JP6495439B2 - マイクロ流体分析装置およびマイクロ流体分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気泳動移動度（ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ ｍｏｂｉｌｉｔｉｅｓ）と電気浸透移動度（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｓｍｏｔｉｃ ｍｏｂｉｌｉｔｉｅｓ）との競合を利用するマイクロ流体分析装置の分野に関する。

電気泳動移動度と電気浸透移動度との競合を利用して粒子および分子を選別するように構成されたマイクロ流体分析装置が知られている。

これらのマイクロ流体分析装置は、電解質と被分析物を含有する試料とが注入されるマイクロ流体アレイを使用する。

このアレイは、少なくとも１つの長い分離チャネルに接続され、および／または、特に、当該１つの分離チャネルに一定量の被分析物が注入されることができるように配置された交差部を有するマイクロチャネルアレイに接続された、多数のタンクを含む。

分離チャネルの壁は、絶縁体で覆われた金属層からなる分極性表面で覆われている。金属層に分極電圧を印加して、液体との界面で絶縁体を介して表面電荷を変化させる。これらのデバイスは、一般に、分極性金属／絶縁体界面トランジスタと呼ばれている。

これらのマイクロ流体解析装置に実装される方法は、分離チャネルのいずれかの側に設けられた長手方向電界電極にわたるチャネルに長手方向電界を印加することに存する。電界の作用下で、荷電粒子は電解質中を移動する。これは電気泳動移動または電気泳動と呼ばれている。

分離チャネルの壁部上には、表面電荷に対応する固定イオン層と、電解質中の拡散層に対応する可動イオン層とによって形成される二重イオン層が自発的に形成される。長手方向電界の作用下では、移動層のイオンが移動し、電気浸透による電解液の全体的な動きを引き起こす。これは電気浸透流と呼ばれている。

電気泳動（電解質中の分子または粒子の電荷および大きさに関連する）と電気浸透流（電解質速度）との同時的作用は、分離チャネルを通って電解質に含有される分子および粒子の輸送を確実にする。

したがって、従来技術のマイクロ流体分析装置は、粒子がその質量および電荷の関数として分離されることを可能にする。

しかしながら、従来技術のマイクロ流体解析装置は２つの主要な問題点を有する。

第１に、分極性表面を覆う絶縁層が原因で、分極性界面の表面電荷の十分な変化を管理するために、電解質と分極性表面との間で比較的顕著な電位差を印加しなければならない。電解質と分極性表面との間に顕著な電位差を印加することが、分極性表面を劣化させる可能性のあるオフガスを発生させる電気化学反応を誘発させる。

第２に、電解質と接触された絶縁体は物理的劣化に晒され、分極性表面と長手方向電界電極との間に大きな漏れ電流を生じさせ、これが分極性界面の表面電荷を監視することを妨げる。

本発明は、上述の欠点の少なくとも１つを克服し、特に、分極性表面と長手方向電界電極との間の漏れ電流を制限し、分極性表面の電荷監視が改善されることを可能にするものである。

この目的を達成するため、本発明は、
− 電解質が流れる分離チャネルが配置され、前記分離チャネル（１０）の一部分が分極性表面（１１）で覆われている基板と、
− 前記分離チャネルのいずれか一方側にそれぞれ配置された２つの長手方向電界電極と、
− 前記分離チャネル内に配置されていて、前記分離チャネルにおける電気浸透流の速度を監視するために、前記分極性表面を分極するように構成された、少なくとも１つの制御電極と、
を含むマイクロ流体分析装置であって、
前記分極性表面が、非晶質炭化ケイ素（ａ−ＳｉＣ）で構成された絶縁副層と、前記電解質と直接接触された上部分極性層とで構成され、かつ、前記制御電極（６ａ，６ｂ）が、前記非晶質炭化ケイ素（ＳｉＣ）で構成された絶縁副層（１２）と前記上部分極性層との間に配置されていることを特徴とするマイクロ流体分析装置を提供する。

本発明に係るマイクロ流体解析装置は、分離チャネルにおける被分析物の速度が、あるいはより正確には、チャネルの表面電荷に直接関連する粒子または分子の輸送の電気浸透的寄与度が測定されることを可能にする。

本発明は、分離チャネル内を流れる被分析物の速度がリアルタイムで駆動されることを可能にする。

非晶質炭化ケイ素で構成された絶縁副層と上部分極性層との結合は、上部分極性層の表面電荷の変化を発生させるために、電解質と分極性表面との間に印加される電位差が制限されることを可能にする。

したがって、本発明は、オフガスを生成する可能性のある電気化学反応を回避することによって、表面電荷が最適に監視されることを可能にする。

かくして、本発明は、マイクロ流体分析法の分解能を最大化することによって、電気浸透流を最適化することを監視することで、分離または選別を可能にする。

本発明者らは、国際公開第２０１０／０５２３８７号に記載されているように、上部分極性層がガラス基板上に直接堆積されると、分極性表面と長手方向電界電極との間に漏れ電流が存在する点に着目した。

