JP2019505821A - マイクロ流体自由流動電気泳動による試料の分離および分析 - Google Patents
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Abstract
マイクロ流体試料の分離および分析のためのマイクロ流体デバイス（１１）が、提供される。該デバイスは、以下のものを含み：分離チャネル（１０）；使用において高導電率電解質溶液の流れを提供するように設計された第１電解質チャネルであって、該チャネルの下流出口において正極（１３）を備えている前記第１電解質チャネル（１２）；使用において高導電率電解質溶液の流れを提供するように設計された第２電解質チャネルであって、該チャネルの下流出口において負極（１５）を備えている前記第２電解質チャネル（１４）；かつここで、該第１および第２電解質チャネルを通る電解質の流れは、該デバイスから電気泳動生成物および気泡を除去し；かつここで、該電解質の存在は、該分離チャネルに実質的に均一な電界を提供する。
【選択図】図１Ｂ
【選択図】図１Ｂ
Description
本発明は、マイクロ流体デバイスにおける荷電粒子の分離および分析、特に自由流動電気泳動（ＦＦＥ）を用いるマイクロ流体デバイスにおける荷電粒子の分離および分析に関する。マイクロ流体自由流動電気泳動は、荷電粒子の分離および分析のための強力な方法であり、これにより、小さい試料体積、高い分離効率、そして十分に制御された境界条件で処理できるようになる可能性がある。
自由流動電気泳動における伝統的なアプローチは、金属電極をマイクロ流体デバイスに組み込むことである。しかし、電極／液体界面における電解生成物の生成は、これらのアプローチを利用するデバイスの安定性および感度に厳しい制限を課す。この状況における主な懸念は、電極／液体界面における気泡の形成であり、これは、流体の流れのプロフィールを変化させ、その結果、試料内の荷電粒子の分離が不安定になりかねない。 加えて、マイクロ流体デバイスに必要な液体の体積は、マイクロリットル〜ナノリットルのスケールである。従って、数秒以内に生じる泡の物理的な大きさは、かなりの電流密度を流すことができる導電性緩衝液中での電界が比較的低い場合（例えば２０Ｖ／ｃｍ）でもマイクロ流体チャネル中の体積を容易に超過し得る。
これらの電解生成物の形成の影響を低減するためのいくつかの方法が開発されてきた。例えば、膜により分析チャンバーを電極ベッド（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｂｅｄｓ）から物理的に分離することである。さらに、酸化還元電子担体を用いることにより、気泡の形成が、抑制されてきた。
電解生成物の影響に関する懸念を軽減するにもかかわらず、これらのアプローチの多くは、様々な欠点、例えば複雑な製作手順または適用可能な電流／電界に対するかなりの制限、をもたらす。加えて、気泡形成を回避したり、生成した気泡を排除したりしても、溶解した電解生成物による局所的ｐＨ変化または電流の流れによるジュール加熱が引き起こした問題の解決にはつながらない。
気泡がマイクロ流体チップ上に導入されるリスクを軽減し、マイクロ流体デバイスの製作を容易にするために外部電極が用いられてきたが、これをマイクロ流体チップ上の入口および出口両方に同時に配置すると、依然として電解生成物および熱がマイクロ流体デバイス内部を流れることになる。 オーストラリア特許第７３８３６１ Ｂ１号は、分離膜、該分離膜の片側に沿った第１流路および該分離膜の反対側に沿った第２流路ならびにこれらの流路から緩衝液の流れを分離するための制限膜がカートリッジ内に収容されている自由流動電気泳動のための装置を開示している。図６は、実質的にチャネルの全長に及んでいる電極を示している。
欧州特許第１６２１２１１号は、細胞試料を損傷せず、細胞分離の際に電圧が印加される電極の消耗を防ぎ、かつ長期間の細胞分離においてもチャネルの閉塞を引き起こさない細胞分離装置を開示している。これは、電解質を含有するゲル電極を用いて達成されている。
このような背景において本発明が生まれたのである。
