JP2009509134A - 微小流体調節装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、
内部に定形された第1の微小流体チャンネルを有する第1の層と、内部に定形された第2の微小流体チャンネルを有する第2の層と、第1および第2の微小流体チャンネルの間に設置された流体フロー調節層とを有する微小流体調節装置に関し、流体フロー調節層は、可動式のバルブ部材を有し、該バルブ部材は、開位置では、前記第1および第2のチャンネルの間で流体連通することができ、閉位置では、バルブシートを密閉し、バルブ部材およびバルブシートの少なくとも一部は、磁性を有する。当該装置では、微小流体カートリッジに、微小体積の液体を保管することができ、必要な際には、適性に制御された簡単な方法でこれらにアクセスすることができる。

Description

本発明は、バイオセンサ用試薬のオンチップ貯蔵に使用され得る、可動式のバルブ部材を有する微小流体装置に関する。
微小流体装置、特に使い捨て式の微小流体装置は、低コストで小型化が要求される点処置（point-of-care）診断および統合高速分子診断における大きな関心とともに、診断に対してより重要な役割を果たすようになってきている。そのような微小流体装置では、極めて少量のサンプル流体を用いて、複雑な生物学的反応または分析を実施することができる。生物学的サンプル流体の分析では、通常多くのステップを実施する必要があり、例えば液体サンプルの予備処理、試薬の混合、DNA増幅、表面への特異結合、洗浄ステップ等が必要である。これらのステップのいくつかでは、予備試薬が使用され、この試薬は、装置の微小チャンネルを通って、装置の特定の領域、通常の場合、反応または分析が生じるオンチップ領域、に輸送される必要がある。そのような装置のロバストで好適な作動のため、流体が再誘導できることに加えて、使い捨て装置に、薬品および他の流体を長時間保管することができることが極めて望ましい。この場合、反応または分析が必要な際に、これらの薬品を容易に利用することができる。
これまでに、多くのアイデアが提案されている。ある既知の装置では、微小流体チャンネルにワックスプラグが設置され、少なくともその一部が密閉される。密閉部分は、流体の貯蔵容器として作用する。チャンネルを開ける必要がある場合、ワックスプラグは、ワックスに隣接して設置された電極の熱抵抗加熱により溶融され、結果的に溶融ワックスプラグは、流体により動かされる。この方法は、ワックスの変形が不可逆的であり、そのため一度しか使えない点で不十分である。また、良好なシールのためには、正確な投与量で、装置にカバーが設けられる前に、ワックスを微小チャンネルの内部に設置する必要があり、さらにワックスをカバーに十分に接着させる必要がある。良好な作動のためには、流体は、溶融ワックスの移動に必要な力を供給し得る圧力下で、保管される必要がある。別の方法として、ワックスの代わりとなる膜（チャンネルの薄い区画）が提案されている。チャンネルセグメントを開くため、膜は、抵抗加熱により弱められ、その結果、取り囲まれた流体の圧力下で破裂する。通常の場合、破材の発生が問題となる上、そのような装置の作動は、膜厚の微細な変化に対する感度が極めて高い。別の既知の装置では、密閉されたリザーバが使用され、このリザーバは、オペレータにより加えられる力により、尖ったピンと協働してピンチ締めされる。この装置は、比較的大きな貯蔵体積およびチャンネル寸法に限られる。微小流体システムを一体化した場合は、煩雑性が増し、ピンチ締めされた開口の形状が不規則であるため、開時の流体の流れをうまく制御することができない。
本発明の目的は、微小流体カートリッジに微量の液体を保管し、必要な際に、単純な方法かつ適正に制御された状態で、その液体を処理する装置を提供することである。
本発明では、前述のおよび他の目的は、請求項1に記載の技術的特徴を有する微小流体装置により達成される。より具体的には、当該微小流体装置は、少なくとも第1および第2の微小流体チャンネルが定形されたカバーならびに基板と、カバーと基板の間に設置された流体フロー調節層とを有し、前記流体フロー調節層は、可動式のバルブ部材を有し、このバルブ部材は、開の位置では、第1と第2の微小流体チャンネルの間で液体連通が可能であり、閉の位置では、バルブシートに対してシールすることができ、バルブ部材およびバルブシートの少なくとも一部は、磁性を有する。第1および第2の微小流体チャンネルは、それぞれ、カバーおよび基板内に定形される。また、本発明では、カバーまたは基板のいずれかにおいて、第1および第2の両方の微小流体チャンネルを定形することも可能である。バルブシートに対するバルブ部材の密閉は、2者の間の磁気的な引力により行われる。このため、密閉表面は、平坦表面および／または非湿式表面であることが好ましい。バルブ部材は、電場および／または電磁場により作動され、バルブ部材とシートの間に、流体が流れ得る開口が形成される。スイッチオフまたは電場および／もしくは電磁場の反転により、磁気的な引力の作動の下、バルブが再度閉となる。保管された薬品のリークは、磁力の作動により回避される。また、通常、微小流体装置は、大きな表面対体積比を有し、このため、容器の壁を介した溶媒（通常、水）の浸透の問題を引き起こす可能性がある。一方、流体は、分析および／または反応に容易に利用可能である必要があり、このため、サンプル流体の分析の間、必要に応じて、微小チャンネルに導入される必要がある。これらは、明らかに相反する要求であり、有効寿命の間、密閉したまたはほぼ密閉したシールを提供するとともに、微小流体環境において、薬品に対する速やかなアクセスを低コストで提供する必要がある。本発明による装置では、容器に気密密閉を提供することにより、この全ての問題が解消され、カートリッジが保管されたまま、電力も使用されず、必要な際に、流体の流れをほぼ即刻に利用することができる。追加の利点は、流体が低圧の制御された速度で流れ得ることである。
