JP2007502218A - 親水性／疎水性表面 - Google Patents

親水性／疎水性表面 Download PDF

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Abstract

それらのそれぞれが液体の輸送および／もしくは加工のためのマイクロ導管を備え、その内部表面が少なくとも一つの方向に境界により疎水性表面区域(表面区域２)に対して線引きされる親水性の液体接触表面区域(表面区域１)を含む、一つまたは複数のマイクロチャネル構造を備える微小流体装置。特色的な特徴は、表面区域２が境界に沿って伸びる粗面部分を含むことである。

Description

技術分野
本発明は、少なくとも一つの方向に境界により疎水性部分に対して線引きされる親水性部分を含む表面に関する。親水性部分は、液体を保持するかもしくは疎水性部分に広がるのを抑えるために意図され、そして疎水性部分は、液体を親水性部分の中に指向させるために意図される。親水性部分はこれに代えて、“親水性の液体接触表面”もしくは“表面区域１”と呼ばれ、そして疎水性部分は、“疎水性の表面区域”もしくは“表面区域２”と呼ばれるであろう。
親水性および疎水性表面のこの組合せは、本発明にしたがって、主にマイクロチャネル(microchannel)構造の内壁の上に完全にもしくは疎水性の表面区域がマイクロチャネル構造の開口部(環境大気への)を少なくとも部分的に囲む外部表面と関連しているかのいずれかで、微小流体装置のマイクロチャネル構造と関連している。
関係する液体の表面張力は、≧５ｍＮ／ｍ、好ましくは、≧１０ｍＮ／ｍもしくは≧２０ｍＮ／ｍであり、そして主に水性である。
用語の親水性(湿潤性)および疎水性(非湿潤性)は、表面が、それぞれ、≦９０°もしくは≧９０°の水接触角を有することを意図する。疎水性の化合物もしくは薬剤は、平滑表面の上に被膜として塗布されるときに、表面に、≧１００°もしくは≧１１０°のような、≧９０°の水接触角を与える物質である。典型的には、この種類の物質は、水に不溶性であり、そしてポリマー性であっても非ポリマー性であってもよい。
背景技術
親水性および疎水性表面の間の境界は、液体が境界の親水性側面の上に、より短いもしくはより長い期間で保持されるべきである応用において以前に利用されている。微小流体においては、この種類の境界は、受動性バルブ、抗−吸上げ機能、通気口、液体指向機能等のような流体機能の中で使用されている。例えば：ＷＯ ９９５８２４５、ＷＯ ０１８５６０２、ＷＯ ０２０７４４３８、ＷＯ ０３０１８１８９、およびＷＯ ０３０２４５９８(全てGyros ABの)；ＵＳ ６,９２６,０２０、ＵＳ ６,５９１,８５２、ＵＳ ６,６０１,６１３およびＵＳ ６,６３７,４６３(全てBiomicroの)；ＷＯ ０１９０６１４(Micronics)；ＷＯ ９９１７０９３(ミシガン大学)；ＵＳ ４,６７６,２７４(Brown)；ＷＯ ０１８７４８６(Gamera／Tecan)；ＷＯ ０２４１９９６、ＷＯ ０２４２６５０、およびＷＯ ０２４１９９５(全てPyrosequencing ABの)；等を参照されたい。
箇所の形にあって境界により疎水性部分に対して線引きされる親水性表面はまた、水性液体のアリコートを親水性箇所に収集するかおよび／もしくは濃縮するために使用されている。例えば、ＵＳ ６,２８７,８７２(Bruker Daltonik GmbH)およびＷＯ ９８１５３５６(Molecular Drives Ltd)を参照されたい。親水性表面の上の疎水性箇所は、ＥＰ １０５３７８４(Norhoff et al)に記載されている。
“分配”プレートは、一つの側面上に液体を保存するさらに大きい親水性の箇所／穴をそして向かい合った側面上にさらに小さい親水性の箇所／穴および大小の箇所／穴のそれぞれの対の間に輸送毛管を備える。それぞれの親水性の箇所／穴は、粗面であり得る疎水性表面により囲まれている。ＷＯ ０１０７１６１(Merck & Co)を参照されたい。
親水性のおよび疎水性の表面区域の間の境界は、幾何学的表面特性の変化と組合されている。ＷＯ ０２０７４４３８(Gyros AB)の中のユニット７として記述されている抗−吸上げ機能およびＷＯ ９８１５３５６(Molecular Drives Ltd)の中に記述されている“穴”を参照されたい。
上で議論された型の境界を備えるマイクロチャネル構造を通って液体アリコートを輸送するときには、液体は典型的に、疎水性の表面区域(表面区域２)を通過するであろう。使用される液体の多くは、疎水性表面に吸着する傾向を有するであろう溶解成分、例えば、ペプチド構造(例えば、タンパク質を含むオリゴ／ポリペプチドを含んで)を呈示する洗剤および成分のような界面活性成分、を含有する。これは、親水性のおよび疎水性の表面の間の境界により規定される流体機能にとって有害であり得る。マイクロチャネル構造における故障に対する危険性は、表面区域２／境界の数と共に増加するであろう。バルブ、通気口、抗−吸上げ機能等の機能は妨害され得て、二回目、三回目等で液体と接触されるときに、適切に機能し得ない。液体の望ましくない吸上げ、漏洩および伸展が起こり得る。
