JP2003507162A - 小容積体を制御操作する方法及び微小流体デバイス - Google Patents

小容積体を制御操作する方法及び微小流体デバイス

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JP2003507162A JP2001516663A JP2001516663A JP2003507162A JP 2003507162 A JP2003507162 A JP 2003507162A JP 2001516663 A JP2001516663 A JP 2001516663A JP 2001516663 A JP2001516663 A JP 2001516663A JP 2003507162 A JP2003507162 A JP 2003507162A
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ラムジー，ジェイ．マイケル
ジャコブソン，ステファン，シー．
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ユーティー−バトル，エルエルシー
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Abstract

(57)【要約】 一連のナノからサブナノリッターの反応容積体に関する広範囲の生化学分析または操作を実行するもので、流体マイクロチップ上で実行され、高速連続スループットを提供する。また、多重並列分析と操作に適しており、生化学情報の生成に対し大きいスループットを提供する。特に、微小チャンネル・デバイスであり、ナノリッターからサブナノリッターの生化学反応容積体を制御して操作でき、それによりチャンネル当り１から１０Ｈｚの速度で生成物を発生させる。個々の反応容積体は、連続的なアナログ／ディジタル・シフト・レジスタで操作される。分子または細胞ターゲットをスクリーニングするような問題に適用できるが、これには、分割合成結合ライブラリから単一ビーズを使用するか、ＲＮＡまたは蛋白発現に対して単一細胞をスクリーニングするか、単一細胞レベルで遺伝診断スクリーニングするか、または単一細胞信号形質導入研究を実行する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は微小流体デバイス、特に、材料の一連の微小容積体セグメントの形成
、輸送、格納、回復とそれらの分析のために構成されたデバイス、ならびにその
ような一連の微小容積体セグメントを形成、輸送、格納、回復する方法に関する
。
【０００２】
【発明の背景】
過去１０年間に渡り、多数の基本的な微小流体デバイスが発表されてきた。こ
れら流体デバイスの多くは非常にシンプルであるが、多くの実際の用途に対処す
るのに非常に効果的であり、生化学分離を実行する方法に著しい変革をもたらす
可能性がある。実物の大部分は、既知の化学測定方法、例えば電気泳動または液
体クロマトグラフィなどを微小化プラットフォーム上転写している。このような
実物は、実験からの情報収集に関する時間とコストの改良には、微小分離デバイ
スが非常に有益であることを示唆している。しかし、既知のデバイスでは、この
ような微小デバイスが潜在的に可能にする、新しい実験的方法を活用していない
。発明者らは、微小流体制御の改良を通して、新しいさらに効果的な生化学実験
の代表例を提示できると信じるものである。
【０００３】 最も注目されている微小流体工学の領域は、動電駆動プロセスである。動電流
体操作は、試薬の混合および反応、サンプルの注入および分配、および化学薬品
の分離に対し、実証されてきた。毛管電気泳動（ＣＥ）、オープン・チャンネル
電気クロマトグラフィ（ＯＣＥＣ）、およびミセル動電毛管クロマトグラフィ（
ＭＥＫＣ）などの電気的駆動分離方法は多くの研究グループにより実証されてき
た。ｄｓＤＮＡフラグメントおよび続発生成物の両方は、レーザ誘導蛍光検出に
結合されたマイクロチップの毛細ゲル電気泳動を使用してサイズ決定されていた
。従来の電気泳動分離は、ＤＣおよびパルス電界を用いて、ポスト・アレイであ
まり研究されてきていない。さらにまた、蛍光ベースの競合免疫測定法がマイク
ロチップ電気泳動分離、拘束および自由ラベル抗原を用いて実証されてきた。こ
れらの超小型デバイスは、調査された全ての事例で、従来の実験室デバイスと同
等またはそれ以上の性能を示し、同時に「高性能−高速−廉価」の模範的な組合
せを提供している。マイクロチップ分離デバイスは、従来の方法に比べ１つから
数オーダー大きい速度優位性を示す。拡散制限条件での電気泳動分離の効率は、
サンプルの受ける電圧降下に比例する。これら拡散制限条件は、発生する注入プ
ラグの狭い軸方向突出による、マイクロチップ上の短い分離距離のために達成で
きる。分析時間は、一定供給電位において、分離距離の自乗で減少し、これがマ
イクロチップベースの電気泳動分離に対し基本的利点を与える。
【０００４】 マイクロチップベースの化学分離の他の重要な利点は、小容積体での分析が可
能なことと、モノリシック集積サンプル処理と分析に対する能力と、さらに高速
の並列分析を可能にする低コストの複製とである。これら要素の全ては、高速ス
ループット分析と、生化学情報を発生するコストおよび時間の低下との一貫性が
ある。サンプル処理の集積を実証する以前の作業には、電気泳動分離に結合され
たアミノ酸の分離後と分離前の送出を含む。オンチップＤＮＡ制限消化およびＰ
ＣＲ増幅は、集積モノリシック・マイクロチップ上の電気泳動フラグメントのサ
イズ決定に密接に関連付けされていた。細胞消散、複合ＰＣＲ、およびＣＥ分析
は、単一デバイス内の血漿含有Ｅ．コイル細胞上で実行されていた。また、複数
反応ウエルを含むチップ内の複数サンプルの並列ＰＣＲ／ＣＥ評価分析が実証さ
れている。さらに、競合免疫測定実験が、サンプルの試薬との混合、培養、およ
び電気泳動分離のための流体エレメントを含むマイクロチップデバイス上で実行
されている。電気的駆動分離に結合された他の微小流体エレメントには、質量分
光測定法による分析のための電気スプレー式イオン化と、多孔性膜エレメントと
固体相抽出を使用するサンプル濃度とを含む。また、動電輸送を使用して単独で
化学的および生化学的反応を実行するデバイスが実証されている。例には、酵素
反応動態、酵素分析評価、有機合成、および細胞操作のためのデバイスを含む。
これらの後者４つの用途は、結局は、実験生物学に対し非常に重要なものである
が、現時点で、十分開発されていない。
【０００５】 また、流体輸送に流体力を使用する多くの微小流体デバイスが実証されてきた
。流体力の使用は、動電現象に比べてより幅広い流体材料に適用できるが、一般
には、実現するのに不便である。流体駆動流れのためのマイクロチップへの外部
接続は、電位供給に比べて扱い難い。さらに、動電駆動力は電流に従い、そのた
め、マニホールドの末端への圧力または真空の適用に対する、マイクロチャンネ
ル・マニホールド内の輸送の広範囲の制御を可能にする。また動電力は、流体で
実現されるのに比べて、非常に高い実効圧力を発生できる。流体駆動デバイスの
