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JP2005519751A - 微小流体チャネルネットワークデバイス - Google Patents

微小流体チャネルネットワークデバイス Download PDF

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JP2005519751A JP2003576111A JP2003576111A JP2005519751A JP 2005519751 A JP2005519751 A JP 2005519751A JP 2003576111 A JP2003576111 A JP 2003576111A JP 2003576111 A JP2003576111 A JP 2003576111A JP 2005519751 A JP2005519751 A JP 2005519751A
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バーンハード エイチ． ウェイグル，
ロナルド エル． バーデル，
ジョン ダブリュー． ハイエンガ，
クリストファー ジェイ． モリス，
Original Assignee
マイクロニクス， インコーポレイテッド
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Abstract

流体を連結するための微小流体デバイスおよびこれを行うための関連する方法が本明細書中に記載される。本発明によるデバイスは、微小流体合流点と流出チャネルと複数の回路ユニットとを備える。微小流体合流点は、複数の流体を合流させる領域である。流出チャネルは、微小流体合流点から流体を受取る。流出チャネルは、微小流体合流点と接続された第１の端部と、廃液リザーバと接続された第２の端部と、流出チャネルの第１の端部と第２の端部との間に位置付けられた解析領域とを備える。デバイスは、複数の回路ユニットをさらに備える。各回路ユニットは、サンプル流体を受取る第１の端部と、微小流体合流点と接続された第２の端部とを有するソースチャネル、交差点でソースチャネルと接続された分岐チャネル、およびソースチャネルを通って、微小流体合流点か、または分岐チャネルのどちらかに流れ込むように流体を多様に方向付ける分流システムを備える。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、「Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ」と称される米国仮特許出願第６０／３６４，３４３号（２００２年３月１４日出願）の優先権を主張する。
（発明の分野）
本発明は、解析試験を実行する微小流体デバイスおよび方法に関し、特に、複数の流体を連結および解析する微小技術を用いるデバイスの群および方法に関する。
（発明の背景）
微小流体デバイスは、解析試験を実行するために普及しつつある。半導体業界によって開発された電子機器を小型化するためのツールは、複雑な流体システムの製造および安価な大量生産を可能にする。微小流体システムは、医療分野、生活科学、および薬剤の発見および開発を含む複数の分野で情報を取得するために種々の解析技術を実行する際に利用されつつある。
従来のリソグラフィ技術、ソフトリソグラフィ、および積層技術を含む微小流体デバイスを製作する種々の方法がある。積層の製造では、レーザまたは打ち抜き（ｓｔａｍｐ）等によって所望の形状に切断され、その後、任意の形態の接着剤、最も一般的には感圧または熱活性接着剤で結合される材料の層または薄層からなる。マイラーが一般的に使用されるが、ガラスおよびポリジメチルシロキサン（ＰＭＤＳ）等の他の材料も首尾よく積層デバイスに組み込まれる。微小流体デバイス構造は多層積層構造であり、各層が積層材料から作製されたチャネルおよび構造を有し、流体が流れる極小規模のボイドまたはチャネルを形成する。極小規模のチャネルは、通常、少なくとも１つの５００マイクロメートル未満で、通常、約０．１マイクロメートル〜約５００マイクロメートルの内部断面寸法を有する流体経路と定義される。積層または積層内に配置された構造内に入るように外部から圧力がかけられた流体は、これらのチャネルを通る流体の制御およびポンピングに影響を及ぼす。
微小流体の状態では、流体は、通常、非常に予測可能な層状で流れ、これにより、複数の流体が乱流混合するか、またはメンブレンによって物理的に分離する必要なく、同じチャネル内で隣り合って流れることが可能になる。これは、積層流体拡散界面として知られている。比較的小さい粒子は、通常、境界層にわたってすばやく拡散し、これに対して、細胞等の大きい分子および粒子は、通常、最小にのみ拡散する。
米国特許第５，７１６，８５２号は、層流の流れおよび拡散の原理を用いてフローセル内の小粒子の存在および濃度を解析する方法を教示する。記載されるのは、インジケータ流およびサンプル流を提供する少なくとも２つのインレット手段を有する層流チャネルを用いて、サンプル流内の検体粒子の存在を検出するチャネルセルシステムであり、ここで、層流チャネルは、検体の粒子を拡散するために十分な流れおよび長さの層流をインジケータの流れ内に流し込み、検出領域を形成するために十分に小さい深さを有し、かつ、単一の混合の流れを形成するためにチャネルからの流出口を有する。Ｔセンサとして知られるこのデバイスは、インジケータの流れ内の拡散の境界を検出する外部検出手段を備え得る。この検出手段は、光学分光学、または蛍光の吸収光度法等の光学手段を含む当該技術分野にて公知の任意の手段によって提供され得る。
層流体拡散界面を利用するデバイスを用いる場合、特定の課題が生じる。なぜなら、層流のこれらのデバイス内での保存および維持は、１つのチャネル内へ種々の流体が、正確に時間が合わされ、かつ制御され、ならびに、再生可能に導入されることに大きく依存するからである。例えば、複数のチャネルを通って移動する流体が合流し得、かつ、単一チャネルを層様式で通過し得る。しかしながら、合流点に入る流体のタイミングおよび体積の変動を正確に制御するためには、通常、他の流体と合流する前に、流体が流出チャネルに最初に達するか、または隣接する流入チャネルを遮断すること（これらの両方は、層流を妨げ得る）を防ぐ必要がある。
