JP2018059923A - マイクロ流体デバイスおよび同デバイスを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単でコスト効率のよいやり方で流路内の流体移動性能を高めたマイクロ流体デバイスおよびその製造方法を提供する。【解決手段】入口開口２２と出口開口２３をつなぐ少なくとも１つの流路２１と、流路２１と流体連通しているウェル２４のアレイとを備えるマイクロ流体デバイス１であって、流路２１が、入口開口２２における入口部分２１１と、出口開口２３における出口部分２１２と、入口部分２１１と出口部分２１２との間の中央部分２１３とを備え、少なくとも中央部分２１３が、ウェル２４のアレイを備え、親水性表面が設けられており、流路２１が、少なくとも中央部分２１３と出口部分２１２との間に設けられた遷移領域２１４をさらに備え、疎水性表面を設けることによって遷移領域２１４が構成される、マイクロ流体デバイス１。【選択図】図１

Description

化学的または生化学的反応のアッセイのための診断技術分野においては、１つまたは複数の試験サンプルに対する複数の異なるアッセイを、同一の、好ましくは使い捨ての、マイクロ流体デバイス上で実施し、それにより１つまたは複数の試験サンプルを、単一の分析プロセスの過程で複数の異なる試薬を用いて別々に分析する方法を提供できるようにすることが目標である。より詳細には、本発明は、ウェルのアレイ、例えばそこにそれぞれ提供される少なくとも１つのサンプルの化学的または生物学的反応のための反応チャンバとして意図されている、と流体連通している少なくとも１つの流路を備えるマイクロ流体デバイスに関し、さらには、ウェルのアレイ内で生じる化学的または生物学的反応を研究するためのそのようなマイクロ流体デバイスを製造するための方法に関する。特に、本発明は、マイクロ流体デバイス上で使用されないウェルまたは充分に充填されないウェルがないように、マイクロ流体デバイスに設けられている好ましくはすべてのウェルを、必要なだけ広範囲にわたり充填することを実現するために、改善されたマイクロ流体デバイスおよび同デバイスの改善された製造方法を対象とする。

一般に、従来の実験プロセスの精度および効率を達成しながら、診断アッセイの実行をより早急に、安価に、容易にする必要性が存在する。この目標を成し遂げるため、１つの担持デバイス上での並列アッセイの数を増やすために様々なアッセイ操作を小型化および統合することを実現するために、かなりの労力が費やされてきた。しかし、所望の寸法にするために、反応チャンバ容積をマイクロ流体デバイスのマイクロ流体構造になるように実際に小型化するとき、望ましくない液体蒸発および表面積対体積比の増加に関する問題など、すでに知られているいくつかの問題が増大する。また、さらに重要なことには、マイクロ流体構造の充填手順中に、サンプル液体計量の不足が生じ、その不足は、マイクロ流体デバイス中のサンプル液体の特定の流れ挙動によって実質的に引き起こされる。所望のマイクロ流体構造を備えるそのようなマイクロ流体デバイスの一例として、流動可能（streamable）な液体の形態であるマイクロリットルまたはナノリットルスケールのサンプルを受けるためのマイクロスケールの流路を提供するマイクロ流体チップが当技術分野ですでに知られている。典型的にはマイクロ流体チップ上の反応チャンバとして提供される小さいウェルのアレイに予め充填されるマイクロリットルスケールの試薬は、反応流路内のサンプル液体のストリーム（stream（名詞））と接触するようにその中に配置されており、それぞれのアッセイのタイプは、ウェルのアレイに入れられる試薬、ならびに反応路および検出器の構成に応じて異なる。そのような技術は、複数のアッセイを小型化されたスケールで同時に実行することを可能にする。しかし、この場合、それぞれのウェルに提供されるべきサンプル内の特定の物質または組成物の量もしくは濃度を正確に制御することが必要である。これらの化学的、生化学的、および／または生物学的アッセイのほとんどは、生物学的物質（ポリペプチドおよび核酸など）、細胞または組織をウェル内で固定化すること、および、その後にポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を実施する過程と同様な発光試験測定などの定量的および／または定性的な分析プロセスが続く、固定化された物質との１つまたは複数の反応を実施することを対象としている。そのようなアッセイの（本発明で焦点をあてる）１つの特定の例は、デジタルＰＣＲまたはｄＰＣＲとも呼ばれるデジタルポリメラーゼ連鎖反応法であり、それは、ＤＮＡ、ｃＤＮＡまたはＲＮＡを含む核酸を直接定量化し、クローン的に増幅させるのに使用され得る従来のＰＣＲ法を生物工学的に補強したものを指す。ここで、ｄＰＣＲと従来型ＰＣＲとの実質的な違いは核酸の量を測定する方法にあり、それは、従来型ＰＣＲが、単一のサンプルにつき１つの反応を行うのに対して、ｄＰＣＲは、多数の区画に分けられたサンプル内で単一の反応を行い、各区画において別々に反応が行われ、それにより核酸の量のより確実な収集、およびより高感度での測定が可能になることによる。

ここで、そのようなマイクロ流体デバイス内でのサンプル液体の効率的な移動および好ましくは存在するすべてのウェルへのサンプル液体の充分な充填を提供するために、米国特許第８８５９２０４Ｂ２号は、サンプル流体内の特定の核酸の濃度を分析する方法およびターゲット核酸配列の増幅を検出するための方法を記述しており、多孔性サンプル保持器の形態の小型化された分析アセンブリがサンプル流体で充填される。改善された充填特性を実現するために、米国特許第８８５９２０４Ｂ２号の実施形態によれば、サンプル保持器は、親水性の底部および疎水性の側壁を有する複雑な構造を呈する。しかし、サンプル保持器のそのような複雑な構造は製造が困難であり、かなりの製造労力とコストを必要とする。