実証された能力は、動電駆動デバイスの能力より劣ることを表わしている。それ
にもかかわらず、多くの重要な能力がレポートされている。
【０００６】 ＰＣＲを実行するための微小デバイスにはかなりの関心が集まっている。以前
のデバイスはサンプル・リザーバとして作用するシリコンで加工されたチャンバ
だけを含んでいたが、最近のデバイスは、熱耐性のためにシリコン構造を利用す
るか、または白血球の隔離のために一体化フィルタを利用している。最近、連続
流れＰＣＲに対する興味あるデバイスが報告された。そのデバイスは、温度ゾー
ンを通り曲がり、それにより熱循環を達成している単一マイクロチャンネルを利
用している。細胞材料を処理するフィルタはシリコン基板内に微細加工されてい
た。流れ血球計算デバイスも、シリコンおよびガラス基板内に微細加工され、流
体駆動される。
【０００７】 試薬および反応生成物を「オンチップ」操作する能力は、微小デバイスに関す
る実質的には全タイプ「湿り化学薬品」作業台手順を実行する最終的能力である
。マイクロチップの実験室を移動するパラダイム・シフトには、試薬容積体の減
少、移動部品を用いない自動化またはマテリアル操作、資金コストの低減、並列
処理の増加、および高速処理の利点を含む。前述の微小構造内で操作または分配
される流体容積体は、実験室規模での数十マイクロリッターに対し、ナノリッタ
ーまたはそれ以下の量であり、３オーダーまたはそれ以上の減少に相当する。調
査されたデバイスの流量は、連続動作の１ｍｌ／ｙｒのオーダーである。単一デ
バイス（垂直組合せ）内で複数プロセスを実現することにより、これら微小流体
デバイスを、コンピュータ制御により、プロセス間で効率的かつ自動的に操作で
きる。オペレータは単に、分析するサンプルを装填するだけでよい。明らかに、
同一デバイス上の微小化構造（例えば、並列分離チャンネル）を複写することに
より、この複数分析ステップの連続集積を処理能力の並列拡大と結合できる。
【０００８】 いわゆる「Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ」（チップ上の実験室）は、多くの約
束事を保持しているように見え、またそれらの多くを満たしていると思われるが
、さらに、マイクロエレクトロニクスの分野で実現されている微小化のスケール
に対応する効果的レベルに達するのに必要な開発が存在する。「Ｌａｂ−ｏｎ−
ａ−Ｃｈｉｐ」デバイスを、次の１０年間で、次のレベルの高度化、または処理
能力に引上げるために取り組む必要がある、少なくとも４つの重要課題が存在す
る。これらの課題とは、高度な微小流体制御、「ｗｏｒｌｄ−ｔｏ−ｃｈｉｐ」
インタフェース（チップとのインタフェース）、検出、および実効可能な製造方
法である。現在、マイクロチャンネル構造内の流体の動電操作は、精密に処理す
る制御微小容積体における最新技術水準を表わしている。前記方法では、チャン
ネル終端の各々における時間依存電位を制御して、材料を希望する経路に沿って
移動する必要がある。この方法は、簡単な設計で弁調整または混合するのに非常
に有効であるが、設計が複雑になるに伴ない、適用範囲と性能に限界が生じる。
発明者らは、マイクロチャンネル設計において複数点の電位の制御が可能な新し
い方法が、これらのさらに複雑な構造に対しては必要となると確信している。ま
た動電輸送も操作できる溶液と材料のタイプにおける限界を有する。
【０００９】 「ｗｏｒｌｄ−ｔｏ−ｃｈｉｐ」インタフェースは、発明者らが、マイクロチ
ップ上に複数サンプルまたは試薬を分配して、高速スループット分析を達成する
問題点に指定した事項である。所定のサンプルはミリセカンドのような短い時間
で分析できるが、複数サンプルでは、現在、そのような速度をマイクロチップデ
バイスに提供できない。この問題に対処する努力はほとんどなされていないが、
このことが、超高速スループット実験を達成するのに大きな障害となっている。
【００１０】
【発明の要約】
本発明の第１の態様によれば、流体マイクロチップ上に、材料の一連の微小容
積体セグメント（ナノリッターまたはサブナノリッター）を形成および輸送する
方法を提供するものであり、この容積体セグメントの各々は、材料をセグメント
に分割することにより分離されている。前記方法には、輸送流体源に接続された
インレット・エンド、および流体リザーバに接続されたアウトレット・エンドを
有する第１チャンネルを設けるステップと、セグメント化流体源に接続されたイ
ンレット・エンド、および前記第１チャンネルに相互接続されたアウトレット・
エンドを有する第２チャンネルを設けるステップとを含む。セグメント化流体の
微小容積体は第１チャンネルに導入され、第１チャンネル内を流体リザーバ方向
に輸送される。セグメント化流体の微小容積体を第１チャンネルに導入および輸
送するステップを繰り返して、セグメント化流体の間で一連の輸送流体容積体お
よび／または分析容積体を形成する。試薬、細胞、または反応ビーズを、輸送流
体容積体中に注入または挿入し、一連の分析物または分析容積体を提供できる。
分析物または分析容積体は連続的に輸送され、後の分析またはマイクロチップ上
での他の操作に備えて、格納および回復のために連続的に登録される。
【００１１】 本発明の別の態様によれば、材料の一連の微小容積体セグメントを形成および
輸送する装置を提供する。デバイスは、基板上に形成された第１および第２マイ
クロチャンネルを有する流体マイクロチップである。第１マイクロチャンネルは
、輸送流体源に接続されたインレット・エンドと流体リザーバに接続されたアウ
トレット・エンドとを有する。第２マイクロチャンネルは、セグメント化流体源
に接続されたインレット・エンドと第１マイクロチャンネルに相互接続されたア
ウトレット・エンドとを有する。複数の電極が第１マイクロチャンネル内の、第
１マイクロチャンネルと第２マイクロチャンネルのアウトレット・エンドの間に
配置されている。第２の複数電極が前記第１マイクロチャンネル内の、前記第１
マイクロチャンネルと第２マイクロチャンネルのインレット・エンドの間に配置
されている。デバイスはさらに、（１）第２マイクロチャンネルからのセグメン
ト化流体の容積体を第１マイクロチャンネルに挿入し、それによって、第１マイ
クロチャンネル内に含まれる輸送流体を置換し、（２）第１マイクロチャンネル
内のセグメント化流体容積体の輸送を停止し、（３）第１マイクロチャンネル内
の交互の輸送容積体およびセグメント化容積体を流体リザーバ方向に輸送する、
手段を含む。
【００１２】 本発明によるデバイスの別の実施形態は、追加チャンネル、試薬源、試薬希釈
液、細胞および／または反応粒子を含み、このような材料をセグメント化流体容
積体の連続したペアにより形成される輸送容積体に挿入する。試薬、細胞および
／または反応ビーズを輸送する手段もまた、この実施形態に含まれる。好ましい
配置では、第１マイクロチャンネルは、後の回復、および分析または操作のため
に、反応容積体の連続格納を提供する１つまたは複数のループを含む。
【００１３】 前述の概要および以下の詳細な説明は、添付の図面と合わせて判読することに
より、さらによく理解されるであろう。
【００１４】
【詳細な説明】
