらい十分短いかもしれない。
【００１８】
本発明によると、検出チャネルセグメントは、チャネルセグメントを通る検出経路長が単に断面寸法、例えば深さ、幅又は直径よりも長くなるように検出器に対して方向付けられる。図１Ｂは、本発明によるシステムの例を示し、検出システム１０２は、検出経路１０４が検出チャネルセグメント１００の長さをほぼ通過し、かつそのチャネルセグメントの縦軸１０６に平行となるように方向付けられる。この場合、検出経路１０４の部分（矢印１０４ｃにより図示された部分）は、図１Ａの場合よりも実質的に長く、かつチャネルセグメント１００の長さにより主に制限される。
【００１９】
さらに、図２Ａ及び２Ｂに本発明を概略的に示す。図２Ａは、微小規模のチャネル２１０、例えば平坦なミクロ流体装置におけるキャピラリールーメン(lumen) 又はチャネルを組み込んだ従来のシステムを示し、（光源２２０と透過率検出器２２２を含むものとして示されている）光検出器が、このチャネルにてチャネル平面に直交する方向に方向付けられている。この方向付けは、チャネルがミクロ流体装置の平坦な本体の主平面内にあるようなミクロ流体システムにおいては一般的である。このことは、チャネルが２以上の積層された平坦な基板層の界面にて形成されていることから生じる。この方向付けにより、相対的に短い検出経路長２４０が得られる。また、この方向付けにより、検出を行う物質２４２の量が十分少なくなる。このことは、試料からの放出光量を増すことにより感度が得られる、例えば蛍光に基づいた検出システムにおいて、特に関心が持たれる。
【００２０】
試料物質中において検出すべき物質の濃度が、体積２４２を通る検出経路長２４０が検出可能な量の物質を含むほど十分に高い場合には、検出感度は関心事ではなくなり、検出経路長を相対的に短くし得る。しかしながら、検出体積２４２中の物質濃度が十分に低い多くの場合では、検出経路長２４０は、短すぎて適切な検出ができず、例えば検出経路が短すぎて測定可能な光量を吸収できない。
【００２１】
図２Ｂは、本発明による構成を示し、検出経路長及び／又は検出される物質の体積を増し、それにより検出の感度を増大させている。特に、このシステム構成では、検出システム２２０／２２２は、検出経路がチャネルセグメント２１０の平面を通ってそれに平行な方向になるように、かつ、検出器が十分に長い検出経路長２５０（例えば説明のためにチャネルとは別に示した物質体積２５２の長さ）を通る物質を検出できる（それにより、該物質が図２Ａと同じ濃度にある場合であっても十分多くの物質を検出できる）ように、検出チャネル２１０に対して方向付けられる。検出チャネルセグメント２１０の長さを変えることにより、検出される物質の量のみならず、検出経路長も容易に調節できる。本発明のこの特定の実施態様の主な特徴は、検出器が例えば検出チャネルセグメントの軸に平行かつそれに沿ったものと同一の平面内にて光信号を送出及び／又は受信することである。
【００２２】
検出経路長に比例した吸光度検出に関して主に記載しているが、本発明は他の種類の検出、例えば蛍光に基づいた検出においても有効であることが分かるであろう。この場合には、その信号は、検出されるべきラベル付けられた物質の量に比例する。試料中において該物質が一様な濃度であると仮定すると、検出されるべき物質の量は、検出されるべき物質の体積に比例する。図２Ａ及び２Ｂから分かるように、図２Ｂに示された本発明では、図２Ａに示された従来のシステムの検出体積２４２と比べて大きな検出体積２５２が得られる。蛍光に基づいた検出の場合、例えばAgilent 2100 Bioanalyzer system のような標準的な蛍光検出システムが用いられる。
【００２３】
本発明によれば、一般に検出経路長は、層状のミクロ流体装置の中心層の厚みの関数である。特に、検出チャネルは、例えば後にさらに詳細に説明するように、中心基板を通るバイア(via) として与えられる。よって、検出チャネルの長さは、該基板の厚さにより実質的に規定される。ガラス又は石英の基板の場合、装置が用いられる特定の用途におけるニーズに依存して、厚さは約０．２ｍｍから１０ｍｍ以上まで変わり得る。金属又はポリマーフィルム、シリコン基板などを含めて、実質的により薄い他の基板が使用され得る。一般に、約１ｍｍより薄い基板が選択される。一般に、検出経路長は、約１０μｍ〜約１ｍｍ、好ましくは約５０μｍ〜約５００μｍの長さであり、さらに好ましくは約１００〜約２５０μｍの長さである。また、一般に検出チャネルセグメントの断面積は、少なくともその検出チャネルセグメントに物質を供給するチャネルの断面積に匹敵するのが好ましく、すべてのチャネルセグメントが検出チャネルセグメントに流動自在に連結されるのがさらに好ましい。ここで使用されているように、用語「流動自在に連結される」、「流体連通」又はこれらの用語の派生は、２以上のチャネル、チャンバー又は流体を含有できる他の構造体の間での連通を意味し、よって流体は例えば機械的な障壁なく自由に通ることができる。このような流体連通は直接的、例えば第２チャネルが第１チャネルに交差し得、又は間接的、例えば第１及び第２チャネルが１以上の別のチャネル又はチャネルセグメントを介して連通し得る。
【００２４】
