JP2008209407A - サンプル注入器を備えるマイクロ流体デバイスおよび方法 - Google Patents

サンプル注入器を備えるマイクロ流体デバイスおよび方法 Download PDF

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Abstract

【課題】種々の望ましいサンプル注入特徴を達成するために制御され得るマイクロ流体デバイスおよびシステムを提供する。
【解決手段】チャネルネットワークを有するマイクロ流体デバイス中の電解質チャネルに液体サンプルを注入するシステムであって、該チャネルネットワークは、上流チャネル部分および下流チャネル部分を有する電解質チャネル、ならびに第１サイドチャネル、第２サイドチャネル、および第３サイドチャネルを備え、該第１サイドチャネル、第２サイドチャネル、および第３サイドチャネルは、第１ポート、第２ポートおよび第３ポートのそれぞれで、２個の該チャネル部分の間で該電解質チャネルを横切り、ここで、該ポートの少なくとも１個は、他の２個のポートから該電解質チャネルに沿って軸方向に間隔を空けている、システム。
【選択図】図２

Description

（発明の分野）
本発明の分野は、流体およびイオンのマイクロ流体操作である。
（背景）
マイクロ流体は、活動が化学的操作および物理的操作のかなりの割合において実行される方法において革命を起こしている。マイクロ流体の１つの領域は、チャネルおよびレザバのネットワークが存在する固体基材上の少量の液体または液体組成物の操作である。電気的に伝導する液体とともに電場を使用することによって、容積および／またはイオンが、１つの部位から別の部位に動き得、異なる溶液が液体および／またはイオンを混合することによって形成され、反応が行われ、分離が行われ、そして分析が行われる。実際、通俗的には、このシステムは、「チップ上の研究所（ａ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｎ ａ ｃｈｉｐ）」と呼ばれている。このタイプの種々の先行技術のデバイスとしては、米国特許第６，０１０，６０８号、同第６，０１０，６０７号、同第６，００１，２２９号、同第５，８５８，１９５号、同第５，８５８，１８７号およびＰＣＴ出願番号９６／０５４７が挙げられ、これらは、サンプル溶液の注入に関連したファミリーの出願である。米国特許第５，５９９，４３２号、ＥＰＡ０６２０４３２、およびＶｅｒｈｅｇｇｅｎら、Ｊ．ｏｆ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ ４５２（１９８８）６１５−６２２もまた参照のこと。
操作の多くにおいて、特定のイオンまたはグループのイオンの境界がシャープであり、そして直線的であるかまたはわずかに曲がったプラグとしての、鋭く規定された容量のイオンを作製することに興味がある。同時に、十分に規定された容量を有するサンプルを注入ことが望ましくあり得る。あるいは、例えば、サンプルの成分の電気泳動分離を改善するために、多成分サンプル中の成分を予め確保する（ｐｒｅｓｔａｃｋ）ことが望ましくあり得る。なお他の適用において、例えば、電気泳動分離によって、サンプルを分析のために注入する前に、サンプルに存在するサンプル成分を濃縮することが望ましい。これらの種々の望ましいサンプル注入特徴を達成するために制御され得るマイクロ流体デバイスおよびシステムを提供することが本発明の一般的な目的である。
（発明の要旨）
本発明は、１つの局面において、チャネルネットワークを有するマイクロ流体デバイス中の電解質チャネルに液体サンプルを注入するための方法を包含し、このチャネルネットワークは、電解質チャネルならびに第１サイドチャネル、第２サイドチャネルおよび第３サイドチャネルを備え、この電解質チャネルは上流チャネル部分および下流チャネル部分を有し、この第１サイドチャネル、第２サイドチャネルおよび第３サイドチャネルは、第１ポート、第２ポート、および第３ポートのそれぞれにおいて２つのチャネル部分の間で電解質チャネルを横切り、ここで、これらのポートのうちの少なくとも１つが、他の２つのポートから電解質チャネルに沿って軸方向に間隔が空けられている。
本発明の方法は、（ａ）サンプルを第１サイドチャネルに供給する工程、（ｂ）第１サイドチャネルおよび他の２個のサイドチャネルの少なくとも１つにわたって、有効な電圧電位を印加して、第１ポートと、第１ポートから軸方向にずれた少なくとも１個の他のポートとの間を延びる電解質チャンバの容積要素に、第１チャネルのサンプルを移動させる、工程；（ｃ）３個のサイドチャネル、および必要に応じて、上流チャネル末端部分および下流チャネル末端部分の少なくとも１個または両方に印加した電圧を同時に制御して、サンプル容積要素内に所望のリーディングエッジおよびトレーリングエッジの形状、および／またはサンプル成分の分布を有する、電解質チャネル内のサンプル容積要素を作製する、工程；ならびに（ｄ）上流チャネル部分および下流チャネル部分、ならびにサイドチャネルの少なくとも２個に印加した電圧を同時に制御して、所望のリーディングエッジおよびトレーリングエッジの形状ならびに／あるいはサンプル成分の分布を有するサンプル要素を電解質チャネル内の下流方向に進める工程を包含する。
実質的に均一な分布のサンプル成分を有する容積要素内に、複数のサンプル成分を含むサンプルを注入する際の使用のために、第１ポートは、第２ポートと第３ポートとの間に軸方向に配置され、印加工程（ｂ）は、第１チャネル内のサンプルを第２ポートと第３ポートとの間に延びる電解質チャンバの容積要素に移動させるのに効果的であり、そして制御工程（ｃ）は、電解質溶液を上流チャネル部分から第２部分を通して移動させ、そして電解質溶液を下流部分から第３ポートを通して移動させるのに効果的であり、サンプル容量の上流および下流の境界を鋭くする。
第１ポートは、第２ポートと軸方向に整列され得るか、または第２ポートと第３ポートとの両方から軸方向に間隔を空けられ得る。制御工程（ｄ）は、上流チャネル部分の電解質溶液を連続的に第２ポート、第１ポートおよび第３ポートを通して動かして、これら３つのサイドチャネルに含まれるサンプルを電解質チャネルから動かすのに効果的である。
別の実施形態において、本発明の方法は、容積要素内に複数のサンプル成分を含むサンプルを注入し、そして電気泳動移動度に従って容積要素内にサンプル成分を予め確保するために使用され、ここで、このサンプルは、異なる電気泳動移動度を有する複数の成分、およびそのサンプル成分の電気泳動移動度よりも大きい電気泳動移動度を有するリーディングエッジイオンまたはそのサンプル成分の電気泳動移動度よりも小さい電気泳動移動度を有するトレーリングエッジイオンの１つを含む。この方法において、第１ポートは、第２ポートと第３ポートとの間に軸方向に配置され、印加工程（ｂ）は、第１チャネル内のサンプルを第２ポートと第３ポートとの間に延びる電解質チャンバの容積要素に移動させるのに効果的であり、制御工程（ｃ）は、電解質溶液を上流チャネル部分から第２ポートを通して移動させ、そして電解質溶液を下流部分から第３ポートを通して移動させるのに効果的であり、このようにしてサンプル容量の上流および下流の境界を鋭くし、ここで、上流部分と下流部分との両方の電解質溶液は、リーディングエッジイオンまたはトレーリングエッジイオンの他方を含み、そして制御工程（ｄ）は、等速回転電気泳動分離によって、それらの電気泳動移動度に従って、容積容量内にサンプル成分を確保するのに、最初に効果的である。
上記のように、第１ポートは、第２ポートと軸方向に整列され得るかまたは第２ポートと第３ポートとの両方から軸方向に間隔を空けられ得る。制御工程（ｄ）は、上流チャネル部分の電解質溶液を連続的に、第２ポート、第１ポートおよび第３ポートを通して移動させて、電解質チャネルからこれら３つのサイドチャネル内に含まれるサンプルを動かすのに効果的である。
あるいは、サンプル成分を予め確保するために、第２ポートは、第１ポートと第３ポートとの間に軸方向に配置され、印加工程（ｂ）は、第１チャネル内のサンプルを第１ポートと第２ポートとの間に延びる電解質チャンバの容積要素に移動させるのに効果的であり、制御工程（ｃ）は、サンプル成分の電気泳動移動度よりも大きい電気泳動移動度を有するリーディングエッジイオンまたはサンプル成分の電気泳動移動度よりも小さい電気泳動移動度を有するトレーリング（ターミネーティング）エッジイオンの１つを含む溶液を、第３チャネルから第２チャネルに移動させるのに効果的であり、そして制御工程（ｄ）が、等速回転電気泳動分離によって、それらの電気泳動移動度に従って、サンプル容積内にサンプル成分を確保するのに最初に効果的である。リーディングエッジイオンまたはトレーリングエッジイオンの他方は、電解質チャネルの上流部分および下流部分に含まれる。
