JP5907979B2 - 補助チャネルおよびバイパス・チャネルを含むマイクロ流体デバイス - Google Patents

Description

本発明は一般にマイクロ流体デバイスの分野に関し、特にリガンド−受容体アッセイまたはイムノアッセイ装置に関する。

マイクロ流体デバイスは、たとえばイムノアッセイ装置など一般に知られている。使い勝手のよいイムノアッセイ装置は一般にポイント・オブ・ケア用途に望ましい。たとえば、周知の妊娠検査と同種の「ワン・ステップ」（イムノ）アッセイが開発され、サンプル中の目的のアナライト（ａｎａｌｙｔｅ）または検体を検出するのに必要な試薬がすべて、製造中に装置に組み込まれている。専門家でない利用者は、装置のサンプル受け入れ構造体にサンプルを加えるだけよい。そこからサンプルが流れ、試薬を再溶解し、次いでアナライトと反応し、アナライトはたとえば、光学的または電気化学的方法によって検出可能になる。典型的には、試薬と反応したアナライトの検出は、試薬を含む領域の後に位置する装置の区域で行われる。

ポイント・オブ・ケア診断薬は、マイクロ流体工学に基づく小型化の恩恵を受けると考えられる。マイクロ流体工学は、有用なサンプルおよび試薬を一緒に保存できる機能、検査の感度を高められる機能、さらに物質移動律速反応を促進できる機能を統合するためである。小型化により、いくつかのアナライトの同時検出も容易になる。最後に、小型化すると、大きさおよび重量の減少により診断薬が持ち運びやすくなる。しかしながら、課題は、試薬をマイクロ流体工学に組み込み、装置を使いやすくすることである。さらに別の課題は、ワン・ステップ・アッセイ装置を使い捨てにし、製造コストを安くすることである。こうした理由から、ワン・ステップ・アッセイ装置は、液体および試薬の流れと相互作用する駆動機構を有するのは稀である。

Ｌ．ＧｅｒｖａｉｓおよびＥ．Ｄｅｌａｍａｒｃｈｅは最近、マイクロ流体チップを用いたワン・ステップ・イムノアッセイの概念を明らかにした（非特許文献１）。より詳細には、著者らは、検出抗体（ｄＡｂ：ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｔｉｂｏｄｙ）、捕捉抗体（ｃＡｂ：ｃａｐｔｕｒｅ ａｎｔｉｂｏｄｙ）などの試薬を、ワン・ステップ・イムノアッセイを用いサンプル内のアナライト分子を検出するマイクロ流体機能要素に組み込んだ。この統合装置は、蛍光顕微鏡を用いて判断されるサンドイッチ・イムノアッセイを行うのに、サンプルを加えて毛管力により引き起こされる一連の現象を誘発するだけでよい。マイクロ流体要素として、サンプル・コレクタ、遅延弁、流れ抵抗装置、ｄＡｂの塗布ゾーン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ：ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）基板でシールされた反応チャンバ、ならびにキャピラリ・ポンプおよびベントが挙げられる。インクジェットを用いてｄＡｂの溶液３．６ｎＬをチップ上に塗布する際のパラメータを最適化する。このインクジェットによる塗布は、「スポットする」と呼ばれることもある。ＰＤＭＳ基板にアナライトの受容体でパターンを形成し、シグナル領域および陽性対照領域を設ける。パターン形成されたＰＤＭＳの様々な保存条件について最大６ヶ月間調査を行ったところ、乾燥剤を用いて保存すると、ｃＡｂの活性の少なくとも５１％が保存されることが明らかになった。このワン・ステップ・チップにより、わずか５μＬのヒト血清を用い、湿った反応チャンバのＰＤＭＳ基板３０×１００μｍ^２領域からの蛍光シグナルを測定して、Ｃ反応性タンパク質（ＣＲＰ：Ｃ−ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｒｏｔｅｉｎ）、一般的な炎症および心臓マーカが検出された。この例では、ワン・ステップ・チップにより、３分未満で１０ｎｇｍＬ^−１の濃度、および１４分以内に１ｎｇｍＬ^−１の濃度のＣＲＰを検出することができる。

上記の論文では、ｄＡｂをスポットし、溶解するため３種類の構造体が開示されており、本明細書ではこれらを図１Ａ〜Ｃに再現する。すなわち、
−図１Ａは、主要な直線状チャネル２１を含む構造を図示し；
−図１Ｂは、主要なチャネル２１、側面連結部２１６およびスポット標的２１５を含む構造を示し；
−図１Ｃは、主要なチャネル２１、複数の側面連結部２１６、２１７およびスポット標的２１５を含む構造を示す。

