JP5057968B2 - Microfluidic device having separable operating module and fluid holding module - Google Patents
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Description
本発明は、一般に、流体の流れを制御する装置および弁、特に、マイクロ流体装置および弁に関する。 The present invention relates generally to devices and valves for controlling fluid flow, and in particular to microfluidic devices and valves.
流体工学における小型化および大規模集積化の発達は、電子マイクロチップにおける流体との類似性に関して完全な化学的または生物学的な研究所を創設する概念へと導いた。この種の(Micro Total Analysis SystemsまたはμTASとして知られている)統合化マイクロ流体装置(integrated microfluidic devices)は、遺伝子分析および医療診断を含む多くの生物学的分析の用途における自動化、および経費節減のキーテクノロジーとみなされている。しかしながら、この種の生物学的分析を行うときに、別々のサンプル間におけるクロス汚染の可能性を回避することが、重要となることがよくある。例えば、同一器具を使用し、別々の患者から一連の血液サンプルを分析する場合、1個のサンプルからのいかなる残留物が器具に存在すると後のサンプルを汚染する恐れがあるので、このことは全く容認できない。このことにより、サンプルと接触することになる全てのコンポーネントを取り外し可能にし、廃棄処分もしくは洗浄する器具の設計に至った。 The development of miniaturization and large scale integration in fluidics has led to the concept of creating a complete chemical or biological laboratory with respect to the similarity to fluids in electronic microchips. This type of integrated microfluidic devices (known as Micro Total Analysis Systems or μTAS) is an automation and cost-saving tool for many biological analysis applications, including genetic analysis and medical diagnostics. It is considered key technology. However, when performing this type of biological analysis, it is often important to avoid the possibility of cross-contamination between separate samples. For example, if you are using the same instrument and analyzing a series of blood samples from different patients, this is absolutely because any residue from one sample can contaminate later samples if present in the instrument. Unacceptable. This made it possible to remove all components that would come into contact with the sample, leading to the design of an instrument for disposal or cleaning.
マイクロ流体装置は、複数の流体を操作することが完全にできなければならない。操作には、例えば、貯蔵、輸送、加熱、冷却および混合のような多くの機能がある。これらの機能を実施するには、マイクロ流体装置に、フローチャネルだけでなく、少なくとも弁、ポンプ、ヒーターおよびクーラーを設けることが必要となる。これらの全ての機能は、マイクロ流体装置における成功の程度を変化させることが明らかになってきているが、弁およびポンプは、概して複雑な装置であり、製造が困難であった。残念なことに、このことが高い製造コストとなり、このため、使い捨て装置を製造するのを実現不可能なものにしていた。 A microfluidic device must be able to fully manipulate multiple fluids. The operation has many functions such as, for example, storage, transportation, heating, cooling and mixing. In order to perform these functions, it is necessary to provide not only the flow channel but also at least a valve, a pump, a heater and a cooler in the microfluidic device. Although all these functions have become apparent to change the degree of success in microfluidic devices, valves and pumps are generally complex devices and difficult to manufacture. Unfortunately, this has been a high manufacturing cost, making it impossible to manufacture disposable devices.
したがって、流体に対してさまざまな操作を行うことができるとともに、使い捨て装置に適している方法で製造できるマイクロ流体装置に対する必要性がある。 Accordingly, there is a need for a microfluidic device that can perform various operations on a fluid and that can be manufactured in a manner that is suitable for a disposable device.
発明の開示
説明の便宜上、「マイクロ流体」装置または弁は、少なくとも一次元寸法が1mm未満の1個以上のチャネルを有する。
DISCLOSURE OF THE INVENTION For convenience of explanation, a “microfluidic” device or valve has one or more channels with at least a one-dimensional dimension of less than 1 mm.
本発明の各種実施形態によれば、マイクロ流体装置は、作用的に接触し合う2個のモジュール、すなわち、流体保持モジュールおよび操作モジュールから成る。流体保持モジュールは、流体の輸送/封じ込め素子と、流体に接触し得る他の素子を組み込む。操作モジュールは、流体を輸送および制御するための操作機構を組み込む。この2個のモジュールは、互いに接触させて使用する。これらモジュールは、互いに着脱可能に固定し、これにより、不要になる際に、流体保持モジュールを操作モジュールから分離し、処分できるようにする。他方では、操作モジュールは、他の流体保持モジュールで再使用可能とし、よく起こり得る、2個の流体保持モジュールにおける流体間のクロス汚染を排除する。 According to various embodiments of the present invention, the microfluidic device consists of two modules in operative contact, a fluid holding module and an operating module. The fluid retention module incorporates a fluid transport / containment element and other elements that can contact the fluid. The operating module incorporates an operating mechanism for transporting and controlling the fluid. These two modules are used in contact with each other. These modules are detachably secured to each other so that the fluid holding module can be separated from the operating module and disposed of when not needed. On the other hand, the operating module is reusable with other fluid retention modules, eliminating cross contamination between fluids in the two fluid retention modules, which can occur frequently.
図1Aおよび図1Bは、サブストレート102に埋め込んだ操作素子を組み込んだ操作モジュール100の実施例を線図的に示す。操作素子の例としては、ペルチェ・ヒータ/クーラー104、すなわち加熱および冷却のためのペルチェ(熱電気)接合、抵抗性ヒーター106、電磁界を生ずる電磁コイル108、および流体保持モジュール(後述する)の表面を変形させる機械式プランジャ110があるが、これに限定されるものではない。この実施例では、操作モジュール100は、さらに、光学センサ112、熱センサ114および電気センサ116のような1個以上の感知素子を設ける。この実施例では、操作モジュール100は、流体保持モジュール(後述する)と作用的に接触するインタフェース(境界面)をなすほぼ平坦な表面118を有する。種々の実施例において、操作素子および感知素子を、正確に規定したパターンで、ほぼ平坦な表面118上に、または表面118に近接させて分布させる。この図示の実施例においては、操作素子を、規則的な配列パターンにおいて分布する。しかし、操作素子は、また、不規則なパターンでも配置し得ると理解されたい。
1A and 1B schematically illustrate an embodiment of an
図2Aおよび2Bは、サブストレート202内に流体輸送/封じ込め素子を組み込んだ流体保持モジュール200の実施例を線図的に示す。例えば、サブストレート202は、容易に成形される重合材料から形成し、例えば、ポリジメチルシロキサンエラストマ(PDMS)を使用してフローチャネルを成形する。輸送/封じ込め素子の例としては、フローチャネル204、サンプル流入口206および排出口208、試薬リザーバまたは貯蔵セル210、ならびに、混合および反応セル、熱循環セル、埋め込み磁石、および感知セルのような他のセルおよび素子があるが、これに限定されるものではない。この実施例では、流体保持モジュール200は、操作モジュール100に接触して作用インタフェースをなすほぼ平坦な表面218を有する。種々の実施例において、流体保持モジュール200における素子は、正確に規定されたパターンで、ほぼ平坦な表面218上、または表面218の近傍に分布させる。この図示の実施例において、流体輸送/封じ込め素子は、操作モジュール100上のそれらに対応する操作素子に整合してインタフェースをなすように分布させる。この実施例では、操作モジュール100上の全ての操作素子は、流体保持モジュール200上の流体素子に整合するというわけではない。若干の操作素子が、この実施例で使用する流体保持モジュールのための余剰としているが、異なるレイアウトを有する流体保持モジュールに使用してもよい。操作モジュール上の操作素子を過剰に設けることによって、マイクロ流体装置は、異なるレイアウトを有する流体保持モジュールを用いることによって、異なる用途のために簡単に再構成できる。この実施例では、さらに、流体保持モジュール200上に識別素子224(例えばバーコード)、および操作モジュール100上に読取素子122を設け、操作モジュール100のための制御装置が流体保持モジュール200の構成を決定できるようにする。この実施例では、整合マーカー120および220を、それぞれ操作モジュール100および流体保持モジュール200上に設け、2個のモジュールが接触するときに、種々の素子が適正に整列し、操作モジュール100における操作素子および感知素子が流体保持モジュール200における適正な流体輸送/封じ込め素子に確実に作用できるようにする。
2A and 2B diagrammatically illustrate an example of a
図3Aおよび図3Bは、操作モジュール100および流体保持モジュール200を組み合わせた状態にして有する多機能マイクロ流体装置300の実施例を示す。この実施例において、流体保持モジュール200は、さらに、フローチャンネルを包囲し、フローチャネル内に閉じ込められる流体が操作モジュール100に接触するのを防止するカバー222(例えば、カバーシート)を有する。代案として、または付加的に、操作モジュール100を保護層(例えば、使い捨ての保護層または清浄化が容易な保護層)で被覆することができ、これにより、操作モジュール100が汚れた場合に、この操作モジュール100の清浄度を回復するのが容易になる。
FIGS. 3A and 3B show an example of a multi-function
この実施例において、操作モジュール100および流体保持モジュール200は、クランプ機構302により、互いに着脱可能に固定する。多機能マイクロ流体装置300およびそのコンポーネント(構成要素)にとって、コンポーネントの適正動作には、流体保持モジュール200が操作モジュール100との良好な熱的および/または機械的な接触を生じていることが必要ある。この実施例では、流体保持モジュール200は、クランプ機構302によって操作モジュール100に対する所定位置に保持する。しかし、流体保持モジュール200を、例えばPDMSのような可撓性材料を使用して形成する場合、2個のモジュール間に小さい気泡が溜まる可能性があり、このことは、インタフェースを通過する熱伝導を制限することになる。2個のモジュールを組み立てる他の構成の場合、操作モジュール100には、流体保持モジュール200と整合する表面118上に複数個の小さい孔を設ける。これら孔は、真空源(図示せず)に接続する。2個のモジュールを整合させるとき、インタフェースの端縁に(例えば、Oリングで)シールを生ぜしめ、真空源を使用して、2個のモジュールの空間から空気を除去する。結果として生じる真空は、2個のモジュールを一緒に保持しつつ、良好な熱接触を確実にする。
In this embodiment, the
ある実施例においては、流体輸送/封じ込めモジュールは、サブストレートおよびこのサブストレートに分布させた流体輸送/封じ込め素子(この流体輸送/封じ込め素子の一つ以上はマイクロ流体寸法を有する)を有する流体保持モジュールと、およびアクチュエーション素子とを有し、操作素子は、流体輸送/封じ込め素子と作用インタフェースをなすよう、流体保持モジュールに着脱可能に固定する。 In some embodiments, a fluid transport / containment module includes a substrate and a fluid holding device having fluid transport / containment elements distributed in the substrate, wherein one or more of the fluid transport / containment elements have microfluidic dimensions. The operating element has a module and an actuation element, and is detachably secured to the fluid holding module so as to interface with the fluid transport / containment element.
