JP3467696B2 - 電圧源と流体リザーバの数を削減する動電操作を実行する微小流体回路設計 - Google Patents

電圧源と流体リザーバの数を削減する動電操作を実行する微小流体回路設計

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】本発明は化学的および生物学的材料を動
電操作するマイクロチップ設計に関する。特に本発明
は、外部電圧分割方法または複数の分離電源を必要とせ
ずに動電駆動力を配分するように、試薬および混合チャ
ネルの寸法を決めるマイクロチップデバイスに関するも
のであり、既知のマイクロチップデバイスに比較して、
動作に必要な流体リザーバ数を削減する。類似の利点
は、分配動作を実行する実施形態により提供される。
【０００２】
【発明の背景】２つまたはそれ以上の液相材料の混合、
またはマイクロチップ上の試薬材料の分配は、各種リザ
ーバに供給される電位を制御して実行され、内部に収納
されている材料をマイクロチップのチャネルを通して動
電駆動する。従来は、この方法は電圧分割回路を使用す
る電源、またはプログラマブル電源のような外部電圧制
御手段を必要としていた。このような外部電源を利用し
て、マイクロデバイスのチャネルマニホルドに弁作用お
よび混合作用を実現させる。
【０００３】既知の複数電圧源から構成されるため、複
数の電圧源リード線および対応するマイクロチップ・コ
ンタクトポイントを使用して、複数電位を供給する必要
があった。動電作用を発生させるためのこのような電源
および付随ハードウェアの数は非常に多く、制御するの
に複雑なアーキテクチャを必要とする。これは、特に各
ノードが外部電源からの異なる供給電位を必要とする場
合に、高度の並列アーキテクチャを必要とすることで明
らかである。
【０００４】したがって、各種配分のサンプル材料の混
合およびサンプル材料の可変容量の配分が可能で、さら
に単一電圧源により、内部で流体料を動電的に駆動する
マイクロチップの必要性が高まってきた。この方法で
は、電圧分割方法に必要な余分な配線と回路または複数
のプログラマブル電源の複雑性を削除でき、既知の設計
に比べてより少ない流体リザーバを用いてマイクロチッ
プを実現できる。
【０００５】
【発明の概要】本発明は液相の化学的および生物学的分
析のためのマイクロデバイスを提供する。本発明による
デバイスは基板を含み、その基板上に一連のマイクロチ
ャネルを形成している。カバープレートを基板に接着
し、マイクロチャネルの開口側を閉じる。リザーバはマ
イクロチャネルの末端部と流体連通している。リザーバ
は、リザーバ内の流体材料を動電的に混合および／また
は分配するための電位を供給する高圧電源と電気的に接
触している。
【０００６】マイクロチップは一連の支流チャネル接続
点（「Ｔ字形」および／または４方向交差）を含み、少
なくとも２つの支流試薬マイクロチャネルが混合マイク
ロチャネルと連通している。支流試薬チャネルは、断面
積と長さのいずれかが異なっているか、あるいはそれら
の両方が異なっている。従って、異なる電気抵抗を有す
る。支流試薬チャネル内の材料は、チャネル電気抵抗の
比率に依存して、チャネル接続点で混合される。この方
法により、マイクロチップの外部に技術的方法を使用す
ることなく、マイクロチップの電圧分割のすべてまたは
一部を処理できる。電気泳動および／または電気浸透移
動を使用して２つまたはそれ以上の材料の混合を達成で
きる。
【０００７】本発明の別の態様によれば、サンプル材料
の可変容量を配分できるマイクロデバイスを提供する。
さらに別の態様によれば、複数比率の分析または反応を
実行する場合、少数の材料リザーバを利用できるように
支流チャネルが形成される。
【０００８】本発明によるマイクロデバイスの第１カテ
ゴリは、従来のデバイスに比較して、少ない数の異なる
外部電圧源を利用して微小流体試薬混合を実行する電圧
分割技術を提供する。本発明によるマイクロデバイスの
第２カテゴリは、単一外部高電圧源およびスイッチを用
いて、マルチポート・デバイスへのサンプルの分配を可
能にする。
【０００９】
【好ましい実施形態の詳細な説明】本発明によるマイク
ロデバイスを４つの実施形態と関連付けて説明する。実
施形態は、一連の支流チャネル接続の方法による２つま
たはそれ以上の試薬材料の混合を示し、少なくとも２つ
の支流試薬マイクロチャネルが共通の混合マイクロチャ
ネルと連通している。支流試薬チャネルは同一断面積を
持つが、長さが異なっており、したがって異なる電気抵
抗を有する。同等のデバイスは、同一チャネル長さであ
るが異なる断面積、または２つの方法の組合せで製作で
きる。
【００１０】各支流チャネルにより供給される試薬量
は、チャネル長さの比およびチャネル内の材料の動電移
動特性に依存する。動電移動特性は、イオン強度、導電
率、誘電率およびゼータ電位などの試薬特性である多数
のパラメータに依存する。パラメータが設計者に既知で
ある場合は、このようなパラメータの変動を、本出願に
記載する構造設計において考慮に入れることができる。
いくつかの材料のパラメータが既知の場合、デバイスの
設計において、デバイスの動作に関するその材料の影響
を最小にすることができる。
【００１１】以下に説明する実施形態では、実際のデバ
イスを製作するのに必要な仮定でないことが明らかであ
っても、動電移動特性は構造全体で均一であると仮定す
る。
【００１２】第１実施形態では、支流試薬チャネル内の
材料は共通接続点で混合される。各支流チャネルにより
供給される試薬量はチャネル長さの比率に依存する。こ
の実施形態の設計方法は、マイクロチップの外部に技術
的方法を使用することなくマイクロチップ上のすべての
電圧分割を操作できる。電気泳動および／または電気浸
透移動を使用して２つまたはそれ以上の材料の混合が達
成される。
【００１３】本発明の第２実施形態では、複数の混合チ
ャネルおよびそれに機能的に接続される高電圧スイッチ
を使用して、支流チャネル長さを変化させることができ
る。スイッチは複数のコンタクト位置を有し、そのコン
タクト位置の各々が混合チャネルおよび支流チャネルの
組合せに関連する。支流チャネルと混合チャネルの希望
する構成は、対応するスイッチ位置にスイッチを配置す
ることにより選択される。この方法では、スイッチ位置
の変更は、支流チャネルを通して分配される試薬材料に
比例する変化を引き起こす。
【００１４】本発明の第３実施形態では、サンプル材料
の可変量を分配できる弁を使用するマイクロデバイスを
提供する。本発明の第４実施形態では、最小数の試薬と
希釈材料リザーバ、および少数の電圧源を用いて複数の
希釈実験を実行するマイクロデバイスを提供する。
【００１５】（容量配分） 図１によれば、混合接続点または「Ｔ形」１０はサンプ
ルリザーバ２０、バッファリザーバ３２、サンプルチャ
ネル２６、バッファチャネル２８、混合チャネル３４お
よび廃棄物リザーバ３６を含む。廃棄物リザーバ３６を
基準として、サンプルリザーバ２０とバッファリザーバ
３２に単一電位を印加すると、サンプルリザーバとバッ
ファリザーバからの流体材料が、Ｔ形接続点２４におい
て、サンプルチャネル２６とバッファチャネル２８の抵
抗に逆比例する割合で混合される。
【００１６】サンプルチャネル２６とバッファチャネル
