JP2008509387A - マイクロ流体デバイスを流体処理デバイスと接続する装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、一般に、マイクロ流体デバイスを計量分配及び流体処理システムと接続する目的を有するデバイス及び方法に関する。具体的には、本発明は、既存の業界規格に準拠する単一のインタフェース形式で、複数のユニットを単一のコンパクトなデバイスとして装填することができるようにマイクロ流体デバイスの入口の設計にある。
【選択図】図７

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２００４年８月４日に出願された米国特許仮出願第６０／５９８，５９８号に対する優先権を主張し、その内容は引用により全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、化学、生物、及び生化学プロセス又は反応におけるマイクロ流体回路の分野に関する。更に具体的には、本発明は、マイクロ流体デバイスと流体処理デバイスを接続する装置及び方法を開示する。

近年、製薬業界、生命工学業界、化学業界及び関連の業界では、様々な反応及び分析を行うためのマイクロチャンバ及びチャンネル構造体を含むデバイスの採用が盛んになっている。これらのデバイスは、一般にマイクロ流体デバイスと呼ばれ、アッセイを実施するのに必要な試薬及び試料の量の低減を可能にする。また該デバイスは、並行又は連続して、極めて予測可能且つ再現可能な方法で人の介入がなく多くの反応を可能にするものである。従って、マイクロ流体デバイスは、マイクロ総合分析システム（マイクロＴＡＳ）、すなわち、従来の実験室の機能を有する小型化デバイスの特性を示す概念規定を実現する有望なデバイスである。

一般に、全てのマイクロＴＡＳデバイスへの試みは、２通りの方法、すなわち流体移動に関わる力と、流体の流れを方向付けるのに使用されるメカニズムとによって特徴付けることができる。前者はモータと呼ばれる。後者は弁と呼ばれ、流体の容積定量、流体の混合、１組の流体入口と１組の流体出口との連結、流体貯蔵を可能にするのに十分に密閉された容器の封止（本出願による気体又は液体通路に対する）、及び流体流量の調整などの幾つかの基本的動作に不可欠な論理アクチュエータ又はアナログアクチュエータを構成する。デバイスを装填する入力手段及び分析結果を測定する読み出し手段によって補足されるマイクロ流体ネットワーク上の弁とモータの組み合わせによって、マイクロＴＡＳが実施可能且つ有用なものとなる。デバイスの性能が向上し小型化が進むにつれて、巨視的な世界との信頼性及び適合性のあるインタフェースに対する必要性は、研究用途及び商業的用途の両方においてユーザがこれらのシステムの機能を引き出すことができる要件となる。

明らかなこととして、今日のほとんどの試薬類は、マイクロ流体用に特に設計されていない形式でストックされ、更にこれらの形式は、例えば診断用分野及び学界ではバイアル及び管体であり、創薬業界であればマイクロプレートなど異種のものである。種々の規格（例えば、Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ（生体分子スクリーニング学会）ではマイクロプレートに関するオープン規格を既に定義している）が存在しているために、標準化された共通形式に特別に設計された多数の流体処理ツールの商品化が活発になった。器具類の大規模の設置基盤の可用性により、実験室のスペースの可用性、保守、コスト、及びユーザ習性に関連した理由から、流体貯蔵規格に準拠しない製品の導入が困難になる。

流体ハンドラとも呼ばれる流体処理デバイス、計量分配デバイス、試料装填ロボット、化合物計量分配器、計量分配手段、ピペット、ピペットワークステーションの目的は、流体、特に液体を流体貯蔵部から別の貯蔵部に移送することである。従って、一般的な流体処理プロセスを扱う構成要素は、プロセスでの役割に応じて３つのカテゴリー、すなわち（ｉ）元の流体貯蔵源、（ｉｉ）流体移送手段、（ｉｉｉ）流体移送先である流体貯蔵部の容器に分類することができる。

一般論として、自動計量分配デバイスは、ピペット又は類似のデバイスなどの特定のツールを備えた人間のオペレータが計量分配作業を行うことができるので、必ずしも厳密に必要なわけではない。しかしながら、全ての計量分配デバイスは、例えば、作業速度、性能、コスト、汚染の問題及び汎用性などの全体的な特性により説明することができる。流体処理デバイスの所望の要件は、実施可能な高速度（高い生産性を達成するためだけではなく、温度、試薬活性などの同様の条件でアッセイを行うことを可能にするため）、貯蔵源と容器との間の最小限の汚れ、最小固定コスト及び計量分配作業当たりの最小コスト（消耗品）、性能面（線量の正確さ、計量分配可能な容積範囲、占有面積など）、及び汎用性（複数の形式に対する適合性、実施される作業の種類、貯蔵源と容器の自動識別など）である。

既存の流体処理デバイスは全て、これらの要件に対処するか又は部分的に解決し、ユーザによる選択肢は、特定の用途及び実験室の環境によって決まる。環境が異なると、計量分配器具、正確には流体貯蔵手段は大きく異なり、様々な技術、すなわち使い捨て先端部と吸引手段、流体に浸漬される金属製ピン、吸引用針とその後のリンス及び洗浄作業、ポンプ及び管体、圧電式又は他の機械的手段による液滴放出が採用されている。また、計量分配技術を取り巻くインフラストラクチャ及びその自動化の程度は極めて異なり、製薬業界における化合物の実験室管理用の複雑な設備から単純な可搬式装置に及ぶ。

マイクロ流体デバイスは、標準的なアッセイ環境では一般的には無視できる量を扱うので、通常は計量分配デバイスの形態か又は容器の形態でこの工程に関わるが、実際には、アッセイの後続の段階で使用される検出方法では感度が失われ、或いは反応にはより多くの数量の試料が必要になるので、微小量の流体を微細容器に移動することは起こりそうにない。マイクロ流体計量分配デバイスの実施例は圧電ノズルである。マイクロ流体容器の実施例は、遺伝分析用マイクロアレイである。しかしながら、「マイクロスケールデバイス間」の流体移送は、マイクロ流体形式で多数回アッセイが行われるようになると極めて重要なものになり、この場合、マイクロ流体デバイスは同様に貯蔵源としてこの工程に関わることになる点に留意されたい。

求心デバイスは、マイクロ流体デバイスが、求心加速度によってマイクロ流体デバイス自体及びマイクロ流体デバイス内に収容されたあらゆる流体に見掛け上の遠心力が生成されるように、回転軸を中心として回転する特定のクラスのマイクロ流体デバイスである。遠心力は、半径方向だけでなく回転モーメントが変動する場合には接線方向においてモータとして作用する。しかしながら、この力は、入口に収められている流体を含め、マイクロ流体デバイス内に収容されているあらゆる材料に対して同時に印加される。例えば、Ｇｙｒｏｓ ＡＢ、Ｔｅｃａｎ ＡＧ、Ｂｕｒｓｔｅｉｎ Ｔｅｃｈｎｏｇｉｅｓ Ｉｎｃによって開発されたようなほとんどの求心マイクロ流体デバイスでは、マイクロ流体デバイスの形状は円板であり、回転軸は主面に垂直で円板の中心を通る。従って、遠心力は、円板の表面に対し平行でもある。すなわち、表面上に製造される封止されていない入力部には、溢出流体が入口開口から出るのを防止するために非常に特殊な形状が必要となる。

これらのデバイスの入口に実施可能な幾何学的形状は、錐台としても知られ、底辺に平行な面で頂点が切り取られた円錐であり、この場合入口開口は円錐台の頂部に位置する。入口に含まれる流体に加わる遠心力が重力及び表面張力を超えると、入力貯蔵部の唯一の有効な容積は、入口開口の最大半径より大きな半径によって特徴付けられる容積の一部である。明らかに、これは、入口の容量を実際の貯蔵部容積の一部に限定し、流体がこの一部を超えて計量分配された場合には望ましくない溢出を防ぐことはできない（例えば、少量取り扱い時の流体計量分配システムの計量分配精度の限界に起因する）。

更に、例えば射出成形のような様々な技術では、入口の幾何形状が制約されることを認識すべきである。射出成形においては、複製されたデバイスは形状を決定付ける金型から取り出す必要があるが、この作業は、円錐台形状を有形状する上述の入口が頂部で型構造体に取り付けられる場合には不可能になる。また、マイクロ流体デバイスの一般的な容積では、大半の流体の特徴を示す表面張力値により、入力部が垂直方向ではないときには流体がデバイスから流れ出ることが阻止され、マイクロ流体デバイスがどのような空間的方位（例えば、水平方向に）を有していても、静止状態を維持することができるようになる点に留意されたい。この現象は、マイクロ流体デバイスが多少の加速度を受けても、又は適切な方向を有する加速に対しても有効である。

第１の例におけるマイクロ流体デバイス同士を接続することに伴う課題は、従来の流体貯蔵源（例えば、バイアル、マイクロタイタープレート又はエッペンドルフチューブ）からマイクロ流体デバイスに流体を装填することに関する問題である。この接続の課題には、通常これまでは、所与のマイクロ流体デバイスにカスタマイズされた特定の専用計量分配デバイスの工業化技術又は適切な「マイクロスケール間インタフェース」の設計によって対処してきた。このインタフェースにより、マイクロスケールの世界へ適用を拡張することで既存のインフラストラクチャ及び流体装填施設を効率的に利用することが可能になる。この方法には、既存のインフラストラクチャを用いることで切替コストを低減するといった利点があるが、多くの場合は、小型化の尽力の結果として生じる利点（例えば、試薬消費量が少ない、所与の基板のデータポイントの密度など）が制限される。

しかしながら、微細インタフェースが小型デバイスに実装されるときには、広い有効区域が犠牲的に入力部とその間のスペースに充当されるのが一般的である。この入力区域は、先端高分解能複製技術で製造されるデバイス上に実装され、大きな製造コストが掛かる上に、固定微細構造マスタサイズ（通常、４インチ、６インチか、又は８インチ直径の円板）上での有効区域が少なくなる。残念ながら、上述のインタフェースにより編成された入力部が存在することに起因した製造コストの著しい増加がある。更に、大型の円板直径は、従来のマイクロタイタープレートハンドラにおける円板操作の問題、或いは既存の処理システムのソフトウェア又はハードウェアに対する大幅な修正要件を回避するために、標準的なマイクロプレート占有面積内に留まるのが好ましい。最大円板直径に対する同じ制限は、例えば、蛍光性及び吸光度読取り装置、インキュベータ、撮像素子、遠心機、加震機、バーコードラベラなどのマイクロプレート形式向けに設計された計器内側でマイクロデバイスを使用する必要があるときには明らかである。

現在の手法の別の限界は、マイクロ流体デバイスの大半が擬似３次元構造体を生成する２次元プロセスによって設計及び製造されることである。２次元ネットワークは、ネットワークに含まれる全ての構成要素（又は一部）については全く同じ深さの基板のエッチング又は場合によっては押出し成形により３次元微細構造層に変形される。このため、大半のマイクロ流体ネットワークは、実質的に平面、すなわち平面構造を有する多層で形成される。

これらの特性は、最も一般的な製造手法の１つであるリソグラフィ工程に特有のものである。リソグラフィはマスクを必要とし、各マスクは通常、平面基板上の所与のエッチング深さに対応する。他の多くの製造法でも同様の制約があり、例えば、基板のレーザアブレーションは、エッチング深さに限界があり、マイクロ流体ネットワークは通常、平面基板上に作製される。また、様々なシートが切断又は共に積層される、積層によって得られるデバイスは本質的に２次元である。同じことがホットエンボス加工に当てはまり、ここでは平面基板のプレス上でのエンボス加工と射出成形法とによって微細構造が得られる。射出成形は、恐らくは最も重要な大量生産手法であり、すなわち、シリコン、ガラス、ＳＵ８、ビーク又は他の材料において、マスタがエッチングされ、場合によっては金属性金型インサートへの電気メッキによって複製される。微細構造インサートは、金型内に射出された高温ポリマーを形付けるキャビティ内に位置決めされ、インサートは本質的にリソグラフィ法（すなわち実質的に平面的な技術）で得られるので、このようにして複製された微細構造も平面上に分布する。