図3Cは、2個の操作モジュール100′、および流体保持モジュール200′を組み立てた状態にして有する多機能マイクロ流体装置300′の実施例を示す。この実施例において、2個の表面上に流体保持素子を有し、そして、2個の表面の流体保持素子を接続するようモジュールに貫通する少なくとも1個のフローチャネル226を有する流体保持モジュール200′を形成することによって、追加の機能を生ずる。この構成によれば、いかなる任意の領域でも流体保持素子の数を倍増できるだけでなく、フローチャネルが互いに交わることなく互いを交錯させることをも可能にし、このことにより、より一層複雑なジオメトリ(構成配置)を可能にし、機能が増加する。この実施例において、2個の操作モジュール100′は、流体保持モジュール200′の2個の側面上における流体保持素子を個別に動作させるように構成する。
FIG. 3C shows an example of a multi-function
上述の図面に示す種々のコンポーネント(構成要素)を、以下の部分で詳述する。 Various components shown in the above-mentioned drawings will be described in detail in the following sections.
熱制御コンポーネント
図4は熱制御コンポーネント400における実施例を、流体保持モジュール402と、この流体モジュール402に組み合わせた状態で示す熱モジュール404とを有する。流体保持モジュール402は、サブストレート406と、サブストレート406を窪ませて適正した熱制御容積素子408を含む。例えば、サブストレート406は、例えば熱制御容積素子408内の流体よりも低い熱伝導率を有するポリヂメチルシロキサン(PDMS)などの材料で形成する。この実施例では、熱制御容積素子408は、流体保持モジュール402にカバー層410を結合することによって閉塞する。例えば、カバー層410は、比較的高い熱伝導率を有する材料の薄膜(例えば、厚さ2ミクロンのステンレス鋼)とする。ある実施例においては、熱制御容積素子408は、25ミクロン未満の深さを有する。より深い深さも可能であるが、より長い熱平衡時間となる。
Thermal Control Component FIG. 4 includes a
熱モジュール404は、加熱/冷却素子412を有し、また流体保持モジュール402に着脱可能に固定して、加熱/冷却素子412が熱制御容積素子408に熱的に結合する。この実施例においては、加熱/冷却素子412は、熱制御容積をほぼ一様に加熱または冷却するのを保証するよう設計したジオメトリ(形状)の熱電気(ペルチェ)装置とする。この実施例では、ペルチェ装置は、n型およびp型の半導体熱電気材料(例えば、ビスマス・テルル化物<BiTe>)の層416および418に挟まれた、高い導電率および高い熱伝導率の材料(例えば銀)の層414を有する。この実施例では、これらの層は、熱電気材料に電気的接触を生ずるために、高い導電率および高い熱伝導率を有する材料(例えば銅)の2個の層420および422間に、挟み込む。この実施例では、結果として生じる5層サンドイッチ構造を、高い熱伝導材料426(例えば銅または熱伝導セラミック)で形成したヒートシンク424に取り付ける。ヒートシンク材料が導電性である場合、ヒートシンクがペルチェ接合を短絡させるのを防止するために、電気的絶縁材料(例えば、薄いガラス層428)でまた被覆しなければならない。流体保持モジュールを導電性材料の層によって被覆する場合、流体保持モジュール、または熱モジュール、またはその双方を、ペルチェ接合間の短絡を防止するために、電気絶縁層(例えば、ガラス)で被覆しなければならない。ヒートシンク層は、さらに、5層ペルチェ・サンドイッチ構造の中心層に隣接して、低い熱伝導率の領域430を有してもよい。ヒートシンク層の外面は、一定温度に維持するのが望ましい。
The
流体保持モジュール402を、熱モジュール404に対して適切に整列するよう接触させるとき、熱制御コンポーネント400の動作が可能になる。図4に示すように、流体保持モジュール402における熱制御容積素子408は、熱モジュール404における加熱/冷却素子412に隣接し、また、良好な熱的接触状態になる。
When the
5層ペルチェ・サンドイッチ構造は、熱制御容積素子408の温度を、以下の通りにほぼ一様となるよう制御する。電流は、n型半導体から銀層を経てp型半導体にいたる方向にサンドイッチ構造を経て流す。このことにより、銀層の両側の側面でペルチェ効果により熱吸収を生ずる。銀の熱伝導率は、銀層を囲んでいる材料(BiTe、流体、および流体保持モジュール402のサブストレート、を含む)の熱伝導率より少なくとも2桁高いオーダーなので、銀の温度はほぼ均一となる。ペルチェ効果は、また、BiTe層と銅層と間の各接合部分で熱を放出させる。この熱は、銅熱伝導層からヒートシンク層への熱伝導によって消失する。このようにして、銀層の温度は、ヒートシンク層の温度より低い均一な値に維持される。銀層において維持できる最低温度は、全ての隣接層への熱伝導およびBiTe層におけるオーム加熱によって制限されるが、しかし、ヒートシンクが通常の室温に維持されていれば、水をベースとする流体を凍らせる程度には十分に低い。電流を、p型半導体から銀層を経てn型半導体にいたる逆方向に流すと、逆の効果を生ずる。熱は、銀層の2個の側面で放出され、銅‐BiTeの境界面で吸収される。銀層は、このようにしてヒートシンクの温度より高い均一な温度に維持することができる。最高温度は、(この場合、より高い温度の要因になるBiTeにおけるオーム加熱によってでなく)全ての隣接層の熱伝導によって制限されるが、ヒートシンクが通常の室温に維持されるとき、水をベースとする流体を沸騰させる程度には、十分に高い。銀層の温度は、このように、サンドイッチ構造を流れる電流の大きさおよび方向を制御するプロセスにより有用な範囲内で、任意の値に維持できる。2個のモジュールを合体させることにより、熱制御容積素子と銀層との間に良好な熱接触があることを確実にする。このように、熱制御容積素子内における流体の温度は、やはり、この有用範囲内で均一な値に維持される。種々の実施例において、熱制御容積素子408は、2個のモジュール間のインタフェース(境界面)の平面に直交する方向に小さい寸法を有し、これにより熱平衡に迅速に達することを確実にする。例えば、熱制御容積素子の深さを10ミクロンとし、また、カバー層410を厚さ2ミクロンのステンレス鋼で形成すると、熱制御容積素子408内における水をベースとする流体は、加熱/冷却素子412に対して100ミリ秒以内に平衡状態になる。
The five-layer Peltier sandwich structure controls the temperature of the thermal
このシステムにおける温度制御は、ゼーベック効果を用いて実現できる。この場合、このシステムの電流を瞬間的に止める。ゼーベック効果は、銀層と2個の銅熱伝導層と間の温度差のみの関数として、サンドイッチ構造の両側に電位差を生成する。代案として、電流を止めることなしに、システムの電圧‐電流特性を測定することによって、温度差を得ることもできる。 Temperature control in this system can be realized using the Seebeck effect. In this case, the current of this system is stopped instantaneously. The Seebeck effect creates a potential difference on both sides of the sandwich structure as a function of only the temperature difference between the silver layer and the two copper thermal conduction layers. Alternatively, the temperature difference can be obtained by measuring the voltage-current characteristics of the system without stopping the current.
外気温度以下に冷却することを必要としない若干の用途において、ペルチェ・サンドイッチ構造を、オーム性ヒーターに替えることができる。種々の実施例において、熱制御容積素子408を含む流体保持モジュール402を、ペルチェ・サンドイッチ構造もしくはオーム性ヒーターを含む熱モジュール404と、交換可能に使用できる。
In some applications that do not require cooling below ambient temperature, the Peltier sandwich structure can be replaced with an ohmic heater. In various embodiments, a
ある実施例において、熱制御装置は、サブストレートおよびこのサブストレートを窪ませた(マイクロ流体寸法の)熱制御容積素子を有する流体保持モジュールと、加熱/冷却素子を有する熱モジュールとを設け、熱モジュールを流体保持モジュールに着脱可能に固定し、加熱/冷却素子が熱制御容積素子に熱的に結合する。 In one embodiment, a thermal control device includes a fluid holding module having a substrate and a thermal control volume element (microfluid sized) recessed in the substrate, and a thermal module having a heating / cooling element. The module is removably secured to the fluid holding module, and the heating / cooling element is thermally coupled to the thermal control volume element.
