JP5112880B2 - 少量の液体を調薬及び混合するための方法及び装置 - Google Patents

Description

この発明は、少量の液体を計量及び混合するための方法、並びに、その方法を達成するための装置、機器、その使用に関する。

近年、特に臨床化学や免疫化学の分野などにおいて、診断分析の自動化が広い範囲で実現されている。試料溶液や試薬の規定量がマイクロプレートのウエルやキュベットにピペットで移され、それに対応した自動化装置で混合される。続いて、第１の基準とされる測定が行われ、例えば、キュベットを透過する光学的透過が決定される。試料と試薬との所定の反応時間が経過した後、同じパラメータでの第２の測定が行われる。特定の成分に関する試料の濃度、あるいは、またその成分の存在がその計測値との比較によって得られる。
典型的な容量は約１００マイクロリットルの総量の中にあり、試料と試薬との必要な混合比率は１：１００と１００：１の間で生じ得る。任意に複数の試薬を試料との混合に備えることができる。加えて、高機能として説明されている機器は、一般に特別な研究所で見られるものであり、そこにはまた、分散した方法や、大きな機器的作用なしに分析を実現する努力もまた存在する。

最近紹介されたラボチップ（ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）技術が、チップ中、あるいはその上での液処理の統合が実現されて使用できるなら、この点に関して好ましいであろう。なお、分析時間は１時間より短いのが好ましい。

例えば、液体の移動のためには、非特許文献１に見られるような、液体が電気浸透ポテンシャルを通じて移動する、マイクロフルイドシステム（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄ ｓｙｓｔｅｍｓ）が利用できる。

マイクロリットルの領域での液体を混合する方法が特許文献１に記載されており、そこでは、乱れが誘発された流れによって少量の液体がマイクロプレートの中で混合されている。固体表面上で少量の液体の移動を発生させる他の方法が、特許文献２に記載されている。そこでは、表面音波によって一つの液体が混合、あるいは複数の液体が互いに混合されている。

特許文献３に記載されている方法によれば、液体が、その表面張力でまとまってそこに留まるように、周りの表面とは濡れ性の異なる、実質的に平面な表面の領域に、液体の所定量が載置されている。ここでの液体の移動は、液体への表面音波のパルスの伝導によって発生させることができる。

とりわけ、コストに有利なラボチップシステムにおける、試料と試薬の計量及び混合の統合には課題がある。非常に小さな異なる液量の均一な混合を実現するのは難しい。

計量のため、正確に各液量の容量を規定する必要がある。これは、例えば、幾何学的に実現することが可能である。例えば、特許文献３に記載されているように、開放系において、表面の濡れ性は容量を決定することができる。すなわち、容量の規定は、実質的に滑らかな表面上の濡れ角による親水性と疎水性の領域によって置き換わる。反応に用いられる複数の容量がこのような方法で規定されていれば、それら容量はそれぞれに向かって移動し、これを達成する。表面上での移動において、液の残余や、目的物質（ａｎａｌｙｅ）や液中の試薬成分は表面に張り付いて留まるため、その移動による容量損失や未知量の濃度の減少を防ぐことができない。加えて、測定は蒸発に抗して行わなければならず、分析時間が長くなると問題となり得る。

他の調整方法は、毛細管の方法で規定された断面積が液体で満たされる経路を用いている。その液体が水溶液の場合、毛細管の方法では満たされない疎水性のバリヤがその経路の末端に取り付けられる。さらに、この経路には、同様に毛細管の方法では満たされない疎水性の表面を備えた横枝部が存在する。その断面積と、疎水性のバリヤと疎水性の枝部との間の経路の長さとが、その枝部を通る気圧によって定義された方法によって分離、移動される容量を決定する（非特許文献２）。このタイプの容量の規定は、（経路それ自体の充填のための親水性とバリヤと枝部のための疎水性の）表面の濡れ構造が必要なため、高コストになる。
加えて、関連装置が求める空圧の働きが必要である。経路の断面積は、測定経路の毛細管による充填が可能になる小さなものでなければならない。それゆえ、長い経路では、約１００マイクロリットルの範囲で大きな容量が必要である。このことは必然的に経路の壁面と液体中の成分との大きな好ましくない相互作用を生じる。複数の液体を効果的に混合することは、この構成においてはほとんど不可能である。

特許文献４には、液体の第１量のための槽と、反応槽と、第１槽と反応槽との間の接続構造とを備える、少量の液体の反応及び発見の操作用機器が記載されている。接続構造は、第１液がその表面張力によって反応槽に侵入しないように寸法設定されている。さらには、反応槽で液体を混合するための装置が備えられている。
Anne Y. Fu, など、マイクロ蛍光励起細胞ソーター（A micro fabricated fluorescence-activated cell sorter）ネイチャー、バイオテクノロジー １７巻、１９９９年１１月、Ｐ．１１０９ｆｆ ＤＥ １０３ ２５ ３０７ Ｂ３ ＤＥ １０１ ４２ ７８９ Ｃ１ ＤＥ １００ ５５ ３１８ Ａ１ バーンズ など, 統合されたナノリットルＤＮＡ分析装置 サイエンス ２８２ ４８４ （１９９８） ＵＳ−Ａ−５６７４７４２

本文における「液体」の用語は、例えば生物学的物質のような固体粒子が内在する液体だけでなく、特にまじりけのない液体、混合液、分散液、懸濁液を含んでいる。計量、混合される液体は、例えば、２種あるいはそれ以上の、その中に溶け込んでいる反応に供される成分だけが異なる類似の溶液であってもよい。

本発明の目的は、大きく変動する範囲においても簡単に実現でき、液量の正確な計量の助けとなって、液体の完全な混合を可能とする方法と装置を提供することにある。その方法は、コンパクトなラボチップシステムにおいて実現可能であろう。

