JP5124054B2 - Microfluidic devices and systems incorporating protective layers - Google Patents
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Description
Translated fromJapanese関連出願の相互参照： ３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９及び／又は§１２０並びに他の適用可能な法令又は規則により、本出願は、２０００年４月６日提出のＵＳＳＮ０９／５４４，７１１の利益と優先権を主張し、その開示文献を援用する。 Cross-reference of related applications: 35U. S. C. In accordance with §119 and / or §120 and other applicable laws or regulations, this application claims the benefit and priority of USSN 09 / 544,711 filed April 6, 2000, and incorporates its disclosure. .
発明の背景：エレクトロニクスやコンピュータ産業の場合と同様、分析化学や生化学の機器の傾向も小型化の方向に向かっている。化学及び生化学の分析において、例えばミクロ流体システムにおいて達成されるような小型化は、要求される試薬が非常に少ないこと、早いスループット、容易な自動化、及び多くの場合における改善されたデータを含めて多くの利点をもたらす。
例として、米国特許第５，４９８，３９２号及び第５，５８７，１２８号は、微小規模のフローシステム及び／又は反応チャンバーを含んだミクロ製造装置における増幅反応の性能を記載する。このようなシステムは、増幅反応で使用される高価な試薬の必要性を実質的に低減する。また、これらの装置の小さい規模により、加熱源と装置内の試薬との間の熱移動が促進される。
同様に、米国特許第５，６３７，４６９号は、結合アッセイにより試料中のアナライトを検出するために極度に小さな内部寸法を有する装置の使用を記載する。これも、このような装置の小さな規模により、小さな試薬容積という観点からの利点が与えられる。Background of the Invention: As in the electronics and computer industries, the trend of analytical and biochemical instruments is also towards miniaturization. In chemical and biochemical analysis, miniaturization, for example as achieved in microfluidic systems, includes very few reagents required, fast throughput, easy automation, and improved data in many cases Brings many benefits.
By way of example, US Pat. Nos. 5,498,392 and 5,587,128 describe the performance of amplification reactions in a microfabrication device that includes a microscale flow system and / or reaction chamber. Such a system substantially reduces the need for expensive reagents used in amplification reactions. Also, the small scale of these devices facilitates heat transfer between the heating source and the reagents within the device.
Similarly, US Pat. No. 5,637,469 describes the use of a device with extremely small internal dimensions to detect an analyte in a sample by a binding assay. Again, the small scale of such a device provides the advantage in terms of a small reagent volume.
共有の公開国際出願ＷＯ９８／００２３１は、高スループットのスクリーニングアッセイの実行におけるミクロ流体装置及びシステムの使用を記載する。これも、これらのシステムにより、潜在的に非常に高価な試験化合物、例えば薬剤候補、ライブラリ化合物などの必要な容積が低減される。
分析システムの小型化により実現される多くの利点にも関わらず、このような小型化は、ユーザーの取扱い、試薬の配送又は濾過、及びこのような装置とのシステムインターフェースを含めて該装置の使用において困難をもたらし得る。
従って、このような小さな規模の装置に関連した問題を伴うことなく、極度に小さな容積及び寸法に関連した利点を得るミクロ流体装置を提供することが望まれる。本発明は、これら及び他の種々の要求を満たす。The shared published international application WO 98/00231 describes the use of microfluidic devices and systems in the performance of high throughput screening assays. Again, these systems reduce the required volume of potentially very expensive test compounds such as drug candidates, library compounds, and the like.
Despite the many advantages realized by the miniaturization of the analytical system, such miniaturization involves the use of the device, including user handling, reagent delivery or filtration, and system interfaces with such devices. Can cause difficulties.
Accordingly, it would be desirable to provide a microfluidic device that obtains the advantages associated with extremely small volumes and dimensions without the problems associated with such small scale devices. The present invention fulfills these and various other needs.
本発明の一般的な目的は、改善された材料取扱い特性を有するミクロフルイディックスの利点と製造コストの低減とを結合したミクロ流体方法及び装置を提供することである。本発明は、このことを本体構造を有するミクロ流体装置を提供することにより一面において達成する。この本体構造は、その中に配置された第１微小規模チャネル網を含む。本体構造は、本体構造の第１表面に配置された複数のポートを含む。各ポートは、第１チャネル網における１つ以上のチャネルと流動自在に連絡している。本装置は、保護層も含み、これは保護層の第１表面内で該表面を貫通して配置された複数の開口を有する。保護層の第１表面は、開口がポートに対して整列してポートと流動自在に連絡するように、本体構造の第１表面に嵌まって（ｆｉｔ）いる。また、本装置は、保護層の第１表面の少なくとも一部と本体構造の第１表面との間に配置された膜も含み、膜が少なくとも１対の整列した開口とポートとの間に配置されるようにする。本発明の好ましい実施態様では、膜（例えば半透膜部など）が膜上に固定化された材料を含み、例えば材料の凝集（例えば細胞、分子などの固まり）をふるい分けし及び／又は種々の試薬を装置に配送する。 It is a general object of the present invention to provide a microfluidic method and apparatus that combines the advantages of microfluidics with improved material handling properties with reduced manufacturing costs. The present invention accomplishes this in one aspect by providing a microfluidic device having a body structure. The body structure includes a first microscale channel network disposed therein. The body structure includes a plurality of ports disposed on the first surface of the body structure. Each port is in fluid communication with one or more channels in the first channel network. The apparatus also includes a protective layer that has a plurality of openings disposed therethrough within the first surface of the protective layer. The first surface of the protective layer fits into the first surface of the body structure such that the opening is aligned with the port and in fluid communication with the port. The apparatus also includes a membrane disposed between at least a portion of the first surface of the protective layer and the first surface of the body structure, the membrane disposed between at least one pair of aligned openings and the port. To be. In a preferred embodiment of the invention, the membrane (e.g. semi-permeable membrane part) comprises a material immobilized on the membrane, e.g. sifting of material aggregates (e.g. mass of cells, molecules etc.) and / or various Deliver reagents to the device.
別の面では、本発明は、第１微小規模チャネル網を本体構造内に配置した該本体構造を備えたミクロ流体装置に関する。本体構造は、該構造の第１表面に配置された複数のポートを含む。各ポートは、第１チャネル網における１つ以上のチャネルと流動自在に連絡している。また、複数のポートの各々は、リムと内側表面とを含み、このリムは、本体構造の第１表面内の各ポートの周囲に配置され、複数のポートの少なくとも１つについてのリムの少なくとも一部及び内側表面は導電性被膜を含む。特に、本発明における導電性被膜の使用は、ミクロ流体装置間の相互汚染を最小にする。本装置は、保護層も含み、これは保護層の第１表面内において該表面を貫通して配置された複数の開口を備える。保護層の第１表面は、これらの開口が前記ポートに対して整列し且つ流動自在に連絡するように、本体構造の第１表面に嵌められる。特定の実施態様では、本装置は、膜（例えば半透膜部など）も含み、この膜は、該膜が少なくとも１対の整列した開口とポートとの間に配置されるように、保護層の第１表面の少なくとも一部と本体構造の第１表面との間に配置される。これらの実施態様では、前記少なくとも１対の整列した開口とポートとの間に配置された膜の少なくとも一部が、前記導電性被膜に導電的に接続される。 In another aspect, the invention relates to a microfluidic device comprising a body structure having a first microscale channel network disposed within the body structure. The body structure includes a plurality of ports disposed on the first surface of the structure. Each port is in fluid communication with one or more channels in the first channel network. Each of the plurality of ports also includes a rim and an inner surface, the rim being disposed around each port in the first surface of the body structure and at least one of the rims for at least one of the plurality of ports. The part and the inner surface contain a conductive coating. In particular, the use of conductive coatings in the present invention minimizes cross contamination between microfluidic devices. The apparatus also includes a protective layer that includes a plurality of apertures disposed through the surface within the first surface of the protective layer. The first surface of the protective layer is fitted to the first surface of the body structure so that these openings are aligned and in fluid communication with the port. In certain embodiments, the apparatus also includes a membrane (e.g., a semipermeable membrane portion) that includes a protective layer such that the membrane is disposed between at least one pair of aligned openings and ports. Between the at least part of the first surface and the first surface of the body structure. In these embodiments, at least a portion of the membrane disposed between the at least one pair of aligned openings and ports is conductively connected to the conductive coating.
また、本発明は、第１微小規模チャネル網を内部に配置した本体構造を備えたミクロ流体装置を提供する。本体構造は、該構造の第１表面内に配置された複数のポートを含み、各ポートは、第１チャネル網における１つ以上のチャネルと流動自在に連絡している。本装置も保護層を含み、この保護層は第１表面から、対向する第２表面まで延びた複数の開口を含む。これら複数の開口の各々は、保護層の第２表面における各開口の周囲に配置されたリムと内側表面とを更に含む。前記複数の開口の少なくとも１つについてのリムの少なくとも一部及び内側表面は、導電性被膜を含む。また、本装置は、膜（例えば半透膜部など）も適宜含み、この膜は、該膜が少なくとも１対の整列した開口とポートとの間に配置されるように、保護層の第１表面の一部と本体構造の第１表面との間に配置される。別の選択肢として、少なくとも１対の整列した開口とポートとの間に配置された膜の少なくとも一部が、導電性被膜と導電的に接続される。 The present invention also provides a microfluidic device having a main body structure in which a first microscale channel network is disposed. The body structure includes a plurality of ports disposed in the first surface of the structure, each port in fluid communication with one or more channels in the first channel network. The apparatus also includes a protective layer that includes a plurality of openings extending from the first surface to the opposing second surface. Each of the plurality of openings further includes a rim and an inner surface disposed around each opening in the second surface of the protective layer. At least a portion of the rim and the inner surface for at least one of the plurality of openings includes a conductive coating. The device also optionally includes a membrane (eg, a semi-permeable membrane portion) that is disposed between the first of the protective layers such that the membrane is disposed between at least one pair of aligned openings and ports. Located between a portion of the surface and the first surface of the body structure. As another option, at least a portion of the membrane disposed between the at least one pair of aligned openings and ports is conductively connected to the conductive coating.
また別の面では、本発明は、第１微小規模チャネル網を内部に配置した本体構造を含むミクロ流体装置に関する。本体構造は、該本体構造の第１表面内に配置された複数のポートを有する。この各ポートは、第１チャネル網における１つ以上のチャネルと流動自在に連絡している。また、本装置は、保護層も含み、これは該保護層の第１表面内に該表面を貫通して配置された複数の開口を含む。保護層の第１表面は、開口がポートと整列し且つポートと流動自在に連絡するように、本体構造の第１表面に嵌められる。また、本装置は、複数のリングを含む。これらリングの各々は、保護層と本体構造との間で前記複数の開口の少なくとも１つの周囲に且つ前記複数の開口の１つ以上に対して整列した複数のポートの少なくとも１つの周囲に配置される。適宜、複数のリングの少なくとも１つが、本体構造、保護層又はその両方（即ち本体構造と保護層）に一体化される。 In another aspect, the invention relates to a microfluidic device including a body structure having a first microscale channel network disposed therein. The body structure has a plurality of ports disposed in the first surface of the body structure. Each port is in fluid communication with one or more channels in the first channel network. The apparatus also includes a protective layer, which includes a plurality of openings disposed through the surface within the first surface of the protective layer. The first surface of the protective layer is fitted to the first surface of the body structure such that the opening is aligned with the port and in fluid communication with the port. The apparatus also includes a plurality of rings. Each of the rings is disposed between at least one of the plurality of openings and at least one of a plurality of ports aligned with one or more of the plurality of openings between the protective layer and the body structure. The Optionally, at least one of the plurality of rings is integrated into the body structure, the protective layer, or both (ie, the body structure and the protective layer).
特定の実施態様では、本装置は、膜（例えば半透膜部など）も含み、この膜は、該膜が少なくとも１対の整列した開口とポートとの間に配置されるように、保護層の第１表面の少なくとも一部と本体構造の第１表面との間に配置され、その際、前記複数のリングの少なくとも１つについての少なくとも１つの表面の少なくとも一部が前記膜を含む。また、一般に、本発明の装置の各ウエル（例えば整列した各ポート、リング及び開口）は、開口（例えば環状隆起など）内、リング内、又はポート内のウエルの周囲に配置されたリム及び内側表面を含む。少なくとも１つのウエルについてのリムの少なくとも一部及び内側表面は、導電性被膜を適宜含む。別の実施態様では、本装置は膜（例えば半透膜部）を更に含み、この膜は、該膜が少なくとも１対の整列した開口とポートとの間に配置されるように、保護層の第１表面の一部と本体構造の第１表面との間に配置される。別の選択肢として、複数のリングの少なくとも１つの一表面における少なくとも一部は、膜を含み、少なくとも１対の整列した開口とポートとの間に配置された膜の少なくとも一部は、導電性被膜に導電的に接続される。
一般に、本発明の装置の保護層は、第１表面に対向した第２表面を含み、開口が第１表面から第２表面に延びている。一般に、保護層は、第２表面上に配置された複数の立ち上がり環状隆起を含む。環状隆起は、開口の各々を取り囲む。膜（例えば半透膜部など）は、第２表面上の開口を取り囲む少なくとも１つの環状隆起上に適宜配置される。In certain embodiments, the apparatus also includes a membrane (e.g., a semipermeable membrane portion) that includes a protective layer such that the membrane is disposed between at least one pair of aligned openings and ports. At least a portion of the first surface of the body structure and a first surface of the body structure, wherein at least a portion of at least one surface of at least one of the plurality of rings comprises the membrane. Also, in general, each well (eg, each aligned port, ring and opening) of the device of the present invention is provided within an opening (eg, an annular ridge), within the ring, or around the well in the port and inside the rim. Including the surface. At least a portion of the rim and the inner surface for at least one well optionally include a conductive coating. In another embodiment, the apparatus further comprises a membrane (eg, a semipermeable membrane portion) that is disposed in the protective layer such that the membrane is disposed between at least one pair of aligned openings and ports. Arranged between a portion of the first surface and the first surface of the body structure. As another option, at least a portion of at least one surface of the plurality of rings includes a membrane, and at least a portion of the membrane disposed between the at least one pair of aligned openings and ports is a conductive coating. Is conductively connected to.
In general, the protective layer of the device of the present invention includes a second surface opposite the first surface, and an opening extends from the first surface to the second surface. Generally, the protective layer includes a plurality of raised annular ridges disposed on the second surface. An annular ridge surrounds each of the openings. A membrane (such as a semi-permeable membrane) is suitably placed on at least one annular ridge that surrounds the opening on the second surface.
