JPH11508182A

JPH11508182A - 微細製造差動抽出デバイスおよびその方法

Info

Publication number: JPH11508182A
Application number: JP9503342A
Authority: JP
Inventors: イェーガー，ポール; ピー．ブロディー，ジェイムズ; アール．ホール，マーク; ケイ．フォースター，フレッド; シー．ガランボス，ポール
Original assignee: ザユニバーシティオブワシントン
Priority date: 1995-06-16
Filing date: 1996-06-14
Publication date: 1999-07-21
Also published as: EP0839318B1; WO1997000442A1; EP0839318A1; CA2222126A1; DE69628016T2; DE69628016D1; AU6541596A; US5932100A

Abstract

(57)【要約】本発明は、所望の粒子および所望でない粒子を含有する試料ストリームから所望の粒子を抽出するための、微細製造された抽出システムおよび方法を、提供する。試料ストリームを、慣性の効果が無視できる条件下において、抽出ストリームとの層流フロー接触下におく。２つのストリーム間の接触は、所望の粒子が試料ストリームから抽出ストリームへと差動輸送されることを可能にするのに十分な時間、維持される。好適な実施態様において、差動輸送メカニズムは拡散である。本発明の抽出システムを微細製造された拡散ベースの混合デバイスおよび／または感知手段と結合することにより、ピコリットル量の流体を、シリコンウェハの大きさだけのデバイス上において、処理あるいは分析することが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】微細製造差動抽出デバイスおよびその方法本発明は、米国陸軍によって授与された陸軍研究契約DAMD17-94-J-4460の下に、政府の援助を得てなされたものである。米国政府は、この発明において特定の権利を有する。発明の分野本発明は、一般的に、微細製造抽出システムと、拡散および印加された電場（ applied field）などの差動輸送原理によって、他の要素を含有するストリームから分析物を分離する方法に関する。本発明は、例えば、血液を処理し、それによって、アルブミン分子などの比較的小さな粒子を含有するストリームを、細胞を含有するストリームから分離するのに有用である。発明の背景生物学的試料の化学分析は、試料のサイズに制約を受ける。成人からの２、３ミリリットルの血液の回収は、ほとんど影響がないかもしれないが、この手順を１時間毎に繰り返す、またはこの量を乳児から一度回収することは、被験体の健康を顕著に変化させ得る。これらの理由から、小型化血液分析システムは有用であろう。さらに、重大な看護にとって大きな重要性を有する高度な検査の多くは、主に病院の研究室で行われ得るが、もし、幾つかの重要な検査を怪我をしたフィールド所で患者に行うことができれば、救急医療の実施にかなりの影響を与え得る。特定のアッセイに関しては、赤血球の非存在下で測定を行うことが不可欠であり、その結果、血漿から細胞を分離する何らかの形態が必要とされる。拡散は、大きなスケールでは容易に無視され得るが、微細スケールでは、急速に重要となるプロセスである。分子が、距離ｄにわたって拡散する平均時間ｔは、２ｔ＝ｄ²／Ｄである（Ｄは、分子の拡散係数である）。タンパク質または他の大きな分子に関しては、マクロスケールでは、拡散は比較的ゆっくりである（例えば、Ｄが室温の水中で７×１０^-7ｃｍ²／秒であるヘモグロビンは、１センチメートルのパイプにわたって拡散するのに約１０⁶秒（１０日間）かかるが、１０μｍチャネルにわたって拡散するのには約１秒かかる）。半導体業界によって、電子デバイスを小型化するために開発された道具を用いて、１ミクロン程のチャネルサイズを有する複雑な流体システムを製造することが可能である。これらのデバイスは、安価に大量生産され得るが、すぐに、単純な分析試験に広く使用されることが予期される。例えば、Ramsey、J.M.らによる ”Microfabricated chemical measurement systems”、Nature Medicine 1:1093 〜1096；およびHarrison、D.J.ら（1993）、”Micromachining a miniaturized capillary electrophoresis-based chemical analysis system on a chip”、Sc ience 261:895〜897を参照。分析器具の小型化は、サイズの縮小という単純な問題ではない。小さなスケールでは、異なる影響が重要となり、それによって、非能率的となるプロセスもあれば、無用となるプロセスもある。材料またはプロセスの制限故に、あるデバイスの小型のバージョンを複製することは困難である。これらの理由から、微細スケールで一般的な実験作業を行うための新しい方法の開発が必要である。微細機械加工平面基板によって製造されたデバイスは、化学的分離、分析、および検出のために製造され、用いられてきた。例えば、Manz、A.ら、（1994）、 ”Electroosmotic pumping and electrophoretic separations for miniaturize d chemical analysis system”、J.Micromech．Microeng．4:257〜265を参照。フィールドフローフラクショネーションデバイスは、単一入口ストリームを用いた粒子サイズ分離を伴う。例えば、Giddings、J.C.、米国特許第3、449、938号、1969年６月17日、”Method for Separating and Detecting Fluid Materials ”; Giddings、J.C.、米国特許第4、147、621号、1979年４月３日、”Method and Apparatus for Flow Field-Flow Fractionation”；Giddings、J.C.、米国特許第4、214、981号、1980年７月29日、”Steric Field-Flow Fractionation”；Gidd ings、J.C.ら、米国特許第4、250、026号、1981年２月10日、”Continuous Steric FFF Device for The Size Separation of Particles”；Giddings、J.C.ら、（ 1983）、”Outlet Stream Splitting for Sample Concentration in Field-Fl ow Fractionation”、Separation Science and Technology 18:293〜306; Giddi ngs、J.C.、（1985）、”Optimized Field-Flow Fractionation System Based o n Dual Stream Splitters”、Anal．Chem．57:945〜947; Giddings、J.C.、米国特許第4、830、756号、1989年５月16日、”High Speed Separation of Ultra-High Molecular Weight Polymers by Hyperlayer Field-Flow Fractionation”；Gid dings、J.C.、米国特許第4、141、651号、1992年８月25日、”Pinched Channel In let System for Reduced Relaxation Effects and Stopless Flow Injection in Field-Flow Fractionation”；Giddings、J.C.、米国特許第5、156、039号、199 2年10月20日、”Procedure for Determining the Size and Size Distribution of Particles Using Sedimentation Field-Flow Fractionation”；Giddings、J .C.、米国特許第5、193、688号、1993年３月16日、”Method and Apparatus for H ydrodynamic Relaxation and Sample Concentration in Field-Flow Fraction U sing Permeable Wall Elements”；Caldwell、K.D.ら、米国特許第5、240、618号、1993年８月31日、”Electrical Field-Flow Fractionation Using Redox Coup le Added to Carrier Fluid”；Giddings、J.C.、（1993）、”Field Flow Frac tionation: Analysis of Macromolecular、Colloidal and Particulate Materia ls”、Science 260:1456〜1465；Wada、Y.ら、米国特許第5、465、849号、1995年1 1月14日、”Column and Method for Separating Particles in Accordance with Their Magnetic Susceptibility”；Yue、V.ら、（1994）、”Miniature Field -Flow Fractionation Systems for Analysis of Blood Cells”、Clin．Chem．4 0:1810〜1814；Afromowitz、M.A.およびSamaras、J.E.（1989）、"Pinch Field Flow Fractionation Using Flow Injection Techniques"、Separation Science and Technology 24（５および６）:325〜339を参照。薄いチャネル分割フロー分別（SPLITT）技術によりまた、薄いチャネルを有する分離セルにおいて粒子分離が提供される。フィールドの力は、フロー方向に垂直な方向に働く。粒子は、粒子含有ストリームから輸送ストリームを横切り、粒子を含有しないストリームへと拡散する、または輸送される。このプロセスを操作するデバイスは、一般的に、チャネルを形成するためにスペーサーとして用いられるテフロンシートを用いてガラス板から製造される。従って、チャネルの深さは、スペーサーの深さより小さいことはなく、その深さは、一般的に、約100 〜120μｍの厚みである。例えば、Giddings、J.C.、米国特許第4、737、268号、19 88年４月12日、”Thin Channel Split Flow Continuous Equilibrium Process a nd Apparatus for Particle Fractionation”；Giddings、J.C.、米国特許第4、8 94、146号、1990年１月16日、”Thin Channel Split Flow Process and Apparatu s for Particle Fractionation”；Giddings、J.C.