DE112013003437T5

DE112013003437T5 - Analysesystem und Analyseverfahren

Info

Publication number: DE112013003437T5
Application number: DE201311003437
Authority: DE
Inventors: c/o Hitachi High-Technologies Obara Takayuki
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2015-04-09
Also published as: US20150212105A1; JP2014032097A; DE112013003437T8; WO2014021060A1

Abstract

Es wird ein Analysesystem offenbart, bei dem Tröpfchen in einer Mikrofluidvorrichtung zu einer Analysevorrichtung außerhalb der Mikrofluidvorrichtung transportiert werden und analysiert werden, während sie voneinander unterschieden werden. Ein Flusskanal der Mikrofluidvorrichtung und eine Rohrleitung sind unter Verwendung eines Verbindungsabschnitts miteinander verbunden, welcher es ermöglicht, dass die Tröpfchen in einer geordneten Reihe fließen. Das heißt, dass das Analysesystem gemäß der vorliegenden Erfindung die Mikrofluidvorrichtung mit Mikroflusskanälen und die Analysevorrichtung aufweist, wobei die Mikrofluidvorrichtung einen ersten Einlass und einen zweiten Einlass aufweist, die Flusskanäle von den Einlässen darin zusammenfließen und ein über jeden der Einlässe injiziertes Fluid an die Analysevorrichtung abgegeben wird. Demgemäß können die Tröpfchen über die Rohrleitung in einer geordneten Reihe zur Analysevorrichtung transportiert werden und können die Tröpfchen analysiert werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Analysesystem und ein Analyseverfahren zum Analysieren von Mikrotröpfchen.
Stand der Technik
Es wurde eine Technik zur Verwendung in einer Mikrofluidvorrichtung gebildeter und manipulierter Mikrotröpfchen als Technik zum Handhaben kleiner Probenmengen und zum Analysieren der Proben aktiv untersucht. Dabei wird eine kleine Menge flüssiger Proben in Form eines Tröpfchens gebildet, werden die Proben in Tröpfchen eingesperrt oder werden verschiedene Reaktionen in Tröpfchen ausgeführt. Zusätzlich hat ein Massenspektrometer ein großes Potential als Mittel für das Analysieren von Tröpfchen. Ein Massenspektrometer kann eine große Vielzahl von Objekttypen detektieren, ohne ein Zielobjekt zu markieren, und es hat eine hohe Empfindlichkeit, die erforderlich ist, um eine kleine Probenmenge zu analysieren.
NPL 1 offenbart eine Technologie, bei der ein Massenspektrometer verwendet wird, um in einer Mikrofluidvorrichtung gebildete Tröpfchen zu detektieren. Die gebildeten Tröpfchen werden im Kanal der Mikrofluidvorrichtung durch eine kontinuierliche Phase die Tröpfchen einsperrenden Fluoröls transportiert. Bevor die Zusammensetzung der Tröpfchen unter Verwendung des Massenspektrometers analysiert wird, wird diese kontinuierliche Phase unter Verwendung eines Emulsionstrennmechanismus der Vorrichtung entfernt. Dieser Prozess wird folgendermaßen verwirklicht: Das die Tröpfchen enthaltende Fluoröl fließt im Flusskanal des Emulsionstrennmechanismus, während es zu einem wässrigen seitlichen Strom benachbart ist und parallel dazu fließt. Die entgegengesetzten Schultern des Flusskanals sind jeweils mit Elektroden versehen, und eine Spannung wird an die Elektroden angelegt, wodurch die Tröpfchen in dem wässrigen seitlichen Strom vereinigt werden und die Zusammensetzung der Tröpfchen aus dem wässrigen seitlichen Strom extrahiert wird. Der Fluss wird an einem Auslass des Emulsionstrennmechanismus in zwei Ströme unterteilt, und nur der wässrige seitliche Strom wird über eine Kapillare aus Quarzglas von einer Auslassöffnung der Vorrichtung dem Massenspektrometer zugeführt.
Zitatliste
Nicht-Patentliteratur

NPL 1: Fidalgo u. a. Angewandte Chemie, Internationale Ausgabe (2009), Band 48, S. 3665–3668.

Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Bei der in NPL 1 offenbarten Technologie ist es zum Detektieren der Zusammensetzung der Tröpfchen unter Verwendung des Massenspektrometers erforderlich, die kontinuierliche Phase, welche die Tröpfchen transportiert, unter Verwendung des Emulsionstrennmechanismus der Mikrofluidvorrichtung zu trennen. Dieser Mechanismus macht die Struktur der Mikrofluidvorrichtung kompliziert und macht den Entwurfsprozess, den Herstellungsprozess und den Betrieb jeweils kompliziert. Zusätzlich kann bei derselben Technologie die Zusammensetzung verdünnt werden, weil die Zusammensetzung des Tröpfchens aus dem wässrigen seitlichen Strom extrahiert wird. Es ergibt sich das Problem, dass die Tröpfchen im wässrigen seitlichen Strom diffundieren können und weiter verdünnt werden und es schwierig wird, die Zusammensetzung der Tröpfchen festzustellen, wenn die Länge eines Flusskanals auf der stromabwärts gelegenen Seite des Emulsionstrennmechanismus oder die Länge der Kapillare aus Quarzglas zunimmt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Tröpfchen in einer Mikrofluidvorrichtung über eine einfache Struktur an eine Analysevorrichtung abzugeben, während die Tröpfchen nicht von einer kontinuierlichen Phase getrennt werden.
Lösung des Problems
Ein System gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Analysesystem, das eine Mikrovorrichtung mit Mikroflusskanälen und eine Analysevorrichtung aufweist. Die Mikrovorrichtung hat einen ersten Einlass und einen zweiten Einlass, die Flusskanäle von den Einlässen fließen darin zusammen, und ein über jeden der Einlässe injiziertes Fluid wird an die Analysevorrichtung abgegeben.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung unterteilt das über den ersten Einlass injizierte Fluid das über den zweiten Einlass injizierte Fluid in der Vorrichtung, d. h. eines der Fluide unterteilt das andere Fluid, wodurch Tröpfchen in einer geordneten Reihe aus einer Mikrofluidvorrichtung extrahiert werden können. Demgemäß können die Tröpfchen der Analysevorrichtung unter Verwendung einer einfachen Struktur und eines einfachen Verfahrens zugeführt werden und können die Tröpfchen analysiert werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
1 ein schematisches Diagramm eines Analysesystems gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung,
2 einen Verbindungsabschnitt gemäß dem Beispiel,
3 ein Verbindungselement gemäß dem Beispiel, das im Verbindungsabschnitt verwendet wird,
4 den Verbindungsabschnitt gemäß einem Beispiel,
5a den Verbindungsabschnitt gemäß einem Beispiel,
5b den Verbindungsabschnitt gemäß einem Beispiel,
6 ein Verbindungselement gemäß einem Beispiel, das im Verbindungsabschnitt verwendet wird,
7 einen Halter gemäß einem Beispiel,
8 den Verbindungsabschnitt gemäß einem Beispiel,
9 den Verbindungsabschnitt gemäß einem Beispiel,
10 ein Verbindungselement gemäß dem Beispiel, das im Verbindungsabschnitt verwendet wird,
11 den Verbindungsabschnitt gemäß einem Beispiel,
12 ein Verbindungselement gemäß dem Beispiel, das im Verbindungsabschnitt verwendet wird,
13 den Verbindungsabschnitt gemäß einem Beispiel,
14 den Verbindungsabschnitt gemäß einem Beispiel,
15 den Verbindungsabschnitt gemäß einem Beispiel,
16 den Verbindungsabschnitt gemäß einem Beispiel,
17 den Verbindungsabschnitt gemäß einem Beispiel,
18 den Verbindungsabschnitt gemäß einem Beispiel,
19 den Verbindungsabschnitt gemäß einem Beispiel,
20 den Verbindungsabschnitt gemäß einem Beispiel,
21 den Verbindungsabschnitt gemäß einem Beispiel,
22 eine Mikrofluidvorrichtung gemäß dem Beispiel,
23 ein Beispiel durch das Analysesystem gemäß der vorliegenden Erfindung erhaltener Messdaten und
24 ein Beispiel durch das Analysesystem gemäß der vorliegenden Erfindung erhaltener Messdaten.
Beschreibung von Ausführungsformen
Nachstehend werden die vorstehend erwähnten und neue Merkmale und Wirkungen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben. Hier wird zum vollständigeren Verständnis der vorliegenden Erfindung eine detaillierte Beschreibung einer spezifischen Ausführungsform gegeben, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die hier gegebene Beschreibung beschränkt.
Weil die Zeichnung zum einfachen Verständnis schematisch dargestellt ist, können Abmessungen und dergleichen von den tatsächlichen Abmessungen abweichen.
Ein System gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine oder mehrere Mikrofluidvorrichtungen, eine oder mehrere Rohrleitungen und eine oder mehrere Analysevorrichtungen auf. Das System gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen oder mehrere Verbindungsabschnitte auf. Die ”Mikrofluidvorrichtung” weist einen Flusskanal auf und hat wenigstens eine der folgenden Funktionen: Bildung, Halten und Transport von Tröpfchen. Die ”Analysevorrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung dient dazu, die Eigenschaften von Tröpfchen zu analysieren, sie ist aus einer Struktur und aus Software gebildet, und sie ist nicht notwendigerweise eine unabhängige Vorrichtung. Die ”Rohrleitung” gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen sich in ihr befindenden Fluidweg auf, und Tröpfchen werden von der Mikrofluidvorrichtung über die ”Rohrleitung” zur Analysevorrichtung transportiert. Der ”Verbindungsabschnitt” gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Fluidverbindung, welche den Flusskanal der Mikrofluidvorrichtung und die Rohrleitung verbindet, und Tröpfchen können in einer geordneten Reihe durch den Verbindungsabschnitt fließen.
1 ist ein schematisches Diagramm des Analysesystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das Analysesystem weist eine Mikrofluidvorrichtung 101, eine Rohrleitung 102, eine Analysevorrichtung 103 und einen Verbindungsabschnitt 104 auf.
Die Mikrofluidvorrichtung 101 weist einen Flusskanal 105 auf und hat wenigstens eine der folgenden Funktionen: Bildung, Halten und Transport eines Tröpfchens 106. Die Analysevorrichtung 103 dient dazu, die Eigenschaften von Tröpfchen zu analysieren, sie besteht aus einer Struktur und Software und sie ist nicht notwendigerweise eine unabhängige Vorrichtung. Die Rohrleitung 102 weist einen sich in ihr befindenden Fluidweg auf, und das Tröpfchen 106 wird von der Mikrofluidvorrichtung 101 über die Rohrleitung 102 zur Analysevorrichtung 103 transportiert. Der Verbindungsabschnitt 104 ist eine Fluidverbindung, welche den Flusskanal 105 der Mikrofluidvorrichtung 101 und die Rohrleitung 102 verbindet, und Tröpfchen 106 können in einer geordneten Reihe durch den Verbindungsabschnitt 104 fließen. Nachstehend wird jeder Abschnitt detailliert beschrieben.
[Herstellung der Mikrofluidvorrichtung 101]
Die Mikrofluidvorrichtung 101 ist vorzugsweise eine Vorrichtung, die als Mikrofluidvorrichtung, Mikrofluidchip, Mikrochip oder Vorrichtung eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS-Vorrichtung) bezeichnet wird, und die Mikrofluidvorrichtung 101 hat typischerweise die Form eines flachen plattenartigen Chips. In diesem Fall hat die Mikrofluidvorrichtung 101 eine Dicke im Bereich von etwa 1 μm bis etwa 50 mm und eine laterale Seite (eine Dicke, eine Tiefe, einen Durchmesser) im Bereich von etwa 10 μm bis etwa 500 mm.
Die Mikrofluidvorrichtung 101 weist einen Flusskanal, beispielsweise einen Mikroflusskanal, auf. Der Mikroflusskanal ist ein Flusskanal, und ein Teil der Abmessungen des Flusskanals (die Abmessungen des Querschnitts des Flusskanals, beispielsweise die Breite oder der Durchmesser des Flusskanals) beträgt höchstens 1 mm und vorzugsweise höchstens 500 μm, höchstens 300 μm, höchstens 100 μm, höchstens 10 μm oder höchstens 1 μm.
Die Mikrofluidvorrichtung 101 weist eine Einlass- und eine Auslassöffnung für das Einbringen oder die Abgabe oder das Einbringen und die Abgabe eines in der Vorrichtung behandelten Fluids auf. Beispielsweise werden die Öffnungen auf der Grundlage der Hauptverwendung jeder Öffnung unterscheidend als Einlass- und als Auslassöffnung bezeichnet, es ist jedoch typischerweise möglich, ein Fluid über die Einlassöffnung abzugeben und ein Fluid über die Auslassöffnung einzubringen. Die Einlass- und die Auslassöffnung sind jeweils an den äußeren Enden oder in der Mitte des Flusskanals bereitgestellt, und sie öffnen sich von der Mikrofluidvorrichtung nach außen.
Es ist möglich, die Mikrofluidvorrichtung 101 unter Verwendung eines Verfahrens zur Herstellung einer so genannten Mikrofluidvorrichtung, eines Mikrofluidchips, eines Mikrochips oder einer Vorrichtung eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS-Vorrichtung) herzustellen. Beispielsweise kann wenigstens ein Teil der Konfigurationselemente der Mikrofluidvorrichtung 101 aus einem festen Material bestehen, und es ist in diesem Fall möglich, einen Flusskanal unter Verwendung einer Lithographietechnik, wie Photolithographie oder Elektronenstrahilithographie, einer Drucktechnik, wie Nanodruck, einer Abscheidungstechnik, wie Schleuderbeschichten, chemische Dampfabscheidung, physikalische Dampfabscheidung oder Sputtern, verschiedene Nassätztechniken unter Verwendung von Fluorwasserstoffsäure, Kaliumhydroxid oder dergleichen, verschiedene Trockenätztechniken, wie reaktives Ionenätzen oder ein Bosch-Prozess, physikalisches Ätzen, wie Ionenätzen, eine Abscheidungs- oder Verarbeitungs-(Entfernungs)-Technik unter Verwendung von Laserabtragung, eine mechanische Verarbeitungstechnik, wie Mikrobohren, Schneiden, Schleifen, eine Formungstechnik, wie Spritzformen oder -gießen, verschiedene Pulverstrahltechnniken, Rapid Prototyping, 3D-Druck oder dergleichen zu bilden.
Die Konfigurationselemente der Mikrofluidvorrichtung 101 können aus verschiedenen Materialien gebildet werden, wie Halbleitern (beispielsweise Silicium), Glas, Metall oder einem Polymermaterial (beispielsweise einem natürlichen Polymermaterial, wie Papier, thermoplastischem Harz, thermisch härtendem Harz, Elastomer und insbesondere Silikonharz, verschiedenen Teflonen (Warenzeichen), Acryl, Polycarbonat oder Polystyren). Zusätzlich können die Konfigurationselemente der Mikrofluidvorrichtung aus verschiedenen Materialien gebildet werden, und jedes der Strukturelemente des Flusskanals 105, beispielsweise jedes der Strukturelemente, die der Wand, dem Boden und der Decke des Flusskanals 105 entsprechen, kann aus mehreren Materialien gebildet werden.