前記構造体の幾何学的形状は、小型化のため（アッセイ性能の向上のため）に開発されたもので、スポットされるｄＡｂを直接サンプル流路に置くか、またはその近くに置くため、ｄＡｂが、装置を流れているサンプルに溶解し得る。こうした装置に少量の液体（すなわち、数ｎＬまたは数十ｎＬ）をスポットすることは難しいが、インクジェット技術により達成することができる。

より詳細には、図１Ａの場合、インクジェットを主要な直線状チャネルの上に配置しにくく、そこに規定された流路にスポットした溶液の溢流または拡散を防止するため、スポットするｄＡｂ溶液の量を少量に保たなければならない。図１Ｂの構造および特に図１Ｃの構造は、側面連結部２１６の上方の円形の標的領域２１５がより大きいため、スポットに必要とされる精度を緩和するのに役立つ。さらに、枝分かれしたチャネル２１７を加えると、スポットされる液体をより多く収容する可能性も与えることなり、こうしたことは、所定の検査（たとえば高いアナライト濃度）に利用できるｄＡｂの量を増加させるのに必要とされる場合がある。

次に、図１Ｄは、スポットして乾燥させた後の、塗布ゾーン２１５（図１Ｂ）のｄＡｂ２００を示す蛍光顕微鏡のグレースケールネガ画像である。ｄＡｂは明らかに微細構造内に位置しているものの、サンプルが塗布ゾーンに入ると直ちに気泡が形成される場合がある。さらに、この場合、スポットされたｄＡｂの大部分が塗布ゾーンの外側に拡散／流動しない可能性がある。

実際に、アッセイの感度は、ｄＡｂがアナライトおよび表面に固定した受容体に結合する時間と、ｄＡｂが溶解するサンプルの体積とに強い影響を受ける。流量による時間／体積の等価式：ｔ＝Ｖ／Ｑがある。式中、ｔは、流量Ｑで所定の体積Ｖを置き換えるのに必要とされる時間である。

ワン・ステップ・アッセイでは、理想的には、流量Ｑの駆動は操作者または機器により行われないため、ｄＡｂの溶解性を最適化しにくいことが理解され得る。チップ上のＱの駆動は可能であるけれども、高価で複雑な装置および駆動の動力源が必要とされる。

まとめると、図１Ａのように主要な直線状チャネル部分を含む構造は、ｘ、ｙ平面における精度が要求されるためスポットを難しくするうえ、スポットしてもよい体積が限定される。さらに典型的には、スポットしたｄＡｂの溶解が速くて（速すぎて）（典型的には３０秒）、その結果ｄＡｂを含むサンプルの体積が小さくなる。マイクロ流体デバイス（または小型系）では、液体路に加える試薬が液体にあまりに効率的に溶解し得ることが理解され得る。所定の検査において、試薬があまりに急速に溶解する場合、試薬は正確な液体の体積分率で存在しない可能性がある。たとえば、ｄＡｂが急速に溶解しすぎると、大部分がサンプルの充填界面に存在する。これらのｄＡｂはサンプル中の多くのアナライトと反応できずに、受容体がアナライトおよびｄＡｂに徐々に結合するのに十分な時間を得られずに受容体領域を超えて速く移動する。したがって、液体の移動および試薬の溶解におけるマイクロ流体デバイスの効率性は、（通常と異なり）逆効果になり得る。

マイクロ流体デバイスの試薬の放出をいかに遅延させるかの例については、その限界と共に以下にいくつか記載する。図１Ｂに記載したような構造（側面連結部およびスポット標的を含む主要なチャネル）では、サンプルの流れ（左から右）が一部のみ側面連結部に入り、気泡が取り込まれ、ｄＡｂの溶解が抑制され、側面チャネルから左側の主要なチャネルへのｄＡｂの拡散が不十分になる。複数の側面連結部を加えると（図１Ｃ）、より多くのｄＡｂ溶液を収容できるが、本質的に図１Ｂと同じ問題が依然として残る。さらに、この場合、ｄＡｂを含む領域による液体の直接対流が存在しないため、ｄＡｂの拡散が一定しない。ｄＡｂの拡散は、ｄＡｂが塗布され乾燥した後の構造体中のｄＡｂのコーディネートに強く依存するからである。

Ｌａｂ Ｃｈｉｐ，２００９，９，３３３０−３３３７

したがって、図１の従来技術による構造には多くの問題がある。最も重要な点として、こうした構造はｄＡｂなどの試薬の溶解プロファイルを容易かつ正確に制御できないことが理解され得る。以上より、改良されたマイクロ流体デバイスが求められている。