代替として、米国特許第６７７６９６５Ｂ２号は、分析目的のマイクロ流体デバイスを記述しており、そのデバイスは、例えば、サンプル流体を吸い上げるための充填セクション、充填セクションに接続された、サンプル流体を分析するための分析セクション、分析セクションから流出したサンプル流体の死容積（dead volume）を収集するための廃棄セクションなどを備えており、それらがすべて流路によって接続されている。また、米国特許第６７７６９６５Ｂ２号のマイクロ流体デバイスには、デバイスの構造を通る流体移動性能を高めるための幾何学的特徴部、バタフライ構造およびカスケード構造など、が設けられており、それらの幾何学的特徴部は、デバイスを通るサンプル流体の液体流動をより均一に分散させるものである。流体移動性能を高めるためのそのような３次元の幾何学的構造、いわゆるプリシュータ止めの具体的な例が、米国特許第６７７６９６５Ｂ２号のマイクロ流体デバイスの１つの特定の実施形態に示され記述されており、その幾何学的プリシュータ止めは、流路の三角形状または鋸歯状の縁部など、流路の不規則に形成された縁部の形態で設けられており、いわゆるプリシュータを遅くするまたは妨害することを目的としている。

よりよい理解のために、プリシュータの発生現象が、図６Ａおよび図６Ｂに例示的に描かれている。図６Ａおよび図６Ｂは、マイクロ流体デバイスの下層８を示し、下層８は、マイクロウェル８２および出口開口８３の形態のマイクロ構造部が設けられている流路８１を備える。流路８１には、サンプル液体などの水溶液９が出口開口８３に向かって流動させられ（stream（動詞）／原語は受動態「is streamed」）、その溶液９はマイクロウェル８２に充填されるであろうことになる。ここで、マイクロウェル８２のいずれかの横方向側部の流路８１の内壁にある溶液９の部分は、これらの領域の流路８１が非構造化表面であることから、すなわち、これらの領域にマイクロウェル８２がないことから、例えば流路８１の横方向中央部よりも速く流動する。これらの速い流動部分がプリシュータ９１と呼ばれ、通常それぞれのプリシュータ９１は、導入された水溶液９の一部分であって、ここで描写されている事例のように、マイクロウェル８２と流路８１の内壁との間の、流路８１の横方向側部にある液柱の先端の形態の、導入された溶液９の大部分より先に流れ込む部分から成る。そのようなプリシュータ９１が、充填プロセス中にいずれかの点で止められない場合には、溶液９は、マイクロウェル８２を通り過ぎてこれらの非構造化領域を通過し、マイクロ流体デバイスの出口開口８３から出て行くことになり得、したがって失われることになり得る。そのような望ましくない出来事は、すでに知られているマイクロ流体デバイスにおいて溶液の約５０％の損失をもたらし得る。

米国特許第６７７６９６５Ｂ２号では、プリシュータ止めは、望ましくない縁部の流体流れ、すなわち、いわゆるプリシュータ、を抑制することによって、流路を通るサンプル流体の流線を均等に前進させることを目的としており、その効果は、流路内面に沿った毛管力が、流路のこうして提供された不連続な内面によって妨害されることにより、実現されるはずである。しかし、そのようなマイクロ流体デバイスにおいて幾何学的妨害部を流路内面に設けるための、不規則に形成された縁部の提供は、すでに知られているマイクロ流体デバイスの設計の大幅な構造的カスタマイズを必要とし、追加的な、もしくはより面倒な製造ステップおよび／またはより高い製造精度を伴い、このことは、この場合もかなり大きな製造労力と、それゆえの製造コストをもたらすことになる。したがって、マイクロ流体デバイスの好ましくは存在するすべてのウェルに、サンプル液体を充分に充填することを実現することができるように、簡単でコスト効率のよいやり方で、マイクロ流体デバイスの流路内の流体移動性能を高める必要性が存在する。

ＵＳ８８５９２０４Ｂ２ ＵＳ６７７６９６５Ｂ２

上記に鑑み、本発明の態様によれば、好ましくは消耗品／使い捨て品の形態である改善されたマイクロ流体デバイスが提供され、そのマイクロ流体デバイスは、入口開口と出口開口をつなぐ少なくとも１つの流路と、流路と流体連通しているウェルのアレイ（区画とも呼ばれる）とを備え、改善されたマイクロ流体デバイスの流路は、入口開口における入口部分と、出口開口における出口部分と、入口部分と出口部分との間の中央部分とを有する。ここで、入口開口は、マイクロ流体デバイスの流路に流体を導入するために使用され、出口開口は、マイクロ流体デバイスの流路から流体を排出するために使用される。さらに、マイクロ流体デバイスの少なくとも中央部分はウェルのアレイを備え／呈し、したがってその中央部分は、マイクロ構造としてのウェルを有するいわゆる構造化領域を構成し、親水性表面が設けられている。好ましくは、レーン幅とも呼ばれる流路全体の幅は、６ｍｍ〜７ｍｍの範囲にあり、さらに好ましくは６．４ｍｍであり、通常その幅は、隣同士の、すなわち流路の横方向のウェル約６０個〜１００個に対応する幅の空間を提供する。さらに、流路は、少なくとも中央部分と出口部分との間に提供される遷移領域（transition area）または遷移的領域（transitional area）も備え、その遷移領域は、疎水性表面を設けることによって構成される。このことは、遷移領域が、言及した親水性表面から特徴的な疎水性表面に遷移する領域を構成することを意味する。

