JP2005533651A

JP2005533651A - 求心力による流体の移動を助長するミクロチャンネル設計特徴

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Publication number: JP2005533651A
Application number: JP2005505600A
Authority: JP
Inventors: シーンエム．デスモンド，; ジョンシゲウラ，
Original assignee: アプレラコーポレイション
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2005-11-10
Also published as: EP1534429A2; WO2004011365A2; WO2004011365A3; CA2493700A1; EP1534429A4; AU2003253944A1

Abstract

ミクロ流体素子装置（１００）が基板（１０８）中に作製され、供給チャンネル（１１０）に接続する入力チャンネル（１０４）と流体連通する入力ポート（１０６）を含むことができる。別の実施形態では、求心力による流体の移動を助長する複数の特化した処理機能を有するミクロ流体素子装置も提供される。さらに詳しくは、本出願は、ミクロな大きさの量の流体および流体試料を操作し、処理し、または他の方法で変更する装置に関する。

Description

（関連出願へのクロスリファレンス）
本出願は参照によってすべて本明細書中にそれぞれ全体として組み込まれる以下の先出願からの優先権を主張する。２００２年７月３０日出願の米国特許仮出願第６０／３９９，５４８号明細書、２００２年７月２６日出願の米国特許仮出願第６０／３９８，８５１号明細書、および両方とも２００３年１月３日出願の米国特許出願第１０／３３６，２７４号、および第１０／３３６，３３０号明細書。

（分野）
本出願は、ミクロ流体素子装置、前記装置を含むシステム、および前記装置およびシステムを使用する方法に関する。さらに詳しくは、本出願は、ミクロな大きさの量の流体および流体試料を操作し、処理し、または他の方法で変更する装置に関する。

（背景）
ミクロ流体素子装置は流体試料を操作するために用いられる。迅速で、信頼性が高く、消費可能で、非常に多数の試料を同時に処理するために用いることができるミクロ流体素子装置、該装置を用いる方法、および試料を処理するために該装置および該方法を組み込むシステムに対する需要が常に存在する。

（要約）
さまざまな実施態様によって、フローチャンネルを有し、過剰な流体の捕集液溜めを含むミクロ流体素子装置が提供される。この装置は計量された量の試料を処理のために供給し、過剰な試料をすべて捕集することができる。

さまざまな実施態様によって、第一の面、反対側の第二の面、および厚み、第一および第二の面の少なくとも一方中に作製された入力ポート、および基板中に作製され入力ポートと流体連通した多岐管であって、第一の方向に伸びる供給チャンネル、供給チャンネルからそれぞれ分岐し、閉鎖端でそれぞれ終わる多岐管を備える基板を有するミクロ流体素子装置が提供される。分岐チャンネルは互いに平行であってもよい。基板はまた複数のチャンバをそれぞれ含んでもよく、少なくとも一つのチャンバは各分岐チャンネルの閉鎖末端に隣接して基板中に作製してもよい。

さまざまな実施態様によって、ミクロ流体素子装置および処理装置を有する試料処理システムが提供される。ミクロ流体素子装置は第一の面、反対側の第二の面、および厚み、第一および第二の面の少なくとも一方中に作製された入力ポート、および多岐管を有する基板を含む。多岐管は基板中に作製され、入力ポートと流体連通し、第一の方向に伸びる供給チャンネル、および供給チャンネルから分岐する複数の平行分岐チャンネルを含んでもよい。分岐チャンネルは互いに平行であってもよい。処理装置は回転軸を有する回転可能プラテン、プラテン上またはプラテン中にミクロ流体素子装置を保持し、回転軸に対して中心を外れて配置することができるホルダー、および回転軸のまわりにプラテンを回転させる駆動ユニットを含んでもよい。

さまざまな実施態様によって、ミクロ流体素子装置および処理装置を有する試料処理システムが提供される。ミクロ流体素子装置は第一の実質的に長方形の面、第一の面の反対側の第二の実質的に長方形の面、厚み、長さ、幅、および基板の長さまたは幅のどちらかに平行に配置された幾何学的に平行な複数の処理経路を有する基板を含んでもよい。処理装置は回転軸を有する回転可能プラテン、およびプラテン上またはプラテン中にミクロ流体素子装置を保持し回転軸に対して中心を外れて配置することができるホルダーを含んでもよい。ホルダーは、ミクロ流体素子装置の長さまたは幅に平行なプラテンの任意の半径が他方と、つまりミクロ流体素子装置の幅または長さとそれぞれ交差しないように、プラテン中またはプラテン上にミクロ流体素子装置を保持することができる。

さまざまな実施態様によって、ミクロ流体素子装置内の複数の分岐チャンネルに液体試料を分配する方法が提供される。この方法はミクロ流体素子装置を提供する工程、入力ポートを通して装置の供給チャンネルに液体試料を導入する工程、およびミクロ流体素子装置を遠心回転させ、供給チャンネルから分岐チャンネルに流体を強制的に移動させる工程を含んでもよい。ミクロ流体素子装置は基板、入力ポート、および多岐管を含んでもよく、基板は第一の面、反対側の第二の面、および厚みを含み、入力ポートは第一および第二の面の少なくとも一方中に作製され、多岐管は基板中に作製され入力ポートと流体連通する。多岐管は第一の方向に伸びる供給チャンネル、および供給チャンネルに垂直に供給チャンネルからそれぞれ分岐する複数の分岐チャンネルを含んでもよい。分岐チャンネルは互いに平行であってもよい。

（特定の実施形態の詳細な説明）
さまざまな実施態様によって、フローチャンネルを有し、過剰流体捕集用の液溜めを含むミクロ流体素子装置が提供される。この装置は計量された量の試料を処理のために供給し、過剰の試料をすべて捕集することができる。