従って、複数の流体を集めて、一貫した層流を生成する一方で、合流する流体のタイミングおよび体積の変動を適切に制御することを可能にする手段が所望される。
（発明の要旨）
本発明のある例示的実施形態では、デバイスは、微小流体合流点、流出チャネル、および複数の回路ユニットを備える。微小流体合流点は、複数の流体を合流させるための領域である。流出チャネルは、微小流体合流点から流体を受け取ることができる。流出チャネルは、微小流体合流点と接続された第１の端部と、廃液リザーバと接続された第２の端部と、この流出チャネルの第１の端部と第２の端部との間に位置付けられた解析領域とを備える。デバイスは、複数の回路ユニットをさらに備える。各回路ユニットは、サンプル流体を受け取ることができる第１の端部および微小流体合流点と接続された第２の端部を有するソースチャネルと、インターセクションでソースチャネルと接続された分岐チャネルと、ソースチャネルを通って流れる流体を、微小流体合流点または分岐チャネル内にそれぞれ異なる方向に方向付けることができる分流システムとをさらに備える。
微小流体合流点は、流出チャネルおよび複数の流入口と接続されたチャンバを備え得る。複数の流入口は、通常、チャンバに沿って位置付けられ、流体が、隣接する流入口を遮断することなくチャンバに流入することを可能にする。ある実施形態では、各流入口の断面積は、チャンバの中心に向って大きくなる。別の実施形態では、各流入口は、中間領域によって分離される。中間領域は、例えば、均一に凸形であってもよいし、または、エッジを生成するように、２つの線形面（ｌｉｎｅａｒ ｓｕｒｆａｃｅ）の交差を含んでもよい。別の実施形態では、中間領域は、その長さに沿って配置された疎水性または親水性材料を含み得る。
回路ユニットは、バルブ回路ユニットを備え得る。バルブ回路ユニットは、バルブを備える回路ユニットである。例えば、バルブ回路ユニットは、回路ユニットの分岐チャネルに沿って配置された第１のバルブと、回路ユニットのソースチャネルに沿って配置された第２のバルブとを有し得る。第１および第２のバルブは、通常、分岐チャネルと所与の回路ユニットのソースチャネルとの交差点の近傍または近位に配置される。いくつかの例では、バルブは、ニューマティックバルブであり得る。
回路ユニットは、バルブレスユニット、またはバルブレス液体微小スイッチを含む回路ユニットをさらに備え得る。
（発明の詳細な説明）
本発明は、以下の好ましい実施形態によって示される。図面において、同じ符号は同じフィーチャを指し、複数の図面に表れる同一の符号はフィーチャを指す。「接続された」本発明のフローシステムの部材は、流体で接続されている。「間」という用語は、流体の位置付けのことであり、必ずしも地理的位置に対応しない。「上部」、「下部」および「側部」という用語は、図面における配向のことであり、必ずしも動作中の部材の配向ではない。
「微小流体」という用語は、概して、５００マイクロメートル未満であり、通常、約０．１マイクロメートル〜約５００マイクロメートルである少なくとも１つの内部断面寸法を有する流体経路を有する基板と定義される。本明細書中で用いられる「チャネル」という用語は、微小流体チャネルのことであり、かつ、内部の流れが実質的に層状であるように寸法付けされた流体素子を示す。
本明細書中で用いられる「サンプル」という用語は、最も広義で用いられる。サンプルは、化学、生物および環境サンプルに制限されない、任意のソースから取得された任意の粒子、化学物質、エレメント、細胞、試料または培養物を含むことを意味する。サンプルは、動物（ヒトを含む）から取得され得、流体、固体、組織および気体を含む。生物サンプルは、細胞および細胞の任意の成分、プラズマ、血清等の血液製剤、タンパク質、ペプチド、アミノ酸、ポリヌクレオチド、リピド、炭水化物、およびそれらの任意の組合せを含むがこれらに限定されない。サンプルは、相互作用的材料と相互作用させるために用いられる有機または無機の化学物質を含み得る。相互作用的材料が生物材料を含む場合、例えば、ドラッグ、化学物質、または他の生物分子がサンプルに添加され得、生物材料によって、生物材料間、または生物材料内で反応または応答を引起こす。環境サンプルは、表面物質、土、水、および産業用サンプル等の環境材料を含む。
チャネルおよび他の微小構造は、カートリッジを生成するために基板内に超小型化され得る。本明細書中で用いられる「カートリッジ」という用語は、微小流体デバイスのことであり、通常、使い捨てであるが必ずしもそうでなく、かつ、測定、ポンピング、電子、流体、または他の装置と結合され得る。カートリッジは、従来のリソグラフィ技術、ソフトリソグラフィ、積層技術等を含むがこれらに限定されない種々の方法を用いて超小型化され得る。例えば、カートリッジは、任意の成形可能、機械加工可能、またはエッチング可能基板から超小型化され得る。本明細書中で用いられる機械加工（マシニング）という用語は、焼き付け（ｐｒｉｎｔｉｎｇ）、打ち抜き（ｓｔａｍｐｉｎｇ）、切断、およびレーザ切除を含むがこれらに限定されない。カートリッジは、単一シート、挟み合わされた一対のシート、または積層された複数のシートで形成され得る。「シート」という用語は、任意の固体基板、可撓性その他の基板のことである。チャネルは、シリコン基板にエッチングされ、透明のカバーシートであるカバーシートで被われ得る。多層積層の実施形態では、チャネル壁は、少なくとも１つのシートから材料を除去し、従って、チャネルおよびボイドを生成し、かつ、変更されたシートのどちらかの側にさらなるシートを位置付けることによって規定され得る。層のいずれも流体チャネルを含み得る。いくつかの場合、チャネルは、単なる孔（または流体ビア）であり、流体を次の流体積層に経路指定する。任意の２つの隣接し合う積層は、より複雑な単一部分を形成するために貼り合わされ得る。
