JP5164306B2 - マイクロ流体スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、流体流を時間間隔の間、第１流路において停止するためのマイクロ流体スイッチに関する。ここで流体流は第１流路の端部で停止手段により所定の時間間隔の間、停止されるものである。この時間間隔の経過後、流体流は継続して進行しなければならない。ここでマイクロ流体スイッチの第１流路は他の流路と同様に、たとえば中空空間および／または室のような拡張部とすることができる。このような流路は表面の溝とすることもでき、この溝は有利にはカバーにより閉鎖されている。同じように流路を細管として構成することもできる。流路とは本発明では基本的に、流体または気体を所定の方向へ搬送する際に導くのに適したいずれかの構造とすることができる。

冒頭に述べた形式のマイクロ流体スイッチは、とりわけ刊行物（たとえば特許文献１、特許文献２）から公知のマイクロ流体構成体に使用することができる。

種々の湿式化学的、生化学的、および診断的分析のために、試料流体を所定の時間間隔の間、試薬とたとえばマイクロ流体構成体の反応室で混合することが必要である。ここではこの時間間隔の間に試料流体が試薬により生成物に変換される。この生成物は続いて反応室から取り出され、分析される。公知のマイクロ流体構成体での停止手段は通常は機械的弁として構成されており、外部から制御しなければならない。この種の弁は、個々の反応室または分析室を流体的に相互に分離するために用いる。外部の時間制御を介して、たとえばコンピュータを介して、相応のインキュベーション時間、すなわち試料ないし生成物が反応室および／または分析室に滞留する時間間隔が調整される。

マイクロ弁を備えるこのマイクロ流体スイッチは、これが機械的な可動部材を有し、この可動部材が電気的に相応に制御されるという特性を有する。このことにより高い機器コストが生じる。またこの種のマイクロ弁をマイクロ流体スイッチに組み込むことも面倒であり、とりわけマイクロ流体スイッチがプラスチックで実現されている場合には面倒である。

国際公開第９９／４６０４５号パンフレット 米国特許第６２９６１２６号明細書

本発明の目的は、流体流を第１流路の端部で所定の時間間隔の間、停止することができ、しかも流体流を継続して進行させるために電気的制御可能なマイクロ弁を必要としないマイクロ流体スイッチを提供することである。

本発明は、流体流を時間間隔の間、停止するためのマイクロ流体スイッチにおいて、
該スイッチは、少なくとも１つの第１流路と、少なくとも１つの第２流路とを有しており、
前記第１流路と前記第２流路とは、共通の開始領域を有しており、
前記第１流路と前記第２流路とは、１つの共通の端部領域を有しており、
前記第１流路は、前記共通の端部領域への移行部に、前記第１流路を流れる流体流を停止するための停止手段を有しており、
前記停止手段は、毛細管停止部であり、
前記共通の開始領域には、入口流路が前置接続されており、
前記共通の端部領域には、出口流路が後置接続されており、
前記入口流路に流入した流体流は、前記共通の開始領域から分流して、毛管力によって前記第１流路と前記第２流路とに入り、
前記第２流路で搬送される流体の容積は、前記第１流路で搬送される流体の容積よりも小さく、前記第１流路で搬送される流体量が、前記共通の端部領域で前記第２流路を介して流入した流体量によって希薄されることがなく、
前記第２流路を流れる流体流は、前記第２流路から前記共通の端部領域への流体搬送の中断なく流れ、
該停止手段は、前記第１流路だけに設けられ、
該停止手段は、前記第２流路を流れる流体流で前記停止手段を濡らすことによって、第１流路の流体流の搬送を制御可能であり、
前記第１流路で搬送される流体が前記停止手段に到達した後、前記第２流路で搬送される流体が前記共通の端部領域に到達するように、前記第２流路の流体が共通の端部領域まで前記第１流路の流体に対して時間的に遅延して搬送されることを特徴とするマイクロ流体スイッチである。

本発明において、前記毛細管停止部は、急激に変化する幾何学的特性を有することを特徴とする。

本発明において、前記毛細管停止部は、急激に変化する表面特性を有することを特徴とする。

本発明において、前記共通の開始領域は、中空空間の前方または後方に配置されていることを特徴とする。

本発明において、前記第１流路は、前記第２流路よりも短いことを特徴とする。

本発明において、前記第１流路は、前記第２流路よりも大きな毛管力を有することを特徴とする。

本発明において、前記第２流路は、流体流を遅延させるためのチョークを有することを特徴とする。

本発明において、前記第１流路、前記第２流路、前記入口流路および前記出口流路の少なくともいずれか１つは、１または複数の中空空間を備える区間を有し、流路系を形成することを特徴とする。