次に図面によれば、同一参照符号は、同一または類似のコンポーネント、もし
くは形態を指す。詳細には、図１Ａと、１Ｂ、１Ｃにおいて、主マイクロチャン
ネル１０を示している。主マイクロチャンネル１０は、ほぼ直線であり、輸送流
体源（図示なし）に接続されたインレット１２と廃液リザーバ（図示なし）に接
続されたアウトレット１４とを有する。分岐チャンネル１６は、主マイクロチャ
ンネル１０と交差するインレット１８とアウトレット２０とを有し、セグメント
化または隔離流体２２を主マイクロチャンネル１０に導入する。電極ｅ１、ｅ２
、ｅ３、ｅ４は、主マイクロチャンネル１０に沿って、アウトレット２０とアウ
トレット１４の間で、間隔を空けた位置に配置されている。電極ｅ５、ｅ６、ｅ
７は、主マイクロチャンネルの側面に沿って、アウトレット２０とインレット１
２の間で、間隔を空けた位置に配置されている。全ての電極はマイクロチャンネ
ル内に含まれる流体と接触している。輸送流体またはセグメント化流体のどちら
か、または両方は、軸方向電界を与えて、マイクロチャンネルを通して輸送でき
る。この作用は動電流れと呼ばれ、電気泳動、電気浸透、電気流体力学輸送など
の現象を含む。
【００１５】 図１Ａ、１Ｂ、１Ｃに示される配置を用いて、セグメント化流体２２を、一連
の分離した、微小容積体として、主マイクロチャンネル１０に挿入できる。セグ
メント化流体２２の微小容積体の挿入を達成するためのステップは、基本的には
以下のようである。主マイクロチャンネル１０は輸送流体で満たされる。電位源
２４ａは電極ｅ１とｅ２との間に供給され、第２電位源２４ｂは電極ｅ５とｅ６
との間に供給される。電位の振幅と極性を選択して、主マイクロチャンネル１０
内に、図１Ａの矢印で示す方向に輸送流体の動電流れを発生させる。輸送流体の
このような流れにより、図１Ｂに示すように、セグメント化流体２２は主マイク
ロチャンネル１０内に引き込まれる。セグメント化流体が輸送流体に比べ低い導
電率を持つと仮定すると、セグメント化流体２２がブリッジ膜ｅ５に接触すると
、電極ｅ５とｅ６との間の電流は低下し、その方向の流体流れは無くなる。しか
し、セグメント化流体２２は、電極ｅ１とｅ２の間の電位によりアウトレット１
４方向に流れ続ける。セグメント化流体の希望する容積体が主マイクロチャンネ
ル１０内に引き込まれると、電極ｅ６とｅ７との間に電位源２４ｃを印加するこ
とにより、そのセグメント化流体は主マイクロチャンネル１０内に分配される。
電極ｅ６とｅ７との間の電位の大きさと極性を選択して、主マイクロチャンネル
１０内に、図１Ｃの矢印で示す方向に輸送流体の電気浸透流れを発生させる。セ
グメント化流体の容積体がブリッジ膜ｅ１に接触すると、電極ｅ１とｅ２との間
の電流は低下し、その方向の流体流れは無くなる。次に電位を電極ｅ２とｅ３と
の間に供給して、輸送流体とセグメント化流体容積体の輸送を続ける。同様に、
セグメント化流体の容積体がブリッジ膜ｅ２に接触すると、電極ｅ２とｅ３との
間の電流は低下し、その方向の流体流れは無くなる。次に電位を電極ｅ３とｅ４
との間に供給して、主マイクロチャンネル１０に沿って、輸送流体とセグメント
化流体容積体の輸送をさらに続ける。本発明で使用されるタイプのリニア・ポン
プ配置の機械的構造と動作は、発明者らの同時係属の特許出願Ｎｏ．０９／２４
４，９１４に詳細に記載されている。前記出願はその全文を本明細書の一部とし
て引用している。
【００１６】 動電輸送メカニズムの代替方法として、輸送流体の移動とセグメント化流体の
注入、および本発明によるデバイスまたは方法で使用される他の材料が、適正な
チャンネルまたは複数チャンネルに圧力および真空を供給して達成される。動電
、圧力および／または真空輸送メカニズムの組合せを、所望に応じて、本発明に
よる所定のデバイスまたは方法を実現するのに利用できる。
【００１７】 セグメント化容積体が主マイクロチャンネル１０内を十分な距離移動後、この
プロセスを繰り返して別のセグメント化容積体を挿入する。セグメント化流量の
主マイクロチャンネル１０内へのポンプ送り速度が十分でない場合、同一電極を
分岐チャンネル１６に配置できる。
【００１８】 好ましくは、セグメント化流体は、輸送流体および反応流体と不混和性の液体
である。またセグメント化流体は、使用される生物学的試薬と生物学的適合性を
持つ必要がある。好ましくは、セグメント化流体は、反応／輸送プロセスの動作
制御に対し不導体である。例えば、不導体の流体は、マイクロチャンネル内を輸
送される一連の微小容積体内の反応およびポンプ送りされた容積体の位置を追跡
する従来の方法を提供する。さらに、セグメント化流体は、使用される各種試薬
に対し、最小の化学分配係数を有する必要がある。パラフィン・オイルおよびミ
ネラル・オイルが適している。なぜなら、それらは、有害な影響もなく、細胞外
溶液の微小容積体内の細胞を絶縁するのに使用されてきた。生物学的適合性を要
求される場合に広く使用されている理由から、過フッ化炭素水素も適している。
シリコン・オイルは、セグメント化流体に対する材料のさらに別の適合クラスを
持つ。プロパンのようなガスは、セグメント流体としての用途に適する、しかし
、輸送または反応流体中に溶解するか、またはガス透過性カバー・プレートを通
して漏れ出し、それにより、流体セグメントの絶縁効果が低下する。
【００１９】 以下は、流体マイクロチップ上で、微小量の材料の各種操作を連続的に実行す
るための好ましい配置の説明である。各種実施形態に関連して図示または記述さ
れないが、各種の構成が、図１により記述されるような電気的接触の配置を含み
、必要な電位を提供して各種微小デバイスのチャンネル内の流体材料の輸送を実
現できる。代替方法では、前述のように、圧力と真空手段を利用することも可能
である。
【００２０】 本発明による方法の重要な形態は、一連の微小反応流体容積体を、主マイクロ
チャンネル１０内の一連の微小容積体セグメントに挿入する能力である。図２で
は、試薬を主マイクロチャンネル１０内一連の反応容積体に充填する制御の配置
を示している。複数のセグメント流体容積体２６ａ、２６ｂ、２６ｄ、２６ｅが
、前述のように、間隔を空けて主マイクロチャンネル１０に挿入される。試薬チ
ャンネル２８は、主マイクロチャンネル１０と交差するインレット３０とアウト
レット３２を有し、化学薬液または生化学試薬３４を主マイクロチャンネル１０
内に導く。廃液チャンネル３８は、アウトレット３２のほぼ反対位置で、主マイ
クロチャンネル１０に相互接続される。希釈チャンネル４０は試薬チャンネル２
８に相互接続されており、それにより希釈剤を反応流体３４に混合できる。反応
流体３４の微小容積体の挿入を達成するためのステップは基本的に以下のようで
ある。
【００２１】 輸送流体およびセグメント化流体容積体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２
６ｅは、主マイクロチャンネル１０を通してポンプ送りされる。セグメント流体
容積体２６ｂと２６ｃの連続ペアがアウトレット３２に近付くと、ポンプ送りは
停止し、反応流体３４はセグメント容積体２６ｂと２６ｃとの間の容積体内にポ