粗面の／粒子の粗い疎水性表面は、生物親和性試薬の固定化に特に適していると提案されている(ビーズ、マイクロタイター穴、繊維管等)(ＵＳ ５,４２４,２１９(Cytech Biomedical))。
目的
本発明の主な目的は、
ａ)上で議論された型の液体を保持するかもしくは保留する改良された能力を有する親水性の液体接触表面、および
ｂ)上で議論された型の液体を親水性の液体接触表面の中に指向する改良された能力を有する疎水性表面、
を備える微小流体装置を提供することである。
関係する液体は水性であり得て、そして／もしくは１０ｍＮ／ｍからおよびそれ以上の範囲にあるような、≦３０ｍＮ／ｍもしくは≦２５ｍＮ／ｍの選択された表面張力を有し得る。
もう一つの目的は、親水性および疎水性表面の間の境界に基づく、そして、例えば、上で議論された種類の液体との繰返し接触を容認することにより、改良された機能を有する受動性バルブ、抗−吸上げ機能、通気口、液体指向機能等を備える微小流体装置を提供することである。
本発明
本発明者等は、疎水性部分が粗面部分、即ち、疎水性側面上の境界に本質的に沿って伸びる粗面表面を持つ部分、を含む場合に、これらの目的を達成することができることを認識した。
本発明は、少なくとも二つの液体アリコート(例えば、アリコートＩＩＩ等の前にあるアリコートＩＩの前のアリコートＩ)がマイクロチャネル構造の流体機能の同一の表面区域２を、例えば、上で議論されたように有害物質を含有する先行するアリコートと共に、通過していることを含む、プロトコルに対して特別な利点を有するであろう。この種類のプロトコルについては、本発明は、例えば、≧１０もしくは≧１５もしくは≧２５個のマイクロチャネル構造のように、≧５個のマイクロチャネル構造において、典型的には平行操作の典型的なセットについて上で議論された型の故障を伴わずに、少数の故障を有する同一の微小流体装置の中で、本質的に同一のプロトコルの大多数の平行操作を行うことがさらに容易であろうことを暗示する。利点は、マイクロチャネル構造当りもしくはアリコートの輸送に共通である流路当りの局所的表面区域２のおよび／または境界の増加数に対してさらに明らかになるであろう。かくして、最大の利点は、マイクロチャネル構造／共通の流路当り二つ、三つ、四つ、五つ、六つもしくはそれ以上の局所的表面区域２および／または境界を備えるマイクロチャネル構造／共通の流路について得られるであろう。同じことがまた、本明細書中で議論される流体機能に当てはまる。これらの疎水性区域(表面区域２)は異なっていてかつ異なる流体機能の部分であり得る。
粗面な部分もしくはゾーンは、好ましくは境界に直接に関連しているが、境界および粗面部分の間に平滑仕上げした疎水性ゾーンがある変形体がある。親水性部分はまた粗面部分を含み得る。
平滑表面は粗面でない表面である。
粗面度は、二つの主要な方式：１)付加的目荒しおよび２)破壊的目荒しで、平滑表面から得られ得る。両方の方式は、所謂機械的なおよび／もしくは化学的な目荒しを包含し得る。粗面度はまた、例えば成形、型押し、切断等により、表面が初めに形成されるときに導入され得る。
機械的な付加的目荒しは典型的に、粒子が無作為に分布されて、表面に付着されることを含む。使用される粒子は典型的には、≦１０μｍもしくは≦５μｍもしくは≦１μｍのように、≦１５μｍ、および≧０.１μｍもしくは≧０.５μｍもしくは≧１μｍのように、≧０.０１μｍの平均直径を有する粒子の集団に相当する。境界が密閉されたマイクロキャビティ(microcavity)／マイクロチャネルに位置する場合には、平均直径に対する上限は典型的には、マイクロキャビティ／マイクロチャネルの中の粗面表面における最大の横断面寸法(幅もしくは深さ)の、≦５％のように、≦１０％である。これらの粒子径は、それらが疎水性表面の上に現れるときの粒子を、例えば、もし粒子がお互いに付着する傾向であるならば、粒子の凝集物を指す。粒子は、典型的に球体もしくは回転楕円体の、即ちビーズの形である。これに代えて、粒子は不規則な形を有し得る。不規則な形および回転楕円体の場合には、上の直径とは“流体力学的”直径を指す。
粒子は、親水性のもしくは疎水性の表面を露出してもよく、多孔性であっても非多孔性であってもよく、そして／または零、一つ、二つもしくはそれ以上の密閉穴等を含んでもよい(中空粒子)。粒子が表面に分散形で塗布される場合には、粒子が表面への塗布の間に懸濁されて維持されるように、液体の性質を粒子の密度および／もしくはサイズと組合せる点に利点があり得る。典型的な粒子物質には、ａ)ガラス、例えばホウケイ酸ガラス、シリカ、金属、金属酸化物、黒鉛等のような無機物質、ならびにｂ)重合可能な不飽和および／もしくは重合を許容する他の基、例えば、酸素、硫黄および窒素の中で選択されるヘテロ原子を含む重合可能な官能基(所謂縮合ポリマーもしくは付加ポリマーの形成に関与していてもしていなくてもよい)を含むモノマーをベースとした有機ポリマーのような、有機物質が含まれる。無機物質はまたポリマー性であり得る。
