JP2005537916A - モジューラー式マイクロフルイディクスシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】
【解決手段】多くの流体的に接続された流体供給すきまと、同じような構成の任意の中間ボードと、ベースボードや中間ボードに取り付けられて脱着可能な多くのマイクロフルイディクスモジュールと、それぞれが１つ以上の流体注入口及び／又は放出口を有し、好ましくはボードにおける供給すきま及びモジュールの注入口／放出口を介してモジュールとベースボードと、中間位置のボードを解放可能で流体的に接続する突出したフェルール形状の多くの流体継手を有するモジュールのマイクロフルイディクス（microfluidic）システムが記述されている。また、モジュールの組み立てとしてマイクロフルイディクス（microfluidic）システムを提供する方法が説明されている。

Description

本発明は迅速な組み立てと分解のためのモジュール化した微細流体（マイクロフルイディクス（microfluidic））システム、およびそのようなシステムを提供する方法に関する。
マイクロフルイディクス（microfluidic）装置とシステムは、処理しやすい量（scale）で多くの異なる化学的及び/または、生物学的な操作を実行するために、近年ますます重要になっている。なぜなら多くの化学的または生化学的反応が比較的わずかな液体量（volume）で分析及び/または、合成の過程の一部として実行されることができるからである。そのような縮小化された分析または合成の操作は、一般に、より効率的であり、反応時間を上昇させ、潜在的に高価な試薬の必要条件を減少させる。
従来のマイクロフルイディクス（microfluidic）装置と部品は、一般にシリコン生産産業において、例えば、フォトリソグラフィ（photolithography）を用いて平面構築（planer fashion）で装置を組み立てることや、エッチング技術（etching techniques）を受けてそれに類似した技術を用いたチップ上で構成されている。従来は、特にシリコン産業以外のいたるところで（elsewhere in the silicon industry）、小型化に類似した（analogy with）、できるだけ小さいサイズの特定の合成及び又は分析処理を行うすべての化学的、生化学的、生物学的な処理をシングルチップ上に小型化する開発努力に集約しようとする傾向があった。
そのような構造は多くの利点を示す。しかしながら、得られたチップは比較的柔軟性がない。そのようなシングルチップにおいて異なる材料(material)とデバイス技術(device technologies)を混在させることは必ずしも簡単ではない。点検、メンテナンス、および修理は複雑である場合がある。
本発明の目的は、柔軟性を高め、シングルチップに不可欠なシステムの欠点のいくつかあるいはすべてを緩和するマイクロフルイディクス（microfluidic）システムを提供することである。
本発明の特有の目的は、様々な異なるマイクロフルイディクス（microfluidic）の構成要素（component）が完全なシステムへと柔軟性と実用性（utility）を高めて、容易に組み立て可能であり、分解可能であるモジュール式マイクロフルイディクス（microfluidic）システムを提供することである。
したがって、本発明の第１の局面によると、ベースボードの片側あるいは両側に存在する複数の流体的に結合した流体供給用のすきまと、ベースボードに着脱可能に（detachably）とりつけられるよう、それぞれが１つ以上の流体の注入口及び／又は放出口を有する複数のマイクロフルイディクスモジュールと、実質的にリリース可能にモジュールとベースボード間の流体を密封状態で繋げることができるように（to effect releasable substantially fluid-tight fluid connection）ベースボード上の供給すきまとモジュール上の注入口及び／又は放出口を介する複数の流体継手と、を有する少なくとも一つのベースボードを備えたモジュール式マイクロフルイディクスシステムが提供される。
さらに、このシステムには、システムにソース流体を供給するように流体的に結合された少なくとも１つの流体ソースすきまを備えており、及び／又はシステムから流体を放出するよう少なくとも１つの流体放出すきまを備えていることが望ましい。ソース（source）及び／又は放出すきまは直接ベースボードに連通しているか（communication）及び／又はモジュールを介して備わっている。そのような複数の流体ソースすきま及び/または流体放出すきまが提供されることもある。
流体は気体、あるいは液体で供給されることもある。１つ以上の流体が既存のステムに供給されることもある。
本発明によると、従来の方法で一体化されているというよりも、むしろベースボードチップ上のモジュール構築（fashion）でシステムが形成されて、マイクロフルイディクス（microfluidic）回路がベースボード上に確立される。流体は、ベースボード上の流体ソースすきまを介して、あるいはモジュールへの直接の導入により、構築されたマイクロフルイディクス（microfluidic）システムへ供給される。
ベースボードチップは、少なくともいくつかの供給すきま同士及び／又はいくつかのソースすきまに流体接続（fluid communication)で接続する複数の流路及び／又は流体チャンバーを提供するマイクロフルイディクス（microfluidic）経路と少なくとも部分的に相互接続(interconnectng)するパターン（pattern）で構成されることが望ましい。モジュール内の流体供給通路はモジュール構造が組み立てられるとき、必要なマイクロフルイディクス（microfluidic）回路を完成するためにそれとともに（therewith）連携して作用し、回路が、ボード上の相互連結ポイントに対して流体を分配するので結果としてモジュールに流体を分配するのに役立つ。組み立てられたシステムは連結してあるいはそれぞれに機能するそのような複数の回路を提供することもある。
