JP2018505403A - スペーサによって分離された液体体積の配列を処理するためのマイクロ流体プローブ・ヘッド - Google Patents

スペーサによって分離された液体体積の配列を処理するためのマイクロ流体プローブ・ヘッド Download PDF

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Abstract

【課題】スペーサによって分離された個別液体体積の配列を処理するためのマイクロ流体プローブ・ヘッドを提供する。【解決手段】マイクロ流体プローブ・ヘッドは、流入口および流出口と、第１の流路および第２の流路と、第１の流路と第２の流路とを互いに接続する流体バイパスとを含み、第１の流路は、個別液体体積の配列を流入口から付着領域に向けて給送するように構成され、流体バイパスは、第１の流路からスペーサを除去することによってスペーサのない個別液体体積の自由配列が得られるように、第１の流路と第２の流路とを接続し、第１の流路は、個別液体体積の自由配列を付着領域に給送するように構成され、第２の流路は、除去されたスペーサを流体バイパスから流出口に給送するように構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ流体プローブ・ヘッドと、そのマイクロ流体プローブを含むマイクロ流体プローブと、スペーサによって分離された個別液体体積の配列を処理する方法とに関する。
マイクロ流体工学は、典型的には、マイクロメートル長スケールの流路と典型的にはミリメートル以下の範囲の体積とに制約された流体の微小体積の振る舞いと精密制御と操作とを扱う。ここでは、流体とは液体を指し、この２つの用語は本明細書の以下の説明では同義で使用される場合がある。特に、マイクロ流体工学における液体の典型的な体積は、１０−１５Ｌないし１０−５Ｌの範囲であり、１０−７ｍないし１０−４ｍの典型的直径を有する微小流路を介して輸送される。
マイクロスケールでは、液体の振る舞いは、より大きいスケール、すなわちマイクロスコピック・スケールの液体の振る舞いとは異なり、特に、表面張力、粘性エネルギー散逸および流体抵抗が流動の支配的な特性となる。例えば、流体の運動量の効果と粘性効果とを比較するレイノルズ数は、流体の流動作用が乱流ではなく層流になるほどまでに減少し得る。
さらに、低レイノルズ数流動においては乱流が存在しないため、マイクロスケールの液体は、従来のカオス的な意味では必ずしも混合せず、拡散により隣接する液体間の分子または小粒子の界面輸送がしばしば発生する。その結果、濃度、ｐＨ、温度、剪断力など、液体の特定の化学特性および物理特性が決定的となる。これにより、一段階反応および多段階反応において、より一様な化学反応条件と、より高品位な生成物とが与えられる。
マイクロ流体プローブは、液体、特に化学物質または生化学物質あるいはその両方を含む液体の付着、抽出、輸送、供給または除去あるいはこれらの組合せのためのデバイス、特に微細加工走査デバイスである。例えば、マイクロ流体プローブは、診断医学、病理学、薬理学の分野、および様々な分析化学の部門で使用することができる。ここでは、マイクロ流体プローブを、酵素的分析、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）分析およびプロテオミクスの分子生物学手法を実行するために使用することができる。
化学プロセスおよび生化学プロセスの多くは、異なる温度、異なる濃度または異なる期間あるいはこれらの組合せを含む様々な条件下で、特に（生）化学物質、溶媒、および緩衝剤を含む異なる液体に標的表面を暴露することを含む、順次に実行される複数のステップを必要とする。
したがって、マイクロ流体プローブは、順次的な液体間で混合が少ないかまたはまったくない状態で表面に小体積単位の液体の配列を供給することを可能にする必要がある。液体の輸送時、毛細管またはマイクロ流体流路内の液体のこれらの順次的な各部分は、しばしば「プラグ」と称される。一般に、マイクロ流体毛細管および流路においては、（テイラー）分散による異なる液体を含む後続のプラグ間の混合によって、これらの後続プラグ間の濃度勾配が減少する。小体積プラグの配列を表面に給送するためには、マイクロ流体プローブは、小体積プラグの配列を形成する異なる液体間で迅速に切り換えを行うことができる必要がある。その一方で、後続のプラグが互いに混じり合うのを防止するために、表面への供給時におけるプラグの分散を制限する必要がある。
表面上に生体分子の連続パターンおよび不連続パターンをパターニングすることや、表面上でレジスト材料を加工するのに適したマイクロ流体プローブ・ヘッドが知られている。しかし、標的表面に順次に供給される液体は、移流効果と拡散効果とにより、互いに混じり合う傾向がある。その結果、表面に供給されるプラグの配列は、表面に達する時点までにはプラグの配列が生成される時点直後の初期状態と比較して溶質濃度または粒子濃度、粘度およびプラグ体積が同じでなくなることがある。
順次に供給される液体が互いに混じり合うのを防止する一手法は、異なる連続相液体を含む順次的プラグ間に、非混和相流体のスペーサを挿入することによって行われる。例えば、順次的プラグは水性の場合があり、非混和相スペーサは油または気体によって構成される。非混和相スペーサは、順次的プラグ間の溶質または粒子あるいはその両方の拡散を防止する。「The chemistrode: A droplet-basedmicrofluidic device for stimulation and recording with high temporal, spatial,and chemical resolution」、D. Chen et al., PNAS,2008(105), 16843-16848は、標的表面に、不混和相のセグメントによって分離された水性刺激プラグを供給し、反応プラグを取り出すツールを開示している。しかし、このツールと不混和相スペーサは、標的表面と直接接触する。