ンプ送りされる。好ましくは、セグメント流体容積体２６ｂと２６ｃとの間に含
まれる輸送流体は廃液チャンネル３８に導入される。代替方法では、輸送流体は
追加または置換可能である。次に、反応流体容積体３６ａは主マイクロチャンネ
ル１０に沿って動電的に輸送される。本発明のこの態様によるプロセスは定常モ
ード動作を用いて説明してきたが、反応流体の反応容積体内への動的移動により
高速スループットを提供することは、理解されるであろう。このような動的動作
は輸送流体および反応流体の輸送を制御して、反応流体がアウトプット３２にお
いて反応容積体の到着に同期して注入することにより実現できる。
【００２２】 好ましくは、反応流体容積体３６ａと３６ｂはセグメント化流体容積体の交互
の連続ペアの間に含まれる。したがって、図２に示されるように、反応流体容積
体３６ａはセグメント化流体容積体２６ｂと２６ｃとの間に含まれる。これに対
し、反応流体容積体３６ｂはセグメント化流体容積体２５ｄと２６ｅとの間に含
まれる。このような代替シーケンスにより、反応流体を軸方向電界に曝さずに、
主マイクロチャンネルを通る反応流体容積体のポンプ送りを可能にし、または反
応流体が動電流れを持続しない場合にも、輸送が行われる。言いかえると、電位
は輸送流体を含むセグメントだけに供給される。反応流体の濃度は希釈液を試薬
内に混合して調整され、その後、その容積体をセグメント化容積体の間に注入す
る。この方法では、各々が異なる濃度を有する一連の試薬容積体が生成できる。
【００２３】 本発明による方法の別の重要な形態は、ビーズまたは細胞のような一連の反応
粒子を、主マイクロチャンネル１０内の一連の微小容積体セグメントに挿入する
能力である。図３では、複数の反応粒子４４を、主マイクロチャンネル１０内の
一連の反応容積体内に分類および装填するための配置が示されている。複数のセ
グメント化流体容積体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅは、前述のよう
に、主マイクロチャンネル１０内に間隔を空けて引き込まれる。粒子リザーバ４
２は懸濁流体中に複数の反応粒子４４を含む。粒子分類チャンネル４６はリザー
バ４２のアウトレットに接続されて、粒子４４を収納する。ペアの集束チャンネ
ル４８ａと４８ｂとは、粒子分類チャンネル４４と相互接続する。集束チャンネ
ル４８ａと４８ｂは、粒子４４の流れを単一粒子幅流れに狭くする集束流体を提
供する。このタイプの動電集束は、発明者らの同時係属の特許出願Ｎｏ．０９／
０９８，１７８および発明らに交付された米国特許Ｎｏ．５，８５８，１８７に
記載されている。前記出願はその全文を本明細書の一部として引用している。
【００２４】 反応粒子チャンネル５０は、集束チャンネル４８ａと４８ｂの下流位置で粒子
分類チャンネル４６と交差している。反応粒子チャンネル５０と粒子分類チャン
ネル４６との交差部分で、希望する反応粒子４４’が不要な粒子４４’’から分
離される。電位または圧力をチャンネル５０のインレット５０ａに供給して、粒
子４４’をチャンネル５０内で、チャネル５０に沿って、主マイクロチャンネル
１０方向に向ける。反応粒子チャンネル５０は、主マイクロチャンネル１０を交
差し、主マイクロチャンネル１０内に反応粒子を導くアウトレット５６を有する
。不要な粒子４４’’は、粒子分類チャンネル４６から延びる粒子廃棄チャンネ
ル５２に沿って導かれる。
【００２５】 反応流体４４’’を輸送流れ中に挿入することを達成するためのステップは基
本的に以下のようである。輸送流体およびセグメント化流体容積体２６ａ、２６
ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅは、主マイクロチャンネル１０を通して動電的にポ
ンプ送りされる。セグメント流体容積体２６ｂと２６ｃの連続ペアがアウトレッ
ト５６に近付くと、単一粒子を持つ粒子懸濁流体が、セグメント化流体容積体２
６ｂと２６ｃとの間の容積体内に動電的にポンプ送りされ、その中に含まれる輸
送流体が廃液チャンネル３８内に導かれる。この配置では、廃液チャンネル断面
、または少なくともそれのインレットのサイズは、粒子が通過するのを防ぐサイ
ズである。次に、反応粒子と懸濁流体のそれの容積体が、主マイクロチャンネル
１０に沿って、検出／分析チャンネル３９まで動電的に輸送される。好ましくは
、反応粒子はセグメント化流体容積体の交互の連続ペアの間に含まれる。したが
って、図３に示されるように、第１粒子はセグメント化流体容積体２６ｂと２６
ｃとの間に含まれる。これに対し、第２粒子はセグメント化流体容積体２６ｄと
２６ｅとの間に含まれる。このような代替シーケンスにより、反応粒子を軸方向
電界に曝さずに、主マイクロチャンネルを通る反応流体容積体のポンプ送りを可
能にする。このため、電位は輸送流***を含むセグメントだけに供給される。
【００２６】 流体流れと流体マイクロチップに混合する試薬とを精密に操作する能力は、酵
素活性度とそれの抑制との研究に役立つ。酵素分析評価マイクロチップは、薬品
発見と医療診断に対し重要な意味を持つ。図４には、高速スループットの酵素分
析評価を提供する配置を示す。複数のセグメント流体容積体２６ａ、２６ｂ、２
６ｃ、２６ｄが、本明細書で前に述べたように、間隔を空けて主マイクロチャン
ネル１０に挿入される。酵素チャンネル４２８は、主マイクロチャンネル１０と
交差するインレット４３０とアウトレットを有し、流体酵素材料４３４を主マイ
クロチャンネル１０内に導く。廃液チャンネル３８は、酵素チャンネル４２８の
アウトレットのほぼ反対位置で、主マイクロチャンネル１０に相互接続される。
希釈チャンネル４４０は酵素チャンネル４２８に相互接続されており、それによ
り希釈剤を酵素材料４３４に混合できる。基質チャンネル６８は、酵素チャンネ
ル・アウトレットの下流で主マイクロチェンネル１０と交差するインレットとア
ウトレットを有し、流体基質材料７０を主マイクロチェンネル１０内に導く。希
釈チャンネル７２は基質チャンネル６８と交差し、それにより希釈剤を基質材料
７０内に混合できる。
【００２７】 酵素材料４３４の微小容積体を主マイクロチャンネル内に挿入することを達成
するステップは、図２により試薬流体を注入するために説明したステップと基本
的に同一である。輸送流体およびセグメント化流体２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２
６ｄは主マイクロチャンネル１０を通しポンプ送りされる。セグメント化流体容
積体２６ｂと２６ｃの連続ペアの間に含まれる酵素容積体セグメント４３４ａが
基質チャンネル６８のアウトレットに近付くと、ポンプ送りは停止し、流体基質
材料７０は酵素容積体セグメント４３４ａ内にポンプ送りされる。酵素材料と基
質は混合されて反応容積体になる。次に、混合された流体容積体は主マイクロチ
ャンネル１０に沿って輸送され、検出／分析チャンネル３９に達する。酵素材料
と基質材料の濃度は、相互に混合される希釈液の量を変更することにより変更で
き、それにより、連続的に主マイクロチャンネル１０に沿って輸送される異なる
大きさの酵素分析物を生成する。
【００２８】 また、反応容積体に抑制剤を加える手段を提供できる。このようなプロセスの
