JP4891532B2 - 液体を取り扱うための装置ならびにその製造方法および使用 - Google Patents

Description

本発明は、液体を取り扱うための装置ならびにその製造方法および使用に関する。

特許文献１から、液体との異なる濡れ性を示す第１および第２の表面領域を持つ表面を有する物体が公知である。この場合に、該表面領域はたとえば一方が親水性、また他方が疎水性であり得る。同様に、表面領域が油性溶液に関して親水性または疎水性であることも可能である。特許文献１において、異なる表面領域を製造するための２つの方法が記載されている。たとえば、異なる表面領域は一方でコーティングにより達成される。これらのコーティングは、たとえば以後のコーティング工程を有するリソグラフィー法により達成できる。他方で、異なる濡れ特性は微細構造化により達成できるが、それは表面粗さの違いによるいわゆるロータス効果の場合が該当する。これらの異なる粗さは、該当表面の微細構造化により実現できる。その際に、液体を該表面領域に保持する毛管力が微細構造化された領域内で作用する。特許文献１では、微細構造を製造するための例として化学的処理あるいはイオン照射が挙げられている。

特許文献２から公知な装置においては、液体は湾曲した毛細管路を通って種々のチャンバに導かれ、そこで液体は所定の反応について試験できる。該装置内には、そのために適した乾燥試薬が準備されている。その際に、乾燥試薬は好ましくは液体が試験されるチャンバ内に準備されるべきである。

湾曲した毛細管路では、半径の小さい壁面付近の液体の方が半径の大きい対向管路壁面におけるよりも速く送られるという現象が現れる。したがって、湾曲管路を通る液体の均一な運動は、通常は不可能である。この問題に対処するために、前記印刷物においては、規則的に配置された構造要素を有する微細構造化表面を湾曲管路内に設けて、湾曲管路内の液体の均一な運動を保証することが提案されている。液体が湾曲管路内のそのような微細構造化表面領域に到達すれば、まずこの微細構造化表面領域が液体により満たされる。微細構造化表面領域が液体により完全に満たされた時に、搬送力が作用することにより、液体は再び微細構造化表面領域から出て搬送方向へ移動する。それにより、大きな半径を持つ管路壁に沿った液体に比べて小さな半径を持つ管路壁に沿ったより速い搬送が阻止される。液体は湾曲管路を通って均等に搬送される。

特許文献３からも、微細構造要素が設けられた表面領域を有する装置が公知である。この表面は、一方の管路壁から対向管路壁に到る管路の拡大された個所へ延びている。装置の構造は、チャンバを貫流する液体から一定の物質をろ過して、該物質を抽出または濃縮する機能を有する（第７欄第４０行目〜第５７行目参照）。
国際公開第０２／０８５５２０号パンフレット 米国特許第６４５１２６４号明細書 米国特許第６３６８８７１号明細書

特許文献１に記載の技術では、微細構造が化学的処理、特にエッチングまたはイオン照射により製造される場合、今日公知の基体では不規則な構造を持つ表面が生じる。この表面は、計算によって厳密に把握することができない。

したがって、作用する毛管力を正確に表示することが難しい。しかしながら、異なる毛管力を持つ表面領域を製造すべき場合には、それぞれの表面領域を正確に認識し、あるいは所望の毛管力を有する表面領域を製造することが有利である。

公知の方法により製造された微細構造に関する別の問題は、液体を表面領域の１つに保持し、それにより表面領域に貯蔵できる液量も決定する毛管力の作用が比較的小さいことである。そのため、微細構造化表面領域は比較的少量の液体しか保有できない。

特許文献２による装置の湾曲管路内の微細構造化表面領域は液体の蓄積または貯蔵に適しておらず、あるいはそのようなことを想定していない。微細構造化表面領域の目的は、湾曲管路内の液体の均等な運動を保証することにある。つまり特許文献２から公知の装置は、本発明の趣旨における液体の取り扱いに適しておらず、特に一定の液量の蓄積または貯蔵には適していない。

特許文献３に記載の技術では、管路内の表面領域の微細構造要素は、所定の液量を蓄積または貯蔵することに適しておらず、またそのようなことを想定していない。表面領域内に所定量の試薬を貯蔵することも公知でない。

本発明の目的は、毛管力を正確に認識することができ、所定の液量を蓄積または貯蔵することに適し、所定量の試薬を貯蔵することができる、液体を取り扱うための装置ならびにその製造方法および使用を提供することである。

本発明は、制限された液量を取り扱うための装置であって、
少なくとも１つの基体を含み、
前記基体は異なる毛細管力が作用する表面領域を有し、
１つまたは複数の第１の表面領域はミクロおよび／またはナノ構造表面を有し、
前記ミクロおよび／またはナノ構造表面は規則的に配置された構造要素を有し、
前記基体および前記構造要素は１つの材料からなり、互いに一体に結合され、
１つまたは複数の第１表面領域は試薬を備え、
第２表面領域は前記第１表面領域の少なくとも１つを包囲していることを特徴とする装置である。

本発明において、第２表面領域の少なくとも１つは平坦に形成されていることを特徴とする。

本発明において、第１表面領域において、特に第２表面領域におけるよりも異なる毛細管力が作用することを特徴とする。

本発明において、前記構造要素は柱体を含むことを特徴とする。
本発明において、柱体は０．１〜５００μｍの直径を有することを特徴とする。
本発明において、柱体同士は０．１〜５００μｍだけ離れていることを特徴とする。

本発明において、柱体は０．１〜５００μｍの直径を有することを特徴とする。
本発明において、柱体は正方形、円形、三角形または六角形の断面を有することを特徴とする。

本発明において、構造要素は溝を含むことを特徴とする。
本発明において、溝は０．１〜５００μｍの幅を有することを特徴とする。
本発明において、溝は互いに０．１〜５００μｍだけ離れていることを特徴とする。