図１は、例えば試料処理後、例えばＰＣＲ増幅後に過剰の流体試料を捕集して保持するために使うことができるミクロ流体素子装置１４０の上面図である。ミクロ流体素子装置１４０は入力ポート１０６および入力チャンネル１４４を有する基板１４２を含む。入力チャンネル１４４は供給チャンネル１５０に接続し、供給チャンネルは二つの等しくない体積の平行分岐チャンネル１４６および１４８に分割される。平行分岐チャンネル１４８は流体捕集用予備チャンバとして用いてもよい。入力チャンネル１４４は平行分岐チャンネル１４６および１４８の上流にある。入力チャンネル１４４の上流には図に示す入力ポート１０６あるいはチャンバ、ウェル、または開口部があってもよい。平行分岐チャンネル１４８は予備チャンバとして他のいかなるチャンバともそれ以上の流体連通はしないものとして設計されるが、平行分岐チャンネル１４６は他のチャンバ、ウェル、またはさらに下流の開口部と流体連通してもよく、あるいはバルブ調節によって流体連通してもよい。

さまざまな実施態様によれば、ＰＣＲ反応をたとえば５μＬの体積で実施してもよく、その場合配列決定反応用に２μＬの体積を必要とし、残りの３μＬの体積を診断用に使ってもよい。ユーザはこの過剰の診断物質をアガロースゲル上で分析して、フラグメントが適正に増幅されていることを確認してもよい。分析を可能にするために、平行分岐チャンネル１４８を流体捕集用予備チャンバとして使用してもよい。分岐チャンネル１４６は２μＬの試料１５４を含んでもよく、一方過剰な３μＬの試料１５６を平行分岐チャンネル１４８中に収容してもよい。さまざまな実施態様では、平行分岐チャンネル中への試料の分配後にバルブを開けてもよく、２μＬの試料１５４は次の反応チャンバ、例えばＥＸＯ‐ＳＡＰチャンバへ流れてもよく、一方過剰の試料１５６は分岐チャンネル１４８中に残る。さまざまな実施態様によれば、針、注射器、またはピペットで装置のカバー１５２を突き抜き、分岐チャンネル１４８から所望量の試料１５６を注意深く抽出することによって、過剰な試料１５６を利用してもよい。

さまざまな実施態様によって、第一の面、反対側の第二の面、および厚み、第一および第二の面の少なくとも一方の中に作製された入力ポート、および基板中に作製され入力ポートと流体連通する多岐管を備える基板を有するミクロ流体素子装置が提供される。多岐管は第一の方向に伸びる供給チャンネル、および供給チャンネルからそれぞれ分岐しそれぞれ閉鎖端で終わる複数の分岐チャンネルを含んでもよい。分岐チャンネルは互いに平行であってもよい。基板はまた、複数のチャンバをそれぞれ含んでもよく、少なくとも一つのチャンバは各分岐チャンネルの閉鎖端に隣接して基板中に作製される。複数の分岐チャンネルはそれぞれ供給チャンネルに垂直な方向に伸びてもよい。複数の分岐チャンネルはそれぞれ少なくとも一つの処理チャンバを有するそれぞれの経路と中断可能に流体連通してもよい。各分岐チャンネルとそのそれぞれ少なくとも一つの処理チャンバとの間にバルブを提供してもよい。複数の分岐チャンネルはそれぞれバルブを有してもよい。多岐管は複数の分岐チャンネル体積の全体積にほぼ等しい第一の体積の流体を含有してもよい。さまざまな実施態様によれば、ミクロ流体素子装置中の複数の分岐チャンネルはそれぞれミクロ流体素子装置中の基板の面に平行であってもよく、および／または直角であってもよい方向に伸びる。

さまざまな実施態様によれば、複数の分岐チャンネルはそれぞれ体積を有してもよい。ミクロ流体素子装置中の複数の分岐チャンネルの全体積は約５μＬから約１００μＬ、たとえば約５０μＬであってもよい。各平行分岐チャンネルの体積は約０．０５μＬから約５μＬ、たとえば０．５μＬ、１μＬ、または２μＬであってもよい。

さまざまな実施態様によれば、ミクロ流体素子装置の入力ポートは広い端および狭い端を有し、狭い末端が供給チャンネルと流体連通する涙滴形であってもよい。

図２は、ミクロ流体素子装置１００の上面図である。ミクロ流体素子装置１００は基板１０８中に作製してもよい。ミクロ流体素子装置１００は供給チャンネル１１０に接続する入力チャンネル１０４と流体連通する入力ポート１０６を含んでもよい。複数の平行分岐チャンネル１０２が供給チャンネル１１０に接続してもよい。この配置ではミクロ流体素子装置１００はフロー分配器として用いてもよい。ミクロ流体素子装置１００を用いて一つの流体試料を複数の小部分に分割してもよい。同様なミクロ流体素子装置であるが試料を二つの部分に分割するためにだけ用いられるミクロ流体素子装置を本明細書中ではフロースプリッタと呼ぶ。

動作時には、ミクロ流体素子装置１００は回転可能プラテン（示していない）上に置き、プラテンを回転してもよい。基板１０８は、入力チャンネル１０４が半径方向で複数の平行分岐チャンネルよりプラテンの中心に近くなれるように、ホルダー中でプラテン中に、プラテン上に、またはプラテンに対して配向してもよい。さまざまな実施態様によれば、入力チャンネル１０４は、供給チャンネル１１０に沿って半径方向に測定したプラテンの中心に最も近い点で入力チャンネル１０４が供給チャンネル１１０に接続し、遠心分離で複数の分割量または試料部分１１２が提供されるように、基板１０８中に配置してもよい。さまざまな実施態様によれば、一つの試料から流体試料を二つ以上の試料または分割量に分割し、たとえば試料を２、３、６、１２、２４、４８、９６、１９２、または３８４個の試料または分割量に分割する流体分配器を作製してもよい。