２８が同一断面積を持つ場合、電気抵抗はチャネル長さ
に正比例する。したがって、サンプルおよびバッファチ
ャネルが同一長さと断面積を持つ場合、均一導電率と仮
定すると、サンプルおよびバッファ材料は接続点２４に
移動し、そこで等しい配分で混合される。サンプルおよ
びバッファチャネルが異なる長さの場合、サンプルおよ
びバッファ材料は移動して、サンプルおよびバッファチ
ャネルを組み合せた長さに対するバッファチャネル長さ
に比例する割合で混合される。
【００１７】代替方法では、それぞれのチャネルの抵抗
がチャネルの断面積に逆比例するため、サンプルおよび
バッファチャネル断面積を希望する混合配分を実現する
ように寸法決めできる。無論、チャネル長さと断面積の
両方を調整してチャネル抵抗を選択し、希望する電界を
提供して、サンプルおよびバッファ材料を移動し混合で
きる。
【００１８】図２には、本発明による流体マイクロチッ
プの実用例を示す。マイクロデバイス５は第１バッファ
リザーバ１１、第１サンプルリザーバ１２、第２バッフ
ァリザーバ１３、第２サンプルリザーバ１４、第３バッ
ファリザーバ１６、第３サンプルリザーバ１７、および
廃棄物リザーバ１８を含む。
【００１９】第１バッファチャネル３１ａは、第１バッ
ファリザーバ１１を廃棄物リザーバ１８に接続する。第
２バッファチャネル３１ｂは、第１バッファリザーバ１
１を、第１サンプルリザーバ１２に流体連通している第
１サンプルチャネル３３ａに接続する。第２バッファチ
ャネル３１ｂと第１サンプルチャネル３３ａの交差点
は、「Ｔ形」接続点４１を形成しており、廃棄物リザー
バ１８に流体連通している第１廃棄物チャネル３６ａを
有する。同様に、第２バッファリザーバ１３はチャネル
３３ｂ、３５ａ、３５ｂ、３６ｂ、３６ｃおよび３７ａ
を介して、第１および第２サンプルリザーバ１２と１
４、および廃棄物リザーバ１８に接続されている。
【００２０】さらに第３バッファリザーバ１６はチャネ
ル３７ｂ、３８ａ、３８ｂ、３９ａ、３６ｄおよび３６
ｅを介して、第２および第３サンプルリザーバ１４と１
７、および廃棄物リザーバ１８に接続されている。チャ
ネル３１ｂ、３３ａ、３３ｂ、３５ａ、３５ｂ、３７
ａ、３７ｂ、３８ａ。３８ｂおよび３９ａの寸法はそれ
ぞれの電気抵抗を備えるように選択し、それにより、廃
棄物チャネル３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３６ｄおよび３
６ｅそれぞれに沿う廃棄物リザーバ１８への移動に対
し、対応する接続点４１、４２、４３、４４および４５
における各種サンプルおよびバッファ材料の混合比率を
希望する値にする。
【００２１】マイクロチップ５は、硬質基板材料、好ま
しくはガラスで設計および製作される。しかし、高度に
発達した技術が精密で効率的製作を可能にする理由か
ら、シリコンのような材料も使用できる。シリコンは電
気導電度に関する問題を有するが、この制限は絶縁層を
使用して相殺できる。ポリマー、石英、石英ガラス、サ
ファイアまたはプラスティックのような他の材料も、基
板材料に適する。マイクロデバイス５の表面はカバープ
レートでカバーされ密封される。基板はチャネルおよび
リザーバを含む微小表面を備え、マイクロデバイス５の
チャネルを通したリザーバから生物学的および化学的材
料の動電移動を容易にする。
【００２２】マイクロチップデバイス５は、当業者には
既知の微細機械加工方法を使用して製作される。利用で
きる微細機械加工方法は、スピンコーティングおよび化
学蒸着法のような薄膜蒸着法、レーザ製作法または可視
光、紫外線またはＸ選択処理のような露光リソグラフィ
法、または湿式化学処理またはプラズマ処理のどちらか
により実行されるエッチング法を含む。好ましくは、マ
イクロチップ５のマイクロチャネル構成は、ポジのフォ
トレジスト、フォトマスクおよび紫外線露光を使用して
基板材料上に転写される。チャネルは、希釈、攪拌され
たＨＦ／Ｎ４ＨＦ溶液内で基板にエッチングされる。
【００２３】本発明によるマイクロチップデバイスのマ
イクロチャネルに含まれる２つまたはそれ以上の材料
は、動電移動を使用して達成される。図２に示す構造と
同一構造を有する本発明によるマイクロチップデバイス
は、前述のように製作される。サンプルおよびバッファ
チャネルの寸法は、２つのストリームを５つの異なるチ
ャネルに分配し、複数希釈作用を示すように決められ
た。チャネル３１ａと３９ｂは混合接続点を持たない。
【００２４】各Ｔ形接続点に対するサンプルおよびバッ
ファチャネル長さの選択は、チャネル３１ａ内では０、
チャネル３６ａ内では０．８３、チャネル３６ｂ内では
０．６８、チャネル３６ｃ内では０．５２、チャネル３
６ｄ内では０．３４、チャネル３６ｅ内では０．１６、
またチャネル３９ｂ内では１の希釈率（サンプル／（サ
ンプル＋バッファ））となるようにする。電位は、廃棄
物リザーバ１８を基準にしてサンプルおよびバッファリ
ザーバ１１〜１６に供給され、マイクロチップチャネル
マニホルドを通して材料を動電移動する。電位は単一高
電圧源に接続されたプラチナワイヤ電極を介して供給さ
れた。電気浸透流れを生じるのに必要な電界強度は、１
００Ｖ／ｃｍ〜１０００Ｖ／ｃｍが多い。
【００２５】マイクロチップデバイス５のペアの支流チ
ャネルの配分混合を説明するため、バッファ材料中のサ
ンプル材料の希釈実験を実行した。表１では、それぞれ
のサンプルおよびバッファチャネルを、各チャネルに対
し、計算した希釈率（計算した％サンプル）および測定
した希釈率（測定した％サンプル）を用いて記載してい
る。希釈実験は、第１サンプルリザーバ１２、第２サン
プルリザーバ１４および第３サンプルリザーバ１７に対
応するリザーバ内に同一サンプル材料を置いて実行し
た。希釈液は第１バッファリザーバ１１、第２バッファ
リザーバ１３および第３バッファリザーバ１６内に置い
た。１ＫＶ電位をバッファおよびサンプルリザーバに供
給し、廃棄物リザーバ１８はアース電位に維持した。
【００２６】マイクロチップ性能は、画像化にＣＣＤ
（電荷結合素子）を使用し、励起にはアルゴンイオンレ
ーザビーム（５１４．５ｎｍ、約１００ｍＷ）を使用し
て、レーザ誘導蛍光（ＬＩＦ）により監視した。蛍光信
号は光学顕微鏡を使用して収集し、スペクトル的にフィ
ルタをかけ（５５０ｎｍ遮断）、ＣＣＤで測定した。希
釈液は１０ｍＭ硼酸ナトリウムであり、サンプル溶液は
バッファ溶液の１０ｍＭ中のローダミンＢ（４０μＭ）
であった。
【００２７】図３は、廃棄物チャネルを横切る横方向位
置の関数として、平均蛍光信号をプロットしている。こ
のプロットから、積分面積は表１に示された実験的希釈
率の算出を可能にする。表１に表わされたデータは予測
値と実際値の間の高い相関を示す。チャネル３６ｄと３
６ｅについては、実際の比率は予測値より高い。基板の
機械加工品質を改良すると、比率はさらに近い値になる
と期待される。また、本発明により作成されるマイクロ
チップは、製作後に校正して、チャネル抵抗に影響を与
えるチャネル寸法のわずかの差異を処理できる。
【００２８】
【表１】
【００２９】図２ａは、本発明によるマイクロチップデ
バイスの代替実施形態を示しており、材料リザーバの数
を最小にするよう構成された複数セットの混合接続点を
有する。
【００３０】デバイス９０は単一サンプルリザーバ９