粒子を表面に付着させるために数多くの方式がある。粒子それ自体および／もしくは表面はお互いに自己付着性であってもよく、そして／または付着促進剤で予め処理されてもよい。この薬剤は接着剤であってもよく、またはそれは表面もしくは粒子の外層を部分的に溶解する溶媒であってもよい。これに代えて、粒子を適当な付着促進剤と一緒に表面の上に分布させてもよい。さらに、非粘着性の粒子を表面に塗布し、引き続いて付着促進被膜の析出を行ってもよい。
表面への粒子および付着促進剤の塗布は典型的には、印刷、噴霧、塗り等による。
好ましい変形体において、粒子は、分散液の液体層の中に溶解されるかもしくは分散される付着促進剤と一緒に分散形で表面上に分布される。この変形体における付着促進剤は典型的にポリマーであるが、また非ポリマー化合物を、それらが付着を促進することが出来るという条件で、使用し得る。適当なポリマーは、重合可能な不飽和および／もしくは重合を許容する他の基、例えば、酸素、硫黄および窒素の中で選択されるヘテロ原子を含む重合可能な官能基(所謂縮合ポリマーもしくは付加ポリマーの形成に関与していてもしていなくてもよい)を含むモノマーをベースとしたポリマーの中で見出され得る。付着促進剤は親水性であっても疎水性であってもよい。
付加的な化学的目荒しは、化学的なもしくは物理的な反応を表面の上かまたは表面の近辺で行って、例えば沈殿物／結晶として、表面の上への物質の析出を起こすことを含む。
破壊的な機械的目荒しは、研磨法、噴射加工、等のような方法を含む。
破壊的な化学的目荒しにおいては、表面は局部的な箇所で劣化されて、小さい穴、くぼみ、突起等を創成する。この種類の目荒しは腐食、照射等により行われ得る。
付加的な機械的目荒し以外のルートにより得られる粗面表面における深さ／高さの不規則性は、典型的に付加的な機械的目荒しに対するのと同一の範囲内にある。
目荒し加工法の後で、表面は望まれる疎水性の表面被膜を付与され得る。これは、もしも開始表面、粒子、接着剤、および／もしくは使用される付着促進剤が親水性であるならば、特に重要であり得る。この段階で疎水性の被膜を導入するために使用される方法および薬剤は、被膜の分野で周知であるのと同一な原理に従う。次いで、典型的には、粗面化表面を疎水性化合物、例えばフッ素化炭化水素、パラフィン等で被膜する。好ましい表面被膜は典型的には疎水性であって、例えば、エチレン、プロピレン、ブタジエン、フッ素化アルケン等をベースとした、架橋されていてもされていなくてもよいポリマーもしくはコポリマーの形である。適当な疎水性ポリマーは、重合可能な不飽和および／もしくは重合を許容する他の基、例えば、酸素、硫黄および窒素の中で選択されるヘテロ原子を含む重合可能な官能基(所謂縮合ポリマーもしくは付加ポリマーの形成に関与していてもしていなくてもよい)を含むモノマーをベースとしたポリマーの中で見出され得る。実験の部、ＵＳ ６,４４７,９１９(Cytonix)およびＳＥ ０４００９１７、相当する米国仮出願(同一日にＳＥ ０４００９１７として出願された)、ならびに相当する国際特許出願(全て三つGyros AB)を参照されたい。
粗面度はまた、算術平均(ＡＡ)、中心線平均(ＣＬＡ)、およびプロフィールの算術平均偏差として知られる、相加平均粗面度(Ｒａ)として示され得る。この種類の粗面度は、粗面度プロフィールおよびその中心線の間の面積、もしくは粗面度プロフィール高の絶対値の積分割る評価長に相当する：
Figure 2007502218
デジタルデータから評価されるときには、積分は台形公式により通常概算される：
Figure 2007502218
図式的には、平均粗面度は、粗面度プロフィールおよびその中心線の間の面積割る評価長(一つのカットオフに等しいそれぞれの試料長をもって、通常五試料長)である。
上式において、Ｌは評価長であり、ｒ(ｘ)はｘ位置における粗面度であり、Ｎは値の全数であり、そしてｒｎはｎ画素における粗面度である。
本発明について有効粗面度Ｒａは、典型的に、０.１〜１５μｍもしくは０.５〜１０μｍのような、０.０１〜１５μｍの範囲内で見出される。
粗面表面において、それぞれ、くぼみおよび／もしくは突出／突起の深さおよび高さの最適な範囲は、ａ)使用されるべき液体、例えばその表面張力、ｂ)表面が密閉されたマイクロ導管／マイクロキャビティの部分であるか否かおよびそのようなマイクロ導管／マイクロキャビティ等の寸法に依存する。典型的には、実験的試験が最適化に必要である。同じことがまたＲａ値について当てはまる。