マイクロ流体デバイス製造における一般的な問題は、流体をデバイス内に装填するのに通常必要とされる入力部が、微細構造化作業で使用されるものとは異なる方法で製造しなければならない点にある。この問題は、マイクロ流体デバイスが外側から装填しなければならず、従って入力部はデバイス外面に到達しなければならないといった要件に由来する。入力部製造では、後処理又は特定の製造法が必要とされることが多い。こうした後処理の実施例は、基板本体のレーザ穴明け、機械式穴明け、軟質基板への針貫通、及び微細構造を含む基板上部にポートを含むカバー構造体の組み立てである。しかしながら、製造工程における付加的な手順は、コスト増加、歩留まり低下、生産速度低下、ダスト汚染による不具合、相対的位置合わせ問題、及びプロセス品質管理などの重大な製造上の問題を示すことから、全く望ましくない。

特に、射出成形は、プラスチック製デバイスを作製する一般的な方法である。当該技術分野で公知であるように、媒体ストレージデバイスは、大量生産規模を考慮して、更に、貫通接続部がなく、全ての高分解能構造体である、データが符号化されるピットは、マイクロリソグラフィの単一の段階で複製することができるので、安価に製造することができる。貫通構造体が必要になると、製造用金型が複雑になり、金型サイクル時間が長くなることで、製造コストが増加する。例えば、貫通接続部では、デバイス上の微細構造を複製するインサートに整合し且つ正確に連結する必要のある他の金型インサートを追加することが必要になる可能性がある。デバイスの部分間の流体連結部が２つの異なるインサートによって成形されることは、インサートの位置の整合が非常に重要であることを示しており、また、２つのインサート間の連結部に発生する可能性のある何らかのギャップは、射出時に流体ポリマーで充填されることになり、これは、複製品の流体接続部を潜在的に遮断する可能性がある現象である。

射出成形の場合と同様、他の製造技術でもマイクロ流体デバイスにおける入力部を効果的且つ確実な製造要件の課題を抱えている。最後の実施例として、入力部の簡単な機械式の穴明けはまた、毛細入口を充填し、従って流体の今後の流れを妨げる可能性があるダスト及びポリマー残留物が生成されるので極めて重要である。

マイクロ流体ネットワークの平面構造は、事実上、マイクロ流体デバイスの本体構造の幾何形状全体に影響を与え決定付ける。全ての微細構造は２次元平面上にあるので、大半の基板は、大きな表面積（実質的には他の面よりも大きい）の２つの面を有し、該２つの面は微細構造が位置する平面に実質的に平行であることによって特徴付けられる実質的に平面の多面体である。これらの面は、多面体の「主面」であり、他の残りの面は、全て「小面」と呼ばれる。

例えば、有限要素セグメント化によって面、特に小面が平面ではない全ての外形形状をこの概念に再度結びつけることができる点は理解される。例として、円板の外側面（高さが小さな円筒形）は、非平面を構成するが、この同じ面は、矩形形状の多数の小面によって表すことができ、従って、ここでは円板の小面と考えられる。更に、主面によって定められた平面間に閉じ込められる空間から押出される小面の延長部もまた、ここでは全ての点で小面（又は小面の一部）と考えられる。

これらの検討の後、大半のマイクロ流体デバイスは、実質的に平面の構造を有することが明らかであり、これは、微細構造は、空間内の１つ又は複数の表面上に位置決めされる「平面」であることを意味する。以下では、実質的に平面の構造を有するマイクロ流体デバイスを「タイル」とも呼ぶ。

上述の問題に対処しようとする様々な試みが、Ｃａｌｉｐｅｒ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｉｎｃ．による米国特許第６，２５１，３４３号などの特許によって例示されており、この特許では、マイクロ流体回路の入力部が、複数の開口部を含むデバイスの上に取り付けられた追加カバーによって生成されるインタフェース技術が開示されている。このカバープレートは、マイクロ流体ネットワークと流体連通している本体構造の部分と結合され、開口部は、流体の計量分配及び収容される流体との電気接続の適用を可能にする。

この解決策は、カバーとの本体構造体の結合品質に依存し、カバー製造では、マイクロ流体デバイス製造で必要とされるのと同じ複製品質は必要ではないという利点があり、従って、コストが低減される（しかしながら代償として製造段階が追加される）。更に、この解決策は、毛細管の充填を保証し且つ電極が毛細管中の流体と電気的に接触することができるように、入力ポートにかなりの量の流体が装填される電気泳動用に設計されている。このインタフェースの使用は、カバーとチップとの間のインタフェースで行われる微量の流体の集まりの方がより重要であり、異なる部分間の接合部にわたって発生しているので、例えば、マイクロリッタ又はサブマイクロリッタレベルの非常に少ない流体量を必要とするこうした装置及び技術に対してはるかに目立たないものとなっている。

別の方法において、Ａｃｌａｒａ Ｂｉｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｉｎｃ．によるＷＯ００／７８４５６では、インタフェースが平面であり、微細構造層上で製造されるマイクロ流体デバイスが記載されている。このインタフェースは、製薬業界の創薬実験室内部では標準である規格９６又は３８４マイクロタイタープレートのウェル間間隔に準拠するように設計される。この方法を用いると、単一のマイクロタイタープレートであるように、単一のチップを標準的な計量分配システムから装填することができる。従って、複数のマイクロ流体デバイスを装填する作業は、複数回の単一デバイス装填手順の繰り返しとなり、その結果、装填時間は、装填されるデバイスの数に比例する。

Ｅｖｏｔｅｃ ＯＡＩ ＡＧによるＷＯ０２／０５５１９７に別の方法が開示されている。この開示内容においては、標準的なマイクロタイタープレートと同等であるが、アッセイ容積の大幅な低減によって特徴付けられるウェル内でマイクロ反応が発生する試料キャリアが開示されている。この低減は、低量計量分配用に最適化された特定の計量分配デバイスと、この形式用に設計された読み出し手段とによって補完される硬質カバーでデバイスを覆うことによってウェルを密封することを含む、蒸発を防止する特定のデバイスによって可能とされる。しかしながら、装填作業を簡素化するために、Ｅｖｏｔｅｃはまた、標準的な１５３６／３８４／９６マイクロタイタープレート形式に準拠するデバイスも商品化されていることは強調すべきであろう。

この方法は、カスタマイズされた方法により限界（とりわけ蒸発及び計量分配の精度）に具体的に対処することによって、流体処理及び容器の現在の機構に実質的に匹敵するものである。特に、反応の小型化を十分に生かすために、容量低減に従って計量分配精度を向上させる必要があり、従って、Ｅｖｏｔｅｃは、業界で使用されている従来のシステムに置き換わるべく性能が強化された特注の計量分配デバイスを商品化しており、恐らくは採用に対する障壁となっている。

これらの特注デバイスでは、従来のピペットシステムとは実質的に異なる計量分配ヘッドが必要であり、例えば、計量分配ヘッドが使い捨て（プラスチック先端）である技術から、計量分配ヘッドが使い捨てではない技術にまで及ぶ。計量分配ヘッドに含まれる流体がヘッドの耐用年数の間は変化しないインクジェット印刷の領域とは異なり、ここでは、流体は連続的に置き換えられ、極めて異なる化学的特性を有する。あらゆる発生可能な汚染を回避することが最も重要であり、従って、非使い捨ての計量分配ヘッドを使用することは、ヘッド交換に著しい運用コストの増大を伴わないにしても、洗浄及び洗浄法の品質チェックを必要とする制限事項を構成する。

ＴＥＣＡＮ ＡＧによるＷＯ０１／８７４７５では別の方法が開示されている。この開示内容では、求心性マイクロ流体円板を従来のロボット化流体処理システムに適合させることを意味するインタフェースの実装が記載されている。これは、マイクロ流体構造によって占有される区域の内側領域において、縦列と横列それぞれについて３８４及び９６ウェルプレート規格に対応する離間ピッチを有した４８個の入力ウェルを製造することによって達成される。この方法を用いると、マイクロタイタープレートの半分を単一のマイクロ流体デバイスに移すことができ、このマイクロ流体デバイスは従来の流体処理デバイスを装填することができる。残念ながら、インタフェースによって占有される表面は、流体が半径方向外方に移動し、従って入力部の流体が入力部よりも小さい半径で微細構造に到達しないので、追加の微細構造に使用することはできない。

Ｃａｌｉｐｅｒ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｃ．に付与された米国特許第６，６２０，６２５号及び米国特許第６，１４９，７８７号では、流体処理デバイス同士を接続する別の方法が示されている。これらの開示内容では、創薬スクリーニングにおける化合物サンプリング用マイクロ流体デバイスに対する高スループットインタフェースの必要性が認識されている。Ｃａｌｉｐｅｒの方法では、毛細管を液体に浸漬する（シッピング）ことによって生成される毛管力を用いてこの課題に対処している。このインタフェースによれば、流体移送は、最初にマイクロ流体回路の不可欠な部分である毛細管の一方端を流体源に浸漬させ、その後毛細管を充填することによって達成される。この技術の限界は、例えば、試薬の濃度が異なるときに必要とされる様々な量の流体をサンプリングすることが困難な点にある。この技術を用いると、表面張力では重力を超えることができないので、大量の流体を一回の作業で移送するのは不可能である。この接続技術の別の限界は、汚染発生の問題にある。シッピング作業を行うことは、先のシッピングの化合物の残留物が恐らくは次のウェルに移送されている可能性があり、流体源の完全性が損なわれることを示唆している。

Ｃａｌｉｐｅｒ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｃ．に付与された米国特許第６，０９０，２５１号では、更に別の方法が示されている。この特許では、流体をマイクロ流体デバイスに計量分配する特殊微細構造プレートが開示されている。インタフェースは、流体損失を最小限に抑えるように設計され、微量の流体が並行して移送されるよう最適化されている。この解決策では装填作業のスループットは向上するが、関連する容積が任意ではなく、プレートの外形形状及び関連する流体特性（例えば表面張力特性）に左右されるので、本質的には汎用性に限界がある。

Ｇｙｒｏｓ ＡＢによるＷＯ０３／０３５５３８では、別の方法が開示されている。この開示内容では、固定位置において高い繰り返し率で液滴を計量分配することによって高スループットの計量分配の要件が達成され、同時にマイクロ流体デバイスが計量分配器の下で回転する求心性システムに好適なインタフェースが記載されている。このマイクロ流体デバイスは、一定半径であるが異なる角度位置に入力部がある。液滴放出と円板運動が同期することで、液滴は、円板内にある正しい容器に到達する。このインタフェース技術は、この特殊なマイクロ流体デバイス用に特別設計された装填施設に相当する代償を払い、少量の流体に対する移送速度と計量精度とを最適化するものである。残念ながら、この計量分配技術の限界は、非消耗構成要素によって流体と接触する液滴放出ヘッドの汚染にある。この汚染発生を回避するために、異なる液体による次の計量分配作業で再使用する前に的確にリンスする必要がある。

Ｏｒｃｈｉｄ Ｂｉｏｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｉｎｃ．に付与されたＷＯ００／７８４５６では別の方法が開示されている。この開示内容は、流体連結部は、生化学上の従来様式よりも電子業界の様式に倣うので、マイクロ流体デバイスインタフェースの本来の実装によるものである。チップは、流体密ソケットによって外部管体に連結され、液体は、外部アクチュエータによって管体に印加される圧力の結果としてマイクロ流体デバイスに流入する。各チップは、使用される前に装填デバイスに完全に連結される必要があるが、この連結部が複雑であることで、高スループットの液体の装填用としては解決策はありそうにないものとなっている。管体の汚染は大きな課題であり、この系統的交換を行えば、大幅な消耗品コスト及び物流の追加をもたらすことになる。

