JP2005049357A - Electronic pipetter and compensation means for electrophoretic bias - Google Patents

Electronic pipetter and compensation means for electrophoretic bias Download PDF

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ジェイ. ワラス パース,
Michael R Knapp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To introduce a substance into a micro fluid system. <P>SOLUTION: The micro fluid system has a capillary channel constituted to introduce the substances into the micro fluid system from a plurality of sources, and having an end part, and a voltage source for impressing a voltage potential to an electrode of the micro fluid system. In the system, the end part of the capillary channel is brought into contact with the objective substance source, the voltage is impressed to the objective substance source, as to the electrode, the source of the spacer substance having a prescribed concentration is selected, and a voltage is impressed to the spacer substance source, as to the electrode. The system includes a process for repeating the process hereinbefore, using the different substance sources, to introduce the plurality of different substances separated by the spacer substance electrokinetically into the capillary channel, without being mixed between the different substances, and to be transported toward the micro fluid system. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

関連出願との相互参照
本願は、1996年6月28日付けで出願された米国特許出願シリアルNo.08/671,986 号の一部継続出願である1996年12月6日付けで出願された米国特許出願シリアルNo.08/760,446 号の、一部継続出願である。これら全ての出願の全体を、本明細書において参考のためあるゆる目的で援用する。
Cross-reference to related applications This application is a US patent filed on December 6, 1996, which is a continuation-in-part of US Patent Application Serial No. 08 / 671,986, filed June 28, 1996. This is a continuation-in-part of application serial No. 08 / 760,446. All of these applications are hereby incorporated by reference for all purposes.

化学的および生化学的情報の取得のための、微小流体(microfluidic)システムの製造および使用に対する関心が高まってきている。通常は半導体エレクトロニクス産業に関連する、フォトリソグラフィー、ウェット化学エッチングなどの技術が、これらの微小流体システムの製造にも用いられている。「微小流体」の用語は、一般にはミクロンまたはミクロン以下の規模で(例えば少なくとも1つの断面寸法が約0.1μmから約500μmの範囲を有するような)、チャネルおよびチャンバを有するシステムまたはデバイスを指す。微小流体システムの製造のための平面チップ技術の使用の初期的な考察が、ManzらのTrends in Anal.Chem.(1990) 10(5):144-149 および、ManzらのAvd. in Chromatog.(1993) 33:1-66に記載されている。これらは、シリコンおよびグラス基板における、上述のような流体デバイス、特に微小キャピラリーデバイスの製造を記載している。   There is an increasing interest in the manufacture and use of microfluidic systems for obtaining chemical and biochemical information. Techniques such as photolithography and wet chemical etching, usually associated with the semiconductor electronics industry, are also used to manufacture these microfluidic systems. The term “microfluidic” refers to a system or device having channels and chambers, generally on a micron or submicron scale (eg, such that at least one cross-sectional dimension has a range from about 0.1 μm to about 500 μm). . An early consideration of the use of planar chip technology for the manufacture of microfluidic systems is given in Manz et al. Trends in Anal. Chem. (1990) 10 (5): 144-149 and Manz et al., Avd. In Chromatog. (1993) 33: 1-66. They describe the production of fluidic devices as described above, in particular microcapillary devices, on silicon and glass substrates.

微小流体システムの応用例は無数にある。例えば、1996年2月15日付けで公開された国際特許出願WO 96/04547 は、キャピラリー電気泳動、液体クロマトグラフィー、フロー注入分析、ならびに化学反応および合成に微小流体システムを使用することを記載している。1996年6月28日付けで提出された米国特許出願シリアルNo.08/671,987 号(本明細書において参考のために援用する)は、化学系、そして好ましくは生化学系において多数の化合物の影響を素早くアッセイする際の、微小流体システムの幅広いアプリケーションを開示している。「生化学系」の語句は、生きた生物体中に一般に見られるタイプの分子に関わる化学的相互作用を一般に指す。そのような相互作用には、酵素的反応、結合反応、シグナル伝達反応(signaling reaction)およびその他の反応を含む、生存している系の中で起こる多様な異化および同化反応が含まれる。特に関心の高い生化学系は、例えば、レセプター−リガンド相互作用、酵素−基質相互作用、細胞シグナル伝達経路、生体利用性スクリーニングのためのモデルバリヤ系(例えば細胞または膜画分など)を包含する輸送反応、および様々な他の一般的な系である。   There are countless applications for microfluidic systems. For example, international patent application WO 96/04547, published February 15, 1996, describes the use of microfluidic systems for capillary electrophoresis, liquid chromatography, flow injection analysis, and chemical reactions and synthesis. ing. US Patent Application Serial No. 08 / 671,987, filed June 28, 1996 (incorporated herein by reference), describes the effects of numerous compounds in chemical and preferably biochemical systems. Discloses a wide range of applications for microfluidic systems in rapidly assaying The phrase “biochemical system” generally refers to a chemical interaction involving a type of molecule commonly found in living organisms. Such interactions include a variety of catabolic and anabolic reactions that occur in living systems, including enzymatic reactions, binding reactions, signaling reactions, and other reactions. Biochemical systems of particular interest include, for example, receptor-ligand interactions, enzyme-substrate interactions, cell signaling pathways, model barrier systems for bioavailability screening (eg, cell or membrane fractions, etc.) Transport reactions, and various other common systems.

これらの微小流体システムまたはデバイス内におけるサンプル、分析物、緩衝剤および試薬などの流体の輸送および方向付けに関して、多くの方法の記載がある。1方法においては、微小製造されたデバイス内の流体を、デバイス内の機械的微小ポンプおよび弁により移動させる。公開されている英国特許出願第2 248 891 号(10/18/90)、公開されている欧州特許出願第568902号(5/2/92)、ならびに米国特許第5,271,724 号(8/21/91) および第5,277,556 号(7/3/91)を参照のこと。また、Miyazakiらの米国特許第5,171,132 号(12/21/90)も参照のこと。別の方法においては、音響エネルギーを用いて、音響ストリーム(acoustic streaming)効果により、デバイス内の流体サンプルを移動させる。公開されているNorthrupおよびWhite のPCT 出願第94/05414号を参照のこと。率直な方法としては、外圧を加えることによりデバイス内の流体を移動させる。例えば、Wilding らの米国特許第5,304,487 号における説明を参照のこと。   There are many methods described for transporting and directing fluids such as samples, analytes, buffers and reagents within these microfluidic systems or devices. In one method, fluid in a microfabricated device is moved by mechanical micropumps and valves in the device. Published UK patent application No. 2 248 891 (10/18/90), published European patent application No. 568902 (5/2/92), and U.S. Pat.No. 5,271,724 (8/21/91) ) And 5,277,556 (7/3/91). See also Miyazaki et al. US Pat. No. 5,171,132 (12/21/90). In another method, acoustic energy is used to move a fluid sample within the device due to an acoustic streaming effect. See published Northrup and White PCT Application No. 94/05414. As a straightforward method, the fluid in the device is moved by applying external pressure. See, for example, the description in Wilding et al., US Pat. No. 5,304,487.

さらに別の方法では、電界を用いることにより微小流体システムのチャネルを通って流体物質を移動させる。例えば、公開されているKovacsの欧州特許出願第376 611 号(12/30/88)、HarrisonらのAnal.Chem.(1992)64:1926-1932 およびManzらのJ. Chromatog.(1992)593:253-258、ならびにSoane の米国特許第5,126,022 号を参照のこと。動電力は、直接制御、高速応答および単純性の利点を有する。しかし、依然としていくつかの欠点を有する。効率を最大にするためには、対象物質がなるべく一緒に輸送されることが望ましい。しかし物質は、他の輸送される物質からの相互汚染なしに輸送されるべきである。さらに、ある微小流体システム中のある位置に存在するある状態の物質は、その微小流体システム中の別の位置に移動された後にも同じ状態を保つべきである。これらの条件により、所望のときおよび場合において、化合物物質の試験、分析および反応を制御することが可能になる。
物質が動電力によって移動される微小流体システムにおいて、対象物質領域中およびこれらの対象物質領域を分離する領域中にある帯電された分子およびイオンが様々な電界に曝されることにより、流体フローを起こす。
In yet another method, fluid material is moved through the channels of the microfluidic system by using an electric field. See, for example, published Kovacs European Patent Application No. 376 611 (12/30/88), Harrison et al., Anal. See Chem. (1992) 64: 1926-1932 and Manz et al., J. Chromatog. (1992) 593: 253-258, and Soane, US Pat. No. 5,126,022. Dynamic power has the advantages of direct control, fast response and simplicity. However, it still has some drawbacks. In order to maximize efficiency, it is desirable to transport the target substances together as much as possible. However, the material should be transported without cross-contamination from other transported materials. Further, a substance in one state that exists at a location in a microfluidic system should remain the same after it has been moved to another location in the microfluidic system. These conditions make it possible to control the testing, analysis and reaction of compound materials when and when desired.
In microfluidic systems where substances are moved by electrokinetic forces, charged molecules and ions in target substance regions and regions that separate these target substance regions are exposed to various electric fields, thereby causing fluid flow. Wake up.

しかしこれらの電界が印加された際、対象物質中の異なって帯電された種は、異なる電気泳動移動度を示す。すなわち、正に帯電された種は負に帯電された種とは異なった速度で移動する。過去においては電界に曝されたサンプル中の異なる種の分離は問題とは考えられていなく、実際、例えばキャピラリー電気泳動などにおいては望まれた結果であった。しかし、単純な流体輸送が望まれる場合、これらの変動する移動度は、対象物質中に望ましくない変化あるいは「電気泳動バイアス」をもたらし得る。
相互汚染を回避するための考慮および手段なしには、微小流体システムは対象物質を広く分離するか、最悪の場合、物質を一度につき1つずつシステムを通って移動させなければならない。いずれの場合でも微小流体システムの効率は大きく減少する。さらに、輸送される物質の状態が輸送中において維持されないとすると、物質がある場所に不変のままで到達することを要求する多くのアプリケーションを避けなければならない。
国際特許出願WO 96/04547 米国特許出願シリアルNo.08/671,987 号 英国特許出願第2 248 891 号 欧州特許出願第568902号 米国特許第5,271,724 号 米国特許第5,277,556 号 米国特許第5,171,132 号 PCT 出願第94/05414号 米国特許第5,304,487 号 欧州特許出願第376 611 号 米国特許第5,126,022 号 ManzらのTrends in Anal.Chem.(1990) 10(5):144-149 ManzらのAvd. in Chromatog.(1993) 33:1-66 HarrisonらのAnal.Chem.(1992)64:1926-1932 ManzらのJ. Chromatog.(1992)593:253-258
However, when these electric fields are applied, differently charged species in the target material exhibit different electrophoretic mobilities. That is, positively charged species move at a different speed than negatively charged species. In the past, the separation of different species in samples exposed to an electric field has not been considered a problem and in fact has been a desired result, for example in capillary electrophoresis. However, if simple fluid transport is desired, these varying mobilities can lead to undesirable changes or “electrophoretic bias” in the material of interest.
Without consideration and means to avoid cross-contamination, microfluidic systems must broadly separate target materials or, in the worst case, materials must move through the system one at a time. In either case, the efficiency of the microfluidic system is greatly reduced. Furthermore, if the state of the material being transported is not maintained during transport, many applications must be avoided that require the material to remain in place.
International patent application WO 96/04547 US Patent Application Serial No. 08 / 671,987 UK Patent Application No. 2 248 891 European Patent Application No. 568902 U.S. Pat.No. 5,271,724 U.S. Pat.No. 5,277,556 U.S. Pat.No. 5,171,132 PCT Application No. 94/05414 U.S. Pat.No. 5,304,487 European Patent Application No. 376 611 U.S. Pat.No. 5,126,022 Manz et al. Trends in Anal. Chem. (1990) 10 (5): 144-149 Manz et al. Avd. In Chromatog. (1993) 33: 1-66 Harrison et al. Chem. (1992) 64: 1926-1932 Manz et al., J. Chromatog. (1992) 593: 253-258

本発明は、動電学的輸送の有するこれらの問題を解決あるいは実質的に緩和する。本発明を用いれば、微小流体システムは、効率的かつ輸送される物質中に望ましくない変化を起こさずに、物質を移動させることができる。本発明は、化学、生化学、バイオテクノロジー、分子生物学、および他の多くの分野などの幅広い範囲のアプリケーションにおいて、微小流体システムのチャネルを通る物質の移動に関して直接的、高速かつ率直な制御を有する、高スループットの微小流体システムを提供する。   The present invention solves or substantially alleviates these problems with electrokinetic transport. With the present invention, microfluidic systems can move material efficiently and without causing undesirable changes in the material being transported. The present invention provides direct, fast and straightforward control over the movement of materials through channels of microfluidic systems in a wide range of applications such as chemistry, biochemistry, biotechnology, molecular biology, and many other fields. A high-throughput microfluidic system is provided.

本発明は、「対象物質領域」とも呼ばれる流体スラグ内のチャネルに沿って、対象物質を微小流体システムの第1の点から第2の点に電気浸透によって移動させる微小流体システムを提供する。高イオン濃度の第1のスペーサ領域は、少なくとも1つの側で各対象物質領域と接触し、低イオン濃度の第2のスペーサ領域は、対象物質の対象物質領域、および第1または高イオン濃度のスペーサ領域と共に配置され、少なくとも1つの低イオン濃度領域は、常に、第1の点と第2の点との間にあり、電圧降下および2つの点の間で得られる電界のほとんどが低イオン濃度領域をわたることを確実にする。
本発明はまた、対象物質を電気浸透力で移動させる微小流体システムと適合する電子ピペッタを提供する。電子ピペッタは、チャネルを有するキャピラリーを備える。電極は、キャピラリーの外部の長さに沿って取り付けられ、キャピラリーの端部で電極リングの形態で終結する。キャピラリーの端部が物質ソースに配置されるときにチャネルが流体連通される標的リザバーでの電極上の電圧および電極を操作することによって、物質は、動電学的にチャネルに誘導される。一列の対象物質領域、高および低イオン濃度緩衝剤またはスペーサ領域は、微小流体システム内に容易に導入されるようにチャネル内に形成され得る。
The present invention provides a microfluidic system that moves the target material by electroosmosis from a first point to a second point of the microfluidic system along a channel in the fluid slug, also referred to as a “target material region”. The high ion concentration first spacer region is in contact with each target material region on at least one side, and the low ion concentration second spacer region is the target material region of the target material and the first or high ion concentration Arranged with the spacer region, the at least one low ion concentration region is always between the first point and the second point, and most of the voltage drop and the electric field obtained between the two points is low. Make sure you cross the territory.
The present invention also provides an electronic pipetter that is compatible with a microfluidic system that moves an object of interest with electroosmotic force. The electronic pipettor includes a capillary having a channel. The electrodes are attached along the outside length of the capillary and terminate in the form of an electrode ring at the end of the capillary. By manipulating the voltage and electrode on the electrode at the target reservoir where the channel is in fluid communication when the end of the capillary is placed in the substance source, the substance is electrokinetically induced into the channel. A row of target material regions, high and low ionic concentration buffer or spacer regions can be formed in the channel for easy introduction into the microfluidic system.

本発明はさらに、対象物質が、微小流体システムのチャネルに沿って動電学的に輸送される際の電気泳動バイアスを補償する。1つの実施態様において、微小流体システムの2つの点間のチャネルは、反対の表面電荷の側壁を備えた2つの部分を有する。電極は、2つの部分の間に配置されている。2つの点における電圧が実質的に等しく、2つの部分の間の中間電極が異なって設定されるとき、電気泳動力は、2つの部分において反対の方向になり、電気浸透力は同じ方向になる。対象物質が1つの点から他の点に輸送されるとき、電気泳動バイアスは、電気浸透力がチャネルを通して流体物質を移動させる間に補償される。
他の実施態様において、チャンバは、微小流体システムのチャネルの交差部において形成される。チャンバは、交差するチャネルの側壁を接続する側壁を有する。対象物質領域が交差部で1つのチャネルから他のチャネルに向けられるとき、チャンバ側壁は、対象物質領域を第2のチャネルに向かって幅を狭める(funnel)。第2のチャネルは、拡散によって、対象物質が第1のチャネルに沿って移動するときに対象物質領域において電気泳動によって付勢されたすべての対象物質が混合されるような幅である。
The present invention further compensates for electrophoretic bias as the material of interest is electrokinetically transported along the channels of the microfluidic system. In one embodiment, the channel between two points of the microfluidic system has two parts with opposite surface charge sidewalls. The electrode is arranged between the two parts. When the voltages at the two points are substantially equal and the intermediate electrode between the two parts is set differently, the electrophoretic force is in the opposite direction in the two parts and the electroosmotic force is in the same direction . As the material of interest is transported from one point to another, the electrophoretic bias is compensated while the electroosmotic force moves the fluid material through the channel.
In other embodiments, the chamber is formed at the intersection of the channels of the microfluidic system. The chamber has side walls connecting the side walls of the intersecting channels. When the target material region is directed from one channel to the other at the intersection, the chamber sidewalls funnel the target material region toward the second channel. The second channel has such a width that all the target substances energized by electrophoresis in the target substance region are mixed when the target substance moves along the first channel by diffusion.