Es ist möglich, einen mehr oder weniger großen Teil des Flusskanals 105 als eine rillenförmige Struktur an der Oberfläche eines festen Elements zu bilden, das ein Konfigurationselement der Mikrofluidvorrichtung 101 ist. Wenn die Mikrofluidvorrichtung 101 beispielsweise durch Bonden der jeweiligen Flächen von zwei oder mehr festen Elementen gebildet wird, kann der eingeschlossene Flusskanal 105 in jedem der Elemente durch Vorformen einer Rille in einer Bondfläche zwischen mehreren Elementen gebildet werden.
Es ist möglich, einen mehr oder weniger großen Teil des Flusskanals 105 in einer Ebene parallel zur größten Fläche der Mikrofluidvorrichtung 101 anzuordnen. Dabei wird die Mikrofluidvorrichtung 101 aus flachen plattenartigen Elementen, beispielsweise einem Siliciumwafer und einem Glaswafer, gebildet. Es ist möglich, den Flusskanal 105 als eine Rille in einer oder mehreren Flächen des Wafers zu bilden. Weil die Rille, die ein Verarbeitungsziel ist, dabei in einer Ebene angeordnet wird, kann leicht eine wohlbekannte Technik, wie Ätzen, Abscheidung oder Lithographie, verwendet werden, und es können viele Vorteile hinsichtlich der Zuverlässigkeit, der Kosten, der Typen anwendbarer Techniken und dergleichen erreicht werden. Beispielsweise wird der Flusskanal vorzugsweise aus einer Rille mit einer Tiefe von 100 μm und einer Breite von 100 μm in der Fläche eines Siliciumwafers unter Verwendung eines tiefen reaktiven Ionenätzens gebildet. Nach dem Reinigen des Siliciumwafers und des Glaswafers durch ein wohlbekanntes Reinigungsverfahren ist es möglich, den Siliciumwafer und den Glaswafer unter Verwendung eines anodischen Bondens mit einer gerillten Fläche als Bondfläche zu bonden. Der durch das Bonden erhaltene Silicium-Glas-gebondete Wafer wird unter Verwendung eines wohlbekannten geeigneten Zerlegungsverfahrens zerlegt, und es kann dadurch die Mikrofluidvorrichtung 101 mit dem sich darin befindenden Flusskanal 105 erhalten werden. Bevor der Siliciumwafer und der Glaswafer miteinander gebondet werden, kann im Siliciumwafer, im Glaswafer oder sowohl im Siliciumwafer als auch im Glaswafer die Einlass- oder die Auslassöffnung gebildet werden, wobei die Einlass- oder die Auslassöffnung beispielsweise als ein mit dem Flusskanal verbundenes Durchgangsloch gebildet wird. Die Einlass- und die Auslassöffnung können gebildet werden, nachdem das Bonden oder Zerlegen abgeschlossen ist. Das Durchgangsloch kann unter Verwendung verschiedener Ätztechniken, Pulverstrahlen oder eines Verarbeitungsverfahrens in der Art eines Schneidens gebildet werden.
Die Innenfläche des Flusskanals 105 kann mit einem anderen Material beschichtet oder überzogen werden. Das Beschichtungsmaterial oder das Überzugsmaterial kann die physikalisch-chemischen Eigenschaften (die Befeuchtbarkeit, die Affinität oder die wasserabstoßenden Eigenschaften verschiedener Flüssigkeiten), die chemischen Eigenschaften (Reaktivität, Nicht-Reaktivität, Passivierung oder katalytische Aktivität), die mechanischen Eigenschaften (Stärke, Elastizität, Abnutzungsbeständigkeit oder dergleichen) und die optischen Eigenschaften (optische Abstimmung mit umgebenden Elementen, Transparenz oder Streuintensität, welche durch die Oberflächenrauigkeit oder dergleichen beeinflusst wird, oder verschiedene Wellenlängeneigenschaften) beeinflussen.
Insbesondere kann die Rohrleitung 102 des Analysesystems eine Kapillare, eine Röhre, ein Rohr, ein Verbindungsstück, ein Adapter, ein Anschlussstück oder dergleichen sein und kann das Material der Rohrleitung 102 durch verschiedene feste Materialien gegeben sein, vorzugsweise Quarzglas, Polydimethylsiloxan (PDMS) enthaltendes Silikonharz, Teflon (Warenzeichen) enthaltendes Fluorkohlenstoffharz, ein anderes Polyetheretherketon (PEEK), Polycarbonat (PC) und Polystyren (PS) enthaltendes Harz oder ein Edelstahl enthaltendes Metall.
Die Fläche (eine Innenfläche) (wobei die Fläche in Kontakt mit dem Innenraum der Rohrleitung 102 steht) und die Außenfläche der Rohrleitung 102 können mit verschiedenen Materialien beschichtet oder überzogen werden. Das verwendete Beschichtungsmaterial oder Überzugsmaterial kann die physikalisch-chemischen Eigenschaften (die Befeuchtbarkeit, die Affinität oder die wasserabstoßenden Eigenschaften verschiedener Flüssigkeiten), die chemischen Eigenschaften (Reaktivität, Nicht-Reaktivität, Passivierung oder katalytische Aktivität), die mechanischen Eigenschaften (Stärke, Elastizität, Abnutzungsbeständigkeit oder dergleichen) und die optischen Eigenschaften (optische Abstimmung mit umgebenden Elementen, Transparenz oder Streuintensität, welche durch die Oberflächenrauigkeit oder dergleichen beeinflusst wird, oder verschiedene Wellenlängeneigenschaften) beeinflussen.
Die Querschnittsabmessungen des Innenraums der Rohrleitung 102, beispielsweise der Innendurchmesser, liegt im Bereich von etwa 0,1 μm bis 1 mm und beträgt vorzugsweise höchstens 500 μm, höchstens 300 μm, höchstens 100 μm oder höchstens 50 μm.
Es ist beispielsweise möglich, eine Kapillare aus Quarzglas (eine Kapillare mit einem Außendurchmesser von etwa 360 μm und einem Innendurchmesser von etwa 50 μm bis etwa 100 μm) für die Rohrleitung 102 zu verwenden. Einige Vorteile der Verwendung von Quarzglas bestehen darin, dass Quarzglas chemisch stabil ist und eine ausreichende physikalische Stärke für die Handhabung hat und es daher möglich ist, unter Verwendung eines Chlorsilanmittels oder dergleichen verschiedene Oberflächenmodifikationen an der Rohrleitung 102 vorzunehmen. Beispielsweise ist die Rohrleitung 102 eine Kapillare aus Quarzglas und kann die Innenfläche der Rohrleitung 102 mit einem Film aus 1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl-Trichlorsilan beschichtet werden. Dementsprechend weist die Innenfläche wasserabstoßende Eigenschaften für eine wässrige Lösung auf, und es ist möglich, die nicht spezifische Adsorption verschiedener Objekte, insbesondere Objekte mit hydrophilen oder hydrophoben Eigenschaften (Lösungsmittelaffinität), an der Innenfläche zu verringern. Zusätzlich kann die Außenfläche ähnlich mit einem Polyimidfilm beschichtet werden, und die mechanische Stärke nimmt dadurch zu, wodurch sich die Rohrleitung 102 leicht handhaben lässt.
[Kurzbeschreibung des Verbindungsabschnitts]
In dieser Patentschrift ist ein Fluidweg ein Weg für den Fluss eines Fluids, und er ist ein Raum für das Aufnehmen oder den Transport eines Fluids. Beispiele für den Fluidweg umfassen einen Innenraum eines Hohlrohrs, einen Flusskanal einer so genannten Mikrofluidvorrichtung oder dergleichen. Ein Element mit einem Fluidweg allein kann den Fluidweg bilden, oder ein Element mit einem Fluidweg kann den Fluidweg zusammen mit einem anderen Element bilden. Beispielsweise werden ein flaches plattenartiges Element mit einer gerillten Oberfläche und ein anderes flaches plattenartiges Element mit einer glatten Oberfläche durch Pressen des einen Elements gegen das andere Element oder durch Bonden der Elemente miteinander zusammengesetzt, wodurch ermöglicht werden kann, dass ein Fluid (beispielsweise Wasser) in einem Raum fließt oder in dem Raum aufgenommen wird, der zwischen der Rille und der glatten Oberfläche ausgebildet ist. Dabei wird der vorstehend erwähnte Raum als ein Fluidweg bezeichnet, und die Rille (welche noch nicht gebildet ist) wird auch als ein Fluidweg bezeichnet, weil die Rille ein Element ist, welches die Position eines Wegs für den Fluss eines Fluids im zusammengesetzten Zustand bestimmt. Der Fluidweg kann einen Zusammenschluss oder Verzweigungen aufweisen.
In der Patentschrift impliziert die Fluidverbindung, dass, wenn zwei oder mehr Strukturen, die Fluidwege aufweisen (beispielsweise Flusskanäle oder Rohrleitungen), in Kontakt miteinander stehen und die Fluidwege der Strukturen in Kontakt miteinander stehen, die Strukturen in einem Zustand, in dem das Fluid in einer Richtung oder in mehreren Richtungen zwischen den Strukturen hindurchlaufen kann, in engem Kontakt miteinander stehen, so dass das Fluid nicht aus den Strukturen herausleckt. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass diese Fluidwege einen großen Fluidweg bilden.
In der Patentschrift impliziert der Ausdruck ”Tröpfchen fließen in einer geordneten Reihe”, dass die Tröpfchen zusammen mit einem Fluid, das um die Tröpfchen fließt, entlang einem Fluidweg fließen, während die Tröpfchen oder ein Teil der Tröpfchen nicht miteinander vereinigt werden oder nicht geteilt werden. Zusätzlich impliziert der Ausdruck dabei, dass die geordnete Reihe der Tröpfchen (wobei die Reihe durch den Entwurf des Systems oder eine Manipulation eines Benutzers vorgesehen ist) nicht gestört wird, d. h. dass die Reihenfolge der Tröpfchen nicht geändert wird und die Tröpfchen zu einem vorgesehenen Zeitpunkt fließen.
[Beispiel 1 des Verbindungsabschnitts 104]
Die Ausführungsform sieht den Verbindungsabschnitt 104 vor, welcher eine Fluidverbindung verwirklicht, durch welche die Tröpfchen 106 in einer geordneten Reihe fließen können. 2 zeigt den Verbindungsabschnitt 104 des Analysesystems. Hier verwirklicht der Verbindungsabschnitt 104 die Fluidverbindung zwischen einem Fluidweg 201 einer Kapillare 200 (der Rohrleitung 102) aus Quarzglas und dem Flusskanal 105 der Mikrofluidvorrichtung 101.
Die Struktur der Mikrofluidvorrichtung 101 wird durch Bonden einer Siliciumschicht 209 und einer Glasschicht 210 gebildet, und der Flusskanal 105 und ein Verbindungsloch 204 werden unter Verwendung des reaktiven Ionenätzens in der Siliciumschicht 209 gebildet. Ein Verbindungselement 203 wird in das Loch 204 eingeführt, und die Kapillare 200 wird in eine Öffnung 211 (wobei sich die Öffnung in der Nähe der Rohrleitung befindet) des Verbindungselements 203 eingeführt. Die Kapillare 200 wird durch eine Festhaltehülse 202 aus Fluorkohlenstoffgummi gehalten und befestigt, um eine Kapillarenöffnung 205 in einer geeigneten Position anzuordnen. Das Verbindungselement 203 weist eine in 3 dargestellte Form auf, und eine Rille (ein Fluidweg) 206 ist in einem Abschnitt des Verbindungselements 203 in der Nähe des Flusskanals 105 bereitgestellt. Die Rille 206 und das Verbindungselement 203 stehen infolge der Festhaltehülse 203 in engem Kontakt mit der Glasschicht 210 der Mikrofluidvorrichtung 101. Dementsprechend wirkt ein durch die Rille 206 und die Glasschicht 210 gebildeter Raum als ein Fluidweg, und das äußere Ende der Rille 206 wirkt als eine Öffnung 208 (wobei die Öffnung in der Nähe des Flusskanals liegt). Die Position der Öffnung 208 des Verbindungselements 203 ist mit der Position einer Öffnung 207 am äußeren Ende des Flusskanals ausgerichtet, so dass sie einander gegenüberstehen, und die Öffnung für einen Flusskanal 208 wird fixiert, während durch die Festhaltehülse 202 gegen die Glasschicht 210 der Mikrofluidvorrichtung 101 gedrückt wird. Das Verbindungselement 203 besteht aus einem elastischen Material wie PDMS, und weil sich das Verbindungselement 203 in flüssigkeitsdichtem engem Kontakt mit der Glasschicht 210, der Wand des Lochs 204 der Siliciumschicht 209 und der Außenfläche der Kapillare 200 befindet, leckt ein Fluid, das durch den Flusskanal 105 fließt, nicht aus diesem heraus. Dementsprechend wird eine Fluidverbindung zwischen einem Fluidweg 201 der Kapillare und dem Flusskanal 105 verwirklicht. Fluoröl fließt durch den Flusskanal 105, und die Tröpfchen 106 in dem Öl fließen zum Verbindungsabschnitt 104. Die Tröpfchen 106 fließen durch die Öffnung 207 des Flusskanals, die Öffnung 208 des Verbindungselements 203 (die Öffnung in der Nähe des Flusskanals), einen Fluidweg des Verbindungselements 203, die Öffnung 211 des Verbindungselements 203 (die Öffnung in der Nähe der Rohrleitung) und dann die Kapillarenöffnung 205 in den Fluidweg 201 der Kapillare.
Zu dieser Zeit wird, am bevorzugtesten wenn die jeweiligen Querschnittsgrößen des Flusskanals 105 und der Kapillarenöffnung 205 im Wesentlichen gleich sind und im Wesentlichen gleich jener des Fluidwegs des Verbindungselements 203 sind, tatsächlich ein einziger kontinuierlicher Fluidweg gebildet, und ein Fluid fließt tatsächlich in Form einer laminaren Strömung wie im Flusskanal 105 oder in der Rohrleitung 102. Aus diesem Grund können die Tröpfchen 106, die im Fluidweg fließen, in einer geordneten Reihe fließen. Hierbei ist der kürzeste gerade Fluidweg des Verbindungselements 203 ein idealer Fluidweg. Hierbei impliziert der Ausdruck, dass die Querschnittsgrößen im Wesentlichen gleich sind, dass die Querschnittsfläche und die Länge in einer Richtung, in der der Querschnittsdurchmesser minimal wird, im Wesentlichen zwischen Wegen gleich sind. Bevorzugter sind sowohl die Querschnittsfläche als auch die Länge in einer Richtung, in der der Querschnittsdurchmesser minimal wird, im Wesentlichen zwischen den Wegen gleich.