電気浸透および圧力によって駆動された流れは、流れを制御する方法またはシステムの例に制限されない。本明細書中で用いられる「流れ」という用語は、微小流体デバイスを通るか、または本発明による方法での液体または固体の任意のタイプの移動のことである。微小流体の状態では、流体流は、レイノルド数が低いことを特徴とし、かつ、主に層状であり、隣接する流体は、主に、拡散によって任意に混合される。流れは、任意の流体の流れおよび任意の材料、流体流と共に、その内部で、またはこれに逆行して移動する細胞または粒子を含むがこれらに限定されない。圧力、毛管作用、磁気、および電磁力、電気泳動、誘電泳動、電気浸透、光ピンセット、およびこれらの任意の組合せを含むがこれらに限定されない流れを提供するために、任意のタイプの力が加えられ得る。
本明細書中で記載される「微小流体合流点」という用語は、複数のチャネル合流点および、インターフェースするチャネルを通って流れる流体が合流し得る微小流体チャネルのネットワーク内の領域のことである。本発明による微小流体合流点は、通常、流出チャネルおよび複数の流入口と接続されたチャンバを備える。複数の流入口は、チャンバに沿って位置付けられ得、流体が隣接する流入口を妨害することなく、チャンバに流れ込むことが可能になる。
本明細書中で用いられる「流出チャネル」という用語は、微小流体合流点から流体を受け取ることができるチャネルのことである。流出チャネルは、微小流体合流点と接続された第１の端部と、廃液リザーバと接続された第２の端部と、この流出チャネルの第１の端部と第２の端部との間に位置付けられた解析領域とを備える。解析領域は、流出チャネルを通過する流体の相互作用をモニタリングするように指定された領域である。
本明細書中で用いられる「回路ユニット」という用語は、流体流が様々に制限され得る相互接続された一連のチャネルのことである。回路ユニットは、ソースチャネル、分岐チャネル、および分流システムを備える。ソースチャネルは、サンプル流体を受け取ることができる第１の端部と、微小流体合流点と接続された第２の端部とを有する。回路ユニットの分岐チャネルは、交差点でソースチャネルと接続される。分流システムは、ソースチャネルを通って微小流体合流点または分岐チャネルに、あるいはこれらの両方に流れ込むように、流体を様々に方向付けることができる。バルブ回路ユニットは、例えば、分流システムがソースチャネルと分岐チャネルとの交差点の近傍または近位に位置付けられる少なくとも２つのバルブを備え、流体の流れは、バルブの使用によって様々に制限されることが可能である。
図１は、本発明の例示的実施形態による流体を連結する微小流体デバイス１を示す。微小流体でバイス１０は、微小流体合流点１２と、流出チャネル１４と、複数の回路ユニット１６、１８、２０とを備える。流出チャネル１４は、微小流体合流点１２と接続された第１の端部と、廃液リザーバ２２と接続された第２の端部と、流出チャネル１４の第１と第２の端部との間に位置付けられた解析領域２４とを備える。センサウィンドウ２６は、解析領域２４に沿って位置付けられ得る。回路ユニット１６は、ソースチャネル２８と、分岐チャネル３０と、分流システムとを備える。ソースチャネル２８は、サインプル流体を受け取ることができる第１の端部と、合流点１２と接続された第２の端部とを有する。分岐チャネル３０は、交差点３２でソースチャネル２８に接続される。分岐チャネル３０は、廃液リザーバ３４にさらに接続される。分流システムは、交差点３２の近傍または近位に位置付けられ、かつ、ソースチャネル２８を通って、微小流体合流点１２または分岐チャネル３０のどちらかに流れ込むように、流体流を様々に方向付けることができる。同様に、回路ユニット１８は、ソースチャネル３６、分岐チャネル３８、および分流システムを備える。ソースチャネル３６は、サンプル流体を受け取ることができる第１の端部と合流点１２と接続された第２の端部とを有する。分岐チャネル３８は、交差点でソースチャネル３６に接続される。分岐チャネル３８は、廃液リザーバ４２にさらに接続される。分流システムは、交差点４０の近傍または近位に位置付けられ、かつ、ソースチャネル３６を通って、微小流体合流点１２または分岐チャネル３８のどちらかに流れ込むように、流体を様々に方向付けることができる。同様に、回路ユニット２０は、ソースチャネル４４、分岐チャネル４６、および分流システムを備える。ソースチャネル４４は、サンプル流体を受け取ることができる第１の端部と、合流点１２と接続された第２の端部とを有する。分岐チャネル４６は、交差点４８でソースチャネル４４に接続される。分岐チャネル４６は、廃液リザーバ５０にさらに接続される。分流システムは、交差点４８の近傍または近位に位置付けられ、かつ、ソースチャネル４４を通って、微小流体合流点１２または分岐チャネル４６のどちらかに流体流が流れ込むように、様々に方向付けることができる。
図１の微小流体デバイス１０の動作がここで記載される。流体は、それぞれ回路ユニット１６、１８、２０に流れ込む。ソースチャネル２８の第１の端部に流れ込んだ流体は、交差点３２に流れ、ソースチャネル２８を通って、微小流体合流点１２または分岐チャネル３０のどちらかに流れ込み続けるように方向付けられる。同様に、ソースチャネル３６の第１の端部に流入した流体は、交差点４０に流れ、かつ、ソースチャネル３６を通って、微小流体合流点１２または分岐チャネル３８のどちらかに流入し続けるように方向付けられる。同様に、ソースチャネル４４の第１の端部に流入した流体は、交差点４８に流れ、かつ、ソースチャネル４４を通り、かつ、微小流体合流点１２または分岐チャネル４６に流入し続けるように方向付けられる。合流点１２に向かって方向付けられた流体は、合流点１２で合流し、流出チャネル１４に流れ込み、解析領域２４を通り、廃液リザーバ２２に流れ込む。
本発明の別の例示的実施形態は、微小流体デバイス６０の少なくとも一部分を示す図２を参照して記載される。デバイス６０は、複数の合流点流入口６４、６６、および６８と流出チャネル７０とを有する微小流体合流点６２を備える。複数の合流点流入口６４、６６、６８の各々は、これらに接続されたそれぞれのソースチャネル７２、７４、７８から流体を受け取り得る。バルブ回路ユニット７８、８０、８２が示される。