マイクロ流体デバイスは、好ましくは、それぞれのウェルに流動させられるサンプル液体の形態で提供されるサンプルの（ｄ）ＰＣＲまたは生化学アッセイの過程においてなど、液体の形態でそれぞれのウェルに流路によって流動させられるサンプルをアッセイするために使用される。ここで「流動する（streaming）」という表現は、例えば流体を押すまたは圧力をかけて押し出すことによる、流体の能動的な流動、または例えば毛管力などによって流体を引き込むまたは吸い込むことによる、流体の受動的な流動のいずれにも理解されるものとする。本発明のマイクロ流体デバイスは非常に簡単な構成を提供することが好ましいので、特に１つ１つのウェルの周りに疎水性区域によって表面をパターン化することは、大きな製造労力を要することから望ましくない。しかし、ウェルと流路壁との間の非構造化領域、すなわちウェル／区画などがない領域と、親水性表面とを組み合わせると、そのような非構造化領域の流れ抵抗が構造化領域においてよりも低いので、サンプル液体をウェルに充填する手順中にプリシュータが発生するという不利益な結果になり得る。プリシュータの発生によるサンプル液体の有意な損失を回避するために、少なくとも中央部分と出口部分との間に配置され、疎水性表面によって構成される遷移領域が、本発明のマイクロ流体デバイスに、本発明のマイクロ流体デバイスの流路にあるすべてのウェルを均一に充填するため設けられており、それにより、サンプル液体のプリシュータを止めるまたは少なくとも遅くするため、プリシュータが遷移領域を速く通過しすぎるのを妨害して、その結果、流路内側のウェルが均一に浸水することが実現される。したがって、遷移領域が流路壁内のウェルのいずれかの側部に設けられるものと考えるとき、入口開口から出口開口までその流路を通って流動する任意の流体に対して、本発明の遷移領域は１つのプリシュータ止めまたは複数のプリシュータ止めを構成することができる。ここで、そのようなプリシュータ止めは、親水性表面から疎水性表面へ遷移する領域を用いてプリシュータの流動の方向においてのみ実現可能であることに留意すべきである。一方で、疎水性表面から親水性表面への遷移は、それぞれ逆効果につながることになる、すなわち流動の流れを加速させる。

言い換えれば、好ましくはｄＰＣＲ消耗品として、例えばマイクロ流体チップの形態で使用される、本発明の改善されたマイクロ流体デバイスは、実質的に、非構造化入口部分と、ウェルの形態のそのマイクロ構造体、例えばマイクロウェルなど、を有する関心領域を構成する構造化中央部分と、好ましくはマイクロ流体デバイスの廃棄領域を構成する出口部分とから構成される。ここでその基本形態では、消耗品内の関心領域、すなわち構造化中央部分だけが、親水性表面を提供し、マイクロ流体デバイスの残りの部分は親水性がより低く、中央部分と出口部分の間の遷移領域（transition area）または遷移区域（transition region）は、疎水性領域によって構成される。好ましくは毛管力により駆動される、マイクロ流体デバイスの流路を水溶液の形態のサンプル液体で充填するプロセス中に、ウェルがサンプル液体で充填される一方で、サンプル液体のプリシュータは、構造化領域の各側部上、すなわちウェルとそれぞれの流路壁との間の中央部分の各側部上を、このように別々に前進するプリシュータが親水性表面から疎水性表面への遷移によって提供される遷移領域において止められるまで、前進し、このとき遷移領域の疎水特性が、プリシュータのための流れ止めまたは流れブレーキとして機能する。液体サンプルが流路に沿ってさらに押されるその後のプロセス中には、残りのウェルが充填される一方で、遷移領域は、プリシュータのサンプル液体がマイクロ流体デバイスの廃棄領域に流れ込み、続いて出口開口から出て行くことを、阻止する。マイクロ流体デバイスの簡単で効率的な表面特徴部の形態であるそのような改善された流れ止め手段を用いると、サンプル液体の損失を少なくとも１０％未満まで減少させることができ、または損失を完全になくすことさえできるかもしれない。

本発明のマイクロ流体デバイスの好ましい構成によれば、出口部分もウェル、すなわち構造化領域、を備えてもよく、また親水性表面が設けられてもよい。それにより、すなわち、中央部分の構造化領域と出口部分の構造化領域を組み合わせることによって、マイクロ流体デバイスの構造化領域を長くすることができる。ここで、遷移領域は依然として、マイクロ流体デバイスの中央部分と出口部分との間に設けられる。さらに、本発明のマイクロ流体デバイスの入口部分にも、親水性表面を設けることができる。それにより、プリシュータ止めの機能、すなわち前進する流体を流路内の親水性表面特性と疎水性表面特性との遷移を用いて止める効果を確保するため、マイクロ流体デバイスの残りの部分の親水性表面と比較して、遷移領域だけが疎水性領域を提供することが保証され得る。

