JP4579490B2

JP4579490B2 - 様々な反応剤の順次的注入のための並列的同期注入のためのデバイス

Info

Publication number: JP4579490B2
Application number: JP2002307504A
Authority: JP
Inventors: イヴ・フイエ; ニコラス・サルート; アントワーヌ・グリュス
Original assignee: コミッサリアアレネルジーアトミークエオゼネルジザルタナテイヴ
Priority date: 2001-10-24
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2022-10-22
Also published as: EP1306674A1; FR2831081B1; JP2003200041A; FR2831081A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、様々な反応剤を順次的に注入するための並列的同期注入のためのデバイスに関するものである。本発明は、また、試料に対して生物学的処理や生化学的処理や化学的処理を実施するための、生物学的反応器（生物学的リアクタ）および方法に関するものである。
【０００２】
一般的に言えば、本発明は、処理速度が速いことが要求されるようなすべての分野に応用され、特に、ＨＴＳ（“high through-put screening”）化学分析またはＨＴＳ生物学的分析に応用される。
【０００３】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
生物学的応用や化学的応用のための微小流通技術から導出される１つの原理は、反応を小型化し比較し順次的に行うことである。それは、例えば、多数の遺伝子の研究を可能としつつも最小量と最小時間とでもって研究を行い得るような自動化装置を必要とするゲノム分析において、極めて重要である。同じことは、プロテオミクス分析についても、当てはまる。
【０００４】
小型化は、シリコンやガラスやプラスチックに関する微小技術の開発によって、可能となった。シリコンやガラスやプラスチックにおいてサブミクロンから数十ミクロンのマイクロチャネルを形成することに関しては、膨大な量の参考文献が存在する。
【０００５】
小型化は、非常に小さい表面上において多数の平行チャネルを集積化することを可能とする。その結果、同時に動作する複数のチャネルを集積化することができる。この内容については、R.A.Mathies 氏他により、“DNA analysis withcapillary array electrophoresis micro-plates”と題して、Micro TotalAnalysis Systems '98 において発表がなされている。
【０００６】
上記の集積化においては、少なくとも１つのチャネル内において、互いに異なる複数の反応剤を流通させる。したがって、連続流すなわちＦＩＡ（“flowinjection analysis”）と称すことができる。図１は、各量をなす様々な反応剤の流通を可能としている一連の反応領域を概略的に示している。マイクロチャネル（１）においては、複数の反応領域（Ｒ_ｉ−１，Ｒ_ｉ，Ｒ_ｉ＋１）が、矢印で示す向きに、流通している。反応領域どうしの混合や汚染を防止したり制限したりし得るため、隣り合っている２つの反応領域どうしの間の区別を行い得るように、セグメントを配置する必要がある場合もある。その場合、それらは、移動反応チャンバ（Ｒ_ｉ−１，Ｒ_ｉ，Ｒ_ｉ＋１）、および、隔離ビーズまたはセグメント化ビーズ、と称すことができる。反応領域とセグメント化液体とが混和性であれば、隣り合う反応領域どうしの間の拡散が起こらないことを保証しておく必要がある（国際公開特許明細書第００／４２２１２号を参照されたい）。
【０００７】
また、各容積をなす反応領域と、非混和性液体によって形成されたセグメント化ビーズと、を使用することもできる。これは、『非混和性セグメントを使用した一連の可動反応チャンバ』と称することができ、『反応領域シリーズ』と略称することができる。反応領域として、水性溶液を使用することができ（生物学においては最も主流）、セグメント化ビーズとして、オイル（無機オイル、シリコンオイル、等）や水に対して非混和性の有機溶媒（例えば、オクタン）を使用することができる。
【０００８】
ＦＩＡという原理に基づいたマイクロシステムを実現する際の技術的課題の１つは、マイクロチャネルの数が多いことと、複数の反応領域シリーズの形成を可能とする自動化装置の構成と、である。実際、反応領域シリーズは、マイクロチャネル内において正確に制御された態様で、注入されて流通されなければならない。
【０００９】
国際公開特許明細書第０１／１２３２７号には、メインのマイクロチャネル内において、セグメント化容積によった互いに隔離された一連の反応領域を形成して可動とするための方法が開示されている。複数の液体領域の移動は、メインのマイクロチャネルに沿って配置された複数の電極を使用して、動電学的に得られている。動電効果は、可動反応チャンバに対してのみ作用し、セグメント化ビーズに対しては作用しない。これにより、反応領域の位置における制御が可能とされる。
【００１０】
他の分野においては、２つの相を使用したシステムの中の１つの相に対して選択的に作用をもたらすという概念は、既に公知である。例えば、石油産業応用においては、ガスが流通しているときには開放されかつ石油がバルブに到達した時点で自動的に閉塞するような自動ゲートまたは自動バルブが使用されている。この原理は、チャネルの一部に、十分な低温にまで冷却し得るような冷却システムを設けておき、石油を凝固させてチャネルを閉塞することである。存在しているのがガスである場合には、ガスは、自由に流通することができる。これに関しては、米国特許明細書第４，２０３，４７２号、米国特許明細書第４，２６９，２１２号、米国特許明細書第５，１０１，８４８号、および、国際公開特許明細書第９４／２９６９０号、を参照することができる。