本発明において、前記溝は０．１〜５００μｍの深さを有することを特徴とする。
本発明において、溝は切欠き状に形成されていることを特徴とする。

本発明において、前記溝は互いに接続されていることを特徴とする。
本発明において、前記溝は管路構造を形成することを特徴とする。

本発明において、前記管路構造は網構造またはメアンダ構造を含むことを特徴とする。
本発明において、前記構造要素は小路を含むことを特徴とする。

本発明において、小路は０．１〜５００μｍの幅および０．１〜５００μｍの高さを有することを特徴とする。
本発明において、小路は互いに０．１〜５００μｍの間隔を有することを特徴とする。

本発明において、１つまたは複数の第１の表面領域は周囲表面に対して隆起していることを特徴とする。

本発明において、１つまたは複数の第１の表面領域は周囲表面に対して沈下していることを特徴とする。

本発明において、前記沈下した第１表面領域の縁は構造要素を形成する切欠きを有することを特徴とする。

本発明において、前記第１表面領域はマトリックス形状で配置されており、該第１表面領域は、好ましくは完全に、第２表面領域により包囲されていることを特徴とする。

本発明において、試薬は２つの構造要素間あるいは１つの構造要素内に埋め込まれた粒子を含むことを特徴とする。

本発明において、前記第１表面領域は正方形、円形、三角形あるいは六角形であることを特徴とする。

本発明において、関連する第１表面領域および／または第２表面領域の一部は周囲表面に対して沈下していることを特徴とする。

本発明において、前記一部は２つの基体によって形成された蓋によって閉鎖され、該一部と蓋との間に存在する空間は反応チャンバを形成することを特徴とする。

本発明において、該装置は第１の入口を有することを特徴とする。
本発明において、第１の入口は反応チャンバに開口する進入管路を有することを特徴とする。

本発明において、前記第１の入口は進入チャンバを含むことを特徴とする。
本発明において、第１の入口は蓋または基体における進入開口を含むことを特徴とする。

本発明において、該装置は出口を有することを特徴とする。
本発明において、出口は反応チャンバにおいて始まる排出管路を含むことを特徴とする。

本発明において、出口は排出チャンバを含むことを特徴とする。
本発明において、出口は蓋または基体における排出開口を含むことを特徴とする。

本発明において、該装置は１つまたは複数の第２の入口を有することを特徴とする。
本発明において、第２の入口は第１表面領域と接続した進入管路を含むことを特徴とする。

本発明において、第２の入口は進入チャンバを含むことを特徴とする。
本発明において、第２の入口は蓋または基体における進入開口を含むことを特徴とする。

本発明は、上述の制限された液量を取り扱うための装置の製造方法であって、
基体の表面において、異なる毛細管力が作用する表面領域を加工によって製造し、
前記加工の際に、第１表面領域において規則的に配置された構造要素によって形成されるミクロおよび／またはナノ構造表面を製造し、
さらに、第１表面領域の少なくとも１つを、それが第２の表面領域によって完全に包囲されるように、配置することを特徴とする方法である。

本発明において、第１表面領域上に、試薬を含む液体が与えられることを特徴とする。
本発明において、試薬は固定または乾燥されることを特徴とする。

本発明において、ミクロおよび／またはナノ構造表面は掘下げにおいて成形されることを特徴とする。

本発明において、前記掘下げは蓋によって閉鎖され、それによって掘下げが反応チャンバを形成することを特徴とする。

本発明において、該装置において反応チャンバへの少なくとも１つの第１の入口が製造されることを特徴とする。

本発明において、該装置において反応チャンバへの少なくとも１つの第２の入口が製造されることを特徴とする。

本発明において、前記第２の入口は液体および試薬の充填後に閉鎖されることを特徴とする。

本発明は、上述の制限された液量を取り扱うための装置の使用であって、該装置の第１表面領域上に試料が供給されることを特徴とする使用である。

本発明において、試料は第１表面領域上で固定または乾燥された試薬と反応することを特徴とする。

本発明において、試料は乾燥した試薬を溶解し、試料は試薬と共に反応チャンバから搬送されることを特徴とする。

本発明において、試料の供給前に、溶剤が第１表面領域へ与えられ、さらに好ましくは前記溶剤は乾燥した試薬を溶解し、溶剤は試薬と共に反応チャンバから搬送されることを特徴とする。

本発明は、試料の一部は固定された試薬と反応し、該試薬において貯留されることを特徴とする。

従来技術の諸問題は、本発明に従う請求項１による装置により解消される。本発明による装置の好ましい実施形態は、本発明の従属請求各項に記載されている。本発明による装置は、請求項４０〜４７による方法に従って製造でき、また請求項４８〜５２に従って使用できる。

液体を取り扱うための本発明による装置は、基体を備えている。この基体は、既知のように、異なる毛細管力を発揮する表面領域を有する。１つまたは複数の第１の表面領域は、規則的に配置された構造要素を備えたミクロ構造化表面および／またはナノ構造化表面を有する。その際に、構造要素はそれ以外の基体と一体的に結合されており、また該基体と同じ材料からなる。

規則的に配置された構造要素により、１つまたは複数の第１の表面領域において毛細管力が生起するが、それは液体を優先的に第１表面領域に滞留させる機能を果たす。毛細管力の作用は極めて強力であるため、第１表面領域周縁に接触する液体は毛細管力により第１表面領域に吸引される。この場合に、第１表面領域における構造要素の選択および形状により、該構造要素により惹起される毛細管力を調整することができる。この調整は、種々の形状の試用あるいは形状による毛細管力の厳密な計算により行うことができる。第１表面領域の所定の毛細管力により、所定の液量を第１表面領域内に蓄積および貯蔵することが可能である。たとえば、所定量の１つまたは複数の試薬液を表面領域内に貯蔵し、かつ不動態化させる、たとえば乾燥させることができる。それにより、所定量の試薬を第１表面領域内に配置させることが保証される。次に、第２の液量、たとえば試料液を第１表面領域上に供給できるが、この第２の液量も第１表面領域の公知の毛細管力により限定される、すなわち一定とされる。