幾つかの実施態様では、保護層が、本発明の装置における本体構造の第１表面に接着又は締結される。また、一般に、保護層は、保護層の第１表面上で本体構造を整列させるための第１整列構造を含む。保護層は、コントローラ／検出器装置上の整列構造と相補的な第２整列構造を適宜含み、コントローラ／検出器装置においてミクロ流体装置を整列する。
また、本発明は、ミクロ流体装置中に配送される組成物を制御する方法も含み、材料（例えば粒子、試薬など）を含んだ溶液を装置の１つ以上のウエル中に配置された半透膜部を通して流す工程を含む。また、本方法は、材料を装置中に配送する前に半透膜上に材料を固定化する工程を適宜含む。
関連する面では、本発明は、本発明によるミクロ流体装置を含んだミクロ流体システムを提供し、その際、該装置はミクロ流体装置を収容するよう構成されたコントローラ／検出器装置上に更に取り付けられる。コントローラ／検出器装置は、光学検出システムと材料輸送システムとを含む。これら検出システムと輸送システムは、本装置をコントローラ／検出器上に取り付ける際、ミクロ流体装置と操作可能にインターフェースされる。In some embodiments, a protective layer is adhered or fastened to the first surface of the body structure in the device of the present invention. Also, generally, the protective layer includes a first alignment structure for aligning the body structure on the first surface of the protective layer. The protective layer optionally includes a second alignment structure that is complementary to the alignment structure on the controller / detector device to align the microfluidic device in the controller / detector device.
The present invention also includes a method for controlling a composition delivered into a microfluidic device, wherein a solution containing materials (eg, particles, reagents, etc.) is placed in a semi-permeable manner disposed in one or more wells of the device. Flowing through the membrane. The method also optionally includes the step of immobilizing the material on the semipermeable membrane prior to delivering the material into the apparatus.
In a related aspect, the present invention provides a microfluidic system including a microfluidic device according to the present invention, wherein the device is further mounted on a controller / detector device configured to receive the microfluidic device. It is done. The controller / detector device includes an optical detection system and a material transport system. These detection and transport systems are operably interfaced with the microfluidic device when the device is mounted on the controller / detector.
発明の詳細な説明：Ｉ．一般
一般に、本発明は、ミクロ流体装置及びシステムの非常に小規模の性質を利用すると共に、このようなシステムに関連した潜在的な問題の幾つかを解消したミクロ流体装置及び方法を提供する。特に、本発明のミクロ流体装置及びシステムは、例えば本装置の基本的な本体構造に重ね合わせて取り付けられるミクロ流体装置の一部として更に保護層を含む。一般に、本発明の装置において用いられる保護層は、該層を貫通して配置される幾つかの開口を含み、これらの開口は、リザーバー（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）の一部に嵌まり及び／又はそれを形成し、及び／又はミクロ流体装置のポートにアクセスする。これらの保護層は、ミクロ流体装置の操作及び製造において幾つかの利点を与える。Detailed Description of the Invention:In general , the present invention provides microfluidic devices and methods that take advantage of the very small nature of microfluidic devices and systems and that have eliminated some of the potential problems associated with such systems. In particular, the microfluidic device and system of the present invention further includes a protective layer, for example as part of the microfluidic device that is mounted over the basic body structure of the device. In general, the protective layer used in the device of the present invention includes a number of openings disposed through the layer that fit into and / or form part of a reservoir. And / or access a port of the microfluidic device. These protective layers offer several advantages in the operation and manufacture of microfluidic devices.
ここで用いられているように、一般に、用語「微小規模」、「ミクロ製造された」又は「ミクロ流体」は、１つ以上の流体通路、チャンバー又は導管を指し、これらは５００μｍより短く一般に約０．１μｍ〜約５００μｍである少なくとも１つの内側断面寸法（例えば深さ、幅、長さ、直径など）を有する。本発明の装置では、微小規模のチャネル又はチャンバーは、好ましくは約０．１μｍ〜２００μｍ、更に好ましくは約０．１μｍ〜１００μｍ、しばしば約０．１μｍ〜２０μｍの少なくとも１つの断面寸法を有する。従って、本発明によるミクロ流体装置又はシステムは、一般に少なくとも１つの微小規模チャネル、通常は少なくとも２つの交差した微小規模チャネル、しばしば単一本体構造内に設けられた３以上の交差チャネルを含む。チャネルの交差については、十字交差、「Ｔ」交差、又は少なくとも２つのチャネルが流動自在に連絡するような幾つかの他の構造を含めて、多くの形式が存在し得る。 As used herein, the term “microscale”, “microfabricated” or “microfluidic” generally refers to one or more fluid passages, chambers or conduits, which are generally shorter than about 500 μm. Having at least one inner cross-sectional dimension (eg, depth, width, length, diameter, etc.) that is between 0.1 μm and about 500 μm. In the apparatus of the present invention, the microscale channel or chamber preferably has at least one cross-sectional dimension of about 0.1 μm to 200 μm, more preferably about 0.1 μm to 100 μm, often about 0.1 μm to 20 μm. Thus, a microfluidic device or system according to the present invention generally comprises at least one microscale channel, usually at least two crossed microscale channels, often three or more cross channels provided within a single body structure. There can be many forms of channel intersection, including a cross intersection, a “T” intersection, or some other structure in which at least two channels are in fluid communication.
ここに記載のミクロ流体装置の本体構造は、本体構造が少なくとも１つのミクロ流体チャネル要素を内部に設けるという条件で種々の形状及び／又は構造を採り得る。例えば、ある場合には本体構造は、管状構造、例えば上述した微小規模範囲の内側直径を有する溶融シリカ又はポリマー毛細管のような毛細管構造を有する。また、本体構造は、装置が使用される用途に依存して一様でない形状及び／又は構造を取り入れることもできる。好ましい面では、ミクロ流体装置の本体構造は、平面又は「チップ」構造を取り入れる。
ある場合には単一ピースの本体構造（例えば毛細管）が使用できるけれども、一般にここに記載の装置は、２つ以上の別々の層の集合を含む。この層の集合は、適切に嵌められ又は共に連結されると、例えばここに記載のチャネル及び／又はチャンバーを含んだ本発明のミクロ流体装置の本体構造を形成する。一般に、ここに記載のミクロ流体装置は、頂部、底部及び内部からなり、この内部が装置のチャネル及びチャンバーを実質的に形成する。The body structure of the microfluidic device described herein may take various shapes and / or structures provided that the body structure provides at least one microfluidic channel element therein. For example, in some cases, the body structure has a tubular structure, for example a capillary structure such as fused silica or polymer capillaries having an inner diameter in the microscale range described above. The body structure may also incorporate non-uniform shapes and / or structures depending on the application for which the device is used. In a preferred aspect, the body structure of the microfluidic device incorporates a planar or “chip” structure.
In some cases, a single piece body structure (eg, a capillary) can be used, but generally the devices described herein include a collection of two or more separate layers. This collection of layers, when properly fitted or coupled together, forms the body structure of the microfluidic device of the present invention including, for example, the channels and / or chambers described herein. In general, the microfluidic devices described herein consist of a top, a bottom, and an interior, which substantially forms the channels and chambers of the device.
図１は、平面の層構造を取り入れたミクロ流体装置の本体構造の一例を示す。図示のように、本体構造１００は、少なくとも２つの層、即ち上層１０２と下層１１０を含む。下層１１０の上面１１２は、溝及び／又はウエル１１４を含むように製造される。次に、上層１０２の下面１０４が、下層１１０の上面１１２に嵌められ、それにより溝及び／又はチャネルが、集合本体構造の内部でチャネル又は導管及びチャンバーを形成する。
底部として種々の基板材料を使用できる。一般に、装置はミクロ製造されるので、公知のミクロ製造技術、例えばフォトリソグラフィ、湿式化学エッチング、レーザーアブレーション、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、空気研磨技術、射出成形、ＬＩＧＡ法、金属電鋳、型押及びその他の技術との適合性に基づいて基板材料が選択される。また、一般に、ｐＨ、温度、塩濃度及び印加電場の極限を含めてミクロ流体装置が曝され得る条件の全範囲との適合性を持たせるため、適切な基板材料が選択される。したがって、幾つかの好適な態様では、基板材料としては、例えばヒ化ガリウムなどのような他の基板材料だけでなく、例えばガラス、石英、シリコン又はポリシリコンなどのようなシリカベースの基板など、このようなミクロ製造技術が通常使用される半導体産業と通常関連した材料が挙げられる。半導体材料の場合には、基板材料の上に絶縁被膜又は層（例えば酸化ケイ素）を設けることがしばしば望まれ、特に装置又はその内容物に電場を印加するような用途においても同様である。好ましい態様では、ミクロ製造が容易であるばかりでなく上述した条件に対し不活性なので、本体構造を製造するのに使用される基板は、シリカベースであり、更に好ましくはガラス又は石英である。FIG. 1 shows an example of the body structure of a microfluidic device incorporating a planar layer structure. As shown, the
Various substrate materials can be used as the bottom. Generally, since the apparatus is micro-manufactured, known micro-manufacturing techniques such as photolithography, wet chemical etching, laser ablation, reactive ion etching (RIE), air polishing technique, injection molding, LIGA method, metal electroforming, mold Substrate material is selected based on compatibility with pressing and other techniques. Also, in general, a suitable substrate material is selected to be compatible with the full range of conditions to which the microfluidic device can be exposed, including pH, temperature, salt concentration and applied electric field limits. Thus, in some preferred embodiments, the substrate material includes not only other substrate materials such as gallium arsenide, but also silica based substrates such as glass, quartz, silicon or polysilicon, etc. Materials usually associated with the semiconductor industry where such microfabrication techniques are commonly used. In the case of semiconductor materials, it is often desirable to provide an insulating coating or layer (eg, silicon oxide) over the substrate material, especially in applications where an electric field is applied to the device or its contents. In a preferred embodiment, the substrate used to manufacture the body structure is silica-based, more preferably glass or quartz, because it is not only easy to micro-manufacture but also inert to the conditions described above.
別の好ましい態様では、基板材料は、ポリマー材料、例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン（登録商標ＴＥＦＬＯＮ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリスルホン、ポリスチレン、ポリメチルペンテン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ弗化ビニリデン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｉｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ）、ＡＢＳ（アクリロニトリルブタジエンスチレンコポリマー）などのようなプラスチックからなる。このようなポリマー材料は、上述したような利用可能なミクロ製造技術を用いて、又はミクロ製造された原型から周知の成形技術（例えば射出成形、型押又はスタンピング）を用いて、又は金型内のポリマー前駆体材料を重合することにより容易に製造される（米国特許第５，５１２，１３１号参照）。また、最も極端な反応条件に対する一般的な不活性だけでなく製造の容易さ、低コスト及び処分可能性にとっても、このようなポリマー基板材料が好ましい。また、これらのポリマー材料は、例えば、あらゆる目的のために全体をここで援用する米国特許第５，８８５，４７０号に記載のように、ミクロ流体システムにおける有用性を増すために（例えば流体の方向性を強めるために）、処理された表面（例えば誘導体化又は塗布された表面）であってもよい。 In another preferred embodiment, the substrate material is a polymer material such as polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate, polytetrafluoroethylene (registered trademark TEFLON), polyvinyl chloride (PVC), polydimethylsiloxane (PDMS), polysulfone, polystyrene. , Plastics such as polymethylpentene, polypropylene, polyethylene, polyvinylidene fluoride, ABS (acrylonitrile butadiene styrene copolymer). Such polymeric materials can be obtained using available micro-manufacturing techniques as described above, or using well-known molding techniques (eg, injection molding, stamping or stamping) from the micro-manufactured prototype, or within the mold Of polymer precursor materials (see US Pat. No. 5,512,131). Such polymer substrate materials are also preferred not only for general inertness to the most extreme reaction conditions, but also for ease of manufacture, low cost and disposability. These polymeric materials may also be used to increase their usefulness in microfluidic systems (e.g., as described in US Pat. No. 5,885,470, which is incorporated herein in its entirety for all purposes). It may be a treated surface (for example, a derivatized or coated surface) to enhance directionality.
図示された実施態様では、本体構造１００の上層１０２が、該層を貫通して設けられる複数のポート１０６を含む。これらのポートは、上層と下層とを嵌める時に集合本体構造においてチャネル又は溝の特定地点（例えば終点）と連通するように位置決めされる。ポート１０６は、流体が装置のチャネルにアクセスするように機能し、特定の態様では本体構造内のチャネルへの電気的なアクセスをするように機能する。後で議論するように、適宜、本体構造の上層の上面上の複数のポートの中の１つ以上の周りに（即ち取り囲んで）リングを成形する。また、ポートの少なくとも一部は、例えばポート内に直接電極を配置することなく装置内で適宜電気的接続を得るため、導電性被膜も適宜含む。導電性被膜の使用についても後に説明する。
多くの実施態様では、ミクロ流体装置は、装置の１つ以上のチャネル及び／又はチャンバーを横切って設けられた光学的検出窓１１６を含む。一般に、光学的検出窓は、該窓が上に設けられているチャネル／チャンバーからの光信号を通すことができるように透明である。光学的検出窓は、例えばこの層はガラス若しくは石英又は透明なポリマー材料（例えばＰＭＭＡ、ポリカーボネートなど）である場合、単に本体構造の透明層の一領域とすることができる。また、装置を製造する際に不透明な基板を使用する場合、上記材料から製造された透明な検出窓を装置内に別々に製造することもできる。In the illustrated embodiment, the
In many embodiments, the microfluidic device includes an
ミクロ流体装置は、例えば薬剤の発見における高スループットのスクリーニングアッセイ、免疫学的検定、診断、遺伝子分析などの実施を含めて、種々の用途において使用し得る。従って、ここに記載の装置は、複数の試料の並列又は直列導入及び分析のために複数の試料導入ポート又はリザーバーをしばしば含む。また、これらの装置は、複数の試料を分析用装置に順次に導入する試料導入ポート（例えばピペット）に連結し得る。このような試料導入システムの例は、例えば米国特許第６，０４６，０５６号及び第５，８８０，０７１号に記載されており、その各々をあらゆる目的のためそれ自体ここで援用する。後述するように、本発明は、膜を利用する方法及び装置も含み、この膜は、材料の凝集（例えば細胞、試薬又は他の粒子の固まり）をふるい分けし、さもなければ試薬又は他の材料を装置のポートに配送するものである。
好ましい態様では、本発明のミクロ流体装置は、動電学的材料輸送システムを使用して装置のチャネルを通して材料を方向付け且つ輸送する。ここで用いているように、一般に「動電学的材料輸送」とは、材料に電場を印加することにより、構造を含んだ交差チャネル及び／又はチャンバー内で材料を輸送及び方向付けするためのシステム及び方法に関する。電場の印加により、チャネル及び／又はチャンバーを通してそれらの間で材料を移動させる、即ち、陽イオンは負の電極に向かって移動する一方、陰イオンは正の電極に向かって移動する。Microfluidic devices can be used in a variety of applications including, for example, performing high-throughput screening assays in drug discovery, immunoassays, diagnostics, genetic analysis, and the like. Accordingly, the devices described herein often include multiple sample introduction ports or reservoirs for parallel or serial introduction and analysis of multiple samples. In addition, these apparatuses can be connected to a sample introduction port (for example, a pipette) that sequentially introduces a plurality of samples into the analysis apparatus. Examples of such sample introduction systems are described, for example, in US Pat. Nos. 6,046,056 and 5,880,071, each of which is incorporated herein by reference for all purposes. As described below, the present invention also includes methods and apparatus that utilize membranes, which screen for material agglomeration (eg, clumps of cells, reagents, or other particles), otherwise reagents or other materials. Is delivered to the port of the device.