【００１１】
国際公開特許明細書第００／３０７５１号には、井戸プレートタイプのリザーバからマイクロシステムへと、複数の小さな液体領域を転送するための方法が開示されている。この転送システムは、複数の細いチューブを使用して実現されている。注入は、チューブの両端間の圧力差によって行われている。また、注入容積の制御のために、複数の液体の中の１つを凝固させるという概念が、開示されている。この文献による開示内容は、反応領域シリーズという概念に対しては適用することができない。
【００１２】
従来技術によるツールを使用することによって、数μｌという容積の１つのライン上において、反応領域シリーズを実現することは可能である。例えば、複数のバルブと複数のポンプとからなるシステムを使用するだけで十分である。また、チューブ内において反応領域シリーズを形成して貯蔵することもできる。さらにまた、井戸内に既に形成されたあるいは井戸プレート上に既に形成された様々な反応物質を順次的に吸引するために、圧力システムすなわちプランジャーシリンジを使用することができる。
【００１３】
しかしながら、従来技術においては、非常に少ない量（１μｌ未満）の反応領域を使用した場合には、すべての平行チャンバに対して同時に注入されなければならない同一反応剤を使用したにしても、複数の平行チャネルにわたって、同じ結果を得ることができなかった。この場合、小さなサイズのチャネルは、粘性力よりも大きいような毛細管力を誘起する。毛細管効果は、非常にランダムに変動するものである。それは、毛細管力が、濡れ具合や、２つの流体間の界面張力や、温度や、チャネル内面の表面特性、に依存するからである。よって、実際には、複数の平行シリーズの同期を制御することは、非常に困難なことである。
【００１４】
【特許文献１】
国際公開特許明細書第００／４２２１２号
【特許文献２】
米国特許明細書第４，２０３，４７２号
【特許文献３】
米国特許明細書第４，２６９，２１２号
【特許文献４】
米国特許明細書第５，１０１，８４８号
【特許文献５】
国際公開特許明細書第９４／２９６９０号
【特許文献６】
国際公開特許明細書第００／３０７５１号
【非特許文献１】
R.A.Mathies 氏他による、Micro Total Analysis Systems '98における“DNA analysis with capillary array electrophoresis micro-plates”
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来技術における問題点に対しての解決手段を提供するものである。
【００１６】
本発明の目的は、複数の可動反応チャンバと、これら可動反応チャンバに対して非混和性の複数のセグメント部材と、からなる一連のものを、複数のマイクロチャネル内へと、並列的にかつ同期させつつ注入するための微小流通デバイスであって、
−可動反応チャンバを形成するための液体とセグメント部材を形成するための液体とを交互に、複数のマイクロチャネル内へと、並列的に注入するための注入手段と；
−マイクロチャネル内において２つの液体のうちの一方の液体の伝搬を制御するための第１制御手段であって、各マイクロチャネル内における一方の液体の注入量を規定し得るよう、各マイクロチャネルの領域（介在領域）において作用するように配置された、第１制御手段と；
を具備し、
第１制御手段は、動作状態とされたときには、一方の液体の物理的・化学的特性に基づく作用をその一方の液体に対してのみもたらし、ただし、他方の液体には直接的な作用をもたらすことなく、これにより、各マイクロチャネルの領域において一方の液体の伝搬を停止させることができるまたは減速させることができるようになっているような微小流通デバイスを提供することである。
【００１７】
２つの液体のうちの一方の液体の注入量を変更し得るよう、第１制御手段は、各マイクロチャネルの領域の位置が変更可能なものとすることができる。
【００１８】
好ましくは、注入手段は、複数のマイクロチャネルの各第１端部に対して連通した注入チャネルを有した部材を、備えている。有利には、注入チャネルの一端は、チャネル導入部に対して連通しており、これにより、このチャネル導入部を通して、内部へと２つの液体が導入されるようになっており、注入チャネルの他端には、注入チャネル内に存在する液体を排出するための排出手段が設置されている。排出手段は、バルブとすることができる。注入チャネルと各マイクロチャネルの領域とは、互いに平行に配置することができ、この場合には、複数のマイクロチャネルは、これら注入チャネルおよび領域に対して、垂直に配置されることとなる。
【００１９】
第１制御手段は、熱的に動作する手段、粘度に基づき減速を引き起こすよう動作する手段、磁気効果に基づいて動作する手段、電気的濡れによって動作する手段、および、チューブの締付によって動作する手段、のいずれかから選択することができる。第１制御手段が、熱的に動作する手段とされている場合には、この第１制御手段は、ペルチェ効果を利用したデバイスおよび熱伝達流体のいずれかとすることができる。第１制御手段は、２つの液体のうちの一方の液体の凝固を引き起こし得る手段とすることができる。
【００２０】
