JP2009001486A - High throughput screening of crystallization of material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and a microfluidic structure for performing high throughput screening in the crystallization of target materials such as larger biological polymers or their aggregates. <P>SOLUTION: High throughput screening of crystallization of a target material is accomplished by simultaneously introducing a solution of the target material into a plurality of chambers 9102a, 9102b of a microfabricated fluidic device. The microfabricated fluidic device is then manipulated to vary the solution condition in the chambers 9102a, 9102b, thereby simultaneously providing a large number of crystallization environments. An embodiment of a system for crystallizing a target material comprises an elastomeric block including a microfabricated chamber configured to contain a fixed volume of a solution of the target material, and a microfabricated flow channel in fluid communication with the chamber, the flow channel introducing a fixed volume of a crystallizing agent into the chamber. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

(関連出願の相互参照)
本出願は、2001年4月6日出願の米国非仮特許出願第09/826,583号および2001年6月22日出願の米国非仮特許出願第09/887,997号の一部継続出願である。この特許出願はまた、2001年9月17日出願の米国仮特許出願第60/323,524号から優先権を主張する。これらの先の特許出願は、全ての目的のために、本明細書中において参考として援用される。
(Cross-reference of related applications)
This application is a continuation-in-part of US non-provisional patent application 09 / 826,583 filed on April 6, 2001 and US non-provisional patent application 09 / 887,997 filed June 22, 2001. It is. This patent application also claims priority from US Provisional Patent Application No. 60 / 323,524, filed Sep. 17, 2001. These earlier patent applications are hereby incorporated by reference for all purposes.

(連邦政府から資金供給された研究開発のもとで行われた研究に対する権利に関する声明)
本明細書中に記載された研究は、国立衛生研究所の助成金HG−01642−02によって、一部援助されている。それ故に、米国政府は、本発明において特定の権利を有し得る。
(Statement on rights to research conducted under federal-funded R & D)
The work described herein is partially supported by the National Institutes of Health grant HG-01642-02. Therefore, the US government may have certain rights in the invention.

(発明の背景)
結晶化は、生物学的分野および化学分野に対する重要な技術である。具体的には、標的化合物の高質結晶は、標的の正確な三次元構造を製造するために、X線回折技術によって分析され得る。次いで、この三次元構造情報は、標的の機能性および挙動を予測するために利用され得る。
(Background of the Invention)
Crystallization is an important technique for the biological and chemical fields. Specifically, high quality crystals of the target compound can be analyzed by X-ray diffraction techniques to produce an accurate three-dimensional structure of the target. This 3D structural information can then be utilized to predict the functionality and behavior of the target.

理論上、結晶化プロセスは単純である。純粋な形態の標的化合物は、溶媒に溶解される。次いで、溶解した標的物質の化学環境が変更されて、その結果、この標的は不溶性となり、結晶形態にある固相に転じる。化学環境におけるこの変化は、代表的には、標的物質を不溶性にする結晶化剤を導入することによって達成されるが、温度および圧力における変化はまた、標的物質の溶解度に影響を及ぼし得る。   In theory, the crystallization process is simple. The pure form of the target compound is dissolved in a solvent. The chemical environment of the dissolved target substance is then changed so that the target becomes insoluble and turns into a solid phase in crystalline form. This change in the chemical environment is typically achieved by introducing a crystallizing agent that renders the target substance insoluble, but changes in temperature and pressure can also affect the solubility of the target substance.

しかし、実際には、高質結晶の形成は、一般に困難で時折不可能であり、研究者の一部に、多くの試行および誤りおよび忍耐を必要とする。具体的には、単純な生物学的化合物ですら、その高度に複雑な構造は、それらが高度に秩序立った結晶構造を形成するのに敏感ではない。それ故に、研究者は、実際に結晶が多少なりとも得られ得る場合、高質結晶を得るために、結晶化のための多数の条件を用いて実験し、サンプル濃度、溶媒型、対溶媒型、温度、および持続時間のようなパラメーターを変更するよう、忍耐強くかつ几帳面でなければならない。   In practice, however, the formation of high quality crystals is generally difficult and sometimes impossible, requiring some trial and error and patience for some of the researchers. Specifically, even simple biological compounds, their highly complex structures are not sensitive to forming a highly ordered crystal structure. Therefore, researchers have experimented with a number of conditions for crystallization to obtain high quality crystals, if the crystals can actually be obtained in any way, sample concentration, solvent type, solvent type Be patient and careful to change parameters such as, temperature, and duration.

従って、標的物質の結晶化の高スループットスクリーニングを実施するための方法および構造が、当該分野で必要とされる。   Therefore, there is a need in the art for methods and structures for performing high throughput screening of target material crystallization.

(発明の要旨)
本発明は、標的物質の結晶化の高スループットスクリーニングを実施するための方法よおび構造を記載する。再結晶化によって小サンプルを精製するための方法および構造もまた、提供される。
(Summary of the Invention)
The present invention describes methods and structures for performing high-throughput screening of target substance crystallization. A method and structure for purifying small samples by recrystallization is also provided.

標的物質の結晶化の高スループットスクリーニングは、微細製作された流体デバイスの複数のチャンバ内に既知濃度の標的物質の溶液を同時に導入することによって達成される。次いで、この微細製作された流体デバイスは、チャンバの各々において溶媒濃度を変更するように操作され、それによって、多くの結晶化環境を同時に提供する。荷電した溶媒条件上の制御は、種々の技術から生じ得、この技術として、チャンバからの容積の排除を通して結晶化剤を計測すること、ミクロ流体デバイスの寸法によって決定されるような正確に制御された容積の結晶化剤の捕捉、または、直交フローチャネルを交差することによって規定される接合点のアレイへの交差チャネル注入が挙げられるが、これらに限定されない。   High-throughput screening of target material crystallization is accomplished by simultaneously introducing solutions of known concentrations of target material into multiple chambers of a microfabricated fluidic device. This microfabricated fluidic device is then operated to change the solvent concentration in each of the chambers, thereby providing many crystallization environments simultaneously. Control over charged solvent conditions can arise from a variety of techniques, such as measuring the crystallization agent through the elimination of volume from the chamber, precisely controlled as determined by the dimensions of the microfluidic device. Including, but not limited to, capture of a volume of crystallization agent, or cross channel injection into an array of junction points defined by crossing orthogonal flow channels.

本発明に従って結晶化を促進するために一定容積の結晶化剤を計測する方法の1実施形態は、エラストマー膜によって制御リセスから分離されたエラストマーブロック内に一定容積を有するチャンバを提供する工程、およびその膜がチャンバ内に変形しそしてその容積が較正された量によって減少するように、制御リセスに圧力を供給し、それによって較正された一定容積の結晶化サンプルをチャンバから除外する工程、を包含する。この方法は、このチャンバの開口に第2の流体を提供する工程、および膜が元の位置に弛緩(relax)し、そして較正された容積の結晶化剤がチャンバ内に引き込まれるように圧力の適用をなくす工程を、さらに包含する。この方法はまた、異なる較正された容積を有する複数のチャンバの平行化をさらに包含する。   One embodiment of a method for measuring a volume of a crystallization agent to promote crystallization according to the present invention provides a chamber having a volume within an elastomer block separated from a control recess by an elastomeric membrane, and Supplying pressure to the control recess so that the membrane deforms into the chamber and its volume decreases by a calibrated amount, thereby excluding a calibrated volume of crystallized sample from the chamber. To do. The method provides a second fluid to the opening of the chamber, and the pressure is adjusted so that the membrane relaxes to its original position and a calibrated volume of crystallization agent is drawn into the chamber. The step of eliminating the application is further included. The method also further includes collimating a plurality of chambers having different calibrated volumes.

本発明に従って標的物質を結晶化するためのシステムの1実施形態は、一定容積の標的物質の溶液を含むように構成された微細製作チャンバを備えるエラストマーブロック、およびチャンバと流体連絡した微細製作フローチャネル、一定容積の結晶化剤をチャンバ内に導入するフローチャネルを備える。この結晶化システムは、フローチャネルが一定容積の結晶化剤を受容する際にフローチャネルからチャンバを選択的に単離し、次いで、チャンバ内の溶液条件を変更するために、チャンバをフローチャネルと接触させて配置するように構成された単離構造をさらに備える。あるいは、この結晶化システムは、チャンバ上に配置され、膜によってチャンバから分離された制御チャネルをさらに含み得、この膜は、較正された容積のサンプル溶液をチャンバから排除するようにチャンバ内に変形可能であり、その結果、この膜の弛緩は、較正された容積の結晶化剤をチャンバ内に引き込む。さらにあるいは、この結晶化システムは、標的物質と流体連絡した複数の第1の平行フローチャネル、および複数の接合点を作製するために第1のフローチャネルに直交しそして交差する複数の第2の平行フローチャネルを備え得、この第2のフローチャネルは、結晶化剤と流体連絡し、その結果、溶液環境のアレイが接合点において作製され得る。溶液環境のアレイが接合点で形成され得るように、結晶化剤と流体連絡した第2のフローチャネルを含み得る。   One embodiment of a system for crystallizing a target material according to the present invention includes an elastomer block comprising a microfabricated chamber configured to contain a volume of a solution of the target material, and a microfabricated flow channel in fluid communication with the chamber A flow channel for introducing a fixed volume of crystallizing agent into the chamber. The crystallization system selectively isolates the chamber from the flow channel when the flow channel receives a volume of crystallization agent, and then contacts the chamber with the flow channel to change the solution conditions within the chamber. And further comprising an isolation structure configured to be arranged. Alternatively, the crystallization system may further include a control channel disposed on the chamber and separated from the chamber by a membrane that is deformed into the chamber to exclude a calibrated volume of the sample solution from the chamber. As a result, this relaxation of the membrane draws a calibrated volume of crystallization agent into the chamber. Additionally or alternatively, the crystallization system includes a plurality of first parallel flow channels in fluid communication with the target material and a plurality of second orthogonal to and intersecting the first flow channels to create a plurality of junctions. A parallel flow channel may be provided, and this second flow channel is in fluid communication with the crystallizing agent so that an array of solution environments can be created at the junction. A second flow channel in fluid communication with the crystallization agent may be included so that an array of solution environments can be formed at the junction.

本発明に従って、標的物質を結晶化するためのシステムの別の実施形態は、一定容積の標的物質の溶液を含むように構成された微細製作チャンバを備えるエラストマーブロック、および透析膜を通して微細製作チャンバと流体連絡した結晶化剤リザバであって、この透析膜が、結晶化剤リザバ内への標的物質のフローを妨げるように構成されている、結晶化剤リザバを備える。この結晶化剤リザバは、第2のエラストマーブロック内に形成され得、この透析膜は、エラストマーブロック内に存在し得、そしてこの透析膜は、チャンバとリザバとの間に導入され、次いで架橋に供されるポリマーを備え得る。   In accordance with the present invention, another embodiment of a system for crystallizing a target material includes an elastomer block comprising a microfabrication chamber configured to contain a volume of a target material solution, and a microfabrication chamber through a dialysis membrane. A fluid communication crystallization agent reservoir, the dialysis membrane comprising a crystallization agent reservoir configured to prevent the flow of the target substance into the crystallization agent reservoir. The crystallizer reservoir can be formed in a second elastomer block, the dialysis membrane can be in the elastomer block, and the dialysis membrane is introduced between the chamber and the reservoir and then cross-linked. The provided polymer may be provided.

本発明に従って標的物質を結晶化するための方法の1実施形態は、微細製作エラストマーブロックのチャンバを一定容積の標的物質の溶液で充填する工程;およびこのチャンバの溶媒環境を変化させるために一定容積の結晶化剤をチャンバに導入する工程を包含する。この容積の結晶化剤は、チャンバからその容積のサンプルを排除するためにチャンバ上に配置されるエラストマー膜を変形させ、続いて、膜を弛緩させその容積の周囲の結晶化剤をチャンバ内に流入させることによって、チャンバ内に導入され得る。あるいは、この容積の結晶化剤は、一定容積の結晶化剤をチャンバ付近に捕捉し、次いで、チャンバと結晶化剤との間に配置されたエラストマーバルブを開放して、チャンバへの結晶化剤の拡散を可能にすることによって、チャンバ内に導入され得る。さらにあるいは、この容積の結晶化剤は、透析膜を横たわる拡散によってチャンバ内に導入され得る。   One embodiment of a method for crystallizing a target material according to the present invention includes filling a chamber of a microfabricated elastomer block with a volume of target material solution; and a constant volume to change the solvent environment of the chamber. Introducing a crystallizing agent in the chamber. This volume of crystallizing agent deforms the elastomeric membrane that is placed on the chamber to exclude that volume of sample from the chamber, and subsequently relaxes the membrane and causes the crystallizing agent around that volume to enter the chamber. By introducing it, it can be introduced into the chamber. Alternatively, this volume of crystallization agent captures a fixed volume of crystallization agent in the vicinity of the chamber and then opens an elastomeric valve located between the chamber and the crystallization agent to allow the crystallization agent to enter the chamber. Can be introduced into the chamber. Additionally or alternatively, this volume of crystallization agent may be introduced into the chamber by diffusion across the dialysis membrane.

なおさらにあるいは、このチャンバは、第2のフローチャネルと直交した第1のフローチャネルと、第2のフローチャネルとの間の接合点によって規定され得、ここで、このサンプルは第1のフローチャネルを通して流れ、そして結晶化剤は第2のフローチャネルを通って流れる。このようなチャンバのアレイは、第2の組の平行フローチャネルと直交した第1の組の平行フローチャネルと、第2の組の平行フローチャネルとの間の接合点によって規定され得、サンプルは第1のフローチャネルを通って流れ、結晶化剤は第2のフローチャネルを通って流れ、溶液状態のアレイを作製する。   Still further alternatively, the chamber may be defined by a junction between the first flow channel orthogonal to the second flow channel and the second flow channel, where the sample is the first flow channel. And the crystallizing agent flows through the second flow channel. Such an array of chambers may be defined by a junction between a first set of parallel flow channels orthogonal to the second set of parallel flow channels and a second set of parallel flow channels, and the sample is Flowing through the first flow channel, the crystallizing agent flows through the second flow channel, creating a solution state array.

標的物質を結晶化するための方法の1実施形態は、標的物質の結晶の形成のためのテンプレートとして役立つように計算されたモルフォロジーを有する表面の存在下で、標的物質溶液に結晶化剤を導入する工程を包含する。特定の実施形態において、このモルフォロジーは、鉱物表面の規則正しいモルフォロジーの形態、またはリソグラフィーによってパターン化された半導体基板の輪郭をとり得る。   One embodiment of a method for crystallizing a target material introduces a crystallization agent into a target material solution in the presence of a surface having a calculated morphology to serve as a template for the formation of crystals of the target material The process of carrying out is included. In certain embodiments, the morphology can take the form of an ordered morphology of the mineral surface, or a semiconductor substrate patterned by lithography.

本発明に従って蒸気拡散によって標的物質を結晶化するための方法の1実施形態は、微細製作チャンバ内に標的物質溶液を提供する工程、および微細製作チャンバと流体連絡した再結晶化剤を提供する工程、を包含する。空気ポケットは、チャンバと再結晶化剤との間に設けられ、その結果、結晶化剤は、気相中で、空気ポケットを横切って、標的物質溶液内に拡散する。特定の実施形態において、この空気ポケットは、ミクロ接触印刷技術を利用する疎水性材料の形成を通して、適切な位置に固定され得る。   One embodiment of a method for crystallizing a target material by vapor diffusion in accordance with the present invention includes providing a target material solution in a microfabrication chamber and providing a recrystallization agent in fluid communication with the microfabrication chamber. . An air pocket is provided between the chamber and the recrystallization agent so that the crystallizing agent diffuses in the gas phase across the air pocket and into the target substance solution. In certain embodiments, the air pockets can be secured in place through the formation of a hydrophobic material that utilizes microcontact printing techniques.

本発明は、さらに以下を提供する。  The present invention further provides the following.
(項目1)(Item 1)
2つの溶液間の相互作用を促進するための方法であって、該方法は、以下:  A method for promoting an interaction between two solutions, the method comprising:
第1ミクロ流体チャンバを規定する、工程;  Defining a first microfluidic chamber;
該第1ミクロ流体チャンバを第1溶液でプライミングする、工程;  Priming the first microfluidic chamber with a first solution;
第2ミクロ流体チャンバを規定する、工程;  Defining a second microfluidic chamber;
該第2ミクロ流体チャンバを第2溶液でプライミングする、工程;  Priming the second microfluidic chamber with a second solution;
該第1ミクロ流体チャンバを該第2ミクロ流体チャンバと流体連絡するように位置づけて、該第1溶液と該第2溶液との間のミクロ流体自由界面を規定する、工程;および  Positioning the first microfluidic chamber in fluid communication with the second microfluidic chamber to define a microfluidic free interface between the first solution and the second solution; and
該第1溶液と該第2溶液とを相互作用させるように、該第1溶液と該第2溶液との間で拡散を生じさせる、工程、  Causing diffusion between the first solution and the second solution to cause the first solution and the second solution to interact;
を包含する、方法。Including the method.
(項目2)(Item 2)
項目1に記載の方法であって、ここで:  The method according to item 1, wherein:
前記第1溶液が、結晶化標的物質溶液を含有し;  The first solution contains a crystallization target substance solution;
前記第2溶液が、結晶化剤溶液を含有し;そして  Said second solution contains a crystallization agent solution; and
前記相互作用が、該標的物質の結晶化を促進するために、該標的物質の溶媒環境の変更を包含する、  The interaction includes a change in the solvent environment of the target material to promote crystallization of the target material;
方法。Method.
(項目3)(Item 3)
項目1に記載の方法であって、ここで:  The method according to item 1, wherein:
前記第1溶液が、サンプル溶液を含有し;  The first solution contains a sample solution;
前記第2溶液が、試薬溶液を含有し;そして  Said second solution contains a reagent solution; and
前記相互作用が、該サンプルと該試薬との間の化学反応を包含する、  The interaction comprises a chemical reaction between the sample and the reagent;
方法。Method.
(項目4)(Item 4)
項目1に記載の方法であって、ここで、前記第1チャンバおよび前記第2チャンバを規定する工程が、第1パターン凹部を下側の表面上に有するエラストマーブロックを、実質的に平面な基材と接触するように位置づける工程を包含する、方法。  A method according to item 1, wherein the step of defining the first chamber and the second chamber comprises a substantially planar substrate having an elastomer block having a first pattern recess on a lower surface. Positioning the material in contact with the material.
(項目5)(Item 5)
項目1に記載の方法であって、ここで、前記第1チャンバおよび前記第2チャンバが、エラストマーブロックの実質的に平面な下側の表面を、第1パターン凹部を有する基材と接触するように位置づける工程を包含する、方法。  The method according to item 1, wherein the first chamber and the second chamber contact a substantially planar lower surface of the elastomer block with a substrate having a first pattern recess. A method comprising the steps of:
(項目6)(Item 6)
項目1に記載の方法であって、ここで、前記第1チャンバおよび前記第2チャンバが、第1パターン凹部を下側の表面上に有するエラストマーブロックを、第2パターン凹部を有する基材と接触するように位置づける工程を包含し、該第1パターン凹部は、該第2パターン凹部と整列する、方法。  2. The method of item 1, wherein the first chamber and the second chamber contact an elastomeric block having a first pattern recess on a lower surface with a substrate having a second pattern recess. Positioning the first pattern recess to align with the second pattern recess.
(項目7)(Item 7)
項目1に記載の方法であって、ここで:  The method according to item 1, wherein:
前記エラストマー材料が、ガス透過性であり;  The elastomeric material is gas permeable;
前記第1ミクロ流体チャンバをプライミングする工程が、前記第1溶液を圧力下で該第1ミクロ流体チャンバに導入して、該第1チャンバを以前に占めていたガスを周囲の該エラストマー中に移し、それによって、該第1チャンバを実質的に完全に充填することを可能にする工程を包含し;そして  Priming the first microfluidic chamber introduces the first solution into the first microfluidic chamber under pressure and transfers the gas that previously occupied the first chamber into the surrounding elastomer. Thereby enabling the first chamber to be substantially completely filled; and
前記第2ミクロ流体チャンバをプライミングする工程が、前記第2溶液を圧力下で該第2ミクロ流体チャンバに導入して、該第2チャンバを以前に占めていたガスを周囲の該エラストマー中に移し、それによって、該第2チャンバを実質的に完全に充填することを可能にする工程を包含する、  Priming the second microfluidic chamber introduces the second solution into the second microfluidic chamber under pressure to transfer the gas previously occupied by the second chamber into the surrounding elastomer. Thereby allowing the second chamber to be substantially completely filled,
方法。Method.
(項目8)(Item 8)
項目1に記載の方法であって、ここで、前記第1チャンバおよび前記第2チャンバが、前記エラストマーブロックと前記基材との間に規定されるミクロ流体フローチャネルを通って流体連絡するように位置づけられる、方法。  The method of item 1, wherein the first chamber and the second chamber are in fluid communication through a microfluidic flow channel defined between the elastomer block and the substrate. Positioned, method.
(項目9)(Item 9)
項目8に記載の方法であって、ここで、前記チャンバが、前記ミクロ流体フローチャネルに存在するバルブの作動を介して、流体連絡するように位置づけられる、方法。  9. A method according to item 8, wherein the chamber is positioned in fluid communication via actuation of a valve present in the microfluidic flow channel.
(項目10)(Item 10)
項目9に記載の方法であって、ここで、前記チャンバが、通常開いているバルブ構造の作動停止によって流体連絡するように位置づけられ、その結果、前記エラストマーブロック内の前記フローチャネルの上を横切るコントロール凹部への減圧の適用によって、該コントロール凹部と該フローチャネルとの間に規定されるエラストマー膜が、該フローチャネルから外へ弛緩して、前記ミクロ流体自由界面を規定する、方法。  10. The method of item 9, wherein the chamber is positioned to be in fluid communication by deactivation of a normally open valve structure so that it traverses over the flow channel in the elastomer block. A method wherein an elastomeric membrane defined between the control recess and the flow channel relaxes out of the flow channel to define the microfluidic free interface by applying reduced pressure to the control recess.
(項目11)(Item 11)
項目9に記載の方法であって、ここで、前記チャンバが、通常閉じているバルブ構造の作動によって流体連絡するように位置づけられ、その結果、前記エラストマーブロック内の前記フローチャネルの上を横切るコントロール凹部への減圧の適用によって、該コントロール凹部と該フローチャネルとの間に規定されるエラストマー膜が、該フローチャネルから外に反って、前記ミクロ流体自由界面を規定する、方法。  10. A method according to item 9, wherein the chamber is positioned to be in fluid communication by actuation of a normally closed valve structure so that the control traverses over the flow channel in the elastomer block. A method wherein an elastomeric membrane defined between the control recess and the flow channel warps out of the flow channel to define the microfluidic free interface by applying reduced pressure to the recess.
(項目12)(Item 12)
結晶成長および結晶分析を容易にするミクロ流体構造であって、該構造は、以下:  A microfluidic structure that facilitates crystal growth and crystal analysis, the structure comprising:
エラストマーブロック;  Elastomer block;
基材であって、該エラストマーブロックの下側の表面と接触して、第1ミクロ流体チャンバ、第2ミクロ流体チャンバ、および第3ミクロ流体チャンバを規定し、該第1ミクロ流体チャンバ、該第2ミクロ流体チャンバ、および該第3ミクロ流体チャンバは、該エラストマーブロックと該基材との間に規定されるフローチャネルを通して流体連絡し、それによって、該第1チャンバは標的物質溶液でプライムされ得、該第2チャンバは結晶化剤でプライミングされ得、そして該第3チャンバは寒剤でプライミングされ得、その結果、該結晶化剤および該標的溶液の拡散によって該構造内に形成される結晶が、該寒剤の導入によって与えられる温度の減少によって保存され得る、基材、  A substrate in contact with a lower surface of the elastomer block to define a first microfluidic chamber, a second microfluidic chamber, and a third microfluidic chamber; Two microfluidic chambers and the third microfluidic chamber are in fluid communication through a flow channel defined between the elastomeric block and the substrate, whereby the first chamber can be primed with a target substance solution. The second chamber can be primed with a crystallization agent and the third chamber can be primed with a cryogen so that crystals formed in the structure by diffusion of the crystallization agent and the target solution are: A substrate that can be preserved by a decrease in temperature provided by the introduction of the cryogen;
を備える、ミクロ流体構造。Comprising a microfluidic structure.
(項目13)(Item 13)
項目12に記載のミクロ流体構造であって、前記第1チャンバ、第2チャンバ、および第3チャンバが、一列に位置づけられ、その結果、該第1チャンバが、前記フローチャネルの第1部分を通して該第2チャンバと流体連絡し、そして該第2チャンバが、該フローチャネルの第2部分を通して該第3チャンバと流体連絡する、ミクロ流体構造。  13. The microfluidic structure of item 12, wherein the first chamber, the second chamber, and the third chamber are positioned in a row such that the first chamber passes through the first portion of the flow channel. A microfluidic structure in fluid communication with a second chamber, and the second chamber is in fluid communication with the third chamber through a second portion of the flow channel.
(項目14)(Item 14)
項目13に記載のミクロ流体構造であって、さらに、以下:  Item 14. The microfluidic structure of item 13, further comprising:
前記第1フローチャネル部分を通る流体連絡を制御する第1バルブであって、該第1バルブが、該第1フローチャネル部分の上を横切る第1コントロールラインによって規定され、該第1コントロールラインと該第1フローチャネル部分との間の第1エラストマー膜が、該第1フローチャネル部分へと作動可能である、第1バルブ;および  A first valve for controlling fluid communication through the first flow channel portion, the first valve being defined by a first control line crossing over the first flow channel portion; and A first valve, wherein a first elastomeric membrane between the first flow channel portion is operable to the first flow channel portion; and
前記第2フローチャネル部分を通る流体連絡を制御する第2バルブであって、該第2バルブが、該第2フローチャネル部分の上を横切る第2コントロールラインによって規定され、該第2コントロールラインと該第2フローチャネル部分との間の第2エラストマー膜が、該第2フローチャネル部分へと作動可能であり、該第1バルブおよび該第2バルブが、最初に、前記標的物質溶液と前記結晶化剤との間での拡散を可能にして結晶を形成し、次いで、寒剤の拡散を可能にするように作動可能である、第2バルブ、  A second valve for controlling fluid communication through the second flow channel portion, wherein the second valve is defined by a second control line crossing over the second flow channel portion; and A second elastomeric membrane between the second flow channel portion is operable to the second flow channel portion, and the first valve and the second valve are initially loaded with the target substance solution and the crystal. A second valve operable to allow diffusion between the agent and form crystals and then to allow cryogen diffusion;
を備える、ミクロ流体構造。Comprising a microfluidic structure.
(項目15)(Item 15)
項目12に記載のミクロ流体構造であって、ここで、前記第1チャンバ、第2チャンバ、および第3チャンバが、三角形に位置づけられて、その結果、該第1チャンバが、前記フローチャネルの第1部分を通して該第2チャンバと流体連絡し、該第2チャンバが、該フローチャネルの第2部分を通して該第3チャンバと流体連絡し、そして第1チャンバが、該フローチャネルの第3部分を通して該第3チャンバと流体連絡する、ミクロ流体構造。  13. The microfluidic structure of item 12, wherein the first chamber, the second chamber, and the third chamber are positioned in a triangle such that the first chamber is the first of the flow channel. Fluid communication with the second chamber through a portion, the second chamber in fluid communication with the third chamber through the second portion of the flow channel, and the first chamber through the third portion of the flow channel. A microfluidic structure in fluid communication with the third chamber.
(項目16)(Item 16)
項目12に記載のミクロ流体構造であって、さらに、以下:  Item 15. The microfluidic structure of item 12, further comprising:
前記第1フローチャネル部分を通る流体連絡を制御する第1バルブであって、該第1バルブが、該第1フローチャネル部分の上を横切る第1コントロールラインによって規定され、該第1コントロールラインと該第1フローチャネル部分との間の第1エラストマー膜が、該第1フローチャネル部分へと作動可能である、第1バルブ;および  A first valve for controlling fluid communication through the first flow channel portion, the first valve being defined by a first control line crossing over the first flow channel portion; and A first valve, wherein a first elastomeric membrane between the first flow channel portion is operable to the first flow channel portion; and
前記第2フローチャネル部分を通る流体連絡を制御する第2バルブであって、該第2バルブが、該第2フローチャネル部分の上を横切る第2コントロールラインによって規定され、該第2コントロールラインと該第2フローチャネル部分との間の第2エラストマー膜が、該第2フローチャネル部分へと作動可能である、第2バルブ;および  A second valve for controlling fluid communication through the second flow channel portion, wherein the second valve is defined by a second control line crossing over the second flow channel portion; and A second valve, wherein a second elastomeric membrane between the second flow channel portion is operable to the second flow channel portion; and
前記第3フローチャネル部分を通る流体連絡を制御する第3バルブであって、該第3バルブが、該第3フローチャネル部分の上を横切る第3コントロールラインによって規定され、該第3コントロールラインと該第3フローチャネル部分との間の第3エラストマー膜が、該第3フローチャネル部分へと作動可能であり、該第1バルブ、該第2バルブ、および該第3バルブが、最初に、該標的物質溶液と該結晶化剤との間での拡散を可能にして結晶を形成し、次いで、寒剤の拡散を可能にするように独立して作動可能である、第3バルブ、  A third valve for controlling fluid communication through the third flow channel portion, wherein the third valve is defined by a third control line across the third flow channel portion; and A third elastomeric membrane between the third flow channel portion is operable to the third flow channel portion, and the first valve, the second valve, and the third valve are initially A third valve that is operable independently to allow diffusion between the target substance solution and the crystallizing agent to form crystals and then allow cryogen diffusion;
を備える、ミクロ流体構造。Comprising a microfluidic structure.
(項目17)(Item 17)
項目12に記載のミクロ流体構造であって、ここで、前記エラストマー材料および前記基材のうちの少なくとも1つの厚みが、前記チャンバ近くにまで減少されて、X線ビームによる該チャンバの内容物の直接的検査を可能にする、ミクロ流体構造。  13. The microfluidic structure of item 12, wherein the thickness of at least one of the elastomeric material and the substrate is reduced to near the chamber so that the content of the chamber by the X-ray beam is reduced. A microfluidic structure that allows direct inspection.
(項目18)(Item 18)
項目12に記載のミクロ流体構造であって、前記基材が、前記エラストマーブロックとは異なる材料から形成され、そして、前記エラストマー部分の第1凹部、第2凹部および第3凹部それぞれと整列した、第1凹部、第2凹部、および第3凹部を備えて、前記チャンバの容積を規定する、ミクロ流体構造。  13. The microfluidic structure of item 12, wherein the substrate is formed from a different material than the elastomer block and is aligned with each of the first, second and third recesses of the elastomer portion. A microfluidic structure comprising a first recess, a second recess, and a third recess to define the volume of the chamber.
(項目19)(Item 19)
エラストマーミクロ流体デバイスに圧力を適用するための構造物であって、該構造物は、以下:  A structure for applying pressure to an elastomeric microfluidic device, the structure comprising:
第1ホルダー部分であって、該第1ホルダーが、該第1ホルダーの下側の表面上に連続した高くなったリムを備え、該高くなったリムは、該ミクロ流体デバイスの上表面と接触してそこに位置づけられる複数の材料を取り囲むように構成され、該高くなったリムと該ミクロ流体デバイスの上表面との間の接触が、該材料のウェルの上にチャンバを規定し、該チャンバと流体連絡するオリフィスが、該ウェルの内容物を該ミクロ流体デバイスの活性領域へと駆動するために、該チャンバへの陽圧の適用を可能にする、第1ホルダー、  A first holder portion, the first holder comprising a continuous raised rim on the lower surface of the first holder, the raised rim contacting the upper surface of the microfluidic device And a contact between the raised rim and the top surface of the microfluidic device defines a chamber over the well of the material, the chamber being configured to surround a plurality of materials positioned therein A first holder, wherein an orifice in fluid communication with the first fluid allows application of positive pressure to the chamber to drive the contents of the well into the active region of the microfluidic device;
を備える、構造物。A structure comprising:
(項目20)(Item 20)
項目19に記載の構造物であって、第2部分をさらに備え、該第2部分は、凹部を備え、この凹部は、前記ミクロ流体デバイスを受容し、そして該ミクロ流体デバイスの上側表面および下側表面のうちの少なくとも1つの一部を露出したままにするように構成される、構造物。  The structure of item 19, further comprising a second portion, the second portion comprising a recess, the recess receiving the microfluidic device, and an upper surface and a lower surface of the microfluidic device. A structure configured to leave a portion of at least one of the side surfaces exposed.
(項目21)(Item 21)
項目20に記載の構造物であって、ここで、前記第1部分および前記第2部分が、ネジを使用する該第1部分および該第2部分の嵌合可能な係合を可能にするように整列されたネジ穴を備える、構造物。  Item 21. The structure of item 20, wherein the first portion and the second portion allow matable engagement of the first portion and the second portion using screws. A structure comprising screw holes aligned with each other.
(項目22)(Item 22)
項目19の構造物であって、ここで、前記第1部分が、第2の連続した高くなったリムを備え、前記リムが、該ミクロ流体デバイスの前記表面と接触して該ミクロ流体デバイスの上表面に位置づけられる第2の複数の材料のウェルを取り囲むように構成され、該第2の高くなったリムと該エラストマーの上表面との間の接触が、該第2の複数の材料のウェルの上に第2のチャンバを規定し、該第2のチャンバと連絡する第2部分の第2オリフィスが、該第2チャンバへの陽圧の適用を可能にする、構造物。  Item 19. The structure of item 19, wherein the first portion comprises a second continuous raised rim, wherein the rim contacts the surface of the microfluidic device. A second plurality of material wells configured to surround a second plurality of material wells positioned on the upper surface, wherein contact between the second raised rim and the upper surface of the elastomer comprises the second plurality of material wells A structure defining a second chamber above and a second orifice in a second portion in communication with the second chamber allows application of positive pressure to the second chamber.
(項目23)(Item 23)
項目20に記載の構造物であって、第3部分をさらに備え、該第3部分が、前記第1部分と嵌合可能に係合するように構成され、該第3部分の上側表面が、連続した高くなったリムを備え、該リムは、前記ミクロ流体デバイスの下表面に位置づけられる複数の開口部を取り囲む前記エラストマーの表面へと圧するように構成され、該高くなったリムと該ミクロ流体デバイスの上表面との間の接触が、該開口部のうえに第2チャンバを規定し、該第2チャンバと連絡する前記第3チャンバ内のオリフィスが、該第2チャンバへの陽圧の適用を可能にする、構造物。  The structure of item 20, further comprising a third portion, wherein the third portion is configured to matably engage with the first portion, the upper surface of the third portion being A continuous raised rim configured to press against the elastomeric surface surrounding a plurality of openings located on a lower surface of the microfluidic device, the raised rim and the microfluidic Contact between the top surface of the device defines a second chamber over the opening, and an orifice in the third chamber in communication with the second chamber applies positive pressure to the second chamber. Enables the structure.
(項目24)(Item 24)
項目19に記載の構造物であって、付勢部材をさらに備え、該付勢部材が、前記第1部分と接触し、そして前記ミクロ流体デバイスの上側表面と接触するように該第1部分を圧するように構成される、構造物。  Item 20. The structure of item 19, further comprising a biasing member, wherein the biasing member is in contact with the first portion and the first portion is in contact with the upper surface of the microfluidic device. A structure that is configured to compress.
(項目25)(Item 25)
項目19に記載の構造物であって、ここで、前記高くなったリムが可撓性エラストマー材料を備え、そして前記ミクロ流体デバイスの表面が剛性である、構造物。  20. A structure according to item 19, wherein the raised rim comprises a flexible elastomeric material and the surface of the microfluidic device is rigid.
(項目26)(Item 26)
項目19に記載の構造物であって、ここで、前記高くなったリムが剛性材料を備え、そして、前記ミクロ流体デバイスの表面が可撓性である、構造物。  20. A structure according to item 19, wherein the raised rim comprises a rigid material and the surface of the microfluidic device is flexible.
(項目27)(Item 27)
ミクロ流体デバイスを液体材料でプライミングする方法であって、該方法は、以下:  A method of priming a microfluidic device with a liquid material, the method comprising:
ミクロ流体デバイスの上側表面の上の複数のウェルに液体材料を装填する、工程;  Loading a plurality of wells on the upper surface of the microfluidic device with a liquid material;
ホルダーピースを該上側表面に対して、該ホルダーピースの連続した高くなったリムが該ウェルを取り囲む該上側表面を押すように付勢する工程であって、その結果、その結果、チャンバが、該ウェルの上に作製される、工程;および  Urging the holder piece against the upper surface such that a continuous raised rim of the holder piece pushes the upper surface surrounding the well, so that the chamber A step made on the well; and
陽圧を該チャンバに適用して、該材料を該ウェルからエラストマーミクロ流体構造物の活性領域へと駆動する、工程、  Applying a positive pressure to the chamber to drive the material from the well to the active region of the elastomeric microfluidic structure;
を包含する、方法。Including the method.
(項目28)(Item 28)
項目27に記載の方法であって、ここで、前記高くなったリムが、前記上側表面と係合するように変形する、方法。  28. The method of item 27, wherein the raised rim is deformed to engage the upper surface.
(項目29)(Item 29)
項目27に記載の方法であって、ここで、前記上側表面が、前記高くなったリムと係合するように変形する、方法。  28. A method according to item 27, wherein the upper surface is deformed to engage the raised rim.
(項目30)(Item 30)
ミクロ流体エラストマーデバイス内のバルブを作動させる方法であって、該方法は、以下:  A method of operating a valve in a microfluidic elastomer device, the method comprising:
連続して高くなったリムを有するホルダーピースを、複数のコントロールライン出口を有するミクロ流体デバイスの表面に対して適用して、該出口の上にチャンバを作製する工程;および  Applying a holder piece having a continuously raised rim to the surface of a microfluidic device having a plurality of control line outlets to create a chamber over the outlets; and
陽圧または負圧を該チャンバに適用して、該コントロールライン内の圧力を制御し、それによって、該コントロールラインと連絡する該ミクロ流体デバイスのエラストマーバルブ膜を作動させる、工程、  Applying a positive or negative pressure to the chamber to control the pressure in the control line, thereby activating the elastomeric valve membrane of the microfluidic device in communication with the control line;
を包含する、方法。Including the method.
(項目31)(Item 31)
項目30に記載の方法であって、ここで、前記高くなったリムが、弾性であり、そして前記表面と係合するように変形する、方法。  31. The method of item 30, wherein the raised rim is elastic and deforms to engage the surface.
(項目32)(Item 32)
項目30に記載の方法であって、ここで、前記表面が、弾性であり、そして前記高くなったリムと係合するように変形する、方法。  31. The method of item 30, wherein the surface is elastic and deforms to engage the raised rim.
(項目33)(Item 33)
2つの流体間の拡散に対する時間的制御を実行する方法であって、該方法は、以下:  A method for performing temporal control over diffusion between two fluids, the method comprising:
ミクロ流体フローチャネルをエラストマー材料内に提供する工程であって、該エラストマー材料の膜部分が、該フローチャネル内に位置づけられて、バルブを規定する、工程;  Providing a microfluidic flow channel within the elastomeric material, wherein a membrane portion of the elastomeric material is positioned within the flow channel to define a valve;
該膜の1つの側面上の該フローチャネルの第1部分を、第1流体でプライミングする工程;  Priming a first portion of the flow channel on one side of the membrane with a first fluid;
該フローチャネルの反対側面上のフローチャネルの第2部分を第2流体でプライミングする、工程;および  Priming a second portion of the flow channel on the opposite side of the flow channel with a second fluid; and
該エラストマー膜を該フローチャネルの内へそして該フローチャネルの外へと、ある時間にわたって繰り返し動かして、該バルブを通って該第1流体と該第2流体との間での拡散を可能にする、工程、  The elastomeric membrane is moved repeatedly into and out of the flow channel over a period of time to allow diffusion between the first fluid and the second fluid through the valve. , Process,
を包含する、方法。Including the method.
(項目34)(Item 34)
項目33に記載の方法であって、ここで、前記エラストマー膜が、該膜に近接して前記エラストマー材料内に位置づけられるコントロール凹部内での減圧に応答して、該フローチャネルの内へそして該フローチャネルの外へと移動する、方法。  34. The method of item 33, wherein the elastomeric membrane is responsive to a reduced pressure in a control recess positioned within the elastomeric material proximate the membrane and into the flow channel and the A way to move out of the flow channel.
(項目35)(Item 35)
項目33に記載の方法であって、ここで、前記第1流体が結晶化剤であり、そして前記第2流体が結晶化標的溶液であり、その結果、前記エラストマー膜が、前記フローチャネルの溶液環境を変更して標的物質の結晶化を促進するように繰り返し移動する、方法。  34. The method of item 33, wherein the first fluid is a crystallization agent and the second fluid is a crystallization target solution so that the elastomeric membrane is a solution in the flow channel. A method of moving repeatedly to change the environment and promote crystallization of the target substance.
(項目36)(Item 36)
項目33に記載の方法であって、ここで、前記第1流体および前記第2流体の合わせた容積が、50nL以下である、方法。  34. The method of item 33, wherein the combined volume of the first fluid and the second fluid is 50 nL or less.
(項目37)(Item 37)
2つの流体間の濃度勾配を捕獲する方法であって、該方法が、以下:  A method for capturing a concentration gradient between two fluids, the method comprising:
ミクロ流体フローチャネル内に存在するエラストマー膜の第1側面上に第1流体を提供する、工程;  Providing a first fluid on a first side of an elastomeric membrane present in a microfluidic flow channel;
該エラストマー膜の第2側面上に第2流体を提供する、工程;  Providing a second fluid on the second side of the elastomeric membrane;
該エラストマー膜を該流体フローチャネルから移動させて、該第1流体と該第2流体との間のミクロ流体自由界面を規定する、工程;  Moving the elastomeric membrane from the fluid flow channel to define a microfluidic free interface between the first fluid and the second fluid;
該第1流体および該第2流体を、該ミクロ流体自由界面を通って拡散させる、工程;および  Diffusing the first fluid and the second fluid through the microfluidic free interface; and
該ミクロ流体自由界面から増加する距離で該フローチャネルに沿って位置づけられる一群のエラストマーバルブを作動させて、一連のチャンバを規定する工程であって、該チャンバの該第1流体および該第2流体の相対濃度は、拡散の時間を反映する、工程、  Actuating a group of elastomeric valves positioned along the flow channel at increasing distances from the microfluidic free interface to define a series of chambers, the first fluid and the second fluid in the chambers The relative concentration of the process reflects the time of diffusion,
を包含する、方法。Including the method.
(項目38)(Item 38)
項目37に記載の方法であって、ここで、前記第1流体が結晶化剤であり、そして前記第2流体結晶化標的溶液であり、その結果、複数の結晶化条件が、前記一連のチャンバ内で作り出される、方法。  40. The method of item 37, wherein the first fluid is a crystallization agent and the second fluid crystallization target solution, so that a plurality of crystallization conditions are included in the series of chambers. Produced within, the method.
(項目39)(Item 39)
ミクロ流体デバイスを製造する方法であって、該方法は、以下:  A method of manufacturing a microfluidic device, the method comprising:
基材の上表面に複数のウェルを形成する、工程;  Forming a plurality of wells on the upper surface of the substrate;
下表面が、パターン化した凹部を有するように、エラストマーブロックを成形する、工程;および  Molding the elastomeric block such that the lower surface has patterned recesses; and
該成形されたエラストマーブロックの下表面を、該基材の上表面と接触させるように位置づけ、その結果、該パターン化した凹部が、該ウェルと整列して、該ウェルの間にミクロ流体フローチャネルを形成する、工程、  The lower surface of the molded elastomeric block is positioned in contact with the upper surface of the substrate so that the patterned recess is aligned with the well and the microfluidic flow channel between the wells Forming the process,
を包含する、方法。Including the method.
(項目40)(Item 40)
項目39に記載の方法であって、さらに以下:  40. The method of item 39, further comprising:
第2エラストマーブロックの下表面が第2パターン凹部を有するように、第2エラストマーブロックを成形する、工程;  Molding the second elastomer block such that the lower surface of the second elastomer block has a second pattern recess;
該第2エラストマーブロックの下表面を、前記第1エラストマーブロックの上表面と接触させるように配置し、その結果、該第2パターン凹部が、前記第1パターン凹部を通って、それによって、複数の介在するエラストマー膜バルブを規定する、工程、  The lower surface of the second elastomeric block is disposed in contact with the upper surface of the first elastomeric block so that the second pattern recess passes through the first pattern recess and thereby a plurality of Defining the intervening elastomeric membrane valve, process,
を包含する、方法。Including the method.
(項目41)(Item 41)
項目39に記載の方法であって、ここで、前記凹部が、シリコン基材またはガラス基材の等方性のエッチングまたは異方性のエッチングによって、前記基材中に形成される、方法。  40. The method of item 39, wherein the recess is formed in the substrate by isotropic or anisotropic etching of a silicon or glass substrate.
(項目42)(Item 42)
項目39に記載の方法であって、ここで、前記凹部は、プラスチック基材の射出成形または熱エンボス加工によって、前記基材中に形成される、方法。  40. The method of item 39, wherein the recess is formed in the substrate by injection molding or hot embossing of a plastic substrate.
(項目43)(Item 43)
ミクロ流体デバイスを製造する方法であって、該方法は、以下:  A method of manufacturing a microfluidic device, the method comprising:
下表面がパターン凹部を有するように、エラストマーブロックを成形する、工程;および  Molding the elastomeric block such that the lower surface has pattern recesses; and
該成形されたエラストマーブロックの下表面を、実質的に平面な基材と接触させて位置づけ、その結果、該パターン化した凹部が、複数のフローチャネルを通って流体連絡する複数のチャンバを規定する、工程、  The lower surface of the molded elastomeric block is positioned in contact with a substantially planar substrate so that the patterned recess defines a plurality of chambers in fluid communication through a plurality of flow channels. , Process,
を包含する、方法。Including the method.
(項目44)(Item 44)
ミクロ流体デバイスを製造する方法であって、該方法は、以下:  A method of manufacturing a microfluidic device, the method comprising:
基材の上表面に陥凹状のチャネルによって連絡される複数のウェルを形成する、工程;および  Forming a plurality of wells connected by recessed channels on the upper surface of the substrate; and
エラストマーブロックの下表面を、該基材の上表面と接触させて位置づけて、フローチャネルによって連絡された、複数の囲まれたミクロ流体チャンバを規定する、工程、  Positioning the lower surface of the elastomeric block in contact with the upper surface of the substrate to define a plurality of enclosed microfluidic chambers communicated by flow channels;
を包含する、方法。Including the method.
(項目45)(Item 45)
項目44に記載の方法であって、ここで、前記ウェルおよび凹部が、シリコン基材またはガラス基材の等方性のエッチングまたは異方性のエッチングによって、前記基材中に形成される、方法。  45. A method according to item 44, wherein the wells and recesses are formed in the substrate by isotropic or anisotropic etching of a silicon substrate or glass substrate. .
(項目46)(Item 46)
項目44に記載の方法であって、ここで、前記ウェルおよび凹部が、プラスチック基材の射出成形または熱エンボス加工によって、前記基材中に形成される、方法。  45. The method of item 44, wherein the wells and recesses are formed in the substrate by injection molding or hot embossing of a plastic substrate.
(項目47)(Item 47)
標的物質の結晶を形成するための方法であって、該方法は、以下:  A method for forming a crystal of a target substance, the method comprising:
エラストマーミクロ流体デバイスの第1チャンバを、第1所定容積の標的物質溶液でプライミングする、工程;  Priming a first chamber of an elastomeric microfluidic device with a first predetermined volume of a target substance solution;
エラストマーミクロ流体デバイスの第2チャンバを、第2所定容積の結晶化剤でプライミングする、工程;および  Priming the second chamber of the elastomeric microfluidic device with a second predetermined volume of crystallization agent; and
該第1チャンバを該第2チャンバと流体接触するように位置づけて、該標的物質と該結晶化剤との間の拡散を可能にし、その結果、該標的物質の環境が、結晶の形成を引き起こすように変更される、工程、  Positioning the first chamber in fluid contact with the second chamber to allow diffusion between the target material and the crystallizing agent so that the environment of the target material causes crystal formation Modified, the process,
を包含する、方法。Including the method.
(項目48)(Item 48)
項目47に記載の方法であって、ここで、前記第1容積および前記第2容積が、前記第1チャンバの寸法および前記第2チャンバの寸法によって予め決定されている、方法。  48. The method of item 47, wherein the first volume and the second volume are predetermined by a dimension of the first chamber and a dimension of the second chamber.
(項目49)(Item 49)
項目47に記載の方法であって、さらなる結晶化スクリーニングのための種結晶として使用するために、前記ミクロ流体デバイスから前記結晶を収集する工程をさらに包含する、方法。  48. The method of item 47, further comprising collecting the crystal from the microfluidic device for use as a seed crystal for further crystallization screening.
(項目50)(Item 50)
項目47に記載の方法であって、前記結晶の三次元構造を決定するために、前記ミクロ流体デバイス内の該結晶を、X線照射で照射する工程をさらに包含する、方法。  48. The method of item 47, further comprising irradiating the crystal in the microfluidic device with X-ray irradiation to determine a three-dimensional structure of the crystal.
(項目51)(Item 51)
項目47に記載の方法であって、前記結晶を照射する前に、前記ミクロ流体デバイスに寒剤を送達する工程をさらに包含する、方法。  48. The method of item 47, further comprising delivering a cryogen to the microfluidic device prior to irradiating the crystal.
(項目52)(Item 52)
項目47に記載の方法であって、ここで:  48. A method according to item 47, wherein:
前記第1チャンバおよび前記第2チャンバ内の物質の濃度および容積が、前記ミクロ流体デバイス内の複数の結晶化条件のうちの1つを表し;そして  The concentration and volume of the substance in the first chamber and the second chamber represents one of a plurality of crystallization conditions in the microfluidic device; and
該方法が、該複数の結晶化条件のうちの1つに関連する1セットの条件下で、第2ミクロ流体チップ上で第2結晶化スクリーニングを実行する工程をさらに包含する、  The method further comprises performing a second crystallization screen on a second microfluidic chip under a set of conditions associated with one of the plurality of crystallization conditions.
方法。Method.

本発明のこれらの実施形態および他の実施形態、ならびにその利点および特徴は、以下の本文および添付の図面と組み合わせてより詳細に記載される。   These and other embodiments of the present invention, as well as advantages and features thereof, will be described in more detail in combination with the following text and the accompanying drawings.

(発明の詳細な説明)
(I.微細製作(microfabrication)の概説)
以下の考察は、米国特許出願09/826,585号(2001年4月6日出願)、同第09/724,784号(2000年11月28日出願)、および同第09/605,520号(2000年6月27日出願)に一般的に記載される、エラストマー材料を利用した、微細製作された流体デバイスの形成に関する。これらの特許出願は、本明細書中に参考として援用される。
(Detailed description of the invention)
(I. Overview of microfabrication)
The following considerations are discussed in U.S. Patent Application Nos. 09 / 826,585 (filed April 6, 2001), 09 / 724,784 (filed November 28, 2000), and 09 / 605,520. No. (filed Jun. 27, 2000) relates to the formation of microfabricated fluidic devices utilizing elastomeric materials. These patent applications are hereby incorporated by reference.

(1.製造方法)
本発明の例示的な製造方法を本明細書中に提供する。本発明は、これらの方法のうちの1つまたは他のものによる製造に限定されないことが理解されるべきである。むしろ、本発明の微細構造の他の適切な製造方法(本発明を改変することを含む)もまた意図される。
(1. Manufacturing method)
Exemplary manufacturing methods of the present invention are provided herein. It should be understood that the present invention is not limited to manufacture by one or other of these methods. Rather, other suitable manufacturing methods of the microstructure of the present invention (including modifications of the present invention) are also contemplated.

図1〜図7Bは、本発明の微細構造(これは、ポンプまたはバルブとして用いられ得る)の第一の好ましい製造方法の連続工程を図示する。図8〜図18は、本発明の微細構造(これもまた、ポンプまたはバルブとして用いられ得る)の第二の好ましい製造方法の連続工程を図示する。   1-7B illustrate the sequential steps of the first preferred method of manufacturing the microstructure of the present invention, which can be used as a pump or valve. FIGS. 8-18 illustrate the successive steps of a second preferred method of manufacturing the microstructure of the present invention (which can also be used as a pump or valve).

説明するように、図1〜図7Bの好ましい方法は、集められて結合される事前硬化エラストマー層を用いることを含む。代替方法では、エラストマーの各層は、「適所で」硬化され得る。以下の説明では、「チャネル」とは、エラストマー構造中の、流体または気体の流れを含み得る溝をいう。   As will be described, the preferred method of FIGS. 1-7B involves using a pre-cured elastomer layer that is assembled and bonded. In the alternative, each layer of elastomer may be cured “in place”. In the following description, “channel” refers to a groove in an elastomeric structure that may contain a fluid or gas flow.

図1を参照して、第一の微細加工鋳型10が提供される。微細加工鋳型10は、多数の従来のシリコン加工方法(写真平板、イオンミリングおよび電子ビームリソグラフィーを含むがこれらに限定されない)によって製造され得る。   With reference to FIG. 1, a first microfabricated mold 10 is provided. The microfabricated mold 10 can be manufactured by a number of conventional silicon processing methods, including but not limited to photolithography, ion milling and electron beam lithography.

見られ得るように、微細加工鋳型10は、それに沿って延びる、隆起線または突出部11を有する。第一エラストマー層20は、示されるように、第一溝21(溝21は、突出部11に寸法が対応する)が、エラストマー層20の下表面に形成されるように、鋳型10の上部に鋳造される。   As can be seen, the microfabricated mold 10 has ridges or protrusions 11 extending along it. As shown, the first elastomer layer 20 is formed at the top of the mold 10 such that a first groove 21 (the groove 21 corresponds in size to the protrusion 11) is formed on the lower surface of the elastomer layer 20. Casted.

図2に見られ得るように、それに沿って延びる隆起した突出部13を有する第二の微細加工鋳型12もまた提供される。第二エラストマー層22は、溝23が、突出部13の寸法に対応するその下表面に形成されるように、示されるように、鋳型12の上部に鋳造される。   As can be seen in FIG. 2, a second microfabricated mold 12 having raised protrusions 13 extending along it is also provided. The second elastomer layer 22 is cast on the top of the mold 12 as shown, such that the groove 23 is formed in its lower surface corresponding to the dimensions of the protrusion 13.

図3および図4に図示した連続工程において見られ得るように、次いで、第二エラストマー層22は鋳型12から取り出され、そして第一エラストマー層20の上部に配置される。見られ得るように、第二エラストマー層22の下表面に沿って延びる溝23は、フローチャネル32を形成する。   As can be seen in the continuous process illustrated in FIGS. 3 and 4, the second elastomer layer 22 is then removed from the mold 12 and placed on top of the first elastomer layer 20. As can be seen, the groove 23 extending along the lower surface of the second elastomer layer 22 forms a flow channel 32.

図5を参照して、次いで、別個の第一エラストマー層20および第二エラストマー層22(図4)は、一緒に結合されて、一体型(すなわち、モノリシック)エラストマー構造24が形成される。   Referring to FIG. 5, the separate first elastomer layer 20 and second elastomer layer 22 (FIG. 4) are then bonded together to form a monolithic (ie, monolithic) elastomer structure 24.

図6および図7Aの連続工程において見られ得るように、次いで、エラストマー構造24は、鋳型10から取り出され、そして平面基板14の上部に配置される。図7Aおよび図7Bにおいて見られ得るように、エラストマー構造24がその下表面で平面基板14に対してシールされた場合、溝21は、フローチャネル30を形成する。   As can be seen in the continuous process of FIGS. 6 and 7A, the elastomeric structure 24 is then removed from the mold 10 and placed on top of the planar substrate 14. As can be seen in FIGS. 7A and 7B, the groove 21 forms a flow channel 30 when the elastomeric structure 24 is sealed to the planar substrate 14 at its lower surface.

本発明のエラストマー構造は、ほぼ任意の平滑平面基板と可逆的気密シールを形成する。このようにしてシールを形成することに対する利点は、エラストマー構造が、はがされ得、洗浄され得、そして再使用され得ることである。好ましい局面では、平面基板14はガラスである。ガラスを使用することのさらなる利点は、ガラスは透明であって、エラストマーチャネルおよびレザバの光学的な取り調べ(optical interrogation)を可能にすることである。あるいは、エラストマー構造は、上記と同じ方法によって平坦なエラストマー層へと結合されて、永続的かつ高強度の結合を形成し得る。これは、より高い背圧が用いられる場合の利点を証明し得る。   The elastomeric structure of the present invention forms a reversible hermetic seal with almost any smooth planar substrate. An advantage to forming a seal in this way is that the elastomeric structure can be peeled off, cleaned and reused. In a preferred aspect, the planar substrate 14 is glass. A further advantage of using glass is that it is transparent and allows optical interrogation of elastomeric channels and reservoirs. Alternatively, the elastomeric structure can be bonded to a flat elastomeric layer by the same method as described above to form a permanent and high strength bond. This may prove an advantage when higher back pressure is used.

図7Aおよび図7Bにおいて見られ得るように、フローチャネル30およびフローチャネル32は好ましくは、フローチャネル30の上部をフローチャネル32の下部と分離する、基板24の小さな膜25と、互いにある角度で配置される。   As can be seen in FIGS. 7A and 7B, flow channel 30 and flow channel 32 are preferably at an angle to a small membrane 25 of substrate 24 that separates the top of flow channel 30 from the bottom of flow channel 32. Be placed.

好ましい局面では、平面基板14はガラスである。ガラスを用いることの利点は、本発明のエラストマー構造がはがされ得、洗浄され得、そして再使用され得ることである。ガラスを用いることのさらなる利点は、光学検知が用いられ得ることである。あるいは、平面基板14は、より高い背圧が用いられる場合、有益であると判明し得る、エラストマー自体であり得る。   In a preferred aspect, the planar substrate 14 is glass. The advantage of using glass is that the elastomeric structure of the present invention can be peeled off, cleaned and reused. A further advantage of using glass is that optical sensing can be used. Alternatively, the planar substrate 14 can be the elastomer itself, which can prove beneficial if higher back pressure is used.

ここに記載した製造方法は、デバイスのチャネルの壁を形成する材料とは異なるエラストマー材料から構成される膜を有する構造を形成するように改変され得る。この異なる製造方法を図7C〜図7Gに図示する。   The manufacturing methods described herein can be modified to form a structure having a membrane composed of an elastomeric material that is different from the material that forms the channel walls of the device. This different manufacturing method is illustrated in FIGS. 7C-7G.

図7Cを参照して、第一微細加工鋳型10が提供される。微細加工鋳型10は、それに沿って延びた、隆起線または突出部11を有する。図7Dでは、第一エラストマー層20は、第一エラストマー層20の上部が隆起線または突出部11の上部で洗い流されるように、第一の微細加工鋳型10の上部に鋳造される。これは、鋳型10上に吐出されるエラストマー材料の容積を、隆起線11の既知の高さに対して、注意深く制御することによって達成され得る。あるいは、所望の形状が、射出成形によって形成され得る。   With reference to FIG. 7C, a first microfabricated mold 10 is provided. The microfabricated mold 10 has ridges or protrusions 11 extending along it. In FIG. 7D, the first elastomer layer 20 is cast on top of the first microfabricated mold 10 such that the top of the first elastomer layer 20 is washed away on top of the ridges or protrusions 11. This can be achieved by carefully controlling the volume of elastomeric material dispensed onto the mold 10 with respect to the known height of the ridge 11. Alternatively, the desired shape can be formed by injection molding.

図7Eでは、それに沿って延びた隆起した突出部13を有する第二の微細加工鋳型12もまた提供される。第二エラストマー層22は、溝23が、突出部13の寸法に対応するその下表面に形成されるように、示されるように第二鋳型12の上部に鋳造される。   In FIG. 7E, a second microfabricated mold 12 having raised protrusions 13 extending along it is also provided. The second elastomer layer 22 is cast on top of the second mold 12 as shown so that the grooves 23 are formed in its lower surface corresponding to the dimensions of the protrusions 13.

図7Fでは、第二エラストマー層22は、鋳型12から取り出され、そして第三エラストマー層222の上部に配置される。第二エラストマー層22は、第三エラストマー層20に結合されて、以下に詳細に記載される技術を用いて、一体型エラストマーブロック224が形成される。このプロセスのこの点では、隆起線13によって以前は占められていた溝23が、フローチャネル23を形成する。   In FIG. 7F, the second elastomer layer 22 is removed from the mold 12 and placed on top of the third elastomer layer 222. The second elastomer layer 22 is bonded to the third elastomer layer 20 to form an integral elastomer block 224 using techniques described in detail below. At this point in the process, the groove 23 previously occupied by the ridge 13 forms the flow channel 23.

図7Gでは、エラストマーブロック224は、第一微細加工鋳型10および第一エラストマー層20の上部に配置される。次いで、エラストマーブロックおよび第一エラストマー層20は一緒に結合されて、別のエラストマー層222から構成される膜を有する一体型(すなわち、モノリシック)エラストマー構造24を形成する。   In FIG. 7G, the elastomer block 224 is placed on top of the first microfabricated mold 10 and the first elastomer layer 20. The elastomeric block and first elastomeric layer 20 are then bonded together to form a unitary (ie, monolithic) elastomeric structure 24 having a membrane composed of another elastomeric layer 222.

エラストマー構造24が、その下表面で、図7Aに関して上記で記載した様式で平面基板にシールされている場合、隆起線11によって以前占められていた溝は、フローチャネル30を形成する。   If the elastomeric structure 24 is sealed at its lower surface to a planar substrate in the manner described above with respect to FIG. 7A, the grooves previously occupied by the ridges 11 form the flow channel 30.

図7C〜図7Gに関連して上記で図示した別の製造方法は、膜部分が、その構造の残部のエラストマー材料とは別の材料から構成されるのを可能にするという利点を提供する。これは、重要である。なぜなら、膜の厚さおよび弾性特性は、デバイスの操作において重要な役割を果たすからである。さらに、この方法は、別のエラストマー層が、エラストマー構造に取り込まれる前にコンディショニングに容易に供されるのを可能にする。以下に詳細に考察するように、潜在的に望ましい条件の例としては、膜の作動および/またはその弾性を変更するための膜へのドーパントの導入を可能にする磁気伝導種または電気伝導種の導入が挙げられる。   Another manufacturing method illustrated above in connection with FIGS. 7C-7G provides the advantage of allowing the membrane portion to be composed of a material other than the elastomeric material of the remainder of the structure. This is important. This is because film thickness and elastic properties play an important role in device operation. Furthermore, this method allows another elastomeric layer to be easily subjected to conditioning before being incorporated into the elastomeric structure. As discussed in detail below, examples of potentially desirable conditions include those of magnetic or electrical species that allow the introduction of dopants into the film to alter the film's operation and / or its elasticity. Introduction is mentioned.

上記の方法は、微細加工鋳型の上部での複製成形によって形成される種々の成形エラストマー層を形成することに関して例示されたが、本発明は、この技術に限定されない。他の技術を用いて、一緒に結合されるべき成形エラストマー材料の個々の層を形成し得る。例えば、エラストマー材料の成形層は、レーザー切断もしくは射出成形によって、または第二の例示的な方法に関連して以下に考察されるとおりの化学エッチングおよび/もしくは犠牲材料を利用する方法によって、形成され得る。   While the above method has been illustrated with respect to forming various shaped elastomeric layers formed by replica molding on top of a microfabricated mold, the present invention is not limited to this technique. Other techniques may be used to form individual layers of molded elastomeric material that are to be bonded together. For example, the molded layer of elastomeric material is formed by laser cutting or injection molding, or by a method that utilizes chemical etching and / or sacrificial material as discussed below in connection with the second exemplary method. obtain.

代替的な方法は、エラストマー材料内にカプセル化されたフォトレジストの現像を利用する、パターン形成エラストマー構造を製造する。しかし、本発明による方法は、フォトレジストを利用することに限定されない。他の材料(例えば、金属)もまた、周囲のエラストマー材料に対して選択的に除去されるべき犠牲材料として役立ち得、そしてこの方法は、本発明の範囲内にある。例えば、金金属は、適切な化学混合物を利用してRTV 615エラストマーに対して選択的にエッチングされ得る。   An alternative method produces a patterned elastomeric structure that utilizes development of a photoresist encapsulated in an elastomeric material. However, the method according to the present invention is not limited to utilizing a photoresist. Other materials (eg, metals) can also serve as sacrificial materials to be selectively removed with respect to the surrounding elastomeric material, and this method is within the scope of the present invention. For example, gold metal can be selectively etched relative to the RTV 615 elastomer using a suitable chemical mixture.

(2.層およびチャネルの寸法)
微細製作されたとは、本発明の実施形態に従って製造されたエラストマー構造の特徴の大きさをいう。一般に、微細製作された構造の少なくとも1つの寸法におけるバリエーションは、ミクロンレベルまで制御され、少なくとも1つの寸法は、微視的(すなわち、1000μm未満)である。
(2. Layer and channel dimensions)
Microfabricated refers to the feature size of an elastomeric structure manufactured according to an embodiment of the present invention. In general, variations in at least one dimension of a microfabricated structure are controlled to the micron level, and at least one dimension is microscopic (ie, less than 1000 μm).

微細製作は代表的に、顕微鏡レベルの特徴寸法を生じるために設計された、半導体またはMEMS製造技術(例えば、写真平板および回転被覆(spincoating))を含み、微細製作された構造の寸法の少なくともいくつかは、この構造を合理的に解明/画像化するために顕微鏡を必要とする。   Microfabrication typically includes semiconductor or MEMS manufacturing techniques (eg, photolithographic and spincoating) designed to produce microscopic feature dimensions, including at least some of the dimensions of the microfabricated structure. It requires a microscope to reasonably elucidate / image this structure.

好ましい局面では、フローチャネル30、32、60および62は好ましくは、約10:1の幅:深さ比を有する。本発明の実施形態に従った幅:深さ比の他の範囲の非限定的リストは、0.1:1〜100:1、より好ましくは1:1〜50:1、より好ましくは2:1〜20:1、そして最も好ましくは3:1〜15:1である。例示的な局面では、フローチャネル30、32、60および62は、約1〜1000ミクロンの幅を有する。本発明の実施形態に従ったフローチャネルの幅の他の範囲の非限定的リストは、0.01〜1000ミクロン、より好ましくは0.05〜1000ミクロン、より好ましくは0.2〜500ミクロン、より好ましくは1〜250ミクロン、そして最も好ましくは10〜200ミクロンである。例示的なチャネル幅としては、以下が挙げられる:0.1μm、1μm、2μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm、200μm、210μm、220μm、230μm、240μmおよび250μm。   In a preferred aspect, the flow channels 30, 32, 60 and 62 preferably have a width: depth ratio of about 10: 1. A non-limiting list of other ranges of width: depth ratio according to embodiments of the present invention is 0.1: 1 to 100: 1, more preferably 1: 1 to 50: 1, more preferably 2: 1-20: 1, and most preferably 3: 1-15: 1. In an exemplary aspect, the flow channels 30, 32, 60 and 62 have a width of about 1-1000 microns. A non-limiting list of other ranges of flow channel widths according to embodiments of the present invention is 0.01 to 1000 microns, more preferably 0.05 to 1000 microns, more preferably 0.2 to 500 microns, More preferably from 1 to 250 microns and most preferably from 10 to 200 microns. Exemplary channel widths include: 0.1 μm, 1 μm, 2 μm, 5 μm, 10 μm, 20 μm, 30 μm, 40 μm, 50 μm, 60 μm, 70 μm, 80 μm, 90 μm, 100 μm, 110 μm, 120 μm, 130 μm, 140 μm. 150 μm, 160 μm, 170 μm, 180 μm, 190 μm, 200 μm, 210 μm, 220 μm, 230 μm, 240 μm and 250 μm.

フローチャネル30、32、60および62は、約1〜100ミクロンの深さを有する。本発明の実施形態に従ったフローチャネルの深さの他の範囲の非限定的リストは、0.01〜1000ミクロン、より好ましくは0.05〜500ミクロン、より好ましくは0.2〜250ミクロン、そしてより好ましくは1〜100ミクロン、より好ましくは2〜20ミクロン、そして最も好ましくは5〜10ミクロンである。例示的なチャネル深さとしては、以下が挙げられる:0.01μm、0.02μm、0.05μm、0.1μm、0.2μm、0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、7.5μm、10μm、12.5μm、15μm、17.5μm、20μm、22.5μm、25μm、30μm、40μm、50μm、75μm、100μm、150μm、200μm、および250μm。   The flow channels 30, 32, 60 and 62 have a depth of about 1-100 microns. A non-limiting list of other ranges of flow channel depths according to embodiments of the present invention is 0.01 to 1000 microns, more preferably 0.05 to 500 microns, more preferably 0.2 to 250 microns. And more preferably 1 to 100 microns, more preferably 2 to 20 microns, and most preferably 5 to 10 microns. Exemplary channel depths include: 0.01 μm, 0.02 μm, 0.05 μm, 0.1 μm, 0.2 μm, 0.5 μm, 1 μm, 2 μm, 3 μm, 4 μm, 5 μm, 7. 5 μm, 10 μm, 12.5 μm, 15 μm, 17.5 μm, 20 μm, 22.5 μm, 25 μm, 30 μm, 40 μm, 50 μm, 75 μm, 100 μm, 150 μm, 200 μm, and 250 μm.

フローチャネルは、上記で与えたこれらの特定の寸法範囲および例に限定されず、そして、図27に関連して以下に詳細に考察したとおりに膜を反らせるために必要な大きさの力に影響を与えるために幅が変化し得る。例えば、0.01μmの桁の幅を有する極めて狭いフローチャネルは、以下に詳細に考察したとおり、光学的適用および他の適用において有用であり得る。上記よりもさらに大きな幅のチャネルを有する部分を含むエラストマー構造もまた、本発明によって意図され、そしてこのようなより幅の広いフローチャネルを利用する適用の例としては、流体レザバおよびチャネル構造の混合が挙げられる。   The flow channel is not limited to these specific size ranges and examples given above, and affects the amount of force required to warp the membrane as discussed in detail below in connection with FIG. The width can vary to give For example, a very narrow flow channel with an order of magnitude of 0.01 μm can be useful in optical and other applications, as discussed in detail below. Elastomeric structures that include portions having channels that are wider than the above are also contemplated by the present invention, and examples of applications that utilize such wider flow channels include mixing fluid reservoirs and channel structures. Is mentioned.

エラストマー層は、機械的安定性のために厚く鋳造され得る。例示的な実施形態では、図1のエラストマー層22は、50ミクロン〜数センチメートルの厚さであり、そしてより好ましくは約4mmの厚さである。本発明の他の実施形態に従ったエラストマー層の厚さの範囲の非限定的リストは、約0.1ミクロン〜10cm、1ミクロン〜5cm、10ミクロン〜2cm、100ミクロン〜10mmの間である。   The elastomeric layer can be cast thick for mechanical stability. In the exemplary embodiment, elastomer layer 22 of FIG. 1 is between 50 microns and a few centimeters thick, and more preferably is about 4 mm thick. A non-limiting list of elastomer layer thickness ranges according to other embodiments of the present invention is between about 0.1 microns to 10 cm, 1 micron to 5 cm, 10 microns to 2 cm, 100 microns to 10 mm. .

従って、図7Bの、フローチャネル30とフローチャネル32とを分離する膜25は、約0.01ミクロンと約1000ミクロンとの間、より好ましくは0.05〜500ミクロン、より好ましくは0.2〜250、より好ましくは1〜100ミクロン、より好ましくは2〜50ミクロン、そして最も好ましくは5〜40ミクロンの間の代表的厚さを有する。その結果、エラストマー層22の厚さは、エラストマー層20の厚さの約100倍である。例示的な膜の厚さとしては、以下が挙げられる:0.01μm、0.02μm、0.03μm、0.05μm、0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.5μm、1μm、2μm、3μm、5μm、7.5μm、10μm、12.5μm、15μm、17.5μm、20μm、22.5μm、25μm、30μm、40μm、50μm、75μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、400μm、500μm、750μm、および1000μm。   Thus, the membrane 25 of FIG. 7B separating the flow channel 30 and the flow channel 32 is between about 0.01 microns and about 1000 microns, more preferably 0.05 to 500 microns, more preferably 0.2. It has a representative thickness between ˜250, more preferably 1-100 microns, more preferably 2-50 microns, and most preferably 5-40 microns. As a result, the thickness of the elastomer layer 22 is about 100 times the thickness of the elastomer layer 20. Exemplary film thicknesses include: 0.01 μm, 0.02 μm, 0.03 μm, 0.05 μm, 0.1 μm, 0.2 μm, 0.3 μm, 0.5 μm, 1 μm, 2 μm 3 μm, 5 μm, 7.5 μm, 10 μm, 12.5 μm, 15 μm, 17.5 μm, 20 μm, 22.5 μm, 25 μm, 30 μm, 40 μm, 50 μm, 75 μm, 100 μm, 150 μm, 200 μm, 250 μm, 300 μm, 400 μm, 500 μm , 750 μm, and 1000 μm.

(3.ソフトリソグラフィー結合)
好ましくは、エラストマー層は、パターン形成エラストマー層を含むポリマーに固有である化学を用いて化学的に一緒に結合される。最も好ましくは、結合は、二成分「添加硬化(addition cure)」結合を含む。
(3. Soft lithography bonding)
Preferably, the elastomeric layers are chemically bonded together using chemistry that is inherent in the polymer comprising the patterned elastomeric layer. Most preferably, the bond comprises a two-component “addition cure” bond.

好ましい局面では、エラストマーの種々の層は、層が異なる化学的性質を有する不均一結合で一緒に結合される。あるいは、全ての層が同じ化学的性質のものである均一結合が用いられ得る。第三に、それぞれのエラストマー層は、必要に応じて、その代わりに、接着剤によって一緒に貼り付けられ得る。第四の局面では、エラストマー層は、加熱によって一緒に結合される熱硬化性エラストマーであり得る。   In a preferred aspect, the various layers of elastomer are bonded together with heterogeneous bonds where the layers have different chemistries. Alternatively, uniform bonds can be used where all layers are of the same chemistry. Third, the respective elastomer layers can be applied together with an adhesive instead, if desired. In a fourth aspect, the elastomeric layer can be a thermosetting elastomer that is bonded together by heating.

均一結合の1つの局面では、エラストマー層は、同じエラストマー材料から構成され、1つの層における同じ化学実体は、他の層における同じ化学実体と反応して、これらの層を一緒に結合する。1つの実施形態では、同様のエラストマー層のポリマー鎖の間の結合は、光、熱または別個の化学種との化学反応に起因した架橋剤の活性化から生じ得る。   In one aspect of uniform bonding, the elastomeric layers are composed of the same elastomeric material, and the same chemical entity in one layer reacts with the same chemical entity in the other layer to bond these layers together. In one embodiment, bonding between polymer chains of similar elastomeric layers can result from activation of the crosslinker due to light, heat, or a chemical reaction with a separate chemical species.