Wenn dagegen beispielsweise, wie in 4 dargestellt ist, die in ein Verbindungsloch 404 eingeführte Kapillare 200 nur mit einer Festhaltehülse 402 befestigt wird, wird im Verbindungsloch 404, zusätzlich zu einem idealen Fluidweg 413, ein großes Totvolumen 412 im Fluidweg gebildet. Infolge des zusätzlichen Totvolumens 412 werden Konkavitäten und Konvexitäten in der Form des Fluidwegs gebildet, oder es kann die Stagnation einer Strömung auftreten. Aus diesem Grund stagnieren die Tröpfchen 106 gelegentlich, während sie in den Konkavitäten und Konvexitäten eingefangen werden, oder sie fließen in das Totvolumen 412. Dann können die stagnierenden Tröpfchen mit anderen Tröpfchen, die nachfolgend fließen, vereinigt werden. Der Rest der Tröpfchen 106 fließt in die Kapillare 200, während ein Teil der Tröpfchen 106 stagniert, wodurch die Tröpfchen 106 geteilt werden können.
Es ist möglich, das zu einem idealen Weg 213 hinzugefügte Totvolumen 412 unter Verwendung des zuvor in 2 dargestellten Verbindungselements 203 erheblich zu verringern. Aus diesem Grund ermöglicht der hier erläuterte Verbindungsabschnitt 104, dass die Tröpfchen 106 in einer bemerkenswert geordneten Reihe fließen.
Der Verbindungsabschnitt 104 des Analysesystems umfasst vorzugsweise die Öffnung 207 des Flusskanals 105 der Mikrofluidvorrichtung 101 (wobei die Öffnung in der Lage ist, eine Fluidverbindung zu verwirklichen), die Öffnung 205 der Rohrleitung 102 (wobei die Öffnung in der Lage ist, eine Fluidverbindung zu verwirklichen) und das Verbindungselement 203, welches den Fluidweg mit wenigstens zwei Öffnungen 208 und 211 aufweist (wobei die Öffnungen in der Lage sind, eine Fluidverbindung zu verwirklichen). Die Flusskanalöffnung 207 steht in einer Fluidverbindung mit einer der Öffnungen des Verbindungselements, und die Rohrleitungsöffnung 205 steht in einer Fluidverbindung mit der anderen der Öffnungen 208 und 211 des Verbindungselements. Demgemäß ist es möglich, eine Fluidverbindung bereitzustellen, welche es ermöglicht, dass die Tröpfchen 106 in einer geordneten Reihe fließen.
Das im Verbindungsabschnitt 104 verwendete Verbindungselement 203 weist mehrere Öffnungen auf. Bei einem Beispiel des Verbindungselements ist eine Fläche mit einer Öffnung nicht vorzugsweise parallel zu wenigstens einer anderen Fläche mit einer Öffnung. Dementsprechend ist es selbst dann, wenn die Richtung des Flusskanals 105 der Mikrofluidvorrichtung 101 von jener der Rohrleitung 102 verschieden ist, möglich, eine gewünschte Fluidverbindung zu verwirklichen. Hier bezieht sich die ”Fläche” auf eine kontinuierliche Fläche und kann eine ebene oder eine gekrümmte Fläche sein. Dementsprechend impliziert der Ausdruck, dass ein Abschnitt parallel zu einer Fläche mit einer Öffnung ist, dass der Abschnitt tatsächlich parallel zu einer ebenen Fläche in Kontakt mit einem Öffnungsabschnitt ist.
Bevorzugter sind die beiden Öffnungen 208 und 211 des Verbindungselements 203 im Wesentlichen orthogonal zueinander. Dabei ist es einfach, den Verbindungsabschnitt 104 unter Verwendung eines typischen Verfahrens zur Herstellung einer Mikrofluidvorrichtung herzustellen. Wenn beispielsweise der Flusskanal und das Verbindungsloch 204 unter Verwendung des reaktiven Ionenätzens in einem flachen plattenartigen Substrat gebildet werden (beispielsweise eines Siliciumwafers oder eines Glaswafers), wie in 2 dargestellt ist, wird das Loch 204 so gebildet, dass es orthogonal zum Substrat und zum Flusskanal ist.
Dabei kann das Verbindungsloch 204 eine kreiszylindrische Form aufweisen, wie in 2 dargestellt ist, oder eine gewinkelte Form in der Art einer polygonalen Form aufweisen, wie in 5a dargestellt ist. Weil sich ein Verbindungselement 503a dabei nicht frei wie das kreisförmige Verbindungselement dreht, ist es einfach, die Orientierung einer Öffnung des Verbindungselements 503a mit einer Öffnung eines Flusskanals 507a auszurichten. Zusätzlich kann ein Verbindungselement eine nicht symmetrische polygonale Form aufweisen, wie in 5b dargestellt ist. Weil ein Verbindungselement 503b dabei in nur einer einzigen Weise in ein Verbindungsloch 504b eingepasst wird, stehen das Verbindungselement 503b und das Verbindungsloch 504b einander leichter gegenüber. In diesem Fall können die Verbindungslöcher 504a und 504b Formen aufweisen, welche den Verbindungselementen 503a bzw. 503b entsprechen.
Zusätzlich wird ein nicht gerader Fluidweg in der Struktur des im Verbindungsabschnitt 104 verwendeten Verbindungselements gebildet. Bevorzugter wird der Fluidweg des Verbindungselements in der Mitte des Fluidwegs einmal im Wesentlichen vertikal gebogen. Dementsprechend ist es selbst dann, wenn die Richtung des Flusskanals 105 der Mikrofluidvorrichtung 101 von jener der Rohrleitung 102 verschieden ist, möglich, eine gewünschte Fluidverbindung zu verwirklichen. Die 2 und 3 zeigen die Beispiele sowohl des Verbindungselements als auch des Verbindungsabschnitts 104.
Wenn in 2 zumindest ein Teil des Fluidwegs des Verbindungselements 203 in Kontakt mit einem anderen Strukturkörper steht (hier der Glasschicht 210, die an der unteren Fläche des Verbindungslochs 204 der Mikrofluidvorrichtung 101 angeordnet ist), wird die Funktion des Fluidwegs verwirklicht. Bei einem anderen bevorzugten Beispiel, wie in 6 dargestellt ist, kann ein Fluidweg eines Verbindungselements 603 jedoch nur aus der Struktur des Verbindungselements 603 gebildet werden. Dabei wird die Form des Verbindungslochs 204 vorzugsweise so gebildet, dass sie dem Verbindungselement 603 entspricht. Beispielsweise kann eine Struktur in einer solchen Weise gebildet werden, dass die Position einer Öffnung 608 (welche in Kontakt mit der Mikrofluidvorrichtung 101 steht) des Verbindungselements 603 mit der Position einer Öffnung 207 eines Flusskanals der Mikrofluidvorrichtung 101 ausgerichtet werden kann, wenn die untere Fläche des Lochs 204 in die Glasschicht 210 gegraben wird.
Bei einem bevorzugten Beispiel ist eine Fluidverbindung zwischen der Öffnung 208 des Verbindungselements und der Öffnung 207 der Mikrofluidvorrichtung 101 leicht und reversibel anbringbar und abnehmbar. Die Beispiele der vorstehend erwähnten Fluidverbindung umfassen die folgenden Fälle: den Fall, in dem ein flüssigkeitsdichter Kontakt zwischen Oberflächen, von denen wenigstens eine eine geeignete Elastizität aufweist, durch die Selbstadsorption der Oberflächen oder durch Pressen der Oberflächen gegeneinander verwirklicht wird, und den Fall, in dem der flüssigkeitsdichte Kontakt zwischen ausreichend glatten Oberflächen, die jeweils eine komplementäre Passform oder eine flache Form aufweisen, durch die Selbstadsorption der Oberflächen oder durch Pressen der Oberflächen gegeneinander verwirklicht wird. Das Pressen einer Oberfläche gegen die andere Oberfläche kann unter Verwendung von Schrauben, einer Feder, Fluiddruck (beispielsweise Öldruck oder Luftdruck) oder dergleichen verwirklicht werden. Der Vorteil eines solchen anbringbaren und abnehmbaren Verbindungsabschnitts besteht darin, dass sich das System leicht installieren, zusammensetzen, verwenden und warten lässt.
Bei einem bevorzugten Beispiel wird die Fluidverbindung zwischen der Öffnung 208 des Verbindungselements und der Öffnung 207 der Mikrofluidvorrichtung 101 durch Drücken des Verbindungselements und der Mikrofluidvorrichtung 101 gegeneinander ohne Verwendung eines Klebstoffs, jedoch unter Verwendung von Schrauben, einer Feder oder dergleichen, verwirklicht. Ein Vorteil besteht darin, dass, weil kein Klebstoff verwendet wird, ein Fluid, das durch den Fluidweg fließt, nicht in Kontakt mit dem Klebstoff gelangt, und dass sich eine Klebstoffkomponente nicht in dem Fluid löst.
Beispielsweise kann ein in 7 dargestellter Halter das erforderliche Pressen bereitstellen, um eine solche anbringbare und abnehmbare Fluidverbindung zu verwirklichen. Der Halter ist aus einem oberen Halterabschnitt 714 und einem unteren Halterabschnitt 715 gebildet, und der obere Halterabschnitt 714 und der untere Halterabschnitt 715 werden unter Verwendung von Schrauben 717 aneinander befestigt, während sie sich zwischen den Schrauben 717 befinden. Weil dabei eine in ein Schraubloch des oberen Halterabschnitts 714 geschraubte Mutter 716 auch zusammen mit dem oberen Halterabschnitt 714 zwischenstehend angeordnet ist, drückt die Mutter 716 die Festhaltehülse 202 gleichzeitig nach unten. Die Festhaltehülse 202 wird unter Verwendung der Mutter 716 nach unten gegen die Siliciumschicht 209 der Mikrofluidvorrichtung 101 gedrückt, verformt, in engen Kontakt mit der Kapillare 200, dem Verbindungselement 203 und dergleichen gebracht und dann befestigt. Beim in 7 dargestellten Befestigungsmittel werden das Verbindungselement 203, die Festhaltehülse 202, die Kapillare 200, die Mutter 716, die Schraube 717, der obere Halterabschnitt 714 und der untere Halterabschnitt 715 unter Verwendung eines Klemmens durch eine Schraube insgesamt gegeneinander gedrückt, wobei sie leicht anbringbar und abnehmbar sind und wiederverwendet werden können.
Vorzugsweise ist es möglich, die Öffnung (wobei die Öffnung in der Lage ist, eine Fluidverbindung zu verwirklichen) am äußeren Ende oder in der Mitte des Flusskanals der Mikrofluidvorrichtung 101 bereitzustellen. Vorzugsweise ist es möglich, die Öffnung (wobei die Öffnung in der Lage ist, eine Fluidverbindung zu verwirklichen) an einem äußeren Ende der Rohrleitung 102 zu verwirklichen. Beispielsweise ist es, wie in 8 dargestellt ist, möglich, den Verbindungsabschnitt 104 in der Mitte eines Flusskanals bereitzustellen, der sich von einem Flusskanal 805 zu einem Flusskanal 818 fortsetzt. Dabei kann ein Fluid sowohl durch den Flusskanal 805 als auch durch den Flusskanal 818 fließen und an die Kapillare 200 abgegeben werden. Ein Teil eines Fluids kann durch den Flusskanal 805 fließen und an die Kapillare 200 abgegeben werden, und der Rest kann durch den Flusskanal 818 fließen. Zusätzlich kann ein Einstellmechanismus (beispielsweise ein Ventil) in der Mitte von jeder der Kapillaren 200 und der Flusskanäle 805 und 818 bereitgestellt werden, und der Betriebszustand von einer von der Kapillaren 200 und den Flusskanälen 805 und 818 kann jederzeit gewechselt werden. Anhand der bis zu diesem Punkt gegebenen Beschreibung ist verständlich, dass der in 8 dargestellte Verbindungsabschnitt 104 eine solche Funktion hat. Bei dieser Struktur ist ein Zusammenfluss im Flusskanal 105 bereitgestellt, durch den die Tröpfchen 106 fließen, und es ist dadurch möglich, den Durchsatz zu erhöhen oder gleichzeitig Prozesse unter mehreren Bedingungen durch Parallelisieren von Prozessen durch mehrere Flusskanäle 805 und 818 auszuführen. Zusätzlich werden die Tröpfchen 106 bei dieser Struktur durch die verzweigten Flusskanäle abgegeben, und es ist dadurch möglich, nur die spezifischen Tröpfchen 106 zur Analysevorrichtung 103 auf einer stromaufwärts gelegenen Seite der Rohrleitung zu transportieren, oder mehrere Tröpfchen unter den gleichen Bedingungen auf mehrere verschiedene Analysevorrichtungen zu verteilen.
9 zeigt ein weiteres bevorzugtes Beispiel der Struktur eines Verbindungselements. Die Struktur des Verbindungselements gleicht im Wesentlichen der in 2 dargestellten, bei diesem in 2 dargestellten Beispiel wird jedoch ein unter der Öffnung der Kapillare vorhandenes zusätzliches Totvolumen mit einem Material in der Struktur eines Verbindungselements 903 gefüllt, ein distales Ende 221 der Kapillare durch einen abgestuften Abschnitt 922 in einem Teil des Verbindungselements gehalten, während gegen den abgestuften Abschnitt 922 gedrückt wird, und wird die Fluidverbindung verwirklicht. Dementsprechend hat ein Fluidweg des Verbindungselements 903 fast kein Totvolumen, und weil ein Fluidweg verwirklicht wird, der im Wesentlichen dem in 2 dargestellten idealen Fluidweg gleicht, fließen die Tröpfchen 106 zuverlässiger in einer geordneten Reihe.
Zusätzlich können im Verbindungsabschnitt 104 zwei Strukturen, die jeweils einen Fluidweg mit einer Öffnung aufweisen, in den folgenden Mustern in einer Fluidverbindung miteinander stehen. (1) Zumindest ein Teil einer Fläche mit einer Öffnung in ihrer Struktur steht in flüssigkeitsdichtem Kontakt mit wenigstens einem Teil einer anderen Fläche mit einer Öffnung in ihrer Struktur. (2) Wenigstens ein Teil einer Fläche mit einer Öffnung in ihrer Struktur und wenigstens ein Teil einer oder mehrerer gestapelter Flächen, welche die Fläche umgeben, stehen in flüssigkeitsdichtem Kontakt mit wenigstens einem Teil einer anderen Fläche mit einer Öffnung in ihrer Struktur. Die Fluidverbindung kann unter Verwendung eines beliebigen der vorstehend erwähnten Muster verwirklicht werden. Zusätzlich sind in einem Verbindungsabschnitt die Muster (1) und (2) vermischt. Beispielsweise ist in der in den 9 und 10 dargestellten Struktur die Fluidverbindung zwischen dem Flusskanal 105 der Mikrofluidvorrichtung 101 und dem Verbindungselement 903 unter Verwendung des Musters (1) verwirklicht und ist die Fluidverbindung zwischen dem Verbindungselement 903 und der Kapillare 200 unter Verwendung des Musters (2) verwirklicht. Im in 11 dargestellten Verbindungsabschnitt 104 sind sowohl die Fluidverbindung zwischen einem Flusskanal der Mikrofluidvorrichtung 101 und einem Verbindungselement als auch die Fluidverbindung zwischen dem Verbindungselement und der Kapillare unter Verwendung des Musters (1) verwirklicht. Ein in 11 dargestelltes Verbindungselement 1103 weist eine in 12 dargestellte Struktur auf, und die Struktur gleicht im Wesentlichen jener des in 3 dargestellten Verbindungselements 203. In 3 hat die Öffnung 1111 in der Nähe der Rohrleitung einen Durchmesser, welcher dem Außendurchmesser der Rohrleitung 102 entspricht, beim in 12 dargestellten Beispiel ist eine Öffnung 1111 in der Nähe der Rohrleitung jedoch so ausgebildet, dass sie einen Durchmesser aufweist, der dem Innendurchmesser der Rohrleitung 102 oder dem Durchmesser der Rohrleitungsöffnung 205 entspricht.
