JP2003531018A - マイクロ流体システムにおける流体インピーダンス - Google Patents

マイクロ流体システムにおける流体インピーダンス

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microfluidic
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Abstract

(57)【要約】 本発明は流体インピーダンスが埋設されたマイクロ流体装置を提供する。このインピーダンスは低い差圧では流体を通過させないが、高い差圧では流体を流動させる。インピーダンスは装置の層内に含まれる２以上の流路の３次元的重複によって形成される。このような装置は、迅速に試作することができ、多数の流体インピーダンスを有するように組み立てて、試料の規定量を計量し、試料を部分標本に分割することを含む複雑な流体取扱の仕事を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の技術分野 本発明はマイクロ流体装置およびこれらの装置内の流体流れの制御に関する。
これらの装置は、種々の生物学的および化学的システムや、他の液体分配装置と
の組合において有益である。
【０００２】 発明の背景 化学的および生物学的情報の取得のためのマイクロ流体システムの製造や使用
における関心が増大している。特に、マイクロ流体システムにより、非常に小容
積の流体を使用して、複雑な生物化学的反応を行うことができる。これらの小型
化されたシステムは、反応の応答時間を増加し、試料容積を最小化し、試薬コス
トを低減する。
【０００３】 伝統的に、これらのマイクロ流体システムは、シリコン製造業の技術を使用し
て平面的に構成されてきた。典型的なシステムは、例えば、Manzらによるいくつ
かの初期の研究（Trends in Anal. Chem．（１９９０）１０（５）：１４４−１
４９；Advances in Chromatography（１９９３）３３：１−６６）に記載されて
いる。これらの刊行物は、シリコンまたはガラス基板に流路（channnel）を形成
するフォトリソグラフや、基板から材料を除去して流路を形成するエッチング技
術を使用して構成されたマイクロ流体装置を示している。装置の上端はカバープ
レートが接合されて閉鎖されている。
【０００４】 近年、マイクロ流体装置をプラスチックや他の重合材料から作成する多くの方
法が開発されている。このような方法の一つでは、まず陰型（negative mold）
を形成し、該型にプラスチックまたはシリコンを注入する。型は、シリコンウェ
ハーを使用し（DuffyらのAnalytical Chemistry(１９９８)７０：４９７４−４
９８４；McCormicらのAnalytical Chemistry(１９９７)６９：２６２６−２６３
０参照）、または、プラスチック装置用の伝統的な射出成形空間を構築すること
によって、形成することができる。いくつかの成形設備は、極めて小さい型を製
造する先進技術を有している。リソグラフ、電気メッキおよび成形（ＬＩＧＡ）
技術を使用して作成された構成部品がドイツのカロスルルーブの原子力研究セン
ターで開発され（例えば、SchomburgらのJournal of Micromechanical Microeng
ineering（１９９４）４：１８６−１９１参照）、マイクロパーツ（ドイツ、ド
ルトムンド）により商業化されている。Jenoptik（ドイツ、ジェナ）はLIGAと熱
間エンボス技術を使用している。PMMAにおけるインプリント（imprinting）法も
実証されている（MartynovaらのAnalytical Chemistry（１９９７）６９：４７
８３−４７８９参照）。しかしながら、これらの技術は迅速な試作および製造の
融通性を与えない。さらに、これらの技術の両方ともツールアップ（tool−up）
コストが全く高く、コスト高である。
【０００５】 伝統的に、これらの流体システムにおける流体操作は、動電学的および／また
は電気泳動の輸送によって制御される。これらの技術は流体移動を制御するのに
電圧や電流の使用を必要とする。電極が流路に配置され、装置内の水の加水分解
を生じるように十分な電圧が印加される。この加水分解は流路の電荷勾配を生じ
、いずれかの流体を流動させ、あるいは流体内の分子を移動させる。これらの技
術は、チャンバー内に金属電極を必要とすること、これらの電極を外部の電圧／
電流源に接続すること、これらの電圧／電流源を必要とすることなど、これらに
限定されないが、多くの問題を有する。さらに、水の加水分解は、気泡や、装置
に逆効果を与えたり装置内での反応を起こさせるような根源（radials）の生成
を生じさせる。
【０００６】 したがって、電流や電圧の使用を必要とすることなく、流体輸送を制御するこ
とができるマイクロ流体装置が要求されている。
【０００７】 発明の概要 本発明は、流体流れを制御することができるマイクロ流体装置を提供する。あ
る実施形態におけるマイクロ流体装置は、最小のツールアップコストで試作する
ことができ、低コストで容易に製造することができるとともに、強固である。
【０００８】 マイクロ流体装置は流体流れを制御することができる流体インピーダンスを含
む。この装置は、液体試薬または溶液の広大なアレイの使用を含む。溶液は水性
溶液と有機溶液を含むが、これに限定されるものではない。本発明のマイクロ流
体装置は様々な製造技術を使用して製造することができる。
【０００９】 ある実施形態では、装置は三次元装置の異なる層に配置された１または複数の
マイクロ流体流路からなる。流路は流体インピーダンスを創出するためにある領
域で重複している。流体インピーダンスは装置を通る流体流れを妨げる。このイ
ンピーダンスの重複の形状と量は、流体をインピーダンスを通って流動させるの
に必要な差圧を変化させるために、制御することができる。好ましい実施形態で
は、マイクロ流体装置は流路が削設された積層ステンシルから形成され、該積層
ステンシルは接着剤で互いに保持されている。
【００１０】 他の実施形態では、マイクロ流体インピーダンスは他の技術を使用して作成さ
れた装置に組みこむこともできる。ある実施形態では、マイクロ流体インピーダ
ンスは、成形技術を使用して作成された固体マイクロ流体装置に設けることがで
きる。他の実施形態では、マイクロ流体インピーダンスは、通常半導体処理に関
連したエッチング技術を使用して作成された装置に組み込まれる。これらの装置
は、エッチングされたシリコン、ガラスまたは他の材料から作成することができ
る。これらのマイクロ流体インピーダンスは他の技術を使用して作成された装置
にも同様に組み込むことができる。
【００１１】 ある実施形態では、マイクロ流体装置は１または複数の流体インピーダンスを
含む。他の実施形態では、インピーダンスは一つの装置内で異なる。
【００１２】定義 ここで使用する「流路（channel）」という用語は、広い意味に解釈される。
したがって、長手方向寸法が径すなわち断面寸法を大きく越える細長い形状に限
定することは意図していない。むしろ、「流路」の用語は、流体を導くことがで
きる如何なる所望の形状または外形の空洞（cavities）または穴（tunnels）か
らなることを意味する。このような流体の空洞は、例えば、流体が連続的に通過
する貫流室（flow-through cell）や、代案として特定の分離した量の流体また
は特定の量の時間を保持する室（chamber）からなる。「流路」は、該流路を通
して流体を流動させる材料で満たすことができるし、またはバルブまたはその均
等な部品からなる内部構造を含んでいてもよい。流路は、少なくとも約１ミクロ
ンであって約５００ミクロンより小さい最小寸法を有する。
【００１３】 ここで使用する「マイクロ流体」という用語は、流体を通し又は導くことがで
きる構造または装置について言及しており、それに何ら制限がないように理解さ
れる。ここで、１または複数の寸法は約５００ミクロン以下である。
【００１４】 ここで記載するマイクロ流体装置は、それらがモジュールであり、任意の形状
に容易に再形成しまたは適合させることができることにおいて、「包括的（gene
ric）」である。さらに、これらの装置は、圧力、蠕動ポンプ、動電学的流れ、
電気泳動、真空等を含む様々なポンプおよびバルブ機構とともに使用することが