微小流体デバイス内の流体を制御するために用いられる複数の異なったタイプのバルブが開発されており、本発明に用いることが考えられる。例えば、米国特許出願第１０／１１４，８９０号（２００２年４月３日出願され、参考のため、その全体が本明細書中に援用される）は、積層プラスチック微小流体構造において用いるためのニューマティックバルブを記載する。内部に製作された少なくとも１つの微小流体構造を有する第１の基板と、微小流体構造の少なくとも一部分の上部に配置された第１の可撓性シートと、第１の可撓性シート上に圧力差を生成して、シートの一部分を微小流体構造と関連して移動させる手段とを備える微小流体デバイス内の流れを制御するデバイスが特に記載され、ここで、微小流体構造の断面の少なくとも１つの寸法が変更され、これにより、微小流体構造内の流体抵抗が変更される。記載されたゼロ以下のデッドボリュームは、解析デバイス内の流れを制御するために必要な混合、希釈、粒子浮遊、および他の技術を用いるために流体が微小流体チャネルを通ることを可能にする。
本発明のある実施形態では、バルブは複数の層から構成されたカートリッジ内に組み込まれたニューマティックバルブである。バルブが「制限された」状態である場合、バルブを過ぎた流体流は、ごくわずかである。バルブが「制限されていない」状態である場合、バルブを過ぎた流体流は、実質的に減少しない。ニューマティックバルブの動作および機能する間、ガス圧は、バルブが制限された状態であるか、制限されない状態であるかを制御する。圧縮空気線が、このような圧力を送達する。
バルブ回路ユニット７８は、ソースチャネル７２、分岐チャネル８４、バルブ８６、およびバルブ８８を備える。チャネル７２は、サンプル流体を受け取ることができる第１の端部と、合流点６２と接続された第２の端部とを有する。バルブ８６は、合流点６２の近傍または近位、およびチャネル７２の第１の端部と第２の端部との間に配置される。チャネル８４は、交差点９０でチャネル７２と接続される。チャネル８４は、チャネル９２とさらに接続される。バルブ８８は、交差点９０の近傍または近位のチャネル８４に沿って配置される。動作中に、チャネル７２に流入する流体は、バルブ８６および８８の状態に応じて、合流点６２、チャネル８４に流れ込み、または、チャネル７２を通って合流点６２内に流れ続けるか、またはこれらの両方が行われ得る。バルブ８６が制限され、かつ、バルブ８８が制限されない場合、流入する流体は、チャネル７２をバルブ８６の位置にまで満たし得る。流体は、チャネル８４、バルブ８８を過ぎ、チャネル９２内に移動し得る。バルブ８６が制限されず、バルブ８８が制限された場合、流入する流体は、チャネル７２の全長さを通って移動して合流点６２に流入し得る。
同様に、バルブ回路ユニット８０は、ソースチャネル７４、分岐チャネル９４、バルブ９６、およびバルブ９８を備える。チャネル７２は、サンプル流体を受け取ることができる第１の端部と、合流点６２と接続された第２の端部とを有する。バルブ９６は、合流点１００の近傍または近位、および、チャネル７４の第１の端部と第２の端部との間に配置される。チャネル９４は、交差点１００でチャネル７４と接続される。チャネル９４は、チャネル９２とさらに接続される。バルブ９８は、交差点１００の近傍または近位でチャネル９４に沿って配置される。動作中に、バルブ９６および９８の状態に応じて、流体流入チャネル７４は、合流点１００、チャネル９４に流れ込むか、チャネル７４を通り、合流点６２内に流れ続けるか、あるいは、この両方が行われる。バルブ９６が制限され、バルブ９８が制限されない場合、流入する流体は、チャネル７４をバルブ９６にまで満たし得る。流体は、その後、チャネル９４内、バルブ９８を過ぎ、かつ、チャネル９２内に移動し得る。バルブ９６が制限されず、バルブ９８が制限された場合、流入する流体は、チャネル７４の全長さを通って移動し、合流点６２に流入し得る。
同様に、バルブ回路ユニット８２は、ソースチャネル７６、分岐チャネル１０２、バルブ１０４、およびバルブ１０６を備える。チャネル７６は、サンプル流体を受け取ることができる第１の端部と、合流点６２と接続された第２の端部とを有する。バルブ１０４は、合流点１０８の近傍または近位、およびチャネル７６の第１の端部と第２の端部との間に配置される。チャネル１０２は、交差点１０８でチャネル７６と接続される。チャネル１０２は、チャネル９２とさらに接続される。バルブ１０２は、交差点１０８の近傍または近位のチャネル１０２に沿って配置される。動作中に、バルブ１０４および１０６の状態に応じて、流体流入チャネル７６は、合流点１０８、チャネル１０２に流れ込むか、または、チャネル７６を通って合流点６２内に流れ続けるか、あるいは、これらの両方が行われ得る。バルブ１０４が制限され、バルブ１０６が制限されない場合、流入流体は、チャネル７６をバルブ１０４の位置にまで満たし得る。流体は、その後、チャネル１０２内、バルブ１０６を過ぎ、かつ、チャネル９２内に移動し得る。バルブ１０４が制限せず、バルブ１０６が制限された場合、流入流体は、チャネル７６の全長さを通って移動し、合流点６２に流入し得る。
本発明のさらに別の実施形態では、分流システムは、バルブレス回路ユニットを備える。バルブの代わりにバルブレス液体微小スイッチを含むバルブレス回路ユニットは、バルブ回路ユニットの代用であり得る。例えば、Ｍｉｃｒｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．に譲渡され、参考のため、本明細書中にその全体が援用される米国特許第５，７２６，４０４号は、バルブレス液体微小スイッチを記載し、かつ、交差する微小チャネル間の液体流を高速でスイッチングするためのバルブレス方法および装置を教示する。
微小流体合流点という用語は、微小流体チャネルのネットワーク内の領域のことであり、ここで、２つ以上のチャネルが連結され、インターフェース接続されたチャネルを通る流体が合流し得る。図２の例示的実施形態では、微小流体合流点６２は、微小流体合流点チャンバ１１０を備え、流出チャネル７０、および複数の流入口６４、６６、６８と接続される。流入口６４、６６および６８は、中間領域１１２、１１４のそれぞれによって分離される。
