JP2001515204A - Microfluidic system with electrofluid control and electrothermal control - Google Patents
Microfluidic system with electrofluid control and electrothermal controlInfo
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Abstract
(57)【要約】 マルチポートデバイスにおける流体を輸送および/またはモニターするための方法およびデバイスが提供される。マルチポートデバイスは、規定されたチャネル配置を備える基板を備える。第1のポートと第2のポートとの間で流体を輸送するための第1のポートと第2のポートを有する第1のチャネル領域が、基板に規定される。流体を加熱するための電流を印加するか、または第1のポーロと第2のポートとの間の流体パラメーターモニターするための第1のポートおよび第2のポートを有する第2のチャネルもまた、基板に規定される。いくつかの実施態様において、第1のチャネルは第2のチャネルと交差する。本発明の加熱するかまたはモニターする局面は、ポリメラーゼ連鎖反応およびリガーゼ連鎖反応を含む、種々の生物学的反応に伴って使用され得る。 (57) [Summary] Methods and devices are provided for transporting and / or monitoring a fluid in a multiport device. The multi-port device comprises a substrate with a defined channel arrangement. A first channel region having a first port and a second port for transporting a fluid between the first port and the second port is defined in the substrate. A second channel having a first port and a second port for applying a current to heat the fluid or for monitoring a fluid parameter between the first polo and the second port is also provided. Specified on the substrate. In some embodiments, the first channel crosses the second channel. The heating or monitoring aspects of the invention can be used with a variety of biological reactions, including the polymerase chain reaction and the ligase chain reaction.
Description
【0001】 (関連出願の相互参照) 本出願は、1997年11月25日に出願された米国特許第08/977,5
28号の一部継続出願であり、1997年9月2日に出願された米国仮特許出願
第60/056,058号の優先権を主張する。本出願はまた、1998年4月
29日に出願された米国仮特許出願第60/083,532号の優先権を主張す
る。上記に参照された出願の各々は、全ての目的のためにその全体が本明細書中
に参考として援用される。[0001] This application is related to US patent application Ser. No. 08 / 977,5, filed Nov. 25, 1997.
No. 28, claiming priority of US Provisional Patent Application No. 60 / 056,058, filed Sep. 2, 1997. This application also claims priority to US Provisional Patent Application No. 60 / 083,532, filed on April 29, 1998. Each of the above-referenced applications is hereby incorporated by reference in its entirety for all purposes.
【0002】 (発明の背景) 本発明は、一般的に、マイクロ流体システムに関する。より詳細には、本発明
は、効率的な様式でマイクロ流体システムのチャネルにおける流体における熱の
生成と制御のための方法およびデバイスを含む技術を提供する。これらの方法お
よびデバイスは、広範な分析および合成操作において有用である。例示に過ぎな
いが、本発明は、ポリメラーゼ連鎖反応(一般的に、PCRとよばれる)に適用
されるが、より広範な適用範囲を有することが認識される。本発明はまた、抵抗
率および/または導電率の測定を用いて、種々のプロセスパラメーターをモニタ
ーおよび制御するための技術を提供する。BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates generally to microfluidic systems. More particularly, the present invention provides techniques including methods and devices for the generation and control of heat in a fluid in a channel of a microfluidic system in an efficient manner. These methods and devices are useful in a wide range of analytical and synthetic procedures. By way of example only, the invention applies to the polymerase chain reaction (commonly referred to as PCR), but it will be appreciated that it has a broader scope. The present invention also provides techniques for monitoring and controlling various process parameters using resistivity and / or conductivity measurements.
【0003】 化学的および生化学的情報の収集のために、マイクロ流体システムの製造およ
びその使用における増大した興味が未だ存在している。一般的に、半導体エレク
トロニクス産業に関連する技術(例えば、写真平板、湿式(wet)化学エッチ
ングなど)は、これらのマイクロ流体システムの製造において使用されている。
用語「マイクロ流体」とは、チャネルまたはチャンバーを有するシステムまたは
デバイスまたは「チップ」をいう。このチャネルまたはチャンバーは、一般的に
、ミクロンまたはサブミクロンスケールで製造され、例えば、少なくとも一方の
断面直径が約0.1μm〜約500μmの範囲を有する。マイクロ流体システム
の製造のためのプレーナーチップ技術の使用についての初期の議論は、Manz
ら、Trends in Anal.Chem.(1990)10(5):14
4−149およびManzら、Adv.in Chromatog.(1993
)33:1−66に提供され、これらは、ケイ素およびガラス基板での、このよ
うな流体デバイス、特にマイクロキャピラリーデバイスの製造を記載する。[0003] There is still an increased interest in the manufacture and use of microfluidic systems for the collection of chemical and biochemical information. Generally, technologies associated with the semiconductor electronics industry (eg, photolithography, wet chemical etching, etc.) are used in the manufacture of these microfluidic systems.
The term "microfluid" refers to a system or device or "chip" having a channel or chamber. The channel or chamber is typically manufactured on a micron or submicron scale, for example, having at least one cross-sectional diameter in the range of about 0.1 μm to about 500 μm. An initial discussion of the use of planar chip technology for the manufacture of microfluidic systems is in Manz
Et al., Trends in Anal. Chem. (1990) 10 (5): 14
4-149 and Manz et al., Adv. in Chromatog. (1993
33) 1-66, which describe the manufacture of such fluidic devices, especially microcapillary devices, on silicon and glass substrates.
【0004】 マイクロ流体システムの適用は、無数に存在する。例えば、1996年2月1
5日に出願された、国際特許出願WO96/04547は、キャピラリー電気泳
動、液体クロマトグラフィー、フローインジェクション分析、および化学反応お
よび合成のためのマイクロ流体システムの使用を記載する。1996年6月28
日に出願され、「HIGH THROUGHPUT SCREENING AS
SAY SYSTEMS IN MICROSCALE FLUIDIC DE
VICES」と題された、J.Wallace Parceらおよび現在本出願
の譲渡人に譲渡されている米国特許出願第08/671,987号(代理人整理
番号第17646−400号)は、化学的システム、好ましくは生化学的システ
ムに対する効果について、多数の化合物を迅速にアッセイすることにおけるマイ
クロ流体システムの広範な適用を開示する。句「生化学的システム」とは、一般
的に、生存生物内で一般的に見出されるタイプの分子を含む化学的相互作用をい
う。このような相互作用としては、生存系で生じる異化および同化反応の全範囲
を含み、これらの反応としては、酵素反応、結合反応、シグナリング反応および
他の反応が挙げられる。特に目的の生化学的系としては、例えば、レセプター−
リガンド相互作用、酵素−基質相互作用、細胞シグナリング経路、生物利用可能
性スクリーニングに関するモデル障壁系(例えば、細胞または膜画分)に関与す
る輸送反応、および他の種々の一般的系が挙げられる。[0004] There are countless applications of microfluidic systems. For example, February 1, 1996
International patent application WO 96/04547, filed on the 5th, describes capillary electrophoresis, liquid chromatography, flow injection analysis, and the use of microfluidic systems for chemical reactions and synthesis. June 28, 1996
Filed on June 30, and filed as "HIGH THROUGHPUT SCREENING AS
SAY SYSTEMS IN MICROSCALE FLUIDIC DE
VICES ", J.M. No. 08 / 671,987 (Attorney Docket No. 17646-400), assigned to Wallace Parce et al. And the assignee of the present application, now has an effect on chemical systems, preferably biochemical systems. Discloses a wide range of applications for microfluidic systems in rapidly assaying large numbers of compounds. The phrase "biochemical system" generally refers to a chemical interaction involving a type of molecule commonly found in living organisms. Such interactions include the full range of catabolic and anabolic reactions that occur in living systems, including enzymatic reactions, binding reactions, signaling reactions and other reactions. Particularly desired biochemical systems include, for example, receptor-
These include ligand interactions, enzyme-substrate interactions, cell signaling pathways, transport reactions involving model barrier systems (eg, cells or membrane fractions) for bioavailability screening, and various other general systems.
【0005】 多くの化学的または生物学的系はまた、例えば、温度、試薬濃度、緩衝液、塩
および他の材料などのようなプロセシングパラメーターに対する制御を所望する
。特に、いくつかの化学的系または生物学的系は、制御されたかまたは変化した
温度で行われるべきプロセスを必要とする。小型化された流体システムにおいて
このような制御された温度を提供することにおいて、外部加熱素子が一般的に使
用されている。このような加熱素子としては、代表的には、外部抵抗型加熱コイ
ルまたは材料が挙げられ、これらは、導電性の様式で流体システムに対する加熱
を提供する。この加熱ユニットは、それ自体、チップを全体的に加熱し、かつ均
一な温度分布がチップ上に存在することを提供するために、チップの外部部分に
直接取りつけられている。しかし、この加熱ユニットは扱いにくい。これはまた
、チップ製造を複雑にし、しばしば、チップの品質および信頼性に影響を及ぼす
。さらに、抵抗型加熱素子は、しばしば、チップ、装置、および環境に損傷を与
え得る。さらに抵抗型加熱素子は、一般的に、チップに供給された熱を効率的に
制御し得ず、これは、しばしば、チップにおいて所望されない大きな温度勾配お
よび変動を引き起こす。従って、チップに直接印加される抵抗型加熱素子は、非
常に制限され(例えば、局所的に加熱され得ない)、そしてチップにおけるプロ
セス温度を制御することにおいて信頼性がない。[0005] Many chemical or biological systems also desire control over processing parameters such as, for example, temperature, reagent concentrations, buffers, salts and other materials. In particular, some chemical or biological systems require processes to be performed at controlled or varied temperatures. External heating elements are commonly used in providing such controlled temperatures in miniaturized fluid systems. Such heating elements typically include external resistive heating coils or materials, which provide heating to the fluid system in a conductive manner. This heating unit is itself mounted directly on the outer part of the chip in order to heat the whole chip and to provide that a uniform temperature distribution is present on the chip. However, this heating unit is cumbersome. This also complicates chip manufacturing and often affects chip quality and reliability. Further, resistive heating elements can often damage chips, devices, and the environment. In addition, resistive heating elements generally cannot efficiently control the heat supplied to the chip, which often causes undesirable large temperature gradients and fluctuations in the chip. Thus, resistive heating elements applied directly to the chip are very limited (eg, cannot be heated locally) and are unreliable in controlling process temperatures at the chip.
【0006】 より大きなスケールの温度コントローラがまた、反応容器内の反応温度を制御
するために使用され得る(例えば、ホットプレート、水浴など)。これらのより
大きな温度コントローラ素子は、ビーカー、試験管などにおける流体を加熱する
ために、生物および化学実験室環境において一般的に使用されている。不運なこ
とに、このようなコントローラは、マイクロ流体システム内の温度の正確な制御
を提供するためにはあまり適切ではない。事実、マイクロ流体デバイスの材料領
域全体を加熱するこのような全体加熱システムは、マイクロ流体デバイスの特定
の領域(例えば、特定のチャネルおよびチャンバー)に対する加熱を選択的に適
用するために使用され得ない。さらに、これらの大きな温度コントローラ(例え
ば、ホットプレート)は、しばしば、伝導性によって熱を伝達する大きな抵抗型
加熱素子を必要とする。これらの抵抗型加熱素子は特徴的な長い応答時間を有し
、これは、しばしば、いくつかの適用において、抵抗型加熱素子と接触した反応
容器内の材料を加熱または冷却するための長い時間に関連する。したがって、ホ
ットプレートは、マイクロ流体適用における流体を加熱するにおける使用に関し
ては、非常に制限され得る。[0006] Larger scale temperature controllers can also be used to control the reaction temperature in the reaction vessel (eg, hot plate, water bath, etc.). These larger temperature controller elements are commonly used in biological and chemical laboratory environments to heat fluids in beakers, test tubes, and the like. Unfortunately, such controllers are not well-suited for providing accurate control of temperature in microfluidic systems. In fact, such an overall heating system that heats the entire material area of the microfluidic device cannot be used to selectively apply heating to specific areas (eg, specific channels and chambers) of the microfluidic device. . Further, these large temperature controllers (eg, hot plates) often require large resistive heating elements that conduct heat by conduction. These resistive heating elements have characteristic long response times, which, in some applications, often require a long time to heat or cool the material in the reaction vessel in contact with the resistive heating element. Related. Thus, hot plates can be very limited for use in heating fluids in microfluidic applications.
【0007】 流体濃度、pHなどのような、マイクロ流体システムにおける他のプロセスパ
ラメータは、代表的には、従来技術によって制御され得ない。マイクロ流体シス
テムのユーザーは、しばしば、液体供給源(例えば、ボトル)における流体の濃
度またはpHを確認するが、一般的には、従来技術によってこのような流体パラ
メーターをモニターし得ず、その一方で流体は、マイクロ流体システムにおいて
使用されている。事実、一旦流体がマイクロ流体システムのチャネルまたはプロ
セスチャンバーに入ると、これらのパラメーターをチェックする簡単なまたは有
効な方法は一般的には存在しない。従って、しばしば、これらのプロセスパラメ
ータをモニターすることによってプロセス整合性を確認することは、不可能では
ないにしても、困難である。[0007] Other process parameters in microfluidic systems, such as fluid concentration, pH, etc., typically cannot be controlled by the prior art. Users of microfluidic systems often ascertain the concentration or pH of a fluid in a liquid source (eg, a bottle), but generally cannot monitor such fluid parameters by conventional techniques, while Fluids have been used in microfluidic systems. In fact, once a fluid enters a channel or process chamber of a microfluidic system, there is generally no simple or effective way to check these parameters. Thus, it is often difficult, if not impossible, to verify process consistency by monitoring these process parameters.
【0008】 上記から、簡単で、有効な、かつ安全なマイクロ流体システムにおける、種々
のプロセスパラメーターを選択的に制御するための技術が強く求められている。[0008] From the above, there is a strong need for a technique for selectively controlling various process parameters in a simple, effective, and safe microfluidic system.
【0009】 (発明の要旨) 本発明に従って、マイクロ流体システム中の流体温度、材料(例えば、流体)
の濃度などのようなプロセスパラメーターを制御するための方法およびデバイス
を含む技術が提供される。本発明は、例えば、加熱目的で材料に印加された電流
を使用する。ごく少量の材料が加熱されるので、材料は、種々の化学的および生
物学的適用(例えば、PCRなど)のための材料に対する電流の印加を制御する
ことによって、首尾よく加熱または冷却され得る。さらに、本発明は、プロセス
工程にわたって、温度、流体濃度、pHなどのようなプロセスパラメーターをモ
ニターするための技術を提供する。従って、これらのプロセスパラメーターをモ
ニターするためのインサイチュ技術が提供される。SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the present invention, fluid temperatures, materials (eg, fluids) in a microfluidic system
Techniques are provided that include methods and devices for controlling process parameters, such as the concentration of glycerol. The present invention uses, for example, an electric current applied to a material for heating purposes. Since only a small amount of material is heated, the material can be successfully heated or cooled by controlling the application of current to the material for various chemical and biological applications (eg, PCR, etc.). In addition, the present invention provides techniques for monitoring process parameters such as temperature, fluid concentration, pH, etc. over the process steps. Accordingly, an in situ technique for monitoring these process parameters is provided.
【0010】 1つの局面において、本発明は、制御された温度素子を有するマイクロ流体シ
ステムを提供する。特に、システムは、システムに配置された少なくとも第1の
マイクロスケールチャネルを有する基板を備え、該チャネルは、代表的には、シ
ステムに配置された流体材料を含む。システムはまた、チャネルの第1の部分を
通って第1の電流または電圧を印加することによって、チャネルの第1の部分に
おける流体の温度を上昇させるためにチャネルに操作可能に連結されたエネルギ
ー源を備える。電流は、必要に応じて、第1のチャネル、または第1のチャネル
と交差する第2のチャネルを通って印加される。領域は、これらの領域において
電流密度を増加させるため、異なった(例えば、より狭い)断面積を有する領域
を提供することによって選択的に加熱され、それによって電流から熱が生成され
る。代表的には、センサーはまた、チャネル内の温度を検出するためにチャネル
に操作可能に連結されて備えられる。ここで、エネルギー源は、チャネル内の検
出された温度に応答性である。[0010] In one aspect, the present invention provides a microfluidic system having a controlled temperature element. In particular, the system comprises a substrate having at least a first microscale channel disposed in the system, the channel typically comprising a fluid material disposed in the system. The system also includes an energy source operably coupled to the channel to increase a temperature of the fluid in the first portion of the channel by applying a first current or voltage through the first portion of the channel. Is provided. Current is applied through the first channel, or a second channel that intersects the first channel, as needed. The regions are selectively heated by providing regions having different (eg, narrower) cross-sectional areas to increase current density in these regions, thereby generating heat from the current. Typically, a sensor is also provided operably coupled to the channel to detect a temperature in the channel. Here, the energy source is responsive to the detected temperature in the channel.
【0011】 関連する局面において、本発明は、マイクロ流体システムに備えられる1つ以
上の熱素子を有するマイクロ流体システムを提供する。このシステムは、基板に
規定された第1のチャネルを備え、ここでこのチャネルは、第1の末端および第
2の末端を備える。チャネルの第1の末端と第2の末端との間に連結された第1
のエネルギー源が、提供される。第1のエネルギー源は、さらに、電流が上記の
第1のチャネルを通して流体がくみ上げられるように、電流または電圧が設定さ
れる。第2のエネルギー源はまた、第1のチャネルにおける流体に連結し、それ
によってエネルギー源からの電圧が、この流体の一部分が上記の第1のキャピラ
リーチャネルの部分で加熱されるように、提供される。[0011] In a related aspect, the invention provides a microfluidic system that has one or more thermal elements included in the microfluidic system. The system includes a first channel defined in the substrate, wherein the channel has a first end and a second end. A first end coupled between the first end and the second end of the channel;
Energy sources are provided. The first energy source is further configured with a current or voltage such that the fluid is pumped through the first channel. A second energy source is also provided for coupling to the fluid in the first channel such that a voltage from the energy source is heated such that a portion of the fluid is heated in the portion of the first capillary channel. You.
【0012】 さらに別の関連する局面において、本発明は、マイクロ流体システムを提供し
、これは、第1の末端および第2の末端を備えるキャピラリーチャネル、および
第1の末端と第2の末端との間に連結されるエネルギー源とを備える。エネルギ
ー源は、流体の一部が、キャピラリーチャネルの一部分で加熱されるように、流
体を横切る電圧を提供する。In yet another related aspect, the invention provides a microfluidic system, comprising a capillary channel having a first end and a second end, and a first end and a second end. And an energy source connected between them. The energy source provides a voltage across the fluid such that a portion of the fluid is heated in a portion of the capillary channel.
【0013】 さらに関連する局面において、本発明は、マイクロ流体システムを提供し、こ
れは、基板に規定されたキャピラリーチャネル(ここに流体を含む)を備え、こ
こでキャピラリーチャネルは、領域における流体が、キャピラリーチャネルにお
ける流体に印加された電圧バイアスを用いて、選択的に加熱される領域を有する
。[0013] In a further related aspect, the invention provides a microfluidic system, comprising a capillary channel (including a fluid) defined in a substrate, wherein the capillary channel comprises a fluid in the region. Having a region that is selectively heated using a voltage bias applied to the fluid in the capillary channel.
【0014】 なおさらに関連する局面において、本発明は、マイクロ流体システムを提供し
、これは、基板、基板に規定された第1の末端および第2の末端を備えるチャネ
ルを備える。エネルギー源は、チャネルに連結され、このエネルギー源は、AC
部品を備える第1の供給源およびDC部品を備える第2の供給源を備える。In a still further related aspect, the invention provides a microfluidic system, comprising a substrate, a channel having a first end and a second end defined on the substrate. An energy source is coupled to the channel and the energy source comprises an AC source.
A first source comprising components and a second source comprising DC components.
【0015】 別であるがなお関連する局面において、本発明は、温度制御デバイスを有する
マイクロ流体システムを提供する。特に、このシステムは、基板と、基板に配置
されたチャネルとを備える。このチャネルは、第1の末端と第2の末端とを備え
る。エネルギー源は、このチャネルにおける流体を通して、チャネルにおける流
体を加熱する電流を供給するように、チャネルに連結される。センサーは、チャ
ネルにおける流体の温度を検出するようにチャネルにさらに連結され得る。セン
サーおよびエネルギー源に連結されたコントローラは、所望の設定温度に基づい
てチャネルにおける温度を制御する。[0015] In another but still related aspect, the present invention provides a microfluidic system having a temperature control device. In particular, the system comprises a substrate and a channel located in the substrate. The channel has a first end and a second end. An energy source is coupled to the channel to provide a current through the fluid in the channel that heats the fluid in the channel. A sensor may be further coupled to the channel to detect a temperature of the fluid in the channel. A controller coupled to the sensor and the energy source controls the temperature in the channel based on the desired set temperature.
【0016】 本発明はまた、マルチポートのマイクロ流体デバイスを提供し、これは、そこ
に規定された第1の流体充填チャネル領域を有する基板を備える。この基板は、
少なくとも第1のポートと第2のポートとの間に材料を輸送するための少なくと
も第1のポートおよび第2のポート、および第1のポートと第2のポートとの間
の流体を加熱するための電流を印加する、基板に規定された第2のチャネル領域
を備える。The present invention also provides a multi-port microfluidic device, comprising a substrate having a first fluid-filled channel region defined therein. This board
At least a first port and a second port for transporting material between at least a first port and a second port, and for heating a fluid between the first port and the second port And a second channel region defined on the substrate for applying a current of
【0017】 本発明はまた、本発明の他の局面に従うマイクロ流体システムを操作するため
のコンピュータープログラム製品を提供する。特に、このコンピュータープログ
ラムは、コンピューター読み取り可能なメモリを含み、これは、選択された上昇
したレベルまで流体を加熱する、流体を含むチャネルに対して電流または電圧を
調節するエネルギー源に命令するコードを含む。The present invention also provides a computer program product for operating a microfluidic system according to another aspect of the present invention. In particular, the computer program includes a computer-readable memory that includes code that instructs an energy source that heats the fluid to a selected elevated level and regulates current or voltage to a channel containing the fluid. Including.
【0018】 本発明はまた、マイクロ流体システムにおいて温度を制御する方法を提供する
。特に、1つの局面において、本発明は、基板に配置された流体充填マイクロス
ケールチャネルの少なくとも第1の部分における温度を第1の選択された上昇し
た温度まで上昇させる方法を提供する。この方法は、代表的には、第1のチャネ
ルの第1の部分を通して第1の選択可能な電流を印加する工程を包含し、ここで
、第1のチャネルの第1の部分は、第1の電気抵抗を有する。次いで、少なくと
も1つの第1の選択可能な電流または代1の電気抵抗が制御されて、第1の選択
された上昇した温度まで第1のチャネルの第1の部分における温度を上昇させる
。The present invention also provides a method for controlling temperature in a microfluidic system. In particular, in one aspect, the invention provides a method for increasing the temperature in at least a first portion of a fluid-filled microscale channel disposed on a substrate to a first selected elevated temperature. The method typically includes applying a first selectable current through a first portion of the first channel, wherein the first portion of the first channel comprises a first portion of the first channel. Having an electrical resistance of Then, the at least one first selectable current or resistance is controlled to increase the temperature in the first portion of the first channel to a first selected elevated temperature.
【0019】 関連する局面において、本発明は、マイクロ流体システムにおける流体を加熱
する方法を提供し、この方法は、第1の末端、第2の末端、およびその間に規定
された領域を有する基板に配置されたチャネルを提供する工程を包含する。流体
は、少なくともこのチャネルの領域において提供される。電流は、流体を通して
この領域における流体を加熱するように印加される。さらに、この電流は、チャ
ネルの領域における流体を選択的に加熱するが、一方で、この領域の外側の流体
の実質的な加熱を避ける。なおさらなる関連する局面において、本発明は、マイ
クロ流体システムにおいて、基板に規定されたチャネルにおける流体の温度を制
御するための方法を提供する。この方法は、このチャネルにおけるこの流体を加
熱し始める電源を適用する工程、電源から第1のパラメーターを調節して、比較
的一定な第2のパラメータを提供する工程を包含する。ここで、基板の温度の実
質的な増加を伴うことなく、流体が加熱される。In a related aspect, the invention provides a method of heating a fluid in a microfluidic system, the method comprising the steps of providing a substrate having a first end, a second end, and a region defined therebetween. Providing a disposed channel. Fluid is provided at least in the region of this channel. Electric current is applied to heat the fluid in this area through the fluid. Further, this current selectively heats the fluid in the region of the channel, while avoiding substantial heating of the fluid outside this region. In a still further related aspect, the invention provides a method for controlling the temperature of a fluid in a channel defined in a substrate in a microfluidic system. The method includes applying a power source to begin heating the fluid in the channel, adjusting a first parameter from the power source to provide a relatively constant second parameter. Here, the fluid is heated without a substantial increase in the temperature of the substrate.
【0020】 別の局面において、本発明は、マイクロ流体システムにおけるプロセスのパラ
メーターをモニターする方法を提供する。この方法は、基板に規定されたチャネ
ルを備えるマイクロ流体システムを提供する工程を包含する。材料は、チャネル
に輸送され、そしてチャネル中の材料の伝導値が決定される。次いで、測定工程
において測定された伝導度は、特定のプロセスパラメーター(すなわち、緩衝液
濃度、pH、または温度)と相関付けられる。In another aspect, the invention provides a method for monitoring a parameter of a process in a microfluidic system. The method includes providing a microfluidic system comprising a channel defined in a substrate. The material is transported to the channel and the conduction value of the material in the channel is determined. The measured conductivity in the measuring step is then correlated with a particular process parameter (ie, buffer concentration, pH, or temperature).
【0021】 さらなる局面において、本発明の方法およびシステムは、非常に高温で水性の
反応を行うために有用である。詳細には、このような反応は、固体基板に配置さ
れているマイクロスケールチャネルへ水性反応物を配置することによって行われ
る。そしてこの基板に配置されたマイクロスケールチャネルは、2つの末端を有
し、各末端は、電気的ポートを有する。このチャネルは、少なくともチャネルと
一体化された第1の電気抵抗を有する。これによって、このチャネルを通しての
電流の印加は、100℃を超える温度への水性反応物の加熱を生じる。In a further aspect, the methods and systems of the present invention are useful for conducting aqueous reactions at very high temperatures. In particular, such reactions are performed by placing an aqueous reactant into a microscale channel located on a solid substrate. The microscale channel disposed on the substrate then has two ends, each end having an electrical port. The channel has at least a first electrical resistance integrated with the channel. Thereby, the application of a current through this channel results in the heating of the aqueous reactant to a temperature above 100 ° C.
【0022】 関連する局面において、本発明は、基板内に備えられた少なくとも第1のマイ
クロスケールチャネルを有する基板を備えるマイクロ流体システムを提供する。
センサーは、チャネルの少なくとも一部分における流体の温度を決定するために
チャネルに操作可能に連結される。第1のチャネルの第1の部分における流体に
おいて決定された温度に応答性のエネルギー源もまた備えられる。このエネルギ
ー源は、第1の電流を、第1の上昇した温度まで第1のチャネルの第1の部分内
に配置された流体を加熱する第1のチャネルの少なくとも第1の部分を通して印
加する。In a related aspect, the invention provides a microfluidic system that includes a substrate having at least a first microscale channel provided in the substrate.
A sensor is operably connected to the channel to determine a temperature of the fluid in at least a portion of the channel. An energy source responsive to the determined temperature in the fluid in the first portion of the first channel is also provided. The energy source applies a first current through at least a first portion of the first channel that heats a fluid disposed within the first portion of the first channel to a first elevated temperature.
【0023】 本発明の別の局面は、基板内に配置された第1のチャネルの少なくとも第1の
部分における流体の温度を制御する方法である。この方法は、第1のチャネルの
少なくとも第1の部分を通して第1の電流を印加する工程を包含する。この第1
の部分は、第1の電気抵抗を有する。第1の電流および第1の電気抵抗のうちの
少なくとも一方は、第1の選択された上昇した温度まで第1のチャネルの第1の
部分における流体の温度を上昇させるように制御される。Another aspect of the invention is a method of controlling a temperature of a fluid in at least a first portion of a first channel disposed in a substrate. The method includes applying a first current through at least a first portion of a first channel. This first
Has a first electrical resistance. At least one of the first current and the first electrical resistance is controlled to increase the temperature of the fluid in the first portion of the first channel to a first selected elevated temperature.
【0024】 本発明の別の局面は、核酸増幅反応を行う方法である。この方法は、第1のマ
イクロスケールチャネルの少なくとも第1の部分内に増幅反応試薬を提供する工
程を包含する。この増幅試薬は、代表的には、テンプレート核酸、プライマー配
列、ヌクレオシド三リン酸およびポリメラーゼ酵素を含む。温度は、増幅反応に
おける融解反応、アニーリング反応、および伸長反応を行うために適切な温度ま
で、少なくとも第1の部分内で反復してサイクルされる。温度をサイクルさせる
工程は、第1のチャネルの第1の部分を通して電流を変更可能に印加する工程を
包含する。次いで、電流は、第1のチャネルの第1の部分における流体を加熱す
る。[0024] Another aspect of the present invention is a method for performing a nucleic acid amplification reaction. The method includes providing an amplification reaction reagent within at least a first portion of a first microscale channel. The amplification reagent typically includes a template nucleic acid, a primer sequence, a nucleoside triphosphate, and a polymerase enzyme. The temperature is repeatedly cycled within at least the first portion to a temperature suitable for performing the melting, annealing, and extension reactions in the amplification reaction. Cycling the temperature comprises variably applying a current through the first portion of the first channel. The current then heats the fluid in the first portion of the first channel.
【0025】 本発明の別の局面は、基板を備えているマイクロ流体デバイスである。代1の
マイクロスケールチャネルは、基板内に備えられる。第1のマイクロスケールチ
ャネルは、第1の部分および第2の部分を有する。第1の部分は、上昇した温度
領域を備え、この領域は、電流が第1のマイクロスケールチャネルを通して印加
される場合、第1のチャネルの他の部分に対して、増加した電気抵抗を有する。Another aspect of the present invention is a microfluidic device comprising a substrate. The microscale channel of the first embodiment is provided in the substrate. The first microscale channel has a first portion and a second portion. The first portion comprises an elevated temperature region that has an increased electrical resistance relative to other portions of the first channel when current is applied through the first microscale channel.
【0026】 本発明はまた、マイクロ流体システムを操作するためのコンピュータープログ
ラム製品を提供し、このコンピュータープログラム製品は、そのチャネルにおい
て検出された温度に応答性の第1のチャネルを備える、流体の第1の部分に印加
された電流を調節するようにエネルギー源に命令するコードを含むコンピュータ
ー読み取り可能なメモリを備える。[0026] The present invention also provides a computer program product for operating a microfluidic system, the computer program product comprising a first channel responsive to a temperature detected in the channel. A computer readable memory containing code that instructs the energy source to regulate the current applied to the portion.
【0027】 関連して、本発明はまた、マイクロスケールチャネルの少なくとも一部分にお
ける流体の温度を制御するためのコンピューター実行可能なプロセスを提供する
。このプロセスは、チャネルの部分における流体の温度を検出する工程、および
予め選択された温度とチャネルの一部分における温度を比較する工程を包含する
。次いで、予め選択された温度とほぼ等しい温度までチャネルにおける温度を上
昇させるかまたは低下させるように、印加された電流は、チャネルを通して増加
されるか、または減少される。[0027] Relatedly, the present invention also provides a computer-executable process for controlling the temperature of a fluid in at least a portion of a microscale channel. The process includes detecting a temperature of a fluid in a portion of the channel and comparing a preselected temperature to a temperature in a portion of the channel. The applied current is then increased or decreased through the channel so as to raise or lower the temperature in the channel to a temperature approximately equal to the preselected temperature.
【0028】 本発明の他の局面は、以下の詳細な説明および特許請求の範囲から明らかであ
る。[0028] Other aspects of the invention will be apparent from the following detailed description, and from the claims.
【0029】 (発明の詳細な説明) 本発明は、マイクロ流体システムにおける流体を加熱および冷却するための技
術、ならびに多様なプロセスパラメーターをモニターするための技術を提供する
。例示的な実施態様において、本発明はまた、マイクロ流体システムのチャネル
または管状領域を通して流体を移動および加熱するための技術を提供する。特に
、本発明は、マイクロ流体チャネルにおける流体の領域的な加熱または全体的な
加熱を提供する熱源として、例えば電流のようなエネルギーを使用する。発明の
詳細は、既に簡潔に記載された図面を参照して以下に提供される。新規な熱源お
よびプロセスモニターの実施態様によって、流体の加熱または冷却に関する実施
態様を議論する前に、次節は、本発明の内容を読み手に理解しやすくし得る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention provides techniques for heating and cooling fluids in microfluidic systems, as well as techniques for monitoring various process parameters. In an exemplary embodiment, the invention also provides techniques for moving and heating fluid through a channel or tubular region of a microfluidic system. In particular, the present invention uses energy, such as electrical current, as a heat source to provide regional or global heating of a fluid in a microfluidic channel. The details of the invention are provided below with reference to the drawings, which have been briefly described above. Before discussing embodiments relating to fluid heating or cooling with novel heat sources and process monitor embodiments, the following section may make the content of the present invention easier for the reader to understand.
【0030】 (I.マイクロ流体システムの一般) 本明細書中で使用される用語「マイクロスケール」または「小型化」とは、一
般的に、約0.1μm〜約500μmの範囲で、少なくとも1つの製作された寸
法を有するデバイスの構造素子または特徴をいう。従って、小型化されたまたは
マイクロスケールであるといわれるデバイスは、このような寸法を有する少なく
とも1つの構造素子または特徴を備える。流体素子(例えば、通路、チャンバー
またはコンジット)を記載するために使用される場合、用語「マイクロスケール
」、「小型化」、または「マイクロ流体」とは、一般的に、少なくとも1つの内
部断面寸法(例えば、深さ、幅、長さ、直径など)を有する1つ以上の流体通路
、チャンバーまたはコンジットをいい、これは、500μm未満、そして代表的
には、約0.1μm〜約500μmである。本発明のデバイスにおいて、マイク
ロスケールチャネルまたはチャンバーは、好ましくは、約0.1μmと200μ
mとの間、より好ましくは、約0.1μmと100μmとの間、そしてしばしば
、約0.1μmと20μmとの間の、少なくとも1つの断面寸法を有する。従っ
て、本発明に従って作製されたマイクロ流体デバイスまたはシステムは、代表的
には、単一のボディー構造に配置された、少なくとも1つのマイクロスケールチ
ャネルを備え、通常は少なくとも2つの交差するマイクロスケールチャネル、そ
してしばしば、3つ以上の交差するチャネルを備える。チャネル交差は、横断交
差(cross intersection)を含む多くの形式、「T」字型交
差または多くの任意の他の構造で存在し得、それによって2つのチャネルが流体
連絡にある。ボディー構造は、一体型構造であってもよいし、または集体型ボデ
ィー構造を形成するために、ともに適合する複数の別個の部品の集合体であって
もよい。I. General of Microfluidic Systems As used herein, the term “microscale” or “miniaturization” generally ranges from about 0.1 μm to about 500 μm, with at least 1 μm. A structural element or feature of a device having two fabricated dimensions. Thus, devices that are said to be miniaturized or microscale are provided with at least one structural element or feature having such dimensions. When used to describe a fluidic device (eg, a passage, chamber or conduit), the term “microscale”, “miniaturized”, or “microfluid” generally refers to at least one internal cross-sectional dimension Refers to one or more fluid passages, chambers or conduits having a (e.g., depth, width, length, diameter, etc.), which is less than 500 [mu] m, and typically between about 0.1 [mu] m and about 500 [mu] m. . In the device of the present invention, the microscale channel or chamber is preferably about 0.1 μm and 200 μm.
m, more preferably between at least 0.1 μm and 100 μm, and often between about 0.1 μm and 20 μm. Thus, a microfluidic device or system made in accordance with the present invention typically comprises at least one microscale channel, and usually at least two intersecting microscale channels, arranged in a single body structure; And often with more than two intersecting channels. The channel intersection may exist in many forms, including a cross intersection, a “T” cross or many other structures, whereby the two channels are in fluid communication. The body structure may be a one-piece structure, or may be a collection of a plurality of separate parts that fit together to form a collective body structure.
【0031】 代表的には、本明細書中で記載されるマイクロ流体システムのボディー構造は
、適切に組み合わされるかまたは共に接合される場合、(例えば、本明細書中に
記載されるチャネルおよび/またはチャンバーを備える)本発明のマイクロ流体
デバイスを形成する2つ以上の別個の層の集合を備える。代表的には、本明細書
中に記載されるマイクロ流体デバイスは、上端部分、底部部分、および内部部分
を備え、ここで、内部部分は、デバイスのチャネルおよびチャンバーを実質的に
規定する。Typically, the body structures of the microfluidic systems described herein, when properly combined or joined together (eg, the channels and / or (Or comprising a chamber) comprising a collection of two or more distinct layers forming a microfluidic device of the invention. Typically, the microfluidic devices described herein comprise a top portion, a bottom portion, and an interior portion, where the interior portion substantially defines the channels and chambers of the device.
