JP4213161B2 - 薄膜電子デバイスを有するマイクロ流体デバイス - Google Patents
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Description
ゲノミクス、プロテオミクスおよび細胞分析の急速な進歩によって、バイオテクノロジ分野において、生物学的サンプルを分析するための、より高速で、より効率的なデバイスの開発が推し進められてきた。したがって、バイオテクノロジ分野では、ラボ・オン・チップと呼ばれることが多い、サンプル操作および分析用の小型のマイクロ流体デバイスの開発に向けて大きな力が注がれている。そのようなデバイスは、少量の流体のサンプルを分析することができ、試薬およびサンプルをより経済的に使用できるようにするとともに、場合によっては、検定の速度を著しく速めることができる。これらのデバイスを利用することによって、人体の健康状態の判定、遺伝子検査、病原体検出は、将来に、臨床環境または現場において非常に速やかに実行されるルーチン化された比較的低コストの手順となる可能性がある。さらに、これらのデバイスは、非生物学的サンプルを操作しかつ/または分析するための多くの他の用途を有する。
サンプルを分析するためのマイクロ流体デバイスが提供される。本マイクロ流体デバイスは、サンプルを収容するためのチャンバを少なくとも部分的に画定する基板部分を含む。基板部分は、表面を有する基板を含む。基板部分は、表面に隣接して基板上に形成される複数の薄膜層も含む。薄膜層は、複数の電子デバイスを形成する。電子デバイスのうちの少なくとも2つはそれぞれ、異なる組の薄膜層により形成される。上記少なくとも2つの電子デバイスは、1)チャンバ内の流体の温度を制御するための温度制御デバイスと、2)チャンバ内の流体の特性を感知または変更するように構成される他の電子デバイスとを含む。
薄膜電子デバイスのアレイを有するマイクロ流体デバイスを用いたサンプルのマイクロ流体処理のための、方法および装置を含むシステムが提供される。アレイは、マイクロ流体デバイスの流体区画を少なくとも部分的に画定する基板部分に含まれ得る。電子デバイスのアレイは、電子デバイスが流体区画内のサンプル処理および/または監視に関与することができるように配置され得る。基板部分は、基板と、基板上に形成される複数の薄膜層とを含むことができる。薄膜層は、各デバイスに対して異なる組の層を用いて、薄膜電子デバイスの少なくとも2つを形成することができる。この少なくとも2つの薄膜電子デバイスは、少なくとも1つの電子デバイスが別の電子デバイス上に配置されるように、基板の表面に対してほぼ積み重ね関係で配置することができる。たとえば、ヒータまたは温度センサ等の熱制御デバイスを、特に、別の熱制御デバイス、電極またはトランスデューサ等、少なくとも1つの他のデバイスの下に配置してもよい。場合によっては、アレイの2つ以上の電子デバイスが、基板の表面に対してほぼ垂直に延びるラインと交わるようにしてもよい。したがって、電子デバイスは、マイクロ流体処理チャンバに関してより効率的に配置することができるため、サンプルを操作する方法にさらなる柔軟性を持たせることができる。さらに、ヒータ/冷却器および温度センサ等、マイクロ流体処理の関連態様に関与するデバイスは、より協働的な空間関係で配置されることにより、ほぼ同じ流体容積の温度を変更および感知することができる。
本セクションは、サンプル処理および/または分析のための薄膜電子デバイスのアレイを含むマイクロ流体システムを説明する(図1〜図12を参照)。アレイは、ほぼ1次元、2次元または3次元であり得る。さらに、アレイは、アレイに隣接して配置され、流体の狭い間隔を空けた領域を独立して温度制御することを可能にする、熱制御デバイスおよびそれと関連する熱制御形態の配列を含み得る。
本セクションは、サンプルを処理し、かつ/または分析するための、カートリッジの形をとる一体型マイクロ流体デバイスを含むマイクロ流体システムを説明する。また本セクションは、そのデバイスを使用する方法も含む。カートリッジおよび方法のさらに別の態様は、後にセクションIIIにおいて説明される。さらに、後に説明されるカートリッジおよび方法の態様は、セクションIVにおいて説明されるサンプルのうちの任意のものに関して用いられることができ、かつ/またはセクションVにおいて説明される検定のうちの任意のものを用いることができる。