動作中に、流体は、流入口６４、６６および６８を通って合流点６２に流入し得る。ｄ１およびｄ２で示されるように、壁１１６と領域１１２との間の距離は、流入口６４から微小流体合流点チャンバ１１０の中心に向かって大きくなる場合に大きくなる。チャネルを通って流れる流体の流速は、チャネルの体積に関連し、流速１／流速２＝面積２／面積１と表される。流体が、断面積が次第に大きくなるチャネルを通って流れると、流速が低下する。流入口６４を通って流入する流体が領域１１２と壁１１６との間の空間を満たすと、この流入する流体の流速は、流体が流入口６４からチャンバ１１０の中心に向かうにつれて低下する。同様に、流入口６６からチャンバ２５の中心に向かうと、領域１１２と領域１１４との間の距離が増加する。流入口６６を通って流入する流体が領域１１２と領域１１４との間の空間を満たすと、この流入する流体の流速は、流体が流入口６６からチャンバ１１０の中心に向かうと減少する。同様に、領域１１４と壁１１８との間の距離は、流入口６８からチャンバ１１０の中心に向かうと増加する。流入口６８を通って流入する流体が領域１１４と壁１１８との間の空間を満たすと、この流入する流体の流速は、流体が流入口６８からチャンバ１１０の中心に向かうにつれて低下する。上述の分岐点６２の幾何学的構成は、チャンバ１１０を均一に満たすことを用意にし、流入口６４、６６、６８を通って流入する流体のタイミングの完全には正確といえない制御を補償する。
流入口６４、６６、６８から微小流体合流点６２に流入する流体は、それぞれの合流点流入口間に配置された中間領域に沿って合流する。例えば、流入口６４を通って流入する流体の先端部および流入口６６を通って流入する流体の先端部は、領域１１２に沿って合流し、合流した流体は、領域１１２で開始するチャンバ１１０を満たし、チャンバ１１０の中心に向かう。同様に、流入口６６を通って流入する流体の先端部および流入口６８を通って流入する流体の先端部は、領域１１４に沿って合流し、これらの合流した流体は、領域１１４で開始するチャンバ１１０を満たし、チャンバ１１０の中心に向かう。合流した流体は、チャンバ１１０を満たし続け、その後、流出チャネル７０を通って微小流体合流点６２のから流出する。上述の複数の流体の合流およびチャンバ１１０の充填は、複数の流体を合流させ、ガスボイドを最小化し、かつ、層流を用意にすることを可能にする。
本発明の別の例示的実施形態では、中間領域は、図２の実施形態に示されるような均一な凸面でなくてもよい。別の実施形態では、中間領域は、特定の位置でエッジを生成するように角度が付けられ得る。「エッジ」という用語は、１８０度未満の角度を生成する等、２つの線形面の交差部を示す。流体が上流への正の圧力または正の変位が原因でチャネル内を移動する場合、凹形メニスカスがチャネル内を流れる流体の先端部に形成される。流体がエッジを含むチャネルの１部分に到達した場合、さらならる流れに対する抵抗が増大し、流体を停止させ、かつ、駆動圧がエッジの表面張力抵抗を克服するために必要な力を超過するまで、メニスカスを鋭いエッジを越えてオープンスペース内に拡張させる。駆動圧の力が表面張力抵抗を克服する場合、流体は、エッジを越えてチャネル内の空間に流れ込み、かつ、これを十分に満たす。さらに別の実施形態では、デバイスに配置されるべき流体が親水性であるか疎水性であるかに応じて、親水または疎水材料が中間領域に沿って配置され得る。エッジと同様に、チャネル内に配置された疎水材料は、チャネルを通って流れる親水性流体の表面張力を増大させる。同様に、チャネル内に配置された親水材料は、チャネルを通って流れる疎水性流体の表面張力を増加させる。増加した抵抗は、駆動圧が表面張力抵抗を克服するまで流れる流体を停止させる。
図３は、本発明の別の例示的実施形態によると、カートリッジ内に含まれる図１に記載さる微小流体チャネルネットワークを備える微小流体デバイス２００を示す。デバイス２００は、複数の流体ポート２０４、２０６、２０８に接続された微小流体合流点２０２を備える。ここに示されるポート２０４、２０６、２０８は、シリンジ充填の流体ポートであるが、ピペット等の他の手段によって充填される流体ポートがこれに代わって用いられ得る。ソースチャネル２１０、２１２、２１４は、微小流体合流点２０２と流体ポート２０４、２０６および２０８との間にそれぞれ配置される。ソースチャネル２１０、２１２、２１４のそれぞれは、流体貯蔵ループ２１６、２１８、２２０を備える。流体貯蔵ループ２１６、２１８、２２０は、より大きい流体の体積をカートリッジに貯蔵することを可能にするが、本発明の代替的実施形態に存在しなくてもよい。流出チャネル２２２は、微小流体合流点２０２と接続された第１の端部と、廃液リザーバ２２４と接続された第２の端部と、リザーバ２２４と合流点２０２との間に配置された解析領域２２６とを有する。センサウィンドウ２２０は、チャネル２２２の１部分に沿って位置付けられ得る。解析領域２２６は、層状にチャネル２２２の１部分を通過する流体の相互作用をモニタリングするために指定された領域である。解析領域２２６は、例えば、光学、電子、感圧、または感流検出等の当該技術にて公知の任意の手段を備える。単一の解析領域に、例えば、光学および電子等の複数の検出手段が用いられ得る。電子検出については、カートリッジは、電気相互接続を備え得る。カートリッジは、電気測定装置に電気的に接続され得る。光学検出については、微小流体デバイスは、光源および光検出器等の測定装置と光学的結合をするために解析領域にわたって配置されるセンサウィンドウ２２８を備え得る。センサウィンドウは、挿入ガラスであり得るか、または、チャネルが、透明なシートで形成される場合、シートそれ自体がウィンドウとして利用され得る。微小流体デバイスは、積層カートリッジで具現化され、センサウィンドウ２２８は、積層カートリッジの厚さが低減された領域を含み得る。光学検出は、吸収、発光、傾向、または散乱ベースであり得る。微小流体デバイスは、複数の解析領域を備え得る。チャネル２３０は、廃液リザーバ２２４、および、構造化され、かつ上述のように動作するバルブ回路ユニット２３２、２３４、２３６と接続される。