本発明に従えば、1つまたは複数の第１表面領域は１つまたは種々の試薬を備えることができる。試薬は構造要素の間に貯蔵できる。さらに、試薬を粒子としてカプセル封入することが可能であり、その際の粒子はプラスチック粒子あるいは磁気粒子である。同様に、第２表面領域に試薬を備えることが可能である。

１つまたは複数の試薬は、１つまたは複数の第１表面領域において再懸濁可能状態で貯蔵することができる。そのために、液状試薬はピペットまたは類似器具を用いて装置の第１表面領域に供給できる。その際に試薬は表面に共有結合されるのではなく、適切な液体により再懸濁される。

試薬は、たとえば試料（液状被験物）により再懸濁できる。そのために、試薬は第１表面領域上に直接的に供給できる、あるいは管路系特に毛細管からなる管路系を介して入口から第１表面領域へ導くことができる。試料との接触により、試薬が溶解して動態化する。したがって、試薬が試料と反応できる。第１表面領域において乾燥した試薬は、乾燥のゆえに乾燥剤または乾燥試薬とも呼ばれて、試料中の一定の成分を検出するのに適している。つまり、乾燥剤は試料中成分の可視化に寄与できる。それは、簡便な着色あるいは通常の酵素化学光度的トレーサ反応により実施できる。該反応は、たとえば光技術的試験または肉眼でも分析できる。上記の光学方法のほかに、たとえば装置内電極による電子化学的分析法も適用できる。

試薬は、本発明による装置の第１表面領域内に永久的にも貯蔵しておくことができる。試薬を生物化学的ゾンデとして使用した場合には、第１表面領域へ供給された試料液中に存在する物質をそのような生物化学的ゾンデに結合することにより、物質の検出が可能となる。第１表面領域内に永久的に貯蔵された試薬は、試料液により再懸濁されない。試薬は、第１表面領域の表面に固定的に入り込んでいる。試料液中に存在する物質は、これらの挿入された試薬と反応する。反応生成物の洗浄は不可能である。むしろ、反応生成物は第１表面領域の現場でたとえば光学的方法により検査しなければならない。

本発明による装置は、たとえば以下の方法により製造できる。まず、基体表面において表面領域が前記基体の加工（たとえば切削加工、レーザ加工あるいはイオン照射加工）により製造されるが、それにより表面領域において少なくとも部分的に異なる毛細管力が作用する。加工時に第１表面領域にはミクロおよび／またはナノ構造表面が製造され、該表面は規則的に配置された構造要素により形成される。同様に基体製造時に、第１表面領域の微細構造をたとえば射出成形（微細射出成形法）により基体表面に形成することが可能である。それにより、基体は有利にプラスチックから構成できる。但し、本発明による装置の基体をガラスまたはシリコンから製造することも可能である。

本発明による装置において、好ましくは平坦に、つまりミクロまたはナノ構造なしに構成された第２の表面領域を設けることができる。これらの第２表面領域では、第１表面領域に比べて好ましくははるかに小さな毛細管力が作用するため、液体は優先的に第１表面領域において貯蔵される、あるいは優先的に第１表面領域により収容される。
本発明による装置の第１表面領域において、異なる大きさの毛細管力が作用し得る。

第１表面領域のミクロおよび／またはナノ構造のために設けられる本発明による装置の構造要素は、柱体とすることができる。これらの柱体の直径は、０．１〜５００μｍであり得る。柱体同士の間隔は、０．１〜５００μｍとすることができる。

柱体は、円形または多角形の断面であり得る。柱体の直径は、有利には０．１〜５００μｍとされる。

さらに構造要素は溝であり得るが、それらは好ましくは幅０．１〜５００μｍ、また深さ０．１〜５００μｍとされる。これらの溝は好ましくは平行に設けられ、相互の間隔は０．１〜５００μｍ、また深さは好ましくは０．１〜５００μｍである。溝は、直線状または円形に構成することができる。同様に、溝が切欠き状断面を有することが可能である。本発明に従えば、溝は互いに接続させることができ、また管路構造はたとえば網状またはメアンダ状とすることができる。

さらに、本発明による装置において構造要素として小路を設けることができる。これらの小路は、幅０．１〜５００μｍ、また高さ０．１〜５００μｍとすることができる。有利には小路は相互の間隔を０．１〜５００μｍとすると共に、互いに平行に配置される。

沈下位置にある第１表面領域では、沈下した表面領域の周縁に設けられた切欠きも構造要素として機能できる。このような切欠きは、たとえば米国特許第６２９６１２６号明細書の図６、参照符号１７からの毛細管ストップの解消手段として公知である。

本発明による装置において、１つまたは複数の第１表面領域は包囲表面に対して沈下させる、あるいは隆起させることができる。表面特性のそのような急激な変化およびそれにより生じる大きな毛細管力は、毛細管ストップの場合と同様に毛細管ジャンプを惹起するが、それにより隆起位置または沈下位置にある表面領域が著しく制限される。

第１表面領域はマトリックス形状で配置でき、しかも第１表面領域は部分的または好ましくは完全に第２表面領域により包囲されている。第１表面領域は特に出口および入口を有する装置のチャンバ内にも配置できるため、試料液は該チャンバを貫流できる。第１表面領域は左右および前後の双方において一列または複数列をなしてチャンバ内に配置でき、第１表面領域のそれぞれは第２表面領域により包囲される。

本発明による装置の第１表面領域は試薬の注入前に、プラズマ重合などのプラズマ法または湿式化学法により機能化できる。それにより、第１表面領域に貯蔵すべき試薬量が増加できる。

本発明による装置の好ましい実施形態において、関連する第１および／または第２表面領域の一部が周囲表面に対して沈下している。この関連する一部は蓋により閉じることができるが、該蓋は第１基体と同じ構成とし得る第２の基体により形成され、さらに該一部と蓋との間に存在する空間は反応チャンバを構成する。第２基体が第１基体と等しく構成された場合には、第２基体は有利には第１基体の第１表面領域に対向的に配置された第１表面領域を有する。

