JP2004531360A - マイクロチャネルシステムでの制御された加熱を行う装置および方法 - Google Patents

Abstract

マイクロチャネルリアクタ構造（４６，４８，５０）の制御された加熱方法は、所望の温度プロフィールを形成する構造（ｂ１、ｂ２、Ｂ１，Ｂ２）を用意する工程を含む。加熱要素構造の好適な実施形態は、エネルギが与えられると熱を供給する材料からなるパターン状のエリアを備える。パターン状のエリアは上記マイクロチャネルリアクタ構造の上に配置される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に基板内に存在する小さなチャネル内の液体サンプルに対し制御された加熱を行うための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学および生化学分野では、分析試験を行うものであって多数の反応を起こす必要のある総合的な反応を起こすためのシステムは、小型化に向かう傾向がある。例えば、新薬をスクリーニングする際には、１０００００程の異なる化合物に対し、適当な試薬を用いた反応を利用して特異性の試験を行う必要がある。
【０００３】
別の分野は、生化学的な研究や分析において強力なツールとなっているポリヌクレオチド増幅であり、こうした技術は、多くのアプリケーション用に開発されている。重要な開発の一つは、上記目的のための装置の小型化であり、極めて少量のサンプルを取り扱うことができ且つコンパクトな装置で多数の反応を同時に起こすことができるようにするものである。
【０００４】
上述した（および示していない他の）目的のために、多くのシステムでは、必要な反応を起こすために、工程の何らかの段階において試薬を加熱する必要があるのが通常である。さらに重要なこととして、所望の期間反応温度を一定に保つ、すなわち、加熱された試薬を収容するチャネル部分（反応空間）を横切る温度変動を避ける必要がある。
【０００５】
さらに、こうした小型化システムにおいて、サンプルの温度は、実質的に、サンプルを閉じ込める壁の温度により決定される。したがって、壁を構成する材料が熱を逃がすと、壁の近くで温度が低下し、サンプルにおいて変動が生じる。
【０００６】
マイクロチャネル構造内の小さな液体アリコートを加熱する際の蒸発に関する問題がある。この問題は、光エネルギを選択エリアに伝達可能に吸収できる表層状の加熱手段を設けることで解決できる。ＷＯ０１４６４６５（図７および関連する開示内容）参照。白色光を用いるのが好都合であるが、特定の目的用に単色光（例えばレーザ）を用いてもよい。表層は、光束を熱に変換する光吸収層、例えば黒色塗料で被覆してもよい。
【０００７】
蒸発問題を解決する別の方法は、閉鎖反応空間内で温度を上昇させる工程（加熱工程）を行うものである。これは、通気なして液体アリコートを加熱する際の典型的に現れる大きな圧力上昇に関連する問題を解決することを必要とする。関連するプロセスを一連の反応に組み込む場合、スマートな弁調整が必要となる。
【０００８】
従来の装置の多くにおいて、基板材料は、極めて高い熱伝導率を有し、加熱すべき液体を収容するチャネルの内壁近くに位置する大気によりあるいは別個の加熱要素により加熱できる。冷却は典型的に大気を利用する。近年、典型的に低熱伝導率のプラスチック材料でマイクロチャネル構造を製造することが一般的になってきている。こうしたタイプの材料を用いる場合、熱伝導率が低いため、選択エリア内で望ましくない温度勾配が容易に形成され得る。この勾配は、表面を横切る方向および基板材料内に向かう下方向に生じる。温度変動は、エリアの中央とその周辺部分で１０℃かそれ以上となり得る。光吸収エリアが小さすぎると、この変動は、選択エリア内および加熱された液体アリコート内の温度プロフィールに反映される。多くの化学および生化学反応にとって、こうした均一性の欠如は結果に悪影響を及ぼすことがあり、実際、正確な結果が得られるように反応を起こすことが困難になる。
【０００９】
ＷＯ０１４６４６５に係る加熱手段は蒸発と圧力の問題を取り除くものの、上述したサンプルを横切る方向の温度変動が欠点となっている。このような温度変動は、反応の結果に悪影響を与えることが多く避けなければならない。
【００１０】
ＷＯ００７８４５５およびＷＯ９８５３３１１には、加熱手段を有し回転可能なマイクロフルイディックプラットホームが記載されている。これらのプラットホームは、例えば熱サイクリングにおいて、高温での反応を起こすためのものである。
【発明の概要】
【００１１】
従来のシステムの欠点を考慮すると、化学的／生化学的反応／分析（例えばしかしながらこれに限定しないがポリヌクレオチド増幅反応など）を行うための装置であって、小さな反応空間、例えばキャピラリで反応体に対する制御された加熱を上述した制御不能な蒸発が生じることなく行いつつ、反応空間全体にわたって温度が一定に保たれるものが利用できるようになるのが望ましい。したがって、本発明の目的は、熱流入と冷却との間の適切な平衡を得、これにより、マイクロチャネル内の液体アリコートを、素早く加熱し且つ所定の時間間隔にわたって一様の温度に保つようにすることである。
【００１２】
上で指摘した目的は、請求項１〜１０でクレームした制御された加熱方法、および請求項１１〜２０でクレームしたマイクロチャネルリアクタシステムにしたがって実現できる。別の態様では、本発明は、請求項２１〜２６でクレームした加熱構造、請求項２７〜２９でクレームした回転可能なディスクを提供する。好適な実施形態では、システムは、回転可能なマイクロフルイディックディスクを用いて実行される。このような装置は、遠心力を使って、サンプルおよび反応体をチャネルおよび反応チャンバからなるシステムに流す。回転は、リアクタ内を一様な温度に保つための適切な熱平衡が確立するのを補助する。