あるいは、不均質な局面では、エラストマー層は、異なるエラストマー材料から構成され、1つの層における第一の化学実体は、別の層における第二の化学実体と反応する。1つの例示的な不均一局面では、それぞれのエラストマー層を一緒に結合するために用いられる結合プロセスは、RTV 615シリコーンの2つの層を一緒に結合することを含み得る。RTV 615シリコーンは、二部添加硬化シリコーンゴムである。A部は、ビニル基および触媒を含む;B部は、水素化ケイ素(Si−H)基を含む。RTV 615についての従来の比は、10A:1Bである。結合に関して、1つの層は、30A:1B(すなわち、過剰なビニル基)で作製され得、そして他方は、3A:1B(すなわち、過剰なSi−H基)で作製され得る。各層は、別々に硬化される。この2つの層を接触させて、高温で加熱した場合、これらは、不可逆的に結合して、モノリシックエラストマー基板を形成する。   Alternatively, in a heterogeneous aspect, the elastomeric layer is composed of different elastomeric materials, and the first chemical entity in one layer reacts with the second chemical entity in another layer. In one exemplary non-uniform aspect, the bonding process used to bond the respective elastomer layers together can include bonding the two layers of RTV 615 silicone together. RTV 615 silicone is a two-part addition cured silicone rubber. Part A contains vinyl groups and catalyst; Part B contains silicon hydride (Si-H) groups. The conventional ratio for RTV 615 is 10A: 1B. For bonding, one layer can be made with 30A: 1B (ie, excess vinyl groups) and the other can be made with 3A: 1B (ie, excess Si—H groups). Each layer is cured separately. When the two layers are brought into contact and heated at high temperatures, they combine irreversibly to form a monolithic elastomeric substrate.

本発明の例示的な局面では、Sylgard 182、184もしくは186、または脂肪族ウレタンジアクリレート(例えば、UCB ChemicalからのEbecryl 270またはIrr 245(しかしこれらに限定されない))を利用して、エラストマー構造が形成される。   In exemplary aspects of the invention, Sylgard 182, 184 or 186, or aliphatic urethane diacrylate (eg, but not limited to Ebecryl 270 or Irr 245 from UCB Chemical) is used to provide an elastomeric structure. It is formed.

本発明に従った1つの実施形態では、純粋なアクリレート化Urethane Ebe
270から2層エラストマー構造を製造した。薄い下層を、8000rpmで15秒間、170℃で回転被覆した。上層および下層を、Electrolite corporationによって製造されるModel ELC 500デバイスを利用して、紫外光下で窒素下にて10分間、最初に硬化させた。次いで、組立てられた層を、さらに30分間かけて硬化させた。反応は、Ciba−Geigy Chemicalsによって製造されたIrgacure 500の0.5% vol/vol混合物によって触媒された。得られたエラストマー材料は、中程度の弾性およびガラスへの接着を示した。
In one embodiment according to the present invention, pure acrylated Urethane Ebe
A two-layer elastomeric structure was produced from 270. The thin underlayer was spin coated at 170 ° C. for 15 seconds at 8000 rpm. The upper and lower layers were first cured for 10 minutes under ultraviolet light under nitrogen using a Model ELC 500 device manufactured by Electrolite corporation. The assembled layer was then cured for an additional 30 minutes. The reaction was catalyzed by a 0.5% vol / vol mixture of Irgacure 500 manufactured by Ciba-Geigy Chemicals. The resulting elastomeric material exhibited moderate elasticity and adhesion to glass.

本発明に従った別の実施形態では、2層エラストマー構造は、薄い下層については25% Ebe 270/50% Irr245/25%イソプロピルアルコール、そして上層としての純粋なアクリレート化Urethane Ebe 270の組合せから製造された。薄い下層を、紫外光下で窒素下にて、Electrolite corporationによって製造されるModel ELC 500デバイスを利用して、最初に5分間かけて硬化させ、そして上層を最初に10分間かけて硬化させた。次いで、組立てられた層を、さらに30分間かけて硬化させた。反応は、Ciba−Geigy Chemicalsによって製造されたIrgacure 500の0.5% vol/vol混合物によって触媒された。得られたエラストマー材料は、中程度の弾性を示し、そしてガラスへ接着した。   In another embodiment according to the present invention, a two-layer elastomeric structure is made from a combination of 25% Ebe 270/50% Irr245 / 25% isopropyl alcohol for the thin lower layer, and pure acrylated Urethane Ebe 270 as the upper layer. It was done. The thin underlayer was first cured for 5 minutes and the top layer was initially cured for 10 minutes utilizing a Model ELC 500 device manufactured by Electrolite corporation under nitrogen under ultraviolet light. The assembled layer was then cured for an additional 30 minutes. The reaction was catalyzed by a 0.5% vol / vol mixture of Irgacure 500 manufactured by Ciba-Geigy Chemicals. The resulting elastomeric material exhibited moderate elasticity and adhered to glass.

あるいは、例えば、接触して配置した場合にエラストマー層/基板が結合するように、プラズマ曝露によってエラストマー表面を活性化することを含め、他の結合方法を用い得る。例えば、同じ材料から構成されるエラストマー層を一緒に結合するための1つの可能なアプローチは、本明細書中に参考として援用される、Duffyら,「Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane)」、Analytical Chemistry(1998),70,4974−4984によって示される。この論文は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)層を酸素プラズマに曝露することが、表面の酸化を引き起こし、2つの酸化層が接触するように配置された場合、不可逆的結合が生じると考察する。   Alternatively, other bonding methods may be used including, for example, activating the elastomeric surface by plasma exposure so that the elastomer layer / substrate bonds when placed in contact. For example, one possible approach for bonding together elastomer layers composed of the same material is Duffy et al., “Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly (dimethylsiloxane)”, incorporated herein by reference. , Analytical Chemistry (1998), 70, 4974-4984. This paper considers that exposing a polydimethylsiloxane (PDMS) layer to an oxygen plasma causes surface oxidation and if the two oxide layers are placed in contact, an irreversible bond occurs.

エラストマーの連続層を一緒に結合するためのなお別のアプローチは、未硬化エラストマーの接着特性を利用することである。特に、未硬化のエラストマー(例えば、RTV 615)の薄層は、第一の硬化エラストマー層の上部に適用される。次に、第二の硬化エラストマー層は、未硬化のエラストマー層の上部に配置される。次いで、未硬化のエラストマーの薄い中間層を硬化させて、モノリシックエラストマー構造が生成される。あるいは、未硬化のエラストマーは、第一の硬化エラストマー層の下に適用され得、第一の硬化エラストマー層は、第二の硬化エラストマー層の上に配置される。ここでも、中間の薄いエラストマー層を硬化させることは、モノリシックエラストマー構造の形成をもたらす。   Yet another approach for bonding together successive layers of elastomers is to take advantage of the adhesive properties of uncured elastomers. In particular, a thin layer of uncured elastomer (eg, RTV 615) is applied on top of the first cured elastomer layer. Next, the second cured elastomer layer is placed on top of the uncured elastomer layer. The thin intermediate layer of uncured elastomer is then cured to produce a monolithic elastomeric structure. Alternatively, uncured elastomer can be applied under the first cured elastomer layer, with the first cured elastomer layer being disposed over the second cured elastomer layer. Again, curing the intermediate thin elastomeric layer results in the formation of a monolithic elastomeric structure.

犠牲層のカプセル化を用いて、エラストマー構造を製造する場合、連続エラストマー層の結合は、予め硬化されたエラストマー層およびその上にパターン形成された任意の犠牲材料上に未硬化のエラストマーを注ぐことによって達成され得る。エラストマー層間の結合は、未硬化のエラストマー層のポリマー鎖と硬化エラストマー層のポリマー鎖との相互浸透および反応に起因して生じる。エラストマー層のその後の硬化は、エラストマー層の間に結合を作製し、そしてモノリシックエラストマー構造を作製する。   When producing an elastomeric structure using sacrificial layer encapsulation, the bonding of the continuous elastomeric layer involves pouring the uncured elastomer over the precured elastomer layer and any sacrificial material patterned thereon. Can be achieved. Bonding between the elastomer layers occurs due to interpenetration and reaction between the polymer chains of the uncured elastomer layer and the polymer chains of the cured elastomer layer. Subsequent curing of the elastomeric layer creates a bond between the elastomeric layers and creates a monolithic elastomeric structure.

図1〜図7Bの第一方法を言及して、第一エラストマー層20は、微細製作された鋳型12にRTV混合物を2000rpmで30秒間にわたって回転被覆して、約40ミクロンの厚みを生じることによって作製され得る。第二エラストマー層22は、微細製作された鋳型11上にRTV混合物を回転被覆することによって作製され得る。層20および層22は両方とも、約80℃で1.5時間かけて別々に焼かれ得るかまたは硬化され得る。第二エラストマー層22は、第一エラストマー層20上に約80℃で約1.5時間かけて結合され得る。   Referring to the first method of FIGS. 1-7B, the first elastomer layer 20 is formed by spin-coating the RTV mixture on a microfabricated mold 12 at 2000 rpm for 30 seconds, resulting in a thickness of about 40 microns. Can be made. The second elastomer layer 22 can be made by spin coating the RTV mixture on the microfabricated mold 11. Both layer 20 and layer 22 can be separately baked or cured at about 80 ° C. for 1.5 hours. The second elastomer layer 22 may be bonded to the first elastomer layer 20 at about 80 ° C. for about 1.5 hours.

微細加工鋳型10および12は、シリコンウェーハ上のパターン形成フォトレジストであり得る。例示的な局面では、Shipley SJR 5740フォトレジストを、2000rpmで回転させ、マスクとして高解像度の透明フィルムを用いてパターン形成され、次いで現像されて、約10ミクロンの高さの逆チャネルが得られた。約200℃で約30分間かけて焼かされた場合、フォトレジストは再度流動し、そして逆チャネルが丸くなる。好ましい局面では、鋳型は、シリコーンゴムの接着を防止するために、各使用の前にトリメチルクロロシラン(TMCS)蒸気で約1分間かけて処理され得る。   The microfabricated molds 10 and 12 can be patterned photoresist on a silicon wafer. In an exemplary aspect, Shipley SJR 5740 photoresist was rotated at 2000 rpm, patterned using a high resolution transparent film as a mask, and then developed to obtain a reverse channel about 10 microns high. . When baked at about 200 ° C. for about 30 minutes, the photoresist flows again and the reverse channel is rounded. In a preferred aspect, the mold can be treated with trimethylchlorosilane (TMCS) vapor for about 1 minute before each use to prevent silicone rubber adhesion.

(4.適切なエラストマー材料)
Allcockら、Contemporary Polymer Chemistry、第2版は、エラストマーを、それらのガラス転移温度と液化温度との間の温度で存在するポリマーとして一般的に記載する。エラストマー材料は、弾性特性を示す。なぜなら、ポリマー鎖は、力に応答して骨格鎖のほぐれを可能にするねじれ運動を容易に受け、この力の非存在下では骨格鎖は巻き戻されて以前の形状をとるからである。一般に、エラストマーは、力がかけられた場合に変形するが、次いで、その力が取り除かれたときはその元の形状に戻る。エラストマー材料によって示される弾性は、ヤング率によって特徴付けられ得る。約1Pa〜1TPaの間、より好ましくは約10Pa〜100GPaの間、より好ましくは約20Pa〜1GPaの間、より好ましくは約50Pa〜10MPaの間、そしてより好ましくは約100Pa〜1MPaの間のヤング率を有するエラストマー材料は、本発明に従って有用であるが、これらの範囲外のヤング率を有するエラストマー材料もまた、特定の適用の必要性に依存して利用され得る。
(4. Suitable elastomer material)
Allcock, et al., Temporary Polymer Chemistry, 2nd edition, generally describes elastomers as polymers that exist at temperatures between their glass transition temperature and liquefaction temperature. Elastomeric materials exhibit elastic properties. This is because the polymer chain readily undergoes a torsional motion that allows the backbone chain to loosen in response to force, and in the absence of this force, the backbone chain is unwound and assumes its previous shape. In general, an elastomer deforms when a force is applied, but then returns to its original shape when the force is removed. The elasticity exhibited by the elastomeric material can be characterized by Young's modulus. Young's modulus between about 1 Pa and 1 TPa, more preferably between about 10 Pa and 100 GPa, more preferably between about 20 Pa and 1 GPa, more preferably between about 50 Pa and 10 MPa, and more preferably between about 100 Pa and 1 MPa. Elastomeric materials having are useful in accordance with the present invention, but elastomeric materials having Young's modulus outside these ranges can also be utilized depending on the needs of a particular application.

本発明のシステムは、広範な種々のエラストマーから製造され得る。例示的な局面では、エラストマー層は、好ましくはシリコーンゴムから製造され得る。しかし、他の適切なエラストマーもまた使用され得る。   The system of the present invention can be made from a wide variety of elastomers. In an exemplary aspect, the elastomeric layer can be preferably made from silicone rubber. However, other suitable elastomers can also be used.

本発明の例示的な局面では、本発明のシステムは、エラストマーポリマー(例えば、GE RTV 615(調合物)(ビニルシラン架橋(型)シリコーンエラストマー(ファミリー))から製造される。しかし、本発明のシステムは、この1つの処方にも、型にも、このファミリーのポリマーにさえ制限されない;むしろ、ほぼ任意のエラストマーポリマーが適切である。本発明のミクロバルブの製造の好ましい方法についての重要な必要条件は、複数の層のエラストマーを一緒に結合する能力である。複数層ソフトリソグラフィーの場合、エラストマーの層を別々に硬化させ、次いで一緒に結合させる。このスキームは、硬化された層が、一緒に結合するに充分な反応性を有することを必要とする。いずれかの層は、同じ型のものであり得、そしてそれら自体を結合し得るか、または2つの異なる型のものであり得、そして互いに結合し得る。他の可能性としては、層の間での接着剤の使用および熱硬化性エラストマーの使用が挙げられる。   In an exemplary aspect of the invention, the system of the present invention is made from an elastomeric polymer, such as GE RTV 615 (formulation) (vinyl silane crosslinked (type) silicone elastomer (family)), but the system of the present invention. Is not limited to this one formulation, mold, or even this family of polymers; rather, almost any elastomeric polymer is suitable, an important requirement for the preferred method of manufacturing the microvalves of the present invention. Is the ability to bond multiple layers of elastomers together, in the case of multiple layer soft lithography, the layers of elastomer are cured separately and then bonded together. It is necessary to have sufficient reactivity to bind, either layer can be of the same type. And can be bonded together, or can be of two different types, and can be bonded together, other possibilities include the use of adhesives between layers and the use of thermoset elastomers. Is mentioned.

ポリマーの化学的性質、前駆体、合成方法、反応条件および潜在的添加剤の途方もなく大きな多様性を考慮すると、モノリシックエラストマーミクロバルブおよびポンプを作製するために用いられ得る、莫大な数の可能なエラストマーシステムが存在する。用いられる材料におけるバリエーションは、特定の材料の特性(すなわち、溶剤耐性、剛性、気体透過性または温度安定性)についての必要性によって支配される可能性が最も高い。   Given the tremendous variety of polymer chemistry, precursors, synthesis methods, reaction conditions and potential additives, the vast number of possibilities that can be used to make monolithic elastomeric microvalves and pumps Exist elastomeric systems. Variations in the materials used are most likely governed by the need for specific material properties (ie, solvent resistance, stiffness, gas permeability or temperature stability).

非常に多くの種類のエラストマーポリマーが存在する。比較的「標準的な」ポリマーを用いてさえ、結合についての多くの可能性が存在することを示すことを意図して、最も一般的なクラスのエラストマーの簡単な説明を本明細書中に提示する。一般的なエラストマーポリマーとしては、ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン、ポリイソブチレン、ポリ(スチレン−ブタジエン−スチレン)、ポリウレタン、およびシリコーンが挙げられる。   There are numerous types of elastomeric polymers. A brief description of the most common class of elastomers is presented here, intended to show that there are many possibilities for bonding even with relatively “standard” polymers. To do. Common elastomeric polymers include polyisoprene, polybutadiene, polychloroprene, polyisobutylene, poly (styrene-butadiene-styrene), polyurethane, and silicone.

(ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン:)
ポリイソプレン、ポリブタジエン、およびポリクロロプレンは全て、ジエンモノマーから重合され、それゆえ、重合した場合に1つのモノマーあたり1つの二重結合を有する。この二重結合は、このポリマーが、加硫(本質的に、硫黄を用いて、加熱によって二重結合の間に架橋が形成される)によってエラストマーへと変換されるのを可能にする。これは、層の不完全な加硫によって均一な複数層ソフトリソグラフィーが結合されるのを容易に可能にする;フォトレジストカプセル化は、類似の機構によって可能である。
(Polyisoprene, polybutadiene, polychloroprene :)
Polyisoprene, polybutadiene, and polychloroprene are all polymerized from diene monomers and therefore have one double bond per monomer when polymerized. This double bond allows the polymer to be converted to an elastomer by vulcanization (essentially using sulfur to form crosslinks between the double bonds by heating). This easily allows uniform multi-layer soft lithography to be combined by incomplete vulcanization of the layers; photoresist encapsulation is possible by a similar mechanism.

(ポリイソブチレン:)
純粋なポリイソブチレンは、二重結合を有さないが、エラストマーとして使用するために、少量(約1%)のイソプレンを重合時に含めることによって架橋される。イソプレンモノマーは、ポリイソブチレン骨格にペンダント二重結合を与え、次いで、これは、上記のとおりに加硫され得る。
(Polyisobutylene :)
Pure polyisobutylene does not have double bonds, but is crosslinked by including a small amount (about 1%) of isoprene during polymerization for use as an elastomer. The isoprene monomer provides a pendant double bond to the polyisobutylene backbone, which can then be vulcanized as described above.

(ポリ(スチレン−ブタジエン−スチレン):)
ポリ(スチレン−ブタジエン−スチレン)は、活発(living)アニオン重合(すなわち、反応中に天然の鎖終結工程は存在しない)によって生成され、それゆえ、「活発な」ポリマー末端が、硬化したポリマー中に存在し得る。これにより、このポリマーは、本発明のフォトレジストカプセル化システムについての天然の候補となり、ここで、硬化した層の上に注がれた液体層中に多数の未反応モノマーが存在する。不完全硬化は、均一な複数層ソフトリソグラフィー(AとAとの結合)を可能にする。この化学的性質もまた、(不均質な複数層ソフトリソグラフィーについては)過剰なブタジエンおよびカップリング剤を有する1つの層(「A」)およびブタジエン不足を有する他の層(「B」)が作製されるのを容易にする。SBSは、「熱硬化性エラストマー」であり、特定の温度より上では、これが溶けて(弾性とは対照的に)可塑性になり;温度を下げると、このエラストマーが再度得られることを意味する。従って、層は、加熱によって一緒に結合され得る。
(Poly (styrene-butadiene-styrene) :)
Poly (styrene-butadiene-styrene) is produced by living anionic polymerization (ie, there is no natural chain termination step in the reaction), so “active” polymer ends are present in the cured polymer. Can exist. This makes this polymer a natural candidate for the photoresist encapsulation system of the present invention, where there are a number of unreacted monomers in the liquid layer poured over the cured layer. Incomplete curing allows uniform multi-layer soft lithography (bonding of A and A). This chemistry also creates (for heterogeneous multi-layer soft lithography) one layer with excess butadiene and coupling agent ("A") and another layer with butadiene deficiency ("B"). Make it easy to be done. SBS is a “thermoset elastomer” above which it melts and becomes plastic (as opposed to elastic) above a certain temperature; it means that the elastomer is obtained again when the temperature is lowered. Thus, the layers can be bonded together by heating.

(ポリウレタン)
ポリウレタンは、ジ−イソシアネート(di−isocyanates)(A−A)およびジ−アルコール(di−alcohols)またはジ−アミン(di−amines)(B−B)から生成される;非常に種々のジ−イソシアネートおよびジ−アルコール/アミンが存在するため、異なるタイプのポリウレタンの数は膨大である。しかし、ポリマーのA対Bの性質により、このポリウレタンは、ちょうどRTV 615のように、一方の層において過剰のA−Aを、そして他方の層において過剰のB−Bを使用することにより、不均一多層軟質リゾグラフィーについて有用になる。
(Polyurethane)
Polyurethanes are produced from di-isocyanates (AA) and di-alcohols or di-amines (BB); a wide variety of di- Due to the presence of isocyanate and di-alcohol / amine, the number of different types of polyurethane is enormous. However, due to the A-to-B nature of the polymer, this polyurethane can be made non-reactive by using excess A-A in one layer and excess BB in the other layer, just like RTV 615. Useful for uniform multilayer soft lithography.

(シリコーン)
シリコーンポリマーは、おそらく、最も多くの構造多様性を有し、そしてほとんどが必ず、最多数の市販の処方物を有する。ビニル−(Si−H)架橋のRTV 615(これは不均一多層軟質リゾグラフィーおよびフォトレジストカプセル化の両方を可能にする)は、すでに議論されているが、これは、シリコーンポリマー化学において使用されるいくつかの架橋方法のうちのわずか1つである。
(silicone)
Silicone polymers probably have the most structural diversity and almost always have the largest number of commercially available formulations. Vinyl- (Si—H) cross-linked RTV 615 (which enables both heterogeneous multilayer soft lithography and photoresist encapsulation) has already been discussed, but it is used in silicone polymer chemistry. Only one of several crosslinking methods.

(5.デバイスの操作)
図7Bおよび7Hは、共に、第2のフローチャネルを加圧することにより第1のフローチャネルを閉じることを示し、図7B(対応する図7Aにおけるフローチャネル32を通して切られた前断面図)は、開いている第1のフローチャネル30を示し、図7Hは、第2のフローチャネル32を加圧することにより閉じられた第1のフローチャネル30を示す。
(5. Device operation)
FIGS. 7B and 7H both show closing the first flow channel by pressurizing the second flow channel, and FIG. 7B (a front cross-sectional view cut through the flow channel 32 in the corresponding FIG. 7A) An open first flow channel 30 is shown, and FIG. 7H shows the first flow channel 30 closed by pressurizing the second flow channel 32.

図7Bを参照すると、第1のフローチャネル30および第2のフローチャネル32が示される。膜25は、フローチャネルを分離し、第1のフローチャネル30の上部および第2のフローチャネル32の底部を形成する。見られ得るように、フローチャネル30は、「開いて」いる。   Referring to FIG. 7B, a first flow channel 30 and a second flow channel 32 are shown. A membrane 25 separates the flow channels and forms the top of the first flow channel 30 and the bottom of the second flow channel 32. As can be seen, the flow channel 30 is “open”.

図7Hにおいて見られ得るように、フローチャネル32の加圧(その中に導入された気体または液体のいずれかによって)は、膜25を下向に反らせ、それによりフローチャネル30を通過する流れFを締める。従って、チャネル32内の圧力を変更することにより、直線的に作動可能なバルブシステムが提供され、その結果、フローチャネル30は、膜25を必要に応じて動かすことにより、開閉され得る。(例示目的のみのために、図7Gのチャネル30は、「完全に閉じられた」位置ではなく「ほとんど閉じられた」位置で示される。)
このようなバルブは、チャネル自体のルーフを移動(すなわち、膜25を移動)させることにより作動されるので、この技術により製造されるバルブおよびポンプは、正確にゼロの死容積を有し、そしてこの技術により作製される切り換えバルブは、バルブの有効容積にほぼ等しい死容積(例えば、約100×100×10μm=100pL)を有する。膜を移動することにより消費されるこのような死容積および面積は、公知の従来のマイクロバルブよりも約2オーダー小さい。より小さいバルブおよび切り換えバルブならびにより大きいバルブおよび切り換えバルブが、本発明において意図され、そして死容積の範囲の非限定的な列挙としては、1aL〜1μL、100aL〜100nL、1fL〜10nL、100fL〜1nL、および1pL〜100pLが挙げられる。
As can be seen in FIG. 7H, pressurization of the flow channel 32 (either by gas or liquid introduced therein) deflects the membrane 25 downward, thereby causing the flow F through the flow channel 30 to flow F. Tighten. Thus, changing the pressure in the channel 32 provides a linearly operable valve system so that the flow channel 30 can be opened and closed by moving the membrane 25 as needed. (For illustrative purposes only, the channel 30 of FIG. 7G is shown in a “mostly closed” position rather than a “fully closed” position.)
Such valves are actuated by moving the roof of the channel itself (i.e. moving the membrane 25) so that valves and pumps manufactured by this technique have exactly zero dead volume, and A switching valve made by this technique has a dead volume (eg, about 100 × 100 × 10 μm = 100 pL) approximately equal to the effective volume of the valve. Such dead volume and area consumed by moving the membrane is about two orders of magnitude less than known conventional microvalves. Smaller valves and switching valves and larger valves and switching valves are contemplated in the present invention, and a non-limiting list of dead volume ranges is 1 aL to 1 μL, 100 aL to 100 nL, 1 fL to 10 nL, 100 fL to 1 nL. , And 1 pL to 100 pL.

本発明に従うポンプおよびバルブにより送達され得る非常に小さい容積は、実質的な利点を示す。詳細には、手動で測定可能な流体の最小の既知の容積は、約0.1μlである。自動化システムにより測定可能な最小の既知の容積は、約10倍大きい(1μl)。本発明に従うポンプおよびバルブを使用すると、10nl以下の液体の容積が、慣用的に測定され得、そして分配され得る。本発明により可能にされる非常に小さい容積の流体の正確な測定は、多数の生物学的用途(診断試験およびアッセイを含む)において非常に価値がある。   The very small volume that can be delivered by the pumps and valves according to the invention represents a substantial advantage. Specifically, the smallest known volume of fluid that can be measured manually is about 0.1 μl. The smallest known volume that can be measured by an automated system is about 10 times larger (1 μl). Using pumps and valves according to the present invention, a volume of liquid of 10 nl or less can be routinely measured and dispensed. The accurate measurement of very small volume fluids enabled by the present invention is very valuable in many biological applications, including diagnostic tests and assays.

式1は、均一な厚みを有する矩形で線形の弾性の等方性のプレートの、適用された圧力による変形の非常に単純化された数学的モデルを表す:
(1)w=(BPb)/(Eh
ここで、
w=プレートの変形;
B=形状係数(長さ対幅、およびプレートの縁部の支持に依存する);
P=適用される圧力;
b=プレートの幅
E=ヤング率;および
h=プレートの厚み。
Equation 1 represents a very simplified mathematical model of deformation due to applied pressure of a rectangular, linear, elastic isotropic plate with uniform thickness:
(1) w = (BPb 4 ) / (Eh 3 )
here,
w = plate deformation;
B = shape factor (depends on length vs. width and support of the edge of the plate);
P = applied pressure;
b = plate width E = Young's modulus; and h = plate thickness.

従って、この非常に単純化された式においてでさえ、圧力に応答するエラストマー膜の変形は、以下の関数である:この膜の長さ、幅および厚み、この膜の可撓性(ヤング率)、ならびに適用される作動力。これらのパラメーターの各々は、本発明に従う特定のエラストマーデバイスの実施の寸法および物理的組成に依存して大きく異なるので、広範な膜の厚みおよび弾性、チャネル幅、および作動力が、本発明によって意図される。   Thus, even in this very simplified equation, deformation of an elastomeric membrane in response to pressure is a function of: length, width and thickness of the membrane, flexibility (Young's modulus) of the membrane As well as the actuation force applied. Since each of these parameters varies greatly depending on the implementation dimensions and physical composition of a particular elastomeric device according to the present invention, a wide range of membrane thicknesses and elasticity, channel widths, and actuation forces are contemplated by the present invention. Is done.

一般的に、膜は均一な厚みを有さず、膜厚は長さおよび幅と比較して小さい必要はなく、そして変形は、この膜の長さ、幅または厚みと比較して小さい必要はないので、すぐ上で示された式は近似に過ぎないことが理解されるべきである。それにもかかわらず、この式は、変形 対 適用される力の所望の応答を達成するために有用なパラメーターを調整するための有用なガイドとしてはたらく。   In general, the membrane does not have a uniform thickness, the thickness need not be small compared to the length and width, and the deformation need not be small compared to the length, width or thickness of the membrane. It should be understood that the equation shown immediately above is only an approximation, since there is not. Nevertheless, this equation serves as a useful guide for adjusting the parameters useful to achieve the desired response of deformation versus applied force.

図8Aおよび8Bは、100μm幅の第1のフローチャネル30、および50μm幅の第2のフローチャネル32についてのバルブ開口 対 適用される圧力を例示する。このデバイスの膜を、約30μmの厚みおよび約750kPaのヤング率を有するGeneral Electric Silicones RTV 615の層により形成した。図21aおよび21bは、バルブの開口の程度が適用される圧力の範囲のほとんどにわたって実質的に直線的であることを示す。   FIGS. 8A and 8B illustrate valve openings versus applied pressure for a first flow channel 30 100 μm wide and a second flow channel 32 50 μm wide. The device membrane was formed by a layer of General Electric Silicones RTV 615 having a thickness of about 30 μm and a Young's modulus of about 750 kPa. Figures 21a and 21b show that the degree of valve opening is substantially linear over most of the range of pressures applied.

空気圧を、外径0.025インチおよび内径0.013インチのステンレス鋼皮下チューブの25mmの部品に取り付けられた外径0.025インチを有するプラスチックチューブの10cm長の部品を通して、このデバイスの膜に適用した。このチューブを、制御チャネルに対して垂直な方向で、エラストマーブロックに挿入することによって、この制御チャネルと接触させた。空気圧を、Lee Co.製の外部LHDA小型ソレノイドバルブから皮下チューブに適用した。   Air pressure is applied to the membrane of the device through a 10 cm long piece of plastic tube having an outer diameter of 0.025 inch attached to a 25 mm piece of stainless steel hypodermic tube having an outer diameter of 0.025 inch and an inner diameter of 0.013 inch. Applied. The tube was brought into contact with the control channel by inserting it into the elastomer block in a direction perpendicular to the control channel. Air pressure was measured by Lee Co. Applied to the hypodermic tube from an external LHDA small solenoid valve made by the manufacturer.

デバイスを通る材料の流れの制御は、従来、適用される気体圧を使用することが記載されているが、他の流体は使用できなかった。   Control of material flow through the device has been described in the past using applied gas pressure, but other fluids could not be used.

例えば、空気は、圧縮可能であり、従って、外部ソレノイドバルブによる圧力の適用の時間とこの圧力が膜により経験される時間との間にある程度の有限の遅れを被る。本発明の代替の実施形態において、圧力は、外部供給源から非圧縮可能流体(例えば、水または水硬性油)に適用され得、その結果、膜に適用された圧力のほぼ即時の伝達が生じる。しかし、バルブの移動流体が大きいかまたは制御チャネルが狭い場合、より高い粘度の制御流体が、作動の遅延に寄与し得る。従って、圧力を伝達するために最適な媒体は、特定の用途およびデバイスの構成に依存し、そして気体媒体および液体媒体の両方が、本発明により意図される。   For example, air is compressible and therefore suffers some finite delay between the time of application of pressure by the external solenoid valve and the time this pressure is experienced by the membrane. In an alternative embodiment of the present invention, pressure can be applied to an incompressible fluid (eg, water or hydraulic oil) from an external source, resulting in an almost immediate transfer of the pressure applied to the membrane. . However, if the valve moving fluid is large or the control channel is narrow, a higher viscosity control fluid may contribute to the delay in operation. Thus, the optimal medium for transmitting pressure depends on the particular application and device configuration, and both gaseous and liquid media are contemplated by the present invention.

上記のような外部適用圧力は、圧力調整器および外部小型バルブを介してポンプ/タンクシステムにより適用されるが、外部圧力を適用する他の方法(ガスタンク、圧縮機、ピストンシステムおよび液体のカラム)もまた本発明において意図される。例えば、生きた生物内に見出されるような天然に存在する圧力供給源(例えば、血圧、胃圧、能脊髄液に存在する圧力、眼内空間に存在する圧力、および通常の湾曲の間の筋肉により及ぼされる圧力)の使用もまた、意図される。外部圧力を調節する他の方法(例えば、小型バルブ、ポンプ、巨視的蠕動ポンプ、ピンチバルブおよび当該分野で公知の他のタイプの流体調節機器)の使用もまた意図される。   Externally applied pressure as described above is applied by the pump / tank system via a pressure regulator and an external small valve, but other methods of applying external pressure (gas tanks, compressors, piston systems and liquid columns) Is also contemplated in the present invention. For example, naturally occurring pressure sources such as those found in living organisms (eg, blood pressure, gastric pressure, pressure in the spinal fluid, pressure in the intraocular space, and muscles during normal curvature The use of pressure exerted by is also contemplated. The use of other methods of adjusting external pressure (eg, small valves, pumps, macroscopic peristaltic pumps, pinch valves, and other types of fluid regulating devices known in the art) is also contemplated.

見られ得るように、本発明の実施形態に従うバルブの応答は、最小のヒステリシスで、その移動範囲の大部分にわたってほとんど完全な線形であることが実験的に示されている。従って、本発明のバルブは、ミクロ流体測定および流体制御のために理想的に適している。バルブ応答の線形性は、個々のバルブが、フックの法則のバネとして十分にモデリングされていることを示す。さらに、フローチャネル内の高圧(すなわち、背圧)は、単に作動圧力を増加することによって打ち勝たれ(countered)得る。実験的に、本発明者らは、70kPaの背圧でバルブの閉鎖を達成したが、より高い圧力もまた意図される。以下は、本発明により包含される圧力範囲の非排他的な列挙である:10Pa〜25MPa;100Pa〜10MPa、1kPa〜1MPa、1kPa〜300kPa、5kPa〜200kPa、および15kPa〜100kPa。   As can be seen, it has been experimentally shown that the response of a valve according to an embodiment of the invention is almost perfectly linear over most of its travel range with minimal hysteresis. Accordingly, the valve of the present invention is ideally suited for microfluidic measurement and fluid control. The linearity of the valve response indicates that the individual valves are well modeled as hook law springs. Further, the high pressure (ie, back pressure) in the flow channel can be countered by simply increasing the operating pressure. Experimentally, we achieved valve closure with a back pressure of 70 kPa, although higher pressures are also contemplated. The following is a non-exclusive list of pressure ranges encompassed by the present invention: 10 Pa to 25 MPa; 100 Pa to 10 MPa, 1 kPa to 1 MPa, 1 kPa to 300 kPa, 5 kPa to 200 kPa, and 15 kPa to 100 kPa.

バルブおよびポンプは、開閉するために線形作動を必要としないが、線形応答により、バルブは、測定デバイスとしてより容易に使用され得る。本発明の一実施形態において、バルブの開放は、公知の閉鎖の程度まで部分的に作動されることによって、流速を制御するために使用される。線形バルブ作動により、バルブを所望の閉鎖の程度まで閉じるのに必要な作動力の量を決定することが容易になる。線形作動の別の利点は、バルブの作動に必要な力が、フローチャネル内の圧力から容易に決定され得ることである。作動が線形である場合、フローチャネル内の圧力の増加は、同じ圧力(単位面積あたりの力)をバルブの作動部分に加えることにより、打ち勝たれ得る。   Valves and pumps do not require linear actuation to open and close, but due to the linear response, the valves can be used more easily as measurement devices. In one embodiment of the invention, the opening of the valve is used to control the flow rate by being partially actuated to a known degree of closure. Linear valve actuation facilitates determining the amount of actuation force required to close the valve to the desired degree of closure. Another advantage of linear actuation is that the force required to actuate the valve can be easily determined from the pressure in the flow channel. If the actuation is linear, the increase in pressure in the flow channel can be overcome by applying the same pressure (force per unit area) to the actuation portion of the valve.

バルブの線形性は、構造、組成およびバルブ構造の作動方法に依存する。さらに、線形性がバルブにおける所望の特徴であるか否かは、用途に依存する。従って、線形および非線形の作動可能バルブが、本発明において意図され、そしてバルブが線形作動可能である圧力範囲は、特定の実施形態に伴って変化する。   The linearity of the valve depends on the structure, composition and method of operation of the valve structure. Furthermore, whether linearity is a desired feature in the valve depends on the application. Thus, linear and non-linear actuatable valves are contemplated in the present invention, and the pressure range over which the valve is linearly actuable varies with the particular embodiment.

図9は、上記のように、チップから空気圧式バルブに接続された10cm長の空気チューブを有する100μm×100μm×10μmのRTVマイクロバルブの時間応答(すなわち、適用される圧力の変化に応答する時間の関数としてのバルブの閉鎖)を例示する。   FIG. 9 shows the time response of a 100 μm × 100 μm × 10 μm RTV microvalve with a 10 cm long air tube connected from the tip to a pneumatic valve as described above (ie, the time to respond to changes in applied pressure). The valve closure as a function of

デジタル制御シグナルの2つの期間、チューブの末端における実際の空気圧およびバルブの開口が、図9に示される。コントロールラインに適用される圧力は、100kPaであり、これは、バルブを閉鎖するのに必要な約40kPaよりも実質的に高い。従って、閉鎖する場合、バルブは、必要な圧力よりも60kPa高い圧力で、押し閉じられる。しかし、開く場合、バルブは、そのバネ直(40kPa以下)によりその静止位置まで戻される。従って、τcloseは、τopenよりも小さいことが予想される。圧力を制御するために使用される小型バルブの制限に起因して、制御シグナルと制御圧力応答との間のずれもまた存在する。このようなずれをt、1/e時間定数をτと呼ぶと、値は、topen=3.63ms、τopen=1.88ms、tclose=2.15ms、τclose=0.51msである。3つのτの各々が、開閉を可能にする場合、このバルブは、水溶液で満たされた場合、75Hzにおいて最適に作動する。 The actual air pressure and valve opening at the end of the tube during the two periods of the digital control signal are shown in FIG. The pressure applied to the control line is 100 kPa, which is substantially higher than the approximately 40 kPa required to close the valve. Thus, when closing, the valve is pushed closed at a pressure 60 kPa higher than the required pressure. However, when opening, the valve is returned to its rest position by its spring straightness (40 kPa or less). Therefore, τ close is expected to be smaller than τ open . There is also a deviation between the control signal and the control pressure response due to the limitations of the small valve used to control the pressure. If such a shift is called t and the 1 / e time constant is called τ, the values are t open = 3.63 ms, τ open = 1.88 ms, t close = 2.15 ms, and τ close = 0.51 ms. . If each of the three τs allows opening and closing, the valve operates optimally at 75 Hz when filled with an aqueous solution.

開口および閉鎖のずれを受けなかった別の作動方法を使用する場合、このバルブは、約375Hzで作動する。膜厚を変えることによってバネ定数が調節され得ることもまた注意のこと。これは、速い開口および速い閉鎖の最適化を可能にする。バネ定数はまた、膜にドーパントを導入することによってまたは膜として働く異なるエラストマー材料を使用することによって(図7C〜7Hと共に上で示される)とおそらく同様に、膜の弾性(ヤング率)を変えることによって調節され得る。   The valve operates at about 375 Hz when using another method of operation that did not suffer from opening and closing deviations. Note also that the spring constant can be adjusted by changing the film thickness. This allows for optimization of fast opening and fast closing. The spring constant also changes the elasticity (Young's modulus) of the membrane, perhaps similar to by introducing a dopant into the membrane or by using a different elastomeric material that acts as a membrane (shown above with FIGS. 7C-7H). Can be adjusted.

図9に例示されるように、バルブ特性を実験的に測定する場合、バルブの開口を蛍光によって測定した。この実験において、フローチャネルを、緩衝液(pH≧8)中のフルオレセインイソチオシアネート(FITC)の溶液で満たし、そして、チャネルの中心の約3分の1を占めるある平方面積の蛍光を、10kHzのバンド幅を有する光電子増倍管を備えるエピ蛍光顕微鏡でモニタリングする。この圧力を、ほとんど同じ空気圧式接続を介するコントロールラインと同時に加圧される、Wheatstone−bridge圧力センサ(SenSymSCC15GD2)を用いてモニタリングした。   As illustrated in FIG. 9, when experimentally measuring the valve characteristics, the opening of the valve was measured by fluorescence. In this experiment, the flow channel was filled with a solution of fluorescein isothiocyanate (FITC) in buffer (pH ≧ 8) and a square area of fluorescence occupying about one third of the center of the channel at 10 kHz. Monitor with an epifluorescence microscope equipped with a photomultiplier tube with bandwidth. This pressure was monitored using a Wheatstone-bridge pressure sensor (SenSymSCC15GD2) which was pressurized simultaneously with the control line via almost the same pneumatic connection.

(6.フローチャネルの断面)
本発明のフローチャネルは、必要に応じて、異なる断面サイズおよび形状で設計され得、それらの所望の用途に依存して、異なる利点を与える。例えば、下部フローチャネルの断面形状は、その長さ全体に沿ってかまたは上部交差チャネルの下に配置される領域中に湾曲上部表面を有し得る。このような湾曲上部表面は、以下のように、バルブのシーリングを容易にする。
(6. Cross section of flow channel)
The flow channels of the present invention can be designed with different cross-sectional sizes and shapes as needed, providing different advantages depending on their desired application. For example, the cross-sectional shape of the lower flow channel may have a curved upper surface along its entire length or in a region located below the upper intersecting channel. Such a curved upper surface facilitates valve sealing as follows.

図10を参照すると、フローチャネル30および32を通る断面図(図7Bの断面図と類似)が示される。見られ得るように、フローチャネル30は、矩形の断面形状である。本発明の代替の好ましい局面において、図10に示されるように、フローチャネル30の断面は、上部湾曲表面を有する。   Referring to FIG. 10, a cross-sectional view through flow channels 30 and 32 (similar to the cross-sectional view of FIG. 7B) is shown. As can be seen, the flow channel 30 has a rectangular cross-sectional shape. In an alternative preferred aspect of the invention, as shown in FIG. 10, the cross section of the flow channel 30 has an upper curved surface.

最初に図10を参照すると、フローチャネル32が加圧される場合、フローチャネル30および32を分離しているエラストマーブロック24の膜部分25は、破線25A、25B、25C、25Dおよび25Eにより示される連続的な部分に向かって下向きに動く。見られ得るように、おそらく、不完全なシーリングが、平面基材14に隣接するフローチャネル30の縁部において生じ得る。   Referring initially to FIG. 10, when the flow channel 32 is pressurized, the membrane portion 25 of the elastomer block 24 separating the flow channels 30 and 32 is indicated by dashed lines 25A, 25B, 25C, 25D and 25E. Move downward toward a continuous part. As can be seen, possibly incomplete sealing may occur at the edge of the flow channel 30 adjacent to the planar substrate 14.

図11の代替の好ましい実施形態において、フローチャネル30aは、湾曲上部壁25Aを有する。フローチャネル32が加圧される場合、膜部分25は、破線25A2、25A3、25A4および25A5により示される連続した位置まで下向きに動き、膜の縁部分は、最初にフローチャネルに向かって動き、次いで、上部膜部分に向かって動く。このような湾曲上部表面を膜25Aにおいて有することの利点は、より完全なシールが、フローチャネル32が加圧される場合に提供されることである。詳細には、フローチャネル30の上部壁は、平面基材14に対して連続的に接触する縁部を提供し、それにより、壁25と図10に示されるフローチャネル30の底部との間に見られる接触の「島(island)」を回避する。   In the alternative preferred embodiment of FIG. 11, the flow channel 30a has a curved upper wall 25A. When the flow channel 32 is pressurized, the membrane portion 25 moves downward to a continuous position indicated by dashed lines 25A2, 25A3, 25A4 and 25A5, the membrane edge portion first moving towards the flow channel, and then , Move towards the upper membrane part. The advantage of having such a curved upper surface in the membrane 25A is that a more complete seal is provided when the flow channel 32 is pressurized. In particular, the top wall of the flow channel 30 provides an edge that is in continuous contact with the planar substrate 14 so that it is between the wall 25 and the bottom of the flow channel 30 shown in FIG. Avoid the "islands" of contact seen.

湾曲上部フローチャネル表面を膜25Aにおいて有することの別の利点は、この膜が、作動に応答して、フローチャネルの形状および容積により容易に適合し得ることである。詳細には、矩形のフローチャネルが用いられる場合、全周囲(2×フローチャネルの高さ+フローチャネルの幅)が、このフローチャネルに押しつけられなければならない。しかし、アーチ形のフローチャネルが使用される場合、材料のより小さい周囲(半円のアーチ形部分のみ)が、このチャネルに押しつけられなければならない。このように、膜は、作動のために周囲の小さい変化しか必要とせず、従って、フローチャネルをブロックするために適用される作動力により応答性である。   Another advantage of having a curved upper flow channel surface at the membrane 25A is that it can be more easily adapted to the shape and volume of the flow channel in response to actuation. Specifically, if a rectangular flow channel is used, the entire circumference (2 × flow channel height + flow channel width) must be pressed against this flow channel. However, if an arched flow channel is used, the smaller perimeter of the material (only the semicircular arched portion) must be forced against this channel. Thus, the membrane requires only a small change in the surroundings for actuation and is therefore more responsive to the actuation force applied to block the flow channel.

代替の局面(図示せず)、フローチャネル30の底部は丸く、その結果、この湾曲した表面は、上記の図20において見られるように、湾曲上部壁25Aと一致する。   In an alternative aspect (not shown), the bottom of the flow channel 30 is rounded so that this curved surface coincides with the curved top wall 25A as seen in FIG. 20 above.

まとめると、作動時に膜により受ける実際の構造変化は、特定のエラストマー構造の構成に依存する。詳細には、この構造変化は、膜の長さ、幅および厚みのプロフィール、その残りの構造への付着、フローチャネルおよび制御チャネルの高さ、幅および形状、ならびに使用されるエラストマーの材料特性に依存する。この構造変化はまた、適用される圧力に応答する膜の作動が、磁力または静電力に応答する作動とは幾分か異なる場合に、作動方法に依存する。   In summary, the actual structural changes experienced by the membrane during operation depend on the configuration of the particular elastomeric structure. Specifically, this structural change depends on the length, width and thickness profile of the membrane, its attachment to the remaining structure, the height, width and shape of the flow and control channels, and the material properties of the elastomer used. Dependent. This structural change also depends on the method of operation when the operation of the membrane in response to the applied pressure is somewhat different from the operation in response to magnetic or electrostatic forces.

さらに、膜における所望の構造変化はまた、エラストマー構造についての特定の用途に依存して変わる。上記の最も単純な実施形態において、バルブは、バルブの閉鎖の程度を制御するために、測定しながら開かれるかまたは閉じられるかのいずれかであり得る。しかし、他の実施形態において、より複雑な流れの調節を達成するために、膜および/またはフローチャネルの形状を変更することが望まれ得る。例えば、このフローチャネルに、膜部分の下の隆起した突出部が設けられ得、その結果、作動時において、この膜は、フローチャネルを通る流れのある割合のみを遮断し、適用された作動力に非感受性の流れの割合がブロックされる。   Furthermore, the desired structural changes in the membrane will also vary depending on the particular application for the elastomeric structure. In the simplest embodiment described above, the valve can be either opened or closed while measuring to control the degree of valve closure. However, in other embodiments, it may be desirable to change the shape of the membrane and / or flow channel to achieve more complex flow regulation. For example, the flow channel can be provided with a raised protrusion below the membrane portion so that, in operation, the membrane blocks only a certain percentage of the flow through the flow channel and the applied actuation force The proportion of insensitive flow is blocked.

多くの膜圧プロフィールおよびフローチャネルの断面(矩形、台形、円形、楕円形、放物線形、双曲線形および多角形、ならびに上記の形状の部分を含む)が、本発明によって意図される。より複雑な断面形状(例えば、すぐ上で議論された突出物を有する実施形態またはフローチャネル中に凹部を有する実施形態)もまた、本発明により意図される。   Many membrane pressure profiles and cross-sections of flow channels (including rectangular, trapezoidal, circular, elliptical, parabolic, hyperbolic and polygonal, and portions of the above shapes) are contemplated by the present invention. More complex cross-sectional shapes (e.g., embodiments having protrusions discussed above or embodiments having recesses in the flow channel) are also contemplated by the present invention.

さらに、本発明は、フローチャネルの壁部および天井部がエラストマーから形成され、そしてこのチャネルの床部が下にある基材から形成されている実施形態と共に、主に上で記載されているが、本発明は、この特定の配向に限定されない。チャネルの壁部および床部はまた、下にある基材中に形成され得、フローチャネルの天井部のみがエラストマーから構築される。このエラストマーフローチャネルの天井部は、適用される作動力に応答して、チャネルに向かって下向きに突出し、それにより、このフローチャネルを通る材料の流れを制御する。一般に、本願の他の場所で記載されるようなモノリシックエラストマー構造は、ミクロ流体用途に好ましい。しかし、このような配置が利点を提供する場合、基材中に形成されたチャネルを用いることが有用であり得る。例えば、光導波管を備える基材が構築され、その結果、この光導波管は、光を、特にミクロ流体チャネルの側面に方向付ける。   Further, the present invention has been described primarily above, with embodiments in which the flow channel walls and ceiling are formed from an elastomer and the channel floor is formed from an underlying substrate. The present invention is not limited to this particular orientation. The channel walls and floor may also be formed in the underlying substrate, with only the ceiling of the flow channel being constructed from elastomer. The ceiling of the elastomeric flow channel protrudes downward toward the channel in response to an applied actuation force, thereby controlling the flow of material through the flow channel. In general, monolithic elastomeric structures as described elsewhere in this application are preferred for microfluidic applications. However, if such an arrangement provides advantages, it may be useful to use channels formed in the substrate. For example, a substrate comprising an optical waveguide is constructed so that the optical waveguide directs light, particularly to the sides of the microfluidic channel.

(7.代替のバルブ作動技術)
上記の圧力ベースの作動システムに加えて、任意の静電的作動システムおよび磁気的作動システムもまた、以下のように、意図される。
(7. Alternative valve actuation technology)
In addition to the pressure-based actuation system described above, any electrostatic and magnetic actuation system is also contemplated as follows.

静電的作動は、反対の電荷の電極(これは、電圧差がこれに適用された場合に、互いに引きつけ合う傾向がある)を、モノリシックエラストマー構造に直接形成することによって達成され得る。例えば、図7Bを参照すると、任意の第1の電極70(想像線で示される)は、膜25の上(または中)に配置され得、そして任意の第2の電極(これもまた想像線で示される)は、平面基材14の上(または中)に配置され得る。電極70および72が、反対の極性で荷電される場合、この2つの電極の間の引力が、膜25を下向きに反らせ、それにより、「バルブ」を閉じる(すなわち、フローチャネル30を閉じる)。   Electrostatic actuation can be achieved by forming oppositely charged electrodes (which tend to attract each other when a voltage difference is applied thereto) directly in the monolithic elastomeric structure. For example, referring to FIG. 7B, an optional first electrode 70 (shown in phantom) can be placed on (or in) the membrane 25 and an optional second electrode (also imaginary line). Can be disposed on (or in) the planar substrate 14. If the electrodes 70 and 72 are charged with opposite polarities, the attractive force between the two electrodes causes the membrane 25 to bow downward, thereby closing the “valve” (ie, closing the flow channel 30).

静電的作動を支持するのに十分導電性であるが、バルブの動きを妨害するには機械的にそれほど堅くない膜電極について、十分に可撓性の電極が、膜25の中または上に設けられるべきである。このような電極は、ポリマーを導電性材料でドープするか、または導電性材料から表面層を作製する、金属化薄層により提供され得る。   For membrane electrodes that are sufficiently conductive to support electrostatic actuation but are not mechanically stiff to impede valve movement, a sufficiently flexible electrode is in or on membrane 25. Should be provided. Such an electrode can be provided by a metallized thin layer that either dopes the polymer with a conductive material or creates a surface layer from the conductive material.

例示的な局面において、変形膜に存在する電極は、例えば、20nmの金の様な金属の薄層をスパッタリングすることにより提供され得る金属化薄層により提供され得る。スパッタリングによる金属化膜の形成に加えて、他の金属化アプローチ(例えば、化学エピタクシー、蒸発、電気メッキおよび無電解めっき)もまた有用である。金属を、この金属が付着しにくい平面基材に蒸発させ、次いでこのエラストマーをこの金属上にめっきし、そしてこの基材からこの金属を剥離することによる、エラストマー表面への金属層の物理的移動もまた、有用である。   In an exemplary aspect, the electrode present in the deformation membrane can be provided by a metallized thin layer that can be provided by sputtering a thin layer of metal, such as, for example, 20 nm gold. In addition to forming metallized films by sputtering, other metallization approaches (eg, chemical epitaxy, evaporation, electroplating and electroless plating) are also useful. Physical transfer of the metal layer to the elastomer surface by evaporating the metal onto a flat substrate to which the metal does not adhere, then plating the elastomer onto the metal and peeling the metal from the substrate Is also useful.

導電性電極70はまた、エラストマー表面にカーボンブラック(すなわち、Cabot
Vulcan XC72R)を蒸着することによって、乾燥粉末をふき取ることによってまたはエラストマーの膨潤が生じる溶液(例えば、PDMSの場合、塩素化溶媒)中のカーボンブラックの懸濁液にエラストマーを曝露することによってのいずれかで、形成され得る。あるいは、電極70は、導電性材料(すなわち、カーボンブラックまたは微細に分割された金属粒子)をドープされたエラストマーから層20全体を構成することによって、形成され得る。なおさらにあるいは、この電極は、静電蒸着、または炭素を生成する化学反応によって、形成され得る。本発明により実施される実験において、導電性は、5.6×10−16〜約5×10−3(Ω・cm)−1のカーボンブラック濃度で増加することが示された。下部電極72(これは、動く必要がない)は、上記のようなしなやかな電極であり得るか、または従来の電極(例えば、蒸発させた金、金属プレート、またはドープした半導体電極)のいずれかであり得る。
Conductive electrode 70 also has carbon black (ie, Cabot) on the elastomeric surface.
Vulcan XC72R), either by wiping dry powder or by exposing the elastomer to a suspension of carbon black in a solution that causes swelling of the elastomer (for example, chlorinated solvent in the case of PDMS). And can be formed. Alternatively, the electrode 70 can be formed by constructing the entire layer 20 from an elastomer doped with a conductive material (ie, carbon black or finely divided metal particles). Still further or alternatively, the electrode may be formed by electrostatic deposition or a chemical reaction that produces carbon. In experiments carried out in accordance with the present invention, it has been shown that conductivity increases at carbon black concentrations from 5.6 × 10 −16 to about 5 × 10 −3 (Ω · cm) −1 . The bottom electrode 72 (which need not move) can be a supple electrode as described above, or it can be either a conventional electrode (eg, evaporated gold, metal plate, or doped semiconductor electrode) It can be.

フローチャネルの磁気的作動は、磁気的に分極可能な材料(例えば、イオン)または永久的に磁化された材料(例えば、分極したNdFeB)を有するフローチャネルを分離する膜を製造することによって、達成され得る。本発明により実施される実験において、磁気シリコーンを、鉄粉(約1μmの粒径)を20重量%鉄まで加えることによって、作製した。   Magnetic actuation of the flow channel is accomplished by producing a film that separates the flow channel with a magnetically polarizable material (eg, ions) or a permanently magnetized material (eg, polarized NdFeB). Can be done. In experiments carried out according to the present invention, magnetic silicone was made by adding iron powder (particle size of about 1 μm) to 20 wt% iron.

膜が磁気的に分極可能な材料で製造される場合、この膜は、適用される磁場に応答する引力により作動され得る。この膜が、永久磁化を維持し得る材料で製造される場合、この材料は、最初に、十分に高い磁場に曝露することによって磁化され得、次いで、適用された不均一な磁場の極性に応答する引力および斥力のいずれかにより作動され得る。   If the membrane is made of a magnetically polarizable material, the membrane can be actuated by an attractive force that is responsive to the applied magnetic field. If the film is made of a material that can maintain permanent magnetization, the material can be first magnetized by exposing it to a sufficiently high magnetic field and then responding to the polarity of the applied non-uniform magnetic field Can be actuated by either attractive force or repulsive force.

膜の磁場誘導性作動は、種々の方法により生じ得る。一実施形態において、磁場は、エラストマー膜の中またはその近位に形成される非常に小さな誘導性コイルにより生じる。このような磁気コイルの作動効果は、局在し、個々のポンプおよび/またはバルブ構造の作動を可能にする。あるいは、磁場は、より大きくより強力な供給源により生じ得、この場合、作動は、全体的であり、そして複数のポンプおよび/またはバルブ構造を同時に作動する。   The magnetic field induced actuation of the membrane can occur in various ways. In one embodiment, the magnetic field is generated by a very small inductive coil formed in or proximal to the elastomeric membrane. Such magnetic coil actuation effects are localized and allow individual pump and / or valve structure actuation. Alternatively, the magnetic field can be generated by a larger and more powerful source, in which case the operation is global and operates multiple pump and / or valve structures simultaneously.

熱膨張または液体からの気体の生成によってのいずれかにより、熱エネルギーの適用に基づいて制御チャネル中に流体の流れを生じることによって、デバイスを作動することもまた可能である。例えば、本発明に従う1つの代替の実施形態において、流体のポケット(例えば、流体で満たされた制御チャネルの中)が、フローチャネルの上に配置される。このポケット中の流体は、温度変動システム(例えば、ヒーター)と連絡し得る。流体の熱膨張、または液相から気相への物質の変換は、圧力の増加を生じ、隣接するフローチャネルを閉じる。続く流体の冷却は、圧力を解放し、そしてフローチャネルを開き得る。   It is also possible to operate the device by creating a fluid flow in the control channel based on the application of thermal energy, either by thermal expansion or by generation of gas from the liquid. For example, in one alternative embodiment according to the present invention, a pocket of fluid (eg, in a control channel filled with fluid) is placed over the flow channel. The fluid in this pocket can be in communication with a temperature variation system (eg, a heater). Thermal expansion of the fluid, or conversion of material from the liquid phase to the gas phase, results in an increase in pressure and closes adjacent flow channels. Subsequent cooling of the fluid can relieve pressure and open the flow channel.

(8.相互接続システム)
図12Aおよび12Bは、上記のシステム(例えば、図7Aにおけるシステム)と同一の、単一オン/オフバルブの図を示す。図13Aおよび13Bは、図12において見られるように、複数の単一アドレス可能オン/オフバルブから構成されるが、一緒に相互接続された蠕動ポンプシステムを示す。図14は、図13の蠕動ポンプシステムについての実験的に達成されるポンプ速度 対 振動数を示すグラフである。図15Aはおよび15Bは、単一コントロールラインにより制御可能な複数のフローチャネルの概略図を示す。このシステムはまた、一緒に多重化された図12の複数の単一アドレス可能オン/オフバルブから構成されるが、図12のシステムとは異なる配置である。図16は、選択したチャネルを通る流体の流れを可能にするよう適合された多重化システムの概略図であり、これは、一緒に連結または相互接続された、図12の複数の単一オン/オフバルブから構成される。
(8. Interconnect system)
12A and 12B show a diagram of a single on / off valve identical to the system described above (eg, the system in FIG. 7A). FIGS. 13A and 13B show a peristaltic pump system composed of a plurality of single addressable on / off valves, as seen in FIG. 12, but interconnected together. FIG. 14 is a graph showing experimentally achieved pump speed versus frequency for the peristaltic pump system of FIG. 15A and 15B show schematic diagrams of multiple flow channels that can be controlled by a single control line. This system also consists of a plurality of single addressable on / off valves of FIG. 12 multiplexed together, but in a different arrangement than the system of FIG. FIG. 16 is a schematic diagram of a multiplexing system adapted to allow fluid flow through selected channels, which includes a plurality of single on / off of FIG. 12 coupled or interconnected together. It consists of an off valve.

図12Aおよび12Bを初めに参照すると、フローチャネル30および32の概略が示される。フローチャネル30は、好ましくは、これを通る流体(または気体)の流れFを有する。フローチャネル32(これは、本明細書中ですでに説明されたように、フローチャネル30の上を横切る)は、加圧され、その結果、このフローチャネルを分離する膜25は、説明されたように、フローチャネル30の通路に押し下げられ得、そこを通る流れFの通路を遮断する。このように、「フローチャネル」32はまた、「コントロールライン」とも呼ばれ得、これは、フローチャネル30中の単一バルブを作動する。図12〜15において、複数のこのようなアドレス可能バルブが、種々の配置で一緒に連結または相互接続されて、蠕動ポンピング可能なポンプ、および他の流体理論的適用を生成する。   Referring initially to FIGS. 12A and 12B, a schematic of flow channels 30 and 32 is shown. The flow channel 30 preferably has a fluid (or gas) flow F therethrough. The flow channel 32 (which crosses over the flow channel 30 as previously described herein) is pressurized so that the membrane 25 separating this flow channel has been described. As such, it can be pushed down into the passage of the flow channel 30 to block the passage of the flow F therethrough. Thus, the “flow channel” 32 may also be referred to as the “control line”, which operates a single valve in the flow channel 30. In FIGS. 12-15, a plurality of such addressable valves are coupled or interconnected together in various arrangements to create a peristaltic pumpable pump, and other fluid theoretical applications.

図13Aおよび13Bを参照すると、蠕動ポンピングのためのシステムが、以下のように提供される。フローチャネル30は、その上を通過する複数のほぼ平行なフローチャネル(すなわち、コントロールライン)32A、32Bおよび32Cを有する。コントロールライン32Aを加圧することによって、フローチャネル30を通る流れFは、コントロールライン32Aおよびフローチャネル30の交差部において、膜25Aの下で遮断される。同様に、(図示しないが)コントロールライン32Bを加圧することによって、フローチャネル30を通る流れFは、コントロールライン32Bおよびフローチャネル30の交差部において膜25Bの下で遮断される。以下同様である。   Referring to FIGS. 13A and 13B, a system for peristaltic pumping is provided as follows. The flow channel 30 has a plurality of generally parallel flow channels (ie, control lines) 32A, 32B, and 32C passing thereover. By pressurizing the control line 32A, the flow F through the flow channel 30 is blocked under the membrane 25A at the intersection of the control line 32A and the flow channel 30. Similarly, by pressurizing control line 32B (not shown), flow F through flow channel 30 is blocked under membrane 25B at the intersection of control line 32B and flow channel 30. The same applies hereinafter.

各コントロールライン32A、32Bおよび32Cは個別にアドレス可能である。従って、蠕動は、32Aおよび32Cを一緒に作動させる様式によって作動され得、32Aによって作動され、32Aおよび32Bによって一緒に作動され、32Bによって作動され、32BおよびCによって一緒に作動される、などがある。このことは、継続的な「101、100、110、010、011、001」の様式に一致し、この場合、「0」は「バルブ開」を示し、そして「1」は「バルブ閉」を示す。この蠕動様式はまた、120°様式として知られる(3つのバルブ間の作動のフェーズ角度に関連している)。他の蠕動様式は等価的に可能であり、60°および90°の様式を含む。   Each control line 32A, 32B and 32C is individually addressable. Thus, peristalsis can be actuated by the mode of actuating 32A and 32C together, actuated by 32A, actuated by 32A and 32B, actuated by 32B, actuated by 32B and C, etc. is there. This is consistent with the continuous “101, 100, 110, 010, 011, 001” format, where “0” indicates “valve open” and “1” indicates “valve closed”. Show. This peristaltic mode is also known as the 120 ° mode (related to the phase angle of operation between the three valves). Other peristaltic modes are equally possible, including 60 ° and 90 ° modes.

本発明者らによって実施された実験において、2.35nL/sのポンプ速度は、作動圧力40kPaの下で100×100×10μmのバルブを有する細管(内径0.5mm)中の1カラムの水が移動する距離を測定することによって、測定される。このポンプ速度は、約75Hzまでの作動周波数に伴って増加し、それから約200Hz以上までほぼ一定であった。バルブおよびポンプはまた、かなり耐久性があり、そしてエラストマー膜も制御チャンネルもボンドも、全く破損が観察されなかった。本発明者らによって実施された実験において、本明細書中に記載される蠕動ポンプの全てのバルブは、400万回以上の作動後に摩耗の徴候も消耗の徴候も全く示さない。これらの耐久性に加えて、これらはまた軟質性でもある。チャンネルを通って汲み出され、そして生存率が試験されたE.coli溶液は、94%の生存率を示した。   In an experiment conducted by the inventors, a pump speed of 2.35 nL / s was obtained when one column of water in a capillary tube (inner diameter 0.5 mm) with a 100 × 100 × 10 μm valve under an operating pressure of 40 kPa. Measured by measuring the distance traveled. This pump speed increased with operating frequency up to about 75 Hz and then remained nearly constant up to about 200 Hz and above. The valves and pumps were also quite durable and no failure was observed in the elastomeric membrane, the control channel, or the bond. In experiments conducted by the inventors, all valves of the peristaltic pump described herein show no signs of wear or signs of wear after more than 4 million operations. In addition to their durability, they are also flexible. E. pumped through channel and tested for viability. The E. coli solution showed a 94% survival rate.

図14は、図13の蠕動ポンプシステムについて、実験的に達成された蠕動速度 対 蠕動周波数を示すグラフである。   FIG. 14 is a graph showing the peristaltic speed versus peristaltic frequency achieved experimentally for the peristaltic pump system of FIG.

図15Aおよび図15Bは、図12のアドレス可能な複数のバルブの、別の組み立て方法を図示する。具体的には、複数の並行なフローチャンネル30A、30Bおよび30Cが提供される。フローチャンネル(すなわち、コントロールライン)32は、フローチャンネル30A、30Bおよび30Cを横断して通じる。コントロールライン32の加圧は、コントロールライン32ならびにフローチャンネル30A、30Bおよび30Cの交差部分に位置する膜25A、25Bおよび25Cを押し下げることによって、フローF1、F2およびF3を同時に閉じる。   15A and 15B illustrate another method of assembling the addressable valves of FIG. Specifically, a plurality of parallel flow channels 30A, 30B and 30C are provided. A flow channel (ie, control line) 32 passes across flow channels 30A, 30B, and 30C. Pressurization of the control line 32 simultaneously closes the flows F1, F2 and F3 by depressing the membrane 25A, 25B and 25C located at the intersection of the control line 32 and the flow channels 30A, 30B and 30C.

図16は、以下のように、流体が選択されたチャンネルを通って選択的に流れ得るように適合された、多重化システムの模式図である。膜(例えば、図15Aおよび図15B中の膜25A、25Bおよび25C)上を通過するコントロールラインからそれぞれのフローチャンネルを分ける膜の下向きの偏向は、膜の大きさに強く依存する。従って、図15Aおよび15B中のフローチャンネルコントロールライン32の幅を変化することによって、コントロールラインを複数のフローチャンネルを越えて通過させ得、さらに所望のフローチャンネルのみを作動(すなわち、遮断)させ得る。図16は、以下の通り、このようなシステムの概略図を示す。   FIG. 16 is a schematic diagram of a multiplexing system adapted to allow fluid to selectively flow through selected channels as follows. The downward deflection of the membrane separating each flow channel from the control line passing over the membrane (eg, membranes 25A, 25B and 25C in FIGS. 15A and 15B) is strongly dependent on the size of the membrane. Thus, by changing the width of the flow channel control line 32 in FIGS. 15A and 15B, the control line can be passed across multiple flow channels and only the desired flow channel can be activated (ie, blocked). . FIG. 16 shows a schematic diagram of such a system as follows.

複数の並行フローチャンネル30A、30B、30C、30D、30Eおよび30Fは、複数の並行コントロールライン32A、32B、32C、32D、32Eおよび32Fの下に配置される。コントロールチャンネル32A、32B、32C、32D、32Eおよび32Fは、上記の任意のバルブシステムを使用して、以下の変形を備える、並行フローチャンネル30A、30B、30C、30D、30Eおよび30Fを通過する流体フローF1、F2、F3、F4、F5およびF6を遮断するように適合される。   The plurality of parallel flow channels 30A, 30B, 30C, 30D, 30E and 30F are disposed under the plurality of parallel control lines 32A, 32B, 32C, 32D, 32E and 32F. Control channels 32A, 32B, 32C, 32D, 32E and 32F use any of the valve systems described above and fluids passing through parallel flow channels 30A, 30B, 30C, 30D, 30E and 30F with the following variations: Adapted to block flows F1, F2, F3, F4, F5 and F6.

各コントロールライン32A、32B、32C、32D、32Eおよび32Fは、幅広部分および狭部分の両方を有する。例えば、コントロールライン32Aは、フローチャンネル30A、30Cおよび30Eの上方に配置される位置で広がる。同様に、コントロールライン32Bは、フローチャンネル30B、30Dおよび30Fの上方に配置される位置で広がり、そしてコントロールライン32Cは、フローチャンネル30A、30B、30Eおよび30Fの上方に配置される位置で広がる。   Each control line 32A, 32B, 32C, 32D, 32E and 32F has both a wide portion and a narrow portion. For example, the control line 32A extends at a position that is disposed above the flow channels 30A, 30C, and 30E. Similarly, the control line 32B extends at a position disposed above the flow channels 30B, 30D, and 30F, and the control line 32C extends at a position disposed above the flow channels 30A, 30B, 30E, and 30F.

それぞれのコントロールラインが広がる位置において、そのコントロールラインの加圧はフローチャンネルとコントロールラインとを分ける膜(25)がフローチャンネル内へと有意に押し下げさせて、これによってその場所を通るフローの通過を妨げる。対照的に、それぞれのコントロールラインが狭い位置において、膜(25)もまた狭い。従って、同程度の加圧では、膜(25)がフローチャンネル(30)内へ押し下がることを生じない。従って、流体のその場所の通過は、妨げられない。   Where each control line extends, pressurization of that control line causes the membrane (25) that separates the flow channel and control line to be significantly depressed into the flow channel, thereby allowing the passage of flow through that location. Hinder. In contrast, where each control line is narrow, the membrane (25) is also narrow. Therefore, at the same level of pressure, the membrane (25) will not be pushed down into the flow channel (30). Thus, passage of fluid through that location is not hindered.

例えば、コントロールライン32Aが加圧される場合、これはフローチャンネル30A、30Cおよび30Eの中のフローF1、F3およびF5を妨げる。同様に、コントロールライン32Cが加圧される場合、これはフローチャンネル30A、30B、30Eおよび30Fの中のフローF1、F2、F5およびF6を妨げる。理解され得るように、1本より多いコントロールラインは同時に作動され得る。例えば、コントロールライン32Aおよび32Cは加圧されて、F4を除く全ての流体フローを同時に妨げる(32AがF1、F3およびF5を妨げ、そして32CがF1、F2、F5およびF6を妨げる)。   For example, if the control line 32A is pressurized, this will block the flows F1, F3 and F5 in the flow channels 30A, 30C and 30E. Similarly, if the control line 32C is pressurized, this will block the flows F1, F2, F5 and F6 in the flow channels 30A, 30B, 30E and 30F. As can be appreciated, more than one control line can be activated simultaneously. For example, control lines 32A and 32C are pressurized to simultaneously block all fluid flow except F4 (32A blocks F1, F3 and F5, and 32C blocks F1, F2, F5 and F6).

異なるコントロールライン(32)を、一緒に、そして様々な順序の両方で選択的に加圧することによって、大規模(degree)な流体フローコントロールを達成し得る。さらに、本システムを6より多い並行フローチャンネル(30)および4より多い並行フローチャンネル(32)に拡張することによって、そしてコントロールラインの幅広領域および狭領域の位置を変化させることによって、非常に複雑な流体フローコントロールシステムを組み立て得る。このようなシステムの特徴は、2(logn)本のみのコントロールラインを有するn本のフローチャンネルのうちの任意の1つのフローチャンネルを作動させることが可能であることである。 By selectively pressurizing the different control lines (32) both together and in various sequences, a degree of fluid flow control can be achieved. Furthermore, by extending the system to more than 6 parallel flow channels (30) and more than 4 parallel flow channels (32) and changing the position of the wide and narrow areas of the control line, it is very complex. A simple fluid flow control system. A feature of such a system is that it is possible to activate any one of the n flow channels with only 2 (log 2 n) control lines.

(9.フローラインに沿った、選択的にアドレス可能な反応チャンバー)
図17A、17B、17Cおよび17Dにおいて図示される、本発明のさらなる実施形態において、フローラインに沿って配置される、1つより多くの複数の反応チャンバーへと流体フローを選択的に導くためのシステムを提供する。
(9. A selectively addressable reaction chamber along the flow line)
In a further embodiment of the invention illustrated in FIGS. 17A, 17B, 17C and 17D, for selectively directing fluid flow to more than one reaction chamber disposed along a flow line. Provide a system.

図17Aは、フローラインに沿って配置される複数の反応チャンバー80Aおよび80Bを有するフローチャンネル30の上面図を示す。好ましくは、フローチャンネル30ならびに反応チャンバー80Aおよび80Bは一緒になって、エラストマーの第1層100の底部表面への凹部として形成される。   FIG. 17A shows a top view of the flow channel 30 having a plurality of reaction chambers 80A and 80B arranged along the flow line. Preferably, the flow channel 30 and the reaction chambers 80A and 80B together are formed as a recess into the bottom surface of the first layer 100 of elastomer.

図17Bは、別のエラストマー層110の底面図を示し、2本のコントロールライン32Aおよび32Bはそれぞれ全体的に細いが、エラストマー層110の凹部として形成される幅広拡大部分33Aおよび33Bを有する。   FIG. 17B shows a bottom view of another elastomer layer 110 where the two control lines 32A and 32B are each generally thin, but have wide enlarged portions 33A and 33B formed as recesses in the elastomer layer 110. FIG.

図17Cの分解図および図17Dの組み立て図において見られるように、エラストマー層110はエラストマー層100の上側に配置される。次いで、層100および110は一緒に結合され、そして統合されたシステムは、以下の通りに、反応チャンバー80Aおよび80Bのどちらか一方または両方の中へと流体フローFを(フローチャンネル30を通って)選択的に導くように操作する。コントロールライン32Aの加圧により膜25(すなわち、拡大部分33Aの下方かつ反応チャンバー80Aの領域82Aの上方に位置するエラストマー層100の薄い部分)が押し下げられ、これによって領域82Aにおいて流体フローの流通を遮断し、フローチャンネル30からの反応チャンバー80を効果的に封鎖する。また示されるように、拡大部分33Aはコントロールライン32Aの残部よりも幅広い。このようにして、コントロールライン32Aの加圧は、コントロールライン32Aがフローチャンネル30を閉じることを生じない。   As can be seen in the exploded view of FIG. 17C and the assembled view of FIG. 17D, the elastomeric layer 110 is disposed over the elastomeric layer 100. Layers 100 and 110 are then bonded together and the integrated system allows fluid flow F (through flow channel 30) into one or both of reaction chambers 80A and 80B as follows. ) Operate to selectively guide. Pressurization of the control line 32A pushes down the membrane 25 (ie, the thin portion of the elastomer layer 100 located below the enlarged portion 33A and above the region 82A of the reaction chamber 80A), thereby allowing fluid flow to flow in the region 82A. Blocks and effectively blocks the reaction chamber 80 from the flow channel 30. As shown, the enlarged portion 33A is wider than the remainder of the control line 32A. In this way, pressurization of the control line 32A does not cause the control line 32A to close the flow channel 30.