本発明において、前記中空空間の１または複数には試薬が配置されていることを特徴とする。
本発明において、前記出口流路は分岐を有することを特徴とする。

本発明において、前記共通の端部領域は、前記第１流路から流出する流体と前記第２流路から流出する流体とが層状に相互に重なるように構成されていることを特徴とする。
本発明において、該スイッチは複数の第１流路を有することを特徴とする。

本発明において、該スイッチは複数の第２流路を有することを特徴とする。
本発明は、湿式化学的、生化学的、および診断的分析のための支持体であって、上述のマイクロ流体スイッチを有することを特徴とする支持体である。
本発明は、湿式化学的、生化学的、および診断的分析のための試料支持体であって、上述のマイクロ流体スイッチを有することを特徴とする試料支持体である。

本発明は、第１流体を第１流路で停止手段まで搬送し、
前記第１流路で搬送される流体が前記停止手段に到達した後、前記第２流路で搬送される流体が前記共通の端部領域に到達するように、第２流体を第２流路で共通の端部領域まで前記第１流路の流体に対して時間的に遅延して搬送し、
前記停止手段を第２流体によって、前記第１流体が前記停止手段を越えてさらに搬送されるように制御することを特徴とするマイクロ流体スイッチの駆動方法である。

本発明において、前記流体の前記第１流路および前記第２流路の少なくともいずれか一方での搬送は毛管力によって行うことを特徴とする。

この目的は本発明により、請求項１の特徴を有するマイクロ流体スイッチにより解決される。本発明のマイクロ流体スイッチの発展形態は従属請求項に基づいて定義される。本発明のマイクロ流体スイッチは、流体流を時間間隔の間に停止するために、少なくとも１つの第１流路の他に、少なくとも１つの第２流路を有する。ここで第１流路と第２流路は共通の端部領域を有し、第１流路はこの端部領域に、第１流路を流れる流体流を停止するための手段（停止手段）を有する。この停止手段はここでは第２流路を流れる流体流によって、第１流路の流体流を継続して進行させるために制御可能である。

したがって第２流路を流れる流体流により、停止手段は第１流路を流れる流体流の遮断を克服するようになる。このようにしてマイクロ流体スイッチは、電気スイッチと同じように閉鎖および導通する。

本発明のマイクロ流体構成体での停止手段は有利には毛細管停止部である。これはたとえばHosokawaらによる刊行物（“Hydrophobic Microcapillary vent for pneumatic manipulation of liquid in μTAS”、Proc.“Micro Total Analysis Systems ‘98”、p.307−310、カナダ国、バンフ）から公知である。毛細管停止部はたとえば急激に変化する幾何学的特性により、または第１流路の端部領域への内壁表面の特性により形成される。

本発明のマイクロ流体スイッチは、第１および第２流路に対して共通の開始領域を有することができる。この共通の開始領域は第１の流体の搬送方向における室または中空空間の前方または後方に配置することができる。共通の開始領域には入口流路を前置接続することができる。したがって第１流路と第２流路とに、入口流路を介してもたらされる同じ流体を供給することができる。しかしながら、第１流路と第２流路とが共通の端部領域以外には接続部を有しないことも可能である。

本発明に従えば、第１流路は第２流路よりも短くすることができる。また第１流路は第２流路よりも大きな毛管力を有することができる。毛管力に対する尺度として、以下のように計算された圧力差が採用される。
ΔＰ＝−２γｃｏｓθ（１／ｗ＋１／ｈ−１／Ｗ−１／Ｈ）

ここでγは流体の表面張力であり、θは流体と流路壁との接触角であり、ＷおよびＨは流路個所前方における流路の幾何学的寸法であり、ｗおよびｈは流路個所後方における流路の幾何学的寸法である。

第１流路は第２流路よりも小さい容積を有することができる。さらに第２流路は流体流を遅延するための手段（遅延手段）を有する。前記の手段は、第２流路の流体流を遅延させ、第２流路を流れる流体が第１流路を流れる流体よりも遅い時点で初めて共通の端部領域に達するようにするために用いる。さらに時間間隔を調整することができ、この時間間隔の間は第１流路を流れる流体が停止手段により停止される。
第２流路に遅延手段が設けられる場合、これはチョークとすることができる。

第１および第２流路の共通の端部領域には出口流路を後置接続することができる。この出口流路はここでは少なくとも２つの分岐路に分岐することができる。この２つの分岐路を介して、第２流路を流れる流体を共通の端部領域の後方で実質的に再び、第１流路から共通の端部領域に流入した流体から分離することができる。有利には共通の端部領域は、第１流路の流体と第２流路の流体とがスイッチの導通状態では層状に相互に重なるよう構成されている。