平行分岐チャンネル１０２は所望するだけ多数の部分または分割量１１２として等体積の流体を得るために使用してもよい。平行分岐チャンネル１０２は各分割量１１２の別の処理のための個別経路を形成する処理チャンバ（示していない）と流体連通してもよい。これらの経路は単一反応またはプロセス、例えば順方向配列決定を実行するために用いてもよく、あるいは複数の同じ反応またはプロセスまたは複数の異なる反応またはプロセス、例えば分割量に対するＰＣＲを実行してもよい。経路の処理チャンバで反応またはプロセスを実行するために必要な試薬は、ミクロ流体素子装置１００の製造時にそれぞれの処理チャンバ内に充填してもよく、または使用時に充填してもよい。

さまざまな実施態様によれば、平行分岐チャンネル１０２中で反応が起こるように、平行分岐チャンネル１０２は内部に試薬を配置してもよい。試薬は当分野で知られている任意の方法を用いて処理チャンバ中に配置してもよい。たとえば試薬は希釈液を用いて噴霧乾燥、供給してもよく、毛管、ピペット、および／またはロボットピペットを用いて注入してもよく、あるいはその他の方法で処理チャンバまたはチャンネル中に配置してもよい。

さまざまな実施態様によれば、入力チャンネル１０４は平行分岐チャンネル１０２に相対する供給チャンネル１１０上の任意の点で供給チャンネル１１０に接続してもよい。接続は、たとえば供給チャンネル１１０の中点、または供給チャンネル１１０の一端近くであってもよい。さまざまな実施態様によれば、供給チャンネル１１０は入力ポートであってもよい。さまざまな実施態様によれば、平行分岐チャンネル１０２は供給チャンネル１１０と直角では結合しない。

さまざまな実施態様によれば、平行分岐チャンネル１０２の下流での流体連通は複数のバルブ（示していない）をそれぞれ用いることによって中断可能であってもよい。さまざまな実施態様によれば、各平行分岐チャンネル１０２は、平行分岐チャンネル１０２と流体連通するそれぞれのバルブを有してもよい。各平行分岐チャンネル１０２と流体連通するバルブを操作する前に、プラテン上でミクロ流体素子装置１００を回転させ、入力ポート１０６から各平行分岐チャンネル１０２に流体試料を供給してもよい。さまざまな実施態様によれば、バルブは一つ以上の平行分岐チャンネル１０２と流体連通しなくてもよい。さまざまな実施態様によれば、流体試料は供給チャンネル１１０を通って操作され、その平行分岐チャンネル１０２からのオーバーフローが次の隣接の平行分岐チャンネルに流れるまで、第一の平行分岐チャンネル１０２を満たしてもよい。

図３は、基板１２８およびカバー層１２１を含むミクロ流体素子装置１２０の上面図である。カバー層１２１の下の入力チャンネル１２２は同じくすべてカバー層１２１の下の供給チャンネル１２６および供給チャンネル１２６と流体連通する複数の平行分岐チャンネル１２４を含む多岐管に接続する。入力チャンネル１２２は供給チャンネル１２６の中点付近で供給チャンネル１２６に接続してもよい。

図１〜３は、ミクロ流体素子装置中に例えば基板の第一の面または第二の面のどちらかに平面形に作製されたフロースプリッタを示す。この配置は水平面にあり、流体試料を分割する一つの可能な実施態様である。さまざまな実施態様によれば、流体試料は基板の垂直面中で分割してもよい。

さまざまな実施態様によれば、フロー分配器は基板の厚み中に作製してもよい。さまざまな実施態様によれば、垂直面中に実体化されたフロースプリッタは、閉鎖端分岐チャンネル、開放端分岐チャンネル、または複数の開放端および／または閉鎖端分岐チャンネル、またはそれらの組み合わせを有してもよい。閉鎖端分岐チャンネルは流体捕集用予備チャンバなどの予備チャンバであってもよい。

さまざまな実施態様によれば、フロー分配器は、プラテンの回転中心軸に向かう方向で、回転可能プラテン中のホルダー中のフロー分配器の配置場所に対して、右揃えにしても左揃えにしてもよい。右揃えにしたフロー分配器は供給チャンネルの右端に接続する入力チャンネルを有する。左揃えにしたフロー分配器は供給チャンネルの左端に接続する入力チャンネルを有する。フロー分配器は供給チャンネルの長さに沿ってほぼ中心に接続する入力チャンネルを有して中心揃えにしてもよい。

図４は、さまざまな実施態様によるミクロ流体素子装置１６０の側面透視図である。入力チャンネル１７２は供給チャンネル１７０を含む多岐管と流体連通する。供給チャンネル１７０は、基板１６２中に作製された平行分岐チャンネル１６８および１７４と流体連通する。ミクロ流体素子装置は、たとえばプラスチックまたは金属のフィルムまたはホイルでできている第一のカバー１６４および第二のカバー１６６をさらに含む。図の実施態様では、平行分岐チャンネル１６８および１７４は基板１６２の深さ次元中に作製される。ミクロ流体素子装置１６０の平行分岐チャンネル１６８中にある体積の試料流体を保持してもよい。さまざまな実施態様によれば、流体はバルブの開放（図示していない）後に次のチャンネルまたはチャンバへ移動してもよく、あるいは将来の分析のために平行分岐チャンネル１６８中に貯蔵してもよい。流体が貯蔵されるときには、平行分岐チャンネル１６８を流体捕集用予備チャンバのための予備チャンバ、液溜め、またはその他の装置として用いてもよい。図４を参照して説明し図示するチャンバ、バルブ、チャンネルおよびバイアの配置を本明細書中では垂直スプリッタと呼ぶ。