できる。さらに、本発明のマイクロ流体装置は、光学検出（例えば、蛍光、燐光
、発光、吸光、比色）、電気化学検出、および種々の適切な任意の検出方法と協
働して使用することができる。適切な検出方法は装置の外形や構成に依存する。
このような検出方法の選択は当業者の範囲内にある。
【００１５】 ここで使用する「マイクロ流体インピーダンス」の用語は、流体流れを妨げる
マイクロ流体装置内の構造について言及しており、それに何ら制限がないように
理解される。これらの装置を構成する形状、外形および材料はこの明細書に限定
されない。
【００１６】 ここで使用する「正圧」および「負圧」は、基準圧力と異なる圧力について言
及している。好ましい基準圧力は大気圧である。
【００１７】 発明の実施形態の詳細な説明 本発明は、流体流れを制御する内蔵流体インピーダンスを含むマイクロ流体装
置を記載する。マイクロ流体インピーダンスは、流体の流れが制御された方法で
生じるように、システムに内蔵されている。これらのインピーダンスは、インピ
ーダンスを横切る差圧がインピーダンスを打破（overcome）するのに十分となる
まで、または流体インピーダンスの界面（interface）の性質が変化して流体流
れを生じさせるまで、ある流路合流点で流体流れを妨げる。これらのマイクロ流
体インピーダンスは、装置内の１または複数の位置に組み込むことができる。
【００１８】 マイクロ流体インピーダンスは、装置の層内の重複部に２またはそれ以上の流
路の交差によって形成される。流路は、マイクロ流体インピーダンスを形成する
重複部で流体的に連通している。重複部は、両方の流路に開口する２つの流路の
間の領域として規定された重複領域を有している。実質的にＸＹ面にある層に対
しては、重複領域はＺ方向に各領域に開口するＸＹ面に規定されている。例えば
、１ｍｍ幅の矩形流路と０．５ｍｍ幅の矩形流路が図２Ｂに類似した配置で０．
６ｍｍだけ重複し、その重複領域は０．３平方ミリメータである。
【００１９】 重複部と重複領域は、その構造が流体の流れを妨げる特性を有するように、任
意の大きさと外形を有することができる。インピーダンスは、該インピーダンス
での差圧を増加することによって、例えば、入口圧力または出口圧力を増加する
ことによって、打破することができる。換言すれば、該インピーダンスを通って
流体を流動させることができる。また、インピーダンスは、該インピーダンスで
妨げられる流体の性質を変更することによって打破することができる。
【００２０】 ある実施形態では、重複部は約５平方ミリメータより小さい面積を有する。他
の実施形態では、重複部は約４平方ミリメータ、約２平方ミリメータ、約１平方
ミリメータまたは約０．５平方ミリメータより小さい面積を有することができる
。
【００２１】 また、マイクロ流体装置は支持層を含むことができる。このような支持層は実
質的に剛体とすることができ、または可撓層とすることができる。支持層は下層
の流路の一つの面を形成することができる。また、マイクロ流体装置は、上層の
流路の上面を形成する上層または最上層を有することができる。
【００２２】 重要なことは、インピーダンスを含むマイクロ流体装置は、特定の用途のため
に調整されることである。マイクロ流体装置の設計に影響するパラメータのいく
つかには、使用される流体のタイプ、装置を通る流量、温度および装置の材料組
成を含む。他のパラメータは最適設計に影響をあたえる。
【００２３】 マイクロ流体装置は広範囲の適切な材料から作成することができる。そのよう
な材料は、ポリマー、紙、織物および箔を含む。ポリマーは、例えば、ポリエス
テル、ポリイミド、ビニル、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリテトラフッ
化エチレン、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリビニリデンフ
ッ化物、ナイロン、ポリエーテルスルホン、ＡＢＳ、ポリフェニレンオキシド、
シリコン、およびそれらの誘導体、類似および均等材料を含む。装置は単一材料
または組合せ材料から作成することができる。
【００２４】 装置がモジュール層（modular layers）から作成される実施形態では、そのよ
うな層は接着剤で接合することができる。接着剤は、例えば、ゴムベースの接着
剤、アクリル樹脂ベースの接着剤、シリコン接着剤、または粘性ゴム（gum）ベ
ースの接着剤とすることができる。層を形成するのに使用される材料は、自動硬
化接着剤とすることもできる。例えば、使用する層は接着テープとすることがで
きる。接着テープは、例えば、接着剤で被覆された片面または両面を有するポリ
マー層を有することができる。多くの接着テープは、例えば感圧テープ、化学的
活性テープ、熱活性テープ、および光活性テープを含むと考えられている。他の
実施形態では、個々のステンシル層は機械的圧力で接合することができる。ステ
ンシル層からマイクロ流体装置を作成する多くの技術が、１９９９年１２月２日
に出願された米国出願第０９／４５３０２９号に記載されており、それは参照す
ることでここに組み入れる。マイクロ流体装置を作成する他の技術は、１９９９
年１２月２日に出願された米国出願第０９／４５３０２６号に開示され、それは
参照することでここに組み入れる。
【００２５】 層を含む流路が一体で、例えば、個体ブロックである装置を作成することがで
きる。このような装置は、例えば成形、エッチングおよび光重合のようなマイク
ロ製造技術を使用して作成することができる。
【００２６】 本発明に記載されるマイクロ流体インピーダンスは、該流体インピーダンスを
形成している流路の外径および表面化学的性質（surface chemistry）を制御す
ることによって、マイクロ流体装置に作成することができる。インピーダンスは
、装置内でインピーダンスを横切る差圧が当該インピーダンスを打破するのに十
分になるまで、その地点で流体流れが妨げられるように作成する。交差点の外径
および表面化学的性質を制御することによって、インピーダンスを打破するのに
必要な差圧を変更することができる。マイクロ流体装置はこのような１または複
数のインピーダンスを含むことができる。
【００２７】 図１に示す実施形態では、マイクロ流体装置は、ステンシル層をお互いの上に
サンドイッチすることによって作成されている。流路はステンシル層の部分を除
去することによって作成されている。１以上のステンシル層に流路を形成し、各
ステンシル層の流路を重複させることによって流路を接続することにより、３次
元流体システムが生成される。流路は、ステンシル層を切り抜いて形成したり、
あるいはステンシル層を切削して当該層内に凹設することができる。図１Ａを参
照すると、流路ネットワーク（２０）がステンシル層（２１）に切り抜いて形成
されている。このステンシル層（２０）は他のステンシル層（２２）に接着され
、該ステンシル層（２２）は他の流路（２３）と孔（２４）を有している。この
ステンシル層（２２）は固形サポート（２５）に接着され、該固形サポート（２
５）は入口ポート（２６）と出口ポート（２７，２８）を有している。最終ステ
ンシル層（２９）が最初のステンシル層（２１）に接着されて、流路の形成が完
了する。
【００２８】 流体流れは、（シリンジポンプ、手動操作シリンジ、ピペット、ガス圧等を使
用した）入口における圧力の増加、（真空等を用いた）出口における圧力の減少
、流路内の毛細管力、またはその他の流量制御方法等を含むいくつかの方法で、
装置内で流動させることができる。この特許出願に示される例では、流体流れは
、シリンジポンプを使用して入口ポートに正圧を加えることで流動させられる。
【００２９】 最終の装置は図１Ｂに示されている。流路は、左側の流路構造の重複部（３０
）がある圧力である流体の流体流れを阻止するのに十分なマイクロ流体インピー
ダンスを生成するように作成されている。流体が入口ポート（２６）に注入され
ると、当該流体は第１流路（２０）を通過し、交差点（３１）に達する。流体は
両方の流路に均等に分離して流下し、重複部（３０）に達する。次に流体は右流
路を優先的に出口ポート（２７）に向かって流下するが、重複部（３０）を通過
して左側を流下し続けることはない。
【００３０】 流体がマイクロ流体インピーダンス（３０）を通過するためには、当該インピ
ーダンスを横切る差圧を増加しなければならないし、あるいは現在圧力がインピ
ーダンスを打破するのに十分なだけ流体インピーダンス界面（interface）を変
