JP4597664B2 - 微細流体構造 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

〔発明の分野〕
本発明は、微細流体構造、そして特に、毛細管作用が、前記構造を経た液体の移送のための主要な推進力として利用される、液体の流動システムを構成する微細構造に関する。

本発明による微細流体構造は、例えば、小型生物分析、その分析の準備段階、分離、電気泳動、毛細管クロマトグラフィ、微細反応空洞処置、小型液体連絡ユニット、フローセルバイオセンサーなどの様々な分野での使用に有益である。

〔発明の背景〕
微細スケールの経路又は構造を経た液体の移送は、多種多様の科学技術において重要な影響を及ぼす。

微細な経路を通る流体の制御された移送は、それ自身がより大きなスケールで発見されないという困難性を与える微細構造をもって、挑戦されてきた。たいていの微細な経路構造において利用される推進力は、電気内方浸透、重力、外部圧力、又は、毛細管の泳動に依存する。

表面の物質は、しばしば、開放された電子、極性部分、又は、表面電化又は反応性を生成する他の特徴を有する。表面の特徴は、より大きな構造よりも、微細スケールのシステムに対して一層明白な影響を与える。このことは、特に、流体とそれらが移送される表面材料との間の引力によって、流体の流れが推進される微細なシステムについても当てはまる。

閉じた毛細管において、推進力は、通常、方程式によって表される。
ｈ＝２σ_ｇ１ｃｏｓ（θ_ｃ）／ｇρ…（１）
ｈは毛細管内の流体の高さ、θ_ｃは毛細管物質に対する流体の接触角度である。

流体に対して毛細管の材料の接触角が９０°未満の場合、材料は親水性と考えられる。流体に対して毛細管材料の接触角が９０°を超える場合、その材料は疎水性と考えられる。σ_ｇ１は空気に関する流体の表面張力を表し（ｍＪ／ｍ^２）、gは重力定数（ｍ／ｓ^２）、rは毛細管の半径（ｍ）、ρは流体密度（ｋｇ／ｎ^３）である。

多種多様の溝又は経路が作られる平面の微細構造が開発されてきており、典型的にそのような平面構造は、例えば、シリコンウェーハのような半導体基質に溝をエッチングすることによって形成され、さらに、経路を完成するために、カバープレートによってエッチングされた表面をカバーする。しかしながら、そのような構造は、むしろ時間を消費し、製造するに高価である。

更に、そのような構造は、例えば、化学試薬の追加、表面の機能化等によって特製される必要があり、これらの段階は、しばしば、微細構造の生産者以外の誰かによって行われる必要がある。実際上、微細構造は、１つの場所で製造され、例えば、試薬の追加のための別の設備に送られ、それから、閉鎖し密封するための製造業者に返される必要がある。従って、本発明の１つの目的は、特に、生産後の特製に関して大きな柔軟性と容易さを提供する微細構造を利用可能にすることである。

現在使われているシステムは、例えば、重力、遠心力（表面に微細な経路を持つディスク要素の回転）、又は、経路において液体の移送を強いるための圧力のような、外部の手段を利用する。同じく、電界は、微細システムにおいて、溶解され、荷電された種の移送を強いるために用いることができる。このために、例えば、ディスクの回転を生成するモーター、圧力を生成するポンプ、電界を適用する電極及び電源等の、外部の補助設備が採用される。そのような装置は高価であり、時折かなり複雑である。更に、ある場合において、前述の方法に関連している力は、敏感な物質に悪影響を与える。本発明の別の目的は、液体移送を強いるための外部の手段の必要性を取り除くか減少させる、機能性を組み込んだ微細構造を利用可能にすることである。

〔従来技術〕
欧州特許第１１２０１６４号は、毛細管経路における微細構造の複数の使用法を示し、前記経路は、少なくとも一つの曲がった部分を有し、ベースと、中心点からの第１の半径と該第１の半径を超える第２の半径とによって構成される内側の壁と、少なくとも内側の壁から毛細管経路をカバーする外側の壁まで延びる蓋と、を備え、内側の壁と外側の壁が、ベースに固定され、毛細管経路の横の境界を構成している。微細構造自らが毛細管経路を形成しないことが明らかであるが、ただ、流体が毛細管経路の曲がった部分を移動したときに流れに影響を与え、その流れは、曲がった部分の外側の壁の近くよりも内側の壁の近くで幾分遅くなる。

前述の欧州特許第１１２０１６４号において引用された米国特許第５８８５５２７号は、反応壁を形成する微細構造を含む分析装置について述べている。これらの反応壁は、カバー又はトップ部材とともに前記装置の異なる室の間で狭い経路を形成する溝を有する、波形又は別の方法で型取られた表面によって形成される。それは説明と図面から明白であり、毛細管経路は、実に、トップ部材が毛細管の距離を離れて底部材上に置かれたときにのみ形成される。更に、トップ部材及び底部材は、密封された様々な室や、接着、超音波溶接、リベット打等に限定されない多くの技術によって形成された毛細管に結合することができる。