種々のチャネルの断面積を厳密に一致させることにより、装置のチャネル、例えば第１チャネルと検出チャネルの連結部内でデッドゾーンが生じる可能性が実質的に低減され、これにより流体試料物質の離散プラグの密着を妨害できる対流的なフローパターンを生じ得る。特に、検出チャネルセグメントは、少なくとも検出チャネルに供給するチャネルの断面積の約０．１〜約５倍の断面積を一般に有する。好ましくは、検出チャネルセグメントの断面積は、検出チャネルに供給するチャネルの断面積の約０．５〜約２倍である。さらに好ましい態様では、その断面積は、該検出チャネルに供給するチャネルの断面積の約１０％内、例えばその面積の約０．９〜約１．１倍である。上述したものと同じ理由により、一般に検出チャネルを通る検出経路長を最適化しつつ、検出チャネルの体積を最小化するのが望ましい。よって、一般に検出チャネルセグメントは、１００ｎｌより小さい容積、好ましくは１０ｎｌより小さい容積、さらに好ましくは１ｎｌより小さい容積を有する。
【００２５】
本発明のシステムは、一般に２以上の基板層から作られた平坦なミクロ流体チャネル網を用いる。一般に、このような平坦な装置は、第１基板層と第２基板層の間にて形成され且つ２つの基板層により定められる第１平面内に含まれる第１チャネル又はチャネル網を含む。特に、２以上の平坦な基板が、それらの広い平坦面上にて接合され、これも平坦な構造の本体を形成し、２以上の元の基板の界面にてその内部にて形成されるチャネルを有する。本発明により、第１面に直交し、第１チャネル又はチャネル網に流体連通し、かつ例えばバイアとして第２基板層を通って配置された検出チャネルセグメントが設けられる。好ましい態様では、第２チャネル又はチャネル網が、第２基板層と第３基板層の間に配置され、それにより検出チャネルセグメントが第１チャネル網と第２チャネル網の間に流体連結部を与える。
【００２６】
図３に、この構造を用いた装置の概略例を示す。図示されているように、第１チャネル３０２ａ又はチャネル網が、第１基板３２０と第２基板３２２の間にそれぞれ配置される。第２検出チャネルセグメントは、第２基板３２２を通るバイア３１０として設けられる。図示されているように、このバイア３１０は、基板３２２と基板３２４の間に形成される第３チャネルセグメント３０２ｂ又はチャネル網と流動自在に連通する。図示されているように、第１チャネル又はチャネル網は、第１基板層３２０中の溝として作られ、第３チャネル網は、第３基板層中に作られ、第２基板層がこれらの溝を密封してそれぞれのチャネルを形成する。しかしながら、好ましい態様では、すべての微細加工を１つの単一基板上にて実施するために、チャネルが中間又は第２の基板３２２中に作られることが分かる。特に、単一基板の両面上にて必要なチャネル又はチャネル網のすべてをエッチングし、その基板を通るバイアを設けることができる。中央の基板を密封する際には、外側の２つの基板層、例えば第１基板と第３基板の間に第２基板を挟む。
【００２７】
まず、本装置のチャネルは、基板の一つの平坦な第１面内の溝として作られる。しばしば、製造技術は、使用される基板の種類に依存する。例えば、一般に、シリカベースの基板は、フォトリソグラフィ技術を用いた後に基板表面に溝を湿式化学エッチングすることにより製造される。一方、ポリマー基板は、平坦な基板表面にエンボス加工した溝、又は例えば射出成形技術を用いて表面に成形された溝を有し得る。ＬＩＧＡ技術、レーザーアブレーション技術、ミクロ機械加工技術などのような他の技術も、適宜用いられる。次に、第２基板層が重ねられ第１基板層に接合され、装置の閉鎖チャネルとして溝を密封する。種々の異なる操作を実施するために、種々の異なるチャネル幾何構成が、これらの技術を用いて効果的に作成し得る。プロセスが装置内部の構造、例えばチャネルに対して過度に干渉しない場合には、集合基板層の接合は、このような場合において有効などんな技術によっても実施できる。接合方法の例として、熱接合、陽極(anodic)接合、及び接着剤による接合が挙げられる。異なる接合技術が、所望の基板組成及び／又は最終的な装置の構造上のトレランスに基づいて選択し得る。
【００２８】
本発明の好ましい態様によると、検出器は、例えばミクロ流体システムにおいて従来行われていたように、装置の平坦な本体構造にほぼ垂直に方向付けられる。これにより、ここに記載のミクロ流体装置から検出する際には従来の機器、例えばAgilent 2100 Bioanalyzerを使用することができる。次に検出チャネルを検出光に平行な平面内に方向付けるために、本発明は、平坦な装置自体の平面から延びる検出チャネルセグメントを備えたチャネル網を設ける。特に、このような装置は、２つの平坦な基板の間に形成されていることにより、本体構造全体の平面内に存在する第１チャネル部分を含む。第２チャネルセグメント、例えば検出チャネルセグメントは、その平面から（例えば第１チャネル平面に垂直に）延び、検出を実施するチャネル長を与える。典型的に好適な態様では、検出チャネルセグメントは、例えば基板を通るアパーチャーとして、２つの平坦な基板のうちの１以上を通って少なくとも部分的に定められる。次に、検出器は、このセグメントの長さに沿って検出するように検出チャネルセグメントの上方にて方向付け・配置される。このチャネル構成及び関連の検出器を有するミクロ流体装置の例が、図３Ａ及び３Ｂに側面図及び斜視図で示される。
【００２９】
