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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein mikrofluidisches System und ein
Behandlungsverfahren, welches dasselbe verwendet. Insbesondere ist
die vorliegende Erfindung für
ein mikrofluidisches System mit einem im Folgenden als "Mikrochip" bezeichneten mikrofluidischen
Chip zum Behandeln einer Probe und ein Behandlungsverfahren unter
Verwendung des mikrofluidischen Systems geeignet.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Integrationstechniken
zum Durchführen
chemischer Reaktionen auf sehr kleinem Raum sowie der Reaktion und
Analyse unter Verwendung einer sehr kleinen Probenmenge stehen vom
Standpunkt der Beschleunigung chemischer Reaktionen aus gesehen
im Blickpunkt. Bei einem mikrochemischen System unter Verwendung
eines Mikrochips, welches eine der Integriertechniken für chemische
Reaktionen ist, sind eine Einlassöffnung zum Einführen einer
Probe in den Mikrochip und ein mit der Einlassöffnung verbundener Mikrokanal
vorgesehen. Innerhalb des Mikrokanals werden solche Probenbehandlungen
wie Reaktion, Trennung, Extraktion, Nachweis, Vermischen, Synthese
und Analyse durchgeführt.
Als Beispiele für
in dem mikrochemischen System durchgeführte Reaktionen gibt es die
Diazotierungsreaktion, die Nitrierungsreaktion und die Antigen-Antikörper-Reaktion. Als Beispiele
für Extraktion und
Trennung gibt es die Solvent-Extraktion, die elektrophoretische
Trennung und die Säulentrennung.
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Bei
einer in Patentliteratur 1 beschriebenen elektrophoretischen Vorrichtung
ist ein Plattenelement durch Verbinden von ersten und zwei ten Substraten
ganzheitlich gebildet, sind eine mit einer Pufferwanne versehene
Nut für
die Analyse und eine Nut für
die Probeneinspritzung in beiden Endabschnitten des ersten Substrats
gebildet, ist ein Durchgangsloch in dem zweiten Substrat an einer
der Pufferwanne in dem ersten Substrat gegenüberliegenden Position gebildet
und ist ein Elektrodenfilm für
die Anlegung einer Spannung auf einer Innenwand des Durchgangslochs
und auch um beide Seiten des Durchgangslochs herum gebildet. Bei
dieser elektrophoretischen Vorrichtung wird über den Elektrodenfilm eine Verbindung
zu einer in dem Körper
der Vorrichtung eingebauten Hochspannungsquelle hergestellt, um die
Anlegung einer Spannung zu bewirken, was es erlaubt, dass Migration
stattfindet.
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Ein
anderes herkömmliches
mikrofluidisches System ist beispielsweise in der
japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2003-114229 (Patentliteratur
2) beschrieben worden, bei dem eine Probe unter Verwendung einer
Spritzenpumpe zu einem Mikrochip oder einer Mikroplatte befördert wird.
Ein ähnliches
mikrofluidisches System ist auch im Dokument
WO 00/78456 offenbart.
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Eine
Messanalyseausrüstung
unter Verwendung eines Mikrochips in Patentliteratur 2 weist einen Mikrochip
auf, wobei der Mikrochip mit Folgendem versehen ist: einem ersten
sehr kleinen Kanal, um es einer Probe zu erlauben, durch diesen
zu fließen,
einem zweiten sehr kleinen Kanal, um es einer Markierungssubstanz
zu erlauben, durch diesen zu fließen, einem durch eine Kombination
des ersten und zweiten Kanals gebildeten sehr kleinen Reaktionskanal und
einer in dem Reaktionskanal vorgesehenen reaktiven Stelle und mit
einer daran befestigten spezifischen Bindesubstanz. Eine Spritzenpumpe
ist über ein
Siliciumrohr mit dem ersten und zweiten Kanal in dem Mikrochip verbunden,
und sowohl die Probe als auch die Markierungssubstanz werden von
der Spritzenpumpe zugeführt.
- Patentliteratur 1: japanische
Offenlegungsschrift Nr. H8(1996)-178897
- Patentliteratur 2: japanische
Offenlegungsschrift Nr. 2003-114229
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bei
Patentliteratur 1 sind, da ein elektrophoretisches Verfahren als
Probenbeförderungsverfahren
verwendet wird, Fluide, die bei demselben Verfahren gehandhabt werden
können,
auf wässrige
Lösungen
beschrankt, die nach Anlegen einer Spannung an diese wandern können. Bis
jetzt ist es unmöglich
gewesen, solche Proben wie nichtpolare organische Lösemittel
zu handhaben.
