JP2008543324A - 液体媒質を混合するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、液体媒質を混合するための装置、液体媒質を混合するための器具、装置及び器具を有するシステム、並びに液体媒質を混合する方法を提供する。当該装置は、フレキシブル薄膜及び構造部品を有し、当該装置は前記薄膜の第１面側に位置する作動部品をさらに有し、当該装置は前記薄膜の第２面側に位置する混合室をさらに有し、前記薄膜の少なくとも局部的な傾斜が、前記構造部品に対する前記作動部品の傾斜から生じる。

Description

本発明は液体媒質を混合するための装置に関する。本発明はさらに、混合室内に供給された液体媒質を混合するための器具に関する。本発明はさらに液体媒質を混合するためのシステムに関し、当該システムは装置及び器具を有する。本発明はさらに、液体媒質を混合するための方法に関する。

生体試料の分析、特に核酸分析と同様に分子診断の分野において、及び生体又は臨床標本からの核酸の分離による特定の分析において、例えば、生体試料からの核酸の分離は時間がかかり退屈である場合があるので、自動化の度合いを改良する必要がある。試料調製は、細胞分離、細胞溶菌及び洗浄を含むだろう。遺伝子に基づく病気、健康状態又は特性に関する遺伝子分析のために、信頼性が高く容易に再現可能な核酸分離方法、特に自動化に順応する方法を利用可能とすることは重要である。この要求は、患者の液体における低い濃度の特定の細菌性DNAの検出に特に有用である。

この背景において、プロセスチャンバの中で２つ以上の流体を混合することが通常必要である。混合は、複数の流体から均一な混合物を得るために必要である。例えば細胞又は他の生体材料の溶菌ステップを実行することも通常必要である。溶菌は、例えば遊離した核酸を得るために細胞壁を壊すプロセスである。この理由のために、迅速かつ費用効率が高い混合可能性が必要である。

液体媒質を混合するための装置は一般に公知である。例えば、特許文献１は、薄膜要素、基板要素及び混合室を有するアクティブマイクロミキサを開示する。液体媒質を混合するための従来技術の装置において、一方では混合装置の構造について、他方では混合装置の作動について、コスト及び労力に関する混合効率が不十分であることが認識されている。
欧州特許EP 1 161 294 B1

したがって、本発明の目的は、液体媒質を混合するための装置を提供することであり、それによって、当該装置は柔軟な態様の作動を有し、それによって当該装置は安価でかつ構成しやすい。

上記の目的は、液体媒質を混合するための装置、器具、システム及び方法によって達成される。液体媒質を混合するための当該装置は、フレキシブル薄膜及び構造部品を有し、当該装置は薄膜の第１面側に位置する作動部品をさらに有し、当該装置は薄膜の第２面側に位置する混合室をさらに有し、薄膜の少なくとも局部的な傾斜は構造部品に対する作動部品の傾斜から生じる。本発明による「液体媒質」との言い回しは、１つ又は複数の、流体及び少なくともエマルジョン、懸濁液などのような液体分率を有する混合物から構成される、任意の種類の液体流体を含むとして理解されるべきである。本発明による「傾斜」との言い回しは、作動部品がある傾斜方向に沿って傾けられる特定の角度を意味する。作動部品の傾斜は、薄膜の少なくとも局部的な傾斜を提供する。すなわち、薄膜の少なくとも一部分は（構造部品に対して）持ち上げられ、薄膜の少なくとも他の部分は（同様に構造部品に対して）下げられる。

本発明による装置の利点は、例えば対応する作動手段を備える機器又は器具によって、単に装置の外側から作動部品を傾斜させることにより、非常に容易に、混合室の内部において複数の液体を混合し又は溶菌ステップを実行することができることである。本発明による装置は、特に用いられる作用部品の種類に依存して、いくつかの異なる態様で、混合し及び／又は溶菌ステップの実行を行うことができることが特に有益である。流体を混合することによって、無秩序な流れのパターンが流体の中に存在し、大きな剪断力又は剪断応力に結びつく。加えて、本発明の装置によって溶菌ステップを実行することも可能である。

本発明の装置は、集積システム（例えば複数の異なる構成要素及びとりわけ混合室を有する微小流体システム）の一部として用いられることができる。そのような集積システムは、微生物学的検出又は分析試験の全てのシーケンスがカートリッジ内部で実行される使い捨てのカートリッジの形で提供されることができる。装置は独立のユニットとして用いられることもできる。