この目的は、本発明の特徴を備えた方法や、本発明の特徴を備えた装置、本発明の特徴を備えた機器によって充足される。

統合された計量及び混合のための本発明の方法によれば、計量槽は、第１液によって完全に満たされるとともに、少なくとも１つの接続構造を介して反応槽と連絡し、そして、その接続構造は、好ましくは、第１液の表面張力が反応槽への侵入を阻止するように、槽との関係において寸法設定がなされている。その接続構造の断面積は、特に、この目的のために反応槽の断面積よりも小さいものを選択することができる。反応槽が第２液で完全に満たされると、第２液は接続構造のところで第１液と連絡する。そして、液体の混合を生じることとなる反応槽の中、あるいはその上で、液中に流れのパターンが形成され、液体の完全な均一化がなされるまでその流れのパターンが維持される。層流のパターンが形成されるのが好ましい。

層流のパターンは、直接反応槽の中で発生させることができる。層流にとっては、反応槽の方向の少なくとも一つの接続構造で発生し、そのように反応槽に作用することも等しく可能である。そして、対応する幾何学的配置によって、接続構造を介して反応槽に作用するように、計量槽で層流を引き起こすこともまた可能である。

本発明の方法においては、計量槽で計量される第１液の量は固定されている。第１液は、反応槽に侵入することが防がれる。好ましいプロセス管理においては、表面張力によってその液が反応槽に侵入することが防がれる。液交換は、反応槽の中あるいはその上に運ばれた第２液に第１液が接触するときにのみ生じ得る。この点において、拡散による液交換は、接続経路構造の小さい断面積のせいで無視し得る。効果的な混合は、反応槽における対応した流れのパターンの発生によってのみ実行される。第２液の量は、反応槽の大きさによって決定される。

非常に異なった混合比率による、大きな変動範囲内での液体の計量及び混合は、本発明の方法で正確に実現することができる。試薬と試料溶液との間の混合比率は、例えば、１：１００から１００：１の間で設定することができる。

流れのパターンは、反応槽の中またはその上の液体、あるいは反応槽の方向への音波の照射によって発生させられる。

表面音波は、音波の発生のために使用でき、装置に装着される圧電性チップ上の交差指電極トランスデューサ（interdigital transducer)によって、それ自体は公知の方法で発生させることができる。表面音波の衝撃移送は、直接、もしくは表面音波によって発生する音波の助けをかりて用いられる。本文における表面音波の用語は、また、２つの固体物体間の界面における界面波を含んでいる。

槽及び接続構造は、３次元的、あるいは２次元的に形成することが可能である。従って、槽及び接続構造は、表面に相応して形成されたウェルとなり得る。異なった形態では、それらは相応して形成された中空空間である。２次元的な形態においては、槽及び接続構造は、その表面の周りの領域よりも液体によって濡れ易い、相応じて形成された表面の領域として形成される。周りと比較して親水性の表面が、水溶液用の槽及び接続構造として選択される。そのような濡れ改質された表面は、例えば、特許文献３に記載されている。液体は、それらの表面張力によって濡れ易い領域上に滴として保持される。

簡単な例示のために、特にはっきりと説明されていない場合には、たとえ用語が一義的に記載されているように選択されていたとしても、３次元的や２次元的な実施例がそれぞれ本文において補い合っている。例えば「槽への導入」や「充填」の用語は、２次元的な槽領域に液体を適用するためにも用いられる。これと同様に「接続構造を通じた移動」の用語は、例えば、２次元的な接続構造の上の液体の移動、などにも用いられる。類似の用法で「容量」や「断面」の大きさは、例えば、２次元的な実施例における表面や幅を意味する。

接続構造は、計量槽と反応槽との間の相応した寸法の開口部とすることができる。特に正確なプロセス管理は、第１液によって濡らされるとともに、計量槽から毛細管力によって満たされる接続毛細管構造における毛細管力を利用する。毛細管力は、広がった断面のせいで、接続毛細管構造の反応槽への入口位置において急に減少し、接続毛細管構造から反応槽への第１液の流出が阻止される。第２液が反応槽に導入されたか、反応表面上に付けられたときにのみ、第２液は、混合が発生するように、第１液と連絡するようになる。３次元的な計量装置では、好ましくは槽の上端に位置する充填開口部を介する計量方法の態様で、槽は充填される。

計量槽は、対応して寸法設定された容量に形成することができる。本発明の方法の特に好ましい態様においては、槽毛細管構造は計量槽として用いられ、その長さ方向に沿って少なくとも２つの開口部を有している。毛細管構造は、１つの開口部を通じて満たすことができる。液体は第１開口部から入り込み、毛細管力によって運ばれて第２開口部まで移動する。槽毛細管構造は、移動する液体の液前部が毛細管構造の全断面をとるような毛細管構造が選択される。システムの開口部は、充填開口部と第２開口部とを除いては開かれない。液体は、第２開口部でその移動を停止する。通気開口部は備えられていないため、第２開口部の他方の側で逆圧が強まって、更なる液体の移動が阻止される。加えて、毛細管力は第２開口部で急に減少する。それゆえ、第２開口部を越えた更なる充填は、充填圧の特定の閾値に至るために可能でない。このようにして、正確な計量をするための２つの開口部の間の経路により、槽毛細管構造における正確な容量が定められる。変更態様においては、充填開口部と対称に配置された、２つの第２開口が用いられている。そのような槽毛細管構造で計量された液体の液容量は、これら２つの第２開口部の間隔に対応する。

更なる発展では、第１液の要求された計量容積に基づいて開けられた複数の、選択可能な開口部を有する槽毛細管構造が用いられる。充填開口部として使用された開口部から更に離れた開口部が開けられた場合、液体はこれら開口部にまで入り込み、より大きい容量を得ることができる。

このプロセス管理における計量槽は、第１液で満たされる槽毛細管構造の容量と対応する。槽毛細管構造の残りの部分は、反応槽の部分である。

計量槽、もしくは供給経路を経た反応槽と接続される、開かれた充填構造は、計量槽の充填のために用いられる。各液体は、例えば、ピペットによって各充填構造に手動的、あるいは自動的に導入される。液体は、各供給経路を通じて各槽に移動する。反応槽がウェルや固体物体の中空空間として設けられている形態では、充填構造もまた対応して選択される。例えば、供給経路は対応して寸法設定された経路として存在する。

