JP7366907B2 - 排気式マイクロチャンバを備えたマイクロ流体デバイス - Google Patents

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Description

本開示の態様は、概して、マイクロ流体取り扱い方法及びデバイスに関する。
ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）は、ＤＮＡ断片の単一又は少数のコピーを数桁に増幅して、数百万～数十億の特定のＤＮＡ配列のコピーを生成するために、分子生物学において使用される技術である。集束したＤＮＡ断片を反復的に複製する簡単で安価で且つ信頼性の高い方法であり、近代生物学及び関連する科学における数多くの分野に適用可能な概念である。
ＰＣＲは、臨床及び研究室において幅広い用途で使用される一般的な技術である。そのような用途の例としては、配列決定のためのＤＮＡクローニング、遺伝子クローニング及び遺伝子操作、遺伝子変異誘発；ＤＮＡに基づく系統発生の構築、又は遺伝子の機能解析；遺伝性疾患の診断及びモニタリング；古代ＤＮＡの増幅；ＤＮＡプロファイリングのための（例えば、法科学及び親子鑑定での）遺伝子指紋の解析；並びに感染症の診断のための核酸検査での病原体の検出が挙げられる。
ＰＣＲ方法は、典型的には、異なる温度依存性反応、具体的にはＤＮＡ融解と酵素によるＤＮＡ複製とが、何度も連続して迅速に進行することを可能にするために、反応物を反復的な加熱及び冷却のサイクルにさらすことを伴う、熱サイクルに依存する。標的領域に相補的な配列を含むプライマー（短いＤＮＡ断片）は、ＤＮＡポリメラーゼと共に、選択的且つ反復的な増幅を可能にする。ＰＣＲが進行すると、生成されたＤＮＡはそれ自体が複製用の鋳型として使用され、元のＤＮＡ鋳型が指数関数的に増幅される連鎖反応が開始される。
例えば、比較的高温（例えば、９０℃よりも高い温度）にさらされると、ＤＮＡ試料の二重らせん分子が一本鎖に分離される。比較的低温（例えば、５０～７０℃）では、ＤＮＡプライマーが標的部位でＤＮＡ試料の一本鎖に結合する。中程度の温度（例えば、６０～８０℃）では、ポリメラーゼは、初期にプライマーが一本鎖ＤＮＡ分子に結合して形成されるＤＮＡ断片の伸長を促進する。次いで、１回のＰＣＲサイクルの二本鎖ＤＮＡ産物を比較的高温の温度域で分割し、新しいプライマー鎖に結合させることができ、試薬が使い果たされるまで各サイクルでＤＮＡの量を倍増させる。したがって、標的ＤＮＡ配列を含むＤＮＡ試料の濃度は、ＰＣＲに供されたときに、指数関数的に上昇し得る。
デジタルＰＣＲ（ｄＰＣＲ）は、ＤＮＡ試料を多数の別々のアリコートに分割して、標的ＤＮＡ分子がアリコート中に存在するかどうかを判定するためにアリコートを増幅することを伴うＰＣＲ分析の一種である。指数関数的に増加したアリコートの数に基づいて、分割前のＤＮＡの元の濃度が測定されてもよい。
デジタルＰＣＲは検出特異性を高めることができる。標的が非標的ＤＮＡの量と比較して相対的に希少である場合、バックグラウンドＤＮＡは、試薬に関して競合し、非特異的増幅を起こす可能性がある。試料をｄＰＣＲマイクロプレート上の多くの小さなチャンバに分割することによって、区画内の希少標的の有効濃度が増加する。
本発明の目的は、ｄＰＣＲ又は分子生物学に関連する他の技術を行い得る、流体試料を取り扱うためのマイクロ流体デバイスを提供することである。
本開示は、分子生物学的応用に関連する種々の技術に供され得る流体試料を取り扱うための、マイクロプレートなどの、マイクロ流体デバイスに関する。
一態様によれば、マイクロ流体デバイスは、流体試料を受け入れるように構成された少なくとも１つのマイクロ流体ウェルを備える。少なくとも１つのマイクロ流体ウェルは、複数のマイクロチャンバと、複数のマイクロチャンバを流体的に結合する少なくとも１つのマイクロ流体チャネルとを含む。各マイクロチャンバは、反応チャンバと排気チャンバとを含み、反応チャンバは、マイクロ流体チャネルから流体試料を受け入れるように構成され、且つ排気チャンバは、流体試料が反応チャンバに流入するときに反応チャンバからマイクロ流体チャネルを介してガスを排出するように構成される。
別の態様によれば、マイクロ流体デバイスは、流体試料を受け入れるように構成された少なくとも１つのマイクロ流体ウェルと、少なくとも１つのマイクロ流体ウェル内に設けられたマイクロ流体回路とを備える。マイクロ流体回路は、マイクロ流体ウェル内に流体試料を分配するように構成される。マイクロ流体回路は、複数の反応チャンバと、反応チャンバを流体的に結合する少なくとも１つのマイクロ流体チャネルと、複数の反応チャンバに関連する複数のマイクロ流体バルブとを含む。各マイクロ流体バルブは、関連する反応チャンバに流体的に結合される。各反応チャンバは、マイクロ流体チャネルから流体試料を受け入れるように構成され、且つ各マイクロ流体バルブは、流体試料が反応チャンバに流入するときに、対応する反応チャンバからマイクロ流体チャネルを介してガスを排出するように構成される。
別の態様によれば、流体試料を取り扱うための方法が提供される。本方法は、複数のマイクロチャンバと、複数のマイクロチャンバを流体的に結合する少なくとも１つのマイクロ流体チャネルとを含むマイクロ流体デバイスに流体試料を送ること（ａ）を含む。各マイクロチャンバは、反応チャンバと、反応チャンバに流体的に結合された排気チャンバとを含む。本方法は、流体試料を各マイクロチャンバの反応チャンバ内に導くこと（ｂ）と、流体試料が反応チャンバに流入するときに反応チャンバから排気チャンバを介してガスを排出すること（ｃ）とを更に含む。
前述の内容は、本開示の非限定的な概要である。他の態様、実施形態及び／又は特徴は、以下の説明から明らかになるであろう。
本開示の種々の実施形態は、ある利点をもたらし得、且つ従来のマイクロ流体デバイスのある欠点を克服し得る。本開示の実施形態が同じ利点を共有するわけではなく、同じ利点を共有する実施形態が、全ての状況下で同じ利点を共有するわけではない。
例えば、本願は以下の項目を提供する。
（項目１）
流体試料を取り扱うためのマイクロ流体デバイスであって、
前記流体試料を受け入れるように構成された少なくとも１つのマイクロ流体ウェルであって、複数のマイクロチャンバと、前記複数のマイクロチャンバを流体的に結合する少なくとも１つのマイクロ流体チャネルとを含む、前記少なくとも１つのマイクロ流体ウェルを備え、
各マイクロチャンバが、反応チャンバと排気チャンバとを含み、前記反応チャンバが、前記マイクロ流体チャネルから前記流体試料を受け入れるように構成され、且つ前記排気チャンバは、前記流体試料が前記反応チャンバに流入するときに前記反応チャンバから前記マイクロ流体チャネルを介してガスを排出するように構成される、
マイクロ流体デバイス。
（項目２）
前記反応チャンバが、前記マイクロ流体チャネルの第１のセグメントに流体的に結合され、且つ前記排気チャンバが、前記マイクロ流体チャネルの第２のセグメントに流体的に結合される、項目１に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目３）
前記マイクロ流体チャネルの前記第１のセグメントが、前記反応チャンバを前記反応チャンバに隣接して位置する第１のマイクロチャンバに流体的に結合する、項目２に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目４）
前記マイクロ流体チャネルの前記第２のセグメントが、前記排気チャンバを前記排気チャンバに隣接して位置する第２のマイクロチャンバに流体的に結合する、項目３に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目５）
前記反応チャンバが、前記排気チャンバよりも大きい、項目１に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目６）