別の実施形態において、１つ以上のサンプル成分を含むサンプルを注入し、そしてサンプル容積の上流側または下流側に成分を濃縮するために、第１ポート、第２ポート、および第３ポートは、互いに軸方向に間隔を空けられ、そして第２ポートは、第１ポートと第３ポートとの間に配置される。印加工程（ｂ）は、第１サイドチャネルおよび第２サイドチャネルを横切ってＤＣ電圧電位を印加して、第１チャネル内のサンプルを第１ポートと第２ポートとの間に延びる電解質チャンバの容積要素に移動させる工程を包含し、制御工程（ｃ）は、第３サイドチャネルと上流チャネル部分または下流チャネル部分との間にＡＣ電圧を印加する工程を包含し、ここで、第１ポートおよび第２ポートは、第３サイドチャネルとＡＣ電圧が印加されるチャネル部分との間に配置され、そしてこれらの第３サイドチャネルおよびチャネル部分から間隔を空けられており、これによって、ＡＣ電圧が印加されるチャネル部分に隣接するサンプル容積の末端部にサンプル容積内のサンプル成分を濃縮する。
なお別の実施形態において、サンプル成分を濃縮するために、第１チャネルおよび第３チャネルは、電解質チャネルの反対側に軸方向に整列するかまたはほぼ整列しており、第２チャネルが、第１チャネルおよび第３チャネルから軸方向に離れて配置され、印加工程（ｂ）が、第１サイドチャネルおよび第２サイドチャネルを横切ってＤＣ電圧電位を印加して、第１チャネル内のサンプルを第１ポートと第２ポートとの間に延びる電解質チャンバの容積要素に移動させる工程を包含し、そして制御工程（ｃ）は、第３チャネルと上流チャネル末端部分または下流チャネル末端部分との間、第３サイドチャネルと上流チャネル部分または下流チャネル部分との間にＡＣ電圧を印加して、これによってＡＣ電圧が印加されるチャネル部分に隣接するサンプル容積の末端部にサンプル容積内のサンプル成分を濃縮する工程を包含する。
本発明の別の局面を形作るのは、チャネルを介した輸送のために、キャピラリー電解質チャネルに、規定された容量の液体サンプルを注入する際に使用するためのマイクロ流体システムである。このデバイスは、（ａ）チャネルネットワークを有するマイクロ流体デバイスであって、このチャネルネットワークは、電解質チャネルならびに第１サイドチャネル、第２サイドチャネルおよび第３サイドチャネルを備え、この電解質チャネルは上流チャネル部分および下流チャネル部分を有し、この第１サイドチャネル、第２サイドチャネルおよび第３サイドチャネルは、第１ポート、第２ポート、および第３ポートのそれぞれにおいて２つのチャネル部分の間で電解質チャネルを横切り、ここで、これらのポートのうちの少なくとも１つが、他の２つのポートから電解質チャネルに沿って軸方向に間隔が空けられている、マイクロ流体デバイス、（ｂ）液体媒体を電解質チャネルおよびサイドチャネルに供給するためのポート、ならびに（ｃ）上流電極および下流電極、ならびに第１電極、第２電極、および第３電極であって、これらは、電解質チャネルの上流部分および下流部分、ならびに第１チャネル、第２チャネルおよび第３チャネルにそれぞれ含まれる液体媒体と連絡するように適合される、上流電極および下流電極、ならびに第１電極、第２電極、および第３電極、ならびに
電圧コントローラー（ｄ）であって、上流電極、下流電極、第１電極、第２電極、および第３電極に作動可能に接続される、電圧コントローラー（ｄ）を備え、このデバイスは、（ｉ）第１サイドチャネルおよび他の２個のサイドチャネルの少なくとも１つにわたって、有効な電圧電位を印加して、第１ポートと、第１ポートから軸方向にずれた少なくとも１個の他のポートとの間を延びる電解質チャンバの容積要素に、第１チャネルに含まれる液体サンプルを移動させ、（ｉｉ）３個のサイドチャネル、および上流チャネル末端部分および下流チャネル末端部分の少なくとも１個に印加した電圧を同時に制御して、サンプル容積要素内に所望のリーディングエッジおよびトレーリングエッジの形状、および／またはサンプル成分の分布を有する、電解質チャネル内のサンプル容積要素を作製し、そして（ｉｉｉ）上流チャネル部分および下流チャネル部分、ならびにサイドチャネルの少なくとも２個に印加した電圧を同時に制御して、所望のリーディングエッジおよびトレーリングエッジの形状ならびに／あるいはサンプル成分の分布を有するサンプル要素を電解質チャネル内の下流方向に進めるためのデバイスである。
このデバイスは、上記の構造的特徴および制御された電圧の特徴を有する。
本発明は、以下を提供する：
（項目１） チャネルネットワークを有するマイクロ流体デバイス中の電解質チャネルに液体サンプルを注入する方法であって、該チャネルネットワークは、上流チャネル部分および下流チャネル部分を有する電解質チャネル、ならびに第１サイドチャネル、第２サイドチャネル、および第３サイドチャネルを備え、該第１サイドチャネル、第２サイドチャネル、および第３サイドチャネルは、第１ポート、第２ポートおよび第３ポートのそれぞれで、２個の該チャネル部分の間で該電解質チャネルを横切り、ここで、該ポートの少なくとも１個は、他の２個のポートから該電解質チャネルに沿って軸方向に間隔を空けている、デバイスであり、該方法は、以下：
（ａ）該第１サイドチャネルにサンプルを供給する、工程；
（ｂ）該第１サイドチャネルと他の２個の該サイドチャネルの少なくとも１個に、有効な電圧電位を印加して、該第１ポートと、該第１ポートから軸方向にずれている少なくとも１個の他のポートとの間を延びる該電解質チャンバの容積要素に、該第１チャネルに含まれる液体サンプルを移動させる、工程；
（ｃ）３個の該サイドチャネル、および必要に応じて、該上流チャネルおよび下流チャネルの末端部分の少なくとも１個に印加した該電圧を同時に制御して、所望のリーディングエッジおよびトレーリングエッジの形状、および／またはサンプル容積要素内でのサンプル成分の分布を有する、該電解質チャネル内の該容積要素を作製する、工程；ならびに
（ｄ）該上流チャネル部分および下流チャネル部分、ならびに該サイドチャネルの少なくとも２個に印加した該電圧を同時に制御して、所望のリーディングエッジおよびトレーリングエッジの形状、および／またはサンプル成分の分布を有するサンプル要素を該電解質チャネル内の下流方向に進める、工程、
を包含する、方法。
（項目２） 項目１に記載の方法であって、該方法は、複数のサンプル成分の容積要素内に、該サンプル成分を含むサンプルを注入するのに使用され、ここで：
前記第１ポートは、前記第２ポートと第３ポートとの間で軸方向に配置され、
印加工程（ｂ）は、該第２ポートと第３ポートとの間で延びる前記電解質チャンバの容積要素に、前記第１チャネルのサンプルを移動させるのに有効であり、そして
制御工程（ｃ）は、電解質溶液を前記上流チャネル部分から該第２ポートを通って移動させ、そして電解質溶液を前記下流チャネル部分から該第３ポートを通って移動させるのに有効であり、これにより、該サンプル容積の上流の境界と下流の境界を鋭くする、
方法。
（項目３） 前記第１ポートが、前記第２ポートと共に軸方向に整列されている、項目２に記載の方法。
（項目４） 前記第１ポートが、前記第２ポートおよび第３ポートから軸方向に間隔を空けている、項目２に記載の方法。
（項目５） 項目２に記載の方法であって、ここで、制御工程（ｄ）は、前記第２ポート、第１ポートおよび第３ポートを連続して通って、前記上流チャネル部分の電解質溶液を移動させ、前記電解質チャネルから離して３個の前記サイドチャネルに含まれるサンプルを移動させるのに有効である、方法。
（項目６） 項目１に記載の方法であって、該方法は、容積要素中に複数のサンプル成分を含むサンプルを注入する工程、および電気泳動移動度に従って、該容積要素内の該サンプル成分を予め確保する工程に使用され、ここで：
該サンプルは、異なる電気泳動移動度を有する複数の成分、および該サンプル成分よりも大きな電気泳動移動度を有するリーディングエッジイオンまたは該サンプル成分よりも小さな電気泳動移動度を有するトレーリングエッジイオンのうちの一つを含み、