The chemistrode:A droplet-based microfluidic device for stimulation and recording with hightemporal, spatial, and chemical resolution」、D. Chen etal., PNAS, 2008(105), 16843-16848
多くの従来技術の解決策の欠点は、特に流体力学的流動閉じ込めを使用しようとする場合に、湿潤環境において行われる局所化学に適用することができないことである。したがって、液体が拡散するため、このデバイスおよび方法を使用して液滴の付着を局限することができない。
第１の態様によると、本発明は、スペーサによって分離された個別液体体積の配列を処理するためのマイクロ流体プローブ・ヘッドとして具現化可能である。マイクロ流体プローブ・ヘッドは、流入口と、流出口と、第１の流路と、第２の流路と、流体バイパスとを含む。流体バイパスは、第１の流路と第２の流路とを互いに接続する。第１の流路は、個別液体体積の配列を流入口から付着領域に向かって給送するように構成される。流体バイパスは、スペーサを第１の流路から除去することによってスペーサのない個別液体体積の自由配列が得られるように第１の流路と第２の流路とを接続する。第１の流路は、この個別液体体積の自由配列を付着領域に給送するように構成される。第２の流路は、除去されたスペーサを流体バイパスから流出口に給送するように構成される。
第２の態様によると、本発明は、スペーサによって分離された個別液体体積の配列を処理するためのマイクロ流体プローブとして具現化可能である。マイクロ流体プローブは、上述のマイクロ流体プローブ・ヘッドと、マイクロ流体プローブの流入口に流体接続可能な複数の給液部と、マイクロ流体プローブの流入口を複数の給液部の１つに選択的に流体接続するための制御部とを含む。
第３の態様によると、本発明は、スペーサによって分離された個別液体体積の配列を処理する方法として具現化可能である。この方法は、個別液体体積の配列を第１の流路を介して液体流入口から付着領域に向けて給送することと、個別液体体積を互いに分離するスペーサを、第1の流路と第2の流路とを接続する流体バイパスを介して第１の流路から除去することによってスペーサのない個別液体体積の自由配列を得ることと、個別液体体積の自由配列を付着領域に供給することと、除去されたスペーサを第２の流路を介して流体バイパスから流出口に給送することとを含む。
マイクロ流体プローブ・ヘッドを含む、流体力学的流動閉じ込めを使用して連続的化学法を行うためのマイクロ流体プローブを斜視図である。 図１のマイクロ流体プローブ・ヘッドの第１の実施形態の断面部分図である。 図１のマイクロ流体プローブ・ヘッドと流体接続箇所の第１の実施形態の全体図である。 図２のマイクロ流体プローブ・ヘッドの後続動作ステップを示す図である。 図１のマイクロ流体プローブ・ヘッドと流体接続箇所の第２の実施形態の全体図を示す図である。 図５の拡大詳細部ＶＩを示す図である。 他の実施形態によるマイクロ流体プローブ・ヘッドの一部を図３または図６の拡大図ＶＩＩで示す図である。 他の実施形態によるマイクロ流体プローブ・ヘッドの一部を図３または図６の拡大図ＶＩＩＩで示す図である。 他の実施形態によるマイクロ流体プローブ・ヘッドの一部を図３または図６の拡大図ＩＸで示す図である。
特に記載のない限り、図中、同様または機能的に同様の要素には同一の参照符号が付されている。
図１に、流体力学流動閉じ込めを使用した連続的化学法を実行するためのマイクロ流体プローブ１の概略斜視図を示す。
マイクロ流体プローブ１は、ロボット・アーム３に取り付けられたマイクロ流体プローブ・ヘッド２を含む。ロボット・アーム３は、マイクロ流体プローブ・ヘッド２を特定の位置、特に付着領域４ａないし４ｇのそれぞれの上方に位置決めするように構成されている。マイクロ流体プローブ１は、任意の三次元の動きを行うように、さらにｘ、ｙおよびｚ位置決めステージを組み込むことが好ましい。特に、マイクロ流体プローブ１は、連続的化学法を実行するように構成される。
マイクロ流体プローブ・ヘッド２は、給液部５ａないし５ｃと、スペーサ供給部６と、廃棄部７とに流体接続される。給液部５ａないし５ｃは、マイクロ流体プローブ・ヘッド２に異なる液体、特に、生化学物質を含む液体を供給する。スペーサ供給部６は、マイクロ流体プローブ・ヘッド２に油を供給する。廃棄部７は、マイクロ流体プローブ・ヘッド２から廃液を回収する。
図２に、流体流動と流体力学的流動閉じ込めの形成とを示す、マイクロ流体プローブ・ヘッド２の第１の実施形態の部分図を示す。
一般に、流体力学的流動閉じ込め（Hydrodynamic flow confinement：ＨＦＣ）は、注入液体の層流が、バックグラウンド液体を含む液体槽内に空間的に閉じ込められる現象に関する。以下で詳述するように、本発明の各実施形態は流体力学流動閉じ込めに、都合よく依存する。例示のためであるが、本明細書に記載の各実施形態は主として流体力学的流動閉じ込めを前提とする。例えば、図２の実施形態では、注入微小流路が注入液を注入流量で液体槽内に注入し、吸引微小流路が吸引流量で注入液とバックグラウンド液体の一部とを吸引する。吸引流量を注入流量よりも高く維持することにより、注入路から吸引路への注入液の層流が形成され、周囲の液体槽内の体積内に閉じ込められる。