このような本発明による装置は、第１の入口を有する。この入口には、有利には反応チャンバに開口した進入管路、進入チャンバおよび／または蓋または基体における進入開口が含まれる。入口は、第１表面領域に直接的に開口することもできる。

同様に、本発明による装置において出口も設けることができる。この出口は反応チャンバから始まる排出管路を備えることができるが、該管路に対して有利には排出チャンバが隣接する。この排出チャンバは、蓋または基体における排出開口を介して周辺部と接続することができる。

本発明による装置の入口および出口は、一方で試料液の注入および取出しに使用される。他方で、入口および出口は本発明による装置、特にその反応チャンバにおける搬送工程中の通気および排気にも使用される。

さらに本発明による装置において、１つまたは複数の第２の入口を設けることができる。これらの第２入口は、第１入口と同様に、有利には進入管路、進入チャンバおよび／または蓋または基体における進入開口を備える。進入管路は、それぞれ第１表面領域と接続されている。しかし、第２入口の進入管路が第２表面領域と接続されることも想定できる。

本発明による方法において、基体の第１表面領域の製造後に試薬を含む液体を第１表面領域へ与えることができる。種々の第１表面領域に対して、種々の液体が供給できる。これらの液体は他の液体つまり試料と混合でき、試料は試薬と反応する。試薬を第１表面領域上で一時的に貯留する、たとえば乾燥させることも可能である。この場合には、試薬は固体物質として表面上に保持される。試料の供給により、これらの乾燥した試薬が溶解できる。次に試料は第１表面領域において、装置の別の反応チャンバ付近で、あるいは装置からの取出し後に装置外で溶解した試薬と反応する。さらに、乾燥した試薬を溶剤により溶解させた後に第１表面領域または本発明による装置の他の領域において試料液と混合させることにより、所望の反応を開始することができる。

同様に、試薬を第１表面領域に長時間貯留させる、すなわち固定することができる。試薬の貯留は、共有結合により実施できる。分析のために、試料は第１表面領域に注入できる。分析すべき物質が試料中に存在する場合には、当該物質は対応する第１表面領域に結合される。そのような結合反応は、適切な指示薬反応により検出できる。

第１表面領域のミクロまたはナノ構造表面は、基体の掘下げにおいて形成できる。この掘下げ部分を蓋により閉鎖することにより、掘下げ部分が反応チャンバとなる。この反応チャンバに対して、有利には第１の入口が設けられる。さらに第２の入口を設けて、液体および試薬の装置への進入を阻止することができる。第２入口の閉鎖には、それにより液体および試薬の量を厳密に計測して装置および反応チャンバへ供給すると共に、それらを周囲から隔離できるという利点がある。

本発明による装置の実施例は、図面に基づいて以下に詳しく説明される。
図１および図２に示された本発明による装置は、支持体１として表された直方体形状の基体からなる。支持体１の上面には、第１表面領域６ａ〜６ｅおよび第２表面領域７が設けられている。第１表面領域６ａ〜６ｅは互いに間隔を以て配置されており、これらの第１表面領域６ａ〜６ｅのそれぞれは平面図において四角形を有する。支持体１の第１表面領域６ａ〜６ｅは、微細構造表面を有する。それに対して、これらの第１表面領域を囲む第２表面領域７は平坦に構成されている。第１表面領域６ａ〜６ｅにおける微細構造表面により、第１表面領域６ａ〜６ｅでは第２表面領域７におけるよりも大きな毛細管力が作用する。

第１表面領域６ａ〜６ｅでは、各表面が異なる方法により微細構造化されている。但し、適用分野によっては、各表面が同一方法により微細構造化されている装置が有用であろう。これらの第１表面領域６ａ〜６ｅのすべてに共通なのは、第１表面領域６ａ〜６ｅの微細構造表面が規則的に配置された構造要素Ａ〜Ｅを有することである。この場合に、支持体１の第１表面領域６ａ〜６ｅは選択された構造要素の形状において異なっている。これらの異なる構造要素によって第１表面領域６ａ〜６ｅでは互いに異なる毛細管力が作用するが、該毛細管力はそれぞれの微細構造表面の液体貯留能力に対して決定的な影響を及ぼす。

第１表面領域６ａ〜６ｅの構造要素にとって共通なのは、それらが有利には支持体１の機械的加工のみにより製造されることであり、さらに支持体１は単一材料からなり、また構造要素を支持体１上に形成する方法はコーティングあるいはその類似方法ではない。

図１および図２による支持体１では、以下の構造要素Ａ〜Ｅが第１表面領域６ａ〜６ｅに設けられる。第１構造領域６ａは、構造要素として切欠き状溝Ａを有する。それらは、支持体１の横方向において互いに平行に配置されている。

第１表面領域６ａから離れて、かつ第２表面領域７により分離されて、第１表面領域６ｂが設けられている。この第１表面領域６ｂは、構造要素として格子状に配置された柱体Ｂを有する。これらの柱体Ｂの断面は円形である。

第１表面領域６ｂから離れて、かつ第２表面領域７により分離されて、第１表面領域６ｃが設けられている。構造要素として、ここでも溝Ｃが設けられ、該溝は同様に支持体１の横方向に配置されているが、その断面は矩形である。

第２表面領域７により分離され、かつ第１表面領域６ｃから離れて、第１表面領域６ｄが設けられている。この第１表面領域６ｄは、構造要素として支持体１の縦方向に位置する小路Ｄを有する。

別の第２表面領域により分離されて、支持体１の最後の第１表面領域６ｅが設けられている。この第１表面領域６ｅは構造要素として柱体Ｅを有するが、それは第１表面領域６ｂの柱体Ａとは異なり、断面が正方形である。

