JP2001515216A - Microstructure for manipulating fluid samples - Google Patents
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- B01L2400/086—Passive control of flow resistance using baffles or other fixed flow obstructions
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
- G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
- G01N1/40—Concentrating samples
- G01N1/405—Concentrating samples by adsorption or absorption
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
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- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
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- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
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- Biochemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Saccharide Compounds (AREA)
- Treatment Of Liquids With Adsorbents In General (AREA)
- Devices For Use In Laboratory Experiments (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
(57)【要約】 本発明は、流体試料中の核酸のような所望の物質をその他の物質から分離するための微小流体装置と方法である。好ましい実施形態では、装置は超微細加工されたチップ(20)を備える。チップは、入口ポート(28)と出口ポート(30)と、これらのポートと流体で連通する抽出チャンバ(26)とを有する。チャンバ(26)は、流体試料がチャンバに連続的に流れるときに流体試料から所望の物質を捕獲する内部吸着表面を有する。次に、溶離溶液をチャンバ(26)に強制的に流すことによって、捕獲された上記物質は溶離され、従って上記物質は内表面から溶離溶液の中に放出される。装置の貫流設計により、標的物質を比較的大きな容積の流体試料から遥かに小さな容積の溶離溶液中に濃縮させることができる。内部表面は、好ましくは、コラム(32)の配列によって形成され、コラム(32)はチャンバ(26)の壁と一体に形成されると共にチャンバ(26)の中に伸びている。コラム(32)は大きな表面積を提供して所望の物質を捕獲する。この装置は、また、好ましくは一体型のヒーターを含んで溶離効率を増大させる。 (57) SUMMARY The present invention is a microfluidic device and method for separating a desired substance, such as a nucleic acid, in a fluid sample from other substances. In a preferred embodiment, the device comprises a micromachined chip (20). The tip has an inlet port (28) and an outlet port (30), and an extraction chamber (26) in fluid communication with these ports. The chamber (26) has an internal adsorption surface that captures a desired substance from the fluid sample as the fluid sample flows continuously into the chamber. The trapped substance is then eluted by forcing the elution solution through the chamber (26), thus releasing the substance from the inner surface into the elution solution. The flow-through design of the device allows the target substance to be concentrated from a relatively large volume of the fluid sample into a much smaller volume of the elution solution. The inner surface is preferably formed by an array of columns (32), which are formed integrally with the walls of the chamber (26) and extend into the chamber (26). Column (32) provides a large surface area to capture the desired material. The device also preferably includes an integral heater to increase elution efficiency.
Description
【0001】 (関連出願情報) この出願は、1997年8月13日に出願された米国出願番号第08/910
,434号および1998年7月14日に出願された米国出願番号第09/11 5,454号から優先権を請求する。RELATED APPLICATION INFORMATION This application is filed with US application Ser. No. 08/910, filed Aug. 13, 1997.
, 434 and US application Ser. No. 09 / 115,454, filed Jul. 14, 1998.
【0002】 (技術分野) 本発明は一般に流体試料の処理に関し、特に、流体試料中のプロテインとか核
酸とかその他の複合分子成分のような巨大分子を含む物質を操作するための新し
い方法と微小流体装置に関する。TECHNICAL FIELD [0002] The present invention relates generally to the processing of fluid samples, and in particular, to new methods and microfluidics for manipulating substances containing macromolecules, such as proteins, nucleic acids, and other complex molecular components, in fluid samples. Related to the device.
【0003】 (本発明の背景) 分子生物学および生物医学診断学の多くの分野において、生物学的試料から核
酸などの標的物質を抽出し、分離し、濃縮するための有効な方法と技法に対して
大きなニーズが存在する。これらの分野に関する実例は、食物、水、血液、生物
組織、喀出物質、尿、産業流体および土壌といった医学的、工業的、環境的な容
積の大きい試料の処理を含んでいる。これらの試料は、遺伝子分析のために使用
される。遺伝子分析には、例えば、配列、病原体の識別と定量化、核酸の突然変
異分析、ゲノム分析、移植に対する器官の適合性の評価、遺伝子発現の調査、薬
理学的モニタリング、新薬発見のためのDNAライブラリーの創生と検証などが
ある。BACKGROUND OF THE INVENTION In many fields of molecular biology and biomedical diagnostics, effective methods and techniques for extracting, separating, and concentrating target substances, such as nucleic acids, from biological samples have been developed. There is a great need for it. Illustrative in these areas include the processing of medical, industrial, and environmentally large samples such as food, water, blood, biological tissue, expectorants, urine, industrial fluids and soil. These samples are used for genetic analysis. Genetic analysis includes, for example, sequence and pathogen identification and quantification, nucleic acid mutation analysis, genomic analysis, organ suitability for transplantation, gene expression studies, pharmacological monitoring, DNA for drug discovery Library creation and verification.
【0004】 流体試料から核酸を抽出するための従来のベンチトップ技法は、試料を攪乱塩
(カオトロピズム塩)およびシリカ粒子と混合する。シリカ粒子としては例えば
ガラスまたは珪藻土の粒子がある。この技法は、ブームらの米国特許第5,23 4,809号と、ギレスピーらの米国特許第5,155,018号とに記載されて いる。DNA、RNA、および多くのプロテインは自然にシリカの表面に付着し
結合する。攪乱剤は、試料中の細胞の溶解を引き起こし、核酸のシリカへの結合
を増大させる。また、これによって、シリカへの付着を抑制するプロテインを変
性させる。また、これらの塩は、DNAとRNAの二次構造を和らげ、従ってそ
れらの付着に対して良好な化学的環境を与える。[0004] Conventional bench-top techniques for extracting nucleic acids from fluid samples mix the sample with disturbing salts (chaotropic salts) and silica particles. Silica particles include, for example, glass or diatomaceous earth particles. This technique is described in US Pat. No. 5,234,809 to Boom et al. And US Pat. No. 5,155,018 to Gillespie et al. DNA, RNA, and many proteins naturally attach and bind to the surface of silica. The disrupting agent causes lysis of the cells in the sample and increases the binding of the nucleic acid to the silica. This also denatures the protein that inhibits adhesion to silica. These salts also soften the secondary structure of DNA and RNA, thus providing a good chemical environment for their attachment.
【0005】 核酸を含む試料は、核酸をあらゆる表面に付着させるように、例えば振動によ
って流体試料に乱れを起こして、シリカの粒子と混合される。核酸がシリカ粒子
へ付着することによって、シリカ核酸ペレットが形成される。次に、これらのペ
レットは、典型的には遠心分離と、例えば吸引などによる上清の処分とによって
、流体から物理的に分離される。次に、ペレットは、汚染物質を除去するために
例えばヴォルテックスミキサー(渦巻型混合機)を使用して洗浄され、再び沈殿
される。また、付加的な洗浄処置が数回行なわれる。最後的に、水性溶液の緩衝
剤を使用して、核酸はペレットから溶離される。これらの処置は、典型的には、
例えば1.5mLの円錐管のような標準反応容器を使用して、作業台上(ベンチ トップ)で手作業で行なわれる。[0005] A sample containing nucleic acids is mixed with the silica particles, causing the fluid sample to be disturbed, for example by vibration, so as to attach the nucleic acids to any surface. The nucleic acid adheres to the silica particles to form a silica nucleic acid pellet. These pellets are then physically separated from the fluid, typically by centrifugation and disposal of the supernatant, such as by aspiration. The pellets are then washed to remove contaminants, for example using a vortex mixer (vortex mixer) and precipitated again. Also, several additional washing steps are performed. Finally, the nucleic acid is eluted from the pellet using an aqueous solution buffer. These treatments are typically
It is performed manually on a bench top using a standard reaction vessel such as a 1.5 mL conical tube.
【0006】 核酸を分離し純化するためのもう1つのベンチトップ技法は、結合マトリック
スとしてヒドロキシル化されたシリカを使用する。この技法は、ウッダードらの
米国特許第5,693,785号に記載されている。上記のヒドロキシル化された
シリカによって、核酸は、攪乱剤を使用しなくても、室温の水性溶液中で結合す
る。この方法によると、DNAを含有する溶液は、ヒドロキシル化されたシリカ
と共に保温されて、DNAの結合が行なわれる。次に、この混合物は遠心分離さ
れて、結合されたDNAと上記ヒドロキシル化されたシリカのペレットが得られ
る。次に、上記ペレットを溶離溶液中で再懸濁して、典型的には37度CのDN
Aにとって破壊的でない温度に加熱することによって、DNAは上記ヒドロキシ
ル化されたシリカから溶離する。[0006] Another benchtop technique for separating and purifying nucleic acids uses hydroxylated silica as a binding matrix. This technique is described in Woodard et al., US Pat. No. 5,693,785. The hydroxylated silica described above allows nucleic acids to bind in aqueous solutions at room temperature without the use of disruptors. According to this method, the DNA-containing solution is incubated with the hydroxylated silica to effect DNA binding. This mixture is then centrifuged to obtain a pellet of bound DNA and the hydroxylated silica. The pellet is then resuspended in the elution solution, typically at 37 ° C. DN
By heating to a temperature that is not destructive to A, DNA elutes from the hydroxylated silica.
【0007】 従来のベンチトップ測定技法に代るものとして、自動化された微小流体装置を
開発するという試みがなされて来ており、上記装置は試料準備機能と試料処理機
能の内の幾らかをこなす。微小流体システムは、ベンチトップ測定と比較して、
軽便性、再生産性の向上、汚染の減少、試薬消費の減少、操作者介在の減少、低
測定コストという可能性を持っている。ミクロ機械加工の技術は、例えば半導体
基板を使用して、微小流体装置の製造を可能にし、マイクロリットルからピコリ
ットルの容積の試料を操作したり、反応させたり、検知したりすることができる
。例えば、ノースロップらの米国特許第5,639,423号は、生物化学反応を
行なうための超微細製作された反応器を、特にポリメラーゼ連鎖反応のようなD
NAベースの反応を行なうための反応器を開示している。As an alternative to traditional bench top measurement techniques, attempts have been made to develop automated microfluidic devices, which perform some of the sample preparation and processing functions. . Microfluidic systems, compared to benchtop measurements,
It has the potential for lightness, improved reproducibility, reduced contamination, reduced reagent consumption, reduced operator intervention, and lower measurement costs. The technology of micromachining enables the production of microfluidic devices, for example using semiconductor substrates, to manipulate, react and detect samples in volumes from microliters to picoliters. For example, U.S. Pat. No. 5,639,423 to Northrop et al. Discloses a microfabricated reactor for performing a biochemical reaction, particularly a D-like reactor such as the polymerase chain reaction.
A reactor for performing a NA-based reaction is disclosed.
【0008】 しかしながら、微小流体技術における進歩にも拘わらず、比較的大きな容積の
流体試料から核酸を有効に抽出でき、且つ、次の分析処理のために核酸を小さな
容積に濃縮できる微小流体装置のニーズが相変わらずある。特に診断への適用に
おいては、例えば病原性器官または癌細胞など、数ミリリットル以上の比較的大
きな容積の試料から低濃度の核酸を抽出し濃縮することが頻繁に必要になる。こ
の種の処置は、例えば、食物中の有毒大腸菌0157(食物10グラム当たり1
生物体のレベルで有毒)、血液中のHIV(血液1ミリリットル当たり200ウ
ィルス生物体以下)、細菌戦シナリオ中の炭疽菌(空気1リットル当たり100
生物体以下)、血液又は尿中の癌細胞(流体1ミリリットル当たり10細胞以下
)、性病(例えば淋病やクラミジア)の尿中の病原体(流体1ミリリットル当た
り100生物体以下)の検出に必要となる。However, despite advances in microfluidic technology, microfluidic devices that can effectively extract nucleic acids from relatively large volumes of fluid samples and that concentrate nucleic acids into smaller volumes for subsequent analytical processing. Needs are still there. Particularly in diagnostic applications, it is frequently necessary to extract and concentrate low concentrations of nucleic acids from relatively large volumes of samples, for example several milliliters, such as pathogenic organs or cancer cells. This type of treatment is, for example, toxic E. coli 0157 in food (1 per 10 grams of food).
Toxic at the organism level), HIV in blood (less than 200 viral organisms per milliliter of blood), Bacillus anthracis in bacterial warfare scenarios (100 per liter of air)
Necessary for the detection of cancer cells in blood or urine (less than 10 cells per milliliter of fluid), and pathogens in urine of sexually transmitted diseases (eg gonorrhea and chlamydia) (less than 100 organisms per milliliter of fluid). .
【0009】 核酸を抽出し分析するための現存する微小流体装置は、残念ながら、ピコリッ
トルやナノリットルやマイクロリットルの試料容積に焦点が集まっている。例え
ば、アンダーソンらは、「微小流体生化学分析システム」("Microfluidic Bioc
hemical Analysis System", Transducers '97, 1997 International Conference
on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, June 16-19, 1997, pg.477
-480)と題する記事に試料準備と試料分析のための微小流体装置を開示している
。Existing microfluidic devices for extracting and analyzing nucleic acids unfortunately focus on picoliter, nanoliter and microliter sample volumes. For example, Anderson et al., "Microfluidic Biochemical Analysis System"("Microfluidic Bioc
chemical Analysis System ", Transducers '97, 1997 International Conference
on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, June 16-19, 1997, pg.477
-480) discloses a microfluidic device for sample preparation and sample analysis.
【0010】 アンダーソンによって開示された装置は5から20のマイクロリットルのチャ
ンバを含んでいて、チャンバには、流体試料から核酸を分離するためのガラス壁
がある。操作に際して、まず、使用者は流体試料を攪乱塩と混合して、DNAを
放出する。それから、溶解試料がチャンバ内に注入され、10〜20分間保温さ
れて、流体試料の中の核酸をガラス壁に結合させる。次に、流体試料はチャンバ
から排出され、チャンバは数回洗浄されて汚染物質を除く。最後に、チャンバを
溶離溶液で満たし50度Cで20分間保温することによって、核酸がチャンバか
ら溶離される。[0010] The device disclosed by Anderson includes a 5 to 20 microliter chamber with a glass wall for separating nucleic acids from a fluid sample. In operation, a user first mixes a fluid sample with a perturbing salt to release DNA. The lysed sample is then injected into the chamber and incubated for 10-20 minutes to allow the nucleic acids in the fluid sample to bind to the glass wall. Next, the fluid sample is drained from the chamber and the chamber is washed several times to remove contaminants. Finally, the nucleic acids are eluted from the chamber by filling the chamber with the elution solution and incubating at 50 ° C. for 20 minutes.
【0011】 その他の現存する微小流体装置は、流体試料から核酸を分離するための電気泳
動法に依っている。このような装置は、一般に、分離溝を含んでいるか、あるい
はチャンバの対向面に電極を配置したチャンバを含んでいる。また、チャンバは
典型的には、フィルタや膜などの適当な障壁を含んでいて、障壁は電流の通路と
なるが、核酸やその他の巨大分子を通さないように配慮されている。適当な電場
を与えると、試料中に存在する核酸は、正電極に向かって移動し、膜上に捕らえ
られる。膜を免れて残留する試料不純物は、続いて、チャンバから洗い流される
。電圧を反転させると、核酸が膜からきれいに放出される。このような核酸を純
化するための微小流体装置は、アンダーソンらによる1997年1月23日に発
行された国際公開番号第WO97/02357号に記載され、また、シェルドン
らによる1998年3月12日に発行された国際公開番号WO98/10277
号に記載されている。[0011] Other existing microfluidic devices rely on electrophoresis to separate nucleic acids from fluid samples. Such devices generally include a chamber that includes a separation groove or an electrode disposed on an opposing surface of the chamber. Also, the chamber typically includes a suitable barrier, such as a filter or membrane, which provides a path for current flow, but is kept away from nucleic acids and other macromolecules. When an appropriate electric field is applied, nucleic acids present in the sample move toward the positive electrode and are trapped on the membrane. Sample impurities that escape the membrane are subsequently washed out of the chamber. When the voltage is reversed, the nucleic acids are released cleanly from the membrane. A microfluidic device for purifying such nucleic acids is described in International Publication No. WO 97/02357, issued Jan. 23, 1997 by Anderson et al., And also described by Sheldon et al. International Publication Number WO98 / 10277 issued to
No.
【0012】 上記微小流体装置の主な欠点は、微小流体装置が流体試料から核酸を抽出する
には効率が比較的悪く、比較的大きな容積の流体試料から小さな容積の溶離流体
中に、核酸が迅速かつ効果的に濃縮されないことである。特に、現存する上記微
小流体装置は、限定され定められた量の流体試料がチャンバに保持されて保温ま
たは電気泳動される巨塊処理のアプローチに限定されている。その結果、このよ
うな装置によって処理され得る流体の容積は、チャンバの最大収容容積に限定さ
れ、典型的には、ピコリットル、ナノリットル、マイクロリットルの量になる。A major drawback of the microfluidic device is that the microfluidic device is relatively inefficient in extracting nucleic acids from a fluid sample, and the nucleic acids may be transferred from a relatively large volume of fluid sample into a small volume of eluted fluid. It is not concentrated quickly and effectively. In particular, the existing microfluidic devices are limited to macromass processing approaches where a limited and defined amount of fluid sample is held in a chamber and kept warm or electrophoresed. As a result, the volume of fluid that can be processed by such devices is limited to the maximum capacity of the chamber, typically in picoliters, nanoliters, and microliters.
【0013】 このような小さい試料容積は、現実の数多くの診断に適用するのには、実用的
でない。特に、DNAのような低コピーの核酸を検出するには、正確に検出する
ために、数ミリリットル以上の試料容積が必要である。現存の微小流体装置は、
典型的にはピコリットル、ナノリットル、マイクロリットルの処理量に限定され
るので、多くの核酸に関係する診断に適用するには有効でない。勿論、1つの可
能なアプローチとしては、大きな容積の流体試料を収容するために大きな装置を
作ることである。しかしながら、もしもこの装置が集積回路チップの技術を用い
て製作されるならば、超微細に製作される装置は、低濃度の核酸を検出するのに
必要な試料容積を収容するために、非常に大きいものでなければならない。この
ように大きなチップは、高価であるばかりでなく、小型化するという目的に反し
、特に多種類の使い捨て型医学診断用途あるいは環境診断用途には沿わない。[0013] Such small sample volumes are impractical for many real-world diagnostic applications. In particular, detection of low copy nucleic acids such as DNA requires a sample volume of several milliliters or more for accurate detection. Existing microfluidic devices are:
It is typically limited to picoliter, nanoliter, and microliter throughputs and is not useful for diagnostic applications involving many nucleic acids. Of course, one possible approach is to make a large device to accommodate a large volume of fluid sample. However, if this device is fabricated using integrated circuit chip technology, the ultra-fine fabricated device will have to accommodate the sample volume required to detect low concentrations of nucleic acid, and thus be very difficult. Must be big. Such a large chip is not only expensive but also contrary to the purpose of miniaturization, and is not particularly suitable for various types of disposable medical diagnostic applications or environmental diagnostic applications.
【0014】 (本発明の目的と利点) したがって、流体試料中の所望の物質をその他の物質から有効に抽出し、且つ
、所望の物質が高度に濃縮された溶離液を提供するための微小流体装置と方法を
提供することが本発明の目的である。特に、核酸を比較的大きな容積の流体試料
から分離でき、且つ、核酸を濃縮してずっと小さな容積の溶離流体にできる貫流
装置を提供することが本発明の目的である。抽出プロセスと溶離プロセスの効率
を増大させるために一体型のヒーターを持つ装置を提供することが、本発明の更
なる目的である。(Objects and advantages of the present invention) Accordingly, a microfluidic fluid for effectively extracting a desired substance in a fluid sample from other substances and providing an eluent highly concentrated with the desired substance It is an object of the present invention to provide an apparatus and method. In particular, it is an object of the present invention to provide a flow-through device in which nucleic acids can be separated from a relatively large volume of a fluid sample, and in which the nucleic acids can be concentrated into a much smaller volume of eluent fluid. It is a further object of the present invention to provide an apparatus with an integrated heater to increase the efficiency of the extraction and elution processes.
【0015】 本発明のこれらの目的と利点およびその他の目的と利点は、次の説明と添付の
図面を顧慮すると明らかである。[0015] These and other objects and advantages of the present invention will be apparent in light of the following description and accompanying drawings.
【0016】 (概要) 本発明は、流体試料を操作するための新規な方法と装置とを提供する。本発明
の例示的使用は、流体試料中の核酸のような所望の物質をその他の物質から分離
するためであり、且つ、所望の物質の高度に濃縮された溶離液を提供するためで
ある。所望の物質は、例えば、核酸または標的細胞または有機体または細胞また
はプロテインまたは核酸または炭水化物またはウィルス粒子またはバクテリアま
たは化学薬品または生化学製品である。Overview The present invention provides a novel method and apparatus for manipulating a fluid sample. An exemplary use of the present invention is to separate desired substances, such as nucleic acids, in a fluid sample from other substances, and to provide a highly concentrated eluent of the desired substance. The desired substance is, for example, a nucleic acid or a target cell or organism or a cell or a protein or a nucleic acid or a carbohydrate or a virus particle or a bacterium or a chemical or a biochemical.
【0017】 第1の実施形態によると、装置は本体を、好ましくは超微細機械加工されたチ
ップを備え、その中に形成された上記流体試料を上記本体に導入するための入口
ポートと、上記本体から上記流体試料を出すための出口ポートと、上記試料が上
記本体を流れるとき上記流体試料から上記所望の物質を抽出するための上記入口
ポートと上記出口ポートとを流体で連通している抽出チャンバとを備える。上記
入口ポートと上記出口ポートとは、上記流体が上記抽出チャンバを通って連続的
に流れることができるように配置される。上記チャンバは、十分に広い表面積と
上記所望の物質に対して、例えば核酸に対して十分に高い結合親和力とを有する
内部吸着表面を持っていて、上記流体試料が上記チャンバを流れるときに上記所
望の物質例えば核酸を捕獲する。According to a first embodiment, the device comprises a body, preferably a micromachined tip, an inlet port for introducing the fluid sample formed therein into the body, An extraction port for extracting the fluid sample from the body, an extraction port for extracting the desired substance from the fluid sample as the sample flows through the body, and an extraction port in fluid communication with the outlet port. And a chamber. The inlet port and the outlet port are arranged such that the fluid can flow continuously through the extraction chamber. The chamber has an internal adsorption surface that has a sufficiently large surface area and a sufficiently high binding affinity for the desired substance, for example, for nucleic acids, such that the desired fluid sample flows through the chamber. , Such as nucleic acids.
【0018】 流体試料中の所望の物質をその他の物質から分離するため、装置を使用する好
ましい方法は、流体試料をチャンバに連続的に強いて流すステップを含み、これ
によって流体試料がチャンバを流れるときに所望の物質をチャンバの内部表面に
結合させる。流体試料は、例えば、ポンプ、電気浸透力、電気泳動力、空気圧、
真空あるいは重力といった何か適当な流体起動源を使用して、チャンバに強制的
に流される。次に、溶離流体をチャンバに流すことによって、捕獲された物質が
装置から溶離され、したがって物質が内部表面から溶離流体に放出される。[0018] A preferred method of using the apparatus to separate a desired substance in a fluid sample from other substances comprises continuously forcing the fluid sample into the chamber, whereby the fluid sample flows through the chamber. The desired material to the interior surface of the chamber. Fluid samples include, for example, pumps, electroosmotic forces, electrophoretic forces, air pressure,
The chamber is forced to flow using any suitable fluid actuation source, such as vacuum or gravity. The trapped material is then eluted from the device by flowing the elution fluid into the chamber, thus releasing the material from the internal surface into the eluent fluid.