１つの実施形態では、シフト・レジスタが抑制剤の分配に対し実現されている。
このような配置では、酵素、基質、および抑制剤が反応し、正抑制を導くビーズ
の位置が将来の分析用に記録される。代替の配置では、ビーズ・ライブラリを、
ビーズがランダムに分配されるリザーバ内にプールする。個々のビーズは、合成
物が分析物ターゲットを含む反応容積体に分配される位置に輸送される。ビーズ
は、図４で示しかつ説明したようにシフト・レジスタ配置内で索引を付されるが
、分析評価結果を与えるのに十分な時間だけである。結果が不可の場合、ビーズ
は一般格納リザーバに移動される。しかし抑制が観測される場合、ビーズはシフ
ト・レジスタに格納され、直後またはその後の合成物の識別（例えば電子スプレ
ー質量分光計による）に備えます。
【００２９】 反応容積体の酵素活性度は適正な測定器を用いて、マイクロチャンネル１０の
下流の適正な距離に配置された分析チャンネル３９内で分析される。実際の距離
は酵素、基質、および抑制剤の必要な培養時間、ならびに分析物反応容積体の平
均直線速度に依存する。
【００３０】 本発明の実施形態による流体マイクロチップ上の試薬の動電的混合と輸送を使
用する酵素分析評価の１つの例では、蛍光原基質（レゾルフィン−β−Ｄ−ガラ
クトピラノシッド）が酵素β−ガラクトシダーゼと混合される。反応の動力学は
加水分解生成物、レゾルフィンの蛍光発光を観測して得られる。Ｍｉｃｈａｅｌ
ｉｓ−Ｍｅｎｔｅｎ定数は、抑制剤の存在する（および存在しない）加水分解反
応に対し導入される。本発明による方法で実現できる酵素分析評価の第２例は、
アセチルコリンエステラーゼ（ＡｃｈＥ）活性度を決定するための分析評価であ
る。これは２つのステージの分析評価であり、それによりＡｃｈＥはアセチルチ
オコリンを加水分解してチオコリンとする。このチオコリンは、次にクマリニル
フェニールマレイミド（ＣＰＭ）と反応して高蛍光発光チオエーテル、ＣＰＭ−
チコリンを生成する。後者の生成物の蛍光発光を観測して、酵素活性度を決定す
る。抑制剤の存在により、抑制剤の存在しない場合に比較して、蛍光発光信号が
減少する。
【００３１】 図５には、細胞生存能力を含む細胞分析評価に対する高速スループット・スク
リーニングの配置が示されている。複数のセグメント化流体容積体２６ａ〜２６
ｇが、前述の分岐チャンネル１６から間隔を空けた位置の主マイクロチャンネル
１０内に挿入される。細胞チャンネル５０は主マイクロチャンネル１０と交差し
て、細胞４４’’を分岐チャンネル１６の下流の位置の主マイクロチャンネル１
０内に導く。細胞は生物学的適合緩衡液中で懸濁される。廃液チャンネル３８は
、細胞チャンネル５０のアウトレットのほぼ反対位置で、主マイクロチャンネル
１０と相互接続されている。廃液チャンネル３８の断面寸法は、細胞４４’’の
最小の主断面寸法より小さい。薬液チャンネル２８は細胞チャンネル５０の下流
位置で主マイクロチャンネル１０と交差する。第２廃液チャンネル３８’は、薬
液チャンネル２８のアウトレットのほぼ反対位置で、主マイクロチャンネル１０
と相互接続されている。
【００３２】 輸送流体およびセグメント化流体容積体２６ａ〜２６ｇは、主マイクロチャン
ネル１０を通してポンプ送りされる。セグメント流体容積体２６ｂと２６ｃの連
続ペアが細胞チャンネル５０のアウトレットに近付くと、細胞懸濁流体が、セグ
メント化流体容積体２６ｂと２６ｃとの間の反応容積体内にポンプ送りされ、そ
れにより単一細胞が反応容積体内に挿入される。代替方法では、細胞集団を反応
容積体内に装填できる。同時に、それに含まれる輸送流体が廃液チャンネル３８
内に導かれる。次に、反応容積体内の細胞およびその懸濁流体の容積体が主マイ
クロチャンネル１０に沿って、試薬チャンネル２８のアウトレットまで輸送され
る。試薬３４は細胞を含む反応容積体内にポンプ送りされ、細胞懸濁流体を置換
する。細胞懸濁流体は廃液チャンネル３８’を通り排出される。次に反応容積体
内の細胞および試薬が検出／分析チャンネル３９まで輸送される。このプロセス
は各細胞に対して繰り返される。好ましくは細胞４４’’は、前述のように、反
応容積体内のセグメント化流体容積体の交互の連続ペアの間に含まれる。細胞分
析評価は時間、ポンプ送り条件、および媒体構成の関数として試験される。
【００３３】 微小流体チップ内の試薬材料の微量消費は、高価な試薬および抑制剤材料、な
らびにそれらの基質材料をスクリーニングするための大きい利点を提供する。こ
のような実験に対するペプチド・ライブラリは、直交解離リンカを持つ直径１０
〜１００ミクロンまたはそれ以上のビーズ上で専用に合成できる。図６には、本
発明による流体マイクロチップ上でビーズのスクリーニング方法を実行するため
の基本的配置を示す。ペアのマイクロチャンネル１０と６１０が、間隔を空けて
平列に配置されている。緩衝液リザーバ８０は、緩衝液チャンネル８２を通して
マイクロチャンネル６１０に接続されている。廃液リザーバ８４は、廃液チャン
ネル８６を通してマイクロチャンネル１０に接続されている。移送チャンネル８
８はマイクロチャンネル６１０を、緩衝液チャンネル８２と廃液チャンネル８６
にほぼ一直線上の位置でマイクロチャンネル１０に相互接続している。
【００３４】 一連の反応容積体は、マイクロチャンネル１０内のセグメント化流体容積体２
６ａ〜２６ｄの間に形成され、対応する一連の反応容積体は、マイクロチャンネ
ル６１０内のセグメント化流体容積体６２６ａ〜６２６ｄの間に形成される。各
マイクロチャンネル内の反応容積体はそれぞれのイクロチャンネルに沿って輸送
され、マイクロチャンネル６１０内の反応容積体ｂｉ−１、ｂｉ、ｂｉ＋１が、
マイクロチャンネル１０内の反応容積体ｃｊ−１、ｃｊ、ｃｊ＋１と同期を維持
するようにされる。ビーズ４４ａ、４４ｂ、４４ｃは、図３により先に説明した
のと同等な方法で、反応容積体ｂｉ−１、ｂｉ、ｂｉ＋１内にそれぞれ挿入され
る。酵素容積体３６ａ、３６ｂおよび３６ｃは、図２により先に説明したのと同
様の方法で、反応容積体ｃｊ−１、ｃｊ、ｃｊ＋１内にそれぞれ挿入される。
【００３５】 各ビーズが移送チャンネル８８に到達すると、その合成物はビーズから離れ、
対応する反応容積体に移送される。次に、ビーズとその関連反応容積体は登録内
の下流ステーションに移され、そこで蛍光原基質が反応容積体（ｃｊ−１、ｃｊ 、ｃｊ＋１）に加えられて、蛍光発光分析評価される。抑制を示す反応容積体に
対応するビーズを分類して、直交分割方法により合成物の第２解放がなされるス
テーションに移送できる。この合成物は電子スプレー・イオン化質量分光計によ
り分析できる。
【００３６】 前述の流体マイクロチップ実装方法の全ての利用は、マイクロチャンネル内を
輸送される一連の拡張された個別の分析物、細胞、ビーズ、その他を発生させる
。好ましくは、含まれる反応容積体は、ナノリッターまたはサブナノリッターで
あり、したがって、多数の異なる合成物、分析物、細胞、ビーズ、その他を提供
する。また、大きい容積体を使用できることも考えられる。各反応容積体は個別
であるため、それがマイクロチャンネルを通り移動するとき、直列の電子ビット