本発明に従えば、第１流路、第２流路、入口流路および／または出口流路は、１または複数の室および／または中空空間を備える区間を有することができ、流路系として構成することができる。この中空空間あるいは室は、たとえば反応室とすることができ、このために中空空間あるいは室には有利には試薬が配置されている。

本発明に従えば、第１および／または第２流路および／または入口流路および／または出口流路はメアンダ状区間を有することができる。

流体は流路内を毛管力により搬送される他に、流路の開始部および端部での圧力差（それぞれの流路端部における正圧または負圧）によっても搬送され得る。この圧力差は圧力形成手段により惹起される。停止手段の機能を維持するために圧力形成手段は、これにより形成された圧力だけでは流体を第１流路から停止手段を介して搬送するのに十分でないように構成し、または少なくとも調整しなければならない。その他に流体をスイッチの流路内で搬送することのできる力として、電気浸透力、電気泳動力、または静電気力が考えられる。
本発明のスイッチは支持体、とりわけ試料支持体の一部とすることができる。

本発明のマイクロ流体構成体を図面に基づき詳細に説明する。
図１（ａ）〜図８（ｄ）に示された本発明の実施の形態のマイクロ流体スイッチはすべて、少なくとも１つの第１流路３と、少なくとも１つの第２流路４とを有し、これらの流路は共通の端部領域６を有する。この共通の端部領域６には出口流路７が接続されている。

共通の端部領域６とこれに接続された流路３，４，７とは、図９（ａ）〜図９（ｃ）に一例として一部が拡大されて示されている。これらの図面に基づいてまず本発明の基礎となる原理について説明する。

すでに述べたように端部領域６には第１流路３と第２流路４とが合流しており、一方、出口流路７は端部領域６から始まる。端部領域６では第１流路３に続いて毛細管停止部２０が設けられている。ここで毛細管停止部２０は幾何学的特性の急激な変化によって製作される。この種の毛細管停止部２０は、第１流路３から流入する流体に対する障害を形成する。流体は毛細管停止部２０に浸透するが、毛細管停止部２０を越えて他の端部領域６へ入り込むためには流体は圧力差Δｐを克服しなければならない。この圧力差Δｐは次の数式により表される。
Δｐ＝−２γｃｏｓΘ（１／ｗ＋１／ｈ−１／Ｗ−１／Ｈ）

ここで、ｗは毛細管停止部２０を形成する流路の幅であり、ｈは毛細管停止部２０を形成する流路の高さであり、Ｗは毛細管停止部２０への接続部での残余の端部領域６の幅であり、Ｈは毛細管停止部２０への接続部での残余の端部領域６の高さである。

Θとγを介して材料係数、すなわち接触角と表面張力が計算に代入される（上記Hosokawaらの刊行物参照）。ここで流体の濡れ特性に依存して、急激に変化する幾何学的特性は大きな横断面から小さな横断面への、または小さな横断面から大きな横断面への変化により形成することができる。

毛細管停止部２０で克服すべき圧力差Δｐは、流体が第１流路３で流れることにより生じる搬送力に基づいては得ることができない。したがって毛細管停止部２０は、克服すべき圧力差Δｐに基づき、第１流路３内を流れる流体に対する障害となる。毛細管停止部２０は次のようにして克服することができる。すなわち毛細管停止部２０が他の共通の端部領域６の側から流体により濡れることにより克服することができる。この流体により毛細管停止部に発生する流体の表面張力が低下し、毛細管停止部２０に滞留する流体は流出することができる。本発明では第２の流体が選択され、この第２の流体は毛細管停止部２０の外から他の共通の端部領域に導かれる。この流体は毛細管停止部に滞留する流体と接触し、これにより第１の流体が再び流れ始める。したがって図１（ａ）〜図８（ｄ）に示された実施形態では、毛細管停止部２０の作用が第２流路４を介して案内された流体により解除される。

第２流路４は、図９（ｃ）に示すように共通の端部領域６と同じ深さと、これに続く出口流路７とを有する。これにより、第２流路４から共通の端部領域６への流体搬送の中断が阻止される。第２流路４がその端部前方で共通の端部領域６の高さよりも小さな高さを有する場合、端部領域６の高さは第２流路４の端部において構造的手段により達成できる。これはたとえば傾斜部、階段部、またはノッチであり、第２流路４の底部に端部領域６の底部のレベルで取り付けられる。この種のノッチはたとえば特許文献２に記載されている。これにより第２流路４での流れが共通の端部領域６へ移行する際に中断するのが阻止できる。

これに対して共通の端部領域６は第１流路に向かって突起を有する（図９（ｂ）、図９（ｃ））。共通の端部領域はこれにより第１流路３よりも大きな深さを有する。幾何学的形状のこの急激な変化により毛細管停止部が形成される。