前記反応チャンバが、前記排気チャンバに流体的に結合される、項目１に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目７）
前記排気チャンバは、前記流体試料が前記反応チャンバに流入するときに前記反応チャンバからのガスの流れを可能にする一方で最初は前記反応チャンバからの前記流体試料の流れを阻止するように構成される、項目１に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目８）
前記排気チャンバは、前記ガスが前記反応チャンバから排出されたときに前記反応チャンバから前記流体試料の流れを放出するように構成される、項目７に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目９）
前記排気チャンバが、バルブとして作用するように構成された入口を含む、項目１に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目１０）
前記少なくとも１つのマイクロ流体ウェルが、複数のマイクロ流体チャネルを含み、各マイクロ流体チャネルが、マイクロチャンバの群を流体的に結合する、項目１に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目１１）
各マイクロ流体チャネルが、マイクロチャンバの前記群を直列に流体的に結合する、項目１０に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目１２）
各マイクロ流体チャネルが、入口端部と出口端部とを含み、前記少なくとも１つのマイクロ流体ウェルが、入口チャネルと出口チャネルとを含み、各入口端部が前記入口チャネルに流体的に結合され、且つ各出口端部が前記出口チャネルに流体的に結合される、項目１に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目１３）
前記少なくとも１つのマイクロ流体ウェルが、前記流体試料を受け入れるように構成された主入口を含み、前記主入口が前記入口チャネルに流体的に結合される、項目１２に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目１４）
前記少なくとも１つのマイクロ流体ウェルが、前記複数のマイクロチャンバからガスを排出するように構成された主排気孔を含み、前記主排気孔が前記出口チャネルに流体的に結合される、項目１３に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目１５）
前記反応チャンバが直径Ｄを有し、且つ前記排気チャンバが、マイクロチャネルに沿った方向に延びる長さＬと、前記長さに直交する方向に延びる幅Ｗとを有し、前記排気チャンバが、Ｄ／Ｗ≧２の直径対幅比と、Ｌ／Ｗ≧０．７の長さ対幅比とを有するように構成される、項目１に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目１６）
前記排気チャンバが、Ｌ／Ｗ≧０．８の長さ対幅比を有する、項目１５に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目１７）
前記排気チャンバが、Ｌ／Ｗ≧０．９の長さ対幅比を有する、項目１６に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目１８）
前記排気チャンバが、Ｌ／Ｗ≧１の長さ対幅比を有する、項目１７に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目１９）
前記反応チャンバが、深さｄと、ｄ／Ｄ≦２の深さ対直径比とを有する、項目１５に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目２０）
前記反応チャンバが、約１．５の深さ対直径比ｄ／Ｄを有する、項目１９に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目２１）
前記反応チャンバが、Ｄ≦６００μｍの直径を有する、項目１５に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目２２）
前記反応チャンバが、少なくとも６０μｍの直径Ｄを有する、項目２１に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目２３）
前記反応チャンバが深さｄを有し、且つ前記マイクロ流体チャネルが深さｄ ２ を有し、前記反応チャンバ深さ対前記マイクロ流体チャネル深さ比ｄ／ｄ ２ が２：１以下である、項目１に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目２４）
前記排気チャンバが、前記反応チャンバ深さの少なくとも５０％である深さを有する、項目２３に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目２５）
流体試料を取り扱うためのマイクロ流体デバイスであって、
前記流体試料を受け入れるように構成された少なくとも１つのマイクロ流体ウェルと、
前記少なくとも１つのマイクロ流体ウェル内に設けられたマイクロ流体回路であって、前記マイクロ流体ウェル内に前記流体試料を分配するように構成された前記マイクロ流体回路とを備え、
前記マイクロ流体回路が、複数の反応チャンバと、前記反応チャンバを流体的に結合する少なくとも１つのマイクロ流体チャネルと、前記複数の反応チャンバに関連する複数のマイクロ流体バルブとを含み、各マイクロ流体バルブが、関連する反応チャンバに流体的に結合され、
各反応チャンバが、前記マイクロ流体チャネルから流体試料を受け入れるように構成され、且つ各マイクロ流体バルブは、前記流体試料が前記反応チャンバに流入するときに、対応する反応チャンバから前記マイクロ流体チャネルを介してガスを排出するように構成される、
マイクロ流体デバイス。
（項目２６）
前記反応チャンバが、前記マイクロ流体チャネルの上流側セグメントから流体を受け入れるように前記マイクロ流体回路内に配設され、且つ前記マイクロ流体バルブが、前記マイクロ流体チャネルの下流側セグメントに流体を送るように前記マイクロ流体回路内に配設される、項目２５に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目２７）
前記複数の反応チャンバが、第１の反応チャンバと第２の反応チャンバとを含み、前記マイクロ流体バルブの１つが、前記第１の反応チャンバと前記第２の反応チャンバとの間に位置する、項目２５に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目２８）
前記第１の反応チャンバが前記マイクロ流体バルブに流体的に結合され、且つ前記マイクロ流体バルブが前記第２の反応チャンバに流体的に結合され、前記マイクロ流体回路が、前記第１の反応チャンバから前記マイクロ流体バルブを通って前記第２の反応チャンバへ流れるように前記流体試料を導くように配設される、項目２７に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目２９）
前記マイクロ流体バルブは、所定量の前記流体試料が前記第１の反応チャンバ内に受け入れられるまで前記第１の反応チャンバからの前記流体試料の前記流れを制限するように構成される、項目２８に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目３０）
各マイクロ流体バルブが、受動バルブであるように構成される、項目２５に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目３１）
各マイクロ流体バルブが疎水性材料で形成される、項目２５に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目３２）