微小流通デバイスは、さらに、２つの液体のうちの一方の液体の伝搬を制御するための少なくとも１つの第２制御手段を具備することができ、第２制御手段は、第１制御手段よりも下流側に配置されるとともに、第２制御手段は、動作状態とされたときには、一方の液体の物理的・化学的特性に基づく作用をその一方の液体に対してのみもたらし、ただし、他方の液体には直接的な作用をもたらすことなく、これにより、各マイクロチャネルの領域において一方の液体の伝搬を停止させることができるまたは減速させることができるようになっている。第２制御手段は、熱的に動作する手段、粘度に基づき減速を引き起こすよう動作する手段、磁気効果に基づいて動作する手段、電気的濡れによって動作する手段、および、チューブの締付によって動作する手段、のいずれかから選択することができる。第２制御手段が、熱的に動作する手段とされている場合には、第２制御手段は、ペルチェ効果を利用したデバイスおよび熱伝達流体のいずれかとすることができる。第２制御手段も、また、２つの液体のうちの一方の液体の凝固を引き起こし得る手段とすることができる。
【００２１】
本発明のさらなる目的は、生物学的反応器であって、
−複数の可動反応チャンバを形成するための液体を供給するための第１供給手段と；
−可動反応チャンバに対して非混和性の複数のセグメント部材を形成するための液体を供給するための第２供給手段と；
−上述したような微小流通デバイスであるとともに、注入手段が、複数の可動反応チャンバと複数のセグメント部材とからなる一連のものを微小流通デバイスの複数のマイクロチャネル内へと供給し得るよう、第１供給手段と第２供給手段とに対して交互的に連結されるものとされている、微小流通デバイスと；
−マイクロシステムの複数のチャネル内を流通する試料に対して生物学的処理を行い得るマイクロシステムであって、各チャネル上に、微小流通デバイスの対応マイクロチャネルに対して連結された第１受領開口と、反応チャンバの内部へと試料を注入するための試料注入手段に対して連結された第２受領開口と、を備えているような、マイクロシステムと；
を具備している。
【００２２】
本発明のさらなる目的は、試料に対して生物学的処理または生化学的処理または化学的処理を実施するための方法であって、この方法においては、
−上述したような微小流通デバイスによって、各マイクロチャネル内に、複数の可動反応チャンバと複数の非混和性セグメント部材とからなる一連のものを、並列的にかつ同期させつつ形成し；
−微小流通デバイスのマイクロチャネル内に形成された、複数の可動反応チャンバと複数の非混和性セグメント部材とからなる一連のものを、マイクロシステムのうちの、微小流通デバイスの複数のマイクロチャネルの数に対応した数とされた複数のチャネルへと、注入し；
−マイクロシステムの複数のチャネルへと試料を同時にかつ並列的に注入することにより、試料を、マイクロシステムの複数のチャネル内を流通する可動反応チャンバに対して同期的に混合し；
−可動反応チャンバに対して混合された試料に関しての生物学的処理または生化学的処理または化学的処理を実現する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
添付図面を参照しつつ、本発明を限定するものではない単なる例示としての以下の説明を読むことにより、本発明が、より明瞭に理解され、他の利点が、明らかとなるであろう。
【００２４】
図２〜図８は、本発明による、並列的でありかつ同期調節された注入デバイスを示す断面図である。
【００２５】
この注入デバイスは、長尺部材（１０）を備えている。この長尺部材（１０）には、長さ方向軸に沿って貫通する穴が形成されており、この貫通穴は、注入チャンバを形成している。注入チャンバは、チャネル導入部（１１）と、この導入部に連通した注入チャネル（１２）と、を備えている。長尺部材（１０）は、さらに、注入チャネル（１２）の軸に対して垂直な軸方向に複数の穴を備えている。これら各穴は、注入チャネル（１２）に対して連通している。これら各穴は、マイクロキャピラリまたはマイクロチャネル（２１〜２６）の第１端部を収容するために使用されている。複数のマイクロキャピラリは、例えば溶融シリコンを使用して形成されており、例えば国際公開特許明細書第００／３０７５１号に記載されたタイプのポリイミドによって内張りされている。これらマイクロキャピラリは、典型的には数μｍ〜数百μｍといったような非常に細い直径のものとすることができる。これらマイクロキャピラリは、接着によって、長尺部材（１０）に対して固定することができる。
【００２６】
マイクロキャピラリの第２端部は、マイクロシステム（図示せず）によって形成することができる。
【００２７】
注入チャネル（１２）の導入部（１１）は、複数のマイクロチャネル内を流通することとなる順次的な液体を注入するためのチューブに対して、接続される。
注入チャネルのうちの、導入部（１１）とは反対側における端部には、バルブ（１３）が設けられている。注入は、ポンプやプランジャーシリンジを使用することによってあるいは微小流通回路アセンブリの上流側と下流側との間の圧力差によって、行うことができる。
【００２８】
注入デバイスは、他の技術を使用して形成することもでき、特に、国際公開特許明細書第０１／０７１５９号に記載されているような、微小機械加工技術を使用して形成することもできる。
【００２９】
図２に示すように、マイクロキャピラリまたはマイクロチャネル（２１〜２６）は、互いに平行に配置されており、かつ、同一平面上に配置されている。
【００３０】
マイクロキャピラリに対して垂直に、２つの温度制御部材が設けられている。
そのため、これら温度制御部材は、注入チャネル（１２）に対して平行である。
これら温度制御部材は、温度領域（３１，３２）を形成している。これら温度領域は、ペルチェ効果抵抗素子を使用して形成することができる。これら温度領域は、また、マイクロキャピラリの近傍を流通する熱伝導流体（液体または気体）を使用することによって形成することもできる。したがって、マイクロキャピラリに沿って温度領域を位置決めし得る構成を選択することが有利である。例えば、良好な熱伝導特性を有した例えば真鍮や銅やアルミニウムといったような材料から形成されているとともに複数のマイクロキャピラリを挿通させる複数の穴が形成されているような長尺部材を、使用することができる。このような長尺部材は、ペルチェ効果デバイスに対して接着することができる。このような構成であると、良好な熱接触を保証することによって、温度領域を制限することができる。