In a preferred embodiment, the microfluidic device of the present invention uses an electrokinetic material transport system to direct and transport material through the channel of the device. As used herein, “electrokinetic material transport” is generally used to transport and direct material within an intersecting channel and / or chamber containing structures by applying an electric field to the material. The present invention relates to a system and method. Application of an electric field moves material between them through the channels and / or chambers, i.e., cations move towards the negative electrode while anions move towards the positive electrode.
このような動電学的材料輸送及び方向付けシステムは、該構造に印加された電場内での荷電種（ｃｈａｒｇｅｄ ｓｐｅｃｉｅｓ）の電気泳動の移動度に基づいたシステムを含む。特に、このようなシステムは、電気泳動材料輸送システムと云う。その他の動電学的材料方向付け・輸送システムは、チャネル又はチャンバー構造内での流体及び材料の電気浸透流のみに基づき、又はそれと上述の電気泳動力とが組み合わされる。この電気浸透流は、このような構造を横切って電場を印加することにより生じる。要するに、荷電官能基保持表面、例えばエッチングされたガラスチャネル又はガラスミクロ毛細管におけるヒドロキシル基を有するチャネル中に流体が入っているとき、それらの基はイオン化し得る。ヒドロキシル官能基の場合、例えば中性ｐＨでのこのイオン化により、陽子が表面から放出して流体に入り、流体／表面の界面近くに陽子を集中させ、チャネル中のバルク流体を取り囲む正に荷電したシースを作る。チャネル長を横切って電圧勾配を与えることにより、陽子シースが電圧降下の方向に、即ち負電極に向けて移動する。反対方向の流れは、電圧勾配を逆にすることによるか、又は正荷電イオン化可能基保持チャネル、例えばアミノ基などを与えることにより達成される。 Such electrokinetic material transport and directing systems include systems based on the electrophoretic mobility of charged species within an electric field applied to the structure. In particular, such a system is referred to as an electrophoretic material transport system. Other electrokinetic material directing and transport systems are based solely on the electroosmotic flow of fluids and materials within the channel or chamber structure, or in combination with the electrophoretic forces described above. This electroosmotic flow is generated by applying an electric field across such a structure. In essence, when the fluid is in a charged functional group bearing surface, such as a channel having hydroxyl groups in an etched glass channel or glass microcapillary, those groups can be ionized. In the case of hydroxyl functional groups, for example, this ionization at neutral pH causes the protons to release from the surface and enter the fluid, concentrating the protons near the fluid / surface interface and positively charged surrounding the bulk fluid in the channel. Make a sheath. By applying a voltage gradient across the channel length, the proton sheath moves in the direction of the voltage drop, ie towards the negative electrode. The opposite direction of flow is achieved by reversing the voltage gradient or by providing a positively charged ionizable group retention channel, such as an amino group.
ここで用いられる「制御された動電学的材料輸送及び方向付け」とは、上述したような動電学的システムをいい、これは複数（即ち２つ以上）の電極に印加される電圧のアクティブ制御を用いる。言い換えると、このような制御された動電学的システムは、少なくとも２つの交差チャネルを横切って印加された電圧勾配を付随して規制する。制御された動電学的材料輸送については、Ｒａｍｓｅｙの公開ＰＣＴ出願ＷＯ９６／０４５４７に記載されており、あらゆる目的のため全体をここで援用する。特に、ここに記載の好適なミクロ流体装置及びシステムは、少なくとも２つの交差したチャネル又は流体導管、例えば相互連結された封入チャンバーを含んだ本体構造を備え、これらのチャネルは少なくとも３つの交差していない終点を含む。２つのチャネルの交差点とは、互いに流動自在となっている２以上のチャネル地点をいい、「Ｔ」交差、十字交差、複数チャネルの「荷馬車の車輪（ｗａｇｏｎ ｗｈｅｅｌ）」交差、又は２以上のチャネルがこのように流動自在に連絡している他の任意のチャネルジオメトリを含む。チャネルの非交差終点は、別のチャネルとのチャネル交差（例えば「Ｔ」交差）の結果としてではなく、チャネルが終端する地点である。好ましい態様では、装置は、少なくとも４つの非交差終点を備えた少なくとも３つの交差チャネルを含む。単一の水平チャネルが単一の垂直チャネルと十字に交差している基本的な十字チャネル構造では、制御された動電学的材料輸送が作用して、交差点において他のチャネルから強制流を与えることにより交差点を通る材料流を制御自在に方向付ける。例えば、一つには垂直チャネルとの交差点を横切って例えば左から右に水平チャネルを通って第１材料を輸送することが望ましいと仮定する。交差点を横切るこの材料の単純な動電学的材料流は、水平チャネルの長さを横切って電圧勾配を印加すること、即ちこのチャネルの左の終点に第１電圧を印加し、それより低い第２電圧をこのチャネルの右の終点に印加すること、又は右の終点をフロートにすること（電圧を印加しないこと）により実現される。しかしながら、交差点を通るこの種の材料流により、交差点での対流効果だけでなく、使用媒質中で輸送されている材料の自然の拡散特性の両方によって交差点において相当量の拡散が生じる。 As used herein, “controlled electrokinetic material transport and orientation” refers to an electrokinetic system as described above, which is the voltage applied to multiple (ie, two or more) electrodes. Use active control. In other words, such a controlled electrokinetic system concomitantly regulates a voltage gradient applied across at least two crossing channels. Controlled electrokinetic material transport is described in Ramsey's published PCT application WO 96/04547, hereby incorporated in its entirety for all purposes. In particular, preferred microfluidic devices and systems described herein comprise a body structure that includes at least two intersecting channels or fluid conduits, such as interconnected containment chambers, which channels are at least three intersecting. Contains no end point. An intersection of two channels refers to two or more channel points that are free to flow with each other, such as a “T” intersection, a cross intersection, a multi-channel “wagon wheel” intersection, or two or more intersections. It includes any other channel geometry in which the channels are thus fluidly connected. A non-crossing end point of a channel is the point at which the channel ends, not as a result of a channel crossing with another channel (eg, a “T” crossing). In a preferred embodiment, the apparatus includes at least three intersecting channels with at least four non-intersecting end points. In a basic cross channel structure where a single horizontal channel crosses a single vertical channel in a cross, controlled electrokinetic material transport acts to provide a forced flow from other channels at the intersection This directs the material flow through the intersection in a controllable manner. For example, assume that it is desirable to transport a first material, for example, from left to right through a horizontal channel across an intersection with a vertical channel. A simple electrokinetic material flow of this material across the intersection applies a voltage gradient across the length of the horizontal channel, i.e. a first voltage is applied to the left endpoint of this channel, and a lower first This is accomplished by applying two voltages to the right endpoint of this channel, or by floating the right endpoint (no voltage applied). However, this type of material flow through the intersection causes a considerable amount of diffusion at the intersection, not only due to the convective effect at the intersection, but also to the natural diffusion properties of the material being transported in the working medium.
制御された動電学的な材料輸送において、交差点を越えて輸送される材料は、サイドチャネル、例えば頂部及び底部チャネルからの低レベルフローにより拘束される。このことは、例えば垂直チャネルの頂部又は底部終点から右の終点に向かう材料フローの経路に沿って僅かな電圧勾配を印加することにより達成される。その結果は、交差点での材料フローの「締め付け（ｐｉｎｃｈｉｎｇ）」となり、これにより材料の垂直チャネル中への拡散が妨げられる。交差点において締め付けられた容積の材料は、垂直チャネルの長さを横切って、即ち頂部終点から底部終点まで電圧勾配を加えることにより垂直チャネル中に注入できる。この注入中に水平チャネルから材料がブリードするのを避けるために、低レベルのフローをサイドチャネル中に戻して交差点からの材料の「引き戻し（ｐｕｌｌ ｂａｃｋ）を生じさせる。 In controlled electrokinetic material transport, the material transported across the intersection is constrained by low level flow from the side channels, eg, top and bottom channels. This is achieved, for example, by applying a slight voltage gradient along the path of material flow from the top or bottom endpoint of the vertical channel to the right endpoint. The result is a “pinching” of the material flow at the intersection, which prevents the material from diffusing into the vertical channel. A volume of material clamped at the intersection can be injected into the vertical channel across the length of the vertical channel, ie by applying a voltage gradient from the top end to the bottom end. In order to avoid bleed of material from the horizontal channel during this injection, a low level flow is returned into the side channel to create a “pull back” of material from the intersection.
締め付けられた注入構成に加え、制御された動電学的材料輸送が、機械的又は移動する部分を含まない実質的なバルブを作るのに容易に利用される。特に、上述の十字の交差点に関し、１つのチャネル区分からもう一方への（例えば水平チャネルの左アームから右アームへの）材料のフローは、垂直チャネルから（例えば垂直チャネルの底部アームから頂部アームへの）制御されたフローにより効率的に規制され、停止され、再開される。特に、「オフ」モードでは、左及び頂部の終点を横切って電圧勾配を加えることにより、材料が左アームから交差点を通って頂部アームに輸送される。この経路に沿って（底部終点から頂部終点に）同様の電圧勾配を加えることにより、拘束されたフローが底部アームから頂部アームに送られる。次に、計量した量の材料が、印加電圧勾配を左：頂部から左：右に切り替えることにより、水平チャネルの左アームから右アーム中に分配される。時間量と印加される電圧勾配が、このように分配される材料の量を指示する。 In addition to a clamped injection configuration, controlled electrokinetic material transport is readily utilized to create a substantial valve that does not include mechanical or moving parts. In particular, with respect to the cross intersection described above, the flow of material from one channel section to the other (eg, from the left arm to the right arm of the horizontal channel) is from the vertical channel (eg, from the bottom arm to the top arm of the vertical channel). Efficiently regulated, stopped and resumed by controlled flow. In particular, in the “off” mode, material is transported from the left arm through the intersection to the top arm by applying a voltage gradient across the left and top endpoints. By applying a similar voltage gradient along this path (from the bottom endpoint to the top endpoint), a constrained flow is sent from the bottom arm to the top arm. A metered amount of material is then distributed from the left arm to the right arm of the horizontal channel by switching the applied voltage gradient from left: top to left: right. The amount of time and the applied voltage gradient dictate the amount of material thus dispensed.
特に好ましい面においては、動電学的な材料の輸送は、チャネルを通る材料の移動を伝えるためにシステムのチャネルを通して適当な電流を加えることにより制御される。動電学的な材料の輸送システムにおける電流制御の使用は、共有の米国特許第５，８００，６９０号及び公開ＰＣＴ出願第９８／００７０７号に詳細に記載されており、その両方をここで援用する。要するに、動電学的な材料輸送システムにおいては、チャネルの交差点での相対的な電位は、それらの交差点での材料の移動の方向及び速度を指示する。一般に、これらの電位の制御は、交差点での所望の電位に基づいて印加される電圧、及び交差点と電圧を印加する電極の間のチャネルの抵抗の計算に基づく。電流をモニターして制御することにより、交差点での電位が所望のレベルに維持され、印加される電圧は自動調節される。
４ウエイ十字交差点に関して説明する目的で記載したが、これらの制御された動電学的な材料輸送システムは、一層複雑な相互連結されたチャネル網（例えば相互連結された平行チャネル）に対して容易に適用できる。後に議論するように、動電学的な材料輸送システムは、電気通信を実現するため導電性被覆の使用も適宜伴う。In particularly preferred aspects, electrokinetic material transport is controlled by applying an appropriate current through the channels of the system to convey the movement of the material through the channels. The use of current control in electrokinetic material transport systems is described in detail in co-owned US Pat. No. 5,800,690 and published PCT application 98/00707, both incorporated herein by reference. To do. In short, in electrokinetic material transport systems, the relative potentials at the intersections of the channels dictate the direction and speed of material movement at those intersections. In general, the control of these potentials is based on the calculation of the voltage applied based on the desired potential at the intersection and the resistance of the channel between the intersection and the electrode applying the voltage. By monitoring and controlling the current, the potential at the intersection is maintained at the desired level and the applied voltage is automatically adjusted.
Although described for purposes of illustration with respect to four-way crossings, these controlled electrokinetic material transport systems are easier for more complex interconnected channel networks (eg, interconnected parallel channels). Applicable to. As will be discussed later, electrokinetic material transport systems also involve the use of conductive coatings as appropriate to achieve telecommunications.
Ａ．リザーバー／ポートの物理的及び電気的隔離
前述のように、ミクロ流体システムのデザイン及び製造においては、基本的な目標は、全体のシステムを小型化することである。これは通常、容積を減少させるか、操作速度を上げるか、或いは特定の操作を増やす、例えば装置が占める同一ユニット空間内に多数の操作を導入するために行われる。しかし、これらの目標を達成する際、所定のミクロ流体システムの機能空間を効果的に規定するチャネル網は非常に小さくなる。同一ユニット空間内に小さくなったチャネル網又は一層複雑な網が導入される結果、これらのチャネル網へのアクセスポイント同士、例えばリザーバー、電気的アクセスポート同士などもますます密集して来る。
これらのアクセスポート同士が密集して来ると、実用上、或るポートを他のポートから隔離することは一層困難になる。例えば流体をシステムのチャネル網に導入するのにアクセスポートを用いた場合は、ポート同士が近接するか、ポートが小さくなるのに従って、複数の流体容量を別々に異なるポートに導入するのはますます困難になる。これは手動で、例えばピペットを用いて液体を導入する場合や、自動的方法、例えば液体取扱ロボットシステムを用いて液体を導入する場合も真実である。A.Reservoir / Port Physical and Electrical Isolation As mentioned above, in the design and manufacture of microfluidic systems, a fundamental goal is to miniaturize the overall system. This is usually done to reduce volume, increase operating speed, or increase specific operations, eg to introduce multiple operations in the same unit space occupied by the device. However, in achieving these goals, the channel network that effectively defines the functional space of a given microfluidic system is very small. As a result of the introduction of smaller or more complex networks within the same unit space, the access points to these channel networks, such as reservoirs, electrical access ports, etc., are becoming increasingly dense.