サンプルを操作し、かつ/または分析するためにマイクロ流体システムが提供される。マイクロ流体システムは包括的には、ごく少量の流体(液体および/または気体)のサンプルを収容し、操作し、かつ分析するための装置および方法を含む。少量の流体は1つまたは複数の流路によって搬送され、その流路のうちの少なくとも1つは約0.1〜500μm、さらに通常は約100μmまたは50μm未満の断面寸法または深さを有する。マイクロ流体デバイスは、任意の適当な全流体容積を有することができる。したがって、マイクロ流体デバイス内の1つまたは複数の領域における流体は、一般的に低レイノルズ数によって特徴付けられる、乱流が最小限の層流になることができる。
本明細書で説明されるようなマイクロ流体システムは、サンプルを処理するように構成される。サンプルは包括的には、対象の物質(または分析物)を分析するか、または調製するためにそれを変更するかのいずれかのために、マイクロ流体システムによって受け取られ、かつ処理される任意の対象の物質を含む。サンプルは一般的に、システムによって測定されることになるか、またはシステムによって都合よく変更される(たとえば、精製される、選別される、誘導される、培養される等)ことになる1つまたは複数の対象となる特性を有する。サンプルは、1つまたは複数の任意の化合物、ポリマー、凝集物、混合物、抽出物、合成物、粒子、ウイルス、細胞および/またはそれらの組み合わせを含むことができる。対象の分析物および/または物質は、サンプルの任意の部分、たとえば、サンプル内の主成分、副成分または微量成分を形成することができる。
マイクロ流体システムを用いて、入力されたサンプルの或る態様を検定(分析/検査)することができる。生物学的または非生物学的サンプルの任意の適当な態様をマイクロ流体システムによって分析することができる。適当な態様はサンプルによって搬送される1つまたは複数の分析物の特性に関係する場合がある。そのような特性は、存否、レベル(たとえば、細胞内のRNAまたはタンパク質の発現のレベル)、サイズ、構造、活性(たとえば酵素または生物学的活性)、細胞内の場所、細胞の表現型等を含むことができる。構造は、一次構造(たとえば、ヌクレオチドまたはタンパク質の配列、ポリマー構造、異性体構造(複数可)または化学的修飾)、二次または三次構造(たとえば、局部的折畳み構造または高次の折畳み構造)、および/または四次構造(たとえば、分子間相互作用)を含むことができる。細胞の表現型は、細胞状態、電気的活性、細胞形態、細胞移動、細胞同一性、レポータ遺伝子活性等に関係する場合がある。
Claims (19)
- サンプルを分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
前記サンプルを収容するためのチャンバを少なくとも部分的に画定する基板部分を備え、
前記チャンバは、前記基板部分上でそれぞれ隣接する高温ゾーン及び低温ゾーンを画定し、
前記基板部分は、表面を有する基板と、前記表面に隣接して、前記高温ゾーン及び前記低温ゾーンに亘る前記基板上に形成される複数の薄膜層とを含み、
前記薄膜層は複数の電子デバイスを形成し、該電子デバイスのうちの少なくとも2つはそれぞれ、異なる組の前記薄膜層により形成され、
前記少なくとも2つの電子デバイスは、1)前記チャンバ内の前記高温ゾーン及び前記低温ゾーンの流体の温度を独立して制御するための温度制御デバイスと、2)前記チャンバ内の流体の特性を感知または変更するように構成される他の電子デバイスとを含み、
前記薄膜層の熱拡散部は、前記高温ゾーン及び前記低温ゾーンの間で互いに離間して配置され、
前記薄膜層の絶縁層は、前記低温ゾーンよりも前記高温ゾーンにおいて厚いことを特徴とするマイクロ流体デバイス。 - サンプルを分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
前記他の電子デバイスは、電極、センサ、および電界利用デバイスから成る群から選択され、
前記他のデバイスは、前記チャンバの或る領域内の流体の特性を変更または感知するようにそれぞれが構成される、複数の電子デバイスを含み、
前記温度制御デバイスは、前記領域内の流体の温度を制御するように構成されることを特徴とする、請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。 - サンプルを分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
前記温度制御デバイスは、前記チャンバの種々の領域の温度を独立して制御するように配置される複数の電子デバイスを含み、
前記複数の温度制御デバイスはそれぞれ、薄膜抵抗ヒータを含むことを特徴とする請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。 - サンプルを分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
流体を保持するための区画を少なくとも部分的に画定する基板部分を備え、