理解され得るように、コントロールライン32Aおよび32Bのどちらか一方または両方は、同時に作動され得る。コントロールライン32Aおよび32Bの両方が一緒に加圧される場合、フローチャンネル30内のサンプルのフローは、反応チャンバー80Aにも80Bにも入らない。   As can be appreciated, either or both of control lines 32A and 32B can be activated simultaneously. If both control lines 32A and 32B are pressurized together, the sample flow in the flow channel 30 will not enter the reaction chamber 80A or 80B.

フローラインに沿って配置される種々のアドレス可能な反応チャンバー(図17A〜17D)の中への流体の導入を選択的に制御する概念は、1本以上の複数の並行フローラインを通って流体フローを選択的に制御する概念(図16)と結び付けられて、流体サンプルが反応チャンバーのアレイの中の任意の特定の反応チャンバーへと送られ得るシステムを形成し得る。このようなシステムの例は図18中に提供され、この図において拡大部分34を有する並行コントロールチャンネル32A、32Bおよび32C(全て幻像で示される)は、上記に説明されるように、任意のアレイの反応ウェル80A、80B、80Cまたは80Dの中へ流体フローF1およびF2を選択的に導くが、コントロールライン32Cおよび32Dの加圧はそれぞれフローF2およびF1を選択的に遮断する。   The concept of selectively controlling the introduction of fluids into various addressable reaction chambers (FIGS. 17A-17D) disposed along the flow line is a fluid flow through one or more parallel flow lines. Coupled with the concept of selectively controlling flow (FIG. 16), it can form a system in which a fluid sample can be routed to any particular reaction chamber in an array of reaction chambers. An example of such a system is provided in FIG. 18, in which parallel control channels 32A, 32B and 32C (all shown in phantom) with an enlarged portion 34 are arranged in any array, as described above. The fluid flows F1 and F2 are selectively directed into the reaction wells 80A, 80B, 80C or 80D, while pressurization of the control lines 32C and 32D selectively blocks the flows F2 and F1, respectively.

なお別の新規の実施形態において、並行フローチャンネルの間の流体の通行が可能である。図19を参照して、コントロールライン32Aまたは32Dのどちらか一方または両方を減圧して、その結果、後方の通路35(並行フローチャンネル30Aと30Bとの間)を通る流体フローを可能とする。本発明のこの局面において、コントロールライン32Cおよび32Dの加圧は、後方通路35Aと35Bとの間のフローチャンネル30Aを遮断し、そしてまた後方通路35Bを遮断する。このように、フローF1のようなフローの流入は、30A、35Aを通って連続的に移動し、そしてフローF4として30Bを残す。   In yet another novel embodiment, fluid passage between parallel flow channels is possible. Referring to FIG. 19, either or both of control lines 32A or 32D are depressurized, thereby allowing fluid flow through rear passage 35 (between parallel flow channels 30A and 30B). In this aspect of the invention, pressurization of the control lines 32C and 32D blocks the flow channel 30A between the rear passages 35A and 35B and also blocks the rear passage 35B. Thus, the inflow of flow, such as flow F1, moves continuously through 30A, 35A, leaving 30B as flow F4.

(10.切り換え可能なフローアレイ)
なお別の新規な実施形態において、流体の通行は2つの直交方向のどちらか一方に流れるように選択的に導かれ得る。このような「切り換え可能なフローアレイ」システムの例を、図20A〜20Dに提供する。図20Aは、固体支柱92のアレイ(各支柱はその周りにフローチャンネルを通過させる)によって規定されるフローチャンネルグリッドを形成する凹部の様式で底部表面を有する、エラストマー90(または任意の他の適切な基材)の第1層の底面図を示す。
(10. Switchable flow array)
In yet another novel embodiment, fluid traffic can be selectively directed to flow in either of two orthogonal directions. An example of such a “switchable flow array” system is provided in FIGS. FIG. 20A illustrates an elastomer 90 (or any other suitable) having a bottom surface in the form of a recess that forms a flow channel grid defined by an array of solid columns 92 (each column passing a flow channel therethrough). The bottom view of the 1st layer of a base material) is shown.

好ましい局面において、エラストマーのさらなる層を、層90の表面上に結合して、その結果、流体フローが方向F1または直行方向F2のどちらかに移動するよう選択的に導かれ得る。図20は、エラストマー95の第2層の底部表面の底面図であり、交互性の「垂直」コントロールライン96および「水平」コントロールライン94の形に形成された凹部を示す。「垂直」コントロールライン96は、エラストマー層に沿って同じ幅を有するが、一方で「水平」コントロールライン94は、示されるように、交互性の幅広部分および狭部分を有する。   In a preferred aspect, an additional layer of elastomer can be bonded onto the surface of layer 90 so that fluid flow can be selectively directed to move in either direction F1 or orthogonal direction F2. FIG. 20 is a bottom view of the bottom surface of the second layer of elastomer 95, showing recesses formed in alternating “vertical” control lines 96 and “horizontal” control lines 94. The “vertical” control line 96 has the same width along the elastomeric layer, while the “horizontal” control line 94 has alternating wide and narrow portions, as shown.

エラストマー層95は、エラストマー層90の上方に位置し、その結果、「垂直」コントロールライン96は図20C中に示されるように支柱92の上方に配置され、そして「水平」コントロールライン94は、図20D中に示されるように、支柱92の間に幅広部分を用いて配置される。   The elastomer layer 95 is located above the elastomer layer 90 so that the “vertical” control line 96 is positioned above the post 92 as shown in FIG. 20C and the “horizontal” control line 94 is shown in FIG. As shown in 20D, they are placed between the struts 92 using wide portions.

図20C中に示されるように、「垂直」コントロールライン96が加圧される場合、領域98において層90と95との間に初期配置されるエラストマー層によって形成される統合構造体の膜は、フローチャンネルのアレイの上方で、下方向に歪められ、その結果、示されるように、流入フロー(flow in)はフロー方向F2(すなわち、垂直方向)でのみ通過し得る。   As shown in FIG. 20C, when the “vertical” control line 96 is pressurized, the membrane of the integrated structure formed by the elastomer layer initially placed between the layers 90 and 95 in the region 98 is Above the array of flow channels, it is distorted downward so that, as shown, the flow in can only pass in the flow direction F2 (ie, the vertical direction).

図20D中に見られ得るように、「水平」コントロールライン94が加圧される場合、領域99において層90と95との間に初期配置されるエラストマー層によって形成される統合構造体の膜は、フローチャンネルのアレイの上方で(しかし、それらが最も幅広い領域でのみ)、下方向に歪められ、その結果、示されるように、流入フローはフロー方向F1(すなわち、水平方向)でのみ通過し得る。   As can be seen in FIG. 20D, when the “horizontal” control line 94 is pressurized, the membrane of the integrated structure formed by the elastomer layer initially placed between layers 90 and 95 in region 99 is , Above the array of flow channels (but only in the widest area), distorted downward, so that the inflow flows only in the flow direction F1 (ie, the horizontal direction) as shown. obtain.

図20中に示される設計によって、切り換え可能なフローアレイが、異なるエラストマー層においてコントロールライン間に通じる垂直の偏向(vias)を全く必要とせずに、2つのみのエラストマー層から構築され得る。全ての垂直フローコントロールライン94が接続される場合、これらのラインは1つの入力から加圧され得る。すべての水平フローコントロールライン96についても、同じことが成立する。   With the design shown in FIG. 20, a switchable flow array can be constructed from only two elastomer layers without requiring any vertical vias between the control lines in the different elastomer layers. If all vertical flow control lines 94 are connected, these lines can be pressurized from one input. The same is true for all horizontal flow control lines 96.

(11.通常は閉じたバルブ構造体)
上記の図7Bおよび7Hは、エラストマー膜が第1の弛緩位置から第2の作動位置(この位置でフローチャンネルがブロックされる)に移動可能であるバルブ構造を図示する。しかし、本発明はこの特定のバルブ構成に限定されない。
(11. Normally closed valve structure)
FIGS. 7B and 7H above illustrate a valve structure in which the elastomeric membrane can be moved from a first relaxed position to a second actuated position (where the flow channel is blocked). However, the present invention is not limited to this particular valve configuration.

図21A〜21Jは、エラストマー膜が、フローチャンネルを妨げる第1の弛緩位置から、負の制御圧を利用してフローチャンネルを開放する第2の作動位置に移動可能である、通常は閉じたバルブ構造の種々の図面を示す。   FIGS. 21A-21J show a normally closed valve in which the elastomeric membrane can be moved from a first relaxed position that obstructs the flow channel to a second operating position that utilizes a negative control pressure to open the flow channel. Figure 2 shows various drawings of the structure.

非作動状態の通常は閉じたバルブ4200について、図21Aは平面図を示し、そして図21Bは線42B〜42B’に沿った断面図を示す。フローチャンネル4202およびコントロールチャンネル4204は、基材4205の上を覆うエラストマーブロック4206において形成される。フローチャンネル4202は、仕切り部分4208によって分けられる第1部分4202aおよび第2部分4202bを備える。コントロールチャンネル4204は、仕切り部分4208の上を覆う。図42B中に示されるように、弛緩した非作動位置において、仕切り部分4008は、フローチャンネル部分4202aと4202bとの間に依然として配置され、フローチャンネル4202を妨げる。   For a normally closed valve 4200 in a non-actuated state, FIG. 21A shows a top view and FIG. 21B shows a cross-sectional view along line 42B-42B '. The flow channel 4202 and control channel 4204 are formed in an elastomeric block 4206 that overlies the substrate 4205. The flow channel 4202 includes a first portion 4202a and a second portion 4202b separated by a partition portion 4208. The control channel 4204 covers the partition portion 4208. As shown in FIG. 42B, in the relaxed inoperative position, the partition portion 4008 is still disposed between the flow channel portions 4202a and 4202b and obstructs the flow channel 4202.

図21Cは、バルブ4200の断面図を示し、ここで、仕切り部分4208は作動位置にある。コントロールチャンネル4204内の圧力が低減されて(例えば、減圧ポンプによって)フローチャンネル中の圧力を下回る場合、仕切り部分4208は作動力を受けて仕切り部分4208をコントロールチャンネル4204の中へと引き出す。この作動力の結果、膜4208はコントロールチャンネル4204の中に突出して、これによってフローチャンネル4202を通る材料の流れに対する妨げを除去し、そして通路4203を形成する。コントロールチャンネル4204内での圧力上昇の際に、仕切り部分4208は本来の位置に配置され、フローチャンネル4202の中への戻りを緩和し、そしてフローチャンネル4202を遮断する。   FIG. 21C shows a cross-sectional view of valve 4200, where partition portion 4208 is in the activated position. When the pressure in the control channel 4204 is reduced (eg, by a vacuum pump) below the pressure in the flow channel, the partition portion 4208 receives an actuation force and pulls the partition portion 4208 into the control channel 4204. As a result of this actuation force, the membrane 4208 protrudes into the control channel 4204, thereby removing any obstruction to the flow of material through the flow channel 4202 and forming a passage 4203. Upon pressure increase in the control channel 4204, the partition portion 4208 is placed in place, mitigating return into the flow channel 4202 and blocking the flow channel 4202.

作動力に応じた膜の挙動は、上に位置するコントロールチャンネルの幅を変化させることによって変更され得る。従って、図21D〜42Hは、コントロールチャンネル4207が仕切り部分4208よりも実質的に幅広い場合の、通常は閉じたバルブ4201の代替的な実施形態の、平面図および断面図を示す。図21Dの線42E−42E’の線に沿った図21E〜Fの断面図中に示されるように、エラストマー材料のより大きな範囲が作動中に移動されることが必要とされるので、適用に必要な作動力は低減される。   The behavior of the membrane in response to the actuation force can be altered by changing the width of the overlying control channel. Accordingly, FIGS. 21D-42H show top and cross-sectional views of an alternative embodiment of a normally closed valve 4201 where the control channel 4207 is substantially wider than the divider portion 4208. As shown in the cross-sectional views of FIGS. 21E-F along line 42E-42E ′ of FIG. 21D, a larger range of elastomeric material is required to be moved during operation, so that The required actuation force is reduced.

図21GおよびHは、図21Dの線40G−40G’に沿った断面図を示す。図21G中に示される非作動のバルブ構成と比較して、図21Hは、より幅広なコントロールチャンネル4207内で低減された圧力が、特定の状況下で、上に位置するエラストマー材料4206を牽引して基材4205から離すという所望されない効果を有し得、これによって所望されない気泡4212を生成し得る。   21G and H show cross-sectional views along line 40G-40G 'in FIG. 21D. Compared to the non-actuated valve configuration shown in FIG. 21G, FIG. 21H shows that the reduced pressure in the wider control channel 4207 pulls the overlying elastomeric material 4206 under certain circumstances. May have an undesirable effect of separating from the substrate 4205, which may produce an undesirable bubble 4212.

従って、仕切り部分4208に重なるセグメント4204a中を除いて最小限の幅を有するコントロールライン4204を特徴として有することによってこの問題を回避する、バルブ構造体4220について、図21Iは平面図を示し、そして図21Jは図21Iの線21J−21J’に沿った断面図を示す。図21J中に示されるように、作動条件下ですら、コントロールチャンネル4204のより狭い断面は、上に位置するエラストマー材料4206上の引力を低減させて、これによって、このエラストマー材料が基材4205から引き剥がされること、および所望されない気泡を生成することを妨げる。   Thus, for valve structure 4220 that avoids this problem by featuring a control line 4204 having a minimum width except in segment 4204a that overlaps partition portion 4208, FIG. 21I shows a plan view and FIG. 21J shows a cross-sectional view along the line 21J-21J ′ in FIG. 21I. As shown in FIG. 21J, even under operating conditions, the narrower cross section of the control channel 4204 reduces the attractive force on the overlying elastomeric material 4206, which causes the elastomeric material to move away from the substrate 4205. Prevents tearing off and creating unwanted bubbles.

圧力に応じて作動される、通常は閉じられるバルブ構造体は、図21A〜21J中に示されるが、本発明に従う通常は閉じられるバルブは、この構成に限定されない。例えば、フローチャンネルを遮断する仕切り部分は、代替的に、上記で頻繁に記載されるように、電場または磁場によって操作され得る。   A normally closed valve structure that is actuated in response to pressure is shown in FIGS. 21A-21J, but a normally closed valve according to the present invention is not limited to this configuration. For example, the partition portion that blocks the flow channel can alternatively be manipulated by an electric or magnetic field, as frequently described above.

(12.側方作動(side−activated)バルブ)
上記の説明は、コントロールチャンネルが下に位置するフローチャンネルから、介在エラストマー膜の上方に配置され、そして介在エラストマー膜によって分けられる、微細製作されたエラストマーバルブ構造体に着目したが、本発明はこの構造に限定されない。図22Aおよび22Bは、本発明の1つの実施形態に従う、側方作動バルブ構造体の1つの実施形態の平面図を示す。
(12. Side-activated valve)
While the above description has focused on a microfabricated elastomeric valve structure that is located above the intervening elastomeric membrane and separated by the intervening elastomeric membrane from the flow channel under which the control channel is located, the present invention is directed to this It is not limited to the structure. 22A and 22B show a plan view of one embodiment of a side-actuated valve structure in accordance with one embodiment of the present invention.

図22Aは、非作動位置における側方作動バルブ構造体4800を示す。フローチャンネル4802は、エラストマー層4804中に形成される。フローチャンネル4802に接しているコントロールチャンネル4806もまた、エラストマー層4804中に形成される。コントロールチャンネル4806は、エラストマー膜部分4808によってフローチャンネル4802から分けられる。第2のエラストマー層(示さず)は底面のエラストマー層4804の上に結合されて、フローチャンネル4802およびコントロールチャンネル4806を閉塞する。   FIG. 22A shows the side-actuated valve structure 4800 in the inoperative position. A flow channel 4802 is formed in the elastomeric layer 4804. A control channel 4806 in contact with the flow channel 4802 is also formed in the elastomeric layer 4804. Control channel 4806 is separated from flow channel 4802 by an elastomeric membrane portion 4808. A second elastomer layer (not shown) is bonded over the bottom elastomer layer 4804 to occlude the flow channel 4802 and the control channel 4806.

図22Bは、作動位置における側方作動バルブ4800を示す。コントロールチャンネル4806内の圧力の増進に応じて、膜4808はフローチャンネル4802の中へと変形して、フローチャンネル4802を遮断する。コントロールチャンネル4806内の圧力の開放に際して、膜4808は弛緩してコントロールチャンネル4806内へと戻り、そしてフローチャンネル4802を開く。   FIG. 22B shows the side actuated valve 4800 in the actuated position. In response to the increased pressure in the control channel 4806, the membrane 4808 deforms into the flow channel 4802 and blocks the flow channel 4802. Upon release of pressure in control channel 4806, membrane 4808 relaxes back into control channel 4806 and opens flow channel 4802.

圧力に応じて作動される側方作動バルブ構造体は図22Aおよび図22B中に示されるが、本発明に従う側方作動バルブはこの構造に限定されない。例えば、隣接するフローチャンネルとコントロールチャンネルとの間に位置するエラストマー膜部分は、代替的に、上記で頻繁に記載されるように、電場または磁場によって操作され得る。   Although a side actuated valve structure that is activated in response to pressure is shown in FIGS. 22A and 22B, the side actuated valve according to the present invention is not limited to this structure. For example, an elastomeric membrane portion located between adjacent flow and control channels can alternatively be manipulated by an electric or magnetic field, as frequently described above.

(13.複合構造体)
本発明の微細製作されたエラストマー構造体は、非エラストマー材料と組み合わされて複合構造体を形成し得る。図23は、本発明に従う複合構造体の1つの実施形態の断面図を示す。図23は、内部に形成されるチャンネル5706を有する半導体型の基材5704に重なる第1の薄いエラストマー層5702を備える、複合バルブ構造体5700を示す。第2のより薄いエラストマー層5708は、第1エラストマー層5702に重なる。チャンネル5706内へと駆動するための第1エラストマー層5702の作動は、複合構造体5700をバルブとして機能させる。
(13. Composite structure)
The microfabricated elastomeric structures of the present invention can be combined with non-elastomeric materials to form composite structures. FIG. 23 shows a cross-sectional view of one embodiment of a composite structure in accordance with the present invention. FIG. 23 shows a composite valve structure 5700 comprising a first thin elastomeric layer 5702 overlying a semiconducting substrate 5704 having a channel 5706 formed therein. The second thinner elastomer layer 5708 overlies the first elastomer layer 5702. Actuation of the first elastomer layer 5702 to drive into the channel 5706 causes the composite structure 5700 to function as a valve.

図24は、この主題に対する多様性の断面図を示し、ここで、薄いエラストマー層5802は、2つの硬い半導体基材5804と5806との間に挟まれ、チャンネル5808を特徴付けるより下方の基材5804を備える。さらに、チャンネル5808内へと駆動するための薄いエラストマー層5802の作動は、複合構造体5810をバルブとして機能させる。   FIG. 24 shows a cross-sectional view of the diversity for this subject, where a thin elastomeric layer 5802 is sandwiched between two hard semiconductor substrates 5804 and 5806 and the lower substrate 5804 characterizing the channel 5808. Is provided. Further, actuation of the thin elastomeric layer 5802 to drive into the channel 5808 causes the composite structure 5810 to function as a valve.

図23または24中に示される構造体は、上記の多層柔軟リソグラフィー技術またはカプセル化技術のどちらか一方を利用して組み立てられ得る。多層柔軟リソグラフィー方法において、エラストマー層を形成して、次いでチャンネルを有する半導体基材上に配置される。カプセル化方法において、そのチャンネルは最初に半導体基材中に形成され、次いでそのチャンネルは感光性耐食膜(photoresist)のような犠牲材料で満たされる。次いでこのエラストマーを基材上に適切に形成し、犠牲材料の除去でエラストマー膜によって重ねられるチャンネルを形成する。エラストマーの他の型の材料への接着と組み合わせについて以下に詳細に考察されるように、カプセル化アプローチは、エラストマー膜成分と上に重なる非エラストマー基材成分との間のより強固な接着を生じ得る。   The structure shown in FIG. 23 or 24 can be assembled utilizing either the multi-layer flexible lithography technique or the encapsulation technique described above. In a multilayer flexible lithography method, an elastomer layer is formed and then placed on a semiconductor substrate having channels. In the encapsulation method, the channel is first formed in a semiconductor substrate and then the channel is filled with a sacrificial material such as a photosensitive corrosion resist. This elastomer is then suitably formed on the substrate to form a channel that is overlaid by the elastomeric membrane upon removal of the sacrificial material. As discussed in detail below for adhesion and combination of elastomers to other types of materials, the encapsulation approach results in a stronger bond between the elastomeric membrane component and the overlying non-elastomeric substrate component. obtain.

図23および24中に示されるように、本発明の実施形態に従う複合構造体は、チャンネルのような透過性特徴を有する硬い基材を含み得る。しかし、本発明はこのアプローチに限定されず、そして上に重ねられる硬い基材は、凹部を有するエラストマー成分と相互作用する活性の特徴を有し得る。このことは、図25中に示され、ここで、複合構造体5900は、壁5906および天井5908を有する凹部5904を備えるエラストマー成分5902を備える。天井5908は、可撓性膜部分5909を形成する。エラストマー成分5902は、活性化デバイス5912を備える、実質的に平面な非エラストマー成分5910に対してシールされる。活性デバイス5912は、凹部5904および/または可撓性膜部分5909に存在する材料と相互作用し得る。   As shown in FIGS. 23 and 24, a composite structure according to an embodiment of the present invention may include a rigid substrate having permeable characteristics such as channels. However, the present invention is not limited to this approach, and the hard substrate overlaid may have an active feature that interacts with an elastomer component having a recess. This is shown in FIG. 25, where the composite structure 5900 comprises an elastomeric component 5902 comprising a recess 5904 having a wall 5906 and a ceiling 5908. The ceiling 5908 forms a flexible membrane portion 5909. Elastomeric component 5902 is sealed against a substantially planar non-elastomeric component 5910 comprising an activation device 5912. The active device 5912 can interact with the material present in the recess 5904 and / or the flexible membrane portion 5909.

多くの型の活性構造体が、非エラストマー基材に存在する.重なっている硬い基材において存在し得る活性構造体としては、レジスタ、キャパシタ、フォトダイオード、トランジスタ、化学電界効果トランジスター(chem FET)、電流的/電量的電気化学センサー、光ファイバー、光ファイバー相互接続、光励起ダイオード、レーザーダイオード、鉛直空洞表面励起レーザー(VCSEL)、微細鏡(micromirror)、加速度計、圧力型、流量計、CMOS画像化アレイ、CCDカメラ、電子論理回路、マイクロプロセッサ、サーミスタ、ペルチェクーラー、導波管、抵抗型ヒーター、化学センサー、歪みゲージ、インダクター、アクチュエーター(静電気的、磁性、電磁的、異種金属性、圧電的、形状記憶合金ベース、およびその他を含む)、コイル、磁石、電磁石、磁場センサ(ハードドライブ、超伝導量子干渉デバイス(SQUID)および他の型において使用されるセンサ)、無線周波数ソースおよびレシーバー、マイクロ波周波数ソースおよびレシーバー、電磁スペクトルの他の領域についてのソースおよびレシーバー、放射活性粒子カウンター、ならびに電位計が挙げられるが、これらに限定されない。   Many types of active structures exist in non-elastomeric substrates. Active structures that can exist in overlapping hard substrates include resistors, capacitors, photodiodes, transistors, chemical field effect transistors (chem FETs), galvano / electrochemical sensors, optical fibers, fiber optic interconnects, photoexcitation Diode, laser diode, vertical cavity surface excitation laser (VCSEL), micromirror, accelerometer, pressure type, flow meter, CMOS imaging array, CCD camera, electronic logic circuit, microprocessor, thermistor, Peltier cooler, lead Wave tubes, resistive heaters, chemical sensors, strain gauges, inductors, actuators (including electrostatic, magnetic, electromagnetic, dissimilar metal, piezoelectric, shape memory alloy bases, etc.), coils, magnets, electromagnets, magnetic fields Sensor Hard drives, superconducting quantum interference devices (SQUIDs and sensors used in other types), radio frequency sources and receivers, microwave frequency sources and receivers, sources and receivers for other regions of the electromagnetic spectrum, radioactive particles Examples include, but are not limited to, counters, as well as electrometers.

当該分野で周知の通り、多くの種々の技術を使用して、半導体および他の型の硬い基材において能動的特徴を組み込み得、プリント回路基板(PCB)技術、CMOS、表面微細加工、バルク微細加工、プリント可能なポリマーエレクトロニクス、ならびにTFTおよびその他アモルファス/多結晶技術(ラップトップディスプレイおよび平面スクリーンディスプレイに組み込むために使用される)が挙げられるが、これらに限定されない。   As is well known in the art, many different techniques can be used to incorporate active features in semiconductors and other types of hard substrates, such as printed circuit board (PCB) technology, CMOS, surface microfabrication, bulk microfabrication. Processing includes, but is not limited to, printable polymer electronics, and TFT and other amorphous / polycrystalline technologies (used for incorporation into laptop and flat screen displays).

種々のアプローチが非エラストマー基材に対してエラストマー構造体を封着するために使用され得、これらのアプローチは、複合構造体について、エラストマー成分と非エラストマー成分との間のファンデルワールス結合の形成から、エラストマー成分と非エラストマー成分との間の共有結合またはイオン結合の形成までの範囲に渡る。これら成分を一緒にシールするための例示的なアプローチは、以下に考察され、大抵は強度を向上させることを目的とする。   Various approaches can be used to seal the elastomeric structure to the non-elastomeric substrate, and these approaches, for composite structures, form van der Waals bonds between the elastomeric and non-elastomeric components. To the formation of covalent or ionic bonds between elastomeric and non-elastomeric components. Exemplary approaches for sealing these components together are discussed below and are mostly aimed at improving strength.

第1アプローチは、実質的に平坦なエラストマー層を配置して、より硬い非エラストマー材料の実質的に平坦な層と接触する場合に形成されるファンデルワールス力から生じる、簡単なハーメチックシールに依存することである。1つの実施形態において、RTVエラストマーのガラス基材への接着は、約3〜4psiの圧力まで耐え得る複合構造体を形成した。このことは、多くの潜在的な適用について十分であり得る。   The first approach relies on a simple hermetic seal resulting from van der Waals forces that are formed when a substantially flat elastomer layer is placed in contact with a substantially flat layer of a harder non-elastomeric material. It is to be. In one embodiment, the adhesion of the RTV elastomer to the glass substrate formed a composite structure that can withstand pressures of about 3-4 psi. This can be sufficient for many potential applications.

第2のアプローチは、液体層を利用して結合を補助することである。このことの1つの例は、エラストマーを硬質ガラス基材に結合させることに関し、ここで、弱酸溶液(HO中に5μlのHCl、pH2)をガラス基材に適用する。次いでエラストマー成分を配置してガラス基材と接触させ、そしてその複合構造体を37℃でベーキングして水分を除去する。これより、約20psiの圧力に耐え得るエラストマーと非エラストマーとの間の結合が生じる。この場合、酸はガラス表面上に存在するシラノール基を中和し得、このことはエラストマーおよび非エラストマーを、互いに良好なファンデルワールス接触を可能にし得る。 The second approach is to use a liquid layer to aid in bonding. One example of this relates to bonding an elastomer to a hard glass substrate, where a weak acid solution (5 μl HCl in H 2 O, pH 2) is applied to the glass substrate. The elastomer component is then placed in contact with the glass substrate and the composite structure is baked at 37 ° C. to remove moisture. This results in a bond between elastomer and non-elastomer that can withstand a pressure of about 20 psi. In this case, the acid can neutralize the silanol groups present on the glass surface, which can allow elastomers and non-elastomers to make good van der Waals contact with each other.

エタノールへの曝露もまた、デバイス成分を一緒に接着させ得る。1つの実施形態において、RTVエラストマー材料およびガラス基材をエタノールで洗浄し、次いで窒素雰囲気下で乾燥させる。ついで、このRTVエラストマーを配置してガラスと接触させ、そしてこの組み合わせを80℃で3時間ベーキングする。必要に応じて、このRTVをまた真空に曝して、スライドとRTVとの間に閉じ込められた全ての気泡を取り除き得る。この方法を使用したエラストマーとガラスとの間の結合強度は、過剰の35psiの圧力に耐えた。この方法を使用して形成された接着は、永続的ではなく、そしてエラストマーはガラスから剥離され得、洗浄してそしてガラスに再シールされ得る。このエタノール洗浄アプローチをまた使用して、エラストマーの良好な層を互いに十分な強度で結合させて、30psiの圧力に耐え得た。代替の実施形態において、他のアルコールまたはジオールのような化学物質を使用して、層の間の接着を増進し得る。   Exposure to ethanol can also cause device components to adhere together. In one embodiment, the RTV elastomer material and glass substrate are washed with ethanol and then dried under a nitrogen atmosphere. The RTV elastomer is then placed in contact with the glass and the combination is baked at 80 ° C. for 3 hours. If necessary, the RTV can also be exposed to a vacuum to remove any air bubbles trapped between the slide and the RTV. The bond strength between the elastomer and glass using this method withstood an excess of 35 psi of pressure. The bond formed using this method is not permanent and the elastomer can be peeled from the glass, washed and resealed to the glass. This ethanol wash approach was also used to bond good layers of elastomers together with sufficient strength to withstand a pressure of 30 psi. In alternative embodiments, chemicals such as other alcohols or diols may be used to enhance adhesion between layers.

本発明に従う、微細製作される構造体の層の間の接着を増進させる方法の実施形態は、第1成分層の表面を化学物質に曝す工程、第2成分層の表面を化学物質に曝す工程、および第1成分層の表面を配置して第2のエラストマー層の表面と接触させる工程を包含する。   Embodiments of a method for enhancing adhesion between layers of a microfabricated structure according to the present invention include exposing a surface of a first component layer to a chemical, exposing a surface of a second component layer to a chemical And placing the surface of the first component layer into contact with the surface of the second elastomer layer.

第3のアプローチは、エラストマー成分と非エラストマー成分の表面上に導入された官能基との間の共有化学結合を形成することである。このような官能基を生成するための、非エラストマー基材表面の誘導体化の例は、ガラス基材をビニルシランまたはアミノプロピルトリエトキシシラン(APTES)のような薬剤に曝露する工程を含み、このことは、シリコーンエラストマー材料およびポリウレタンエラストマー材料それぞれに対するこのガラス基材の結合を可能とするために、有用であり得る。   A third approach is to form a covalent chemical bond between the elastomeric component and the functional group introduced on the surface of the non-elastomeric component. An example of derivatization of a non-elastomeric substrate surface to generate such functional groups includes exposing a glass substrate to an agent such as vinyl silane or aminopropyltriethoxysilane (APTES), which May be useful to allow bonding of this glass substrate to silicone elastomer material and polyurethane elastomer material, respectively.

第4のアプローチは、エラストマー成分と、非エラストマー成分の表面に元から在る官能基との間の共有化学結合を形成することである。例えば、RTVエラストマーは、その表面に過剰のビニル基を有して形成され得る。これらのビニル基は、硬基材材料の外面上に存在する、対応する官能基と反応させられ得、例えば、エッチングによって元から在る酸素の除去後に単一シリコン結晶基材の表面上に一般的に在るSi−H結合が挙げられる。この例において、エラストマー成分と非エラストマー成分との間に形成される結合の強度は、エラストマー成分の材料強度を越えることが観察された。   A fourth approach is to form a covalent chemical bond between the elastomeric component and the functional groups that are native to the surface of the non-elastomeric component. For example, RTV elastomers can be formed with excess vinyl groups on their surface. These vinyl groups can be reacted with corresponding functional groups present on the outer surface of the hard substrate material, for example, generally on the surface of a single silicon crystal substrate after removal of the native oxygen by etching. The Si-H bond which exists in particular is mentioned. In this example, it has been observed that the strength of the bond formed between the elastomeric component and the non-elastomeric component exceeds the material strength of the elastomeric component.

(14.セルペン/セルケージ)
本発明のなおさらなる適用において、エラストマー構造体を利用して、生物体または他の生物学的な材料を操作し得る。図26A〜26Dは、本発明に従うセルペン構造体の1つの実施形態の平面図を示す。
(14. Serpen / Cell cage)
In still further applications of the present invention, elastomeric structures may be utilized to manipulate organisms or other biological materials. 26A-26D show plan views of one embodiment of a serpen structure according to the present invention.

セルペンアレイ(cell pen array)4400は、直交に配向されたフローチャネル4402のアレイを特徴とし、交互したフローチャネルの交差点にて、細長「ペン」構造4404を有する。バルブ4406が、各ペン構造4404の入口および出口に配置される。蠕動ポンプ構造4408が、各水平フローチャネルおよびセルペン構造を欠く垂直フローチャネル上に配置される。   The cell pen array 4400 features an array of orthogonally oriented flow channels 4402 having elongated “pen” structures 4404 at the intersection of alternating flow channels. Valves 4406 are located at the entrance and exit of each pen structure 4404. A peristaltic pump structure 4408 is disposed on the vertical flow channel that lacks each horizontal flow channel and serpen structure.

図26Aのセルペンアレイ4400は、先に区別したセルA〜Hを装填している。図26B〜26Cは、個々に貯蔵されたセルCの、以下の1)〜3)によるアクセスおよび除去を示す:1)隣接したペン4404aおよび4404bのいずれかの側へバルブ4406を操作する、2)水平フローチャネル4402aをポンピングして、セルCとGとを置換する、次いで、3)垂直フローチャネル4402bをポンピングして、セルCを除去する。図26Dは、水平フローチャネル4402aを通る液体の流れの方向を反転させることによって、第二セルGがセルペンアレイ4400の以前の位置に戻ることを示している。   The cell pen array 4400 of FIG. 26A is loaded with the cells A to H previously distinguished. FIGS. 26B-26C show access and removal of individually stored cell C according to 1) -3) below: 1) Operate valve 4406 to either side of adjacent pens 4404a and 4404b; ) Pump horizontal flow channel 4402a to replace cells C and G; then 3) Pump vertical flow channel 4402b to remove cell C. FIG. 26D shows that the second cell G returns to the previous position of the cell pen array 4400 by reversing the direction of liquid flow through the horizontal flow channel 4402a.

上記のセルペンアレイ4404は、アクセスできるような、選択されたアドレス可能な位置内で材料を貯蔵し得る。しかしながら、細胞のような生存生体は、生存可能なままでいるために、食物の連続的な取り込みおよび廃棄物の排出を必要とし得る。従って、図27Aおよび27Bは、本発明に従うセルケージ構造の1つの実施形態の、それぞれ平面図および(線45B−45B’に沿った)断面図を示す。   The cell pen array 4404 described above may store material in selected addressable locations that can be accessed. However, living organisms such as cells may require continuous uptake of food and waste output in order to remain viable. Accordingly, FIGS. 27A and 27B show a plan view and a cross-sectional view (along line 45B-45B '), respectively, of one embodiment of a cell cage structure according to the present invention.

セルケージ4500は、基材4505と接触して、エラストマーブロック4503内でフローチャネル4501の細長部分4500aとして形成される。セルケージ4500は、セルケージ4500の端部4500bおよび4500cが内部領域4500aを完全には閉鎖していないことを除いては、図26A〜26Dにおいて上記のような個々のセルペンと類似している。むしろ、ケージ4500の端部4500aおよび4500bは、格納可能な複数のピラー4502により形成されている。ピラー4502は、図21A〜21Jとともに広範に上記したように、通常は閉鎖されたバルブ構造の膜構造体の一部であり得る。   The cell cage 4500 is formed as an elongated portion 4500a of the flow channel 4501 within the elastomer block 4503 in contact with the substrate 4505. Cell cage 4500 is similar to the individual cell pens as described above in FIGS. 26A-26D, except that ends 4500b and 4500c of cell cage 4500 do not completely close interior region 4500a. Rather, the ends 4500a and 4500b of the cage 4500 are formed by a plurality of retractable pillars 4502. The pillar 4502 may be part of a normally closed valve structure membrane structure, as broadly described above in conjunction with FIGS.

詳細には、コントロールチャネル4504が、ピラー4502を覆っている。コントロールチャネル4504の圧力が減少された場合、エラストマーピラー4502は、コントロールチャネル4504内に上向きに引き込まれ、それによって、セルケージ4500の端4500bが開き、細胞が侵入するのを可能にする。コントロールチャネル4504の圧力が上昇した場合、ピラー4502は、基材4505に対して下向きに緩み、細胞がケージ4500から出るのを防止する。   Specifically, a control channel 4504 covers the pillar 4502. When the pressure in the control channel 4504 is reduced, the elastomeric pillar 4502 is drawn upwards into the control channel 4504, thereby opening the end 4500b of the cell cage 4500 and allowing cells to enter. When the pressure in the control channel 4504 increases, the pillar 4502 loosens downward relative to the substrate 4505 and prevents cells from exiting the cage 4500.

エラストマーピラー4502は、ケージ4500から細胞が移動するのを防止するのに十分な大きさおよび数のものであるが、貯蔵される細胞を維持するためにケージ内部4500a内への栄養素の流動を可能にするギャップ4508もまた備える。対向する端部4500c上のピラー4502は、第二のコーティングチャネル4506の下に同様に配置され、ケージの開口および所望の細胞の取り出しを可能にする。   Elastomeric pillar 4502 is of sufficient size and number to prevent migration of cells from cage 4500, but allows nutrients to flow into cage interior 4500a to maintain stored cells A gap 4508 is also provided. Pillars 4502 on opposing ends 4500c are similarly positioned below the second coating channel 4506 to allow for opening of the cage and removal of the desired cells.

図26A〜26Dに示される、例示される直交流チャネルアーキテクチャを使用して、まさに記載されるセルペン以外の機能を達成し得る。例えば、この直交硫チャネルアーキテクチャは、混合適用の際に利用される。   The illustrated cross-flow channel architecture shown in FIGS. 26A-26D can be used to achieve functions other than the just described serpen. For example, this orthogonal sulfur channel architecture is utilized in mixed applications.

これは、図28A〜Bに示されており、この図は、本発明の別の実施形態に従う微細製作(microfabricated)構造によって達成される混合工程の平面図を示す。詳細には、微細製作混合構造の一部7400は、第二フローチャネル7404と直交しかつこのチャネルと交差した、第一フローチャネル7402を備える。コントロールチャネル7406が、フローチャネル7402および7404を覆い、そして各交差点7412を取り囲むバルブ対7408a〜bおよび7408c〜dを形成する。   This is illustrated in FIGS. 28A-B, which shows a top view of the mixing process achieved by a microfabricated structure according to another embodiment of the present invention. Specifically, the portion 7400 of the microfabricated mixed structure comprises a first flow channel 7402 that is orthogonal to and intersects the second flow channel 7404. A control channel 7406 covers the flow channels 7402 and 7404 and forms a valve pair 7408a-b and 7408c-d surrounding each intersection 7412.

図28Aに示されるように、バルブ対7408c〜dを閉めたままバルブ対7408a〜bを最初に開くと、流体サンプル7410は、フローチャネル7402を通って交差点7412に流れる。次いで、バルブ対7408c〜dを作動させ、交差点7412にて流体サンプル7410を捕捉する。   As shown in FIG. 28A, when valve pair 7408a-b is first opened with valve pair 7408c-d closed, fluid sample 7410 flows through flow channel 7402 to intersection 7412. Valve pair 7408c-d is then activated and fluid sample 7410 is captured at intersection 7412.

次に、図28Bに示されるように、バルブ対7408a〜bおよび7408c〜dを開くと、その結果、流体サンプル7410は、交差点7412から、流体の直交流を運搬する流体チャネル7404内に注入される。図28A〜Bに示されるプロセスは、任意の数の流体サンプルを直交流チャネル7404に正確に分配するように繰り返され得る。図44は、本発明に従う直交流注入システムの1つの実施形態についての、Log(R/B)
対 注入されたスラグ数のプロットである。粘性のようなプロセスパラメータから、直交流注入によって測定される再現性および相対的な独立性は、図82によってさらに証明され、これは、種々の流動条件下での交差チャネル流動注入についての、注入容積 対 注入サイクル数のプロットである。図82は、直交流注入技術によって測定された容積が、一連の注入サイクルにわたって線形基準で増加することを示す。用量と注入サイクル数との間のこの線形関係は、上昇した流体粘度のような粘性パラメータ(25%グリセロールを加えることによって与えられる)、およびフローチャネルの長さ(1.0〜2.5cm)から相対的に独立している。
Next, as shown in FIG. 28B, opening valve pairs 7408a-b and 7408c-d results in fluid sample 7410 being injected from intersection 7412 into fluid channel 7404 carrying a cross flow of fluid. The The process shown in FIGS. 28A-B can be repeated to accurately dispense any number of fluid samples into the cross-flow channel 7404. FIG. 44 shows Log (R / B) for one embodiment of a cross flow injection system according to the present invention.
It is a plot of injected slag number. From process parameters such as viscosity, the reproducibility and relative independence measured by cross flow injection is further demonstrated by FIG. 82, which shows the injection for cross channel flow injection under various flow conditions. Figure 6 is a plot of volume versus number of injection cycles. FIG. 82 shows that the volume measured by the cross flow injection technique increases on a linear basis over a series of injection cycles. This linear relationship between dose and number of infusion cycles is related to viscosity parameters such as increased fluid viscosity (given by adding 25% glycerol), and flow channel length (1.0-2.5 cm) Relatively independent of

図28A〜28Bとともに上で示され記載された実施形態は、フローチャネル交差点の対向する側に連結バルブ対を使用しているが、これは、本発明に必要ではない。他の配置(交差点の隣接したバルブの連結を含む)、または交差点周辺の各バルブの独立した作動は、所望の流動特性を提供するのを可能にする。しかしながら、この独立したバルブの作動アプローチを用いると、各バルブのために別個のコントロール構造が使用され、デバイスの設計を複雑にすることが認識されるべきである。   Although the embodiment shown and described above in conjunction with FIGS. 28A-28B uses coupled valve pairs on opposite sides of the flow channel intersection, this is not required for the present invention. Other arrangements (including the coupling of adjacent valves at the intersection), or independent operation of each valve around the intersection, allows to provide the desired flow characteristics. However, it should be recognized that with this independent valve actuation approach, a separate control structure is used for each valve, complicating the design of the device.

(15.容積排除による測定)
多くの高スループットスクリーニングおよび診断適用は、反応チャンバ内での異なる試薬の正確な組み合わせを必要とする。流体の流れを確実にするためにマイクロ流体デバイスのチャネルをプライム(prime)することがしばしば必要とされる場合、混合溶液が、サンプルを導入する前に反応チャンバの含有量によって希釈も汚染もされないことを確実にすることは、困難であり得る。
(15. Measurement by volume exclusion)
Many high throughput screening and diagnostic applications require an accurate combination of different reagents within the reaction chamber. If it is often necessary to prime the channels of the microfluidic device to ensure fluid flow, the mixed solution is not diluted or contaminated by the content of the reaction chamber before introducing the sample Ensuring that can be difficult.

容積排除は、反応チャンバ内への流体の導入の正確な測定を可能にする、1つの技術である。このアプローチにおいて、反応チャンバは、サンプルを注入する前に、完全に空であっても部分的に空であってもよい。この方法は、チャンバ含有量の残りの含有量からの汚染を減少させ、そして、反応チャンバ内への溶液の導入を正確に測定するために使用され得る。   Volume exclusion is one technique that allows an accurate measurement of the introduction of fluid into the reaction chamber. In this approach, the reaction chamber may be completely empty or partially empty before injecting the sample. This method can be used to reduce contamination from the remaining content of the chamber content and to accurately measure the introduction of the solution into the reaction chamber.

詳細には、図29A〜29Dは、反応チャンバの断面図を示し、ここにおいて、容積排除は、反応物を測定するために用いられる。図29Aは、マイクロ流体デバイスの一部6300の断面図を示し、このデバイスは、第一のエラストマー層6302を備え、この層は、第二のエラストマー層6304を覆っている。第一のエラストマー層6302は、コントロールチャネル(図示せず)と流体連絡したコントロールチャンバ6306を含む。コントロールチャンバ6306は、膜6310と重なり合い、そしてこの膜6310によって第二のエラストマー層6304の終端反応チャンバ6308から分離されている。第二のエラストマー層6304は、終端反応チャンバ6308まで導くフローチャネル6312をさらに含む。   Specifically, FIGS. 29A-29D show cross-sectional views of the reaction chamber, where volume exclusion is used to measure reactants. FIG. 29A shows a cross-sectional view of a portion 6300 of a microfluidic device that includes a first elastomeric layer 6302 that covers a second elastomeric layer 6304. The first elastomeric layer 6302 includes a control chamber 6306 in fluid communication with a control channel (not shown). The control chamber 6306 overlaps with the membrane 6310 and is separated from the terminal reaction chamber 6308 of the second elastomer layer 6304 by this membrane 6310. The second elastomer layer 6304 further includes a flow channel 6312 that leads to a terminal reaction chamber 6308.

図29Bは、コントロールチャンバ6306内の圧力増加の結果を示す。詳細には、コントロールチャンバ圧の増加により、膜6310が反応チャンバ6308内に下向きに曲げられ、容積Vによって、反応チャンバ6308の有効容積が減少される。次いで、これは、反応チャンバ6308からの等容積Vの反応物を排除し、その結果、容積Vの第一反応物Xが、フローチャネル6312から出力される。コントロールチャンバ6306の圧力増加とフローチャネル6312からの材料出力容積との間の正確な相関が、正確に較正され得る。   FIG. 29B shows the result of the pressure increase in the control chamber 6306. Specifically, increasing the control chamber pressure causes the membrane 6310 to bend downward into the reaction chamber 6308 and the volume V reduces the effective volume of the reaction chamber 6308. This then eliminates an equal volume V of reactant from the reaction chamber 6308 so that a first reactant X of volume V is output from the flow channel 6312. The exact correlation between the pressure increase in the control chamber 6306 and the material output volume from the flow channel 6312 can be accurately calibrated.

図29Cに示されるように、上昇圧は、コントロールチャンバ6306内で維持されるが、容積V’の第二反応物Yは、フローチャネル6312および反応チャンバ6308と接触して配置される。   As shown in FIG. 29C, the elevated pressure is maintained in the control chamber 6306, but the volume V 'of the second reactant Y is placed in contact with the flow channel 6312 and the reaction chamber 6308.

図29Dに示される次の工程において、コントロールチャンバ6306内の圧力は、元のレベルまで減少される。結果として、膜6310は緩み、そして反応チャンバ6308の有効容積が増加する。容積Vの第二反応物Yが、このデバイス内に吸い込まれる。反応チャンバおよびコントロールチャンバの相対サイズを変更することによって、特定の相対濃度での溶液の正確な混合が可能である。デバイス内に吸い込まれた第二反応物Yの量が、排除された容積Vにのみ依存し、フローチャネルの開口状態にて入手可能になったYの容積V’とは無関係であることに注目する価値がある。   In the next step shown in FIG. 29D, the pressure in the control chamber 6306 is reduced to the original level. As a result, the membrane 6310 loosens and the effective volume of the reaction chamber 6308 increases. Volume V of second reactant Y is drawn into the device. By changing the relative sizes of the reaction chamber and the control chamber, precise mixing of solutions at specific relative concentrations is possible. Note that the amount of the second reactant Y sucked into the device depends only on the excluded volume V and is independent of the Y volume V ′ made available in the open flow channel. Worth to do.

図29A〜29Dは、単一反応チャンバを含む本発明の単純な実施形態を示しているが、より複雑な実施形態において、数百または数千の反応チャンバの並列構造は、単一コントロールラインにおける圧力増加によって作動され得る。   29A-29D show a simple embodiment of the present invention that includes a single reaction chamber, but in a more complex embodiment, a parallel structure of hundreds or thousands of reaction chambers can be used in a single control line. Can be activated by pressure increase.

さらに、上の記載は、コントロールチャンバおよび反応チャンバのサイズによって決定される相対濃度にて組み合わされた2種の反応物を記載しているが、容積排除技術は、単一反応チャンバにおいて種々の濃度にて、数種の試薬を組み合わせて用いられ得る。1つの可能なアプローチは、各反応チャンバについて、別個にアドレス可能な数種のコントロールチャンバを使用することである。このアーキテクチャの例は、単一コントロールチャンバの代わりに、10個の別個のコントロールラインを有することであり、これにより、10個の等容積が押し出されるかまたは吸い込まれる。   Furthermore, while the above description describes two reactants combined in a relative concentration determined by the size of the control chamber and reaction chamber, volume exclusion techniques can be used in various concentrations in a single reaction chamber. In combination, several reagents can be used. One possible approach is to use several separately addressable control chambers for each reaction chamber. An example of this architecture is to have 10 separate control lines instead of a single control chamber, so that 10 equal volumes are pushed or sucked.

別の可能なアプローチは、反応チャンバ全体を覆う単一コントロールチャンバを使用し、この反応チャンバの有効容積は、コントロールチャンバの圧力を変化させることによって調節される。この様式において、反応チャンバの有効容積を越えるアナログコントロールが可能である。次いで、アナログ容積コントロールは、不定な相対濃度にて、多数の溶液反応物の組み合わせを可能にする。   Another possible approach uses a single control chamber that covers the entire reaction chamber, and the effective volume of the reaction chamber is adjusted by changing the pressure in the control chamber. In this manner, analog control beyond the effective volume of the reaction chamber is possible. Analog volume control then allows for the combination of multiple solution reactants at indefinite relative concentrations.

本発明に従って流体の容積を測定する方法の実施形態は、エラストマー膜によってコントロール溝から分離されたエラストマーブロックの容積を有するチャンバを提供する工程、およびこの膜がチャンバ内に曲げられそしてこの容積が較正量だけ減少されるように、このコントロール溝に圧力を与え、それにより、このチャンバから流体の較正容積を排除する工程、を包含する。   An embodiment of a method for measuring fluid volume in accordance with the present invention provides a chamber having a volume of an elastomeric block separated from a control groove by an elastomeric membrane, and the membrane is bent into the chamber and the volume is calibrated. Applying pressure to the control groove to be reduced by an amount, thereby eliminating a calibrated volume of fluid from the chamber.

(II.結晶化構造および結晶化方法)
標的物質の結晶化の高スループットスクリーニング、または結晶化による標的物質の少量のサンプルの精製は、既知の濃度で、標的物質の溶液を、微細製作流体デバイスの複数のチャンバに同時に導入することによって達成される。次いで、この微細製作流体デバイスは、チャンバ内の溶液条件を変化するように操作され、それによって、多数の結晶化環境が同時に提供される。溶媒条件の変化したコントロールは、種々の技術から生じ得、これらとしては、以下が挙げられるがこれらに限定されない:容積排除によってか、微細製作構造の寸法によって決定される液体容積の捕捉によってか、または直交したフローチャネルが交差することによって規定される交差点のマトリクス内への交差チャネル注入によって、チャンバ内での結晶化因子の容積を測定する技術。
(II. Crystallized structure and crystallization method)
High-throughput screening of target material crystallization, or purification of a small sample of target material by crystallization, is achieved by simultaneously introducing a solution of the target material into multiple chambers of a microfabricated fluidic device at a known concentration. Is done. The microfabricated fluidic device is then manipulated to change the solution conditions in the chamber, thereby providing multiple crystallization environments simultaneously. Altered control of solvent conditions can result from various techniques, including but not limited to: by volume exclusion or by capturing liquid volume as determined by the dimensions of the microfabricated structure; Alternatively, a technique for measuring the volume of crystallization factor in a chamber by cross channel injection into a matrix of cross points defined by crossing orthogonal flow channels.

本発明の実施形態によって結晶化を生じる結晶は、X線結晶学に用いられ、三次元分子構造が決定され得る。あるいは、本発明の実施形態に従う高スループットスクリーニングが直接X線結晶学に十分なサイズの結晶を生成しない場合、結晶は、さらなる結晶化実験用の核結晶として用いられ得る。見込みのあるスクリーニング結果もまた、標準化された低密度マトリクス技術を使用するのと類似の様式で、狭いスペクトルの結晶化条件に焦点を当てたさらなるスクリーニングのための基準として使用され得る。   Crystals that cause crystallization according to embodiments of the present invention can be used in X-ray crystallography to determine the three-dimensional molecular structure. Alternatively, if high throughput screening according to embodiments of the present invention does not produce crystals of sufficient size for direct X-ray crystallography, the crystals can be used as nuclear crystals for further crystallization experiments. Promising screening results can also be used as a basis for further screening focusing on narrow spectrum crystallization conditions in a manner similar to using standardized low density matrix technology.

本発明の実施形態に従うシステムおよび方法は、より大きい生物学的高分子またはその凝集体(例えば、タンパク質、核酸、ウイルス、およびタンパク質/リガンドの複合体)を結晶化するのに特に適している。しかしながら、本発明に従う結晶化は、任意の特定の型の標的物質に制限されない。   The systems and methods according to embodiments of the present invention are particularly suitable for crystallizing larger biological macromolecules or aggregates thereof (eg, proteins, nucleic acids, viruses, and protein / ligand complexes). However, crystallization according to the present invention is not limited to any particular type of target substance.

以下の考察において用いられるように、用語「結晶化剤」は、標的物質の溶液に導入され、この標的物質の溶解度を低下させ、それによって結晶形成を誘導する、物質を記載する。結晶化剤としては、代表的に、標的が溶解度の減少を示す対溶媒(countersolvent)が挙げられるが、溶液のpHに影響を及ぼす材料、またはポリエチレング
リコールのような、標的物質に利用可能な溶媒の容積を効果的に減少させる材料もまた記載し得る。用語「対溶媒」は、「結晶化剤」と相互交換可能に使用される。
As used in the following discussion, the term “crystallization agent” describes a substance that is introduced into a solution of a target substance, thereby reducing the solubility of the target substance and thereby inducing crystal formation. Crystallizing agents typically include countersolvents where the target exhibits a decrease in solubility, but may be a material that affects the pH of the solution, or a solvent that can be used for the target substance, such as polyethylene glycol. Materials that effectively reduce the volume of can also be described. The term “countersolvent” is used interchangeably with “crystallizing agent”.

(1.容積排除による結晶化)
図30は、先の図29A〜Dとともに記載された容積排除技術を用いて、質量結晶化の試行を可能にする結晶化システムの1つの実施形態の平面図を示す。
(1. Crystallization by volume exclusion)
FIG. 30 shows a top view of one embodiment of a crystallization system that allows mass crystallization trials using the volume exclusion technique described in conjunction with FIGS. 29A-D above.

結晶化システム7200は、コントロールチャネル7202、ならびにフローチャネル7204a、7204b、7204cおよび7204dを備える。各フローチャネル7204a、7204b、7204cおよび7204dは、終端チャンバ7206を特徴とし、これは、結晶化のための部位として働く。コントロールチャネル7202は、膜7208に重なり合い、そしてコントロールチャンバ7205と同じ幅を有する膜7208によってチャンバ7206から分離されている、幅が変化したコントロールチャンバ7205のネットワークを特徴とする。図面には明確に示されていないが、膜の二次ネットワークを特徴とする第二のコントロールは、終端チャンバ7206の開口部を選択的に開閉するための停止バルブを作製するために用いられる。このような停止バルブの機能および役割の十分な記載は、図31とともに以下に提供される。   The crystallization system 7200 includes a control channel 7202 and flow channels 7204a, 7204b, 7204c and 7204d. Each flow channel 7204a, 7204b, 7204c and 7204d features a termination chamber 7206, which serves as a site for crystallization. The control channel 7202 features a network of control chambers 7205 of varying width that overlaps the membrane 7208 and is separated from the chamber 7206 by a membrane 7208 having the same width as the control chamber 7205. Although not explicitly shown in the drawings, a second control featuring a secondary network of membranes is used to create a stop valve for selectively opening and closing the opening of the termination chamber 7206. A full description of the function and role of such a stop valve is provided below in conjunction with FIG.

結晶化システム7200の操作は、以下の通りである。最初に、標的タンパク質を含有する水溶液を、各フローチャネル7204a、7204b、7204cおよび7204dを通して流し、各終端チャンバ7206を満たす。次に、コントロールチャンバ7202に高圧を付与して、膜7208を下にあるチャンバ7206内に曲げ、このチャンバ7206から所定容積を排除し、そしてチャンバ7206から、最初のタンパク質溶液のこの排除容積を流す。   The operation of the crystallization system 7200 is as follows. First, an aqueous solution containing the target protein is flowed through each flow channel 7204a, 7204b, 7204c, and 7204d to fill each termination chamber 7206. Next, a high pressure is applied to the control chamber 7202 to bend the membrane 7208 into the underlying chamber 7206, eliminating a predetermined volume from the chamber 7206, and flowing this excluded volume of the initial protein solution from the chamber 7206. .

次に、圧力をコントロールチャネル7202内で維持しながら、異なる対溶媒を、各フローチャネル7204a、7204b、7204cおよび7204d内に流す。次いで、圧力を、コントロールライン7202内に解放し、膜7208が緩まってそれらの元の位置に戻り、以前に排除された容積の対溶媒がチャンバ7206に入り、元のタンパク質溶液と混合するのを可能にする。コントロールチャンバ7205と下にある膜7208の幅は異なっているので、種々の容積の対溶媒が、このプロセスの間にチャンバ7206に入る。   Next, different counter-solvents are flowed into each flow channel 7204a, 7204b, 7204c and 7204d while maintaining pressure within the control channel 7202. The pressure is then released into the control line 7202, the membranes 7208 loosen and return to their original position, and the previously excluded volume of solvent into the chamber 7206 enters and mixes with the original protein solution. Enable. Since the width of the control chamber 7205 and the underlying membrane 7208 are different, different volumes of solvent enter the chamber 7206 during this process.

例えば、システム7200の最初の2列のチャンバ7206aは、対溶媒を全く受け入れない。なぜなら、重なり合った膜によって容積が排除されないからである。システム7200の第二の2列のチャンバ7206bは、元のタンパク質溶液と1:5である対溶媒の容積を受容する。システム7200の第三の2列のチャンバ7206cは、元のタンパク質溶液と1:3である対溶媒の容積を受容する。システム7200の第四の2列のチャンバ7206dは、元のタンパク質溶液と1:2である対溶媒の容積を受容し、そしてシステム7200の第五の2列のチャンバ7206eは、元のタンパク質溶液と4:5である対溶媒の容積を受容する。   For example, the first two rows of chambers 7206a of the system 7200 do not accept any solvent. This is because the volume is not excluded by the overlapping membranes. The second two rows of chambers 7206b of the system 7200 receive a volume of solvent to solvent that is 1: 5 with the original protein solution. The third two rows of chambers 7206c of the system 7200 receive a volume of solvent versus solvent that is 1: 3 with the original protein solution. The fourth two-row chamber 7206d of the system 7200 receives a volume of solvent versus 1: 2 with the original protein solution, and the fifth two-row chamber 7206e of the system 7200 contains the original protein solution and Accepts a volume of solvent that is 4: 5.

一旦、対溶媒がチャンバ7206内に導入されると、対溶媒は、コントロールライン7202に高圧を再度付与して、このチャンバ内へ膜を曲げることによって、その環境に対して再閉塞され得る。再閉塞は、結晶化が起こるのに数日または数週間のオーダーを必要とする場合に、必要であり得る。チャンバの可視検査により、高品質の結晶の存在が明らかになり、この結晶は、使い捨て可能なエラストマーシステムのチャンバから物理的に取り出され得る。   Once the antisolvent is introduced into the chamber 7206, the antisolvent can be re-occluded to its environment by re-applying high pressure to the control line 7202 and bending the membrane into the chamber. Re-occlusion may be necessary if crystallization requires an order of days or weeks for it to occur. Visual inspection of the chamber reveals the presence of high quality crystals that can be physically removed from the chamber of the disposable elastomer system.

(2.容積エントラップメントによる結晶化)
上の記述は、対溶媒の変化量を測定するために、容積排除に頼る結晶化システムを記載しているが、本発明は、この特定の実施形態に限定されない。従って、図31は、代替の結晶化システムの平面図を示し、ここで、異なる容積の対溶媒の測定は、フローチャネルの形成の間の光リソグラフィー(photolithography)によって決定される。
(2. Crystallization by volumetric entrapment)
Although the above description describes a crystallization system that relies on volume exclusion to measure the change in solvent versus solvent, the invention is not limited to this particular embodiment. Thus, FIG. 31 shows a plan view of an alternative crystallization system, where the measurement of different volumes versus solvent is determined by photolithography during flow channel formation.

結晶化システム7500は、フローチャネル7504a、7504b、7504cおよび7504dを備える。各フローチャネル7504a、7504b、7504cおよび7504dは、終端チャンバ7506を特徴とし、これは、再結晶化のための部位として働く。   Crystallization system 7500 includes flow channels 7504a, 7504b, 7504c and 7504d. Each flow channel 7504a, 7504b, 7504c and 7504d features a termination chamber 7506, which serves as a site for recrystallization.

システム7500は、2つのセットのコントロールチャネルをさらに備える。コントロールチャネルの第一のセット7502は、チャンバ7506の開口部に重なり、そして作動された場合、チャンバ7506への接近をブロックする停止バルブ7503を規定する。第二のコントロールチャネル7505は、フローチャネル7504a〜dに重なり、そして作動された場合、フローチャネル7404の異なるセグメント7514間の流れをブロックするセグメントバルブ7507を規定する。   The system 7500 further comprises two sets of control channels. A first set of control channels 7502 defines a stop valve 7503 that overlaps the opening of the chamber 7506 and, when activated, blocks access to the chamber 7506. The second control channel 7505 defines a segment valve 7507 that overlaps the flow channels 7504a-d and blocks the flow between different segments 7514 of the flow channel 7404 when activated.

結晶化システム7500の操作は、以下の通りである。最初に、標的タンパク質を含有する水溶液を、各フローチャネル7504a、7504b、7504cおよび7504dを通して流し、終端チャンバ7506を満たす。次に、コントロールチャネル7502に高圧を付与して、停止バルブ7503を作動させ、それによって、流体のチャンバ7506への出入りを防止する。   The operation of the crystallization system 7500 is as follows. First, an aqueous solution containing the target protein is flowed through each flow channel 7504a, 7504b, 7504c and 7504d to fill the termination chamber 7506. Next, a high pressure is applied to the control channel 7502 to activate the stop valve 7503, thereby preventing fluid from entering or exiting the chamber 7506.

停止バルブ7503の閉鎖を維持しながら、次いで、各フローチャネル7504a〜dを、異なる対溶媒で満たす。次に、第二のコントロールライン7505を加圧して、セグメント7514へとフローチャネル7504a〜dを分離し、そして異なる容積の対溶媒を捕捉する。詳細には、図31に示されるように、セグメント7514は、不等な容積のセグメントである。ソフトリソグラフィーによってタンパク質結晶化構造7500を形成する間、異なる幅7514aおよび長さ7514bのセグメント7514を有するフローチャネル7504a〜dを規定する技術が用いられ得る。   Each flow channel 7504a-d is then filled with a different counter solvent while maintaining the stop valve 7503 closed. Next, the second control line 7505 is pressurized to separate the flow channels 7504a-d into segment 7514 and capture different volumes of solvent. Specifically, as shown in FIG. 31, segment 7514 is an unequal volume segment. Techniques can be used to define flow channels 7504a-d having segments 7514 of different widths 7514a and lengths 7514b while forming protein crystallization structure 7500 by soft lithography.

従って、圧力が第一コントロールライン7502から解放されて、停止バルブ7503が開く場合、種々のセグメント7514からの異なる容積の対溶媒が、チャンバ7506内に拡散され得る。この様式において、光リソグラフィーによって規定される正確な寸法を使用して、フローチャネルセグメント内に捕捉される対溶媒の容積を決定し、次いでタンパク質溶液に導入し得る。次いで、対溶媒のこの容積が、タンパク質の結晶化のための環境を設定する。   Thus, when pressure is released from the first control line 7502 and the stop valve 7503 is opened, different volumes of solvent from the various segments 7514 can be diffused into the chamber 7506. In this manner, the exact dimensions defined by photolithography can be used to determine the volume of antisolvent trapped within the flow channel segment and then introduced into the protein solution. This volume of antisolvent then sets the environment for protein crystallization.

図31とともに記載される結晶化システムは、結晶化チャンバ内に導入される対溶媒の容積を決定するために、そのフローチャネルの寸法を用いるが、本発明は、このアプローチに限定されない。   Although the crystallization system described in conjunction with FIG. 31 uses the dimensions of its flow channel to determine the volume of solvent versus solvent introduced into the crystallization chamber, the present invention is not limited to this approach.

図32は、微細製作結晶化システムを示しており、ここで、再結晶化チャンバについて測定された対溶媒の容積は、下にあるフローチャネルに対するコントロールチャネルの配向角度によって決定される。詳細には、微細製作結晶化システム8000は、隣接した蛇行フローチャネル8002aおよび8002bを備え、これらチャネルは、一連の架橋チャネル8004を介して接続される。第一のコントロールライン8006は、架橋チャネル8004の上にあり、それによって、蛇行チャネル8002aおよび8002bを互いから分離するバルブ8008を形成する。第二のコントロールライン8010は、バルブ8020を規定する、第一の蛇行チャネル8002aの一部にわたる突起を備える。   FIG. 32 shows a microfabricated crystallization system, where the volume of solvent versus solvent measured for the recrystallization chamber is determined by the orientation angle of the control channel relative to the underlying flow channel. Specifically, the microfabricated crystallization system 8000 includes adjacent serpentine flow channels 8002a and 8002b that are connected through a series of bridging channels 8004. The first control line 8006 is above the bridging channel 8004, thereby forming a valve 8008 that separates the serpentine channels 8002a and 8002b from each other. The second control line 8010 comprises a protrusion that extends over a portion of the first serpentine channel 8002a that defines the valve 8020.

最初に、第二のコントロールライン8010および第三のコントロールライン8012は開いたままで、第一のコントロールライン8006を閉じる。第一の蛇行チャネル8002aは、入口8014を通る標的物質溶液で満たされる。図31の第一の蛇行チャネル8002aは、出口8015を有するように示されているが、チャネル8002aはまた、終端であり得る。第二の蛇行チャネル8002bは、標的物質溶液と混合されるべき対溶媒で満たされる。第一の蛇行チャネル8002aを用いる場合、第二の蛇行チャネル8002bはまた、出口かまたは終端にて終結し得る。   Initially, the second control line 8010 and the third control line 8012 remain open and the first control line 8006 is closed. The first serpentine channel 8002 a is filled with a target substance solution that passes through the inlet 8014. Although the first serpentine channel 8002a in FIG. 31 is shown as having an outlet 8015, the channel 8002a can also be terminated. The second serpentine channel 8002b is filled with an antisolvent to be mixed with the target substance solution. When using the first serpentine channel 8002a, the second serpentine channel 8002b may also terminate at the exit or end.

次に、第二のコントロールチャネル8010は、バルブ8020を閉じるように作動し、それによって、領域8022内に捕捉された、等容積の標的溶液が分離される。第三のコントロールチャネル8012もまた、バルブ8024を閉じるように作動し、それによって、領域8026b内に捕捉された対溶媒が分離される。しかしながら、第三のチャネル8012は、第二の蛇行チャネル8002bを斜めに横切って延びているので、バルブ8008と8024との間で捕捉される対溶媒の容積は、等しくなくそして次第に小さくなる。   Second control channel 8010 then operates to close valve 8020, thereby isolating an equal volume of target solution trapped in region 8022. The third control channel 8012 also operates to close the valve 8024, thereby separating the antisolvent trapped in the region 8026b. However, because the third channel 8012 extends diagonally across the second serpentine channel 8002b, the volume of solvent trapped between the valves 8008 and 8024 is unequal and gradually decreases.

次に、第一のコントロールチャネル8006が作動され、バルブ8008が開く。ここで、領域8026内に捕捉された対溶媒容積は、領域8022内に捕捉されたサンプル容積中には拡散せず、それぞれの混合比は、第三のコントロールチャネル8012の相対的な角配向によって決定される。   Next, the first control channel 8006 is activated and the valve 8008 is opened. Here, the solvent volume captured in region 8026 does not diffuse into the sample volume captured in region 8022, and the respective mixing ratio depends on the relative angular orientation of the third control channel 8012. It is determined.

図32の結晶化システムは、単一の蛇行チャネルを通ってサンプルに導入されるべき対溶媒の1つの型を可能にする。しかしながら、高スループット結晶化状態を容易にするために、通常のサンプル供給源を共有する、図32に示されるような一連の結晶化システムが基材上に作製され得、異なる対溶媒が各システムに提供される。   The crystallization system of FIG. 32 allows one type of antisolvent to be introduced into the sample through a single serpentine channel. However, to facilitate high-throughput crystallization conditions, a series of crystallization systems as shown in FIG. 32, sharing a common sample source, can be made on the substrate, with different antisolvents in each system. Provided to.

さらに、捕捉による対溶媒容積の測定を用いる結晶化システムの実施形態の他のバリエーションもまた、可能である。例えば、1つの代替の実施形態において、相対的なサンプル容積は、そのサンプルと重なり合う第二のコントロールチャネルの配向角度によって決定され得る。さらに、架橋チャネルのいずれかの側のフローチャネルの形状は、連続バルブ間にさらなる容積を提供するように改変され得る。リソグラフィーによって決定される他の寸法(例えば、フローチャネルの深さおよび幅)もまた、対溶媒およびサンプルの相対容積に影響を及ぼすように制御され得る。   In addition, other variations of embodiments of crystallization systems using measurement of solvent volume by capture are also possible. For example, in one alternative embodiment, the relative sample volume may be determined by the orientation angle of the second control channel that overlaps the sample. Furthermore, the shape of the flow channel on either side of the bridging channel can be modified to provide additional volume between successive valves. Other dimensions determined by lithography (eg, depth and width of the flow channel) can also be controlled to affect the relative volumes of solvent and sample.

図43は、容積エントラップメントを用いる本発明に従う再結晶化システムの代替の実施形態の平面図である。図43のシステムは、より多数のフローチャネルを備えること以外は、図31のシステムと類似しており、これらのチャネルの下で材料の流れにわたる制御を増強させる、いくつかの特徴を有する。   FIG. 43 is a plan view of an alternative embodiment of a recrystallization system according to the present invention that uses volumetric entrapment. The system of FIG. 43 is similar to the system of FIG. 31 except that it includes a larger number of flow channels and has several features that enhance control over the flow of material under these channels.

結晶化システム9000は、フローチャネル9004a、9004b、9004c、9004d、9004e、9004f、9004gおよび9004hを備える。各フローチャネル9004a〜hは、終端チャンバ9006を特徴とし、これは、再結晶のための部位として働く。本発明のこの実施形態において例示されるタンパク質結晶化構造は、1μL未満のサンプルを使用し得ると同時に、64の1nLの再結晶化環境を作製する。   The crystallization system 9000 includes flow channels 9004a, 9004b, 9004c, 9004d, 9004e, 9004f, 9004g and 9004h. Each flow channel 9004a-h features a termination chamber 9006, which serves as a site for recrystallization. The protein crystallization structure illustrated in this embodiment of the invention can use less than 1 μL of sample while creating 64 1 nL recrystallization environments.

各フローチャネル9004a〜hの下での材料の流れは、数個のバルブおよびポンプ構造によって制御される。ゲートバルブ9024の最初のセットは、それぞれのフローチャネル9004a〜hの上流部分より上方のゲートコントロールチャネル9026の重ね合わせによって形成される。   The material flow under each flow channel 9004a-h is controlled by several valves and pump structures. The first set of gate valves 9024 is formed by the superposition of gate control channels 9026 above the upstream portion of each flow channel 9004a-h.

コントロールチャネルの第一のセット9002は、チャンバ9006の開口部に重なり、そして作動された場合、チャンバ9006への近接をブロックする停止バルブ9003を規定する。第二のコントロールチャネル9005は、フローチャネル9004a〜hに重なり、そして作動された場合、フローチャネル9004の異なるセグメント9014間の流れをブロックするセグメントバルブ9007を規定する。   A first set of control channels 9002 defines a stop valve 9003 that overlaps the opening of the chamber 9006 and blocks the proximity to the chamber 9006 when activated. The second control channel 9005 defines a segment valve 9007 that overlaps the flow channels 9004a-h and blocks the flow between the different segments 9014 of the flow channel 9004 when activated.

システム9000の操作は、図31のシステムについて上記された操作と類似しており、サンプル容積とともにチャンバおよびセグメントが荷電され、続いて対溶媒の容積が導入される。しかしながら、全てのフローチャネル8604を通るサンプルまたは対溶媒の同時流れを使用するのではなく、システム9000は、そのフローチャネルの出力側にマルチプレクサ構造9020を備える。詳細には、幅が変化した、蠕動のポンピングコントロールチャネル9020a〜fは、各フローチャネル9004a〜hの下流端上にある。ポンピングコントロールチャネル9020a〜f内の圧力の選択操作によって、サンプルまたは対溶媒は、各フローチャネル9004a〜hの下で、独立して流され得る。   The operation of system 9000 is similar to that described above for the system of FIG. 31, with the chamber and segments charged with the sample volume followed by the introduction of the volume of solvent. However, instead of using a simultaneous sample or solvent-to-solvent flow through all flow channels 8604, the system 9000 includes a multiplexer structure 9020 at the output of that flow channel. Specifically, peristaltic pumping control channels 9020a-f with varying width are on the downstream end of each flow channel 9004a-h. By selection of the pressure in the pumping control channels 9020a-f, the sample or antisolvent can be independently flowed under each flow channel 9004a-h.

このシステムのフローチャネルの下での、材料の流れにわたる制御における精度の向上は、多くの利点を提供する。1つの利点は、相互汚染の危険性を低減させる。フローチャネルは独立して制御され、かつマルチプレクサ構造9020の下流のみで互いに接触するので、フローチャネル間に生じる偶発的な圧力差は、フローチャネル間の材料の望ましくない逆流を生じない。   The increased accuracy in control over the flow of material under the flow channel of this system offers many advantages. One advantage reduces the risk of cross-contamination. Since the flow channels are independently controlled and contact each other only downstream of the multiplexer structure 9020, accidental pressure differences that occur between the flow channels do not result in undesirable backflow of material between the flow channels.

(3.交差チャネル注入による結晶化)
先の図26A〜26Dに例示される直交流チャネルアーキテクチャを使用して、標的物質の高スループットの結晶化を行い得る。このアプローチは、図33に示され、これは、本発明に従う結晶化構造の代替の実施形態を例示する。
(3. Crystallization by cross channel implantation)
The cross-flow channel architecture illustrated in the previous FIGS. 26A-26D can be used to perform high throughput crystallization of the target material. This approach is illustrated in FIG. 33, which illustrates an alternative embodiment of a crystallized structure according to the present invention.