がディジタル・シフト・レジスタを通り移動するのと同様に、その反応容積体の
位置を識別および追跡できる。図７には、試薬、細胞、合成ライブラリ・ビーズ
、その他を含む多数の反応容積体を格納および回復するための配置を示す。マイ
クロチャンネル１０は、輸送流体チャンネル６０を通して輸送流体源に接続され
る。前述のように、セグメント化流体は、分岐チャンネル１６を通してマイクロ
チャンネル１０に提供される。試薬、細胞、またはビーズは、試薬チャンネル２
８を通してマイクロチャンネル１０内の反応容積体内に挿入される。廃液チャン
ネル３８はマイクロチャンネル１０に相互接続され、それにより輸送流体は反応
容積体から分離される。
【００３７】 マイクロチャンネル１０は１つの方向に延びて、複数のループ６４ａ、６４ｂ
、６４ｃを形成し、リザーバ６２ａで終端する。また、マイクロチャンネル１０
は反対の方向に延びて、第２の複数のループ６６ａ、６６ｂ、６６ｃを形成し、
リザーバ６２ｂで終端する。動作の第１モードでは、セグメント化流体容積体の
間に形成された反応容積体は、実線矢印に示されるようにステップ的に輸送され
、ループ６４ａ、６４ｂ、６４ｃを通して進み、格納される。動作の第２モード
では、反応容積体は、点線矢印に示されるようにステップ的に輸送されて、回復
される。ループ６６ａ、６６ｂ、６６ｃの結合長さは、ループ６４ａ、６４ｂ、
６４ｃの結合長さと同一であり、その結果、ループ６４ａ、６４ｂ、６４ｃに格
納される全体の一連の反応容積体が、後の分析用に回復される。
【００３８】 図７には示していないが、方法１に対する格納／回復デバイスを実現するのに
必要な電極レイアウトは、反応容積体を２つの方向に輸送できるように配置され
る。好ましくは、電極または接点はループの４側面の各々から入る。電極形状は
、適当な空間的な周期の位置で、マイクロチャンネル・ループと適正な接触を提
供するように選択される。このようなレイアウトで、材料をレジスタ内に連続的
に装填して、直後またはその後に分析できる。材料は、反応容積体がマイクロチ
ャンネル・ループ間を前後にシフトされるとき、試薬または分析物ステーション
に分配できる。
【００３９】 ループ６４ａ、６４ｂ、６４ｃにより定義された格納バンク内に保持できる反
応容積体の数は、以下の式１により算出できる。
【００４０】
【式１】 Ｎ＝４Ｌｓ／（ＬＲ＋Ｌ１）（ｎ−ｎ（２ｎ−１）Ｌｃ／２Ｌｓ）
【００４１】 Ｌｓは最も外側のループの１側面の長さであり、ＬＲは反応容積体の長さ、Ｌ １ は分離セグメントの長さ、Ｌｃはループ内の隣接チャンネル間の中心間隔であ
り、ｎはループの数である。例えば、Ｌｓが１００ｍｍ、ＬＲ＋Ｌ１＝１ｍｍ、
Ｌｃ＝０．１ｍｍ、ｎ＝１００の場合、約１９０１０の反応容積体（Ｎ）がシフ
トレジスタ格納ループに格納される。このようなデバイスは、１００ｍｍ×１０
０ｍｍ平方のマイクロチップ基板の面積の約１０％だけが使用される。ここで述
べる好ましい配置は１つまたは複数のループを備えて、格納チャンネルを形成す
るが、他の構成が利用できることは、当業者には容易に理解されるであろう。例
えば、曲線状の配置は同一の効果をもたらす。
【００４２】 このようなシフトレジスタ格納／回復デバイスは、図５と６により説明したの
と同様に、結合ビーズ・ライブラリを処理するのに非常に好都合である。分割−
合成からのビーズは、収集してリザーバに装填し、オンチップ分類機能を使用し
て、格納レジスタ内に分配できる。合成物は、必要に応じて部分的光分解でビー
ズから切離すか、または前もって切離して反応容積体の内容物内に入れることが
できる。ビーズ・ライブラリは、マイクロチップ上に電子スプレー・イオン化ス
テーションを組み込むことにより認定でき、反応合成物の質量分光計識別ができ
る。またビーズを、合成物を分離反応容積体に分配する位置に移動し、図６によ
り説明したような、生物学的分析評価を実行できる。
【００４３】 次に図８を説明する。図のシステム８００は新しい薬品の識別を実行する。一
連の有効な薬品合成物を合成するための合成モジュール８１０は、複数の挿入チ
ャンネルを通して主マイクロチャンネル８１２に接続されている。合成された合
成物の各々は、輸送容積体内に挿入され、本文で既に述べた方法で、マイクロチ
ャンネル８１２に沿って輸送される。認定モジュール８１４は、合成された合成
物の分子構造の分析と認定用に設けられている。認定モジュールは、第２の複数
のチャンネルを通してマイクロチャンネル８１２に接続され、それにより合成さ
れた合成物のサンプルを得る。分子または細胞ターゲットに対し、一連の合成さ
れた合成物のスクリーニング分析評価を実行する分析評価モジュール８１８もま
た設けられている。スクリーニング・モジュール８１８は、第３の複数のチャン
ネルによりマイクロチャンネル８１２に接続され、それにより合成された薬品合
成物のサンプルを得る。ターゲット分子または細胞は、ターゲット格納モジュー
ル８２０、８２１内に連続的に格納される。第２のマイクロチャンネル８２２は
ターゲット格納モジュールの間に配置され、ターゲットをスクリーニング・モジ
ュール８１８に輸送する。
【００４４】 一連の薬品合成物はマイクロチャンネル８１２に沿って格納モジュール８１６
、８１７に輸送され、その後の回復に備える。この形態により、薬品合成物を、
合成時点のかなり後の時点で分析および／またはスクリーニングできる。スクリ
ーニング・モジュール８１８により実行されるスクリーニングの結果は、決定モ
ジュール８２４に提供され、そこで合成された合成物の有効性を評価し、合成モ
ジュール８１０にフィードバックして、前の結果を基にして新しい、異なる合成
物を合成する。この方法により、単一マイクロチップ上で、多数の新しい薬品合
成物を即座に、また自動的に合成、認定、スクリーニングできる。
【００４５】 前述の説明および添付図面により、本発明による方法と装置が、高速連続スル
ープット能力を持つ、精密な、自動化されたナノリッターまたはサブナノリッタ
ー・スケールの操作から得られる、広範囲の生化学分析問題に対応可能なことは
当業者には理解されるであろう。ここに述べるデバイスと方法は多重並列拡張が
容易であり、化学的および生化学的情報に対する高速のスループットを提供する
。前述のマイクロチャンネルデバイスは、一定の制御方法により生化学反応容積
体を操作して、即座に結果を得られ、例えば、チャンネル当り１〜１０Ｈｚ、最
大１００〜１０００Ｈｚまでが達成できると予測される。利用される反応容積体
は、拡散損失無く分子または粒子種類を含むことができる。
【００４６】 個々の反応容積体は、ディジタル・シフト・レジスタと同様に連続的に操作さ
れる。デバイスはループのマイクロチャンネルを含み、反応容積体の連続格納を
実現して、その後の回復に備える。本発明による方法と装置は、分割合成結合ラ
イブラリからの単一ビーズを使用して分子または細胞ターゲットをスクリーニン
グし、ＲＮＡまたは蛋白発現に対する単一細胞をスクリーニングし細胞レベルで
スクリーニングする遺伝診断、または単一細胞信号形質導入研究するする、など
のような問題に適用できる。
【００４７】 前述の説明で使用された用語と表現は、説明の用語として使用されており、限