更しなければならない。これは多くの方法で達成することができる。ある実施形
態では、外部圧力が左側の出口ポート（２７）に加えられる。これは、単に出口
ポート（２７）にキャップを付けて流体を入口ポートに流動し続けることで達成
することができる。
【００３１】 所定のインピーダンスを打破するためにマイクロ流体装置内で生じなければな
らない圧力変化の量は、当該適用分野と使用する試料に大いに依存する。内蔵マ
イクロ流体インピーダンスを備えていないシステムに対しては、流路内の圧力は
多数のファクターの関数であり、そのファクターには、流路の寸法、流路の外形
、流体の流量、流体の組成、流路の表面の化学的性質を含むが、これらに限定さ
れるものではない。したがって、固有の圧力は適用分野に依存して変化させるこ
とができる。ある実施形態では、マイクロ流体インピーダンスを打破するのに要
求される圧力の量は、動作中に装置内で維持される圧力のほんの僅か上である。
【００３２】 他の実施形態では、マイクロ流体インピーダンスを打破するのに要求される圧
力は装置内の大気圧より相当大きい。この実施形態では、試料の容積または流量
の変化により、流体がマイクロ流体インピーダンスを通って偶然に流動すること
はない。
【００３３】 好ましい実施形態では、流路内の圧力は入口ポートでの流量を変更することに
よって増加しまたは減少することができる。
【００３４】 好ましい実施形態では、マイクロ流体装置内の種々の点における圧力の量は、
当該装置に組み入れられた圧力センサを使用して監視することができる。他の好
ましい実施形態では、流量センサをマイクロ流体装置内の種々の点に組み込んで
圧力に関連する流量を監視することができる。これらの実施形態では、マイクロ
流体インピーダンスおよび／または装置性能を最適化するために、入口および出
口ポートと流動機構を制御するシステムに、フィードバックを設けることができ
る。
【００３５】 好ましい実施形態では、１以上のマイクロ流体インピーダンスが流体装置に組
み込むことができる。ある実施形態では、インピーダンスは同じになるように作
成することができる。他の実施形態では、装置内で優先流れを生じさせるのに異
なるインピーダンスが使用される。これらのマイクロ流体インピーダンスを打破
するのに必要な差圧は、多くの方法で制御することができる。これらには、重複
の幾何学的配置と形状（流路の高さを含む）を変更すること、および重複部にお
ける流路の化学的性質を変更することを含むが、これらに限定されるものではな
い。
【００３６】 １以上のマイクロ流体インピーダンスが装置に組み込まれ、該インピーダンス
が連続して打破されるように設計されていると、各インピーダンスを打破するの
に要求される圧力の量は十分に異なる。これにより、装置の構造の僅かな変化に
より、インピーダンスが不正確なオーダーで打破されることがない。また、必要
な圧力の量は開始動作圧力と十分に異なっているべきである。これにより、流量
の僅かな変化により、インピーダンスが不正確なオーダーで打破されることがな
い。
【００３７】 図２を参照すると、多数の可能な重複した幾何学的配置が示されている。これ
らの幾何学的配置は単一の装置に内蔵して、当該装置内の流体流れを制御するこ
とができる。ある実施形態では、１以上のこれらの幾何学的配置（または他のも
の）が単一の装置に内蔵されている。図２Ａを参照すると、マイクロ流体インピ
ーダンスは２つのテンシル層を互いに接着することで作成されている。第１層（
４０）は矩形の入口流路（４１）を有している。第２層（４２）は第１の下方の
流路（４１）より狭い矩形の流路（４３）を有している。流体は入口流路（４１
）に沿って流入し、流動しつづけて、重複交差部（４４）に達する。流体流れは
、マイクロ流体インピーダンスを打破するのに十分な圧力が流体内に蓄積される
まで停止する。そして、流体は次の層の流路（４３）を通る。
【００３８】 好ましい実施形態では、インピーダンスはこの交差部の重複の長さを増加する
ことによって変更することができる。図２Ｂを参照すると、下部ステンシル層（
４０）は図２Ａと同様である。上部ステンシル（４５）は、この実施形態では流
路（４１）との重複部（４７）がさらに延びている点を除き、図２Ａの上部流路
（４３）に類似している流路（４６）を有し、これによりマイクロ流体インピー
ダンスが変化する。
【００３９】 他の好ましい実施形態では、マイクロ流体インピーダンスは、交差部の垂直重
複部を変更することによって調整される。図２Ｃを参照すると、下部ステンシル
層（４０）は図２Ａと同様である。上部ステンシル層（４８）は重複部（５０）
で狭くなっている流路（４９）を有し、これによりマイクロ流体インピーダンス
を変更することができる。
【００４０】 図２Ｄに示す他の好ましい実施形態では、第２ステンシル層（５１）は重複部
（５３）および重複後部（５２）の両方で狭くなっている流路（５２）を有する
。
【００４１】 他の好ましい実施形態では、出口流路は入口よりも広くすることができる。図
２Ａ−Ｄに示す配置では、下部層の入口流路は上部ステンシル層の出口流路より
広い。図２Ｅを参照すると、入口チャンネル（４１）は図２Ａ−Ｄと同様のまま
である。上部ステンシル層（５４）は重複部（５６）でより広い流路（５５）を
有し、これにより交差点（４８）とマイクロ流体インピーダンスが変化する。
【００４２】 他の好ましい実施形態では、重複部の形状をさらに複雑にすることができる。
２つのタイプの重複が図２Ｆに示されている。第１ステンシル層（５７）は、３
つの部分に分岐した流路システム（５８）を有している。第２ステンシル層（５
９）は、２つの領域（３５，３６）において下位流路（５８）と重複する２つの
分離した流路を有している。一方の重複部（３５）では、重複は下部ステンシル
層上で広く、他方の重複部（３６）では、重複はステンシル層内で広い。一般に
、緩衝溶液または他の水性溶液が使用され、下部流路（５８）が満たされると、
重合タイプのテープやアクリルベースの接着剤が使用されているときは、重複部
（３５）は重複部（３６）より前に典型的に破断する。典型的には、水性溶液が
使用されているときには、大きな界面領域（interface area）を有する重複部は
最初に破断する。界面領域は、流体が流体インピーダンスで閉塞されたときの流
体前面（fluid front）の領域である。ＸＹ面で流体を移動させる流路に対して
は、界面領域はＺ成分を有する。インピーダンスの性質に依存して、界面領域は
装置を満たす空気、ガス、その他の液体で形成され、あるいは重複領域の部分を
規定する流路の側面で形成される。
【００４３】 他の幾何学的外形や重複配置が可能である。さらに、出口流路は入口流路を含
む層の上方または下方の流体層に設けることができる。
【００４４】 ある実施例では、流体は装置の下部層の流路から重複部に入る。流体前面がイ
ンピーダンス領域に達すると、当該インピーダンス領域で停止し、十分な差圧が
加えられてインピーダンスを打破すると、次の上方の層に位置する流路に流入す
る。
【００４５】 他の好ましい実施形態では、入口流路（下部層）と出口流路（上部層）の間に
スペーサ層が配置され、該スペーサ層は流体が通過するのを許容する１または複
数の孔を有している。１または複数のスペーサ層を使用することができる。スペ
ーサ層の孔は種々の形状とサイズを有することができる。ある実施形態では、こ
の孔は重複部または重複領域と同様に形成される。他の実施形態では、孔は重複
部より大きいか、あるいは小さい。
【００４６】 他の好ましい実施形態では、流体は装置の上位に位置する流路から交差領域に
流入する。流体前面は交差領域で停止し、十分な圧力が加えられてマイクロ流体
インピーダンスを打破すると、その時点で流体は上部領域に位置する流路に流入
する。
【００４７】 他のファクターを組み込んで、マイクロ流体インピーダンスの性質に影響を及
ぼすことができる。図３を参照すると、種々のマイクロ流体インピーダンスの断
面が示されている。図３Ａを参照すると、ステンシル層（６１）が固形サポート
（６０）に接着されている。このステンシル層から流路（６４が切除されている
。次のステンシル層は流路（６２）は下部ステンシル層（６１）に接着されてい
る。このステンシル層は同様に流路（６５）を有している。この実施形態では、
上部流路（６５）は下部流路（６４）より狭い断面積を有している。この流路は
同じ垂直方向寸法を有している。重複部の断面が示されている。最上部層（６３