、米国特許第5、093、426号、1 991年８月13日、”Process for Continuous Particle and Polymer Separation in Split-Flow Thin Cells Using Flow-Dependent Lift Forces”；Williams、P .S.ら、（1992）、”Continuous SPLITT Fractionation Based on a Diffusion Mechanism”、Ind．Eng．Chem．Res．31:2172〜2181；およびLevin、S.およびT awil、G．（1993）、”Analytical SPLITT Fractionation in the Diffusion Mo de Operating as a Dialysis-like System Devoid of Membrane．Application t o Drug-Carrying Liposomes”、Anal．Chem．65:2254〜2261を参照。本発明の目的は、分析物が抽出され、検出され、定量され得る差動輸送原理を利用する、微細製造抽出システムを提供することである。本明細書中に記載されるように、微細スケールでの拡散分離デバイス、例えば、約100μｍを越えないチャネル深さを有するデバイスの利点は、先行技術においては認識されていたとは思われない。例えば、Kittilsand、G.およびStemme、 G．（1990）、Sensors and Actuators A21-A23:904〜907、およびWilding、P.ら、（1994）、J．Clin．Chem．40:43〜47を参照。本明細書中で参照される全ての刊行物、特許、および特許出願は、本明細書によって参考として援用される。発明の要旨本発明は、サイズの加工利点、生産経済性、微細化学分析システムとの集積化性、低電力消費の点で従来の濾過技術およびデバイスとは異なり、試料対試料または連続的処理モードで動作し得る抽出方法およびデバイスを提供する。このデバイスは、微細製造化学分析システムとの集積化に特によく適しており、この微細製造化学分析システムにおいては、例えば、好適な実施形態によって、同等の抽出ストリーム量を有する１マイクロリットルの全血ほどの少量の試料から生じる、ピコリットルからナノリットルの範囲の量を有する希釈された血漿生産物を提供可能な微細製造抽出デバイスまたはシステムが提供される。抽出システムは、医療対象の血液検査のための、微細流体素子および検出素子（例えば、光学検出器など）の集積化システムにおける素子として有用であり、分析化学の他の多くの分野に適用を有する。血液分析に有用な好適な実施形態においては、このデバイスは、全血から血漿要素を抽出することを可能にし、それによって、後続の分析にために、細胞を含有しない流体ストリームが生成される。最も単純な概念での本発明の微細製造抽出システムは、「Ｈ」形状の微細チャネルを含有する拡散抽出デバイスによって例示される。試料ストリームに懸濁された粒子の混合物は、Ｈの腕の一方、例えば、上部左から抽出チャネル（「Ｈ」の横線）に入り、抽出ストリーム（希釈ストリーム）は、下部左から入る。２つのストリームは、抽出チャネルで合流するが、チャネルの小さなサイズのために、流れは層状で、それらのストリームが混ざることはない。試料ストリームは、上部右で副産物ストリームとして流出し、抽出ストリームは、下部右から生産物ストリームとして流出する。これらのストリームは、抽出チャネルにおいて平行の層流であるが、より大きな拡散係数を有する粒子（アルブミン、砂糖、および小さいイオン等のより小さな粒子）は、抽出ストリームへと拡散する時間を要するが、より大きな粒子（例えば、血球）は、試料ストリームにとどまる。出ていく抽出ストリーム（この時点で生産物ストリームと呼ばれる）中の粒子は、より大きな粒子からの妨害を受けずに分析され得る。この特許出願においては、チャネルのフロー方向は、長さ（Ｌ）と呼ばれる。長さ（Ｌ）に対して直角な粒子輸送の方向におけるチャネル次元は、深さ（ｄ）と呼ばれる。長さおよび深さの両方に対して直角な第３のチャネル次元は、幅（ｗ）と呼ばれる。従って、深さ（ｄ）は、試料ストリームと抽出ストリームとの界面に対して垂直である。表１に、本明細書中に用いられる他の略語を記載する。抽出チャネルの長さおよび抽出チャネルのフロー速度は、抽出ストリームへと拡散するのに粒子が要する時間量を決定するための主要パラメータである。上記の場合における粒子は、試料ストリームから抽出ストリームへと輸送メカニズムとして拡散を用いることにより差動的に輸送される。所望の粒子の差動輸送をもたらす他の手段もまた用いられ得る。「差動輸送」という用語は、所望の粒子の一部が、試料ストリームから抽出ストリームへと、所望でない粒子を実質的に除外して輸送されることを意味する。例えば、磁気的、電気的、または他の力が、抽出ストリームに加えられ得、温度勾配が用いられ得、または、抗体などの吸収材料または吸着材料が抽出ストリームに加えられ、それによって所望の粒子が捕らえられ得る。１つの好適な実施形態は、抽出ストリームにおける、所望のリガンド粒子に対して特異性を有するレセプタなどの吸着材料の、プラスチックビーズまたは高分子量ポリマー等の効率的非拡散基質上への取り込みを伴う。別の好適な実施形態は、所望の粒子に対して特異性を有する効率的非拡散吸収粒子材料を利用する。このような材料は、試料ストリームに拡散しない、または、副産物ストリームにおいて所望でない粒子の検出を妨害するのに十分な量で試料ストリームに拡散しない場合に「効率的非拡散」であると考えられる。この吸収剤の実施形態においては、所望の粒子は、効率的非拡散吸収粒子材料内に吸収されるが、吸着剤の実施形態においては、所望の粒子は、効率的非拡散基質プラスチックビーズの表面またはそれに付着したリガンドに付着する。吸着剤／吸収剤の実施形態における、所望の粒子に適する多数のリガンドは、当該分野で公知であり、これらの技術に関連する特定の教示は、同時係属仮出願番号第60/019904号［本出願と同時に提出された代理人事件番号35-96P］に開示されている。所望の粒子を、該所望の粒子を含有する試料ストリームから抽出するための、本発明の微細製造デバイスは、以下を備える：ａ．試料ストリーム入口と；ｂ．抽出ストリーム入口と；ｃ．該試料ストリーム入口および該抽出ストリーム入口と流体的に連通しており、該抽出ストリーム入口からの抽出ストリームとの平行層流フローとして、該試料ストリーム入口から試料ストリームを受ける、50未満のアスペクト比（w/d ）を有する抽出チャネルと；ｄ．該抽出チャネルと流体的に連通しており、所望の粒子が抽出された後の該試料ストリームの少なくとも一部を有する副産物ストリームを受ける、副産物ストリーム出口と；ｅ．該抽出チャネルと流体的に連通しており、該抽出ストリームの少なくとも一部および該試料ストリームから抽出された所望の粒子を有する生産物ストリームを受ける、生産物ストリーム出口。試料ストリーム入口と抽出ストリーム入口、および副産物ストリーム出口と生産物ストリーム出口は、チャネル、リザーバ、ポートまたは他の容器を備え得る。試料ストリーム入口は、「所望の粒子」、すなわち、存在が検出され得るように抽出することが望ましい粒子を含有する試料ストリームを受け取るように設計されている。試料ストリームは、抽出されない他の粒子（本明細書中においては「所望でない粒子」と呼ばれる）も含有する。これらの所望でない粒子は、所望の粒子の検出を妨害し得る粒子を含有する。好適な実施形態においては、試料ストリームは全血を含む。所望の粒子は、アルブミンまたは他の血漿要素であり得、所望でない粒子は血球である。このデバイスは、全血から無細胞血漿を得るのに特に有用である。本発明が有用である他の流体は、異なる長さのＤＮＡフラグメントの溶液または懸濁液、あるいは、種々のサイズのタンパク質を含有する。本発明の実施に有用な試料ストリームは、発酵培養液、未処理汚水、液化食品試料、土壌試料、および痰、尿、および大脳脊髄液などの生体液を含む。「粒子」という用語は、分子、細胞、タンパク質などの大分子、１つまたは数個の原子から構成される小分子、およびイオンを意味する。これらの粒子は、ストリームに懸濁または溶解され得る。「ストリーム」という用語は、所望の粒子および／または所望でない粒子を含有する、水または他の液体、空気または他の気体などのキャリア流体を意味する。本明細書中で用いられる「粒子」という用語は、キャリアストリームの分子を含まない。「抽出」という用語は、所望の粒子の少なくとも１部分、すなわち、検出可能な部分を、所望でない粒子を実質的に除外して、試料ストリームから分離することを意味する。ごく微量の所望でない粒子が、抽出ストリームに輸送され得るが、このような所望でない粒子の存在は、所望の粒子を含有するストリームの検出または後続の処理を妨害しないように最小限にされる。２つのストリームの「層流」という用語は、混じることのない、２つのストリームの安定し、平行の、再循環しないフローを意味する。再循環ゾーンは存在せず、乱れは無視し得る。当該分野に公知であるように、フローのレイノルズ数は、粘性力に対する慣性力の比率である。管を通るフローに関しては、レイノルズ数は、式Ｒｅ＝ρｄ（Ｖ／μ）を用いて計算される（Ｒｅは、レイノルズ数で、 ρは、流体の質量密度、ｄは、管の形状に応じた管の典型的な横断面寸法、ｖは、管の横断面にわたる平均速度、およびμは、粘度である）。レイノルズ数が減少するにつれ、フローパターンの粘性の影響への依存性が高まり、慣性の影響への依存性が低下する。特定のレイノルズ数（屈曲を有するチャネルシステムの管腔サイズおよび管腔サイズ変化に基づく）より低い場合、慣性の影響は、層流再循環ゾーンおよび乱流などの、慣性の影響の顕著な存在を示す現象を引き起こすには不十分である。従って、乱れのない、層状非再循環フローが、本発明書中に記載される抽出デバイスにおいて発生する。このようなデバイスにおいては、最小限の分散的混合が、任意の層流粘性フロー内に存在する粘性フロー速度プロファイルの結果生じる。これにより、２つの層流非再循環流体ストリームが、１方のストリームから他方のストリームへの所望の粒子抽出のために抽出チャネルを流れ落ちることが可能となる。これらのストリームは、任意の位置にある導管の端で、出口の流出速度の正確な調節によって分離され得、これは、非再循環および不乱基準を満たしていない高レイノルズ数においては不可能なことである。抽出ストリーム入口は、試料ストリームと接触している層流にある場合、所望の粒子を受け取り得る抽出ストリームを受け取るように設計されている。抽出ストリームは、試料ストリームから輸送される粒子を受け取り得るいかなる流体であり得る。好適な抽出ストリームは、水および生理食塩水などの等張液である。他の有用な抽出溶媒ストリームは、アセトン、イソプロピルアルコール、超臨界二酸化炭素またはエタノールなどの有機溶媒を含む。空気および他の気体も、試料および抽出ストリームとして用いられ得る。副産物ストリームは、試料ストリームを含有し、この試料ストリームから所望の粒子の一部が抽出され、以下に記載のように、所望の粒子が試料ストリームから運ばれて行った抽出ストリームの一画分から構成され得る、または構成され得ない。副産物ストリーム出口は、抽出チャネルから取り除かれる副産物ストリーム（試料ストリームおよびおそらくは抽出ストリームの１部から成る）を、処分、リサイクル、またはさらなる処理のために他のシステムコンポーネントに導く。生産物ストリームは、所望の粒子が抽出されていった抽出ストリームの少なくとも一部を含む。