動作中に、流体は、流体ポート２０４、２０６、２０８に流入し、デバイス２００を通って流れ得る．ポート２０４に流入した流体は、チャネル２１０に流れ込み、かつ、流体貯蔵ループ２１６を満たす。バルブ回路ユニット２３２のバルブの状態に応じて、流体は、チャネル２３０内に方向付けられ、かつ、廃液リザーバ２２４内にオーバーフローし得るか、または、合流点２０２に流れ込み得る。同様に、ポート２０６に流入した流体は、チャネル２１２に流れ込み、かつ、流体侶像ループ２１８を満たす。バルブ回路ユニット２３４のバルブの状態に応じて、流体は、チャネル２３０内に方向付けられ、かつ、廃液リザーバ２２４内にオーバーフローし得るか、または、合流点２０２に流入し得る。同様に、ポート２０８に流入した流体は、チャネル２１４に流れ込み、流体貯蔵 ループ２２０を満たす。バルブ回路ユニット２３６のバルブの状態に応じて、流体は、チャネル２３０内に方向付けられ、廃液リザーバ２２４内にオーバーフローし得るか、または、合流点２０２に流れ込み得る。流体ポート２０４、２０６、２０８からの流体は、合流点２０２で合流し、チャネル２２２を通り、解析領域２２６を通り、かつ、廃液リザーバ２２４に流れ込む。ニューマティック空気線２３８および２４０が示される。
図４は、本発明の別の実施形態による、微小流体チャネルネットワークを備える微小流体デバイス３００を示す。カートリッジ内に含まれるデバイス３００の微小流体構造が示される。デバイス３００は、複数の流体ポート３０４、３０６、３０８に接続された微小流体合流点３０２を備える。ポート３０４、３０６、３０８は、ピペット注入によって満たされるように設計される。ソースチャネル３１０、３１２、３１４は、微小流体合流点３０２と複数の流体ポート３０４、３０６および３０８との間にそれぞれ位置付けられる。チャネル３０４、３０６、３０８は、それぞれ、バルブ３１６、３１８、３２０および流体貯蔵ループ３２２、３２４、３２６を備える。流出チャネル３２８は、微小流体合流点３０２と接続された第１の端部と、廃液リザーバ３３０と接続された第２の端部と、これらの間に位置付けられた解析領域３３２とを有する。センサウィンドウ３３４は、チャネル３２８の１部分に沿って位置付けられる。チャネル３３６は、廃液リザーバ３３８、および、構造化され、上述のように動作するバルブ回路ユニット３４０、３４２、３４４と接続される。
動作中に、流体は、流体ポート３０４、３０６、３０８に流入し、デバイス３００を通って流れ得る。ポート３０４に流入した流体は、バルブ３１６にまでチャネル３１０に流れ込む。バルブ３１６が制限された場合、流れは継続し、バルブ３１６が制限されない場合、流れはチャネル３１０を通り、貯蔵ループ３２２内に流れ続ける。バルブ回路ユニット３４０のバルブの状態に応じて、流体は、チャネル３３６内に方向付けられ、廃液リザーバ３３８内にオーバーフローし得るか、または、合流点３０２に流れ込み得る。同様に、ポート３０６に流入した流体は、バルブ３１８にまでチャネル３１２に流れ込む。バルブ３１８が制限された場合、流れは継続せず、バルブ３１８が制限されない場合、流体は、チャネル３１２を通り、貯蔵ループ３２４内に流れ続ける。バルブ回路ユニット３４２の状態に応じて、流体は、チャネル３３６内に方向付けられ、廃液リザーバ３３８内にオーバーフローし得るか、または、合流点３０２に流れ込み得る。同様に、ポート３０８に流入した流体は、バルブ３２０にまでチャネル３１４に流れ込む。バルブ３２０が制限された場合、流れは継続せず、バルブ３２０が制限されない場合、流体は、チャネル３１４を通り、貯蔵ループ３２６に流れ込む。バルブ回路ユニット３４４のバルブの状態に応じて、流体は、チャネル３３６内に方向付けられ、廃液リザーバ３３８内にオーバーフローし得るか、または、合流点３０２に流れ込み得る。流体ポート３０４、３０６、３０８からの流体は、合流点３０２で合流し、チャネル３２８を通り、解析領域３３２を過ぎ、廃液リザーバ３３０に流れ込む。ニューマティック空気線３４６、３４８、３５０が示される。
図５は、本発明のさらに別の実施形態による微小流体デバイス４００を示す。カートリッジ内に含まれるデバイス４００の微小流体構造が示される。デバイス４００は、複数の流体ポート４０４、４０６、４０８に接続された微小流体合流点４０２を備える。ポート４０４、４０６、４０８は、ピペット注入によって満たされたピペットウェルである。バルブ４１０を制限することによって、流れがソースチャネル４１２内に移動することなく、流体をポート４０４内に配置することが可能になる。ポート４０４内に配置された流体は、バルブ４１０、４１４を過ぎて、流体貯蔵ループ４１６を含むソースチャネル４１２内およびバルブに下降するか、または、バルブ４１８を過ぎて流れ得る。ソースチャネル４１２の下部に含まれる空気、流体、または気体は、バルブ４１８が制限され、かつ、バルブ４２０が制限されず、流体がソース４２２を通ってソースチャネル４１２に流入する場合に一掃され得る。ソース４２２から流入する流体は、バルブ４２０を過ぎ、チャネル４２４内に移動し、廃液リザーバ４２６にオーバーフローする。空気、流体、または気体が一掃された後、バルブ４１０、４２０は、制限され、バルブ４１４、４１８は制限されず、ソースチャネル４１２内の流体は、合流点４０２に向かって流れる。
同様に、バルブ４２８の制限がチャネル４３０内に流体が移動することなく、ポート４０６内に流体を配置することを可能にする。ポート４０６内に配置された流体は、バルブ４２８、４３２を過ぎ、流体貯蔵ループ４３４を含むソースチャネル４３０内、およびバルブ４３６に降下するか、またはバルブ４３６を過ぎて流れ得る。ソースチャネル４３０の下部に含まれる空気、流体、または気体は、バルブ４３６が制限され、バルブ４３８が制限されず、流体がソース４４０を通ってチャネル４３０に流入する場合に一掃され得る。ソース４４０から流入する流体は、バルブ４３８を過ぎてチャネル４２４内に移動し、廃液リザーバ４２６内にオーバーフローする。空気、流体、または気体が一掃された後、バルブ４２８、４３８は制限され、バルブ４３２、４３６が制限されず、かつ、ソースチャネル４３０内の流体が合流点４０２に向かって流れる。