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Bei
Patentliteratur 2 ist es, da das von der Probenbeförderungsspritzenpumpe
bis zum Mikrochip verbundene Siliziumrohr viel größer als
der sehr kleine Kanal in dem Mikrochip ist, notwendig gewesen, eine
große
Probenmenge zum Füllen
des Inneren des Rohrs zu verwenden, das eine Verbindung von einer
Pumpenablassöffnung
zu einer Probeneinlassöffnung
des Mikrochips schafft. Überdies
ist, da die Rückhaltezeit
der Probe innerhalb des Rohrs länger
wird, befürchtet
worden, dass die Probenqualität durch
eine Veränderung
im Lauf der Zeit verschlechtert wird. Ferner ist an der Spitze des
Rohrs die Probe zu jeder Zeit in Kontakt mit einer anderen Probe,
und so hat es das Problem gegeben, dass sogar ohne Betätigung der
Pumpe ein Vermischen von Proben durch Diffusion auftritt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mikrofluidisches
System, das fähig
ist, den Anwendungsbereich von Proben, die durch das System behandelt
werden können,
zu erweitern, die Menge jeder verwendeten Probe zu verringern, die Verschlechterung
einer Probe durch eine Veränderung
im Lauf der Zeit zu verhindern und das Vermischen von mehreren Proben
durch Diffusion zu verhindern, sowie ein Behandlungsverfahren unter
Verwendung des mikrofluidischen Systems bereitzustellen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird zur Lösung
der oben genannten Aufgabe Folgendes bereitgestellt: ein mikrofluidisches
System mit einem im Folgenden als "Server" bezeichneten Probenspeicher, der mehrere
Proben speichert und Probenablaufabschnitte aufweist, einem Mikrochip
zum Eingeben von Proben in einen Behandlungsabschnitt durch mehrere
Probeneinführungsabschnitte,
die mit den Probenablaufabschnitten in Verbindung stehen, und weiterhin
durch einen Mikrokanal, der mit den Probeneinführungsabschnitten in Verbindung
steht, was es erlaubt, dass die Proben einer vorgegebenen Behandlung
unterzogen werden, und einer Probenzuführung zum Zuführen der
in dem Probenserver gespeicherten Proben zu den Probeneinführungsabschnitten
durch die Probenablaufabschnitte, wobei die Probenzuführung Ventile
zum Öffnen
und Schließen
von Verbindungspfaden zwischen den Probenablaufabschnitten des Probenservers
und den Probeneinführungsabschnitten
des Mikrochips und Druckbeaufschlagungsvorrichtungen umfasst, um die
in dem Probenserver gespeicherten Proben mit Druck zu beaufschlagen
und sie in die Probeneinführungsabschnitte
in einem offenen Zustand der Ventile hinauszuschieben.
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Die
folgenden sind bevorzugtere Konstruktionen bezüglich der obigen Konstruktion
gemäß der vorliegenden
Erfindung, die auf jede geeignete Weise gemäß der Anforderung der jeweiligen
Anwendung kombiniert werden können.
- (1) Die Ventile sind so bereitgestellt, dass
sie Öffnungen
der Probeneinführungsabschnitte öffnen und
schließen.
- (2) Der Probenserver schließt
zylindrische Körper ein,
deren eine Enden offen und größer als
die Probeneinführungsabschnitte
sind und deren entgegengesetzte Enden geschlossen sind, wobei die
zylindrischen Körper
so eingebaut sind, dass ihre einen Enden gegen den Mikrochip stoßen, was
es deren Öffnungen
erlaubt, die Öffnungen der
Probeneinführungsabschnitte
zu bedecken, und die Ventile sind innerhalb des Probenservers positioniert,
um die Öffnungen
der Probeneinführungsabschnitte
zu öffnen
und zu schließen,
und sind so eingebaut, dass sie gegen die Oberfläche des Mikrochips stoßen.
- (3) Ein Fluidzuführungssteuermechanismus
mit einem Antriebsabschnitt ist vorgesehen, wobei der Antriebsabschnitt
eine Antriebsquelle der Ventile und eine Antriebsquelle der Druckbeaufschlagungsvorrichtungen
zusammen verwendet.
- (4) Der Probenserver schließt
zylindrische Körper ein,
die an ihren beiden Seiten offen sind, die Druckbeaufschlagungsvorrichtungen
beinhalten Trennplatten, die die einen Endseiten der zylindrischen
Körper
schließen
und die beweglich angeordnet sind, und Betätigungselemente, die sich von
den Trennplatten zu dem Äußeren der
einen Öffnungen
der zylindrischen Körper
erstrecken, die Ventile beinhalten Ventilkörper, die auf den anderen Öffnungsseiten
der zylindrischen Körper angeordnet
sind, und Betätigungselemente,
die sich von den Ventilkörpern
zu dem Äußeren der anderen Öffnungen
der zylindrischen Körper durch
die Trennplatten erstrecken, und der Fluidzuführungssteuermechanismus beinhaltet
den vorhergehenden Antriebsabschnitt, der die Betätigungselemente
der Druckbeaufschlagungsvorrichtungen und die Betätigungselemente
der Ventile abwechselnd aktiviert.
- (5) Ein Drain zum Speichern der durch den Mikrochip behandelten
Proben ist an dem Mikrochip angebracht.
- (6) Der Mikrochip beinhaltet mehrere unabhängige Behandlungspfade, die
jeweils aus den Probeneinführungsabschnitten,
dem Mikrokanal und dem Behandlungsabschnitt bestehen.