本発明によれば、マイクロ流体試料の分離および分析のためのマイクロ流体デバイスが、提供され、該デバイスは、以下のものを含み：分離チャネル；使用において高導電率電解質溶液の流れを提供するように設計された第１電解質チャネルであって、該チャネルの下流出口において正極を備えている前記第１電解質チャネル；使用において高導電率電解質溶液の流れを提供するように設計された第２電解質チャネルであって、該チャネルの下流出口において負極を備えている前記第２電解質チャネル；かつここで、該第１および第２電解質チャネルを通る電解質の流れは、該デバイスから電気泳動生成物および気泡を除去し；かつここで、該電解質の存在は、該分離チャネルに実質的に均一な電界を提供する。
正極および負極を第１および第２電解質チャネルの下流出口に配置することは特に有利であり得る。なぜなら、これにより生成物、例えば電解生成物、並びにそれに付随する局所的ｐＨ変化および熱を、それらのいずれも決して直接マイクロ流体チャネルに入ることなくマイクロ流体デバイスから積極的に運び出されるような手段が提供されるからである。これは、高導電率電解質溶液の流れにより達成され、静止電極、例えばゲル電極によっては達成されることができない。マイクロ流体デバイスから電解質生成物を除去することにより、マイクロ流体デバイス内により安定な流体の流れプロフィールを提供することができる。
正極および負極は、それぞれのチャネルの下流出口にのみ配置されることができる。第１および第２電解質チャネルは、導電チャネルのアレイにより分離チャネルに接続することができる。導電チャネルのアレイは、分離チャネルの入口に近接して配置されている少なくとも１個の導電チャネルを含むことができる。分離チャネルの入口に近接して少なくとも１個の導電チャネルを設けることにより電界の始まりが定められる。チャネルの入口に実用的に可能な限り近い位置で電界を始めることにより、所与の長さの分離チャネル内の電界の程度が最大になり、電界を可能な限り早く始めることにより、その電界に影響されない流体の流れが小になる。この結果、確実に、他の機序、例えば拡散、の影響を限定的なものにできる。
導電チャネルのアレイは、分離チャネルの出口に近接して配置されている少なくとも１個の導電チャネルを含むことができる。分離チャネルの出口に近接して少なくとも１個の導電チャネルを設けることにより、最後の導電チャネルの上流の分離チャネルの内部の高導電率溶液の総流速をより小さくすることが可能になり、これにより、高導電率流体が分離チャネルのどれだけ奥まで到達するか、その距離を低減する。この結果、電界の均一性が高まり、しかも、液体電極がチャネルのより奥まで到達することによる分離チャネルの有効幅の減少が防止される。さらに、導電チャネルのアレイは、実質的に分離チャネルと同一延長上にある（ｃｏｔｅｒｍｉｎｏｕｓ）ことができる。
ある態様において、導電チャネルのアレイは、分離チャネル、第１電解質チャネルおよび第２電解質チャネルに対して実質的に垂直である。
ある態様において、導電チャネルのアレイは、分離チャネル、正極および負極の間に電気的接続を提供するように設計されている。導電チャネルを通って流れる電解質は、分離チャネルを通る流体の流れの合計の０．１％〜１０％に寄与し得る。導電チャネルを通って流れる電解質の正確な量は、電解質チャネル、分離チャネルおよび導電チャネルの抵抗値の比により指示される（ｄｉｃｔａｔｅｄ）であろう。分離チャネル中の流れのパーセンテージは、可能な限り低く保たれるべきであり、追加の抵抗が、必要に応じて分離チャネルおよび導電チャネルに加えられる。
ある態様において、導電チャネルのアレイは、分離チャネル、正極および負極の間に電気的接続を提供するように設計されている。導電チャネルを通って流れる電解質は、分離チャネルを通る流体の流れの合計の０．１％〜１０％に寄与し得る。導電チャネルを通って流れる電解質の正確な量は、電解質チャネル、分離チャネルおよび導電チャネルの抵抗値の比により指示される（ｄｉｃｔａｔｅｄ）であろう。分離チャネル中の流れのパーセンテージは、可能な限り低く保たれるべきであり、追加の抵抗が、必要に応じて分離チャネルおよび導電チャネルに加えられる。
加えて、導電チャネルのアレイは、該チャネル間の物質移動を最小限にするために高い流体力学的抵抗も提供する。
電解質溶液は、第１電解質チャネルおよび第２電解質チャネル中で提供されることができる。ある態様において、電解質溶液は、高導電率電解質溶液である。電解質溶液は、適切に電流を流すことができる。高導電率電解質溶液の提供は、それを用いて、正極および負極を分離チャネルと電気的に接続することができるため、有利であり得る。
電解質溶液は、第１電解質チャネルおよび第２電解質チャネル中で提供されることができる。ある態様において、電解質溶液は、高導電率電解質溶液である。電解質溶液は、適切に電流を流すことができる。高導電率電解質溶液の提供は、それを用いて、正極および負極を分離チャネルと電気的に接続することができるため、有利であり得る。
