JP3496156B2 - 流体含有構造体内における電気力を介した電気浸透力および/または電気泳動力の可変制御 - Google Patents
流体含有構造体内における電気力を介した電気浸透力および/または電気泳動力の可変制御Info
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Description
【発明の詳細な説明】
関連出願との相互参照
本願は、1996年7月3日付けで出願された米国特許出
願シリアルNo.08/678,436号の一部継続出願である。こ
の出願の全体を、本明細書において参考のためあるゆる
目的で援用する。
願シリアルNo.08/678,436号の一部継続出願である。こ
の出願の全体を、本明細書において参考のためあるゆる
目的で援用する。
発明の背景
化学的および生化学的情報の取得のための、微小流体
(microfluidic)システムの製造および使用に対する関
心が高まってきている。通常は半導体エレクトロニクス
産業に関連する、フォトリソグラフィー、ウェット化学
エッチングなどの技術が、これらの微小流体システムの
製造にも用いられている。「微小流体」の用語は、一般
にはミクロンまたはミクロン以下の規模で製造される
(例えば少なくとも1つの断面寸法が約0.1μmから約5
00μmの範囲を有するような)、チャネルおよびチャン
バを有するシステムまたはデバイスを指す。微小流体シ
ステムの製造のための平面チップ技術の使用の初期的な
考察が、ManzらのTrends in Anal.Chem.(1990)10
(5):144−149および、ManzらのAvd.in Chromatog.
(1993)33:1−66に記載されている。これらは、シリコ
ンおよびガラス基板における、上述のような流体デバイ
ス、特に微小キャピラリーデバイスの製造を記載してい
る。
(microfluidic)システムの製造および使用に対する関
心が高まってきている。通常は半導体エレクトロニクス
産業に関連する、フォトリソグラフィー、ウェット化学
エッチングなどの技術が、これらの微小流体システムの
製造にも用いられている。「微小流体」の用語は、一般
にはミクロンまたはミクロン以下の規模で製造される
(例えば少なくとも1つの断面寸法が約0.1μmから約5
00μmの範囲を有するような)、チャネルおよびチャン
バを有するシステムまたはデバイスを指す。微小流体シ
ステムの製造のための平面チップ技術の使用の初期的な
考察が、ManzらのTrends in Anal.Chem.(1990)10
(5):144−149および、ManzらのAvd.in Chromatog.
(1993)33:1−66に記載されている。これらは、シリコ
ンおよびガラス基板における、上述のような流体デバイ
ス、特に微小キャピラリーデバイスの製造を記載してい
る。
微小流体システムの応用例は無数にある。例えば、19
96年2月15日付けで公開された国際特許出願WO 96/0454
7は、キャピラリー電気泳動、液体クロマトグラフィ
ー、フロー注入分析、ならびに化学反応および合成に微
小流体システムを使用することを記載している。1996年
6月28日付けでJ.Wallace Parceらにより出願され本譲
受人に譲渡された「微小スケール流体デバイスにおける
高スループットスクリーニングアッセイシステム」の名
称を有する関連特許出願米国出願No. 、は、様
々な化学系、そして好ましくは生化学系において化合物
の影響を素早くアッセイする際の、微小流体システムの
幅広いアプリケーションを開示している。「生化学系」
の語句は、生きた生物体中に一般に見られるタイプの分
子に関わる化学的相互作用を一般に指す。そのような相
互作用には、酵素的反応、結合反応、シグナル伝達反応
(signaling reaction)およびその他の反応を含む、製
造している系の中で起こる多様な異化および同化反応が
含まれる。特に関心の高い生化学系は、例えば、レセプ
ター−リガンド相互作用、酵素−基質相互作用、細胞シ
グナル伝達経路、生体利用性スクリーニングのためのモ
デルバリヤ系(例えば細胞または膜画分など)を包含す
る輸送反応、および様々な他の一般的な系である。
96年2月15日付けで公開された国際特許出願WO 96/0454
7は、キャピラリー電気泳動、液体クロマトグラフィ
ー、フロー注入分析、ならびに化学反応および合成に微
小流体システムを使用することを記載している。1996年
6月28日付けでJ.Wallace Parceらにより出願され本譲
受人に譲渡された「微小スケール流体デバイスにおける
高スループットスクリーニングアッセイシステム」の名
称を有する関連特許出願米国出願No. 、は、様
々な化学系、そして好ましくは生化学系において化合物
の影響を素早くアッセイする際の、微小流体システムの
幅広いアプリケーションを開示している。「生化学系」
の語句は、生きた生物体中に一般に見られるタイプの分
子に関わる化学的相互作用を一般に指す。そのような相
互作用には、酵素的反応、結合反応、シグナル伝達反応
(signaling reaction)およびその他の反応を含む、製
造している系の中で起こる多様な異化および同化反応が
含まれる。特に関心の高い生化学系は、例えば、レセプ
ター−リガンド相互作用、酵素−基質相互作用、細胞シ
グナル伝達経路、生体利用性スクリーニングのためのモ
デルバリヤ系(例えば細胞または膜画分など)を包含す
る輸送反応、および様々な他の一般的な系である。
これらの微小流体システムまたはデバイス内における
サンプル、分析物、緩衝剤および試薬などの流体の輸送
および方向付けに関して、多くの方法の記載がある。1
方法においては、微小製造されたデバイス内の流体を、
デバイス内の機械的微小ポンプおよび弁により移動させ
る。公開されている英国特許出願第2 248 891号(10/18
/90)、公開されている欧州特許出願第568 902号(5/2/
92)、ならびに米国特許第5,271,724号(8/21/91)およ
び第5,277,556号(7/3/91)を参照のこと。また、Miyaz
akiらの米国特許第5,171,132号(12/21/90)も参照のこ
と。別の方法においては、音響エネルギーを用いて、音
響ストリーム(acoustic streaming)効果により、デバ
イス内の流体サンプルを移動させる。公開されているNo
rthrupおよびWhiteのPCT出願第94/05414号を参照のこ
と。率直な方法としては、外圧を加えることによりデバ
イス内の流体を移動させる。例えば、Wildingらの米国
特許第5,304,487号における説明を参照のこと。
サンプル、分析物、緩衝剤および試薬などの流体の輸送
および方向付けに関して、多くの方法の記載がある。1
方法においては、微小製造されたデバイス内の流体を、
デバイス内の機械的微小ポンプおよび弁により移動させ
る。公開されている英国特許出願第2 248 891号(10/18
/90)、公開されている欧州特許出願第568 902号(5/2/
92)、ならびに米国特許第5,271,724号(8/21/91)およ
び第5,277,556号(7/3/91)を参照のこと。また、Miyaz
akiらの米国特許第5,171,132号(12/21/90)も参照のこ
と。別の方法においては、音響エネルギーを用いて、音
響ストリーム(acoustic streaming)効果により、デバ
イス内の流体サンプルを移動させる。公開されているNo
rthrupおよびWhiteのPCT出願第94/05414号を参照のこ
と。率直な方法としては、外圧を加えることによりデバ
イス内の流体を移動させる。例えば、Wildingらの米国
特許第5,304,487号における説明を参照のこと。
さらに別の方法では、電界および、結果として得られ
る動電力(electrokinetic force)を用いることにより
微小流体システムのチャネルを通って流体物質を移動さ
せる。例えば、公開されているKovacsの欧州特許出願第
376 611号(12/30/88)、HarrisonらのAnal.Chem.(199
2)64:1926−1932およびManzらのJ.Chromatog.(1992)
593:253−258、ならびにSoaneの米国特許第5,126,022号
を参照のこと。動電力は、直接制御、高速応答および単
純性の利点を有する。しかし、この微小流体システムの
動作方法には依然としていくつかの欠点が存在する。
る動電力(electrokinetic force)を用いることにより
微小流体システムのチャネルを通って流体物質を移動さ
せる。例えば、公開されているKovacsの欧州特許出願第
376 611号(12/30/88)、HarrisonらのAnal.Chem.(199
2)64:1926−1932およびManzらのJ.Chromatog.(1992)
593:253−258、ならびにSoaneの米国特許第5,126,022号
を参照のこと。動電力は、直接制御、高速応答および単
純性の利点を有する。しかし、この微小流体システムの
動作方法には依然としていくつかの欠点が存在する。
本デバイスは、電気絶縁性物質の基板中におけるチャ
ネルのネットワークを用いる。チャネルは、高電圧電極
に接触する複数の流体レザバーを接続している。流体物
質をチャネルのネットワークを通って移動させるため
に、様々な電極に特定の電圧が同時に印加される。ある
チャネル中における物質フローを別のチャネルにおける
フローに影響することなく制御しようとすると、システ
ム中の各電極の電圧値の決定は複雑になる。例えば、4
つのチャネルが十字型に交差しチャネルの端部にレザバ
ーおよび電極を有する比較的単純な構成において、2つ
のレザバー間の流体フローの独立的な増加は、単に2つ
のレザバーにおける電圧差を増加するだけの問題ではな
い。他の2つのレザバーにおける電圧もまた、その元の
フローおよび方向を維持するのであれば、調節されなけ
ればならない。さらに、チャネル、交差点、およびレザ
バーの数が増えるにつれ、チャネルを通る流体の制御は
より複雑になる。
ネルのネットワークを用いる。チャネルは、高電圧電極
に接触する複数の流体レザバーを接続している。流体物
質をチャネルのネットワークを通って移動させるため
に、様々な電極に特定の電圧が同時に印加される。ある
チャネル中における物質フローを別のチャネルにおける
フローに影響することなく制御しようとすると、システ
ム中の各電極の電圧値の決定は複雑になる。例えば、4
つのチャネルが十字型に交差しチャネルの端部にレザバ
ーおよび電極を有する比較的単純な構成において、2つ
のレザバー間の流体フローの独立的な増加は、単に2つ
のレザバーにおける電圧差を増加するだけの問題ではな
い。他の2つのレザバーにおける電圧もまた、その元の
フローおよび方向を維持するのであれば、調節されなけ
ればならない。さらに、チャネル、交差点、およびレザ
バーの数が増えるにつれ、チャネルを通る流体の制御は
より複雑になる。
また、デバイス中の電極に印加される電圧は高く(す
なわち数千ボルト/cmをサポートするレベルまで)なり
得る。制御(regulate)された高電圧源は高価であり、
かさばり、しばしば不正確であり高電圧源が各電極に対
して必要になる。従って、任意の複雑さを有する微小流
体システムにおいて、コストが制約(prohibitive)と
なり得る。
なわち数千ボルト/cmをサポートするレベルまで)なり
得る。制御(regulate)された高電圧源は高価であり、
かさばり、しばしば不正確であり高電圧源が各電極に対
して必要になる。従って、任意の複雑さを有する微小流