【0019】 従来技法とは対照的に、チャンバに流される流体試料の容積は、好ましくは、
チャンバの容量容量よりも大きい。特に、本発明の貫流装置は、例えば数ミリリ
ットル以上の比較的大容積の流体試料の標的物質を、例えば25マイクロリット
ル以下のずっと小さな容積の溶離流体に濃縮させることができる。10から10
0の並外れた濃縮係数が容易に達成される。また、装置は、好ましくは、チャン
バを加熱するために、例えば抽出チャンバの壁に繋がれた抵抗器のようなヒータ
ーを含む。チャンバの加熱は、溶離効率を向上させ、また、所望の物質の捕獲を
促進するために随意に使用される。[0019] In contrast to conventional techniques, the volume of fluid sample flowed into the chamber is preferably
Larger than the volume capacity of the chamber. In particular, the flow-through device of the present invention is capable of concentrating a target substance of a relatively large volume of fluid sample, for example, a few milliliters or more, into a much smaller volume of eluate fluid, for example, 25 microliters or less. 10 to 10
An extraordinary enrichment factor of 0 is easily achieved. Also, the apparatus preferably includes a heater, such as a resistor connected to the wall of the extraction chamber, for heating the chamber. Heating the chamber is optionally used to increase elution efficiency and to facilitate capture of the desired material.
【0020】 好ましい実施形態では、所望の物質を捕獲するための内部吸着表面は、内部微
小構造体の配列によって形成される。内部微小構造体は、好ましくは、高いアス
ペクト比を持ち、抽出チャンバの少なくとも1つの壁に一体に形成され、チャン
バの中に伸びる。高アスペクト比のコラムは大きな表面積を与え、この大きな表
面積に所望の物質が結合する。したがって、流体試料がチャンバを静かにすなわ
ち層流で流れて、物質の有効な抽出が生じる。したがって、微小構造体は、簡単
な一段抽出処理を可能にする。対照的に、従来の技法は、二段抽出処理を必要と
する。この処理では、流体試料とシリカ粒子とが、まず、振動などによって乱流
を作って混合され、次に、遠心分離のような技法によって物理的に分離される。
本発明の微小構造体は、チャンバから流体へ非常に有効な熱的界面を提供する。In a preferred embodiment, the internal adsorption surface for capturing a desired substance is formed by an array of internal microstructures. The internal microstructure preferably has a high aspect ratio, is integrally formed on at least one wall of the extraction chamber, and extends into the chamber. High aspect ratio columns provide a large surface area to which the desired material binds. Thus, the fluid sample flows gently or laminarly through the chamber, resulting in efficient extraction of the substance. Therefore, the microstructure enables a simple one-stage extraction process. In contrast, conventional techniques require a two-stage extraction process. In this process, a fluid sample and silica particles are first mixed by creating a turbulent flow by vibration or the like, and then physically separated by a technique such as centrifugation.
The microstructure of the present invention provides a very effective thermal interface from the chamber to the fluid.
【0021】 好ましくは、流体がチャンバを流れる際に流体とコラム表面の相互作用が最小
となる配列に、コラムは配置される。好ましい実施形態では、コラムは列をなし
、一列に並んだコラムは、各々隣接する一列に並んだコラムから一定の距離だけ
間隔を開けて配置される。さらに、好ましくは、隣接する列は、各列のコラムが
隣接するコラムに対して僅かでも一直線上に並ばないように、互いにオフセット
して(ずらして)配置される。さらに、好ましい実施形態では、各列のコラムが
少なくとも2つ前の列あるいは2つ後の列と一直線上に並ばないように、列が配
置される。この非同一直線上配列は連続する列のパターンに適用されて、チャン
バは1つのパターンまたは繰返しパターンを含んでいる。例えば、このパターン
は3列毎ないし10列毎に繰返される。代替えとして、コラムの非同一直線上配
列は、列から列へ無作為なものであってもよい。列のこのオフセットは、流体流
を細分化することによって、流体とコラム表面との相互作用を増大させる。この
流体流の細分化は、流体が抽出チャンバを流れるときに流れのあらゆる部分がコ
ラムの非常に短い間隔の中に入って来て起こる。Preferably, the columns are arranged in an arrangement that minimizes interaction of the fluid with the column surface as the fluid flows through the chamber. In a preferred embodiment, the columns are in rows, and the rows of columns are each spaced a fixed distance from each adjacent row of columns. Further, preferably, adjacent rows are offset from each other such that the columns of each row are not even slightly aligned with the adjacent columns. Further, in a preferred embodiment, the rows are arranged such that the columns of each row are not aligned with at least two previous or two subsequent rows. This non-collinear array is applied to successive rows of patterns, and the chamber contains one pattern or a repeating pattern. For example, this pattern is repeated every three to ten columns. Alternatively, the non-collinear arrangement of columns may be random from row to row. This offset of the rows increases the interaction of the fluid with the column surface by subdividing the fluid flow. This fluid stream segmentation occurs as any part of the stream comes into very short intervals of the column as the fluid flows through the extraction chamber.
【0022】 代替えの実施形態では、内部吸着表面は、抽出チャンバ内に収容された固形支
持体によって形成される。標的物質を捕獲するのに適した固形支持体は、例えば
、ビードとファイバと膜とグラスウールとフィルタペーパーとゲルとを含む。In an alternative embodiment, the internal adsorption surface is formed by a solid support contained within the extraction chamber. Solid supports suitable for capturing the target material include, for example, beads, fibers, membranes, glass wool, filter paper, and gel.
【0023】 所望の物質の効果的な捕獲を確実にするために、チャンバの1つ以上の内部表
面が、上記物質と高い結合親和力を持つ材料で被覆される。適した材料としては
、例えば、シリコン、二酸化けい素のようなシリコン誘導体、ポリマー、ポリア
ミドのようなポリマー誘導体、核酸、或る種の金属、ポリペプチド、プロテイン
、多糖類、または所望の物質と高い結合親和力を持つ他の物質がある。To ensure effective capture of the desired substance, one or more internal surfaces of the chamber are coated with a material that has a high binding affinity for the substance. Suitable materials include, for example, silicon, silicon derivatives such as silicon dioxide, polymers, polymer derivatives such as polyamides, nucleic acids, certain metals, polypeptides, proteins, polysaccharides, or the like as desired. There are other substances with binding affinity.
【0024】 本発明の装置は、好ましくは、カートリッジとの組み合わせで使用され、上記
カートリッジは流体試料のための前処理サイトおよび/または溶離された核酸の ための後処理サイトを持つ。一例として、流体試料を前処理するために、前処理
サイトは細胞溶解領域と析出領域と純化領域とを備え、後処理サイトは、毛細管
電気泳動領域と等電点電気泳動領域と核酸拡大領域と交雑形成領域と溶離材料の
交雑形成領域の配列とを備えている。これらの実施形態では、入口ポートが前処
理サイトと流体連通し、および/または出口ポートが後処理サイトと流体連通す
るようにして、装置はカートリッジの中に挿入される。The device of the invention is preferably used in combination with a cartridge, said cartridge having a pretreatment site for a fluid sample and / or a post-treatment site for eluted nucleic acids. As an example, in order to pre-treat a fluid sample, the pre-treatment site includes a cell lysis region, a precipitation region, and a purification region, and the post-treatment site includes a capillary electrophoresis region, an isoelectric focusing region, a nucleic acid expansion region, and the like. It comprises a hybridization region and an array of hybridization regions of the eluted material. In these embodiments, the device is inserted into the cartridge such that the inlet port is in fluid communication with the pre-treatment site and / or the outlet port is in fluid communication with the post-treatment site.
【0025】 カートリッジは、流体試料を抽出チャンバに強制的に流すために、ポンプや空
気圧源や吸引装置のような1以上の流体起動源を随意に含むかあるいは結合され
る。カートリッジは、カートリッジの操作を制御するために、例えば1つ以上の
マイクロプロセッサとマルチプレキサと電力制御回路とセンサー回路を有するプ
ロセッシングエレクトロニクスを含むか或いは結合される。The cartridge optionally includes or is coupled to one or more fluid actuation sources, such as a pump, a pneumatic source, or a suction device, for forcing a fluid sample into the extraction chamber. The cartridge includes or is coupled to processing electronics having, for example, one or more microprocessors, a multiplexer, a power control circuit, and a sensor circuit to control operation of the cartridge.
【0026】 (発明を実施するための最良の形態) 本発明は、流体を微小規模で制御し、移動させ、或いは逆に手作業で操作する
という状況を扱う。十分に自動化された生化学的分析に有用な微小流体システム
は、微小流体回路に組み込まれるならば、容積測定や流体混合や加熱あるいは液
相分離などの特定の機能性を必要とする。それら微小流体システムは、従来の巨
視的な設計のアプローチを無効にする例えば低レイノルズ数のような微小スケー
ルな影響を克服するべく設計されねばならない。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention deals with situations where fluids are controlled and moved on a micro-scale, or conversely, manually operated. Microfluidic systems useful for fully automated biochemical analysis require specific functionality, such as volume measurement, fluid mixing, heating or liquid phase separation, if incorporated into a microfluidic circuit. These microfluidic systems must be designed to overcome small-scale effects, such as low Reynolds numbers, that make conventional macroscopic design approaches ineffective.
【0027】 流体の混合は、殆どの生化学分析的な詳細計画(プロトコル)において、共通
且つ重大な事象である。従来の巨視的規模では、2つ以上の流体の混合を行なう
ために、ピペットや渦巻装置や吸引/分配ロボット工学を含めて、様々な有効な
手段が存在する。しかしながら、微小流体システムでは、流体の混合が困難であ
ることは周知のことである。この問題は、殆どの微小流体システムにおいて、レ
イノルズ数が一般に非常に小さく(100未満)、流れが実質的に常に層状であ
るという事実から生じている。レイノルズ数は、密度×速度×溝幅/粘度である
。微小流体システムでは、溝幅が非常に小さいので、レイノルズ数は小さい。巨
視的なシステムでは、乱流が始まる前は、レイノルズ数は約2300以上である
に違いない。微小流体システムでは、流体流が実質的に決して乱流とならないの
で、混合はほぼ完全に拡散によって起こる。拡散による混合は非常に遅い場合が
ある。一例としては、深さが300μm、幅が600μmの「ジグザグ」溝があ
る。この溝は100mmの流長のみで流体を完全に混合させる。Fluid mixing is a common and significant event in most biochemical analytical protocols. On the conventional macroscopic scale, there are a variety of effective means for mixing two or more fluids, including pipettes, vortexers and suction / dispensing robotics. However, it is well known that mixing fluids is difficult in microfluidic systems. This problem stems from the fact that in most microfluidic systems, the Reynolds number is generally very small (less than 100) and the flow is virtually always laminar. The Reynolds number is density × speed × groove width / viscosity. In microfluidic systems, the Reynolds number is small because the groove width is very small. In a macroscopic system, before the onset of turbulence, the Reynolds number must be about 2300 or more. In microfluidic systems, mixing occurs almost completely by diffusion, since the fluid flow is virtually never turbulent. Mixing by diffusion can be very slow. An example is a “zigzag” groove 300 μm deep and 600 μm wide. This groove allows the fluid to mix completely with a flow length of only 100 mm.
【0028】 生物化学分析では、混合以外に、他の手法が必要である。例えば、生物学的化
合物を含んだ水性溶液からプロテインおよびその他の疎水性の化学物質を抽出す
る方法として広く容認された方法は、液相分離である。プロテインは、通常、漿
液や原形質(プラズマ)や組織ホモジェネートなどの水性生物溶液において高濃
度で存在し、構造的には疎水性ドメインと親水性ドメインとから成っている。疎
水性ドメインと親水性ドメインとは、共に、それらを分解する溶媒の機能として
2次構造と3次構造を決定する。通常、疎水性ドメインは親水性ドメインよりも
はるかに大きいが、疎水性ドメインが球形構造の芯部に自己結合し、親水性ドメ
インが溶媒に晒されるとき、極性のある溶媒内で安定な構造が得られる。これが
、溶媒特性の関数として折り畳まれた構造と折り畳まれていない構造との間のギ
ブス自由エネルギー状態の差を満たす。しかしながら、状態は水性の相において
作り出され得て、殆どの場合、極端な塩分濃度やpHあるいは変性剤または洗浄
剤の存在によってもっぱら限定されるが、プロテインに対する低いギブス自由エ
ネルギー状態は、例えばアルコールや種々のアルカンやクロロホルムのような非
極性溶媒において達成され得る。In biochemical analysis, other methods are required besides mixing. For example, a widely accepted method for extracting proteins and other hydrophobic chemicals from aqueous solutions containing biological compounds is liquid phase separation. Proteins are usually present in high concentrations in aqueous biological solutions such as serum, plasma (plasma) and tissue homogenates, and are structurally composed of hydrophobic and hydrophilic domains. Both the hydrophobic domain and the hydrophilic domain determine the secondary structure and the tertiary structure as a function of a solvent that decomposes them. Usually, the hydrophobic domain is much larger than the hydrophilic domain, but the hydrophobic domain self-bonds to the core of the spherical structure, and when the hydrophilic domain is exposed to the solvent, a stable structure is formed in the polar solvent. can get. This satisfies the difference in Gibbs free energy states between folded and unfolded structures as a function of solvent properties. However, conditions can be created in the aqueous phase, and in most cases are limited solely by extreme salinity and pH or the presence of denaturants or detergents, but low Gibbs free energy states for proteins include, for example, alcohol and It can be achieved in various non-polar solvents such as alkanes and chloroform.
【0029】 極性ベースの生物試料からプロテインを抽出するために、プロテインの選択的
な分割、極性溶媒から非極性溶媒へのプロテインの移動または拡散が使用される
。例えばクロロホルムのような非極性の液体が、水ベースの溶液に加えられたと
き、これらの流体(液体)は混り合うことなく、混合することのない2つの相に
分かれたままとなる。より密度の希薄な非極性相が上昇し、極性相の上面の上に
分離層として留まる。極性相内の少数のプロテインは、3次構造において変化が
生じて、それらは、非極性相での溶解に伴う低エネルギー状態を好むがために、
2相間の境界を横切る。非常に長期間に渡ると、極性相にはプロテインが存在し
なくなる。混合しあうことのない流体が勢いよく掻き回されると、溶液はエマル
ジョン(乳濁液)となる。このようなエマルジョンの中では、非極性相が多数の
小さな液滴を形成する。これらの液滴は極性相によって包囲され、極性相の隅々
まで等しく分配されている。これは、プロテインの非極性相との相互作用および
プロテインの非極性相への拡散に対して、2相間の有効表面積を劇的に増加させ
る。プロテインの非極性相への移動速度は、極性相の構造的な安定性を低下させ
るという極性相内の条件を変化させることによって、高めることができる。高塩
分濃度、洗浄剤、フェノールおよび/または錯乱剤の存在は、極性相におけるプ
ロテインの折り畳まれた状態の安定性を減少させることができる。To extract proteins from a polar-based biological sample, selective resolution of proteins, transfer or diffusion of proteins from a polar solvent to a non-polar solvent is used. When a non-polar liquid, such as chloroform, is added to a water-based solution, the fluids (liquids) do not mix and remain separated into two immiscible phases. The denser non-polar phase rises and remains as a separation layer on top of the polar phase. The small number of proteins in the polar phase undergo changes in the tertiary structure, and they prefer the low energy state associated with dissolution in the non-polar phase,
Crosses the boundary between two phases. Over a very long period, the polar phase will be free of protein. When the immiscible fluids are vigorously stirred, the solution becomes an emulsion. In such emulsions, the non-polar phase forms a number of small droplets. These droplets are surrounded by a polar phase and are equally distributed throughout the polar phase. This dramatically increases the effective surface area between the two phases for protein interaction with the non-polar phase and diffusion of the protein into the non-polar phase. The rate of protein transfer to the non-polar phase can be increased by changing the conditions within the polar phase that reduce the structural stability of the polar phase. High salinity, the presence of detergents, phenols and / or contaminants can reduce the stability of the folded state of the protein in the polar phase.
【0030】 エマルジョンを掻き回すことなくしばらく静かに放置した後には、或いは(2
つの相の間に密度の違いが存在するなら)相対的に増大された遠心力の補助を用
いると、2相は終いに再び分離し、非極性相が極性相の上面の上に層を形成する
。そして、非極性相はプロテインでもって高度に濃縮され、極性相はプロテイン
がなくなる。プロテインの元の濃度が非常に高い場合、残留プロテインは戻り拡
散のために極性相の中に尚も存在し得る。したがって、新たな非極性相の溶媒が
加えられて、分離が繰返される。同じような相分離方法は、水ベースの生物学的
溶液からプロテインを分離するために多年に渡って使用されている。After leaving the emulsion gently without stirring for a while, or (2)
With the aid of relatively increased centrifugal force (if there is a density difference between the two phases), the two phases separate again at the end, with the non-polar phase forming a layer on top of the polar phase. Form. The non-polar phase is highly enriched with protein and the polar phase is depleted of protein. If the original concentration of protein is very high, residual protein may still be present in the polar phase due to back diffusion. Thus, a new non-polar phase solvent is added and the separation is repeated. Similar phase separation methods have been used for many years to separate proteins from water-based biological solutions.
【0031】 本発明は、流体を迅速かつ有効に混合したり、従来の攪拌ベースの液相分離法
と同じプロテイン抽出機能を行なうための手段を与える人工のエマルジョンを作
ったりするのに有用な非常に大きな微小流体界面を産出するのに適した微小装置
を提供する。流体の効率的な混合ができる構造とするために、超超微細機械加工
された微小流体溝を作るために、新しいプロセス技術が利用できるようになって
来ている。深部反応イオンエッチング(DRIE)として知られた方法によって
、非常に深く、然も驚くほど狭い溝の形成が可能である。迅速な拡散混合は、こ
のプロセスを用いて、深く垂直な溝に2つの流体を流し、そられを一緒に合流さ
せることによって実現される。これによって2つの薄い垂直のシース(鞘状部)
ができ、これらのシースは従来型の溝よりもずっと短い距離の拡散によって混合
する。DRIEプロセスを利用した微小溝構造が、液相分離プロセスを支援する
べく設計される。図1〜5に示されているように、流体溝は固体の基板に様々な
外面形態で形成される。図2は、2つの深い溝70,72が1つの共通溝74に 合流する装置を示す。溝は、DRIEを用いて、シリコン基板をエッチングして
作られる。各溝は、その幅75よりも大きな深さ73を持ち、3:1よりも大き
な表面積比を提供する。分離された溝70,72を流れる流体は、共通溝74で 合流して2つの並流する薄い流体シースを形成する。幅に対して深くなった溝は
、2つの流体が拡散混合するために、流対流の間に大きな界面領域を提供する。
図1Eは、6つの深い溝が単一の共通溝に合流する同種の装置の走査型電子顕微
鏡写真である。別々の溝を通る流体は、共通溝において合流して6つの並流する
流体シースを形成する。The present invention is a highly useful method for mixing fluids quickly and effectively and for making artificial emulsions that provide a means for performing the same protein extraction function as conventional stirring-based liquid phase separation methods. Provided is a microdevice suitable for producing a large microfluidic interface. New process technologies are becoming available to create ultra-micromachined microfluidic grooves to provide a structure that allows efficient mixing of fluids. With a method known as deep reactive ion etching (DRIE), it is possible to form very deep, but surprisingly narrow, grooves. Rapid diffusion mixing is achieved using this process by flowing two fluids through a deep vertical groove and joining them together. This results in two thin vertical sheaths
These sheaths mix by diffusion over a much shorter distance than conventional grooves. A microgroove structure utilizing the DRIE process is designed to support the liquid phase separation process. As shown in FIGS. 1-5, the fluid channels are formed in various external forms on the solid substrate. FIG. 2 shows a device in which two deep grooves 70, 72 merge into one common groove 74. The groove is formed by etching the silicon substrate using DRIE. Each groove has a depth 73 greater than its width 75 and provides a surface area ratio greater than 3: 1. The fluid flowing through the separated grooves 70, 72 merges at the common groove 74 to form two co-current thin fluid sheaths. Grooves that are deeper in width provide a larger interfacial area during flow convection for diffusion mixing of the two fluids.
FIG. 1E is a scanning electron micrograph of a similar device where six deep grooves merge into a single common groove. Fluids passing through the separate grooves merge at the common groove to form six co-current fluid sheaths.
【0032】 図3は、2つの非混合性流体流(極性溶媒と非極性溶媒)を通すための2つの
深溝70,72を持つもう1つの装置を示す。溝70,72とは、接触領域80に
おいて合流する。流体は非混合性なので、領域80の間では互いに並流し、次に
、対応する溝76,78にそれぞれ入って行く。流体が接触領域80内にある間 、非混合性流体はそれら自身で混ざり合うことないけれど、一方の流体はもう一
方の流体に対して有利な分配係数を持っており、一方の流体の分子は流体間で拡
散する。FIG. 3 shows another apparatus having two deep grooves 70, 72 for passing two immiscible fluid streams (a polar solvent and a non-polar solvent). The grooves 70 and 72 meet at the contact area 80. Because the fluids are immiscible, they flow co-currently between the regions 80 and then enter the corresponding grooves 76, 78, respectively. While the fluids are in the contact area 80, the immiscible fluids do not mix themselves, but one fluid has an advantageous partition coefficient for the other fluid, and the molecules of one fluid are Diffuses between fluids.
【0033】 図4は、溝70,72,76,78のネットワークを持つ装置を示し、溝は合流 して複合的な接触領域80を形成し、流体の接触時間を増大させる。増大した接
触時間は粒子拡散を増大させる。領域85は、単一基板上の全経路長を増すため
に、反回転(180度回転)させる流体経路である。FIG. 4 shows a device with a network of grooves 70, 72, 76, 78, which merge to form a composite contact area 80 and increase the fluid contact time. Increased contact time increases particle diffusion. Region 85 is a fluid path that is counter-rotated (rotated 180 degrees) to increase the total path length on a single substrate.
【0034】 上記装置の溝は、内部と外面の面積比が3:1よりも大きな値を持つ。「内部
表面面積」という用語は、ここで使用されるときは、溝内部の全表面積のことを
いい、ピラー(枕)やマイクロコラム(微小柱)のような内部構造物の表面積を
含んでいる。その最も簡単な実施形態では、本発明の装置は単一溝を備え、「内
部表面積」は2つの側壁の表面積と底部の表面積の合計である。この実施形態で
は、溝の深さは、最小限の表面積比を確保するために、幅と少なくとも同じ大き
さである。The grooves of the device have a ratio of the area of the inner surface to the outer surface of more than 3: 1. The term "internal surface area", as used herein, refers to the total surface area inside a groove, including the surface area of internal structures such as pillars and microcolumns. . In its simplest embodiment, the device of the present invention comprises a single groove and the "internal surface area" is the sum of the surface area of the two sidewalls and the surface area of the bottom. In this embodiment, the depth of the groove is at least as large as the width to ensure a minimum surface area ratio.