従来技術システムと比べて、本発明は特に使用中の構造の柔軟性と関連して重要な利点を示す。ベースボードの相互連結に対するチップモジュールは便利なことにコンパクトで簡易であるので、同時に該ボードと外部設備との接続には、その設備に接続するために適した部材(well established fittings)を利用することができる。異なった材料とデバイス技術を混合することが可能になる(例えば、ポリマーボード上のガラスチップ)。ボード上あるいはモジュール表面に取り付けられたポンプ、バルブなどと同様に外部ポンプなど外部システムを選択することもできる（is offered） 。
本発明のシステムは自由にデザインを選択できる。例えば簡易なベースボードデザインが交換可能な複雑なモジュールとともに備わっていることもあり、またはベースボードの内部に複合システムが備えられていることもある、それに加えて取り付け可能な、簡易及び/又は使い捨てできる（disposable）モジュールとともに備わっていることもある。モジュールとボードの間の接続がモジュール機能に従って、選択されることもできる。
総合的なシステムは、例えばシステム全体ではなく、むしろ欠陥があるモジュールだけを置き換えることによって点検やメンテナンスの簡易さ、使用しやすさ、およびシステム修理の容易さを提供する。
本発明によるマイクロフルイディクス（microfluidic）モジュールは１台以上のマイクロフルイディクス（microfluidic）装置を備えている。これまでの使用のように、マイクロフルイディクス（microfluidic）装置はマイクロフルイディクス（microfluidic）システムのいかなる既知の要素（element）をも備えており、リアクター、加熱器、冷却器、分析器、探知器、混合器、プロセッサー、分離器などのような活性装置ユニットだけでなく(without limitation)、ポンプ、バルブ、フィルターなどのような流体機能ユニット、あるいは単に流体経路（channel）、チャンバーあるいは個々のマイクロフルイディクス回路を完成させるための連結管を備えていることもある。
発明によるマイクロフルイディクス（Microfluidic）装置は三次元的あるいは一般的には平面的（プレーナー（planer））である。好ましい実施例においては、装置は概してプレーナー(planer)である。各モジュールには一般に、プレーナーベースボードに組み込まれるように一般的なプレーナー構造を有している。注入／放出すきまはそのようなモジュールのプレーナー表面の１つに備えられることが一番簡単である。供給すきまはベースボードのプレーナー表面に備えられることが一番簡単で、一つの縁あるいは縁の表面、同じプレーナー表面あるいは相対するプレーナー表面にソースすきまが提供されることもある。
各モジュールは、流路及び／又は流体チャンバー部分を明確にする少なくとも1つの内側のサンドイッチ層と、同部分を覆い（coverng）、かつ、それを囲い込む効果のある（effecting enclosure ）少なくとも１つのカバー層を備えた一般的なプレーナーサンドイッチ構造を有している。好ましい実施例においていずれか一方にカバー層を備え、モジュールは囲まれた流路及び／又はチャンバー部分を明確にする少なくとも１つのサンドイッチ層を備えており、例えば、一緒に組み立てられるペアが前述のような囲い込みを明確にするように形成された経路の内、少なくともひとつの表面上にペアのサンドイッチ要素を構成している。さらには中間層が存在することもある。
活性マイクロフルイディクス（microfluidic）要素は、該経路及び／又はチャンバー内に組み込まれていることもあれば、サンドイッチ層において追加的にあるいは代替的に、経路そのものの内部との流体接続している中のモジュール表面に提供されることもある。モジュールの経路と外部の表面との間に流体のコミュニケーションを効果的にするように1つ以上の注入すきま及び／又は放出すきまがベースボードとの流体接続のために備えられている。ベースボードも同様に組み立てられることもある。
ベースボードとモジュールは、適宜適切なプラスチック材料で製造されることもある。それらはモノリシック構造のブロック材料か、上述のようなサンドイッチ層か、あるいは薄い層の合板製品かそれらを組み合わせたものから組み立てられる。使用される流体と接触する層や材料は、必要であれば化学的に抵抗力があるプラスチック材料、例えばエポキシ、もっとも望ましくはフォトイマジナブル（photoimagable）エポキシで加工される事が望ましい。適度に抵抗力がある薄いフィルム・ラミネートの材料としてエポキシ接着されたPENラミネートを含むこともある。これは流路と流体チャンバーがうまく組み立て（fabricability）られることで確かな(good)抵抗を与える。望ましくは、サンドイッチ構造では、また、使用中の流体に接触する流体注入／放出ポートを備えたカバー層が、優れた耐化学薬品性を示す、例えばエポキシ、あるいはポリエーテルエーテルケトン（PEEK）などのプラスチックから作られる。 あるいは、そのような範囲（area）で適度に抵抗力があるコーティングを材料に付加することもある。
単なる構造的なカバーや中間層の化学的性質はそれほど重要ではない。それほど厳しくない環境を示している流体と一緒に使用する目的の材料（component）も同様に物質的な選択はそれほど重要でない。これらの場合では、PＭＭAやＰＥＴそしてアクリルポリマーなどの、あまり抵抗力がない材料が適当であるかもしれない。
さらに、どんな材料または層及び特定のカバー層においても、特定の性質、例えば、透明性、電気的、磁気的、または、誘電性の特性のために、外部に取り付けられたマイクロフルイディクス（microfluidic）装置の部品（component）などを取付けるように変更されることもある。金属層が、コンダクターや、抵抗ヒーターなどとして役立つように備えられるか組み込まれることもある。
実際には、個々の部品のさまざま部分には、例えば、透明性、構造的な強度、対化学性などといった異なる機能条件を有することもある。例えば、材料と部品を組み合わせたり、特性が最良の組み合わせとなるようにベースボードとモジュールに対して組み合わせ基材を用いて材料を組み合わせて使用されることもある。