さらに、高導電率溶液を使用すると、それより導電率の低い流体と比較して、両電解質チャネル間の電圧の降下が非常に小さくてすむため、特に有利である。好ましくは、電解質溶液は、塩化カリウムである。
ある態様において、下流の電極間に印加した電圧による電流は、第１電解質チャネル中の電解質溶液の流れとは実質的に逆方向に流れ得る。
さらに、狭い導電チャネルを使用すれば、強い電界を分離チャネルに印加しても、電極および電解質の界面において形成される気泡または他の電解生成物に由来する攪乱（ｄｉｓｒｕｐｔｉｏｎ）が生じることはない。この結果、流体の流れにおける試料、例えば核酸、タンパク質および蛍光粒子、の大きくて安定な偏位ならびに高い分離分解能が得られる。
さらに、狭い導電チャネルを使用すれば、強い電界を分離チャネルに印加しても、電極および電解質の界面において形成される気泡または他の電解生成物に由来する攪乱（ｄｉｓｒｕｐｔｉｏｎ）が生じることはない。この結果、流体の流れにおける試料、例えば核酸、タンパク質および蛍光粒子、の大きくて安定な偏位ならびに高い分離分解能が得られる。
別の態様において、電解質溶液は、分離媒体との界面を形成し、その結果、液体電極が得られる。分離媒体としては、補助的流体、例えば緩衝溶液があげられ、一例として、リン酸緩衝液がある。
正極および負極は、金属製コネクターであることができ、それは、中空であることができる。中空の金属製コネクターを使用すると、大きな電極有効表面積を簡単に従来のマイクロ流体デバイス内組み込みことができるため、特に有利である。これは、デバイスの製作手順を大幅に単純化することができる。
ある態様において、分離チャネルは、複数の出口を有することができる。
本発明の別の側面において、本発明の前出の側面に係るマイクロ流体デバイスから電解生成物を除去する方法が、提供される。加えて、熱も、マイクロ流体デバイスから除去されることができる。電解生成物および熱を除去することにより、マイクロ流体デバイス内の流体の流れに対するあらゆる撹乱を低減することができる。
本発明の別の側面において、本発明の前出の側面に係るマイクロ流体デバイスから電解生成物を除去する方法が、提供される。加えて、熱も、マイクロ流体デバイスから除去されることができる。電解生成物および熱を除去することにより、マイクロ流体デバイス内の流体の流れに対するあらゆる撹乱を低減することができる。
さらに、本発明によれば、本発明に係るマイクロ流体デバイスにおいて電解生成物を含まない試料を分析する方法が、提供され；その方法は、以下の工程を含む：高導電率電解質溶液を第１および第２電解質チャネルを通して流し；分離チャネルを通して試料を流し；分離チャネルの光学画像を撮り；そして分離チャネルの光学画像を分析する。光学画像は、蛍光画像であることができる。
さらに、本発明によれば、マイクロ流体デバイスにおいて第１試料を分離する方法が、提供され、ここで、分離チャネルは、複数の出口を有し、その方法は、以下の工程を含む：高導電率電解質溶液を第１および第２電解質チャネルを通して流し；マイクロ流体試料を分離チャネルを通して流し；分離チャネルからの出口の少なくとも１つから出てきたものを試料採取する。
電解質溶液およびマイクロ流体試料は、分離チャネルの内部を同じ方向で流れることができる。熱は、高導電率電解質溶液の流れによりマイクロ流体デバイスから除去されることができる。気泡は、高導電率電解質溶液の流れによりマイクロ流体デバイスから除去されることができる。電流は、第１電解質チャネル中の電解質溶液の流れと実質的に逆方向で流れるように設計されることができる。電解質溶液は、分離媒体との界面を形成することができ、その結果、液体電極が得られる。 ある態様において、電解質溶液は、塩化カリウムであることができる。ある態様において、分離媒体は、緩衝媒体であることができる。緩衝溶液は、グッドの緩衝液、リン酸緩衝液、ＰＢＳ、炭酸緩衝液およびホウ酸緩衝液を含む群から選択されることができる。緩衝溶液は、可能な限り試料溶媒と親和性が高いものが選択される。これは、試料が分離チャネルを通過する際に緩衝溶液中に移行しても、有害な反応を引き起こさないようにするためである。
本発明を、さらに、そしてより詳細に、但し、例示としての目的で、そして以下の添付図面を参照しながら、記載する。
本発明は、マイクロ流体デバイス中での自由流動電気泳動を用いるマイクロ流体試料の分離および分析に関する。