２、複数バッファリザーバ９４、９６、９８、１００お
よび１０２、および廃棄物リザーバ１１０を備える。サ
ンプル材料はサンプルリザーバ９２内に装填される。共
通バッファ、試薬、または各種バッファまたは試薬はバ
ッファリザーバ９４〜１０２内に装填される。サンプル
チャネル９１ａ、９１ｂ、９３ａ、９３ｂ、９５ａ、９
５ｂ、９７ａ、９７ｂ、および９９ａ、９９ｂのそれぞ
れのペアは、複数のバッファ／試薬リザーバ９４〜１０
２の各々に対しサンプルリザーバ９２を相互接続してい
る。
【００３１】混合チャンネル１０１ａ、１０１ｂ、１０
３ａ、１０３ｂ、１０５ａ、１０５ｂ、１０７ａ、１０
７ｂおよび１０９ａ、１０９ｂの対応するペアは、各サ
ンプルチャネルを廃棄物リザーバ１１０に相互接続して
いる。混合チャネルは、混合接続点１１１ａ、１１１
ｂ、１１３ａ、１１３ｂ、１１５ａ、１１５ｂ、１１７
ａ、１１７ｂ、および１１９ａ、１１９ｂのそれぞれで
サンプルチャネルに交差している。
【００３２】この配置により、サンプル材料の多数の同
時の固定希釈を、１つまたは複数のバッファ溶液を用い
て実行できる。混合接続点を形成するチャネルセグメン
トの断面積および長さの寸法は、混合接続点の各々にお
いて異なる配分の、前もって選択した配分でのサンプル
およびバッファ材料の混合を提供するような寸法であ
る。この方法で、デバイス９０は、２次元レイアウト内
（すなわちチャネルの交点ではない）の単一サンプルの
複数希釈を行うのに必要なリザーバの数を最小にする。
一般に、Ｎ回の希釈を実行するには、（Ｎ／２）＋２の
リザーバを必要とする。Ｎが奇数の場合、その値は次に
大きい整数に切り上げられる。
【００３３】図２ａに示す実施形態の変形形態では、マ
イクロチャネルのカバープレートを貫通する十分小さい
垂直接続コンジット（バイアス）を使用して、複数のバ
ッファリザーバを組合せて単一リザーバとしており、バ
ッファリザーバはバイアに接続されている十分大きい断
面を有する。代替方法では、バイアスを使用してマイク
ロチャネルの多重層間を接続し、複数のバッファリザー
バを単一リザーバに減少できる。マルチチャネルの多重
層により、多層プリント回路基板に使用される構造と同
様に、チャネルは他の各々の上面を横切ることができ
る。
【００３４】図４は、本発明によるマイクロチップデバ
イスの別の実施形態を示す。マイクロチップ５０はサン
プルリザーバ５２、バッファリザーバ５４、および廃棄
物リザーバ６０Ａ〜６０Ｃを含む。サンプルおよびバッ
ファリザーバ５２と５４は、マイクロチップデバイス５
０のセグメントＬ１〜Ｌ４を形成するアクセスチャネル
に流体材料を供給する。
【００３５】マイクロチップ５０は、アクセスチャネル
に沿って接続され、また廃棄物リザーバ６０Ａ、６０Ｂ
および６０Ｃそれぞれに流体連通している３つの混合チ
ャネル５８Ａ、５８Ｂおよび５８Ｃを含む。スイッチ６
２、６４または６６を備え、廃棄物リザーバ６０Ａ、６
０Ｂおよび６０Ｃをそれぞれアース電位に選択的に接続
する。
【００３６】サンプルおよびバッファ溶液は、廃棄物リ
ザーバ６０Ａ、６０Ｂまたは６０Ｃの対応する１つをア
ース電位に接続するためのスイッチ６２、６４または６
６によって混合チャネル５８Ａ、５８Ｂおよび５８Ｃ内
で混合される。このようにして、チャネル５８Ａがアー
ス電位に接続されると、チャネル５８Ｂおよび５８Ｃは
切断される。したがって、例えば、アクセスチャネル長
さＬ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝Ｌ４を有するマイクロチップ５０
では、チャネル５８Ａの混合比率は、サンプル（Ｌ１）
３に対しバッファ（Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４）１の割合であ
る。チャネル５８Ｂの混合比率は、サンプル（Ｌ１＋Ｌ
２）１に対しバッファ（Ｌ３＋Ｌ４）１の割合である。
またチャネル５８Ｃは、サンプル（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）
１に対しバッファ（Ｌ４）３の割合である。他の混合比
率を得るために、マイクロチップ５０のチャネル長さＬ
１、Ｌ２、Ｌ３およびＬ４は等しい必要はない。
【００３７】（可変容量弁） 図５に、弁作用を説明する本発明によるマイクロチップ
１５の概略図を示す。マイクロチップ１５はサンプルリ
ザーバ７０、バッファリザーバ７４、第１廃棄物リザー
バ７６および第２廃棄物リザーバ７８を含む。サンプル
チャネル７１はサンプルリザーバ７０と流体連通してい
る第１端を有する。バッファチャネル７３はバッファリ
ザーバ７４と流体連通している第１端を有する。第１廃
棄物チャネル７５は第１廃棄物リザーバ７６と流体連通
する一端を有し、また第２廃棄物チャネル７７は第２廃
棄物リザーバ７８と流体連通する一端を有する。
【００３８】４つのチャネルが弁接続点８０で交差して
いる。それぞれのリザーバおよび弁機能接続点間のそれ
ぞれのチャネルの長さを選択して、当該チャネルに所定
の電気抵抗を与えることができる。この方法で、単一高
電圧源を使用してそれぞれのリザーバと弁機能接続点８
０間の電位を確立できる。マイクロチップ１５の実際の
例では、表２に記載したチャネル長さを使用した。
【００３９】サンプルリザーバ７０は高電圧源６８に接
続される。スイッチ７２は高電圧源６８とバッファリザ
ーバ７４間に直列に接続される。第１および第２廃棄物
リザーバの７６と７８は、高電圧源６８に対するアース
電位に接続される。弁８０は高電圧スイッチ７２を操作
して作動させる。スイッチ７２が閉じると、弁８０は閉
じて、サンプル材料は第１廃棄物リザーバ７６方向だけ
に動電移動する。スイッチ７２が開くと、弁８０は開
き、サンプル材料は第１廃棄物リザーバ７６方向および
第２廃棄物リザーバ７８の両方に動電移動する。第１廃
棄物チャネル７５と第２廃棄物チャネル７７の長さがわ
ずかに異なるため、それぞれの廃棄物リザーバに移動す
るサンプル材料の配分は異なる。サンプル材料の相対的
配分は、第１および第２廃棄物チャネルの相対的電気抵
抗に従って決まる。
【００４０】弁の動作を説明するために、マイクロチッ
プ１５の実際例で使用される有機染料の蛍光画像を図６
ａ〜６ｄに示す。図６ａは、バッファ、サンプル、第１
および第２廃棄物チャネルが交差する弁接続点８０の白
色光画像を示す。図６ｂ〜６ｄは、弁が閉、開および再
度閉じるシーケンスの間のサンプル材料の移動を示す。
図６ｂでは、スイッチ７２は閉じており、１ＫＶ電位が
バッファリザーバ７４とサンプルリザーバ７０に供給さ
れている。この状態では、サンプル材料は弁８０を通っ
て、第１廃棄物リザーバ７６方向に移動する。
【００４１】図６ｃでは、高電圧スイッチ７２は０．４
秒間開いており、サンプル材料は第１廃棄物リザーバ７
６と第２廃棄物リザーバ７８の両方に移動する。第２廃
棄物リザーバ７８に分配されるサンプル材料の容量は、
高電圧スイッチ７２が開いている時間長さおよび分析チ
ャネル７７内の電界強度に比例する。
【００４２】図６ｄは、スイッチ７２を閉じて弁８０を
再度閉じた後のサンプル材料閉止を示しており、分析チ
ャネルを下方に移動させている。スイッチ７２を閉じた
ときの、チャネルの各々内の電界強度を表２に記載して