When these access ports are crowded, it becomes practically difficult to isolate a port from other ports. For example, when using access ports to introduce fluid into the system's channel network, it is increasingly necessary to introduce multiple fluid capacities separately into different ports as the ports become closer or smaller It becomes difficult. This is true even if the liquid is introduced manually, for example using a pipette, or if the liquid is introduced automatically, for example using a liquid handling robot system.
同様な問題については、アクセスポート同士を密接に配置する程、これらのポートを電気的に隔離するのはますます困難になる。これは、前述のようにチャネル網中で材料の搬送に使用される電気的感知システム、例えば電流測定（ａｍｐｅｒｏｍｅｔｒｉｃ）、電位差測定（ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｉｃ）などの、及び／又は動電的材料搬送のような、チャネル網に操作可能に結合した電気的システムを利用するミクロ流体システムにおいて特に重要である。特に、システムのポートを電気的アクセスに使用する場合は、例えば装置表面に付着した液体、ごみ又は油のため装置表面上で、２つ以上の接近した、又は少なくとも近接した電極間で電流を橋渡しする、即ち「ショート」する可能性が増大する。 For similar problems, the closer the access ports are located, the more difficult it is to electrically isolate these ports. This is because of the electrical sensing systems used to transport materials in the channel network as described above, such as amperometric, potentiometric, and / or electrokinetic material transport, etc. Of particular importance in microfluidic systems that utilize electrical systems operably coupled to a channel network. In particular, when the system ports are used for electrical access, current is bridged between two or more close or at least close electrodes on the device surface, for example due to liquid, dirt or oil adhering to the device surface. That is, the possibility of “shorting” increases.
本発明は一般に、隣接する電極間での流体及び／又は電気的リンクの形成を防止するため、隣接するリザーバー間に効果的なバリヤーを与える保護層を有するミクロ流体装置を提供することにより、これらの問題に取り組むものである。このバリヤーは適宜、各リザーバーの周囲に隆起、例えば環状リザーバーを囲む環状隆起を有する。隆起は、１つのウエルからの液体の「溢れ（ｓｐｉｌｌ−ｏｖｅｒ）」が、他の近接するウエルに入るのを防ぐ効果がある。同様に隆起は、電気的に橋渡しする電流、例えば短絡回路が渡らなければならない長い通路長を効果的に作る。通常、これらの隆起は、保護層の表面から少なくとも０．１ｍｍ、好ましくは少なくとも１ｍｍであり、ある場合は、保護層の上表面から少なくとも２ｍｍ又はそれ以上である。多くの場合、バリヤー、例えば隆起構造により付与されるバリヤーは本体構造中のリザーバーだけで付与されるバリヤーよりも、少なくとも１．５倍、好ましくは少なくとも２倍、多くの場合、少なくとも３〜５倍、有効通路長を増大させる。
共有の米国特許第５，８７６，６７５号には、ミクロ流体装置用の個別の又は一体化した保持構造を使用することが記載されている。この特許は、あらゆる目的のためここに全体を援用する。
隣接するリザーバー間に効果的なバリヤーを提供する他、ある場合は、上表面は隣接するリザーバーを物理的又は電気的に汚染する可能性がある該表面上の液体の付着／凝集を防止する疎水性材料を含有する。このような場合、疎水性材料、例えばポリマーは保護層の表面に塗布する。しかし、以下に更に詳細に説明するように、保護層自体は、疎水性ポリマー材料から製造する。The present invention generally provides these by providing a microfluidic device having a protective layer that provides an effective barrier between adjacent reservoirs to prevent the formation of fluid and / or electrical links between adjacent electrodes. To tackle the problem. The barrier optionally has a ridge around each reservoir, for example an annular ridge surrounding the annular reservoir. The bumps have the effect of preventing liquid “spill-over” from one well from entering another adjacent well. Similarly, the ridge effectively creates a long path length that an electrical bridging current, such as a short circuit, must traverse. Typically, these ridges are at least 0.1 mm, preferably at least 1 mm from the surface of the protective layer, and in some cases at least 2 mm or more from the upper surface of the protective layer. In many cases, the barrier provided by a barrier, eg, a raised structure, is at least 1.5 times, preferably at least 2 times, and often at least 3-5 times that provided only by a reservoir in the body structure. Increase the effective path length.
Shared US Pat. No. 5,876,675 describes the use of a separate or integrated holding structure for a microfluidic device. This patent is incorporated herein in its entirety for all purposes.
In addition to providing an effective barrier between adjacent reservoirs, in some cases, the upper surface is hydrophobic to prevent adhesion / aggregation of liquid on the surface that could physically or electrically contaminate the adjacent reservoir Contains functional materials. In such cases, a hydrophobic material, such as a polymer, is applied to the surface of the protective layer. However, as will be explained in more detail below, the protective layer itself is made from a hydrophobic polymer material.
Ｂ．リザーバーの容量能力の増大
本発明のミクロ流体装置の保護層成分は、これら装置のリザーバーの容量能力を増大させる潜在能力も提供する。特に保護層に配置した開口は、これらリザーバーを延長することにより、装置の流体リザーバーの合計深さを増大することができる。多くのミクロ流体の用途では、液体容量は臨界的に制限されないが、例えば蒸発による流体容量の実質的変化は、特定の操作に影響を与える。これは通常、流体内の１種以上の溶質、例えば塩、酵素などの濃縮によるものである。リザーバーの液体容量能力を増大させることにより、蒸発率を低下させ、流体の部分的蒸発から生じるいかなる影響も実質的に和らげることができる。
保護層に配置される開口は通常、本体構造中のリザーバーの深さに付け加える。そうする場合、開口の深さは通常、少なくとも１ｍｍ、好ましくは少なくとも２ｍｍ、多くの場合は少なくとも５ｍｍである。これは通常、装置全体のリザーバー、例えば本体構造中のポートと保護層中の開口との組合せから、少なくとも５μｌ、好ましくは少なくとも１０μｌ、更に好ましくは少なくとも２０μｌ、多くの場合は少なくとも５０μｌ、ある場合は少なくとも１００μｌの容量を有するリザーバーで生じる。いずれにしても、装置全体のリザーバーの容量は通常、約１〜約２００μｌ、好ましくは約２〜１００μｌ、更に好ましくは約５〜約１００μｌ、なお更に好ましくは約５〜５０μｌである。B.Increasing the capacity capacity of the reservoirs The protective layer components of the microfluidic devices of the present invention also provide the potential to increase the capacity capacity of the reservoirs of these devices. In particular, openings arranged in the protective layer can increase the total depth of the fluid reservoir of the device by extending these reservoirs. In many microfluidic applications, the liquid volume is not critically limited, but substantial changes in fluid volume, for example due to evaporation, affect certain operations. This is usually due to the concentration of one or more solutes in the fluid, such as salts, enzymes and the like. By increasing the liquid capacity capacity of the reservoir, the rate of evaporation can be reduced and any effects resulting from partial evaporation of the fluid can be substantially mitigated.
The opening located in the protective layer usually adds to the depth of the reservoir in the body structure. When doing so, the depth of the opening is usually at least 1 mm, preferably at least 2 mm, often at least 5 mm. This will usually be at least 5 μl, preferably at least 10 μl, more preferably at least 20 μl, in many cases at least 50 μl, from the combination of the reservoir of the entire device, for example a port in the body structure and an opening in the protective layer. Occurs in a reservoir having a volume of at least 100 μl. In any event, the reservoir volume of the entire device is usually about 1 to about 200 μl, preferably about 2 to 100 μl, more preferably about 5 to about 100 μl, and even more preferably about 5 to 50 μl.
ＩＩ．保護層の製造
ここで説明したミクロ流体装置の保護層面は一般に、多数の各種方法を用いて多数の各種材料のいずれからも製造することができる。例えば前記装置のミクロ流体エレメントの製造において説明した材料及び方法も保護層の製造に採用できる。これらの方法は効果的であるが、好ましい面では、保護層の製造に、更に従来の製造技術が使用される。特に保護層は、本発明装置のミクロ流体エレメントの許容差まで製造する必要はないので、一般に更に精度が低く、更に安価な又は時間がかからない方法を用い、しかも更に安い材料から製造することができる。
２つのガラス層から製造する積層ミクロ流体装置では、一つの層において例えば穿孔又は空気摩耗技術によりポート又はリザーバーを製造するには、かなりの時間がかかる可能性がある。更にこのような製造に要する時間は、基板を厚くさせながら、非直線的、例えば指数関数的に増大する。逆に基板を薄くすると、リザーバーの製造に要する時間は指数関数的に減少する。最終のミクロ流体装置中のリザーバーの容量の一部は、適宜保護層エレメントによって供給されるので、ミクロ流体装置の本体構造の製造に使用される基板層は、実質的に一層薄くすることができる。即ち、リザーバーの所望とする全容量は、基板の厚さの関数である。その結果、本体構造中のリザーバーの製造に伴う時間及び費用は、実質的に減少する。II.Production of the protective layer The protective layer surface of the microfluidic device described herein can generally be produced from any of a number of different materials using a number of different methods. For example, the materials and methods described in the production of the microfluidic element of the device can also be employed in the production of the protective layer. While these methods are effective, in a preferred aspect, further conventional manufacturing techniques are used to manufacture the protective layer. In particular, the protective layer does not need to be manufactured to the tolerance of the microfluidic element of the device of the present invention, so it can generally be manufactured from a less expensive material using a less accurate, less expensive or less time consuming method. .
In a laminated microfluidic device made from two glass layers, it can take a considerable amount of time to produce a port or reservoir in one layer, for example by drilling or air wear techniques. Furthermore, the time required for such production increases non-linearly, for example exponentially, while making the substrate thicker. Conversely, when the substrate is made thinner, the time required to manufacture the reservoir decreases exponentially. Since part of the volume of the reservoir in the final microfluidic device is supplied by the protective layer element as appropriate, the substrate layer used in the production of the microfluidic device body structure can be made substantially thinner. . That is, the desired total volume of the reservoir is a function of the thickness of the substrate. As a result, the time and cost associated with manufacturing the reservoir in the body structure is substantially reduced.
保護層は通常、多数の各種製造可能ないずれかのプラスチックから製造した射出成形ポリマー又はプラスチック部品からなる。例えば保護層は通常、ミクロ流体装置の本体構造用の前述のようないずれかのポリマー材料、例えばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン（登録商標ＴＥＦＬＯＮ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリスルホン、ポリスチレン、ポリメチルペンテン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ弗化ポリビニリデン、ＡＢＳなどから製造される。代わりの面では、保護層は適宜、非ポリマー材料、例えばガラス、石英、シリコンのようなシリカをベースとする基板や、セラミック又は金属から製造される。
装置の本体構造に保護層を取り付けるのも、接着剤結合、超音波溶着、溶剤溶着、熱結合など、周知の方法によって行われる。好ましい面では、保護層は接着材料を用いて装置の本体構造に付着させる。更に好ましくは、紫外線硬化性接着剤を用いて保護層を本体構造と結合させる。このような接着剤は、例えば３Ｍコーポレーションから一般に市販品として入手できる。特に好ましい面では、選択した接着剤は、電気絶縁性、例えば非導電性、適用緩衝液に不溶及び／又は非浸出性（ｎｏｎ−ｌｅａｃｈｉｎｇ）、低蛍光性などである。The protective layer typically consists of an injection molded polymer or plastic part made from any of a number of different manufacturable plastics. For example, the protective layer is typically any polymeric material as described above for the body structure of a microfluidic device, such as polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate, polytetrafluoroethylene (registered trademark TEFLON), polyvinyl chloride (PVC). , Polydimethylsiloxane (PDMS), polysulfone, polystyrene, polymethylpentene, polypropylene, polyethylene, polyvinylidene fluoride, ABS and the like. In the alternative, the protective layer is suitably made from a non-polymeric material, for example a substrate based on silica such as glass, quartz, silicon, ceramic or metal.
The protective layer is attached to the main body structure of the apparatus by a well-known method such as adhesive bonding, ultrasonic welding, solvent welding, or thermal bonding. In a preferred aspect, the protective layer is attached to the body structure of the device using an adhesive material. More preferably, the protective layer is bonded to the body structure using an ultraviolet curable adhesive. Such adhesives are generally commercially available from 3M Corporation, for example. In particularly preferred aspects, the selected adhesive is electrically insulating, such as non-conductive, insoluble in application buffer and / or non-leaching, low fluorescence, and the like.
本発明の好ましい実施態様では、ミクロ流体装置は、保護層の下にあるミクロ流体装置中のリザーバー又はポートの周りに配置されたリングを有する。リングは適宜、保護層の第１表面上の開口の周りに成形され、保護層と一体的である。或いはリングは、本体構造の第１表面中に配置されたポートの周りに成形され、本体構造と一体的である。更に代わりの方法として、リングは保護層や本体構造から離れている。本体構造に保護層を付着させると、リングは各ポートと整列した各開口間に配列されることになる。以下、更に議論するように、リングは適宜、導電性被膜及び／又は膜を有する。
リングは、接着剤、例えば紫外線硬化性接着剤（前述）がポートの中に入って、ポート内にある何らかのアッセイ成分と接触するのを防止するように働く。従って、リングは適宜、円形リング、或いはその他、機能的に同等の形状、例えば長方形又は多角形の形状とする。リングについては、「厚い」及び／又は「厚さ」という用語は、リングの内縁端から外縁端までの距離のことである。リングの厚さは、円形リングのように１つであるか、或いは他のリング形状を選んだ場合は複数である。しかし、各リングの厚さは、約１μＭ〜約１，０００μＭの範囲である。例えばリングの厚さは適宜、約５０μＭ〜約７５０μＭの範囲、例えば約５００μＭである。比較的大きいリングでは、通常、ポート及び／又は開口の周りにボイドが形成される。比較的狭いリング、例えば約１００μＭ〜約５００μＭの範囲のリングが一般に好ましい。In a preferred embodiment of the present invention, the microfluidic device has a ring disposed around a reservoir or port in the microfluidic device underlying the protective layer. The ring is optionally molded around the opening on the first surface of the protective layer and is integral with the protective layer. Alternatively, the ring is molded around a port located in the first surface of the body structure and is integral with the body structure. As a further alternative, the ring is separated from the protective layer and body structure. When a protective layer is applied to the body structure, the ring will be arranged between the openings aligned with the ports. As will be discussed further below, the ring optionally has a conductive coating and / or membrane.
The ring serves to prevent adhesives such as UV curable adhesive (described above) from entering the port and coming into contact with any assay components in the port. Accordingly, the ring is appropriately a circular ring or other functionally equivalent shape, for example, a rectangular or polygonal shape. For rings, the terms “thick” and / or “thickness” refer to the distance from the inner edge of the ring to the outer edge. The thickness of the ring is one like a circular ring, or plural when other ring shapes are selected. However, the thickness of each ring ranges from about 1 μM to about 1,000 μM. For example, the thickness of the ring is suitably in the range of about 50 μM to about 750 μM, for example about 500 μM. In relatively large rings, voids are usually formed around the ports and / or openings. A relatively narrow ring, for example a ring in the range of about 100 μM to about 500 μM, is generally preferred.