実際、上部分極性層（特に窒化炭素（ＣＮｘ）で構成されかつスパッタリング法により堆積された場合）は、ガラスに直接接着するには拘束されすぎている。上部分極性層のガラス基板への低接着性は、分極性表面と長手方向電界電極との間にこれらの漏れ電流が存在する原因となる。

非晶質炭化ケイ素で構成された絶縁副層は、上部分極性層の結合を促進することにより、分極性表面と長手方向電界電極との間の漏れ電流が制限されることを可能にする。

実際、非晶質炭化ケイ素は、基板と上部分極性層との両方に適合しており、本来は直接的には互いに適合しない２つの材料どうしが接着されることを可能にする。

特に、基板がガラスで構成されかつ上部分極性層が窒化炭素で構成されている場合、ガラス表面はシリコンと酸素に富むところ、窒化炭素（ＣＮｘ）は炭素と窒素とを含む。非晶質炭化ケイ素で構成された副層は、一方でガラス基板と、他方では窒化炭素（ＣＮｘ）と共通の元素を有することから、窒化炭素（ＣＮｘ）のガラスへの間接的な接着を促進する。

さらに、本発明者らは、原子間力顕微鏡法により、非晶質炭化ケイ素（ａ−ＳｉＣ）の表面粗さ（特に二乗平均平方根（ＲＭＳ）粗さ）と窒素原子（ＣＮｘ）の表面粗さとが互いに非常に近いこと、したがって、ａ−ＳｉＣ／ＣＮｘ界面は、トポグラフィの観点において非常に良好な相性を有することに着目した。

高密度電気絶縁非晶質材料（非晶質炭化ケイ素（ａ−ＳｉＣ）で構成された絶縁副層の抵抗率は典型的には２×１０^３Ω・ｃｍである）である非晶質炭化ケイ素（ａ−ＳｉＣ）で構成された副層の存在は、上部分極性層が分極されることを可能にするとともに、上部分極性層と長手方向電界電極との間の漏れ電流を制限する。非晶質炭化ケイ素（ａ−ＳｉＣ）で構成された副層の存在は、典型的には、漏れ電流が１ナノアンペア未満に低減されることを可能にする。

さらに、本発明者らは、ＣＮｘよりも高い導電性を有する副層が用いられると、ＩＴＯ（酸化インジウムチタン）およびアルミニウムが使われるように、電流の大部分が副層を通過することとなり、これがジュール効果による熱の発生をもたらしてしまうことを観察した。非晶質炭化ケイ素（ａ−ＳｉＣ）で構成された副層はこの欠点を有していない。

本発明は、技術的に可能な任意の組み合わせに沿ってまたはしたがって、以下の特徴によって有利に完成される。

上部分極性層は窒素炭素（ＣＮｘ）で構成されている。

マイクロ流体分析装置はさらに、
− 前記分離チャネル内の電解質の電位を測定するように適合された基準電極と、
− 前記分極性表面がその分極率ウィンドウ内に留まるように、前記基準電極によって測定された前記電解質の電位の関数として、前記制御電極の電位を調整するように適合された監視回路と、
を含む。

基準電極および監視回路は、電気泳動移動プロセス中の被分析物輸送の監視および前記被分析物の輸送の質にとって有害な、制御電極と長手方向電界電極との間の漏れ電流が制限されることを可能にする。

監視回路は、制御電極と基準電極との間に固定電位差を印加するように適合されている。

マイクロ流体解析装置は、
− 前記チャネルの上流側に配置された１つの上流側制御電極と、
− 前記チャネルの下流側に配置された１つの下流側制御電極と、
− 前記チャネルの上流側に配置された１つの上流側基準電極と、
− 前記チャネルの下流側に配置された１つの下流側基準電極と、
を備え、
前記上流側制御電極は、上流側監視回路により前記上流側基準電極に接続され、前記下流側制御電極は、下流側監視回路により前記下流側基準電極に接続され、前記下流側監視回路は、前記分極性表面がその分極率ウィンドウ内に留まるように、前記制御電極の電位を、前記基準電極によって測定された前記電解質の電位の関数として調整するように適合されている。

ＳｉＣで構成された副層と監視回路とをあわせて使用することが、分極性表面と長手方向電界電極との間の漏れ電流が制限されることを可能にする。

下流側監視回路は、下流側基準電極を基準とするフローティンググランドに接続されている。

電源グランドに対する電解質電位の値を測定することが、下流側監視回路の同相電圧が制限されることを可能にする。

前記下流側監視回路が、第１の演算増幅器と第２の演算増幅器とを含み、前記下流側基準電極が、前記第１の演算増幅器の非反転入力と前記フローティンググランドとの間に接続され、かつ、前記下流側制御電極が、前記第２の演算増幅器の非反転入力と前記フローティンググランドとの間に接続されている。

本発明はまた、マイクロ流体分析装置により行われるマイクロ流体分析方法であって、
− 被分析物を含有する電解質を分離チャネルに注入するステップと、
− 前記分離チャネル内に長手方向電界を発生させるステップと、
− 前記制御電極間に分極電圧を印加して前記分極性表面を分極させるステップと、
− 前記制御電極間の前記分極電圧を変化させることにより、前記分離チャネル内の電気浸透流速を監視するステップと、
を備えるマイクロ流体分析方法に関する。