上記のように生産物ストリームチャネルを含有し得る生産物ストリーム出口は、検出可能な量の所望の粒子を含有する生産物ストリームを、検出またはさらなる処理領域またはシステムコンポーネントへと導く。十分な量の所望の粒子を含む、十分な量の抽出ストリームが、所望の粒子の存在が当該分野に公知の手段によって生産物ストリームにおいて検出可能なように生産物ストリームに存在していなければならない。生産物ストリームは、リザーバチャンバ、または、例えば参考として本明細書に援用される、1994年４月19日に発行された、Wilding、P.らによる米国特許第5、 304、487号に開示されるように、例えば混合、分離、分析、加熱、または他の処理によって生産物ストリームがさらに処理され得る他のデバイスに導かれ得る。「微細製造」という用語は、シリコン微細製造の当業者にとって容易に入手可能なシリコンウェハ上に製造されることが可能で、LIGA、熱可塑性微細パターン転写、樹脂ベースの微細鋳造、毛細血管における微細造型（MIMIC）、等方性および異方性ウェットエッチング、レーザ補助化学エッチング（LACE）、および反応イオンエッチング（RIE）、または微細製造の分野内で公知の他の技術などの方法によって製造可能な特徴のあるサイズおよび形状を有するデバイスを意味する。シリコン微細製造の場合、比較的大きなウェハが、複数の構成において、本発明の複数のデバイスを収容する。若干の標準ウェハサイズは、３”、４”、６ ”、および８”である。新規で新生の微細製造方法を用いた、本明細書中に提示される原理の適用は、本明細書の請求項の範囲および目的の内にはいる。試料ストリーム入口および抽出ストリーム入口は、試料ストリームおよび抽出ストリームを平行する層流へと導くのに十分な大きさに作られることのみが必要とされ、例えば、長さは約５mm以下で、深さは約100マイクロメータを下回り、幅は５mm以下であるチャネルを含み得る。副産物流出口および生産物出口は、同様に最小のサイズとなり得、上記のような試料または抽出ストリーム入口の寸法を有するチャネルを含み得る。これらの入口および出口は、それらが属するシステムによって必要とされる長さ、深さ、および幅となり得るが、好ましくは、小さな試料サイズに適応するためには、約2.5マイクロリットルを下回る容量を有する。抽出チャネルは、試料および抽出ストリーム入口から、試料および抽出ストリームの流入を受け取り、所望の粒子を抽出ストリームへと抽出することが可能となるのに十分な距離にわたって、これらのストリームを平行する層流へと導く。試料ストリーム入口チャネル、抽出チャネルおよび副産物流出口の幅および深さは、所望でない粒子の通過が可能となるのに十分な大きさでなければならず、好ましくは、試料ストリームの所望でない粒子の直径の約２倍〜３倍の間であり、約５mm以下である。粒子サイズは、小さな有機および無機分子、そしてイオンに関しては１または数Å、タンパク質に関しては深さ約0.01マイクロメーター、可撓性のある長鎖分子に関しては約0.1〜１マイクロメーター、赤血球に関しては約８マイクロメーター、ほとんどの白血球に関しては約15マイクロメーター、そしていくらかの白血球に関しては、最大約25マイクロメーターに及ぶ。抽出チャネルは、追加的に、吸着または吸収粒子などの、抽出ストリームにおいて用いられる粒子の通過が可能となるのに十分な大きさでなければならず、好ましくは、このような粒子の直径の約２倍〜３倍の間であり、５mm以下である。抽出チャネルは、最も好ましくは、適切な期間の内に粒子輸送を達成するために、100マイクロメーターを下回る。抽出ストリームチャネルおよび生産物出口チャネルの幅および深さは、所望の粒子およびこれらに関連する他のいかなる粒子（吸着または吸収粒子）の通過が可能となるのに十分な大きさでなければならず、好ましくは、抽出および副産物ストリームに存在するいかなる吸収または吸着粒子の直径の約２〜３倍の間であり、５mm以下である。幅寸法が、ウェハの厚み方向である場合には、本発明の微細スケール抽出デバイスのシリコン微細製造実施形態に関しては、試料、抽出、生産物、および副産物それぞれのチャネル、入口、および出口の幅は、シリコンウェハの厚み、すなわち約300マイクロメーターを下回る。深さ寸法が、ウェハの厚み方向である場合には、本発明の微細スケール抽出デバイスのシリコン微細製造実施形態に関しては、試料、抽出、生産物、および副産物それぞれのチャネル、入口、および流出口の深さは、シリコンウェハの厚み、すなわち約300マイクロメーターを下回る。好ましくは、深さ、特に抽出チャネルの深さは、約200マイクロメーターを下回り、より好ましくは、約100マイクロメーターを下回る。「Ｈ」設計の好適な一実施形態においては、入口および出口チャネルは、幅は、最大寸法のストリーム粒子の直径の約２倍〜３倍の間であり、約100マイクロメーター、そして、深さは、最大寸法の粒子の直径の約２倍〜３倍の間であり、約100マイクロメーターを下回る。抽出チャネルは、幅は、最大寸法の粒子の直径の約２倍〜３倍の間であり、ウェハの厚みの約２／３で、深さは、最大寸法の粒子の直径の約２倍〜３倍の間であり、約100マイクロメーターを下回り、長さは、最大寸法の粒子の約４倍と約１０倍との間であり、５mm以下である。本明細書中において「平面抽出デバイス」と呼ばれる、粒子の輸送方向が「Ｈ」設計の粒子輸送方向から９０度回転した第２の実施形態においては、入口チャネルは、好ましくは、２倍〜３倍の間の粒子直径であり、約500マイクロメーターである抽出チャネルへの入口で、抽出チャネル幅と等しい幅を有し、抽出チャネルは、好ましくは、幅は、最大寸法の粒子の直径の約２倍と３倍との間であり、５mm以下で、深さは、最大寸法の粒子の直径の約２倍と３倍との間であり、約 100マイクロメーターを下回り、長さは、最大寸法の粒子の直径の約４倍と１０倍との間であり、５mm以下である。本明細書中で用いられる「アスペクト比」という用語は、チャネルの深さに対する幅の比を意味する。本発明の抽出チャネルは、50を下回るアスペクト比を有する。このアスペクト比は、２５を下回る、または１より少ない数から４９までのいかなる数でもよい。５０を下回るアスペクト比を有し、100マイクロメーターを下回る深さを有する抽出チャネルを有して製造され得る本発明の微細製造デバイスは、より大きなアスペクト比を有し、より大きな抽出チャネル深さを有する類似の構造に対して多数の利点を有する。抽出チャネル内で所望の粒子の差動輸送をもたらし得る、粒子に対する輸送力は、局所フィールド勾配（local field gradient）の結果である。超短輸送距離により、短い時間の間に、所望の粒子の差動輸送が所望でない粒子よりも速く行われることが可能となり、それによって、中庸の抽出チャネル流速でデバイスに必要とされるサイズの大幅な小型化が可能となる。さらに、より低い流速が用いられ得る。上述のサイズ範囲内にあるデバイスにより、以下の性能カテゴリーにおいて評価された場合、特有の利点が生じる。（ａ）目的を達成するための電力消費、（ｂ）目的の達成に必要とされるデバイスのサイズ、および（ｃ）バッチ（試料対試料）モードでの微流体容量の管理および処理のための複数のシステムにおけるデバイスの集積化性。本発明のデバイスにおいて粒子の差動輸送に用いられ得る、当該分野に公知のフィールドの幾つかは：・沈殿・電気エネルギー・温度勾配・クロスフロー・誘電性勾配・せん断力・磁力・濃度勾配によって生成されるフィールドである。このようなフィールドを生成する手段は、メゾスケールまたはマクロスケールのデバイスに関連して当該分野に公知である。本明細書中に記載されるチャネルの小さなサイズの理由により、拡散または他の手段による所望の粒子の差動輸送が、極端に急速、例えば、約300秒以内に生じ、もし所望であれば、約１秒より速く生じる。生産物および／または副産物ストリームにおいて所望または所望でない粒子の存在を検出する、またはそれらの粒子の濃度を決定する、本発明によるデバイスが製造され得、生産物および／または副産物ストリームにおいては、これらの粒子は、５分以内に生じ、もし所望であれば、４分以内、３分以内、２分以内、１分以内、１０秒以内、または１秒以内に生じる。本発明の微細製造デバイスでは、100マイクロメーターを越えるチャネル深さを有する従来技術のより大きなスケールのデバイスと比較して、かなり小型サイズの試料、例えば、約１mL、そして下は約１ピコリットルまでの試料が処理され得、その一方で、より大型のデバイスにおいては、微小な試料がチャネル壁に吸収され得る。さらに、フローに対する低レイノルズ数が達成され、それによって、層流が可能となり、所望の粒子の差動抽出を妨害する乱れが最小限に抑えられる、または完全に排除される。試料ストリームにおける所望の粒子（所望でない粒子よりも大きい拡散係数を有する、または、差動輸送手段がシステムに適用されたときに、所望でない粒子に比べて、抽出ストリームに輸送されやすい）の一部は、生産物ストリームに輸送される。抽出が拡散に基づく場合、比較的小さな粒子のいくらかは、試料ストリームに常にとどまるが、生産物ストリームに輸送される所望の粒子の割合は、試料および抽出ストリームの接触時間を増やすこと、例えば、抽出チャネルの長さを増す、または流速（flow velocity）を減少させることにより、上昇され得る。単純な拡散システムに関しては、比較的小さな粒子の濃度が両方のストリームでほぼ等しい地点まで２つのストリームが接触するように、このプロセスは調節され得る。試料および抽出ストリームは、異なる特性、例えば、粘度、密度、表面エネルギー、拡散係数、均一性、および化学組成などを有し得、これらの特性は、差動輸送速度に影響を与え得る。当業者に明白であるように、システムパラメータは、これらの異なる特性を考慮に入れるために調整され、最適化される必要があり得る。試料および抽出ストリームは、分析可能な量の所望の粒子が抽出ストリームに輸送されることが可能となるのに十分な時間、抽出チャネルにおいて接触を保つ。デバイスから回収された生産物量は、約0.001ピコリットル／秒と約50マイクロリットル／秒以上との間であり得る。例えば、本明細書に示されるのは、約20 0ナノリットル／秒の生産物ストリームに対する最適流速である。当該分野で公知のように、このような小さな生産物ストリームに存在する非常に微量の分析物でさえ、分光学的および他の手段によって検出され得る。本発明書中に記載される発明の好都合な操作は、デバイスの４つのチャネル（すなわち、試料、抽出、生産物、および副産物ストリーム）の内の３つに対する、容量流速の正確な制御を必要とする。第４のチャネルは、このチャネルを無調節にしておくことにより、試料および抽出ストリームの混合のΔＶから生じる、試料の予測不可能な容量変化にデバイスが適応することが可能となるので、調節される必要はなく、調節されるべきではない。正確に調節された流速を達成するための手段は、当該分野に公知である。本発明の拡散ベース抽出システムにおいて、生産物ストリームに輸送される粒子のサイズの制御を助けるため、および生産物ストリームにおいて比較的大きな粒子の出現を減少させるために、流体障壁が、抽出チャネルにおいて生成され得る。このような流体障壁は、図３に示されるように、抽出ストリームの１部が、流出する副産物ストリームと共に副産物流出口を通って流れることが引き起こされるのに十分な量で抽出ストリームが存在するときに、存在する。抽出ストリームに拡散する比較的小さな粒子は、生産物ストリームと共に流出することができる前に、この流体障壁の幅を横断しなければならない。