JP2006320897A - 交差チャンネルを利用した流体混合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交差チャンネルを利用した流体混合装置を提供する。
【解決手段】一つの層に平行に配置されて、その上流側から均等配分された希釈液が流入される複数の第１チャンネルと、第１チャンネルが形成された層と隣接した層に第１チャンネルと交差するように形成されて、その上流側から均等配分された試料液が流入される複数の第２チャンネルと、各第１チャンネルに対して第２チャンネルが交差される複数の交差点のうち少なくとも一つの交差点に形成されて、所定量の試料液を第２チャンネルから当該第１チャンネルに流入させるビアホールと、を備え、第１チャンネルごとに異なる濃度を有する溶液を排出させる交差チャンネルを利用した流体混合装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料液及び希釈液から多様な濃度を有する溶液を提供する流体混合装置に係り、さらに詳細には、チャンネル流動構造を有するチップ上で大きな電気的な駆動力なしに試料液及び希釈液を混合して、複数のチャンネルから所定の関数関係の濃度勾配を有する溶液を提供する流体混合装置に関する。

一般的に、濃度勾配を有する溶液を提供する流体混合装置は、微細粒子などの誘電泳動特性の把握のための実験で多様な伝導度を有する媒質、すなわち、多様な濃度を有する電解質溶液を提供するか、または染料の混合サンプルのように、一連の濃度勾配を有する溶液サンプルを提供する装置を言う。特に、試料液及び希釈液の混合により一連の濃度勾配を提供する場合を順次的な希釈と言い、チップ上でこのような順次的な希釈を行う装置を順次的な希釈チップと言う。

チップ上で具現可能な従来の流体混合装置としては、まず、非特許文献１に掲載された装置が挙げられる。ところが、これは、動電気学的な駆動のために４００ないし１６００Ｖの高電圧が必要であるため、携帯性のあるラボ・オン・チップ（ｌａｂ ｏｎ ａ ｃｈｉｐ）には適用し難い。特許文献１に開示された“ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｓｙｓｔｅｍ”の場合にも電気浸透現象を利用するので、微細流動構造以外に電場印加のための追加的な装置及びエネルギーが要求されるという短所がある。

従来の他の例として、非特許文献２に掲載された装置及び特許文献２の装置などは簡単な構造を有する一方、層流での拡散を利用するので、濃度勾配の形成に長時間がかかるという問題がある。

また、特許文献３に開示された“微細チャンネルを利用して流体を混合する微細チャンネル装置”は、比較的簡単な構成を有する一方、順次的な希釈による一連の濃度勾配が線形的な関係に限定されるという問題がある。現実的に順次的希釈の場合、指数関数的な濃度勾配が要求される場合が多いためである。
米国特許第５８６９００４号明細書 米国特許出願公開第２００１００４２７１号 韓国特許出願公開第２００３−００３２８１１号 "Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃａｌｌｙ ｄｒｉｖｅｎ ｐａｒａｌｌｅｌ ａｎｄ ｓｅｒｉａｌ ｍｉｘｉｎｇ（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．１９９９，７１，４４５５〜４４５９）" "Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｆｉｘｅｄ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｒｒａｙｓ ｉｎ ａ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｄｅｖｉｃｅ（Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ ９２．２００３．１９９〜２０７）"

本発明は、試料液及び希釈液を混合して濃度勾配を有する一連の溶液を提供する流体混合装置であって、別途の電気的な駆動力を必要とせず、チップ形態に具現できる構造であるため、携帯が簡便な流体混合装置を提供するところにその目的がある。

また、本発明は、必要に応じて指数関数的な濃度勾配を有する一連の溶液を提供できる流体混合装置を提供するところにその目的がある。

本発明に係る交差チャンネルを利用した流体混合装置は、試料液及び希釈液を混合して多様な濃度を有する溶液を提供する流体混合装置において、一つの層に平行に配置されて、その上流側から均等配分された希釈液が流入される複数の第１チャンネルと、前記第１チャンネルが形成された層と隣接した層に、前記第１チャンネルと交差するように形成されて、その上流側から均等配分された試料液が流入される複数の第２チャンネルと、前記各第１チャンネルに対して前記第２チャンネルが交差される複数の交差点のうち少なくとも一つの交差点に形成されて、所定量の試料液を第２チャンネルから当該第１チャンネルに流入させるビアホールと、を備え、前記ビアホールを通じてそれぞれの第１チャンネルに流入される試料液の量により相異なる濃度の溶液を提供することを特徴とする。