）が付加されて装置を完成させている。この実施形態では、各ステンシル層は同
一の材料から作成され、同一の厚さを有している。
【００４８】 他の実施形態では、１つのステンシル層の厚さが変更されている。図３Ｂを参
照すると、第２ステンシル層（６６）は第１ステンシル層（６１）より厚い。こ
の実施形態の重複部は、上部流路（６７）が下部流路（６４）より大きな垂直寸
法を有するので、変更されている。このようにして、マイクロ流体インピーダン
スの性質を変更することができる。
【００４９】 他の好ましい実施形態では、重複交差部は、重複部の科学的性質を変化させる
ことによって変更されている。図３Ｃを参照すると、ステンシルは形状および厚
さが図３Ａと同一であるが、第２ステンシル層（６８）は異なる材料から作成さ
れている。これは、ステンシルを異なる材料から形成したり、あるいはステンシ
ル層の表面の化学的性質を変更することで達成することができる。表面の化学的
性質は当業者が気が付くような多くの方法で変更することができる。このような
表面の化学的性質を変更する方法は、プラズマクリーニングまたは化学エッチン
グのような表面修正技術はもちろん、化学的誘導（chemical derivatization）
を含む。表面への共有付着（covalent attachment）や非共有付着を含む多くの
タイプの表面の化学的誘導が可能である。ガラスのようなヒドロキシル終了面（
hydroxl terminated surdface）の表面でのシラン化反応（silanization reacti
on）や金のような金属の表面でのチオール反応（thiol reaction）を含む、種々
のタイプの共有付着の戦略が開発され、可能になっている。ポリスチレン表面上
のでカルボキシル化のような他のタイプの表面化学的性質も可能である。
【００５０】 多くのタイプの非共有化学的性質も可能であり、他人によって実証されている
。一つの実施形態では、非特異性イオン相互作用が分子を付着させるのに使用さ
れる。ある実施形態では、関係表面が負に帯電される（またはｐHが負の電荷を
帯びるように調整される）。正の電化を帯びる分子は表面に結合する。ある実施
形態では、ある分子の１つの領域が帯電されて表面に結合し、当該分子の他の部
分が溶液と対向し、さらなる相互作用のために利用可能である。代案の実施形態
では、表面は正に帯電されるが、関係する分子は負に帯電される。ファンデルワ
ールズの相互作用のような他のタイプの非特異性相互作用を使用して表面に接続
することもできる。これらの技術を使用して、表面を例えばヌクレイン酸、蛋白
質および炭水化物のような生体分子で誘導（derivatize）することができ、また
小さな分子で誘導することができる。
【００５１】 流路（６９）は、最上部層（６３）の底面によって形成された上部表面（７１
）と、層（６８）の材料によって形成された側面（７０）と、重複部を除いて層
（６１）の上面によって形成された底面とを有している。同様に、流路（６４）
は、サポート層（６０）の上面によって形成された底面（７４）と、層（６１）
の材料から形成された側面（７３）と、層（６８）の底面によって形成された上
面（７２）とを有している。これらの種々の面の表面化学的性質は個々に変更す
ることができる。
【００５２】 ステンシル層が接着剤で接続され、あるいは層が自己接着性を有する実施形態
では、どの表面が接着性を有するかに依存して変化させることができる。例えば
、図３Ｃに示す装置は、層６１が両面テープであり、層６３が片面テープであり
、下面７１が接着剤を有し、層６８が非接着性であるように作成することができ
る。このような実施形態では、上面７１は接着性コーティングを有する一方、上
面７２は非接着性面を有し、側面７０もそうである。他の実施形態では、層６１
，６８および６３は、それぞれ各層の下側に接着剤を備えた片面接着テープであ
る。この実施形態では、上面７１と７２は両方とも接着性がある。
【００５３】 マイクロ流体層内のインピーダンスを変更する上述の方法は、独立して、ある
いは互いに組み合わせて使用することができる。特に説明しなければ、交差部の
性質を変更する他の方法も含む。
【００５４】 本発明の一つの驚くべき特徴は、所定の重複部に対する最適なパラメータが装
置内で使用される試料の性質に大いに影響されることである。このような重複部
に最適な幾何学的外形は使用する溶液に依存して変化することが分かっている。
例えば、図２Ｆに示す幾何学的外形は、使用する溶液が緩衝剤または水であると
きに非常に有益であることが証明されている。しかしながら、異なる幾何学的外
形は溶液がアセトニトリルのような有機的性質を有するときに有益であることが
証明されている。溶液への表面活性剤の添加は、好ましい幾何学的外形について
さらに効果を有する。
【００５５】 マイクロ流体装置内のマイクロ流体インピーダンスを打破するために、インピ
ーダンスを横切る差圧を増加することにより流体をインピーダンスを横切って流
動させることができ、またはインピーダンスの性質を変更しなければならない。
これは多くの方法で達成することができる。
【００５６】 好ましい実施形態では、差圧は外部から圧力を加えることで増加することがで
きる。マイクロ流体装置内の流路および室（chamber）は、出口接続部を有する
ことができ、そのためにオフボード（off board）マニホールドシステムを使用
することができる。このマニホールドは、マイクロ流体装置の入口及び出口ポー
トに接続することができ、また必要なときに流路に圧力を供給するために、圧力
を切り換えてこれらのポートをオンオフすることができる。一つの好ましい実施
形態では、このマニホールドは、一端が窒素タンクまたは他の加圧システムに接
続されているバルブシステムからなる。バルブシステムは、加圧窒素を装置の流
路に選択的に加えるように制御することができる。このシステムは、手動、また
はコンピュータその他内蔵制御手段により制御することができる。さらにバルブ
システムへのフィードバックはこの制御に使用することができる。好ましい実施
形態では、センサが装置内の流体の流れを監視するのに使用される。流体がある
点に達すると、所定のプロトコルによりバルブシステムが自動的に切り換えられ
る。
【００５７】 他の好ましい実施形態では、流体は一定速度で入口ポートに供給され、インピ
ーダンスを横切る差圧は装置自身の設計によって変更される。好ましい実施形態
では、マイクロ流体流路の出口ポートは、空気を通過させるが流体に対しては比
較的不浸透性である材料で被覆されている。この実施形態では、流体は流路を満
たし、流路に予めあった空気またはガスを出口ポートから押し出し、前記材料を
通過させる。流路が流体で満たされると、流体正面は前記材料に達するが、該流
体は前記材料を通過せず、マイクロ流体装置内の圧力が増加する。この圧力の増
加を使用して、装置内のマイクロ流体インピーダンスを打破することができる。
【００５８】 好ましい実施形態では、１種類以上の出口材料を使用することができる。これ
らの材料は、空気またはガスに対して僅かな抵抗を有し、流体流れに対して非常
に大きな抵抗を有するような性質になるように選択することができる。ある実施
形態では、その材料は多孔材料とすることができる。孔のサイズと材料の組成は
、所望の効果とインピーダンスが生じるように選択することができる。種々の出
口で異なる材料を使用することができる。この方法では、出口材料は重複インピ
ーダンスと共に使用して、装置内に優先流体流れを生成することができる。
【００５９】 他の好ましい実施形態では、マイクロ流体インピーダンスは流体特性を変更す
ることによって打破することができる。驚くべきことに、マイクロ流体インピー
ダンスを打破するのに必要な差圧は現在の試料の組成に大いに影響することが分
かっている。したがって、装置内の流体特性を変更することによって、マイクロ
流体インピーダンスは流体の圧力を増加することなく打破される。実施例には、
粘性、表面張力、化学的構造、塩濃度、界面活性剤濃度、流体への粒子の添加、
流体または装置の温度の変化等を変更することを含むが、これらに限定されない
。
【００６０】 好ましい実施形態では、流体は分離交差部（split junction）と該交差部の直
後に２つのインピーダンスを有する装置に進入する。これらのインピーダンスは
、水が装置に流されたときに一方のインピーダンスが打破されるように作成され
ている。これらのインピーダンスは、流体が有機的な性質であるときに反対（op