図33の微細製作交差チャネルの高スループット結晶化構造は、交差注入交差点8102の5×5のアレイ8100を備え、この交差点は、平行な水平フローチャネル8104および平行な垂直フローチャネル8106の交差によって形成される。アレイ8100は、全体で5×5=25の同時結晶化状態に関して、各サンプルS1〜S5の、各対溶媒C1〜C5との混合およびこれらのサンプルの貯蔵を可能にする。水平フローチャネル8104に沿った流体の移動は、コントロールチャネル8110を重ねることによって形成される蠕動ポンプ8108によって、平行に制御される。垂直フローチャネル8106に沿った流体の移動は、コントロールチャネル8114を重ねることによって形成される蠕動ポンプ8112によって、平行に制御される。先の図28A〜Bに示されるように、列バルブ8116および行バルブ8118は、水平流動ライン8104および垂直流動ライン8106の交差によって形成される各交差点8102を取り囲む。   The high-throughput crystallization structure of the microfabricated cross channel of FIG. 33 comprises a 5 × 5 array 8100 of cross-injection cross points 8102 formed by the crossing of parallel horizontal flow channels 8104 and parallel vertical flow channels 8106. Is done. The array 8100 allows each sample S1-S5 to be mixed with each solvent C1-C5 and stored for a total of 5 × 5 = 25 simultaneous crystallization states. The movement of fluid along the horizontal flow channel 8104 is controlled in parallel by a peristaltic pump 8108 formed by overlapping control channels 8110. Fluid movement along the vertical flow channel 8106 is controlled in parallel by a peristaltic pump 8112 formed by overlapping control channels 8114. As shown in previous FIGS. 28A-B, column valve 8116 and row valve 8118 surround each intersection 8102 formed by the intersection of horizontal flow line 8104 and vertical flow line 8106.

垂直方向の流れを遮断するカラムバルブ(column valve)8116は、単一のコントロールライン8120により制御される。水平方向の流れを遮断するロウバルブ(row valve)8110は、単一のコントロールライン8122により制御される。例示の目的のために、コントロールライン8120および8122の第1の部分のみを図33に示すが、全てのロウバルブおよびカラムバルブが、これらのコントロールラインにより制御されることが理解されるべきである。   A column valve 8116 that blocks vertical flow is controlled by a single control line 8120. A low valve 8110 that blocks horizontal flow is controlled by a single control line 8122. For illustrative purposes, only a first portion of control lines 8120 and 8122 is shown in FIG. 33, but it should be understood that all row and column valves are controlled by these control lines.

結晶化の間に、水平フローチャネル8104は、5つの異なる濃度の標的物質のサンプルを、合流点8102に導入し、一方垂直フローチャネル8106は、合流点8102に、5つの異なる濃度および/または組成の対溶媒(countersolvent)を導入する。図34A〜34Cと関連して以下に記載される計量技術により、可能な5×5=25個すべての、サンプルと対溶媒との組合せが、アレイ8100の5×5=25個の接合部8102にて記録される。   During crystallization, the horizontal flow channel 8104 introduces samples of five different concentrations of target material to the junction 8102, while the vertical flow channel 8106 receives five different concentrations and / or compositions at the junction 8102. The countersolvent is introduced. With the metrology techniques described below in connection with FIGS. 34A-34C, all possible 5 × 5 = 25 sample-to-solvent combinations result in 5 × 5 = 25 junctions 8102 in array 8100. Is recorded.

図34A〜34Cは、図32のアレイ8100の隣接する合流点の拡大平面図を示す。例示の目的のために、コントロールラインを、図34A〜34Cでは省略する。また、合流点間の横方向の距離は、かなり短くされており、そして実際には、これらの合流点は、交差汚染を防ぐために、相当な距離で分離されている。   34A-34C show enlarged plan views of adjacent confluences of the array 8100 of FIG. For illustrative purposes, the control line is omitted in FIGS. Also, the lateral distance between the junctions is considerably reduced, and in practice, these junctions are separated by a considerable distance to prevent cross contamination.

図34Aに示される第1の工程において、カラムバルブ8116は、閉じており、そして所定の濃度の標的物質のサンプルは、最初に水平フローチャネル8104の各々に流れる。図34Aに拡大して示されるアレイの部分において、横行間バルブ領域8126は、それによりサンプル物質S1で充填される。   In the first step shown in FIG. 34A, the column valve 8116 is closed and a sample of a predetermined concentration of target material initially flows into each of the horizontal flow channels 8104. In the portion of the array shown enlarged in FIG. 34A, the inter-row valve region 8126 is thereby filled with the sample material S1.

次に、図34Bに示されるように、カラムバルブ8118は、閉じており、そしてカラムバルブ8116は、開いている。異なる濃度および/または組成の対溶媒は、垂直フローチャネル8106の各々に流れる。図34Bに拡大して示されるアレイの部分において、合流点8102は、これにより対溶媒C1およびC2で充填される。   Next, as shown in FIG. 34B, the column valve 8118 is closed and the column valve 8116 is open. Different concentrations and / or compositions of solvent flow through each of the vertical flow channels 8106. In the portion of the array shown enlarged in FIG. 34B, the confluence 8102 is thereby filled with anti-solvents C1 and C2.

図34Cに示されるように、カラムバルブ8116は、閉じており、そしてロウバルブ8118は、開いている。アレイの周辺蠕動ポンプで汲み出すことにより、バルブ間領域8126中のサンプルおよび合流点8102の対溶媒の両方が合流点8102およびバルブ間領域8126に流入するにつれて、バルブ間領域8126中のサンプルは、合流点8102の対溶媒と混ざる。次いで、ロウバルブ8118が閉じられ、カラムバルブ8116は、結晶化部位間の交差汚染を防ぐために、閉じたままにされている。次いで、図34Cに拡大して示されるアレイの部分において、溶媒環境S1C1およびS1C2において結晶化が起こり得る。   As shown in FIG. 34C, the column valve 8116 is closed and the row valve 8118 is open. As both the sample in the intervalve region 8126 and the solvent at the confluence 8102 flow into the confluence 8102 and the intervalve region 8126 by pumping with the peripheral peristaltic pump of the array, the sample in the intervalve region 8126 It is mixed with the counter solvent at the junction 8102. The row valve 8118 is then closed and the column valve 8116 is kept closed to prevent cross contamination between crystallization sites. Crystallization can then occur in the solvent environments S1C1 and S1C2 in the portion of the array shown enlarged in FIG. 34C.

本発明の代替の実施形態において、別々のコントロールラインを使用して。交互のロウバルブの作動を制御し得る。このような実施形態において、図34Aおよび34Bに上記されるように、一旦、横行間領域および合流点がサンプルおよび対溶媒で充填されると、第3の工程において、交互ロウバルブが開かれ、その結果、ロウバルブ間領域中のサンプルが、拡散により合流点における対溶媒と混合する。この代替の実施形態は、ポンプによるくみ出し(pumping)を必要とせず、そして交互のロウバルブの他方の組が閉鎖した状態であることにより、交差汚染が防止される。   In an alternative embodiment of the invention, using separate control lines. The operation of alternating row valves can be controlled. In such an embodiment, as described above in FIGS. 34A and 34B, once the interrow region and confluence are filled with sample and antisolvent, in a third step, alternating row valves are opened and the As a result, the sample in the region between the low valves mixes with the counter solvent at the confluence by diffusion. This alternative embodiment does not require pumping and cross contamination is prevented by having the other set of alternating row valves closed.

本発明に従う高スループット結晶化スクリーニングを実行するための構造のなお別の代替の実施形態において、単一のコントロールラインを利用して、複数の結晶化スクリーニングチャンバを規定するために交互のロウバルブを制御し得る。この実施形態は、図81A〜81Bに示される。   In yet another alternative embodiment of a structure for performing high-throughput crystallization screening according to the present invention, a single control line is utilized to control alternating row valves to define multiple crystallization screening chambers. Can do. This embodiment is shown in FIGS. 81A-81B.

図81Aは、本発明の代替の実施形態に従う1つのフローチャネルの一部の拡大図を示す。図81Bは、図81Aの拡大したフローチャネルの部分の線B−B’に沿った断面図を示し、これは、交互のロウバルブを使用停止(deactuation)にして、隣接するチャンバ中の結晶化剤と標的物質との間の拡散を可能にする前である。図81Cは、図81Aの拡大したフローチャネル部分の線B−B’に沿った断面図を示し、これは、交互のロウバルブを使用停止にして隣接するチャンバ中の結晶化剤と標的物質との間の拡散を可能にした後である。   FIG. 81A shows an enlarged view of a portion of one flow channel according to an alternative embodiment of the present invention. FIG. 81B shows a cross-sectional view along line BB ′ of the enlarged flow channel portion of FIG. 81A, which causes the alternate row valve to be deactivated and the crystallization agent in the adjacent chamber. Before allowing diffusion between the target substance and the target substance. FIG. 81C shows a cross-sectional view along line BB ′ of the enlarged flow channel portion of FIG. 81A, which shows the crystallization agent and target material in adjacent chambers disabled with alternating row valves disabled. After allowing diffusion between.

コントロールライン8150は、フローチャネル8104のいずれかの側に位置付けられた平行な分岐8150aおよび8150bを備える。分岐8150a〜bは、交互に配置される幅広の交差部分8152および狭い交差部分8154により接続されており、それにより大バルブ8156および小バルブ8158をそれぞれ規定する。異なる幅の交差部分8152および8154に起因して、バルブ8156および8158のエラストマー膜8160aおよび8160bは、異なる圧力がコントロールライン8150に加えられた場合に、それぞれ使用停止にされかつ作動される。   The control line 8150 comprises parallel branches 8150a and 8150b positioned on either side of the flow channel 8104. The branches 8150a-b are connected by alternating wide and narrow intersections 8152 and 8154, thereby defining a large valve 8156 and a small valve 8158, respectively. Due to the different width intersections 8152 and 8154, the elastomeric membranes 8160a and 8160b of valves 8156 and 8158 are deactivated and activated, respectively, when different pressures are applied to the control line 8150.

詳細には、コントロールライン8150に最も高い圧力を加えることにより、エラストマー膜8160aおよび8160bの両方が下にあるフローチャネル8104中に撓み、大バルブ8156および小バルブ8158の両方を閉じる。コントロールライン8150に最も低い圧力を加えることにより、エラストマー膜8160aおよび8160bの両方は、下にあるフローチャネル8104から緩和して、大バルブ8156および小バルブ8158の両方を開く。   Specifically, applying the highest pressure to the control line 8150 causes both elastomeric membranes 8160a and 8160b to deflect into the underlying flow channel 8104, closing both the large valve 8156 and the small valve 8158. By applying the lowest pressure to the control line 8150, both elastomeric membranes 8160a and 8160b relax from the underlying flow channel 8104, opening both the large valve 8156 and the small valve 8158.

それらの増大した面積に起因して、幅広の膜8160aは、幅の狭い膜8160bよりも作動させるのが容易である。従って、中間の圧力をコントロールライン8150に加えることにより小バルブ構造8158の幅の狭い膜8160bが、使用停止にされてバルブを開きながら、大バルブ構造8156の幅広の膜8160aのみを作動したままにさせる。加えられた圧力に対するこの異なる応答は、複数の結晶化スクリーニングチャンバを規定するためにコントロールラインを1つだけ使用することを可能にし、次いで、水平フローチャネルに沿った交互のバルブを緩和させて、標的物質および結晶化剤の拡散を可能にする。   Due to their increased area, the wide membrane 8160a is easier to operate than the narrow membrane 8160b. Therefore, by applying an intermediate pressure to the control line 8150, the narrow membrane 8160b of the small valve structure 8158 is deactivated and only the wide membrane 8160a of the large valve structure 8156 remains activated while the valve is opened. Let This different response to the applied pressure allows only one control line to be used to define multiple crystallization screening chambers, and then relaxes the alternating valves along the horizontal flow channel, Allows diffusion of target material and crystallization agent.

図81A〜Cに示されるミクロ流体構造の操作の間、図34A〜Bに関連して上記したように、図81A〜Bにおいて、高圧および低圧をコントロールライン8150に適用することにより、フローチャネル合流点8102は、結晶化剤で満たされ、そしてバルブ間領域8126は、標的サンプルで満たされる。   During operation of the microfluidic structure shown in FIGS. 81A-C, flow channel confluence by applying high pressure and low pressure to control line 8150 in FIGS. 81A-B as described above in connection with FIGS. 34A-B. Point 8102 is filled with the crystallizing agent and intervalve region 8126 is filled with the target sample.

図81Cに示されるように、中間の圧力がコントロールライン8150に加えられる場合、隣接する結晶化部位間の交差汚染を防ぐために、大バルブ構造8156の幅広膜8160aがフローチャネル8104内に残ったまま、小バルブ構造8158の幅の狭い膜8160aは、フローチャネル8104から緩和する。   As shown in FIG. 81C, when an intermediate pressure is applied to the control line 8150, the wide membrane 8160a of the large valve structure 8156 remains in the flow channel 8104 to prevent cross-contamination between adjacent crystallization sites. The narrow membrane 8160a of the small valve structure 8158 relaxes from the flow channel 8104.

(4.拡散/透析を利用する結晶化)
結晶化への1つの従来のアプローチは、遅い拡散により結晶化剤を導入すること、または透析と関連した遅い拡散により、標的溶液状態における逐次的変化をもたらすことである。例えば、タンパク質の結晶化において、サンプルと結晶化剤との間に透析膜を介在させることにより、タンパク質サンプルの濃度が減少することのない、タンパク質溶液への結晶化剤の拡散を生じる。
(4. Crystallization using diffusion / dialysis)
One conventional approach to crystallization is to introduce a crystallization agent by slow diffusion, or to bring about sequential changes in the target solution state by slow diffusion associated with dialysis. For example, in protein crystallization, a dialysis membrane is interposed between the sample and the crystallizing agent to cause diffusion of the crystallizing agent into the protein solution without reducing the concentration of the protein sample.

遅い拡散および/または透析を利用する、本発明の実施形態に従う結晶化の方法および構造は、種々の技術を使用し得る。いくつかの可能なアプローチを、以下に記載する。   Crystallization methods and structures according to embodiments of the present invention that utilize slow diffusion and / or dialysis may use a variety of techniques. Some possible approaches are described below.

図35に示される第1の実施形態において、微細製作(microfabricate)されたエラストマー構造8200は、種々の容積のチャンバ8202を特徴とし、これらのチャンバは、ポンプ/バルブネットワークにより最初にサンプルで充填され得る。チャンバ8202はまた、構造8200の表面8200aと流体連絡している。透析膜8204は、面8200aに固定され、次いで、微細製作された構造8200全体が、示されるようにバルク対溶媒レザバ8200に浸漬される。時間が経過するにつれて、レザバ8206からの対溶媒は、膜8204を横切って、チャンバ8202中へと拡散し、そしてサンプルからの溶媒は、膜8204を横切ってレザバ8206中に拡散する。膜8204により、このサンプルのタンパク質が拡散するのを防ぐ。所望の溶液状態が達成された場合、結晶がチャンバ8202内で形成され得る。   In the first embodiment shown in FIG. 35, a microfabricated elastomeric structure 8200 features various volumes of chambers 8202, which are initially filled with sample by a pump / valve network. obtain. Chamber 8202 is also in fluid communication with surface 8200a of structure 8200. The dialysis membrane 8204 is secured to the surface 8200a and then the entire microfabricated structure 8200 is immersed in the bulk-to-solvent reservoir 8200 as shown. Over time, the counter solvent from the reservoir 8206 diffuses across the membrane 8204 and into the chamber 8202, and the solvent from the sample diffuses across the membrane 8204 and into the reservoir 8206. Membrane 8204 prevents this sample of protein from diffusing. Crystals can be formed in chamber 8202 when the desired solution state is achieved.

結晶化へのこのアプローチの利点は、一旦サンプルで充填されると、この微細製作されたエラストマー構造が単に対溶媒中につけられるという点において単純である。このアプローチはまた、溶液の状態を直接モニタリングすることを可能にする。なぜなら、バルク対溶媒レザバのpH、温度および他の局面は、従来の検出方法を使用して、変化をモニタリングされ得るからである。さらに、本発明の代替の実施形態において、溶解した標的物質の連続的な供給は、透析膜を通過して流れて、大きな結晶の成長のために適切な供給を確実にし得る。   The advantage of this approach to crystallization is simple in that once filled with a sample, this microfabricated elastomeric structure is simply applied in a solvent. This approach also allows direct monitoring of the solution status. This is because the pH, temperature and other aspects of the bulk versus solvent reservoir can be monitored for changes using conventional detection methods. Further, in an alternative embodiment of the present invention, a continuous supply of dissolved target material can flow through the dialysis membrane to ensure an appropriate supply for the growth of large crystals.

本発明に従う実施形態はまた、二重透析と関連して実施され得、ここで標的溶液の状態における変化の速度は、第2の透析膜および中間溶液を、結晶化剤と第1の透析膜との間に介在させることにより遅くなる。このようなアプローチにおいて、この中間溶液は、結晶化剤の拡散から生じる標的溶液における変化を緩衝するように作用する。直前に記載した技術において、二重透析は、ミクロ流体構造および付随した透析膜を、第2の透析膜を通して結晶化剤レザバと流体連絡した中間溶液に浸漬することにより達成され得る。   Embodiments in accordance with the present invention can also be implemented in connection with dual dialysis, wherein the rate of change in the state of the target solution is such that the second dialysis membrane and the intermediate solution, the crystallization agent and the first dialysis membrane. It becomes slow by interposing between. In such an approach, this intermediate solution acts to buffer changes in the target solution resulting from diffusion of the crystallizing agent. In the technique just described, double dialysis can be accomplished by immersing the microfluidic structure and associated dialysis membrane in an intermediate solution in fluid communication with the crystallizer reservoir through a second dialysis membrane.

透析技術を使用する本発明の第2の実施形態は、図36に例示される。このアプローチは、対向する、微細製作されたエラストマー構造8302および8304の間に挟まれた透析膜8300を利用する。この構造の組み立てならびに対向する構造8302および8304のそれぞれのチャンバ/チャネル8306の適切な配置の際に、構造8302のレザバ8308からの対溶媒は、膜8300を横切って、構造8304の対応する結晶化チャンバ8310中に拡散する。結晶化チャンバ8310からの溶媒は、同様に、膜8300を横切って、第1の構造8302のレザバ8308中に拡散する。しかし、膜8300は、結晶化チャンバ8310中のタンパク質が同様に拡散するのを防ぎ、従って、このタンパク質は、溶液環境が変化する場合にチャンバ8310中に保持される。   A second embodiment of the present invention using dialysis techniques is illustrated in FIG. This approach utilizes a dialysis membrane 8300 sandwiched between opposing, microfabricated elastomeric structures 8302 and 8304. Upon assembly of this structure and proper placement of the respective chambers / channels 8306 of the opposing structures 8302 and 8304, the counter-solvent from the reservoir 8308 of the structure 8302 traverses the membrane 8300 and the corresponding crystallization of the structure 8304. Diffuses into chamber 8310. The solvent from the crystallization chamber 8310 similarly diffuses across the membrane 8300 and into the reservoir 8308 of the first structure 8302. However, the membrane 8300 prevents the protein in the crystallization chamber 8310 from diffusing as well, so that the protein is retained in the chamber 8310 when the solution environment changes.

図36の構造と同様の構造を使用する二重透析は、結晶化チャンバと第1の透析膜との間に中間チャンバを設け、次いで、この中間チャンバを緩衝溶液で満たすことにより達成され得る。第2の透析膜は、以下で図37において記載されるように、架橋ポリマーのプラグの形態で中間チャンバと結晶化チャンバとの間の微細製作された構造に導入され得る。   Double dialysis using a structure similar to that of FIG. 36 can be accomplished by providing an intermediate chamber between the crystallization chamber and the first dialysis membrane and then filling the intermediate chamber with a buffer solution. The second dialysis membrane can be introduced into the microfabricated structure between the intermediate chamber and the crystallization chamber in the form of a crosslinked polymer plug, as described below in FIG.

図35および36に直前に記載される実施形態は、微細製作された構造の表面全体への、透析膜の大規模な結合を使用する。しかし、他の実施形態は、微細製作された構造の局所的領域内の透析膜の挿入または配置を利用し得る。これは、図36に示され、ここで透析膜は、ポリアクリルアミドゲルの形態で微細製作された構造内に作製される。   The embodiment just described in FIGS. 35 and 36 uses extensive bonding of the dialysis membrane to the entire surface of the microfabricated structure. However, other embodiments may utilize the insertion or placement of a dialysis membrane within a localized region of the microfabricated structure. This is shown in FIG. 36, where the dialysis membrane is made in a microfabricated structure in the form of a polyacrylamide gel.

詳細には、図37の再結晶化構造8400は、水平フローチャネル8406を通して閉鎖末端チャンバ8404と流体連絡している第1のチャンバ8402を備える。水平フローチャネル8406および垂直フローチャネル8408の挿入は、合流点8410を生じる。第1のバルブセット8412は、合流点8410の反対の側における、第1の制御チャネル8414および水平フローチャネル8406の部分8416aの重なりにより規定される。第2のバルブセット8416は、合流点8410の反対側における第2の制御チャネル8418および垂直フローチャネル8408の部分8408aの重なりにより規定される。   Specifically, the recrystallization structure 8400 of FIG. 37 includes a first chamber 8402 in fluid communication with the closed end chamber 8404 through a horizontal flow channel 8406. Insertion of horizontal flow channel 8406 and vertical flow channel 8408 results in a confluence 8410. The first valve set 8412 is defined by the overlap of the first control channel 8414 and the portion 8416a of the horizontal flow channel 8406 on the opposite side of the junction 8410. Second valve set 8416 is defined by the overlap of second control channel 8418 and vertical flow channel 8408 portion 8408a on the opposite side of confluence 8410.

この実施形態の操作は以下の通りである。第2のバルブセット8416は、第1のバルブセット8412が開いている間は閉じている。閉鎖末端チャンバ8404は、水平フローチャネル8406を通してサンプルで充填される。   The operation of this embodiment is as follows. The second valve set 8416 is closed while the first valve set 8412 is open. Closed end chamber 8404 is filled with sample through horizontal flow channel 8406.

次に、第2のバルブセット8416が開かれ、そして第1のバルブセット8412が閉じられる。垂直フローチャネル8408は、ポリアクリルアミドゲルのような架橋可能なポリマー8420で充填される。次いで、垂直フローチャネル内でのこのポリマーの架橋が、例えば、フローチャネルの照射により、または遅延作用性架橋化学物質とこのポリマーとを垂直フローチャネルにゲルで充填する前もしくは充填する間に混合することにより、誘導される。一旦、ポリマーの所望の量の架橋が起これば、拡散に対する選択的バリア(すなわち、透析膜)として作用する。   Next, the second valve set 8416 is opened and the first valve set 8412 is closed. Vertical flow channel 8408 is filled with a crosslinkable polymer 8420 such as a polyacrylamide gel. The cross-linking of the polymer in the vertical flow channel is then mixed, for example, by irradiation of the flow channel or before or during the filling of the slow acting cross-linking chemical and the polymer with the gel into the vertical flow channel Is induced. Once the desired amount of crosslinking of the polymer occurs, it acts as a selective barrier to diffusion (ie, a dialysis membrane).

最後に、第2のバルブセット8416は、閉じられ、そして第1のバルブセット8412は、再び開けられ、そして第1のチャンバ8402は、対溶媒で充填される。この対溶媒は、架橋されたポリマー膜8420を横切って拡散し、閉鎖末端チャンバ8404中の溶液状態を変更する。   Finally, the second valve set 8416 is closed, the first valve set 8412 is reopened, and the first chamber 8402 is filled with antisolvent. This counter solvent diffuses across the cross-linked polymer film 8420 and changes the solution state in the closed end chamber 8404.

標的物質溶液の状態における経時的な変化をさらに媒介するための二重透析は、微細製作されたチャンバおよび第2のポリアクリルアミドプラグ中間体を、結晶化チャンバおよび結晶化剤を含有するチャンバに導入することによりもたらされ得る。   Double dialysis to further mediate changes in the state of the target substance solution over time introduces a microfabricated chamber and a second polyacrylamide plug intermediate into the crystallization chamber and the chamber containing the crystallization agent. Can be brought about by

上記の二重透析の実施形態のいずれかにおいて、第2の透析膜は、除外され得、そして中間溶液を横切る結晶化剤の拡散は、標的物質溶液の状態における遅い変化に依存する。中間溶液を横切る結晶化剤の拡散速度は、介在する構造の物理的寸法(すなわち、長さ、断面)(例えば、微細製作されたチャンバ/チャネルまたは微細製作された構造が浸漬されたレザバを接続するキャピラリもしくはより大きな直径の管)により制御され得る。   In any of the above double dialysis embodiments, the second dialysis membrane can be omitted and the diffusion of the crystallizing agent across the intermediate solution depends on a slow change in the state of the target substance solution. The rate of diffusion of the crystallizing agent across the intermediate solution is connected to the physical dimensions (ie, length, cross section) of the intervening structure (eg, a microfabricated chamber / channel or a reservoir in which the microfabricated structure is immersed) Or a larger diameter tube).

他の実施形態において、微細製作されたエラストマー構造は、垂直に(しばしば、好ましくは、チャネルの断面に沿って)分割され得る。本発明の実施形態に従って、非エラストマー成分は、このような切断により開かれたエラストマー構造中に挿入され得、次いでこのエラストマー構造は、再密閉される。このようなアプローチの一例は、図38A〜38Cに示され、これらは、内部に位置付けられた膜を有するフローチャネルを形成するためのプロセスの断面図を例示する。詳細には、図38Aは、フローチャネル6204に重なるエラストマー膜6202、およびエラストマー基板6206を備えるデバイス6200の一部の断面を示す。   In other embodiments, the microfabricated elastomeric structure can be split vertically (often preferably along the cross section of the channel). In accordance with an embodiment of the present invention, the non-elastomeric component can be inserted into an elastomeric structure opened by such cutting, which is then resealed. An example of such an approach is shown in FIGS. 38A-38C, which illustrate a cross-sectional view of a process for forming a flow channel having a membrane positioned therein. Specifically, FIG. 38A shows a cross section of a portion of a device 6200 that includes an elastomeric membrane 6202 overlying a flow channel 6204 and an elastomeric substrate 6206.

図38Bは、フローチャネル6204の長さにそって延びる垂直線6208に沿ってデバイス6200をカットした結果を示し、その結果、半分6200aおよび6200bが形成される。図38Cは、半分6200aと半分6200bとの間の浸透膜要素6210の挿入、次いで、半分6200aおよび6200bの浸透膜6210への装着を示す。この構成の結果として、このデバイスのフローチャネルは、実際には、浸透膜6210で分離されたチャネル部分6204aおよび6204bを備える。   FIG. 38B shows the result of cutting device 6200 along vertical line 6208 extending along the length of flow channel 6204, resulting in halves 6200a and 6200b. FIG. 38C shows insertion of osmotic membrane element 6210 between half 6200a and half 6200b, and then attachment of halves 6200a and 6200b to osmotic membrane 6210. As a result of this configuration, the flow channel of this device actually comprises channel portions 6204a and 6204b separated by a permeable membrane 6210.

図38Cの構造は、種々の適用において利用され得る。例えば、この膜は、透析を実行するために使用され得、フローチャネル内のサンプルの塩濃度を変更する。これは、結晶化された標的物質の溶液環境の変化を生じる。   The structure of FIG. 38C can be utilized in various applications. For example, the membrane can be used to perform dialysis, changing the salt concentration of the sample in the flow channel. This results in a change in the solution environment of the crystallized target substance.

これまでに考察した本発明の実施形態は、液相における結晶化剤の拡散を利用するが、蒸気拡散は、結晶形成を誘導するために使用されている別の技術である。従って、図39〜41は、本発明の実施形態に従う蒸気拡散構造のいくつかの実施形態の平面図を示す。   While the embodiments of the invention discussed so far utilize diffusion of the crystallization agent in the liquid phase, vapor diffusion is another technique that has been used to induce crystal formation. Accordingly, FIGS. 39-41 show plan views of several embodiments of vapor diffusion structures according to embodiments of the present invention.

図39は、蒸気拡散構造8600の単純な実施形態を示し、ここで、入り口8602aおよび出口8602bを有する第1の微細製作されたチャンバ8602、ならびに入口8604aおよび出口8604bを有する第2の微細製作されたチャンバ8604は、交差フローチャネル8606により接続される。最初に、全体構造8600は、空気で満たされる。次いで、交差バルブ8608は、交差フローチャネル8606内に空気を捕捉するように作動される。次いで、標的溶液は、入口8602aを通して第1のチャンバ8602に導入され、置換された空気は、出口8602bを通って抜ける。結晶化剤は、入り口8604aを通して第2のチャンバ8604に導入され、置換された空気は、出口8604bを通って抜ける。   FIG. 39 shows a simple embodiment of a vapor diffusion structure 8600 where a first microfabricated chamber 8602 having an inlet 8602a and an outlet 8602b and a second microfabricated having an inlet 8604a and an outlet 8604b. The chambers 8604 are connected by a cross flow channel 8606. Initially, the entire structure 8600 is filled with air. The cross valve 8608 is then actuated to trap air in the cross flow channel 8606. The target solution is then introduced into the first chamber 8602 through the inlet 8602a and the displaced air exits through the outlet 8602b. Crystallizer is introduced into the second chamber 8604 through the inlet 8604a and the displaced air exits through the outlet 8604b.

次いで、交差バルブ8608が開かれ、その結果、空気は、サンプルと結晶化剤との間で交差フローチャネル8606内に捕捉されたままになる。次いで、溶媒および結晶化剤の蒸気拡散が、交差フローチャネル8606のエアポケットを横切ってゆっくりと起こり、溶液の状態を変化させ、それにより、第1のチャンバ8602における結晶の形成を誘導する。構造8600は、このプロセスの間にバルブ8610により外側の環境に対して密閉され得る。   The cross valve 8608 is then opened so that air remains trapped in the cross flow channel 8606 between the sample and the crystallization agent. Then, vapor diffusion of the solvent and crystallization agent occurs slowly across the air pockets of the cross flow channel 8606, changing the state of the solution, thereby inducing the formation of crystals in the first chamber 8602. Structure 8600 may be sealed to the outside environment by valve 8610 during this process.

上記の実施形態は、機能的であるが、液体が満たされるチャンバの間に捕捉されたエアポケットは、環境の状態に応じて移動または変形し得、標的物質溶液と結晶化剤との間の望ましくない直接の流体接触を可能にする。従って、このエアポケットを、微細製作された構造内の特定の場所に係留することが望ましい。   While the above embodiments are functional, air pockets trapped between chambers filled with liquid can move or deform depending on the state of the environment, between the target substance solution and the crystallizing agent. Allows unwanted direct fluid contact. Therefore, it is desirable to anchor this air pocket at a specific location within the microfabricated structure.

従って、図40は、蒸気拡散により結晶化を実行するための構造の代替の実施形態を示す。詳細には、構造8700は、第1の末端8702aにおいて第1の入口8704を有し、第2の末端8702bにおいて第2の入口8706を有し、そして中間部分8702cにおいてベント8707を有するチャンバ8702を備える。チャンバ8702の中間部分8702cは、疎水性領域8708含み、これは、微小接触印刷(microcontact printing)により形成され得る。微小接触印刷技術は、Anderssonらにより、「Consecutive Microcontact Printing−Ligands for Asymmetric Catalysis in Silicon Channels」、Sensors and Actuators B,39971〜7頁(2001)(あらゆる目的のために参考として援用される)に詳細に記載される。   Accordingly, FIG. 40 shows an alternative embodiment of a structure for performing crystallization by vapor diffusion. Specifically, structure 8700 includes a chamber 8702 having a first inlet 8704 at a first end 8702a, a second inlet 8706 at a second end 8702b, and a vent 8707 at an intermediate portion 8702c. Prepare. The middle portion 8702c of the chamber 8702 includes a hydrophobic region 8708, which can be formed by microcontact printing. Microcontact printing technology is described in detail by Andersson et al., "Consecrated Microcontact Printing-Ligands for Asymmetric Catalysis in Silicon Channels", for details on Sensors and Actuators B, 391-7 for reference. It is described in.

詳細には、構造8700の製造の間に、下にある基板は、オクタデシルトリクロロシラン(OTS)のパターン8710をスタンプされ得る。パターン8710上への微細製作されたエラストマーチャンバ8702の続く配置は、中央疎水性領域8712を形成する。   Specifically, during fabrication of structure 8700, the underlying substrate can be stamped with a pattern 8710 of octadecyltrichlorosilane (OTS). Subsequent placement of the microfabricated elastomer chamber 8702 on the pattern 8710 forms a central hydrophobic region 8712.

最初に構造8700は、空気で満たされる。次いで、水性標的溶液は、第1の入口8706を通して注意深く導入され、空気はチャンバ8702からベント8707を通して置換される。疎水性チャンバ領域8712の存在に起因して、チャンバ8702の標的溶液での充填は、この溶液が領域8712に当たる場合に停止する。同様に、疎水性結晶化剤は、第2の入口8708を通してチャンバ8702に注意深く導入され、疎水性領域8712において停止する。結晶化剤でチャンバ8702を満たすことにより置換される空気は、ベント8707を通ってチャンバ8702を出る。このようにして、下にあるパターン付けされた疎水性領域8712により適所に固定されて、中央領域8712におけるエアポケットは、標的サンプル中への結晶化剤の遅い蒸気拡散を可能にして、チャンバ8702の右側における結晶形成を誘導する。周囲のバルブ8714は、このプロセスの間にこの構造を単離するように作動され得る。   Initially, the structure 8700 is filled with air. The aqueous target solution is then carefully introduced through the first inlet 8706 and air is displaced from the chamber 8702 through the vent 8707. Due to the presence of the hydrophobic chamber region 8712, the filling of the chamber 8702 with the target solution stops when this solution hits the region 8712. Similarly, a hydrophobic crystallization agent is carefully introduced into the chamber 8702 through the second inlet 8708 and stops at the hydrophobic region 8712. Air displaced by filling chamber 8702 with a crystallization agent exits chamber 8702 through vent 8707. In this way, secured in place by the underlying patterned hydrophobic region 8712, the air pockets in the central region 8712 allow for slow vapor diffusion of the crystallization agent into the target sample, and chamber 8702 Induces crystal formation on the right side of Ambient valve 8714 can be actuated to isolate the structure during the process.

有用であるが、図40に関連して直前に記載される蒸気拡散構造の実施形態は、下にある基板上のパターン付けされた疎水性領域に対する、微細製作されたエラストマーチャネルの配置を必要とする。この配置プロセスは、本発明の実施形態に従う構造の小さな特徴サイズを考慮すると、困難であり得る。さらに、製造プロセスの間、この疎水性物質は、下にある基板上のみに形成されて、チャネルの壁には形成されないようである。   Although useful, the embodiment of the vapor diffusion structure described immediately above in connection with FIG. 40 requires the placement of microfabricated elastomeric channels relative to the patterned hydrophobic regions on the underlying substrate. To do. This placement process can be difficult considering the small feature sizes of structures according to embodiments of the present invention. Furthermore, during the manufacturing process, this hydrophobic material appears to be formed only on the underlying substrate and not on the walls of the channel.

従って、図41は、蒸気拡散により標的物質の結晶化を実行するための構造のさらに別の実施形態を示し、これは、配置工程を必要としない。詳細には、再結晶構造8800は、交差フローチャネル8806により第2のチャンバ8804に接続された第1のチャンバ8802を備える。第2のフローチャネル8808は、交差フローチャネル8806と交差し、合流点8810を形成する。交差フローチャネル8806に沿って合流点8810を横切る流れは、第1のバルブ対8812により制御される。第2のフローチャネル8808に沿って合流点8810を横切る流れは、第2のバルブ対8814により制御される。   Thus, FIG. 41 shows yet another embodiment of a structure for performing crystallization of a target material by vapor diffusion, which does not require a placement step. Specifically, the recrystallized structure 8800 comprises a first chamber 8802 connected to a second chamber 8804 by an intersecting flow channel 8806. The second flow channel 8808 intersects the intersecting flow channel 8806 and forms a confluence 8810. Flow across the junction 8810 along the intersecting flow channel 8806 is controlled by the first valve pair 8812. The flow across the junction 8810 along the second flow channel 8808 is controlled by the second valve pair 8814.

最初に、第1のチャンバ8802は、標的物質溶液で充填され、そして第2のチャンバ8804は、結晶化剤で充填される。次に、第1のバルブ対8812は閉じられ、そして第2のバルブ対8814は開かれ、そして疎水性物質(例えば、OTS)は、第2のフローチャネル8808から合流点8810に流れる。この物質の流れの結果として、疎水性残部8816は、基板上、そしておそらく合流点8810にけるフローチャネル壁上に残る。   Initially, the first chamber 8802 is filled with a target substance solution and the second chamber 8804 is filled with a crystallization agent. Next, the first valve pair 8812 is closed, the second valve pair 8814 is opened, and the hydrophobic material (eg, OTS) flows from the second flow channel 8808 to the junction 8810. As a result of this material flow, the hydrophobic residue 8816 remains on the substrate and possibly on the flow channel walls at the confluence 8810.

次に、空気が、第2のフローチャネル8808中に導入され、そして第2のバルブ対8814が閉じられる。次いで、第1のバルブ対8812は開けられて、空気を満たされた合流点8810を横切る、チャンバ8802中の標的物質溶液中への、チャンバ8804中の結晶化剤の蒸気拡散を可能にする。この蒸気拡散プロセスの間、エアポケットは、閉じられたバルブ対8814および疎水性残部8816の存在により合流点8810に固定される。バルブ8818は、外側の環境に対して構造8800を完全に密閉するように閉じられ得る。   Next, air is introduced into the second flow channel 8808 and the second valve pair 8814 is closed. The first valve pair 8812 is then opened to allow vapor diffusion of the crystallization agent in the chamber 8804 into the target substance solution in the chamber 8802 across the air filled confluence 8810. During this vapor diffusion process, the air pocket is fixed at the junction 8810 by the presence of a closed valve pair 8814 and a hydrophobic remainder 8816. The valve 8818 can be closed to completely seal the structure 8800 to the outside environment.

上記の実施形態は、蒸気拡散の間エアポケットを適所に固定するための疎水性部分の微小接触印刷に焦点を合わせたが、本発明は、このアプローチに限定されない。本発明に従う微細製作された結晶化構造の部分に選択的に導入される疎水性領域は、疎水性油の形態で拡散に対するバリアまたは障害物を適所に固定するために代替的に利用され得る。   While the above embodiments have focused on microcontact printing of hydrophobic portions to secure air pockets in place during vapor diffusion, the present invention is not limited to this approach. Hydrophobic regions that are selectively introduced into the portion of the microfabricated crystallized structure according to the present invention can alternatively be utilized to fix diffusion barriers or obstacles in place in the form of hydrophobic oils.

疎水性油物質はまた、本発明の実施形態に従う微細製作されたエラストマー構造の外表面をコーティングするために利用され得る。このようなコーティングは、エラストマーからの蒸気の外拡散(outdiffusion)に対して不浸透性であり得、それにより、長くなる可能性のある結晶化期間の間この構造の脱水を防止する。あるいは、このコーティング油は、水または他の気体にある程度浸透性であり得、それにより、水または気体の遅い制御された外拡散を、結晶化に有利な構造状態内に生じさせることを可能にする。   Hydrophobic oil materials can also be utilized to coat the outer surface of a microfabricated elastomeric structure according to embodiments of the present invention. Such coatings can be impervious to vapor outdiffusion from the elastomer, thereby preventing dehydration of the structure during potentially long crystallization periods. Alternatively, the coating oil may be permeable to some extent to water or other gases, thereby allowing slow controlled out-diffusion of water or gases to occur within the structural state favoring crystallization. To do.

(5.結晶化に影響を及ぼす他の要因に対する制御)
上記の結晶化構造は、多量の適切な結晶化剤の導入により標的物質の環境を変更することを記載するが、多くの他の要因が、結晶化に関連する。このようなさらなる要因としては、温度、圧力、溶液中の標的物質の濃度、平衡力学、および種物質の存在が挙げられるが、これらに限定されない。
(5. Control over other factors affecting crystallization)
While the above crystallized structure describes changing the environment of the target material by the introduction of a large amount of a suitable crystallizing agent, many other factors are associated with crystallization. Such additional factors include, but are not limited to, temperature, pressure, concentration of the target substance in solution, equilibrium mechanics, and the presence of seed material.

本発明の特定の実施形態において、結晶化の間の温度制御は、以前に記載した複合エラストマー/ケイ素構造を利用して達成され得る。詳細には、Peltier温度制御構造は、下にあるケイ素基板に作製され得、エラストマーは、結晶化チャンバがPeltierデバイスの付近にあるようにケイ素に対して配置される。Peltierデバイスに適切な極性および大きさの電圧を印加することにより、チャンバ内の溶媒および対溶媒の温度が制御され得る。   In certain embodiments of the present invention, temperature control during crystallization can be achieved utilizing the previously described composite elastomer / silicon structure. Specifically, the Peltier temperature control structure can be fabricated on the underlying silicon substrate, and the elastomer is positioned relative to the silicon such that the crystallization chamber is in the vicinity of the Peltier device. By applying a voltage of the appropriate polarity and magnitude to the Peltier device, the temperature of the solvent and the solvent in the chamber can be controlled.

あるいは、Wuらにより「MEMS Flow Sensors for Nano−fluidic Applications」、Sensors and Actuators A89 152−158(2001)に記載されるように、結晶化チャンバは、オーム加熱を生じる、微細機械加工された抵抗構造に対して電流を選択的に印加することにより、加熱および冷却され得る。さらに、結晶化の温度は、経時的に加熱器の抵抗をモニタリングすることにより検出され得る。Wuらの文献は、あらゆる目的のために本明細書中に参考として援用される。   Alternatively, as described by Wu et al. In "MEMS Flow Sensors for Nano-fluidic Applications", Sensors and Actuators A89 152-158 (2001), the crystallization chamber is a micromachined resistive structure that produces ohmic heating. Can be heated and cooled by selectively applying a current to. Furthermore, the temperature of crystallization can be detected by monitoring the resistance of the heater over time. The Wu et al. Reference is incorporated herein by reference for all purposes.

本発明に従う微細製作されたエラストマー結晶化構造を横切る温度勾配を確立することもまた有用であり得る。このような温度勾配は、結晶化の間の広範な温度スペクトルに標的物質を供し、結晶化に最適な温度の非常に正確な決定を可能にする。   It may also be useful to establish a temperature gradient across the microfabricated elastomer crystallized structure according to the present invention. Such a temperature gradient provides the target material with a broad temperature spectrum during crystallization, allowing a very accurate determination of the optimal temperature for crystallization.

結晶化の間の圧力の制御に関して、容積排除による対溶媒の計量を使用する本発明の実施形態は、特に有利である。詳細には、一旦チャンバが適切な容積の溶媒および対溶媒で充填されると、チャンバ入口バルブは、このチャンバの上にある膜が作動されている間閉鎖して維持され得、それにより、チャンバ内の圧力を増加させる。容積排除以外の技術を使用する本発明に従う構造は、結晶化チャンバに隣接してフローチャネルおよび付随する膜を備えることにより圧力制御を及ぼし得、そして詳細にはチャネル内の圧力を制御する。   With respect to control of pressure during crystallization, embodiments of the present invention that use solvent-to-solvent metering by volume exclusion are particularly advantageous. In particular, once the chamber is filled with the appropriate volume of solvent and antisolvent, the chamber inlet valve can be maintained closed while the membrane above the chamber is activated, thereby allowing the chamber to Increase the pressure inside. Structures according to the present invention using techniques other than volume exclusion can exert pressure control by providing a flow channel and associated membrane adjacent to the crystallization chamber, and in particular control the pressure in the channel.

結晶化に影響を及ぼす別の要因は、溶液中で利用可能な標的物質の量である。結晶が形成する場合、この結晶は、溶液中に残っている標的物質の量が、連続した結晶成長を持続するのに不適切になり得る時点まで、溶液中で利用可能な標的物質に対してシンクとして作用する。従って、十分に大きな結晶を成長させるために、結晶化プロセスの間にさらなる標的物質を提供することが必要であり得る。   Another factor affecting crystallization is the amount of target material available in solution. When crystals form, the crystals are in relation to the target material available in the solution until the amount of target material remaining in the solution can be inadequate to sustain continuous crystal growth. Acts as a sink. Thus, it may be necessary to provide additional target material during the crystallization process in order to grow sufficiently large crystals.

従って、図27A〜27Bに関連して以前に記載したセルペン構造は、成長した結晶をチャンバ内に制限するために、本発明の実施形態に従う結晶化構造において有利に使用され得る。このことは、成長している結晶を、さらなる標的物質を提供しているフローチャネルに洗い流して、成長している結晶を廃液に損失する危険性を未然に防ぐ。   Accordingly, the serpen structure previously described in connection with FIGS. 27A-27B can be advantageously used in a crystallized structure according to an embodiment of the present invention to confine grown crystals within the chamber. This obviates the risk of flushing the growing crystals into the flow channel providing additional target material and losing the growing crystals to the effluent.

さらに、図27A〜27Bのセルケージ構造はまた、結晶同定のプロセスの間有用であり得る。詳細には、塩がしばしばサンプルまたは対溶媒中に存在し、そしてこれらの塩は、結晶化の試みの間に結晶を形成し得る。塩の結晶の成長と目的の標的結晶とを区別する1つの一般的な方法は、Hampton Research of Laguna Niguel,California製のIZITTMのような染色色素への曝露による。このIZITTM色素は、タンパク質結晶を青色に染色するが、塩結晶は染色しない。 In addition, the cell cage structure of FIGS. 27A-27B may also be useful during the crystal identification process. Specifically, salts are often present in a sample or antisolvent, and these salts can form crystals during crystallization attempts. One common method of differentiating salt crystal growth from the target crystal of interest is by exposure to a staining dye such as IZIT ™ from Hampton Research of Laguna Niguel, California. This IZIT dye stains protein crystals blue, but not salt crystals.

しかし、このIZITTM色素を、結晶を保持している結晶化チャンバに流すプロセスにおいて、この結晶は、取り除かれ得、洗い流され得、そして失われ得る。従って、セルペン構造は、染色プロセスの間結晶を適所に固定するために、本発明に従う結晶化構造および方法においてさらに使用され得る。 However, in the process of flowing the IZIT dye through the crystallization chamber holding the crystals, the crystals can be removed, washed away, and lost. Thus, the serpen structure can be further used in the crystallization structure and method according to the present invention to fix the crystal in place during the dyeing process.

図42は、セルケージ概念(cell cage concept)に基づく結晶の分類デバイスの実施形態を示す。詳細には、種々のサイズの結晶8501が、分類デバイス8500の上流のフローチャネル8502に形成され得る。分類デバイス8500は、異なる距離で間隔を空けたピラー8506の連続したロウ8504を備える。ブランチチャネル8510の入口8508は、ロウ8504に前面に位置付けられる。結晶8501がチャネル8502を下流に流れる場合、ピラー8506のロウ8504に遭遇する。最も大きな結晶は、第1のロウ8504aのピラー8506の間のギャップYの間を通過することが出来ず、そしてロウ8504aの前面に蓄積する。より小さなサイズの結晶は、ピラーの間により小さな連続する間隔を有する連続したロウの前面に集められる。一旦、上記の様式で分類されると、種々のサイズの結晶が、以前に記載したように、蠕動ポンプ8514を利用して、流体をブランチチャネル8510にポンプで通すことにより、チャンバ8512中に収集され得る。分類構造により収集されたより大きな結晶は、X−線による結晶学的な分析に供され得る。分類構造により収集されたより小さな結晶は、さらなる結晶化の試みにおける種(seed)結晶として利用され得る。   FIG. 42 shows an embodiment of a crystal classification device based on the cell cage concept. Specifically, various sized crystals 8501 can be formed in the flow channel 8502 upstream of the sorting device 8500. The classification device 8500 comprises a series of rows 8504 of pillars 8506 spaced at different distances. The inlet 8508 of the branch channel 8510 is positioned in front of the row 8504. When crystal 8501 flows downstream through channel 8502, it encounters row 8504 of pillar 8506. The largest crystal cannot pass between the gaps Y between the pillars 8506 of the first row 8504a and accumulates in front of the row 8504a. Smaller sized crystals are collected on the front of a continuous row with smaller continuous spacing between the pillars. Once classified in the manner described above, various sized crystals are collected in chamber 8512 by pumping fluid through branch channel 8510 using peristaltic pump 8514 as previously described. Can be done. Larger crystals collected by the classification structure can be subjected to X-ray crystallographic analysis. Smaller crystals collected by the classification structure can be utilized as seed crystals in further crystallization attempts.

結晶成長に影響する別の因子は、シーディング(seeding)である。標的溶液へのシード結晶の導入は、溶液中の分子が整列し得るテンプレートを提供することにより、結晶形成を非常に増大させ得る。シード結晶が利用可能はでない場合、本発明に従うミクロ流体結晶化法およびミクロ流体結晶化システムの実施形態は、他の構造を利用して、類似の機能を実行し得る。   Another factor that affects crystal growth is seeding. Introduction of seed crystals into the target solution can greatly increase crystal formation by providing a template in which molecules in the solution can be aligned. If seed crystals are not available, embodiments of the microfluidic crystallization method and microfluidic crystallization system according to the present invention may utilize other structures to perform similar functions.

例えば、上で議論されるように、本発明に従う構造のフローチャネルおよびチャンバは、代表的には、微細製作した特徴を含むエラストマー層を下にある基材(例えば、ガラス)と接触して配置することにより規定される。この基材は、平面である必要はなく、むしろ、結晶形成を誘導するように計算されたサイズおよび/または形状の突起または窪みを含み得る。本発明の1つの実施形態に従って、下にある基材は、規則正しい所望の形態を示す無機物マトリクスであり得る。あるいは、下にある基材は、結晶形成を誘導するように計算された所望の形態または形態のスペクトルを示すようにパターン化され得る(すなわち、従来の半導体リソグラフィー技術によりパターン化され得る)。このような基材表面の形態の最適な形状は、標的結晶の既知の知見により決定され得る。   For example, as discussed above, flow channels and chambers of structures according to the present invention typically place an elastomeric layer containing microfabricated features in contact with an underlying substrate (eg, glass). It is prescribed by doing. The substrate need not be planar, but rather may include protrusions or depressions of a size and / or shape calculated to induce crystal formation. In accordance with one embodiment of the present invention, the underlying substrate can be an inorganic matrix that exhibits a regular desired morphology. Alternatively, the underlying substrate can be patterned to show the desired form or spectrum of forms calculated to induce crystal formation (ie, can be patterned by conventional semiconductor lithography techniques). The optimal shape of the surface of such a substrate can be determined by known knowledge of the target crystal.

本発明に従う結晶化構造および方法の実施形態は、従来のアプローチを越える多数の利点を提供する。1つの利点は、極めて小さな容積(ナノリットル/ナノリットル以下)のサンプルおよび結晶化剤によって、広範な種々の再結晶条件が比較的少量のサンプルを利用して用いられ得ることである。   The crystallized structure and method embodiments according to the present invention provide numerous advantages over conventional approaches. One advantage is that with a very small volume (nanoliter / nanoliter) sample and crystallization agent, a wide variety of recrystallization conditions can be used utilizing relatively small samples.

本発明の実施形態に従う結晶化構造および方法の別の利点は、小さなサイズの結晶化チャンバによって、結晶化の試みが、数百、さらには、数千の異なるセットの条件下で、同時に行われ得ることである。再結晶化に用いられる少ない容積のサンプルおよび結晶化剤はまた、貴重な精製された標的物質の最小限の浪費を生じる。   Another advantage of the crystallization structure and method according to embodiments of the present invention is that the small size crystallization chamber allows crystallization attempts to be performed simultaneously under hundreds or even thousands of different sets of conditions. Is to get. The small volume of sample and crystallization agent used for recrystallization also results in minimal waste of valuable purified target material.

本発明の実施形態に従う結晶化のさらなる利点は、操作の比較的簡単さである。詳細には、並行作動(parallel actuation)を利用する流れの制御は、数本のコントロールラインのみの存在を必要とし、そして微細製作デバイスの操作により自動的に実施される結晶化剤およびサンプルの導入は、多数のサンプルについて非常に迅速な調製時間を可能にする。   A further advantage of crystallization according to embodiments of the present invention is the relative simplicity of operation. Specifically, flow control utilizing parallel actuation requires the presence of only a few control lines, and the introduction of crystallization agents and samples performed automatically by operation of the microfabrication device. Allows very fast preparation times for large numbers of samples.

本発明の実施形態に従う結晶化システムのなおさらなる利点は、溶液平衡化速度の制御を制御する能力である。結晶成長は、しばしば、非常に遅く、そして結晶は、溶液が、最適な濃度で、平衡状態への道のりを迅速に通過する場合に、形成される。従って、平衡化の速度を制御して、それにより、中間の濃度で結晶成長を促進させることは有利であり得る。結晶化に対する従来のアプローチでは、ペースの遅い平衡が、蒸気拡散、低速透析、および非常に小さい物理的界面(very small physical interface)のような技術を用いて達成される。   A still further advantage of the crystallization system according to embodiments of the present invention is the ability to control the control of the solution equilibration rate. Crystal growth is often very slow, and crystals are formed when the solution quickly passes the path to equilibrium at an optimal concentration. Therefore, it may be advantageous to control the rate of equilibration, thereby promoting crystal growth at intermediate concentrations. In conventional approaches to crystallization, slow paced equilibrium is achieved using techniques such as vapor diffusion, low speed dialysis, and a very small physical interface.

しかし、本発明に従う結晶化は、溶液平衡化の速度に対する先例のない制御を可能にする。容積排除により結晶化剤を計測するシステムにおいて、重なった膜は、繰返し変形され得、各々の変形は、さらなる結晶化剤の導入を生じる。容積エントラップメント(volume entrapment)により結晶化剤を計測するシステムにおいて、サンプルを結晶化剤から分離するバルブは、短時間解放され得、部分的に拡散性の混合を可能にし、次いで、閉鎖されてチャンバを中間の濃度で平衡化させる。このプロセスは、最終濃度に達するまで繰り返される。容積排除または容積エントラップメントのアプローチのいずれかは、中間の濃度の全範囲を、単一の反応チャンバ利用して、一回の実験でスクリーニングすることを可能にする。   However, crystallization according to the present invention allows unprecedented control over the rate of solution equilibration. In systems that measure crystallization agents by volume exclusion, the overlapping membranes can be repeatedly deformed, each deformation resulting in the introduction of additional crystallization agents. In systems that measure crystallization agents by volume entrapment, the valve that separates the sample from the crystallization agent can be opened for a short time, allowing partially diffusive mixing and then closed. Equilibrate the chamber at an intermediate concentration. This process is repeated until the final concentration is reached. Either the volume exclusion or volume entrapment approach allows the entire range of intermediate concentrations to be screened in a single experiment utilizing a single reaction chamber.

経時的な溶液平衡状態の操作はまた、高分子(例えば、タンパク質) 対 ずっとより小さい結晶化剤(例えば、塩)の様々な拡散速度を開発する。大きなタンパク質分子は、塩よりもずっとより遅く拡散するので、迅速な解放界面バルブおよび閉鎖界面バルブは、結晶化剤の濃度を、著しく変更することを可能にする一方、同時に、非常に小さなサンプルを、大容積の結晶化剤への拡散により失わせる。さらに、上記のように、記載される多くの結晶化構造は、異なる結晶化剤を、異なる時間で、同じ反応チャンバへと導入することを容易に可能にする。このことは、経時的に変化した溶媒条件を規定する結晶化プロトコルを可能にする。   Operation of solution equilibrium over time also develops various diffusion rates of macromolecules (eg, proteins) versus much smaller crystallization agents (eg, salts). Since large protein molecules diffuse much slower than salt, rapid release and closure interface valves allow the concentration of the crystallization agent to be significantly changed while at the same time very small samples. Lost by diffusion into a large volume of crystallization agent. Furthermore, as described above, many of the crystallized structures described readily allow different crystallization agents to be introduced into the same reaction chamber at different times. This allows for a crystallization protocol that defines solvent conditions that have changed over time.

(6.実験結果)
現在のタンパク質結晶化チップを利用する結晶化の結果と、タンパク質結晶化の2つの現在普及している肉眼的な方法(懸滴蒸気拡散およびマイクロバッチ)から得られた結果を比較するために、多数の実験を行った。結果を以下で議論する。
(6. Experimental results)
In order to compare the results of crystallization using current protein crystallization chips with the results obtained from two currently popular macroscopic methods of protein crystallization (hanging drop vapor diffusion and microbatch), A number of experiments were conducted. The results are discussed below.

モデルタンパク質を、これらの入手可能性および結晶化に対する困難性に基づいて選択した。タンパク質結晶化の困難性を、蒸気拡散技術またはマイクロバッチ技術を用いて、タンパク質を結晶化するために、販売業者Hampton Research(Laguna Nigel,CA)により主張される条件の数として規定した。容易、中間、および困難の困難性のレベルは、48個の内10個よりも多い条件が結晶化を生じるタンパク質、5個と10個の間の条件が結晶化を生じるタンパク質、および5個未満の条件が結晶化を生じるタンパク質に割り当てられる。容易なタンパク質および困難なタンパク質の両方を選択した。   Model proteins were selected based on their availability and difficulty with crystallization. The difficulty of protein crystallization was defined as the number of conditions claimed by the vendor Hampton Research (Laguna Nigel, CA) to crystallize the protein using vapor diffusion or microbatch techniques. Easy, intermediate, and difficulty levels of difficulty are: more than 10 out of 48 conditions result in crystallization, between 5 and 10 conditions result in crystallization, and less than 5 These conditions are assigned to proteins that cause crystallization. Both easy and difficult proteins were selected.

結晶化が困難なタンパク質を選択して、チップに対してストリンジェントな試験を適用し、このチップが非常に特異的な結晶化条件を必要とするタンパク質を結晶化し得るか、さらに、標準的な結晶化技術を使用して検出可能ではない結晶化条件を検出し得るかを示した。容易タンパク質を選択して、チップと従来の技術との間の挙動の差異をより良く理解し、そしてどの条件がチップと不適合性であるのかを発見する。この研究に用いられるモデルタンパク質は、グルコースイソメラーゼ(中間)プロテイナーゼK(容易)、ウシ肝臓カタラーゼ(困難)、ウシ膵臓トリプシン(中間)、リゾチーム(容易)、およびキシラナーゼ(中間)、およびトポイソメラーゼVIのBサブユニット(中間、これまで結晶化されていない)であった。   Choose a protein that is difficult to crystallize and apply stringent tests to the chip to see if the chip can crystallize proteins that require very specific crystallization conditions. It has been shown whether crystallization conditions that are not detectable can be detected using crystallization techniques. Easily select proteins to better understand the behavioral differences between the chip and the prior art, and discover which conditions are incompatible with the chip. The model proteins used in this study are glucose isomerase (intermediate) proteinase K (easy), bovine liver catalase (difficult), bovine pancreatic trypsin (medium), lysozyme (easy), and xylanase (medium), and B of topoisomerase VI. Subunit (intermediate, not crystallized so far).

本発明の実施形態は、従来の結晶化法に対して実行可能な代替を提供する。ミクロ流体デバイスは、従来の方法と比較して、タンパク質の使用の節減、より簡単かつより迅速な実験の組み立て、および貯蔵空間の所要量の減少を提供する。下で議論するように、ほぼ全てのタンパク質モデルにおいて、チップは、従来の方法よりもより多くのヒットを生じる。大きく高品質の結晶が、チップ中で成長され得、そしてこれらの結晶をチップから直接回収することが可能であることがさらに示されている。   Embodiments of the present invention provide a viable alternative to conventional crystallization methods. Microfluidic devices offer reduced use of proteins, easier and faster experimental assembly, and reduced storage space requirements compared to conventional methods. As discussed below, in almost all protein models, the chip produces more hits than conventional methods. It has further been shown that large, high quality crystals can be grown in the chip and these crystals can be recovered directly from the chip.

収集のための、チップからX線までのいくつかの経路が、提案されており、これは、チップからの結晶の直接的収集を含む。チップと従来の方法との間での約50〜80%の一致が決定される(一致のレベルは、従来の方法の間でほぼ同じである)。チップ平衡の分析は、マクロ自由界面拡散(macro free interface diffusion)は、チップを良好にエミュレートすることを示唆する。この分析は、さらに、チップが相空間の大きな領域をサンプリングし、従って、都合の良い結晶化条件に遭遇する傾向が高いことを示す。   Several paths from the chip to the X-ray for collection have been proposed, including direct collection of crystals from the chip. Approximately 50-80% match between the chip and the conventional method is determined (the level of match is approximately the same between the conventional methods). Analysis of chip equilibrium suggests that macro free interface diffusion emulates the chip well. This analysis further shows that the chip samples a large area of phase space and is therefore more likely to encounter favorable crystallization conditions.

チップのPDMS材料の透過性は、結晶化において有意な因子であるが、結晶を生じたHamptonスクリーンにおけるほぼ全ての条件は、標的スクリーニングの過程にわたりヒットする。チップ条件に対応する肉眼的方法の開発における透過性材料の使用は、マイクロバッチの場合に示されているように、有益であり得る。   The permeability of the PDMS material of the chip is a significant factor in crystallization, but almost all conditions in the Hampton screen that produced the crystal are hit throughout the target screening process. The use of permeable materials in developing macroscopic methods corresponding to chip conditions can be beneficial, as shown for microbatch cases.

(a.試薬およびタンパク質)
Crystal Screen Kit 1、Izit色素、グリースを塗ったLinbroプレート、およびシリコーン処理したカバーガラスを、Hampton Researchから購入した。Coster96ウェル丸底プレートを、VWR(West Chester,PA)から購入した。HEPESを、Fluka(St.Louis,MO)から購入した。塩化カルシウム、PMSF、ベンズアミジン塩酸塩、および鉱油を、Sigma Aldrich(St.Louis,MO)から得た。
(A. Reagents and proteins)
Crystal Screen Kit 1, Izit dye, greased Linbro plate, and silicone treated cover glass were purchased from Hampton Research. Coster 96-well round bottom plates were purchased from VWR (West Chester, PA). HEPES was purchased from Fluka (St. Louis, MO). Calcium chloride, PMSF, benzamidine hydrochloride, and mineral oil were obtained from Sigma Aldrich (St. Louis, MO).

グルコースイソメラーゼを、Hampton Researchから得、そして蒸留した脱イオン水中で、4℃にて一晩透析した。タンパク質濃度は、約30mg/mLであった。タンパク質を1mLのサンプルにアリコート化し、液体窒素中でスナップ凍結し、そして−20℃で保存した。   Glucose isomerase was obtained from Hampton Research and dialyzed overnight at 4 ° C. in distilled deionized water. The protein concentration was about 30 mg / mL. The protein was aliquoted into 1 mL samples, snap frozen in liquid nitrogen, and stored at -20 ° C.

プロテイナーゼKを、Worthington Biochemicals(Lakewood,NJ)から得、1mM塩化カルシウム、25mM HEPES緩衝液(pH7.0)中で、4℃で、5〜6時間透析し、0.22 mシリンジフィルターを通してろ過し、100 Lのサンプルにアリコート化し、そして−20℃で凍結保存した。プロテイナーゼKは、約20mg/mLであり、そしてインヒビターPMSFを、いくつかの実験に使用する前に、最終濃度1mMで添加した。   Proteinase K was obtained from Worthington Biochemicals (Lakewood, NJ), dialyzed in 1 mM calcium chloride, 25 mM HEPES buffer (pH 7.0) at 4 ° C. for 5-6 hours, and filtered through a 0.22 m syringe filter. , Aliquoted into 100 L samples and stored frozen at -20 ° C. Proteinase K was approximately 20 mg / mL and the inhibitor PMSF was added at a final concentration of 1 mM prior to use in some experiments.

ウシ肝臓カタラーゼを、Sigma−Aldrichから購入し、25mM HEPES(pH7.0)中で4℃にて一晩透析し、1mLのサンプルにアリコート化し、液体窒素中でスナップ凍結し、そして−20℃で保存した。ウシ肝臓カタラーゼは、約30mg/mLであり、そして使用の前に12,000rpmにて5分間遠心分離して、溶液を濃褐色からわずかに色が付いた溶液へと変化させた。   Bovine liver catalase was purchased from Sigma-Aldrich, dialyzed overnight in 25 mM HEPES (pH 7.0) at 4 ° C., aliquoted into 1 mL samples, snap frozen in liquid nitrogen, and at −20 ° C. saved. Bovine liver catalase was approximately 30 mg / mL and was centrifuged at 12,000 rpm for 5 minutes before use to change the solution from a dark brown to a slightly colored solution.

リゾチームを、Sigma−Aldrichから購入し、50mg/mLの最終濃度まで、0.2Mの酢酸ナトリウム(pH4.7)に溶解した。次いで、この溶液を4℃にて10分間エッペンドルフ遠心管中で遠心分離した(16000g)。   Lysozyme was purchased from Sigma-Aldrich and dissolved in 0.2 M sodium acetate (pH 4.7) to a final concentration of 50 mg / mL. The solution was then centrifuged (16000 g) in an Eppendorf centrifuge at 4 ° C. for 10 minutes.

キシラナーゼを、Hampton Researchから購入した。結晶化実験の前に、36mg/mLのタンパク質、43%のグリセロール、および0.18MのMa/Kホスフェートを含むストック溶液を、脱イオン水の半分で希釈した。   Xylanase was purchased from Hampton Research. Prior to the crystallization experiment, a stock solution containing 36 mg / mL protein, 43% glycerol, and 0.18 M Ma / K phosphate was diluted with half of deionized water.

ウシ膵臓トリプシンを、10mM塩化カルシウム、25mM HEPES緩衝液(pH7.0)中で、4℃にて5〜6時間透析し、0.22μmシリンジフィルターを通してろ過し、100μLのサンプルにアリコート化し、そして−20℃で凍結保存した。ウシ膵臓トリプシンは、約60mg/mLであり、そして10mg/mLのインヒビターであるベンズアミジン塩酸塩を含んでいた。未公開の構造を有する、1つのさらなるタンパク質をまた、チップで評価した。トポイソメラーゼVIのBサブユニットは、50KDa、ATPに結合する、強制的に生成させた、古細菌のIIB型トポイソメラーゼ複合体のサブユニットである。このタンパク質を、12mg/mLの濃度で、20mM TRISを用いてpH7.0で緩衝化した、NaClの100mM溶液中で調製した。   Bovine pancreatic trypsin is dialyzed in 10 mM calcium chloride, 25 mM HEPES buffer (pH 7.0) at 4 ° C. for 5-6 hours, filtered through a 0.22 μm syringe filter, aliquoted into a 100 μL sample, and − It was stored frozen at 20 ° C. Bovine pancreatic trypsin was approximately 60 mg / mL and contained benzamidine hydrochloride, an inhibitor of 10 mg / mL. One additional protein with unpublished structure was also evaluated on the chip. The B subunit of topoisomerase VI is a forcibly generated, archaeal type IIB topoisomerase complex that binds to 50 KDa, ATP. The protein was prepared in a 100 mM solution of NaCl buffered at pH 7.0 with 20 mM TRIS at a concentration of 12 mg / mL.

タンパク質を含まないネガティブコントロールの緩衝液を、塩結晶とタンパク質結晶との間の差異を決定するのを補助するために、チップ上に配置した。チップ上で、タンパク質なしのコントロールは、20mM塩化カルシウム、25mM HEPES(pH7.0に緩衝化)を含む1つのチップおよび20mM塩化カルシウム、1mM HEPES(pH7.0に緩衝化)を含む1つのチップを含んだ。キシラナーゼ、リゾチーム、グルコースイソメラーゼ、およびトポイソメラーゼVIのBサブユニットについて個々のタンパク質なしのコントロールを、上記の特定の緩衝液を用いて行った。コントロールをまた、1mM塩化カルシウム、25mM HEPES(pH7.0)、および蒸留した脱イオン水と共にマイクロバッチ中に配置した。   Protein-free negative control buffer was placed on the chip to help determine the difference between salt and protein crystals. On the chip, the protein-free control consists of one chip containing 20 mM calcium chloride, 25 mM HEPES (buffered to pH 7.0) and one chip containing 20 mM calcium chloride, 1 mM HEPES (buffered to pH 7.0). Inclusive. Individual protein-free controls for the B subunit of xylanase, lysozyme, glucose isomerase, and topoisomerase VI were performed using the specific buffers described above. The control was also placed in a microbatch with 1 mM calcium chloride, 25 mM HEPES (pH 7.0), and distilled deionized water.

(c.懸滴を利用する結晶化)
従来の懸滴技術は、液滴(ドロップ)(代表的には、より高い濃度の結晶化剤混合物)よりも、より高い浸透ポテンシャルを有するいくつかの型の流体のウェルを覆って、標的分子/結晶化剤混合物(「液滴と呼ばれる」)を密閉シールして、この液滴中の標的分子および結晶化剤の両方の濃度の同時増加と共に、液滴のゆっくりとした脱水を誘導することを伴う。この濃縮プロセスが生じる場合、標的は、液相から固相(望ましくは、結晶形態)へとゆっくりと進む。
(C. Crystallization using hanging drops)
Conventional hanging drop techniques cover several types of fluid wells with higher osmotic potential than drops (typically higher concentrations of crystallization agent mixtures) to target molecules / Seal the crystallizer mixture (called “droplet”) hermetically to induce a slow dehydration of the droplet with a simultaneous increase in the concentration of both the target molecule and the crystallization agent in the droplet Accompanied by. When this concentration process occurs, the target slowly proceeds from the liquid phase to the solid phase (preferably in crystalline form).

懸滴実験を、グリースを塗ったLinbro24ウェルプレート中で行った。500μLのHampton Crystal Screen 1−48をウェルの底に置いた。1μLのタンパク質および1μLの結晶スクリーンを、シリコーン処理したカバーガラスの中央へ合わせた。カバーガラスを、0.5mLのスクリーン溶液を含むウェルを覆ってシールし、そしてプレートを2週間にわたり周囲温度で維持した。プレートを、1〜2週間の期間にわたり結晶成長についてモニターした。二連にするため、両方の液滴を、同じ試薬ウェルを覆う単一のカバーガラス上に置いた。   The hanging drop experiment was performed in a greased Linbro 24 well plate. 500 μL of Hampton Crystal Screen 1-48 was placed at the bottom of the well. 1 μL protein and 1 μL crystal screen were aligned to the center of the siliconized cover glass. A cover slip was sealed over the well containing 0.5 mL of screen solution and the plate was maintained at ambient temperature for 2 weeks. The plate was monitored for crystal growth over a period of 1-2 weeks. To duplicate, both drops were placed on a single cover glass covering the same reagent well.

(d.マイクロバッチを利用する結晶化)
マイクロバッチは、別の従来の結晶化アプローチである。マイクロバッチは、上記の懸滴技術に類似するが、「液滴」をいくつかの型の非浸透性または半浸透性蒸気バリア(例えば、油)の下に配置することを伴う。経時的に、懸滴において生じる蒸気拡散に類似する様式で、結晶化試薬は、標的の凝集を、再び、好ましくは、結晶段階で促進する。
(D. Crystallization using microbatch)
Microbatch is another conventional crystallization approach. Microbatch is similar to the hanging drop technique described above, but involves placing “droplets” under some type of non-permeable or semi-permeable vapor barrier (eg, oil). Over time, in a manner similar to vapor diffusion occurring in hanging drops, the crystallization reagent promotes target aggregation again, preferably at the crystallization stage.

マイクロバッチ実験を、96ウェルプレート中で行った。100μLの鉱油を、各ウェルへとピペットで移した。1μLのHampton Crystal Screen 1−48、次いで、1μLのタンパク質を、各ウェルに添加し、そしてこのプレートを1000rpmにて5分間遠心分離して、油層の下の2つの液滴を混合した。このプレートを周囲温度で2週間まで維持し、そして結晶成長についてモニターした。   Microbatch experiments were performed in 96 well plates. 100 μL of mineral oil was pipetted into each well. 1 μL of Hampton Crystal Screen 1-48, then 1 μL of protein was added to each well, and the plate was centrifuged at 1000 rpm for 5 minutes to mix the two drops under the oil layer. The plate was maintained at ambient temperature for up to 2 weeks and monitored for crystal growth.

(e.チップ上での結晶化)
実験で利用される結晶化チップについての特定の設計を、図45A〜Cに示す。図45Aは、チップの代替の実施形態の単純化した平面図を示す。図45Bは、1組の3化合物ウェルの単純化した拡大平面図を示す。図45Cは、線C−C’に沿った図45Bのウェルの単純化した断面図を示す。このチップ設計は、ボリュームエントラップメント技術を利用する標的溶液および結晶化剤の計測を用いた。
(E. Crystallization on chip)
The specific design for the crystallization chip utilized in the experiment is shown in FIGS. FIG. 45A shows a simplified plan view of an alternative embodiment of a chip. FIG. 45B shows a simplified enlarged plan view of a set of three compound wells. FIG. 45C shows a simplified cross-sectional view of the well of FIG. 45B along line CC ′. This chip design used measurement of the target solution and crystallization agent utilizing volume entrapment technology.

具体的には、各チップ9100は、1チップあたり合計144のアッセイに関して、48の異なるスクリーン条件の各々について、3化合物ウェル9102を備える。化合物ウェル9102は、ガラス基材9104中にエッチングされ、そしてマイクロチャネル9106を介して流体接触する、2つの隣接するウェル9102aおよび9102bからなる。化合物ウェル9102の各々において、タンパク質溶液を、隣接するウェル9102a−bの相対的サイズにより規定される割合で、スクリーン溶液と合わされる。図45A〜Cに示される特定の実施形態において、3つの比率(タンパク質:溶液)は、4:1、1:1、および1:4である。スクリーン溶液を含む各アッセイの総容積は、約25nLである。しかし、本発明は、任意の特定の容積または容積の範囲に制限されない。本発明に従う代替の実施形態は、10nL未満、5nL未満、2.5nL未満、1.0nL未満、および0.5nL未満の総アッセイ容積を利用し得る。   Specifically, each chip 9100 comprises three compound wells 9102 for each of 48 different screen conditions for a total of 144 assays per chip. Compound well 9102 consists of two adjacent wells 9102a and 9102b that are etched into glass substrate 9104 and in fluid contact through microchannel 9106. In each of the compound wells 9102, the protein solution is combined with the screen solution at a rate defined by the relative size of adjacent wells 9102a-b. In the particular embodiment shown in FIGS. 45A-C, the three ratios (protein: solution) are 4: 1, 1: 1, and 1: 4. The total volume of each assay including the screen solution is about 25 nL. However, the present invention is not limited to any particular volume or volume range. Alternative embodiments according to the invention may utilize a total assay volume of less than 10 nL, less than 5 nL, less than 2.5 nL, less than 1.0 nL, and less than 0.5 nL.