図１０（ａ）〜図１０（ｄ）に詳細に示された、本発明の他の実施形態のスイッチは、図９（ａ）〜図９（ｃ）に示されたスイッチとは異なり、第１流路３に対して先細の流路として第１流路３に接続する毛細管停止部２０を有する。共通の端部領域６への移行部における先細の流路の端部が毛細管停止部である。さらなる相違点は、第２流路４と端部領域６との移行領域において袋状の溝があることである。その他の点ではこのスイッチは、図９（ａ）〜図９（ｃ）に示したスイッチに相応する。

図１０（ａ）に示したように、流体流は第１流路３を介して毛細管停止部２０に浸透し、毛細管停止部２０と他の端部領域６との境界ですでに説明した表面張力のため停止する。第１流路３に対して直角または傾斜して端部領域６に合流する第２流路４を介して流体流は搬送力、たとえば毛管力に基づき端部領域６まで搬送される。この第２流路４を搬送される流体が端部領域６の拡張領域に達すると直ちに、流体は毛管力に基づいて毛細管停止部２０が合流する端部領域６（図１０（ｂ））に流れる。流体が毛細管停止部２０の流出開口部に達すると直ちに（図１０（ｃ））、流出開口部は外から濡れ、毛細管停止部２０の作用は解除される。このとき第２流路４から流出する流体の前面が流体メニスカスに毛細管停止部２０の合流領域で接触する。第２流路４と毛細管停止部２０からの流体は接触し、毛細管停止部２０の出口で克服しなければならない表面張力はこのことにより低下する。したがって第１流路３を介して導かれた流体は、第２流路４を介して導かれた流体と同じように端部領域６を完全に満たすことができ、そこから出口流路７を介してさらに導くことができる。

したがって毛細管停止部２０により形成された停止手段は第２流路４を介して導かれた流体により制御することができ、停止手段（毛細管停止部２０）により中断された第１流路３の流体流を継続して進行させることができる。構造的手段により本発明のマイクロ流体スイッチでは、まず流体流が第１流路３を完全に満たし、それから第２流路４の流体流は時間的に遅れて、第１流路３の流体流の中断を消失させることができる。

図１１に詳細に示した本発明のさらに他の実施の形態のスイッチは、図９（ａ）〜図９（ｃ）または図１０（ａ）〜図１０（ｄ）に示したスイッチとは異なり、内壁の表面特性が共通の端部領域６において、隣接する第１流路３に対して変化することにより毛細管停止部２０が形成されている。第１流路３の内壁の表面は親水特性を有するのに対し、共通の端部領域では内壁の表面が疎水特性を有するように構成されている。表面特性が第１流路３から共通の端部領域６への移行の際に急激に変化することによって、毛細管停止部２０が形成され、この毛細管停止部で第１流路３を介して導かれた流体前面が停止する。なぜなら搬送力が毛細管停止部２０を克服するには十分でないからである。このように毛細管停止部２０により形成された中断手段は、公知のようにして第２流路４を導かれた流体を介して制御することができ、第１流路３の流体の流体搬送を継続させることができる。

以下の記述に基づき本発明の種々のマイクロ流体スイッチをより詳細に説明する。ここでは種々の実施形態の相違についてより詳細に述べる。スイッチの個々の流路２，３，４，７はおおむね中空空間を有し、流路系として構成されているので、以下ではそのようなものとして称する。

以下では図１（ａ）および図１（ｂ）を参照する。図１（ａ）および図１（ｂ）に示された実施形態１は入口流路系２を有する。この入口流路系２は開始領域５に合流し、この開始領域で第１流路系３と第２流路系４とが始まる。第１流路系３は開始領域５に続いて流路状の第１区間３ａを有する。この第１区間３ａには第２区間３ｂが続いている。第２区間３ｂは中空空間として構成されており、この中空空間に化学物質、たとえば試薬を収納することができる。したがって第２区間３ｂは反応室を、第１実施形態１のマイクロ流体構成体において形成する。第１実施形態１の第２区間３ｂは、第１区間と同様に流路として構成された第３区間３ｃを介して端部領域６と、およびそこでとりわけ毛細管停止部２０と接続されている。

開始領域５に続いて第２流路系４は、流路として構成された第１区間４ａを有する。この第１区間には第２区間４ｂが続き、第２区間４ｂは中空空間として構成されており、これに第３区間４ｃが続く。第３区間は端部領域６に合流する。

図１（ｂ）〜図１（ｄ）に基づいて、第１実施形態１による本発明のスイッチの機能を説明する。ここで本発明のマイクロ流体スイッチは入口流路系２を介して満たされる。入口流路系２に流入した流体は入口流路系２での毛管力に基づき開始領域５へ搬送される。そこから流体流は分流し、このとき流路系３は流路系４よりも急速に流体により満たされる。第１流路系３では流体の一部により、第１区間３ａ、反応室として構成された第２区間３ｂ、および第３区間３ｃが満たされる。第１流路系３の第３区間３ｃからは毛細管停止部２０も、流体メニスカスが毛細管停止部２０の端部で停止するまで満たされる。

