JP5015783B2 - 流体検査システム - Google Patents

Description

本発明は、マイクロチャネルを有する流体容器、及び流体検査用であるそのような容器を有する検査システムに関する。

集積されたプラットフォームでの小さな試料の検査は、生物学及び医学の分野においてますます重要となっている。そのようなプラットフォームは一般的に、処理される流体構成要素を含み、かつ案内するマイクロチャネルを有する。ここでの処理とはたとえば、輸送、反応又は計測である。特許文献1から、コンパクトディスク(CD)のような装置に集積され、かつ試料である流体を操作する様々な手段を有する検査用プラットフォームが既知である。前記検査用プラットフォームは特に、電圧を切り換えるのに集積された配線を必要とする金属ホイルを有するバルブを有して良い。
米国特許第6030581号明細書 米国特許出願公開第2004/0050436号明細書 ユー(Yu)他、Analytical Chemistry誌、第75巻、pp.1958-1961、2003年

この状況に基づき、本発明の目的は、少量の流体試料を検査する、高い信頼性を有し、かつコスト効率の良い手段の提供である。

上記目的は、請求項1に記載の流体容器、及び請求項8に記載の流体用検査システムによって実現される。好適実施例は従属請求項にて開示される。

本発明に従った流体容器は、マイクロチャネルを有し、そのマイクロチャネルは、処理及び/又は検査される流体（気体又は液体）を含み、かつ案内する。“マイクロチャネル”という語は、少量の試料の分析を可能にする流体容器の小型化を意味する。マイクロチャネルは一般的に、1μmから1000μmの範囲で、好適には10μmから100μmの範囲の高さを有する長方形である。チャネル幅は重要な設計パラメータではなく、一般的には1μmから1000μmの範囲である。本発明に従うと、少なくとも1つの“活性素子”が、マイクロチャネルのうちの少なくとも1つの中の固定された場所に設けられる。活性素子がマイクロチャネル内に設けられる際には、光源からの光ビームが活性素子に到達できるようにする。光源は、流体容器の内部であっても良いし、又はその外部であっても良い。（単色又は多色の）光ビームの波長は一般的には、350nmから850nmの範囲にある。ただし、有用であれば、他の波長（たとえば赤外）が用いられても良い。活性素子はその名の通り、光の効果によって、非活性状態から活性状態へ遷移させることができる。活性素子は、“非活性状態”及び“活性状態”という、それぞれ異なる状態をとる。“状態”という語はここでは、形態と大きさの両方を意味するものとする。それによりたとえば、それぞれ異なる直径を有する2つの球は、それぞれ異なる状態を有するものとみなされる。それぞれ異なる状態は特に、体積の差異、及び/又は少なくとも1方向における伸張の差異と関連して良い。前記差異は、5%より大きいことが好ましく、20%より大きいことが最も好ましい（小さな、（体積）/（伸張）の比に対して）。よってその差異は、加熱によってすべての材料で生じる、通常の熱膨張に係る差異よりもかなり大きい。活性素子は全体として、活性状態でも非活性状態でも一貫して液体ではない。それにより、活性素子は、これらの状態で画定された状態をとる。

上述の種類の流体容器はかなりコスト効果良く製造することが可能である。その理由は、その容器は、電気的装置又は電気配線を必要としないからである。その代わり、バルブ又はポンプのような流体流の制御素子は、光ビームが接近できる適切な材料の活性素子によって実現可能である。光ビームはたとえば、コンパクトディスクプレーヤーの読み取り/書き込み装置に類似する光学系によって生成されて良い。このことは、多くの市販部品が利用可能であること、及び直接的な機械的接触を起こさずに流体容器の制御が可能であるという利点を有する。しかも光源は大抵の場合、たとえば試料の光学的分析のような、他の目的にも利用可能である。

光の効果によって活性素子の状態を変化させるには、様々な方法で実現可能である。好適実施例に従うと、活性素子は、熱が加えられるとき、又は熱が除去されるときに、相転移を起こす材料（たとえばワックス）を有する。その相転移を起こす温度範囲は、約10℃から約80℃の範囲であるのが好ましく、約30℃から約40℃の範囲の温度であるのが最も好ましい。この場合、適した材料の物理的相転移に係る体積変化が利用されるので、活性素子は複雑な方法で構築される必要がなく、単純に、ある量又は質量を有する材料であって良い。相転移はたとえば、固相、液相及び気相間の転移及び/又は異なる種類の固相（結晶構造）間の転移のうちの1つであって良い。