図３Ａ及び３Ｂに示しかつ上述したように、第１チャネルセグメント３０２ａが、２つの平坦な基板３２０と基板３２２の間に形成される。第１チャネルセグメントは、例えば検出チャネルセグメント３１０が基板３２２を通って配置されることにより、第１チャネルセグメント３０２ａの平面から延びる検出チャネルセグメント３１０に流動連通している。検出器３３０は、例えばチャネルセグメント３１０の一端からチャネルセグメント３１０を通るように方向付けられることにより、チャネルセグメント３１０の長さ全体を通って光を送出及び受信するように方向付けられる。適宜、検出チャネルセグメント３１０の他端に接続された別のチャネルセグメントが設けられる。例えば、検出チャネルセグメント３１０に流動連通した第３チャネルセグメント３０２ｂが示される。この追加のチャネルセグメント３０２ｂは、例えば多層チップ構成を用いて基板３２２と基板３２４の間に形成される。この実施態様に見られるように、第１チャネルセグメント３０２ａと第２チャネルセグメント３０２ｂは、例えばｘ軸により示されるように第１平面中又は該平面に平行に延び、検出チャネルセグメント３１０は、第１平面に垂直な第２平面（ｙ軸により図示）中又は該平面に平行に延びる。検出器３３０は、例えば検出チャネルセグメント３１０の長さに沿って方向付けられた第２平面に平行となるように方向付けられる。
【００３０】
検出チャネル、例えばチャネルセグメント３１０を１つの基板を通るバイアとして製造することは、いくつかの方法により実行できる。例えば、ポリマー基板の場合には、基板中にバイアを成形できる。別法として、ポリマー基板を貫通するレーザーアブレーション又は穴空けでバイアを作ることもできる。シリカベースの基板、例えばガラス、石英又はシリコンの場合、チャネル網の製造で用いたのと同様の技術により、基板を通る穴空け又はエッチングのどちらかによってバイアを作ることができる。特定の場合には、バイアが貫通形成される基板としてシリコン基板を用いるのが好ましい。具体的には、単結晶基板のように、エッチングがエッチングされる表面中に延びるだけでなく、エッチング表面から外方向に横に延びる場合、ガラスや石英のような他の基板の等方的エッチングから広がったエッチングパターンに比べて、シリコンを通るエッチング経路がよりまっすぐにできる。このことにより、例えば１０μｍと同じくらい小さい直径の中間基板層を通る極度に小さなバイアをエッチングできる。しかしながら、電流が流されるような用途、例えば物質の動電的移動を利用する用途において装置が使用される場合には、シリコン基板の半導電性ゆえに、絶縁コーティング、例えばＳｉＯ2の使用が必要となる。しかしながら、多くの場合、物質を移動させるのに圧力のみが用いられ、コーティングは必要ない。シリコン基板上への絶縁コーティングの付与は、当技術分野では周知である。例えばVLSI Fabrication Principles, Ghandi を参照のこと。このような場合、シリコン中間層とガラス又は石英の外層を用いることにより、整合的な表面特性が得られ、例えば両方ともＳｉＯ2とする。
異なる物質、例えば石英の外層とシリコン又はガラスの中間層からなる装置を製造する際、一般に物質は従来の熱接着によっては接着されない。特に、シリコン又は従来のガラス、例えばソーダ石灰、及び石英は熱膨張係数が相当違うので、接着プロセス中に異なる物質は異なって膨張し、よって、熱接着はさらに失敗しがちである。従って、異なる物質が望まれる場合には、一般に例えば接着剤による接着により非熱的手段で接着が実施される。特に好ましい態様では、ガラス、シリコン及び石英の接着において有効な接着剤は、一般に市販されており、例えばElectronic Materials Inc, Breckenridge, CO. のOptocast 3505-VLV を含めて特定用途に依存して変わり得る。一般に接着剤は、集合基板層の間に一般により広い追加のチャネルを設けることにより与えられる。このチャネルは、例えばこれらの層が一時的に水と共にアセンブル又は接着されるとき、すなわち熱融着の前には、基板の縁又は係合した基板層中の開放レザバーに連通している。接着剤はこれらのチャネルに与えられ、基板層の間の空間に運ばれ得る。別法として、接着剤が例えば該基板の縁にて集合層の結合部に与えられ、アセンブルされた集合層の間に運ばれ得る。別法として、例えばロール又はパッドを用いて接着剤を接触塗布した後に、装置の集合層をアセンブルする。
【００３１】
動作中、本発明の装置及びシステムは、１又は複数の分析操作を行い、その後に検出チャネル領域内にてその１又は複数の操作の結果の検出を行う。例として、図３の装置を参照すると、反応成分が、例えばサイドチャネル３１２、３１４、３１６及び３１８のうちの１以上からチャネルセグメント３０２ａ中に導入される。これらの試薬の反応生成物は、チャネルセグメント３０２ａに沿いかつチャネルセグメント３１０を通って移送される。一旦チャネルセグメント３１０内に入ると、反応生成物が検出チャネルセグメント３１０からチャネルセグメント３０２ｂに入るまで、検出器３３０が反応生成物を検出する。
【００３２】
上述したように、本発明のシステムは、例えば検出チャネルセグメント中の内容物の吸光度、蛍光、透過率などに基づいた光検出方式を一般に用いる。本発明によると、より小さい感度の光検出方式、例えば吸光度に基づいたシステムを用いるか、蛍光検出を使用して相当の感度を得ることができる。例えば、いくつかの生化学分析では、例えば複雑な化学構造、すなわち核酸、ポリペプチドなどの存在を検出するのに、ＵＶ吸光度に基づいた検出を利用するのが望ましい。しかし、従来のキャピラリーおよびミクロ流体システムでは、容積が小さすぎて標準的な濃度を検出することができない。しかしながら、本発明によると、被検出容積が増すので、より感度のよい検出がこれらの方法を用いて可能になる。別法として、蛍光検出方法が用いられる場合には、検出される物質の容積が増すことにより、その検出の感度が実質的に増す。