体システムにおいて、コストが制約(prohibitive)と
なり得る。
本発明は、電圧以外の電気的パラメータを用いること
によってシステムのチャネルを通る物質のフローの制御
を単純化した微小流体システムにおいて、動電学的輸送
の有するこれらの問題を解決または実質的に緩和する。
化学、生化学、バイオテクノロジー、分子生物学、およ
び他の多くの分野などの幅広い範囲のアプリケーション
において、微小流体システムのチャネルを通る物質の移
動に関して直接的、高速かつ率直な制御を有する高スル
ープットの微小流体システムが、可能である。
によってシステムのチャネルを通る物質のフローの制御
を単純化した微小流体システムにおいて、動電学的輸送
の有するこれらの問題を解決または実質的に緩和する。
化学、生化学、バイオテクノロジー、分子生物学、およ
び他の多くの分野などの幅広い範囲のアプリケーション
において、微小流体システムのチャネルを通る物質の移
動に関して直接的、高速かつ率直な制御を有する高スル
ープットの微小流体システムが、可能である。
発明の要旨
本発明は、複数の相互接続されたキャピラリーチャネ
ルおよび、キャピラリーチャネルの異なるノードにあり
キャピラリーチャネル内に電界を作り出してキャピラリ
ーチャネルを通して流体内の物質を動電学的に移動させ
る複数の電極を有する、微小流体システムを提供する。
本発明によれば、第1および第2の電極の間の電流に応
答して第1の電極と第2の電極との間に電圧を印加しそ
の間で物質を移動させることにより、微小流体システム
は動作される。電流は、微小流体システムのチャネルを
通るイオン流の直接的な尺度を与え得る。電流以外に、
電力などの他の電気的パラメータもまた用い得る。
ルおよび、キャピラリーチャネルの異なるノードにあり
キャピラリーチャネル内に電界を作り出してキャピラリ
ーチャネルを通して流体内の物質を動電学的に移動させ
る複数の電極を有する、微小流体システムを提供する。
本発明によれば、第1および第2の電極の間の電流に応
答して第1の電極と第2の電極との間に電圧を印加しそ
の間で物質を移動させることにより、微小流体システム
は動作される。電流は、微小流体システムのチャネルを
通るイオン流の直接的な尺度を与え得る。電流以外に、
電力などの他の電気的パラメータもまた用い得る。
さらに本発明は、微小流体システムの電極上の電源電
圧を時間多重化を提供することにより、より正確かつ効
率的な制御を行う。電極への電圧は、電極の電源への接
続のデューティサイクルを変化すること、デューティサ
イクル中に電極への電圧を変化すること、あるいはその
両方の組み合わせにより制御され得る。このようにし
て、1つの電源により1つ以上の電極に対応することが
できる。
圧を時間多重化を提供することにより、より正確かつ効
率的な制御を行う。電極への電圧は、電極の電源への接
続のデューティサイクルを変化すること、デューティサ
イクル中に電極への電圧を変化すること、あるいはその
両方の組み合わせにより制御され得る。このようにし
て、1つの電源により1つ以上の電極に対応することが
できる。
本発明はまた、微小流体システム中のチャネル内にお
いて電圧を直接監視することを提供する。微小流体シス
テムの表面上の導電性リード(conducting lead)は、
あるチャネル中において電気分解を防ぐために十分に狭
い幅を有する。リードは、やはり基板表面に設けられた
分圧回路に接続されている。分圧回路がチャネルノード
の読み出し電圧を下げるため、特別な高電圧電圧計の必
要がない。分圧回路はまた、チャネルから無視し得る電
流を引き出すことにより、例えばガス発生、酸化/還元
反応などの望ましくない電気化学的効果を最小にするよ
うに設計される。
いて電圧を直接監視することを提供する。微小流体シス
テムの表面上の導電性リード(conducting lead)は、
あるチャネル中において電気分解を防ぐために十分に狭
い幅を有する。リードは、やはり基板表面に設けられた
分圧回路に接続されている。分圧回路がチャネルノード
の読み出し電圧を下げるため、特別な高電圧電圧計の必
要がない。分圧回路はまた、チャネルから無視し得る電
流を引き出すことにより、例えばガス発生、酸化/還元
反応などの望ましくない電気化学的効果を最小にするよ
うに設計される。
上述の発明は例えば以下のような複数の異なる使用に
供し得、これらの使用自体も発明性を有する: 少なくとも1つのチャネルを有する基板の使用であっ
て、チャネルに対応付けられた2つの電極間にこれら電
極における電流に応答して電圧を印加することにより、
対象物質(subject material)が動電学的に輸送され
る、使用。
供し得、これらの使用自体も発明性を有する: 少なくとも1つのチャネルを有する基板の使用であっ
て、チャネルに対応付けられた2つの電極間にこれら電
極における電流に応答して電圧を印加することにより、
対象物質(subject material)が動電学的に輸送され
る、使用。
上記発明の使用であって、基板は複数の相互接続され
たチャネルおよび対応付けられた電極を有しており、所
定の電極に電極における電流に応答して電圧を印加する
ことにより、チャネルのうち1つ以上を含む所定の経路
に沿って対象物質が輸送される、使用。
たチャネルおよび対応付けられた電極を有しており、所
定の電極に電極における電流に応答して電圧を印加する
ことにより、チャネルのうち1つ以上を含む所定の経路
に沿って対象物質が輸送される、使用。
少なくとも1つのチャネルを有する基板の使用であっ
て、チャネルに対応付けられた電極間に電気的パラメー
タの制御された時間依存的な印加を行うことにより、対
象物質が動電学的に輸送される、使用。
て、チャネルに対応付けられた電極間に電気的パラメー
タの制御された時間依存的な印加を行うことにより、対
象物質が動電学的に輸送される、使用。
上記発明の使用であって、電気的パラメータは電圧、
電流または電力を含む、使用。
電流または電力を含む、使用。
複数のチャネルおよびチャネルに対応付けられた複数
の電極を有する絶縁性基板の使用であって、電極への電
圧の印加によりチャネル中に電界が発生し、基板上の少
なくとも1つの導電性リードがチャネル位置まで延びる
ことによりチャネル位置における電気的パラメータを決
定することができる、使用。
の電極を有する絶縁性基板の使用であって、電極への電
圧の印加によりチャネル中に電界が発生し、基板上の少
なくとも1つの導電性リードがチャネル位置まで延びる
ことによりチャネル位置における電気的パラメータを決
定することができる、使用。
導電性リードは、1ボルト未満、好ましくは0.1ボル
ト未満の電圧がチャネル位置にある導電性リードの両端
に作り出されるように十分に小さい幅を有する、上記発
明の使用。
ト未満の電圧がチャネル位置にある導電性リードの両端
に作り出されるように十分に小さい幅を有する、上記発
明の使用。
複数の相互接続されたキャピラリーチャネルを有する
絶縁性基板と、キャピラリーチャネルの異なるノードに
ありキャピラリーチャネル内に電界を作り出してキャピ
ラリーチャネルを通して流体内の物質を動電学的に移動
させる複数の電極と、電極のうち少なくとも1つに接続
され、制御可能な基準電圧を受け取る第1の入力端子、
第2の入力端子、および出力端子を有する混合ブロック
を有する電源と;混合ブロックの出力端子に接続され、
第1の出力端子および第2の出力端子を有する電圧増幅
器であって、第1の出力端子が該少なくとも1つの電極
に接続された電圧増幅器と;電圧増幅器の第1の出力端
子に接続されたフィードバックブロックであって、混合
ブロックの第2の入力端子に接続された出力端子を有し
ており、電源を安定化させるための負のフィードバック
を与えるフィードバックブロックと、の使用。
絶縁性基板と、キャピラリーチャネルの異なるノードに
ありキャピラリーチャネル内に電界を作り出してキャピ
ラリーチャネルを通して流体内の物質を動電学的に移動
させる複数の電極と、電極のうち少なくとも1つに接続
され、制御可能な基準電圧を受け取る第1の入力端子、
第2の入力端子、および出力端子を有する混合ブロック
を有する電源と;混合ブロックの出力端子に接続され、
第1の出力端子および第2の出力端子を有する電圧増幅
器であって、第1の出力端子が該少なくとも1つの電極
に接続された電圧増幅器と;電圧増幅器の第1の出力端
子に接続されたフィードバックブロックであって、混合
ブロックの第2の入力端子に接続された出力端子を有し
ており、電源を安定化させるための負のフィードバック
を与えるフィードバックブロックと、の使用。
上記発明の使用であって、フィードバックブロック
は、電圧増幅器の第2の出力端子にも接続され、フィー
ドバックブロックは、第1の出力端子における電圧に応
答して第1のフィードバック電圧を発生し、第1の出力
端子を介して前記少なくとも1つの電極に送達されるあ
る量の電流に応答して第2のフィードバック電圧を発生
し、フィードバックブロックは、制御信号に応答して第
1または第2のフィードバック電圧を混合ブロックに送
ることにより電圧または電流フィードバックによって電
源を選択的に安定化させるためのスイッチを有する、使
用。
は、電圧増幅器の第2の出力端子にも接続され、フィー
ドバックブロックは、第1の出力端子における電圧に応
答して第1のフィードバック電圧を発生し、第1の出力
端子を介して前記少なくとも1つの電極に送達されるあ
る量の電流に応答して第2のフィードバック電圧を発生
し、フィードバックブロックは、制御信号に応答して第
1または第2のフィードバック電圧を混合ブロックに送
ることにより電圧または電流フィードバックによって電
源を選択的に安定化させるためのスイッチを有する、使
用。
微小流体システムの少なくとも1つの電極に接続さ
れ、制御可能な基準電圧を受け取る第1の入力端子、第
2の入力端子、および出力端子を有する混合ブロックを
有する電源と;混合ブロックの出力端子に接続され、第
1の出力端子および第2の出力端子を有する電圧増幅器
であって、第1の出力端子が該少なくとも1つの電極に
接続された電圧増幅器と;電圧増幅器の第1および第2
の出力端子ならびに混合ブロックの第2の入力端子に接
続されたフィードバックブロックであって、第1の出力
端子における電圧に応答して第1のフィードバック電圧
を発生し、第1の出力端子を介して前記少なくとも1つ
の電極に送達されるある量の電流に応答して第2のフィ
ードバック電圧を発生し、制御信号に応答して第1また
は第2のフィードバック電圧を混合ブロックに送ること
により負のフィードバックによって電源を電圧または電
流において選択的に安定化させるためのスイッチを有す
る、フィードバックブロックと、の使用。
れ、制御可能な基準電圧を受け取る第1の入力端子、第
2の入力端子、および出力端子を有する混合ブロックを
有する電源と;混合ブロックの出力端子に接続され、第
1の出力端子および第2の出力端子を有する電圧増幅器
であって、第1の出力端子が該少なくとも1つの電極に
接続された電圧増幅器と;電圧増幅器の第1および第2
の出力端子ならびに混合ブロックの第2の入力端子に接
続されたフィードバックブロックであって、第1の出力
端子における電圧に応答して第1のフィードバック電圧
を発生し、第1の出力端子を介して前記少なくとも1つ
の電極に送達されるある量の電流に応答して第2のフィ
ードバック電圧を発生し、制御信号に応答して第1また
は第2のフィードバック電圧を混合ブロックに送ること
により負のフィードバックによって電源を電圧または電
流において選択的に安定化させるためのスイッチを有す
る、フィードバックブロックと、の使用。