弁コンポーネント
図5Aおよび5Bは、弁コンポーネント500の実施例を示し、この弁コンポーネント500は、流体保持モジュール502と、この流体保持モジュールに組み付けた状態で示す熱モジュール504とを有する。流体保持モジュール502は、サブストレート506と、サブストレート506を窪ませて形成したフローチャンネル素子508とを有する。例えば、サブストレート506を、例えば、フローチャンネル素子508内の流体と比較して低い熱伝導率を有するポリヂメチルシロキサン(PDMS)のような材料で形成する。この実施例では、フローチャンネル素子508を、流体保持モジュール502にカバー層510を結合することによって閉塞する。例えば、カバー層510は、比較的高い熱伝導率を有する材料(例えば、厚さ2ミクロンのステンレス鋼)の薄膜とする。ある実施例においては、フローチャンネル素子508は、25ミクロン未満の深さとする。より深い深さにすることも可能であるが、弁の操作時間がより一層長くなる。
Valve Component FIGS. 5A and 5B show an example of a
熱モジュール504は、加熱/冷却素子512(例えば、サブストレート表面に埋め込む)を有し、流体保持モジュール502に着脱可能に固定し、加熱/冷却素子512をフローチャンネル素子508に熱的に結合する。この実施例において、加熱/冷却素子512は、フローチャネルの急速加熱または急速冷却を確実にするよう設計したジオメトリ(形状)の熱電気(ペルチェ)装置とする。ペルチェ装置は、図4につき説明した5層構成とすることができ、または、代案として、拡張した領域において均一な温度を維持する必要がないため、図5Aおよび5Bに示す4層サンドイッチ構造のままにし、銀層を省略することができる。例えば、この4層構成はn型およびp型半導体熱電気材料(例えば、ビスマス・テルル化物(BiTe))の層516および518を有し、つぎにこれらの層を、熱電気材料に対して電気接触を生ずるようにするため、高い導電率および高い熱伝導率を有する材料(例えば銅)の2個の層520、522間に挟み込む。この実施例では、4層サンドイッチ構造は、高い熱伝導率材料526(例えば、銅または熱伝導セラミック)で形成したヒートシンク524に取り付ける。ヒートシンク材料が導電性である場合、ヒートシンクがペルチェ接合を短絡させるのを防止するために、電気的絶縁材料(例えば、薄いガラス層528)で被覆しなければならない。流体保持モジュールを導電材料の層で被覆する場合、流体保持モジュール、または操作モジュール、またはその双方は、ペルチェ接合にわたる短絡を防止するために、電気絶縁層(例えば、ガラス)で被覆しなければならない。ヒートシンク層は、また、4層ペルチェ・サンドイッチ構造の中心層に隣接して、低い熱伝導率の領域530を設けることができる。ヒートシンク層の外面は、一定温度に維持するのが望ましい。
The
弁コンポーネント500を作動するために、フローチャンネル素子508が熱モジュール504に接触させ、フローチャンネル素子508が熱操作素子と良好な熱接触状態となるようにする。弁は、ペルチェ装置を使用して閉じ、流体の凍結点以下にフローチャネルを冷却する。流体が凍結するとき、生ずる中実プラグはチャネル内でそれ以上に流れるのを阻止する。チャネルを暖めるようペルチェ装置における電流の向きを逆転させてプラグを溶解させるか、または、ペルチェ装置への給電を止め、周囲の材料からの熱伝導によってフローチャネルを加熱することによって、弁を開く。弁を作動させるのに必要な時間は、弁の寸法に依存する。例えば、深さ10ミクロンのフローチャネルおよび厚さ2ミクロンのステンレス鋼カバー層とし、水をベースとする流体のための弁は、10ミリ秒以内に開閉できる。
To operate the
かくして、ある実施例において、熱制御装置には、サブストレート、およびこのサブストレートを窪ませた(マイクロ流体寸法の)フローチャンネルを有する流体保持モジュールと、ペルチェ装置を有する熱モジュールとを設け、熱モジュールを流体保持モジュールに着脱可能に固定して、ペルチェ装置がフローチャネルに熱的に結合する。 Thus, in one embodiment, the thermal control device includes a substrate, a fluid holding module having a flow channel (microfluidic dimension) recessed in the substrate, and a thermal module having a Peltier device. A Peltier device is thermally coupled to the flow channel with the module removably secured to the fluid retention module.
他の実施例において、弁装置には、サブストレート、およびこのサブストレートに形成したマイクロ流体寸法のフローチャンネルを有する流体保持モジュールと、この流体保持モジュールに着脱可能に固定した操作モジュールとを設け、操作モジュールは、フローチャネルに隣接したペルチェ装置を有し、このペルチェ装置はフローチャンネル内の材料の相を変化させ、相変化弁をなすようにする。 In another embodiment, the valve device includes a substrate, a fluid holding module having a microfluidic flow channel formed on the substrate, and an operation module detachably fixed to the fluid holding module. The operating module has a Peltier device adjacent to the flow channel that changes the phase of the material in the flow channel to form a phase change valve.
ポンプコンポーネント
図6Aおよび6Bは、流体保持モジュール602と、この流体保持モジュールに組み合わせた状態を示す操作モジュール604とを有するポンプコンポーネント600の実施例を示し、上述したように、モジュール602および604は、互いに着脱可能に固定する。流体保持モジュール602は、サブストレート606を有する。メインフローチャンネル608、制御チャンネル610、および可変容積セル612は、図示のように、サブストレート606を窪ませて形成する。カバー層614は、サブストレート606上に結合する。操作モジュール604は、2個の弁620および622(例えば、上述のペルチェ作動弁)と、、2個の弁620および622間のメインフローチャンネル608に接続した可変容積セル612の容積を変化させる機構(この図面には示さない)とを有する。この実施例では、可変容積セルは、制御チャンネルによってメインフローチャンネルに接続したものとして示す。可変容積セルは、また、メインフローチャンネルに整列させて、別個の制御チャンネルを不要にすることもできることを理解されたい。メインフローチャンネル自体の容積を増減させることによってポンプ作用を遂行することもできる。
Pump Component FIGS. 6A and 6B show an example of a
ある実施例において、ポンプ装置には、接続部で合流するメインフローチャンネルおよび可変容積セルを有し、メインフローチャンネルおよび可変容積セルのうち少なくとも一方がマイクロ流体寸法である流体保持モジュールと、この流体保持モジュールに着脱可能に固定する操作モジュールとを設け、この操作モジュールは、接続部の両側でメインフローチャンネルに隣接して配置した2個の弁を設け、これら2個の弁は、接続部の両側でメインフローチャンネルを開閉するよう選択的に制御可能とし、さらに、操作モジュールは、選択的に2個の弁を制御すること関連してポンプを設け、可変容積セルの容積を変化させる機構設ける。 In one embodiment, the pump device has a main flow channel and a variable volume cell that merge at the connection, and at least one of the main flow channel and the variable volume cell has a microfluidic dimension, and the fluid And an operation module that is detachably fixed to the holding module. The operation module is provided with two valves arranged adjacent to the main flow channel on both sides of the connection part, and these two valves are connected to the connection part. The control module is selectively controllable to open and close the main flow channel on both sides, and the operation module is provided with a mechanism for selectively controlling the two valves and a mechanism for changing the volume of the variable volume cell. .
流体を収容するモジュールを操作モジュールから分離する能力を維持すると共に、容積変化を遂行するために、種々の機構を使用できる。 Various mechanisms can be used to perform the volume change while maintaining the ability to separate the module containing the fluid from the operating module.
電気機械的操作機構
図7Aおよび7Bは、流体保持モジュール702、およびこの流体保持モジュール702に組み合わせた状態で示す操作モジュール704を有するポンプコンポーネント700の実施例を示し、上述したように、モジュール702および704は、互いに着脱可能に固定する。流体保持モジュール702は、サブストレート706を有する。メインフローチャンネル708、制御チャンネル710および可変容積セル712は、図示のように、サブストレート706を窪ませて形成する。カバー層714を、サブストレート706上に結合する。操作モジュール704は、2個の弁720および722(分かり易くするため図7Bには示さない)、例えば、上述したようなペルチェ作動弁と、2個の弁720および722間のメインフローチャンネル708に接続した可変容積セル712の容積を変化させるための電気機械的操作機構724とを有する。この実施例では、電気機械的操作機構724は、プランジャ部材726、および駆動機構728を有する。流体保持モジュール702は、図示のように、電気機械的操作機構724に隣接配置した可撓性の薄膜730を有する。例えば、可撓性の薄膜730は、変形した場合、弛緩状態に復帰するよう、ばね負荷を与える。ある実施例において、操作モジュール704は、可動プランジャを有し、この可動プランジャは、2個のモジュールを組み立て、プランジャを突出させるとき、可変容積セル上の可撓性の薄膜を変形させ、これにより、セルの容積を減少するように構成する。プランジャが後退するときに、可撓性の薄膜に加わるばね負荷により、薄膜をその弛緩位置に復帰する力を加え、これによって、セルの初期容積に復元する。例えば、プランジャが後退し、流入弁が閉じ、流出弁が開いた状態でスタートするとき、ポンプ作用は、以下の逐次ステップで達成される:
1. プランジャを突出させる。
2. 流出弁を閉じる。
3. 流入弁を開く。
4. プランジャを後退させる。
5. 流入弁を閉じる。
6. 流出弁を開く。
ステップ6の後、ポンプはその初期状態に復帰しており、そして、この逐次ステップは所望の流体量をポンプ送給するのに必要な回数だけ繰り返す。説明を分かり易くするため、可変容積セル712は、メインフローチャンネル708から分岐し、制御チャンネル710によって接続したものとして示す。可変容積セル712は、メインフローチャンネル708のライン上に組み入れることもできる。用途によっては、メインフローチャンネル708自体を、「可変容積セル」として使用すると有利である場合もある。いずれの場合でも、操作モジュール704におけるプランジヤ部材726は、流体保持モジュール702における可変容積セル712の位置、寸法および形状に適合する位置、寸法、および形状にすることができる。また、このポンプを対称形にし、2個の弁のうちどちらを、流入弁にし、どちらを流出弁にするかを選択することによって、いずれの方向にも流体をポンプ送給することができるものと認識されたい。