Mit Bezug auf einen der Vorteile jedes Musters sei bemerkt, dass, weil die beiden Flächen (die jeweils eine Öffnung aufweisen) einfach in flüssigkeitsdichtem Kontakt miteinander stehen, die Struktur des Musters (1) wahrscheinlich einfach wird. Beim in den 9 und 11 dargestellten Verbindungsabschnitt 104 wird ein Fluidweg gebildet, der im Wesentlichen die gleiche Form aufweist, wenn die Struktur des Verbindungselements 903 des Verbindungsabschnitts 104 jedoch mit der Struktur des Verbindungselements 1103 des Verbindungsabschnitts 104 verglichen wird, hat das Verbindungselement 1103 in 12 eine einfachere Struktur als das Verbindungselement 903 in 10. Dagegen besteht ein Vorteil des Musters (2) darin, dass es möglich ist, einfach die Positionen zu bestimmen, damit die Öffnungen einander gegenüberstehen. In 11 muss die Position der Kapillare 200 genau ausgerichtet sein, damit die Öffnung 205 der Kapillare mit der Öffnung 1111 des Verbindungselements ausgerichtet ist, und es ist beispielsweise erforderlich, die Position der Kapillare 200 auszurichten, während die Kapillare 200 unter Verwendung eines Mikroskops oder dergleichen durch die transparente Glasschicht 210 der Mikrofluidvorrichtung 101 beobachtet wird, oder es ist erforderlich, die Festhaltehülse 202 zu verwenden, die aus einem Material mit einer verhältnismäßig hohen Steifigkeit besteht, während die Größe des Verbindungslochs 204 und die Genauigkeit der Abmessung der Festhaltehülse 202 erhöht werden. Weil die Kapillare in 9 jedoch gehalten wird, während ein distaler Endabschnitt 921 der Kapillare in eine Öffnung 911 des Verbindungselements 903 eingeführt wird, ist die Ausrichtung der Position verhältnismäßig einfach.
Bei einem in 13 dargestellten anderen Beispiel eines Verbindungselements ist die Fluidverbindung zwischen dem Flusskanal 105 der Mikrofluidvorrichtung 101 und dem Verbindungselement im Muster (1) verwirklicht und ist die Fluidverbindung zwischen dem Verbindungselement und der Kapillare 200 im Muster (2) verwirklicht. Ähnlich dem Verbindungsabschnitt 104 in 9 fließen die Tröpfchen 106 zuverlässiger in einer geordneten Reihe, weil ein Fluidweg verwirklicht ist, der fast kein Totvolumen aufweist. Dabei ergibt sich der Vorteil, dass es leicht möglich ist, die Positionen zu bestimmen, damit ein Verbindungselement 1303 und die Öffnung 205 der Kapillare 200 einander gegenüberstehen.
Bei einem in 14 dargestellten anderen Beispiel des Verbindungsabschnitts 104 sind sowohl die Fluidverbindung zwischen dem Flusskanal 105 der Mikrofluidvorrichtung 101 und einem Verbindungselement als auch die Fluidverbindung zwischen dem Verbindungselement und der Kapillare 200 im Muster (1) verwirklicht. In vielen Teilen gleicht der Verbindungsabschnitt 104 dem Verbindungsabschnitt 104 in 11, hier ist ein Verbindungsloch 1404 jedoch so ausgebildet, dass es dem Außendurchmesser der Kapillare 200 entspricht, und ein Verbindungselement 1403 ist so ausgebildet, dass seine Größe dem Außendurchmesser der Kapillare 200 entspricht. Weil die Außenfläche der Kapillare 200 in Kontakt mit der Wandfläche des Lochs 1404 steht, wird die Position der Kapillare 200 durch die Wandfläche des Lochs 1404 geführt. Dementsprechend ist es leicht möglich, die jeweiligen Positionen der Öffnung 205 der Kapillare 200 und einer Öffnung 1411 des Verbindungselements 1403 auszurichten. Ähnlich dem in 11 dargestellten Beispiel fließen die Tröpfchen 106 zuverlässiger in einer geordneten Reihe, weil ein Fluidweg verwirklicht ist, der fast kein Totvolumen aufweist.
Vorzugsweise haben zwei Öffnungen, die in einem Fluidverbindungszustand gemäß dem vorstehend erwähnten Muster miteinander verbunden sind, im Wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche. Beispielsweise haben bei einer in 2 dargestellten Verbindung der Fluidwege die Fluidkanalöffnung 207 der Mikrofluidvorrichtung 101 und die Öffnung 208 des Verbindungselements im Wesentlichen die gleiche Querschnittsfläche. Wenn ein Fluid, insbesondere Wasser (ein Fluid, das nahezu nicht komprimierbar ist), durch einen Fluidweg ohne ein Leck oder eine Flussabzweigung fließt, ist die Flussrate an jedem Punkt im Fluidweg konstant. Typischerweise ist die Fließgeschwindigkeit an jedem Punkt umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche des Fluidwegs. Wenn die Querschnittsfläche konstant ist, ist die Fließgeschwindigkeit dementsprechend konstant. Wenn die Fließgeschwindigkeit abnimmt, wie vorstehend beschrieben wurde, können die Tröpfchen 106 möglicherweise stagnieren. Wenn die Fließgeschwindigkeit übermäßig zunimmt, nimmt die Reynolds-Zahl zu, tritt wahrscheinlich eine turbulente Strömung auf und nehmen Scherspannungen zu, wodurch bewirkt wird, dass die Tröpfchen 106 aufgeteilt werden. Das heißt, dass die Tröpfchen 106, wenn die Fließgeschwindigkeit stabil ist oder die Änderung der Querschnittsfläche abnimmt, zuverlässiger in einer geordneten Reihe fließen. Die Reynolds-Zahl Re ist eine dimensionslose Zahl, die durch Re = ρVL/μ definiert ist. Hier ist ρ [kg/m³] die Dichte des Fluids, μ [N·s/m²] der Viskositätskoeffizient des Fluids, V [m/s] die repräsentative Geschwindigkeit des Fluids und L [m] die repräsentative Länge des Fluidwegs. Der Wert sowohl der repräsentativen Geschwindigkeit als auch der repräsentativen Länge wird ausgewählt, um das System zu charakterisieren, und es wird beispielsweise eine durchschnittliche Fließgeschwindigkeit als die repräsentative Geschwindigkeit ausgewählt, und es wird der Minimalwert (die Dicke eines Flusskanals, wenn der Flusskanal flach ist) des Querschnittsdurchmessers des Fluidwegs als die repräsentative Länge ausgewählt. Wenn die Reynolds-Zahl zunimmt, ist es wahrscheinlich, dass eine turbulente Strömung auftritt, und wenn die Reynolds-Zahl abnimmt, ist es wahrscheinlich, dass eine laminare Strömung auftritt.
Das Material des Verbindungselements kann aus verschiedenen festen Materialien bestehen, und bevorzugt aus Quarzglas, Polydimethylsiloxan (PDMS) enthaltendem Silikonharz, Teflon (Warenzeichen) enthaltendem Fluorkohlenstoffharz, einem anderen Polyetheretherketon (PEEK), Polycarbonat (PC) und Polystyren (PS) enthaltendem Harz oder einem Edelstahl enthaltenden Metall. Bevorzugter ist es möglich, ein Material mit einer geeigneten Elastizität und einer geeigneten Steifigkeit zu verwenden, die zweckmäßig sind, um eine Oberfläche in flüssigkeitsdichtem Kontakt mit anderen Strukturen zu bilden. Es ist möglich, verschiedene Harzmaterialien als ein solches Material zu verwenden. Die Fläche (eine Innenfläche) (die Fläche, die in Kontakt mit dem Innenraum des Verbindungselements steht) und die Außenfläche des Verbindungselements können mit verschiedenen Materialien beschichtet oder überzogen sein. Das verwendete Beschichtungsmaterial oder Überzugsmaterial kann die physikalisch-chemischen Eigenschaften (die Befeuchtbarkeit, die Affinität oder die wasserabstoßenden Eigenschaften verschiedener Flüssigkeiten), die chemischen Eigenschaften (Reaktivität, Nicht-Reaktivität, Passivierung oder katalytische Aktivität) und die mechanischen Eigenschaften (Stärke, Elastizität, Abnutzungsbeständigkeit oder dergleichen) beeinflussen. Insbesondere ist es möglich, den Fluss der Tröpfchen 106 in einer geordneten Reihe zu unterstützen, ohne den Fluss der Tröpfchen 106 zu stören, indem die Befeuchtbarkeit des verwendeten Fluids und die Befeuchtbarkeit der Wandoberfläche des Fluidwegs des Flusskanals 105 oder der Rohrleitung 102 in Übereinstimmung gebracht werden.
Ein solches Verbindungselement kann unter Verwendung verschiedener wohlbekannter Verarbeitungsverfahren gebildet werden. Beispielsweise kann das in 3 dargestellte Verbindungselement 203 unter Verwendung eines Weichlithographieverfahrens aus PDMS gebildet werden. Insbesondere wird der Siliciumwafer mit einer ersten Schicht aus Negativ-Photoresist SU-8 schleuderbeschichtet, Licht ausgesetzt, während er mit einem Muster maskiert ist, das der Rille 206 entspricht, welche der Fluidweg des Verbindungselements 203 ist, und gehärtet. Anschließend wird der sich ergebende Siliciumwafer mit einer zweiten Schicht aus SU-8 beschichtet und Licht ausgesetzt, während er mit einem kreisringförmigen Muster maskiert ist, wodurch die Struktur, welche die Öffnung 211 spezifiziert, in der Nähe der Rohrleitung und des äußeren Umfangs des Verbindungselements 203 gebildet ist. Das in 3 dargestellte Verbindungselement 203 wird unter Verwendung eines entwickelten SU-8-Elements als Form, Einströmenlassen von PDMS in die Form, Härten des Elements, Abschälen des PDMS und anschließend Abschneiden des Rests des PDMS erhalten. Es ist möglich, die Dicke der Rille (des Fluidwegs) 206 des Verbindungselements 203 durch die Dicke der ersten Schicht zu steuern, und es ist möglich, die Dicke des gesamten Verbindungselements 203 durch die Summe aus der ersten Schicht und der zweiten Schicht und durch einen abschließenden Schneidprozess zu steuern. Es ist möglich, den Außendurchmesser des Verbindungselements 203, die Größe der Öffnung 211 des Verbindungselements und die Breite der Rille (des Fluidwegs) 206 unter Verwendung eines Photomaskenmusters und Lithographie zu steuern. Zusätzlich ist es möglich, das Verbindungselement unter Verwendung verschiedener Verarbeitungsverfahren, wie Spritzgießen, Schneiden und 3D-Druck, herzustellen.
[Beispiel 2 des Verbindungsabschnitts]
15 zeigt ein Beispiel des Verbindungsabschnitts 104 des Analysesystems. Hier verwirklicht der Verbindungsabschnitt 104 die Fluidverbindung zwischen dem Fluidweg 201 der Kapillare 200 (der Rohrleitung 102) aus Quarzglas und einem Flusskanal 1605 einer Mikrofluidvorrichtung 1601. Ein äußerer Endabschnitt 1603 des Flusskanals 1605 ist orthogonal zur Oberfläche der Mikrofluidvorrichtung 1601, und eine Flusskanalöffnung 1607 ist an der Oberfläche der Mikrofluidvorrichtung 1601 angeordnet. Die Oberfläche in der Nähe der Öffnung 1607 des Flusskanals 1605 und die Oberfläche in der Nähe der Öffnung 205 der Kapillare, d. h. die Endfläche 221 der Kapillare, sind glatt genug, und es ist möglich, einen flüssigkeitsdichten Kontakt und die Fluidverbindung zwischen der Kapillare und dem Verbindungselement zu erhalten, indem die Öffnungen 1607 und 205 in Kontakt gebracht werden, während die Öffnungen 1607 und 205 einander gegenüberstehen, und die Öffnungen 1607 und 205 mit der Festhaltehülse 202 oder dergleichen fixiert werden. Es ist möglich, die Glätte der Oberfläche in der Nähe der Flusskanalöffnung 1607 unter Verwendung einer typischen wohlbekannten Technik in der Art einer Kombination eines Siliciumwafers und Ätzens zu verwirklichen, und es ist möglich, die Glätte der Endfläche 205 der Kapillare unter Verwendung einer wohlbekannten Technik zu verwirklichen. Es ist möglich, die in 15 dargestellte Struktur unter Verwendung des Halters oder dergleichen, wie zuvor in 7 dargestellt, zu fixieren. Auch ist es mit dieser Konfiguration möglich, zu ermöglichen, dass die Tröpfchen 106 in einer geordneten Reihe fließen, indem eine Fluidverbindung verwirklicht wird, die fast kein Totvolumen aufweist.
Die 16 und 17 zeigen ein weiteres bevorzugtes Beispiel des Verbindungsabschnitts 104. Der Verbindungsabschnitt 104 hat im Wesentlichen die gleiche Konfiguration, wie jene, die in 15 dargestellt ist, wobei die Mikrofluidvorrichtungen 1701 und 1801 jedoch jeweils mit Verbindungslöchern 1704 und 1804 versehen sind. In 16 ist die Kapillare 200 zusammen mit einer Festhaltehülse 1702 in das Loch 1704 eingeführt. Die Endfläche 221 der Kapillare und die untere Fläche des Lochs sind glatt genug ausgebildet und werden in Kontakt gebracht, wodurch die Fluidverbindung zwischen der Endfläche 221 und der unteren Fläche des Lochs verwirklicht wird. Die Form der Festhaltehülse 1702 wird gebildet, indem die Festhaltehülse 1702 in das Loch 1704 eingepasst wird, wodurch es einfach ist, die Position der Öffnung 205 der Kapillare mit der Position einer Flusskanalöffnung 1707 auszurichten. Ähnlich ist auch in 17 das Verbindungsloch 1804 so ausgebildet, dass es dem Außendurchmesser der Kapillare 200 entspricht, und ist die Kapillare 200 allein in das Loch 1804 eingeführt. Dementsprechend ist es einfach, die Position der Öffnung 205 der Kapillare mit der Position einer Flusskanalöffnung 1807 auszurichten. Auch ist es beim in den 16 und 17 dargestellten Verbindungsabschnitt 104 möglich, es durch Verwirklichen einer Fluidverbindung, die fast kein Totvolumen aufweist, zu ermöglichen, dass die Tröpfchen 106 in einer geordneten Reihe fließen.