本発明の多くの変形体において、本革新的原理の適用は、水接触角が巨視的に、例えば、目荒し無しの疎水性ゾーンに比較して、≧４°もしくは≧５°もしくは≧１０°のように、≧２°でもって、増加されることを意味する。
好ましい変形体において、表面区域１の水接触角は、≦５０°もしくは≦４０°もしくは≦３０°もしくは≦２０°のように、≦６０°の範囲の中で選択される。表面区域２は典型的に、≧１１０°もしくは≧１２５°もしくは≧１３５°のように、≧１００°の水接触角を有して、超疎水性、即ち、１５０°以上の水接触角であり得る。
水接触角についての範囲は、静的水接触角および前進水接触角を指す。前進接触角は典型的には、静的接触角より高い。
接触角とは、使用温度、典型的には＋２１℃における値を指し、静的もしくは前進接触角である。静的接触角は、ＷＯ ００５６８０８(Gyros AB)に示される方法により測定される。前進接触角は、実験の部で示されるように測定される。
革新的原理は、異なる種類の物質から作成される表面に適用可能である。典型的な物質には、ａ)ガラス、例えばホウケイ酸ガラス、シリカ、金属、金属酸化物等のような無機物質、ならびにｂ)重合可能な不飽和および／もしくは重合を許容する他の基、例えば、酸素、硫黄および窒素の中で選択されるヘテロ原子を含む重合可能な官能基、を含むモノマーをベースとした有機ポリマー(プラスチック材料)のような、有機物質が含まれる。
親水性な液体接触表面、疎水性表面および境界は、典型的に、微小流体装置の密閉されたマイクロチャネル構造の中で受動性バルブ、抗−吸上げ機能、通気口、液体指向機能等の部分として存在する。特定の液体指向機能の疎水性表面区域は、“技術分野”の見出しの下で上で議論されたように、微小流体装置の外側の表面の上に存在し得る。
革新的な原理を利用する受動性バルブ、抗−吸上げ機能および通気口は、典型的に、内部の側壁の交差点が一つ、二つ、三つ、四つもしくはそれ以上の長さの伸びる端を規定する、マイクロチャネル構造のマイクロ導管部分の中に存在する。例えば、ＷＯ ０２０７４４３８(Gyros AB)の図１を参照されたい。疎水性部分／ゾーン(表面区域２)の境界および／もしくは粗面部分／ゾーンは典型的に、好ましくは少なくとも向かい合った側壁の中でそして／または好ましくは関係する内壁の端で出発して、内部の側壁(＝上部壁、底壁ならびに上部および底壁の間の壁)の一つ、二つもしくはそれ以上の二つの端の間に伸びる。換言すれば、機能のそれぞれについて、一つ、二つ、三つもしくはそれ以上の内部の側壁は、境界ならびに表面区域１および境界を規定する表面区域２を含み得る。境界の方向は、好ましくは流動方向に本質的に直角、即ち９０°±４５°である。
革新的な原理に基づく受動性バルブの中では、粗面部分を含む疎水性部分(表面区域２)は、典型的に、バルブの場所において内部の側壁の一つ、二つ、三つ、四つもしくはそれ以上の中で疎水性ゾーンとして存在する。流動方向での疎水性のゾーンの位置は、それらが異なる側壁の中で存在し得るけれども、幾何学的な表面特性の局部的変化の位置と一致し得る。向かい合った側壁の中の疎水性ゾーンは、流路／マイクロ導管に沿って本質的に同一の位置にあるべきである。この種類のバルブは、典型的に、微小容積規定空間、微小反応空間の出口末端、マイクロ導管の出口末端等、即ち、親水性のおよび疎水性の表面区域の間の境界に基づく従来の受動性バルブについてと同一の位置に存在する。これは、粗面部分が、ＷＯ ０２０７４４３８(Gyros AB)の、図２の中の２０５ａ,ｂ；図３の中の３２１ａ,ｂ,ｃ,ｄ,ｅ；３２２、３２３および３３５；図４の中の４０８、４２３；図６の中の６０７、６０８、６１０；図８の中の８０９；図１０の中の１００７；図１２の中の１２０６、１２０８；および図１３ａの中の１３１０、１３１３の疎水性表面の中に存在し得ることを意味する。
革新的な原理に基づく抗−吸上げ機能では、粗面部分を含む疎水性表面区域は典型的に、一つ、二つ、三つ、四つもしくはそれ以上の内部の側壁の中で疎水性ゾーンとして存在する。向かい合った側壁の中で疎水性ゾーンおよび粗面化部分は、典型的には、もしもバルブ機能が最少化されるべきであれば、お互いに関して(流動方向に)僅かにずらされている。この種類のゾーン／疎水性部分の流動方向における位置は、例えば異なる内部の側壁の中で、幾何学的な表面特性の局部的変化の位置と、部分的にもしくは完全に一致し得る。抗−吸上げ機能の中の境界および粗面部分は、バルブについてと同一の様式で端の間に伸びる。抗−吸上げ機能は、典型的に、分布マニホールドを規定する微小容積計量空間のすぐ上流かおよび／もしくはその間に、ならびに吸上げによる望ましくない液体輸送を最少に保つことが重要である他の位置で存在する。これは、粗面化ゾーンが、ＷＯ ０２０７４４３８(Gyros AB)の、図３の中の３２１ｇ、３１４；図４ｂの中の４２６；図８ａの中の８０４／８０５；図１１ｂの中の１１０６／１００７；図１２の中の１２０９；および図１３の中の１３１２の疎水性表面の中に存在し得ることを意味する。
