JP4128949B2 - 集積動電デバイス及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、微細尺度の分析、混合物の分離と反応で使用する、液体種輸送及び／又は反応及び分離のための動電要素を有するデバイス及び製造方法に関係する。

従来技術で、薄いスラブ又は狭い導管を通しての化学種の界面動電的な輸送（電気浸透、電気泳動）が知られている。しかし、つい最近、界面動電輸送要素を有する新しいデバイスが開示された。特に、この文献に記載されたデバイスは、ゲノム工学、たんぱく質工学、組合せ化学及び薬品発見のための高スループットのスクリーニングにおける界面動電輸送技術の応用に関係する。

界面動電輸送技術は、スラブ−ゲル電気泳動デバイスを含む種分離デバイスで使用される。スラブ−ゲル電気泳動方法において、化学種の分離は、水性溶液内の種をゲルに沿って異なる速度で輸送する時に発生する。このクラスの従来のデバイスは、親水性ゲル材料のマクロ的な大きさのスラブで構成されるのが一般的である。例が米国特許第4,574,040号及び第4,663,015号に記載されている。上記の参照された特許に記載されたようなシステムでは、２枚のガラスプレートの間の空間にゲル形成液体を注いでスラブを形成する。ゲル形成液体は、親水性ポリマー及び架橋剤の水溶液である。ゲル化プロセスは、液体を固体のスラブ内に固めさせる。その結果得られるゲルのスラブは、実質的に大量の水を含む固体マトリクスである。スラブの厚さは、プレートの２つの対向するエッジの間及びそれに沿って置かれるスペーサ片により維持されるスペーサの間の間隔により決定される。クランプはプレートを一緒に保持し、スペーサ片は滑らかでクランプの圧力でシールが形成され、ゲルキャスティング中のゲル形成溶液又は電気泳動中のバッファ溶液のいずれかの漏れを防止する。

スラブ−ゲルデバイスの輸送チャンネルの大きさを低減するために開示された方法は、一般的にマクロ形成技術を使用してきた。例えば、米国特許第5,627,022号は、２枚の平面プレートで構成されるゲルホルダ及び接着マトリクス内のビーズで構成される薄いスペーサの内側に設けられる薄いゲルを開示している。マクロ形成多重分離レーンのスラブ−ゲルデバイスは、例えば、米国特許第5,543,023号に開示されている。このようなデバイスは、スペーサにより分離される薄いスラブのアレイで構成される。微細チャンネルアレイ内にキャスティングされたゲルを有する多重レーンデバイスが、従来技術で知られている。米国特許第5,192,412号は、１枚のプレートが微細チャンネルのリニアアレイを有するプレート内に含まれるスラブ−ゲルを開示している。米国特許第5,746,901号は、ゲルスラブを挟む波形と平らなガラスプレートの類似の組合せを開示している。米国特許第5,954,931号は、微細チャンネルを有する基板上にゲルをキャスティングすることにより形成された平行チャンネルを有する電気泳動デバイスを開示している。小型の電気泳動ゲルスラブのためのゲル構成が、米国特許第6,013,166号に開示されている。使用前に水で処理されることにより再構成されるマクロの大きさの乾式ゲルスラブも、従来技術（米国特許第4,048,377号及び4,999,340号）で報告されている。

従来技術の種分離デバイスは、毛細管電気泳動及び毛細管クロマトグラフィの両方に使用される毛細管も含む（例えば、米国特許第5,207,886号）。この技術では、分離は狭い中空のガラス毛細管を通る液体の界面動電的な流れにより行われる。これらの従来の毛細管デバイスにおいて、分離は毛細管内で起き、分離媒体は管の一方の端から導入された後管を満たす液体である。いくつかの従来のデバイスは、狭い中空の管内の表面上へのポリマーコーティングを使用し（米国特許第5,141,612号及び第5,167,783号）、他はゲルがあらかじめ満たされた毛細管を使用し（米国特許第4,997,537号）、更に他はサンプル液体内で分析された分離ポリマーを導入する（米国特許第5,089,111)。

ハウジング内に組み立てられた多重毛細管で構成される多重レーン分離デバイスが従来技術で開示されており、例えば、米国特許第5,439,578号に開示されている。このような毛細管分離デバイスは、狭い中空が分離媒体における種の広がりを少なくするので、従来のスラブ−ゲル分離デバイスより優れた分離性能を示すことが知られている。更に、優れた熱放散のため、迅速な分離を行うために高電圧を使用できる。

これらのデバイスのいくつかの欠点は、他の流体操作要素又は分析プロセスの他の要素と容易には集積化できないこと、及び媒体内の組成の変動に対して容易に対処できないことである。

チップ上のラボデバイスとも呼ばれる集積化された微細分析及び微細化学反応デバイスが、従来技術で開示されている（例えば、米国特許第4,908,112号及び第5,180,480号）。これらのデバイスは、半導体チップの製造から適用された微細マシニング方法を利用し、分離、測定及び化学反応を実行するために、平面板上に微細又は中規模デバイスを作る。これらのデバイスは、固体の基板内に空洞及びチャンネル又は溝を形成することにより実現される機械的な構造である。これらのデバイスは、一般に空洞の基板上に組み立てられたカバーが空洞及びチャンネルをチャンバ及び導管に変える蓋を提供した時に完成する。しかし、米国特許第5,429734号は、モノリシックな蓋手段を含む半導体ウエハ内にエッチングされたチャンネルを開示している。米国特許第4,908,112号は、半導体スラブ内にエッチングされたチャンネルを有する電極を含む分離デバイスを開示している。米国特許第5,750,015号は、絶縁プラスチックスラブ内に形成された溝を有する分離デバイスを開示している。

平面基板内に空洞で構成される他の構造は、チャンネルと検出器を有するデバイス（米国特許第5,637,469号及び第5,906,723号）、チャンバを有するデバイス（米国特許第5,585,069号）及びチャンネルと機械的なふるい手段を有するデバイス（米国特許第5,304,487号）を含む。反応、混合物分離及び分析は、導管に沿って界面動電的に輸送される液体内のこのような微細構造内で起きる。一般的に、これらの従来技術のデバイスでは、反応体、触媒及び試薬は、オフチッププロセス内に保持及び準備され、次に使用中にチャンネルの開放した一方の端から全長さに沿ってポンピングによりチップのチャンネル内に導入される。米国特許第5,126,022号は、使用前にゲルで満たされた微細形成溝を開示している。

集積された微細チャンネル分離デバイスが従来技術で開示されており、そこでは１個の入り口と１個の出口だけを有する単純な毛細管で起きるより複雑で、多重レーンスラブ又は毛細管アレイのいずれかにおけるチャンネルのアレイより複雑な微細チャンネル構造内で、界面動電的な流体操作が行われる。米国特許第5,770,029号は、二次的な豊富なチャンネルに接続された種電気泳動チャンネルを有するデバイスを開示している。米国特許第5,296,114号は、多重の入り口と出口のポートを有するループの形のチャンネルで構成される電気泳動分離デバイスを開示している。米国特許第5,750,015号は、主溝と多重の分岐する溝で構成されるデバイスを開示している。多重に接続されたチャンネルを有するデバイス（米国特許第5,800,690号）、交差するチャンネルを有するデバイス（米国特許第5,599,432号及び第6,010,608号）及び多重の貯蔵器に接続されたチャンネルを有するデバイス（米国特許第5,858,195号）が開示されている。

導管又はスラブ内で界面動電的な輸送ステップと組み合わされる結合ステップがある集積された微細チャンネルデバイスが従来技術で知られている。米国特許第5,661,028号は、結合／プライマー要素を、ゲルで裏面が満たされたガラスカバープレートを有する平面のエッチングされたチャンネルで構成される電気泳動分離要素を有するサンガー反応 (Sanger Sequencing reaction)にオフチップからの試薬を導入するための要素と集積したデバイスを開示している。米国特許第4,628,035号及び第5,055,415号は、電気泳動媒体の内側で結合する抗原抗体を開示している。