相互接続された複数のキャピラリーチャネルと、キャ
ピラリーチャネルの異なるノードにありキャピラリーチ
ャネル内に電界を作り出してキャピラリーチャネルを通
して流体内の物質を動電学的に移動させる複数の電極
と、電極の各々に接続された複数の電源であって、各電
源は選択された電圧および選択された量の電流を接続さ
れた電極に供給源(source)またはシンク(sink)とし
て選択的に供給することができる電源と、を基板が有す
る、微小流体システムシステムの使用。
ピラリーチャネルの異なるノードにありキャピラリーチ
ャネル内に電界を作り出してキャピラリーチャネルを通
して流体内の物質を動電学的に移動させる複数の電極
と、電極の各々に接続された複数の電源であって、各電
源は選択された電圧および選択された量の電流を接続さ
れた電極に供給源(source)またはシンク(sink)とし
て選択的に供給することができる電源と、を基板が有す
る、微小流体システムシステムの使用。
図面の簡単な説明
図1は、微小流体システムの代表図である。
図2Aは、図1におけるような微小流体システムのチャ
ネルの一例を示す;図2Bは、図2Aにおけるチャネルに沿
って作成された電気回路を表す。
ネルの一例を示す;図2Bは、図2Aにおけるチャネルに沿
って作成された電気回路を表す。
図3Aは、従来技術の電源の、出力電圧対時間のグラフ
である;図3Bは、本発明による時間多重化された電源
の、出力電圧対時間のグラフである。
である;図3Bは、本発明による時間多重化された電源
の、出力電圧対時間のグラフである。
図4Aは、本発明による時間多重化された電圧で動作す
る微小流体システムの代表図である;図4Bは、図4Aにお
ける電源のユニットを示すブロック図である。
る微小流体システムの代表図である;図4Bは、図4Aにお
ける電源のユニットを示すブロック図である。
図5Aは、本発明による電圧監視ノードを有する微小流
体システムの代表図である;図5Bは、図5Aの分圧回路の
詳細を示す。
体システムの代表図である;図5Bは、図5Aの分圧回路の
詳細を示す。
図6Aは、図4Bの電源ユニットのブロック図である;図
6Bは、図6AのDC−DCコンバータブロックのアンプブロッ
ク図である。
6Bは、図6AのDC−DCコンバータブロックのアンプブロッ
ク図である。
発明の詳細な説明
図1は、本発明に基づいて動作する、微小流体システ
ム100例の一部分の代表図である。図示のように、シス
テム全体100は、平面状基板120内に製造される。適切な
基板物質は一般的に、デバイスによって行われるべき特
定の動作中において存在する条件に対する適合性に基づ
いて選択される。そのような条件は、pHの極値、温度、
イオン濃度、および電界の印加を含み得る。また、基板
物質も、システムによって行われる分析または合成の重
要成分に対して不活性であるように選択される。
ム100例の一部分の代表図である。図示のように、シス
テム全体100は、平面状基板120内に製造される。適切な
基板物質は一般的に、デバイスによって行われるべき特
定の動作中において存在する条件に対する適合性に基づ
いて選択される。そのような条件は、pHの極値、温度、
イオン濃度、および電界の印加を含み得る。また、基板
物質も、システムによって行われる分析または合成の重
要成分に対して不活性であるように選択される。
図1に示すシステムは、基板102の表面内に製造され
た一連のチャネル110、112、114および116を有してい
る。「微小流体」の定義において述べられるように、こ
れらのチャネルは典型的には非常に小さい断面寸法を有
している。後述する特定のアプリケーションにおいて
は、約10μmの深さおよび約60μmの幅を有するチャネ
ルが効果的に動作するが、これらの寸法からはずれるこ
ともまた可能である。微小流体システム100は、分析、
試験、他の物質との混合、アッセイおよびこれらの操作
の組み合わせを含む様々な目的のために、基板102の様
々なチャネルを通って対象物質(subject material)を
輸送する。「対象物質」の用語は単に、問題とする化合
物または生物学的化合物などの物質を指す。対象化合物
は、化合物、化合物の混合物(例えば多糖類)、小さい
有機分子または無機分子、生物学的マクロ分子(例えば
ペプチド、タンパク質、核酸、あるいは細菌、植物、菌
類、または動物細胞もしくは組織などの生物学的物質か
ら作成された抽出物)、天然に生じる組成物または合成
組成物などを含む、広範な異なる化合物を含み得る。
た一連のチャネル110、112、114および116を有してい
る。「微小流体」の定義において述べられるように、こ
れらのチャネルは典型的には非常に小さい断面寸法を有
している。後述する特定のアプリケーションにおいて
は、約10μmの深さおよび約60μmの幅を有するチャネ
ルが効果的に動作するが、これらの寸法からはずれるこ
ともまた可能である。微小流体システム100は、分析、
試験、他の物質との混合、アッセイおよびこれらの操作
の組み合わせを含む様々な目的のために、基板102の様
々なチャネルを通って対象物質(subject material)を
輸送する。「対象物質」の用語は単に、問題とする化合
物または生物学的化合物などの物質を指す。対象化合物
は、化合物、化合物の混合物(例えば多糖類)、小さい
有機分子または無機分子、生物学的マクロ分子(例えば
ペプチド、タンパク質、核酸、あるいは細菌、植物、菌
類、または動物細胞もしくは組織などの生物学的物質か
ら作成された抽出物)、天然に生じる組成物または合成
組成物などを含む、広範な異なる化合物を含み得る。
有用な基板物質は例えば、ガラス、石英、セラミック
およびシリコン、ならびに例えばプラスチックなどの高
分子基質(substrates)を含む。導電性または半導電性
基板の場合、基板上に絶縁層が必要である。これは後述
のように、システムは電気浸透力を用いて物質をシステ
ムにおいて移動させるために、特に重要である。高分子
基質の場合、使用目的に依存して基板物質は剛体、準剛
体または非剛体、不透明、半透明または透明であり得
る。例えば、光学的または視覚的検出要素を有するデバ
イスは一般に、検出を可能にするか少なくとも容易にす
るために、少なくとも一部は透明物質から製造される。
あるいは、これらのタイプの検出要素のために、例えば
ガラスまたは石英からなる透明窓をデバイスに備えても
よい。さらに、高分子物質は直鎖状または分岐鎖状骨格
を有していてもよく、架橋されていてもされていなくて
もよい。特に好適な高分子物質の例としては、例えば、
ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリウレタン、ポリ
塩化ビニル(PVC)、ポリスチレン、ポリスルホン、ポ
リカーボネート、ポリメチルメタクリレート(PMMA)な
どがある。
およびシリコン、ならびに例えばプラスチックなどの高
分子基質(substrates)を含む。導電性または半導電性
基板の場合、基板上に絶縁層が必要である。これは後述
のように、システムは電気浸透力を用いて物質をシステ
ムにおいて移動させるために、特に重要である。高分子
基質の場合、使用目的に依存して基板物質は剛体、準剛
体または非剛体、不透明、半透明または透明であり得
る。例えば、光学的または視覚的検出要素を有するデバ
イスは一般に、検出を可能にするか少なくとも容易にす
るために、少なくとも一部は透明物質から製造される。
あるいは、これらのタイプの検出要素のために、例えば
ガラスまたは石英からなる透明窓をデバイスに備えても
よい。さらに、高分子物質は直鎖状または分岐鎖状骨格
を有していてもよく、架橋されていてもされていなくて
もよい。特に好適な高分子物質の例としては、例えば、
ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ポリウレタン、ポリ
塩化ビニル(PVC)、ポリスチレン、ポリスルホン、ポ
リカーボネート、ポリメチルメタクリレート(PMMA)な
どがある。
これらのチャネルおよび他の微小スケール要素を基板
102の表面内に製造することは、任意の数の当該分野で
周知の微小製造技術を用いて行い得る。例えば、半導体
製造産業において周知の方法とともにリソグラフィー技
術を用いてガラス、石英またはシリコン基板を製造して
もよい。フォトリソグラフィーマスキング、プラズマエ
ッチングまたはウェットエッチング、およびその他の半
導体プロセス技術は、基板内または基板上に微小スケー
ルの要素を規定する。あるいは、レーザドリリング、微
小ミリング(micromilling)などの微小機械加工法を用
いてもよい。同様に、高分子基質に対しても、周知の製
造技術が用いられ得る。これらの技術は、例えばローリ
ングスタンプを用いて微小スケールの基質の大きなシー
トを作成することにより多数の基質を作成し得る射出成
形技術またはスタンプ成形法、または、基質を微小加工
鋳型内で重合する高分子微小鋳造技術を含む。
102の表面内に製造することは、任意の数の当該分野で
周知の微小製造技術を用いて行い得る。例えば、半導体
製造産業において周知の方法とともにリソグラフィー技
術を用いてガラス、石英またはシリコン基板を製造して
もよい。フォトリソグラフィーマスキング、プラズマエ
ッチングまたはウェットエッチング、およびその他の半
導体プロセス技術は、基板内または基板上に微小スケー
ルの要素を規定する。あるいは、レーザドリリング、微
小ミリング(micromilling)などの微小機械加工法を用
いてもよい。同様に、高分子基質に対しても、周知の製
造技術が用いられ得る。これらの技術は、例えばローリ
ングスタンプを用いて微小スケールの基質の大きなシー
トを作成することにより多数の基質を作成し得る射出成
形技術またはスタンプ成形法、または、基質を微小加工
鋳型内で重合する高分子微小鋳造技術を含む。
基板102に加え、微小流体システム100はチャネルを作
成した基板102に重なる追加的な平面状要素(図示せ
ず)を有することにより、様々なチャネルを封じ(encl
ose)かつ流体的に密閉して導管を形成する。平面状カ
バー要素は、熱接合、接着剤、あるいは、ガラスまたは
準剛体および非剛体高分子基質などの特定の基質の場合
には、2つの構成要素間の自然な癒着などを含む様々な
手段により、基質に取り付けられ得る。特定のスクリー
ニングに必要な様々な流体要素を導入するためのアクセ
スポートおよび/またはレザバー(reservoir)を、平
面状カバー要素にさらに設けてもよい。
成した基板102に重なる追加的な平面状要素(図示せ
ず)を有することにより、様々なチャネルを封じ(encl
ose)かつ流体的に密閉して導管を形成する。平面状カ
バー要素は、熱接合、接着剤、あるいは、ガラスまたは
準剛体および非剛体高分子基質などの特定の基質の場合
には、2つの構成要素間の自然な癒着などを含む様々な
手段により、基質に取り付けられ得る。特定のスクリー
ニングに必要な様々な流体要素を導入するためのアクセ
スポートおよび/またはレザバー(reservoir)を、平
面状カバー要素にさらに設けてもよい。
図1に示すシステム100はまた、チャネル114、116お
よび110の端部にそれぞれ位置しかつ流体連通された、
レザバー104、106および108を有する。図示のようにチ
ャネル112を用いて、複数の異なる対象物質をデバイス
に導入する。このようにチャネル112は多数の別々の対
象物質のソースに流体連通され、多数の別々の対象物質
は、個々にチャネル112中に導入された後、例えば電気
泳動分析のために、別のチャネル110中に導入される。
対象物質は、所定のイオン濃度を有する流体スラグ領域