米国特許第５８３７１１５号は、例えば、流体媒体における細胞、ウイルス、マクロ分子又は極小粒子のような、個々の微細構造を分留し、そして同時に見るための、ソーティング装置及び方法が述べられている。発明の目的は、アガロースゲルや、一様分布の格子構造や妨げられた環境のサイズとかたちをもつ、他の伝統的に使われる分留媒体にとってかわることである。妨げられた環境は、研究に基づいた細胞、ウイルスの篩い分け手段を形成するポスト、バンカー、Ｖ形又はカップ形の構造によって、形成され得る。この構造は、もっぱら篩い分け手段を経た本質的に一つの層において、微細組織の移動を引き起こす格子上で位置決めされた上昇手段によって、カバーされる。米国特許第５８３７１１５号による発明は、毛細管の力を考慮するように考えられないが、その代わりに、格子構造の上で電界を生成するための電極の供給を提案している。

米国特許第５５４０８８８号に例示されるように、多孔性材料で満たされた経路を用いることが広く知られており、多孔性材料は、スロットによって分割された代理経路、液体のしみ通らない分離部分等を有し、試薬の領域及びサンプル適用の領域を含む。フィルターペーパーは、一般に好まれる材料であり、試薬を材料に供給する技術の広い範囲に存在している。

大量生産に適したサポートにおいて、及びダウンストリーム生産工程や特に装置の特製で容易に扱われる構造を含む微細な純流体装置を形成する配置において、統合された微細流体構造を利用可能にするだけである。

流体の流れに影響を与える比較的複雑な、更にサンプルを損傷することもあり得る外部装置を使わなければならないという欠点を考慮すると、複雑な装置の使用無しに、そして、例えば変性や別の損傷等の変更の危険性に支配されること無しに、影響されやすい物質の自動移送を可能にすることが、望ましくそして有利であろう。

従って、本発明の一つの目的は、微細流体構造、すなわち、液体の毛細管移動に適した液体の流動システムを定義し、安価に、ディスポーザブルタイプの製品を任意に許容し且つ分岐された流動経路を任意にもち且つローカルな表面特性を任意に示し且つ例えば、表面の光学及び電気の特性について材料選択の大きな自由度を提供する、幾何学的な微細構造を提供することである。

本発明の基礎となる更なる目的は、発明の解決法とその実施形態に関連する利点と同様に、添付された特許請求の範囲及び図面とともに、後の記載と実施例から明白になるであろう。

〔発明の要約〕
前述の目的は、固体の基質（基板）に設けられる開放した微細構造を通って液体を流動するような、毛細管作用の現象を採用することにより、本発明をもって達成される。その広い有効範囲において、本発明による微細流体構造は、望ましい液体の流動システムを定義する幾何学の微細構造の様々なかたちを含む。

その広い側面において、本発明は、流動路を経た流体の流れを誘発する及び／又は容易にする、多くの微細構造からなる流動路と、同様に、この流動路が使用されるところの方法とを提供する。

特に、本発明は、基質（基板）を備え、そして、該基質に、少なくとも１つの流動路と液体サンプルを望ましい手順で処理できる機能的手段とが設けられる、微細（マイクロ）流動システムを提供し、前記少なくとも一つの流動路が、前記機能的手段への、前記機能的手段を経た、及び前記機能的手段からの、液体サンプルの移送のための形態を構成するように配置され、前記流動路が、前記基質から上方へ突出する複数の微細ポストを備え、流動路のどこに適用された液体サンプルでも、該液体サンプルが供給されたところから液体の移動を強いるように、微細ポスト間の間隔が毛細管作用をもたらす。

本発明は、添付された特許請求の範囲と図面を参照して、後の記載と限定されない実施例で詳細に述べられるであろう。

〔発明の好ましい実施形態の説明〕
本発明を説明する前に、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲とその等価物によってのみ限定されるため、ここに用いられる専門用語は、特別な実施例のみを説明するために使われ、そして限定することを意図しないことが理解される。

次の用語が用いられる。

微細流体、微細構造等のように、接頭辞の「微細（マイクロ）」は、通常マイクロメーター（μｍ、１×１０^−６ｍ）で表現される長さ、幅又は高さを有する少なくとも一つの特徴を備え又は含む、装置又は行程を定義するために用いられる。

「ナノ」という接頭辞は、ナノメーター（ｎｍ、１×１０^−９ｍ）のように、ここでは、その一般的に受け入れられる意味で使われる。

例えば、「受動制御」又は「受動流体力学」において使われる「受動」という表現は、本発明の目的のために、実施される行程の間に取られた作用によって影響を受けない制御を示すが、むしろ、その制御は、設計に依存する固定されたシステムパラメータによって確定される。受動制御は、微細なスケールに存在する自然の毛細管の力を使うことによって生じる。

文脈の中で「開放（オープン）」という用語は、微細構造により構成された流動路が、上方からアクセス可能であることを意味し、毛細管の流動の生成に関与するカバーや蓋がないことを意味する。前述の定義は、微細構造から離れた二次のカバー又は蓋が設けられたとしても、除外されない。

用語「親水基」は、極性基及び／又は荷電基、例えば、水酸基、カルボキシル基、アミノ基、スルホン酸塩、チオール、アルデヒド等の基質や物質を示す。

用語「疎水性構造」は、非極性構造を有する基質及び物質を示す。

用語「化学反応基」は、固体表面に分子の共有原子価の結合を使用された、水酸基、カルボキシル基、アミノ基、スルホン酸塩、チオール、アルデヒド等のような当業者に知られている全ての有機基及び無機基を示す。

「生物学的親和性」という用語は、物質の特異結合を有する物質、又は関連する物質の定義された基を示す。典型的な物質は、抗体、抗原、ハプテン、ビオチン、アビジン、レクチン、糖、核酸、ホルモン及びこれらの受容体である。