さまざまな実施態様によれば、ミクロ流体素子装置、たとえば本明細書中でさまざまな図中で説明したミクロ流体素子装置１００、１２０、１４０、および１６０は長方形の基板中に作製してもよい。ミクロ流体素子装置の入力ポートは涙滴形チャンバであってもよい。さまざまな実施態様によれば、ミクロ流体素子装置はプラテン中またはプラテン上に保持し、プラテンの中心回転軸の周りに回転してもよい。ミクロ流体素子装置を含むプラテンを回転させるために必要な回転力は、ミクロ流体素子装置の入力ポートからフロー分配器に、フローリストリクターに、および／またはバルブを通して流体を連通させるために十分であってもよい。ミクロ流体素子装置の予備チャンバ中に捕集された試料流体の体積は平行分岐チャンネル内の流体の体積より大きくてもよく、同じでもよく、あるいは小さくてもよい。

図５ａ〜５ｄは、さまざまな実施態様によるミクロ流体素子装置中で使うことができるさまざまなチャンネルプロフィルの断面図である。図５ａでは、長方形の断面区域を有するチャンネル２４２が基板２４０中に作製される。断面積区域は１より大きいアスペクト比、すなわち幅／深さの比を有する。図５ｂでは、半長円形の断面区域を有するチャンネル２４６が基板２４４中に作製される。断面区域は１より大きいアスペクト比、すなわち幅／深さの比を有する。図５ｃでは、薄く狭いチャンネル２５０が基板２４８中に作製され、断面区域は１より小さいアスペクト比、すなわち幅／深さの比を有する。図５ｄでは、台形の断面区域を有するチャンネル２５４が基板２５２中に作製され、一般に１未満のアスペクト比を有する。これらおよびその他の断面設計はチャンネル、たとえばフロー絞りチャンネルとして使ってもよく、予め作製してもよく、あるいはさまざまな実施態様によってバルブを開ける操作時に作製してもよい。

例となる直線状チャンネルフローリストリクターの断面の寸法的な特性は、たとえば約０．２ｍｍかける約０．２ｍｍでもよい。そのようなチャンネルの幅は約０．０５ｍｍから約０．５ｍｍ、たとえば約０．２ｍｍであってもよい。そのようなチャンネルの高さは約０．０５ｍｍから約０．５ｍｍ、たとえば約０．２ｍｍであってもよい。そのようなチャンネルの長さはたとえば約０．１ｍｍから約１０ｃｍ、たとえば、約５ｍｍであってもよい。約０．５０ｍｍより大きな最小寸法を有するもっと大きなチャンバの場合にはフローリストリクターを使用してもよく、チャンバ中に粒子、たとえばバイオラッド（ＢｉｏＲａｄ）から入手できるＰ‐１０ビーズ、サイズ排除イオン交換ビーズ、微粒子、サイズ排除クロマトグラフィビーズ、当業者に知られているその他の粒子、またはそれらの組み合わせを保持するためにフローリストリクターを使用してもよい。フローリストリクターは粒子を保持するチャンバの下流に配置してもよい。下流とは、回転可能なプラテン上に装置を動作状態で保持するとき、フローリストリクターを回転軸からチャンバより遠くに配置することを意味する。求心力が加わると、チャンバ中の流体試料および微粒子はフローリストリクターの方へ移動し、微粒子はそこで保持され、一方流体は隣接するチャンネルまたはチャンバ中に移動できる。

さまざまな実施態様および上記説明によれば、フローリストリクターの寸法は正方形断面に限定されない。その他の形状を実体化して良い結果を得ることができる。たとえば、深さ約０．１０ｍｍおよび幅約０．３０ｍｍの断面を有する長方形のフロー絞りチャンネルを基板中に作製して、バイオラッドから入手可能なＰ‐１０ビーズゲルなどの濾過媒体を保持してもよい。

図６ａは、複数のそれぞれの処理経路に至る複数の入力ポート２０２を有するミクロ流体素子装置２００の上面図であり、処理経路の一つを２０３として示す。例となる処理経路２０３は例となる出力ポート２０５と流体連通する。図示するフローの矢印は入力ポート２０２から出力ポート２０５への流体の移動の方向を示す。入力ポート２０２は、流体の移動の方向と同じ方向に向いた細い端２０４を有する涙滴形であってもよい。処理経路２０３はミクロ流体素子装置の長さがミクロ流体素子装置の幅より大きいミクロ流体素子装置の長さ方向に配置してもよい。

図６ｂは、複数のそれぞれの処理経路に至る複数の入力ポート２１２を有するミクロ流体素子装置２１０の上面図であり、処理経路の一つを２１３として示す。例となる処理経路２１３は例となる出力ポート２１５と流体連通する。フローの矢印は入力ポート２１２から出力ポート２１５への流体の移動の方向を示す。処理経路２１３はミクロ流体素子装置の長さがミクロ流体素子装置の幅より大きいミクロ流体素子装置の幅方向に配置してもよい。ミクロ流体素子装置２１０中に位置決めピンホール２１４および位置決めノッチ２１６を提供してもよい。