さらに他の実施態様において、本発明は、少なくとも2つの交差チャネルを有する微小流体デバイス内の流体ストリームを制御可能に送達するための微小流体システムおよびこのシステムを用いる方法を提供する。システムは、少なくとも2つの交差チャネルが内部に設けられた基板を有する。この点において、チャネルの1つは、他のチャネルよりも深い。システムはまた、電気浸透流体方向システムを有する。システムは、流体ストリームが異なるイオン強度を有する少なくとも2つの流体領域を含む場合に特に有用である。
本発明はまた、本発明の電子ピペッタを用いるサンプル抽出システムを提供する。サンプル抽出システムは、サンプル基板を有し、サンプル基板には、複数の異なるサンプルが固定されている。また、電子ピペッタをサンプル基板に対して移動させるための移行システムも含まれる。
本発明は、上記のように、複数の異なる用途に使用され、その用途自体が進歩的であり、例えば、以下の通りである。
In yet another embodiment, the present invention provides a microfluidic system and method of using the system for controllably delivering a fluid stream in a microfluidic device having at least two intersecting channels. The system has a substrate with at least two crossing channels provided therein. In this respect, one of the channels is deeper than the other channel. The system also has an electroosmotic fluid direction system. The system is particularly useful when the fluid stream includes at least two fluid regions having different ionic strengths.
The present invention also provides a sample extraction system using the electronic pipettor of the present invention. The sample extraction system has a sample substrate, and a plurality of different samples are fixed to the sample substrate. A transition system for moving the electronic pipettor relative to the sample substrate is also included.
As described above, the present invention is used for a plurality of different applications, and the applications themselves are progressive. For example, the present invention is as follows.

少なくとも第1の対象物質を少なくとも第1の位置から第2の位置にチャネルに沿って輸送し、印加電圧によりチャネルに沿って輸送される低イオン濃度の少なくとも1つの領域を用いる際の、チャネルを有する基板の使用。
1つの領域のイオン濃度が、対象物質のイオン濃度よりも実質的に低い上記発明の使用。
複数の対象物質が輸送され、高イオン濃度スペーサ領域によって分離される、上記発明の使用。
少なくとも第1の対象物質が輸送され得るチャネルを有する基板の電気泳動バイアス補償における使用であって、チャネルが第1および第2の部分に分割され、チャネルの1つまたはそれ以上の壁が反対に帯電し、第1の部分における輸送による少なくとも1つの対象物質上の電気泳動バイアスが、第2の部分における輸送による電気泳動バイアスによって実質的に補償される、使用。
第1の電極が第1の部分の遠位端に配置され、第2の電極が第1の部分と第2の部分との間の交差部に配置され、第3の電極が第2の部分の遠位端に配置されている、上記発明の使用。
基板が微小流体システムである上記発明の使用。
基板が電子ピペッタである、上記発明の使用。
電子ピペッタが、対象物質を輸送するための主要なチャネル、および主要なチャネルに流体連通されている少なくとも1つの他のチャネルを有し、この他のチャネルから、主要なチャネルに沿って輸送される他の物質が得られる、上記発明の使用。
他の物質が、複数の個別の対象物質のそれぞれの間の緩衝領域として主要チャネルに導入される、上記発明の使用。
流れ条件を最適化する際に異なる深さを有するチャネルと交差する、少なくとも第1および第2の流体チャネルを有する微小流体システムの使用。
1つのチャネルが、他のチャネルよりも2から10倍の間深い、上記発明の使用。
電気泳動補償における、第1のチャネルと第1のチャネルと交差する第2のチャネルとを有する微小流体システムの使用であって、チャネル間の交差が、第1のチャネルに沿って第2のチャネルに輸送される流体が交差部で混合され、流体内の電気泳動バイアスが拡散されるような形状になっている、使用。
A channel when transporting at least a first target substance from at least a first position to a second position along a channel and using at least one region of low ion concentration transported along the channel by an applied voltage; Use of a substrate having.
Use of the above invention, wherein the ion concentration in one region is substantially lower than the ion concentration of the target substance.
Use of the above invention, wherein a plurality of target substances are transported and separated by a high ion concentration spacer region.
Use in electrophoretic bias compensation of a substrate having a channel through which at least a first target substance can be transported, wherein the channel is divided into first and second portions, and one or more walls of the channel are opposite Use wherein the electrophoretic bias on the at least one target substance due to transport in the first part is substantially compensated by the electrophoretic bias due to transport in the second part.
The first electrode is disposed at the distal end of the first portion, the second electrode is disposed at the intersection between the first portion and the second portion, and the third electrode is disposed in the second portion. Use of the above invention, located at the distal end of
Use of the above invention, wherein the substrate is a microfluidic system.
Use of the above invention, wherein the substrate is an electronic pipettor.
The electronic pipettor has a main channel for transporting the target substance and at least one other channel in fluid communication with the main channel, from which the other channel is transported along the main channel Use of the above invention, wherein other substances are obtained.
The use of the invention described above, wherein the other substance is introduced into the main channel as a buffer region between each of a plurality of individual target substances.
Use of a microfluidic system having at least first and second fluidic channels that intersect with channels having different depths in optimizing flow conditions.
Use of the above invention wherein one channel is between 2 and 10 times deeper than the other channel.
Use of a microfluidic system having a first channel and a second channel intersecting the first channel in electrophoretic compensation, wherein the intersection between the channels is a second channel along the first channel Use, where the fluid being transported to is mixed at the intersection and shaped to diffuse the electrophoretic bias within the fluid.

発明の実施をするための最良の形態BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

I.微小流体システムの一般的構成
図1は、本発明による微小流体システム100例の代表図である。図示のように、デバイス全体100は、平面状基板102内に製造される。適切な基板材料は一般的に、デバイスによって行われるべき特定の動作中において存在する条件に対する適合性に基づいて選択される。そのような条件は、pHの極値、温度、イオン濃度、および電界の印加を含み得る。また、基板材料も、システムによって行われる分析または合成の重要成分に対して不活性性であるように選択される。
有用な基板材料は例えば、ガラス、石英およびシリコン、ならびに例えばプラスチックなどの高分子基板を含む。導電性または半導電性基板の場合、基板上に絶縁層が必要である。これは後述のように、デバイスが例えば電気的流体指向システムやセンサなどの電気的要素を備えている場合、あるいは電気浸透力を用いて物質をシステムにおいて移動させる場合に特に重要である。高分子基板の場合、使用目的に依存して基板材料は剛体、準剛体または非剛体、不透明、半透明または透明であり得る。例えば、光学的または視覚的検出要素を有するデバイスは一般に、検出を可能にするか少なくとも容易にするために、少なくとも一部は透明材料から製造される。あるいは、これらのタイプの検出要素のために、例えばガラスまたは石英からなる透明窓をデバイスに備えてもよい。さらに、高分子材料は直鎖状または分岐鎖状骨格を有していてもよく、架橋されていてもされていなくてもよい。特に好適な高分子材料の例としては、例えば、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル(PVC) 、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリカーボネートなどがある。
I. General Configuration of Microfluidic System FIG. 1 is a representative diagram of an example of a microfluidic system 100 according to the present invention. As shown, the entire device 100 is fabricated in a planar substrate 102. Appropriate substrate materials are generally selected based on suitability for the conditions present during the particular operation to be performed by the device. Such conditions may include application of extreme values of pH, temperature, ion concentration, and electric field. The substrate material is also selected to be inert to the critical components of analysis or synthesis performed by the system.
Useful substrate materials include, for example, glass, quartz and silicon, and polymeric substrates such as plastic. In the case of a conductive or semiconductive substrate, an insulating layer is required on the substrate. This is particularly important when the device is equipped with an electrical element such as an electrofluidic system or sensor, as described below, or when a substance is moved through the system using electroosmotic forces. For polymeric substrates, the substrate material can be rigid, quasi-rigid or non-rigid, opaque, translucent or transparent, depending on the intended use. For example, devices having optical or visual detection elements are generally manufactured at least in part from a transparent material to allow or at least facilitate detection. Alternatively, for these types of detection elements, the device may be provided with a transparent window, for example made of glass or quartz. Furthermore, the polymer material may have a linear or branched skeleton, and may or may not be crosslinked. Examples of particularly suitable polymer materials include, for example, polydimethylsiloxane (PDMS), polyurethane, polyvinyl chloride (PVC), polystyrene, polysulfone, and polycarbonate.

図1に示すシステムは、基板102の表面内に製造された一連のチャネル110、112、114および116を有している。「微小流体」の定義において述べられるように、これらのチャネルは典型的には非常に小さい断面寸法、好ましくは約0.1μmから約100μmの範囲の断面寸法を有している。後述する特定のアプリケーションにおいては、約10μmの深さおよび約60μmの幅を有するチャネルが効果的に動作するが、これらの寸法からはずれることもまた可能である。
これらのチャネルおよび他の微小スケール要素を基板102の表面内に製造することは、任意の数の当該分野で周知の微小製造技術を用いて行い得る。例えば、半導体製造産業において周知の方法とともにリソグラフィー技術を用いてガラス、石英またはシリコン基板を製造してもよい。フォトリソグラフィーマスキング、プラズマエッチングまたはウェットエッチング、およびその他の半導体プロセス技術は、基板内または基板上に微小スケールの要素を規定する。あるいは、レーザドリリング、微小ミリング(micromilling)などの微小機械加工法を用いてもよい。同様に、高分子基板に対しても、周知の製造技術が用いられ得る。これらの技術は、例えばローリングスタンプを用いて微小スケールの基板の大きなシートを作成することにより多数の基板を作成し得る射出成形技術またはスタンプ成形法、または、基板を微小製造鋳型内で重合する高分子微小鋳造技術を含む。
The system shown in FIG. 1 has a series of channels 110, 112, 114 and 116 fabricated in the surface of the substrate 102. As stated in the definition of “microfluidic”, these channels typically have very small cross-sectional dimensions, preferably in the range of about 0.1 μm to about 100 μm. In certain applications described below, channels having a depth of about 10 μm and a width of about 60 μm work effectively, but it is possible to deviate from these dimensions.
Fabricating these channels and other microscale elements in the surface of the substrate 102 can be done using any number of microfabrication techniques well known in the art. For example, a glass, quartz or silicon substrate may be manufactured using lithography techniques with methods well known in the semiconductor manufacturing industry. Photolithographic masking, plasma etching or wet etching, and other semiconductor processing techniques define microscale elements in or on the substrate. Alternatively, micromachining methods such as laser drilling and micromilling may be used. Similarly, well-known manufacturing techniques can be used for the polymer substrate. These techniques include injection molding techniques or stamping techniques that can produce a large number of substrates, for example by creating large sheets of microscale substrates using rolling stamps, or advanced techniques for polymerizing substrates in microfabrication molds. Includes molecular microcasting technology.

基板102に加え、微小流体システムはチャネルを作成した基板102に重なる追加的な平面状要素(図示せず)を有することにより、様々なチャネルを封じ(enclose) かつ流体的に密閉して導管を形成する。平面状カバー要素は、熱接合、接着剤、あるいは、ガラスまたは準剛体および非剛体高分子基板の場合には、2つの構成要素間の自然な癒着などを含む様々な手段により、基板に取り付けられ得る。特定のスクリーニングに必要な様々な流体要素を導入するためのアクセスポートおよび/またはレザバー(reservoir) を、平面状カバー要素にさらに設けてもよい。   In addition to the substrate 102, the microfluidic system has additional planar elements (not shown) that overlap the channeled substrate 102, thereby enclosing and fluidly sealing the various channels. Form. The planar cover element is attached to the substrate by various means including thermal bonding, adhesive, or in the case of glass or semi-rigid and non-rigid polymer substrates, natural adhesion between the two components, etc. obtain. The planar cover element may further be provided with access ports and / or reservoirs for introducing various fluid elements necessary for a particular screening.

図1に示すシステム100はまた、チャネル114、116および110の端部にそれぞれ位置しかつ流体連通された、レザバー104、106および108を有する。図示のようにサンプルチャネル112を用いて、複数の異なる対象物質をデバイスに導入する。このようにチャネル112は多数の別々の対象物質のソースに流体連通され、多数の別々の対象物質は、個々にサンプルチャネル112中に導入された後、別のチャネル110中に導入される。図示のように、チャネル110は電気泳動により対象物質を分析するために用いられる。「対象物質」の用語は単に、問題とする化合物または生物学的化合物などの物質を指すことに留意せよ。対象化合物は、化合物、化合物の混合物(例えば多糖類)、小さい有機分子または無機分子、生物学的マクロ分子(例えばペプチド、タンパク質、核酸、あるいは細菌、植物、菌類、または動物細胞もしくは組織などの生物学的物質から作成された抽出物)、天然に生じる組成物または合成組成物などを含む、広範な異なる化合物を含み得る。   The system 100 shown in FIG. 1 also has reservoirs 104, 106 and 108 located and in fluid communication with the ends of the channels 114, 116 and 110, respectively. As shown, the sample channel 112 is used to introduce a plurality of different substances of interest into the device. In this way, the channel 112 is in fluid communication with a number of separate target material sources, and a number of separate target materials are individually introduced into the sample channel 112 and then into another channel 110. As shown, the channel 110 is used for analyzing the target substance by electrophoresis. Note that the term “substance” simply refers to a substance such as the compound or biological compound in question. The compound of interest is a compound, a mixture of compounds (eg, polysaccharides), small organic or inorganic molecules, biological macromolecules (eg, peptides, proteins, nucleic acids, or organisms such as bacteria, plants, fungi, or animal cells or tissues. A wide range of different compounds, including extracts made from biological materials), naturally occurring or synthetic compositions, and the like.

システム100は、各レザバーに選択された電圧レベル(接地を含む)を同時に印加する能力を有する電圧コントローラから供給された動電力により、物質をチャネル110、112、114および116を通って移動させる。そのような電圧コントローラは、複数の電圧分割器および複数のリレーを用いて選択的な電圧レベルを得ることによって実現することができる。あるいは、複数の独立な電圧源を用いてもよい。電圧コントローラは、複数のレザバーのそれぞれ内に位置するあるいは製造された電極を介して、各レザバーに電気的に接続される。例えば、公開されているRamseyの国際特許出願WO 96/04547 を参照せよ。この文献全体を本明細書において参考のためあるゆる目的で援用する。   System 100 moves material through channels 110, 112, 114, and 116 with dynamic power supplied from a voltage controller capable of simultaneously applying a selected voltage level (including ground) to each reservoir. Such a voltage controller can be realized by using a plurality of voltage dividers and a plurality of relays to obtain a selective voltage level. Alternatively, a plurality of independent voltage sources may be used. The voltage controller is electrically connected to each reservoir via electrodes located within or manufactured from each of the plurality of reservoirs. See, for example, published Ramsey international patent application WO 96/04547. This entire document is incorporated herein by reference for all purposes.

II.動電輸送
A.概説
システム100のチャネル中の流体物質への動電力は、電気浸透力および電気泳動力に分けることができる。本発明のシステム中に用いられる流体制御システムは、電気浸透力を用いて、基板102の表面上にある様々なチャネルおよび反応チャンバ内の流体を移動、配向、および混合する。つまり、適切な流体を、表面に官能基が存在するチャネルまたは他の流体導管に入れると、これらの基はイオン化し得る。例えば、チャネルの表面がその表面に水酸官能基を含むとき、プロトンがチャネルの表面を離れて、流体へ入り得る。このような条件下では、特にチャネル表面と流体との界面近くに局在して、表面は実質的に負電荷を有し、流体は過剰なプロトンまたは正電荷を有する。
II. Electrokinetic transport A. Overview The dynamic power to the fluid material in the channels of the system 100 can be divided into electroosmotic and electrophoretic forces. The fluid control system used in the system of the present invention uses electroosmotic forces to move, orient, and mix fluids in various channels and reaction chambers on the surface of the substrate 102. That is, when an appropriate fluid is placed in a channel or other fluid conduit with functional groups on the surface, these groups can ionize. For example, when the surface of the channel contains a hydroxyl functional group on the surface, protons can leave the surface of the channel and enter the fluid. Under such conditions, particularly near the channel surface-fluid interface, the surface has a substantially negative charge and the fluid has an excess of protons or positive charges.