本発明は、広い側面では、多要素の毛細管構造を提供し、該毛細管構造は、該構造に設けられた微細構造を用いることによって、オープンシステムで前記構造に沿った液体の毛細管流動を容易にする、及び／又はもたらすのに適応する。有利な点は、流体と流体に接触する表面との間の表面効果が得られることである。これらの表面効果は、微細なスケールに作用し始める。

特に、多くの異なる単位操作を実施するために、前記構造内で異なる処理区画に任意に接続する少なくとも一つの液体流動経路を含む構造を有する装置が提供される。そのような処理区画、要素、及び／又は装置、の例は、化学反応区画、潜伏区画、洗浄区画又は要素、流動調節要素、測定要素、タイムゲート、分離手段、加熱手段、電磁放射線照射手段、前記の機能的な手段の内に前記液体の磁性成分を閉じこめる磁性手段、選択された領域で液体に電圧を供給する電極、例えば温度、ｐＨ、粘度、吸光度等の物理的又は化学的特性を検出する検出器、又は、前記区画、要素、及び／又は装置内に設置された又は通過する液体のサンプル又は反応混合物を扱う、化学的、生物学的、又は物理的上の、その他の装置又は手段である。

発明概念の背後の原理を明瞭にするため、後続の実施例が与えられる。

表面力の効果の簡単な例を考えると、例えば、外圧が供給されることなく水がガラス毛細管に引かれるときに明示される。これは、水と、毛細管に水を引くガラスの表面と、の間の表面張力によって引き起こされる。より細い毛細管は、毛細管に水を引く力の効果がより大きい。これは、しばしば毛細管力といわれている。

毛細管力の大きさを特徴づける一つの物理的なパラメータは、水と、取り囲む材料との間の接触角である。９０度よりも小さい接触角のため、例えば、ガラスのような材料は、親水性とみなされ、そして、水は、毛細管のスペース内に引き上げられる。材料が９０度を超える接触角を有するとき、それは疎水性と考えられる。疎水性の場合、圧力は、前記スペース内に水を押し込むために必要とされる。より細い毛細管では、より大きな力が必要とされる。しかしながら、双方の場合、一旦、水が毛細管に導入されると、水の流速は、材料が疎水性か親水性かにほとんど依存せず、圧力勾配と摩擦とに多く依存する。

本発明の流動路を形成する微細構造の望ましい機能を達成するため、液体と固体材料の表面との間の接触エリアが最大にされ、それによって、本発明による流動路内の又は流動路に沿った流体の流れが、自然に引き起こされ、望ましい期間維持されるように、毛細管力が増加する。

この処理は、「受動流体力学」と呼ばれうるものを表す。本発明の発明者は、表面上の開放した微細経路又は構造において流体の流れを制御しそして動かすために、そのような受動的流体力学を用いることが有利であるということが解った。例えば、本発明による移動機構の受動的性質は、主として放射方向に移送可能な回転ディスクのシステムと比べると、独立した方向を形成する。電界の適用による移送は、せいぜい、主として２方向である。毛細管の流れは、適切に設計された流動路を形成する微細構造のパターンを提供される、あらゆる方向に引き起こされ得る。微細構造及びそのような構造の流体の流動経路を設計する当業者は、過度の実験なしで本発明の教示を適用することができるであろう。

図１は、発明概念を具体化する微細流体構造の例のSEM（走査型電子顕微鏡）顕微鏡写真を示す。微細ポストが、同じように成形された規則的な形状を有し、支持構造上で均等にスペースをあけて設けられていることが、写真から明白である。同じく微細ポストの間の表面は均一である。当業者は、SEM顕微鏡写真で示された微細ポストが高いアスペクト比を有していることを認識しうるであろう。この例において、微細なポストは、約１００μｍの高さを有し、２０μｍの直径と３０μｍの中心間距離を有している。これは、アスペクト比が１：５であることを説明している。一般に、アスペクト比＞１：２は、高いアスペクト比である、とみなされる。

図２から図６は、本発明における、流体流動経路を形成する微細構造の、多くの異なる断面を示す。微細構造又は微細ポストは、円形、楕円形、ひし形、三角形、正方形、矩形、７角形、６角形等の一つの断面、または、それらの組み合わせを有する。個々の微細構造の寸法と中心間距離が、流動経路を制限する蓋又はカバーの提供なく毛細管の流れを引き起こすようにされている限り、断面は、半円形、三日月形、Ｕ型、Ｘ型等、上記形状の何分の一かの形状にすることもできる。

図７は、表面２上の多くの円形の微細ポスト１からなる流動路を概略的に示す。微細ポストは、毛細管の流動を引き起こすように条件が選択される限り、当然あらゆる断面、高さ及び中心間距離を有することができる。毛細管の流動の方向は、黒い矢印で示される。図７において、サポート２は、微細ポストの高さに匹敵する厚さを有するように、概略的に示されている。これが妨げられない限り、最も頻繁に衝突されるサポートが、相当に厚くなるであろう。図７は、このような単なる概略的な実例である。

図７に示すように、本発明における装置は、サポートと、微細構造からなる少なくとも一つの流動経路とを含むことができる。しかしながら、多くの実用的な利用にとって、経路システムを形成する多くの流動路が必要とされる。個々の経路は、例えば、反応室、分離媒体等の異なる機能的な領域、手段、又は装置を接続する。