前記第１ポートは、前記第２ポートと第３ポートとの間で軸方向に配置され、
印加工程（ｂ）は、該第２ポートと第３ポートとの間で延びる前記電解質チャンバの容積要素に、前記第１チャネルのサンプルを移動させるのに有効であり、
制御工程（ｃ）は、前記上流チャネル部分から該第２ポートを通って電解質溶液を移動させ、そして前記下流ポート部分から該第３ポートを通って電解質溶液を移動させるのに有効であり、これにより、該サンプル容積の上流の境界と下流の境界を鋭くし、該上流部分と下流部分の両方中の該電解質溶液は、リーディングエッジイオンまたはトレーリングエッジイオン以外を含み、そして
制御工程（ｄ）は、電気泳動移動度に従って等速回転電気泳動分離によって、該サンプルの容積中に該サンプル成分を確保するのに最初に有効である、
方法。
（項目７） 項目６に記載の方法であって、ここで、前記制御工程（ｄ）は、前記第２ポート、第１ポートおよび第３ポートを連続して通って、前記上流チャネル部分の電解質溶液を移動させ、前記電解質チャネルから離して３個の前記サイドチャネルに含まれるサンプルを移動させるのに有効である、方法。
（項目８） 項目１に記載の方法であって、該方法は、容積要素中に複数のサンプル成分を含むサンプルを注入する工程、および電気泳動移動度に従って、該容積要素内に該サンプル成分を予め確保する工程に使用され、ここで：
該サンプルは、異なる電気泳動移動度を有する複数の成分を含み；
前記第２ポートは、前記第１ポートと第３ポートとの間で軸方向に配置され、
印加工程（ｂ）は、該第１ポートと第２ポートとの間で延びる前記電解質チャンバの容積要素に、前記第１チャネルのサンプルを移動させるのに有効であり；
制御工程（ｃ）は、前記サンプル成分よりも大きな電気移動度を有するリーディングエッジイオンの一つを含む溶液を移動させるか、または前記第３チャネルから前記第２チャネルに該サンプル成分よりも小さな電気移動度を有するトレーリングエッジイオンを移動させるのに有効であり；そして
制御工程（ｄ）は、電気泳動移動度に従って等速回転電気泳動分離によって、該サンプルの容積中に該サンプル成分を確保するのに最初に有効である、
方法。
（項目９） 項目８に記載の方法であって、ここで、制御工程（ｄ）は、前記第２ポート、第１ポートおよび第３ポートを連続して通って、前記上流チャネル部分の電解質溶液を移動させ、前記電解質チャネルから離して前記サイドチャネルに含まれるサンプルを移動させるのに有効である、方法。
（項目１０） 項目１に記載の方法であって、該方法は、１以上のサンプル成分を含むサンプルを注入する工程、および前記サンプル容積の上流側または下流側において該成分を濃縮する工程に使用され、ここで：
前記第１ポート、第２ポート、および第３ポートは、互いに軸方向に間隔を空けており、そして該第２ポートは、該第１ポートと該第３ポートとの間に配置され；
印加工程（ｂ）は、該第１サイドチャネルと第２サイドチャネルに、ＤＣ電圧電位を印加して、前記第１チャネルを、該第１ポートと該第２ポートとの間で延びる前記電解質チャンバの容積要素に該第１チャネル中のサンプルを移動させる工程を包含し；
制御工程（ｃ）は、該第３サイドチャネルと上流チャネル部分または下流チャネル部分との間に、ＡＣ電圧を印加し、ＡＣ電圧が印加される該チャネル部分に隣接する該サンプル容積の末端に、該サンプル容積中のサンプル成分を濃縮するのに有効な、サンプルプラグの上流末端または下流末端に隣接する誘電性集束場を形成する工程を包含する、
方法。
（項目１１） 項目１０に記載の方法であって、ここで、
前記第１ポート、第２ポート、および第３ポートが、上流から下流の方向に、前記電解質チャネルに沿って位置決めされており、そして
制御工程（ｃ）が、前記上流チャネル部分と前記第３サイドチャネルとの間にＡＣ電圧を印加する工程を包含する、
方法。
（項目１２） 項目１０に記載の方法であって、前記第１チャネルおよび第３チャネルは、前記電解質チャネルの反対側に軸方向に整列またはほぼ整列され、前記第２チャネルが、該第１チャネルと第３チャネルから軸方向に間隔を空けられ、そして
制御工程（ｃ）は、該第３チャネルと、隣接する前記上流チャネルまたは下流チャネルの末端部分との間にＡＣ電圧を印加する工程を包含する、
方法。
（項目１３） 電解質チャネルを通る輸送用に、規定の容積の液体サンプルを電解質チャネルに注入するのに使用するために設計された、マイクロ流体システムであって、該システムは、以下：
チャネルネットワークを有するマイクロ流体デバイスであって、該チャネルネットワークは、上流チャネル部分および下流チャネル部分を有する電解質チャネル、ならびに第１サイドチャネル、第２サイドチャネル、および第３サイドチャネルを備え、該第１サイドチャネル、第２サイドチャネル、および第３サイドチャネルは、第１ポート、第２ポートおよび第３ポートのそれぞれで、２個の該チャネル部分の間で該電解質チャネルを横切り、ここで、該ポートの少なくとも１個は、他の２個のポートから該電解質チャネルに沿って軸方向に間隔を空けている、デバイス；
該電解質チャネルおよび該サイドチャネルに液体媒体を供給するためポート；
上流電極および下流電極、ならびに第１電極、第２電極および第３電極であって、該電極は、該電解質チャネルの上流部分および下流部分、ならびに該第１サイドチャネル、第２サイドチャネルおよび第３サイドチャネルのそれぞれに含まれる液体媒体と連絡するように適応されている、電極；ならびに
電圧制御器であって、以下：
（ａ）該第１サイドチャネルと他の２個の該サイドチャネルの少なくとも１個に、有効な電圧電位を印加して、該第１ポートと、該第１ポートから軸方向にずれている少なくとも１個の他のポートとの間を延びる該電解質チャンバの容積要素に、該第１チャネルに含まれる液体サンプルを移動させるために；
（ｂ）３個の該サイドチャネル、および該上流チャネルおよび下流チャネルの末端部分の少なくとも１個に印加した該電圧を同時に制御して、所望のリーディングエッジおよびトレーリングエッジの形状、および／または容積要素内でのサンプル成分の分布を有する、該電解質チャネル内の該サンプル容積要素を作製するために；ならびに
（ｃ）該上流チャネル部分および下流チャネル部分、ならびに該サイドチャネルの少なくとも２個に印加した該電圧を同時に制御して、所望のリーディングエッジおよびトレーリングエッジの形状、および／またはサンプル成分の分布を有する該サンプル要素を該電解質チャネル内の下流方向に進めるために、
該上流電極および下流電極、ならびに該第１電極、第２電極および第３電極に作動可能に接続された、電圧制御器、
を備える、システム。
（項目１４） 項目１３に記載のシステムであって、該システムは、サンプル成分の容積要素中に、複数のサンプル成分を含むサンプルを注入するのに使用され、ここで：
前記第１ポートは、前記第２ポートと第３ポートとの間で軸方向に配置され、
印加工程（ｂ）は、該第２ポートと第３ポートとの間で延びる前記電解質チャンバの容積要素に、前記第１チャネルのサンプルを移動させるのに有効であり、そして
制御工程（ｃ）は、電解質溶液を前記上流チャネル部分から該第２ポートを通って移動させ、そして電解質溶液を前記下流ポート部分から該第３ポートを通って移動させるのに有効であり、これにより、該サンプル容積の上流の境界と下流の境界を鋭くする、
システム。
（項目１５） 項目１４に記載のシステムであって、ここで、制御工程（ｄ）は、前記第２ポート、第１ポートおよび第３ポートを連続して通って、前記上流チャネル部分の電解質溶液を移動させ、前記電解質チャネルから離して３個の前記サイドチャネルに含まれるサンプルを移動させるのに有効である、システム。
（項目１６） 項目１３に記載のシステムであって、該システムは、容積要素中に複数のサンプル成分を含むサンプルを注入する工程、および電気泳動移動度に従って、該容積要素内に該サンプル成分を予め確保する工程に使用され、該サンプルは、異なる電気泳動移動度を有する複数の成分、および該サンプル成分よりも大きな電気泳動移動度を有するリーディングエッジイオンを含み、ここで：
前記第１ポートは、前記第２ポートと第３ポートとの間で軸方向に配置され、
印加工程（ｂ）は、該第２ポートと第３ポートとの間で延びる前記電解質チャンバの容積要素に、前記第１チャネルのサンプルを移動させるのに有効であり、