チャネルの長さ方向にわたって電界を印加することによって、カチオンが負電極に向かって流れる。流体中の正に荷電された種が動くと、溶媒もこれらの種と一緒に動く。このような流体運動の定常状態速度は、概ね以下の等式によって与えられる。
v= εξE
4πη
但し、vは溶媒の速度、εは流体の誘電率、ξは表面のゼータ電位、Eは電界強度、そしてηは溶媒の粘度を表す。よって、この等式から容易に判るように、溶媒の速度は、ゼータ電位および印加電界に正比例している。
電気浸透力に加えて、システム100のチャネルを介して移動する際に荷電した分子に影響を与える電気泳動力も存在する。システム100中の1点から他の1点へ対象物質を輸送する場合、対象物質の組成が輸送中に影響を受けることなく残っていること、すなわち、対象物質が輸送中に電気誘導的に分別されないことが所望であることが多い。
By applying an electric field across the length of the channel, cations flow toward the negative electrode. As positively charged species in the fluid move, the solvent moves with these species. The steady state velocity of such fluid motion is approximately given by the following equation:
v = εξE
4πη
Where v is the velocity of the solvent, ε is the dielectric constant of the fluid, ξ is the zeta potential of the surface, E is the electric field strength, and η is the viscosity of the solvent. Thus, as can be readily seen from this equation, the speed of the solvent is directly proportional to the zeta potential and the applied electric field.
In addition to electroosmotic forces, there are also electrophoretic forces that affect charged molecules as they travel through the channels of system 100. When the target substance is transported from one point in the system 100 to another point, the composition of the target substance remains unaffected during transport, that is, the target substance is separated electrically during transport. Often it is desirable not to.

本発明によると、対象物質は複数の流体スラグ(以後、「対象物質領域」と呼ぶ)としてチャネルを移動する。これらの対象物質領域は、高いイオン濃度を有し、これにより、特定の領域内の対象物質にかかる電気泳動力を最少化する。対象物質領域内の電気泳動力の影響を最少化するために、スペーサ流体領域(「第1スペーサ領域」)がスラグのいずれか一方の側面に配置される。このような第1スペーサ領域は、以下に説明するように高いイオン濃度を有し、これにより、これらの領域中の電界を最少化するので、対象物質が微小流体システム中のある場所から他の場所へ輸送されることによって実質的に影響されない。対象物質は、対象物質を含有する領域とは異なるイオン強度を持つ他の領域と共に、あるイオン強度を持つ領域内のシステム100の代表的なチャネル110、112、114、116を介して輸送される。   According to the present invention, the target substance moves through the channel as a plurality of fluid slugs (hereinafter referred to as “target substance regions”). These target substance regions have a high ion concentration, thereby minimizing the electrophoretic force applied to the target substance in a specific region. In order to minimize the influence of the electrophoretic force in the target substance region, a spacer fluid region (“first spacer region”) is disposed on either side of the slag. Such first spacer regions have a high ion concentration, as will be described below, thereby minimizing the electric field in these regions so that the target material can be moved from one location in the microfluidic system to another. It is virtually unaffected by being transported to the location. The target substance is transported through the representative channels 110, 112, 114, 116 of the system 100 in a region with a certain ionic strength, along with other regions having a different ionic strength than the region containing the target material. .

特定の構成を図2Aに示す。図2Aは、対象物質領域200が微小流体システム100のチャネルに沿って点Aから点Bへ輸送されているところを示す。対象物質領域200のいずれの側にも、高イオン強度流体の第1スペーサ領域201がある。さらに、低イオン濃度流体の第2スペーサ領域202は、対象物質領域200と第1スペーサ領域201との配置を一定周期で離す。低いイオン濃度のため、点Aと点Bとの間の電圧降下のほとんどは、第2スペーサ領域202で生じる。対象物質領域200および第1スペーサ領域201がチャネルを介して電気浸透的にポンピングされるときに、第2の低濃度スペーサ領域202が点Aおよび点B間に常に少なくとも1つはあるように、対象物質領域200および第1スペーサ領域201の配置の間に第2の低濃度スペーサ領域202を散在させる。これによって、電圧降下のほとんどが、対象物質領域200および第1スペーサ領域201ではなく、第2スペーサ領域202内で生じることを確実にする。言い換えると、点Aと点Bとの間の電界は第2スペーサ領域202に集中し、対象物質領域200および第1スペーサ領域201には低い電界(および低い電気泳動力)がかかる。よって、対象物質領域200、第1スペーサ領域201および第2スペーサ領域すなわち低イオン濃度スペーサ領域202内の相対的なイオン濃度に依存して、対象物質領域200および第1と第2スペーサ領域201ならびに202の他の配置が形成され得る。   A particular configuration is shown in FIG. 2A. FIG. 2A shows the target material region 200 being transported from point A to point B along the channel of the microfluidic system 100. There is a first spacer region 201 of high ionic strength fluid on either side of the target material region 200. Further, the second spacer region 202 of the low ion concentration fluid separates the arrangement of the target substance region 200 and the first spacer region 201 at a constant period. Due to the low ion concentration, most of the voltage drop between point A and point B occurs in the second spacer region 202. When the target material region 200 and the first spacer region 201 are electroosmotically pumped through the channel, there is always at least one second low concentration spacer region 202 between points A and B. The second low-concentration spacer region 202 is interspersed between the target material region 200 and the first spacer region 201. This ensures that most of the voltage drop occurs in the second spacer region 202 and not in the target material region 200 and the first spacer region 201. In other words, the electric field between the points A and B is concentrated in the second spacer region 202, and a low electric field (and low electrophoretic force) is applied to the target material region 200 and the first spacer region 201. Therefore, depending on the relative ion concentration in the target material region 200, the first spacer region 201 and the second spacer region, that is, the low ion concentration spacer region 202, the target material region 200, the first and second spacer regions 201, and Other arrangements of 202 can be formed.

例えば、図2Bは、第2スペーサ領域すなわち低イオン濃度スペーサ領域202が、第1スペーサ領域201/対象物質領域200/第1スペーサ領域201のそれぞれの組み合わせの間に一定に間隔をあけられた配置を示す。このような配置は、点Aと点Bとの間に少なくとも1つの第2スペーサ領域すなわち低濃度スペーサ領域202が常にあることを確実にする。さらに、図面は対象物質領域200、第1スペーサ領域すなわち高濃度スペーサ領域201および第2スペーサ領域すなわち低濃度スペーサ領域202の可能な組み合わせの相対的な長さを示すために、一定の尺度で描かれている。図2Bの実施例では、対象物質領域200は対象物質を150mMの高いイオン濃度のNaCl中で保持している。対象物質領域200は、チャネル中で1mm長である。2つの第1スペーサ領域201はイオン濃度150mMのNaClを有する。各第1スペーサ領域201は、1mm長である。第2スペーサ領域202は、2mmであり、イオン濃度5mMのホウ酸塩緩衝剤を有する。この特定の構成は、緩衝領域201および対象物質領域200内の迅速に電気泳動する化合物を維持し、且つ化合物が微小流体システムの複数のチャネルを介して移動するように設計されている。例えば、これらの方法を使用すれば、例えば安息香酸を含む対象物質領域が過剰な電気泳動バイアスを被らずに微小流体システム内を上向きに72秒間流れ得る。   For example, FIG. 2B shows an arrangement in which the second spacer region, ie, the low ion concentration spacer region 202 is spaced regularly between each combination of the first spacer region 201 / target material region 200 / first spacer region 201. Indicates. Such an arrangement ensures that there is always at least one second or low concentration spacer region 202 between points A and B. Further, the drawings are drawn to scale to show the relative lengths of possible combinations of target material region 200, first spacer region or high concentration spacer region 201 and second spacer region or low concentration spacer region 202. It is. In the embodiment of FIG. 2B, the target substance region 200 holds the target substance in NaCl having a high ion concentration of 150 mM. The target substance region 200 is 1 mm long in the channel. The two first spacer regions 201 have NaCl with an ion concentration of 150 mM. Each first spacer region 201 is 1 mm long. The second spacer region 202 is 2 mm and has a borate buffer with an ionic concentration of 5 mM. This particular configuration is designed to maintain the rapidly electrophoretic compound in the buffer region 201 and the target material region 200 and to move the compound through multiple channels of the microfluidic system. For example, using these methods, a target substance region containing, for example, benzoic acid, can flow upwards in a microfluidic system for 72 seconds without suffering an excessive electrophoretic bias.

より一般化すると、微小流体システムのチャネル内の流体の流れの速度VEoF を決定することが可能であり、測定によって対象物分子がチャネル内を移動する合計距離ltを決定することが可能である。よって、対象物分子が合計距離を移動する移動時間tTrは、
Tr=lT /VEoF
である。対象物分子xを、対象物質領域200に隣接する第1スペーサ領域201内に含むためには、第1スペーサ領域201の長さlg は、第1スペーサ領域201内の対象物分子xの電気泳動速度Vgxに運搬時間を乗算した値よりも大きくなるはずである。
g >(Vgx)(tTr
電気泳動速度は、第1スペーサ領域201の電界に比例しているので、本発明によって、微小流体システムチャネルを介した運送中に対象物質を含み得るようにVgxを制御することが可能になる。
More generally, it is possible to determine the velocity V EoF of the fluid flow in the channel of the microfluidic system and to determine the total distance l t that the object molecule travels in the channel by measurement. is there. Therefore, the movement time t Tr for the target molecule to move the total distance is
t Tr = l T / V EoF
It is. The object molecule x, the order including the first spacer region 201 adjacent to the subject material region 200, the length l g of the first spacer region 201, electric objects molecule x within the first spacer region 201 It should be greater than the migration speed V gx multiplied by the transport time.
l g > (V gx ) (t Tr )
Since the electrophoretic velocity is proportional to the electric field of the first spacer region 201, the present invention makes it possible to control V gx so that it can contain the target substance during transport through the microfluidic system channel. .

図2Aおよび図2Bの配置では、第1スペーサ領域すなわち高イオン濃度スペーサ領域201は、対象物質領域200の近傍に対象物質の位置を維持することを助長する。対象物質の電荷極性にかかわらず、対象物質領域200のいずれの側にもある第1スペーサ領域201によって、対象物質領域200を離れる対象物質が、第1スペーサ領域201の比較的高いイオン濃度のために低い電界にしかさらされない。対象物質の極性が既知である場合は、対象物質の分子にかかる電気泳動力の方向も既知である。   2A and 2B, the first spacer region, that is, the high ion concentration spacer region 201, helps maintain the position of the target substance in the vicinity of the target substance area 200. Regardless of the charge polarity of the target material, the first spacer region 201 on either side of the target material region 200 causes the target material that leaves the target material region 200 to have a relatively high ion concentration in the first spacer region 201. Only exposed to low electric fields. When the polarity of the target substance is known, the direction of the electrophoretic force applied to the molecules of the target substance is also known.

図3Aは、対象物質領域200中の全ての対象物質の電荷が、対象物分子にかかる電気泳動力が電気浸透流の方向と同一方向になるような電荷である実施例を示す。よって、第1スペーサ領域201は、流れの方向において対象物質領域よりも前にある。対象物質領域200の後には第1スペーサ領域201はない。なぜならば、電気泳動力が、対象物質が対象物質領域200からその方向へ逃げるのを防ぐためである。第1スペーサ領域201の半分を除去することによって、対象物質を有する対象物質領域200をチャネル長毎に、より多く運ぶことが可能になる。このことは、微小流体システムの輸送効率を高める。第2スペーサ領域すなわち低イオン濃度スペーサ領域202は、高い電界が第2スペーサ領域にかかり、対象物質領域200および第1スペーサ領域201の電界(および電気泳動力)が低く保たれるように、対象物質領域200および第1スペーサ領域すなわち高イオン濃度スペーサ領域201に対して構成される。   FIG. 3A shows an embodiment in which the charges of all target substances in the target substance region 200 are such that the electrophoretic force applied to the target molecule is in the same direction as the electroosmotic flow direction. Therefore, the first spacer region 201 is in front of the target substance region in the flow direction. There is no first spacer region 201 after the target material region 200. This is because the electrophoretic force prevents the target substance from escaping from the target substance region 200 in that direction. By removing half of the first spacer region 201, it becomes possible to carry more target material regions 200 having the target material for each channel length. This increases the transport efficiency of the microfluidic system. The second spacer region, that is, the low ion concentration spacer region 202 has a high electric field applied to the second spacer region, and the electric field (and electrophoretic force) of the target material region 200 and the first spacer region 201 is kept low. The material region 200 and the first spacer region, ie, the high ion concentration spacer region 201 are configured.

図3Bでは、第1スペーサ領域201が、電気浸透流の方向において対象物質領域200の後にある。この実施例では、対象物質領域200中の全ての対象物質の電荷は、対象物分子にかかる電気泳動力が電気浸透流の方向と反対の方向になるような電荷である。よって、対象物質は対象物質領域の境界から逃げて、事実上、対象物質領域200の後に残され得る。対象物質領域200の後にある第1スペーサ領域201は、対象物質が対象物質領域200から遠くに移動しすぎるのを防ぐ。同様に、第2スペーサ領域すなわち低イオン濃度スペーサ領域202は、高い電界が第2スペーサ領域202にかかり、対象物質領域200および第1スペーサ領域201の電界は低く保たれるように、対象物質領域200および第1スペーサ領域すなわち高イオン濃度スペーサ領域201と共に構成される。   In FIG. 3B, the first spacer region 201 is after the target material region 200 in the direction of electroosmotic flow. In this embodiment, the charges of all target substances in the target substance region 200 are such that the electrophoretic force applied to the target molecule is in the direction opposite to the electroosmotic flow direction. Thus, the target substance can escape from the boundary of the target substance region and effectively remain behind the target substance region 200. The first spacer region 201 after the target material region 200 prevents the target material from moving too far from the target material region 200. Similarly, the second spacer region, that is, the low ion concentration spacer region 202 has a target material region in which a high electric field is applied to the second spacer region 202 and the electric fields of the target material region 200 and the first spacer region 201 are kept low. 200 and a first spacer region, that is, a high ion concentration spacer region 201.

第1および第2スペーサ領域201および202に対して、所望の電気導電性を有する溶液を生成するように、様々な高いイオン強度および低いイオン強度の溶液が選択される。水溶液に導電性を与える特定のイオンは、無機塩(例えば、NaCl、KI、CaCl2 、FeF3 、(NH4)2SO4 など)、有機塩(例えば、安息香酸ピリジニウム、ラウリン酸べンザルコニウム)または無機/有機混合塩(例えば安息香酸ナトリウム、デオキシル硫酸ナトリウム、ベンジルアミンヒドロクロライド)などから誘導し得る。これらのイオンは、微小流体システム内でおこる化学反応および分離などに適合するように選択される。水性の溶媒に加えて、DMSOの低濃度水溶液などの水性/有機溶媒の混合液が、対象物分子の可溶化を援助するために使用され得る。CHCl3 :MeOHなどの有機溶媒の混合もまた、例えば、ホスホリパーゼ活動の分析を促進する目的に使用され得る。
一般に、水性溶媒が使用される場合、水溶液の導電性は無機イオンを使用して調節される。極性のより低い溶媒が使用される場合、有機または無機/有機の混合イオンが典型的に使用される。2つの混合不可能な溶媒(例えば、水とデカンなどの炭化水素)が同時に存在し得、電流が必ず一方の溶媒から他方の溶媒へ流れる場合、イオン透過孔(例えば、バリノマイシン、ノナクチン、様々なクラウンエーテルなど)およびそれらの適切なイオンを用いて、電流を無極性溶媒を介して流すことが可能である。
For the first and second spacer regions 201 and 202, various high and low ionic strength solutions are selected to produce a solution having the desired electrical conductivity. Specific ions that give conductivity to aqueous solutions include inorganic salts (eg, NaCl, KI, CaCl 2 , FeF 3 , (NH 4 ) 2 SO 4 ), organic salts (eg, pyridinium benzoate, benzalkonium laurate) Alternatively, it may be derived from a mixed inorganic / organic salt (for example, sodium benzoate, sodium deoxyl sulfate, benzylamine hydrochloride) and the like. These ions are selected to be compatible with chemical reactions and separations that occur within the microfluidic system. In addition to aqueous solvents, aqueous / organic solvent mixtures, such as low concentration aqueous solutions of DMSO, can be used to assist in solubilization of target molecules. Mixtures of organic solvents such as CHCl 3 : MeOH can also be used, for example, to facilitate analysis of phospholipase activity.
In general, when an aqueous solvent is used, the conductivity of the aqueous solution is adjusted using inorganic ions. When less polar solvents are used, organic or mixed inorganic / organic ions are typically used. Two immiscible solvents (eg, water and hydrocarbons such as decane) can be present at the same time, and if the current always flows from one solvent to the other, ion-permeable pores (eg, valinomycin, nonactin, various Currents can be passed through non-polar solvents using crown ethers and the like and their appropriate ions.