革新的な原理に基づく通気口において、粗面部分を含む疎水性表面区域は、局所的疎水性ゾーンとして存在し得るか、もしくは通気位置から通気のマイクロ導管の出口末端へ伸び得る。かくして、粗面化ゾーンは、ＷＯ ０２０７４４３８(Gyros AB)の、図２の中の２０８；図３の中の２３１、３３６、および図４の中の４０６の疎水性表面の中に存在し得る。
革新的な原理に基づく液体指向機能は、微小流体装置内に、例えば、マイクロチャネル構造の分岐において、もしくは微小容積規定空間の間の分布マニホールドの中で存在して、大量の液体アリコートの少量のアリコートへの分割を助け得る。これは、粗面部分が、ＷＯ ０２０７４４３８(Gyros AB)の、図２の中の２０５ａ、２０８；図３の中の３２１、３３６；図４の中の４０５、４０６、４０８；および図６の中の６１０の疎水性表面の中に存在し得ることを意味する。革新的な原理にしたがう液体指向機能はまた、二つの平面基板のそれぞれの表面における相補性流路を規定し得る。二つの表面が整列された相補性流路との毛管距離においてお互いに並列されるときには、相補性流路が装置のマイクロチャネル構造を規定するであろう微小流体装置が形成されるだろう。さらにＷＯ ９９５８２４５(Gyros AB)を参照されたい。表面区域１および表面区域２の間の境界は、液体が枝分かれで特定の枝の中に指向されるべきである場合には、バルブ、通気口および抗−吸上げ機能についてと同一の様式で内部の端の間に伸び得る。
本発明にしたがう他の種類の液体指向機能は、微小流体装置の外側に存在し得て、入口のおよび／もしくは出口の孔に関連し得る。入口孔における液体指向機能は、マイクロチャネル構造の中へ液体を導くことを助け得る。出口孔における液体指向機能は、孔の中におよび／もしくは装置内に液体を保持することを助け得る。かくして、粗面化部分は、ＷＯ ０２０７４４３８(Gyros AB)の、図３の３２１；図１１の１１０５；および図１２の１２１０の疎水性表面の中に存在し得る。
表面区域１および表面区域２の間の境界は、一つ、二つ、三つもしくはそれ以上の機能性の部分であり得る。かくして、バルブもしくは通気口はまた、例えば、抗−吸上げ機能および／もしくは液体指向機能を有し得る。
微小流体装置のマイクロ導管において、疎水性部分(表面区域２)および／もしくはその粗面部分のみが、マイクロ導管の幅もしくは深さの０.１倍から１０、１００、１０００またはそれ以上の倍数である距離に沿って流動方向に延長し得る。比較は、疎水性部分の上流もしくは下流末端における幅および深さで為される。
革新的な原理にしたがう境界をまた使用して、疎水性表面上の親水性箇所の配列もしくは親水性表面上の疎水性箇所の配列を規定し得る。親水性箇所の配列を使用して、例えば液滴の形で、それぞれの箇所の上に一つのアリコートでもって、液体アリコートを収集し得る。配列が環境大気に開放されている場合には、液体は蒸発して、それにより溶質を粗面化表面により囲まれている親水性箇所に濃縮するであろう。目荒しの無いこの種類のデザインは、ＷＯ ０２０７５７７５(Gyros AB)(図７ｂの１０１１および１０１２の表面)の中に記述されている。境界は、幾何学的表面特性の局所的変化に関連して、例えば、ＷＯ ０２０７５７７５(Gyros AB；図７ｂの１０１１および１０１２)の中に目荒し無しで概略されるように、水性アリコートの保持を改良するであろう穴を規定し得る。それに目荒しをもって革新的な原理が当てはまり得るさらに別の種類の疎水性表面は、ＷＯ ９９５８２４５(Gyros AB)の中に示されている。
微小流体装置
微小流体装置は、種々の種類の反応物、アナライト、生成物、試料、緩衝剤等を含有する液体アリコートを輸送しかつ加工するために液流が使用される、一つもしくはそれ以上のマイクロチャネル構造を備える装置を意図する。この文脈において、加工することとは、化学的および／もしくは生化学的反応を実施すること、合成すること、単離すること、精製すること、分離すること、分画すること、濃縮すること、希釈すること、攪拌すること、容積を計量すること／規定すること、加熱すること、冷却すること等のような操作を意味する。装置のマイクロチャネル内で液体の単なる輸送は、装置が微小流体装置であることに限定しない。典型的には、少なくとも或る種類の、バルブのような、流体機能が装置の中に存在し、そして、また液体の加工を含んで、使用される必要がある。
マイクロ導管はマイクロチャネル構造の一部であって、直線で、枝分かれして、角型で、曲面等であり得る。マイクロ導管およびまたマイクロチャネル構造は一般的に、好ましい変形体において、異なる機能について上で議論されたように、長さの伸びる端を規定する交差する内部の側壁を有する。例えば、ＷＯ ０２０７４４３８(Gyros AB)の図１を参照されたい。