- (7) Der Mikrochip wird durch eine Vielzahl unabhängiger Reihen
der Behandlungspfade gebildet und der Probenserver wird unabhängig und
entsprechend jeder der Reihen der Behandlungspfade gebildet, wird
durch ein gemeinsames Verbindungselement gehalten und ist in dem
Mikrochip entfernbar eingebaut.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist zur Lösung
der vorhergehenden Aufgabe auch ein Behandlungsverfahren unter Verwendung
eines mikrofluidischen Systems mit folgenden Schritten vorgesehen:
Einbau eines Probenservers, der mehrere Proben speichert, in einen
Mikrochip in einem Zustand des Schließens von Kommunikationspfaden
zwischen Probenablaufabschnitten für die Proben in dem Probenserver
und mehreren Probeneinführungsabschnitten
in dem Mikrochip mittels Ventilen, Öffnen des Ventils, das zwischen
dem zugeordneten Probenablaufabschnitt in dem Probenserver und dem
zugeordneten Probeneinführungsabschnitt
in dem Mikrochip betroffen ist, was es erlaubt, dass der Probenablaufabschnitt
und der Probeneinführungsabschnitt
miteinander kommunizieren, Druckbeaufschlagung einer Probe mittels
Druckbeaufschlagungsvorrichtungen, Zuführen der druckbeaufschlagten
Probe von dem Probenablaufabschnitt zu dem Probeneinführungsabschnitt,
einem Mikrokanal und einem Behandlungsabschnitt in dieser Reihenfolge,
Erlauben, dass die Probe im Behandlungsabschnitt behandelt wird,
Schließen
des offenen Ventils, danach Öffnen
des Ventils, das zwischen einem anderen zugeordneten Probenablaufabschnitt
in dem Probenserver und einem anderen zugeordneten Probeneinführungsabschnitt
in dem Mikrochip betroffen ist, was es erlaubt, dass der Probenablaufabschnitt und
der Probeneinführungsabschnitt
miteinander kommunizieren, Druckbeaufschlagung einer weiteren Probe
durch Druckbeaufschlagungsvorrichtungen, Zuführen der druckbeaufschlagten
Probe von dem Probenablaufabschnitt zu dem Probeneinführungsabschnitt,
dem Mikrokanal und dem Behandlungsabschnitt in dieser Reihenfolge,
und Erlauben, dass die Probe im Behandlungsabschnitt behandelt wird.
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Die
folgende ist eine bevorzugtere Konstruktion bezüglich der obigen Konstruktion
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
- (1) Alle Ventile werden in einen
geschlossenen Zustand gebracht und ein durch die Probeneinführungsabschnitte,
den Mikrokanal und den Behandlungsabschnitt gebildeter Behandlungspfad wird
von einer Ablaufseite des Behandlungsabschnitts geleert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
ein mikrofluidisches System, das fähig ist, den Anwendungsbereich
von Proben, die durch das System behandelt werden können, zu
erweitern, die Menge jeder verwendeten Probe zu verringern, die Verschlechterung
einer Probe durch eine Veränderung
im Lauf der Zeit zu verhindern und das Vermischen von mehreren Proben
durch Diffusion zu verhindern, sowie ein Behandlungsverfahren unter
Verwendung des mikrofluidischen Systems bereitzustellen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Konstruktionsdiagramm, das ein mikrofluidisches System gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
eine erläuternde
perspektivische Ansicht eines Mikrochips, der bei dem in 1 gezeigten
mikrofluidischen System verwendet wird;
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3 ist
eine vertikale Schnittansicht eines Hauptabschnitts des in 1 gezeigten
mikrofluidischen Systems;
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4 ist
eine zentrale Schnittansicht von 3;
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5 ist
eine schematische perspektivische Ansicht eines Hauptabschnitts
eines mikrofluidischen Systems gemäß einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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6 ist
eine schematische perspektivische Ansicht eines in 5 gezeigten
Mikrochips; und
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7 ist
eine schematische Vorderansicht eines Hauptabschnitts, die Probenserver
zeigt, welche im Begriff sind, mit Proben gefüllt zu werden, und welche bei
dem in 5 gezeigten mikrofluidischen System verwendet
werden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mehrere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben. Im Zusammenhang mit den folgenden
Ausführungsformen
stehen die gleichen Bezugszeichen in den Zeichnungen für die gleichen
oder gleichwertige Abschnitte.
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Ein
mikrofluidisches System und ein Behandlungsverfahren unter Verwendung
desselben gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschrieben.
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Zuerst
wird eine Gesamtkonstruktion eines mikrofluidischen Systems 100 gemäß dieser
ersten Ausführungsform
nachstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben,
welche ein Konstruktionsdiagramm ist, das das mikrofluidische System
dieser Ausführungsform
zeigt.
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Das
mikrofluidische System 100 besteht aus einer Mikrochipvorrichtung 50,
Probenservern 4, Druckbeaufschlagungsvorrichtungen 15,
Ventilen 18, einem Fluidzuführungssteuermechanismus 5,
einer Temperatursteuereinrichtung 7, einem Behandlungszustandsdetektor 8 und
einem Gestell 6. In dem mikrofluidischen System 100 durchgeführte Behandlungen
schließen
Reaktion, Trennung, Extraktion, Nachweis, Vermischen, Synthese und
Analyse von Proben ein. Beispiele für die Reaktion schließen die
Diazotierungsreaktion, die Nitrierungsreaktion und die Antigen-Antikörper-Reaktion
ein. Beispiele für
die Extraktion und Trennung schließen die Solvent-Extraktion und die
Säulentrennung
ein. Die Druckbeaufschlagungsvorrichtungen und die Ventile 18 bilden eine
Probenzuführung.
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Die
Mikrochipvorrichtung 50 beinhaltet einen Mikrochip 1,
einen Halter 2, einen Drain 9 und eine Basis 3.
Die Mikrochipvorrichtung 50 ist auf dem Gestell 6 platziert.
Der Mikrochip 1 wird durch Gleiten zwischen dem Halter 2 und
der Basis 3 von der rechten Seite in 1 eingefügt. Der
Drain 9 dient zur Speicherung einer Probe, nachdem sie
innerhalb des Mikrochips 1 zur Reaktion gebracht worden
ist, und steht mit einer Auslass-Seite eines Kanaltrennabschnitts 10b in
Verbindung (siehe 2). Der Drain 9 ist
mit einer Fluidablassöff nung 9a (siehe 4) versehen,
um das Ablassen einer Probe nach außen zu erlauben.