図１を参照すると、マイクロ流体試料の分離および分析のためのマイクロ流体デバイス１１が、提供されており、そのデバイス１１は、分離チャネル１０；第１電解質チャネルであって、該チャネルの下流出口に正極１３を備えている前記第１電解質チャネル１２；第２電解質チャネルであって、該チャネルの下流出口に負極１５を備えている前記第２電解質チャネル１４を含む。第１電解質チャネル１２および第２電解質チャネル１４は、分離チャネル１０に均一な電界を提供するように設計されている。
図１を参照すると、マイクロ流体試料の分離および分析のためのマイクロ流体デバイス１１が、提供されており、そのデバイス１１は、分離チャネル１０；第１電解質チャネルであって、該チャネルの下流出口に正極１３を備えている前記第１電解質チャネル１２；第２電解質チャネルであって、該チャネルの下流出口に負極１５を備えている前記第２電解質チャネル１４を含む。第１電解質チャネル１２および第２電解質チャネル１４は、分離チャネル１０に均一な電界を提供するように設計されている。
図１に図示するように、試料の分離は、分離チャネル１０において起こる。マイクロ流体試料は、タンパク質、または核酸もしくは蛍光粒子、例えばフルオレセインおよびローダミン粒子であることができる（図２および５）。ある例において、試料は、荷電粒子を含むことができる。一例において、荷電粒子は、マイクロ流体デバイス内における電界の適用下で分離することができる。
図１に示す分離チャネル１０は、導電チャネルのアレイ１６により接続されており、電解質チャネルと一緒に、電流を下流の電極から分離チャネルへと運ぶための高導電率電解質溶液を提供する。
導電チャネルのアレイ１６は、分離チャネル１０と共に正極１３および負極１５の間の電気的接続を確立する一方で、チャネル間の物質移動を最小限にするために高い流体力学的抵抗も提供することができる。
分析物の狭いビーム（ｂｅａｍ）を生成するため、互いに反対の電荷を有する粒子を含有するマイクロ流体試料および緩衝剤の溶液（典型的には０．５〜５０ｍＭリン酸緩衝液）は、それぞれ第１入口チャネル１８および第２入口チャネル１９を通って分離チャネル１０に流入する。加えて、電解質溶液が、第１電解質チャネル１２および第２電解質チャネル１４に流入する。好ましくは、電解質溶液は、高導電率溶液である。例えば、電解質溶液は、ＫＣｌ溶液であることができる。高濃度のＫＣｌ溶液は、シリンジポンプにより、または流体リザーバーを加圧することにより電解質チャネルに流入させることができる。
本明細書で用いられる際、そして別途明記されない限り、用語“分析物”は、分析的手順または分離ベースの手順において対象となっている物質の試料、構成要素または粒子を指す。
本明細書で用いられる際、そして別途明記されない限り、用語“分離チャネル”は、それを通って試料流体が流れ、それに電界がかけられる、あらゆるチャネルを指す。ある態様において、分離チャネルに対して複数の出口が存在し、このような場合、分離チャネルは、試料流体の様々な構成要素を分離するために用いられ、次いでその構成要素は、分離チャネルから異なる出口を通って除去される。ある態様において、分離チャネルは、分析目的でのみ用いられ、電界の適用に起因して生じる流体分離は、同時に、原位置での（ｉｎ ｓｉｔｕ）試料分析を可能にする。分析は試料がまだ分離チャネル中にある間に実施されるため、１以上の出口の提供は、分析機能にとって必須というわけではない。
流体の流速、例えば電解質溶液の流速は、電解質チャネル中で確立されることができる。電解質チャネル中の流速は、典型的には、１時間あたり数百マイクロリットル程度で、これは分離チャネル中よりも１０％高く、それにより、電解質チャネルの末端における流体力学的抵抗と一緒になって、ＫＣｌ溶液を導電チャネルを通して押し流し（ｆｏｒｃｉｎｇ）、分離チャネルの縁においてＫＣｌの２つの薄いシートを形成する。
図１に示すように、第１電解質チャネル１２の下流出口における正極１３および第２電解質チャネル１４の下流出口における負極１５は、電圧源２０に接続されている。好ましくは、正極１３および負極１５は、金属製コネクターである。金属製コネクターは、中空であることができる。
金属製コネクター１３、１５に電圧を印加すると、高導電率ＫＣｌ溶液は、電流を送り、その結果、正極の側における電解質の流れの方向に対向して電界、典型的には均一な電界が分離チャネルにかけられる。