【0035】 「外面表面積」という用語は、ここで使用されるときは、外面上の面積であっ
て、内部構造を作るために取り除かれる基板表面の面積のことをいう。単一溝の
例では、「外面表面積」は溝の上面の表面積である。ここで使用されるときは、
外面表面積に対する内部表面積の比に適用されている「実質的に大きな」という
用語は、約3:1よりも大きく、好ましくは約5:1よりも大きく、より好まし
くは約10:1よりも大きく、最も好ましくは約20:1よりも大きいことを意
味している。溝の典型的な寸法は、深さが10μmから1,000μmであり、 幅が5μmから50μmである。溝を形成するのに多くの様々な方法が使用され
得るが、1つの好ましい方法は、シリコン基板の深部反応イオンエッチングであ
る。The term “outer surface area” as used herein refers to the area on the outer surface, the area of the substrate surface that is removed to create the internal structure. In the single groove example, "outer surface area" is the surface area of the upper surface of the groove. When used here,
The term "substantially large" as applied to the ratio of internal surface area to external surface area is greater than about 3: 1, preferably greater than about 5: 1, and more preferably greater than about 10: 1. , Most preferably greater than about 20: 1. Typical dimensions of the grooves are 10 μm to 1,000 μm in depth and 5 μm to 50 μm in width. One of the preferred methods is deep reactive ion etching of a silicon substrate, although many different methods can be used to form the trench.
【0036】 2つ以上の分離された溝が(各溝は一非混合性の流体を通す)交差して単一の
溝に合流するように配置されている。この合流距離の最大値は多くの要因に左右
され、上記要因には、各流体の極性、溝の内部表面の疎水性/親水性、流体の非
混合性の度合や表面張力、2つの並流する薄い流体シースの流体安定性、相対的
な流速や粘度がある。比較的安定した流体シースを仮定すると、低レイノルズ数
のために乱流混合は除外される。この距離の後、好ましくは、合流した溝は2つ
以上の溝に分けられ、再び2つ以上の非混合性流体流に分離される。Two or more separate grooves are arranged to intersect (each groove passes a non-mixable fluid) and merge into a single groove. The maximum value of this merging distance depends on many factors, including the polarity of each fluid, the hydrophobicity / hydrophilicity of the inner surface of the groove, the degree of immiscibility of the fluid, the surface tension, and the two parallel flows. There is fluid stability, relative flow velocity and viscosity of the thin fluid sheath. Assuming a relatively stable fluid sheath, turbulent mixing is ruled out due to the low Reynolds number. After this distance, the merged flute is preferably split into two or more flutes and again separated into two or more immiscible fluid streams.
【0037】 2つの独立した流れが合流し界面で接触する時間中、そしてその距離間におい
て、界面におけるプロテインおよびその他の疎水性の溶液は、界面を横切って非
極性流体の流れの中に拡散する。2つの流れがはじめて接触したとき、プロテイ
ンは極性流体の中を隈なく均一に分配される。しかしながら、流体が共通溝を移
動するとき、2つの流体流の界面における極性流体中のプロテイン濃度は、プロ
テインが界面を横切って非極性流体に移動するにつれて減少し始める。そして、
極性流体の界面において減少帯を形成し、極性流体流の幅を横切って濃度勾配を
形成する。減少帯が補充される速度は、形成される濃度勾配および溶質拡散係数
の関数になっていて、プロテインが異なる毎に変化する。典型的には極性流の幅
が非常に小さいので、減少帯の補充速度は非常に速い。したがって、流体が接触
領域を移動するときに、より多くのプロテインが非極性流に吸収される。流体流
が共通溝に存在した後、極性流に残留するプロテインは、平衡化して再び均一な
分布になる。しかしながら、プロテインの全体の濃度は減少する。During and during the time the two independent streams merge and meet at the interface, protein and other hydrophobic solutions at the interface diffuse across the interface into the stream of non-polar fluid. . When the two streams come into contact for the first time, the protein is distributed evenly throughout the polar fluid. However, as the fluid moves through the common groove, the protein concentration in the polar fluid at the interface of the two fluid streams begins to decrease as the protein moves across the interface into the non-polar fluid. And
A depletion zone forms at the polar fluid interface, forming a concentration gradient across the width of the polar fluid stream. The rate at which the depletion zone is replenished is a function of the concentration gradient formed and the solute diffusion coefficient, and varies with different proteins. Since the width of the polar stream is typically very small, the rate of replenishment of the depletion zone is very fast. Thus, as the fluid moves through the contact area, more protein is absorbed into the non-polar flow. After the fluid stream is in the common channel, the protein remaining in the polar stream equilibrates back to a uniform distribution. However, the overall concentration of protein decreases.
【0038】 多くのこのような拡散領域が一連となって配置されると、高レベルのプロテイ
ンは、極性流から除去され、非極性流によって吸収され、非極性流に溶け込む。
非常に多くの拡散領域が、シリコンチップのような超微細に製作された小さな要
素に組み込まれる。ここに示された典型的な外形構造は、1mm2当たり少なく とも50個の拡散領域が可能である。When many such diffusion regions are arranged in a series, high levels of protein are removed from the polar stream, absorbed by the non-polar stream, and dissolved into the non-polar stream.
Numerous diffusion regions are incorporated into microfabricated small elements such as silicon chips. The typical outline structure shown here is capable of at least 50 diffusion regions per mm 2 .
【0039】 この概念に関して多くの変形が可能である。例えば、互いに接触する流体流の
安定性に依って、平衡領域のない非常に長い拡散領域を持つことが可能である。
この場合、流体流は要素の表面上で「平坦」である。一方、流体流の安定性が非
常に低い場合、流体が混合したり流れが不安定になる傾向を防ぐために、(ミニ
チュアの監獄格子のように)接触領域に沿って非常に小さいミクロコラムまたは
「ピラー」を設けることが可能である。図5はピラー91を有する装置を示して
いる。ピラー91は流体流の安定性を増大させるために共通溝内に配置されてい
る。図1F〜1Gは、このような装置の多くの例を示す走査型電子顕微鏡写真で
ある。なお、装置は、更なる下流側の処理を行なうべく逆操作するために、すな
わち、共通溝に流れる流体を多数の別々の流れに分離するために使用することが
できる。例えば、図1Eの装置は、共通溝に流れる流体を6つの別々の流れに分
離するために使用され得る。Many variations on this concept are possible. For example, depending on the stability of the fluid streams in contact with each other, it is possible to have a very long diffusion zone without an equilibrium zone.
In this case, the fluid flow is "flat" on the surface of the element. On the other hand, if the fluid flow stability is very low, very small microcolumns or "" It is possible to provide "pillars". FIG. 5 shows an apparatus having pillars 91. Pillars 91 are located in the common groove to increase fluid flow stability. 1F-1G are scanning electron micrographs showing many examples of such devices. It should be noted that the apparatus can be used to reverse operation to perform further downstream processing, i.e., to separate the fluid flowing in the common channel into a number of separate streams. For example, the apparatus of FIG. 1E can be used to separate fluid flowing in a common channel into six separate streams.
【0040】 図1Hは、流構造に有用な本発明による流体力学的集束装置を示す。この装置
は、入口ポートと、このポートの反対側に配置された2つの側部溝とを含んでい
る。入口ポートと側部溝とは、合流して共通溝に至る。作動中、試料流体は入口
ポートに加えられ、試薬すなわち集束する流体は側部溝を通って流れる。側部溝
を通って流れる流体は、試料流体を共通溝の中央の流中に流し込ませ、したがっ
て試料流体を集束させる。この装置は、また、試料流体の特性を決定するために
、共通溝に隣接して配置された光学検知器を含んいる。FIG. 1H shows a hydrodynamic focusing device according to the invention useful for flow structures. The device includes an inlet port and two side grooves located opposite the port. The inlet port and the side groove merge to reach a common groove. In operation, sample fluid is added to the inlet port, and reagents or focusing fluids flow through the side channels. Fluid flowing through the side channels causes the sample fluid to flow into the central stream of the common channel, thus focusing the sample fluid. The apparatus also includes an optical detector positioned adjacent to the common groove to determine a property of the sample fluid.
【0041】 上記装置の溝の表面を変更できることによって、大きな順応性が得られて、流
体流の安定性を増大させたり、物理的な混合を防止したりできる。例えば、非極
性流体を通す領域内の溝表面が疎水性であるならば、流速および粘性における小
さな累積的な相違の結果として、極性流体が非極性流体に不用意に流れる傾向は
、著しく減少する。The ability to change the surface of the grooves in the device described above provides greater flexibility, which can increase fluid flow stability and prevent physical mixing. For example, if the groove surface in the region through which the non-polar fluid passes is hydrophobic, the tendency of the polar fluid to inadvertently flow into the non-polar fluid is significantly reduced as a result of small cumulative differences in flow rate and viscosity. .
【0042】 液相分離のための装置に加えて、本発明は、試料流体内の所望の物質を他の物
質から分離するための方法と装置とを提供する。この所望の物質は、例えば、核
酸、標的細胞、有機体、プロテイン、炭水化物、ウィルス粒子、バクテリア、化
学製品あるいは生化学製品であってもよい。In addition to an apparatus for liquid phase separation, the present invention provides a method and apparatus for separating a desired substance in a sample fluid from other substances. The desired substance may be, for example, a nucleic acid, target cell, organism, protein, carbohydrate, virus particle, bacterium, chemical or biochemical.
【0043】 本発明の装置の典型的な使用例としては、試料流体から核酸の抽出と精製と濃
縮がある。「核酸」という用語は、ここで使用されるときは、DNAやRNAあ
るいはPNAのような人工的あるいは自然に生じる核酸であって、あらゆる可能
な形態、すなわち、二重ストランド核酸や単一ストランド核酸の形態やそれらの
組合せたものの形態での核酸を指す。「試料流体」という用語は、ここで使用さ
れるときは、ガスと液体とを含み、好ましくは液体をいう。試料流体は、粒子、
細胞、微生物、イオン、例えばプロテインや核酸等の大小の分子を含む水性溶液
である。特別の用途では、流体試料は、例えば、血液または尿の身体の流体ある
いは微粉砕食品のような浮遊物であってもよい。流体試料は、例えば薬品との混
合や遠心分離あるいはペレット処理など事前処理されてもよいし、未加工の状態
であってもよい。A typical use of the device of the present invention is for the extraction, purification and concentration of nucleic acids from a sample fluid. The term "nucleic acid", as used herein, is an artificially or naturally occurring nucleic acid, such as DNA or RNA or PNA, in any possible form, i.e., double-stranded nucleic acid or single-stranded nucleic acid. And nucleic acids in the form of combinations thereof. The term "sample fluid" as used herein includes gases and liquids, and preferably refers to liquids. The sample fluid is particles,
An aqueous solution containing cells, microorganisms, ions, large and small molecules such as proteins and nucleic acids. In particular applications, the fluid sample may be, for example, a bodily fluid such as blood or urine or a suspension such as a finely divided food. The fluid sample may be pre-treated, for example, mixed with a drug, centrifuged, or pelletized, or may be in an unprocessed state.
【0044】 本発明の好ましい実施形態は、図6〜12に示される。図6は、流体試料から
例えば核酸などの所望の物質を抽出し、その物質の高濃度の溶離液を供する微小
流体装置20の概略断面図である。この装置20は、入口ポート28と出口ポー
ト30と抽出チャンバ26とを形成する本体をその中に含み、上記抽出チャンバ
26は流体試料が本体を通って流れるときに流体試料から核酸を抽出する。チャ
ンバ26は、入口ポート28と出口ポート30とを流体で連通している。これら
のポートは、流体がチャンバを通って連続的に流れるように、好ましくは、チャ
ンバ26と対向する側に配置されている。A preferred embodiment of the present invention is shown in FIGS. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a microfluidic device 20 that extracts a desired substance such as a nucleic acid from a fluid sample and provides a high-concentration eluent of the substance. The apparatus 20 includes a body therein defining an inlet port 28, an outlet port 30, and an extraction chamber 26, which extracts nucleic acids from the fluid sample as the fluid sample flows through the body. The chamber 26 has an inlet port 28 and an outlet port 30 in fluid communication. These ports are preferably located on the side facing the chamber 26 so that fluid flows continuously through the chamber.
【0045】 本体は、好ましくは、ベース基板22と、このベース基板22に結合されたト
ップ基板24とを備える微細加工されたチップである。基板22と24とは、例
えば、シリコン、ガラス、二酸化けい素、プラスチック、セラミックスなどの適
当な基板材料を備えている。好ましい実施形態では、抽出チャンバ26はベース
基板22に形成され、流体ポート28,30はトップ基板24に形成されている 。しかしながら、代替えの実施形態では、多くの異なる形が可能である。例えば
、チャンバ26はトップ基板24の中に部分的あるいは完全に形成されてもよい
し、流体ポートはベース基板22の底部または側部に形成されてよい。幾つかの
これら代替えの実施形態が以下に説明する。抽出チャンバ26は、流体試料がチ
ャンバを通って流れるときに核酸を捕らえるため、十分に大きな表面積と、核酸
に対して結合親和力を有する内部吸着表面とを有する。好ましい実施形態では、
内部吸着表面は、チャンバ26の壁に一体に形成されてチャンバ内に伸びる内部
微小構造体の配列によって、好ましくは高アスペクト比のコラム32によって、
形成される。図を簡単にするために、25本のコラムのみが、図6の概略図に示
されている。しかしながら、本発明の装置はより多くのコラムを含んでいると理
解されねばならない。一般には、少なくとも100本のコラムを用いて装置を作
ることが好ましく、さらに、1,000から10,000本のコラムを用いて装置
を作ることが好ましい。コラムの数は、とりわけ、試料中の核酸の量と濃度、チ
ャンバの寸法、コラムの間隔、チャンバを通る流体の流速などに左右される。装
置を製造する特定の技術は以下に説明する。The body is preferably a micro-machined chip comprising a base substrate 22 and a top substrate 24 coupled to the base substrate 22. Substrates 22 and 24 comprise a suitable substrate material such as, for example, silicon, glass, silicon dioxide, plastic, ceramics, and the like. In a preferred embodiment, the extraction chamber 26 is formed in the base substrate 22 and the fluid ports 28, 30 are formed in the top substrate 24. However, in alternative embodiments, many different forms are possible. For example, chamber 26 may be partially or completely formed in top substrate 24, and fluid ports may be formed on the bottom or sides of base substrate 22. Some of these alternative embodiments are described below. The extraction chamber 26 has a sufficiently large surface area to capture nucleic acids as the fluid sample flows through the chamber, and an internal adsorption surface that has a binding affinity for nucleic acids. In a preferred embodiment,
The internal adsorption surface is provided by an array of internal microstructures integrally formed on the walls of the chamber 26 and extending into the chamber, preferably by high aspect ratio columns 32.
It is formed. For simplicity, only 25 columns are shown in the schematic diagram of FIG. However, it must be understood that the device of the present invention includes more columns. In general, it is preferred to make the device using at least 100 columns, and more preferably to make the device using 1,000 to 10,000 columns. The number of columns depends, among other things, on the amount and concentration of nucleic acids in the sample, the dimensions of the chamber, the spacing of the columns, the flow rate of fluid through the chamber, and the like. The specific techniques for manufacturing the device are described below.
【0046】 図8は、抽出チャンバの底部壁23から伸びるコラムの列の一部を示す。コラ
ム32は、好ましくは、少なくとも2:1のアスペクト比(高さと幅または直径
との比)を持ち、より好ましくは、少なくとも4:1のアスペクト比を持つ。こ
の高アスペクト比のコラム32は、核酸を捕獲するために大きな表面積を提供す
る。流体試料がチャンバを通って流れるとき、核酸はコラム32の表面と接触し
てその表面に付着する。核酸を抽出するために、抽出溶液はチャンバ内を強制的
に流され、核酸をコラム32の表面から抽出溶液の中に放出する。好ましい実施
形態では、コラム32は、好ましくは少なくとも100μmの抽出チャンバの深
さと等しい高さを持つ。代替えの実施形態では、抽出チャンバの深さは浅いが、
100μm未満の深さでは、チャンバを通る流体の流れが過度に遅くなる。FIG. 8 shows part of a row of columns extending from the bottom wall 23 of the extraction chamber. Columns 32 preferably have an aspect ratio (height to width or diameter ratio) of at least 2: 1 and more preferably have an aspect ratio of at least 4: 1. This high aspect ratio column 32 provides a large surface area for capturing nucleic acids. As the fluid sample flows through the chamber, the nucleic acid contacts and adheres to the surface of column 32. To extract nucleic acids, the extraction solution is forced through the chamber, releasing nucleic acids from the surface of the column 32 into the extraction solution. In a preferred embodiment, the column 32 has a height preferably equal to the depth of the extraction chamber of at least 100 μm. In an alternative embodiment, the depth of the extraction chamber is shallow,
At depths below 100 μm, fluid flow through the chamber becomes too slow.
【0047】 図9は、チャンバ26の中に配置されたコラム32の配列の概略図である。流
体は入口ポート28を通ってチャンバ26に入り、コラム32の間を流れて出口
ポート30に至る。コラム32は、好ましくは、流体がチャンバ26を通って流
れるときの流体とコラム表面との相互作用が最適化される配列に配置される。コ
ラム配列の最適化は、抽出の有効性を失うことなく、チャンバを通る流体の流速
がより速くなる。FIG. 9 is a schematic diagram of an arrangement of the columns 32 arranged in the chamber 26. Fluid enters chamber 26 through inlet port 28 and flows between columns 32 to outlet port 30. The columns 32 are preferably arranged in an arrangement that optimizes the interaction of the fluid with the column surface as the fluid flows through the chamber 26. Optimization of the column arrangement results in higher fluid flow rates through the chamber without losing the effectiveness of the extraction.
【0048】 好ましい実施形態では、コラム32は幾つも列を成して配置され、一列に並ん
だ各々はその列に隣接するコラムから一定の間隔を開けて配置される。すなわち
、一列に並んだコラムは、好ましくは、均一な中心間隔を持つ。例えば、図9は
、水平方向に10列になった均一間隔のコラム32を示す。加えて、隣接する列
は、好ましくは、各列のコラムが隣接する列のコラムと一直線上に並ばないよう
に、互いにオフセットされている(ずらされている)。例えば、図9におけるコ
ラムの各列は、隣接する列から水平方向にオフセットされている。In a preferred embodiment, the columns 32 are arranged in a number of rows, each in a row being spaced from a column adjacent to that row. That is, the aligned columns preferably have a uniform center spacing. For example, FIG. 9 shows ten equally spaced columns 32 in the horizontal direction. In addition, adjacent rows are preferably offset from each other so that the columns of each row are not aligned with the columns of the adjacent row. For example, each column of the column in FIG. 9 is horizontally offset from an adjacent column.
【0049】 好ましい実施形態では、各列のコラムが少なくとも2つの前および/または次
の列におけるコラムと一直線上に並ばないように、列はオフセットされている。
このコラムの非直線性配列は続く列の形態においても行なわれ、チャンバは一つ
のパターンあるいは反復パターンを含んでいる。パターンは、例えば、3〜10
列毎に繰返されてもよい。コラムの非直線性配列は、列から列に無作為であって
もよい。一般的に、上記配列における2つの隣接する列は、互いに、第1の列の
コラムが第2の列のコラム間の丁度中間点で並ぶようにオフセットされるべきで
ない。それよりむしろ、目下のところ、コラム間における中心と中心の間隔の5
0%以上または以下の距離だけ、隣接するコラムをオフセットさせるのが好まし
い。この配置は、チャンバを通って非対称的に分裂する流れパターンを考えたも
のであり、流体流の支流が出来る限りコラムの表面と強力に相互作用するのを確
実にする。In a preferred embodiment, the rows are offset so that the columns of each row are not aligned with the columns in at least two previous and / or next rows.
The non-linear arrangement of the columns may be performed in a subsequent row configuration, with the chamber containing a single pattern or a repeating pattern. The pattern is, for example, 3 to 10
It may be repeated for each column. The non-linear arrangement of the columns may be random from row to row. In general, two adjacent columns in the above arrangement should not be offset from each other such that the columns of the first column are exactly at the midpoint between the columns of the second column. Rather, at present, the center-to-center spacing between columns is 5
Preferably, adjacent columns are offset by a distance greater than or less than 0%. This arrangement allows for an asymmetrically split flow pattern through the chamber and ensures that the tributary of the fluid flow interacts as strongly as possible with the surface of the column.
【0050】 図9を参照すると、コラムの適切な配置の特定例が与えられている。各列では
、隣接するコラム間の中心と中心の間隔は15μmである。コラムは、5列毎に
繰返されるパターンで配置されている。特に、上部の5列は、各々、前あるいは
次の列から6μmオフセットされている。下部の5列(6番目から10番目の列
)は上部の5つのパターンが繰り返えされ、第6番目の列と一番上の列が一直線
上に並ぶように配置されている。例えば、コラム32Aはコラム32Bと一直線
上にある。勿論、これがコラムの適切な配列の一例であり、本発明の範囲を限定
する意図はない。この説明から、好ましくは上述の一般的なガイドライン内で、
コラムが他の多くのパターンで配置され得ることは当業者には明らかである。Referring to FIG. 9, a specific example of a proper arrangement of columns is given. In each row, the center-to-center spacing between adjacent columns is 15 μm. The columns are arranged in a pattern that repeats every five rows. In particular, the top five rows are each offset 6 μm from the previous or next row. The lower five rows (sixth to tenth rows) repeat the upper five patterns, and the sixth and top rows are arranged in a straight line. For example, column 32A is in line with column 32B. Of course, this is an example of a suitable arrangement of columns, and is not intended to limit the scope of the invention. From this description, preferably within the general guidelines described above,
It will be apparent to those skilled in the art that the columns can be arranged in many other patterns.
【0051】 図10は、列中の2つの隣接するコラムの平面図である。コラム32は、好ま
しくは、コラムの表面と流体の接触を最大にする断面形状と大きさを持ち、同時
に流体がチャンバを通って滑らかに流れるように配慮されている。好ましい実施
形態においては、このコラムは、例えば図10に示すように、六画形の流線形状
をした細長い断面を持つコラムを作ることによって達成される。特に、コラム3
2は、それぞれ、断面長さLと断面幅Wの比が、好ましくは少なくとも2:1、
より好ましくは少なくとも4:1である。さらに、断面の長さLは、好ましくは
2から200μmの範囲の中にあり、断面の幅Wは、好ましくは0.2から20 μmの範囲の中にある。FIG. 10 is a plan view of two adjacent columns in a row. Column 32 preferably has a cross-sectional shape and size that maximizes fluid contact with the surface of the column while allowing for fluid to flow smoothly through the chamber. In a preferred embodiment, this is accomplished by making a column with a six-part streamlined elongated cross section, for example, as shown in FIG. In particular, column 3
2 each have a ratio of cross-sectional length L to cross-sectional width W of preferably at least 2: 1,
More preferably at least 4: 1. Furthermore, the length L of the cross section is preferably in the range from 2 to 200 μm, and the width W of the cross section is preferably in the range from 0.2 to 20 μm.