チップ制御層9106は、界面コントロールライン9108、封じ込めコントロールライン9110および2つの安全コントロールライン9112を備える。コントロールライン9108、9110、および9112を、チップ内の湿潤環境を維持し、そして結晶化が行われるフローチャネルおよびチャンバの脱水を防ぐため、空気よりむしろ水で満たす。   The chip control layer 9106 includes an interface control line 9108, a containment control line 9110 and two safety control lines 9112. Control lines 9108, 9110, and 9112 are filled with water rather than air to maintain a moist environment within the chip and to prevent dehydration of the flow channels and chambers where crystallization takes place.

界面バルブ9114は、化合物ウェル9102を二等分し、ローディングの完了まで、タンパク質をスクリーンから分離する。封じ込めバルブ9116は、各化合物ウェル9102のポートをブロックし、実験の間、各条件を隔離する。2つの安全バルブ9118は、タンパク質ローディングの間、作動され、そして界面バルブが故障した場合、タンパク質溶液の流出を防ぐ。   Interface valve 9114 bisects compound well 9102 and separates the protein from the screen until loading is complete. A containment valve 9116 blocks the port of each compound well 9102 and isolates each condition during the experiment. Two safety valves 9118 are activated during protein loading and prevent protein solution spillage if the interface valve fails.

実験で利用されるミクロ流体デバイスの組み立てを、標準的な多層ソフトリソグラフィー技術により調製し、そしてエッチングしたスライドガラスに、80℃にて5時間以上ベーキングすることによりシールした。ガラス基材を、5740フォトレジストの16μmの層でマスクし、そして標準的な光リソグラフィーを用いてパターン形成した。次いで、ガラス基材を、1:1:1(BOE:HO:2N HCl)の溶液中で、60分間、エッチングして、約80μmの最大深さを有するマイクロウェルを作製した。 The microfluidic device assembly utilized in the experiment was prepared by standard multilayer soft lithography techniques and sealed by baking at 80 ° C. for more than 5 hours on an etched glass slide. The glass substrate was masked with a 16 μm layer of 5740 photoresist and patterned using standard photolithography. The glass substrate was then etched in a solution of 1: 1: 1 (BOE: H 2 O: 2N HCl) for 60 minutes to create a microwell with a maximum depth of about 80 μm.

直前に記載したチップ組み立てのプロトコルは、本発明の可能な実施形態の単に1つの例である。代替の実施形態に従って、結晶化チャンバおよびフローチャネルは、平面基材とエラストマー部分のより低い表面の全体に形成された凹のパターンとの間に規定され得る。なおさらなる代替として、結晶化チャンバおよびフローチャネルは、平面(エラストマー部分の特徴のないより低い表面)と、基材の全体に形成された凹のパターンとの間に規定され得る。   The chip assembly protocol just described is just one example of a possible embodiment of the present invention. According to an alternative embodiment, the crystallization chamber and flow channel may be defined between a planar substrate and a concave pattern formed over the lower surface of the elastomeric portion. As yet a further alternative, the crystallization chamber and flow channel may be defined between a flat surface (a lower surface without the features of the elastomer portion) and a concave pattern formed throughout the substrate.

チップ上の結晶化を、以下のように準備した。チップ制御層9106中の全てのコントロールラインは、15〜17psiの圧力で水を用いてローディングされる。一旦、このコントロールラインが満たされ、そしてバルブ9114および9116が、完全に作動されると、封じ込めバルブ9116が解放され、そしてタンパク質が、約5〜7psiを用いて9120を介して中央を通ってロードされる。タンパク質溶液は、各化合物ウェル9102のタンパク質側を充填する。存在する場合、故障したバルブが識別され、そして真空グリースが、引き続いての加圧および残りの条件の可能な汚染を防ぐため、対応するスクリーンバイアを覆って配置される。次いで、2.5〜4μLの低密度マトリクススクリーン(代表的には、Hampton Crystal Screen I,1−48)が、スクリーンバイア9122へとピペットで入れられる。安全バルブ9118は解放され、そして特別に設計されたチップホルダー(以下に記載される)を用いて、48個全てのスクリーンバイア9122を覆う加圧(5〜7psi)シールを作製する。このスクリーン溶液を、デットエンドロードし、各化合物ウェルのスクリーン面を充填する。タンパク質および結晶スクリーン試薬は、全てのウェルがロードされるまで、界面バルブとの分離を維持し、ロードされた時点で、封じ込めバルブが閉鎖され、そして界面バルブが解放されて、化合物ウェル9102の2つの半分に存在する流体容積の間での拡散を可能にする。   Crystallization on the chip was prepared as follows. All control lines in the chip control layer 9106 are loaded with water at a pressure of 15-17 psi. Once this control line is filled and valves 9114 and 9116 are fully activated, containment valve 9116 is released and protein is loaded through the center through 9120 using about 5-7 psi. Is done. The protein solution fills the protein side of each compound well 9102. If present, the failed valve is identified and vacuum grease is placed over the corresponding screen via to prevent subsequent pressurization and possible contamination of the remaining conditions. A 2.5-4 μL low density matrix screen (typically, Hampton Crystal Screen I, 1-48) is then pipetted into the screen via 9122. Safety valve 9118 is released and a specially designed tip holder (described below) is used to create a pressurized (5-7 psi) seal over all 48 screen vias 9122. This screen solution is dead-end loaded to fill the screen surface of each compound well. The protein and crystal screen reagents maintain their separation from the interface valve until all wells are loaded, at which point the containment valve is closed and the interface valve is released, 2 of compound well 9102. Allows diffusion between fluid volumes present in one half.

(f.チップ性能)
チップ性能は、実験の間で変化した。最初に、チップは、約30%のバルブ故障率を示した。しかし、後の実験は、代表的に、48の条件のうち、約3〜10の故障を有した。合計9個のチップが、100%の成功率を有した。
(F. Chip performance)
Chip performance varied between experiments. Initially, the chip showed a valve failure rate of about 30%. However, later experiments typically had about 3-10 failures out of 48 conditions. A total of nine chips had a 100% success rate.

タンパク質メニスカスをトラッキングすることにより測定された、1つのチップあたりに用いられる平均タンパク質溶液容積は、約3μLであった。   The average protein solution volume used per chip, measured by tracking the protein meniscus, was about 3 μL.

これらの実験について、実験を準備する(コントロールラインを充填することを含む)のに費やした平均時間は、約35分であり、最も早い実験では、準備するまでにわずか20分しかかからなかった。この準備時間は、図80と組合わせて以下で議論されるように、チップに対する溶液のロボット化ピペッティングの使用を通してか、または送達される溶液のロードおよびプライムのための圧力の使用を通して、なおさらに、潜在的に減少され得る。   For these experiments, the average time spent preparing the experiment (including filling the control line) was about 35 minutes, with the earliest experiment taking only 20 minutes to prepare. . This preparation time is even more so through the use of robotized pipetting of the solution against the chip, or the use of pressure for loading and priming the delivered solution, as discussed below in combination with FIG. Can potentially be reduced.

(g.一般的結晶成長観察およびデータ分析)
懸滴、マイクロバッチ、およびチップ実験を、2週間までヒットについて観察した。他で指摘しない限り、ヒットとは、単一の結晶、針状結晶、板状結晶、棒状結晶、球晶、または沈殿として定義される。相分離または油滴は、ヒットとして計数されない。いくつかの場合において、結晶を、塩結晶を染色しないIzit色素を用いる染色によりタンパク質結晶であることを確認した。Izit色素を、対応する結晶スクリーンにおいて1/20に希釈し、そして1μLを結晶滴に添加する。タンパク質結晶をまた、結晶を結晶プローブでプロービングすることにより確認した。
(G. General crystal growth observation and data analysis)
Hanging drops, microbatch, and chip experiments were observed for hits for up to 2 weeks. Unless otherwise indicated, a hit is defined as a single crystal, needle crystal, plate crystal, rod crystal, spherulite, or precipitate. Phase separations or oil droplets are not counted as hits. In some cases, the crystals were confirmed to be protein crystals by staining with an Izit dye that did not stain salt crystals. Izit dye is diluted 1/20 in the corresponding crystal screen and 1 μL is added to the crystal droplets. Protein crystals were also confirmed by probing the crystals with a crystal probe.

技術の間での結晶の成長パターンに対する比較は、ヒットを生じる条件における類似性に基づく。二連および三連の試験について、比較をして、その結果、二連の一方または両方が両方の技術においてヒットを生じた場合、2つの技術は、同じ成長パターンを有すると考えられる(例えば、チップ1またはチップ2がヒットを生じ、そしてマイクロバッチ1またはマイクロバッチ2がヒットを生じる場合、チップおよびマイクロバッチは、類似の成長パターンを有すると考えられる)。   Comparison of crystal growth patterns between techniques is based on the similarity in conditions that produce hits. If a comparison is made for duplicate and triplicate tests, so that one or both of the duplicates hit in both techniques, the two techniques are considered to have the same growth pattern (e.g., If chip 1 or chip 2 yields a hit and microbatch 1 or microbatch 2 yields a hit, the chip and microbatch are considered to have a similar growth pattern).

(h.グルコースイソメラーゼの結晶化)
グルコースイソメラーゼの結晶化を、1つの懸滴実験、2つのマイクロバッチ実験、および6つの別個のチップにおいて準備した。懸滴実験を、1週間の間毎日、次いで、第2の1週間の間一日おきにモニタリングし、マイクロバッチプレートを、2週間観察し、そしてチップを9日までモニタリングした。結果は、他の因子(バルブ故障、タンパク質のロードの失敗または結晶スクリーンの失敗)を考慮にいれた場合、チップの間で一致した。
(H. Crystallization of glucose isomerase)
Glucose isomerase crystallization was set up in one hanging drop experiment, two microbatch experiments, and six separate chips. Hanging drop experiments were monitored daily for a week and then every other day for a second week, the microbatch plates were observed for 2 weeks, and the chips were monitored for up to 9 days. The results were consistent between the chips when other factors (valve failure, protein loading failure or crystal screen failure) were taken into account.

これらの実験の結果を、図46に示されるヴェン図形に要約する。1つの結晶スクリーン(試薬番号33)は、いずれかの実験において結晶または沈殿の生成に失敗した。48のスクリーンのうち33が、懸滴実験においてヒットを生じ;48のうち28が、マイクロバッチ法においてヒットを生じ、そして48のうち47は、チップにおいてヒットを生じた。マイクロバッチと懸滴実験との間に有意な一致が存在した:マイクロバッチ結果の81%は、懸滴結果と一致し、ここで13の条件が、いずれの技術においてもヒットを生じず、そして26の条件が、両方の技術において結晶または沈殿を生じた。   The results of these experiments are summarized in the Venn diagram shown in FIG. One crystal screen (reagent number 33) failed to produce crystals or precipitates in any experiment. 33 of 48 screens produced hits in the hanging drop experiment; 28 of 48 produced hits in the microbatch method, and 47 of 48 produced hits on the chip. There was a significant agreement between the microbatch and the hanging drop experiment: 81% of the microbatch results were consistent with the hanging drop results, where 13 conditions did not produce a hit in either technique, and Twenty-six conditions produced crystals or precipitates in both techniques.

チップ結果とマイクロバッチ結果との間(60%の一致)でも、チップ法と懸滴法との間(71%)でもあまり一致がなかった。12の条件が、チップにおいてヒットを生じるが、他の方法ではヒットを生じなかった。表1は、3つの技術におけるグルコースイソメラーゼ結晶化の結果を示す。   There was not much agreement between the chip results and the microbatch results (60% agreement) or between the tip method and the hanging drop method (71%). Twelve conditions produced a hit at the chip, but no other method produced a hit. Table 1 shows the results of glucose isomerase crystallization in the three techniques.


Figure 2009001486
Figure 2009001486
結晶の成長が、マイクロバッチおよび懸滴法において観察された場合、これらの結晶を結晶プローブで突くことによって、これらの結晶がタンパク質であることを確認した。図47A〜Bに示されるように、圧力下で崩れる結晶(図47B)は、タンパク質であるはずである。崩れも砕けもしない結晶(図47A)は、塩結晶である。図48A〜Bに示されるように、大きな高品質の結晶が、チップを利用して生成された。
Figure 2009001486
Figure 2009001486
When crystal growth was observed in the microbatch and hanging drop methods, these crystals were confirmed to be proteins by poking them with a crystal probe. As shown in FIGS. 47A-B, the crystals that collapse under pressure (FIG. 47B) should be proteins. A crystal that does not collapse or break (FIG. 47A) is a salt crystal. As shown in FIGS. 48A-B, large high quality crystals were generated utilizing the chip.

マイクロバッチに対する、チップ上でのグルコースイソメラーゼの結晶化もまた、別のセットの実験において評価した。グルコースイソメラーゼを、31mg/mLの最終濃度まで、脱イオン水に対して透析した。これらの実験におけるヒットを、結晶、微結晶、針状晶、板状晶、柱状晶(rod)、または球晶として規定し、一方で沈澱物はヒットとして計数しなかった。マイクロバッチ実験を2週間行い、一方でチップ実験を3日間行った。これらの日の最後に、封じ込めコントロール管内の不十分な水に起因して、チップは脱水された。これらの実験の結果を、図49に示されるベン図に要約する。   The crystallization of glucose isomerase on the chip for the microbatch was also evaluated in another set of experiments. Glucose isomerase was dialyzed against deionized water to a final concentration of 31 mg / mL. Hits in these experiments were defined as crystals, microcrystals, needles, plates, rods, or spherulites, while precipitates were not counted as hits. The microbatch experiment was conducted for 2 weeks, while the chip experiment was conducted for 3 days. At the end of these days, the chip was dehydrated due to insufficient water in the containment control tube. The results of these experiments are summarized in the Venn diagram shown in FIG.

結晶の同定、およびその結果の再現性を、以下の実験において調べた。最初のスクリーンからのヒット(Hampton条件3、4、6、9、10、14、15(三連)、17、18、20、22、28、30、32、38、39、42、43、および46(二連))を、単一のチップ上に再度設定した。同じチップ上に、タンパク質対水の2つのコントロール、および水対スクリーンの完全なセットのコントロールを設定した。22の条件の全てが、再度ヒットを得た。タンパク質対水と、24個全ての水対スクリーンのコントロールの両方が、透明であった(いくらかの相分離を除く)。二連の条件の46のウェルが、mpms(中くらいのタンパク質:中くらいの溶液)およびspls(少量のタンパク質:多量の溶液)のウェルにおいて、類似の結晶を示し、形態は、タンパク質対溶液の比に依存した。lpss(多量のタンパク質:少量の溶液)のウェルは、両方の場合において透明であった。三連の条件15は、すべてのmpms条件およびspls条件において結晶を示し、そしてlpss条件において透明であった。全てのspls条件の形態は同一であったが、mpms条件のうちの1つは、異なる形態を示した。   The identification of crystals and the reproducibility of the results were investigated in the following experiment. Hits from the first screen (Hampton conditions 3, 4, 6, 9, 10, 14, 15 (triple), 17, 18, 20, 22, 28, 30, 32, 38, 39, 42, 43, and 46 (duplex)) was set again on a single chip. On the same chip, two controls for protein vs. water and a complete set of controls for water vs. screen were set up. All 22 conditions got a hit again. Both protein versus water and all 24 water versus screen controls were transparent (except for some phase separation). 46 wells in duplicate conditions show similar crystals in mpms (medium protein: medium solution) and spls (small protein: large solution) wells, the morphology of the protein versus solution Dependent on the ratio. The wells of lpss (large protein: small solution) were clear in both cases. Triplicate condition 15 showed crystals in all mpms and spls conditions and was transparent in lpss conditions. All spls conditions had the same form, but one of the mpms conditions showed a different form.

条件15の3つの比較の結果を、図50に示す。結晶の多くは大きく、そしてX線回折の品質であり、150μmより大きな最大寸法および約30μmの最小寸法を示した。最初の結晶は、インキュベーションの4時間後に現れ、そして結晶の約80%が、1日後に現れた。これらの写真のより抜きの集合を、図51に示す。全ての結晶を、インキュベーションの1日後で示す。   The results of the three comparisons of condition 15 are shown in FIG. Many of the crystals were large and of X-ray diffraction quality, exhibiting a maximum dimension greater than 150 μm and a minimum dimension of about 30 μm. The first crystals appeared after 4 hours of incubation and about 80% of the crystals appeared after 1 day. A more detailed collection of these photographs is shown in FIG. All crystals are shown after 1 day of incubation.

(i.プロテイナーゼK)
プロテイナーゼKを、2つのマイクロバッチ実験、2つの懸滴実験、および3つのミクロ流体チップ実験において、結晶化した。2つのマイクロバッチ実験および2つの懸滴実験を、7日間モニタリングした。3つのチップ実験を、1つについて5日間、別のものについて6日間、そして第三のものについて7日間モニタリングした。プロテインキナーゼKを結晶化させることの困難性に起因して、2つの条件(インヒビターPMSFを含むプロテイナーゼKおよびインヒビターPMSFを含まないプロテイナーゼK)を使用した。
(I. Proteinase K)
Proteinase K was crystallized in two microbatch experiments, two hanging drop experiments, and three microfluidic chip experiments. Two microbatch experiments and two hanging drop experiments were monitored for 7 days. Three chip experiments were monitored for 5 days for one, 6 days for the other, and 7 days for the third. Due to the difficulty of crystallizing protein kinase K, two conditions were used: proteinase K with inhibitor PMSF and proteinase K without inhibitor PMSF.

図52は、観察の最後の日の結晶化の結果を要約するベン図である。これらの結果は、プロテイナーゼKのタンパク質結晶化が、技術ごとに比較的不一致であることを示す。48の条件のうちの15の条件(すなわち、31%)のみが、3つ全ての技術にわたって類似の結果を与えた。3つ全ての技術においてヒットを生じた5つの条件、および結晶化も沈澱も見出されない10の条件が存在した。8つの条件が、チップのみにおいてヒットを生じ、10の条件が、マイクロバッチにおいてのみヒットを生じ、そして4つの条件が、懸滴のみにおいてヒットを生じた。38のヒットまたは非ヒット(チップおよび懸滴における合計28のヒットならびに両方の方法における10の非ヒット)のうちの18のみは、チップおよび懸滴において共通であった(47%)。44のヒットおよび非ヒットのうちの20は、チップおよびマイクロバッチにおいて共通であった(45%)。40のヒットまたは非ヒットのうちの18は、懸滴およびマイクロバッチにおいて共通であった(45%)。表2は、これら3つの技術におけるプロテイナーゼKの結晶化の、実際の結果を示す。   FIG. 52 is a Venn diagram summarizing the results of crystallization on the last day of observation. These results indicate that the protein crystallization of proteinase K is relatively inconsistent from technique to technique. Only 15 out of 48 conditions (ie 31%) gave similar results across all three techniques. There were five conditions that produced hits in all three techniques, and ten conditions where no crystallization or precipitation was found. Eight conditions produced hits only on the chip, 10 conditions produced hits only on the microbatch, and 4 conditions produced hits only on hanging drops. Only 18 of the 38 hits or non-hits (a total of 28 hits in the tip and hanging drop and 10 non-hits in both methods) were common in the tip and hanging drop (47%). Twenty of the 44 hits and non-hits were common in the chip and microbatch (45%). 18 of 40 hits or non-hits were common in hanging drops and microbatch (45%). Table 2 shows the actual results of proteinase K crystallization in these three techniques.

Figure 2009001486
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これらの結果は、結晶化が確率的事象であり、技術、核生成、および他の変数に依存することを示す。ヒットは、いくつかの技術において見られたが、他の技術においては見られなかった。ヒットはまた、1つの二連において見られたが、他のものでは見られなかった。懸滴における二連が同じカバーガラス上の同じウェル中に設定される場合、ヒットは、1つの液滴において見られたとしても隣の液滴においては見られず、これは、特定のタンパク質の結晶化に対する変則的な結果ではない。また、技術の間のヒットの多くの重なりが存在するが、ヒットの型は変化する。マイクロバッチによって生じる多くのヒットは、単結晶であり、懸滴によって生じるヒットのいくつかは、結晶および大部分が沈澱物であり、そしてチップにおいて生じるヒットは、針状晶または沈澱物のいずれかである傾向がある。
Figure 2009001486
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These results indicate that crystallization is a stochastic event and depends on technology, nucleation, and other variables. Hits were seen in some techniques, but not in other techniques. Hits were also seen in one duplicate but not others. If duplicates in a hanging drop are set in the same well on the same cover glass, the hit is not seen in the next drop, even if it is seen in one drop, It is not an anomalous result for crystallization. There are also many overlaps of hits between techniques, but the type of hits varies. Many hits generated by microbatch are single crystals, some of the hits generated by hanging drops are crystals and mostly precipitates, and hits generated at the tip are either needles or precipitates Tend to be.

図53Aは、マイクロバッチにおいて観察されたプロテイナーゼKの結晶を示す。図53Aは、チップ上で観察された針状晶を示す。試薬30は、ヒットの型の変動の良い例である。マイクロバッチにおいて、結晶が1つの二連において形成し、そして針状晶が他方において生成され、沈澱が懸滴において見出され、そして1つのチップは沈澱を生じ、一方で他のものは針状晶を生じた。   FIG. 53A shows proteinase K crystals observed in the microbatch. FIG. 53A shows the acicular crystals observed on the chip. Reagent 30 is a good example of hit type variation. In a microbatch, crystals form in one series and needles are formed on the other, precipitates are found in hanging drops, and one chip causes precipitation, while the other is needle-like. Crystals formed.

チップは、酸性緩衝剤(pH5.6またはpH4.6)、塩基性緩衝剤(pH8.5)、およびイソプロピルアルコールをさえ含む条件において、ヒットを生じ得た。さらに、懸滴またはマイクロバッチにおいてヒットを生じたがチップにおいては生じなかった17の条件において、試薬は、有機物またはポリマーの沈澱剤から塩の沈澱剤まで、高塩から無塩まで、そして酸性緩衝剤から塩基性緩衝剤までの範囲であった。これらの結果は、チップが、Hampton結晶化スクリーンにおいて使用される酸性物質、塩基性物質、および有機性物質に耐え得ることを示す。   The chip could produce hits in conditions that included acidic buffer (pH 5.6 or pH 4.6), basic buffer (pH 8.5), and even isopropyl alcohol. In addition, in 17 conditions that produced hits in hanging drops or microbatch but not on the chip, the reagents were organic or polymer precipitating agents to salt precipitating agents, high salt to non-salt, and acidic buffers. The range from agents to basic buffers. These results indicate that the chip can withstand the acidic, basic, and organic materials used in the Hampton crystallizing screen.

本発明の特定の実施形態において利用されるPDMSエラストマー材料は、一般に、タンパク質の結晶化において使用されるほとんどの溶媒と適合性である。PDMSと適合性ではない溶媒の非排他的な列挙は、濃厚な酸(例えば、フッ化水素酸、硝酸、硫酸、および王水)、ならびにベンズアルデヒド、ベンゼン、四塩化炭素、クロロベンゼン、クロロホルム、クロロヘキサン、エーテル、ジエチルエーテル、イソプロピルエーテル(isopopyl ether)、メチルケトン、エチルケトン、塩化メチレン、石油エーテル、テトラヒドロフラン、トルエン、トリクロロエチレン、アセテート、およびキシレンを含む。このような物質が、本発明の実施形態に従うPDMSに基づくミクロ流体デバイスと組み合わせて利用される場合、PDMSの表面コーティングまたは改変が必要とされ得る。あるいは、PDMSは、適切な溶媒適合性を有する異なるエラストマー材料で置換され得る。代替の可能な多数のエラストマー材料が、以前に議論されている。   The PDMS elastomeric material utilized in certain embodiments of the invention is generally compatible with most solvents used in protein crystallization. Non-exclusive list of solvents that are not compatible with PDMS includes concentrated acids (eg, hydrofluoric acid, nitric acid, sulfuric acid, and aqua regia), as well as benzaldehyde, benzene, carbon tetrachloride, chlorobenzene, chloroform, chlorohexane , Ether, diethyl ether, isopropyl ether, methyl ketone, ethyl ketone, methylene chloride, petroleum ether, tetrahydrofuran, toluene, trichloroethylene, acetate, and xylene. When such materials are utilized in combination with PDMS-based microfluidic devices according to embodiments of the present invention, a PDMS surface coating or modification may be required. Alternatively, the PDMS can be replaced with a different elastomeric material with appropriate solvent compatibility. Many possible alternative elastomeric materials have been discussed previously.

(j.ウシ肝臓カタラーゼの結晶化)
ウシ肝臓カタラーゼを、2つのチップ、2つの懸滴、および1つのマイクロバッチの実験において、結晶化させた。結晶スクリーン1〜48(6を除く)を、懸滴において二連で試験し、そして7日間実施した。結晶スクリーン25〜36を、チップにおいて二連で3日間試験し、そして結晶スクリーン1〜48を、別のチップに設定し、そして7日間モニタリングした。マイクロバッチにおける結晶スクリーン1〜48を、7日間観察した。図54に示されるように、いくつかの場合において、結晶は、十分な脱水を受けたウェル中で成長した。表3は、ウシ肝臓カタラーゼの結晶化の結果を示す。
(J. Crystallization of bovine liver catalase)
Bovine liver catalase was crystallized in two chips, two hanging drops, and one microbatch experiment. Crystal screens 1-48 (except 6) were tested in duplicate in hanging drops and run for 7 days. Crystal screens 25-36 were tested in duplicate on the chip for 3 days, and crystal screens 1-48 were set on another chip and monitored for 7 days. Crystal screens 1-48 in the microbatch were observed for 7 days. As shown in FIG. 54, in some cases, crystals grew in wells that had undergone sufficient dehydration. Table 3 shows the results of crystallization of bovine liver catalase.


Figure 2009001486
Figure 2009001486
ウシ肝臓カタラーゼは、従来の懸滴技術においてより、チップにおいて、より確実な条件を示す。図55のベン図に示されるように、条件は、懸滴における36およびマイクロバッチにおける28に対して、チップにおいて、ヒットを生じた。2つのみの条件が、3つの技術のいずれにおいてもヒットを生じなかった。このことは、Hamptonの研究が48のスクリーンのうちの2つのみにおいて結晶を報告したような、ウシ肝臓カタラーゼが結晶化が困難なタンパク質であるという予測に反する。
Figure 2009001486
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Bovine liver catalase exhibits more reliable conditions on the chip than in the traditional hanging drop technique. As shown in the Venn diagram of FIG. 55, the conditions produced hits at the chip versus 36 at the hanging drop and 28 at the microbatch. Only two conditions did not hit in any of the three techniques. This is contrary to the expectation that bovine liver catalase is a difficult-to-crystallize protein, as the Hampton study reported crystals in only two of the 48 screens.

最初に、チップは、懸滴よりもマイクロバッチの条件を模倣することを仮定した。しかし、チップは、マイクロバッチよりも懸滴により類似した結果を生じた。48のヒットまたは非ヒットのうちの36が、チップおよび懸滴において共通であった(75%)。47のうちの29(62%)、および41のうちの27(66%)が、それぞれチップとマイクロバッチとの間、およびマイクロバッチと懸滴との間で共通であった。   Initially, it was assumed that the chip mimics microbatch conditions rather than hanging drops. However, the chip produced more similar results with hanging drops than the microbatch. 36 of 48 hits or non-hits were common in the tip and hanging drops (75%). 29 out of 47 (62%) and 27 out of 41 (66%) were common between the chip and the microbatch and between the microbatch and the hanging drop, respectively.

図56Aは、従来のマイクロバッチ技術により得られたウシ肝臓カタラーゼ結晶(図56B)が、チップにおいて形成した結晶に類似の形態を生じたことを示す。チップにおいて針状晶であった17のヒットのうちの8つもまた、マイクロバッチにおいて針状晶であった。   FIG. 56A shows that bovine liver catalase crystals (FIG. 56B) obtained by conventional microbatch technology produced a morphology similar to the crystals formed on the chip. Eight of the 17 hits that were needles in the chip were also needles in the microbatch.

(k.ウシ膵臓トリプシンの結晶化)
ウシ膵臓トリプシンを、一旦、懸滴、マイクロバッチ、およびチップにそれぞれ設定した。条件1〜24を1つのチップに設定し、そして条件25〜48を、第二のチップに設定した。条件25〜48を含むチップは、4日目に内容物を失ったが、4日後に、これらの条件において、変化がほとんどまたは全く予測されない。マイクロバッチおよび懸滴の実験を7日間観察し、そしてマイクロバッチの結晶(グルコースイソメラーゼに類似)を、結晶プローブを用いて確認した。表4は、この実験からのデータを要約する。
(K. Crystallization of bovine pancreatic trypsin)
Bovine pancreatic trypsin was once set in hanging drops, microbatch, and chip. Conditions 1-24 were set on one chip and conditions 25-48 were set on the second chip. Chips containing conditions 25-48 lost content on day 4, but little or no change in these conditions is expected after 4 days. Microbatch and hanging drop experiments were observed for 7 days and microbatch crystals (similar to glucose isomerase) were confirmed using a crystal probe. Table 4 summarizes the data from this experiment.

Figure 2009001486
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表4に見られるように、28の条件は、3つの方法のいずれにおいてもヒットを与えず、そして3つのみの条件が、3つ全ての技術においてヒットを与えた。7つの条件が、チップのみにおいてヒットを生じ、そして7つの別の条件は、懸滴のみにおいてヒットを生じた。いずれの条件も、マイクロバッチに独特ではなかった。チップおよび懸滴における独特のヒットにもかかわらず、これら3つの方法の間に良好な一致が存在する。48の条件のうちの32が、チップと懸滴との両方においてヒットを生じ(67%)、そして41の条件のうちの32が、チップおよびマイクロバッチにおいてヒットを生じ(78%)、そして41の条件のうちの31が、マイクロバッチおよび懸滴においてヒットを生じた(76%)。
Figure 2009001486
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As seen in Table 4, 28 conditions did not give a hit in any of the three methods, and only three conditions gave a hit in all three techniques. Seven conditions produced a hit only on the chip and seven other conditions produced a hit only on the hanging drop. Neither condition was unique to the microbatch. Despite the unique hits in the tip and hanging drop, there is a good agreement between these three methods. 32 out of 48 conditions produced a hit in both chip and hanging drop (67%) and 32 out of 41 conditions produced a hit in chip and microbatch (78%) and 41 31 of the conditions produced hits in the microbatch and hanging drops (76%).

図58Aは、マイクロバッチにおいて観察されたウシ膵臓トリプシン結晶を示す。図58Bは、チップから観察されたウシ膵臓トリプシン結晶を示す。   FIG. 58A shows bovine pancreatic trypsin crystals observed in the microbatch. FIG. 58B shows bovine pancreatic trypsin crystals observed from the chip.

(l.リゾチームの結晶化)
リゾチームの結晶化を、チップ、マイクロバッチ、および懸滴において評価した。これらの実験におけるヒットを、結晶、微結晶、針状晶、板状晶、柱状晶、または球晶として規定し、一方で沈澱物は、ヒットとして計数しなかった。マイクロバッチ実験を2週間実施し、一方でチップ実験を7日間実施した。プレートが直射日光中に放置されることから生じる温度の変動に起因して、懸滴実験を、3日後に終えた。懸滴実験を続けたならば、さらなる結晶化条件がおそらく明らかになった。これらの実験の結果を、図59に示すベン図に要約する。
(L. Crystallization of lysozyme)
Lysozyme crystallization was evaluated in chips, microbatch, and hanging drops. Hits in these experiments were defined as crystals, microcrystals, needle crystals, plate crystals, columnar crystals, or spherulites, while precipitates were not counted as hits. The microbatch experiment was conducted for 2 weeks, while the chip experiment was conducted for 7 days. The hanging drop experiment was terminated after 3 days due to temperature fluctuations resulting from the plates being left in direct sunlight. If the hanging drop experiment was continued, further crystallization conditions were probably revealed. The results of these experiments are summarized in the Venn diagram shown in FIG.

図59を調べると、チップがほとんどの結晶化条件を明らかにしたこと、およびこれらの結晶化条件のうちの約40%が、従来の技術を使用してもまた観察されたことが示される。この一致は、懸滴実験を早期に終えなければ、改善されたかもしれない。リゾチームは代表的に、非常に結晶化しやすいタンパク質であると考えられ、そしてチップと懸滴との両方において多くのヒットを与えたが、マイクロバッチの実験においては4つのヒットのみを示したこともまた、注目される。   Examining FIG. 59 shows that the chip revealed most crystallization conditions and that about 40% of these crystallization conditions were also observed using conventional techniques. This agreement may have been improved if the hanging drop experiment was not completed early. Lysozyme is typically considered to be a very easy to crystallize protein and gave many hits in both the chip and hanging drops, but also showed only 4 hits in microbatch experiments. Also noticed.

グルコースイソメラーゼの結果(ここでは、結晶化がチップにおいて加速された)とは対照的に、リゾチームの結晶化は、チップにおいて、より遅かった。1日で懸滴において63%のヒットおよびマイクロバッチにおいて75%のヒットを明らかにしたが、23のチップのうちの1のみのヒットが、インキュベーションの最初の24時間以内に起こった。   In contrast to the glucose isomerase results (where crystallization was accelerated at the tip), lysozyme crystallization was slower at the tip. Although one day revealed 63% hits in hanging drops and 75% hits in the microbatch, only one of the 23 chips occurred within the first 24 hours of incubation.

3つ全ての方法が、X線回折品質の大きな単結晶を生成した。図60A〜Bは、それぞれチップおよびマイクロバッチにおいて形成した結晶の比較を示す。   All three methods produced single crystals with high X-ray diffraction quality. 60A-B show a comparison of crystals formed in the chip and microbatch, respectively.

(m.キシラナーゼの結晶化)
キシラナーゼの結晶化を、チップ、マイクロバッチ、および懸滴において評価した。これらの実験におけるヒットを、結晶、微結晶、針状晶、板状晶、柱状晶、および球晶として規定し、一方で沈澱物は、ヒットとして計数しなかった。マイクロバッチの実験を2週間実施し、一方でチップの実験を10日間実施した。プレートが直射日光中に放置されることから生じる温度の変動に起因して、懸滴実験を、3日後に終えた。懸滴実験を続けたならば、さらなる結晶化条件がおそらく明らかになった。これらの実験の結果を、図61に示すベン図に要約する。
(M. Crystallization of xylanase)
Xylanase crystallization was evaluated in chips, microbatch, and hanging drops. Hits in these experiments were defined as crystals, microcrystals, needle crystals, plate crystals, columnar crystals, and spherulites, while precipitates were not counted as hits. Microbatch experiments were conducted for 2 weeks, while chip experiments were conducted for 10 days. The hanging drop experiment was terminated after 3 days due to temperature fluctuations resulting from the plates being left in direct sunlight. If the hanging drop experiment was continued, further crystallization conditions were probably revealed. The results of these experiments are summarized in the Venn diagram shown in FIG.

図61を調べると、チップにおけるヒットの75%が、懸滴またはマイクロバッチにおいて再生されたことが示される。チップとマイクロバッチとの両方における最高品質の結晶は、条件14を使用して形成された。図62A〜Bは、それぞれマイクロバッチおよびチップにおいて成長したこれらの結晶の比較を示す。7つのマイクロバッチのうちの6つのヒットが、インキュベーションの初日のうちに起こったが、8つのチップのうちの7のヒットが、48時間を超えたインキュベーション時間で起こった。条件14は、引き続く実験において、6倍の冗長性で再生され、そして7日間のインキュベーションの間に2つのみのヒット(72時間目で起こる)を示した。これらの結晶は、一晩で、完全な大きさ(約100μm)に成長した。結晶の形成のための長い時間、一致しない結果、および急速に続く結晶の成長は、核生成が、チップにおけるキシラナーゼの結晶化の律速段階であることを示唆する。   Examining FIG. 61 shows that 75% of the hits on the chip were regenerated in hanging drops or microbatch. The highest quality crystals in both the chip and the microbatch were formed using condition 14. 62A-B show a comparison of these crystals grown in microbatch and chip, respectively. Six hits out of seven microbatch occurred during the first day of incubation, while seven hits out of eight chips occurred with incubation times exceeding 48 hours. Condition 14 was regenerated with 6-fold redundancy in subsequent experiments and showed only 2 hits (occurring at 72 hours) during the 7 day incubation. These crystals grew to full size (about 100 μm) overnight. The long time for crystal formation, inconsistent results, and rapid subsequent crystal growth suggest that nucleation is the rate limiting step of xylanase crystallization in the chip.

Hamptonの研究によって提供される情報は、キシラナーゼが、7〜8.2のpH範囲、および0.6Molと1.4Molとの間の濃度のNa/Kリン酸塩溶液を使用して結晶化され得ることを示す。2つの別個の実験において、キシラナーゼの系統的スクリーン対Na/Kリン酸塩を、チップにおいて実施した。   The information provided by the Hampton study shows that xylanase is crystallized using a Na / K phosphate solution with a pH range of 7-8.2 and a concentration between 0.6 and 1.4 mol. Show you get. In two separate experiments, a systematic screen of xylanase versus Na / K phosphate was performed on the chip.

1つの実験は、50%のストックキシラナーゼを、Na/Kリン酸塩条件の格子(6.4〜7.8のpH値を0.2の目盛で、そして1.0モル濃度〜3.0モル濃度の濃度を0.4の目盛で網羅する)に対して試験した。他の実験は、25%のストックキシラナーゼを、同じ格子に対して試験した。1日後、微結晶(最大寸法が10μm未満)が、1.4モル濃度より高濃度で、全てのpH値に対して、両方の実験において見られた。これらのウェルは、次の6日間、さらなる変化を示さなかった。   One experiment showed that 50% stock xylanase was added to a Na / K phosphate condition lattice (pH value of 6.4 to 7.8 on a scale of 0.2 and 1.0 molar to 3.0 molar. Molar concentrations are covered with a scale of 0.4). Other experiments tested 25% stock xylanase against the same lattice. After one day, microcrystals (maximum dimension less than 10 μm) were seen in both experiments for all pH values at concentrations higher than 1.4 molar. These wells showed no further changes for the next 6 days.

7日目に、大きな板状構造/星状構造が、両方のチップ上で、同じ条件(pH6.4、1M)において観察された。50%キシラナーゼのチップは、このヒットをmpms(中くらいのタンパク質:中くらいの溶媒)の条件で示し、一方で25%のキシラナーゼのチップは、このヒットをlpss(多量のタンパク質:少量の溶媒)の条件において示した;これは、タンパク質の濃度が類似であることに一致する。これらのヒットを、図63A〜Bに示す。この結果は、キシラナーゼの結晶化が、pHの変化およびNa/Kリン酸塩濃度の変化に感受性であることを示す。チップ/チップの対応もまた、長いインキュベーション時間においてさえ、反復可能に良好であることを示す。格子の角部においてはヒットが起こらなかったが、この結果はさらに、7日後でさえも、近くのウェルに結晶化を示させるほどには、チップ上の条件が(pHおよび塩濃度において)十分にはブレンドされなかったことを示唆する。   On day 7, large plate / star structures were observed on both chips at the same conditions (pH 6.4, 1M). The 50% xylanase chip shows this hit at mpms (medium protein: medium solvent), while the 25% xylanase chip shows this hit lpss (large protein: small solvent). This is consistent with the protein concentration being similar. These hits are shown in FIGS. This result indicates that xylanase crystallization is sensitive to changes in pH and Na / K phosphate concentration. The chip / chip correspondence also indicates that it is repeatably good, even at long incubation times. Although no hits occurred in the corners of the lattice, this result further indicated that the conditions on the chip were sufficient (at pH and salt concentration) to cause crystallization in nearby wells even after 7 days. Suggests that it was not blended.

(n.トポイソメラーゼVIのBサブユニット)
トポイソメラーゼVIのBサブユニットを、以下の3つの市販の低密度マトリックススクリーンに対して、チップにおいて試験した:Hampton Crystal Screen I(HCS1)、Hampton Crystal Screen II(HCS2)およびEmerald Wizard Screen II(WIZ2)。少量のタンパク質溶液(50μL)のみが利用可能であったので、バルクコントロールは行わなかった。3つ全ての実験を、8日間インキュベートした。これらの実験の結果を、表5に作表する。
(N. B subunit of topoisomerase VI)
The topoisomerase VI B subunit was tested in the chip against the following three commercially available low density matrix screens: Hampton Crystal Screen I (HCS1), Hampton Crystal Screen II (HCS2), and Emerald Wizard Screen II (WIZ2). . Since only a small amount of protein solution (50 μL) was available, bulk control was not performed. All three experiments were incubated for 8 days. The results of these experiments are tabulated in Table 5.

(表5)
(トポイソメラーゼVIのBサブユニットの結果)
(Table 5)
(Results of B subunit of topoisomerase VI)

Figure 2009001486
このチップは、多数の大きいプレート結晶を示し、そのうちいくつかは、X線回折に十分な大きさである。これらのプレートの2つの実験を、図64A〜Bに示す。従来の実験は、トポイソメラーゼVIのBサブユニットが、PEG条件において十分に結晶化し、そして代表的にはプレート形態を示すことを明らかにした。このチップの結果は、この挙動の優れた再現性を実証し、14個全てのプレートヒットがPEG条件においてである。さらに、このチップは、懸滴実験およびマイクロバッチ実験において好成績を示し、より高頻度のヒットを示した。このチップの結果をマイクロバッチの結果と比較すると、チップが、プレート結晶を生じる23の条件をカバーせず、一方で10の条件のみがマイクロバッチにおいて発見されたことを示す。さらに、マイクロバッチにおいて結晶を生じた10の条件のうち6はまた、チップにおいても結晶を生じ、一方で3つの条件は顆粒状の沈殿物を生じ、そして1つだけがチップにおいてヒットを生じなかった。最後に、マイクロバッチにおいて形成された結晶は、数日間存在しなかったが、チップ結晶は6時間未満で形成され始めた。
Figure 2009001486
This chip exhibits a large number of large plate crystals, some of which are large enough for X-ray diffraction. Two experiments on these plates are shown in FIGS. Previous experiments revealed that the B subunit of topoisomerase VI crystallizes well in PEG conditions and typically exhibits a plate morphology. The chip results demonstrate excellent reproducibility of this behavior, with all 14 plate hits in PEG conditions. In addition, the chip performed well in hanging drop and microbatch experiments and showed more frequent hits. Comparing the results of this chip with the results of the microbatch shows that the chip did not cover the 23 conditions that produced the plate crystals, while only 10 conditions were found in the microbatch. Furthermore, 6 of the 10 conditions that produced crystals in the microbatch also produced crystals in the chip, while 3 conditions produced a granular precipitate and only one did not produce a hit in the chip. It was. Finally, crystals formed in the microbatch did not exist for several days, but chip crystals began to form in less than 6 hours.

(o.ネガティブコントロール)
タンパク質結晶 対 塩結晶の同定を補助するために、タンパク質コントロールをチップ上に設けなかった。チップを、タンパク質結晶化実験において記載したように設けた。1mM 塩化カルシウム、25mM HEPES(pH7.0)をプロテイナーゼKについてのネガティブコントロールとして使用し、そして20mM 塩化カルシウム、25mM HEPES(pH7.0)をウシ膵臓トリプシンについてのネガティブコントロールとして使用した(塩化カルシウム濃度は10mMであるはずであり、そしてベンズアミジン塩酸塩は添加しなかった)。コントロールをまた、マイクロバッチならびに1mM 塩化カルシウム、25mM HEPES(pH7.0)および濾過した蒸留脱イオン水での懸滴において設けた。特異的非タンパク質コントロール(非タンパク質を含むそれぞれの緩衝液)を、リゾチーム、グルコースイソメラーゼ、キシラナーゼおよびトポイソメラーゼVIのBサブユニットについて行った。結晶が報告された場合、非タンパク質コントロールは透明であった。
(O. Negative control)
To assist in identifying protein crystals versus salt crystals, no protein controls were provided on the chip. The chip was set up as described in the protein crystallization experiment. 1 mM calcium chloride, 25 mM HEPES (pH 7.0) was used as a negative control for proteinase K, and 20 mM calcium chloride, 25 mM HEPES (pH 7.0) was used as a negative control for bovine pancreatic trypsin (calcium chloride concentration was It should be 10 mM and benzamidine hydrochloride was not added). Controls were also provided in microbatch and hanging drops with 1 mM calcium chloride, 25 mM HEPES (pH 7.0) and filtered distilled deionized water. Specific non-protein controls (respective buffers containing non-protein) were performed on the B subunits of lysozyme, glucose isomerase, xylanase and topoisomerase VI. The non-protein control was clear when crystals were reported.

(7.チップ上のタンパク質由来の結晶構造の分析)
チップの有用性は、減少したコストで高品質の回折パターンを迅速に生じるその能力に最終的に依存する。従って、チップからタンパク質への明確な経路は、非常に有益である。チップ中の(in−chip)結晶から回折データへのいくつかの経路を、以下に考察する。
(7. Analysis of protein-derived crystal structure on the chip)
The usefulness of the tip ultimately depends on its ability to quickly produce high quality diffraction patterns at a reduced cost. Thus, a clear path from the chip to the protein is very beneficial. Several paths from in-chip crystals to diffraction data are discussed below.

(a.従来技術を使用して結晶を再現するためのスクリーニングとしてのチップ上(on−chip)結晶化)
チップについての1つの可能な適用は、従来技術を使用して実質的に再現され得る好ましい結晶化条件の決定である。チップと2つの従来技術(マイクロバッチおよび懸滴)との間の対応は、可変的であることが示されている(45%と80%との間)。しかし、この変動は、チップ独自の特徴ではない。これらの広く使用される結晶化技術は、僅かな対応しか示さず(例えば、16の懸滴のうち14は、リソソームについてはヒットするが、マイクロバッチにおいてはヒットしない)、そしてしばしば、それら自体の中で変動を示す(例えば、表2(プロテイナーゼK))。開始結晶化条件をスクリーニングするためのツールとして、このチップは、多数の有望な条件として同定することが可能であり得る。
(A. On-chip crystallization as screening to reproduce crystals using conventional techniques)
One possible application for the chip is the determination of preferred crystallization conditions that can be substantially reproduced using conventional techniques. The correspondence between the chip and the two prior art (microbatch and hanging drop) has been shown to be variable (between 45% and 80%). However, this variation is not unique to the chip. These widely used crystallization techniques show only a few responses (eg, 14 out of 16 hanging drops hit for lysosomes but not in microbatch) and often their own Variations are shown in (eg, Table 2 (Proteinase K)). As a tool for screening starting crystallization conditions, the chip may be able to be identified as a number of promising conditions.

図65は、3つの異なる技術を使用して各タンパク質について生じたヒットの数の比較を示す。図65において、結晶、微小結晶、ロッドおよび針状物のみが、ヒットとして計数されるが、スフェルライトおよび沈殿物は計数されない。プロテイナーゼKについてのデータは、PMSFを用いた実験および用いない実験の合計であり、そしてトポイソメラーゼVIのBサブユニットについてのデータは、懸滴データの欠如のために含めていない(この場合、チップは、マイクロバッチよりもかなり性能が良かったが)。図65の検討は、6つの場合のうち4つにおいて、チップが、従来のいずれの方法よりもより多いヒットを生じたことを示す。プロテイナーゼKについてのみ、従来技術は、有意により好ましい結果を提供した。   FIG. 65 shows a comparison of the number of hits generated for each protein using three different techniques. In FIG. 65, only crystals, microcrystals, rods and needles are counted as hits, but spherulites and precipitates are not counted. Data for proteinase K is the sum of experiments with and without PMSF, and data for the B subunit of topoisomerase VI is not included due to the lack of hanging drop data (in this case the chip is , Which was much better than microbatch). The examination of FIG. 65 shows that in 4 out of 6 cases, the chip produced more hits than any of the conventional methods. For proteinase K only, the prior art provided significantly more favorable results.

チップの生産性についての可能な理由を同定するための結晶化方法間の差異を理解するために、本発明者らは、3つの方法が、短い時間規模および長い時間規模の両方について、異なる熱力学的条件を生じることを理解する必要がある。タンパク質結晶化を誘導するために、結晶化をエネルギー的に好ましくし(過飽和条件)、そして結晶成長が生じるのに十分長期にわたってこれらの条件を維持する必要がある。   In order to understand the differences between crystallization methods to identify possible reasons for chip productivity, we have determined that the three methods have different heat for both short and long time scales. It is necessary to understand that it creates mechanical conditions. In order to induce protein crystallization, crystallization must be energetically favorable (supersaturated conditions) and these conditions must be maintained for a long enough time for crystal growth to occur.

程度の異なる過飽和もまた存在する。低い過飽和では、結晶成長は支持される傾向があるが、新たな結晶の核形成は比較的起こりにくい。高い過飽和では、各形成が迅速であり、そして多数の小さい低品質の結晶がしばしば形成され得る。本明細書で考慮される3つの方法において、過飽和の条件は、タンパク質および対応溶媒の相対濃度および絶対濃度の操作によって達成される。   There are also different degrees of supersaturation. At low supersaturation, crystal growth tends to be supported, but nucleation of new crystals is relatively unlikely. At high supersaturation, each formation is rapid and many small, low quality crystals can often be formed. In the three methods contemplated herein, the supersaturation condition is achieved by manipulation of the relative and absolute concentrations of the protein and the corresponding solvent.

3つの方法の相空間進化/平衡化の比較を、図66に示す。マイクロバッチ技術について、2つの溶液の混合は迅速であり、そして不透過性油層下に維持される場合、時間がたっても有意な濃縮はほとんど起こらない。従って、マイクロバッチは、相空間の一点でのみサンプリングする傾向があり、時間がたってもほぼ同じ条件を維持する。   A comparison of the phase space evolution / equilibration of the three methods is shown in FIG. For the microbatch technique, the mixing of the two solutions is rapid and little significant concentration occurs over time if kept under an impermeable oil layer. Therefore, microbatches tend to sample only at one point in the phase space and maintain approximately the same conditions over time.

懸滴は、マイクロバッチと同様に開始し、2つの溶液の混合は迅速であるが、次いでより濃縮された塩/沈殿物レザバでの蒸気平衡化に起因して、より長い時間規模(数時間〜数日間)の濃縮を受ける。液滴の蒸発脱水の間、沈殿物に対するタンパク質の比は、一定のままである。   Suspended drops start like a microbatch and the mixing of the two solutions is rapid, but then a longer time scale (several hours) due to vapor equilibration with a more concentrated salt / precipitate reservoir. Receive concentration for ~ several days). During the evaporation of the droplets, the ratio of protein to precipitate remains constant.

以下のミクロ流体自由界面の説明において詳細に記載されるように、短い時間規模では、チップ力学は、自由界面拡散実験に最も密に類似する。混合はゆっくりであり、そして種の平衡化速度(タンパク質/沈殿物/プロトン/塩)は、種の拡散定数に依存する。塩のような低分子は、大きい拡散定数を有し、従って、迅速に平衡化する。大きい分子(例えば、タンパク質)は、小さい拡散定数を有し、そしてよりゆっくりと平衡化する。   As described in detail in the description of the microfluidic free interface below, on a short time scale, chip dynamics most closely resemble free interface diffusion experiments. Mixing is slow and the equilibration rate of the species (protein / precipitate / proton / salt) depends on the diffusion constant of the species. Small molecules such as salts have large diffusion constants and therefore equilibrate quickly. Large molecules (eg proteins) have a small diffusion constant and equilibrate more slowly.

図67A〜Dは、3つの化合物ウェルにおける2日間の時間分解平衡化の写真を示す。使用した色素は、約700Daの分子量を有する。これらの写真から、色素の平衡化時間は、約1.5時間と概算される。次元アインシュタイン等式が、拡散時間の大まかな概算を得るために使用され得る。   67A-D show photographs of 2 day time-resolved equilibration in three compound wells. The dye used has a molecular weight of about 700 Da. From these photographs, the dye equilibration time is estimated to be about 1.5 hours. The dimensional Einstein equation can be used to obtain a rough estimate of the diffusion time.

Figure 2009001486
ここで:
t=拡散時間;
x=最長の拡散距離;および
D=拡散係数。
Figure 2009001486
here:
t = diffusion time;
x = longest diffusion distance; and D = diffusion coefficient.

一般に、拡散係数は、回転半径と反比例して変化し、従って、分子量の三乗根分の1として変化する。   In general, the diffusion coefficient varies inversely with the radius of gyration, and thus varies as one third of the molecular weight.

Figure 2009001486
ここで:
D=拡散係数;
r=回転半径;および
m=分子量。
Figure 2009001486
here:
D = diffusion coefficient;
r = turning radius; and m = molecular weight.

この色素についての約1.5時間の平衡化時間と比較すると、同じ距離にわたる20KDaのタンパク質についての近似平衡化時間は、約45時間であると概算される。同じ距離にわたる100Daの分子量の小さい塩についての平衡化時間は、約45分間である。   Compared to the equilibration time of about 1.5 hours for this dye, the approximate equilibration time for a 20 KDa protein over the same distance is estimated to be about 45 hours. The equilibration time for a 100 Da low molecular weight salt over the same distance is about 45 minutes.

チップ界面バルブが開いた直後、タンパク質側のタンパク質濃度は、ほとんど変化しなかったが、塩濃度は、タンパク質および溶媒ウェルの相対的な大きさによって決定される3つの最終値の1つにまで増加した。次に、約45時間にわたって、タンパク質濃度を平衡化し、溶媒側については増加し、タンパク質側については減少する。最終タンパク質濃度を再び、相対的なチャンバの大きさによって決定する。類似のプロセスがチップの溶媒側に生じ、溶媒濃度はその最も高い値で始まり、そしてタンパク質濃度は0で始まった。従って、このチップは、より多くの相−空間をサンプリングし、そして結果として結晶化に有利な条件を検出するよりよい機会を有する。図66に示される時間規模よりも大きい時間規模では、いくつかの溶質および溶媒に対するPDMSの透過性に起因する、チップ条件における引き続く変化が存在し得る。   Immediately after the chip interface valve was opened, the protein concentration on the protein side hardly changed, but the salt concentration increased to one of three final values determined by the relative size of the protein and solvent wells. did. The protein concentration is then equilibrated over about 45 hours, increasing on the solvent side and decreasing on the protein side. The final protein concentration is again determined by the relative chamber size. A similar process occurred on the solvent side of the chip, the solvent concentration started at its highest value and the protein concentration started at zero. Thus, this chip has a better opportunity to sample more phase-space and consequently detect conditions that favor crystallization. At time scales larger than the time scale shown in FIG. 66, there may be subsequent changes in chip conditions due to PDMS permeability to several solutes and solvents.

平衡化プロセスを遅延または中断することが所望の場合、バルブ起動衝撃係数を変化させることによって平衡速度を調節して、界面バルブは閉じられ得る。このことは、本発明に従う実施形態の重要な利点である、平衡化プロセスの一時的制御を得る機会を提供する。平衡化プロセスについての一時的制御のさらなる考察は、図76A〜Cと組み合わせて以下に記載される。   If it is desired to delay or interrupt the equilibration process, the interfacial valve can be closed adjusting the equilibration speed by changing the valve actuation impact coefficient. This provides an opportunity to gain temporary control of the equilibration process, an important advantage of embodiments according to the present invention. Further discussion of temporal control for the equilibration process is described below in combination with FIGS.

キャピラリーにおける自由界面拡散の結晶化技術は、チップ結果をより密に模倣し得る。伝統的に、この方法は、十分に規定された界面を確実に設ける困難性に起因して、頻繁には使用されない。しかし、ミクロ流体環境において、確実な自由界面拡散実験を確立することは、比較的容易である。ミクロ流体自由界面の形成のさらなる考察については、図71〜75と組み合わせて、以下に示される。   Free interface diffusion crystallization techniques in capillaries can more closely mimic chip results. Traditionally, this method is not frequently used due to the difficulty of ensuring a well-defined interface. However, it is relatively easy to establish a reliable free interface diffusion experiment in a microfluidic environment. Further discussion of the formation of a microfluidic free interface is given below in combination with FIGS.

自由界面拡散に基づいて、結晶の容易な回収を提供しながらチップ条件を模倣する、巨視的結晶化技術を開発することもまた、可能であり得る。   It may also be possible to develop macroscopic crystallization techniques that mimic chip conditions while providing easy recovery of crystals based on free interface diffusion.

(b.従来技術を使用して、結晶化のための種結晶を得るための、チップ上結晶化)
結晶化チップの別の適用において、結晶は、従来の方法を使用して回収するために、成長され得る。図66の検討は、好ましい条件をチップから別の方法に移すことが、おそらく、この条件の周囲についてスクリーニングすることを必要とすることを示唆する。予備実験において、チップにおいてグルコースイソメラーゼ結晶を生じたが、マイクロバッチにおいては結晶を生じなかった10の条件を、マイクロバッチにおけるさらなるスクリーニングの基礎として使用した。各条件は、パラフィン油およびシリコーン油の両方の下での、ストックタンパク質溶液との1:4、1:1および4:1の比での混合であった。シリコーン油は、PDMSの透過性と類似の透過性を有するので、これを使用した。6日間の最後に、マイクロバッチにおいては以前に結晶化しなかった10種のタンパク質のうち6種が、結晶を示した。HCSI−6の結晶が、特に目的の結晶であり、これは、シリコーン油の下で、溶液に対するタンパク質の4:1の比において、高品質の結晶を形成した。この条件は、他の条件(パラフィン油の下での同一の条件を含む)のいずれにおいても、結晶を示さなかった。図68Aは、シリコーン油の下で形成された結晶を示し、そして図68Bは、パラフィン油の下でのネガティブな結果を示す。この結果は、封じ込め物質の透過性が、タンパク質結晶化に対して有意な影響を有し得ることを示す。
(B. Crystallization on chip to obtain a seed crystal for crystallization using conventional technology)
In another application of the crystallization chip, the crystals can be grown for recovery using conventional methods. The examination of FIG. 66 suggests that moving the preferred conditions from the chip to another method probably requires screening around this condition. In preliminary experiments, ten conditions that produced glucose isomerase crystals in the chip but not in the microbatch were used as the basis for further screening in the microbatch. Each condition was a 1: 4, 1: 1 and 4: 1 ratio with stock protein solution under both paraffin and silicone oils. Silicone oil was used because it has a permeability similar to that of PDMS. At the end of 6 days, 6 of the 10 proteins that had not previously crystallized in the microbatch showed crystals. HCSI-6 crystals were particularly targeted crystals, which formed high quality crystals under a 4: 1 ratio of protein to solution under silicone oil. This condition showed no crystals in any of the other conditions (including the same conditions under paraffin oil). FIG. 68A shows the crystals formed under silicone oil and FIG. 68B shows the negative result under paraffin oil. This result indicates that the permeability of the containment material can have a significant effect on protein crystallization.

このことはまた、PDMSの透過性と類似の透過性を有する物質が、チップとより密に類似するマクロ結晶化技術の確立において有用であり得ることを示唆する。   This also suggests that materials with a permeability similar to that of PDMS may be useful in establishing macrocrystallization techniques that are more closely similar to the chip.

(c.チップ上の結晶成長の直接的分析)
高品質の結晶がチップ中で成長し、そしてチップから抽出される場合、結晶化条件は、移される必要がない。図50〜51(グルコースイソメラーゼ)、60A(リゾチーム)、62B(キシラナーゼ)および64A〜B(トポイソメラーゼVIのBサブユニット)に示すように、X線結晶学のために十分な大きさの高品質の結晶が、チップ上で成長し得る。チップは、ガラス基材から除去され得るので、タンパク質結晶を抽出することもまた可能である。6つの結晶(1つはキシラナーゼ、5つはトポイソメラーゼVIのBサブユニット)を、チップから除去し、低温ループ(cryo−loop)中に取り付け、そして液体窒素中で瞬間冷凍する。HCS1−14において成長したキシラナーゼ結晶の場合、チップを剥離し、そして30%グリセロール、70%溶媒の5μLを、ウェル上にピペッティングした。次いでこの結晶を、300μmの低温ループを用いて抽出し、液体窒素中で瞬間冷凍した。図69は、低温ループに取りつけられた、このキシラナーゼ(図62A〜Bに示される結晶と同じ)を示す。
(C. Direct analysis of crystal growth on chip)
If high quality crystals are grown in the chip and extracted from the chip, the crystallization conditions need not be transferred. High quality high enough for X-ray crystallography as shown in FIGS. 50-51 (glucose isomerase), 60A (lysozyme), 62B (xylanase) and 64A-B (B subunit of topoisomerase VI) Crystals can grow on the chip. Since the chip can be removed from the glass substrate, it is also possible to extract protein crystals. Six crystals (one xylanase and five topoisomerase VI B subunits) are removed from the chip, mounted in a cryo-loop and snap frozen in liquid nitrogen. For xylanase crystals grown in HCS1-14, the chip was detached and 5 μL of 30% glycerol, 70% solvent was pipetted onto the wells. The crystals were then extracted using a 300 μm cold loop and flash frozen in liquid nitrogen. FIG. 69 shows this xylanase (same as the crystals shown in FIGS. 62A-B) attached to a cold loop.

(d.成長/回収チップ)
以前に記載されたように、一旦タンパク質結晶が形成されると、その三次元構造についての情報が、結晶によるX線の回折から獲得され得る。しかし、タンパク質に対するエネルギーの高い照射の適用は、熱を発生させる傾向がある。X線はまた、イオン化し、そしてフリーラジカルの発生および共有結合の分解を生じ得る。熱またはイオン化のいずれかが、結晶が入射X線を回折する能力を破壊または低減し得る。
(D. Growth / recovery chip)
As previously described, once a protein crystal is formed, information about its three-dimensional structure can be obtained from X-ray diffraction by the crystal. However, the application of high energy irradiation to proteins tends to generate heat. X-rays can also ionize and cause free radical generation and covalent bond degradation. Either heat or ionization can destroy or reduce the ability of the crystal to diffract incident x-rays.

従って、結晶形成の際に、低温物質が、代表的に、その変更された状態での結晶性物質を保存するために添加される。しかし、クライオジェンの突然の添加もまた、結晶に損傷を与え得る。従って、本発明に従う結晶化チップの実施形態について、一旦結晶性物質がチップ中に形成されると、結晶化チャンバへクライオジェンを直接的に添加できることが有利である。   Thus, during crystal formation, a low temperature material is typically added to preserve the crystalline material in its altered state. However, the sudden addition of cryogen can also damage the crystals. Thus, for embodiments of the crystallization chip according to the present invention, it is advantageous that the cryogen can be added directly to the crystallization chamber once the crystalline material is formed in the chip.

さらに、タンパク質結晶は非常にデリケートであり、物理的外傷に応答して迅速に崩れるかまたは崩壊し得る。従って、チップの小さいチャンバから無傷の結晶を回収することは、結晶性物質についての価値ある情報を獲得するためには、潜在的な障害を示す。   Furthermore, protein crystals are very delicate and can quickly collapse or collapse in response to physical trauma. Thus, recovering intact crystals from the small chamber of the chip represents a potential obstacle to obtaining valuable information about the crystalline material.

従って、本発明に従う結晶化チップの代替の実施形態について、チップ中に形成された結晶性物質のX線照射による直接的問い合わせを可能にし、それによって別個の結晶回収手順の必要性を完全に排除することもまた、有利である。   Thus, an alternative embodiment of a crystallization chip according to the present invention allows direct interrogation of the crystalline material formed in the chip by X-ray irradiation, thereby completely eliminating the need for a separate crystal recovery procedure It is also advantageous to do.

従って、図71Aは、本発明に従う結晶成長チップの単純化した実施形態の平面図を示す。図71Bは、図71Aの線B−B’に沿って示される結晶成長チップの実施形態の単純化した断面図を示す。   Accordingly, FIG. 71A shows a plan view of a simplified embodiment of a crystal growth chip according to the present invention. FIG. 71B shows a simplified cross-sectional view of the embodiment of the crystal growth tip shown along line B-B ′ of FIG. 71A.

回収/成長チップ9200は、ガラス基材9204に被さるエラストマー部分9202を備える。ガラス基材9204は、3つのエッチングされたウェル、9206a、9206bおよび9206cを計算する。従って、ガラス基材9204上のエラストマー部分9202の配置は、フローチャネル9208を介して互いに流体連絡した3つの対応するチャンバを規定する。フローチャネル9208を通る物質の流れは、制御チャネル9208上へのコントロールライン9212の重複によって規定される、バルブ9210によって制御される。   The collection / growth chip 9200 includes an elastomer portion 9202 that covers the glass substrate 9204. The glass substrate 9204 calculates three etched wells, 9206a, 9206b and 9206c. Accordingly, the placement of elastomer portion 9202 on glass substrate 9204 defines three corresponding chambers that are in fluid communication with each other via flow channel 9208. The flow of material through the flow channel 9208 is controlled by a valve 9210, defined by the overlap of the control line 9212 over the control channel 9208.

成長/回収チップ9200の作動中に、バルブ9210は最初に起動して、チャンバ9206a、9206bおよび9206cの内容物間の接触を防止する。次いで、チャンバ9206a、9206bおよび9206cは、ウェル9214を介して、結晶化をもたらすための異なる物質によって別々に充填される。例えば、チャンバ9206aは、タンパク質溶液で充填され得、チャンバ9206bは、結晶化剤で充填され得、そしてチャンバ9206cは、クライオジェンで充填され得る。   During operation of the growth / recovery chip 9200, the valve 9210 is initially activated to prevent contact between the contents of the chambers 9206a, 9206b and 9206c. Chambers 9206a, 9206b, and 9206c are then separately filled with different materials to effect crystallization through well 9214. For example, chamber 9206a can be filled with a protein solution, chamber 9206b can be filled with a crystallization agent, and chamber 9206c can be filled with a cryogen.

次いで、第一コントロールライン9212は作動停止されて、バルブ9210aを開き得、そしてそれによってタンパク質溶液および結晶化剤の拡散を可能にする。結晶9216の形成の際に、残りのコントロールライン9212は作動停止されて、チャンバ9206cからのクライオジェンの拡散が、結晶9216を保存することを可能にし得る。   The first control line 9212 can then be deactivated to open the valve 9210a, thereby allowing diffusion of the protein solution and crystallization agent. Upon formation of the crystal 9216, the remaining control line 9212 may be deactivated and cryogen diffusion from the chamber 9206c may allow the crystal 9216 to be stored.

次に、全チップ9200が、X線回折装置中に取り付けられ得、光源9220から結晶9216に対して適用される、回折を有するX線ビーム9218は、検出器9222によって感知される。図71Bに示されるように、ウェル9206の一般的な位置は、エラストマー部分9202およびその下にあるガラス部分9204の両方の厚さの減少した領域対応する。この様式において、照射ビーム9218は、結晶9216に遭遇する前およびその後に、最少量のエラストマーおよびガラス材料を横切り、それによって、受容される回折された信号に対するノイズの有害効果を減少させる必要がある。   Next, the entire chip 9200 can be mounted in an X-ray diffractometer and the X-ray beam 9218 with diffraction applied from the light source 9220 to the crystal 9216 is sensed by the detector 9222. As shown in FIG. 71B, the general location of the well 9206 corresponds to a reduced thickness region of both the elastomer portion 9202 and the underlying glass portion 9204. In this manner, the illuminating beam 9218 must traverse the minimum amount of elastomer and glass material before and after encountering the crystal 9216, thereby reducing the deleterious effects of noise on the received diffracted signal. .

タンパク質成長/回収チップの1例を、図71A〜Bと組み合わせて上記してきたが、本発明に従う実施形態は、この特定の構造に限定されない。例えば、記載された本実施形態の実施は、ミクロチャンバがエッチングされたガラス基材を利用するが、本発明に従うミクロ流体構造の製造は、ガラス基材の使用に限定されない。基材中に特徴を製造するための可能な代替としては、プラスチックの射出成形、PMMAのようなプラスチックのホットエンボス加工、またはSU8フォトレジストのような光硬化性のポリマーを利用してウェルを製造することが挙げられる。さらに、特徴は、レーザーアブレーションを利用して、ガラスのような基材上に形成され得るか、または特徴は、ガラス以外の基材(例えば、シリコーン)の等方性または非等方性のエッチングによって形成され得る。   Although an example of a protein growth / recovery chip has been described above in combination with FIGS. 71A-B, embodiments according to the present invention are not limited to this particular structure. For example, while the implementation of the described embodiment utilizes a glass substrate with etched microchambers, the manufacture of microfluidic structures according to the present invention is not limited to the use of glass substrates. Possible alternatives for producing the features in the substrate include plastic injection molding, plastic hot embossing such as PMMA, or the production of wells using a photo-curable polymer such as SU8 photoresist. To do. Further, the features can be formed on a substrate such as glass using laser ablation, or the features can be isotropic or anisotropic etching of a substrate other than glass (eg, silicone). Can be formed.

代替的製造方法によって付与される潜在的な利点としては、より高密度の統合を可能にする特徴のより正確な規定、および生成の容易さ(例えば、ホットエンボス加工)が挙げられるが、これらに限定されない。さらに、炭素ベースのプラスチックのような特定の物質は、X線をあまり散乱させず、それにより、チップからの直接的な回折データの収集を容易にする。   Potential advantages afforded by alternative manufacturing methods include more precise definition of features that allow higher density integration, and ease of production (eg, hot embossing). It is not limited. Furthermore, certain materials such as carbon-based plastics do not scatter X-rays much, thereby facilitating the collection of diffraction data directly from the chip.

結晶の成長および分析を容易にするミクロ流体構造の実施形態は、下部表面上に溝を有するエラストマー部分を含む。基材は、このエラストマー部分の下部表面と接触して、第一のミクロ流体チャンバ、第二のミクロ流体チャンバおよび第三のミクロ流体チャンバを規定し、この第一、第二および第三のミクロ流体チャンバは、エラストマー部分と基材との間を規定するフローチャネルを介して流体連絡している。第一のチャンバは、標的物質溶液で開始され得、第二のチャンバは、結晶化剤で開始され得、そして第三のチャンバは、クライオジェンで開始され得、その結果、結晶化剤および標的溶液の拡散によってこの構造中で形成される結晶は、クライオジェンの導入によって生じる温度の低下によって保存され得る。   An embodiment of a microfluidic structure that facilitates crystal growth and analysis includes an elastomeric portion having grooves on the lower surface. A substrate is in contact with the lower surface of the elastomer portion to define a first microfluidic chamber, a second microfluidic chamber, and a third microfluidic chamber, the first, second and third microfluidic chambers. The fluid chamber is in fluid communication through a flow channel that defines between the elastomer portion and the substrate. The first chamber can be started with a target substance solution, the second chamber can be started with a crystallization agent, and the third chamber can be started with a cryogen so that the crystallization agent and target Crystals formed in this structure by solution diffusion can be preserved by the decrease in temperature caused by the introduction of cryogen.

(e.結晶オフロード(off−loading)法)
結晶の回収のためのさらなる可能性は、チップからオフロードする方法を有することである。オフロードは、一旦結晶が形成されると、あるいはインキュベーション前に、実行され得る。次いで、これらのオフロードされた結晶は、巨視的反応を播種するために使用され得るか、または低温ループにおいて抽出および取り付けられ得る。クライオジェン添加のための方法がまた開発される場合、結晶は、瞬間凍結され得るか、またはX線ビーム中に直接取り付けられ得る。
(E. Crystal off-loading method)
A further possibility for crystal recovery is to have a method of offloading from the chip. Offloading can be performed once crystals are formed or prior to incubation. These offloaded crystals can then be used to seed macroscopic reactions or extracted and attached in a cold loop. If a method for cryogen addition is also developed, the crystals can be snap frozen or mounted directly in the X-ray beam.

(8.ミクロ自由界面拡散)
熱力学的条件が結晶化を誘導するかどうかを先験的に決定することは困難であり得るので、スクリーニング方法は、可能な限り多数の相−空間(可能な限り多数の条件)をサンプリングするべきである。このことは、複数のアッセイを行うことによって達成され得、そしてまた、時間内の各アッセイの進化の間にサンプリングされた相空間を介して達成され得る。広範な条件のサンプリングの際に特に有効な1つの従来方法は、巨視的自由界面拡散である。この技術は、2つ以上の溶液、代表的にはタンパク質溶液と沈殿剤との間の十分規定された流体界面の創出、および拡散プロセスによる2つの溶液の引き続く平衡化を必要とする。溶液が互いに拡散するにつれて、拡散経路にそって勾配が確立され、そして一連の条件が同時にサンプリングされる。条件には、空間および時間の両方において変動が存在するので、結晶形成の位置および時間に関する情報は、さらなる最適化において使用され得る。図71A〜71Dは、自由界面に沿って接触した溶液Aおよび溶液Bについて、濃度 対 距離をプロットする、単純化した模式図である。図71A〜Dは、時間がたつと、連続的かつ広い範囲の2つの溶液の濃度プロフィールが最終的に創出されることを示す。
(8. Micro free interface diffusion)
Since it can be difficult to determine a priori whether thermodynamic conditions induce crystallization, the screening method samples as many phase-spaces as possible (as many conditions as possible). Should. This can be accomplished by performing multiple assays and can also be accomplished through the phase space sampled during the evolution of each assay in time. One conventional method that is particularly effective in sampling a wide range of conditions is macroscopic free interface diffusion. This technique requires the creation of a well-defined fluid interface between two or more solutions, typically a protein solution and a precipitant, and the subsequent equilibration of the two solutions by a diffusion process. As the solutions diffuse together, a gradient is established along the diffusion path and a series of conditions are sampled simultaneously. Since the conditions vary in both space and time, information about the position and time of crystal formation can be used in further optimization. 71A-71D are simplified schematic diagrams plotting concentration versus distance for solution A and solution B in contact along the free interface. 71A-D show that over time, a continuous and wide range of two solution concentration profiles are eventually created.

巨視的自由界面拡散技術の有効性にもかかわらず、技術的困難が、この技術を高スループットのスクリーニング適用のためには不適切にし、そしていくつかの理由に起因して、結晶学者の間で広く使用されていない。第一に、流体界面は、代表的に、溶液を狭い容器(例えば、キャピラリーチューブまたは培養プレート中の深型ウェル)に拡散させることによって確立される。図72A〜Bは、キャプラリーチューブ9300中の巨視的自由界面形成の試みの、単純化した断面図である。第二の溶液9302を第一の溶液9304中に拡散させる作用は、対流混合を創出し、そして乏しく規定された流体界面9306を生じる。   Despite the effectiveness of macroscopic free interface diffusion technology, technical difficulties have made this technology unsuitable for high-throughput screening applications, and for several reasons, among crystallologists It is not widely used. First, the fluid interface is typically established by diffusing the solution into a narrow container (eg, a capillary tube or a deep well in a culture plate). FIGS. 72A-B are simplified cross-sectional views of attempts to form a macroscopic free interface in a capillary tube 9300. FIG. The action of diffusing the second solution 9302 into the first solution 9304 creates convective mixing and produces a poorly defined fluid interface 9306.