[Beispiel 3 des Verbindungsabschnitts]
18 zeigt ein weiteres bevorzugtes Beispiel des Verbindungsabschnitts 104 des Analysesystems. Hier verwirklicht der Verbindungsabschnitt 104 die Fluidverbindung zwischen dem Fluidweg 201 der Kapillare 200 (der Rohrleitung 102) aus Quarzglas und einem Flusskanal 1905 einer Mikrofluidvorrichtung 1901. Ein distaler Endabschnitt des Flusskanals 1905 ist als eine Rille 1919 in einer Glasschicht 1910 ausgebildet, und eine Flusskanalöffnung 1907 ist in der unteren Fläche des Verbindungslochs 1904 angeordnet. Das Verbindungsloch 1904 ist als ein Durchgangsloch in einer Siliciumschicht 1909 ausgebildet. Es ist möglich, ein solches Durchgangsloch unter Verwendung eines tiefen reaktiven Ionenätzens oder dergleichen zu bilden, bevor die Glasschicht und die Siliciumschicht aneinander gebondet werden. Ein Vorteil besteht darin, dass, weil das Verbindungsloch 1904 ein Durchgangsloch ist, das Loch 1904 leicht eingearbeitet werden kann, ohne seine Tiefe während der Bildung zu steuern. Die Kapillare 200 wird zusammen mit einer Festhaltehülse 1902 in das Loch 1904 eingeführt, fixiert und unter Verwendung der Festhaltehülse 1902 gegen die untere Fläche des Lochs 1904 gedrückt. Durch dieses Drücken werden die Festhaltehülse 1902 und die Kapillare 200 in flüssigkeitsdichten Kontakt mit der Glasschicht 1910 gebracht, welche die untere Fläche des Lochs 1904 bildet. Wenn die Rille 1919 der Glasschicht, die Festhaltehülse 1902 und die Endfläche 221 der Kapillare zusammengesetzt werden, wirkt der distale Endabschnitt des Flusskanals 1905 als ein Fluidweg. Mit dieser Konfiguration ist es beim Verbindungsabschnitt 104 möglich, es zu ermöglichen, dass die Tröpfchen 106 in einer geordneten Reihe fließen, indem eine Fluidverbindung verwirklicht wird, die fast kein Totvolumen aufweist.
Die 19 und 20 zeigen ein weiteres bevorzugtes Beispiel des Verbindungsabschnitts 104. In 19 ist die Festhaltehülse 1902 des in 18 dargestellten Verbindungsabschnitts durch eine Anordnung einer Festhaltehülse 2002 und einer gerillten Hülse 2003 ersetzt. Hier ist ein Fluidweg des distalen Endabschnitts des Flusskanals 1905 durch die Anordnung der Rille 1919 der Glasschicht, der gerillten Hülse 2003 und der Endfläche 221 der Kapillare gebildet. Dabei wird eine Rille 2006 der gerillten Hülse so angeordnet, dass sie der Rille 1919 der Glasschicht gegenübersteht. Die Rille der gerillten Hülse 2006 kann verhindern, dass eine zu hohe aufwärts gerichtete Druckkraft eine Verformung hervorruft, und es kann dadurch verhindert werden, dass die Rille 1919 der Glasschicht zwischen der Hülse und der Glasschicht angeordnet wird. Dementsprechend ist es einfach, eine aufwärts gerichtete Druckkraft einzustellen und den Verbindungsabschnitt zu handhaben. Zusätzlich ist es, wie in 20 dargestellt ist, möglich, die gleichen Wirkungen wie in 19 zu erhalten, selbst wenn eine gerillte Festhaltehülse 2102 verwendet wird, die durch integrales Bilden einer Festhaltehülse und einer gerillten Hülse erhalten wird, und es ist durch die integrale Ausbildung der Hülsen 2002 und 2003 sehr einfach, die Hülse während der Montage oder des Anbringens und Abnehmens der Hülse handzuhaben. Auch kann durch die in den 19 und 20 dargestellte Konfiguration im Verbindungsabschnitt 104 ermöglicht werden, dass die Tröpfchen 106 in einer geordneten Reihe fließen, indem die Fluidverbindung fast ohne Totvolumen verwirklicht wird.
[Einzelheiten der Funktionsweise des Systems]
Nachstehend werden die Funktionsweise und der Betrieb des Analysesystems unter Verwendung der vorstehend erwähnten Struktur detailliert beschrieben.
Das Analysesystem kann verwendet werden, um eine Zielreaktion in einer Proben enthaltenden Lösung für verschiedene Analysen der Proben zu steuern und auszuführen und um die Ergebnisse der Reaktion zu messen. Beispielsweise kann das Analysesystem für eine wissenschaftliche Analyse (Enzymreaktionskinetik, die Messung der DNA-Anordnung oder der Anzahl von DNA oder dergleichen), eine klinische Analyse, eine Überwachung zur Synthese und Herstellung oder dergleichen verwendet werden.
Die Funktionsweise des Analysesystems besteht darin, Mittel bereitzustellen, um Folgendes auszuführen: (1) Bilden der Mikrotröpfchen (Reaktionströpfchen) 106, um eine Zielreaktion in der Mikrofluidvorrichtung 101 zu bewirken, (2) Steuern der Reaktion in den Tröpfchen 106 als Reaktionsbehälter, (3) Extrahieren der Tröpfchen 106 aus der Mikrofluidvorrichtung 101 und (4) Analysieren der Ergebnisse der Zielreaktion durch die Messung der Tröpfchen 106. Nachstehend werden die Schritte (1) bis (4) detailliert beschrieben.
[(1) Präparation eines Reaktionströpfchens]
Die Reaktionsbeispiele sind eine chemische Reaktion, eine physikalische Reaktion und eine biologische Reaktion.
Es ist möglich, eine Reaktion durch Hinzufügen, Aufbringen oder Mischen reaktiver Elemente einzuleiten. Das reaktive Element ist ein Hauptelement zum Bewirken einer Reaktion, und es kann beispielsweise eine Substanz in der Art eines Enzyms, eines Substrats, eines Antikörpers oder eines Antigens sein, oder es kann eine biologische Probe in der Art eines kleinen Bionts, einer Zelle oder einer Zellengruppe eines Tiers oder einer Pflanze, eines Gewebeschnitts, eines Bakteriums oder eines Pilzes oder eines Virus sein. Das reaktive Element kann auch ein Sekundärelement einschließen. Hier ist ein Sekundärelement etwas, was eine Reaktion fördert, hemmt, unterstützt oder ”einleitet”, oder etwas, was das Auftreten einer Devitalisierung infolge einer Flockenbildung, einer Koagulation, einer Extraktion, einer Degeneration, einer Adsorption oder dergleichen verhindert oder was Umgebungen zum Beeinträchtigen einer Reaktion bereitstellen kann. Beispiele des Sekundärelements sind ein Katalysator, ein Promoter, ein Agonist, ein Hemmer, ein Antagonist, ein pH-Puffer, ein Oxidations-Reduktions-Mittel, verschiedene Metallionen oder verschiedene typische Salze, ein oberflächenaktives Mittel, ein Degenerationshemmer, verschiedene makromolekulare Prodrugs oder verschiedene niedermolekulare Prodrugs, pharmazeutische Materialien oder Kandidatenmaterialien für Pharmazeutika oder eine Vorstufe, ein Kulturmedium oder ein Induktionsmaterial. Zusätzlich zu den vorstehend erwähnten Substanzen kann das Sekundärelement eine Änderung einer physikalischen Größe oder chemischen Größe in der Art der Temperatur, des Drucks, der Geschwindigkeit, einer Photoreaktion (einer elektromagnetischen Reaktion), einer Schallwelle, eines elektrischen Felds, eines Magnetfelds oder des pH-Werts sein. Vorzugsweise kann der Beginn einer Reaktion durch eine Änderung der vorstehend beschriebenen physikalischen oder chemischen Größe gesteuert werden. Der Beginn einer Reaktion kann durch Kontakt mit einer festen Phase in der Art eines Katalysators gesteuert werden. Der Beginn einer Reaktion kann durch eine Kombination dieser Sekundärelemente oder durch eine freie Kombination des Hauptelements und des Sekundärelements gesteuert werden.
Beispielsweise enthält eine PCR-Reaktion unter Verwendung eines Hot-Start-Enzyms (AmpliTaq-Gold-(Warenzeichen)-DNA-Polymerase) ein Enzym, eine Primer-DNA, eine Templat-DNA und einen Puffer (einen pH-Puffer) als reaktive Elemente, wobei die reaktiven Elemente jedoch mit einem Enzym gemischt werden, nachdem sie ohne das Enzym gemischt wurden, wodurch eine Reaktion beginnen kann, oder wobei die Gesamtheit der ein Enzym enthaltenden reaktiven Elemente, nachdem sie vermischt wurden, bei einer geeigneten Temperatur gehalten wird (beispielsweise fünf Minuten lang bei einer Temperatur von 95°C), wodurch eine Reaktion beginnen kann. Ein geeignetes Temperatureinstellverfahren ist Fachleuten auf dem Gebiet wohlbekannt.
Es ist möglich, eine Reaktion durch einen Reaktionsbeendigungsprozess zu beenden. Der Reaktionsbeendigungsprozess kann durch Ändern oder Entfernen des reaktiven Elements (des Hauptelements oder des Sekundärelements) oder durch Hinzufügen einer Substanz aktiviert werden. Der Reaktionsbeendigungsprozess kann eine Änderung einer physikalischen oder chemischen Größe in der Art der Temperatur, des Drucks, der Geschwindigkeit, einer Photoreaktion (einer elektromagnetischen Reaktion), einer Schallwelle, eines elektrischen Felds, eines Magnetfelds oder des pH-Werts sein. Vorzugsweise kann die Beendigung einer Reaktion durch eine Änderung der physikalischen Größe oder der chemischen Größe gesteuert werden. Es ist möglich, die Beendigung einer Reaktion zu steuern, indem Tröpfchen miteinander vereinigt werden, welche Hemmer enthalten, die an einen Aktivierungsabschnitt eines Enzyms gebondet werden können und das Enzym deaktivieren können, und indem die vereinigten Tröpfchen zu Reaktionströpfchen hinzugefügt werden. Mit einer ähnlichen Manipulation kann die Beendigung einer Reaktion gesteuert werden, indem starke Säuretröpfchen oder hochdichte schwache Säuretröpfchen zu Reaktionströpfchen vereinigt werden, der pH-Wert der Tröpfchen aus einem geeigneten pH-Wert für das Enzym erhalten wird und das Enzym degeneriert und devitalisiert wird. Wenn alternativ die geeignete Temperatur 36°C ist, Enzyme als reaktives Element enthaltende Tröpfchen entlang einem Flusskanal fließen und die Enzyme wenigstens eine Minute lang bei einer Temperatur von 80°C gehalten werden, degeneriert und devitalisiert werden, ist es möglich, die Beendigung einer Reaktion zu steuern, indem ein Teilbereich des Flusskanals bei einer Temperatur von 100°C gehalten wird und die Tröpfchen gesteuert werden, so dass sie wenigstens eine Minute lang durch den Teilbereich fließen.
Dabei bezieht sich der Reaktionsbeendigungsprozess auf einen Zeitraum vom Beginn jedes Schritts bis zu seiner Beendigung, einen Zeitraum vom Beginn des Hinzufügens einer Substanz bis zum Mischen der Substanz mit der Gesamtheit der Reaktionströpfchen und dann bis zu einer tatsächlichen Unterbrechung der gesamten Reaktion oder auf einen Zeitraum vom Beginn einer Änderung jeder physikalischen oder chemischen Eigenschaft bis zu einer tatsächlichen Unterbrechung der gesamten Reaktion.
Die Tröpfchen 106 können unter Verwendung verschiedener Verfahren gebildet werden, die Fachleuten wohlbekannt sind, oder die Tröpfchen 106 können unter Verwendung eines passiven Tröpfchenbildungsverfahrens, eines aktiven Tröpfchenbildungsverfahrens oder einer Kombination eines passiven Tröpfchenbildungsverfahrens und eines aktiven Tröpfchenbildungsverfahrens gebildet werden. Beispielsweise kann eine Flussfokussierung, wie in JP-T-2010-506136 offenbart, oder ein T-Stück, wie in Lab an a Chip (2006), Band 6, S. 437–446 offenbart, für das passive Tröpfchenbildungsverfahren verwendet werden. Ein in Lab an a Chip (2010), Band 10, S. 816–818 offenbartes Verfahren kann als aktives Tröpfchenbildungsverfahren verwendet werden, und es ist insbesondere möglich, das Volumen der Mikrotröpfchen 106 zu steuern und die Tröpfchen 106 durch verschiedene Düsen abzugeben, indem die Öffnungs- und Schließzeit eines in oder außerhalb der Mikrofluidvorrichtung 101 bereitgestellten Ventils und die Druckdifferenz vor und hinter dem Ventil gesteuert wird.
Bei jedem der Tröpfchenbildungsverfahren werden wenigstens zwei vermischbare Fluide verwendet. Beispiele vermischbarer Fluide sind polare Moleküle, wie Wasser, Öl und ein Fluid in der Art einer ionischen Flüssigkeit, und drei Gruppen dieser Fluide sind nicht miteinander vermischbar. Wenn typische organische Moleküle, die Kohlenwasserstoffe und Fluorkohlenstoffe in Öl enthalten, geeignet und selektiv miteinander kombiniert werden, sind die organischen Moleküle und die Fluorkohlenstoffe miteinander mischbar. Es kann ein mit der vorstehend erwähnten Flüssigkeit mischbares Gas verwendet werden. Es kann eine kontinuierliche Phase oder eine nicht kontinuierliche Phase eines beliebigen der vorstehend erwähnten Fluide verwendet werden. Bei der in den vorstehend erwähnten Tröpfchenbildungsverfahren erläuterten Struktur, beispielsweise bei einer Flussfokussierungsstruktur, einem T-Stück und verschiedenen Düsen, fließen die kontinuierliche Phase und die nicht kontinuierliche Phase zusammen, und die nicht kontinuierliche Phase wird in die kontinuierliche Phase zerlegt, und die Tröpfchen 106 werden dabei gebildet. Typischerweise ist die für dieses Zusammenfließen verwendete Struktur in der Mikrofluidvorrichtung 101 bereitgestellt. Ein Fluid, das in eine kontinuierliche Phase zu versetzen ist, und ein Fluid, das in eine nicht kontinuierliche Phase zu versetzen ist, werden über Einlässe 11 und 12 der Mikrofluidvorrichtung 101 eingebracht. Das Fluid kann eingebracht werden, während das Analysesystem verwendet wird, beispielsweise während eine Analyse abläuft, oder bevor das Analysesystem verwendet wird. Typischerweise können exklusive Einlässe zwei oder mehr Fluiden zugewiesen werden. Die Mikrofluidvorrichtung 101 kann Ventile aufweisen, und die verschiedenen Fluide können jeweils in verschiedenen Vorratsbehältern gespeichert werden, indem die Ventile immer dann geschaltet werden, wenn die Fluide eingebracht werden, und verschiedene miteinander mischbare Fluide können für die Verwendung aus den Vorratsbehältern abgegeben werden und miteinander zusammenfließen.