Ｍ．Ａ．Ｇｒｅｔｉｌｌａｔ他（センサとアクチュエータ Ａ６０（１９９７年）２１９ページから２２２ページ）にマイクロ流体デバイスを製造する製造方法が開示されている。この記事では、多層多基板構造に従って製造されるパイレックス（登録商標）マイクロ流体デバイス上の入力部を実現するための製造方法が開示されている。マイクロ流体構成要素である薄い毛細管は、１つの層上に製造され、その層よりも大きな寸法を有する構造体の別の層、入口部、貫通接続穴と連通する。入口部はデバイスの境界に達し、流体装填は、ボアに挿入されることになる針によって可能である。この設計においては、入口部及び微細構造体は、同じ技術であるが独立して製造される２つの異なる層上にある。デバイス全体の製造には、３つの異なる平面基板の構造化が必要であり、その１つは、合計で４つの異なる微細構造化段階のために、両面がエッチング処理されて層間で共有される。

米国特許仮出願第６０／５９８，５９８号公報 米国特許第６，２５１，３４３号公報 ＷＯ００／７８４５６公報 ＷＯ０２／０５５１９７公報 ＷＯ０１／８７４７５公報 米国特許第６，６２０，６２５号公報 米国特許第６，１４９，７８７号公報 米国特許第６，０９０，２５１号公報 ＷＯ０３／０３５５３８公報 ＷＯ００／７８４５６公報 国際特許出願ＷＯ０４０５０２４２Ａ２公報 米国特許第４，２４８，３６６号公報 米国特許第５，１２５，５２４号公報 米国特許第５，７８９，２５１号公報 Ｍ．Ａ．Ｇｒｅｔｉｌｌａｔ他（センサとアクチュエータ Ａ６０（１９９７年）２１９ページから２２２ページ）

本発明のデバイス及び方法において、複数のマイクロ流体デバイス又はタイルは、２次元インタフェース形式を維持しながら３次元構造体に組み立てられる。この組立体は、これらのマイクロ流体タイルの高速且つ効率的な装填動作を可能にするものである。本発明によれば、複数のタイルは、ほとんどの既存の実装によって行われるような順次的ではなく、単一の従来のマイクロタイターウェルプレートであるように並行して装填することができる。更に、本発明のマイクロ流体タイルのこれらの多次元特性は、従来の標準的な液体処理デバイスを介して装填することにより得ることができる。本発明の３次元組立体は、恒久的なものとするか、又は好ましくは、装填、アッセイ処理、アッセイ結果の読み出し、流体の処分、又は組立体の部分的処理を含む、他の作業のため、個々のタイル又はタイルのサブセットの分離を可能にするように形成することができる。

本開示の目的において、入力部、入口、出口、ポート、連結部、ウェル、リザーバ、及び同様の用語は区別せず、全て、流体がマイクロ流体ネットワークから出入りすることができる手段を意味する。

本発明によれば、ポートは、従来の方法のように基板の平面上には位置せず、１つ又は複数の小面上に位置する。１つの例示的な実施形態においては、入力部は、マイクロ流体構造体の同じ平面内にある。これによって、微細構造の複製に使用されるのと同じ製造技術でポートを製造することが可能になる。通常ポートは、カバーと基板又は基板と基板間のインタフェースに隣接して又は近接して間に存在することになり、すなわち、このインタフェースは、平面マイクロ流体デバイス内にあることが多く、開放ルーフ構造体が、平面上に作製され、追加基板が、ルーフを閉じて流体密封を保証する。カバー及び基板のいずれかは、対称形の役割、例えば、両方において類似の寸法及び微細構造体の存在を有することができ、更にはサイズ、占有面積、厚み、寸法、製造工程が実質的に異なる可能性がある。

本発明に従って製造されるデバイスのクラスは、単連結され且つサンドイッチの外側からアクセス可能な入力ポートを有する基板のサンドイッチからなるものである。幾何学的な物体は、単一の部品からなり且つ円形の「穴」又は「ハンドル」がない場合に単連結されると呼ばれる。例えば、ドーナツ（穴あり）は単連結されたものではなく、ボール（中空のものでも）は単連結されたものである。円は、単連結されたものではないが、円板及び線は、単連結されたものである。単連結された基板において、１本の紐を取って紐の第１の端部を任意の点で基板上に位置決めすることが可能である。紐の第２の端部が任意の経路をたどることが許容され、やはり第１の端部と連結されている場合には、紐はループを形成する。紐又は基板を切断することなくループを基板から分離させることが常に可能である場合、基板は単連結されたものである。すなわち、紐のループを取り出すことを不可能にする何らかの経路が存在する場合、基板は、単連結されたものではない。入口の任意の点からの経路で、ループが基板に掛からない場合、単連結されたものとなる。

有利には、入力部が上述の主面上にある本発明の貫通解決策に関して、本発明のデバイス及び方法は、ポート及び微細構造体について均一な製造方法を用いることを可能にし、これによって複製コスト及び後処理作業が最小限に抑えられる。多くの製造工程は、小面上の入力ポートをマイクロ流体構造体が製造されるのと同時に製造することを可能にする。これによって、製造工程コストが軽減され且つ関連の品質管理が向上する。

本発明によれば、ホットエンボス加工などの製造方法では、小面上に製造される入力部を利用することができる。ホットエンボス加工法は、温度が上昇したときに本発明に従って基板を成形するポリマー及び同様の材料の特性の変化に依存するものである。表面に対する圧力の印加によって助長され、材料を軟化することによって、微細構造体を複製する目的として基板表面の形態を変えることが可能となる。本発明の１つの例示的な実施形態においては、入口は、実施がより困難であり且つその後の試料変形を伴った多量の材料の変位を示すことになる基板の深い部分までの変更を必要とせずに、同じ方法で製造することができる。従って、入力部は、マイクロ流体構造体を含むマスタ内で直接設計され、単一の製造段階でマイクロ流体構成要素と入口を複製するようにすることができる。

別の例示的な実施形態においては、射出成形による本発明のタイルの製造は、有利には、小面でのポートを可能にするものである。実際に、貫通入口には、金型内に深い構造体が存在することが必要であり、この設計は、上述のように、マイクロ流体構造体との連結に関連して、及び射出中の流体ポリマーの充填動作に関連して極めて重要である。特に注入された流れによって、ポリマーは、限られた圧力降下と温度低下によりキャビティの全ての空き部分に到達することができるはずであり、これは、抽出構造物が経路上にある場合により困難になる。通常、側面入力部設計の場合のように、縦横比が小さく且つ複製部の外面に位置決めされる構造体が好ましく、従って、側面ポートは、射出成形によって複製されるデバイスに望ましい解決策である。

別の例示的な実施形態においては、小面上の入力部は、シリコンマイクロ流体デバイス製造の場合にも利点となり、これは、シリコン構造体に深く貫入する必要がないことに起因する。シリコンは、結晶構造を有する硬質材であるので、脆弱で、機械的手段で機械加工するのが困難である。貫通入力部は、化学エッチングによって生成されるのが好ましく、化学エッチングでは、入口の形状及び垂直方向プロファイルの管理に対する特別な配慮を伴う材料の長期にわたる厳しい腐食が必要である。入力部が小面にある状態では、この方法の浸透は、平面リソグラフィマスクの設計によって調整することができるポート容積及び形状に関係なく、基板の表皮に限定することができる。従って、エッチング法の方が信頼性があり、エッチング時間は、有利に短縮される。

別の例示的な実施形態において、マイクロ流体デバイスの製造ではレーザアブレーションが使用されることが多い。この製造法においては、レーザビームによりポリマーの紫外線照射によって所望の材料が除去され、従って、基板にわたって移動させて実際のマイクロ流体構造体を設計することができる小穴が生成される。この方法では、従来技術におけるような貫通入力部を実現するには、非実際的な時間量又は追加処理が必要になる。しかしながら、小面上の入力部の場合、ポートは、基板の表皮に製造することができる。

従来の主面入力部の場合には、厚い基板又は液体を含むキャビティが入力部より大きい設計が必要とされる。しかしながら、より大きなキャビティを利用することによってポートの容易な充填を妨げる泡が発生し、これは、装填については人間工学的に困難である。本発明によるインタフェース設計は、開口部形状及び流体収集を管理するリザーバの長さ方向形状のいずれに関しても、多種多様な入力部外形形状を許容するものである。特に、本発明による小面上に位置するポートは、２つの半部分で構成することができ、その各々は、異なる基板に属する。ポートは、例えば、サンドイッチの一方の基板の半分、他方の基板の半分に左右対称形とすることができるが、例えば、完全に一方の基板で左右非対称形とすることもできる。

本発明の入力部開口部の形状は、限定ではないが、正方形又は六角形の入力部を含む、あらゆる幾何学形状の形態とすることができる。本発明の入力部は、ホットエンボス加工又は射出成形によって、或いは矩形又は台形マスタで対称にエンボス加工した２つの基板を接合することよって製造することができる。入力部の長さ方向の形状は、本質的に必要に応じて選ぶことができる。円錐、逆円錐又は「拡張チャンバ」が実施可能になることは本発明の範囲内で企図されており、これは、主面上に位置する貫通ポートの場合には製造するのに極めて高価になるはずである。

本発明による小面上の入力部の別の利点は、主面表面の光学的完全性に関するものである。本発明によれば、マイクロ流体タイルの主面は、その外面には追加の構造体がない。この利点によって、デバイス内に含まれるマイクロ流体構造体が均質で平面的な光学グレードの基板表面を介して外側から光学的にアクセス可能になる。本発明のこの態様は、特に、例えば顕微鏡、共焦点撮像装置、表面プラスモン共振読取り装置、蛍光読取り装置、吸光読取り装置、光散乱測定装置、偏光感応光検出器などのほとんどの光学式読み出し手段に関連するだけでなく、光ビームで試料又はマイクロ流体デバイスを照射するデバイスにも関連し、該デバイスは、例えば、引用により全体が本明細書に組み込まれる国際特許出願ＷＯ０４０５０２４２Ａ２で開示されているマイクロ流体デバイスである。

側面入力部を有するマイクロ流体デバイスを、主面の一方又は両方の実質的に平坦な面からマイクロ流体リアクタに光学的にアクセスする従来のマイクロプレート読取り装置において直接又はアダプタによって挿入することは、本発明の範囲内で企図される。この構成では、平面ウィンドウを介して最適にアクセスされる試料の光学的読み出しは損なわれない。依然として主面上にあるが、マイクロ流体構造体から変位されるポートを有する同等の光学的解決策は、同じデバイスがより大きな表面を占有することになるので、製造コストに関してはあまり効率的ではない。

製造法の変更が最小であるばかりでなく、側面入力部は通常、マイクロ流体デバイスの製造プロセスで使用される材料を変更することは必要ではなく、デバイス内のマイクロ流体構造体の複製に採用されるのと本質的に同じ製造プロセスである。例えば、ＣＯＣ、ＣＯＰ、ＰＣ、ＰＭＭＡＳ、ＰＳ及び類似物のような射出成形で使用されるほとんどのポリマーは全て、側面入力部の射出成形製造に好適であり、側面入力部を備えたデバイス及び様々な製造法は、ＰＤＭＳ、ガラス、感光基板、シリコン、金属半導体及び結晶など今日使用されている材料のほとんどで作ることができる。

本発明のインタフェースの他の利点は、国際特許出願ＷＯ０４０５０２４２Ａ２で開示されているものなど、特定のマイクロ流体技術で補足されると明らかになるであろう。この場合、微量の流体の正確な線量という要件は、従来の計量分配システムでは通常は難しいが、マイクロ流体デバイス内の流体の精密計量で計量分配デバイスの機能を補足することによって達成される。

本発明により、有利には、追加の器具を必要とせずに、巨視的な世界用に設計された既存の計量分配解決策を使用することが、マイクロ流体デバイスと共に使用するように拡張し拡充することによって可能になる。例えば、ユーザの観点からすると、既存の計量分配デバイスの計量精度は、実質的にマイクロ流体まで拡張され、少量計量分配向けに強化されている。一方、多量のものをマイクロ流体デバイスに計量分配する可能性が依然としてあり、これは、緩衝液の分配に必要となることもある。従って、計量分配作業の動的範囲が拡大され、特にマイクロ流体用に設計された解決策に関してはより柔軟性のある作業を可能にするものである。