本発明によるバルブは、無電力状態において密閉式またはほぼ密閉式であっても良く、制御状態おいて開にすることができるが、必要な場合、反対であっても良い。バルブには、閉状態を維持するためのいかなる外部電力も不要であり、さらに、低コストの単純な方法で製造することができる。また、本発明による装置は、磁気密閉表面を提供することにより、バルブとバルブシートを密閉する別個の接着材が不要となる。接着材の使用は、好ましくない。これらは、サンプル流体に影響を及ぼす恐れがあるためである。本発明による装置は、長時間、流体を収容することができる。これは、通常の場合、バルブまたは流体フロー調節部材の開閉に圧力差を利用する、従来の装置では極めて困難である。そのような既知の装置では、流体容器を密閉するため、外部アクチュエータが必要となる。流れを維持し、またはバルブを開にする際に、保管容器と微小チャンネルシステムの他の部品との間の圧力差を利用する装置では、通常の場合、微小流体システムのある部分での真空化を回避するため、排気ゲートが必要となり、これにより流れが妨害される。ただし、排気ゲートは、好ましくない。これらのため、リークの可能性が生じるからである。本発明による装置では、このような問題は生じない。
環境側と連通するため、本装置の機能素子、例えば電子チップ等は、通常、基板層に支持され、基板層と導通される。この基板層は、いくつかの作動を実行する読み出し用機器等に対する相互接続等として機能する。センサによって発生されおよび／もしくは受信される電気信号ならびに／またはサンプル流体との相互作用の結果は、相互接続基板を介して、さらなる処理用の予備機器まで伝送される。微小流体チャンネルシステムは、基板の対向表面と、例えば、相互接続基板上に設置されたカバー層の間に定形される。本発明による装置により、長時間流体を保管することが可能となり、この場合、機器と使い捨て装置の間に、好ましくない「湿式」界面を形成することもない。
本発明の装置のさらなる利点は、磁力の強度に応じて、いかなる密閉力をも得ることができることである。また、微小流体チャンネル内で、複数のバルブおよびシート部材に異なる磁気的な閉止力を提供した場合、実際にチャンネルは、外部作動力の局部的な増大により、連続的に開となり、これにより、装置のバルブに選択的な開状態が提供される。磁場は、相互接続基板に集積された電気導体により、局部的に形成されても良い。
チャンネルという用語は、本願の記載において、広く解釈される必要があり、例えば細長い構造に限定されることを意図するものではない。チャンネルは、いかなる形状の孔またはトンネルであっても良く、流体孔は、流体が連続的に流通する貫通セル、または特定の量の流体をある時間保持するチャンバを有しても良い。本発明は、これに限定されるものではないが、通常の場合、微小流体チャンネルとは、約1mm未満の寸法を有する、流体が流通することが可能な、または流体が収容されることの可能な構造を意味することを理解する必要がある。微小流体装置では、通常チャンネルは、カバーおよび／または基板に提供される。チャンネルは、公知の方法で形成され、例えば、射出成形、シリコンもしくはガラス基板にチャンネルを定形する光リソグラフィー、またはカバーおよび／もしくは基板から材料を除去してチャンネルを形成するエッチング技術の適用により形成される。通常カバープレートは、基板に結合され、装置の密閉性が提供される。
本願において、磁性を有するバルブ部材およびバルブシートを参照する際、これらは、永久磁気特性、または誘導磁気特性を有することを意味する。本発明の実施例では、微小流体調節装置は、バルブ部材およびバルブシートの少なくとも一部が、永久磁化率を有する材料で構成されることに特徴がある。本発明の好適実施例では、微小流体調節装置は、バルブ部材およびバルブシートの少なくとも一部が、永久磁性であることに特徴がある。この場合、液体の貯蔵時間（保管寿命とも称する）を延長することができる。本願において、永久磁性材料には、永久磁気ダイポールモーメントを有する分子が含まれる。バルブ部材およびシートは、好ましくは、永久磁性材料で構成され、および／またはこれらには、磁性コーティングが提供される。また、可動式のバルブ部材および／またはシート部材に、接着材結合または機械的保持手段を介して、個別の磁性素子を取り付けることも可能である。
バルブ部材は、剛体、半剛体、および／または可撓性の材料で構成されても良い。剛性のあるバルブ部材の場合、これは、可撓性材料のヒンジ領域を有し、あるいは薄い厚さの剛性材料のヒンジ領域を使用しても良い。適当な材料は、特定の使用装置の種類および装置の構成に応じて、当業者により選定され、例えば金属、紙、ガラス、高分子またはこれらの組み合わせを有する。バルブは、高弾性材料で構成されても良く、この場合、バルブは、良好に制御された方法で開にされ、あるいはバルブは、滑らかに開くように、より可撓性のある材料で構成されても良く、異なる配置も可能である。適当な高分子には、ポリテトラフルオロエチレン高分子（PTFE）、ポリスチレン（PS）もしくは他のビニル芳香族高分子、ポリプロピレン（PP）、ポリエチレン（PE）、または他のポリオレフィン高分子、ポリイミド（PI）、ポリアクリレート、ポリカーボネート、ポリエステル、熱可塑性エラストマー、ポリウレタン、ゴム、シリコンゴム等が含まれる。本発明には重要ではないが、必要な場合、これらの材料には、一つの側または両方の側に、接着層が設けられても良い。