流体の別の部分は第２流路系４へ搬送される（図１（ｂ）、図１（ｃ））。ここではまず第１区間４ａと次に第２区間４ｂを形成する中空空間が満たされる。続いて流体は作用する毛管力に基づき、第２流路系４の第３区間４ｃに流入し、時間的に遅れて端部領域６に達する。次にこの端部領域６で、すでに説明したように毛細管停止部２０が解除される。第２流路系４から流出した流体によって毛細管停止部２０が解除されるまでに経過した時間の間、第１流路系の第２区間３ｂの反応室に収納された試薬はこの第２区間３ｂに流入した流体と反応する。次に毛細管停止部２０の解除により、流体は作用する毛管力に基づき反応室から流出するよう搬送され、出口流路７を介してマイクロ流体構成体から取り出すことができる。

次に図２（ａ）〜図２（ｄ）を参照し、第２実施形態１１について説明する。第１実施形態１と同じように、第２実施形態１１も入口流路系２を有する。ここで入口流路系２は、流路として構成された第１区間２ａを有する。この第１区間２ａには第２区間２ｂが続く。第２区間２ｂは中空空間により形成される。入口流路系の第３区間２ｃを介して第２区間２ｂは開始領域５と接続されており、この開始領域で第１流路系３と第２流路系４が始まる。第１流路系３も第２流路系４も第２実施形態１１では簡単な流路により形成されている。第１流路系３と第２流路系４の流路の相応の構成によって、第１流路系３での流体搬送が第２流路系４におけるよりも格段に急速に行われるようにすることができる。２つの流路系３，４は共通の端部領域で合流し、このとき２つの流路系３，４を搬送される流体は端部領域６に配置された毛細管停止部２０の後方で初めて合流することができる。

マイクロ流体スイッチの第２実施形態１１は入口流路系の第１区間２ａを介して満たされる。流入した流体は作用する毛管力に基づいて、入口流路系の第２区間２ｂに搬送される。流体は入口流路系２の第３区間２ｃを介して第１流路系３と第２流路系４の共通の開始点５に搬送される。流体の一部は開始点５から第１流路系３へ搬送され、そこから作用する毛管力に基づいて毛細管停止部２０へ浸透する。毛細管停止部２０の端部で残りの終端点６に向かって流体は停止する。開始点５に達する流体の第２部分は第２流路系４の流路を通って端部領域６へ搬送される（図２（ｂ）、図２（ｃ））。第２流路系４で搬送される流体が端部領域６に達すると直ちに、毛細管停止部２０は前記のようにして解除される。こうして流体を第１流路系３，第２流路系４および出口流路系７を介して排出することができる。ここでは流体の搬送は、作用する毛管力によって達成される。

本発明のマイクロ流体スイッチの第３実施形態１２を図３（ａ）〜図３（ｃ）に基づいて説明する。図３（ａ）〜図３（ｃ）に示された第３実施形態１２は、図１（ａ）〜図１（ｄ）に示された第１実施形態とは、第２流路系４が種々の区間に分割されていない点で実質的に相違する。分割されるのではなく第２流路系４は１つの流路として開始領域５から端部領域６へ延びている。この流路の横断面は、第１流路系３の区間３ａおよび区間３ｃにおける横断面よりも格段に小さく構成されている。

このことの利点は、中断手段（毛細管停止部２０）の制御に必要な、第２流路系４で搬送される流体の容積が格段に小さいことである。したがって入口流路系２を介して流入する流体はほとんど完全に第１流路系３へ、したがって第２区間３ｂにより形成される反応室へ搬送される。マイクロ流体構成体１２に流入する流体の大部分が第１流路系３へ搬送される。したがってこの流体の大部分を生成物に変換でき、この生成物が続いて端部領域６で第２流路系４を介して流入した流体量により希薄されることがない。

次に図４−１（ａ）を参照する。この図には本発明のマイクロ流体構成体１３ａが示されている。このマイクロ流体構成体１３ａは、第３実施形態１２による３つのマイクロ流体スイッチの組合せに相当する。ここでは第３実施形態１２によるマイクロ流体スイッチが相互に並列に配置されており、共通の供給流路８を介して流体が供給される。この共通の供給流路８から、３つ並列に接続された第３実施形態１２による入口流路系２が分岐している。したがってマイクロ流体構成体１３ａ全体は、第３実施形態１２によるスイッチと供給流路８によって形成されている。その他の点で実施形態１３ａの各スイッチは第３実施形態１２の個々のマイクロ流体スイッチと同じように機能する。