posite）のインピーダンスが優先的に打破されるように作成されている。この実
施形態では、水を所定時間、装置に注入してもよい。有機溶剤が流体入口に注入
されると、他方のインピーダンスが破断し、流体は代わりの流路を流下する。こ
のように、流体制御は、装置内のあるいは装置に加えられる圧力を著しく変更す
ることなく、変化させることができる。
【００６１】 本発明の開示を考慮すると、当業者は本発明の範囲内で多くの他の実施例およ
び変形例を考えることができる。したがって、本発明の広範な特徴は、以下の実
施例の開示に限定されるものではないが、特許請求の範囲には限定されることが
意図されている。
【００６２】 実施例１ 図４Ａに示すように、精製分野に設計したマイクロ流体装置を作成した。入口
ポートを示す穴１００（径４０ｍｉｌ（１ｍｍ））を１／８インチの厚さの平坦
なポリカーボネート１０１に穿孔した。流路は、１ｍｉｌ（２５ミクロン）の医
療グレードのアクリル接着剤を裏打ちした１ｍｉｌ（２５ミクロン）のポリエス
テルからなる片面テープ片に、切断ブレードに変更したコンピュータ制御のプロ
ッターを使用して、流路を切断することによって作成した。２つのステンシル層
１０２，１０３は、片面テープから形成し、流路１０６−１０８と孔１０９を作
成した。ステンシル層１０４は、両面テープ（各面に厚さ１．８ｍｉｌのアクリ
ル接着剤を備えた厚さ０．５ｍｉｌのポリエステルキャリア）から作成し、流路
１１０，１１１を作成した。
【００６３】 フィルタ「カラム」領域１１２を作成した。ここは、製造工程中、種々のフィ
ルタ材料で満たすことができる。ある生物学的分野では、フィルタ領域は精製や
結合分析（binding assay）を行うために、生物学的フィルタで満たすことがで
きる。他の適用では、フィルタ材料を使用して有機精製を行ってもよい。フィル
タ材料は、クロマトグラフおよび電気泳動の分離材料、例えば、有機分離に適し
たシリカゲル、逆相シリカゲル、ポリアクリルアミドを含む。これらの充填材料
は、ある好ましい実施形態では，有益な化学的および／または生物学的反応を実
行するのに使用することができる。ある実施形態では、充填材料は、材料を分離
しおよび／または精製するのに有益なフィルタである。これらのフィルタは、化
学的または生物学的フィルタ、あるいはサイズ除去（size−exclusion）フィル
タとすることができる。これらのフィルタは、求められていない材料を結合し、
あるいは代案として、関心のある材料を結合して、後で溶出してもよい。充填材
料は、化学的および生物学的材料を含み、疎水性または親水性とすることができ
る。充填材料は帯電させ、または中性とすることができる。充填材料は多孔で、
種々の孔サイズを有していてもよい。好ましい実施形態では、流路または室を充
填するのに使用される充填材料は重合体である。この例は、ポリカーボネート、
アクリル樹脂、ポリウレタン、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、超高分子量ポ
リエチレン（ＵＨＭＷ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、フッ化ポリビニリデン（Ｐ
ＶＤＦ）、ポリテトラフルオレエチレン（ＰＴＦＥ）、ナフィオン（naphion）
、ナイロン、およびポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）を含むが、これらに限定
されない。好ましい実施形態では、流路を満たすのに使用される材料は、アガロ
ース、アルギン酸塩、スターチ、またはカラゲーニンのような炭水化物である。
ポリマーは、電気活性（electro−active）ポリマーであってもよい。好ましい
実施形態では、流路を満たすのに使用される材料はシリカゲルである。他の好ま
しい実施形態では、流路を満たすのに使用される材料はＳＥＰＨＡＤＥＸ（登録
商標）またはＳＥＰＨＡＣＩＬ（登録商標）である。他の好ましい実施形態では
、流路を満たすのに使用される材料はアクリルアミドまたはアガロースである。
他の好ましい実施形態では、流路を満たすのに使用される材料はハイドロキシア
パタイトである。
【００６４】 好ましい実施形態では、流路および／または室を満たすのに使用される材料は
生物学的材料である。その例は、結合蛋白質、抗体、抗原、レクチン、酵素、脂
質、流体中の１または複数の種と特定的にまたは非特定的に相互作用する任意の
分子を含むが、これらに限定されない。
【００６５】 流路は、材料を適所でシルクスクリーニングし、適当なサイズに形成された固
形フィルタ、またはフィルタ材料として作用する流路自身の表面の化学的誘導物
（derivation）を設置することを含む、任意の適切な技術によって充填すること
ができる。他の好ましい実施形態では、流路を作成し、該流路の作成後にフィル
タ材料のスラリーを当該流路に注入する。粉末又は液体も注入することができる
。
【００６６】 ステンシル層１０２−１０４は、互いに接着し、ポリカーボネート支持層（１
０１）に接着する。疎水性多孔材料の最終の最上層１０５はステンシル層１０４
に接着した。好ましい実施形態では、多孔材料は、超高分子量（ＵＨＭＷ）ポリ
エチレンであり、この材料の平均孔サイズは２．５−４．５ミクロンである。
【００６７】 組み立てられた装置は図４Ｂに示されている。この装置は２つの異なる重複部
１１３，１１４と、流体流路が多孔材料１１５，１１６に接続する２つの領域と
を有する。この装置の全ての流路は、垂直寸法で２ｍｉｌの高さである。交差部
１１３では、流路１０６は幅７０ｍｉｌであり、流路１０８は幅４０ｍｉｌであ
り、２つの流路は水平に４０ｍｉｌ重複している。交差点１１４では、流路１０
８は幅４０ｍｉｌであり、流路１０７は幅７０ｍｉｌであり、流路は４０ｍｉｌ
重複し、約１平方ミリメートルの重複領域を提供している。
【００６８】 動作中、流体試料を入口ポート１００に注入する。入口ポート１００への接続
は標準の１０マイクロリッターのピペットチップを使用して行うことができ、そ
れはポートに押し込むだけである。代案として、入口ポート１００はさら穴（co
untersink）にすることができ、標準の５マイクロリッターのガラス毛細管を使
用することができる。他の接続方法も可能である。流体は最初の流路１０６を満
たし、重複部１１３で停止する。この重複部は初期に追加して、入口での初期流
れを制御する。驚くべきことに、マイクロ流体装置への試料の初期入力（initia
l input）は散発的（sporadic）であり制御不能であることが分かった。この初
期インピーダンスの追加は流体流れをさらに制御可能にする。
【００６９】 試料の栓（plug）は流路１０８に進入し、フィルタ領域１１２を通過する。次
に、流体は流路１０８の残りを流下する。流体がマイクロ流体インピーダンス１
１４と出会うと、１０７には進まないが、むしろ１１５に向かって１０８を流下
する。一旦１１５で室が満たされると、流体はフィルタ材料１０５を横切ること
を望まない。圧力が室内で構築されると、１１４のマイクロ流体インピーダンス
は打破される。次に、流体は出口流路１０７に進入する。
【００７０】 実際には、出口室１１０の容積は全ての試料を収容するように調整する。試料
を装置に注入し、関心のある材料を１１２で親和性フィルタに結合する。次に、
溶出緩衝剤（または他の溶剤）の栓を装置に注入する。溶出緩衝剤がフィルタ領
域に達すると、廃棄室１１０は満杯になり、１１４でのマイクロ流体インピーダ
ンスが打破される。これにより、溶出緩衝剤は流路１０７にそらされる。検出技
術をこの室１１１に追加することができる。代案として、出口ポートをこの点に
追加することができ、精製された試料をさらなる分析のために場外（off−board
）に取り出すことができる。
【００７１】 実施例２ 図５は、大きな標準偏差を有する多数の試料を持ち込み、小さな標準偏差を備
えた既知量を計量し、計量した量を等しい３つの要素に分割し、当該試料をさら
なる分析のために場外に持ち出す、マイクロ流体装置の概略図である。
【００７２】 図５Ａに示すように、入口ポート１３１、制御ポート１３２、および出口ポー
ト１３を厚さ１／８インチのポリカーボネートベース１３０に形成した。４つの
ステンシル層１３４−１３７を形成し、そこに流路１３８−１４２を切り込んだ
。この実施例では、永久水性接着剤（permanent water based adhesive）で裏打