例えば、ミクロ化学リアクターの場合では、流路を探査できるよう及び／又は測定できるように光学的に透明であり、及び／又は熱をかけると透明になる（thermally transparent）、あるいは別の波長において透明である基質ポリマーを使用するのはどんな目的のためにも有益である。しかしながら、優れた透過性で容易に利用できるポリマーは、合成化学で使用される広範囲の溶剤に対しても抵抗力があるので、一般的に利用可能でないことが理解されるだろう。合成方法を選定することで（adopting a composite approach）、容易に基材を形成することができ、その基材は必要とされる透明な材質（必ずしも高い耐化学性を表すわけではない）（material）部分を有し、また少なくとも溶剤接触が可能である領域で化学的に抵抗力がある材質部分(必ずしも高い透明度を表すわけではない)を有し、あまり抵抗力がない透明な基質材料との接触を防ぐ。例えば基本構造は透明な材質を備えているが、その材質には溶媒が接触する部分における基材に含まれる化学的抵抗がある材質が含まれている。あるいは、透明な材質である「窓」挿入物（”window” inserts）を備えた化学的に抵抗力がある材料の基本構造は同じ目的にかなっている。他の機能を具備した特定部分についても同様に容易に連想されるだろう。
ここで使用されているように、マイクロフルイディクス（microfluidic）は少なくともいくつかのサブミリメートル規模を有するミクロ構造について述べられていることが理解されるだろう。この場合のミクロ構造はそれらのシステムにおいて様々なよく知られている構造に言及して使用されており、前述の経路やチャンバーなども含まれるが、これに限定されるものでなく、流体に対して通路や格納庫を提供できる。
本発明によると、ベースボード上の少なくとも１つの流体供給すきまとマイクロフルイディクス（microfluidic）装置モジュールの少なくとも１つの注入すきま／放出すきまの間で密接な流体接続に作用するように多くの流体継手(coupling)を備えている。流体の密接な接続は一つの継手と一つの供給すきまの間の締まりばめ（interference fit）に影響を受け、継手とすきまは選択されたそれらの工程（fabrication）に応じた大きさや材料、例えば少なくとも接続部分において柔軟で弾力性があるといったように分けられることが望ましい。
少なくとも供給された流体圧力の作用での使用においては、この締まりばめだけでも密接な流体接続を維持するために十分であるかもしれない。あるいは接続継手とすきまをより近接して連結し、それにふさわしい力でその場で保持させることで、接続手段は、使用中にその組立部分が安定し、モジュールとボードの間の流体の密接な接続を維持することの助けになるようにすきまをより密接な連結にさせることもある。例えば、そのような接続手段にはスプリングクリップ、ねじ、ボルト、留め金や機械的な設備を含むこともある。接続とは、モジュールとボードを一緒に繋ぐことを意味する。継手／すきま接続のそれぞれと個別に接続される特定の接続手段である必要は全くない。複数の流体接続を形成するシステムをつなぎ合わせる為にいくつかの機械的なファスナを使用することができる。
モジュールが複数の構成に容易に組み立てられて、例えばユーザーによって他の構成へと再度組み立てられるために、分解可能であるという本発明の特徴と同様に、接続手段が解放（releasable）できることも特徴的である。しかしながら、ある状況下ではユーザーは、例えば永久的な機械的装着や接着などからなる半永久的または永続的なベース上で継手とすきまの密接な接続を保つために永久的な部品をより使用したがっていることも理解でき、本発明に基づくこのシステムによってユーザーがこれを選択できるようになった。
便利なことに、その接続には経路手段の形成において、それらの間を流体が密に連絡して接続できるような注入孔／放出孔／すきまなどの適した凹み部分に取り外し可能に挿入できる解除可能な継手が備えられている。そのような経路手段は便利なことに管状の要素、特に堅い管状の要素を備えており、例えば平行な側面である（being parallel sided）か、例えば正方形または長方形であり、多角形である、またあるいは円形か楕円の断面を、管状の要素が凹みの形に応じて望ましい形を形成して受け取られるような凹みとともに有している。
そのような管状の要素は分離でき、異なるユニットであることもある。しかしながら、使いやすいように（for convenience）ベースボードとモジュールが一般的なプレーナー要素を備えている好ましい実施例と特に関連して、管状の要素は、最初のすきまと一体となり、そこから突出したフェルールを備え、ベースボード上の流体供給すきまか、モジュールの注入口／放出口のいずれかを備えた第１のすきまから突出していることが好ましく、そして、ベースボード上の流体供給すきまか、モジュールの注入口／放出口のいずれかに応じて第２のすきまとして備えられた凹みで受け取るように適合させられる。特に、フェルールは一般的にプレーナー表面から垂直に突出しており、接続されると平行な状態になるようにベースボードとモジュールの間に流体接続をもたらす。
最も好ましい形態では、フェルールはベースボードの表面を突き抜け、そこにとりつけられるようにモジュールの流入／放出すきまを備えた凹み内で受け取られる。
上述のようなフェルールは特定の利点を示すことができる。フェルールシステムは、「チップ」の間の流路におけるデッドボリューム（dead volume）を最小化できる。フェルールを使用することで、高圧液体クロマトグラフィー(ＨＰＬＣ)装置等より高い密度で相互接続できる。フェルールは高圧に耐えることができる。一般に、フェルールは相互接続するために、ねじ山等の部品を保持するために必要とされる厚みに比べると必要となる厚みは薄く、フィルムを含む重要な（essential）層に至るまではるかに薄い層を可能にする。フェルールを通して複数の流体接続を形成するシステムを結合するのに１つ以上の機械的なファスナを使用することができる。
フェルールによって正確なモジュール配列を簡単にする流体要素の正確で機械的な配置構造が確実になる。