従来技術のバイオセンサ及び乾式試薬診断デバイスは、親水性材料又はゲルの多量の使用を含む。微細形成により作られた従来技術のデバイスは、例えば、ゲル材料で満たされた微細マシーン加工されたチャンネルを有するバイオセンサを開示している米国特許第5,194,133号を含む。気体透過性層及び親水性ポリマー層の組合せで構成されるデバイスも従来技術のバイオセンサで知られており、それは微細形成で作られたこのタイプのデバイスを含む。例えば、米国特許第4,933,048号は、微細形成されたゲル及び親水性蒸気浸透性ポリマーの基準電位電極の塩橋としての使用を開示している。米国特許第5,514,253号及び第5,200,051号は、これらの複合層を利用する微細形成の気体及び酵素バイオセンサを開示している。バイオセンサの従来技術で開示されたこれらの多数の診断デバイスは、ゲル又は親水性材料を、試薬保持のための媒体又は種が拡散により移動する要素として利用する。しかしながら、これらの文献のいずれも、活性の界面動電的なポンピング応用において、この一般的なタイプの層状の複合物の使用を示唆していない。従来技術のバイオセンサ及び乾式試薬診断デバイスのこのクラスの機能的な設計及び動作のモードの両方は、活性の界面動電的なポンピングデバイスとは異なる。

従来技術では、界面動電的な輸送のためでなく、電極表面での混成量の調整（米国特許第5,632,957号及び第6,017,696号）又は動物的なサンプルの準備（米国特許第6,129,828号）のために電圧を使用するデバイスが開示されている。

要するに、従来技術の界面動電的なデバイスは、空のチャンネル（平面基板内の溝又は管状の導管）、コートされた表面を有するチャンネル、又はポリマー溶液又はゲルで満たされたチャンネルである。従来技術のデバイスは、ゲルのスラブ又はキャスティングゲルにより機械的な所定の形状に形成されたゲルの溝又は空洞も含む。従来技術のデバイスは、このようにいくつかの方法の１つに制限される。従来技術の微細チャンネルデバイスは、部分的には微細形成方法で作られるが、一般に機械的な構造を含む要素のために設けられるだけである。この分野の技術の現状の状況では、これらのタイプのデバイスは、それらが呼ばれてきたような完全なラボオンチップよりむしろ実際にはラボガラス製品オンチップだけで構成される。従来技術は、化学的な機能の集積が一般的にどのように達成するかについては述べていない。

更に、従来技術のスラブ−ゲルベースのデバイスは、一般的に伝統的なマクロ形成方法で作られ、そのため製造して使用するのに高価である。それらは大きなサンプルを必要とし、作業も遅い。それらは、多重分析能力を提供したり、集積された分析システムの他の要素と容易に又は低コストで組み合わせるように集積することは容易にはできない。

更に、従来技術のスラブ−ゲルベースのデバイスの輸送要素の材料は、ゼラチン状媒体に限られる。そのため、それらの多くは水を基礎とし、壊れやすく、そして単純なスラブよりはるかに複雑な構造に処理するのが難しい。これらの材料は、平面処理だけでなく集積デバイスを作る微細形成にも適用しにくい。このため、平面処理及び／又は微細形成に適用しやすいコストの低い界面動電デバイス及びそれらの製造プロセスが非常に要望されている。更に、一体となった化学的な実体を有する界面動電的なデバイスも要望されている。

本発明の目的は、微小な大きさの分析、混合物の分離及び反応での使用に好適に適用できる界面動電的なデバイス及びその製造方法を提供することである。

本発明の別の目的は、界面動電的な溶質の輸送及び／又は分離のための親水性マトリクスコンダクターを有する界面動電的なデバイスの提供である。本発明の他の目的は、平面処理及び／又は微細形成に適した界面動電的なデバイスの提供である。

この発明の更に別の目的は、親水性マトリクス及び含まれる化学物を微細形成する方法を提案することである。

本発明の更に別の目的は、カプセル化する要素を微細形成する方法を提案することである。

本発明の更に別の目的は、貯蔵器に含まれる化学的な実体を有する親水性マトリクスコンダクターの集積及び自己含有微細分析的なシステムを提供する反応領域を特徴とする界面動電的なデバイスを提供することである。化学的な実体は、分離ポリマー、付着リガンド又はプローブ、プライマー、酵素、フィルター手段、バッファなどを含む。

本発明の更に別の目的は、自己含有試薬を含み、ゲノム工学及びたんぱく質工学及び分子診断の分野で特に有用なコストの低い単用途で使用できるデバイスとして構成されるデバイスを提供することである。本発明によるデバイスの複雑な実施例は、以後まとめて集積界面動電回路と呼ばれる。

本発明の目的は、集積界面動電回路及びその製造方法を提供することである。

この発明の目的は、後尾処理ステップ中にその化学物を保持する集積界面動電回路の製造方法を提供することである。

本発明のこれらの目的は、水性の溶質の界面動電的な輸送のためのデバイスであって、電気的に絶縁性の基板と、前記基板上の固体の親水性マトリクス層の形をしており、前記マトリクス層が実質的に乾燥して非活性な状態であり、前記基板に付けられる第１の表面と第２の表面を有している界面動電コンダクター要素と、前記第２の表面を電気的に絶縁してカバーし、前記溶質に対して非浸透性であるカバー層とを有し、前記親水性マトリクスの水への露出は、前記マトリクスを前記非活性状態から、前記溶質の界面動電的な輸送が可能な水和活性状態に変化させるデバイスで達成される。

好適な実施例では、固体の親水性マトリクス層は、各種の小型の構造に作ることが可能なフィルムの形をしている。水和した時の固体の親水性マトリクス層は、界面動電的な種の輸送と分離のためのコンダクターとして動作する。

他の実施例では、デバイスは、チップの形に作られ、開放した導管又は親水性マトリクスコンダクターの一方に隣接した化学種を含む親水性マトリクスの被覆（クラッディング）と共に、オンチップ化学反応のための化学種を保持する集積された微細構造及びオンチップ種検出のための修正された検出構造を有する。

本発明のデバイスでは、種の輸送、反応、混合物の分離及び分析は、親水性マトリクスの導管内、親水性マトリクスの被覆された導管内で起き、同様に使用時点又はその前に水が導入される固体状態の親水性マトリクスを構成する貯蔵器及び反応ゾーンのような他の形成された要素内で起きる。

この出願を通して溶質種の輸送が例として示されるが、この用語は、溶質が溶媒内又は例えば電気泳動により溶媒のポンピングにより輸送されるかにかかわらず、溶質種の輸送を含むことを意図している。

この発明の他の好適な実施例では、集積界面動電回路の要素は、微細形成により作られる。これにより、例えば、この発明の集積界面動電回路の特定の回路構成要素は、溶質化学種の輸送のためのコンダクターである。コンダクターは、微細形成方法によりストリップラインにパターン化された固体親水性マトリクス材料の薄膜で構成されることが望ましい。この微細形成は、親水性固体上で乾式又は半乾式の形で行われることが望ましい。薄膜は、厚さが１０μｍより薄いことが望ましい。ストリップラインの好ましい大きさは、幅が１００μｍより小さく、長さが１００μｍより大きい。好適な回路では、固体親水性マトリクスコンダクターは、親水性導管により輸送される溶質種に対して浸透性である実質的に平面の基板に重なる。コンダクターは、その側面及び上面が、輸送される種に対して実質的に非浸透性であるカプセル化された材料で作られたカバー層で囲われる。好適な実施例では、カプセル化された材料は、膜プロセスにより堆積され、微細形成により形成される。

本発明の更に別の好適な実施例では、絶縁性のカプセル化した材料の少なくとも一部は、水蒸気に対して浸透性である付加的な特性を有する。これは、最初は実質的に乾燥して不活性の親水性マトリクスがカプセル化された材料を通して蒸気として輸送される水に急速に濡れるのを可能にする。水にさらすことにより、カプセルはデバイスの適当な機能として必要である絶縁特性を維持する。しかし、乾式の固体親水性マトリクスは、水との結合により導電性の電極になる。デバイスは、デバイスの使用前又は使用時に水にさらされる。この好適な実施例の変形例では、それは透水性の基板材料である。