B.圧力に基づいた流れ(pressure based flow)の動電制御
本明細書中に記載の動電流システム(electrokinetic flow system)では、差動的に移動可能な(differentially mobile) (例えば、特定のシステムで異なる動電移動度を有する)流体がチャネル内に存在すると、システム内のチャネル長に沿って複数の異なる圧力が生じ得る。例えば、これらの動電流システムは、所与のチャネル内に、低イオン濃度流体および高イオン濃度流体の一連の領域(例えば、第1および第2スペーサ領域ならびに対象物質の対象物質領域)を典型的に用い、これにより、電気浸透流を生じさせると共に、同時に、対象物質領域を含む対象物質内の電気泳動バイアスの影響を防止する。チャネル内の低イオン濃度領域は、最も大きい印加電圧を領域長にわたって降下させる傾向にあるので、流体をチャネルを通して押し流す傾向がある。逆に、チャネル内の高イオン濃度流体領域は比較的小さい電圧降下を領域長にわたって与え、粘性抵抗によって流体の流れを減速させる傾向にある。
B. Electrokinetic control of pressure based flow The electrokinetic flow system described herein is differentially mobile (eg, different for a particular system) When fluid (with electrokinetic mobility) is present in the channel, multiple different pressures can occur along the channel length in the system. For example, these kinetic current systems typically represent a series of regions of low and high ionic concentration fluid (eg, first and second spacer regions and a target material region of a target material) within a given channel. In this way, an electroosmotic flow is generated, and at the same time, the influence of the electrophoretic bias in the target substance including the target substance region is prevented. The low ion concentration region in the channel tends to push the fluid through the channel because it tends to cause the highest applied voltage to drop over the region length. Conversely, high ionic concentration fluid regions within the channel tend to provide a relatively small voltage drop over the region length and slow the fluid flow by viscous drag.

このような押流し(pushing) や抵抗(dragging)の影響の結果、圧力のばらつきは概ね、流体で充填されたチャネル長に沿って生成され得る。最高圧力は、低イオン濃度領域(例えば、第2スペーサ領域)の前側または先端で典型的に見られ、最低圧力は低イオン強度流体領域の後縁または後端で典型的に見られる。
このような圧力格差は、直線型チャネルシステムにおいては概ね無関係であるが、これらの影響は、交差型チャネル配置を用いた微小流体装置、すなわち、先に援用した米国特許出願シリアル番号08/671,987に記載のシステムにおける流体方向および操作の制御を低減する結果になり得る。例えば、第2チャネルが、イオン強度が異なる複数の流体領域を含む第1チャネルと交差するように構成されている場合、上述の圧力変動は、これらの異なる流体領域が交差点を通り過ぎて移動するときに流体を交差する第2チャネルに流出入させ得る。この変動する流れは、第2チャネルからの定量的電気浸透で駆動された流体の流れを潜在的に顕著に乱し(disturb) 、および/またはチャネル内の様々な流体領域を乱し(perturb) 得る。
As a result of such pushing and dragging effects, pressure variations can generally be generated along the length of the channel filled with fluid. The highest pressure is typically found at the front or tip of the low ion concentration region (eg, the second spacer region), and the lowest pressure is typically found at the trailing or trailing edge of the low ionic strength fluid region.
While such pressure disparities are largely irrelevant in linear channel systems, these effects are related to microfluidic devices using crossed channel arrangements, ie, previously incorporated US patent application Ser. No. 08/671, 987 can result in reduced control of fluid direction and operation in the system described in 987. For example, if the second channel is configured to intersect a first channel that includes a plurality of fluid regions with different ionic strengths, the pressure fluctuations described above may occur when these different fluid regions move past the intersection. Can flow into and out of the second channel that intersects. This fluctuating flow potentially disturbs the flow of fluid driven by quantitative electroosmosis from the second channel and / or perturbs various fluid regions within the channel. obtain.

交差するチャネル、例えば第2チャネルの深さを第1チャネルすなわちメインチャネルに対して低減することによって、流体の流れの変動が実質的に排除され得る。特に、所与の電圧勾配に対する電気浸透流体の推進または方向において、流速(容積/時間)は、概ね、>10のアスペクト比(幅:深さ)を有するチャネルのチャネルの深さの逆数として変動する。小さく些細な誤差が多少あるとしても、このようなおおよその比は例えば、>5のアスペクト比等の低いアスペクト比についても成り立つ。逆に、同一のチャネルに対する圧力誘発流は、チャネル深さの逆数の3乗として変化する。よって、異なるイオン強度の流体領域が同時に存在することによるチャネル中の圧力の増大は、チャネルの深さの逆数の平方として変化する。   By reducing the depth of the intersecting channel, eg, the second channel, relative to the first or main channel, fluid flow fluctuations can be substantially eliminated. In particular, in the propulsion or direction of electroosmotic fluid for a given voltage gradient, the flow rate (volume / time) generally varies as the reciprocal of the channel depth of a channel having an aspect ratio (width: depth) of> 10. To do. Even if there are some minor errors, such an approximate ratio holds even for low aspect ratios, such as> 5 aspect ratios. Conversely, the pressure-induced flow for the same channel varies as the third power of the inverse of the channel depth. Thus, the increase in pressure in the channel due to the simultaneous presence of fluid regions of different ionic strength varies as the square of the reciprocal of the channel depth.

従って、交差する第2チャネルの深さを第1チャネルすなわちメインチャネルの深さに対して、X分の1に低減することによって、圧力誘発流を、例えばX3 分の1に顕著に低減し得るが、電気浸透的に誘発された流れは、例えば若干X分の1にしか低減し得ない。例えば、第2チャネルの深さを第1チャネルに対してオーダの大きさを1減少させる場合、圧力誘発流は1000分の1に低減されるが、電気浸透的に誘発される流れは10分の1にしか低減されない。従って、いくつかの局面では、本発明は、本明細書に概略的に記載される微小流体装置を提供する。この装置は、例えば装置内に配置される、第1チャネルが第2チャネルよりも深い、少なくとも第1および第2交差するチャネルを有する。一般的に、チャネルの深さは、所望の用途に対して最適な流れの状態を得るように変化され得る。このように、用途に依存して、第1チャネルは第2チャネルよりも約2倍よりも深く、約5倍よりも深く、および約10倍よりもずっと深くなり得る。
圧力の影響を抑えるための使用に加えて、様々な異なるチャネル深さを用いて、同一装置の異なるチャネル内に流体を差動的に(differentially)流す、例えば、異なる供給源からの異なる割合の流体を混合することなどが可能である。
Therefore, the depth of the second channel intersecting the depth of the first channel or the main channel, by reducing the 1 X minutes, the pressure induced flow, significantly reduced in example X 3 min 1 However, electroosmotically induced flow can be reduced, for example, only by a factor of X. For example, if the depth of the second channel is decreased by an order of magnitude relative to the first channel, the pressure-induced flow is reduced by a factor of 1000 while the electroosmotically induced flow is 10 minutes. It can only be reduced to 1. Accordingly, in some aspects, the present invention provides a microfluidic device as generally described herein. The device has at least first and second intersecting channels, for example disposed in the device, wherein the first channel is deeper than the second channel. In general, the channel depth can be varied to obtain optimal flow conditions for the desired application. Thus, depending on the application, the first channel can be about two times deeper than the second channel, about five times deeper, and much deeper than about ten times.
In addition to use to reduce the effects of pressure, a variety of different channel depths can be used to flow fluids differently in different channels of the same device, e.g., at different rates from different sources. It is possible to mix fluids.

III.電子ピペッタ
上記したように、いずれの対象物質も、対象物質領域200内または近傍の微小流体システム100を介して効率的に輸送される。第1および第2のスペーサ領域201および202により、対象物質は、システムのチャネルを移動するにつれて局在化される。対象物質の、微小流体システムへの効率的な導入のために、本発明はさらに、対象物質を、対象物質領域200並びに第1および第2のスペーサ領域201および202の組み合わせの同一の直列的ストリームで微小流体システムに導入する電子ピペッタを提供する。
III. As described above, any target substance is efficiently transported through the microfluidic system 100 in or near the target substance region 200. The first and second spacer regions 201 and 202 localize the material of interest as it moves through the channels of the system. In order to efficiently introduce the target substance into the microfluidic system, the present invention further provides that the target substance is the same serial stream of the target substance region 200 and the combination of the first and second spacer regions 201 and 202. An electronic pipetter for introduction into a microfluidic system is provided.

A.構造および動作
図4Aに示すように、電子ピペッタ250は中空のキャピラリーチューブ251により形成されている。キャピラリーチューブ251は、微小流体システム100のチャネルのディメンションを有するチャネル254を有し、チャネル254は微小流体システム100に流体連通している。図4Aに示すように、チャネル254は、1〜100μmの範囲の断面直径を有する円筒であり、直径は約30μmが好適である。電極252は、キャピラリーチューブ251の外壁に沿って下降し、管251の端部の周囲のリング電極253となる。対象物質領域200並びに緩衝剤領域201および202内の対象物質を電子ピペッタチャネル254に引き出すために、電極252は、チャネル254に流体連通しているターゲットリザバー(図示せず)の電圧に対する電圧まで駆動される。ターゲットリザバーは、すでにチャネル254内にある対象物質領域200並びに緩衝剤領域201および202が電子ピペッタからシステム100に直列的に移送されるように、微小流体システム100内にある。
A. Structure and Operation As shown in FIG. 4A, the electronic pipetter 250 is formed by a hollow capillary tube 251. The capillary tube 251 has a channel 254 having the dimensions of the channel of the microfluidic system 100, and the channel 254 is in fluid communication with the microfluidic system 100. As shown in FIG. 4A, the channel 254 is a cylinder having a cross-sectional diameter in the range of 1-100 μm, preferably about 30 μm in diameter. The electrode 252 descends along the outer wall of the capillary tube 251 and becomes a ring electrode 253 around the end of the tube 251. In order to draw the target material region 200 and the target material in the buffer regions 201 and 202 to the electronic pipettor channel 254, the electrode 252 is up to a voltage relative to the voltage of the target reservoir (not shown) in fluid communication with the channel 254 Driven. The target reservoir is in the microfluidic system 100 such that the target substance region 200 and buffer regions 201 and 202 already in the channel 254 are transferred in series from the electronic pipetter to the system 100.

手順としては、電子ピペッタ250のキャピラリーチャネル端部が対象物質のソースに入れられる。ターゲットリザバー内の電極に対して電極252に電圧が印加される。リング電極253は対象物質ソースに接して載置されており、ソースに電気的バイアスをかけることにより、対象物質ソースとターゲットリザバーとの間の電圧降下を生成する。実際には、対象物質ソースおよびターゲットリザバーが微小流体システムにおいて、すなわち図2Aに示すように、点Aおよび点Bになる。対象物質は動電学的にキャピラリーチャネル254に導入されることにより、対象物質領域200を形成する。電極252への電圧は、その後、オフにされて、キャピラリーチャネル端部が、高イオン濃度を有する緩衝剤物質のソースに入れられる。再び、ターゲットリザバー電極に対して電極252に電圧が印加され、その結果、第1のスペーサ領域201は、対象物質領域200に隣接するキャピラリーチャネル254に動電学的に導入される。その際に、第2のスペーサ領域すなわち低イオン濃度スペーサ領域202が電子ピペッタチャネル254内で所望である場合、キャピラリーチャネル254の端部が、低イオン濃度緩衝剤物質のソースに挿入され、電極252に電圧が印加される。電子ピペッタ250はその後、対象物質の別のソースに移動することにより、チャネル254内に別の対象物質領域200を形成する。   As a procedure, the end of the capillary channel of the electronic pipetter 250 is put into the source of the target substance. A voltage is applied to the electrode 252 with respect to the electrode in the target reservoir. The ring electrode 253 is placed in contact with the target material source, and generates a voltage drop between the target material source and the target reservoir by applying an electrical bias to the source. In practice, the target material source and the target reservoir are point A and point B in the microfluidic system, ie, as shown in FIG. 2A. The target substance is electrokinetically introduced into the capillary channel 254 to form the target substance region 200. The voltage to electrode 252 is then turned off and the capillary channel end is placed in a source of buffer material having a high ion concentration. Again, a voltage is applied to the electrode 252 relative to the target reservoir electrode, and as a result, the first spacer region 201 is electrokinetically introduced into the capillary channel 254 adjacent to the target material region 200. In doing so, if a second spacer region, i.e., a low ion concentration spacer region 202 is desired in the electron pipettor channel 254, the end of the capillary channel 254 is inserted into the source of the low ion concentration buffer material and the electrode A voltage is applied to 252. The electronic pipetter 250 then moves to another source of the target material, thereby forming another target material region 200 in the channel 254.

上記の工程を反復することにより、第1および第2のスペーサ領域201および202により分離された、異なる対象物質を有する複数の対象物質領域200は、キャピラリーチャネル254および微小流体システム100に動電学的に導入される。
対象物質および緩衝剤物質(低および高イオン濃度を有する)のソースがそれ自体の電極を有する場合、電極252は必要でない。ターゲットリザバーとソース電極との間の電圧が電子ピペッタを動作させる。あるいは、電極252は、キャピラリーチューブ251と固定関係にあるがキャピラリーチューブ251とは分離していることがあり得、それにより、管251の端部がリザバーに接触すると、電極252もまたリザバーに接触する。動作は、図4Aの電子ピペッタに関して記載したものと同一である。
By repeating the above process, a plurality of target substance regions 200 having different target substances separated by the first and second spacer regions 201 and 202 are electrokinetically transferred to the capillary channel 254 and the microfluidic system 100. Introduced.
If the source of the target substance and buffer substance (having low and high ionic concentrations) has its own electrode, the electrode 252 is not necessary. The voltage between the target reservoir and the source electrode operates the electronic pipettor. Alternatively, the electrode 252 may be in a fixed relationship with the capillary tube 251 but separated from the capillary tube 251 so that when the end of the tube 251 contacts the reservoir, the electrode 252 also contacts the reservoir To do. The operation is the same as described for the electronic pipettor of FIG. 4A.

図4Bは、図4Aの電子ピペッタ250の変形例を示す。この変形例において、電子ピペッタ270は、ピペッタ内に第1および第2のスペーサ領域201および202を形成するために、対象物質ソースと緩衝剤物質ソースとの間を移動する必要はない。電子ピペッタ270は、3つのキャピラリーチャネル274、275および276を有する本体271を有する。メインチャネル274は、既に述べた電子ピペッタ250のチャネル254と同一に動作する。しかし、2つの補助キャピラリーチャネル275および276は一端で、緩衝剤ソースリザバー(図示せず)と流体連通しており、チャネル275および276の他端は、メインチャネル274と流体連通している。一方のリザバー(すなわち、補助チャネル275に連通している)は、高イオン濃度を有する緩衝剤物質を保持し、他方のリザバー(すなわち、チャネル276に連通している)は、低イオン濃度を有する緩衝剤物質を保持する。
リザバーの全ては、電子ピペッタ270の動作のために、これらのリザバーに電気的バイアスをかける電極に接続している。電子ピペッタ270はさらに、本体271の壁に沿った電極272を有し得る。電極272は、メインチャネル274の端部のリング電極273となる。電極272(およびリング電極273)に電圧を印加してチャネル274、275および276に沿った電圧降下を生成することにより、対象物質が対象物質ソースからメインチャネル274に引き込まれ得るのみならず、高および低イオン濃度を有する緩衝剤物質もまた補助チャネル275および276からメインチャネル274に引き込まれ得る。
FIG. 4B shows a modification of the electronic pipettor 250 of FIG. 4A. In this variation, the electronic pipettor 270 need not move between the target material source and the buffer material source in order to form the first and second spacer regions 201 and 202 in the pipettor. The electronic pipetter 270 has a body 271 having three capillary channels 274, 275 and 276. The main channel 274 operates in the same manner as the channel 254 of the electronic pipetter 250 already described. However, the two auxiliary capillary channels 275 and 276 are in fluid communication at one end with a buffer source reservoir (not shown) and the other ends of the channels 275 and 276 are in fluid communication with the main channel 274. One reservoir (ie, in communication with the auxiliary channel 275) holds a buffer material having a high ionic concentration, and the other reservoir (ie, in communication with the channel 276) has a low ionic concentration. Retains buffer material.
All of the reservoirs are connected to electrodes that electrically bias these reservoirs for operation of the electronic pipettor 270. The electronic pipetter 270 can further include an electrode 272 along the wall of the body 271. The electrode 272 becomes a ring electrode 273 at the end of the main channel 274. By applying a voltage to electrode 272 (and ring electrode 273) to create a voltage drop along channels 274, 275, and 276, the target material can be drawn from the target material source into main channel 274, as well as high And buffer material having a low ionic concentration may also be drawn from the auxiliary channels 275 and 276 into the main channel 274.