制御工程（ｃ）は、前記上流チャネル部分から該第２ポートを通って電解質溶液を移動させ、そして前記下流ポート部分から該第３ポートを通って電解質溶液を移動させるのに有効であり、これにより、該サンプル容積の上流の境界と下流の境界を鋭くし、該上流部分と下流部分の両方中の該電解質溶液は、該サンプル成分よりも小さな電気泳動移動度を有する、トレーリングエッジイオンを含み、そして
制御工程（ｄ）は、電気泳動移動度に従って等速回転電気泳動分離によって、該サンプルの容積中に該サンプル成分を確保するのに最初に有効である、
システム。
（項目１７） 項目１３に記載のシステムであって、該システムは、容積要素中に複数のサンプル成分を含むサンプルを注入する工程、および電気泳動移動度に従って、該容積要素内に該サンプル成分を予め確保する工程に使用され、該サンプルは、異なる電気泳動移動度を有する複数の成分、および該サンプル成分よりも大きな電気泳動移動度を有するリーディングエッジイオンを含み、ここで：
前記第２ポートは、前記第１ポートと第３ポートとの間で軸方向に配置され、
印加工程（ｂ）は、該第１ポートと第２ポートとの間で延びる前記電解質チャンバの容積要素に、前記第１チャネルのサンプルを移動させるのに有効であり；
制御工程（ｃ）は、前記第３チャネルから前記第２チャネルに、前記サンプル成分よりも大きな電気移動度を有するリーディングエッジイオンの一つを含む溶液を移動させるか、または該サンプル成分よりも小さな電気移動度を有するトレーリングエッジイオンを移動させるのに有効であり；そして
制御工程（ｄ）は、電気泳動移動度に従って等速回転電気泳動分離によって、該サンプルの容積中の該サンプル成分を確保するのに最初に有効である、
システム。
（項目１８） 項目１３に記載のシステムであって、該システムは、１以上のサンプル成分を含むサンプルを注入する工程、および前記サンプル容積の前記上流側または下流側において該成分を濃縮する工程に使用され、ここで：
前記第１ポート、第２ポート、および第３ポートは、互いに軸方向に間隔を空けており、そして該第２ポートは、該第１ポートと該第３ポートとの間に配置され；
印加工程（ｂ）は、該第１サイドチャネルと第２サイドチャネルに、ＤＣ電圧電位を印加して、該第１ポートと該第２ポートとの間で延びる前記電解質チャンバの容積要素に該第１チャネル中のサンプルを移動させる工程を包含し；そして
制御工程（ｃ）は、該第３サイドチャネルと上流チャネル部分または下流チャネル部分との間に、ＡＣ電圧を印加する工程を包含し、該第１ポートおよび第２ポートは、該第３サイドチャネルと該ＡＣ電圧が印加されるチャネル部分との間に配置され、そして間隔を空けており、これにより、ＡＣ電圧が印加される該チャネル部分に隣接する該サンプル容積の末端において、サンプル容積中のサンプル成分を濃縮する、
システム。
（項目１９） 項目１３に記載のシステムであって、該システムは、１以上のサンプル成分を含むサンプルを注入する工程、および前記サンプル容積の前記上流側または下流側において該成分を濃縮する工程に使用され、ここで：
前記第１チャネルおよび第３チャネルは、前記電解質チャネルの反対側に軸方向に整列またはほぼ整列され、前記第２チャネルが、該第１チャネルと第３チャネルから軸方向に間隔を空けており、
印加工程（ｂ）は、該第１サイドチャネルと第２サイドチャネルに、ＤＣ電圧電位を印加して、該第１ポートと該第２ポートとの間で延びる前記電解質チャンバの容積要素に該第１チャネル中のサンプルを移動させる工程を包含し；そして
制御工程（ｃ）は、該第３サイドチャネルと上流チャネル部分または下流チャネル部分との間で、隣接する前記上流チャネルまたは下流チャネルの末端部分と、該第３チャネルとの間に、ＡＣ電圧を印加する工程を包含し、これにより、ＡＣ電圧が印加される、該チャネル部分に隣接する該サンプル容積の末端において、サンプル容積中のサンプル成分を濃縮する、
システム。
本発明のこれらの目的および他の目的は、本発明の以下の詳細な説明が添付の図面とともに読まれる場合、より十分に明かになる。
（発明の詳細な説明）
（Ｉ．マイクロ流体システム）
本発明は、１つの局面において、チャネルを介した輸送のために、キャピラリー電解質チャネルに、規定された容量の液体サンプルを注入する際に使用するためのマイクロ流体システムを包含する。「規定された容量」とは、注入される容量が、電解質チャネル（以下に示されるようにサンプルが充填される）の容量によって規定される既知の容量を有することを意味する。電解質チャネルを介した輸送は、サンプルをシステムの別のステーションに運ぶため、例えば、電解質チャネルに沿った電気泳動分離によるサンプル成分の分離のため、または例えば、チャネル内の特定の反応部位においてチャネルの長さに沿った１つ以上の位置において成分を分析するためであり得る。
本発明に従う１つの例示的なシステムは、図１の１０に示される。このシステムは、マイクロ流体デバイスを含み、チャネルネットワーク１４を含む１２で一般的に示される。以下に記載されるように、チャネルネットワークは、マイクロ流体基材（例えば、シリコンまたはポリマー基材）で都合良く形成され、これは、基材の上表面に形成されるキャピラリーチャネルのネットワークを有し、そして上基材表面に取り付けられる蓋によって囲まれる。チャネルネットワークは、電解質チャネル１６を備え、これは、緩衝液または電解質レザバ２０と連絡する上流部分１８および廃棄レザバ２４と連絡する下流部分２２を有する。操作において、以下に記載されるように、サンプルを上流チャネル部分と下流チャネル部分との間の電解質チャネルに注入し、引き続いて、サンプル分離のため、分析のため、そして／またはデバイスの別の部位への輸送のために電解質チャネルの下流の方向に（図の右に）移動させる。
チャネルネットワークには、電解質チャネルをポート３２、３４、および３６でそれぞれ横切る、第１サイドチャネル２６、第２サイドチャネル２８、および第３サイドチャネル３０もまた、備えられる。３つのポートは、図１および２の実施形態に示されるように、上流電解質チャネル部分と下流電解質チャネル部分との間に配置され、そして互いに軸方向に間隔が空けられるが、いくつかの適用において、図３を参照して議論されるように、２つのサイドチャネルポートが電解質チャネルの異なる側に軸方向に整列し得る。「第１」チャネル、「第２」チャネル、および「第３」チャネルのような特定のサイドチャネルの名称は、任意であり、そして以下に記載される種々の方法の間で変わり得る。より一般的には、「第１」チャネルは、サンプル材料が供給されるチャネルチャネルを示し、そして「第２」チャネルおよび「第３」チャネルは、サンプルを受容するドレインチャネルかまたは他の成分を電解質チャネルに供給し得るチャネルのいずれかを示す。
チャネル２６、２８、および３０は、示されるように、その遠位端において、それぞれサンプルレザバ３８、およびドレインレザバ４０、４２と連絡する。これらのレザバの少なくとも１つ、そして好ましくは全てが、ポート（図示せず）を有し、このポートにおいて、液体物質がレザバに添加され得る。各レザバは、電極（例えば、電極４４、４６、４８、５０、および５２）を、それぞれレザバ２０、２４、３８、４０、および４２に提供するか、または受容するよう適合される。これらの電極は、基材上に形成されても、（例えば、電極が関連するレザバ中の液体と接触するために基材上に配置される電極板上に）独立して形成されてもよい。各電極は、次に、制御ユニットまたは電圧制御装置５４に作動可能に接続され、この制御ユニットは、以下に記載される種々の様式で作動して、所望のサンプル注入モードの選択された型の１つを生じる。
３つのサイドチャネルの間（ｂｅｔｗｅｅｎ ａｎｄ ａｍｏｎｇ）の相対的な間隔、およびチャネル注入の領域における電解質チャネルの断面積は、注入されるサンプルプラグの所望の容量を決定する。明らかに、所定の容量に対して、チャネルの断面積は大きくなるほど、間隔は小さくなり得る。間隔は、特定の配置に依存して、対称的であっても非対称的であってもよく、通常は、ドレインチャネルの中心間で測定する場合に、供給源チャネルから離れたプラグの全長の少なくとも約１０％である。チャネル中心からチャネル中心への間隔は、１μｍ〜３ｃｍ、より通常には約５μｍ〜１ｍｍの範囲である。プラグに対する容量は、一般に、約１ｎｌ〜１μｌの範囲、より通常には約１ｎｌ〜１０ｎｌの範囲であるが、より大きいかまたはより小さな容量が、特定の状況において有用であり得る。