本発明の好適実現方法では、活性素子は、ゲル、特に高い臨界溶液温度を有するヒドロゲルを有する。そのようなヒドロゲルは、低温では、たとえば水のような溶媒中で分解し、膨張するが、高温では相分離する。つまり、溶媒がゲルの外へ移動し、ゲルが消失する。そのようなゲルの相転移に関係する体積変化は、最大200%以上である。ゲルは任意で、反応速度を改善し、かつ拡散プロセスを加速させるために、表面領域を拡大するような構造の設計を有して良い。

上述の実施例のさらに別な開発例では、活性素子は、吸収した光を熱に変換する変換材料を有する。前記変換材料は、異種同士若しくは同種同士を混合させても良いし、又はゲルと化学的に結合しても良い。それにより、活性素子全体で光を吸収することで、速くて均一な転移が実現する。あるいはその代わりに変換材料は、ゲルとは離れて設けられて良いし、任意で、中間保護層によってゲルと隔離されても良い。いずれの場合でも、変換材料で発生した熱は、ゲルに伝わらなければならない。

活性材料の状態変化は、流体容器内での流体流を効率的に制御するのに用いられて良い。活性素子はたとえば、マイクロチャネル内に設けられることで、膨張状態では前記マイクロチャネルをブロックする。よって活性素子は、マイクロチャネルを介して流れる流体を選択的に流す又は阻止するバルブとして機能する。

流体の流れを制御する場合における活性素子の別な利用法に従うと、活性素子が、その膨張状態のときには、前記マイクロチャネルの外に流体を送り出すように、マイクロチャネルの壁の少なくとも1つに沿って設けられている。活性素子はさらに、その膨張状態でマイクロチャネルをブロックしても良いし、しなくても良い。この場合、より重要なことは、ある量の流体がマイクロチャネルの容積から放出されることで、活性素子がポンプとして機能する効果である。

流体容器のマイクロチャネルは、たとえばガラス又は透明プラスチックのような透明材料によって少なくとも部分的に被覆されて良い。よって、そのようなマイクロチャネル内に設けられる活性素子は、光ビームが容易に到達することで、活性状態への所望の転移を起こすことができる。

本発明は、流体用検査システム（特に典型的な容積が100nlから100μlである少量の流体用の）に関する。その検査システムは、
上述の型の流体容器；
光ビームで前記流体容器の活性素子を選択的に照射する光学系；
を有する。上述の型の流体容器とは、つまりマイクロチャネルを有する流体容器であって、前記マイクチャネル内には、光ビームが到達可能なように、少なくとも1つの活性素子が設けられていて、前記活性素子は光によって、それぞれ異なる状態である活性状態に転移できる、流体容器である。

上述の検査システムは、上述の種類の流体容器中での試料の操作を全て実行できる装置を供する。この場合、流体容器の活性素子は、光学系つまり流体容器の外部で発生する光によって制御される。従って流体容器は、可能な限り単純な構成であって良い。たとえば、マイクロチャネル、活性素子及び試料のみを有していて良い。もちろん上述の流体容器に係る全ての特別な実施例は、検査システムと接続して用いられて良い。従って、検査システムの詳細、利点及び改良に関するさらなる情報については、これまでの説明を参照のこと。

検査システムのさらに他の開発例では、光学系は、活性素子への所望の効果に基づいて、位置、強度及び/又は光ビームの照射時間を制御する制御装置を有する。たとえば活性素子がマイクロチャネル中でバルブとして機能し、かつ前記バルブがある期間開いたままである場合、光ビームは確実にその所望の効果を起こす。それはたとえば、十分なエネルギーを付与することで、ヒドロゲル中での相転移を維持すること、及び流れている流体の冷却効果を補償することである。

さらに光学系は、流体容器内部の領域を集束レーザービームで走査する手段を有して良い。そのような手段は特に、コンパクトディスクプレーヤーの読み取り/書き込みユニットから得られて良い。レーザービームを走査及び集束することで、複数の活性素子を制御するのに、1つの光源のみ供するだけで良いという利点が得られる。走査は通常、活性素子内での熱的過程によって生じる慣性によって、実質的にほぼ同時に多数の活性素子を切り換えるのに十分な速さで実行されて良い。