【００３３】
上記記載に基づいて、本発明のシステムにおいて用いられる検出器としては、光源、例えばレーザー、レーザーダイオード、ＬＥＤなどを備えたエピフルオレセント(epifluorescent)検出器を含めて、いくつかの異なる検出器タイプが挙げられる。光源は、適当な光学器系列を用いて検出チャネルセグメントに方向付けられる。この光学器系列は、検出チャネルセグメントから放出される蛍光も集める。蛍光検出器の例は、当技術において周知である。
【００３４】
好ましい態様では、本発明のシステムでは吸光度検出器が用いられる。検出チャネルセグメントを透過した光量を検出し、引き算により該チャネル中の物質により吸収された光量を検出するため、光源と検出器は一般に検出チャネルセグメントの異なる側に配置される。例えば、光源が、例えば図２Ａ中の検出器２２０により示されるように、平坦な基板の上方または検出チャネルセグメントの一端に近接して配置され、検出器２２２が、検出チャネルの下方または検出チャネルセグメントの他端に近接して配置される。ここで用いられている用語「近接」は、特定の距離を示すのではなく、例えば検出チャネルやお互いに対する検出器コンポーネント（光源および検出器）の相対的な位置を示すのに用いられる。ここでも、吸光度に基づいた検出器は、当技術において周知であり、本発明のシステムにおいて使用するように容易に構成される。好ましい態様では、このような吸光度検出器は、関心のある物質、例えばタンパク質、核酸などを検出する際に使用するためにＵＶ範囲のスペクトルの光を発生する光源を含む。
【００３５】
図４に例示的な吸光度検出器ユニットを示す。図示されているように、検出器４００は光源４０２を含む。一般に、最も広い用途のため、または所与の用途に特に適した光を与えるために、特定の光源を選ぶ。この光源としては、アークランプ、レーザーなど、例えば水銀アークランプ、重水素ランプなどが挙げられる。図示されているように、光源４０２からの光は、光ファイバー４０４を介して検出器４００の本体内の光学器系列に送られる。次に、光はコリメートレンズ４０６を通過する。第１ビームスプリッター４０８が設けられ、光の一部の進路を変えて基準検出器４１０上に送り、一方、残りの光（一般に相当な割合、例えば９５＋％）を通過させる。
【００３６】
残りの光は対物レンズ４１２を通って送られ、この対物レンズ４１２が、ミクロ流体装置４２０内の検出チャネルセグメント中に光をフォーカスする。それから、検出チャネル中の試料により吸収されない光部分が、信号検出器４２２により検出される。次に、検出チャネルを流れる物質のその吸光度の変化から生じる該信号の変化が、識別され定量化される。
【００３７】
採用し得る態様では、第２ビームスプリッター４１４が光学器系列中に設けられ、ミクロ流体装置４２０からの反射光信号の一部をＣＣＤカメラ４１６に送る。これにより、オペレーターがミクロ流体装置の検出チャネルセグメントの上に検出器を手動で配置することができる。特に、ミクロ流体装置から反射した光が、対物レンズ４１２により集められ、第２ビームスプリッター４１４に送り返され、ＣＣＤカメラ４１６上にフォーカスされ、そこで検出チャネルセグメントまたはそのチャネルの場所のインジケータが画像化される。一旦その画像が観察されると、検出器４２２に当たる光の量を最大にするように対物レンズ４１２が動かされる。次に、対物レンズ４１２が、検出チャネルが配置されたミクロ流体装置４２０の中央からオフセットした所望の高さに下ろされる。位置決めのさらなる最適化が、対物レンズを３次元すべてにおいて調節して検出器４２２に当たる光の量を最大にすることにより実施される。採用しうる態様として、例えば図４の例示的な検出器に示されているＣＣＤカメラの代わりにエミッションフィルターやフォトダイオードまたはＰＭＴを用いた検出システムにおいては、蛍光検出要素が、適宜または代わりに用いられる。ある場合には、過剰な光が検出器により検出されるのを防止する障壁を設けるのが望ましい。この過剰な光は、例えば試料を通過しなかった光が検出器に当たって試料の吸光度の読み取り値を不正確にすることにより、システムの分解能と感度を低下させてしまう。この防止は、本装置を光遮蔽室内に設置することにより実現でき、検出器によるアクセスは、例えば検出チャネルセグメントの上方のアパーチャーを通して行う。別法として、検出チャネルセグメント上方にアパーチャーを含んだ障壁層を本装置自体に設けることもできる。このような層として、エッチングまたは腐食により検出チャネルセグメント上方にアパーチャーを設けた塗布(applied) 層を挙げることができる。別法として、このようなアパーチャーを有するフィルム層を本装置の表面上に重ねることもできる。このような障壁は、検出チャネルセグメント内およびそれからの散乱光をフィルタリングして除く空間フィルターとして機能する。
【００３８】