サイドチャネルの３つの代替の配置を、図１〜３に示す。図１の配置において、第１のサイドチャネルポートが、第２および第３のチャネルポートの間に位置し、そしてこれらのポートから軸方向に間隔を空けており、そして電解質チャネルの反対側にある（サンプルが注入される「第１の」チャネルは、選択される特定のサンプル注入配置に依存して、これら３つのチャネルのいずれでもよいことが理解される）。図２に示す実施形態においては、チャネルネットワーク５６は、電解質チャネル５８、ならびに第１、第２、および第３のサイドチャネル６０、６２、および６４をそれぞれ備え、これらのチャネルは、３つのポート６６、６８、および７０においてそれぞれチャネル５８と交差し、これは、互いから軸方向に間隔を空けており、そして電解質チャネルの同じ側に位置する。
図３は、電解質チャネル７４ならびに第１、第２、および第３のチャネル７６、７８、８０を備えるチャネルネットワーク７２を有する実施形態を示し、これらのチャネルは、それぞれ３つのポート８２、８４、８６においてチャネル７４と交差し、ここで、第１および第２のサイドチャネルは軸方向に整列しており、そして電解質チャネルの反対側にポートを有し、そして両方が、第３のチャネルから軸方向に間隔を空けている。
ここで、このシステムのマイクロ流体デバイスの作製を考慮すると、チャネルが存在する基材またはカードは、一般に、少なくとも約２０μｍ、より通常には少なくとも約４０μｍ、そして約０．５ｃｍ以下、通常には約０．２５ｃｍ以下の厚みを有する。基材の幅は、収容されるべきユニットの数によって決定され、そして約２ｍｍ程度に小さくあり得、そして約６ｃｍまでか、またはそれより大きい。他方向の寸法は、一般に、少なくとも約０．５ｃｍであり、そして約５０ｃｍ以下であり、通常は、約２０ｃｍ以下である。基材は、可撓性フィルムまたは比較的非可撓性の固体であり得、ここで、微小構造体（例えば、レザバおよびチャネル）は、エンボス加工、成形、機械加工などによって提供され得る。チャネルの寸法は、一般に、約０．１μｍ〜１ｍｍの範囲の深さ、および約０．５μｍ〜１ｍｍの幅の範囲であり、ここで、断面は一般に、０．１μｍ２〜約１ｍｍ２である。チャネルの長さは、そのチャネルが使用される操作に依存して広く変動し、一般に、約０．０５ｍｍ〜５０ｃｍの範囲、より通常には約０．５ｍｍ〜２０ｃｍの範囲である。メインチャネルおよびサイドチャネルは、同じかまたは異なる断面積、および同じかまたは異なる形状を有し得る。
接合領域において所望される流れパターンに依存して、サイドチャネルは、メインチャネルより大きいかまたは小さな断面であり得る。レザバは、一般に、約１０ｎｌ〜１００μｌの範囲の容量；より通常には約５００ｎｌ〜１０μｌの範囲の容量を有する。レザバは、円筒形状、円錐形状（例えば、切頭体）、または他の規則的な形状であり得る。
このデバイスの作製は、微小特徴を含む基材、支持フィルム、封入フィルム、またはこれらの組み合わせを含み得る。支持フィルムは、一般に、少なくとも約４０μｍの厚みであり、そして約５ｍｍ以下の厚みである。チャネルおよびレザバの底部を封入するために使用されるフィルムは、一般に、約１０μｍ〜２ｍｍの範囲、より通常には約２０μｍ〜１ｍｍの範囲の厚みを有する。選択される厚みは、良好な熱移動（例えば、温度制御）のための所望によって制御され得るが、そうでなければ、通常は、好都合であって良好な密封を保証するものであり、そしてデバイスが使用される様式が、器具類を収容するものである。封入フィルムはまた、基材の底部が完全に閉じた位置で、上記範囲内の厚みを有し、そしてレザバまたはアクセスを必要とする他の特徴と位置合わせされた穿孔を含み、一方でチャネルを封入する。従って、この範囲は重要ではない。
示されるように、基材は、可撓性フィルムまたは非可撓性固体であり得るので、作製の方法は、この基材の性質によって変化する。エンボス加工のためには、少なくとも２つのフィルムが使用され、ここで、これらのフィルムは、ロールから引かれ得、一方のフィルムがエンボス加工され、そして他方のフィルムが、このエンボス加工されたフィルムに接着されて、物理的支持を提供する。個々のユニットには刻み目が付けられ得、これによって、別個に使用されることが可能であるか、またはデバイスのロールはインタクトなままであり得る。例えば、出願番号ＰＣＴ／９８／２１８６９を参照のこと。デバイスが個々に作製される場合には、これらのデバイスは、通常、従来の成形技術を使用して、成形される。基材および付随するフィルムは、一般にプラスチックであり、特に有機ポリマーであり、ここで、このポリマーは、さらなるポリマー（例えば、アクリレート、メタクリレート、ポリオレフィン、ポリスチレンなど）を含むか、または縮合ポリマー（例えば、ポリエーテル、ポリエステル、ポリアミド、ポリイミド、ジアルキルシロキサンなど）であるが、ガラス、シリコンまたは他の物質が、使用され得る。望ましくは、ポリマーは、固有に低い蛍光を有するか、または添加剤もしくは漂白（例えば、光退色）によって、低蛍光性にされ得る。フィルムは、通常、少なくともチャネルを封入するように基材上に配置され、このフィルムは通常、レザバとの連絡のための開口部を有し、そして適切である場合には、電極をレザバに導入する。封入フィルムは、任意の好都合な手段（例えば、熱結合、接着剤など）によって、基材に接着され得る。文献は、このようなフィルムを接着する多数の例を有する。例えば、米国特許第４，５５８，３３３号；および同第５，５００，０７１号を参照のこと。
（ＩＩ．サンプル注入法）
上記システムは、以下の下位区分Ａ〜Ｃに詳述される、種々のサンプル注入操作を実施するために設計される。一般に、本発明のサンプル注入法は、最初にサンプルを第１のサイドチャネルに供給する工程を包含する。このサンプルは、代表的に、複数の生物学的成分または生物学的に活性な成分（例えば、異なる長さおよび配列のＤＮＡフラグメント、異なるタンパク質、または治療化合物など、あるいは蛍光レポーター分子）を含む、水性サンプルであり、これらは、チャネルへの注入後、電解質チャネルを通して移送され、このチャネルにおいて分析され、そしてこのチャネルに沿って分離される。１つの例示的な適用において、このサンプルは、異なる電気泳動移動度を有する複数の化合物（例えば、核酸化合物）を含み、そして電解質チャネルの下流部分は、電解質チャネルにおける成分のゾーン電気泳動分離またはキャピラリー電気泳動（ＣＥ）分離のための、電気泳動媒体を含む。
さらに、このデバイスの他のチャネルに、好ましくはそのデバイスの関連するレザバと連絡するポートを通して、液体が添加される。一般に、残りのチャネルおよびレザバは、電解質溶液（例えば、約２〜２５０ｍＭの間の緩衝塩を含む、標準電気泳動溶液）で満たされる。
このデバイスがこのように充填されると、制御ユニットが、電圧を、第１サイドチャネルおよび他の２つのサイドチャネルの少なくとも１つ（特に、第１のサイドチャネルから軸方向に間隔を空けるチャネル）を横切って印加するよう作動される。電位の電圧および極性は、サンプル物質がサンプルレザバからサンプルチャネルを通って、電圧が制御されたサイドチャネル間の電解質チャネルのセグメント内に入り、そしてこのチャネルを通って、第２の、および必要に応じて第３のサイドチャネル、ならびにリザーバに入るように、動電学的に移動するようなものである。この動電学的移動は、バルク相電気浸透フロー（ＥＯＦ）、サンプルの個々の成分の電気泳動的移動、またはこれらの組み合わせであり得る。従って、電圧が制御されたサイドチャネルのポート間の電解質チャネルの部分は、サンプル容量で満たされ、このサンプル容量は、このようなポート間のチャネルの容量によって、そして少なくとも部分的にこのようなポートを含んで、規定される。代表的に、サイドチャネル間に印加される電圧は、約１０〜５，０００ボルトの間の直流電圧である。
本発明の重要な特徴によれば、サンプル容量のリーディングエッジおよびトレーリングエッジの所望の形状、ならびにサンプル容量内でのサンプル成分の所望の分布が、３つのサイドチャネル、および必要に応じて、上流または下流の電解質チャネル部分の少なくとも１つに印加される電圧を同時に制御することによって達成される。以下の下位区分ＡおよびＢは、サンプル容量のリーディングエッジおよびトレーリングエッジが、２つのチャネル部分から第２および第３のサイドチャネルへの緩衝剤または緩衝イオンの内向きの流れによって形成される、サンプル充填方法を詳述する；下位区分Ｃは、サンプル成分が、誘電収束によってサンプル容量の一端において濃縮される、サンプル充填方法を詳述する。サンプルが第１のチャネルから電解質チャネルへと充填され、次いで形成および／または濃縮される、これら２つの工程はまた、本明細書中において、サンプル充填工程と称される。