電子ピペッタ270を電極272により動作させるために、メインキャピラリーチャネル274の端部は対象物質のソース280内に入れられる。ターゲットリザバー内の電極に対して電極272に電圧が印加されることにより、対象物質ソース280とターゲットリザバーとの間に電圧降下を引き起こす。対象物質は、キャピラリーチャネル274に動電学的に引き込まれる。その後、キャピラリーチャネル端部は、対象物質ソース280から除去され、チャネル274に連通するターゲットリザバーとチャネル275に連通するリザバーとの間に電圧降下が生成される。第1のスペーサ領域すなわち高イオン強度スペーサ領域201は、チャネル274内に形成される。緩衝剤物質が補助チャネル275から引き込まれるため、毛細作用が、チャネル274への空気の導入を阻止する。その際に、第2のスペーサ領域又は低イオン濃度スペーサ領域202がメインチャネル274で所望である場合、ターゲットリザバーおよび低イオン濃度緩衝剤物質を有するリザバー内の電極に電圧が印加される。第2のスペーサ領域202はその後、第2の補助チャネル276からキャピラリーチャネル274に動電学的に導入される。その後、電子ピペッタ270もまた、対象物質の別のソースに移動することにより、チャネル274内に別の対象物質領域200を形成する。   In order to operate the electronic pipettor 270 with the electrode 272, the end of the main capillary channel 274 is placed in the source 280 of the target substance. A voltage is applied to the electrode 272 with respect to the electrode in the target reservoir, thereby causing a voltage drop between the target material source 280 and the target reservoir. The target substance is electrokinetically drawn into the capillary channel 274. Thereafter, the capillary channel end is removed from the target material source 280 and a voltage drop is generated between the target reservoir communicating with the channel 274 and the reservoir communicating with the channel 275. A first spacer region or high ionic strength spacer region 201 is formed in the channel 274. As the buffer material is drawn from the auxiliary channel 275, the capillary action prevents the introduction of air into the channel 274. In doing so, if a second spacer region or low ionic concentration spacer region 202 is desired in the main channel 274, a voltage is applied to the electrode in the target reservoir and the reservoir having the low ionic concentration buffer material. The second spacer region 202 is then electrokinetically introduced from the second auxiliary channel 276 into the capillary channel 274. Thereafter, the electronic pipettor 270 also moves to another source of the target material, thereby forming another target material region 200 in the channel 274.

上記の工程を反復することにより、第1および第2のスペーサ領域201および202により分離された、異なる対象物質を有する複数の対象物質領域200がキャピラリーチャネル274および微小流体システム100に動電学的に導入される。
対象物質のソースをリング電極273からの酸化/還元反応に曝すことが望まれない場合、電子ピペッタは電極272なしで動作し得る。電気浸透流は、より高いイオン強度を有する溶液内においてより遅いため、チャネル274に連通するリザバーからチャネル275に連通するリザバーに電位(−〜+)を印加することは、チャネル274および275が交差する点に真空を形成するという結果になる。この真空は、対象物質のソースからチャネル274にサンプルを引き込む。このモードで動作するとき、対象物質はチャネル275および276内で溶液によりある程度希釈される。この希釈は、チャネル274に対する、チャネル276および275の相対的寸法を減少させることにより軽減され得る。
By repeating the above steps, a plurality of target substance regions 200 having different target substances separated by the first and second spacer regions 201 and 202 are electrokinetically transferred to the capillary channel 274 and the microfluidic system 100. To be introduced.
If it is not desired to expose the source of interest to the oxidation / reduction reaction from the ring electrode 273, the electronic pipettor can operate without the electrode 272. Since electroosmotic flow is slower in solutions with higher ionic strength, applying a potential (-+) from a reservoir communicating with channel 274 to a reservoir communicating with channel 275 causes channels 274 and 275 to cross. As a result, a vacuum is formed at the point to be performed. This vacuum draws the sample into the channel 274 from the source of interest. When operating in this mode, the substance of interest is diluted to some extent by the solution in channels 275 and 276. This dilution can be mitigated by reducing the relative dimensions of channels 276 and 275 relative to channel 274.

第1および第2のスペーサ領域201および202をキャピラリーチャネル274に導入するために、電子ピペッタ270は上記したように動作する。キャピラリーチャネル端部は、対象物質ソース280から除去され、チャネル274用のターゲットリザバーと選択されたチャネル275または276に連通するリザバーとの間に電圧降下が生成される。
概して2つの補助チャネルおよびメインチャネルを有することに照らして述べたが、追加の流体、緩衝剤、希釈液、および試薬などをメインチャネルに導入するためには、追加の補助チャネルも供給され得ることが理解される。
微小流体装置、例えば、チップ内の交差するチャネルに関して上記したように、異なるピペッタチャネル内の異なる移動流体の結果得られる圧力差もまた、ピペッタチャネル内の流体の流れの制御に影響を与える。従って、上記したように、流体制御を最適化するために互いに変化するチャネル深さを有する、様々なピペッタもまた供給され得る。
In order to introduce the first and second spacer regions 201 and 202 into the capillary channel 274, the electronic pipettor 270 operates as described above. The capillary channel end is removed from the target material source 280 and a voltage drop is generated between the target reservoir for channel 274 and the reservoir in communication with the selected channel 275 or 276.
Although generally described in the context of having two auxiliary channels and a main channel, additional auxiliary channels can also be provided to introduce additional fluids, buffers, diluents, reagents, and the like into the main channel. Is understood.
As noted above with respect to microfluidic devices, eg, intersecting channels in a chip, the resulting pressure differential of different moving fluids in different pipetter channels also affects the control of fluid flow in the pipettor channel. . Thus, as described above, various pipettors can also be provided having channel depths that vary with one another to optimize fluid control.

B.電子ピペッタの製造方法
電子ピペッタは、図4Aに関して上記したように中空のキャピラリーチューブから形成され得る。しかし、より複雑な構造の場合、電子ピペッタは最適には、上記した微小チャネルシステムの基板物質と同一の基板物質から形成される。電子ピペッタチャネル(およびリザバー)は、微小流体システム用の微小チャネルと同一の様式で基板内に形成され、チャネルを有する基板が、これも上記した平面カバー要素によって覆われる。基板およびカバー要素のエッジは、その後、必要に応じて、ピペッタの、特に端部の、適切な水平ディメンションに整形され得る。エッチング、エアーアブレーション(粒子および強制的に供給された空気を表面に吹き付ける)、粉砕、およびカッティングなどの技術が用いられ得る。その後、電極が基板の表面上、および可能性としては必要に応じてカバー上に形成される。あるいは、基板およびカバー要素のエッジは、取り付けられる前に整形され得る。この製造方法は、図4Bを参照して直前に述べ且つ図8を参照して以下に述べるマルチチャネル電子ピペッタに特に適している。
B. Method for Manufacturing an Electronic Pipetter An electronic pipettor can be formed from a hollow capillary tube as described above with respect to FIG. 4A. However, for more complex structures, the electronic pipettor is optimally formed from the same substrate material as that of the microchannel system described above. The electronic pipettor channel (and reservoir) is formed in the substrate in the same manner as the microchannel for the microfluidic system, and the substrate having the channel is covered by the planar cover element also described above. The edges of the substrate and cover element can then be shaped into an appropriate horizontal dimension of the pipettor, especially at the end, if desired. Techniques such as etching, air ablation (blowing particles and forced air to the surface), grinding, and cutting can be used. Thereafter, an electrode is formed on the surface of the substrate, and possibly on the cover as needed. Alternatively, the edges of the substrate and cover element can be shaped before being attached. This manufacturing method is particularly suitable for the multi-channel electronic pipetter described immediately above with reference to FIG. 4B and below with reference to FIG.

IV.サンプリングシステム
上記したように、上記した方法、システム、および装置は、概して、様々な分野において広範囲の利用性を見い出す。例えば、既に述べたように、これらの方法およびシステムは、例えば、1996年6月28日に出願され既に参考のため援用している、同時係属中の米国特許出願シリアル番号08/671,987号に記載されているような薬物送達に適用される、高スループット化学スクリーニングというタスクに特に適している。
A.サンプルマトリクス
本発明のピペッティングおよび流体輸送システムは、概して、液体サンプル、すなわちマルチウェルプレートからのサンプルの数に関して記載される。しかし、多くの例において、サンプリングされるべき液体ベースのサンプルの数および性質は、サンプル取り扱い上の問題を発生させ得る。例えば、化学スクリーニングまたは薬物送達に適用される、スクリーニング用化合物のライブラリーの数は、数千〜数万又はさらには数十万から数百万、数千万にも及び得る。その結果、このようなライブラリーは、非常に多数のサンプルプレートを要し、そのことが、ロボティックシステムの助けを借りても、サンプルの保存、操作、および識別に数しれない困難性を作り出す。さらに、いくつかの場合には、特定のサンプル化合物が、液状で保存された場合、劣化、複合化、又はそうでなければ比較的短い活性半減期を有し得る。このことは、潜在的に、サンプルがスクリーニング前に長期間、液状で保存されるときに疑わしい結果を引き起こし得る。
IV. Sampling System As noted above, the methods, systems, and apparatus described above generally find wide applicability in various fields. For example, as already mentioned, these methods and systems are described, for example, in copending US patent application serial number 08 / 671,987, filed June 28, 1996, which is already incorporated by reference. Is particularly suitable for the task of high-throughput chemical screening applied to drug delivery as described in.
A. Sample Matrix Pipetting and fluid transport systems of the present invention are generally described in terms of the number of liquid samples, ie, samples from a multiwell plate. However, in many instances, the number and nature of liquid-based samples to be sampled can create sample handling problems. For example, the number of libraries of screening compounds applied to chemical screening or drug delivery can range from thousands to tens of thousands, or even hundreds of thousands to millions, tens of millions. As a result, such libraries require a very large number of sample plates, which create incomparable difficulties in sample storage, manipulation and identification with the help of robotic systems. . Further, in some cases, certain sample compounds may have degradation, complexation, or otherwise a relatively short active half-life when stored in liquid form. This can potentially cause suspicious results when samples are stored in liquid form for extended periods prior to screening.

従って、本発明は、サンプリングされるべき化合物を固定化された形態で提供することにより、これらの更なる問題点に取り組むサンプリングシステムを提供する。「固定化された形態」とは、サンプルを、与えられたロケーションに維持する固定されたマトリクス、すなわち多孔性マトリクス、チャージされたマトリクス、疎水性または親水性マトリクスのいずれかへの組み込みにより、サンプル材料が固定された位置に供給されることを意味する。あるいは、このような固定化されたサンプルは、与えられたサンプルマトリクス上にスポットされ且つ乾燥したサンプルを含む。好適な局面において、スクリーニングすべき化合物は、乾燥した形態でサンプルマトリクス上に提供される。典型的には、このようなサンプルマトリクスは、例えば、セルロース、ニトロセルロース、PVDF、ナイロン、およびポリスルホンなどの膜を含む物質のスポッティングまたは固定化において用いられ得る多数の材料のいずれをも含む。典型的には、容易な保存および取り扱いのために、多くの異なるサンプル化合物を固定化された状態で有するサンプルマトリクスの折り畳み又は巻き込みを可能にするために、フレキシブルなサンプルマトリクスが好適である。   The present invention thus provides a sampling system that addresses these additional problems by providing the compound to be sampled in an immobilized form. “Immobilized form” means that a sample is incorporated by incorporation into a fixed matrix that maintains the sample in a given location, ie, a porous matrix, charged matrix, hydrophobic or hydrophilic matrix. It means that the material is supplied to a fixed position. Alternatively, such immobilized samples include samples that are spotted and dried on a given sample matrix. In a preferred aspect, the compounds to be screened are provided on the sample matrix in a dry form. Typically, such sample matrices include any of a number of materials that can be used in spotting or immobilizing materials, including membranes such as cellulose, nitrocellulose, PVDF, nylon, and polysulfone. Typically, a flexible sample matrix is suitable for easy storage and handling to allow folding or entrainment of a sample matrix having many different sample compounds in an immobilized state.

概して、サンプルは、多くの周知の方法のいずれかによってサンプルマトリクスに適用され得る。例えば、サンプルライブラリーは、多数の化合物のスポッティングを可能にするロボティックピペッティングシステムを用いて、サンプルマトリクスのシート上にスポットされ得る。あるいは、サンプルマトリクスは、サンプル局在化用の所定の領域、例えば、凹部を有するウェル、疎水性バリアに囲まれた親水性領域、または親水性バリアに囲まれた疎水性領域(例えば、サンプルが元々疎水性溶液中にある場合)を提供するように処理され得る。このような領域において、スポットされた材料は、乾燥プロセス中、保持される。このような処理はその後、米国特許第5,474,796号に記載されているような、より進んだサンプル適用方法の使用を可能にする。上記特許において、液体サンプルを表面に向けるために、圧電ポンプおよびノズルシステムが用いられている。しかし、概して、’796号特許に記載された方法は、追加の液体サンプルとの後の反応のために、液体サンプルを表面に適用することに関する。しかし、これらの方法は、乾燥しスポットされたサンプルを基板上に供給するように容易に改変され得る。   In general, the sample can be applied to the sample matrix by any of a number of well-known methods. For example, a sample library can be spotted onto a sample matrix sheet using a robotic pipetting system that allows spotting of multiple compounds. Alternatively, the sample matrix may be a predetermined region for sample localization, such as a well having a recess, a hydrophilic region surrounded by a hydrophobic barrier, or a hydrophobic region surrounded by a hydrophilic barrier (e.g. (If originally in a hydrophobic solution). In such areas, the spotted material is retained during the drying process. Such processing then enables the use of more advanced sample application methods such as those described in US Pat. No. 5,474,796. In the above patent, a piezoelectric pump and a nozzle system are used to direct the liquid sample to the surface. However, in general, the method described in the '796 patent relates to applying a liquid sample to a surface for subsequent reaction with an additional liquid sample. However, these methods can be easily modified to provide a dried and spotted sample on the substrate.

他の固定化またはスポッティング方法が同様に用いられ得る。例えば、サンプルが液体形態において安定である場合、サンプルマトリクスは、過剰な拡散または蒸発などを許容することなく液体サンプルを保持するが、所望であればサンプル材料の少なくとも一部の抜き取りを可能にする、多孔性層、ゲルまたは他のポリマー材料を含み得る。サンプルをピペッタに引き込むために、ピペッタは、例えば、マトリクスの分解、イオン交換、およびサンプルの希釈などにより、サンプルの一部をマトリクスから遊離させる。   Other immobilization or spotting methods can be used as well. For example, if the sample is stable in liquid form, the sample matrix will hold the liquid sample without allowing excessive diffusion or evaporation, etc., but will allow at least a portion of the sample material to be removed if desired. , Porous layers, gels or other polymeric materials. In order to draw the sample into the pipettor, the pipetter liberates a portion of the sample from the matrix, such as by matrix degradation, ion exchange, and sample dilution.

B.再可溶化ピペッタ
上記したように、本発明のサンプリングおよび流体輸送方法およびシステムは、スクリーニング、アッセイ、又はそれ以外には、これらのサンプルフォーマットで固定化されたサンプルを処理することに容易に適用可能である。例えば、サンプル材料がサンプルマトリクス上に乾燥した形態で供給された場合、エレクトロピペッティングシステムがマトリクスの表面に適用され得る。電子ピペッタはその後、マトリクス表面上の既に乾燥したサンプルを可溶化する(保持マトリクスを分解するか、または固定化支持体からサンプルを溶出する)少量の液体を逃がすように動作する。このことは、例えば、ピペッタに印加される電界の極性を反転させるか、または上記したように低イオン濃度緩衝剤リザバーから高イオン濃度緩衝剤リザバーに電位を印加することによって行われる。サンプルが一旦再可溶化されると、ピペッタはその後、典型的前方フォーマットで動作することにより、既に述べたように、可溶化したサンプルをピペッタチャネルに引き込む。
B. As described above, the sampling and fluid transport methods and systems of the present invention are readily applicable to screening, assaying or otherwise processing samples immobilized in these sample formats. It is. For example, if the sample material is supplied in a dry form on the sample matrix, an electropipetting system can be applied to the surface of the matrix. The electronic pipetter then operates to solubilize a small amount of liquid that solubilizes the already dried sample on the matrix surface (disintegrates the retention matrix or elutes the sample from the immobilized support). This can be done, for example, by reversing the polarity of the electric field applied to the pipetter or by applying a potential from the low ion concentration buffer reservoir to the high ion concentration buffer reservoir as described above. Once the sample is re-solubilized, the pipetter then operates in a typical forward format to draw the solubilized sample into the pipettor channel as previously described.