Electromechanical Operating Mechanism FIGS. 7A and 7B show an example of a
1. Pull out the plunger.
2. Close the spill valve.
3. Open the inlet valve.
4. Retract the plunger.
5. Close the inlet valve.
6. Open the spill valve.
After step 6, the pump has returned to its initial state, and this sequential step is repeated as many times as necessary to pump the desired amount of fluid. For ease of explanation,
電磁操作機構
図8Aおよび8Bは、流体保持モジュール802、およびこの流体保持モジュールに組み合わせた状態で示す操作モジュール804を有するポンプコンポーネント800の実施例を示し、上述したように、モジュール802および804は、互いに着脱可能に固定する。流体保持モジュール802は、サブストレート806を有する。メインフローチャンネル808、制御チャンネル810および可変容積セル812は、図示のようにサブストレート806を窪ませて形成する。カバー層814を、サブストレート806上に結合する。操作モジュール804は、2個の弁820および822(分かり易くするため、図8Bには示さない)、例えば、上述したようなペルチェ作動弁と、2個の弁820および822間のメインフローチャンネル808に接続した可変容積セル812の容積を変化させる電磁操作機構824とを有する。この実施例では、電磁操作機構824は、電磁コイル826を有し、それにより、操作モジュール804上に可動コンポーネントを有することによって生じうるいかなる潜在的問題も回避する。この実施例において、流体保持モジュール802は、可変容積セル812に隣接させてサブストレート806に埋め込んだ永久磁石828を有する。この実施例において、流体保持モジュール802は、永久磁石828を可変容積セル812から分離する可撓性の薄膜830を有し、流体が磁石に接触しないようにするが、操作モジュール804に接近または遠ざかる磁石の移動により可変容積セル812の容積を、それぞれ、減少または増加させるようにする。この実施例においては、流体保持モジュール802が作用モジュール804に接触するときには、ペルチェヒーター/クーラー820および822を使用して、流入弁および流出弁を開閉するとともに、操作モジュール804における電磁素子(電磁コイル826)を使用して、可変容積セル812の容積を、交互に増減させるよう、流体保持モジュール802における永久磁石828を、交互に、押し引きする。例えば、電磁石を切り、流入弁を閉じ、そして流出弁を開いた状態でスタートする場合、ポンプ作用は、以下の逐次ステップで達成される:
1. 永久磁石を引きつける。
2. 流出弁を閉じる。
3. 流入弁を開く。
4. 永久磁石をはね返す。
5. 流入弁を閉じる。
6. 流出弁を開く。
この逐次ステップは、所望の流体量をポンプ送給するのに必要な回数だけ繰り返す。図7Aおよび7Bにつき上述したように、可変容積セル812は、メインフローチャンネル808のライン上に配置するか、または、制御チャンネル810によりメインフローチャンネル808に接続する。また、このポンプを対称形にし、2個の弁のうちどちらを、流入弁にし、どちらを流出弁にするかを選択することによって、いずれの方向にも流体をポンプ送給することができるものと認識されたい。
Electromagnetic Operating Mechanism FIGS. 8A and 8B show an example of a
1. Attract the permanent magnet.
2. Close the spill valve.
3. Open the inlet valve.
4. Repel the permanent magnet.
5. Close the inlet valve.
6. Open the spill valve.
This sequential step is repeated as many times as necessary to pump the desired amount of fluid. As described above with respect to FIGS. 7A and 7B, the
熱操作機構
図9Aおよび9Bは、流体保持モジュール902、およびこの流体保持モジュールに組み合わせた状態で示す操作モジュール904を有するポンプコンポーネント900の実施例を示し、上述したように、モジュール902および904を、互いに着脱可能に固定する。流体保持モジュール902は、サブストレート906を有する。メインフローチャンネル908、制御チャンネル910および可変容積セル912は、図示のように、サブストレート906を窪ませて形成する。カバー層914を、サブストレート906上に結合する。操作モジュール904は、2個の弁920および922(分かり易くするため図8Bに示さない)、例えば、上述したようなペルチェ作動弁と、2個の弁920および922間のメインフローチャンネル908に接続した可変容積セル912の容積を変化させる熱操作機構924とを有する。この実施例では、熱操作機構924は、熱制御素子926、例えば、ペルチェヒーター/クーラーを有する。この実施例において、第1制御流体932が、制御チャンネル910のメインフローチャンネル908との交差点近傍部分を、満たしている。この実施例では、第1制御流体932は、ポンプ送給している流体とは混ざらない性質とする。この実施例では、第1制御流体932は極めて低い蒸気圧を有し、したがって、このポンプを組み込んだ任意の装置の有効寿命にわたりほとんど蒸発しない。これらの必要条件を満たす流体の例としては、真空ポンプオイルがある。この実施例では、第2制御流体934が、可変容積セル912および制御チャンネル910を部分的に満たし、図示のように、第1制御流体932との境界面まで達する。この実施例では、第2制御流体934は、第1制御流体932とは混ざらない性質とする。さらに、この実施例では、第2制御流体934は、弁の周囲の通常温度を僅かに上回る温度で蒸発する液体とする。このような流体の例としては、水がある。第2制御流体934を加熱するとき、若干の液体が蒸発し、第1制御流体932をメインフローチャンネル908に向かって移動するよう押しやる。このことにより、メインフローチャンネル908の容積を効果的に減少させる。
Thermal Manipulation Mechanism FIGS. 9A and 9B show an example of a
この実施例において、操作モジュール904は、3個のペルチェ加熱/冷却素子を組み込む。これらの素子は、パターン上に配置され、ポンプコンポーネント900の2個のモジュール902および904を組み合わせるとき、2個のペルチェ加熱すし冷却素子は、メインフローチャンネル908に隣接させ、制御チャンネル910との交差点の両側に各1個ずつ配置する。3個のペルチェ加熱/冷却素子は、可変容積セル912の温度を制御するよう、位置決めする。動作のために、ポンプコンポーネント900の2個のモジュール902および904を組み合わせる。例えば、第2制御流体934が室温であり、流入弁を閉じ、そして流出弁を開いた状態でスタートすると、ポンプ作用は以下の逐次ステップで達成される:
1. 第2制御流体を加熱して、蒸発させる。
2. 流出弁を閉じる。
3. 流入弁を開く。
4.第2制御流体を冷却して、凝縮させる。
5. 流入弁を閉じる。
6. 流出弁を開く。
この逐次ステップは、所望の流体量をポンプ送給するのに必要な回数だけ繰り返す。また、このポンプを対称形にし、2個の弁のうちどちらを、流入弁にし、どちらを流出弁にするかを選択することによって、いずれの方向にも流体をポンプ送給することができるものと認識されたい。
In this example, the
1. Heat and evaporate the second control fluid.
2. Close the spill valve.
3. Open the inlet valve.
4. Cool and condense the second control fluid.
5. Close the inlet valve.
6. Open the spill valve.
This sequential step is repeated as many times as necessary to pump the desired amount of fluid. In addition, the pump can be pumped in either direction by making this pump symmetrical and selecting which of the two valves is the inflow valve and which is the outflow valve. I want to be recognized.