120中を輸送される。これらの領域は、様々なイオン濃
度を有する緩衝領域(図1において緩衝領域121と表さ
れる)によって分離される。関連特許出願であり、両方
とも「電子ピペッタおよび、電気泳動バイアスのための
補償手段」の名称を有し、本譲受人に譲渡されたJ.Wall
ace ParceおよびMichael R.Knappの1996年6月28日付け
出願の米国出願第08/671,986号、1996年12月6日付け出
願の米国出願第08/760,446号は、スラグの様々な構成を
説明しており、動電力による対象物質の輸送における高
イオン濃度および低イオン濃度の緩衝領域を説明してい
る。これらの出願の全体を本明細書において参考のため
にあらゆる目的で援用する。
よび110の端部にそれぞれ位置しかつ流体連通された、
レザバー104、106および108を有する。図示のようにチ
ャネル112を用いて、複数の異なる対象物質をデバイス
に導入する。このようにチャネル112は多数の別々の対
象物質のソースに流体連通され、多数の別々の対象物質
は、個々にチャネル112中に導入された後、例えば電気
泳動分析のために、別のチャネル110中に導入される。
対象物質は、所定のイオン濃度を有する流体スラグ領域
120中を輸送される。これらの領域は、様々なイオン濃
度を有する緩衝領域(図1において緩衝領域121と表さ
れる)によって分離される。関連特許出願であり、両方
とも「電子ピペッタおよび、電気泳動バイアスのための
補償手段」の名称を有し、本譲受人に譲渡されたJ.Wall
ace ParceおよびMichael R.Knappの1996年6月28日付け
出願の米国出願第08/671,986号、1996年12月6日付け出
願の米国出願第08/760,446号は、スラグの様々な構成を
説明しており、動電力による対象物質の輸送における高
イオン濃度および低イオン濃度の緩衝領域を説明してい
る。これらの出願の全体を本明細書において参考のため
にあらゆる目的で援用する。
物質をチャネル110、112、114および116を通って移動
させるために、各レザバーに選択された電圧レベル(接
地を含む)を同時に印加する能力を有する電圧コントロ
ーラを用い得る。そのような電圧コントローラは、複数
の分圧器および複数のリレーを用いて選択的な電圧レベ
ルを得ることによって実現することができる。あるい
は、複数の独立な電圧源を用いてもよい。電圧コントロ
ーラは、レザバー104、106および108のそれぞれ内に位
置するあるいは製造された電極を介して、各レザバーに
電気的に接続される。例えば、公開されているRamseyの
国際特許出願No.WO 96/04547を参照せよ。この文献全体
を本明細書において参考のためあるゆる目的で援用す
る。
させるために、各レザバーに選択された電圧レベル(接
地を含む)を同時に印加する能力を有する電圧コントロ
ーラを用い得る。そのような電圧コントローラは、複数
の分圧器および複数のリレーを用いて選択的な電圧レベ
ルを得ることによって実現することができる。あるい
は、複数の独立な電圧源を用いてもよい。電圧コントロ
ーラは、レザバー104、106および108のそれぞれ内に位
置するあるいは製造された電極を介して、各レザバーに
電気的に接続される。例えば、公開されているRamseyの
国際特許出願No.WO 96/04547を参照せよ。この文献全体
を本明細書において参考のためあるゆる目的で援用す
る。
複雑さに加えて、微小流体システムにおける電圧制御
には他の問題もある。図2Aは、電極133および135にそれ
ぞれ接触し、基板128から出ているように図示された電
気的リードに接続された、2つのレザバー132および134
の間のチャネル130を示している。この例をより現実的
にするため、チャネル130は、他の2つのチャネル136お
よび138に接続されているように示されている。動作的
には、レザバー132は、対象物質を含有するスラグ120の
ソースである。スラグ120は、シンクとして作用するレ
ザバー134に向かって移動する。チャネル136および138
は、チャネル130中のスラグ120を分離するための緩衝領
域121を提供する。
には他の問題もある。図2Aは、電極133および135にそれ
ぞれ接触し、基板128から出ているように図示された電
気的リードに接続された、2つのレザバー132および134
の間のチャネル130を示している。この例をより現実的
にするため、チャネル130は、他の2つのチャネル136お
よび138に接続されているように示されている。動作的
には、レザバー132は、対象物質を含有するスラグ120の
ソースである。スラグ120は、シンクとして作用するレ
ザバー134に向かって移動する。チャネル136および138
は、チャネル130中のスラグ120を分離するための緩衝領
域121を提供する。
チャネル130中のスラグ120と緩衝領域121との抵抗が
異なることにより、この単純な例において記号的に示さ
れる電気回路が創出される。2つの電極133および135の
間に印加される電圧Vは、 である。ここでIは、2つの電極133および135の間の電
流であり(136および138中に流れ込む電流は無いと仮定
する)、Riは、異なるスラグ120および緩衝領域121の抵
抗である。
異なることにより、この単純な例において記号的に示さ
れる電気回路が創出される。2つの電極133および135の
間に印加される電圧Vは、 である。ここでIは、2つの電極133および135の間の電
流であり(136および138中に流れ込む電流は無いと仮定
する)、Riは、異なるスラグ120および緩衝領域121の抵
抗である。
電圧制御システムは、システムの動作と干渉し得る多
くの要因に曝される。例えば、電極と流体との界面にお
ける接触は、問題の種となり得る。電極から流体への接
触の実効抵抗が例えば汚染物質、気泡、酸化により変化
する場合、流体に印加される電圧が変化する。Vを電極
に設定したとき、電極上の気泡の形成に起因した溶液に
接触する電極の表面積の減少は、電極から溶液への抵抗
の増加をもたらす。これにより、電極間の電流が減少
し、その結果、チャネル130内に誘導される電気浸透力
および電気泳動力が減少する。
くの要因に曝される。例えば、電極と流体との界面にお
ける接触は、問題の種となり得る。電極から流体への接
触の実効抵抗が例えば汚染物質、気泡、酸化により変化
する場合、流体に印加される電圧が変化する。Vを電極
に設定したとき、電極上の気泡の形成に起因した溶液に
接触する電極の表面積の減少は、電極から溶液への抵抗
の増加をもたらす。これにより、電極間の電流が減少
し、その結果、チャネル130内に誘導される電気浸透力
および電気泳動力が減少する。
他の問題もチャネルの電流フロー(current flow)に
影響を与え得る。望ましくない微粒子が、チャネルの断
面積を実効的に変更してしまうことにより、チャネル抵
抗に影響を与え得る。やはり、チャネル抵抗が変化する
と、物理的な電流フローが変化する。
影響を与え得る。望ましくない微粒子が、チャネルの断
面積を実効的に変更してしまうことにより、チャネル抵
抗に影響を与え得る。やはり、チャネル抵抗が変化する
と、物理的な電流フローが変化する。
例示したチャネル130に接続されたチャネル136および
138などの他のチャネルにおいても、基板102内のチャネ
ルの幾何学形状の寸法変化は、電圧制御システムの動作
に重大な影響を与え得る。例えば、チャネル130、136お
よび138の交差ノードは、チャネル136の端部におけるレ
ザバー用の電極(図示せず)からX距離離れ、チャネル
138の端部におけるレザバー用の電極(図示せず)から
Y距離離れているとする。フォトリソグラフィープロセ
スにおけるわずかな横方向の位置合わせずれにより、距
離XおよびYは、別の基板上の微小流体システムでは同
一ではなくなる。交差ノードにおける流体移動が適切に
制御されるためには電圧制御を基板毎に再較正しなけれ
ばならないが、これは時間がかかり高価につくプロセス
である。
138などの他のチャネルにおいても、基板102内のチャネ
ルの幾何学形状の寸法変化は、電圧制御システムの動作
に重大な影響を与え得る。例えば、チャネル130、136お
よび138の交差ノードは、チャネル136の端部におけるレ
ザバー用の電極(図示せず)からX距離離れ、チャネル
138の端部におけるレザバー用の電極(図示せず)から
Y距離離れているとする。フォトリソグラフィープロセ
スにおけるわずかな横方向の位置合わせずれにより、距
離XおよびYは、別の基板上の微小流体システムでは同
一ではなくなる。交差ノードにおける流体移動が適切に
制御されるためには電圧制御を基板毎に再較正しなけれ
ばならないが、これは時間がかかり高価につくプロセス
である。
これらの問題を避けるために、本発明は、微小流体シ
ステム100において電流制御を用いる。所定の電極での
電流は、電極が配置されるレザバーに接続するチャネル
に沿って流れるイオン流に直接関係する。これは、電圧
制御システムにおけるチャネルに沿った様々なノードで
の電圧を測定するという要件とは対照的である。従っ
て、微小流体システム100の電極の電圧は、システム100
の様々な電極を通って流れる電流に応じて設定される。
電流制御は、基板102上に微小流体システムを形成する
プロセスでの寸法の変動にはそれほど左右されない。電
流制御により、複合微小流体システム内の対象物質およ
び緩衝剤流体に対して吸引、バルブ調節、分与、混合、
および濃縮を行う場合の動作がはるかに容易になる。電
流制御はまた、チャネル内の望ましくない温度効果を緩
和するのにも好適である。
ステム100において電流制御を用いる。所定の電極での
電流は、電極が配置されるレザバーに接続するチャネル
に沿って流れるイオン流に直接関係する。これは、電圧
制御システムにおけるチャネルに沿った様々なノードで
の電圧を測定するという要件とは対照的である。従っ
て、微小流体システム100の電極の電圧は、システム100
の様々な電極を通って流れる電流に応じて設定される。
電流制御は、基板102上に微小流体システムを形成する
プロセスでの寸法の変動にはそれほど左右されない。電
流制御により、複合微小流体システム内の対象物質およ
び緩衝剤流体に対して吸引、バルブ調節、分与、混合、
および濃縮を行う場合の動作がはるかに容易になる。電
流制御はまた、チャネル内の望ましくない温度効果を緩
和するのにも好適である。
当然ながら、電極間のイオン流の直接の測定基準(me
asure)を提供する電流以外に、電流に関連する他の電
気パラメータ、例えば電力を、微小流体システム100の
制御として用いてもよい。電力は、電極を通る電流を間
接的に測定する。従って、電極間の物理的な電流(およ
びイオン流)が、電極を通る電力によってモニタされ得
る。
asure)を提供する電流以外に、電流に関連する他の電
気パラメータ、例えば電力を、微小流体システム100の
制御として用いてもよい。電力は、電極を通る電流を間
接的に測定する。従って、電極間の物理的な電流(およ
びイオン流)が、電極を通る電力によってモニタされ得
る。
上述の電流制御システムによっても、微小流体システ
ムの電極には依然として高電圧が印加されねばならな
い。連続した正確な高電圧を生成し得る高コストの電源
を使用する必要をなくすために、本発明は、時間多重化
電源を提供する。時間多重化電源は1つより多い電極に
電力供給することができるため、システム100に必要な
電源数が低減する。
ムの電極には依然として高電圧が印加されねばならな
い。連続した正確な高電圧を生成し得る高コストの電源
を使用する必要をなくすために、本発明は、時間多重化