Vorzugsweise werden die reaktiven Elemente in den Tröpfchen 106, unmittelbar nachdem sie in die Tröpfchen 106 eingebracht wurden, schnell vermischt, wodurch die reaktiven Elemente homogenisiert werden. Wie vorstehend beschrieben, ist es möglich, eine Reaktion durch Hinzufügen und Mischen der reaktiven Elemente einzuleiten, wenn die hinzugefügten reaktiven Elemente jedoch in den Tröpfchen 106 homogen gemischt werden, können die Reaktionsbedingungen in den Tröpfchen 106 gleichmäßig gemacht werden, und es kann dann ein gleichmäßiges Messergebnis erhalten werden, selbst wenn die Eigenschaften eines bestimmten Abschnitts der Tröpfchen 106 gemessen werden. Dementsprechend ist es möglich, die Differenz zwischen der tatsächlichen Reaktionszeit und der vorgesehenen Reaktionszeit und die Differenz zwischen verschiedenen tatsächlichen Reaktionsbedingungen und vorgesehenen Reaktionsbedingungen zu minimieren.
Die reaktiven Elemente können infolge der Eigenschaften ausschließlich der Mikrotröpfchen 106 gemischt werden. Die Mikrotröpfchen 106 fördern die Mischung der reaktiven Elemente. Dies liegt daran, dass die Mischung in einer sehr kurzen Zeit abgeschlossen werden kann, weil, selbst wenn die reaktiven Elemente durch Diffusion allein gemischt werden, die Tröpfchen 106, verglichen mit einem typischen Reaktionsbehälter, einen sehr kleinen Raum aufweisen. Eine Verwirbelungsströmung im Tröpfchen 106 fördert die Mischung. Zusätzlich können die reaktiven Elemente, wie in Journal of the American Chemical Society (2003), Band 125, S. 14613–14619 beschrieben, durch einen Flusskanal fließen, durch den die Tröpfchen 106 gebildet werden, und dann durch einen Flussweg fließen, an dessen Wand sich eine Unregelmäßigkeit befindet, so dass dabei die Mischung in einem sehr kurzen Zeitraum abgeschlossen werden kann, weil dort die Wirbelströmungen in den Tröpfchen 106 stärker werden und die Flüssigkeit umrühren.
Die reaktiven Elemente können in einem Zustand gemischt werden, in dem keine Tröpfchen gebildet werden (in einem kontinuierlichen Flusszustand). Dabei kann ein wohlbekannter Flusskanal mit einer Struktur zur Förderung der Mischung verwendet werden.
Wenn ein die reaktiven Elemente enthaltendes Fluid gemischt wird, kann das Fluid vor der Bildung von Tröpfchen gemischt werden, oder die Flüssigkeit kann durch Vereinigen der Tröpfchen gemischt werden, nachdem mehrere jeweils die reaktiven Elemente enthaltenden Tröpfchen gebildet wurden. Die vorstehend erwähnten Mischverfahren können folgendermaßen kombiniert werden: Ein Teil der reaktiven Elemente wird gemischt, bevor Tröpfchen gebildet werden, und die Flüssigkeit kann durch Vereinigen der Tröpfchen gemischt werden, nachdem Tröpfchen der gemischten Flüssigkeit und Tröpfchen der restlichen Elemente gebildet wurden. Beispielsweise kann dabei die tatsächliche Zeit verringert werden, die für das Mischen der Flüssigkeit erforderlich ist, indem das reaktive Element vorgemischt wird, das einen verhältnismäßig kleinen Diffusionskoeffizienten aufweist, wobei es eine Zeit bis zum Mischen dauert, und indem schließlich das reaktive Element gemischt wird, das einen verhältnismäßig großen Diffusionskoeffizienten aufweist und in einem kurzen Zeitraum gemischt werden kann.
[(2) Reaktionszeit]
Die Reaktionszeit ist als der Zeitraum von einer Reaktionsanfangszeit jedes der Reaktionströpfchen 106 bis zu ihrer Reaktionsbeendigungszeit definiert. Die Reaktionszeit kann gesteuert werden, indem die Reaktionsanfangszeit oder die Reaktionsbeendigungszeit gesteuert wird.
Die Reaktionsanfangszeit bezieht sich auf die Bildungszeit jedes Reaktionströpfchens 106 oder die Reaktionsanfangszeit jedes Reaktionströpfchens 106. Insbesondere bezieht sich die Reaktionsanfangszeit auf die Mischanfangszeit der reaktiven Elemente, die Mischabschlusszeit oder die repräsentative Zeit dazwischen. Alternativ kann die Reaktionsanfangszeit die Bildungsanfangszeit des Reaktionströpfchens 106 sein. Ähnlich kann die Reaktionsbeendigungszeit die Anfangszeit oder die Beendigungszeit des Reaktionsbeendigungsprozesses, die für den Zeitraum des Prozesses repräsentative Zeit oder die Analysezeit sein. Die Analysezeit ist die Zeit für das Messen der Eigenschaften der Reaktionströpfchen 106, die für das Analysieren der Reaktionströpfchen erforderlich ist. Wenn die Reaktionströpfchen 106 analysiert werden, d. h. verschiedene Eigenschaften der Tröpfchen 106 in einem Zustand gemessen werden, in dem Reaktionen in den Tröpfchen 106 unterbrochen bleiben, werden im Wesentlichen die gleichen Analyseergebnisse erhalten wie in dem Fall, in dem die Reaktionen zur Messzeit gleichzeitig beendet werden, weshalb die Analyse zeit als die Reaktionsbeendigungszeit verwendet werden kann. Die Analysezeit als die Reaktionsbeendigungszeit kann die Messanfangszeit oder die Messbeendigungszeit für jedes der Tröpfchen 106 sein oder eine Zeit sein, die für einen Zeitraum von der Anfangszeit bis zur Endzeit repräsentativ ist. Vorzugsweise werden die Reaktionsanfangszeit und die Reaktionsbeendigungszeit unter den vorstehend erwähnten Beispielen geeignet ausgewählt, wobei der Reaktionstyp, der Analysetyp, ein Objekt oder dergleichen berücksichtigt werden, und es können andere Zeiten als bei den vorstehend erwähnten Beispielen verwendet werden.
Beispielsweise wird eine nicht kontinuierliche Wasserphase über den ersten und den zweiten Einlass injiziert und wird eine kontinuierliche Ölphase über einen dritten Einlass mit einer gegebenen volumetrischen Flussrate injiziert, die geeignet ausgewählt ist. Eine wässrige Lösung, die ein Enzym und einen Puffer enthält, wird über den ersten Einlass injiziert, und eine wässrige Lösung, die ein Substrat und einen Puffer enthält, wird über den zweiten Einlass injiziert. Flusskanäle, die sich von den beiden Einlässen fortsetzen, fließen an einem Zusammenflusspunkt zusammen und fließen dann mit einem Flusskanal zusammen, der sich vom dritten Einlass erstreckt, während ein T-Stück gebildet ist. Ein gegebenes Volumen von Wassertröpfchen wird in gegebenen Intervallen am T-Stück gebildet. Wenn das Mischen des Enzyms und des Substrats am Zusammenflusspunkt beginnt, kann dieser als der Anfangspunkt der Reaktionen (der Reaktionen eines Teils der Tröpfchen) angesehen werden. Daher werden die Tröpfchen 106 am T-Stück gebildet, und der Reaktionsbeginn wird bei diesem Beispiel tatsächlich beendet, wenn sich der Inhalt der Tröpfchen 106 vollständig mit den durch den Flusskanal fließenden Tröpfchen 106 gemischt hat. Verglichen mit der Fließgeschwindigkeit, der Größe der Tröpfchen und der Reaktionsgeschwindigkeit kann die Zeit vom Zusammenfließen bis zur Bildung der Tröpfchen 106 erheblich verringert werden, indem der Zusammenflusspunkt und das T-Stück recht kurz gemacht werden. Weil das Mischen der Flüssigkeit nach der Bildung der Tröpfchen 106 sehr schnell geschieht, kann die Reaktion in einem kurzen Zeitraum abgeschlossen werden, so dass davon ausgegangen werden kann, dass die Reaktionsanfangszeit (das Zusammenfließen) der Reaktionsabschlusszeit (dem Abschluss der Mischung) im Wesentlichen gleicht. Selbst wenn irgendeine der vorstehend erwähnten Reaktionsanfangszeiten verwendet wird, ergibt sich dabei kein negativer Einfluss. Wenn infolge der Eigenschaften der verwendeten Lösung, des Volumens der Tröpfchen 106, einer Beschränkung des Flusskanals 105 oder der volumetrischen Flussrate die Geschwindigkeit der verwendeten Reaktion sehr hoch ist oder die Mischgeschwindigkeit im Tröpfchen 106 ausreichend hoch ist, beeinflusst die Differenz zwischen der Reaktionsanfangszeit (dem Zusammenfließen) und der Reaktionsabschlusszeit (dem Abschluss des Mischens) die Reaktionszeit, so dass die Reaktionsabschlusszeit angenommen werden kann. Ein Zwischenpunkt zwischen dem Anfang und dem Abschluss der Reaktion oder ein Schätzwert (der durch eine Berechnung erhaltene Wert) der Zeit für einen ungefähren Abschluss der Mischung kann als eine Zeit für den ungefähren Abschluss der Reaktion verwendet werden. Das Reaktionsprodukt kann durch zeitliche Integration der Reaktionsgeschwindigkeit erhalten werden, indem eine zeitliche Änderung der Reaktionsgeschwindigkeit während der Reaktion, beispielsweise eine zeitliche Änderung des Mischgrads, anhand eines Experiments oder einer auf einer Theorie beruhenden Berechnung erhalten wird. Wenn dabei angenommen wird, dass die Reaktionsgeschwindigkeit unmittelbar nach Beginn der Reaktion immer gleich der Reaktionsgeschwindigkeit nach Abschluss der Reaktion ist, wird eine imaginäre Reaktionsanfangszeit, zu der die Menge der Reaktionsprodukte gleich der tatsächlichen Menge ist, erhalten, und kann als Reaktionsanfangszeit verwendet werden.
Beim vorstehend erwähnten Beispiel ist der Reaktionsbeendigungsprozess nicht besonders vorgesehen, und es ist möglich, den Absorptionsgrad des durch den Flusskanal 105 fließenden Tröpfchens 106 für eine spezifische Lichtwellenlänge durch eine Analyse zu messen. Dabei ist die Reaktionszeit tatsächlich gleich der Durchgangszeit des Tröpfchens 106 von einem Reaktionsanfangspunkt bis zu einem Analyseanfangspunkt. Die Durchgangszeit des Tröpfchens 106 kann durch Berechnung, ein Experiment oder die Messung der tatsächlichen Durchgangszeit erhalten werden. Bei der Berechnung der Durchgangszeit kann die Durchgangszeit anhand der volumetrischen Flussrate und des Volumens des Flusskanals geschätzt werden. Es kann eine beliebige volumetrische Flussrate verwendet werden. Beispielsweise kann eine Flüssigkeit unter Verwendung einer Spritze und einer Spritzenpumpe mit einer beliebigen gegebenen volumetrischen Flussrate in die Mikrofluidvorrichtung 101 fließen gelassen werden. Das Volumen des Flusskanals kann anhand der bekannten Größen (der Länge, des Innendurchmessers, der Höhe und der Breite des Querschnitts, des Hubvolumens, des Totvolumens und dergleichen) des Flusskanals 105 berechnet werden, oder es kann experimentell gemessen werden. Beispielsweise kann das Volumen des Flusskanals experimentell bestimmt werden, indem ein Fluid mit einer gegebenen volumetrischen Flussrate durch ein bestimmtes Volumen fließen gelassen wird und anhand einer Beobachtung mit den Augen oder eines durch eine Kamera aufgenommenen Bilds die Zeit gemessen wird, die erforderlich ist, um das Volumen zu durchqueren. Alternativ wird ein Flusskanalvolumen vollständig mit einer bestimmten Flüssigkeit gefüllt, wird eine andere zweite Flüssigkeit, die mit der Flüssigkeit mischbar ist, in das Flusskanalvolumen injiziert und kann das Flusskanalvolumen als das Volumen der zweiten Flüssigkeit bestimmt werden, die injiziert wird, bis der Hindurchtritt der zweiten Flüssigkeit geendet hat, nachdem damit begonnen wurde, die zweite Flüssigkeit durch das Volumen hindurchtreten zu lassen.
Alternativ wird die Durchgangszeit der Tröpfchen experimentell gemessen und kann für das Erhalten der Reaktionszeit verwendet werden. Beispielsweise wird eine nicht kontinuierliche Phase mit einer gegebenen volumetrischen Flussrate durch ein bestimmtes Volumen hindurchtreten gelassen, wird die für das Hindurchtreten durch das Volumen erforderliche Zeit gemessen und kann die gemessene Zeit als die Durchgangszeit des Tröpfchens 106 bestimmt werden. Bevorzugter darf eine kontinuierliche Phase mit einer tatsächlichen volumetrischen Flussrate durch den tatsächlichen Flusskanal 105 oder einen äquivalenten Flusskanal fließen und wird die Durchgangszeit des Tröpfchens 106, das durch den Flusskanal fließt, gemessen und kann als die Durchgangszeit verwendet werden. Noch bevorzugter wird der Wert jedes der folgenden Parameter als ein tatsächlicher Wert oder ein Wertebereich festgelegt und kann eine durch ein Experiment gemessene Durchgangszeit verwendet werden: die tatsächliche Größe des Tröpfchens 106, die Viskositäten einer kontinuierlichen Phase und einer nicht kontinuierlichen Phase und das Verhältnis zwischen diesen, die Oberflächenspannung zwischen der kontinuierlichen Phase und der nicht kontinuierlichen Phase, die Befeuchtbarkeit der kontinuierlichen Phase und der nicht kontinuierlichen Phase an der Wand des Flusskanals 105, die volumetrischen Flussraten der kontinuierlichen Phase und der nicht kontinuierlichen Phase und dergleichen. Dieser Ansatz wird verwendet, weil diese Parameter die Durchgangsgeschwindigkeit des Tröpfchens 106 beeinflussen können. Beispielsweise ist in Lab an a Chip (2011), Band 11, S. 3603–3608 offenbart, dass die Durchgangsgeschwindigkeit des Tröpfchens 106 von der relativen Länge l/w (w ist die Breite des Flusskanals und l ist die Länge des Tröpfchens) des Tröpfchens 106 in Bezug auf den Flusskanal 105 und dem Verhältnis zwischen den Viskositäten der kontinuierlichen Phase und der nicht kontinuierlichen Phase, der Kapillarenzahl Ca und dergleichen abhängt. Ca ist eine dimensionslose Zahl, die durch Ca = μV/γ definiert ist. Hier ist μ [N·s/m²] der Viskositätskoeffizient des Fluids, ist V [m/s] die repräsentative Geschwindigkeit der nicht kontinuierlichen Phase und ist γ [N/m] die Oberflächenspannung zwischen der kontinuierlichen Phase und der nicht kontinuierlichen Phase. Gemäß dem vorstehend erwähnten Verfahren kann die Durchgangszeit des Tröpfchens 106 erhalten werden, wenn eine beliebige volumetrische Flussrate gegeben ist. Die Reaktionszeit kann deshalb durch Steuern der Durchgangszeit gesteuert werden.