【0032】 図1は、マイクロ流体デバイスに関する2層のボディー構造10を示す。好ま
しい局面において、デバイス12の底部部分は、実質的に平面構造である固体基
板を備え、そしてこの基板は、少なくとも1つの実質的に平面な上部表面14を
有する。種々の基板材料が底部部分として使用され得る。代表的には、このデバ
イスは小型化されるので、基板材料は、公知の小型化技術(例えば、写真平板、
湿式化学エッチング、レーザー切断、空気磨耗技術、射出成形、エンボッシング
、および他の技術)とそれらの適合性に基づいて選択される。基板材料はまた、
pH、温度、塩濃度、および電場の適用の両極端を含む、マイクロ流体デバイス
が曝され得る全ての条件の範囲との、それらの適合性について、一般的に選択さ
れる。従って、いくつかの好ましい局面において、基板材料は、通常は半導体産
業に関連する材料(シリカベースの基板(例えば、ガラス、石英、ケイ素、また
はポリケイ素)ならびに他の基板材料(例えば、ヒ化ガリウムなど)を含む)を
含み得る。ここで、このような小型化技術が一般的に使用される。半導体材料の
場合において(特に、電場がデバイスまたはその内部に印加される適用において
)、基板材料を覆う絶縁被覆または絶縁層(例えば、二酸化ケイ素)を提供する
ことがしばしば所望される。好ましい基板は平面構造であるが、種々の基板構造
(凹面構造または凸面構造、例えば、キャピラリーなどの管状構造)が利用され
得ることもまた理解される。FIG. 1 shows a two-layer body structure 10 for a microfluidic device. In a preferred aspect, the bottom portion of device 12 comprises a solid substrate that is substantially planar in structure, and the substrate has at least one substantially planar top surface 14. Various substrate materials can be used as the bottom portion. Typically, as the device is miniaturized, substrate materials can be made using known miniaturization techniques (eg, photolithography,
Wet chemical etching, laser cutting, air abrasion techniques, injection molding, embossing, and other techniques) and their compatibility. The substrate material is also
The choice is generally made for their compatibility with a range of conditions to which the microfluidic device can be exposed, including the extremes of pH, temperature, salt concentration, and application of an electric field. Thus, in some preferred aspects, the substrate material is a material typically associated with the semiconductor industry (eg, a silica-based substrate (eg, glass, quartz, silicon, or polysilicon)) as well as other substrate materials (eg, gallium arsenide). Etc.). Here, such a miniaturization technique is generally used. In the case of semiconductor materials, especially in applications where an electric field is applied to or within the device, it is often desirable to provide an insulating coating or layer (eg, silicon dioxide) over the substrate material. Although the preferred substrate is a planar structure, it is also understood that various substrate structures (concave or convex structures, eg, tubular structures such as capillaries) may be utilized.
【0033】 さらなる好ましい局面において、基板材料は、ポリマー材料(例えば、ポリメ
チルメタクリレート(PMMA)、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチ
レン(TEFLONTM)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリジメチルシロキサン
(PDMS)、ポリスルホンなどのプラスチック)を含み得る。このようなポリ
マー基板は、上記の利用可能な小型化技術を使用して、または周知の形成技術(
例えば、射出成形、エンボッシング、もしくはスタンピング)を使用する小型化
された原型から、または型内でポリマー性前駆体材料をポリマー化することによ
って容易に製作される(例えば、米国特許第5,512,131号)。このよう
なポリマー基板材料は、製造しやすさ、低コストおよび廃棄性、ならびに大部分
の極度な反応条件に対して一般的に不活性であることに関して好ましい。また、
これらのポリマー材料は、処理された表面(例えば、誘導体化されたまたは被覆
された表面)を備え、例えば、1997年4月14日に出願された米国特許出願
第08/843,212号(代理人整理番号第17646−002610号(こ
れは全ての目的のために、その全体が本明細書中に参考として援用される))に
記載のように、マイクロ流体システムにおける有用性(例えば、増強された流体
方向を提供する)を増強し得る。さらに、このような別の基板は、種々の構造(
例えば、平面、管状、凹面、凸面など)のいずれでもあり得る。In a further preferred aspect, the substrate material is a polymer material (eg, polymethyl methacrylate (PMMA), polycarbonate, polytetrafluoroethylene (TEFLON ™ ), polyvinyl chloride (PVC), polydimethylsiloxane (PDMS), polysulfone Such as plastics). Such polymer substrates can be prepared using the available miniaturization techniques described above or by well-known forming techniques (
Easily fabricated from miniaturized masters using, for example, injection molding, embossing, or stamping) or by polymerizing a polymeric precursor material in a mold (eg, US Pat. No. 5,512,512). 131). Such polymeric substrate materials are preferred for ease of manufacture, low cost and disposability, and generally inert to most extreme reaction conditions. Also,
These polymeric materials comprise a treated surface (eg, a derivatized or coated surface) and are described, for example, in US patent application Ser. No. 08 / 843,212, filed Apr. 14, 1997 (representative). Utility in microfluidic systems (e.g., enhanced), as described in human identification number 17646-002610, which is hereby incorporated by reference in its entirety for all purposes. (Providing a fluid flow direction). Further, such another substrate has various structures (
For example, it may be any of flat, tubular, concave, convex, etc.).
【0034】 マイクロ流体デバイスのチャネルおよび/またはチャンバーは、上記に記載の
小型化技術を使用して、代表的には、底部基板の上部表面または部分12に、マ
イクロスケール溝または窪み16として作製される。上部部分または基板18は
また、第1の平面基板20を備え、そして第2の表面22は、第1の平面表面2
0に対向する。本明細書中に記載の方法に従って作製されたマイクロ流体デバイ
スにおいて、上部部分はまた、上部部分を通して(例えば、第1の平面表面20
から第1の平面表面に対向する第2の平面表面22まで)配置された、複数の開
口、孔、またはポート24を備える。The channels and / or chambers of the microfluidic device are fabricated using the miniaturization techniques described above, typically as microscale grooves or depressions 16 in the top surface or portion 12 of the bottom substrate. You. The upper portion or substrate 18 also comprises a first planar substrate 20 and a second surface 22 comprises a first planar surface 2.
0. In a microfluidic device made according to the methods described herein, the top portion may also pass through the top portion (eg, the first planar surface 20).
To a second planar surface 22 opposite the first planar surface).
【0035】 次いで、上部表面18の第1の平面表面20は接合されて(例えば、そこに接
触して配置され、そして底部基板12の平面表面14に接合され、底部基板の表
面における溝および/または窪み16を覆いかつ封着させる)、これらの2つの
部品の接点でデバイスのチャネルおよび/またはチャンバー(すなわち、内部部
分)を形成する。デバイスの上部部分における孔24は、底部基板における溝ま
たは窪みからデバイスの内部部分に形成される、少なくとも1つのチャネルおよ
び/またはチャンバーと連絡するように、指向される。完成されたデバイスにお
いて、これらの孔は、デバイスの内部部分のチャネルまたはチャンバーへの流体
または材料導入を容易にするためのリザーバーとして機能し、そして電極がデバ
イス内の流体と接触して配置され得るポートを提供する。これによってデバイス
内の流体移動を制御しかつ方向付ける、デバイスのチャネルに沿った電場の印加
が可能になる。Next, the first planar surface 20 of the top surface 18 is bonded (eg, placed in contact therewith and bonded to the planar surface 14 of the bottom substrate 12, with grooves and / or grooves on the surface of the bottom substrate). Or cover and seal the depression 16), and the contacts of these two components form the channel and / or chamber (ie, interior portion) of the device. Holes 24 in the top portion of the device are oriented to communicate with at least one channel and / or chamber formed in the interior portion of the device from a groove or depression in the bottom substrate. In the completed device, these holes function as reservoirs to facilitate the introduction of fluids or materials into the channels or chambers of the internal portion of the device, and the electrodes may be placed in contact with the fluid in the device Provide a port. This allows for the application of an electric field along the channel of the device to control and direct fluid movement within the device.
【0036】 多くの実施態様において、マイクロ流体デバイスは、デバイスの1つ以上のチ
ャネルおよび/またはチャンバーを横切って配置された光学的検出ウインドウを
備える。光学的検出ウインドウは、代表的には、それらが配置されたチャネル/
チャンバーからの光学的シグナルを伝達し得るように、透過性である。光学的検
出ウインドウは、単に透過性被覆層の領域(例えば、ここで、この被覆層は、ガ
ラスもしくは石英、または透過性ポリマー材料(例えば、PMMA、ポリカーボ
ネートなど)である)であり得る。あるいは、不透性の基質がデバイスの製造に
おいて使用される場合、上記の材料から製作された透過性検出ウインドウは、デ
バイスとは別個に製造され得る。[0036] In many embodiments, the microfluidic device comprises an optical detection window positioned across one or more channels and / or chambers of the device. The optical detection windows are typically based on the channel / channel in which they are located.
It is permeable so that it can transmit optical signals from the chamber. The optical detection window can simply be the area of the transmissive coating (eg, where the coating is glass or quartz, or a transmissive polymer material (eg, PMMA, polycarbonate, etc.)). Alternatively, if an impermeable substrate is used in the manufacture of the device, a permeable detection window made from the above materials may be manufactured separately from the device.
【0037】 これらのデバイスは、種々の適用(例えば、薬物探索における高処理能力スク
リーニングアッセイ、イムノアッセイ、診断分析、遺伝子分などの実施を含む)
において使用され得る。このように、本明細書中に記載されるデバイスは、しば
しば、並列または直列導入および複数サンプル分析のための複数のサンプル導入
ポートまたはリザーバーを備える。あるいは、これらのデバイスは、サンプル導
入ポート(例えば、ピペッター)に連結され、サンプル導入ポートは、分析のた
めのデバイスに複数のサンプルを直列で導入する。このようなサンプル導入シス
テムの例は、例えば、それぞれ1996年12月6日に出願された、米国特許出
願第08/761,575号および同第08/760,446号(それぞれ代理
人整理番号第17646−000410および同第17646−000510)
に記載され、これらは、全ての目的のためにその全体が本明細書中に参考として
援用される。These devices may be used in a variety of applications, including, for example, performing high-throughput screening assays in drug discovery, immunoassays, diagnostic analysis, gene sequencing, and the like.
May be used. As such, the devices described herein often include multiple sample introduction ports or reservoirs for parallel or serial introduction and multiple sample analysis. Alternatively, these devices are coupled to a sample introduction port (eg, a pipettor), which introduces multiple samples in series to the device for analysis. Examples of such sample introduction systems are described, for example, in U.S. patent applications Ser. 17646-000410 and 17646-000510)
Which are incorporated herein by reference in their entirety for all purposes.
【0038】 好ましい局面において、本明細書中に記載のデバイス、方法およびシステムは
、動電学的材料輸送システム、そして好ましくは、制御された動電学的材料輸送
システムを使用する。本明細書中に使用される「動電学的材料輸送システム」と
は、材料への電場の適用によって、結合型チャネルおよび/またはチャンバーを
備える構造内に材料を輸送および指向するシステムを含む。これによって、チャ
ネルおよび/またはチャンバーを通して、およびその間で材料の移動を生じる。[0038] In a preferred aspect, the devices, methods and systems described herein use an electrokinetic material transport system, and preferably, a controlled electrokinetic material transport system. As used herein, "electrokinetic material transport system" includes a system that transports and directs a material into a structure comprising coupled channels and / or chambers by the application of an electric field to the material. This results in movement of material through and between the channels and / or chambers.
【0039】 本発明の好ましい局面は、一般的に、マイクロ流体システムにおける材料の動
電学的輸送を使用するが、これは本発明の加熱および制御の局面が他の材料輸送
システムを使用するシステムに容易に適合可能であることは、容易に認識される
。例えば、マイクロ流体デバイス外部のポンプおよび/または圧力源を使用する
圧力ベースまたは空気圧フローシステムは、本発明の加熱、検出、および制御の
局面と関連して使用され得る。同様に、一体型マイクロ流体デバイス(例えば、
デバイス内に組み込まれた小型化ポンプおよびバルブ構造)はまた、これらの加
熱および制御システムを用いて使用するために容易に適合可能である。[0039] Preferred aspects of the invention generally use electrokinetic transport of materials in microfluidic systems, which is a system in which the heating and control aspects of the invention use other material transport systems. It will be readily appreciated that it is easily adaptable to For example, a pressure-based or pneumatic flow system using a pump and / or pressure source external to the microfluidic device can be used in connection with the heating, sensing, and control aspects of the present invention. Similarly, integrated microfluidic devices (eg,
Miniaturized pump and valve structures incorporated into the device) are also easily adaptable for use with these heating and control systems.
【0040】 このような動電学的材料輸送および方向付けシステムは、構造に対して印加さ
れた電場内の荷電された種の電気泳動的移動度に依存するシステムを含む。この
ようなシステムは、より詳細には、電気泳動的材料輸送システムとよばれる。他
の動電学的材料方向付けおよび輸送システムは、チャネルまたはチャンバー構造
内の流体および材料の電気浸透的流れに依存し、これは、このような構造を横切
る電場の印加から生じる。簡潔には、流体が、エッチングされたガラスチャネル
またはガラスマイクロキャピラリー中で、荷電性官能基(例えば、ヒドロキシル
基)を保有する表面を有するチャネルに配置される場合、これらの基は、イオン
化され得る。ヒドロキシル官能基の場合において、(例えば、中性pHでの)こ
のイオン化は、表面からおよび流体中にプロトンの放出を生じ、流体/表面の界
面、またはチャネルにおける大量の流体を囲んでいる、正に荷電した外筒近傍に
おいてある濃度のプロトンを生じる。チャネルの長さを横切る電圧勾配の印加に
よって、プロトンの外筒が引き起こされて、電圧降下に沿って大量の流体を引き
寄せる電圧降下の方向(すなわち、陰極の方向)に移動する。[0040] Such electrokinetic material transport and orientation systems include systems that rely on the electrophoretic mobility of charged species in an electric field applied to a structure. Such a system is more particularly called an electrophoretic material transport system. Other electrokinetic material directing and transport systems rely on the electroosmotic flow of fluids and materials within a channel or chamber structure, which results from the application of an electric field across such a structure. Briefly, when a fluid is placed in an etched glass channel or glass microcapillary in a channel having a surface bearing charged functional groups (eg, hydroxyl groups), these groups can be ionized. . In the case of the hydroxyl function, this ionization (eg, at neutral pH) results in the release of protons from the surface and into the fluid, which surrounds the bulk of the fluid at the fluid / surface interface or channel. Produces a certain concentration of protons near the charged outer cylinder. The application of a voltage gradient across the length of the channel causes an outer sheath of protons to move in the direction of the voltage drop (ie, toward the cathode) that draws a large amount of fluid along the voltage drop.
【0041】 本明細書中に使用される「制御された動電力学的材料輸送および方向付け」は
、上記に記載される動電学的システムをいい、これは、複数の(すなわち、2つ
を超える)電極において印加される電圧の能動的制御を用いる。言い換えると、
このような制御された動電学的システムは、少なくとも2つの交差するチャネル
を横切って印加される電圧勾配を同時に調節する。制御された動電学的材料輸送
は、Ramseyの公開PCT出願WO96/04547において記載され、こ
れらは全ての目的のために、その全体が本明細書中に参考として援用される。詳
細には、本明細書中に記載される好ましいマイクロ流体デバイスおよびシステム
は、少なくとも2つの交差するチャネルまたは流体コンジット(例えば、相互接
続され、封入されたチャンバー)を備えるボディー構造を備える。そしてこれら
のチャネルは、少なくとも3つの交差していない末端を備える。2つのチャネル
の交差は、2つ以上のチャネルが互いに流体連通している点を意味し、そして「
T字型」交差、交差、複数のチャネルの「ワゴンホイール」交差または2つ以上
のチャネルがこのような流体連通状態にある任意の他のチャネル形状を含む。チ
ャネルの交差していない末端は、別のチャネルとのチャネル交差(例えば、「T
字型」交差)の結果としてではなく、チャネルが終結する点である。好ましい局
面において、このデバイスは、少なくとも4つの交差していない末端を有する、
少なくとも3つの交差しているチャネルを備える。基本的な交差チャネル構造に
おいて、単一の水平チャネルが交差して、単一の垂直なチャネルと交わっている
場合、制御された動電学的材料輸送を操作して、交差で他のチャネルから束縛し
ている流れを提供することによって、交差を通る材料の流れを直接制御可能に方
向付ける。例えば、仮定されることは、水平なチャネルを通して(例えば、左か
ら右へ)、垂直なチャネルとの交差を横切って第1の材料を輸送することが望ま
しかった。交差を横切るこの材料の単純な動電学的材料の流れは、水平なチャネ
ルの長さを横切る電圧勾配を印加し(すなわち、このチャネルの左末端に第1の
電圧を印加する)、そしてこのチャネルの右末端に第2のより低い電圧を印加す
るか、または右末端をフロートさせる(電流は印加されない)ことによって達成
され得る。しかし、交差を通すこの型の材料の流れは、交差で実質的な量の拡散
を生じ、使用された媒体において輸送されている材料の天然の拡散特性および交
差での対流効果の両方から生じる。As used herein, “controlled electrokinetic material transport and orientation” refers to the electrokinetic system described above, which comprises multiple (ie, two, Active control of the voltage applied at the electrodes. In other words,
Such a controlled electrokinetic system simultaneously regulates the voltage gradient applied across at least two intersecting channels. Controlled electrokinetic material transport is described in Ramsey's published PCT application WO 96/04447, which is hereby incorporated by reference in its entirety for all purposes. In particular, the preferred microfluidic devices and systems described herein comprise a body structure comprising at least two intersecting channels or fluid conduits (eg, interconnected and enclosed chambers). These channels then have at least three non-intersecting ends. The intersection of two channels means that two or more channels are in fluid communication with each other, and
A "T-shaped" intersection, intersection, "wagon wheel" intersection of multiple channels or any other channel shape in which two or more channels are in such fluid communication. The non-intersecting end of a channel is the channel intersection with another channel (eg, "T
It is the point where the channel terminates, not as a result of the "shape" intersection). In a preferred aspect, the device has at least four non-intersecting ends,
It comprises at least three intersecting channels. In a basic intersecting channel structure, where a single horizontal channel intersects and intersects a single vertical channel, it operates controlled electrokinetic material transport to intersect other channels at the intersection. By providing a constraining flow, the flow of material through the intersection is directly controllably directed. For example, it has been assumed that it was desirable to transport the first material through the horizontal channel (eg, from left to right) and across the intersection with the vertical channel. A simple electrokinetic material flow of this material across the intersection applies a voltage gradient across the length of the horizontal channel (ie, applies a first voltage to the left end of the channel), and This can be achieved by applying a second lower voltage to the right end of the channel or by floating the right end (no current is applied). However, this type of material flow through the intersection results in a substantial amount of diffusion at the intersection, resulting from both the natural diffusion properties of the material being transported in the media used and the convective effects at the intersection.
【0042】 制御された動電学的材料輸送において、交差を横切って輸送されている材料は
、側面チャネル(例えば、上部および底部チャネル)から低いレベルの流れによ
って束縛される。これは、材料の流れの通路に沿って(例えば、垂直チャネルの
上部末端または底部末端から右末端へ)わずかな電圧勾配を印加することによっ
て達成される。この結果は、交差での材料の流れの「狭窄化」であり、これは、
材料の垂直チャネルへの拡散を防止する。次いで、交差で狭窄化された容量の材
料は、垂直チャネルの長さを横切って(すなわち、上部末端から底部末端まで)
電圧勾配を印加することによって垂直チャネルに注入され得る。この注入の間に
水平チャネルから材料の任意の流出を避けるために、低レベルの流れが側面チャ
ネルに戻るように方向付けられ、交差からの材料の「後退」が生じる。In controlled electrokinetic material transport, material being transported across intersections is constrained by low levels of flow from side channels (eg, top and bottom channels). This is accomplished by applying a slight voltage gradient along the path of the material flow (eg, from the top or bottom end of the vertical channel to the right end). The result of this is a "narrowing" of the material flow at the intersection, which
Prevents diffusion of material into vertical channels. The material of the volume narrowed at the intersections then crosses the length of the vertical channel (ie, from the top end to the bottom end)
It can be injected into a vertical channel by applying a voltage gradient. To avoid any outflow of material from the horizontal channel during this injection, a low level flow is directed back to the side channel, resulting in "retreat" of the material from the intersection.
【0043】 狭窄された注入スキームに加えて、制御された動電学的材料輸送は、見かけの
値を作成するために容易に利用され、これは、機械的なまたは可動部品を含まな
い。詳細には、上記に記載された交差を参照して、あるチャネルセグメントから
別のチャネルセグメントへの材料の流れ(例えば、水平チャネルの左アームから
右アームまで)は、垂直チャネルからの制御された流れ(例えば、垂直チャネル
の底部アームから上部アームまで)によって、効率的に調節され得、停止され得
、そして再び開始され得る。詳細には、「オフ」モードにおいて、この材料は、
左および上部末端を横切って電圧勾配を印加することによって、交差を通り上部
アームへ、左アームから輸送される。束縛された流れは、この経路に沿って(底
部末端から上部末端へ)同等の電圧勾配を印加することにより、底部アームから
上部アームへと方向付けられる。次いで、材料の測定された量は、左から上部へ
印加された電圧勾配を左から右へ切りかえることによって、水平チャネルの左ア
ームから右アームに分配される。時間量および印加された電圧勾配は、このよう
に分配される材料の量を示す。In addition to constricted injection schemes, controlled electrokinetic material transport is easily exploited to create apparent values, which does not include mechanical or moving parts. In particular, with reference to the intersection described above, the flow of material from one channel segment to another (eg, from the left arm to the right arm of the horizontal channel) is controlled from the vertical channel. Depending on the flow (eg, from the bottom arm to the top arm of the vertical channel), it can be efficiently regulated, stopped, and restarted. Specifically, in the "off" mode, this material
By applying a voltage gradient across the left and upper ends, the left arm is transported through the intersection to the upper arm. The constrained flow is directed from the bottom arm to the top arm by applying an equal voltage gradient along this path (from bottom end to top end). The measured amount of material is then distributed from the left arm to the right arm of the horizontal channel by switching the left-to-top applied voltage gradient from left to right. The amount of time and the applied voltage gradient indicate the amount of material thus dispensed.
【0044】 例示の目的で4つの方法で交差に関して記載されるが、これらの制御された動
電学的材料輸送システムは、より複雑な連携したチャネルネットワーク(例えば
、連携された並行チャネルの配列)に容易に適合され得る。Although described with respect to intersections in four ways for illustrative purposes, these controlled electrokinetic material transport systems are more complex in coordinated channel networks (eg, coordinated parallel channel arrays). Can be easily adapted to
【0045】 本明細書中に詳細に記載されたデバイスおよびシステムは、一般的に、いくつ
かまたは1つの特定の操作の実施の用語によって記載され、これは、これらのシ
ステムの柔軟性がこれらのデバイスへのさらなる操作の容易な組み込みを可能に
することがこの開示から容易に理解される。例えば、記載されるデバイスおよび
システムは、必要に応じて、本明細書中に詳細に記載された操作から上流および
下流の両方の実質的に任意の数の操作を行うための構造、試薬およびシステムを
備える。このような上流操作は、サンプル取り扱い操作および調製操作(例えば
、細胞分離、抽出、精製、増幅、細胞活性化、標識化試薬、希釈、等分など)を
含む。同様に、下流操作は、同様の操作(例えば、サンプル成分の分離、成分の
標識化、アッセイおよび検出操作を含む)を含み得る。アッセイおよび検出操作
としては、プローブインターロゲーションアッセイ、例えば、非常に多くの、異
なる、別個に配置されたプローブを有するデバイスおよび/もしくはプローブア
レイのチャネルまたはチャンバー内の遊離しているかまたは束縛された個々のプ
ローブを利用する核酸ハイブリダイゼーションアッセイ、レセプター/リガンド
アッセイ、イムノアッセイなどが挙げられるが、これらに限定されない。The devices and systems described in detail herein are generally described in terms of the performance of some or one particular operation, which means that the flexibility of these systems increases It will be readily appreciated from this disclosure that it allows for easy incorporation of further manipulations into the device. For example, the described devices and systems may be provided with structures, reagents and systems for performing substantially any number of operations, both upstream and downstream, from the operations detailed herein, as appropriate. Is provided. Such upstream operations include sample handling and preparation operations (eg, cell separation, extraction, purification, amplification, cell activation, labeling reagents, dilution, aliquots, etc.). Similarly, downstream operations can include similar operations, including, for example, separation of sample components, labeling of components, assay and detection operations. Assays and detection procedures include probe interrogation assays, for example, free or constrained in channels or chambers of devices and / or probe arrays with a large number of different, separately arranged probes. Examples include, but are not limited to, nucleic acid hybridization assays utilizing individual probes, receptor / ligand assays, immunoassays, and the like.
【0046】 本明細書中に記載されるシステムは、一般に、上記のように、デバイス内の流
体輸送および方向付けを制御するためのさらなる機器、システムによって行われ
た操作の結果を検出(detecting)または検出(sensing)する
ための検出機器、プロセッサ(例えば、予めプログラムされた命令に従って制御
機器を制御し、検出機器からのデータを受け取り、データを分析、保存、および
解釈し、そして容易にアクセス可能な形態においてデータおよび解析を提供する
ためのコンピューター)と組み合わせて、マイクロ流体デバイスを備える。The systems described herein generally detect additional equipment for controlling fluid transport and orientation within the device, the results of operations performed by the system, as described above. Or a sensing device for sensing, a processor (eg, controlling a control device according to pre-programmed instructions, receiving data from the detecting device, analyzing, storing, and interpreting the data, and easily accessible) A microfluidic device in combination with a computer to provide data and analysis in various forms.
【0047】 種々の制御機器は、本発明のデバイス内の流体および/または材料の輸送およ
び方向付けを制御するために、上記に記載のマイクロ流体デバイスと組み合わせ
て利用され得る。例えば、多くの場合において、流体輸送および方向付けは、流
体の流れを駆動する外部または内部の圧力供給源を組み込んだ圧力ベースの流れ
システムを使用して、全体的にまたは部分的に制御され得る。内部供給源は、小
型化されたポンプ(例えば、当該分野で記載される膜ポンプ、サーマルポンプ、
ラム波ポンプなど)を備える。例えば、米国特許第5,271,724号、同第
5,277,556号および同第5,375,979号ならびに公開PCT出願
WO94/05414およびWO97/02357を参照のこと。このようなシ
ステムにおいて、流体方向付けは、しばしば小型化されたバルブの組み込みによ
って達成され得る。このバルブは、制御された様式で流体の流れを制限する。例
えば、米国特許第5,171,132号を参照のこと。Various controls can be utilized in combination with the microfluidic devices described above to control the transport and orientation of fluids and / or materials within the devices of the present invention. For example, in many cases, fluid transport and directing may be controlled in whole or in part using a pressure-based flow system that incorporates external or internal pressure sources to drive fluid flow. . Internal sources include miniaturized pumps (eg, membrane pumps, thermal pumps,
Lamb wave pump). See, for example, U.S. Patent Nos. 5,271,724; In such systems, fluid directing can often be achieved by incorporation of miniaturized valves. This valve restricts fluid flow in a controlled manner. See, for example, U.S. Patent No. 5,171,132.
【0048】 上記のように、本明細書中に記載のシステムは、好ましくは、動電学的材料方
向付けおよび輸送システムを利用する。このように、マイクロ流体システムと組
み合わせて使用するためのコントローラシステムは、代表的には、マイクロ流体
デバイス内に含まれる流体との電気的接触で配置されている、複数の電極に対し
て適切な電圧を同時に送達するための電源および回路を備える。特に好ましい電
気的コントローラの例は、1997年7月2日に出願された、米国特許出願番号
第08/888,064号および国際特許出願第US97/12930(それぞ
れ、代理人整理番号第17646−000610U5および00061OPC)
に記載され、これらの開示は、全ての目的のために、その全体が本明細書中に参
考として援用される。簡潔には、このコントローラは、マイクロ流体システムに
おける電流制御を使用する。所定の電極での電流の流れは、電極が配置されてい
るリザーバーと連結しているチャネルに沿っているイオンの流れに直接関連する
。これは、電圧制御システムにおけるチャネルに沿っている種々のノードにおけ
る電圧を決定する必要性とは対照的である。従って、マイクロ流体システムの電
極での電圧は、システムの種々の電極を通して流れる電流に応答して設定される
。この電流制御は、デバイス自体におけるマイクロ流体システムを作製するプロ
セスにおいて寸法の変動にあまり影響されない。電流制御は、複合マイクロ流体
システムにおける目的の材料および緩衝液流体をポンピングし、バルビングし、
分散し、混合し、かつ濃縮するためのより容易な操作をさらに可能にする。電流
制御はまた、チャネル内の所望されない温度効果を緩和するために好ましい。As noted above, the systems described herein preferably utilize an electrokinetic material orientation and transport system. Thus, a controller system for use in combination with a microfluidic system is typically suitable for a plurality of electrodes that are placed in electrical contact with the fluid contained within the microfluidic device. A power supply and circuitry for simultaneously delivering voltages are provided. Examples of particularly preferred electrical controllers are U.S. patent application Ser. No. 08 / 888,064 and International Patent Application No. And 00061 OPC)
And these disclosures are incorporated herein by reference in their entirety for all purposes. Briefly, this controller uses current control in a microfluidic system. The flow of current at a given electrode is directly related to the flow of ions along the channel connecting the reservoir where the electrode is located. This is in contrast to the need to determine voltages at various nodes along a channel in a voltage control system. Thus, the voltage at the electrodes of the microfluidic system is set in response to the current flowing through the various electrodes of the system. This current control is less sensitive to dimensional variations in the process of making the microfluidic system in the device itself. Current control pumps and valves the material and buffer fluid of interest in a composite microfluidic system,
It further allows easier operation for dispersing, mixing and concentrating. Current control is also preferred to mitigate unwanted temperature effects in the channel.
【0049】 本明細書中に記載されるマイクロ流体システムにおいて、種々の検出方法およ
びシステムは、システムによって実行される特異的な操作に依存して、使用され
得る。しばしば、マイクロ流体システムは、システムの出力をモニターするため
に複数の異なる検出システムを使用する。検出システムの例としては、光学的セ
ンサー、温度センサー、圧力センサー、pHセンサー、伝導率センサーなどが挙
げられる。これらの型のセンサーの各々は、本明細書中に記載されるマイクロ流
体システムに容易に組み込まれ得る。これらのシステムにおいて、このような検
出器は、この検出器がデバイス、チャネル、またはチャンバーと検出連通にある
ように、マイクロ流体デバイスまたはこのデバイスの1つ以上のチャネル、チャ
ンバーもしくはコンジット内にあるか、またはそれに隣接するかのいずれかで配
置される。本明細書中で使用される、特定の領域または素子について、句「検出
連通に」とは、一般的に、検出器がマイクロ流体デバイス、マイクロ流体デバイ
スの一部分、またはマイクロ流体デバイス一部分の内容の特性を検出し得るよう
な位置における検出器の配置をいう。このために、この検出器が意図される。例
えば、マイクロスケールチャネルと検出連通に配置されるpHセンサーは、この
チャネルに配置された流体のpHを決定し得る。同様に、マイクロ流体デバイス
のボディーにセンサー検出連通に配置された温度センサーは、デバイス自体の温
度を決定し得る。In the microfluidic systems described herein, various detection methods and systems may be used depending on the specific operations performed by the system. Often, microfluidic systems use multiple different detection systems to monitor the output of the system. Examples of detection systems include optical sensors, temperature sensors, pressure sensors, pH sensors, conductivity sensors, and the like. Each of these types of sensors can be easily incorporated into the microfluidic systems described herein. In these systems, such a detector may be in a microfluidic device or in one or more channels, chambers or conduits of the device, such that the detector is in detection communication with the device, channel, or chamber. Or adjacent to it. As used herein, for a particular area or element, the phrase "in detection communication" generally refers to the detector in which the detector is a microfluidic device, a portion of a microfluidic device, or the content of a portion of a microfluidic device. This refers to the arrangement of detectors at positions where characteristics can be detected. For this purpose, this detector is intended. For example, a pH sensor placed in detection communication with a microscale channel may determine the pH of a fluid placed in this channel. Similarly, a temperature sensor located in sensor detection communication with the body of the microfluidic device can determine the temperature of the device itself.
【0050】 特に好ましい検出システムは、本明細書中に記載のマイクロ流体システムに組
み込まれているマイクロ流体デバイスのチャネルおよび/またはチャンバー内の
材料の光学的特性を検出するための光学的検出システムを備える。このような光
学的検出システムは、代表的には、マイクロ流体デバイスのマイクロスケールチ
ャネルに隣接して配置され、そしてこのデバイスのチャネルまたはチャンバーを
横切って配置された光学的検出ウインドウを介してチャネルと検出連通にある。
光学的検出システムは、チャネル内の材料から放射された光、材料の透過率また
は吸収ならびに材料のスペクトル特性を測定し得るシステムを備える。好ましい
局面において、検出器は、材料(例えば、蛍光材料または化学発光材料)から放
射された光の量を測定する。A particularly preferred detection system is an optical detection system for detecting the optical properties of a material in a channel and / or chamber of a microfluidic device incorporated into a microfluidic system described herein. Prepare. Such optical detection systems are typically located adjacent to a microscale channel of a microfluidic device and communicate with the channel through an optical detection window located across the channel or chamber of the device. It is in detection communication.
Optical detection systems include systems that can measure the light emitted from the material in the channel, the transmittance or absorption of the material, and the spectral properties of the material. In a preferred aspect, the detector measures the amount of light emitted from the material (eg, a fluorescent or chemiluminescent material).
【0051】 このように、検出システムは、代表的には、検出ウインドウを通して透過され
る光に基づくシグナルを集める工程、および適切な光検出器に対してこのシグナ
ルを透過させる工程のための集光オプティクスを備える。可動性の電力源、視野
直径、および焦点距離の顕微鏡対物レンズは、この光学縦列の少なくとも一部分
として容易に利用され得る。この光検出器は、フォトダイオード、アバランシェ
フォトダイオード、光倍増管、ダイオードアレイ、または、いくつかの場合には
、画像化システム(例えば、電荷結合素子デバイス(CCD)など)であり得る
。好ましい局面において、フォトダイオードが、光検出器として少なくとも部分
的に利用される。この検出システムは、代表的には、(以下に詳細に記載される
ように)分析、保存、およびデータ操作のために、コンピューターに検出された
光データを伝達するための、AD/DAコンバーターを介してコンピューターに
連結されている。Thus, the detection system typically collects a signal based on the light transmitted through the detection window and collects the signal for transmission to a suitable photodetector. With optics. A mobile power source, field diameter, and focal length microscope objective can be readily utilized as at least a portion of this optical column. The light detector can be a photodiode, an avalanche photodiode, a photomultiplier tube, a diode array, or, in some cases, an imaging system (eg, a charge coupled device device (CCD), etc.). In a preferred aspect, a photodiode is at least partially utilized as a photodetector. The detection system typically includes an AD / DA converter to transmit the detected optical data to a computer for analysis, storage, and data manipulation (as described in detail below). Connected to the computer via
【0052】 蛍光材料の場合において、検出器は、代表的には、蛍光材料を活性化するため
に適切な波長で光を生成する光源、およびチャネルまたはチャンバーに含まれる
材料に検出ウインドウを介して光源を方向付けるためのオプティクスを備える。
この光源は、レーザー、レーザーダイオードおよびLEDを含む、適切な波長を
提供する、任意の数の光源であり得る。他の光源は、他の検出システムにおいて
必要とされ得る。例えば、広帯域の光源は、代表的には、光散乱/透過性検出ス
キームなどで使用される。代表的には、光選択パラメーターは、当業者に周知で
ある。In the case of fluorescent materials, the detector typically comprises a light source that produces light at an appropriate wavelength to activate the fluorescent material, and a material contained in the channel or chamber through a detection window. Optics for directing the light source are provided.
The light source can be any number of light sources that provide the appropriate wavelength, including lasers, laser diodes and LEDs. Other light sources may be needed in other detection systems. For example, broadband light sources are typically used in light scattering / transmission detection schemes and the like. Typically, light selection parameters are well known to those skilled in the art.
【0053】 検出器は、別々のユニットで存在し得るが、好ましくは、単一の機器にコント
ローラシステムとともに組み込まれ得る。これらの機能を単一のユニットへ組み
込むことは、コントローラと、検出器と、コンピューターとの間の情報を伝達す
るためのいくつかまたは単一の連絡ポートの使用を可能にすることによって、こ
れらの機器のコンピューターとの連結を容易にする(以下に記載される)。The detector may be present in a separate unit, but preferably may be integrated with the controller system in a single instrument. Incorporating these functions into a single unit makes these functions possible by allowing the use of several or a single communication port to convey information between the controller, detector and computer. Facilitates the connection of the instrument to the computer (described below).
【0054】 上記のように、そして以下に非常に詳細に記載されるように、コントローラシ
ステムおよび/または検出システムのいずれかまたはその両方が、適切にプログ
ラムされたプロセッサまたはコンピューターに連結され、このプロセッサまたは
コンピューターは、予めプログラムされたかまたはユーザー入力指示に従って、
これらの指示の操作を支持し、これらの機器からのデータおよび情報を受け取り
、ならびにユーザーに対してこの情報を解釈、操作、および報告するために動作
する。このように、コンピューターは、代表的には、これらの機器(例えば、必
要ならば、AD/DAコンバーター)の1つまたは両方に適切に連結されている
。As described above and as described in greater detail below, either or both the controller system and / or the detection system are coupled to a suitably programmed processor or computer, Or the computer may be pre-programmed or
It operates in support of these instructions, receives data and information from these devices, and interprets, manipulates, and reports this information to the user. Thus, a computer is typically suitably coupled to one or both of these devices (eg, an AD / DA converter, if necessary).