【0052】 一列に並んだ隣接するコラム間の間隙距離Sは、好ましくは、流体が過度の抵
抗を持つことなくコラム間を流れることができるように、出来るだけ小さい値が
選定される。一般的には、間隙距離Sは0.2から200μmの範囲であるが、 より好ましくは、2から20μmの範囲である。2から20μmの範囲は、チャ
ンバを通る流体流に過度の抵抗を引き起こすことなく、流体がコラムの表面と実
質的に接触するので、現在最も好まれている。隣接するコラム間の中心と中心の
間隔は、断面幅Wと間隙距離Sの合計であり、好ましくは、0.2から40μm の範囲内にある。The gap distance S between adjacent columns in a row is preferably chosen to be as small as possible so that fluid can flow between the columns without undue resistance. Generally, the gap distance S ranges from 0.2 to 200 μm, but more preferably ranges from 2 to 20 μm. The range of 2 to 20 μm is presently most preferred as the fluid substantially contacts the surface of the column without causing excessive resistance to fluid flow through the chamber. The center-to-center spacing between adjacent columns is the sum of the cross-sectional width W and the gap distance S, and is preferably in the range of 0.2 to 40 μm.
【0053】 図9における縦の寸法である抽出チャンバ26の長さは、好ましくは、100
から5,000μmの範囲の中にあり、より好ましくは、少なくとも1,000μ
mである。抽出チャンバ26の幅は、好ましくは、100から3,000μmの 範囲内である。流体ポート28と30とは、各々、好ましくは、少なくとも10
0μmの幅または直径を持つ。現在のところ、チャンバ26は、コラム32の配
列と流体ポート28,30とに対して十分な余裕を持つために、最小1,000μ
mの長さを持つことが好ましい。特に、チャンバ26の端部に流体ポート28, 30が加わわる開放空域を残し、コラム23の配列をチャンバ26の中央領域に
制限するのが目下のところ好ましい。この配置は、流体がコラム32の間に流れ
る以前において、チャンバ26に流れ込む流体の均一性を増大させる。The length of the extraction chamber 26, which is the vertical dimension in FIG. 9, is preferably 100
To 5,000 μm, more preferably at least 1,000 μm.
m. The width of the extraction chamber 26 is preferably in the range of 100 to 3,000 μm. Fluid ports 28 and 30 each preferably have at least 10
It has a width or diameter of 0 μm. At present, the chamber 26 has a minimum of 1,000 μm to allow sufficient room for the array of columns 32 and the fluid ports 28, 30.
It preferably has a length of m. In particular, it is presently preferred to limit the arrangement of columns 23 to the central region of chamber 26, leaving an open space at the end of chamber 26 where fluid ports 28, 30 are added. This arrangement increases the uniformity of the fluid flowing into chamber 26 before the fluid flows between columns 32.
【0054】 再び、図6を参照すると、例えばコラム32やチャンバ壁のようなチャンバ2
6の内表面は、核酸と結合親和力の強い材料で被覆される。適当な材料としては
、例えば、シリコンや二酸化けい素のようなシリコン誘導体、ポリマーやポリア
ミドのようなポリマー誘導体、核酸、或る種の金属、ポリペプチド、プロテイン
、多糖類が含まれる。Referring again to FIG. 6, the chamber 2 such as the column 32 or the chamber wall
The inner surface of No. 6 is coated with a material having a strong binding affinity to the nucleic acid. Suitable materials include, for example, silicon derivatives such as silicon and silicon dioxide, polymer derivatives such as polymers and polyamides, nucleic acids, certain metals, polypeptides, proteins, polysaccharides.
【0055】 ガラスの珪酸塩(SiO2)の特性は、核酸を攻撃して固化することができる 。シリコンが酸化されると、表面は同じような化学的な性質になる。このような
表面に対する非永続的な(非共有結合の)付着(吸着)は、典型的には、その表
面と捕獲される成分との間の弱い双極分子や水素結合あるいはイオン相互作用に
基づいている。これらの相互作用は、溶媒および/または表面のイオン特性にお
ける変化、熱、或いはその他の生理化学的な手段を介して、可逆的である。多く
の物質が、溶液中の溶媒と溶質との様々な相互作用を有するように、調整され得
る。ポリマーは、特定の相互力を与える活性表面郡を持つことができ、また、イ
オンまたは水素結合能力を与える共重合体またはドーパントを持つことができる
。あるポリマーは、可逆的な極性あるいは調整可能な伝導性を持つことができる
。人工または自然界のポリペプチドとプロテインは、同じように、溶質分子と様
々な相互作用を持つ能力を示す。金のような金属は、DNAを捕獲する能力を持
つことことが良く知られており、その電子特性の故に、溶質との相互作用を変化
できる。チャンバ26の内表面は、例えばウィルスからの特定配列のRNAやバ
クテリアからの特定配列のDNAなど、特に目標となる核酸と強い結合親和力の
ある材料で被覆されてもよい。これは、目標の核酸配列に対して相補する特定的
核酸配列で内表面を被覆することによって、成し遂げられる。これらの表面は装
置製造中あるいは使用直前に被覆される。The properties of glass silicates (SiO 2 ) can attack and solidify nucleic acids. When the silicon is oxidized, the surface will have similar chemical properties. Such non-permanent (non-covalent) attachment (adsorption) to a surface is typically based on weak dipolar or hydrogen bonding or ionic interactions between the surface and the component being captured. I have. These interactions are reversible through changes in the ionic properties of the solvent and / or surface, heat, or other physiochemical means. Many substances can be tailored to have various interactions between the solute and the solvent in the solution. The polymer can have a group of active surfaces that provide a particular mutual force, and can have a copolymer or dopant that provides ionic or hydrogen bonding capabilities. Certain polymers can have reversible polarity or tunable conductivity. Artificial or natural polypeptides and proteins similarly exhibit the ability to have various interactions with solute molecules. Metals such as gold are well known for their ability to capture DNA and, due to their electronic properties, can alter their interaction with solutes. The inner surface of the chamber 26 may be coated with a material having a strong binding affinity for a target nucleic acid, such as a specific sequence RNA from a virus or a specific sequence DNA from a bacterium, for example. This is accomplished by coating the inner surface with a specific nucleic acid sequence that is complementary to the target nucleic acid sequence. These surfaces are coated during device manufacture or shortly before use.
【0056】 微小流体装置20は、好ましくは、抽出チャンバ26を加熱するヒーターを含
んでいる。このヒーターは、チャンバから核酸を非常に効率的に放出するように
配慮されていて、大量の核酸が小さな容積の溶離流体に放出される。ヒーターは
核酸の捕獲を促進するために使用される。小さな容積のミクロチャンバでヒータ
ーを使用することの1つの利点は、最小限のエネルギーが装置を加熱するのに必
要とされることである。The microfluidic device 20 preferably includes a heater that heats the extraction chamber 26. The heater is designed to release nucleic acids from the chamber very efficiently, so that large quantities of nucleic acids are released into a small volume of eluent fluid. Heaters are used to facilitate nucleic acid capture. One advantage of using a heater in a small volume microchamber is that minimal energy is required to heat the device.
【0057】 一般に、ヒーターはチャンバ26を加熱するために適当な機構を備え、この加
熱機構には、抵抗型ヒーターあるいは可視光線や赤外線を伝える光学ヒーターあ
るいは電磁気ヒーターが含まれる。もし、装置20の本体が電気的に伝導性のあ
る物質から、好ましくはシリコンから製造されるならば、ヒーターは、チャンバ
26を形成する本体の一部に電圧を加えるために、電源と電極とを簡単に備える
ことができる。また、熱伝導性の高い物質は、加熱時間を短くし、要求される電
力を減少させ、温度を均一にする。この実施形態は、以下により詳細に記載され
る。Generally, the heater comprises a suitable mechanism for heating the chamber 26, which includes a resistive heater or an optical or electromagnetic heater that transmits visible or infrared light. If the body of device 20 is made of an electrically conductive material, preferably silicon, a heater may be provided with a power supply and electrodes to apply a voltage to a portion of the body forming chamber 26. Can be easily provided. In addition, a material having high thermal conductivity shortens the heating time, reduces the required power, and makes the temperature uniform. This embodiment is described in more detail below.
【0058】 好ましい実施形態では、ヒーターは、チャンバ26の底部壁に結合した抵抗型
加熱要素34を備えている。図8に示すように、抵抗型加熱要素34は、好まし
くは、基板22の底部表面にパターン化される金属または炭素またはポリシリコ
ンの薄膜である。この代替えとして、加熱要素は積層にされた加熱源を備えても
よい。上記積層にされた加熱源は、例えば、基板22に取付けられエッチングさ
れた箔膜加熱要素である。電気伝導性を有する結合パッド38A,38Bは、基 板22上でパターン化されて、加熱要素34の対向端部に電気的に接触する。In a preferred embodiment, the heater comprises a resistive heating element 34 coupled to the bottom wall of chamber 26. As shown in FIG. 8, the resistive heating element 34 is preferably a thin film of metal or carbon or polysilicon patterned on the bottom surface of the substrate 22. As an alternative, the heating element may comprise a stacked heating source. The stacked heating source is, for example, an etched foil film heating element attached to the substrate 22. Electrically conductive bonding pads 38A, 38B are patterned on the substrate 22 and make electrical contact with the opposite ends of the heating element 34.
【0059】 結合パッド38A,38Bとは、加熱要素34に電圧を印加するために電気リ ード線によって電源に接続される。好ましくは、例えばコンピューターまたはマ
イクロプロセッサーまたはマイクロコントローラのような適当にプログラムされ
たコントローラによって、電源の制御が行なわれる。上記コントローラは、幾つ
かの予め決められた時間/温度グラフを用いて、加熱要素34に供給される電力
量を変化させることによって、チャンバ26を制御するようにプログラムされて
いる。The bonding pads 38 A, 38 B are connected to a power supply by electrical leads for applying a voltage to the heating element 34. Preferably, the control of the power supply is performed by a suitably programmed controller such as, for example, a computer or microprocessor or microcontroller. The controller is programmed to control the chamber 26 by varying the amount of power supplied to the heating element 34 using a number of predetermined time / temperature graphs.
【0060】 微小流体装置は、好ましくは、抽出チャンバ26の温度を測定するために、コ
ントローラとつながる1個以上の温度センサーを含む。一般的に、温度センサー
は、サーモカップル、抵抗型温度計、サ−ミスター、IC温度センサー、クオー
ツ温度計など、温度を測定するための適切な装置である。これに代わって、加熱
要素34の抵抗温度係数は、温度を示す抵抗値を測定することによって、チャン
バ温度を監視し、熱の投入量を制御する手段として使用される。The microfluidic device preferably includes one or more temperature sensors that communicate with the controller to measure the temperature of the extraction chamber 26. Generally, a temperature sensor is a suitable device for measuring temperature, such as a thermocouple, a resistance thermometer, a thermistor, an IC temperature sensor, a quartz thermometer, and the like. Alternatively, the temperature coefficient of resistance of the heating element 34 is used as a means of monitoring the chamber temperature and controlling the heat input by measuring a resistance value indicative of the temperature.
【0061】 好ましい実施形態では、温度センサーは電気伝導性材料のストリップ(細長片
)36を備え、ストリップ36は基板22上にパターン化されている。ストリッ
プ36は、材料の温度に依って変化する電気抵抗を持つ材料から成っていて、ス
トリップ36の抵抗を監視することによって、チャンバ26の温度が監視される
。また、電気伝導性のある結合パッド40A,40Bが、基板22上にパターン 化されて、センサーストリップ36の対向端部に電気的に接触する。In a preferred embodiment, the temperature sensor comprises a strip 36 of electrically conductive material, which is patterned on the substrate 22. Strip 36 is made of a material having an electrical resistance that varies depending on the temperature of the material, and by monitoring the resistance of strip 36, the temperature of chamber 26 is monitored. Also, electrically conductive bonding pads 40A, 40B are patterned on the substrate 22 to make electrical contact with the opposing ends of the sensor strip 36.
【0062】 代替えの実施形態では、基板22は、基板にパターン化された付加的な結合パ
ッド42を持ち、基板22にバルク接触を提供している。このバルク接触は、核
酸を誘引および/または溶離する電圧で、チャンバの内部吸着表面を帯電するの
に使用される。抵抗型加熱要素とセンサーストリップと結合パッドを形成する適
当な金属には、アルミニウムと金と銀と銅とタングステンとが含まれる。In an alternative embodiment, substrate 22 has additional bond pads 42 patterned on the substrate to provide bulk contact to substrate 22. This bulk contact is used to charge the interior adsorption surface of the chamber at a voltage that attracts and / or elutes the nucleic acids. Suitable metals that form the bond pads with the resistive heating elements, sensor strips, include aluminum, gold, silver, copper, and tungsten.
【0063】 結合パッド40A,40Bは、電気導線によってコントローラに接続される。 コントローラは、好ましくは、センサーストリップ36の抵抗値に依って、加熱
要素34に供給される電力量を調整するようにプログラムされる。こうして、コ
ントローラと電源と加熱要素と温度センサーとは、チャンバ26の温度を制御す
るための閉回路温度制御システムを形成する。閉回路システムが目下のところ好
まれるが、代替えの実施形態では、温度センサーを除去してもよく、また、装置
は開回路形式で作動してもよい。さらに、例えば、1つ以上のマイクロプロセッ
サとマルチプレキサ(多重チャンネル)と電力制御回路構成要素とセンサー回路
構成要素とを有するプロセッシングエレクトロニクスが、装置に含まれてもよく
、或いは装置本体外に配置されて装置本体と接続されてもよい。[0063] The bonding pads 40A, 40B are connected to the controller by electrical leads. The controller is preferably programmed to adjust the amount of power provided to the heating element 34 depending on the resistance of the sensor strip 36. Thus, the controller, power supply, heating element and temperature sensor form a closed circuit temperature control system for controlling the temperature of chamber 26. While a closed circuit system is presently preferred, in alternative embodiments the temperature sensor may be eliminated and the device may operate in an open circuit fashion. Further, processing electronics having, for example, one or more microprocessors, a multiplexer (multi-channel), power control circuit components, and sensor circuit components may be included in the device, or located outside the device body. May be connected to the apparatus main body.
【0064】 本発明の微小流体装置は、好ましくは、流体試料の処理と分析のためのカート
リッジまたはこれと同類の装置と組合せて使用される。微小流体装置が使用され
得る適当なカートリッジは、1997年12月24日に出願された米国特許出願
第08/998,188号に開示されている。この開示内容は、言及によってこ こに組み込まれる。The microfluidic device of the present invention is preferably used in combination with a cartridge or similar device for processing and analyzing a fluid sample. A suitable cartridge in which a microfluidic device can be used is disclosed in US patent application Ser. No. 08 / 998,188, filed Dec. 24, 1997. This disclosure is incorporated herein by reference.
【0065】 図12は、カートリッジ101の例を示し、このカートリッジとともに本発明
の微小流体装置が使用されている。この例では、カートリッジ101は、生物学
上の液体試料を処理し、例えばポリメラーゼ連鎖反応(PCR)によって核酸を
拡大するように設計されている。カートリッジ101は、流体試料をカートリッ
ジに導びく試料ポート103と、溶解試薬を貯蔵する貯蔵サイト109と、洗浄
試薬を貯蔵する貯蔵サイト125とを含んでいる。また、カートリッジは、流体
試料を溶解するための溶解サイト107と、流体試料がフィルタと接触して試料
から有機堆積物や細胞を取り除くフィルタサイト119と、溶離流体を貯蔵する
ための貯蔵サイト127とを含んでいる。FIG. 12 shows an example of the cartridge 101, and the microfluidic device of the present invention is used together with the cartridge. In this example, the cartridge 101 is designed to process a biological fluid sample and expand the nucleic acid, for example, by the polymerase chain reaction (PCR). The cartridge 101 includes a sample port 103 for conducting a fluid sample to the cartridge, a storage site 109 for storing a lysing reagent, and a storage site 125 for storing a washing reagent. The cartridge also includes a lysis site 107 for lysing the fluid sample, a filter site 119 for the fluid sample to contact the filter to remove organic deposits and cells from the sample, and a storage site 127 for storing the eluted fluid. Includes
【0066】 カートリッジは、好ましくは、微小流体装置20を収容する窪みまたは凹部ま
たはへこみと共に製造される。装置20はカートリッジ101に挿入されて、装
置の入口ポートが溶解サイト107やフィルタサイト119といった1つ以上の
前処理サイトと流体で繋がる。装置20の出口ポートは、廃棄サイト139およ
びPCR試薬の入った試薬サイト141と流体で繋がる。試薬サイト141は、
PCRの増幅と検出のためのPCR反応サイト143と流体で繋がっている。The cartridge is preferably manufactured with a recess or recess or dent that houses the microfluidic device 20. The device 20 is inserted into the cartridge 101 such that the inlet port of the device is in fluid communication with one or more pretreatment sites, such as the lysis site 107 and the filter site 119. The outlet port of the device 20 is in fluid communication with the waste site 139 and the reagent site 141 containing the PCR reagent. The reagent site 141
It is fluidly connected to a PCR reaction site 143 for PCR amplification and detection.
【0067】 カートリッジ101は、好ましくは、カートリッジを通る流体の流れを制御す
るために、流体ダイオードまたは流体バルブのような流れコントローラ123を
含んでいる。カートリッジ101は、また、好ましくは、様々な溝とサイトにお
ける流体の存在を検知する抵抗型センサー115を含んでいる。また、カートリ
ッジ101は、流体をカートリッジに強制的に流す外部流体動力源を含むか或い
は連結されている。一般的に、流体動力源は、流体をカートリッジに強制的に流
す適当な機構を備える。その機構にはポンプや空気圧源や吸引装置が含まれてい
る。図12の実施形態では、流体動力源は、サイト103,109,125,12 7に配置された複数の電解ポンプあるいは流体充満ポーチを備え、流体充満ポー
チは空気圧や機械的圧力や油圧によって空にされる。The cartridge 101 preferably includes a flow controller 123 such as a fluid diode or fluid valve to control the flow of fluid through the cartridge. Cartridge 101 also preferably includes resistive sensors 115 that detect the presence of fluid in various grooves and sites. The cartridge 101 also includes or is connected to an external fluid power source that forces fluid through the cartridge. Generally, the fluid power source comprises a suitable mechanism for forcing fluid through the cartridge. The mechanism includes a pump, a pneumatic source and a suction device. In the embodiment of FIG. 12, the fluid power source comprises a plurality of electrolytic pumps or fluid-filled pouches located at sites 103, 109, 125, 127, the fluid-filled pouch being emptied by pneumatic, mechanical, or hydraulic pressure. Is done.
【0068】 また、カートリッジ101は、例えば、1以上のマイクロプロセッサとマルチ
プレキサと電力制御回路とセンサー回路などのプロセッシングエレクトロニクス
151を含んでいて、カートリッジおよび微小流体装置20の作動を制御する。
プロセッシングエレクトロニクス151は、電気リード線147によってカート
リッジ内の様々なサイトと貯蔵領域とポンプとセンサと溝とに接続されている。
特に、リード線147はプロセッシングエレクトロニクス151を微小流体装置
20の結合パッドに接続して、装置内の抽出チャンバの温度が正確に制御される
。The cartridge 101 includes, for example, one or more microprocessors, a multiplexer, a power control circuit, and processing electronics 151 such as a sensor circuit, and controls the operation of the cartridge and the microfluidic device 20.
Processing electronics 151 are connected by electrical leads 147 to various sites and storage areas, pumps, sensors and channels in the cartridge.
In particular, the leads 147 connect the processing electronics 151 to the bonding pads of the microfluidic device 20 so that the temperature of the extraction chamber in the device is precisely controlled.
【0069】 図12では、プロセッシングエレクトロニクス151はカートリッジ101の
上に物理的に配置されているが、プロセッシングエレクトロニクスは、カートリ
ッジの外部、例えば、カートリッジ101が挿入される大きなプロセッシング器
械の中に配置され得ることを理解されねばならない。この実施形態では、カート
リッジ101は、好ましくは、薄いカード状の部分を含んでいて、カートリッジ
を器械内の嵌合コネクタに電気的に接続する。嵌合コネクタは、プリント回路基
板に使用される標準エッジコネクタと同様じようなものである。この代わりに、
カートリッジのインストルメント(器械)へのデータリンクは他のものでもよく
、例えば無線周波数リンクや赤外線リンクのようなものであってよい。In FIG. 12, the processing electronics 151 is physically located on the cartridge 101, but the processing electronics may be located outside the cartridge, for example, in a large processing instrument into which the cartridge 101 is inserted. It must be understood. In this embodiment, the cartridge 101 preferably includes a thin card-like portion to electrically connect the cartridge to a mating connector in the instrument. Mating connectors are similar to standard edge connectors used on printed circuit boards. Instead,
The data link to the instrument of the cartridge may be other, such as a radio frequency link or an infrared link.
【0070】 作動中に、核酸を含む流体試料は、カートリッジの試料ポート103に加えら
れ、(例えば、電解ポンプまたは機械的なポンプを用いて)強制的かつ連続的に
溝105に流されて、溶解サイト107に至る。同時に、溶解試薬が貯蔵サイト
109から放出され、強制的かつ連続的に溝111に流されて、溶解サイト10
7に至る。適切な溶解試薬には、例えば、グアニジン塩化水素、グアニジンチオ
シアン酸塩、グアニジンイソチオシアン酸塩、ヨー化ナトリウム、尿素、過塩素
酸ナトリウム、臭化カリウムといった攪乱塩入りの溶液が含まれている。In operation, a fluid sample containing nucleic acids is applied to the sample port 103 of the cartridge and forced (continuously, eg, using an electrolytic pump or a mechanical pump) to flow through the channel 105, The dissolution site 107 is reached. At the same time, the lysis reagent is released from the storage site 109 and is forced and continuously flowed into the groove 111 to cause the
Reaches 7. Suitable lysis reagents include, for example, solutions with disturbing salts such as guanidine hydrogen chloride, guanidine thiocyanate, guanidine isothiocyanate, sodium iodide, urea, sodium perchlorate, potassium bromide.
【0071】 溝105と111の中をそれぞれ移動する流体試料および溶解試薬は、抵抗型
センサー115によって検出される。溶解試薬が、溶解サイト107を流れる流
体試料と接触するとき、流体試料中に存在する細胞は溶解する。流体試料と溶解
試薬とは続いてフィルタサイト119に流入し、フィルタサイト119において
、試料がフィルタと接触して小片は流体試料から除去される。流体試料と溶解試
薬とは、フィルタサイト119から溝121に行き、強制的かつ連続的に微小流
体装置20に流される。The fluid sample and the lysing reagent moving in the grooves 105 and 111, respectively, are detected by the resistance type sensor 115. When the lysing reagent contacts the fluid sample flowing through the lysis site 107, the cells present in the fluid sample lyse. The fluid sample and the lysing reagent subsequently flow into the filter site 119, where the sample contacts the filter and debris is removed from the fluid sample. The fluid sample and the lysing reagent go from the filter site 119 to the groove 121 and are forcibly and continuously passed through the microfluidic device 20.
【0072】 図9を再び参照すると、流体試料と溶解試薬が抽出チャンバ26を貫流すると
き、流体試料中の核酸はチャンバ壁とコラム32の表面に付着し、一方過剰な物
質は出口ポート30を通ってチャンバ26から流出する。チャンバ26を通る流
体試料の流速は、好ましくは、0.1〜50μL/secの範囲である。図12 を再び参照すると、装置20内に存在する流体試料と溶解試薬とは、溝135を
流れて、流れコントローラ41Aを通り、溝136を通って廃棄サイト139に
至る。他の実施形態では、流体試料は、チャンバを貫流した後、再度方向付けら
て追加の回数だけチャンバを再循環する。Referring again to FIG. 9, as the fluid sample and the lysing reagent flow through the extraction chamber 26, nucleic acids in the fluid sample adhere to the chamber walls and the surface of the column 32, while excess material exits the outlet port 30. And flows out of the chamber 26. The flow rate of the fluid sample through the chamber 26 is preferably in the range of 0.1 to 50 μL / sec. Referring again to FIG. 12, the fluid sample and the lysing reagent present in the device 20 flow through the channel 135, through the flow controller 41A, through the channel 136 to the waste site 139. In other embodiments, the fluid sample flows through the chamber and then is redirected and recirculated through the chamber an additional number of times.