いる。スイッチ７２は任意の適正なタイプのスイッチで
具現化できる、これらのスイッチには機械的作動スイッ
チ、継電器のようなソレノイド作動スイッチ、または固
体スイッチングデバイスを含む。
【００４３】代替方法としては、スイッチ７２の機能
は、バッファリザーバ７４とサンプルリザーバ７０間に
存在する電圧レベルを外部制御（例えば分離制御される
電源またはスイッチング回路）によって循環させて実現
できる。
【００４４】
【表２】
【００４５】本発明による弁機能を示す別の実際の実施
形態を図７に示す。デバイス１２５は、弁作用を果たす
のに、図５に示す実施形態より少ない流体リザーバを必
要とするだけである。マイクロチップデバイス１２５は
廃棄物リザーバの数を１つに減少する、なぜなら、廃棄
物チャネル１７５および分離チャネル１７７がサンプル
とバッファ材料の全体を単一廃棄物リザーバ１７８に移
動するためである。
【００４６】バッファチャネル１７３、サンプルチャネ
ル１７１、廃棄物チャネル１７５および分離チャネル１
７７の寸法は、弁接続点１８０で交差する４つのチャネ
ル内に適正な電界強度を備えるように決められる。ゲー
ト弁の正しい動作には、好ましくはチャネルの電気抵抗
の設計が、バッファチャネル１７３内の電界強度が分離
チャネル１７７の電界強度より大きく、また廃棄物チャ
ネル１７５内の電界強度がサンプルチャネル１７１内の
電界強度より大きくなるように設計される。
【００４７】図５のデバイス１５と同様に、高電圧電源
１６８はサンプルリザーバ１７０に直接接続され、また
スイッチ１７２を通してバッファリザーバ１７４に接続
されている。電源１６８のアース側は廃棄物リザーバ１
７８に接続されている。弁デバイス１２５は基本的に図
５に示すデバイスと同一方式で作動する。特に電気スイ
ッチ１７２が開いているときには弁１８０は開き、電気
スイッチ１７２が閉じているときには弁１８０は閉じ
る。
【００４８】（試薬混合回路） 図８は、本発明によるマイクロチップを実現するための
標準的試薬混合回路２１０の概略を示す。混合回路２１
０は、Ｗ１リザーバ２１４とＷ２リザーバ２１５に電位
を供給することなく、Ｒ１リザーバ２１１からの第１試
薬とＲ２リザーバ２１２からの第２試薬をＴ３交差点２
１３で動電混合する。
【００４９】この実施形態では、Ｗ１リザーバ２１４お
よびＷ２リザーバ２１５を電流分路として使用して、Ｔ
３交差点２１３への第１および第２試薬の低流量分配を
支援している。Ｗ１リザーバ２１４およびＷ２リザーバ
２１５は各々特定の適正なバッファ溶液を含み、動電操
作を実行する。電流分路により、電圧制御、信号対雑音
比、またはディジタル−アナログ変換の量子化レベルに
対し最小の要求条件で、試薬の広範囲の安定な混合比率
が可能になる。
【００５０】電流分路が無い場合、チャネルマニホルド
内の小容量の材料を注入するためには、低いかまたは高
度に精密な電圧を試薬リザーバに供給することが必要に
なる。この結果、低い電位または電流で動作するとき
は、電源の安定性に依存するために、Ｒ１リザーバ２１
１またはＲ２リザーバ２１２からＴ３交差点２１３への
材料分配が不安定になる。
【００５１】Ｗ１リザーバ２１４を電流分路として使用
して小容量の第１試薬をＴ３交差点２１３に分配するた
めに、材料はＲ１リザーバ２１１から動電移動し、その
流れはＴ１交差点２１６で分割される。第１試薬の制御
される部分はＴ３交差点２１３およびＷ１リザーバ２１
４方向に送られる。分割部分の比率は印加された電位、
およびＲ１リザーバ２１１とＷ１リザーバ２１４に到る
チャネル抵抗により決定される。同様に、Ｗ２リザーバ
２１５を電流分路として使用して小容量の第２試薬をＴ
３交差点２１３の正確に分配するために、Ｒ２リザーバ
２１２から動電移動される材料がＴ２交差点２１７で分
割され、Ｔ３交差点２１３方向に移動する材料の部分と
Ｗ２リザーバ２１５方向に移動する第２部分を持つ。
【００５２】この構成により、Ｒ１リザーバ２１１また
はＲ２リザーバ２１２のどちらからも、Ｔ３交差２１３
への小容量の材料の分配が可能になり、その交差点で混
合され、低いかまたは高度に精密な電圧を材料リザーバ
に供給する必要がなくなる。この実施形態の説明に関連
して引用するすべての電位は廃棄物リザーバ２１９を基
準にしている。
【００５３】図８に示す混合回路の代替動作は、Ｔ３交
差点２１３で混合される前に、Ｗ１リザーバ２１４およ
びＷ２リザーバ２１５を使用して、Ｒ１リザーバ２１１
およびＲ２リザーバ２１２それぞれからの試薬材料を希
釈することである。Ｒ１リザーバ２１１内の材料をＷ１
リザーバ２１４からの材料で希釈するには、電位をＲ１
リザーバ２１１とＷ１リザーバ２１４の両方に供給し
て、それぞれのリザーバからＴ１交差点２１６方向に材
料を移動する。
【００５４】Ｔ１交差点２１６においてＷ１リザーバ２
１４内のバッファ材料により第１試薬を希釈する量は、
リザーバに供給される電位の大きさ、およびそれぞれの
チャネル内の電気抵抗に依存する。同様にＲ２リザーバ
２１２からの材料をＷ２リザーバ２１５からのバッファ
材料で希釈するには、電位をＲ２リザーバ２１２とＷ２
リザーバ２１５の両方に供給して、それぞれのリザーバ
からＴ２交差点２１７方向に材料を移動する。
【００５５】Ｔ２交差点２１７においてＷ２リザーバ２
１５内のバッファ材料により第２試薬を希釈する量は、
リザーバに供給される電位の大きさ、およびそれぞれの
チャネル内の電気抵抗に依存する。第１および第２バッ
ファを使用して第１および第２試薬をそれぞれ希釈こと
により、広い濃度範囲の試薬がＴ３交差点で反応し、反
応チャネル２１８内で試験できる。
【００５６】これらの実施形態のどちらにおいても、Ｗ
１リザーバ２１４およびＷ２リザーバ２１５は電気的に
フローティング（すなわち外部回路との接続が無い）に
維持され、流体回路は図１に示すのと類似のＴ形接続点
と原理的に同一に機能する。つまり第１試薬および第２
試薬は、印加された電位、チャネルの形状、およびそれ
らチャネル内の材料の化学特性で決まる配分で混合され
る。他が適正な電源で制御される間、バッファリザーバ
２１４または２１５のどちらかを電気的にフローテイン
グに維持できることは明らかである。
【００５７】図９は、図８に示す希釈／混合回路の代替
実施形態を示す。図９の回路では、複数の流体分流を備
えて、Ｒ１リザーバ２２１内の第１試薬、Ｒ２リザーバ
２２２内の第２試薬のどちらか、または両方の希釈の動
作範囲を拡大する。Ｔ１交差点２２３を通る第１試薬の
流れは、図８および前述に示す実施形態の対応する交差
点と同様に動作する。
【００５８】Ｔ１交差点からＴ７交差点２３０に向かう
第１試薬の流れは、Ｔ３交差点２２４において、Ｄ１リ
ザーバ２２５に保持される第１希釈液でさらに希釈でき
る。Ｗ３リザーバ２２７により、Ｔ１交差点２２３で発
生するのと同様な材料分流プロセスを発生させることが
できる。この直列希釈プロセスは、４方向交差点すべて
に接続された入力チャネル、出力チャネル、希釈液チャ
ネルおよび分流チャネルを含む追加流体エレメントを用
いて続行できる。Ｔ７交差点２３０の右側のリザーバお
よび交差点は、Ｔ７交差点の左側に示すリザーバおよび
交差点と左右対称である。
【００５９】これらは同様に動作するが、Ｒ２リザーバ