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Die
Temperatursteuereinrichtung 7 beinhaltet ein Peltier-Element
und einen Temperatursensor. Die Temperatursteuereinrichtung 7 ist
vorgesehen, um die Temperatur einer Probe zu einer Temperatur zu
steuern, die notwendig ist, um eine solche Behandlung wie Reaktion,
Extraktion oder Trennung innerhalb der Mikrochipvorrichtung durchzuführen, und ist
zwischen dem Mikrochip 1 und dem Gestell 6 angeordnet.
Das Peltier-Element hat eine Heiz- oder Kühlfunktion, vorausgesetzt,
dass die Verwendung einer bloßen
Heizeinrichtung in dem Fall genügt,
in dem nur Heizen ausreichend ist. Der Temperatursensor dient zum
Erfassen der Temperatur der Mikrochipvorrichtung 50. Das
Peltier-Element wird auf der Grundlage des Ergebnisses einer durch
den Temperatursensor durchgeführten
Messung gesteuert, um die Temperatur des Mikrochips 1 zu
einer vorgegebenen Temperatur zu steuern, die zur Behandlung einer Probe
notwendig ist. Insbesondere ist eine (nicht gezeigte) Temperaturreguliereinrichtung
mit dem Temperatursensor verbunden, um die Zuführung von elektrischer Leistung
für das
Peltier-Element zu steuern.
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Der
Behandlungszustandsdetektor 8 wird verwendet, um den Zustand
nach der Reaktion in einem chemischen System zu erfassen, das innerhalb des
Mikrochips 1 vorgesehen ist. Es kann ein Bewegungsmechanismus
zum Bewegen des Behandlungszustandsdetektors 8 zu einer
gewünschten
Position über
der Mikrochipvorrichtung 50 vorgesehen sein.
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Als
Nächstes
wird eine konkrete Konstruktion des Mikrochips 1 unter
Bezugnahme auf 2 beschrieben, die eine erläuternde
perspektivische Ansicht des bei dem mikrofluidischen System von 1 verwendeten
Mikrochips ist.
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Der
Mikrochip 1 ist in Form einer Platte unter Verwendung von
beispielsweise Glas, Silicium oder Plastik gebildet. Der veranschaulichte
Mikrochip 1 ist in einem mikrofluidischen System zu verwenden,
das für
Mikrochips zur Immunoanalyse dient. Der Mikrochip 1 beinhaltet
einen Kanalreaktorabschnitt 13, der feine Festkörperteilchen 11 mit
einem Durchmesser, der nicht größer als
1 mm ist, als reaktive Feststoff-Phase aufnimmt, einen Mikrokanal 10 mit
einer Querschnittsfläche,
deren Breite kleiner als der Durchmesser jedes feinen Festkörperteilchens 11 ist, mehrere
Probeneinführungsabschnitte 14 und
einen Probenablassabschnitt 12. Der Kanalreaktorabschnitt 13 bildet
einen Behandlungsabschnitt. Der Mikrokanal 10 besteht aus
einem Kanaleinführungsabschnitt 10a und
einem Kanaltrennabschnitt 10b. Probeneinführungsabschnitte 14a, 14b und
der Probenablassabschnitt 12 sind zu einer Seitenfläche des
Mikrochips 1 hin offen.
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Die
mehreren Probeneinführungsabschnitte 14 beinhalten
einen Einführungsabschnitt 14a für markierte
Antikörper
zum Einführen
eines markierten Antikörpers
als erste Probe in den Kanalreaktorabschnitt 13 und einen
Antigeneinführungsabschnitt 14b zum
Einführen
eines Antigens als zweite Probe in den Kanalreaktorabschnitt 13.
Der Einführungsabschnitt 14a für markierte
Antikörper
und der Antigeneinführungsabschnitt 14b stehen
mit dem Kanalreaktorabschnitt 13 über den Kanaleinführungsabschnitt 10a in
Verbindung. Der Probenablassabschnitt 12 steht mit dem
Kanalreaktorabschnitt 13 über den Kanaltrennabschnitt 10b in
Verbindung.
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Als
Nächstes
wird eine konkretere Konstruktion des mikrofluidischen Systems 100 unter
Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben,
von denen 3 eine vertikale Schnittansicht
eines Hauptabschnitts des in 1 gezeigten
mikrofluidischen Systems ist und 4 eine zentrale
Schnittansicht von 3 ist.
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Die
Probenserver 4 speichern mehrere Proben und haben Probenablaufabschnitte.
Bei dieser Ausführungsform
umfassen die Probenserver 4 mehrere Probenserver 4a und 4b,
wobei unterschiedliche Arten von Proben in den Probenservern 4a bzw. 4b gespeichert
sind. Die Probenserver 4a und 4b sind aus einem
Material mit chemischer Beständigkeit
gegenüber
den bei dieser Ausführungsform
gehandhabten Proben oder einem Material gebildet, das keinen schlechten
Einfluss auf jene Proben ausübt,
zum Beispiel rostfreier Stahl, Silikongummi, Fluorharz, Urethangummi,
PEEK-Material, Glas oder Polycarbonat. Die Größe jedes der Probenserver 4a und 4b ist
auf eine Größe eingestellt,
die der erforderlichen Menge einer in diesen einzuspritzenden Probe
entspricht. Obwohl bei dieser Ausführungsform die Probenserver 4a und 4b die
Form eines kreisförmigen Zylinders
haben, kann irgendeine andere Form, zum Beispiel die Form eines
elliptischen Zylinders, eingesetzt werden, soweit sie zylindrisch
ist.