【0073】 流体試料が装置20に強制的に流された後、貯蔵サイト125中の洗浄試薬は
溝129に流されて、装置20に流れ込む。好ましい洗浄流速は、約0.5〜5 0μL/secである。溝121、129、131内の流れコントローラ123
は、流体がカートリッジ内で上流側に流れるのを防止する。洗浄試薬は、装置2
0の内部吸着表面上から、攪乱塩のような残留汚染物質を洗い落す。変化するp
Hと溶媒成分とイオン力の種々適切な洗浄溶液が、この目的に使用されており、
それらの洗浄溶液は当該技術では周知となっている。例えば、適切な洗浄試薬の
一つは、80mM酢酸カリウムと8.3mM三重塩化水素とpH7.5の40uM
エチレンジアミン四酢酸と55%エタノールとの溶液である。洗浄試薬は、続い
て、流れコントローラ41Aを通って廃棄サイト139に流れ込む。After the fluid sample has been forced into the device 20, the cleaning reagent in the storage site 125 is flushed into the channel 129 and flows into the device 20. A preferred wash flow rate is about 0.5-50 μL / sec. Flow controller 123 in grooves 121, 129, 131
Prevents fluid from flowing upstream in the cartridge. The cleaning reagent is supplied to the device 2
Wash off residual contaminants, such as disturbing salts, from the zero internal adsorption surface. Changing p
Various suitable cleaning solutions of H, solvent components and ionic forces have been used for this purpose,
These cleaning solutions are well known in the art. For example, one suitable washing reagent is 80 mM potassium acetate, 8.3 mM trihydrochloride, and 40 uM pH 7.5.
It is a solution of ethylenediaminetetraacetic acid and 55% ethanol. The washing reagent then flows through flow controller 41A to waste site 139.
【0074】 上記装置20を洗浄した後、貯蔵サイト127からの溶離流体は、強制的に溝
131に流れされ、上記装置20に通される。そして、核酸は抽出チャンバの内
部表面から溶離流体の中に放出される。この時点で、流れコントローラ41A, 41Bは変更されて、溶離流体が流れコントローラ41Aを通って流れるのを防
止し、溶離流体が流れコントローラ41Bを通って試薬サイト141内に流れ込
む。装置20を通る溶離流体の流速は、好ましくは、0.1〜1μ/secの範 囲内にある。溶離流体の流速は流体試料の速度と比較して比較的遅く、より多く
の核酸がチャンバから放出されるよう考慮されている。After cleaning the device 20, the elution fluid from the storage site 127 is forced to flow into the groove 131 and pass through the device 20. The nucleic acids are then released from the inner surface of the extraction chamber into the elution fluid. At this point, the flow controllers 41A, 41B have been modified to prevent elution fluid from flowing through the flow controller 41A and allow the elution fluid to flow into the reagent site 141 through the flow controller 41B. The flow rate of the elution fluid through the device 20 is preferably in the range of 0.1-1 μ / sec. The flow rate of the elution fluid is relatively slow compared to the fluid sample velocity, allowing for more nucleic acid to be released from the chamber.
【0075】 一般的に、適当な溶離流体が装置20から核酸を溶離するのに使用される。こ
のような溶離流体は当該技術においては周知である。例えば、溶離流体は分子グ
レードの純水あるいは緩衝溶液をからなる。緩衝溶液は、限定されるものではな
いが、TRIS/EDTAとか、例えば4mMトリスアセテート(pH7.8) と0.1mM EDTAと50mM塩化ナトリウムとのTRIS/アセテート/E
DTAとか、TRIS/ホウ酸塩とか、TRIS/ホウ酸塩/EDTAとか、リ
ン酸カリウム/DMSO/グリセロールとか、NaCL/TRIS/EDTAと か、NaCL/TRIS/EDTA/TWEENとか、TRIS/NaCL/TW
EENとか、リン酸塩緩衝剤とか、TRIS緩衝剤とか、HEPES緩衝剤とか
、核酸拡大緩衝剤とか、核酸交雑緩衝剤とかの溶液を含む。Generally, a suitable elution fluid is used to elute nucleic acids from device 20. Such elution fluids are well-known in the art. For example, the elution fluid comprises molecular grade pure water or a buffer solution. The buffer solution may be, but is not limited to, TRIS / EDTA or, for example, TRIS / acetate / E of 4 mM Tris acetate (pH 7.8), 0.1 mM EDTA and 50 mM sodium chloride.
DTA, TRIS / borate, TRIS / borate / EDTA, potassium phosphate / DMSO / glycerol, NaCL / TRIS / EDTA, NaCL / TRIS / EDTA / TWEEN, TRIS / NaCL / TW
Includes solutions of EEN, phosphate buffer, TRIS buffer, HEPES buffer, nucleic acid expansion buffer, nucleic acid hybridization buffer.
【0076】 溶離流体を装置20に強制的に流す前に、中間的な空気間隙段階が随意に行な
われる。ガスは、好ましくは空気は、強制的に装置20に通って流される。これ
は、洗浄溶液を装置に流した後に、且つ溶離流体が装置に流す前に行なわれる。
空気間隙段階は、液相を明確に分離するものであり、また、溶離前に残留する洗
浄溶液のチャンバを少なくとも実質的に乾燥させるのに役立つ。Prior to forcing the elution fluid through device 20, an intermediate air gap stage is optionally performed. The gas, preferably air, is forced through the device 20. This is done after the washing solution has flowed into the device and before the eluent fluid has flowed into the device.
The air gap stage clearly separates the liquid phase and also helps to at least substantially dry the chamber of the remaining washing solution before elution.
【0077】 装置20の抽出チャンバは、好ましくは、溶離流体が装置に強制的に流される
ときに加熱されて、溶離効率を増大させる。以前に記載したように、この加熱は
、好ましくは、プロセッシングエレクトロニクス151の制御下で、閉回路フィ
ードバックシステムにおいて装置20の抵抗型加熱要素に電力を供給することに
よって行われる。The extraction chamber of device 20 is preferably heated as the elution fluid is forced through the device to increase elution efficiency. As previously described, this heating is preferably performed by powering the resistive heating element of device 20 in a closed circuit feedback system under the control of processing electronics 151.
【0078】 好ましい実施形態では、チャンバの内部表面は、溶離流体がチャンバ1に流れ
るときに、60度Cから95度Cの範囲の温度に加熱される。In a preferred embodiment, the inner surface of the chamber is heated to a temperature in the range of 60 ° C. to 95 ° C. as the eluting fluid flows into chamber 1.
【0079】 核酸を含む溶離流体は、装置20を出て溝135に移動し、試薬サイト141
に至る。溶離流体と核酸は、サイト141に入れられた乾燥PCR試薬と接触し
、再構成される。そして、溶離流体と核酸とPCR試薬は、続いて、PCRの拡
大と検出のために反応サイト143に流入する。代替えの実施形態では、溶離流
体は既にPCR試薬を含んでいるので、サイト141で試薬を乾燥させる必要は
ない。通気孔145は、廃棄サイト139と繋がっていて、反応サイト143は
処理中にガスの放出ができる。The elution fluid containing nucleic acids exits the device 20 and travels into the groove 135 where the reagent site 141
Leads to. The elution fluid and the nucleic acid come into contact with the dried PCR reagent contained in site 141 and are reconstituted. Then, the elution fluid, the nucleic acid and the PCR reagent subsequently flow into the reaction site 143 for PCR expansion and detection. In an alternative embodiment, it is not necessary to dry the reagent at site 141 because the elution fluid already contains the PCR reagent. The vent 145 is connected to the waste site 139, and the reaction site 143 can release gas during processing.
【0080】 好ましい実施形態の貫流装置の利点は、例えば数ミリリットル以上の比較的大
きな容積の流体試料からの核酸を、例えば25μL以下のはるかに小さな容積の
溶離流体中に濃縮させることができる。従来の微小流体装置は流体試料の容積を
マイクロリットルの丸い塊りに限定するが、この従来の微小流体装置とは対照的
に、本発明の装置は、ミリリットルの量の流体試料から核酸を効率的に抽出し、
核酸を溶離してマイクロリットルの量の溶離液にすることによって並はずれた濃
縮率を可能にしている。An advantage of the flow-through device of the preferred embodiment is that nucleic acids from a relatively large volume of fluid sample, eg, a few milliliters or more, can be concentrated into a much smaller volume of eluent fluid, eg, 25 μL or less. Whereas conventional microfluidic devices limit the volume of a fluid sample to microliter round masses, in contrast to this conventional microfluidic device, the device of the present invention efficiently converts nucleic acids from milliliter volumes of fluid sample. Extracted,
Exceptional enrichment rates are possible by eluting the nucleic acids into microliter volumes of eluent.
【0081】 特に、装置を強制的に流された流体試料の容積と抽出チャンバの最大収容容積
との比は、好ましくは少なくとも2:1であり、より好ましくは少なくとも10
:1である。好ましい実施形態では、抽出チャンバは、0.1から25μLの範 囲の最大収容容積を持つ。装置を強制的に流れる流体試料の容積は、0.5から 500mLの範囲にあって、100以上の濃縮率を可能にする。例えば、この装
置では、1mLの流体試料から核酸が捕獲されて、10μL以下の溶離流体中に
濃縮される。これらのパラメータは、好ましい実施形態の具体例であって、本発
明の範囲を限定しようとするものではない。代替えの実施形態では、抽出チャン
バの最大収容容積および処理される流体試料の容積は、特定の用途に装置を調整
するために変化され得る。In particular, the ratio of the volume of the fluid sample forced through the device to the maximum capacity of the extraction chamber is preferably at least 2: 1 and more preferably at least 10: 1.
: 1. In a preferred embodiment, the extraction chamber has a maximum holding volume in the range of 0.1 to 25 μL. The volume of fluid sample forced through the device is in the range of 0.5 to 500 mL, allowing a concentration of 100 or more. For example, in this device, nucleic acids are captured from a 1 mL fluid sample and concentrated in 10 μL or less of the eluted fluid. These parameters are specific examples of preferred embodiments and are not intended to limit the scope of the present invention. In an alternative embodiment, the maximum holding volume of the extraction chamber and the volume of the fluid sample to be processed can be varied to tailor the device for a particular application.
【0082】 好ましい実施形態の微小流体装置のもう1つの利点は、チャンバの内部吸着表
面の急速直接加熱が考慮されていることである。チャンバ壁およびコラム構造の
一体性と高い熱伝導性は、チャンバ内の流体の加熱を要することなく、加熱要素
から吸着表面へ直接的かつ急速な熱移動を引き起こす。この効率の改善は、加熱
に要する電力の減少のみならず、加熱速度および加熱精度あるいは正確さという
点で重要である。特に、核酸が結合する内部表面の急速かつ直接的な加熱は、核
酸の溶離度と溶離効率を著しく増大させ、従来技術の方法や装置に重要な改善を
もたらす。Another advantage of the microfluidic device of the preferred embodiment is that rapid direct heating of the interior adsorption surface of the chamber is considered. The integrity and high thermal conductivity of the chamber wall and column structure cause a direct and rapid heat transfer from the heating element to the adsorption surface without requiring heating of the fluid in the chamber. This improvement in efficiency is important not only in reducing the power required for heating, but also in terms of heating rate and heating accuracy or accuracy. In particular, the rapid and direct heating of the interior surface to which the nucleic acids bind binds significantly increases the elution and elution efficiency of the nucleic acids and provides significant improvements over prior art methods and devices.
【0083】 好ましい実施形態の微小流体装置の利点は、微小流体装置が、一体に形成され
た微小構造の配列を含んで、好ましくは高アスペクト比のコラムを含んで、流体
試料から核酸を分離する際に、高い効率と制御とを提供していることである。吸
着表面の直接かつ急速な加熱に加えて、この微小構造は、核酸を補足し溶離させ
るチャンバ有効表面積を著しく増大させる。さらに、この微小構造体の形状と配
置は、ビードやフィルタや膜に比較して、流体処理中に流体試料または核酸が装
置の中に補足される可能性を増大させる。An advantage of the microfluidic device of the preferred embodiment is that the microfluidic device includes an array of integrally formed microstructures, preferably including a high aspect ratio column, to separate nucleic acids from a fluid sample. In that case, it provides high efficiency and control. In addition to the direct and rapid heating of the adsorption surface, this microstructure significantly increases the effective surface area of the chamber for capturing and eluting nucleic acids. In addition, the shape and arrangement of the microstructures, compared to beads, filters, and membranes, increase the likelihood that fluid samples or nucleic acids will be trapped in the device during fluid processing.
【0084】 さらに、規則的に間隔の開いたコラムを用いて、コラム間の拡散距離は一定で
あって、均一な流体流が存在する。したがって、核酸は、不揃いな特性をもつビ
ードや繊維とは対照的に、同一「微小環境」に晒される。この均一性が、各処理
段階に必要な時間、流速、加熱量、流体容積などを含む抽出パラメータの予知を
可能にしている。さらに、内部構造の配列を用いることによって得られる効率の
増大、および、吸着面の急速かつ直接的な加熱によって得られる効率の増大は、
チャンバを通る流体の比較的高い流速で、効率的な核酸の抽出と溶離を可能にし
ている。これは、抽出と溶離に要する全時間を減少させる。Further, with regularly spaced columns, the diffusion distance between the columns is constant and a uniform fluid flow exists. Thus, nucleic acids are exposed to the same "microenvironment", as opposed to beads or fibers with irregular properties. This uniformity allows for prediction of extraction parameters including the time, flow rate, heating volume, fluid volume, etc. required for each processing step. In addition, the increased efficiency obtained by using an array of internal structures, and the increased efficiency obtained by rapid and direct heating of the adsorption surface,
The relatively high flow rate of the fluid through the chamber allows efficient nucleic acid extraction and elution. This reduces the overall time required for extraction and elution.
【0085】 さらには、装置20を少し変化させたものは、溶液またはエマルジョンから核
酸を選択的に抽出するのに使用され得る。下に伝導体を持つシリコン−ガラスを
ベースにした薄厚絶縁体は、本質的に、分離装置として役立つ。絶縁体の厚みは
1〜1,000μmである。直流電圧(0.1〜100V)が伝導体に印加される
。流体試料内の核酸はガラス表面に選択的に誘引され、続いて核酸がガラス表面
から容離される。Further, a slight variation of device 20 can be used to selectively extract nucleic acids from a solution or emulsion. Thin insulators based on silicon-glass with conductors underneath serve essentially as separators. The thickness of the insulator is 1 to 1,000 μm. A DC voltage (0.1 to 100 V) is applied to the conductor. The nucleic acids in the fluid sample are selectively attracted to the glass surface, and subsequently the nucleic acids are separated from the glass surface.
【0086】 一実施形態では、装置は抽出チャンバを含み、抽出チャンバは単一の基板から
作られた垂直コラムを有しており、垂直コラムは電気的にも物理的にも均一のも
のである。コラムは二酸化けい素の薄層で被覆されている。基板は、その上にパ
ターン化された結合パッドを有して、基板にオーミック接触を与える。オーミッ
ク接触は第1の電極として機能し、装置はさらに第2の電極を、好ましくはチャ
ンバに配置されたワイヤを含んで、流体試料と電気的な接触を行なう。電極は、
核酸を誘引および/または溶離する電圧で、流体試料に対してチャンバの内部吸 着面を帯電させるために使用される。In one embodiment, the apparatus includes an extraction chamber, wherein the extraction chamber has vertical columns made from a single substrate, wherein the vertical columns are electrically and physically uniform. . The column is covered with a thin layer of silicon dioxide. The substrate has patterned bond pads thereon to provide ohmic contact to the substrate. The ohmic contact functions as a first electrode, and the device further includes a second electrode, preferably a wire disposed in the chamber, for making electrical contact with the fluid sample. The electrodes are
Used to charge the internal sorbent surface of the chamber to the fluid sample at a voltage that attracts and / or elutes nucleic acids.
【0087】 試料が装置を貫いて流れるときに、電圧が電極間に印加され、制御された密度
の表面電荷が形成されてチャンバの内部表面を均一に覆う。緩衝溶液および担体
溶液の成分は、標的巨大分子の正味電荷と同様に、コラム表面の電荷分布を制御
するために変更され得る。例えば、微小構造体の表面における電荷の深さと密度
は、流体のpHとイオン力によって著しく影響を受ける。例えば、標的と共に溶 けている両性電解質と両性イオンと大量の巨大分子を使用することによって、あ
るいは、二重電気泳動におけるように、複数の印加される電圧をパルスさせるこ
とによって目標成分の吸着は増大する。後者の方法は、試料または洗浄溶液が流
れている間に、より強力に結合した標的成分から弱い結合の非標的混合物を分離
するために使用される。As the sample flows through the device, a voltage is applied between the electrodes and a controlled density of surface charge is formed to uniformly cover the interior surface of the chamber. The components of the buffer and carrier solutions can be varied to control the charge distribution on the column surface, as well as the net charge of the target macromolecule. For example, the depth and density of charge on the surface of a microstructure is significantly affected by the pH and ionic force of the fluid. For example, by using amphoteric electrolytes and zwitterions and large amounts of macromolecules dissolved with the target, or by pulsing multiple applied voltages, as in double electrophoresis, the adsorption of the target component can be achieved. Increase. The latter method is used to separate weakly bound non-target mixtures from more strongly bound target components while the sample or wash solution is flowing.
【0088】 この代わって、交流電圧は、チャンバの内表面へのDNA(他の分子ではない
)の誘引および保持を促進する周波数に整調される。流体試料の全容積が装置を
通過した後、様々な洗浄溶液が装置に導入されて、緩く結合した不要物質を除去
する。pHや塩濃度の変化、あるいは洗浄剤や攪乱剤のような添加剤の使用は、
このような除去を増大させるのに使用される。溶離のために、少量の担体溶液が
この装置に導入される。電圧の極性は、(核酸を保持する)正から負に転換され
る。そして、核酸は、内部表面から放出され、非常に濃縮された丸塊となって装
置から流出する。内部表面から核酸を移動させる交流周波数が選択された二重電
気泳動を使用することによって、放出の効率は増大する。Instead, the alternating voltage is tuned to a frequency that promotes the attraction and retention of DNA (but not other molecules) to the inner surface of the chamber. After the entire volume of the fluid sample has passed through the device, various cleaning solutions are introduced into the device to remove loosely bound unwanted material. Changes in pH or salt concentration, or the use of additives such as detergents and disruptors,
Used to increase such removal. A small amount of carrier solution is introduced into the device for elution. The polarity of the voltage is switched from positive (which holds the nucleic acid) to negative. The nucleic acids are then released from the inner surface and flow out of the device as highly concentrated lumps. By using double frequency electrophoresis with an alternating frequency selected to transfer nucleic acids from the internal surface, the efficiency of release is increased.
【0089】 生物分析物の構造物への吸着または生物分析物の構造物からの放出は、装置に
超音波エネルギー伝達手段を付与することによって増大される。構造物は振動す
るように誘導されて、抽出工程では個々の分子とコラムとの間の接触頻度が増大
し、放出段階すなわち溶離段階では分子が構造体から剥ぎ取られる。加えて、圧
電性セラミックディスクが装置の外表面に結合される。このディスクに交流電圧
を印加することによって、撓みが起こり、微小構造体の配列が曲がる。共振時に
、構造物の動きは最大になる。小型の超音波ホーンを装置に組み込ませても、こ
の目的を達成することができる。The adsorption of bioanalyte to the structure or the release of bioanalyte from the structure is increased by providing the device with ultrasonic energy transfer means. The structure is induced to oscillate, the frequency of contact between the individual molecules and the column increases during the extraction process, and the molecules are stripped from the structure during the release or elution stage. In addition, a piezoelectric ceramic disc is bonded to the outer surface of the device. By applying an AC voltage to this disk, bending occurs, and the arrangement of the microstructures is bent. At resonance, the movement of the structure is maximized. This objective can be achieved by incorporating a small ultrasonic horn into the device.
【0090】 別の実施形態では、伝導性材料からなる別の一組みの反応構造物が、この装置
の中に含まれる。これらの反応構造物は、電気泳動パルスを引き起こす電極とし
て機能し、非伝導性であるが帯電した吸着表面に巨大分子が遭遇する確立を増大
させる。また、上記反応構造物は、非伝導性の構造物すなわちコラムの配列から
結合標的分子の除去を促進するのにも使用される。後者は、非伝導性キャパシタ
ンス電極の電圧極性の反転を同時に伴ってあるいは伴うことなく為され、また、
化学的に介在した脱着を伴ってあるいは伴うことなく為される。In another embodiment, another set of reactive structures of conductive material is included in the device. These reaction structures serve as electrodes for inducing electrophoretic pulses and increase the probability that macromolecules will encounter non-conductive but charged adsorption surfaces. The reaction structures are also used to facilitate the removal of bound target molecules from non-conductive structures, ie, columns. The latter is done with or without the reversal of the voltage polarity of the non-conductive capacitance electrode, and
Done with or without chemically mediated desorption.
【0091】 本発明の別の局面では、配位子結合方法が装置の構造体に使用される。特定の
分析物捕獲表面を形成するために、核酸やプロテインにような配位子結合部分が
、構造体の表面に能動的あるいは受動的に取付けられる。シランベースの化学反
応のような配位子結合化学反応が使用される。二重機能のリンカ(連鎖)が使用
され、内部表面に結合する一方の機能と、流体試料中の標的に結合する他方の機
能とを有する。次に、試験分析物の入った試料が装置に通され、分析物が配位子
で覆われた表面に結合する。続いて1以上の洗浄溶液で洗浄した後、配位子と分
析物の複合体を溶離することができる。代替として、レポート分子と共役な二次
的反分析物分子が装置に通され、この共役物が分析物によって補足される。この
複合体も溶離される。In another aspect of the invention, a ligand binding method is used for the structure of the device. Ligand binding moieties, such as nucleic acids and proteins, are actively or passively attached to the surface of the structure to form a particular analyte capture surface. Ligand binding chemistries such as silane-based chemistries are used. A dual function linker is used, with one function binding to the internal surface and the other function binding to a target in the fluid sample. Next, the sample containing the test analyte is passed through the device and the analyte binds to the ligand-covered surface. After subsequent washing with one or more washing solutions, the ligand-analyte complex can be eluted. Alternatively, a secondary anti-analyte molecule conjugated to the reporting molecule is passed through the device and the conjugate is captured by the analyte. This complex is also eluted.
【0092】 本発明の装置は、オレゴヌクレオチドおよびポリペプチドのようなバイオポリ
マーの連結合成物に対して有用である。連結合成物は、非常に多数の配列を装置
の中で合成させる。これは、別個にアドレスできる反応/抽出微小構造体におい
て、単量体を運搬、濃縮、反応させることによって、試薬と触媒を結合と非ブロ
ック化することによって行なわれる。このように使用することによって、装置の
能力を利用して、互いからそして近くの試薬から選択された微小構造体を絶縁す
る。The devices of the present invention are useful for linking compounds of biopolymers such as oligonucleotides and polypeptides. Ligation compounds allow a large number of sequences to be synthesized in the device. This is accomplished by transporting, concentrating, and reacting the monomers in a separately addressable reaction / extraction microstructure to bind and deblock reagents and catalysts. By using in this manner, the capabilities of the device are utilized to isolate selected microstructures from each other and from nearby reagents.