２２２に保持される第２試薬の希釈プロセスを実行す
る。図９に概略的に示す回路により、プロセスの最も効
果的な制御のための、試薬、希釈液および廃棄物（分
流）リザーバ全体に渡る独立的制御が可能になる。一般
に、希釈液は同一であるが、異なるものも使用できる。
同一希釈機能を実行できる操作的複雑性の少ない回路
は、左側と右側希釈液および廃棄物リザーバをそれぞれ
共通にすることにより実現できる。このようなデバイス
を、次の図１０に示す。
【００６０】（直列希釈回路） 本発明の微小流体回路はさらに直列希釈器として具現化
できる。本発明による直列希釈器では、一連のチャネ
ル、Ｔ形接続点および交差点を構成して、２つの試薬
（サンプルおよびバッファ）を一連の予め選択した比率
で混合する。希望する希釈はマイクロチップのそれぞれ
のチャネル内を流れる電流に対応する。したがって、本
発明の態様を実現するマイクロチップは、等価電気回路
としてそれぞれのチャネルを分析することにより設計さ
れる。各チャネルまたは分岐回路は設計された抵抗を持
ち、そこを流れる希望の電流を提供する。サンプルおよ
びバッファ材料はそれぞれのマイクロチャネルを通り、
等価電流流れに正比例して移動する。図１０は、本発明
の態様による直列希釈器の好ましい微小流体回路８１０
を示す。
【００６１】図１０によれば、直列希釈器回路８１０
は、バッファ材料または他の希釈液を保持するバファリ
ザーバ８１２、サンプル材料を保持するサンプルリザー
バ８１４、第１廃棄物リザーバ８１６、および第２廃棄
物リザーバ８１８を含む。バッファリザーバ８１２と流
体連通する主バッファチャネル８２１を形成して、バッ
ファ材料を移動させる。サンプルチャネル８２２はサン
プルリザーバ８１４と流体連通して、サンプル材料を移
動させる。
【００６２】複数のバッファチャネル延長部８２１ａ、
８２２ａ、８２３ａおよび８２４ａが、バッファチャネ
ル８２１から直列に延びている。セットのバッファ分岐
チャネル８２１ｂ、８２２ｂ、８２３ｂ、８２４ｂおよ
び８２５ｂ各々が、バッファチャネル延長部８２１ａ、
８２２ａ、８２３ａおよび８２４ａそれぞれから、主バ
ッファチャネル８２１との交差点を基準として選択され
た位置で分岐している。
【００６３】サンプルチャネル８２２は、第１バッファ
延長チャネル８２１ａとの交差点から予め選択された距
離の位置で、バッファ分岐チャネル８２１ｂと相互接続
している。混合チャネル８２１ｃは、サンプルチャネル
８２２との交差点でバッファチャネル８２１ｂと相互接
続している。直列の混合チャネル８２２ｃ、８２３ｃお
よび８２４ｃは混合チャネル８２１ｃの他端から延びて
いる。セットの分析チャネル８２１ｄ、８２２ｄ、８２
３ｄ、８２４ｄおよび８２５ｄは、混合チャネル８２１
ｃ、８２２ｃ、８２３ｃおよび８２４ｃそれぞれから、
分岐チャネル８２１ｂとの交差点を基準にして選択され
た位置で分岐している。
【００６４】図１０に示す実施形態では、分析チャネル
は混合チャネルのそれぞれの端部で分岐している。分析
チャネルは相互に異なる長さを持ち、第２廃棄物リザー
バ８１８と流体連通している。廃棄物チャネル８２６は
混合チャネル８２４ｃの端部で第１廃棄物チャネル８１
６と相互接続している。
【００６５】単一電圧が、廃棄物リザーバ８１６と８１
８を基準としてバッファリザーバ８１２およびサンプル
リザーバ８１４に供給されると、バッファ材料は、バッ
ファチャネル８２１に沿ってバッファチャネル延長部８
２１ａおよびバッファ分岐チャネル８２１ｂ中に動電移
動する。バッファ材料も同様にバッファ分岐チャネル８
２１ｂから混合チャネル８２１ｃ中に移動する。
【００６６】図中の矢印はバッファ流れ方向を表わす。
同時に、サンプル材料は、図１０中の矢印に示すよう
に、サンプルチャネル８２２に沿って混合チャネル８２
１ｃおよび分析チャネル８２１ｃ中に移動する。サンプ
ル材料は混合チャネル８２１ｃ内でバッファ材料により
希釈される、一方、分析チャネル８２１ｄ内のサンプル
材料は、サンプルチャネル８２２内のサンプル材料と同
一濃度である（すなわち希釈されていない）。
【００６７】プロセスの進行に伴い、バッファ延長チャ
ネル８２１ａ内のバッファ材料は、バッファ延長チャネ
ル８２２ａとバッファ分岐チャネル８２２ｂに分割され
る。分岐チャネル８２２ｂ内のバッファ材料は混合チャ
ネル８２２ｃに流れ込み、混合チャネル８２１ｃ内の希
釈されたサンプル材料は混合チャネル８２２ｃと分析チ
ャネル８２２ｄに分割される。混合チャネル８２１ｃか
らの希釈されたサンプル材料はさらに混合チャネル８２
２ｃ内で希釈され、一方、分析チャネル８２２ｄ内の希
釈されたサンプル材料は、混合チャネル８２１ｃ内のサ
ンプル材料と同一濃度である。
【００６８】サンプルおよびバッファ材料の分割と希釈
がさらに、バッファ延長チャネル８２３ａと８２４ａ、
バッファ分岐チャネル８２３ｂ、８２４ｂおよび８２５
ｂ、混合チャネル８２３ｃと８２４ｃ、および分析チャ
ネル８２３ｄ、８２４ｄおよび８２５ｄにおいて同様に
なされることは明らかである。図１０に示す実施形態で
は、５つの分析チャネルが存在するが、直列のチャネル
延長部、チャネル分岐、混合チャネルおよび分析チャネ
ルは、特定プロセスに必要なだけ多数の希釈を連続させ
ることができる。
【００６９】図１０の実施形態では、チャネルは基本的
に同一断面積で形成される。チャネル抵抗は、設計およ
び製作時に、チャネルを延長することにより増加し、チ
ャネルを短縮すると減少する。混合チャネルに比較的小
さい断面積を使用することが望ましい。なぜなら混合さ
れる流体流れが急速に平衡に達するからである。
【００７０】前述および図１０に示した直列希釈器の例
と同様に、図１０に示すチャネル構造を有するマイクロ
チップデバイスを製作した。直列希釈器回路８１０の実
際の実施形態のＣＣＤ画像を図１１ａに示す。それぞれ
のサンプルおよびバッファチャネルの寸法は、サンプル
材料をそれぞれの濃度に調和して希釈するような寸法と
している。チャネル寸法は、以下のサンプル希釈を提供
するように選択した。
【００７１】つまり、チャネル８２１ｄは１００％サン
プル、チャネル８２２ｄは３８％サンプルおよび６２％
バッファ、チャネル８２３ｄは２２％サンプルおよび７
８％バッファ、チャネル８２４ｄは１４％サンプルおよ
び８６％バッファ、チャネル８２５ｄは６％サンプルお
よび９４％バッファとした。マイクロチップのそれぞれ
のチャネル長さを、ｍｍ単位で次の表３に示す。
【００７２】
【表３】
【００７３】実験はマイクロチップを使用して、サンプ
ル材料（２０ｍＭ硼酸ナトリウム中の１００μＭローダ
ミンＢ）をバッファ材料（２０ｍＭ硼酸ナトリウム）で
直列的に希釈を実行した。サンプルおよびバッファリザ
ーバをそれぞれのサンプルおよびバッファ材料で満たし
た。４００Ｖ電位をサンプルおよびバッファリザーバに
供給し、廃棄物リザーバをアース電位に維持した。図１
１ｂはサンプルの希釈の進行を示す蛍光画像であり、連
続する分析チャネル内で容易に観察できる。図１２は、
それぞれの分析チャネルの平均蛍光輝度をピクセル位置
の関数としてプロットしたものである。各分析チャネル
内で希釈される材料の計算および測定希釈率を表４に示
す。
【００７４】
【表４】
【００７５】表４に示したデータは、理論的および実際