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Die
Probenserver 4a und 4b sind jeweils durch zylindrische
Körper
gebildet, deren untere Oberflächenseiten
offen und größer als
die Probeneinführungsabschnitte 14a, 14b sind
und deren obere Oberflächenseiten
geschlossen sind. Die Öffnungen
der unteren Oberflächenseite
der Probenserver 4a und 4b sind auf eine Größe eingestellt,
die es erlaubt, dass bei atmosphärischem
Druck die in den Probenservern gespeicherten Proben ohne Auslaufen
unter der Wirkung einer Oberflächenspannung
innerhalb der Probenserver bleiben.
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Die
Probenserver 4a und 4b sind so eingebaut, dass
sie an einen Enden ihrer zylindrischen Körper gegen die Oberfläche des
Mikrochips 1 stoßen,
so dass ihre Öffnungen
der unteren Oberflächenseite
die Öffnungen
der Probeneinführungsabschnitte 14a und 14b bedecken.
Insbesondere sind durch Benutzung des Halters 2 die Probenserver 4a und 4b in
engem Kontakt mit den Probeneinführungsabschnitten 14a und 14b des
Mikrochips 1 eingebaut.
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Eine
Abdichtung 16 ist zwischen einem unteren Ende des zylindrischen
Körpers
jedes der Probenserver 4a, 4b und der Oberfläche des
Mikrochips 1 angeordnet, um Luftdichtheit sicherzustellen.
Das heißt,
das Innere der Probenserver 14a, 14b und der Probeneinführungsabschnitte 14, 14b werden
in luftdichter Weise in Verbindung miteinander gebracht, um das
Auslaufen von Proben nach außen
sogar dann zu verhindern, wenn die innerhalb der Probenserver 4a und 4b vorhandenen
Proben durch Druckbeaufschlagungsvorrichtungen 15a und 15b mit Druck
beaufschlagt werden. Weiterhin können,
sogar wenn eine Positionsbeziehung zwischen einem Substrat-Endabschnitt
des Mikrochips 1 und den auf dem Mikrochip 1 vorgesehenen
Mikrochipeinführungsabschnitten 14 aufgrund
einer Fertigungstoleranz relativ zu einem gewünschten Abschnitt abgelenkt
wird, die Proben in den Mikrochip 1 zwangseingeführt werden,
falls zuvor der Innendurchmesser der Abdichtung 16 größer als
die Größe jedes
Mikrochipeinführungsabschnitts 14 eingestellt
wird, wobei der Betrag einer solchen Ablenkung berücksichtigt
wird.
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Ventile 18 sind
vorgesehen, um Verbindungspfade zwischen der Probenablaufabschnittsseite
der Probenserver 4 und der Probeneinführungsabschnittsseite des Mikrochips 1 zu öffnen und zu
schließen.
Die Ventile 18 umfassen Ventile 18a und 18b,
die für
die Probenserver 4a bzw. 4b angeordnet sind. Die
Ventile 18a und 18b umfassen Ventilkörper 18a1 und 18b1,
die an den unteren Öffnungsseiten
der Probenserver 4a bzw. 4b angeordnet sind, und
Betätigungselemente 18a2 und 18b2, die
sich von jenen Ventilkörpern 18a und 18b zu
dem Äußeren der
oberen Öffnungen
der Probenserver 4a und 4b durch Trennplatten 15a1 und 15b1 erstrecken.
Die Ventilkörper 18a1 und 18b1 sind
so eingebaut, dass sie innerhalb der Probenser ver 4a und 4b positioniert
sind, um die Öffnungen
der Probeneinführungsabschnitte 14a und 14b des
Mikrochips 1 zu öffnen
und zu schließen,
und dass sie zum Stoßen gegen
die Oberfläche
des Mikrochips 1 gebracht werden.
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Druckbeaufschlagungsvorrichtungen 15 umfassen
mehrere Druckbeaufschlagungsvorrichtungen 15a und 15b,
die jeweils für
die Probenserver 4a und 4b vorgesehen sind. Die
Druckbeaufschlagungsvorrichtungen 15a und 15b beinhalten
bewegliche Trennplatten 15a1 und 15b1, die die
oberen Öffnungen
der Probenserver 4a, 4b schließen, und Druckbetätigungselemente 15a2 und 15b2,
die sich von den Trennplatten 15a1, 15b1 zu dem Äußeren der oberen Öffnungen
der Probenserver 4a und 4b erstrecken. Probenspritzen
werden durch die Probenserver 4a, 4b und die Druckbeaufschlagungsvorrichtungen 15a, 15b gebildet.
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Ein
Fluidzuführungssteuermechanismus 5 beinhaltet
einen Antriebsabschnitt 5a, der eine Antriebsquelle der
Ventile 18 und diejenige der Druckbeaufschlagungsvorrichtungen 15 zusammen
verwendet.
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Als
Nächstes
wird der Betrieb des mikrofluidischen Systems unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschrieben.
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Der
Mikrochip 1 wird in einen Spalt zwischen dem Halter 2 und
der Basis 3 eingeschoben, und mehrere Probenserver 4a und 4b,
die Proben speichern, werden bereitgestellt. In diesem Zustand werden
die Probenserver 4a und 4b mit den Ventilen 18a, 18b und
den Druckbeaufschlagungsvorrichtungen 15a, 15b versehen.