一般に、ベースボードとモジュールの使用を想定した材料の中で、さまざまなフェルールと凹みに余地を与えて、適切なフェルールの凹みを機械加工するのは簡単である。 内部の穴と外部の直径を制限内において変えることができ、フェルールがマイクロフルイディクス（microfluidic）の機能性を取り入れることができる。例えば、任意に複数の穴(フォトニック水晶と類似の方法による)を備えて、内部の穴は濾過機能を取り入れてもよい。貯水機能を含むように例えばフェルールをより大きい形に変更することもできる。
状況に応じて、単に経路としての役割というよりむしろ、流路内で流体的な活性要素を備えているという点で、流体継手には追加的な機能を組み込むことができる。流体継手はノンリターンバルブ、例えばボールバルブを含んでもよい。便利なことにボールバルブは磁力によってスイッチできるバルブである。流体継手は、触媒フリット（frit）を含むか、またはフィルタを組み込むこともできる。 様々なスイッチが考えられる。
モジュール及び／又はボード間の流体相互接続と同様に電気的接続を発生させるために、例えば金属的フェルールのような導電性の金属的流体継手を使うことは可能である。そのような金属継手は、モジュール及び／又は流体と電気との接触の間に電気的接点を生じながら、流体及び／又はモジュールの接触表面に絶縁層を任意に備えている。フェルールと一体的に、あるいはフェルールとは別々にシステムが更なる機能的な相互接続（例えば磁気、光学の）を容易に備えていることもあるという点で、構造（design）に基づくフェルールは、特定の柔軟性を提供する。
任意に、フェルールは結合することができるか、例えばプラグアンドプレイで使用する間、ベースボードで経路選択において冗長である（allowing redundancy）特定の装置組合せにおいて、使われていない経路を閉鎖するために、ファスナー（closure）を備えるか組み込むことができる。ユーザーが使用する栓で閉鎖されることもあれば、手動で操作される一体型の閉鎖弁で閉鎖されることもあり、あるいはフェルールが凹み部へ挿入されると自動的に閉鎖するファスナー（closure）を備えていることもある。
本発明は１つの層に配置された多くのモジュールを有する１つのベースボードのことについてこれまで述べられてきた。本発明がそれに制限されないことは容易に認識できるだろう。本発明の特に柔軟なところは、モジュール及び／又は主幹となるベースボード及び／又は中間層のボード（intermediate level）を多平面に積み重ねできるということである。そのような中間層のボードは単に流路、流体チャンバーといった形で流体接続を提供するだけのこともあれば、実行中のマイクロフルイディクス構成要素（component）を含むこともある。同様に、本発明がこれまで述べられたような複数のモジュールや少なくとも１つの主要なベースボードを備えており、そのベースボードも任意の動作中のマイクロフルイディクス構成要素（component）を備えている。
これまで述べてきた主要なベースボードの特徴に関しては、そのような中間層のボードに等しく適用できることが理解されるだろう。中間層のボードは上述のように造られ、その好ましい特徴は同じように解釈されるだろう。特に、ボードはプレーナーであることが望ましく、上述のようなサンドイッチ構造が望ましい。
そのような多平面に積み重ねているシステムを備えた実施例において、中間層で使用するのに適応するいかなる構成要素でも、少なくとも１つの注入口を第１の「下部の」表面に、少なくとも１つの放出口を第２の「上部の」表面に備えている。（ここで使用されている下部及び上部とはベースボードに近接しているか、ベースボードから離れている表面について言及しており、いかなる制限的な指針も意味するものではないと解釈される。）ここでのモジュールにおける注入口／放出口についての説明は下部のすきまに、同じように利用されると理解され、そして、ベースボード流体供給すきまの説明は中間層の構成要素における上部すきまに、同じように適用されると理解される。特に、好ましいフェルールの実施例を用いて複数の層を積み重ねることは簡単である。
好ましい実施例で、一般に平行となるように構成要素の間でフェルールを突出することで流体接続が生じる。多平面システムでは、これらのフェルールがすべて同じ方向で突出するので、便利である。特にベースボードの上部表面にあるすきまと、すべての中間位置のモジュールの上部表面にあるすきまに、すべての中間位置の構成要素とすべての一番上部の構成要素の下部表面のすきまにおける凹み部の内部で、流体密接接続で受けるように接続されるべくフェルールが備えられていることが好ましい。
多層システムにおける下部層モジュールに対して、ボードに対するモジュールまたは上部層モジュールの取り付けは、ネジやネジ付け、差し込み口金、素早い解除であろがなかろが、プッシュ式及びスナップ式コネクタ、真空又は機械圧着接続、解除可能で相互に係合可能な弾力のあるフックとフェルトパッド、フック、クリップなど限定しないがそれらを含むどんなにふさわしく開放できる接続手段によって、達成されることもある。繋がれて対を成すすきまの間の縛りばめにおける経路手段として特に好ましい形態においては、流体継手そのもの、例えば凹みにおいて縛りばめで繋がれたフェルール、が役に立つか、そのような機械の接続を構成するために十分である。しかし、通常付加的な機械式コネクタが好まれる。
本発明によるシステムは、一つ以上の面（level）で、複数の異なるマイクロフルイディクス機能が実行されるのを可能にしている複数の交換可能な要素を提供する。
本発明の更なる局面によると、モジュールのアセンブリとしてマイクロフルイディクスシステムを提供する方法は、上述のシステムをまとめることから成り立つ。特に、その方法は以下の手段から成立する；
ベースボードの片側あるいは両側に複数の流体的に接続された流体供給すきま、少なくともいくつかの供給すきまで流体接続で繋がれた複数の流路及び／又は流体チャンバーを有する少なくとも１つのベースボードを提供すること、
各々が１つ以上の流体注入口又は放出口を有し、そして流体接続中に少なくとも１つの流路又は流体チャンバーを有する複数のマイクロフルイディクスモジュールを提供すること、
ベースボードにおける供給すきまとモジュールにおける注入口／放出口を介して開放可能な流体密接接続を生じさせるために流体継手を介してモジュールをベースボードに接続すること、
モジュール内の流路または流体チャンバーが必要とされるマイクロフルイディクス回路を完了するためにベースボードの流路または流体チャンバーと共に作動すること。