柱の性質、及びこれらの性質（例えばこれらの材料、形状及び／又は距離）、そして同様に任意の基質（基板）の性質が、移送される液体に配慮して適切に選択されるとき、液体のサンプルが矢印の端部におかれた場合に、構造からの及び基質表面の周辺上の重大な漏れなく、前記構造を経た毛細管の流動を矢印の方向に作成することが可能になる。

このように、本発明の概念を具体化する基礎的な構造は、その表面中に又は表面上に設けられた少なくとも一つの流動路を有する基質（基板）である。この流動路又は経路は、前記サポートの表面から突出している微細構造又は微細ポストのような、柱によって形成される。流動路及び微細ポストの特有の特質は、前記ポストの寸法と前記ポスト間の距離とが、液体の毛細管流動が維持されうるように選択されることである。特に、前記柱間の距離は、０．１〜１０００μｍ、好ましくは１〜１００μｍの範囲にある。前記柱は、好ましくは、１μｍよりも高く、より好ましくは、１０μｍよりも高い。最も好ましくは、前記微細ポストは、幅と高さの比率が１：２を超える、高いアスペクト比を有する。

微細ポストは、例えば溝又は凹んだ領域のような表面上の２次構造内に位置決めされるか、又は、表面上に直接突出することが理解される。微細ポストが、例えば、基質の溝のような２次構造に配置されるとき、流動路は、一般的な基質の表面下に配置された底と、底とともに経路を形成する多少の垂直な側壁とを有するであろう。一方、流動を引き起こす及び／又は維持する毛細管作用は、本質的に液体と微細ポストとの間の相互作用によって本質的に引き起こされる。

他方において、好ましい実施形態によれば、微細ポスト又は柱は、境界を定める側壁無しで、直立した柱の、好ましくは延長された領域に配列される。通常の経路に関してここに論じられてきた又は論じられるであろう全ての機能と特徴が、このように請求の範囲に定義された発明の概念の範囲内で十分に、このタイプの構造に等しく適用できる。

本発明のさらなる実施形態によれば、流動路は、ゾーンに細分化され、そこにおいて、柱は、異なる高さ、直径、ジオメトリ、及び／又は、異なる柱密度（すなわち、単領域あたりの微細ポストの数）の、柱を有することができる。図８は、この実施形態の概略的な実例である。微細ポスト１の複数が、異なるサイズ、形状、又は機能性を持つ微細ポストの隣接するグループ内に、極めて接近して設けられる。図８において、これらのグループは符号８，９，１０で示され、そして、その差異が、実施例のためだけに、異なるサイズ、形、間隔として示されている。そのようなグループが、望ましい機能性を有する配列を形成する。好ましくは、前記グループは、連続的な又はとぎれた、好ましくは連続的な、勾配を形成する。

図８に示される実施形態において、微細構造がより小さい直径とより小さい距離とを有している、最初の密集したゾーン８が設けられる。そのようなゾーンは、例えばセルのような大きい粒子が通過するのを妨げる、篩又は「フェンス」として働く。次に、比較的大きい間隔がとられたポストを有するゾーン９がある。これは、望ましい領域における液固界面の相互作用のための時間を一時的に減少するために役立つことができ、例えば、特別な反応が適当な完成に進むようにするため、サンプルが、指定された時間一部に結合されたいくらかの表面にさらされることが望まれる場合である。この低速領域の後に、ポスト間に相当に狭い通路を有する大きい微細ポスト（例では正方形で示される）のゾーン１０が設けられる。この領域の後に、同様に第２のゾーン９が設けられる。この説明や例で与えられた情報に基づき、望ましい目的に従って当業者は様々な結合を設計することができる。

本発明の別の実施形態に従い、（１又は複数の）毛細管の流動路は、毛細管の移送が可能である吸水性材料により構成された、統合された表面又はゾーンを有する。これは、この概念の簡単な適用を示す図９において概略的に説明されている。この場合、経路を満たした複数の微細ポストを備える閉じられた経路の構造がある。その構造は、底部基質（基板）２及びカバー６を有し、該基質は、側壁（図示略）を形成し、入口開口又は孔７と、更なる任意の開口又は孔８と、出口開口（図示略）とを有している。液体のしずく９が入口開口７に供給された場合、毛細管の流動は、即座に始まり、そして、流動が、それ以上の毛細管作用が発生しない出口に達するまで、しずくから液体を引き出し続けるだろう。しかしながら、吸水性材料（例えば、濾過紙等のパッド）が、出口開口内又は出口開口と接触して適用された場合、この材料は、液体を引き出す能力によって、「フローシンク」として働くであろう。すなわち、経路からぬける液体を吸収し、それによって経路を通る本質的に連続的な流動を可能にするであろう。

フローシンクを有する別の実施形態は、微細ポストの開放領域又はゾーンで終わる、閉じられた経路のものであり、前記領域は、その経路と比べると比較的大きいエリアを有する。この大きい領域は、上記の吸水性材料と同じ意義で、フローシンクとして働く。例えば、この領域を加熱するために、加熱手段が設けられる場合、液体の蒸発が引き起こされ、それによって、原則として無期限に維持されるシンクを作成する。液体の蒸発は、その装置又はその装置に採用する処理の望ましい位置と時間で、流れのなかに存在する成分の収集をも可能にするであろう。