定を表わすものではない。このような用語と表現においては、図示および記述さ
れた形態、またはそれの一部のすべての均等物を排除することを意図するもので
はない。しかし、チャンネル寸法、位置、および配置のような各種の変更が、ク
レームに記載する本発明の範囲内で可能なことは認識されるところである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 マイクロチップの部分概略図であり、本発明の１つの態様による、輸送流体を
含むマイクロチャンネルをセグメント化流体容積体内に挿入するステップのシー
ケンスを示す。
【図１Ｂ】 マイクロチップの部分概略図であり、本発明の１つの態様による、輸送流体を
含むマイクロチャンネルをセグメント化流体容積体内に挿入するステップのシー
ケンスを示す。
【図１Ｃ】 マイクロチップの部分概略図であり、本発明の１つの態様による、輸送流体を
含むマイクロチャンネルをセグメント化流体容積体内に挿入するステップのシー
ケンスを示す。
【図２】 マイクロチップの部分概略図であり、本発明の別の態様による、マイクロチャ
ンネル内のセグメント化流体容積体の代替ペアの間の輸送容積体内に試薬を装填
するステップを示す。
【図３】 マイクロチップの部分概略図であり、本発明の別の態様による、マイクロチャ
ンネル内のセグメント化流体容積体の代替ペアの間に粒子を装填するステップを
示す。
【図４】 マイクロチップの部分概略図であり、本発明の別の態様による、セグメント流
体、酵素、および基質を、連続的にマイクロチャンネルに挿入するシーケンスを
示す。
【図５】 マイクロチップの部分概略図であり、本発明のさらに別の態様による、セグメ
ント流体、反応粒子、および試薬流体を、連続的にマイクロチャンネルに挿入す
るシーケンスを示す。
【図６】 マイクロチップの部分概略図であり、一連の酵素ビーズの分析評価を行うため
の配置を示す。
【図７】 マイクロチップの部分概略図であり、一連の細胞、反応ビーズ、または試薬容
積体を格納または回復するための配置を示す。
【図８】 システムの図７に示されるマイクロチップを組み込んでいる、新しい薬品を研
究および識別するためのシステムの概略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｎ 37/00 １０１ Ｇ０１Ｎ 27/26 ３３１Ｅ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 4D054 FB09 FB12 FB20 4G068 AA02 AA03 AB11 AC13 AC20 AD49 AF31 AF40 4G075 AA13 AA39 AA61 AA65 BB10 BD01 CA12 DA01 DA02 EC21 EC30 EE31 EE34

Claims (29)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 マイクロチャンネル内で、材料の一連の微小容積体セグメン
    トを形成しかつ輸送する方法であって、 ａ．輸送流体源に接続されたインレット・エンドと、流体リザーバに接続され
    たアウトレット・エンドとを有する第１チャンネルを設けるステップと、 ｂ．セグメント化流体源に接続されたインレット・エンドと、前記第１チャン
    ネルに相互接続されたアウトレット・エンドとを有する第２チャンネルを設ける
    ステップと、 ｃ．セグメント化流体の容積を第１チャンネルに引き込むステップと、および ｄ．前記第１チャンネル内のセグメント化流体の容積を、前記流体リザーバ方
    向に輸送するステップと、 ｅ．ステップｃ．とｄ．とを繰り返して、セグメント化流体の一連の分離した
    容積を形成するステップと、を含む方法。
  2. 【請求項２】 セグメント化流体の容積を第１チャンネルに引き込むステッ
    プが、 ａ．前記第１チャンネル内の、前記第１チャンネルと前記第２チャンネルのア
    ウトレット・エンドの間の位置に第１、第２、および第３電気接点を設けるステ
    ップと、 ｂ．前記第１チャンネル内の、前記第１チャンネルのインレット・エンドと前
    記第２チャンネルのアウトレット・エンドの間の位置に第４、第５、および第６
    電気接点を設けるステップと、 ｃ．前記第１と第２電気接点の間に第１電位と、前記第４と第５電気接点の間
    に第２電位とを供給するステップであって、前記第１と第２電位が大きさと極性
    とを有し、その電位が電気第１チャンネル内に前記輸送流体の流れ発生させて、
    前記第１チャンネル内にセグメント化流体を引き込むように作用するステップと
    を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 ａ．前記第４と第５電気接点の間の第２電位の大きさを減少
    させるステップと、 ｂ．セグメント化流体の希望する容積が第１チャンネルに引き込まれるまで、
    前記第１と第２電気接点の間の第１電位の大きさと極性を維持するステップとを
    含む、請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記第１チャンネル内のセグメント化流体の容積を輸送する
    ステップが、 ａ．セグメント化流体の容積体が前記第１電気接点に到達するまで、前記第１
    と第２電気接点の間の第１電位を維持する間、前記第５と第６電気接点の間の第
    ３電位を供給するステップと、 ｂ．第２と第３電気接点の間に第４電位を供給し、それによりセグメント化流
    体の容積体を第２電気接点方向に輸送するステップとを含む、請求項３に記載の
    方法。
  5. 【請求項５】 試薬の容積体を、セグメント化流体の容積体の連続ペアの間
    の前記第１チャンネル内に注入するステップを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 試薬を注入するステップが、 ａ．試薬源に接続されたインレット・エンドと、第１チャンネルに相互接続さ
    れたアウトレット・エンドとを有する第４チャンネルを設けるステップと、 ｂ．第１チャンネルに相互接続されたインレット・エンドを有する第５チャン
    ネルを設けるステップと、 ｃ．第４チャンネルと第５チャンネルとの間に電位を供給することにより、試
    薬の容積体を前記第１チャンネル内に流し込み、かつ輸送流体を前記第５チャン
    ネル内に流し込むステップとを含む、請求項５に記載の方法。
  7. 【請求項７】 試薬の濃度を希釈し、その後第１チャンネル内にそれを注入
    するステップを含む、請求項５に記載の方法。
  8. 【請求項８】 試薬を第１チャンネル内に注入することを繰り返し、それに
    より、試薬の複数の容積体が、隣接しない、セグメント化流体の容積体の連続ペ
    アの間に注入されるステップを含む、請求項５に記載の方法。
  9. 【請求項９】 試薬の複数の注入された容積体を、前記第１チャンネルに沿