さらに好ましくは、遷移領域の疎水性表面は、物質特性、すなわち遷移領域を構成するために使用される物質の周囲の物質と比較した特性、例えば中央部分または出口部分の物質特性など、によって提供され、マイクロ流体デバイス、または少なくともその疎水性部分は、環状オレフィンコポリマーＣＯＣまたは環状オレフィンポリマーＣＯＰなどの疎水性物質から成り得、例えばコストへの配慮からＣＯＰを使用することが好ましい。あるいは、遷移領域の表面の疎水特性は、中央部分と出口部分との間の流路表面に塗布された疎水性コーティングによって提供されることも可能であり、それにより、疎水性遷移領域を構成する。同様に、マイクロ流体デバイスの１つまたは複数の残りの部分の親水性表面が、親水性表面特性を提供するように意図されたそれぞれの部分の流路表面に塗布された親水性コーティングによって提供され、それにより、疎水性表面特性を有する遷移領域とは反対に、流路内側の１つまたは複数の親水性領域を構成することも可能である。あるいは、それほど望ましいものではないが、親水性表面も、親水性物質特性によって提供することができる。ここで、使用されることが好ましい親水性コーティングは、接触角度が＜３０°、すなわち０°〜３０°であるコーティング、または好ましくは、接触角度が＜２０°、すなわち０°〜２０°であるコーティング、またはさらに好ましくは、接触角度が＜１０°、すなわち０°〜１０°であるコーティングとすることができる。そのような接触角度を実現するために、例えば親水性コーティングはＳｉＯ_２コーティングから成り得、ＳｉＯ_２コーティングは、好ましくは、マイクロ流体デバイスのコーティングされるべきそれぞれの部分、すなわち遷移領域に、電子ビームコーティングまたはスパッタリングによって塗布される。

本発明のマイクロ流体デバイスのさらなる好ましい構成によれば、遷移領域は、１つのウェル開口のサイズよりも大きく、好ましくは、３つのウェル開口のサイズよりも小さい幅を有し、「ウェル開口」という用語は、それを通してウェルが液体サンプルによって充填されることになる各ウェルの流路入口穴（ウェル同士間の中間空間も含む）を指す。また、各ウェルの開口の断面領域は、円形状、楕円形状、または六角形などの多角形状を有することができる。ウェル開口を多角形状、特にウェル開口を六角形状にすると、ウェル開口同士を、互いとの間の距離において、より短く配置することが可能になる、すなわち、流路内のウェル開口の配置密度を高くすることができる。したがって、プレートのウェルのアレイにおけるウェルの数がさらに最大化され得る。ここで、ウェル同士間の中間空間を含むウェル開口の幅ｗが、６０μｍ≦ｗ≦１１０μｍであることがさらに好ましく、さらに、６２μｍ（小ウェル）≦ｗ≦１０４μｍ（大ウェル）であることが好ましく、このことは、疎水性遷移領域が、最小６０μｍ幅、最大３３０μｍ幅であることを意味し、それによりプリシュータの流れが止められ得る一方で、過剰なサンプル液体がある場合には親水性廃棄領域がそれをマイクロ流体デバイス内に留めるように保持することが可能になる。

上述したマイクロ流体デバイスの好ましい構成によれば、遷移領域は中央部分と出口部分との間に設けられる。しかし、遷移領域は、好ましくは棒またはノーズなどの形態／形状の、中央部分に延びる延長部または突出部も備えることができる。ここで、関心領域内、すなわちウェルのアレイを備えるマイクロ流体デバイスの構造化部分内、に延びるそのような疎水性のノーズは、ウェルと流路の内面壁との間の中央部分の各側部にある流路を通って押し流される別々に前進するプリシュータが合流することを阻止することができ、その合流は、中央部分の両側の横方向側部のプリシュータが、プリシュータ止めとして機能する遷移領域によって止められ、そしてそれにより両側の側部に溜まり、その後互いに接触して合わさる場合に発生する可能性がある。

本発明のマイクロ流体デバイスの全体的な構造に関して、同デバイスは、好ましくは少なくとも上層および下層によって構造化され、下層は、入口開口および出口開口、ならびにウェルのアレイを下層の表面に有する流路を提供し、上層は、下層表面を覆うフォイルなどの平坦な構成要素によって構成される。それにより、流路、入口開口、出口開口、およびウェルのアレイの形態であるその構造的特徴部を提供するように、下層だけが特定のやり方で形成されればよく、上層は、同層を構造化する必要なしに、単純なフォイルなどによって提供され得ることが可能になる。ここで、マイクロ流体デバイスの「下（bottom）」層とは、マイクロ流体デバイスの使用中におけるマイクロ流体デバイスの下側部分（lower part）であり、マイクロ流体デバイスの「上（top）」層とは、マイクロ流体デバイスの使用中におけるマイクロ流体デバイスの上側部分（upper part）である。あるいは、マイクロ流体デバイスは、少なくとも上層および下層であって、上層が、入口開口および出口開口を有する流路を提供し、下層が、下層の表面にウェルのアレイを提供する、上層および下層によって構築されてもよい。２層式デバイスの形態である進歩的なマイクロ流体デバイスの構成を用いると、特に一代替案によれば、上層が、非構造化シートまたは透明なフォイルなどの単に面的な構成要素（plain component：面状構成物、平らな部品などとも）であり得、マイクロ流体デバイスのすべての実質的な特徴部は同一の層、すなわち下層に設けられることから、本発明のマイクロ流体デバイスの製造が簡単になる。それぞれ選択された代替案に応じて、下層のみ、または下層および上層、のいずれかが、射出成形、エンボス加工、深絞り加工、フォトリソグラフィなどの適切な製造プロセスによって製造されることになるので、本発明のマイクロ流体デバイスのすべての実質的特徴部を組み込むための、同層の付加的な処理は、わずかなものである。