第１の態様によれば、本発明は、流れ入口および流れ出口；流れ出口に向かう第１の流路を規定する１つまたは複数のバイパス・チャネル；ならびに流れ出口に向かう第２の流路を規定する補助チャネルであって、試薬を受け入れるように適合された試薬領域を含み、かつ第２の流路に対して試薬領域の下流の接合部で１つまたは複数のバイパス・チャネルの少なくとも１つに連なる補助チャネルを含むマイクロ流体デバイスとして実施される。

他の実施形態では、前記装置は、
−マイクロ流体デバイスは、補助チャネルが接合部でバイパス・チャネルより少ない流量を供給するように設計される；
−マイクロ流体デバイスは、試薬領域の上流の補助チャネルの流れを狭窄するようにさらに設計される；
−補助チャネルは試薬領域の上流の分岐でバイパス・チャネルの少なくとも１つから分岐し、試薬領域の上流、かつ分岐の位置または下流に流れ狭窄領域を含む；
−１つまたは複数のバイパス・チャネル、補助チャネルおよび試薬領域は同じ深さを有する；
−チャネルのそれぞれの幅は１０マイクロメートルのオーダーである；
−チャネルのそれぞれの幅は１０〜１００マイクロメートルである；
−マイクロ流体デバイスは複数のバイパス・チャネルを含む：
−補助チャネルは、第２の流路に対して試薬領域の下流に位置する主接合部でバイパス・チャネルの少なくとも１つに連なる；
−補助チャネルは、第２の流路に対して主接合部の下流に位置する副接合部でバイパス・チャネルの少なくとも１つに連なる；
−補助チャネルはそれぞれの副接合部でバイパス・チャネルに連なり、各副接合部は第２の流路に対して主接合部の下流に位置する；
−主接合部および副接合部は接合部の階層を規定する；
−少なくともバイパス・チャネルのサブセットは類似の横断方向の部分を有する；
−補助チャネルおよび少なくともバイパス・チャネルのサブセットは類似の横断方向の部分を有する；
−試薬領域は補助チャネルの直線状部分に沿って補助チャネルに挿入される
という特徴の１つまたは複数を含んでもよい。

別の態様では、本発明はさらに、本発明によるマイクロ流体デバイスを用意するステップ；好ましくはインクジェット塗布によりマイクロ流体デバイスの試薬領域に試薬を塗布するステップ；および流体の流れを流れ入口から流れ出口に流して、試薬を第２の流路に対して試薬領域の下流に運ぶようにするステップを含むマイクロ流体デバイスを操作する方法として実施する。

この方法は好ましくは、運ばれた試薬により特に起こる接合部の下流の化学反応をモニタする追加ステップを含む。

次に本発明を実施する装置および方法について、非限定的な例により、添付図面を参照しながら説明する。

Ａ〜Ｃ（従来技術）は、公知のマイクロ流体デバイスのチャネル構造を模式的に示す。Ｄ（従来技術）は、スポットして乾燥させた後の中央チャネル（図１Ｂと同様）の側面連結部上方の塗布ゾーン（円形領域）における検出抗体（ｄＡｂ）を示す蛍光顕微鏡のグレースケールネガ画像である。 本発明の実施形態によるマイクロ流体デバイスのチャネル構造を模式的に示す。 Ａ〜Ｅは、それぞれ本発明の種々の実施形態によるマイクロ流体デバイスのチャネル構造を模式的に示す。 本発明の実施形態によるマイクロ流体デバイスのチャネル構造を模式的に示す。 Ａ〜Ｅは、それぞれ本発明の種々の実施形態によるマイクロ流体デバイスのチャネル構造を模式的に示す。 本発明の実施形態によるマイクロ流体デバイスのチャネル構造を模式的に示す。 本発明の実施形態によるマイクロ流体デバイスのチャネル構造を模式的に示す。

教示しやすく見やすいように、添付の図面に示した細部または特徴を意図的に誇張、簡略化、省略または略記する場合があり、必ずしも一定の縮尺ではない。

以下の説明を始めるにあたり、最初に本発明の一般的な態様について説明する。本マイクロ流体デバイスは、一般に流れ方向を規定する流れ入口および出口を有する。１つのバイパス・チャネル（または複数）および補助チャネルが設けられ、それぞれが同じ出口に向かう第１および第２の流路を規定する。補助チャネルは試薬領域に接続する、すなわち、試薬（たとえば、化学的試薬またはｄＡｂなどの生物学的試薬）を受け入れるように設計される。補助チャネルはさらに（第２の流路に対して）試薬領域の下流の、たとえばＴ字接合部のような接合部の位置でバイパス・チャネルに連なる。こうした解決法は、試薬の溶解速度を適合させる簡便なやり方となる。