上記の機能を実行するのに有用な電子ピペッタおよびその動作の1つの実施形態の概略図を、図8に示す。簡単に述べれば、(図示するような)ピペッタ800の上端802は、一般に、アッセイシステム、例えば微小流体チップに、電圧がピペッタの3つのチャネル804、806および808に個別に供給され得るように接続される。チャネル804および808は、典型的には、それぞれイオン濃度が低いおよび高い流体を含む緩衝剤レザバーに流体接続される。動作においては、ピペッタの先端810が、固定された(例えば乾燥)サンプル814が位置するサンプルマトリクス12の表面に接触する。電圧は、低イオン濃度緩衝剤チャネル804から高イオン濃度緩衝剤チャネル808に印加され、これにより、緩衝剤はピペッタ先端部から押し出されて、サンプルに接触しこれに溶解する。図示するように、ピペッタ先端816は、窪み領域すなわち「サンプルカップ」818を含み、これにより、ピペッタ先端とマトリクス表面との間に放出された溶液を維持し得る。場合によっては、例えば、有機サンプルをスクリーニングする場合は、サンプルの溶解を確実にするために、適切な濃度の受容可能な溶媒、例えばDMSOを低イオン濃度緩衝剤と共に含んでもよい。次に高イオン濃度緩衝剤チャネルからサンプルチャネル806に電圧が印加されて、サンプルをサンプルプラグ820の形態でピペッタに吸引する。サンプルがサンプルカップからピペッタに完全に吸引されると、サンプルチャネルに空気が入って表面張力が高くなるため、サンプルの吸引は終了し、高イオン濃度の緩衝剤溶液がサンプルチャネルへの流入を開始して、サンプルに続いて第1のスペーサ領域822を形成する。次に、低イオン濃度緩衝剤チャネル804からサンプルチャネル806に電圧を印加することによって、低イオン濃度緩衝剤溶液が、サンプルチャネルに、第2のスペーサ領域824として注入され得る。マトリクス上の次のサンプル位置を提示する前にまたは提示中に、高イオン濃度緩衝剤チャネルとサンプルチャネルとの間に電圧を印加することによって、第1のまたは高イオン濃度のスペーサ領域822がサンプルチャネルに導入され得る。前述のように、スクリーニングされる何千または何十万もの異なる化合物を有するサンプルマトリクスの単数または多数のロール、シート、プレートがこのようにして提示され得、これにより、適切な装置またはシステムでの連続スクリーニングが可能となる。   A schematic diagram of one embodiment of an electronic pipettor useful for performing the above functions and its operation is shown in FIG. Briefly, the upper end 802 of the pipettor 800 (as shown) is generally connected to an assay system, such as a microfluidic chip, so that voltage can be separately supplied to the three channels 804, 806 and 808 of the pipettor. Is done. Channels 804 and 808 are typically fluidly connected to a buffer reservoir containing fluids with low and high ionic concentrations, respectively. In operation, the pipettor tip 810 contacts the surface of the sample matrix 12 where the fixed (eg, dry) sample 814 is located. A voltage is applied from the low ionic concentration buffer channel 804 to the high ionic concentration buffer channel 808, whereby the buffer is pushed out of the pipettor tip and contacts and dissolves the sample. As shown, the pipettor tip 816 includes a recessed area or “sample cup” 818 that can maintain the solution released between the pipettor tip and the matrix surface. In some cases, for example, when screening organic samples, an appropriate concentration of an acceptable solvent, such as DMSO, may be included with a low ionic concentration buffer to ensure sample lysis. A voltage is then applied from the high ion concentration buffer channel to the sample channel 806 to draw the sample into the pipetter in the form of a sample plug 820. When the sample is completely aspirated from the sample cup into the pipettor, the sample channel is terminated because air enters the sample channel and the surface tension is high, and the buffer solution with a high ion concentration starts flowing into the sample channel. Then, a first spacer region 822 is formed following the sample. Next, a low ionic concentration buffer solution may be injected into the sample channel as a second spacer region 824 by applying a voltage from the low ionic concentration buffer channel 804 to the sample channel 806. By applying a voltage between the high ion concentration buffer channel and the sample channel before or during the next sample location on the matrix, the first or high ion concentration spacer region 822 is sampled. Can be introduced into the channel. As mentioned above, single or multiple rolls, sheets, plates of a sample matrix having thousands or hundreds of thousands of different compounds to be screened can be presented in this way, so that in an appropriate device or system Continuous screening is possible.

V.電気泳動バイアスの除去
上述のように、微小流体システム100のチャネルを通して対象物質を輸送するために動電力が用いられる。対象物質が溶液中で帯電されている場合は、これは電気浸透力だけではなく、電気泳動力も受ける。従って、対象物質は、微小流体システムのチャネルに沿って1つの地点から別の地点に移動するとき電気泳動を受ける傾向がある。よって、開始地点での対象物質領域200内の対象物質の混合または帯電の異なる種の配置は、到着地点での混合または配置とは異なる傾向がある。さらに、第1のスペーサ領域201が存在するにもかかわらず、到着地点で対象物質が対象物質領域200内にいないという可能性がある。
V. Removal of Electrophoretic Bias As described above, electromotive force is used to transport the substance of interest through the channels of the microfluidic system 100. When the target substance is charged in a solution, it receives not only electroosmotic force but also electrophoretic force. Thus, the target substance tends to undergo electrophoresis as it moves from one point to another along the channel of the microfluidic system. Thus, the arrangement of species with different mixing or charging of the target substance in the target substance region 200 at the start point tends to be different from the mixing or arrangement at the arrival point. Furthermore, there is a possibility that the target substance is not in the target substance area 200 at the arrival point even though the first spacer area 201 exists.

従って、本発明の別の局面は、対象物質が微小流体システム100を通って輸送されるとき、電気泳動バイアスを補償する。電気泳動バイアスを補償する1つの方法を図5に示す。上述の微小流体システム100では、チャネル110、112、114および116のそれぞれは、その長さに沿った単一構造(unitary structure)であるとみなした。図5では、一例としてのチャネル140は2つの部分142および144に分割される。各チャネル部分142および144の側壁は、反対極性の表面電荷を有する。2つのチャネル部分142および144は、ガラスフリットまたはゲル層などの塩橋133によって物理的に接続されている。塩橋133は、チャネル140内の流体を、塩橋133によって一部が規定されるレザバー135内のイオン流体から分離する一方で、イオンが塩橋133を通過するのは可能にする。従って、レザバー135は、チャネル140と電気的な連通状態にはあるが、流体連通の状態にはない。   Accordingly, another aspect of the present invention compensates for electrophoretic bias when the substance of interest is transported through the microfluidic system 100. One way to compensate for electrophoretic bias is shown in FIG. In the microfluidic system 100 described above, each of the channels 110, 112, 114, and 116 was considered to be a unitary structure along its length. In FIG. 5, the example channel 140 is divided into two portions 142 and 144. The side walls of each channel portion 142 and 144 have surface charges of opposite polarity. The two channel portions 142 and 144 are physically connected by a salt bridge 133 such as a glass frit or gel layer. The salt bridge 133 separates the fluid in the channel 140 from the ionic fluid in the reservoir 135 defined in part by the salt bridge 133 while allowing ions to pass through the salt bridge 133. Accordingly, reservoir 135 is in electrical communication with channel 140 but not in fluid communication.

地点AおよびB間のチャネル140に沿って電気浸透力および電気泳動力を与えるために、地点AおよびBにそれぞれ電極132および134が配置される。さらに、第3の電極137が、2つの部分142および144の接合部のレザバー135内に配置される。電極132および134は同じ電圧に維持され、電極137は別の電圧に維持される。図5に示す例では、2つの電極132および134は負の電圧であり、電極137、従って2つの部分142および144の接合部はゼロ電圧、すなわち接地電圧である。よって、電圧は降下し、このため部分142および144内での電界は正反対の方向を向く。具体的には、電界は互いから離れる方向を指す。従って、特定の帯電する分子に働く電気泳動力は、チャネル部分142内とチャネル部分144内とでは方向が反対である。2つの部分142および144を通過した後は、対象物質への電気泳動バイアスはすべて補償される。
しかし、両部分142および144内の電気浸透力は依然として同じ方向である。例えば、図5に示すように、チャネル部分142の側壁が正の表面電荷を有し、溶液中の負のイオンを引きつけ、チャネル部分144の側壁が負の表面電荷を有し、溶液中の正のイオンを引きつけると仮定すると、両部分142および144内の電気浸透力は図面の右側に向かう。従って、電気泳動力が、一方の部分142と他方の部分144とでは正反対の方向である一方、対象物質は、電気浸透力の下に地点Aから地点Bに輸送される。
Electrodes 132 and 134 are positioned at points A and B, respectively, to provide electroosmotic and electrophoretic forces along the channel 140 between points A and B. Further, a third electrode 137 is disposed in the reservoir 135 at the junction of the two portions 142 and 144. Electrodes 132 and 134 are maintained at the same voltage, and electrode 137 is maintained at a different voltage. In the example shown in FIG. 5, the two electrodes 132 and 134 are at a negative voltage, and the electrode 137, and thus the junction of the two portions 142 and 144, is at zero voltage, or ground voltage. Thus, the voltage drops so that the electric field in portions 142 and 144 is in the opposite direction. Specifically, the electric fields refer to directions away from each other. Therefore, the direction of the electrophoretic force acting on a specific charged molecule is opposite between the channel portion 142 and the channel portion 144. After passing through the two portions 142 and 144, any electrophoretic bias to the target substance is compensated.
However, the electroosmotic forces in both portions 142 and 144 are still in the same direction. For example, as shown in FIG. 5, the sidewall of the channel portion 142 has a positive surface charge and attracts negative ions in the solution, and the sidewall of the channel portion 144 has a negative surface charge and is positive in the solution. Assuming that the ions are attracted, the electroosmotic forces in both portions 142 and 144 are directed to the right side of the drawing. Therefore, while the electrophoretic force is in the opposite direction between the one portion 142 and the other portion 144, the target substance is transported from the point A to the point B under the electroosmotic force.

正または負の表面電荷を有する側壁をもつチャネルを形成するためには、チャネルの一方または両方の部分を、ポリマーなどの、表面電荷を有する絶縁膜物質でコーティングする。例えば、微小流体システム100では、基板102およびチャネルはガラスにより形成され得る。各チャネルの一部が、例えばポリリジンなどの、反対の表面電荷を有するポリマーによりコーティングされるか、または、例えばアミノプロピルトリクロロシランなどの、アミノ官能基を含むシラン化剤により化学的に修飾される。さらに、両方のチャネル部分の表面電荷密度および体積はほぼ同じにして、電気泳動バイアスが補償されるようにすべきである。
チャネルは、固体の平面基板内に形成されるのではなく、2つのキャピラリーチューブにより形成され得る。キャピラリーチューブは、イオン性流体レザバーをキャピラリーチューブ内の流体から分離する塩橋により接合される。この場合もイオン性流体レザバー内に電極が配備される。一方のキャピラリーチューブは負の表面電荷を有し、他方のキャピラリーチューブは正の表面電荷を有する。得られるキャピラリーチャネルは上述のように作動する。
To form a channel with sidewalls having a positive or negative surface charge, one or both portions of the channel are coated with an insulating film material having a surface charge, such as a polymer. For example, in the microfluidic system 100, the substrate 102 and the channel can be formed of glass. A portion of each channel is coated with a polymer with an opposite surface charge, such as polylysine, or chemically modified with a silanizing agent containing an amino functional group, such as aminopropyltrichlorosilane. . Further, the surface charge density and volume of both channel portions should be approximately the same so that the electrophoretic bias is compensated.
Rather than being formed in a solid planar substrate, the channel can be formed by two capillary tubes. The capillary tube is joined by a salt bridge that separates the ionic fluid reservoir from the fluid in the capillary tube. Again, electrodes are provided in the ionic fluid reservoir. One capillary tube has a negative surface charge and the other capillary tube has a positive surface charge. The resulting capillary channel operates as described above.

図6A〜6Dは本発明の別の実施形態を示す。ここでは、対象物質が地点Aから地点Bに移動する際に誘引される電気泳動バイアスの効果が補償される。この実施形態では、図1に示したように、対象物質は、2つのチャネル間の交差部である地点Bで混合される。
図6A〜図6Dは、チャンバ160がチャネル150、152、154および156の交差部に形成されている様子を示す。チャンバ160は、4つの側壁162、164、166および168を有する。側壁162は、チャネル152の側壁をチャネル150の側壁に接続する。側壁164は、チャネル154の側壁をチャネル152の側壁に接続する。側壁166は、チャネル156の側壁をチャネル154の側壁に接続する。そして側壁168は、チャネル156の反対の側壁をチャネル150の反対の側壁に接続する。チャネル152を通ってチャネル156に向かう物質の流れについてみると、側壁162および168は、物質がチャネル150の方に反れる場合は漏斗を形成する。
側壁162および168の寸法は、チャネル152に沿って移動する対象物質プラグ200の長さに適応する。側壁162および168は、プラグ200をチャネル150の幅へと漏斗状に流し入れる。チャネル150の幅は、対象物質がチャネル150の幅を横断して拡散するような、すなわち、混合が生じて、チャネル162に沿って移動する対象物質領域200内で生成された対象物質の電気泳動バイアスが除去されるような大きさとされる。例えば、チャネル150の幅が50μmである場合は、チャネルを横断する拡散は、拡散定数が1×10-5cm2 /秒の分子では約1秒で行われる。
6A-6D illustrate another embodiment of the present invention. Here, the effect of the electrophoretic bias induced when the target substance moves from the point A to the point B is compensated. In this embodiment, as shown in FIG. 1, the target substance is mixed at point B, which is the intersection between the two channels.
6A-6D show the chamber 160 being formed at the intersection of the channels 150, 152, 154 and 156. FIG. Chamber 160 has four sidewalls 162, 164, 166 and 168. Side wall 162 connects the side wall of channel 152 to the side wall of channel 150. Side wall 164 connects the side wall of channel 154 to the side wall of channel 152. Sidewall 166 connects the side wall of channel 156 to the side wall of channel 154. Side wall 168 then connects the opposite side wall of channel 156 to the opposite side wall of channel 150. Looking at the flow of material through channel 152 towards channel 156, sidewalls 162 and 168 form a funnel when the material is deflected toward channel 150.
The dimensions of the sidewalls 162 and 168 accommodate the length of the material plug 200 that travels along the channel 152. Side walls 162 and 168 allow plug 200 to flow into the width of channel 150 in a funnel shape. The width of the channel 150 is such that the target material diffuses across the width of the channel 150, ie, the electrophoresis of the target material generated in the target material region 200 that moves along the channel 162 when mixing occurs. The size is such that the bias is removed. For example, if the width of the channel 150 is 50 μm, diffusion across the channel occurs in about 1 second for molecules with a diffusion constant of 1 × 10 −5 cm 2 / sec.

図6Aでは、カチオン性対象物質のプラグ200が、チャネル152に沿ってチャネル156に向かって移動している。プラグ200がチャンバ160に到着するまでに対象物質は電気泳動を受け、このため物質は対象物質領域200の前方端により多く集中している。これは図6Bに示される。次に、チャネル152および156に沿って与えられた電圧降下は終わり、チャネル154および150に沿った電圧降下が生成され、これにより対象物質領域200がチャネル150に吸引される。チャンバ160の側壁162および168が、電気泳動によりバイアスされた対象物質を有する対象物質領域200を漏斗に導く。これは図6Cに示される。拡散によって、対象物質は、対象物質がチャネル150に沿って有意の距離だけ移動する前に、チャネル150の幅を横断して広がる。対象物質領域200内の対象物質は混合され、微小流体システム100での次の動作ステップへの準備が完了する。
単一サンプル内の電気泳動バイアスを訂正するために使用するのに加えて、図6に示す構造は、微小流体装置内の流体要素、例えば2つの別個の対象物質、緩衝剤、試薬などを混合するのに有用で有り得る。
In FIG. 6A, the plug 200 of the cationic target substance is moving along the channel 152 toward the channel 156. By the time the plug 200 arrives at the chamber 160, the target substance is subjected to electrophoresis, so that the substance is concentrated more on the front end of the target substance region 200. This is shown in FIG. 6B. Next, the applied voltage drop along channels 152 and 156 ends, creating a voltage drop along channels 154 and 150, thereby attracting material region 200 to channel 150. Side walls 162 and 168 of the chamber 160 guide the target material region 200 having target material biased by electrophoresis to the funnel. This is shown in FIG. 6C. Due to diffusion, the target material spreads across the width of the channel 150 before the target material travels a significant distance along the channel 150. The target substance in the target substance region 200 is mixed, and the preparation for the next operation step in the microfluidic system 100 is completed.
In addition to being used to correct electrophoretic bias in a single sample, the structure shown in FIG. 6 mixes fluid elements in a microfluidic device, such as two separate analytes, buffers, reagents, etc. Can be useful to do.