の希釈率間で良好な相関を有する。計算された相対希釈
率は、チャネル幅のわずかな変動を補正している。また
測定された相対希釈率は、蛍光測定の不均一励起を補正
している。
【００７６】前述の開示内容を考慮すると、本発明によ
るマイクロデバイスは微小流体配分を容易に実現するこ
とが理解できる。このような機能は、正確な容量の材料
の結合を必要とする動態研究のような、化学的および生
物学的反応の分析に有効である。
【００７７】本明細書で開示されるマイクロデバイス
は、異なる異なる配分で電気抵抗を持つチャネルを使用
して、材料をオンチップ混合できる。マイクロデバイス
は、混合接続点で交わるサンプルおよびバッファ試薬チ
ャネルを有する、１つまたは複数のチャネル接続点また
は「Ｔ形接続点」を含む。同一断面積ではあるが異なる
長さを持つ支流チャネルを有することにより、チャネル
長さの比率に依存して、そこを通過する材料を接続点で
混合できる。なぜならマイクロチャネルの電気抵抗はチ
ャネル長さに正比例するからである。異なる断面積をも
つマイクロチャネルは効果的に材料を配分できる。なぜ
ならマイクロチャネルの抵抗は断面積に逆比例するから
である。
【００７８】このように、マイクロチップ上の電圧分割
操作は、マイクロチップの外部に技術的手法を使用する
ことなく、マイクロデバイスのチャネルを適正に寸法決
めして行うことができる。この方法では、微小流体デバ
イスを動作させるのに必要な電圧源の数を大幅に減少で
きる。さらに、マイクロチャネルおよびそれらの相互接
続適正な配置と寸法決めにより、サンプル材料の複数希
釈を実行するのに必要なサンプル、バッファ、および廃
棄物リザーバの数を大幅に減少できる。
【００７９】使用した用語および表現は、説明の用語と
して使用したものであり、限定を意味するものではな
い。このような用語および表現の使用においては、図示
し説明した形態またはその一部のすべての均等物を除外
する意図を持たないものである。例えば、チャネル幅ま
たは高さおよび長さを変更してチャネル抵抗を変化さ
せ、コンパクトな微小流体設計を容易にすることができ
る。しかし、チャネル寸法、位置および配置のような各
種変更は、本発明の特許請求範囲の範囲内で可能なこと
は明白である。 ［図面の簡単な説明］ 前述の概要および以下の詳細な説明は、添付図面と関連
つけて解釈すれば、最もよく理解されるであろう。
【図１】本発明による混合接続を示す概略図である。
【図２】本発明による試薬を混合する流体マイクロチッ
プの概略図である。
【図２ａ】図２に示す流体マイクロチップの代替実施形
態の概略図である。
【図３】図２に示す流体マイクロチップの廃棄物チャネ
ルの平均蛍光信号のグラフである。
【図４】本発明による流体マイクロチップの代替実施形
態の概略図である。
【図５】本発明によるマイクロチップの概略図であり、
微小流体弁作用を構成している。
【図６ａ】図５に示すデバイスの分配弁の白色光画像で
ある。
【図６ｂ】図６ａの弁の閉じた状態の蛍光画像である。
【図６ｃ】図６ａの弁の開いた状態の蛍光画像である。
【図６ｄ】図６ａの弁の再度閉じた状態の蛍光画像であ
る。
【図７】図５に示す流体マイクロチップの代替実施形態
の概略図である。
【図８】本発明の別の態様による試薬混合回路の概略図
である。
【図９】図８に示す試薬混合回路の別の実施形態の概略
図である。
【図１０】本発明の別の実施形態による複数直列希釈を
実行する流体マイクロチップの概略図である。
【図１１ａ】図１０の外略図に対応する実際の希釈マニ
ホルドのＣＣＤ画像である。
【図１１ｂ】図１１ａの希釈マニホルドの蛍光画像であ
り、複数希釈実験の実行を示す。
【図１２】図１１ｂに示す複数希釈実験における、分析
チャネルの各々に対して得られた平均蛍光信号のグラフ
である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラムジー，ジェイ．，マイケル アメリカ合衆国，テネシー州 37922, ノックスビル，ハンプソン ローズ ド ライブ 733 (56)参考文献 特開 平８−261986（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 37/00 G01N 37/00 101

Claims (22)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１材料を含む第１リザーバと、 第２材料を含む第２リザーバと、 第３材料を含む第３リザーバと、 前記第１リザーバと流体連通している第１端を有する第
    １チャネルと、 前記第２リザーバと流体連通している第１端を有する第
    ２チャネルと、 前記第３リザーバと流体連通している第１端を有する第
    ３チャネルと、 前記第１，第２及び第３流体リザーバと機能的に接続さ
    れて、前記第１及び第２材料を前記第１及び第２リザー
    バから前記第３リザーバに向けて動電移動させるため
    に、前記第１及び第２リザーバに第１電位を加えると共
    に前記第３リザーバに第２電位を加える電圧源とを有
    し、 前記第１，第２及び第３チャネルが、接続点を構成する
    互いに接続された第２端を夫々有し、 前記第１及び第２チャネルが、それらチャネルにおいて
    電気抵抗を提供するべく異なった長さ又は異なった断面
    積或は異なった長さ及び断面積の双方を有し、それによ
    り、前記電位を前記電圧源から前記リザーバに加えた時
    に、前記第１材料と前記第２材料とを前記接続点におい
    て第１比率で混合させることができるようにしたことを
    特徴とする、微小流体素子操作を実行する装置。
  2. 【請求項２】 前記第１及び第２チャネルが同一断面寸
    法を有し、前記第１及び第２材料を前記接続点において
    前記第１比率で混合させるようにするべく前記チャネル
    の長さが異なった長さに寸法付けされていることを特徴
    とする、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記電圧源が、前記第３リザーバに相対
    する前記第１及び第２リザーバに対して一定の電位を加
    えるようになっていることを特徴とする、請求項１に記
    載の装置。
  4. 【請求項４】 前記電圧源が第１電位および第２電位を
    有する電源を備え、前記第１電位が前記第１および第２
    リザーバに機能的に接続され、さらに前記第２電位が前
    記第３リザーバに機能的に接続されている、請求項３に
    記載の装置。
  5. 【請求項５】 第４材料を含む第４リザーバと、 前記第４リザーバに流体連通している第１端を有する第
    ４チャネルと、 前記第１リザーバに流体連通している第１端を有する第
    ５チャネルと、 前記第２リザーバに流体連通している第１端を有する第
    ６チャネルとを備えるものであり、 前記第４、第５および第６チャネルが、相互接続される
    それぞれの第２端を有して第２接続点を形成しており、 前記第４、第５および第６チャネルの長さと断面積、ま
    たはその組合せの寸法を、前記各リザーバに対し電位を
    供給すると、前記第２接続点において第２比率で第１お
    よび第２流体材料の混合を実現する寸法としている、請