本方法の他の特徴が同様に理解されるだろう。
本発明の例として添付図面の図１〜８を参照して説明する。
図１は本発明によって構成要素の間でどのように流体接続がもたらされるか示した断面図である。
図２は本発明で使用されるマイクロフルイディクス（microfluidic）装置の簡単な基本的構造に関する概略図である。
図３は発明の原則を用いたマイクロリアクター（microreactor）システムである。
図４は図３のリアクターのベースボードの平面図である。
図５は図３のリアクターからのオンチップマニフォールド（多岐管）を表す（on chip manifold）。
図６は図３のリアクターからの最初に作動するマイクロフルイディクス（microfluidic）装置の平面図である。
図７は図３のリアクターから２番目に作動するマイクロフルイディクス（microfluidic）装置の平面図である。
図８は図３のリアクターからの３番目に作動するマイクロフルイディクス（microfluidic）装置の平面図である。
図９及び図１０は特性が最も良い組合せとなるような材料の組合せを使用する複合マイクロフルイディクス（microfluidic）装置/基板配置（arrangement）に関する例である。
図１１及び図１２は図９及び図１０の複合物を使用したリアクターチップ配置に関する例である。
図１は、フェルールが突出することを用いた本発明の好ましい実施例による、流体接続の基本的な設計（design）を断面図で例示する。
ベースボード(１)、最初の平らな構成要素層（２）と２番目の平らな構成要素層（３）が図１で図式的に例示される。分解図で示されるこの３つの層は、分解されているが、組み立てられるために位置が合わせられている。
システム内における流体接続は、ベースボード（１）の上部供給すきま及び１番目の平らな板（２）の上部放出すきまに備えられたフェルール（７、９）の挿入によってもたらされ、それぞれのフェルールは最初の平らな板（２）の下部表面と、２番目の平らな板（３）の下部表面に備えられた凹み（６、８）で受け取られる。より複雑な穴とフェルールの使用も可能であると理解されるが、実施例では、接続はフェルール（７、９）を形成するＰＴＦＥチューブを使うのに(take)簡単な平行な面の穴を使用する。フェルールは、流体の密接な漏れ防止接続(a fluid tight leak proof connection)を提供するための縛りばめの穴（the holes in the interferencefit）内で保持される。
実施例において、流体供給は、ＨＰＬＣ器具(１２)内の直径１／１６インチ（１．５ｍｍ）のフレキシブル管(１１)を備えた注入流体ソースすきま(１０)を介して生じることが示される。流路は黒線(１４)で示される。
実験システム（a laboratory system）にモジュール構造を組み立てるため、機械的負荷はフェルール（７、９）と凹み（６、８）の間を繋ぐように、矢（L）の方向に適用される。構成要素(１、２、３)の間の、より安全で機械的な接続を確実にするために、追加機械的な設備(図示せず)を提供することもある。
図２の分解図には概略図で装置構造を例示する。実施例の装置は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）からなる外部の基層（２１）、フォトイマジアブル（photoimaginable）エポキシからなる一対の内部層（２２）とポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）の上層（２４）と内部層（２２）を備えたサンドイッチ層構造を備えている。必要なマイクロフルイディクス（microfluidic）ミクロ構造を提供するために経路手段(２３)を内部のエポキシサンドイッチ層（２２）に備えている。上層（２４）を通る流体ポート（２４）は完成した装置の表面から、図２の分解図で示される２つの部分が組み立てられることで閉じこめられた（enclosed）内部経路を形成している経路手段（２３）まで流体接続する。
サンドイッチ層の構成要素(２２)と上層(２４)は経路(２３)とポート(２５)で使用中に、それぞれ流体に接触する。したがってこれらは、実施例においてはフォトイマジアブル（photoimaginable）エポキシとＰＥＥＫである、優れた化学抵抗を示す材料から作られる。単に構造上存在する下層(２１)の特性はそれほど重要ではない。
図２の概略図では作動しているマイクロフルイディクス（microfluidic）装置全てを例示しているのではない。これらが経路内で適切に組み込まれることもあり、（特に例えばポンプ、弁、フィルタといった形をとっている場合）、経路（２３）とともに流体接続でモジュール上に組み込まれることもあり得ると解釈される。
図３の平面図には本発明によるマイクロフルイディクス（microfluidic）反応システムが例示される。リアクターが２つの供給流体（「流体Ａ」と「流体Ｂ」）のために流入すきまを備え、３つの処理流れ（「流れ１」、「流れ２」、「流れ３」）を提供する。
リアクターは、多くの流体供給路(３２)を内部に組み込んだベースボード(３１)を備えている。ベースボードはそこに取り付けられる多くのマイクロフルイディクス（microfluidic）の部品で、供給流体（Ａ、Ｂ）を３つの流れ（流れ１、２、３）に分ける多岐管(３４)を、各流れの中に、ミキサーチップ（３５）、探知器チップ（３６）、リアクターチップ（３７）と更なる探知器チップ（３６）を備えている。これらの構成要素は図４〜８で各々示される。
図３で例示されたように本発明の原則により構築されたシステムは優れた簡易性と柔軟性を提供し、従来の設計（design）を超えた多くの利点を提供している。特に、それはマイクロフルイディクス（microfluidic）の「扇動（fanning）」（流体流路間で大きいピッチから小さいピッチ間隔へ移行すること）によって、マクロ世界からミクロ世界までより大きな内部接続構成要素とスケーリングの使用を可能にする。チップからボードまでの部品が、２ｍｍ平方よりも小さいまとまった間隔（<２mm square packed spacing）または１ｍｍより小さい互い違いの配列の間隔（<１mm staggered spacing）で相互接続の密接なパッキングを可能にする。