本発明の別な実施例に従うと、検査システムの光学系は、試料の光学的処理を実行するように備えられていて良い。たとえば、光ビームを発生させ、その光ビームを試料へ案内することで、たとえば化学反応又は蛍光の刺激のような処理を起こすことが可能である。しかも光学系は、試料の光学特性を計測するために、試料から放出される（反射、透過、発光…）光を回収するように備えられて良い。

本発明のこれら及び他の態様は、以降で説明される実施例を参照することで明らかになる。

以降では、添付の図の助けを借りながら例示によって本発明を説明する。

流体容器10のような集積された小型化流体プラットフォームでの生物学的試料の分析は、医療処置及び製薬開発においてますます重要になっている。しかし実際にこの技術を成功させるには、信頼性、操作の容易さ、及びそのような装置が安価であることに強く依存する。リーダー内に挿入されるハンドヘルドの使い捨てカートリッジは、試料及び内部標準試料の調製、混合、濾過、分離及び測定などの複雑な手順を実行する必要がある。これらの手順は、生物学的検定法の種類及び検出の種類に依存する。この手順では、マイクチャネル内の流体体積を精密に操作する必要がある。

この目的のため、多くの方法が提案されてきた。そのような方法の第1カテゴリーは、所謂受動流体素子である。受動流体素子は外部の力学的な力を利用する。そのように利用される力とはたとえば、膜によるプッシュピンのような効果、流体ポンプ、遠心力、又は圧縮空気（空気圧作動）である。受動素子は、その機能が限られていること、及び界面が不安定であることに悩まされている。そのようなシステムでの、カートリッジとリーダーとの間の機械的界面及び/又は流体的界面には、高い精度及び確かな保守が必要となる。

第2のカテゴリーは能動素子である。能動素子では、カートリッジでの流体による作動は、“機械的な”界面なしで実現され、界面はむしろ電気的界面である。続いて電気信号及び電気エネルギーは、液体自体の運動（電気泳動）又はチャネル壁の運動（MEMS素子のような）に変換される。電気機械的に作動する能動素子は、信頼性が高く高価な基板に基づくMEMS（マイクロ電気機械システム）技術を必要とする。コストを別にしても、バルブ及びポンプの信頼性及び適切な機能は、依然として問題である（オフ状態でのデッドボリューム、漏れ電流をなくすという要件など）。

本明細書で提案された、高い信頼性を有するコスト効率の良い検査システムの様々な実施例が図示されている。図1は、流体容器10、及びそれに付随する光学系30の一部の断面を概略的に図示している。光学系30は、生物学的流体、化学的流体、生化学的流体又は他の流体の検査用である。流体容器10は基本的には、たとえばガラス板のような基板12で構成される。基板12上には、たとえばプラスチックのような透明材料からなるミクロ構造を有するふたが設けられている。前記ミクロ構造を有するふた11はマイクロチャネル13及び14を有する（マイクロチャネルのうちの2つの断面が図1に図示されている）。マイクロチャネルは、容器10内で検査される流体を含み、かつ案内する。

さらに“活性素子”1は、マイクロチャネル13及び14内に設けられる。活性素子1は光ビーム35の影響下でその体積を変化させ、それによってマイクロチャネル13及び14を介する流体の運動を制御することができる。図1の左側にあるマイクロチャネル14では、そのような活性素子1の膨張状態すなわち“非活性化”状態が図示されている。この状態では、活性素子1の体積が大きくなるため、マイクロチャネル14をブロックし、流体の流れを妨げる。図1の右側にあるマイクロチャネル13では、そのような活性素子1の収縮状態すなわち“活性化”状態が図示されている。この状態では、活性素子1の体積が小さくなるため、このマイクロチャネル13を介して流れる流体の流路の余地が生じる。活性素子の変動は、局所的にそれぞれ異なる接合を、マイクロチャネル13及び14の壁に供することによって、膨張又は収縮の影響を受けることができる。つまり、強く接合する領域はその場所に留まる一方で、弱く接合する領域は、マイクロチャネルの内壁に対して変動することができる。