図４−２（ｂ）に示されたマイクロ流体構成体１３ｂは、第３実施形態１２によるマイクロ流体スイッチを３つ有する。ここでマイクロ流体スイッチは相互に直列に接続されている。すなわち流体の搬送方向で第１スイッチの出口流路系７には第２スイッチの入口流路系２が接続され、第２スイッチの出口流路７には第３スイッチの入口流路系２が接続されている。ここで個々のスイッチは、図３（ａ）〜図３（ｃ）に示された第３実施形態１２のスイッチに相当する。図４−２（ｂ）のマイクロ流体構成体の第３スイッチだけが第２流路系４の領域で異なって構成されている。この第２流路系４は、流体の搬送方向で順次接続された３つの区間を有する、ここで第１区間４ａと第３区間４ｃとは単純な流路として構成されており、一方、中央の第２区間４ｂはメアンダ状に構成されている。第２区間４ｂをメアンダ状にすることにより、第３スイッチの第２流路系は第１および第２スイッチの第２流路系に対して延長される。このことにより、第３スイッチにおいて流体が第２流路系４から共通の端部領域６に達するまでの時間間隔が、マイクロ流体構成体１３ｂの第１および第２スイッチの場合よりも大きくなる。その他の点でマイクロ流体構成体１３ｂの個々のスイッチは第３実施形態１２の個々後のスイッチと同じように機能する。

本発明のマイクロ流体スイッチの第４実施形態１４が図５−１（ａ）〜図５−３（ｈ）に示されている。ここで図５−３（ｆ）、図５−３（ｇ）および図５−３（ｈ）は図５−１（ａ）、図５−１（ｃ）および図５−２（ｅ）の詳細を示す。

ここまで説明した実施形態とは異なり第４実施形態１４では、第２流路系４が第１流路系３に対して鋭角に共通の端部領域６へ案内されている。さらなる相違点は、出口流路７が共通の端部領域から間隔をおいて第１分岐路７ａおよび第２分岐路７ｂに分岐していることである。ここで第１分岐路７ａは実質的に第１流路系３の断面積に相応する断面積を有する。これに対して第２分岐路は実質的に第２流路系４の断面積に相応する断面積を有する。

この第４実施形態において本発明のマイクロ流体構成体が基礎とする技術思想は、第１流路系３あるいは第２流路系４を介して導かれた流体は、共通の端部領域６に直接続く出口流路系７の領域でほとんど混合することなしに相互に重なり、層状となって第１分岐路７ａおよび第２分岐路７ｂの分岐点まで流れ、ここで第１流路系３を介して供給された流体は第１分岐路７ａへ排出され、第２流路系４を介して流入した流体は第２分岐路７ｂを介して排出されるということである。種々の流体の層流の特性はたとえば刊行物（独国特許第１９５３６８５８号明細書）に記載されている。

生成物が反応室から第１流路系３へ、そしてそこから毛細管停止部２０へ流入する場合、この生成物は毛細管停止部２０により共通の端部領域６に留まる。生成物が第１流路系３あるいは毛細管停止部２０に流入するのに時間的に遅れて、第２流体は第２流路系４を介して流入し（図５−１（ｃ））、共通の端部領域６に入り込む（図５−１（ｄ））。このとき第２流路系４から流入した流体は毛細管停止部２０の流出開口部を濡らし、毛細管停止部２０の機能を解除させる。次に毛細管停止部２０と第１流路系３に滞留している生成物は作用する毛管力により端部領域あるいは出口流路系７へ搬送される。同時に流体は第２流路系４からも搬送される。２つの流体は近似的に平行に共通の端部領域へ流入し、乱流がないため層状に相互に重なる。そしてこの２つの流体は出口流路系７を介し並び合って搬送される。この搬送は分岐点で、生成物は実質的に第１分岐路７ａを介して排出され、また第２流路系４を介して流入した流体は実質的に第２分岐路７ｂへ排出されるように行われる。

第４実施形態１４では、第２流路系４の容積が流路７ｂの容積に等しく、これにより第２流路系４を介して流入した流体が出口流路系７で完全に生成物から除去されるようにすると有利である。

次に図６（ａ）〜図６（ｄ）を参照する。図６（ａ）〜図６（ｄ）に示された第５実施形態１５では、第２流路系４を介して流入した流体が前もって生成物の出口流体から分流しない。これは第１，第２および第３実施形態の場合と同じである。第５実施形態１５においては、第２流路系４は別個の流路系であり、共通の端部領域６に毛細管停止部２０の後方で直接合流する。この種のマイクロ流体構成体はたとえば、第２流路系４を介して物質（試薬溶液）を別の生化学的反応のために導き、これを毛細管停止部２０の解除後に、第１流路系３および毛細管停止部２０を介して流入した生成物と共に別の反応室または分析室等に導く場合に適する。しかし生成物に影響を与えない不活性流体を第２流路系４へ毛細管停止部２０の制御のために搬送することもできる。