より大きなスケールで形成されたこのような流体障壁は、参考として本明細書中に援用されている、Will iams P．S.ら、（1992）、”Continuous SPLITT Fractionation Based on a Dif fusion Mechanism”Ind．Eng．Chem．Res．2172〜2181に論じられている。試料および抽出ストリームの圧力を制御することにより、抽出チャネルに入る各々のストリームからの容量比が制御され得る。試料ストリームおよび抽出ストリームの容量比は、試料および抽出ストリームに関して固定された送達圧力に対して出口および入口チャネルの形状によっても設定され得る。生産物および副産物ストリームの容量流速は、生産物および副産物ストリーム圧を操作する、または、任意のポート（入口）圧力を用い、入口のフロー抵抗を変化させることによっても制御され得る。どのような制御モードであっても、入口および出口チャネルは、上記のように処理される粒子のサイズに基づく最小チャネル寸法の基準を満たしていなければならない。抽出チャネルに入いる抽出ストリームの容量は、試料ストリームの容量よりも大きく、これら２つの流出ストリームは、同一で、流体障壁が形成される。生産物ストリームの容量流速が、抽出ストリームの全容量フローに適応するには小さすぎる場合にもまた、流体障壁が形成される。本発明の抽出デバイスは、試料ストリームの容量に対して、抽出チャネルにおける抽出ストリーム容量を制御する手段を含み得、この手段は、過剰抽出ストリームを扱うのに十分な大きさの副産物ストリーム出口に連結した、全抽出ストリームの流出が可能となるのに必要とされる大きさより小さい生産物ストリーム出口を含む。本発明の抽出デバイスは、複数の生産物ストリーム出口を含み得、それによって、異なるタイプの所望の粒子を含有する生産物ストリームが回収され得る。本発明のデバイスは、生産物ストリームにおいて所望の粒子を検出する検出手段含む分析システムに対する試料前処理システムとして利用され得る。このような手段は、生産物ストリームを、当該分野に公知の検出手段によって所望の粒子が検出されることが可能となるように所望の粒子と相互作用するインジケータストリームと混合させる手段を含む。当該分野に公知の検出手段は、光学分光デバイスなどの光学手段および吸収分光デバイスなどの他の手段、または、蛍光検出手段、分析物の所望の粒子に曝されるときに色または他の特性を変化させる化学的インジケータ、免疫手段、例えばデバイスに挿入された電極などの電気的手段、電気化学的手段、放射性手段、または磁気共鳴デバイスを含む、当該分野に公知の、実質的にいかなる微量分析技術、または、イオン、分子、ポリマー、ウイルス、ＤＮＡ配列、抗原、微生物、または他の因子などの分析物粒子の存在を検出するための、当該分野に公知の他の手段を含む。好ましくは、光学または蛍光手段が用いられ、抗体およびＤＮＡ配列などが、蛍光標識に付着される。インジケータおよび微細製造混合手段、ならびに検出および検知手段が、例えば、本明細書中に参考として援用される同時係属出願番号08/625、808に記載されている。本発明の好適な実施形態においては、上述のような差動抽出デバイスが、生産物ストリームとインジケータ物質とを混合する拡散ベース混合デバイス（例えば、本明細書中に参考として援用される同時係属出願番号08/625、808に記載されるようなもの）、および所望の分析物粒子の存在が検出され得る検出チャンバなどの、生産物および／または副産物ストリームのさらなる処理のための手段を含む分析システムへと集積化される。これらの追加的処理手段は、好ましくは、標準シリコンウェハ上に製造される、「チップ上実験室」の差動抽出デバイスに組み込まれる。好適な実施形態においては、このシステムは、生産物および／または副産物ストリームにおいて分析物粒子（所望または所望でない粒子）の濃度を決定する、および／または試料ストリームにおいて分析物粒子の濃度を決定する定量化手段を含む。このような手段は、分光デバイス、電位差測定、電流測定、および誘電緩和デバイスを含む。濃度決定は、当該分野に公知の手段および本明細書に開示されている手段による計算または較正によってなされ得る。本発明の差動抽出デバイスは、所望の粒子を含み、かつ所望でない粒子も含む試料ストリームから所望の粒子の少なくとも１部を抽出する方法に用いられ、ａ．試料ストリームを上述のような微細製造抽出デバイスの試料ストリーム入口に導入することと、ｂ．抽出ストリームを抽出デバイスの抽出チャネルに導入することと、ｃ．デバイスの生産物ストリーム出口から所望の粒子を含有する生産物ストリームを引き抜くことと、を包含する。この方法は、バッチまたは連続的モード動作で行われる。バッチモードにおいては、１mLまで、または10mL以上の試料サイズも意図されるが、試料サイズは、約１ピコリットル程であり得、好適には、約250マイクロリットルを越えず、より好適には、約50マイクロリットルを越えない。このデバイスは、10、30、または45秒、あるいは、１、２、３または４分、あるいはそれ以下のバッチ処理時間が可能となるように製造され得るが、この方法は、１秒より短い時間から約５分までの時間で完了される。バッチ方法は、抽出デバイス内に存在する流体（気体であり得る）が、抽出および試料ストリームが流入するにつれ、試料および抽出ストリームがほぼ均衡な大量輸送状態で存在するようになるまで、抽出および試料ストリームによって置換される、起動移行期を含む。試料および抽出ストリームが抽出チャネルにおいて接触している抽出期間が、十分な量の所望の粒子が、分析またはさらなる処理のために、抽出ストリームへと差動的に輸送されることが可能となるのに十分な期間続く。水（または石鹸液）、空気、または、水（または石鹸液）および空気の連続的併用などの洗浄流体が、デバイスの表面上に保持され得た所望および所望でない粒子の両方を取り除くためにデバイス中を通って循環される、デバイス洗浄停止期間が、次に、必要とされ得る。一度に単一の分離試料の処理を伴う本発明のバッチ方法は、試料ストリーム入口への副産物ストリームの再循環、および、最初の試料から取り除かれた所望の粒子量を増加させるためのプロセスの反復を含み得る。この実施形態においては、所望でない粒子の試料が生成され、この試料は、後続の分析に有用であり得る。本発明のこれらのプロセスは、所望の粒子が、実質的に試料ストリームから完全に抽出されるまで反復され得る。本発明の連続性モードにおいては、プロセスが、５分を越える期間の間続けられ得る。本発明の複数のデバイスが、連続性モードのために連続して構成され得、それによって、各デバイスからの副産物ストリームが、次のデバイスに対して入ってくる試料ストリームとなる。記載されたデバイスのこの連続性適用が、緻密に調節された一連の所望の粒子の希釈、および一連のデバイスの最後のデバイスから流出する際の、所望でない粒子の実質的にきれいなストリームの結果生じる。このような実施形態においては、きれいな、所望でない粒子の副産物ストリームが、上記のタイプの検出素子に経路づけられる、または、Si微細製造フローサイトメータ（例えば、本明細書中に参考として援用される、1995年９月27日に出願された米国特許出願第08/534、515号および1996年３月20日に出願された米国特許出願第08/621、170号に記載されるような、シリコンベースのＶ形溝のフローサイトメータ）などの粒子分類デバイス、カウンター、または寸法測定素子に経路づけられる、またはさらなる使用のために経路づけられ得る。例えば、連続性モードにおいては、本発明のデバイスは、透析に用いられ得、きれいな血漿ストリームが患者の体に再循環される。図面の簡単な説明図１は、低レイノルズ数を有する２つの入力ストリームの層流を示す微細チャネル構成を示す。図２は、試料ストリームから抽出ストリームへの比較的小さな粒子の拡散を例示する微細チャネル構成を示す。図３は、試料ストリームと抽出ストリームとの間の流体障壁の形成を例示する微細チャネル構成を示す。図４は、異なるサイズの粒子を分離するための複数の生産物チャネルを有する本発明の１つの実施形態を示す微細チャネル構成（一定の比例に拡大していない）を示す。黒い丸は、最大粒子サイズを表す。上部左から下部右に走る対角線は、中間のサイズの粒子を表し、下部左から上部右に走る対角線は、最小サイズの粒子を表す。図５は、図１〜４に示される「Ｈ」設計から90°回転した拡散方向を有する、微細製造平坦拡散抽出システムの斜視図を示す。図６は、図５の微細製造平坦拡散抽出システム設計の平面図を示す。図７は、試料、抽出、生産物、および副産物ストリームの流速を示す、抽出チャネルにおける流入口と出口との界面ストリームラインの図である。図８は、粒子または細胞含有試料ストリームに存在する要素のアッセイに対する、本発明の「チップ上実験室」概念を示す。図９は、水の粘度を有するキャリア流体からアルブミンを抽出するための、４ mm幅のシリコンチップ上に微細製造された拡散抽出システムに対する、抽出チャネル長さ、チャネル深さおよび生産物ストリーム流速の最適化を示す。図10は、水の粘度を有するキャリア流体からアルブミンを抽出するための、４ mm幅のシリコンチップ上に微細製造された拡散抽出システムに対する、圧力差、チャネル深さおよび生産物ストリーム流速の最適化を示す。図11は、ニュートン流体として作用するが、異なる粘度を有する、同質の、混合不可能な２つの流体の速度プロファイルを示す。点線は、水の粘度を有する流体を示す。実線は、水の粘度の３倍の粘度を有する流体を示す。図12は、図11の流体を用いた本発明の拡散ベース抽出システムの２つの粘度のモデルと、同じ界面位置を想定するが、２つの流体において、拡散率または粘度に差異を有さないモデルとの比較を示す。好適な実施態様の詳細な説明典型的な微細製造次元上において、小さな分子の拡散は急速に起こる。粒子サイズｒ_a、拡散係数Ｄ、および温度Ｔの間の関係は、アインシュタインの式に帰せられ、最も単純な場合である球体粒子の場合、これは、と記述され得る。拡散係数Ｄを有する粒子が時間ｔの間に拡散する特徴的な距離ｌは、である。表２に、いくつかの典型的な拡散係数および特徴的な時間を挙げる。図１に示すように、十分小さい次元の微細チャネルにおいて慣性の効果は無視することができるため、試料ストリーム入口１を通って入る試料ストリーム２は、抽出ストリーム入口５に入り抽出ストリーム入口チャネル６から抽出チャネル７に流れる抽出ストリーム４と混ざることなしに、試料ストリームチャネル３から抽出チャネル７中へ流れ込むことができる。抽出チャネル７内の２つのストリームは、層流試料ストリーム８および層流抽出ストリーム９を形成する。図２において、左上の矢印の方向は、試料ストリーム入口１に入った試料ストリーム２の、試料ストリームチャネル３中におけるフローの方向を示し、左下の矢印は、抽出ストリーム入口５に入った抽出ストリーム４の、抽出ストリーム入口チャネル６中におけるフローの方向を示す。試料ストリーム２は、大きな（「所望でない」）粒子１７および、小さな（「所望の」）粒子１８（斜線で示す）を含有している。試料ストリーム２および抽出ストリーム４は、合わさって抽出チャネル７内の層流となり、層流試料ストリーム８および層流抽出ストリーム９を形成し、小さい所望の粒子１８は、層流試料ストリーム８から層流抽出ストリーム９へ拡散し始め、拡散した小さい所望の粒子１８を含有する層流生産物ストリーム１６(laminar product stream)を形成する。