前記区画は、前記基板部分上でそれぞれ隣接する高温ゾーン及び低温ゾーンを画定し、
前記基板部分は、表面を有するとともに該表面に対してほぼ垂直なラインを画定する基板と、前記表面に隣接して前記基板上に形成され、前記高温ゾーン及び前記低温ゾーンに亘る複数の薄膜電子デバイスとを含み、
前記電子デバイスはそれぞれ、前記区画内の流体の特性を感知または変更するように構成され、前記電子デバイスの少なくとも2つは前記ラインと交わり、
前記電子デバイスは、1)前記区画内の前記高温ゾーン及び前記低温ゾーンの流体の温度を独立して制御するための温度制御デバイスと、2)前記区画内の流体の特性を感知または変更するように構成される他の電子デバイスとを含み、
前記薄膜層の熱拡散部は、前記高温ゾーン及び前記低温ゾーンの間で互いに離間して配置され、
前記薄膜層の絶縁層は、前記低温ゾーンよりも前記高温ゾーンにおいて厚いることを特徴とするマイクロ流体デバイス。 - サンプルを分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
前記少なくとも2つの電子デバイスの少なくとも1つは電極であり、
前記少なくとも2つの電子デバイスのうちの少なくとも1つは薄膜抵抗ヒータであり、
前記少なくとも2つの電子デバイスのうちの別のデバイスは温度センサであることを特徴とする、請求項4に記載のマイクロ流体デバイス。 - サンプルを分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
前記少なくとも2つの電子デバイスは、別個のヒータおよび温度センサを含むことを特徴とする、請求項4に記載のマイクロ流体デバイス。 - サンプルを分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
前記薄膜電子デバイスは、複数の薄膜層により形成され、
前記薄膜層の少なくとも1つは、前記少なくとも2つの電子デバイスの2つ以上に含まれることを特徴とする、請求項4に記載のマイクロ流体デバイス。 - サンプルを分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
前記少なくとも1つの薄膜層は、前記少なくとも2つの電子デバイスのヒータと温度センサの一部とを形成することを特徴とする、請求項7に記載のマイクロ流体デバイス。 - サンプルを分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
流体を保持するための区画を少なくとも部分的に画定する基板部分を備え、
前記区画は、前記基板部分上でそれぞれ隣接する高温ゾーン及び低温ゾーンを画定し、
前記基板部分は、表面を有するとともに、前記基板部分は、該表面に対してほぼ垂直に延びるラインを画定する基板と、前記表面に隣接して前記基板上に形成され、前記高温ゾーン及び前記低温ゾーンに亘る複数の薄膜層であって、異なる組の該薄膜層を各電子デバイスに対して用いて一対の電子デバイスを画定する、複数の薄膜層とを含み、
前記電子デバイスはそれぞれ、前記区画内の前記サンプルの特性を感知または変更するように動作可能であり、前記ラインは前記一対の電子デバイスと交り、
前記一対の電子デバイスは、1)前記区画内の前記高温ゾーン及び前記低温ゾーンの流体の温度を独立して制御するための温度制御デバイスと、2)前記区画内の流体の特性を感知または変更するように構成される他の電子デバイスとを含み、
前記薄膜層の熱拡散部は、前記高温ゾーン及び前記低温ゾーンの間で互いに離間して配置され、
前記薄膜層の絶縁層は、前記低温ゾーンよりも前記高温ゾーンにおいて厚いことを特徴とするマイクロ流体デバイス。 - サンプルを分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
前記基板部分に取り付けられるとともに前記流体区画を部分的に画定する流体障壁をさらに備えることを特徴とする、請求項9に記載のマイクロ流体デバイス。 - サンプルを分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
前記電子デバイスは、電極、センサ、および電界利用デバイスから選択されることを特徴とする、請求項9に記載のマイクロ流体デバイス。 - サンプルを分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
前記特性は、温度、および移動度から成る群から選択されることを特徴とする、請求項9に記載のマイクロ流体デバイス。 - サンプルを分析するためのマイクロ流体デバイスを製造する方法であって、