実施例1 − 電子ピペッタ型フォーマットでの、帯電の異なる種の強制共同移動
電気泳動バイアスを除去または低減するために使用される方法の効力を示すために、2つの反対に帯電された種をキャピラリーチャネル内に動電学的に吸引して、単一サンプルプラグ内で共同移動させた。ベックマンキャピラリーチューブ電気泳動システムを用いて、キャピラリーチャネル内の電気泳動力をモデル化した。
簡単に述べれば、この実験では、低イオン濃度(または「低塩」)(5mMホウ酸塩)かまたは高イオン濃度(または「高塩」)(500mMホウ酸塩)の緩衝剤、pH8.6中にベンジルアミンおよび安息香酸を含有するサンプルを用いた。安息香酸は、ベンジルアミンの約2倍の濃度で存在させた。すべての注入を0.17分間とした。注入プラグの長さは、注入電圧8または30kVによって決定した。低塩および高塩緩衝剤は上述の通りとした。
Example 1- Two oppositely charged species are capillaryized to demonstrate the effectiveness of the method used to remove or reduce the forced co-migration electrophoretic bias of differently charged species in an electronic pipetter type format Electrokinetically sucked into the channel and co-migrated within a single sample plug. The Beckman capillary tube electrophoresis system was used to model the electrophoresis force in the capillary channel.
Briefly, in this experiment, a low ionic concentration (or “low salt”) (5 mM borate) or a high ionic concentration (or “high salt”) (500 mM borate) buffer, pH 8.6. A sample containing benzylamine and benzoic acid was used. Benzoic acid was present at a concentration approximately twice that of benzylamine. All injections were for 0.17 minutes. The length of the injection plug was determined by the injection voltage 8 or 30 kV. The low salt and high salt buffer were as described above.

第1の実験では、低塩緩衝剤を満たしたキャピラリーチューブに、低塩緩衝剤中のサンプルを連続して3回注入した。注入は8kVで行い、30kVでの低塩の注入を間に挟んだ。これらの注入から得られたデータを図7Aに示す。これらのデータは、1回目および2回目の注入からのベンジルアミン(より低い濃度の結果、短いピークとして識別可能)が、1回目の注入からの安息香酸のピーク(高いピーク)に先行していることが分かる。さらに、3回目の注入からのベンジルアミンのピークは1回目の安息香酸のピークとほとんど同時に発生する。従って、この実験は電気泳動バイアスの効果、つまり、サンプルピークは、キャピラリーチャネルに入ったのと同じ順序で退出しないことがあり得るということを示している。明瞭に示されるように、このような分離は、実質的には、単一サンプルの特性に干渉するか、もっと悪い場合では、既に導入されたかまたは続いて導入されるサンプルを犠牲にし(compromize)得る。   In the first experiment, a sample in low salt buffer was injected three times in succession into a capillary tube filled with low salt buffer. The injection was performed at 8 kV with a low salt injection at 30 kV in between. Data obtained from these injections is shown in FIG. 7A. These data show that benzylamine from the first and second injections (which can be identified as a short peak as a result of the lower concentration) precedes the benzoic acid peak (high peak) from the first injection. I understand that. In addition, the benzylamine peak from the third injection occurs almost simultaneously with the first benzoic acid peak. This experiment thus shows that the effect of electrophoretic bias, that is, the sample peak may not exit in the same order as it entered the capillary channel. As clearly shown, such separation substantially interferes with the properties of a single sample or, in the worse case, at the expense of already introduced or subsequently introduced samples. obtain.

第2の実験では、キャピラリーチューブを低塩緩衝剤で満たした。先ず高塩緩衝剤を8kVでキャピラリーチューブに導入/注入することによって(第1スペーサ領域1)、サンプルを注入した。これに続いて、高塩緩衝剤中のサンプルを8kVで注入し、続いて、高塩緩衝剤の2回目の注入を8kVで行った(第1スペーサ領域2)。このようにして3つのサンプルを注入し、30kVで低塩緩衝剤を注入することによって間隔を開けた。図7Bに見られ得るように、サンプル中に含まれる両化合物が、同じサンプルプラグ内でキャピラリーチャネルを通って強制的に共同移動させられ、これらは各注入からの単一のピークによって表される。これは、電気泳動による移動度に関係なく、サンプルが整合されていることを示している。
サンプルのサイズに対して、サンプル間の低塩スペーサプラグのサイズを小さくすることによって、各サンプル注入の成分の部分溶解が実現され得る。これは、続いて注入されるか既に注入されたサンプルを犠牲にせずに、動電学的なポンピング中にサンプルのいくらかの分離が所望される場合には有用であり得る。これは、30kVではなく、8kVで低塩スペーサプラグを注入することによって実行された。この実施例からのデータを図7Cに示す。
In the second experiment, the capillary tube was filled with a low salt buffer. First, a sample was injected by introducing / injecting a high salt buffer into the capillary tube at 8 kV (first spacer region 1). Following this, the sample in high salt buffer was injected at 8 kV, followed by a second injection of high salt buffer at 8 kV (first spacer region 2). Three samples were injected in this way and spaced by injecting low salt buffer at 30 kV. As can be seen in FIG. 7B, both compounds contained in the sample are forced to move together through the capillary channel within the same sample plug, which are represented by a single peak from each injection. . This indicates that the sample is aligned regardless of the mobility by electrophoresis.
By reducing the size of the low salt spacer plug between samples relative to the sample size, partial dissolution of the components of each sample injection can be achieved. This can be useful if some separation of the sample is desired during electrokinetic pumping without sacrificing subsequently injected or already injected sample. This was performed by injecting a low salt spacer plug at 8 kV instead of 30 kV. Data from this example is shown in FIG. 7C.

実施例2 − 対象物質の電子ピペッタを通って微小流体システム基板に至る移動
図9A〜9Cは、上述のような、対象物質、すなわちサンプルを電子ピペッタを通して微小流体システムの基板に導入する実験試験の結果を示す。サンプルは、燐酸塩緩衝化生理食塩水pH7.4中のローダミンBである。また、燐酸塩緩衝化生理食塩水pH7.4から高イオン濃度(「高塩」)緩衝剤を形成した。低イオン濃度(「低塩」)緩衝剤は、5mMのNaホウ酸塩pH8.6溶液から形成した。
試験では、蛍光ローダミンBを含む対象物質領域を、微小流体システムの基板に接続される電子ピペッタのキャピラリーチャネルに定期的に注入した。高塩および低塩緩衝剤もまた、上述のように対象物質領域間に注入した。図9Aは、キャピラリーチャネルに沿った基板のチャネルとの接合部近くの地点でモニタされたローダミンBの蛍光強度の時間に対するプロットである。(ちなみに、図9A〜図9Cおよび図10の蛍光強度軸の数字は、絶対値ではなく比較参照のためのものであることに注意されたい。)注入サイクル時間は7秒であり、対象物質領域を電子ピペッタを通って移動させる電界は1000ボルト/cmであった。ホトダイオードがキャピラリーチャネルからの光をモニタする総和時間は10ミリ秒に設定した。図9Aのプロットから、光強度スパイクは7秒間隔で現れ、これは蛍光ローダミンBの注入サイクル時間に一致することが明らかであろう。
Example 2— Transfer of a Target Substance through an Electronic Pipetter to a Microfluidic System Substrate FIGS. 9A-9C illustrate experimental testing of introducing a target substance, i.e., a sample, through an electronic pipetter to a microfluidic system substrate , as described above. Results are shown. The sample is rhodamine B in phosphate buffered saline pH 7.4. A high ion concentration (“high salt”) buffer was also formed from phosphate buffered saline pH 7.4. Low ionic concentration (“low salt”) buffer was formed from a 5 mM Na borate pH 8.6 solution.
In the test, the target substance region containing fluorescent rhodamine B was periodically injected into the capillary channel of an electronic pipettor connected to the substrate of the microfluidic system. High salt and low salt buffer were also injected between the areas of interest as described above. FIG. 9A is a plot of rhodamine B fluorescence intensity versus time monitored at a point near the junction with the substrate channel along the capillary channel. (Note that the numbers on the fluorescence intensity axes in FIGS. 9A to 9C and FIG. 10 are not absolute values, but for comparison reference.) The injection cycle time is 7 seconds and the target substance region The electric field for moving the through the electron pipettor was 1000 volts / cm. The total time for the photodiode to monitor the light from the capillary channel was set to 10 milliseconds. From the plot of FIG. 9A, it will be apparent that light intensity spikes appear at 7 second intervals, which corresponds to the injection cycle time of fluorescent rhodamine B.

別の実験では、同じ緩衝剤をローダミンBサンプルと共に用いた。モニタ地点を、電子ピペッタに接続された基板のチャネル内とした。注入サイクル時間は13.1秒に設定し、ローダミンBを含むソースレザバーと基板内の目的レザバーとの間の電圧を−3000ボルトに設定した。ホトダイオードによるモニタの総和時間は400ミリ秒であった。図9Bに示すように、蛍光強度スパイクは、ローダミンBの注入サイクル時間に極めて一致する。
第3の実験試験の結果を図9Cに示す。この実験では、電子ピペッタを基板から形成し、空気侵食によって形状を決定(shaping) した。モニタ地点は、基板(および平面カバー)内に形成されたキャピラリーチャネルに沿った位置である。この場合は、サンプル物質は、PBSの緩衝剤、pH7.4中の100μMのローダミンBである。PBSの高塩緩衝剤溶液、pH7.4、および5mMのNaホウ酸塩の低塩緩衝剤溶液、pH8.6もまた使用した。この場合も、蛍光強度の定期的なスパイクは、ローダミンBの電子ピペッタへの周期的な注入に一致する。
In another experiment, the same buffer was used with the Rhodamine B sample. The monitoring point was in the channel of the substrate connected to the electronic pipettor. The injection cycle time was set to 13.1 seconds and the voltage between the source reservoir containing rhodamine B and the target reservoir in the substrate was set to -3000 volts. The total monitor time with the photodiode was 400 milliseconds. As shown in FIG. 9B, the fluorescence intensity spike is very consistent with the rhodamine B injection cycle time.
The result of the third experimental test is shown in FIG. 9C. In this experiment, an electronic pipettor was formed from the substrate, and its shape was determined by air erosion. The monitoring point is a position along the capillary channel formed in the substrate (and the flat cover). In this case, the sample material is 100 μM rhodamine B in PBS buffer, pH 7.4. A high salt buffer solution in PBS, pH 7.4, and a 5 mM Na borate low salt buffer solution, pH 8.6 were also used. Again, periodic spikes in fluorescence intensity are consistent with periodic injection of rhodamine B into the electron pipettor.

図10は、本発明の電子ピペッタへの別の対象物質の周期的な注入の結果を示す。この実験では、サンプルは、燐酸塩緩衝化生理食塩水、pH7.4中の1%DMSOを有する100μMの低分子化合物であった。同じ燐酸塩緩衝化生理食塩水の高塩緩衝剤、pH7.4、および5mMのNaホウ酸塩の低塩緩衝剤、pH8.6もまた使用した。対象物質領域を電子ピペッタを通して移動させるための印加電圧は−4000ボルトとし、ホトダイオードがキャピラリーチューブチャネルからの光をモニタする総和時間は400ミリ秒に設定した。上述のように、サンプルを電子ピペッタに定期的に注入した。前回の結果と同様に、図10のプロットから、低分子化合物に対して、電子ピペッタはサンプルを均等に間隔を開けた時間(および空間)間隔で移動させることが分かる。   FIG. 10 shows the result of periodic injection of another target substance into the electronic pipettor of the present invention. In this experiment, the sample was 100 μM small molecule compound with 1% DMSO in phosphate buffered saline, pH 7.4. The same phosphate buffered saline high salt buffer, pH 7.4, and 5 mM Na borate low salt buffer, pH 8.6 were also used. The applied voltage for moving the target substance region through the electron pipettor was −4000 volts, and the total time for the photodiode to monitor the light from the capillary tube channel was set to 400 milliseconds. Samples were periodically injected into an electronic pipetter as described above. Similar to the previous result, it can be seen from the plot of FIG. 10 that for low molecular weight compounds, the electron pipettor moves the sample at evenly spaced time (and space) intervals.

以上、本発明を明瞭および理解のために幾分か詳細に記載したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細において様々な変更がなされ得ることは、本開示を読むことにより当業者には自明で有り得る。例えば、上述の技術すべては様々な組み合わせで使用され得る。本出願で引用したすべての出版物および特許書類は、各出版物または特許書類が個別に示されるのと同じ程度まですべての目的のためにそれぞれの全体が参考として援用されている。   Although the present invention has been described in some detail for purposes of clarity and understanding, it is to be understood that various changes in form and detail may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Can be obvious to those skilled in the art. For example, all of the techniques described above can be used in various combinations. All publications and patent documents cited in this application are incorporated by reference in their entirety for all purposes to the same extent as each publication or patent document is presented individually.

微小流体システムの一実施形態の概略図である。1 is a schematic diagram of one embodiment of a microfluidic system. 図2Aは、本発明の一実施形態に基づく、図1の微小流体システムの1つのチャネル中を移動する流体領域の構成を示す。図2Bは、本発明による微小流体システムの1つのチャネル中を移動する異なる流体領域の別の構成の、一定の縮尺による図である。FIG. 2A shows the configuration of a fluid region moving through one channel of the microfluidic system of FIG. 1 according to one embodiment of the present invention. FIG. 2B is a scaled illustration of another configuration of different fluid regions moving through one channel of a microfluidic system according to the present invention. 図3Aは、微小流体システムの1つのチャネル中を移動する対象物質領域の前に高イオン濃度スペーサ領域を有する、別の構成である。図3Bは、 微小流体システムの1つのチャネル中を移動する対象物質領域の後に高イオン濃度スペーサ領域を有する構成を示す。FIG. 3A is another configuration having a high ion concentration spacer region in front of a region of interest moving through one channel of the microfluidic system. FIG. 3B shows a configuration having a high ionic concentration spacer region after the region of interest moving through one channel of the microfluidic system. 図4Aは、本発明による電子ピペッタの一実施形態の概略図である。図4Bは、本発明による別の電子ピペッタの概略図である。FIG. 4A is a schematic diagram of one embodiment of an electronic pipettor according to the present invention. FIG. 4B is a schematic diagram of another electronic pipettor according to the present invention. 本発明による微小流体システムにおける、反対に帯電された側壁を有する部分を備えたチャネルの概略図である。FIG. 2 is a schematic view of a channel with a portion having oppositely charged sidewalls in a microfluidic system according to the present invention. 図6A〜6Dは、本発明による微小流体システム中のチャネルの交差点における漏斗状側壁(funneling sidewalls) の混合作用を示す。6A-6D illustrate the mixing action of funneling sidewalls at the intersection of channels in a microfluidic system according to the present invention. 低塩緩衝剤中の2つの反対に帯電された化学種からなるサンプル流体を、低塩緩衝剤で満たしたキャピラリー内へ3回注入した結果を示す。Shown is the result of three injections of a sample fluid consisting of two oppositely charged species in low salt buffer into a capillary filled with low salt buffer. サンプルが高塩緩衝剤中にあり、サンプル領域の両端においてガードバンドとして機能するよう高塩緩衝剤流体が注入され、低塩緩衝剤を満たしたキャピラリー内でサンプル/ガードバンドを泳走(run) させた場合の、3回のサンプル注入の結果を示す。The sample is in high salt buffer, high salt buffer fluid is injected to act as a guard band at both ends of the sample region, and the sample / guard band is run in a capillary filled with low salt buffer. The results of three sample injections are shown. 図7Bと同様な3回のサンプル注入の結果を示すが、ただしサンプル/高塩スペーサ(ガードバンド)間の低塩スペーサ領域のサイズを小さくすることにより、サンプル要素が後のサンプルまたは以前のサンプルを犠牲にする(compromise)ことなくサンプル内の種の部分的な分解(resolution)を可能にしている。FIG. 7B shows the results of three sample injections similar to FIG. 7B, except that the sample element can be a later or previous sample by reducing the size of the low salt spacer region between the sample / high salt spacer (guard band). Allows partial resolution of species in a sample without sacrificing 基材シートまたはマトリクス上に例えば乾燥などにより固相化されたサンプルを用いるサンプル抽出システムとともに用いられる、電子ピペッタの概略図を示す。1 shows a schematic diagram of an electronic pipettor for use with a sample extraction system that uses a sample that has been solid-phased, eg, by drying, on a substrate sheet or matrix. 本発明に基づき電子ピペッタに定期的に注入されその中を移動されるテスト化学種からなるサンプル流体の移動を示す、蛍光対時間のプロットである。FIG. 4 is a fluorescence versus time plot showing the movement of a sample fluid consisting of test species periodically injected into and moved through an electronic pipetter according to the present invention. 異なるパラメータ下において、電子ピペッタに接続された微小流体基板を通る化学種を有するサンプル流体の移動を示す、別のプロットである。FIG. 6 is another plot showing the movement of a sample fluid having chemical species through a microfluidic substrate connected to an electronic pipettor under different parameters. 空気摩耗(air abraded) 基板から形成された電子ピペッタを通るサンプル流体および化学種の移動を示す、プロットである。FIG. 5 is a plot showing the movement of sample fluid and species through an electronic pipettor formed from an air abraded substrate. 本発明に基づき電子ピペッタに定期的に注入されたサンプル流体中の化学種の移動を示すプロットである。この実験における種は低分子化合物である。4 is a plot showing the migration of chemical species in a sample fluid periodically injected into an electronic pipettor according to the present invention. The species in this experiment is a small molecule compound.