例示のため、下記の本発明の実施形態は大部分がイムノアッセイ装置に関する。しかしながら、上記のものに類似した特徴を持つ他のマイクロ流体デバイスを意図し得ることが当業者には明らかであろう。

図２は、実施形態による装置の図を模式的に図示する。図２を参照すると、装置１００は、流れ入口１０１および流れ出口１０２と、それぞれの矢印で示されるように出口１０２に向かう各流路を規定するバイパス・チャネル１１、１２とを含むチャネル構造を示す。実際には、本発明の一般的な原理からすると、バイパス・チャネルを１つのみ設けることも可能である。これについては、後で例示する。

このチャネル構造は、出口に向かう別の流路を規定する補助チャネル２１をさらに示す。バイパス・チャネルにより規定される「第１の」流路に対して後者を「第２の」流路という場合がある。すべてのバイパス・チャネルにより規定される流路を同じ１つの、すなわち、全体的な流路と見なしてもよい。前述のように、補助チャネル２１は、それ自体試薬２００、たとえばｄＡｂを受け入れるように設計される試薬領域２１５を含むチャネルである。試薬領域は、図１Ｄの試薬領域と同様に設計してもよい。

さらに、図２に見られるように、補助チャネルは、（第２の流路に対して）試薬領域の下流に位置する接合部Ｊ_１の位置でバイパス・チャネルに連なる。

注目すべきは、バイパス・チャネル（単数または複数）に枝分かれした試薬（補助）チャネルを有するいくつかの種類のチャネルを設けると、試薬の溶解速度を適合させる簡便なやり方となる。言い換えれば、前に検討した方法と比較して、接合部の後で試薬を含むより大きな体積のサンプルが効率的に得られる。たとえば、バイパス・チャネルの数は、横断方向のチャネルの寸法により所望の溶解速度が得られるように適合させてもよく、可能性としては横断方向のチャネルの寸法が異なる（図２のように）ことで、希釈率にも影響を与えると考えられる。

一方、変形例として、すべてのチャネルに同様のチャネル部分（補助チャネルを含む）を設けてもよい。こうした場合、１つの補助チャネルにｎのバイパス・チャネルを加えた場合、合計は、試薬を含むサンプルの体積にｎ＋１を掛けた値になる。したがって、ｎのバイパス・チャネルを加えた場合、各チャネル流量は、ｎ＋１で割った値になると考えられ、最終的に溶解速度が小さくなることが示唆される。

図示した装置の操作は、非常に単純である。たとえば、インクジェット塗布により試薬２００をマイクロ流体デバイスの領域２１５に塗布する。次いで、矢印で示したように試薬を試薬領域の下流に運ぶべく流体を入口から出口に流せばよい。接合部Ｊ_１の位置で、補助チャネルおよびバイパス・チャネルの流れが合流するため、接合部の下流で測定される実際の溶解速度が低下する。その後、たとえば、好適な検出手段（図示せず）を用いて、一定の化学反応を接合部の下流でモニタしてもよい。

実施形態では、装置は、補助チャネルが接合部でバイパス流体チャネルより少ない流量を与えるように構成する。これは、前に指摘したように、たとえば、バイパス・チャネルの数を増加させることにより達成してもよい。また、装置は、たとえば、試薬領域の上流で補助チャネルの流れを狭窄するように設計してもよい。

実際に図２に示したように、試薬領域２１５の上流に１つまたは複数の狭窄領域３０を設けてもよい。狭窄領域は、たとえば、他の部分１１、１２、２１より単に小さいチャネル部分として設けてもよい。こうした領域３０は、局所的に流れを狭窄し、所望の溶解速度の調整を可能にする。

さらに、実施形態では、補助チャネルは典型的には、試薬領域２１５の上流に位置する分岐Ｓ_１の位置でバイパス・チャネルから分岐する。これに関連して、流れ狭窄領域３０は、分岐Ｓ_１の位置、またはその下流（かつ試薬領域の上流）に位置すると都合がよい。

ただし、狭窄領域を設けるのは必須ではない。前述のように、溶解速度は、バイパス・チャネルの数または大きさのみを変えて適合させてもよい。さらに、実施形態では、バイパス・チャネルおよび補助チャネルの横断方向の相対寸法は異なってもよく、これも狭窄領域をまったく必要とせずに溶解速度に影響を与える。