【００３１】
次に、本発明によるデバイスの機能について、図２〜図８を参照して説明する。本発明によるデバイスは、マイクロキャピラリ内へと、複数の可動反応チャンバと複数のセグメントとからなる一連のものを供給する。反応チャンバは、−２０℃という温度（Ｔ_１）において冷凍状態でありかつ雰囲気温度（Ｔ_２）において液体状態であるような水性溶液から形成されていることが、仮定される。セグメントは、双方の温度（Ｔ_１，Ｔ_２）において液体状態であるオイルを使用して形成される。
【００３２】
図２に示すように、バルブ（１３）が閉塞状態とされ、デバイスアセンブリの全体が、オイル（１）でもって充填されている。ここで、温度領域（３１）が、温度（Ｔ_１）とされる。
【００３３】
図３に示すように、水性反応溶液（２）が、注入チャネル（１２）内へと導入され、注入チャネル（１２）内における水性反応溶液の伝搬速度でもって、マイクロキャピラリ（２１〜２６）を充填し始める。溶液（２）が、温度領域（３１）の位置に到達した時点で、その特定のマイクロキャピラリ内におけるこの溶液（２）の伝搬は、停止する。それは、その温度領域（３１）において溶液（２）が凝固するからである。このようにして、マイクロキャピラリのうちの、長尺部材（１０）内に位置している端部と、温度領域（３１）と、の間に位置しているすべてのマイクロキャピラリ部分は、すべてのマイクロキャピラリが同一断面積のものである限りにおいては、同一容積の溶液（２）によって充填される。
【００３４】
その後、バルブ（１３）が開放され、注入チャネル（１２）のパージが可能とされ、セグメント化ビーズを形成することを意図した液体すなわちオイルによって、注入チャネル（１２）を再充填する。この状態が、図４に示されている。これにより、複数の第１反応チャンバ（１０２）が形成される。
【００３５】
その後、バルブ（１３）が閉塞される。温度領域（３１）の温度は、Ｔ_１からＴ_２へと上昇し、これにより、温度領域（３１）内における水性溶液の凝固が融解し、マイクロキャピラリ（２１〜２６）内において、液体が流通できるようになる。
【００３６】
温度領域（３２）の温度を、Ｔ_２からＴ_１へと移行させる。オイル（１）が注入され続けることにより、先に形成された各反応チャンバ（１０２）は、温度領域（３２）に向けて移動する。各反応チャンバが温度領域（３２）の位置に到達した時点で温度領域（３２）の位置で水性溶液が凍結することにより、各反応チャンバは、並列的に移動を停止する。この時点の様子が、図５に示されている。
【００３７】
その後、バルブ（１３）が、再度、開放される。注入チャネル（１２）がパージされ、先に使用した水性反応溶液とは異なるものとすることができる水性反応溶液（３）によって、注入チャネル（１２）を充填する（図６参照）。これにより、各マイクロキャピラリ内において、先に形成された可動反応チャンバの後方側（上流側、基端側）に、セグメント化ビーズ（１０１）が形成される。各セグメント化ビーズ（１０１）は、同じ長さを有している。
【００３８】
その後、バルブ（１３）が閉塞される。温度領域（３２）の温度は、Ｔ_１からＴ_２へと上昇し、これにより、注入チャネル（１２）内へと水性溶液（３）が注入され続けたときには、マイクロキャピラリ（２１〜２６）内における液体の流通（移動）が可能とされる（図７参照）。
【００３９】
温度領域（３１）の温度を、Ｔ_１とする。これにより、水性溶液（３）が、温度領域（３１）の位置に到達した時点で、マイクロキャピラリ（２１〜２６）内における注入プロセスにおいて、水性溶液（３）の移動が停止する。その後、バルブ（１３）が開放され、注入チャネル（１２）がパージされ、図８に示すように、オイル（１）によって、注入チャネル（１２）を再充填する。これにより、複数の第２反応チャンバ（１０３）が形成される。
【００４０】
その後、セグメント化ビーズと反応チャンバとの形成サイクルを、温度領域（３１）の温度をＴ_２へと上昇させた後に、再開することができる。
【００４１】
場合によっては、反応チャンバの１つまたは複数の構成要素を、低温に敏感なものあるいは凍結に敏感なものとすることができる。例えば、ある種の生物学的反応においては、凍結した水性溶液中に置かれたときには活性が消滅してしまうような酵素を使用する。そのような場合には、低温に敏感な構成成分を、第２温度領域（３２）を通過した後に、反応チャンバに対して添加することができる。
これにより、そのような低温敏感成分が凍結温度（Ｔ_１）となってしまう状況を防止することができる。低温敏感成分は、その後、反応チャンバ内へと様々な手法によって導入することができる。例えば、第２温度領域（３２）よりも先端側（下流側、前方側）においてマイクロキャピラリ（２１〜２６）に対して連結された複数の側方チャネルを使用することによって、導入することができる。側方チャネルは、特定リザーバ内の温度でもって低温敏感成分をサンプリングする。
【００４２】
いくつかの時点において、流通が、わずかに同期ズレしたものとなることがあり得る。これは、図７に示されている。図７においては、既に形成された反応チャンバ（１０２）どうしの間に、シフト（ズレ）が存在している。実際、すべてのマイクロキャピラリにわたって、一様な流通関係／圧力関係を保証することは、困難である。特に、互いに非混和性の液体どうしの間の界面を有した流通においては、流通と圧力との間の相関関係が複雑であることが示されている。実際、２つの表面間のメニスカスに起因する毛細管力を考慮する必要がある。チャネル内における濡れ／乾き現象を制御することは、一般に極めて複雑であって、チャネルどうしの間にわたっての非同期問題を引き起こし得る。しかしながら、本発明における注入モードは、各注入に関して、流通の再同期化をもたらすことができる。図２〜図８に図示されている例示としての実施形態においては、温度領域（３１，３２）という２つの介在領域が設けられている。しかしながら、反応領域シリーズの前進の制御性を高め得るようまた同期ズレを制限し得るよう、さらなる介在領域を設けることができる。