[(3) Transport von Tröpfchen]
Die vorliegende Erfindung sieht Mittel für den Transport der in der Mikrofluidvorrichtung 101 gebildeten Tröpfchen 106 zur Analysevorrichtung 103 vor. Die Mikrofluidvorrichtung 101 ist durch den vorstehend erwähnten Verbindungsabschnitt 104 mit der vorstehend erwähnten Rohrleitung 102 verbunden. Demgemäß werden die Tröpfchen 106 durch den Verbindungsabschnitt 104 und die Rohrleitung 102 von der Mikrofluidvorrichtung 101 zur Analysevorrichtung 103 transportiert. Der Flusskanal 105 der Mikrofluidvorrichtung 101 steht in Fluidverbindung mit dem Fluidweg der Rohrleitung 102, und der Flusskanal und der Fluidweg bilden einen integrierten Fluidweg. Die Tröpfchen 106 fließen in einer kontinuierlichen Ölphase, welche durch den integrierten Fluidweg fließt. Wie vorstehend beschrieben, wird eine kontinuierliche Phase des Flusses gesteuert, weshalb es möglich ist, die Transportgeschwindigkeit der Tröpfchen 106, die Zeit, zu der die Tröpfchen 106 an der Analysevorrichtung 103 ankommen, oder die Analysezeit zu steuern. Der Transportweg kann ein einziger Weg sein, oder er kann Verzweigungen oder einen Zusammenfluss aufweisen. Wenn es Verzweigungen oder einen Zusammenfluss gibt, kann ein programmiertes Steuerverfahren oder ein stochastisches Steuerverfahren verwendet werden.
[(4) Analyse von Tröpfchen]
Die Analyse umfasst die Messung verschiedener Eigenschaften (einer oder mehrerer Eigenschaften) der Tröpfchen 106. Zusätzlich wird beider Analyse ein Paar mehrerer absoluter Eigenschaftswerte und mehrerer relativer Eigenschaftswerte durch die Messung erhalten.
Die unbegrenzten Beispiele der Eigenschaften der Tröpfchen 106 umfassen Fluoreszenz, Absorption, Spektrum (beispielsweise optische Absorption, Lumineszenz oder verschiedene Streuungen in sichtbarem Licht, Infrarotlicht, Ultraviolettlicht oder Terahertzwellen, Resonanzspektrum oder magnetisches Kernresonanzspektrum), Radioaktivität, Masse, Volumen, Dichte, Temperatur, Viskosität, elektromagnetische Eigenschaften (Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante, magnetische Permeabilität), pH-Wert, die Konzentration einer Substanz in der Art einer chemischen Substanz oder einer biologischen Substanz (beispielsweise Protein, Nukleinsäure) oder dergleichen. Bei der Messung der Eigenschaften können die Eigenschaften eines Tröpfchens 106 einmal gemessen werden, oder es kann, nachdem die Eigenschaften mehrere Male gemessen wurden, ein repräsentativer Wert in der Art eines Durchschnittswerts berechnet werden, oder es kann die Verteilung der Eigenschaften des Tröpfchens 106 bewertet werden.
Insbesondere kann die Messung unter Verwendung verschiedener Photometer in der Art eines Atomabsorptionsphotometers, eines Absorptiometers, eines Fluorophotometers, eines Spektroskops, eines Massenspektrometers (MS), einer magnetischen Kernresonanzvorrichtung (NMR), einer spektrochemischen Emissionsanalyse (ICP), HPLC, verschiedener Mikroskope oder dergleichen ausgeführt werden.
Wenn eine die Tröpfchen 106 trennende kontinuierliche Phase Werte angibt, die von den Eigenschaftswerten der Tröpfchen verschieden sind, insbesondere die Eigenschaften fast nicht erkannt werden, wirkt die kontinuierliche Phase als ein Abstandselement, das die gemessenen Eigenschaftswerte der mehreren Tröpfchen in einer Zeitreihe trennt. Wenn die Eigenschaftswerte der mehreren Tröpfchen 106 gegen die Zeit aufgetragen werden, zeigen sie insbesondere eine Spitzenform oder eine Pulsform. Dementsprechend können das Tröpfchen 106 und der gemessene Eigenschaftswert leicht miteinander assoziiert werden.
[Terminologie]
In dieser Beschreibung kann ein Teil des Flusses oder kann der gesamte Fluss laminar oder turbulent sein, und er kann ein elektroosmotischer Fluss, ein druckgetriebener Fluss und dergleichen sein. Der druckgetriebene Fluss kann durch eine Spritze und eine Spritzenpumpe angetrieben werden und durch eine Druckquelle angetrieben werden, die aus einer Luftpumpe, einer Kombination einer Pumpe und eines Ventils oder dergleichen gebildet ist.
In dieser Beschreibung kann das Öl typischerweise aus verschiedenen Öltypen oder allgemeinem Öl bestehen, und es können beispielsweise Pflanzentalg, Mineralöl, Kohlenwasserstofföl (normalerweise Kettenkohlenwasserstofföl oder aromatisches Kohlenwasserstofföl), Fluoröl (Fluorkohlenstofföl oder dergleichen) oder dergleichen verwendet werden. Bevorzugter kann Perfluorodecalin oder Fluorinert (Warenzeichen) (FC-40, FC-3283 oder dergleichen, 3M Ltd.) verwendet werden. Es kann eine Mischung verschiedener Öltypen und eines oberflächenaktiven Mittels verwendet werden. Es können verschiedene oberflächenaktive Mittel verwendet werden, die an Bestandteile eines Tröpfchens (beispielsweise das Öl, das Analyseziel oder ein Lösungsmittel) angepasst sind. Es können die folgenden oberflächenaktiven Mittel verwendet werden: ein nicht ionisches oberflächenaktives Mittel, wie Tween 20 oder NP-40, oder ein oberflächenaktives Mittel auf Fluorbasis, wie ein 1H, 1H, 2H, 2H-Perfluor-1-oktanol- oder EA-oberflächenaktives Mittel (Raindance Ltd.).
In dieser Patentschrift kann Wasser außer durch reines Wasser durch verschiedene wässrige Lösungen gegeben sein, die Wasser als Bestandteil aufweisen.
In dieser Patentschrift ist die kontinuierliche Phase die Phase eines Fluids, wodurch tatsächlich ein zusammenhängender Raum gefüllt wird, der den größten Teil des Flusskanals ausmacht.
In dieser Patentschrift ist ein Tröpfchen ein Fluidstück mit einer gegebenen tatsächlichen Masse, das von der Struktur (beispielsweise der Wand) eines Flusskanals oder einer kontinuierlichen Phase umgeben ist. Typischerweise weist das Tröpfchen eine Kugelform, eine elliptische Form, die Form einer Pistolenkugel, eine kreiszylindrische Form oder dergleichen auf. Die Querschnittsfläche des Flusskanals ist verglichen mit dem Volumen eines Tröpfchens klein.
In dieser Patentschrift ist eine nicht kontinuierliche Phase die Phase eines Fluids, das ein Tröpfchen bildet.
In dieser Patentschrift bezieht sich die Tröpfchenbildung auf ein Phänomen, bei dem ein Fluid, das von einer nicht kontinuierlichen Einlassphase durch einen zusammenhängenden Raum fließt, tatsächlich durch eine kontinuierliche Phase oder eine Wand unterteilt wird, wobei unabhängige Stücke mit einer gegebenen tatsächlichen Masse auftreten.
In dieser Patentschrift bezieht sich kontinuierlicher Fluss auf den Fluss eines Fluids, das entweder nur eine kontinuierliche Phase oder nur eine nicht kontinuierliche Phase enthält, oder den Fluss eines Fluids, das entweder nur Öl oder nur Wasser enthält.
Beispiel 1
Die vorliegende Erfindung soll ein System bereitstellen, in dem ein Enzym enthaltende Reaktionströpfchen präpariert werden, die Substratkonzentration der Tröpfchen und die Reaktionszeit gesteuert werden und die Konzentration eines Substrats oder eines Reaktionsprodukts im Tröpfchen gemessen wird. Zusätzlich soll die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Analysieren der Enzymreaktionskinetik im Tröpfchen bereitstellen.
Für die Bildung von Tröpfchen wurde eine Flüssigkeitsmischung (Mischungsverhältnis 10:1 (v/v), beide von Sigma-Aldrich Ltd. hergestellt) von Perfluorodecalin und 1H, 1H, 2H, 2H-Perfluor-1-oktanol als Öl verwendet, das als eine kontinuierliche Phase wirkt, und Wasser wurde als nicht kontinuierliche Phase verwendet. Schweine-Trypsin und Peptid ACTH18-39 (adrenokortikotropes Hormonfragment 18–39 human, Aminosäuresequenz RPVKVYPNGAEDESAEAFPLEF) (beide von Sigma-Aldrich Ltd. hergestellt) wurden als ein Enzym und ein Substrat eines Analyseziels verwendet. Ein Puffer (NH₄HCO₃, pH8) wurde als Lösungsmittel und eine verdünnte Lösung für das Einstellen der Konzentration des Enzyms und des Substrats verwendet. Weil das Trypsin einen spezifischen Bereich des Peptids ausschneidet, ist ein Reaktionsprodukt in diesem System ein Peptid mit einer Aminosäuresequenz VYPNGAEDESAEAFPLEF. Es wurde ein von Sigma-Aldrich hergestelltes äquivalentes Peptid (ACTH22-39) gekauft. Leucinenkephalin (nachstehend als LeuEnk bezeichnet) wurde als Referenzsubstanz für das Quantifizieren der Konzentration des Substrats und des Reaktionsprodukts verwendet. Um eine Kalibrierkurve vorab zu präparieren, wurden ACTH18-39, ACTH22-39 und LeuEnk bei verschiedenen Konzentrationsniveaus gemischt und unter Verwendung eines Massenspektrometers analysiert.
21 ist eine schematische Ansicht des Systems des Beispiels. Eine Mikrofluidvorrichtung 2201 weist einen Mikro-Flusskanal 2205, der in einem Siliciumwafer unter Verwendung eines tiefen Ätzens als Rille gebildet ist, Einlässe 2211 bis 2214 als Durchgangslöcher und eine Auslassöffnung 2215 auf. Die Mikrofluidvorrichtung wurde durch Bonden des Siliciumwafers und eines Glaswafers unter Verwendung eines anodischen Bondens und anschließendes Zerlegen der gebondeten Wafer gebildet. Spritzen 2221 bis 2224 wurden jeweils durch Kapillaren 2225 bis 2228 mit den Einlässen 2211 bis 2214 verbunden. Die Spritze 2221 wurde mit 784 μM ACTH18-39, 196 μM LeuEnk, 22,5 mM NH₄HCO₃ wässriger Lösung als Substratlösung gefüllt, die Spritze 2222 wurde mit 22,5 mM NH₄HCO₃ wässriger Lösung als verdünnte Lösung gefüllt, die Spritze 2223 wurde mit 0,43 μM Trypsin, 100 μM HCI wässriger Lösung als Enzymlösung gefüllt, und die Spritze 2224 wurde mit Öl gefüllt. Eine aus Quarzglas hergestellte Kapillare 2202 wurde durch einen Verbindungsabschnitt 2204 in Fluidverbindung mit der Auslassöffnung 2215 gebracht. Das andere Ende der Kapillare 2202 wurde durch ein Verbindungsstück 2229 mit einer Kapillare aus Edelstahl verbunden, welche eine Ionenquelle 2230 war und ein Massenspektrometer 2233 aufwies (von Waters Ltd., Synapt HDMS hergestellt). Eine in die Ionenquelle 2230 fließende Probe wurde unter Verwendung eines Elektrosprays ionisiert und in Ionen 2231 umgewandelt, und die Ionen 2231 wurden in eine Massenanalyseeinheit 2232 eingebracht, und die Masse der Ionen 2231 wurde in der Einheit m/z gemessen. Eine Fluorbeschichtung wurde sowohl auf die Wandfläche des Flusskanals 2205 der Mikrofluidvorrichtung 2201 als auch auf die Innenfläche der Kapillare 2202 aufgebracht.
Nachstehend wird der Betrieb der Mikrofluidvorrichtung 2201 beschrieben. In 22 ist die Mikrofluidvorrichtung 2201 detailliert dargestellt. Die Substratlösung und die verdünnte Lösung wurden jeweils über den Einlass 2211 und 2212 injiziert und an einem T-Stück 2216 zusammenfließen gelassen und miteinander vermischt. Die Mischungsflüssigkeit der Substratlösung und der verdünnten Lösung wurden an einem T-Stück 2217 mit einer Enzymlösung (durch den Einlass 2213 injiziert) zusammenfließen gelassen und wurden dann zur Reaktionsmischungsflüssigkeit. Bei einem T-Stück 2218 floss die Reaktionsmischungsflüssigkeit unmittelbar danach mit dem Öl zusammen, das über den Einlass 2214 in die Mikrofluidvorrichtung 2201 fließt, und wurde durch das Öl geteilt, und es wurden Tröpfchen (Reaktionströpfchen) 2219 gebildet. Die Tröpfchen 2219 flossen durch den Flusskanal 2205 und über den Verbindungsabschnitt 2204 in einer geordneten Reihe von der Auslassöffnung 2215 zur Kapillare 2202. Schließlich wurden die Tröpfchen 2219 in der Ionenquelle 2230 ionisiert und unter Verwendung des Massenspektrometers 2232 analysiert. Die Zusammensetzung der Tröpfchen 2219 bei ihrer Bildung wurde durch die Flussrate jeder Lösung gesteuert. Wenn das Flussverhältnis zwischen der Substratlösung, der verdünnten Lösung und der Enzymlösung beispielsweise 4:4:1 war, wurde die Zusammensetzung zu 382 nM Trypsin, 348 μM ACTH18-39, 174 μM LeuEnk und 20 mM NH₄HCO₃. Die Reaktionszeit ist als der Zeitraum zwischen der Bildung der Mischungströpfchen und der Ionisation der Tröpfchen in der Ionenquelle 2230 definiert, und die Reaktionszeit kann durch die Gesamtflussrate, einschließlich der Flussrate des Öls, gesteuert werden. Während das Flussverhältnis zwischen der Reaktionsmischungslösung und dem Öl 9:10 blieb, lag die Reaktionszeit im Bereich von 2,6 bis 8,6 Minuten, wenn die Gesamtflussrate in einem Bereich von 3 bis 10 μL/min geändert wurde. 23 zeigt die auf diese Weise erhaltenen Daten. In einem Massenspektrum, das durch Analysieren der Tröpfchen 2219 und des Öls unter Verwendung des Massenspektrometers 2233 erhalten wurde, gibt ein Kreis eine ACTH18-39 entsprechende Signalintensität an und gibt ein Dreieck eine LeuEnk entsprechende Signalintensität an. Der Grund für die Bildung der Pulsform jedes Signals besteht darin, dass Signale nur erhalten werden, während die Tröpfchen 2219 in die Ionenquelle fließen und ionisiert werden, und keine Signale erhalten werden, während das Öl in die Ionenquelle fließt und als ein Abstandselement wirkt. Das heißt, dass ein Puls einem Reaktionströpfchen 2219 entspricht und es dadurch möglich ist, die Zusammensetzung jedes der Tröpfchen 2219 zu analysieren. Die Konzentration sowohl des Substrats als auch des Reaktionsprodukts wird durch Berechnen eines Durchschnittswerts der Intensitätsverhältnisse zwischen ACTH18-39 und LeuEnk für den Tröpfchen 2219 entsprechende Pulse und Vergleichen des Durchschnittswerts mit der Kalibrierkurve erhalten. In 24 wurde die Konzentration der Reaktionsprodukte in den Reaktionströpfchen, die auf diese Weise erhalten wurden, gegen die Zeit aufgetragen. Jeder Punkt gibt einen Durchschnittswert der Konzentration der Reaktionsprodukte für n = 73 bis 126 Tröpfchen (n ist die Anzahl der Tröpfchen) an. Es konnte ein Schätzwert der Reaktionsgeschwindigkeit von 29,2 nM/s für eine anfängliche Reaktionsgeschwindigkeit V0 durch Bestimmen einer Regressionslinie für die Auftragung erhalten werden. In einer ähnlichen Sequenz konnte die anfängliche Reaktionsgeschwindigkeit durch Ändern des Flussverhältnisses zwischen der Substratlösung, der verdünnten Lösung und der Enzymlösung in einem Bereich von 1:7:1 bis 7:1:1 und durch Ausführen einer ähnlichen Analyse im Bereich des 49Fachen des Konzentrationsverhältnisses erhalten werden. Bei einem ähnlichen Experiment können Daten, die eine Verringerung der Substratkonzentration angeben, und Daten, die eine Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit angeben, durch Erhöhen der Reaktionszeit oder Verringern der Enzymkonzentration und demgemäß der Reaktionsgeschwindigkeit erhalten werden. Anhand dieser Experimente können verschiedene Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten unter Verwendung eines Mikroreagens analysiert werden.