活性素子1は特に、応答性ゲルを有して良い。（一般的には）水中での溶解度が変化する結果、長さが変化することによって、ポリマーゲルは、環境変化に応答することができる。環境からの刺激は、pH、電荷又は温度であって良い。高い臨界溶液温度(UCST)を有するゲルは、低温では溶媒中で非常によく溶ける（し、かつ膨張する）が、高温では相分離する（非特許文献1参照）。そのようなゲル系の体積変化は極端に大きい(>200%)。さらに特許文献2は、熱によって誘起される架橋によって、液状の状態（“ゾル”）から固体状の状態（“ゲル”）へ転移可能なポリマーの利用について説明している。ここで、マイクロチャネルがブロックされるときには、前記ポリマーは、ゾルとして試料である液体へ加えられ、選択的にゲルに変換される。

しかも活性素子1は、“変換材料”又は色素を有する。その“変換材料”又は色素は、特定波長（たとえばCD-Rでの785nm又はDVD-Rでの650nmのような）のレーザー放射線を吸収し、吸収した光を熱に変換する。その色素は、調製中にヒドロゲルに加えられて良い。

図1の上部では、レーザービーム35を発生させる光学系30が概略的に図示されている。光学系30は、発散レーザービームを発生させる光源を有する。前記レーザービームは、第1レンズ（又はレンズの組）32によってコリメートされ、ミラー33によって反射され、そして対物レンズ34によって容器10に集光される。活性化（収縮）状態を有する、マイクロチャネル13の活性素子内に、レーザービーム35の焦点が存在するように、光学系30は調節される。光学系30全体、又は、たとえば対物レンズ34とミラー33のような光学系30の一部は、流体容器のより大きな領域を走査できるように、可動であることが好ましい。対応する特徴を有する光学系30は特に、コンパクトディスクプレーヤー又はレコーダーの読み取り/書き込みユニットから得られて良い。しかもその光学系は、たとえば吸収又は蛍光特性の測定のように、試料の処理及び/又は分析を同時に実行するように備えられて良い。

図2は、流体容器10の代替的実施例を図示している。図1の実施例と同一の部品については同一の参照番号を付し、それらについて再度の説明はしない。図1とは対照的に、マイクロチャネル13及び14中の活性素子2は、純粋なヒドロゲルブロック2a及び変換材料2bからなる分離層で構成される。前記変換材料2bは、入射光ビーム35の方向に対してヒドロゲル2aの下に設けられている。変換層2bは、図1に従ったシステムで用いられた、ヒドロゲルとの混合物中に存在する色素と同一の色素で構成されて良い。

図1及び図2がレーザービーム35を透過するシステム構成を図示しているが、レーザービーム35を反射するシステム構成を用いることも可能である。この場合、基板12の上面にはたとえば、活性素子の方向へレーザービームを反射する反射コーティングが供されて良い。さらに（透過又は反射によって）容器10を離れる方向に進行するレーザー光は任意で分析されることで、活性素子及び/又は試料である流体についての情報が供されて良い。

しかも当然のこととして、複数またさらには全ての活性素子をそれぞれ個別的にかつ同時に照射するため、2つ以上の光源を用いることも可能である。

提案されたシステムの中心的態様は、集束及び作動レーザービーム35を熱源として利用して、マイクロ流体プラットフォーム上で液体を操作することである。レーザー及びレーザー操作システムは、基本的にはCD-Rのような光学データ記憶で用いられる光ピックアップのような装備を有する。その装備と光学データ記憶で用いられる光ピックアップとの重用な差異は、基板は回転しないが、流体容器10が静止していることである。

図1又は図2に図示された装置の動作中、レーザービーム35は、流体容器すなわちカートリッジ10を走査し、レーザー出力は、必要な場所に必要な出力が与えられるように時間的に変調する。すでに述べたように、出力の吸収は、調製中に色素をヒドロゲルに加えることによって実現される（図1）。あるいはその代わりに、ヒドロゲル2aの直下に設けられた薄いポリマー層2b中でも、出力の吸収は実現される（図2）。照射することで、光35は熱に変換され、その変換された熱はヒドロゲルを消失させる。レーザービーム35の作動は、熱伝導に比べて非常に速くできるので、複数の場所をほぼ同時に加熱することが可能である。ヒドロゲルが加熱されていない状態ではチャネルをブロックし、加熱によってチャネルを開放する場合、そのヒドロゲルはバルブとして動作できる（図1及び図2）。組をなすそのようなバルブが正確に協働することによって、液体の流路は、目的に対してリアルタイムで調節できる。バルブ系が様々な動作をすることによって、蠕動性ポンプ動作が実現可能である。その系の応答時間は、ゲル構造の長さ並びにレーザーの焦点及び出力制御を介して調節される。