【００４３】
マイクロチャネル内における２つの液体の中の一方に対する伝搬制御手段は、流通対象をなすどちらの液体に対しても適用することができる。熱的手段以外の制御手段を使用することによって、液体の伝搬を拘束したりあるいは減速させたりすることができる。粘性を利用した減速方法、磁気効果を利用した方法、電気的濡れ方法、および、チューブ締付方法、について言及することができる。
【００４４】
粘性を利用した減速方法は、図２〜図８に図示したのと同じ基本設計概念（アーキテクチャー）において使用することができる。しかしながら、温度は、２つの相間において、制御手段が能動的である場合には必然的に重要であるような粘度差をもたらす。
【００４５】
磁気的効果に基づく方法を例示するために、ただ１つのマイクロチャネルの一部分だけが、ここではマイクロキャピラリ（４０）の一部分だけが、図９において長さ方向断面図によって示されている。並列的に同期化された注入が得られるよう、すべてのマイクロチャネルに対してこのような磁気効果方法が適用されることは、理解されるであろう。２つの液体（４１，４２）のうちの一方、例えば液体（４２）は、磁界に対して感受性を有した強磁性粒子を含有している。したがって、そのような液体は、強磁性流体または磁気流体である。他方の液体は、強磁性粒子を含有していない。この場合には、図２〜図８に示すデバイスにおける温度領域に代えて、磁石または電磁石（４３）を使用することができ、これにより、同じ機能をもたらすことができる。
【００４６】
また、磁界の存在下においては粘度が１０００倍に増大し得るようなマグネトレオロジカル流体を、使用することもできる（米国特許明細書第５，５４９，８３７号を参照されたい）。
【００４７】
１つまたは２つの流体の伝搬の制御手段は、電気的濡れ効果（electrowettingeffect）によって形成することができる。電気的濡れあるいは電気的親水性においては、一方の液体と壁との間の表面エネルギーの差に関する特性が、静電界の印加によって決定される。これに関しては、Gruno BERGE 氏による C.R. Acad. Sci. Paris, Vol. 317, No. II, pages 157-163, 1993 における“Electro-capillarity and wetting of insulating films by water”と題する文献や、Junghoon LEE 氏および Chang-jin KIM 氏による Journal of Microelectro-mechanical Systems, Vol. 9, No. 2, pages 171-180, 2000 における“Surfacetension driven microactuation based on continuous electrowetting (CEW)”と題する文献、を参照することができる。この特性は、液体の性質（導電率、透磁率、等）に依存する。よって、デバイス内を流通する２つの流体のうちの一方の流体に対して選択的に作用させることができる。よって、図２〜図８に示すデバイスにおいて使用されていた温度制御部材を、マイクロキャピラリ内において静電界を形成し得るような一組をなす電極によって、代替することができる。
【００４８】
電気的濡れ効果に基づく方法を例示するために、ただ１つのマイクロキャピラリ（５０）の一部分だけが、図１０において長さ方向断面図によって示されている。並列的に同期化された注入が得られるよう、使用されているすべてのマイクロキャピラリに対してこのような実施態様が適用されることは、理解されるであろう。マイクロキャピラリ（５０）は、マイクロキャピラリ（５０）の上壁と下壁とのそれぞれに配置された２つの電極（５１，５２）を備えている。この例においては、下電極（５２）上においてマイクロキャピラリの内方を向いて、表面安定化層（５３）が成膜されている。この表面安定化層は、他方の電極（５１）上にも成膜することができ、電極（５１，５２）の双方上に成膜することができる。マイクロキャピラリ（５０）内においては、水性溶液からなる複数の可動反応チャンバ（５４）と、例えばオイルといったような隔離液体からなる複数の隔離ビーズ（５５）と、から構成された一連のものが移動する。可動チャンバ（５４）をなす液体の誘電特性と、隔離ビーズ（５５）をなす液体の誘電特性とは、互いに相違する。電極（５１，５２）間に電位差が印加され、なおかつ、反応チャンバ（５４）が電極（５１，５２）間に位置しているときには、壁に対してのこの液体の濡れ性が増大することが観測される。よって、マイクロキャピラリの流通特性を変更することができる。特に、１つの可動チャンバ（５４）をなす液体が電極（５１，５２）間に位置しているときには、流通を停止させることができる。これら電極間の電位差が解除されたときには、両液体の流通が、再開可能となる。
【００４９】
チューブ締付に基づく方法を例示するために、ただ１つのマイクロキャピラリ（６０）の一部分だけが、図１１において長さ方向断面図によって示されている。並列的に同期化された注入が得られるよう、使用されているすべてのマイクロキャピラリに対してこのような実施態様が適用されることは、理解されるであろう。マイクロキャピラリ（６０）は、少なくとも１つの変形可能部分を有している。そのような変形可能部分は、例えば、ポリマーやシリコーンからから形成することができる。この変形可能部分の締付は、符号（６１）によって示されているような機械的システムによって、もたらすことができる。