本発明の別の利点は、特にマイクロ流体デバイスの性能が高スループット（又は高効率）装填を示すときの装填工程に関係する。高スループット装填は、様々な方法及びデバイス性能、例えば、流体計量分配動作、及び例えば先端処分又は針洗浄などの関連の動作、並びに、流体処理装置上のデバイスを新しいユニットと交換するのに要する時間を決定するマイクロ流体デバイスのロボットによる処理の最適化を必要とする困難な工程である。これらの作業は、特に創薬においては、速度の理由からだけではなく信頼性及び再現性の理由からも自動化の採用が必要とされることが多い。

従って、従来の流体処理ステーションの性能は、様々な方向に沿って最適化することができるが、第１には、最初に流体処理ステーションの単一作業すなわち装填工程について平均してより多くのアッセイを行うことによるものである。これは通常、読み出し、異なる程度の試料準備、及びデバイス自体内での計量を統合するほとんどのマイクロ流体デバイスの目的である。第２に、アッセイ工程の始め又は終わりにだけ流体処理システムと相互作用するようにマイクロ流体デバイス及びそのインタフェースを設計し、検体プロトコル中に外部の計量分配作業を必要としないように、アッセイ持続期間中にマイクロ流体チップ上に試薬を貯蔵することを可能にすることである。第３に、流体処理システム上のマイクロ流体デバイスの交換及びその関連の物流によって発生する無駄時間を短縮することである。

本発明によれば、複数のマイクロ流体デバイスの並行装填が単一の流体処理作業で行われる。実際に、従来の流体処理ロボットが、時間の大部分及び消耗品コストの最大部分を費やすのは、計量分配ヘッドの洗浄（又はその交換）作業と、正しい流体を計量分配システムに装填する作業においてである。従って、単一又は複数回の計量分配によって並行した１つより多いデバイスを装填すると、スループットの高速化及び消耗品コストの低減が可能になる。

本発明の目的は、流体処理デバイスに単一インタフェースを提示する適切な形式を有する空間において複数のマイクロ流体デバイスを集合的に編成することである。そのインタフェースは、場合によっては既存の標準品と適合し、有利には、本明細書で「ブリック」と呼ばれるコンパクトなものにタイルを組み立てるために、マイクロ流体デバイスの小面上での入力部の存在を利用するものである。タイルは、ピン、筐体、スリット、スロット、ロック、カバー、スナップ要素、スペーサ、レゴ状コネクタ、弾性手段などの機械的解決策によって、更には接着層、磁気手段又は同様のものを利用することによってブリック内に共に保持することができる。

ブリックがフレームなどの追加の構造体を含むことができ、又はフレームなしの形式で単にタイルを共に連結することにより組み立てることができることは、本発明の範囲内で企図される。フレームは、標準的なマイクロタイタープレートの装填機能を複製するように設計することができるが、例えば、入口のダスト汚染を最小限に抑えるように設計することもできる。フレームは、タイル抽出又は断熱、加熱冷却能力に対してタイル放出手段又は折り畳み可能な構造体など追加の機能的な役割を有することができる。

フレームはまた、例えば、引用により全体が本明細書に組み込まれる米国特許第４，２４８，３４６号及び米国特許第５，１２５，５２４号で説明されているように、電子業界においてシリコンウェーハの操作で使用される構造体、又は光媒体業界でデータ記憶用に使用される構造体にすることができる。フレームがパッケージ内に存在するかのようにタイルを保護する出荷支持体として機能し、又は、従来の流体処理デバイスによる液体の装填を容易にするための単に位置合わせ手段とすることができることは、本発明の範囲内で企図される。

構成タイルへのブリックの組み立て及び分解、又はブリックへの１つ又はそれ以上のタイルの追加、並びにブリックからの１つ又はそれ以上のタイルの取り外しは、様々な方法で行うことができ、これらの作業は、個々に又は集合的にここではパッケージング作業と呼ぶ。幾つかの例示的な実施形態では、フレームは、タイルホルダとして機能することができ、タイル位置は、フレームによって定められる、他の例示的な実施形態では、タイル位置は、隣接タイルによって、又はブリック内の他のタイルによって定めることができる。場合によっては、個々のタイルを個々にパッケージングすることができ、或いは「先入れ先出し」又は「先入れ後出し」のパッケージング手法でアクセスすることができる。

「頂面」挿入によってタイルをブリックにパッケージングすることができ、ここでブリックの頂面は、入力部を提示するタイル面の組み立てによって、更には底部からタイルをパッケージングすることによって、或いはブリックの側面の１つ又はそれ以上によって構成される面として定められる。また、フレームの有無に関係なく、液体が出入りするブリックの面は、パッケージング作業のためにタイルが出入りする面と必ずしも対応するわけではないことは理解される。

ブリック流体をアッセイの始めに装填することができ、これによって流体処理システムの時間占有と同時に先端などの計量分配消耗品の使用が最小限に抑えられることは、本発明の範囲内で企図される。その後、ブリックは、その構成タイルに分解し、次いでタイルをユーザのニーズに応じて単独で又は並行して処理することができる。本発明による小面上に入力部が位置することによって、複数のデバイスのコンパクトな単一のインタフェースを可能にする。

ブリック組立体においては、タイルの主面が互いに対向しているので表面占有が最小限に抑えられるが、全ての入力部はアクセス可能なままである。主面は垂直方向である場合、タイル占有は、ブリックの垂直方向の占有を適度に犠牲にして行われる。

国際出願ＷＯ０４０５０２４２Ａ２で開示されているような特定のマイクロ流体技術では、多数の活性リアクタ及び計量要素をタイル上に製造することができるので、ブリック外形形状を更に利用することが可能である。従って、装填インタフェースの入力部は、まさに、流体が複数の状態で並行して複数のアッセイを行うことを可能にする複雑な流体論理にアクセスすることを可能にする入口側ポートである。

ブリックの機能性は、事前希釈又は培養を必要とせずに未加工の試薬からアッセイを行うことができ、更に、外部計量分配システムのアッセイプロトコル中であることを必要とせずに装填作業後に全てのアッセイを行なうことができるので、主としてマイクロタイタープレートの機能性に関して拡張される。この可能性は、装填作業が所要の試薬をブリックに供給し、次いで、装填ブリックによるタイルが処理されている間に後続の装填作業に向けて流体処理機器を開放することができる単純な作業になるので、スループット及び物流の大幅な改善を可能にする。

本発明による小面上の入力部及びブリック設計の別の利点は、場合によっては機能性を損なう可能性があるマイクロ流体デバイス内のダスト粒子又は残留物が存在することに対するマイクロ流体デバイスの固有の感度に関係するものである。これらの粒子は、様々な瞬間、すなわち、製造工程中、液体がマイクロ流体デバイスに挿入されるとき、更に、液体がデバイス内に装填される前に入力部に入るダストを入力部の周りの空気が含む場合に、微細構造体に入り込む可能性がある。最後の事例では、液体がマイクロ流体デバイス内のダスト粒子を移送して、粒子サイズが流体通路のサイズと同様である場合には目詰まりが生じる可能性がある。

入力部内のダスト粒子堆積を防止する典型的な手順は、シール、被膜、カバー又は同様の手段を適用することによる入口の系統的な保護にある。この手順は、カバーの単位面積当たりの封止入力部の数は、同じ入力部が主面上にあるタイルに対して側面入力部を有するタイルの方が大きく、ブリックに組み立てたときに１つのカバーで同時に保護することができるタイルの数が多いので、側面入力部上で行う方がより簡単で、より効果的且つ経済的である。

本発明によるブリック概念の追加の利点は、タイル内に装填された試薬が装填作業と実際のアッセイとの間の経過時間で蒸発するのを防ぐ目的で、ブリックを単一の物体として封止する可能性にある。これは、装填段階と処理段階との間の経過時間が、アッセイの結果に影響を与えず、その結果、器具及びこれに伴う資源の最適な割り当て及びスケジュール化を可能にするので重要なことである。封止は、ブリックの完全なセットのタイル又はブリック内の部分的なセットのタイル、並びにブリック内のタイルの入力部の完全なセット又はブリック内のタイルの入力部の部分的なセット、或いはこれらの解決策のあらゆる組み合わせに対して行なうことができる。

本発明によれば、封止は、タイル入力部によって構成されるブリック入力部表面上の被膜の蒸着にある。封止被膜は、ポリマー、金属、又はその両方の組み合わせからなる層とすることができる。被膜は、追加の圧力感応又は感熱接着剤によって施工することができ、更に、被膜自体が固有の接着特性を提示することができる。ヒートシール加工は、試薬と最も適合する選択肢の１つであり、一時的な封止（蒸発を防止する剥離可能な被膜）又は恒久的な封止（薬のパッケージなどの試料の完全性を保証する長期的保管）に使用される。シール選択肢の他の実施形態は、針又は先端部が貫通することができる被膜の使用を含み、計量分配中の流体の通過が可能になるが、米国特許第５，７８９，２５１号で開示されているように、流体計量分配が行われた後の気体の通過は防止される。側面入力部の設計が、マイクロタイタープレート用の既存の封止技術のほとんどが使用することができるように標準的なマイクロタイタープレートの１つ又は複数の横列（又は縦列）を複製できることは、本発明の範囲内で企図される。

また、ブリックが封止されたときに、必要な場合にはブリックを封止する被膜を主面と平行な方向で切断することによって個々のタイルを別個に分離させて処理することができ、従って、ブリック組立体から取り除かれた後もタイルの封止を維持する可能性があることは、本発明の範囲内で企図される。

個々のタイルの封止は、国際出願ＷＯ０４０５０２４２Ａ２で開示されているものなど、特定のマイクロ流体技術で補足されたときにより重要になる。この国際出願で説明されている弁調整技術では、封止リザーバに含まれた液体を、シールの開口部を必要とすることなくマイクロ流体構造体内へ移送することができる。従って、試薬が予め装填された個々のタイルは、封止リザーバの開口部を必要とすることなく直接処理することができ、従って封止リザーバを恒久的に封止することができる。実際、リザーバは、液体の流れに必要とされるラインと、気体、通常は空気の通過に必要とされる別のラインの２つのラインの開口部によってマイクロ流体構成要素と流体連通させて配置され、流体の抽出を妨げることになるリザーバの圧力不足の発生を防止することができる。この方法で、タイルを予め装填することが可能になると共に、タイル内にある入力部のサブセットに適用することができる。

本発明によるブリックへのタイルの組み立ての別の利点は、個別に、ブロックとして、又はその両方でタイルにラベル付けする可能性にある。ブリックの識別がマイクロプレートに採用されるのと同じ実施手法に従うことができ、個々のタイルラベルがブリック内のタイルの簡単且つ迅速に分類するために追加の計装品を必要とせずにユーザが読み取ることができることは、本発明の範囲内で企図される。同じ情報を使用すると、アッセイ実施時に、どの試薬がタイル内に既に装填されているか、その特定のタイルにはどのアッセイを行うべきであるかを認識することができる。

ラベル付けは、光学的手段、機械的手段、磁気的手段又は無線手段によって行うことができ、ラベル読み出しには、外部の器具が必要とすることができ、或いは簡単な目視検査でも実施可能とすることができる。バーコード実装の実施例は、タイル又はブリックの機械的変更（穴抜き又はタブの除去）、タイルの色、タイル発注用のグラフィック図（例えば、多くのタイルにわたる斜線又はテキストなど）、接着バーコードラベルの施工、インクジェットによるか又は熱的な方法によるタイル上へのラベルの直接印刷、磁気特性を有する基板の施工、又は無線エミッタ又はトランスポンダーの挿入である。

光学的ラベル情報は、１次元又は２次元形式で符号化することができ、後者は省スペースを可能にするものである。光学的バーコードは、タイルがブリック形式で組み立てられたときでもラベルがアクセス可能で且つ見えるように、小面上に優先的に施工することができる。また、光学的バーコードは、側面入力部が位置する同じ面、更には横又は底部もしくは押出し部分に位置付けることができる。