    求項１に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記第１リザーバと流体連通している第
    １端を有する第４チャネルと、 前記第２リザーバと流体連通している第１端を有する第
    ５チャネルと、 前記第３リザーバと流体連通している第１端を有する第
    ６チャネルとを備えるものであり、 前記第４、第５および第６チャネルが、相互接続される
    それぞれの第２端を有して第２接続点を形成しており、 前記第４、第５および第６チャネルの長さと断面積、ま
    たはその組合せの寸法を、前記リザーバに対し電位を供
    給すると、前記第２接続点において第２比率で第１およ
    び第２流体材料の混合を実現する寸法としている、請求
    項１に記載の装置。
  7. 【請求項７】 各々が前記第１リザーバと流体連通して
    いる第１端を有する複数の第１チャネルと、 各々が前記第２リザーバと流体連通している第１端を有
    する複数の第２チャネルと、 各々が前記第３リザーバと流体連通している第１端を有
    する複数の第３チャネルとを備えるものであり、 前記複数の第１、第２および第３チャネルの各々が、そ
    れぞれ相互接続されているそれぞれの第２端を有して、
    複数の接続点を形成し、 電圧源が前記第１、第２および第３流体リザーバに機能
    的に接続されて、前記第１および第２流体材料を前記第
    １および第２リザーバから前記第３リザーバ方向に動電
    移動し、 前記第１、第２および第３チャネル各々の長さと断面
    積、またはその組合せの寸法を、前記リザーバに対し電
    位を供給すると、複数の比率で第１および第２材料を混
    合し、それにより前記複数の接続点の各々において希望
    する混合比率を実現する寸法としている、請求項１に記
    載の装置。
  8. 【請求項８】 前記複数の第１、第２および第３チャネ
    ルが同一断面寸法であり、また前記各チャネルの長さ
    が、前記複数の接続点において複数の比率で前記第１お
    よび第２流体材料を混合するように形成されている、請
    求項７に記載の装置。
  9. 【請求項９】 前記第２リザーバが複数の第２リザーバ
    を備えている、請求項７に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記複数の第２チャネルのペアが、前
    記複数の第２リザーバのそれぞれの１つと流体連通して
    いるそれらの第１端を有している、請求項９に記載の装
    置。
  11. 【請求項１１】 前記第１リザーバが複数の第１リザー
    バを備え、前記第２リザーバが複数の第２リザーバを備
    え、前記第１チャネルが前記複数の第１リザーバのそれ
    ぞれの１つと流体連通している第１端を各々有する複数
    の第１チャネルを備え、前記第２チャネルが前記複数の
    第２リザーバのそれぞれの１つと流体連通している第１
    端を各々有する複数の第２チャネルを備え、前記第３チ
    ャネルが前記第３リザーバと流体連通している第１端を
    各々有する複数の第３チャネルを備え、 前記複数の第１、第２および第３チャネルの各々が、そ
    れぞれ相互接続されたそれぞれの第２端を有して、複数
    の接続点を形成し、 前記複数の第１、第２および第３チャネル各々の長さと
    断面積、またはその組合せの寸法を、前記各リザーバに
    対し電位を供給すると、複数の比率で第１および第２材
    料を混合し、それにより前記複数の接続点の各々におい
    て希望する混合比率を実現する寸法としている、請求項
    １に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 第１材料を含む第１リザーバと、 第２材料を含む第２リザーバと、 第３材料を含む第１収容リザーバと、 第４材料を含む第２収容リザーバと、 前記第１リザーバと流体連通している第１端と、前記第
    ２リザーバと流体連通している第２端とを有する第１チ
    ャネルと、 前記第１収容リザーバと流体連通している第１端と、前
    記第１チャネルと相互接続されて第１接続点を形成して
    いる第２端とを有する第２チャネルと、 前記第２収容リザーバと流体連通している第１端と、前
    記第１チャネルと相互接続されて第２接続点を形成して
    いる第２端とを有する第３チャネルと、 前記第１および第２収容リザーバに機能的に接続されて
    いるスイッチと、 前記第１と第２リザーバおよび前記スイッチに機能的に
    接続された電圧源であって、その電圧源が前記第１収容
    リザーバまたは前記第２収容リザーバのどちらかに選択
    的に接続されて、前記第１と第２リザーバから前記第１
    または第２収容リザーバ方向に第１と第２材料を動電移
    動する電圧源と、を備えた微小流体操作を実行する装置
    であって、 前記第１接続点が前記第１チャネルに沿って配置され
    て、前記第１収容リザーバを基準として前記第１と第２
    リザーバに電位を供給すると、前記第１接続点において
    第１比率で第１と第２材料の混合を実現し、さらに前記
    第２接続点が前記第１チャネルに沿って配置されて、前
    記第２収容リザーバを基準として前記第１と第２リザー
    バに電位を供給すると、前記第２接続点において第２比
    率で第１と第２材料の混合を実現している、微小流体操
    作を実行する装置。
  13. 【請求項１３】 前記スイッチが、 前記電圧源と前記第１収容リザーバ間に機能的に接続さ
    れた第１スイッチと、 前記電圧源と前記第２収容リザーバ間に機能的に接続さ
    れた第２スイッチとを備えており、 前記第１と第２スイッチをそれぞれ閉じることにより、
    前記第１または第２収容リザーバに前記第１と第２材料
    を選択的に移動する、請求項１２に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 前記収容リザーバが複数の収容リザー
    バを備え；前記装置が複数のチャネルを備え、そのチャ
    ネルの各々が前記複数の収容リザーバの対応する１つに
    流体連通する第１端と、前記第１チャネルに相互接続さ
    れて複数の接続点を形成する第２端とを備えるものであ
    り、 前記複数の接続点を前記第１第１チャネルに沿って配置
    して、前記リザーバに電位を供給して前記複数の接続点
    において前記第１と第２材料を異なる比率で混合するこ
    とを実現している、請求項１２に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 各々が前記複数の収容リザーバの１つ
    と電圧源の間に機能的に接続された複数のスイッチを備
    え、前記複数のスイッチの１つを閉じることにより、前
    記複数の収容リザーバの１つに希望する混合比率で前記
    第１と第２材料を選択的に移動する、請求項１４に記載
    の装置。