他の実施形態では、狭窄領域を設けるだけでなく、さらに、図２に示したようにチャネルの横断方向の相対寸法を変えてもよい。チャネルもしくは狭窄領域またはその両方の（相対）寸法は、試行錯誤法、および所望の溶解速度に従い調整してもよい。チャネルは、マイクロ流体工学で知られる技術に従い、たとえば、シリコン、ＰＤＭＳまたはプラスチックの表面等に彫刻した開口溝として得てもよい。そのようにする場合、好ましくは塗布ゾーン２１５とバイパスするチャネル１１、１２との安全な距離を保つように注意すべきである。例を以下に示す。

図２で詳細に見たように、試薬領域は好ましくは、塗布ゾーンに結合した行き止まりチャネルにならないように、補助チャネルの直線状部分に沿っている（図１Ｂの溶液と異なる）。

図２をまとめると、図示した設計はスポットがしやすくなる。さらに、流路の１つで気泡が形成されても、全体の流れを遮断しないと考えられる。チャネル１１、１２、２１で見られる流れ抵抗の相対値（Ｒ_１１、Ｒ_１２およびＲ_２１で示す）を変化させることにより、試薬の溶解性を正確に設定することができる。実際に前記抵抗は、異なる流路の液体の流量に影響を与える。構造に特徴的な流れ抵抗は、構造体内の液体（非圧縮性であると仮定）に印加される圧力と液体の流量との比率と定義することができる。チャネルの流れ抵抗は主にその寸法および形状により決定されるが、他の要素がチャネルの流れ抵抗に影響を与える場合もある。流れ抵抗、流量および圧力と、電気抵抗、電流および電位により記載される電気回路との間には類似性がある。同等の形状および長さを有するチャネルは同等の流れ抵抗を有する一方、チャネルが分岐して、連なり、並列流体回路もしくは直列流体回路またはその両方を形成する構造としてチャネルを構築してもよい。したがって、流体回路に同一のチャネルが含まれる場合でも、流体回路の全体的な流れ抵抗に影響を与えるようにチャネルを構築することができる。たとえば、抵抗Ｒ_２１を有する中央チャネルは、流体回路が抵抗Ｒ_１１／Ｒ_１２／等を有する並列バイパス・チャネルを有する場合、流体回路を通過する液体の流れ全体への寄与が小さくなる。バイパス・チャネルの数が増えると、試薬が体積分率のより大きいサンプルに溶解し、サンプルおよび試薬が装置内の受容体を通り過ぎる時間が増加することにより、検査の感度が高くなる。逆に、Ｒ_１１／Ｒ_１２／…に対してＲ_２１を低下させると、体積分率の小さいサンプル中でチャネル２１の試薬を速く溶解させ、装置内の受容体の方に流出させるのに都合がよい。この場合には、結果を得る時間が短縮される（シグナルをより早く読み取ることができる）。最後に、図２に示した設計はコンパクト設計であり、チャネルが設けられる有用な表面を最適化してある。

図３Ａ〜Ｅは、試薬の溶解性を変えるため様々な狭窄部３０ａ〜ｅを含む構造の例を示す。しかしながら、好ましい幾何形状は一般に、１０マイクロメートル幅の狭窄部である（その場合、チャネルは１０マイクロメートルより幅広の部分を有する）。ある装置の場合、以下の通り任意に定義される特徴的な希釈倍率Θおよび希釈パラメータσを算出することが有用である：
σ＝Ｒ_{ｒｅａｇｅｎｔ}／（Ｒ_{ｒｅａｇｅｎｔ}＋Ｒ_{ｂｙｐａｓｓ}）＝Ｒ_{ｒｅａｇｅｎｔ}／Ｒ_{ｔｏｔａｌ}
および
Θ＝（１−σ）

得られる希釈倍率Θは典型的には、０．０４（すなわち４％）〜０．８５（すなわち８５％）までの幅がある。希釈倍率が高くなると、試薬の希釈度が高くなる、すなわち試薬は、体積分率がより大きいサンプル中に存在する。

現在、こうしたチャネルの設計は一般に有効であることが明らかになっているが、（たとえば、プラスチック材料および射出成形／熱エンボス加工を使用して）チップの大量生産の際に狭窄部がなお問題となる場合がある。