サンプル充填、ならびにサンプル容量中でのサンプル成分の適切な形成および／または分配の後に、制御デバイスが、上流および下流のチャネル部分、ならびにサイドチャネルの少なくとも２つにわたって印加される電圧を同時に制御するよう操作されて、電解質チャネルにおける下流方向へとサンプルを進める。この工程はまた、本明細書中において、サンプル注入工程と称される。下位区分ＡおよびＣに記載される方法において、サンプル注入は、サンプル容量を、形成されたサンプルプラグ（下位区分Ａ）または濃縮成分を有するプラグ（Ｃ）として電解質チャネルの下流部分に移動させる工程を包含する；下位区分Ｂにおいて、サンプル注入は、最初に、サンプル中の異なるサンプル成分を等速回転電気泳動によって予め確保するよう働き、次いで、これらのサンプル成分を、電気泳動的移動によって移動させる。これら３つのサンプル注入モードを、ここでさらに詳細に考慮する。
（Ａ．規定容量のサンプル注入）
図１〜３は、形成されたリーディングエッジおよびトレーリングエッジを有する規定容量のサンプルプラグを生成するための、３つの異なるサイドチャネル配置におけるサンプル充填工程を示す。図１の実施形態において、制御ユニットは、図示するように、第１のサイドチャネルならびに第２および第３の各々のサイドチャネルにわたってＤＣ電位を印加し、サンプル物質を、サンプルレザバ３８から、ポート３４、３６の間の電解質チャネル内へ、およびこのチャネルを通して、そして第２および第３のサイドチャネル内へと、移動させるように、作動する。電位の極性（任意にＶ（−）からＶ（＋）で示される）は、サンプルを動電学的に所望の方向に移動させるよう選択される。代表的に、サイドアームにわたる電位勾配は、約１０Ｖ／ｃｍと５００Ｖ／ｃｍとの間である。
同時に、サンプル充填工程の一部として、電位が、電解質チャネルの上流部分および下流部分に印加されて、レザバ２０、２４内の緩衝剤または緩衝イオンを、サイドチャネル２８、３０に向けてこれらのチャネル内へと移動させる。すなわち、５つ全てのレザバにおける電圧制御が、同時に制御される。示されるように、チャネルおよび関連するサイドチャネルの各端部にわたる電圧差は、同じチャネルと第１サイドチャネルとにわたる電圧差より小さく、その結果、電解質チャネルの反対側の端部からの緩衝剤の流れは、示されるように、２つの外側サイドチャネルに制限される。
接合領域において場の強度を制御することによって、ドレインチャネルにおける２つの流れ（サンプルおよび電解質緩衝剤）の断面積の比率が、サンプル流れおよび緩衝剤流れに関して、約５：９５〜９５：５、より通常には１０：９０〜９０：１０、そして好ましくは約２５：７５〜７５：２５で、変動され得る。緩衝剤流れまたはサンプル流れの割合が小さすぎると、プラグの縁部の直線性および鋭さが低下する。陽イオンの流れについては、一般に、供給源と排液部との間に、より低いポテンシャルが存在する。相対的な場の強度は、電極における電圧、接合領域からの電極の距離、流れの電気抵抗などの関数である。従って、電圧の言及は、他のパラメータの知識なしには、意味をなさない。それにもかかわらず、約１〜２０ｍｍの範囲の接合領域からの電極の距離、および約１×１０−４〜４×１０−２ｍｍ２の範囲の断面積を有する従来のシステムに関して、マイクロ流体デバイスに対して使用される通常の塩濃度を用いて、供給源チャネル、ドレインチャネル、メインチャネルおよびメインチャネル中のサンプルプラグに関する接合領域の場の強度は、１〜０．５：１００〜０．０１：１００〜０．０１：１００の比の範囲である。
サンプル充填電圧は、好ましくは、サンプル容量における代表的なサンプル組成を得るために必要とされる時間にわたって、印加される。具体的には、サンプル移動が電気泳動サンプル移動の成分を含む場合には、例えば、ＥＰＯ０，６２０，４３２ Ａ１に記載されるように、この電圧は、このサンプルにおいて最も遅く移動する成分を、サンプル容量内へ、そしてサンプル容量を通して移動するために必要な時間にわたって、印加される。図１に見られるように、サンプル充填工程は、規定容量のサンプルプラグ９０を電解質チャネルに移動させるために効果的であり、そしてこのプラグのリーディングエッジおよびトレーリングエッジを、それぞれのサイドチャネルポートのちょうど内側の、十分に規定された境界に制限する。
図２は、類似のサイドチャネル配置における同じサンプル充填工程を示すが、ここで、第１（サンプル）チャネルは、電解質チャネルと同じ側に配置されている。操作およびサンプル充填の結果は、図１に記載したものと実質的に同じであり、形成されたリーディングエッジおよびトレーリングエッジを有する規定容量のサンプルプラグ９２を生成する。
図３の配置において、第１および第２のチャネルポートは、軸方向に整列しており、その結果、サンプル容量は、これらの整列した第１ポートと第２ポート、および第３の下流ポートの間の、電解質チャネルの領域として規定される。サンプル充填工程は、図１に関して記載したものと同じであり、形成されたリーディングエッジおよびトレーリングエッジを有する規定容量のサンプルプラグ９４を生成する。
図４Ａ〜４Ｃは、図１に示すデバイスにおけるサンプル注入工程の間の、サンプル容量の移動の種々の段階を示し、ここで、図４Ａは、サンプル充填の間のデバイスの条件を示す。
規定容量のサンプル８０をこの図の下流方向に注入するために、ここで制御ユニットが、「サンプル移動」電圧を、電解質チャネルの上流部分および下流部分にわたって（すなわち、図４Ｂに示すレザバ２０、２４にわたって）印加するよう作動する。Ｖ／ｃｍとして表される電位、および電圧極性は、サンプル充填の間にサイドチャネルにわたって印加されるものと比較可能であり、そしてサンプルプラグもしくはその中の成分を、ＥＯＦおよび／または電気泳動移動によって、下流の方向に、サンプル移動の所望の速度で移動させるためのものである。
同時に、より低い電位が、３つのサイドチャネルの各々に印加されて、レザバ２０から下流の方向へと移動している電解質を、３つのサイドチャネル内へもまた指向して、サイドチャネル内のサンプルを電解質チャネルから離して移動させる。図４Ｂおよび４Ｃに見られ得るように、この「押し戻し」効果は、サンプル注入の間に、サンプル成分の、サンプルプラグの上流の電解質チャネルへの所望でない拡散または移動を排除するために設計される。
この５チャネル配置は、サンプル充填およびサンプル注入の間にこれら５つのチャネルの各々において同時に制御されて、従来技術において公知の単純なチャネルが交差するかまたは二重Ｔである配置より重要な利点を有する。特に、このシステムは、上流と下流の両方のサンプル容量縁部において形成された（鋭い界面境界を有する）、正確に規定されたサンプル容量を可能にする。この様式で、正確にわかった容量のサンプルが、電解質チャネル内に計量され得る。
（Ｂ．過渡的な予めの確保を伴うサンプル注入）
この方法において、電解質チャネルに規定容量として注入されたサンプルは、例えば、電気泳動チャネルの下流部分におけるサンプルの電気泳動分離を改善するために、過渡的な等速回転電気泳動（ＩＴＰ）によって、サンプル注入の間に予め確保される。この方法は、図１のサイドチャネル配置に関して図５Ａ〜５Ｃに示されており、他のサイドチャネル配置が、以下で理解されるように、この方法に適切であることが、認識される。
ＩＴＰ分離の理論は、例えば、「Ｃａｐｉｌｌａｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ ｉｎ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」Ｒｉｇｈｅｔｔｉ，Ｐ．Ｇ．編、１９９６、ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ，８４−８７頁に記載されている。簡単に言えば、異なる電気泳動移動度を有する成分を含むサンプルが、リーディングエッジイオンを有する緩衝剤とトレーリングエッジイオンを含む緩衝剤との間に配置される。リーディングエッジイオンは、サンプル成分のいずれよりも大きな電気泳動移動度を有する、小さなイオン（例えば、塩化物イオン）である。リーディングエッジイオンの対イオンは、溶液を緩衝するその能力に起因して選択される。同様に、トレーリングエッジのイオンは、最も遅く移動するサンプル成分より低い電気泳動移動度を有するものである。このサンプルにわたって電位を印加することによって、最も速く移動するサンプル成分がリーディングエッジ緩衝液に隣接して濃縮され、そして最も遅く移動する成分がトレーリングエッジの緩衝液に接するまで、サンプル成分が、このサンプルを通っての移動によってバンドに分離する。