【0055】 コンピューターは、代表的には、(例えば、GUIにおいて)または予めプロ
グラムされた(例えば、種々の異なる特異的な操作のために予めプログラムされ
た)指示の形態のいずれかで、パラメーター設定フィールドにユーザー入力の形
態でユーザー指示を受け入れるための適切なソフトウェアを含む。次いで、この
ソフトウェアは、これらの指示を、流体方向および輸送コントローラの操作を指
示するために適切な言語に変換して、所望の操作を実行する。次いで、コンピュ
ーターは、このシステム内に備えられた1つ以上のセンサー/検出器からのデー
タを受け取り、そしてデータを解釈し、ユーザーが理解した形式でデータを提供
するか、または(例えば、流速、温度、印加された電流のモニターおよび制御な
どのような)プログラミングに従って、さらなるコントローラ指示を開始するデ
ータを使用するかのいずれかである。The computer typically sets the parameters either in the form of instructions (eg, in a GUI) or pre-programmed (eg, pre-programmed for a variety of different specific operations). Include appropriate software to accept user instructions in the form of user input in the field. The software then translates these instructions into a language appropriate for instructing the operation of the fluid direction and transport controller to perform the desired operation. The computer then receives the data from one or more sensors / detectors provided within the system and interprets the data and provides the data in a format understood by the user, or (eg, flow rate, Either according to the programming (such as temperature, applied current monitoring and control, etc.), use the data to initiate further controller instructions.
【0056】 (II.マイクロ流体システムにおける温度制御) 先に記載されたように、本発明は、一般的に、マイクロ流体システムに関し、
これは、所望の位置(例えば、有効な様式でマイクロ流体デバイスの選択された
チャネルおよび/またはチャンバー内)において、材料(例えば、サンプルを含
む、流体、分析物、緩衝液および試薬)を加熱するエネルギーを選択的に提供す
る。特に、本発明は、制御された様式でこの材料を加熱するために、マイクロ流
体システムのチャネルおよび/またはチャンバー内に配置されている流体を通し
て電流を通過させる電源を使用する。従って、本発明は、電気的に制御されたシ
ステムにおける流体の抵抗型電熱についての技術の認識された問題をとりあげ、
そして(例えば、マイクロ流体システム内で加熱を行って、操作を制御するため
に)実験者の利点に抵抗型電熱を利用する。II. Temperature Control in Microfluidic Systems As described above, the present invention generally relates to microfluidic systems,
This heats materials (eg, fluids, analytes, buffers and reagents, including samples) at desired locations (eg, in selected channels and / or chambers of a microfluidic device). Provides energy selectively. In particular, the present invention uses a power supply that passes an electric current through a fluid located in a channel and / or chamber of a microfluidic system to heat the material in a controlled manner. Accordingly, the present invention addresses the recognized problem in the art of resistive electroheating of fluids in electrically controlled systems,
The resistance of the experimenter is then utilized (eg, for heating in a microfluidic system to control operation) using resistive electroheating.
【0057】 本発明の方法およびシステムは、流体システムに関する代表的な温度制御方法
に対して、複数の利点を提供する。例えば、このようなシステムは、温度の正確
な電気的制御に付属している制御しやすさおよび自動化を提供する。さらにこの
ようなシステムは、チャネル内の流体および材料の温度を変更するにおける速度
という利点を提供する。さらに、これらのシステムは、最先端の動電学的マイク
ロ流体システムに容易に組み込まれる。最後に、このような方法およびシステム
は、所定のデバイスの別個のマイクロ流体素子内(例えば、所定のデバイスにお
ける1つまたはそれ以上の別個のチャネル内)で、このような加熱が所望されな
い他の領域を加熱することなく、温度制御および/または加熱の正確な領域的制
御を可能にする。特に、本発明に記載される方法およびシステムに従って、熱は
、このような加熱が所望される流体素子内で発生されるのみである。さらに、こ
のようなマイクロ流体素子は、熱が実質的に局在化するように基板(ここでそれ
らが組みたてられる)の質量と比較して非常に小さいので、例えば、デバイス内
の他の流体素子に影響を及ぼす前に基板にまたは基板から消費される。言い換え
ると、比較的大きな基板が、そこに備えられた別個の流体素子のためのヒートシ
ンクとして機能する。従って、本発明に従って、組み込まれたマイクロ流体チャ
ネルシステムの1つ以上のチャネル(例えば、複数の交差するチャネル、または
単一の基板もしくはボディー構造上にともに接近してまとめられている複数のチ
ャネル)における材料を選択的に加熱し得るが、その一方で、基板上の他のチャ
ネルにおける材料または加熱されたチャネルと交差する材料の温度を実質的に変
化させることはない。「温度を実質的に変化させない」によって、「加熱されて
いない」チャネルにおける材料の温度が、基板全体の温度(代表的には、周囲温
度)から約40%(摂氏で)を越えて変化しないことが意図される。例えば、任
意の加熱の前の基板の周囲温度が20℃である場合、基板内のあるチャネルの一
部分の加熱は、残りのチャネルの部分を約40%(すなわち、8℃)を超えて上
昇することなく生じる。好ましい局面において、残りの加熱されていないチャネ
ル部分の温度は、10%を超えて変化せず、そしてより好ましくは、5%を超え
て変化しない。もちろん、あるチャネルが加熱されたチャネルと交差している場
合、このチャネルの一部分は、上昇した温度に供される(例えば、交差にて、ま
たはその近傍において)。しかし、チャネル部分のほとんど(例えば、90%を
超える)は、周囲温度にまたは周囲温度付近に維持される。あるいは、加熱され
ていないチャネルは、チップ上で任意の加熱(eating)がない温度の約1
0℃以内、好ましくは約5℃以内、そしてより好ましくは約2℃以内に維持され
る。The methods and systems of the present invention provide several advantages over typical temperature control methods for fluid systems. For example, such systems provide the controllability and automation associated with accurate electrical control of temperature. Further, such a system offers the advantage of speed in changing the temperature of fluids and materials in the channel. In addition, these systems are easily integrated into state-of-the-art electrokinetic microfluidic systems. Finally, such methods and systems may be used in a separate microfluidic device of a given device (eg, in one or more separate channels in a given device), where other heating is not desired. Allows temperature control and / or precise regional control of heating without heating the region. In particular, in accordance with the methods and systems described in the present invention, heat is only generated in the fluidic elements where such heating is desired. Furthermore, such microfluidic devices are very small compared to the mass of the substrate (where they are assembled) such that heat is substantially localized, so that, for example, other Consumed by or from the substrate before affecting the fluidic device. In other words, a relatively large substrate functions as a heat sink for the separate fluidic elements provided therein. Thus, according to the present invention, one or more channels of an integrated microfluidic channel system (eg, multiple intersecting channels, or multiple channels closely grouped together on a single substrate or body structure). Can be selectively heated, while not substantially changing the temperature of the material in other channels on the substrate or the material intersecting the heated channels. "Do not substantially change temperature" means that the temperature of the material in the "unheated" channel does not change by more than about 40% (in degrees Celsius) from the temperature of the entire substrate (typically ambient). Is intended. For example, if the ambient temperature of the substrate before any heating is 20 ° C., heating of one portion of a channel in the substrate will increase the remaining portion of the channel by more than about 40% (ie, 8 ° C.). Occurs without. In a preferred aspect, the temperature of the remaining unheated channel portions does not change by more than 10%, and more preferably does not change by more than 5%. Of course, if a channel intersects a heated channel, a portion of the channel will be subjected to an elevated temperature (eg, at or near the intersection). However, most (eg, greater than 90%) of the channel portion is maintained at or near ambient temperature. Alternatively, the unheated channel has a temperature of about 1 at a temperature without any heating on the chip.
Maintained within 0 ° C, preferably within about 5 ° C, and more preferably within about 2 ° C.
【0058】 その最も単純な実施態様において、本発明は、第1のマイクロスケールチャネ
ルに配置された流体材料を有する少なくとも1つのこのマイクロスケールチャネ
ルを有するマイクロ流体デバイスを提供する。チャネルに沿って異なる点に電気
的に連結された電源は、制御された局在化した様式(すなわち、流体内に局在化
された)でこの流体の温度を上昇させるチャネル内のこの流体を通る電流を制御
可能に送達する。非常に多くの改変が非常に多くの適用に対して広範に本発明を
適用するために、基礎的な原則に対してなされ得、そしてこれらの多くは、以下
に詳細に記載される。例えば、加熱電流は、上昇した温度が所望されるチャネル
もしくはチャンバーに、このチャネルの一部分に直接印加され得るか、または補
助的な加熱チャネル(例えば、これは、加熱されるべき材料が配置されているチ
ャネルに交差しているかもしくは隣接している)に印加され得る。さらに、多く
の場合、チャネル内の温度がモニターされ、そして電源は、実際の温度に応答し
て、電源の量を変化させる。例えば、実際の温度が所望される温度より低い場合
、電源は、所望される温度が達成されるまで、流体を加熱するチャネルを通過す
る電流を増加させ得る。従って、電源は、代表的には、温度制御が所望されるチ
ャネル内で検出された温度に応答する。チャネル内の温度に応答性のコントロー
ラの例は、以下の温度設定点という用語の使用において記載される。In its simplest embodiment, the present invention provides a microfluidic device having at least one microscale channel having a fluid material disposed in the first microscale channel. A power supply electrically coupled to different points along the channel causes the fluid in the channel to increase the temperature of the fluid in a controlled localized manner (ie, localized within the fluid). Controllably delivering current through it. Numerous modifications can be made to the basic principles to apply the invention broadly to numerous applications, and many of these are described in detail below. For example, a heating current can be applied directly to a portion of the channel or chamber where elevated temperatures are desired, or an auxiliary heating channel (e.g., where the material to be heated is located) (Which crosses or is adjacent to the channel). Further, in many cases, the temperature in the channel is monitored, and the power supply changes the amount of power in response to the actual temperature. For example, if the actual temperature is lower than the desired temperature, the power supply may increase the current through the channel heating the fluid until the desired temperature is achieved. Thus, the power supply typically responds to the detected temperature in the channel for which temperature control is desired. An example of a temperature responsive controller in a channel is described in the following use of the term temperature set point.
【0059】 電源は、マイクロ流体デバイスに含まれる流体内で、直接温度を制御するため
に使用されるので、本発明は、好ましくは、上記のように、動電学的物質輸送シ
ステムを使用するマイクロ流体システムにおいて利用される。詳細には、同じ電
気的コントローラ、電源および電極が、それらが材料輸送を制御すると同時に温
度を制御するために容易に使用され得る。これは、以下により詳細に議論される
。The present invention preferably uses an electrokinetic mass transport system, as described above, since the power supply is used to directly control the temperature within the fluid contained in the microfluidic device. Used in microfluidic systems. In particular, the same electrical controllers, power supplies and electrodes can easily be used to control temperature as they control material transport. This is discussed in more detail below.
【0060】 例示的な実施態様において、材料は、温度制御が所望されるチャネル内に配置
され、そして好ましくは、このチャネルを通る。このチャネルは、代表的には、
そこを通る電流の加熱効果を増強する、所望される断面(例えば、直径、幅また
は深さ)を有し、そして電流から流体にエネルギーが熱移動する。本明細書中に
記載されるチャネルは、上記に詳細に記載されるように、例えば、非結晶性材料
(例えば、ガラス、プラスチック、ケイ素)複合材、多層性材料、それらの組み
合わせなどのような、ほとんど任意の型の基板材料で形成され得る。In an exemplary embodiment, the material is located in, and preferably through, a channel where temperature control is desired. This channel is typically
It has a desired cross-section (eg, diameter, width or depth) that enhances the heating effect of the current therethrough, and heat transfers energy from the current to the fluid. The channels described herein can be, for example, as described in detail above, such as, for example, amorphous materials (eg, glass, plastic, silicon) composites, multilayer materials, combinations thereof, and the like. , Can be formed of almost any type of substrate material.
【0061】 本発明の理解を助けるために、本明細書中に記載される流体の加熱に関する本
発明の実施態様を簡潔に記載することが助けになり得る。一般的に、チャネル内
の流体を通過する電流は、流体の電気的抵抗を介してエネルギーを散逸すること
によって熱を発生する。電力は、流体を加熱する時間の関数として、流体を通過
する電流として散逸され、そしてエネルギーとして流体に入る。以下の数学的表
現は、一般的に、電源と、電流と、流体抵抗との間の関係を記載する。To assist in understanding the present invention, it may be helpful to briefly describe embodiments of the present invention relating to the heating of the fluids described herein. Generally, current passing through a fluid in a channel generates heat by dissipating energy through the electrical resistance of the fluid. Power is dissipated as current passing through the fluid as a function of time to heat the fluid and enters the fluid as energy. The following mathematical expressions generally describe the relationship between power sources, currents, and fluid resistance.
【0062】 POWER=I2R ここでPOWER=流体中で散逸された電源であり;I=流体を通る電流であり
;そしてR=流体の電気抵抗である。POWER = I 2 R where POWER = power dissipated in the fluid; I = current through the fluid; and R = electrical resistance of the fluid.
【0063】 上記の方程式は、電流(「I」)と抵抗(「R」)に対する消費電力(「PO
WER」)との間の関係を提供する。いくつかの、流体を移動させることに関す
る実施態様において、電源の一部分は、チャネルを通って流体を移動させる動力
学的なエネルギーに入る。本発明の実施態様は、チャネルまたは選択されたチャ
ネル領域中の流体を加熱する電源の選択された部分を使用する。このチャネル領
域は、しばしば、チャネル構造における他のチャネル領域よりより狭いかまたは
より小さな断面である。より小さな断面によって流体中により高い抵抗が提供さ
れ、これは、電流がそこを通るにつれて流体の温度を上昇させる。あるいは、電
流は、電圧の上昇によってチャネルの長さにそって増加され得る。これはまた、
流体の温度と対応して上昇させるために流体中に散逸される電源の量を増加させ
る。The above equation describes the power consumption (“PO”) versus current (“I”) and resistance (“R”).
WER "). In some embodiments involving moving fluid, a portion of the power source enters the kinetic energy that moves the fluid through the channel. Embodiments of the present invention use selected portions of a power supply to heat a fluid in a channel or selected channel region. This channel region is often narrower or smaller in cross-section than other channel regions in the channel structure. The smaller cross section provides higher resistance in the fluid, which increases the temperature of the fluid as current passes therethrough. Alternatively, the current can be increased along the length of the channel by increasing the voltage. This is also
Increase the amount of power dissipated in the fluid to increase in response to the temperature of the fluid.
【0064】 図2は、本発明に従う熱源を備えるマイクロ流体システム400の一例の略図
である。この図は、例示に過ぎず、請求の範囲を限定すべきではない。当業者は
、他の変動、変更および改変を認識する。この図は、チャネルまたはキャピラリ
ー領域407における(これは、チャネル413および421の交差に配置され
る)、ある容量の材料(例えば、流体)を移動または加熱するためのチャネルネ
ットワークまたは配置405を示す。チャネル413は、本明細書中に記載され
るが、他もまた可能であるような類似の長さおよび幅を有し得る。チャネル41
3は、領域409と411とに連結している。領域409および411は、領域
409と411との間で流体を移動させるためのチャネル413に電源を供給す
る。材料は、本明細書において先に記載されたような動電学的効果(例えば、電
気浸透および/または電気泳動的な力が挙げられるが、これらに限定されない)
によってこれらの領域の間で移動される。電源403は、チャネルに操作可能に
連結され、そして領域409および411に、それぞれライン415および41
7を通して電力を供給する。特に、電源403は、領域409および411にお
ける電極に対して差動電圧(voltage differential)の印
加によって、領域409と411との間に差動電圧または電場を提供する。この
差動電圧は、材料の動電学的移動を駆動する。示されるように、差動電圧が、チ
ャネル413に沿って印加される。FIG. 2 is a schematic diagram of an example of a microfluidic system 400 including a heat source according to the present invention. This diagram is merely an example, which should not limit the scope of the claims. One skilled in the art will recognize other variations, changes, and modifications. This figure shows a channel network or arrangement 405 for moving or heating a volume of material (eg, fluid) in a channel or capillary region 407 (which is located at the intersection of channels 413 and 421). Channel 413 may have similar lengths and widths as described herein, but others are also possible. Channel 41
3 is connected to regions 409 and 411. Regions 409 and 411 provide power to channel 413 for moving fluid between regions 409 and 411. The material may have an electrokinetic effect as described herein above, including, but not limited to, electroosmotic and / or electrophoretic forces.
Are moved between these areas. Power supply 403 is operably coupled to the channels and connected to regions 409 and 411, lines 415 and 41, respectively.
Power is supplied through 7. In particular, power supply 403 provides a differential voltage or electric field between regions 409 and 411 by applying a voltage differential to the electrodes in regions 409 and 411. This differential voltage drives the electrokinetic movement of the material. As shown, a differential voltage is applied along channel 413.
【0065】 本明細書中に記載される句「操作可能に連結され」るとは、ある素子が他の素
子に対して所望の機能を分配し得るかまたは他の素子から所望の機能を誘導し得
るような、2つの素子の間の連結をいう。例えば、マイクロスケールチャネルと
操作可能に連結された電気的素子(例えば、電源または電極)の場合において、
電源は、電源の記載された機能(例えば、チャネルに入り、そしてそこを通る電
流を通過させる)を分配するようにチャネルに連結されている。このような連結
は、代表的には、公知の電気的コネクタ(例えば、ワイヤ、電気的端子パッド、
スワイプ端子、浸漬電極など)を通常使用する。同様に、センサーに操作可能に
連結されたコンピューターは、コンピューターがデータを操作および/または分
析し得るように、センサーからのデータを受け取り得る。その一方で、電気的コ
ントローラに操作可能に連結された同じコンピューターが、コントローラからの
フィードバック情報(例えば、抵抗、実際の電圧など)を受け取る間に、コント
ローラに対する命令を伝達し得る。代表的には、コンピューターに関する操作可
能な連結は、一般的に、適切な市販のデータ伝送ケーブルを通して供給される。
さらに、チャネルに操作可能に連結されている光学的検出システムは、代表的に
は、チャネルと連通しているセンサー内にある。詳細には、検出システムは、チ
ャネル内の光学的シグナルを検出し得る。As used herein, the phrase “operably linked” means that one element may distribute a desired function to another element or derive a desired function from another element. Refers to a connection between two elements as may be possible. For example, in the case of an electrical element (eg, a power supply or an electrode) operably connected to a microscale channel,
The power supply is coupled to the channel to distribute the described functions of the power supply (eg, enter and pass current through the channel). Such connections typically involve known electrical connectors (eg, wires, electrical terminal pads,
Swipe terminals, immersion electrodes, etc.) are normally used. Similarly, a computer operably linked to a sensor can receive data from the sensor such that the computer can manipulate and / or analyze the data. On the other hand, the same computer operably linked to the electrical controller may convey instructions to the controller while receiving feedback information (eg, resistance, actual voltage, etc.) from the controller. Typically, the operable connection for the computer will generally be provided through a suitable commercially available data transmission cable.
Further, an optical detection system operably connected to the channel is typically within a sensor that is in communication with the channel. In particular, the detection system may detect an optical signal in the channel.
【0066】 好ましくは、電源403はまた、チャネル配列において領域407における流
体および材料を加熱する目的で領域423および425に電源を提供する。特に
、電源403は、領域423と425との間に差動電圧を提供し、領域423と
425との間に電流が生じる。電流は、少なくとも加熱目的で領域407におけ
る流体および材料に対してエネルギーを分配させるために使用される。チャネル
421は、効果的な様式で領域407における流体を効果的に加熱するために設
計された、新規の幾何的配置を備える。示されるように、チャネル421は、外
側部分421を備え、各々は、内部部分または領域407より大きな幅または断
面(例えば、直径)寸法を有する。これは、外側部分421以外に、対応するよ
り大きな流体または電気抵抗を有する。より幅広くおよびより狭い部分の正確な
寸法は、システムを通して印加される電流の量、所望される熱量、基板の熱容量
などに依存して最適化され得、これは、実験的に容易に最適化され得る。いずれ
にしても、このような寸法は、代表的には、本明細書中のマイクロスケールチャ
ネル(例えば、0.1と500μmとの間の、少なくとも1つの断面の寸法)に
ついて記載される寸法内にはいる。Preferably, power supply 403 also provides power to regions 423 and 425 for heating fluids and materials in region 407 in the channel arrangement. In particular, power supply 403 provides a differential voltage between regions 423 and 425, causing a current to flow between regions 423 and 425. The current is used to distribute energy to fluids and materials in region 407 for at least the purpose of heating. Channel 421 comprises a novel geometry designed to effectively heat the fluid in region 407 in an effective manner. As shown, the channels 421 include outer portions 421, each having a greater width or cross-sectional (eg, diameter) dimension than the inner portion or region 407. This has a correspondingly larger fluid or electrical resistance besides the outer portion 421. The exact dimensions of the wider and narrower portions can be optimized depending on the amount of current applied through the system, the amount of heat desired, the heat capacity of the substrate, etc., which is easily optimized experimentally. obtain. In any case, such dimensions are typically within the dimensions described for the microscale channels herein (eg, dimensions of at least one cross section between 0.1 and 500 μm). Enter.
【0067】 チャネルの領域407における流体または材料の温度を選択的に制御するため
に、電源403は、多くの方法のうちの1つで電圧および/または電流を印加す
る。例えば、電源403は、直流(すなわち、DC)を印加し、これは、チャネ
ル421を通って、そして領域407における流体および材料を加熱する断面が
より小さいチャネル領域407に入る。この直流は、任意の電圧または電場を補
完する規模で選択的に調節され得る。この任意の電圧または電場は、領域407
の中および外で材料を移動させる領域409と411との間に印加され得る。領
域407内の材料を加熱するために、この材料の移動に不利な影響を及ぼすこと
なく、交流(すなわち、AC)は、チャネル421および領域407における流
体を加熱するチャネル領域407を通して、電源403によって選択的に印加さ
れ得る。流体を加熱するために使用されるこの交流は、領域409と411との
間に印加されて、領域407の中外で流体を移動させ得る電源または電場を補完
するために、選択的に調整され得る。AC電流、電圧、および/または周波数は
、例えば、流体を実質的に移動させることなく流体を加熱するために調整され得
る。あるいは、電源403は、電流および/または電圧のパルスもしくはインパ
ルスを印加し、これは、チャネル421を通って、そしてチャネル領域407に
入り、そして所定の場合で正しいタイミングで領域407における流体を加熱す
る。このパルスは、任意の電圧または電場を補完するために選択的に調整され得
、この任意の電圧または電場は、領域409と411との間に印加されて、領域
407の内外の材料(例えば、流体または他の材料)を移動させ得る。パルス幅
、形状、および/または強度は、例えば、流体もしくは材料を実質的に移動させ
ることなく流体を加熱するか、または流体もしくは材料を移動させる間に材料を
加熱するために調節され得る。なおさらに、この電源は、適用に依存して、DC
、AC、およびパルスの任意の組み合わせを適用し得る。Power supply 403 applies voltage and / or current in one of many ways to selectively control the temperature of the fluid or material in region 407 of the channel. For example, power supply 403 applies a direct current (ie, DC), which passes through channel 421 and enters channel region 407, which has a smaller cross-section that heats fluids and materials in region 407. This direct current can be selectively adjusted on a scale that complements any voltage or electric field. This optional voltage or electric field is applied to region 407
May be applied between regions 409 and 411 that move material in and out of the region. To heat the material in region 407, an alternating current (ie, AC) is applied by power supply 403 through channel 407 and channel region 407, which heats the fluid in region 407, without adversely affecting the movement of the material. It can be selectively applied. This alternating current used to heat the fluid may be applied between regions 409 and 411 and selectively adjusted to supplement a power or electric field that may move the fluid in and out of region 407. . The AC current, voltage, and / or frequency may be adjusted, for example, to heat the fluid without substantially moving the fluid. Alternatively, the power supply 403 applies current and / or voltage pulses or impulses, which pass through the channel 421 and into the channel region 407 and heat the fluid in the region 407 at the right time in certain cases. . The pulse can be selectively tuned to complement any voltage or electric field, which is applied between regions 409 and 411 to allow material inside and outside region 407 (eg, Fluid or other material). The pulse width, shape, and / or intensity can be adjusted, for example, to heat the fluid without substantially moving the fluid or material, or to heat the material while moving the fluid or material. Still further, this power supply may have a DC
, AC, and pulses may be applied.
【0068】 広くPCと呼称されるパーソナルコンピュータなどの制御装置すなわちコンピ
ュータ437は、チャネルの領域407において、流体の温度を監視する。制御
装置すなわちコンピュータは、例えば、電源からの電流情報および電圧情報を受
けて、チャネルにおける領域407の流体の温度を同定または検出する。領域4
07における流体の所望温度に依存して、制御装置すなわちコンピュータは電圧
および/または電流を調節して、本明細書中に記載されるように、電源自体とな
り得る温度センサーにより、チャネル内部で検知される温度に応答する態様で、
所望の流体温度に応じる。制御装置すなわちコンピュータはまた、応用例に依存
して、「電流制御式」または「電圧制御式」もしくは「電力制御式」となるよう
にも設定可能である。制御装置すなわちコンピュータ437はモニター439を
含み、これは、陰極線管(CRT)表示装置、平坦パネル表示装置(例えば、ア
クティブマトリクス液晶表示装置、液晶表示装置など)などであることが多い。
コンピュータ回路はボックス441に設置されることが多いが、これは、マイク
ロプロセッサ、メモリ、インターフェイス回路などの、無数の集積回路チップを
含む。ボックス441はまた、ハードディスクドライブ、フロッピーディスクド
ライブ、高容量ドライブ(例えば、Iomega Corporationによ
り販売されるZipDriveTMなど)、および、その他の要素を含む。キーボ
ード443およびマウス445も図示されるが、これらは、コンピュータボック
ス441に対しヒューマンインターフェイスを提供する。コンピュータプログラ
ムにより多様な技術が採用されて、温度ばかりか、他の処理パラメータを検出お
よび監視可能となる。これら技術のうちの幾つかは、以下により詳細に記載され
る。A controller, such as a personal computer, commonly referred to as a PC, or computer 437, monitors the temperature of the fluid in the region 407 of the channel. The controller or computer, for example, receives current and voltage information from a power supply and identifies or detects the temperature of the fluid in region 407 in the channel. Area 4
Depending on the desired temperature of the fluid at 07, the controller or computer adjusts the voltage and / or current to be sensed inside the channel by a temperature sensor, which may be the power supply itself, as described herein. In response to temperature
Depending on the desired fluid temperature. The controller or computer can also be set to be "current controlled" or "voltage controlled" or "power controlled" depending on the application. The controller or computer 437 includes a monitor 439, which is often a cathode ray tube (CRT) display, a flat panel display (eg, an active matrix liquid crystal display, a liquid crystal display, etc.).
Computer circuits are often located in box 441, which includes a myriad of integrated circuit chips, such as microprocessors, memories, interface circuits, and the like. Box 441 also includes a hard disk drive, a floppy disk drive, a high capacity drive (eg, ZipDrive ™ sold by Iomega Corporation), and other elements. Also shown is a keyboard 443 and a mouse 445, which provide a human interface to the computer box 441. A variety of techniques can be employed by the computer program to detect and monitor temperature as well as other processing parameters. Some of these techniques are described in more detail below.
【0069】 幾つかの実施態様では、コンピュータ437は、ローカルネットワークまたは
ワイドエリアネットワークなどのネットワークに接続される。ローカルネットワ
ークは、例えば、イーサーネットまたはトークンリングとして構成され得る。ロ
ーカルエリアネットワークは、「イントラネット」であってもよい。これらロー
カルエリアネットワークのうちの1つ、または、それらの組み合わせは、とりわ
け「インターネット」などのワイドエリアネットワークに接続可能である。ネッ
トワークはまた、応用例によれば、無線方式であってもよい。ネットワークは、
ユーザがオフサイトであることを許容し、または、複数ユーザが現在のマイクロ
流体システムの処理を監視、制御、または、目視できるようにする。In some embodiments, computer 437 is connected to a network, such as a local network or a wide area network. The local network may be configured as, for example, Ethernet or Token Ring. The local area network may be an “intranet”. One of these local area networks, or a combination thereof, is connectable to a wide area network, such as the "Internet", among others. The network may also be wireless, according to the application. The network is
Allow users to be off-site or allow multiple users to monitor, control, or view current microfluidic system processing.
【0070】 図2に示される実施態様は、例えば、周辺領域421よりも領域407におけ
るチャネルにおいて、より高い流体温度またはより高い材料温度を提供する。図
2Aは、チャネルに沿った温度分布450の簡略化された図である。図示のよう
に、垂直軸は温度(T)を表し、水平軸はチャネルに沿った長さ、すなわち、距
離(D)を表す。チャネル領域421の流体は、温度T0に維持される。チャネ ル領域407における流体は、温度TSに維持される。領域407における流体 温度は、領域421におけるチャネルの断面に対してより小さい、領域407に
おけるチャネルの断面に由来する、領域407におけるより高い電流密度(およ
び、より高い抵抗)の結果として、領域421における流体温度よりも高い。チ
ャネルの形状に依存して、チャネルの一方端からチャネルの他方端までの温度プ
ロファイルは、選択的に変化し得る。理解され得るように、チャネルの長さに沿
った温度制御は、チャネルの断面寸法を変化させることにより、変更可能である
と同時に、電流が未変化のままとなり得るようにする。The embodiment shown in FIG. 2, for example, provides a higher fluid temperature or a higher material temperature in the channel in region 407 than in peripheral region 421. FIG. 2A is a simplified diagram of a temperature distribution 450 along a channel. As shown, the vertical axis represents temperature (T) and the horizontal axis represents length along the channel, ie, distance (D). The fluid in the channel region 421 is maintained at the temperature T 0 . The fluid in the channel region 407 is maintained at the temperature T S. The fluid temperature in region 407 is lower than the channel cross-section in region 421, resulting from a higher current density (and higher resistance) in region 407 resulting from the cross-section of the channel in region 407. Higher than fluid temperature. Depending on the shape of the channel, the temperature profile from one end of the channel to the other end of the channel can be selectively varied. As can be appreciated, temperature control along the length of the channel allows the current to remain unchanged while changing the cross-sectional dimension of the channel.
【0071】 図3は、本発明の代替の実施態様に従った加熱源を備えたマイクロ流体システ
ム500の、簡略図である。この図は単なる例示にすぎず、本明細書の特許請求
の範囲の各請求項の範囲を限定するべきではない。当業者であれば、他の変更例
、代替例、および、修正例を認識するだろう。マイクロ流体システム500は、
A、B、C、D、Eなどの多様な温度区域を有するチャネル502と、そこを流
れる流体とを含む。FIG. 3 is a simplified diagram of a microfluidic system 500 with a heating source according to an alternative embodiment of the present invention. This diagram is merely an example, which should not limit the scope of the claims herein. One of ordinary skill in the art would recognize other variations, alternatives, and modifications. The microfluidic system 500
It includes a channel 502 having various temperature zones such as A, B, C, D, and E, and a fluid flowing therethrough.
【0072】 前述のもののような電源は、チャネル形状の領域505、509、および、5
13における流体を加熱するために、領域501と503との間に電流を供与す
る。電源はまた領域501と503との間に電圧差を供与し、これが、チャネル
502を通して材料の輸送を駆動する。電流は、少なくとも一部は、少なくとも
加熱を目的として、領域509において流体にエネルギーを分配するために利用
される。電源(または、別な電源)はまた、領域501と503との間で流体を
駆動または移動させることも可能である。Power supplies such as those described above include channel-shaped regions 505, 509, and 5
An electric current is provided between regions 501 and 503 to heat the fluid at 13. The power supply also provides a voltage difference between regions 501 and 503, which drives the transport of material through channel 502. The electric current is used to distribute energy to the fluid in region 509, at least in part, for the purpose of heating. The power source (or another power source) can also drive or move fluid between the regions 501 and 503.
【0073】 チャネル502は新規な幾何学的形状を備え、これは、効率的な態様で、領域
505、509、および、513における流体を加熱するように設計される。図
示の通り、チャネル502は外側部分507および511を備え、その各々が、
内側部分または領域509よりも大きい幅または大きい断面寸法を有する。これ
に加えて、領域501および503にそれぞれ付着する領域505および513
は、その各々が外側部分507および511よりも小さい幅、または、小さい断
面寸法を有する。より狭い寸法の結果、電流がチャネル502を貫通すると、こ
れら領域の内部で増大した電流密度を生じると共に、これら領域内部に配置され
た流体の加熱を生じる結果となる。従って、流体は、領域505および513に
おける温度も上昇させる。材料はまた、材料の一部のみの加熱を可能にする領域
509で加熱されながら、領域501から503へと輸送され得る。更に、より
狭い寸法の追加領域が、チャネル502の長さに沿って任意で設けられて、材料
がチャネル502に沿って輸送されると、「急ぎの(on the fly)」
熱循環を提供する。The channel 502 comprises a novel geometry, which is designed to heat the fluid in the regions 505, 509 and 513 in an efficient manner. As shown, channel 502 comprises outer portions 507 and 511, each of which comprises
It has a greater width or greater cross-sectional dimension than the inner portion or region 509. In addition to this, regions 505 and 513 are attached to regions 501 and 503, respectively.
Have a smaller width or smaller cross-sectional dimension than each of the outer portions 507 and 511. As a result of the smaller dimensions, the passage of current through channel 502 results in increased current density inside these regions and results in heating of the fluid located inside these regions. Accordingly, the fluid also increases the temperature in regions 505 and 513. Material may also be transported from regions 501 to 503 while being heated in region 509, which allows for heating of only a portion of the material. In addition, additional areas of smaller dimensions are optionally provided along the length of the channel 502 to allow for "on the fly" as material is transported along the channel 502.
Provides heat circulation.
【0074】 特定の実施態様では、流体はある領域で加熱され、他の領域で温度低下する。
特に、領域507および511における流体は、領域505、509、および、
513における流体よりも低温である。さらに、チャネル502は他のチャネル
に連結可能で、これは、流体をチャネル502の一方の領域から、チャネル50
2の別な領域へと移動させる。また更に、領域501と503の間の電源は、応
用例に依存して、変化可能となる。例えば、電源は、領域501および503に
かかる電流および/または電圧の形態で、エネルギーを供給する。電流および/
または電圧は、DC、AC、パルス式、それらの組み合わせ等であり得る。勿論
、使用される電力のタイプは、応用例で決まる。In certain embodiments, the fluid is heated in one area and cools in another.
In particular, the fluid in regions 507 and 511 will be filled with regions 505, 509, and
Cooler than the fluid at 513. Further, channel 502 can be connected to another channel, which allows fluid to flow from one region of channel 502 to channel 50.
2. Move to another area. Still further, the power supply between regions 501 and 503 can be varied depending on the application. For example, the power supply supplies energy in the form of current and / or voltage across regions 501 and 503. Current and / or
Or, the voltage can be DC, AC, pulsed, combinations thereof, and the like. Of course, the type of power used will depend on the application.
【0075】 図4は、本発明のまた別な実施態様に従った、加熱源を備えたマイクロ流体シ
ステム600の、簡略図である。この図は、単なる例示にすぎず、本明細書中の
特許請求の範囲の各請求項の範囲を限定するべきではない。当業者であれば、他
の変更例、代替例、および、修正例を認識するであろう。この図は、領域601
から領域603まで漸進的に断面が増大する、チャネル605を例示する。電源
は、領域601と603との間に電圧差を供与する。この電圧差は、領域601
と603との間の流体を通って流れる電流を引き起こし、または、電流を駆動す
る。領域601付近の電流密度は、領域603付近の電流密度よりも高いが、こ
れは、領域601付近により高い温度の流体を供与する。領域601と603と
の間に供給される電力は、応用例に依存して変更可能となる。例えば、電源は、
領域601と603にかかる電流および/または電圧の形態でエネルギーを供給
する。電流および/または電圧は、直流、交流、パルス式、それらの組み合わせ
等であり得る。勿論、使用される電力のタイプは、応用例で決まる。FIG. 4 is a simplified diagram of a microfluidic system 600 with a heating source, according to another embodiment of the present invention. This diagram is merely an example, which should not limit the scope of the claims herein. One of ordinary skill in the art would recognize other changes, alternatives, and modifications. This figure shows the area 601
6 illustrates a channel 605 with a progressively increasing cross-section from to a region 603. The power supply provides a voltage difference between regions 601 and 603. This voltage difference corresponds to the region 601
Cause or drive the current flowing through the fluid between and 603. The current density near region 601 is higher than the current density near region 603, which provides a higher temperature fluid near region 601. The power supplied between the areas 601 and 603 can be changed depending on the application. For example, the power supply
Energy is supplied in the form of current and / or voltage across regions 601 and 603. The current and / or voltage can be direct current, alternating current, pulsed, combinations thereof, and the like. Of course, the type of power used will depend on the application.
【0076】 材料はまた、領域601から領域603へと動電学的に移動または輸送可能と
なると同時に、流体は、領域601から領域603へと冷却される。移動する流
体および/または材料は、本実施態様により、領域603から領域601へと、
温度を上昇させる。あるいは、材料を領域601から領域603へと移動させる
と、材料が領域603から領域601へと輸送または移動させられるにつれて、
その温度を低減し、或いは、それを冷却させる。材料の移動または流れは、本明
細書中に記載される技術および他の技術のいずれかを利用して、起こる。勿論、
流体移動と加熱処理または冷却処理の特定の組み合わせは、応用例で決まる。The material is also electrokinetically movable or transportable from region 601 to region 603, while the fluid is cooled from region 601 to region 603. The moving fluid and / or material, according to this embodiment, from region 603 to region 601
Increase the temperature. Alternatively, as the material is moved from region 601 to region 603, as the material is transported or moved from region 603 to region 601,
Reduce the temperature or allow it to cool. The movement or flow of material occurs using any of the techniques described herein and other techniques. Of course,
The particular combination of fluid transfer and heating or cooling will depend on the application.