電源を提供する。時間多重化電源は1つより多い電極に
電力供給することができるため、システム100に必要な
電源数が低減する。
図3Aは、現在動電学的システムで使用されている高電
力の電源の出力の例を示す。出力は時間に関係なく2つ
の電極間で250ボルトで一定である。これに対して、図3
Bは、本発明により動作する電源の出力を示す。250ボル
トの定電圧を維持するために、出力電圧は、1000ボルト
で1/4のデューティサイクルで時間多重化される。時間
で平均化すると、グラフを横切る点線によって示される
ように、時間多重化電源の出力は250ボルトである。上
述のように、電圧が、例えば電流制御に応じて変化する
必要があるときは、時間多重化電源の出力電圧もまた、
印加電圧の変化によって、またはデューティサイクルの
変化によって、もしくはこれらの組み合わせによって変
化し得る。
力の電源の出力の例を示す。出力は時間に関係なく2つ
の電極間で250ボルトで一定である。これに対して、図3
Bは、本発明により動作する電源の出力を示す。250ボル
トの定電圧を維持するために、出力電圧は、1000ボルト
で1/4のデューティサイクルで時間多重化される。時間
で平均化すると、グラフを横切る点線によって示される
ように、時間多重化電源の出力は250ボルトである。上
述のように、電圧が、例えば電流制御に応じて変化する
必要があるときは、時間多重化電源の出力電圧もまた、
印加電圧の変化によって、またはデューティサイクルの
変化によって、もしくはこれらの組み合わせによって変
化し得る。
電気浸透性流体の流れは、本明細書で述べた寸法を有
するチャネル内でμ秒の時間スケールで開始および停止
される。従って、1メガヘルツより低い電圧変調周波数
では、流体は不規則な移動を示す。電気浸透性流体はプ
ラグ流の性質を有するため、これは流体の操作に悪い影
響を与えないはずである。ほとんどの化学的混合、イン
キュベーション、および分離現象は0.1から100秒の時間
スケールで起こるため、電圧操作においては、はるかに
低い周波数が許容可能である。経験則として、混合また
はピペット採取の誤差を1%未満に保つには、変調期間
は、最短の切り替え現象(例えば、1つのチャネルから
別のチャネルへの流れの切り替え)の1%未満であるべ
きである。切り替え現象が0.1秒とすると、電圧変調周
波数は1KHz以上であるべきである。
するチャネル内でμ秒の時間スケールで開始および停止
される。従って、1メガヘルツより低い電圧変調周波数
では、流体は不規則な移動を示す。電気浸透性流体はプ
ラグ流の性質を有するため、これは流体の操作に悪い影
響を与えないはずである。ほとんどの化学的混合、イン
キュベーション、および分離現象は0.1から100秒の時間
スケールで起こるため、電圧操作においては、はるかに
低い周波数が許容可能である。経験則として、混合また
はピペット採取の誤差を1%未満に保つには、変調期間
は、最短の切り替え現象(例えば、1つのチャネルから
別のチャネルへの流れの切り替え)の1%未満であるべ
きである。切り替え現象が0.1秒とすると、電圧変調周
波数は1KHz以上であるべきである。
図4Aは、チャネル182、184、186および188に交差する
チャネル180を有する一例としての簡単な微小流体シス
テムに対して、2つの電源200および202とコントローラ
ブロック204とを有する多重化電源システムのブロック
図である。チャネル180は、それぞれ電極190および191
を有するレザバー179および181内で終結する。チャネル
182は電極193を有するレザバー183により終結する。チ
ャネル184は電極195を有するレザバー185により終結す
る。チャネル186は電極197を有するレザバー187により
終結する。そしてチャネル188は電極199を有するレザバ
ー189により終結する。
チャネル180を有する一例としての簡単な微小流体シス
テムに対して、2つの電源200および202とコントローラ
ブロック204とを有する多重化電源システムのブロック
図である。チャネル180は、それぞれ電極190および191
を有するレザバー179および181内で終結する。チャネル
182は電極193を有するレザバー183により終結する。チ
ャネル184は電極195を有するレザバー185により終結す
る。チャネル186は電極197を有するレザバー187により
終結する。そしてチャネル188は電極199を有するレザバ
ー189により終結する。
電源200および202は、微小流体システムのそれぞれ異
なる電極190、191、193、195、197および199に接続され
る。電源200は3つの電極190、193および195に接続さ
れ、電極202は残りの3つの電極191、197および199に接
続される。コントローラブロック204は各電源200および
202に接続されて、これらの電源の動作を調整する。例
えば、チャネル182、184、186および188を通る流体の移
動を制御するためには、電極190、191、193、195、197
および199の電圧は適切にタイミング動作(timed)され
なければならない。コントローラブロック204が電源200
および202に指示を与えると、電極の電圧は、例えば、
上述のように電流に応じて変化する。
なる電極190、191、193、195、197および199に接続され
る。電源200は3つの電極190、193および195に接続さ
れ、電極202は残りの3つの電極191、197および199に接
続される。コントローラブロック204は各電源200および
202に接続されて、これらの電源の動作を調整する。例
えば、チャネル182、184、186および188を通る流体の移
動を制御するためには、電極190、191、193、195、197
および199の電圧は適切にタイミング動作(timed)され
なければならない。コントローラブロック204が電源200
および202に指示を与えると、電極の電圧は、例えば、
上述のように電流に応じて変化する。
電源200および202のそれぞれは、図4Bに示されるユニ
ットにまとめられる。制御ユニット212は、制御ブロッ
ク204からの制御信号を受信して、切り替えユニット214
の動作の指示を与える。切り替えユニット214は、電源
ユニット216に接続されており、電源ユニット216を接続
電極に接続するかまたは遮断する。つまり、切り替えユ
ニット214は、その接続電極間で電源ユニット216からの
電力を時間多重化する。電源ユニット216はまた、制御
ユニット212に接続され、制御ユニットは、電源ユニッ
ト216から切り替えユニット214への出力の変動の指示を
与える。別の構成では、電源ユニット216が定電圧を供
給し、電極への平均電圧が、切り替えユニット214を通
る接続デューティサイクルを変動させることによって変
えられる場合は、制御ユニット212へのこの接続は必要
とされない。
ットにまとめられる。制御ユニット212は、制御ブロッ
ク204からの制御信号を受信して、切り替えユニット214
の動作の指示を与える。切り替えユニット214は、電源
ユニット216に接続されており、電源ユニット216を接続
電極に接続するかまたは遮断する。つまり、切り替えユ
ニット214は、その接続電極間で電源ユニット216からの
電力を時間多重化する。電源ユニット216はまた、制御
ユニット212に接続され、制御ユニットは、電源ユニッ
ト216から切り替えユニット214への出力の変動の指示を
与える。別の構成では、電源ユニット216が定電圧を供
給し、電極への平均電圧が、切り替えユニット214を通
る接続デューティサイクルを変動させることによって変
えられる場合は、制御ユニット212へのこの接続は必要
とされない。
図6Aは、図4Bの電源ユニット216として使用され得る
電源のブロック図である。もしくは、時間多重化が用い
られない場合は、図示した電源は、微小流体システムの
電極に直接接続され得る。電源は、安定電圧を電極に供
給し得るか、または安定電流を供給またはシンクし得
る。
電源のブロック図である。もしくは、時間多重化が用い
られない場合は、図示した電源は、微小流体システムの
電極に直接接続され得る。電源は、安定電圧を電極に供
給し得るか、または安定電流を供給またはシンクし得
る。
電源は、−5から+5ボルトの制御可能基準電圧が供
給される入力端子240を有し、この電圧の大きさは、出
力端子241では数百ボルトまで段階的に上げられる。入
力端子は、抵抗227を介して入力演算振幅器230の負の入
力端子に接続される。演算振幅器230の正の入力端子は
接地され、出力端子は、直列接続されたフィードバック
キャパシタ220および抵抗器228を介して負の入力端子に
接続される。出力端子はまた、DC−DC変換器231の入力
端子に接続される。これの第2の入力端子は接地され
る。変換器231の出力側は、増幅器230から受け取られた
電圧を段階的に上昇させ、電源の出力端子241に接続さ
れる。変換器231の第2の出力端子は抵抗器222を介して
接地される。
給される入力端子240を有し、この電圧の大きさは、出
力端子241では数百ボルトまで段階的に上げられる。入
力端子は、抵抗227を介して入力演算振幅器230の負の入
力端子に接続される。演算振幅器230の正の入力端子は
接地され、出力端子は、直列接続されたフィードバック
キャパシタ220および抵抗器228を介して負の入力端子に
接続される。出力端子はまた、DC−DC変換器231の入力
端子に接続される。これの第2の入力端子は接地され
る。変換器231の出力側は、増幅器230から受け取られた
電圧を段階的に上昇させ、電源の出力端子241に接続さ
れる。変換器231の第2の出力端子は抵抗器222を介して
接地される。
電源の出力端子241はまた、分圧回路を形成する2つ
の直列接続した抵抗221および223を介して接地するよう
に接続される。2つの抵抗221および223間のノードは、
電流/電圧モードスイッチ234の一方の入力端子に接続
される。ノードはまた、抵抗225を介してフィードバッ
ク演算増幅器232の負の入力端子に接続される。負の入
力端子はまた、抵抗器224を介して変換器231の出力端子
に、およびフィードバック抵抗器226を介して増幅器232
の出力端子に接続される。増幅器232の出力端子はま
た、スイッチ234の第2の入力端子に接続される。スイ
ッチは、抵抗器229を介して入力演算増幅器230の負の入
力端子に接続される出力端子を有する。
の直列接続した抵抗221および223を介して接地するよう
に接続される。2つの抵抗221および223間のノードは、
電流/電圧モードスイッチ234の一方の入力端子に接続
される。ノードはまた、抵抗225を介してフィードバッ
ク演算増幅器232の負の入力端子に接続される。負の入
力端子はまた、抵抗器224を介して変換器231の出力端子
に、およびフィードバック抵抗器226を介して増幅器232
の出力端子に接続される。増幅器232の出力端子はま
た、スイッチ234の第2の入力端子に接続される。スイ
ッチは、抵抗器229を介して入力演算増幅器230の負の入
力端子に接続される出力端子を有する。
スイッチ234は制御端子242の信号に応答する。図6Aに
示すように、スイッチ234は、その出力端子を、フィー
ドバック演算増幅器232の出力端子か、または2つの抵
抗器221および223間の分圧ノードに接続する。この接続
により、電源回路が電圧モード(分圧ノードに接続)で
動作するか、または電流モード(フィードバック演算増
幅器232の出力に接続)で動作するかが決定される。抵
抗器221は非常に大きく約15MΩであるため、電源が作動