    って前記流体リザーバ方向に輸送するステップを含む、請求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 試薬の複数の注入された容積体を連続的に格納し、それに
    より前記試薬容積体の選択した１つを回復して分析できるステップを含む、請求
    項９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 格納から選択した試薬容積体を回復するステップを含む、
    請求項１０に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 セグメント化流体の容積体の連続ペアの間の前記第１チャ
    ンネル内に、反応粒子を挿入するステップを含む、請求項１に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 反応粒子を第１チャンネル内に注入することを繰り返し、
    それにより、複数の反応粒子が、隣接しない、セグメント化流体の容積体の連続
    ペアの間に注入されるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 複数の反応粒子を、前記第１チャンネルに沿って前記流体
    リザーバ方向に輸送するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 複数の挿入された反応粒子を連続的に格納し、それにより
    前記反応粒子の選択した１つを回復して分析できるステップを含む、請求項１４
    に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 格納から選択した反応粒子を回復するステップを含む、請
    求項１０に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 材料の一連の微小容積体セグメントを形成しかつ輸送する
    装置であって、 内部に形成された第１と第２マイクロチャンネルを有する基板であって、前記
    第１マイクロチャンネルが輸送流体源に接続されたインレット・エンドと流体リ
    ザーバに接続されたアウトレット・エンドとを有し、前記第２マイクロチャンネ
    ルがセグメント化流体源に接続されたインレット・エンドと前記第１マイクロチ
    ャンネルに相互接続されたアウトレット・エンドとを有する基板と、 前記第１マイクロチャンネル内の、前記第１マイクロチャンネルと前記第２マ
    イクロチャンネルのアウトレット・エンドの中間位置に配置された第１、第２、
    第３電気接点と、 前記第１マイクロチャンネル内の、前記第１マイクロチャンネルと前記第２マ
    イクロチャンネルのインレット・エンドの中間位置に配置された第４、第５、第
    ６電気接点と、および 前記電気接点の隣接するペアの間に電位を供給し、（ｉ）セグメント化流体の
    容積体を前記第１マイクロチャンネル内に引込み、（ｉｉ）セグメント化流体の
    容積体の第１マイクロチャンネル内ヘの引き込みを停止し、それから（ｉｉｉ）
    前記第１マイクロチャンネル内のセグメント化流体の容積体を前記流体リザーバ
    方向に輸送する手段と、を備えている装置。
  18. 【請求項１８】 試薬源に接続されたインレット・エンドと第１チャンネル
    に相互接続されたアウトレット・エンドとを有する第４チャンネルと、 第１チャンネルに相互接続されたインレット・エンドを有する第５チャンネル
    と、 前記第１チャンネル内のセグメント化流体の連続容積体のペアの間に試薬の容
    積体を注入し、それによって、セグメント化流体の連続容積体の前記ペアの間に
    配置された輸送流体を前記第５チャンネル内に流し込む手段とを備えている、請
    求項１７に記載の装置。
  19. 【請求項１９】 第４チャンネルと第５チャンネルとの間に電位を供給して
    、試薬の容積体を注入する手段を備えている、請求項１８に記載の装置。
  20. 【請求項２０】 試薬を第１チャンネルに注入するとき、その試薬を希釈す
    る手段を備えている、請求項１８に記載の装置。
  21. 【請求項２１】 試薬の希釈を変化させ、異なる濃度を有する一連の希釈さ
    れた試薬の容積体を提供する手段と、容積体の各々を前記第１チャンネル内のセ
    グメント化流体容積体の交互ペア内に注入する手段とを備えている、請求項１９
    に記載の装置。
  22. 【請求項２２】 第４チャンネルと流体リザーバとの間の第１チャンネルに
    沿って配置された追加の電気接点と、 追加電気接点のそれぞれのペア間に電位を供給して、反応容積体を前記第１チ
    ャンネルに沿って前記流体リザーバ方向に輸送する手段とを備えている、請求項
    １８に記載の装置。
  23. 【請求項２３】 前記第１チャンネルが、セグメント化流体容積体の交互ペ
    アの間に配置された複数の前記希釈された試薬容積体を保持するためのループを
    備えている、請求項１８に記載の装置。
  24. 【請求項２４】 流体媒体内に懸濁された反応粒子源に接続されたインレッ
    ト・エンドと第１チャンネルに相互接続されたアウトレット・エンドとを有する
    第４チャンネルと、 第１チャンネルに相互接続されたインレット・エンドを有する第５チャンネル
    と、 前記第１チャンネル内のセグメント化流体の連続容積体のペアの間に流体媒体
    内に懸濁された反応粒子を注入し、それによって、セグメント化流体の連続容積
    体の前記ペアの間に配置された輸送流体を前記第５チャンネル内に流し込む手段
    とを備えている、請求項１７に記載の装置。
  25. 【請求項２５】 第４チャンネルと第５チャンネルとの間に電位を供給して
    、反応粒子を含む流体媒体の容積体を前記第１チャンネルに流し込み、輸送流体
    を前記第５チャンネルに流し込む手段を備えている、請求項２０に記載の装置。
  26. 【請求項２６】 反応粒子の特質または特性に従って反応粒子を分類する手
    段と、個々の反応粒子を前記第１チャンネル内のセグメント化流体の連続容積体
    のペアの間に注入する手段とを備えている、請求項２０に記載の装置。
  27. 【請求項２７】 反応粒子の各々の注入を制御して、反応粒子を前記第１チ
    ャンネル内のセグメント化流体容積体の交互ペアの間に挿入する手段を備えてい
    る、請求項２２に記載の装置。
  28. 【請求項２８】 第４チャンネルと流体リザーバとの間の第１チャンネルに
    沿って配置された追加の電気接点と、 追加電気接点のそれぞれのペア間に電位を供給して、セグメント化流体容積体
    を前記第１チャンネルに沿って前記流体リザーバ方向に輸送する手段とを備えて
    いる、請求項２３に記載の装置。
  29. 【請求項２９】 前記第１チャンネルが、セグメント化流体容積体の交互ペ
    アの間に配置された複数の前記反応粒子を保持するためのループを備えている、
    請求項１８に記載の装置。
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