本発明による別の好適実施例では、微小流体調節装置は、バルブ部材および／またはシートの少なくとも一部が、実質的に可撓性高分子シートで構成されていることに特徴がある。この実施例では、装置の製作が容易になるという利点がある。また、通常高分子シートは、平坦な非湿式表面を、容易に提供することができ、これにより、バルブシートに対するバルブ部材の密閉性がさらに改善される。実質的な（に）高分子シートとは、高分子材料系のいかなるシートまたはフォイルをも意味するが、結果的に他の添加物、例えばミネラル添加物、ならびに／または金属粒子および／もしくはフレークおよび／もしくはフォイルのような他の材料を有しても良いことを理解する必要がある。電気信号の伝送を可能にするため、高分子フォイルは、例えば金属のような導電性の経路および／または相互接続部を有しても良い。
流体フロー調節層は、カバー層に隣接して設置された第1のシートおよび基板層に隣接して設置された第2のシートの組立体と、バルブシートとを有することが有意であり、第2のシートは、第2の微小流体チャンネルの高さに開口を有し、第1のシートの一部は、開口の少なくとも一部を覆う、可動式のバルブ部材を形成するように切除され、第2のシート表面の少なくとも一部を密閉する。この実施例では、装置にいくつかの開口およびバルブ区画を同時に提供することが容易となる。シートは、必要な場合、接着材または他の手段で、相互に接合されても良い。さらに第1および第2のシートの組立体を提供することにより、バルブシート特性を、カバーおよび基板層の材料とは独立に調整することが可能となる。
可動式バルブを有する微小流体調節装置のこの実施例を提供するため、組立体の第1および第2のシートは、シート領域の少なくとも一部が実質的に結合されない。これにより、シート領域の少なくともこの部分において、第1のシートの第2のシートに対する局部的な移動が可能となり、これにより、未結合領域の寸法に応じて、開口の寸法を調節することができる。第1および／または第2のシートの少なくとも一部に、永久磁性材料のコーティングを提供することは、有意である。第1のシートのシート領域に、永久磁性材料のコーティングが提供されることが、より好ましい。また、本発明による装置に、永久磁性材料からなる第1および／または第2のシートを提供することも可能である。
本発明による微小流体調節装置の別の好適実施例では、第1および／または第2のシートは、穴の空いたシート材料で構成される。これにより、閉の位置の際に、例えば、流体をバルブを介してゆっくりと拡散させることが可能となる。これはいくつかの状況では有意である。
微小流体調節装置の作動のため、これは、さらに、バルブ部材に作用するアクチュエータを有することが好ましい。この場合、オペレータは、流体の流れを妨害しない距離でバルブを操作することができる。本発明では、いくつかの可能な作動法が存在する。好適実施例では、微小流体調節装置は、アクチュエータが可動式のバルブ部材およびバルブシートの少なくとも一部に設置された導電経路を有することに特徴があり、この導電経路は、電荷を供給する装置と接続される。この実施例では、これにより、バルブ部材およびシートを静電的に帯電させることが可能となる。2つのシートが反対に分極されると、バルブ部材が反発し、これにより、第1と第2の微小流体チャンネルの間の接続が開にされる。電圧が減少すると、バルブは、徐々に閉止され、これにより、第1と第2の微小流体チャンネルの間で、実際の開動作を調節することが可能となる。また、導電経路、すなわち、シートに設置される電極の特定のパターンに応じて、複数のバルブが繰り返しアドレス処理されても良い。
別の好適実施例では、微小流体調節装置のアクチュエータは、可動式のバルブ部材から作動可能な距離の範囲内に、電磁石を有する。磁石の切り替えの際、可動式のバルブは、電磁石により反発し、または引き寄せられ、これにより、チャンネルが開にされる。特に好適な実施例では、電磁石は、カバーおよび／または基板層に収容される。
本発明では、装置は、2つの微小流体チャンネル（のセグメント）の間に、バルブを提供する形態に限定されるものではなく、リザーバのカバーとして、または流体を装置内で移動させるポンプとして、作用しても良い。また、いくつかの検出素子および／または他の機能の素子を、単一の装置上で異なる別の基板と一体化して、通常、ラボオンチップまたはミクロTASと称されるシステムを構成しても良い。
微小流体チャンネルの定形、または流体相互作用領域を補充する、組立体上の流体導入領域の定形を可能にするため、一体化機能素子および相互接続組立体には、カバーが設置されることが好ましい。流体チャンネルを定形することに加えて、カバーをシステムに対する閉止部材として作用させても良い。カバーは、いかなる適当な方法で設置されても良く、例えば、接着材および／または熱結合により設置される。
以下、添付図面に示された実施例を参照して、本発明による装置について、より詳しく説明する。ただし、これらは、本発明を限定するものではない。
図1には、本発明による微小流体システム1を示す。微小流体システム1は、少なくとも一つの微小チャンネル3を有する、電気相互接続の形態の第2の層またはバックプレート2を有する。装置は、少なくとも一つの微小チャンネル5を有する第1の層またはカバープレート4で覆われ、このカバープレートは、流体が微小チャンネル4から微小チャンネル5に流れるように、バックプレート2に対して配置される。バックプレート2の上には、第1のシート6が積層され、このシートは、バルブが必要となる位置に、開口7が形成されるように、換言すれば、微小チャンネル3から微小チャンネル5に、流体が流れるように構成されている。シート6は、永久磁性材料でパターンが形成されるようにコーティングされ、または完全にコーティングされるが（図1ではシート6のハッチ領域で示されている）、あるいはシート6は、永久磁気特性を有する複合材料であっても良い。シート6の上部には、別のシート8が積層される。シート6および8は、バルブシート9の領域を除いて、適当な接着材により接着接合され、これにより、この領域でのシート8の局部的な移動が可能となる。