本発明のさらなる態様によれば、上述されたマイクロ流体デバイスを製造するための方法が提供され、進歩的な方法は、少なくとも以下のステップ、すなわち、入口開口および出口開口、ならびにウェルのアレイを有する流路を提供する下層を成形それにより下層の構造化表面を構成し、かつ、平坦な構成要素の形態である上層を提供するステップを備える。ここで、平坦な構成要素はフォイルなどいかなるものであってもよい。それにより、流路、入口開口、出口開口、およびウェルのアレイの形態のその構造的特徴部を提供するために、下層だけが特定のやり方で形成されればよく、上層は、同層を構造化する必要なしに、単純なフォイルなどによって提供され得ることが可能になる。先に記述された成形するステップに代わり、方法は、入口開口および出口開口を有する流路を提供する上層を成形し、ウェルのアレイを提供する下層を成形し、それにより下層の構造化表面を構成するステップも備えることができる。したがって、そのような代替的な成型ステップを用いると、下層および上層の両方が、それぞれ非常に特有な構造で成型される。ここで、使用される型に応じた成形プロセスの変化性により、全体的に必要とされるマイクロ流体デバイスの流れ構造が実現されるかぎり、下層と上層に、所望の種類の構造化表面、すなわち流路、入口開口、出口開口、および／またはウェルのアレイ、の任意の所望の組み合わせ、を所望される通りに設けることができる。さらに、成形ステップは、射出成形プロセス、または射出エンボス加工プロセスとすることができる。あるいは、成形ステップは、適用可能である場合には、深絞り加工プロセス、フォトリソグラフィプロセスなどであってもよい。

さらなるステップとして、進歩的な方法は、下層の構造化表面上にマスクを配置するステップであって、その後、マスクによって覆われていない下層の構造化表面上に親水性コーティングを提供するステップが続く、マスクを配置するステップを備える。ここで、マスクは、規定されたパターンでコーティングが通過することのできる穴を有する板状の構成要素として理解される。したがって、マスクによって覆われた下層のいずれの表面領域も親水性コーティングを欠く。また、本発明の製造方法の過程で実行されるコーティングステップは、電子ビームコーティングまたはスパッタリングによって提供され得る。

その後、下層からマスクを取り除くステップ、したがって下層の非コーティング領域、すなわち親水性表面特性のない領域を暴露するステップの後に、下層の上に上層を取り付けるステップが続き、その取り付けステップは、好ましくは接着によって行われる。それにより、マイクロ流体デバイスは実質的に最終化され、先に言及した方法ステップは、好ましくは述べられた順序で実行される。マイクロ流体デバイスを製造する進歩的な方法、特にコーティングステップを用いると、下層の特定部分の親水性コーティングと、そのような親水性コーティングのない下層の残りの部分との間に遷移ラインまたは遷移領域を提供することが可能になる。ここで、進歩的な方法の好ましいさらなる発展形態によれば、親水性コーティングのないいずれの表面領域も、マイクロ流体デバイスの構造的特徴部に関して上述したように、物質特性か、疎水性コーティングかのいずれかによって疎水性表面を提供する。それにより、親水性コーティングと、隣接する非親水性領域との間の遷移が強化または補強される。したがって、遷移領域によって実現されるプリシュータ止めの改善されたブレーキ効果を強化することができる。さらに好ましくは、いかなるサンプル液体もマイクロ流体デバイスの廃棄領域に流入しないようにすることを可能にするために、親水性コーティングがなく、かつ、少なくとも中央部分と出口部分との間に設けられた表面領域が、プリシュータ止めを提供するための遷移領域を構成する。マイクロ流体デバイスのそのような進歩的な流れ止め特徴部を用いると、サンプル液体の損失を少なくとも１０％未満まで減少させることができ、最善の場合にはサンプル液体の損失を完全になくすことができる。

概括すると、本発明は、親水性領域と疎水性領域との間の遷移領域によって少なくとも１つのプリシュータ止めを提供するという特定の進歩的なアイデアを対象としており、それは、ウェルと横方向流路壁との間でプリシュータの前進に対抗する、または少なくともそれを妨害することが可能にし、その結果、早くに発生する流れ出るサンプル液体の廃棄を回避することができる。

本明細書に記述される特定の方法論および試薬は変わり得るので、本発明はそれらの方法論および試薬には限定されない。本明細書に記述される方法および物質に類似した、またはそれらと同等のあらゆる方法および物質を、本発明を実施する際に使用することができるが、本明細書には、好ましい方法および好ましい物質が記述されている。さらに、本明細書において使用される用語は、特定の実施形態を記述するためだけのものであり、本発明の範囲を限定することは意図されていない。

本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される単数形「a」、「an」、および「the」は、文脈により明らかにそうでないことが示されないかぎり、複数への参照を含む。同様に、「備える（comprise）」、「含む（contain）」、および「包含する（encompass）」という単語は、排他的ではなく包括的（非排他的）に解釈されるべきである。同様に、「または」という単語は、文脈により明らかにそうでないことが示されないかぎり、「および」を含むことが意図される。「複数の（plurality）」、「複数の（multiple）」、または「多くの（multitude）」という用語は、２以上、すなわち２または＞２（整数倍）を指す。さらに、「少なくとも１つ」という用語は、１つまたは複数、すなわち１または＞１（同じく整数倍）と理解されるべきである。