図２の実施形態では、付着領域４ａないし４ｃは、付着領域４ａないし４ｃが浸液１０で覆われるように、少なくとも部分的に浸液１０で満たされたペトリ皿９などの底面８上に配置されている。例えば、付着領域４ａないし４ｃは、細胞や組織などの生物および生化学物質、またはウィルスもしくはバクテリアあるいはその両方の感染もしくはアレルギーを検出するデバイス（例えばチップ）、あるいはその両方を含み得る。
マイクロ流体プローブ・ヘッド２は、端面１２を有する本体１１を含む。本体１１には、第１の流路１３と第２の流路１４とが形成されている。端面１２には、第１の開口１５と第２の開口１６とが形成されている。第１および第２の開口１５、１６は、第１および第２の流路１３、１４にそれぞれ流体接続されている。例えば、第１と第２の開口１５、１６間の距離Ｔ１は、２．０ｍｍ未満、好ましくは１．５ｍｍ未満、より好ましくは１．０ｍｍ未満である。
マイクロ流体プローブ・ヘッド２の本体１１は、筐体または支持体の役割を果たす。本体１１に組み込まれたすべての要素、部分またはデバイスあるいはこれらの組合せは、（例えばリソグラフィを使用して）オンチップで製造されてもよく、本体１１とともに移動可能である。
本体１１内部には流体バイパス１７が配置されている。流体バイパス１７は、第１の流路１３と第２の流路１４とを接続するように、第１のバイパス合流部１８で第１の流路１３と流体接続され、第２のバイパス合流部１９で第２の流路１４と流体接続されている。
マイクロ流体プローブ・ヘッド２は、図２の付着領域４ｂの上方に位置決めされる。マイクロ流体プローブ・ヘッド２の端面１２は、端面１２と付着領域４ｂとの間の距離が１ないし１００μｍ、好ましくは１．５ないし９０μｍ、より好ましくは２ないし８０μｍとなるように、付着領域４ｂから離間している。この距離で、端面１２は付着領域４ａないし４ｃを覆う浸液１０に浸漬される。スペーサ２０によって分離された液体体積２３ａ、２３ｂを含む個別液体体積の配列が、第１の流路１３を介して第１のバイパス合流部１８に給送され、そこでブロッキング要素２１がスペーサ２０を流体バイパス１７内に方向変更させる。
スペーサ２０、特に油相を含むスペーサが付着領域４ａないし４ｃと接触した場合、付着領域４ａないし４ｃの表面特性が変化する可能性があり、付着領域４ａないし４ｃが汚染される可能性があり、流体力学的流動閉じ込めの安定性が破壊され、それによって必要な付着領域４ａないし４ｃにおける液体体積の付着が妨げられる可能性がある。特に、付着領域４ａないし４ｃ上のタンパク質などの生化学物質、細胞、生物組織が、スペーサ２０と接触することによって変性または損傷あるいはその両方を受ける可能性がある。一方、脂質、治療用分子、ホルモン、無極性色素またはトレーサなどの親油性検体は、スペーサ２０によって運び去られる可能性がある。また、第１の開口１５を介してスペーサ２０が排出される場合、スペーサ２０が下の物体に剪断応力を加える可能性があり、それによってそれらの物体に損傷または、ずれ、あるいはその両方を起こす可能性がある。
液体体積の配列のうちの液体体積２３ａ、２３ｂを分離するスペーサ２０を第１の流路１３から除去することによって、スペーサ２０が付着領域４ａないし４ｃに達するのが防止される一方、スペーサ２０が除去された状態の個別液体体積の配列である個別液体体積の自由配列が第１の開口１５に向けて給送される。動作時、閉じ込め体積２２のみ、したがって個別液体体積の自由配列の層流Ｃのみが、付着領域４ａないし４ｃに接触する。
個別液体体積の自由配列は、第１の流量Ｑ１で第１の開口１５を通って浸液１０中に排出する。同時に、浸液１０の一部と、浸液１０中に排出された個別液体体積の自由配列とが、第２の開口１６を通って第２の流路１４内に第２の流量Ｑ２で吸引される。例えば、第１および第２の流量Ｑ１、Ｑ２は、対応するポンプ（図示せず）を使用して生じさせることができる。
第２の流量Ｑ２が第１の流量Ｑ１を上回り、第１の流量Ｑ１に対する第２の流量Ｑ２の比が、例えば１．２ないし１０（ただし、好ましくは１．５ないし６、より好ましくは２ないし４）である場合、第１の開口１５から第２の開口１６への層流Ｃを得ることができる。このような層流を実現することによって、流体力学的流動閉じ込めが可能になり、すなわち、層流Ｃは浸液１０によって、第１の開口１５の下から第２の開口１６の下まで延びる閉じ込め体積２２内に流体力学的に閉じ込められる。閉じ込め体積２２の大きさと層流Ｃの形状とは、第１の流量Ｑ１、第２の流量Ｑ２、第１の流量Ｑ１に対する第２の流量Ｑ２の比、第１の開口と第２の開口との間の距離、または端面１２とそれぞれの標的領域４ａないし４ｃとの間の距離あるいはこれらの組合せによって規定されるが、これらには限定されない。例えば、第１の流量Ｑ１は、１．０ｆＬ／ｓないし１．０ｍＬ／ｓ、好ましくは１．０ｐＬ／ｓないし１００ｎＬ／ｓ、より好ましくは１．０ないし５０ｎＬ／ｓとすることができ、第２の流量Ｑ２は、０．２ｆＬ／ｓないし４．０ｍＬ／ｓ、好ましくは２．０ｐＬ／ｓないし４００ｎＬ／ｓ、より好ましくは２．０ないし２００ｎＬ／ｓとすることができる。
第１の液体体積２３ａを付着領域４ｂに付着させるために、マイクロ流体プローブ・ヘッド２は閉じ込め体積２２が付着領域４ｂに接触するように位置決めされる。液体体積２３ａの一部または液体体積２３ａ内で担持される物質あるいはその両方は、付着領域４ｂに付着するか、または付着領域４ｂの上部にある物質と反応するか、あるいはその両方を起こし得る。液体体積２３ａの残りの部分は、層流Ｃとともに移動し、第２の開口１６を通って第２の流路１４内に吸引される。
第１の液体体積２３ａの付着後、マイクロ流体プローブ・ヘッド２は、第２の液体体積２３ｂを付着させるために次の付着領域４ｃの上方に位置決めすることができる。マイクロ流体プローブ・ヘッド２をそれぞれの付着領域の上方に位置決めし、その上に液体体積を付着させるステップは、必要な回数だけ繰り返すことができる。