すると出力端子241の電圧は容易にフィードバックされ
得ることに留意されたい。
示すように、スイッチ234は、その出力端子を、フィー
ドバック演算増幅器232の出力端子か、または2つの抵
抗器221および223間の分圧ノードに接続する。この接続
により、電源回路が電圧モード(分圧ノードに接続)で
動作するか、または電流モード(フィードバック演算増
幅器232の出力に接続)で動作するかが決定される。抵
抗器221は非常に大きく約15MΩであるため、電源が作動
すると出力端子241の電圧は容易にフィードバックされ
得ることに留意されたい。
図6Aの回路は、異なる演算ブロックに分離され得る。
演算増幅器230、抵抗器227〜229およびキャパシタ220は
混合ブロックの一部である。混合ブロックは、以下に述
べる入力端子240における制御可能基準電圧Vrefとフィ
ードバック電圧とを受け取り、Vrefとフィードバック電
圧との組み合わせである、DC−DCコンバータ231用の出
力電圧を生成する。電源は、基準電圧Vrefおよびその近
傍で動作する。図6Bにおいて電圧増幅器として示すコン
バータ231は、単に、演算増幅器230からの電圧を増幅す
る。電圧増幅器の一方の出力端子は、出力端子241と抵
抗器221の端子とに接続されている。電圧増幅器の他方
の出力端子は、抵抗器222を介してグランドに接続され
ている。抵抗器221〜223は、フィードバックブロックの
一部と考えられ得、フィードバックブロックはさらに抵
抗224〜226および演算増幅器232を有する。スイッチ234
もまたフィードバックブロックの一部であり、上述した
ように混合ブロックの第2の入力端子に接続されてい
る。
演算増幅器230、抵抗器227〜229およびキャパシタ220は
混合ブロックの一部である。混合ブロックは、以下に述
べる入力端子240における制御可能基準電圧Vrefとフィ
ードバック電圧とを受け取り、Vrefとフィードバック電
圧との組み合わせである、DC−DCコンバータ231用の出
力電圧を生成する。電源は、基準電圧Vrefおよびその近
傍で動作する。図6Bにおいて電圧増幅器として示すコン
バータ231は、単に、演算増幅器230からの電圧を増幅す
る。電圧増幅器の一方の出力端子は、出力端子241と抵
抗器221の端子とに接続されている。電圧増幅器の他方
の出力端子は、抵抗器222を介してグランドに接続され
ている。抵抗器221〜223は、フィードバックブロックの
一部と考えられ得、フィードバックブロックはさらに抵
抗224〜226および演算増幅器232を有する。スイッチ234
もまたフィードバックブロックの一部であり、上述した
ように混合ブロックの第2の入力端子に接続されてい
る。
動作的には、混合ブロックは演算増幅器230を有し、
演算増幅器230は、加算増幅器として、抵抗226〜228と
接続されている。キャパシタ220が演算増幅器230のフィ
ードバックループ内にある場合、演算増幅器230の出力
電圧は、基準電圧Vrefとスイッチ234からのフィードバ
ック電圧との和(又は差)の、経時的に積分された電圧
である。言うまでもなく、基準電圧Vrefおよびフィード
バック電圧は、抵抗229および227の値により選択的に重
みづけされ得る。キャパシタ220および増幅器230はさら
に、電源から高周波変動を除去するフィルタとして作用
する。
演算増幅器230は、加算増幅器として、抵抗226〜228と
接続されている。キャパシタ220が演算増幅器230のフィ
ードバックループ内にある場合、演算増幅器230の出力
電圧は、基準電圧Vrefとスイッチ234からのフィードバ
ック電圧との和(又は差)の、経時的に積分された電圧
である。言うまでもなく、基準電圧Vrefおよびフィード
バック電圧は、抵抗229および227の値により選択的に重
みづけされ得る。キャパシタ220および増幅器230はさら
に、電源から高周波変動を除去するフィルタとして作用
する。
演算増幅器230からの出力信号は、追加の要素(図示
せず)によって状態を整えられ得る、例えば、整流され
得るか又はバッファされ得る。しかし、本発明の理解の
ために、DC−DCコンバータ231によって受け取られる電
圧であるVINは、演算増幅器230の出力電圧と同一である
と考えられ得る。図6Bに示すように、VINはゲインファ
クタAによって増幅され、増幅された電圧AVINは出力端
子241上で生成される。
せず)によって状態を整えられ得る、例えば、整流され
得るか又はバッファされ得る。しかし、本発明の理解の
ために、DC−DCコンバータ231によって受け取られる電
圧であるVINは、演算増幅器230の出力電圧と同一である
と考えられ得る。図6Bに示すように、VINはゲインファ
クタAによって増幅され、増幅された電圧AVINは出力端
子241上で生成される。
フィードバックブロックは、出力端子241とグランド
との間に接続されている抵抗器221および223によって形
成される分圧回路を有する。抵抗器221と223との間のノ
ードにおける電圧は、出力端子241における電圧に直接
比例する。スイッチ234が制御端子242上の信号に応答し
て電圧フィードバックモードを選択すると、ノード電圧
は、混合ブロックおよび演算増幅器230に直接フィード
バックされる。負のフィードバックは、端子241におけ
る出力を安定化する。例えば、端子241における電圧が
高い場合、フィードバック電圧は高い。このことは、演
算増幅器230の出力電圧を降下させ、それにより出力端
子241における高電圧に対する補正を行う。出力端子241
における電圧をモニタするために、ノードはさらに、単
一のバッファとして構成される演算増幅器251に接続さ
れ、フィードバック電圧をモニタリング回路(図示せ
ず)に送信する。
との間に接続されている抵抗器221および223によって形
成される分圧回路を有する。抵抗器221と223との間のノ
ードにおける電圧は、出力端子241における電圧に直接
比例する。スイッチ234が制御端子242上の信号に応答し
て電圧フィードバックモードを選択すると、ノード電圧
は、混合ブロックおよび演算増幅器230に直接フィード
バックされる。負のフィードバックは、端子241におけ
る出力を安定化する。例えば、端子241における電圧が
高い場合、フィードバック電圧は高い。このことは、演
算増幅器230の出力電圧を降下させ、それにより出力端
子241における高電圧に対する補正を行う。出力端子241
における電圧をモニタするために、ノードはさらに、単
一のバッファとして構成される演算増幅器251に接続さ
れ、フィードバック電圧をモニタリング回路(図示せ
ず)に送信する。
フィードバックブロックはさらに、演算増幅器232お
よび抵抗224〜226を有する。抵抗224〜226は、加算増幅
器としての演算増幅器232を構成するように接続されて
いる。加算増幅器への一方の入力は、抵抗器221と223と
の間のノードに接続される。第2の入力は、グランドに
接続された抵抗器222とDC−DCコンバータ231の第2の出
力端子との間に接続されている。加算増幅器は、直列接
続された抵抗器221および223を介する電流量とコンバー
タ231を介する電流量(抵抗器222と224とを介する総電
流量)との差を測定する。実際には、加算増幅器は、出
力端子241を介して流れている電流量を測定する。従っ
て、スイッチ234が電流フィードバックモードにセット
されると、加算増幅器として作用する演算増幅器232か
らの出力は、混合ブロックに送信され、電源回路は、電
源端子241を介して微小流体システムの接続された電極
に流れている電流量またはその近傍に安定化される。
よび抵抗224〜226を有する。抵抗224〜226は、加算増幅
器としての演算増幅器232を構成するように接続されて
いる。加算増幅器への一方の入力は、抵抗器221と223と
の間のノードに接続される。第2の入力は、グランドに
接続された抵抗器222とDC−DCコンバータ231の第2の出
力端子との間に接続されている。加算増幅器は、直列接
続された抵抗器221および223を介する電流量とコンバー
タ231を介する電流量(抵抗器222と224とを介する総電
流量)との差を測定する。実際には、加算増幅器は、出
力端子241を介して流れている電流量を測定する。従っ
て、スイッチ234が電流フィードバックモードにセット
されると、加算増幅器として作用する演算増幅器232か
らの出力は、混合ブロックに送信され、電源回路は、電
源端子241を介して微小流体システムの接続された電極
に流れている電流量またはその近傍に安定化される。
加算増幅器の出力はさらに、単一のバッファとして構
成される演算増幅器250に接続され、出力電圧をモニタ
リング回路(図示せず)に送信する。モニタリング回路
は、演算増幅器250および251の出力から、出力端子241
における電圧および端子を通る電流の測定値を有する。
このことはさらに、モニタリング回路が、電源回路によ
り供給されている電力の量を決定し且つ制御することを
可能にする。
成される演算増幅器250に接続され、出力電圧をモニタ
リング回路(図示せず)に送信する。モニタリング回路
は、演算増幅器250および251の出力から、出力端子241
における電圧および端子を通る電流の測定値を有する。
このことはさらに、モニタリング回路が、電源回路によ
り供給されている電力の量を決定し且つ制御することを
可能にする。
上述した電源の、可変ソースとして作用する能力は、
微小流体システムの微小チャネルを介する流体の流れの
方向が、電子的に変更されることを可能にする。全ての
電極が上述した電源の1以上に接続されている場合、微
小流体システムの動作は大幅に向上し、システム内のチ
ャネルネットワークを介する流体の所望の動きは、はる
かにフレキシブルである。
微小流体システムの微小チャネルを介する流体の流れの
方向が、電子的に変更されることを可能にする。全ての
電極が上述した電源の1以上に接続されている場合、微
小流体システムの動作は大幅に向上し、システム内のチ
ャネルネットワークを介する流体の所望の動きは、はる
かにフレキシブルである。
電流制御システムとしての動作にもかかわらず、微小
流体システム内のノードにおける電圧を決定する必要性
がしばしばある。本発明はさらに、このような電圧モニ
タリングの手段を提供する。図5Aに示すように、電気的
リード160が、微小流体システムの所望のノード178近傍
の基板176の表面上に形成されている。ノード173は、各
端部にリザバー169および171を有するチャネル170とチ
ャネル172および174との交点にある。チャネル174の端
部はリザバー175を有し、チャネル172の端部(およびリ
ザバー)は図示されていない。
流体システム内のノードにおける電圧を決定する必要性
がしばしばある。本発明はさらに、このような電圧モニ
タリングの手段を提供する。図5Aに示すように、電気的
リード160が、微小流体システムの所望のノード178近傍
の基板176の表面上に形成されている。ノード173は、各
端部にリザバー169および171を有するチャネル170とチ
ャネル172および174との交点にある。チャネル174の端
部はリザバー175を有し、チャネル172の端部(およびリ
ザバー)は図示されていない。
リード160は好適には、導電性金属または合金、好適
には集積回路に用いられるクロム上の金またはチタン上
のプラチナなどの貴金属の堆積により形成される。半導
体フォトリソグラフィー技術により、リード160は1μ
m未満の幅で規定され得る。電解を防止するために、チ
ャネル170内のリード160の幅は、チャネル170内のリー