以下に、本発明による第２の装置を示す図３および図４を参照する。本発明による第２装置は支持体１として表された基体および蓋２を有しており、図３では見やすくするために支持体１のみが平面図に示されている。支持体１はその表面上に互いに接続されたいくつかの凹所を有しており、それらは蓋２により少なくとも部分的に閉鎖されている。それにより、支持体１の表面における凹所が支持体１と蓋２との間の中空部つまり管路を形成する。本発明による第２装置における中空部の１つは、反応チャンバ４を構成する。

反応チャンバ４は、入口３，３ａ，３ｂおよび出口５，５ａ，５ｂを介して周囲と接続している。入口は蓋２内の進入開口３ｂを有しており、この蓋は支持体１の上面における凹所により形成される進入チャンバ３ａと接続している。この進入チャンバ３ａは、進入管路３を介して反応チャンバ４と接続している。さらに反応チャンバ４は、排出管路５を介して排出チャンバ５ａと接続している。この排出チャンバ５ａから、蓋２における排出開口５ｂを介して周囲への接続が行われる。

進入管路３、反応チャンバ４および排出管路５は、入口３，３ａ，３ｂにおいて供給された液体が毛細管力または圧力などの他の搬送力の作用により入口３，３ａ，３ｂから反応チャンバ４へ入り、そこからさらに出口５，５ａ，５ｂ方向へ搬送できるように構成されている。本発明による第２装置による、ないしは該装置における液体のそのような搬送工程で必要な反応チャンバ４の通気および排気は、進入開口３ｂおよび蓋２における排出開口５ｂを介して行われる。

反応チャンバ４の底部は、支持体１の表面の一部により形成される。この一部は、関連する第１表面領域６ｂ，６ｄおよびそれらを囲む第２表面領域７からなる。第１表面領域６ｂ，６ｄは、規則的に配置された構造要素Ｂ，Ｄにより形成される微細構造表面を有する。これらの微細構造表面６ｂ，６ｄにおいては、それらを囲む第２表面領域７におけるよりも大きな毛細管力が作用する。それにより、第１表面領域６ｂ，６ｄは特に水または水性溶液に対する容易な濡れ性を有する（親水性）。

第１表面領域６ｂは、周囲の第２表面領域７に比べて沈下している。そのことには、第１表面領域６ｂに集合した液体が、第１表面領域６ｂの周縁における第１表面領域６ｂからの液体の溢れ出しを阻止する毛細管力をまず凌駕しなければならないという利点がある。そのため、沈下位置にある第１表面領域６ｂの周縁は、第１表面領域６ｂの周縁を越える液体搬送を阻止する一種の毛細管ストップを形成している。

構造要素として、本発明による第２装置の表面区域６ｄにおいて小路Ｄが設けられており、それらは互いに平行に配置されている。

本発明による第２装置の第１表面領域６ｂ，６ｄは、さらに試薬（有利には種々の試薬が対象となる）により処理される。すなわち、支持体１上に蓋２を搭載する前に、たとえばディスペンサを用いて試薬を第１表面領域６ｂ，６ｄへ供給する。次に、該試薬を第１表面領域６ｂ，６ｄにおいて乾燥させ、続いて支持体１上に蓋２を搭載して反応チャンバ４を閉鎖する。入口３，３ａ，３ｂを介して、試料液のみが本発明による第２装置内に供給されるが、該試料液は毛細管力または圧力などの別の搬送力によって反応チャンバ４に引き込まれ、そこで第１表面領域６ｂ，６ｄを湿潤させる。

蓋２は、通常は溶接または類似方法により支持体１に固定される。特に溶接の際に、第１表面領域６ｂ，６ｄに貯留されている高温に弱い試薬が損耗する恐れがある。しかし、この問題に対する解決策は図５〜図８に示された本発明による第３の装置により提供されており、以下に説明を行う。

図５〜図８に示された本発明による第３装置は、図３および図４による装置と同様に、支持体１と上方へ反応チャンバ４を限定する蓋２とを備えている。さらに本発明による第３装置は、図３および図４による本発明の第２装置と同様に、入口３，３ａ，３ｂおよび出口５，５ａ，５ｂを有する。反応チャンバ４は、第１表面領域６ｂおよび第２表面領域７の関連する一部により形成される。その際に第１表面領域６ｂは互いに間隔を以て、また第２表面領域７により分離されて配置されている。図５および図６の左側に示された第１表面領域６ｂは、第２表面領域７の包囲表面に対して沈下した位置にある。それに対して、前記図の右側に示された第１表面領域６ｂは、第２表面領域７の包囲表面に対して隆起した位置にある。構造要素として、両方の第１表面領域は小路Ｄを備えている。左側の第１表面領域６ｄの小路Ｄは反応チャンバ４の縦方向に互いに平行に設けられているが、右側の第１表面領域の小路Ｄは反応チャンバ４の横方向に互いに平行に設けられている。

左側に示された第１表面領域６ｄは反応チャンバ４の側壁から間隔があるが、右側に示された第１表面領域６ｄはその構造要素Ｄを以て縦方向に延びる反応チャンバ４の側壁に当着している。

左側に示された第１表面領域および右側に示された第１表面領域のいずれも、試薬に対する第２入口８，８ａ，８ｂを介して、本発明による第３装置の周辺と接続している。これらの第２入口は、第１表面領域６ｄに開口する進入管路８を有する。この進入管路８は進入チャンバ８ａと接続しており、該チャンバにはさらに蓋２を貫通する進入開口８ｂが接続している。

このような本発明による第３装置の長所は、支持体１上への蓋２の搭載後に、第２入口８，８ａ，８ｂの進入チャンバ８ａを介して試薬を本発明による第３装置へ送り込むことができることにある。試薬はたとえば作用する毛細管力により第１表面領域６ｂへ搬送され、そこで均一に分配された後にそこで有利には乾燥させられる。後の時点では、試料液は進入開口３ｂに送り込まれ、さらに作用する毛細管力により進入管路３を介して反応チャンバ４内に分配される。