図３に、図１のマイクロ流体プローブ・ヘッド２および流体接続箇所の第１の実施形態の概略断面図を示す。
マイクロ流体プローブ・ヘッド２の本体１１の外部に給液部５ａないし５ｃが配置されている。バルブ装置２４が、給液部５ａないし５ｃと流入口２５とを流体接続する。給液部５ａないし５ｃは、異なる液体を含む。給液部５ａないし５ｃは、単一の液体、乳剤、懸濁液、または、同相の他の混合物、または例えば固体−液体、液体−気体または液体−液体の混合物などの異相の他の混合物、あるいはこれらの組合せを含んでもよい。特に、給液部５ａないし５ｃのうちの少なくとも１つは、生化学物質を含む液体を含んでもよい。特に、給液部５ａないし５ｃのうちの少なくとも１つは、（生）化学分析で使用される液体またはその分野に精通している者によってそのように判定され得る液体、例えば任意の有機流体または無機流体あるいはその両方、または生命体に関連する物質あるいはこれらの組合せを含み得る。したがって、給液部５ａないし５ｃは、マイクロ流体プローブ・ヘッド２に、例えば細胞、タンパク質、ＤＮＡ、薬剤、抗体、化学刺激物、または化学反応物あるいはこれらの組合せなどの、生物学的物質を含む１つまたは複数の液体を供給することができる。給液部５ａないし５ｃによって供給される液体は、例えばその中に含まれる１つまたは複数の物質の化学組成または濃度が異なっていてもよい。給液部５ａないし５ｃは、バルブ装置２４に液体を供給する。
バルブ装置２４は、第１の流路１３に流体接続され、給液部５ａないし５ｃから受け取った液体を第１の流路１３内に供給することができる。特に、バルブ装置２４は、給液部５ａないし５ｃからの液体のうちの１つの液体を特定の量だけ第１の流路１３に選択的に供給するように構成される。マイクロ流体プローブ・ヘッド２の本体１１内部に流入口制御部２６が配置され、これは、バルブ装置２４を制御することによって給液部５ａないし５ｃの１つに流入口２５を選択的に流体接続するように構成されている。この目的のため、バルブ装置２４は、給液部５ａないし５ｃから液体体積を流入口２５を介して第１の流路１３に連続的または交互に、あるいはその両方で供給し、それによって個別液体体積の自由配列を形成するように動作可能である。各個別液体体積の量と、個別液体体積の順序とは、流入口制御部２６を使用して指定可能である。例えば、付着領域４ａないし４ｇからの蛍光読み出し（対応するセンサは図示せず）を解釈して、特定の化学物質への暴露時間を制御することができる。所望の暴露時間に達した後は、バルブ装置２４を使用して給液部５ａないし５ｃが切り換えられる。
あるいは、１つの給液部５ａのみをマイクロ流体プローブ・ヘッド２に流体接続することも可能である。この場合、複数の異なる液体ではなく、給液部５ａからの液体が第１の流路１３内に流れる。
マイクロ流体プローブ・ヘッド２の本体１１の外部に配置されたスペーサ供給部６が、流入口２７ａを介してスペーサ挿入部２７に流体接続され、スペーサ挿入部２７に、給液部５ａないし５ｃからの液体および浸液１０のいずれとも混合しない油を供給し、それによってスペーサ２０を供給するのに適合している。油の代わりに、給液部５ａないし５ｃからの液体および浸液と混合しない、油脂、脂質、ヘキサンまたはトルエンあるいはこれらの組合せなどの他の無極性スペーサ流体を使用してもよい。このようにして、隣接するスペーサ２０と液体体積との間の界面張力により液体体積を互いに分離することが容易になる。
個別液体体積の自由配列は、第１の流路１３に沿って、スペーサ挿入部２７が第１の流路１３と流体接続されるスペーサ合流部２８に向かって流れる。スペーサ合流部２８は、流入口２５と第１の流路１３内の第１のバイパス合流部１８との間に配置されている。スペーサ挿入部２７は、スペーサ２０を第１の流路１３に挿入し、それによってスペーサ２０により分離された個別液体体積の配列を形成するように構成されている。特に、スペーサ挿入部２７によるスペーサ２０の挿入は、個別液体体積の自由配列の各液体体積がスペーサ２０によって互いに分離されるようなタイミングで行われる。スペーサ合流部２８に単一の液体のみが給送される場合、スペーサ２０はその液体を個別液体体積２３ａ、２３ｂに分割する。マイクロ流体プローブ・ヘッド２の本体１１内部に配置された制御部２９が、スペーサ挿入部２７による第１の流路１３へのスペーサ２０の挿入を制御する。
１つの液体体積の付着後、その液体体積の残りの部分と、回収されたスペーサ２０と、浸液１０の一部とが、第２の流路１４を介して廃棄部７に給送される。流出口３０が、マイクロ流体プローブ・ヘッド２の本体１１内部に配置された第２の流路１４を、本体１１の外部の廃棄部７に流体接続する。廃棄部７は、回収された液体の再利用、格納、適切な処分あるいはこれらの組合せを行うように構成することができる。これに代えて、またはこれに加えて、流出口３０を介して第２の流路１４を、流出口３０に供給された液体またはスペーサあるいはその両方を分析する分析装置に流体接続することが可能である。
マイクロ流体プローブ・ヘッド２の本体１１内部の第１の流路１３および第２の流路１４の近傍にそれぞれ第１の検出器３１と第２の検出器３２とが設置されている。第１および第２の検出器３１、３２は両方とも、スペーサ２０を検出し、特定するように構成されている。スペーサ２０を検出すると、第１および第２の検出器３１、３２はそれぞれ第１の検出信号および第２の検出信号を生成し、それを制御部２９に送信する。制御部２９は、第１および第２の検出信号に基づいて、第１の流路１３へのスペーサ２０の挿入速度と、スペーサ２０が第２の流路１４を介して吸引される吸引速度とを同期させることができる。このために、制御部２９はスペーサ挿入部２７または上述のポンプあるいはその両方を適宜に制御してもよい。