このポンプのために、長い期間保存されると、環境の温度における通常の変化が、第2制御流体934の若干が蒸発し、この結果、第1制御流体932がメインフローチャンネル908内に押しやられ、第2制御流体934の損失を招く可能性がある。この懸念に対処するため、第1制御流体932は、弁の通常の環境温度では固相だが、適温で溶融する物質として設ける。この種の二相性材料の例としては、パラフィンワックスがある。この種の形態を、以下に説明する。
Because of this pump, when stored for a long period of time, normal changes in ambient temperature cause some of the
図10Aおよび10Bは、以下に説明する点を除いて、ポンプコンポーネント900(図9Aおよび9B参照)に類似するポンプコンポーネント1000の実施例を示す。この実施例において、第1二相性材料936および第2二相性材料938を、図示のように、制御チャンネル910および可変容積セル912に設ける。この実施例において、操作モジュール904は、図示のように位置決めし、ポンプを使用しているときに、第1二相性材料936を加熱して溶融させる加熱素子940を有する。このとき、ポンプは、上述したように、サイクル動作する。ポンプ作用が完了するとき、第1二相性材料936は冷えて凝固し、再び、制御チャンネル910内に第2二相性材料938を閉じ込める。代案として、比較的低い蒸気圧を有する第2二相性材料938を使用して、第1二相性材料936を前後にポンプ送りする。例えば、第2二相性材料938がパラフィンワックスである場合、弁の通常環境温度では固相であり、蒸発または損失の危険度はない。弁はパラフィンを加熱して溶融させることによってサイクル動作し、この溶融により、2〜3%の体積増加を生じ、これに続いて冷却して凝固させ、体積増加が逆転する。この体積変化は液相‐蒸気相変化を使用して得られるものよりはるかに小さいが、それはより正確で、用途によっては十分である。また、パラフィンワックスを、1および第2の二相性材料936および938の双方に使用することができ、互いに明確な境界線なしに、用いることができる。第2二相性材料938として水を使用する場合、パラフィンワックスよりも大きな体積変化(約9%)を生じるが、相変化は概して弁の通常環境温度より低い温度で発生するので、熱制御素子をペルチェ装置とすることが必要である。最後に、効率的ではないが、ポンプコンポーネントは、相変化せずに、第2二相性材料938の熱膨張や熱収縮を使用する形態とすることができる。
FIGS. 10A and 10B show an example of a
他の実施例としては、第1制御流体に代えて、可撓性のダイヤフラムを使用する。この形態において、制御チャンネルを可撓性のダイヤフラムによってメインフローチャンネルから分離し、ダイヤフラムが強制移動させられるとき、メインフローチャンネルの容積が増減する。閉じた制御チャンネルには、制御流体、例えば、加熱時に蒸発して、冷却時に凝縮する水を充填する。ポンプ作用は、上述したのと同様に、6ステップシーケンスによって行われる。第1制御流体の代わりに可撓性ダイヤフラムを使用することは、第2制御流体の選択に、より多くの融通性をもたらす。すなわち、混ざり合う流体を避ける必要がなくなり、そして、流体損失の可能性も縮小するからである。 In another embodiment, a flexible diaphragm is used instead of the first control fluid. In this configuration, the volume of the main flow channel increases or decreases when the control channel is separated from the main flow channel by a flexible diaphragm and the diaphragm is forced to move. The closed control channel is filled with a control fluid, such as water that evaporates when heated and condenses when cooled. The pumping action is performed by a 6-step sequence, as described above. Using a flexible diaphragm instead of the first control fluid provides more flexibility in selecting the second control fluid. That is, it is not necessary to avoid mixed fluids and the potential for fluid loss is reduced.
双安定弁コンポーネント
ある用途では、電力供給がなくても、開放位置または閉鎖位置を維持する弁を設けるのが有用である。本発明の種々の実施例によれば、電気的に作動する双安定弁(例えば、マイクロ弁)は、相変化制御流体を使って、弁を通過する作動流体の流れを交互に阻止もしくは解除する。制御流体は、側部チャンネルから導入し、制御流体が液相状態であるときに、ポンプ作用でメインフローチャンネルに出入りさせる。
Bistable valve component In certain applications, it is useful to provide a valve that maintains an open or closed position even without power. In accordance with various embodiments of the present invention, an electrically actuated bistable valve (e.g., a microvalve) uses a phase change control fluid to alternately block or release the flow of working fluid through the valve. . Control fluid is introduced from the side channel and is pumped into and out of the main flow channel when the control fluid is in the liquid phase.
図11Aおよび11Bは、流体保持モジュール1102、およびこの流体保持モジュールに組み合わせた状態で示す操作モジュール1104を有する弁装置1100の実施例を示し、上述したように、モジュール1102および1104は、互いに着脱可能に固定する。流体保持モジュール1102は、サブストレート1106を有する。この実施例において、サブストレート1106は、低い熱伝導率を有する材料(例えばPDMS)で形成する。メインフローチャンネル1108、制御チャンネル1110およびリザーバ1112は、図示のように、サブストレート1106を窪ませて形成する。この実施例において、メインフローチャンネル1108は、直線的に、水平経路をなすように弁装置1110を横断し、また、制御チャンネル1110は、(メインフローチャンネル1108と制御チャンネル1110との間における)接続部1114からリザーバ1112にいたる経路をなす。この実施例では、弁装置1100は二相性材料1116を有し、この二相性材料1116は、弁装置1100が開放状態にあるとき、それはリザーバ1112および制御チャンネル1110内にほぼ、または完全に閉じ込められる。二相性材料1116は、弁装置1100の通常の外気温度より高い温度で溶融する物質である。カバー層1118を、サブストレート1106上に結合する。
FIGS. 11A and 11B show an embodiment of a
この実施例において、操作モジュール1104は熱制御素子1120を有し、この熱制御素子は、2個のモジュールを組み合わせるとき、熱制御素子1120が、リザーバ1112全体、ならびに制御チャンネル1110およびメインフローチャンネル1108の一部を、二相性材料1116の溶融点より高い温度に加熱することができるよう位置決めする。例えば、熱制御素子1120は単純な抵抗ヒーターとすることができ、この場合に、熱制御素子1120をスイッチオフした後に、熱は伝導によって周囲に放出され、そして、二相性材料1116が再固化する。代案として、熱制御素子1120をペルチェ接合とすることができ、この場合には、二相性材料1116は電流の向きを逆転させて冷却および固化するようペルチェ接合をクーラーとして作動させる。この実施例において、弁装置1100は、二相性材料1116を接続部1114に対してポンプ作用により出入りさせるポンプ機構(この図に示さない)を有する。本願明細書に記載したように、種々のポンプ機構、例えば、プランジャ操作機構、電磁操作機構、または熱的相変化操作機構を使用できるが、これに限定されるものではない。
In this embodiment, the
弁装置1100が開放状態にあるとき、二相性材料1116は固相で、メインフローチャンネル1108を阻止しない。弁装置1100を閉じるためには、二相性材料1116が占有する領域全体、ならびに接続部1114を、二相性材料1116の融点より高い温度に加熱する。「制御流体」に相変化した後、二相性材料1116は2個のチャネル1108および1110間の接続部1114、およびメインフローチャンネル1108の若干の付加的部分を完全に満たすまで、二相性材料1116をメインフローチャンネル1108にポンプ送りする。この後、熱制御素子1120を停止させると、二相性材料1116は凝固できる。図12Aおよび12Bにつき説明すると、弁装置1100を通過する作動流体(図示せず)の流れは、二相性材料1116の中実プラグ1122によって阻止され、したがって、弁装置1100は閉鎖状態となる。開放状態および閉鎖状態のいづれにおいても、二相性材料1116は、通常固相であり、弁装置1100の状態を切り替えるためにだけ、その融点まで加熱する。弁装置1100を再び開放するために、熱制御素子1120を使用して、二相性材料1116を溶融する。再度、「制御流体」となった後、二相性材料1116は、それからリザーバ1112にポンプ作用で戻され、再び、冷却および固化する。弁装置1100は、このように開放状態に復帰する(図11Aおよび11B参照)。弁装置1100は電力供給によって繰り返しサイクル動作することができる、しかし、弁装置1100開放状態および閉鎖状態に維持するには、電力は必要としない。二相性材料1116がサイクル動作の間に損失しないならば、弁装置1100のサイクル動作できる回数に基本的には制限がない。
When the
ある実施例において、弁装置には、サブストレート、このサブストレートに形成したチャンネルであって、少なくとも1個のチャンネルはマイクロ流体寸法を有し、接続部で合流するメインフローチャンネルおよび制御チャンネル、および制御チャンネル内の二相性材料を有する流体保持モジュールと、流体保持モジュールに着脱可能に固定する操作モジュールとを設け、この操作モジュールは、制御チャンネルおよび接続部に隣接する加熱素子を有し、この加熱素子は、十分なエネルギーを発生して二相性材料を固相から液相に変化させるものとし、さらに、二相性材料が液相であるときに二相性材料を接続部に対して選択的に強制出し入れさせるポンプ機構を設け、双安定相変化弁をなすようにする。 In one embodiment, the valve device includes a substrate, a channel formed in the substrate, wherein at least one channel has a microfluidic dimension and joins at a connection main flow channel and control channel; and A fluid holding module having a biphasic material in the control channel and an operating module removably secured to the fluid holding module are provided, the operating module having a heating element adjacent to the control channel and the connection, The element shall generate sufficient energy to change the biphasic material from solid phase to liquid phase, and selectively force the biphasic material to the connection when the biphasic material is in liquid phase A pump mechanism for taking in and out is provided to form a bistable phase change valve.
若干の用途にあっては、装置が必要とされるまでの長期間にわたり、流体をマイクロ流体装置における貯蔵セルに貯蔵するのが好ましい場合がある。装置を使用するときに、流体を放出し、例えば、サンプルを分析する試薬として作用させる。一旦流体が放出され、使用されると、貯蔵セルを再度シールする必要はない。この種の用途のために、使い捨ての双安定弁があることは、有用である。 In some applications, it may be preferable to store fluid in a storage cell in a microfluidic device for an extended period of time until the device is needed. When using the device, the fluid is released, for example acting as a reagent for analyzing the sample. Once the fluid is released and used, there is no need to reseal the storage cell. For this type of application, it is useful to have a disposable bistable valve.