ちされた３ｍｉｌ（７６ミクロン）のポリエチレンからなる片面テープ片がステ
ンシル材料として使用されている。ステンシル層を互いに接着し、ポリカーボネ
ートベースに接着した。組み立てられた装置は図５Ｂに示され、４つの異なるタ
イプの重複部１４３−１４６を含む。全ての流路は高さが３ｍｉｌであり、これ
により重複部は６ｍｉｌである。重複部１４３では、両流路は幅４０ｍｉｌであ
り、それらは４０ｍｉｌ重複している。重複部１４４では、流路１４０は幅４０
ｍｉｌであり、重複部に２０ｍｉｌに縮小し、流路１３９は幅４０ｍｉｌであり
、流路１４６は１３９を横切って２０ｍｉｌ延びている。重複部１４５と１４６
は同一である。入口流路１３９，１４１は幅４０ｍｉｌで、出口部は幅７０ｍｉ
ｌで、重複部は長さ４０ｍｉｌである。
【００７３】 動作中、シリンジポンプを使用して試料栓を入口ポート１３１に一定の流量で
注入する。流体インピーダンス１４３は、初期流体流れを制御するために入口の
直後に作成されている。流体は流路１３９に進入して該流路を満たし、インピー
ダンス１４５に達する。この点で、試料中の過剰流体は１４５のインピーダンス
の前の１４４のマイクロ流体インピーダンスを破断する。過剰流体は流路１４０
を流下する。全ての過剰流体が廃棄流路（１４０）に送られると、制御ポート１
３２に栓をすることができ、これにより流路内の圧力が増加する。さらなる分析
の用意ができた試料の量は、２つのマイクロ流体インピーダンス１４４と１４５
の間の流路１３９の容積によって規定される。異なる試料容積が望まれる場合、
マイクロ流体インピーダンス１４４を流路１３９に沿って移動して、容積を変更
することができる。
【００７４】 流路１４０内の空気が十分に圧縮され十分な圧力が構築されると、マイクロ流
体インピーダンス１４５は打破される。ここで試料は流路１４１に進入し、イン
ピーダンス１４６までの全室を満たす。この室が完全に満たされると、出口マイ
クロ流体インピーダンス１４６は打破され、試料はさらなる分析のために装置の
外に輸送することができる。
【００７５】 ある実施形態では、出口穴１３３はさら形に形成し、該穴に毛細管を挿入する
。さら形は毛細管に嵌合するように調整する。
【００７６】 実施例３ 図６は、大きな標準偏差を有する多数の試料を持ち込み、小さな標準偏差を備
えた既知量を計量し、計量した量を等しい３つの部分（aliquot）に分割する、
マイクロ流体装置の概略図である。この装置では、全ての計量は内蔵バルブシス
テムで自動的に生じる。検出技術を装置に追加して計量された試料を分析するこ
とができる。
【００７７】 図６Ａに示すように、入口ポート１５０は厚さ１／８インチのポリカーボネー
トベース１５１に形成した。３つのステンシル層１５２−１５４を形成し、それ
らに流路１５５−１５８と室１５９−１６２を切り込んだ。２つのステンシル層
１５２，１５３は、永久水性接着剤を備えた合計厚さ３ｍｉｌを有するポリエチ
レンからなる片面テープから作成した。他のステンシル層１５４は、両面テープ
（各面に厚さ１．８ｍｉｌ（４６ミクロン）のアクリル接着剤を備えた厚さ０．
５ｍｉｌのポリエステルキャリア）から作成した。ステンシル層を互いに接着し
、ポリカーボネートベースに接着した。２つの異なるタイプの多孔材料をステン
シル層１５４に接着した。材料１６３は、３０−６０ミクロンの平均孔サイズを
有するポリテトラフルオロエチレンであり、流路１６１を被覆している。他の材
料１６４は、２．５−４．５ミクロンの平均孔サイズを有する超高分子量ポリエ
チレンであり、出口流路１６０と１６２を被覆している。
【００７８】 組み立てられた装置は図６Ｂに示され、３つの異なるタイプの重複部１６５−
１６７と、２つのタイプの出口流路１６８，１６９を含む。この実施例の重複部
は実施例２と同じである。
【００７９】 動作中、試料栓を入口ポート１５０に注入する。流体は装置に進入し、マイク
ロ流体インピーダンス１６５を通過する。流体は流路１５８を満たし、マイクロ
流体インピーダンス１６７に達する。この点で、流体は２つのインピーダンス１
６６，１６７に出会う。流体が流れ続けるために、出口１６８および／または１
６９にある多孔材料１６３および１６４の一方または両方を介して空気を押し込
まなければならない。この実施例では、出口流路１６８を被覆する材料１６３は
、出口流路１６９を被覆する材料１６４よりも小さな圧力損失を有するように選
択しなければならない。これにより、マイクロ流体インピーダンス１６６がまず
打破される。過剰の流体試料は流路１５６に進入し、その前面は多孔材料１６３
の界面に達する。この地点で、システムは、材料１６３を横切る液体よりも、１
６９で界面を横切って空気を通過させるのが好ましい。そして、マイクロ流体イ
ンピーダンス１６７は打破される。流体試料容積は、マイクロ流体インピーダン
ス１６６から１６７までの流路１５８の容積に等しいが、流路１５７に均等に分
割される。
【００８０】 検出技術を１５７の室に追加して、試料の場内（on board）分析をすることが
できる。
【００８１】 流路の容積は、種々の試料サイズを収容するように調整することができる。小
容積の試料を供給する誤差のために、試料注入容積はハイエンドからローエンド
までの範囲内で実質的に可変性を有する。重要なことは、（１５８内の）試料領
域の容積は注入される試料容積のローエンドより小さくなければならないことで
ある。さらに、流路１５６と流路１５９および１６１の容積は、注入される試料
容積のハイエンドより大きくなければならない。例えば、１マイクロリッター±
３０％の試料注入容積に対して、２つのマイクロ流体インピーダンス（１６６と
１６７）の間の室１５８の容積は７００ｎｌより小さくなければならない。さら
に、１５６、１５９および１６１の容積は、可能な全容積すなわち１３００マイ
ナス試料容積より大きくなければならない。好ましい実施形態では、計量容積は
６００ｎｌであり、廃棄システムは１マイクロリッターである。
【００８２】 実施例４ この実施例では、２つのインピーダンスを含む装置が示されている。これらの
インピーダンスは、異なる流体にさらされると、異なる動作をするように設計さ
れている。図７Ａに示すように、入口ポート１７０および２つの出口ポート１７
１，１７２を厚さ１／８インチのポリカーボネートベース１７３に形成した。４
つのステンシル層１７４−１７７を形成し、そこに流路１７８−１８０と２つの
タイプの孔１８１，１８２を切り込んだ。これらのステンシル層は、永久水性接
着剤を備えた合計厚さ３ｍｉｌを有するポリエチレンからなる片面テープ片に流
路を切り込むことによって作成した。サポートステンシル層１７７は流路または
穴を有しない。ステンシル層は互いに接着し、ポリカーボネート層に接着した。
【００８３】 組み立てられた装置は図７Ｂに示され、２つの異なる重複部１８３，１８４を
有し、これらは異なるタイプの材料に異なった応答をするように設計されている
。
【００８４】 動作の２つの例を説明する。第１の例では、１Ｘ燐酸塩緩衝処理（１X phosph
ate buffered）された塩（ＰＢＳ）緩衝剤をポート１７０に注入した。出口ポー
ト１７１，１７２は両方とも開いたままである。流路１８０に満たされた流体は
、重複部１８３，１８４に達する。この点で、水はまず重複部１８３を通過する
。流体は流路１７８を満たす。出口ポート１７２を蓋すると、システムに圧力が
構築され、重複部１８４が打破される。
【００８５】 第２の例では、工業用香料油（scented oil）（ウィスコンシン州オーククリ
ークのGoodscents Ｃｏｍｐ．のPine Forest Scent＃９４３４）をシステムに注
入した。再度流路１８０が満たされ、油は重複部１８３，１８４に達する。この
場合、重複部１８４がまず打破される。流体が流路１７９を満たし、ポート１７
１から流出すると、該ポート１７１を蓋する。これにより、重複部１８３は打破
される。
【００８６】 実施例５ 他の好ましい実施形態では、２以上の流路が任意のマイクロ流体インピーダン
スで出会うことができる。図８に示すように、３次元の装置の３つの異なる層か
ら重複した流路を有するマイクロ流体装置を作成した。
【００８７】 図８Ａに示すように、厚さ１／８インチのポリカーボネートベース１９１に入
口ポート１９０を形成した。このポリカーボネート片に出口ポート（１９２）を
形成した。４つのステンシル層を作成し、それらに流路１９７−１９９と孔２０