符号の説明Explanation of symbols

200 対象物質領域
201、202 スペーサ領域(緩衝剤領域)
250 電子ピペッタ
251 キャピラリーチューブ
252 電極
253 リング電極
254 キャピラリーチャネル
270 電子ピペッタ
271 本体
272 電極
273 リング電極
274 メインキャピラリーチャネル
275 補助キャピラリーチャネル
276 補助キャピラリーチャネル
280 対象物質ソース
200 Target substance regions 201, 202 Spacer region (buffer agent region)
250 Electron pipetter 251 Capillary tube 252 Electrode 253 Ring electrode 254 Capillary channel 270 Electronic pipettor 271 Body 272 Electrode 273 Ring electrode 274 Main capillary channel 275 Auxiliary capillary channel 276 Auxiliary capillary channel 280 Target material source

Claims (31)

複数のソースから微小流体システムに物質を導入する方法であって、該微小流体システムは、端部を有するキャピラリーチャネルと、電圧電位を該微小流体システムの電極に印加するための電圧ソースとを有し、該方法は、
該キャピラリーチャネルの端部を対象物質ソースに接触させる工程と、
該ソースからの該対象物質が、該微小流体システムに向かって該キャピラリーチャネル内に動電学的に導入されるように、該電極に関して該対象物質ソースに電圧を印加する工程と、
所定のイオン濃度を有するスペーサ物質のソースを選択する工程と、
該スペーサ物質が、該対象物質の次に、該キャピラリーチャネル内に動電学的に導入されるように、該電極に関して該スペーサ物質ソースに電圧を印加する工程と、
スペーサ物質によって分離される複数の異なる物質が、該異なる物質間で混合することなく、該キャピラリーチャネル内に動電学的に導入され、該微小流体システムに向かって輸送されるように、異なる物質ソースを用いて上記工程を繰り返す工程とを包含する、方法。
A method of introducing a substance from a plurality of sources into a microfluidic system, the microfluidic system having a capillary channel having an end and a voltage source for applying a voltage potential to an electrode of the microfluidic system. And the method
Bringing the end of the capillary channel into contact with a target material source;
Applying a voltage to the target material source with respect to the electrode such that the target material from the source is electrokinetically introduced into the capillary channel toward the microfluidic system;
Selecting a source of spacer material having a predetermined ion concentration;
Applying a voltage to the spacer material source with respect to the electrode such that the spacer material is electrokinetically introduced into the capillary channel next to the target material;
Different materials so that a plurality of different materials separated by the spacer material are introduced electrokinetically into the capillary channel and transported towards the microfluidic system without mixing between the different materials Repeating the above steps using a source.
前記スペーサ物質が、高イオン濃度の溶液を含む、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the spacer material comprises a high ionic concentration solution. 前記スペーサ物質が、実質的に混合不可能な流体を含む、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the spacer material comprises a substantially non-mixable fluid. 前記スペーサ物質が、イオン透過孔を含む、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the spacer material comprises ion permeable pores. 前記キャピラリーチャネルが、約10〜1000(μm)2の断面積を有する、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the capillary channel has a cross-sectional area of about 10 to 1000 (μm) 2 . 前記キャピラリーチャネルの端部を前記対象物質ソースに接触させる前記工程と、前記スペーサ物質が該キャピラリーチャネル内に動電学的に導入されるように、前記第1の電極に関して前記スペーサ物質ソースに電圧を印加する前記工程とが、
該キャピラリーチャネルの端部を第1のスペーサ物質のソースに配置する工程と、
該第1のスペーサ物質が、該キャピラリーチャネル内に動電学的に導入されるように、該電極に関して該第1のスペーサ物質のソースに電圧を印加する工程と、
該キャピラリーチャネルの端部を第2のスペーサ物質のソースに配置する工程と、
該第2のスペーサ物質が、該キャピラリーチャネル内に動電学的に導入されるように、該電極に関して該第2のスペーサ物質のソースに電圧を印加する工程と、
複数の異なる対象物質が該第1、第2および第1のスペーサ物質の領域によって分離されるように、上記工程のうちの最初の2工程を繰り返す工程とをさらに包含する、請求項1に記載の方法。
Bringing the end of the capillary channel into contact with the target material source and applying a voltage to the spacer material source with respect to the first electrode so that the spacer material is electrokinetically introduced into the capillary channel. The step of applying
Placing the end of the capillary channel in the source of the first spacer material;
Applying a voltage to the source of the first spacer material with respect to the electrode such that the first spacer material is electrokinetically introduced into the capillary channel;
Placing the end of the capillary channel in the source of a second spacer material;
Applying a voltage to the source of the second spacer material with respect to the electrode, such that the second spacer material is electrokinetically introduced into the capillary channel;
The method further comprises repeating the first two of the steps so that a plurality of different target materials are separated by the regions of the first, second and first spacer materials. the method of.
前記第1のスペーサ物質が、高イオン濃度の溶液を含み、前記第2のスペーサ物質が、低イオン濃度の溶液を含む、請求項6に記載の方法。 The method of claim 6, wherein the first spacer material comprises a high ionic concentration solution and the second spacer material comprises a low ionic concentration solution. 前記キャピラリーチャネルの端部が前記物質またはスペーサソースに接するときに第2の電極がソースに接するように、該第2の電極を該キャピラリーチャネルから該キャピラリーチャネルの端部に沿って配置する工程をさらに包含し、前記電圧印加工程が、前記微小流体システムの電極と、前記第2の電極との間に電圧差を作り出す工程を包含する、請求項1に記載の方法。 Disposing the second electrode from the capillary channel along the end of the capillary channel such that the second electrode contacts the source when the end of the capillary channel contacts the material or spacer source. The method of claim 1 further comprising the step of applying a voltage comprising creating a voltage difference between an electrode of the microfluidic system and the second electrode. 前記電圧印加工程が、前記微小流体システムの電極に関して、前記対象物質またはスペーサソースに負の電圧を印加する工程を包含する、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein applying the voltage comprises applying a negative voltage to the target material or spacer source with respect to an electrode of the microfluidic system. 複数の対象物質を、チャネルに沿って第1の場所から第2の場所に移動させるための微小流体システムであって、該微小流体システムが、
該第1の位置および該第2の位置に電圧差を作り出すためのソースと、
該チャネルにある複数の対象物質領域であって、高イオン濃度の第1のスペーサ領域と、低イオン濃度の少なくとも1つの第2のスペーサ領域とによって分離される複数の対象物質領域とを含む、システム。
A microfluidic system for moving a plurality of objects of interest along a channel from a first location to a second location, the microfluidic system comprising:
A source for creating a voltage difference between the first position and the second position;
A plurality of target material regions in the channel, wherein the target material regions are separated by a first spacer region having a high ion concentration and at least one second spacer region having a low ion concentration; system.
複数の対象物質領域を、チャネル上の第1の点から第2の点に輸送するための微小流体システムであって、該微小流体システムが、
各対象物質領域の両側にある一対の第1のスペーサ領域であって、高イオン濃度を有する第1のスペーサ領域と、
少なくとも1つの第2のスペーサ領域であって、低イオン濃度を有する第2のスペーサ領域とを含む、システム。
A microfluidic system for transporting a plurality of regions of interest from a first point on a channel to a second point, the microfluidic system comprising:
A pair of first spacer regions on both sides of each target material region, the first spacer region having a high ion concentration;
At least one second spacer region, the second spacer region having a low ion concentration.
前記第2のスペーサ領域が、前記第1のスペーサ領域よりも少なくとも2桁小さい大きさのイオン濃度を有する、請求項11に記載のシステム。 The system of claim 11, wherein the second spacer region has an ion concentration that is at least two orders of magnitude less than the first spacer region. 前記第2のスペーサ領域が、1〜10mMの範囲のイオン濃度を有し、前記第1のスペーサ領域が、100〜1000mMの範囲のイオン濃度を有する、請求項12に記載の微小流体システム。 13. The microfluidic system of claim 12, wherein the second spacer region has an ion concentration in the range of 1-10 mM, and the first spacer region has an ion concentration in the range of 100-1000 mM. 基板に配置される少なくとも第1のチャネルおよび少なくとも第2のチャネルを有する該基板であって、該少なくとも第2のチャネルは該第1のチャネルと交差しており、該第1のチャネルは、該第2のチャネルよりも深い基板と、
電気浸透流体方向付けシステムとを含む、微小流体システム。
The substrate having at least a first channel and at least a second channel disposed on the substrate, wherein the at least second channel intersects the first channel, and the first channel is A substrate deeper than the second channel;
An electroosmotic fluid directing system.
前記少なくとも第1のチャネルが、前記第2のチャネルよりも少なくとも2倍深い、請求項14に記載の微小流体システム。 15. The microfluidic system of claim 14, wherein the at least first channel is at least twice as deep as the second channel. 前記少なくとも第1のチャネルが、前記第2のチャネルよりも少なくとも5倍深い、請求項14に記載の微小流体システム。 15. The microfluidic system of claim 14, wherein the at least first channel is at least 5 times deeper than the second channel. 前記少なくとも第1のチャネルが、前記第2のチャネルよりも少なくとも約10倍深い、請求項14に記載の微小流体システム。 15. The microfluidic system of claim 14, wherein the at least first channel is at least about 10 times deeper than the second channel. 電気浸透流体方向付けシステムにおいて、流体ストリームを第1のチャネルに沿って制御可能に送達する方法であって、前記第1のチャネルが、少なくとも第2のチャネルと交差し、該流体ストリームが、異なるイオン濃度を有する少なくとも2つの流体領域を含み、該方法が、該第1のチャネルに、該第2のチャネルよりも大きい深さを与える工程を包含する、方法。 In an electroosmotic fluid directing system, a method for controllably delivering a fluid stream along a first channel, wherein the first channel intersects at least a second channel, and the fluid streams are different. A method comprising at least two fluidic regions having an ionic concentration, the method comprising providing the first channel with a depth greater than the second channel. 微小流体チャネル内で流体サンプルを輸送する方法であって、
少なくとも、第1のイオン濃度を有する第1の流体物質のプラグを、該チャネルに導入する工程と、
少なくとも第1のサンプル流体プラグを該チャネルに導入する工程と、
少なくとも、該第1のイオン濃度を有する第2の流体物質プラグを、該チャネルに導入する工程と、
少なくとも、第2のイオン濃度を有する第3の流体物質プラグを導入する工程とを包含し、該第2のイオン濃度は、該第1のイオン濃度よりも低く、
該チャネルに電圧を印加する工程をさらに包含する、方法。
A method of transporting a fluid sample within a microfluidic channel, comprising:
Introducing a plug of at least a first fluid material having a first ion concentration into the channel;
Introducing at least a first sample fluid plug into the channel;
Introducing at least a second fluidic material plug having the first ion concentration into the channel;
Introducing at least a third fluid material plug having a second ion concentration, wherein the second ion concentration is lower than the first ion concentration;
A method further comprising applying a voltage to the channel.
前記少なくとも第1の流体物質プラグ、前記少なくともサンプル流体プラグ、前記少なくとも第2の流体物質プラグ、および前記少なくとも第3の流体物質プラグを導入する前記工程が、
前記チャネルの端部を、該少なくとも第1の流体物質のソースと接触させて、該少なくとも第1の流体物質のソースから該チャネルに電圧を印加し、それにより、該第1の流体物質が、該チャネルに導入される工程と、
該チャネルの端部を、該少なくとも第1のサンプル流体のソースと接触させて、該少なくとも第1のサンプル流体の該ソースから該チャネルに電圧を印加し、それにより、該第1のサンプル流体が、該チャネルに導入される工程と、
該チャネルの端部を、該少なくとも第2の流体物質のソースと接触させて、該少なくとも第2の流体物質の該ソースから該チャネルに電圧を印加し、それにより、該第2の流体物質が、該チャネルに導入される工程と、
該チャネルの端部を、該少なくとも第3の流体物質のソースと接触させて、該少なくとも第3の流体物質の該ソースから該チャネルに電圧を印加し、それにより、該第3の流体物質が、該チャネルに導入される工程とを包含する、請求項19に記載の方法。
Introducing the at least first fluid material plug, the at least sample fluid plug, the at least second fluid material plug, and the at least third fluid material plug;
An end of the channel is brought into contact with the source of the at least first fluid material to apply a voltage to the channel from the source of the at least first fluid material, whereby the first fluid material is Introducing into the channel;
An end of the channel is brought into contact with the source of the at least first sample fluid to apply a voltage from the source of the at least first sample fluid to the channel so that the first sample fluid is Introducing into the channel;
An end of the channel is brought into contact with the source of the at least second fluid material to apply a voltage to the channel from the source of the at least second fluid material, whereby the second fluid material is Introducing into the channel;
An end of the channel is brought into contact with the source of the at least third fluid material to apply a voltage from the source of the at least third fluid material to the channel so that the third fluid material is And introducing into the channel.
チャネルを有する基板の使用であって、少なくとも第1の対象物質を、該チャネルに沿って少なくとも第1の場所から第2の場所に輸送する際に、印加電圧のために該チャネルに沿って輸送される少なくとも1つの低イオン濃度領域を用いる、使用。 Use of a substrate having a channel, wherein at least a first target material is transported along the channel due to an applied voltage when transporting along the channel from at least a first location to a second location Use of at least one low ion concentration region. 前記1つの領域のイオン濃度が、前記対象物質のイオン濃度よりも低い、請求項21に記載の使用。 The use according to claim 21, wherein an ion concentration of the one region is lower than an ion concentration of the target substance. 高イオン濃度のスペーサ領域によって分離される複数の対象物質が輸送される、請求項21または22に記載の使用。 23. Use according to claim 21 or 22, wherein a plurality of target substances separated by a high ion concentration spacer region are transported. 前記基板が、微小流体システムである、請求項21から23のいずれかに記載の使用。 24. Use according to any of claims 21 to 23, wherein the substrate is a microfluidic system. 流れ状態を最適にする際の微小流体システムの使用であって、該微小流体システムが、少なくとも第1および第2の流体チャネルを有し、該チャネルが、異なる深さを有する、使用。 Use of a microfluidic system in optimizing flow conditions, wherein the microfluidic system has at least first and second fluid channels, and the channels have different depths. 一方のチャネルが、他方のチャネルよりも2倍〜10倍深い、請求項25に記載の使用。 26. Use according to claim 25, wherein one channel is 2 to 10 times deeper than the other channel. チャネルを有する基板を含む微小流体システムであって、印加電圧のために該チャネルに沿って輸送される少なくとも1つの低イオン濃度領域を用いて、少なくとも第1の対象物質が該チャネルに沿って少なくとも第1の場所から第2の場所に輸送される、微小流体システム。 A microfluidic system comprising a substrate having a channel, wherein at least a first target substance is at least along the channel using at least one low ion concentration region transported along the channel for an applied voltage A microfluidic system transported from a first location to a second location. 前記1つの領域のイオン濃度が、前記対象物質のイオン濃度よりも実質的に低い、請求項27に記載のシステム。 28. The system according to claim 27, wherein an ion concentration of the one region is substantially lower than an ion concentration of the target substance. 高イオン濃度のスペーサ領域によって分離される複数の対象物質が輸送される、請求項27または28に記載のシステム。 29. A system according to claim 27 or 28, wherein a plurality of target substances separated by a high ion concentration spacer region are transported. 流れ状態を最適にするために、互いに交差する少なくとも第1および第2の流体チャネルを有し、該チャネルが、異なる深さを有する、微小流体システム。 A microfluidic system having at least first and second fluid channels intersecting each other, the channels having different depths to optimize flow conditions. 一方のチャネルが、他方のチャネルよりも2倍〜10倍深い、請求項30に記載のシステム。 32. The system of claim 30, wherein one channel is 2 to 10 times deeper than the other channel.
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