更なる発展では、１つまたは複数の供給経路が毛細管構造として選択される。導入される液体は、毛細管力によって充填構造から各槽に自動的に移動する。

本発明の方法の他の有利な態様は、接続構造を介して反応槽と連絡する、好ましい異なる大きさの複数の計量槽を用いる。また、計量槽は充填開口部と連絡している。個々の計量槽と反応槽との間の接続構造は、１つの態様では、最初に閉じられており、要求された計量槽の選択によって開かれる。別の態様では、要求された容量を持つ要求された計量槽が選択され、他の計量槽への残りの接続構造は閉じられる。

このプロセス管理の変更態様では、最初に、全ての計量槽が充填され、そして、要求された計量槽の接続構造が開かれる。この点、個々の計量槽は、他の計量槽を通じて任意に満たされる。そのようなプロセス管理はまた、ただ１つの充填開口部、そしてそのようなピペットチップなどの充填装置のただ１つの配置を通じて、たくさんの数の計量槽の充填を可能にする。このプロセス管理には、対応する充填装置を移動させる必要がなく、装置作用は低いという利点がある。選択された全ての計量槽が完全に開かれた後でのみ、対応する接続構造の開放によって計量槽は反応槽と接続される。

開閉は、使用される計量装置の材質の適切な選択に基づく溶融プロセスによって実行することができる。例えば、プラスチック部材が、計量装置として好適である。接続構造は最初はいずれも閉止されており、要求された選択構造が接続に使用される前に溶融されて開かれる。他のプロセス管理においては、最初は接続構造が開いており、要求されていない接続構造が使用前に溶融プロセスによって閉じられる、計量装置が使用される。

他のプロセス管理において、特に２次元的な形態では、２つの液体間の接続は、２つの液体間にもたらされて液体の架橋を生じる小さな”架橋滴”を介して確立される。その架橋滴は、第１液量及び第２液量よりも小さい容量を有する。

特に有利な形態では、１以上の接続構造が計量槽と反応槽の間に存在している。液交換は、例えば音波によって運ばれて、完全な液体の均一化を生じるまで、回路内のこの点で生じ得る。

本発明の方法によれば、第２液量に対する液体の１つの量の計量には限られない。複数の液体の量が、反応槽の液体に対して計量するために、同時に、あるいは継続して、対応する数の計量槽及びこれら計量槽を反応槽に接続する接続構造とに供給される。

本発明の方法を実施することができる本発明の装置によれば、第１液量のための少なくとも１つの計量槽を備えている。さらにまた、第２液量のための反応槽と、これら２つの槽の間の少なくとも１つの接続構造とを備えている。この接続構造は、好ましくは、第１液がその表面張力によって反応槽に侵入するができないように、槽との関係において寸法設定されている。そして、本発明の装置は、反応槽内の液体の混合のための、好ましくは１つの層流のパターンを発生する装置を備えている。

好ましい実施例では、その流れのパターンを発生させるために、反応装置に、あるいは反応装置の方向に向けて音波を照射するための少なくとも１つの音波発生装置を備えている。その少なくとも１つの音波発生装置は、好ましくは、表面音波発生装置、特に圧電性チップ上の交差指電極トランスデューサによって形成される。

槽及び少なくとも１つの接続構造は、固体物体におけるウェルあるいは中空空間として構成することができる。本発明の装置の２次元の構成においては、槽及び接続構造は、周りの領域よりも液体で濡れ易い表面の、対応して形づくられた領域によって形成される。この種の濡れ調整された表面に関しては、例えば、特許文献３に記載されている。

本発明の計量装置の３次元的な実施例は、例えば、槽や接続構造を形成するためのカバーによって閉じられた固体物体中のウェルを含む。そのカバーは、好ましくはプラスチックからなる箔（ホイル）から簡単な方法で作ることができる。

本発明に係る装置を使用して、本発明の方法を実施することができる本発明の機器は、本発明の装置のための受信機を含む。装置が挿入されたとき、流れのパターンの発生のために少なくとも１つの装置は電気的に接続される。本発明に従う機器は、更に、装置が受信機に導入されたときに充填構造上に配置される、例えばピペットやディスペンサなどの制御可能な充填装置を備えている。計量は装置の内部で起こるのみであるので、本発明の装置の使用時、あるいは、本発明の方法の実施時には、充填装置の精度要求はさほど高くない。そして、機器は、充填装置及び流れのパターンの発生装置の制御を引き継ぐプロトコルの時間手順の制御のための制御手段を有する。好ましい実施例は、個々の充填構造の開口部用の開放装置、通気開口、バリヤ構造、または個々のバリヤ構造の閉止用の装置を含む。

本発明の装置はまた、例えば、温度制御のために加熱装置が備えられるなど、対応する装置により他の機能を満たすことができる。そして、例えば、電気的あるいは光学的の評価手段も同様に組み込まれる。

本発明の方法は、本発明の装置を使用することによって簡単に、そして自動化された方法によって実施することができる。計量と混合とを統合するための本発明の装置として、使い捨て部材が問題なく使用できる。

本発明の装置や本発明の機器、そして従属項の好ましい実施例の効果は、本発明の方法の好適な形態や効果の前記記載に起因する。

本発明の方法、本発明の装置、及び本発明の機器は、非常に少量の液体の正確な計量が必要とされる生物学的な液体の計量と混合に、特に効果的に使用することができる。

本発明の実施例及び態様は、別紙図面を参照して詳細に説明される。図は、必ずしも一定の比率であるわけではなく、概略的な説明に役立つものである。そこで示されているのは、図１が、開かれた状態の本発明の計量装置の平面図であり、図２が、図１の実施例によるＩＩ−ＩＩ方向の横断面、図３が、本発明の計量装置の更なる実施例の平面図、図４が、本発明の計量装置の第三実施例の平面図、図５が、本発明の計量装置の第四実施例の平面図、そして、図６ａ−６ｆが、この実施例の本発明の方法によって実施される異なるステージである。

図１はチャンバー１，３を有するプラスチック部材を示している。プラスチック部材５は、例えば、射出成型によって製造される。チャンバーのカバーは、図２において見ることができるが、図１ではプラスチック部材５の内部の加工を表すために示されていないラミネートされた、薄いプラスチックホイル２によって行われている。チャンバー１と３の間の接続は、２つの制限部１１を介して行われる。符号１３は、チャンバー１と３の間の壁部を示している。