同様に、バルブ４４２を制限することによって、流体がソースチャネル４４４内に移動することなく、ポート４０８への流体の配置が可能になる。ポート４０８内に配置された流体がバルブ４４２、４４６を過ぎて、流体貯蔵ループ４４８を含むソースチャネル４４４内、およびバルブ４５０に降下するか、またはバルブ４５０を過ぎて流れ得る。ソースチャネル４４４の下部に含まれる空気、流体または気体が一掃され得、ここで、バルブ４５０は、制限され、バルブ４５２は制限されず、流体は、ソース４５４を通ってチャネル４４４に流入する。ソース４５４から流入する流体は、バルブ４５２を過ぎ、チャネル４２４内に移動し、廃液リザーバ４２６内にオーバーフローする。空気、流体、または気体が一掃された後、バルブ４４２、４５２は、制限され、バルブ４４６、４５０は、制限されず、ソースチャネル４４４内の流体は、合流点４０４に向かって流れる。
ポート４０４、４０６、４０８内に配置された流体は、チャネル４１２、４３０、４４４のそれぞれを通って流れ、合流点４０２で合流する。合流する流体は、層状で流出チャネル４５６を通り、解析領域４６０を過ぎて廃液リザーバ４５８に流れ込む。センサウィンドウ４６２は、流出チャネル４５６に沿って位置付けられる。ニューマティック空気線４６４、４６６、４６８、４７０が示される。
他の配置、構成および方法が当業者に容易に明らかになることを認識されたい。当業者は、本発明の他の実施形態、組み合わせおよび改変を、これらの教示に照らして容易に行い得る。従って、本発明は、上述の明細書および添付の図面と共に考慮された場合、そのような実施形態および改変のすべてを含む添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
図１は、本発明による微小流体チャネルネットワークを示す。 図２は、本発明の実施形態による、微小流体プロセスを実行するための微小流体チャネルネットワークを示す。 図３は、本発明の別の実施形態による、微小流体プロセスを実行するための微小流体チャネルネットワークを含むカートリッジの上面図を示す。 図４は、本発明の別の実施形態による、微小流体プロセスを実行するための微小流体チャネルネットワークを含むカートリッジの上面図を示す。 図５は、本発明のさらに別の実施形態による、微小流体プロセスを実行するための微小流体チャネルネットワークを含むカートリッジの上面図を示す。

Claims (30)

  1. 流体を連結する微小流体デバイスであって、
    ａ．微小流体合流点と、
    ｂ．該微小流体合流点から流体を受取ることができる流出チャネルであって、該微小流体合流点と接続された第１の端部と、廃液リザーバと接続された第２の端部と、該流出チャネルの該第１の端部と該第２の端部との間に位置付けられた解析領域とを備える、流出チャネルと、
    ｃ．複数の回路ユニットであって、各回路ユニットは、
    ｉ．サンプル流体を受取ることができる第１の端部と、該微小流体合流点と接続された第２の端部とを有するソースチャネルと、
    ｉｉ．交差点で該ソースチャネルと接続された分岐チャネルと、
    ｉｉｉ．ソースチャネルを通って、該微小流体合流点または分岐チャネルのどちらかに流れ込むように、流体を様々に方向付けることができる分流システムと
    を備える、複数の回路ユニットと
    を備える、微小流体デバイス。
  2. 前記微小流体合流点は、
    ａ．前記流出チャネルと接続されたチャンバと、
    ｂ．該チャンバに沿って位置付けられ、かつ、隣接する流入口を妨害することなく、流体が該チャンバ内に流入することを可能にすることができる複数の流入口であって、該流入口の各々は、中間領域によって隣接する流入口から分離される、複数の流入口と
    を備える、請求項１に記載の微小流体デバイス。
  3. 各流入口の断面積は、前記チャンバの中心に向かうにつれ増加する、請求項２に記載の微小流体デバイス。
  4. 前記中間領域の各々は、均一に凸形である、請求項２に記載の微小流体デバイス。
  5. 各中間領域は、交差してエッジを形成する２つの線形面を備える、請求項２に記載の微小流体デバイス。
  6. 疎水性材料は、少なくとも１つの中間領域に沿って配置される、請求項２に記載の微小流体デバイス。
  7. 親水性材料は、少なくとも１つの中間領域に沿って配置される、請求項２に記載の微小流体デバイス。
  8. 少なくとも１つの回路ユニットは、バルブ回路ユニットであり、該バルブ回路ユニットは、該バルブ回路ユニットの分岐チャネルに沿って配置された第１のバルブと、該バルブ回路ユニットのソースチャネルに沿って配置された第２のバルブとを備え、該第１のバルブおよび該第２のバルブは、該分岐チャネルと該ソースチャネルの交差点の近傍または近位に配置される、請求項１に記載の微小流体デバイス。
  9. 少なくとも１つの回路ユニットは、バルブ回路ユニットであり、該バルブ回路ユニットは、該バルブ回路ユニットの分岐チャネルに沿って位置付けられた第１のバルブと、該バルブ回路ユニットのソースチャネルに沿って位置付けられた第２のバルブとを備え、該第１のバルブおよび第２のバルブは、該分岐チャネルと該ソースチャネルの交差点の近傍または近位に配置される、請求項２に記載の微小デバイス。
  10. 少なくとも１つの回路ユニットは、バルブレス液体微小スイッチを備えるバルブレス回路ユニットである、請求項１に記載の微小流体デバイス。
  11. 少なくとも１つの回路ユニットは、バルブレス液体微小スイッチを備えるバルブレス回路ユニットである、請求項２に記載の微小流体デバイス。
  12. 流体を連結する微小流体デバイスであって、
    ａ．微小流体合流点であって、
    ｉ．流出チャネルと接続されたチャンバと、
    ｉｉ．該チャンバに沿って位置付けられ、かつ、隣接する流入口を妨害することなく、流体が該チャンバに流入することを可能にすることができる複数の流入口であって、該流入口の各々は、中間領域によって隣接する流入口から分離される、複数の流入口と