分離チャネル内の電気浸透流速を監視するステップにおいて、制御電極と基準電極との間に固定電位差が印加される。

分離チャネル内の電気浸透流速を監視するステップにおいて、上流側制御電極と上流側基準電極との間、および、下流側制御電極と下流側基準電極との間に固定電位差が印加される。

さらなる目的、特徴および利点は、説明の目的および非限定的な目的のために与えられた図面を参照しての以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明に係る装置の概略図である。 図１の装置の流体アレイの図である。 分離チャネルの拡大図である。 分離チャネルと、監視回路に接続されることを目的とした接続部との概略図である。 例示的主電源駆動監視回路の概略図である。 例示的バッテリ駆動監視回路の概略図である。

図１および図３を参照すると、マイクロ流体解析装置１は、ガラス材料またはプラスチック材料で構成された基板２０内に設けられた流体アレイ１００を備えている。

流体アレイ１００
流体アレイ１００は、以下を含む。

− バックアップ容器１５
− 貯蔵容器１６
− 右上流側２次タンク２５ａａ
− 左上流側２次タンク２５ａｂ
− 右下流側２次タンク２５ｂａ
− 左下流側２次タンク２５ｂｂ
− 上流側タンク９ａ
− 下流側タンク９ｂ
− 分離チャネル１０
空気加圧バックアップ容器１５および第２の貯蔵容器１６
図１を参照すると、流体アレイ１００は、被分析物を含有する電解質を収容したバックアップ容器１５と、流体アレイ１００の出力部で電解液を受け付けるように適合された第２の貯蔵容器１６とを含む。

電解質は、例えば塩化カリウム（ＫＣｌ）またはその他の任意の生理的緩衝液である。

被分析物は、特に以下のものとすることができる。

− マイクロメートルまたはナノメートル寸法の球状体などの粒子、これらは磁性、非磁性いずれでもよく、化学的にまたは生体分子によって官能化されていてもよく、あるいは、それらの組み合わせによってもよい。

− 生体分子（ＤＮＡ、ＲＮＡ、ペプチド、タンパク質）、イオン、汚染物質、ポリマー、または放射性元素などの分子および化学元素
− 細菌、ウイルスおよび細胞一般
バックアップ容器１５は、典型的には約１バールの圧力下で窒素により加圧される。

バックアップ容器１５および貯蔵容器１６は、圧力計によって測定される流体力学的圧力によって、流体アレイ１００への電解液の導入を制御することを可能にする複数ソレノイドバルブで構成されたマトリックスシステム１７に接続されている。

２次タンク２５ａａ，２５ａｂ，２５ｂａ，２５ｂｂ
バックアップ容器１５は、右上流側２次タンク２５ａａおよび右下流側２次タンク２５ｂａと、左上流側２次タンク２５ａｂおよび左下流側２次タンク２５ｂｂとの間で交互に接続されるように適合される。

貯蔵容器１６はまた、右上流側２次タンク２５ａａおよび右下流側２次タンク２６ｂａと、左上流側２次タンク２５ａｂおよび左下流側２次タンク２５ｂｂとの間で交互に接続されるように適合される。

タンク９ａおよびタンク９ｂ
流体アレイ１００は、上流側タンク９ａと下流側タンク９ｂと含む。

タンク９ａおよびタンク９ｂは、ある量の被分析物が分離チャネル１０に注入されることを可能にする。

上流側タンク９ａは、チャネル３５ａａおよびチャネル３５ｂａを接続することにより、右上流側２次タンク２５ａａと左上流側２次タンク２５ｂａとに接続されている。下流側タンク９ｂは、チャネル３５ａｂとチャネル３５ｂｂとを接続することにより、右下流側２次タンク２５ａｂと左下流側２次タンク２５ｂｂとに接続されている。

接続チャネル３５ａａ、３５ａｂ、３５ｂａおよび３５ｂｂは、気泡の存在を制限するために、丸みを帯びたコーナーおよび２つの狭幅部を有している。

分離チャネル１０
分離チャネル１０は、上流側長手方向電界タンク９ａと下流側長手方向電界タンク９ｂとを接続している。

分離チャネル１０は、典型的には矩形の断面を有している。

分離チャネル１０の典型的な寸法は、長さ５，０００マイクロメートル、幅２５０マイクロメートルである。

分離チャネル１０内に長手方向電界を発生させるための回路
図１に示すように、マイクロ流体測定装置１は、分離チャネル１０内に長手方向電界を発生させるための回路を含む。

長手方向電界を発生させるための回路は、長手方向電界電圧発生器８１によって駆動される少なくとも１つの第１の長手方向電界電極８ａと少なくとも１つの第２の長手方向電界電極８ｂとを含む。