【００１３】
本願において、用語「選択エリア」は、特定の文脈からそうでないことが明らかである場合を除いて、加熱すべき選択表面エリアと、一つまたはそれ以上のマイクロチャネルの反応空間を含む基板の基礎部分とを意味する。選択エリアは、マイクロチャネルの他の本質的な部分を実質的に含まない。用語「表面」は、そうでないことが指示されていない限り、加熱すべき表面、例えば熱照射を集める表面を指す。
【００１４】
用語「加熱構造」、「加熱要素構造」および「加熱要素」は、選択エリア内あるいは該エリア上、若しくは基板と放射源との間に存在する構造であって、（ａ）選択エリアをカバーし且つ（ｂ）選択的に、電磁放射や電気（例えば、白色光、可視光あるいはＩＲのみ）により加熱できるか、あるいは例えば電気で直接加熱できるパターンを形成するものである。ここで、用語「パターン」は、（１）連続層、あるいは（２）加熱される一つまたはそれ以上の別個の部分と加熱されない一つまたはそれ以上の別個の部分とを備えたパターン部分を意味する。（ｂ）加熱する部分のみからなるパターンは除外する。
【００１５】
熱構造の好ましい変形例は、請求項２１〜２６で与えられる。
【００１６】
以下、添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１７】
本願の趣旨において、本明細書で用いられる用語「マイクロチャネル構造」は、一つまたはそれ以上のチャネルであって、チャネル自体より幅広のチャンバを形成する一つまたはそれ以上の拡大部分に任意的に接続されるものを意味するものと考えるべきである。マイクロチャネル構造は、平坦基板（例えばディスク部材）の表面の下側に設けられる。
【００１８】
用語「マイクロフォーマット」、「マイクロチャネル」などは、マイクロチャネル構造が、深さおよび／または幅が１０^３μｍ以下、好ましくは１０^２μｍ以下の一つまたはそれ以上のチャンバ／キャビティおよび／またはチャネルを有することを意味する。マイクロキャビティ／マイクロチャンバの容量は、典型的に１０００ｎｌ以下、例えば５００ｎｌ以下か１００ｎｌ以下か５０ｎｌ以下である。インレットポートに直接接続されたチャンバ／キャビティは、例えばサンプルを適用し且つ／または液体を洗浄するために、かなり大きくしてもよい。
【００１９】
好適な変形例では、使用される液体アリコートの容量は非常に小さく、例えばナノリットル範囲かそれ以下（１０００ｎｌ以下）である。これは、反応や検出などが行われるスペースが、マイクロチャネルを囲む部分と幾分幾何学的に区別できなくなることが多いことを意味する。
【００２０】
反応空間は、マイクロチャネルの一部で、その内部では、加熱すべき液体アリコートが反応の間高温で保持される。典型的に、熱サイクリングあるいは高温を必要とする反応シーケンスは、反応空間で起きる。
【００２１】
好適には、ディスクは回転可能であり、これは、ディスクがディスク表面に垂直な対称軸（Ｃｎ）（ｎは整数で、３，４，５，６あるいはそれ以上）を有することを意味する。好適なディスクは円状、すなわちｎ＝∞である。ディスクは、１０以上（例えば、５０以上、１００以上あるいは２００以上）のマイクロチャネルを有してもよい。各マイクロチャネルは、熱サイクル用のキャビティを備える。ディスクが回転できる場合、マイクロチャネルは、一つまたはそれ以上の環状ゾーンに配置され、これにより、各ゾーンでは、熱サイクリング用のキャビティが同一の半径距離を有する。「実質的に一様な温度プロフィール」および「一定温度」という表現は、基板の選択エリア内の温度変動が、過度の擾乱なく所望の感温反応が行われ且つ再現可能な結果が得られるよう制限されることを意味する。これは、典型的に、温度が、加熱された液体アリコートを含む選択エリアの反対側の面同士の最大温度差の多くて５０％（例えば、多くて２５％、多くて１０％、あるいは多くて５％）だけ反応空間内で変動することを意味する。このような許容変動は、表面に平行な平面および／またはマイクロチャネルの深さに沿った平面を横切る方向に関してである。許容温度変動は通常１０℃以内（例えば、５℃以内、あるいは１℃以内）と考えられるが、許容変動は反応の種類によって異なってもよい。
【００２２】
本発明は、ＷＯ０１４６４６５に開示された、しかしながらこれに限定されるものでない種類の回転マイクロフルイディックディスク用のマイクロチャネル構造を用いて適切に実行される。本願の図１にはそのような装置が示してある。しかしながら、これは例示であって、本発明は、そうしたマイクロチャネル構造の使用に限定されるものではない。
【００２３】
図１ａ〜ｄに示す公知の装置に係るマイクロチャネル構造Ｋ７−Ｋ１２は、マイクロフルイディックディスクＤ上に半径方向に配置されている。マイクロフルイディックディスクは、一つまたは二つの部品の成形構造からなり、任意的に透明プラスチックあるいは重合材料から形成され、成形品が別々であるのを利用して、（例えば加熱することで）組み立てると、所定の位置に開口部を有する閉鎖ユニットとなり、液体を装置に装填したり液体サンプルを取り除くことができるようにするのが適切である。例えばＷＯ０１５４８１０（Gyro AB)参照。適切な重合材料のプラスチックとして、疎水特性を有するものが選択できる。代わりに、マイクロチャネルの表面を化学的または物理的手段を用いて追加的・選択的に改質し、これにより、マイクロチャネル内に局所的に疎水性あるいは親水性の領域を形成するよう表面特性を変えて、所望の特性を与えるようにしてもよい。好適なプラスチックは、帯電した表面を有するポリマの中から、適当には、化学処理あるいはイオンプラズマ処理されたポリスチレン、ポリカーボネート、あるいは他の剛性透明および不透明ポリマ（プラスチック材料）の中から選択される。ここで、用語「剛性」は、ポリマから製作したディスクが、ある程度湾曲できるという意味でフレキシブルである場合を含む。好適なプラスチック材料は、ポリスチレンおよびポリカーボネートから選択される。マイクロチャネル構造内で起きるプロセスが蛍光発光等の光学測定を必要とする場合には、好適なプラスチック材料は、飽和炭化水素基および重合可能な不飽和炭化水素基のみを含むモノマ、例えば、Zeonex（商標名）やZeonor（商標名）をベースにする。プラズマおよび親水化によりプラスチックを改質するための好適な方法は、ＷＯ０１４７６３７（Gyro AB）およびＷＯ００５６８０８（Gyro AB）に示されている。