  16. 【請求項１６】 第１材料を含む第１リザーバと、 第２材料を含む第２リザーバと、 第３材料を含む第３リザーバと、 第４材料を含む第４リザーバと、 前記第１リザーバと流体連通している第１端を有する第
    １チャネルと、 前記第２リザーバと流体連通している第１端を有する第
    ２チャネルと、 前記第３リザーバと流体連通している第１端を有する第
    ３チャネルと、 前記第４リザーバと流体連通している第１端を有する第
    ４チャネルとを備えるものであり、 前記第１、第２、第３および第４チャネルがそれぞれ相
    互接続された第２端を有して接続点を形成し、 さらに、前記第１と第２リザーバに機能的に接続された
    第１電圧源と、前記第３と第４リザーバに供給される第
    ２電圧源であって、前記第１と第２材料を前記第１と第
    ２リザーバから前記第３リザーバに動電移動を実行す
    る、第１と第２電圧源と、 前記第１リザーバと前記第１電圧源の間を機能的に接続
    するスイッチとを備えるものであり、 前記第１、第２、第３および第４チャネルの長さと断面
    積、またはその組合せの寸法を、（ｉ）前記スイッチを
    閉じると、前記第１材料が前記第３と第４リザーバに移
    動し、第２材料が前記第３リザーバに移動し、（ｉｉ）
    前記スイッチを開くと、前記第２材料が前記第４リザー
    バに移動する寸法としている、微小流体操作を実行する
    装置。
  17. 【請求項１７】 第１材料を含む第１リザーバと、 第２材料を含む第２リザーバと、 第３材料を含む第３リザーバと、 前記第１リザーバと流体連通している第１端を有する第
    １チャネルと、 前記第２リザーバと流体連通している第１端を有する第
    ２チャネルと、 前記第３リザーバと流体連通している第１端を有する第
    ３チャネルと、 前記第３リザーバと流体連通している第１端を有する第
    ４チャネルとを備えるものであり、 前記第１、第２、第３および第４チャネルがそれぞれ相
    互接続された第２端を有して接続点を形成し、 さらに、前記第１と第２リザーバに機能的に接続された
    第１電圧源と、前記第３と第４リザーバに供給される第
    ２電圧源であって、前記第１と第２材料を前記第１と第
    ２リザーバから前記第３と第４リザーバに動電移動を実
    行する、第１と第２電圧源と、 前記第１リザーバと前記第１電圧源の間を機能的に接続
    するスイッチとを備えるものであり、 前記第１、第２、第３および第４チャネルの長さと断面
    積、またはその組合せの寸法を、（ｉ）前記スイッチを
    閉じると、前記第１材料が前記第３と第４チャネルを通
    って前記第３リザーバに移動し、第２材料が前記第３チ
    ャネルを通って前記第３リザーバに移動し、（ｉｉ）前
    記スイッチを開くと、前記第２材料が前記第４チャネル
    を通って前記第４リザーバに移動する寸法としている、
    微小流体操作を実行する装置。
  18. 【請求項１８】 第１材料を含む第１リザーバと、 第２材料を含む第２リザーバと、 第３材料を含む第３リザーバと、 第４材料を含む第４リザーバと、 前記第１リザーバと流体連通している第１端を有する第
    １チャネルと、 前記第２リザーバと流体連通している第１端を有する第
    ２チャネルと、 前記第３リザーバと流体連通している第１端を有する第
    ３チャネルと、 前記第４リザーバと流体連通している第１端を有する第
    ４チャネルとを備えるものであり、 前記第１、第２、第３および第４チャネルがそれぞれ相
    互接続された第２端を有して第１接続点を形成し、 さらに、前記第１、第２、第３および第４流体リザーバ
    に機能的に接続された電圧源であり、前記第１と第２材
    料を前記第３と第４リザーバ方向に動電移動を実行す
    る、電圧源を備えるものであり、 前記電位が供給されると、第１材料が前記第３と第４リ
    ザーバ方向に移動し、第２材料が前記第３リザーバ方向
    に移動して、制御された配分で第３チャネル内で前記第
    １と第２材料を混合する、微小流体操作を実行する装
    置。
  19. 【請求項１９】 第１電圧源が前記第１と第２リザーバ
    に接続され、また第２電圧源が前記第３と第４リザーバ
    に供給され、 前記第１、第２、第３および第４チャネルの長さと断面
    積、またはその組合せの寸法を、前記第１材料を前記第
    ３と第４リザーバ方向に移動し、前記第２材料を前記第
    ３リザーバ方向に移動し、それにより制御された配分で
    前記第５チャネル内で第１と第２材料を混合するような
    寸法としている、請求項１８に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 前記第２電位がアース電位である、請
    求項１９に記載の装置。
  21. 【請求項２１】 第５材料を含む第５リザーバと、 第６材料を含む第６リザーバと、 前記第５リザーバと流体連通している第１端と、前記第
    ６リザーバと流体連通している第２端を有する第５チャ
    ネルとを備えるものであり、 前記第５チャネルが前記第３チャネルと相互接続して、
    前記第１接続点と第３リザーバ間に第２接続点を形成
    し；さらに、前記第１、第２、第３、第４、第５および
    第６流体リザーバに機能的に接続された電圧源であり、
    前記第１、第２および第５材料を前記第３、第４および
    第６リザーバ方向に動電移動を実現する電圧源を備える
    ものであり、 前記電位が供給されると、前記第１材料が前記第３と第
    ４リザーバ方向に移動し、前記第２材料が前記第３リザ
    ーバ方向に移動して、制御された配分で第３チャネル内
    で前記第１と第２材料を混合し；前記混合された第１と
    第２材料が前記第６リザーバ方向に移動し、また前記第
    ５材料および前記混合された第１と第２材料が前記第３
    リザーバ方向に移動して、それらが制御された配分で混
    合されている、請求項１８に記載の装置。
  22. 【請求項２２】 前記第２リザーバと流体連通している
    第１端と、前記第４リザーバと流体連通している第２端
    を有する第５チャネルを備えるものであり、 前記第５チャネルが前記第３チャネルと相互接続して、
    前記第１接続点と前記第３リザーバ間に第２接続点を形
    成し、 前記第１、第２、第３、第４および第５チャネルの長さ
    と断面積、またはその組合せの寸法を、前記電位が供給
    されると、前記第１材料を前記第３と第４リザーバ方向
    に移動し、前記第２材料を前記第３リザーバ方向に移動
    し、それにより制御された配分で前記第３チャネル内で
    前記第１と第２材料を混合するような寸法とし；前記混
    合された第１と第２材料が前記第２接続点を通って前記
    第４リザーバ方向に移動し、また前記第２材料および前
    記混合された第１と第２材料が前記第２接続点で混合さ
    れて、前記第３リザーバ方向に移動し、それらが制御さ
    れた配分で混合されている、請求項１９に記載の装置。
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