ドに印加される電圧が常に1ボルト未満、好適には0.1
ボルト未満であるに十分狭い。
には集積回路に用いられるクロム上の金またはチタン上
のプラチナなどの貴金属の堆積により形成される。半導
体フォトリソグラフィー技術により、リード160は1μ
m未満の幅で規定され得る。電解を防止するために、チ
ャネル170内のリード160の幅は、チャネル170内のリー
ドに印加される電圧が常に1ボルト未満、好適には0.1
ボルト未満であるに十分狭い。
微小流体システム内において用いられる電圧は高い。
チャネルノード173における電圧をリード160を介して直
接測定する電圧計は、このような高い電圧を測定するこ
とができるようにするために、非常に高い入力インピー
ダンスを有していなければならない。このような電圧計
は高価である。さらに、微小流体システムの基板の取り
扱いは、汚染の可能性を増加させる。このような汚染
は、微小流体システムのチャネル内の動電の適切な動作
のために要する電圧(および電界)に深刻な影響を及ぼ
し得る。
チャネルノード173における電圧をリード160を介して直
接測定する電圧計は、このような高い電圧を測定するこ
とができるようにするために、非常に高い入力インピー
ダンスを有していなければならない。このような電圧計
は高価である。さらに、微小流体システムの基板の取り
扱いは、汚染の可能性を増加させる。このような汚染
は、微小流体システムのチャネル内の動電の適切な動作
のために要する電圧(および電界)に深刻な影響を及ぼ
し得る。
これらの問題点およびコストを回避するために、リー
ド160は、これもまた基板178の表面上に形成されている
分圧回路163に接続されている。分圧回路163の出力は、
導電性出力リード161によって担持される。回路163はさ
らに、導電性リード162によって電圧基準に接続されて
いる。
ド160は、これもまた基板178の表面上に形成されている
分圧回路163に接続されている。分圧回路163の出力は、
導電性出力リード161によって担持される。回路163はさ
らに、導電性リード162によって電圧基準に接続されて
いる。
分圧回路163は、図5Bにより詳細に示されており、分
圧回路として接続された抵抗器165および166により、標
準的半導体製造技術によって形成される。リード160
は、回路163の入力端子に接続されており、入力端子
は、アンドープまたは軽くドープされたポリシリコンま
たはアルミナなどの高抵抗物質の線形パターンの一端で
ある。線形パターンの他端は、基準リード162に接続さ
れている。基準リード162は、基板168上にも形成され、
外部基準電圧、おそらくグランドにつながっている。説
明のために示すように、リード160の電圧は、10:1の比
率で分割される。線形パターンは、抵抗器165と抵抗器1
66とに分割される。抵抗器165は抵抗器166の9倍のルー
プを有する。すなわち、抵抗器165の抵抗は、抵抗器166
の抵抗の9倍である。言うまでもなく、他の比率も用い
られ得、1000:1の比率が典型的である。2つの抵抗器16
5と166との間に接続された出力リード161は、電圧計に
よって低電圧が読み取られるように、外部接続につなが
っている。カバープレートがリード160〜162、分圧回路
163および基板表面を汚染から保護している。
圧回路として接続された抵抗器165および166により、標
準的半導体製造技術によって形成される。リード160
は、回路163の入力端子に接続されており、入力端子
は、アンドープまたは軽くドープされたポリシリコンま
たはアルミナなどの高抵抗物質の線形パターンの一端で
ある。線形パターンの他端は、基準リード162に接続さ
れている。基準リード162は、基板168上にも形成され、
外部基準電圧、おそらくグランドにつながっている。説
明のために示すように、リード160の電圧は、10:1の比
率で分割される。線形パターンは、抵抗器165と抵抗器1
66とに分割される。抵抗器165は抵抗器166の9倍のルー
プを有する。すなわち、抵抗器165の抵抗は、抵抗器166
の抵抗の9倍である。言うまでもなく、他の比率も用い
られ得、1000:1の比率が典型的である。2つの抵抗器16
5と166との間に接続された出力リード161は、電圧計に
よって低電圧が読み取られるように、外部接続につなが
っている。カバープレートがリード160〜162、分圧回路
163および基板表面を汚染から保護している。
上記発明を明瞭化および理解を目的として、ある程度
詳細に説明したが、本発明の真の範囲から逸脱すること
なく、形態および詳細における様々な変化がなされ得る
ことは、この開示を読むことにより、当業者には明らか
である。本出願書類において引用された全ての刊行物お
よび特許文献は、全ての目的のために、各刊行物および
特許文献が個々に記載された場合と同一の程度に、その
全体が参考のため援用される。
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(56)参考文献 特開 平6−300736(JP,A)
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実開 昭64−10816(JP,U)
国際公開96/04547(WO,A1)
(58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名)
G01N 27/447
JICSTファイル(JOIS)
Claims (50)
- 【請求項1】複数の相互接続されたキャピラリーチャネ
ルと、該キャピラリーチャネルの異なるノードにある複
数の電極であって、該キャピラリーチャネルに電界を作
りし、該キャピラリーチャネルを通して流体内の物質を
動電学的(electrokinetically)に移動させる複数の電
極とを有する微小流体(microfluidic)システムの使用
方法であって、該方法が、 該電極のうちの少なくとも3つの電極に、該システムの
他の電極に関して電圧を同時に印加する工程を包含し、
該電圧は、該少なくとも3つの電極のうちの少なくとも
2つの電極の電流に応答して、該システムの該複数のチ
ャネルの1つ以上の交差部内および該交差部を通して物
質を移動させる、方法。 - 【請求項2】前記微小流体システムが、3つよりも多い
電極を有する、請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】前記電圧印加工程が、前記電流が実質的に
一定になるように前記電圧を制御する工程を包含する、
請求項2に記載の方法。 - 【請求項4】複数のキャピラリーチャネルと、該キャピ
ラリーチャネルの異なるノードにある複数の電極であっ
て、該キャピラリーチャネルに電界を作り出し、該キャ
ピラリーチャネルを通して流体内の物質を動電学的に移
動させる複数の電極とを有する微小流体システムの使用
方法であって、該方法が、 該システムの少なくとも3つの電極間の電気パラメータ
の適用の時間を同時に制御して、該電極間で物質を移動
させる工程を包含する、方法。 - 【請求項5】前記物質が、前記システムの前記電極間の
前記電気パラメータの一定の適用と同等に移動するよう
に、前記適用が制御される、請求項4に記載の方法。 - 【請求項6】前記適用が、前記電気パラメータが適用さ
れる時間のパーセンテージを変えることによって制御さ
れる、請求項5に記載の方法。 - 【請求項7】前記電気パラメータが、電圧を含む、請求
項4に記載の方法。 - 【請求項8】前記電気パラメータが、電流を含む、請求
項4に記載の方法。 - 【請求項9】前記電気パラメータが、電力を含む、請求
項4に記載の方法。 - 【請求項10】絶縁性基板にある複数のキャピラリーチ
ャネルと、 該キャピラリーチャネルの異なるノードにある複数の電
極であって、該キャピラリーチャネルに電界を作り出
し、該キャピラリーチャネルを通して流体内の物質を動
電学的に流すための複数の電極と、 該基板上にある少なくとも1つの導電性リードであっ
て、該キャピラリーチャネル位置まで延び、それによっ
て、該キャピラリーチャネル位置の電圧が決定され得る
少なくとも1つの導電性リードとを含み、前記キャピラ
リーチャネル位置で、前記導電性リードに1ボルト未満
の電圧が作り出されるように、該導電性リードが十分に
小さい幅を有する、微小流体システム。 - 【請求項11】前記キャピラリーチャネル位置で、前記
導電性リードに0.1ボルト未満の電圧が作り出されるよ
うに、該導電性リードが十分に小さい幅を有する、請求
項10に記載の微小流体システム。 - 【請求項12】前記導電性リードが、該基板上の分圧器
回路を形成するように構成され、該導電性リードから受
け取られた電圧は、前記キャピラリーチャネル位置での
前記電圧の一部分である、請求項11に記載の微小流体シ
ステム。 - 【請求項13】前記基板を覆う絶縁性プレートをさらに
含み、前記導電性リードが、該基板の縁部まで延びる、
請求項10に記載の微小流体システム。 - 【請求項14】複数の相互接続されたキャピラリーチャ
ネルを有する基板と、 該キャピラリーチャネルの異なるノードにある複数の電
極であって、該キャピラリーチャネルに電界を作り出し
て、該キャピラリーチャネルを通して流体中の物質を動
電学的に移動させるための複数の電極と、 前記複数の電極に接続される1以上の電源とを含み、こ
の1以上の電源の各々が、 制御可能な基準電圧を受け取るための第1の入力端子
と、第2の入力端子と、出力端子とを有する混合ブロッ
クと、 該混合ブロックの該出力端子に接続され、第1および第
2の出力端子を有する電圧増幅器であって、該第1の出
力端子が、少なくとも1つの電極に接続される電圧増幅
器と、 該電圧増幅器の該第1の出力端子に接続されるフィード
バックブロックであって、該混合ブロックの該第2の入
力端子に接続される出力端子を有し、負のフィードバッ
クを与えて該電源を安定化するフィードバックブロック
をさらに含む、微小流体システム。 - 【請求項15】前記フィードバックブロックが、分圧器
回路を介して前記第1の出力端子に接続される、請求項
14に記載の微小流体システム。 - 【請求項16】前記フィードバックブロックが、前記第
1の出力端子の電圧に応答して、前記混合ブロックにフ
ィードバックを与える、請求項15に記載の微小流体シス
テム。 - 【請求項17】前記フィードバックブロックが、前記電
圧増幅器の前記第2の出力端子に接続され、該フィード
バックブロックが、前記第1の出力端子を介して流され
た(sourced)または減少した(sunk)電流量に応答し
て、出力電圧を発生し、該フィードバックブロックが、
該第1の出力端子を介して流されたまたは減少した該電
流量に応答して、前記混合ブロックにフィードバックを
与える、請求項15に記載の微小流体システム。 - 【請求項18】前記フィードバックブロックが、前記分
圧器回路に接続される第1の入力と、前記電圧増幅器の
前記第2の出力端子に接続される第2の入力とを有する
加算増幅器を有し、該加算増幅器が、前記第1の出力端
子を介して流されたまたは減少した前記電流量に応答し
て、前記出力電圧を発生する、請求項17に記載の微小流
体システム。 - 【請求項19】前記フィードバックブロックが、前記電
圧増幅器の前記第2の出力端子に接続され、該フィード
バックブロックは、前記第1の出力端子の電圧に応答し
て第1のフィードバック電圧を発生し、該第1の出力端
子を介して流されたまたは減少した電流量に応答して第
2のフィードバック電圧を発生し、該フィードバックブ
ロックは、制御信号に応答して、該第1または第1及び
第2両方のフィードバック電圧を前記混合ブロックに送