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Die
Probenserver 4a, 4b werden an vorgegebenen Positionen
auf dem Mikrochip 1 eingebaut. Das heißt, die Probenserver 4a und 4b werden
auf dem Mikrochip 1 so eingebaut, dass sie durch die Ventile 18a1 und 18b1 einen
geschlossenen Zustand zwischen den Probenablaufabschnitten der Probenserver 4a, 4b und
den Probeneinführungsabschnitten 14a, 14b des
Mikrochips 1 bereitstellen. Insbesondere werden die Ventilkörper 18a1 und 18b1 innerhalb
der Probenserver 4a und 4b so positioniert, dass
sie die Öffnungen
der Probeneinführungsabschnitte 14a und 14b des
Mikrochips 1 schließen, und
werden zum Stoßen
gegen die Oberfläche
des Mikrochips 1 gebracht.
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Die
Mikrochipvorrichtung 50 wird in einem derartigen Zustand
mechanisch oder durch manuelle Betätigung wie in 1 auf
dem Gestell 6 eingebaut, und ein automatischer Betrieb
wird durchgeführt.
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Zum
Durchführen
einer Behandlung wird zuerst der Ventilkörper 18a1, der Verbindungspfade zwischen
dem Probenablaufabschnitt des Probenservers 4a und dem
Probeneinführungsabschnitt 14a des
Mikrochips 1 schließt,
geöffnet,
um eine Verbindung zwischen dem Inneren des Probenservers 4a und
demjenigen des Probeneinführungsabschnitts 14 zu
schaffen. Der Ventilkörper 18a1 wird
durch Verriegeln des Antriebsabschnitts 5a des Fluidzuführungssteuermechanismus 5 an
einem oberen Ende des Betätigungselements 18a2 und
Bewegen von diesem nach oben betätigt.
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Bei
offenem Ventilkörper 18a1 wird
die innerhalb des Probenservers 4a vorhandene Probe durch die
Trennwand 15a1 der Druckbeaufschlagungsvorrichtung 15a mit
Druck beaufschlagt, um die Probe von dem Probenablaufabschnitt des
Probenservers 4a dem Probeneinführungsabschnitt 14a,
dem Kanaleinführungsabschnitt 10a des
Mikrokanals 10 und dem Kanalreaktionsgefäßabschnitt 13 als
Behandlungsabschnitt in dieser Reihenfolge zuzuführen. Die Trennplatte 15a1 wird
durch Schieben und Bewegen eines oberen Endes des Betätigungselements 15a2 nach
unten durch den Antriebsabschnitt 5a des Fluidzuführungssteuermechanismus 5 betätigt. Zu
diesem Zeitpunkt kann die Menge des dem Probeneinführungsabschnitt 14a pro
Zeiteinheit zugeführten Fluids
durch Erhöhen
der Absenkgeschwindigkeit des Fluidzuführungssteuermechanismus 5 gesteigert werden,
während
umgekehrt die Menge des dem Probeneinführungsabschnitt 14a pro
Zeiteinheit zugeführten
Fluids sehr klein gemacht werden kann, indem die Absenkgeschwindigkeit
des Fluidzuführungssteuermechanismus 5 vermindert
wird. Somit ist es möglich,
die zuzuführende
Fluidmenge zu steuern.
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Ferner
wird die Zuführung
von elektrischer Leistung zu dem Peltier-Element 7 gesteuert, während die
Oberflächentemperatur
des Mikrochips 1 gemessen wird. Auf diese Weise wird die
zugeführte Probe
in dem Kanalreaktorabschnitt 13 behandelt.
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Nachdem
die Zuführung
einer Probe zu dem Mikrochip 1 vorüber ist, wird der Ventilkörper 18a1 geschlossen.
Der Ventilkörper 18a1 wird
betätigt,
indem der Antriebsabschnitt 5a des Fluidzuführungssteuermechanismus 5 zum
Stoßen
gegen das obere Ende des Betätigungselements 18a2 gebracht
und nach unten bewegt wird.
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Ein
Behandlungszustand wird durch den Behandlungszustandsdetektor 8 erfasst,
und wenn diese Behandlung vorüber
ist, wird der Ventilkörper 18b1,
der zwischen dem Probenablaufabschnitt des Probenservers 4b und
dem Probeneinführungsabschnitt 14b des
Mikrochips 1 angeordnet ist, geöffnet, um eine Verbindung zwischen
dem Probenablaufabschnitt und dem Probeneinführungsabschnitt 14b zu schaffen.
Der Ventilkörper 18b1 wird
durch Verriegeln des Antriebsabschnitts 5a des Fluidzuführungssteuermechanismus 5 an
dem oberen Ende des Betätigungselements 18a2 und
Bewegen von diesem nach oben betätigt.
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Bei
offenem Ventilkörper 18b1 wird
die innerhalb des Probenservers 4b vorhandene Probe durch die
Trennwand 15b der Druckbeaufschlagungsvorrichtung 15b mit
Druck beaufschlagt, um die Probe von dem Probenablaufabschnitt des
Probenservers 4b dem Probeneinführungsabschnitt 14b,
dem Kanaleinführungsabschnitt 10a und
dem Kanalreaktorabschnitt 13 in dieser Reihenfolge zuzuführen. Die somit
zugeführte
Probe wird in dem Kanalreaktorabschnitt 13 behandelt. Die
Trennplatte 15b1 wird durch Schieben und Bewegen eines
oberen Endes des Betätigungselements 15b2 nach
unten durch den Antriebsabschnitt 5a des Fluidzuführungssteuermechanismus 5 betätigt. Zu
diesem Zeitpunkt wird die eingeführte
Probe dem Mikrokanalreaktorabschnitt 13 zugeführt, aber
neigt dazu, auch zu dem Probenserver 4a vorzurücken. Da
jedoch der Probeneinführungsabschnitt 14a mit
dem Ventilkörper 18a1 abgedichtet
ist, gibt es keine Befürchtung,
dass die innerhalb des Probenservers 4a vorhandene Probe
und die Probe, die in den Probeneinführungsabschnitt 14a vorgerückt ist,
an irgendeinem anderen Ort als dem Mikrokanalreaktorabschnitt 13 zusammengemischt
werden können.