図４は、より多くの量の試薬溶液またはいくつかの種類の試薬を収容するいくつかの塗布ゾーン（試薬領域２１５ａ〜ｄ）を含む特定の実施形態に関する。この場合、バイパス・チャネル１１、１つのみが設けられる。さらに、チャネルは図２または３と異なり、非一定部分１１’’、２１’、２１’’を有し、それにより、流れを狭窄すること、もしくは効率的な溶解速度を適合させること、またはその両方も可能になり得る。この場合、狭窄領域を必要としない。もっと正確にいえば、徐々に変化するチャネル部分が流れの狭窄を可能にする。

図５Ａ〜Ｅは、１つまたは複数のバイパスするチャネルが設けられた他の実施形態に関する。

たとえば、図５Ａでは、チャネル１１、２１は図４と同様に非一定部分を有する。特に、流れを局所的に狭窄するように試薬領域２１５の両側のバイパス・チャネル部分を狭めてもよい。

図５Ｂおよび５Ｄでは、各チャネルが一定部分を有する。図５Ａと比較してバイパスするチャネルの数が増加している。

図５Ｃまたは５Ｅでは、一番下のチャネル１３、１５の部分が一定ではない。他の多くのこうした変形を意図してもよい。上記のそれぞれの場合、補助チャネル２１が、試薬領域２１５（主接合部という）の下流にあり、かつ出口１０２の下流にある検出手段（図示せず）の上流にある接合部Ｊ_１でバイパス・チャネル１１〜１５のうち少なくとも１つのチャネル１１に連なることに変わりはない。チャネルはさらに主接合部の下流の副接合部Ｊ_２で連なる。

注意点として、補助チャネルが主接合部もしくは副接合部（Ｊ_１またはＪ_２）またはその両方でバイパス・チャネルに連なるかどうかが問題になるかもしれない。しかしながら、これは、修辞的な質問に過ぎず、考慮対象の流路によって異なる。第１の流路（チャネル１１により規定される）を考慮すると、チャネル１１および２１がＪ_２よりむしろＪ_１で再び連なると考えたくなる。第２の流路（補助チャネル２１により規定される）を考慮すると、その反対を考えるであろう。すべての場合で補助チャネルが、第２の流路に対して試薬領域の下流の接合部でバイパス・チャネルの少なくとも１つに連なることに変わりはない。さらに、副接合部は第２の流路（すなわち、補助チャネルにより規定される）に対して主接合部の下流にある。

これに関連して、５Ｂ〜Ｅに示すように、補助チャネル２１およびバイパス・チャネル１１、１２、…はそれぞれ副接合部Ｊ_２で連なる。各副接合部で試薬流れはさらに分流する。この場合、主接合部および副接合部はさらに接合部の秩序だった階層を規定する。対称的なバイパス・チャネル（図５ＢおよびＤ）では、ｎ＋１個の副接合部が存在する（ｎは対称的なチャネルの数）。最も外側の非対称的なチャネルを加えると、図５ＣおよびＥに示すように追加の副接合部ができる。同様に、主分岐（補助チャネルに最も近い分岐）と副分岐（より離れた分岐）といってもよい。こうした設計では、希釈された試薬流れ（すなわち、第２の流路）は最初にＪ_１で分流し、次いでＪ_２接合部で最も外側のバイパス・チャネルに連なる。こうした設計により、必ずしも流れ狭窄部を必要とせずに、最終的に得られる希釈率が予測しやすくすることができる。

上記の例の一部は、少なくともバイパス・チャネルのサブセット（バイパス・チャネルの全部でない場合）は類似の横断方向の部分を有し（たとえば、図５Ｂおよび５Ｃのチャネル１１、１２）、これにより装置が製造しやすくなる。図５Ｄでは、最も外側のチャネル１１、１４が類似の寸法を有する。最も内側のバイパス・チャネルにも同じことがいえる。他の場合には、少なくともバイパス・チャネルのサブセットが（場合によっては補助チャネルも）図５Ｂのような横断方向の部分を有しており、これは大量生産により好適である。バイパス・チャネルの異なるサブセットは、溶解速度を微調整するため別の横断方向の部分を有してもよい。

上記の場合、小型の狭窄部を製造する必要がない（製造しやすくなる）。さらに、こうした設計では、目詰まりおよび微粒子に関する問題が減少する（細胞がサンプル中に存在する場合、剪断力により破壊されない可能性がある）。

さらに、気泡が形成し得る位置（たとえば、副接合部Ｊ_２、すなわち、液体流が合流する出口側）すべてに遅延弁を設けてもよい。これに関連して、弁は好ましくは２つの四分円のチャネルからなり、その四分円構造体の幅のほぼ２倍の幅を有する出口路と合流する。大まかにいえば、液体が１つの四分円の片側からのみ流れる場合、出口路に進むことができずに、他方の四分円の液体を待つ。両側の液体が合流すると、充填物は出口路の方に移行する。こうした弁はさらに互いに重ね合わせてもよい。