【００２４】
マイクロチャネルは、マイクロマシーニング法により形成できる。この場合、マイクロチャネルをディスク表面上にマイクロマシーニングし、カバープレート、例えばプラスチックフィルムを表面に接着させて、チャネルを閉鎖する。別の可能な方法は射出成形である。典型的なマイクロフルイディックディスクＤは、その厚みが直径に比べてかなり小さく、中心孔周りに回転することで、ディスク内のマイクロチャネル内に置かれた液体に遠心力が作用してディスクの外周に向けて流れるようになっている。図１ａ〜１ｄに示す本発明に係る実施形態では、マイクロチャネルは、共通の環状内側適用チャネル１から始まり、チャネル１と実質的に同心状の共通の環状外側排出チャネル２で終わる。個々の適用チャネル（各マイクロチャネルあるいはマイクロチャネル群に対して個々の排出チャネル）を有することも可能である。マイクロチャネル構造Ｋ７−Ｋ１２の各インレット開口部３は、反応体およびサンプル用の適用エリアとして用いてもよい。各マイクロチャネル構造Ｋ７−Ｋ１２には、外側排出チャネル２内に開放された排出チャンバ４が設けてある。各マイクロチャネルＫ７−Ｋ１２は、Ｕ字状空間を形成する構造７、および、インレット開口部３と排出チャンバ４との間のＵ字状チャンバ１０を形成する。望ましいノーマルフロー方向は、インレット開口部３３からＵ字状空間を形成する構造７およびＵ字状チャンバ１０を介して排出チャンバ４に向かう方向である。フローは、毛細現象、圧力、真空、および遠心力すなわちディスクの回転により起こすことができる。後で説明するように、疎水破断を用いてフローを制御することもできる。図に示すように、半径方向に伸びた排出チャネル５は、環状内側チャネル１を環状外側排出チャネル５に直接接続しており、内側チャネル１に加えた余分な液体を除去するためのものである。
【００２５】
したがって、液体は、インレット開口部３から入口ポート６を介して空間を形成する構造７内に入り、そこからＵ字状チャンバ１０の第１のアーム内に入る。空間を形成する構造７は、余分な液体を排出するための排出アウトレット、例えば半径方向に伸びた排出チャネル８に接続されている。排出チャネル８は、好適には、環状外側排出チャネル２に接続される。排出チャネル８は、好適には、ディスクの最上面を介して大気に開放されたベント９を有する。ベント９は、ディスク中心に最も近い排出チャネル８部分に位置し、排出チャネル８の液体が逆流して空間を形成する構造７内に吸い込まれるのを防止する。
【００２６】
チャンバ１０は、第１すなわちインレットアーム１０ａを有し、該アーム１０ａはその下端部でベース１０ｃに接続されている。ベース１０ｃは、第２すなわちアウトレットアーム１０ｂの下端部に接続されている。チャンバ１０は、深さの異なるセクションＩ，ＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶを有してもよい。例えば、各セクションは、アウトレット端部に向かう方向に沿って前のセクションより浅くなるようにしてもよいし、あるいは代わりに、セクションＩおよびＩＩＩがセクションＩＩおよびＩＶよりも浅くしてもよいし、あるいはその逆となるようにしてもよい。チャンバ１０と排出チャンバ４の間には、制限された排出アウトレット１１すなわち幅狭の排出チャネルが設けてある。これにより、チャンバ１０を介する液流に対する抵抗は、空間を形成する構造７および排出チャネル８を通る通路を介する液流に対する抵抗より大きくなる。
【００２７】
一つのＵ字状の空間を形成する構造を丁度満たす所定容量のサンプルを導入することで、ディスクを回転させて該サンプルを上記Ｕ字状のマイクロチャネル構造部分内に閉じ込めるとともに、擬似重力を与えることが可能である。回転速度が十分であれば、与えられる力により、凝縮したドロップレットが反応空間に戻る。加熱を局地的に加えるとともに、ディスクが低熱伝導率の材料、例えばプラスチックからなるのであれば、加熱エリアと非加熱エリアとの間で急激に低下する温度の勾配が生じる。アームの上部部分は、冷却器として機能し蒸発を防止するのを補助する。システムを閉鎖することで、蒸発による損失を防ぐ必要性を避けることができる。したがって、実際には、Ｕ字状空間は、熱サイクリングの目的のために、例えば熱サイクリングによるポリヌクレオチド増幅を行うために、効果的な反応チャンバとなる。
【００２８】
用語「Ｕ字状」は、チャネル構造がディスクの周側に向いた湾曲部と内側に向いた２つのアームとを備えた他の形状、例えばＹ字状を含む。この場合、下側部分は、ディスクの周側に向けられるとともに、少なくとも上側に向いたアームの下側部分を加熱する間閉鎖するバルブ機能を備える。
【００２９】
しかしながら、上述したＵ字構造のないマイクロチャネル構造を用いることもまた可能である。すなわち、直線状に半径方向に伸び且つディスク外周に最も近い端部でストップバルブを有するチャネルを利用してもよい。この目的に適したバルブは、ＳＥ−９９０２４７４−７に開示されており、この開示内容全体が本願発明に含まれる。
【００３０】