０−２０２を切り込んだ。４つの全てのステンシル層１９３−１９６は、永久水
性接着剤を備えた合計厚さ３ｍｉｌを有するポリエチレンからなる片面テープか
ら作成した。ステンシル層は互いに接着し、ポリカーボネート層に接着した。
【００８８】 動作中、１XＰＢＳの試料栓を入口ポート１９０に注入した。流体は装置の中
間層に位置する流路１９８に流入し、該流路を満たし、交差重複部２０３に達す
る。この点で、流体前面は２つのマイクロ流体インピーダンスと出会う。この実
施例では、流路１９７に導くマイクロ流体インピーダンスがまず打破される。８
つの装置を作成してテストしたが、全て同じオーダーで破断した。流体は流路１
９７を満たし、十分な圧力が出口ポートに加えられると、流路１９９に導くマイ
クロ流体インピーダンスを破断する。
【００８９】 この実施例では、流体インピーダンス２０４および２０５は同一のサイズと幾
何学的外形を有するが、テープ層の非対称のために、インピーダンス２０４と２
０５は重複部で異なる表面化学的性質を与える。流路１９８の下面は水性（wate
r−based）接着剤で被覆されているが、流路１９８の上面は被覆されていないポ
リプロピレンである。この例は、インピーダンスを打破するのに必要な差圧がど
のようにインピーダンスにおける表面化学的性質に依存するかを示す。
【００９０】 実施例６ この実施例では、中央地点で出会う４つの流路を含み、多層マイクロ流体イン
ピーダンスとなる装置が示されている。図９Ａに示すように、厚さ１／８インチ
のポリカーボネート２１２に入口ポート２１０と３つの出口ポート２１１を形成
した。５つのステンシル層２１３−２１７を形成し、それらに流路２１８−２２
１と多孔２２２を切り込んだ。これらのステンシル層は、永久水性接着剤を備え
た合計厚さ３ｍｉｌを有するポリエチレンからなる自己接着性の片面テープから
作成した。１つのステンシル層２１７は流路と孔を有しない。ステンシル層は互
いに接着し、ポリカーボネート層に接着した。
【００９１】 組み立てられた装置は図９Ｂに示され、４つの全ての流路が一つの垂直位置で
集合する流体重複部２２３を有する。
【００９２】 水性緩衝剤を入口ポート２１０に注入すると、該水性緩衝剤は流路２２１を通
過し、重複部２２３に達する。流体はまず次の隣接ステンシル層２１５にある流
路２２０に進入する。次に、流体は流路２１９に進入し、最後に流路２１８に進
入する。
【００９３】 ここで引用した全ての参照文献の開示は参照することで個々に組み入れる。
【００９４】 本発明の前述の説明は、図示および説明のためであり、本発明をその実施例に
限定するものではない。したがって、本発明の精神から逸脱することなく当業者
により変更がなされてもよいし、本発明の範囲は特許請求の範囲に関して解釈さ
れるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 マイクロ流体インピーダンスを含む基本装置の図。
【図２】 重複形状に基づいて流体インピーダンスを制御する種々の方法の
概略図。
【図３】 流路高さおよび化学組織に基づいて流体インピーダンスを制御す
る３つの様々な方法の概略図。
【図４】 内蔵マイクロ流体インピーダンスを備えたマイクロ流体精製およ
び濃縮装置の概略図。
【図５】 内蔵マイクロ流体インピーダンスおよびオフボード（off-board
）接続を備えたマイクロ流体計量（metering）装置の概略図。
【図６】 内蔵マイクロ流体インピーダンスおよび内蔵バルブを備えたマイ
クロ流体計量装置の概略図。
【図７】 ２つのインピーダンスを含むマイクロ流体装置の概略図。
【図８】 １つの重複部で交合してインピーダンスを形成する３層３流路を
備えたマイクロ流体装置に概略図。
【図９】 中央の重複部で交合してインピーダンスを形成する４層４流路を
備えたマイクロ流体装置の概略図。
【符号の説明】
１３９，１５８，１８０，１９８； 第１流路 １４０，１５６，１８０，１９７； 第２流路 １４１，１５７，１７９，１９９； 第３流路 １３４，１３５，１３６，１５２，１５３，１７４，１７５，１７６，１９３，
１９４，１９５； ステンシル層 １４４，１６６，１８３，２０５； 第１重複部 １４５，１６７，１８４，２０４； 第２重複部
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１４年７月２２日（２００２．７．２２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】 本発明は請求項１の前提部に記載のマイクロ流体装置に関する。これらの装置
は、種々の生物学的および化学的システムや、他の液体分配装置との組合におい
て有益である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】 化学的および生物学的情報の取得のためのマイクロ流体システムの製造や使用
における関心が増大している。特に、マイクロ流体システムにより、非常に小容
積の流体を使用して、複雑な生物化学的反応を行うことができる。これらの小型
化されたシステムは、反応の応答時間を増加し、試料容積を最小化し、試薬コス
トを低減する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】 したがって、電流や電圧の使用を必要とすることなく、流体輸送を制御するこ
とができるマイクロ流体装置が要求されている。 他のマイクロ流体装置が公知である。ＷＯ９９／６０３９７号公報は、例えば
、請求項１の前提部に記載のようなマイクロ流体装置を教示しているが、一方へ
の流体流路から他方への流体流れの切り換えるために何らかの能動介入手段を利
用している。 本発明の目的は、外部制御を必要とすることなくマイクロ流体装置の優先流体
流れを受動的に促進するために、請求項１の前提部に記載のマイクロ流体装置を
向上させることである。これは請求項１の特徴部の特徴によって達成される。有
利な他の実施形態は従属項２から１５に記載されている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】 本発明は、流体流れを制御することができるマイクロ流体装置を提供する。あ
る実施形態におけるマイクロ流体装置は、最小のツールアップコストで試作する
ことができ、低コストで容易に製造することができるとともに、強固である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】 装置は三次元装置の異なる層に配置された２または複数のマイクロ流体流路か
らなる。流路は流体インピーダンスを創出するためにある領域で重複している。
流体インピーダンスは装置を通る流体流れを妨げる。このインピーダンスの重複
の形状と量は、流体をインピーダンスを通って流動させるのに必要な差圧を変化
させるために、制御することができる。マイクロ流体装置は流路が削設された積
層ステンシルから形成され、該積層ステンシルは接着剤で互いに保持されている
。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】 マイクロ流体インピーダンスは他の技術を使用して作成された装置に組み込ま
れている。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】 インピーダンスは一つの装置内で異なる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】 ここで使用する「正圧」および「負圧」は、基準圧力と異なる圧力について言
及している。好ましい基準圧力は大気圧である。 次に、添付図面を参照して、好ましい実施形態を説明する。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】 本発明は、流体流れを制御する内蔵流体インピーダンスを含むマイクロ流体装
置を記載する。マイクロ流体インピーダンスは、流体の流れが制御された方法で
生じるように、システムに内蔵されている。これらのインピーダンスは、インピ
ーダンスを横切る差圧がインピーダンスを打破（overcome）するのに十分となる
まで、または流体インピーダンスの界面（interface）の性質が変化して流体流
れを生じさせるまで、ある流路合流点で流体流れを妨げる。これらのマイクロ流