【0077】 図5は、本発明のまた別な実施態様に従った加熱源を備えた、マイクロ流体シ
ステム700の、簡略図である。この図は単なる例示にすぎず、本明細書中の特
許請求の範囲の各請求項の範囲を限定するべきではない。当業者であれば、他の
変更例、代替例、および、修正例を認識するだろう。このマイクロ流体システム
700は、第1断面を有する領域705と、第2断面を有する領域709とを有
するチャネルを含み、ここでは、第2断面は第1断面よりも大きい。移行領域7
07は、領域705と領域709との間に配置される。FIG. 5 is a simplified diagram of a microfluidic system 700 with a heating source according to another embodiment of the present invention. This diagram is merely an example, which should not limit the scope of the claims herein. One of ordinary skill in the art would recognize other variations, alternatives, and modifications. The microfluidic system 700 includes a channel having a region 705 having a first cross-section and a region 709 having a second cross-section, where the second cross-section is larger than the first cross-section. Transition area 7
07 is arranged between the area 705 and the area 709.
【0078】 電力は、領域701と領域703との間に供給される。特に、電力は、流体に
適用される電極を利用して、チャネル705と709における流体に印加される
。チャネル705の断面はチャネル709の断面よりも小さいので、チャネル7
05における流体の温度は、チャネル709における流体の温度よりも大きい。
電源は、領域701および領域703にかかる電流および/または電圧の形態で
エネルギーを供給する。電流および/または電圧は、直流、交流、パルス式、そ
れらの組み合わせ等であり得る。勿論、使用される電力のタイプは、応用例で決
まる。Power is supplied between the region 701 and the region 703. In particular, power is applied to the fluid in channels 705 and 709 using electrodes applied to the fluid. Since the cross section of channel 705 is smaller than the cross section of channel 709, channel 7
The temperature of the fluid at 05 is greater than the temperature of the fluid at channel 709.
The power supply supplies energy in the form of current and / or voltage across regions 701 and 703. The current and / or voltage can be direct current, alternating current, pulsed, combinations thereof, and the like. Of course, the type of power used will depend on the application.
【0079】 流体の冷却処理と組み合わせて、流体および/または材料はまた、領域705
から領域709へと移動させられる。流体は、領域705と領域709の間で、
本明細書中に記載された技術および他の技術のいずれかを利用して、移動させら
れ、或いは、輸送させられる。この輸送期間中は、流体または材料は低温化する
。あるいは、流体または材料は、領域707における流体を加熱する処理と組み
合わせて、領域709から領域705へと移動させられる。勿論、流体移動と、
加熱処理または冷却処理との特定の組み合わせは、適用例で決まる。In combination with the cooling of the fluid, the fluid and / or material may also
To the area 709. Fluid flows between region 705 and region 709,
It may be moved or transported using any of the techniques described herein and others. During this transport period, the fluid or material cools. Alternatively, fluid or material is moved from region 709 to region 705 in combination with a process that heats the fluid in region 707. Of course, with fluid movement,
The particular combination with the heating or cooling treatment will depend on the application.
【0080】 代替の実施態様について、図6は、本発明に従ったマイクロ流体システム80
0の別な具体例の簡略図である。この図は単なる例示にすぎず、本明細書の特許
請求の範囲の各請求項の範囲を限定するべきではない。当業者であれば、他の変
更例、代替例、および、修正例を認識するだろう。図6に示されるように、本発
明の代替の実施態様は、図2に示されるようなチャネル構造またはネットワーク
と関連づけて、例示される。加えて、幾つかの同一参照番号が、容易な相互参照
のために、本明細書中にて使用される。加えて、マイクロ流体システム800は
、基板811に配置された加熱/冷却チャネル801を含むが、これは、上昇温
度が望ましいチャネルまたはチャンバーには直接流体接続されない。特に、この
加熱チャネル801は、加熱コイルとも呼称されるが、上昇温度が望ましいチャ
ネルに隣接した基板に配置される。加熱コイルは、伝導および/または対流によ
り、チャネル421へ熱エネルギーを供与する。For an alternative embodiment, FIG. 6 shows a microfluidic system 80 according to the invention.
It is a simplified diagram of another specific example of 0. This diagram is merely an example, which should not limit the scope of the claims herein. One of ordinary skill in the art would recognize other variations, alternatives, and modifications. As shown in FIG. 6, an alternative embodiment of the present invention is illustrated in connection with a channel structure or network as shown in FIG. In addition, some identical reference numbers are used herein for easy cross-reference. In addition, the microfluidic system 800 includes a heating / cooling channel 801 located on the substrate 811, which is not directly fluidly connected to a channel or chamber where elevated temperatures are desired. In particular, this heating channel 801, also called a heating coil, is located on the substrate adjacent to the channel where the elevated temperature is desired. The heating coil provides thermal energy to channel 421 by conduction and / or convection.
【0081】 加熱コイル801は、とりわけ、領域803および805を備える。コイル8
01は、応用例によれば、加熱コイルまたは冷却コイルであり得る。加熱コイル
として、コイル801はそこに流体を備える。領域803と805の間に電圧が
印加されて、加熱を目的として、流体を通る電流を方向付ける。特に、電源は、
領域803と805の間に電圧差を提供する。電流は領域803と領域805と
の間で流れ、基板811に規定される複数のコイル809(平坦であり得る)を
通過する。コイルの形状および寸法は、流体を加熱する電流の能力に影響を及ぼ
し得る。電流が流体を通過すると、エネルギーが加熱を目的として流体に伝達さ
れる。流体からの熱は基板811を通してチャネル421に伝達されるが、同チ
ャネルにも流体が充満される。従って、チャネル421中の流体は、基板を通し
て加熱コイル801からの熱を伝達する。The heating coil 801 comprises, inter alia, regions 803 and 805. Coil 8
01 may be a heating coil or a cooling coil according to the application. As a heating coil, coil 801 has a fluid therein. A voltage is applied between regions 803 and 805 to direct current through the fluid for heating purposes. In particular, the power supply
A voltage difference is provided between regions 803 and 805. Current flows between region 803 and region 805 and passes through a plurality of coils 809 (which may be flat) defined in substrate 811. The shape and dimensions of the coil can affect the ability of the current to heat the fluid. As current passes through the fluid, energy is transferred to the fluid for heating. Heat from the fluid is transferred through the substrate 811 to the channel 421, which is also filled with fluid. Thus, the fluid in channel 421 transfers heat from heating coil 801 through the substrate.
【0082】 あるいは、チャネル801は冷却コイルであり得る。冷却コイルとして、流体
は領域805からコイル809を通り、領域803へと横断する。例えば、領域
805は、流体の冷却源となり得て、また、領域803は、コイル809を通過
した後は、流体を冷却するためのシンクとなり得る。領域407における加熱さ
れた流体は、流体が冷却されるチャネル領域421へと伝送され得る。特に、流
体からの熱はチャネル421の壁を通して、基板811を経由し、熱シンク、ま
たは、コイル809における冷却流体へと散逸する。コイル809における冷却
流体は、応用例によると、領域803か領域805のいずれかを通して、チャネ
ル領域421の流体から熱を取り去る。冷却流体は、液体および気体を含む多様
な物質であり得る。単なる具体例として、冷却流体は、水溶液などを含む。冷却
流体は、本明細書中に記載された技術および他の技術のいずれかを利用して、領
域803と領域805の間を移動可能となる。Alternatively, channel 801 can be a cooling coil. As a cooling coil, fluid traverses from region 805 through coil 809 to region 803. For example, region 805 can be a cooling source for the fluid, and region 803 can be a sink for cooling the fluid after passing through coil 809. The heated fluid in region 407 may be transmitted to channel region 421 where the fluid is cooled. In particular, heat from the fluid is dissipated through the walls of the channel 421, through the substrate 811 and into a heat sink or cooling fluid in the coil 809. The cooling fluid in coil 809 removes heat from the fluid in channel region 421 through either region 803 or region 805, depending on the application. The cooling fluid can be a variety of substances including liquids and gases. By way of example only, cooling fluids include aqueous solutions and the like. The cooling fluid can be moved between region 803 and region 805 using any of the techniques described herein and others.
【0083】 先に明示された多様な実施態様について記載されたような、加熱処理または冷
却処理と組み合わせて、材料はまた、図6に記載された領域のいずれかの間を移
動し、または、輸送される。例えば、流体または材料は、領域409から領域4
11へ、または、逆方向へ流れる。流体はまた、領域423から領域425へと
、または、逆方向に流動可能となる。流体流または流体移動は、本明細書中に記
載された技術および他の技術のいずれかにより、発生する。勿論、流体移動と加
熱処理または冷却処理の特定の組み合わせは、応用例で決まる。In combination with a heating or cooling treatment, as described for the various embodiments specified above, the material may also move between any of the regions described in FIG. 6, or Be transported. For example, a fluid or material may be applied from region 409 to region 4
Flow to 11 or the opposite direction. Fluid can also flow from region 423 to region 425 or in the opposite direction. Fluid flow or fluid transfer may occur by any of the techniques described herein and others. Of course, the specific combination of fluid transfer and heating or cooling will depend on the application.
【0084】 図7は、本発明の別な代替の実施態様に従った加熱源または冷却源を備えるマ
イクロ流体システムの、簡略図である。この図は単なる例示であり、本明細書中
の特許請求の範囲の各請求項の範囲を限定するべきではない。当業者であれば、
他の変更例、代替例、および、修正例を認識するだろう。この実施態様では、マ
イクロ流体システム900は、端部領域901および903を有するチャネル9
02を含め、多様な特性を備える。流体または材料は、チャネル902を介して
、領域901から領域903へと、または、逆方向へと移動する。FIG. 7 is a simplified diagram of a microfluidic system with a heating or cooling source according to another alternative embodiment of the present invention. This diagram is merely an example, which should not limit the scope of the claims herein. If you are skilled in the art,
Other variations, alternatives, and modifications will be recognized. In this embodiment, microfluidic system 900 includes channel 9 having end regions 901 and 903.
02, and various other characteristics. Fluid or material moves via channel 902 from region 901 to region 903 or in the opposite direction.
【0085】 流体または材料がいずれかの領域から移動すると、流体は、加熱または冷却コ
イル906からの伝導により、冷却または加熱可能となる。加熱コイルとして、
コイル906は、領域907から領域905へと、または、逆方向へ高温流体を
提供する。周囲をコイル巻きにするなどしてチャネル902を包囲するコイルと
して例示されるが、例えば、平坦構造を採用するマイクロ流体装置についての好
ましい局面において、コイルがチャネル902に隣接して、または、その上また
は下の層に配置され、その場合、チャネルからの熱エネルギーは基板を通してチ
ャネルへと伝導されることが、容易に理解されるだろう。電源は、加熱を目的と
して流体に電流を供与するために、領域905と領域907の間に電圧差を供給
するのが、好ましい。この電圧差は、領域905および907における流体と接
触状態にある1対の電極を利用して、流体に印加される。コイル906を通る加
熱された流体は、温度勾配により、チャネル902の流体に熱エネルギーを伝達
する。コイル906は、コイル906およびチャネル902を含むように、基板
に規定可能となる。あるいは、コイル906は独立構造から作られ、これは、チ
ャネル902の周囲で巻かれる。コイル906は、チャネル902に十分近接し
ているか、または、それと接触状態にあって、コイル906の流体からチャネル
902の流体へと熱エネルギーを伝達するのが、好ましい。コイル906の流体
は、本明細書中に記載された技術を含む多様な技術を利用して、移動可能となる
。As fluid or material moves from any region, the fluid can be cooled or heated by conduction from heating or cooling coils 906. As a heating coil,
Coil 906 provides hot fluid from region 907 to region 905 or in the opposite direction. Although illustrated as a coil surrounding channel 902, such as coiled around, in preferred aspects of a microfluidic device employing, for example, a flat structure, the coil is adjacent to or above channel 902. Alternatively, it will be readily understood that the thermal energy from the channel is conducted through the substrate to the channel, if disposed in an underlying layer. The power source preferably provides a voltage difference between region 905 and region 907 to provide current to the fluid for heating. This voltage difference is applied to the fluid using a pair of electrodes in contact with the fluid in regions 905 and 907. The heated fluid passing through the coil 906 transfers thermal energy to the fluid in the channel 902 due to the temperature gradient. Coil 906 can be defined on the substrate to include coil 906 and channel 902. Alternatively, coil 906 is made from a stand-alone structure, which is wound around channel 902. Preferably, coil 906 is sufficiently close to or in contact with channel 902 to transfer thermal energy from the fluid in coil 906 to the fluid in channel 902. The fluid in the coil 906 can be moved using a variety of techniques, including the techniques described herein.
【0086】 冷却コイル906として、冷却流体はコイル906を通過し、チャネル902
からの熱の形態で熱エネルギーを運び去る。冷却流体は、応用例によると、領域
905または907のいずれかから除去される。冷却流体は、本明細書に記載さ
れた技術を含め、多様な技術を利用して、移動可能となる。チャネル902にお
ける流体からの熱は、流体から、コイル906およびチャネル902を含む基板
を通して、冷却流体へと、温度勾配により除去される。すなわち、必要ならば、
伝導と対流の組み合わせを利用して、熱はチャネル902の流体から除去される
。As the cooling coil 906, the cooling fluid passes through the coil 906 and passes through the channel 902
Carries away thermal energy in the form of heat from Cooling fluid is removed from either region 905 or 907, depending on the application. The cooling fluid can be moved using a variety of techniques, including those described herein. Heat from the fluid in the channel 902 is removed from the fluid by a temperature gradient through the coil 906 and the substrate containing the channel 902 to the cooling fluid. That is, if necessary,
Utilizing a combination of conduction and convection, heat is removed from the fluid in channel 902.
【0087】 チャネル902の加熱流体または冷却流体と組み合わせて、流体は領域901
と領域903の間を移動する。特に、流体は、領域901から領域903へと移
動可能であり、または、伝達される。あるいは、流体は、領域903から領域9
01へと移動可能であるか、または、伝達される。流体移動は、本明細書中に記
載された技術および他の技術のいずれかを利用して、起こる。勿論、流体移動と
加熱処理または冷却処理の特定の組み合わせは、応用例で決まる。In combination with the heating or cooling fluid in channel 902, the fluid
And the area 903. In particular, fluid is movable or transmitted from region 901 to region 903. Alternatively, the fluid may flow from region 903 to region 9
01 is movable or communicated. Fluid transfer occurs utilizing any of the techniques described herein and others. Of course, the specific combination of fluid transfer and heating or cooling will depend on the application.
【0088】 代替の実施態様において、本発明は、図8により示されるように、複数加熱源
を利用して、チャネルの移動流体を連続的に加熱および冷却するための、新規な
マイクロ流体システム1000を提供する。図8は、単なる例示にすぎず、本明
細書中の特許請求の範囲の各請求項の範囲を限定するべきではない。当業者であ
れば、他の変更例、代替例、および、修正例を認識するだろう。システム100
0は、チャネル領域1021、1025、1033、1035、および、103
7を含む主要チャネルを含む多様な要素から成るが、主要チャネルは端部領域1
019から端部領域1009の間に延在する。流体は一般に、応用例によると、
端部領域1009から端部領域1019まで、または、その逆方向に、主要チャ
ネルを通過する。無数の技術は、本明細書中に記載されたものを含む主要チャネ
ルを通して流体を移動させるために使用可能であるが、上記以外であってもよい
。システム1000はまた、複数の加熱源チャネル1023、1027、102
9、および、1031を含む。これら加熱チャネルの各々は、少なくとも2つの
端部領域を有する。例えば、チャネル1023は、端部領域1001および10
17を有する。チャネル1027は、端部領域1003および1015を有する
。チャネル1029は、端部領域1005および1013を有する。チャネル1
031は、端部領域1007および1011を有する。In an alternative embodiment, the present invention provides a novel microfluidic system 1000 for continuously heating and cooling a moving fluid in a channel utilizing multiple heating sources, as shown by FIG. I will provide a. FIG. 8 is merely an example, which should not limit the scope of the claims herein. One of ordinary skill in the art would recognize other variations, alternatives, and modifications. System 100
0 represents channel regions 1021, 1025, 1033, 1035, and 103
7, but the main channel is located in the end region 1
019 to an end region 1009. The fluid is generally, according to the application,
Pass through the main channel from end region 1009 to end region 1019 or vice versa. A myriad of techniques can be used to move the fluid through the primary channels, including those described herein, but may be other. The system 1000 also includes a plurality of heating source channels 1023, 1027, 102
9 and 1031. Each of these heating channels has at least two end regions. For example, channel 1023 has end regions 1001 and 10
Seventeen. Channel 1027 has end regions 1003 and 1015. Channel 1029 has end regions 1005 and 1013. Channel 1
031 has end regions 1007 and 1011.
【0089】 各加熱チャネルはまた、主要チャネル1021と交差する領域を有する。例え
ば、チャネル1023は、チャネル領域1021と1025との間の主要チャネ
ルと、チャネル領域1024で交差する。チャネル1027は、チャネル領域1
025と1033の間の主要チャネルと、チャネル領域1026で交差する。チ
ャネル1029はチャネル領域1033と1035の間の主要チャネルとチャネ
ル領域1028において交差する。チャネル1031は、チャネル領域1035
と1037の間の主要チャネルと、チャネル領域1030において交差する。Each heating channel also has a region that intersects the main channel 1021. For example, channel 1023 intersects the primary channel between channel regions 1021 and 1025 at channel region 1024. Channel 1027 is channel region 1
Intersects the main channel between 025 and 1033 in channel region 1026. Channel 1029 intersects the primary channel between channel regions 1033 and 1035 at channel region 1028. The channel 1031 includes a channel region 1035
Intersect at the channel region 1030 with the primary channel between the two.
【0090】 特定の実施態様においては、流体の加熱は交差領域1024、1026、10
28、および、1030において起こる。特に、電源は、加熱チャネルのうちの
少なくとも1つの端部領域の各々の間に電圧差を供与して、交差領域1024、
1026、1028、および、1030のうちの少なくとも1つで流体を加熱す
る電流を供与する。例えば、領域1001と1017の間の電圧差は、電流が領
域1024の流体を加熱する流体を通って流れることを引き起こす。領域100
3と1015の間の電圧差は、領域1026の流体を加熱する。領域1005と
1013の間の電圧差は、領域1028の流体を加熱する。領域1007と10
11の間の電圧差は、領域1030の流体を加熱する。いずれの対の端部領域間
に印加される電圧は、任意の他の対の端部領域の電圧と同一であってもよいし、
異なっていてもよい。In certain embodiments, the heating of the fluid is applied to the intersection regions 1024, 1026,
28 and 1030. In particular, the power supply provides a voltage difference between each of the end regions of at least one of the heating channels to provide an intersection region 1024,
A current is provided to heat the fluid at at least one of 1026, 1028, and 1030. For example, the voltage difference between regions 1001 and 1017 causes current to flow through the fluid that heats the fluid in region 1024. Area 100
The voltage difference between 3 and 1015 heats the fluid in region 1026. The voltage difference between regions 1005 and 1013 heats the fluid in region 1028. Regions 1007 and 10
The voltage difference between 11 heats the fluid in region 1030. The voltage applied between any pair of end regions may be the same as the voltage of any other pair of end regions,
It may be different.
【0091】 図9は、本発明に従った冷却源を有するマイクロ流体チャネルシステム110
0の具体例の、簡略化された断面図である。この図は、単なる例示であり、本明
細書中の特許請求の範囲の各請求項の範囲を限定するべきではない。当業者であ
れば、他の変更例、修正例、および、代替例を認識するだろう。流体はチャネル
1103を通って流れるが、このチャネルは、表面1104から外方向に突出す
る基板1101のセクション1107に規定される。チャネル1103の流体は
、本明細書中に規定される技術のいずれかを利用して、加熱され得る。突出セク
ション1107は、マスク加工、エッチング加工、ミル加工などの多様な技術を
利用して、作成され得る。図示のように、突出セクション1107は、チャネル
1103における流体からの熱が、領域1107を通り領域1105(例えば、
周囲、真空)へと熱散逸するのを可能にするように、「フィン」のような形状に
される。領域1105は、基板1107から熱を移し去るように設計される。FIG. 9 shows a microfluidic channel system 110 having a cooling source according to the present invention.
FIG. 4 is a simplified cross-sectional view of the specific example of FIG. This diagram is merely an example, which should not limit the scope of the claims herein. One of ordinary skill in the art would recognize other changes, modifications, and alternatives. Fluid flows through a channel 1103, which is defined in a section 1107 of the substrate 1101 that projects outwardly from the surface 1104. The fluid in the channel 1103 may be heated utilizing any of the techniques defined herein. The protruding section 1107 can be created using various techniques such as masking, etching, milling, and the like. As shown, protruding section 1107 allows heat from the fluid in channel 1103 to pass through region 1107 to region 1105 (eg,
It is shaped like a "fin" to allow heat to dissipate (ambient, vacuum). Region 1105 is designed to transfer heat away from substrate 1107.
【0092】 本発明の実施態様におけるチャネル1103の流体の熱の移動を例示するため
に、図9Aは、図9のチャネル1103のより詳細な図を示す。この図は、単な
る例示にすぎず、本明細書中の特許請求の範囲の各請求項の範囲を限定するべき
ではない。チャネル1103は幅(「D」)を備え、領域1107は厚さ(「t
」)を有する。流体は、チャネルの長さに沿って流体に直接印加される電流など
の加熱源により、チャネル1103で加熱される。流体から電流を除去すること
により、流体から加熱源を取り去り、流体から領域1107を通って領域110
5の外へ至る温度勾配により、熱は流体から散逸する。チャネル1103の中央
領域からの軸(「L」)は、領域1105に向けて外方向に移動する。To illustrate the transfer of heat of the fluid in the channel 1103 in an embodiment of the present invention, FIG. 9A shows a more detailed view of the channel 1103 of FIG. This diagram is merely an example, which should not limit the scope of the claims herein. Channel 1103 has a width ("D") and region 1107 has a thickness ("t").
"). The fluid is heated in the channel 1103 by a heating source such as an electric current applied directly to the fluid along the length of the channel. Removing the current from the fluid removes the heat source from the fluid and removes the heat from the fluid through region 1107 to region 110
Due to the temperature gradient going out of 5, heat is dissipated from the fluid. The axis (“L”) from the central region of channel 1103 moves outward toward region 1105.
【0093】 図10は、例えば、図9Aにより示されるように、チャネル1103における
加熱された流体の温度勾配を例示する、簡略化された図である。温度は、垂直軸
上に示され、軸Lに沿った長さは、水平軸上に規定される。この図は領域120
1を例示し、これは、チャネル1103の中央領域からチャネル1103の外側
周辺部へ至る、チャネル1103の流体である。この図はまた、領域1203を
例示するが、これは、領域1107の厚さtにより規定される。外部領域110
5は、参照番号1205により規定される。一連の線プロット1211、121
3、1215、1217、および、1219は、異なる時間についてのチャネル
領域を通る流体を横断する温度プロファイル、厚さt、および、周囲領域110
5を表す。FIG. 10 is a simplified diagram illustrating a temperature gradient of a heated fluid in a channel 1103, for example, as shown by FIG. 9A. Temperature is shown on the vertical axis and the length along axis L is defined on the horizontal axis. This figure shows the region 120
1 is the fluid in the channel 1103 from the central region of the channel 1103 to the outer periphery of the channel 1103. This figure also illustrates a region 1203, which is defined by the thickness t of region 1107. External area 110
5 is defined by reference numeral 1205. A series of line plots 1211, 121
3, 1215, 1217 and 1219 indicate the temperature profile across the fluid through the channel region for different times, the thickness t and the surrounding region 110
5 is represented.
【0094】 例えば、線プロット1211を参照すると、チャネル1103の流体は温度(
「TF」)を有するが、これは、加熱を目的として電流が流体に印加されると、 周囲温度(「Ta」)よりも高くなる。電流がチャネルの流体から減じられるか 、または、除去されると、矢印および線プロット1213、1215、1217
、および、1219により示されるように、チャネルの流体温度はTaに向けて 降下する。事実、流体の温度は連続してTFからT2へ、さらにTnまで降下し、 これはTaでもある。図示のように、TFからTaへの温度勾配は、線プロット1 219に見られるように平衡が達成されるまで、チャネルの流体から領域120
5へと熱を追い出す。周囲温度からTFへと、時間に関して、類似のプロットが 流体の加熱処理について行い得る。For example, referring to line plot 1211, the fluid in channel 1103 has a temperature (
"T F "), which is higher than the ambient temperature ("T a ") when a current is applied to the fluid for the purpose of heating. Arrow and line plots 1213, 1215, 1217 when current is subtracted or removed from the channel fluid
, And, as indicated by 1219, the fluid temperature of the channel drops toward T a. In fact, the temperature of the fluid is continuous to T 2 from T F, drops further to T n, which is also T a. As shown, the temperature gradient from T F to T a is reduced from the fluid in the channel to the region 120 until equilibrium is achieved as seen in line plot 1 219.
Drive out the heat to 5. A similar plot can be made for heat treatment of a fluid over time, from ambient temperature to TF .
【0095】 この具体例は周囲(例えば、空気)である領域1105に関して行われるが、
領域1105は、チャネルの流体から、または、その流体への熱の伝達を増大、
または、低減するために、多様な流体または材料が充満され、または、それらと
接触状態にされ得る。例えば、領域1105は、流体から領域1105への熱伝
達を更に増大させるために、比較的低温で高伝導性流体で充満され、または、そ
れと接触状態になり得る。これに加えて、高伝導性流体が表面1106を超えて
流されて、対流力を提供し得るが、これは、チャネル1103の流体から熱を移
し去る。この流体の具体例としては、とりわけ、水、オイルが挙げられる。ある
いは、領域1105は、加熱源と接触状態になり、あるいは、加熱源で充満され
得るが、これは、チャネル1103の流体に熱を更に追い込む。使用される流体
のタイプは、応用例で決まる。This example is performed with respect to an area 1105 that is surrounding (eg, air),
Region 1105 increases the transfer of heat from or to the fluid in the channel,
Alternatively, various fluids or materials may be filled or brought into contact with them to reduce. For example, region 1105 can be filled with or contacted with a highly conductive fluid at a relatively low temperature to further increase heat transfer from the fluid to region 1105. In addition, a highly conductive fluid may be flowed over the surface 1106 to provide convective forces, which transfer heat away from the fluid in the channel 1103. Specific examples of the fluid include water and oil, among others. Alternatively, region 1105 can be in contact with or filled with a heating source, which further drives heat into the fluid in channel 1103. The type of fluid used will depend on the application.
【0096】 本明細書中に記載された装置、システム、および、方法は一般に、より便利な
温度制御方法およびシステムの代わりに有用となるけれども、或る実施態様では
、本発明は、かかる従来型システムと関連して使用されて、相補的な温度制御を
提供する。特に、多くの実施態様において、上昇温度で、たとえば、周囲よりも
高い温度に、全マイクロ流体システムを維持することが、望ましい。例えば、P
CRなどの多くの熱循環動作では、基本温度は典型的な周囲温度を越えて上昇さ
せられる。しかし、本発明の方法を利用したシステムのチャネルの全てを加熱す
るための電力要件は、極めて高くなり得る。従って、上昇基本温度にあるシステ
ムの温度を全体的に制御することは、従来式手段を利用して実行され得るが、そ
れにより、かかる加熱処理の制御と電力要件を最小限にする。かかる従来型手段
としては、水浴槽、オーブン、高温プレートなどの、共通外部温度制御システム
が挙げられる。あるいは、マイクロ流体装置の構造に一体化されたような、一体
型グローバル温度制御システムが利用され得る。かかるシステムとしては、薄膜
ヒーター、加熱コイル、ペルチェヒーターなどの、抵抗性ヒーターが挙げられる
。Although the devices, systems, and methods described herein generally will be useful instead of more convenient temperature control methods and systems, in certain embodiments, the present invention Used in conjunction with the system to provide complementary temperature control. In particular, in many embodiments, it is desirable to maintain the entire microfluidic system at elevated temperatures, for example, above ambient. For example, P
In many thermal cycling operations, such as CR, the base temperature is raised above the typical ambient temperature. However, the power requirements for heating all of the channels of a system utilizing the method of the present invention can be quite high. Thus, globally controlling the temperature of the system at the elevated base temperature can be performed utilizing conventional means, thereby minimizing the control and power requirements of such heating processes. Such conventional means include a common external temperature control system, such as a water tub, oven, hot plate, and the like. Alternatively, an integrated global temperature control system, such as integrated into the structure of the microfluidic device, may be utilized. Such systems include resistive heaters, such as thin film heaters, heating coils, Peltier heaters, and the like.
【0097】 図11は、流体の外部にあって、マイクロ流体装置またはマイクロ流体システ
ムの温度を全体的に上昇および/または低下させるために使用されて、それによ
り、本発明に従ったマイクロ流体システムの流体または材料を加熱および/また
は冷却する、エネルギー源を備えた、マイクロ流体システム200の簡略図であ
る。この図は単なる例示にすぎず、本明細書中の特許請求の範囲の各請求項の範
囲を限定するべきではない。FIG. 11 illustrates a microfluidic system in accordance with the present invention that is external to a fluid and is used to generally raise and / or lower the temperature of a microfluidic device or system. 1 is a simplified diagram of a microfluidic system 200 with an energy source that heats and / or cools fluids or materials. This diagram is merely an example, which should not limit the scope of the claims herein.
【0098】 図示のように、このシステムは、マイクロ流体システム200などの多様な特
性を含むが、これは、複数のチャネル203を有し、これらは、基板201上に
規定される。これらのチャネルは、加熱または冷却され、輸送されるべき流体ま
たは材料を含む。流体は、上述の技術のいずれかに従って、チャネルの特定位置
において、選択的に加熱され得る。流体はまた、本明細書に記載された技術のい
ずれか、または、その他の技術を利用して、チャネル内部で輸送または移動可能
となる。或る実施態様では、流体は、チャネルの特定位置へと移動させられ、同
一処理手順の期間中に加熱される。本実施態様では、流体温度はまた、本明細書
中または他に記載された単数または複数工程のいずれかの期間中に、全体的に上
昇または低下させられる。As shown, the system includes various features, such as a microfluidic system 200, which has a plurality of channels 203, which are defined on a substrate 201. These channels are heated or cooled and contain the fluid or material to be transported. The fluid may be selectively heated at a particular location in the channel according to any of the techniques described above. Fluids can also be transported or moved inside the channel using any of the techniques described herein or other techniques. In some embodiments, the fluid is moved to a particular location in the channel and heated during the same procedure. In this embodiment, the fluid temperature is also increased or decreased overall during any of the steps or steps described herein or elsewhere.
【0099】 多様な方法が、マイクロ流体システムの流体温度を全体的に上昇または低下さ
せるために使用可能となるが、この温度変化に影響を及ぼすように、エネルギー
源またはシンクを利用する。エネルギー源は、熱源、ケミカル源、または電源は
元より、他のどのようなソースであってもよい。エネルギーシンクは、熱シンク
またはケミカルシンクであり得る。エネルギー源またはシンクは、充満され、経
時変化的、空間変化的、または、連続的であり得る。単なる具体例にすぎないが
、全体的な加熱処理は、放射線、対流、または伝導により、供給可能となる。熱
源としては、光子ビーム、流体ジェット、液体ジェット、電磁場、ガスジェット
、電子ビーム、ペルチエ装置などの熱電ヒーター、薄膜ヒーターまたはコイルヒ
ーターなどの抵抗性ヒーター、水浴槽、または、炉が挙げられ得る。熱シンクと
しては、とりわけ、流体ジェット、液体ジェット、ガスジェット、低温流体、超
冷却液、ペルチェ装置などの熱電冷却手段、または、電磁場が挙げられる。電源
は、印加電圧または印加電磁手段であり得る。他のタイプのエネルギー源が使用
されてもよい。A variety of methods can be used to increase or decrease the fluid temperature of the microfluidic system overall, but utilize an energy source or sink to affect this temperature change. The energy source may be a heat source, a chemical source, or any other source, as well as a power source. The energy sink can be a heat sink or a chemical sink. The energy source or sink can be full, time-varying, spatially varying, or continuous. By way of example only, the overall heat treatment can be provided by radiation, convection, or conduction. Heat sources can include photon beams, fluid jets, liquid jets, electromagnetic fields, gas jets, electron beams, thermoelectric heaters such as Peltier devices, resistive heaters such as thin film or coil heaters, water baths, or furnaces. Heat sinks include, inter alia, fluid jets, liquid jets, gas jets, cryogenic fluids, supercooled liquids, thermoelectric cooling means such as Peltier devices, or electromagnetic fields. The power supply can be an applied voltage or an applied electromagnetic means. Other types of energy sources may be used.
【0100】 全体的加熱システムまたは冷却システムは外部にあり得、すなわち、マイクロ
流体装置とは別個にあり、或いは、装置構造に一体型にされる。好ましい局面で
は、エネルギー源は、抵抗性薄膜またはコイルヒーターもしくはペルチエヒータ
ーなどの、装置の外部にあるか、または、その内部に一体的にされるかのいずれ
かである、加熱要素である。特に、加熱要素は、図12のものなどの、マイクロ
流体システム中の基板の表面に抗して設置される。加熱要素205は、伝導によ
り、加熱要素中の抵抗性要素207などからマイクロ流体システムに熱エネルギ
ーを伝達する。マイクロ流体システムに供与された熱エネルギーは、所望の温度
までマイクロ流体システムの温度を全体的に増大させる。より特定すると、電流
は、加熱要素を通して流れるが、熱エネルギーに変換される。熱エネルギーは、
より高温領域からより低温領域へと流れる。加熱要素の抵抗性要素は最も高温の
領域であるので、熱エネルギーは、伝導により、抵抗性要素からマイクロ流体シ
ステムに向けて流れる。加熱要素からの熱エネルギーまたは熱の伝導は、マイク
ロ流体システムの表面に伝達し、基板内へと伝わる。この熱エネルギーは、マイ
クロ流体システムにおける基板の温度を全体的に増大させる。従って、マイクロ
流体システムのチャネルおよび/またはチャンバー内部の流体温度もまた、全体
的に増大させられる。加熱要素の、または、マイクロ流体装置内部の内部制御装
置は、マイクロ流体システムの温度を調節するために、使用され得る。勿論、無
数の他のエネルギー源は、他の応用例におけるマイクロ流体システムの流体温度
を全体的に上昇させるために、使用され得る。The overall heating or cooling system can be external, ie separate from the microfluidic device or integrated into the device structure. In a preferred aspect, the energy source is a heating element, either external to the device or integrated therein, such as a resistive thin film or coil heater or Peltier heater. In particular, the heating element is placed against the surface of a substrate in a microfluidic system, such as that of FIG. The heating element 205 transfers thermal energy to the microfluidic system by conduction, such as from the resistive element 207 in the heating element. The thermal energy provided to the microfluidic system generally increases the temperature of the microfluidic system to a desired temperature. More specifically, current flows through the heating element but is converted to thermal energy. Thermal energy is
It flows from a higher temperature region to a lower temperature region. Since the resistive element of the heating element is the hottest area, thermal energy flows by conduction from the resistive element toward the microfluidic system. Thermal energy or heat transfer from the heating element transfers to the surface of the microfluidic system and into the substrate. This thermal energy generally increases the temperature of the substrate in the microfluidic system. Accordingly, the fluid temperature inside the channels and / or chambers of the microfluidic system is also increased overall. Internal controls on the heating element or within the microfluidic device can be used to regulate the temperature of the microfluidic system. Of course, myriad other energy sources can be used to increase the fluid temperature of the microfluidic system in other applications as a whole.
【0101】 流体の移動を目的として、マイクロチャネルへの電力を制御するために、無数
の技術が使用可能である。これらの技術はまた、マイクロチャネルまたは環状領
域の温度を選択的に監視および調節するために同様に使用可能となる。先に記載
したように、これら技術のうちの1つの具体例は、上述のもののような、プロセ
ッサまたは制御装置、および/もしくは、コンピュータソフトウエアの使用であ
る。あるいは、独占的に、ハードウエア、または好ましくは、ハードウエアとソ
フトウエアの組み合わせが、これらの技術を実施し得る。本発明に従って、選択
された技術を実施可能な特定のコンピュータプログラムに関する詳細が、以下に
記載される。A myriad of techniques can be used to control the power to the microchannel for the purpose of fluid movement. These techniques can also be used to selectively monitor and regulate the temperature of a microchannel or annular region. As noted above, one example of one of these techniques is the use of a processor or controller and / or computer software, such as those described above. Alternatively, exclusively, hardware, or preferably a combination of hardware and software, may implement these techniques. Details regarding a particular computer program capable of implementing the selected technique according to the present invention are described below.
【0102】 特定の実施態様においては、本発明は、電流測定および電圧測定によりマイク
ロチャネルにおいて加熱されている流体の温度を検出および制御するために使用
される技術を、提供する。応用例に依存して、他の技術もまた使用され得る。こ
れらの技術は、勿論、応用例で決まる。この技術は、以下の連続する工程により
、簡単に説明され得る: (1)マイクロ流体システムのチャネルで流体を流動させる (2)マイクロチャネルにおける流体の流動を停止させる(任意) (3)流体を通して電流を印加する (4)流体を横断し、かつ、流体を通る電流に対応する電圧降下を測定する (5)電圧降下測定および電流測定から、流体を通って散逸する電力を算出する (6)流体を通って散逸した電力に基づいて、流体の実温度を算出する (7)所望の温度設定点に基づいて、流体の実温度を比較する (8)実温度と所望の温度設定点との間の差に基づいて、流体に印加される電流
を調節する。In certain embodiments, the present invention provides techniques used to detect and control the temperature of a fluid being heated in a microchannel by current and voltage measurements. Other techniques may also be used, depending on the application. These techniques are, of course, determined by the application. This technique can be briefly described by the following sequential steps: (1) flowing the fluid in the channel of the microfluidic system (2) stopping the flow of the fluid in the microchannel (optional) (3) through the fluid Apply current (4) Measure the voltage drop across the fluid and corresponding to the current through the fluid (5) Calculate the power dissipated through the fluid from the voltage drop and current measurements (6) Calculating the actual temperature of the fluid based on the power dissipated through the fluid; (7) comparing the actual temperature of the fluid based on the desired temperature set point; and (8) comparing the actual temperature with the desired temperature set point. The current applied to the fluid is adjusted based on the difference between them.