本発明のブリックの別の有意な利点は、単位容積当たり（又は単位表面当たり）のアッセイ回数を飛躍的に増やすことができる極めてコンパクトな形式にある。このコンパクトな形式は、製薬業界の場合、化合物の保管を必要とする用途において有用であり、上述した利点は、ブリックベースで、更に個々のタイルの抽出によって化合物にアクセスできることで更に向上される。

本発明のこれら及び他の利点、目的及び特徴は、実施形態の詳細な説明及び添付図面により明らかになるであろう。また、上述の全体的な説明及び以下の詳細な説明は、例証であり、本発明の範囲を限定するものではない点を理解されたい。

本発明は、遠心ロータ及びマイクロシステム内で使用されるマイクロ流体タイル、詳細には、ナノスケール又はメソスケールのマイクロ流体プラットフォーム並びに求心的動力による流体マイクロ操作を行うための幾つかのその用途を提供する。例証の目的で、図面並びに説明は一般に、求心システムに言及している。しかしながら、本発明で開示される手段は、流体移送を行う他の力に依存するマイクロ流体構成要素で等しく適用可能である。

本明細書の目的において、用語「試料」は、より複雑な混合物の成分として単離、検出、又は前駆体種から合成されたあらゆる流体、溶液、又は混合物を包含すると理解される。

本明細書の目的において、用語「流体連通」又は「流体連結」は、構成要素間の流体の流れを可能にするように動作的に相互接続された構成要素を定義することを意図する。例示的な実施形態において、ミクロ分析プラットフォームは、円板又は実験的マイクロ流体チップなどの回転可能なプラットフォーム内のマイクロ流体タイルを含み、これによりチップ上の流体移動がチップ回転時の求心力によって駆動され、且つ実験的チップ上の流体移動がポンプによって駆動される。

本明細書の目的において、用語「生物学的試料」、「関心のある試料」、又は「生物学的流体試料」は、限定ではないが、こうした試料の血液、血漿、血清、リンパ液、唾液、涙、脳脊髄液、尿、汗、植物及び野菜抽出物、精液、又はあらゆる細胞又は細胞成分を含む、あらゆる生物学的に由来する分析試料を意味すると理解される。

本明細書の目的において、用語「メソスケール」又は「ナノスケール」は、好ましくはサブミクロンからミリメートルの範囲の寸法を有し、流体として含むことができるあらゆる容積を意味すると理解される。

求心システム（例えば、遠心分離機）内のマイクロ流体タイルの代表的な用途では、回転軸がデバイスの占有面積の外側に位置する矩形デバイスが利用される。例証の目的で、図面及び説明は、一般的にこのようなデバイスをさすことになる。限定ではないが、楕円及び円形のデバイス、不規則な面、及び容積を含む、矩形デバイス以外の他の形状は本発明の範囲内で企図され、回転軸が本体構造を貫通するデバイスは、特定の用途に有益とすることができる。

図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、本発明による第１の例示的な実施形態のタイル１０１が示されている。タイル１０１は、第１の基板１０２及び第２の基板１０６から形成された実質的に平面の物体である。タイル１０１が２つよりも多い基板から形成することができることは、本発明の範囲内で企図される。基板１０２、１０６は、任意の幾何学的形状とすることができる。基板１０２、１０６は、基板が互いに接合されたときにマイクロ流体構造体を形成する窪み、空隙、又は突出部を含む。第１の例示的な実施形態において、基板１０２、１０６は、これらの間に挟まれた被膜層１１０を有する。被膜層１１０は、被膜層１１０の穿孔によって互いに流体連通して配置することができるマイクロ流体回路を形成する基板内の空隙の分離を可能にする。基板１０２、１０６がこれらの間にある被膜層１１０内で結合できることは、本発明の範囲内で企図される。

この第１の例示的な実施形態においては、タイル１０１は、入力端部１０３と、底部端部１０５と、第１の平面１０９と、第２の平面１０８とを有する実質的に矩形の構造体である。底部端部１０５は、ホルダ又はフレームへのタイル１０１の処理及び挿入を可能にする付加タブ１０７を有する。この例示的な実施形態においては、小面とも呼ばれる入力端部１０３は、複数の入力ポート１１３を有する。入力ポート１１３は、少なくとも１つの流体処理マイクロ流体回路１１５と流体連通している。これらのマイクロ流体回路１１５は、一連の弁、チャンバ、リザーバ、マイクロリアクタ及び微細毛細管から構成することができることは、本発明の範囲内で企図される。また、一連のマイクロリアクタ及び微細毛細管が検出チャンバと流体連通していることは、本発明の範囲内で企図される。

タイル１０１は、製造、ハンドル、構造的支持体、精密スペーサ、パージ容積、接合区域、識別区域又は同様のものの目的で使用することができる付属区域１１７を有する。

特定のマイクロ流体回路１１５の機能性は、選択試料に所望のアッセイを行うようにタイル１０１内に構成することができる。当該技術分野で公知のあらゆるマイクロ流体又は流体アッセイをタイル１０１内で所望の機能性を達成するよう構成することができることは、本発明の範囲内で企図される。図１Ｃを参照すると、第１のリザーバ１２０及び第２のリザーバ１２２に含まれる試薬を有する第１の状態にある流体回路１２１が図示されている。更に図１Ｄを参照すると、弁調整マトリクス１２３内の弁が起動された後の第２の状態にある流体回路１２１が図示されている。本発明のタイル１０１は、図１Ｃ及び図１Ｄで示すように、流体回路１２１の第１及び第２の状態によって示される弁調整マトリクス１２３を起動させることによって、異なる領域でプロセスを実行することができる複数の流体回路１２１を有することができると想定されている。

図１Ｃに示すように、第１のリザーバ１２０内の第１の試薬と第２のリザーバ１２２内の第２の試薬に関して、選択された時間に所与の割合で２つの流体を結合する方法が示される。本発明によれば、第１及び第２の試薬は、所望の割合で混合チャンバ１２５に移送される。各試薬の所望の割合は、図１Ｄに示すように弁調整マトリクス１２３を起動させることによって混合チャンバ１２５に送達される。これらの試薬は、限定ではないが、緩衝剤への試薬の希釈、試薬の容積の特定の比率での化学反応の発生、酸又は塩基の添加による溶液ｐＨの変更、蛋白質が抗体に接触する場合の酵素アッセイ、又は同様のものを含むことができる。

流体処理プロセスは、弁調整マトリクス１２３内の弁１３０の開放によって始まり、このマトリクスは、特許出願ＷＯ０４／０５０２４２Ａ２（‘２４２出願）で説明されている形式とすることができ、ここで被膜層は、弁を起動させるために穿孔されている。‘２４２出願の教示内容は、引用により本明細書に組み込まれる。また弁調整機構が、機械式弁又は同様のものなどの当該技術分野で公知である異なる形式のものとすることができることは、本発明の範囲内で企図される。本発明によれば、リザーバ１２０、１２２は、弁調整マトリクス１２３内の毛細管連結に関して異なる面上に位置決めされ、照射による選択位置に穿孔することができる被膜層１１０によって分離され、従って、図１Ｄに示すように仮想弁１３０が生成される。

弁１３０の開放は、流体への非平衡力の印加と共に行うと、混合チャンバ１２５への液体の移動を可能にする。非平衡力は、当該技術分野で公知である手段によって生成することができる。この第１の例示的な実施形態において、非平衡力は、液体がタイル１０１の底面の方に配向された求心加速を受けるように遠心分離によって得られる。本発明によれば、対応する弁１３０よりも上方に含まれる流体だけが混合チャンバ１２５に下降することができるので、混合チャンバ１２５に移送される流体の量は、弁１３０の半径方向の位置によって決まる。このプロセスは、複数の後続の層において再現することができ、様々な大きさの程度にわたる連続希釈の可能性を与え、２つ又はそれ以上の種類の液体を共に混合し、所与の時間量にわたり流体を培養してリアクタに入れ、又は更にマトリクス層にわたってリアルタイムでプロトコルを実行する。

図２を参照すると、本発明によるマイクロ流体タイルを示す第２の例示的な実施形態が示されている。マイクロ流体タイル２１０は、第１の基板２００と第２の基板２０１とからなる。２つの基板２００、２０１の結合によってマイクロ流体タイル２１０が形成される。マイクロ流体タイル２１０は、底面２０２と、入力面２０３と、第１の平面（図示せず）と、第２の平面２０７とを有する。マイクロ流体タイル２１０の入力面２０３は、小面とも知られるが、複数の入力ポート２０９を第１の入力横列２１１及び第２の入力横列２１２に含む。入力面２０３は、第１及び第２の平面間に閉じこめられるスペースの外側に押し出され、複数のマイクロ流体タイル２１０に所望のポートインタフェースを有するブリックを形成させるようにしている。

この例示的な実施形態においては、入力面２０３は、標準的な３８４ウェルマイクロプレート形式のピッチ及び開口部の寸法を有する入力ポート２０９を含む。入力ポート２０９が標準的な実験室インタフェースに適合するように構成することができることは、本発明の範囲内で企図される。マイクロ流体タイル２１０は、入力ポート２０９間の２次汚染を回避しやすく、且つマイクロ流体タイル２１０上の所望の入力ポート２０９を特定しやすいので、手作業による装填作業に適している。本発明によれば、入力ポート２０９は、マイクロ流体タイル２１０を形成する基板２００、２０１上に対称的に製造される。これらの基板２００、２０１の入力部は、基板２００、２０１が互いに結合される表面でもある接触面に存在するマイクロ流体構成要素と流体連通しているので、基板２００、２０１は単連結されているだけではない。

図３を参照すると、単連結された基板を結合することによって製造されるデバイスの実施例が示されている。第１の基板３０１及び第２の基板３０３は、マイクロ流体タイル３０５を形成する。入力部３０７は、いずれかの基板３０１、３０３上の窪みとして製造される。これらの窪みは、微細構造化手段によって製造される。窪みはまた、例えばフライス加工などの限られた精度の巨視的手段によっても製造することができることは、本発明の範囲内で企図される。

製造段階中、入力部３０７は、基板３０１又は３０３のいずれのマイクロ流体回路とも流体連通していない。マイクロ流体タイル３０５が組み立てられると、マイクロ流体回路と入力部３０７との間は流体連通する。２つの基板３０１、３０３が互いに結合されると、基板３０１、３０３を介してマイクロ流体構造体との流体連通が確立される。同様に、他の全ての入力部３０７も、マイクロ流体タイル３０５のマイクロ流体回路と流体連通することができる。

図４に示すように、マイクロ流体デバイス上での診断アッセイの分布のように、恒久的な保管用途の一般要件では、試薬を液体、固体、カプセル、又は凍結乾燥の形態で保管する必要がある。次いで、入力ポート４０１を有する本発明によるタイル４０２は、不浸透性カバー４０３を用いて封止される。入力ポート４０１を覆う不浸透性カバー４０３は、創薬において試薬装填作業と実際のアッセイとの間で標準的なマイクロプレート使用時に用いられるのが慣例である。不浸透性カバー４０３は、微量の流体が蒸発し、その結果として流体の濃度ひいてはアッセイ条件が変化するのを防止する。

不浸透性カバー４０３は、ポリマー材料、天然ゴム、又は使用される液体に対し不活性であり、且つ液体を導入するために貫通可能であると同時に、後で気密性を維持し保管試薬の蒸発を防ぐことができる特徴を有するあらゆる材料で作製することができることは、本発明の範囲内で企図される。更に、不浸透性カバー４０３は、金属層及びポリマー層を含む積層被膜を塗布することによって得ることができることは、本発明の範囲内で企図される。金属層によって、気体及び液体に対する低透過性が可能になり、ポリマー層は、タイル４０２内の保管試薬の容易で効果的な封止を可能にする。