本発明によれば、装置内部の液体が汚染されず、又は装置内部の液体により汚染されないように、装置を完全に閉鎖することができる。

本発明の更なる利点は、特に装置を構成するためにプラスチック材料のような廉価な材料のみが必要であるので、装置のコスト効率を非常に高めることができることである。

本発明の好ましい実施の形態において、薄膜及び作動部品は、一体成形の部品として提供される。これは、本発明の装置を構築するためのコストをより低減することができるという効果がある。さらに、この特徴は薄膜と作動部品との間の非常に安定した、長続きする接続を提供するという利点を有し、それによって本発明による装置の耐久性の点で性能を改良する。作動部品及び／又は薄膜がより少ない材料を用いて提供されることができるので、これはさらに潜在的なコスト削減につながる。

本発明のさらに好ましい実施の形態において、薄膜及び構造部品は薄膜の縁領域において接続され、及び／又は、作動部品は薄膜の中央部分に提供される。これが作動部品の所与の傾斜に対してより大きな動きが達成可能となるように薄膜をよりフレキシブルにして、良い混合につながるので、その結果、低コストの材料を用いるだけで高性能な混合能力を有する装置を提供することができる。

本発明のさらに好ましい実施の形態において、装置は構造部品に接続される箔を有し、箔は薄膜の第２面側に位置し、混合室は箔と薄膜との間に位置し、箔は好ましくはフレキシブルな箔である。本発明による装置の利点は、箔を導入することによって、さらにより大きな程度のフレキシビリティ及びそれによるより大きな程度の混合効率を装置に与えることができることである。混合室内の媒質又は液体を分離する目的が非常にコスト効率よく且つ容易に外側から保護される（さらに外側が装置内の液体から保護される）ように、箔は非常に容易に薄膜に及び／又は装置の構造部品に接続されることができる。

本発明のまたさらに好ましい実施の形態において、混合室が媒質によって満たされる場合に薄膜に対して垂直な方向の箔の動きが構造部品によって少なくとも部分的に防止されるように箔が提供され、箔の動きは、薄膜の中央部品に向かい合う中央領域において好ましくは防止される。それによって、混合室内の流体の高さを制限することが可能であり、さらに混合効率が高められる。

本発明はまた、混合室中に提供される液体媒質を混合するための器具を含み、当該器具は、発明の装置の作動部品に傾斜運動を与えるために提供される作動手段を有する。本発明の器具によって、非常に簡単且つコスト効率の良いやり方で、本発明による混合装置を作動させることができる。

本発明の好ましい実施の形態において、当該器具は、作動部品に傾斜運動を与えることが可能なアダプタ部品を有し、前記アダプタ部品は、好ましくはボールベアリングとして提供される。それによって、装置の作動部品に器具の作動手段の運動を機械的に与えることができる。作動手段及び／又はアダプタ手段の他の構成（例えば、作動部品が磁力によって傾斜するように装置の作動部品が磁気材料を備えている電気又は磁気アクチュエータ）も可能である。

本発明の好ましい実施の形態において、作動手段は偏心器として提供され、アダプタ部品は回転運動を描く。それによって、混合装置を作動させるために器具内の単純な回転運動を用いることが可能である。この回転運動は、例えば電気モータ（偏心器が例えば当該モータの軸に搭載されている）によって発生させることができる。（アダプタ部品及び／又は作動手段に沿った）作動部品の上部部分の回転運動の利点は、非常に効率的に流体を混合するために、薄膜の少なくとも局部的な傾斜（すなわち薄膜の少なくとも一つの部分の降下、及び薄膜の少なくとも他の部分の上昇）が作動部品の上部部分の回転運動に従うことである。

本発明の好ましい実施の形態において、作動手段の偏心度は可変である。その結果、傾斜又は傾斜角を変えること、及び、それによって装置にもたらされる混合力を変えることが可能である。そして器具を異なる装置（例えば異なる大きさの装置）に適応できるようにすることも可能である。

本発明は液体媒質を混合するためのシステムも含み、当該システムは器具及び装置を有し、当該装置はフレキシブル薄膜及び構造部品を有し、当該装置は薄膜の第１面側に位置する作動部品及び薄膜の第２面側に位置する混合室をさらに有し、薄膜の少なくとも局部的な傾斜は構造部品に対する作動部品の傾斜から生じ、当該器具は、装置の作動部品に傾斜運動を与えるために提供される作動手段を有する。混合室は、例えばスロット等によって、器具に挿入され又は器具から取り出されることができる使い捨てのカートリッジ内に配置されることが好ましい。その結果、混合室内の媒質を器具から完全に分離することができ、システムが媒質に関して密閉されたシステムを実現することができる。カートリッジ内部で、混合室は好ましくは、例えば反応チャンバ、貯蔵器等の他の区画に連結される。混合室は、入口及び出口によってこれらの他の区画に通じている。