この発明の他の実施例では、親水性マトリクスのコンダクター、シース（被覆）、貯蔵器及び反応ゾーンが反応、混合物の分離又は分析をインサイチュに（その場で）実行するための化学試薬と一緒に設けられる場所に、集積界面動電回路構成要素が、設けられる。これらのインサイチュな化学物は、親水性マトリクス内に作る時に導入されることが好ましい。

更に別の実施例では、単一の集積されたデバイス上での多重のサンプル分離で使用されるか、又は多重の反応ゾーン又はリガンド結合の多重の領域に化学物を輸送するのに使用されるように、デバイスは、多重レーンを通しての溶質種の輸送を可能にするために平行なアレイ状の親水性マトリクスコンダクターを有する。更に付加的な実施例では、デバイスは、コンダクターを横切る電圧の時間的な印加に応じて１つのコンダクターから他への種の移動を可能にするように、交差する親水性マトリクスコンダクターを有する。

他の実施例では、デバイスは、交差するが互いに分離された親水性マトリクスコンダクターを有し、電気的接触又は溶質種接触を防止する。

好適な実施例では、デバイスは、一体化された電極を有する親水性マトリクスコンダクターを有する。これにより例えば、本発明の集積界面動電回路の特定の回路構成要素は、界面動電的な種輸送のための一体化された電極を有するカプセル化された親水性マトリクスコンダクターである。この回路構成要素は、分離装置においてコラム要素として働くことができる。好適なデバイスは、微細形成された親水性マトリクスコンダクター及びカプセル化可能な材料の微細形成されたカバー層で構成される。

親水性マトリクスコンダクターは、輸送されるか又は分離されるサンプルが導入される１つの端と、輸送された流体が流れ出る他の端を有することが望ましい。コンダクターは、荷電種の電気泳動的な輸送又は溶媒の電気浸透的な流れを生じる界面電動的な駆動力を提供する微細形成された電極上に配置されるのが望ましい。本発明のデバイスでの溶質種分離は、（従来のスラブ−ゲル又は毛細管電気泳動で起きるような）輸送されるイオンの差分の移動度のため、又は（従来のクロマトグラフィ法での）コラム要素内の吸収サイトにおける差分の存在により起きる。

この発明の更に別の実施例では、デバイスはその長さ方向に沿って化学構成が変動する親水性マトリクスコンダクターを有する。この実施例では、親水性マトリクスコンダクターは、界面動電的な駆動力を提供する２つの電極の間にある親水性マトリクスの第１の領域を有する。第２及び第３の領域は、第１の親水性マトリクス領域の上流及び下流である。第１の領域の親水性マトリクスは、所定の印加電圧で流速を最大にする高電気浸透係数の材料で構成される。第２及び第３の領域の構成は、いくつかの他の機能的な特徴を最適化するように選択される。例えば、構成は、結合反応、分離又は種検出を実行するのに適当である。本発明のこの態様の他の例は、その長さに沿って細管の大きさが階段状である親水性マトリクス分離要素である。

この発明の更に別の実施例では、反応のための化学的な実態を伴う反応ゾーンは、親水性マトリクスコンダクターと集積される。集積界面動電回路の特定の回路構成要素は、入口と出口ポートを有する反応ゾーンで、この反応ゾーンは反応体化学物及び生成物をそれぞれ反応ゾーンに輸送するか又はそこから輸送する手段を有する。

この発明の他の実施例では、修正された界面動電的な回路は、試薬貯蔵器及び廃液貯蔵器を有する。

この発明の更に別の実施例では、集積界面動電回路は、一体化された検出器を有し、特に電気化学的な検出器を有することがもっとも望ましい。

この発明の別の実施例では、微細分析システムの特徴は、複数の異なる親水性マトリクス構成要素で構成される集積界面動電回路である。これらは、親水性マトリクスコンダクター、貯蔵器、界面動電的なポンプ、コンダクター結合、一体化された電極、反応ゾーン及び検出器を有する。この発明によれば、デバイスを使用して多くの微細分析方法を実行することが可能である。これらの方法は、リガンド結合アッセイ、分離、ＰＣＲ又はプライマー補助反応と共に、反応及び／又は分離の組合せを使用する方法を含む。

この発明の他の実施例では、微細分析システムは、親水性マトリクスコンダクター及び一体化された電極で構成される集積された界面動電的なポンプにそれぞれ接続される結合要素を有するリガンド結合アレイを特徴とする。サンプルの溶液におけるターゲット分子は、結合領域に界面動電的にポンプされ、オリフィスを通って親水性マトリクスコンダクター内に進む。この方法で、サンプル溶液の付勢された対流が、結合層内で種を急速に結合分子に輸送することになる。このデバイスは、応答速度の向上と共に非多孔質基板上の従来のリガンド結合アレイに比べての感度の改善をもたらす。

本発明は、例示として示されるだけである付属の図面を参照して詳細に説明される。

以下の説明を通して、等価な要素は同一の参照番号で表される。

図１Ａと図１Ｂは、それぞれ本発明の第１実施例の斜視図及び平面図である。この実施例の断面図は、図１Ｃと図１Ｄに示される。図２は、参考のために従来技術の界面動電的な輸送デバイスを示す。

図１Ａ及び図１Ｂのデバイスは、平面の絶縁固体基板１と固体親水性マトリクス材料の上層２とで構成される。マトリクス層２は、空間的には長く伸びた形状のストリップラインとして規定され、化学的な溶質種が輸送されうる電解コンダクター（導管）を提供する。コンダクター２は、水蒸気浸透性材料のカバー層３により覆われ、コンダクターを通して輸送される溶質種の入り口及び出口となる開口４ａと４ｂを有する。開口４ａと４ｂは、コンダクター２のいずれかの端に位置するように示されている。更に、図１で４ａ’と４ｂ’で示すように透水性の層を通しての通過も可能である。コンダクター２は、開口４ａと４ｂを通してデバイスの他の要素に接続される。このように、この実施例のコンダクターのいくつかの使用例では、それは１つの通過端４ａでテスト溶液に、他の通過端４ｂで貯蔵器に接続される。溶質種は、４ａを通してテスト溶液からコンダクター内に、次にコンダクターに沿って４ｂを通して貯蔵器に、界面動電的にポンプされることができる。この実施例のコンダクターの他の使用例では、４ａと４ｂは他の親水性マトリクスコンダクター又は反応領域、貯蔵器などのような他の微細形成された要素に、集積界面動電回路の部分として接続される。

図１ＣのＢ−Ｂ’断面図を参照すると、動作において、デバイスの上面の部分は水性媒体内に浸される。水５０は、水蒸気浸透性のカバー層３を通して、その蒸気が最初は乾燥した非活性の親水性固体マトリクス２内に輸送される。カバー層３は、他の点では絶縁性であり、すなわち、それは溶質種、イオン又は電子は輸送しない。水がマトリクス２内に吸収された後、それは水電解液と等価に機能する。開口４ａを通してワイヤ内に導入される種５１又は製造時に親水性マトリクスに最初に存在する乾式固体試薬は、電圧の印加により励起された時に、コンダクター２を通して界面動電的な輸送によりワイヤを通して移動できる。種５２は、開口４ｂでコンダクター２を出る。電圧は、親水性マトリクス層に電気的に接触する２つの離れた電極（図示せず）により印加される。このような電気的な接触手段は、この技術分野の技術者には良く知られている。それらは、以下に説明する統合された電極と同様に、基板上の界面動電コンダクター層に電気的に接触される接触ピンの形の電極を含む。

層２の材料の特殊な構成は、デバイスにおけるその機能に依存している。親水性マトリクス材料の第１の機能は、層を機能的に水電解液とするように水を組み合わせることができる物理的な支持構造を提供することである。本発明の後の実施例で説明する分離の応用において、コンダクターは分離コラムとして使用される。これらの応用において、コンダクター層２の構成は、分離される種の形状及び大きさにより決定される最適な分離特性を提供するように選択される。コンダクターを通した溶液の高流速が重要な特性である場合には、電気浸透係数を最大にするような構成が選択される。