層流試料ストリーム８は副産物出口チャネル１０に流れ込んで副産物ストリーム１２を形成し、副産物出口１５を通ってチャネルから離れる。層流抽出ストリーム９は、層流試料ストリーム８から拡散してきた小さな所望の粒子１８を受け取り、生産物ストリーム１６となる。生産物ストリーム１６は、生産物出口チャネル１１中において副産物ストリーム１２となり、生産物１４を通ってチャネルを離れる。図３において、左上の矢印の方向は、試料ストリーム入口１を通って入る試料ストリーム２の試料ストリームチャネル３中におけるフローの方向を示す。左下の矢印は、抽出ストリーム入口５に入った抽出ストリーム４の、抽出ストリーム入口チャネル６中におけるフローの方向を示す。抽出ストリーム４を斜線で示す。抽出チャネル７中の上側の矢印は、層流試料ストリーム８のフローの方向を示し、抽出チャネル７中の下側の矢印は、層流抽出ストリーム９のフローの方向を示す。抽出ストリーム４の体積が、生産物出口チャネル１１および生産物出口１４を通って出ることが可能な量よりも大きいとき、層流抽出ストリーム９の一部は、副産物出口チャネル１０および副産物出口１５を通って、余剰抽出ストリーム２２として出る。この余剰抽出ストリーム２２は、抽出チャネル７内の層流フロー中にあり、流体障壁２０を形成する。試料ストリーム２中の小さな所望の粒子１８（図３には図示せず；図２を参照）は、流体障壁２０を通って、層流試料ストリーム８から層流抽出ストリーム９中に拡散し、生産物ストリーム１６を形成する（図３には図示せず；図２を参照）。図４に、本発明の別の実施態様を示す。大きな粒子（黒点）、中間サイズの粒子（左上から右下へ向かう斜線）、および小さい粒子（左下から右上へ向かう斜線）を含有する試料ストリーム２が、試料ストリーム入口１に入る。抽出ストリーム４が、抽出ストリーム入口５に入り、流れて、抽出チャネル７中において試料ストリーム２と出会う。大きな拡散係数を有し最も急速に拡散する小さい粒子は、試料ストリーム入口１に最も近く位置する第１の生産物出口チャネル２４中を流れる第１の流出(exiting)生産物ストリーム２５となって、第１の生産物出口２３から出る。中間サイズの粒子が抽出ストリーム中に拡散するためにはより多くの時間がかかるために、中間範囲の拡散係数を有する中間サイズの粒子は、小さい粒子とともに、第１の生産物出口チャネル２４よりも試料ストリーム入口１から遠く位置する第２の生産物出口チャネル２７中を通る第２の流出生産物ストリーム２８となって、第２の生産物出口２６を通って出る。より小さい拡散係数を有し最も遅く拡散する大きな粒子は、小さい粒子および中間サイズの粒子とともに、第３の生産物出口チャネル３０中を通る第３の流出生産物ストリーム３１となって、第３の生産物出口２９を通って出る。また、副産物出口１５を通って出る供給流出チャネル１０中の副産物ストリーム１２は、３つのサイズ全ての粒子を含有している。図１〜４に示した実施態様に対して抽出チャネル７中の拡散方向が９０°回転した、本発明の更なる実施態様である「平坦抽出デバイス」の、図５は斜視図、図６は平面図をそれぞれ示す。この実施態様は、処理可能な物質の体積が抽出チャネル７の幅によって制限されなくなるという利点を提供する。図５および６の平坦抽出デバイスは、シリコン基板３４をエッチングすることにより製造され、試料ストリーム入口溝３５、抽出ストリーム入口溝３６、生産物ストリーム出口溝３７および副産物ストリーム出口溝３８、ならびに抽出チャネル７を設ける。ガラスカバー３３は、抽出チャネル７を閉じる役割をする。図５において、試料ストリーム入口１に向かう下向きの矢印は、試料ストリーム１のフローを示す。同様に、抽出ストリーム入口５に向かう下向きの矢印は、抽出ストリーム４のフローを示す。生産物出口１４から上に向かう矢印は生産物ストリーム１６のフローを示し、副産物出口１５から上に向かう矢印は副産物ストリーム１２のフローを示す。抽出チャネル７の長さはＬとして示し、チャネルの幅は黒矢印でｗとして示す。抽出チャネル７の深さをｄとして示す。図６に示す開口部を備えた結合マニホルド(coupling manifold)３２は、試料ストリーム入口溝３５の深さにわたって延びることによって試料ストリームチャネル３および試料ストリーム入口１を形成し、抽出ストリーム入口溝３６の深さにわたって延びることによって抽出ストリームチャネル６および抽出ストリーム入口５を形成し、生産物ストリーム流出溝３７の深さにわたって延びることによって生産物出口チャネル１１および生産物出口１４を形成し、副産物ストリーム流出溝３８の深さにわたって延びることによって副産物出口チャネル１０および副産物流出口１５を形成する。図６に示す拡散（濃度勾配）によって作動する平坦抽出システム設計において、左上の矢印で示される試料ストリーム２は、試料ストリーム入口１に入り、試料ストリームチャネル３中を流れる。抽出ストリーム４は、抽出ストリーム入口５に入る矢印で示され、抽出ストリーム入口チャネル６に流れ込む。試料ストリーム２は、層流抽出ストリーム９下において、抽出チャネル７中の層流試料ストリーム８となって流れる。層流試料ストリーム８は、長さＬにわたって抽出チャネル７中の層流抽出ストリーム９と接触する。層流抽出ストリーム９中の点で示される層流試料ストリーム８からの小さい（「所望の」）粒子は、生産物ストリーム１３となって生産物出口チャネル１１に流れ込む。生産物ストリーム１３は、生産物出口１４において上向きの矢印で示されるように流出する。副産物ストリーム１２は、生産物ストリーム１６を越えた層流試料ストリーム８の続きであり、生産物ストリーム１６中に拡散しなかった、大きな（「所望でない」）粒子と、小さい（「所望の」）粒子の一部との両方を含有する。副産物ストリーム１２は、副産物出口チャネル１０中を通って流れ、副産物出口１５を通って流れ出す。本明細書において説明する原理に従って適切なチャネル長さが得られるようにチャネルの配置を調整することにより、流速および試料ストリームと抽出ストリームとの接触時間、ならびに試料ストリーム中に残って生産物ストリーム中に拡散する粒子のサイズを制御することができる。必要な接触時間は、粒子の拡散係数Ｄ（一般に粒子の線形サイズ(linear size)で変化する）の関数として計算され得る。また、粒子が拡散するべき距離ｄは、ｔ＝ｄ²／Ｄによって計算され得る。Ｄより大きい拡散係数を有する粒子または分子は、流出生産物ストリーム中に存在し、Ｄより実質的に小さい拡散係数を有する粒子または分子は、流出生産物ストリーム中に存在しないことになる。分離される大きい粒子の拡散係数がＤより約１０倍小さければ、生産物は大きい粒子をほぼ全ったく有さないはずである。単純な計算により、Ｄ＝ｗ_fb ²ｖ／Ｌより小さい拡散係数を有する粒子または分子はほとんど流出生産物ストリーム中に見いだされないことがわかる。ここで、ｗ_fbは流体障壁の幅であり、ｖは層流試料ストリームの平均流速であり、Ｌは抽出チャネルの長さである。Ｄ＝ｗ²ｖ／Ｌより大きい拡散係数を有する粒子または分子は（ｗは抽出チャネルの幅である）、副産物ストリーム中と同じ濃度で流出生産物ストリーム中に存在することになる。本発明のデバイスを分析システムの一部として用いる場合などにおける、供給液体をデバイスに注入するための手段が提供される。このような手段は、標準的なシリンジおよびチューブを包含する。毛管現象、圧力、重力その他上述の分野で公知の手段によって流れ出す流体の受け容器(receptacle)を備える、生産物流出口から流体を除去するための手段もまた、提供され得る。そのような受け部材は、生産物ストリームをさらに処理するための分析その他のデバイスの一部であってもよい。流試料ストリーム８とを示す（抽出チャネル７の入口近傍において層流試料ストリーム８と層流抽出ストリーム９との間の界面ストリームライン位置（点線）を規定する）。両ストリームを合わせた高さ、すなわち抽出チャネル７の深さを、ｄとして示す。曲線は、速度プロフィール(velocity profile)の形状を表す。これらストリームが抽出チャネル７の長さ方向に沿って移動するにつれ、層流試料ム１３との間の界面ストリームライン位置（点線）を規定するストリーム高さ（拡散方向座標）Ｚ_pを有する、副産物ストリーム１２になる。層流抽出ストリ流体混合物の化学的アッセイで普通に行われるいくつかの工程は、（１）正確な混合物の希釈; （２）特定の構成要素の抽出; （３）インジケータ試薬または試験プローブ（例えば蛍光標識ポリマービーズ）の混合および; （４）インジケータまたはプローブの非侵襲的検出（例えば吸光度または蛍光分光分析）である。本発明の抽出デバイスは、例えば図８に示す、微細製造された「チップ上実験室(lab-on-a-chip)」などの、トータルな分析システム内に集積(integrate)されてもよい。図８は、１個のシリコンウェハ上に製造された、本発明の拡散ベースの抽出デストリーム４とともに、拡散ベースの抽出デバイス中に流れ込む。副産物ストリ産物ストリーム要素ｉ濃度Ｃ_i，_psを有する生産物ストリーム１３は、同じチップ上に微細製造された拡散ベースの混合デバイス４３中に流れ込む。また、インするストリームインジケータ色素ストリーム３９も、拡散ベースの混合デバイス４３中に流れ込む。検出ストリーム(detector stream)４０は、拡散ベースの混合デバイス４３から流出して検出チャンバ中に流れ混み、光学的検出手段４１が作動して、検出ストリーム４０が検出チャンバ中４４にある間に、好ましくは蛍光シグナルであるシグナル４２を検出する。次に、検出ストリーム４０は、検出ストリーム流速Ｖ_ds、検出ストリーム要素ｉ濃度Ｃ_i，_dsおよびインジケータ色素濃度Ｃ_dyc，_indにて、検出チャンバ４４から流出する。図８に示す検出ストラテジーは、粒子を含んだ(particulate laden)試料からの要素抽出、希釈された分析物と蛍光インジケータとの混合、および蛍光光学的検出を必要とする。推定技術の正確な運用に重要なのは、システム中の全てのストリーム流速を正確に調節することである。蛍光強度と要素濃度との間の較正、ならびに要素抽出物およびインジケータ混合希釈比を正確に規定している情報を用いて、元の試料ストリーム中の要素の濃度を見積もる。完全なシステムはまた、データ縮小(data reduction)、圧力調節、および廃棄物回収を含む。集積化トータル分析システム中の正確なフロー制御は、その一部分、オンチップマイクロポンプを用いて達成し得る（Gravesen，P.ら(1993)、「Microfluidics - a revi ew」、J．Micromechanics and Microengineering 3(4)：168−182；Elwenspoek ，M.ら(1994)、「Towards integrated microliquid handling systems」、J．Mi cromechanics and Microengineering 4(4):227-245；およびForster，F.K.ら(19 95)、「Design，Fabrication and Testing of Fixed-Valve Micro-Pumps」、ASM E International Mechanical Engineering Congress & Exposition、サンフランシスコ、ASME）。抽出システムの、実施例で説明した図２などのような「Ｈ」型設計と、図５および６の平坦抽出システムとの両方において、拡散要素は、抽出ストリーム４中に泳動し、抽出チャネル７全体にわたってほぼ均一な濃度になる傾向がある。