以下に、本発明による装置およびそれらの本発明による使用が例示的に説明される。
実施例１
本発明の好ましい実施形態は、液体を検査できる微細構造装置（マイクロチップ）に関する。該マイクロチップは、充填領域と、少なくとも１つの微細構造を備えた検査領域と、さらにこの検査領域に配置され、かつ第２の表面領域により包囲されている第１表面領域とを含む。第１表面領域は基本的に規則的に配置された柱体、小路または沈下構造を含み、液体中に溶解された試薬（化薬品、酵素、抗体、核酸、化薬品をコーティングした粒子など）の注入（スポッティング）ならびに以後の乾燥処理によって、概ね検出用試薬として使用される乾燥剤（指示薬など）の貯留を可能とする。

マイクロチップの１つの好ましい実施形態において、第１表面領域の表面は一貫して親水性である。ディスペンサまたはピペットを用いて液滴または所定の液量をチップ表面の非構造化部分、たとえば第２表面に注入したならば、液滴は不規則かつ制御されずに流動し、試薬は表面上で不均等に乾燥または固定される、あるいは吸収されるであろう。したがって、以後のテストの精度が低下する結果となる。

しかしながら、本発明による実施形態においては、溶解した試薬を含む液滴または液量はディスペンサまたはピペットを用いた注入後に構造化された第１表面領域の境界内に留まるため、試薬は該表面構造により規定された形状区域内でのみ乾燥および貯留されることになる。したがって、そのようなスポットのそれぞれの位置が厳密に予測できるため、アレイ技術において常用される光学式スキャナによるスポットの自動読取りが簡素化される。

多数の薬剤を上記のように構造化した多数の表面領域に注入することにより、いわゆるアレイ・テストチップが作製できる。そのためにスポッティングに続いて、マイクロチップの構造化側の入口および出口以外を蓋（接着フォイル、プラスチック板、ガラス板など）により閉鎖する。

試料液の分析のために、試料は入口から検査チャンバへ導かれ、そこで各試料成分が種々のスポットと反応できる。

マイクロチップは、核酸や蛋白質などの生体分子を含む液体の応用および試験に適している。

実施例２
ストレプトアビジンの固定
ストレプトアビジンを固定するために、実施例１によるマイクロチップの微細構造化された第１表面領域をストレプトアビジンにより被覆する。そのために、実験用ディスペンサ（ＧｅＳｉＭ）を用いてストレプトアビジン０．１μｌ（０．１モルのリン酸緩衝液、ｐＨ７．０中に１μｇ／ｍｌ）を微細構造化された各第１表面領域に注入して乾燥させる。続いて、結合されなかった余剰のストレプトアビジンを０．１モルのリン酸緩衝液、ｐＨ７．０を用いた洗浄により除去する。表面に結合するストレプトアビジンの量を増加させるために、第１表面領域をスポッティング前にたとえばプラズマ重合などのプラズマ法または湿式化学法により機能化させることができる。

分析のために、チップ表面全体に異なる濃度（ＰＢＳ中で１．０μＭ）の蛍光ビオチン・試料を供給し、３０秒の培養時間後に洗浄緩衝液により除去する。チップは続いて蛍光顕微鏡または４８５／５２５ｎｍでの蛍光リーダ（Ｖｕｒｔｅｋ−Ｒｅａｄｅｒ）を用いて光学的に測定できるが、蛍光強さは蛍光ビオチンの濃度と相関する。

実施例３
抗体用マイクロアレイの製造
抗体用マイクロアレイでは、高密度の抗体がプラスチック板（基体）の第１表面領域上に塗布されて固定される。前記プラスチック板は抗体の固定後に管路構造（管路板）を備えた第２のプラスチック板と結合されるため、その管路構造を介して外部からの液体を第１表面領域へ貫流させることができる。試料液中の抗原を検出するために、試料（たとえば細胞液）は入口および管路構造を介して反応チャンバ４およびその第１表面領域へ送り込まれる。所定の時間経過後に、試料は洗浄により反応チャンバから除去される。適切な指示薬液の供給により、結合された抗原が検出できる。

実施例４
尿試料中の伝染病に関する酵素学的決定
反応チャンバ内の個別の第１表面領域（スポット）は、白血球、亜硝酸塩、アルブミン、潜血、クレアチニンの酵素学的検出用試薬を含んでいる。液状試料中に分析物が存在するならば、試験区域における色の急変が生じるため、肉眼、色スケールあるいは光学的検査により分析することができる。

実施例５
尿中のヒト絨毛性性腺刺激ホルモン（ｈＣＧ）の決定（サンドウィッチ・イムノアッセイ）
所定量の尿試料がピペットを用いて該装置の入口に挿入され、そこから毛細管作用により中央管路に流入し、反応チャンバの再懸濁領域において第１表面領域に存在する乾燥して色素により表示されたｈＣＧに対する抗体を吸収して、溶解させる。尿中のヒト絨毛性性腺刺激ホルモン（ｈＣＧ）は、尿試料内に溶けたｈＣＧ−抗体に結合する。

ｈＣＧと結合した抗体および非結合抗体は、毛細管力によりさらに反応チャンバの試験区域に流入する。試験区域では、第１表面領域が提供される。これらの第１表面領域は、ｈＣＧホルモンの別のエピトップに対して固有で、再懸濁可能でない２種類の固定されたｈＣＧ−抗体を含む。該抗体も、第１抗体が既に結合した既存のｈＣＧに結合する。それにより、固定されたサンドウィッチ状分子錯体が生じる。

洗浄工程により第１反応チャンバに存在する非結合抗体が除去されて、結合つまりｈＣＧの検出が着色により証明される。試料中のｈＣＧの存在は、試験領域の着色によりたとえば肉眼で定性的に証明することができる。