リングは多数の各種材料から製造される。例えばリングが保護層又は本体構造と一体化される場合は、これら２種のそれぞれの成分から同一の材料及び同一の工程で作られる。上記に議論したとおり、これらの材料としては適宜、広範な各種のポリマー又は非ポリマー材料がある。リングが保護層及び本体構造から離れている場合は、上記に議論したような、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン（登録商標ＴＥＦＬＯＮ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリスルホン、ポリスチレン、ポリメチルペンテン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ弗化ビニリデン、ＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマー）、ガラス、石英、シリコン、ヒ化ガリウム、酸化シリコン、セラミック、金属、ラテックス、又はシリコーンなどのいずれかのポリマー又は非ポリマー材料やその他の材料から製造される。 Rings are manufactured from a number of different materials. For example, if the ring is integrated with a protective layer or body structure, it is made from these two respective components in the same material and in the same process. As discussed above, these materials include a wide variety of polymeric or non-polymeric materials as appropriate. When the ring is away from the protective layer and body structure, polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate, polytetrafluoroethylene (registered trademark TEFLON), polyvinyl chloride (PVC), polydimethylsiloxane, as discussed above (PDMS), polysulfone, polystyrene, polymethylpentene, polypropylene, polyethylene, polyvinylidene fluoride, ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer), glass, quartz, silicon, gallium arsenide, silicon oxide, ceramic, metal, latex, Or made from any polymer or non-polymeric material such as silicone or other materials.
代わりの面では、本体構造は締結機構により保護層に取り付けられる。このような面では、本体構造の上表面と保護層の下表面との間に任意の可とう性ガスケット、例えばラテックス、シリコーンなどを置く。可とう性ガスケットは適宜、内部一体化成分として上記に議論したリングも有する。次に本体構造は、保護層に対し圧縮力で締結し、封止接合構造を形成する。好適な締結機構は、本体構造／保護層アッセンブリーから離れていてよい、即ち、スクリュークランプ、クリップ型クランプ、例えば本体構造及び保護層の端部を締結するクランプなどでよい。或いは保護層の一部として、その中に本体構造をスナップ止め（ｓｎａｐ）した一体化締結機構を供給する。このような締結システムは、図３Ｂを参照して、以下に更に詳細に説明する。 In an alternative aspect, the body structure is attached to the protective layer by a fastening mechanism. In such a surface, an optional flexible gasket, such as latex or silicone, is placed between the upper surface of the body structure and the lower surface of the protective layer. The flexible gasket optionally also has the ring discussed above as an internal integral component. Next, the main body structure is fastened to the protective layer with a compressive force to form a sealed joint structure. A suitable fastening mechanism may be remote from the body structure / protective layer assembly, i.e. a screw clamp, a clip-type clamp, such as a clamp that fastens the end of the body structure and protective layer. Alternatively, as part of the protective layer, an integrated fastening mechanism is provided in which the body structure is snapped. Such a fastening system is described in further detail below with reference to FIG. 3B.
ＩＩＩ．膜及び／又は導電性被膜を取り入れたミクロ流体装置及び方法
一般に操作可能で且つ商業的に価値のあるミクロ流体装置の開発プロセスには通常、種々の技術的障害を乗り越えることが含まれる。例えば細胞をベースとする実用的なミクロ流体アッセイの開発における一つの技術的問題は、微小規模のチャネルを塞いで操作不能にする細胞の塊又は凝集を除去することであった。他の挑戦は、試薬が例えばサンプル中に溶解するように、試薬をミクロ流体装置内にまとめて入れる（ｉｎｔｅｇｒａｔｅ）ための機能的な試薬配送システムを作ることであった。別の問題は、複数の装置中で例えば電極を用いると、ミクロ流体装置間で相互汚染が生じることであった。本発明はこれら全ての技術的問題に対する各種解決法を提供する。これらの解決法は、同一装置中で適宜単独で又は組合せて使用される。III.Microfluidic devices and methods incorporating membranes and / or conductive coatings The process of developing generally operable and commercially valuable microfluidic devices typically involves overcoming various technical obstacles. One technical problem in the development of practical microfluidic assays, eg, based on cells, has been to remove cell clumps or clumps that block microscale channels and render them inoperable. Another challenge was to create a functional reagent delivery system to integrate the reagents into the microfluidic device so that the reagents dissolve, for example, in the sample. Another problem was cross contamination between microfluidic devices when, for example, electrodes were used in multiple devices. The present invention provides various solutions to all these technical problems. These solutions are used alone or in combination as appropriate in the same apparatus.
例えば本発明は、ミクロ流体装置中に配送される材料組成物を制御する方法を提供する。これらの方法は、ミクロ流体装置中に配置されたチャネル網及び該チャネル網と流動自在に連絡する少なくとも１つのウエルを供給する工程を有する。ウエルは、ウエル内又は上に配置された半透膜部を有する。第１の選択肢として、これらの方法は、材料（例えば粒子又は試薬など）を含む第１溶液を半透膜部経由でウエル中に流入させる工程を有する。第２の選択肢は、前記材料を半透膜部上に固定化する工程を有する。その後、第２の選択肢は、前記材料の少なくとも若干量が第２溶液に溶解し、半透膜部を通ってミクロ流体装置に入るように、第２溶液と前記半透膜部上に固定化した材料とを混合する工程を有する。この混合工程は適宜、ミクロ流体装置を振動、渦動、遠心運動などにより、半透膜部に付着した材料の少なくとも若干量を第２溶液に溶解する物理的技術を含む。どちらの場合も、第１又は第２溶液をウエルに流入させる前に、チャネル網には、少なくとも部分的に流体を満たすか、或いは第１又は第２溶液を少なくとも１つのウエルに流入させる前に、チャネル網は流体を含まない。 For example, the present invention provides a method for controlling the material composition delivered into a microfluidic device. These methods include providing a channel network disposed in the microfluidic device and at least one well in fluid communication with the channel network. The well has a semipermeable membrane portion disposed in or on the well. As a first option, these methods include the step of flowing a first solution containing a material (such as particles or reagents) into the well via the semipermeable membrane. The second option includes the step of immobilizing the material on the semipermeable membrane. Thereafter, the second option is to immobilize on the second solution and the semipermeable membrane part so that at least some amount of the material dissolves in the second solution and enters the microfluidic device through the semipermeable membrane part. Mixing the prepared material. This mixing step suitably includes a physical technique in which at least some amount of the material attached to the semipermeable membrane portion is dissolved in the second solution by vibration, vortex, centrifugal motion, or the like of the microfluidic device. In either case, the channel network is at least partially filled with fluid before the first or second solution is flowed into the well, or before the first or second solution is flowed into the at least one well. The channel network contains no fluid.
選択した選択肢に関係なく、材料の凝集はふるい分けしてミクロ流体装置のチャネル網に入るのを防止する。ここで用いた「材料の凝集」という表現は、細胞の塊又は試薬分子などの材料の塊又は群れのことであり、これらがもし装置に入ったならば、チャネル網を塞ぐ恐れがある。利用される半透膜は、大きさに基づいて材料の凝集を選択的に排除する。通常、半透膜部の細孔の大きさは、少なくとも約０．１ｎｍである。好ましい実施態様では、半透膜部の細孔の大きさは、少なくとも約１０μｍ〜約１００μｍの範囲であり、細胞の塊を排除する。膜は適宜、ウエルの少なくとも一部分を覆い、且つ各ウエルを他のウエルから封止するように、本体構造と保護層との間に配置される。或いは膜は、ウエルの上又は上方に置かれる。 Regardless of the choice chosen, material agglomeration screens to prevent entry into the channel network of the microfluidic device. As used herein, the phrase “aggregation of material” refers to a mass or group of materials, such as cell mass or reagent molecules, which can block the channel network if they enter the device. The semipermeable membrane utilized selectively eliminates material agglomeration based on size. Usually, the size of the pores of the semipermeable membrane is at least about 0.1 nm. In preferred embodiments, the pore size of the semipermeable membrane portion is in the range of at least about 10 μm to about 100 μm to eliminate cell clumps. A membrane is optionally disposed between the body structure and the protective layer so as to cover at least a portion of the well and to seal each well from the other well. Alternatively, the membrane is placed on or above the well.
好適な半浸透膜部としては適宜、例えば織布メッシュ膜、ミクロろ過膜、ナノろ過膜、透析膜、電気透析膜、予備蒸発（ｐｒｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）膜、逆浸透膜、超ろ過膜、複合膜、荷電膜、導電塗工膜、親水膜、疎水膜、ポリマーベースの膜、非ポリマーベースの膜、多孔質プラスチック母材膜（例えばＰＯＲＥＸ（登録商標）Ｐｏｒｏｕｓ Ｐｌａｓｔｉｃなど）、多孔質金属母材膜、ポリエチレン膜、二弗化ポリビニリデン膜、ポリアミド膜、ナイロン膜、セラミック膜、ポリエステル膜、金属膜、ポリテトラフルオロエチレン（登録商標ＴＥＦＬＯＮ）膜、ポリアラミド膜、ポリカーボネート膜、粉末状活性炭膜、ポリプロピレン膜、ガラス繊維膜、ガラス膜、ニトロセルロース膜、セルロース膜、硝酸セルロース膜、酢酸セルロース膜、ポリスルホン膜、ポリエーテルスルホン膜又はポリオレフィン膜などがある。Ｃｈｅｒｙａｎ，Ｕｌｔｒａｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ Ｈａｎｄｂｏｏｋ（第２編）Ｔｅｃｈｎｏｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｌａｎｃａｓｔｅｒ，ＰＡ（１９９８年），Ｍｕｌｄｅｒ，Ｂａｓｉｃ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（第２編），Ｄｏｒｄｒｅｃｈｔ；Ｋｌｕｗｅｒ（１９９６年），Ｈｏ及びＳｉｒｋａｒ（編）Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｈａｎｄｂｏｏｋ Ｖａｎ Ｎｏｓｔｒａｎｄ Ｒｅｉｎｈｏｌｄ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ（１９９２年）など、膜についての多数の刊行物も有用である。 As a suitable semi-permeable membrane part, for example, woven mesh membrane, microfiltration membrane, nanofiltration membrane, dialysis membrane, electrodialysis membrane, prevaporation membrane, reverse osmosis membrane, ultrafiltration membrane, composite membrane, charge Film, conductive coating film, hydrophilic film, hydrophobic film, polymer-based film, non-polymer-based film, porous plastic matrix film (for example, POREX (registered trademark) Porous Plastic etc.), porous metal matrix film, polyethylene Film, Polyvinylidene difluoride film, Polyamide film, Nylon film, Ceramic film, Polyester film, Metal film, Polytetrafluoroethylene (registered trademark TEFLON) film, Polyaramid film, Polycarbonate film, Powdered activated carbon film, Polypropylene film, Glass Fiber membrane, glass membrane, nitrocellulose membrane, cellulose membrane, cellulose nitrate membrane, cellulose acetate There are a cellulose membrane, a polysulfone membrane, a polyethersulfone membrane, and a polyolefin membrane. Cheryan, Ultrafiltration and Microfiltration Handbook (Part 2) Technological Publishing Company, Lancaster, PA (1998), Mulder, Basic Principles of Membrane T A number of publications on membranes are also useful, such as the Membrane Handbook Van Nostrand Reinhold, New York (1992).
本発明方法は種々の材料を含有する。好ましい態様では、材料としては、細胞又は試薬分子などの粒子がある。ウエル中に流れる材料は通常、複数の細胞又は複数組の細胞を有し、またウエルに流れる第１溶液の容積は適宜、約０．５〜２０μｌであり、適宜約５〜１５μｌの範囲或いは例えば約１０μｌである。ウエル中に装入されたこの範囲の細胞サンプルの容量は、通常、例えば従来の細胞ろ過技術で使用される数百マイクロリッターよりも大幅に向上する。材料は適宜、原子、一組の原子、分子、一組の分子、ビーズ、一組のビーズ、機能化したビーズ、一組の機能化したビーズ、抗原、一組の抗原、蛋白質、一組の蛋白質、ペプチド、一組のペプチド、酵素、一組の酵素、核酸、一組の核酸、脂質、一組の脂質、炭水化物、一組の炭水化物、無機分子、一組の無機分子、有機分子、一組の有機分子、薬剤、一組の薬剤、受容体、一組の受容体、配位子、一組の配位子、抗体、一組の抗体、神経伝達物質、一組の神経伝達物質、サイトカイン、一組のサイトカイン、ケモカイン（ｃｈｅｍｏｋｉｎｅ）、一組のケモカイン、ホルモン又は一組のホルモンなどの試薬も含有する。 The method of the present invention contains various materials. In a preferred embodiment, the material includes particles such as cells or reagent molecules. The material flowing into the well usually has a plurality of cells or sets of cells, and the volume of the first solution flowing into the well is suitably about 0.5-20 μl, suitably in the range of about 5-15 μl or for example About 10 μl. The volume of cell samples in this range loaded into the well is typically significantly improved over the hundreds of microliters used, for example, in conventional cell filtration techniques. Materials are suitably atoms, a set of atoms, molecules, a set of molecules, beads, a set of beads, a functionalized bead, a set of functionalized beads, an antigen, a set of antigens, a protein, a set of Protein, peptide, set of peptides, enzyme, set of enzymes, nucleic acid, set of nucleic acids, lipid, set of lipids, carbohydrate, set of carbohydrates, inorganic molecules, set of inorganic molecules, organic molecules, one Set of organic molecules, drug, set of drug, receptor, set of receptor, ligand, set of ligand, antibody, set of antibodies, neurotransmitter, set of neurotransmitter, It also contains reagents such as cytokines, a set of cytokines, chemokines, a set of chemokines, hormones or a set of hormones.
前述のように、材料組成物の制御方法は適宜、材料をミクロ流体装置に配送する前に、材料（例えば標識した抗体、試薬、又はその他の粒子）を半透膜部上に固定化する工程を有する。或いは材料は、種々の技術又は組合せ技術を用いて固定化する。更に固定化工程は、半透膜部を少なくとも１つのウエル上に置く前に適宜行われる。好ましい実施態様では、固定化工程は、材料の少なくとも若干量が半透膜部に付着するように、半透膜部上で第１溶液を脱水する工程を有する。この固定化方法は適宜、空気乾燥するか、加熱乾燥するか、凍結乾燥するか、又は乾燥用試薬を用いるなどにより、第１溶液を脱水する工程を有する。前述のように、この技術は適宜、例えば１つ以上のウエルの上方に膜を置く前に、半透膜部上に材料含有第１溶液を点在させ（ｓｐｏｔ）、脱水する工程を有する。 As described above, the method of controlling the material composition optionally includes the step of immobilizing a material (eg, a labeled antibody, reagent, or other particle) on the semipermeable membrane before delivering the material to the microfluidic device. Have Alternatively, the material is immobilized using various techniques or combination techniques. Further, the immobilization step is appropriately performed before placing the semipermeable membrane portion on at least one well. In a preferred embodiment, the immobilizing step comprises dehydrating the first solution on the semipermeable membrane portion so that at least some amount of material adheres to the semipermeable membrane portion. This immobilization method appropriately includes a step of dehydrating the first solution by air drying, heat drying, freeze drying, or using a drying reagent. As described above, this technique appropriately includes, for example, a step of spotting the material-containing first solution on the semipermeable membrane portion and dehydrating the membrane before placing the membrane over one or more wells.