先程と同様に、シート8は、永久磁性層で局部的にまたは完全にコーティングされ、あるいはシート8は、永久磁気特性を有する複合材料である（図1ではシート8のハッチ領域で示されている）。シート8の一部は、輪郭10に沿って切断され、これによりフラップの形態の可動式のバルブ11が定形される。バルブ11は、非結合表面12および輪郭10により定形された自由端を有するため、バルブ11は、可動式である。静電的な作動の場合、さらにシート6および8は、導電経路または電極を有し、これらは、電荷を供給するドライバ（図示されていない）に接続される。2つのシート6および8が反対の極性を有する場合、上部シート8は、反発し、第2のシート6に拘束されない上部シート8の一部、すなわちバルブ11は、開にされる。微小チャンネル3および5は、図2の矢印Ｆで示すように、シート8の作動の際に、微小チャンネル3に収容された流体が、シート11とチャンバ壁13の間の隙間を介して通過し得るように配置される。導電経路の電圧が低下すると、バルブ11は、シート8とシート6のハッチ部分の間の磁気的な引力により、再度閉となる。この方法では、シート6および8上の電極の適切なパターン化により、所望の状態で、複数のバルブを繰り返しアドレス操作することが可能である。
電磁作動の場合は、可動式のバルブ11の近傍に、電磁石13が配置される。磁石13での切り替えの際、永久磁性バルブ11は、電磁石13により反発しまたは引き寄せられ、これにより、微小チャンネル3が開となる。図3には、装置の実施例が示されており、磁性シート11は、磁気伝導材料で構成された尾根14上に保持される。外部電磁石13がオンにされると、尾根14から生じる磁場線が、シート11を押し上げる。これにより、図4において、矢印Fで概略的に示すように、それぞれ、尾根14の左と右のチャンネル3aおよび3bが接続される。必要な場合、磁場方向は、尾根14の方にバルブ11を引き戻すように切り替えられ、これにより、微小チャンネル部分3aおよび3bが再度閉止される。尾根14自身は、静止しており、バックプレート2内でシールされる。外部アクチュエータ15を有する別の代替実施例は、図5に概略的に示されている。
比較的硬質な永久磁性シート8の代わりに、より弾性の永久磁性シート8を使用することも可能である。そのような実施例では、バルブ11の背面の微小流体チャンネル5は、常に密閉された状態であり、開状態においても密閉されている。これは、図6に示されており、この図において、バルブシート11は、図5の実施例に示すように、シール表面12に沿ってはスライドしない。その代わり、作動の間、バルブシート11は、伸張する。
本発明の装置の前述の実施例は、全て共通であり、これらは、単純な構成で形成され、バックプレート2と、カバープレート4とを有し、これらの双方は、良く知られているように、例えば押出成形により作製される。好適実施例では、パターン化された永久磁性コーティングを有する穴の開いたシート材料であって、必要な場合、さらにパターン化された電極が設けられたシート材料が使用され、このシート材料は、大きな設計自由度を提供し、組立体は、基本的に構造に依存しない。そのようなシートは、電子相互接続に広く使用されている、通常の伸縮性の材料であっても良い。いくつかの場合には、図6の実施例に示すように、単一のシート8でも十分である。また静止磁性材料は、コーティングの施工により、または2成分の成形により、背面2に含まれても良い。この場合、一つの成分は、永久磁性高分子複合材である。
通常の場合、シートは、上部に電気配線を備える高分子基板（例えばポリイミドまたはポリエステル）を有し、この基板は、薄い絶縁層で被覆される。その上部には、パリレンまたは無機材料、または異なる材料のスタックのような、バリアコーティングが設置され得る。永久磁性コーティングは、十分な磁気強度を有するように局部的に設置され、リザーバと微小チャンネルの間に圧力差が生じる場合、ならびに輸送およびハンドリングの際に機械的な負荷が生じる場合であっても、完全なシールが可能となる。このコーティングは、マスクを介した真空成膜、および電気化学的な電析により設置することができる。シートの表面には、柔軟性のある平坦なコーティングが設置されても良く、これにより、必要な場合のシートとサドルの間の接触が改善される。表面は、例えば汚染または内部の試薬との他の干渉を回避するため、特定の生物互換性材料およびコーティングで処理されても良い。
本発明による組立体は、幅広い様々な用途に使用され、例えば汎用的なセンサ、バイオセンサ、環境、食物、健康および／または診断用のセンサ、ラボオンチップ、統合サンプル処理、およびセンサ組立体、マイクロTAS等の、例えば、DNA増幅（例えばPCR）および混成（hybridization）検定に特に有益な、加熱および／または冷却素子を有する。他の適当な用途には、例えば、集積電子冷却部を有するIC、LEDまたは他の集積冷却部を有する小型光源が含まれる。
本願において、「チャンネル」という用語は、広い意味で使用され、例えば細長い構成に限定されるものではないことに留意する必要がある。チャンネルは、いかなる所望の形状の孔またはトンネルであっても良い。チャンネルは、流体が連続的に流通する貫通チャンネルであっても、貫通セルであっても良く、あるいは、ある時間、特定の量の流体を保持するチャンバであっても良い。微小流体装置では、チャンネルは、通常、第1および第2の部分に提供され、すなわち表面の第1の部分または第2の部分に沿って配置される。チャンネルは、既知の方法で製作され、例えば、射出成形法、シリコンまたはガラス部分への、光リソグラフィーを用いたチャンネルの定形、あるいは表面の一部から材料を除去して、チャンネルを構成するエッチング技術により製作される。
「微小流体チャンネル」という用語は、流体が流れることのできるチャンネル、または好ましくは約1mm未満の寸法の、例えば0.5mm未満の寸法の流体が収容されるチャンネルを意味することに留意する必要がある。