次に図７（ａ）〜図７（ｄ）を参照する。多くの化学的および生化学的分析のためには、生成物を別の流体と混合し、新たな生成物を形成するための反応を引き起こすことが必要である。同じように生成物を別の分析のために希薄しなければならないこともある。このような処理のためには第６実施形態１６によるマイクロ流体構成体が適する。この実施形態１６では、第２流路系４を介して流入した流体が２つの別の流路系の切り替えに利用される。共通の端部領域６には第１流路系３と第２流路系４との他に、第３流路系１７，１８が合流する。この流路系は中空空間１７と、中空空間１７から共通の端部領域６に向かって案内された流路１８を有する。中空空間１７には外部から図示しない開口部を介して第２流体を満たすことができる。この流体は作用する毛管力に基づき流路１８を介して共通の端部領域６へ搬送される。ここで流路１８は、第１流路系３が共通の端部領域６へ毛細管停止部２０として合流するのと同じように共通の端部領域で合流する。

第１流路系３および第３流路系１７，１８への流体搬送に時間的に遅延しないで、第２流路系４を介して流体が導かれる場合、第１流路系３の端部の毛細管停止部２０の他に第３流路系１７，１８の端部の毛細管停止部２０も、第２流路系４から流入した流体によって外から濡らされる。２つの毛細管停止部は解除され、共通の端部領域６およびこれに続く出口流路系７では種々異なる流体が出口流路系７を介して別の反応室または分析室１９に搬送される。第２流路系４は共通の端部領域６ないし出口流路系７と同じ深さを有しているから、第２流路系４から流入した流体は妨げられずに共通の端部領域６へ流入することができ、これにより第１流路系３と第３流路系２７，１８に対する２つの毛細管停止部２０を濡らし、毛細管停止部は解除される。

図８（ａ）〜図８（ｄ）に基づいて、本発明のスイッチに対する第７実施形態２７を説明する。この本発明のスイッチは２つの第１流路系３を有し、これらは共通の端部領域６に案内されている。ここで第１流路系３の合流部は毛細管停止部２０として構成されており、これにより第１流路系に搬送された流体は毛細管停止部２０で停止し、共通の端部領域６へは浸入しない。

共通の端部領域ではさらに第２流路系４が合流する。第２流路系４で搬送される流体によって毛細管停止部２０を流体により濡らすことができる。これにより毛細管停止部２０は解除され、第１流路系３に導かれた流体は共通の端部領域６へ浸入する。次に出口流路系７によって、共通の端部領域６に存在する２つの第１流路系の流体と第２流路系４の流体とが共通の端部領域から排出される。

本発明のマイクロ流体スイッチに対する第１実施形態を示す。 本発明のマイクロ流体スイッチに対する第２実施形態を示す。 本発明のマイクロ流体スイッチに対する第３実施形態を示す。 第３実施形態の変形実施形態を示す。 第３実施形態の変形実施形態を示す。 本発明のマイクロ流体スイッチに対する第４実施形態を示す。 本発明のマイクロ流体スイッチに対する第４実施形態を示す。 本発明のマイクロ流体スイッチに対する第４実施形態を示す。 本発明のマイクロ流体スイッチに対する第５実施形態を示す。 本発明のマイクロ流体スイッチに対する第６実施形態を示す。 本発明のマイクロ流体スイッチに対する第７実施形態を示す。 本発明のスイッチの詳細を示す。 本発明のスイッチの他の実施形態の詳細を示す。 本発明のスイッチのさらに他の実施形態の詳細を示す。

符号の説明

２ 入口流路
３ 第1流路
４ 第２流路
６ 共通の端部領域
７ 出口流路
２０ 毛細管停止部

Claims (18)