別の実施態様では、半透膜部は、疎水性被膜を有するか、或いは疎水性物質で構成され、また材料は、半透膜部上で疎水性引力によって固定化するように、疎水性材料である。同様に、半透膜部は親水性被膜を有するか、或いは親水性物質で構成され、また材料は、半透膜部上で親水性引力によって固定化するように、親水性材料である。多数の疎水性及び親水性の被膜又は物質が公知であり、適宜本発明の方法及び装置に使用される。例えば好適な疎水性の被膜又は物質としては適宜、例えば疎水性ポリマー、フルオロカーボンポリマー、塩素化ポリシロキサン、ポリテトラフルオロエチレン（登録商標ＴＥＦＬＯＮ）、ポリグリシン、ポリアラニン、ポリバリン、ポリロイシン、ポリイソロイシン、塩素末端ポリジメチルシロキサンテロマー、ビス（パーフルオロドデシル）末端ポリ（ジメチルシロキサン−共ダイマー酸）、又はそれらの誘導体がある。一般にＴＥＦＬＯＮ（登録商標）が好ましく、各種市場の供給源から容易に入手できる。適切な親水性被膜及び物質としては適宜、例えば親水性ポリマー、ポリイミド、ポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、ポリアクリレート、親水性ポリサッカライド、ヒアルロン酸、コンドロイチンサルフェート、又はそれらの誘導体などがある。
その他の固定化技術としては、例えば半浸透膜に正味（ｎｅｔ）電荷を含有させる工程がある。一方、材料は、半透膜部上で静電引力によって固定化するように、半透膜部とは逆の正味電荷を有する。In another embodiment, the semipermeable membrane part has a hydrophobic coating or is composed of a hydrophobic substance, and the material is hydrophobic material so that it is immobilized on the semipermeable membrane part by hydrophobic attraction. It is. Similarly, the semipermeable membrane part has a hydrophilic coating or is made of a hydrophilic substance, and the material is a hydrophilic material so as to be fixed on the semipermeable membrane part by hydrophilic attraction. A number of hydrophobic and hydrophilic coatings or materials are known and are used in the method and apparatus of the present invention as appropriate. For example, suitable hydrophobic coatings or materials include, for example, hydrophobic polymers, fluorocarbon polymers, chlorinated polysiloxanes, polytetrafluoroethylene (registered trademark TEFLON), polyglycine, polyalanine, polyvaline, polyleucine, polyisoleucine, There are chlorine-terminated polydimethylsiloxane telomers, bis (perfluorododecyl) -terminated poly (dimethylsiloxane-co-dimer acids), or derivatives thereof. In general, TEFLON® is preferred and can be easily obtained from various market sources. Suitable hydrophilic coatings and materials include, for example, hydrophilic polymers, polyimides, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyacrylates, hydrophilic polysaccharides, hyaluronic acid, chondroitin sulfate, or derivatives thereof.
Other immobilization techniques include, for example, a step of incorporating a net charge into the semi-permeable membrane. On the other hand, the material has a net charge opposite to that of the semipermeable membrane portion so as to be fixed by electrostatic attraction on the semipermeable membrane portion.
本発明はミクロ流体装置にも関し、この装置は、少なくとも１対の整列した開口とポートとの間に膜（例えば半透膜部）が配置されるように、保護層の第１表面の少なくとも一部と本体構造の第１表面との間に膜を配置したものである。この装置の一面は適宜、特に装置中に配送された材料（例えば試薬、細胞又はその他の粒子）組成物を制御するために適宜利用される。使用される半透膜部の種類は、前記大きさの細孔を有する他、適宜前述のいずれの種類も含む。
前述のように、例えば複数のミクロ流体装置で電極を使用する際は、場合によってはミクロ流体装置間で相互汚染が生じる。このような形状の汚染は通常、装置のウエル中に位置する液体中に電極を直接置いた時に起こる。この問題に取り組むため、本発明は適宜、乾燥した接触電極を用いてこの種の汚染を最小にする導電性被膜を使用する。導電性被膜は適宜、例えばメッキ、電鋳又は蒸着などにより付着させる。また導電性被膜は適宜、例えば該被膜が１つ以上のウエルの内側表面の少なくとも一部を被覆すると共に、該ウエルの上部リムを越えて伸びるように、装置の１つ以上のウエル中に押し込んだ金属又は他の導電性材料のプレフォーム片を有する。導電性被膜は適宜、例えば装置のミクロチャネルと導電性供給源との間に適宜導電的接続が作られるように、装置の１つ以上のウエル中に押し込んだ導電性材料の薄いリング（又はその他の機能的に同等の形状）を有する。The present invention also relates to a microfluidic device that includes at least a first surface of a protective layer such that a membrane (eg, a semipermeable membrane) is disposed between at least one pair of aligned openings and ports. A film is disposed between a part and the first surface of the main body structure. One aspect of this device is used as appropriate, particularly to control the composition of materials (eg, reagents, cells or other particles) delivered into the device. The type of the semipermeable membrane part to be used includes any of the above-mentioned types as appropriate in addition to having the pores of the above-mentioned size.
As described above, for example, when electrodes are used in a plurality of microfluidic devices, in some cases, cross contamination occurs between the microfluidic devices. This form of contamination usually occurs when the electrode is placed directly in a liquid located in the well of the device. In order to address this problem, the present invention optionally uses a conductive coating that uses a dry contact electrode to minimize this type of contamination. The conductive film is appropriately attached by, for example, plating, electroforming or vapor deposition. The conductive coating is also optionally pushed into one or more wells of the device such that the coating covers at least a portion of the inner surface of the one or more wells and extends beyond the upper rim of the well. It has a preform piece of metal or other conductive material. The conductive coating is suitably a thin ring of conductive material (or other such as pressed into one or more wells of the device so that an appropriate conductive connection is made, for example, between the microchannel of the device and a conductive source. Functionally equivalent shape).
一実施態様では、複数のポートの各々は、本体構造の第１表面における各ポートの周囲に配置されたリム及び内側表面を有し、該複数のポートの少なくとも１つについてのリムの少なくとも一部及び内側表面は導電性被膜を有する。この実施態様では、例えば保護層を、ウエルとは流動自在に連絡しないが、ポートのリム及び／又は内側表面に配置した導電性被膜とは導電的に連絡する導電性入口を有するよう変形することにより、適宜導電性被膜と電極との間に導電性接触が作られる。リムは通常、例えば少なくとも約１μｍの複数のポートの各々の縁端から伸びる少なくとも１つの幅を有する。
別の実施態様では、１対の整列した開口とポートとの間に膜（例えば半透膜部）が配置されるように、保護層の内側表面の少なくとも一部と本体構造の第１表面との間に膜も適宜配置される。１対の整列した開口とポートとの間に配置された膜の一部は適宜、導電性被膜と導電的に接続する。使用される半透膜部の種類は、前記大きさの細孔を有する他、適宜前述のいずれの種類も含む。この実施態様では保護層も適宜、導電性供給源（例えば電極）を導電性被覆と導電的に連絡させる入口を有する。In one embodiment, each of the plurality of ports has a rim and an inner surface disposed around each port on the first surface of the body structure, and at least a portion of the rim for at least one of the plurality of ports. And the inner surface has a conductive coating. In this embodiment, for example, the protective layer is modified to have a conductive inlet that is not in fluid communication with the well, but is in conductive communication with a conductive coating disposed on the rim and / or inner surface of the port. Thus, a conductive contact is appropriately made between the conductive coating and the electrode. The rim typically has at least one width extending from the edge of each of the plurality of ports, for example at least about 1 μm.
In another embodiment, at least a portion of the inner surface of the protective layer and the first surface of the body structure such that a membrane (eg, a semipermeable membrane portion) is disposed between the pair of aligned openings and ports. A film is also appropriately disposed between them. A portion of the membrane disposed between the pair of aligned openings and ports is suitably conductively connected to the conductive coating. The type of the semipermeable membrane part to be used includes any of the above-mentioned types as appropriate in addition to having the pores of the above-mentioned size. In this embodiment, the protective layer also optionally has an inlet that allows the conductive source (eg, electrode) to be in conductive communication with the conductive coating.
また本発明のミクロ流体装置は通常、第１表面に対向して第２表面を備えた保護層を有し、保護層では複数の開口が第１表面から第２表面まで伸びている。これら複数の開口は、保護層の第２表面及び内側表面内の各開口の周囲に配置されたリムを有し、リムの少なくとも一部及び開口の少なくとも１つの内側表面は導電性被膜を有する。このリムは一般に、例えば少なくとも１μｍの複数の開口の各々の縁端から伸びる少なくとも１つの幅を有する。この実施態様では、膜が１対の、整列した開口とポートとの間に配置されるように、保護層の第１表面の少なくとも一部と本体構造の第１表面との間に膜が適宜配置される。更に、膜の少なくとも一部も適宜、導電性被覆に導電的に接続する。
上記に議論したとおり、本発明のミクロ流体装置は、接着剤（例えば紫外線硬化性接着剤）がポートの中に入って、ポート内のアッセイ成分と接触するのを防止するように働く複数のリングを有する。リングは適宜、保護層の第１表面上の開口の周りに成形され、保護層と一体的である。或いはリングは、本体構造の第１表面中に配置されたポートの周りに成形され、本体構造と一体的である。更に代わりの方法として、リングは保護層や本体構造から離れている。いずれにしても、装置は適宜、保護層の第１表面の少なくとも一部と本体構造の第１表面との間に配置された膜（例えば半透膜部）を有する。膜は通常、複数のリングの少なくとも１つの表面の少なくとも一部が膜を含むように、少なくとも１対の、整列した開口及びポートの間に配置される。更に、使用される半透膜部の種類は、前記大きさの細孔を有する他、適宜前述のいずれの種類も含む。The microfluidic device of the present invention usually has a protective layer having a second surface facing the first surface, and a plurality of openings extend from the first surface to the second surface in the protective layer. The plurality of openings have a rim disposed around each opening in the second surface and the inner surface of the protective layer, and at least a portion of the rim and at least one inner surface of the opening have a conductive coating. The rim generally has at least one width extending from the edge of each of a plurality of openings, for example at least 1 μm. In this embodiment, the membrane is suitably disposed between at least a portion of the first surface of the protective layer and the first surface of the body structure so that the membrane is disposed between a pair of aligned openings and ports. Be placed. Furthermore, at least a part of the film is appropriately conductively connected to the conductive coating.
As discussed above, the microfluidic device of the present invention comprises a plurality of rings that serve to prevent adhesive (eg, UV curable adhesive) from entering the port and contacting the assay components in the port. Have The ring is optionally molded around the opening on the first surface of the protective layer and is integral with the protective layer. Alternatively, the ring is molded around a port located in the first surface of the body structure and is integral with the body structure. As a further alternative, the ring is separated from the protective layer and body structure. In any case, the device appropriately includes a film (for example, a semipermeable membrane part) disposed between at least a part of the first surface of the protective layer and the first surface of the main body structure. The membrane is typically disposed between at least one pair of aligned openings and ports such that at least a portion of at least one surface of the plurality of rings includes the membrane. Furthermore, the kind of semipermeable membrane part to be used includes any of the above-mentioned kinds as appropriate in addition to having the pores of the above-mentioned size.
導電性被覆を有する他の実施態様では、整列した、ポート、リング及び開口は、保護層の第２表面及び内側表面上の環状隆起内のウエルの周囲に配置されたリムを有するウエルを規定する。少なくとも１つのウエルのリム及び内側表面は適宜、導電性被覆を有する。相互汚染を最小にするため、例えばウエル内の液体中に電極を挿入する代わりに、ウエルの導電性被覆リムに電極を接触させることにより、適宜簡単に導電的接続が達成する。リムは通常、例えば少なくとも１μｍの各ウエルの縁端から伸びる少なくとも１つの幅を有する。
この実施態様では、保護層は適宜、導電性供給源（例えば電極）が導電性被覆と導電的に連絡できるように入口を有する。この装置も適宜、保護層の第１表面の少なくとも一部と本体構造の第１表面との間に膜（例えば半透膜部）を有する。膜は適宜、リングの少なくとも１つの表面の少なくとも一部が膜を含むように、例えば１対の、整列した開口及びポートの間に配置される。別の選択肢は、第２表面上の少なくとも１つの開口を取り囲む少なくとも１つの環状隆起の上方に膜を配置することである。使用される半透膜部の種類は、前記大きさの細孔を有する他、適宜前述のいずれの種類も含む。更に、１対の整列した開口及びポートの間に配置された膜の少なくとも一部は適宜導電性被膜に導電的に接続する。In other embodiments having a conductive coating, the aligned ports, rings and openings define a well having a rim disposed around the well in the annular ridge on the second surface and inner surface of the protective layer. . The rim and inner surface of at least one well optionally have a conductive coating. In order to minimize cross-contamination, for example, instead of inserting the electrode into the liquid in the well, the conductive connection is easily achieved as appropriate by bringing the electrode into contact with the conductive covering rim of the well. The rim typically has at least one width extending from the edge of each well, for example at least 1 μm.
In this embodiment, the protective layer optionally has an inlet so that a conductive source (eg, an electrode) can be in conductive communication with the conductive coating. This apparatus also has a film (for example, a semipermeable membrane part) between at least a part of the first surface of the protective layer and the first surface of the main body structure as appropriate. The membrane is optionally disposed between, for example, a pair of aligned openings and ports such that at least a portion of at least one surface of the ring includes the membrane. Another option is to place the membrane over at least one annular ridge surrounding at least one opening on the second surface. The type of the semipermeable membrane part to be used includes any of the above-mentioned types as appropriate in addition to having the pores of the above-mentioned size. Further, at least a portion of the membrane disposed between the pair of aligned openings and ports is suitably conductively connected to the conductive coating.