本願において、磁性のある可動式のバルブ部材およびバルブシートという用語が使用される場合、これらは、永久磁性特性を有すること、あるいは磁気特性を発生し得ることを意味する。磁性材料は、永久磁気感度を有しても良い。本願において、永久磁性材料とは、外部磁場によって励起されなくても永久磁場を示す材料であって、外部磁場に置かれてもこの磁場を維持する材料である。そのような材料には、永久磁気ダイポールモーメントを有する分子が含まれる。
「実質的に高分子のシート」とは、高分子材料系のいかなるシートもしくはフォイルをも意味し、結果的に他の添加物、例えばミネラル添加物、および／または他の物質、例えば金属粒子および／もしくはフレークおよび／もしくはフォイル、磁気粉末もしくは粒子を有する場合も含む。電気信号を伝送することを可能にするため、高分子フォイルは、例えば導電性の金属経路および／または相互接続部を有しても良い。本発明の目的を達成するために実施される、微小流体調節装置の他の配置は、当業者には明らかである。実質的に高分子のシートは、少なくとも30％の高分子材料を有しても良い。
図7aおよび7bには、本発明の実施例による微小流体調節装置100を概略的に示す。図7aには、閉止位置での微小流体調節装置100を示し、一方、図7bには、開位置での微小流体調節装置100を示す。
微小流体調節装置100は、第1の表面部分110を有する第1の部分101と、第2の表面部分120を有し、第1の表面部分110と対向する第2の部分102とを有する。第1の表面部分110は、第1の微小流体チャンネル111、第2の微小流体チャンネル112、および第1のチャンネル111と第2のチャンネル112の間に配置されたバルブシート113を有する。第2の表面部分120は、第1のチャンネル111、第2のチャンネル112およびバルブシート113の高さの孔121を有する。微小流体調節装置100は、さらに可動式のバルブ部材130を有する。可動式のバルブ部材130は、第1の表面部分110と第2の表面部分120の間に配置される。第1の位置または閉止位置では、可動式のバルブ部材130は、第1のチャンネル111、第2のチャンネル112およびバルブシート113を覆うシールライン131に沿って、第1の表面部分110と気密接触している。微小流体調節装置は、作動手段140を有し、この手段は、可動式のバルブ部材を開位置および閉位置に移動させる。可動式のバルブ部材130を開位置に移動させる場合、可動式のバルブ部材は、孔121内に移動され、これにより、第1のチャンネル111と第2のチャンネル112の間で流体連通が可能となる。可動式のバルブ部材130をその閉位置に移動させる際には、第1のチャンネル111が第2のチャンネル112からシールされるようにして、可動式のバルブ部材がバルブシート113の方に移動される。この実施例では、微小流体調節装置100は、さらに第3のチャンネル150を有し、このチャンネルは、孔121と第1の微小流体チャンネル111の間で、圧力を平衡化させる。第1のチャンネルは、装置100に流体を供給する流入チャンネルとして使用されることが好ましい。第1の部分は、いかなる適当な手段によって、例えば溶接、接着材等によって、第2の部分に結合されても良く、これにより微小流体調節装置が密閉される。
第3のチャンネル150は、可動式のバルブ部材をバイパスする溝であり、孔内に延伸する第1の排出部151と、第1の微小流体チャンネル111内に延伸する第2の排出部152とを有する。
好適実施例では、可動式のバルブ部材130は、膜であり、好ましくは実質的に高分子の膜である。この膜は、第1の部分101と第2の部分102の間でクランプ締めされ、より具体的には、第1の表面部分110と第2の表面部分120の間でクランプ締めされる。第1の部分101または底部、より具体的には第1の表面部分110は、液体入口および出口を有し、第2の部分102または上部、より具体的には第2の表面部分120は、内部で膜が変形される孔121を有する。
この特定の実施例では、微小流体調節装置100は、電磁作動に基づいて活性化され、比較的容易に製作することができる。
可動式のバルブ部材130は、弾性高分子膜であり、この膜は、分散磁気粒子、例えば永久磁気粉末を有し、電磁石141により作動され、大きな変形が可能である。可動式のバルブ部材130は、流体に対して不透過性である。粉末は、例えば硬質磁性粉末であり、例えばバリウムフェライト、ストロンチウム／バリウムフェライト、ストロンチウムフェライト、アルミニウム−ニッケル−コバルト合金、サマリウム−コバルト、またはネオジウム−鉄−ボロン粉末である。あるいは、分散された超常磁性粒子、例えば、直径が15nm未満の鉄酸化物粒子を使用しても良い。可動式のバルブ部材の閉状態は、第1の部分101の第1の表面部分111を提供する磁性フィルム114を用いることにより形成される。これは、可動式のバルブ部材を閉状態に維持する際に、電力が消費されない点で有意である。電磁石構成の別の重要な態様は、作動制御が完全に非接触であることである。すなわち、これは、作動手段140と可動式のバルブ部材との間で、機械的な接触を行わずに行うことができる。作動手段140の電磁石141は、可動式のバルブ部材から作用可能な距離内にあり、すなわち電磁石のソレノイドに提供される電流の変化による磁力により、可動式のバルブ部材を作動することができる。
可動式のバルブ部材は、さらに、第1の部分101上に設置された磁性材料、例えば強磁性材料の上部に、弾性磁性膜を有し、これは、入口チャンネル、すなわちこの実施例において、第1のチャンネル111を有するとともに、この実施例では第2のチャンネル112により形成される、液体用の出口チャンネルを有する。