図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃを参照すると、平面マイクロ流体タイル５０１は、対向する第１の基板５０３と第２の基盤５０４の一方又は両方の対向面を微細構造化することによって生成される。入力ポート５０５は、２つの対向する基板５０３、５０４の一方に製造され、対向する基板５０３、５０４の一方又は両方の内側に完全に含まれる。入力ポート５０５は、装填される流体容積に応じて任意に決定することができる長さを基板５０３、５０４の内側に有し、連続的な入力ポート５０５間のピッチは、既存の規格及び一体化する上での特定の必要性に応じて選ぶことができる。２．２５ｍｍ、４．５ｍｍ、又は９ｍｍの公称ピッチ値は、それぞれ、１５３６、３８４、及び９６のウェルマイクロタイタープレート規格に対応する。この例示的な実施形態においては、選択ピッチは、１５３６マイクロタイタープレート形式に対応するものであり、入力ポート５０５は正方形の開口部を有する。

入力ポート５０５を有する基板５０３、５０４は単連結される。入力ポート５０５は、マイクロ流体回路を形成する微細構造体の生成に必要とされるのと同じ金型インサートによって、又はマイクロ流体回路生成インサートの同じ側面にある第２のインサート（又は金型構成要素）によって生成することができる。いずれの場合においても、可動部分を必要とせずにその部品を金型から取り出すことが可能である。

図６に示すような別の例示的な実施形態においては、図５に上記で示したようなマイクロ流体タイル６０１は、１つの横列の入力ポート６０２と、図１で説明したような微細構造弁調整マトリクス６０３とを含む。マイクロ流体タイル６０１は、互いに対向し且つ被膜層を間に備えて互いに結合された第１の基板と第２の基板とからなる。

この例示的な実施形態においては、マイクロ流体タイル６０１は、４８個の入力ポート６０２を有し、１６個のマイクロ流体タイル６０１は、ブリック６０７を形成する。ブリック６０７は、この例示的な実施形態においてはフレーム６０８によって所定位置に保持される。ブリック６０７にマイクロ流体タイル６０１を付加する他の方法を用い得ることは、本発明の範囲内で企図される。ブリック６０７は、上面６０９と下面６１０とを有する。上面６０９は、構成マイクロ流体タイル６０１の複数の入力ポート６０２で形成される。複数の入力ポート６０２は、第１の方向にマイクロタイタープレートにおける１５３６個の入力ポート形式を形成し、入力ポート６０２は、第２の方向に３８４個の入力のマイクロタイタープレートのピッチを有する。上面６０９は、入力ポート６０２の高密度領域であり、通常、９６個と３８４個の入力のマイクロタイタープレート形式に準拠するヘッドピッチを有する標準的な既存の多重ヘッド又は単一ヘッドの計量分配デバイスでのブリック６０７の効率的な充填を可能にする。

本発明の装置及び方法が、あらゆる標準的な実験室形式又は特殊形式のブリック６０７の形態でマイクロ流体タイル６０１の組み立てを可能にすることは、本発明の範囲内で企図される。この例示的な実施形態内のマイクロ流体タイル６０１は、ブリック６０７の長側面に平行であるが、異なるタイル設計では、ブリックは、ブリック６０７の短側面に平行なタイルに対応することができ、マイクロ流体タイル６０１当たり３２個の入力ポート６０２（１シリーズ３２個の入力部）を備え、ブリック６０７は１６個のマイクロ流体タイル６０１を含む。

マイクロ流体タイル６０１当たりの入力部６０２の数、ブリック６０７内のマイクロ流体タイル６０１の数、及びマイクロ流体タイル６０１の向きは、標準的な実験室形式又は特殊形式を有する様々な構成を得るように変更することができる。この様々な構成は、マイクロ流体タイル６０１の設計及びマイクロ流体タイル６０１を集約してマイクロプレート状形式にする用途及び戦略に左右される。マイクロ流体タイル６０１及びマイクロ流体タイル６０１上の入力ポート６０２の数のセグメント化は、流体処理デバイス及び装填プロセスの変更を必要とすることなく行うことができる。

図７を参照すると、９６個の入力部のマイクロプレート並列計量分配器（ディスペンサー）７０２を有するブリック７０１の装填作業が示されている。この例示的な実施形態のブリック７０１は、複数の入力ポート７０９を有する複数のタイル７０５から形成される。並列計量分配器７０２は、８個のヘッド７１２を有し、縦列による装填を行う。この例示的な実施形態において、ヘッド７１２は、ブリック７０１の長側面に平行に移動し、タイル７０５の入力ポート７０９への試薬又は他の選択流体の計量分配を可能にする。多くのアッセイは、異なるターゲット又は異なる化学物質を並行して試験するプロトコルの繰り返しからなるので、アッセイの試薬又は選択流体の一部は共通であり、試薬の一部は異なるものである。従って、試薬が１つの計量分配ヘッド７１２で利用可能になると、タイルが必要とするのは少量であり、且つピペット先端部はブリックに含まれる全てのタイルについて一度に使用されるので、試薬は異なるタイル全体にわたり効率的な方法で分配することができる。

並列計量分配器７０２の大半は、１マイクロプレート当たり３８４個と９６個のウェルを含む低密度形式との適合性を維持するために１５３６マイクロプレートのピッチよりも大きいので、計量分配ヘッドは一般的なピッチを有する。この例示的な実施形態においては、入力部の間隔は、タイル７０５の突出する構造体及びブリックフレーム７１０によって決まる。タイル７０５が櫛形支持体によって垂直方向に保持することができることは、本発明の範囲内で企図される。

図８に示すように、手動又は自動的にブリック８０２から分解された後の本発明によるタイル８０１は、一定半径でスピンドルサポート８０３上に位置決めされる。タイル８０１は、スループットのニーズに応じて個々に又はグループで処理することができる。タイル８０１を回転軸から一定の距離に位置決めする必要はなく、スピンドルサポート８０３上のスペース占有を節約するためにタイル８０１を複数の横列に装填することができることは、本発明の範囲内で企図される。本発明によれば、回転軸に対向するタイル８０１の縁部に入力部８０４を有することが好ましい。この位置決めは、求心加速度を受ける流体はスピンドルの外側部分に向かって半径方向に移動する傾向があり、入力部８０４は、流体収集用に最適に設計することができるので望ましいものである。

主面上の入力部８０４は、溢出を回避するように構成される。上述のようにタイル８０１の入力部８０４が小面上にある場合には、別の利点は気泡を除去することにある。実際には、大気圧空気は、あらゆる液体の密度よりも低い密度を有する。気泡はまた、アルキメデスの原理に従う。静止状態にある液体中の空気の場合において、表面張力と合わされた泡の重量がアルキメデス浮力を超えると、泡が液体内部に残る可能性がある。求心デバイスでは、回転によって迅速に重力を超える。

従って、求心デバイス中の泡は、回転軸に向けて配向され且つ回転軸に垂直な強い力を受ける可能性があり、その力の強度は、移動された液体の見掛け重量に等しい。求心力が泡を液体／空気境界面に向かって押しやり、その結果泡が消失するので、入力部８０４は、回転軸の方に向けたタイル８０１上に置くべきである。同じ考慮事項は、外部計量分配システムによって装填された流体が空気容積の上にある場合に対し当てはまり、流体の導入時に通常生じる現象は、容器自体のまさに底部では発生しない。この現象は、側壁との接触領域で発生する表面張力によって開口部に向かう下にある気体の通過を流体が急激に閉塞するので、小サイズのポートに特有のことである。上述の側方入力構成における求心加速によって、流体が入口の「底部」に押しやられることになる。

ブリック８０２の処理は、タイル８０１に含まれた特定のマイクロ流体技術に関連して、異なる方法で行うことができる。従って、ブリック８０２の処理の例示は、国際出願ＷＯ０４０５０２４２Ａ２で開示されているマイクロ流体技術を参照して行うことができ、この特定の実施形態において、弁調整技術が求心的プラットフォームで使用される。この実施形態においては、タイル８０１は求心プラットフォーム上で処理することができ、該プラットフォームは、弁アクチュエータを正確な位置に位置決めするために回転し、遠心分離によってタイル内部の流体を移動させることができ、読み出しセンサがアッセイの結果を局部的位置で検出することを可能にする。

図８に示すように、このプラットフォームは、水平方向のタイルを受け入れる遠心ロータと多くの点で類似するものである。タイル８０１は、種々の方法でブリック８０２からロータに移送することができ、一例として１つの方法が図に示されている。この方法の各段階は、ブリック装填、タイル抽出、タイル位置決め、タイル処理、タイル除荷で規定することができる。流体が表面張力によって（又は入口に施された封止によって）入口から漏出しないことを利用して、ブリック８０２は、水平位置にタイル８０１を有して器具上に装填することができる。図中のブリック８０２の垂直方向の並進によって、タイル８０１を選択することができ、すなわち、直接タイルを識別する必要がなく、本方法により、処理されているタイル８０１と試薬が装填されたマイクロプレートの縦列（又は横列）とを関連付けることが可能である。

ブリック８０２からのタイル抽出は、例えば、回転軸に向う方向にタイルの底部を押す外部アクチュエータを介して圧力を印加することよって行うことができる。別の例示的な実施形態においては、タイル８０１をクランプによって把持することができ、又は、タイル８０１上に生成した特定の構造体（ピン、穴、フラップ、フランジ、バイオネット、磁石、接着層など）をアクチュエータとのリンクを確立する手段として使用することができる。タイル位置決めは、タイル８０１を受け入れるように特別に設計されたロータスロット内側で垂直方向に抽出タイル８０１を移動させることによって行うことができる。

別の例示的な実施形態においては、ロータは、ロータの外側部分からアクセス可能なスロットを有することができ、タイル８０１は、キー又は電機式アクチュエータなどの能動的機構によってスロット内側にロックされ、タイル８０１が回転の結果としてロータから抜けるのが防止される。

タイル処理は、ロータの下に位置決めされた光学的ピックアップを用いてタイル８０１内の弁を能動的方法で開放することによって行われ、アッセイの読み出しは、同じ光路を用いて行われる。この構成では、タイル８０１の識別バーコードをタイル８０１の主面上に位置決めして、スピンドル回転中に読み取ることもできる点に留意されたい。実際に、タイル８０１がブリック８０２内にグループ化されているときにバーコードが光学的にアクセスできない場合でも、タイル８０１がロータに位置決めされている間のバーコードを読み取ることによって、ブリック内のタイルの位置（マイクロプレートの縦列又は横列識別子）とタイルバーコードとの関連付けが可能になり、タイル識別手順を追加することが不要になる。

処理後、タイル除荷は、同じ移動経路を介してタイル８０１をブリックフレーム内側に（同じ位置又は異なる位置に）再位置決めすることによって行うことができる。タイル除荷の別の可能性として、タイル８０１は、ブリック垂直方向並進器をブリック又は処分するためにタイルの単純な積み重ねに類似する配置ユニットまで上げる（又は下げる）ことによって配置することができる。

図９に示すように、ブリック処理の様々な方法は、ブリック９０２から処理機器９０５へのタイル９０１の移送に限定されず、実質的に変更することなく複数のブリック９０２から機器までタイル９０１を移動させる方法をも意味することは想定される。本発明の１つの態様において、ブリック９０２は、ブリック装填機９０７内で垂直の積み重ねでスタックされ、ブリック装填機９０７の単純な垂直方向の並進によって装填されるように選択される。

従って、本発明によるブリック９０１は、ウェルプレートで従来行われる複数のブリック９０２の垂直方向のスタックを可能にするように設計されるだけでなく、側面スタックのために、水平方向のタイル９０１を収容するブリック９０２をスタックするようにも設計することができる。本発明によるタイル９０１のスタックは、ブリック９０２の垂直方向と側面のスタックの両方を可能にするために、機械式位置決め手段、例えば、ピン、スロット、相補的構造体を押し出す「レゴ接続」、及び同様のものによって容易にすることができる。複数のブリック９０２を組み立てて、これらを単一のブリック９０２として扱う実現性は、流体を装填するブリックを含めて、全ての段階において本質的に可能であり、この特徴がタイル９０１の組み立てのモジュール概念に本質的に結びつくことは、本発明の範囲内で企図される。