【0093】 好ましい実施形態の微小流体装置20は、フォトリソグラフィおよび/または
超微細機械加工を含む様々な技法を使用して製作される。製作は、好ましくは、
シリコン上またはガラスや二酸化けい素やプラスチックやセラミックスのような
他の適当な基板材料上で行なわれる。深部反応イオンエッチング(DRIE)を
使用して微小流体装置を製作する好ましい方法が、ここに記載される。The microfluidic device 20 of the preferred embodiment is fabricated using various techniques, including photolithography and / or micromachining. Fabrication is preferably
It is performed on silicon or on other suitable substrate materials such as glass, silicon dioxide, plastics and ceramics. A preferred method of fabricating a microfluidic device using deep reactive ion etching (DRIE) is described herein.
【0094】 ベース基板22のスターティング材料として、100mmのn型(100)の
0.1−0.2オームcm両側面研磨シリコンウエハが使用されている。ウエハの
厚みは、好ましくは、望まれる構造体に依って、350から600μmの範囲に
ある。装置を作る一実施例では、好ましくは、背面領域に0.2から5μmの深 さまで燐イオンを注入してオーミック接続がなされる。 代わりに、p型のシリコンウエハが使用されてもよく、オーミック接触はボロン
イオン注入を用いて行なわれる。注入の次は、基板を加熱してドーパントを活性
化させる。As the starting material of the base substrate 22, a 100 mm n-type (100) 0.1-0.2 ohm cm double-side polished silicon wafer is used. The thickness of the wafer is preferably in the range from 350 to 600 μm, depending on the desired structure. In one embodiment of making the device, the ohmic connection is preferably made by implanting phosphorous ions in the back region to a depth of 0.2 to 5 μm. Alternatively, a p-type silicon wafer may be used, and the ohmic contact is made using boron ion implantation. Subsequent to the implantation, the substrate is heated to activate the dopant.
【0095】 次に、ウエハは回転され、前面側に(例えば、シップレイ(Shipley)から入手 可能な)フォトレジストを使用して、DRIE処理をマスクするのに十分なフォ
トレジスト厚を得る。この厚みはエッチングの最終所望厚みに依る。シリコンエ
ッチング速度とフォトレジスト腐食速度との比は、典型的には50:1よりも大
きい。200μmの構造体をエッチングするには、通常、4μmのフォトレジス
トで十分である。フォトレジストは90度Cで約30分間ソフトベークされ、次
に、シリコンウエハ処理技術では周知のプロセスを使用して、所望のマスクパタ
ーンで露光され、現像され、ハードベイクされる。Next, the wafer is spun, using photoresist on the front side (eg, available from Shipley) to obtain a photoresist thickness sufficient to mask the DRIE process. This thickness depends on the final desired thickness of the etching. The ratio of silicon etch rate to photoresist erosion rate is typically greater than 50: 1. For etching 200 μm structures, 4 μm photoresist is usually sufficient. The photoresist is soft baked at 90 ° C. for about 30 minutes, then exposed, developed, and hard baked with the desired mask pattern using processes well known in the silicon wafer processing art.
【0096】 図11は、ウエハの前面側の試料マスクパターンを示す。エッチマスクは、チ
ャンバパターン44を定めて基板22内に抽出チャンバを形成し、コラムパター
ン46の配列を定めて基板内に対応するコラムの配列を形成する。図面サイズの
空間的な限定により、エッチマスクは数百のコラム46のみで図示されている。
しかしながら、配列は1,000から10,000のコラムパターンを含み、基板
22内に対応する数のコラムを形成する。FIG. 11 shows a sample mask pattern on the front side of the wafer. The etch mask defines a chamber pattern 44 to form an extraction chamber in the substrate 22 and defines an array of column patterns 46 to form a corresponding array of columns in the substrate. Due to the spatial limitations of the drawing size, the etch mask is shown with only a few hundred columns 46.
However, the arrangement includes 1,000 to 10,000 column patterns, forming a corresponding number of columns in substrate 22.
【0097】 次に、パターン化されたウエハは、DRIEプロセスを使用してエッチングさ
れ、抽出チャンバと一体型コラムを形成する。エッチングするのに有用な装置は
、カリフォルニア州レッドウッドのサーフェステクノロジーシステムから入手で
きる。DRIEプロセスは、誘電結合プラズマエッチングと、フッ素ベースの化
学薬品を使用した析出とを交互に用いる。エッチングされた構造体における20
:1のアスペクト比は、容易に達成される。エッチング速度は典型的には2μm
/分以上である。Next, the patterned wafer is etched using a DRIE process to form an integral column with the extraction chamber. Equipment useful for etching is available from Surface Technology Systems of Redwood, California. The DRIE process alternates between dielectrically coupled plasma etching and deposition using a fluorine-based chemical. 20 in the etched structure
An aspect ratio of 1: 1 is easily achieved. Etch rate is typically 2 μm
/ Min or more.
【0098】 エッチング後、残りのフォトレジストは、例えば酸素プラズマエッチングまた
は硫酸中での湿式化学ストリッピングによって、ウエハから除去される。次に、
基板は、チャンバの内部表面すなわちチャンバ壁およびコラム表面を酸化層で覆
うように酸化される。酸化層は、好ましくは1から100nmの厚みであり、例
えば、熱成長または化学成長または電気化学成長あるいは析出などの周知の技術
を使用して形成される。After etching, the remaining photoresist is removed from the wafer by, for example, oxygen plasma etching or wet chemical stripping in sulfuric acid. next,
The substrate is oxidized so as to cover the inner surface of the chamber, that is, the chamber wall and the column surface with an oxide layer. The oxide layer is preferably 1-100 nm thick and is formed using well-known techniques such as, for example, thermal or chemical or electrochemical growth or deposition.
【0099】 次に、例えばアルミニウムまたは金または銅などの電気的に伝導性のある材料
が、基板の背面側に析出されパターン化されて、抵抗型加熱要素と温度センサと
結合パッドを形成する。加熱要素およびセンサを形成するのに別の材料が使用さ
れてもよい。基板上の金属をパターン化する具体的な技術は、当該技術分野にお
いては周知になっている。次に、基板は、例えば500μmの薄いパイレックス
(登録商標)ガラスカバーに陽極結合される。このグラスカバーには、その中に
例えば超音波ミーリングによって孔が作られている。上記孔はチャンバへの流体
ポートを形成する。結合後、基板対は、ダイヤモンドソーを用いて、さいの目状
に切断される。その結果得られる構造は、図6に概略的に示される。Next, an electrically conductive material, such as, for example, aluminum or gold or copper, is deposited and patterned on the back side of the substrate to form resistive heating elements, temperature sensors, and bonding pads. Other materials may be used to form the heating elements and sensors. Specific techniques for patterning a metal on a substrate are well known in the art. The substrate is then anodically bonded to a thin Pyrex glass cover, for example, 500 μm. The glass cover has holes formed therein, for example, by ultrasonic milling. The hole forms a fluid port to the chamber. After bonding, the substrate pair is cut into dices using a diamond saw. The resulting structure is shown schematically in FIG.
【0100】 微小流体装置の正確な寸法と構造は、装置を特定な用途に適合させるように変
更される。本発明による可能な装置の特定例としては、次のものがある。この装
置は4.0mm平方で0.9mmの厚みがある。抽出チャンバは200μmの深さ
と2.8mmの長さおよび幅をもっている。流体ポートはそれぞれ0.4mmの幅
を持っている。装置は、チャンバ内に2.0mm×2.8mmの面積を占有する蜜
なコラムの配列を持っている。コラムは、200μmの高さと、50μmの断面 長さと、7μmの断面幅と、列になって隣接するコラム間の8μmの間隙距離と、
15μmの中心間の間隔とを持つ。その配列には、約7,000のコラムが存在す
る。勿論、これらの寸法は、代表的な一実施例であって、本発明の範囲を限定す
るものではない。代替の実施形態では、装置の各材料の特定寸法は、好ましくは
、本稿のはじめに記載した一般的な指針内で変化し得る。[0100] The exact size and structure of the microfluidic device will be varied to adapt the device to a particular application. Specific examples of possible devices according to the invention include: This device is 4.0 mm square and 0.9 mm thick. The extraction chamber has a depth of 200 μm and a length and width of 2.8 mm. The fluid ports each have a width of 0.4 mm. The apparatus has an array of honey columns occupying an area of 2.0 mm x 2.8 mm in the chamber. The columns have a height of 200 μm, a cross-sectional length of 50 μm, a cross-sectional width of 7 μm, a gap distance of 8 μm between adjacent columns in a row,
It has a center-to-center spacing of 15 μm. There are about 7,000 columns in the sequence. Of course, these dimensions are only representative examples, and do not limit the scope of the present invention. In alternative embodiments, the specific dimensions of each material of the device may preferably vary within the general guidelines set forth at the beginning of this document.
【0101】 本発明の微小流体装置との使用に適したカートリッジを製作するための特定技
術は、1997年12月24日出願された米国特許出願番号第08/998,1 88号に開示されている。例えば、カートリッジは少なくとも1つの射出成形ま たはプレス成形または機械加工されたポリマー部品から作られる。ポリマー部品
は、窪みまたは凹部またはへこみがその表面に作られて、幾つかの溝の壁と反応
サイトと貯蔵サイトとを形成する。射出成形または機械加工に適したポリマーの
例には、例えば、ポリカーボネイト、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチ
レン、アクリル、および市販の高分子化合物がある。第1の部分に対して形状が
補間的な第2の部分は、第1の表面に嵌合されて、カートリッジの残りの部分を
形成する。第2の部分または第3の部分は、カートリッジと電気的な接触をする
ためのプリント基板であってもよい。これらの技術を使用して、微小流体装置を
カートリッジの窪みの1つに組み込む。装置は、シリコン接着剤のような可撓性
のあるポリマーを塗って、カートリッジに取付けられる。これに代わって、装置
の流体ポートに孔を合わせてガスケットが作られ、密閉された流体アセンブリが
微小流体装置とカートリッジ本体との間に形成される。この装置は、ガスケット
材料に対して、しっかりプレスされ、装置上に別のプラスチック品を結合するこ
とによって密閉さて、装置は完全にカートリッジの中に被包される。A specific technique for making a cartridge suitable for use with the microfluidic device of the present invention is disclosed in US patent application Ser. No. 08 / 998,188 filed Dec. 24, 1997. I have. For example, the cartridge is made from at least one injection molded or press molded or machined polymer part. The polymer part has depressions or depressions or dents formed in its surface to form several groove walls, reaction sites and storage sites. Examples of polymers suitable for injection molding or machining include, for example, polycarbonate, polystyrene, polypropylene, polyethylene, acrylic, and commercially available polymeric compounds. A second portion, interpolated in shape with respect to the first portion, fits over the first surface to form the remaining portion of the cartridge. The second part or the third part may be a printed circuit board for making electrical contact with the cartridge. Using these techniques, the microfluidic device is incorporated into one of the recesses of the cartridge. The device is applied to the cartridge with a flexible polymer such as silicone adhesive. Alternatively, a gasket is made with the holes aligned with the fluid ports of the device, and a sealed fluid assembly is formed between the microfluidic device and the cartridge body. The device is pressed tightly against the gasket material and sealed by bonding another plastic article onto the device so that the device is completely encapsulated in the cartridge.
【0102】 代替として、装置は、ガスケットを使用することなく、カートリッジに直接溶
融または溶接される。特に有利な実施例では、カバーを形成するために例えばパ
イレックス(登録商標)ガラスの別の基板を使うのでなく、カートリッジの一部
が装置のカバーになる。この実施例では、基板22がカートリッジに挿入され、
カートリッジの壁に密封される。この壁は、その中に孔を持っていて、抽出チャ
ンバへの流体ポートを形成する。Alternatively, the device is melted or welded directly to the cartridge without using a gasket. In a particularly advantageous embodiment, rather than using a separate substrate of eg Pyrex glass to form the cover, part of the cartridge becomes the cover of the device. In this embodiment, the substrate 22 is inserted into the cartridge,
Sealed to the cartridge wall. This wall has a hole therein and forms a fluid port to the extraction chamber.
【0103】 図13は、本発明の代替えの実施形態を示していて、この実施形態では微小流
体装置は、頂部基板24でなくベース基板22に形成された流体ポート28,3 0を持つ。装置は、チャンバ26の内部表面を加熱するための電極48Aと48
Bを含んでいる。これらの電極は、好ましくは、抽出チャンバの底部壁23上の
対向する側に配置される。ベース基板22は、熱的に伝導性のある好ましくはシ
リコンから製造される。したがって、底部壁23および一体に形成されたコラム
は、電極48Aと48Bとに適当な電圧を印加することによって加熱される。好
ましい実施形態では、装置は、好ましくは、流体試料のための前処理サイトおよ
び/または後処理サイトとを持つカートリッジとの組合わせて使用される。カー トリッジは電極48Aと48Bに電力を供給するための適当な処理電極を含んで
いる。装置の作用は、チャンバ26の内部表面が電極48Aと48Bとに電圧を
印加することによって加熱される以外、上記の好ましい実施形態の作用に類似し
ている。底部壁23は、チャンバ26を加熱する抵抗型加熱要素として機能する
。FIG. 13 shows an alternative embodiment of the present invention, in which the microfluidic device has fluid ports 28, 30 formed in the base substrate 22 instead of the top substrate 24. The apparatus includes electrodes 48A and 48A for heating the interior surface of chamber 26.
B. These electrodes are preferably arranged on opposite sides on the bottom wall 23 of the extraction chamber. The base substrate 22 is made of thermally conductive, preferably silicon. Accordingly, the bottom wall 23 and the integrally formed column are heated by applying an appropriate voltage to the electrodes 48A and 48B. In a preferred embodiment, the device is preferably used in combination with a cartridge having a pre-treatment site and / or a post-treatment site for a fluid sample. The cartridge includes appropriate processing electrodes for powering electrodes 48A and 48B. The operation of the apparatus is similar to that of the preferred embodiment described above, except that the interior surface of chamber 26 is heated by applying a voltage to electrodes 48A and 48B. The bottom wall 23 functions as a resistive heating element for heating the chamber 26.
【0104】 図13の微小流体装置は、フォトリソグラフィおよび/または超微細機械加工 を含む様々なテクニックを使用して製造される。装置を製造するための好ましい
方法がここに記載される。The microfluidic device of FIG. 13 is manufactured using various techniques, including photolithography and / or micromachining. A preferred method for manufacturing the device is described herein.
【0105】 100mmのn型(100)シリコンウエハが、バース基板22のスターティ
ング材料として使用される。ウエハは、好ましくは、電極48A,48B間の所 望の最終的な抵抗に依って、1ないし100オーム-cmの抵抗率を持つ。ウエ ハの厚みは、好ましくは、所望の構造に依って350から600μmの範囲内に
ある。背面側に好ましくは0.2から5μmの深さまでの燐イオンの注入を用い てオーミック接続がなされる。この代わりに、p型のシリコンウエハが使用され
てもよく、また、オーミック接続はボロンイオン注入を使用して行なわれてもよ
い。注入の後は、ドーパントを活性化するために基板を加熱する。A 100 mm n-type (100) silicon wafer is used as a starting material for the berth substrate 22. The wafer preferably has a resistivity between 1 and 100 ohm-cm, depending on the desired final resistance between the electrodes 48A, 48B. The thickness of the wafer is preferably in the range from 350 to 600 μm, depending on the desired structure. The ohmic connection is made on the back side, preferably using implantation of phosphorous ions to a depth of 0.2 to 5 μm. Alternatively, a p-type silicon wafer may be used, and the ohmic connection may be made using boron ion implantation. After implantation, the substrate is heated to activate the dopant.
【0106】 次に、ウエハの背面側に、例えば窒化シリコンのような適当なマスキング材料
を析出し、パターニングを行い、このマスクを使用してシリコンを異方性エッチ
ングすることによって、流体ポート28と30が形成される。次に、ウエハは前
面側にフォトレジストでパターン化されて、DRIE処理のためのエッチマスク
を得る。図13に示すように、エッチマスクは、基板22に抽出チャンバを形成
するためのチャンバパターン44を定め、基板にコラムの配列を形成するための
コラムパターン46の配列を定める。パターン化されたウエハは、DRIE処理
を使用してエッチングされて、抽出チャンバと一体型コラムを形成する。ウエハ
は十分な深さにまでエッチングされて、抽出チャンバ26が流体ポート28と3
0とに出合う。Next, on the back side of the wafer, a suitable masking material such as silicon nitride is deposited, patterned, and the silicon is anisotropically etched using this mask, thereby forming the fluid port 28 30 are formed. Next, the wafer is patterned with photoresist on the front side to obtain an etch mask for the DRIE process. As shown in FIG. 13, the etch mask defines a chamber pattern 44 for forming an extraction chamber on the substrate 22 and a column pattern 46 for forming an array of columns on the substrate. The patterned wafer is etched using a DRIE process to form an integral column with the extraction chamber. The wafer is etched to a sufficient depth so that the extraction chamber 26 has fluid ports 28 and 3
Meet zero.
【0107】 エッチング後、残留するフォトレジストはウエハから除去され、次に基板は酸
化されて、チャンバ26の内部表面は好ましくは1μmから100μmの厚みの
酸化層で被覆される。次に、例えばアルミニウムや金や銅のような電気的に伝導
性のある材料が、基板の背面側の注入領域上に析出され、パターン化されて、電
極48Aと48Bとが形成される。次に、基板22はカバー24に、好ましくは
薄いパイレックス(登録商標)ガラスに、陽極結合される。結合の後、基板対は
さいの目に切断されて、図13に示す最終構造を形成する。After etching, the remaining photoresist is removed from the wafer, then the substrate is oxidized and the interior surface of chamber 26 is coated with an oxide layer, preferably 1 μm to 100 μm thick. Next, an electrically conductive material such as, for example, aluminum, gold, or copper is deposited on the implanted region on the back side of the substrate and patterned to form electrodes 48A and 48B. Next, the substrate 22 is anodically bonded to the cover 24, preferably to thin Pyrex glass. After bonding, the substrate pair is diced to form the final structure shown in FIG.
【0108】 図14は本発明の別の実施形態による貫流装置21を示し、この流装置21に
おいては、核酸を捕獲し溶離するための内部吸着面が、チャンバ26内に収容さ
れた1つ以上の固形支持物によって形成される。流体試料がチャンバ26を流れ
るとき、核酸は固形支持体に接触し付着する。核酸を溶離するために、溶離流体
がチャンバ内に流される間、チャンバ26は加熱され、したがって、核酸が固形
支持体から溶離流体に放出される。核酸を捕獲するための適当な固形支持体は、
例えばシリカやジエチルアミノエーテル(DEAE)およびポリマーのような核
酸と結合親和性のある物質を備えたビーズ、ファイバ、膜、グラスウール、フィ
ルタペーパー、ゲル等を含む。FIG. 14 shows a flow-through device 21 according to another embodiment of the present invention, wherein an internal adsorption surface for capturing and eluting nucleic acids is provided by one or more of the chambers contained in a chamber 26. Formed by a solid support of As the fluid sample flows through the chamber 26, the nucleic acids contact and adhere to the solid support. Chamber 26 is heated while the elution fluid is flowed into the chamber to elute the nucleic acids, thus releasing the nucleic acids from the solid support into the elution fluid. A suitable solid support for capturing nucleic acids is
Examples include beads, fibers, membranes, glass wool, filter paper, gels, etc., with substances that have a binding affinity for nucleic acids such as silica, diethylaminoether (DEAE) and polymers.
【0109】 図14の実施の形態においては、固形支持体はチャンバ26の中に詰められた
ガラスビード50である。固形支持体としてビーズ、ファイバ、ウールまたはゲ
ルを使用する実施例では、好ましくは、装置は出口ポート30に隣接したチャン
バ26の中に配置された障壁52を含んでいて、固形支持体がチャンバから流出
するのを防止する。障壁52は、固形支持材料をチャンバ26内に保持するため
に、何か適当な保持膜やフィルタ、例えば櫛型フィルタであってもよい。この代
わりに、障壁52は、十分な小さい間隔を有して固形支持物質を保持するコラム
のような複数の内部構造物をチャンバの中に備えてもよい。図1Dは、フィルタ
を形成する一列のコラムを示し、コラムはチャンバの中にビーズを保持するのに
適している。In the embodiment of FIG. 14, the solid support is a glass bead 50 packed into the chamber 26. In embodiments using beads, fibers, wool or gel as the solid support, preferably the device includes a barrier 52 located in the chamber 26 adjacent to the outlet port 30 so that the solid support is removed from the chamber. Prevent from spill. The barrier 52 may be any suitable retaining membrane or filter, such as a comb filter, for retaining the solid support material in the chamber 26. Alternatively, the barrier 52 may include a plurality of internals in the chamber, such as columns, that hold the solid support material with sufficiently small spacing. FIG. 1D shows a row of columns forming a filter, the columns being suitable for holding beads in a chamber.
【0110】 好ましい実施例において、好ましくは、装置21はカートリッジと組み合わせ
て使用され、上記カートリッジは流体試料のための前処理サイトおよび/または 溶離された核酸のための後処理サイトを持つ。カートリッジは、また、抵抗型加
熱要素34に対して電力を供給するための適当なプロセッシングエレクトロニク
スを含んでもよい。一体に形成された微小構造体の配列によってではなく、チャ
ンバ26内の内部吸着表面がビード50のような固形支持体によって提供される
ということの外は、装置21の作用は上記の実施例の作用と類似している。In a preferred embodiment, preferably the device 21 is used in combination with a cartridge, said cartridge having a pretreatment site for fluid samples and / or a post-treatment site for eluted nucleic acids. The cartridge may also include appropriate processing electronics for powering the resistive heating element 34. Except that the internal adsorption surface within chamber 26 is provided by a solid support, such as bead 50, rather than by an array of integrally formed microstructures, the operation of device 21 is similar to that of the above embodiment. Similar in action.
【0111】 装置21は、フォトリソグラフィおよび超微細機械加工を含む前述の実施例に
記載された技法と同じものを使用して製造される。装置を作るための好ましい方
法が、ここに記載される。The device 21 is manufactured using the same techniques as described in the previous examples, including photolithography and micromachining. A preferred method for making the device is described herein.
【0112】 100mmのn型(100)の0.1から0.2オームcmのシリコンウエハが
、好ましくは、ベース基板22のためのスターティング材料として使用される。
ウエハはフォトレジストで前面側においてパターン化されて、DRIE処理のた
めのエッチマスクを得る。エッチマスクは、基板22の中にチャンバ26を形成
するためのチャンバパターンを定め、内部障壁構造体を形成するための障壁パタ
ーンを定め、好ましくはチャンバ26内にびっしりと間隔の詰まったコラムを形
成するための障壁パターンを定める。次に、パターン化されたウエハは、DRI
E処理を使用してエッチングされて、チャンバ26と内部障壁構造体を形成する
。勿論、構造体はビード50の直径よりも小さな間隔を持ち、チャンバ26内に
ビード26を保持する。A 100 mm n-type (100) 0.1 to 0.2 ohm cm silicon wafer is preferably used as the starting material for the base substrate 22.