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Nachdem
die Zuführung
einer Probe zu dem Mikrochip 1 vorüber ist, wird der Ventilkörper 18b1 geschlossen.
Der Ventilkörper 18b1 wird
betätigt,
indem der Antriebsabschnitt 5a des Fluidzuführungssteuermechanismus 5 zum
Stoßen
gegen das obere Ende des Betätigungselements 18b2 gebracht
und nach unten bewegt wird.
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Falls
während
der obigen Behandlung Luftblasen in die Probe gemischt werden, mit
der der Kanalreaktorabschnitt 13 gefüllt ist, was zu einem Anstieg
des Strömungspfadwiderstands
führt und
dazu, dass es schwierig wird, die Probe fließen zu lassen, wird eine Entleerung
von dem Drain 9 durchgeführt. Sogar falls die Entleerung
durchgeführt
wird, gibt es keine Befürchtung,
dass die in den Probenservern 4a und 4b gespeicherten
Proben auslaufen. Zum Durch führen
der Entleerung werden die Ventile 18a1 und 18b1 geschlossen
und wird ein von dem Mikrokanal 10 und dem Kanalreaktorabschnitt 13 gebildeter
Behandlungspfad von einer an der Ablaufseite befindlichen Fluidauslassöffnung des
Drains 9 geleert.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
kann der Einführungsdruck
zum Zeitpunkt des Einführens
der innerhalb der Probenserver 4a und 4b gespeicherten Proben
in den Mikrochip 1 durch die Druckbeaufschlagungsvorrichtungen 15 zu
einem gewünschten Druck
gesteuert werden und die Menge der pro Zeiteinheit eingeführten Proben
genau gesteuert werden. Außerdem
wird die Zuführung
der Proben durch die Druckbeaufschlagungsvorrichtungen 15 gemäß einem
Differenzdruckverfahren durchgeführt
und können
sogar solche Proben wie nichtpolare organische Lösungsmittel in die Mikrochipvorrichtung 50 eingeführt werden,
so dass der Anwendungsbereich der Proben im Vergleich zu dem elektrophoretischen Verfahren
erweitert werden kann.
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Überdies
tritt, da die in den Probenservern 4a, 4b gespeicherten
Proben und die in den Probeneinführungsabschnitten 14a, 14b vorhandenen
Proben durch die Ventile 18a1 und 18b1 voneinander abgesperrt
werden, kein Vermischen des Fluids in die Proben auf.
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Überdies
ist es, da die Strömungspfade
von den Probenservern 4a und 4b mit darin in einer
vorgegebenen bestimmten Menge eingespritzten Proben bis zu den Probeneinführungsabschnitten 14a und 14b des
Mikrochips 1 kurz sind, nicht notwendig, herkömmliche
Rohre oder dergleichen zur Verbindung zwischen ihnen zu verwenden,
noch ist es notwendig, eine große
Menge Proben zum Auffüllen
des Inneren der Rohre zu verwenden.
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Deshalb
ist es auch möglich,
eine Verschlechterung der Proben zu verhindern, die durch eine Veränderung
im Lauf der Zeit verursacht wird, welche dem Verbleib der Proben
innerhalb derartiger Rohre zuzuschreiben ist.
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Als
Nächstes
wird eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 5 bis 7 beschrieben,
von denen 5 eine schematische perspektivische
Ansicht eines Hauptabschnitts eines mikrofluidischen Systems gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, 6 eine schematische
perspektivische Ansicht eines in 5 gezeigten
Mikrochips ist und 7 eine schematische Vorderansicht
eines Hauptabschnitts ist, die einen Zustand zeigt, in dem bei dem
mikrofluidischen System von 5 verwendete
Probenserver mit Proben gefüllt
werden. Diese zweite Ausführungsform
ist im folgenden Punkt von der ersten Ausführungsform unterschiedlich,
und die anderen Punkte sind im Wesentlichen die gleichen wie bei
der ersten Ausführungsform.
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Ein
Mikrochip 1 ist gemäß dieser
zweiten Ausführungsform
mit zwei oder mehr Mikrokanälen 10 versehen.
In 6 sind acht Mikrokanäle 10 parallel vorgesehen.
An jedem der Mikrokanäle 10 sind zwei
oder mehr Mikrochipeinführungsabschnitte 14 gebildet,
und mindestens ein Kanalreaktorabschnitt und mindestens ein Kanaltrennabschnitt
sind auch gebildet, obwohl sie in 6 nicht
gezeigt sind. Wie bei der ersten Ausführungsform sind feine Festkörperteilchen
in dem Kanalreaktorabschnitt vorhanden. Bei dieser Ausführungsform
sind fünf
Probeneinführungsabschnitte 14 mit
Probeneinführungsöffnungen 14a bis 14e zum
Vermischen von fünf
Arten von Proben vorgesehen.
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Zum
Durchführen
einer Antigen-Antikörper-Reaktion
unter Verwendung des Mikrochips 1 werden Probenserver 4a bis 4e,
die jeweils mit 1 bis 100 μl
Probe gefüllt
werden können,
in dem in 5 gezeigten Beispiel verwendet.