さらに、これらの溶液は、この問題を排除するために、キャピラリー中に連続的に吸収されないかもしれない。図73A〜Bは、キャピラリーチューブ9404における第一の溶液9400と第二の溶液9402との間の混合を示し、この混合は、圧力駆動性のポアズイユの流れの放物線状の速度分布に起因して生じ、乏しく規定された流体界面9406を生じる。さらに、マクロ自由界面結晶化方式のための容器は、ピペットチップまたは分配ツールを受容できるようにする寸法を有するべきであり、そして大きい容量(10〜100μl)のタンパク質溶液および沈殿物溶液を使用する必要がある。   Furthermore, these solutions may not be continuously absorbed into the capillaries to eliminate this problem. 73A-B show the mixing between the first solution 9400 and the second solution 9402 in the capillary tube 9404 due to the parabolic velocity distribution of the pressure-driven Poiseuille flow. Which results in a poorly defined fluid interface 9406. In addition, the container for the macro free interface crystallization mode should have dimensions that allow it to accept a pipette tip or dispensing tool, and use large volumes (10-100 μl) of protein and precipitate solutions. There is a need.

所望でない対流混合を回避するために、分配および結晶インキュベーションの両方の間に、注意を払わなければならない。この理由に起因して、厄介なプロトコルが、マクロ自由界面を規定するためにしばしば使用される。例えば、第二の溶液を添加する前に、1つの溶液を凍結させる。さらに、異なる密度の2つの溶液は、適切な配向で保存されない場合、重力誘導された対流によって混合し、反応の保存をさらに複雑にする。このことは、図74A〜Cにおいて示される。ここで、時間がたつと、第二の溶液9502の密度よりも高い密度を有する第一の溶液9500は、単に沈降して、キャピラリーチューブの長さに沿った拡散勾配の形成を導かない静的な下部層9504を形成する。   Care must be taken during both partitioning and crystal incubation to avoid unwanted convective mixing. For this reason, cumbersome protocols are often used to define macro free interfaces. For example, one solution is frozen before the second solution is added. In addition, two solutions of different densities are mixed by gravity-induced convection if they are not stored in the proper orientation, further complicating the storage of the reaction. This is shown in FIGS. Here, over time, the first solution 9500 having a density higher than that of the second solution 9502 simply settles and does not lead to the formation of a diffusion gradient along the length of the capillary tube. A lower layer 9504 is formed.

本発明の実施形態に従って、伝統的なマクロ自由界面拡散(ゲート型ミクロ自由界面拡散(ゲート型μ−FID)と称される)に類似する結晶化技術が開発されている。ゲート型μ−FIDは、巨視的自由界面拡散技術によって達成される相空間の効率的なサンプリングを保持し、サンプル溶液を倹約して使用すること、設定の容易さ、十分規定された流体界面の創出、平衡化力学についての制御および高スループットの並行実験を実施する能力という利点を付け加える。これらの利点は、本発明の多数の特徴によって可能とされる。   In accordance with embodiments of the present invention, a crystallization technique similar to traditional macro free interface diffusion (referred to as gated micro free interface diffusion (gate μ-FID)) has been developed. The gated μ-FID maintains the efficient sampling of the phase space achieved by the macroscopic free interface diffusion technique, saves and uses the sample solution, ease of setup, well-defined fluid interface Add the advantages of creation, control over equilibration mechanics and the ability to perform high-throughput parallel experiments. These advantages are made possible by the numerous features of the present invention.

ミクロ流体工学は、ナノリットル下の規模で流体を取り扱うことが可能である。結果として、大きい封じ込めチャンバを使用する必要がなく、従って、アッセイは、ナノリットル規模またはナノリットル下の規模で実行され得る。非常に小さい容量の利用により、実行されるべき膨大なアッセイが、1回の巨視的自由界面拡散実験に必要なサンプル容量と同じサンプル容量を消費することを可能とする。これは、費用および時間がかかる増幅工程および精製工程を減少し、そして容易に発現されない、従って、バルクサンプルから精製される必要があるタンパク質のスクリーニングを可能にする。   Microfluidics can handle fluids on the nanoliter scale. As a result, it is not necessary to use a large containment chamber and therefore the assay can be performed on a nanoliter scale or a scale below nanoliters. The use of a very small volume allows the vast assay to be performed to consume the same sample volume as required for a single macroscopic free interface diffusion experiment. This reduces costly and time consuming amplification and purification steps and allows screening for proteins that are not easily expressed and therefore need to be purified from bulk samples.

ミクロ流体工学は、さらに、調製時間の節約を提供し、数百または数千ものアッセイが同時に実行され得る。以前に記載されたような、拡張可能な測定技術の使用は、制御機構の複雑性を増大させることなく、並行実験が行われることを可能にする。   Microfluidics further provides preparation time savings, where hundreds or thousands of assays can be performed simultaneously. The use of scalable measurement techniques, as previously described, allows parallel experiments to be performed without increasing the complexity of the control mechanism.

ミクロ流体構造が本発明の実施形態に従って形成され得るエラストマー材料は、特定の気体に対して比較的透過性である。この気体透過特性は、十分規定された再現性のある流体界面を形成するために、加圧化ガスプライミング(pressurized out−gas priming)(POP)の技術を利用して調査され得る。   Elastomeric materials from which microfluidic structures can be formed according to embodiments of the present invention are relatively permeable to certain gases. This gas permeation characteristic can be investigated using the technique of pressurized out-gas priming (POP) to form a well-defined and reproducible fluid interface.

図75Aは、本発明の実施形態に従うミクロ流体デバイスのフローチャネル9600の断面図を示す。フローチャネル9600は、起動されたバルブ9602によって2つの半体に分離される。材料の導入前に、フローチャネル9600は、気体9604を含む。   FIG. 75A shows a cross-sectional view of a flow channel 9600 of a microfluidic device according to an embodiment of the present invention. Flow channel 9600 is separated into two halves by activated valve 9602. Prior to introduction of material, the flow channel 9600 contains a gas 9604.

図75Bは、加圧下での、第一のフローチャネル部分9600aへの第一の溶液9606の導入、および加圧下での、第二のフローチャネル部分9600bへの第二の溶液9608の導入を示す。取り囲むエラストマー物質6907の気体透過性に起因して、気体9604は、入ってくる溶液9608および9610によって置換され、そしてエラストマー6907を介して気体を出す。   FIG. 75B shows the introduction of the first solution 9606 into the first flow channel portion 9600a under pressure and the introduction of the second solution 9608 into the second flow channel portion 9600b under pressure. . Due to the gas permeability of the surrounding elastomeric material 6907, the gas 9604 is displaced by the incoming solutions 9608 and 9610 and vents the gas through the elastomer 6907.

図75Cに示されるように、フローチャネルの9600a位置および9600b位置の加圧された、出てきたガスのプライミングは、気泡を伴わずに、これらのデッドエンドフローチャネル部分を均質に満たすことを可能にする。図75Dに示すように、バルブ9602の作動していない場合、十分に規定された流体界面9612を作製し、拡散勾配の構成を可能にする。   As shown in FIG. 75C, the priming of the pressurized, exiting gas at the 9600a and 9600b positions of the flow channel can uniformly fill these dead-end flow channel portions without bubbles. To. As shown in FIG. 75D, when the valve 9602 is not activated, a well-defined fluid interface 9612 is created to allow for the configuration of a diffusion gradient.

要約すると、従来のマクロ自由界面技術は、mm程度の寸法を有する毛細管または他の容器を使用する。それに比べて、本発明の実施形態に従う流体界面は、μm程度の寸法を有するミクロチャネルにおいて作製される。このような小さい寸法においては、粘度の効果によって、所望ではない対流が抑制され、そして拡散によって、混合が優勢になる。従って、十分に規定された流体界面は、所望ではない有意な対流混合を伴わずに確立され得る。   In summary, conventional macro free interface technology uses capillaries or other containers with dimensions on the order of mm. In contrast, fluid interfaces according to embodiments of the present invention are made in microchannels having dimensions on the order of μm. At such small dimensions, the effect of viscosity suppresses undesired convection and diffusion predominates mixing. Thus, a well-defined fluid interface can be established without significant convective mixing that is not desired.

標的物質を結晶化するための方法の実施形態は、以下の工程を包含する:第一ミクロ流体チャンバを規定する工程、標的物質を含む溶液で第一ミクロ流体チャンバをプライムする工程、第二ミクロチャンバを規定する工程、および結晶化剤を含む第二溶液で第二ミクロ流体チャンバをプライムする工程。第一ミクロ流体チャンバは、標的物質と結晶化剤との間にミクロ流体自由界面を規定するために、第二ミクロ流体チャンバと流体連絡内して位置される。拡散は、標的物質と結晶化剤との間に生じることが可能であり、その結果、標的物質の溶解環境における変化は、標的物質に結晶を形成させる。   Embodiments of a method for crystallizing a target material include the following steps: defining a first microfluidic chamber, priming the first microfluidic chamber with a solution containing the target material, a second micro Defining the chamber and priming the second microfluidic chamber with a second solution comprising a crystallization agent. The first microfluidic chamber is positioned in fluid communication with the second microfluidic chamber to define a microfluidic free interface between the target material and the crystallization agent. Diffusion can occur between the target substance and the crystallization agent, so that changes in the dissolution environment of the target substance cause the target substance to form crystals.

(9.平衡についての一時的制御)
結晶の成長および質は、平衡の間に調査された熱力学的状態によってだけでなく、平衡が生じる速度によって決定される。従って、平衡の動態を制御することは、潜在的に価値がある。
(9. Temporary control of equilibrium)
Crystal growth and quality is determined not only by the thermodynamic state investigated during equilibrium, but also by the rate at which equilibrium occurs. Therefore, controlling equilibrium dynamics is potentially valuable.

従来の結晶化方法において、平衡の動態に関する粗い(course)制御だけが、初期条件の操作を介して利用可能であり得る。巨視的な自由界面拡散については、一旦拡散が始まると、実験者は結果として生じた平衡速度に関して制御しない。懸滴実験について、平衡速度は、出発液滴の大きさ、レザバの総量、またはインキュベーション温度を改変することによって変更され得る。マイクロバッチ実験において、サンプルが濃縮される速度が、液滴の大きさ、ならびに周囲の油の同一性および量を操作することによって変更され得る。平衡速度はこれらのパラメーターに複雑な様式で依存するので、平衡の動態は大まかな様式で変更され得るのみである。さらに、一旦実験が始まると、平衡動態に関するさらなる制御が利用可能ではない。   In conventional crystallization methods, only coarse control over equilibrium kinetics may be available through manipulation of initial conditions. For macroscopic free interface diffusion, once diffusion begins, the experimenter has no control over the resulting equilibrium velocity. For hanging drop experiments, the equilibrium rate can be altered by modifying the starting drop size, the total reservoir volume, or the incubation temperature. In microbatch experiments, the rate at which the sample is concentrated can be altered by manipulating the droplet size and the identity and amount of the surrounding oil. Since the equilibrium rate depends on these parameters in a complex manner, the equilibrium kinetics can only be altered in a rough manner. Furthermore, once the experiment begins, no further control over equilibrium kinetics is available.

対照的に、門のついたμ−FID実験における流体界面は、界面バルブの開閉によって制御され得、平衡動態の正確な調節を可能にする。例えば、図76Aは、2つのミクロ流体チャンバ9700および9702の単純な平面図を示し、フローチャネル9704を通るこれらのチャンバの連絡は、バルブ9706によって制御される。図76Bは、このバルブが100%のデューティーサイクルで作動される場合の、第一チャンバにおける第一溶液の濃度を経時的にプロットする。図76Cは、このバルブが図76Bの50%のデューティーサイクルで作動される場合の、第一チャンバにおける第一溶液の濃度を経時的にプロットする。図76Cの調査は、チャンバAにおける第一溶液の濃度がそのオリジナル値の半分に減少するために、2倍長い時間がかかることを示す(t50% 1/2=2t100% 1/2)。 In contrast, the fluid interface in a gated μ-FID experiment can be controlled by opening and closing the interface valve, allowing precise adjustment of the equilibrium kinetics. For example, FIG. 76A shows a simple top view of two microfluidic chambers 9700 and 9702, and communication of these chambers through flow channel 9704 is controlled by valve 9706. FIG. 76B plots the concentration of the first solution in the first chamber over time when the valve is operated at 100% duty cycle. FIG. 76C plots the concentration of the first solution in the first chamber over time when the valve is operated at the 50% duty cycle of FIG. 76B. The study in FIG. 76C shows that it takes twice as long time to reduce the concentration of the first solution in chamber A to half its original value (t 50% 1/2 = 2t 100% 1/2 ). .

本発明の代替の実施形態に従って、デューティーサイクルによって規則的な基礎に基づいて開閉しているのではなく、接続バルブは、不規則に連続する作動の中間時間またはそれを越える時間で閉じられ得、それによって、一旦好都合な条件が達成されると、平衡が維持される。   In accordance with an alternative embodiment of the invention, rather than opening and closing on a regular basis with a duty cycle, the connection valve can be closed at an intermediate time of irregularly continuous operation or beyond, Thereby, equilibrium is maintained once favorable conditions are achieved.

2つの流体間の拡散に対し一時的制御を及ぼす方法の実施形態は、エラストマー材料においてミクロ流体フローチャネルを提供する工程を包含し、フローチャネル内に配置されたエラストマー材料の膜部分をバルブに規定する。膜の片側のフローチャネルの第一部分を、第一流体でプライムする。フローチャネルの反対側のフローチャネルの第二部分を、第二流体でプライムする。エラストマー膜は、バルブを横切って、第一流体および第二流体との間に拡散することを可能にする時間にわたって、フローチャネル内に入り、そしてフローチャネル外に出ることを繰り返す。   An embodiment of a method for providing temporal control over diffusion between two fluids includes providing a microfluidic flow channel in the elastomeric material and defining a membrane portion of the elastomeric material disposed within the flow channel in the valve. To do. The first portion of the flow channel on one side of the membrane is primed with a first fluid. A second portion of the flow channel opposite the flow channel is primed with a second fluid. The elastomeric membrane repeats entering and exiting the flow channel for a time that allows it to diffuse across the valve and between the first and second fluids.

平衡速度はまた、反応チャンバおよび接続チャネルの寸法を操作することによって制御され得る。良好な概算のために、平衡のために必要とされる時間は、必要とされる拡散の長さの二乗として変化する。平衡速度はまた、接続チャネルの断面積に依存する。従って、平衡に必要とされる時間は、接続チャネルの長さおよび断面積の両方の変化によって制御され得る。   The equilibrium rate can also be controlled by manipulating the dimensions of the reaction chamber and connecting channel. For good approximation, the time required for equilibration varies as the square of the required diffusion length. The equilibrium speed also depends on the cross-sectional area of the connecting channel. Thus, the time required for equilibration can be controlled by changes in both the length and cross-sectional area of the connecting channel.

図77Aは、対の配合チャネルチャンバ9800、9802および9804の3つのセットを示し、各対は、異なった長さΔxのミクロチャネル9806によって接続される。図77Bは、平衡時間が平衡距離をプロットする。図77Bは、図77Aのチャンバの平衡のために必要とされる時間 対 接続チャネルの長さの二乗とともに変化することを示す。   FIG. 77A shows three sets of pairs of blending channel chambers 9800, 9802 and 9804, each pair connected by a microchannel 9806 of different length Δx. FIG. 77B plots the equilibrium time and the equilibrium distance. FIG. 77B shows the time required for the balance of the chamber of FIG. 77A versus the square of the length of the connecting channel.

図78は、4つの配合チャンバ9900、9902、9904および9906を示し、各々は接続ミクロチャネル9908の異なる配置を有する。ミクロチャネル9908は、同じ長さであるが、断面積および/または接続チャネルの数が異なる。従って、平衡速度は、断面積の減少/増加(例えば、接続チャネル数もしくはこれらのチャンネルの寸法の減少/増加によって)によって、増加/減少され得る。   FIG. 78 shows four blending chambers 9900, 9902, 9904 and 9906, each having a different arrangement of connecting microchannels 9908. The microchannels 9908 are the same length but differ in cross-sectional area and / or number of connecting channels. Thus, the equilibrium speed can be increased / decreased by reducing / increasing the cross-sectional area (eg, by reducing / increasing the number of connected channels or the dimensions of these channels).

接続チャネルの幾何学的変化による平衡速度の変化は、結晶成長に関する平衡動態の影響を調査するために単一デバイスにおいて使用され得る。図79A〜Dは、濃度勾配(ミクロ流体自由界面からの2つの溶液の部分的拡散の平衡によって最初に確立される)が封じ込めバルブの作動によって維持される実施形態を示す。   Changes in equilibrium speed due to geometric changes in the connecting channel can be used in a single device to investigate the effect of equilibrium kinetics on crystal growth. 79A-D show an embodiment in which the concentration gradient (initially established by the equilibrium of partial diffusion of two solutions from the microfluidic free interface) is maintained by actuation of a containment valve.

図79Aは、分岐した制御チャネル10002によってある間隔で重複したフローチャネル10000を示し、これは、別々に作動する界面バルブ10004のいずれかの側に配置された複数のチャンバ(A〜G)を規定する。図79Bは、界面バルブ10004が作動し、そしてフローチャネルの第一半体の10000aを第一溶液と混合し、そしてフローチャネルの第二半体10000bを第二溶液でプライムした場合の、開始時での溶媒濃度をプロットする。図79Cは、制御チャネル10002を、7つのチャンバ(A〜G)を規定するために作動させた場合、その後の時間Tにおける溶媒の濃度をプロットし、これは、特定時点での濃度勾配を記録する。図79Dは、時間Tにおけるチャンバ(A〜G)の相対濃度をプロットする。 FIG. 79A shows a flow channel 10000 that is overlapped at intervals by a branched control channel 10002, which defines a plurality of chambers (A-G) located on either side of an interfacing valve 10004 that operates separately. To do. FIG. 79B shows the beginning when the interface valve 10004 is activated and the flow channel first half 10000a is mixed with the first solution and the flow channel second half 10000b is primed with the second solution. Plot the solvent concentration at. FIG. 79C plots the concentration of solvent at a subsequent time T 1 when the control channel 10002 is activated to define seven chambers (A to G), which shows the concentration gradient at a particular time point. Record. Figure 79D plots the relative concentration of the chamber (A-G) at time T 1.

図79Aに示す1つの実施形態において、分岐した制御チャネルの作動は、複数のチャネルA〜Gを同時に作製する。しかし、このことは必要ではなく、そして本発明の代替の実施形態において、複数の制御チャネルは、種々の時間間隔でチャンバA〜Gの独立した作製を可能にするために使用され得、それによって、チャンバの出発セットが、自由界面にすぐ隣接して作製される後に、さらなる拡散を生じさせることを可能にする。   In one embodiment shown in FIG. 79A, operation of the branched control channel creates multiple channels A-G simultaneously. However, this is not necessary, and in alternative embodiments of the invention, multiple control channels can be used to allow independent creation of chambers AG at various time intervals, thereby , Allowing a further diffusion to occur after the starting set of chambers is made immediately adjacent to the free interface.

2つの流体間の濃度勾配を記録する方法の実施形態は、ミクロ流体フローチャネル内に存在するエラストマー膜の第一側に第一流体を提供する工程、およびエラストマー膜の第二側に第二流体を提供する工程を包含する。このエラストマー膜は、第一流体と第二流体との間に、ミクロ自由界面を規定するために、ミクロ流体フローチャネルから置換される。第一流体および第二流体は、ミクロ流体自由界面を横切って拡散することを可能にする。ミクロ流体自由界面からの次第に増大する距離でのフローチャネルに沿って配置されるエラストマーバルブの群は、チャンバの連続を規定するために作動し、第一流体および第二流体の相対濃度は、ミクロ流体自由界面を横切って拡散する時間を反映する。   An embodiment of a method for recording a concentration gradient between two fluids includes providing a first fluid on a first side of an elastomeric membrane present in a microfluidic flow channel, and a second fluid on a second side of the elastomeric membrane Providing a step. This elastomeric membrane is displaced from the microfluidic flow channel to define a micro free interface between the first fluid and the second fluid. The first fluid and the second fluid allow diffusion across the microfluidic free interface. A group of elastomeric valves positioned along the flow channel at increasing distances from the microfluidic free interface operates to define the chamber continuity, and the relative concentrations of the first and second fluids are Reflects the time to diffuse across the fluid free interface.

(10.チップホルダ)
先に示したように、本発明に従うミクロ流体デバイスの実施形態は、オンチップレザバまたはウェルを利用し得る。しかし、多量の溶液のローディングを必要とするミクロ流体デバイスにおいて、各ウェルに作用を及ぼすための分離ピンを用いる、対応する多くの投入チューブの使用は、流体デバイスの比較的小さな寸法にとって実用的とはなり得ない。さらに、少ない容積の液体を分注するためのピペットの自動化された使用は公知であり、従って、チップの表面に存在するウェルに直接、溶液をピペッティングするために、このような技術を利用することは最も容易であることが証明され得る。
(10. Tip holder)
As indicated above, embodiments of microfluidic devices according to the present invention may utilize on-chip reservoirs or wells. However, in microfluidic devices that require loading of large amounts of solution, the use of many corresponding input tubes with separation pins to affect each well is practical for the relatively small dimensions of the fluidic device. Cannot be. In addition, the automated use of pipettes for dispensing small volumes of liquid is known and thus utilizes such techniques to pipette solutions directly into wells present on the surface of the tip. It can prove to be the easiest.

毛管現象は、特に、デッドエンドチャンバが材料でプライムされるべき場合、オンチップウェルからチップの作動領域へ溶液を吸い込むために十分ではないかもしれない。このような実施形態において、チップ内へ材料をローディングする1つの方法は、外部圧力の使用を介する。しかし、さらに、可能性のある多量の材料供給源と接続した、小さな寸法のデバイスは、ピンまたはチューブを介する個々のウェルへの圧力付与を実現不可能にし得る。   Capillary action may not be sufficient to draw solution from the on-chip well into the working area of the chip, especially if the dead-end chamber is to be primed with material. In such an embodiment, one method of loading material into the chip is through the use of external pressure. In addition, however, small sized devices connected to a potentially large source of material may make it impossible to apply pressure to individual wells via pins or tubes.

従って、図80は、本発明の1つの実施形態に従うチップホルダ11000の分解図を示す。チップホルダ11000の底部11002は、チップ11008の寸法に対応する大きさのリーセス領域11006の周りの高くした周辺部分11004を備え、これは、ミクロ流体チップ11008をその中に配置することを可能にする。周辺領域11004はさらに、ネジ穴11010を規定する。   Accordingly, FIG. 80 shows an exploded view of a tip holder 11000 according to one embodiment of the present invention. The bottom 11002 of the chip holder 11000 includes a raised peripheral portion 11004 around a recess area 11006 sized to correspond to the dimensions of the chip 11008, which allows the microfluidic chip 11008 to be placed therein. . The peripheral region 11004 further defines a screw hole 11010.

ミクロ流体デバイス11008は、チップホルダ11000の底部11002のリーセス領域11006内に配置される。ミクロ流体デバイス11008は、第一ロウおよび第二ロウ(それぞれ、11012aおよび11012b)に構成される周囲ウェル11012と流体連絡する作動領域11011を備える。ウェル11012は、デバイス11008を機能させることを可能にする十分な容積の材料を保持する。例えば、ウェル11012は、結晶化剤の溶液、標的物質の溶液または染色剤のような他の化学的試薬を含み得る。底部11002は、チップ11008の作動領域11011が観察されることを可能にするのためのウインドウ11003を備える。   The microfluidic device 11008 is disposed in the recess area 11006 of the bottom 11002 of the chip holder 11000. The microfluidic device 11008 includes a working region 11011 in fluid communication with a surrounding well 11012 configured in a first row and a second row (11012a and 11012b, respectively). Well 11012 holds a sufficient volume of material that allows device 11008 to function. For example, the well 11012 may contain other chemical reagents such as a solution of a crystallization agent, a solution of a target substance, or a stain. The bottom 11002 is provided with a window 11003 for allowing the working area 11011 of the tip 11008 to be observed.

チップホルダ11000の上端部分11014は、下側のチップホルダ部分11002およびその中に配置されたミクロ流体チップ11008を覆って適合させる。図解の容易さのために、図80において、上端チップホルダ部分11004は、アセンブリにおける実際の位置に対して逆転して示されている。上端チップホルダ部分11014は、より低いホルダ部分11002のネジ穴11010と一列に並ぶネジ穴11010を備え、その結果、ネジ11016は、ホルダ11000の部分11002と11014との間のチップを固定する穴11010を介して挿入され得る。チップホルダの上方部分11014は、チップ11008の作動領域11011が観察されることを可能にするのためのウインドウ11005を備える。   The upper end portion 11014 of the chip holder 11000 covers and fits the lower chip holder portion 11002 and the microfluidic chip 11008 disposed therein. For ease of illustration, in FIG. 80, the top tip holder portion 11004 is shown reversed relative to the actual position in the assembly. The top tip holder portion 11014 comprises a screw hole 11010 aligned with the screw hole 11010 of the lower holder portion 11002 so that the screw 11016 is a hole 11010 that secures the tip between the portions 11002 and 11014 of the holder 11000. Can be inserted. The upper part 11014 of the chip holder comprises a window 11005 for allowing the working area 11011 of the chip 11008 to be observed.

上端ホルダ部分11014の下表面11014aは、リセス11024および11026の周囲に、それぞれ一段高い環状リング11020および11022を備える。チップホルダ11000の上端部分11014が、ネジ11016を利用して、チップ11008と接触してプレスされた場合、リング11020および11022は、チップ11008の表面の上の柔らかいエラストマー材料に圧入し、その結果、リセス11024は、ウェル11012の上端ロウ11012aを覆う第一チャンバを規定し、そしてリセス11026は、ウェル11012の下端ロウ11012bを覆う第二チャンバを規定する。上端ホルダ部分11014の側部の穴11030および11032は、それぞれリセス11024および11026と連絡し、穴11030および11032、それぞれに挿入されたピン11034によって、チャンバに正の圧力をかけることを可能にする。従って、正の圧力は、ロウ内の全てのウェルに同時にかけられ得、各ウェルに別々に接続したデバイスを利用する必要性を取り除く。   The lower surface 11014a of the upper holder portion 11014 comprises a stepped annular ring 11020 and 11022 around the recesses 11024 and 11026, respectively. When the top end portion 11014 of the tip holder 11000 is pressed into contact with the tip 11008 utilizing screws 11016, the rings 11020 and 11022 press into a soft elastomeric material on the surface of the tip 11008, resulting in The recess 11024 defines a first chamber that covers the top row 11012a of the well 11012, and the recess 11026 defines a second chamber that covers the bottom row 11012b of the well 11012. The holes 11030 and 11032 on the side of the upper holder portion 11014 communicate with the recesses 11024 and 11026, respectively, and allow positive pressure to be applied to the chamber by the pins 11034 inserted into the holes 11030 and 11032, respectively. Thus, positive pressure can be applied simultaneously to all wells in the row, eliminating the need to utilize devices connected separately to each well.

操作において、溶液はウェル11012内にピペッティングされ、次いで、チップ11008は、ホルダ11000の底部11002内に配置される。上部ホルダ部分11014はチップ11008の上に配置され、そしてネジによって下方向にプレスされる。上端部分11014の下表面上の一段高い環状リング11020および11022を、チップの上表面と密着させ、ウェルを配置する。ウェル内の溶液を、チャンバ内の正の圧力に曝露させ、それによりミクロ流体デバイスの作動領域に押される。   In operation, the solution is pipetted into the well 11012 and the tip 11008 is then placed in the bottom 11002 of the holder 11000. The upper holder portion 11014 is placed over the tip 11008 and pressed downward with a screw. The higher annular rings 11020 and 11022 on the lower surface of the upper end portion 11014 are in intimate contact with the upper surface of the chip, placing the wells. The solution in the well is exposed to positive pressure in the chamber, thereby being pushed into the working area of the microfluidic device.

チップホルダによって与えられる下向きの圧力はまた、ローディングの間、基質からチップの層割れを防ぐという利点を提示する。この層割れの防止は、より高いプライム圧力の使用を可能にし得る。   The downward pressure provided by the chip holder also offers the advantage of preventing chip delamination from the substrate during loading. This prevention of layer cracking may allow the use of higher prime pressures.

図80において示されるチップホルダは、本発明に従う構造の1つの可能性のある実施形態を示すのみである。例えば、チップホルダはまた、チップの前部または後部のコントロールラインを出口ポート超えて適合させる第三部分を備え得、それによって、チップ内のバブル作動を制御するためにコントロールラインに圧力をかけることを可能にする。さらに、記載されたホルダの実施形態は、チップを見るためのウインドウを備えるが、一旦、チップ充填プロセスが完了すると、チップがホルダから取り外される場合は、(このウインドウは)必要ではないかもしれない。   The tip holder shown in FIG. 80 represents only one possible embodiment of a structure according to the present invention. For example, the tip holder can also include a third portion that fits the control line at the front or rear of the tip beyond the outlet port, thereby applying pressure to the control line to control bubble actuation within the tip. Enable. Furthermore, although the described holder embodiment includes a window for viewing the chip, once the chip filling process is complete, this window may not be necessary if the chip is removed from the holder. .

なお他の代替的な実施形態において、本発明に従うチップホルダは、チップがその中に配置されるための、空間的および一時的温度のプロフィールを提供するための加温エレメントを備え得る。このような代替的な実施形態は、加温エレメント(使い捨てであってもよい)を基板に直接組み込むことに関連する複雑性および費用を取り除く。   In yet another alternative embodiment, a tip holder according to the present invention may comprise a heating element for providing a spatial and temporal temperature profile for the tip to be placed therein. Such an alternative embodiment eliminates the complexity and expense associated with incorporating a warming element (which may be disposable) directly into the substrate.

図80に図示されるチップホルダの特定の実施形態において、上端の部品は、ネジを回転させることによってチップにプレスされる。しかし、本発明に従う代替の実施形態において、下向きの力は、プレスまたはロボットアームを介して加えられ得、それによって、底部ホルダ部品の必要性を潜在的に排除する。   In the particular embodiment of the chip holder illustrated in FIG. 80, the top end component is pressed into the chip by rotating the screw. However, in an alternative embodiment in accordance with the present invention, the downward force can be applied via a press or robotic arm, thereby potentially eliminating the need for a bottom holder part.

さらに、図80に図示されるチップホルダの特定の実施形態において、正の圧力を加えることが可能なウェルを覆うシールは、エラストマーチップの準拠している上端表面内に、一段高いリングをプレスすることによって作製される。しかし、本発明の代替的な実施形態に従って、シールは、チップホルダへの可撓性o−リングを加えることによって作製され得る。このようなo−リングは、硬い上端表面を特徴とするミクロ流体デバイスの実施形態を伴うチップホルダの使用を可能にする。   Further, in the specific embodiment of the tip holder illustrated in FIG. 80, the seal over the well capable of applying positive pressure presses the raised ring into the compliant top surface of the elastomer tip. It is produced by. However, in accordance with an alternative embodiment of the present invention, the seal can be made by adding a flexible o-ring to the tip holder. Such an o-ring allows the use of a chip holder with an embodiment of a microfluidic device featuring a hard top surface.

最後に、本発明の実施形態に従うチップホルダ構造の使用は、タンパク質の結晶化に限定されず、多様な用途を実行するために、ミクロ流体チップ上への多量の溶液のローディングを可能にすることを認識することは重要である。   Finally, the use of a chip holder structure according to embodiments of the present invention is not limited to protein crystallization, but allows loading of large amounts of solution onto a microfluidic chip to perform a variety of applications. It is important to recognize

本発明に従うエラストマーミクロ流体デバイスに圧力をかけるための構造の実施形態は、ミクロ流体デバイスの上端表面に接触し、そしてその中に配置される材料のウェルを取り囲むために構成される、その下方表面の、連続した一段高い縁を備えるホルダ部分を包含する。ミクロ流体デバイスの一段高い縁と上端表面との間の接触は、材料ウェルを覆う気密チャンバ、ミクロ流体デバイスの作動領域に材料ウェルの内容物を導くために、気密チャンバへ正の圧力をかけることを可能にする、チャンバとの連絡の開口部を規定する。   An embodiment of a structure for applying pressure to an elastomeric microfluidic device according to the present invention is configured to contact the upper surface of the microfluidic device and to surround a well of material disposed therein, the lower surface thereof A holder portion with a continuous, higher rim. The contact between the higher edge of the microfluidic device and the top surface applies a positive pressure to the hermetic chamber to guide the contents of the material well to the working area of the microfluidic device, the working region of the microfluidic device. Define an opening in communication with the chamber.

本発明に従って、液体材料でミクロ流体デバイスをプライムする方法の実施形態は、液体材料を有するミクロデバイスの上方表面の複数のウェルにローディングする工程を包含する。ホルダ部品は、上方表面に対して偏り、その結果、ホルダ部品の連続した一段高い縁は、ウェルの周囲の上方表面に対してプレスされ、チャンバはウェルの上に作製される。ミクロ流体構造の作動領域内にウェルから材料を導くために、正の圧力を気密チャンバにかける。   In accordance with the present invention, an embodiment of a method for priming a microfluidic device with a liquid material includes loading into a plurality of wells on the upper surface of the microdevice having the liquid material. The holder part is biased with respect to the upper surface, so that the successive raised edges of the holder part are pressed against the upper surface around the well and the chamber is created on the well. A positive pressure is applied to the hermetic chamber to direct material from the well into the working region of the microfluidic structure.

ミクロ流体エラストマーデバイス内のバルブを作動する方法の実施形態は、出口の上にチャンバを作製するために、連続する一段高い縁を有するホルダ部品を、複数のコントロールライン出口を有するミクロ流体デバイスの表面に適応させる工程を包含する。正または負の圧力を、コントロールライン内で圧力を制御するために気密チャンバにかけ、それによって、コントロールラインと連絡するミクロ流体デバイスのエラストマーバルブ膜を作動させる。   An embodiment of a method for actuating a valve in a microfluidic elastomer device includes a holder part having a series of raised edges to create a chamber above the outlet, and a surface of a microfluidic device having a plurality of control line outlets. The process of adapting to. A positive or negative pressure is applied to the hermetic chamber to control the pressure within the control line, thereby actuating the elastomeric valve membrane of the microfluidic device in communication with the control line.

(11.標的物質)
結晶化のための標的は多様である。結晶化のための標的は、以下が挙げられるが、これらに限定されない:1)成体高分子(サイトゾルタンパク質、細胞外タンパク質、膜タンパク質、DNA、RNAおよびそれらの複雑な組み合わせ)、2)翻訳前に修飾された生体分子および翻訳後に修飾された生体分子(リン酸化、スルホン化、グルコシル化、ユビキチン化などのタンパク質、およびハロゲン化、脱塩基化(abasic)、アルキル化などの核酸、が挙げられるが、これらに限定されない);3)意図的に誘導した高分子(例えば、重原子で標識したDNA、RNAおよびタンパク質(およびそれらの複合体)、セレノメチオニンで標識したタンパク質および核酸(およびそれらの複合体)、ハロゲン化したDNA、RNAおよびタンパク質(およびそれらの複合体)、4)ウイルス全体または巨大な細胞粒子(例えば、リボソーム、レプリソーム、スプライセオソーム、チューブリンフィラメント、アクチンフィラメント、染色体など)、5)低分子化合物(例えば、薬物、リード化合物、リガンド、塩および有機化合物または金属有機化合物、ならびに6)低分子/生体高分子複合体(例えば、薬物/タンパク質複合体、酵素/基質複合体、酵素/産物複合体、酵素/レギュレーター複合体、酵素/インヒビター複合体およびそれらの組み合わせ)。このような標的は、生物学、生化学、物質科学、薬学、化学および物理学を含む広範な科学分野について研究の目標である。
(11. Target substance)
The targets for crystallization are diverse. Targets for crystallization include, but are not limited to: 1) adult macromolecules (cytosolic proteins, extracellular proteins, membrane proteins, DNA, RNA and complex combinations thereof), 2) translation Pre-modified and post-translationally modified biomolecules (proteins such as phosphorylation, sulfonation, glucosylation, ubiquitination, and nucleic acids such as halogenation, abasic, alkylation, etc.) 3) Intentionally derived macromolecules (eg, heavy atom labeled DNA, RNA and proteins (and their complexes), selenomethionine labeled proteins and nucleic acids (and their) Complex), halogenated DNA, RNA and protein (and their complexes) 4) Whole virus or large cell particles (eg ribosome, replisome, spliceosome, tubulin filament, actin filament, chromosome, etc.) 5) small molecule compounds (eg drugs, lead compounds, ligands, salts and organic compounds) Or metal organic compounds, and 6) small molecule / biopolymer complexes (eg, drug / protein complexes, enzyme / substrate complexes, enzyme / product complexes, enzyme / regulator complexes, enzyme / inhibitor complexes and the like) Combination). Such targets are the goal of research in a wide range of scientific fields including biology, biochemistry, material science, pharmacy, chemistry and physics.

可能なタンパク質修飾の非排他的な列挙は、以下の通りである:5’脱リン酸;デスモシン(リジンから);分解されたカルボキシメチル化メチオニン;オルニチン(アルギニンから);リシノアラニン(システインから);ランチオニン(システインから);デヒドロアラニン(システインから);CNBr処理によってMetから形成されたホモセリン;脱水(−H2O);S−γ−グルタミル(システインに架橋);O−γ−グルタミル−(セリンに架橋);セリンからデヒドロアラニン;アラニノヒスチジン(ヒスチジンのθ炭素またはπ炭素に架橋したセリン);Glnから形成されたピログルタミン酸;N−ピロリドンカルボニル(N末端);Nα−(γ−グルタミル)−リジン;N−(β−アスパルチル)−リジン(架橋);3,3’,5,5’−TerTyr(架橋);ジスルフィド結合形成(シスチン);S−(2−ヒスチジル)−(システインに架橋);S−(3−Tyr)(システインに架橋);3,3’−BiTyr(架橋);イソジTyr(架橋);アリシン(リジンから);アミド形成(C末端);アスパラギンおよびグルタミンの、アスパラギン酸およびグルタミン酸への脱アミド化;シトルリン(citrulline)(アルギニンから);シンデシン(syndesine)(リジンから);メチル化(N末端、リジンのNε、セリンのO、スレオニンまたはC末端、アスパラギンのN);δ−ヒドロキシ−アリシン(リジンから);ヒドロキシル化(リジンのδC、トリプトファンのβC、プロリンのC3またはC4、アスパラギン酸のβC);メチオニンの酸化(スルホキシドに);スルフェン酸(システインから);ピルボイル−(セリン);3,4−ジヒドロキシ−フェニルアラニン(チロシンから)(DOPA);ナトリウム;エチル;N,Nジメチル化(アルギニンまたはリジン);2,4−ビスTrp−6,7−ジオン(トリプトファンから);ホルミル化(CHO);6,7ジオン(トリプトファンから);3,4,6−トリヒドロキシ−フェニルアラニン(チロシンから)(TOPA);3,4−ジヒドロキシル化(プロリン);メチオニンの酸化(スルホンに);3−塩素化(35Clを用いてチロシン);3−塩素化(37Clを用いてチロシン);カリウム;カルバミル化;アセチル化(N末端、リジンのNε、セリンのO)(Ac);N−トリメチル化(リジン);グルタミン酸のγカルボキシル化またはアスパラギン酸のβカルボキシル化;二ナトリウム;ニトロ(NO2);t−ブチルエステル(OtBu)およびt−ブチル(tBu);グリシル(−G−、−Gly−);カルボキシメチル(システイン上);ナトリウム+カリウム;セレノシステイン(セリンから);3,5−ジクロロ化(35Clを用いてチロシン);デヒドロアラニン(Dha);3,5−ジクロロ化(35Clと37Clとの混合物を用いてチロシン);ピルビン酸;アクリルアミジルまたはアクリルアミド付加体;サルコシル;アラニル(−A−、−Ala−);アセトアミドメチル(Acm);3,5−ジクロロ化(37Clを用いてチロシン);S−sn−1−グリセリル)(システイン上);グリセロールエステル(グルタミン酸側鎖上);グリシン(G、Gly);βメルカプトエタノール付加体;フェニルエステル(OPh)(酸性);3−ブロモ化(79Brを用いてチロシン);リン酸化(セリン、スレオニン、チロシンおよびアスパラギン酸のO、リジンのNε);3−ブロモ化(81Brを用いてチロシン);スルホン化(SO3H)(PMC基);硫酸化(チロシンのO);シクロヘキシルエステル(OcHex);ホモセリルラクトン;デヒドロアミノ酪酸(Dhb);γアミノブチリル;2−アミノ酪酸(Abu);2−アミノイソ酪酸(Aib);ジアミノプロピオニル;t−ブチルオキシメチル(Bum);N−(4−NH2−2−OH−ブチル)−(リジン)(ハイプシン);セリル(−S−、−Ser−);t−ブチルスルフェニル(StBu);アラニン(A、Ala);サルコシン(Sar);アニシル;ベンジル(Bzl)およびベンジルエステル(OBzl);1,2−エタンジチオール(EDT);デヒドロプロリル;トリフルオロアセチル(TFA);N−ヒドロキシスクシンイミド(ONSu、OSu);プロリル(−P−、−Pro−);バリル(−V−、−Val−);イソバリル(−I−、−Iva−);t−ブチルオキシカルボニル(tBoc);スレオイル(−T−、−Thr−);ホモセリル(−Hse−);シスチル(−C−、−Cys−);ベンゾイル(Bz);4−メチルベンジル(Meb);セリン(S、Ser);HMP(ヒドロキシメチルフェニル)リンカー;チオアニシル;チオクレシル;ジフタミド(diphthamide)(ヒスチジンから);ピログルタミル;2−ピペリジンカルボン酸(Pip);ヒドロキシプロリル(−Hyp−);ノルロイシル(−Nle−);イソロイシル(−I−、−Ile−);ロイシル(−L−、−Leu−);オルニチル(−Orn−);アスパラギル(−N−、−Asn−);t−アミルオキシカルボニル(Aoc);プロリン(P、Pro);アスパルチル(−D−、−Asp−);スクシニル;バリン(V、Val);ヒドロキシベンゾトリアゾールエステル(HOBt);ジメチルベンジル(diMeBzl);トレオニン(T、Thr);システイニル化;ベンジルオキシメチル(Bom);p−メトキシベンジル(Mob、Mbzl);4−ニトロフェニル、p−ニトロフェニル(ONp);システイン(C、Cys);クロロベンジル(ClBzl);ヨウ素化(ヒスチジン[C4]またはチロシン[C3]);グルタミル(−Q−、−Gln−);N−メチルリジル;リジル(−K−、−Lys−);O−メチルアスパルタミル;グルタミル(−E−、−Glu−);Nα−(γ−グルタミル)−Glu;ノルロイシン(Nle);ヒドロキシアスパルタミル;ヒドロキシプロリン(Hyp);bb−ジメチルシステニル;イソロイシン(I、Ile);ロイシン(L、Leu);メチオニル(−M−、−Met−);アスパラギン(N、Asn);ペントース(Ara、Rib、Xyl);アスパラギン酸(D、Asp);Dmob(ジメトキシベンジル);ベンジルオキシカルボニル(Z);アダマンチル(Ada);p−ニトロベンジルエステル(ONb);ヒスチジル(−H−、−His−);N−メチルグルタミル;O−メチルグルタミル;ヒドロキシリジル(−Hyl−);メチルメチオニル;グルタミン(Q、Gln);アミノエチルシステニル;ペントシル;デオキシヘキソース(Fuc、Rha);リジン(K、Lys);アミノエチルシステニル(−AECys−);4−グリコシルオキシ−(ペントシル、C5)(プロリン);メチオニルスルホキシド;グルタミン酸(E、Glu);フェニルアラニル−(−F−、−Phe−);ピリジルアラニル;フルオロフェニルアラニル;2−ニトロベンゾイル(NBz);メチオニン(M、Met);3−メチルヒスチジル;2−ニトロフェニルスルフェニル(Nps);4−トルエンスルホニル(トシル、Tos);3−ニトロ−2−ピリジンスルフェニル(Npys);ヒスチジン(H、His);3,5−ジブロモ化(79Brを用いてチロシン);アルギニル(−R−、−Arg−);シトルリン;3,5−ジブロモ化(79Brおよび81Brの混合物を用いてチロシン);ジクロロベンジル(Dcb);3,5−ジブロモ化(81Brを用いてチロシン);カルボキシアミドメチルシステニル;カルボキシメチルシステニル;メチルフェニルアラニル;ヘキソースアミン(GalN、GlcN);カルボキシメチルシステイン(Cmc);N−グルコシル(リジンのN末端またはNε)(アミノケトース);O−グリコシル−(セリンまたはスレオニン);ヘキソース(Fru、Gal、Glc、Man);イノシトール;メチオニルスルホン;チロシニル(−Y−、−Tyr−);フェニルアラニン(F、Phe);2,4−ジニトロフェニル(Dnp);ペンタフルオロフェニル(Pfp);ジフェニルメチル(Dpm);ホスホセリル;2−クロロベンジルオキシカルボニル(CIZ);ナフチルアセチル(napthyl acetyl);イソプロピルリジル;N−メチルアルギニル、エタンジチオール(ethaneditohiol)/TFA環式付加体;カルボキシグルタミル(Gla);アセトアミドメチルシステニル;アクリルアミジルシステニル;アルギニン(R、Arg);N−グルクロニル(N末端);デルタ−グリコシルオキシ−(リジン)またはβ−グリコシルオキシ−(フェニルアラニンおよびチロシン);4−グリコシルオキシ−(ヘキソシル、C6)(プロリン);ベンジルセリル;N−メチルチロシニル;p−ニトロベンジルオキシカルボニル(4Nz);2,4,5−トリクロロフェニル;2,4,6−トリメチルオキシベンジル(Tmob);キサンチル(Xan);ホスホスレオニル;チロシン(Y、Tyr);クロロフェニルアラニル;メシチレン−2−スルホニル(Mts);カルボキシメチルリジル;トリプトファニル(−W−、−Trp−);N−リポイル−(リジン上);マトリックスαシアノMH+;ベンジルスレオニル;ベンジルシステニル;ナフチルアラニル;スクシニルアスパルタミル;スクシンイミドフェニルカルボ・・・;HMP(ヒドロキシメチルフェニル)/TFA付加体;N−アセチルヘキソースアミン(GalNAc、GlcNAc);トリプトファン(W、Trp);シスチン((Cys)2);ファルネシル化;S−ファルネシル−;ミリストレイル化(1つの二重結合を有するミリストイル);ピリジルエチルシステニル;ミリストイル化;4−メトキシ−2,3,6−トリメチルベンゼンスルホニル(Mtr);2−ブロモベンジルオキシカルボニル(BrZ);ホルミルトリプトファニル;ベンジルグルタミル;アニソール付加グルタミル;S−システニルシステニル;9−フルオレニルメチルオキシカルボニル(Fmoc);リポ酸(リジンへのアミド結合);ビオチニル化(リジンへのアミド結合);ジメトキシベンズヒドリル(Mbh);N−ピリドキシル(リジン上);ピリドキサルリン酸(リジンから形成されるシッフ塩基);ニコチニルリジル;ダンシル(Dns);2−(p−ビフェニル)イソプロピル−オキシカルボニル(Bpoc);パルミトイル化;「トリフェニルメチル(トリチル、Trt)」;チロシニルスルフェート;ホスホチロシニル;Pbf(ペンタメチルジヒドロベンゾフランスルホニル);3,5−ジヨード化(チロシン);「3,5−ジ−I」;Nα−(γ−グルタミル)−Glu2;O−GlcNAc−1−ホスホリル化(セリン);「2,2,5,7,8−ペンタメチルクロマン−6−スルホニル(Pmc)」;ステアロイル化;ゲラニルゲラニル化;S−ゲラニルゲラニル;5’phos dシチジニル;ヨードチロシニル;アルドヘキソシルリジル;シアリル;N−アセチルノイラミン酸(シアル酸、NeuAc、NANA、SA);5’phos dチミジニル;5’phosシチジニル;グルタチオン化;O−ウリジニル化(チロシン);5’phosウリジニル;S−ファルネシルシステニル;N−グリコールノイラミン酸(NeuGc);5’phos dアデノシル;O−パンテテインリン酸化(セリン);SucPhencarbリジル;5’phos dグアノシル;5’phosアデノシニル;O−5’−アデノシル化(チロシン);4’−ホスホパンテテイン;GL2;S−パルミチルシステニル;5’phosグアノシル;ビオチニルリジル;Hex−HexNAc;Nα−(γ−グルタミル)−Glu3;ジオクチルフタレート;PMCリジル;アエダンス(Aedans)システニル;ジオクチルフタレートナトリウム付加体;ジヨードチロシニル;PMCアルギニル;S−補酵素A;AMPリジル;3,5,3’−トリヨードサイロニン;(チロシンから);S−(sn−1−ジパルミトイル−グリセリル)−(システイン上);S−(ADP−リボシル)−(システイン上);N−(ADP−リボシル)−(アルギニン上);O




−ADP−リボシル化(グルタミン酸またはC末端上);ADP−リボシル化(NADから);S−フィコシアノビリン(システイン上);S−ヘム(システイン上);Nθ−(ADP−リボシル)ジフタミド(ヒスチジン);NeuAc−Hex−HexNAc;MGDG;O−8α−フラビン([FAD])−(チロシン);S−(6−フラビン[FAD])−(システイン上);NθおよびNπ−(8α−フラビン)(ヒスチジン上);(Hex)3−HexNAc−HexNAc;(Hex)3−HexNAc−(dHex)HexNAc。
A non-exclusive list of possible protein modifications is as follows: 5 'dephosphorylation; desmosine (from lysine); degraded carboxymethylated methionine; ornithine (from arginine); ricinoalanine (from cysteine); Lanthionine (from cysteine); dehydroalanine (from cysteine); homoserine formed from Met by CNBr treatment; dehydration (-H2O); S-γ-glutamyl (cross-linked to cysteine); O-γ-glutamyl- (cross-linked to serine) ); Serine to dehydroalanine; alaninohistidine (serine crosslinked to the θ or π carbon of histidine); pyroglutamic acid formed from Gln; N-pyrrolidonecarbonyl (N-terminal); Nα- (γ-glutamyl) -lysine N- (β-aspartyl) -lysine (crosslinked); 3,3 ′ , 5,5′-TerTyr (crosslinking); disulfide bond formation (cystine); S- (2-histidyl)-(crosslinking to cysteine); S- (3-Tyr) (crosslinking to cysteine); BiTyr (cross-linked); isodi-Tyr (cross-linked); allicin (from lysine); amide formation (C-terminal); deamidation of asparagine and glutamine to aspartic acid and glutamic acid; citrulline (from arginine); syndesine (from lysine); methylation (N-terminal, lysine Nε, serine O, threonine or C-terminal, asparagine N); δ-hydroxy-allysine (from lysine); hydroxylation (lysine δC, tryptophan βC, proline C3 or C4, aspartic acid βC); methioni Oxidation (to sulfoxide); sulfenic acid (from cysteine); pyrvoyl- (serine); 3,4-dihydroxy-phenylalanine (from tyrosine) (DOPA); sodium; ethyl; N, N dimethylation (arginine or lysine); 2,4-bis Trp-6,7-dione (from tryptophan); formylation (CHO); 6,7 dione (from tryptophan); 3,4,6-trihydroxy-phenylalanine (from tyrosine) (TOPA); 3,4-dihydroxylation (proline); oxidation of methionine (to sulfone); 3-chlorination (tyrosine using 35Cl); 3-chlorination (tyrosine using 37Cl); potassium; carbamylation; acetylation (N-terminal, Nε of lysine, O of serine) (Ac); N-trimethylation (lysine); Gamma carboxylation of tamic acid or beta carboxylation of aspartic acid; disodium; nitro (NO2); t-butyl ester (OtBu) and t-butyl (tBu); glycyl (-G-, -Gly-); carboxymethyl (On cysteine); sodium + potassium; selenocysteine (from serine); 3,5-dichloroation (tyrosine using 35Cl); dehydroalanine (Dha); 3,5-dichlorolation (mixture of 35Cl and 37Cl) Pyruvate; acrylamidyl or acrylamide adducts; sarcosyl; alanyl (-A-, -Ala-); acetamidomethyl (Acm); 3,5-dichloroation (tyrosine using 37Cl); S -Sn-1-glyceryl) (on cysteine); glycerol ester (glu Glycine (G, Gly); β-mercaptoethanol adduct; phenyl ester (OPh) (acidic); 3-brominated (79 Br using tyrosine); phosphorylation (serine, threonine, tyrosine and Aspartic acid O, Lysine Nε); 3-Brominated (tyrosine with 81Br); Sulfonated (SO3H) (PMC group); Sulfated (tyrosine O); Cyclohexyl ester (OcHex); Homoceryl lactone; Dehydroaminobutyric acid (Dhb); γ-aminobutyryl; 2-aminobutyric acid (Abu); 2-aminoisobutyric acid (Aib); diaminopropionyl; t-butyloxymethyl (Bum); N- (4-NH2-2-OH-butyl )-(Lysine) (hypusine); seryl (-S-, -Ser-); t-butylsulfenyl ( tBu); alanine (A, Ala); sarcosine (Sar); anisyl; benzyl (Bzl) and benzyl ester (OBzl); 1,2-ethanedithiol (EDT); dehydroprolyl; trifluoroacetyl (TFA); -Hydroxysuccinimide (ONSu, OSu); prolyl (-P-, -Pro-); valyl (-V-, -Val-); isovalyl (-I-, -Iva-); t-butyloxycarbonyl (tBoc) Thread oil (-T-, -Thr-); homoceryl (-Hse-); cystyl (-C-, -Cys-); benzoyl (Bz); 4-methylbenzyl (Meb); serine (S, Ser); HMP (hydroxymethylphenyl) linker; thioanisyl; thiocresyl; diphthamide From histidine); pyroglutamyl; 2-piperidinecarboxylic acid (Pip); hydroxyprolyl (-Hyp-); norleusyl (-Nle-); isoleucyl (-I-, -Ile-); leucyl (-L-,- Leu-); ornithyl (-Orn-); asparagyl (-N-, -Asn-); t-amyloxycarbonyl (Aoc); proline (P, Pro); aspartyl (-D-, -Asp-); Succinyl; valine (V, Val); hydroxybenzotriazole ester (HOBt); dimethylbenzyl (diMeBzl); threonine (T, Thr); cysteinylation; benzyloxymethyl (Bom); p-methoxybenzyl (Mob, Mbzl); 4-nitrophenyl, p-nitrophenyl (ONp); cysteine (C, Cy chloro) (ClBzl); iodination (histidine [C4] or tyrosine [C3]); glutamyl (-Q-, -Gln-); N-methyl lysyl; lysyl (-K-, -Lys-); -Methyl aspartamyl; glutamyl (-E-, -Glu-); Nα- (γ-glutamyl) -Glu; norleucine (Nle); hydroxyaspartamyl; hydroxyproline (Hyp); bb-dimethylcystenyl; isoleucine (I Leucine (L, Leu); methionyl (-M-, -Met-); asparagine (N, Asn); pentose (Ara, Rib, Xyl); aspartic acid (D, Asp); Dmob (dimethoxybenzyl) ); Benzyloxycarbonyl (Z); adamantyl (Ada); p-nitrobenzyl ester (ONb); histidyl (-H-, -His-); N-methylglutamyl; O-methylglutamyl; hydroxylysyl (-Hyl-); methylmethionyl; glutamine (Q, Gln); aminoethylcystenyl; Deoxyhexose (Fuc, Rha); lysine (K, Lys); aminoethylcystenyl (-AECys-); 4-glycosyloxy- (pentosyl, C5) (proline); methionyl sulfoxide; glutamic acid (E, Glu); Phenylalanyl-(-F-, -Phe-); pyridylalanyl; fluorophenylalanyl; 2-nitrobenzoyl (NBz); methionine (M, Met); 3-methylhistidyl; 2-nitrophenylsulfenyl ( Nps); 4-toluenesulfonyl (tosyl, Tos); 3- Tro-2-pyridinesulfenyl (Npys); histidine (H, His); 3,5-dibrominated (tyrosine using 79Br); arginyl (-R-, -Arg-); citrulline; 3,5-dibromo (Tyrosine using a mixture of 79Br and 81Br); dichlorobenzyl (Dcb); 3,5-dibrominated (tyrosine using 81Br); carboxyamidomethylcystenyl; carboxymethylcystenyl; methylphenylalanyl; hexose Amine (GalN, GlcN); Carboxymethylcysteine (Cmc); N-Glucosyl (N-terminal or Nε of lysine) (aminoketose); O-glycosyl- (serine or threonine); Hexose (Fru, Gal, Glc, Man) Inositol; methionyl sulfone; tyros Nyl (-Y-, -Tyr-); phenylalanine (F, Phe); 2,4-dinitrophenyl (Dnp); pentafluorophenyl (Pfp); diphenylmethyl (Dpm); phosphoseryl; 2-chlorobenzyloxycarbonyl ( CIZ); naphthyl acetyl; isopropyl lysyl; N-methyl arginyl, ethanedithiol / TFA cycloadduct; carboxyglutamyl (Gla); acetamidomethyl cystenyl; acrylamidyl cystenyl; arginine (CIZ); R, Arg); N-glucuronyl (N-terminal); delta-glycosyloxy- (lysine) or β-glycosyloxy- (phenylalanine and tyrosine); 4-glycosyloxy- (hexosyl, C6) Phosphorus); benzyl seryl; N-methyltyrosinyl; p-nitrobenzyloxycarbonyl (4Nz); 2,4,5-trichlorophenyl; 2,4,6-trimethyloxybenzyl (Tmob); xanthyl (Xan); phosphothreonyl; (Y, Tyr); chlorophenylalanyl; mesitylene-2-sulfonyl (Mts); carboxymethyl lysyl; tryptophanyl (-W-, -Trp-); N-lipoyl- (on lysine); matrix α cyano MH +; Onyl; benzylcystenyl; naphthylalanyl; succinyl aspartamyl; succinimide phenylcarbo ...; HMP (hydroxymethylphenyl) / TFA adduct; N-acetylhexoseamine (GalNAc, GlcNAc); tryptophan ( W, Trp); cystine ((Cys) 2); farnesylation; S-farnesyl-; myristoylation (myristoyl with one double bond); pyridylethylcystenyl; myristoylation; 4-methoxy-2,3 2,6-trimethylbenzenesulfonyl (Mtr); 2-bromobenzyloxycarbonyl (BrZ); formyltryptophanyl; benzylglutamyl; anisole-added glutamyl; S-cystenylcysteinyl; 9-fluorenylmethyloxycarbonyl (Fmoc) Lipoic acid (amide bond to lysine); biotinylation (amide bond to lysine); dimethoxybenzhydryl (Mbh); N-pyridoxyl (on lysine); pyridoxal phosphate (Schiff base formed from lysine); nicotinyl lysyl ; Dansil (Dns); 2 (P-biphenyl) isopropyl-oxycarbonyl (Bpoc); palmitoylation; “triphenylmethyl (trityl, Trt)”; tyrosinyl sulfate; phosphotyrosinyl; Pbf (pentamethyldihydrobenzofuransulfonyl); 3,5-diiodination ( Tyrosine); “3,5-di-I”; Nα- (γ-glutamyl) -Glu2; O-GlcNAc-1-phosphorylated (serine); “2,2,5,7,8-pentamethylchroman- 6-sulfonyl (Pmc) ";stearoylation;geranylgeranylation;S-geranylgeranyl;5'phos d cytidinyl; iodotyrosinyl; aldohexosylridyl; sialyl; N-acetylneuraminic acid (sialic acid, NeuAc, NANA, SA) 5 'phos d thimidinyl; 5' phos citi Glutathione; O-uridinylation (tyrosine); 5'phos uridinyl; S-farnesyl cysteinyl; N-glycol neuraminic acid (NeuGc); 5 'phos d adenosyl; O-pantethein phosphorylation (serine); SucPhencarb lysyl; 5 'phos d guanosyl; 5' phos adenosinyl; O-5'-adenosylated (tyrosine); 4'-phosphopantethein;GL2; S-palmityl cystenyl; 5 'phos guanosyl; -HexNAc; Nα- (γ-glutamyl) -Glu3; dioctyl phthalate; PMC lysyl; Aedans cysteinyl; dioctyl phthalate sodium adduct; diiodotyrosinyl; PMC arginyl; 5,3 'Triiodothyronine; (from tyrosine); S- (sn-1-dipalmitoyl-glyceryl)-(on cysteine); S- (ADP-ribosyl)-(on cysteine); N- (ADP-ribosyl)-( On arginine); O




ADP-ribosylation (on glutamic acid or C-terminus); ADP-ribosylation (from NAD); S-phycocyanobilin (on cysteine); S-heme (on cysteine); Nθ- (ADP-ribosyl) diphtamide (histidine) ); NeuAc-Hex-HexNAc; MGDG; O-8α-flavin ([FAD])-(tyrosine); S- (6-flavin [FAD])-(on cysteine); Nθ and Nπ- (8α-flavin) (On histidine); (Hex) 3-HexNAc-HexNAc; (Hex) 3-HexNAc- (dHex) HexNAc.

可能な核酸改変(例えば、塩基特異的改変、糖特異的改変、またはリン特異的改変)の非排他的な一覧は、以下の通りである:ハロゲン化(F、Cl、Br、I):無塩基部位;アルキル化;架橋可能な付加物(例えば、チオールまたはアジド);チオール化;脱アミド;蛍光基標識、およびグリコシル化。   A non-exclusive list of possible nucleic acid modifications (eg, base specific modifications, sugar specific modifications, or phosphorus specific modifications) is as follows: Halogenation (F, Cl, Br, I): None Alkylation; crosslinkable adducts (eg, thiols or azides); thiolation; deamidation; fluorescent group labeling and glycosylation.

可能な重原子誘導体化剤の非排他的な一覧は、以下の通りである:ヘキサクロロイリジウム酸(III)カリウム;ヘキサクロロイリジウム酸(IV)カリウム;ヘキサクロロイリジウム酸(IV)ナトリウム;ヘキサクロロイリジウム酸(III)ナトリウム;ヘキサニトリトイリジウム酸(III)カリウム;ヘキサクロロイリジウム酸(III)アンモニウム;塩化イリジウム(III);ヘキサニトラトイリジウム酸(III)カリウム;臭化イリジウム(III);塩化バリウム(II);酢酸バリウム(II);硝酸カドミウム(II);ヨウ化カドミウム(II);硝酸鉛(II);酢酸鉛(II);塩化トリメチル鉛(IV);酢酸トリメチル鉛(IV);ヘキサクロロ鉛酸(IV)アンモニウム;塩化鉛(II);ヘキサクロロロジウム酸(III)ナトリウム;酢酸ストロンチウム(II);チオマロナト金酸(I)二ナトリウム;ジシアノ金酸(I)カリウム;ジシアノ金酸(I)ナトリウム;チオスルファト金酸(III)ナトリウム;テトラシアノ金酸(III)カリウム;テトラクロロ金酸(III)カリウム;テトラクロロ金酸(III)水素;テトラクロロ金酸(III)ナトリウム;テトラヨード金酸(III)カリウム;テトラブロモ金酸(III)カリウム;(アセタト−o)メチル水銀;メチル(ニトラト−o)水銀;クロロメチル水銀;ヨードメチル水銀;クロロエチル水銀;メチル水銀カチオン;トリエチル(m3−ホスファト(3−)−O,O’,O’’)トリ水銀eth;[3[(アミノカルボニル)アミノ]−2−メトキシプロピル]クロム;1,4ジアセトキシ水銀2−3ジメトキシブタン;メトキシル(meroxyl)マーキュヒドリン;テトラキス(アセトキシ水銀)−メタン;1,4ビス(クロロ水銀)−2,3−ブタンジオール;ジアセトキシ水銀クロロ酢酸エチル(dame);酸化水銀(II);メチル水銀−2−メルカプトエタノール;3,6ビス(水銀メチルジオキサン酢酸);エチル水銀カチオン;Billman’s dimercurial;パラクロロ水銀フェニルアセテート(pcma);水銀フェニルグリオキサル(mpg);Thiomersal、チオサリチル酸エチル水銀[emts];4−クロロマーキュリベンゼンスルホン酸(4−chloromercuribenesulphonic acid);2,6ジクロロ水銀−4−ニトロフェノール(dcmnp);[3−[[2(カルボキシメトキシ)ベンゾイル]アミノ(mino)−2メトキシprop;パラクロロ水銀ベンゾエート(pcmb),4−クロロ水銀;(アセタト−o)フェニル水銀;安息香酸フェニル水銀(pmb);パラヒドロキシ水銀ベンゾエート(phmb);イミドコハク酸水銀/水銀スクシンイミド;3−ヒドロキシ水銀ベンズアルデヒド;2−アセトキシ水銀スルファニルアミド(sulhpanilamide);3−アセトキシ水銀−4アミノベンゼンスルホンアミド;メチル水銀チオグリコール酸(thioclycolic acid)(mmtga);2−ヒドロキシ水銀−トルエン−4−スルホン酸(hmts);アセトアミノフェニル水銀アセテート(apma);[3−[(アミノカルボニル)アミノ]−3−メトキシプロピル2−クロロ;パラ−ヒドロキシ水銀ベンゼンスルホネート(phmbs);オルト−クロロ水銀フェノール(ocmp);ジアセトキシ水銀ジプロピレンジオキシド(dmdx);パラ−アセトキシ水銀アニリン(pama);(4−アミノフェニル)クロロ水銀;アニリン水銀カチオン;3−ヒドロキシ−水銀−sスルホサリチル酸(msss);3または5ヒドロキシ水銀サリチル酸(hmsa);ジフェニル水銀;2,6ジアセトキシ水銀メチル1−4チオキサン(dmmt);2,5−ビス(bls)(クロロ水銀)フラン;オルトクロロ水銀ニトロフェノール(ocmnp);5−水銀デオキシウリジンモノ硫酸;サリチル酸水銀;[3−[[2−(カルボキシメトキシ)ベンゾイル]アミノ−2−メトキシpro;3,3ビス(ヒドロキシ水銀)−3−ニトラト水銀ピルビン酸(pyruvic);3−クロロ水銀ピリジン;3,5ビスアセトキシ水銀メチルモルホリン;オルト−水銀フェノールカチオン;パラ−カルボキシメチルメルカプト水銀ベンゼンスルホニル;パラ−水銀ベンゾイルグルコサミン;3アセトオシ水銀(acetetoxymercuri)−5−ニトロサリチルアルデヒド(msa);テトラクロロ水銀(II)アンモニウム;テトラチオシアナト水銀(II)カリウム;テトラチオシアナト水銀(II)ナトリウム;テトライソチオシアナト水銀(II)カリウム;テトラヨード(tetraido)水銀(II)カリウム;テトラチオシアナト水銀(II)アンモニウム;テトラブロモ水銀(II)カリウム;テトラシアノ水銀(II)カリウム;臭化水銀(II);チオシアン酸水銀(II);シアン化水銀(II);ヨウ化水銀(II);塩化水銀(II);酢酸水銀(II);酢酸水銀(I);ジクロロジアミノ水銀(II);β水銀−メルカプトエチルアミン塩酸;硫酸水銀(II);水銀(II)クロロanilate;酢酸二水銀;クロロ(2−オキソエチル)水銀;硝酸フェノール水銀;メルカプトエタノール水銀;塩化水銀メルカプトエチルアミン;チオグリコール酸水銀(ナトリウム塩);o−ヒドロキシ水銀−p−ニトロフェノール/2−ヒドロキシ水銀−4−;パラクロロ水銀フェノール(pcmp);チオサリチル酸アセチル水銀(amts);ヨウ素;ヨウ化カリウム(ヨウ素);4−ヨードピラゾール;O−ヨードベンゾイルグルコサミン(O−iodobenzoylglucasamine);P−ヨードベンゾイルグルコサミン(P−iodobenzoylglucasamine);ヨウ化カリウム/クロラミンt;ヨウ化アンモニウム;3−イソチオシアナト−4−ヨードベンゼンスルホンネート;ヨウ化カリウム;3’−ヨードフェニルトリアジン(3’−iodo phenyltrazine);4’−ヨードフェニルトリアジン(4’−iodo phenyltrazine);ヨウ化ナトリウム/ヨウ素;硝酸銀;トリニトリドスルホキシル酸銀();Tobenamed;塩化サマリウム(III);塩化ツリウム(III);塩化ルテチウム(III);塩化ユーロピウム(III);塩化テルビウム(III);塩化ガドリニウム(III);塩化エルビウム(III);塩化ランタン(III);硝酸サマリウム(III);酢酸サマリウム(III);サマリウム(III)カチオン;塩化プラセオジミウム(III);塩化ネオジミウム(III);塩化イッテルビウム(III);硫酸ツリウム(III);硫酸イッテルビウム(III);硫酸ガドリニウム(III);酢酸ガドリニウム(III);塩化ジスプロシウム(III);硝酸エルビウム(III);塩化ホルミウム(III);塩化ペンタアミノルテニウム(III);セシウムニトリドトリオキソ(nitridotiroxo)オスミウム(viii);テトラオキソオスミウム酸カリウム;ヨウ化ヘキサアミノオスミウム(III);ヘキサクロロオスミウム酸(IV)アンモニウム;塩化オスミウム(III);ヘキサクロロオスミウム酸(IV)カリウム;トリクロロトリスカルボニルオスミウム酸(?)セシウム;ジニトリドジアミン白金(II);シスジクロロジメチルアミン(dichlorodimethylammido)白金(II);ジクロロジアンミン白金(II);ジブロモジアンミン白金(II);ジクロロエチレンジアミン白金(II);ジクロロジニトリト白金酸(II)カリウム;ジエチレンジアミン(Diethylenediamene)白金(II);ジオキシラト白金酸(II)カリウム;ジクロロビス(ピリジン)白金(II);カリウム(トリメチル ジベンジルアミン)白金(?);テトラブロモ白金酸(II)カリウム;テトラクロロ白金酸(II)カリウム;テトラニトリト白金(II)カリウム;テトラシアノ白金酸(II)カリウム;テトラシアノ白金酸(II)ナトリウム;テトラチオシアナト白金酸(II)カリウム;テトラニトリト白金酸(II)アンモニウム;テトライソシアナト白金酸(II)カリウム;テトラシアノ白金(II)アンモニウム;テトラクロロ白金酸(II)アンモニウム;ジニトリトジオキサラト白金酸(IV)カリウム;ジクロロテトラアミノ(Dichlorotetraammino)白金(IV);ジブロモジニトリトジアンミン白金(IV);ヘキサニトリト白金酸(IV)カリウム;ヘキサクロロ白金酸(IV)カリウム;ヘキサブロモ白金酸(IV)カリウム;ヘキサクロロ白金酸(IV)ナトリウム;ヘキサヨード白金酸(IV)カリウム;ヘキサチオシアナト白金酸(IV)カリウム;テトラクロロビス(ピリジン)白金(IV);ヘキサクロロ白金酸(IV)アンモニウム;ジ−μ−ヨードビス(エチレンジアミン)二白金(II)n;ヘキサイソチオシアナト白金酸(IV)カリウム;テトラヨード白金酸(II)カリウム;2,2’,2’’ターピリジル白金(II);2ヒドロキシエタンチオレート(2,2’,2’’ターピリジン(terpyeidine))pla;テトラニトロ白金酸(II)カリウム;硝酸トリメチル白金(II);テトラオキソレニウム酸(VII)ナトリウム;テトラオキソレニウム酸(VI)カリウム;テトラオキソレニウム酸(VII)カリウム;ヘキサクロロレニウム(IV)カリウム;塩化レニウム(III);ヘキサクロロレニウム酸(IV)アンモニウム;二塩化ジメチルすず(II);硝酸トリウム(IV);オキシ塩化ウラン(VI);オキシ硝酸ウラン(VI);オキシ酢酸ウラン(VI);オキシピロリン酸ウラン(VI);ペンタフルオロオキシウラン酸(VI)カリウム;ペンタフルオロオキシウラン酸(VI)ナトリウム;ナノフルオロジオキシウラン酸(VI)カリウム;トリ酢酸オキシウラン酸(VI)ナトリウム;オキシシュウ酸ウラン(VI);セレノシアン酸アニオン;タングステン酸ナトリウム;12−タングストリン酸ナトリウム;酢酸タリウム(I);フッ化タリウム(I);硝酸タリウム(I);テトラクロロパラジウム酸(II)カリウム;テトラブロモパラジウム酸(II)カリウム;テトラシアノパラジウム酸(II)カリウム;テトラヨードパラジウム酸(II)カリウム;塩化コバルト(II)。   A non-exclusive list of possible heavy atom derivatizing agents is as follows: potassium hexachloroiridate (III); potassium hexachloroiridate (IV); sodium hexachloroiridate (IV); hexachloroiridate (III ) Sodium; potassium hexanitritoiridate (III); ammonium hexachloroiridate (III); iridium (III) chloride; potassium hexanitratoiridate (III); iridium (III) bromide; barium (II) chloride; Barium (II) acetate; Cadmium nitrate (II); Cadmium iodide (II); Lead nitrate (II); Lead acetate (II); Trimethyl lead (IV) chloride; Trimethyl lead (IV) acetate; ) Ammonium; lead (II) chloride; hexa Sodium lorrodate (III); strontium (II) acetate; disodium thiomalonate gold acid (I); potassium dicyanoaurate (I); sodium dicyanoaurate (I); sodium thiosulfatoaurate (III); tetracyanoaurate ( (III) potassium; potassium tetrachloroaurate (III); tetrachloroaurate (III) hydrogen; sodium tetrachloroaurate (III); potassium tetraiodoaurate (III); potassium tetrabromoaurate (III); (acetato- o) methylmercury; methyl (nitrato-o) mercury; chloromethylmercury; iodomethylmercury; chloroethylmercury; methylmercury cation; triethyl (m3-phosphato (3-)-O, O ′, O ″) trimercury eth; [3 [(Aminocarbonyl) amino] -2-methoxyl Pyr] chromium; 1,4 diacetoxymercury 2-3 dimethoxybutane; methoxyl merchydrin; tetrakis (acetoxymercury) -methane; 1,4 bis (chloromercury) -2,3-butanediol; diacetoxymercury chloro Mercury (II); methylmercury-2-mercaptoethanol; 3,6bis (mercurymethyldioxaneacetic acid); ethylmercury cation; Billman's dimercurial; parachloromercury phenylacetate (pcma); Glyoxal (mpg); Thiomersal, ethylmercury thiosalicylate [emts]; 4-chloromercuribenzenesulfonic acid; 2,6 dichloro Silver-4-nitrophenol (dcmnp); [3-[[2 (carboxymethoxy) benzoyl] amino (mino) -2 methoxy prop; parachloromercury benzoate (pcmb), 4-chloromercury; (acetato-o) phenylmercury Phenylmercury benzoate (pmb); parahydroxymercury benzoate (phmb); mercury imidosuccinate / mercury succinimide; 3-hydroxymercury benzaldehyde; 2-acetoxymercury sulfanilamide; 3-acetoxymercury-4 aminobenzenesulfonamide Methyl mercury thioglycolic acid (mmtga); 2-hydroxymercury-toluene-4-sulfonic acid (hmts); acetaminophenylmercury acetate (apm); ); [3-[(aminocarbonyl) amino] -3-methoxypropyl 2-chloro; para-hydroxymercury benzene sulfonate (phmbs); ortho-chloromercury phenol (ocmp); diacetoxymercury dipropylene dioxide (dmdx); Para-acetoxymercury aniline (pama); (4-aminophenyl) chloromercury; aniline mercury cation; 3-hydroxy-mercury-ssulfosalicylic acid (msss); 3 or 5 hydroxymercury salicylic acid (hmsa); diphenylmercury; 6-diacetoxymercurymethyl 1-4 thioxan (dmmt); 2,5-bis (bls) (chloromercury) furan; orthochloromercury nitrophenol (ocmnp); 5-mercury deoxyuridine monosulfate; mercuric salicylate; [3-[[ 2- (Carboki Methoxy) benzoyl] amino-2-methoxy pro; 3,3 bis (hydroxymercury) -3-nitratomercury pyruvic acid; 3-chloromercury pyridine; 3,5 bisacetoxymercury methylmorpholine; ortho-mercury phenol cation Para-carboxymethylmercaptomercurybenzenesulfonyl; para-mercury benzoylglucosamine; 3 acetoxymercuri-5-nitrosalicylaldehyde (msa); tetrachloromercury (II) ammonium; tetrathiocyanatomercury (II) potassium; Tetrathiocyanatomercury (II) sodium; tetraisothiocyanatomercury (II) potassium; tetraiodo (mercury) potassium (II); tetrathiocyanatomercury (II) ammonium Tetrabromomercury (II) potassium; Tetracyanomercury (II) potassium; Mercury bromide (II); Mercury thiocyanate (II); Mercury cyanide (II); Mercury iodide (II); Mercury chloride (II); Mercury acetate (II); Mercury acetate (I); Dichlorodiaminomercury (II); βmercury-mercaptoethylamine hydrochloride; Mercury sulfate (II); Mercury (II) chloroanilate; Dimercuric acetate; Chloro (2-oxoethyl) mercury Phenol mercuric nitrate; mercaptoethanol mercury; mercuric mercatoethylamine chloride; mercuric thioglycolate (sodium salt); o-hydroxymercury-p-nitrophenol / 2-hydroxymercury-4-; parachloromercuryphenol (pccmp); thiosalicylic acid Acetylmercury (amts); iodine; potassium iodide (iodine) 4-iodopyrazole; O-iodobenzoylglucosamine; P-iodobenzoylglucosamine; potassium iodide / chloramine t; ammonium iodide; 3-isothiocyanato-4-iodobenzenesulfonate; Potassium iodide; 3'-iodophenyltriazine; 4'-iodophenyltriazine; sodium iodide / iodine; silver nitrate; silver trinitridesulfoxylate (); Tobenamed Samarium (III) chloride; thulium (III) chloride; lutetium chloride (III); europium (III) chloride; salt Terbium (III); gadolinium chloride (III); erbium chloride (III); lanthanum chloride (III); samarium (III) nitrate; samarium (III) acetate; samarium (III) cation; praseodymium chloride (III); neodymium chloride ( Ytterbium chloride (III); thulium sulfate (III); ytterbium sulfate (III); gadolinium sulfate (III); gadolinium (III) acetate; dysprosium chloride (III); erbium nitrate (III); holmium chloride (III) Pentaaminoruthenium chloride (III); cesium nitridotrioxo osmium (viii); potassium tetraoxoosmate; hexaaminoosmium iodide (III); Roosmic acid (IV) ammonium; osmium chloride (III); hexachloroosmic acid (IV) potassium; trichlorotriscarbonylosmic acid (? ) Cesium; dinitridodiamineplatinum (II); cisdichlorodimethylamineplatinum (II); dichlorodiammineplatinum (II); dibromodiammineplatinum (II); dichloroethylenediamineplatinum (II); dichlorodinitritoplatinic acid (II) potassium; Diethylenediamine platinum (II); potassium dioxylatoplatinate (II); dichlorobis (pyridine) platinum (II); potassium (trimethyldibenzylamine) platinum (?); Tetrabromoplatinic acid (II) Potassium; tetrachloroplatinate (II) potassium; tetranitritoplatinum (II) potassium; tetracyanoplatinate (II) potassium; tetracyanoplatinate (II) sodium; Potassium natoplatinate (II); ammonium tetranitritoplatinate (II); potassium tetraisocyanatoplatinate (II); tetracyanoplatinum (II) ammonium; tetrachloroplatinate (II) ammonium; dinitritodioxalate platinum acid ( IV) Potassium; Dichlorotetraaminoplatinum (IV); Dibromodinitritodiammine platinum (IV); Potassium hexanitritoplatinate (IV); Potassium hexachloroplatinate (IV); Potassium hexabromoplatinate (IV); Hexachloroplatinum Sodium acid (IV); Potassium hexaiodoplatinate (IV); Potassium hexathiocyanatoplatinate (IV); Tetrachlorobis (pyridine) platinum (IV); Ammonium hexachloroplatinate (IV); Di- μ-iodobis (ethylenediamine) diplatinum (II) n; potassium hexaisothiocyanatoplatinate (IV); potassium tetraiodoplatinate (II); 2,2 ′, 2 ″ terpyridylplatinum (II); 2hydroxyethanethio Rate (2,2 ′, 2 ″ terpyidine) pla; potassium tetranitroplatinate (II); trimethylplatinum (II) nitrate; sodium tetraoxorhenate (VII); potassium tetraoxorhenate (VI); Potassium tetraoxorhenate (VII); potassium hexachlororhenium (IV); rhenium (III) chloride; ammonium hexachlororhenate (IV); dimethyltin chloride (II); thorium (IV) nitrate; uranium oxychloride (VI) Uranium oxynitrate (VI) Uranium oxyacetate (VI); Uranium oxypyrophosphate (VI); Potassium pentafluorooxyuranate (VI); Sodium pentafluorooxyuranate (VI); Potassium nanofluorodioxyuranate (VI); Oxyuranium triacetate Sodium (VI) acid; Uranium oxyoxalate (VI); Selenocyanate anion; Sodium tungstate; 12-Tungstophosphate; Thallium acetate (I); Thallium fluoride (I); Thallium nitrate (I); Palladium acid (II) potassium; tetrabromopalladate (II) potassium; tetracyanopalladate (II) potassium; tetraiodopalladate (II) potassium; cobalt (II) chloride.