従って、可動式のバルブ部材は、例えば強磁性材料のような磁性材料の上部に、弾性磁性膜を有し、この膜は、入口チャンネル、すなわちこの実施例では第1のチャンネル111と、この実施例では第2のチャンネル112により形成される、液体用の出口チャンネルとを有する、第1の部分101上に設置される。
膜には、例えば永久磁性粒子のような磁気粒子を高分子膜内に設置することにより、磁気特性が付与されても良く、あるいは膜は、例えば永久磁性材料のような磁性材料でコーティングされても良い。
第1の部分101の磁性材料は、磁気フィルム114により提供されても良く、あるいは例えば、真空コーティングのようなコーティング法により、例えば強磁性層のような磁性層を提供することにより、提供されても良い。必要な場合、第1の部分は、例えば強磁性材料のような磁性材料で構成される。第1の部分101の磁性材料は、永久磁性材料であっても良い。第1の表面部分の磁性膜は、CoNiMnPおよびCoCrTaのような、永久強磁性材料であることが好ましい。これは、物理気相成膜法またはめっきにより成膜することができる。少なくともバルブシート113には、磁性材料が設置されることが重要である。あるいは、磁気素子は、2成分の成形により提供されても良く、この場合、一つの成分は、例えば永久磁性高分子複合材料のような磁性高分子複合材料である。あるいは磁気素子は、インサート成形法により提供されても良く、この方法では、磁性材料がモールド内に挿入され、熱可塑性、熱硬化性、または光硬化性材料のようなプラスチックによって全体成形される。
図7aには、閉位置、すなわち、オフ状態の位置または磁性膜の休止モードでの可動式のバルブ部材130の基本作動原理を概略的に示す。可動式のバルブ部材130が閉の場合、部材すなわち膜に作用する力は、磁性膜と、第1の部分の例えば強磁性材料のような磁性材料との間の引力だけである。これにより、バルブを介して作動流体が流れ出ることが回避される。
バルブのオン状態、すなわち可動式のバルブ部材130が開位置にある状態は、例えば図7bに示すように、ソレノイドのような電磁石141との電磁的な作用を利用して行われる。ソレノイドと磁性膜の間の引き寄せ合う力の総和は、磁性膜と、第1の表面部分110の膜114の例えば強磁性材料のような磁性材料との間の磁気的引力よりも大きく、そのため、磁性膜は、孔121内で上方にたわみ、処理液体は、第1のチャンネル111、すなわち入口から、第2のチャンネル112、すなわち出口まで流れるようになる。
膜の下側、すなわち第1の表面部分に対向する側に作用する流体圧力は、膜の第2の側、すなわち孔121と対向する側に作用する流体圧力と平衡状態にある。従って、流体圧力は、作動手段140と可動式のバルブ部材130の間の引き合う力に影響を及ぼさない。
磁性エラストマー膜は、例えば加圧成形法を用いて製作することができる。膜は、バルブに適用する前に、膜の厚さ方向に磁化される必要があるが、これは、大きな外部磁場を用いて、容易に行うことができる。
ただしこの場合、膜の両側が、流体に対してアクセス可能である。入口チャンネルすなわち第1のチャンネル111と、孔の間に、例えば第3のチャンネル150のような、膜をバイパスする溝の形態の接続部がある。この接続部は、図7aおよび7bに示すように、第1および第2の部分に一体化することができるが、他のいかなるバイパスを利用することも可能であり、例えば、これは、可動式のバルブ部材全体をバイパスする簡単な管構成により、形成することができる。閉状態では、流体は、膜を通過することはできない。閉位置すなわち定常状態では、膜を横断する圧力差は生じない。開位置すなわち作動状態では、膜は、孔またはチャンバ内の流体が孔から入口、すなわちチャンネル111に排出されるように、変形することができる。膜の機械的な作用は、バイパス溝、すなわち孔と第1のチャンネルの間の第3のチャンネル150の、圧力低下のみによって定められ、これは、流体の粘度、移動速度および第3のチャンネル寸法に対応する。これは、流体の圧力にはあまり依存しない。膜における力の平衡は、各チャンネルの寸法に影響され、すなわち各表面における膜と流体の接触面積に依存する。膜の膨脹チャンバは、微小流体入口チャンネルよりも大きな接触面積を有することが好ましい。この場合、入口での流体により加わる力は、入口チャンネル側からのものに比べて、バイパス側からの方がより大きくなる。バルブは、閉状態が維持される。作動の力は、少なくともその力の差を相殺する必要がある。変形が大きくなると、入口側からの接触面積が増大し、その結果、正味の作動の力が増大する。動的状態では、入口チャンネルの端部に、局部的な密閉力が生じる。これは、磁性膜と磁性バルブシートの間の磁気的相互作用と、孔内の流体圧力により生じる力の和のような、シートと膜との相互作用の結果として生じる。開状態とする力は、磁気作動手段または電磁作動手段からの磁場と、入口チャンネルでの局部的な流体圧力との総和のような、膜に対して作用する動作により提供される。この動作の力は、膜の弾性特性と組み合わされ、剥離力が生じ、入口チャンネルの端部で、膜がシートから引き離される。一度引き離しが始まると、入口圧力によって、より大きな力が提供される。入口流体と膜の間の接触面積が増加するためである。孔と入口チャンネルの間で、圧力平衡が達成されていると仮定すると、膜に加わる正味の流体力は、バルブが開いて動かなくなると、すぐにゼロとなる。バルブの開動作が始まると、作動力は、流体圧力に依存しなくなり、すなわち作動力は、膜の変形に必要な力で定められるようになり、これにより、磁性膜およびバルブが使用される際に、膜とバルブシートの間の他の力、例えばバルブシートと膜の間の磁気的な引力を相殺することが可能となる。