図６ｃは、中心回転軸２２２を有する回転可能プラテン２２０、ならびにミクロ流体素子装置２２４および２２６を含む試料処理システムの上面図である。ミクロ流体素子装置２２４は、入力ポート２２５が半径方向でそれぞれの処理経路２２１より回転軸２２２に近くなるように、プラテン２２０上で配向してもよい。同様にミクロ流体素子装置２２６は、入力ポート２２７が半径方向でそれぞれの処理経路２２８より回転軸２２２に近くなるように、プラテン２２０上で配向してよい。ミクロ流体素子装置２２４、２２６はホルダー（示していない）を用いてプラテン２２０に保持してもよい。ミクロ流体素子装置２２４、２２６の配置の配向はホルダー中の、あるいはホルダーとともに含まれる一つ以上の位置決めピンホール２２９、位置決めピン（示していない）、位置決めノッチ、位置決めくぼみなどによって、支援してもよい。

さまざまな実施態様によれば、基板中に作製されたミクロ流体素子装置およびミクロ流体素子装置を確保するホルダーを有する試料処理システムは、基板中に作製された少なくとも一つの位置決めピンホールおよびホルダー中の少なくとも一つの位置決めピンを含んでもよい。少なくとも一つの位置決めピンホールは少なくとも一つの位置決めピンと相補的であってもよい。位置決めピンホールは基板の第一の面から反対側の第二の面まで伸び、したがって基板を貫通するホールを形成してもよい。位置決めピンホールは、基板を貫通して第二の面まで達することなく、第一の面を通って途中まで伸びてもよい。位置決めは基板の辺上のノッチ、たとえば半円形ノッチ、三角形ノッチ、または正方形ノッチによってもよい。さまざまな実施態様では、少なくとも一つの位置決めピンホールまたはノッチと相補的な少なくとも一つの位置決めピンが、ミクロ流体素子装置を回転可能なプラテンに保持するために、ホルダー中に配置されてもよい。

さまざまな実施態様によって、ミクロ流体素子装置および処理装置を有する試料処理システムが提供される。ミクロ流体素子装置は第一の面、反対側の第二の面、および厚み、少なくとも第一および第二の面の一方の中に作製された入力ポート、および多岐管を有する基板を含む。多岐管は基板中に作製され、入力ポートと流体連通してもよい。多岐管は第一の方向に伸びる供給チャンネル、および供給チャンネルから分岐する複数の分岐チャンネルを含んでもよい。分岐チャンネルは互いに平行であってもよく、供給チャンネルに垂直であってもよい。処理装置は回転軸を有する回転可能プラテン、プラテン上またはプラテン中にミクロ流体素子装置を保持し回転軸に対して中心を外れて配置することができるホルダー、および回転軸の周りにプラテンを回転させる駆動ユニットを含んでもよい。ミクロ流体素子装置は、ミクロ流体素子装置の長さまたは幅に平行なプラテンの任意の半径が他方と、つまりミクロ流体素子装置の幅または長さとそれぞれ交差しないように、ホルダーによって保持してもよい。ミクロ流体素子装置は基板中に作製された複数の入力ポートおよび複数の入力ポートと流体連通するそれぞれ複数の多岐管を含んでもよい。

さまざまな実施態様によって、ミクロ流体素子装置内の複数の分岐チャンネルに液体試料を分配する方法が提供される。この方法はミクロ流体素子装置を提供する工程、入力ポートを通して装置の供給チャンネルに液体試料を導入する工程、およびミクロ流体素子装置を遠心回転させ、供給チャンネルからミクロ流体素子装置の複数の分岐チャンネルの一つ以上に流体を強制的に移動させる工程を含む。ミクロ流体素子装置は、内部または上部にミクロ流体素子装置を保持する回転可能プラテンを含む試料処理システムの一部であってもよい。

本明細書中で説明するように、プラテン中またはプラテン上にミクロ流体素子装置を保持するホルダーは、さまざまな方法および／または装置を用いて作製してもよい。ホルダーはミクロ流体素子装置を配置し嵌め込むことができるプラテン中のくぼみを含んでもよい。ホルダーは、ミクロ流体素子装置をプラテン中またはプラテン上に保持するために、ピンとホールとの組み合わせ、ピンとノッチとの組み合わせ、クリップ、スイングアーム、ネジ、ベルクロ、スナップ、ストラップ、テープ、接着剤、ドア、その他のファスナー、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。

図７ａは中心回転軸２４２を有する回転可能プラテン２４０の上面図であり、内部に二つのミクロ流体素子装置２４４、２５４を配置することができる。各ミクロ流体素子装置は、例えば涙滴形の入力ポート２４６を有してもよい。図７ａの線７ｂに沿って作図した拡大図７ｂは、半径方向でプラテン２４０の回転中心軸２４２から涙滴形チャンバ２４６の円形の第一末端２４８より遠い涙滴形チャンバ２４６の細い末端２５０を示す。ミクロ流体素子装置２４４は、プラテン２４０の中心線２５２がミクロ流体素子装置２４４、２５４の長さまたは幅に平行であるように、プラテン２４０中に配置される。さまざまな実施態様によれば、位置決めピンホール２６０および位置決めノッチ２６２が各ミクロ流体素子装置２４４、２５４に提供されてもよい。図７ａに示すように、ミクロ流体素子装置２５４はプラテン２４０の中心線２５２の左側にあってもよい。ミクロ流体素子装置２５４は左揃え配向であってもよい。ミクロ流体素子装置２４４は中心線２５２の右側にあってもよい。ミクロ流体素子装置２４４は右揃え配向であってもよい。プラテン２４０の中心線２５２に対するミクロ流体素子装置２４４および２５４の配置によって、涙滴形チャンバ２４６を傾ける方向を決定してもよい。たとえば、中心線の右に配置されたミクロ流体素子装置２４４の場合には、涙滴形チャンバ２４６の細い端２５０は、図７ｂに示すように右の方を向いてもよい。さまざまな実施態様によれば、涙滴形チャンバ２４６の傾きの角度は、基板中に作製されたすべての涙滴形チャンバ２４６について同じであってもよい。別の実施態様では、涙滴形チャンバ２４６の細い端２５０は半径方向を向いてもよい。各涙滴形チャンバ２４６は独自の傾き角度を有してもよい。