ここで、前記第２チャンネルの内部は、第１チャンネルの内部より高圧力に維持されることが望ましく、このとき、前記ビアホールの両側の圧力差により前記第２チャンネルから前記第１チャンネルに試料液が流入される。それぞれの第１チャンネルに対して第２チャンネルと交差する交差点に形成されたビアホール数及び面積を異ならせることによって、前記第１チャンネルに流入される試料液の量を異ならせてもよく、これによりそれぞれの第１チャンネルの下流で多様な濃度を提供できる。

このとき、前記第２チャンネルの内部圧力をほぼ同じく維持させることによって、前記第１チャンネルに流入される試料液の量をビアホール数及び断面積に比例させることが望ましい。全ての第２チャンネルに対して内部の圧力を同じく維持させる方法としては、各第２チャンネルに形成されたビアホール数を同じくすることが望ましく、ビアホールの断面積の和をほぼ同じくしてもよい。

また、本発明の一面による流体混合装置は、試料液及び希釈液を混合して多様な濃度を有する溶液を提供する流体混合装置において、その上面に希釈液注入部から分岐された複数の第１チャンネルからなる希釈チャンネル部と、前記希釈チャンネル部の下流側から延びて反復的に屈折された混合チャンネル部が形成された第１プレートと、前記第１プレートの上側に備えられるものであって、その上面に試料液注入部から分岐された複数の第２チャンネルからなり、前記希釈チャンネル部の上側で第１チャンネルと交差するように配置された試料液チャンネル部、及び前記第１チャンネルのそれぞれに対して交差する第２チャンネルのうち、少なくとも一つの交差点に対応するチャンネルの溝底面から底端面部まで貫通するビアホールが形成された第２プレートと、前記第２プレートの上面を覆うものであって、前記希釈液注入部及び試料液注入部とそれぞれ連通される第１開口部及び第２開口部が形成されたカバーと、を備え、前記試料液チャンネル部からビアホールを通じてそれぞれの第１チャンネルに流入される試料液の量により相異なる濃度の溶液を提供することを特徴とする。

前記第１プレートは、前記混合チャンネル部の下流の溶液の光学的特性が観測可能に透明な素材から形成され得る。前記カバーも、試料液の注入時、前記試料チャンネル部の内部の状態を観察するために透明な素材から形成され得る。

前記第２プレートは、必要な濃度勾配によって決定された前記ビアホールの断面積が正確、かつ容易に反映され得る素材から形成されることが望ましい。前記チャンネル及びビアホールのサイズが約数ないし数百μｍである場合、発展された半導体の工程技術を活用できるという点で、前記第２プレートは、シリコン基板から形成されることが望ましい。

本発明に係る交差チャンネルを利用した流体混合装置は、大きな電気的な駆動力を必要とせず、チップ形態に具現できる構造であるため、携帯が簡便である。

また、ビアホールの個数及びその寸法をそれぞれまたは同時に調整することによって、必要に応じて指数関数的な濃度勾配を有する一連の溶液を手軽に提供できる。

以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る交差チャンネル構造を示す概略図であり、図２は、図１のII−II断面を示す断面図である。まず、図１及び図２を利用して本発明に係る交差チャンネル構造の濃度勾配の形成原理を説明する。

図１で横に配置されたものが第１チャンネル１１であり、その上層に縦に配置されたものが第２チャンネル２１である。第１チャンネル１１と第２チャンネル２１とが交差する交差点には、選択的にビアホール２５が形成される。