長手方向電界発生器８１は、上部分極性層１１を劣化させうるいかなる電流漏れをも防止するために電流が制限されている。

図３に示すように、長手方向電界電極８ａ，８ｂは、長手方向電界タンク（それぞれ９ａおよび９ｂ）の１つにそれぞれ接続され、電解液中に電界を生成することができる。

長手方向電界電極８ａ，８ｂは、例えば、タンクに配置された肉眼的電極、または流体アレイに配置された微小電極である。

分極性表面１１
分離チャネル１０の一部は、分極性表面１１で覆われている。

分極性表面１１は、絶縁副層１２と上部分極性層１３とを含む。上部分極性層１３は、電解質と直接接触されている。

絶縁副層１２は、非晶質炭化ケイ素（ａ−ＳｉＣ）で構成されている。

上部分極性層１３は、典型的には窒化炭素（ＣＮｘ）で構成されている。

炭化ケイ素（ＳｉＣ）で構成された絶縁副層１２は、典型的には３０ｎｍに近い厚さを有するが、上部分極性層１３は９０ｎｍから２００ｎｍの間の厚さを有する。

絶縁副層１２と上部分極性層１３との結合、特に上部分極性層１３が電解液と直接接触されているという事実は、電解液と分極性表面１１との間に印加されなければならない電位差が、上部分極性層１１の表面電荷に変化を生じさせるために制限されることを可能にする。したがって、本発明は、オフガスを発生させる可能性のある電気化学反応を回避することによって電荷表面が最適に監視されることを可能にする。

他方、非晶質炭化ケイ素（ａ−ＳｉＣ）で構成された絶縁副層１２は、上部分極性層１３の接合を促進する。

他方、絶縁副層１２は、分極性表面と長手方向電界電極との間の漏れ電流を低減することに寄与する完全な絶縁法則性を担う。非晶質炭化ケイ素（ａ−ＳｉＣ）で構成された絶縁副層１２の抵抗率は、典型的には２×１０^３Ω・ｃｍである。

絶縁副層１２の存在下では、分極性表面１１と長手方向電界電極８ａ，８ｂとの間の漏れ電流は、典型的には、長手方向電界電極８ａ，８ｂによって供給される電流に対して１０００分の１程度の低さである。分極性表面１１と長手方向電界電極８ａ，８ｂとの間の漏れ電流は、典型的には５ナノアンペア程度である。

制御電極６ａ，６ｂ
装置は、分極性表面１１を分極するように適合された１つまたは複数の制御電極６ａ，６ｂを備える。

装置は、有利には、それぞれが分極性表面１１の端部のいずれか一方に接続された、少なくとも１つの上流側制御電極６ａと、１つの下流側制御電極６ｂとを備えている。

上流側制御電極６ａは、分離チャネル１０の上流端に配置されている。下流側制御電極６ｂは、分離チャネル１０の下流端に配置されている。

制御電極６ａ，６ｂは、絶縁副層１２と上部分極性層１３との間に配置されている。

制御電極６ａ，６ｂは、典型的には白金で構成されている。

基準電極７ａ，７ｂ
マイクロ流体測定装置１は、電解液電位を測定するために適合された基準電極７ａ，７ｂを備えている。

上流側基準電極７ａは、上部分極性層１１の上流側に配置されて電解液と直接接触され、分極性表面１１の上流側の電位を測定する。下流側基準電極７ｂは、上部分極性層１１の下流側に配置されて電解液と直接接触され、分極性表面１１の下流側の電位を測定する。

基準電極７ａ，７ｂは、典型的には白金または塩化銀（ＡｇＣｌ）で構成されている。

監視回路５０ａおよび監視回路５０ｂ
この装置はさらに上流側監視回路５０ａおよび下流側監視回路５０ｂを備えており、基準電極７ａ，７ｂがそれぞれ、監視回路５０ａまたは監視回路５０ｂを介して制御電極６ａ，６ｂのいずれか１つに接続されている。

監視回路５０ａおよび監視回路５０ｂはそれぞれ、高電圧電源５５によって電力供給される。

上流側制御電極６ａは上流側監視回路５０ａにより上流側基準電極７ａに接続され、下流側制御電極６ｂは下流側監視回路５０ｂにより下流側基準電極７ｂに接続されている。

監視回路５０ａおよび５０ｂは、分極性表面１１が分極率ウィンドウ内に留まるように、制御電極６ａ，６ｂの電位を基準電極７ａ，７ｂによって測定された前記電解質の電位の関数として調整する。

分極性表面の分極率ウィンドウ（ｐｏｌａｒｉｚａｂｉｌｉｔｙ ｗｉｎｄｏｗ）は、印加される電位に関わらず、溶媒および支持電解質もしくは緩衝電解質の存在下で電極が電極／溶液界面で電荷移動電流（またはファラデー電流）を生じない電位範囲である。

この電界は、「溶媒壁（ｓｏｌｖｅｎｔ ｗａｌｌ）」を構成する２つの電位値、すなわち陽極側では溶媒の酸化、陰極側では溶媒の還元によって制限される。生理学的緩衝液などの水性溶媒の場合、ゼロファラデー電流の電界は、水のＯ_２への酸化および水または陽子のＨ_２への還元によって制限される。濃縮塩化カリウム（ＫＣｌ）溶液の場合、塩化物イオンのＣｌ_２への酸化が陽極側の分極率電界を制限することができる。非晶質炭化ケイ素（ａ−ＳｉＣ）で構成された絶縁副層１２の場合、窒化炭素（ＣＮｘ）で構成された分極性表面１１の分極率ウィンドウは４Ｖ、すなわち−２Ｖから＋２Ｖの間の電位電界である。