種々の実施例において、弁装置は、作動するまで、閉鎖状態のままにし、その後、開放位置に切り替え、またこの開放状態を維持するよう、構成する。例えば、この種の「一回使用」の弁装置は、長期間にわたり、閉じた容積内に流体をシールするのに使用することができる(例えば、マイクロ流体装置における流体貯蔵)。図13Aおよび13Bは、以下に説明する点を除いて、弁装置1100(図11A、11B、12Aおよび12B参照)に類似する弁装置1300の実施例を示す。この実施例において、流体保持モジュール1102には、液相の二相性材料1116によって湿潤し易い多孔性材料1304(例えば、吸い出し手段としてのウィック)を充填した端部容積部1302を設ける。この弁において、二相性材料1116は、初期的には固体の状態で、メインフローチャンネル1108および制御チャンネル1110間の接続部1114を阻止する。初期的に固相である二相性材料1116は、端部容積部1302を除いて制御チャンネル1110も満たす。流体保持モジュール1102は操作モジュール1104に整合し(作用インタフェースをなす)、この操作モジュール1104は、二相性材料1116を加熱する熱制御素子1120を有する。弁装置1300は、二相性材料1116を加熱することによって作動する。二相性材料1116が液化されると、制御チャンネル1110の端部で端部容積部1302内に毛細管作用によって引き込まれ、このことによりメインフローチャンネル1108から吸い出される。つぎに、熱制御素子1120は、制御流体を冷やすために切り替え、制御流体は凝固する。弁装置1300はこの構成では開放状態となり、作動流体はメインフローチャンネル1108を自由に通過することができる。
In various embodiments, the valve device is configured to remain closed until activated, then switch to the open position and maintain this open state. For example, this type of “single use” valve device can be used to seal fluid in a closed volume over an extended period of time (eg, fluid storage in a microfluidic device). 13A and 13B show an embodiment of a
ある実施例において、弁装置には、サブストレート、このサブストレートに形成したチャンネルであって、少なくとも1個のチャンネルはマイクロ流体寸法を有し、接続部で互いに合流するメインフローチャンネルおよび制御チャンネル、制御チャンネル内の二相性材料、および二相性材料が液相であるときに接続部から二相性材料を毛細管作用で吸い出す機構を有する流体保持モジュールと、この流体保持モジュールに着脱可能に固定する操作モジュールとを設け、この操作モジュールには、制御チャンネルおよび接続部に隣接する加熱素子を設け、この加熱素子は、十分なエネルギーを発生して二相性材料を固相から液相に変化させるよう制御可能にして、一回使用の相変化弁をなすようにする。 In one embodiment, the valve device includes a substrate, a channel formed in the substrate, wherein at least one channel has a microfluidic dimension, and a main flow channel and a control channel that join each other at a connection, A biphasic material in the control channel, a fluid holding module having a mechanism for sucking out the biphasic material from the connection portion by capillary action when the biphasic material is in a liquid phase, and an operation module for detachably fixing to the fluid holding module The operating module is equipped with a heating element adjacent to the control channel and connection, which can be controlled to generate enough energy to change the biphasic material from solid to liquid phase And make a single use phase change valve.
この弁の変更例として、多孔性材料の代わりに、制御チャンネルよりも相当小さい複数個のマイクロチャネルを使用する。図14Aおよび14Bは、以下に説明する点を除いて、弁装置1100(図11A、11B、12Aおよび12B参照)に類似する弁装置1400の実施例を示す。この実施例において、流体保持モジュール1102は、制御チャンネル1110内に配置した複数個のマイクロチャネル1402を有する。マイクロチャネル1402は、初期的には、二相性材料1116がない。弁装置1400を加熱して二相性材料1116を溶融させるとき、この結果として生じる制御流体が毛細管作用によってマイクロチャネル1402に流入し、制御流体をメインフローチャンネル1108から抜き出す。この後、熱制御素子1120をオフにすると、弁装置1400は開放状態のままで、制御流体が凝固することができる。
As a modification of this valve, a plurality of microchannels considerably smaller than the control channel are used instead of the porous material. 14A and 14B show an embodiment of a
種々の実施例において、使い捨ての双安定弁装置は、初期的に、開いている。このような実施例では、電力供給により弁装置を閉鎖させ、そして、電力がオフにされた後、それは閉鎖状態のままとなる。図15A、15B、16Aおよび16Bは、以下に説明する点を除いて、弁装置1100(図11A、11B、12Aおよび12B参照)に類似する、弁装置1500の実施例を示す。この実施例において、流体保持モジュール1102は制御容積部1502を有し、この制御容積部の少なくとも一方の側面を、可撓性ダイヤフラム1504(例えば、ばね負荷金属ダイヤフラム)およびカバー層1506によって閉鎖する。制御チャンネル1110を制御容積部1502に達せしめ、双方とも二相性材料1116を充填する。しかしながら、接続部1114には満たさず、作動流体は弁装置1500内を自由に流れることができる。とくに、制御容積部1502は、可撓性ダイヤフラム1504が応力によって外方に押しやられるポイント(図15Aおよび15B参照)まで充填し、弛緩状態より大きい制御容積部1502となるようにする。二相性材料1116は固体であるため、可撓性ダイヤフラム1504はその弛緩状態に移動することができず、外方へ押しやられた状態にとどまる。弁装置1500は、制御容積部1502、制御チャンネル1110および接続部1114を、二相性材料1116の融点より高い温度まで加熱することによって作動する。このとき、ダイヤフラム1504は弛緩し、制御容積部1502のサイズを減少させ、流体に接続部1114に流入させる。つぎに、熱制御素子1120を冷却に切り替え、制御流体を固化する。弁装置1500は、更なる電力供給を必要とせず、図16Aおよび16Bに示すように、閉鎖位置で安定している。
In various embodiments, the disposable bistable valve device is initially open. In such an embodiment, the power supply causes the valve device to close and after power is turned off, it remains closed. 15A, 15B, 16A, and 16B show an embodiment of a
ある実施例において、弁装置は、サブストレート、このサブストレートに形成したチャンネルであって、少なくとも1個のチャンネルはマイクロ流体寸法を有し、接続部で互いに合流するメインフローチャンネルおよび制御チャンネル、制御チャンネル内の二相性材料、この二相性材料に隣接する可撓性のダイヤフラムであって、二相性材料が液相であるとき二相性材料を接続部に向けて押しやるようバイアスを加えたダイヤフラムを有する流体保持モジュールと、この流体保持モジュールに着脱可能に固定する操作モジュールとを設け、この操作モジュールは、制御チャンネルおよび接続部に隣接して加熱素子を設け、この加熱素子は、十分なエネルギーを発生して二相性材料を固相から液相に変化させるよう制御可能にし、これにより、一回使用の相変化弁をなすようにする。 In one embodiment, the valve device is a substrate, a channel formed in the substrate, wherein at least one channel has a microfluidic dimension, and a main flow channel and a control channel that join together at a connection, a control A biphasic material in the channel, a flexible diaphragm adjacent to the biphasic material, biased to bias the biphasic material toward the connection when the biphasic material is in liquid phase A fluid holding module and an operation module that is detachably fixed to the fluid holding module are provided. The operation module is provided with a heating element adjacent to the control channel and the connection, and the heating element generates sufficient energy. To control the biphasic material to change from solid phase to liquid phase, To form an phase change valve times used.
類似のポンプ輸送方法論は、初期的に閉鎖状態である使い捨ての双安定弁装置を作るのに適用できる。図17A、17B、18Aおよび18Bは、以下に説明する点を除いて、弁装置1500(図15A、15B、16Aおよび16B参照)に類似する弁装置1700の実施例を示す。この実施例において、二相材料1116は、初期的に、制御容積部1502、制御チャンネル1110、および接続部1114を満たし、メインフローチャンネル1108を通過する作動流体の流れを阻止する。この実施例において、制御容積部1502は充填された状態の下で、ダイヤフラムはばね負荷に抗して内方に変位する。電力が供給されて二相性材料1116を加熱し、溶融すると、ダイヤフラム1504は弛緩し、制御容積部1502を増大させ、制御流体をメインフローチャンネル1108から抜き出す。つぎに、給電を止めて制御流体を冷却し、また固化すると、弁装置1700は図18Aおよび18Bに示した形態のままとなり、このとき、作動流体は自由に流れることができる。
Similar pumping methodologies can be applied to make disposable bistable valve devices that are initially closed. 17A, 17B, 18A, and 18B show an embodiment of a
ある実施例において、弁装置は、サブストレート、このサブストレートに形成したチャンネルであって、少なくとも1個のチャンネルはマイクロ流体寸法を有し、接続部で互いに合流するメインフローチャンネルおよび制御チャンネル、この制御チャンネル内の二相性材料、およびこの二相性材料に隣接する可撓性のダイヤフラムであって、二相性材料が液相であるときこの二相性材料を接続部から引き出すようバイアスを加えたダイヤフラムを有する流体保持モジュールと、この流体保持モジュールに着脱可能に固定する操作モジュールとを設け、この操作モジュールは、制御チャンネルおよび接続部に隣接して加熱素子を有し、この加熱素子は、十分なエネルギーを発生して二相性材料を固相から液相に変化させるよう制御可能にし、これにより、一回使用の相変化弁をなすようにする。 In one embodiment, the valve device is a substrate, a channel formed in the substrate, wherein at least one channel has a microfluidic dimension, and a main flow channel and a control channel that join each other at a connection, A biphasic material in the control channel, and a flexible diaphragm adjacent to the biphasic material, biased to draw the biphasic material from the connection when the biphasic material is in liquid phase. A fluid holding module having an operating module that is detachably secured to the fluid holding module, the operating module having a heating element adjacent to the control channel and the connection, the heating element having sufficient energy Can be controlled to change the biphasic material from a solid phase to a liquid phase. Accordingly, to as to form a phase change valve single use.