導電性被覆（例えば単一又は多層の被膜）を有する本発明のいずれの実施態様においても、該被膜としては適宜、例えば熱導電性被膜及び／又は電気導電性（例えば半導電性及び／又は超導電性など）被膜がある。本質的にはいかなる導電性被膜も適宜使用され、例えば金属含有導電性被膜、メタロイド含有導電性被膜及び／又は金属−メタロイド含有導電性被膜がある。前述のように、導電性被膜は適宜、メッキ、電鋳又は蒸着などにより付着させる。これら及びその他の技術は当該技術分野で公知である。
導電性被膜用に好適な金属としては、例えばＬｉ、Ｂｅ、Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｒｂ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｆｒ、Ｒａ、Ａｃ、ランタニド、アクチニド、及びそれらの化合物及び／又は組合せが挙げられる。例えばメタロイド含有導電性被膜に使用されるメタロイド（又は半金属）としては適宜、例えばＡｌ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｐｏ、Ｂ、Ｓｉ、Ｔｅ、Ａｔ、及びそれらの化合物及び／又は組合せが挙げられる。或いは被膜は、金属及びメタロイドの両方（即ち金属−メタロイド含有導電性被膜）を含む合金を含有する。また導電性被膜は適宜、例えばカーボン及びグラファイト、金属の酸化物及び硫化物のような金属塩、金属水素化物、又は導電性有機ポリマー（例えばポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、それらの誘導体など）などを含有する。このような被膜は当該技術分野で多数知られ、市場の供給源から容易に入手できる。In any embodiment of the invention having a conductive coating (eg, a single or multi-layer coating), the coating may suitably include, for example, a thermally conductive coating and / or an electrical conductivity (eg, semiconductive and / or superconductive). There is a coating). Essentially any conductive coating is used as appropriate, for example, a metal-containing conductive coating, a metalloid-containing conductive coating and / or a metal-metalloid-containing conductive coating. As described above, the conductive film is appropriately attached by plating, electroforming, vapor deposition, or the like. These and other techniques are known in the art.
Suitable metals for the conductive coating include, for example, Li, Be, Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Cs, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Fr, Ra, Ac, lanthanides, actinides, and compounds and / or combinations thereof. For example, the metalloid (or metalloid) used for the metalloid-containing conductive coating may include, for example, Al, Ge, As, Po, B, Si, Te, At, and compounds and / or combinations thereof. Alternatively, the coating contains an alloy that includes both metal and metalloid (ie, a metal-metalloid containing conductive coating). In addition, the conductive coating is appropriately formed of, for example, carbon and graphite, metal salts such as metal oxides and sulfides, metal hydrides, or conductive organic polymers (for example, polyacetylene, polypyrrole, polyaniline, polythiophene, and derivatives thereof). Containing. Many such coatings are known in the art and are readily available from commercial sources.
ＩＶ．図示の実施態様
本発明のミクロ流体装置と関連して使用される保護層の一面を図２の、上面図（図２Ａ）、側面図（図２Ｂ）、下面図（図２Ｃ）、上部斜視図（図２Ｄ）及び下部斜視図（図２Ｅ）で示す。図示のように、保護層２００は形状が平坦で、上平面２０２及び下平面２０４を有する。また例えば上平面から下平面まで保護層を貫通して配置された複数の開口２０６も有する。開口２０６は、本体構造が保護層２００の下平面２０４に合体した時、（例えば図１に示すように）ミクロ流体装置の本体構造中のポート／リザーバーと整列するよう保護層内に設けてある。図示していないが、前述のように、接着剤、例えば紫外線硬化性接着剤がポートの中に入り、ポート内にあるアッセイ成分と接触するのを防止するため、上記整列した開口及びポートの間にこれらを取り囲んでリングも適宜配置される。図示していないが、更にここで議論したように、材料の凝集をふるい分けしてから材料を装置に配送するなどにより装置内の材料組成物の制御に使用するため、上記整列した開口及びポートの間に適宜、膜（例えば半透膜）が配置される。例えば装置間の相互汚染を最小にするため、導電性被膜も適宜使用される。IV. IllustratedEmbodiment One side of a protective layer used in connection with the microfluidic device of the present invention is shown in FIG. 2, a top view (FIG. 2A), a side view (FIG. 2B), a bottom view (FIG. 2C), and a top perspective view. (FIG. 2D) and a lower perspective view (FIG. 2E). As shown, the
図示するように、保護層２００中の開口２０６は、装置の本体構造上にあるポートの格子状模様に合わせるため、同様な格子状模様で設けられる。通常、開口及びポート（集合的に、リザーバー）の格子状配列は、通常のマルチウエル板、例えば９６−ウエル、３８４−ウエル、１５３６−ウエルなどの間隔に合わせるため、規則的な中心上、例えば９ｍｍ、４．５ｍｍなど上に配置される。
図示のように、環状隆起２０８は、各々別個の開口２０６を取り囲んで保護層２００の上表面２０２上に設けられる。この隆起は、装置全体で隣接するリザーバー間のバリヤーとなる上、得られた装置の各リザーバーの有効容積を増大させるように働く。更に、保護層中の開口２０６は適宜、上表面では広く、下表面では狭いテーパー壁２１０を備える。テーパー壁は、流体をミクロ流体装置のポートに導入する際、開口にロート様機能を与える。即ち、広い方の開口部は、流体のリザーバーへの導入を容易にする。開口壁及び環状隆起に配置されたリムも適宜、導電性被膜を有する。As shown, the
As shown,
また図示のように、保護層２００の下平面２０４上には、ミクロ流体装置１００の本体構造（図１）を保証するため、整合用構造として働く一連の立ち上がり隆起２１２が製造され、下平面は結合又は合体プロセス中、保護層に対し適切に整列される。隆起として示したが、装置の本体構造を被覆層と整列させるため、下平面上には多数の各種整合用構造を設けてよいことは理解されよう。例えば本体構造に適合するように構成した凹み領域を使用して、本体構造を凹み領域に置けば、本体構造が保護層中の開口と適切に整列する位置となる。或いは保護層と適切に整列させる際、整合用ピンを下面から伸ばして設け、その上に本体構造を載せてもよい。
保護層２００の下面２０４上には、小さな高いスポット２１４がある。これらの高いスポット又は隆起は、本体構造を保護層と合体させる際、本体構造を下面２０４の僅かにずれた（ｓｅｔ ｏｆｆ）位置に維持する。高いスポット２１４によるこの小さなずれは、本体構造を保護層に取り付けるため、結合用接着剤を本体構造と保護層との間に挿入させるものである。Also, as shown, a series of raised
There is a small
図示のように、保護層２００は、下平面２０４から伸びて、効果的に中空の背持たれ構造を作る側壁２１６を有する。この中空背持たれ構造は、保護層の全体的な輪郭を変更することなく、ミクロ流体装置の本体構造を保護層の下面に取り付けるもので、例えば組合せた装置−保護層を表面に平らに置いたり、或いは他の同様な装置と重ねることができ、また製造、例えば成形部品の硬化などに有益である。保護層は、被覆層に本体構造を取り付けるための整合用構造を提供する他、図示のように、別の整合用構造２１８及び２２０も有する。これらの整合用構造は、コントローラ／検出器のような適切なベースユニット（図示せず）中に装置全体を適切に整列させるものである。特に、保護層を貫通して配置した整合用孔２１８は、コントローラ／検出器（図示せず）上に設けられる整合用ピンに相補的である。コントローラ／検出器のピンを装置全体上の孔と合わせることにより、装置と前記機器の適当なエレメント、例えば電極、光学的検出器、熱障害物などとの適切な整列が保証される。保護層２００は、整合用孔２１８の他、傾斜コーナー２２０も有する。これは更に、装置のコントローラ／検出器中への適切な整列を保証する。また同様な目的を達成するため、不規則な縁端、例えば傾斜、垂れ下がりなどの縁端、整合用ピン、不均一な形状など、多数の各種整合用構造が使用できる。 As shown, the
図２Ａに示すように、保護層は都合の良い特徴を有する。例えば保護層と組立装置とを手動で取り扱う握り表面を供給するため、側壁には型押模様（ｔｅｘｔｕｒｅｄ）領域２２２を設けられる。また保護層を貫通して登録ポート２２４が設けられる。コントローラ／検出器中に挿入されたミクロ流体装置の種類を登録するため、保護層中には種々の数、大きさ及び／又は形状の登録ポートが適宜設けられる。これは、適切なインターフェースの使用、及び／又は適切な制御プログラムの走行を保証するものである。 As shown in FIG. 2A, the protective layer has convenient features. For example, a
図３Ａは、保護層２００の下面と合体すると共に、前述のように、例えば接着剤を用いて結合させた本体構造１００を有する完全組み立てミクロ流体装置３００を示す。前述のように、保護層及び本体構造の整列した開口及びポートを取り囲んでそれらの間にはリングも適宜配置される。更に、整列した開口とポートとの間には適宜膜も配置される。例えば図３Ａに示すような平坦な装置の寸法は、装置の利用目的に応じて実質的に変えることができる。しかし完全に組み立てた装置は通常、長方形を有し、また一辺（ｓｉｄｅ）は約５ｍｍ〜約２００ｍｍ、好ましくは約１０ｍｍ〜約１００ｍｍ、更に好ましくは約２０ｍｍ〜約７０ｍｍの範囲、例えば約５０ｍｍである。例えば一辺が約５０ｍｍの正方形の装置を示す。このような装置は、取り扱いが容易であり、またこの大きさの基板、即ち写真用スライドを取り扱うために既に寸法合わせした機器に容易にアクセス可能である。 FIG. 3A shows a fully assembled microfluidic device 300 that has a
図３Ｂは、装置の保護層中に一体化した締結機構を示す。図示のように、特に保護層２００（一部を示す）は、底面上にクリップタブ３１０を有する。これらのクリップは曲がって本体構造１００を挿入し、次いでスナップ作動して、本体構造１００を、係り３１２により保護層２００に対して所定の位置でロックする。ガスケット３１４は、これら２つの構造間を封止すると共に、クリップで本体構造と保護層とを圧縮力で締結するのに必要な可とう性を与える。ガスケット３１４は適宜、ラテックス又はシリコーンなどの可とう性材料、又はポリテトラフルオロエチレン（登録商標ＴＥＦＬＯＮ）、ポリプロピレンなどの半硬質材料から製造される。ガスケットは適宜、内部一体成分として、上記に議論したリングも有する。
平坦な本体構造に取り付けた平坦な保護層として図示したが、適切な保護層は適宜、平坦ではないミクロ流体装置、例えば管状キャピラリーなどに結合させる。この場合、保護層中の開口はまた、ポート、例えばキャピラリーチャネルの入口及び出口と整列するように製造する。FIG. 3B shows the fastening mechanism integrated in the protective layer of the device. As shown, the protective layer 200 (partially shown) has a
Although illustrated as a flat protective layer attached to a flat body structure, a suitable protective layer is suitably coupled to a non-flat microfluidic device, such as a tubular capillary. In this case, the openings in the protective layer are also made to align with ports, for example the inlet and outlet of the capillary channel.
本発明と関連して使用するために説明した保護層は、前記利点、例えばリザーバーの隔離、リザーバー容量の増大などの他、適宜その他の有用な利点も有する。例えば保護層中の開口の形状は適宜、充填（ｆｉｌｌｉｎｇ）装置、例えば注入器又はポンプ上の相補的構造を収容するように構成する。即ち、ある場合は、ミクロ流体装置のチャネル網を流体で満たすのを助けるため、正圧供給源を使用することが望ましい。これは通常、充填溶液、例えばランニング緩衝液、分離母材などに対し、キャピラリー動作によるチャネル網中への吸い上げ作用が粘度効果のため遅い場合に有用である。操作中、ランニング緩衝液、分離母材などは、ミクロ流体装置の１つのリザーバーに入れる。次いで、このリザーバーに正圧を適用し、これにより流体をチャネル網全体に押し込める。 The protective layer described for use in connection with the present invention has the above advantages, such as reservoir isolation, increased reservoir capacity, etc. as well as other useful advantages where appropriate. For example, the shape of the opening in the protective layer is suitably configured to accommodate a complementary structure on a filling device, such as an injector or pump. That is, in some cases it is desirable to use a positive pressure source to help fill the channel network of the microfluidic device with fluid. This is typically useful when the wicking action into the channel network by capillary action is slow due to the viscosity effect for a packed solution, such as a running buffer, separation matrix, and the like. During operation, running buffer, separation matrix, etc. are placed in one reservoir of the microfluidic device. A positive pressure is then applied to the reservoir, thereby pushing the fluid through the channel network.
正圧の適用は、実際に内部の流体に接触することなく、リザーバー全体に封止可能に、嵌まる装置を用いて行うのが好ましい。このような装置の例を、保護層上に適切に形成した開口も含めて、図２Ｆに示す。図示のように、充填装置２５０は、注入器２５２及び硬質管２５４、例えば針を有する。硬質管／針は、ゴム製、例えばラテックス、シリコーンなどのボールストッパー２５６を貫通して挿入される。このボールストッパーは保護層２００中の開口２０６内に適切に、嵌まるように選ばれる。開口２０６の円錐形により、ボールストッパー２５６は開口２０６内に挿入できる。次いで、ストッパーの開口壁に対する圧縮力により、正圧の（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）封止が生じる。更に、ボールストッパー２５６内には、リザーバー１０６内の流体に接触することなく、リザーバー１０６に加圧できるように、硬質管／針２５４が配置されている。特に管の長さがストッパーの表面を殆ど又は全く越えないように、例えばストッパーの表面を越えて伸びる管の長さが２ｍｍ未満、好ましくは１ｍｍ未満、更に好ましくは０．５ｍｍ未満でストッパーを貫通して管が挿入される。 The application of positive pressure is preferably performed using a device that fits in a sealable manner throughout the reservoir without actually contacting the internal fluid. An example of such a device is shown in FIG. 2F, including an appropriately formed opening on the protective layer. As shown, the filling
次に注入器２５２の作動により加圧すると、リザーバー１０６内の流体は、装置１００のチャネル網（図示せず）中に押し込まれる。代わりの形状のストッパー２５８及び２６０も、充填装置用として示した。好ましいストッパー２６０では、ストッパーのボール部分は開口内に入って、ボール部分の圧縮力が正圧封止を供給する。このボールの形状によって、充填装置の封止能力に悪影響を与えることなく、充填装置を、普通の状態（ｎｏｒｍａｌ）から保護層２００の平面までの約１５°以下の角度で挿入可能である。或いは平坦な出っ張り２６４が開口１０６を取り囲む保護層の上面に接触するまで、バールを挿入することができる。これは、ボールストッパーの他に、充填装置用の第２の封止を供給する。注入器として図示したが、外部ポンプ、ピペットなど、いかなる圧力供給源も実質的に充填装置用として好適であることは理解されよう。ストッパーの頂部には適宜、注入器２５２又はポンプ出口を収容するための凹み領域２６６がある。
保護層により別の機能も適宜達成される。例えばある場合は、ミクロ流体装置に導入されるサンプルに対する分離機能、例えばろ過、細胞分離、分子量分離、親和性、電荷による（ｂａｓｅｄ）か又は疎水性相互反応型の分離を行うのが望ましいことがある。従って、保護層上に開口内又は開口を亘って適切なろ過又は分離媒体或いは膜を適宜設ける。保護層を装置の本体構造と一体化した場合、本体構造へのサンプルの導入は、ろ過器又は膜の通過、並びに粒状成分及びポリマー材料などの分離を必要とする。When pressurized by actuation of the
Another function is also suitably achieved by the protective layer. For example, in some cases it may be desirable to perform separation functions on the sample introduced into the microfluidic device, such as filtration, cell separation, molecular weight separation, affinity, charged or hydrophobic interaction type separation. is there. Accordingly, an appropriate filtration or separation medium or membrane is appropriately provided on or over the protective layer. When the protective layer is integrated with the body structure of the device, the introduction of the sample into the body structure requires the passage of a filter or membrane and the separation of particulate components and polymeric materials and the like.