さらに別の態様では、検出される反射光レベルを低減するために、不透明な基板、例えばシリコン中に検出チャネルセグメントを製造することができる。同様に、同じ目的を達成する追加の中間層、例えば検出用の小さなアパーチャーを備えて反射光を減らす追加の中間層を設けることもできる。例として、金属層を検出チャネルの上方に付与し、検出チャネルの上方に小さなアパーチャーを配置して光を通過させることもできる。不透明な中間層の使用と同様に、検出チャネルに送られてそこから出ていく光を確実に最大にするために、空間フィルター（例えばアパーチャー）を検出チャネルセグメントにできるだけ近づけて設けるか、またはもし可能ならば、中間層を通るアパーチャー若しくは透明領域として検出チャネルセグメントを設けるのが一般には望ましい。よって、好ましい態様では、中間層の一面または両面に金属層が設けられ、検出チャネル自体がアパーチャーを形成する。図５Ｃに、この構造の装置を製造する方法の一つを示す。図示されているように、装置全体は、上部基板層、下部基板層および中間基板層（それぞれ５０２、５０４および５０６）を備える。第１チャネルセグメントまたは網５０８ａが、上部基板と中間基板の接合面（例えば組み立てられた装置において互いに向き合って係合している面）の一方または両方に設けられ、上部基板と中間基板５０４の間にチャネルセグメントまたは網を形成する。一方、第２チャネルセグメントまたは網５０８ｂが、下部基板と中間基板の接合面の一方若しくは両方に製造され、下部基板層５０６と中間基板層５０４の間にチャネルセグメント若しくは網を付与する。検出チャネルセグメント５１０が、中間基板層５０４を通って設けられ、第１チャネルセグメントを第２チャネルセグメントに連結している。図示されているように、金属表面５２０ａおよび５２０ｂが、組み立てられた装置内に金属層が配置されてそれぞれ第１チャネルセグメントおよび第２チャネルセグメントまたは網５０８ａおよび５０８ｂを有する検出チャネルの連結部を包囲するように、下部基板層と中間基板層の上面に設けられる。この場合、スパッタ金属は、検出チャネルセグメントの開口を包囲する「Ｏ」形状であり、検出チャネルセグメントの開口を包囲する光障壁層を形成する。追加の物質を中間層または場合によっては上部層および下部層の表面上に収容するために、受入空洞またはウエル５２２および５２４を向きあった基板上に設けて追加の物質を受け入れることで、中空の残らない様々な層の接合を可能にできる。この下部層は、ピペット要素またはキャピラリー、例えば図５Ｂのキャピラリー５２８を受け入れるための開口５２６を含んだものとして示される。
【００３９】
一般に、金属層は、微細加工技術の当業者になじみのスパッタリング方法、例えばスパッタリング、ＣＶＤなどを含めて既知の方法により付与される。一方、受入ウエルは、シリカベースの基板のチャネルセグメントまたはチャネル網を製造するのに用いられるのと同じ方法、例えば湿式ケミカルエッチングなど、またはポリマー基板の場合と同じ方法、例えば射出成形、エンボス加工若しくはレーザーアブレーションなどにより製造される。図５Ｄは、図５Ｃに示される装置の組み立て後の構成を示す。
【００４０】
例示的な装置では、約０．８μｍの厚さのスパッタ金属「Ｏ」が設けられ、該層の開放中心は、役８０μｍの内径（ＩＤ）と、約３００μｍの外形（ＯＤ）を有する。受入ウエルは、追加のスパッタ金属を収容するために同等またはわずかに大きな寸法を有する。
【００４１】
上述の例から分かるように、空間フィルターは、例えば図５Ａおよび５Ｂに示されているように、完成または組み立てられた本体構造の外面上に設けることができる。または、空間フィルターは、例えば図５Ｃ及び５Ｄに示されるように挿入構造（すなわち金属ｏリング）として、若しくはバイアを貫通配置した基板と一体となった不透明中間層若しくは分離している不透明中間層におけるアパーチャーとして、組み立て済みの本体構造の内部領域内に設けることができる。端部の空間フィルターは、検出チャネルセグメントの両端に設けられるか、または検出チャネルの両端と光検出システム全体、例えば光源および／または光検出器の関連部分との間に設けられる。
【００４２】
上述したように、一般に本発明は、分析チャネル網と、このチャネル網内の物質を検出するのに用いられる検出器との改善した構成を含む。一般に、上述したミクロ流体システムは、これらのシステムにおいて用いられる他の要素も用いる。例えば、ミクロ流体システム全体は、ミクロ流体チャネル網内の流体の流れを生じさせ方向付ける流体方向付け・制御システムをも一般に用いる。このようなフロー制御システムは、システムに差圧が加えられた状況下で特定のフロープロファイルを生じるように最適化されたチャネル網構成と、圧力コントローラシステム、例えばチャネル網内の１又は複数のポートに適用される圧力源若しくは真空源の組合わせであるのが好ましい。例えば、ある好ましい場合では、単一の真空源が、ミクロ流体チャネル網における１つのポートに適用される。種々のチャネルすべてにおける物質の相対的な流速は、本装置のチャネルの設計された流れ抵抗によって制御される。別法では、複数の圧力源および／または真空源が、装置の複数の異なるポートに適用され、装置の異なるチャネル間の圧力差を異なる時間に規制し、装置内のフロープロファイルを制御する。このようなマルチポート圧力コントローラは、例えば米国特許出願第６０／２１６，７９３号（２０００年７月７日提出）に記載されており、あらゆる目的のためにそのすべてをここに援用する。
【００４３】