好ましくは本発明によって実現されるｄＰＣＲ消耗品であるマイクロ流体デバイスは、好ましい実施形態において、射出成形された環状オレフィンポリマー（ＣＯＰ）から作られた主要部分を備え、その主要部分は、閉じたマイクロ流路デバイスを生成するようにＣＯＰフォイルによって覆われたマイクロ流路構造を備えている。ここで、マイクロ流路は基本的に、非構造化入口部分と、構造化中央部分（関心領域であり、構造体はマイクロウェルである）と、構造化出口部分、すなわち廃棄領域とから構成される。消耗品内の入口部分と関心領域だけが親水性コーティングでコーティングされ、消耗品の残りの部分はコーティングされていない、すなわち親水性が低いので、簡単なやり方でプリシュータ止めが実現され得る。ここで、好ましい実施形態によれば、親水性コーティングは、ｅビームコーティングとも呼ばれる電子ビームコーティングによって堆積させた厚さ約４０ｎｍのＳｉＯ_２層から成る。消耗品の所望の領域をコーティング分子から選択的に保護するマスクを使用することによって、有利な選択的コーティングが実現される。したがって、水溶液の形態のサンプル液体で進歩的なマイクロ流体デバイスを充填するプロセス中に、ウェルは充填されるが、プリシュータは、コーティング表面から非コーティング表面への遷移部、この遷移部では非コーティング構造が流れ止めまたはプリシュータ止めとして機能する、において止められるまで構造化領域の側部を流れるだけであることを実現することができる。その後の、分離流体がサンプル液体を流路に沿って押し出す分離プロセス中には、残りのマイクロウェルが充填され、プリシュータ止めは、やはり水溶液が廃棄領域に流れ込むのを防止する。進歩的なマイクロ流体デバイスのこのプリシュータ止め特徴部を用いると、水溶液の損失を、知られているマイクロ流体デバイスで生じる約５０％から、１０％未満まで減少させることができる。

以下の例は、本発明の様々な好ましい実施形態を示すことが意図されている。したがって、以下で検討される特定の修正形態は、本発明の範囲を制限するものとはみなされない。本発明の範囲から逸脱することなく、様々な等価物、変更形態、および修正形態が作られ得ることは当業者には明らかであり、したがって、そのような等価の実施形態は本明細書に含まれるべきであることが理解されるべきである。

本発明のさらなる態様および利点は、図に示される特定の実施形態の以下の記述から明らかになろう。

本発明の第１の好ましい実施形態によるマイクロ流体デバイスの概略分解図である。 図２Ａは、コーティング用のマスクによって覆われた、図１のマイクロ流体デバイスの下層の概略図である。図２Ｂは、コーティング後、マスクが取り除かれた後の、図２Ａのマイクロ流体デバイスの下層の概略図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の第１の好ましい実施形態のマイクロ流体デバイスの下層の流路内側で液体が進む様子を２つの連続した段階で示したものであり、流路の両側の内壁上のプリシュータ止めが、プリシュータの前進を遅らせている様子を示す概略図である。 図４Ａは、コーティングのための代替的なマスクによって覆われた、図１のマイクロ流体デバイスの下層の概略図である。図４Ｂは、コーティング後に代替的なマスクを取り除いた後の、図４Ａのマイクロ流体デバイスの下層の概略図である。 図５Ａは、コーティングのためのさらなる代替的なマスクによって覆われた、図１のマイクロ流体デバイスの下層の概略図である。図５Ｂは、コーティング後にさらなる代替的なマスクを取り除いた後の、図５Ａのマイクロ流体デバイスの下層の概略図である。 図６Ａは、マイクロ流体デバイスの下層の流路内側で液体が進んでいる間にプリシュータが発生している様子を示す概略図である。図６Ｂは、マイクロ流体デバイスの下層の流路内側で実験的に液体が進んでいる間にプリシュータが発生している様子を示す写真画像である。

図１では、マイクロ流体デバイス１が分解図で示されており、下部構成要素すなわち下層２、および平坦なフォイルの形態の上部構成要素すなわち上層３が、互いに分離して示されている。下層２には、その上面に凹部が設けられており、その凹部が流路２１を構成する。ここで流路２１は、両方の長手方向側部が狭くなった横長形状を呈しており、それにより、流路２１は、下層２を貫通した貫通孔の形態の入口開口２２と、同じく下層２を貫通した貫通孔の形態の出口開口２３とをつないでいる。概して、流路２１は異なる部分に区分化または分割されており、入口開口２２を備える入口部分２１１から始まり、流路２１の表面にあるへこみの形態の、すなわち底が閉じているマイクロウェル２４を備える中央部分２１３へ進み、出口開口２３およびさらなるマイクロウェル２４を備える出口部分２１２で終わる。本実施形態では、中央部分２１３および出口部分２１２にマイクロウェル２４が設けられているので、中央部分２１３および出口部分２１２の両方が、構造化されたまたはマイクロ構造化された領域を構成し、マイクロウェル２４はその構造体またはマイクロ構造体である。ここで、中央部分２１３と出口部分２１２の間に遷移領域２１４が画定され、その遷移領域２１４は、親水性表面特性を呈する表面と、疎水性表面特性を呈する表面との間で遷移する、または移り変わる領域を構成し、このことが、さらなる図面を参照して以下でさらに説明される。

それに応じて、図２Ａおよび図２Ｂでは、下層２をコーティングするためのコーティングプロセスが示されており、図２Ａはマスク４が上に設けられた下層２を示し、マスク４は打抜きまたは貫通孔４１を備え、その打抜きまたは貫通孔４１は、基本的には出口部分２１２以外の下層２の流路２１の形状をなぞっている。ここで、出口部分２１２は、マスク４の閉じた部分４２によって覆われ、それにより入口部分２１１および中央部分２１３だけが露出される。ここで、好ましくは電子ビームコーティングを用いてＳｉＯ_２コーティングなどの親水性コーティング５で下層２をコーティングするとき、 露出部分２１１、２１３だけが親水性コーティング５でコーティングされ、このことはコーティングが実施されマスク４が取り除かれた後の下層２が示されている図２Ｂからわかる。図２Ｂでは、入口部分２１１および中央部分２１４が親水性コーティング５によって覆われ、出口部分２１２はコーティングされておらず、すなわち非コーティング領域６と一致することがわかる。したがって、ここで、コーティング領域５と非コーティング領域６との間、すなわちコーティングされた中央部分２１３とコーティングされていない出口部分２１２との間の遷移ラインにおいて、遷移領域２１４が確立される。図２Ｂでは、コーティング領域５と非コーティング領域６との間の遷移領域２１４が拡大詳細図にも描かれており、その詳細図では、わかりやすくするために遷移ラインが破線で印付けされている。