このようなバルブは、何らかの外的刺激（例えば、光、熱、放射、磁気など）に応答して容量が変化する材料からなる栓を用いることで動作する。したがって、所望の位置のキャピラリ内にサンプルを導入し、キャピラリの最も外側の端部位置を閉鎖し、ディスクを回転することで、サンプルは所定位置に保持される。加熱中に制御されない蒸発は、Ｕ形構造を利用した実施形態と同様にして制御できる。
【００３１】
また、上述した変形例において、機械的なバルブを用いてもよい。
【００３２】
しかしながら、上で指摘したように、重要なことは、反応空間全体にわたって局地的に一様な温度レベルを保ち、好適にはマイクロフルイディック基板の非加熱部分に対し急激な温度勾配となるようにすることである。このような制御された加熱は、本発明に係る加熱システムおよび方法により好都合に行われる。その実施形態は以下に詳細に示される。本段落でいう加熱システムは、接触加熱または非接触加熱に基づいている。
【００３３】
図２ａは、上述したタイプのマイクロフルイディックディスク上に設けられた、Ｕ字構造２０を有するマイクロチャネル構造を示す。Ｕ字構造２０は、加熱目的で光吸収エリア２２により覆われている。図２ｂは、白色光を照射した場合における、図に示す中央線ｂ−ｂに沿って上記光吸収エリアを横切る温度プロフィールを示す。見てわかるように、温度プロフィールはベル形状で、チャネル構造を設けた領域の加熱が不可避的に不均一になり、その結果、上記チャネル構造の異なる地点で異なる化学反応が起きる。
【００３４】
上記エリアを拡大し、これによりその周縁部をチャネル構造から十分離して、ベル状温度プロフィールを、反応空間を横切る温度がより一様となる程度にまで「平坦化」することも可能ではある。しかしながら、第１に、これでは光吸収層により覆うべきチャネル構造周囲の面積があまりに大きくなり、互いに近接したチャネル構造をかなり多くしたいという要望があるため、エリアを拡大するとあまりに多くの面積を占めることになる。第２に、非常に大きなエリアを設けたとしても、温度プロフィールはやはり多少なりとも明白なベル形状を呈し、反応空間を形成するチャネル構造にわたって不均一な温度を示すことになる。
【００３５】
本質的に、マイクロチャネル／チャンバ構造を含む基板のローカルエリアを制御しながら加熱ができるようにし、これにより、加熱すべき液体アリコートを収容する空間を横切って一様に加熱できるようにすることが重要である。このことは、周囲の要素・材料が加熱による影響をできるだけ受けないようにする、すなわち、好適には加熱領域の直ぐ隣接するエリア（例えばマイクロチャネル構造の別の部分を備えたもの）が理想的には全く加熱されないようにするのと同時に実現すべきである。もちろん、空間全体にわたって温度が等しいのが望ましい。本発明を小さなマイクロチャネルで実行してマイクロチャネルに最も近い表面を加熱する場合、発明に係る加熱方法および加熱要素構造は、マイクロチャネルが配置された選択エリアの表面を横切った温度レベルが上で定義した意味において一様となるのを大よそ保証する。表面近くの実際の変動は、選択エリア内側の任意の平面でも小さくなる。ここでの平面は表面と平行である。しかしながら、ディスクの厚み方向には温度低下が比較的大きくなる。この低下は、典型的には１０℃のオーダであろう。にもかかわらず、チャネル寸法は小さく、基板厚みの約１／１０しかないので、上記方向に係る温度低下は約１℃しかないであろう。これは、あらゆる実用目的で許容できるものである。これについては図３ｃに示してある。基板の厚みに沿ったこの比較的大きな温度低下は、加熱工程後に加熱された液体アリコートの効率的な急速冷却を補助する。これは、行われるプロセスが加熱と冷却を繰り返す場合（熱サイクリング）に特に重要である。冷却は、ディスクの回転により補助される。
【００３６】
ディスクを回転させると、摩擦力でディスクの表面上の空気が引っ張られる。したがって、ディスクの近くの空気は、ディスクと同一方向に回転する。空気の回転により、空気を半径方向に流す遠心力が発生する。
【００３７】
気流はディスク表面に対し冷却効果を有する。実際、空気の温度が既知であるとして、回転速度を制御することにより、冷却速度を非常に正確に制御することが可能である。この効果は、本発明において利用され、本発明に係る加熱方法およびシステムの成功にとってキーとなるファクタである。
【００３８】
ファン等からの制御された気流を用いても同じ効果を得ることができる。冷却効果はファンの速度を変更することで変えることができる。この方法は、冷却すべき領域（例えばマイクロチャネル構造を含む）が非回転の例えば平坦基板で形成された静止系に対し使用できる。
【００３９】
たいていのプラスチック材料、特に透明なプラスチック材料は、可視光に対し非吸収的であるが、赤外線に対してはそうではない。透明なポリマ材料からなるマイクロフルイディックディスクに対し可視光を照射すると、エネルギの多くは吸収されないため、（あったとしても）中程度の加熱しか実現できないであろう。可視光を限られたエリアすなわち空間（選択エリア）での熱に変換するための一つの可能性としては、加熱が望まれる位置に光吸収材料を塗布することである。
【００４０】
したがって、光を熱に変換するために、上記光吸収材料は加熱が望まれる位置に設ける必要がある。これを実現するには、その位置または領域を例えば黒色で印刷したり塗布するのが好都合である。照射されると、光吸収材料は暖められ、熱が光吸収材料を上面に配置した基板に伝達される。光吸収材料の異なる地点同士の間に、照射を反射する材料を設けてもよい。同じような種類の基板に対する代替法として、基板表面の一つを光吸収材料で覆い、この表面に対し、選択エリアと整合させたマスク孔を通して光を通過させるマスクを介して照射を行う方法がある。
【００４１】
用いられる放射を吸収するプラスチック材料でできた基板に対し、表面を、選択エリアを除く全ての場所で放射を反射するマスクで覆ってもよい。代わりに、マスクを基板から物理的に離しつつ基板表面と照射源との間に配置させてもよい。