1. 流体流を時間間隔の間、停止するためのマイクロ流体スイッチにおいて、
   該スイッチは、少なくとも１つの第１流路と、少なくとも１つの第２流路とを有しており、
   前記第１流路と前記第２流路とは、共通の開始領域を有しており、
   前記第１流路と前記第２流路とは、１つの共通の端部領域を有しており、
   前記第１流路は、前記共通の端部領域への移行部に、前記第１流路を流れる流体流を停止するための停止手段を有しており、
   前記停止手段は、毛細管停止部であり、
   前記共通の開始領域には、入口流路が前置接続されており、
   前記共通の端部領域には、出口流路が後置接続されており、
   前記入口流路に流入した流体流は、前記共通の開始領域から分流して、毛管力によって前記第１流路と前記第２流路とに入り、
   前記第２流路で搬送される流体の容積は、前記第１流路で搬送される流体の容積よりも小さく、前記第１流路で搬送される流体量が、前記共通の端部領域で前記第２流路を介して流入した流体量によって希薄されることがなく、
   前記第２流路を流れる流体流は、前記第２流路から前記共通の端部領域への流体搬送の中断なく流れ、
   該停止手段は、前記第１流路だけに設けられ、
   該停止手段は、前記第２流路を流れる流体流で前記停止手段を濡らすことによって、第１流路の流体流の搬送を制御可能であり、
   前記第１流路で搬送される流体が前記停止手段に到達した後、前記第２流路で搬送される流体が前記共通の端部領域に到達するように、前記第２流路の流体が共通の端部領域まで前記第１流路の流体に対して時間的に遅延して搬送されることを特徴とするマイクロ流体スイッチ。
2. 前記毛細管停止部は、急激に変化する幾何学的特性を有することを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体スイッチ。
3. 前記毛細管停止部は、急激に変化する表面特性を有することを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体スイッチ。
4. 前記共通の開始領域は、中空空間の前方または後方に配置されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体スイッチ。
5. 前記第１流路は、前記第２流路よりも短いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロ流体スイッチ。
6. 前記第１流路は、前記第２流路よりも大きな毛管力を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロ流体スイッチ。
7. 前記第２流路は、流体流を遅延させるためのチョークを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロ流体スイッチ。
8. 前記第１流路、前記第２流路、前記入口流路および前記出口流路の少なくともいずれか１つは、１または複数の中空空間を備える区間を有し、流路系を形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロ流体スイッチ。
9. 前記中空空間の１または複数には試薬が配置されていることを特徴とする請求項８記載のマイクロ流体スイッチ。
10. 前記出口流路は分岐を有することを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体スイッチ。
11. 前記共通の端部領域は、前記第１流路から流出する流体と前記第２流路から流出する流体とが層状に相互に重なるように構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のマイクロ流体スイッチ。
12. 該スイッチは複数の第１流路を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のマイクロ流体スイッチ。
13. 該スイッチは複数の第２流路を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のマイクロ流体スイッチ。
14. 湿式化学的、生化学的、および診断的分析のための支持体であって、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のマイクロ流体スイッチを有することを特徴とする支持体。
15. 湿式化学的、生化学的、および診断的分析のための試料支持体であって、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のマイクロ流体スイッチを有することを特徴とする試料支持体。
16. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載のマイクロ流体スイッチを駆動する方法であって、
    第１流体を第１流路で停止手段まで搬送し、
    前記第１流路で搬送される流体が前記停止手段に到達した後、前記第２流路で搬送される流体が前記共通の端部領域に到達するように、第２流体を第２流路で共通の端部領域まで前記第１流路の流体に対して時間的に遅延して搬送し、
    前記停止手段を第２流体によって、前記第１流体が前記停止手段を越えてさらに搬送されるように制御することを特徴とするマイクロ流体スイッチの駆動方法。
17. 前記流体の前記第１流路および前記第２流路の少なくともいずれか一方での搬送は毛管力によって行うことを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 流体流を時間間隔の間、停止するためのマイクロ流体スイッチにおいて、
    該スイッチは、少なくとも１つの第１流路と、少なくとも１つの第２流路とを有しており、
    前記第１流路と前記第２流路とは、共通の開始領域を有しており、
    前記第１流路と前記第２流路とは、１つの共通の端部領域を有しており、
    前記第１流路は、前記共通の端部領域への移行部に、前記第１流路を流れる流体流を停止するための停止手段を有しており、
    前記停止手段は、毛細管停止部であり、
    前記共通の開始領域には、入口流路が前置接続されており、
    前記共通の端部領域には、出口流路が後置接続されており、
    前記入口流路に流入した流体流は、前記共通の開始領域から分流して、毛管力によって前記第１流路と前記第２流路とに入り、
    前記第２流路で搬送される流体の容積は、前記第１流路で搬送される流体の容積よりも小さく、
    前記第２流路を流れる流体流は、前記第２流路から前記共通の端部領域への流体搬送の中断なく流れ、
    該停止手段は、前記第１流路だけに設けられ、
    該停止手段は、前記第２流路を流れる流体流で前記停止手段を濡らすことによって、第１流路の流体流の搬送を制御可能であり、
    前記第１流路で搬送される流体が前記停止手段に到達した後、前記第２流路で搬送される流体が前記共通の端部領域に到達するように、前記第２流路の流体が共通の端部領域まで前記第１流路の流体に対して時間的に遅延して搬送されることを特徴とするマイクロ流体スイッチ。

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