図５Ａ〜５Ｃに例示される方法において用いられる過渡的ＩＴＰ法は、サンプルがリーディングエッジイオンまたはトレーリングエッジイオンのいずれかを含むように処方され、そしてこのサンプルが間に配置される（すなわち、このサンプルが、リーディングエッジイオンを含む場合、他のイオン（例えば、トレーリングエッジイオン）を含む緩衝液の間に注入される）という点で、上記のアプローチとは異なる。このサンプルに電圧を印加すると、このサンプル成分は、通常のＩＴＰの場合と同様にバンドに分離するが、同時にこのサンプル中のリーディングエッジイオンおよびトレーリングエッジイオン、ならびに境界のサンプルが混合し、ＩＴＰに必要なＩＴＰイオン移動勾配の損失を導く。イオンの混合が起こる場合、このサンプル成分は、本来の電気泳動力下で移動し始め、そしてこのサンプル成分は、電解質チャネルに移るため、さらなる分離は、電気泳動分離に基づく。
図５Ａ〜５Ｃに示される実施形態において、リーディングエッジイオン（Ｌ）は、サンプル成分（Ｓ）と共に入れられ、そして図１に記載の方法に従って、トレーリングイオン（Ｔ）を含む電解質の間に注入される。すなわち、レザバ２０および２４、ならびにそれらの間の電解質チャネルは、最初にトレーリングイオンを含む緩衝溶液で満たされ、そしてトレーリングイオン緩衝液は、サンプル注入の間に、第２および第３のサイドチャネルに向かって方向付けされて、９６において示される、サンプル容量の鋭角境界を形成する。最適な注入時間は、サンプル成分の移動度、サンプルのサイズおよび接合領域の容量に依存する。通常、注入時間は、少なくとも１秒、そして約２００秒以下、通常、約９０秒以下、より通常では、約５〜６０秒の範囲である。
確保は、トレーリングイオンから始まるので、レザバ緩衝液がトレーリングイオンを含む場合、サンプル成分はこのサンプルの上流末端において確保を開始し、そして下流方向に進行し、そしてこのトレーリングイオンがサンプル中に含まれる場合、右から左の方向で、サンプル容量の前から逆方向に確保する。両方の場合において、このサンプルのバンドは、より速く移動している成分が遅く移動している成分の下流に位置決めされるように、配置される。
電解質の濃度は、一般的に、約０．１〜１，０００ｍＭの範囲、より通常は、約１〜１００ｍＭの範囲である。ターミネート電解質について、その範囲は、一般的に、約１〜１００ｍＭであり、一方、リーディング電解質について、その範囲は、約１〜１０００ｍＭである。特定の濃度は、電解質およびサンプルの特徴、ＩＴＰが行われる条件などにより影響を受ける。緩衝液の濃度は、特定の系で、経験的に容易に最適化され得る。このサンプルの濃度はまた、サンプルの特徴、成分の数、これらが分離される容易さなどに依存して、広範に変化し得る。一般的に、このサンプルの成分の全濃度は、約０．１ｐＭ〜１μＭの範囲である。
代表的な電解質（主に、リーディングイオンおよびターミネートイオンを提供するために使用される塩をいう）としては、塩化ナトリウム、ＨＥＰＥＳ、ＴＡＰＳ、クエン酸ナトリウム、リン酸ナトリウム、ホウ酸ナトリウム、四ホウ酸ナトリウム、タウロデオキシコール酸ナトリウム、ＣＡＰＳ、グリシン酸ナトリウム、Ｔｒｉｓ−Ｃｌ、ギ酸ナトリウム、エタンスルホン酸ナトリウム、ペンタンスルホン酸ナトリウム、酒石酸ナトリウムなどが挙げられる。ＴＲＩＳおよびナトリウムは最も一般的な対イオンであるが、これらは、カチオンについて、アンモニウム、リチウム、カリウム、マグネシウムなどで置き換えられ、アニオンについて、ブロミド、ニトレート、ニトリト、スルフェート、シアニドなどで置き換えられ、そして上記の電解質イオンによって置き換えられ得る。メインチャネル中の電解質溶液と比較したサンプルのイオン強度は広範に変化し得、メインチャネル中の電解質溶液のイオン強度未満か、少なくともこのイオン強度と等しいか、またはこのイオン強度より大きくてもよい。これは、約５〜２５０ｍＭの範囲、より通常は、約５〜１００ｍＭの範囲、そして好ましくは、約２０〜７５ｍＭの範囲で、塩（例えば、アルカリ金属塩化物）をサンプル溶液に添加することによって達成され得る。
図５Ａに例示されるサンプル充填工程の後、制御ユニットは、サンプル注入工程の一部として、図５Ｂに例示されるように、電解質チャネルの上流部分および下流部分に電圧電位を印加するように作動する。ここで、このサンプル成分は、サンプルイオンがサンプル容量を通って移動する場合、それらの移動度に従って確保されるようになる。図９６Ａに示されるサンプル容量は、ここで、一連の確保バンド（例えば、９８、１００）に凝縮されている。リーディングエッジイオンを含むサンプルについて、ＩＴＰから電気泳動ゾーンへの移動は、サンプルイオンが下流チャネル部分においてトレーリングイオンを追い越し始める場合に起こる。トレーリングエッジイオンを含むサンプルにおいて、この移動は、上流チャネル部分内のリーディングエッジイオンがサンプルイオンを追い越し始める場合に起こる。従って、図５Ｃに示されるように、サンプル注入電圧を連続して印加する場合、予め確保された成分は、電気泳動によってさらに分離されるか、そうでなければ、個々の成分のバンドとして、電解質チャネル中でさらに処理される。
図６Ａ〜６Ｃは、本発明に従うサンプル注入の代替のＩＴＰ法を例示する。この方法において、初期サンプルの注入は、第１チャネル２８および第２中間チャネル２６の２つのチャネルに電圧電位を印加することによって、この２つのチャネルの間で起こる。同時に、リーディングイオンＬは、同じ極性を有する電圧電位を印加することによって、第３チャネル３０から第２チャネル２６に供給される。図６Ａに示されるように、このサンプル注入は、第１チャネルポートと第２チャネルポートとの間の電解質チャネル内にサンプル容量要素１０２を生成し、そしてこのサンプル容量のすぐ下流にリーディングイオンのプラグ１０４を生成し、そして鋭い境界によってそこから分離される。従って、上流から下流の方向に進むにつれて、電解質チャネルは、レザバ２０から供給されたトレーリングイオン、レザバ４０からのサンプル容量、レザバ４２から供給されるリーディングイオンを含む溶液のプラグ、およびトレーリングイオンを含む溶液を含む。あるいは、レザバ４０内のサンプルのいずれかまたは両方、およびレザバ２０内の溶液はまた、リーディングイオンＬを含み得る。
サンプル注入について、電圧電位は、図６Ｂに示されるように、レザバ２０および２４に印加される。サンプル容量は、リーディングイオンのプラグとターミネートイオンのプラグとの間に制限されるため、このサンプル容量中のサンプル成分は、上記のように、最初にＩＴＰによって確保され、確保されたバンド（例えば、バンド１０４、１０６）を有するサンプルプラグ１０２Ａを形成し、ここで、最も速く移動するバンドは、リーディングイオンに対して最初に確保する。この効果は、一時的にすぎない。なぜなら、トレーリングイオンＴより高い移動度を有するサンプルイオンは、これらのイオンを最終的に追い越し、そしてこの系は、ＩＴＰからキャピラリー電気泳動（ＣＥ）に移動し、ここで、サンプルイオンは、上記のように、それらの相対移動度によって分離される。
リーディングイオンおよびターミネートイオンの役割は、ここで記載される方法において逆転され得ることが理解され、ここで、リーディングイオンはレザバ２０から供給され、ターミネートイオンは、レザバ４０から供給され、サンプルはレザバ４２から供給され、そしてリーディングイオンはレザバ２４から供給される。
この方法は、当該分野で公知の複合型ＩＴＰ／ＣＥ法を越える有意な利点を提供する。第１に、図５Ａ〜５Ｃに例示される実施形態に関して、５個全ての電極の制御を包含するサンプル充填工程は、十分に規定された容量要素、およびこの容量要素とトレーリング（またはリーディング）イオンとの間の鋭い境界の両方を生成するように行われる。従って、サンプル材料の量は、正確に測量され、そしてＩＴＰの予めの確保は、正確に制御され得る。同様に、図６Ａ〜６Ｃに例示される実施形態において、規定の容量のサンプル容量は、ターミネートイオンの溶液とリーディングイオンの溶液との間に注入され、ここで、このサンプル注入手順は、サンプルとリーディングイオンとの間の鋭い界面を生成し、また結果として、サンプル材料は正確に測量され、そしてＩＴＰの制御を改善する。