図４は平面図で、構成要素が付属していない図３のベースボード（３１）を例示する。ベースボード（３２）内で提供される流路手段がさらに明らかに例示される。
図３の多岐管(３４)は図５の平面図でさらに詳細に例示される。それは多岐管が図５において一つの流入すきまから２つの流体（流体Ａ、流体Ｂ）を受け取り、図３で例示されるような流体Ａと流体Ｂの一対の供給から３つの流れが生じた結果である６つの放出口１〜６をどのように形成するかを見ることができる。
この装置は、図２の原理に従って組み立てられる。実施例の経路サイズは１５０μｍ×５０μｍである。道筋（routing）は、３００μｍの経路を通じてもたらされる（effected through３００μm channels.）。装置の全体サイズは、６２×７２×４ｍｍである。
図６は、側面図（上記）と平面図（下記）において図３のマイクロミキサーチップを例示する。マイクロミキサーチップは、それぞれ注入すきまＡ及び流入すきまＢに存在する流体Ａと流体Ｂを備えた２つの流体流れを受ける。それらが放出すきまへと流路（４１）を進むに従い、これらは混合される。経路サイズ１００ｍｍ×５０ｍｍで全体的なサイズが４５×２５×４ｍｍであって、図２で例示されるように、チップは基本的設計である。クランプ（４２）によってベースボード上の所定位置で保持される。
図７は、側面図（上記）と平面図（下記）に示される図３からのリアクターチップ（３７）を表わす。それにより流体は、リアクター部（５３）を通り抜けながら流路（５１）を通して、流入すきまから放出すきままで流れる。リアクター部分はプラグ（５５）のねじで保持された直径３ｍｍで深さ２ｍｍの触媒床(５４)を備えている。全体を組み立てると１００μｍ×５０μｍの経路サイズで、全体の大きさは３６×２５×６ｍｍでクランプ（５２）により所定位置で保持される。
図８は、側面図（上記）と平面図（下記）において図３の探知器チップ（３６）を例示する。注入すきまからの流体は流路（６１）を介して放出すきまへと流れる。探知器の作動領域（６８）には、外部のソース（source）に対してＬＥＤ（６３）または光学繊維（図示せず）といった形で光源を、光学繊維（６５）の形で回折格子（６４）と光コレクターを備えている。光源の正面のレンズ（６６）は光を平行にし、繊維を集めた光の正面のレンズ（６７）（a lens (67) in front of the light collecting fibre）は光収集効率を改善する。スペクトル解析のために収集した光が送られる。
追加の電気検出機能は、２００μｍのピッチ上で幅１１０ｍｍの３つの金の微小電極（６９）グループを介して提供される。経路サイズは４００μｍ×４００μｍで全体的な装置サイズは５０×３０×５ｍｍとなる。
本発明によるシステムが材料と構成要素の組合せを用い、特性で最高の組合せとなるようにベースボードとチップに対する複合基材を用いて、機能的に強化され得ることを述べてきた。
たとえば、ミクロ化学リアクターの場合、流路点検が簡単にできるように透明である「窓」基材ポリマーを使用するのは有益であるが、その中の挿入物は溶媒の接触が可能な領域の基材中に含まれるので「窓」基材との接触を防ぐ。
そのような複合構造の例を図９に示す。 図では、図示されたキーに一致するように異なる材料は異なる陰影で表される。
７１ ベースボード基材材料(例ＰＭＭＡ)
７２ チップ基材材料(例ＰＭＭＡ)
７３ フォトイマジアブル（photoimagable）エポキシ
７４ 化学的抵抗用の挿入物(例ＰＥＥＫ)
７５ フェルール(例ＰＴＦＥ)
７６ 流体コネクタ(例ＰＥＥＫ)
挿入物はフェルールを支えるために流体経路に穴をあけられ凹みを通って基板を横断する単なる円柱（cylinder）である。挿入物の材料は、ＰＥＥＫまたはＰＴＦＥあるいはミクロ成形（micromoulding）やフォト成形可能な（photoformable）樹脂を用いたリトグラフィ的に（lithographically）耐化学薬品性が高いポリマーから選択される。機械加工または射出成形を含むいずれの方法でも挿入物を生産することができる。
より複雑な挿入物にはその挿入物と共にフェルールが不可欠となることもある。これはフェルールを取り替えることができないが、複数のフェルールの挿入に時間がかかるチップを多数配置するには良いオプションであるかもしれない。これは図１０の部品７７（あるいは同様の材料で使用される同等の数字）で図示される。
最適の配置で必須の特性を成し遂げるために合成方法の検討（composite approach）をするという概念は、マイクロフルイディクス（microfluidic）経路の壁にまで適用することができる。壁の表面上の特性は経路によって輸送されている材料の必要な流れ特性に理想上合わなければならない。例えば、壁接触抵抗が低いことが必要ならば、システム全体を産出することと比べると、低表面エネルギーポリマーの中で低い表面エネルギーコーティングが望ましい効果を発揮するさらに便利な方法である。例えば、直線上のパーフルオロポリエーテル（perfluoropolyether）の基本骨格を持つフルオロリンク（Fluorolink）Ｓ１０（アウジモント社Ausimont）−ジトリエキシレン（di-triethoxysilane）を施されたフォトイマジアブル（photoimagable）エポキシは表面エネルギーを１３ダイン／ｃｍまで減少させる。好都合なことに、経路の壁は、親水性または疎水性にするかあるいは生体親和性等を備えるために代替的に処理されることができる。
本発明の基礎を成している相互に連結したベースボードとプロセッサー（処理）チップ概念（concept）の更なる利点は、アプリケーションがスケールアウト（scale out）によって機能を高める可能性である。スケールアウトとは、例えば処理チップの実行時の出力を増加すること、例えば処理チップの数を増加させることによる合成処理、にしばしば適用される用語である。 これは、さらに高い処理能力を達成するために経路の大きさが大きくなれば、別の変化をするであろう１つのプロセスまたは一連のプロセスのために最適化される経路の大きさに対する反応状態を維持する。これは、多岐管として機能し多数の処理チップに反応試薬を供給しているベースボードによって達成される。多岐管は、各処理チップから複数の出力へ片側のみの入力を提供することができる。片側の多岐管は互いにかみ合った入出力の多数の経路を提供することができるか、あるいは片側は入力多岐管を提供することができ、そして、より高い位置のボード（higher level board）は出力多岐管を提供することができる。