【００４２】
本発明によれば、エリアには、温度プロフィールをベル状から（理想的には）略「矩形状」に変える特定のレイアウト、すなわち、選択エリア表面を横切ったあるいは該表面に平行な平面を横切った温度変動を一様にする特定のレイアウトが与えられている。一つの方法は、単純な試行錯誤によるものである。非吸収材料に対し、パターン状の放射吸収材料を基板表面と放射源との間に配置する。典型的には、該材料は基板上に配置される。ＩＲビデオカメラを用いて、表面温度をモニタできる。上記レイアウトに達するための別の方法は、ＦＥＭ（有限要素法）演算を利用することである。図３は、発明的な思想を利用して主として得られたプロフィールの変化を概略的に示す。ベル状プロフィールＡは、図３ａで示すような実質的に延在する部分を有する光吸収エリアＡを用いた結果である（プロフィールは矢印ａで示す断面に関するもの）。「矩形状」プロフィールは、図３で曲線Ｂにより示す光吸収領域を利用した結果である（プロフィールは矢印で示す断面に関するもの）。
【００４３】
温度プロフィールの最も重要な特徴は、上側（最上）部分が平坦（一様）であることである。これは、選択エリアの対応部分を横切る温度変動が小さいことを意味する。プロフィールの「フランク」すなわち側部は常に傾斜をなしているが、適当な手段によりこの傾斜を制御して、プロフィールが理想的な矩形状に近づくようにできる。
【００４４】
以下、本発明の種々の実施形態および異なる態様について、添付図面を参照して説明する。
【００４５】
本発明の第１の実施形態において、電磁放射、例えば光を用いて、加熱用の放射を吸収しないプラスチック材料でできた基板の選択エリア内に存在する液体を加熱する。この場合、選択エリアの表面は、照射エネルギ、例えば光を吸収する層で被覆／コーティングされている。本願明細書で概説するように、照射の種類、プラスチック材料、および吸収層は、互いに整合する必要がある。層は黒色塗料でもよい。塗料は、選択エリアの表面上に、吸収および非吸収（被覆および非被覆）部（サブエリア）のパターン状に配置される。用語「非吸収部」は、放射を反射する材料で覆われる場合を含む。本実施形態の別の変形例において、照射を吸収する層は、典型的に、マイクロチャネルを含む基板内部にある。素早く且つ／または比較的大きな温度上昇が必要な場合、使用される照射を吸収する層と反応空間との間の距離は、せいぜい、反応空間と基板表面との間の最短距離と同じである。比較的大きな温度上昇とは、水の沸点以下、例えば９０〜９７℃までで、且つ／または４０〜５０℃の増加を意味する。吸収層は、反応空間の内壁に設けてもよい。
【００４６】
第１の実施形態はまた、基板が使用される電磁放射を吸収できるプラスチック材料から構成される場合を含む。この場合、パーフォレーションを有する非吸収材料のパターンを含む反射材料が、選択エリアの表面と放射源との間に配置される。これは、反射材料が基板表面に例えばコーティングされたり印刷される場合を含む。非吸収パターン、例えばパターン状のパーフォレーションは、選択エリアの表面と選択的に整合される。この変形例は、照射エネルギの吸収が選択エリア全体にわたって略等しく素早い冷却を妨害するため、好適なものではない。
【００４７】
用語「吸収プラスチック材料」は、使用される電磁放射により大いに素早く加熱できるプラスチック材料を意味する。用語「非吸収プラスチック材料」は、加熱に使用する電磁放射によりあまり加熱されないプラスチック材料を意味する。
【００４８】
上の用語「パターン」は、選択エリア層、例えば表層を横切る吸収および非吸収部（サブエリア）の分布を意味する。この用語は、パターンが選択エリアの表面を完全に覆う一つの吸収部のみを有する変形例を除く。
【００４９】
次に、非吸収プラスチック材料からできた基板上にコーティングされた種々の吸収材料パターンを説明する。吸収プラスチック材料からできた基板に対しては同様のパターンを塗布する。しかし、非吸収部の代わりに反射材料を設け、吸収部は典型的は被覆しない。
【００５０】
第１の例として、マイクロチャネル／チャンバ構造を考慮する。いくつかの例を図４ａ〜ｅに示す。この種のチャネル／チャンバ構造は、マイクロフルイディックディスク４０（概略を図５ａに示す）上に多数、例えば４００個設けることができる。全てのチャネル／チャンバ構造が同一である必要はないが、多くの場合そうであって、これは、同様の多数の反応を同時に起こすためである。全てのチャネル／チャンバ構造が同一であり且つチャネル／チャンバ構造の一つの部分（例えば、反応チャンバまたはチャネルのセグメント）のみ作動中に加熱する必要があると仮定すると、発明に係る加熱要素構造（例えば、図３ｂのものや、図５ｂに示す同心状の塗布帯４２，４４、あるいは他の種類の吸収材料）を用いるのが好都合であろう。
【００５１】
しかしながら、この基本的な帯構造を用いることは最適な解決方法ではない。その理由は、温度プロフィールはそれでもまだ加熱すべきエリアにわたって僅かに変動を示すからである。したがって、好適な実施形態では、複数のチャネル構造４６，４８，５０を有するディスク４０の破断図である図６ａに概略的に示すように、幅広帯Ｂ１，Ｂ２の間に、光吸収材料（塗料）のいくつかの幅狭帯ｂ１，ｂ２が設けられる。図６ｂでは、この帯構造を用いて得られる対応温度プロフィールを示す。この例では、制御しながら加熱するのが要求される場所は、スクエアＡで囲まれたマイクロチャネル構造部分である。
【００５２】
上述した加熱要素構造は、図４に示す全てのチャネル／チャンバ構造に適用できる。
【００５３】
しかしながら、用途によっては、円状あるいは矩形／スクエアエリア等のさらに局所化された加熱を行うのが望ましい場合もある。これは、隣接あるいは周囲のエリアを全く加熱してはならない場合に特に必要となると思われる。同心状の塗料帯による実施形態は、半径方向に伸びたマイクロチャネル／チャンバ構造の間のエリアをも加熱することになる。