アリコートの容積は、典型的にナノリットル(ｎｌ)の範囲にある。マイクロチャネル構造は、微小流体装置内で意図される実験を実施するために必要である全ての機能性を備える。それぞれの構造は典型的に、≦１０３μｍ、好ましくは、≦１０２μｍのような、≦５×１０２μｍ、である断面積寸法を有する、一つもしくはそれ以上のキャビティおよび／または導管を含有する。ｎｌの範囲は５,０００ｎｌの上限を有する。大抵の場合には、それは、≦５００μｌもしくは≦１００μｌのように、≦１,０００μｌの容積に関する。
かくして、マイクロチャネル構造は、ａ)例えば、場合により容積計量ユニットを有する、入口孔／入口開口部を備える入り口装置、ｂ)液体輸送用のマイクロ導管、ｃ)微小反応空間；ｄ)微小混合空間；ｅ)液体から粒子状物質を分離するためのユニット(入り口装置の中に存在してもよい)、ｆ)例えば、キャピラリー電気泳動、クロマトグラフィー等により、試料の中でお互いから溶解されたかもしくは懸濁された成分を分離するためのユニット；ｇ)微小検出空間；ｈ)廃液の導管／マイクロキャビティ；ｉ)バルブ；ｊ)環境外気への通気口等、の中で選択される一つ、二つ、三つもしくはそれ以上の機能性部分を備え得る。機能性部分は、一つ以上の機能性を有し得て、例えば、微小反応空間および微小検出空間が合致し得る。微小流体装置の中の種々の種類の機能性ユニットは、Gyros AB/Amersham Pharmacia Biotech AB：ＷＯ ９９５５８２７、ＷＯ ９９５８２４５、ＷＯ ０２０７４４３８、ＷＯ ０２７５３１２、ＷＯ ０３０１８１９８、ＷＯ ０３０２４５９８によりおよびTecan/Gamera Biosciences：ＷＯ ０１８７４８７、ＷＯ ０１８７４８６、ＷＯ ００７９２８５、ＷＯ ００７８４５５、ＷＯ ００６９５６０、ＷＯ ９８０７０１９、ＷＯ ９８５３３１１により記述されている。
微小流体装置はまた、異なるマイクロチャネル構造を接続する共通のマイクロチャネル／マイクロ導管を備え得る。入口孔、出口孔、通気口等のようなそれらの種々な部分を含む共通のチャネルは、それらが通信しているマイクロチャネル構造のそれぞれの部分と考えられる。
共通のマイクロチャネルは、マイクロチャネル構造が網目を形成する微小流体装置を解釈することを可能にする。例えば、ＵＳ ６,４７９,２９９(Caliper)を参照されたい。
それぞれのマイクロチャネル構造は、液体用の少なくとも一つの入口開口部および、特定の変形体において液体の出口のためにも使用され得る、過剰空気用の少なくとも一つの出口開口部(通気口)を有する。
マイクロチャネル構造／装置の数は典型的には、≧１０、例えば、≧２５もしくは≧９０もしくは≧１８０もしくは≧２７０もしくは≧３６０である。
上で記述された機能性部分の二つもしくはそれ以上の間の微小流体装置／マイクロチャネル構造内で液体を輸送するために、異なる原理を利用し得る。例えば、次の段落で議論されるようにディスクを回転することにより、慣性力を使用し得る。他の有用な力は、毛管力、動電力、毛管力、静水圧のような非動電力等である。
微小流体装置は典型的にはディスクの形である。好ましい形式は、ディスク平面に直角である対称軸(Ｃｎ)を有する[ここで、ｎは≧２、３、４もしくは５の整数、好ましくは∞(Ｃ∞)である]。換言すれば、ディスクは、正方形のような方形であり得るか、もしくは他の多角形の形を有し得る。それはまた円形であり得る。一旦適切なディスク形式が選択されると、例えば、典型的にはディスク平面に直角でもしくは平行である回転軸の周りに装置を回転することにより、液流を駆動させるために遠心力を使用し得る。優先日での最も明白な変形体において、回転軸は上述の対称軸と合致する。
好ましい遠心力ベースの変形体については、それぞれのマイクロチャネル構造は、回転軸に比べて下流区分よりさらに短いラジアル距離にある上流区分を備える。
好ましい装置は、典型的に、従来のＣＤ−形式と同様なサイズおよび形、例えば、従来のＣＤ−半径の１０％〜３００％の範囲にあるＣＤ−半径に相当するサイズを有する、ディスク形である。ディスクの上方のおよび／もしくは下方の側は、平面であってもなくてもよい。
微小流体装置のマイクロチャネル／マイクロキャビティは、次の工程でもう一つの本質的に平面な基板(蓋)により覆われる、覆われていない形でチャネル／キャビティを呈示する、本質的に平面な基板表面から製造され得る。ＷＯ ９１１６９６６(Pharmacia Biotech AB)およびＷＯ ０１５４８１０(Gyros AB)を参照されたい。基板の物質は、上で議論されたように選択され得る。
実験の部
実施例１：革新的表面の作製