基板の表面に隣接して、前記基板上に複数の薄膜層を形成することであって、該複数の薄膜層は複数の薄膜電子デバイスを形成し、前記電子デバイスの少なくとも2つはそれぞれ、異なる組の前記薄膜層から形成される、形成すること、および
流体を保持するための区画を形成するため流体障壁を前記基板に取り付けることであって、前記少なくとも2つの電子デバイスはそれぞれ、前記区画内の流体の特性を感知または変更するように構成される、取り付けることを含み、
前記区画は、それぞれ隣接する高温ゾーン及び低温ゾーンを画定し、
前記薄膜層は、前記基板上で前記高温ゾーン及び前記低温ゾーンに亘り、
前記少なくとも2つの電子デバイスは、1)前記区画内の前記高温ゾーン及び前記低温ゾーンの流体の温度を独立して制御するための温度制御デバイスと、2)前記区画内の流体の特性を感知または変更するように構成される他の電子デバイスとを含み、
前記薄膜層の熱拡散部は、前記高温ゾーン及び前記低温ゾーンの間で互いに離間して配置され、
前記薄膜層の絶縁層は、前記低温ゾーンよりも前記高温ゾーンにおいて厚いことを特徴 とする方法。 - サンプルを分析するためのマイクロ流体デバイスを製造する方法であって、
前記流体障壁は、該流体障壁を通して前記区画から前記マイクロ流体デバイスの外へ流体が出るのを防止するように構成されることを特徴とする、請求項13に記載の方法。 - 前記マイクロ流体デバイスの外部からアクセス可能な電気インタフェースを作製するステップをさらに含み、
該電気インタフェースは、前記複数の薄膜電子デバイスに電気的に結合されることを特徴とする、請求項13に記載の方法。 - 前記表面は、該表面に対してほぼ垂直に延びるラインを画定し、前記少なくとも2つの電子デバイスは前記ラインと交わることを特徴とする、請求項13に記載の方法。
- マイクロ流体デバイスを用いてサンプルを分析する方法であって、
前記サンプルを区画に導入すること、および
複数の異なる薄膜電子デバイスを動作させることであって、それにより、該電子デバイスそれぞれが前記区画内の前記サンプルの特性を感知または変更する、動作させることを含み、
前記電子デバイスは、基板上に形成される複数の薄膜層により提供され、
前記電子デバイスの少なくとも2つはそれぞれ、異なる組の前記薄膜層により提供され、
前記区画は、それぞれ隣接する高温ゾーン及び低温ゾーンを画定し、
前記薄膜層は、前記基板上で前記高温ゾーン及び前記低温ゾーンに亘り、
前記少なくとも2つの電子デバイスは、1)前記区画内の前記高温ゾーン及び前記低温ゾーンの流体の温度を独立して制御するための温度制御デバイスと、2)前記区画内の流体の特性を感知または変更するように構成される他の電子デバイスとを含み、
前記薄膜層の熱拡散部は、前記高温ゾーン及び前記低温ゾーンの間で互いに離間して配置され、
前記薄膜層の絶縁層は、前記低温ゾーンよりも前記高温ゾーンにおいて厚いことを特徴とする方法。 - マイクロ流体デバイスを用いてサンプルを分析する方法であって、
前記基板は、前記薄膜層が隣接して形成される表面を有し、
前記表面は、該表面に対してほぼ垂直に延びて前記少なくとも2つの電子デバイスと交わるラインを画定することを特徴とする、請求項17に記載の方法。 - サンプルを分析するためのマイクロ流体デバイスであって、
前記サンプルを処理するための複数の領域を有するチャンバを少なくとも部分的に画定する基板部分を備え、
前記基板部分は、表面を有する基板と、該表面に隣接して前記基板上に形成される複数の薄膜層とを含み、
前記薄膜層は、前記チャンバによって画定される高温ゾーン及び低温ゾーン内の流体の温度を個別に制御するための複数の温度制御デバイスと、前記チャンバ内の流体の特性を感知または変更するための複数の他の電子デバイスとを提供し、
前記温度制御デバイスは、前記チャンバの各領域に隣接する少なくとも1つのヒータを含み、
前記複数の他の電子デバイスは、前記チャンバの各領域に隣接する少なくとも1つの温度センサを含み、
前記温度制御デバイスはそれぞれ、前記チャンバの各領域に異なる熱ゾーンを提供するように独立して調節されるように構成され、前記温度制御デバイスはそれぞれ閉ループに含まれ、
前記閉ループは、温度設定点を受け取るように構成される制御用電子回路と、 該制御用電子回路の制御下で前記温度制御デバイスに電力供給するように構成される電力デバイ スとを含み、
前記薄膜層は、前記基板上で前記高温ゾーン及び前記低温ゾーンに亘り、
前記薄膜層の熱拡散部は、前記高温ゾーン及び前記低温ゾーンの間で互いに離間して配置され、
前記薄膜層の絶縁層は、前記低温ゾーンよりも前記高温ゾーンにおいて厚いことを特徴とするマイクロ流体デバイス。
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