【００５４】
図７ａには、インレット７１およびアウトレット７２チャネルを有する円状チャンバを備えたマイクロチャネル／チャンバ構造７０が示されている。チャンバを囲むディスクエリアの加熱を避けるのが重要であれば、図７ｂに示すような同心状の帯Ｂ１，ｂ２および中心点ｃ１を有する加熱要素構造を用いることができる。この場合、マイクロチャネル／チャンバ構造の中心を通る全ての断面において、温度プロフィールは等しくなり、図７ｃのプロフィールのようになる。
【００５５】
図８ａ〜ｃは、似たようなチャネル構造であるが矩形チャンバに適用したものを示す。図８ｃは、図８ｂの方向ｃ１およびｃ２にそれぞれ関する温度プロフィールＣ１，Ｃ２を示す。
【００５６】
照明用に、比較的高電力（例えば１５０Ｗが適当）のランプが用いられる。スライドプロジェクタに使用されるタイプのランプが適当である。その理由は、ランプが小さく、使用される放射を集光するリフレクタを備えているからである。基板材料と吸収層の整合を適切に行う限り、照射は、ＵＶ、ＩＲ、可視光、他の形態の光の中から選択できる。ランプが所望の波長帯域を有するが基板内に熱を生じさせる場合、適当なフィルタを設ける必要がある。最上の結果を得るためには、基板上の限定された領域、例えば直径約２ｃｍに対応する基板上に光を集光させる必要があるが、もちろん、その大きさはランプのパワー等に応じて変更してもよい。例えば基板上の異なる位置で異なる反応を起こすのが望ましい場合には、一つまたはそれ以上の領域に照射を行うために一つまたはそれ以上のランプを用いてもよい。回転するディスク上で異なる半径位置で加熱を行うのが望ましい場合がある。基板に対し両側から照射することもできる。光吸収材料を底部に配置しても、上面側を照射することもでき、この場合、光は、基板を通過してから光吸収材料に到達する。上側に吸収材料を配置して、後側を照射することも可能である。
【００５７】
回転するマイクロフルイディックディスクの回転速度が１０００ｒｐｍのオーダであることを考慮すると、上記のようにした場合に生じるパルス効果は目立たず、加熱はあらゆる実用目的で連続的と見なせる。
【００５８】
上述した実施形態は、加熱要素として光吸収材料を用いたが、熱を発生させることのできる適当なパターン状の任意の加熱要素構造を用いる場合も本発明の範囲内に含まれる。したがって、図７，８に示すのと略同じレイアウトで抵抗材料９１，９２のエリアを設けることも考慮すべきである。図７，８と同じチャネル構造に適用した例を図９ａ〜ｂに示す。
【００５９】
導電性粒子（例えば適当な結合剤と混ぜ合わせた炭素粒子）を有するインクを例えばスクリーン印刷技術を用いて印刷することにより、パターンを塗布してもよい。同じように機能するパターンは、次の工程により形成してもよい。
（ａ）非吸収材料でできた基板の表面を吸収材料で被覆し、
（ｂ）孔あるいは非吸収材料のパターンを含む反射マスクを、個々のパターンが選択エリアの表面と整合するよう、基板表面と放射源との間に置く。
【００６０】
性能について考慮すべき別の側面は、ディスクを回転させる際にディスク上を流れる空気による冷却効果である。図６に示す構造を再び考慮する。回転動作により、空気は、ディスク表面上を半径外側に向けて押しやられ、これにより熱の一部を吸収して表面を冷却する。その結果、空気も加熱される。したがって、空気の温度は、ディスクの周縁に向けて高くなり、そのため、周縁に最も近い光吸収材料帯同士の間のコーティングされていない（塗布されていない）エリアは、中心に近い光吸収材料帯同士の間のコーティングされていない／非吸収エリアほどは、温度を低下させる意味で効率的でない。
【００６１】
この現象を補償するために、周縁に近いコーティングされていないエリアの幅を、中央に近いコーティングされていないエリアの幅よりも大きくすればよい。
【００６２】
通常、回転可能なディスクは上面および底面を有するベース部を備え、その上面には上記マイクロチャネル構造が設けてあり、その上にカバーが設けられてマイクロチャネル構造が密閉される。加熱要素（放射エネルギを吸収する層）は、好適には上面に設けられ、これにより加熱すべき選択エリアが覆われる。しかしながら、代わりに、上記光吸収層は上記底面に設けてもよい。
【００６３】
別の実施形態では、本発明に係る加熱要素構造は、静止した基板すなわちチップタイプ装置に適用できる。静止した基板の場合、必要な冷却を行うために例えばファン等を用いた強制対流を用いる必要がある。別の点では、マイクロチャネル／チャンバ構造および加熱構造は同一でよい。
【００６４】
上述したように、温度プロフィールのフランクは傾斜しており、その結果として、加熱すべきマイクロチャネル構造部分を囲むエリアが加熱される。これは、被覆された領域に近接する基板材料が、コーティング下方のエリアから熱を放散させるからである。この熱放散を減らす方法の一つは、熱が伝達する断面を減らすことである。これを行うために、図１０ａに示すように、コーティング９５の周縁に沿ってコーティング９５の反対側において基板９４に凹部９３を設ける。こうすると、被覆領域から伝達して逃げる熱への抵抗が増加する。同様の効果を得る別の方法は、図１０ｂに示すように、上記凹部の代わりに上記凹部と同じ線に沿って孔９６を設けることである。
【００６５】