（Ｃ．誘電泳動サンプル濃度を用いるサンプル注入）
第３の方法において、本発明のシステムは、電解質チャネル中のサンプル容量の一端において、またはこれに隣接してサンプル成分を濃縮するために使用される。この方法は、図７Ａ〜７Ｃに例示され、これらの図は、図１と同じチャネルネットワーク１４を示す。サンプル充填の最初の工程は、図７Ａに示される。ここで、第１チャネル２６内のサンプルは、第１および第２のチャネルにＤＣ電圧電位を印加することによって、電解質チャネルに注入され、そして第２の隣接チャネル２６に注入されて、電解質チャネル内に規定のサンプル容量１００を形成する。この電圧電位および極性は、サンプル充填のために上に示されたものと同様である。
同時に、およびサンプル充填工程の一部として、ＡＣ電圧は、第３のチャネル３０および第３のチャネルポートからより遠位の電解質チャネル部分（この場合、図７Ｂに示されるような上流チャネル部分）に印加される。印加されたＡＣ電圧は、代表的には、１ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲であり、好ましくは、約１０ｋＨｚであり、そして５００〜２０００Ｖ／ｃｍ、典型的には、約１，０００Ｖ／ｃｍの電場強度を有する。図７Ｂに示されるように、交流電圧場は、チャネルネットワーク内の２つの領域において、サンプル成分の誘電収束を生成するために有効である。１１２で示される第１の領域は、サンプル容量１１０の上流末端かまたはそのすぐ上流にある。この領域はサンプル容量に対して近位にあるため、サンプル成分は、サンプル成分は、この領域で濃縮され得、そしてサンプル材料は、第１のチャネルおよび電解質チャネルによって形成されたエルボーを通過して移動する。従って、サンプル成分の濃縮は、サンプル充填工程の持続時間によって、適度に制御され得る。
誘電収束の第２の領域（示さず）は、第３のサイドチャネルと電解質チャネルとのエルボーの付近にある。この領域は、サンプル容量中のサンプル成分がこの領域で濃縮され得るサンプル容量から十分に遠位にあり、それ故、電解質成分のみがこの領域に存在する。図７Ｂに示されるように、サンプル充填の正味の結果は、高度に濃縮されたサンプル成分の小さな領域１１２の形成、およびあまり濃縮されていない成分の下流容量である。最適なサンプル充填のために、レザバから供給されるサンプルは比較的薄く、そしてサンプル充填期間は、高度に濃縮されたサンプル混合物を生成するのに十分長い。
サンプル注入工程において、ＤＣ電圧は、図７Ｃに示されるように、濃縮されたサンプル領域および下流サンプル容量を、電解質チャネルに電解質チャネルを通して移動させるために、電解質チャネルの上流部分および下流部分に印加される。この移動の間、２つのチャネル内のサンプル材料を電解質チャネルから押し戻し、サイドチャネルからのサンプル混入物を減らすために、上記のように、ＤＣ電圧電位はまた、第１および第２サイドチャネルに印加される。第３のチャネルはサンプル材料を含まないため、このチャネルの電圧は浮遊され得、またこのチャネルへのサンプルの所望しない移動を防止され得る。
この方法の別の実施形態は、図３に示されるサイドチャネル構成に関して例示され得、ここで、サンプルサイドチャネルは、他のサイドチャネルの１つと軸方向に整列するかまたはほぼ整列する。図３に示される要素に関して、サンプル材料は、初めに、２つのチャネルにＤＣ電圧を印加することによって、第１のサイドチャネル７６から電解質チャネルのセグメントを通って、第２のサイドチャネル８０に注入され、この２つのチャネルの間にサンプル容量を生成する。同時に、ＡＣ電圧が上流レザバ（”Ｂ）および第３のチャネル７８（これは、第１のチャネルと軸方向に整列されている）に印加されて、整列されたサイドチャネルおよび電解質チャネルの接合部付近に誘電集束の単一の領域を生成する。３つのサイドチャネルおよび上流チャネル部分にＤＣ電圧とＡＣ電圧とを同時に印加することによって、サンプル材料は蓄積し、そしてサンプル容量の上流端部において誘電集束することによって、濃縮する。次いで、この容量が、上記のように注入され、その濃縮サンプル領域を有する容量を電解質チャネルの下流部分に運搬する。
サンプル濃縮方法は、従来技術で提案された誘電集束方法を越える有意な利点を提供する。特に、第３の遠隔サイドチャネル（これは、サンプルの移動に関与しない）を設けることによって、誘電サンプル成分集束は、サンプル容量に隣接して選択された領域、およびこのサンプル容量から遠位の点で生じ得、たった１つの領域のみでのサンプルの濃縮を可能にする。
上記から、本発明の様々な目的および特徴がどのように満たされるかが理解される。本発明のデバイスを用いる方法は、約１ｎｌ〜５００μｌの範囲の容量、約１０ｎｌ〜０．５ｍｌの範囲の容量、通常は、２０ｎｌ〜０．１ｍｌの範囲の容量のデバイスの微小構造への移動に関連し得る。この容量は、任意の効率的な手段（ピン、インクジェットディスペンサー、他の圧電デバイス、ピペットなどを含む）によって移され得る。
本発明の注入器は、多数の目的のために、規定の容量を提供するために使用され得る。所定のプラグは、遺伝学において、ＤＮＡ配列の同定のため、ＤＮＡ配列決定のため、単一のヌクレオチド多型（「ｓｎｐｓ」）の検出のため（ここで、特定のｓｎｐｓを同定するための様々なタグが含まれ得る）、または他のＤＮＡ分析のため；アッセイ（特に、プロテオームアッセイまたはイムノアッセイ（診断アッセイ、化合物活性のスクリーニング、化合物の反応性、酵素活性および他の分析を含む）のため、個々の種の同定（ここで、この種は、特に混合物で検出され得、この成分は分離され得る）のためなどのプラグを使用して、利用され得る。
本発明の注入器は、サンプルを、電気泳動分離チャネル、ＨＰＬＣ、ガスクロマトグラフ、質量分光計、または成分を同定するための他のデバイスに供給するために使用され得る。注入器を補助デバイス（例えば、キャピラリーコネクターおよびチューブ）に連結するために、様々な手段が使用され得る。本発明は、多くの利点を提供する。規定の容量のプラグとして鋭く規定されたサンプルが生成され得、ここで、サイズのある程度の変化は、サイドチャネルの断面積、電極電圧、要するに、接合領域で生成される電位勾配、サイドチャネルの分離、メインチャネルの断面積および形状などに依存する。このように、デバイスは、分離に供され得るプラグを再現可能に生成するために設けられ得、本来のプラグの鋭く規定されたセグメントを可能にする。これは、再現可能な様式で、サンプルの成分のより感度の高い正確な決定を可能にし、ここで、プラグ容量は、１ｎｌから５０ｎｌ以上に変わり得る。
本明細書中で記載される全ての刊行物および特許出願は、本発明に関する分野の当業者のレベルを示す。本明細書中に記載される全ての刊行物および特許出願は、各個の刊行物または特許出願が参考として援用されていることが詳細かつ個々に示されているのと同じ程度まで、参考として援用される。
本発明は、ここで、十分に記載されてきたが、当業者は、多くの変更および改変は、添付の特許請求の範囲の精神または範囲から逸脱することなく行われ得ることを理解する。
図１は、本発明の１つの実施形態に従うサイドチャネル構成を有するマイクロ流体システムにおけるサンプル充填工程を示す。 図２は、本発明に従う第２のサイドチャネル構成の、図１に対応するサンプル充填工程を示す。 図３は、本発明に従う第３のサイドチャネル構成の、図１に対応するサンプル充填工程を示す。 図４Ａ〜４Ｃは、本発明の方法の１つの一般的な実施形態に従う、規定された容量のサンプルプラグを充填しそして注入する工程を示す。 図５Ａ〜５Ｃは、本発明の方法の別の一般的な実施形態に従う、サンプル成分を充填し、そして予め確保する工程を示す。 図６Ａ〜６Ｃは、本発明に従うサンプル成分を充填し、そして予め確保する別の方法における工程を示す。 図７Ａ〜７Ｃは、本発明の方法の第３の一般的実施形態に従う、サンプル成分を充填し、濃縮し、そして注入する工程を示す。

Claims (1)

  1. 本明細書中に記載されるような、マイクロ流体デバイス。
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