ここで、試薬が溶解する体積（時間）は塗布ゾーン２１５全体を去る液体流に対する各流路の寄与により制御される。したがって、各路の体積および流れ抵抗が重要になる。

図５に示す設計はスケーラブルであり、複雑な要件を単純な基準（すなわち、構造体全体から出る液体の流れに対するチャネル２１の試薬流路の寄与）に置き換えたものである。典型的には、図５の設計から得られる希釈倍率は６０％〜９３％まで様々である。

図６は、図５Ｂ（すなわち、２つのバイパス・チャネル１１、１２と、直列の試薬領域２１５を含む１つの補助チャネル２１と、主接合部Ｊ_１および副接合部Ｊ_２）と同様に小さい／中間の希釈倍率に適した別の実施形態に関する。矢印は試薬流量Ｄ_{ｒｅａｇｅｎｔ}および総吐出流量Ｄ_{ｔｏｔａｌ}を示す。この場合、チャネルの全部および試薬領域の深さは６０マイクロメートルである。これは、チップ上に単一の深さで当該チャネルおよび領域を彫刻することにより達成することができる。単一の深さレベルを設けることで、チップの製造が確実に簡素化される。この場合、各チャネルの横寸法は１０マイクロメートル（μｍ）のオーダーである。

こうした設計は、ヒト血清を用いて行った試験から判断すると、サンプルの有効な充填を可能にする。出口路を詰まらせる泡は出現しなかった。特に、インクジェットを使用して１８０ピコリットル（ｐＬ）のｄＡｂ溶液の液滴２０滴をスポットしたところ、それぞれ容易に達成できた。こうした設計で得られた典型的な希釈倍率は、Θ＝０．９３（すなわち９３％）、希釈パラメータσ＝０．０７で、試薬領域の体積Ｖ_{ｒｅａｇｅｎｔ}は、約４ナノリットル（ｎＬ）である。この場合、試薬は、少なくとも４／０．０７＝５７ｎＬのサンプルに溶解される。

加えて、さらに前に述べたように、運ばれた試薬により特に引き起こされる接合部の下流の化学反応２００’をモニタ（３００）したい場合がある。たとえば、運ばれる試薬は、サンプル中に存在するアナライトに特異的に結合する蛍光標識されたｄＡｂでもよい。アナライト−ｄＡｂ対は、接合部の下流のチャネル表面に固定化した抗体により捕捉される。捕捉されたら、アナライトはｄＡｂに結合しているため、たとえば、蛍光によって検出する。この例では、化学反応２００’は、「サンドイッチ」蛍光表面イムノアッセイである。他の多くの種類の化学的または生化学的試験も同様に行うことができる。塗布領域２１５に塗布され、選択した希釈パラメータにより溶解された試薬を用いて、たとえば、ＤＮＡまたはＲＮＡ分子、タンパク質、抗原、ペプチド、病原体、汚染物質、化学物質、トキシンを検出することができる。さらに、蛍光以外の種類のシグナルを使用してもよい。たとえば、試薬２００は蛍光標識されたオリゴヌクレオチドでも、または機能性ナノ粒子もしくは着色ラテックス粒子でもよい。試薬２００はまた、たとえば酵素または金ナノ粒子で機能性を持たせたｄＡｂであってもよい。塗布領域２１５には、２種類以上の試薬２００を単独で塗布しても、またはいくつかの塩、界面活性剤もしくは化学物質と一緒に塗布してもよい。塗布される化学物質の役割は、化学物質が、たとえば蛍光標識されたｄＡｂと、病原体を溶解するいくつかの酵素、および製造された装置の乾燥状態でのｄＡｂの安定性を高めるのに使用される糖などの化学物質との混合物であるため、大きく異なってもよい。また必要に応じて、スポットしたｄＡｂの上に化学物質をスポットして、その溶解をさらに遅延させ、希釈倍率を増大させてもよい。したがって、都合のよい検出手段は好ましくは、出口１０２の下流に含まれる。