図１には、そこには示されていないプラスチックホイル２に備えられている充填開口７と９の位置が示されている。音響チップ１５は、下記では反応チャンバーとも呼ばれるチャンバー１の下方に位置しており、前記チップは例えば、表層音波発生用として公知の方法で適用される交差指電極トランスデューサ上の圧電性固体チップとすることができる。交差指電極トランスデューサは、反応チャンバー１への音波照射を可能とする表面音波を発生させるように構成されている。固体によって表面音波を発生する交差指電極トランスデューサから分離する液体体積への音波の照射は、特許文献１に記載されている。同様に、音響チップ１５は、ホイル２上、または横の領域中に設けることもできる。

音響チップ１５は、図示しないが、反応チャンバー１へ音波を照射する交差指電極トランスデューサで表面音波を発生するため、約１０ＭＨｚの周波数の交流電圧を発生する交流電圧源に電気的接続を介して接続される。

図示した実施例の装置の下側に取り付けられると、この視野からではチップは見ることはできないが、音響チップ１５の位置を、図１中に示す。図１のスケッチにおいて、音響チップは、圧電性チップ１５上の交差指電極トランスデューサの個々の指電極の配列を単に概略的に示す、平行な線の形で描かれている。このように配列された交差指電極トランスデューサの表面音波の照射方向は指電極の配列と垂直になっている。

反応槽として利用されるチャンバー１の必要な大きさは、使用される音波の周波数に依存している。この点に関し、その最小範囲は、使用される音の波長よりも十分に大きくなければならない。そして、音波の伝搬方向の反応チャンバー１の範囲は、制限部１１の範囲よりも略一桁大きくなければならない。例えば、槽の最小範囲は、例えば１００μｍの音の波長に対して１ｍｍから１０ｍｍまでである。経路システムの全長は数センチメートルに達する。充填開口７，９は、反応チャンバー１よりも少なくとも１桁小さい。

この実施例の本発明に係る装置は、次のように用いられる。例えば、反応槽は、５μｌを含む計量槽に対して１００μｌまたは１５０μｌを含む。そのような液体体積は、特にいくつかの診断用アプリケーションにとって特徴的である。第１に、例えば毛細管力によって引き起こされるのであるが、計量槽３は充填孔７を通じて第１液で満たされる。槽１の大径のせいで毛細管力が急に小さくなるため、液体は制限部１１で止まる。その後、槽１は、充填孔９を通じて第２液で満たされる。それぞれの充填孔７，９上で生じ得る液体の溢れは重大ではない。溢れる液体は、とりわけ次の混合プロセスが層流のパターンによって引き起こされる時にであるが、幾何学的理由により次の混合プロセスには加わらない。このように、２つの液体の量は、必要ではあるが、例えばピペットのような、用いられる充填装置のいかなる大きな精度はなくても、幾何学的に規定される。液体は制限部１１で接触する。制限部１１の狭い横断面のせいで、拡散は無視できる程度でしか発生しない。液体の全量の均一な混合は音響チップ１５の助力により達成される。音響チップへの交流電圧の適用により、音響エネルギーが液体の規定量に向けて照射され、層流のパターンが発生する。液体またはそれらの成分は、混合され、任意に反応に至る。この反応の結果は、例えば、光学的または電気的に読み取られる。充填孔７，９が閉じられている必要がないことは、この点において有利となっている。

液体の計量及び混合は、従って、使い捨てカートリッジとして任意に構成される、コスト的に好ましい装置５において生じる。加えて計量は非常に単純である。充填孔で溢れが発生しても、幾何学的理由、および／または、用いられる層流のパターンによって混合反応には加わらない。

図３は、本発明の計量装置の他の実施例を示している。そこに示されているのは、同様にプラスチック構造１０５中にウェルを含む計量装置を有するプラスチック体１０５の一部である。充填孔１０９を有する反応槽１０１は見ることができる。符号１０３は、充填開口部として利用される開口部１０７とともに、複数の開口部を有する毛細管構造を示している。毛細管構造１０３は、接続毛細管構造１１１を介して反応槽１０１と連絡する計量毛細管構造を表している。全ての構造は同様にプラスチックホイルによって閉じられる。この開いた表示では本来見ることができない開口部１０７，１０９，１２１，１２２は、この実施例においても、それらの相対的位置を説明するために示されている。交差指電極トランスデューサを有する音響チップ１１５は、実際にはその具体例では見えない装置の下方に配置された位置において同様に表示されている。音響チップ１１５は、図１及び図２に関して記載されているチップ１５に対応している。

異なった混合比率は、この種の計量装置の使用に設定される。充填は、開かれた充填孔１０７を経由して行われる。他の全ての孔１０９，１２１，１２２は最初は閉じられている。満たされる第１液の容量は、孔１２１，１２２の選択可能な開口部によって設定される。例えば、充填開口部１０７に直近の１つの孔１２１と、それに対して他方の側に対称に配置された孔１２１とが開かれる場合、液容量は、２つの開かれた開口部の間の間隔に対応する長さで規定することができる。

この点において、毛細管構造１０３は、液体の前部が毛細管構造１０３の全断面積を満たす効果を有する。通気孔が開いていない場合、液体を停止することとなる逆圧が強化される。それゆえ開いた孔１２１を越えた移動はできない。移動を導いている毛細管力が開いた開口部１２１によって小さくなることでこの効果は増大する。

２つの外側の開口部１２２が開いている場合には、同様にして大きな容積を生じることとなる。

いずれの場合においても、経路１０３及び接続毛細管構造１１１の残余の容積は、それから開口部１０９が開かれることによって反応槽１０１を経由して満たされる。経路１０３の残余の容積は、反応槽にプラスされる。

図３の実施例の特徴的な寸法は、図１及び図２の特徴的な寸法に対応している。

従って、この種の実施例では、異なった混合比率の設定は単純な方法で行うことができる。第２液に対して計量される第１液の量に従って、対応する開口部１２１，１２２が開かれる。これは、例えば、対応してマークされた位置でのプラスチックホイルの単純な孔開けによって行うことができる。更なる機能は、実質的に図１及び図２の実施例に対応している。