図１０は、別の実施形態と、本発明に係る流動路構造の適用を概略的に示し、流動路は、複数の連続した微細流体構造を備え、そのような構造の無い、すなわち、小さい間隔又は切れ目１１，１２のゾーンによって中断されており、切れ目は、液体が支援無しでゾーンを横断して移送されるのを妨げる毛細管の壁として働く。液体の流れの方向は、大きい水平の矢印で例示されている。

その切れ目は連絡されることができ、又は、支援された移送が、例えば、脈圧を供給することによってもたらされることができ、そのために、間隔によって生じた毛細管の壁が破られる。脈圧を作成する手段は、そのスペースに開口する非常に小さい経路１３，１４を提供することによって、そして、例えば、すぐに前記経路に補助圧力（垂直の矢印で示す）を供給することによって、実行することができる。経路の他の端部でわずかな補助圧力を提供するための手段が設けられ、そのために、切れ目の各側で、領域からの液体がそれに押し込まれ、そして、間隙が満たされたときに、毛細管の流動が再び再開する。これは、閉鎖システムを必要とする。開放システムにおいて（そして閉鎖システムにおいて）、小さい経路が、間隙を満たすために液体を導入するのに用いることができ、それによって、毛細管の流動を再開するように、流動の接続を復元する。

図１１は、本発明に係る装置の概略的な部分図を示し、微細ポスト１が基質（基板）２に設けられるところでは、前記基質は、カバー又は蓋１５を保持するための大きい突起１６を有し、前記突起は、微細ポストの高さよりもかなり大きく且つ基質と蓋との間の毛細管の相互作用が生じないほどの、基質の表面と蓋との間の距離を規定する。微細ポストが表面における溝または凹みに配置される、代替の実施形態に同じものが適用される。カバー又は蓋１５は、更に、開口又は孔１７を有することができ、前記孔は、好ましくは、サンプル又は試薬を加えるため、結果を解読するため、又は次の基質に起こる反応の進行のための、指標になる。

好ましい実施形態によれば、カバー又は蓋は、基質の表面が、機能的にされ又は特製された後のみに、すなわち、必要な試薬及び／又は機能性が追加された後のみに、突起１６に接続される。

図１２は、図１１の実施形態の概略分解組立図を示しており、本発明に係る流動路上の開口１７を経て少量の液体を沈積しているピペットチップ１８が示されているところである。

図１３は、連続的な流動路内の微細構造のグループが、少なくとも１つの性質、例えば、形、サイズ、中心間距離、又は機能的／化学的性質に関して、勾配を形成するところの実施形態を示す。この図において、流動路は、グループＡ，Ｂ，Ｃ，及びＤによって表される、微細構造のサイズ及び中心間距離に関して一貫しない勾配を備える。このようなＡの勾配は、例えば、粒子、セル、細胞小器官、マクロ分子等の生物学的または化学的な要素の通過を、望ましい方法で遅らせるように、又は、そのような要素を分離させるように、機能することができる。Ａゾーンで捕らえられた要素は、形状”ａ”によって図示され、Ｂゾーンで捕らえられた要素は、”ｂ”で図示されている（以下同様）。形状”ｄ”は、妨害されずに勾配を通過した要素を示す。

更なる実施形態において、流動路は、統合された表面、又は、多くの異なった機能的要素を含むゾーン、又は、流動路内に関連するように設けられた媒体で、多くの異なった操作を行うための装置、を備えることができる。そのような機能的要素又は装置の例としては、液体及び試薬の電気的操作の電極その他の手段がある。電気的操作は、例えば、種の酸化や還元を含むことができる。機能的装置の他の代表的な例としては、例えば、吸光度によって濃度を測定するために、軽い放射線照射により立体構造変化を引き起こすために、光を操作する光学及び他の手段がある。

磁石又は磁気物質の探知手段も、流動路の内又は周囲に配置することができる。それによって、磁性の粒子を、構造内の望ましい位置に閉じこめそして保持することができ、そして、粒子の磁気特性を、システムの一定の点までの首尾よい移送の標識又は指標として使うことができる。更に、磁性粒子は、生物学的な親和性をもつ物質で覆うことができ、異なる種類の分析で用いることができる。

更に、温度を操作するための手段を、本発明による流動路における選択された位置に提供することができる。それによって、化学反応、培養、熱硬化、ＰＣＲ反応、蒸発、乾燥等の多くの興味深い機能を果たすことができる。

本発明による流動路構造内において、微細構造のあるゾーンと無いゾーンとの間の一部の場所で、微細ポスト又は柱のような微細構造を含むゾーンの少なくとも一つに、流動経路と関連するように粒子を提供することができる。それにより、粒子は、物理的な力によって、又は、例えば基質への共有結合のような化学的な結合によって、前記基質に結合されることができる。或いは、前記粒子は、前記構造を含むゾーン内に機械的に閉じこめられることができる。

好ましい実施形態によれば、基質は、表面に接続された反応性物質を有する。そのような反応性物質は、化学物質又は生物学的な起源の探知に関して用いられる。反応性物質は、非生物学的な起源と同様に生物学的な物質の固定化に関して用いられ、すなわち、それらは、固定化されるための物質が、基質に結合するように反応することができる部位として、提供される。

基質に提供される別の反応性物質の適用は、非生物学的な起源と同様に、生物学的な物質の分離に関する使用であり、そしてそこで、物質が混合物の別のものから分離することを望む種と選択的に反応することができる。