以降では、検査システムの具体例をより詳細に説明する。この例では、ポリNIPAA（N-イソプロピルアクリルアミド）がヒドロゲルとして用いられている。水中でのポリNIPAAを確実に切り換えるには、室温から約40℃、つまり20℃の温度上昇が必要となる。そのようなゲルの熱容量は、水の熱容量である4kJ/kgKにほぼ等しい。処理される体積は、定常ビームでの場合であれば時間スケールに依存する。如何なる場合であっても、熱浸透は、均一な温度分布を実現するために、バルブの高さのオーダーでなければならない。約2・10^-7の熱伝導率では、5msで、50μmの侵浸が実現する。50μm³を5msで20℃加熱するのに必要な出力は2mWである。この値は、光記憶で用いられるレーザーダイオードから容易に吸収可能である。ゲル1又は2aが接するとすぐ、流体が通過可能となる。流体が通過することで、ゲルの冷却が開始される。従って、レーザー出力は、その温度を維持するように変調させなければならないが、過熱はしない。そのような出力制御は、制御装置31によって供されて良い。制御装置31は図1に示されていて、たとえばマイクロプロセッサによって実装されて良い。レーザー光源36の出力は、同時に活性化可能なバルブ数を決定する（たとえば50mWでは、その数は25であり、カートリッジ上で自己完結した分析を行うには十分であると考えられる）。

ポリNIPAA以外では、UCST振る舞いを有する、利用可能な材料が他にも存在する。吸収色素として、水溶性の標準的なCD-R用色素が用いられて良い。しかし、その色素は生物学的試料の混入を避けるために、ゲルネットワークに付着していなければならない。これは、アクリル酸基のような反応基をその色素に付着させ、それをゲルと共重合化することによって実現されて良い。ゲル2aの直下に設けられた分離変換層、すなわち“加熱”層2bの場合（図2参照）では、一の層から他の層へ如何なる物質も流れないようにするため、変換層2bと膨張層2aとの間に設けられた薄いバリヤ層は任意で供されて良い。

図3から図5は、マイクロチャネル22-24を有する流体容器の一部の上面図を図示している。これらの図では、活性素子3及び4はバルブとして、活性素子5はポンプとして、それぞれ設けられている。

図3は、前記流体容器20の第1動作段階を図示している。ここでは、バルブ3は膨張（つまりヒドロゲルであれば非活性化状態）している。それにより、対応する下部右側チャネル25が閉じている一方で、別なバルブ4は収縮することで、上部右側チャネル26を開放している。しかも、浸透壁21（たとえば浸透膜）上に設けられた活性素子すなわち“ポンプ素子”は収縮状態（つまりヒドロゲルであればレーザービームによる活性化状態）である。ポンプ素子5はその右側が被覆され、試料である流体で、チャンバ24の境界を形成する。ここで、防水コーティング6は、ポンプ素子と試料との間の流体の交換を防止することを目的とする。しかしその左側では、ポンプ素子5は開いていることで、チャンバ22と水の交換を行う。チャンバ22は、壁21に隣接し、かつチャネル23を介して水の貯蔵容器（図示されていない）に接続する。よってポンプ素子5は、膨張中に壁21を介して水を取り込み、収縮中に壁21を介して水を送り出すことができる。

図4は、前記流体容器20の次の動作段階を図示している。ここでは、ポンプ素子5は膨張状態へ変換される。そのような変換は、壁21を介して水貯蔵容器から水を取り込むことで実現される。従ってポンプ素子7は、チャンバ24の外にある、試料である流体を、それと接続している上側チャネル26へ送り込む。