各マイクロ流体バルブが、ポリプロピレン、ポリエチレン及びＰＴＦＥの１つ又は複数から形成される、項目３１に記載のマイクロ流体デバイス。
（項目３３）
流体試料を取り扱う方法であって、
複数のマイクロチャンバと、前記複数のマイクロチャンバを流体的に結合する少なくとも１つのマイクロ流体チャネルとを含むマイクロ流体デバイスに流体試料を送る行為であって、各マイクロチャンバが、反応チャンバと、前記反応チャンバに流体的に結合された排気チャンバとを含む、前記行為（ａ）と、
前記流体試料を各マイクロチャンバの前記反応チャンバ内に導く行為（ｂ）と、
前記流体試料が前記反応チャンバに流入するときに前記反応チャンバから前記排気チャンバを介してガスを排出する行為（ｃ）と
を含む方法。
（項目３４）
行為（ｂ）が、前記マイクロ流体チャネルの第１のセグメントを通して前記反応チャンバ内に前記流体試料を導くことを含み、且つ行為（ｃ）が、前記マイクロ流体チャネルの第２のセグメントを通してガスを排出することを含む、項目３３に記載の方法。
（項目３５）
行為（ｃ）が、前記排気チャンバから前記マイクロ流体チャネルの前記第２のセグメントに流れるように前記流体試料を導くことを含む、項目３４に記載の方法。
（項目３６）
行為（ｃ）中に前記流体試料が前記排気チャンバに流入するのを阻止する行為（ｄ）を更に含む、項目３３に記載の方法。
（項目３７）
前記ガスが前記反応チャンバから排出されたときに前記反応チャンバから前記排気チャンバ内に前記流体試料を放出する行為（ｅ）を更に含む、項目３６に記載の方法。
（項目３８）
前記複数のマイクロチャンバが、前記少なくとも１つのマイクロ流体チャネルによって流体的に結合された、第１のマイクロチャンバと第２のマイクロチャンバと第３のマイクロチャンバとを含み、前記マイクロ流体チャネルの第１のセグメントが、前記第１のマイクロチャンバと前記第２のマイクロチャンバとを流体的に結合し、且つ前記マイクロ流体チャネルの第２のセグメントが、前記第２のマイクロチャンバと前記第３のマイクロチャンバとを流体的に結合する、項目３３に記載の方法。
（項目３９）
前記反応チャンバに前記流体試料を充填した後に前記マイクロ流体デバイス上でデジタルＰＣＲを実施する行為（ｆ）を更に含む、項目３３に記載の方法。
類似の符号が類似の要素を指す添付の図面を参照しながら、本開示の態様を、例として、以下に説明する。
図１は、一実施形態によるマイクロ流体デバイスの上面図である。 図２は、一実施形態によるマイクロ流体回路を図示する図１のマイクロ流体デバイスのウェルの拡大図である。 図３は、一実施形態によるマイクロ流体回路のマイクロチャンバ及びマイクロ流体チャネルを図示する図２のウェルの拡大図である。 図４は、図３の切断線４－４に沿って切ったマイクロ流体回路の断面図である。 図５は、一実施形態によるマイクロチャンバの拡大図である。 図６は、図５の切断線６－６に沿って切ったマイクロチャンバ回路の断面図である。 図７は、流体試料を内部に受け入れる図５～図６のマイクロチャンバの上面図である。 図８は、流体試料が反応チャンバを部分的に満たし且つ空気が排気チャンバを通して排出される図６の概略図である。 図９は、流体試料が反応チャンバを満たし且つ排気チャンバへの狭窄部によって反応チャンバ内に保持される図６の概略図である。 図１０は、反応チャンバ内で上昇した流体圧力によって、流体を反応チャンバ内に保持する表面張力に流体が打ち勝つ前に自由表面が狭窄部を越えて排気チャンバ内に突出する図６の概略図である。 図１１は、図１０のマイクロチャンバの上面概略図である。 図１２は、マイクロチャンバの代表的な流体回路を図示するマイクロプレートウェルの概略図である。 図１３は、流体的に結合されたマイクロチャンバの群を図示する図１３の切断線１３－１３に沿って切ったマイクロプレートの断面図である。 図１４Ａ～図１９Ｂは、ｄＰＣＲ法での処理のためにマイクロプレートのウェルに流体試料を充填する工程を図示する概略図である。 図１４Ａ～図１９Ｂは、ｄＰＣＲ法での処理のためにマイクロプレートのウェルに流体試料を充填する工程を図示する概略図である。 図１４Ａ～図１９Ｂは、ｄＰＣＲ法での処理のためにマイクロプレートのウェルに流体試料を充填する工程を図示する概略図である。 図１４Ａ～図１９Ｂは、ｄＰＣＲ法での処理のためにマイクロプレートのウェルに流体試料を充填する工程を図示する概略図である。 図１４Ａ～図１９Ｂは、ｄＰＣＲ法での処理のためにマイクロプレートのウェルに流体試料を充填する工程を図示する概略図である。 図１４Ａ～図１９Ｂは、ｄＰＣＲ法での処理のためにマイクロプレートのウェルに流体試料を充填する工程を図示する概略図である。
本開示の態様は、本開示の態様による例示の実施形態を示す、図を参照しながら本明細書で説明されることが理解されるべきである。本明細書で説明する例示の実施形態は、必ずしも本開示の全ての態様を示すように意図されておらず、むしろ、２、３の例示の実施形態を説明するために使用される。したがって、本開示の態様は、例示の実施形態を考慮して狭義に解釈されるように意図されていない。そして、本明細書で述べる種々の概念及び実施形態は、開示の概念及び実施形態がいかなる特定の実施態様にも限定されないので、数多くの方法のいずれかで実現され得ることが認識されるべきである。加えて、本開示の態様は、単独で、又は本開示の他の態様との任意の好適な組み合わせで使用され得ることが理解されるべきである。
本開示は、分子生物学に関連する技術に供すべき流体材料の試料を取り扱うためのマイクロ流体デバイスに関し、且つデジタルＰＣＲ（ｄＰＣＲ）法での使用に特に好適である。理解を容易にするために、本開示の範囲を限定することなく、限定されるものではないが、特に、ＤＮＡ融解と酵素によるＤＮＡ複製とを含むｄＰＣＲ法との関連でマイクロ流体デバイスについて以下に説明する。しかしながら、当業者に明らかなように、マイクロ流体デバイスは、そのように限定されるものではなく、分子生物学に関連する他の臨床及び／又は研究技術と共に用いられ得ることが理解されるべきである。例えば、非限定的に、マイクロ流体デバイスは、配列決定のためのＤＮＡクローニング、遺伝子クローニング及び遺伝子操作、遺伝子変異誘発；ＤＮＡに基づく系統発生の構築、又は遺伝子の機能解析；遺伝性疾患の診断及びモニタリング；古代ＤＮＡの増幅；ＤＮＡプロファイリングのための遺伝子指紋の解析；並びに感染症の診断のための核酸検査での病原体の検出のために用いられてもよい。マイクロ流体デバイスは、各々個別に又は組み合わせて、そのような特性に寄与する、１つ又は複数の特徴を含み得る。
本開示は、より詳細には、ｄＰＣＲ法を用いて分析すべき１つ又は複数の流体試料を受け入れるための１つ又は複数のマイクロ流体ウェルを含むマイクロ流体デバイスを対象とするが、本開示はそのように限定されるものではない。各マイクロ流体ウェルは、ウェルに送られた一定量の流体試料を受け入れるように構成された複数のマイクロチャンバを含み得る。各マイクロチャンバは、マイクロ流体チャネル又はチャネルのセグメントによって、隣接するマイクロチャンバに流体的に結合されてもよい。マイクロチャンバは、ウェルを横切って延びる１つ又は複数のマイクロ流体チャネルによって流体的に結合されてもよい。例えば、マイクロチャンバは、マイクロチャンバの各群が、ウェルを横切って延びる別々のマイクロ流体チャネルによって流体的に結合される、マイクロチャンバの別々の群に配設されてもよい。このような配置は、流体試料が１つのマイクロチャンバからマイクロ流体チャネルを通って隣接するマイクロチャンバに流れ得るマイクロ流体回路を作り出す。
マイクロ流体ウェル内に流体試料を受け入れる前に、ウェルのマイクロチャンバ及びマイクロ流体チャネルには、典型的には、空気などのガスが充填される。ｄＰＣＲ法に好適な他のガスもマイクロ流体回路内に存在し得るが、便宜上、本開示では、以下において、空気について言及する。流体試料をマイクロ流体ウェル内に導入することは、流体試料がマイクロ流体回路に沿って流れてマイクロ流体回路を満たすことを可能にするために、マイクロチャンバ及びマイクロ流体チャネルから空気を押し出す必要がある。マイクロ流体回路内に残存するいかなる空気も、ｄＰＣＲ法の精度に影響を与え得る気泡を潜在的にマイクロチャンバ内に形成する可能性がある。