親水性マトリクス２は、水と混ざりやすい単量体又は重合体の親水性分子からなる材料で構成される。例としては、砂糖、スターチ、アルコール、エーテル、ポリアミノ酸プロテイン及び親水性シラン及び誘導シランである。親水性マトリクス２は、ゲル内におけるような延長された状態の親水性ポリマーで構成される。水の吸収は、水がポリマーチェーン隙間に混合されたゲル状のポリマーになる。適当な材料の例は、架橋ポリビニールアルコール、ポリオキシメタクリレート、ポリアクリルアミド、アガロース、ゼラチン及びシランである。親水性マトリクス２はラテックスから形成される。親水性マトリクスは、（良好な水濡れのための高内部浸透性を実現するための）乾式電解塩、(親水性マトリクスの吸水膨張のための内部ｐＨの調整及び化学的な種輸送及び反応を制御するための内部ｐＨの調整のための）バッファ及びコンダクターで使用されるデバイスの機能に依存する他の試薬も含む。

水蒸気浸透性の層は、各種の異なる材料から作られる。低密度、疎水性炭化水素及び過フッ化炭化水素ポリマーは絶縁性で透水性である。ケイ素（シリコン）、シロキサン、シリコン・ポリカーボネート・コポリマーは、絶縁性で高水蒸気浸透性であるので、好ましい材料である。もっとも好ましい材料は、ジメチル・ポリシロキサン及びシリコン・ポリカーボネートであり、それは下にある材料が水を吸収するに従って非常に大きく物理的に膨張してもそれに耐えられるからである。

図１の実施例のデバイスは、微細形成技術を使用して作られる。例えば、基板１は、シリコン、セラミック、ガラスまたはポリマーのような微細形成設備で使用されるのに適したどのような平面材料でもよい。基板材料は、それ自体を絶縁性、又はそれを絶縁性にする材料でコートすることができる。例えば、基板が半導体基板であれば、この技術分野でよく知られた多数の技術により、絶縁性の酸化ケイ素でコートすることができる。基板は、部分的に製造され、その場合それは既に絶縁コートがされた微細形成の導管及びチャンバを支持しており、界面動電回路の次の部分が作られる。バイオセンサでの使用に適した親水性固体マトリクス層を微細形成するいくつかの方法が、バイオセンサの従来技術の分野で知られている。本発明の界面動電デバイスの親水性固体マトリクス層を微細形成するのに使用できる構成及び方法は、従来は知られていない。

本発明の製造方法の１つの実施例では、光形成可能な製作が、親水性マトリクスの製造に使用される。放射に対する露光で架橋を生じる親水性ポリマー材料を付加することが知られている。本発明による親水性マトリクスの他の構成要素で作られる時のそのような付加は、キャスト・ポリマーフィルムを光形成可能にする。光形成のプロセスは、標準のフォトレジストの処理に類似している。材料の層は、スピニング、スプレイ印刷、ディッピング（浸漬）又はキャスティングにより、平面基板上に堆積される。それを乾式で行うことも可能である。乾燥された層は、マスクを通して化学線放射に露光される。ＵＶ露光が普通であるが、他の波長の光も付加した構成要素の波長感光性に応じて可能である。材料形成可能な電子ビームも使用できる。露光されたフィルムは、次にバス内の現像媒体で、又はスプレイ又は乾式プラズマプロセスで現像される。湿式現像プロセスでは、典型的には水性現像溶液が使用される。そのようなプロセスの欠点は、デバイスの適切な動作に必要な塩及び化学物が、湿式現像プロセス中に親水性マトリクスから取り除かれることである。光形成層の他の欠点は、光活性添加物の最終的な親水性マトリクスの意図した特性に及ぼす潜在的な有害な影響である。

製造方法の好適な実施例、光形成親水性マトリクス層へのより一般的なアプローチをここに開示する。このプロセスは、塩を含む親水性マトリクスの材料及びこの発明の界面動電コンダクターの応用のための他の分析可能な試薬の処理に特に適している。プロセスは、プラズマエッチング時に灰（アッシュ）にならないように設計された親水性材料に対するドライプラズマエッチングステップを完全に利用する。

例えば、電解塩及びバッファを含む親水性マトリクス材料は、スピニング、スプレイ、印刷又は浸漬により水性溶液から平面基板上に堆積される。フォトレジスト層は、この上の非水性溶媒から覆われる。それは露光されて現像される。フォトレジストパターンは、エッチングされる領域に灰を残さないプラズマプロセスを使用して、エッチングにより下の親水性マトリクス材料内に移される。プラズマデエッチングは、同時にフォトレジスト層を取り除く。例えば、親水性マトリクスが、カーボン、水素、酸素及び窒素だけを含む時、酸素プラズマは、材料をエッチングして揮発性のエッチング生成物だけを形成し灰を生じない。この例では、親水性マトリクスは、酸素プラズマエッチング中に、灰のないように非金属塩及びバッファで作られる。このように、親水性マトリクス及びその電解液、バッファ及び試薬の好適な構成が灰のないプラズマエッチング処理に適している。上記の灰のない乾式プロセス技術を使用して、１つ以上の親水性層が、湿式現像機無しに、続けて形成される構造に処理できる。フィルムの成分の全ては、処理中維持される。潜在的な有害な添加物は必要ない。

水蒸気浸透性のカバー層３は、スパッタリング、プラズマ堆積、又はグロー放電重合のような微細形成技術の分野で知られた技術を使用して蒸気相から堆積される。しかし、水蒸気浸透性のカバー層は溶液から堆積（析出）されるのが好ましい。シリコン、シロキサン又はシリコンポリカーボネートのような溶媒可鋳性材料組成が好ましい。カバー層３は、標準の光リソグラフィ及び減法エッチング法を使用して光形成又はパターン化することが好ましい。

この技術分野の技術者であれば、乾式親水性マトリクスへの急速な吸水のあるデバイスが、絶縁基板１を作ることにより又はその上に絶縁層をコーティングすることにより、透水性材料から作れることが分かる。一般に、乾式親水性マトリクスの少なくとも一部に接触する透水性絶縁材料の適切な配置を有するデバイスは、親水性マトリクスの濡れを容易にする。

ラボオンチップデバイスの分野の技術者には、より複雑な集積界面動電回路の一部として、図１に説明した実施例の単一導電要素を構成できることが明らかである。集積回路技術の従業者には、図１の実施例の製造で開示されたような平面微細形成の方法が、ここに開示した集積界面動電回路のようなより複雑な構造の製造に特に適していることが分かるであろう。図１の実施例のコンダクターは、単一平面基板上に集積されるこのようなコンダクターのアレイで構成されるデバイスの構成要素である。このような集積界面動電回路は、多数の微細化学の応用で有用である。アレイは、同時に多数の分離を実行するのにも使用でき、またテスト溶液の多数の微細バッチを反応領域のアレイに輸送して同時に多重分析アッセイを実行するのに使用できる。他の例は、１つのコンダクターに輸送される溶液のアリコートが動電的に他に輸送されるように交差及び接触するコンダクター要素を有する集積界面動電回路である。デバイスのこれらのタイプの複雑なコンダクター構造でさえ、いわゆる単一レベルプロセスである親水性マトリクスコンダクター層の単一光プロセスの１ステップにより、容易に製造できる。集積界面動電回路は、交差しているが互いに分離しているコンダクター要素でも構成できる。２レベルのコンダクタープロセスのこの例では、第１の親水性マトリクス層は光リソグラフィによりコンダクター要素内に形成される。コンダクターは絶縁層をコートされ、第１の親水性マトリクスをカバーして開口を形成するように光処理され、そして第２の親水性マトリクス層が形成されて、第１のコンダクターと交差するが絶縁体によりそれからは分離しているコンダクター要素になるように光処理される。最後に、第２のコンダクターレベルへの第２の絶縁体コーティングが行われる。集積界面動電回路の別の例は、図５及び図６の実施例に示される。