特に、第１および第２の検出器３１、３２は、光学手段、電気手段または磁気手段あるいはこれらの組合せによってスペーサ２０を検出するように構成することができる。第１および第２の検出器３１、３２によって、親水性および表面張力などのスペーサ２０の特性の検出または測定あるいはその両方を行うことができる。
図４Ａないし図４Ｌに、図２のマイクロ流体プローブ・ヘッド２の後続の動作ステップを示す。浸液１０およびマイクロ流体プローブ・ヘッド２の本体１１は図示されていない。
以下では、層流の実現によって流体力学的流動閉じ込めを可能にする。
図４Ａにおいて、スペーサ２０ａ、２０ｂによって分離された個別液体体積２３ａないし２３ｃの配列が第１の流路１３を介して第１のバイパス合流部１８に給送される。上述のような第１の流量Ｑ１に対する第２の流量Ｑ２の特定の比により、第１の開口１５から第２の開口１６への層流Ｃが形成され、第１の開口１５の下から第２の開口１６の下まで延びる閉じ込め体積２２内に浸液１０によって閉じ込められる。
図４Ｂにおいて、第１の液体体積２３ａがブロッキング要素２１を通過して流れ、第１の開口１５を通って閉じ込め体積２２内に排出され、閉じ込め体積２２において第１の液体体積２３ａは層流Ｃによって第２の開口１６に向かって移送される。
図４Ｃにおいて、第１の液体体積２３ａと第２の液体体積２３ｂとを互いに分離する第１のスペーサ２０ａが、ブロッキング要素２１によって形成された狭い部分流路を通過せずに流体バイパス１７に流入する。
第１のスペーサ２０ａが第１の流路１３から除去された後、図４Ｃおよび図４Ｄに示すように、第２の液体体積２３ｂが先行する第１の液体体積２３ａに向かって移動し、接触する。同時に、第１のスペーサ２０ａが流体バイパス１７内のスペーサ流体の体積に加えられることにより、流体バイパス内部で過圧状態になる。
流体バイパス１７内部の過圧は、図４Ｄないし図４Ｆに示すようにバイパス合流部１９で流体バイパス１７から第２の流路１４にスペーサ２０ｐを放出することによって低減される。
閉じ込め体積２２内に排出された第１の液体体積２３ａは、層流Ｃとともに移動する。閉じ込め体積２２は付着領域４ｂと表面接触しているため、第１の液体体積２３ａは付着領域４ｂと接触し、第１の液体体積２３ａの一部または第１の液体体積２３ａによって担持される物質あるいはその両方が、付着領域４ａに付着するかまたは付着領域４ａと反応するかあるいはその両方を起こす。図４Ｆに示すように、第１の液体体積２３ａの残りの部分が第２の開口１６に達し、第２の流路１４内に吸引される。
図４Ｇないし図４Ｋに示すように、第１の液体体積２３ａに続いて、第２の液体体積２３ｂが第１の開口１５を通って閉じ込め体積２２内に排出され、第２の開口１６に向かって流れる。一方、マイクロ流体プローブ・ヘッド２は、閉じ込め体積２２が次の付着領域４ｃと表面接触するように、例えばロボット・アーム３によって次の付着領域４ｃの上方に位置決めされる。閉じ込め体積２２内の層流Ｃに沿って流れる間、第２の液体体積２３ｂの一部または第２の液体体積２３ｂによって担持される物質が、次の付着領域４ｃに付着するかまたは次の付着領域４ｃと反応するかあるいはその両方を起こす。図４Ｌに示すように、第２の液体体積２３ｂの残りの部分が第２の開口１６に達し、第２の流路１４内に吸引される。
図４Ｇおよび図４Ｈにおいて、第２の液体体積２３ｂを第３の液体体積２３ｃから分離する第２のスペーサ２０ｂが第１のバイパス合流部１８に到達し、ブロッキング要素２１によって形成された狭い流路を通過せずに流体バイパス１７に流入する。第３の液体体積２３ｃは、第２の液体体積２３ｂに向かって移動し、接触する。第１と第２の両方の液体体積２３ａ、２３ｂについてこれまでに説明した手順は、第３の液体体積２３ｃにも同様に適用される。
図４Ｉないし図４Ｋに示すように、第１および第２の流量Ｑ１、Ｑ２は、回収された第１の液体体積２３ａが第２のバイパス合流部１９にちょうど到着するときに、バイパスするスペーサ２３ｐが流体バイパス１７から第２の流路１４に挿入されるように（例えば制御部２９によって）同期させることができる。回収された第１の液体体積２３ａは、それによって、流出口３０に向かって第２の流路１４を移動する先行する液体体積から分離される。
したがって、第２の流路１４へのスペーサ２０の挿入を適切に時間調整することにより、後で回収し／吸引される第１および第２の液体体積２３ａ、２３ｂを分離することができる。
図５に、図１のマイクロ流体プローブ・ヘッド２および流体接続箇所の第２の実施形態の概略断面図を示す。
マイクロ流体プローブ・ヘッド２の第２の実施形態は、図３の第１の実施形態のすべての要素を含む。加えて、本体１１内部に第３の流路３３が設けられ、第３の流路３３に流体接続される第３の開口３４が端面１２に形成される。さらに、第３の流路３３は、流体を収容することができる追加の廃棄部３５に流出口３５ａを介して流体接続される。
例えば対応するポンプ（図示せず）を使用して、液体が第３の開口３４を通って第３の流路３３に吸引されるように、第３の流路３３に第３の流量Ｑ３が適用される。吸引された液体は、第３の流路３３を介して追加の廃棄部３５に給送される。第１の開口１５から第３の開口３４への層流Ｃ’を生じさせ、維持するために、第３の流量Ｑ３は第１の流量Ｑ１より大きいことが好ましい。例えば、第１の流量Ｑ１を１．０ｆＬ／ｓないし１．０ｍＬ／ｓ、好ましくは１．０ｐＬ／ｓないし１００ｎＬ／ｓ、より好ましくは１．０ないし５０ｎＬ／ｓとしてもよい。第１の流量Ｑ１に対する第３の流量Ｑ３の比を、１．２ないし１０、好ましくは１．５ないし６、より好ましくは２ないし４としてもよい。第３の流量Ｑ３は、１．２ｆＬ／ｓないし１０ｍＬ／ｓ、好ましくは２．０ｐＬ／ｓないし４００ｎＬ／ｓ、より好ましくは２．０ないし２００ｎＬ／ｓとしてもよい。