前記ビアホール２５は、それぞれの第１チャンネル１１に対して少なくとも一つ以上配置され、その個数が隣接した第１チャンネルと異なり得る。その個数が同じである場合にも、ビアホールの断面積の和は相異なり、これにより、それぞれ異なる量の試料液が該当第１チャンネルに流入される。また、前記ビアホール２５は、それぞれの第２チャンネル２１に対して同じ個数で配置される。図１に示す実施形態の場合、第２チャンネル２１ごとに２個ずつのビアホール２５が配置されている。この場合、前記第２チャンネル２１は、同数のビアホール２５を通じて試料液が流出されるので、ほぼ同じ圧力を維持できる。前記第２チャンネル２１に同じ圧力を有させるために、さらに望ましくは、前記二つのビアホール２５の断面積をほぼ同じくし得る。

前記第１チャンネル１１は、一つの層に平行に形成される。一例として、図１及び図２に示す実施形態の場合、第１プレート１０の上面にストライプ状のチャンネル溝状に形成される。前記第２チャンネル２１及び前記ビアホール２５は、第２プレート２０に形成されて、前記第１プレート１０の上側に配置される。前記第２プレート２０の上面に第２チャンネル２１が前記第１チャンネル１１と垂直方向のストライプ状のチャンネル溝状に形成され、それらの交差点には、選択的にビアホール２５が形成される。前記ビアホール２５の個数及び寸法は、それぞれの第１チャンネル１１に対して要求される溶液の濃度によって決定される。前記第２プレート２０の上側には、カバー３０が設けられ、前記カバー３０は、透明な素材から形成され得る。

本発明に係る流体混合装置の作動過程は、次の通りである。前記第１チャンネル１１には、上流側から同じ流量の希釈液が矢印Ａ_１のように注入される。このとき、前記第２チャンネル２１には、矢印Ｂのように試料液が注入される。試料液は、図２に示すように、ビアホール２５を通じて第１チャンネル１１に流入されつつ、前記希釈液により所定の濃度に希釈されて、矢印Ａ_２のように排出される。前記第１チャンネル１１の下流側には、前記希釈液及び試料液をよく混ぜ得る構造が付加されて均質溶液を提供できる。

図３は、本発明に係る交差チャンネルの構造を構成要素別に示す分解斜視図である。前述したように、本発明に係る交差チャンネルを利用した流体混合装置は、第１チャンネル１１が形成された第１プレート１０と、第２チャンネル２１及びビアホール２５が形成された第２プレート２０、及びカバー３０が積層されて接合された構造を有しうる。ただし、このように３層に接合された構造は一つの例に過ぎず、多様な変形が可能であり、前記第１チャンネルと第２チャンネルとが相異なる層に交差するように配置され、前記第１チャンネルと第２チャンネルとの交差点に選択的にビアホールが設けられることで充分である。

図４は、本発明に係る実施形態の第２プレートを示す平面図である。本発明の一実施形態に係る流体混合装置は、第２チャンネル２１及びビアホール２５が形成された第２プレート２０を有する。前記第２プレート２０の上面の一側には試料液注入部２２が設けられ、前記試料液注入部２２から均等に分岐された複数の第２チャンネル２１がストライプ状に配列された試料チャンネル部２６が設けられる。前記試料チャンネル部２６の底面の所定位置には、各チャンネル当りビアホール２５が２個ずつ形成される。前記所定位置は、第２プレート２０の下層（点線で表示）に配置される第１チャンネルとの交差点の中から選択される。前記第２プレート２０は、シリコン基板からなることが望ましい。

図５は、本発明に係る実施形態の第１プレートを示す平面図である。本実施形態に係る流体混合装置は、第１チャンネル１１が形成された第１プレート１０を有する。前記第１プレート１０の上面の一側には、希釈液注入部１２が設けられ、前記試料液注入部１２から均等に分岐された複数の第１チャンネル１１がストライプ状に配列された希釈チャンネル部１６が設けられる。前記希釈チャンネル部１６は、前述した図４の試料チャンネル部２６と上層及び下層で相互交差するように配置される。前記第１プレート１０の上面と前記第２プレート２０の底面とが接合され、前記希釈チャンネル部１６で第１チャンネル１１と前記第２チャンネル２１とが接する交差点の上面には、選択的に前記ビアホール２５が対応する。