図5では、バルブ4が閉じられている一方で、バルブ3は開いている（たとえば光照射によって）。さらに、ポンプ素子7は再度収縮状態となることで、試料である流体を、下側チャネル25を介して、チャンバ24へ吸い込む。その一方で、内部にある水は、壁21を介して水貯蔵容器へ戻す。図3から図5は、バルブ3及びバルブ4を組み合わせることで、ポンプ動作が実現できること、並びに感熱性ゲル5で覆われたチャネル壁は、蠕動運動を起こすこと、及び試料の流れを起こすのに用いることができることを示している。

まとめると、マイクロチャネル中での流れの制御は、生物学的及び/又は化学的試料を分析する小型化されたセンサの本質的部分である。たとえば生物学的試料中でのタンパク質の選択的検出では、一連の流れを制御する行為及び相互作用が必要となる。これらは、バルブを利用することでのみ実現可能である。自在性のない受動バルブ、及び製造が高価でかつ信頼性の低い電気機械バルブに代わり、水中での高い臨界溶液温度を有する高分子ゲルからなる、熱で活性化するバルブの利用を提案した。熱による活性化、つまり温度変化は、ヒドロゲル中に色素を加えることによって、レーザー放射線を吸収することで実現される。任意で位置を制御しながらレーザーを高速作動/走査させることによって、多数のバルブをほぼ同時に処理できる。このようにして、ある分析の実行中、流体作用を導入することができる。必要なレーザー動作は、CD-R又はDVD-Rの光ピックアップによって実現できる。説明してきたシステムは、フォトリソグラフィ又は他の構造形成技術によって、マイクロ流体チャネルシステムを有するすべてがプラスチックからなる基板上ですぐに実装可能である。この場合、CD技術のような、強固な全光インターフェースを有する低コストカートリッジが可能となる。

吸収色素を混合させたヒドロゲルを有する、本発明に従った検査システムの原理図を示している。 変換材料の分離層を有する、図1の流体容器に係る代替的実施例を図示している。 流体を供給し、かつ案内する、本発明に従った活性素子の利用法を、3つの連続した段階で図示している。 流体を供給し、かつ案内する、本発明に従った活性素子の利用法を、3つの連続した段階で図示している。 流体を供給し、かつ案内する、本発明に従った活性素子の利用法を、3つの連続した段階で図示している。

Claims (6)

1. 光照射によって、それぞれ異なる形状のうちの活性状態に転移でき、少なくとも1方向でそれぞれ異なる伸張、及び/又は前記少なくとも1つの活性素子の活性化状態でそれぞれ異なる体積を有し、かつ吸収した光を熱に変換する変換材料及びゲルを有する、少なくとも1つの活性素子；
   光ビームが到達可能な一定の場所に、前記少なくとも1つの活性素子が固定された状態で設けられているマイクロチャネルを有する流体容器；及び
   350nm乃至850nmの範囲の波長を有する光ビームによって前記の流体容器の少なくとも1つの活性素子を選択的に光照射する光学系；
   を有する検査システムであって、
   前記光学系が、集束レーザービームによって、前記流体容器内部の領域を走査する手段を有し、かつ
   前記レーザービームは、前記少なくとも1つの活性素子に集光される、
   検査システム。
2. 前記少なくとも1つの活性素子が、該少なくとも1つの活性素子の活性化状態又は非活性化状態のいずれかで前記マイクロチャネルを阻止するように設けられていることを特徴とする、請求項1に記載の検査システム。
3. 前記少なくとも1つの活性素子がマイクロチャネルの壁に沿って設けられ、
   それにより前記少なくとも1つの活性素子は、該少なくとも1つの活性素子の活性化状態から非活性化状態への転移中又はその逆の転移中に、流体を前記マイクロチャネルの外部に送り出す、
   ことを特徴とする、請求項1に記載の検査システム。
4. 前記マイクロチャネルが、少なくとも部分的に透明材料によって被覆されていることを特徴とする、請求項1に記載の検査システム。
5. 前記光学系が、前記少なくとも1つの活性素子への所望の効果に基づいて、位置、強度及び/又は光ビームの照射時間を制御する制御装置を有することを特徴とする、請求項1に記載の検査システム。
6. 前記光学系が、前記流体の光学的処理を実行するように備えられていることを特徴とする、請求項1に記載の検査システム。

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