図２Ｂを参照しながら示され記述された、選択的にコーティングされた下層２を備えるマイクロ流体デバイス１では、遷移領域２１４がプリシュータ止めとして提供される。ここで、図６Ａおよび図６Ｂから知られるように、流体９を図３Ａおよび図３Ｂに描かれるように選択的にコーティングされた流路２１を通って流動させるとき、通常サンプル液体の形態である流体９は、流路２１の横方向側部の縁部をより早く前進するプリシュータ９１とともに、流路２１を通って前進する。しかし、ここでプリシュータ９１が、遷移領域２１４の形態の流れ止めにおいて遅延させられ、または妨害され、したがって流体９の残りの部分、すなわち流体９の大部分が追いつき、これは、プリシュータ９１の幅が広がっていき、流体９のくぼんだ前部９２が進んでいき、その結果いずれかの地点で流体９の前部が出口開口２３に向かって好ましくは均一に進んで行くことを意味する。流体９は、サンプル液体のみであってもよく、または一部がサンプル液体で、一部がサンプル液体を前に押し出す分離流体であってもよいことに留意されたい。

図４Ａでは、図２Ａと類似の構成が示される。しかし、ここでは代替的なマスク４’が使用される。したがって、下層２をコーティングするためのコーティングプロセスが示され、図４Ａは、マスク４’が上に設けられた下層２を示し、マスク４’は打抜きまたは貫通孔４１’を備え、その打抜きまたは貫通孔４１’は、基本的には出口部分２１２以外の下層２の流路２１の形状をなぞっている。ここで、出口部分２１２は、基本的にマスク４’の実質的に閉じた部分４２’によって覆われ、実質的に閉じた部分４２’には、より小さい打抜きまたは貫通孔４３’が設けられ、打抜き４１’とより小さい打抜き４３’との間にブリッジ４４’が残されており、それにより、入口部分２１１および中央部分２１３だけが露出されるのではなく、出口部分２１２の一部も露出される。ここで、好ましくは電子ビームコーティングを用いてＳｉＯ_２コーティングなどの親水性コーティング５で下層２をコーティングするとき、露出部分２１１、２１３だけが親水性コーティング５でコーティングされるのではなく、出口部分２１２の露出部分も親水性コーティング５でコーティングされ、その露出部分はより小さい打抜き４３’の下に配置されていた部分であり、このことは、コーティングが実施されマスク４’が取り除かれた後の下層２が示されている図４Ｂからわかる。図４Ｂでは、入口部分２１１および中央部分２１４、ならびに出口部分２１２の露出された部分が親水性コーティング５によって覆われ、出口部分２１２の露出されていない部分、すなわち覆われていた部分はコーティングされておらず、すなわち非コーティング領域６と一致することがわかる。したがって、ここで、コーティング領域５と非コーティング領域６との間、すなわちコーティングされた中央部分２１３と出口部分２１２のコーティングされていない部分との間の遷移ラインにおいて、遷移領域２１４が確立される。

図５Ａでは、図２Ａと類似の構成が示される。しかし、ここではさらなる代替的なマスク４”が使用される。したがって、図５Ａおよび図５Ｂでは、下層２をコーティングするためのコーティングプロセスが示され、図５Ａは、マスク４”が上に設けられた下層２を示し、マスク４”は打抜きまたは貫通孔４１”を備え、その打抜きまたは貫通孔４１”は、基本的には出口部分２１２以外の下層２の流路２１の形状をなぞっている。ここで、出口部分２１２は、マスク４”の閉じた部分４２”によって覆われ、それにより入口部分２１１および中央部分２１３だけが露出される。また、マスク４”の閉じた部分４２”から打抜き４１”内に延びるブームまたはフィンガ４２１”もマスク４”に設けられる。ここで、好ましくは電子ビームコーティングを用いてＳｉＯ_２コーティングなどの親水性コーティング５で下層２をコーティングするとき、フィンガ４２１”によって覆われている領域を除く露出部分２１１、２１３だけが親水性コーティング５でコーティングされ、このことはコーティングが実施されマスク４”が取り除かれた後の下層２が示されている図５Ｂからわかる。図５Ｂでは、入口部分２１１、および中央部分２１３の大部分が親水性コーティング５によって覆われ、出口部分２１２、および指部４２１”によって覆われていた中央部分２１４の一部分はコーティングされておらず、すなわち非コーティング領域６、および中央部分２１３のコーティング部分内に突出する非コーティングノーズ６１と一致することがわかる。したがってここで、コーティング領域５と、非コーティング領域６および非コーティングノーズ６１との間、すなわち中央部分２１３のコーティング部分と、中央部分２１３の非コーティング部分および非コーティング出口部分２１２との間の遷移ラインにおいて、遷移領域２１４が確立される。ここで、中央部分２１３の親水性部分内に延びるそのような疎水性のノーズ６１は、マイクロウェル２４と流路の内面壁との間の中央部分２１３の各側部の流路２１を押し流される別々に前進するプリシュータ９１の合流を防止することができ、その合流は、プリシュータ９１が中央部分の両側の横方向側部で発生し、プリシュータ止めとして機能する遷移領域２１４によって止められ、したがって両側の側部に溜まり、その後互いに接触して合わさる場合に発生する可能性がある。