体インピーダンスは、装置内の１または複数の位置に組み込むことができる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】 装置がモジュール層（modular layers）から作成される実施形態では、そのよ
うな層は接着剤で接合することができる。接着剤は、例えば、ゴムベースの接着
剤、アクリル樹脂ベースの接着剤、シリコン接着剤、または粘性ゴム（gum）ベ
ースの接着剤とすることができる。層を形成するのに使用される材料は、自動硬
化接着剤とすることもできる。例えば、使用する層は接着テープとすることがで
きる。接着テープは、例えば、接着剤で被覆された片面または両面を有するポリ
マー層を有することができる。多くの接着テープは、例えば感圧テープ、化学的
活性テープ、熱活性テープ、および光活性テープを含むと考えられている。他の
実施形態では、個々のステンシル層は機械的圧力で接合することができる。ステ
ンシル層からマイクロ流体装置を作成する多くの技術が、１９９９年１２月２日
に出願された米国出願第０９／４５３０２９号に記載されている。マイクロ流体
装置を作成する他の技術は、１９９９年１２月２日に出願された米国出願第０９
／４５３０２６号に開示されている。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９３
【補正方法】削除
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９４
【補正方法】削除
【手続補正書】
【提出日】平成１４年１０月１５日（２００２．１０．１５）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 マーシー・ペッツート アメリカ合衆国91106カリフォルニア州パ サディナ、ナンバー103、サウス・カタリ ン442番 Ｆターム(参考） 4G075 AA13 AA39 BA10 BB10 DA02 EB01 EE31 FA01 FA12

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１流路（１３９，１５８，１８０，１９８）、第２流路（
    １４０，１５６，１８０，１９７）および第３流路（１４１，１５７，１７９，
    １９９）を形成する複数のステンシル層（１３４，１３５，１３６，１５２，１
    ５３，１７４，１７５，１７６，１９３，１９４，１９５）であって、各流路が
    ５００ミクロン以下の少なくとも１つの寸法を有し、各流路が前記複数のステン
    シル層の少なくとも１つの全厚さを貫通して形成され、前記流路の少なくとも２
    つが異なるステンシル層に形成されている複数のステンシル層と、 前記第１流路と第２流路の間の初期流れを妨げるが、当該第１流路と第２流路
    の流体的連通を許容する第１重複部（１４４，１６６，１８３，２０５）と、 前記第１流路と第３流路の間の初期流れを妨げるが、当該第１流路と第３流路
    の流体的連通を許容する第２重複部（１４５，１６７，１８４，２０４）とから
    なり、 前記第１重複部は、マイクロ流体装置内の優先流れを促進するために、前記第
    ２重複部と異なっているマイクロ流体装置。
  2. 【請求項２】 前記第１重複部（１４４，１６６，１８３，２０５）によっ
    て与えられるインピーダンスは、前記第２重複部（１４５，１６７，１８４，２
    ０４）によって与えられるインピーダンスと異なっている請求項１に記載のマイ
    クロ流体装置。
  3. 【請求項３】 前記第１流路（１３９，１５８，１８０，１９８）に導入さ
    れる流体が前記第１重複部（１４４，１６６，１８３，２０５）のインピーダン
    スを打破し、次に予測可能な順序で前記第２重複部（１４５，１６７，１８４，
    ２０４）のインピーダンスを打破する請求項２に記載のマイクロ流体装置。
  4. 【請求項４】 前記第１重複部（１４４，１６６，１８３，２０５）は第１
    重複領域を有し、前記第２重複部（１４５，１６７，１８４，２０４）は第１重
    複領域と異なる第２重複領域を有する請求項１に記載のマイクロ流体装置。
  5. 【請求項５】 前記第１重複部（１４４，１６６，１８３，２０５）は第１
    重複幾何学的性質を有し、前記第２重複部（１４５，１６７，１８４，２０４）
    は第１重複重複幾何学的性質と異なる第２重複重複幾何学的性質を有する請求項
    １に記載のマイクロ流体装置。
  6. 【請求項６】 前記第１重複部（１４４，１６６，１８３，２０５）は第１
    表面化学的性質を有し、前記第２重複部（１４５，１６７，１８４，２０４）は
    第１表面化学的性質と異なる第２表面化学的性質を有する請求項１に記載のマイ
    クロ流体装置。
  7. 【請求項７】 前記第１重複部（１４４，１６６，１８３，２０５）は第１
    タイプの材料によって少なくとも部分的に結合され、前記第２重複部（１４５，
    １６７，１８４，２０４）は前記第１タイプの材料と異なる第２タイプの材料に
    よって少なくとも部分的に結合されている請求項１に記載のマイクロ流体装置。
  8. 【請求項８】 前記第１重複部（１４４，１６６，１８３，２０５）と第２
    重複部（１４５，１６７，１８４，２０４）は共通の刺激に異なった応答を行う
    請求項１に記載のマイクロ流体装置。
  9. 【請求項９】 前記刺激は、入口圧力、出口圧力、差圧、流体のタイプから
    なる群から選ばれる請求項８に記載のマイクロ流体装置。
  10. 【請求項１０】 前記第１流路（１３９，１５８，１８０，１９８）と流体
    的に連通する入口ポート（１３１，１５０，１７０，１９０）をさらに有し、前
    記第１ポートが第１圧力まで加圧されると、前記第１重複部（１４４，１６６，
    １８３，２０５）は前記第２流路への流体の通過を許容するが、前記第２重複部
    （１４５，１６７，１８４，２０４）は流体の前記第３流路への通過を防止する
    請求項１に記載のマイクロ流体装置。
  11. 【請求項１１】 前記第１重複部（１４４，１６６，１８３，２０５）は、
    第１差圧が前記第１重複部を横切って加えられたときに、前記第２流路（１４０
    ，１５６，１８０，１９７）への流体の通過を許容するが、 前記第２重複部（１４５，１６７，１８４，２０４）は、ほぼ同一の差圧が前
    記第２重複部を横切って加えられたときに、前記第３流路（１４１，１５７，１
    ７９，１９９）への流体の通過を防止する請求項１に記載のマイクロ流体装置。
  12. 【請求項１２】 前記第１流路（１３９，１５８）は前記第１ステンシル層
    （１３６，１５３）の全厚さを貫通して形成され、 前記第２流路（１４０，１５６）と第３流路（１４１，１５７）は前記第２ス
    テンシル層（１３５，１５２）の全厚さを貫通して形成されている請求項１に記
    載のマイクロ流体装置。
  13. 【請求項１３】 前記第１ステンシル層（１３６，１５３）は前記第２ステ
    ンシル層（１３５，１５２）に隣接している請求項１２に記載のマイクロ流体装
    置。
  14. 【請求項１４】 さらに少なくとも１つのスペーサ層（１７５）を有し、 前記第１重複部（１８３）と第２重複部（１８４）の少なくとも１つは、少な
    くともスペーサ層に形成された孔（１８２）を含む請求項１に記載のマイクロ流
    体装置。
  15. 【請求項１５】 前記ステンシル層（１３４，１３５，１３６，１５２，１
    ５３，１７４，１７５，１７６，１９３，１９４，１９５）はポリマー材料から
    なる請求項１に記載のマイクロ流体装置。
  16. 【請求項１６】 さらに前記第２流路（１５６）または第３流路（１５７）
    と流体的に連通する多孔材料（１６３，１６４）を有する請求項１に記載のマイ
    クロ流体装置。
  17. 【請求項１７】 前記多孔材料（１６３，１６４）はガスの通過を許容する
    が、液体の通過は実質的に妨げる請求項１８に記載のマイクロ流体装置。
  18. 【請求項１８】 さらに、前記第２流路（１４０）と流体的に連通する第１
    出口ポート（１３２，１７１）と、前記第３流路（１４１）と流体的に連通する
    第２出口ポート（１３３，１７２）を有する請求項１に記載のマイクロ流体装置
    。
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