さまざまな実施態様によれば、涙滴形チャンバ２４０は基板の短辺に沿って配置されてもよい。涙滴形チャンバ２４０はまた基板の長辺方向に配向されてもよい。さまざまな実施態様によれば、涙滴形チャンバ２４０は、涙滴形チャンバの細い末端が、涙滴形チャンバ２４０の細い部分の方へ、隣接するチャンネル、チャンバ、またはウェルに流体を導くために、プラテンの中心から離れた方向を向くように、基板内の任意の位置にあってもよい。

図８は、流体試料をそれぞれのフロー分配器８０４、８０６に分配する二つの入力ポート８０１、８０２を有するミクロ流体素子装置８００の例の上面図であり、各フロー分配器は複数の経路と流体連通し、あるいはバルブ操作で複数の経路と連通するように設計されている。さまざまなウェル、チャンバ、チャンネル、バイア（示していない）、バルブ、およびその他の微細構造体はたとえば立体リソグラフィーを用いて製造してもよい。基板はたとえば環状オレフィン共重合体、またはポリカーボネートであってもよい。図８は３８４個の出力ポート８０８を含むミクロ流体素子装置の例を示す。一例として、ミクロ流体素子装置は９６本の経路を形成する９６本の平行分岐チャンネルと流体連通する供給チャンネルを有してもよい。経路はそれぞれＰＣＲチャンバ８１４、ＰＣＲ精製チャンバ８１６、フローリストリクター、順方向配列決定チャンバ８１８および逆方向配列決定チャンバ８２０の両方に接続する垂直フロースプリッタ、順方向配列決定製品精製チャンバ８２２、逆方向配列決定製品精製チャンバ８２４、順方向配列決定精製品８２６出力チャンバ、逆方向配列決定精製品出力チャンバ８２８、複数の開閉バルブ、またはそれらの組み合わせを有してもよい。チャンネル、ウェル、およびチャンバはミクロ流体素子装置の基板８１２の第一および／または第二の面に作製してもよい。バイアおよびカラムは装置の二つの面にそれぞれ作製された微細構造体間の流体連通を助長するために使用してもよい。

当業者に知られているその他の適当な間隔が使用されてもよいが、ミクロ流体素子装置中のさまざまな微細構造体の例に対する配置は本明細書中に説明したものであってもよい。以下一例をあげると、ミクロ流体素子装置は約８０から約９０ｍｍの幅を有してもよい。ミクロ流体素子装置は約１１５ｍｍから約１３０ｍｍの長さを有してもよい。ミクロ流体素子装置中の二つ以上の出力ウェルは、第一の出力ウェルの中心が第一の軸に沿って第二の出力ウェルの中心から約２．２５ｍｍであるように、基板中に配置してもよい。ミクロ流体素子装置中の二つ以上の出力ウェルは、第一の出力ウェルの中心が第二の軸に沿って第二の出力ウェルの中心から約０．６ｍｍ、たとえば約０．５６２５ｍｍであるように、基板中に配置してもよい。ミクロ流体素子装置用の基板は約２ｍｍの厚さを有してもよい。ミクロ流体素子装置中の一つ以上の出力ウェルおよび／または処理チャンバは約１．５ｍｍの深さを有してもよい。ミクロ流体素子装置中の一つ以上の出力ウェルは約１．５ｍｍの直径を有してもよい。ミクロ流体素子装置中の一つ以上の処理チャンバは約０．９ｍｍの深さを有してもよい。ミクロ流体素子装置中の一つ以上の処理チャンバは約０．６ｍｍの幅を有してもよい。ミクロ流体素子装置中の一つ以上の処理チャンバは約０．５ｍｍ、約１．０ｍｍ、約２．５ｍｍ、または約３．５ｍｍの長さを有してもよい。二つ以上の処理チャンバおよび／または出力ウェルをつなぐチャンネルは長方形の形状であってもよい。チャンネルは約０．２５ｍｍの深さを有してもよい。チャンネルは、約０．２５ｍｍの幅を有してもよい。チャンネルは、約４ｍｍから約２５ｍｍの長さを有してもよい。チャンネルは基板中に第二のチャンネルの中心から約０．６ｍｍ、たとえば約０．５６２５ｍｍに配置してもよい。チャンネルは直線状であってもよい。チャンネルは任意の適当な角度または曲率、たとえば約１５０度の一つ以上の曲がり目を有してもよい。

さらに別のミクロ流体素子装置、基板、カバー、ミクロ流体素子製造方法、入力ポート、出力チャンバ、経路、バルブ、試薬、フローリストリクター、および使用方法が、参照によって両者ともに本明細書中に全体として組み込まれる代理人書類第５０１０‐０３７‐０１号、２００３年１月３日出願の「ミクロ流体素子サイズ排除装置、システムおよび方法」と題するデズモンド（ＤＥＳＭＯＮＤ）らの米国特許出願第＿＿＿＿＿＿号明細書、および代理人書類第５０１０‐０１９‐０１号、２００３年１月３日出願の「ミクロ流体素子装置、方法およびシステム」と題するブライニング（ＢＲＹＮＩＮＧ）らの米国特許出願第＿＿＿＿＿＿号明細書中に説明されている。