図４は、他の実施例を示している。そこには、接続毛細管構造２１１，２１２を介して反応槽２０１と連絡する複数の計量槽２０３，２２３が設けられている。計量槽２０３，２２３は、異なった大きさの容量を有し、接続経路構造２１６を介して連絡している。その接続経路構造２１６には、充填開口部２０７が配置されている。計量槽２０３，２２３は、通気開口部２２１を有する。示した実施例の接続経路２１６は、同様に、接続毛細管構造２１０を介して反応槽２０１に接続されている。構造２１０は、通気孔２２１もまた含んでいる。そして、充填開口部２０９は、反応槽２０１に備えられている。

符号２１７，２１８，２１９，２２０，２２４は、概略的にバリヤ構造を表している。図４の計量装置の全体は、開口部２０７，２０９，２２１を有するフィルムによって区切られたプラスチック部材として提供されている。図４の計量装置は、同様に、予め前もって組み立てられた使い捨て部材とすることができる。この点、バリヤ構造２１７，２１８，２１９，２２０，２２４は、示した具体例では最初は閉じられている。

開き位置の充填開口部２０７，２０９及び通気開口部２２１は見ることができないが、図４の具体例においてそれらの位置が示されている。加えて、すでに記載した音響チップ１５，１１５に対応している音響チップ２１５は、図４の配置の下方に位置している。配置の下方に位置しているため、当然この具体例では見れないが、音響チップ２１５もまた、図４に示されている。

図４の実施例の特徴的な寸法は、図１及び図２の実施例の特徴的な寸法に対応している。液体の対応する容量を規定するために、計量槽２０３，２２３のいずれが液体で満たされるべきかが、プロセス管理における実施例の利用のために、最初に決定される。ここで説明のために、計量槽２２３が選択されている。選択がなされた後、計量槽２２３に隣接する、対応したバリヤ２１７，２１９は、例えば、ヒータやレーザによって溶融されて開口する。これは、例えば、計量装置を有する自動機械の助けを借りて行うことができる。

対応して選択された計量槽２２３は充填開口部２０７を経由して満たされ、計量のために用いられる。この点、例えば、図１及び図２の実施例で記載されているように、計量は類似の方法によって実行される。毛細管力の作用で計量槽の充填が引き起こされるように、構造の寸法は特に選択されている。あるいは、充填は、圧力によって引き起こすことができる。槽の完全な充填ができるように、脱気開口部２２１が配置されている。

反応槽２０１に通ずる接続毛細管構造２１１の入口で急に小さくなる毛細管の効果のせいで、液体は反応槽２０１には侵入しない。充填開口部２０９を通じた反応槽２０１の充填によってのみ、反応槽２０１からの液体が接続毛細管構造２１１中の液体と連絡するようになる。更なる機能は、実質的に図１及び図２の実施例と対応している。

槽２０３が選択された場合にも、対応しているバリヤ構造２１８，２２０及び接続毛細管構造２１２が用いられ、その手順は類似している。

本実施例の他の態様は、前もって作られたバリヤ構造２１７，２１９を含まない。計量槽２０３，２２３のどちらを使うべきかについては、使用前の最初の段階で決定される。例えば、計量槽２２３が選択された場合には、他方の計量槽２０３は、用いられない計量槽２０３に近接するバリヤ２１８，２２０の位置で、加熱またはレーザの適用により、対応する接続経路構造を溶融して閉じる自動化装置により切り離される。

個々の計量槽２０３，２２３は、また、図４の実施例において、対応する計量槽の選択によって開かれる、複数の接続毛細管構造２１１，２１２を介して各々反応槽２０１と接続されるようになっている。

バリヤ構造２１９，２２０を有する接続構造２１１，２１２に加え、さらに、接続経路２１６を反応槽２０１に接続する、接続毛細管構造２１０が設けられている。この接続毛細管構造２１０もまた、通気開口部２２１と、任意であるがバリヤ構造２２４とを含んでいる。その付加的な経路２１０は、効果的な混合を促進する回路の形成に役立つ。計量槽２０３，２２３の１つが選択された後にそれは満たされる。説明のため、再度これを計量槽２２３とする。実施例には、バリヤ構造２１７，２１８，２１９，２２０，２２４は最初は閉じているものとして記載されている。槽２２３を満たすものとして表されているように、バリヤ構造２１７は溶融して開かれる。計量槽２２３及び接続毛細管構造２１１を満たす液体は、充填開口部２０７を通じて導入される。接続毛細管構造２１０もまた、この液体で満たされる。充填は、例えば、毛細管力によって引き起こされる。

バリヤ構造２１９，２２４は、溶融して開かれる。液体は、接続毛細管構造２１１，２１０の入口で急に低下する毛細管力の影響によって槽２０１には侵入しない。開口部２０９を通じて槽２０１を第２液で満たすことは、接続毛細管構造２１０，２１１の入口での液体の接触をもたらす。例えば、音響チップ２１５による層流の発生は、液体の効果的な混合をもたらす。液体の循環移動は、ここにおいて引き起こされる。

接続毛細管構造２１０，２１１，２１２における毛細管力を利用するこの種の実施例では、バリヤ構造２２４もまた、完全に省略することもできる。特に、図４に示されるがごとく、２つの計量槽のみを有する実施例においては、あらゆる場合における接続毛細管構造２１０は、切り離す必要がないため、循環プロセスに加わる。

他のプロセス管理において、バリヤ構造２１９，２２４は、第２液が槽２０１に導入された後にのみ、溶融されて開かれる。プロセス管理は、他の点では同じである。この種のプロセス管理では、接続構造２１０，２１１，２１２は必ずしも液体に対して毛細管の作用を働かす必要はない。