さらに、第１と第２の開口１５、１６の間の流れよりも第１と第３の開口１５、３４の間の層流Ｃ’を優先させ、維持するために、このデバイスは、第１の開口１５と第２の開口１６との間の距離Ｔ１（図６参照）が第１の開口１５と第３の開口３４との間の距離Ｔ２よりも大きくなるように構成されることが好ましい。特に、距離Ｔ２は、２．０ｍｍ未満、好ましくは１．５ｍｍ未満、より好ましくは１．０ｍｍ未満とすることができる。この場合も、このような層流を実現することによって流体力学的流動閉じ込めが可能になる。
第１と第３の開口１５、３４の間に配置された閉じ込め体積２２により、スペーサ２０の回収のために第２の流路１４を主として使用することができる。付着領域４ｂないし４ｄにそれぞれ付着しない液体体積２３ａないし２３ｃの残りの部分は、第３の流路３３を介して回収することができる。したがって、スペーサ２０と液体体積２３ａないし２３ｃの残りの部分の回収は、異なる場所で別々に行われる。
図６に、マイクロ流体プローブ・ヘッド２の第２の実施形態を使用した流体流動と流体力学的流動閉じ込めを示す。浸液１０とマイクロ流体プローブ・ヘッド２の本体１１は示されていない。
スペーサ２０によって分離された個別液体体積の配列は、第１の流量Ｑ１で第１の流路１３を第１の開口１５に向かって流れる。第１のバイパス合流部１８で、スペーサ２０は液体バイパス１７を介して第１の流路１３から第２の流路１４に方向変更される。第２の開口１６において、浸液１０が第２の流路１４内に吸引される。吸引された浸液１０と方向変更されたスペーサ２０とは、第２の流路１４を介して流出口３０に給送される。
第１の開口１５から第３の開口３４への層流Ｃ’が形成され、第１の開口１５の下から第３の開口３４の下まで延びる閉じ込め体積２２’内に浸液１０によって閉じ込められる。マイクロ流体プローブ・ヘッド２は、閉じ込め体積３６が付着領域４と表面接触するように位置決めされる。
液体体積２３ａが閉じ込め体積２２’内部の層流Ｃ’とともに移動する間、液体体積２３ａの一部または液体体積２３によって担持される物質あるいはその両方が、付着領域４に付着し、または付着領域４の上部にある物質と反応し、あるいはその両方を起こす。
個別液体体積２３ａないし２３ｃの配列をそれぞれの付着領域４に付着させるために、マイクロ流体プローブ・ヘッド２を位置決めし、液体体積２３ａの一部または液体体積２３によって担持される物質あるいはその両方を付着させる動作ステップは、任意に繰り返すことができる。
図７ないし図９に、３つの異なる実施形態によるマイクロ流体プローブ・ヘッド２の一部を図３または図５の拡大図ＶＩＩ、ＶＩＩＩ、ＩＸで示す。特に、第１および第２の流路９、１１の一部と、ブロッキング要素２１と、流体バイパス１８が示されている。
３つの実施形態のすべてにおいて、ブロッキング要素２１ａないし２１ｃはそれぞれが幅Ｗと、異なる長さＬ１ないしＬ３とを有する３つの棒状に形成されている。例えば、Ｗは５ないし８０μｍであり、Ｌ１は１２０ないし１６０μｍであり、Ｌ２は８０ないし１２０μｍであり、Ｌ３は４０ないし８０μｍである。２つの隣接するブロッキング要素２１間または第１の流路１３の内壁間あるいはその両方に、部分流路３６が形成され、それぞれの部分流路３６の幅は、ブロッキング要素２１ａないし２１ｃ同士の間または第１の流路１３の内壁との間あるいはその両方で距離Ｄである。例えば、Ｄは５ないし３０μｍである。
スペーサの粘度が液体体積２３ａないし２３ｃの粘度よりも高い場合、スペーサ２０は、スペーサと液体体積との間の界面張力により、部分流路３６には流入せず、ブロッキング要素２１ａないし２１ｃの前面から方向変更される。したがって、ブロッキング要素２１ａないし２１ｃは、スペーサ２０を第１の流路１３から流体バイパス１７に方向変更させることができる一方、液体体積２３ａないし２３ｃは部分流路３６を流れる。
３つの実施形態のすべてにおいて、第１の流路１３は、スペーサ合流部２８と第１のバイパス合流部１８との間で直径Ａ１を有する。第１の流路１３は、ブロッキング要素２１の位置において最大直径Ａ２にまで広がっている。第１の開口１５までのブロッキング要素２１の下流で、第１の流路１３は先細りとなり、第１の開口１５で直径Ａ３となっている。例えば、Ａ１は５０ないし２００μｍであり、Ａ２は７０ないし４００μｍであり、Ａ３は２０ないし１００μｍである。
第２の流路１４は、第２の開口１６において直径Ｂ１を有し、残り部分において直径Ｂ２を有する。Ｂ１とＢ２とは異なっていても等しくてもよい。例えば、Ｂ１とＢ２の両方がそれぞれ２５μｍないし１５０μｍである。
図７において、流体バイパス１７は、第１のバイパス合流部１８において幅Ｐ１を有し、第２のバイパス合流部１９に向かって連続的に先細りになって幅Ｐ２となり、それによって第２のバイパス合流部１９での圧力を増大させる。例えば、Ｐ１は５０ないし５００μｍであり、Ｐ２は１０ないし１００μｍである。
図８において、流体バイパス１７の幅は第１のバイパス合流部１８におけるＰ１から面３７においてＰ３に増大し、次に第２のバイパス合流部１９においてＰ２に減少する。このようにして、スペーサを収容するための流体バイパス１７のより大きな収容容積が設けられる。例えば、Ｐ３は１００ないし１０００μｍである。
図９において、流体バイパス１７の幅Ｐ１は、面３８までは一定であり、第２のバイパス合流部１９でＰ２に減少する。これに加え、またはこれに代えて、圧力を増大させるために、第２の流路１４は第２のバイパス合流部１９で幅Ｂ３に狭められる。例えばＢ３は２０ないし８０μｍである。
流体バイパス１７の３つの実施形態のすべてにおいて、第２のバイパス合流部１９での圧力は、幾何形状により増大する。かくして、スペーサ２０を第２の流路１４内に漏洩させるのではなく、第２の流路１４内に挿入することが可能になる。