図７は、なお別の実施形態に関し、今回は高い希釈度に最も好適である。この場合、チャネルの幅は１０〜１００マイクロメートルまで様々である。特に、補助チャネル２１の部分はほぼ一定であり、約１０マイクロメートル幅であるのに対し、バイパス・チャネル１１、１２の幅は１００マイクロメートルに及ぶ（この場合、この部分は一定ではなく、約５０〜１００マイクロメートルである）。Ｓ_１およびＪ_１に近いチャネル１１および１２の幅が狭まると、毛管圧力の急低下により装置を満たすことを止める液体を有する可能性が低下する（毛管圧力は、特徴的な寸法、たとえばこの場合、チャネルの幅が拡大すると低下する）。さらに、Ｊ_１に近いチャネル１１および１２の寸法は過度に狭まっていないため、液体の充填挙動の不連続性が軽微に保たれる。液体がＪ_１を通過するには、チャネル２１、１１および１２の液体メニスカスはすべて合流する必要がある。このことが、接合部における気泡の形成を防止する。前に指摘したように、ある接合部の後のチャネルの幅が接合部の前のチャネルのほぼ２倍大きいと、気泡が生成しないことが経験的に明らかになった。このため、接合部の下流横断方向のチャネル部分は好ましくは、その接合部の上流のチャネル部分の少なくとも２倍大きくてもよい。

本例のチャネルは以下のパラメータを特徴とする。流れ抵抗は、
−バイパス・チャネルでは、Ｒ_{１１，１２}＝４×１０^１７ｍ^−３；
−補助チャネルでは、Ｒ_２１＝１．３×１０^１５ｍ^−３である。円形パイプを用いると概算値で、Ｒ＝８Ｌ／（πｒ^４）、式中、Ｌはパイプの長さ、ｒはパイプの半径であるため、この単位になることを銘記すべきである。

試薬領域の体積Ｖ_{ｒｅａｇｅｎｔ}が３．２ｎＬの場合、得られる希釈倍率はΘ＝９９．８４％である。この場合、試薬（たとえば、ｄＡｂ）は少なくとも３．２／０．００１６＝２μＬのサンプルに溶解される。本発明について特定の実施形態を参照しながら記載してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱しない範囲で様々な変更を施してもよく、等価物を代わりに用いてもよいことが理解されよう。さらに、本発明の範囲を逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の本教示内容に適合させるべく、多くの修正を施してもよい。したがって、本発明は開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲の範囲内の実施形態をすべて含むことを意図している。たとえば、ＰＤＭＳ、シリコンまたはプラスチック以外の材料を含めてもよい。上記のようなマイクロ流体デバイスは、イムノアッセイ、ＤＮＡ検査、およびリガンドまたは受容体が目的のアナライトである、一般にリガンド−受容体相互作用の原理に基づく試験に広く応用され得る。他の多くの変形を意図してもよい。たとえば、溶解速度をさらに調整するため、溶解を遅延させる種を試薬ゾーンに加えてもよい。

Claims (9)

1. 流れ入口から流れ出口に向かう流体の流路を構成する１つまたは複数のバイパス・チャネル；ならびに
   前記流体により前記流れ出口の下流に運ばれる試薬を受け入れるように適合された試薬領域を含む流路として構成され、前記試薬領域の上流の分岐で前記バイパス・チャネルの少なくとも１つから分岐し、かつ前記試薬領域の下流の接合部で前記バイパス・チャネルの少なくとも１つに連なる補助チャネルを含み、
   前記補助チャネルが前記接合部で前記１つまたは複数のバイパス・チャネルより少ない流量を供給するように設計された、
   マイクロ流体デバイス。
2. 前記試薬領域の上流の前記補助チャネルの流れを狭窄するようにさらに設計された、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
3. 前記補助チャネルは、前記試薬領域の上流、かつ前記分岐の位置または下流に流れ狭窄領域を含む、請求項２に記載のマイクロ流体デバイス。
4. 前記１つまたは複数のバイパス・チャネル、前記補助チャネルおよび前記試薬領域は同じ深さを有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
5. 前記チャネルのそれぞれの幅は１０〜１００マイクロメートルである、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
6. 複数のバイパス・チャネルを含み：
   前記補助チャネルは、前記試薬領域の下流に位置する主接合部で前記バイパス・チャネルの少なくとも１つに連なり；
   前記補助チャネルは、前記主接合部の下流に位置する副接合部で前記バイパス・チャネルの少なくとも１つに連なる、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
7. 前記試薬領域は前記補助チャネルの直線状部分に沿って前記補助チャネルに挿入される、請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスを用意するステップ；
   インクジェット塗布により前記マイクロ流体デバイスの前記試薬領域に試薬を塗布するステップ；および
   流体を前記流れ入口から前記流れ出口に流して、前記試薬を前記試薬領域の下流に運ぶようにするステップ
   を含む、マイクロ流体デバイスを操作する方法。
9. 前記接合部の下流の、前記運ばれた試薬により起こる化学反応をモニタリングするステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
   

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