別の一面では、保護層中の開口が装置の本体構造上のリザーバーの２つ以上、例えば２、３、４、５、１０又は更には２０の異なるリザーバーと連絡している場合、保護層は流体の取り扱い及び方向付け機能、例えばマニホールド機能を行う。このようなシステムでは、ミクロ流体装置の本体構造内で単一のサンプルに対し複数の異なる分析を行う場合、例えば単一の患者サンプルに対し複数の診断テストを行う場合の診断的利用に特に有用である。当該技術分野に精通する通常の者ならば、その他、種々の変更が可能であることは明らかであろうし、これらの変更は、付属の特許請求の範囲で述べたとおり、一般に本発明により包含される。
或いは保護層は、例えば一体化した光学的エレメント、例えばレンズ、格子、被膜、研磨した検出窓など、共有の米国特許第６，１００，５４１号（Ｎｅｇｌｅなど、２０００年８月８日発行）に"Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ"と題して記載されるようなミクロ流体装置及びシステムの操作に有用なその他の成分を含んでいてもよい。この特許はあらゆる目的で全体をここに援用する。これらの成分は、外部検出システムから光学的エレメントを補うか置換するものである。In another aspect, if the openings in the protective layer are in communication with two or more of the reservoirs on the body structure of the device, such as 2, 3, 4, 5, 10 or even 20 different reservoirs, the protective layer is Performs fluid handling and orientation functions, such as manifold functions. Such systems are particularly useful for diagnostic applications when performing multiple different analyzes on a single sample within the body structure of a microfluidic device, for example, when performing multiple diagnostic tests on a single patient sample. It is. It will be apparent to those skilled in the art that various other modifications are possible, and these modifications are generally encompassed by the present invention as set forth in the appended claims. The
Alternatively, the protective layer can be found in commonly owned US Pat. No. 6,100,541 (Negle et al., Issued Aug. 8, 2000), eg, integrated optical elements such as lenses, gratings, coatings, polished detection windows, etc. Other components useful for the operation of microfluidic devices and systems such as those described under the heading “Microfluidic Devices and Systems Incorporating Integrated Optical Elements” may also be included. This patent is incorporated herein in its entirety for all purposes. These components supplement or replace the optical elements from the external detection system.
Ｖ．システムの説明
上記から判るように、ここで説明したミクロ流体装置は一般に、コントローラ装置と共同で操作する。通常のコントローラ装置は、ミクロ流体装置のチャネル及びチャンバーの内部及び間の材料、例えば流体の移動に影響を与えるための材料輸送システムを有する。例えば圧力による流体流を用いるか或いは圧力で作動するミクロポンプ及びバルブを取り入れたたミクロ流体システムの場合、コントローラ装置は通常、圧力供給源や、ミクロ流体装置上の相補的ポートに適切な圧力を配送するための適切なマニホールドを有する。次にコントローラ装置は、装置のチャネルに制御状態でこれらの流体を通すため、圧力／真空を加えてポンプ及びバルブを作動させ、或いは直接、流体に圧力／真空を加える。動電学的物質輸送システムを採用したミクロ流体システムの場合、コントローラは通常、装置をコントローラ中に取り付ける際、前述のように、ミクロ流体装置内のチャネルの長さに亘って電圧勾配を配送できる電力源（ｓｕｐｐｌｙ）を有する。特定の好ましい電力源は、例えば公開国際出願第ＷＯ ９８／００７０７号に記載されている。この出願特許はあらゆる目的のため全体をここに援用する。V.System Description As can be seen from above, the microfluidic devices described herein generally operate in conjunction with a controller device. A typical controller device has a material transport system for influencing the movement of materials, such as fluids, in and between the channels and chambers of the microfluidic device. For example, in a microfluidic system that employs a fluid flow by pressure or incorporates a micropump and valve that operates with pressure, the controller device typically applies the appropriate pressure to the pressure source or to a complementary port on the microfluidic device. Has a suitable manifold for delivery. The controller device then applies pressure / vacuum to actuate pumps and valves, or directly applies pressure / vacuum to the fluid to control these fluids through the device channels. For microfluidic systems employing electrokinetic material transport systems, the controller can typically deliver a voltage gradient across the length of the channel in the microfluidic device, as described above, when the device is installed in the controller. It has a power source. Certain preferred power sources are described, for example, in published international application WO 98/00707. This application patent is incorporated herein in its entirety for all purposes.
従って、コントローラは通常、装置のチャネルに電圧勾配を配送するための適切なインターフェースを有する。このようなインターフェースは一般に、共有の米国特許第５，９８９，４０２号に詳細に記載されている。この特許はあらゆる目的のため全体をここに援用する。要するに、このようなインターフェースは通常、電力源から電気リードに操作可能に結合した多数の電極を有する。コントローラも通常、組み重ね（ｎｅｓｔｉｎｇ）領域、例えばウエル又はプラットホームを有し、この上にミクロ流体装置を取り付ける。電極は、装置のチャネルと電気的に接触するように配置する。好ましい一面では、このような配置は、装置の頂部全体を閉じるように、組み重ね領域に丁番付けした「二枚貝の殻（ｃｌａｍ ｓｈｅｌｌ）」蓋（ｌｉｄ）を供給することにより達成される。例えば図１〜３に示すような装置は、上方に対面するリザーバーと共に、組み重ね領域上に取り付けられる。次に上記貝殻蓋を閉じると、貝殻蓋の下面から突き出た電極は、これらリザーバー中の流体と電気的に接触するように、ミクロ流体装置の上面上のリザーバー中に入る。
例えばミクロ流体装置が置かれる環境条件を最適レベルで維持するため、コントローラ装置には適宜、環境制御エレメントが含まれる。例えばコントローラは適宜、熱制御エレメント、例えば加熱ブロック、ペルチエ（ｐｅｌｔｉｅｒ）装置などを有する。Thus, the controller typically has a suitable interface for delivering voltage gradients to the device channels. Such an interface is generally described in detail in commonly owned US Pat. No. 5,989,402. This patent is incorporated herein in its entirety for all purposes. In short, such an interface typically has a number of electrodes operably coupled from a power source to an electrical lead. The controller also typically has a nesting region, such as a well or platform, on which the microfluidic device is mounted. The electrode is placed in electrical contact with the device channel. In a preferred aspect, such an arrangement is achieved by providing a “clam shell” lid that is hinged to the stacking area to close the entire top of the device. For example, a device such as that shown inFIGS. 1-3 is mounted on the stacking area with the reservoir facing upwards. When the shell lid is then closed, the electrodes protruding from the bottom surface of the shell lid enter the reservoir on the top surface of the microfluidic device so as to be in electrical contact with the fluid in the reservoir.
For example, in order to maintain the environmental conditions in which the microfluidic device is placed at an optimum level, the controller device suitably includes an environmental control element. For example, the controller suitably includes a thermal control element, such as a heating block, a peltier device, or the like.
好ましい面では、コントローラ装置は制御エレメントの他、ミクロ流体装置で行った操作の結果を検出するための検出システムも有する。従って、コントローラ装置はコントローラ／検出器装置とも云われる。
特に好ましい検出システムは、蛍光検出システムを有する。通常、これら検出システムは、コントローラ／検出器装置内にレーザー、レーザーダイオード、ＬＥＤ又は高強度ランプのような光源を有する。この検出器は通常、コントローラ／検出器装置上に取り付けたミクロ流体装置の検出窓において光源を検出するための適切な光学部品、例えばレンズ、ビームスプリッター、フィルター及びジクロイクス（ｄｉｃｈｒｏｉｃｓ）なども有する。これらの光学部品も装置のチャネルから出る蛍光発光を集め、反射した励起光を選別し、次いで例えばフォトダイオード又は光電子増倍管（ＰＭＴ）を用いて蛍光発光を検出する。その他の光学的検出システムは適宜、コントローラ／検出器装置中に例えば吸光度又は比色検出システムなどとして入っている。蛍光による検出システムも吸光度による検出システムも当該技術分野で周知である。
コントローラ／検出器装置も通常、適当なプロッセッサー、例えば材料輸送システムの操作、例えば適用電圧、タイミングなどを指示する、適切にプログラムされたコンピュータとインターフェースしている。プロセッサーも通常、コントローラ／検出器装置の検出システムに操作可能に接続しているので、コンピュータはこの検出システムから集めたデータを受け取り、蓄積し、処理することができる。In a preferred aspect, the controller device has a control element as well as a detection system for detecting the results of operations performed on the microfluidic device. Thus, the controller device is also referred to as a controller / detector device.
A particularly preferred detection system has a fluorescence detection system. Typically, these detection systems have a light source such as a laser, laser diode, LED or high intensity lamp in the controller / detector device. The detector typically also includes suitable optical components such as lenses, beam splitters, filters and dichroics for detecting the light source in the detection window of the microfluidic device mounted on the controller / detector device. These optical components also collect the fluorescence emitted from the device channel, screen the reflected excitation light, and then detect the fluorescence emission using, for example, a photodiode or a photomultiplier tube (PMT). Other optical detection systems are optionally included in the controller / detector device, such as an absorbance or colorimetric detection system. Both fluorescence and absorbance detection systems are well known in the art.
The controller / detector device is also typically interfaced with a suitable processor, eg, a suitably programmed computer that directs the operation of the material transport system, eg, applied voltage, timing, etc. The processor is also typically operatively connected to the detection system of the controller / detector device so that the computer can receive, store and process data collected from this detection system.
ＶＩ．例
Ａ．ミクロ流体装置での膜の使用
ナイロンメッシュ膜片（細孔寸法４０μｍ）をＤＮＡ ７５００ ＬａｂＣｈｉｐ（登録商標）保護層の第１表面上に置いた。次いで、ｎｓ８８チップを保護層上に向け、更に紫外線硬化性ＤＹＭＡＸ（登録商標）接着剤を、標準の製造技術を用いて塗布した。この接着剤は、チップの下で膜を通って吸い上がったが、装置のウエル中に配置された膜の上では浸食しなかった。接着剤の硬化後、ウエルの中の１つの膜上に５μｌの緩衝液を置いた。緩衝液は連続的に膜を通過してチップのミクロチャネルを満たした。VI.Example A.Use of the membrane in a microfluidic device A piece of nylon mesh membrane (pore size 40 μm) was placed on the first surface of the DNA 7500 LabChip® protective layer. The ns88 chip was then directed onto the protective layer and further UV curable DYMAX® adhesive was applied using standard manufacturing techniques. This adhesive wicked through the membrane under the chip, but did not erode over the membrane placed in the wells of the device. After the adhesive was cured, 5 μl of buffer was placed on one membrane in the well. The buffer continuously passed through the membrane to fill the microchannels of the chip.
各刊行物又は特許出願を詳細に個別的に示して援用するのと同じ程度に全ての刊行物及び特許出願をここに援用する。本発明は明確化及び理解の目的で図解及び例示により若干詳細に説明したが、付属の特許請求の範囲内で或る種の変化及び改良が実施できることは明らかであろう。 All publications and patent applications are incorporated herein to the same extent as if each publication or patent application was specifically shown and incorporated in detail. Although the invention has been described in some detail by way of illustration and example for purposes of clarity and understanding, it will be apparent that certain changes and modifications may be practiced within the scope of the appended claims.
１００‥‥ミクロ流体装置又は本体構造１０２‥‥上層１０４‥‥上層の下面１０６‥‥ポート又はリザーバー１１０‥‥下層１１２‥‥下層の上面１１６‥‥検出窓２００‥‥保護層２０２‥‥上平面２０４‥‥下平面２０６‥‥開口２０８‥‥環状隆起２１０‥‥テーパー壁２１２‥‥立ち上がり隆起２１４‥‥高いスポット２１６‥‥側壁２１８、２２０‥‥整合用構造２２２‥‥型押模様領域２２４‥‥登録ポート２５０‥‥充填器２５２‥‥注入器２５４‥‥硬質管又は針２５６、２５８、２６０‥‥ストッパー３１０‥‥クリップタブ３１２‥‥係り３１４‥‥ガスケット。 100 ... Microfluidic device or
Claims (12)
Translated fromJapaneseミクロ流体装置中に配置した少なくとも１つのチャネル網と、該少なくとも１つのチャネル網と流動自在に連絡するウエルであって、ウエル内又はウエル上に配置された少なくとも１つの半透膜部を有する少なくとも１つのウエルとを供給する工程と、
少なくとも１つの材料を含む少なくとも１つの第１溶液を前記少なくとも１つの半透膜部経由で前記少なくとも１つのウエル中に流入させる工程と、
前記少なくとも１つの材料を前記少なくとも１つの半透膜部上に固定化し、少なくとも第２溶液をミクロ流体装置の前記少なくとも１つのウエルに流入させ、そして、前記第２溶液と前記少なくとも１つの半透膜部上に固定化した少なくとも１つの材料とを混合させ、これにより、前記少なくとも１つの材料の少なくとも若干量を第２溶液に溶解させて前記少なくとも１つの半透膜部を通ってミクロ流体装置に入れる工程と
を含む、材料組成物のミクロ流体装置への配送を制御する方法。A method for controlling delivery of a material composition to a microfluidic device comprising:
At least one channel network disposed in the microfluidic device and at least one semipermeable membrane portion in fluid communication with the at least one channel network and disposed in or on the well. Supplying one well;
Flowing at least one first solution comprising at least one material into the at least one well via the at least one semipermeable membrane portion;
Immobilizing the at least one material on the at least one semipermeable membrane portion, allowing at least a second solution to flow into the at least one well of a microfluidic device, and the second solution and the at least one semipermeable membrane; At least one material immobilized on the membrane part is mixed, whereby at least some amount of the at least one material is dissolved in the second solution and passed through the at least one semipermeable membrane part to form a microfluidic device And controlling the delivery of the material composition to the microfluidic device.
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