提案のマイクロ流体プローブ・ヘッドを含む提案の方法およびマイクロ流体プローブは、スペーサによって分離された複数の液体体積の連続付着を可能にするとともに、スペーサが付着領域に達するのを防ぐためにユーザがスペーサを実質的に除去することができるようにする。特に、マイクロ流体プローブまたはマイクロ流体プローブ・ヘッドあるいはその両方が付着領域に物理的に接触するのを回避することができる。
提案のマイクロ流体プローブ・ヘッドを含む提案の方法およびマイクロ流体プローブは、表面上で免疫組織化学法の局所的な実行に適用可能である。固定化細胞、ホルマリン固定組織切片または凍結組織あるいはこれらの組合せに対して、複数の液体を順次に給送することができる。特に、疾病マーカーの存在（または不在）を示す比色信号を発生するために、間欠的バッファ洗浄ステップを使用して生体表面を一次抗体、ビオチン標識二次抗体、またはストレプトアビジン／ＨＲＰあるいはこれらの組合せに順次に暴露することができる。
提案のマイクロ流体プローブ・ヘッドを含む提案の方法およびマイクロ流体プローブは、空間および試薬使用に関して高い効率を必要とする表面ベースの免疫学的検定に適用可能であり、特に、大量生産におけるバッチ処理に適用可能である。特に、マイクロ流体プローブに１つの抗体溶液を装填し、その後除去する動作ステップを繰り返すことによって、例えばアレルギー反応の研究のため、またはウィルス感染またはバクテリア感染あるいはその両方を検出するために、異なる種類のタンパク質または抗体あるいはその両方を表面にパターニングすることが可能である。提案の技術は、これらの検定に対する試薬使用および時間の要件を減少可能である。
提案のマイクロ流体プローブ・ヘッドを含む提案の方法およびマイクロ流体プローブは、表面上に固定された細胞に一連の化学刺激パルスを送り、その表面を液体部分の配列に暴露することによる、セクレトーム解析に適用可能である。マイクロ流体プローブは、さらに、与えられた刺激に対する細胞の反応を取り出すためにも使用可能である。
より一般的には、本発明について特定の実施形態を参照しながら説明したが、当業者は、本発明の範囲を逸脱することなく、様々な変更を加えることが可能であり、均等物で代用可能であることがわかるであろう。さらに、本発明の範囲を逸脱することなく、本発明の教示に特定の状況を適応させるために多くの変更を加えることができる。したがって、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されることを意図しておらず、本発明は添付の特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むことを意図している。
１ マイクロ流体プローブ
２ マイクロ流体プローブ・ヘッド
３ ロボット・アーム
４ａ−４ｈ 付着領域
５ａ、５ｂ、５ｃ 給液部
６ スペーサ供給部
７ 廃棄部
８ 底面
９ ペトリ皿
１０ 浸液
１１ 本体
１２ 端面
１３ 第１の流路
１４ 第２の流路
１５ 第１の開口
１６ 第２の開口
１７ 流体バイパス
１８ 第１のバイパス合流部
１９ 第２のバイパス合流部
２０、２０ａ−２０ｃ スペーサ
２１、２１ａ−２１ｃ ブロッキング要素
２２、２２’ 閉じ込め体積
２３ａ−２３ｃ 液体体積
２４ バルブ装置
２５ 流入口
２６ 流入口制御部
２７ スペーサ挿入部
２７ａ 流入口
２８ スペーサ合流部
２９ 制御部
３０ 流出口
３１ 第１の検出器
３２ 第２の検出器
３３ 第３の流路
３４ 第３の開口
３５ 追加の廃棄部
３５ａ 流出口
３６ 部分流路
３７ 面
３８ 面
Ａ１、Ａ２、Ａ３ 直径
Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３ 直径
Ｃ、Ｃ’ 層流
Ｄ 距離
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 長さ
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 幅
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３ 流量
Ｔ１、Ｔ２ 距離
Ｗ 幅

Claims (16)

  1. スペーサによって分離された個別液体体積の配列を処理するためのマイクロ流体プローブ・ヘッドであって、
    流入口および流出口と、
    第１の流路および第２の流路と、
    前記第１の流路と前記第２の流路とを互いに接続する流体バイパスとを含み、
    前記第１の流路は、個別液体体積の前記配列を前記流入口から付着領域に向けて給送するように構成され、
    前記流体バイパスは、前記第１の流路から前記スペーサを除去することによってスペーサのない個別液体体積の自由配列が得られるように、前記第１の流路と前記第２の流路とを接続し、
    前記第１の流路は、個別液体体積の前記自由配列を前記付着領域に給送するように構成され、
    前記第２の流路は、除去された前記スペーサを前記流体バイパスから前記流出口に給送するように構成された、マイクロ流体プローブ・ヘッド。
  2. 個別液体体積の前記配列のうちの後続の２つの個別液体体積を互いに分離するスペーサが、前記個別液体体積とは混合しない、請求項１に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  3. 前記第２の流路は、個別液体体積の前記自由配列を前記付着領域から前記流出口に給送するように構成された、請求項１または２に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  4. 前記第１の流路と前記第２の流路と前記流体バイパスとを含み、浸液中に浸漬するように構成された端面を有する本体と、