本発明では、基板材料、例えばポリマの熱伝導性が低い利点を利用する。したがって、発明に係る加熱構造を用いて反応空間が加熱されると、熱は周囲の領域には容易には放散しない。したがって、加熱された空間内で反応が起き、反応空間内の液体の蒸発が起きても（起きる場合）、形成された蒸気は、マイクロチャネル構造の上流側に移動しようとしてチャネルの冷却部分に当たり、急速に液体に凝縮する。回転ディスクシステムの場合、負荷される重力の作用で液滴は反応空間に戻り、その結果、反応条件は、サンプル容量変動を許容限度（すなわち、蒸発によるサンプル損失が無視できるか、あるいは損失が無い。）内に保つ意味で制御される。また、サンプル濃度は妥当な範囲で制御される（溶剤が反応空間に逆流する。）。静止チップタイプシステムを用いる場合、圧力を印加して、蒸気を凝縮させて反応空間に逆流させてもよい。
【００６６】
本発明に係る別の態様は、請求項２７〜２９のいずれか一つに定義された回転可能なディスクと、ディスク用のホルダを備えた回転モータとを有する器具である。上記モータにより回転速度は調整できる。典型的に、モータの回転は、所定の間隔以内に、典型的に０〜２００００ｒｐｍ内で調整できる。器具はまた、プロセスの結果を検出したり、プロセスの部分的な工程をモニタするための一つまたはそれ以上の検出器と、サンプル、反応体、および／または洗浄液を基板のマイクロチャネル構造内に、器具内で行う他の動作用の手段とともに導入するための一つまたはそれ以上のディスペンサとを備える。
【００６７】
本発明に係る別の態様は、一つまたはそれ以上の反応液（液体アリコート）で、高い一様な温度で反応を起こすための方法である。この態様は、
（ｉ） 請求項２７〜２９のいずれか一つで定義された回転可能なマイクロフルイディックディスクを用意する工程と、
（ｉｉ） 上記一つまたはそれ以上の反応液を、マイクロフルイディックディスク内の個々の反応空間に導入する工程と、
（ｉｉｉ） マイクロフルイディックディスクの加熱構造にエネルギを供給して、反応液の温度を上記高温まで上げ、意図した反応が起きるのに十分な間温度を該高温に保つ工程と、
（ｉｖ） できるだけ温度を下げる工程と、
（ｖ） 各反応液を、反応液の処理が行われた反応空間に連通したさらに下流のマイクロチャネルに伝達する工程とを含む。
但し、少なくとも工程（ｉｉｉ）および（ｉｖ）は、ディスクを回転させながら行う。回転速度は、工程（ｉｉｉ）の間に比べて工程（ｉｖ）の間の方が大きく、且つ／または、加熱構造に与えられるエネルギは、工程（ｉｉｉ）の間に比べて工程（ｉｖ）の間の方が低い。
【００６８】
添付図面を参照して本発明を説明した。しかしながら、本発明は、示した実施形態に限定されるものと見なすべきではなく、本発明の範囲は添付の請求項により定義される。したがって、図示した例を超えた修正や可変もまた本発明の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は従来のマイクロフルイディックディスクを示す。
【図２】従来の装置に関して、（ａ）は加熱構造、（ｂ）は加熱中の選択エリアを横切る方向の温度プロフィールを示す。
【図３】（ａ）従来の表面温度プロフィールを示す。（ｂ）本発明に係る所望の表面温度プロフィールを示す。プラスチック材料で構成した選択エリアの両側の表面同士の間の典型的な温度プロフィールを示す。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、本発明を適用することが可能な種々のマイクロチャネル構造を例示する。
【図５】（ａ），（ｂ）は、マイクロフルイディックディスク、および本発明に係る加熱要素構造の実施形態を示す。
【図６】（ａ），（ｂ）は、加熱要素構造の別の実施形態、および得ることのできる温度プロフィールを示す。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、リアクタシステムのさらに別の実施形態、発明に係る加熱要素構造、および得ることのできる温度プロフィールを示す。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、他の形状に対して実行される別の実施形態である。
【図９】（ａ），（ｂ）は、本発明に係る抵抗加熱要素構造の実施形態を示す。
【図１０】（ａ），（ｂ）は、温度プロフィールのフランクを制御するための手段を示す。

Claims (29)

1. 基板の選択エリアを横切る所望の温度プロフィールを得るための方法において、
   （ｉ） 加熱構造を用意する工程であって、
   該加熱構造は、ａ）上記基板上の加熱すべき上記選択エリア、および、ｂ）上記選択エリアを横切る所望の温度プロフィールを形成し、
   上記加熱構造は、上記基板上に設けられ適切にエネルギが与えられると熱を上記選択エリアに伝達するようにした材料を備え、
   （ｉｉ） 上記熱構造の存在により実質的に選択エリアのみ加熱するよう、基板にエネルギを供給する工程と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 上記基板上に空気を流すことで冷却を行う工程をさらに含む請求項１の方法。
3. 上記基板は回転可能なディスクで、
   上記加熱構造は、電磁エネルギを吸収する材料からなるパターン状のエリアとして用意され、
   電磁放射源、好適には光源を用いてディスクが照射されることで熱エネルギが供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 所望の温度プロフィールは、上記吸収材料からなるエリアと透明エリアが交互に並んだパターン状に上記吸収材料を適切に配置することで形成されることを特徴とする請求項３の方法。
5. 熱エネルギは、電磁放射源、好適には光源を用いディスクを照射することで供給され、
   上記加熱構造は、１）基板と上記光源との間に挿入された独立したマスク要素と、２）基板を覆い電磁エネルギを吸収する材料とで用意されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