本発明は、その好ましい実施形態に関して記述されてきたが、この記述は例証のみを目的としていることが理解されるべきである。したがって、本発明は、添付の請求項の範囲によってのみ限定されることが意図される。

Claims (18)

1. マイクロ流体デバイス（１）であって、
   入口開口（２２）と出口開口（２３）をつなぐ少なくとも１つの流路（２１）と、
   前記流路（２１）と流体連通しているウェル（２４）のアレイと、
   を備え、
   前記流路（２１）が、入口部分（２１１）を前記入口開口（２２）において、出口部分（２１２）を前記出口開口（２３）において、そして、中央部分（２１３）を前記入口部分（２１１）と前記出口部分（２１２）との間に備え、少なくとも前記中央部分（２１３）が前記ウェル（２４）のアレイを備え、かつ、親水性表面が設けられており、
   前記流路（２１）がさらに、少なくとも前記中央部分（２１３）と前記出口部分（２１２）との間に設けられた遷移領域（２１４）を備え、前記遷移領域（２１４）は疎水性表面を設けることによって構成される、
   マイクロ流体デバイス（１）。
2. 前記遷移領域（２１４）が、前記入口開口（２２）から前記出口開口（２３）に向かって前記流路（２１）を通って流動する任意の流体（９）に対してプリシュータ止めを構成する、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス（１）。
3. 前記遷移領域（２１４）が、前記中央部分（２１３）内に延びる、好ましくは棒またはノーズ（６１）の形態の延長部（６１）を備える、請求項１または２に記載のマイクロ流体デバイス（１）。
4. 前記出口部分（２１２）がウェル（２２）を備え、任意選択で前記親水性表面が設けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス（１）。
5. 前記入口部分（２１１）にも前記親水性表面が設けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス（１）。
6. 前記疎水性表面が、物質特性によって、または疎水性コーティングによって提供される、請求項１から５のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス（１）。
7. 前記親水性表面が、親水性コーティング（５）によって提供される、請求項１から６のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス（１）。
8. 前記親水性コーティング（５）が＜３０°、好ましくは＜２０°、さらに好ましくは＜１０°の接触角度を有する、請求項７に記載のマイクロ流体デバイス（１）。
9. 前記親水性コーティング（５）がＳｉＯ_２コーティング（５）から構成され、好ましくは電子ビームコーティングまたはスパッタリングによって塗布される、請求項７または８に記載のマイクロ流体デバイス（１）。
10. 前記マイクロ流体デバイス（１）が消耗品であり、好ましくは疎水性物質、さらに好ましくは環状オレフィンコポリマーＣＯＣまたは環状オレフィンポリマーＣＯＰから構成される、請求項１から９のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス（１）。
11. 前記遷移領域（２１４）が、１つのウェル開口のサイズよりも大きく、好ましくは３つのウェル開口のサイズよりも小さい幅、さらに好ましくは６０μｍ≦ｗ≦３３０μｍの幅ｗを有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス（１）。
12. 少なくとも上層（３）および下層（２）であって、前記入口開口および出口開口（２２、２３）ならびに前記下層（２）の表面の前記ウェル（２４）のアレイを有する前記流路（２１）を前記下層（２）が提供し、前記上層（３）が、前記下層（２）の前記表面を覆う平坦な構成要素によって構成される、上層（３）および下層（２）、または、
    少なくとも上層および下層であって、前記上層が、前記入口開口および出口開口を有する前記流路を提供し、前記下層が、前記下層の表面の前記ウェルのアレイを提供する、上層および下層、
    のいずれかによって構造化される、請求項１から１１のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス（１）。
13. 前記流路（２１）によって前記ウェル（２４）のそれぞれにサンプル液体（９）の形態で提供されるサンプルの（ｄ）ＰＣＲまたは生化学アッセイのために使用される、請求項１から１２のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス（１）。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス（１）を製造するための方法であって、方法は少なくとも以下のステップ、すなわち、
    前記入口開口および出口開口（２２、２３）、ならびに前記ウェル（２４）のアレイを有する前記流路（２１）を提供する下層（２）を成形し、それにより前記下層（２）の構造化表面を構成し、かつ、平坦な構成要素の形態である上層（３）を提供するステップ、または、前記入口開口および出口開口を有する前記流路を提供する上層を成形し、前記ウェルのアレイを提供する下層を成形し、それにより前記下層の構造化表面を構成するステップと、
    前記下層（２）の前記構造化表面上にマスク（４、４’、４”）を配置するステップと、
    前記マスク（４、４’、４”）によって覆われていない前記下層（２）の前記構造化表面上に親水性コーティング（５）を提供するステップと、
    前記下層（２）から前記マスク（４、４’、４”）を取り除くステップと、
    前記下層（２）上に前記上層（３）を、好ましくは接着によって、取り付けるステップと、
    を備え、
    前記マスク（４、４’、４”）によって覆われた前記下層（２）のいずれの表面領域も前記親水性コーティング（５）を欠く、
    マイクロ流体デバイス（１）を製造するための方法。
15. 前記親水性コーティング（５）を欠く任意の表面領域が、物質特性か疎水性コーティングかのいずれかによって疎水性表面を提供する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記親水性コーティング（５）のない、少なくとも前記中央部分（２１３）と前記出口部分（２１２）との間に提供された表面領域が、プリシュータ止めを提供するための遷移領域（２１４）を構成する、請求項１４または１５に記載の方法。
17. 前記成形するステップが、射出成形プロセスまたは射出エンボス加工プロセスである、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 任意のコーティングが、電子ビームコーティングまたはスパッタリングによって提供される、請求項１４から１７のいずれか一項に記載の方法。