図２は、従来技術の界面動電的なデバイスの概略を示す。この発明の背景技術で説明したように、従来技術のデバイスには３つのカテゴリィがある。参照番号１００は、従来技術のスラブ−ゲルデバイスの機能的な構成要素と一般的な大きさの例を示す。この発明のデバイスに対して、これらはマクロ形成方法により作られる。デバイスは、ゲルスラブ１０１をプラスチック又はガラス基材１０２上にキャスティングすることにより準備される。このような従来技術のデバイスは、ゲルをその湿式形態で使用するために存在する。参照番号１１０は、毛細管電気泳動で使用する従来技術の毛細管チューブの一般的な形状と典型的な大きさを示す。従来技術の毛細管チューブは、円形の断面を有するガラスパイプである。

参照番号１２０は、従来技術の平面微細チャンネルデバイスの一般的な形状と典型的な大きさを示す。毛細管の大きさのチャンネル１２２は、絶縁体の平面スラブ１２１内に形成され、絶縁性のカバー１２３で蓋をされる。それにより得られる空洞は、従来技術の毛細管チューブの断面の大きさにほぼ近くなる。

この発明のデバイスに対して、従来技術のデバイス１１０と１２０は、空のパイプ又はチャンネルであり、使用する時点に、その中にパイプの一方の開放端を通して電解液が導入され、毛細管は電気泳動的な分離に先立ってパイプの長さに沿って液体をポンプすることにより満たされる。

図３Ａから図３Ｄは、本発明の別の実施例である。図は非溶解の端を有する親水性マトリクスのコンダクターを構成するコンダクターの水平断面Ａ−Ａ’とＢ−Ｂ’を有する斜視図及び平面図をそれぞれ示す。図３Ａから図３Ｄにおいて、デバイスは平面の絶縁性固体基板１、親水性マトリクス材料の被覆層２で構成される。親水性マトリクス層２は、空間的には細長い形状のストリップラインであり、種はこの長い方に沿って輸送される。それは、水で溶解しない親水性マトリクス材料で作られた非溶解終点５ａと５ｂのいずれかの端で限界が定められる。水蒸気浸透性材料のカバー層３は、開口４ａと４ｂを有し、それがコンダクターを通して輸送される溶質種の導入と排出を可能にする。開口４ａと４ｂは、終点５ａと５ｂの位置に配置される。

図３ＣのＢ−Ｂ’断面を参照すると、動作において、デバイスの上面の部分は、水性の媒体に浸される。水５０は、（図１の実施例の場合には）水蒸気浸透性のカバー層３を通して、最初は乾燥して非活性の親水性マトリクス２内に蒸気として輸送される。カバー層３は、むしろ絶縁性であり、すなわち、それは他の溶質種、イオン又は電子を輸送しない。（デバイスの使用中又は後尾製造プロセスのいずれかで）水性の媒体に直接接触することが意図された終点領域５ａと５ｂは、親水性マトリクス材料２の内容が水性媒体内に溶解しないようにバリヤー（障壁）を提供する。例えば、層２は、ポリエチレングリコールを含む。そして、終点５ａと５ｂは、ポリエチレングリコールに不浸透である架橋ポリマーで作られる。終点５ａと５ｂの機能は、開口４ａを通しての水性媒体５１内の選択された種（反応に輸送される溶質、分離又は検出される種）のコンダクター２への界面動電的な輸送を可能にするが、コンダクター層２のマトリクス内に作られるより大きな分子の流出は妨げる。これらの分子は、デバイスの動作中、コンダクター層２内に保持される。種５２は開口４ｂを通してコンダクターを出る。

（図３Ｅ及び図５と図６の実施例と同様に）図３Ａから図３Ｄの実施例は、異なる組成領域で形成された親水性マトリクス層を有するデバイスの例を示す。この分野の技術者は、地域的な組成の変形例を有する界面動電コンダクターを作ることがこれらのデバイスの他の応用において有用であることが分かるであろう。この技術分野の従業者には、界面動電的な輸送媒体の有利な組成的な変形例が、バルクのキャストのスラブ−ゲルの形又は空の毛細管パイプの形又はパイプの長さ方向に沿ったポンピングにより輸送媒体で満たしたチャンネルデバイスの形又は使用点におけるチャンネルの形で実現するのが難しいことが分かる。地域的な組成の変形例が実現された従来の１つの例は、従来技術の２次元のプロテイン分離デバイスで使用されるマクロゲル−スラブである。マクロゲル−スラブは、界面動電的な輸送方向に垂直な方向で変化する構造を有するように作られる。この構造的な変形例は、輸送方向に垂直な空間に依存するｐＨをもたらすように設計される。このような材料は、プロテイン分子の電荷のｐＨ依存性及びそれによる界面動電的な移動度のために、プロテインの２次元的な分離に適している。このタイプの微細な大きさのデバイス又はそのようなデバイスの集積されたアレイは、本発明の技術を使用して作れる。

他の実施例では、親水性マトリクスのコンダクターは、輸送方向に沿った細孔の大きさの地域的な変形を有する。この特性は、そこに輸送される種の界面動電的な移動度の地域的な変動を生じる。これは、分離デバイスにおいて、分離される種が広い移動度の範囲を有する場合に有利である。一様な細孔分離媒体において、高分子重量の分子は、分子量の小さな分子が媒体の全長さを横切る時間の間に、遠くに輸送されず分離もされない。段階的な細孔のデバイスでは、これらの違いは小さくなる。このような構造的な変動は、微細形成技術を使用して容易に作れる。１つの技術では、親水性マトリクス層は、標準フォトレジストとして放射を低減した架橋で作られる。架橋の程度は、放射のドーズ量と共に標準フォトレジストにも依存している。異なる程度に露光される時の層の異なる領域は異なる架橋領域になる。架橋の少ない領域はより大きな細孔とより高い移動度を有し、架橋の高い領域はより小さな細孔とより低い移動度を有する。

本発明の親水性マトリクスコンダクターのいくつかの使用例では、隣接する材料と接触する種における急速な導電経路を設けて、種がそれらとの間で内部拡散できるようにするのが有利である。このデバイスは図３Ｅに示されている。親水性マトリクス材料の構成が変化したデバイスの他の例もある。コンダクターの長さ方向に沿って伸びそしてそれと接触する第２の親水性マトリクス材料のクラッディング層５を有する微細形成された親水性マトリクスコンダクター２がある。両方の親水性マトリクス層は、透水性の絶縁カバー層３でコートされる。図３Ａの例において、種の界面動電的な輸送は、主としてコンダクター２に沿っている。親水性マトリクス５は、デバイスを界面動電的なクロマトグラフィ的な分離の応用での使用中、コンダクター２を横切る種の保持のための吸収サイトを有する。親水性マトリクス５は、コンダクター２内に入れられるとコンダクターにわたって輸送特性を調整する試薬（塩、バッファ又はポリマーなど）を含む。図３Ｅの実施例において、クラッディング層５がまず基板１上に形成され、次にコンダクター２がその上に堆積されて５と共直線性であるように微細形成される。図３Ｅの実施例と等価な機能を提供する２つの親水性マトリクス層の他の空間的な配置があることは明らかである。例えば、まず層２を、次に層２の上面に層５を微細形成することができる。

図４Ａから図４Ｅは、本発明の他の実施例を示す。図はそれぞれ一体化された電極を有する親水性マトリクスコンダクターの斜視図、水平断面Ａ−Ａ’とＢ−Ｂ’とＣ−Ｃ’を有する平面図である。図４Ａ及び図４Ｂにおいて、デバイスは、基板の表面上に間隔をあけて２つの電極７ａと７ｂを有する平面の絶縁性固体基板１で構成される。電極７ａと７ｂは、電極の長さ方向に沿って層８ａと８ｂにより電気的に絶縁される。コンダクター２は、基板に付けられた親水性マトリクス材料の重なる層の形をしており、種が輸送される細長い大きさのストリップラインが空間的に規定される。コンダクター層２の離れた部分は、互いに離れた電極７ａと７ｂの上に位置し、電極は層２の長い方向に沿って異なる位置にある。絶縁体８ａと８ｂを通る経路は、電極７ａ、７ｂとコンダクター層２の間の電気的な接触を可能にする位置９ａと９ｂに位置する。使用する場合、電極７ａと７ｂの他の端（図示せず）は、電極に電力を供給する電気的な回路に接続されている。水蒸気浸透性材料のカバー層３は、コンダクター層２の上に付けられる。コンダクターを通して輸送される種の入出を可能にする開口４ａと４ｂがある。