Zuvor werden eine Probe, eine Waschlösung, ein Antikörper, eine Waschlösung und
ein markierter Antikörper
jeweils in die Probenserver 4a, 4b, 4c, 4d und 4e gefüllt. Zu diesem
Zeitpunkt können,
da es acht Mikrokanäle 10 in
dem Mikrochip 1 gibt, falls Proben mit unterschiedlicher
Antigenkonzentration jeweils in die acht Probenserver 4a gefüllt werden,
acht Arten von Antigen-Antikörper-Reaktionen
durch eine einzelne Analysearbeit durchgeführt werden und kann nach den Reaktionen
die Messung durch einen in 5 nicht gezeigten
Erfassungsmechanismus durchgeführt werden.
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Im
Fall des Füllens
der gleichen Probe in alle acht Probenserver 4 werden die
Probenserver 4 in einen Nutabschnitt eines Serververbindungsstabs 21 eingepasst,
wie in 7 gezeigt, dann wird in diesem miteinander verbundenen
Zustand der Probenserver ein beweglicher Trennplattenverbindungsstab 19 in 7 nach
oben bewegt, und falls beispielsweise eine Schale 24 mit
der fraglichen Probe gefüllt
wird, können
die acht Probenserver 4 gleichzeitig von ihren Ablassöffnungen
durch bewegliche Trennplatten 15 mit der Probe nachbefüllt werden.
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In 5 sind
unter Verwendung von Führungen 22,
die mit Gewinde versehene vordere Enden haben, die durch den Serververbindungsstab 21 miteinander
verbundenen Server 4 mit dem Halter 2 so verbunden,
dass sie in in dem Halter 2 gebildete Löcher für Probenserver eingepasst und
auf den Halter gesetzt werden. Weiterhin wird zum zwingenden Bewirken
einer Abdichtung mit den Abdichtungen 16, wie vorher im
Zusammenhang mit 3 beschrieben, die Serververbindungsstange 21 mittels
Federn 23 nach unten geschoben, wodurch die in die Nut eingepassten
Probenserver 4 und auch die Abdichtungen 16 nach
unten geschoben werden. Folglich kann die Ab dichtung bezüglich der
in dem Mikrochip 1 vorgesehenen Mikrochipeinführungsabschnitte 14 zwingend
bewirkt werden.
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Wie
in 5 gezeigt, können
zum Betätigen von
acht Probenservern 4 unter Verwendung eines Fluidzuführungssteuermechanismus 5,
falls zuvor Nuten gebildet werden, um die Betätigung der Probenserver wie
ein Rechen zu erlauben, mehrere Druckbeaufschlagungsvorrichtungen 15 und
Ventile 18 gleichzeitig betätigt werden. Wenn es gewünscht ist,
Proben in unterschiedlichen Mengen einzuführen, ist es möglich, durch Änderung
der Durchmesser der Probenserver 4 die Zuführung eines
Fluids zu dem Mikrokanälen 10 von
den Mikrochipeinführungsabschnitten 14 beispielsweise
in Mengen im Bereich von 1 bis 100 μL/min zu erzielen.
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Die
Reaktion wird in einer solchen Prozedur wie in 2 gezeigt
durchgeführt.
Das heißt,
feine Festkörperteilchen 11 mit
darauf getragenem Antikörper
werden vorher in dem Mikrokanalreaktorabschnitt 13 platziert
und die Mikrochipeinführungsabschnitte 14 werden
mit allen Ventilen 18 abgedichtet. Das Ventil 18a des
Probenservers 4a wird durch den Fluidzuführungssteuermechanismus 5 nach
oben betätigt,
was es erlaubt, dass der Probeneinführungsabschnitt 14a offen
wird, danach wird die Trennplatte 15a durch Betätigen des
Fluidzuführungssteuermechanismus 5 nach
unten abwärts
bewegt, was bewirkt, dass die in dem Probenserver 4a gespeicherte
Probe von dem Probeneinführungsabschnitt 14a in
den zugehörigen
Mikrokanal 10 zugeführt
wird, so dass ein in der Probe enthaltenes gewünschtes Antigen sich an den
Antikörper
bindet, der auf den feinen Festkörperteilchen 11 getragen
wird. Als Nächstes
werden die gleichen Vorgänge
wie oben wiederholt, um die in dem Probenserver 4b gespeicherte
Waschlösung
von dem Probeneinführungsabschnitt 14b in
den Mikrokanal 10 zuzuführen, wodurch
in dem Mikrokanal 10 verbleibende unnötige Probe entfernt wird. Anschließend werden
die Probenserver 4c und 4d auf die gleiche Weise
betätigt
und schließlich
wird der markierte Antikörper durch
den Probenserver 4e zugeführt, wodurch der an die feinen
Festkörperteilchen 11 gebundene
Antikörper
und der markierte Antikörper
miteinander reagieren. Durch Messen der Substanz, die von den feinen
Festkörperteilchen
getrennt wird, ist es möglich, die
Konzentration eines spezifischen Antigens, das in der Probe enthalten
ist, zu messen. Wo es zu diesem Zeitpunkt erforderlich ist, wird
das Innere des Mikrokanals 10 durch den Drain 9 geleert,
wodurch es möglich
ist, zwischen den feinen Festkörperteilchen 11 enthaltene
Luftblasen zu entfernen und einen aus solchen Luftblasen resultierenden
Druckverlust zu verhindern.