別の実施態様では、本発明の装置は、動電的物質方向付けシステムを用いる。一般に、動電的システムは、これらのチャネルを通って物質の移動させるため、チャネルを通して電場を加えることにより動作する。動電的移動は、電気泳動と電気浸透のうちの１つ又は両方を伴い得る。
【００４４】
一般に、ミクロ流体チャネル網における動電的物質方向付けシステムは、チャネル網の種々のチャネルの末端、例えばそれらの非交差末端に配置されたレザバー若しくはポートにて電極を備える。各電極は、１又は複数の電源に接続される。この電源が、制御された電流を装置のチャネルを介して流し、電気泳動又は電気浸透により物質を移動させる。このようなシステムの例として、Agilent 2100 Bioanalyzerおよび関連のCaliper LabChip （登録商標）ミクロ流体装置が挙げられる。ミクロ流体チャネル網における物質移動の動電的制御は、例えば米国特許第５，５８８，１９５号および第５，９７６，３３６号に詳細に記載されており、あらゆる目的のためにその各々をここに援用する。一般に、このようなシステムは、流体で満たされたレザバーとチャネルの末端にて接触するピン電極を用い、チャネル網の種々のチャネルを通して電流を流す。電流の流される量、時間およびチャネルを制御することにより、それらのチャネルを通る物質移動の方向および速度が正確に制御できる。別法として、電気回路がミクロ流体装置上に含まれ、１または複数のスライドコネクターによりコントローラに接続される。これらの機器は、例えばコントローラ−検出器機器とインターフェースするここに記載のもののような改善されたチャネル網を備えることにより、本発明に従って動作するように容易に構成できる。
【実施例１】
【００４５】
例１： 直交した検出器チャネルセグメントの効果
図４に示した検出器を用いて、吸光度検出器方式を用いたミクロ流体システムを組み立てた。また、このシステムは、図５Ａおよび５Ｂに示した構造をもった単純なミクロ流体装置を用いた。特に、装置５００は、３つの基板層５０２、５０４および５０６の集合体として製造され、その際、チャネル５０８ａは基板５０２と基板５０４の間に製造し、チャネル５０８ｂは基板５０４と基板５０６の間に製造した。これら２つのチャネルは、基板層５０４を貫通して製造したバイア５１０により接続し、検出チャネルセグメントを形成した。バイアまたは検出チャネルセグメント５１０は、公称厚さが７００μｍの中心基板全体を通って配置された。一方の端部のチャネル厚と加えると、約７２０μｍの検出経路長が作られた。チャネル５０８ａは、一方の端がレザバー５１２にて終端し、もう一方の端がバイア５１０にて終端していた。一方、チャネル５０８ｂは、一方の端がバイア５１０にて終端し、もう一方の端がサンプリングキャピラリー５２８にて終端していた。検出した光のみが検出チャネルを通過したものであることを保証するために、金属ディスク５１４および５１８を装置の表面上に置き、検出チャネルセグメントを包囲した。これらのディスクは小さなアパーチャー（５０μｍ）５１６および５２０をそれぞれ備え、これらを検出チャネルセグメントまたはバイア５１０の上方に配置した。
【００４６】
上述したように検出器を配置し、信号検出器を装置の下、例えばアパーチャー５２０の下に配置した。具体的には、光源からの光をアパーチャーと検出チャネルセグメントを通して送り、かつアパーチャーをＣＣＤ上に画像化するように、対物レンズをアパーチャー５１６の上方に配置した。次に、アパーチャーと検出ボリュームの中央との間の高さのオフセットに等しい距離だけ、対物レンズを下ろした。検出器の位置を三次元すべてについて調節して検出器への入射光を最大にすることにより、位置を微調整した。
【００４７】
サンプリングキャピラリー５２８を使用して試料物質をチャネル５０８ｂに引き入れた。このため、レザバー５１４に負の圧力を加えて試料物質を試料ウエルまたは管から吸引した。チャネル５０８ｂに引き入れた後、その物質は検出チャネルセグメント５１０に移動して入り、その地点にて検出を行った。それから、その物質はチャネル５０８ａに移動して入り、レザバー５１２に向かって出ていった。
【００４８】
キャピラリー要素を介して２５ｍｅｒのＤＮＡの試料プラグをチップ中に吸引し、検出チャネルセグメント中に移動させた。２５ｍｅｒの漸減する濃度（２０μＭ、１０μＭ、４μＭ、２μＭ、１μＭ、０．５μＭおよび０．２μＭ）を含有した連続的なプラグを規則的な間隔にて導入した。図６に吸光度曲線を示す。図から分かるように、本発明のシステムにおいて検出されたような異なる試料プラグの吸光度から濃度差を容易に識別することができる。
【００４９】
上述したように７２０μｍの長さの検出チャネルセグメントにおいて、例えばチャネル厚と同じ１０μｍの検出経路長を有する従来の検出方向での濃度の１／７２の濃度にて、１つの試料物質の比較測定を行った。１０μｍ厚のチャネルにおける２５０μＭ溶液の測定では、光の８６％（吸光度＝０．０６１）が検出器に当たることができた。一方、７２０μｍのスルーホールを通って進んだ２５ｍｅｒの２５０／７２＝３．５μＭ溶液では、光の８７％（吸光度＝０．０６５）が試料を通過することができた。これから分かるように、これらの測定値はほぼ等しく、相対的に低濃度な試料物質における吸光度を測定する際の本発明の効果を示している。
【００５０】