分離チャネル１０における電気泳動電位は、基準電極７ａ，７ｂによって直接測定され、これらの基準電極７ａ，７ｂは、電解質と分極性表面１１との間の電位差、したがって分極性表面１１と長手方向電界電極８ａ，８ｂとの間の漏れ電流を制限する。

電解質と分極性表面１１との間の電位を測定することの困難性は、同相電圧が監視回路５０ｂを構成する演算増幅器の電源電圧よりも高いような電位差を測定する必要があるという点にある。

実際に、電気泳動測定の間、下流側制御電極７ｂにおける同相電圧は１０ないし１００ボルト程度であるのに対して、演算増幅器の電源電圧は−２ないし２ボルト程度である。演算増幅器はこのような同相電圧に対応していない。

下流側の電源駆動監視回路５０ｂについて、以下、図５を参照してさらに詳細に説明する。

この困難性を解消するため、下流側制御電極６ｂに接続された下流側監視回路５０ｂは、フローティンググランド５９自体を基準とし、このフローティンググランド５９は下流側基準電極７ｂ（図５）を基準としている。上流側制御電極６ａに接続された上流側監視回路５０ａは、さらに電源グランドを基準としている。

そのために、下流側制御電極６ｂに接続された下流側監視回路５０ｂの入力は、高圧電源５５の正端子に接続されている。

フローティンググランド５９に対して測定された電位値を電源グランドに対する値に引き継ぐことが、下流側監視回路５０ｂの同相電圧が制限されることを可能にする。

スイッチ５６は、有利には、監視回路５０ｂの動作モードが、監視回路５０ｂが電源グランドを基準とする第１の動作モードと、監視回路５０ｂがフローティンググランド５９を基準とする第２の動作モードとの２つの動作モードの間で選択されることを可能にする。

図５を参照すると、マイクロ流体分析装置１は、電流測定回路７０および電位測定回路９０をさらに含むことができる。

電流測定回路７０
電流測定回路７０は、測定抵抗７２と、その反転入力が基準電極６ａまたは基準電極６ｂに接続され、かつその非反転入力が第１の演算増幅器５１の出力に接続された演算増幅器７１とを含む。

スイッチは、電流測定を精緻化して、測定された信号の増幅利得の値を変更するために、１ｋΩ、１０ｋΩ、１００ｋΩ、および１ＭΩから測定抵抗値７２が選択されることを可能にする。

電位測定回路９０
電位測定回路９０は、その反転入力が第１の演算増幅器５１の非反転入力に接続されかつその非反転入力がフローティンググランド５９に接続された演算増幅器９１を含む。

上流側監視回路５０ａは、電源グランドに接続されかつフローティンググランド５９には接続されていないという唯一の相違点を除いて上記と同一である。

バッテリ駆動監視回路５０ｂは、第１の演算増幅器５１と第２の演算増幅器５２とを含み、第１の演算増幅器５１と第２の演算増幅器５２とが縦続接続されている。

第１の演算増幅器５１の非反転入力は、基準電極７ｂに接続されている。図６においては、基準電極の電位はＶ２で表記されている。

基準電極７ｂは、第１の演算増幅器５１の非反転入力とフローティンググランド５９との間に接続されている。

第１の演算増幅器５１の反転入力は、第１の抵抗Ｒ１を介してフローティンググランド５９に接続されている。

第１の演算増幅器５１の出力は、第２の抵抗Ｒ２を介してその反転入力に接続されている。

第１の演算増幅器５１の出力は、第３の抵抗Ｒ３を介して第２の演算増幅器５２の反転入力に接続されている。

第２の演算増幅器５２の出力は、第４の抵抗Ｒ４を介してその反転入力に接続されている。

第２の演算増幅器５２の非反転入力は、制御電極６ｂに接続されている。図６では、制御電極の電位はＶ１で表記されている。

制御電極６ｂは、第２の演算増幅器５２の非反転入力とフローティンググランド５９との間に接続されている。

よって、第１の演算増幅器５１の伝達関数はＶ２（１＋Ｒ２／Ｒ１）となる。

４つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は同一であり、典型的には５１ｋΩである。

したがって、第２の演算増幅器５２の伝達関数は２（Ｖ２−Ｖ１）となる。よって、第２の演算増幅器５２の出力における差動増幅は利得２で実現される。

バッテリ駆動監視回路５０ｂは、２に代えて１の利得を有する伝達関数をもつべく、第２の演算増幅器５２の出力において分圧段をさらに含む。

分圧段は、非反転入力が第５の抵抗Ｒ５を介して第２の演算増幅器５２の出力に接続されかつ第６の抵抗Ｒ６を介してフローティンググランド５９に接続された第３の演算増幅器５３を含み、第５の抵抗Ｒ５と第６の抵抗Ｒ６とは等しい。図６では、第３の演算増幅器５３の出力における電位はＶｓで表記されている。