The wafer is patterned on the front side with photoresist to obtain an etch mask for the DRIE process. The etch mask defines a chamber pattern for forming the chamber 26 in the substrate 22, defines a barrier pattern for forming the internal barrier structure, and preferably forms closely spaced columns within the chamber 26. A barrier pattern to do this. Next, the patterned wafer is
Etched using E processing to form chamber 26 and internal barrier structure. Of course, the structures are spaced less than the diameter of the bead 50 and hold the bead 26 within the chamber 26.
【0113】 エッチング後、残りのフォトレジストはウエハから除去される。次に、1以上
の電気的に伝導性のある材料が基板の背面側に析出されパターン化されて、抵抗
型加熱要素と温度センサと結合パッドとを形成する。基板は、流体ポート28, 30を形成する孔を持ったガラスカバーに陽極結合される。ビード50は、カバ
ーを取付ける前または後に、好ましくはカバーが取付けられた後に、チャンバ内
に詰められる。ビード50は、入口ポート28を通して挿入される。勿論、障壁
52は、ビード50を詰め込む前に正規の位置に置いてビードがチャンバから流
出するのを防ぐ。After the etching, the remaining photoresist is removed from the wafer. Next, one or more electrically conductive materials are deposited and patterned on the back side of the substrate to form a resistive heating element, a temperature sensor, and a bond pad. The substrate is anodically bonded to a glass cover with holes forming fluid ports 28,30. Beads 50 are packed into the chamber before or after installing the cover, preferably after the cover has been installed. Bead 50 is inserted through inlet port 28. Of course, the barrier 52 can be put in place before the beads 50 are packed to prevent the beads from flowing out of the chamber.
【0114】 図15は、本発明の別の実施例による貫流装置31を示し、チャンバの中に収
容された固形支持体は、核酸を捕獲するための膜またはフィルタ60を備えてい
る。装置31は、ベース基板58と、トップ基板54と、トップ基板とベース基
板の間に挟まれたミドル基板56とを含んでいる。抽出チャンバ26は、トップ
基板54とベース基板58とに形成される。フィルタ60はヒータ34と熱的な
接触する。この代わりに、フィルタ60は出口ポート30に隣接してベース基板
58に配置されてもよい。FIG. 15 shows a flow-through device 31 according to another embodiment of the present invention, wherein the solid support housed in the chamber comprises a membrane or filter 60 for capturing nucleic acids. The device 31 includes a base substrate 58, a top substrate 54, and a middle substrate 56 sandwiched between the top substrate and the base substrate. The extraction chamber 26 is formed on the top substrate 54 and the base substrate 58. Filter 60 is in thermal contact with heater 34. Alternatively, the filter 60 may be located on the base substrate 58 adjacent to the outlet port 30.
【0115】 抵抗型加熱要素34は、好ましくは、チャンバ26を加熱するためのミドル基
板56に配置される。加熱要素34は、チャンバ26を流れる流体から加熱要素
34を保護するために、例えば二酸化けい素、シリコンカーボネエイト、窒化シ
リコン、プラスチック、膠または他のポリマー、レジスト、セラミックといった
絶縁材料の層62によって覆われる。ミドル基板56は、加熱要素34の周りに
配置された孔(図15の断面図に示さず)を含んでいて、流体はチャンバを通っ
て入口ポート28から出口ポート30に連続的に流れる。The resistive heating element 34 is preferably located on a middle substrate 56 for heating the chamber 26. The heating element 34 includes a layer 62 of an insulating material such as, for example, silicon dioxide, silicon carbonate, silicon nitride, plastic, glue or other polymer, resist, or ceramic to protect the heating element 34 from the fluid flowing through the chamber 26. Covered by The middle substrate 56 includes holes (not shown in the cross-sectional view of FIG. 15) positioned around the heating element 34 so that fluid flows continuously from the inlet port 28 to the outlet port 30 through the chamber.
【0116】 加熱要素34は、基板上にパターン化された金属またはポリシリコンの薄いフ
ィルムであってもよい。この代わりに、基板56は加熱要素34を持つ薄いプラ
スチックのフレックス回路であってもよい。他の実施形態では、加熱要素34は
、基板56に取付けられたエッチングされた箔加熱要素のような積層の加熱源を
備える。ヒーターが積層構造物の一部である実施形態では、基板56はヒーター
のための支持体である。さらに別の実施形態では、例えば薄膜処理のような当業
者に知られた技法を用いて、基板56と58は、加熱要素34と絶縁体層62と
共に、単一基板から製造され得る。装置31は、好ましくは、カートリッジと組
合わせて使用され、上記カートリッジは流体試料のための前処理サイトおよび/
または溶離された核酸のための後処理サイトを持つ。カートリッジは、また、抵
抗型加熱要素34に対して電力を供給するための適当なプロセッシングエレクト
ロニクスを含んでもよい。作動時には、流体試料は強制的に装置内を流れる。流
体試料がチャンバ26内を流れるとき、核酸はフィルタ60に接触し付着する。
チャンバは不要な微粒子を除去するために随意に洗浄される。核酸を溶離するた
めに、溶離流体がチャンバ内に流れるとき、チャンバ26は加熱要素34によっ
て加熱され、核酸をフィルタ60から溶離流体に放出する。[0116] The heating element 34 may be a thin film of metal or polysilicon patterned on a substrate. Alternatively, substrate 56 may be a thin plastic flex circuit with heating element 34. In other embodiments, heating element 34 comprises a stacked heating source, such as an etched foil heating element attached to substrate 56. In embodiments where the heater is part of a laminated structure, the substrate 56 is a support for the heater. In yet another embodiment, the substrates 56 and 58, together with the heating element 34 and the insulator layer 62, can be fabricated from a single substrate using techniques known to those skilled in the art, such as, for example, thin film processing. The device 31 is preferably used in combination with a cartridge, which cartridge has a pretreatment site for fluid samples and / or
Or it has a post-processing site for eluted nucleic acids. The cartridge may also include appropriate processing electronics for powering the resistive heating element 34. In operation, the fluid sample is forced to flow through the device. As the fluid sample flows through the chamber 26, the nucleic acids contact and adhere to the filter 60.
The chamber is optionally cleaned to remove unwanted particulates. As the elution fluid flows into the chamber to elute the nucleic acids, the chamber 26 is heated by the heating element 34, releasing the nucleic acids from the filter 60 to the elution fluid.
【0117】 トップ基板54とベース基板58とは、好ましくは、低コストで成形されたプ
ラスチック部品であって、ミドル基板56は、好ましくは、プラスチックフレッ
クス回路である。フィルタ60を所定寸法に予め切断し、次に例えば膠のような
接着剤や超音波溶接のような溶接によって、フィルタ60と基板54,56,58
とを組み立てて、装置31は製造される。The top substrate 54 and the base substrate 58 are preferably low-cost molded plastic parts, and the middle substrate 56 is preferably a plastic flex circuit. The filter 60 is pre-cut to predetermined dimensions and then the filter 60 and the substrates 54, 56, 58
Are assembled, and the device 31 is manufactured.
【0118】 (概要、細分化関連問題、範囲) 上記記載は多くの特殊性を含んでいるが、これらは本発明の範囲を限定するも
のとして解釈+されるべきではなく、単に現在の幾つかの好ましい実施形態の例
に過ぎない。本発明の多くの他の実施形態が可能である。例えば、1つの代替実
施形態においては、チャンバの内部吸着表面は、交流または直流の電圧で帯電さ
れて、核酸を誘引および/または溶離する。本発明は、核酸を十分に溶離するの に必要な溶離容積を減少させるために、化学泳動と加熱泳動と電気泳動を含む1
つ以上の溶離技法の組み合わせが可能である。別の実施形態では、核酸は吸着表
面に結合された後に処理される。例えば、レポート分子を持つ二次結合部材が抽
出チャンバを通過して、既に結合された核酸に結合する。次に、この複合体は溶
離される。さらに、細胞、バクテリア、ウィルスあるいは特定核酸といった特定
の標的を結合させる特定な捕獲成分で、チャンバは機能化される。Overview, Subdivision-Related Issues, Scope The foregoing description contains many specificities, which should not be construed as limiting the scope of the invention, but rather merely limit the present Is merely an example of a preferred embodiment. Many other embodiments of the present invention are possible. For example, in one alternative embodiment, the interior adsorption surface of the chamber is charged with an AC or DC voltage to attract and / or elute nucleic acids. The present invention involves a combination of chemiphoresis, thermophoresis and electrophoresis to reduce the elution volume required to fully elute nucleic acids.
Combinations of more than one elution technique are possible. In another embodiment, the nucleic acids are treated after being bound to the adsorption surface. For example, a secondary binding member with a reporting molecule passes through the extraction chamber and binds to the already bound nucleic acid. Next, the complex is eluted. Further, the chamber is functionalized with specific capture components that bind specific targets such as cells, bacteria, viruses or specific nucleic acids.
【0119】 吸着面を直接かつ急速に加熱するには、チャンバ壁に結合された抵抗器を使用
して、チャンバを加熱することが好ましい。しかしながら、本発明はこの実施形
態に限定されない。チャンバを加熱するための多くの異なる機構または方法が、
当業者には明らかである。これらには、光学的加熱、超音波加熱、誘導結合コイ
ル、マイクロウェーブまたはチャンバを加熱するための他の適当な機構が含まれ
る。さらに、装置がカートリッジと組み合わせて使用されるとき、カートリッジ
またはカートリッジを処理するために使用される機器は、装置を過熱するための
ヒーターを含んでいる。For direct and rapid heating of the adsorption surface, it is preferable to heat the chamber using a resistor coupled to the chamber wall. However, the invention is not limited to this embodiment. Many different mechanisms or methods for heating the chamber
It will be clear to those skilled in the art. These include optical heating, ultrasonic heating, inductively coupled coils, microwaves or other suitable mechanisms for heating the chamber. Additionally, when the device is used in combination with a cartridge, the cartridge or the equipment used to process the cartridge includes a heater to overheat the device.
【0120】 目下、カートリッジと組み合わせて本発明の貫流装置を使用することが好まし
いが、本発明の範囲はこの実施形態に限定されるものではない。この装置は化学
分析システムに接続され得るという上記記載内容を考慮すると、この代わりに、
この装置が流体試料から所望の物質を抽出するための単独型装置として使用され
得ることは、当業者には明らかである。さらに、核酸の抽出が本発明の例示的実
施形態として提示されているが、有機体、細胞、プロテイン、炭水化物、ウィル
ス粒子、バクテリア、化学薬品、生物化学製剤などの流体試料から多くの他の所
望の物質を分離するために、本発明の装置が使用され得ることは当業者には明ら
かである。It is presently preferred to use the flow-through device of the invention in combination with a cartridge, but the scope of the invention is not limited to this embodiment. Given the above description that this device can be connected to a chemical analysis system, instead,
It will be apparent to those skilled in the art that the device can be used as a stand-alone device for extracting a desired substance from a fluid sample. Further, although nucleic acid extraction is presented as an exemplary embodiment of the present invention, many other desired samples from fluid samples such as organisms, cells, proteins, carbohydrates, virus particles, bacteria, chemicals, biochemicals, etc. It will be clear to those skilled in the art that the device of the present invention can be used to separate the following substances.
【0121】 したがって、本発明の範囲は、当請求項(クレーム)およびそれらの法的相等
物によって決定されなければならない。The scope of the invention should, therefore, be determined by the appended claims and their legal equivalents.
図1A〜1Hは、本発明の装置の走査型電子顕微鏡写真であり、シリコンにお
いてエッチングされた異なる配列の微小構造体を例示している。1A-1H are scanning electron micrographs of the device of the present invention, illustrating different arrangements of microstructures etched in silicon.
【図1】 入口ポートと出口ポートとを有するチャンバの中に配置されたマ
イクロコラムの配列を示す。FIG. 1 shows an array of microcolumns located in a chamber having an inlet port and an outlet port.
【図2】 図1Aのマイクロコラムの配列の一部分の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of a portion of the array of microcolumns of FIG. 1A.
【図3】 尖端を有するマイクロコラムの異なる配列を示す。FIG. 3 shows different arrangements of microcolumns having pointed ends.
【図4】 チャンバの一端にフィルタを形成している単一列の微小構造体を
示す。FIG. 4 shows a single row of microstructures forming a filter at one end of a chamber.
【図5】 1つの共通溝に収束している6つの溝を示す電子顕微鏡写真であ
る。FIG. 5 is an electron micrograph showing six grooves converging on one common groove.
【図6】 中に一連のピラーを配置させた1つの共通溝に合流する2つの溝
を示す。FIG. 6 shows two grooves merging into one common groove with a series of pillars arranged therein.
【図7】 液相分離に適した別の溝切された装置を示す。FIG. 7 shows another grooved device suitable for liquid phase separation.
【図8】 流動血球計算に有用な流体力学的焦束装置を示す。FIG. 8 illustrates a hydrodynamic focusing device useful for flow cytometry.
【図9】 2つの流体の拡散混合のために2つの深溝が合流して1つの共通
溝になる装置の3次元図である。FIG. 9 is a three-dimensional view of an apparatus where two deep grooves merge into a common groove for diffusion mixing of two fluids.
【図10】 2つの流体の拡散混合のために2つの深溝が合流して1つの共
通溝になる別の装置の3次元図である。FIG. 10 is a three-dimensional view of another apparatus where two deep grooves merge into a common groove for diffusion mixing of two fluids.
【図11】 流体に対して多数の相互拡散領域を提供する合流溝のネットワ
ークを有する装置の概略平面図である。FIG. 11 is a schematic plan view of an apparatus having a network of confluent grooves providing multiple interdiffusion regions for a fluid.
【図12】 中に一連のピラーが配置させた1つの共通溝に合流する2つの
溝を有する代替えの装置の3次元図である。FIG. 12 is a three-dimensional view of an alternative device having two grooves that merge into one common groove with a series of pillars disposed therein.
【図13】 本発明の好ましい実施形態による流体試料から所望の物質を抽
出するための貫流装置の概略断面図である。FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a flow-through device for extracting a desired substance from a fluid sample according to a preferred embodiment of the present invention.
【図14】 図6の装置の底面図である。FIG. 14 is a bottom view of the device of FIG.
【図15】 図6の装置の抽出チャンバに形成されたマイクロコラムの3次
元図である。FIG. 15 is a three-dimensional view of a microcolumn formed in the extraction chamber of the device of FIG.
【図16】 図6の装置におけるマイクロコラムの概略平面図である。FIG. 16 is a schematic plan view of a micro column in the device of FIG.
【図17】 図6の装置における2つの隣接するマイクロコラムの平面図で
ある。FIG. 17 is a plan view of two adjacent microcolumns in the device of FIG.
【図18】 図6の装置の製造に使用されるチャンバパターンとコラムパタ
ーンとを形成するエッチマスクの概略図である。FIG. 18 is a schematic view of an etch mask for forming a chamber pattern and a column pattern used in manufacturing the apparatus of FIG.
【図19】 本発明の好ましい実施形態による図6の装置を含むカートリッ
ジの概略平面図である。FIG. 19 is a schematic plan view of a cartridge including the device of FIG. 6 according to a preferred embodiment of the present invention.
【図20】 本発明の代替えの実施形態による流体試料から所望の物質を抽
出するための貫流装置の概略断面図である。FIG. 20 is a schematic cross-sectional view of a flow-through device for extracting a desired substance from a fluid sample according to an alternative embodiment of the present invention.
【図21】 本発明の別の実施形態による流体試料から所望の物質を抽出す
るための貫流装置の概略断面図である。FIG. 21 is a schematic cross-sectional view of a flow-through device for extracting a desired substance from a fluid sample according to another embodiment of the present invention.
【図22】 本発明のさらに別の実施形態による流体試料から所望の物質を
抽出するための貫流装置の概略断面図である。FIG. 22 is a schematic cross-sectional view of a flow-through device for extracting a desired substance from a fluid sample according to yet another embodiment of the present invention.
20…貫流装置 26…抽出チャンバ、 28…入口ポート、 30…出口ポート、 32…コラム、 34…ヒーター、 48…電極、 101…カートリッジ、 119…フィルタサイト、 109,125,127…貯蔵サイト、 139…廃棄サイト、 141…試薬サイト、 143…反応サイト、 151…プロセッシングエレクトロニクス。 Reference Signs List 20: Flow-through device 26: Extraction chamber, 28: Inlet port, 30: Outlet port, 32: Column, 34: Heater, 48: Electrode, 101: Cartridge, 119: Filter site, 109, 125, 127: Storage site, 139 ... waste site, 141 ... reagent site, 143 ... reaction site, 151 ... processing electronics.
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書[Procedural Amendment] Submission of translation of Article 34 Amendment of the Patent Cooperation Treaty
【提出日】平成12年2月14日(2000.2.14)[Submission date] February 14, 2000 (2000.2.14)
【手続補正1】[Procedure amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】特許請求の範囲[Correction target item name] Claims
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【特許請求の範囲】[Claims]
【手続補正2】[Procedure amendment 2]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0007[Correction target item name] 0007
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0007】 従来のベンチトップ測定技法に代るものとして、自動化された微小流体装置を
開発するという試みがなされて来ており、上記装置は試料準備機能および/また
は試料処理機能の内の幾らかをこなす。微小流体システムは、ベンチトップ測定
と比較して、軽便性、再生産性の向上、汚染の減少、試薬消費の減少、操作者介
在の減少、低測定コストという可能性を持っている。ミクロ機械加工の技術は、
例えば半導体基板を使用して、微小流体装置の製造を可能にし、マイクロリット
ルからピコリットルの容積の試料を操作したり、反応させたり、検知したりする
ことができる。例えば、ノースロップらの米国特許第5,639,423号および
ウィンディング米国特許第5,587,128号は、生物化学反応を行なうための
超微細製作された装置を、特にポリメラーゼ連鎖反応のようなDNAベースの反
応を行なうための反応器(PCR)を開示している。試験サンプル内の分析物の
存在あるいは量を測定するもう1つの分析装置は、ハンスマンによる1996年
4月11日に発行された国際公開番号第WO96/10747号に記載されてい
る。[0007] As an alternative to traditional bench-top measurement techniques, attempts have been made to develop automated microfluidic devices, which provide some of the sample preparation and / or sample processing functions. Do Microfluidic systems have the potential for greater convenience, improved reproducibility, reduced contamination, reduced reagent consumption, reduced operator intervention, and lower measurement costs when compared to benchtop measurements. The technology of micro machining is
For example, semiconductor substrates can be used to enable the manufacture of microfluidic devices to manipulate, react, and detect microliter to picoliter volumes of sample. For example, Northrop et al., U.S. Pat. No. 5,639,423 and Winding U.S. Pat. No. 5,587,128, describe microfabricated devices for performing biochemical reactions, particularly those such as the polymerase chain reaction. A reactor (PCR) for performing a DNA-based reaction is disclosed. Another analytical device for determining the presence or amount of an analyte in a test sample is described in International Publication No. WO 96/10747 issued April 11, 1996 by Hansman.
【手続補正3】[Procedure amendment 3]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0008[Correction target item name] 0008
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0008】 しかしながら、これらの微小流体技術における進歩にも拘わらず、比較的大き
な容積の流体試料から核酸を有効に抽出でき、且つ、次の分析処理のために核酸
を小さな容積に濃縮できる微小流体装置のニーズが相変わらずある。特に診断へ
の適用においては、例えば病原性器官または癌細胞など、数ミリリットル以上の
比較的大きな容積の試料から低濃度の核酸を抽出し濃縮することが頻繁に必要に
なる。この種の処置は、例えば、食物中の有毒大腸菌0157(食物10グラム
当たり1生物体のレベルで有毒)、血液中のHIV(血液1ミリリットル当たり
200ウィルス生物体以下)、細菌戦シナリオ中の炭疽菌(空気1リットル当た
り100生物体以下)、血液又は尿中の癌細胞(流体1ミリリットル当たり10
細胞以下)、性病(例えば淋病やクラミジア)の尿中の病原体(流体1ミリリッ
トル当たり100生物体以下)の検出に必要となる。However, despite these advances in microfluidic technology, microfluidics can effectively extract nucleic acids from relatively large volumes of fluid samples and can concentrate nucleic acids into smaller volumes for subsequent analytical processing Equipment needs are still there. Particularly in diagnostic applications, it is frequently necessary to extract and concentrate low concentrations of nucleic acids from relatively large volumes of samples, for example several milliliters, such as pathogenic organs or cancer cells. Such treatments include, for example, toxic E. coli 0157 in food (toxic at the level of one organism per 10 grams of food), HIV in blood (less than 200 viral organisms per milliliter of blood), anthrax in bacterial warfare scenarios Bacteria (less than 100 organisms per liter of air), cancer cells in blood or urine (10
It is necessary for the detection of pathogens (up to 100 organisms per milliliter of fluid) in urine of sexually transmitted diseases (eg gonorrhea and chlamydia).
【手続補正4】[Procedure amendment 4]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0027[Correction target item name] 0027
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0027】 流体の混合は、殆どの生化学分析的な詳細計画(プロトコル)において、共通
且つ重大な事象である。従来の巨視的規模では、2つ以上の流体の混合を行なう
ために、ピペットや渦巻装置や吸引/分配ロボット工学を含めて、様々な有効な
手段が存在する。しかしながら、微小流体システムでは、流体の混合が困難であ
ることは周知のことである。この問題は、殆どの微小流体システムにおいて、レ
イノルズ数が一般に非常に小さく(100未満)、流れが実質的に常に層状であ
るという事実から生じている。レイノルズ数は、密度×速度×溝幅/粘度である
。微小流体システムでは、溝幅が非常に小さいので、レイノルズ数は小さい。巨
視的なシステムでは、乱流が始まる前は、レイノルズ数は約2300以上である
に違いない。微小流体システムでは、流体流が実質的に決して乱流とならないの
で、混合はほぼ完全に拡散によって起こる。ホルメスらは、1996年5月2日
に発行された国際公開番号第WO96/12541号において、非混合性流体の
間の拡散移動のための方法と装置を記載している。不幸にも、拡散による混合は
非常に遅い場合がある。一例としては、深さが300μm、幅が600μmの「
ジグザグ」溝がある。この溝は100mmの流長のみで流体を完全に混合させる
。Fluid mixing is a common and significant event in most biochemical analytical protocols. On the conventional macroscopic scale, there are a variety of effective means for mixing two or more fluids, including pipettes, vortexers and suction / dispensing robotics. However, it is well known that mixing fluids is difficult in microfluidic systems. This problem stems from the fact that in most microfluidic systems, the Reynolds number is generally very small (less than 100) and the flow is virtually always laminar. The Reynolds number is density × speed × groove width / viscosity. In microfluidic systems, the Reynolds number is small because the groove width is very small. In a macroscopic system, before the onset of turbulence, the Reynolds number must be about 2300 or more. In microfluidic systems, mixing occurs almost completely by diffusion, since the fluid flow is virtually never turbulent. Holmes et al., In WO 96/12541 published May 2, 1996, describe a method and apparatus for diffusion transfer between immiscible fluids. Unfortunately, mixing by diffusion can be very slow. As an example, a 300 μm deep and 600 μm wide “
There are "zigzag" grooves. This groove allows the fluid to mix completely with a flow length of only 100 mm.