【0103】 上述の連続する工程は、例えば、コンピュータプログラムを利用して、実施さ
れる。コンピュータプログラムは、マイクロ流体システムの上述の工程を実施す
るために、使用の容易な方法を提供する。コンピュータプログラムは、コンピュ
ータソフトウエア、ファームウエア、ハードウエア、またはそれらの組み合わせ
の形態で、実効可能である。プログラムは、マイクロ流体システムに連結される
インターフェイスを利用して、上述の機能を実行する。このインターフェイスは
、マイクロ流体システムから信号を受け、加熱を目的として、例えば、電源(こ
れは、流体に電流を供給する)に信号を供与する。上記連続する工程の詳細は、
図13の簡略化されたフロー図を参照しながら、以下に説明される。The above-described successive steps are performed by using, for example, a computer program. Computer programs provide easy-to-use methods for performing the above-described steps of the microfluidic system. The computer program is executable in the form of computer software, firmware, hardware, or a combination thereof. The program performs the functions described above utilizing an interface coupled to the microfluidic system. The interface receives signals from the microfluidic system and provides signals for heating, for example, to a power source (which supplies current to the fluid). Details of the above continuous steps
This is described below with reference to the simplified flow diagram of FIG.
【0104】 本発明の実施態様に従うプロセス1300は、工程1301で始まるが、これ
は一般に、本明細書に記載されたシステム、および、他のシステムなどのマイク
ロ流体システムの使用を必要とする。このプロセスは、電気浸透力および/また
は電気泳動力により、マイクロチャネルまたは毛細管内へと流体を流す(工程1
302)が、これらの力に限定されない。これらの力は、本明細書全般で説明さ
れるが、限定的ではない。流体は、コントローラまたはコンピュータにより制御
可能である。任意で、コントローラを通じて流体にエネルギーを選択的に印加す
ることにより、流体流はチャネル内で減速し、増大し、または、停止する(工程
1305)。あるいは、流体流は、チャネル内で一定の流れを維持可能である。The process 1300 according to an embodiment of the invention begins at step 1301, which generally requires the use of a system described herein, and a microfluidic system, such as other systems. This process involves flowing fluid into microchannels or capillaries by electroosmotic and / or electrophoretic forces (step 1).
302) is not limited to these forces. These forces are described throughout this specification, but are not limiting. The fluid can be controlled by a controller or a computer. Optionally, by selectively applying energy to the fluid through the controller, the fluid flow decelerates, increases, or stops in the channel (step 1305). Alternatively, the fluid flow can maintain a constant flow in the channel.
【0105】 チャネルの流体を加熱するために、電流は、例えば、チャネルに直接連結され
た電極により、流体に印加される(工程1305)。コントローラまたはコンピ
ュータは、電源をオン状態にするための信号を供与して、電極に直接的に電流を
供与する。電流印加時に、流体はチャネルにおいて、または、より小さい内部周
辺部を有するチャネルの選択された領域において加熱する。電流は、適用に依存
して、直流、交流、またはパルス式であればよい。コントローラまたはコンピュ
ータは、工程1307において示されるように、流体に印加される電圧および電
流を同定するために電源に連結され得る。To heat the fluid in the channel, an electric current is applied to the fluid, for example, by an electrode directly connected to the channel (step 1305). The controller or computer provides a signal to turn on the power supply to provide current directly to the electrodes. Upon application of an electric current, the fluid heats in the channel or in selected regions of the channel having a smaller internal perimeter. The current may be direct current, alternating current, or pulsed, depending on the application. A controller or computer may be coupled to the power supply to identify voltages and currents applied to the fluid, as shown in step 1307.
【0106】 電圧および電流の量は、流体内へと散逸していく電力へと変換可能である。流
体のタイプに基づいて、温度が算出される(工程1311)。例えば、流体温度
は、参照用テーブルに見られ得る。これらの計算は、例えば、コントローラまた
はコンピュータにおけるコンピュータソフトウエアプログラムにより、実施可能
である。[0106] The amount of voltage and current can be converted to power that is dissipated into the fluid. A temperature is calculated based on the type of fluid (step 1311). For example, the fluid temperature may be found in a look-up table. These calculations can be performed, for example, by a computer software program on a controller or computer.
【0107】 コントローラ、またはより適切には、コンピュータプログラムは、計算からの
実温度を所望の設定点温度と比較する(工程1313)が、この設定点温度は、
コンピュータのメモリにあらかじめ格納されている。実温度と設定点との間の差
に依存して、コントローラ(例えば、スイッチ)を利用して、電流が流体に印加
され得、または、そこから低減され得る。例えば、流体の温度が設定点に等しい
場合は(工程1315)、プロセスは分岐1317を経由して工程1307へと
もどる。あるいは、この方法は、分岐1319を経由して、流体への電流の調節
(例えば、増大、減少)を供与する。この連続する工程は、応用例により必要と
されるように、不確定的に反復可能となる。The controller, or more suitably, the computer program, compares the actual temperature from the calculation to the desired set point temperature (step 1313), where the set point temperature is
It is stored in the computer memory in advance. Depending on the difference between the actual temperature and the set point, a current may be applied to the fluid or reduced therefrom utilizing a controller (eg, a switch). For example, if the temperature of the fluid is equal to the set point (step 1315), the process returns to step 1307 via branch 1317. Alternatively, the method provides for regulating (eg, increasing, decreasing) the current to the fluid via branch 1319. This sequence can be indeterminately repeatable, as required by the application.
【0108】 先の実施態様への改変では、マイクロ流体システムのグローバル温度または全
体的温度は、上述のプロセス工程のいずれか1つの期間中に、上昇または下降可
能とされる。全体的流体温度は、上述の技術を利用して、全体的に上昇または下
降されるのが好ましいが、他の技術を利用してもよい。従って、流体は、1つの
領域から別な領域へとマイクロ流体システム中で移動可能となる。流体移動は、
マイクロチャネルの選択された部分における流体の選択的加熱、および/または
、全マイクロ流体システムの全体的な流体加熱と組み合わされ得る。これに加え
て、マイクロ流体システムの流体は静的であり得、全体的に、または、マイクロ
流体システム内の特定部位において選択的に、加熱可能である。In a modification to the previous embodiment, the global or overall temperature of the microfluidic system is allowed to rise or fall during any one of the process steps described above. The overall fluid temperature is preferably raised or lowered entirely using the techniques described above, although other techniques may be used. Thus, fluid can move in the microfluidic system from one region to another. Fluid movement is
It may be combined with selective heating of fluid in selected portions of the microchannel and / or global fluid heating of the entire microfluidic system. In addition, the fluid of the microfluidic system can be static and can be heated entirely or selectively at specific locations within the microfluidic system.
【0109】 本発明の代替の局面では、抵抗測定によりマイクロチャネル中の流体の温度を
制御および検出するための技術が提供される。適用に依存して、他の技術が利用
され得る。これら技術は、勿論、適用で決まる。本技術は、以下の工程を利用し
て、簡略に説明され得る: (1)マイクロ流体システムのチャネル内の流体を流動させる; (2)マイクロチャネル内の流体の流れを停止させる(任意); (3)マイクロチャネル内の流体を加熱するために、流体に電流を印加する; (4)チャネル内の加熱された流体の抵抗(または伝導率)を測定する; (5)測定された抵抗(または伝導率)に基づき、流体の実温度を計算する; (6)所望の温度設定点に基づき、流体の実温度を比較する; (7)実温度と所望の温度設定点との間の差に基づき、流体に印加される電流を
調節する。[0109] In an alternative aspect of the invention, a technique is provided for controlling and detecting the temperature of a fluid in a microchannel by resistance measurement. Other techniques may be utilized depending on the application. These techniques, of course, depend on the application. The technology may be briefly described using the following steps: (1) flowing fluid in a channel of the microfluidic system; (2) stopping flow of fluid in the microchannel (optional); (3) applying a current to the fluid to heat the fluid in the microchannel; (4) measuring the resistance (or conductivity) of the heated fluid in the channel; (5) measuring the resistance ( (6) comparing the actual temperature of the fluid based on the desired temperature set point; and (7) the difference between the actual temperature and the desired temperature set point. , The current applied to the fluid is adjusted.
【0110】 上述の連続する工程は、例えば、コンピュータプログラムを利用して、実施可
能となる。コンピュータプログラムは、マイクロ流体システムの上記工程を実施
するために、使用が簡単な方法を供与する。コンピュータプログラムは、コンピ
ュータソフトウエア、ファームウエア、ハードウエア、または、それらの組み合
わせの形態で、実行可能となる。このプログラムは、マイクロ流体システムに連
結されるインターフェイスを利用して、上記機能を実行する。このインターフェ
イスは、マイクロ流体システムから信号を受けて、加熱を目的として、例えば、
電源(これは、流体に電流を供給する)などに、信号を供与する。上記連続する
工程の詳細は、図14を参照しながら、以下に記載される。The above-described successive steps can be performed using, for example, a computer program. Computer programs provide an easy-to-use method for performing the above steps of a microfluidic system. The computer program is executable in the form of computer software, firmware, hardware, or a combination thereof. This program performs the above functions using an interface connected to the microfluidic system. This interface receives signals from the microfluidic system and for the purpose of heating, for example,
Provide a signal, such as to a power source (which supplies current to the fluid). Details of the successive steps will be described below with reference to FIG.
【0111】 本発明に従うプロセス1400は工程1401で始まるが、これは一般に、本
明細書中に記載されたシステム、および、他のシステムなどの、マイクロ流体シ
ステムの使用を必要とする。このプロセスは、電気浸透力および/または電気泳
動力により、マイクロチャネルまたは毛細管内へと流体を流す(工程1403)
。これらの力は、本明細書の全体に記載されるが、水力学などに限定されない。
コントローラまたはコンピュータにより、流体が制御可能となる。任意で、コン
トローラを通じて流体にエネルギーを選択的に印加することにより、流体流はチ
ャネルで減速し、増大し、または、停止する(工程1405)。あるいは、流体
流は、チャネル内で、一定の流れを維持し得る。The process 1400 according to the present invention begins at step 1401, which generally requires the use of a microfluidic system, such as the systems described herein, and other systems. The process causes fluid to flow into the microchannels or capillaries by electroosmotic and / or electrophoretic forces (step 1403).
. These forces are described throughout this specification, but are not limited to hydraulics and the like.
The fluid can be controlled by a controller or a computer. Optionally, by selectively applying energy to the fluid through the controller, the fluid flow slows, increases, or stops in the channel (step 1405). Alternatively, the fluid flow may maintain a constant flow in the channel.
【0112】 チャネルの流体を加熱するために、チャネルに直接連結される、例えば、電極
などにより、電流が流体に印加される(工程1407)。コントローラまたはコ
ンピュータは、電源またはエネルギー源をオン状態にする信号を供与して、これ
らの電極に直接電流を供与する。電流の印加時に、流体はチャネルで、または、
より小さい内部周辺部などを有するチャネルの選択された領域で、加熱する。電
流は、適用に依存して、直流、交流、または、パルス式であり得る。コントロー
ラまたはコンピュータは、工程1409に示されるように、流体の抵抗または伝
導率を測定するために、電極またはプローブを介して、流体に連結可能となる。To heat the fluid in the channel, an electric current is applied to the fluid, such as by an electrode, etc., that is directly connected to the channel (step 1407). A controller or computer provides a signal to turn on a power or energy source to provide current directly to these electrodes. When a current is applied, the fluid is in the channel, or
Heat in selected areas of the channel, such as with a smaller internal perimeter. The current can be direct, alternating or pulsed, depending on the application. A controller or computer can be coupled to the fluid via electrodes or probes to measure the resistance or conductivity of the fluid, as shown in step 1409.
【0113】 測定された抵抗は、流体の温度へと変換可能となる。流体のタイプに基づいて
、温度が計算される(工程1411)。例えば、流体温度は、参照用テーブルで
見つかる。これらの計算は、例えば、コントローラまたはコンピュータにおける
コンピュータソフトウエアプログラムなどにより、実施可能となる。[0113] The measured resistance can be converted to the temperature of the fluid. Based on the type of fluid, a temperature is calculated (step 1411). For example, the fluid temperature can be found in a look-up table. These calculations can be performed by, for example, a computer software program in a controller or a computer.
【0114】 コントローラ、またはより適切には、コンピュータプログラムは、計算から得
た実温度を所望の設定点温度と比較する(工程1413)が、同設定点温度は、
コンピュータのメモリに先に記憶されている。実温度と設定点との間の差に依存
して、コントローラを利用することにより、電流は流体に追加され、または、低
減され得る。例えば、流体の温度が設定点に等しい場合は(工程1415)、プ
ロセスは分岐1419を経由して、工程1409へともどる。あるいは、プロセ
スは、分岐1417を経由して、工程1407へともどることにより、流体への
電流の調節を提供する。この連続する工程は、適用により必要とされるように、
不確定的に、反復可能となる。The controller, or more suitably, the computer program, compares the calculated actual temperature to the desired set point temperature (step 1413), wherein the set point temperature is
It is stored first in the computer's memory. Depending on the difference between the actual temperature and the set point, by utilizing a controller, current may be added or reduced to the fluid. For example, if the fluid temperature is equal to the set point (step 1415), the process returns to step 1409 via branch 1419. Alternatively, the process provides regulation of the current to the fluid via branch 1417 and returning to step 1407. This successive step, as required by the application,
Indefinitely, it becomes repeatable.
【0115】 先の実施態様への改変では、マイクロ流体システムの全体的な温度または全体
的温度は、上述のプロセス工程のうちのいずれか1つの期間中は、上昇または下
降可能である。全体的流体温度は、好ましくは、上述の技術を用いて、全体的に
上昇または下降されるが、他の技術を用いてもよい。従って、流体は、マイクロ
流体システムにおける1つの領域から別な領域へと、移動可能となる。流体移動
は、マイクロチャネルの選択された部分における流体の選択的加熱処理、および
/または、全マイクロ流体システムの全体的な流体加熱処理と組み合わされ得る
。これに加えて、マイクロ流体システムの流体は静的であり得、全体的なに、ま
たは、マイクロ流体システムの特定場所で選択的に、加熱可能である。In a modification to the previous embodiment, the overall temperature or the overall temperature of the microfluidic system can be raised or lowered during any one of the above-described process steps. The overall fluid temperature is preferably raised or lowered entirely, using the techniques described above, although other techniques may be used. Thus, fluid can be moved from one region to another in a microfluidic system. Fluid transfer may be combined with selective heating of the fluid in selected portions of the microchannel and / or overall fluid heating of the entire microfluidic system. In addition, the fluid of the microfluidic system can be static and can be heated globally or selectively at specific locations in the microfluidic system.
【0116】 代替の実施態様では、流体の温度は、本発明に従う蛍光材料を利用して、マイ
クロチャネルにおいて検出される。この方法は、以下のように簡単に概略され得
る: (1)マイクロ流体システムのチャネル内に、トレーサー材料を有する流体を提
供する; (2)マイクロチャネル内の流体を加熱するように、流体に電流を印加する; (3)チャネル内で、トレーサー材料を有する流体の光学特性(例えば、強度)
を測定する; (4)光学特性を基準と相関関係づける; (5)光学特性に基づいて、流体の実温度を決定する; (6)流体の実温度を所望の設定点と比較する; (7)実温度と所望の温度設定点との間の差に基づいて、流体に印加される電流
を調節する。[0116] In an alternative embodiment, the temperature of the fluid is detected in the microchannel utilizing a fluorescent material according to the present invention. The method can be briefly outlined as follows: (1) providing a fluid with a tracer material in a channel of a microfluidic system; (2) applying a fluid to heat the fluid in the microchannel. Applying a current; (3) within the channel, the optical properties (eg, intensity) of the fluid with the tracer material
(4) correlating the optical properties with a reference; (5) determining the actual temperature of the fluid based on the optical properties; (6) comparing the actual temperature of the fluid with a desired set point; 7) Adjust the current applied to the fluid based on the difference between the actual temperature and the desired temperature set point.
【0117】 上記連続する工程は、コンピュータプログラムなどを利用して、実施可能であ
る。コンピュータプログラムは、マイクロ流体システムの上記工程を実施するた
めに、使用が容易な連続する工程を提供する。コンピュータプログラムは、コン
ピュータソフトウエア、ファームウエア、ハードウエア、または、これらの組み
合わせの形態で実行可能である。このプログラムは、マイクロ流体システムに連
結されるインターフェイスを利用して、上記機能を実行する。このインターフェ
イスはマイクロ流体システムから信号を受けて、加熱を目的として、流体に電流
を供給する電源などに、信号を提供する。これら工程の詳細は、図15の簡略化
された図を参照しながら、以下に説明される。The above continuous steps can be performed using a computer program or the like. The computer program provides a series of easy-to-use steps to perform the above steps of the microfluidic system. The computer program can be executed in the form of computer software, firmware, hardware, or a combination thereof. This program performs the above functions using an interface connected to the microfluidic system. The interface receives signals from the microfluidic system and provides signals to a power supply or the like that supplies current to the fluid for heating. Details of these steps are described below with reference to the simplified diagram of FIG.
【0118】 本発明に従うプロセス1500は工程1501で始まり、これは一般に、本発
明に記載されるシステム、および、他のシステムなどのマイクロ流体システムの
使用を必要とする。このプロセスは、工程1503に図示されるように、上記シ
ステム内部に、トレーサーを含有する流体を供与する。トレーサーは一般に、ト
レーサーの温度に比例する態様で発光する。より特定すると、トレーサーは、流
体の温度に比例して、発光する。このトレーサーの実施例は、温度感応性蛍光染
料である。勿論、このタイプの使用されるトレーサーは、適用で決まる。A process 1500 according to the present invention begins at step 1501, which generally requires the use of a system described in the present invention, and a microfluidic system, such as another system. The process provides a fluid containing a tracer inside the system, as illustrated in step 1503. Tracers generally emit light in a manner that is proportional to the temperature of the tracer. More specifically, the tracer emits light in proportion to the temperature of the fluid. An example of this tracer is a temperature sensitive fluorescent dye. Of course, the type of tracer used will depend on the application.
【0119】 電源は流体に電流を印加して(工程1505)、チャネル内の流体を加熱する
。電流は、例えば、チャネルの流体に直接連結された電極などを利用して、流体
に印加される。特に、コントローラまたはコンピュータは、電源またはエネルギ
ー源をオン状態にするように信号を供与して、これらの電極に電流を直接供与す
る。電流の印加時には、流体は、チャネルで、または、より小さい内部周辺部を
有するチャネルの選択された領域で、加熱する。電流は、適用に依存して、直流
、交流、または、パルス式であり得る。The power source applies a current to the fluid (step 1505) to heat the fluid in the channel. The current is applied to the fluid using, for example, electrodes directly connected to the fluid in the channel. In particular, a controller or computer provides a signal to turn on a power or energy source to provide current directly to these electrodes. Upon application of an electric current, the fluid heats up in the channel or in selected areas of the channel having a smaller internal perimeter. The current can be direct, alternating or pulsed, depending on the application.
【0120】 センサーは、流体の特性(例えば、蛍光などの光学強度)を測定する(工程1
507)。特に、トレーサーは、その温度に依存して、或る量の光を発光する。
センサーは、トレーサーから発射された光の強度レベルを読む。好ましい実施態
様では、センサーは光学センサーである。あるいは、このセンサーはCCD(電
荷結合素子)装置、または、CCDカメラなどであってもよいが、これらは、C
CD素子のアレイを有する。センサーにより捕獲された光強度値は、電気信号と
してコントローラまたはコンピュータに送信される。The sensor measures a property of the fluid (eg, optical intensity such as fluorescence) (Step 1).
507). In particular, a tracer emits a certain amount of light depending on its temperature.
The sensor reads the intensity level of the light emitted from the tracer. In a preferred embodiment, the sensors are optical sensors. Alternatively, the sensor may be a CCD (charge coupled device) device or a CCD camera, etc.
It has an array of CD elements. The light intensity value captured by the sensor is transmitted as an electrical signal to a controller or computer.
【0121】 コントローラは、強度値を基準と相関関係づけて(工程1511)、流体の実
温度を判断する(工程1509)。相関関係は、例えば、コントローラまたはコ
ンピュータにより実行されるコンピュータプログラムなどにより、生じる。勿論
、測定された強度値を利用して、流体の実温度を判定する他の方法が存在する。The controller correlates the intensity value with a reference (step 1511) to determine the actual temperature of the fluid (step 1509). The correlation is generated by, for example, a controller or a computer program executed by a computer. Of course, there are other ways to use the measured intensity value to determine the actual temperature of the fluid.
【0122】 コントローラ、またはより適切には、コンピュータプログラムは、実温度を所
望の設定点温度と比較する(工程1513)が、後者は、コンピュータのメモリ
に先に記憶されている。実温度と設定点との間の差に依存して、電流は、コント
ローラを利用して、流体に印加され、または、そこから低減されればよい。例え
ば、流体の温度が設定点に等しい場合は(工程1515)、プロセスは、分岐1
519を経由して、工程1507へともどる。あるいは、このプロセスは、分岐
1517を経由して、工程1505へともどることにより、流体へ追加電流を提
供する。この連続する工程は、適用により必要とされるように、不確定的に反復
可能である。The controller, or more suitably, the computer program, compares the actual temperature to the desired set point temperature (step 1513), the latter being previously stored in the computer's memory. Depending on the difference between the actual temperature and the set point, the current may be applied to or reduced from the fluid utilizing the controller. For example, if the temperature of the fluid is equal to the set point (step 1515), the process proceeds to branch 1
The process returns to step 1507 via 519. Alternatively, the process provides additional current to the fluid via branch 1517 and returning to step 1505. This sequence of steps is indeterminately repeatable, as required by the application.
【0123】 流体の温度を制御することを目標とする実施態様は、更に、適用に依存して、
活発なフィードバックプロセスまたは制御により、修正または制御され得る。活
性フィードバックプロセスは一般に、例えば、マイクロ流体プロセスからの温度
などの信号を受ける。実温度は、設定点温度と比較され、差が算出される。実温
度が設定点よりも低い場合、温度差の関数に基づく結果は、加熱を目的として、
流体に追加電流または電圧を供与するために使用される。好ましい実施態様にお
ていは、この関数は、実温度の設定点温度からの実質的「オーバーシュート」ま
たは「揺れ」を防止する。これに加えて、この関数は、設定点が有効な態様で達
成されるのを、確実にする。フィードバック制御を提供するために使用される関
数の実施例としては、とりわけ、比例制御、微分制御、積分制御、または、これ
らの組み合わせが挙げられる。Embodiments that aim to control the temperature of the fluid may furthermore depend on the application,
It can be modified or controlled by an active feedback process or control. The activity feedback process generally receives signals such as, for example, temperature from a microfluidic process. The actual temperature is compared with the set point temperature and a difference is calculated. If the actual temperature is lower than the set point, the result based on the function of the temperature difference is
Used to provide additional current or voltage to the fluid. In a preferred embodiment, this function prevents substantial "overshoot" or "swing" of the actual temperature from the set point temperature. In addition, this function ensures that the set point is achieved in a valid manner. Examples of functions used to provide feedback control include, inter alia, proportional control, differential control, integral control, or combinations thereof.
【0124】 例えば、比例制御を利用して、本発明に従うフィードバックプロセスは、乗算
器に基づいて、プロセスへの活発なフィードバックを供与する。比例コントロー
ラの出力は、測定された「差」または「誤差」の一定の倍数である。すなわち、
比例コントローラは、単なる「乗算器」にすぎない。比例コントローラを説明す
る際にしばしば使用される用語としては、比例帯域およびコントローラ利得が挙
げられる。コントローラ利得は、出力を得るために誤差の乗算が行われる分量を
いう。コントローラは、適用に依存して、利得よりもむしろ、比例帯域まで較正
可能である。For example, utilizing a proportional control, a feedback process according to the present invention provides active feedback to the process based on a multiplier. The output of the proportional controller is a fixed multiple of the measured "difference" or "error". That is,
A proportional controller is just a "multiplier". Terms often used in describing a proportional controller include proportional band and controller gain. Controller gain refers to the amount by which error multiplication is performed to obtain an output. The controller can be calibrated to a proportional band, rather than a gain, depending on the application.
【0125】 本発明に従うプロセスは一般に、流体の温度を同定するために、先に説明され
た信号などの信号を測定する。この信号は、変成される。変成された信号は、所
望の設定点と比較される。変成された信号と、所望の設定点に対応する信号との
間の差が、算出される。この差は、比例利得である定数により、増幅される。増
幅された差は、差を減じるように電流を駆動する出力を供与する。この実施例は
、単なる例示にすぎず、本明細書中の特許請求の範囲の各請求項の範囲を制限す
るべきではない。The process according to the invention generally measures a signal, such as the signals described above, to identify the temperature of the fluid. This signal is transformed. The transformed signal is compared to a desired set point. The difference between the transformed signal and the signal corresponding to the desired set point is calculated. This difference is amplified by a constant that is a proportional gain. The amplified difference provides an output that drives the current to reduce the difference. This example is merely illustrative, and should not limit the scope of the claims herein.
【0126】 先の実施態様に対する改変では、マイクロ流体システムの全体的な温度または
全温度は、上述のプロセス工程のうちのいずれか1つの期間中に、上昇または下
降可能である。全流体温度は、上述の技術を利用して、全体的なに上昇または下
降されるのが好ましいが、他の技術を利用してもよい。従って、流体は、マイク
ロ流体システム内で1つの領域から別な領域へ移動可能である。流体移動は、マ
イクロチャネルの選択された部分における流体の選択的加熱処理、および/また
は、全マイクロ流体システムの全体的な流体加熱処理と組み合わされる。これに
加えて、マイクロ流体システムの流体は静的であり得、また、全体的に、または
、マイクロ流体システムの特定位置で選択的に、加熱されてもよい。In a modification to the previous embodiment, the overall temperature or the total temperature of the microfluidic system can be raised or lowered during any one of the process steps described above. Preferably, the total fluid temperature is raised or lowered generally using the techniques described above, but other techniques may be used. Thus, fluid can move from one region to another within a microfluidic system. Fluid transfer is combined with selective heating of the fluid in selected portions of the microchannel and / or global fluid heating of the entire microfluidic system. In addition, the fluid of the microfluidic system may be static and may be heated entirely or selectively at specific locations in the microfluidic system.
【0127】 上述の実施態様は、実温度を測定することにより、流体の温度を制御する処理
に関連するが、この温度はまた、電源により流体に印加される電流または電圧も
しくは電力を単に設定するだけでも、制御可能となる。例えば、電源は、流体に
印加される電流の量が一定に留まり、かつ、電圧が流体の抵抗の変化または摂動
に依存して変化するような、電流制御式のモードで作動可能となる。あるいは、
電源の電圧は一定のままであってもよいが、電流は、流体の抵抗の変化または摂
動に依存して変化させられる。また更に、適用に依存して、電源は、電流と電圧
の組み合わせが一定のままであるモードで作動可能である。勿論、使用されるモ
ードは、応用例で決まる。The above embodiments relate to the process of controlling the temperature of a fluid by measuring the actual temperature, which also simply sets the current or voltage or power applied to the fluid by the power supply. With just this, control becomes possible. For example, the power supply may be operable in a current controlled mode in which the amount of current applied to the fluid remains constant and the voltage varies depending on a change or perturbation in the resistance of the fluid. Or,
The voltage of the power supply may remain constant, but the current is varied depending on the change or perturbation of the resistance of the fluid. Still further, depending on the application, the power supply is operable in a mode where the combination of current and voltage remains constant. Of course, the mode used depends on the application.
【0128】 上記説明は、コンピュータソフトウエアを用いて実行可能となるフロー図に関
連するが、本発明はまた、多くの他の方法でも実行可能である。例えば、コンピ
ュータソフトウエアは、フィールドプログラム可能ゲートアレイ(「FPGA」
)、電気的消去可能プログラム可能リードオンリーメモリ(「EEPROM」)
、リードオンリーメモリ(「ROM」)、ランダムアクセスメモリ(「RAM」
)などのメモリ装置などのハードウエアに実装可能である。別なタイプのメモリ
装置は、コンパクトディスクリードオンリーメモリ(「CDROM」)、ハード
ディスク、フロッピーディスク、大容量ディスク(例えば、Iomega Co
rporationにより販売されているZipDriveTMなど)などである
。あるいは、コンピュータソフトウエアは、ハードウエアとソフトウエアとの組
み合わせで実装可能である。記載された機能のうちの幾つかは、適用に依存して
、別個であってもよいし、または、組み合わせ式であってもよい。もちろん、当
業者は、特定の適用に依存して、他の変更、改変、および代替を認識する。 III. (伝導率を利用した、プロセスモニターの実施態様) 特定の実施態様では、本発明は、流体または材料の種の濃度、pH、温度など
の、多様なプロセスパラメータをモニターするための技術を提供する。より特定
すると、これらパラメータは、流体伝導率を測定することにより、見出される。
すなわち、流体伝導率測定は、流体濃度、pH、温度などの流体パラメータと相
関関係づけられ、このようなパラメータは、所望のパラメータ設定点と比較され
る。これらの技術は、単独で使用されてもよいし、上述の加熱応用例および/ま
たは材料輸送システムと組み合わせて使用されてもよい。本実施態様に従う方法
は、以下のように簡単に概略化される: (1)マイクロ流体システムのチャネル内に流体を提供する; (2)マイクロ流体システムのチャネル内の流体の伝導率を測定する; (3)参照用テーブル中の流体濃度、pH、または、温度などの基準パラメータ
値と、測定された伝導率を相関関係づける; (4)設定点値に対して、参照用テーブルからの流体パラメータの値を比較する
; (5)必要に応じて、プロセスへの調節を実施する。Although the above description has been related to a flow diagram that can be implemented using computer software, the invention can also be implemented in many other ways. For example, computer software may use a field programmable gate array ("FPGA").
), Electrically erasable programmable read only memory ("EEPROM")
, Read only memory ("ROM"), random access memory ("RAM")
) Can be implemented in hardware such as a memory device. Another type of memory device is a compact disk read only memory ("CDROM"), hard disk, floppy disk, high capacity disk (eg, Iomega Co.).
ZipDrive ™ sold by R. Corporation). Alternatively, the computer software can be implemented in a combination of hardware and software. Some of the functions described may be separate or combined, depending on the application. Of course, those skilled in the art will recognize other changes, modifications, and alternatives depending on the particular application. III. Embodiments of Process Monitoring Using Conductivity In certain embodiments, the present invention provides techniques for monitoring a variety of process parameters, such as the concentration of a fluid or material species, pH, temperature, and the like. . More specifically, these parameters are found by measuring the fluid conductivity.
That is, the fluid conductivity measurement is correlated with fluid parameters such as fluid concentration, pH, temperature, etc., and such parameters are compared to desired parameter set points. These techniques may be used alone or in combination with the heating applications and / or material transport systems described above. The method according to this embodiment can be briefly outlined as follows: (1) providing a fluid in a channel of a microfluidic system; (2) measuring the conductivity of the fluid in a channel of the microfluidic system. (3) Correlate the measured conductivity with reference parameter values such as fluid concentration, pH, or temperature in the lookup table; (4) For setpoint values, fluid from the lookup table Compare the values of the parameters; (5) Make adjustments to the process as needed.
【0129】 上記連続する工程は、本マイクロ流体システムにおいて実施可能である。プロ
グラムは、マイクロ流体システムに連結される、少なくともインターフェイスを
利用して、上記機能を実行する。インターフェイスはマイクロ流体システムから
、伝導率値に対応する信号を受けて、コントローラに強度値としての信号を供与
する。このコントローラは強度値を読み取り、例えば、参照用テーブルなどに基
づいて、実パラメータ値を判定する。これら工程の詳細は、図16の簡略図を参
照しながら、以下に説明される。The above continuous steps can be performed in the present microfluidic system. The program performs the above functions using at least an interface coupled to the microfluidic system. The interface receives a signal corresponding to the conductivity value from the microfluidic system and provides a signal as an intensity value to the controller. The controller reads the intensity value and determines the actual parameter value based on, for example, a reference table. Details of these steps will be described below with reference to the simplified diagram of FIG.
【0130】 本発明に従うプロセス1600は、工程1601で始まるが、これは一般に、
本明細書中に記載されるシステム、および、他のシステムなどのマイクロ流体シ
ステムの使用を必要とする。このプロセスは、電気浸透力および/または電気泳
動力により、マイクロチャネルまたは毛細管内へと、流体を流す(工程1603
)。これら力は、本明細書全体で解説されるが、流体力学的力などに限定されな
い。流体は、コントローラまたはコンピュータにより、制御可能となる。任意で
、コントローラを通して流体にエネルギーを選択的に印加することにより、流体
流はチャネルで減速し、増大し、または、停止する(工程1605)。あるいは
、流体流は、チャネル内において、一定の流れを維持可能である。流体伝導率を
判定するために、電極またはプローブを介して流体に連結されるコントローラま
たはコンピュータは、工程1609に示されるように、流体の抵抗または伝導率
を測定する。A process 1600 according to the present invention begins at step 1601, which generally comprises
Requires the use of microfluidic systems, such as the systems described herein, and others. This process involves flowing the fluid into the microchannel or capillary by electroosmotic and / or electrophoretic forces (step 1603).
). These forces are discussed throughout this specification, but are not limited to hydrodynamic forces and the like. The fluid can be controlled by a controller or a computer. Optionally, by selectively applying energy to the fluid through the controller, the fluid flow slows, increases, or stops in the channel (step 1605). Alternatively, the fluid flow can maintain a constant flow in the channel. To determine fluid conductivity, a controller or computer coupled to the fluid via an electrode or probe measures the resistance or conductivity of the fluid, as shown in step 1609.
【0131】 測定された抵抗または伝導率は、流体濃度、pH、温度、または、他の流体特
性またはパラメータへと変換可能である。流体のタイプに基づいて、選択された
流体パラメータが算出される(工程1611)。例えば、選択された流体パラメ
ータは、参照用テーブルにより、判定または算出可能である。これら計算は、例
えば、コントローラまたはコンピュータにおけるコンピュータソフトウエアプロ
グラムにより、実施可能となる。The measured resistance or conductivity can be converted to fluid concentration, pH, temperature, or other fluid properties or parameters. Based on the type of fluid, a selected fluid parameter is calculated (step 1611). For example, the selected fluid parameter can be determined or calculated by using a reference table. These calculations can be performed, for example, by a computer software program on a controller or computer.
【0132】 コントローラ、または、より適切には、コンピュータプログラムは、測定また
は算出された流体パラメータを、所望の設定点と比較する(工程1613)が、
同設定点は、コンピュータのメモリに先に記憶される。測定された流体パラメー
タと設定点との間の差に依存して、システムの測定されたパラメータまたは他の
パラメータが調整され得る(工程1615)。あるいは、このシステムは一時的
に遮断されて、或るパラメータをリセットし得る。追加の伝導率値が、分岐16
17を介して測定される。The controller, or more suitably, the computer program, compares the measured or calculated fluid parameters to a desired set point (step 1613)
The set point is stored first in the memory of the computer. Depending on the difference between the measured fluid parameter and the set point, the measured or other parameters of the system may be adjusted (step 1615). Alternatively, the system may be shut down temporarily to reset certain parameters. The additional conductivity value is determined by branch 16
17 is measured.
【0133】 単なる実施例として、緩衝剤流体の伝導率は、緩衝剤のタイプとpH値を決定
する。緩衝剤の伝導率は、酸/塩濃度、pH、および、温度の関数である。追加
として、伝導率はまた、緩衝剤溶液の含有量、および他の特性を判断するために
利用され得る。塩酸(HCl)を用いて作成されたpH5の1M酢酸ナトリウム
緩衝剤(NaOAc)(例えば、HClを添加することによりpH5に調節され
た1MのNaOAcなど)からなる緩衝剤は、水酸化ナトリウム(NaOH)を
用いて作成されたpH5の1MのNaOAc緩衝剤(例えば、NaOHを添加す
ることによりpH5に調節される、1Mの酢酸(HOAc)など)よりも高い、
比導電率を有する。By way of example only, the conductivity of the buffer fluid determines the buffer type and pH value. The conductivity of the buffer is a function of the acid / salt concentration, pH, and temperature. Additionally, conductivity can also be utilized to determine buffer solution content, and other properties. A buffer consisting of 1 M sodium acetate buffer (NaOAc) at pH 5 made with hydrochloric acid (HCl) (eg, 1 M NaOAc adjusted to pH 5 by adding HCl) is sodium hydroxide (NaOH). ) Made with 1M NaOAc buffer at pH 5 (eg, 1M acetic acid (HOAc), which is adjusted to pH 5 by adding NaOH);
It has specific conductivity.
【0134】 多数の緩衝剤溶液について、上記特定かつ無比の固有の特性により、例えば、
濃度、pH、温度の関数として広く使用される緩衝剤についての伝導率値の参照
用テーブルは、マイクロ流体システムにおいて測定および使用されている緩衝剤
流体を同定するために作成および使用可能であり、或いは、適切な緩衝剤がシス
テムで利用されていることを確実にするために、品質確定機構として作成および
使用され得る。所与の緩衝剤についての特定の値は、定常実験により、容易に判
定可能となる。For a number of buffer solutions, the specific and unmatched unique properties allow, for example,
A lookup table of conductivity values for widely used buffers as a function of concentration, pH, temperature can be created and used to identify buffer fluids that are measured and used in microfluidic systems; Alternatively, it can be created and used as a quality assurance mechanism to ensure that a suitable buffer is utilized in the system. The particular value for a given buffer can be readily determined by routine experimentation.