試料流速、抽出流速および副産物流速は、外部的に調節されることにより、生産物ストリーム流速を固定する。本明細書の実施例に説明するように、製造される図２の設計において、拡散方向のチャネル寸法（ｄ）は、実施例においては100μm 未満であり、拡散方向およびフロー方向に対して垂直方向のチャネル寸法（ｗ）をチャネル深さ（ｄ）で割ったものと規定されるアスペクト比は、１未満である。図５および６の平坦拡散抽出システムにおいて、アスペクト比ｗ／ｄ（ｄはやはり約100μm未満である）は、１より大きいが、５０よりずっと小さい。抽出中の要素が、微細チャネルの断面全体にわたって固定パーセントの平衡濃度内の濃度を達成するために必要な距離を、平衡化長(equilibration length)と定義する。微細チャネル内の要素濃度は、１−Ｄ分析拡散モデルを用いて計算される。平衡化長は、抽出される要素に対して特異的な、一連のプロセス空間設計曲線(process space design curves)を構築するために用いられる。最適化目的関数(optimization objective function)は、生産物ストリームの体積流速を、シリコンチップ上に微細製造されたシステムの課する制約内において最大化する設計を同定するために、規定される。ほぼ水の粘度を有するキャリア試料ストリームからアルブミン（ヒト血液中に存在するタンパク質要素）を抽出するための最適なデバイスの設計に、この方法論を適用する。全血は典型的には、体積にして４０〜５０％の赤血球(RBC)成分（RBCは楕円体形状および８μmの主軸寸法を有する）および、約１５〜２５μm の呼び直径を有する白血球を有する。本説明において、単一の粘度、単一の拡散性プロセスモデルを考慮することにより、分析を単純化している。複数粘度の場合に関する考慮は後に述べる。ここで述べるデバイスは、１％の平衡化長についての特定のものである（無限長のデバイスに対してアルブミン平衡化濃度１％内）。このプロセス感度情報は、上流および下流の流動成分(fluidic component) に対する設計要求を提供し、デバイスを「チップ上実験室」化学分析システムに集積するためには必須である。プロセスモデルは、そのパラメータ、物理定数、独立変数、従属変数、およびプロセスをモデル化するために用いる式によって規定される。本文において検分する抽出プロセスを、以下に図示する。物理定数は、デバイスの設計またはその制御のいずれによっても変化し得ない。上に示した３つの物理定数がある。すなわち、２成分要素拡散性(binary cons tituent diffusivity)Ｄ_i、粘度μ、および密度ρである。定数パラメータは、完全な要素平衡に対する所望のバーセンテージａ_%、正規化(normalized)試料− 抽出ストリームライン界面位置ｚ_s／ｄ、および正規化副産物−生産物ストリームライン界面位置ｚ_p／ｄである。変数モデルパラメータは、生産物ストリーム流は、ａ_%を達成するために必要なチャネル長Ｌ_a%、およびフロー方向における、抽出チャネルにわたる圧力差Δｐである。抽出プロセスの、２−Ｄフローおよび要素輸送モデルを述べる。一般的な３− Ｄ輸送問題を述べることから説明を始める。次に、２−Ｄ近似に対して単純化仮定事項を定義し、これらを適用する。次に、結果として得られる記述的モデル化式の解と関連する境界条件との解を、非粘性フローの場合について述べ、粘性フローの数値解の場合について述べる。一般的３−Ｄ質量輸送モデル式。拡散および対流輸送の両方による要素の輸送を記述する一般式は、以下の通りである（Cussler，E.L．(1984)、Diffusion，M ass Transfer in Fluid Systems 、Cambridge，Cambridge University Press）：上式において、Ｃ_iはｉ番目の要素の濃度であり、Ｄ_iはｉ番目の要素の２成分拡散係数であり、ｖ_xｖ_yｖ_zは速度ベクトル成分であり、ｒ_iはｉ番目の要素の、混合物中における化学反応による生成速度である。２−Ｄ定常フロー近似。本説明において用いるモデル化仮定事項を表す数学的関係を、式４に示す。式４(a)は、定常状態のデバイス動作を仮定したものを表す。抽出デバイスはダイナミックな動作を意図しているが、最終構成設計構成を目標として定常状態の動作を用いる。フローは、式４(b)に反映されるように、単一の座標方向で起こる。２つの議論を用いることにより式４(c)は正当化される。すなわち、（１）拡散の空間的スケールは、チャネルフロー方向（ｘ座標）よりも、拡散抽出方向（ｚ座標）において、１桁小さい（距離ｌにわたって拡散するために必要な時間は、ｌ²／Ｄに比例する）；（２）チャネル幅方向（ｙ座標）における拡散により、粘性フローの場合の濃度プロフィールは平坦になる傾向があり、解が、同一の平均流速を有する非粘性フローの場合における拡散により近く近似される。本説明において問題にするアッセイについて、フローストリーム中の種の変化を反映する化学的平衡動力学は存在しないため、式４(d)は正当化される。これは常に成り立つわけではない。式４を式３に適用することにより、以下のように単純化された関係が得られる。無次元形態(non-dimensional form)。以下の変数の無次元的変化(non-dimensi onal change)を定義することにより、式５を試料ストリーム要素濃度および拡散チャネル深さに関して正規化することができる。上式において、ｃ_0,iは、試料ストリーム中の要素ｉの濃度であり、ｄはチャネル深さである。式６を式５に代入することにより、以下が得られる。式７の括弧内の項はペクレ数の逆数である。ペクレ数は、対流質量輸送の、拡散質量輸送に対する相対的な意義の、有用なゲージを提供するものであり、以下のように定義される。濃度は従って、正規化された位置とペクレ数との関数である。定常フロー流入(entrance)境界条件。抽出デバイスの入口において試料および抽出ストリームを分離するストリームラインの位置は、Ｚ_sである。抽出チャネロであり、となる。無限長チャネル遠距離領域(Far Field)境界条件。遠距離領域境界条件は、無限に長い抽出チャネルを想定することにより定義される。そのようなチャネルについては、チャネル断面にわたって全ての拡散要素が平衡化しなければならない。従って、である。上式において、ξは平衡正規化濃度である。正規化平衡濃度は、以下のように与えられる。非浸透(impermeable)チャネル壁境界条件。デバイスが定状動作する間、デバイス表面上の要素の吸着は、平衡化したものと仮定されるため、デバイス境界によって規定されるコントロール表面における質量フラックスは、ゼロである。このことからフィックの法則を用いて、境界における濃度勾配はゼロでなければならず、となる。非粘性フロー（プラグフロー）。非粘性フローを仮定すると、ｚ方向におけるチャネルにわたる速度は、一定になる。このモデル化近似により、試料ストリームと抽出ストリームとの間のストリームライン界面の位置は、として与えられる。式９、式１０、式１２およびストリームライン界面位置（式９）によって与えられる境界条件に従った式７の解は、以下のように導出され与えられる。式１４は、変数分離の方法を用いて導出した。この方法の詳細な記載およびその物理システムにおける応用については、Folland，G.B．(1992)Fourier Analys is and its Applications、Pacific Grove Wadsworth&Brooks/Cole Advanced Bo oks and Softwareを参照のこと。粘性フロー単一粘性流体。ある１つの粘性フロー速度プロフィールについての、試料ストリームと抽出ストリームとを分離するストリームラインの位置は、質量保存を用いて達成される。単一粘性流体ストリームの速度プロフィールは、以下のように与えられる。深さｄおよび幅ｗのチャネルにおける全体積フローは、試料ストリーム流速と抽出ストリーム流速との和に等しい。速度プロフィール的によって、この正味チャネル流速は以下のように与えられる。抽出チャネルの試料ストリーム部分における体積流速は、以下のように与えられる。上式において、ｚ_sは、試料ストリームと抽出ストリームとを分離する平衡ストリームラインの位置である。ある１つの粘性フロープロフィールに対して、全試料ストリーム体積フローは、領域０＜ｚ＜ｚ_s中になければならない。式１７を式１６および１５を用いて解くことにより、以下の３乗関係式が得られる。任意の便利な平方根解法を用いることにより、試料ストリームと抽出ストリームとを分離する分離ストリームラインの位置ｚ_sを決定することができる。非粘性フローを仮定することに関連する誤差を調べるために、２−Ｄ数量モデルを書き用いることにより、非粘性フローモデルによって示唆される「最適」設計のフロープロフィールを分析した。数量シミュレーションモデルにおいて、式の解は以下のように与えられる。上式におけるペクレ数は、今度は、粘性流速プロフィールによるフローチャネル味チャネル流速に関して、必要抽出チャネル長の２０％の縮小が観察された。従って、非粘性仮定を用いて設計曲線を発生させることにより、抽出に必要なデバイスのサイズの控えめな(conservative)計算値が得られるはずである。最適化目的関数(optimization objective function)。この設計最適化問題の目標は、生産物ストリームの、単位フィルターチャネル幅ｗ毎の体積流速を最大化することであった。この設計目的を記述する関数は、以下のように与えられる。上式において、ｄはチャネル深さであり、Ｌ_a%はａ％平衡化長である。式２０は、設計目的を記述し、そして最大のデバイススループットを確実にする。他のアプリケーションにおいて、多目的(multiobjective)設計目的関数を用いた、競合する設計目的を考慮してもよい。この場合、主観的重み付け(weight)を用いて競合する設計目的を順序付けることにより、複合多目的関数を形成する。ミクロスケールにおいては、特定のアプリケーションにおいて、体積流速の単位デバイス体積に対する比を最大にする一方で、同時に、微細流動デバイス(micro−fluidi c device)の単位デバイス体積に対する表面積を最小化すること（あるいは単位表面積に対する体積流速を同等に最大化する）が、有効であろう。これらの比は主として、いかなるデバイス設計にも直接結合する(couple)、拡散方向深さの関数である。加えて、デバイスを実現するために必要なシリコン実面積(silicon r eal estate)を同時に最小化することもまた必要になり得る。同時に最適化されなければならない各設計目的について、追加的な主観的重み付けが必要になる。適切な重みの選択は、設計配置によって変化する。設計制約条件。微細流動デバイスを作成するために用いられるシリコンウェハは有限のサイズを有するため、最大可能フィルタ長には実用的制限が存在する。ａ_%平衡長Ｌ_aは、最大実用フィルタ長Ｌ_max未満でなけれぱならない。すなわち、である。同様に、試料ストリームおよび抽出ストリーム中に存在するいかなる粒子も、チャネルにおいて幾何学的制約のためだけに抽出ストリームを外れる(vio late)ことがないように、チャネルは十分に深くなくてはいけない、ｄ＞ｄ_min _° さらに、チャネルは、シリコンウェハの強度が過度に妥協されるほど深くてはならない、ｄ＜ｄ_max _°これらの２つの制約条件を組み合わせることにより、以下の単一の制約条件式が得られる。