マイクロチャンバの深さ対直径のアスペクト比を変えることによって、マイクロ流体デバイス内での気泡形成に対処してもよい。例えば、比較的浅い深さ及び大きな直径（すなわち、比較的小さなアスペクト比）を有するように構成されたマイクロチャンバは、流体がマイクロチャンバに流入するときの気泡の形成及び／又は混入を回避するのに効果的である場合がある。本発明者らは、そのようなマイクロチャンバ構成によってマイクロ流体ウェル内のマイクロチャンバの数が制限される可能性があることを認識した。本発明者らは、マイクロ流体ウェル内のマイクロチャンバの数を増加させることがマイクロ流体デバイスのいくつかの用途で望ましい場合があることを更に認識した。マイクロチャンバの数を増加させるには、比較的大きなアスペクト比（すなわち、より小さな直径、より大きな深さ）を有するマイクロチャンバを使用して、より小さなアスペクト比を有するマイクロチャンバと同じ容積を達成する必要がある。しかしながら、本発明者らは、比較的高いアスペクト比を有するように構成されたマイクロチャンバが、気泡形成の影響を受けやすくなり得ることを認識した。例えば、マイクロチャンバがマイクロ流体チャネルよりも実質的に深い、マイクロチャンバを比較的浅いマイクロ流体チャネルと流体的に結合することが望ましい場合がある。流体試料が入口チャネルを通ってマイクロチャンバに流入すると、マイクロチャンバ内のガスは、流入した流体によって押し出されて、出口チャネルから抜ける。しかしながら、マイクロチャンバを完全に満たす前に流体試料が出口チャネルに達する可能性があり得る。流体試料が出口チャネルに達して出口チャネルに入ったときに、追加のガスがマイクロチャンバから抜けることができず、その結果、気泡がマイクロチャンバ内に閉じ込められることがある。
本発明者らは、マイクロ流体回路内に、特にマイクロ流体ウェル内のマイクロチャンバ内に存在する気泡を排除しないまでも低減するマイクロ流体デバイスが、特にｄＰＣＲ法に有利であることを認識した。本発明者らは更に、マイクロチャンバ内での気泡形成の可能性をコスト効率の高い方式で低減するマイクロ流体デバイスを開発することが有益であると認識した。
本開示のマイクロ流体デバイスには、各マイクロチャンバが反応チャンバと関連する排気チャンバとを含むマイクロチャンバのアレイが設けられてもよい。マイクロ流体回路は、マイクロ流体ウェルに導入された流体試料が反応チャンバに流入して反応チャンバ内に存在する空気又は他のガスがマイクロチャンバから排気チャンバを通って排出されるように配設されてもよい。マイクロチャンバは、流体試料によって反応チャンバから空気が押し出され且つ／又は所定量の流体試料が反応チャンバ内に受け入れられるまで反応チャンバから排気チャンバ内への空気の流れのみを可能にするように構成されてもよい。マイクロチャンバは更に、その後に流体試料が反応チャンバから排気チャンバに流入することを可能にするように構成されてもよい。マイクロチャンバのアレイは、排気チャンバから出た流体が、マイクロチャンバを流体的に結合するマイクロ流体チャネルを通ってマイクロ流体回路内の次のマイクロチャンバの反応チャンバへ流れ得るように配設されてもよい。マイクロ流体チャネルは、マイクロチャンバに流体試料が充填された後のチャネルの封止を容易にするためにマイクロチャンバよりも浅くてもよい。
マイクロチャンバは、流体及び空気の流れを制御するために反応チャンバと排気チャンバとの間にマイクロ流体バルブ又はバルブ類似装置を含み得る。一態様において、マイクロチャンバは、排気チャンバが少なくとも１つの寸法において反応チャンバよりも小さくなるように構成され、且つ表面張力が流体の圧力によって克服されるまで、流体が排気チャンバに入るのを阻止するために、反応チャンバから排気チャンバへの移行部において十分な表面張力を生じさせるように構成されてもよい。このように、マイクロ流体バルブは、流体が流れることを可能にするのに必要な弁の能動作動なしに受動的に作用する排気チャンバへの移行部又は入口に形成される。
排気チャンバは、反応チャンバと同じか又はそれよりも更に深い深さを有するように構成されてもよい。排気チャンバは、流体試料がマイクロチャンバに流入するときに、流体が反応チャンバの完全な深さを満たすまでガスが抜けることができるように、マイクロチャンバの深さの、全体ではないとしても、大部分にわたって反応チャンバに接続されてもよい。代替的に、所定の気泡を混入させることが望ましい場合があるいくつかの用途では、排気チャンバの深さは、反応チャンバの深さよりも小さく、且つ反応チャンバの一部のみにわたって延びてもよい。流体試料が、排気チャンバに結合されていない反応チャンバの一部に達すると、反応チャンバ内に残存する一定量のガスは、排出できずに混入され、それによって、排気チャンバによって排出されない、反応チャンバの一部によって画定される気泡を形成する。
各マイクロ流体ウェルには、流体試料を受け入れるための主入口と、流体試料がウェルに送られるときにマイクロチャンバから空気及び過剰な流体を排出するための主排気孔とが設けられてもよい。マイクロ流体ウェルへの主入口は、当業者には明らかなように、流体試料を各マイクロ流体ウェルに送るためのピペッティング又は他の技術に対応するように配設されてもよい。
各マイクロ流体ウェルは、流体試料の一部をマイクロチャンバの各々に分配するように構成されてもよい。例えば、非限定的に、マイクロチャンバは、流体試料の一部が、群の各マイクロチャンバを流体的に結合する別々のマイクロ流体チャネルによってマイクロチャンバの各群に送られる、複数の群に配設されてもよい。いくつかの用途では、各群のマイクロチャンバは、複数のマイクロ流体チャネル又はマイクロ流体チャネルのセグメントによって直列に流体的に結合されてもよい。各群はまた、流体試料の一部を互いに並列に受け入れるように配設されてもよい。しかしながら、本開示は、そのように限定されるものではなく、且つマイクロチャンバは、当業者には明らかなように、任意の好適な方式で配設及び／又は流体的に結合されてもよい。
図１に示す一実施形態では、マイクロ流体デバイス２０は、限定されるものではないが、ｄＰＣＲ法を用いて分析すべき１つ又は複数の流体試料を受け入れるための１つ又は複数のマイクロ流体ウェル２４が設けられたマイクロプレート２２を含み得る。当業者によって認識されるように、マイクロ流体ウェル２４の各々は、同じ流体試料を受け入れてもよく、又は異なるウェルは、分析のために異なる流体試料を受け入れてもよい。
図示するように、マイクロ流体ウェル２４は、特定の技術及び／又はマイクロ流体システムに好適な他の配置も考慮されるが、格子パターンを有するアレイで配設されてもよい。一実施形態では、マイクロ流体デバイスは、８×１２の格子パターンで配設された９６個のマイクロ流体ウェルを含み得る。他の配置は、限定されるものではないが、格子パターンで配設された２４個のマイクロ流体ウェルを備えたマイクロプレートを含み得る。
各マイクロ流体ウェル２４は、ウェルを横切って延びる１つ又は複数のマイクロ流体チャネル３０によって流体的に結合された複数のマイクロチャンバ２８を含むマイクロ流体回路２６を有し得る。マイクロチャンバ２８は、ｄＰＣＲ又は他の技術に供すべき所定量の流体試料を受け入れて保持するように構成されてもよい。各マイクロ流体ウェル２４は、マイクロ流体回路全体に分配すべき流体試料を受け入れるための一次入口３２と、マイクロ流体回路から空気及び過剰な流体を排出するための一次排気孔３４とを含み得る。