０.４〜２.０％(ｗ／ｗ)のAerosil[登録商標]R972メチル化シリカコロイド(DeGussa、ｄ＝１１ｎｍ)をテフロン−AF[登録商標]2400(DuPont Polymers, DE, USA)の０.０５％溶液に加えた。混合液を、酸素プラズマ(Plasma Electronic, Germany)で表面処理されたZeonor[登録商標]1420R(Zeon Corp., Japan)の上に噴霧および浸漬により塗布した。生じた表面は、１６５°〜１７０°／１３０〜１７０°の前進／後退水接触角を有した。
２％(ｗ／ｗ)のAerosil[登録商標]R972を、HFE-7100(3M Belgium N.V.)中のポリパーフルオロオクチルメタクリル酸エステルの２％溶液である、PFC602A(Cytonix Corp., MD, USA)へ加えた。噴霧されたかもしくは浸漬された表面は、１６９°〜１７４°／約１６５°の前進／後退水接触角を有した。
これらの被膜剤の酸素プラズマで処理したZeonor[登録商標]への付着を、例えば、２％のPFC602Aをパーフルオロデシルメタクリル酸エステルと１：１比でならびに０.１〜０.４％のEsacure[登録商標]TZT(Lamberti, Italy)および１％のAerosil[登録商標]R972を、混合することにより大きく改良することができた。混合液は、Esacure[登録商標]TZTを溶解させるために、アセトン(１０％)の添加を必要とした。乾燥後、被膜を２分間ＵＶランプ(５００Ｗ、Efsen, Denmark)の下での照射により硬化させた。生じた被膜は、９５％エタノールに対して洗浄安定であって、約１７５°／１３５°の前進／後退水接触角を有した。
接触角の測定
水接触角をRam e-Hart角度計を用いて測定した。前進接触角を、接触線が丁度動き始めるまで液滴容積を増加させることにより測定した。後退接触角を、液滴容積を減少させて同様な方式で測定した。
実施例２：革新的表面の上で界面活性成分を含有する液体の挙動
微小流体装置の多くの応用において、バルブの中のおよび抗−吸上げ機能の中の疎水性表面は、界面活性成分を含有する液体との繰返し接触に供される。次いで、これらの界面活性成分は疎水性表面に吸着し得て、それは多くの場合にバルブおよび／もしくは抗−吸上げ機能の機能的故障を引き起こす。この問題が本発明の概念により克服される可能性があるかどうかを試験するために、粒子および疎水性化剤の幾つかの組合せを、ＢＳＡ(ウシ血清アルブミン)、血清、Tween等を含有する液体との接触について試験した。幾つかの実験においては、短時間のならびに長時間の接触が比較された。作用を前進接触角として試験して、それぞれの溶液の表面張力と比較した。表１は、テフロンAF(FC-75中の０.０５％)および分散５μｍ粒子(２％Chromasil-NH2, Eka Nobel, Sweden)を含有する析出溶液についての代表的な結果を示す。溶液をZeonorの表面の上に噴霧して、引き続く測定の前に乾燥した。
Figure 2007502218
 ＃：本文を参照されたい
＊：０.０１２％(３９ｍＪ．ｍ−２)および１.２％(３５ｍＪ．ｍ−２)のTween20について測定された値から外挿された表面張力。注：最低の濃度でさえも臨界ミセル濃度(ｃｍｃ＝０.００７２％)よりさらに高い。
粗面表面は本発明にしたがって、平滑表面は先行技術にしたがう。
この結果は、革新的表面は１％ＢＳＡとの接触で超疎水性のままで、前進接触角は１％ＢＳＡとの長時間接触後に幾らか減少することを示す。前進接触角は血清について直接に測定されなかった一方で、１％ＢＳＡおよび血清の間の表面張力の小さい相違は、強化された疎水性が後者についてでさえ維持されることを示唆するであろう。Tween20溶液の表面張力は相当に低く、それで平滑なおよび粗面のテフロンAF表面の両方の上の接触角は相当に減少される。粗面のおよび平滑な表面の間の前進接触角の差はまた減少される。
本発明の特定の革新的態様は、付記の請求項の中にさらに詳細に規定されている。本発明およびその利点は詳細に記述されているけれども、種々の変化、置換および変更は、付記の請求項により規定されるような本発明の精神および範囲から逸脱すること無しに本明細書中で為され得ることが、理解されるべきである。さらに、本出願の範囲は、明細書中で記載された加工法、機械、製造、物質の組成、手段、方法および工程の特定の実施態様に限定されると意図されない。当業者が本発明の開示から容易に認識するであろうように、本明細書中で記述された相当する実施態様と実質的に同一の機能を実施するかもしくは実質的に同一の結果を達成する、現存するかもしくは後で開発される、加工法、機械、製造、物質の組成、手段、方法または工程は、本発明にしたがって利用され得る。従って、付記の請求項はそれらの範囲内にそのような加工法、機械、製造、物質の組成、手段、方法もしくは工程を含むと意図される。

Claims (16)