本発明による構造の経路の表面は、化学的又は物理的手段によって、修正されることができる。そのような修正された表面は、生物学的及び化学的な起源の物質の探知に関して使用されることができる。この種の修正された表面は、非生物学的な起源と同様に、生物学的な物質の固定化に関して使用される。同じく、非生物学的な起源と同様に、生物学的な物質の分離に関連して使用されることもできる。

本発明による流動路又は経路構造の別の適用は、流動路が、マルチスポット探知の方法として使われることであり、それによって、前記流動路は、その中に提供された粒子を任意に有し、前記粒子は、微細エリアで結合された生物の親和力を伴う化学的反応基または物質を有する。

本発明による流動路構造の他の適当な適用は、例えば、血液、血清、血漿、尿、脳脊髄液、涙、羊水、精液、又は唾液等の、生物学的なサンプルの検体の量の測定であり、その測定は、好ましくは、特定の生物学的な相互作用に基づく。

特定の適用は、前記検体が、免疫学の手段によって測定されることである。

検体は、同じく、ポリ又はオリゴヌクレオチド、好ましくは、単鎖の核酸又はアプタマーを用いた特定の相互作用によって検出されることもできる。

本発明による流動路構造は、同じく、セルの分離、及び、合成物質のスクリーニング又は生物学的な収集のために使うことができる。

上記に述べたように、本発明の目的のための「経路」の概念は、微細ポスト又は柱構造が設けられる基質の底を除き、物理的な境界を持たない完全に解放した構造を許容することによって、普通の経路の概念を超える。

しかしながら、経路又は流動路が溝（すなわち、底及び側壁を有する）を含むとき、（１）経路を上方へ開放したままにすること、（２）閉鎖されたシステムを作るために、トップカバーをおくこと、の２つの選択肢がある。

これらの２つの異なる実施形態は、異なる適用のために特定のメリットを有する。移送された液体、及び／又は、前記液体によって輸送された物質を操作することが望ましい場合には、例えば、その構造の望ましい位置で試薬を加える、直接的に熱を与える、または、任意の点で多少の他の操作を行うといった、上方からの自由なアクセスに一層便利である。

特定のシステムは、酸素に対して非常に敏感にすることができ、従って、それは、サンプル液体を大気にさらすことを除外するために、絶対に必要である。微細流体構造がカバーされている場合、例えば、試薬、ガス、液体、サンプルを、前記構造内に導入可能にするための、アクセス開口をカバーに形成することができる。そのようなアクセス開口は、例えば、適当な管状部材等を経由して外部装置に接続するために用いることもできる。

しかしながら、これらの実施形態は、双方とも発明概念の内側である。

そのような微細組織の製造は、もっともシンプルな形態で、基質に被着された感光性のモノ又はプレポリマーの直接的な硬化によって行うことができ、硬化を開始するために照射された光が通過するマスクを採用し、そして、それ以降、非硬化領域をすすぎ落とす（厚膜フォトレジスト処理）。

他の簡単な方法は、ポリマーへ、オリジナルの複製を経ることである。オリジナルは、高いアスペクト比の構造を製造できる、ＤＲＩＥプロセス（Ｄｅａｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈ）を経て、シリコンで製造することができる。そのようなオリジナルを製造する他の方法は、例えば、レーザー処理、電気圧出法、フリーフォームマニュファクチャリング（ＦＦＭ）、電気化学又は化学的エッチング、気相エッチング、機械処理、厚膜フォトレジスト処理又は、例として、シリコン、ガラス、水晶、セラミック、金属、プラスチック材料（例えば、ＰＭＭＡ又はテフロン）との結合又は基質上の結合、を経ることである。

最も直接的な複製の方法は、望ましいネガティブ形状のオリジナル上でのモノ又はプレポリマーの成形であろう。ポリマーの複製を製造する他の方法は、射出成形、熱可塑性樹脂又は熱硬化性材料のエンボス加工を含むことができる。

ある意味で、オリジナルが、複製処理に対して耐性がない場合、適当な材料の中間の複製物（スタンパー）を最初にオリジナルから生成することができる。例えば、そのようなスタンパーの処理は、まず、オリジナルの上で薄い層を析出させ、そして、それ以降、電気メッキを経てオリジナルからネガを成形することである。あるめっき材料、例えば、ニッケルは、たびたびの非破壊的なスタンパーのコピーの生産に役立つ。これは、一連の同じスタンパーを大量生産することと同様に、ネガティブからポジティブへの極性の双方の変更の可能性を与える。スタンパー製造の他の例は、より良く選択されたポリマーで、成形、エンボス、射出成形処理において、オリジナルのネガティブ形状を与えられることができる。繰り返し非破壊的にスタンパーのコピーをとることの同様の可能性が、ポリマーのスタンパーにも当てはまる。

上述したように、本発明の微細流体構造は、勿論、複数のマイクロ流体の目的のために設計されている。それらの中には、例えば、毛細管クロマトグラフィ、イオン交換クロマトグラフィ、疎水的相互作用クロマトグラフィ、免疫学検定、雑種形成分析、他の分子生物学分析、微細反応室処理、小型液体連絡ユニット、バイオセンサーフローセル等がある。本発明により構成された反応室は、例えば、ペプチド又はオリゴヌクレオチド合成のような、様々な形態の固相合成のために用いることができる。少し述べるだけでも、ＰＣＲ、ＤＮＡ固相配列反応、サンプル処置及び検知がある。