Bezugszeichenliste

11: Einlass 1
12: Einlass 2
15: Auslassöffnung
101: Mikrofluidvorrichtung
102: Rohrleitung
103: Analysevorrichtung
104: Verbindungsabschnitt
105: Flusskanal
106: Tröpfchen
200: Kapillare
201: Fluidweg der Kapillare
202: Festhaltehülse
203: Verbindungselement
204: Verbindungsloch
205: Öffnung der Kapillare
206: Rille (Fluidweg)
207: Öffnung des Flusskanals
208: Öffnung des Verbindungselements (in der Nähe des Flusskanals)
209: Siliciumschicht
210: Glasschicht
211: Öffnung des Verbindungselements (in der Nähe der Rohrleitung)
213: idealer Fluidweg
221: Endfläche der Kapillare
401: Fluidweg der Kapillare
402: Festhaltehülse
404: Verbindungsloch
405: Öffnung der Kapillare
407: Öffnung des Flusskanals
408: Öffnung des Verbindungselements (in der Nähe des Flusskanals)
409: Siliciumschicht
410: Glasschicht
411: Öffnung des Verbindungselements (in der Nähe der Rohrleitung)
412: zusätzliches Totvolumen
413: idealer Fluidweg
503a, 503b: Verbindungselement
504a, 504b: Verbindungsloch
505a, 505b: Öffnung der Kapillare
506a, 506b: Rille (Fluidweg)
507a, 507b: Flusskanal der Mikrofluidvorrichtung
508a, 508b: Öffnung des Verbindungselements (in der Nähe des Flusskanals)
509a, 509b: Siliciumschicht von Mikrofluidvorrichtungen
603: Verbindungselement
606: Fluidweg des Verbindungselements
608: Öffnung des Verbindungselements (in der Nähe des Flusskanals)
611: Öffnung (in der Nähe der Rohrleitung)
714: oberer Halterabschnitt
715: unterer Halterabschnitt
716: Mutter
717: Schraube
804: Verbindungsloch
805: Flusskanal
806: Rille (Fluidweg)
809: Siliciumschicht
810: Glasschicht
811: Öffnung des Verbindungselements (in der Nähe der Rohrleitung)
818: Flusskanal
819: Rille (Fluidweg)
903: Verbindungselement
906: Rille (Fluidweg)
908: Öffnung des Verbindungselements (in der Nähe des Flusskanals)
911: Öffnung des Verbindungselements (in der Nähe der Rohrleitung)
922: abgestufter Abschnitt des Verbindungselements
1103: Verbindungselement
1106: Rille (Fluidweg)
1108: Öffnung des Verbindungselements (in der Nähe des Flusskanals)
1111: Öffnung des Verbindungselements (in der Nähe der Rohrleitung)
1303: Verbindungselement
1304: Verbindungsloch
1306: Rille (Fluidweg)
1308: Öffnung des Verbindungselements (in der Nähe des Flusskanals)
1311: Öffnung des Verbindungselements (in der Nähe der Rohrleitung)
1403: Verbindungselement
1404: Verbindungsloch
1406: Rille (Fluidweg)
1408: Öffnung des Verbindungselements (in der Nähe des Flusskanals)
1411: Öffnung des Verbindungselements (in der Nähe der Rohrleitung)
1601: Mikrofluidvorrichtung
1603: äußerer Endabschnitt des Flusskanals
1605: Flusskanal
1607: Öffnung des Flusskanals
1609: Siliciumschicht
1610: Glasschicht
1701: Mikrofluidvorrichtung
1702: Festhaltehülse
1703: äußerer Endabschnitt des Flusskanals
1704: Verbindungsloch
1705: Flusskanal
1707: Öffnung des Flusskanals
1709: Siliciumschicht
1710: Glasschicht
1801: Mikrofluidvorrichtung
1802: Festhaltehülse
1803: äußerer Endabschnitt des Flusskanals
1804: Verbindungsloch
1805: Flusskanal
1807: Öffnung des Flusskanals
809: Siliciumschicht
1810: Glasschicht
1901: Mikrofluidvorrichtung
1902: Festhaltehülse
1904: Verbindungsloch
1905: Flusskanal
1907: Öffnung des Flusskanals
1909: Siliciumschicht
1910: Glasschicht
1919: Rille der Glasschicht (vorderer Endabschnitt des Flusskanals)
2002: Festhaltehülse
2003: gerillte Hülse
2006: Rille (Fluidweg)
2102: gerillte Festhaltehülse
2106: Rille (Fluidweg)
2201: Mikrofluidvorrichtung
2202: Kapillare
2204: Verbindungsabschnitt
2205: Mikroflusskanal
2211: Einlass 1
2212: Einlass 2
2213: Einlass 3
2214: Einlass 4
2215: Auslass
2216: T-Stück 1
2217: T-Stück 2
2218: T-Stück 3
2219: Tröpfchen
2221: Spritze 1
2222: Spritze 2
2223: Spritze 3
2224: Spritze 4
2225: Kapillare 1
2226: Kapillare 2
2227: Kapillare 3
2228: Kapillare 4
2229: Verbindungsstück
2230: Ionenquelle
2231: Ion
2232: Massenspektrometrieabschnitt
2233: Massenspektrometer
2234: Halter

Claims

Analysesystem, welches Folgendes umfasst: eine Mikrofluidvorrichtung, die Mikroflusskanäle aufweist, und eine Analysevorrichtung, wobei die Mikrofluidvorrichtung einen ersten Einlass und einen zweiten Einlass aufweist, die Flusskanäle von den Einlässen darin zusammenfließen und ein über jeden der Einlässe injiziertes Fluid an die Analysevorrichtung abgegeben wird.
Analysesystem nach Anspruch 1, welches ferner Folgendes umfasst: eine Rohrleitung, durch welche das von der Mikrofluidvorrichtung abgegebene Fluid an die Analysevorrichtung abgegeben wird, und ein erstes Verbindungselement, das den Umfang der Rohrleitung in der Nähe einer Auslassöffnung der Mikrofluidvorrichtung bedeckt.
Analysesystem nach Anspruch 2, wobei das erste Verbindungselement in seiner Mitte ein Durchgangsloch aufweist, wobei die Rohrleitung in das Durchgangsloch eingeführt ist, während sie in engem Kontakt mit einer Innenfläche des Durchgangslochs steht, und wobei das erste Verbindungselement einen ausgeschnittenen Abschnitt aufweist, der sich in einer von der Richtung des Durchgangslochs verschiedenen Richtung erstreckt und mit dem Durchgangsloch in Verbindung steht und wobei der ausgeschnittene Abschnitt mit dem Flusskanal in Verbindung steht.
Analysesystem nach Anspruch 2, wobei das erste Verbindungselement in seiner Mitte ein Durchgangsloch aufweist, wobei die Rohrleitung in das Durchgangsloch eingeführt ist, während sie in engem Kontakt mit einer Innenfläche des Durchgangslochs steht, und wobei das erste Verbindungselement einen Öffnungsabschnitt aufweist, der sich in einer von der Richtung des Durchgangslochs verschiedenen Richtung erstreckt, mit dem Durchgangsloch in Verbindung steht und sich zu einer Seitenfläche des ersten Verbindungselements fortsetzt, und wobei der Öffnungsabschnitt mit dem Flusskanal in Verbindung steht.
Analysesystem nach Anspruch 2, welches ferner Folgendes umfasst: einen Zwischenraum, der zwischen der Rohrleitung und einer unteren Fläche des Flusskanals der Mikrofluidvorrichtung ausgebildet ist.
Analysesystem nach Anspruch 2, welches ferner Folgendes umfasst: eine Hülse, welche die Rohrleitung an der Mikrofluidvorrichtung befestigt.
Analysesystem nach Anspruch 6, wobei die Hülse das erste Verbindungselement gegen die Mikrofluidvorrichtung drückt.
Analysesystem nach Anspruch 2, welches ferner Folgendes umfasst: einen oberen Halterabschnitt, der die Rohrleitung hält, einen unteren Halterabschnitt, der die Mikrofluidvorrichtung hält, und Schrauben, zwischen denen der obere Halterabschnitt und der untere Halterabschnitt angeordnet sind.
Analysesystem nach Anspruch 8, welches ferner Folgendes umfasst: eine Hülse, welche die Rohrleitung an der Mikrofluidvorrichtung befestigt, und Muttern, welche den oberen Halterabschnitt gegen die Hülse drücken.
Analysesystem nach Anspruch 3, welches ferner Folgendes umfasst: mehrere ausgeschnittene Abschnitte, die voneinander getrennt sind.
Analysesystem nach Anspruch 4, welches ferner Folgendes umfasst: mehrere Öffnungsabschnitte, die voneinander getrennt sind.
Analysesystem nach Anspruch 3, wobei das Durchgangsloch einen abgestuften Abschnitt aufweist und eine Endfläche der Rohrleitung im abgestuften Abschnitt angeordnet ist.
Analysesystem nach Anspruch 1, wobei die Mikrofluidvorrichtung durch Bonden eines ersten Schichtelements und eines zweiten Schichtelements aneinander gebildet ist, wobei das Analysesystem ferner Folgendes umfasst: eine Rohrleitung, durch welche das von der Mikrofluidvorrichtung abgegebene Fluid an die Analysevorrichtung abgegeben wird, und ein zweites Verbindungselement, das zwischen der Rohrleitung und dem zweiten Schichtelement in der Nähe eines Auslasses der Mikrofluidvorrichtung angeordnet ist und durch welches das Fluid vom Flusskanal zur Rohrleitung übertragen wird, und wobei zumindest der Flusskanal des zweiten Verbindungselements im Wesentlichen den gleichen Innendurchmesser aufweist wie die Rohrleitung, wobei der Flusskanal in der gleichen Richtung wie die Rohrleitung angeordnet ist.
Analysesystem nach Anspruch 13, wobei sich ein Teil des zweiten Verbindungselements zu einem Außenumfang der Rohrleitung erstreckt.
Analysesystem nach Anspruch 13, wobei der Außendurchmesser des zweiten Verbindungselements gleich jenem der Rohrleitung ist.
Analysesystem nach Anspruch 13, wobei das zweite Verbindungselement in seiner Mitte ein Durchgangsloch aufweist, wobei die Rohrleitung in das Durchgangsloch eingeführt ist, während sie in engem Kontakt mit einer Innenfläche des Durchgangslochs steht, und wobei das zweite Verbindungselement einen ausgeschnittenen Abschnitt aufweist, der sich in einer von der Richtung des Durchgangslochs verschiedenen Richtung erstreckt und mit dem Durchgangsloch in Verbindung steht und wobei der ausgeschnittene Abschnitt mit dem Flusskanal in Verbindung steht.
Analysesystem nach Anspruch 13, wobei das zweite Verbindungselement in seiner Mitte ein Durchgangsloch aufweist, wobei die Rohrleitung in das Durchgangsloch eingeführt ist, während sie in engem Kontakt mit einer Innenfläche des Durchgangslochs steht, und wobei das zweite Verbindungselement einen Öffnungsabschnitt aufweist, der sich in einer von der Richtung des Durchgangslochs verschiedenen Richtung erstreckt, mit dem Durchgangsloch in Verbindung steht und sich zu einer Seitenfläche des ersten Verbindungselements fortsetzt, und wobei der Öffnungsabschnitt mit dem Flusskanal in Verbindung steht.
Analysesystem nach Anspruch 1, welches ferner Folgendes umfasst: eine Rohrleitung, durch welche das von der Mikrofluidvorrichtung abgegebene Fluid der Analysevorrichtung zugeführt wird, wobei die Mikrofluidvorrichtung durch Bonden eines ersten Schichtelements und eines zweiten Schichtelements aneinander gebildet ist, wobei das erste Schichtelement ein Durchgangsloch aufweist, wobei die Rohrleitung in das Durchgangsloch eingeführt ist und wobei das zweite Schichtelement in der Nähe der Rohrleitung eine Rille aufweist.
Analysesystem nach Anspruch 1, welches ferner Folgendes umfasst: eine Rohrleitung, durch welche das von der Mikrofluidvorrichtung abgegebene Fluid der Analysevorrichtung zugeführt wird, wobei die Mikrofluidvorrichtung durch Bonden eines ersten Schichtelements und eines zweiten Schichtelements aneinander gebildet ist, wobei das erste Schichtelement ein Durchgangsloch und einen Flusskanal aufweist, wobei die Rohrleitung in das Durchgangsloch eingeführt ist, wobei das zweite Schichtelement in der Nähe der Rohrleitung eine Rille aufweist und wobei die Rille mit dem Flusskanal in Verbindung steht.
Analysesystem nach Anspruch 18, welches ferner Folgendes umfasst: eine Hülse, die zwischen der Rohrleitung und der Mikrofluidvorrichtung angeordnet ist, um die Rohrleitung an der Mikrofluidvorrichtung zu befestigen, und die mit einer Rille versehen ist.
Analysesystem nach Anspruch 16 oder 17, wobei das zweite Verbindungselement an der Mikrofluidvorrichtung anbringbar und von dieser abnehmbar ist.