図４の装置を用いた他のプロセス管理では、最初に開いているバリヤ構造２１７，２１８，２１９，２２０，２２４を使用する。第１液は、充填開口部２０７を通じて導入される。それは、毛細管の作用によって計量槽２０３，２２３及び接続毛細管構造２１０，２１１，２１２に流れる。それらは、反応槽２０１に向かう接続構造２１０，２１１，２１２の入口で毛細管の効果が壊れるために、反応槽２０１には侵入しない。使用するのは、どの計量槽か、どれが第１液の容量を計量するかを決定するのみである。再度、この説明のために、これを反応槽２２３とする。示されているようにバリヤ構造２１８，２２０は溶かされて閉じており、そこに配置された液体を使用しない計量槽２０３は、切り離されている。それから、第２液が反応槽２０１に充填される。それから続くプロセス管理は、すでに説明した循環プロセス管理に対応するものである。

図５に、本発明の計量装置の更なる実施例の概略平面図を示す。全体構成５０は、プラスチックキャリヤ３０５の表面に配置されている。例えば、２０μｌの容量を有する、１ｍｍ深さに加工されたウェルによって反応槽３０１が形成されている。その例ではまた、２つの計量槽３０３がこれに隣接し、そして、例えば各々が１０μｌの容量を有する、１ｍｍ深さに加工されたウェルによって形成されている。各計量槽は、２つの制限部３１１，３１１を介して反応槽３０１に隣接している。充填構造３０７と３０９とは、計量槽３０３と接続されているか、または、供給経路３０８，３１０それぞれを介して、それぞれ反応槽３０１に接続されている。充填構造３０７，３０９は、同様にして例えばプラスチックキャリヤ３０５の１ｍｍ深さのウェルに形成されている。供給経路３０８，３１０は、実施例では３００μｍ深さのウェルとなっている。図２では確認できるプラスチックホイル２と同様に、見られないプラスチックホイルが全体構成上に配置されている。充填構造３０７，３０９として使用される領域において、このプラスチックホイルは、例えばピペットを利用して液体を導入することができるように、必要に応じて孔が開けられる。

概略図において符号３１５は、相互にかみ合った多数の指電極で形成されている交差指電極トランスデューサを示している。その機能は、他の実施例においてすでに説明されている。電気的交流場が交差指電極トランスデューサに適用されたとき、図の上半分に示されている計量槽３０３の枝部３０４の液体に対して矢印の方向からパルスが伝導される。

図６ａから６ｆは、図５の実施例に係る本発明の方法を実行した流れを示している。線３２０，３２２は、図６ａから６ｆの図ではコントラストが低すぎて認識できない供給経路３１０及び充填構造３０９を有する反応槽３０１の配置示すために描かれたものである。

図では、いずれの場合においても、計量槽３０３の１つが完全に見えるような部分だけが示されている。

図６ａは、ここでは暗色を有する液体が供給経路３０８と充填構造３０７を通じて反応槽３０１に充填される状態を示している。そのために、充填構造３０７の領域において、覆っているプラスチックホイルに孔が開けられ、ピペットを用いて充填構造に液体が導入される。制限部３１１で表面張力によってまだ空の反応槽３０１に暗色の液体が入り込んでいないことをはっきりと認めることができる。容量が、制限部３１１と供給経路３０８との間の計量槽３０３において正確に規定されている（実施例では１０μｌと示されている）。

明色を有する液体が、そこにおいて反応槽３０１に導入される。図６ａは、この充填プロセスのスタートを示している。そのために、右側の充填構造３０９の領域において、覆っているプラスチックホイルに孔が開けられ、ピペットを用いて液体の充填が開始されている。この液体は供給経路３１０を通じて反応槽に流入する。図６ａにおいて、このプロセスの進行を確認することができる。液体の端部は、およそ、この写真の点補助線３２４で示すところに位置している。

図６ｂは、明色の液体で反応槽３０１の全てが満たされた状態を示している。この時点では、計量槽３０３中の暗色の液体との液交換は極めて限られた程度で発生するだけである。

交差指電極トランスデューサ３１５への電気交流場の適用によって、計量槽３０３の左側の枝部３０４中の液体にパルスが伝導される。図６ｃは、このことによって計量槽３０３で発生した層流が、どのように暗色の液体が反応槽３０１に入り込む効果を有するのかを示している。図６ｄと図６ｅは、このプロセスの続きを示している。最初は計量槽３０３中にあった暗色の液体と、反応槽３０１中にあった明色の液体とがどういうふうにして混合されるのかがはっきりと確認することができる。

図６ｆは、プロセスの最後の状態を示している。計量槽３０３及び反応槽３０１の各液体が均一に混合され、そのことは均一な陰影によって確認することができる。充填構造３０９から反応槽３０１までの供給経路３１０中の液体の更なる混合は生じない。それゆえ、供給された明色の液体の量は、反応槽３０１の寸法によって正確に決定される。計量槽３０３の寸法は計量された暗色の液体の量を正確に定めているので、極めて正確な計量プロセスが実現されており、図６ｆの混合状態の異なる液体の各量は正確に決定されている。

図５及び図６が示す実施例は、２つの計量槽３０３，３０３を有している。他の実施例は、１つの計量槽を有するのみか、あるいは、異なる量の計量を可能とするためにそれ以上の計量槽を有している。２つの計量槽３０３，３０３は、この実施例では同じ大きさに示されている。異なった量の計量を可能とするために、異なった大きさの計量槽を用いることも可能である。

図４において説明されているようなバリヤ構造はまた、図５及び図６の実施例にも備えることができる。その場合、接続された計量槽の数はまた、図４の実施例で記載されているように監視することもできる。

図５では、１つの交差指電極トランスデューサ３１５だけが例示されている。しかし、時間内に異なる場所の異なる計量槽に向けることができるように、そして、反応槽で液体の混合を発生させるため、個々の計量槽に層流を発生させることができるように、それ以上の交差指電極トランスデューサをプラスチックキャリヤ３０５に備えることも可能である。

図６ａから６ｆは、特に本発明の方法が、圧上昇なしに液体を混合する層流を生じていることを示している。

本発明の装置は、対応する接続構造を有する２以上の計量槽をも含むものとすることができる。複数の計量槽は、第１液の計量する量を増やすために、循環経路において”直列に”接続することができる。この種の実施例において、個々の計量槽は、異なった、または同じ大きさを有することができる。