図１１及び図１２には合成概念を利用した配置の例が示され、各処理チップからの複数の出力とともに処理装置の配置に平行して流体を供給するための多岐管としてのベースボードの使用と、スケールアウトまたは処理装置の複製によって（processor replication）機能を高めるため平行して処理チップを供給するための入力及び出力多岐管としてのベースボードの使用をそれぞれ図示している。図９及び図１０の陰影がついたキーは図１１及び図１２で例証されたシステムに適用される。
相互接続システムは、各オペレーションがチップの交換によって簡単に達成される最適化で各オペレーションの一連の相互接続（series interconnection）によりプロセスを策定する容易な手段を提供する。一連のオペレーションがいったん最適化されると、好都合なことにシングルチップと統合されることができ、必要ならば、高い処理能力を選別して使用するために複数の供給を備えたベースボードか、あるいは、スケールアウトによって機能を高めるか、処理能力を増強するための処理の再生（process replication）のために、入力又は出力多岐管としての役割を果たすベースボードを伴った配列に変換される。このように、生産能力を達成するために非常に多くのチップを配列させることができる。
完全なシステムは、たとえばポリマーでできたベースボードの多岐管、ポリマーでできたフェルール密閉（seals）、ガラスの処理チップ、内部のポリマー密閉を伴うこともある金属の揚水及びバルブシステム（pumping and valving system）等、材料の完全な合成物となり得る。
本発明によって構成要素の間でどのように流体接続がもたらされるか示した断面図である。 本発明で使用されるマイクロフルイディクス（microfluidic）装置の簡単な基本的構造に関する概略図である。 本発明の原則を用いたマイクロリアクター（microreactor）システムである。 図３のリアクターのベースボードの平面図である。 図３のリアクターからのオンチップマニフォールド（多岐管）を表す（on chip manifold）。 図３のリアクターからの最初に作動するマイクロフルイディクス（microfluidic）装置の平面図である。 図３のリアクターから２番目に作動するマイクロフルイディクス（microfluidic）装置の平面図である。 図３のリアクターからの３番目に作動するマイクロフルイディクス（microfluidic）装置の平面図である。 特性が最も良い組合せとなるような材料の組合せを使用する複合マイクロフルイディクス（microfluidic）装置/基板配置（arrangement）に関する例である。 特性が最も良い組合せとなるような材料の組合せを使用する複合マイクロフルイディクス（microfluidic）装置/基板配置（arrangement）に関する例である。 図９及び図１０の複合物を使用したリアクターチップ配置に関する例である。 図９及び図１０の複合物を使用したリアクターチップ配置に関する例である。
符号の説明
１、２、３ 構成要素 ６、８ 凹み
７、９ フェルール １０ 注入流体ソースすきま
１１ フレキシブル管 １２ ＨＰＬＣ器具
１４ 流路 ２１ 外部の基層
２２ 内部層 ２３ 経路手段
２４ 上層 ２５ ポート
３１ ベースボード ３２ 流体供給路
３４ 多岐管 ３５ ミキサーチップ
３６ 探知器チップ ３７ リアクターチップ
４１ 流路 ４２、５２ クランプ
５１ 流路 ５３ リアクター部
５４ 触媒床 ５５ プラグ
６１ 流路 ６３ ＬＥＤ
６４ 回折格子 ６５ 光学繊維
６６ レンズ ６７ レンズ
６８ 作動領域 ６９ 微小電極
７１ ベースボード基材材料 ７２ チップ基材材料
７３ フォトイマジアブルエポキシ ７４ 挿入物
７５ フェルール ７６ 流体コネクタ
７７ 部品

Claims (20)

  1. 流体的に結合され、ベースボードの片側あるいは両側に存在する複数の流体供給用のすきまと、ベースボードに着脱可能に（detachably）取り付けられるよう適合された複数のマイクロフルイディクスモジュールと、それぞれが１つ以上の流体注入口及び／又は放出口を有し、実質的にリリース可能にモジュールとベースボード間の流体を密封状態で流体を繋げることができるように（to effect releasable substantially fluid-tight ）ベースボード上の供給すきまとモジュール上の注入口及び／又は放出口を介する複数の流体継手(fluid couplings)を有する少なくとも一つのベースボードを備えたモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  2. さらにシステムには、システムにソース流体を供給するように流体的に結合された少なくとも１つの流体ソースすきまを備えており、及び／又はシステムから流体を放出するよう少なくとも１つの流体放出すきまを備えている請求項１に記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  3. ベースボードが、少なくともいくつかの供給すきま同士及び／又はソースすきまに対する供給すきまと、流体接続(fluid communication）により連結して使用中の複数の流体流路及び／又は流体チャンバーを提供するようにマイクロフルイディクス（microfluidic）経路と相互接続する（interconnecting）パターンで構成された請求項１又は請求項２に記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  4. 