【0135】 次いで、これらの値は、任意で、広く使用される多様な緩衝剤溶液についての
参照用テーブルへと組み入れられる。参照用テーブルは、典型例では、1行中に
、広く使用される緩衝剤をリスト化する。濃度、pH、および、温度は、それぞ
れに、第2行、第3行、および、第4行にリスト化される。この参照用テーブル
は、容易なアクセスを目的として、コンピュータまたはコントローラのメモリに
記憶可能である。従って、本発明は、測定された流体伝導率値により、多数のパ
ラメータをマイクロ流体システムのユーザが同定および判定できるようにする。These values are then optionally incorporated into look-up tables for a variety of widely used buffer solutions. The look-up table typically lists commonly used buffers in one row. The concentration, pH, and temperature are listed in the second, third, and fourth rows, respectively. This lookup table can be stored in the memory of the computer or controller for easy access. Thus, the present invention allows a user of a microfluidic system to identify and determine a number of parameters from the measured fluid conductivity values.
【0136】 多数の利点が、本発明に従うプロセスパラメータをモニターすることにより、
達成される。例えば、マイクロ流体システムのユーザは、単純な伝導率測定によ
り、選択されたマイクロチャネルにおいて、適切な流体が使用されているか否か
を容易に判定可能となるが、同測定は、多様な固有の流体パラメータまたは特性
と相関関係づけられる。これに加えて、本発明は、マイクロ流体システムにおい
て生成されているデータについて、ユーザがより多大な信頼を有し得るようにす
るが、このデータは、従来の機材およびモニター機器を利用してモニターするこ
とが困難なことが多い。更に、本発明は、「高品質」データを提供するが、この
データは、データの潜在的顧客に対して提示可能である。更に、本発明は、簡単
な伝導率測定により、インサイチュのプロセスモニター処理のための技術を提供
する。従って、インサイチュのモニター技術は、実施されている動作の結果につ
いてより多大な「信頼」をユーザに提供可能となる。A number of advantages are provided by monitoring process parameters according to the present invention.
Achieved. For example, a user of a microfluidic system can easily determine whether a suitable fluid is being used in a selected microchannel by a simple conductivity measurement, but the measurement can be a variety of unique Correlated with a fluid parameter or property. In addition, the present invention allows users to have greater confidence in the data being generated in microfluidic systems, but this data is monitored using conventional equipment and monitoring equipment. It is often difficult to do. Furthermore, the present invention provides "high quality" data, which can be presented to potential customers of the data. Further, the present invention provides a technique for in situ process monitoring with simple conductivity measurements. Thus, in-situ monitoring technology can provide users with greater "trust" about the results of the operations being performed.
【0137】 先の実施態様に対する改変において、流体は、プロセスモニター工程の期間中
は、選択的に加熱可能である。流体を通して電流を提供する電源は、マイクロチ
ャネル中の流体の一部または複数部分を、選択的に加熱する。本明細書中に記載
される技術、および、他の技術のいずれもが、流体を加熱するために使用可能と
なる。流体は、本モニター技術を利用して、本明細書中に記載された技術により
、冷却可能となりさえする。従って、流体は、本モニター技術と組み合わせて、
選択的に冷却および加熱可能となる。[0137] In a modification to the previous embodiment, the fluid can be selectively heated during the process monitoring step. A power supply that provides current through the fluid selectively heats a portion or portions of the fluid in the microchannel. Any of the techniques described herein, and others, can be used to heat a fluid. Fluids may even be made coolable using the present monitoring technology and by the techniques described herein. Therefore, the fluid, in combination with the monitoring technology,
It can be selectively cooled and heated.
【0138】 先述の実施態様への更なる改変では、マイクロ流体システムの全体的温度また
は全温度は、上述のプロセス工程のいずれか1つの期間中に、上昇または降下可
能となる。全流体温度は、上述の技術を利用して、全体的に上昇または下降され
るのが、好ましいが、他の技術を利用してもかまわない。従って、流体は、マイ
クロ流体システムにおいて、1つの領域から別な領域へと移動可能となる。流体
移動は、マイクロチャネルの選択された部分の流体の選択的加熱処理、および/
または、全マイクロ流体システムの全体的な流体加熱処理と組み合わされる。こ
れに加えて、マイクロ流体システムの流体は、静的であり得、全体的に、または
、マイクロ流体システムの特定場所において選択的に、加熱されてもよい。In a further modification to the foregoing embodiment, the overall temperature or the total temperature of the microfluidic system can be raised or lowered during any one of the process steps described above. Preferably, the total fluid temperature is raised or lowered entirely using the techniques described above, although other techniques may be used. Thus, fluid can move from one region to another in a microfluidic system. Fluid transfer includes selective heat treatment of the fluid in a selected portion of the microchannel, and / or
Alternatively, this is combined with the overall fluid heating of the entire microfluidic system. In addition, the fluid of the microfluidic system may be static and may be heated entirely or selectively at specific locations in the microfluidic system.
【0139】 上記記載事項は、コンピュータソフトウエアと共に実行可能となるフロー図と
関連しているが、本発明はまた、多くの他の方法で実行可能となる。例えば、コ
ンピュータソフトウエアは、フィールドプログラム可能ゲートアレイ(「FPG
A」)、電気的消去可能プログラム可能リードオンリーメモリ(「EEPROM
」)、リードオンリーメモリ(「ROM」)、ランダムアクセスメモリ(「RA
M」)などのメモリ装置などのハードウエアに実装可能である。別なタイプのメ
モリ装置は、コンパクトディスクリードオンリーメモリ(「CDROM」)、ハ
ードディスク、フロッピーディスク、大容量ディスク(例えば、Iomega
Corporationにより販売されるZipDriveTMなど)などである
。あるいは、コンピュータソフトウエアは、ハードウエアとソフトウエアとの組
み合わせで実装可能となる。説明された機能のうちの幾つかは、適用に依存して
、分離可能、または、組み合わせ可能である。もちろん、当業者は、特定の適用
に依存して、他の変更、改変、および代替を認識する。 IV.核酸の増幅および検出 特定の実施態様では、本発明は、2本鎖形態から1本鎖形態への完全なまたは
部分的変化をもたらすために、核酸材料の処理のためのプロセスと、このような
変性プロセスに関与する核酸を増幅または検出するプロセスとに関連する。好ま
しくは、核酸材料の処理のためのプロセスは、熱サイクルにより核酸材料の温度
を連続的に変化させることにより生じる。本発明に従う熱サイクルは、マイクロ
流体システムのマイクロキャピラリー中の核酸材料に電流を印加することにより
生じる。本発明は、本明細書中に記載された技術のいずれかを利用して、核酸材
料に電流を印加するが、このような技術に限定されない。Although the above description relates to a flow diagram that can be implemented with computer software, the present invention can also be implemented in many other ways. For example, computer software may use a field programmable gate array ("FPG
A "), electrically erasable programmable read only memory (" EEPROM
)), Read-only memory (“ROM”), random access memory (“RA
M ”) or other hardware such as a memory device. Another type of memory device is a compact disk read only memory ("CDROM"), hard disk, floppy disk, high capacity disk (eg, Iomega).
Such as ZipDrive TM sold by the Corporation), and the like. Alternatively, the computer software can be implemented by a combination of hardware and software. Some of the functions described may be separable or combinable depending on the application. Of course, those skilled in the art will recognize other changes, modifications, and alternatives depending on the particular application. IV. Amplification and Detection of Nucleic Acids In certain embodiments, the present invention provides a process for treating nucleic acid material to effect a complete or partial change from a double-stranded form to a single-stranded form; Related to the process of amplifying or detecting nucleic acids involved in the denaturation process. Preferably, the process for treatment of the nucleic acid material occurs by continuously changing the temperature of the nucleic acid material by thermal cycling. Thermal cycling according to the present invention occurs by applying an electrical current to nucleic acid material in a microcapillary of a microfluidic system. The present invention utilizes any of the techniques described herein to apply a current to a nucleic acid material, but is not limited to such techniques.
【0140】 よく知られた2重らせん形状にある、2本鎖DNA(一般に、「デオキシリボ
核酸」とよばれる)ならびにDNA/RNA複合体およびRNA/RNA複合体
は、インビトロで安定な分子であり、これは、核酸の相補鎖を分離するためにア
グレッシブな条件を必要とする。代表的には、鎖分離のために使用される方法は
、少なくとも60℃の温度、そしてしばしば100℃以上の高温の使用、もしく
は11以上のアルカリ性pHの使用を必要とする。本発明は、しばしば鎖分離の
ために必要とされる上昇した温度を得るための方法を提供する。[0140] Double-stranded DNA (commonly referred to as "deoxyribonucleic acid") and DNA / RNA and RNA / RNA complexes in the well-known double helix configuration are stable molecules in vitro. This requires aggressive conditions to separate the complementary strands of the nucleic acid. Typically, the methods used for strand separation require the use of a temperature of at least 60 ° C, and often an elevated temperature of 100 ° C or higher, or an alkaline pH of 11 or higher. The present invention provides a method for obtaining the elevated temperatures often required for strand separation.
【0141】 鎖分離の詳細は、例えば、Mullisらに付与された米国特許第4,683
,202号に記載される。Mullisらは、核酸中に含有される標的核酸配列
またはそれらの混合物を、核酸の相補鎖を分離して、特定のオリゴヌクレオチド
プライマーとハイブリダイズさせ、プライマ−を核酸ポリメラーゼを用いて伸長
させて、相補的なプライマ−伸長生成物を形成し、次いで、再び生じる特定のオ
リゴヌクレオチドプライマーとハイブリダイズさせることによる、所望の核酸配
列のさらなる合成のために上記の伸長生成物を使用することによって、増幅およ
び検出するためのプロセスを開示する。核酸鎖を変性させるために必要な上昇し
た温度によるプロセスのサイクルの反復はまた、一般的に非常に高額であるポリ
メラーゼ酵素の全体的な変性を生じる。その結果、これらの熱PCRプロセスは
、増幅プロセス全体を通して、ポリメラーゼ活性化を保存するために、代表的に
は、熱安定性ポリメラーゼ(例えば、Thermus aquaticusポリ
メラーゼ(Taq))を使用していた。Details of strand separation can be found, for example, in US Pat. No. 4,683 to Mullis et al.
, No. 202. Mullis et al. Hybridize target nucleic acid sequences or mixtures thereof contained in nucleic acids with specific oligonucleotide primers, separating the complementary strands of the nucleic acids, extending the primers with a nucleic acid polymerase, Amplification by using the above extension product for further synthesis of the desired nucleic acid sequence by forming a complementary primer-extension product and then hybridizing with the particular oligonucleotide primer that reappears And a process for detecting. Repeating the process cycle with the elevated temperatures required to denature the nucleic acid strands also results in overall denaturation of the polymerase enzyme, which is generally very expensive. As a result, these thermal PCR processes typically used a thermostable polymerase (eg, Thermus aquaticus polymerase (Taq)) to preserve polymerase activation throughout the amplification process.
【0142】 このプロセスを反復して実行して、開始材料の単一分子からさえ、大量の必要
とされる核酸配列を生成し得る。核酸の相補鎖の分離は、好ましくは、連続サイ
クルにおける熱変性により達成される。なぜなら、熱プロセスは、増幅サイクル
を継続するために、変性プロセスの単純な可逆性を提供して、2本鎖核酸を再形
成するからである。本発明によれば、連続サイクルにおける熱変性は、本明細書
中に記載される技術を利用して、チャネルのある領域を連続加熱することによっ
て生じる。加熱されている領域は少量の流体のためであるので、加熱および冷却
は、変性プロセスを効率的に実施するために、十分な速度および割合で生じる。This process can be performed iteratively to generate large quantities of the required nucleic acid sequence, even from a single molecule of starting material. Separation of the complementary strands of the nucleic acids is preferably achieved by thermal denaturation in a continuous cycle. This is because the thermal process provides a simple reversibility of the denaturation process to reform the double-stranded nucleic acid to continue the amplification cycle. According to the present invention, thermal denaturation in a continuous cycle is caused by continuous heating of a region of the channel utilizing the techniques described herein. Since the area being heated is for a small amount of fluid, heating and cooling occur at a sufficient rate and rate to efficiently perform the denaturation process.
【0143】 本発明に従う連続サイクルの熱変性のための技術は、以下のように簡単に概説
され得る: (1)チャネルに核酸材料を提供する; (2)核酸材料の温度を、第1の温度まで上昇させるように、電流を流体に印
加する: (3)核酸材料の温度を、第2の温度まで低下させるように、電流を流体から
除去する;および (4)完了するまで工程2と工程3を連続的に反復する。The technique for continuous cycle heat denaturation according to the present invention can be briefly outlined as follows: (1) providing nucleic acid material to a channel; (2) adjusting the temperature of the nucleic acid material to a first temperature. Applying a current to the fluid to increase the temperature: (3) removing the current from the fluid to reduce the temperature of the nucleic acid material to a second temperature; and Step 3 is repeated continuously.
【0144】 上記工程の連続は、チャネルのある局所的な面積における連続的な熱サイクル
を提供する。これは、熱が流体自体へ効率的に熱移動することを可能にし、これ
により、核酸材料の効率的な加熱と冷却が可能になる。さらに、本発明は材料自
体の局所的な加熱を提供し、そして、このことは一般に、熱不安定性酵素の連続
添加が回避されるべき場合に、例えば、プライマ−伸長工程などについての好熱
性生物体に由来する特定の耐熱ポリメラーゼ酵素の使用を必要としないかもしれ
ない。The sequence of steps described above provides a continuous thermal cycle in a certain local area of the channel. This allows heat to be efficiently transferred to the fluid itself, which allows for efficient heating and cooling of the nucleic acid material. In addition, the present invention provides for local heating of the material itself, which is generally the case when continuous addition of thermolabile enzymes is to be avoided, e.g., for thermophilic organisms such as primer-extension steps. It may not require the use of certain thermostable polymerase enzymes from the body.
【0145】 さらに、熱がチャネルの選択された領域に印加されるので、例えば、高温で破
壊されたホスホジエステル結合に由来するDNA構造自体の破壊が制限される。
さらに、本発明は、閉鎖された容積のチャネルで核酸材料を加熱する(例えば、
90℃以上)工程を提供し、これは、実質的に流体の蒸発を阻止し、この蒸発は
、従来使用されてきた技術にしばしば関連していた。またさらに、本発明は、試
薬の経済性、アッセイフォーマットの設計、およびDNA変性/再構成プロセス
の速度が重要である、ヒトゲノムプロジェクトなどの適用および日常的な診断産
業において、例えば、試薬の経済性を提供するために、極めて少量で反応を発生
させ得る。Furthermore, because heat is applied to selected regions of the channel, the destruction of the DNA structure itself, for example, from high temperature broken phosphodiester bonds is limited.
Further, the invention provides for heating nucleic acid material in a closed volume channel (eg,
(Above 90 ° C.), which substantially inhibits evaporation of the fluid, which is often associated with previously used techniques. Still further, the present invention is useful in applications such as the Human Genome Project and the routine diagnostic industry where reagent economy, assay format design, and speed of the DNA denaturation / reconstitution process are important, for example, reagent economics. The reaction can take place in very small amounts to provide
【0146】 上述のように、本明細書中に記載される温度制御方法およびシステムは、チャ
ネルが配置された基板全体を同時に加熱することなく、マイクロスケールチャネ
ル内部の流体および他の材料の温度を迅速に上昇させ得る。迅速および/または
局所的加熱の利点は、多数の生化学的プロセス、特に、ポリメラーゼ連鎖反応(
PCR)などのような増幅プロセスと関連して使用される場合、さらなる利点を
提供する。例えば、本発明のデバイスおよびシステムの迅速および/または局所
的加熱能力は、熱安定性ポリメラーゼを必要とすることなく、熱増幅を実行する
ことを可能にする。熱安定性ポリメラーゼは、過去には、熱増幅プロセスで有効
であると証明されているが、これらの酵素は、その使用と関連して、多数の問題
点を有する。例えば、それらの高いコストに加えて、最も一般的に利用されてき
たTaq(Thermus aquaticus)ポリメラーゼは、例えば、組
み込まれたヌクレオチドが不正確である(例えば、テンプレート配列に基づいて
不適切に組み込まれる)という比較的低い忠実度(例えば、1%まで)の問題を
被る。As mentioned above, the temperature control methods and systems described herein reduce the temperature of fluids and other materials inside microscale channels without simultaneously heating the entire substrate on which the channels are located. Can be raised quickly. The advantage of rapid and / or local heating is that many biochemical processes, especially the polymerase chain reaction (
When used in conjunction with an amplification process such as PCR), it offers additional advantages. For example, the rapid and / or local heating capabilities of the devices and systems of the present invention allow performing thermal amplification without the need for a thermostable polymerase. Although thermostable polymerases have been proven to be effective in the thermal amplification process in the past, these enzymes have a number of problems associated with their use. For example, in addition to their high cost, the most commonly used Taq (Thermus aquaticus) polymerase, for example, has incorrectly incorporated nucleotides (eg, improperly incorporated based on template sequence) ) Suffer from relatively low fidelity (eg, up to 1%).
【0147】 一般に、本発明の方法は、熱安定性ポリメラーゼ酵素、すなわち、Taqの使
用を必要とせずに、核酸配列を増幅する能力を提供する。このようなポリメラー
ゼの必要性をなくすることにより、増幅プロセスで使用される試薬および酵素の
コストについての利点、ならびに重合の忠実度および伸長速度の利点を得る。詳
細には、広範な非熱安定性ポリメラーゼ酵素が市販され(例えば、T4DNAポ
リメラーゼ)、熱安定性の種よりも、はるかに価格が低い。更に、これらの非熱
安定性ポリメラーゼは、代表的には、熱安定性ポリメラーゼよりも高速かつより
高い忠実度で、伸長生成物中にヌクレオチドを組み込む。In general, the methods of the present invention provide the ability to amplify nucleic acid sequences without requiring the use of a thermostable polymerase enzyme, ie, Taq. Eliminating the need for such polymerases offers the cost advantages of reagents and enzymes used in the amplification process, as well as the advantages of polymerization fidelity and extension rate. In particular, a wide range of non-thermostable polymerase enzymes are commercially available (eg, T4 DNA polymerase) and are much less expensive than thermostable species. In addition, these non-thermostable polymerases typically incorporate nucleotides into the extension product at higher speeds and higher fidelity than thermostable polymerases.
【0148】 第1の局面では、本発明の方法、デバイスおよびシステムは、これら方法およ
びデバイスの極度に局所化された加熱能力を利用する。特に、増幅反応について
の試薬の熱サイクル工程(例えば、テンプレートおよびプライマ−を融解および
アニールするため)は、チャネルまたはチャネルネットワークの、ある領域で実
行されるが、ポリメラーゼ酵素が関与する伸長反応は、チャネルまたはチャネル
ネットワークの異なる領域で実行され、この領域は、熱サイクル工程の上昇した
温度に供されないか、または熱サイクル工程の非加熱時間に熱サイクル領域内部
で実行される。テンプレート、プライマ−、伸長試薬、ポリメラーゼなどの試薬
は、本明細書中に記載されるように、例えば、制御された動電学輸送法を利用し
て、領域間を輸送されるか、または反応領域内へと注入される。加熱が局所化さ
れるので、デバイスの異なる領域において保存されるかまたは維持されるポリメ
ラーゼ酵素は、実質的には、デバイスの反応領域内部の上昇した温度により影響
を受けない。In a first aspect, the methods, devices and systems of the present invention take advantage of the extremely localized heating capabilities of these methods and devices. In particular, the thermal cycling steps of the reagents for the amplification reaction (e.g., to melt and anneal the template and primer) are performed in certain regions of the channel or channel network, while the extension reaction involving the polymerase enzyme involves: Performed in a different region of the channel or channel network, this region is not subjected to the elevated temperatures of the thermal cycling process or is performed within the thermal cycling region during the non-heating time of the thermal cycling process. Reagents, such as templates, primers, extension reagents, polymerases, etc., are transported between regions or reacted, as described herein, using, for example, controlled electrokinetic transport. Injected into the region. As the heating is localized, the polymerase enzyme stored or maintained in different areas of the device is substantially unaffected by the elevated temperatures inside the reaction area of the device.
【0149】 しかし、関連局面では、この方法、デバイスおよびシステムは、このようなシ
ステムがマイクロスケールチャネル内部の流体を加熱し得る、非常な高速を利用
する。特に、本発明の抵抗型加熱方法およびシステムは、約数秒内に、また数ミ
リ秒内に、100℃以上に近い温度まで、マイクロスケールチャネル内の流体を
加熱し得る。これは、従来のサーマルサイクラーにおいてこのような温度を達成
するために必要とされた数分と比較される。However, in a related aspect, the methods, devices and systems take advantage of the extremely high speed at which such systems can heat fluids inside microscale channels. In particular, the resistive heating method and system of the present invention can heat a fluid in a microscale channel to a temperature close to 100 ° C. or more in about seconds and milliseconds. This is compared to the few minutes required to achieve such a temperature in a conventional thermal cycler.
【0150】 温度に対して、この迅速かつ正確な制御によって、テンプレート、プライマー
および酵素を含む反応混合物が、テンプレートおよびプライマーの融解温度に、
非常に迅速に到達することが可能である。好ましい局面において、この混合物は
、ポリメラーゼ酵素の変性を生じることなく、テンプレートおよびプライマーの
鎖を離して融解するために十分長い期間にわたって、融解温度で維持される。詳
細には、そして特定の理論に束縛されることなく、タンパク質(特に、ポリメラ
ーゼ酵素)のより複雑な3次構造は、二重鎖核酸のより単純な2次構造について
の場合よりも、熱変性がよりはるかに遅い速度で生じると考えられる。これは、
タンパク質のより複雑な構造の安定化効果に起因すると考えられる。This rapid and precise control over temperature allows the reaction mixture containing the template, primer and enzyme to reduce the melting temperature of the template and primer to
It is possible to reach it very quickly. In a preferred aspect, the mixture is maintained at the melting temperature for a period of time sufficient to cause the template and primer strands to melt apart without denaturing the polymerase enzyme. In particular, and without being bound by any particular theory, the more complex tertiary structure of proteins (particularly polymerase enzymes) is more thermally denatured than for the simpler secondary structure of double-stranded nucleic acids. Is thought to occur at a much slower rate. this is,
It is thought to be due to the effect of stabilizing the more complex structure of the protein.
【0151】 実際には、タンパク質または核酸の構造(例えば、ジスルフィド結合の数、相
対的なGC含量など)に依存して、異なるタンパク質または異なる核酸の間の熱
変性速度に、いくらかの変動が存在するが、核酸は、代表的には、数秒内または
数ミリ秒内で、沸点(例えば、100℃)に近い温度で熱的に変性され(例えば
、離れて融解され)る一方、非熱安定性タンパク質は、代表的には、このような
温度で熱的に変性させるために、数秒、数十秒、そしていくつかの場合には、数
分を許容しなければならない。In practice, depending on the structure of the protein or nucleic acid (eg, number of disulfide bonds, relative GC content, etc.), there is some variation in the rate of heat denaturation between different proteins or different nucleic acids. However, nucleic acids are typically thermally denatured (eg, melt away) at temperatures near the boiling point (eg, 100 ° C.) within seconds or milliseconds, while being non-thermostable Sex proteins must typically allow seconds, tens of seconds, and in some cases, minutes to thermally denature at such temperatures.
【0152】 従って、およそ数秒の間、例えば、20秒未満、好ましくは、10秒未満、よ
り好ましくは、5秒未満、そしてしばしば1秒未満、目的の核酸の融解点まで増
幅混合物を加熱することにより、反応中に使用される非熱安定性ポリメラーゼ酵
素を変性させることなく、熱増幅を効果的に実行し得る。先に注目したように、
これは、より高い効率の酵素、ならびにより高い忠実度の増幅の使用に起因して
、テンプレートに沿ったプライマ−のより迅速な伸長を生じる。Thus, heating the amplification mixture to the melting point of the nucleic acid of interest for approximately a few seconds, eg, less than 20 seconds, preferably less than 10 seconds, more preferably less than 5 seconds, and often less than 1 second. Thereby, thermal amplification can be performed effectively without denaturing the non-thermostable polymerase enzyme used during the reaction. As noted earlier,
This results in faster extension of the primer along the template due to the use of higher efficiency enzymes, as well as higher fidelity amplification.
【0153】 上述のPCRプロセスは、制限することを意図されない。PCRプロセスはま
た、例えば、米国特許第4,683,195号、第4,683,202号、およ
び、第4,965,188号、「PCR技術:DNA増幅についての原理と適用
(Erlich編、Freeman Press、New York、NY、1
992)、「PCRプロトコル:方法および適用への手引き(Innisら編、
Academic Press、San Diego、CA,1990)、Ma
ttilaら、核酸研究、19:4967(1991)、EckertおよびK
unkel、PCR方法と応用例、1:17(1991)、PCR(McPhe
rsonら、IRL Press、Oxford)に記載される(これらの各々
は、あらゆる目的で、その全体が本明細書中に参考として援用される)。試薬、
装置、およびこれらを利用するための説明書は、例えば、Perkin−Elm
er Corp.、Promega Corp.などから市販される。他の増幅
システムとしては、リガーゼ連鎖反応、QB RNAレプリカーゼ、およびRA
N転写に基づく増幅システムが挙げられる。The PCR process described above is not intended to be limiting. The PCR process is also described, for example, in U.S. Patent Nos. 4,683,195, 4,683,202, and 4,965,188, "PCR Technology: Principles and Applications for DNA Amplification (Errich, eds. Freeman Press, New York, NY, 1
992), "PCR Protocol: Guide to Methods and Applications (Innis et al., Eds.
Academic Press, San Diego, CA, 1990), Ma
ttila et al., Nucleic Acids Research, 19: 4967 (1991), Eckert and K.
unkel, PCR method and application example, 1:17 (1991), PCR (McPhe
rson et al., IRL Press, Oxford), each of which is hereby incorporated by reference in its entirety for all purposes. reagent,
Devices and instructions for using them are described, for example, in Perkin-Elm.
er Corp. Promega Corp., Promega. Commercially available from such as. Other amplification systems include ligase chain reaction, QB RNA replicase, and RA
An amplification system based on N transcription is mentioned.
【0154】 更に、PCR増幅反応の実施に関して説明するが、本明細書中に記載された方
法、デバイスおよびシステムは、サイクル配列決定反応、非往復増幅または転写
反応などを含む、実質的に任意の温度制御されたか、またはサイクルされた核酸
反応の実施において有用である。[0154] Further described with respect to performing a PCR amplification reaction, the methods, devices and systems described herein may be used with virtually any method, including cycle sequencing reactions, non-reciprocal amplification or transcription reactions, and the like. Useful in performing temperature controlled or cycled nucleic acid reactions.
【0155】 それゆえ、上記に実質的に詳細に記載されたように、本発明は、電気的エネル
ギー源(例えば、電源)の使用を提供し、マイクロスケールチャネル内部および
その各部の内部に配置される流体の温度を制御する。このようなエネルギー源の
使用は、例えば、エネルギー源からの、マイクロチャネルまたはその一部分に配
置された流体を通る、電流の印加を含む。上述のように、この用途は、チャネル
における一方の末端および他方の末端において、エネルギー源と操作可能に連結
される電極を使用する。印加される電流は、AC電流、DC電流、任意の電流、
またはこれらのうちのいずれかもしくは全ての組み合わせであり得る。Thus, as described in greater detail above, the present invention provides for the use of an electrical energy source (eg, a power supply) and is located within the microscale channel and within each portion thereof. Control the temperature of the fluid. Use of such an energy source includes, for example, applying an electric current from the energy source through a fluid located in the microchannel or a portion thereof. As mentioned above, this application uses electrodes at one end and the other end of the channel that are operably connected to an energy source. The applied current can be an AC current, a DC current, any current,
Alternatively, any or all of these may be combined.
【0156】 本発明は、以下の制限されない実施例を参照して、更に例示される。The invention is further illustrated with reference to the following non-limiting examples.
【0157】[0157]
(実施例1 − 核酸の熱変性/再構成) 本発明の実施態様の原理および操作を提示するために、多数の実験が実施され
た。これらの実験は、本発明の有用性および効果を示すために使用され得る、多
くの実施例にすぎない。従って、これらの実験は、本明細書中に記載された請求
の範囲を限定するべきではない。当業者は、他の変更、改変および代替を認識す
る。本発明の方法およびシステムの特定の有用な適用の実施例は、2本鎖形態か
ら1本鎖形態へ完全または部分的に変化させるために、核酸材料の処理およびこ
れらの型の変性プロセスに関与する核酸を増幅または検出するプロセスにある。Example 1-Thermal Denaturation / Reconstitution of Nucleic Acids A number of experiments were performed to demonstrate the principles and operation of embodiments of the present invention. These experiments are only a few examples that can be used to demonstrate the utility and effect of the present invention. Therefore, these experiments should not limit the scope of the claims described herein. One skilled in the art will recognize other changes, modifications, and alternatives. Examples of certain useful applications of the methods and systems of the present invention involve processing nucleic acid material and denaturing processes of these types to completely or partially change from double-stranded to single-stranded form In the process of amplifying or detecting nucleic acids.
【0158】 この実験を、本発明に従う加熱サイクルにより、核酸の熱変性を例示するため
に実施した。核酸を、約5mmの長さと、約70×10μmの寸法を有し、矩形
断面であるマイクロチャネルにおいて加熱した。マイクロチャネルを、ガラスか
ら作られた基板に規定したが、このような材料に限定されない。このチャネルは
、例えば、図1によって例示されるものに類似した。核酸を含有する流体を、本
明細書中に記載された流体移動技術を使用して、マイクロチャネル内に導入した
。この実験における核酸は、DNA配列、GACACAGCTACTCCTおよ
びAGGAGTAGCTGTGTCを含んでいた。挿入染料を流体に添加して、
核酸が2本鎖かまたは変性した(例えば、融解して離れた)かのいずれかに依存
して、蛍光シグナルを提供した。すなわち、挿入染料からの蛍光シグナルは、核
酸が2本鎖である場合はより大きく、核酸が変性されている場合は、より小さい
。この実験では、使用される挿入染料は、SyberGreenTMの商品名で販
売される製品であり、これは、Molecular Probes,Inc.,
Eugene,Oregonにより製造される。他のタイプの染料も、適用に依
存して使用可能である。This experiment was performed to illustrate the thermal denaturation of nucleic acids by a heating cycle according to the invention. Nucleic acids were heated in microchannels having a length of about 5 mm, dimensions of about 70 × 10 μm, and rectangular cross sections. The microchannel has been defined in a substrate made of glass, but is not limited to such a material. This channel was similar, for example, to that illustrated by FIG. Fluids containing nucleic acids were introduced into microchannels using the fluid transfer techniques described herein. The nucleic acids in this experiment included the DNA sequences, GACACAGCTACTCCT and AGGAGTAGCTGTGTC. Add the intercalating dye to the fluid,
A fluorescent signal was provided depending on whether the nucleic acid was double-stranded or denatured (eg, melted apart). That is, the fluorescent signal from the intercalating dye is greater when the nucleic acid is double-stranded and smaller when the nucleic acid is denatured. In this experiment, the intercalating dye used is a product sold under the trade name CyberGreen ™ , which is available from Molecular Probes, Inc. ,
Manufactured by Eugene, Oregon. Other types of dyes can be used depending on the application.
【0159】 注目したように、DNAおよび染料を含有する流体を、マイクロ流体システム
の基板のチャネルに導入した。電流をチャネルに印加し、これが、蛍光シグナル
の強度の低下を引き起こした。電流を除去すると、蛍光シグナルの強度が増加し
た。図17は、本実験に従う蛍光シグナルの強度と時間との間の簡略化された関
係を示す。この図は、単なる例示にすぎず、本明細書中の請求の範囲を限定する
べきではない。示されるように、垂直軸は、幾つかの任意の単位で測定された強
度を表す。強度は一般に正であり、垂直軸の正の長さに沿って増大する。水平軸
は時間を表すが、これは一般に、電流が加熱を目的として流体に印加された場合
は、選択された期間に関連する。図の底部付近の破線は、電流が流体に印加され
た場合の時間を表し、そして電流の大きさは、図の右手側の垂直軸上に示される
。As noted, a fluid containing DNA and dye was introduced into the channels of the substrate of the microfluidic system. Current was applied to the channel, which caused a decrease in the intensity of the fluorescent signal. Removing the current increased the intensity of the fluorescent signal. FIG. 17 shows a simplified relationship between the intensity of the fluorescent signal and time according to this experiment. This diagram is merely an example, which should not limit the scope of the claims herein. As shown, the vertical axis represents intensity measured in several arbitrary units. The intensity is generally positive and increases along the positive length of the vertical axis. The horizontal axis represents time, which generally relates to a selected time period when current is applied to the fluid for heating. The dashed line near the bottom of the figure represents the time when current was applied to the fluid, and the magnitude of the current is shown on the vertical axis on the right hand side of the figure.
【0160】 測定は、電流を流体に印加した場合に強度が減少したことを示し、これは、流
体中のDNAが2本鎖から1本鎖に変化したことを示す。電流を流体から除去す
ると、強度は減少し、これは、流体中のDNAが1本鎖から2本鎖DNAに変換
されたこと(例えば、再アニールされたこと)を示す傾向にある。この実験にお
けるDNAの融解温度は、500mMボレートの溶液中で約46℃であった。変
化する蛍光シグナルのサイクル特性は、1本鎖から2本鎖へ、DNAの可逆性の
変性が、本発明によって可能であることを示す。従って、本発明は、DNAを含
有する流体の選択的加熱および冷却を提供し、これは、多様な反応において使用
され得る。The measurements show that when current was applied to the fluid, the intensity was reduced, indicating that the DNA in the fluid changed from double-stranded to single-stranded. As the current is removed from the fluid, the intensity decreases, which tends to indicate that the DNA in the fluid has been converted from single-stranded to double-stranded DNA (eg, has been re-annealed). The melting temperature of the DNA in this experiment was about 46 ° C. in a solution of 500 mM borate. The cycling properties of the changing fluorescent signal indicate that reversible denaturation of DNA from single stranded to double stranded is possible with the present invention. Thus, the present invention provides for selective heating and cooling of a fluid containing DNA, which can be used in a variety of reactions.
【0161】 上述の実験を、一般に、特定タイプの核酸材料を連続的に加熱および冷却する
処理に関連して記載したが、核酸材料のタイプが限定されることは意図されない
。例えば、核酸材料は、例えば、PCR、LCRなどの多様な反応のために加熱
および冷却され得る、ほぼどのような型であってもよい。Although the experiments described above are generally described with reference to a process of continuously heating and cooling a particular type of nucleic acid material, it is not intended that the type of nucleic acid material be limited. For example, the nucleic acid material can be of almost any type that can be heated and cooled for various reactions, such as, for example, PCR, LCR, and the like.
【0162】 適用に依存して、本発明は、マイクロ流体システムのチャネルにおける多くの
流れおよび温度特性のうちの1つを有する流体を提供する。特定の実施態様では
、流体は、比較的一定の温度でチャネルを通って移動し、この温度は、熱源によ
っては調節されない。あるいは、流体は、チャネルの長さ全体にわたるか、また
はチャネルの特定の領域において、上昇した温度でチャネルを通って移動し、こ
れは、しばしば、特定の領域の幾何的形状に依存する。あるいは、流体は、本実
施態様によって、チャネル内に移動し、次いで、チャネル内で停止し、完全にま
たは部分的に加熱される。あるいは、流体を、チャネルの長さを通って可変速度
で移動する。流体の温度はまた、チャネル全体にわたるか、またはチャネルの特
定の領域で、加熱および/または冷却し得る。もちろん、チャネルの流れおよび
温度特性は、適用(例えば、PCR、LCRなど)に多いに依存する。Depending on the application, the present invention provides a fluid having one of many flow and temperature characteristics in a channel of a microfluidic system. In certain embodiments, the fluid moves through the channel at a relatively constant temperature, which is not regulated by the heat source. Alternatively, the fluid travels through the channel at elevated temperatures throughout the length of the channel or in a particular region of the channel, which often depends on the geometry of the particular region. Alternatively, the fluid is moved into the channel and then stops in the channel and is completely or partially heated, according to the present embodiment. Alternatively, the fluid moves at a variable speed through the length of the channel. The temperature of the fluid may also heat and / or cool over the entire channel or at a particular area of the channel. Of course, channel flow and temperature characteristics are highly dependent on the application (eg, PCR, LCR, etc.).
【0163】 関連実施例では、核酸融解および再アニールの熱制御は、印加した電流を利用
して実行される。この実施例では、自己ハイブリダイズする核酸配列の対向する
末端に結合される蛍光ドナー−アクセプター対からなる分子標識を使用する。こ
の分子標識は自己ハイブリダイズし、蛍光を消すために、十分に密接に近接して
、ドナーおよびアクセプター部分を配置する。変性または融解時、および/もし
くは標的配列へのハイブリダイゼーションの際に、ドナーおよびアクセプターは
分離され、蛍光消去が発生せず、蛍光反応混合物が生じる。In a related embodiment, thermal control of nucleic acid melting and re-annealing is performed using an applied current. This example uses a molecular label consisting of a fluorescent donor-acceptor pair attached to opposite ends of a self-hybridizing nucleic acid sequence. This molecular label self-hybridizes and places the donor and acceptor moieties in close enough proximity to quench fluorescence. Upon denaturation or melting, and / or upon hybridization to the target sequence, the donor and acceptor are separated and no fluorescence quenching occurs, resulting in a fluorescent reaction mixture.