マイクロ流体回路を通る流体の流れを容易にするために、マイクロチャンバは、互いに流体的に結合される群又は副回路内に配設されてもよい。図２～図４に図示する一実施形態では、マイクロチャンバは、複数の群３６に配設されてもよく、且つ各群におけるマイクロチャンバは、マイクロ流体チャネル３０又はマイクロ流体チャネルのセグメントと直列に互いに流体的に結合されてもよい。マイクロチャンバの各群３６は、流体の流れを互いに並列に受け入れるように配設されてもよい。マイクロチャンバの各群３６は、入口端部３８と出口端部４０とを備えたマイクロ流体チャネル３０を含み得る。入口端部３８は、入口マイクロ流体チャネル４２を介して一次入口３２に流体的に結合されてもよく、且つ出口端部４０は、出口マイクロ流体チャネル４４を介して一次排気孔３４に流体的に結合されてもよい。当業者には明らかなように、流体試料の流れ又は分配を容易にするために任意の好適なマイクロ流体回路配置が用いられ得ることを認識されたい。
いくつかの用途では、マイクロ流体ウェル内のマイクロ流体チャネルの数を増加させることが望ましい場合がある。マイクロ流体チャネルの数を増加は、マイクロチャンバの直径を減少させることを伴い得る、隣り合うマイクロチャンバ間の間隔を狭めることによって達成されてもよい。同じマイクロチャンバ容積を維持するために、マイクロチャンバの深さを増加させる。しかしながら、本発明者らは、このようにマイクロチャンバのアスペクト比を変えることによって、マイクロチャンバ内に気泡が閉じ込められる可能性がより高い、マイクロ流体ウェルのマイクロ流体回路を通る流体試料のあまり効率的でない流れが生み出され得ることを認識した。
この懸念事項に対処するために、各マイクロチャンバは、マイクロチャンバ内に気泡が閉じ込められる発生率の低下を伴う、流体がマイクロ流体回路を通って効率的に流れることを可能にする方式で、流体試料がマイクロチャンバに流入するときに、空気などの、ガスを排出するように構成されてもよい。
図３～図５に図示する一実施形態では、各マイクロチャンバ２８は、反応チャンバ４６と、関連する排気チャンバ４８とを含み得る。反応チャンバ４６は、マイクロ流体チャネル３０から所定量の試料を受け入れて保持するように構成され、且つ排気チャンバ４８は、流体試料が反応チャンバに流入するときに反応チャンバ４６からガスを排出するように構成される。少なくとも反応チャンバからガスが排出され且つ／又は反応チャンバが所定量の流体を受け入れたときに、流体試料が、排気チャンバ４８を通って流れ、且つマイクロ流体チャネル３０に沿ってマイクロ流体回路内の次のマイクロチャンバまで連続する。このように、反応チャンバ４６は、マイクロ流体チャネルの上流側セグメント３０ａから流体を受け入れ、流体は排気チャンバを通過してマイクロ流体チャネルの下流側セグメント３０ｂに移る。その上、マイクロ流体回路内に存在する空気は、マイクロ流体チャネルに沿って進む流体試料の流れによって、マイクロ流体回路から排出される。
前述のように、マイクロチャンバ２８は、流体及び空気の流れを制御するためのマイクロ流体バルブ又はバルブ類似装置を含み得る。一実施形態では、排気チャンバ４８は、毛細管バルブ又は疎水性バルブ（としてではないとしても）と同様に作用するように構成されてもよい。より詳細には、マイクロチャンバ２８は、反応チャンバ４６が空気を実質的に含まなくなるまで（さもなければ空気が充填工程中に反応チャンバ内に気泡を形成する）最初は液体試料が排気チャンバ４８に入るのを阻止するために狭い疎水性狭窄部５０を有するように構成されてもよい。追加的又は代替的に、マイクロチャンバ２８は、正確な結果をもたらすのに適切であり得る所定量の流体試料が反応チャンバ４６に充填されるまで最初は流体試料が排気チャンバ４８に入るのを阻止するために狭い疎水性狭窄部５０を有するように構成されてもよい。
特定の理論に拘束されることを望むものではないが、毛管力は、液体、空気及び固体表面の間の界面において、液体、空気及び固体表面の相互作用をもたらす。液相中の分子は、液体のバルク中で均衡が保たれる凝集力によって互いに保持される。液体の縁にある液体分子では、他の液体分子との凝集力が、隣接する空気分子との相互作用よりも大きく、その結果、界面における液体分子が液体の方に引き寄せられる。これらの力の全体的な効果は、空気にさらされる液体の自由表面を最小限に抑えることである。表面積の減少によって生じる低下した表面エネルギーの釣り合いが表面張力である。
表面張力は、毛細管などの、空の非湿潤通路に液体を押し込むのに必要な圧力上昇のために重要である。したがって、反応チャンバ４６から排気チャンバ４８への狭い疎水性狭窄部５０を設けることによって、狭窄部における表面張力が反応チャンバ内の流体圧力の上昇によって克服されるまで、反応チャンバから排気チャンバへの流体試料の流れが阻止される。マイクロチャンバは、所定量の液体が反応チャンバ内に存在するときに表面張力を克服するのに必要な圧力が発生するように構成されてもよく、この圧力は、反応チャンバから排気チャンバ内に又は排気チャンバを通して空気が押し出されたときに生じる。
反応チャンバ４６と排気チャンバ４８との間の毛管効果は、チャンバ間に位置する狭い狭窄部５０を含むマイクロチャンバ構成によって達成されてもよい。図３～図５に図示する一実施形態では、反応チャンバ４６は、直径Ｄと深さｄとを備えた円形構成を有し得る。排気チャンバ４８は、長さＬと幅Ｗとを備えた矩形構成を有し得る。図示のように、排気チャンバの長さＬは、幅Ｗが長さを横断する、例えば長さに直交する状態で、マイクロチャネル３０に沿った方向に延びてもよい。排気チャンバ４８は、反応チャンバ全体からのガスの排出を容易にするために、反応チャンバと同じ深さを有し得る。反応チャンバ４６は、排気チャンバの幅Ｗとチャンバの深さｄとによって画定された入口又は狭窄部５０によって排気チャンバに流体的に結合されてもよい。他の実施形態では、排気チャンバの深さは、特に規定量のガスを混入させて反応チャンバ内に気泡を形成することが望ましい場合、反応チャンバの深さよりも小さくてもよい。
マイクロチャンバ２８の毛管効果は、チャンバに関連する寸法関係によって影響を受ける場合がある。例えば、毛管効果は、反応チャンバ４６と排気チャンバ４８との直径対幅比Ｄ／Ｗ、排気チャンバ４８の長さ対幅比Ｌ／Ｗ、及び反応チャンバ４６の深さ対直径比ｄ／Ｄに影響される場合がある。
例示の一実施形態では、マイクロチャンバ２８は、Ｄ／Ｗ≧２の直径対幅比とＬ／Ｗ≧１の長さ対幅比とを有するように構成されてもよい。これらの比率を有するマイクロチャンバ構成は、反応チャンバがｄ／Ｄ≦２の深さ対直径比を有するマイクロチャンバ構成に好適である。例えば、非限定的に、１．５の深さ対直径比ｄ／Ｄが、Ｄ／Ｗ≧２及びＬ／Ｗ≧１と共に用いられてもよい。しかしながら、所望のレベルの表面張力又は毛管効果を達成するために、マイクロチャンバに他の比率も用いられ得ることを認識されたい。他の実施形態では、排気チャンバ４８は、Ｌ／Ｗ≧０．７の長さ対幅比、Ｌ／Ｗ≧０．８の長さ対幅比、Ｌ／Ｗ≧０．９の長さ対幅比、又はＬ／Ｗ≧１の長さ対幅比を有し得る。
毛管効果はまた、チャンバの幾何学的側面によって影響を受ける場合がある。例えば、非限定的に、排気チャンバ４８への入口５０の縁部構成は、流体が排気チャンバに入るのを妨げる表面張力の量に影響を及ぼすことがある。より詳細には、比較的鋭い縁部は、より丸みを帯びた縁部に比べて高い表面張力をもたらし得る。一実施形態では、マイクロチャンバは、反応チャンバ内の一定量の流体が表面張力を克服するのに十分な流体圧力を生み出すまで表面張力を高めて流体を反応チャンバ内に保持するために、排気チャンバへの入口に比較的鋭い縁部を有するように構成されてもよい。マイクロチャンバは、反応チャンバに気泡が含まれない場合にこのことが起こるように構成されてもよい。
マイクロチャンバ及び／又はマイクロ流体回路の特徴に関連する他の寸法関係もまた、流体試料の流れ及び／又はマイクロチャンバ内の気泡混入に影響を及ぼす場合がある。例えば、流体の流れ及び／又は気泡混入は、反応チャンバ４６とマイクロ流体チャネル３０との深さ比と、反応チャンバ４６と排気チャンバ４８との深さ比とによって影響を受ける場合がある。一実施形態では、反応チャンバ及びマイクロ流体チャネルは、ｄ／ｄ２≧２：１の深さ比を有し得る。一実施形態では、排気チャンバの深さは、反応チャンバの深さの少なくとも５０％であってもよい。しかしながら、当業者には明らかなように、他の深さ比も用いられ得ることを認識されたい。