同時に、金属コネクターとＫＣｌ溶液の界面において形成された気泡ならびに熱および電解生成物は、マイクロ流体デバイスから直接運び出され、分離チャネルと接触することなく、そして流体の流れを撹乱することなく直接デバイスから排出されるであろう。図８において示されているように、気泡２５、電解生成物および熱、例えばジュール熱は、直径おおよそ１〜５ｍｍのチューブを用いてデバイスから運び出されることができる。生成された泡のそれぞれは、マイクロ流体チャネル中の流体の全てとおおよそ同じ体積であることができる。
高導電率電解質溶液は、分離媒体と安定な界面を形成することができ、その結果、電流が流れる液体電極の役目を有効に果たすことができる。しかし、イオンはこの界面を横切ることができるので、電気化学反応は、分離チャネルの内部またはそれに近接しては起こらない。
ある態様において、分離媒体は、補助的流体、例えば緩衝溶液、例えばリン酸緩衝液であることができる。典型的には、０．５〜５０ｍＭのリン酸緩衝液が、用いられ、またはそれは、５、１０、１５または２５ｍＭを超えることができる。ある態様において、用いられるリン酸緩衝液の濃度は、５０、４０、３０または２０ｍＭ未満であることができる。好ましくは、１０ｍＭリン酸緩衝液が、用いられる。補助的流体は、分離チャネル中にあることができ、その中に荷電粒子が流入する。
分離チャネルの幅は、０．２５〜５０ｍｍであることができ、またはそれは、１、５、１０または１５ｍｍを超えることができる。分離チャネルの幅は、７．５、５、２．５または１ｍｍ未満であることができる。例えば、分離チャネルの幅は、２ｍｍまたは１０ｍｍであることができる。
第１および第２電解質チャネルの幅は、０．２〜１０ｍｍであることができ、またはそれは、２．５、５または７．５ｍｍを超えることができる。第１および第２電解質チャネルの幅は、１０、７．５または５ｍｍ未満であることができる。好ましくは、電解質チャネルの幅は、１ｍｍである。
分離チャネル、第１および第２電解質チャネルの長さは、おおよそ２〜１００ｍｍであることができ、またはそれは、５、１０または１５ｍｍを超えることができる。分離チャネルおよび電解質チャネルの長さは、２０、１５、１０または５ｍｍ未満であることができる。例えば、分離チャネルおよび電解質チャネルの長さは、おおよそ５ｍｍであることができ、またはそれは、おおよそ２５ｍｍであることができる。
導電チャネルの長さは、０．１〜１５ｍｍであることができ、またはそれは、１、２、５、７または１０ｍｍを超えることができる。導電チャネルの長さは、１５、１２、７．５または５ｍｍ未満であることができる。好ましくは、導電チャネルの長さは、おおよそ２ｍｍである。
分離チャネル、電解質チャネルおよび導電チャネルの高さは、おおよそ５〜２５０μｍであることができ、またはそれは、１５、２５または３５μｍを超えることができる。分離チャネル、電解質チャネルおよび導電チャネルの高さは、１００、２０または１０μｍ未満であることができる。好ましくは、分離チャネル、電解質チャネルおよび導電チャネルの高さは、おおよそ２５μｍである。このような寸法であれば、分析物は、６００μＬ／ｈという典型的な流速で分離チャネル中におおよそ１．５秒間留まることができる。
図１（ａ）および（ｂ）は、試料分析用に最適化されており、分離チャネル１０は１つの出口２３のみを備えている態様を示す。対照的に、図１（ｃ）および１（ｄ）は、試料分離用に最適化されており、従って分離チャネル１０は３つの出口２３を備えている態様を示す。この構成は、試料の３つの別々の画分が３つの出口において収集されることを可能にし、分離チャネル内部の試料の分析にも用いることができる。出口２３の数は、分離のタイプおよび必要とされる分離の程度に応じて最適な性能が得られるように選択できることは、理解されるであろう。単一の出口２３は、分析が分離チャネル内の試料の分布に基づく場合、例えば蛍光マーカーを使用し、試料の分布を分離チャネル内で蛍光観察して得られる場合に、最も適切である。試料からの異なる画分を分離し、続いてそれぞれを測定、分析または処理する場合、必要とされる画分の数は、出口の最適な数を指示するであろう。例えば、２つ、３つ、４つまたはより多くの出口を備えることができる。
図２、３、４、５、６および７を参照すると、試料、例えば蛍光粒子およびタンパク質の分離および分析が、図示されている。マイクロ流体デバイスにおける粒子の分離は、電気泳動法を利用することができる。典型的には、電気泳動法は、自由流動電気泳動法である。