最後に、抽出およびそれに続く分析動作の１セットを完了するために許される最大時間により、そのデバイスにおける容認可能な最小の生産物ストリーム流速が決定される。すなわち、である。図９および１０は、ａ_%＝１％用に設計された一連の拡散抽出デバイスの、プロセス空間を表す。図９は、１％の平衡化長を達成する、全血からアルブミンを抽出するための、４mm幅の平行フロー拡散抽出デバイスのための設計空間を示す。設計空間は、試料ストリームと抽出ストリームとの間に１：１のフロー比を仮定し、流体粘性10^-3 [Pas]および流体密度10³[kg/m³]を仮定して計算されている。この研究に用いた食塩水溶液中のアルブミンの拡散係数は、Ｄ_alubumin＝７・10^-11[m²/s]である。物理定数は、Ｄ_i＝７・10^-11m²/s（アルブミン）、μ＝１０^-3Ｐａ／ｓ（水）、およびｐ＝10³ｋｇ／ｍ³（水）である。これらの性質は、ある１つのアルブミンの希釈水溶液に関して不変である。これらの定数は、他の化学アッセイを考慮する場合にのみ変化する。この設計最適化について固定に選択されたパラメータは、ａ＝１％、ｚ_s／ｄ＝0.5、およびｗ＝４mmである。これらの値は、本アプリケーションを表すものとして選択されたのであり、特定の目的の達成のために変更し得る。例えば、総フロースループットを増加するために、チャネル幅を大きくすることが可能である。図９において、領域Ａは、プロセスにおける制約を受けるパラメータを図示しており、この領域の右上の大きい黒点はチャネル長40mm、チャネル深さ５０μm および生産物ストリーム流速(ｖ_ps)約0.23μl/sであり、最も最適な設計を示している。40mmより大きいチャネル長さを必要とする領域Ｂは、これらのチャネル長さがシリコンチップの40mm幅を越えるため、最適領域外である（Ｌ＞Ｌ_max）。必要チャネル深さが100μmを越える領域Ｃは、チャネル深さが効率的な拡散に許容される深さを越えるため、最適設計範囲外である（d＞d_max）。チャネル深さが50μm未満である領域Ｄは、通常の細胞要素を通過させるにはチャネルが浅すぎるため、最適設計範囲外である（ｄ＜ｄ_min）。生産物ストリーム流速が０から約0.10μl/sである領域Ｅは、生産物流速が小さすぎるため、最適設計範囲外である（Ｑ_product＜Ｑ_product.min）。図１０は、図９において示した条件における最適設計パラメータを、フロー方向の抽出チャネルを横切る圧力差について示している。図９に説明したように流速およびチャネル深さに関して定義された領域Ａが、最適設計領域である。この領域の右上の大きい黒点はやはり、圧力差0.5kPaにおける最適設計を示している。問題になる所与の要素に対して定数であるので、ｖ_xおよびｄが指数的減衰の割が減少するにつれてｖ_xが増加して同じ1／Peが得られるようになるとすれば、は比例して増加し、1／Peが線形的に減少するためにＬ_a%=1%は線形的に増加する。対流は拡散に対してより重要になっており、平衡に達するためにはより長いチャネル長が必要である。所与の平衡化長における流速を最大化するためには、制約されたプロセス空間の右上のすみに行き、小さなチャネル深さ（図９）および高圧力差（図１０）で動作させることになる。領域要求を最小にするためには、図１０の左下においてずっと低い圧力差で動作させるように設計するとよい。表面効果を避け得る限り、ｄをできるだけ減らすべきである。以下の議論において考慮している２つの流体は、異なる粘性を有しておりかつ均質で非相溶性の、ニュートン流体として振る舞う流体である仮定する。２粘性の場合をモデル化して設計パラメータおよび結果を得るために、３つの別々のステップが必要である。以下において、試料ストリームは領域２として示され、抽出ストリームは領域１として示す。領域１の絶対粘性の領域２のそれに対する比はｍであり、領域１方向における、半チャネル幅の部分としての中間チャネル(m id-channel)からの流体界面位置は、αである。抽出チャネルの高さは２ωとしている。第１のステップは、両ストリームにわたる速度プロフィールをｍおよび αについて計算することである。第２のステップは、速度プロフィールを用いて、速度の比を決定することである。第３のステップは、界面(inerface)の位置、各ストリーム中の平均速度、および各ストリーム中の問題の粒子の拡散係数に基づいて拡散式を解くことである。第１のステップを完成するために、長方形のダクト中のニュートン流体の１次元２相のよく発達した(fully-developed)安定なフローについて、ナビエ・ストークス(Navier-Stokes)式を解くことにより、軸速度プロフィールｕ(ｚ)を決定する。この場合の式は、以下のように縮小される（White，F.M.（1994）Fluid M echanics）：結果として得られる、ω²Δp/μ₁Ｌによって無次元化(non-dimensionalized) され中央チャネルから領域１への測定されたｚ＝ｚ／ωによる速度プロフィールは、およびによって与えられる。第２のステップは、以下の式におけるαを解くことにより、αの数値をＦの特定の値について計算し、そして、このαの値を用いて、から各領域の平均フローの比を計算することである。最後のステップは、式（９）、（１０）および（１２）によって与えられる境界条件ならびに、濃度の連続性および界面における拡散種の質量保存を要求する更なる２つの界面条件に従って、各領域中における拡散式（７）を解くことである。界面から領域１への測定されたｚを用いて、これらの条件は、およびである。これによって得られる、チャネル全体にわたる質量濃度に関する式は、によって与えられ、固有値λ_nは、以下の特徴式の解であり、定数Ｋ_nは以下によって与えられ、ここで、β₁＝１−α、β₂＝１＋α、ｋ＝√Ｐｅ₂／Ｐｅ₁、かつσ＝ｋ（Ｄ₂／Ｄ₁）である。上述の技術を異なる粘性のストリームについて使用することの例として、抽出ストリーム（１）が水であり、抽出ストリーム（２）が水の粘性の３倍を有する流体である場合を考える。さらに、体積流速の比が等しく、Ｆ＝１である場合をは図１１に示される。図１２において、これらの流体の２粘性モデルおよび、同じ界面位置を仮定しながら各ストリーム中に粘性または拡散性の差がないモデルの比較を示している。チャネル高さにわたる濃度の比較は、抽出チャネルの上流端近く（ｘ／ｗ／Ｐｅ₁＝0.01）および比較的遠くの下流（ｘ／ｗ／Ｐｅ₁＝1.0 ）で行った。２粘性計算値は実線の通りであり、単純な１粘性計算値は点線の通りである。特に、下流位置において曲線間に大きな差があることに注意されたい。これらの結果は、各ストリーム中において異なる粘性を有する流体を用いた場合における、差動抽出デバイスの設計および定量的使用に関する上述の技術の重要性を示している。実施例本発明のデバイスを作成するための好適なプロセスにおいて、１μm厚さの含水熱性酸化物(wet thermal oxide)を３"のシリコンウェハ中において成長する。この酸化物をフローチャネルを有するようにフォトリソグラフ的にパターニングし、深さ60nmにエッチングする。ウェハに再びフォトレジストを塗布し、スルーホール接続部を有するようにパターニングする。このパターンから酸化物を完全に除去する。EDPエッチングにより、ウェハを完全に通じてエッチングする（約4 00μm）。酸化物エッチングを行うことにより、酸化物400nmを水から均一に除去する。フローチャネルをシリコン内に約10μmの深さでエッチングする。最後に、ウェハを、Pyrex glassの３"ディスクにアノード結合させる。以下の例は、シリコン中に微細製造されたミクロンサイズのデバイスを用いて、粒子を含有する試料ストリームから拡散要素を分離するための拡散ベースの抽出を示している。図２を参照せよ。0.5μmの蛍光ポリスチレン球およびフロオレセイン色素を含有する試料ストリームから、フロオレセイン色素を抽出した。この動作は、蛍光球による抽出ストリームの汚染がゼロであることを示した。このデバイスは、総抽出チャネル流体体積が約１フェムトリットル(femtoliter)であった。本例は、正確なフローストリーム調節に適切に注意を払えば、フェムトリットルスケールでの分離が可能であることを示している。また、アスペクト比が 50よりずっと小さい抽出チャネルおよび、拡散方向寸法が100μmよりずっと小さいチャネルにおいて、効率的な分離が可能であることを示している。w/d＜＜50 、ｄ＜100μmの抽出デバイスは、シリコン微細製造技術および超低レイノルズ数フロー(ultra-low Reynolds number flow)の本質的属性を用いて製造された微細流動システムの有効性を示した。デバイスを製造するために、２マスクレベルのプロセスが必要であった。第１のレベルは接続ポートを規定し、ウェハをシリコンの背面まで完全に貫通してエッチングされた。第２のレベルは、流体輸送チャネルを規定した。我々の規格に基づき、４インチクロームマスクおよび500nmのSiO₂を上に成長した３"ウェハ（｛100｝、ｎ型）が、Photo Sciences，Inc．（カリフォルニア州Torrance）により作成された。処理前に、ウェハをピラニヤ浴（H₂SO₄およびH₂O₂）（２：１）で清掃した。プライマー（300rpmで回転されたHMDS）を用いてフォトレジスト接着を高めた。約１μmのAZ-1370-SF（Hoechst）フォトレジストをスピンコーティング（3000rp m）によって堆積し、これに続いてソフトベークを行った（90℃で30分間）。コンタクト位置揃え器(contact aligner)を用いて、ウェハを位置揃えおよび露光した。最良の結果を得るように露光時間を変化させた。露光後ベークは行わなかった。AZ-351（４：１に希釈）（Hoechst）中でウェハを１分間現像し、DI 水中ですすいだ。酸化物を酸化物エッチング液から保護するために、ブルータックテープ（Semiconductor Equipment Corporation，カリフォルニア州Moorpark ）をウェハの裏面に塗布した。ウェハを、緩衝化酸化物エッチング液（BOE、10:1 HF（49%）およびNH₄F(10%) ）中に11分間浸すことによって保護されていない酸化物を完全にエッチング除去した。ブルータックテープを手で除去し、フォトレジストをアセトンリンス中で除去した。再還流沸騰フラスコ中にセットアップしたエチレン−ジアミン、ピロ−カテコール、および水の混合物（EPW F-エッチング液）中にて、シリコンエッチングを行った。このエッチング液は、シリコンの｛100｝面を毎時約100μmのレートで攻撃する。流体取り付けポートを第１のステップにおいてエッチングした。流体ポートとフィルタ領域との間のフローチャネルを、第２のステップにおいてエッチングした。障壁を最後のステップにおいてエッチングした。最後の処理後、ウェハを再びピラニヤ浴中で清掃し、DI水中ですすいだ。これらを次にダイシングして個々のデバイスとした。本発明者らは、アノード結合（Wallis，G．およびPomerantz，D.I.(1969)、J ．Appl．Physics 40: 3946-3949）を用いてPyrexガラスをシリコンデバイスに取り付けた。本発明者らは、１"平方のPyrexガラス片（100μm厚）をEsco Product s Inc．(Oak Ridge、NJ)から入手した。まず、シリコンおよびPyrexガラスを、5 0℃に加熱したH₂O、NH₄OH、およびH₂O（1:4:6）の溶液中に浸した。