【００５０】
キャピラリ内におけるメニスカスに起因する毛細管圧力が、キャピラリの断面積に依存することは、周知である。この特性が、メニスカスを不動化するために使用される。例えば、キャピラリ内に急激な断面積変化を形成するだけで十分に不動化を行うことができる。このことは、多くの応用において既に見出されている。これに関しては、Jun ZENG 氏他による Micro Total Analysis Systems,2000, Kluwer Academic Publishers, pages 579-582 における“Designanalysis of capillary burst valves in cernrifugal microfluids” と題する文献を参照することができる。この特性は、本発明において使用することができ、図２〜図８に示すデバイスにおいて使用されていた温度制御部材を、マイクロチャネル内において急激な断面積変化を誘起し得るようなキャピラリ締付によって、代替することができる。
【００５１】
好ましくは、マイクロチャネルすなわちマイクロキャピラリ（６０）の内面は、疎水性とされる。複数の可動反応チャンバ（６２）は、水性相から形成されており、複数のセグメント化ビーズ（６３）は、例えばオイルといったような、水性相とは非混和性の相から形成されている。よって、新たな反応チャンバが締付位置に到達した時点で、流通を停止させることができる。締付を解除することにより、反応領域シリーズの流通を再開させることができる。
【００５２】
図１２は、その機能が図２〜図８に示されているような本発明による並列的同期注入デバイス（１００）を使用した、生物学的反応器を示している。
【００５３】
図１２には、分析対象をなすＮ個（Ｎ種類）の試料を含有した井戸プレート（７１）と、Ｍ個（Ｍ種類）の様々な反応剤を含有した井戸プレート（７２）と、を示されている。分析は、生物学的手順に従った１つの反応剤と１つの試料との混合に対応している。生物学的手順は、チャネル（８１）を備えてなる微小流通部材すなわちマイクロシステム（８０）内において行われる。微小流通部材（８０）は、図１３においては、長さ方向断面図でもって図示されている。チャネル（８１）の数は、好ましくは、Ｎ個とされる。
【００５４】
図１２に示す生物学的反応器は、連続流内においてＮ×Ｍ個の反応を実行することができる。
【００５５】
各チャネル（８１）は、マイクロチューブ（７３）を介して、井戸プレート（７１）の１つの井戸に対して連結されている。よって、同一チャネル内を、同一試料が、連続的に流通する。このことは、異なる２つの試料間において汚染が発生してしまいかねないというリスクを除去し得るという利点を、もたらす。試料の注入は、例えば蠕動ポンプといったような、ポンプ（７４）を使用して行うことができる。
【００５６】
符号（７５）は、Ｍ個の反応剤を含有した井戸プレート（７２）内の各井戸内へとニードルまたはピペッタ（７６）を移動させ得るロボットを、概略的に示している。反応剤の吸引、および、マイクロシステム（８０）内に対しての、吸引した反応剤の注入は、プランジャーシリンジ（７７）と供給バルブ（７８）とによって行われる。ロボット（７５）は、また、反応剤に対して非混和性の液体でありかつ反応領域シリーズを形成するために必要な液体を貯蔵した容器（図示せず）のところへと、ニードル（７６）を移動させることができる。
【００５７】
符号（１０，１３，３１，３２，２１〜２６）は、図２における各部材と同じ部材を示している。デバイス（１００）におけるマイクロキャピラリは、チャネル（８１）の数と全く同じ数とされている。符号（３１，３２）は、例えば、温度領域を示している。
【００５８】
図１３は、２枚のプレートを重ね合わせて接着することによって得られたマイクロシステム（８０）を示している。図１３における断面は、ある１つのチャネル（８１）の軸に沿って得られた断面である。チャネル（８１）は、受領開口（８２）と排出開口（８３）とを有している。
【００５９】
複数のマイクロキャピラリ（２１〜２６）は、受領開口（８２）を介して、部材（８０）に対して連結されている。使用されている手順に応じて、反応生成物は、廃棄物容器へと、あるいは、検出器へと、あるいは、キャピラリ（７９）が連結されている排出開口（８３）を介して他のマイクロシステムへと、搬送される。
【００６０】
マイクロシステム（８０）は、さらに、チャネル（８１）に対して連通している開口（８４）を備えている。これら開口（８４）は、マイクロチューブ（７３）を受領している。部材（９０）が、マイクロシステム（８０）の下側に取り付けられている。部材（９０）は、例えば、チャネル（８１）内を流通している液体に対して温度サイクルを付与し得るペルチェ効果デバイスとされる。
【００６１】
本発明による注入デバイスは、Ｎ個のキャピラリにわたって並列的にかつ同期的な態様で、複数の可動反応チャンバ（１０２）と複数のセグメント化ビーズ（１０１）とを備えてなる反応領域シリーズを生成することができる。この反応領域シリーズは、マイクロシステム（８０）のチャネル（８１）へと到達する。その後、可動反応チャンバは、マイクロチューブ（７３）を経由して開口（８４）を通して搬送されてきた試料と混合される。よって、この構成においては、連続流内においてＮ×Ｍ個の異なる反応を実行することができる。
【００６２】
本発明によるデバイスおよび方法は、様々な生物学的処理や様々な生化学的処理や様々な化学的処理を実行するに際して使用することができ、例えば、増幅反応（例えば、ＰＣＲ、ＬＣＲ）や、遺伝子型の分析（例えば、マイクロシークエンシング）や、複雑な多糖類の構造的キャラクタライゼーションや、化学合成手順、等を実行するに際して使用することができる。