したがって、分圧段は、第２の演算増幅器５２の出力における電圧を係数２で除算し、これが、第３の演算増幅器５３の出力において、基準電極７ｂと制御電極６ｂとの間の電位差の測定値：Ｖｓ＝（Ｖ２−Ｖ１）が得られることを可能にする。

上流側監視回路５０ａは、それが電源グランドに接続されかつフローティンググランド５９に接続されていないという唯一の相違点を除いて上記と同一である。

監視回路５０ｂは無限の理論入力インピーダンスを有するという利点を有する。監視回路５０ｂの入力インピーダンスは、５０Ｖ程度の長手方向電界電圧の場合、好ましくは１０＾１０（１０の１０乗）Ωより高く、さらに好ましくは１０＾１２（１０の１２乗）Ωより高い。実用上、監視回路５０ｂの入力インピーダンスは、典型的には３．１０＾１２（３＊１０の１２乗）Ω程度である。これにより、監視回路５０ｂは、インピーダンス整合の必要性が抑制されることを可能にする。

監視回路５０ｂは、高い同相電圧と高い入力インピーダンスとをもつ計装用増幅器である。

演算増幅器は同相電圧レベルによって破壊されることがあるため、監視回路５０ｂに代えて従来のフォローアップ接続を用いることはできなかったことに留意されたい。実際に、同相電圧レベルは、これらの増幅器の入力で許容される最大値よりも高くなる。

従来の減算器接続も、監視回路５０ｂに代えて用いられることができないことに留意されたい、これは、従来の減算器接続では、入力インピーダンスが比較的低く、同相電圧において大きな変動を伴う微弱電流の測定とは両立しないからである。

マイクロ流体分析方法
マイクロ流体分析装置１は、特に以下に説明するマイクロ流体分析方法を実装することができ、この方法は以下のステップを含む。

− 被分析物を含有する電解質を分離チャネル１０内に注入するステップ
− 分離チャネル１０内に長手方向電界を発生させるステップ
− 制御電極６ａ，６ｂ間に分極電圧を印加することにより分極性表面１１を分極させるステップ
− 制御電極６ａ，６ｂ間の分極電圧を変化させることにより、分離チャネル１０内の電気浸透流速を監視するステップ。

分離チャネル１０内の電気浸透流速を監視するステップにおいて、上流側監視回路５０ａは、上流側制御電極６ａと上流側基準電極７ａとの間に固定電位差を印加する一方、下流側監視回路５０ｂは、下流側制御電極６ｂと下流側基準電極７ｂとの間に固定電位差を印加する。この電位差の値は、上部分極性層１１の分極範囲によって制限される。この値は、表面電荷の変化、したがって電気浸透流を直接監視する。

被分析物を含有する電解質の分離チャネル１０内への注入
ソレノイドバルブのマトリックスシステム１７は、圧力計によって設定された流体力学的圧力によって、流体アレイ１００への電解質の導入を制御する。

電解液は、まずバックアップ容器１５に貯蔵される。分離チャネルを通過した後、電解液は貯蔵容器１６内に貯蔵される。

被分析物を含有する電解質を分離チャネル１０に注入するステップは、以下のサブステップを含む。

− 事前充填
− 気泡の排出
− 流体力学的流動化
− 電気泳動による分離
事前充填
マイクロ流体分析装置１は、チップホルダ（図示せず）内に配置される。事前充填ステップにおいて、マイクロ流体分析装置１の４つのタンク２５，２６は、電解液で（例えばシリンジを用いて）充填される。事前充填ステップは、約１５〜２０分間継続する。

気泡の排出
気泡を排出するステップでは、バックアップ容器１５が両方の左側タンクに接続されている方向に流れる構成と、バックアップ容器１５が両方の右側タンクに接続され反対方向に流れる構成と、バックアップ容器１５が４つのタンク２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂに接続されたバランス構成と、が交互に繰り返されることにより、流体回路１００内に存在する可能性のある気泡が排出される。約１００の交互的構成が、マイクロ流体解析装置１に適用される。

気泡の完全な消失は、倒立顕微鏡で目視確認される。

流体力学的流動化
流体力学的流動化のステップにおいて、４つのタンク２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂは、電解液を収容したバックアップ容器１５と空の貯蔵容器１６とに接続される。

流体力学的流動化は、第１の時点において、電解液を収容したバックアップ容器１５を上流側タンクの一方および下流側タンクの一方に接続し、次に、第２の時点において、他の２つのタンクに接続することにより行われる。

流体力学的流動化は、バックアップタンク１５から貯蔵容器１６に至る電解液の流体回路１００への流入を発生させる。

電気泳動による分離
バックアップ容器１５は、ソレノイドバルブのマトリックスシステム１７によって加圧される。バックアップ容器１５に最初に収容された電解液は、貯蔵容器１６に貯蔵される前に、流体アレイ１００内を下流側タンク２６ａ，２６ｂに至るまで流れるように、上流側２次タンク２５ａまたは２５ｂに注入される。

電気泳動による分離のステップにおいては、タンク１５は圧力バランスをとるためにすべての２次タンク２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂに接続される。