図２および５に図示するように、本発明において開示されるマイクロ流体デバイスは、蛍光粒子、例えばフルオレセインおよびローダミンを分離するために用いることができる。一例において、１０μｇ／ｍｌフルオレセインおよび１０μｇ／ｍｌローダミンの１０ｍＭ ＫＣｌ（ｐＨ＝７．０）中の混合溶液を、分離チャネル中に注入し、１０ｍＭ ＫＣｌ溶液を隣接して流し（ｆｌａｎｋｅｄ）、１Ｍ ＫＣｌ溶液を、電解質チャネル中に（導電チャネルのアレイを通る高導電率溶液の流れをモニターすることができるように１０μｇ／ｍｌフルオレセインと共に）注入した。結果が、図２において示されている。合計６００μＬ／ｈという分離チャネル中の高い流速の下で、互いに反対の電荷を有する２種類の分析物の明確な偏位および分離が、画像でわかる。試料の流れの分離と各流れの幅の比率は、印加電圧４０ボルトにおいて約７であった。図４および５のＩ−Ｖ曲線は、電圧および電界による偏位が線形関係を示すことを示している。これらのデータおよびデバイスの特徴により、フルオレセインの電気泳動的移動度は、約−２．２×１０−８ｍ２／Ｖｓ（負に荷電）であると計算された。
図３、６および７に図示するように、マイクロ流体デバイスを用いて、タンパク質のようなより複雑な試料を分析することができる。図３において、１０ｍＭリン酸緩衝液（ｐＨ＝７．０）中の２ｍｇ／ｍｌリゾチームを、分離チャネル中に注入し、１０ｍＭリン酸緩衝液を隣接して流し、１Ｍ ＫＣｌ溶液を、電解質チャネル中に（界面を可視化するために２ｍｇ／ｍｌリゾチームと共に）注入した。紫外線（２９０ｎｍ）の下でのタンパク質の自家蛍光の画像を、ＵＶ顕微鏡およびＣＣＤカメラを用いて撮影した。励起波長は、２８０ｎｍ［バンド幅２０ｎｍ］であり、発光波長は、３５０ｎｍ［バンド幅４０ｎｍ］である。対物レンズの倍率は、１３倍であり、カメラは、ＵＶ透過のために石英の窓を有するＲｏｌｅｒａ ＥＭＣＣＤカメラである。
加えて、図４ａは、分離チャネルおよび電解質チャネルに１Ｍ ＫＣｌを充填したマイクロ流体電気泳動デバイスのＩ−Ｖ曲線を示し、図４ｂは、電解質チャネルに１Ｍ ＫＣｌ、分離チャネルに１０ｍＭ ＫＣｌを充填したマイクロ流体電気泳動デバイスのＩ−Ｖ曲線を示す。マイクロ流体電気泳動デバイスのＩ−Ｖ曲線は、異なる溶液を用いて測定された。分離チャネルおよび電解質チャネルに、まず１Ｍ ＫＣｌを充填し、次いで分離チャネル中の流体を、１０ｍＭ ＫＣｌに変更した。
均一に１Ｍ ＫＣｌを充填したマイクロ流体デバイスに関して、分離チャネルの抵抗値は無視できると仮定すると、２つのＩ−Ｖ曲線により計算される電気抵抗の差は、おおよそ分離チャネルの抵抗値に等しい（１０ｍＭ ＫＣｌを充填した場合）。この結果によると、電源電圧のうち約６０％の割合が分離チャネルにおいて低下する。この結果を、図３に示す。良好な線形関係が、電流および電圧の間で、そして試料の流れの偏位および電界の間で見られる。リゾチーム分子の電気泳動的移動度は、おおよそ２．３×１０−８ｍ２／Ｖｓであると計算された。
別の例において、本発明において開示されるマイクロ流体デバイスを用いて、他のタンパク質分子、例えばウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）、ベータ−ラクトグロブリンおよびオボアルブミンを研究した。図６を参照すると、１０ｍＭリン酸緩衝液を隣接して流した、１０ｍＭリン酸緩衝液中２ｍｇ／ｍｌウシ血清アルブミンのマイクロ流体電気泳動が示されている。その際、１Ｍ ＫＣｌ電解質を用いた。試料の流速／緩衝液の流速＝２０／２００μＬ／ｈ。図７を参照すると、１０ｍＭリン酸緩衝液中２ｍｇ／ｍｌベータ−ラクトグロブリンのマイクロ流体電気泳動が示されている。その際、１Ｍ ＫＣｌ電解質を用いた。試料の流速／緩衝液の流速＝１０／１５０μＬ／ｈ。
場合により、流体の流れを制御するための再循環デバイスが設けられ、第１電解質チャネルであって、該チャネルの下流出口に正極を備えた前記第１電解質チャネル、および第２電解質チャネルであって、該チャネルの下流出口に負極を備えた前記第２電解質チャネル、を含むマイクロ流体デバイスに接続される。特に、再循環デバイスは、高導電率溶液を制御および再循環するために用いることができる。一態様において、流体の流れを制御するための再循環デバイスは、本発明において開示されるマイクロ流体デバイスに接続することができ、図９に図示されている。