【００６３】
例えば、上記生物学的反応器を使用することにより、特にＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）といったようなＤＮＡ増幅反応を行うことができる。これに関しては、国際公開特許明細書第０１／０７１５９号を参照することができる。この文献は、図１２および図１３において符号（８０）で示したタイプのマイクロシステムと、直線状チャネル内において様々な温度領域を通過する連続流に関してのＰＣＲ手順の実行方法と、を開示している。得られる反応の数は、例えば、ＤＮＡ試料に対して９６個の井戸とＰＣＲ反応材料に対して９６個の井戸とを使用した場合には、９６×９６である。
【００６４】
本発明は、従来技術と比較して、多くの利点をもたらす。反応領域シリーズは、様々な反応剤を備えることができる。注入は、１μｌよりも少ない量とすることができる量でもって複数のキャピラリにわたって並列的に行われる。注入量は、悪くとも０．０１μｌという精度でもって制御される。注入精度は、キャピラリの寸法精度や反応領域の寸法精度によって、高めることができる。制御は、すべてのキャピラリに対して共通している。デッドスペースが、非常に小さい。実際、一組をなす複数のキャピラリ全体にわたってのデッドスペースは、注入チャネル（１２）の容積の程度である。注入される反応領域シリーズは、反応剤の数に関する制限がない（例えば、２００個以上）。本発明によるシステムは、使用が簡便である。さらに、フィードバックがないことにより、複雑な技術が不要である。システムの寸法（注入チャネル（１２）と温度領域（３１，３２）との間の距離）は、可動反応チャンバの容積とセグメント化ビーズの容積との自動校正を可能とする。キャピラリ全体にわたっての流通は、校正された通りのものとなる。様々な動作モードを使用することができ、用途に応じた最適のモードを選択することができる。注入は、生物学的において使用されているすべてのタイプの井戸プレート内における反応剤の貯蔵に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】反応領域シリーズを概略的に示す図であって、互いに異なる複数の反応領域は、循環することができる。
【図２】本発明による並列的同期注入デバイスを示す断面図であって、使用時の様子を示している。
【図３】本発明による並列的同期注入デバイスを示す断面図であって、使用時の様子を示している。
【図４】本発明による並列的同期注入デバイスを示す断面図であって、使用時の様子を示している。
【図５】本発明による並列的同期注入デバイスを示す断面図であって、使用時の様子を示している。
【図６】本発明による並列的同期注入デバイスを示す断面図であって、使用時の様子を示している。
【図７】本発明による並列的同期注入デバイスを示す断面図であって、使用時の様子を示している。
【図８】本発明による並列的同期注入デバイスを示す断面図であって、使用時の様子を示している。
【図９】本発明による並列的同期注入デバイスにおけるマイクロチャネルに関しての、磁気制御手段の使用を詳細に示す図である。
【図１０】本発明による並列的同期注入デバイスにおけるマイクロチャネルに関しての、電気的湿り制御手段の使用を詳細に示す図である。
【図１１】本発明による並列的同期注入デバイスにおけるマイクロチャネルに関しての、チューブ締付制御手段の使用を詳細に示す図である。
【図１２】本発明による並列的同期注入デバイスを使用した生物学的反応器を概略的に示す図である。
【図１３】図１２に示す生物学的反応器内において使用される微小流通部材を示す軸方向断面図である。
【符号の説明】
１０長尺部材（部材、注入手段）
１１チャネル導入部
１２注入チャネル
１３バルブ（排出手段）
２１マイクロチャネル
２２マイクロチャネル
２３マイクロチャネル
２４マイクロチャネル
２５マイクロチャネル
２６マイクロチャネル
３１温度領域（領域）
３２温度領域（領域）
８０マイクロシステム
８１チャネル
８２受領開口（第１受領開口）
８４受領開口（第２受領開口）
１００微小流通デバイス
１０１セグメント化ビーズ（セグメント部材）
１０２可動反応チャンバ
１０３可動反応チャンバ

Claims

複数の可動反応チャンバ（１０２，１０３）と、これら可動反応チャンバに対して非混和性の複数のセグメント部材（１０１）と、からなる一連のものを、複数のマイクロチャネル（２１〜２６）内へと、並列的にかつ同期させつつ注入するための微小流通デバイスであって、
−前記可動反応チャンバを形成するための液体と前記セグメント部材を形成するための液体とを交互に、前記複数のマイクロチャネル内へと、並列的に注入するための注入手段（１０）と；
−前記マイクロチャネル内において前記２つの液体のうちの一方の液体の伝搬を制御するための第１制御手段であって、前記可動反応チャンバの各先頭位置の位置合わせを行い得るよう、各マイクロチャネルの領域（３１）において作用するように配置された、第１制御手段と；
を具備し、
前記第１制御手段は、動作状態とされたときには、前記一方の液体の物理的・化学的特性に基づく作用をその一方の液体に対してのみもたらし、ただし、他方の液体には直接的な作用をもたらすことなく、これにより、各マイクロチャネルの前記領域において前記一方の液体の伝搬を停止させることができるまたは減速させることができるようになっていることを特徴とする微小流通デバイス。
請求項１記載の微小流通デバイスにおいて、
前記２つの液体のうちの前記一方の液体の注入量を変更し得るよう、前記第１制御手段は、各マイクロチャネルの前記領域の位置が変更可能なものとされていることを特徴とする微小流通デバイス。
請求項１または２記載の微小流通デバイスにおいて、
前記注入手段が、前記複数のマイクロチャネル（２１〜２６）の各第１端部に対して連通した注入チャネル（１２）を有した部材（１０）を、備えていることを特徴とする微小流通デバイス。