微細流体構造は、異なる方法で作ることができる。一つの便利な方法は上記に概説したが、適当な基質にコラムの形成が行われたあとで、集められた個別の分離部分から前記構造を作ることも可能である。

下記に、本発明が、特有の非制限的な例によって説明されるであろう。

〔実施例〕
（実施例１；シリコンで作られた柱を有する開放経路の流れ）
流動経路は、当業者に周知の標準的な方法によって、シリコンウェーハのエッチングで製造された。生じたシリコンチップは、長さ２５ｍｍ、幅５ｍｍであった。柱によってカバーされる領域は、１０ｍｍの長さと４ミリの幅であった。柱は、高さ１００μｍ、直径２０μｍ、中心間距離が３０μｍであった。

毛細管流動は、純水、緩衝液及び血漿でテストされた。芯材の薄膜（ワットマン、ＷＦ１．５）は、液体の流動を容易にするため、チップの末端に数ｍｍ配置された。

前記構造に追加された水の８μｌが、６０〜９０秒の間に、柱を備えた前記構造を横断して流れた。同様の流動速度が、５０ｍｍｏｌｅ／ｌのリン酸ナトリウム、６％の牛の血清アルブミン、０．２％のTween２０、pH７．５を含む緩衝液で測定された。血漿は、僅かに水及び緩衝液よりも速かった。

（実施例２；エポキシ樹脂で作られた柱を有する開放経路の流動）
流動経路は、当業者に周知の標準的な方法で、最初にシリコンウェーハのエッチングにより製造された。エポキシ樹脂の薄層が、一様にシリコンウェーハに適用された。生じたエポキシ樹脂でカバーされたチップは、長さ２５ｍｍ、幅５ｍｍであった。柱によってカバーされた領域は、１０ｍｍの長さと４ｍｍの幅であった。柱は、およそ９０μｍの高さと、およそ２０μｍの直径と、約３０μｍの中心間距離とを有していた。

毛細管の流れは、純水及び緩衝液でテストされた。芯材の薄膜（ワットマンＷＦ１．５）が、液体流動を容易にするために、チップの末端部に数ｍｍ配置された。チップは、水又は緩衝液の追加に優先して、５０ｍｍｏｌｅ／ｌのリン酸ナトリウム、６％の牛の血清アルブミン、０．２％のTween２０、pH７．５を含む緩衝液とともに、前処理（１時間、室温）された。ゾーン１に加えられた水の８μｌが、約９０秒、柱を備えたゾーンを通って流れた。同様の流動速度が、５０ｍｍｏｌｅ／ｌのリン酸ナトリウム、６％の牛の血清アルブミン、０．２％のTween２０、pH７．５を含む緩衝液で知見された。

上記の例は、微細構造からなる開放流動路を作成することが可能であること、及び、それらの機能、すなわち、必要な毛細管の力が作られること、液体の移送が生じることを証明するであろう。

本発明は、現在発明者に知られている最良の形態を構成する好ましい実施形態に関して述べられているが、添付の請求の範囲に記述されている本発明の有効範囲から逸脱することなく、当該技術分野における通常の技術を有する人にとって明白な様々な変更及び修正が可能であることが理解されよう。

本発明における構造の部分のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）の顕微鏡写真である。 本発明の異なる実施形態による、毛細管構造の断面図である。 本発明の異なる実施形態による、毛細管構造の断面図である。 本発明の異なる実施形態による、毛細管構造の断面図である。 本発明の異なる実施形態による、毛細管構造の断面図である。 本発明の異なる実施形態による、毛細管構造の断面図である。 本発明による毛細管作用に著しく貢献する壁もカバーも示してない、毛細管構造が円形断面の微細ポストの形状をなす流動路の１実施形態の斜視図である。 毛細管構造のゾーン又は隣接のゾーンにおいて異なる断面と異なる寸法を有する微細ポストを含む、本発明による流動路の１実施形態を説明する図である。 本発明による流動路において流動を維持又は拡張するために吸水性材料を使用した、装置の平面に垂直な断面を概略的に示す図である。 本発明の流動路がどのようにゾーンに分けられ、毛細管流動を妨げる「バリヤ」によって分離されるかを概略的に示し、そして、流動を再開又は再始動する手段を概略的に示す図である。 流動路を形成する微細構造を有する装置と、毛細管流動にあまり貢献しない間隔をあけた蓋と、の断面を概略的に示す図である。 本発明による装置の部分分解図であって、図１１で説明するように、極少量の液体（例えばサンプル）が間を隔てた蓋の孔を経てピペットで加えられているところを概略的に示す図である。 異なるサイズ及び／又は連続しない勾配の機能性形状の微細ポストの、１実施形態を概略的に示す図である。

Claims (29)