図４Ｃの断面Ｃ−Ｃ’を参照すると、動作中、デバイスの上面の部分は、水性媒体内に浸漬されている。図１の実施例のように、水５０は、水蒸気浸透性の層３を通して、最初は乾燥して非活性の親水性固体マトリクス２内に蒸気として輸送される。カバー層３は、他の点では絶縁性であり、すなわち、それは他の溶質種、イオン又は電子を輸送しない。これらの分子は、デバイスの動作中は、コンダクター層２内に保持される。水がマトリクス２内に吸収された後、それは水性電解液と機能的に等価になる。開口４ａを通してコンダクター層内に導入された種５１又は乾式固体試薬が製造時には親水性マトリクス内にまず存在し、電界の電気泳動的な輸送により界面動電的にポンプされた時又は溶質が電気的に帯電された時に、コンダクター層２内の電解液の対流により輸送可能になる。電極７ａと７ｂの間の電気的に異なる電位を印加することにより、種の界面動電的な輸送のための電動力を生じる。正に帯電した種５４は、陰極に向かってドリフトし、負に帯電した種５５は陽極に向かってドリフトする。更に、水和した親水性マトリクス内の水性電界液全体が電気浸透によりポンプされる。従来技術で知られているように、固体マトリクス及びその壁内の固定した表面のゼータ電位は一般に負であり、マトリクス２内の電解液５３の本体の流れは図４Ｃで示すように負の電極に向かう。

電極７、絶縁体８及び通路９は、標準の微細形成方法により作られる。これらの構造の構成及び製造方法は、シリコンチップの大量生産で使用される標準プロセスから直接取ることが望ましい。これにより、電極７は、例えばポリシリコン又は不溶性金属、又は不溶性金属シリコン又は金である。絶縁体８は、例えば、二酸化シリコン又はポリイミドである。

この分野技術者には、親水性マトリクスコンダクターに接続する一体化された電極の他の可能な配置があることがわかる。例えば、親水性マトリクスコンダクターに対向する側に電極を有する基板を利用するデバイスで、基板の穴を通して電極とコンダクターの間の電気的な接触を行うデバイスは、図４Ａから図４Ｅに示す実施例に等価なように機能する。

図５Ａから図５Ｅのデバイスは、親水性マトリクスコンダクターと一体化された電極を特徴とする集積界面動電回路の例である。このデバイスは、チップ上の自己含有微細分析システムである。図１から図３の実施例で説明した親水性マトリクスコンダクター及び図４の実施例で説明した集積された界面動電的なポンプに加えて、この実施例は、貯蔵器、貯蔵器含有試薬、コンダクター接合、反応ゾーン及び一体化されたプローブ電極のような付加的な集積界面動電回路要素を示している。この実施例では、第１の親水性マトリクスコンダクター２と、それに接触してそれと接合を形成するオプションである第２の親水性マトリクスコンダクター２ｄがある。コンダクター２と２ｄは、ストリップラインの形をしている。一方の端にコンダクター２と接触する親水性マトリクス貯蔵器２ａがあり、他方の端にコンダクター２と接触する親水性マトリクス貯蔵器２ｂがある。オプションの親水性マトリクス貯蔵器２ｃは、その端でオプションのコンダクター２ｄに接触する。貯蔵器２ａ、２ｂ及び２ｃはコンダクター２と２ｄに比べて大きな表面積と体積を有する。貯蔵器は、作る時に微細分析システムの特定の応用により決定される乾式の試薬を含んでもよい。各貯蔵器に電気的に接触する一体化された電極７ａ、７ｂ及び７ｃがある。電極７は、絶縁体８によりその長さ方向に沿って絶縁される。絶縁体８ａ、８ｂ及び８ｃを通る通路が、電極７ａ、７ｂ及び７ｃと親水性マトリクス貯蔵器２ａ、２ｂ及び２ｃの間の電気的な接触を可能にする位置９ａ、９ｂ及び９ｃに設けられる。上記の親水性マトリクス回路構成要素のすべては、絶縁性だが透水性のカバー層３でコートされる。コンダクター２の上のカバー層３を通過する開口３がある。

この実施例のデバイスは、コンダクター２を通して流体を伝えるための微細界面動電的なポンピングシステムも構成する。流体は、試薬貯蔵器２ａ又はオプションの２ｃから、コンダクター２に沿って、以下に説明するように分離剤、分析セルまたは反応体があるデバイスの領域６に、そして廃液貯蔵器２ｂにポンプされる。種の濃度を監視する手段を含む反応ゾーン６は、化学的な反応、分離及び種の検出が起きるコンダクター２に沿う親水性マトリクス領域である。反応ゾーン６内の化学種の濃度は、従来から知られた各種の技術により調べられ、その技術は、反応ゾーン６内の発光性又は蛍光性分子又はラベルの、光学的な吸収率、発光又はレーザ誘起蛍光を、光学的な検出器（図示せず）１１により検出する技術、又は電気化学的なプローブ電極７ｄを使用した電気化学的な検出技術を含む。反応ゾーン６は、後述するこのデバイスの電気泳動的な応用と同様に、親水性マトリクスコンダクター２と同一の構成である。微細分析システムの他の応用では、反応ゾーン６は異なる構成である。例えば、微細分析システムのリガンド結合アッセイ応用においては、反応ゾーン６は、コンダクター２に沿って輸送される種と結合する試薬を含む。

図５Ｃの断面Ｂ−Ｂ’を参照すると、動作中には、デバイスの上面の一部は、水性媒体内に浸漬されている。水５０は、水蒸気浸透性の層３を通して、最初は乾式で非活性の親水性固体マトリクスコンダクター２及び２ｄ内、貯蔵器２ａ、２ｂ及び２ｃ内、及び反応又は分離ゾーン６内に蒸気として輸送される。カバー層３は、他の点では絶縁性であり、すなわち、それは他の溶質種、イオン又は電子を輸送しない。

図５の微細分析システムの１つの使用例は、リガンド結合アッセイである。この応用において、アッセイされるターゲット分子を含む電界溶液は、オリフィス４を通して親水性マトリクスコンダクター２内に導入される。これは、電極７ｂを通じて印加される廃液貯蔵器２ｂの電圧に対して正の電圧が一体化された電極７ｅにより電解液に印加された時に、界面動電的なポンピングにより達成される。これにより、サンプル溶液は、ターゲット分子と結合する固定化レセプター又は捕捉分子を含むゾーン６に２を通してポンプされる。結合したターゲット分子は、ゾーン６内で検出される。従来技術で知られている典型的な検出方法は、ラベル分子を導入してターゲット分子と結合させることである。ラベル分子は、コンダクター６を横切ってゾーン６に輸送され、そこでターゲット分子と結合する。結合したターゲット分子とラベルを含む結合体の濃度は、従来技術で知られているラベルの濃度をアッセイすることにより検出される。ラベルは、蛍光性の、発光性の、光学的吸収又は酵素ラベルを含むが、これらには限定されない。このアッセイ方法では、結合したターゲット分子の濃度に関係する結合ラベル濃度だけが測定される。それは、結合していないラベル分子は界面動電的なポンピングにより反応ゾーン６から除かれ検出されないからである。反応層６内の化学種の濃度は、光学的な検出器１１又は一体になった界面動電的なプローブ電極７ｄにより測定される。光学的な検出方法では、検出器は通常オフチップのデバイスであるが、一体になった光学的な検出デバイスがリガンド結合のデバイスの分野では知られている。界面動電的な検出器は、特に本発明のこの実施例で説明した集積に適している。一体化された界面動電的なプローブ電極７ｄ（又は界面動電的なセルを構成する電極のアレイ）と関係する分離絶縁体８ｄが図５Ａに示されている。プローブ電極７ｄを反応ゾーン６に接続する通路９ｄが図５Ｂと図５Ｄに示されている。そこには、プローブ電極と反応ゾーンの間にある１つ以上の電極コーティング１０も示されている。この構成で、界面動電的なプローブ電極７ｄとコーティング１０は、親水性マトリクスコンダクターのゾーンに位置するバイオセンサ検出器を一緒に構成する。