実施例６
血漿内グルコースの決定
以下に、血漿内グルコースの化学発光学的決定について説明するが、グルコースはグルコース−酸化酵素により触媒的に変換されてグルコン酸となる。その際に生じる過酸化水素は過酸化酵素の存在下で発光反応においてルミノールと反応する。この際に、ルミノールが酸化されて３−アミノフタル酸塩となり、青波長範囲（４２５ｎｍ）の光が発せられる。この場合の発光の強さはグルコース濃度に比例しており、フォトマルチプライヤまたはフォトダイオードなどの感光性センサにより測定できる。

１つまたは複数の試薬は、該装置の再懸濁区域の第１表面領域において乾燥形態で存在する。装置の第１表面領域は、適切に前処理される。通常は、ディスペンサ技術により錯体形成試薬が液状で再懸濁区域の表面に注入され、続いて乾燥される。そのためにピペット・ステーションまたは標準型ラボロボット（ベックマン・クルター社製Ｂｓｐ．Ｂｉｏｍｅｋ）が使用されるが、それらによりマイクロリットル範囲の微量の採取が可能となる。第１表面領域は、注入された液体が第１表面領域のみを湿潤させ、周囲の第２表面領域ではなく、隣接する管路またはキャビティに流入すべく、構成されている。当該実施例では、グルコース−酸化酵素（１００Ｕ／μｌ）、微生物過酸化酵素アルトロミセス・ラモスス（２００Ｕ／μｌ）、およびルミナール（１０ｍＭ）からなる混合物の１μｌを試薬として再懸濁区域に注入した後に、乾燥させた。

構造化された第１表面領域を含む再懸濁区域をたとえば接着フォイルによって密封または被覆した場合、装置は稼働態勢となり、適切な試料を充填できる。試薬を当初から固体として、たとえば親液体、粉末、ペレット、錠剤、プラスチック粒子（ビーズ）などの形状でチップ上に準備されたキャビティに挿入することもできる。

試料として、２μｌのＫ₂ＥＤＴＡ血液または血漿をピペットを用いて装置入口に挿入し、そこから血液試料が毛細管力により搬送管路および再懸濁区域に入り、さらに培養区間へ搬送される。試料が再懸濁区域を貫流する間に、乾燥剤が溶解し、試料と混合される。培養区間は、薬剤と試料との間の所定の反応時間を調整する機能を果たす。反応時間として規定されるのは、試料が培養区間を完全に通過するために要する時間である。反応時間は、培養区間の毛細管断面積およびその表面特性により正確に調整できる。このように前処理された試料は最終的に集合管路に流入し、そこで生じた光信号が外部の透明蓋に設置されたフォトマルチプライヤにより測定される。

本発明による第１の装置の平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 本発明による第２の装置の支持体の平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った本発明による第２の装置の断面図である。 本発明による第３の装置の支持体の断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った本発明による第２の装置の断面図である。 図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った本発明による第３の装置の断面図である。 図５のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った本発明による第３の装置の断面図である。

符号の説明

１ 支持体
２ 蓋
３ 進入管路
３ａ 進入チャンバ
３ｂ 進入開口
４ 反応チャンバ
５ 排出管路
５ａ 排出チャンバ
５ｂ 排出開口
６ａ〜６ｅ 第１表面領域
７ 第２表面領域
８ 進入管路
８ａ 進入チャンバ
８ｂ 進入開口
Ａ〜Ｅ 構造要素

Claims (49)