    前記端面に形成され、前記第１の流路に流体接続された第１の開口と、
    前記端面に形成され、前記第２の流路に流体接続された第２の開口とをさらに含み、
    前記流体バイパスは、前記第１の開口の上流で前記第１の流路に接続し、
    前記マイクロ流体プローブ・ヘッドは、
    個別液体体積の前記自由配列を前記第１の開口と前記第１の流路とを介して第１の流量で給送し、
    個別液体体積の前記自由配列を前記付着領域から前記浸液の一部とともに、前記第２の開口と前記第２の流路とを介して第２の流量で吸引するように構成され、
    給送された個別液体体積の前記自由配列を前記浸液内に閉じ込めるように、前記第２の流量は前記第１の流量より大きい、請求項１ないし３のいずれかに記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  5. 追加の流出口と第３の流路とをさらに含み、
    前記第３の流路は、個別液体体積の前記自由配列を前記付着領域から前記追加の流出口に給送するように構成された、請求項１ないし４のいずれかに記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  6. 前記第１の流路と前記第２の流路と前記第３の流路と前記流体バイパスとを含み、浸液中に浸漬するように構成された端面を有する本体と、
    それぞれが前記端面に形成され、前記第１の流路と前記第２の流路と前記第３の
    流路とにそれぞれ流体接続された第１の開口と第２の開口と第３の開口とをさらに含み、
    前記流体バイパスは前記第１の開口の上流で前記第１の流路に接続し、前記マイクロ流体プローブ・ヘッドは、
    個別液体体積の前記自由配列を前記第１の開口と前記第１の流路とを介して供給し、
    前記浸液の一部を前記付着領域から前記第２の開口と前記第２の流路とを介して吸引し、
    個別液体体積の前記自由配列を前記浸液の一部とともに前記付着領域から前記第３の開口と前記第３の流路とを介して吸引するように構成された、請求項５に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  7. 前記スペーサを前記第１の流路から前記流体バイパスに方向変更するための少なくとも１つのブロッキング要素をさらに含む、請求項１ないし６のいずれかに記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  8. 前記流体バイパスは、前記第１の流路から前記第２の流路に向かって先細りになっている、請求項１ないし７のいずれかに記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  9. 前記第２の流路は、前記流体バイパスが前記第２の流路に流体接続する場所での圧力を増大させるように構成された狭窄部を含む、請求項１ないし８のいずれかに記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  10. 前記スペーサを前記第１の流路に注入するためのスペーサ挿入部をさらに含む、請求項１ないし９のいずれかに記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  11. 前記配列は、生化学物質を含有する少なくとも１つの個別液体体積を含む、請求項１ないし１０のいずれかに記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  12. 前記第１の流路への前記スペーサの挿入速度を前記第２の流路への前記スペーサの吸引速度と同期させるように構成された制御部をさらに含む、請求項１ないし１１のいずれかに記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  13. スペーサによって分離された個別液体体積の配列を処理するためのマイクロ流体プローブであって、
    請求項１ないし１２のいずれかのマイクロ流体プローブ・ヘッドと、
    前記マイクロ流体プローブ・ヘッドの前記流入口に流体接続可能な複数の給液部と、
    前記流入口を前記複数の給液部のうちの１つに選択的に流体接続するための制御部とを含む、マイクロ流体プローブ。
  14. スペーサによって分離された個別液体体積の配列を処理する方法であって、
    個別液体体積の前記配列を第１の流路を介して流入口から付着領域に向けて給送することと、
    前記個別液体体積を互いに分離する前記スペーサを、前記第１の流路と第２の流路とを接続する流体バイパスを介して前記第１の流路から除去することによってスペーサのない個別液体体積の自由配列を得ることと、
    個別液体体積の前記自由配列を前記付着領域に給送することと、
    除去された前記スペーサを前記流体バイパスから前記第２の流路を介して流出口に給送することとを含む方法。
  15. 個別液体体積の前記配列を給送することと、前記スペーサを除去することと、個別液体体積の前記自由配列を給送することと、除去された前記スペーサを給送することとが、請求項１に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッドを使用して行われる、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記第１の流路を介して給送される個別液体体積の前記配列は、少なくとも２つの異なる液体の個別体積を含む、請求項１４または１５に記載の方法。
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