高導電率溶液および分離媒体の間に安定な界面を作り出すためには、両方の流体の間の安定な流れが必要である。高導電率溶液に高い流速が必要とされる可能性があるため、高導電率溶液は、実際的な理由、例えばリザーバーの大きさ、により、図９に示すように再循環することができる。例えば温度制御されたリザーバーの使用およびリザーバー上部への使用済み溶液の滴下により、ガスおよび熱は、依然として有効にマイクロ流体デバイスから追い出す（ｋｅｐｔ ｏｕｔ ｏｆ）ことができる。しかし、溶解した電解生成物は、濾過して除くことが困難である可能性があり、イオンは、補充しなければならない可能性がある。
図９に図示するように、切り離した接続可能な流体回路を用いて、流体の流れ、例えば高導電率溶液、を再循環することができる。流体の流れを制御するには、圧力駆動流を必要とする可能性があり、それは、圧力源２６により生成することができる。あるいは、流体の流れの制御には、シリンジポンプ２１を用いることができる。加えて、高導電率溶液は、入口リザーバー２８中に貯蔵することができ、マイクロ流体デバイス３０中にポンプで送ることができる。入口リザーバー２８は、着脱可能なシール３２により閉じることができる。
場合により、高導電率溶液は、マイクロ流体デバイス３０からポンプで送出することができ、出口リザーバー２９中に貯蔵することができる。図９に示すように、接続可能な流体回路の入口側２２および出口側２４は、流体の流れの再循環の間に切り離されるが、再循環操作の後に接触状態に戻すことができる。再循環ループ３１を含むデバイス３０は、流体を出口リザーバー２９から弁３３を介してデバイス３０中に再導入するように設計されている。弁３３は、操作の完了後および次の操作の開始前にシリンジポンプ２１を再充填するように操作可能である。本明細書で開示されたデバイスは、圧力駆動流またはシリンジポンプの形態で高精度な流れ制御を可能にすることができる。
対照的に、閉回路では、例えば蠕動式ポンプが必要となり、これは、典型的には律動の発生が避けられない。加えて、完全な開回路では、流体の流れ、例えば高導電率溶液、の自動化された再循環を実現することはできない。
さらに、当業者には、本発明がいくつかの態様を参照しながら例示的に記載されてきたが、それは、開示された態様に限定されないこと、そして代替の態様が、添付された特許請求の範囲において定められている本発明の範囲から逸脱することなく構築されることができるであろうことは、理解されるであろう。
１０ 分離チャネル
１１ マイクロ流体デバイス
１２ 第１電解質チャネル
１３ 正極
１４ 第２電解質チャネル
１５ 負極
１６ 導電チャネルのアレイ
１８ 第１入口チャネル
１９ 第２入口チャネル
２０ 電圧源
２１ シリンジポンプ
２２ 入口側
２３ 出口
２４ 出口側
２５ 気泡
２６ 圧力源
２８ 入口リザーバー
２９ 出口リザーバー
３０ マイクロ流体デバイス
３１ 再循環ループ
３２ シール
３３ 弁
１１ マイクロ流体デバイス
１２ 第１電解質チャネル
１３ 正極
１４ 第２電解質チャネル
１５ 負極
１６ 導電チャネルのアレイ
１８ 第１入口チャネル
１９ 第２入口チャネル
２０ 電圧源
２１ シリンジポンプ
２２ 入口側
２３ 出口
２４ 出口側
２５ 気泡
２６ 圧力源
２８ 入口リザーバー
２９ 出口リザーバー
３０ マイクロ流体デバイス
３１ 再循環ループ
３２ シール
３３ 弁
Claims (22)
- マイクロ流体試料の分離および分析のためのマイクロ流体デバイスであって、該デバイスが、
分離チャネル；
使用において高導電率電解質溶液の流れを提供するように設計された第１電解質チャネルであって、かつ該チャネルの下流出口において正極を備えている前記第１電解質チャネル；
使用において高導電率電解質溶液の流れを提供するように設計された第２電解質チャネルであって、かつチャネルの下流出口において負極を備えている前記第２電解質チャネル
を含み；かつ
ここで、該第１および第２電解質チャネルを通る電解質の流れが、該デバイスから電気泳動生成物および気泡を除去し；かつ
ここで、該電解質の存在が、該分離チャネルの両端に実質的に均一な電界を提供する、マイクロ流体デバイス。 - 請求項１または請求項２に記載のマイクロ流体デバイスであって、該正極および負極が、それぞれのチャネルの下流出口にのみ配置されているマイクロ流体デバイス。
- 請求項１または請求項２に記載のマイクロ流体デバイスであって、該第１および第２電解質チャネルが、導電チャネルのアレイにより該分離チャネルに接続されているマイクロ流体デバイス。