【0164】 行われたこの実験では、1×PCR緩衝液中に分子標識(Oswel DNA
Service、Southampton、UK)を含有する流体がマイクロ
流体チャネル中に配置され、このチャネルは、より狭くなった断面寸法の中央部
分を備えていた。加熱を、チャネルを通して電流(DC)を印加することにより
制御し、温度を、溶液の伝導率から決定した。チャネルの狭い部分における溶液
の蛍光を、電流/温度が最初に20℃から約95℃へと上昇し、次いで、20℃
へ低下すると、経時的に測定した。コントロールランもまた、標準蛍光キュベッ
ト中、温度コントロールを提供する水浴、および温度をモニターする熱電対を用
いて実施した。蛍光のプロットは、図18に示される(ひし形:マイクロスケー
ルチャネル中の温度の増加、白丸:マイクロスケールチャネル中の温度の減少、
四角:コントロール)。図18のプロットから分かるように、電気手段による核
酸融解の熱制御は、温度操作を上昇および低下させる両方の期間に、従来の加熱
技術と、ほぼ同じように追跡する。In this experiment performed, molecular labels (Oswel DNA) were placed in 1 × PCR buffer.
(Service, Southampton, UK) was placed in a microfluidic channel, which had a central portion with a narrower cross-sectional dimension. Heating was controlled by applying a current (DC) through the channel, and the temperature was determined from the conductivity of the solution. The fluorescence of the solution in the narrow part of the channel is increased by first increasing the current / temperature from 20 ° C. to about 95 ° C.
When it decreased to, it was measured over time. Control runs were also performed in a standard fluorescent cuvette using a water bath to provide temperature control and a thermocouple to monitor temperature. The fluorescence plot is shown in FIG. 18 (diamond: increasing temperature in microscale channel, open circle: decreasing temperature in microscale channel,
Square: control). As can be seen from the plot of FIG. 18, thermal control of nucleic acid melting by electrical means tracks in much the same way as conventional heating techniques, both during raising and lowering temperature manipulation.
【0165】 (実施例2−マイクロ流体システム中の電気的熱サイクルによる、インサイ
チュ核酸増幅) 電気的温度制御およびモニターもまた、従来の生化学的適用で使用した。特に
、上述の方法および装置を、マイクロ流体チャネル内部のポリメラーゼ連鎖反応
(PCR)の実施において使用した。Example 2 In Situ Nucleic Acid Amplification by Electrical Thermocycling in a Microfluidic System Electrical temperature control and monitoring were also used in conventional biochemical applications. In particular, the methods and apparatus described above were used in performing a polymerase chain reaction (PCR) inside a microfluidic channel.
【0166】 (A.交流熱循環作用のためのハードウエアおよびソフトウエア) 上述のように、一般的な熱制御実験は、マイクロチャネルを通る制御式直流を
印加することにより、実施された。PCR反応の実施においては、増幅チャネル
を通る増幅混合物の電気浸透的運動を阻止するために、交流電源が使用された。
図19は、マイクロ流体装置中の実験的増幅チャネルの終点における貯蔵器に接
続された交流電源の回路図を例示する。電源はまた、マイクロ流体システム中の
材料を電気浸透式に輸送するために使用可能である直流電源と共に図示される。A. Hardware and Software for AC Thermal Circulation As described above, general thermal control experiments were performed by applying a controlled direct current through a microchannel. In performing the PCR reaction, an AC power supply was used to prevent electroosmotic movement of the amplification mixture through the amplification channel.
FIG. 19 illustrates a circuit diagram of an AC power supply connected to a reservoir at the end of an experimental amplification channel in a microfluidic device. The power supply is also shown with a DC power supply that can be used to transport materials in a microfluidic system in an electro-osmotic manner.
【0167】 電源は、マイクロ流体装置中の増幅チャネルを通して、高電圧、高周波数電流
を生成可能であって、そこで流体を加熱したが、低電圧、定周波数信号がチャネ
ルを通じての伝導率を測定するために使用された。温度−伝導率の関係は、以下
の関係に従って、チャネル内部の流体の温度を判定するために使用された。A power supply can generate high voltage, high frequency current through an amplification channel in a microfluidic device, where it heats the fluid, but a low voltage, constant frequency signal measures conductivity through the channel. Used for The temperature-conductivity relationship was used to determine the temperature of the fluid inside the channel according to the following relationship.
【0168】 ・(・T)=・amb[1+・・T] ここで、・は流体の特異的導電率であり、・Tは雰囲気温度を越える温度の増大
であり、・は、画分/℃(PCR緩衝剤について、・=0.0194/℃)を単
位とする、温度についての流体伝導率の依存性である。• (· T) = · amb [1 + ·· T] where: is the specific conductivity of the fluid; T is the increase in temperature above ambient temperature; Fluid conductivity dependence on temperature in ° C. (. = 0.0194 / ° C. for PCR buffer).
【0169】 低周波数信号は、ロックイン増幅器により生成されたが、加熱信号は、関数発
生器からの出力を増幅し、かつ、一連の変成器を通して電圧をステップアップす
ることにより、生成された。能動フィルタは、システムに組み込まれて、1μA
を越える高周波数電流がロックイン増幅器の入力へと進むのを阻止する。The low frequency signal was generated by a lock-in amplifier, while the heating signal was generated by amplifying the output from the function generator and stepping up the voltage through a series of transformers. The active filter is built into the system and
Over the high frequency currents going to the input of the lock-in amplifier.
【0170】 全増幅反応は、図19における電源に連結されたマイクロ流体装置(構造が図
示されている)において実行された。反応が実行されたマイクロ流体チャネルは
、均一な断面寸法を備え、およそ9mmの長さ、70μmの幅、および、10μ
mの深さを備えていた。単純な真っ直ぐなチャネルが説明を目的として採用され
たが、より複雑なチャネル網が使用されて、説明したような増幅プロセスを、他
の分析反応または調製反応(例えば、下記実施例3を参照のこと)と統合しても
よいことが、評価されるべきである。All amplification reactions were performed in a microfluidic device (structure shown) connected to the power supply in FIG. The microfluidic channel in which the reaction was performed had a uniform cross-sectional dimension, a length of approximately 9 mm, a width of 70 μm, and 10 μm.
m depth. Although simple straight channels were employed for illustrative purposes, more complex channel networks were used to amplify the amplification process as described in other analytical or preparative reactions (eg, see Example 3 below). It should be appreciated that this may be integrated.
【0171】 電源と装置のマイクロ流体試験チャネルとの間の電気接続は、試験チャネルの
終末における貯蔵器内へと設置された白金電極を介して行われたが、これらの電
極は、図19に示されるように、電源の適切なリードに連結された。The electrical connection between the power supply and the microfluidic test channel of the device was made via platinum electrodes placed into the reservoir at the end of the test channel, which electrodes are shown in FIG. As shown, the power supply was connected to the appropriate lead.
【0172】 交流温度制御システムは、LabVIEWソフトウエアを利用したコンピュー
タ(IBM PC互換機、Intel製Pentium(>/=200MHz)
マイクロプロセッサ搭載)によりモニターおよび制御されて、温度をモニターお
よび制御すると共に、システムを観察する顕微鏡/光電子増倍管(PMT)から
の蛍光データを獲得した。図20は、LabVIEWサブルーチンの編成、それ
らの互いとの連絡状態(LavVIEWプログラムは一般に、Virtual
InstrumentsまたはVIと呼ばれ、従って、サブVIはサブルーチン
と同等である)を例示するフローチャートである。矢印はサブルーチン間の連絡
を表すが、影付けとサイズは、相対的連絡状態の速度を表す(より暗い/より大
きい=より速い連絡状態)。The AC temperature control system is a computer (IBM PC compatible machine, Pentium manufactured by Intel (> / = 200 MHz)) using LabVIEW software.
Microprocessor / monitor) to monitor and control the temperature and acquire fluorescence data from a microscope / photomultiplier tube (PMT) observing the system. FIG. 20 shows the organization of the LabVIEW subroutines, their state of communication with each other (LavVIEW programs are generally Virtual
FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of a sub-VI, which is called an Instrument or VI, and thus a sub-VI is equivalent to a subroutine). Arrows indicate communication between subroutines, while shadowing and size indicate the speed of relative communication (darker / greater = faster communication).
【0173】 サブルーチン2002は、システムを説明する変数の全て(実験パラメータ)
および、実験中に連続的機軸に基づいて変化し、かつ、多様なサブルーチンの間
で共有される必要があるデータの全て(リビング変数)を格納するために採用さ
れる。一般に、実験パラメータは、DAQ装置、ADCチャネル、ADCチャネ
ル、DAC出力チャネル、DACシャッターチャネル、ロックイン感度、関数発
生器振幅、基準温度、基準伝導率、ファイルネーム、および、コメントであった
。リビング変数は、温度設定点、ロックイン電圧設定点、ロックイン電圧出力、
%出力、バイナリデータ(ADC入力から0〜212(4096)フルスケールで
読み込まれるデータ)、周期番号、および、状態クラスタ(温度、時間、および
、シャッター状態)であった。Subroutine 2002 consists of all of the variables describing the system (experimental parameters).
And it is employed to store all of the data (living variables) that change on a continuous basis during the experiment and need to be shared between various subroutines. In general, the experimental parameters were DAQ device, ADC channel, ADC channel, DAC output channel, DAC shutter channel, lock-in sensitivity, function generator amplitude, reference temperature, reference conductivity, file name, and comments. Living variables are temperature set point, lock-in voltage set point, lock-in voltage output,
% Output, binary data (data read from 0 to 2 12 (4096) full scale from ADC input), cycle number, and state cluster (temperature, time, and shutter state).
【0174】 サブルーチン2004(「データの読み出しおよび温度の制御」のサブルーチ
ン)では、顕微鏡/PMTおよびロックイン増幅器からのデータ/電圧が読み出
され、サブルーチン2002のリビング変数セクションのデータ(「グローバル
変数およびパラメータ」サブルーチン)が更新される。これに加えて、このサブ
ルーチンは、関数発生装置からの出力を変化させることにより、温度を制御した
。この%出力は、増幅器変成器回路へと入る関数発生装置の正面パネル上に表示
された振幅の百分率である。In subroutine 2004 (subroutine of “data reading and temperature control”), data / voltage from the microscope / PMT and the lock-in amplifier is read, and data (“global variables and The "parameter" subroutine) is updated. In addition, this subroutine controlled the temperature by changing the output from the function generator. This% output is the percentage of the amplitude displayed on the front panel of the function generator entering the amplifier transformer circuit.
【0175】 サブルーチン2006(ライブデータビューアーサブルーチン)において、以
下のデータが連続表示された。すなわち、温度、温度設定点、%出力、および、
チャネルAおよびチャネルBについて読み出された蛍光信号。データは、ユーザ
指定速度で、サブルーチン2002(「グローバル変数およびパラメータ」サブ
ルーチン)から獲得される。全実験が完了すると、このサブルーチンは、ファイ
ルをディスクにセーブするように、ユーザを促す。In the subroutine 2006 (live data viewer subroutine), the following data was continuously displayed. Temperature, temperature set point,% output, and
Fluorescent signals read for channel A and channel B. Data is obtained from subroutine 2002 ("global variables and parameters" subroutine) at a user specified rate. When the entire experiment is complete, this subroutine prompts the user to save the file to disk.
【0176】 サブルーチン2008(「PCR温度プロファイラー」サブルーチン)では、
温度設定点および電圧設定点は、グローバル変数およびパラメータサブルーチン
2002において変更されて、ユーザにより入力された温度プロファイルを発生
する。次に、ユーザは状態を選択するが、これは、温度設定点、保持時間、およ
びシャッター状態(開状態または閉状態)を含む。各状態は、初期の厳しい条件
の融解、最終伸長、および任意の回数にわたって、例えば、アニール、伸長、融
解等を繰り返すようにプログラムされ得る、一連のさらなる状態について選択さ
れ得る。サイクリングが完了すると、プログラムは温度設定点を20℃まで変化
させて、安全な低電圧状態にシステムを維持する。In the subroutine 2008 (“PCR temperature profiler” subroutine),
The temperature set points and voltage set points are changed in the global variables and parameters subroutine 2002 to generate a user entered temperature profile. Next, the user selects a state, which includes the temperature set point, hold time, and shutter state (open or closed). Each state can be selected for a series of additional states that can be programmed to repeat the initial stringent conditions of melting, final elongation, and any number of times, eg, annealing, elongation, melting, etc. When cycling is complete, the program changes the temperature set point to 20 ° C to maintain the system in a safe low voltage state.
【0177】 サブルーチン2010(「シャッター(バックグラウンド)」サブルーチン)
においては、シャッター状態は、「DACアウト」ピンの電圧を変化させること
により、開状態と閉状態の間でトグルさせられる。「シャッター(バックグラウ
ンド)」サブルーチンは、上述のように、PCR温度プロファイラーサブルーチ
ン2008により呼び出される。他方の「シャッター」サブルーチン2012は
、顕微鏡のシャッターを手動で開状態および閉状態にするように、ユーザにより
使用される。Subroutine 2010 (“Shutter (background)” subroutine)
In, the shutter state is toggled between an open state and a closed state by changing the voltage on the "DAC out" pin. The "shutter (background)" subroutine is called by the PCR temperature profiler subroutine 2008, as described above. The other "Shutter" subroutine 2012 is used by the user to manually open and close the microscope shutter.
【0178】 サブルーチン2014(「データレビューアー」サブルーチン)は、先にセー
ブされた実験に由来するデータファイルを開き、かつ、ライブデータビューアー
サブルーチン2006と同一フォーマットでデータをプロットするために、使用
される。図示のように、データレビューアーサブルーチン2014およびシャッ
ターサブルーチン2012の両方は、それぞれに、全システムの動作から独立し
ている。Subroutine 2014 (“Data Reviewer” subroutine) is used to open a data file from a previously saved experiment and plot data in the same format as Live Data Viewer subroutine 2006. . As shown, both the data reviewer subroutine 2014 and the shutter subroutine 2012 are each independent of the operation of the entire system.
【0179】 (B.実験手順) 従来のラムダPCRプロトコルを、本発明に従う制御された電熱または抵抗型
加熱を利用する、マイクロ流体デバイスにおけるPCR操作の実施を示すために
使用した。B. Experimental Procedure A conventional lambda PCR protocol was used to demonstrate the performance of PCR operations in microfluidic devices utilizing controlled electrothermal or resistive heating according to the present invention.
【0180】 ラムダDNAの500ヌクレオチドセグメント(合計48,500塩基)を、
増幅のための標的配列として使用した。使用したPCR緩衝液およびプライマー
は、Perkin Elmer Corp.(Norwalk,Conn)によ
り販売されるGeneAmp PCR Reagent Kitとして市販され
ていた。プライマー#1は、以下の配列: 5’−GATGA GTTCG TGTCC GTACA ACTGG−3’ を有する一方、プライマ−#2の配列は: 5’−GGTTA TCGAA ATCAG CCACA GCGCC−3’ であった。これらの実験では、挿入染料(Sybr Green I)を、ds
DNAまたは増幅された生成物の量の増大を示すために使用した。The 500 nucleotide segment of lambda DNA (48,500 bases in total) was
Used as target sequence for amplification. The PCR buffers and primers used were from Perkin Elmer Corp. (Norwalk, Conn) as the GeneAmp PCR Reagent Kit. Primer # 1 had the following sequence: 5′-GATGA GTTCG TGTCC GTACA ACTGG-3 ′, while the sequence of Primer # 2 was: 5′-GGTTA TCGAA ATCAG CCACA GCCGCC-3 ′. In these experiments, an intercalating dye (Sybr Green I) was prepared using ds
Used to indicate an increase in the amount of DNA or amplified product.
【0181】 蛍光シグナルは、十分な数の複製が作製されて、バックグラウンド蛍光を克服
するまで、反応の最初の数サイクルにわたって一定であると予測される。シグナ
ルが上昇を開始するサイクルは、反応が開始したDNAテンプレート複製の数の
指標である;シグナルがより早期に上昇するほど、より多くのテンプレートの複
製が存在する。次いで、蛍光は、DNA複製が各サイクルで倍増すると、サイク
ル数に伴って、指数関数的に増大しはじめる。すぐに、蛍光は、プライマ−およ
びdNTPの量が低減し、そしてプライマ−を標的化されたDNA配列にアニー
ルさせることがますます困難になるにつれて、横ばいになり始める。The fluorescence signal is expected to be constant over the first few cycles of the reaction until a sufficient number of copies have been made to overcome background fluorescence. The cycle at which the signal begins to rise is an indicator of the number of DNA template copies in which the reaction has begun; the earlier the signal rises, the more template copies are present. The fluorescence then begins to increase exponentially with the number of cycles as DNA replication doubles with each cycle. Soon, fluorescence begins to plateau as the amount of primers and dNTPs decreases and it becomes increasingly difficult to anneal the primers to the targeted DNA sequence.
【0182】 2つのPCR実験の結果が、図21に示される(AおよびB)。見て分かるよ
うに、これらの図は、成功した増幅反応を表す生成物の特徴的な指数関数的増大
を示す。各PCR実験の条件は、以下の表に示されるが、2つの実験の間の差異
は、太字で強調される。The results of two PCR experiments are shown in FIG. 21 (A and B). As can be seen, these figures show the characteristic exponential growth of the product representing a successful amplification reaction. The conditions for each PCR experiment are shown in the table below, with the differences between the two experiments highlighted in bold.
【0183】[0183]
【表1】 [Table 1]
【0184】 2つの実験間の最も有意な差異のうちの1つは、第2の実験(ランB)で使用
されたデバイスが、リザーバーに適用された拡張カラーを含み、より多量のミネ
ラルオイル体積(20μL)を溶液上に重層して、蒸発および伝導率のドリフト
を防止することを可能にする。これらの伝導率のドリフトは、温度変化を生じた
。他の主な差異は、第1ランが2温度サイクルを使用したが、第2のランは、ア
ニール工程と伸長工程に関して異なる2つの温度で3温度サイクルを使用したこ
とである。One of the most significant differences between the two experiments was that the device used in the second experiment (Run B) contained an expanded collar applied to the reservoir, with a higher mineral oil volume (20 μL) can be overlaid on the solution to prevent evaporation and conductivity drift. These conductivity drifts have caused temperature changes. The other major difference is that the first run used a two temperature cycle, while the second run used a three temperature cycle at two different temperatures for the annealing and elongation steps.
【0185】 (実施例3−マイクロ流体システムにおける統合核酸増幅および分析) 図22に示されるマイクロ流体デバイスを、マイクロ流体デバイスで実行され
た生化学的アッセイにおける多重操作を実施するために使用した。これは、複雑
な(血液)サンプル調製物、特異化された反応(ポリメラーゼ連鎖反応、PCR
)、および単一フォーマットにおける精密分析(DNAサイズ分離)などのよう
な機能を統合する能力を示す。Example 3-Integrated nucleic acid amplification and analysis in a microfluidic system The microfluidic device shown in Figure 22 was used to perform multiplex operations in biochemical assays performed on a microfluidic device. This includes complex (blood) sample preparations, specialized reactions (polymerase chain reaction, PCR
), And the ability to integrate functions such as precision analysis (DNA size separation) in a single format.
【0186】 この実験では、マイクロ流体デバイス2210を、全血を準備し、全血からD
NAテンプレートをロードし、PCR反応を実行し、次いで、ゲル分離による得
られたPCR生成物のサイズ分けするために使用した。チャネル2230および
2240に、ふるい分けマトリクスゲル2250を充填した。さらに、分離チャ
ネル2230の末端でウェル2260および2270にゲルを充填した。実験の
第1の部分については、従来の方法(遠心分離)で全血から精製されたおよそ2
000個のリンパ球(白血球)を、20μLのPCR反応混合物に添加し、そし
てチップ2210のサンプルウェル2280に配置した。このウェルを、ミネラ
ルオイルで重層し、そしてチップを、サーモサイクラーを利用してサイクルさせ
る。サイクル後は、PCR生成物を、チャネル2230を通して第2のチップを
通る通路により分離した。図23は、HLA遺伝子座(約300bp)の増幅さ
れたピークが約34秒で、PhiX 174標準ラダ−における270bpから
310bpのフラグメントと同時に見られる部分についての電気泳動図を示す。
実験の第2の部分については、DNAテンプレートを含まないPCR反応混合物
を、新鮮なマイクロ流体デバイス(同一設計のもの)のウェル2280に配置し
、そして5%の全血(ここでは、赤血球が溶解されている)を別のウェルに配置
する。リンパ球(白血球)を、20〜100個のリンパ球がPCRウェル中に存
在するまで、PCR反応混合物を含有するウェルに、チャネルを通って電気泳動
した。全デバイスを熱サイクルさせ、先の実施例と同様にDNAを分離した。結
果を図24に示す。増幅を、精製および電気泳動したリンパ球の両方について達
成したが、精製したリンパ球についての生成物の量は、電気泳動したリンパ球に
ついての生成物の量よりも多かった。十分なPCRサイクルを実行して、反応が
プラトー段階に達したことを確実にした。なぜなら、開始複製の数が異なったか
らである。これらの実験は、マイクロチップ形式上の複雑な生化学的アッセイの
幾つかの工程を統合する能力を示す。In this experiment, microfluidic device 2210 was prepared by preparing whole blood and
The NA template was loaded, a PCR reaction was performed, and then used to size the resulting PCR product by gel separation. Channels 2230 and 2240 were filled with sieving matrix gel 2250. In addition, the wells 2260 and 2270 were filled with gel at the end of the separation channel 2230. For the first part of the experiment, approximately 2% purified from whole blood by conventional methods (centrifugation).
000 lymphocytes (white blood cells) were added to 20 μL of the PCR reaction mixture and placed in the sample well 2280 of the chip 2210. The wells are overlaid with mineral oil and the chips are cycled using a thermocycler. After the cycle, the PCR products were separated by a passage through the second chip through channel 2230. FIG. 23 shows an electropherogram of the portion of the HLA locus (approximately 300 bp) where the amplified peak is approximately 34 seconds and is found simultaneously with the 270 bp to 310 bp fragment in the PhiX 174 standard ladder.
For the second part of the experiment, the PCR reaction mixture without the DNA template was placed in the well 2280 of a fresh microfluidic device (of the same design) and 5% whole blood (here, red blood cells were lysed). Is placed in another well. Lymphocytes (white blood cells) were electrophoresed through the channel into wells containing the PCR reaction mixture until 20-100 lymphocytes were present in the PCR wells. All devices were thermally cycled to separate DNA as in the previous example. The results are shown in FIG. Amplification was achieved for both purified and electrophoresed lymphocytes, but the amount of product for the purified lymphocytes was greater than the amount of product for the electrophoresed lymphocytes. Sufficient PCR cycles were performed to ensure that the reaction reached a plateau stage. This is because the number of starting replicas was different. These experiments demonstrate the ability to integrate several steps of a complex biochemical assay on a microchip format.
【0187】 前述の発明は、明瞭化と理解を目的としてある程度詳細に説明されてきたが、
この開示を読むことによって、形式および詳細における種々の変更が、本発明の
真の範囲から逸脱することなく行われ得ることが、当業者には明白である。例え
ば、上述の全ての技術は、多様な組み合わせで使用され得る。本明細書中に引用
された全ての刊行物および特許文献は、個々の刊行物または特許文献の各々が個
々に外延を示されているのと同じように、それらの全体が、全ての目的について
本明細書中に参考として援用される。Although the foregoing invention has been described in some detail for purposes of clarity and understanding,
After reading this disclosure, it will be apparent to one skilled in the art that various changes in form and detail may be made without departing from the true scope of the invention. For example, all the techniques described above can be used in various combinations. All publications and patent documents cited herein are in their entirety for all purposes, just as each individual publication or patent document is individually indicated as an extension. It is incorporated herein by reference.
【図1】 マイクロ流体システムの実施態様の簡単な略図である;FIG. 1 is a simplified schematic diagram of an embodiment of a microfluidic system;
【図2】 本発明に従う熱源を備えるマイクロ流体システムの略図である;FIG. 2 is a schematic diagram of a microfluidic system with a heat source according to the invention;
【図2A】 図2のシステムにおける温度プロファイルの略図である;2A is a schematic diagram of a temperature profile in the system of FIG. 2;
【図3】 本発明の別の実施態様に従う熱源を備えるマイクロ流体システム
の略図である;FIG. 3 is a schematic diagram of a microfluidic system with a heat source according to another embodiment of the present invention;
【図4】 本発明のなおもう1つの別の実施態様に従う熱源を備えるマイク
ロ流体システムの略図である;FIG. 4 is a schematic illustration of a microfluidic system with a heat source according to yet another embodiment of the present invention;
【図5】 本発明のさらにもう1つの別の実施態様に従う熱源を備えるマイ
クロ流体システムの略図である;FIG. 5 is a schematic diagram of a microfluidic system with a heat source according to yet another embodiment of the present invention;
【図6】 本発明のさらに別の実施態様に従う熱源を備えるマイクロ流体シ
ステムの略図である;FIG. 6 is a schematic diagram of a microfluidic system with a heat source according to yet another embodiment of the present invention;
【図7】 本発明のさらになおもう1つの実施態様に従う熱源を備えるマイ
クロ流体システムの略図である;FIG. 7 is a schematic diagram of a microfluidic system with a heat source according to yet another embodiment of the present invention;
【図8】 本発明に従う複数の熱源を備えるマイクロ流体システムの略図で
ある;FIG. 8 is a schematic diagram of a microfluidic system with multiple heat sources according to the present invention;
【図9】 本発明に従う熱源または冷却源を備えるマイクロ流体システムの
略図である;FIG. 9 is a schematic diagram of a microfluidic system with a heat or cooling source according to the present invention;
【図9A】 本発明に従う熱源または冷却源を備えるマイクロ流体システム
の略図である;FIG. 9A is a schematic illustration of a microfluidic system with a heat or cooling source according to the present invention;
【図10】 上記の図のマイクロ流体システムにおける温度の簡単なプロッ
トである;FIG. 10 is a simple plot of temperature in the microfluidic system of the above figure;
【図11】 本発明に従う全体的な熱源および冷却源を備えるマイクロ流体
システムの略図である;FIG. 11 is a schematic diagram of a microfluidic system with an overall heat and cooling source according to the present invention;
【図12】 本発明に従う全体的な熱源を備えるマイクロ流体システムの略
図である;FIG. 12 is a schematic diagram of a microfluidic system with an overall heat source according to the present invention;
【図13】 本発明に従う温度制御および温度検出方法の簡単なフロー図で
ある;FIG. 13 is a simplified flow diagram of a temperature control and temperature detection method according to the present invention;
【図14】 本発明に従う別の温度制御および温度検出方法の簡単なフロー
図である;FIG. 14 is a simplified flow diagram of another temperature control and temperature detection method according to the present invention;
【図15】 本発明に従うトレーサー材料を使用する、温度制御および温度
検出方法である;FIG. 15 is a temperature control and temperature detection method using a tracer material according to the present invention;
【図16】 本発明に従うプロセスパラメーターをモニターする簡単なフロ
ーチャートである;そしてFIG. 16 is a simplified flow chart for monitoring process parameters according to the present invention; and
【図17】 本発明に従う核酸材料を熱サイクルさせる工程に関する実験結
果の簡単なプロットである。FIG. 17 is a simplified plot of experimental results for the step of thermally cycling nucleic acid material according to the present invention.
【図18】 マイクロスケールチャネル内の溶液の測定された伝導率から決
定される、このチャネル内の温度プロットであり、この温度は、100℃を超え
、そして約150℃まで上昇する。FIG. 18 is a temperature plot in a microscale channel, as determined from the measured conductivity of the solution in the channel, which is above 100 ° C. and increasing to about 150 ° C.
【図19】 本発明に従って、抵抗型電熱および導電率ベースの温度測定に
よってマイクロスケールチャネル内の流体温度をモニターおよび/または制御す
るためのマイクロ流体デバイスと連結された電源の回路図である。FIG. 19 is a circuit diagram of a power supply coupled to a microfluidic device for monitoring and / or controlling fluid temperature in a microscale channel by resistive electrothermal and conductivity-based temperature measurements in accordance with the present invention.
【図20】 本発明に従うマイクロ流体デバイス内の温度を制御およびモニ
ターするために使用されるコンピュータープログラムに関するフローチャートで
ある。FIG. 20 is a flow chart for a computer program used to control and monitor the temperature in a microfluidic device according to the present invention.
【図21A】 PCR増幅反応におけるサイクル数の関数として増加してい
る蛍光の2つのプロット(図21Aおよび図21B)を示す。ここでこの蛍光は
、2本鎖DNA増幅産物の量に関連する。FIG. 21A shows two plots (FIGS. 21A and 21B) of increasing fluorescence as a function of cycle number in a PCR amplification reaction. Here, the fluorescence is related to the amount of the double-stranded DNA amplification product.
【図21B】 PCR増幅反応におけるサイクル数の関数として増加してい
る蛍光の2つのプロット(図21Aおよび図21B)を示す。ここでこの蛍光は
、2本鎖DNA増幅産物の量に関連する。FIG. 21B shows two plots (FIGS. 21A and 21B) of increasing fluorescence as a function of cycle number in a PCR amplification reaction. Here, the fluorescence is related to the amount of the double-stranded DNA amplification product.
【図22】 一体化した増幅および分析操作を行うためのマイクロ流体デバ
イスの平面図である。FIG. 22 is a plan view of a microfluidic device for performing integrated amplification and analysis operations.
【図23】 アッセイに関する電気泳動図である。FIG. 23 is an electropherogram for the assay.
【図24】 アッセイに関する電気泳動図であり、ここでは、白血球が電気
泳動されている。FIG. 24 is an electropherogram for the assay, wherein leukocytes are electrophoresed.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 60/083,532 (32)優先日 平成10年4月29日(1998.4.29) (33)優先権主張国 米国(US) (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 S,UZ,VN,YU,ZW (72)発明者 コプフ−シル, アン アール. アメリカ合衆国 カリフォルニア 94028, ポートラ バレー, ミノカ ロード 30 (72)発明者 パース, ジェイ. ウォレス アメリカ合衆国 カリフォルニア 94306, パロ アルト, ロス ロブルズ アベ ニュー 754 Fターム(参考) 2G042 AA10 BD19 CA10 GA01 4B029 AA23 BB20 CC01 4B063 QA01 QQ42 QQ52 QR08 QR32 QR35 QR38 QR42 QR62 QR66 QS16 QS24 QS25 4G057 AD01 AD11 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (31) Priority claim number 60 / 083,532 (32) Priority date April 29, 1998 (April 29, 1998) (33) Priority claim country United States (US) ( 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, 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, 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, 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 U.S.A., U.S.A., UZ, VN, YU, ZW (72) Inventor Kopf-Sill, Ann A. U.S.A. 94028, Portola Valley, Minoca Road 30 (72) Inventor Perth, Jay. Wallace USA California 94306, Palo Alto, Los Robles Avenue 754 F-term (reference) 2G042 AA10 BD19 CA10 GA01 4B029 AA23 BB20 CC01 4B063 QA01 QQ42 QQ52 QR08 QR32 QR35 QR38 QR42 QR62 QR66 QS16 QS24 QS25 4G057 AD01
Claims (70)
と、 少なくとも該チャネルのある部分における流体の温度を決定するための該チャ
ネルに操作可能に連結されたセンサーと、 第1の上昇した温度まで該チャネルの第1の部分内に配置された流体を加熱す
るために該第1のチャネルの該少なくとも第1の部分を通る第1の電流を印加す
るための、該第1のチャネルの該第1の部分における該流体の決定された温度に
応答性のエネルギー源、 とを備える、マイクロ流体システム。1. A microfluidic system, comprising: a substrate having at least a first microscale channel disposed on the substrate; and a system for determining a temperature of a fluid in at least a portion of the channel. A sensor operably connected to the channel, and passing through the at least a first portion of the first channel to heat a fluid disposed within the first portion of the channel to a first elevated temperature. An energy source responsive to a determined temperature of the fluid in the first portion of the first channel for applying a first current.
の第2の部分の断面積より小さい断面積を備える、請求項1に記載のシステム。2. The system of claim 1, wherein the first portion of the first channel has a cross-sectional area that is less than a cross-sectional area of a second portion of the first channel.
、前記第1のチャネルの前記第1の部分で、該第1のチャネルと交差する該第2
のチャネルの第1の部分とをさらに備える、請求項1に記載のシステム。3. A second micro-scale channel disposed on said substrate and said second channel intersecting said first channel at said first portion of said first channel.
And a first portion of the first channel.
ャネルの前記第1の部分を通る電流を印加する、請求項3に記載のシステム。4. The system of claim 3, wherein the energy source applies a current through the second channel and the first portion of the first channel.
の第2の部分より小さな断面積を備える、請求項3に記載のシステム。5. The system of claim 3, wherein the first portion of the second channel has a smaller cross-sectional area than the second portion of the second channel.
された電源を備える、請求項1に記載のシステム。6. The system of claim 1, wherein the energy source comprises a power source operably connected to the first channel.
かつ前記電源が、該第1のチャネルの該第1の末端と該第2の末端とに連結され
ている、請求項6に記載のシステム。7. The first channel has a first end and a second end,
7. The system of claim 6, wherein the power supply is coupled to the first end and the second end of the first channel.
、前記第1のチャネルの前記第1の末端と前記第2の末端とに連結されている、
請求項6に記載のシステム。8. The power supply is coupled to the first terminal and the second terminal of the first channel via a first electrode and a second electrode, respectively.
The system according to claim 6.
流が、DC、AC、または任意の電流から選択される、請求項6に記載のシステ
ム。9. The system of claim 6, wherein the power supply delivers a current to the first channel portion, wherein the current is selected from DC, AC, or any current.
、DC、またはACおよびDC電流を必要に応じて印加する、請求項6に記載の
システム。10. The method according to claim 1, wherein the power supply is configured to supply AC power through a first portion of the first channel.
7. The system of claim 6, wherein the DC, DC, or AC and DC currents are applied as needed.
部分を通って該材料を輸送するために、該第1のチャネルに操作可能に連結され
た材料輸送システムをさらに備える、請求項1に記載のシステム。11. A material transport system operably connected to the first channel for transporting the material through the first portion of the first channel for increasing a temperature of the material. The system of claim 1, comprising:
え、該動電学的材料輸送システムが、前記第1のチャネルに操作可能に連結され
た電源を備え、該電源が、該第1のチャネルにおいて動電学的材料輸送に影響を
及ぼす流体充填チャネルを通る第2の電流を提供する、請求項11に記載のシス
テム。12. The material transport system comprises an electrokinetic material transport system, wherein the electrokinetic material transport system comprises a power source operably coupled to the first channel, wherein the power source comprises 12. The system of claim 11, providing a second current through the fluid-filled channel that affects electrokinetic material transport in the first channel.
流である、請求項11に記載のシステム。13. The system according to claim 11, wherein said first current is alternating current and said second current is direct current.
の電源を備える、請求項11に記載のシステム。14. The system according to claim 11, wherein the electrokinetic material transport system and the energy source comprise the same power supply.
1の部分において相対抵抗を測定するためのシステムを備え、ここで該相対抵抗
は、該少なくとも第1の部分における温度を指示する、請求項1に記載のシステ
ム。15. The sensor according to claim 15, wherein the sensor comprises a system for measuring a relative resistance at the at least a first portion of the first channel, wherein the relative resistance indicates a temperature at the at least a first portion. The system of claim 1, wherein:
の前記第1の部分における温度を上昇させる該第1のチャネルの該第1の部分を
通る第1の電流を印加するために該第1のチャネルに操作可能に連結された電源
を備え、かつ該第1のチャネルの該第1の部分を通る前記相対抵抗を決定する、
請求項15に記載のシステム。16. The sensor and an energy source for applying a first current through the first portion of the first channel to increase a temperature in the first portion of the first channel. Providing a power supply operably coupled to the first channel and determining the relative resistance through the first portion of the first channel;
The system according to claim 15.
第1のチャネルの前記少なくとも第1の部分における温度に基づいて、該温度を
上昇させ、該少なくとも第1の部分における該温度をモニターし、かつ前記第1
の選択可能な電流を上昇させるかまたは低下させる電気的コントローラに命令す
るための手段とをさらに備える、請求項16に記載のシステム。17. A processor operably connected to the sensor and a temperature of the first channel, the temperature being increased based on the temperature at the at least first portion, and the temperature at the at least first portion. And monitoring the first
Means for instructing an electrical controller to increase or decrease the selectable current of the electronic controller.
さらに備え、該全体温度コントローラが、選択されたレベルで該基板の温度を維
持する、請求項1に記載のシステム。18. The system of claim 1, further comprising an overall temperature controller operably coupled to the substrate, wherein the overall temperature controller maintains the temperature of the substrate at a selected level.
レベルである、請求項18に記載のシステム。19. The system of claim 18, wherein said selected level is a level above or below ambient temperature.
熱電ヒーター、制御された温度のガス噴射、および制御された温度の流体浴から
選択される、請求項18に記載のシステム。20. The system of claim 18, wherein said overall temperature controller is selected from a resistive heating element, a Peltier thermoelectric heater, a controlled temperature gas jet, and a controlled temperature fluid bath.
れた抵抗型加熱素子またはペルチエ熱電ヒーターである、請求項18に記載のシ
ステム。21. The system of claim 18, wherein said overall temperature controller is a resistive heating element or a Peltier thermoelectric heater located adjacent to said substrate.
部分を通って該材料を輸送するために、該第1のチャネルに操作可能に連結され
た材料輸送システムをさらに備える、請求項1に記載のシステム。22. A material transport system operably connected to the first channel for transporting the material through the first portion of the first channel that increases a temperature of the material. The system of claim 1, comprising:
え、該動電学的材料輸送システムは、前記第1のチャネルに操作可能に連結され
た電源を備え、該電源は、該第1のチャネルにおける動電学的材料輸送に影響を
及ぼす前記流体充填チャネルを通して第2の電流を提供する、請求項22に記載
のシステム。23. The material transport system comprises an electrokinetic material transport system, wherein the electrokinetic material transport system comprises a power supply operably coupled to the first channel, wherein the power supply comprises 23. The system of claim 22, wherein a second current is provided through the fluid-filled channel that affects electrokinetic material transport in the first channel.