特に、液体の循環に用いられるプロセス管理においては、液体間の反応は反応槽として示される装置の部分で起きるだけではない。第１液の計量が行われる「計量槽」の用語の使用に関する図のために、本文、特に示された実施例において「反応槽」の用語が用いられているが、反応槽はその大きさによって反応が生じる主要な構造である。しかしながら、例えば、計量槽と反応槽とが、例えば等しい大きさであることや、循環プロセス管理によって双方の槽で反応が生じることは、特に図１、図４または図５の実施例で可能である。

本発明の計量及び混合装置は、装置へ液体を充填することや、装置の温度を制御すること、チップを制御すること、そして充填孔を開けることやバリヤの開閉を行うことも自動的機械で処理させることができる。加えて、電気的、あるいは光学的な評価などもまた、任意にこの種の自動化機械を用いて実行することができる。そのような自動化機械は、診断方法や、通常、研究所のオートメーションにおいて特に用いることができる。

例えば、図３、４または５の実施例の場合、自動化機械によって液体を加えることを単純化することで、槽の充填が１つまたは多くても２つの充填構造を通じて行われ、それゆえ有利なものとなっている。充填用の、対応するピペットヘッドやディスペンサが、常備されたものとして設定される。

例えば、個々の容量がほんの１００ｎｌである１ｍｌの全容量が、例えば、示した実施例で処理することができる。

非常に異なった混合比率を伴い、大きな変動範囲における液体の計量及び混合は、本発明の方法によって正確に実現することができる。本発明のプロセス管理によって、あるいは本発明の装置の利用によって計量が行われるため、使用される充填装置の精度上の要求は高くない。試薬と試料溶液の混合比率は、例えば１：１００と１００：１までの間に設定することができる。

開かれた状態の本発明の計量装置の平面図 図１の実施例によるＩＩ−ＩＩ方向の横断面 本発明の計量装置の更なる実施例の平面図 本発明の計量装置の第三実施例の平面図 本発明の計量装置の第四実施例の平面図 この実施例の本発明の方法によって実施される異なるステージ この実施例の本発明の方法によって実施される異なるステージ この実施例の本発明の方法によって実施される異なるステージ この実施例の本発明の方法によって実施される異なるステージ この実施例の本発明の方法によって実施される異なるステージ この実施例の本発明の方法によって実施される異なるステージ

１ 反応槽、反応チャンバー
２ プラスチックホイル
３ 計量槽、計量チャンバー
５ プラスチック部材
７，９ 充填開口部
１０ 統合された計量及び充填のための装置
１１ 制限部
１３ 境界壁
１５ 音響チップ
２０，３０，５０ 統合された計量及び充填のための装置
１０１ 反応槽、反応チャンバー
１０３ 計量毛細管構造
１０５ プラスチック部材
１０７，１０９ 充填開口部
１１１ 接続毛細管構造
１１５ 音響チップ
１２１，１２２ 開口部
２０１ 反応槽、反応チャンバー
２０３ 計量槽、計量チャンバー
２０７，２０９ 充填開口部
２１０，２１１，２１２ 接続毛細管構造
２１５ 音響チップ
２１６ 接続経路構造
２１７，２１８，２１９，２２０ バリヤ構造
２２１，２２２ 通気開口部
２２３ 計量槽、計量チャンバー
２２４ バリヤ構造
３０１ 反応槽、反応チャンバー
３０３ 計量槽、計量チャンバー
３０４ 計量槽の部分
３０７，３０９ 充填構造
３０８，３１０ 供給経路
３１１ 制限部
３１５ 交差指電極トランスデューサ
３２０，３２２ 補助線
３２４ 液体の境界

Claims (48)