前記希釈チャンネル部１６の下流側には、前記第１チャンネル１１がそれぞれ反復的に屈折された混合チャンネル部１７が備えられる。前記希釈チャンネル部１６で試料液及び希釈液が混合された溶液は、前記混合チャンネル部１７を通過しつつよく混ぜられて均質化され得る。前記混合チャンネル部１７の下流側には、各チャンネルごとに所定の濃度で混合された均質溶液が提供され、それらは、それぞれ集束されて多様な用途として使用され得る。ただし、濃度の勾配による光学的特性のサンプルを提供すればよい場合には、図５に示すように、観測部１８を設け、その下流側に排出部１９を設け得る。

前記第１プレート１０は、溶液の光学的特性観測のために透明な素材から形成され得る。例えば、ＰＤＭＳから形成され、ＰＤＭＳは、透明加工性に優れてマイクロ単位のチャンネル形成が比較的容易であるので、シリコン基板との接合が容易であり、前記第１プレートの素材として多様な面で適している。

図４および図５の図面には示されていないが、前記第２プレート２０の上面にはカバーが備えられる。前記カバーの素材に特別な制限はない。前記カバーも、加工の容易性を考慮してＰＤＭＳから形成されることが望ましい。ただし、ガラス基板や他のプラスチック基板などを利用して形成されることもできるということは言うまでもない。前記カバーには、前述した試料注入部２２、希釈液注入部１２及び排出部１９と連通される開口部がそれぞれ形成される。

以下では、本発明に係る流体混合装置を通じて得ようとする濃度勾配、及び前記ビアホールの個数及び寸法の関係を説明する。

前記複数の第１チャンネルのうち、ｎ番目のチャンネルに流入される試料液の総流量が前記希釈液流量のＸｎ倍であるとき、前記ｎ番目の第１チャンネルの濃度、Ｙｎ（Ｙｎ＝Ｘｎ／（１＋Ｘｎ））は、必要に応じて、自然数であるｎに対して所定の関数関係を有しうる。すなわち、本発明に係る装置は、所定の関数関係を有する一連の濃度勾配を提供できる。

必要に応じて、Ｙｎ（Ｙｎ＝ｙ（ｎ））がｎに対する指数関数の関係を有しうる。すなわち、複数の第１チャンネルから提供される溶液の濃度の間にＹｎ＝ｙ（ｎ）＝ｙ（ｎ−１）×１／ｋ（ｎ＝２，３，４・・・）である関係が成立ち、この場合、Ｙｎ＝Ｙ１×（１／ｋ）^ｎ−１で表現される。

言い替えれば、Ｙｎがｎに対する所定の指数関数の関係を有するように、Ｙｎ＝Ｘｎ／（１＋Ｘｎ）である関係を利用してＸｎ、すなわちビアホールを通じて試料チャンネル部の第２チャンネルからそれぞれの第１チャンネルに流入される試料液の流量を決定できる。このとき、前記流量は、前記各第１チャンネルに連結される前記ビアホールの個数または寸法を調整するか、またその二つを同時に調整することによって決定できる。

例えば、表１は、前記式でｋ＝２である場合、それぞれの第１チャンネルに対応するビアホールの個数と、ビアホールが正方形である場合、一辺の寸法とを計算により求めた結果である。

Ｙｎ＝Ｙ_１×（１／２）^ｎ−１の濃度勾配を有する一連の溶液を提供するためには、前記表で提示された体積比で試料液が投入されねばならず、投入される試料の量により適切な自然数の比でビアホール数が決定される。ビアホールの寸法は、各ビアホールの断面積が、そのビアホールを通じて投入される試料液の体積に比例するように決定される。

本発明に係る交差チャンネルを利用した流体混合装置には、前記のように決定されたビアホール数のうち最大値以上の第２チャンネルが設けられ、前述したように、それぞれの第１チャンネルに対して第２チャンネルとの交差点のうち、前記ビアホールの個数に該当する数ほど選択的にビアホールが設けられる。各ビアホールが正方形に形成される場合、前記表１のビアホールの寸法値は正方形の一辺の長さを表す。