ソレノイドバルブのマトリックスは、例えば粒子風速計（蛍光マイクロビーズの流速が電気浸透流を可能にし、これにより流体トランジスタによって印加される表面電荷を知ることが可能になる）を用いて、表面電荷を測定するようにプログラムされている。

分離チャネル１０内における長手方向電界の発生
分離チャネル１０の長手方向電界は、長手方向電界電極８ａ，８ｂの間に電圧を印加することによって発生させる。長手方向電界電極８ａ，８ｂの間に印加される電圧は、典型的には５０ボルト程度である。

長手方向電界の作用下で、帯電したまたは帯電していない粒子および分子は、電界、質量、電気浸透および起こりうる微粒子電荷のすべてによって規定される速度で電解液中を移動する。この現象は電気泳動（ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ）と呼ばれる。電解液中の微粒子の速度は電界に比例し、比例定数は見かけの移動度（電気泳動移動度と電気浸透移動度との和）と呼ばれる。

分極性表面１１の分極
分極性表面１１は、制御電極６ａ，６ｂ間に分極電圧を印加することによって分極される。

分離チャネル１０の壁部上には、表面電荷に対応する固定イオン層と、液体中の拡散層に対応する可動イオン層とによって形成される二重イオン層が自発的に形成される。

長手方向電界の作用下では、移動層のイオンが移動し、粘性によって電解質の全体的な動きを引き起こす。これは電気浸透（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｓｍｏｓｉｓ）と呼ばれる。

電解質は一体的に移動し、その速度は電界に比例する。流体速度と電界との間の比例定数は、電気浸透移動度と呼ばれる。

制御電極６ａ，６ｂと基準電極７ａ，７ｂとの間に印加される分極電圧は、分極性表面１１の電荷が変化することを可能にする。

制御電極６ａ，６ｂ間の分極電圧は、典型的には±２ボルト程度である。

分離チャネル１０内の電気浸透流速の監視
基準電極７ａ，７ｂと制御電極６ａ，６ｂとの間の電位差の測定値は、分極性表面１１に印加される分極電圧を調整して分極路１０内の流速を監視するために用いられる。

分離チャネル１０内の電気浸透流速を測定および監視するステップの間一貫して、監視回路５０ａ（および５０ｂ）は、分極性表面１１がその分極率ウィンドウ内に留まるように、制御電極６ａ（および６ｂ）の電位と基準電極６ａ（および６ｂ）の電位との間に固定電位差を印加する。

制御電極６ａ（および６ｂ）の電位と電解質との間に固定電位差を印加することが、電気泳動移動プロセス中の被分析物の輸送の監視と質を低下させる制御電極６ａ（および６ｂ）と長手方向電界電極８ａ，８ｂとの間の漏れ電流が制限されることを可能にする。これらの漏れ電流は、制御エレクトロニクスが完全に適合され、かつ分極性界面材料が良好な電気的特性を有する場合には、無視しうる程度になる。

このために、監視回路５０ａ（および５０ｂ）は、基準電極７ａ（および７ｂ）の電位を発電機５５の入力に印加し、他方、発電機５５は、固定電位差を制御電極６ａ（および６ｂ）と基準電極７ａ（および７ｂ）との間に印加する。制御電極６ａ（および６ｂ）と基準電極７ａ（および７ｂ）との間の電位差は、典型的には［＋２ボルト；−２ボルト］の間に設定されている。

分析装置１は、特に、両方向（正もしくは負またはゼロ移動度）で分離チャネル１０内の流動を変化させるために使用されることができる。したがって、分析装置１は、フローバルブまたはポンプとして使用されることができる。

分離チャネル１０内の電気浸透流速の測定
電気泳動移動（電解質中の粒子および生体分子の速度）および電気浸透流（電解質速度）の同時的作用は、分離チャネル１０内の被分析物の輸送を確実にする。

微小流体分析装置１００は、分離チャネル１０にわたる電界の存在下で、分離チャネル１０において電気浸透流速を測定および監視することを可能にする。

分離チャネル１０内の電気浸透流速は、例えば、以下に説明する流体ホイートストンブリッジの測定原理を用いて計算される。

図２は、マイクロ流体ホイートストンブリッジアレイ１００の概要である。

流体ホイートストンブリッジは、分離チャネル１０の流体抵抗が判定されることを可能にする。

電気泳動が生じる分離チャネル１０の流体抵抗の判定には、以下のステップが含まれる。

− ４つの接続チャネル３５ａ，３６ａ，３５ｂ，３６ｂの４つの流体抵抗を測定するステップ。

− ４つの接続チャネル３５ａ，３６ａ，３５ｂ，３６ｂの４つの流体抵抗の測定値から、電気泳動が行われる分離チャネル１０の流体抵抗を推定するステップ。

分離チャネル１０における電気浸透流速はまた、粒子画像速度測定法（ＰＩＶ）によって、または電気浸透流と共に移動する中性標識（例えば、チオカルバミドまたはチオ尿素）を導入して検出することによっても計算されることができる。

Claims (10)