本明細書中ではミクロ流体素子装置、システムおよび方法のさまざまな利点および特徴を説明してきた。本明細書中に説明したミクロ流体素子装置およびシステムは、求心力を加えられるとミクロ流体素子装置中の流体の流れを助長する。流体試料または試薬を分割量に分割することができるフロースプリッタおよびフロー分配器について説明した。本明細書中で説明した機能および方法は流体輸送用に遠心分離法を利用する任意のミクロ流体素子装置とともに使用してもよい。

以上の説明から本教示がさまざまな形に実体化され得ることは当業者には明らかである。従って、本教示は特定の実施態様およびその例に関連して説明されたが、本教示の真の範囲はそれによって限定されるべきではなく、本教示の範囲から逸脱することなくさまざまな変化および変更を行なうことがある。

図１は、流体捕集用予備チャンバを有するミクロ流体素子装置の上面図である。図２は、供給チャンネルおよび複数の平行分岐チャンネルを有する多岐管を備えるミクロ流体素子装置の上面図である。図３は、フロースプリッタを有するミクロ流体素子装置の上面図である。図４は、基板の深さプロフィル中にフロースプリッタを有するミクロ流体素子装置の側面図である。図５ａ〜５ｄは、基板中にさまざまなプロフィルを有するミクロ流体素子チャンネルの断面図である。図６ａは、基板の長さ方向に流体を移動させるように配向された長方形の基板を示すミクロ流体素子装置の上面図である。図６ｂは、基板の幅方向に流体を移動させるように配向された長方形の基板を示すミクロ流体素子装置の上面図である。図６ｃは、それぞれ長方形の基板を含む二つのミクロ流体素子装置を保持するプラテンの上面図である。図７ａは、ミクロ流体素子装置が回転可能プラテン上に保持され、回転可能プラテンによって回転するとき、涙滴形入力ポートの狭い端が半径方向で涙滴形入力ポートの円形の端より回転軸から遠くに離れるように配向された涙滴形入力ポートを有するミクロ流体素子装置の上面図である。図７ｂは、図７ａに示す点線７ｂに沿って作図された図７ａの拡大部分図である。図８は、流体試料を複数のフロー分配器にそれぞれ分配することができ、各フロー分配が複数の経路とそれぞれ流体連通する複数の入力ポートを有するミクロ流体素子装置の図である。