1. 基板（２）を備えた微細流体システムであって、該基板に、少なくとも一つの流動路と、液体サンプルを望ましい手順で処理できる機能的手段とが設けられ、前記少なくとも一つの流動路が、前記機能的手段に対して、液体サンプルの移送のための形態を構成するように配置される、微細流体システムにおいて、
   前記流動路は、前記基板から上方へ突出する複数の微細ポスト（１）からなり、
   前記流動路のどこに供給された液体サンプルでも供給されたところから前記液体の移動を強いるように、前記微細ポストの間の間隔が、毛細管作用を引き起こすように構成されており、
   前記流動路は、開放流動路であり、毛細管の流動の生成に関与するカバーや蓋を有していないことを特徴とする、微細流体システム。
2. 前記機能的手段が、化学的反応装置、分離手段、加熱手段、電磁放射線照射手段、前記機能的手段内の前記液体の磁性成分を閉じこめるための磁性手段、選択された領域で液体に電圧を供給する電極、又は、前記機能的手段内の液体サンプルを扱うその他の化学的、生物学的又は物理学的な装置又は手段、の１以上を備えている、請求項１記載の微細流体システム。
3. 前記基板が、底面と側壁を有する溝を備え、前記流動路が、前記溝の底面から突出する微細ポストで構成される、請求項１又は２記載の微細流体システム。
4. 前記システムが、前記流動路内の毛細管作用に寄与しないように前記流動路から離れて配置されている頂部又は蓋（１５）を有する、請求項３記載の微細流体システム。
5. 前記蓋（１５）が、試薬、ガス、液体、サンプルの導入を可能にするためのアクセス開口（１７）を有している、請求項４記載の微細流体システム。
6. 前記基板（２）が、本質的に平坦であり、前記微細ポスト（１）が前記基板から突出している、請求項１又は２記載の微細流体システム。
7. 前記微細ポスト（１）が、その区分間に間隔又は切れ目（１１，１２）を形成するように、隣接する区分に分離され、その切れ目が、有限の距離を有し、該距離が、前記区分間の毛細管流動を妨げるのに十分な大きさであり、それによって、流動の停止をもたらす、請求項１〜６のいずれか１つに記載の微細流体システム。
8. 流動停止を超えて強制的に移送させるように、選択された１以上の区分にエネルギーを供給する手段が設けられる、請求項７記載の微細流体システム。
9. 前記エネルギー供給手段が、脈圧発生機、超音波発生機、電磁放射線手段の中から選択される、請求項８記載の微細流体システム。
10. 横断する流動を引き起こすように前記切れ目を横断するブリッジを提供するため、前記切れ目に液体を供給する手段を備えている、請求項７記載の微細流体システム。
11. 前記流動路における微細ポストの表面が、化学的、生物学的又は物理的な機能性を有している、請求項１記載の微細流体システム。
12. 前記微細ポストが、それらの表面に化学反応基を有している、請求項１１記載の微細流体システム。
13. 前記微細ポストが、それらの表面に結合する生物学的な親和力を持つ物質を有している、請求項１１記載の微細流体システム。
14. 前記微細ポストが、それらの表面に親水基を有している、請求項１１記載の微細流体システム。
15. 前記微細ポストが、それらの表面に、正及び／又は負の荷電基を有している、請求項１１記載の微細流体システム。
16. 前記微細ポストが、それらの表面に疎水性の構造を有している、請求項１２記載の微細流体システム。
17. 前記機能性が、流動路全体の微細ポストに適用され、又は、個別の領域又は流動路の一部に制限される、請求項１２記載の微細流体システム。
18. 前記機能性は、微細ポストの直径、高さ、形状、断面、表面コーティング、単位領域当たりの微細ポストの数、微細ポストの表面を濡らす反応、又は、これらの組み合わせから、決定される、請求項１２記載の微細流体システム。
19. 少なくとも一つの流動路に粒子が提供される、請求項１〜１８のいずれか１つに記載の微細流体システム。
20. 前記粒子が、化学的又は物理的に基板に結合され、又は、機械的に、複数の微細ポストを含む領域内に閉じこめられる、請求項１９記載の微細流体システム。
21. 前記流動路が、電極、又は、液体及び／又は試薬の電気操作のためのその他の手段を含む、統合されたゾーン又は境界が画された表面を有している、請求項１〜２０のいずれか１つに記載の微細流体システム。
22. 前記流動路が、光学的要素又はその他の送信、集光、反射又は吸光のための手段を含む、統合されたゾーン又は境界が画された表面を有している、請求項１〜２１のいずれか１つに記載の微細流体システム。
23. 前記流動路が、磁性の機能性、又は磁性物質の操作及び又は検知のための手段を含む、統合されたゾーン又は境界が画された表面を有している、請求項１〜２２のいずれか１つに記載の微細流体システム。
24. 前記流動路が、統合されたゾーン又は境界が画された表面であって該ゾーンを加熱又は冷却する温度調節手段を含むゾーン又は表面を有している、請求項１〜２３のいずれか１つに記載の微細流体システム。
25. 請求項１記載の微細流動システムが用いられることを特徴とする、化学的又は生物学的処理を微細スケールで行うための方法。
26. 請求項１，２，１１，１５又は１９のいずれか一つに記載の微細流体システムが、クロマトグラフィの分離ステップに用いられていることを特徴とする、イオン交換クロマトグラフィを行う方法。
27. 請求項１記載の微細流体システムが、クロマトグラフィの準備ステップに用いられていることを特徴とする、疎水的相互作用のクロマトグラフィを行う方法。
28. 請求項１記載の微細流体システムが用いられていることを特徴とする、物理的、化学的、生物学的処理を微細スケールで行う、サンプルを集中させるための方法。
29. 請求項１記載の微細流体システムが用いられていることを特徴とする、物理的、化学的、又は生物学的処理を微細スケールで行う、セル又は他の微細な生物学的な要素の分離のための方法。

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