請求項３記載の微小流通デバイスにおいて、
前記注入チャネル（１２）の一端は、チャネル導入部（１１）に対して連通しており、これにより、このチャネル導入部を通して、内部へと前記２つの液体が導入されるようになっており、
前記注入チャネル（１２）の他端には、該注入チャネル（１２）内に存在する液体を排出するための排出手段が設置されていることを特徴とする微小流通デバイス。
請求項４記載の微小流通デバイスにおいて、
前記排出手段が、バルブ（１３）を備えていることを特徴とする微小流通デバイス。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の微小流通デバイスにおいて、
前記第１制御手段が、熱的に動作する手段、粘度に基づき減速を引き起こすよう動作する手段、磁気効果に基づいて動作する手段、電気的濡れによって動作する手段、および、チューブの締付によって動作する手段、のいずれかから選択されていることを特徴とする微小流通デバイス。
請求項６記載の微小流通デバイスにおいて、
前記第１制御手段が、熱的に動作する手段とされ、
該第１制御手段が、ペルチェ効果を利用したデバイスおよび熱伝達デバイスのいずれかとされていることを特徴とする微小流通デバイス。
請求項７記載の微小流通デバイスにおいて、
前記第１制御手段が、熱的に動作する手段とされ、
該第１制御手段が、前記２つの液体のうちの一方の液体の凝固を引き起こし得る手段とされていることを特徴とする微小流通デバイス。
請求項３記載の微小流通デバイスにおいて、
前記注入チャネル（１２）と各マイクロチャネルの前記領域（３１）とが、互いに平行に配置され、
前記複数のマイクロチャネル（２１〜２６）は、これら注入チャネル（１２）および領域（３１）に対して、垂直に配置されていることを特徴とする微小流通デバイス。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の微小流通デバイスにおいて、
さらに、前記２つの液体のうちの前記一方の液体の伝搬を制御するための少なくとも１つの第２制御手段を具備し、
該第２制御手段は、前記第１制御手段よりも下流側に配置され、
前記第２制御手段は、動作状態とされたときには、前記一方の液体の物理的・化学的特性に基づく作用をその一方の液体に対してのみもたらし、ただし、他方の液体には直接的な作用をもたらすことなく、これにより、各マイクロチャネルの領域（３２）において前記一方の液体の伝搬を停止させることができるまたは減速させることができるようになっていることを特徴とする微小流通デバイス。
請求項１０記載の微小流通デバイスにおいて、
前記第２制御手段が、熱的に動作する手段、粘度に基づき減速を引き起こすよう動作する手段、磁気効果に基づいて動作する手段、電気的濡れによって動作する手段、および、チューブの締付によって動作する手段、のいずれかから選択されていることを特徴とする微小流通デバイス。
請求項１１記載の微小流通デバイスにおいて、
前記第２制御手段が、熱的に動作する手段とされ、
該第２制御手段が、ペルチェ効果を利用したデバイスおよび熱伝達デバイスのいずれかとされていることを特徴とする微小流通デバイス。
請求項１２記載の微小流通デバイスにおいて、
前記第２制御手段が、熱的に動作する手段とされ、
該第２制御手段が、前記２つの液体のうちの一方の液体の凝固を引き起こし得る手段とされていることを特徴とする微小流通デバイス。
生物学的反応器であって、
−複数の可動反応チャンバを形成するための液体を供給するための第１供給手段と；
−前記可動反応チャンバに対して非混和性の複数のセグメント部材を形成するための液体を供給するための第２供給手段と；
−請求項１〜１３のいずれか１項に記載された微小流通デバイス（１００）であるとともに、前記注入手段（１０）が、前記複数の可動反応チャンバと前記複数のセグメント部材とからなる一連のものを前記微小流通デバイスの前記複数のマイクロチャネル（２１〜２６）内へと供給し得るよう、前記第１供給手段と前記第２供給手段とに対して交互的に連結されるものとされている、微小流通デバイス（１００）と；
−複数のチャネル（８１）内を流通する試料に対して生物学的処理を行い得るマイクロシステム（８０）であって、各チャネル（８１）上に、前記微小流通デバイス（１００）の対応マイクロチャネル（２１〜２６）に対して連結された第１受領開口（８２）と、前記反応チャンバの内部へと試料を注入するための試料注入手段に対して連結された第２受領開口（８４）と、を備えているような、マイクロシステム（８０）と；
を具備していることを特徴とする生物学的反応器。
試料に対して生物学的処理または生化学的処理または化学的処理を実施するための方法であって、
−請求項１〜１３のいずれか１項に記載された微小流通デバイス（１００）によって、各マイクロチャネル（２１〜２６）内に、前記複数の可動反応チャンバと前記複数の非混和性セグメント部材とからなる一連のものを、並列的にかつ同期させつつ形成し；
−前記微小流通デバイス（１００）の前記マイクロチャネル（２１〜２６）内に形成された、前記複数の可動反応チャンバと前記複数の非混和性セグメント部材とからなる一連のものを、マイクロシステム（８０）のうちの、前記微小流通デバイス（１００）の前記複数のマイクロチャネル（２１〜２６）の数に対応した数とされた複数のチャネル（８１）へと、注入し；
−前記マイクロシステム（８０）の前記複数のチャネル（８１）へと試料を同時にかつ並列的に注入することにより、試料を、前記マイクロシステム（８０）の前記複数のチャネル（８１）内を流通する前記可動反応チャンバに対して同期的に混合し；
−前記可動反応チャンバに対して混合された試料に関しての生物学的処理または生化学的処理または化学的処理を実現する；
ことを特徴とする方法。