  1. それぞれが液体の輸送および／もしくは加工のためのマイクロ導管を備え、その内部表面が少なくとも一つの方向に境界により疎水性表面区域(表面区域２)に対して線引きされる親水性の液体接触表面区域(表面区域１)を含む、一つもしくは複数のマイクロチャネル構造を備える微小流体装置であって、表面区域２が境界に沿って伸びる粗面部分を含むことを特徴とする、微小流体装置。
  2. 当該粗面部分の粗面度が付加的なもしくは破壊的な目荒しを含む方法により導入されていることを特徴とする、請求項１に記載の微小流体装置。
  3. 当該目荒しが粒子の、例えば≦１０μｍもしくは≦５μｍのように、≦１５μｍの平均直径を有する粒子の析出による付加的目荒しを含むことを特徴とする、請求項２に記載の微小流体装置。
  4. 請求項３に記載の微小流体装置であって、当該粒子が、例えば噴霧もしくは印刷により加えられる分散形で析出されること、および分散液の液体層が好ましくは粒子の表面区域２への付着を促進する薬剤を含むことを特徴とする、微小流体装置。
  5. 粒子が粒子の付着を許容するための表面区域２の予処理に引き続く乾燥形で析出されることを特徴とする、請求項３に記載の微小流体装置。
  6. 請求項３〜４のいずれか１項に記載の微小流体装置であって、疎水性の付着促進剤と一緒に粒子を塗布することおよび／もしくは粒子の塗布後に粒子を含む粗面部分を疎水性化することを含む付加的目荒しにより、粗面度が導入されることを特徴とする、微小流体装置。
  7. 粗面度が破壊的目荒し、例えば化学的なおよび／もしくは機械的な破壊的目荒しにより導入されていることを特徴とする、請求項２〜６のいずれか１項に記載の微小流体装置。
  8. 粗面部分がその表面の上に疎水性ポリマーを露出することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の微小流体装置。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の微小流体装置であって、表面区域１、境界および表面区域２が少なくとも表面で典型的にポリマー性である、プラスチック材料を含む、もしくはガラス、シリカ、金属合金、金属酸化物等を含む金属のような無機物質の、基板上に規定されることを特徴とする、微小流体装置。
  10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の微小流体装置であって、当該マイクロ導管が、それぞれが当該少なくとも一つのマイクロ導管に沿って延長する、一つ、二つもしくはそれ以上の内部端を規定するためにお互いにペアで交差する、二つ、三つもしくはそれ以上の内部の側壁を有し、そして当該境界が当該内部の側壁の少なくとも一つの中で二つの端の間に延長することを特徴とする、微小流体装置。
  11. 当該境界が当該マイクロ導管の中で輸送方向に本質的に直角である方向に延長することを特徴とする、請求項１０に記載の微小流体装置。
  12. 境界が受動性バルブ、抗−吸上げ機能、環境大気への入口もしくは出口の通気口、および液体指向機能の中で選択される流体機能の部分であることを特徴とする、請求項１０〜１１のいずれか１項に記載の微小流体装置。
  13. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の微小流体装置であって、
    ａ)表面区域１が当該境界により完全に線引きされる箇所(親水性箇所１)であって、親水性箇所１と本質的に同一のサイズおよび形の親水性箇所の配列を含む配列表面の上に存在する、
    ｂ)配列表面が当該マイクロ導管の部分であるマイクロキャビティの一つ、二つもしくはそれ以上の内部の側壁の上に存在する、そして
    ｃ)当該配列表面を含む内壁、および向かい合った内部の側壁の間の距離が、≦１０００μｍもしくは≦５００μｍもしくは≦３００μｍのように、≦２０００μｍである、
    ことを特徴とする、微小流体装置。
  14. 表面区域２がマイクロ導管の開口部と関連して装置の外側に位置して、部分的にもしくは完全に開口部を囲むことを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の微小流体装置。
  15. 当該マイクロチャネル構造のそれぞれが当該表面区域２の二つ、三つ、四つ、五つもしくはそれ以上を備えることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の微小流体装置。
  16. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の微小流体装置であって、当該マイクロチャネル構造のそれぞれが一つ、二つ、三つもしくはそれ以上の受動性バルブ機能、および／またはそれぞれの機能が当該境界を備える、一つ、二つ、三つもしくはそれ以上の抗−吸上げ機能を備えることを特徴とする、微小流体装置。
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