るためのスイッチを有し、そのため、前記電源が、電圧
または電流フィードバックによってそれぞれ選択可能に
安定化される、請求項15に記載の微小流体システム。 - 【請求項20】前記フィードバックブロックに接続され
る第1および第2の緩衝回路(buffer)をさらに含み、
該第1の緩衝回路が、前記第1のフィードバック電圧を
伝送し、該第2の緩衝回路が、前記第2のフィードバッ
ク電圧を伝送し、該第1および第2のフィードバック電
圧がモニタされ得る、請求項19に記載の微小流体システ
ム。 - 【請求項21】前記混合ブロックが、加算増幅器として
接続される演算増幅器を含む、請求項14に記載の微小流
体システム。 - 【請求項22】前記演算増幅器がさらに、積分器として
接続される、請求項21に記載の微小流体電源システム。 - 【請求項23】微小流体システムの少なくとも1つの電
極への接続のための電源であって、 制御可能な基準電圧を受け取るための第1の入力端子、
第2の入力端子、および出力端子とを有する混合ブロッ
クと、 該混合ブロックの該出力端子に接続され、第1および第
2の出力端子を有する電圧増幅器であって、該第1の出
力端子が、該少なくとも1つの電極に接続される電圧増
幅器と、 該電圧増幅器の該第1および第2の出力端子と、該混合
ブロックの該第2の入力端子とに接続されるフィードバ
ックブロックであって、該第1の出力端子の電圧に応答
して第1のフィードバック電圧を発生し、該第1の出力
端子を介して流されたまたは減少した電流量に応答して
第2のフィードバック電圧を発生するフィードバックブ
ロックとを含み、該フィードバックブロックは、制御信
号に応答して該混合ブロックに該第1または第1及び第
2両方のフィードバック電圧を送るためのスイッチを有
し、それにより、該電源の電圧または電流がそれぞれ、
負のフィードバックによって選択可能に安定化される、
電源。 - 【請求項24】前記フィードバックブロックが、分圧器
回路を介して前記電圧増幅器の前記第1の出力端子に接
続される、請求項23に記載の電源。 - 【請求項25】前記フィードバックブロックが、前記電
圧増幅器の前記第2の出力端子に接続され、該フィード
バックブロックが、前記第1の出力端子を介して流され
たまたは減少した電流量に応答して出力電圧を発生す
る、請求項23に記載の電源。 - 【請求項26】前記フィードバックブロックに接続され
る第1および第2の緩衝回路(buffer)をさらに含み、
該第1の緩衝回路は、前記第1のフィードバック電圧を
伝送し、該第2の緩衝回路は、前記第2のフィードバッ
ク電圧を伝送し、該第1および第2のフィードバック電
圧は、モニタされ得る、請求項23に記載の電源。 - 【請求項27】前記フィードバックブロックが、前記分
圧器回路に接続される第1の入力と、前記電圧増幅器の
前記第2の出力端子に接続される第2の入力とを有する
加算増幅器を有し、該加算増幅器が、前記第1の出力端
子を介して流されたまたは減少した前記電流量に応答し
て前記出力電圧を発生する、請求項25に記載の電源。 - 【請求項28】前記混合ブロックが、加算増幅器として
接続される演算増幅器を含む、請求項23に記載の電源。 - 【請求項29】前記演算増幅器がさらに、積分器として
接続される、請求項28に記載の電源。 - 【請求項30】複数の相互接続されたキャピラリーチャ
ネルを有する基板と、 該キャピラリーチャネルの異なるノードにある複数の電
極であって、該キャピラリーチャネルに電界を作り出し
て、該キャピラリーチャネルを通して流体中の物質を動
電学的に移動させるための複数の電極と、 該電極のそれぞれに接続される複数の電源であって、該
電源のそれぞれは、選択された電圧または選択された量
の電流を前記電極のうち少なくとも3つの電極に対し
て、該少なくとも3つの電極のうち少なくとも2つの電
極の電流に応答して、選択的に供給することができる、
複数の電源と、 を含む、微小流体システム。 - 【請求項31】少なくとも2つの交差チャネル(inters
ecting channels)を有する基板の使用であって、該チ
ャネルに関連する少なくとも3つの電極のうちの少なく
とも2つにおける電流に応答して、前記少なくとも3つ
の電極間に電圧を印加することによって、対象物質(su
bject material)を動電学的に輸送(transported)す
る、使用。 - 【請求項32】前記基板が互いに常時流体連絡している
複数の相互接続されたチャネルおよび関連する電極を有
し、所定の電極の電流に応答して該電極に電圧を印加す
ることによって、該チャネルの1つ以上を組み込んだ
(incorporating)所定の経路に沿って対象物質を輸送
する、請求項31に記載の使用。 - 【請求項33】少なくとも2つの交差チャネルを有する
基板の使用であって、該チャネルに関連する少なくとも
3つの電極間への、電気パラメータの制御されかつ時間
に依存しかつ同時の適用によって、対象物質を動電学的
に輸送する、使用。 - 【請求項34】前記電気パラメータは電圧を含む、請求
項33に記載の使用。 - 【請求項35】前記電気パラメータは電流を含む、請求
項33に記載の使用。 - 【請求項36】前記電気パラメータは電力を含む、請求
項33に記載の使用。 - 【請求項37】複数のチャネルおよび該チャネルに関連
する複数の電極を有する絶縁性基板、及び前記複数の電
極に作動上接続された少なくとも1つの可変電圧コント
ローラの使用であって、該コントローラは、前記複数の
電極のうち少なくとも3つの電極に印加される電圧を前
記少なくとも3つ電極のうち少なくとも2つの電極での
電流の大きさに応答して制御するように構成され、該電
極への電圧の印加によって該チャネルに電界を生じさ
せ、該基板上の少なくとも1つの導電性リードがチャネ
ル位置まで延び、これにより、該チャネル位置の電気パ
ラメータを決定することができる、使用。 - 【請求項38】前記導電性リードは十分に小さな幅を有
し、これにより、該チャネル位置で該導電性リードに1
ボルト未満、好ましくは0.1ボルト未満の電圧を作り出
す、請求項37に記載の使用。 - 【請求項39】複数の相互接続されたキャピラリーチャ
ネルと、該キャピラリーチャネルの異なるノードにある
複数の電極であって、該キャピラリーチャネルに電界を
作り出し、該キャピラリーチャネルを通して流体内の物
質を動電学的(electrokinetically)に移動させる複数
の電極と、該電極の少なくとも1つに接続される電源で
あって、基準電圧を受け取るための第1の入力端子、第
2の入力端子、および出力端子を有する混合ブロックを
持つ電源と、該混合ブロックの該出力端子に接続され、
第1および第2の出力端子を有する電圧増幅器であっ
て、該第1の出力端子が該少なくとも1つの電極に接続
される電圧増幅器と、該電圧増幅器の該第1の出力端子
に接続されるフィードバックブロックであって、該混合
ブロックの該第2の入力端子に接続される出力端子を有
し、負のフィードバックを与えて該電源を安定化するフ
ィードバックブロックとを有する絶縁性基板の使用。 - 【請求項40】前記フィードバックブロックが、前記電
圧増幅器の前記第2の出力端子にも接続され、該フィー
ドバックブロックが、前記第1の出力端子の電圧に応答
して、第1のフィードバック電圧を発生し、該第1の出
力端子を介して流されたまたは減少した電流量に応答し
て、第2のフィードバック電圧を発生し、該フィードバ
ックブロックは、制御信号に応答して該混合ブロックに
該第1または第2のフィードバック電圧を送るためのス
イッチを有し、それにより、該電源が、電圧または電流
のフィードバックによって選択可能に安定化される、請
求項39に記載の使用。 - 【請求項41】微小流体システムの少なくとも1つの電
極への接続のための電源の使用であって、該電源は、基
準電圧を受け取るための第1の入力端子、第2の入力端
子、および出力端子を有する混合ブロックと、該混合ブ
ロック出力端子に接続され、第1および第2の出力端子
を有する電圧増幅器であって、該第1の出力端子が該少
なくとも1つの電極に接続される電圧増幅器と、該電圧
増幅器の該第1および第2の出力端子ならびに該混合ブ
ロックの該第2の入力端子に接続されるフィードバック
ブロックとを有し、該フィードバックブロックは、該第
1の出力端子の電圧に応答して第1のフィードバック電
圧を発生し、該第1の出力端子を介して流されたまたは
減少した電流量に応答して第2のフィードバック電圧を
発生し、該フィードバックブロックは、制御信号に応答
して、該第1または第2のフィードバック電圧を該混合
ブロックに送るためのスイッチを有し、それによって、
該電源が、負のフィードバックによって選択可能に安定
化される、使用。 - 【請求項42】基板が、複数の相互接続されたキャピラ
リーチャネルと、該キャピラリーチャネルの異なるノー
ドにある複数の電極であって、該キャピラリーチャネル
に電界を作り出して、該キャピラリーチャネルを通して
流体中の物質を動電学的に移動させるための複数の電極
と、該電極のそれぞれに接続される複数の電源であっ
て、該電源のそれぞれは、選択された電圧および選択さ
れた量の電流を前記電極のうち少なくとも3つの電極に
対して、該少なくとも3つの電極のうち少なくとも2つ
の電極の電流に応答して、選択的に供給することができ
る、複数の電源とを有する、微小流体システムの使用。 - 【請求項43】対象物質を動電学的に輸送する少なくと
も2つの相互接続されたチャネルを有する基板と、電流
を測定する手段と、該チャネルに関連する少なくとも3
つの電極のうちの少なくとも2つにおける電流に応答し
て、前記少なくとも3つの電極間に電圧を印加する手段
とを含む、微小流体システム。 - 【請求項44】前記基板が互いに常時流体連絡している
複数の相互接続されたチャネルおよび関連する電極を有
し、所定の電極の電流に応答して該電極に電圧に印加す
ることによって、該チャネルの1つ以上を組み込んだ所
定の経路に沿って対象物質を輸送する、請求項43に記載
のシステム。 - 【請求項45】対象物質を動電学的に輸送する交差チャ
ネルを少なくとも有する基板と、該チャネルに関連する
少なくとも3つの電極間への、電気パラメータの制御さ
れかつ時間に依存しかつ同時に適用手段とを含む、微小
流体システム。 - 【請求項46】前記電気パラメータは電圧を含む、請求
項45に記載のシステム。 - 【請求項47】前記電気パラメータは電流を含む、請求
項45に記載のシステム。 - 【請求項48】前記電気パラメータは電力を含む、請求
項45に記載のシステム。 - 【請求項49】複数のチャネルおよび該チャネルに関連
する複数の電極を有する絶縁性基板と、該電極に電圧を
印加することによって該チャネルに電界を発生する手段
と、該チャネル位置の電気パラメータを決定することが
できるようにチャネル位置まで延びた該基板上の少なく
とも1つの導電性リードとを含む微小流体システムであ
って、前記電界を発生する手段が、前記複数の電極に作
動上接続された少なくとも1つの可変電圧コントローラ
であって、前記複数の電極のうち少なくとも3つの電極
への印加電圧を前記少なくとも3つの電極のうち少なく
とも2つの電極での電流の大きさに応答して制御するよ
うに構成された該コントローラを含む、前記微小流体シ
ステム。 - 【請求項50】前記導電性リードは十分に小さな幅を有
し、これにより、該チャネル位置で該導電性リードに1
ボルト未満、好ましくは0.1ボルト未満の電圧を作り出
す、請求項49に記載のシステム。
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