図６Ａないし図６Ｃは、本発明に係る実施形態を利用した第１実験の結果を表す。前記図４ないし図５に示す実施形態を利用した実験であって、試料液としては、ＦＩＴＣ濃度が５μＭであるＰＢＳ溶液を３００μｌ／ｍｉｎの流量で注入し、希釈液としては、ＰＢＳ溶媒を９００μｌ／ｍｉｎの流量で注入した。

図６Ａは、前記観測部での溶液濃度による視覚的な効果を示すイメージであり、図６Ｂは、このような視覚的な効果を数値化して示すグラフであり、図６Ｃは、図６Ｂのｙ軸をログスケールで示すグラフである。本発明の実施形態に係る流体混合装置から提供された溶液の濃度勾配は、図６Ｃに示すように、ログスケールグラフで線形分布を示す。すなわち、複数のチャンネルが指数関数的な濃度勾配を提供する。ｎ番目の第１チャンネルの濃度は、ほぼＹｎ＝３７４９．７×０．６９^ｎで表現される。また、前記第１実験は、本発明に係る装置が従来の微細チャンネル流動構造の流体混合装置に比べて相対的に大きい流量に対しても満足すべき濃度勾配を提供できるということが分かる。

図７Ａないし図７Ｃは、本発明に係る実施形態を利用した第２実験の結果を示す。やはり図４ないし図５に示す実施形態を利用した実験例であって、試料液としては、ＦＩＴＣ濃度が５μＭであるＰＢＳ溶液を１０μｌ／ｍｉｎの流量で注入し、希釈液としては、ＰＢＳ溶媒を４０μｌ／ｍｉｎの流量で注入した。

図７Ａは、前記観測部での溶液濃度による視覚的な効果を示すイメージであり、図７Ｂは、このような視覚的な効果を数値化して示すグラフであり、図７Ｃは、図７Ｂのｙ軸をログスケールとして示すグラフである。前記第１実験と同様に、複数のチャンネルが指数関数的な濃度勾配を提供するということが分かる。さらに、試料液及び希釈液の流量を異ならせることによって、異なる濃度分布を提供できるということが分かる。

以上、本発明に係る望ましい実施形態が説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるということが理解できるであろう。したがって、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲によって決まらねばならない。

本発明は、流体混合装置に関連した技術分野に好適に適用され得る。

本発明に係る交差チャンネル構造を示す概略図である。 図１のII−II断面を示す断面図である。 本発明に係る交差チャンネル構造を構成要素別に示す分解斜視図である。 本発明に係る実施形態の第２プレートを示す平面図である。 本発明に係る実施形態の第１プレートを示す平面図である。 本発明に係る実施形態を利用した第１実験の結果を示すイメージである。 本発明に係る実施形態を利用した第１実験の結果を示すグラフである。 本発明に係る実施形態を利用した第１実験の結果を示すグラフである。 本発明に係る実施形態を利用した第２実験の結果を示すイメージである。 本発明に係る実施形態を利用した第２実験の結果を示すグラフである。 本発明に係る実施形態を利用した第２実験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１１ 第１チャンネル、
２１ 第２チャンネル、
２５ ビアホール。

Claims (17)