この微小流体調節装置の利点は、この場合膜である、可動式のバルブ部材の両側で、流体圧力、必要な場合液体の圧力が、膜が移動しない際に、等しくなることであり、すなわちｐｂ=ｐｔとなることである。その際に膜が作動され、圧力差が形成される。流体は、バイパス溝を介して排出される必要があるためである。ただしこの圧力差は、バイパス溝の水圧抵抗が極めて小さく、すなわち溝ができる限り短く形成されており、その断面が最大化された状態の場合、有意に抑制される。これは、常時ｐｂ≒ｐｔであることを意味する。従って、流体圧力は、可動式のバルブ部材150の作動に、僅かな影響しか及ぼさない。バルブシート113において、可動式のバルブ部材が磁力により相互に引き寄せられる場合、作動に必要な力は、ほぼ磁力のみにより定められる。
孔内に存在する流体は、微小流体調節装置100を流通する流体、すなわち処理流体と、必ずしも同じである必要はない。ただし、処理流体と孔内の流体は、不混和性であることが好ましい。例えば、孔内の流体は空気であり、処理流体は、空気と不混和性の液体である。この場合、流体不透過性可動式のバルブ部材は、空気および処理液体に対して不透過性であることに留意する必要がある。
入口に導入される処理液体は、膜の背面に向かって、第3の「デッドエンド」チャンネルを充填せず、チャンネルのその位置で空気を圧縮する。第3のチャンネル150に導入される処理流体の体積は、処理流体の圧力および第3のチャンネルの体積に依存する。可動式のバルブ部材130すなわち孔121内に移動する膜の作動の際、孔内の流体の一部は、第3のチャンネル150に流れるように力を受ける。置換体積、すなわち、可動式のバルブ部材である膜の開位置と閉位置の間での、孔の体積差分の流体は、入口に向かって排出される。
ある用途では、可動式のバルブ部材は、バルブ部材の移動によるこの孔の置換体積を、第3のチャンネルに導入される処理流体の体積よりも小さくなるように構成され、孔内の空気が処理圧力まで圧縮される。これは、可動式のバルブ部材の切り替えの間、処理流体のメインフロー内の空気の導入を回避するためである。この状態は、第3の「デッドエンド」チャンネルの体積V3を、例えば、可動式のバルブ部材によって置換される置換体積よりも実質的に大きく構成することに得りことができる。
ある用途では、微小流体調節装置に残留する処理流体の体積は、できる限り抑制することが重要である。理想的には、微小流体調節装置内に、処理流体が全く残留しないことが好ましい。残留体積は、デッド体積とも称される。この場合、これは、第3の「デッドエンド」チャンネルの体積V3を、可動式のバルブ部材により放出される置換体積よりも小さく構成することにより行われる。
図7に示す概念とは別の構成として、第3のチャンネルは、第1のチャンネル111と孔121ではなく、第2のチャンネル112と孔121とを接続しても良い。
別の実施例では、第3のチャンネルまたは「バイパスチャンネル」は、疎水性表面を有するミクロポアまたはナノポアのバリアで構成される。この場合、90゜よりも大きな接触角Φを有する液体のような処理流体は、第3のチャンネルに流入できないのに対して、圧力は、第3のチャンネルおよび孔内の流体、例えば空気を介して変化し得る。この場合、第3のチャンネルは、キャピラリ圧力までの圧力レベルに耐えることができ（Δp＝σcosΦ／h、ここでhは、ミクロポアバリアのポア直径）、これは約1バールである。
図7と同様の実施例による別の微小流体調節装置300は、図8に概略的に示されている。微小流体調節装置は、閉位置にある。図7の微小流体調節装置100と同じ参照符号は、図7の微小流体調節装置100と等しいまたは同様の構成物を表している。
微小流体調節装置300は、第3のチャンネル350を有し、すなわち可動式のバルブ部材130を介して延伸する一つのまたは複数の開口を有し、これは、孔121に延在する第1の開放部351と、第1の微小流体チャンネル111に延伸する第2の開放部352とを有する。この特定の実施例では、孔121内の流体は、少なくとも一部が、処理流体により提供されることに留意する必要がある。
第1のチャンネル111と孔121の間で、十分に速やかな圧力平衡を得るため、開口の寸法は、5から100μmの間であり、一方第1のチャンネル111、第2のチャンネル112および孔121の寸法は、通常の場合、10から5000μmの間である。
微小流体調節装置400のさらに別の実施例は、図9に概略的に示されている。第1の表面部分110は、縁部（border）116を有し、この縁部は、第1のチャンネル111と第2のチャンネル112とを取り囲む。可動式のバルブ部材130は、孔121の周囲122の一部に沿ってクランプ締めされた、クランプ端135を有するシートであり、このシートは、縁部116と滑り接触を構成する自由端136を有する。縁部には、磁気特性が付与され、好ましくは永久磁性が付与される。同様に自由端には、磁気特性が付与され、滑り動作の間、縁部に対して自由端のシールが形成される。
第1の部分101の縁部116に沿った磁性材料は、磁性膜114により提供されても良く、あるいは例えば真空コーティングのようなコーティングにより、例えば強磁性層のような磁性層が提供されても良い。必要な場合、第1の部分は、例えば強磁性材料のような磁性材料で構成される。第1の部分101の磁性材料は、永久磁性材料であっても良い。第1の表面部分の磁性膜は、CoNiMnPおよびCoCrTaのような、永久強磁性材料であることが好ましい。これは、物理気相成膜法またはめっき法を用いて成膜することができる。
可動式のバルブ部材130のシートの自由端136には、磁性特性が付与され、好ましくは永久磁性が形成される。これは、例えば永久磁性粒子のような磁性粒子を、少なくともシートの自由端136に沿って導入することにより、または少なくともシートの自由端に、例えば永久磁性粒子のような磁性粒子をコーティングすることにより、得ることができる。