上述した実施例のそれぞれにおいて、弁の切り替えには、二相性材料1116を液相に変えることを含んでおり、そして、それは潜在的にメインフローチャンネル1108の下流に押し流されることがある。そのシステムの下流に、固体の二相性材料1116の粒子が、小さいフローチャネルをブロックするか、化学的もしくは生物学的プロセス、または分析に干渉する恐れのある部分がある場合、問題となりうる。サイクル動作する弁を通過するいかなる流れでも、制御流体の損失はありえる。上述の実施例において、この潜在的問題は、双安定弁と直列に、他のタイプである第2の弁を弁装置に設けることによって対処される。このようにすると、双安定弁がサイクル動作するときに、双安定弁内に圧力降下がなくかつ流れがないことを保証できる。例えば、図19を参照して説明すると、弁装置1900(弁装置1100に類似する)には、双安定弁と直列にしてペルチェ作動弁1902を設ける。この図において、双安定弁は、開放状態にある。双安定弁を閉鎖するには、まず、電力を、ペルチェ作動弁1902に供給する。このことにより、システム内の全ての流れを止める。つぎに、双安定弁を、上述したようにサイクル動作させる。制御流体が固化した後、ペルチェ作動弁1902をオフにすることができる。これにより、弁装置1900に、図20に示した閉鎖状態に、再配置する。弁装置1900は、電力を供給せずに、閉鎖状態で安定する。弁装置1900を再び開放状態にするために、まず、電力を供給してペルチェ作動弁1902を閉鎖する。このことにより、双安定弁全体を通して圧力降下がないことを保証する。つぎに、上述したように双安定弁をサイクル動作させ、このとき若干量の制御流体を下流に押し出すかもしれない作動流体の突然の激流を生ずるという懸念はない。双安定弁がサイクル動作を完了し、制御流体が固化した後、ペルチェ作動弁1902をオフにすることができ、流体の流れを許容する。ペルチェ作動弁1902は、任意の双安定弁と組み合わせることができ、上述の実施例に限定されない。
In each of the embodiments described above, switching the valve includes changing the
本発明を上述の実施例につき説明したが、上述の実施例に対して多数の変更および/または付加を加えることができることは、当業者にとって明らかであろる。本発明の範囲は、この種の変更および/または付加全てに及ぶことを意図するものである。 Although the present invention has been described with reference to the above embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that many changes and / or additions can be made to the embodiments described above. The scope of the present invention is intended to cover all such modifications and / or additions.
Claims (86)
サブストレート、およびこのサブストレートに分布させた流体輸送/封じ込め素子を有し、これら流体輸送/封じ込め素子のうちの1個もしくはそれ以上がマイクロ流体寸法を有するものとした流体保持モジュールと、
操作素子を有する操作モジュールであって、前記流体保持モジュールに着脱可能に固定することにより、前記操作素子が前記流体輸送/封じ込め素子に接触して作用的インタフェースを生ずるようにした該操作モジュールと、
前記流体保持モジュールにおける前記流体輸送/封じ込め素子上に設けたカバー層と
を備え、
前記操作モジュールには、前記流体保持モジュールと整合する表面に複数個の小さい孔を設け、これら孔を真空源に接続し、これら2個のモジュールを整合させるとき2個のモジュール間の空間から空気を除去するとともに、2個のモジュールを一緒に保持するクランプ力を生ずる構成とした
ことを特徴とする流体輸送/封じ込め装置。In fluid transport / containment devices,
A fluid holding module having a substrate and fluid transport / containment elements distributed on the substrate, wherein one or more of the fluid transport / containment elements have microfluidic dimensions;
An operating module having an operating element, wherein the operating element is detachably secured to the fluid holding module so that the operating element contacts the fluid transport / containment element to provide an active interface;
A cover layer provided on the fluid transport / containment element in the fluid holding module ;
The operation module is provided with a plurality of small holes on the surface that is aligned with the fluid holding module, and these holes are connected to a vacuum source, and when these two modules are aligned, air is passed from the space between the two modules. The fluid transport / containment device is configured to generate a clamping force for holding the two modules together .
サブストレート、およびこのサブストレートを窪ませてマイクロ流体寸法に形成した熱制御容積素子を有する流体保持モジュールと、
加熱/冷却素子を有する熱モジュールであって、前記流体保持モジュールに着脱可能に固定し、これにより、前記加熱/冷却素子が前記熱制御容積素子に熱的に結合するようにした該熱モジュールと、
前記流体保持モジュールにおける前記熱制御容積素子上に設けたカバー層と
を備え、
前記操作モジュールには、前記流体保持モジュールと整合する表面に複数個の小さい孔を設け、これら孔を真空源に接続し、これら2個のモジュールを整合させるとき2個のモジュール間の空間から空気を除去するとともに、2個のモジュールを一緒に保持するクランプ力を生ずる構成とした
ことを特徴とする熱制御装置。In the thermal control device,
A fluid holding module having a substrate, and a thermally controlled volume element formed by recessing the substrate and having a microfluidic dimension;
A thermal module having a heating / cooling element, wherein the thermal module is detachably fixed to the fluid holding module so that the heating / cooling element is thermally coupled to the thermal control volume element; ,
A cover layer provided on the thermal control volume element in the fluid holding module ,
The operation module is provided with a plurality of small holes on the surface that is aligned with the fluid holding module, and these holes are connected to a vacuum source, and when these two modules are aligned, air is passed from the space between the two modules. The heat control device is characterized in that it is configured to generate a clamping force for holding the two modules together .
サブストレートおよびこのサブストレートを窪ませてマイクロ流体寸法に形成したフローチャネルを有する流体保持モジュールと、
ペルチェ装置を有する熱モジュールであって、前記流体保持モジュールに着脱可能に固定し、これにより、前記ペルチェ装置が前記フローチャネルに熱的に結合するようにした該熱モジュールと、
前記流体保持モジュールにおける前記サブストレート上に設けたカバーと
を備え、
前記操作モジュールには、前記流体保持モジュールと整合する表面に複数個の小さい孔を設け、これら孔を真空源に接続し、これら2個のモジュールを整合させるとき2個のモジュール間の空間から空気を除去するとともに、2個のモジュールを一緒に保持するクランプ力を生ずる構成とした
ことを特徴とする熱制御装置。In the thermal control device,
A fluid holding module having a substrate and a flow channel formed by recessing the substrate and having a microfluidic dimension;
A thermal module having a Peltier device, wherein the thermal module is detachably fixed to the fluid holding module so that the Peltier device is thermally coupled to the flow channel;
A cover provided on the substrate in the fluid holding module ,
The operation module is provided with a plurality of small holes on the surface that is aligned with the fluid holding module, and these holes are connected to a vacuum source, and when these two modules are aligned, air is passed from the space between the two modules. The heat control device is characterized in that it is configured to generate a clamping force for holding the two modules together .
接続部で合流するメインフローチャンネルおよび可変容積セルを有する流体保持モジュールであって、前記メインフローチャンネルおよび可変容積セルのうち少なくとも一方がマイクロ流体寸法である該流体保持モジュールと、
前記流体保持モジュールに着脱可能に固定する操作モジュールであって、前記接続部の両側で前記メインフローチャンネルに隣接して配置した2個の弁を設け、これら2個の弁は、前記接続部の両側でメインフローチャンネルを開閉するために選択的に制御可能とし、さらに、前記可変容積セルの容積を変化させる手段を設け、これにより、前記2個の弁を選択的に制御することに関連するポンプをなすようにした該操作モジュールと、
前記流体保持モジュールにおけるメインフローチャンネルおよび可変容積セル上に設けたカバー層と
を備え、
前記操作モジュールには、前記流体保持モジュールと整合する表面に複数個の小さい孔を設け、これら孔を真空源に接続し、これら2個のモジュールを整合させるとき2個のモジュール間の空間から空気を除去するとともに、2個のモジュールを一緒に保持するクランプ力を生ずる構成とした
ことを特徴とするポンプ装置。In the pump device,
A fluid holding module having a main flow channel and a variable volume cell that merge at a connection, wherein at least one of the main flow channel and the variable volume cell has a microfluidic dimension; and
An operation module that is detachably fixed to the fluid holding module, and is provided with two valves disposed adjacent to the main flow channel on both sides of the connection portion, and these two valves are connected to the connection portion. In connection with selectively controlling the two valves by means for selectively controlling to open and close the main flow channel on both sides and further providing means for changing the volume of the variable volume cell The operation module adapted to form a pump;
A cover layer provided on the main flow channel and the variable volume cell in the fluid holding module ,
The operation module is provided with a plurality of small holes on the surface that is aligned with the fluid holding module, and these holes are connected to a vacuum source, and when these two modules are aligned, air is passed from the space between the two modules. And a pumping device characterized by generating a clamping force for holding the two modules together .
サブストレート、およびこのサブストレートに形成し、マイクロ流体寸法を有するフローチャンネル、を有する流体保持モジュールと、
この流体保持モジュールに着脱可能に固定する操作モジュールと、
前記流体保持モジュールにおける前記サブストレート上に設けたカバーと
を備え、前記操作モジュールには、前記フローチャンネルに隣接するペルチェ装置を設け、このペルチェ装置は、前記フローチャンネル内の材料を相変化させるよう制御可能にし、したがって、相変化弁をなすようにし、
前記操作モジュールには、前記流体保持モジュールと整合する表面に複数個の小さい孔を設け、これら孔を真空源に接続し、これら2個のモジュールを整合させるとき2個のモジュール間の空間から空気を除去するとともに、2個のモジュールを一緒に保持するクランプ力を生ずる構成とした
ことを特徴とする弁装置。In the valve device,
A fluid holding module having a substrate and a flow channel formed in the substrate and having microfluidic dimensions;
An operation module detachably fixed to the fluid holding module;
A cover provided on the substrate in the fluid holding module, and the operation module is provided with a Peltier device adjacent to the flow channel, the Peltier device changing the material in the flow channel. Make it controllable, thus making a phase change valve ,
The operation module is provided with a plurality of small holes on the surface that is aligned with the fluid holding module, and these holes are connected to a vacuum source, and when these two modules are aligned, air is passed from the space between the two modules. The valve device is configured to generate a clamping force for holding the two modules together .