1. 毛細管構造を含む、少なくとも二つの接続構造を介して反応槽と連絡する、少なくとも一つの計量槽を第１液で満たし、
   毛細管構造により、接続構造では、最初には、第１液の表面張力によって第１液の反応槽への侵入が防がれており、
   反応槽を第２液で満たすことにより、第２液を接続構造において第１液と連絡させ、
   液の混合を生じる流れを、少なくとも反応槽の液体に発生させる、少量の液体の統合された計量及び混合のための方法。
2. 層流が混合のために発生される、請求項１の方法。
3. 層流が、接続構造及び計量槽の少なくともいずれかにおいて生じる、請求項２の方法。
4. 層流の発生に音波が用いられる、請求項３の方法。
5. 音波が、混合のために、反応槽の液体に照射される、請求項１〜４のいずれか１つの方法。
6. 音波が、交差指電極トランスデューサが発生する表面音波によって発生させられている、請求項４または５の方法。
7. 各槽及び少なくとも１つの接続構造が、周りの表面と比較して濡れ易い表面の表面領域として形成されている、請求項１〜６のいずれか１つの方法。
8. 各槽及び少なくとも１つの接続構造が、ウェルとして形成されている、請求項１〜６のいずれか１つの方法。
9. 各槽及び少なくとも１つの接続構造が、固体構造中の中空空間として形成されている、請求項１〜６のいずれか１つの方法。
10. 各槽は充填開口部を介して充填される、請求項９の方法。
11. 長手方向に沿って少なくとも２つの開口部を有する槽毛細管構造が、計量槽として用いられる、請求項９または１０の方法。
12. 第１液の容積が、開かれる槽毛細管構造の開口部の選択によって選択される、請求項１１の方法。
13. 少なくとも１つの開いた充填構造が、少なくとも１つの計量槽の充填のために用いられるとともに、供給経路を介して少なくとも１つの計量槽と接続される、請求項１〜１０のいずれか１つの方法。
14. 少なくとも１つの開いた充填構造が反応槽を充填するために用いられるとともに、供給経路を介して反応槽と接続される、請求項１〜１０、１３のいずれか１つの方法。
15. 少なくとも１つの毛細管構造が供給経路として用いられる、請求項１３または１４の方法。
16. 大きさの異なる複数の計量槽を有する装置が用いられ、
    各計量槽は、一方で接続構造を介して反応槽と連絡し、他方で充填開口部と連絡する、請求項１〜１５のいずれか１つの方法。
17. 大きさの異なる複数の計量槽を有する装置が用いられ、
    各計量槽は、一方で接続構造を介して反応槽と連絡し、他方で充填開口部と連絡し、
    接続構造は最初は閉じられており、使用前に、要求された接続構造が計量槽の選択のために開かれる、請求項８または９の方法。
18. 大きさの異なる複数の計量槽を有する装置が用いられ、
    各計量槽は、一方で接続構造を介して反応槽と連絡し、他方で充填開口部と連絡し、
    接続構造は最初は開かれており、使用前に、要求されない接続構造が計量槽の選択のために閉じられる、請求項８または９の方法。
19. 接続構造の開閉が、プラスチック部材の溶融によって行われる、請求項１７または１８の方法。
20. 請求項１の方法を実現する、少量の液体の統合された計量及び混合のための装置であって、
    第１液のための、少なくともの１つの計量槽と、
    第２液のための、１つの反応槽と、
    各計量槽と反応槽との間に設けられ、最初には、第１液の表面張力によって第１液の反応槽への侵入が防がれる、少なくとも２つの接続構造と、
    反応槽に向けて音波を照射し、反応槽の液体を混合する流れを発生させる音波発生装置と、
    を備える、装置。
21. 音波発生装置が表面音波発生装置を含む、請求項２０の装置。
22. 表面音波発生装置に交差指電極トランスデューサが用いられている、請求項２１の装置。
23. 接続構造が、毛細管力が作用する接続毛細管構造を含む、請求項２０〜２２のいずれか１つの装置。
24. 各槽及び少なくとも１つの接続構造が、周りの表面と比較して、液体によって濡れ易い表面の表面領域からなる、請求項２０〜２３のいずれか１つの装置。
25. 各槽及び少なくとも１つの接続構造が、表面におけるウェルとして構成されている、請求項２０〜２３のいずれか１つの装置。
26. 各槽及び少なくとも１つの接続構造が、固体構造中の中空空間として構成されている、請求項２０〜２３のいずれか１つの装置。
27. 中空空間が、カバーによって閉じられた固体中のウェルによって構成されている、請求項２６の装置。
28. カバーが、プラスチック製のホイルによって形成されている、請求項２７の装置。
29. 計量槽が、計量毛細管構造を含む、請求項２６〜２８のいずれか１つの装置。
30. 中空空間が、最初は閉じられていて要求に応じて開かれる開口部を含む、請求項２６〜２９のいずれか１つの装置。
31. 計量毛細管構造が、計量毛細管構造に沿って配置されて任意に開かれる、少なくとも２つの開口部を含む、請求項２９の装置。
32. 計量槽に充填するために、供給経路を介して計量槽と接続された開口構造が設けられている、請求項２０〜３１のいずれか１つの装置。
33. 反応槽に充填するために、供給経路を介して反応槽と接続された、開かれた充填構造が設けられている、請求項２０〜３２のいずれか１つの装置。
34. 供給経路が毛細管構造を含む、請求項３２の装置。
35. 接続構造を介して反応槽と接続された、大きさの異なる複数の計量槽が設けられている、請求項２０〜３４のいずれか１つの装置。
36. 接続構造は、最初は閉じられており、必要に応じて開かれる、請求項３５の装置。
37. 接続構造を介して反応槽と接続された、大きさの異なる複数の計量槽が設けられ、
    接続構造が、最初は閉じられていて溶融して開かれる、プラスチック製のバリヤを含む、請求項２５または２６の装置。
38. 接続構造は、最初は開かれており、必要に応じて閉じられる、請求項３５の装置。
39. 接続構造を介して反応槽と接続された、大きさの異なる複数の計量槽が設けられ、
    接続構造が、最初は開かれていて溶融して閉じられる、プラスチック製のバリヤ構造を含む、請求項２５または２６の装置。
40. 請求項１の方法を自動化するための機器であって、
    請求項２０の装置に用いられる受信機と、
    受信機に装置が置かれたときに、装置と電気的に接続される電気的接点と、
    対応する充填開口又は充填構造の上方に配置された、電気的に制御可能なピペットチップ及び／又はディスペンサを含み、受信機に装置が置かれたときに、各槽へ液を自動供給する自動液供給装置と、
    流れの発生及び自動液供給装置を制御する制御手段と、
    を備える、機器。
41. 装置の各槽及び少なくとも１つの接続構造が、固体構造中の中空空間として構成されており、中空空間が、最初は閉じられていて要求に応じて開かれる開口部を含み、
    機器が、受信機に装置が置かれたときに、開口部を開く開放装置を備える、請求項４０の機器。
42. 装置の計量槽が、計量毛細管構造を含み、計量毛細管構造が、計量毛細管構造に沿って配置されて任意に開かれる、少なくとも２つの開口部を含み、
    機器が、受信機に装置が置かれたときに、開口部を開く開放装置を備える、請求項４０の機器。
43. 開放装置が、装置のカバーとして備えられるプラスチックホイルに孔を開ける、請求項４１または４２の機器。
44. 接続構造を介して装置の反応槽と接続された、大きさの異なる複数の計量槽が装置の中に設けられ、
    接続構造が、最初は閉じられていて溶融して開かれる、プラスチック製のバリヤを含み、
    機器が、バリヤでの熱の発生の制御が可能な熱発生装置を備える、請求項４０の機器。
45. 接続構造を介して装置の反応槽と接続された、大きさの異なる複数の計量槽が装置の中に設けられ、
    接続構造が、最初は開かれていて溶融して閉じられる、プラスチック製のバリヤ構造を含み、
    該機器が、バリヤ構造での熱の発生の制御が可能な熱発生装置を備える、請求項４０の機器。
46. 熱発生装置が、加熱ワイヤ又はレーザで構成されている、請求項４４または４５の機器。
47. 請求項２０〜３９のいずれか１つの装置、又は請求項４０〜４６のいずれか１つの機器を用いた、請求項１の方法であって、少量の液体の混合に使い捨て部材を使用する方法。
48. 計量槽の供給経路及び反応槽の供給経路のうちの少なくとも１つが、毛細管構造を含む、請求項３３の装置。

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