例示の一実施形態では、マイクロチャンバ２８は、６０μｍの直径Ｄを有する反応チャンバ４６と、２５μｍの幅Ｗと約１６μｍの長さＬを有する排気チャンバ４８とで構成されてもよい。反応チャンバ及び排気チャンバは各々、１００μｍの深さｄを有し得る。マイクロチャンバはまた、マイクロチャネル３０の方向に反応チャンバの直径Ｄを横切って７５μｍの排気チャンバの端壁５２まで延びる全長Ｌ２を有し得る。好ましくは、反応チャンバの直径は、３０μｍ～６００μｍであってもよい。しかしながら、３０μｍ未満の直径を有する反応チャンバが、いくつかの用途で使用されてもよい。同様に、表面張力効果は、直径が６００μｍを超えて増加するにつれて低下して効果が小さくなり得るが、反応チャンバは、６００μｍよりも大きな直径を有するように構成されてもよい。
例示の一実施形態では、各ウェル２４のマイクロ流体回路は、各群が、マイクロ流体チャネル３０と互いに流体的に結合された約７４個のマイクロチャンバを含み、その結果、ウェルが、流体試料の別々の部分を受け入れるための８５００個よりも多くのマイクロチャンバを有する、約１１６群のマイクロチャンバ２８を含むように配設されてもよい。図２～図３に図示するように、マイクロチャンバの群３６は、ウェルを横切って延びる直線状パターンで配設されてもよい。マイクロ流体回路は、各群におけるマイクロチャンバが直列に配設された状態で、各群を通って互いに並列に流れるように流体試料を導くように配設されてもよい。しかしながら、マイクロ流体回路では、当業者には明らかなように、任意の好適な構成が用いられ得ることを認識されたい。
例示の一実施形態では、マイクロチャンバの各群は、隣接する群から約７０μｍの間隔Ｓ１をおいて配設されてもよい。図３に示すように、隣り合う群におけるマイクロチャンバは、ウェル内のマイクロチャンバの密度を更に増加させるために、約５５μｍのオフセットＳ２を有するように配設されてもよい。各マイクロ流体チャネル又はマイクロ流体チャネルの接続セグメントは、約４５μｍの幅Ｗ２と約２０μｍの深さｄ２とを有し得る。しかしながら、マイクロ流体回路では、当業者には明らかなように、マイクロチャンバ間の任意の好適な間隔と、マイクロ流体チャネルの任意の好適なサイズが用いられ得ることを認識されたい。
図１に示す図示の一実施形態では、マイクロ流体デバイスは、８×１２の格子配置で配設された９６個のウェルを備えたマイクロプレートを含み得る。各ウェルは、９ｍｍ×９ｍｍの正方形構成を有し得る。マイクロプレートの全体のサイズは、７２ｍｍ×１０８ｍｍであってもよい。そのような配置では、１つのマイクロプレート当たり７６０，０００個を超えるマイクロチャンバが提供され得る。マイクロ流体デバイスでは、当業者には明らかなように、ウェルの他の好適な配置も用いられ得ることを理解されたい。
マイクロ流体デバイスは、当業者には明らかなように、任意の好適な製造技術を使用して任意の好適な材料から作られてもよい。
例示の一実施形態では、マイクロ流体デバイスは、複数の材料層から形成されてもよい。マイクロ流体デバイスの層は、同様の又は異なる材料から構成されてもよい。一実施形態では、マイクロ流体デバイスは、反応チャンバが流体を受け入れているときに排気チャンバへの流体及び空気の流れを制御するために、マイクロチャンバ内で毛管効果を高めるための疎水性材料を含み得る。
いくつかの実施態様において、デバイスの層は、比較的硬質のプラスチック、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、ＰＴＦＥなどで作製されてもよい。ＰＴＦＥ、ポリプロピレンなどの、一部のプラスチックは、本来疎水性であり、それゆえ、液体が排気チャンバに尚早に流入するのを阻止する毛管効果の性能を改善し得る。代替的に、層は、シリコーン又は他のエラストマーなどの可撓性のあるゴム状材料を含み得る。他の可能性のある材料としては、ガラス、セラミック、シリコンなどが挙げられ得る。そのようなものとして、層は、硬質又は変形可能であってもよい。そのような材料は、チャンバ／空洞内の内容物の光学的測定を容易に可能にするために、半透明又は透明であってもよい。
マイクロ流体デバイスの個々の層は、任意の好適な方法によって作製されてもよい。いくつかの実施形態では、層は、射出成形によって、空洞及びチャネルをプラスチック薄板にエンボス加工すること、エッチング、又は他の任意の好適な方法によって、作製される。例えば、空洞及びチャネルを画定する空間は、層を構成するプラスチック／ポリマー又はエラストマー材料中に形成され（例えば、成形され、エッチングされ）てもよい。
いくつかの実施形態では、異なる層は、最初は流体連通状態にある空洞及びチャネルを画定してもよい。例えば、第１の層は、空洞を互いに接続するチャネルを画定せずに多数の空洞を画定してもよく、第１の層に隣接する追加の層は、空洞を接続するチャネルを画定してもよい。そのようなチャネルは、例えば、２つの層の互いに対する圧縮によって、適切に封止されてもよい。
いくつかの実施形態では、層は、アクリル接着剤、天然ゴム接着剤、又はシリコーン接着剤を含み得る。そのような材料は、圧縮力を受けたときに（例えば、封止材料として）デバイスのチャネルに変形するのに好適であってもよい。いくつかの実施形態では、接着剤は、比較的硬質の層上に、又は代替的に、別個の基材上に配置されてもよい。好適な基材の例としては、限定されるものではないが、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、及び／又は他の好適なプラスチックが挙げられ得る。
マイクロ流体デバイスの種々の構成要素（例えば、層、接着剤など）は、任意の好適な方法によって互いに接着されてもよい。例えば、接着剤は、分離／封止材料と第１及び／又は第２の層とを接合するためになど、１つ又は複数の構成要素を互いに接合するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、マイクロ流体デバイスの構成要素は、異なる層の表面間の均一に分布した接合をもたらすように（例えば、締め付け、圧延、又は他の外部から印加される力によって）互いに圧縮されてもよい。
ある特定の材料では、適切な量の圧縮力及び／又は熱の印加によって、デバイスの構成要素のある特定の特徴に変化がもたらされてもよい。例えば、高温では、ワックスなどのある特定の材料は、粘着性及び／又は接着性がますます高まり、デバイスの構成要素間に強固な接着をもたらす。よって、ワックス層を含む、デバイスの異なる層は、組み付けられ、次いで、適切な時間にわたって圧縮及び加熱に供されて、ワックスが接合を生じさせることを可能にしてもよい。いくつかの実施形態では、層間の接合を促進するために、１つ又は複数の適切な溶媒が使用されてもよい。
図６～図１１は、流体試料がウェルのマイクロ流体回路を通って流れるときのマイクロチャンバ内への及びマイクロチャンバからの流体及び空気の流れの一例を図示している。
図６は、流体試料の導入前の空気又は何か他のガスのみを収容するマイクロチャンバ２８を図示している。
図７～図８は、反応チャンバ４６に入って空気を排気チャンバ４８内に押し出す流体試料を図示している。図８は、流体試料が反応チャンバに入るときに下方向に流れる流体試料を図示しているが、マイクロ流体デバイスは、典型的には、流体試料が実際に反応チャンバの底部に入って上方向に流れるような向きに配置される。この点に関して、図６～図１１は、マイクロ流体デバイスで使用する際にマイクロチャンバが典型的にどのような向きに配置されるかから１８０°回転させたマイクロチャンバを図示している。
図９は、流体試料が充填され且つ反応チャンバからの空気の排出に起因する気泡が含まれない反応チャンバ４６を図示している。図示のように、流体は、排気チャンバ４８への入口５０で生じる表面張力によって反応チャンバ４６内に維持される。