1. 制限された液量を取り扱うための装置であって、
   少なくとも１つの基体（１）を含み、
   前記基体（１）は、液体の入口（３，３ａ，３ｂ）と、液体の出口（５，５ａ，５ｂ）と、入口から出口にわたる液体の流路とを有し、
   流路は基体（１）の表面によって規定されると共に、入口から出口までの間に幅が一定の部位を有し、
   流路の幅が一定の部位を規定する基体（１）の表面の部分は、
   ミクロおよび／またはナノ構造が設けられて、毛細管力が作用する複数の第１表面領域（６ａ〜６ｅ）であって、流路の幅未満の幅の複数の第１表面領域（６ａ〜６ｅ）と、
   第１表面領域（６ａ〜６ｅ）以外の全領域の第２表面領域（７）であって、第１表面領域に作用する毛細管力に比べて弱い毛細管力が作用する第２表面領域（７）を有し、
   第１表面領域（６ａ〜６ｅ）の前記ミクロおよび／またはナノ構造は、規則的に配置された構造要素（Ａ〜Ｅ）を有し、
   前記基体および前記構造要素は１つの材料からなり、互いに一体に結合され、
   第１表面領域（６ａ〜６ｅ）の少なくとも１つは試薬を備え、
   第２表面領域（７）は、前記複数の第１表面領域の全てを包囲している
   ことを特徴とする装置。
2. 第２表面領域（７）の少なくとも一部は平坦に形成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記ミクロおよび／またはナノ構造の構造要素は柱体（Ｂ，Ｅ）を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 柱体（Ｂ，Ｅ）は０．１〜５００μｍの直径を有することを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 柱体同士（Ｂ，Ｅ）は０．１〜５００μｍだけ離れていることを特徴とする請求項３または４記載の装置。
6. 柱体（Ｂ，Ｅ）は０．１〜５００μｍの直径を有することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項記載の装置。
7. 柱体（Ｂ，Ｅ）は正方形、円形、三角形または六角形の断面を有することを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記ミクロおよび／またはナノ構造の構造要素は溝（Ａ，Ｃ）を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 溝（Ａ，Ｃ）は０．１〜５００μｍの幅を有することを特徴とする請求項８記載の装置。
10. 溝（Ａ，Ｃ）は互いに０．１〜５００μｍだけ離れていることを特徴とする請求項８または９記載の装置。
11. 前記溝は０．１〜５００μｍの深さを有することを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 溝（Ａ）は切欠き状に形成されていることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記溝は互いに接続されていることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 前記溝は管路構造を形成することを特徴とする請求項８〜１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記管路構造は網構造またはメアンダ構造を含むことを特徴とする請求項１４記載の装置。
16. 前記構造要素は小路（Ｄ）を含むことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の装置。
17. 小路（Ｄ）は０．１〜５００μｍの幅および０．１〜５００μｍの高さを有することを特徴とする請求項１６記載の装置。
18. 小路（Ｄ）は互いに０．１〜５００μｍの間隔を有することを特徴とする請求項１６または１７記載の装置。
19. １つまたは複数の第１の表面領域は周囲表面に対して隆起していることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の装置。
20. １つまたは複数の第１の表面領域は周囲表面に対して沈下していることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載の装置。
21. 前記沈下した第１表面領域の縁は構造要素を形成する切欠きを有することを特徴とする請求項２０に記載の装置。
22. 前記第１の表面領域（６）はマトリックス形状で配置されており、該第１表面領域は、完全に第２の表面領域により包囲されていることを特徴とする請求項１〜２１のいずれか１項に記載の装置。
23. 試薬は前記ミクロおよび／またはナノ構造の２つの構造要素間あるいは１つの構造要素内に埋め込まれた粒子を含むことを特徴とする請求項１〜２２のいずれか１項に記載の装置。
24. 前記第１表面領域は正方形、円形、三角形あるいは六角形であることを特徴とする請求項１〜２３のいずれか１項に記載の装置。
25. 連接する第１表面領域（６ａ〜６ｅ）および／または第２表面領域（７）の一部は周囲表面に対して沈下していることを特徴とする請求項１〜２４のいずれか１項に記載の装置。
26. 前記一部は２つの基体によって形成された蓋（２）によって閉鎖され、該一部と蓋（２）との間に存在する空間は反応チャンバ（４）を形成することを特徴とする請求項１〜２５のいずれか１項に記載の装置。
27. 入口（３，３ａ，３ｂ）は反応チャンバ（４）に開口する進入管路（３）を有することを特徴とする請求項１〜２６のいずれか１項に記載の装置。
28. 入口（３，３ａ，３ｂ）は進入チャンバ（３ａ）を含むことを特徴とする請求項１〜２７のいずれか１項に記載の装置。
29. 入口（３，３ａ，３ｂ）は蓋（２）または基体（１）における進入開口（３ｂ）を含むことを特徴とする請求項１〜２８のいずれか１項に記載の装置。
30. 出口（５，５ａ，５ｂ）は反応チャンバ（４）において始まる排出管路（５）を含むことを特徴とする請求項１〜２９のいずれか１項に記載の装置。
31. 出口（５，５ａ，５ｂ）は排出チャンバ（５ａ）を含むことを特徴とする請求項１〜３０のいずれか１項に記載の装置。
32. 出口（５，５ａ，５ｂ）は蓋（２）または基体（１）における排出開口（５ｂ）を含むことを特徴とする請求項１〜３１のいずれか１項に記載の装置。
33. 該装置は前記入口（３，３ａ，３ｂ）のほかに１つまたは複数の付加的入口（８，８ａ，８ｂ）を有することを特徴とする請求項１〜３２のいずれか１項に記載の装置。
34. 付加的入口（８，８ａ，８ｂ）は第１表面領域（６ｂ）と接続した進入管路（８）を含むことを特徴とする請求項３３記載の装置。
35. 付加的入口（８，８ａ，８ｂ）は進入チャンバ（８ａ）を含むことを特徴とする請求項３３または３４記載の装置。
36. 付加的入口（８，８ａ，８ｂ）は蓋（２）または基体（１）における進入開口（８ｂ）を含むことを特徴とする請求項３３〜３５のいずれか１項に記載の装置。
37. 請求項１〜３６のいずれか１項に記載の制限された液量を取り扱うための装置の製造方法であって、
    基体（１）の表面において、異なる毛細管力が作用する表面領域（６ａ〜６ｅ，７）を加工によって製造し、
    前記加工の際に、第１表面領域（６ａ〜６ｅ）において規則的に配置された構造要素（Ａ〜Ｅ）によって形成されるミクロおよび／またはナノ構造表面を製造し、
    さらに、前記第１表面領域の全てを、それらが第２の表面領域によって完全に包囲されるように、配置することを特徴とする方法。
38. 第１表面領域（６ａ〜６ｅ）上に、試薬を含む液体が与えられることを特徴とする請求項３７記載の方法。
39. 試薬は固定または乾燥されることを特徴とする請求項３７または３８記載の方法。
40. ミクロおよび／またはナノ構造表面は掘下げにおいて成形されることを特徴とする請求項３７〜３９のいずれか１項に記載の方法。
41. 前記掘下げは蓋（２）によって閉鎖され、それによって掘下げが反応チャンバを形成することを特徴とする請求項４０記載の方法。
42. 該装置において反応チャンバへの少なくとも１つの入口が製造されることを特徴とする請求項４１記載の方法。
43. 該装置において反応チャンバへの少なくとも１つの付加的入口が製造されることを特徴とする請求項４１または４２記載の方法。
44. 前記付加的入口は液体および試薬の充填後に閉鎖されることを特徴とする請求項４３記載の方法。
45. 請求項１〜３６のいずれか１項に記載の制限された液量を取り扱うための装置の使用であって、該装置の第１表面領域（６ａ〜６ｅ）上に試料が供給されることを特徴とする使用。
46. 試料は第１表面領域上で固定または乾燥された試薬と反応することを特徴とする請求項４５に記載の使用。
47. 試料は乾燥した試薬を溶解し、試料は試薬と共に反応チャンバから搬送されることを特徴とする請求項４５または４６記載の使用。
48. 試料の供給前に、溶剤が第１表面領域へ与えられ、さらに好ましくは前記溶剤は乾燥した試薬を溶解し、溶剤は試薬と共に反応チャンバから搬送されることを特徴とする請求項４５〜４７のいずれか１項に記載の使用。
49. 試料の一部は固定された試薬と反応し、該試薬において貯留されることを特徴とする請求項４５〜４７のいずれか１項に記載の使用。

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