本発明は、液体媒質を混合するための装置を用いて液体媒質を混合する方法も含み、当該装置はフレキシブル薄膜及び構造部品を有し、当該装置は薄膜の第１面側に位置する作動部品及び薄膜の第２面側に位置する混合室をさらに有し、当該方法は、
- 第１ステップにおいて、第１傾斜運動によって構造部品に対して作動部品を傾斜させ、それにより少なくとも局部的に薄膜を傾斜させ、
- 第２ステップにおいて第２傾斜運動によって構造部品に対して作動部品を傾斜させ、それにより少なくとも局部的に薄膜を異なって傾斜させる。それによって、混合効率を非常に高めることができる。

本発明のこれらの及び他の特性、特徴及び効果は、一例として発明の原理を示す添付の図面とともに以下の詳細な説明から明らかになる。説明は、本発明の範囲を制限することなく、単に例として与えられる。以下で引用される参照数字は、添付の図面を参照する。

本発明は、特定の実施の形態に関して、特定の図面を参照して説明されるが、本発明はそれらに限定されず、特許請求の範囲のみによって規定される。記載されている図面は単に模式図であって、制限するものではない。図において、いくつかの要素の寸法は誇張されている場合があり、説明の便宜上、一定の比率で描かれていない場合がある。

単数形の名詞は、特に述べない限り、複数のその名詞のものを含む。

さらに、説明中及び請求項中の「第１」、「第２」、「第３」などの用語は、同様の要素を区別するために用いられ、必ずしも順次的な又は年代の順序を記載するために用いられているわけではない。そのように用いられる用語は適当な状況の下で交換可能であり、ここに記載されている本発明の実施の形態は、明細書中に記載され又は示されたものとは別の順序で動作することが可能であることが理解されるべきである。

さらに、説明中及び請求項中の、上部、下部、上、下などの用語は、図形描写の目的のために用いられ、必ずしも相対位置を説明するために用いられているわけではない。そのように用いられる用語は適当な状況の下で交換可能であり、ここに記載されている本発明の実施の形態は、明細書中に記載され又は示されたものとは別の方向で動作することが可能であることが理解されるべきである。

本説明及び特許請求の範囲中に用いられる「有する」の語は、挙げられた手段に限定するものとして解釈されてはならず、他の要素又はステップを排除しないことに注意すべきである。それで、表現「手段A及びBを有する装置」の範囲は、構成要素A及びBのみから構成される装置に限定されてはならない。本発明について単に装置の重要な構成要素がA及びBであることを意味する。

図1において、本発明の第１の実施の形態による装置10が図示される。図2において、本発明の第２の実施の形態による装置10が図示される。以下では、図1及び図2が共同で説明される。装置10は、フレキシブル薄膜12、作動部品14及び構造部品16を有する。構造部品16は複数の異なる部品として提供されることができる。好ましくは、フレキシブル薄膜12及び作動部品14は、一体成形の部品として形成される。加えて、作動部品14に印加される機械的な力を容易に及び効果的に薄膜12に与えることが可能である。例えば、薄膜12及び作動部品14の一体成形の部品は、圧縮ダイカストの結果として提供されることができる。本発明によると、好ましい材料は、充分な機械的強度、弾性変形及び高い疲労強度の特性を兼ねることができる、ポリプロピレンのような熱可塑性材料を含むことができる。そのような材料は例えばヒンジにも用いられる。ここに示した例では、薄膜12は、薄膜12の縁領域122において構造部品16に固定され、作動部品14は薄膜12の中央領域121に形成される。作動部品14が配置される薄膜12の面は、薄膜12の第１面とも呼ばれる。（明細書中で薄膜12の第２面と呼ばれる）薄膜12の反対の面側に、薄膜12及び構造部品16に結合した、又は薄膜12のみに固定された箔18が配置される。箔はフレキシブルな材料（例えば繊維又はフィルム材料）でできている。混合室20は、薄膜12と箔18との間のキャビティによって規定される。使用中、混合室20は、液体若しくは媒質（図示せず）によって、複数の液体によって、又は例えば細胞、バクテリア等の粒子を含む複数の液体によって満たされる。構造部品16は、上部部品16a及び下部部品16bによって有利に提供されることができる。好ましくは、薄膜12及び箔18は流体が漏れないように上部部品16aに固定され、下部部品16bは装置10の機械的安定度のために接続される。