図１０～図１１に図示するように、反応チャンバ４６内の流体圧力の増加によって、流体圧力が表面張力を克服して流体が排気チャンバ４８に流入するまで流体の自由表面６０が入口５０から突出する。図１０に図示するように、どこで及びどのくらいの速さで流体が狭窄部を通り抜けるかに応じて、気泡が排気チャンバ４８内に閉じ込められる可能性があり得る。しかしながら、排気チャンバの一部内に閉じ込められた気泡は、反応チャンバ内で発生する反応に悪影響を及ぼすものとは予期されていない。
図１２～図１９は、ｄＰＣＲ又は分子生物学に関連する他の技術を行うためのマイクロ流体デバイスのウェルのマイクロ流体回路を通して導入される流体試料の例を図示している。
図１２は、流体試料の導入前の、マイクロ流体回路２６を備えたマイクロプレートウェル２２の概略図である。マイクロ流体回路は、並列に配設された１４群２６のマイクロチャンバ２８を含み、且つ各群は、マイクロ流体チャネルによって直列に流体的に結合された１３個のマイクロチャンバを含む。各マイクロ流体チャネル３０の第１の端部３８は、入口チャネル４２に流体的に結合され、且つ各マイクロ流体チャネル３０の第２の端部４０は、出口チャネル４４に流体的に結合される。回路入口３２は、入口チャネル４２に結合され、且つ回路排気孔３４は、出口チャネル４４に結合される。
図１３は、回路入口と、マイクロ流体チャネルによって流体的に結合されたマイクロチャンバの群とを図示する図１２のウェルの側面図である。
図１４Ａ～図１４Ｂに図示するように、ＰＣＲ反応混合物などの、流体試料は、回路入口３２に送られる。一実施形態では、ピペットは、ＰＣＲ反応混合物を入口に送るために使用されてもよい。
図１５に図示するように、可撓性プレートシール６２は、ＰＣＲ反応混合物が回路入口３２内に残存する状態で、マイクロプレート２２の上部に且つ各ウェル２４を覆うように貼り付けられる。その後、混合物に対してｄＰＣＲ法を行うために、マイクロプレートを機器に入れる。例えば、非限定的に、マイクロプレートは、Ｆｏｒｍｕｌａｔｒｉｘ ｏｆ Ｂｅｄｆｏｒｄ，ＭＡから入手可能なＣＯＮＳＴＥＬＬＡＴＩＯＮ Ｄｉｇｉｔａｌ ＰＣＲシステムで使用するのに特に好適であり得る。
機器内に配置された時点で、流体試料は、マイクロ流体回路２６を通して流体を移動させて回路内の空気を回路排気孔３４から排出することによって、各マイクロチャンバ２８内に充填される。図１６Ａ～図１６Ｂに図示するように、流体試料は、回路入口と回路排気孔との間に圧力差を生じさせて流体がマイクロ流体回路を通って流れるようにするためにプレートシール６２を回路入口３２に押し付けるピストン６４又は他の好適なデバイスを使用して、マイクロ流体回路２６に注入されてもよい。空気に加えて、マイクロ流体回路内の過剰な流体は、回路排気孔３４から出てもよい。
マイクロ流体回路に流体試料が充填された状態で、ローラ６６は、図１７Ａ～１７Ｂに図示するように、マイクロプレートの底部シール６８を圧縮して、図１８Ａ～図１８Ｂに図示するように、マイクロ流体チャネル３０を遮断し、マイクロチャンバ２８の各々によって保持された流体試料を隔離するために使用されてもよい。その後、マイクロプレートは、各マイクロチャンバ内の反応物を反復的な加熱及び冷却のサイクルにさらすために、機器によって熱サイクル処理されてもよく、それによって、異なる温度依存性反応を可能にする。例えば、非限定的に、マイクロプレートを熱サイクル処理することによって、各サイクルで標的ＤＮＡを倍増させてもよい。
図１９Ａ～図１９Ｂに図示するように、標的ＤＮＡを収容するマイクロチャンバ２８ａは、蛍光を発する。次いで、マイクロプレートは、陽性マイクロチャンバの数をカウントするために機器によって撮像されてもよい。
本特許出願及びこれを基に発行されるあらゆる特許の目的のために、本明細書及び特許請求の範囲で使用される不定冠詞「１つの（ａ）」及び「１つの（ａｎ）」は、反対のことが明確に示されない限り、「少なくとも１つ」を意味するものと理解されるべきである。本明細書及び特許請求の範囲で使用される「及び／又は」という語句は、そのように等位接続された要素の「いずれか又は両方」、すなわち、ある場合には接続的に存在し、他の場合には非接続的に存在する要素を意味するものと理解されるべきである。「及び／又は」を用いて列挙された複数の要素は、同様に、すなわち、そのように等位接続された要素の「１つ又は複数」と解釈されるべきである。「及び／又は」節によって具体的に特定された要素以外の他の要素が、それらの具体的に特定された要素と関連するか又は関連しないかに関わらず、任意選択的に存在してもよい。
本明細書における「含む」、「備える」、「有する」、「収容する」、「伴う」、及び／又はそれらの変形の使用は、それ以降に列挙する項目及びそれらの等価物、並びに追加の項目を包含することを意味している。
また、反対のことが明確に示されない限り、本明細書で特許請求される、２つ以上のステップ又は行為を含む任意の方法において、この方法のステップ又は行為の順番は、この方法のステップ又は行為が列挙される順番に必ずしも限定されないことを理解すべきである。
種々の実施形態の前述の説明は、単に実施形態を例示するように意図されており、且つその他の実施形態、修正形態、及び等価物は添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれる。

Claims (28)

  1. 流体試料を取り扱うためのマイクロ流体デバイスであって、
    前記マイクロ流体デバイスは、前記流体試料を受け入れるように構成された少なくとも１つのマイクロ流体ウェルを備え、
    前記少なくとも１つのマイクロ流体ウェルは、
    入口マイクロ流体チャネルと流体連通可能に結合されている一次入口と、
    複数の並列なマイクロ流体チャネルの入口端部において前記複数の並列なマイクロ流体チャネルに流体連通可能に結合されている前記入口マイクロ流体チャネルであって、各マイクロ流体チャネルは、直列に配列されている複数のマイクロチャンバを含み、前記複数のマイクロチャンバは、出口端部を介して出口マイクロ流体チャネルに流体連通可能に結合されている、前記入口マイクロ流体チャネルと、
    一次排気孔に流体連通可能に結合されている前記出口マイクロ流体チャネルであって、前記一次排気孔は、前記複数の並列なマイクロ流体チャネルからガスを排出するように構成されている、前記出口マイクロ流体チャネルと
    を備え、
    各マイクロチャンバは、前記流体試料を受け入れるように構成されている反応チャンバと、前記流体試料が前記反応チャンバに流入するときに前記反応チャンバからガスを排出するように構成されている排気チャンバとを含み、
    前記反応チャンバは、入口を介して対応するマイクロ流体チャネルに流体連通可能に結合されており、前記排気チャンバは、出口を介して前記対応するマイクロ流体チャネルに流体連通可能に結合されており、
    前記反応チャンバは、前記ガスが前記出口に排出された後に、前記流体試料を前記排気チャンバに流すように構成されている、マイクロ流体デバイス。
  2. 前記反応チャンバは、前記排気チャンバよりも大きい、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  3. 前記排気チャンバは、前記流体試料が前記反応チャンバに流入するときに前記反応チャンバからのガスの流れを可能にする一方で最初は前記反応チャンバからの前記流体試料の流れを阻止するように構成されている、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  4. 前記排気チャンバは、前記反応チャンバから前記ガスが排出されたときに前記反応チャンバから前記流体試料の流れを放出するように構成されている、請求項３に記載のマイクロ流体デバイス。