行うための試薬を含む、請求項1に記載のシステム。24. The system of claim 1, wherein said first portion of said first channel comprises a reagent for performing a nucleic acid amplification reaction.
求項24に記載のシステム。25. The system according to claim 24, wherein the nucleic acid amplification reaction is selected from PCR and LCR.
ンピューターをさらに備える、請求項1に記載のシステムであって、該コンピュ
ーターが、前記第1のチャネルの前記第1の部分内の該センサーによって検出さ
れる温度に応答して、該第1のチャネルの該第1の部分を通る前記第1の電流を
印加するようにエネルギー源に命令するための適切なプログラミングを含む、シ
ステム。26. The system of claim 1, further comprising a computer operably connected to the energy source and a sensor, wherein the computer is in the first portion of the first channel. A suitable programming to instruct an energy source to apply the first current through the first portion of the first channel in response to a temperature detected by the sensor of the first channel. .
分における流体の温度を制御するための方法であって、 該第1のチャネルの少なくとも該第1の部分を通る第1の電気抵抗を有する該
第1の部分に第1の電流を印加する工程; 第1の選択された上昇した温度まで、該第1のチャネルの該第1の部分におけ
る該流体の温度を上昇させる、該第1の電流と該第1の抵抗のうち少なくとも1
つを制御する工程、 を包含する、方法。27. A method for controlling a temperature of a fluid in at least a first portion of a first channel disposed in a substrate, the method comprising controlling a temperature of the first channel through at least the first portion of the first channel. Applying a first current to the first portion having an electrical resistance of 1; increasing a temperature of the fluid in the first portion of the first channel to a first selected elevated temperature. At least one of the first current and the first resistance
Controlling one of the methods.
おける流体の温度を決定する工程、および前記第1の選択された上昇した温度と
実質的に等しい温度まで流体温度を上昇させるかまたは低下させるために、前記
第1の電流をそれぞれ増加させるかまたは減少させる工程を包含する、請求項2
7に記載の方法。28. The method according to claim 28, wherein the controlling step determines a temperature of the fluid in the first portion of the first channel, and the fluid temperature to a temperature substantially equal to the first selected elevated temperature. 3. Increasing or decreasing the first current, respectively, to increase or decrease the current.
7. The method according to 7.
流体の相対伝導率を決定する工程、および該温度と該相対伝導率とを相関させる
工程を包含する、請求項28に記載の方法。29. The step of determining the temperature includes determining a relative conductivity of the fluid in the first channel, and correlating the temperature with the relative conductivity. 28. The method according to 28.
して、増加した抵抗を有する該第1のチャネルの前記第1の部分を提供する工程
を包含する、請求項27に記載の方法。30. The method according to claim 30, wherein the controlling step includes providing the first portion of the first channel having an increased resistance as compared to a second portion of the first channel. Item 28. The method according to Item 27.
より小さな断面積を備える、請求項30に記載の方法。31. The method of claim 30, wherein the first portion has a smaller cross-sectional area than the second portion of the first channel.
ルチャネルを通る前記第1の電流を印加する工程を包含し、ここで該第2のチャ
ネルは、該第2のチャネルの第1の部分で前記第1の流体チャネルと交差し、該
第2のチャネルの該第1の部分が、該第1のチャネルの該第1の部分で該第1の
チャネルと交差しかつ流体連通状態にある、請求項27に記載の方法。32. The controlling step includes applying the first current through a second microscale channel disposed on the substrate, wherein the second channel comprises the second channel. Intersects the first fluid channel at a first portion of the first channel, the first portion of the second channel intersects the first channel at the first portion of the first channel, and 28. The method of claim 27, wherein the method is in fluid communication.
ルの第2の部分より小さな断面積を備える、請求項32に記載の方法。33. The method of claim 32, wherein the first portion of the second channel has a smaller cross-sectional area than the second portion of the second channel.
少なくとも第2の選択された温度との間で流体温度をサイクルさせる工程をさら
に包含する、請求項27に記載の方法。34. The method according to claim 34, wherein the controlling step comprises:
28. The method of claim 27, further comprising cycling the fluid temperature between at least a second selected temperature.
、前記第2の選択された温度と、第3の選択された温度との間で流体の温度をサ
イクルさせる工程を包含する、請求項34に記載の方法。35. The controlling step comprises: cycling a temperature of the fluid between at least the first selected temperature, the second selected temperature, and a third selected temperature. 35. The method of claim 34, comprising.
34に記載の方法。36. The method of claim 34, wherein said fluid comprises a reagent for performing a nucleic acid amplification reaction.
さらに包含する、請求項27に記載の方法。37. The method of claim 27, further comprising maintaining the temperature of said substrate at a second selected temperature.
低い、請求項37に記載の方法。38. The method of claim 37, wherein said second selected temperature is higher or lower than ambient temperature.
て、前記流体中の材料を輸送する工程をさらに包含する、請求項27に記載の方
法。39. The method of claim 27, further comprising transporting the material in the fluid through the at least a first portion that increases the temperature of the material.
の前記第1の部分を通って、動電学的に輸送する工程を包含する、請求項39に
記載の方法。40. The method of claim 39, wherein said transporting step comprises electrokinetically transporting material in said fluid through said first portion of said first channel. .
ルの前記第1の部分を通って、該材料を含む流体を電気浸透的に輸送する工程を
包含する、請求項40に記載の方法。41. Electrokinetically transporting the material comprises electroosmotically transporting a fluid containing the material through the first portion of the first channel. 41. The method according to claim 40.
ルの前記第1の部分を通って、該材料を電気泳動的に輸送する工程を包含する, 請求項40に記載の方法。42. The electrokinetically transporting the material comprises electrophoretically transporting the material through the first portion of the first channel. The method described in.
を動電学的に輸送する工程が、該第1のチャネルの該第1の部分を通る第2の電
流を印加して該第1のチャネルの前記第1の部分を通って該材料を動電学的に輸
送する工程を包含する、請求項40に記載の方法。43. The step of electrokinetically transporting the material through the first portion of the first channel, wherein the step of electrokinetically transporting the material comprises a second current through the first portion of the first channel. 41. The method of claim 40, comprising applying electromechanically to transport the material through the first portion of the first channel.
ンプル、分析物、緩衝液または試薬から選択される、請求項27に記載の方法。46. The method of claim 27, wherein the fluid in the first portion of the first channel is selected from a sample, an analyte, a buffer, or a reagent.
1のチャネルの第2の部分を維持する工程をさらに包含する、請求項27に記載
の方法。47. The method of claim 27, further comprising maintaining a second portion of the first channel at a temperature lower than the first selected elevated temperature.
ける流体の温度を実質的に上昇させることなく、前記第1のチャネルの前記第1
の部分における前記流体の温度を上昇させる工程を包含する,請求項27に記載 の方法。48. The method according to claim 48, wherein the controlling step does not substantially increase the temperature of the fluid in another channel disposed on the substrate.
28. The method of claim 27, comprising increasing the temperature of the fluid in a portion of the fluid.
された少なくとも第1の電極および第2の電極を介して、前記第1のチャネルの
前記第1の部分に印加され、該第1の電極および該第2の電極もまた、電源に操
作可能に連結されている、請求項27に記載の方法。49. The first current flows to the first portion of the first channel via at least a first electrode and a second electrode operably connected to the first channel. 28. The method of claim 27, wherein the applied first electrode and the second electrode are also operably connected to a power supply.
提供する工程であって、該増幅試薬が、テンプレート核酸、プライマー配列、ヌ
クレオシド3リン酸、およびポリメラーゼ酵素を含む、工程; 増幅反応内の融解反応、アニーリング反応、および伸長反応を行うために適切
な温度まで、少なくとも第1の部分内で温度を反復してサイクルさせる工程であ
って、ここで該温度をサイクルさせる工程は、該第1のチャネルの該第1の部分
を通して、可変可能に電流を印加する工程を包含し、該電流は、該第1のチャネ
ルの該第1の部分における流体を加熱する、工程、 を包含する、方法。50. A method of performing a nucleic acid amplification reaction, comprising providing an amplification reaction reagent in at least a first portion of a first microscale channel, wherein the amplification reagent comprises a template nucleic acid, a primer A sequence comprising a sequence, a nucleoside triphosphate, and a polymerase enzyme; cycling the temperature at least in the first portion to at least a suitable temperature for performing the melting, annealing, and extension reactions in the amplification reaction Cycling the temperature, wherein cycling the temperature comprises variably applying a current through the first portion of the first channel, wherein the current is applied to the first channel. Heating the fluid in the first portion of the method.
安定性ポリメラーゼ酵素である、請求項50に記載の方法。51. The method of claim 50, wherein said polymerase provided in said providing step is a thermostable polymerase enzyme.
、非熱安定性ポリメラーゼである、請求項50に記載の方法。52. The method of claim 50, wherein said polymerase enzyme provided in said providing step is a non-thermostable polymerase.
まで20秒未満で、前記第1のチャネルの前記第1の部分における前記流体の温
度を上昇させる工程を包含する、請求項52に記載の方法。53. The method of claim 52, wherein said cycling comprises increasing the temperature of said fluid in said first portion of said first channel in less than 20 seconds to a melting temperature of a template nucleic acid. The described method.
まで10秒未満で、前記第1のチャネルの前記第1の部分における前記流体の温
度を上昇させる工程を包含する、請求項52に記載の方法。54. The method of claim 52, wherein said cycling comprises increasing the temperature of said fluid in said first portion of said first channel in less than 10 seconds to a melting temperature of a template nucleic acid. The described method.
まで5秒未満で、前記第1のチャネルの前記第1の部分における前記流体の温度
を上昇させる工程を包含する、請求項52に記載の方法。55. The method of claim 52, wherein said cycling comprises increasing the temperature of said fluid in said first portion of said first channel to a melting temperature of a template nucleic acid in less than 5 seconds. The described method.
イクロスケールチャネルは第1の部分および第2の部分を有し、該第1の部分が
上昇した温度領域を備え、電流が該第1のマイクロスケールチャネルを通して印
加された場合、該上昇した温度領域が、該第1のチャネルの他の部分と比較して
、そこを通る増加した電気抵抗を有する、第1のマイクロスケールチャネル。56. A microfluidic device comprising: a substrate; a first microscale channel disposed in the substrate, the first microscale channel having a first portion and a second portion. And wherein the first portion comprises an elevated temperature region, wherein when the current is applied through the first microscale channel, the elevated temperature region is compared to other portions of the first channel. A first microscale channel having increased electrical resistance therethrough.
チャネルの他の部分より小さな断面積を備える、請求項56に記載のデバイス。57. The device of claim 56, wherein the elevated temperature region of the first channel comprises a smaller cross-sectional area than other portions of the first channel.
備え、該第2のチャネルは、前記上昇した温度領域で前記第1のチャネルと交差
する、請求項56に記載のデバイス。58. The device of claim 56, further comprising at least a second channel disposed on said substrate, said second channel intersecting said first channel at said elevated temperature region.
ログラム製品であって、該コンピュータープログラム製品が、前記チャネルにお
いて検出された温度に応答して、第1のチャネルの第1の部分に配置された流体
を含む前記第1のチャネルの前記第1の部分に印加された電流を調節するエネル
ギー源に命令するコードを含む、コンピューター読み取り可能なメモリを備える
、コンピュータープログラム製品。59. A computer program product for operating a microfluidic system, wherein the computer program product is disposed in a first portion of a first channel in response to a temperature detected in the channel. Computer program product comprising a computer readable memory comprising code for instructing an energy source to regulate an electric current applied to the first portion of the first channel containing the fluid.
の材料を動電学的に移動させる前記第1のチャネルにおける該流体を横切る電場
を調節するエネルギー源に命令するコードをさらに含む、請求項59に記載のコ
ンピュータープログラム。60. The computer readable memory further includes code for instructing an energy source that modulates an electric field across the fluid in the first channel to electrokinetically move material in the fluid. A computer program according to claim 59.
第1の部分に操作可能に連結されたエネルギー源と操作可能に連結されたコンピ
ューターにインストールされる、請求項59に記載のコンピュータープログラム
。61. The computer of claim 59, wherein the program is installed on a computer operably connected to an energy source operably connected to at least the first portion of the first channel. program.
をさらに含み、前記プログラムが、該ユーザー入力温度プロファイルに従って前
記第1のチャネルの前記第1の部分における流体を加熱する該第1のチャネルの
該第1の部分に印加される前記電流を調節するエネルギー源に命令する、請求項
59に記載のコンピュータープログラム。62. The apparatus of claim 62, further comprising code for accepting a user input temperature profile, wherein the program heats fluid in the first portion of the first channel according to the user input temperature profile. 60. The computer program of claim 59, wherein the computer program directs an energy source that regulates the current applied to the first portion.
流体の温度を制御するためのコンピューター実行プロセスであって、 該チャネルの該部分における流体の温度を検出する工程; 予め選択された温度と、該チャネルの該部分における該温度とを比較する工程
;および 該予め選択された温度とほぼ等しい温度まで、該チャネルにおける該温度を上
昇させるかまたは低下させるために、該チャネルを通して印加された電流を増加
させるかまたは減少させる工程、 を包含する、プロセス。63. A computer-implemented process for controlling the temperature of a fluid in at least a portion of a microscale channel, the method comprising: detecting a temperature of a fluid in the portion of the channel; Comparing the temperature in the portion of the channel with the temperature; and increasing the current applied through the channel to increase or decrease the temperature in the channel to a temperature approximately equal to the preselected temperature Reducing or reducing the process.
の相対伝導率を決定する工程、および該流体の該相対伝導率と、該流体の温度と
を相関させる工程を包含する、請求項63に記載のプロセス。64. The detecting step includes determining a relative conductivity of a fluid in a first portion of the channel, and correlating the relative conductivity of the fluid with a temperature of the fluid. 64. The process of claim 63.
流体の温度を制御する電源の使用であって、該マイクロスケールチャネルの該部
分を通る第1の電流を印加して、所望の温度まで前記チャネルの前記第1の部分
における流体の前記温度を上昇させることによる、使用。65. Use of a power supply to control the temperature of a fluid in at least a portion of the microscale channel, wherein a first current is applied through the portion of the microscale channel to bring the channel to a desired temperature. Use by increasing the temperature of the fluid in the first portion of the method.
電流の使用をさらに包含する、請求項65に記載の使用。68. The use of claim 65, further comprising the use of a second current to move fluid through the portion of the channel.
1のチャネルに操作可能に連結された少なくとも第1の電極および第2の電極を
介して該チャネルの部分に印加される、請求項65に記載の使用。69. The first current is applied to a portion of a channel via at least a first electrode and a second electrode operatively connected to an energy source and operably connected to the first channel. 66. The use of claim 65, wherein
、流体の伝導率を使用してモニターされる、請求項65に記載の使用。70. The use of claim 65, wherein the temperature of the fluid in the portion of the first channel is monitored using fluid conductivity.
Applications Claiming Priority (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US5605897P | 1997-09-02 | 1997-09-02 | |
| US08/977,528 US5965410A (en) | 1997-09-02 | 1997-11-25 | Electrical current for controlling fluid parameters in microchannels |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001515204A true JP2001515204A (en) | 2001-09-18 |
Family
ID=27368961
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000508970A Pending JP2001515204A (en) | 1997-09-02 | 1998-08-27 | Microfluidic system with electrofluid control and electrothermal control |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1009995A4 (en) |
| JP (1) | JP2001515204A (en) |
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| CA (1) | CA2300203A1 (en) |
| WO (1) | WO1999012016A1 (en) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003149252A (en) * | 2001-11-16 | 2003-05-21 | Starlite Co Ltd | Chemical micro-device |
| JP2005505754A (en) * | 2001-07-25 | 2005-02-24 | ザ トラスティーズ オブ プリンストン ユニバーシテイ | Nanochannel arrays for high-throughput macromolecular analysis and their preparation and use |
| WO2006006679A1 (en) * | 2004-07-14 | 2006-01-19 | Ebara Corporation | Microchannel chip reaction control system, micro total reaction system having the same, and micro total analysis system |
| JPWO2004029079A1 (en) * | 2002-09-25 | 2006-01-26 | 農工大ティー・エル・オー株式会社 | Protein complex purification method, assay method, purification apparatus and assay apparatus |
| JP2006082079A (en) * | 2004-09-16 | 2006-03-30 | F Hoffmann La Roche Ag | Method and apparatus for adjusting fluid temperature and microfabrication system |
| JP2006145516A (en) * | 2004-07-14 | 2006-06-08 | Ebara Corp | Microchannel chip reaction control system, micro total reaction system having the same, and micro total analysis system |
| JP2009521682A (en) * | 2005-12-22 | 2009-06-04 | ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド | Portable sample analysis system |
| JP2009525759A (en) * | 2006-02-09 | 2009-07-16 | カリパー ライフ サイエンシズ,インコーポレイテッド | Method and apparatus for generating a thermal melting curve in a microfluidic device |
| JP2014198337A (en) * | 2003-08-27 | 2014-10-23 | プレジデント アンド フェローズ オブ ハーバード カレッジ | Electronic control of fluid species |
| US20150283546A1 (en) | 2003-04-10 | 2015-10-08 | President And Fellows Of Harvard College | Formation and control of fluidic species |
Families Citing this family (89)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5885470A (en) | 1997-04-14 | 1999-03-23 | Caliper Technologies Corporation | Controlled fluid transport in microfabricated polymeric substrates |
| US5942443A (en) | 1996-06-28 | 1999-08-24 | Caliper Technologies Corporation | High throughput screening assay systems in microscale fluidic devices |
| NZ333346A (en) | 1996-06-28 | 2000-03-27 | Caliper Techn Corp | High-throughput screening assay systems in microscale fluidic devices |
| US7033474B1 (en) | 1997-04-25 | 2006-04-25 | Caliper Life Sciences, Inc. | Microfluidic devices incorporating improved channel geometries |
| AU727083B2 (en) * | 1997-04-25 | 2000-11-30 | Caliper Life Sciences, Inc. | Microfluidic devices incorporating improved channel geometries |
| US6524790B1 (en) | 1997-06-09 | 2003-02-25 | Caliper Technologies Corp. | Apparatus and methods for correcting for variable velocity in microfluidic systems |
| US5989402A (en) | 1997-08-29 | 1999-11-23 | Caliper Technologies Corp. | Controller/detector interfaces for microfluidic systems |
| US7497994B2 (en) | 1998-02-24 | 2009-03-03 | Khushroo Gandhi | Microfluidic devices and systems incorporating cover layers |
| US6756019B1 (en) | 1998-02-24 | 2004-06-29 | Caliper Technologies Corp. | Microfluidic devices and systems incorporating cover layers |
| US6251343B1 (en) | 1998-02-24 | 2001-06-26 | Caliper Technologies Corp. | Microfluidic devices and systems incorporating cover layers |
| US6306590B1 (en) | 1998-06-08 | 2001-10-23 | Caliper Technologies Corp. | Microfluidic matrix localization apparatus and methods |
| EP1084391A4 (en) | 1998-06-08 | 2006-06-14 | Caliper Life Sciences Inc | Microfluidic devices, systems and methods for performing integrated reactions and separations |
| US6716394B2 (en) | 1998-08-11 | 2004-04-06 | Caliper Technologies Corp. | DNA sequencing using multiple fluorescent labels being distinguishable by their decay times |
| US6447724B1 (en) | 1998-08-11 | 2002-09-10 | Caliper Technologies Corp. | DNA sequencing using multiple fluorescent labels being distinguishable by their decay times |
| US6149787A (en) | 1998-10-14 | 2000-11-21 | Caliper Technologies Corp. | External material accession systems and methods |
| US6416642B1 (en) | 1999-01-21 | 2002-07-09 | Caliper Technologies Corp. | Method and apparatus for continuous liquid flow in microscale channels using pressure injection, wicking, and electrokinetic injection |
| ATE556149T1 (en) | 1999-02-23 | 2012-05-15 | Caliper Life Sciences Inc | MANIPULATION OF MICROPARTICLES IN MICROFLUIDIC SYSTEMS |
| US6326083B1 (en) | 1999-03-08 | 2001-12-04 | Calipher Technologies Corp. | Surface coating for microfluidic devices that incorporate a biopolymer resistant moiety |
| CN1181337C (en) | 2000-08-08 | 2004-12-22 | 清华大学 | Method for manipulating solid molecules in microfluidic system and related kits |
| US6500323B1 (en) | 1999-03-26 | 2002-12-31 | Caliper Technologies Corp. | Methods and software for designing microfluidic devices |
| US6303343B1 (en) | 1999-04-06 | 2001-10-16 | Caliper Technologies Corp. | Inefficient fast PCR |
| US6349740B1 (en) * | 1999-04-08 | 2002-02-26 | Abbott Laboratories | Monolithic high performance miniature flow control unit |
| US6458259B1 (en) | 1999-05-11 | 2002-10-01 | Caliper Technologies Corp. | Prevention of surface adsorption in microchannels by application of electric current during pressure-induced flow |
| US6592821B1 (en) | 1999-05-17 | 2003-07-15 | Caliper Technologies Corp. | Focusing of microparticles in microfluidic systems |
| AU770678B2 (en) | 1999-05-17 | 2004-02-26 | Caliper Life Sciences, Inc. | Focusing of microparticles in microfluidic systems |
| AU5291600A (en) | 1999-06-01 | 2000-12-18 | Caliper Technologies Corporation | Microscale assays and microfluidic devices for transporter, gradient induced, and binding activities |
| AU6068300A (en) | 1999-07-06 | 2001-01-22 | Caliper Technologies Corporation | Microfluidic systems and methods for determining modulator kinetics |
| US6977145B2 (en) | 1999-07-28 | 2005-12-20 | Serono Genetics Institute S.A. | Method for carrying out a biochemical protocol in continuous flow in a microreactor |
| ATE419384T1 (en) | 1999-07-28 | 2009-01-15 | Merck Serono Biodevelopment | FLOW MICROREACTOR IN WHICH LOCAL TEMPERATURE CYCLES ACTION ON A FLOWING SAMPLE |
| US6858185B1 (en) | 1999-08-25 | 2005-02-22 | Caliper Life Sciences, Inc. | Dilutions in high throughput systems with a single vacuum source |
| EP1208240A4 (en) * | 1999-08-26 | 2006-10-04 | Univ Princeton | MICROFLUIDIC AND MACROFLUIDIC ELECTRONIC DEVICES FOR DETECTING CHANGES IN THE CAPACITY OF LIQUIDS AND METHOD FOR THEIR USE. |
| US6613581B1 (en) | 1999-08-26 | 2003-09-02 | Caliper Technologies Corp. | Microfluidic analytic detection assays, devices, and integrated systems |
| WO2001027253A1 (en) | 1999-10-08 | 2001-04-19 | Caliper Technologies Corp. | Use of nernstein voltage sensitive dyes in measuring transmembrane voltage |
| US6884395B2 (en) | 2000-05-12 | 2005-04-26 | Gyros Ab | Integrated microfluidic disc |
| EP1738829A1 (en) * | 2000-01-04 | 2007-01-03 | The Regents of the University of California | Polymerase chain reaction system |
| US6699713B2 (en) * | 2000-01-04 | 2004-03-02 | The Regents Of The University Of California | Polymerase chain reaction system |
| US6468761B2 (en) | 2000-01-07 | 2002-10-22 | Caliper Technologies, Corp. | Microfluidic in-line labeling method for continuous-flow protease inhibition analysis |
| US7037416B2 (en) | 2000-01-14 | 2006-05-02 | Caliper Life Sciences, Inc. | Method for monitoring flow rate using fluorescent markers |
| US6556923B2 (en) | 2000-01-26 | 2003-04-29 | Caliper Technologies Corp. | Software for high throughput microfluidic systems |
| US20020012971A1 (en) | 2000-03-20 | 2002-01-31 | Mehta Tammy Burd | PCR compatible nucleic acid sieving medium |
| US6733645B1 (en) | 2000-04-18 | 2004-05-11 | Caliper Technologies Corp. | Total analyte quantitation |
| US6669831B2 (en) | 2000-05-11 | 2003-12-30 | Caliper Technologies Corp. | Microfluidic devices and methods to regulate hydrodynamic and electrical resistance utilizing bulk viscosity enhancers |
| CA2407141A1 (en) | 2000-05-12 | 2001-11-22 | Caliper Technologies Corporation | Detection of nucleic acid hybridization by fluorescence polarization |
| WO2002001184A1 (en) * | 2000-06-23 | 2002-01-03 | Micronics, Inc. | Fluid mixing on (partially) covered sample slides |
| EP1315570A4 (en) | 2000-08-03 | 2006-12-13 | Caliper Life Sciences Inc | Methods and devices for high throughput fluid delivery |
| JP3993372B2 (en) * | 2000-09-13 | 2007-10-17 | 独立行政法人理化学研究所 | Reactor manufacturing method |
| WO2002022878A1 (en) * | 2000-09-14 | 2002-03-21 | Caliper Technologies Corp. | Microfluidic devices and methods for performing temperature mediated reactions |
| CN100495030C (en) | 2000-09-30 | 2009-06-03 | 清华大学 | Multi-force operator and use thereof |
| AU2001296551A1 (en) * | 2000-10-05 | 2002-04-15 | E.I. Du Pont De Nemours And Company | Polymeric microfabricated fluidic device suitable for ultraviolet detection |
| US20090118139A1 (en) | 2000-11-07 | 2009-05-07 | Caliper Life Sciences, Inc. | Microfluidic method and system for enzyme inhibition activity screening |
| JP3628611B2 (en) * | 2000-11-29 | 2005-03-16 | 独立行政法人科学技術振興機構 | Flow control method in micro system |
| AU2002217067A1 (en) * | 2000-11-29 | 2002-06-11 | Proteologics Inc. | Method and apparatus for decoupling temperature and electric field in electrophoresis separation |
| US6692700B2 (en) | 2001-02-14 | 2004-02-17 | Handylab, Inc. | Heat-reduction methods and systems related to microfluidic devices |
| JP3941537B2 (en) * | 2001-02-28 | 2007-07-04 | ソニー株式会社 | Heat transport equipment |
| US7829025B2 (en) | 2001-03-28 | 2010-11-09 | Venture Lending & Leasing Iv, Inc. | Systems and methods for thermal actuation of microfluidic devices |
| US7010391B2 (en) | 2001-03-28 | 2006-03-07 | Handylab, Inc. | Methods and systems for control of microfluidic devices |
| US6575188B2 (en) * | 2001-07-26 | 2003-06-10 | Handylab, Inc. | Methods and systems for fluid control in microfluidic devices |
| US8895311B1 (en) | 2001-03-28 | 2014-11-25 | Handylab, Inc. | Methods and systems for control of general purpose microfluidic devices |
| US6852287B2 (en) | 2001-09-12 | 2005-02-08 | Handylab, Inc. | Microfluidic devices having a reduced number of input and output connections |
| US7723123B1 (en) | 2001-06-05 | 2010-05-25 | Caliper Life Sciences, Inc. | Western blot by incorporating an affinity purification zone |
| US9678038B2 (en) | 2001-07-25 | 2017-06-13 | The Trustees Of Princeton University | Nanochannel arrays and their preparation and use for high throughput macromolecular analysis |
| US7160423B2 (en) | 2002-03-05 | 2007-01-09 | Caliper Life Sciences, Inc. | Mixed mode microfluidic systems |
| CA2528208A1 (en) | 2003-06-06 | 2004-12-16 | Micronics, Inc. | System and method for heating, cooling and heat cycling on microfluidic device |
| US7648835B2 (en) | 2003-06-06 | 2010-01-19 | Micronics, Inc. | System and method for heating, cooling and heat cycling on microfluidic device |
| DE10332289B4 (en) * | 2003-07-16 | 2018-06-14 | Disetronic Licensing Ag | Fluid system with safety device |
| EP2407243B1 (en) | 2003-07-31 | 2020-04-22 | Handylab, Inc. | Multilayered microfluidic device |
| US8852862B2 (en) | 2004-05-03 | 2014-10-07 | Handylab, Inc. | Method for processing polynucleotide-containing samples |
| US7998708B2 (en) | 2006-03-24 | 2011-08-16 | Handylab, Inc. | Microfluidic system for amplifying and detecting polynucleotides in parallel |
| ES2692380T3 (en) | 2006-03-24 | 2018-12-03 | Handylab, Inc. | Method to perform PCR with a cartridge with several tracks |
| US10900066B2 (en) | 2006-03-24 | 2021-01-26 | Handylab, Inc. | Microfluidic system for amplifying and detecting polynucleotides in parallel |
| US11806718B2 (en) | 2006-03-24 | 2023-11-07 | Handylab, Inc. | Fluorescence detector for microfluidic diagnostic system |
| US8765076B2 (en) | 2006-11-14 | 2014-07-01 | Handylab, Inc. | Microfluidic valve and method of making same |
| WO2008060604A2 (en) | 2006-11-14 | 2008-05-22 | Handylab, Inc. | Microfluidic system for amplifying and detecting polynucleotides in parallel |
| AU2008232616B2 (en) | 2007-03-28 | 2014-08-07 | Bionano Genomics, Inc. | Methods of macromolecular analysis using nanochannel arrays |
| ES2453107T3 (en) * | 2007-06-11 | 2014-04-04 | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | Nucleic acid amplification procedure using a microchip PCR with integrated real-time CE detection |
| US9186677B2 (en) | 2007-07-13 | 2015-11-17 | Handylab, Inc. | Integrated apparatus for performing nucleic acid extraction and diagnostic testing on multiple biological samples |
| US8287820B2 (en) | 2007-07-13 | 2012-10-16 | Handylab, Inc. | Automated pipetting apparatus having a combined liquid pump and pipette head system |
| WO2009012185A1 (en) | 2007-07-13 | 2009-01-22 | Handylab, Inc. | Polynucleotide capture materials, and methods of using same |
| US8133671B2 (en) | 2007-07-13 | 2012-03-13 | Handylab, Inc. | Integrated apparatus for performing nucleic acid extraction and diagnostic testing on multiple biological samples |
| US8182763B2 (en) | 2007-07-13 | 2012-05-22 | Handylab, Inc. | Rack for sample tubes and reagent holders |
| US8105783B2 (en) | 2007-07-13 | 2012-01-31 | Handylab, Inc. | Microfluidic cartridge |
| US9618139B2 (en) | 2007-07-13 | 2017-04-11 | Handylab, Inc. | Integrated heater and magnetic separator |
| USD787087S1 (en) | 2008-07-14 | 2017-05-16 | Handylab, Inc. | Housing |
| JP5279926B2 (en) * | 2011-03-23 | 2013-09-04 | アークレイ株式会社 | Analysis apparatus and analysis method |
| CN106190806B (en) | 2011-04-15 | 2018-11-06 | 贝克顿·迪金森公司 | Scan real-time microfluid thermal cycler and the method for synchronous thermal cycle and scanning optical detection |
| EP3273253B1 (en) | 2011-09-30 | 2020-08-26 | Becton, Dickinson and Company | Unitized reagent strip |
| USD692162S1 (en) | 2011-09-30 | 2013-10-22 | Becton, Dickinson And Company | Single piece reagent holder |
| CN104040238B (en) | 2011-11-04 | 2017-06-27 | 汉迪拉布公司 | Polynucleotides sample preparation apparatus |
| BR112014018995B1 (en) | 2012-02-03 | 2021-01-19 | Becton, Dickson And Company | systems to perform automated testing |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5252293A (en) * | 1989-01-17 | 1993-10-12 | Vladimir Drbal | Analytical slide with porous filter membrane |
| US5587128A (en) * | 1992-05-01 | 1996-12-24 | The Trustees Of The University Of Pennsylvania | Mesoscale polynucleotide amplification devices |
| US5498392A (en) * | 1992-05-01 | 1996-03-12 | Trustees Of The University Of Pennsylvania | Mesoscale polynucleotide amplification device and method |
| US5637469A (en) * | 1992-05-01 | 1997-06-10 | Trustees Of The University Of Pennsylvania | Methods and apparatus for the detection of an analyte utilizing mesoscale flow systems |
| US5639423A (en) * | 1992-08-31 | 1997-06-17 | The Regents Of The University Of Calfornia | Microfabricated reactor |
| DE69331996T2 (en) * | 1992-09-14 | 2002-12-05 | Purdue Research Foundation, West Lafayette | Chemical analysis by electrophoresis |
| WO1994020843A1 (en) * | 1993-03-05 | 1994-09-15 | Pawliszyn Janusz B | Method and device for isoelectric focusing without carrier ampholytes |
| US6001229A (en) * | 1994-08-01 | 1999-12-14 | Lockheed Martin Energy Systems, Inc. | Apparatus and method for performing microfluidic manipulations for chemical analysis |
| US5641400A (en) * | 1994-10-19 | 1997-06-24 | Hewlett-Packard Company | Use of temperature control devices in miniaturized planar column devices and miniaturized total analysis systems |
| US5571410A (en) * | 1994-10-19 | 1996-11-05 | Hewlett Packard Company | Fully integrated miniaturized planar liquid sample handling and analysis device |
| US6132580A (en) * | 1995-09-28 | 2000-10-17 | The Regents Of The University Of California | Miniature reaction chamber and devices incorporating same |
| US5779868A (en) * | 1996-06-28 | 1998-07-14 | Caliper Technologies Corporation | Electropipettor and compensation means for electrophoretic bias |
| US5800690A (en) * | 1996-07-03 | 1998-09-01 | Caliper Technologies Corporation | Variable control of electroosmotic and/or electrophoretic forces within a fluid-containing structure via electrical forces |
| US5699157A (en) * | 1996-07-16 | 1997-12-16 | Caliper Technologies Corp. | Fourier detection of species migrating in a microchannel |
-
1998
- 1998-08-27 JP JP2000508970A patent/JP2001515204A/en active Pending
- 1998-08-27 CA CA002300203A patent/CA2300203A1/en not_active Abandoned
- 1998-08-27 WO PCT/US1998/017910 patent/WO1999012016A1/en not_active Ceased
- 1998-08-27 AU AU92103/98A patent/AU746098B2/en not_active Ceased
- 1998-08-27 EP EP98944596A patent/EP1009995A4/en not_active Withdrawn
Cited By (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013050453A (en) * | 2001-07-25 | 2013-03-14 | Trustees Of Princeton Univ | Nanochannel arrays and their preparation and use for high throughput macromolecular analysis |
| JP2005505754A (en) * | 2001-07-25 | 2005-02-24 | ザ トラスティーズ オブ プリンストン ユニバーシテイ | Nanochannel arrays for high-throughput macromolecular analysis and their preparation and use |
| JP2009036773A (en) * | 2001-07-25 | 2009-02-19 | Trustees Of Princeton Univ | Nanochannel arrays for high-throughput macromolecular analysis and their preparation and use |
| JP2003149252A (en) * | 2001-11-16 | 2003-05-21 | Starlite Co Ltd | Chemical micro-device |
| JPWO2004029079A1 (en) * | 2002-09-25 | 2006-01-26 | 農工大ティー・エル・オー株式会社 | Protein complex purification method, assay method, purification apparatus and assay apparatus |
| US11141731B2 (en) | 2003-04-10 | 2021-10-12 | President And Fellows Of Harvard College | Formation and control of fluidic species |
| US10293341B2 (en) | 2003-04-10 | 2019-05-21 | President And Fellows Of Harvard College | Formation and control of fluidic species |
| US20150283546A1 (en) | 2003-04-10 | 2015-10-08 | President And Fellows Of Harvard College | Formation and control of fluidic species |
| US11383234B2 (en) | 2003-08-27 | 2022-07-12 | President And Fellows Of Harvard College | Electronic control of fluidic species |
| US10625256B2 (en) | 2003-08-27 | 2020-04-21 | President And Fellows Of Harvard College | Electronic control of fluidic species |
| US9789482B2 (en) | 2003-08-27 | 2017-10-17 | President And Fellows Of Harvard College | Methods of introducing a fluid into droplets |
| US9878325B2 (en) | 2003-08-27 | 2018-01-30 | President And Fellows Of Harvard College | Electronic control of fluidic species |
| JP2014198337A (en) * | 2003-08-27 | 2014-10-23 | プレジデント アンド フェローズ オブ ハーバード カレッジ | Electronic control of fluid species |
| JP2006145516A (en) * | 2004-07-14 | 2006-06-08 | Ebara Corp | Microchannel chip reaction control system, micro total reaction system having the same, and micro total analysis system |
| WO2006006679A1 (en) * | 2004-07-14 | 2006-01-19 | Ebara Corporation | Microchannel chip reaction control system, micro total reaction system having the same, and micro total analysis system |
| JP2006082079A (en) * | 2004-09-16 | 2006-03-30 | F Hoffmann La Roche Ag | Method and apparatus for adjusting fluid temperature and microfabrication system |
| JP2009521682A (en) * | 2005-12-22 | 2009-06-04 | ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド | Portable sample analysis system |
| JP2016208994A (en) * | 2006-02-09 | 2016-12-15 | カリパー ライフ サイエンシズ,インコーポレイテッド | Method and apparatus for generating a thermal melting curve in a microfluidic device |
| JP2014079252A (en) * | 2006-02-09 | 2014-05-08 | Caliper Life Sciences Inc | Method and apparatus for generating thermal melting curve in microfluidic device |
| JP2009525759A (en) * | 2006-02-09 | 2009-07-16 | カリパー ライフ サイエンシズ,インコーポレイテッド | Method and apparatus for generating a thermal melting curve in a microfluidic device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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