    を備える微小流体合流点と、
    ｂ．該微小流体合流点から流体を受取ることができる流出チャネルであって、該微小流体合流点と接続された第１の端部と、廃液リザーバと接続された第２の端部と、該流出チャネルの該第１の端部と該第２の端部との間に位置付けられた解析領域とを備える、流出チャネルと、
    ｃ．複数の回路ユニットであって、各回路ユニットは、
    ｉ．サンプル流体を受取ることができる第１の端部と該微小流体合流点と接続された第２の端部とを有するソースチャネルと、
    ｉｉ．交差点で該ソースチャネルと接続された分岐チャネルと、
    ｉｉｉ．ソースチャネルを通って、該微小流体合流点または分岐チャネルのどちらかに流入するように、流体を様々に方向付けることができる分流システムと
    を備える、複数の回路ユニットと
    を備える、微小流体デバイス。
  13. 前記複数の回路ユニットのソースチャネルに流体をそれぞれ導入するための複数の流体ポートをさらに備え、該流体ポートの少なくとも１つは、シリンジで充填される流体ポートである、請求項１２に記載の微小流体デバイス。
  14. 前記複数の回路ユニットのソースチャネルに流体をそれぞれ導入するための複数の流体ポートをさらに備え、該流体ポートの少なくとも１つは、ピペット注入ポートである、請求項１２に記載の微小流体デバイス。
  15. 前記複数の回路ユニットのソースチャネルに流体をそれぞれ導入するための複数の流体ポートをさらに備え、該流体ポートの少なくとも１つは、ピペット注入によって充填されたピペットウェルである、請求項１２に記載の微小流体デバイス。
  16. ソースチャネルに沿って位置付けられた少なくとも１つのバルブをさらに備え、該バルブは、前記微小流体合流点と流体ポートとの間に配置される、請求項１３に記載の微小流体デバイス。
  17. ソースチャネルに沿って位置付けられた少なくとも１つのバルブをさらに備え、該バルブは、前記微小流体合流点と流体ポートとの間に配置される、請求項１４に記載の微小流体デバイス。
  18. ソースチャネルに沿って位置付けられた少なくとも１つのバルブをさらに備え、該バルブは、前記微小流体合流点と流体ポートとの間に配置される、請求項１５に記載の微小流体デバイス。
  19. 前記微小流体合流点、流出チャネル、および複数の回路ユニットは、複数の積層内に含まれる、請求項１２に記載の微小流体デバイス。
  20. 流体を連結および解析する方法であって、
    ａ．微小流体デバイスを提供するステップであって、該微小流体デバイスは、
    ｉ．微小流体合流点と、
    ｉｉ．該微小流体合流点から流体を受取ることができる流出チャネルであって、該微小流体合流点と接続された第１の端部と、廃液リザーバと接続された第２の端部と、該流出チャネルの該第１の端部と第２の端部との間に位置付けられた解析領域とを備える、流出チャネルと、
    ｉｉｉ．複数の回路ユニットであって、各回路ユニットは、
    １．サンプル流体を受取ることができる第１の端部と該微小流体合流点と接続された第２の端部とを有するソースチャネルと、
    ２．交差点で該ソースチャネルと接続された分岐チャネルと、
    ３．ソースチャネルを通って、該微小流体合流点または分岐チャネルのどちらかに流れ込むように流体を様々に方向付けることができる分流システムと
    を備える、複数の回路ユニットと
    を備える、ステップと、
    ｂ．該微小デバイスの回路ユニットのそれぞれのソースチャネルに流体を導入するステップと、
    ｃ．該デバイスの該微小流体合流点に流体を流し込むステップと、
    ｄ．該微小流体デバイスの該流出チャネルを通って流体を流すステップと
    を包含する、方法。
  21. 前記デバイスの前記微小流体合流点は、
    ａ．前記流出チャネルと接続されたチャンバと、
    ｂ．該チャンバに沿って位置付けられ、かつ、隣接し合う流入口を妨害することなく、流体が該チャンバに流入することを可能にすることができる複数の流入口であって、該流入口の各々は、中間領域によって隣接する流入口から分離される、複数の流入口と
    を備える、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記各流入口の断面積は、前記チャンバの中心に向うにつれ増加する、請求項２１に記載の方法。
  23. 前記各中間領域は、均一に凸形である、請求項２１に記載の方法。
  24. 各中間領域は、交差してエッジを形成する２つの線形面を備える、請求項２１に記載の方法。
  25. 疎水性材料は、少なくとも１つの中間領域に沿って配置される、請求項２１に記載の方法。
  26. 親水性材料は、少なくとも１つの中間領域に沿って配置される、請求項２１に記載の方法。
  27. 少なくとも１つの回路ユニットは、バルブ回路ユニットであり、該バルブ回路ユニットは、該バルブ回路ユニットの分岐チャネルに沿って位置付けられた第１のバルブと、該バルブ回路ユニットのソースチャネルに沿って位置付けられた第２のバルブとを備え、該第１および第２のバルブは、該分岐チャネルと該ソースチャネルの交差点の近傍または近位に配置される、請求項２０に記載の方法。
  28. 少なくとも１つの回路ユニットは、バルブ回路ユニットであり、該バルブ回路ユニットは、該バルブ回路ユニットの分岐チャネルに沿って位置付けられた第１のバルブと、該バルブ回路ユニットのソースチャネルに沿って配置された第２のバルブとを備え、該第１および第２のバルブは、該分岐チャネルと該ソースチャネルの交差点の近傍または近位に配置される、請求項２１に記載の方法。
  29. 前記少なくとも１つの回路ユニットは、バルブレス液体微小スイッチを備えるバルブレス回路ユニットである、請求項２０に記載の方法。
  30. 前記少なくとも１つの回路ユニットは、バルブレス液体微小スイッチを備えるバルブレス回路ユニットである、請求項２１に記載の方法。
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