  5. 前記排気チャンバは、バルブとして作用するように構成されている入口を含む、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  6. 前記反応チャンバは、直径Ｄを有し、前記排気チャンバは、マイクロチャネルに沿った方向に延びる長さＬと、前記長さに直交する方向に延びる幅Ｗとを有し、前記排気チャンバは、Ｄ／Ｗ≧２の直径対幅比と、Ｌ／Ｗ≧０．７の長さ対幅比とを有するように構成されている、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  7. 前記排気チャンバは、Ｌ／Ｗ≧０．８の長さ対幅比を有する、請求項６に記載のマイクロ流体デバイス。
  8. 前記排気チャンバは、Ｌ／Ｗ≧０．９の長さ対幅比を有する、請求項７に記載のマイクロ流体デバイス。
  9. 前記排気チャンバは、Ｌ／Ｗ≧１の長さ対幅比を有する、請求項８に記載のマイクロ流体デバイス。
  10. 前記反応チャンバは、深さｄと、ｄ／Ｄ≦２の深さ対直径比とを有する、請求項６に記載のマイクロ流体デバイス。
  11. 前記反応チャンバは、約１．５の深さ対直径比ｄ／Ｄを有する、請求項１０に記載のマイクロ流体デバイス。
  12. 前記反応チャンバは、Ｄ≦６００μｍの直径を有する、請求項６に記載のマイクロ流体デバイス。
  13. 前記反応チャンバは、少なくとも６０μｍの直径Ｄを有する、請求項１２に記載のマイクロ流体デバイス。
  14. 前記反応チャンバは、深さｄを有し、前記マイクロ流体チャネルは、深さｄ２を有し、前記反応チャンバ深さ対前記マイクロ流体チャネル深さ比ｄ／ｄ２は、２：１以下である、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  15. 前記排気チャンバは、前記反応チャンバ深さの少なくとも５０％である深さを有する、請求項１４に記載のマイクロ流体デバイス。
  16. 流体試料を取り扱うためのマイクロ流体デバイスであって、前記マイクロ流体デバイスは、
    前記流体試料を受け入れるように構成されている少なくとも１つのマイクロ流体ウェルであって、前記少なくとも１つのマイクロ流体ウェルは、
    入口マイクロ流体チャネルと流体連通可能に結合されている一次入口と、
    複数の並列なマイクロ流体チャネルの入口端部において前記複数の並列なマイクロ流体チャネルに流体連通可能に結合されている前記入口マイクロ流体チャネルであって、各マイクロ流体チャネルは、直列に配列されている複数のマイクロチャンバを含み、前記複数のマイクロチャンバは、出口端部を介して出口マイクロ流体チャネルに流体連通可能に結合されている、前記入口マイクロ流体チャネルと、
    一次排気孔に流体連通可能に結合される前記出口マイクロ流体チャネルであって、前記一次排気孔は、前記複数の並列なマイクロ流体チャネルからガスを排出するように構成されている、前記出口マイクロ流体チャネルと
    を備え、
    各マイクロチャンバは、前記流体試料を受け入れるように構成されている反応チャンバと、前記流体試料が前記反応チャンバに流入するときに前記反応チャンバからガスを排出するように構成されている排気チャンバとを含み、
    前記反応チャンバは、入口を介して対応するマイクロ流体チャネルに流体連通可能に結合されており、前記排気チャンバは、出口を介して前記対応するマイクロ流体チャネルに流体連通可能に結合されており、
    前記反応チャンバは、前記ガスが前記出口に排出された後に、前記流体試料を前記排気チャンバに流すように構成されている、少なくとも１つのマイクロ流体ウェルと、
    前記少なくとも１つのマイクロ流体ウェル内に設けられているマイクロ流体回路であって、前記マイクロ流体ウェル内に前記流体試料を分配するように構成されているマイクロ流体回路と
    を備え、
    前記マイクロ流体回路は、複数の反応チャンバと、前記複数の反応チャンバに関連する複数のマイクロ流体バルブとを含み、各マイクロ流体バルブは、関連する反応チャンバに流体連通可能に結合されている、マイクロ流体デバイス。
  17. 前記反応チャンバは、前記マイクロ流体チャネルの上流側セグメントから流体を受け入れるように前記マイクロ流体回路内に配置されており、前記マイクロ流体バルブは、前記マイクロ流体チャネルの下流側セグメントに流体を送るように前記マイクロ流体回路内に配置されている、請求項１６に記載のマイクロ流体デバイス。
  18. 前記複数の反応チャンバは、第１の反応チャンバと第２の反応チャンバとを含み、前記マイクロ流体バルブの１つは、前記第１の反応チャンバと前記第２の反応チャンバとの間に位置する、請求項１６に記載のマイクロ流体デバイス。
  19. 前記第１の反応チャンバは、前記マイクロ流体バルブに流体連通可能に結合されており、前記マイクロ流体バルブは、前記第２の反応チャンバに流体連通可能に結合されており、前記マイクロ流体回路は、前記第１の反応チャンバから前記マイクロ流体バルブを通って前記第２の反応チャンバに流れるように前記流体試料を導くように配置されている、請求項１８に記載のマイクロ流体デバイス。
  20. 前記マイクロ流体バルブは、所定量の前記流体試料が前記第１の反応チャンバ内に受け入れられるまで前記第１の反応チャンバからの前記流体試料の前記流れを制限するように構成されている、請求項１９に記載のマイクロ流体デバイス。
  21. 各マイクロ流体バルブは、受動バルブであるように構成されている、請求項１６に記載のマイクロ流体デバイス。
  22. 各マイクロ流体バルブは、疎水性材料で形成されている、請求項１６に記載のマイクロ流体デバイス。
  23. 各マイクロ流体バルブは、ポリプロピレン、ポリエチレン、ＰＴＦＥのうちの１つ以上から形成されている、請求項２２に記載のマイクロ流体デバイス。
  24. 流体試料を取り扱う方法であって、前記方法は、
    直列に配列されている複数のマイクロチャンバと、前記複数のマイクロチャンバを流体連通可能に結合する少なくとも１つのマイクロ流体チャネルとを含むマイクロ流体デバイスに流体試料を送るステップ（ａ）であって、各マイクロチャンバは、反応チャンバと、前記反応チャンバに流体連通可能に結合されている排気チャンバとを含む、ステップ（ａ）と、
    前記流体試料を各マイクロチャンバの前記反応チャンバ内に導くステップ（ｂ）であって、前記ステップ（ｂ）は、前記マイクロ流体チャネルの第1のセグメントを通して前記
    流体試料を前記反応チャンバ内に導くことを含む、ステップ（ｂ）と、
    前記流体試料が前記反応チャンバに流入するときに前記反応チャンバから前記排気チャンバを介してガスを排出するステップ（ｃ）であって、前記ステップ（ｃ）は、前記マイクロ流体チャネルの第２のセグメントを通してガスを排出することを含み、前記ステップ（ｃ）は、前記流体試料を前記排気チャンバから前記マイクロ流体チャネルの前記第２のセグメントに流れるように導くことを含む、ステップ（ｃ）と
    を含む、方法。
  25. 前記方法は、前記ステップ（ｃ）中に前記流体試料が前記排気チャンバに流入することを阻止するステップ（ｄ）を更に含む、請求項２４に記載の方法。
  26. 前記方法は、前記ガスが前記反応チャンバから排出されたときに前記反応チャンバから前記排気チャンバ内に前記流体試料を放出するステップ（ｅ）を更に含む、請求項２５に記載の方法。
  27. 前記複数のマイクロチャンバは、第１のマイクロチャンバと第２のマイクロチャンバと第３のマイクロチャンバとを含み、前記第１のマイクロチャンバおよび前記第２のマイクロチャンバおよび前記第３のマイクロチャンバは、前記少なくとも１つのマイクロ流体チャネルによって流体連通可能に結合されており、前記マイクロ流体チャネルの第１のセグメントは、前記第１のマイクロチャンバと前記第２のマイクロチャンバとを流体連通可能に結合し、前記マイクロ流体チャネルの第２のセグメントは、前記第２のマイクロチャンバと前記第３のマイクロチャンバとを流体連通可能に結合する、請求項２４に記載の方法。
  28. 前記方法は、前記反応チャンバに前記流体試料を充填した後に前記マイクロ流体デバイス上でデジタルＰＣＲを実行するステップ（ｆ）を更に含む、請求項２４に記載の方法。
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