チップを形成し得るPDMS材料は、これらの標的の多く(特に、生物学的サンプル)に十分に適している。PDMSは、そのような分子が可溶化状態でそれらの適切な形状、折り畳み、および活性を維持することを可能にする、非反応性で生物学的に不活性な化合物である。このマトリクスおよび系は、数百ダルトンからメガダルトンのレジーム(regime)の範囲の標的サイズおよび分子量に適応し得る。小タンパク質およびペプチドからウイルスおよび高分子複合体にわたる生物学的標的がこの範囲に含まれ、そして、一般的に、3〜10kDaから>1〜2MDaのいずれかの大きさである。   PDMS materials that can form chips are well suited for many of these targets, particularly biological samples. PDMS is a non-reactive and biologically inert compound that allows such molecules to maintain their proper shape, folding, and activity in a solubilized state. This matrix and system can accommodate target sizes and molecular weights ranging from hundreds of daltons to mega dalton regimes. Biological targets ranging from small proteins and peptides to viruses and macromolecular complexes are included in this range and are generally anywhere from 3-10 kDa to> 1-2 MDa.

(12.溶質/試薬の型)
結晶化スクリーニングの間に、多くの化学化合物が使用され得る。これらの化合物としては、塩、低分子量有機化合物および高分子量有機化合物、緩衝液、リガンド、低分子薬剤、界面活性剤、ペプチド、架橋剤、ならびに誘導体化剤が挙げられる。合わせて、これらの化学物質は、液滴中のイオン強度、pH、溶質濃度、および標的濃度を変化させるために使用され得、そして標的を改変するためにさえも使用され得る。結晶化を達成するためのこれらの化学物質の所望の濃度は変化し得、そしてナノモル濃度からモル濃度の範囲であり得る。代表的な結晶化混合物は、固定されているが、経験的に決定された型および濃度の「沈殿剤」、緩衝液、塩、および他の化学添加物(例えば、金属イオン、塩、低分子化学添加物、凍結防止剤、など)のセットを含む。水は、多くの生物学的標的の結晶化試験において重要な溶媒である。なぜならば、これらの分子の多くは、活性および折り畳みを維持するために水和する必要があり得るからである。
(12. Solute / reagent type)
Many chemical compounds can be used during crystallization screening. These compounds include salts, low and high molecular weight organic compounds, buffers, ligands, low molecular drugs, surfactants, peptides, crosslinkers, and derivatizing agents. Together, these chemicals can be used to change ionic strength, pH, solute concentration, and target concentration in the droplets, and can even be used to modify the target. The desired concentration of these chemicals to achieve crystallization can vary and can range from nanomolar to molar. Typical crystallization mixtures are fixed, but empirically determined types and concentrations of “precipitants”, buffers, salts, and other chemical additives (eg, metal ions, salts, small molecules A set of chemical additives, cryoprotectants, etc.). Water is an important solvent in crystallization tests for many biological targets. This is because many of these molecules may need to be hydrated to maintain activity and folding.

加圧化ガスプライミング(POP)技術と結び付けて上述したように、気体に対するPDMSの浸透性、およびPDMSと溶媒との適合性は、使用する沈殿剤を決定する上で重要な因子であり得る。   As described above in connection with the pressurized gas priming (POP) technique, the permeability of PDMS to gases and the compatibility of PDMS and solvents can be important factors in determining the precipitant used.

「沈殿」剤は、標的を可溶状態から不溶状態への押し進めるよう作用し、そして容積の排除、溶媒の誘電率の変更、電荷遮蔽、および分子の集中化をもって作用し得る。このチップの特定の実施形態のPDMS材料と適合性の沈殿剤としては、不揮発性塩、高分子量ポリマー、極性溶媒、水溶液、高分子量アルコール、二価金属が挙げられるがこれらに限定されない。   “Precipitating” agents act to push the target from a soluble state to an insoluble state and can act with volume exclusion, solvent permittivity changes, charge shielding, and molecular concentration. Precipitants that are compatible with the PDMS material of certain embodiments of the chip include, but are not limited to, non-volatile salts, high molecular weight polymers, polar solvents, aqueous solutions, high molecular weight alcohols, divalent metals.

沈殿化合物(高分子量有機物質および低分子量有機物質、ならびに特定の塩が挙げられる)は、1%未満〜40%より高い濃度、または<0.5M〜4Mより高い濃度で使用され得る。水自体は、可溶性を維持するために特定レベルのイオン強度を必要とするサンプルに対して、沈殿様式で作用し得る。多くの沈殿剤はまた、結晶化スクリーニングの化学的多様性を増加させるために、互いに混合され得る。本明細書に記載されるミクロ流体デバイスは、広範囲のこのような化合物に容易に適合され得る。さらに、多くの沈殿剤(例えば、長鎖有機物質および短鎖有機物質)は、高濃度で非常に粘稠性であり、ほとんどの流体操作デバイス(例えば、ピペットまたはロボットシステム)に対して問題を引き起こす。本発明の実施形態に従うミクロ流体デバイスのポンプおよびバルブの作用により、粘稠性因子の操作が可能となる。   Precipitated compounds (including high and low molecular weight organic materials, and certain salts) can be used at concentrations below 1% to above 40%, or concentrations above <0.5M to 4M. The water itself can act in a precipitation manner on samples that require a certain level of ionic strength to remain soluble. Many precipitating agents can also be mixed with each other to increase the chemical diversity of the crystallization screen. The microfluidic devices described herein can be readily adapted to a wide range of such compounds. In addition, many precipitating agents (eg, long chain organic materials and short chain organic materials) are very viscous at high concentrations, which presents problems for most fluid handling devices (eg, pipettes or robotic systems). cause. The action of the viscosity factor is enabled by the action of the pump and valve of the microfluidic device according to an embodiment of the present invention.

特定のエラストマー材料と適合性の溶媒/沈殿剤の調査は、最適な結晶化剤を同定するために実施され得、最適な結晶化剤は、標準的なスクリーニングよりも効率的な、チップ用に仕立てられた結晶化スクリーニング反応を開発するのに使用され得る。   A search for solvents / precipitating agents that are compatible with a particular elastomeric material can be performed to identify the optimal crystallization agent, which is more efficient for chips, more efficient than standard screening. It can be used to develop tailored crystallization screening reactions.

沈殿剤として使用され得る塩の非排他的な一覧は、以下の通りである:酒石酸塩(Li、Na、K、Na/K、NH4);リン酸塩(Li、Na、K、Na/K、NH4);酢酸塩(Li、Na、K、Na/K、Mg、Ca、Zn、NH4);蟻酸塩(Li、Na、K、Na/K、Mg、NH4);クエン酸塩(Li、Na、K、Na/K、NH4);塩化物塩(Li、Na、K、Na/K、Mg、Ca、Zn、Mn、Cs、Rb、NH4);硫酸塩(Li、Na、K、Na/K、NH4);リンゴ酸塩(Li、Na、K、Na/K、NH4);グルタミン酸塩(Li、Na、K、Na/K、NH4)。   A non-exclusive list of salts that can be used as precipitating agents is as follows: tartrate (Li, Na, K, Na / K, NH4); phosphate (Li, Na, K, Na / K) , NH4); acetate (Li, Na, K, Na / K, Mg, Ca, Zn, NH4); formate (Li, Na, K, Na / K, Mg, NH4); citrate (Li, Na, K, Na / K, NH4); Chloride salts (Li, Na, K, Na / K, Mg, Ca, Zn, Mn, Cs, Rb, NH4); Sulfates (Li, Na, K, Na / K, NH4); malate (Li, Na, K, Na / K, NH4); glutamate (Li, Na, K, Na / K, NH4).

沈殿剤として使用され得る有機性材料の非排他的な一覧は、以下の通りである:PEG400;PEG1000;PEG1500;PEG2k;PEG3350;PEG4k;PEG6k;PEG8k;PEG10k;PEG20k;PEG−MME550;PEG−MME750;PEG−MME2k;PEG−MME5k;PEG−DME2k;ジオキサン;メタノール;エタノール;2−ブタノール;n−ブタノール;t−ブタノール;Jeffamine M−600;イソプロパノール;2−メチル−2,4−ペンタンジオール;1,6ヘキサンジオール。   A non-exclusive list of organic materials that can be used as precipitating agents is as follows: PEG400; PEG1000; PEG1500; PEG2k; PEG3350; PEG4k; PEG6k; PEG8k; PEG10k; PEG20k: PEG-MME550; PEG-MME2k; PEG-MME5k; PEG-DME2k; Dioxane; Methanol; Ethanol; 2-Butanol; n-Butanol; t-Butanol; Jeffamine M-600; Isopropanol; 2-Methyl-2,4-pentanediol; , 6 hexanediol.

溶液のpHは、緩衝化剤の含有により変更され得る;生物学的材料の代表的なpH範囲は、3.5〜10.5の値の間のいずれかであり、そして緩衝液の濃度は、一般的に、0.01Mと0.25Mとの間である。本明細書中に記載されるミクロ流体デバイスは、広範囲のpH値(特に、生物学的標的に適したpH値)に容易に適合され得る。   The pH of the solution can be altered by the inclusion of a buffering agent; the typical pH range of the biological material is anywhere between 3.5 and 10.5, and the concentration of the buffer is Generally between 0.01M and 0.25M. The microfluidic devices described herein can be readily adapted to a wide range of pH values, particularly those suitable for biological targets.

可能な緩衝剤の非排他的な一覧は、以下の通りである:酢酸ナトリウム;HEPES;カコジル酸ナトリウム;クエン酸ナトリウム;コハク酸ナトリウム;リン酸ナトリウムカリウム;TRIS;マレイン酸TRIS;マレイン酸イミダゾール;ビストリスプロパン;CAPSO、CHAPS、MES、およびイミジゾール(imidizole)。   A non-exclusive list of possible buffers is as follows: sodium acetate; HEPES; sodium cacodylate; sodium citrate; sodium succinate; sodium potassium phosphate; TRIS; maleic acid TRIS; Bistris propane; CAPSO, CHAPS, MES, and imidazole.

添加物は、標的の溶解度および/または活性の挙動に影響を及ぼす低分子である。このような化合物は、結晶化スクリーニングを迅速化し得るか、または標的の代替の結晶形態を生成し得る。添加物は、化学物質のほぼ全ての考えられ得る形態を取り得るが、代表的には、一価塩または多価塩(無機または有機)、酵素リガンド(基質、生成物、アロステリックエフェクター)、化学架橋剤、界面活性剤および/または脂質、重金属、有機金属化合物、微量の沈殿剤、ならびに低分子量有機物質である。   Additives are small molecules that affect the solubility and / or activity behavior of the target. Such compounds can speed up crystallization screening or produce alternative crystalline forms of the target. Additives can take almost all possible forms of chemicals, but are typically monovalent or polyvalent salts (inorganic or organic), enzyme ligands (substrates, products, allosteric effectors), chemicals Crosslinkers, surfactants and / or lipids, heavy metals, organometallic compounds, trace amounts of precipitants, and low molecular weight organic materials.

以下は、可能な添加物の非排他的な一覧である:2−ブタノール;DMSO;ヘキサンジオール;エタノール;メタノール;イソプロパノール;フッ化ナトリウム;フッ化カリウム;フッ化アンモニウム;無水塩化リチウム;塩化マグネシウム六水和物;塩化ナトリウム;塩化カルシウム二水和物;塩化カリウム;塩化アンモニウム;ヨウ化ナトリウム;ヨウ化カリウム;ヨウ化アンモニウム;チオシアン酸ナトリウム;チオシアン酸カリウム;硝酸リチウム;硝酸マグネシウム六水和物;硝酸ナトリウム;硝酸カリウム;硝酸アンモニウム;蟻酸マグネシウム;蟻酸ナトリウム;蟻酸カリウム;蟻酸アンモニウム;酢酸リチウム二水和物;酢酸マグネシウム四水和物;酢酸亜鉛二水和物;酢酸ナトリウム三水和物;酢酸カルシウム水和物;酢酸カリウム;酢酸アンモニウム;硫酸リチウム一水和物;硫酸マグネシウム七水和物;硫酸ナトリウム十水和物;硫酸カリウム;硫酸アンモニウム;酒石酸二ナトリウム二水和物;酒石酸カリウムナトリウム四水和物;酒石酸二アンモニウム;リン酸二水素ナトリウム一水和物;リン酸水素二ナトリウム二水和物;リン酸二水素カリウム;リン酸水素二カリウム;リン酸二水素アンモニウム;リン酸水素二アンモニウム;クエン酸三リチウム四水和物;クエン酸三ナトリウム二水和物;クエン酸三カリウム一水和物;クエン酸水素二アンモニウム;塩化バリウム;塩化カドミウム二水和物;塩化コバルト二水和物;塩化銅二水和物;塩化ストロンチウム六水和物;塩化イットリウム六水和物;エチレングリコール;グリセロール無水物;1,6ヘキサンジオール;MPD;ポリエチレングリコール400;トリメチルアミンHCl;グアニジンHCl;尿素;1,2,3−ヘプタントリオール;ベンズアミジンHCl;ジオキサン;エタノール;イソ−プロパノール;メタノール;ヨウ化ナトリウム;L−システイン;EDTAナトリウム塩;NAD;ATP二ナトリウム塩;D(+)−グルコース一水和物;D(+)−スクロース;キシリトール;スペルミジン;スペルミンテトラ−HCl;6−アミノカプロン酸;1,5−ジアミノペンタンジHCl;1,6−ジアミノヘキサン;1,8−ジアミノオクタン;グリシン;グリシル−グリシル−グリシン;三塩化ヘキサミンコバルト;タウリン;ベタイン一水和物;ポリビニルピロリドンK15;非界面活性剤スルホ−ベタイン195;非界面活性剤スルホ−ベタイン201;フェノール;DMSO;硫酸デキストランナトリウム塩;jeffamine M−600;2,5ヘキサンジオール;(+/−)−1,3ブタンジオール;ポリプロピレングリコールP400;1,4ブタンジオール;tert−ブタノール;1,3プロパンジオール;アセトニトリル;γブチロラクトン;プロパノール;酢酸エチル;アセトン;ジクロロメタン;n−ブタノール;2,2,2トリフルオロエタノール;DTT;TCEP;ノナエチレングリコールモノドデシルエーテル、ノナエチレングリコールモノラウリルエーテル;ポリオキシエチレン(9)エーテル;オクタエチレングリコールモノドデシルエーテル、オクタエチレングリコールモノラウリルエーテル;ポリオキシエチレン(8)ラウリルエーテル;ドデシルβ−D−マルトピラノシド;ラウリル酸スクロースエステル;シクロヘキシル−ペンチル−β−D−マルトシド;ノナエチレングリコールオクチルフェノールエーテル;臭化セチルトリメチルアンモニウム;N,N−ビス(3−D−グルコンアミドプロピル)−デオキシコールアミン;デシル−β−D−マルトピラノシド;ラウリルジメチルアミンオキシド;シクロヘキシル−ペンチル−β−D−マルトシド;n−ドデシルスルホベタイン、3−(ドデシルジメチルアンモニオ)プロパン−1−スルホネート;ノニル−β−D−グルコピラノシド;オクチル−β−D−チオグルコピラノシド,OSG;N,N−ジメチルデシルアミン−β−オキシド;メチル−6−O−(N−ヘプチルカルバモイル)−a−D−グルコピラノシド;スクロースモノカプロイル酸;n−オクタノイル−β−Dフルクトフラノシル−a−D−グルコピラノシド;ヘプチル−β−D−チオグルコピラノシド;オクチル−β−D−グルコピラノシド、OG;シクロヘキシル−プロピル−β−D−マルトシド;シクロヘキシルブタノイル−N−ヒドロキシエチルグルカミド;n−デシルスルホベタイン、3−(デシルジメチルアンモニオ)プロパン−1−スルホネート;オクタノイル−N−メチルグルカミド、OMEGA;ヘキシル−β−D−グルコピラノシド;Brij35;Brij58;TritonX−114;TritonX−305;TritonX−405;Tween20;Tween80;ポリオキシエチレン(6)デシルエーテル;ポリオキシエチレン(9)デシルエーテル;ポリオキシエチレン(10)ドデシルエーテル;ポリオキシエチレン(8)トリデシルエーテル;イソプロピル−β−D−チオガラクトシド;デカノイル−N−ヒドロキシエチルグルカミド;ペンタエチレングリコールモノオクチルエーテル;3−[(3−コラミドプロピル)−ジメチルアンモニオ]−l−プロパンスルホネート;3−[(3−コラミドプロピル)−ジメチルアンモニオ]−2−ヒドロキシ−1−プロパンスルホネート;シクロヘキシルペンタノイル−N−ヒドロキシエチルグルカミド;ノナノイル−N−ヒドロキシエチルグルカミド;シクロヘキシルプロパノール−N−ヒドロキシエチルグルカミド;オクタノイル−N−ヒドロキシエチルグルカミド;シクロヘキシルエタノイル−N−ヒドロキシエチルグルカミド;臭化ベンジルジメチルドデシルアンモニウム;n−ヘキサデシル−β−D−マルトピラノシド;n−テトラデシル−β−D−マルトピラノシド;n−トリデシル−β−D−マルトピラノシド;ドデシルポリ(エチレングリコエーテル)n;n−テトラデシル−N,N−ジメチル−3−アンモニオ−1−プロパンスルホネート;n−ウンデシル−β−D−マルトピラノシド;n−デシル−β−D−チオマルトピラノシド;n−ドデシルホスホコリン;a−D−グルコピラノシド、β−D−フルクトフラノシルモノデカン酸、スクロースモノカプリン酸;1−s−ノニル−β−D−チオグルコピラノシド;n−ノニル−β−D−チオマルトピラノシド(thiomaltoyranoside);N−ドデシル−N,N−(ジメチルアンモニオ(dimethlammonio))酪酸;n−ノニル−β−D−マルトピラノシド;シクロヘキシル−ブチル−β−D−マルトシド;n−オクチル−β−D−チオマルトピラノシド;n−デシルホスホコリン;n−ノニルホスホコリン;ノナノイル−N−メチルグルカミド;1−s−ヘプチル−β−D−チオグルコピラノシド;n−オクチルホスホコリン;シクロヘキシル−エチル−β−D−マルトシド;n−オクチル−N,N−ジメチル−3−アンモニオ−1−プロパンスルホネート;シクロヘキシル−メチル−β−D−マルトシド。   The following is a non-exclusive list of possible additives: 2-butanol; DMSO; hexanediol; ethanol; methanol; isopropanol; sodium fluoride; potassium fluoride; ammonium fluoride; Sodium chloride; Calcium chloride dihydrate; Potassium chloride; Ammonium chloride; Sodium iodide; Potassium iodide; Ammonium iodide; Sodium thiocyanate; Potassium thiocyanate; Lithium nitrate; Magnesium nitrate hexahydrate; Sodium nitrate; Potassium nitrate; Ammonium nitrate; Magnesium formate; Sodium formate; Potassium formate; Ammonium formate; Lithium acetate dihydrate; Magnesium acetate tetrahydrate; Zinc acetate dihydrate; Sodium acetate trihydrate; Japanese products; Potassium acetate; ammonium acetate; lithium sulfate monohydrate; magnesium sulfate heptahydrate; sodium sulfate decahydrate; potassium sulfate; ammonium sulfate; disodium tartrate dihydrate; potassium sodium tartrate tetrahydrate; Ammonium; Sodium dihydrogen phosphate monohydrate; Disodium hydrogen phosphate dihydrate; Potassium dihydrogen phosphate; Dipotassium hydrogen phosphate; Ammonium dihydrogen phosphate; Diammonium hydrogen phosphate; Trilithium citrate Tetrahydrate; trisodium citrate dihydrate; tripotassium citrate monohydrate; diammonium hydrogen citrate; barium chloride; cadmium chloride dihydrate; cobalt chloride dihydrate; copper chloride diwater Strontium chloride hexahydrate; yttrium chloride hexahydrate; ethylene glycol; glycerol anhydride; 1 MPD; polyethylene glycol 400; trimethylamine HCl; guanidine HCl; urea; 1,2,3-heptanetriol; benzamidine HCl; dioxane; ethanol; iso-propanol; methanol; sodium iodide; NAD; ATP disodium salt; D (+)-glucose monohydrate; D (+)-sucrose; xylitol; spermidine; spermine tetra-HCl; 6-aminocaproic acid; 1,5-diaminopentanediHCl; 1,6-diaminohexane; 1,8-diaminooctane; glycine; glycyl-glycyl-glycine; hexaminecobalt trichloride; taurine; betaine monohydrate; polyvinylpyrrolidone K15; non-surfactant sulfo-betaine 195; non-surfactant sulfo-betaine 201; phenol; DMSO; dextran sulfate sodium salt; Jeffamine M-600; 2,5 hexanediol; (+/-)-1,3 butanediol; polypropylene glycol P400; 1,3-propanediol; acetonitrile; gamma butyrolactone; propanol; ethyl acetate; acetone; dichloromethane; n-butanol; 2,2,2 trifluoroethanol; DTT; TCEP; nonaethylene glycol monododecyl ether , Nonaethylene glycol monolauryl ether; polyoxyethylene (9) ether; octaethylene glycol monododecyl ether, octaethylene glycol monolauryl ether; Tylene (8) lauryl ether; dodecyl β-D-maltopyranoside; lauric acid sucrose ester; cyclohexyl-pentyl-β-D-maltoside; nonaethylene glycol octylphenol ether; cetyltrimethylammonium bromide; N, N-bis (3-D Glycylamidopropyl) -deoxycholamine; decyl-β-D-maltopyranoside; lauryldimethylamine oxide; cyclohexyl-pentyl-β-D-maltoside; n-dodecylsulfobetaine, 3- (dodecyldimethylammonio) propane-1 Nonyl-β-D-glucopyranoside; Octyl-β-D-thioglucopyranoside, OSG; N, N-dimethyldecylamine-β-oxide; Methyl-6-O- (N-heptylcarbamoyl) -a D-glucopyranoside; sucrose monocaproyl acid; n-octanoyl-β-D fructofuranosyl-a-D-glucopyranoside; heptyl-β-D-thioglucopyranoside; octyl-β-D-glucopyranoside, OG; cyclohexyl-propyl -Β-D-maltoside; cyclohexylbutanoyl-N-hydroxyethylglucamide; n-decylsulfobetaine, 3- (decyldimethylammonio) propane-1-sulfonate; octanoyl-N-methylglucamide, OMEGA; hexyl- Brij35; Brij58; TritonX-114; TritonX-305; TritonX-405; Tween20; Tween80; polyoxyethylene (6) decyl ether; polyoxyethylene (β-D-glucopyranoside; ) Decyl ether; polyoxyethylene (10) dodecyl ether; polyoxyethylene (8) tridecyl ether; isopropyl-β-D-thiogalactoside; decanoyl-N-hydroxyethylglucamide; pentaethylene glycol monooctyl ether; [(3-Colamidopropyl) -dimethylammonio] -1-propanesulfonate; 3-[(3-Colamidopropyl) -dimethylammonio] -2-hydroxy-1-propanesulfonate; cyclohexylpentanoyl-N- Nonanoyl-N-hydroxyethyl glucamide; Cyclohexylpropanol-N-hydroxyethyl glucamide; Octanoyl-N-hydroxyethyl glucamide; Cyclohexyl ethanoyl-N-hydroxyeth Glucamide; benzyldimethyldodecylammonium bromide; n-hexadecyl-β-D-maltopyranoside; n-tetradecyl-β-D-maltopyranoside; n-tridecyl-β-D-maltopyranoside; dodecyl poly (ethylene glycoether) n; n-tetradecyl -N, N-dimethyl-3-ammonio-1-propanesulfonate; n-undecyl-β-D-maltopyranoside; n-decyl-β-D-thiomaltopyranoside; n-dodecylphosphocholine; Glucopyranoside, β-D-fructofuranosyl monodecanoic acid, sucrose monocapric acid; 1-s-nonyl-β-D-thioglucopyranoside; n-nonyl-β-D-thiomaltopyranoside; N -Dodecyl-N, N- (dimethylan N-nonyl-β-D-maltopyranoside; cyclohexyl-butyl-β-D-maltoside; n-octyl-β-D-thiomaltopyranoside; n-decylphosphocholine; n-nonyl Nonanoyl-N-methylglucamide; 1-s-heptyl-β-D-thioglucopyranoside; n-octylphosphocholine; cyclohexyl-ethyl-β-D-maltoside; n-octyl-N, N-dimethyl- 3-ammonio-1-propanesulfonate; cyclohexyl-methyl-β-D-maltoside.

凍結溶媒は、寒剤(例えば、液体窒素、液体プロパン、液体エタン、または窒素ガスもしくはヘリウムガス)中での急速冷却(全て、約100〜120°K)に対して標的結晶を安定化し、結晶が氷ではなくガラス質のガラス中に包埋されるようにする薬剤である。任意の数の塩または低分子量有機化合物が、凍結防止剤として使用され得、代表的な凍結防止剤としては、以下が挙げられるがこれらに限定されない:MPD、PEG−400(ならびにPEG誘導体および高分子量PEG化合物の両方)、グリセロール、糖(キシリトール、ソルビトール、エリスリトール、スクロース、グルコースなど)、エチレングリコール、アルコール(短鎖および長鎖の両方、揮発性および不揮発性の両方)、LiOAc、LiCl、LiCHO、LiNO、LiSO、Mg(OAc)、NaCl、NaCHO、NaNOなど。繰り返すが、本発明に従うミクロ流体デバイスを構築する材料は、一定範囲のこのような化合物と適合性であり得る。 The freezing solvent stabilizes the target crystal against rapid cooling (all about 100-120 ° K) in a cryogen (eg, liquid nitrogen, liquid propane, liquid ethane, or nitrogen gas or helium gas). A drug that allows it to be embedded in glassy glass rather than ice. Any number of salts or low molecular weight organic compounds may be used as the cryoprotectant, and representative cryoprotectants include, but are not limited to: MPD, PEG-400 (and PEG derivatives and high (Both molecular weight PEG compounds), glycerol, sugar (xylitol, sorbitol, erythritol, sucrose, glucose, etc.), ethylene glycol, alcohol (both short and long chain, both volatile and non-volatile), LiOAc, LiCl, LiCHO 2 , LiNO 3 , Li 2 SO 4 , Mg (OAc) 2 , NaCl, NaCHO 2 , NaNO 3 and the like. Again, the materials that make up the microfluidic device according to the present invention may be compatible with a range of such compounds.

これらの化学物質の多くは、研究者が「疎行列(sparse matrix)」スクリーニング実験および「グリッド」スクリーニング実験の両方を実施するのを可能にする、種々の販売元(Hampton Research of Laguna Niguel、CA、Emerald Biostructures of Bainbridge
Island、WA、およびJena BioScience of Jena、Germanyが挙げられるがこれらに限定されない)からの予め規定されたスクリーニングキットにおいて獲得され得る。疎行列スクリーニングは、可能な限り少ない条件で可能な限り多くの沈殿剤、緩衝液、および添加剤化学物質の空間(additive chemical space)を無作為にサンプリングすることを試みる。グリッドスクリーニングは、代表的に、互いに対する2つまたは3つのパラメータ(例えば、沈殿剤濃度 対
pH)の体系的な変動で構成される。両方の型のスクリーニングの使用が、結晶化試験において成功しており、そしてこれらのスクリーニングにおいて使用される化学物質および化学的物質の組み合わせの大部分が、本発明の実施形態に従うチップ設計およびマトリクスと適合性である。
Many of these chemicals are available from various vendors (Hampton Research of Laguna Niguel, CA) that allow researchers to conduct both “sparse matrix” screening experiments and “grid” screening experiments. , Emerald Biostructures of Bainbridge
Can be obtained in pre-defined screening kits from, including, but not limited to, Island, WA, and Jena BioScience of Jena, Germany. Sparse matrix screening attempts to randomly sample as much precipitant, buffer, and additive chemical space as possible in as few conditions as possible. Grid screening typically consists of a systematic variation of two or three parameters relative to each other (eg, precipitant concentration versus pH). The use of both types of screening has been successful in crystallization tests, and most of the chemicals and chemical combinations used in these screens are based on chip designs and matrices according to embodiments of the present invention. Be compatible.

さらに、ミクロ流体デバイスの現在および将来の設計は、特定の標的または標的のセットに対する異なる化学物質のアレイの柔軟なコンビナトリアルスクリーニングを可能にし得る。これは、ロボットスクリーニングまたは手作業のスクリーニングのいずれによっても困難なプロセスである。この後者の局面は、初回スクリーニングによりなされる最初の成功を最適化するために特に重要である。   Furthermore, current and future designs of microfluidic devices may allow flexible combinatorial screening of different chemical arrays for specific targets or sets of targets. This is a difficult process by either robot screening or manual screening. This latter aspect is particularly important for optimizing the initial success made by the initial screening.

(13.結晶化のためのさらなるスクリーニングの変数)
化学的可変性に加えて、多数の他のパラメータは、結晶化スクリーニングの間に変更され得る。このようなパラメータとしては、以下が挙げられるがこれらに限定されない:1)結晶化試験の容量、2)結晶化溶液に対する標的溶液の比率、3)標的濃度、4)二次的な低分子または高分子との標的の共結晶化、5)水和、6)インキュベーション時間、7)温度、8)圧力、9)接触表面、10)標的分子に対する改変、および11)重力。
(13. Further screening variables for crystallization)
In addition to chemical variability, a number of other parameters can be altered during crystallization screening. Such parameters include, but are not limited to: 1) volume of crystallization test, 2) ratio of target solution to crystallization solution, 3) target concentration, 4) secondary small molecule or Co-crystallization of target with polymer, 5) hydration, 6) incubation time, 7) temperature, 8) pressure, 9) contact surface, 10) modification to target molecule, and 11) gravity.

結晶化試験の容量は、ピコリットルからミリリットルの範囲の全ての考えられ得る値の容量であり得る。代表的な値としては、以下が挙げられるがこれらに限定されない:0.1、0.2、0.25、0.4、0.5、0.75、1、2、4、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、60、70、75、80、90、100、125、150、175、200、225、250、275、300、400、450、500、550、600、700、750、800、900、1000、1100、1200、1250、1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900、2000、2250、2500、3000、4000、5000、6000、7000、7500、8000、9000、および10000nL。先に記載されたミクロ流体デバイスは、これらの値を使用し得る。   The volume of the crystallization test can be a volume of all possible values in the picoliter to milliliter range. Representative values include but are not limited to: 0.1, 0.2, 0.25, 0.4, 0.5, 0.75, 1, 2, 4, 5, 10 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 75, 80, 90, 100, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 275, 300, 400, 450, 500 550, 600, 700, 750, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1250, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2250, 2500, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000 7500, 8000, 9000, and 10000 nL. The microfluidic devices described above can use these values.

特に、結晶化試験についての低容量範囲(<100nL)の使用は、本発明の実施形態に従うミクロ流体チップの実施形態の明確な利点である。なぜならば、このような低容量の結晶化チャンバが容易に設計および構築され得、多量の貴重な標的分子に対する必要性を最小限に抑えるからである。本発明に従う実施形態の標的物質の低消費は、十分でない生物学的サンプル(例えば、膜タンパク質、タンパク質/タンパク質複合体、およびタンパク質/核酸複合体)を結晶化する試み、および目的の標的に対する結合についてのリードライブラリーの低分子薬物スクリーニングにおいて特に有用である。   In particular, the use of a low volume range (<100 nL) for crystallization testing is a distinct advantage of embodiments of microfluidic chips according to embodiments of the present invention. This is because such a low volume crystallization chamber can be easily designed and constructed, minimizing the need for large quantities of valuable target molecules. Low consumption of target substances in embodiments according to the present invention may result in attempts to crystallize inadequate biological samples (eg, membrane proteins, protein / protein complexes, and protein / nucleic acid complexes) and binding to the target of interest. Is particularly useful in small molecule drug screening of lead libraries.

結晶化混合物に対する標的溶液の比率はまた、結晶化スクリーニングおよび最適化における重要な変数を構成し得る。これらの比率は、全ての考えられ得る値の比率であり得るが、代表的には、1:100〜100:1の範囲の標的:結晶化溶液である。代表的な標的:結晶化溶液または結晶化溶液:標的の比率としては、以下が挙げられるがこれらに限定されない:1:100、1:90、1:80、1:70、1:60、1:50、1:40、1:30、1:25、1:20、1:15、1:10、1:9、1:8、1:7.5、1:7、1:6、1:5、1:4、1:3、1:2.5、1:2、1:1、2:3、3:4、3:5、4:5、5:6、5:7、5:9、6:7、7:8、8:9、および9:10。先に記載されたように、本発明の実施形態に従うミクロ流体デバイスは、単一のチップにおいて複数の比率を同時に使用するよう設計され得る。   The ratio of target solution to crystallization mixture can also constitute an important variable in crystallization screening and optimization. These ratios can be ratios of all possible values, but are typically target: crystallization solutions ranging from 1: 100 to 100: 1. Exemplary target: crystallization solution or crystallization solution: target ratios include, but are not limited to: 1: 100, 1:90, 1:80, 1:70, 1:60, 1 : 50, 1:40, 1:30, 1:25, 1:20, 1:15, 1:10, 1: 9, 1: 8, 1: 7.5, 1: 7, 1: 6, 1 : 5, 1: 4, 1: 3, 1: 2.5, 1: 2, 1: 1, 2: 3, 3: 4, 3: 5, 4: 5, 5: 6, 5: 7, 5 : 9, 6: 7, 7: 8, 8: 9, and 9:10. As previously described, microfluidic devices according to embodiments of the present invention can be designed to use multiple ratios simultaneously on a single chip.

結晶化化学物質濃度と同様に、標的濃度は、一定範囲の値であり得、そして結晶化スクリーニングにおいて重要な変数である。代表的な濃度範囲は、<0.5mg/ml〜>100mg/mlのいずれかであり得、5〜30mg/mlの間の値が最も一般的に使用され得る。本発明の実施形態に従うミクロ流体デバイスは、この範囲の値と容易に適合され得る。   Similar to the crystallization chemical concentration, the target concentration can be a range of values and is an important variable in crystallization screening. A typical concentration range can be anywhere from <0.5 mg / ml to> 100 mg / ml, with values between 5-30 mg / ml being most commonly used. Microfluidic devices according to embodiments of the present invention can be easily adapted with values in this range.

共結晶化は、一般的に、天然または非天然の結合パートナーである二次的因子との標的の結晶化を示す。このような二次的因子は、小さくあり得る(約10〜1000Daのオーダー)か、または大きな高分子であり得る。共結晶化分子としては、低分子酵素リガンド(基質、生成物、アロステリックエフェクターなど)、低分子薬物リード物質、一本鎖または二本鎖DNAまたはRNA、補体タンパク質(例えば、パートナーまたは標的タンパク質またはサブユニット)、モノクローナル抗体、および融合タンパク質(例えば、マルトース結合タンパク質、グルタチオンS−トランスフェラーゼ、プロテイン−G、または発現、溶解度、および標的の挙動を補助し得る他のタグ)が挙げられ得るがこれらに限定されない。これらの化合物の多くは、生物学的化合物または合理的な分子量の化合物のいずれかであるので、共結晶化分子は、ミクロ流体チップにおけるスクリーニングに慣用的に含まれ得る。実際、これらの試薬の多くが高価であり、そして/または限られた量なので、本発明の実施形態に従うミクロ流体チップによりもたらされる低容量さは、これらを共結晶化スクリーニングに理想的に適するようにする。   Co-crystallization generally refers to crystallization of a target with a secondary factor that is a natural or non-natural binding partner. Such secondary factors can be small (on the order of about 10-1000 Da) or large macromolecules. Co-crystallizing molecules include small enzyme ligands (substrates, products, allosteric effectors, etc.), small drug lead substances, single or double stranded DNA or RNA, complement proteins (eg partner or target protein or Subunits), monoclonal antibodies, and fusion proteins such as maltose binding protein, glutathione S-transferase, protein-G, or other tags that can aid in expression, solubility, and target behavior. It is not limited. Since many of these compounds are either biological compounds or reasonably molecular weight compounds, co-crystallized molecules can be routinely included for screening in microfluidic chips. In fact, because many of these reagents are expensive and / or limited in volume, the low volume provided by the microfluidic chip according to embodiments of the present invention makes them ideally suited for co-crystallization screening. To.

標的の水和は、重要な問題であり得る。特に、水は、生物学的標的およびサンプルに極めて有力な溶媒であり得る。本明細書中に記載されるミクロ流体デバイスは、比較的疎水性であり、そして水ベースの溶液と適合性である。   Target hydration can be an important issue. In particular, water can be a very powerful solvent for biological targets and samples. The microfluidic devices described herein are relatively hydrophobic and compatible with water-based solutions.

結晶化実験の時間の長さは、分または時間から週または月の範囲であり得る。生物学的系におけるほとんどの実験は、代表的に、24時間〜2週間で結果を示す。このインキュベーション時間のレジームは、本発明の実施形態に従うミクロ流体デバイスにより適応され得る。   The length of time for the crystallization experiment can range from minutes or hours to weeks or months. Most experiments in biological systems typically show results in 24 hours to 2 weeks. This incubation time regime can be accommodated by microfluidic devices according to embodiments of the present invention.

結晶化実験の温度は、成功または失敗の割合に大きな影響を有し得る。このことは特に、結晶化実験の温度が0〜42℃の範囲であり得る生物学的サンプルに当てはまる。最も一般的な結晶化温度のうちのいくつかは、以下の通りである:0、1、2、4、5、8、10、12、15、18、20、22、25、30、35、37、および42。本発明の実施形態に従うミクロ流体デバイスは、列挙される温度で保存され得るか、または代替的に、小さな温度制御構造(例えば、抵抗加熱器またはPeltier冷却構造)との熱接触下に置かれ得る。   The temperature of the crystallization experiment can have a significant effect on the success or failure rate. This is especially true for biological samples where the temperature of the crystallization experiment can be in the range of 0-42 ° C. Some of the most common crystallization temperatures are as follows: 0, 1, 2, 4, 5, 8, 10, 12, 15, 18, 20, 22, 25, 30, 35, 37 and 42. Microfluidic devices according to embodiments of the invention can be stored at the temperatures listed, or alternatively can be placed in thermal contact with a small temperature control structure (eg, resistance heater or Peltier cooling structure) .

さらに、本発明に従う実施形態の小さなフットプリントおよび迅速な準備時間は、所望の標的温度へのより迅速な平衡化および一定範囲の温度のより小さいインキュベーターにおける保存を可能にする。さらに、本発明の実施形態に従うミクロ流体系は、蒸気相との接触下で結晶化実験を行わないので、従来の巨視的な蒸気拡散技術に伴う問題である温度変化に伴う蒸気相から液滴への水の凝縮が回避される。この特徴は、多くの従来の手動またはロボット操作の系(この系は、所望の温度で維持されなければならいか、またはこの実験は、新しい温度に移される前に一定期間室温で維持されなければならないかのいずれかである)を上回る利点を示す。   Furthermore, the small footprint and rapid preparation time of embodiments according to the present invention allow for faster equilibration to the desired target temperature and storage in a smaller incubator of a range of temperatures. In addition, the microfluidic system according to embodiments of the present invention does not perform crystallization experiments in contact with the vapor phase, so the droplets from the vapor phase are associated with temperature changes, which is a problem with conventional macroscopic vapor diffusion techniques. Condensation of water into the water is avoided. This feature is useful for many conventional manual or robotic systems (which must be maintained at the desired temperature or the experiment must be maintained at room temperature for a period of time before being transferred to a new temperature. It is one of the advantages).

圧力の変動は、今なお研究中である結晶化パラメーターである。これは、部分的には、従来の拡散蒸着プロトコルおよびマイクロバッチプロトコルが、代表的には大気圧以外のすべて圧力におけるスクリーニングを容易には可能にしないからである。PDMSマトリックスの剛性により、チップ上での標的結晶化に対する圧力の効果を探索する実験が可能である。   Pressure fluctuation is a crystallization parameter that is still under study. This is partly because conventional diffusion deposition protocols and microbatch protocols typically do not readily allow screening at all pressures other than atmospheric pressure. The stiffness of the PDMS matrix allows experiments to explore the effect of pressure on target crystallization on the chip.

結晶化「滴下物」が存在する表面は、実験の成功および結晶の品質に影響し得る。拡散蒸着プロトコルおよびマイクロバッチプロトコルにおいて使用される固体支持体接触表面の例としては、ポリスチレンまたはシラン化ガラスのいずれかが挙げられる。両方の型の支持体が、標的に依存して、結晶成長を促進または阻害する異なる性向を示し得る。さらに、その結晶化「滴下物」は、空気または何らかの型のポリ炭素油のいずれかと接触しており、このことは、この実験が、それぞれ、拡散蒸着の設定またはマイクロバッチの設定であるか否かに依存する。空気の接触は、遊離酸素が生物学的標的と容易に反応し、これによりタンパク質変性をもたらし得そして結晶化の成功を阻害または低下し得るという点で、不利を有する。油は、微量炭化水素が結晶化実験中に浸出するのを可能にし、そして同様に、結晶化の成功を阻害または低下し得る。   The surface where the crystallization “drops” are present can affect the success of the experiment and the quality of the crystals. Examples of solid support contact surfaces used in diffusion deposition protocols and microbatch protocols include either polystyrene or silanized glass. Both types of supports can exhibit different propensities to promote or inhibit crystal growth, depending on the target. In addition, the crystallized “drop” is in contact with either air or some type of polycarbon oil, which indicates whether this experiment is a diffusion deposition setting or a microbatch setting, respectively. Depends on. Air contact has disadvantages in that free oxygen can easily react with biological targets, thereby leading to protein denaturation and inhibiting or reducing crystallization success. The oil allows trace hydrocarbons to leach out during crystallization experiments and can also inhibit or reduce crystallization success.

本発明の実施形態に従うミクロ流体デバイスの設計は、結晶化反応を完全に取り囲む非反応性の生体適合性環境を提供することによって、これらの制限を克服し得る。さらに、ミクロ流体チップにおける結晶化チャンバの組成は、結晶化反応と接触するための新しい表面を提供するように多分変化され得る。このことは、結晶化を促進する異なる表面および表面特性の慣用的スクリーニングを可能にする。   Microfluidic device designs according to embodiments of the present invention can overcome these limitations by providing a non-reactive biocompatible environment that completely surrounds the crystallization reaction. Furthermore, the composition of the crystallization chamber in the microfluidic chip can possibly be varied to provide a new surface for contacting the crystallization reaction. This allows for conventional screening of different surfaces and surface properties that promote crystallization.

結晶化標的(特に、生物学的起源の標的)は、しばしば、結晶化を可能にするように改変され得る。そのような改変としては、短縮、限定的タンパク質分解性消化物、部位特異的変異体、阻害状態または活性化状態、化学的改変または誘導体化などが挙げられるが、これらに限定されない。標的改変は、時間およびコストがかかり得る。改変標的は、非改変標的が必要とするのと同じ徹底的スクリーニングを必要とする。本発明のミクロ流体デバイスは、もとの標的を用いるのと同じ程度容易に、そのような改変標的を用いて作動し、そして同じ利益を提供する。   Crystallization targets (especially targets of biological origin) can often be modified to allow crystallization. Such modifications include, but are not limited to, shortening, limited proteolytic digests, site-specific mutants, inhibition or activation states, chemical modifications or derivatizations. Target modification can be time consuming and costly. Modified targets require the same thorough screening that non-modified targets require. The microfluidic devices of the present invention operate with such modified targets as easily as using the original target and provide the same benefits.

結晶化についてのパラメーターとしての重力の効果は、なお研究中である別の結晶化パラメーターである。これは、そのような物理的特性を変化させることが困難であることが原因である。それにもかかわらず、無重力環境における生物学的サンプルの結晶化実験は、重力の影響下にて地球上で得られる結晶よりも優れた品質の結晶の成長を生じた。   The effect of gravity as a parameter for crystallization is another crystallization parameter that is still under study. This is due to the difficulty in changing such physical properties. Nevertheless, crystallization experiments of biological samples in a weightless environment resulted in growth of crystals of better quality than crystals obtained on Earth under the influence of gravity.

重力が無いことは、従来の拡散蒸着設定およびマイクロバッチ設定に関して問題を提示する。なぜなら、すべての流体は、表面張力によって適所に保持されなければならないからである。しばしばそのような実験を手で設定する必要性もまた、困難を引き起こす。この困難は、空間に作業者を維持する費用が原因である。しかし、本発明の実施形態に従うミクロ流体デバイスは、結晶化条件としての微小重力のさらなる調査を可能にする。小型の自動計測および結晶成長系は、以下の1)〜4)を可能にする:1)冷却されているが液体の状態で標的分子を含む衛星工場の打ち上げ、2)標的の分配および結晶の成長、3)生じた結晶の収集および低温凍結、および4)低温貯蔵された結晶を分析のために陸上ステーションに戻すこと。   The lack of gravity presents problems with conventional diffusion deposition and microbatch settings. This is because all fluids must be held in place by surface tension. Often the need to manually set up such experiments also creates difficulties. This difficulty is due to the cost of keeping workers in space. However, microfluidic devices according to embodiments of the present invention allow further investigation of microgravity as crystallization conditions. A small automated metrology and crystal growth system enables 1) to 4): 1) Launch of a satellite factory containing target molecules in a cooled but liquid state, 2) Target distribution and crystal growth Growth, 3) collection and cryo-freezing of the resulting crystals, and 4) returning the cryo-stored crystals to the land station for analysis.

(14.インサイチュ結晶化スクリーニング)
顕微鏡を用いて結晶の成長を観察する能力は、結晶化試験の成功または失敗を決定する段階である。従来の結晶化プロトコルは、可視化を可能にする透明物質(例えば、ポリスチレンまたはシラン化ガラス)を使用し得る。本発明に従う実験のPDMSマトリックスの透明性は、結晶化試験が伝統的に得られる以下の2つの主要な方法に特に適する:1)光学顕微鏡により可視光体制での直接観察、および2)偏光の複屈折。
(14. In situ crystallization screening)
The ability to observe crystal growth using a microscope is a step in determining the success or failure of a crystallization test. Conventional crystallization protocols may use transparent materials that allow visualization (eg, polystyrene or silanized glass). The transparency of the experimental PDMS matrix according to the present invention is particularly suitable for the following two main methods for which crystallization tests are traditionally obtained: 1) direct observation in the visible light regime with an optical microscope, and 2) polarization of light Birefringence.

複屈折は、従来の実験において判断するのが困難であり得る。なぜなら、多くのプラスチックは、それ自体が複屈折性であり、サンプルの評価を妨害するからである。しかし、本明細書中に記載されるミクロ流体デバイスは、そのような光学的干渉特性を伴うことなく作製され得、偏光特徴および非偏光特徴の両方を用いて直接の可視化を慣用的に可能にする自動スキャニングシステムの設計を可能にする。   Birefringence can be difficult to determine in conventional experiments. This is because many plastics are themselves birefringent and interfere with sample evaluation. However, the microfluidic devices described herein can be made without such optical interference properties, allowing for direct visualization with both polarized and unpolarized features conventionally Allows the design of automatic scanning systems.

さらに、ロボットを利用する(特に手動で設定する)結晶化実験は、表面上の結晶化滴下物の配置を数10〜数100ミクロン変動させ得る。この変動性は、自動スキャニングシステムについての問題を提示する。なぜなら、安定な基準を伴わずにそのような柔軟な位置決めの必要性をプログラムすることは困難であるからである。しかし、本発明の実施形態のミクロ流体チップにおける結晶化チャンバの固定配置は、そのような問題を克服する。なぜなら、どのウェルも、ミクロン未満の精度で特定の位置に位置決めされ得るからである。さらに、そのようなシステムは、異なるサイズおよび位置の結晶化チャンバの設計のために容易に拡張可能である。なぜなら、本発明の実施形態に従うミクロ流体デバイスを設計するために使用されるマスクおよび他のテンプレートは、簡単にデジタル化され得、そして可視化のためのスキャニングソフトウェア中に移植され得るからである。   Furthermore, crystallization experiments utilizing robots (especially set manually) can vary the placement of crystallization drops on the surface by tens to hundreds of microns. This variability presents a problem for automatic scanning systems. This is because it is difficult to program the need for such flexible positioning without a stable reference. However, the fixed placement of the crystallization chamber in the microfluidic chip of embodiments of the present invention overcomes such problems. This is because any well can be positioned at a specific location with submicron accuracy. Furthermore, such a system is easily expandable for the design of crystallization chambers of different sizes and locations. This is because masks and other templates used to design microfluidic devices according to embodiments of the present invention can be easily digitized and ported into scanning software for visualization.

一旦結晶が視覚的観察により得られると、チップ自体を直接通る回折についてスクリーニングすることが可能であり得る。例えば、チップ内の結晶化チャンバは、ガラス、石英、または弾性材料自体の薄化部分を含む透明な「窓」が、そのチャンバの対向する壁に装備され得る。その後、結晶は、回折キャピラリーについてアッセイするためにチップを通るX線に直接曝され得、結晶サンプルを除去することにより結晶サンプルを多分損傷させる必要性が排除される。そのようなアプローチは、追跡調査のための最良の開始条件候補を決定するために最初の結晶化試験から成功をスクリーニングするために使用され得る。同様に、特定の条件の組の下で成長した結晶が、新しい溶液(例えば、低温安定化剤、低分子薬物リード化合物またはリガンドなど)で「再平衡化」され得、そしてそのような環境変化に対するその結晶の安定性が、X線回折により直接モニターされ得る。   Once the crystals are obtained by visual observation, it may be possible to screen for diffraction directly through the chip itself. For example, the crystallization chamber in the chip can be equipped with transparent “windows” on the opposing walls of the chamber, including thinned portions of glass, quartz, or the elastic material itself. The crystals can then be directly exposed to x-rays through the chip to assay for diffractive capillaries, eliminating the need to possibly damage the crystal sample by removing the crystal sample. Such an approach can be used to screen for success from an initial crystallization test to determine the best starting condition candidate for follow-up. Similarly, crystals grown under a particular set of conditions can be “re-equilibrated” with a new solution (eg, low temperature stabilizer, small drug lead compound or ligand, etc.) and such environmental changes The stability of the crystal against can be directly monitored by X-ray diffraction.

(15.精製/結晶化のためのミクロ流体デバイスの利用)
標的生物学的サンプル(例えば、タンパク質)の結晶化は、実際には、事前の多数の複雑かつ困難な工程の頂点であり、そのような工程としては、タンパク質の発現、精製、誘導体化、および標識が挙げられるが、これらに限定されない。結晶化の前のそのような工程は、1組の溶液特性を備えるチャンバから異なる組の特性を備える別の領域へ液体を往復させる工程を包含する。ミクロ流体技術は、そのような作業を実施するために適切であり、それにより、単一チップの範囲内において必要なすべての工程の組み合わせが可能になる。
(15. Use of microfluidic devices for purification / crystallization)
Crystallization of a target biological sample (eg, protein) is actually the apex of a number of complex and difficult steps in advance, such as protein expression, purification, derivatization, and Examples include, but are not limited to, labels. Such a step prior to crystallization involves reciprocating liquid from a chamber with one set of solution properties to another region with a different set of properties. Microfluidic technology is suitable for performing such operations, which allows for the combination of all necessary steps within a single chip.

プレ結晶化工程の実施を可能にするミクロ流体取扱い構造の例が、上記の第I節に記載されている。例えば、ミクロ流体チップは、調節されたバイオリアクターとして作用し得、それにより、セルペン(cell pen)構造中に含まれる増殖中の細胞中へと栄養素を流すことを可能にすると同時に、老廃物を除去し、そして組換え改変生物が細胞増殖の所望の段階で標的分子(例えば、タンパク質)を生成するのを誘導する。誘導後に、これらの細胞は、セルペン(cell pen)からチップの異なる領域へと、酵素的手段または機械的手段による溶解のために押しやられ得る。その後、可溶化した標的分子は、チップ上に直接組み込まれた分子濾過ユニットによって細胞破片から分離され得る。   An example of a microfluidic handling structure that allows the pre-crystallization process to be performed is described in Section I above. For example, a microfluidic chip can act as a regulated bioreactor, thereby allowing nutrients to flow into proliferating cells contained in a cell pen structure, while at the same time removing waste. Removing and inducing the recombinant engineered organism to produce the target molecule (eg, protein) at the desired stage of cell growth. After induction, these cells can be pushed from the cell pen to different areas of the chip for lysis by enzymatic or mechanical means. The solubilized target molecule can then be separated from the cell debris by a molecular filtration unit incorporated directly on the chip.

その後、標的分子と混入する細胞タンパク質および細胞核酸との粗混合物は、種々の化学特性の多孔性マトリックス(例えば、カチオン交換、アニオン交換、アフィニティ、サイズ排除)を通して分離を達成するために流され得る。標的分子が、可溶性を促進する特定の型の融合タンパク質でタグ化された場合、その標的分子はアフィニティ精製され得、同様にタグ化された部位特異的プロテアーゼを用いてその融合産物を分離するように短時間処理され得、その後、清浄化工程としてアフィニティマトリックスに再び通される。   Thereafter, a crude mixture of cellular proteins and cellular nucleic acids contaminating the target molecule can be flowed to achieve separation through a porous matrix of various chemical properties (eg, cation exchange, anion exchange, affinity, size exclusion). . If a target molecule is tagged with a specific type of fusion protein that promotes solubility, the target molecule can be affinity purified, as well as using a tagged site-specific protease to separate the fusion product. Can be processed for a short time and then re-passed through the affinity matrix as a cleaning step.

一旦純粋になると、その標的は、異なる安定化剤と混合され得、活性についてアッセイされ得、その後、結晶化実施領域へと輸送される。チップまたはチップホルダー上の種々の点に位置する局所的加熱ユニット(例えば、電極)および冷蔵ユニット(例えば、Peltier冷却器)は、処理および結晶化全体にわたるすべての段階で差次的な温度調節を可能にする。従って、タンパク質の産生、精製、および結晶化は、本発明に従う単一ミクロ流体デバイスの実施形態にて達成され得る。   Once pure, the target can be mixed with different stabilizers, assayed for activity, and then transported to the crystallization area. Local heating units (eg electrodes) and refrigeration units (eg Peltier coolers) located at various points on the chip or chip holder provide differential temperature control at all stages throughout processing and crystallization. enable. Thus, protein production, purification, and crystallization can be achieved in a single microfluidic device embodiment according to the present invention.

(16.結晶化スクリーニング以外の適用)
これまで、本願は、本発明の実施形態に従うミクロ流体デバイスが、標的物質の結晶化を実施することに関して小容量の物質を計測する能力に焦点を当ててきた。しかし、本発明に従うミクロ流体構造の実施形態は、他の適用に使用され得る。そのような適用の例が、下記に要約される。可能な適用のより完全な記載は、2001年11月6日に出願された「Cell Asssays and High Throughput Screening」という発明の名称のPCT出願PCT/US01/44869(本明細書によりすべての目的のために参考として援用される)に見出され得る。そのような適用を実施するために適切なミクロ流体構造の例としては、本明細書中に記載されるもの、ならびに2002年4月5日に出願された「Nucleic Acid Amplification Utilizing Microfluidic Devices」という発明の名称の米国特許出願番号_/__(代理人事件番号20174C−004430)(本明細書によりすべての目的のために参考として援用される)に記載される他のものが挙げられる。
(16. Applications other than crystallization screening)
So far, this application has focused on the ability of microfluidic devices according to embodiments of the present invention to measure small volumes of material with respect to performing crystallization of the target material. However, embodiments of the microfluidic structure according to the present invention can be used for other applications. Examples of such applications are summarized below. A more complete description of possible applications can be found in PCT application PCT / US01 / 44869, entitled “Cell Assays and High Throughput Screening” filed on Nov. 6, 2001 (for all purposes herein). Incorporated herein by reference). Examples of suitable microfluidic structures for carrying out such applications include those described herein and the invention “Nucleic Acid Amplification Utilizing Microfluidic Devices” filed on April 5, 2002. And others described in U.S. Patent Application No. ____ (Attorney Case No. 20174C-004430), which is hereby incorporated by reference for all purposes.

広範な種類の結合アッセイが、本明細書中に開示されるミクロ流体デバイスを使用して実施され得る。本質的にすべてのリガンドとアンチリガンドとの間の相互作用が、検出され得る。調査され得るリガンド/アンチリガンド結合相互作用の例としては、酵素/リガンド相互作用(例えば、基質、補因子、インヒビター);レセプター/リガンド;抗原/抗体;タンパク質/タンパク質(同種親和性/異種親和性相互作用);タンパク質/核酸;DNA/DNA;およびDNA/RNAが挙げられるが、これらに限定されない。従って、それらのアッセイは、例えば、目的のレセプターに対するアゴニストおよびアンタゴニストを同定するため、レセプターと結合して細胞内シグナルカスケードを誘発可能なリガンドを同定するため、および相補的核酸を同定するために、使用され得る。リガンドと推定アンチリガンドとが互いに接触される直接結合形式でか、または当業者に周知の競合的結合形式で、アッセイは実施され得る。   A wide variety of binding assays can be performed using the microfluidic devices disclosed herein. Interactions between essentially all ligands and antiligands can be detected. Examples of ligand / antiligand binding interactions that can be investigated include enzyme / ligand interactions (eg, substrates, cofactors, inhibitors); receptors / ligands; antigens / antibodies; proteins / proteins (homologous / heterologous affinity). Interaction); protein / nucleic acid; DNA / DNA; and DNA / RNA, but are not limited to these. Thus, these assays, for example, to identify agonists and antagonists for the receptor of interest, to identify ligands that can bind to the receptor and trigger an intracellular signal cascade, and to identify complementary nucleic acids, Can be used. The assay can be performed in a direct binding format where the ligand and putative anti-ligand are contacted with each other or in a competitive binding format well known to those skilled in the art.

異種結合アッセイは、複合体が未反応因子から分離されて、標識複合体が非複合体化標識反応物のいずれかから区別され得る工程を包含する。しばしば、これは、そのリガンドまたはアンチリガンドを支持体に付着することによって達成される。リガンドとアンチリガンドとが接触された後で、非複合体化反応物が洗い流され、その後、残りの複合体が検出される。   Heterogeneous binding assays involve the step where the complex can be separated from unreacted factors to distinguish the labeled complex from any of the uncomplexed labeled reactants. Often this is accomplished by attaching the ligand or antiligand to a support. After the ligand and antiligand are contacted, the uncomplexed reactant is washed away, and then the remaining complex is detected.

本明細書中で提供されるミクロ流体デバイスを用いて実施される結合アッセイはまた、同種形式でも実施され得る。この同種形式では、リガンドとアンチリガンドとが、溶液中で互いに接触され、そして結合している複合体が、非複合体化リガンドおよび非複合体化アンチリガンドを除去する必要なく検出される。同種アッセイを実施するために頻繁に利用される2つのアプローチは、蛍光偏光(FP)アッセイおよびFRETアッセイである。   Binding assays performed using the microfluidic devices provided herein can also be performed in a homogeneous format. In this homogeneous format, the ligand and antiligand are contacted with each other in solution, and the bound complex is detected without having to remove the uncomplexed ligand and uncomplexed antiligand. Two approaches that are frequently used to perform homogenous assays are the fluorescence polarization (FP) assay and the FRET assay.

本ミクロ流体デバイスはまた、既知の結合パートナー間の相互作用を阻害する因子を同定するために競合形式で利用され得る。そのような方法は、一般的に、結合パートナーが相互作用し複合体を形成するのを可能にするに十分な条件下かつそれに十分な時間、それらの結合パートナーを含む反応混合物を調製する工程を包含する。化合物を阻害活性について試験するために、その反応混合物が、その試験化合物の存在下(試験反応混合物)および非存在下(コントロール反応混合物)で調製される。その後、結合パートナー間の複合体の形成が検出され、この検出は、代表的には、それらの結合パートナーのうちの一方または両方により生じる標識を検出することによる。その後、統計学的に有意な差異を構成するレベルで、試験反応混合物中のコントロール反応においてより多くの複合体を形成することは、その試験化合物が、それらの結合パートナー間の相互作用を妨害することを示す。   The microfluidic device can also be utilized in a competitive format to identify factors that inhibit the interaction between known binding partners. Such methods generally involve preparing a reaction mixture containing the binding partners under conditions and for a time sufficient to allow the binding partners to interact and form a complex. Include. In order to test a compound for inhibitory activity, the reaction mixture is prepared in the presence (test reaction mixture) and absence (control reaction mixture) of the test compound. Thereafter, the formation of a complex between the binding partners is detected, and this detection is typically by detecting a label produced by one or both of those binding partners. Thereafter, forming more complexes in the control reaction in the test reaction mixture at a level that constitutes a statistically significant difference, the test compound interferes with the interaction between their binding partners. It shows that.

免疫学的アッセイは、本発明の実施形態に従うミクロ流体デバイスを用いて実施され得るアッセイの1つの一般的なカテゴリーである。特定のアッセイが、目的の特定の抗原に特異的に結合し得る抗体について抗体集団をスクリーニングするために実施される。そのようなアッセイにおいて、試験抗体または抗体集団が、その抗原と接触される。代表的には、その抗原は、固体支持体に付着されている。免疫学的アッセイの例としては、酵素結合イムノソルベント検定法(ELISA)および当該分野で公知である競合アッセイが挙げられる。   Immunological assays are one general category of assays that can be performed using microfluidic devices according to embodiments of the present invention. Certain assays are performed to screen antibody populations for antibodies that can specifically bind to a particular antigen of interest. In such an assay, a test antibody or antibody population is contacted with the antigen. Typically, the antigen is attached to a solid support. Examples of immunological assays include enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA) and competitive assays known in the art.

本明細書中で提供されるミクロ流体デバイスを使用して、種々の酵素的アッセイが実施され得る。そのような酵素的アッセイは、一般に、アッセイを実施するための必要成分を含むアッセイ混合物を種々の枝フローチャネル中へと導入する工程を包含する。そのアッセイ混合物は、代表的には、例えば、その酵素の基質、必要な補因子(例えば、金属イオン、NADH、NAPDH)、および緩衝液を含む。共役アッセイが実施されるべき場合、そのアッセイ溶液はまた、一般的に、酵素、基質、およびその酵素的共役に必要な補因子を含む。   A variety of enzymatic assays can be performed using the microfluidic devices provided herein. Such enzymatic assays generally involve introducing an assay mixture containing the necessary components to perform the assay into various branch flow channels. The assay mixture typically includes, for example, the enzyme substrate, the necessary cofactors (eg, metal ions, NADH, NAPDH), and buffer. Where a coupled assay is to be performed, the assay solution also generally includes the enzyme, substrate, and cofactors required for the enzymatic coupling.

本発明の実施形態に従うミクロ流体デバイスは、生成される酵素産物に選択的に結合する物質を含むように手配され得る。いくつかの場合、その物質は、反応産物自体について特異的結合親和性を有する。いくらかより複雑な系が、転移反応を触媒する酵素のために開発され得る。例えば、この型の特定のアッセイは、ドナー基質から親和性標識を有するアクセプター基質へと検出可能な部分が転移して、検出可能な部分と親和性標識との両方を有する産物を生成するのを触媒する酵素をインキュベートする工程を包含する。この産物は、その親和性標識に特異的に結合する相補的因子を含む物質によって捕捉され得る。この物質は、代表的には、捕捉された産物が容易に検出され得るように、検出領域中に位置する。特定のアッセイにおいて、その物質は、その検出区域のチャネル内壁にコーティングされる;あるいは、その物質は、その因子でコーティングされている検出領域中に位置する支持体であり得る。   Microfluidic devices according to embodiments of the present invention can be arranged to include substances that selectively bind to the enzyme product that is produced. In some cases, the substance has specific binding affinity for the reaction product itself. Somewhat more complex systems can be developed for enzymes that catalyze transfer reactions. For example, this type of specific assay involves the transfer of a detectable moiety from a donor substrate to an acceptor substrate having an affinity label to produce a product having both the detectable moiety and an affinity label. Incubating the catalyzing enzyme. This product can be captured by a substance containing a complementary agent that specifically binds to its affinity label. This material is typically located in the detection region so that the captured product can be easily detected. In certain assays, the substance is coated on the inner channel wall of the detection zone; alternatively, the substance can be a support located in the detection region that is coated with the agent.

本デバイスを使用する特定のアッセイは、細胞ではなく小胞を用いて実施される。そのようなアッセイの1例は、蛍光相関分光法(FCS)を使用するGタンパク質共役レセプターアッセイである。目的のレセプターを過剰発現する細胞から構築された膜小胞が、主フローチャネルに導入される。小胞は、これもまた主フローチャネルにより導入される蛍光天然リガンドと混合される前に、インヒビターと予め混合され、そして枝フローチャネルまたは主フローチャネルのうちの1つのいずれかを介して導入され得る。成分は、所望の時間インキュベートされ、そして蛍光シグナルが、FCS読み取り機(例えば、Evotec/Zeiss Confocor(単一光子計数デバイスまたは二重光子計数デバイス))を使用してフローチャンバ中で直接分析され得る。   Certain assays using the device are performed using vesicles rather than cells. One example of such an assay is a G protein coupled receptor assay that uses fluorescence correlation spectroscopy (FCS). Membrane vesicles constructed from cells that overexpress the receptor of interest are introduced into the main flow channel. The vesicle is premixed with the inhibitor and then introduced via either the branch flow channel or one of the main flow channels before it is also mixed with the fluorescent natural ligand introduced by the main flow channel. obtain. The components can be incubated for the desired time and the fluorescent signal can be analyzed directly in the flow chamber using an FCS reader (eg, Evotec / Zeiss Concor (single photon counting device or double photon counting device)) .

FRETアッセイは、本明細書中に開示されるデバイスを使用して、多数のリガンド−レセプター相互作用を実行するために利用され得る。例えば、FRETペプチドレポーターは、リンカー配列(リン酸化部位のようなタンパク質の誘導性ドメインに対応する)を、青にシフトしたGFP改変体からおよび赤にシフトしたGFP改変体から構成される蛍光タンパク質をコードするベクター中に導入することによって構築され得る。このベクターは、細菌発現ベクター(生化学的研究のために)または哺乳動物発現ベクター(インビボでの研究のために)であり得る。   The FRET assay can be utilized to perform a number of ligand-receptor interactions using the devices disclosed herein. For example, a FRET peptide reporter is a fluorescent protein composed of a linker sequence (corresponding to an inducible domain of a protein such as a phosphorylation site) from a blue-shifted GFP variant and a red-shifted GFP variant. It can be constructed by introducing into the encoding vector. This vector can be a bacterial expression vector (for biochemical studies) or a mammalian expression vector (for in vivo studies).

核レセプターのアッセイはまた、本発明のミクロ流体デバイスを用いて実行され得る。例えば、コアクチベーター/核レセプター相互作用についてのFRETベースのアッセイが実行され得る。特定の例として、このようなアッセイは、以下:(a)CFP(GFP誘導体であるシアン蛍光タンパク質)でタグ化されたレセプターのリガンド結合ドメインと(b)黄色蛍光タンパク質(YFP)でタグ化されたレセプター結合タンパク質(コアクチベーター)との間のFRET相互作用を検出するために実行され得る。   Nuclear receptor assays can also be performed using the microfluidic devices of the present invention. For example, FRET based assays for coactivator / nuclear receptor interactions can be performed. As a specific example, such an assay is as follows: (a) the ligand binding domain of a receptor tagged with CFP (cyan fluorescent protein which is a GFP derivative) and (b) tagged with yellow fluorescent protein (YFP). Can be performed to detect FRET interactions with other receptor binding proteins (coactivators).

蛍光偏光(FP)は、核レセプター−リガンド置換およびキナーゼ阻害についての高スループットスクリーニング(HTS)アッセイを開発するために利用され得る。FPは、溶液ベースの均質な技術なので、反応成分の固定化も分離も必要としない。一般に、この方法は、このレセプターについての蛍光標識されたリガンドと関連の試験化合物との間の競合を用いることを含む。   Fluorescence polarization (FP) can be utilized to develop high throughput screening (HTS) assays for nuclear receptor-ligand displacement and kinase inhibition. Since FP is a solution-based homogeneous technique, it does not require immobilization or separation of reaction components. In general, the method involves using competition between a fluorescently labeled ligand for the receptor and an associated test compound.

多数の異なる細胞レポーターアッセイが、提供されたミクロ流体デバイスで実行され得る。実行され得る1つの一般的な型のレポーターアッセイとしては、細胞レセプターに結合し、そしてレポーター構築物の転写を活性化する細胞内のシグナルもしくはシグナルカスケードの活性化の引き金を引き得る薬剤を同定するために設計されたアッセイが挙げられる。このようなアッセイは、目的の遺伝子の発現を活性化し得る化合物を同定するために有用である。以下に議論されるツーハイブリッドアッセイは、このデバイスを用いて実行され得る、別の主要な群の細胞レポーターアッセイである。このツーハイブリッドアッセイは、タンパク質間の結合相互作用を調査するために有用である。   A number of different cell reporter assays can be performed with the provided microfluidic devices. One common type of reporter assay that can be performed is to identify agents that bind to cellular receptors and can trigger intracellular signal or signal cascade activation that activates transcription of the reporter construct. Are designed assays. Such assays are useful for identifying compounds that can activate expression of a gene of interest. The two-hybrid assay discussed below is another major group of cell reporter assays that can be performed using this device. This two-hybrid assay is useful for investigating binding interactions between proteins.