【手続補正5】[Procedure amendment 5]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】0031[Correction target item name] 0031
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【0031】 本発明は、流体を迅速かつ有効に拡散混合したり、従来の攪拌ベースの液相分
離法と同じプロテイン抽出機能を行なうための手段を与える人工のエマルジョン
を作ったりするのに有用な非常に大きな微小流体界面を産出するのに適した微小
装置を提供する。流体の効率的な拡散混合ができる構造とするために、超超微細
機械加工された微小流体溝を作るために、新しいプロセス技術が利用できるよう
になって来ている。深部反応イオンエッチング(DRIE)として知られた方法
によって、非常に深く、然も驚くほど狭い溝の形成が可能である。迅速な拡散混
合は、このプロセスを用いて、深く垂直な溝に2つの流体を流し、そられを一緒
に合流させることによって実現される。これによって2つの薄い垂直のシース(
鞘状部)ができ、これらのシースは従来型の溝よりもずっと短い距離の拡散によ
って混合する。DRIEプロセスを利用した微小溝構造が、液相分離プロセスを
支援するべく設計される。図1〜5に示されているように、流体溝は固体の基板
に様々な外面形態で形成される。図2は、2つの深い溝70,72が1つの共通 溝74に合流する装置を示す。溝は、DRIEを用いて、シリコン基板をエッチ
ングして作られる。各溝は、その幅75よりも大きな深さ73を持ち、3:1よ
りも大きな表面積比を提供する。分離された溝70,72を流れる流体は、共通 溝74で合流して2つの並流する薄い流体シースを形成する。幅に対して深くな
った溝は、2つの流体が拡散混合するために、流対流の間に大きな界面領域を提
供する。図1Eは、6つの深い溝が単一の共通溝に合流する同種の装置の走査型
電子顕微鏡写真である。別々の溝を通る流体は、共通溝において合流して6つの
並流する流体シースを形成する。The present invention is useful for quickly and efficiently diffusing and mixing fluids and for making artificial emulsions that provide a means for performing the same protein extraction function as conventional stirring-based liquid phase separation methods. A microdevice suitable for producing a very large microfluidic interface is provided. New process technologies are becoming available to create ultra-micromachined microfluidic grooves to provide a structure that allows for efficient diffusion and mixing of fluids. With a method known as deep reactive ion etching (DRIE), it is possible to form very deep, but surprisingly narrow, grooves. Rapid diffusion mixing is achieved using this process by flowing two fluids through a deep vertical groove and joining them together. This allows two thin vertical sheaths (
Sheaths), which mix by diffusion over a much shorter distance than conventional grooves. A microgroove structure utilizing the DRIE process is designed to support the liquid phase separation process. As shown in FIGS. 1-5, the fluid channels are formed in various external forms on the solid substrate. FIG. 2 shows a device in which two deep grooves 70, 72 merge into one common groove 74. The groove is formed by etching the silicon substrate using DRIE. Each groove has a depth 73 greater than its width 75 and provides a surface area ratio greater than 3: 1. The fluid flowing in the separated grooves 70, 72 merges at the common groove 74 to form two co-current thin fluid sheaths. Grooves that are deeper in width provide a larger interfacial area during flow convection for diffusion mixing of the two fluids. FIG. 1E is a scanning electron micrograph of a similar device where six deep grooves merge into a single common groove. Fluids passing through the separate grooves merge at the common groove to form six co-current fluid sheaths.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C07H 1/00 C07H 1/00 21/00 21/00 G01N 33/53 G01N 33/53 M 37/00 101 37/00 101 (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM ,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM) ,AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB,BG, BR,BY,CA,CH,CN,CU,CZ,DE,D K,EE,ES,FI,GB,GE,GH,GM,HR ,HU,ID,IL,IS,JP,KE,KG,KP, KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU,L V,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI, SK,SL,TJ,TM,TR,TT,UA,UG,U Z,VN,YU,ZW (72)発明者 ウィリアム・エイ・マクミラン アメリカ合衆国95014カリフォルニア州ク ペルティノ、プレシディオ・ドライブ8051 番 (72)発明者 エム・アレン・ノースロップ アメリカ合衆国94708カリフォルニア州バ ークリー、クレストン・ロード923番 (72)発明者 カート・イー・ピーターセン アメリカ合衆国95148カリフォルニア州サ ンノゼ、バレー・リッジ・レイン3655番 (72)発明者 ファーザド・ポーラーマディ アメリカ合衆国94539カリフォルニア州フ レモント、パジャロ・ドライブ41013番 Fターム(参考) 2G042 CB03 CB04 GA01 HA02 4C057 AA10 BB02 DD01 MM02 MM04 4D017 AA11 BA07 DA01 DB02 DB03 DB04 EA05 4G057 AB34 AB38 AD01 AD11 4G075 AA13 BB01 BB04 BD07 BD15 BD16 CA02 CA54 DA01 EB01 EE31 FA02 FB04 【要約の続き】 せる。──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) C07H 1/00 C07H 1/00 21/00 21/00 G01N 33/53 G01N 33/53 M 37/00 101 37/00 101 (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SZ, UG , AZ (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, N, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK , LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, UZ, VN, YU, ZW (72) Inventor William A. McMillan United States 95014 Presidio Drive No. 8051, Cu Pertino, California, USA (72) Inventor M. Allen Northrop No. 923, Creston Road, Berkeley, CA 94708, United States Inventor Kurt E. Petersen 95148, United States San Jose, CA Valley Ridge Ridge Inn No. 3655 (72) Inventor Fazad Polar Madi Pajaro Drive 41013, Fremont, CA 94439 United States F-term (reference) 2G042 CB03 CB04 GA01 HA02 4C057 AA10 BB02 DD01 MM02 MM04 4D017 AA11 BA07 DA01 DB02 DB03 DB04 EA05 4G0 AB AB38 AD01 AD11 4G075 AA13 BB01 BB04 BD07 BD15 BD16 CA02 CA54 DA01 EB01 EE31 FA02 FB04
Claims (42)
装置において、 a)上記流体試料を上記本体に導入するための入口ポートと、 b)上記本体から上記流体試料を出すための出口ポートと c)上記試料が上記本体を流れるとき上記流体試料から上記所望の物質を抽出す
るための上記入口ポートと上記出口ポートとを流体で連通している抽出チャンバ
とを中に形成した本体を備え、 上記入口ポートと上記出口ポートとは上記流体が上記抽出チャンバを通って連
続的に流れることができるように配置され、上記チャンバは上記本体の内部表面
によって形成され、上記内部表面の少なくとも1つは、上記流体試料が上記チャ
ンバを流れるときに上記所望の物質を捕獲するために、十分に広い表面積と上記
所望の物質に対して十分に高い結合親和力とを有していることを特徴とする装置
。1. A flow-through device for separating a desired substance in a fluid sample from other substances, comprising: a) an inlet port for introducing the fluid sample into the body; b) a fluid sample from the body. C) an extraction chamber which fluidly communicates the inlet port and the outlet port for extracting the desired substance from the fluid sample as the sample flows through the body. The inlet port and the outlet port are arranged such that the fluid can flow continuously through the extraction chamber, the chamber being formed by an inner surface of the body, At least one of the internal surfaces has a surface area large enough to capture the desired material as the fluid sample flows through the chamber and a surface area for the desired material. Apparatus characterized by and a sufficiently high binding affinity.
チャンバの少なくとも1つの壁と一体に形成されて上記チャンバの中に延在する
内部微小構造体の表面を備えていることを特徴とする装置。2. The apparatus of claim 1, wherein the interior surface comprises a surface of an interior microstructure integrally formed with at least one wall of the extraction chamber and extending into the chamber. An apparatus characterized in that:
クト比のコラムの配列を備えていることを特徴とする装置。3. The apparatus of claim 2, wherein said internal structure comprises an array of high aspect ratio columns.
は列になって配置されていると共に、各列の上記微小構造体が隣接する列の上記
部小構造体と一直線上に並ばないように配置されていることを特徴とする装置。4. The apparatus according to claim 2, wherein the rows are such that the internal structures are arranged in rows, and the microstructures in each row are adjacent to the substructures in the row. A device that is arranged so as not to be aligned on a straight line.
構造体が少なくとも2つ前の列または後の列の上記部小構造体と一直線上に並ば
ないように配置されていることを特徴とする装置。5. The apparatus of claim 4, wherein the rows are such that the microstructures in each row are not aligned with at least two of the substructures in the previous or next row. An apparatus characterized by being located.
少なくとも4:1の断面長さと幅の比を有していることを特徴とする装置。6. The apparatus according to claim 2, wherein each of said microstructures comprises:
An apparatus having a cross-sectional length to width ratio of at least 4: 1.
と細胞とプロテインと核酸と炭水化物とウィルス粒子とバクテリアと化学薬品と
生化学製品とから成るグループから選択されることを特徴とする装置。7. The device according to claim 1, wherein the desired substance is selected from the group consisting of organisms, cells, proteins, nucleic acids, carbohydrates, virus particles, bacteria, chemicals and biochemicals. An apparatus characterized in that:
は、上記所望の物質の捕獲を促進するために上記所望の物質と結合親和力を持つ
材料で被覆されていることを特徴とする装置。8. The device according to claim 1, wherein at least one of the inner surfaces is coated with a material having a binding affinity for the desired substance to facilitate capture of the desired substance. Characteristic device.
酸化けい素とポリマーと核酸と金属とポリペプチドとプロテインと多糖類とから
成るグループから選択されることを特徴とする装置。9. The device according to claim 8, wherein said material is selected from the group consisting of silicon, silicon dioxide, polymer, nucleic acid, metal, polypeptide, protein and polysaccharide. apparatus.
するためのヒーターを備えていることを特徴とする装置。10. The apparatus according to claim 1, further comprising a heater for heating the extraction chamber.
チャンバの少なくとも1つの壁に結合された抵抗型加熱要素を備えていることを
特徴とする装置。11. The apparatus according to claim 10, wherein the heater comprises a resistive heating element coupled to at least one wall of the chamber.
チャンバを形成している上記本体の少なくとも一部分に電位差を印加するための
電極を備えていることを特徴とする装置。12. The apparatus according to claim 10, wherein the heater is provided with an electrode for applying a potential difference to at least a part of the body forming the chamber.
制御するためのプロセッシングエレクトロニクスをさらに備えていることを特徴
とする装置。13. The apparatus according to claim 10, further comprising processing electronics for controlling operation of the heater.
のための前処理サイトを有するカートリッジと結合し、且つ、上記装置は上記カ
ートリッジに挿入されて上記入口ポートが上記前処理サイトと流体で連通するよ
うに作られていることを特徴とする装置。14. The apparatus of claim 1, wherein said apparatus is coupled to a cartridge having a pre-treatment site for said fluid sample, and said apparatus is inserted into said cartridge and said inlet port is connected to said front port. An apparatus characterized in that it is adapted to be in fluid communication with a processing site.
めの後処理サイトを有するカートリッジと結合し、且つ、上記装置は上記カート
リッジに挿入されて上記出口ポートが上記後処理サイトと流体で連通するように
作られていることを特徴とする装置。15. The apparatus of claim 1, wherein the apparatus is coupled to a cartridge having a post-processing site for eluent, and wherein the apparatus is inserted into the cartridge and the outlet port is connected to the post-processing port. A device characterized in that it is made in fluid communication with a site.
法において、 a)入口ポートと出口ポートと上記入口ポートおよび上記出口ポートに流体で連
通している抽出チャンバとを有する本体を備える貫流装置を設けるステップを備
えて、上記抽出チャンバは上記本体の内部表面によって形成され、上記内部表面
は十分に大きな表面積と上記所望の物質に対して十分に高い結合親和力を有して
、上記流体試料が上記チャンバを流れるときに上記物質を捕獲し、 b)上記流体試料を上記チャンバに連続的に強いて流すステップを備え、これに
よって上記流体試料が上記チャンバを流れるときに上記所望の物質を上記内部表
面に結合させ、 c)溶離流体を上記チャンバに強いて流すことによって上記装置から上記所望の
物質を溶離するステップを備え、これによって上記物質を上記内部表面から上記
溶離流体に放出させることを特徴とする方法。16. A method for separating a desired substance in a fluid sample from other substances, comprising: a) an inlet port, an outlet port, and an extraction chamber in fluid communication with the inlet port and the outlet port. Comprising providing a flow-through device comprising a body having an extraction chamber formed by an interior surface of the body, the interior surface having a sufficiently large surface area and a sufficiently high binding affinity for the desired substance. C) capturing the substance as the fluid sample flows through the chamber; and b) continuously forcing the fluid sample into the chamber so that the desired fluid sample flows through the chamber. C) dissolving said desired substance from said device by forcing an elution fluid through said chamber. Releasing the substance from the interior surface into the eluent fluid.
機体と細胞とプロテインと核酸と炭水化物とウィルス粒子とバクテリアと化学薬
品と生化学製品とから成るグループから選択されることを特徴とする方法。17. The method according to claim 16, wherein the desired substance is selected from the group consisting of organisms, cells, proteins, nucleic acids, carbohydrates, virus particles, bacteria, chemicals, and biochemicals. A method comprising:
流す上記流体試料の容積は上記チャンバの最大収容容積よりも大きいことを特徴
とする方法。18. The method of claim 16, wherein the volume of the fluid sample forced into the chamber is greater than a maximum capacity of the chamber.
記ステップは、上記溶離流体を上記チャンバに強いて流す間上記内部表面を加熱
するステップをさらに備えていることを特徴とする方法。19. The method of claim 16, wherein the step of eluting the substance further comprises heating the internal surface while forcing the eluting fluid through the chamber. Method.
ャンバに強いて流すステップの前に、ガスを上記チャンバに強いて流すステップ
をさらに備えていることを特徴とする方法。20. The method of claim 16, further comprising forcing a gas into the chamber prior to forcing the eluting fluid into the chamber.
ャンバに流れるとき、上記流体試料が溶解試薬に接触するステップをさらに備え
ていることを特徴とする方法。21. The method of claim 16, further comprising the step of contacting the fluid sample with a lysing reagent as the fluid sample flows into the chamber.
抽出チャンバの少なくとも1つの壁と一体に形成された内部微小構造体の表面を
備えていることを特徴とする方法。22. The method of claim 16, wherein the interior surface comprises an interior microstructure surface integrally formed with at least one wall of the extraction chamber.
チャンバの中に延在するコラムを備え、且つ、上記流体試料を上記チャンバに強
いて流すステップは上記流体試料を上記コラムの間に強いて流すステップを備え
ていることを特徴とする方法。23. The method according to claim 22, wherein the microstructure comprises a column extending into the chamber, and forcing the fluid sample into the chamber comprises displacing the fluid sample into the column. A method comprising the step of forcing flush between.
を促進するために上記流体試料を上記チャンバに強いて流す間、上記本体と上記
流体試料との間に電位差を印加するステップをさらに備えていることを特徴とす
る方法。24. The method of claim 16, wherein a potential difference is applied between the body and the fluid sample while forcing the fluid sample into the chamber to facilitate capture of the desired substance. A method, further comprising a step.
流装置において、 a) 極微製作されたチップであって、その中に i)上記流体試料をチップに導入するための入口ポートと、 ii)上記流体試料を上記チップから出すための出口ポートと、 iii)上記流体試料が上記チップを流れるとき上記流体試料から上記所望 の物質を抽出するための抽出チャンバとを有し、 上記抽出チャンバは上記入口ポートと上記出口ポートとに流体で連通し、且つ
、上記入口ポートと上記出口ポートとは上記流体が上記抽出チャンバを通って連
続的に流れることができるように配置されたチップと、 b) 上記抽出チャンバを加熱するためのヒーターと、 c) 上記流体試料が上記チャンバに連続的に流れるときに上記所望の物質を捕
獲するための上記捕獲チャンバの中に入れられた少なくとも1つの固形支持体と
を備えていることを特徴とする装置。25. A flow-through device for separating a desired substance in a fluid sample from another substance, comprising: a) a microfabricated chip, i) for introducing the fluid sample into the chip. Ii) an outlet port for removing the fluid sample from the chip; and iii) an extraction chamber for extracting the desired substance from the fluid sample when the fluid sample flows through the chip. The extraction chamber is in fluid communication with the inlet port and the outlet port, and the inlet port and the outlet port are arranged such that the fluid can flow continuously through the extraction chamber. B) a heater for heating the extraction chamber; and c) capturing the desired substance as the fluid sample continuously flows into the chamber. Apparatus characterized in that it comprises at least one solid support was placed in the capture chamber of the eye.
ードとファイバと膜とグラスウールとフィルタペーパーとゲルとから成るグルー
プから選択された支持物を備えていることを特徴とする装置。26. The apparatus according to claim 25, wherein said solid support comprises a support selected from the group consisting of beads, fibers, membranes, glass wool, filter paper and gel. Equipment to do.
機体と細胞とプロテインと核酸と炭水化物とウィルス粒子とバクテリアと化学薬
品と生化学製品とから成るグループから選択されることを特徴とする装置。27. The device according to claim 25, wherein the desired substance is selected from the group consisting of organisms, cells, proteins, nucleic acids, carbohydrates, virus particles, bacteria, chemicals, and biochemicals. An apparatus characterized in that:
チャンバの少なくとも1つの壁に結合された抵抗型加熱要素を備えていることを
特徴とする装置。28. The apparatus according to claim 25, wherein said heater comprises a resistive heating element coupled to at least one wall of said chamber.
チャンバを形成している上記チップの少なくとも一部分に電位差を印加するため
の電極を備えていることを特徴とする装置。29. The apparatus according to claim 25, wherein the heater comprises an electrode for applying a potential difference to at least a part of the chip forming the chamber.
制御するためのプロセッシングエレクトロニクスをさらに備えていることを特徴
とする装置。30. The apparatus of claim 25, further comprising processing electronics for controlling operation of the heater.
料のための前処理サイトを有するカートリッジと結合し、且つ、上記装置は上記
カートリッジに挿入されて上記入口ポートが上記前処理サイトと流体で連通する
ように作られていることを特徴とする装置。31. The apparatus according to claim 25, wherein said apparatus is coupled to a cartridge having a pretreatment site for said fluid sample, and said apparatus is inserted into said cartridge and said inlet port is connected to said front port. An apparatus characterized in that it is adapted to be in fluid communication with a processing site.
ための後処理サイトを有するカートリッジと結合し、且つ、上記装置は上記カー
トリッジに挿入されて上記出口ポートが上記後処理サイトと流体で連通するよう
に作られていることを特徴とする装置。32. The apparatus according to claim 25, wherein said apparatus is coupled to a cartridge having a post-processing site for eluent, and said apparatus is inserted into said cartridge and said outlet port is connected to said post-processing. A device characterized in that it is made in fluid communication with a site.
法において、 a)入口ポートと出口ポートと上記入口ポートおよび上記出口ポートに流体で連
通している抽出チャンバとを中に形成したチップを設けるステップを備えて、上
記入口ポートと上記出口ポートとは上記流体試料を上記チャンバに連続的に流せ
るように配置され、且つ、上記抽出チャンバは上記流体試料が上記チャンバを流
れるときに上記所望の物質を捕獲するための少なくとも1つの固形支持物を含み
、 b)上記流体試料を上記チャンバに連続的に強いて流すステップを備え、これに
よって上記流体試料が上記チャンバを流れるときに上記所望の物質を上記内部表
面に結合させ、 c)上記チャンバを加熱することによって上記所望の物質を上記チップから溶離
し、且つ、溶離流体を上記チャンバに強いて流すステップを備え、これによって
上記物質を上記固形支持物から上記溶離流体に放出させることを特徴とする方法
。33. A method for separating a desired substance from another substance in a fluid sample, comprising: a) an inlet port and an outlet port and an extraction chamber in fluid communication with the inlet port and the outlet port. Providing a chip formed therein, wherein the inlet port and the outlet port are arranged to allow the fluid sample to flow continuously into the chamber, and wherein the extraction chamber comprises a fluid passage through the chamber. Including at least one solid support for capturing the desired material as it flows, b) continuously forcing the fluid sample into the chamber so that when the fluid sample flows through the chamber, Bonding said desired substance to said internal surface; c) transferring said desired substance to said chip by heating said chamber. Eluting from the solid support and releasing the substance from the solid support into the elution fluid.
機体と細胞とプロテインと核酸と炭水化物とウィルス粒子とバクテリアと化学薬
品と生化学製品とから成るグループから選択されることを特徴とする方法。34. The method according to claim 33, wherein the desired substance is selected from the group consisting of an organism, a cell, a protein, a nucleic acid, a carbohydrate, a virus particle, a bacterium, a chemical, and a biochemical. A method comprising:
流す上記流体試料の容積は上記チャンバの最大収容容積よりも大きいことを特徴
とする方法。35. The method of claim 33, wherein a volume of the fluid sample forced into the chamber is greater than a maximum capacity of the chamber.
ャンバに強いて流すステップの前に、ガスを上記抽出チャンバに強いて流すステ
ップをさらに備えていることを特徴とする方法。36. The method of claim 33, further comprising forcing a gas into the extraction chamber prior to forcing the elution fluid into the chamber.
ャンバに流れるとき、上記流体試料が溶解試薬に接触するステップをさらに備え
ていることを特徴とする方法。37. The method of claim 33, further comprising contacting the fluid sample with a lysing reagent as the fluid sample flows into the chamber.
した基板を備え、上記第1溝と上記第2溝はこれらの流体流の接触領域を提供す
る共通溝に合流し、上記共通溝はその外面表面積の3倍以上の内部表面積を有し
て上記流体流の間に大きな界面面積を提供することを特徴とする装置。38. An apparatus for manipulating a fluid, comprising: a substrate having at least a first groove and a second groove formed therein for passing at least a first fluid and a second fluid, respectively. The second groove merges with a common groove that provides a contact area for these fluid streams, the common groove having an internal surface area of at least three times its outer surface area to provide a large interfacial area between the fluid streams. An apparatus characterized in that:
たピラーをさらに備えて上記流体流の安定性を増大させていることを特徴とする
装置。39. The apparatus of claim 38, further comprising pillars located in said common groove to increase the stability of said fluid flow.
溝とは複数の共通溝に合流して、対応した複数の接触領域を上記流体流に対して
提供することを特徴とする装置。40. The apparatus according to claim 38, wherein said first groove and said second groove are provided.
An apparatus wherein the grooves merge into a plurality of common grooves to provide a corresponding plurality of contact areas for the fluid flow.
て上記共通溝と流体で連通している第3溝と第4溝とをさらに備えて、上記第1
流体流と上記第2流体流とをそれぞれ通すことを特徴とする装置。41. The apparatus according to claim 38, further comprising a third groove and a fourth groove that are in fluid communication with the common groove apart from the contact area,
Apparatus characterized by passing a fluid stream and said second fluid stream respectively.
流とに分離するために上記第1溝から分岐している第2溝と第3溝とを 中に形成した基板を備え、 上記溝の各々はその外面表面積の3倍以上の内部表面積を有して上記流体流の
間に大きな界面面積を提供することを特徴とする装置。42. An apparatus for manipulating a fluid, comprising: a) a first groove for passing a first fluid flow; b) a fluid communication with the first groove and the first fluid flow. A substrate having therein a second groove and a third groove branched from the first groove for separating the second and third fluid flows into a second fluid flow and a third fluid flow, each of the grooves having an outer surface area thereof. A device having an internal surface area greater than or equal to three times that of said fluid stream to provide a large interfacial area between said fluid streams.
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US08/910,434 | 1998-07-14 | ||
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