装填段階の数は、アッセイに存在する異なる基本的な試薬の総数によって決まる。典型的な化学スクリーニング手順においては、個数Ｎの化合物が、化合物プロファイリングとして呼ばれて知られているアッセイ（通常は一握りの試薬（以下の考察及びこの目的においては無視される）を含む）作業の結果に基づいて、個数Ｍのターゲット（例えば蛋白質）に対してスクリーニングされる。

製薬業界の化合物プロファイリング手順は一般的なものであり、例えば、その１つは、様々なキナーゼ阻害物質が存在する場合のキナーゼ蛋白質のファミリーの酵素活性の判断からなる。キナーゼプロファイリングには、同じファミリーの他の蛋白質に対する同じ分子の副作用を測定するが異なる生物学的プロセスを調整しながら、可能性のある薬の効力を評価する重要な目標がある。化合物プロファイリングの作業においては、有用なデータポイントの数は、Ｎ×Ｍに本質的に比例し、装填作業の回数はＮ＋Ｍ段階からなる。

装填工程の後の全ての段階が自動化された場合、装填段階はやや増えるだけであり、すなわち例えば、基本的に２０個の装填段階で、１０個の目標に対して１０個の化合物をスクリーニングすると、１００個のデータポイントが生成され、単に装填段階を１０倍に増やし（すなわち、ユーザによって行われる作業量）、１００個の目標に対して１００個の化合物をスクリーニングすると、１００倍増のデータポイントが生成されるので、本発明で行われたように１つの試行でできるだけ多くのデータポイントを生成するためにマイクロ流体デバイスを共に集める点で有意なスケーリング上の利点がある。複数のアッセイのパネル調査が複数の生物学的試料に関して行われる場合、統合及び集合的なインタフェースに関する同じ議論は、ほとんどの創薬及び診断用途に有効であり、薬ゲノミクスの今後の展開によって、潜在的な治療薬との患者の適合性を選別することを意味するパネル調査の需要及び有用性が増大するであろうと予想することができる。

有利には、特定の用途に適切な種々の組成及び表面コーティングを有する本発明によるタイルが提供される。タイル組成は、構造的要件、製造工程、試薬適合性、及び耐化学特性の作用となる。特に、タイルは、無機結晶又は非晶質材料、例えば、シリコン、シリカ、石英、不活性金属、或いは、例えば、ポリ（メタクリル酸メチル）（ＰＭＭＡ）、アセトニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリオレフィン、ポリプロピレン、及びメタロセンといったプラスチックのような有機材料で作ることができる。これらは、非改質又は改質表面で使用することができる。

これらの材料の表面特性は、特定の用途に改質することができる。表面改質は、限定ではないが、シリル化、イオン注入、及び不活性ガスプラズマによる化学処理を含む、当該技術分野で公知の方法によって行うことができる。タイルは複合材又はこれらの材料の組み合わせで作ることができ、例えば、タイルは、タイルの検出チャンバなどを含む光学的に透明な表面を埋設させたポリマー材料料で製造されることは、本発明の範囲内で企図される。

タイルは、とりわけ成形、スタンピング、フライス加工が容易であることに起因して、テフロン（登録商標）、ポリエチレン、ポリプロピレン、メタクリル酸メチル、及びポリカーボネートなどのプラスチックから作製できることは、本発明の範囲内で企図される。タイルは、シリカ、ガラス、石英又は不活性金属で作ることができることはまた、本発明の範囲内で企図される。１つの例示的な実施形態においては、内部に流体回路を有するタイルは、公知の結合技術を用いて相補的マイクロ流体回路がエッチング加工された対向基板を結合することによって形成することができる。

本発明のタイルは、光学的に透明又は不透明な隣接する基板又は部分的に透明又は不透明な基板の射出成形で作製することができる。タイルは、厚みがほぼ１ｍｍと１０ｍｍとの間からなる正方形、矩形又は任意の幾何学的形状とすることができる。基板内の光学面は、検出分析又はレーザ弁調整などの他の流体作業の手段を提供するのに用いることができる。ポリカーボネート以外の材料を含む層もタイルに組み込むことができる。

タイルを形成する基板の組成は、主として、特定の用途及びタイルと使用される試薬との化学的適合性の要件によって決まる。電気泳動用途及び電気制御弁などの電気回路を必要とするタイルに電気層及び対応する成分を組み込むことができる。選択的加熱区域又はフレキシブル論理構造を形成することができる集積回路、レーザダイオード、フォトダイオード、抵抗ネットワークなどの制御デバイスをタイルの適切に配線された区域に組み込むことができる。乾燥保管することができる試薬は、タイル作製中に当該技術分野で公知の手段を用いてリザーバに噴霧することによって適切な開放チャンバに導入することができる。また、液体試薬を適切なリザーバに注入した後、タイル内の流体回路内での弁操作手段に利用することができるプラスチック薄膜を含むカバー層を塗布することができる。

本発明のマイクロ流体タイルは、タイルを形成する基板上に直接作製されるか、既成モジュールとしてタイル上に配置される極めて多数の構成要素を備えることができる。一体化流体構成要素に加えて、特定のデバイス及び素子をタイルの外部に配置するか、又はタイルの構成要素上に最適に位置決めするか、或いは回転デバイス内での回転中又はブリック形成での静止状態時にタイル又は単一のタイルと接触して配置することができる。

本発明によるタイルを最適に含む流体構成要素は、限定ではないが、検出チャンバ、リザーバ、弁調整機構、検出器、センサ、温度制御素子、フィルタ、混合素子、及び制御システムを含む。

以下の実施例は、上述した幾つかの構成要素の特定の選択による本発明の方法及び製品を例示するために提示するものである。上述のように、これらの特定の実施例に対する多くの変形形態が実施可能である。これらの実施例は、例証に過ぎず、本発明を限定するものではない。

（実施例Ｉ）
本発明によるブリック１０００を図１０に示す。ブリック１０００は、ブリックフレーム１００５内の複数のマイクロ流体タイル１００１からなる。第１の例示的な実施形態においては、タイル１００１は、関連デバイスによって処理されるようにフレーム１００２の底部から抽出される。マイクロ流体タイル１００１は、ブリック１０００の頂面にあるマイクロ流体入口１００３によってアクセスされる。

この例示的な実施形態は、機械インタフェースから独立して設計されるヒューマンインターフェースを可能にするものである。試薬は、手動又は自動化手段によって、ブリック１０００の頂面にある入口１００３に装填することができる。入口１００３は、従来のマイクロプレート形式で配置される。マイクロ流体技術では消費される試薬量は極めて限られた量であるので、試薬量は実質的に小さい。少量の液体は急激な蒸発をしやすく、この蒸発によって液体が枯渇するか、又は試薬濃度が変化する可能性がある。この蒸発の問題に対する解決策は、試薬装填後の頂面上での接着ポリマー薄膜（図示せず）を塗布することからなる。接着ポリマー薄膜は、熱接着剤、感圧接着剤、又は蒸気圧の上昇による液体蒸発を防止するガス密封を保証する同様の手段を用いて一時的又は恒久的なものとすることができる。

同じ封止手段をブリック１０００と共に使用できることは、本発明の範囲内で企図される。ブリック１０００は、図１０に示すような底部抽出によって特徴付けられる。底部抽出には、タイル１００１をフレーム１００２から抽出するまで頂面に位置決めされた被膜層（図示せず）が所定位置に保持され、液体が空気に晒される時間が最小となることで、アッセイ品質が向上し外部汚染のリスクが最小限に抑えられるといった利点がある。

本発明によるタイル１００１及びフレーム１００２は、通常の実験室作業中、タイル１００１がフレーム１００２の底部から出ないように設計されている。１つの例示的な実施形態においては、接着留め具は、タイル１００１がフレーム１００２から滑り出ないようにする。別の例示的な実施形態においては、１つ又は複数のタイル１００１をフレーム１００２から解放するために外部で起動される機械的手段が使用される。タイルの除去がタブ、レバー、又は同様のものなどの機械的手段によって行い得ることは、本発明の範囲内で企図される。

別の例示的な実施形態においては、タイル１００１又はフレーム１００２或いはその両方の弾性要素は、望ましくないタイル抽出が回避されるようにタイル１００１の位置に圧力を作用させる。タイル１００１の抽出は、プッシュプルピン、プシュプルロッド、様々な種類のクランプ、グリップ、摩擦車、回転ギヤ、摺動バー、又は同様のものにより底部開口部１００７に向かう方向で印加することによって行うことができる。特に、弾性要素は、フレーム１００２に一体化することができ、タイル１００１の複雑性及びコストが最小限に抑えられる。

（実施例ＩＩ）
図１１を参照すると、タイル除去の自動抽出解決法が示されている。第１の例示的な実施形態において、ブリック１１０２内の選択マイクロ流体タイル１１１２が、トレー１１０１の直線移動による抽出に選ばれる。この例示的な実施例においては、抽出デバイスによって１つのブリック１１０２だけがアクセスされる。この分解手順が器具又は製造ラインにおいて順次的又は所望の順序で複数のブリック１１０２に適用できることは、当業者であれば理解されるはずである。この種の自動化は、化合物装填から試薬分配、プロトコル実行、及び実験読み出しまで、高スループット又は無人生産ラインを可能にする効率的な解決策である。製造ラインは、レール又はベルト駆動機構によって組み立てることができ、ここでは、試薬の有無に関係なくブリック１１０２は、コンベヤのスロットに供給され、コンベアの「分岐」、タイル抽出、再分配、及びブリック操作によって実験の連続的な流れを順次又は並行して実行することができる。

図１１に示すように、マイクロ流体タイル１１１２は、底部からタイル１１１２を把持する把持部１１０３を用いて抽出される。第１の例示的な実施形態においては、タイル１１１２上のパージ量１００８は、ソレノイド１１０４又はステッピングモータ、空圧アクチュエータ又は同様のものによって起動される把持部１１０３の移動が、把持部１１０３内でのタイル１１１２の堅固な保持を可能にする圧力をタイル１１１２に作用させるように構成される。曲線レール１１０５は、ブリック（図示せず）に含まれた垂直方向タイル１１１４を水平方向になる動作位置１１０６まで持っていくことによって、複雑な軌道に沿って把持部１１０３を移送するように構成される。フィンガ部１１０７は、ソレノイド１１０８又は電動機、スピンドル１１１０上の開放固定ホルダ１１０９などの空気圧手段又は電気的手段によって駆動され、この時に、直線ステージ１１１によって、設定位置１１０６にあるタイル１１１２上へのスピンドル１１１０の移動が可能となる。

図１２に示すように、スピンドル１２０１は、タイルをロータ内に保持することを意味する挿入スロット１２０２を有する。タイルは、フィンガ部１２０７、１２０８を用いてノブ１２０５によって起動される保持手段１２０３、１２０４で半径方向にロックされる。更に図１１を参照すると、フィンガ部１１０７は、非通電状態になり、把持部１１０３からの圧力がタイル１１０６から解除される。図１２を参照すると、タイルは、スピンドル１２０１のスロット１２０２内側に保持され、続くスピンドル１２０１の移動によって、タイルが装填機構から引き抜かれ、その結果、装填機構は次の作業の準備が整う。装填作業と同様に、タイルの除荷（スピンドルからフレームへの）は、同様の方法で逆の経路で行なうことができる。タイルはまた、別のブリック又はタイル処分又はタイル培養などの特定の目的に専用の区域にも送ることができる点に留意されたい。

ブリック処理の実施例は、この器具及び開示する弁調整技術に固有のものであるが、求心的環境及び非求心的環境の両方において、同じ原理を受動的弁調整システムを利用するシステム、又は機械式又は電気的アクチュエータに基づく弁調整システムに適用することができる点を当業者には理解されたい。

本発明による例示的なマイクロ流体タイルは、被膜層を間に有する第１及び第２の基板からなる構成であるが、本発明のマイクロ流体タイルは、複数の基板から形成することができる点を当業者には理解されたい。同様に、基板は、被膜層が間に有るか無いかに関係なく組み立てることができることは当業者には理解されたい。

本発明による例示的なマイクロ流体タイルは、ナノ又はメソスケールの実施形態で利用されるが、本明細書で開示する原理は、スケールに関係なく流体処理技術に適用できる点を当業者には理解されたい。