Claims

第一の面、反対側の第二面、および厚みを有する基板、
第一の面または第二の面の少なくとも一方中に作製された入力ポート、
基板中に作製され入力ポートと流体連通した多岐管であって、第一の方向に伸びる供給チャンネルおよび供給チャンネルからそれぞれ分岐し閉鎖端でそれぞれ終わる複数の分岐チャンネルを含む多岐管、および
基板中にそれぞれ作製された複数のチャンバであって、少なくとも一つのチャンバが複数の分岐チャンネルの各閉鎖端に隣接するチャンバ
を含む、ミクロ流体素子装置。
複数の分岐チャンネルは互いに平行である、請求項１に記載のミクロ流体素子装置。
複数の分岐チャンネルのそれぞれの体積は他の分岐チャンネルのそれぞれの体積にほぼ等しい、請求項１に記載のミクロ流体素子装置。
複数の分岐チャンネルの少なくとも一つの体積は他の分岐チャンネルの体積より大きいか、または小さい、請求項１に記載のミクロ流体素子装置。
複数の分岐チャンネルのそれぞれの長さはほぼ等しい、請求項１に記載のミクロ流体素子装置。
複数の分岐チャンネルはそれぞれ、少なくとも一つの処理チャンバを有するそれぞれの経路と中断可能に流体連通し、各分岐チャンネルとそのそれぞれ少なくとも一つの処理チャンバとの間にバルブが提供される、請求項１に記載のミクロ流体素子装置。
複数の分岐チャンネルはそれぞれバルブを有し、多岐管は流体の第一の体積を含み、流体の第一の体積は複数の分岐チャンネル体積の全体積にほぼ等しい、請求項１に記載のミクロ流体素子装置。
基板の第一の面と接触するカバーをさらに含む、請求項１に記載のミクロ流体素子装置。
少なくとも一つの処理チャンバは内部に配置された試薬をそれぞれ有する、請求項６に記載のミクロ流体素子装置。
ミクロ流体素子装置は複数の処理チャンネルを有し、少なくとも一つの処理チャンバは他の処理チャンバとは異なる試薬を内部に配置されている、請求項９に記載のミクロ流体素子装置。
入力ポートおよび供給チャンネルと流体連通し、入力ポートと供給チャンネルとの間にある入力チャンネルをさらに含む、請求項１に記載のミクロ流体素子装置。
複数の分岐チャンネルはそれぞれ基板の第一の面に平行な方向に伸びる、請求項１に記載のミクロ流体素子装置。
複数の分岐チャンネルはそれぞれ基板の第一の面に垂直な方向に伸びる、請求項１に記載のミクロ流体素子装置。
複数の分岐チャンネルが少なくとも約３本の分岐チャンネルを含む、請求項１に記載のミクロ流体素子装置。
複数の分岐チャンネルが少なくとも４８本の分岐チャンネルを含む、請求項１に記載のミクロ流体素子装置。
複数の分岐チャンネルが少なくとも９６本の分岐チャンネルを含む、請求項１に記載のミクロ流体素子装置。
複数の分岐チャンネルはそれぞれ体積を有し、複数の分岐チャンネルの全体積は約５μＬから約１００μＬである、請求項１に記載のミクロ流体素子装置。
入力ポートは広い末端および狭い末端を有する涙滴形入力ポートを含み、狭い末端は供給チャンネルと流体連通する、請求項１に記載のミクロ流体素子装置。
基板は内部に作製された少なくとも一つの位置決めピンホールをさらに含む、請求項１に記載のミクロ流体素子装置。
複数の分岐チャンネルはそれぞれ供給チャンネルに垂直な方向に伸びる、請求項１に記載のミクロ流体素子装置。
装置が長さおよび幅を有する請求項１に記載のミクロ流体素子装置、および
処理装置であって、
回転軸を有する回転可能プラテン、
プラテン上またはプラテン中にミクロ流体素子装置を保持し、回転軸に対して中心を外れて配置することができるホルダー、および
回転軸の周りにプラテンを回転させる駆動ユニット、
を含む処理装置
を含む試料処理システムであって、
ミクロ流体素子装置の長さまたは幅に平行なプラテンの半径がそれぞれ他方と、つまりミクロ流体素子装置の幅または長さと交差しないように、ミクロ流体素子装置がホルダーによって保持される試料処理システム。
ミクロ流体素子装置および処理装置を含む試料処理システムであって、ミクロ流体素子装置は、
第一の面、反対側の第二の面および厚みを有する基板、
第一および第二の面の少なくとも一方の中に作製された入力ポート、および
基板中に作製され入力ポートと流体連通する多岐管であって、第一の方向に伸びる供給チャンネルを含む多岐管、および
供給チャンネルから分岐する複数の分岐チャンネル
を含み、処理装置は
回転軸を有する回転可能プラテン、
プラテン上またはプラテン中にミクロ流体素子装置を保持し、回転軸に対して中心を外れて配置することができるホルダーおよび
回転軸の周りにプラテンを回転させる駆動ユニット
を含む試料処理システム。
ミクロ流体素子装置は基板中に作製された複数の入力ポートを含み、複数の多岐管はそれぞれ複数の入力ポートと流体連通する、請求項２２に記載の試料処理システム。
ミクロ流体素子装置はホルダーによってプラテン上に保持され、入力ポートは半径方向上で複数の分岐チャンネルより回転軸に近い、請求項２２に記載の試料処理システム。
駆動ユニットを制御する駆動制御ユニットをさらに含む、請求項２２に記載の試料処理システム。
複数の分岐チャンネルは互いに平行である、請求項２２に記載の試料処理システム。
ミクロ流体素子装置および処理装置を含む試料処理システムであって、ミクロ流体素子装置は、
第一の実質的に長方形の面、第一の面の反対側の第二の実質的に長方形の面、厚み、長さ、幅、および基板の長さまたは幅のどちらかに平行に配置された複数の幾何学的に平行な処理経路を有する基板
を含み、処理装置は、
回転軸を有する回転可能プラテン、
プラテン上またはプラテン中にミクロ流体素子装置を保持し、回転軸に対して中心を外れて配置することができるホルダーであって、ミクロ流体素子装置の長さまたは幅に平行なプラテンの任意の半径が他方と、つまりミクロ流体素子装置の長さまたは幅と交差しないように、プラテン中またはプラテン上にミクロ流体素子装置を保持することができるホルダー
を含む試料処理システム。
複数の平行な処理経路はそれぞれ実質的に円形の第一の側およびこれより狭い第二の側を有する涙滴形チャンバを含む、請求項２７に記載の試料処理システム。
ミクロ流体素子装置がホルダーによって保持されるとき、各平行処理経路の幅の狭い第二の側が実質的に円形の第一の側より半径方向で回転軸から遠い方に配置される、請求項２８に記載の試料処理システム。
ミクロ流体素子装置の長さはミクロ流体素子装置の幅より大きく、平行処理経路はミクロ流体素子装置の長さに平行に配置される、請求項２７に記載の試料処理システム。
ミクロ流体素子装置の長さはミクロ流体素子装置の幅より大きく、平行処理経路はミクロ流体素子装置の幅に平行に配置される、請求項２７に記載の試料処理システム。
基板は内部に作製された少なくとも一つの位置決めピンホールをさらに含み、ホルダーは少なくとも一つの位置決めピンをさらに含む、請求項２７に記載の試料処理システム。
液体試料をミクロ流体素子装置内の複数の分岐チャンネル中に分配する方法であって、
基板、入力ポート、および多岐管を含むミクロ流体素子装置を提供する工程であって、基板は第一の面、反対側の第二の面および厚みを含み、入力ポートは第一および第二の面の少なくとも一方の中に作製され、多岐管は基板中に入力ポートと流体連通して作製され第一の方向に伸びる供給チャンネルおよび供給チャンネルからそれぞれ分岐する複数の平行分岐チャンネルを含むものとする工程、
入力ポートを通して供給チャンネルに液体試料を導入する工程、および
ミクロ流体素子装置を遠心回転させ、供給チャンネルから複数の平行分岐チャンネルのそれぞれに流体を強制的に移動させる工程
を含む方法。
複数の平行分岐チャンネルは供給チャンネルが伸びる方向に直角な方向に伸びる、請求項３３に記載の方法。
回転可能プラテン上にミクロ流体素子装置を保持する工程、および
回転軸の周りにプラテンを回転させる工程
をさらに含む、請求項３３に記載の方法。
ミクロ流体素子装置は長さおよび幅を有し、回転可能プラテンは、ミクロ流体素子装置の長さまたは幅に平行なプラテンの任意の半径がそれぞれ他方と、つまりミクロ流体素子装置の幅または長さと交差しないように、プラテン中またはプラテン上にミクロ流体素子装置を保持するホルダーを含む、請求項３５に記載の方法。