界面動電的なバイオセンサの技術分野では、電極７ｄとコーティング１０の多数の組合せが知られている。実際に、界面動電的な検出を使用する従来技術の分離で使用されるいくつかのバイオセンサが知られている。

本発明のデバイスで使用するバイオセンサのタイプを説明すると、ｐＨの変化を生じる反応が起きる反応ゾーン６が考えられる。そして、電極７ｄとコーティングは、ｐＨ選択膜を有するｐＨ電極である。他の例では、例えばもしラベル分子がグルコースオキシダーゼならば、調べられる反応は水性過酸化物濃度の変化を生じる。この例では、電極はプラチナ金属陽極であり、コーティング１０は水性過酸化物選択層である。この分野の技術者には、この発明で使用できる可能性のある多くのバイオセンサがあることが分かる。

酵素プローブを使用するリガンド結合アッセイにおけるようなプローブ反応が酵素ベースであるような場合には、結合反応が起きた後の酵素反応のための基板を導入することが有用であり得る。これは、試薬貯蔵器２ｃも含まれる酵素基板の界面動電的なポンピングにより達成できる。試薬は、２ｃから、親水性マトリクスコンダクター２ｄと２を介して、反応ゾーン６を通過して廃液貯蔵器２ｂに流れる。ポンピングは、廃液貯蔵器２ｂの電圧に対して正の電圧を、電極７ｃを通して試薬貯蔵器２ｃに印加することにより達成される。界面動電的にポンプされるシステムにおける界面動電的な従来技術の分野の技術者には、高電圧の界面動電的なポンピング電極に対する反応ゾーン６の他の配置及びその界面動電的な検出器があることが分かる。例えば、ポンピング電極７ｂがコンダクター２内の６の直ぐ上流に位置し、電極７ｄが方電界領域の外側に位置している時、これにより界面動電的な検出プロセスを簡単にできる。このような他の電極配置は、この発明の変形例として明確に意図される。

図５Ａの微細分析システムの他の応用は、界面動電的にポンプされた分離にある。この場合、反応ゾーン６は、分離コラムである。これはそれを通して輸送される種を分離するのに適したマトリクスを有する。使用する場合、キャリア電解液がキャリア貯蔵器２ａから廃液貯蔵器２ｂにポンプされる。ポンピングは、廃液貯蔵器２ｂに対して正の電圧を電極７ａを通してキャリア貯蔵器２ａに印加することにより達成される。サンプルのセグメントは、ポート４を通してコンダクター２内を流れるキャリア電解液内に界面動電的にポンプされる。これは、キャリア貯蔵器２ａから電極７ａを通して印加される正の電位を、サンプル溶液に接触する電極７ｅを通してサンプル溶液に切り換えることにより達成され、そして７ａに戻される。種は、電極７ａと７ｂにより付勢に応じて分離領域６内の親水性マトリクスに沿って界面動電的に輸送されるに従って空間的に分離してくる。帯電した種は、差分の電気的移動度により分離され（電気泳動）、非帯電種は親水性マトリクス内の分離媒体の吸収表面の差分の残留性により分離される（クロマトグラフィ）。分離した化学種が反応ゾーン６を横切った時の時間に対するその濃度のプロフィールは光学的な検出器１１又は一体化された界面動電的なバイオセンサ（コーティング１０を有する電極）により監視される。分離ゾーン６の構成は、界面動電的な分離におけるデバイスのもっとも簡単な使用における親水性マトリクスコンダクター２と同一である。クロマトグラフィの分離における他の使用では、ゾーン６は、図３Ｅの親水性マトリクスオンダクターで説明したように２つの要素を有する。

分離応用の１つの特別な例においては、分離される種は蛍光性のラベルを有するＤＮＡ片であり、サンガー反応又はプライマー補助反応から得られる。

図５Ａの実施例の微細分析システムの製造の１つの方法は、親水性マトリクス材料の単一層が一体化した薄膜電極を有する平面の絶縁性基板上に堆積される。親水性マトリクスは、前に説明した光処理方法を使用して、図５Ａに示す貯蔵器とコンダクターで構成される集積界面動電回路のパターンに形成される。チップ上の単一回路又は回路のアレイのいずれかは、同一の光プロセスで作ることができる。試薬は、貯蔵器領域の上に地域的に付けられた試薬を有する溶液を使用する含浸により光形成貯蔵器に加えられる。溶液は、ノズルからの分配、スポッティング、インクジェット堆積プロセスにより付けられる。異なる貯蔵器の内容物により、各貯蔵器の異なる注入溶液を付けることにより達成される。カバー層３は、前述のプロセスを使用して堆積及び形成できる。

図５の微細分析システムは、要素の貯蔵器及びコンダクターのすべてがカバー層３によりサンプルの流れから及び互いに分離されているので、パッケージ化に適している。しかし、このデバイスでは貯蔵器は口を付けてはならず、それらはシールされる。この場合、更なるポンピングの妨げとなるバック圧力のような、ポンピング中に電解液の大きな流出又は流入に起因するシールされた貯蔵器内での内部圧力増強がある。このように、この設計は、貯蔵器の内部へ又はそれから外へポンプされる材料の量がその体積に比べて小さい時に適当である。明らかに、各貯蔵器２ａ、２ｂ、２ｃの上のカバー層３を通る出口を設けて、それらを応用における外部電解溶液貯蔵器に接続することが可能であり、そこではポンプされた材料の量は、シールされた貯蔵器システム内にバック圧力の増強を生じるのに十分である。そのような口を付けられた貯蔵器においては、従来技術で認められているように各種のポンピング機能を働かせるには外部貯蔵器の電気的な分離が必要であるため、デバイスのパッケージは、より複雑になる。

発明した集積界面動電回路を使用する発明した微細分析システムでは、チップ上に多くの異なる微細分析方法を実行できる。このように、発明したデバイスの使用は、図５の実施例で説明したリガンド結合アッセイ及び分離に限定されない。本発明の集積界面動電的な回路要素の異なる配置が、多数の分析機能を実行する微細分析システムを提供できることを意図している。付加的な分析応用で使用する本発明の他のいくつかの集積界面動電回路と要素は、ｐｃｒ反応を伴う反応ゾーンを有するデバイス、一般的なプライマー補助反応をサポートする反応ゾーンを有するデバイス、制限酵素を伴う反応ゾーンを有するデバイス、反応要素を分析するための親水性マトリクス分離コラムを有する上記の反応ゾーンを組み合わせた集積デバイスに限定されない。

図６は、本発明の他の実施例を示す。このデバイスは、反応ゾーンのアレイを通してのサンプル溶液の輸送のための界面動電的なポンプのアレイとして構成される。このデバイスでは、親水性マトリクスコンダクター２は、一体化された電極７ａと７ｂを有する平面の絶縁性基板上に堆積される。親水性マトリクスは、共通の貯蔵器２ｂで一緒になる分流要素の平行なアレイとして形成される。コンダクター及び貯蔵器は、水蒸気浸透性の絶縁体２のカバー層３でコートされる。デバイスは、サンプル溶液の親水性マトリクスコンダクター２内への流入のための開口４のアレイを有する。コンダクターの各ブランチには１つの開口４がある。反応ゾーン６は各開口に設けられている。