1. − 電解質が流れる分離チャネル（１０）が配置され、前記分離チャネルの一部分が分極性表面（１１）で覆われている基板（２０）と、
   − 前記分離チャネル（１０）の両側に配置された２つの長手方向電界電極（８ａ，８ｂ）と、
   − 前記分離チャネル（１０）内に配置されていて、前記分離チャネル（１０）における電気浸透流の速度を監視するために前記分極性表面（１１）を分極するように適合された、少なくとも１つの制御電極（６ａ，６ｂ）と、
   を含むマイクロ流体分析装置（１）であって、
   前記分極性表面（１１）が、非晶質炭化ケイ素（ａ−ＳｉＣ）で構成された絶縁副層（１２）と、前記電解質と直接接触された上部分極性層（１３）とで構成され、かつ、
   前記制御電極（６ａ，６ｂ）が、非晶質炭化ケイ素（ＳｉＣ）で構成された前記絶縁副層（１２）と前記上部分極性層（１３）との間に配置されている
   ことを特徴とするマイクロ流体分析装置（１）。
2. 前記上部分極性層（１３）が窒化炭素（ＣＮｘ）で構成されている、請求項１に記載のマイクロ流体分析装置（１）。
3. − 前記分離チャネル（１０）内の前記電解質の電位を測定するように適合された基準電極（７ａ，７ｂ）と、
   − 前記分極性表面（１１）がその分極率ウィンドウ内に留まるように、前記基準電極（７ａ，７ｂ）によって測定された前記電解質の電位の関数として、前記制御電極（６ａ，６ｂ）の電位を調整するように適合された監視回路（５０ａ，５０ｂ）と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ流体分析装置（１）。
4. 前記監視回路（５０ａ，５０ｂ）が、前記制御電極（６ａ，６ｂ）と前記基準電極（７ａ，７ｂ）との間に固定電位差を印加するように適合されていることを特徴とする請求項３に記載のマイクロ流体分析装置（１）。
5. − 前記チャネルの上流側に配置された１つの上流側制御電極（６ａ）と、
   − 前記チャネルの下流側に配置された１つの下流側制御電極（６ｂ）と、
   − 前記チャネルの上流側に配置された１つの上流側基準電極（７ａ）と、
   − 前記チャネルの下流側に配置された１つの下流側基準電極（７ｂ）と、
   を少なくとも含み、
   前記上流側制御電極（６ａ）が、上流側監視回路（５０ａ）により前記上流側基準電極（７ａ）に接続され、前記下流側制御電極（６ｂ）が、下流側監視回路（５０ｂ）により前記下流側基準電極（７ｂ）に接続され、前記分極性表面（１１）がその分極率ウィンドウ内に留まるように、前記上流側監視回路（５０ａ）および前記下流側監視回路（５０ｂ）が、前記制御電極（６ａ，６ｂ）の電位を、前記基準電極（７ａ，７ｂ）によって測定された前記電解質の電位の関数として調整するように適合されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のマイクロ流体分析装置（１）。
6. 前記下流側監視回路（５０ｂ）が、前記下流側基準電極（７ｂ）を基準とするフローティンググランド（５９）に接続されている、請求項５に記載のマイクロ流体分析装置（１）。
7. 前記下流側監視回路（５０ｂ）が、第１の演算増幅器（５１）と第２の演算増幅器（５２）とを含み、前記下流側基準電極（７ｂ）が、前記第１の演算増幅器（５１）の非反転入力と前記フローティンググランド（５９）との間に接続され、かつ、前記下流側制御電極（６ｂ）が、前記第２の演算増幅器（５２）の非反転入力と前記フローティンググランド（５９）との間に接続されている、請求項６に記載のマイクロ流体分析装置（１）。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のマイクロ流体分析装置（１）により行われるマイクロ流体分析方法であって、
   − 被分析物を含有する電解質を前記分離チャネル（１０）に注入するステップと、
   − 前記分離チャネル（１０）内に長手方向電界を発生させるステップと、
   − 前記制御電極（６ａ，６ｂ）間に分極電圧を印加して前記分極性表面（１１）を分極させたうえで、前記制御電極（６ａ，６ｂ）間の前記分極電圧を変化させることにより、前記分離チャネル（１０）内の電気浸透流速を監視するステップと、
   を含むマイクロ流体分析方法。
9. 請求項２ないし７のいずれか１項に記載のマイクロ流体分析装置（１）により行われ、かつ、前記分離チャネル（１０）内の電気浸透流速を監視するステップにおいて、前記分極性表面（１１）がその分極率ウィンドウ内に留まるように、前記制御電極（６ａ，６ｂ）間の分極電圧を、前記基準電極（７ａ，７ｂ）によって測定した前記電解質の電位の関数として調整することを特徴とする請求項８に記載のマイクロ流体分析方法。
10. 請求項５ないし７のいずれか１項に記載のマイクロ流体分析装置（１）により行われ、かつ、
    前記分離チャネル（１０）内の電気浸透流速を監視するステップにおいて、前記上流側制御電極（６ａ）と前記上流側基準電極（７ａ）との間、および、前記下流側制御電極（６ｂ）と前記下流側基準電極（７ｂ）との間に固定電位差を印加することを特徴とする請求項９に記載のマイクロ流体分析方法。

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