各個別の刊行物または特許出願を具体的かつ個別に援用すべく示したように同程度に、すべての刊行物および特許出願をここに援用する。明確さと理解のために説明および例としていくらか詳細に本発明を説明したが、本発明の範囲内にて一定の変化および変更が可能であるのは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１Ａ−Ｂ】検出チャネルセグメントの長さに沿った検出経路を用いる本発明のミクロ流体システム（図１Ｂ）と対比して、従来のミクロ流体システムの検出チャネルと検出システムの相対的な方向（図１Ａ）を略示する。
【図２Ａ−Ｂ】従来のシステム（図２Ａ）と本発明により用いられる検出システム（図２Ｂ）との比較を略示し、本発明の利点を示す。
【図３Ａ−Ｂ】本発明によるミクロ流体装置と検出システムの別の例示的な構成を略示する。
【図４】本発明と共に使用する例示的な光検出システムを示す。
【図５Ａ−Ｂ】図５Ａは、本発明により想定される検出チャネルを用いるミクロ流体装置を示す。図５Ｂは、検出チャネルセグメントの拡大図を示す。
【図５Ｃ−Ｄ】図５Ｃ及び５Ｄは、本発明による検出チャネルを備えた装置の代替構成図である。
【図６】検出チャネルセグメントを通る試料物質の吸光度曲線である。
【符号の説明】
【００５２】
１０２ 検出システム
１０２ａ 光源
１０２ｂ 検出器
１０４ 検出経路
１０６ 検出チャネルセグメントの縦軸
Claims (37)
- ミクロ流体装置を備え、強化された光検出を行うミクロ流体システムであって、前記ミクロ流体装置が、
第１平面内で平坦な本体構造、
第１平面に平行な第１チャネルセグメント、
第１端部と第２端部とを有する検出チャネルセグメントであって、検出チャネルセグメントの第１端部は、第１チャネルセグメントに流動連通し、検出チャネルセグメントは、第１平面にほぼ直交した方向を有する前記検出チャネルセグメント、および
検出チャネルセグメントに知覚連通し、かつ検出チャネルセグメントの縦軸にほぼ沿った検出経路を得るように方向付けられた検出システム
を備えた前記ミクロ流体システム。 - 本体構造が、互いに接合された少なくとも第１及び第２基板層を備え、第１チャネルセグメントは、第１と第２の平坦な基板の界面にて形成され、検出チャネルセグメントは、第１と第２の平坦な基板の少なくとも１つを貫通して設けられるバイアからなる、請求項１に記載のミクロ流体システム。
- 検出チャネルセグメントの第２端部に流動連通した第２チャネルセグメントをさらに備える、請求項１に記載のミクロ流体システム。
- 本体構造が少なくとも第１、第２および第３の平坦な基板層を含み、第１基板の第１表面が、第２基板の第１表面に接合され、第３基板の第１表面が第２基板の第２表面に接合され、第２基板の第２表面が、第２基板の第１表面の反対側にあり、第１チャネルが、第１平坦基板層と第２平坦基板層の界面に形成され、第２チャネルセグメントが、第２平坦基板層と第３平坦基板層の界面に形成され、検出チャネルセグメントが、少なくとも第２平坦基板層を貫通して設けられたバイアからなる、請求項１に記載のミクロ流体システム。
- 検出システムが、吸光度測定システムからなる、請求項１に記載のミクロ流体システム。
- 吸光度検出システムが、
光源、
検出チャネルセグメントの第１端部に近接して配置された光学器系列であって、光源からの光を検出チャネルセグメントの第１端部を通して送る前記光学器系列、および
検出チャネルセグメントの第２端部に近接して配置され、検出チャネルセグメントを通過する光量を検出する光検出器
を備えた請求項１に記載のミクロ流体システム。 - 検出チャネルセグメントが、第１チャネルセグメントと第２チャネルセグメントのうちの少なくとも１つの断面積の約０．１〜５倍の断面積を有する、請求項１に記載のミクロ流体システム。
- 検出チャネルセグメントの断面積が、第１チャネルセグメントと第２チャネルセグメントのうちの少なくとも１つの断面積の約０．５〜約２倍である、請求項１に記載のミクロ流体システム。
- 検出チャネルセグメントの長さが約１０μｍ〜約１ｍｍである、請求項１に記載のミクロ流体システム。
- 検出チャネルシステムの長さが約５０〜約５００μｍである、請求項１に記載のミクロ流体システム。
- 検出チャネルシステムの長さが約１００〜約２５０μｍである、請求項１に記載のミクロ流体システム。
- 検出チャネルセグメントが１００ｎｌ未満の容積である、請求項１に記載のミクロ流体システム。
- 検出チャネルセグメントが１０ｎｌ未満の容積である、請求項１に記載のミクロ流体システム。
- 検出チャネルセグメントが１ｎｌ未満の容積である、請求項１に記載のミクロ流体システム。
- 第１平面内で平坦な本体構造、
第１平面にほぼ直交する第２平面内に配置された第１検出チャネルセグメント、および
第１検出チャネルセグメントに知覚連通して配置された光検出器であって、第２平面にほぼ平行な検出経路に沿って検出チャネルセグメントに光を送り、該検出チャネルセグメントから光を受けるように方向付けられた前記光検出器
を備え、強化された光検出のためのミクロ流体システム。 - 第１平面と第２平面が平行である、請求項１５に記載のミクロ流体システム。
- 検出チャネルセグメントに流動連通した少なくとも第２チャネルセグメントをさらに備えた、請求項１５に記載のミクロ流体システム。
- 第２チャネルセグメントが、第１平面とは異なる第３平面内に位置するように配置される、請求項１５に記載のミクロ流体システム。