各マイクロフルイディクスモジュールが1つ以上のマイクロフルイディクス装置を備えた先行するいずれかの請求項に記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  5. リアクター、加熱器、冷却器、分析器、探知器、混合器、プロセッサー、分離器等や、ポンプ、バルブ、フィルター等、あるいは流路、チャンバーあるいは多岐管などのリストから選択される装置を含むマイクロフルイディクス装置である請求項４に記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  6. 各モジュールが一般的なプレーナー構造を一般的なプレーナーベースボード上に組み込まれるように構成している先行するいずれかの請求項に記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  7. ボード及び／又はモジュールの様々な部分が、透明性、構造的な強度、耐化学性などといった様々な機能的に必要となるものを提供するように色々な材料から作られる先行するいずれかの請求項に記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  8. 必要とされる透明な材質（material）部分や、また少なくとも溶剤接触が可能である領域で化学的に抵抗力がある材質部分を有し、それほど抵抗力がない透明な基質材料との接触を防いだ複合基材を備えた請求項７に記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  9. 接続継手（coupling）とすきまをより近接して連結し、それにふさわしい力でその場で保持させる（retaining）ことで、接続手段は使用中にその組立部分を保持し(to hold)、流体が密接な接続を維持できるようにすきまをより密接に連携にさせる先行するいずれかの請求項に記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  10. ベースボード上の少なくとも１つの流体供給すきまとマイクロフルイディクス装置モジュール上の少なくとも１つの注入口／放出口の間の流体の密接な接続に作用するような複数の脱着可能である流体継手を備えた先行するいずれかの請求項に記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  11. 解除可能な継手が、経路手段の形成において、それらの間を流体が密に連絡して接続できるような注入口／放出口／すきまなどの適した凹み部分に取り外し可能に挿入できる請求項１０に記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  12. 経路手段には、管状要素がどんな凹み部でもそれに応じた形で受け取る硬い管状の要素を備えた請求項１１に記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  13. 管状の要素は、ベースボード上の流体供給すきまか、モジュールに注入口／放出口のいずれかを備えた第１のすきまと一体でそこから突出した突出フェルールを備え、モジュールの注入口／放出口かベースボード上の流体供給すきまのいずれかに応じて第２のすきまとして備えられた凹みで受け取るように適合された請求項１２に記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  14. 接続されると概して平行な状態になるようなベースボードとモジュールの間の流体関係に影響するように、フェルールが一般的にベースボードのプレーナー表面から垂直に突出している請求項１３に記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  15. 特定の装置組合せにおいて、使われていない経路を閉鎖するために、ファスナー（closure）を備えるか組み込むことができる経路手段を、取り外し可能に挿入できる請求項１０ないし請求項１４のいずれかに記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  16. 流体的に作動している構成要素内で流路内に流体継手を備えた先行するいずれかの請求項に記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  17. 流体継手が、流体相互接続と同様に電機的接続（to effect an electrical）を生じるために金属的フェルールのような金属的流体継手である先行するいずれかの請求項に記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  18. 複数のモジュールと、ベースボードと、ベースボードに似た方法で構成された１つ以上の中間層のボードと、モジュール及び／又は主幹となるベースボード及び／又は中間位置のボードを多平面に積み重ねられるような集合体を備えた先行するいずれかの請求項に記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  19. ベースボードの上部表面のすきまや、すべての中間位置にあるモジュールの上部表面のすきまに、全ての中間位置の構成要素の下部表面とすべての上端位置の構成要素におけるすきまで凹み部分内に流体の密接な接続をするような硬い管状フェルールを備えた経路手段である請求項１８に記載のモジュール式マイクロフルイディクスシステム。
  20. その片側あるいは両側に複数の流体的に連結された流体供給すきまを有し、少なくともいくつかの供給すきまにおいて流体結合で繋がれた複数の流体流路及び／又はチャンバーを有する少なくとも１つのベースボードを備え、
    それぞれが１つ以上の流体注入口及び又は放出口を有し、流体結合において少なくとも１流路あるいは流体チャンバーを有する複数のマイクロフルイディクスモジュールを備え、
    べースボード上の供給すきまとモジュールの注入／放出口を介して解放可能に密接な流体接続を生じさせるように流体継手を介してモジュールをベースボードに接続し、
    モジュール内の流路又は流体チャンバーが望ましいマイクロフルイディクス回路を完成させるためにベースボードにおける流体流路と流体チャンバーと共に作用するようにモジュール式組立てとしてマイクロフルイディクスシステムを提供する方法。
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