箔18の運動が構造部品16によって少なくとも部分的に制限されるように構造部品16が提供されることができる。これは、図1に示される第１の実施の形態の場合である。そこで、箔18の中央領域181において、構造部品16は充満した箔18に接触し（又はその逆も同じ）、薄膜12に対して垂直な方向の箔の運動を制限する。その逆は、図2に示される第２の実施の形態の場合である。そこでは、箔18の（図2に示されていない）中央領域181においてでさえ、箔は薄膜12に対して垂直な方向における運動183を生じることができる。本装置の第１の実施の形態において、薄膜に対して垂直な方向の媒質の高さは、構造部品16によって規定される。本装置の第２の実施の形態において、薄膜に対して垂直なこの方向の媒質又は液体の高さ19は、単に箔18によって規定される。

本装置の両方の実施の形態において、混合室20中で液体の異なる状況（例えば異なる圧力状況）をとることが可能であり、箔の運動が構造部品16によって制限されていない箔18の領域における箔18の運動につながる。例えばこれは、図1における箔18の中央領域181と箔の縁領域（別個の参照記号によって示されていないが、薄膜12の縁領域の向かい側に位置している）との間の場合である。

本発明によれば、装置10は、液体又は媒質が入口（図1及び2中に図示せず）によって混合室20の中に挿入され又は導入されることができるように提供される。したがって、装置10は混合室20内の液体を押し出すための出口（図1及び2中に図示せず）も有する。液体が混合室20に入るとき、箔18は好ましくは変形する。本発明の他の実施の形態において、変形が多少抑制されるように、より硬い箔を選ぶことも可能である。別の実施の形態において、箔18は省略されることもでき、構造部品16だけが混合室20のキャビティを規定するための薄膜12の対応物としての役目をすることができる。箔18を備えた混合装置を提供することが好ましいので、以下ではこれらの実施の形態はさらには説明されない。

装置10の混合室20内部の混合工程は、図1及び2中に引用符号30によって示される傾斜によって、装置10の作動部品14を傾斜させることによって始められる。この例の傾斜30において、機械的力は、薄膜12に平行又はほぼ平行の方向に、薄膜12から一定の距離において、作動部品14に作用し、それにより薄膜12にトルクを与える。薄膜12は、その縁領域122で固定され、中央領域121において（そのフレキシビリティに起因して）かなり自由である。したがって、作動部品14の傾斜30は薄膜12の少なくとも局部的な傾斜にもつながり、薄膜12と箔18との間の媒質又は液体は動かされ、それによってかきまわされる。薄膜12の少なくとも局部的な傾斜は、矢印30に従う傾斜が作動部品14に適用される場合の薄膜12のそれぞれの部分の運動を示す薄膜12の中央121の近くの小さな矢印30'によって示される（図1のみ）。

図3において、本発明の装置10の薄膜12の平面図が図示される。作動部品14は、事前に決められた傾斜まで第１の傾斜運動31に沿って動かされることができる。第２の傾斜運動31aに沿って回転方向45に作動部品14を動かすことによって、（他の方向において薄膜12の傾斜を同じ程度に維持することによって）作動部品14は他の傾斜位置に達することができる。薄膜と同心の円に沿って作動部品14を動かすことによって、混合室20中の流体に連続的な混合運動を与えることが可能であり、それによって効率的に流体又は媒質を混合する。図3において、薄膜12の中央領域121及び縁領域122も示される。

図4において、本発明による器具40が装置10と共に図示される。器具40は、回転軸41のまわりで及び回転方向45に従って偏心器42を回転させることができるモータ手段（図示せず）、特に電気モータを有する。アダプタ部品43は、特にボールベアリングによって、装置10の作動部品14と結びつくことができる。ボールベアリングの利点はシステム中に機械的摩耗がなく、寿命が長いことである。

例えば磁気又は電気的力による、他の結びつけるシナリオも可能である。例えば、静電気プレートが電荷又は鉄に電気的力を引き起こすために用いられることができ、作動部品14中の他の磁性材料がそれのまわりの切り替え可能な磁石によって作動することができ、又は圧電性のアクチュエーションも本発明によって可能である。