- 請求項３に記載のマイクロ流体デバイスであって、該導電チャネルのアレイが、該分離チャネルの入口に近接して配置されている少なくとも１つの導電チャネルを含むマイクロ流体デバイス。
- 請求項３または請求項４に記載のマイクロ流体デバイスであって、該導電チャネルのアレイが、該チャネルの出口に近接して配置されている少なくとも１つの導電チャネルを含むマイクロ流体デバイス。
- 請求項３〜５のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスであって、該導電チャネルのアレイが、実質的に分離チャネルと同一延長上にあるマイクロ流体デバイス。
- 先行する請求項のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスであって、該導電チャネルのアレイが、該分離チャネルならびに該第１および第２電解質チャネルに対して実質的に垂直であるマイクロ流体デバイス。
- 先行する請求項のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスであって、該導電チャネルのアレイが、該分離チャネルおよび該電極の間に電気的接続を提供するように設計されているマイクロ流体デバイス。
- 請求項８に記載のマイクロ流体デバイスであって、該導電チャネルを通って流れる該電解質が、該分離チャネルを通る流体の流れの合計の０．１％〜１０％に寄与するマイクロ流体デバイス。
- 先行する請求項のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスであって、該電解質溶液が、高導電率電解質溶液であるマイクロ流体デバイス。
- 先行する請求項のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスであって、該正極および負極が、金属製コネクターであるマイクロ流体デバイス。
- 請求項１〜１１のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスであって、該分離チャネルが、複数の出口を有するマイクロ流体デバイス。
- 請求項１〜１２のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスにおいて電解生成物を含まない試料を分析する方法であって；該方法が、以下の工程：
高導電率電解質溶液を該第１および第２電解質チャネルを通して流し；
試料を該分離チャネルを通して流し；
該分離チャネルの光学画像を撮り；そして
該分離チャネルの光学画像を分析する；
を含む方法。 - 請求項１２に記載のマイクロ流体デバイスにおいて第１試料を分離する方法であって；該方法が、以下の工程：
高導電率電解質溶液を該第１および第２電解質チャネルを通して流し；
マイクロ流体試料を該分離チャネルを通して流し；
該分離チャネルからの出口の少なくとも１つから出てきたものを試料採取する；
を含む方法。 - 請求項１３または請求項１４に記載の方法であって、該電解質溶液およびマイクロ流体試料が、該分離チャネルの内部を同じ方向で流れる方法。
- 請求項１４または請求項１５に記載の方法であって、熱が、該マイクロ流体デバイスから高導電率電解質溶液の流れにより除去される方法。
- 請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の方法であって、気泡が、該マイクロ流体デバイスから高導電率電解質溶液の流れにより除去される方法。
- 請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の方法であって、該電流が、該第１電解質チャネル中の該電解質溶液の流れと実質的に逆方向で流れる方法。
- 請求項１３〜１８のいずれか１項に記載のマイクロ流体法であって、該電解質溶液が、分離媒体との界面を形成し、その結果、液体電極が得られるマイクロ流体法。
- 請求項１３〜１９のいずれか１項に記載のマイクロ流体法であって、該電解質溶液が、塩化カリウムであるマイクロ流体法。
- 請求項１８に記載のマイクロ流体法であって、該分離媒体が、緩衝溶液であるマイクロ流体法。
- 請求項２１に記載のマイクロ流体法であって、該緩衝溶液が、グッドの緩衝液、リン酸緩衝液、ＰＢＳ、炭酸緩衝液およびホウ酸緩衝液を含む群から選択されるマイクロ流体法。
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