6. ディスクを回転する工程およびディスクを照射する工程を含み、光は、基板上の限定された領域に対応して基板上に集光されることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一つに記載の方法。
7. 基板が静止した基板であることを特徴とする請求項１の方法。
8. 制御された気流がファンを用いて供給されることを特徴とする請求項７の方法。
9. 上記ディスクの回転速度を変更したり、および／あるいは電磁放射エネルギを減らすことで、温度を変更する工程をさらに含む請求項２〜６のいずれか一つに記載の方法。
10. 上記選択エリアは、化学的および／または生化学的および／または生物学的反応および／または分析を行うために、マイクロチャネル／チャンバ構造を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の方法。
11. リアクタシステム内の選択された反応空間で実質的に一様な温度プロフィールを形成・保持するためのマイクロチャネルリアクタシステムにおいて、
    一つまたはそれ以上のマイクロチャネルを備えた少なくとも一つのマイクロチャネル構造（２０）を有する基板（４０）を備え、
    加熱構造（４２，４４；ｂ１、ｂ２、Ｂ１，Ｂ２；Ｂ１，ｂ２，ｃ１）であって、ａ）上記基板上の加熱すべき上記選択エリア、および、ｂ）上記選択エリアを横切る所望の温度プロフィールを形成するものを備え、
    上記加熱構造は、上記基板上に設けられ適切にエネルギが与えられると熱を上記選択反応空間に伝達するようにした材料を備え、
    上記材料からなる上記領域は、上記基板の少なくとも片面に設けてあることをを特徴とするリアクタシステム。
12. 上記材料は、加熱と冷却が互いに平衡が保たれるようなパターン状に配置され、これにより上記一様な温度プロフィールが形成されることを特徴とする請求項１１のリアクタシステム。
13. 上記基板が回転可能なディスクであることを特徴とする請求項１１または１２のリアクタシステム。
14. 適切にエネルギが与えられると熱を上記選択反応空間に伝達するようにした上記材料は、上記ディスク上に同心状の帯（ｂ１、ｂ２、Ｂ１，Ｂ２）として用意されることを特徴とする請求項１３のリアクタシステム。
15. 内側帯および外側帯（Ｂ１，Ｂ２）は、中間帯（ｂ１、ｂ２）より幅広であることを特徴とする請求項１４のリアクタシステム。
16. 上記材料が電磁放射を吸収する材料であることを特徴する請求項１１〜１５のいずれか一つに記載のリアクタシステム。
17. 上記チャネル構造は、上記ディスク上で略半径方向に伸びる部分を有することを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一つに記載のリアクタシステム。
18. 上記回転可能なディスクは、上面および底面を有するベース部を備え、その上面には上記マイクロチャネル構造が設けてあり、その上にカバーが設けられてマイクロチャネル構造が密閉され、
    上記光吸収材料は、上記底面あるいは上記上面に設けられることを特徴とする請求項１３のリアクタシステム。
19. 上記加熱構造は、基板表面に向かう電磁放射をマスキングするように配置され且つ上記パターンを形成する開口部を有する独立した部材を備え、
    上記光吸収材料は、加熱すべき各選択された領域の略全表面上にわたって設けてあることを特徴とする請求項１１，１７または１８のいずれか一つに記載のリアクタシステム。
20. 上記材料は、電気によりエネルギを与えると熱を発生させる抵抗材料であることを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか一つに記載のリアクタシステム。
21. 基板上の選択エリアを横切って実質的に一様な温度を発生させるための加熱構造において、
    上記構造は、加熱要素（４２，４４；ｂ１、ｂ２、Ｂ１，Ｂ２；Ｂ１，ｂ２，ｃ１）を形成する材料からできた複数の領域を備え、該材料は、適切にエネルギが与えられると熱を上記選択エリアに伝達するようになっており、上記領域は、ａ）加熱すべき上記選択エリア、および、ｂ）上記所望の温度プロフィールを形成する加熱要素構造として、上記選択エリア上に設けられ、
    複数の材料領域は、加熱と冷却が互いに平衡が保たれるようにパターン状に配置され、これにより上記一様な温度プロフィールが形成されることを特徴とする加熱構造。
22. 上記加熱要素が光吸収材料層からなるエリアであることを特徴とする請求項２１の加熱構造。
23. 上記加熱要素は、電圧を印加したり電流を流すと熱を発生する抵抗材料からなるエリアであることを特徴とする請求項２１の加熱構造。
24. 上記加熱要素は、上記光吸収材料または上記抵抗材料の同心帯群として設けられ、これら同心帯が加熱すべき選択エリアを覆うことを特徴とする請求項２１〜２３のいずれか一つに記載の加熱構造。
25. 上記光吸収材料は、上記選択エリアにわたって厚みが変化するように上記基板上に設けられ、
    厚みの変化が上記温度プロフィールを形成することを特徴とする請求項２２の加熱構造。
26. 上記光吸収材料は、ドットとしてドット濃度が変化するパターン状に上記基板上に設けられ、
    上記濃度の変化が上記温度プロフィールを形成することを特徴とする請求項２２の加熱構造。
27. 請求項１１〜２０のいずれか一つに記載のマイクロチャネルリアクタシステムを備えた回転可能なディスク。
28. 選択領域の周縁での材料の厚みが基板の公称厚みより小さくなるよう、基板にさらに凹部（９３）を設けることを特徴とする請求項２７のディスク。
29. 選択領域の周縁部おいて基板にさらに孔群（９６）を設けたことを特徴とする請求項２７のディスク。

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