- 第１チャネルセグメントと第２チャネルセグメントが、平坦な本体構造内に配置され、第１平面と第２平面が、平坦な本体構造の平面に垂直であり、第３平面が本体構造の平面に平行である、請求項１５に記載のミクロ流体システム。
- 平坦な本体構造が、少なくとも第１、第２および第３基板層を備え、第１基板層は、第２基板層と第３基板層の間に挟まれ、第１チャネルセグメントは、第１基板層を通るアパーチャーとして配置され、第２チャネルセグメントは、第１基板層と第２基板層の界面に配置される、請求項１５に記載のミクロ流体システム。
- 平坦な本体構造であって、その中に配置された第１チャネル及び検出チャネルセグメントを備え、第１チャネルは、平坦な本体構造の主平面内に配置され、検出チャネルは、本体構造の主平面にほぼ直交して配置される前記本体構造、および
検出チャネルセグメントに知覚連通した光検出器であって、検出チャネルセグメントの端部を通して検出チャネルセグメントに平行な方向にて光エネルギーを送出および／または受信するように配置された前記光検出器
を備えたミクロ流体システム。 - 本体構造内に配置され、第１端部と第２端部を備え、縦軸を有する第１流体導管、
第１流体導管の第１端部に近接した光源であって、第１流体導管を介して前記縦軸にほぼ平行な経路中に光を送るように配置された前記光源、
本体構造に取り付けられ、流体導管の第１端部と光源の間に配置された少なくとも第１空間フィルター、および
第１流体導管から光信号を受信するように配置された光検出器
を備えた分析システム。 - 光検出器が、第１流体導管の第２端部に近接して配置され、かつ第１流体導管を通過した光源からの光を受信するように方向付けられている、請求項２２に記載のシステム。
- 第１流体導管の第２端部と光検出器の間に配置された第２空間フィルターをさらに備えた、請求項２３に記載のシステム。
- 前記少なくとも第１空間フィルターが、本体構造の外面に設けられる、請求項２２に記載のシステム。
- 前記少なくとも第１空間フィルターが、本体構造の内部領域に配置される、請求項２２に記載のシステム。
- 本体構造内に配置され、第１端部と第２端部を備え、縦軸を有する第１流体導管、
第１流体導管の第１端部に近接した光源であって、第１流体導管を介して前記縦軸にほぼ平行な経路中に光を送るように配置された前記光源、
本体構造に取り付けられた少なくとも第１空間フィルターであって、光源からの光が第１流体導管に入る前に空間フィルターを通過するように流体導管の第１端部に近接して配置される前記第１空間フィルター、および
第１流体導管から光信号を受信するように配置された光検出器
を備えた分析システム。 - 光検出器が、第１流体導管の第２端部に近接して配置され、かつ第１流体導管を通過した光源からの光を受信するように方向付けられている、請求項２７に記載のシステム。
- 第１流体導管の第２端部と光検出器に近接して配置された第２空間フィルターをさらに備え、それにより該検出器に接触している第１流体導管からの光が第２空間フィルターを通過する、請求項２８に記載のシステム。
- 前記少なくとも第１空間フィルターが、本体構造の外面上に設けられる、請求項２７に記載のシステム。
- 前記少なくとも第１空間フィルターが、本体構造の内部領域に配置される、請求項２７に記載のシステム。
- 微小規模チャネル中で分析操作を行う方法であって、
平坦なミクロ流体装置の主平面にほぼ直交する第１検出チャネルセグメントを有する平坦なミクロ流体装置を設けるステップ、
試料物質を第１検出チャネルセグメント中に導入するステップであって、第１試料物質が、その中に一定濃度の光学的に検出可能な物質を有する前記ステップ、
試料物質を通る光検出経路を第１検出チャネルセグメントの縦軸にほぼ平行な角度にて検出チャネルセグメント中に方向付けるステップ、および
試料物質からの光信号を検出するステップ
を含んだ前記方法。 - 前記方向付けるステップと検出するステップが、光信号を試料物質を通して送り、試料物質により伝送された光量を検出することを含む、請求項３２に記載の方法。
- 試料物質により伝送された光信号量から、試料物質により吸収された光信号量を求めるステップをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
- 平坦なミクロ流体装置内に配置された少なくとも第２チャネルを設けるステップをさらに含み、第２チャネルは、ミクロ流体装置の主平面に平行であり、第１検出チャネルセグメントに流動連通している、請求項３２に記載の方法。
- 第１チャネルはまた、ミクロ流体装置に取り付けられ且つミクロ流体装置から延びているサンプリングキャピラリーに流動自在に接続され、また、第１試料物質を検出チャネルセグメントに導入するステップが、試料物質ソースから試料物質をサンプリングキャピラリーに引き入れ、第２チャネルセグメント中および検出チャネルセグメント中に試料物質を輸送することを含む、請求項３２に記載の方法。
- 微小規模チャネル中での光検出の感度を強化する方法であって、
一定濃度の光学的に検出可能な物質を中に有する試料流体を、第１長さを有する検出チャネルセグメント中に導入するステップ、
検出チャネルセグメントの少なくとも一端部から第１長さのほぼ全体に沿って光を送るステップ、および
検出チャネルセグメントの少なくとも一端部から光学的に検出可能な物質を検出するステップ
を含む前記方法。
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