このプロセスにより、表面上の有機物が除去され、かつ、表面を親水性にする。この溶液中で20分間の後、シリコンおよびPyrexをDI水中ですすいで乾かした。アノード結合は、400℃でガラスとシリコンとの間に400Vを印加しながら行った。ウェハの裏面上において、ポートに流体接続部を作成した。流体ポート周囲に、ガラス管（1/8"内径、長さ約３cm）をエポキシ化した。流入ポートと流出ポートとの間の圧力差によってフローを起こした。H₂Oの３cm未満であるこの圧力差は、毎秒100μmを越える流速を得るために十分である。 Zeiss ICM-405倒立顕微鏡上で観察を行い、Dage シリコン強化ターゲットカメラ(silicon intensified target camera)を用いて記録した。まず、デバイスをイソプロピルアルコールで湿らせ、約70kPaの圧力を加えることによって閉じこめられた気泡をすべて除去した。次に、水、カルボキシフルオロセイン（Molecu lar Probes）および0.5μm直径の蛍光球(Duke Scientific)の混合物を、流体流入ポートの１つ中に導入した。純水を他方の流入ポート中に導入した。全ての0. 5μm球体が、試料ストリーム用の流出チャネルに流れた。色素は、抽出チャネル全体にわたって拡散し、その一部は生産物ストリームとともに流出した。本発明を特定の実施態様によって説明した。しかし、当業者には理解されるように、本明細書中で開示した特定の要素およびプロセスステップについて、様々な代替が可能である。本発明は、付属の請求項の範囲によってのみ限定を受ける。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＧ０１Ｎ 15/06 Ｇ０１Ｎ 15/06 Ｃ (72)発明者ホール，マークアール. アメリカ合衆国ワシントン 98105，シアトル，エヌ．イー．42エヌディーストリートナンバー314 1404 (72)発明者フォースター，フレッドケイ. アメリカ合衆国ワシントン 98103，シアトル，エヌ．68ティーエイチストリート 513 (72)発明者ガランボス，ポールシー. アメリカ合衆国ワシントン 98115，シアトル，エヌ．イー．，26ティーエイチアベニュー 6050

Claims

【特許請求の範囲】１．所望の粒子を、該所望の粒子を含有する試料ストリームから抽出するための、微細製造された抽出デバイスであって、ａ．試料ストリーム入口と；ｂ．抽出ストリーム入口と；ｃ．該試料ストリーム入口および該抽出ストリーム入口と流体的に連通しており、該抽出ストリーム入口からの抽出ストリームとの平行層流フローとして、該試料ストリーム入口から試料ストリームを受ける、50未満のアスペクト比（w/d ）を有する抽出チャネルと；ｄ．該抽出チャネルと流体的に連通しており、所望の粒子が抽出された後の該試料ストリームの少なくとも一部を有する副産物ストリームを受ける、副産物ストリーム出口と；ｅ．該抽出チャネルと流体的に連通しており、該抽出ストリームの少なくとも一部および該試料ストリームから抽出された所望の粒子を有する生産物ストリームを受ける、生産物ストリーム出口と；を有するデバイス。２．前記抽出チャネルが約25未満のアスペクト比を有する、請求項１に記載のデバイス。３．前記抽出チャネルが約１未満のアスペクト比を有する、請求項１に記載のデバイス。４．所望の粒子を、該所望の粒子を含有する試料ストリームから抽出するための、微細製造された抽出デバイスであって、ａ．試料ストリーム入口と；ｂ．抽出ストリーム入口と；ｃ．該試料ストリーム入口および該抽出ストリーム入口と流体的に連通しており、該抽出ストリーム入口からの抽出ストリームとの平行層流フローとして、該試料ストリーム入口から試料ストリームを受ける、約100ミクロン未満の深さを有する抽出チャネルと；ｄ．該抽出チャネルと流体的に連通しており、所望の粒子が抽出された後の該試料ストリームの少なくとも一部を有する副産物ストリームを受ける、副産物ストリーム出口と；ｅ．該抽出チャネルと流体的に連通しており、該抽出ストリームの少なくとも一部および該試料ストリームから抽出された所望の粒子を有する生産物ストリームを受ける、生産物ストリーム出口と；を有するデバイス。５．シリコンウェハを含む材料で製造された、請求項１に記載のデバイス。６．前記所望の粒子の、前記試料ストリームから前記抽出ストリームへの差動輸送を実現するための手段をさらに有する、請求項１に記載のデバイス。７．前記差動輸送を実現するための手段が、磁力、電気力、誘電、沈殿、せん断、遠心力、温度、圧力、および濃度勾配からなる群より選択されるフィールドを生成する手段である、請求項５に記載のデバイス。８．濃度勾配フィールドを実現するための前記手段が、前記抽出ストリーム中の前記所望の粒子に対して選択性を有し、実効的に非拡散である(effectively non -diffusing)、吸収材または吸着材を含む、請求項６に記載のデバイス。９．複数の生産物ストリーム出口を有する、請求項１に記載のデバイス。１０．請求項１に記載のデバイスならびに、前記生産物ストリーム中において前記所望の粒子を検出するための手段と組み合わせる、微細製造された分析システム。１１．請求項１に記載のデバイスを有する微細製造された分析システムであって、所望の粒子は、所望の粒子および所望でない粒子を含有する試料ストリームから抽出され、前記生産物ストリーム中の該所望でない粒子を検出するための手段を有する、システム。１２．前記所望の粒子を検出するための前記手段が、光学的感知手段を有している、請求項１０に記載の分析システム。１３．前記所望でない粒子を検出するための手段が、光学的感知手段を有している、請求項１１に記載の分析システム。１４．前記生産物ストリームを、検出を可能にするために前記所望の粒子と相互作用し得るインジケータ物質と混合するための手段を有する、請求項１０に記載の分析システム。１５．シリコンウェハ上に微細製造された分析システムであって、ａ．分析物の所望の粒子を抽出するための抽出手段であって、 (1) 試料ストリーム入口と； (2) 抽出ストリーム入口と； (3) 該試料ストリーム入口および該抽出ストリーム入口と流体的に連通しており、該抽出ストリーム入口からの抽出ストリームとの平行層流フローとして、該試料ストリーム入口から試料ストリームを受ける、50未満のアスペクト比（w/ d）を有する抽出チャネルと； (4) 該抽出チャネルと流体的に連通しており、該所望の分析物粒子の少なくとも一部が抽出された後の該試料ストリームの少なくとも一部を有する副産物ストリームを受ける、副産物ストリーム出口と； (5) 該抽出チャネルと流体的に連通しており、該抽出ストリームの少なくとも一部および該試料ストリームから抽出された所望の分析物粒子を有する生産物ストリームを受ける、生産物ストリーム出口と；とを有する手段と；ｂ．該生産物ストリームを、検出を可能にするために前記所望の粒子と相互作用し得るインジケータ物質と混合するための拡散ベースの混合デバイスと；ｃ．前記所望の分析物粒子の存在を検出し得る検出チャンバと；を有するシステム。１６．感知手段と組み合わせることによって、前記検出チャンバ中における前記所望の分析物粒子の存在を検出し得る、請求項１５に記載の分析システム。１７．定量化手段と組み合わせることによって、前記検出チャンバ中における前記所望の分析物粒子の濃度を測定し得る、請求項１６に記載の分析システム。１８．所望の粒子の少なくとも一部を、該所望の粒子および所望でない粒子を含有する試料ストリームから抽出するための方法であって、ａ．該試料ストリームを、請求項１に記載の微細製造された抽出デバイスの前記試料ストリーム入口中に導入する工程と；ｂ．抽出ストリームを該抽出デバイスの前記抽出チャネル中に導入する工程と；ｃ．所望の粒子を有する生産物ストリームを、該デバイスの前記生産物ストリーム出口から引き抜く工程と；を包含する方法。１９．所望の粒子の少なくとも一部を、該所望の粒子および所望でない粒子を含有する試料ストリームから抽出するための方法であって、ａ．該試料ストリームを、請求項２に記載の微細製造された抽出デバイスの前記試料ストリーム入口中に導入する工程と；ｂ．抽出ストリームを該抽出デバイスの前記抽出チャネル中に導入する工程と；ｃ．所望の粒子を有する生産物ストリームを、該デバイスの前記生産物ストリーム出口から引き抜く工程と；を包含する方法。２０．連続的なプロセスとして行われる、請求項１８に記載の方法。２１．バッチプロセスとして行われる、請求項１８に記載の方法。２２．磁力、電気力、誘電、沈殿、せん断、遠心力、温度勾配、圧力勾配、および濃度勾配フィールドからなる群より選択されるフィールドを前記抽出チャネルに横切って生成することにより、所望の粒子の、前記抽出チャネル中の前記抽出ストリーム中への差動輸送を助ける、請求項１８に記載の方法。２３．前記フィールドが濃度勾配フィールドであり、前記差動輸送は拡散によって起こる、請求項２２に記載の方法。２４．前記試料および抽出ストリームが異なる特性を有する、請求項１８に記載の方法。２５．前記試料流体体積が少なくとも約１ピコリットルである、請求項２２に記載の方法。２６．前記試料流体体積が約１ナノリットルと約１０マイクロリットルとの間である、請求項２２に記載の方法。２７．前記試料流体体積が約１マイクロリットルと約１マイクロリットルとの間である、請求項２２に記載の方法。２８．前記生産物ストリーム中における、前記所望の粒子または前記所望でない粒子の存在を検出する工程をさらに包含する、請求項１８に記載の方法。２９．前記生産物ストリーム中における、前記所望の粒子または前記所望でない粒子の濃度を決定する工程をさらに包含する、請求項１８に記載の方法。３０．前記試料ストリーム中における、前記所望の粒子の濃度を決定する工程をさらに包含する、請求項１８に記載の方法。３１．前記生産物ストリーム中における、前記所望の粒子および／または前記所望でない粒子のおよび／または濃度を、前記試料ストリームを前記試料ストリーム入口中に導入してから約１秒未満後に決定する、請求項１８に記載の方法。３２．前記生産物ストリーム中における、前記所望の粒子および／または前記所望でない粒子の存在および／または濃度を、前記試料ストリームを前記試料ストリーム入口中に導入してから約１秒後から約５分後の間に決定する、請求項１８に記載の方法。３３．前記生産物ストリーム中における、前記所望の粒子および／または前記所望でない粒子の存在および／または濃度を、前記試料ストリームを前記試料ストリーム入口中に導入してから約１分後から約４分後以内の間に決定する、請求項１８に記載の方法。３４．前記生産物ストリームが引き抜かれた後に、前記デバイスを洗い流すことによって所望の粒子および所望でない粒子の両方を除去し、前記抽出方法を繰り返す、請求項１８に記載の方法。３５．副産物ストリームを引き抜き、該副産物ストリームを試料ストリームとして前記試料ストリーム入口中に導入することによって前記方法を繰り返すことを包含する、請求項１８に記載の方法。３６．血液成分の濃度を検出することを包含する請求項１８に記載の方法であって、前記試料ストリームは全血を含み、清浄された血液成分の粒子が前記生産物ストリーム中へと抽出される、方法。３７．副産物ストリームを引き抜く工程と、該副産物ストリームを微細製造されたフローサイトメータ中に導入する工程とを包含する、請求項１８に記載の方法。３８．生産物ストリームを引き抜く工程と、該生産物ストリームを微細製造されたフローサイトメータ中に導入する工程とを包含する、請求項１８に記載の方法。