本発明の一つの好ましい実施の形態によれば、偏心度の大きさを変更することができ、すなわち、器具40の偏心器42の偏心度を変えることによって、作動部品14の傾斜30を変更することができる。偏心度の大きさは薄膜の弾力によって制限され、本発明の文脈においてフレキシブル限界とも呼ばれる。より大きな大きさが、混合室20のより大きな直径によって及びより薄い薄膜20によって達成されることができる。

その大きさと薄膜12の下の流体19の高さとの間には関係がある。図2に示すような第２の実施の形態による全く自由に垂れ下がった箔18は、本発明によるとあまり好ましくない。

回転軸41のまわりの回転速度は、好ましくは、毎秒約1〜100回転の範囲であり、特に好ましくは、毎秒約10〜70回転の範囲であり、よりさらに好ましくは、毎秒約20〜50回転の範囲であり、そして最も好ましくは、毎秒約34〜45回転の範囲である。

偏心器42は、装置の作動部品14に傾斜30を与える。偏心器の回転及びそれによる回転軸41のまわりのアダプタ部品43の回転によって、装置10の混合室20内の液体が混合される。図4において、作動部品14の3つの異なる位置が（１つは実線、他は破線により）示される。

混合装置10において、混合室20への入口21及び混合室20からの出口22が示される。さらに、弁23が引用符号23によって示される。簡単のために、図4は、作動部品14の傾斜30に起因する薄膜12の少なくとも局部的な傾斜を示さない。

本発明の第１の実施の形態による装置を示す図。 本発明の第２の実施の形態による装置を示す図。 発明の装置の薄膜の平面図。 本発明の装置と共に器具を示す図。

Claims (15)

1. 液体媒質を混合する装置であって、当該装置は、フレキシブルな薄膜、構造部品、前記薄膜の第１面側に位置する作動部品、及び前記薄膜の第２面側に位置する混合室を有し、前記薄膜の少なくとも局部的な傾斜が、前記構造部品に対する前記作動部品の傾斜から生じる装置。
2. 前記薄膜及び前記作動部品が一体成形の部品として提供される請求項１に記載の装置。
3. 前記薄膜及び前記構造部品が前記薄膜の縁領域において接続されている請求項１に記載の装置。
4. 前記作動部品が前記薄膜の中央部分に設けられている請求項１に記載の装置。
5. 前記構造部品に接続された箔を有し、当該箔が前記薄膜の第２面側に位置し、前記混合室が前記箔と前記薄膜との間に位置する請求項１に記載の装置。
6. 前記箔がフレキシブルな箔である請求項５に記載の装置。
7. 前記混合室が前記媒質により満たされたときに、前記薄膜に垂直な方向の前記箔の運動が前記構造部品によって少なくとも局部的に抑制されるように前記箔が提供される請求項５に記載の装置。
8. 前記箔の前記運動が、前記薄膜の前記中央部分に向かい合う中央領域において少なくとも局部的に抑制されている請求項７に記載の装置。
9. 請求項１に記載の装置の作動部品に傾斜運動を与えるように設けられた作動手段を有する、混合室内に供給された液体媒質を混合するための器具
10. 前記作動部品に前記傾斜運動を与えることができるアダプタ部品を有する請求項９に記載の器具。
11. 前記アダプタ部品がボールベアリングとして提供される請求項１０に記載の器具。
12. 前記作動手段が偏心器として提供され、前記アダプタ部品が回転運動を描く請求項９に記載の器具。
13. 前記作動手段の偏心度が変更可能である請求項１２に記載の器具。
14. 液体媒質を混合するシステムであって、当該システムは装置並びに器具を有し、
    前記装置が、フレキシブルな薄膜、構造部品、前記薄膜の第１面側に位置する作動部品、及び前記薄膜の第２面側に位置する混合室を有し、前記薄膜の少なくとも局部的な傾斜が、前記構造部品に対する前記作動部品の傾斜から生じ、
    前記器具が、前記装置の前記作動部品に傾斜運動を与えるように設けられた作動手段を有する、システム。
15. 液体媒質を混合する装置によって液体媒質を混合する方法であって、
    当該装置は、フレキシブルな薄膜、構造部品、前記薄膜の第１面側に位置する作動部品、及び前記薄膜の第２面側に位置する混合室を有し、
    第１傾斜運動により前記構造部品に対して前記作動部品を傾斜させ、それにより少なくとも局部的に前記薄膜を傾斜させる第１ステップ、
    第２傾斜運動により前記構造部品に対して前記作動部品を傾斜させ、それにより少なくとも局部的に前記薄膜を異なって傾斜させる第２ステップを有する方法。

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