サブストレート、およびこのサブストレートに形成したチャンネルであって、少なくとも1個のチャンネルはマイクロ流体寸法を有し、接続部で合流するメインフローチャンネルおよび制御チャンネル、ならびに前記制御チャンネル内に設けた二相性材料を有する流体保持モジュールと、
この流体保持モジュールに着脱可能に固定する操作モジュールと
を備え、この操作モジュールは、
前記制御チャンネルおよび接続部に隣接する加熱素子であって、前記二相性材料を固相から液相に変化させるに十分なエネルギーを発生するよう制御可能にした該加熱素子と、
前記二相性材料が液相であるとき、前記接続部に対して前記二相性材料を選択的に強制出入りさせるポンプ手段と、
前記流体保持モジュールにおける前記サブストレート上に設けたカバーと
を設け、これにより、双安定相変化弁をなすようにし、
前記操作モジュールには、前記流体保持モジュールと整合する表面に複数個の小さい孔を設け、これら孔を真空源に接続し、これら2個のモジュールを整合させるとき2個のモジュール間の空間から空気を除去するとともに、2個のモジュールを一緒に保持するクランプ力を生ずる構成とした
ことを特徴とする弁装置。In the valve device,
A substrate, and a channel formed in the substrate, wherein at least one channel has a microfluidic dimension, a main flow channel and a control channel that merge at a connection, and a biphasic feature provided in the control channel A fluid holding module having a material;
An operation module that is detachably fixed to the fluid holding module.
A heating element adjacent to the control channel and connection, the heating element being controllable to generate sufficient energy to change the biphasic material from a solid phase to a liquid phase;
When the biphasic material is in a liquid phase, pump means for selectively forcing the biphasic material to enter and exit the connection portion;
A cover provided on the substrate in the fluid holding module, thereby forming a bistable phase change valve ;
The operation module is provided with a plurality of small holes on the surface that is aligned with the fluid holding module, and these holes are connected to a vacuum source, and when these two modules are aligned, air is passed from the space between the two modules. The valve device is configured to generate a clamping force for holding the two modules together .
前記二相性材料に隣接する膨張制御材料と、
前記膨張制御材料に隣接する加熱/冷却素子であって、膨張制御材料の体積を増減するようエネルギーを伝達するよう制御可能な該加熱/冷却素子と
を有するものとした弁装置。54. The valve device of claim 53, wherein the pump means is
An expansion control material adjacent to the biphasic material;
A valve device comprising a heating / cooling element adjacent to the expansion control material, the heating / cooling element being controllable to transmit energy to increase or decrease the volume of the expansion control material.
サブストレート、およびこのサブストレートに形成したチャンネルであって、少なくとも1個のチャンネルはマイクロ流体寸法を有し、接続部で合流するメインフローチャンネルおよび制御チャンネル、および前記制御チャンネル内に設けた二相性材料、ならびにこの二相性材料が液相であるとき前記接続部から前記二相性材料を吸い出させる吸い出し手段を有する流体保持モジュールと、
この流体保持モジュールに着脱可能に固定する操作モジュールと、
前記流体保持モジュールにおける前記サブストレート上に設けたカバーと
を備え、この操作モジュールは、
前記制御チャンネルおよび接続部に隣接する加熱素子であって、前記二相性材料を固相から液相に変化させるに十分なエネルギーを発生するよう制御可能にした該加熱素子を有するものとし、
したがって、一回使用の相変化弁をなすようにし、また
前記操作モジュールには、前記流体保持モジュールと整合する表面に複数個の小さい孔を設け、これら孔を真空源に接続し、これら2個のモジュールを整合させるとき2個のモジュール間の空間から空気を除去するとともに、2個のモジュールを一緒に保持するクランプ力を生ずる構成とした
ことを特徴とする弁装置。In the valve device,
A substrate, and a channel formed in the substrate, wherein at least one channel has a microfluidic dimension, a main flow channel and a control channel that merge at a connection portion, and a two-phase property provided in the control channel A fluid holding module having a material and a suction means for sucking out the biphasic material from the connection when the biphasic material is in a liquid phase;
An operation module detachably fixed to the fluid holding module;
A cover provided on the substrate in the fluid holding module, the operation module,
A heating element adjacent to the control channel and connection, the heating element being controllable to generate sufficient energy to change the biphasic material from a solid phase to a liquid phase;
Therefore, so as to form a phase change valve single use, also
The operation module is provided with a plurality of small holes on the surface that is aligned with the fluid holding module, and these holes are connected to a vacuum source, and when these two modules are aligned, air is passed from the space between the two modules. The valve device is configured to generate a clamping force for holding the two modules together .
サブストレート、およびこのサブストレートに形成したチャンネルであって、少なくとも1個のチャンネルはマイクロ流体寸法を有し、接続部で合流するメインフローチャンネルおよび制御チャンネル、および前記制御チャンネル内に設けた二相性材料、ならびに前記二相性材料に隣接させた可撓性のダイヤフラムであって、この二相性材料が液相であるとき前記接続部に前記二相性材料を押し込む該ダイヤフラムを有する流体保持モジュールと、
この流体保持モジュールに着脱可能に固定する操作モジュールと、
前記流体保持モジュールにおける前記サブストレート上に設けたカバーと
を備え、この操作モジュールは、
前記制御チャンネルおよび接続部に隣接する加熱素子であって、前記二相性材料を固相から液相に変化させるに十分なエネルギーを発生するよう制御可能にした該加熱素子を有するものとし、
したがって、一回使用の相変化弁をなすようにし、また
前記操作モジュールには、前記流体保持モジュールと整合する表面に複数個の小さい孔を設け、これら孔を真空源に接続し、これら2個のモジュールを整合させるとき2個のモジュール間の空間から空気を除去するとともに、2個のモジュールを一緒に保持するクランプ力を生ずる構成とした
ことを特徴とする弁装置。In the valve device,
A substrate, and a channel formed in the substrate, wherein at least one channel has a microfluidic dimension, a main flow channel and a control channel that merge at a connection portion, and a two-phase property provided in the control channel A flexible diaphragm adjacent to the material and the biphasic material, the fluid holding module having the diaphragm for pushing the biphasic material into the connection when the biphasic material is in a liquid phase;
An operation module detachably fixed to the fluid holding module;
A cover provided on the substrate in the fluid holding module, the operation module,
A heating element adjacent to the control channel and connection, the heating element being controllable to generate sufficient energy to change the biphasic material from a solid phase to a liquid phase;
Therefore, so as to form a phase change valve single use, also
The operation module is provided with a plurality of small holes on the surface that is aligned with the fluid holding module, and these holes are connected to a vacuum source, and when these two modules are aligned, air is passed from the space between the two modules. The valve device is configured to generate a clamping force for holding the two modules together .
サブストレート、およびこのサブストレートに形成したチャンネルであって、少なくとも1個のチャンネルはマイクロ流体寸法を有し、接続部で合流するメインフローチャンネルおよび制御チャンネル、および前記制御チャンネル内に設けた二相性材料、ならびに前記二相性材料に隣接させた可撓性のダイヤフラムであって、この二相性材料が液相であるとき前記接続部から前記二相性材料を押し出す該ダイヤフラムを有する流体保持モジュールと、
この流体保持モジュールに着脱可能に固定する操作モジュールと、
前記流体保持モジュールにおける前記サブストレート上に設けたカバーと
を備え、この操作モジュールは、
前記制御チャンネルおよび接続部に隣接する加熱素子であって、前記二相性材料を固相から液相に変化させるに十分なエネルギーを発生するよう制御可能にした該加熱素子を有するものとし、
したがって、一回使用の相変化弁をなすようにし、
前記操作モジュールには、前記流体保持モジュールと整合する表面に複数個の小さい孔を設け、これら孔を真空源に接続し、これら2個のモジュールを整合させるとき2個のモジュール間の空間から空気を除去するとともに、2個のモジュールを一緒に保持するクランプ力を生ずる構成とした
ことを特徴とする弁装置。In the valve device,
A substrate, and a channel formed in the substrate, wherein at least one channel has a microfluidic dimension, a main flow channel and a control channel that merge at a connection portion, and a two-phase property provided in the control channel A flexible diaphragm adjacent to the material and the biphasic material, the fluid holding module having the diaphragm for extruding the biphasic material from the connection when the biphasic material is in a liquid phase;
An operation module detachably fixed to the fluid holding module;
A cover provided on the substrate in the fluid holding module, the operation module,
A heating element adjacent to the control channel and connection, the heating element being controllable to generate sufficient energy to change the biphasic material from a solid phase to a liquid phase;
Therefore, make a single use phase change valve ,
The operation module is provided with a plurality of small holes on the surface that is aligned with the fluid holding module, and these holes are connected to a vacuum source, and when these two modules are aligned, air is passed from the space between the two modules. The valve device is configured to generate a clamping force for holding the two modules together .
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