図６のデバイスの特別な例では、反応ゾーン６は固定化結合分子を含む。これにより、この実施例はリガンド結合アレイとその製造プロセスを提供する。このようなデバイスは、電気浸透及びＤＮＡ水和プローブの分野では非常に知られており、結合アレイの各要素はデバイスの制御の下にサンプル溶液を各要素に界面動電的にポンプするという利点が加えられる。動作においては、デバイスの上表面の一部はアッセイのための１つ以上の種を含むサンプル溶液に浸漬される。この発明の前の実施例におけるように、水５０は蒸気として親水性マトリクス中に輸送される。一旦濡れて活性化された親水性マトリクスは、導電性の電解液になる。電極７ａと７ｂに電圧が印加されると界面動電的な輸送が起きる。この実施例では、親水性マトリクスは、溶液全体の電気浸透が最速の輸送モードであるように大きな電気浸透係数が選ばれることが望ましい。界面動電的なポンプの目的は、ターゲット分子をバルクのサンプル溶液からリガンドを含む反応ゾーンに輸送して、それらを結合及び検出することである。ターゲット分子を含むサンプル溶液の結合サイトへの界面動電的な輸送は、ターゲット分子がバルクのサンプル溶液から結合サイトへ拡散する標準のリガンド結合アレイに比べてリガンド結合反応の速度と感度を向上させる。

図６の実施例の反応ゾーンのそれぞれは、リガンド結合アレイの典型であるように、異なる結合分子を含むことができる。図６の実施例の変形例では、親水性マトリクス２の各ブランチ要素に対する分離した電極を構成することも可能である。この方法では、各ブランチに異なる電圧を印加する、又は各ポンプが活性化されるタイミングを調整する付加的な柔軟性がある。この分野の技術者には、反応ゾーンを通してのテスト溶液の界面動電的なポンピングという所望の目的を達成することもできる開口４と反応ゾーン６に対するポンピング電極の位置の異なる配置が可能であることが分かる。例えば、開口は、一体化されたポンピング電極間の親水性マトリクスコンダクターの上に位置することができる。更に、界面動電的なポンプ電極の一方は、サンプル溶液に浸漬されてそれと接触する。サンプル溶液と貯蔵器２ｂに接続される水性の貯蔵器に浸漬された一体化されていない電極は、界面動電的なポンプ力も提供できる。オリフィス４とコンダクター２に対するリガンド結合要素６の詳細な位置は、図６の概略図とは少し異なっている。オリフィス４は、図１の実施例のように、導管の一方の端に位置する。図６に示したようにオリフィス4上のコーティングとしてリガンド結合要素を配置する替わりに、リガンド結合要素はコンダクター２と同一平面である。

図６に示す例では、一体化された電極７ａと７ｂ、親水性マトリクスコンダクター２及び開口４を有する透水性絶縁層３は、本発明の前の実施例のように、平面の絶縁体１の上に作られる。リガンド結合要素は、リガンド結合アレイの分野で知られているように、ノズルからの分散、インクジェット印刷、又はスポッティングプロセスにより、開口４上に付けられる。

本発明のデバイス及び製造方法の特別な好適な実施例及び例を参照して本発明を説明したが、他の特別なデバイス及び方法も、請求項の範囲により規定されるだけの本発明の範囲に入ると理解される。

図１Ａは、本発明の好適な実施例の親水性マトリクスコンダクターの概略斜視図である。 図１Ｂは、図１Ａの親水性マトリクスコンダクターの概略上平面図である。 図１Ｃは、図１Ｂの実施例の線Ｂ−Ｂ’に沿った水平断面図である。 図１Ｄは、図１Ｂの実施例の線Ａ−Ａ’に沿った水平断面図である。 図２は、各種の従来技術のデバイスの図である。 図３Ａは、本発明の他の実施例の溶剤不溶解性終点を有する親水性マトリクスコンダクターの概略斜視図である。 図３Ｂは、図３Ａの実施例の概略上平面図である。 図３Ｃは、図３Ｂの実施例の線Ｂ−Ｂ’に沿った水平断面図である。 図３Ｄは、図３Ｂの実施例の線Ａ−Ａ’に沿った水平断面図である。 図３Ｅは、本発明の実施例の親水性マトリクスのシースを有する親水性マトリクスの概略斜視図である。 図４Ａは、本発明の他の好適な実施例の集積された電極を有する親水性マトリクスコンダクターの概略斜視図である。 図４Ｂは、図４Ａの実施例の概略上平面図である。 図４Ｃは、図４Ｂの実施例の線Ｃ−Ｃ’に沿った水平断面図である。 図４Ｄは、図４Ｂの実施例の線Ａ−Ａ’に沿った水平断面図である。 図４Ｅは、図４Ｂの実施例の線Ｂ−Ｂ’に沿った水平断面図である。 図５Ａは、本発明の実施例の集積された動電的な回路の概略斜視図である。 図５Ｂは、図５Ａの実施例の概略上平面図である。 図５Ｃは、図５Ｂの実施例の線Ｃ−Ｃ’に沿った水平断面図である。 図５Ｄは、図５Ｂの実施例の線Ａ−Ａ’に沿った水平断面図である。 図５Ｅは、図５Ｂの実施例の線Ｂ−Ｂ’に沿った水平断面図である。 図６Ａは、本発明の他の実施例のコンダクター要素のアレイの各入力オリフィスにおいて一体の電極と反応領域のアレイを有する親水性マトリクスコンダクターのアレイの概略斜視図である。 図６Ｂは、図６Ａの実施例の線Ｂ−Ｂ’に沿った水平断面図である。 図６Ｃは、図６Ａの実施例の線Ａ−Ａ’に沿った水平断面図である。

Claims (12)

1. 水性の溶質の界面動電的な輸送デバイスであって、
   電気的に絶縁性の基板と、
   前記溶質の界面動電的な輸送のためのコンダクター要素であって、前記コンダクター要素が前記基板上の固体の親水性マトリクス層の形をしており、前記マトリクス層が前記界面動電的な輸送が実質的に阻止される実質的に乾燥して非活性な状態であると共に前記基板に付けられる第１の表面と第２の表面を有している、コンダクター要素と、
   前記第２の表面を電気的に絶縁してカバーし、前記溶質に対して非浸透性であるカバー層と、を備え、
   前記カバー層と前記基板の少なくとも一方は、水蒸気に対して浸透性の部分を有し、
   前記親水性マトリクスの水への露出は、前記マトリクスを前記非活性状態から、前記溶質の界面動電的な輸送が可能な水和活性状態に変化させるデバイス。
2. 水を前記コンダクター要素中に導入する手段を更に備える請求項１に記載のデバイス。
3. 前記水性の溶質を前記コンダクター要素中に導入する手段を更に備える請求項２に記載のデバイス。
4. 前記固体の親水性マトリクス層は、前記基板上に微細形成される請求項１に記載のデバイス。
5. 前記固体の親水性マトリクス層は、乾式試薬フィルムである請求項１に記載のデバイス。
6. 前記カバー層は、前記コンダクター要素及び前記基板上に微細形成される請求項１に記載のデバイス。
7. 前記カバー層は、水蒸気に対して浸透性である請求項１に記載のデバイス。
8. 前記コンダクター要素を横切る電気的な電位を印加するために離れた位置で前記コンダクター要素に電気的に接触する１組の離れた電極を更に含む請求項１に記載のデバイス。
9. 前記電極は前記基板に設けられ、当該デバイスは各電極を電気的に絶縁する絶縁層を更に含み、前記絶縁層は、界面動電的なポンピングのために前記コンダクター要素を前記一体化された電極に電気的に接触させることを可能にするために、前記電極の１つと前記コンダクター要素の間の重なる各領域に開口を有する請求項８に記載のデバイス。
10. 前記基板は、電気的に絶縁性の材料で作られている請求項１に記載のデバイス。
11. 前記基板は、前記導電材料の層と前記コンダクター要素の中間に、電気的に導電性の材料の層と電気的に絶縁性の材料の層とを有する請求項１に記載のデバイス。
12. 前記基板と前記カバー層の一方は、前記コンダクター要素を通して輸送される溶質種の入力と出力のための１組の開口を有する請求項１に記載のデバイス。

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