しばしば、細胞レポーターアッセイは、化合物のライブラリーをスクリーニングするために利用される。一般に、このような方法は、メインフローチャネル中に細胞を導入する工程を包含し、その結果、細胞は、メインフローチャネルと分枝チャネルとの間の交差点に位置するチャンバ中に保持される。次いで、(例えば、ライブラリー由来の)異なる試験薬剤が、異なる分枝チャネルに導入され得、ここで、この試験薬剤は、チャンバにおいて細胞と混合される。あるいは、細胞は、メインフローチャネルを介して導入され得、次いで分枝チャネルへと移され、ここで細胞は、保持領域中で保存される。一方、異なる試験化合物は、異なる分枝フローチャネルに導入され、メインフローチャネルと分枝フローチャネルとの交差点に位置するチャンバを、通常少なくとも部分的に満たす。保持領域に保持される細胞は、適切なバルブを開くことによって放出され得、そして細胞は、異なる試験化合物との相互作用のためにチャンバに移る。一旦細胞と試験化合物とが混合されると、得られた溶液は、保持空間に戻されるか、またはレポーター発現の検出のために検出区画に輸送される。細胞および試験化合物は、必要に応じて、上記の設計のミキサーを使用してさらに混合およびインキュベートされ得る。   Often cellular reporter assays are utilized to screen libraries of compounds. In general, such methods include introducing cells into the main flow channel so that the cells are retained in a chamber located at the intersection between the main flow channel and the branch channel. Different test agents (eg, from the library) can then be introduced into different branch channels, where the test agent is mixed with the cells in the chamber. Alternatively, the cells can be introduced via the main flow channel and then transferred to the branch channel, where the cells are stored in the holding area. On the other hand, different test compounds are introduced into different branch flow channels and usually at least partially fill the chamber located at the intersection of the main flow channel and the branch flow channel. Cells held in the holding area can be released by opening the appropriate valve and the cells are transferred to the chamber for interaction with different test compounds. Once the cells and test compound are mixed, the resulting solution is returned to the holding space or transported to the detection compartment for detection of reporter expression. Cells and test compounds can be further mixed and incubated, if necessary, using a mixer designed as described above.

遺伝子発現を誘発し得る化合物を同定するために化合物のスクリーニングにおいて利用される細胞は、代表的に、目的のレセプターを発現し、そして異種レポーター構築物を保有する。このレセプターは、レセプターへのリガンドの結合の際に遺伝子の転写を活性化するレセプターである。レポーター構築物は、通常、転写制御エレメントおよびこの転写制御エレメントに作動可能に連結したレポーター遺伝子を含むベクターである。この転写制御エレメントは、調査中のレセプターへのリガンドの結合の際に生じる細胞内シグナルに対して応答性の遺伝的エレメント(例えば、転写因子)である。レポーター遺伝子は、検出可能な転写産物または翻訳産物をコードする。しばしば、レポーター(例えば、酵素)は、ミクロ流体デバイスに関連する検出器によって検出され得る光学的シグナルを生じ得る。   Cells utilized in compound screening to identify compounds that can induce gene expression typically express the receptor of interest and carry a heterologous reporter construct. This receptor is a receptor that activates gene transcription upon binding of a ligand to the receptor. A reporter construct is usually a vector comprising a transcriptional control element and a reporter gene operably linked to the transcriptional control element. This transcriptional control element is a genetic element (eg, transcription factor) that is responsive to intracellular signals generated upon binding of the ligand to the receptor under investigation. The reporter gene encodes a detectable transcript or translation product. Often, a reporter (eg, an enzyme) can produce an optical signal that can be detected by a detector associated with the microfluidic device.

広範な種々のレセプター型がスクリーニングされ得る。これらのレポーターは、しばしば、細胞表面レセプターであるが、但し、スクリーニングされている試験化合物が、細胞に侵入し得る場合は、細胞内レポーターもまた調査され得る。調査され得るレポーターの例としては、以下が挙げられるが、これらに限定されない:イオンチャネル(例えば、カルシウムチャネル、ナトリウムチャネル、カリウムチャネル)、電位依存性イオンチャネル、リガンド依存性イオンチャネル(例えば、アセチルコリンレセプターおよびGABA(γ−アミノ酪酸)レセプター)、増殖因子レセプター、ムスカリン性レセプター、グルタミン酸レセプター、アドレナリン作用性レセプター、ドパミンレセプター。   A wide variety of receptor types can be screened. These reporters are often cell surface receptors, although intracellular reporters can also be investigated if the test compound being screened can enter the cell. Examples of reporters that can be investigated include, but are not limited to: ion channels (eg, calcium channels, sodium channels, potassium channels), voltage-gated ion channels, ligand-gated ion channels (eg, acetylcholine) Receptor and GABA (γ-aminobutyric acid) receptor), growth factor receptor, muscarinic receptor, glutamate receptor, adrenergic receptor, dopamine receptor.

実行され得る別の一般的分類の細胞アッセイは、ツーハイブリッドアッセイである。一般に、ツーハイブリッドアッセイは、多くの真核生物転写因子が、別個のDNA結合ドメインおよび別個の転写活性化ドメインを含むという事実を利用して、2つの異なるハイブリッドタンパク質または融合タンパク質の間の相互作用を検出する。従って、ツーハイブリッドアッセイにおいて使用される細胞は、2つの融合タンパク質をコードする構築物を含む。これら2つのドメインは、特定の条件下で潜在的に互いに相互作用し得る別個の結合タンパク質と融合される。ツーハイブリッドアッセイの実行において利用される細胞は、その発現が2つの融合タンパク質間の相互作用または相互作用の欠如のいずれかに依存するレポーター遺伝子を含む。   Another general class of cellular assays that can be performed are two-hybrid assays. In general, two-hybrid assays take advantage of the fact that many eukaryotic transcription factors contain a distinct DNA binding domain and a distinct transcriptional activation domain, and interactions between two different hybrid or fusion proteins. Is detected. Thus, the cells used in the two-hybrid assay contain a construct that encodes two fusion proteins. These two domains are fused with separate binding proteins that can potentially interact with each other under certain conditions. The cells utilized in carrying out the two-hybrid assay contain a reporter gene whose expression depends on either interaction or lack of interaction between the two fusion proteins.

上記のアッセイに加えて、細胞膜電位についてアッセイするための種々の方法が、本明細書中に開示されるミクロ流体デバイスを用いて実行され得る。一般に、膜電位およびイオンチャネル活性をモニタリングするための方法は、2つの代替的方法を使用して測定され得る。1つの一般的アプローチは、細胞内のイオン濃度のバルク変化を測定するために、蛍光イオンシェルターを使用することである。第二の一般的アプローチは、膜電位に感受性のFRET色素を使用することである。   In addition to the assays described above, various methods for assaying for cell membrane potential can be performed using the microfluidic devices disclosed herein. In general, methods for monitoring membrane potential and ion channel activity can be measured using two alternative methods. One common approach is to use a fluorescent ion shelter to measure bulk changes in intracellular ion concentration. The second general approach is to use FRET dyes that are sensitive to membrane potential.

本明細書中に開示されるミクロ流体デバイスは、細胞増殖をモニタリングするための種々の異なるアッセイを実行するために利用され得る。このようなアッセイは、種々の異なる研究において利用され得る。例えば、細胞増殖アッセイは、例えば、毒物学的分析において利用され得る。細胞増殖アッセイはまた、腫瘍を含む種々の細胞増殖障害の処置のための化合物をスクリーニングする際に、価値を有する。   The microfluidic devices disclosed herein can be utilized to perform a variety of different assays for monitoring cell proliferation. Such assays can be utilized in a variety of different studies. For example, cell proliferation assays can be utilized, for example, in toxicological analysis. Cell proliferation assays are also valuable in screening compounds for the treatment of various cell proliferation disorders, including tumors.

本明細書中に開示されるミクロ流体デバイスは、毒性条件を同定するため、潜在的な毒性について薬剤をスクリーニングするため、毒性傷害に対する細胞応答を調査するため、そして細胞死についてアッセイするために設計された種々の異なるアッセイを実行するために利用され得る。種々の異なるパラメータが、毒性を評価するためにモニタリングされ得る。このようなパラメータの例としては、以下が挙げられるが、これらに限定されない:細胞増殖、遺伝子またはタンパク質の発現分析によって毒物学的応答のための細胞経路の活性化をモニタリングすること、DNA断片化;細胞膜の組成の変化、膜透過性、死レセプターの成分または下流のシグナル伝達経路(例えば、カスケード)の活性化、一般的ストレス応答、NF−κB活性化およびマイトジェンに対する応答。関連のアッセイを、アポトーシス(プログラムされた細胞死プロセス)および壊死についてアッセイするために使用する。   The microfluidic devices disclosed herein are designed to identify toxic conditions, screen drugs for potential toxicity, investigate cellular responses to toxic injury, and assay for cell death Can be utilized to perform a variety of different assays. A variety of different parameters can be monitored to assess toxicity. Examples of such parameters include, but are not limited to: monitoring cell pathway activation for toxicological responses by cell proliferation, gene or protein expression analysis, DNA fragmentation Changes in cell membrane composition, membrane permeability, activation of death receptor components or downstream signaling pathways (eg, cascades), general stress response, NF-κB activation and response to mitogens. Related assays are used to assay for apoptosis (programmed cell death process) and necrosis.

種々の微生物細胞を異なる試験化合物に接触させることによって、抗菌アッセイを実施するために、本明細書中に提供されるデバイスをまた利用し、それによって、潜在的抗菌化合物を同定し得る。用語「微生物」は、本明細書中で使用する場合、任意の顕微鏡的および/または単細胞の真菌、任意の細菌または任意の原生動物をいう。いくつかの抗菌アッセイは、細胞ケージ中に細胞を保持する工程、およびこの細胞を少なくとも1つの潜在的抗菌化合物と接触させる工程を包含する。化合物の効果は、細胞の健康および/または代謝における何らかの検出可能な変化として検出され得る。このような変化の例としては、以下が挙げられるがこれらに限定されない:成長、細胞増殖、細胞分化、遺伝子発現、細胞分裂などにおける変化。   The devices provided herein can also be utilized to perform antibacterial assays by contacting various microbial cells with different test compounds, thereby identifying potential antibacterial compounds. The term “microorganism” as used herein refers to any microscopic and / or unicellular fungus, any bacterium or any protozoan. Some antimicrobial assays involve retaining the cells in a cell cage and contacting the cells with at least one potential antimicrobial compound. The effect of the compound can be detected as any detectable change in cellular health and / or metabolism. Examples of such changes include, but are not limited to: changes in growth, cell proliferation, cell differentiation, gene expression, cell division, and the like.

本明細書中で提供される特定のミクロ流体デバイスは、標的核酸中の多型部位に存在するヌクレオチドを同定するために、ミニ配列決定反応またはプライマー伸長反応を実行するために利用され得る。一般に、これらの方法において、標的核酸のセグメントと相補的なプライマーは、この反応が多型部位のヌクレオチドと相補的なヌクレオチドの存在下で実行される場合、伸長する。しばしば、このような方法は、単一塩基対伸長(SBPE)反応である。このような方法は、代表的に、プライマーの3’末端が、多型部位に直接隣接するか、または多型部位の数塩基上流であるように、相補的標的核酸にプライマーをハイブリダイズさせる工程を包含する。この伸長反応は、1以上の標識された伸長不能なヌクレオチド(例えば、ジデオキシヌクレオチド)およびポリメラーゼの存在下で実行される。プライマーの3’末端への伸長不能なヌクレオチドの組込みは、一旦その伸長不能なヌクレオチドがプライマーの3’末端に組み込まれると、ポリメラーゼによるプライマーのさらなる伸長を防止する。   Certain microfluidic devices provided herein can be utilized to perform mini-sequencing reactions or primer extension reactions to identify nucleotides present at polymorphic sites in a target nucleic acid. In general, in these methods, a primer that is complementary to a segment of the target nucleic acid is extended when the reaction is performed in the presence of a nucleotide that is complementary to the nucleotide at the polymorphic site. Often, such a method is a single base pair extension (SBPE) reaction. Such methods typically include the step of hybridizing a primer to a complementary target nucleic acid such that the 3 ′ end of the primer is directly adjacent to the polymorphic site or is a few bases upstream of the polymorphic site. Is included. This extension reaction is performed in the presence of one or more labeled non-extendable nucleotides (eg, dideoxynucleotides) and a polymerase. Incorporation of a non-extendable nucleotide at the 3 'end of the primer prevents further extension of the primer by the polymerase once the non-extendable nucleotide is incorporated at the 3' end of the primer.

上記の方法に関して、本発明のデバイスはまた、当該分野において十分確立されている増幅技術を使用して、複数のサンプル中の標的核酸を増幅し、引き続いて同定するために利用され得る。一般に、このような方法は、標的核酸を潜在的に含むサンプルを、この標的核酸に特異的にハイブリダイズする順方向プライマーおよび逆方向プライマーと接触させる工程を包含する。この反応は、プライマー配列を伸長させるために、4種全てのdNTPおよびポリメラーゼを含む。   With respect to the above methods, the devices of the present invention can also be utilized to amplify and subsequently identify target nucleic acids in multiple samples using amplification techniques well established in the art. In general, such methods include contacting a sample potentially containing a target nucleic acid with a forward primer and a reverse primer that specifically hybridize to the target nucleic acid. This reaction includes all four dNTPs and a polymerase to extend the primer sequence.

本発明に従うミクロ流体デバイスを製造する方法の実施形態は、ガラス基材の上表面をエッチングして複数のウェルを作製する工程、下表面が、パターン凹部を有するようにエラストマーブロックを成形する工程、パターン凹部がウェルと共に配置されて、それらのウェル間にフローチャネルを形成するように、成形されたエラストマーブロックの下表面を、ガラス基材の上表面と接触して配置する工程、を包含する。   Embodiments of a method of manufacturing a microfluidic device according to the present invention include etching a top surface of a glass substrate to create a plurality of wells, forming an elastomer block so that the bottom surface has a pattern recess, Placing the lower surface of the molded elastomeric block in contact with the upper surface of the glass substrate such that the pattern recesses are disposed with the wells to form a flow channel between the wells.

標的物質の結晶を形成するための方法の実施形態は、弾性ミクロ流体デバイスの第一チャンバを第一の所定の容量の標的物質溶液で満たす工程を包含する。弾性ミクロ流体デバイスの第二チャンバは、第二の所定の容量の結晶化剤で満たされる。第一チャンバは、第二チャンバと流体接触するように配置されて、標的物質と結晶化剤との間の拡散を可能にし、その結果、標的物質の環境は、結晶の形成を引き起こすように変化する。   An embodiment of a method for forming a crystal of a target material includes filling a first chamber of an elastic microfluidic device with a first predetermined volume of target material solution. The second chamber of the elastic microfluidic device is filled with a second predetermined volume of crystallization agent. The first chamber is placed in fluid contact with the second chamber to allow diffusion between the target material and the crystallization agent, so that the target material environment changes to cause crystal formation. To do.

本発明を、その特定の実施形態を参照して、本明細書中で記載してきたが、許容範囲内の改変、種々の変化および置換が、上記の開示において意図され、そしていくつかの例において、本発明のいくつかの特徴は、示されたような本発明の範囲から逸脱することなく、他の特徴の対応する使用なしに使用されることが理解される。従って、本発明の本質的な範囲および精神から逸脱することなく、本発明の教示に対して、特定の状況または材料を適応するために多くの改変がなされ得る。本発明は、本発明を実行するために意図された最良の様式として開示された特定の実施形態に限定されないが、本発明は、特許請求の範囲内に入る全ての実施形態および等価物を含むことが意図される。   Although the present invention has been described herein with reference to specific embodiments thereof, acceptable modifications, various changes and substitutions are contemplated in the above disclosure, and in some examples It will be understood that some features of the invention may be used without the corresponding use of other features without departing from the scope of the invention as shown. Accordingly, many modifications may be made to adapt a particular situation or material to the teachings of the invention without departing from the essential scope and spirit of the invention. While the invention is not limited to the specific embodiments disclosed as the best mode contemplated for carrying out the invention, the invention includes all embodiments and equivalents falling within the scope of the claims. Is intended.

図1は、微細機械加工鋳型の上部に形成された第1のエラストマー層の概略図である。FIG. 1 is a schematic view of a first elastomer layer formed on top of a micromachined mold. 図2は、微細機械加工鋳型の上部に形成された第2のエラストマー層の概略図である。FIG. 2 is a schematic view of a second elastomer layer formed on top of a micromachined mold. 図3は、微細機械加工鋳型から取り外され、図1のエラストマー層の上部の上に配置された、図2のエラストマー層の概略図である。3 is a schematic view of the elastomeric layer of FIG. 2 removed from the micromachined mold and placed on top of the elastomeric layer of FIG. 図4は、図3に対応する概略図であるが、第1のエラストマー層の上部の上に配置された第2のエラストマー層を示す。FIG. 4 is a schematic view corresponding to FIG. 3, but showing a second elastomer layer disposed on top of the first elastomer layer. 図5は、図4に対応する概略図であるが、一緒に結合した第1および第2のエラストマー層を示す。FIG. 5 is a schematic view corresponding to FIG. 4, but showing the first and second elastomer layers bonded together. 図6は、図5に対応する概略図であるが、取り外された第1の微細機械加工した鋳型および適切な位置に配置された平面基板を示す。FIG. 6 is a schematic view corresponding to FIG. 5 but showing the removed first micromachined mold and the planar substrate in place. 図7Aは、図6に対応する概略図であるが、平面基板上に密封されたエラストマー構造体を示す。FIG. 7A is a schematic view corresponding to FIG. 6, but showing the elastomeric structure sealed on a planar substrate. 図7Bは、図7Aに対応する正面断面図であり、開口フローチャネルを示す。FIG. 7B is a front cross-sectional view corresponding to FIG. 7A, showing an open flow channel. 図7Cは、分離したエラストマー層から形成される膜を有するエラストマー構造体を形成するための方法の工程を示す概略図である。FIG. 7C is a schematic diagram illustrating the steps of a method for forming an elastomeric structure having a membrane formed from separated elastomeric layers. 図7Dは、分離したエラストマー層から形成される膜を有するエラストマー構造体を形成するための方法の工程を示す概略図である。FIG. 7D is a schematic illustrating the steps of a method for forming an elastomeric structure having a membrane formed from separated elastomeric layers. 図7Eは、分離したエラストマー層から形成される膜を有するエラストマー構造体を形成するための方法の工程を示す概略図である。FIG. 7E is a schematic showing the steps of a method for forming an elastomeric structure having a membrane formed from separated elastomeric layers. 図7Fは、分離したエラストマー層から形成される膜を有するエラストマー構造体を形成するための方法の工程を示す概略図である。FIG. 7F is a schematic diagram illustrating the steps of a method for forming an elastomeric structure having a membrane formed from separated elastomeric layers. 図7Gは、分離したエラストマー層から形成される膜を有するエラストマー構造体を形成するための方法の工程を示す概略図である。FIG. 7G is a schematic diagram illustrating the steps of a method for forming an elastomeric structure having a membrane formed from separated elastomeric layers. 図7Hは、作動した状態の図7Bのバルブを示す正面断面図である。FIG. 7H is a front cross-sectional view showing the valve of FIG. 7B in an activated state. 図8Aは、種々のフローチャネルについての、バルブ開口 対 加えられた圧力を示す。FIG. 8A shows valve opening versus applied pressure for various flow channels. 図8Bは、種々のフローチャネルについての、バルブ開口 対 加えられた圧力を示す。FIG. 8B shows valve opening versus applied pressure for various flow channels. 図9は、100μm×100μm×10μm RTVミクロバルブの時間応答を示す。FIG. 9 shows the time response of a 100 μm × 100 μm × 10 μm RTV microvalve. 図10は、膜の作動を示す図7Bのバルブの正面断面図である。FIG. 10 is a front cross-sectional view of the valve of FIG. 7B showing the operation of the membrane. 図11は、湾曲した上面を有するフローチャネルを有するバルブの代替の実施形態の正面図である。FIG. 11 is a front view of an alternative embodiment of a valve having a flow channel with a curved top surface. 図12Aは、オン/オフバルブの上部概略図である。FIG. 12A is a schematic top view of the on / off valve. 図12Bは、図12Aにおける線23B−23Bに沿った断面立面図である。12B is a sectional elevation view taken along line 23B-23B in FIG. 12A. 図13Aは、蠕動ポンピングシステムの上部概略図である。FIG. 13A is a top schematic view of a peristaltic pumping system. 図13Bは、図13Aにおける線24B−24Bに沿った断面立面図である。FIG. 13B is a sectional elevation view along line 24B-24B in FIG. 13A. 図14は、図13の蠕動ポンピングシステムの1実施形態についての、実験的に達成されたポンピング速度 対 周波数を示すグラフである。FIG. 14 is a graph showing experimentally achieved pumping speed versus frequency for one embodiment of the peristaltic pumping system of FIG. 図15Aは、複数のフローラインを同時に作動する1つのコントロールラインの上部概略図である。FIG. 15A is a schematic top view of one control line that operates multiple flow lines simultaneously. 図15Bは、図15Aの線26B−26Bに沿った断面立面図である。FIG. 15B is a cross-sectional elevation view taken along line 26B-26B of FIG. 15A. 図16は、種々のチャネルを通って流れ得るように適合された多重システムの概略図である。FIG. 16 is a schematic diagram of a multiplex system adapted to flow through various channels. 図17Aは、アドレス可能な反応チャンバ構造体のフロー層の平面図である。FIG. 17A is a plan view of the flow layer of an addressable reaction chamber structure. 図17Bは、アドレス可能な反応チャンバ構造体の制御チャネル層の底面図である。FIG. 17B is a bottom view of the control channel layer of the addressable reaction chamber structure. 図17Cは、図17Aのフロー層の上部に図17Bの制御チャネル層を結合することによって形成されたアドレス可能な反応チャンバ構造体の分解斜視図である。17C is an exploded perspective view of an addressable reaction chamber structure formed by coupling the control channel layer of FIG. 17B on top of the flow layer of FIG. 17A. 図17Cの線28D−28Dに沿って得られる、図17Cに対応する断面立面図である。FIG. 18 is a cross-sectional elevation view taken along line 28D-28D of FIG. 17C and corresponding to FIG. 17C. 図18は、反応ウェルのアレイのいずれかに選択的に流体フローを指向するように適合されたシステムの概略図である。FIG. 18 is a schematic diagram of a system adapted to selectively direct fluid flow to any of an array of reaction wells. 図19は、平行フローチャネル間の選択可能な側方フローについて適合されたシステムの概略図である。FIG. 19 is a schematic diagram of a system adapted for selectable lateral flow between parallel flow channels. 図20Aは、切替可能なフローアレイのエラストマーの第1の層(すなわち、フローチャネル層)の底面図である。FIG. 20A is a bottom view of a first layer of elastomer (ie, a flow channel layer) of a switchable flow array. 図20Bは、切替可能なフローアレイの制御チャネル層の底面図である。FIG. 20B is a bottom view of the control channel layer of the switchable flow array. 図20Cは、図20Bの第2の層のエラストマー内に一組の制御チャネルを有する、図20Aの第1の層のエラストマーの整列を示す。FIG. 20C shows the alignment of the first layer elastomer of FIG. 20A with a set of control channels within the second layer elastomer of FIG. 20B. 図20Dは、図20Bの第2の層のエラストマー内に他の組の制御チャネルを有する、図20Aの第1の層のエラストマーの整列を示す。FIG. 20D shows the alignment of the first layer elastomer of FIG. 20A with another set of control channels within the second layer elastomer of FIG. 20B. 図21Aは、本発明に従う正常に閉鎖されたバルブ構造体の1実施形態の図を示す。FIG. 21A shows a diagram of one embodiment of a normally closed valve structure according to the present invention. 図21Bは、本発明に従う正常に閉鎖されたバルブ構造体の1実施形態の図を示す。FIG. 21B shows a diagram of one embodiment of a normally closed valve structure according to the present invention. 図21Cは、本発明に従う正常に閉鎖されたバルブ構造体の1実施形態の図を示す。FIG. 21C shows a diagram of one embodiment of a normally closed valve structure according to the present invention. 図21Dは、本発明に従う正常に閉鎖されたバルブ構造体の1実施形態の図を示す。FIG. 21D shows a diagram of one embodiment of a normally closed valve structure in accordance with the present invention. 図21Eは、本発明に従う正常に閉鎖されたバルブ構造体の1実施形態の図を示す。FIG. 21E shows a view of one embodiment of a normally closed valve structure according to the present invention. 図21Fは、本発明に従う正常に閉鎖されたバルブ構造体の1実施形態の図を示す。FIG. 21F shows a view of one embodiment of a normally closed valve structure according to the present invention. 図21Gは、本発明に従う正常に閉鎖されたバルブ構造体の1実施形態の図を示す。FIG. 21G shows a diagram of one embodiment of a normally closed valve structure according to the present invention. 図21Hは、本発明に従う正常に閉鎖されたバルブ構造体の1実施形態の図を示す。FIG. 21H shows a diagram of one embodiment of a normally closed valve structure in accordance with the present invention. 図21Iは、本発明に従う正常に閉鎖されたバルブ構造体の1実施形態の図を示す。FIG. 21I shows a diagram of one embodiment of a normally closed valve structure according to the present invention. 図21Jは、本発明に従う正常に閉鎖されたバルブ構造体の1実施形態の図を示す。FIG. 21J shows a view of one embodiment of a normally closed valve structure according to the present invention. 図22Aは、本発明に従う側面作動したバルブ構造体の1実施形態の操作を示す平面図を示す。FIG. 22A shows a plan view illustrating the operation of one embodiment of a side-actuated valve structure according to the present invention. 図22Bは、本発明に従う側面作動したバルブ構造体の1実施形態の操作を示す平面図を示す。FIG. 22B shows a plan view illustrating the operation of one embodiment of a side-actuated valve structure in accordance with the present invention. 図23は、本発明に従う複合構造体の1実施形態の断面図を示す。FIG. 23 shows a cross-sectional view of one embodiment of a composite structure in accordance with the present invention. 図24は、本発明に従う複合構造体の別の実施形態の断面図を示す。FIG. 24 shows a cross-sectional view of another embodiment of a composite structure in accordance with the present invention. 図25は、本発明に従う複合構造体の別の実施形態の断面図を示す。FIG. 25 shows a cross-sectional view of another embodiment of a composite structure according to the present invention. 図26Aは、本発明に従うセルペン構造体の1実施形態の操作を示す平面図を示す。FIG. 26A shows a plan view illustrating the operation of one embodiment of a serpen structure according to the present invention. 図26Bは、本発明に従うセルペン構造体の1実施形態の操作を示す平面図を示す。FIG. 26B shows a plan view illustrating the operation of one embodiment of a serpen structure according to the present invention. 図26Cは、本発明に従うセルペン構造体の1実施形態の操作を示す平面図を示す。FIG. 26C shows a plan view illustrating the operation of one embodiment of a serpen structure according to the present invention. 図26Dは、本発明に従うセルペン構造体の1実施形態の操作を示す平面図を示す。FIG. 26D shows a plan view illustrating the operation of one embodiment of a serpen structure according to the present invention. 図27Aは、本発明に従うセルケージ構造体の1実施形態の操作を示す平面図を示す。FIG. 27A shows a plan view illustrating the operation of one embodiment of a cell cage structure according to the present invention. 図27Bは、本発明に従うセルケージ構造体の1実施形態の操作を示す断面図を示す。FIG. 27B shows a cross-sectional view illustrating the operation of one embodiment of a cell cage structure according to the present invention. 図28Aは、本発明の実施形態に従う交差チャネル注入を利用する配線構造体の操作の平面図を示す。FIG. 28A shows a top view of the operation of a wiring structure utilizing cross channel implantation in accordance with an embodiment of the present invention. 図28Bは、本発明の実施形態に従う交差チャネル注入を利用する配線構造体の操作の平面図を示す。FIG. 28B shows a plan view of the operation of a wiring structure utilizing cross channel implantation in accordance with an embodiment of the present invention. 図29Aは、本発明の1実施形態に従う容積排除による計測の断面図を示す。FIG. 29A shows a cross-sectional view of measurement by volume exclusion according to one embodiment of the present invention. 図29Bは、本発明の1実施形態に従う容積排除による計測の断面図を示す。FIG. 29B shows a cross-sectional view of measurement by volume exclusion according to one embodiment of the invention. 図29Cは、本発明の1実施形態に従う容積排除による計測の断面図を示す。FIG. 29C shows a cross-sectional view of measurement with volume exclusion according to one embodiment of the present invention. 図29Dは、本発明の1実施形態に従う容積排除による計測の断面図を示す。FIG. 29D shows a cross-sectional view of measurement by volume exclusion according to one embodiment of the present invention. 図30は、容積排除を利用する本発明の1実施形態に従う再結晶化システムの1実施形態の平面図である。FIG. 30 is a plan view of an embodiment of a recrystallization system according to an embodiment of the present invention that utilizes volume exclusion. 図31は、容積エントラップメントを利用する本発明に従う再結晶化システムの1実施形態の平面図である。FIG. 31 is a plan view of one embodiment of a recrystallization system according to the present invention that utilizes volumetric entrapment. 図32は、容積エントラップメントを利用する本発明に従う再結晶化システムの代替の実施形態の平面図である。FIG. 32 is a plan view of an alternative embodiment of a recrystallization system according to the present invention that utilizes volumetric entrapment. 図33は、交差チャネル注入を利用する本発明に従う1実施形態に許容されるタンパク質結晶化システムの平面図である。FIG. 33 is a plan view of an acceptable protein crystallization system for one embodiment according to the present invention utilizing cross-channel injection. 図34Aは、再結晶化システムの操作を示す図32の再結晶化システムの一部の拡大図である。34A is an enlarged view of a portion of the recrystallization system of FIG. 32 illustrating operation of the recrystallization system. 図34Bは、再結晶化システムの操作を示す図32の再結晶化システムの一部の拡大図である。FIG. 34B is an enlarged view of a portion of the recrystallization system of FIG. 32 illustrating the operation of the recrystallization system. 図34Cは、再結晶化システムの操作を示す図32の再結晶化システムの一部の拡大図である。FIG. 34C is an enlarged view of a portion of the recrystallization system of FIG. 32 illustrating the operation of the recrystallization system. 図35は、透析膜を利用する本発明に従う再結晶化システムの1実施形態の断面図である。FIG. 35 is a cross-sectional view of one embodiment of a recrystallization system according to the present invention utilizing a dialysis membrane. 図36は、透析膜を利用する本発明に従う再結晶化システムの別の実施形態の断面図である。FIG. 36 is a cross-sectional view of another embodiment of a recrystallization system according to the present invention utilizing a dialysis membrane. 図37は、透析膜を利用する本発明に従う再結晶化システムのなお別の実施形態の平面図である。FIG. 37 is a plan view of yet another embodiment of a recrystallization system according to the present invention utilizing a dialysis membrane. 図38Aは、垂直線に沿って結合することによってエラストマー構造体を形成するためのプロセスの断面図を示す。図38Bは、垂直線に沿って結合することによってエラストマー構造体を形成するためのプロセスの断面図を示す。図38Cは、垂直線に沿って結合することによってエラストマー構造体を形成するためのプロセスの断面図を示す。FIG. 38A shows a cross-sectional view of a process for forming an elastomeric structure by bonding along a vertical line. FIG. 38B shows a cross-sectional view of a process for forming an elastomeric structure by bonding along a vertical line. FIG. 38C shows a cross-sectional view of a process for forming an elastomeric structure by bonding along a vertical line. 図39は、気相拡散によって結晶化を行うための本発明に従う構造体の1実施形態の平面図を示す。FIG. 39 shows a plan view of one embodiment of a structure according to the present invention for performing crystallization by vapor phase diffusion. 図40は、気相拡散によって結晶化を行うための本発明に従う構造体の別の実施形態の平面図を示す。FIG. 40 shows a plan view of another embodiment of a structure according to the present invention for performing crystallization by vapor phase diffusion. 図41は、気相拡散によって結晶化を行うための本発明に従う構造体のなお別の実施形態の平面図を示す。FIG. 41 shows a plan view of yet another embodiment of a structure according to the present invention for performing crystallization by vapor phase diffusion. 図42は、種々のサイズの結晶を分別するための本発明に従う構造体の1実施形態の平面図を示す。FIG. 42 shows a plan view of one embodiment of a structure according to the present invention for fractionating crystals of various sizes. 図43は、容積エントラップメントを利用する本発明に従う再結晶化システムの代替の実施形態の平面図である。FIG. 43 is a plan view of an alternative embodiment of a recrystallization system according to the present invention that utilizes volumetric entrapment. 図44は、本発明に従う交差フロー注入システムの1実施形態についての、Log(R/B)対注入されたスラッグの数をプロットする。FIG. 44 plots Log (R / B) versus number of injected slugs for one embodiment of a cross flow injection system according to the present invention. 図45Aは、実験結果を得るために利用したチップの代替の実施形態の簡略化した平面図を示す。FIG. 45A shows a simplified plan view of an alternative embodiment of a chip utilized to obtain experimental results. 図45Bは、図45Aに示したチップの一組の3つの複合ウェルの簡略化した拡大平面図を示す。FIG. 45B shows a simplified enlarged plan view of a set of three composite wells of the chip shown in FIG. 45A. 図45A〜Bの複合ウェルの簡略化した断面図を示す。46 shows a simplified cross-sectional view of the composite well of FIGS. 図46は、グルコースイソメラーゼの結晶化のための一組の実験の結果を要約するヴェン図形を示す。FIG. 46 shows a Venn diagram summarizing the results of a set of experiments for the crystallization of glucose isomerase. 図47Aは、塩結晶の写真を示す。FIG. 47A shows a photograph of the salt crystals. 図47Bは、崩壊したタンパク質結晶の写真を示す。FIG. 47B shows a photograph of a collapsed protein crystal. 図48Aは、チップを形成した大きな高質グルコースイソメラーゼ結晶の写真を示す。FIG. 48A shows a photograph of a large high quality glucose isomerase crystal that formed a chip. 図48Bは、チップを形成した大きな高質グルコースイソメラーゼ結晶の写真を示す。FIG. 48B shows a photograph of a large high quality glucose isomerase crystal that formed a chip. 図49は、グルコースイソメラーゼの結晶化のための第2の組の実験を要約するヴェン図形を示す。FIG. 49 shows a Venn diagram summarizing a second set of experiments for crystallization of glucose isomerase. 図50は、Hampton条件ISを使用して形成された多くのグルコースイソメラーゼ結晶の写真を示す。FIG. 50 shows a photograph of a number of glucose isomerase crystals formed using the Hampton condition IS. 図51は、グルコースイソメラーゼ結晶の追加の写真を示す。FIG. 51 shows additional photographs of glucose isomerase crystals. 図52は、プロテイナーゼKの結晶化のための実験を要約するヴェン図形である。FIG. 52 is a Venn diagram summarizing experiments for proteinase K crystallization. 図53Aは、従来のマイクロバッチによって形成されるプロテイナーゼK結晶を示す。FIG. 53A shows proteinase K crystals formed by a conventional microbatch. 図53Bは、チップ上に観察されたプロテイナーゼK結晶を示す。FIG. 53B shows proteinase K crystals observed on the chip. 図54は、追加のプロテイナーゼK結晶の写真を示す。FIG. 54 shows a photograph of additional proteinase K crystals. 図55は、牛肝臓カタラーゼタンパク質の結晶化のための実験を要約するヴェン図形である。FIG. 55 is a Venn diagram summarizing experiments for crystallization of bovine liver catalase protein. 図56Aは、従来のマイクロバッチ技術によって形成される牛肝臓カタラーゼタンパク質結晶の写真を示す。FIG. 56A shows a photograph of bovine liver catalase protein crystals formed by conventional microbatch technology. 図56Bは、本発明の1実施形態に従ってチップ上に形成された牛肝臓カタラーゼタンパク質結晶の写真を示す。FIG. 56B shows a photograph of bovine liver catalase protein crystals formed on a chip according to one embodiment of the present invention. 図57は、ウシ膵臓トリプシンタンパク質の結晶化のための実験を要約するヴェン図形である。FIG. 57 is a Venn diagram summarizing experiments for crystallization of bovine pancreatic trypsin protein. 図58Aは、マイクロバッチによって製造されたウシ膵臓トリプシン結晶の写真を示す。FIG. 58A shows a photograph of bovine pancreatic trypsin crystals produced by microbatch. 図58Bは、本発明の1実施形態に従ってチップ上に形成されたウシ膵臓トリプシン結晶を示す。FIG. 58B shows bovine pancreatic trypsin crystals formed on a chip according to one embodiment of the present invention. 図59は、リソチームの結晶化のための実験を要約するヴェン図形である。FIG. 59 is a Venn diagram summarizing experiments for lysozyme crystallization. 図60Aは、本発明の1実施形態に従ってチップ上に形成されたリソチーム結晶の写真を示す。FIG. 60A shows a photograph of a lysozyme crystal formed on a chip according to one embodiment of the present invention. 図60Bは、従来のマイクロバッチ法を使用して形成されたリソチーム結晶の写真を示す。FIG. 60B shows a photograph of lysozyme crystals formed using a conventional microbatch method. 図61は、キシラナーゼの結晶化のための実験を要約するヴェン図形である。FIG. 61 is a Venn diagram summarizing the experiment for crystallization of xylanase. 図62Aは、従来のマイクロバッチ技術を使用して形成されたキシラナーゼ結晶の写真を示す。FIG. 62A shows a photograph of xylanase crystals formed using conventional microbatch technology. 図62Bは、本発明の1実施形態に従ってチップ上に形成されたキシラナーゼ結晶の写真を示す。FIG. 62B shows a photograph of xylanase crystals formed on a chip according to one embodiment of the present invention. 図63Aは、本発明の1実施形態に従ってチップを使用して形成されたキシラナーゼ結晶の写真を示す。FIG. 63A shows a photograph of a xylanase crystal formed using a chip according to one embodiment of the present invention. 図63Bは、本発明の1実施形態に従ってチップを使用して形成されたキシラナーゼ結晶の写真を示す。FIG. 63B shows a photograph of a xylanase crystal formed using a chip according to one embodiment of the present invention. 図64Aは、本発明の1実施形態に従ってチップ(ship)を使用して形成されたトポイソメラーゼVIタンパク質のBサブユニットの大きな高質結晶の写真を示す。FIG. 64A shows a photograph of a large, high quality crystal of the B subunit of the topoisomerase VI protein formed using a chip according to one embodiment of the present invention. 図64Bは、本発明の1実施形態に従ってチップを使用して形成されたトポイソメラーゼVIタンパク質のBサブユニットの大きな高質結晶の写真を示す。FIG. 64B shows a photograph of a large high quality crystal of the B subunit of the topoisomerase VI protein formed using a chip according to one embodiment of the present invention. 図65は、従来のマイクロバッチ技術および懸滴技術、ならびに本発明の1実施形態に従うチップについて、種々のタンパク質上に発生した結晶化ヒットの棒グラフをプロットする。FIG. 65 plots a bar graph of crystallization hits generated on various proteins for conventional microbatch and hanging drop techniques, and a chip according to one embodiment of the present invention. 図66は、従来のマイクロバッチ技術および懸滴方法、ならびに本発明の1実施形態に従うミクロ流体デバイスについての相間隔発達および平衡を比較する。FIG. 66 compares phase spacing development and equilibrium for a conventional microbatch technique and hanging drop method and a microfluidic device according to one embodiment of the present invention. 図67Aは、0秒、経過した拡散時間における、図45に示したチップの3つの比較したウェルに存在する色素の平衡の写真を示す。FIG. 67A shows a photograph of the equilibrium of dye present in the three compared wells of the chip shown in FIG. 図67Bは、10分、経過した拡散時間における、図45に示したチップの3つの比較したウェルに存在する色素の平衡の写真を示す。FIG. 67B shows a photograph of the equilibrium of the dye present in the three compared wells of the chip shown in FIG. 45 at the elapsed diffusion time of 10 minutes. 図67Cは、45分、経過した拡散時間における、図45に示したチップの3つの比較したウェルに存在する色素の平衡の写真を示す。FIG. 67C shows a photograph of the equilibrium of the dye present in the three compared wells of the chip shown in FIG. 45 at the elapsed diffusion time of 45 minutes. 図68Aは、シリコーンオイルにおける結晶形成の写真を示す。FIG. 68A shows a photograph of crystal formation in silicone oil. 図68Bは、パラフィンオイルにおける結晶形成の不在を証明する写真を示す。FIG. 68B shows a photograph demonstrating the absence of crystal formation in paraffin oil. 図69は、クリオループ内に取り付けられるような、チップ上に成長した図62Bのキシラナーゼ結晶の写真を示す。FIG. 69 shows a photograph of the xylanase crystal of FIG. 62B grown on a chip as installed in a cryoloop. 図70Aは、本発明の実施形態に従う結晶成長チップの1実施形態の平面図を示す。FIG. 70A shows a plan view of one embodiment of a crystal growth chip according to an embodiment of the present invention. 図70Bは、線B−Bに沿って図70Aに示された結晶成長チップの実施形態の簡略化した断面図を示す。FIG. 70B shows a simplified cross-sectional view of the embodiment of the crystal growth chip shown in FIG. 70A along line BB. 図71Aは、濃度対自由界面からの距離をプロットする簡略化した概略図である。FIG. 71A is a simplified schematic diagram plotting concentration versus distance from the free interface. 図71Bは、濃度対自由界面からの距離をプロットする簡略化した概略図である。FIG. 71B is a simplified schematic diagram plotting concentration versus distance from the free interface. 図71Cは、濃度対自由界面からの距離をプロットする簡略化した概略図である。FIG. 71C is a simplified schematic diagram plotting concentration versus distance from the free interface. 図71Dは、濃度対自由界面からの距離をプロットする簡略化した概略図である。FIG. 71D is a simplified schematic diagram plotting concentration versus distance from the free interface. 図72Aは、毛細管における微視的自由界面の試みられた形成の簡略化した断面図を示す。FIG. 72A shows a simplified cross-sectional view of an attempted formation of a microscopic free interface in a capillary tube. 図72Bは、毛細管における微視的自由界面の試みられた形成の簡略化した断面図を示す。FIG. 72B shows a simplified cross-sectional view of an attempted formation of a microscopic free interface in a capillary tube. 図73Aは、圧力駆動したポアゾイユフローの放物線速度分布の結果としの毛細管内における溶液の混合を示す。FIG. 73A shows the mixing of the solution in the capillary as a result of the parabolic velocity distribution of the pressure driven Poiseuille flow. 図73Bは、圧力駆動したポアゾイユフローの放物線速度分布の結果としの毛細管内における溶液の混合を示す。FIG. 73B shows the mixing of the solution in the capillary as a result of the parabolic velocity distribution of the pressure driven Poiseuille flow. 図74Aは、異なる密度を有する溶液によって形成される微視的自由界面を示す。FIG. 74A shows a microscopic free interface formed by solutions having different densities. 図74Bは、異なる密度を有する溶液によって形成される微視的自由界面を示す。FIG. 74B shows the microscopic free interface formed by solutions having different densities. 図74Cは、異なる密度を有する溶液によって形成される微視的自由界面を示す。FIG. 74C shows the microscopic free interface formed by solutions having different densities. 図75Aは、本発明の1実施形態に従うミクロ流体構造の加圧化ガスプライミング(POP)から生じる高質のミクロ流体自由界面の形成の簡略化した概略図を示す。FIG. 75A shows a simplified schematic diagram of the formation of a high quality microfluidic free interface resulting from pressurized gas priming (POP) of a microfluidic structure according to one embodiment of the present invention. 図75Bは、本発明の1実施形態に従うミクロ流体構造の加圧化ガスプライミング(pressurized out−gas priming)(POP)から生じる高質のミクロ流体自由界面の形成の簡略化した概略図を示す。FIG. 75B shows a simplified schematic diagram of the formation of a high quality microfluidic free interface resulting from pressurized out-gas priming (POP) of a microfluidic structure according to one embodiment of the present invention. 図75Cは、本発明の1実施形態に従うミクロ流体構造の加圧化ガスプライミング(POP)から生じる高質のミクロ流体自由界面の形成の簡略化した概略図を示す。FIG. 75C shows a simplified schematic diagram of the formation of a high quality microfluidic free interface resulting from pressurized gas priming (POP) of a microfluidic structure according to one embodiment of the present invention. 図75Dは、本発明の1実施形態に従うミクロ流体構造の加圧化ガスプライミング(POP)から生じる高質のミクロ流体自由界面の形成の簡略化した概略図を示す。FIG. 75D shows a simplified schematic diagram of the formation of a high quality microfluidic free interface resulting from pressurized gas priming (POP) of a microfluidic structure according to one embodiment of the present invention. 図76Aは、フローチャネルを介する連絡がバルブによって制御される2つのミクロ流体チャンバの簡略化した平面図を示す。FIG. 76A shows a simplified plan view of two microfluidic chambers in which communication through the flow channel is controlled by a valve. 図76Bは、第1のチャンバにおける第1の溶液の濃度 対 界面バルブの作動後の時間をプロットする。FIG. 76B plots the concentration of the first solution in the first chamber versus the time after actuation of the interface valve. 図76Cは、第1のチャンバにおける第1の溶液の濃度 対 図76Bの50%のデューティサイクル(duty cycle)における界面バルブの作動後の時間をプロットする。FIG. 76C plots the concentration of the first solution in the first chamber versus time after actuation of the interface valve at the 50% duty cycle of FIG. 76B. 図77Aは、異なる長さのミクロチャネルによって接続された三組の複合チャンバ対を示す。FIG. 77A shows three composite chamber pairs connected by microchannels of different lengths. 図77Bは、平衡時間 対 平衡距離をプロットする。FIG. 77B plots equilibrium time versus equilibrium distance. 図78は、異なる接続するミクロチャネルを有する4つの複合チャンバを示す。FIG. 78 shows four composite chambers with different connecting microchannels. 図79Aは、距離にわたる濃度勾配を捕らえるように設計されたミクロ流体構築物を示す。FIG. 79A shows a microfluidic construct designed to capture a concentration gradient over distance. 図79Bは、初期時間における、濃度 対 自由界面からの距離をプロットする。FIG. 79B plots concentration versus distance from the free interface at the initial time. 図79Cは、後の時間における、濃度 対 自由界面からの距離をプロットする。FIG. 79C plots concentration versus distance from the free interface at a later time. 図79Dは、後の時間における、相対チャンバ濃度 対 距離をプロットする。FIG. 79D plots the relative chamber concentration versus distance at a later time. 図80は、本発明に従うチップホルダーデバイスの1実施形態の分解図を示す。FIG. 80 shows an exploded view of one embodiment of a chip holder device according to the present invention. 図81Aは、本発明の代替の実施形態に従う1フローチャネルの一部の拡大図を示す。FIG. 81A shows an enlarged view of a portion of one flow channel according to an alternative embodiment of the present invention. 図81Bは、隣接したチャンバにおける結晶化剤と標的物質との間の拡散を可能にするための、代替のロウバルブ(row valve)の非活性化の前の、図81Aの拡大フローチャネル部分の線B−B’に沿った断面図を示す。FIG. 81B shows a line of the enlarged flow channel portion of FIG. 81A prior to deactivation of an alternative row valve to allow diffusion between the crystallization agent and the target material in adjacent chambers. Sectional drawing along BB 'is shown. 図81Cは、隣接したチャンバにおける結晶化剤と標的物質との間の拡散を可能にするための、代替のロウバルブの非活性化の後の、図81Aの拡大フローチャネル部分の線B−B’に沿った断面図を示す。FIG. 81C shows line BB ′ of the enlarged flow channel portion of FIG. 81A after deactivation of an alternative row valve to allow diffusion between the crystallization agent and the target material in adjacent chambers. Sectional drawing along is shown. 図82は、種々のフロー条件にわたる交差チャネルフロー注入についての、注入容積 対 注入サイクルの数をプロットする。FIG. 82 plots injection volume versus number of injection cycles for cross channel flow injection over various flow conditions.

Claims (42)

結晶成長および結晶分析を容易にするミクロ流体構造であって、該構造は、以下:
エラストマーブロック;
基材であって、該エラストマーブロックの下側の表面と接触して、第1ミクロ流体チャンバ、第2ミクロ流体チャンバ、および第3ミクロ流体チャンバを規定し、該第1ミクロ流体チャンバ、該第2ミクロ流体チャンバ、および該第3ミクロ流体チャンバは、該エラストマーブロックと該基材との間に規定されるフローチャネルを通して流体連絡し、それによって、該第1チャンバは標的物質溶液でプライムされ得、該第2チャンバは結晶化剤でプライミングされ得、そして該第3チャンバは寒剤でプライミングされ得、その結果、該結晶化剤および該標的溶液の拡散によって該構造内に形成される結晶が、該寒剤の導入によって与えられる温度の減少によって保存され得る、基材、
を備える、ミクロ流体構造。
A microfluidic structure that facilitates crystal growth and crystal analysis, the structure comprising:
Elastomer block;
A substrate in contact with a lower surface of the elastomer block to define a first microfluidic chamber, a second microfluidic chamber, and a third microfluidic chamber; Two microfluidic chambers and the third microfluidic chamber are in fluid communication through a flow channel defined between the elastomeric block and the substrate, whereby the first chamber can be primed with a target substance solution. The second chamber can be primed with a crystallization agent and the third chamber can be primed with a cryogen so that crystals formed in the structure by diffusion of the crystallization agent and the target solution are: A substrate that can be preserved by a decrease in temperature provided by the introduction of the cryogen;
Comprising a microfluidic structure.
請求項1に記載のミクロ流体構造であって、前記第1チャンバ、第2チャンバ、および第3チャンバが、一列に位置づけられ、その結果、該第1チャンバが、前記フローチャネルの第1部分を通して該第2チャンバと流体連絡し、そして該第2チャンバが、該フローチャネルの第2部分を通して該第3チャンバと流体連絡する、ミクロ流体構造。   The microfluidic structure of claim 1, wherein the first chamber, the second chamber, and the third chamber are positioned in a row such that the first chamber passes through the first portion of the flow channel. A microfluidic structure in fluid communication with the second chamber and in fluid communication with the third chamber through a second portion of the flow channel. 請求項2に記載のミクロ流体構造であって、さらに、以下:
前記第1フローチャネル部分を通る流体連絡を制御する第1バルブであって、該第1バルブが、該第1フローチャネル部分の上を横切る第1コントロールラインによって規定され、該第1コントロールラインと該第1フローチャネル部分との間の第1エラストマー膜が、該第1フローチャネル部分へと作動可能である、第1バルブ;および
前記第2フローチャネル部分を通る流体連絡を制御する第2バルブであって、該第2バルブが、該第2フローチャネル部分の上を横切る第2コントロールラインによって規定され、該第2コントロールラインと該第2フローチャネル部分との間の第2エラストマー膜が、該第2フローチャネル部分へと作動可能であり、該第1バルブおよび該第2バルブが、最初に、前記標的物質溶液と前記結晶化剤との間での拡散を可能にして結晶を形成し、次いで、寒剤の拡散を可能にするように作動可能である、第2バルブ、
を備える、ミクロ流体構造。
The microfluidic structure of claim 2, further comprising:
A first valve for controlling fluid communication through the first flow channel portion, the first valve being defined by a first control line crossing over the first flow channel portion; and A first valve, wherein a first elastomeric membrane between the first flow channel portion is operable to the first flow channel portion; and a second valve that controls fluid communication through the second flow channel portion. The second valve is defined by a second control line crossing over the second flow channel portion, and a second elastomeric membrane between the second control line and the second flow channel portion comprises: Operable to the second flow channel portion, wherein the first valve and the second valve are initially configured for the target substance solution and the crystallization agent to A second valve operable to allow diffusion between them to form crystals and then to allow cryogen diffusion;
Comprising a microfluidic structure.
請求項1に記載のミクロ流体構造であって、ここで、前記第1チャンバ、第2チャンバ、および第3チャンバが、三角形に位置づけられて、その結果、該第1チャンバが、前記フローチャネルの第1部分を通して該第2チャンバと流体連絡し、該第2チャンバが、該フローチャネルの第2部分を通して該第3チャンバと流体連絡し、そして第1チャンバが、該フローチャネルの第3部分を通して該第3チャンバと流体連絡する、ミクロ流体構造。   2. The microfluidic structure according to claim 1, wherein the first chamber, the second chamber, and the third chamber are positioned in a triangle so that the first chamber is in the flow channel. Fluid communication with the second chamber through the first portion, the second chamber in fluid communication with the third chamber through the second portion of the flow channel, and the first chamber through the third portion of the flow channel. A microfluidic structure in fluid communication with the third chamber. 請求項1に記載のミクロ流体構造であって、さらに、以下:
前記第1フローチャネル部分を通る流体連絡を制御する第1バルブであって、該第1バルブが、該第1フローチャネル部分の上を横切る第1コントロールラインによって規定され、該第1コントロールラインと該第1フローチャネル部分との間の第1エラストマー膜が、該第1フローチャネル部分へと作動可能である、第1バルブ;および
前記第2フローチャネル部分を通る流体連絡を制御する第2バルブであって、該第2バルブが、該第2フローチャネル部分の上を横切る第2コントロールラインによって規定され、該第2コントロールラインと該第2フローチャネル部分との間の第2エラストマー膜が、該第2フローチャネル部分へと作動可能である、第2バルブ;および
前記第3フローチャネル部分を通る流体連絡を制御する第3バルブであって、該第3バルブが、該第3フローチャネル部分の上を横切る第3コントロールラインによって規定され、該第3コントロールラインと該第3フローチャネル部分との間の第3エラストマー膜が、該第3フローチャネル部分へと作動可能であり、該第1バルブ、該第2バルブ、および該第3バルブが、最初に、該標的物質溶液と該結晶化剤との間での拡散を可能にして結晶を形成し、次いで、寒剤の拡散を可能にするように独立して作動可能である、第3バルブ、
を備える、ミクロ流体構造。
The microfluidic structure of claim 1, further comprising:
A first valve for controlling fluid communication through the first flow channel portion, the first valve being defined by a first control line crossing over the first flow channel portion; and A first valve, wherein a first elastomeric membrane between the first flow channel portion is operable to the first flow channel portion; and a second valve that controls fluid communication through the second flow channel portion. The second valve is defined by a second control line crossing over the second flow channel portion, and a second elastomeric membrane between the second control line and the second flow channel portion comprises: A second valve operable to the second flow channel portion; and a third bar for controlling fluid communication through the third flow channel portion. The third valve is defined by a third control line crossing over the third flow channel portion, and a third elastomeric membrane between the third control line and the third flow channel portion is , Operable to the third flow channel portion, wherein the first valve, the second valve, and the third valve initially cause diffusion between the target substance solution and the crystallization agent. A third valve, which is operable independently to enable the formation of crystals and then to allow diffusion of the cryogen;
Comprising a microfluidic structure.
請求項1に記載のミクロ流体構造であって、ここで、前記エラストマー材料および前記基材のうちの少なくとも1つの厚みが、前記チャンバ近くにまで減少されて、X線ビームによる該チャンバの内容物の直接的検査を可能にする、ミクロ流体構造。   The microfluidic structure of claim 1, wherein the thickness of at least one of the elastomeric material and the substrate is reduced to near the chamber so that the contents of the chamber by an X-ray beam Microfluidic structure that enables direct inspection of 請求項1に記載のミクロ流体構造であって、前記基材が、前記エラストマーブロックとは異なる材料から形成され、そして、前記エラストマー部分の第1凹部、第2凹部および第3凹部それぞれと整列した、第1凹部、第2凹部、および第3凹部を備えて、前記チャンバの容積を規定する、ミクロ流体構造。   2. The microfluidic structure of claim 1, wherein the substrate is formed from a different material than the elastomer block and is aligned with each of the first, second, and third recesses of the elastomer portion. A microfluidic structure comprising a first recess, a second recess, and a third recess to define a volume of the chamber. エラストマーミクロ流体デバイスに圧力を適用するための構造物であって、該構造物は、以下:
第1ホルダー部分であって、該第1ホルダーが、該第1ホルダーの下側の表面上に連続した高くなったリムを備え、該高くなったリムは、該ミクロ流体デバイスの上表面と接触してそこに位置づけられる複数の材料を取り囲むように構成され、該高くなったリムと該ミクロ流体デバイスの上表面との間の接触が、該材料のウェルの上にチャンバを規定し、該チャンバと流体連絡するオリフィスが、該ウェルの内容物を該ミクロ流体デバイスの活性領域へと駆動するために、該チャンバへの陽圧の適用を可能にする、第1ホルダー、
を備える、構造物。
A structure for applying pressure to an elastomeric microfluidic device, the structure comprising:
A first holder portion, the first holder comprising a continuous raised rim on a lower surface of the first holder, the raised rim contacting the upper surface of the microfluidic device And a contact between the raised rim and the top surface of the microfluidic device defines a chamber over the well of the material, the chamber being configured to surround a plurality of materials positioned therein A first holder, wherein an orifice in fluid communication with the first fluid allows application of positive pressure to the chamber to drive the contents of the well into the active region of the microfluidic device;
A structure comprising:
請求項8に記載の構造物であって、第2部分をさらに備え、該第2部分は、凹部を備え、この凹部は、前記ミクロ流体デバイスを受容し、そして該ミクロ流体デバイスの上側表面および下側表面のうちの少なくとも1つの一部を露出したままにするように構成される、構造物。   9. The structure of claim 8, further comprising a second portion, the second portion comprising a recess, the recess receiving the microfluidic device, and an upper surface of the microfluidic device and A structure configured to leave a portion of at least one of the lower surfaces exposed. 請求項9に記載の構造物であって、ここで、前記第1部分および前記第2部分が、ネジを使用する該第1部分および該第2部分の嵌合可能な係合を可能にするように整列されたネジ穴を備える、構造物。   10. The structure of claim 9, wherein the first portion and the second portion allow for matable engagement of the first portion and the second portion using screws. A structure comprising screw holes aligned in such a manner. 請求項8の構造物であって、ここで、前記第1部分が、第2の連続した高くなったリムを備え、前記リムが、該ミクロ流体デバイスの前記表面と接触して該ミクロ流体デバイスの上表面に位置づけられる第2の複数の材料のウェルを取り囲むように構成され、該第2の高くなったリムと該エラストマーの上表面との間の接触が、該第2の複数の材料のウェルの上に第2のチャンバを規定し、該第2のチャンバと連絡する第2部分の第2オリフィスが、該第2チャンバへの陽圧の適用を可能にする、構造物。   9. The structure of claim 8, wherein the first portion comprises a second continuous raised rim, the rim contacting the surface of the microfluidic device and the microfluidic device. A second plurality of material wells positioned on the top surface of the second plurality of materials, the contact between the second raised rim and the top surface of the elastomer being A structure that defines a second chamber over the well and a second portion of the second orifice in communication with the second chamber allows application of positive pressure to the second chamber. 請求項9に記載の構造物であって、第3部分をさらに備え、該第3部分が、前記第1部分と嵌合可能に係合するように構成され、該第3部分の上側表面が、連続した高くなったリムを備え、該リムは、前記ミクロ流体デバイスの下表面に位置づけられる複数の開口部を取り囲む前記エラストマーの表面へと圧するように構成され、該高くなったリムと該ミクロ流体デバイスの上表面との間の接触が、該開口部のうえに第2チャンバを規定し、該第2チャンバと連絡する前記第3チャンバ内のオリフィスが、該第2チャンバへの陽圧の適用を可能にする、構造物。   The structure of claim 9, further comprising a third portion, the third portion configured to mateably engage with the first portion, wherein the upper surface of the third portion is Comprising a continuous raised rim configured to press against the elastomeric surface surrounding a plurality of openings positioned on a lower surface of the microfluidic device, the raised rim and the micro Contact between the upper surface of the fluidic device defines a second chamber over the opening, and an orifice in the third chamber in communication with the second chamber provides positive pressure to the second chamber. A structure that allows application. 請求項8に記載の構造物であって、付勢部材をさらに備え、該付勢部材が、前記第1部分と接触し、そして前記ミクロ流体デバイスの上側表面と接触するように該第1部分を圧するように構成される、構造物。   9. The structure of claim 8, further comprising a biasing member, wherein the biasing member contacts the first portion and contacts the upper surface of the microfluidic device. A structure that is configured to press. 請求項8に記載の構造物であって、ここで、前記高くなったリムが可撓性エラストマー材料を備え、そして前記ミクロ流体デバイスの表面が剛性である、構造物。   9. A structure according to claim 8, wherein the raised rim comprises a flexible elastomeric material and the surface of the microfluidic device is rigid. 請求項8に記載の構造物であって、ここで、前記高くなったリムが剛性材料を備え、そして、前記ミクロ流体デバイスの表面が可撓性である、構造物。   9. The structure of claim 8, wherein the raised rim comprises a rigid material and the surface of the microfluidic device is flexible. ミクロ流体デバイスを液体材料でプライミングする方法であって、該方法は、以下:
ミクロ流体デバイスの上側表面の上の複数のウェルに液体材料を装填する、工程;
ホルダーピースを該上側表面に対して、該ホルダーピースの連続した高くなったリムが該ウェルを取り囲む該上側表面を押すように付勢する工程であって、その結果、その結果、チャンバが、該ウェルの上に作製される、工程;および
陽圧を該チャンバに適用して、該材料を該ウェルからエラストマーミクロ流体構造物の活性領域へと駆動する、工程、
を包含する、方法。
A method of priming a microfluidic device with a liquid material, the method comprising:
Loading a plurality of wells on the upper surface of the microfluidic device with a liquid material;
Urging the holder piece against the upper surface such that a continuous raised rim of the holder piece pushes the upper surface surrounding the well, so that the chamber is Created on the well; and applying a positive pressure to the chamber to drive the material from the well to the active region of the elastomeric microfluidic structure;
Including the method.
請求項16に記載の方法であって、ここで、前記高くなったリムが、前記上側表面と係合するように変形する、方法。   17. The method of claim 16, wherein the raised rim is deformed to engage the upper surface. 請求項16に記載の方法であって、ここで、前記上側表面が、前記高くなったリムと係合するように変形する、方法。   17. The method of claim 16, wherein the upper surface is deformed to engage the raised rim. ミクロ流体エラストマーデバイス内のバルブを作動させる方法であって、該方法は、以下:
連続して高くなったリムを有するホルダーピースを、複数のコントロールライン出口を有するミクロ流体デバイスの表面に対して適用して、該出口の上にチャンバを作製する工程;および
陽圧または負圧を該チャンバに適用して、該コントロールライン内の圧力を制御し、それによって、該コントロールラインと連絡する該ミクロ流体デバイスのエラストマーバルブ膜を作動させる、工程、
を包含する、方法。
A method of operating a valve in a microfluidic elastomer device, the method comprising:
Applying a holder piece having a continuously raised rim to the surface of a microfluidic device having a plurality of control line outlets to create a chamber above the outlets; and positive or negative pressure Applying to the chamber to control the pressure in the control line, thereby activating the elastomeric valve membrane of the microfluidic device in communication with the control line;
Including the method.
請求項19に記載の方法であって、ここで、前記高くなったリムが、弾性であり、そして前記表面と係合するように変形する、方法。   20. The method of claim 19, wherein the raised rim is elastic and deforms to engage the surface. 請求項19に記載の方法であって、ここで、前記表面が、弾性であり、そして前記高くなったリムと係合するように変形する、方法。   20. A method according to claim 19, wherein the surface is elastic and deforms to engage the raised rim. 2つの流体間の拡散に対する時間的制御を実行する方法であって、該方法は、以下:
ミクロ流体フローチャネルをエラストマー材料内に提供する工程であって、該エラストマー材料の膜部分が、該フローチャネル内に位置づけられて、バルブを規定する、工程;
該膜の1つの側面上の該フローチャネルの第1部分を、第1流体でプライミングする工程;
該フローチャネルの反対側面上のフローチャネルの第2部分を第2流体でプライミングする、工程;および
該エラストマー膜を該フローチャネルの内へそして該フローチャネルの外へと、ある時間にわたって繰り返し動かして、該バルブを通って該第1流体と該第2流体との間での拡散を可能にする、工程、
を包含する、方法。
A method for performing temporal control over diffusion between two fluids, the method comprising:
Providing a microfluidic flow channel within the elastomeric material, wherein a membrane portion of the elastomeric material is positioned within the flow channel to define a valve;
Priming a first portion of the flow channel on one side of the membrane with a first fluid;
Priming a second portion of the flow channel on the opposite side of the flow channel with a second fluid; and repeatedly moving the elastomeric membrane into and out of the flow channel over time Allowing diffusion between the first fluid and the second fluid through the valve;
Including the method.
請求項22に記載の方法であって、ここで、前記エラストマー膜が、該膜に近接して前記エラストマー材料内に位置づけられるコントロール凹部内での減圧に応答して、該フローチャネルの内へそして該フローチャネルの外へと移動する、方法。   23. The method of claim 22, wherein the elastomeric membrane is responsive to a vacuum in a control recess located in the elastomeric material proximate the membrane and into the flow channel and A method of moving out of the flow channel. 請求項22に記載の方法であって、ここで、前記第1流体が結晶化剤であり、そして前記第2流体が結晶化標的溶液であり、その結果、前記エラストマー膜が、前記フローチャネルの溶液環境を変更して標的物質の結晶化を促進するように繰り返し移動する、方法。   23. The method of claim 22, wherein the first fluid is a crystallization agent and the second fluid is a crystallization target solution so that the elastomeric membrane is in the flow channel. A method of moving repeatedly to change the solution environment and promote crystallization of the target substance. 請求項22に記載の方法であって、ここで、前記第1流体および前記第2流体の合わせた容積が、50nL以下である、方法。   23. The method of claim 22, wherein the combined volume of the first fluid and the second fluid is 50 nL or less. 2つの流体間の濃度勾配を捕獲する方法であって、該方法が、以下:
ミクロ流体フローチャネル内に存在するエラストマー膜の第1側面上に第1流体を提供する、工程;
該エラストマー膜の第2側面上に第2流体を提供する、工程;
該エラストマー膜を該流体フローチャネルから移動させて、該第1流体と該第2流体との間のミクロ流体自由界面を規定する、工程;
該第1流体および該第2流体を、該ミクロ流体自由界面を通って拡散させる、工程;および
該ミクロ流体自由界面から増加する距離で該フローチャネルに沿って位置づけられる一群のエラストマーバルブを作動させて、一連のチャンバを規定する工程であって、該チャンバの該第1流体および該第2流体の相対濃度は、拡散の時間を反映する、工程、
を包含する、方法。
A method for capturing a concentration gradient between two fluids, the method comprising:
Providing a first fluid on a first side of an elastomeric membrane present in a microfluidic flow channel;
Providing a second fluid on the second side of the elastomeric membrane;
Moving the elastomeric membrane from the fluid flow channel to define a microfluidic free interface between the first fluid and the second fluid;
Diffusing the first fluid and the second fluid through the microfluidic free interface; and activating a group of elastomeric valves positioned along the flow channel at increasing distances from the microfluidic free interface Defining a series of chambers, wherein the relative concentrations of the first fluid and the second fluid in the chamber reflect the time of diffusion;
Including the method.
請求項26に記載の方法であって、ここで、前記第1流体が結晶化剤であり、そして前記第2流体結晶化標的溶液であり、その結果、複数の結晶化条件が、前記一連のチャンバ内で作り出される、方法。   27. The method of claim 26, wherein the first fluid is a crystallization agent and the second fluid crystallization target solution, so that a plurality of crystallization conditions are included in the series of crystallization conditions. A method created in a chamber. ミクロ流体デバイスを製造する方法であって、該方法は、以下:
基材の上表面に複数のウェルを形成する、工程;
下表面が、パターン化した凹部を有するように、エラストマーブロックを成形する、工程;および
該成形されたエラストマーブロックの下表面を、該基材の上表面と接触させるように位置づけ、その結果、該パターン化した凹部が、該ウェルと整列して、該ウェルの間にミクロ流体フローチャネルを形成する、工程、
を包含する、方法。
A method of manufacturing a microfluidic device, the method comprising:
Forming a plurality of wells on the upper surface of the substrate;
Molding the elastomeric block such that the lower surface has a patterned recess; and positioning the lower surface of the molded elastomeric block in contact with the upper surface of the substrate, so that the Patterned recesses aligned with the wells to form microfluidic flow channels between the wells;
Including the method.
請求項28に記載の方法であって、さらに以下:
第2エラストマーブロックの下表面が第2パターン凹部を有するように、第2エラストマーブロックを成形する、工程;
該第2エラストマーブロックの下表面を、前記第1エラストマーブロックの上表面と接触させるように配置し、その結果、該第2パターン凹部が、前記第1パターン凹部を通って、それによって、複数の介在するエラストマー膜バルブを規定する、工程、
を包含する、方法。
30. The method of claim 28, further comprising:
Molding the second elastomer block such that the lower surface of the second elastomer block has a second pattern recess;
The lower surface of the second elastomeric block is disposed in contact with the upper surface of the first elastomeric block so that the second pattern recess passes through the first pattern recess and thereby a plurality of Defining the intervening elastomeric membrane valve, process,
Including the method.
請求項28に記載の方法であって、ここで、前記凹部が、シリコン基材またはガラス基材の等方性のエッチングまたは異方性のエッチングによって、前記基材中に形成される、方法。   29. The method of claim 28, wherein the recess is formed in the substrate by isotropic or anisotropic etching of a silicon or glass substrate. 請求項28に記載の方法であって、ここで、前記凹部は、プラスチック基材の射出成形または熱エンボス加工によって、前記基材中に形成される、方法。   29. The method of claim 28, wherein the recess is formed in the substrate by injection molding or hot embossing of a plastic substrate. ミクロ流体デバイスを製造する方法であって、該方法は、以下:
下表面がパターン凹部を有するように、エラストマーブロックを成形する、工程;および
該成形されたエラストマーブロックの下表面を、実質的に平面な基材と接触させて位置づけ、その結果、該パターン化した凹部が、複数のフローチャネルを通って流体連絡する複数のチャンバを規定する、工程、
を包含する、方法。
A method of manufacturing a microfluidic device, the method comprising:
Molding the elastomeric block such that the lower surface has a pattern recess; and positioning the lower surface of the molded elastomeric block in contact with a substantially planar substrate so that the patterned A recess defining a plurality of chambers in fluid communication through the plurality of flow channels;
Including the method.
ミクロ流体デバイスを製造する方法であって、該方法は、以下:
基材の上表面に陥凹状のチャネルによって連絡される複数のウェルを形成する、工程;および
エラストマーブロックの下表面を、該基材の上表面と接触させて位置づけて、フローチャネルによって連絡された、複数の囲まれたミクロ流体チャンバを規定する、工程、
を包含する、方法。
A method of manufacturing a microfluidic device, the method comprising:
Forming a plurality of wells communicated by a recessed channel on the upper surface of the substrate; and positioning the lower surface of the elastomer block in contact with the upper surface of the substrate and communicated by the flow channel Defining a plurality of enclosed microfluidic chambers;
Including the method.
請求項33に記載の方法であって、ここで、前記ウェルおよび凹部が、シリコン基材またはガラス基材の等方性のエッチングまたは異方性のエッチングによって、前記基材中に形成される、方法。   34. The method of claim 33, wherein the wells and recesses are formed in the substrate by isotropic or anisotropic etching of a silicon or glass substrate. Method. 請求項33に記載の方法であって、ここで、前記ウェルおよび凹部が、プラスチック基材の射出成形または熱エンボス加工によって、前記基材中に形成される、方法。   34. The method of claim 33, wherein the well and recess are formed in the substrate by injection molding or hot embossing of a plastic substrate. 標的物質の結晶を形成するための方法であって、該方法は、以下:
エラストマーミクロ流体デバイスの第1チャンバを、第1所定容積の標的物質溶液でプライミングする、工程;
エラストマーミクロ流体デバイスの第2チャンバを、第2所定容積の結晶化剤でプライミングする、工程;および
該第1チャンバを該第2チャンバと流体接触するように位置づけて、該標的物質と該結晶化剤との間の拡散を可能にし、その結果、該標的物質の環境が、結晶の形成を引き起こすように変更される、工程、
を包含する、方法。
A method for forming a crystal of a target substance, the method comprising:
Priming a first chamber of an elastomeric microfluidic device with a first predetermined volume of a target substance solution;
Priming a second chamber of an elastomeric microfluidic device with a second predetermined volume of a crystallization agent; and positioning the first chamber in fluid contact with the second chamber to crystallize the target material and the crystallization agent. Allowing diffusion between the agent, so that the environment of the target substance is altered to cause crystal formation,
Including the method.
請求項36に記載の方法であって、ここで、前記第1容積および前記第2容積が、前記第1チャンバの寸法および前記第2チャンバの寸法によって予め決定されている、方法。   37. The method of claim 36, wherein the first volume and the second volume are predetermined by the dimensions of the first chamber and the second chamber. 請求項36に記載の方法であって、さらなる結晶化スクリーニングのための種結晶として使用するために、前記ミクロ流体デバイスから前記結晶を収集する工程をさらに包含する、方法。   40. The method of claim 36, further comprising collecting the crystal from the microfluidic device for use as a seed crystal for further crystallization screening. 請求項36に記載の方法であって、前記結晶の三次元構造を決定するために、前記ミクロ流体デバイス内の該結晶を、X線照射で照射する工程をさらに包含する、方法。   38. The method of claim 36, further comprising irradiating the crystal in the microfluidic device with x-ray irradiation to determine a three-dimensional structure of the crystal. 請求項36に記載の方法であって、前記結晶を照射する前に、前記ミクロ流体デバイスに寒剤を送達する工程をさらに包含する、方法。   38. The method of claim 36, further comprising delivering a cryogen to the microfluidic device prior to irradiating the crystal. 請求項36に記載の方法であって、ここで:
前記第1チャンバおよび前記第2チャンバ内の物質の濃度および容積が、前記ミクロ流体デバイス内の複数の結晶化条件のうちの1つを表し;そして
該方法が、該複数の結晶化条件のうちの1つに関連する1セットの条件下で、第2ミクロ流体チップ上で第2結晶化スクリーニングを実行する工程をさらに包含する、
方法。
40. The method of claim 36, wherein:
The concentration and volume of the substance in the first chamber and the second chamber represent one of a plurality of crystallization conditions in the microfluidic device; and Further comprising performing a second crystallization screen on the second microfluidic chip under a set of conditions associated with one of
Method.
本明細書中に記載の方法。   The method described herein.
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