本開示内容の原理、好適な実施形態、及び態様を上記の明細書で説明してきた。しかしながら、本開示内容は、これらの実施形態は限定ではなく例証とみなされるので、示された特定の実施形態に限定されるものではないと解釈すべきである。更に、本明細書で開示され添付の請求項で記載された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者であれば変形及び変更を行うことができる。

入口がタイル小面上にあり且つブリックに適合するようにタイルを設計することができる、本発明によるロータタイルの実施形態を示す図である。 入口がタイル小面上にあり且つブリックに適合するようにタイルを設計することができる、本発明によるロータタイルの実施形態を示す図である。 入口がタイル小面上にあり且つブリックに適合するようにタイルを設計することができる、本発明によるロータタイルの実施形態を示す図である。 入口がタイル小面上にあり且つブリックに適合するようにタイルを設計することができる、本発明によるロータタイルの実施形態を示す図である。 射出成形による大量生産用に最適化された本発明による入力部インタフェースの設計を示す図である。 タイル上のマイクロ流体構造体及び入口が、基板製造中に物理的に分離されるように側面入力部を製造することができる本発明による別の特定の実施形態を示す図である。 流体蒸発を防止する被膜の施工によって部分的に封止される本発明による単一のタイルを示す図である。 入力部のうち１７８個のみが実際に実装された場合の、１５３６枚のマイクロプレートに適合する形式を有する別の例示的な実施形態を示す図である。 入力部のうち１７８個のみが実際に実装された場合の、１５３６枚のマイクロプレートに適合する形式を有する別の例示的な実施形態を示す図である。 入力部のうち１７８個のみが実際に実装された場合の、１５３６枚のマイクロプレートに適合する形式を有する別の例示的な実施形態を示す図である。 本発明によるタイル及び関連のブリック組立体を示す図である。 多重ヘッド計量分配デバイスの先端を示す図であり、タイルの装填はマイクロタイタープレートの場合と同様に行われる。 マイクロ流体タイルが微細構造体内で流体を移動させることを可能にするスピンドルデバイスによる遠心力を受けた本発明による求心マイクロ流体システムを示す図である。 単一のブリック積載装置の設計に対する小さな変更で複数のブリックが装填作業において使用される本発明による別の例示的な実施形態を示す図である。 ブリック内のタイルがブリック底部から抽出される本発明による別の例示的な実施形態を示す図である。 タイル除去用の自動式抽出解決策が図示された本発明による別の例示的な実施形態を示す図である。 本発明によるタイルを受け取るように適合されたロータを示す図である。

符号の説明

７０１ ブリック
７０２ 並列計量分配器
７０５ タイル
７０９ 入力ポート
７１０ ブリックフレーム
７１２ ヘッド

Claims (55)

1. 頂部及び底部平面を有し、更に少なくとも１つの入力ポートを備えた入力端部と対向端部とを有するタイルと、
   前記少なくとも１つの入力ポートと流体連通し、前記タイルの頂部平面と底部平面との間にある少なくとも１つの流体処理構成要素と、
   を含むアッセイを行う装置。
2. 前記タイルを追加タイルに付加する手段を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記タイルが、求心ロータ装置に付加する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記少なくとも１つの流体処理構成要素が、チャンネル、検出チャンバ、リザーバ、弁調整機構、検出器、センサ、温度制御素子、フィルタ、混合要素、及び制御システムからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記タイルが、複数のタイルに付加されてタイルブリックを形成することを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記タイルの識別手段を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. 前記ブリックの識別手段を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の装置。
8. 前記識別手段が、光学的識別、機械的識別、物理的識別、電気的識別、磁気的識別、及び無線識別からなるグループから選択されることを特徴とする請求項６に記載の装置。
9. 前記タイルブリックが、複数の入力ポートを含み、前記入力ポートが、標準的な実験室入力形式を形成することを特徴とする請求項５に記載の装置。
10. 前記タイルブリックがスタック可能であることを特徴とする請求項５に記載の装置。
11. 前記スタック可能タイルブリックは、前記ブリックの頂部に入力ポートがある状態でスタック可能であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記スタック可能タイルブリックは、前記タイルブリックの側面に入力ポートがある状態でスタック可能であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
13. 前記スタック可能タイルブリックは、前記タイルブリックの頂部に入力ポートがあり、且つ前記タイルブリック側面に入力ポートがある状態でスタック可能であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
14. 前記タイルが、多数の流体処理構成要素を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
15. 前記タイルが、テフロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、メタクリル酸メチル、ポリカーボネート、シリコン、シリカ、アセトニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリオレフィン、メタロセン又はその混合物からなるグループから選択された材料から形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
16. 前記タイルが、電気制御弁、集積回路、レーザダイオード、フォトダイオード及び抵抗加熱素子、熱点及び冷点、並びに光学部品からなるグループから選択された追加構成要素を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
17. 前記入力ポートが、封止手段を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
18. 前記封止手段が、被膜であることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
19. 前記被膜がセルフ封止であることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 前記封止手段が、マイクロプレートカバーであることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
21. 前記封止手段が、利用可能な前記入力ポートのサブセットを封止することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
22. 前記入力ポートは、気体、液体、又は固体の試薬が予め装填されていることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
23. 前記入力ポートが、蛋白質、核酸又は細胞、或いは有機試薬が予め装填されることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
24. 前記入力ポートが、凍結乾燥状態又は乾燥状態で分子が装填されることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
25. アッセイを行う装置であって、
    少なくとも１つの流体回路と流体連通した少なくとも１つの入力ポートを有する少なくとも１つのマイクロ流体タイルと、
    前記タイルの組立体を形成する複数の前記マイクロ流体タイルと
    を含み、
    前記組立体が複数の入力ポートを有する単一の面を形成し、前記複数の入力ポートが標準的な実験室インタフェースを形成し、
    前記アッセイが更に、
    処理手段において使用するために前記タイルを前記組立体から分離する分解手段を含むことを特徴とするアッセイを行う装置。
26. 前記少なくとも１つの入力ポートが、前記マイクロ流体タイルの小面上に位置することを特徴とする請求項２５に記載の装置。
27. 前記処理手段が、求心ロータとマイクロプレート読取り装置とからなるグループから選択されることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
28. 前記組立体及び分解手段が、ピン、筐体、スリット、スロット、ロック、カバー、スナップ要素、スペーサ、レゴ状コネクタ、弾性手段、接着層、磁気手段、及び吸引手段からなるグループから選択されることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
29. 前記標準的な実験室インタフェースが、９６、３８４、１５３６マイクロプレート標準インタフェースからなるグループから選択され、又はこれらの仕様のサブセットに対して選択されることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
30. アッセイを行う方法であって、
    少なくとも１つの流体回路と流体連通した少なくとも１つの入力ポートを有する少なくとも１つのマイクロ流体タイルを提供する段階と、
    複数の前記マイクロ流体タイルを組み立てて、標準的な実験室インタフェースを備えた複数の入力ポートを有する表面が形成された前記タイルの組立体を形成する段階と、
    試料を少なくとも１つの入力ポートに挿入する段階と、
    前記タイルの組立体を個々のタイルに分解する段階と、
    前記個々のタイルを処理手段に配置する段階と、
    を含む方法。
31. 前記処理手段が、求心ロータ装置であることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
32. 前記入力ポートが、前記求心ロータ装置の回転軸に近接していることを特徴とする請求項３１に記載の方法。
33. 前記選択試料を含む入力ポートが、試料挿入後に封止されることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
34. 選択試料を挿入する段階が、標準的な流体処理ロボットシステムによって行われることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
35. 前記標準的な実験室インタフェースが、９６、３８４、又は１５３６マイクロプレートに相当することを特徴とする請求項３０に記載の方法。
36. 前記少なくとも１つの流体回路が、少なくとも１つの検出チャンバと流体連通しており、前記検出チャンバが、対象検体を検出する手段を有することを特徴とする請求項３０に記載の方法。
37. 前記アッセイが、化合物プロファイリング、蛋白質結晶形成、酵素生化学アッセイ、細胞アッセイ、診断目的の体液試験からなるグループから選択されることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
38. 前記検出チャンバが、対象検体に特有の試薬を含むことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
39. 前記少なくとも１つの入力ポートが、複数の流体回路と流体連通していることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
40. 前記複数の流体回路が、複数の試料に対して複数のアッセイを並行して行うことができることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
41. 前記複数の流体回路が、複数の試料に対して同じアッセイを並行して行うことができることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
42. マイクロ流体タイルを形成する方法であって、
    少なくとも１つの凹部を少なくとも一方に有する第１及び第２の平面を有する第１の基板と、前記少なくとも１つの凹部を有する前記平面上にある第１の流体回路とを成形する段階と、
    第１及び第２の平面を有する第２の基板と、第２の流体回路とを成形する段階と、
    前記第１及び第２の基板を接合してマイクロ流体タイルを形成する段階と、
    を含み、
    前記凹部が、少なくとも１つの入力ポートを前記マイクロ流体タイル内に形成し、前記マイクロ流体タイルが、頂部及び底部平面と入力縁部とを有し、前記入力縁部が、前記流体回路と流体連通した少なくとも１つの入力ポートを有することを特徴とする方法。
43. 前記入力ポートが、前記第２の流体回路を介して前記第１の流体回路と流体連通していることを特徴とする請求項４２に記載の方法。
44. アッセイを行う装置であって、
    単連結され且つ共に結合されている第１及び第２の基板を含むマイクロ流体タイルと、
    少なくとも１つの入力ポートと、
    前記タイルの第１及び第２の基板の間にあり、前記少なくとも１つの入力ポートと流体連通した少なくとも１つの流体処理構成要素と、
    を含むことを特徴とするアッセイを行う装置。
45. ホットエンボス加工、射出成形、レーザアブレーション、積層、及び化学エッチングからなるグループから選択された方法で製造されることを特徴とする請求項４４に記載の装置。
46. 前記頂部基板と底部基板との間に結合された被膜層を更に含むことを特徴とする請求項４４に記載の装置。
47. タイルを形成する方法であって、
    第１の単連結基板と第２の単連結基板とを結合して少なくとも１つの入力ポートを形成する段階と、
    前記少なくとも１つの入力ポートと流体連通している少なくとも１つの流体処理構成要素を前記タイルの第１及び第２の基板の間に形成する段階と、
    を含む方法。
48. アッセイを行う装置であって、
    共に結合してマイクロ流体タイルを形成する第１及び第２のタイルと、
    前記マイクロ流体タイルの小面上に位置決めされた少なくとも１つの入力ポートと、
    前記第１及び第２のタイルの間にある、前記少なくとも１つの入力ポートと流体連通している少なくとも１つの流体処理構成要素と、
    前記マイクロ流体タイルを追加のマイクロ流体タイルに付加する手段と、
    を含むことを特徴とする装置。
49. 前記第１及び第２のタイルの間に被膜を更に含むことを特徴とする請求項４８に記載の装置。
50. タイルを形成する方法であって、
    被膜が間にある状態で第１及び第２のタイルを接合してマイクロ流体タイルを形成し、該マイクロ流体タイルが、該マイクロ流体タイルの小面上に位置決めされた少なくとも１つの入力ポートと、前記第１及び第２のタイルの間に少なくとも１つの流体処理構成要素とを含み、前記少なくとも１つの流体処理構成要素が、前記少なくとも１つの入力ポートと流体連通していることを特徴とする方法。
51. 前記少なくとも１つの流体処理構成要素が、少なくとも１つのチャンバと流体連通したチャンネルを含み、前記チャンバが対象検体を検出する手段を有することを特徴とする請求項４９に記載の方法。
52. 前記識別手段が、光学的識別、機械的識別、物理的識別、電気的識別、磁気的識別、及び無線識別からなるグループから選択されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
53. 前記入力ポートが、冷凍状態で分子が予め装填されることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
54. 前記タイルが、底部抽出によって前記組立体から分離されることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
55. 前記タイルを前記組立体から分離する段階が、前記組立体の底部で行われることを特徴とする請求項２９に記載の装置。

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