1. 試料液及び希釈液を混合して多様な濃度を有する溶液を提供する流体混合装置において、
   一つの層に平行に配置されて、その上流側から均等配分された希釈液が流入される複数の第１チャンネルと、
   前記第１チャンネルが形成された層と隣接した層に、前記第１チャンネルと交差するように形成されて、その上流側から均等配分された試料液が流入される複数の第２チャンネルと、
   前記各第１チャンネルに対して前記第２チャンネルが交差される複数の交差点のうち少なくとも一つの交差点に形成されて、所定量の試料液を第２チャンネルから当該第１チャンネルに流入させるビアホールと、を備え、
   前記ビアホールを通じてそれぞれの第１チャンネルに流入される試料液の量により相異なる濃度の溶液を提供することを特徴とする交差チャンネルを利用した流体混合装置。
2. それぞれの第１チャンネルに連結されたビアホールの断面積の和は、前記第１チャンネルに流入される試料液の量に比例するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の流体混合装置。
3. 前記複数の第２チャンネルは、その内部の圧力がほぼ同じであることを特徴とする請求項１に記載の流体混合装置。
4. 前記複数の第２チャンネルは、それぞれに形成されたビアホールの数が同じであることを特徴とする請求項３に記載の流体混合装置。
5. 前記ビアホール数は、２つであることを特徴とする請求項４に記載の流体混合装置。
6. 前記複数の第２チャンネルは、それぞれに形成されたビアホールの断面積の和がほぼ同じであることを特徴とする請求項３に記載の流体混合装置。
7. 前記複数の第１チャンネルは、前記第２チャンネルと交差する希釈チャンネル部の下流に、各チャンネルが反復的に屈折された混合チャンネル部を備えることを特徴とする請求項１に記載の流体混合装置。
8. 前記複数の第１チャンネルのうち、ｎ番目のチャンネルに流入される試料液の総流量が前記希釈液の流量のＸｎ倍であるとき、前記ｎ番目の第１チャンネルの濃度、Ｙｎ（ここで、Ｙｎ＝Ｘｎ／（１＋Ｘｎ））は、自然数であるｎに対して所定の関数関係を有することを特徴とする請求項１に記載の流体混合装置。
9. 前記所定の関数は、指数関数であることを特徴とする請求項８に記載の流体混合装置。
10. 試料液及び希釈液を混合して多様な濃度を有する溶液を提供する流体混合装置において、
    その上面に希釈液注入部から分岐された複数の第１チャンネルからなる希釈チャンネル部と、前記希釈チャンネル部の下流側から延びて反復的に屈折された混合チャンネル部が形成された第１プレートと、
    前記第１プレートの上側に備えられるものであって、その上面に試料液注入部から分岐された複数の第２チャンネルからなり、前記希釈チャンネル部の上側で第１チャンネルと交差するように配置された試料液チャンネル部、及び前記第１チャンネルのそれぞれに対して交差する第２チャンネルのうち、少なくとも一つの交差点に対応するチャンネルの溝底面から底端面部まで貫通するビアホールが形成された第２プレートと、
    前記第２プレートの上面を覆うものであって、前記希釈液注入部及び試料液注入部とそれぞれ連通される第１開口部及び第２開口部が形成されたカバーと、を備え、
    前記試料液チャンネル部からビアホールを通じてそれぞれの第１チャンネルに流入される試料液の量により相異なる濃度の溶液を提供することを特徴とする交差チャンネルを利用した流体混合装置。
11. それぞれの第１チャンネルに連結されたビアホールの断面積の和は、前記第１チャンネルに流入される試料液の量に比例するように形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の流体混合装置。
12. 前記試料液チャンネル部は、複数の第２チャンネルの内部の圧力がほぼ同じであることを特徴とする請求項１０に記載の流体混合装置。
13. 前記複数の第２チャンネルは、それぞれに形成されたビアホールの数が同じであることを特徴とする請求項１２に記載の流体混合装置。
14. 前記ビアホール数は、２つであることを特徴とする請求項１３に記載の流体混合装置。
15. 前記複数の第２チャンネルは、それぞれに形成されたビアホールの断面積の和がほぼ同じであることを特徴とする請求項１２に記載の流体混合装置。
16. 前記複数の第１チャンネルのうち、ｎ番目のチャンネルに流入される試料液の総流量が前記希釈液流量のＸｎ倍であるとき、前記ｎ番目の第１チャンネルの濃度、Ｙｎ（ここで、Ｙｎ＝Ｘｎ／（１＋Ｘｎ））は自然数であるｎに対して所定の関数関係を有することを特徴とする請求項１０に記載の流体混合装置。
17. 前記所定の関数は、指数関数であることを特徴とする請求項１６に記載の流体混合装置。