好適実施例では、本発明による装置用の特定の構成、配置および材料が示されているが、本発明の思想の範囲から逸脱しないで、形態および細部の各種変更または修正が可能であることに留意する必要がある。示された実施例は、磁気可動式のバルブ膜と、第1の磁性表面部分とを有し、さらに電磁作動手段を有する。あるいは、可動式のバルブ部材を開または閉にするため、微小流体調節装置の第1および／または第2の部分と一体化された電気的導体により、局部的に電磁場が形成されても良い。
しかしながら、同様の利点は、磁気可動式のバルブ部材および／または第1の磁性表面部分を必要としない、他の作動手段を使用しても得ることができることに留意する必要がある。
可動式のバルブ部材、バルブシートおよび作動手段を有し、磁気特性を用いて、可動式のバルブ部材を引き寄せまたは作動させ、可動式のバルブ部を開位置と閉位置の間で移動させる、本発明の実施例による微小流体調節装置100の場合、バルブシートに対する可動式のバルブ部材の密閉は、両者の間の引き合う磁力により行われ、このため、シール表面は、平坦および／または非湿式表面であることが好ましい。可動式のバルブ部材は、電場および／または電磁場により引き寄せられ、バルブ部材とシートの間に開状態が形成され、これを介して、流体が流通する。スイッチオフまたは電場および／もしくは電磁場の反転により、引き寄せ合う磁力の作用下で、バルブは、再度密閉される。この概念を用いて、処理流体のリザーバまたは容器を得ることができ、流体は、前述の作用の一つ、すなわち電場および／または電磁場により開くことの可能な、密閉バルブによって容器内に保持される。保管された薬品の容器からのリークは、磁力の作用によって抑制される。また全般に、微小流体装置は、大きな表面対体積比を有するという特徴を有し、これは、微小流体装置を有する容器の壁を介した溶媒（通常、水）の浸透の問題の原因となり得る。一方、流体は、分析および／または反応に容易に利用できる必要があり、従って処理流体の分析の間、必要に応じて、微小流体チャンネル内に導入される必要がある。保管寿命の間、密閉またはほぼ密閉状態のシールを提供するとともに、低コストで、微小流体環境内の薬品に迅速にアクセスできるようにするというこれらが、相反する要求であることは明らかである。本発明による装置は、可動式のバルブ部材、バルブシート、および必要な場合、作動手段の磁気特性を利用して、容器の気密密閉を提供するため、これらの全てを解決することができ、電力を利用せずに、カートリッジが保管され、必要な際に、ほぼ瞬時に、流体の流れを利用することができる。
追加の利点は、低圧の制御された速度で、流体が流れ得ることである。
可動式のバルブ部材、バルブシートおよび必要な場合、作動手段の磁気特性を用いた、本発明のいかなる実施例による装置も、電力を使用せずに、気密またはほぼ気密状態で密閉することができ、必要な際には、制御された可逆的な方法で開にすることができる。そのような装置は、その閉状態を維持するためにいかなる外部電力も必要とせず、この装置は、簡単、低コストな方法で製作することができる。また、磁性密閉表面を提供することにより、この装置は、バルブとバルブシートをシールする際に、個別の接着材を必要としない。接着材の使用は、これが処理流体と干渉するため好ましくない。当該装置により、より長い時間、装置内に流体を維持することができる。これは、通常、可動式のバルブ部材の開閉に圧力差を利用する従来の装置、または通常の流体フロー調節装置ではほとんどあるいは全く不可能である。そのような既知の装置では、流体を密閉容器に維持するための外部手段が必要となる。流れを維持しあるいはバルブを開にするため、保管容器と微小チャンネルシステムの他の部分との間の圧力差を利用する装置では、通常、微小チャンネルシステムのある部分に、真空引きを防止するため、排出ゲートが必要となり、これにより流れが回避される。ただし、排出ゲートは、これらによって、リークが発生する可能性が生じるため、好ましくない。本発明による装置では、このような問題は生じない。
前述の本発明のさらなる利点は、磁力によって定まるいかなる最大の密閉力をも、得ることができることである。また、複数の可動式のバルブ部材が、微小流体チャンネル内で異なる磁気的な密閉力を受けるバルブシートとともに提供される場合、チャンネルは、外部作動の力を局部的に強めることにより、連続的に開にされ、これにより、微小流体調節装置内の可動式のバルブ部材に、選択的な開状態を提供することができる。磁場は、微小流体調節装置の第1および／または第2の部分に集積された電気的導体により、局部的に形成されても良い。
本発明の目的において、微小流体調節装置は、例えば微小流体システムに使用することができる。これは、例えば、バイオセンサ、急速DNA分離および寸法化、細胞操作および分離、薬学用途、特に局部的な混合の必要な高処理能力連結試験用途のような、生物学的用途、ならびに小型電子機器用の微小チャンネル冷却システムにおいて、重要である。
本発明による装置の第1の実施例の断面における概略的な側面図である。 開状態での図1の実施例の断面における概略的な側面図である。 電磁アクチュエータを有する本発明による装置の別の実施例の断面における概略的な側面図である。 作動状態での図3の実施例の断面における概略的な側面図である。 電磁アクチュエータを有する本発明による装置の別の実施例の断面における概略的な側面図である。 作動状態での図5の実施例の断面における概略的な側面図である。 本発明の実施例による微小流体調節装置の概略図である。 本発明の実施例による微小流体調節装置の概略図である。 本発明の実施例による別の微小流体調節装置である。 本発明の実施例による別の微小流体調節装置である。

Claims (24)

  1. 内部に定形された第1および第2の微小流体チャンネルを少なくとも有する、カバー層と基板層とを有する微小流体調節装置であって、
    さらに、流体フロー調節層を有し、該流体フロー調節層は、可動式のバルブ部材を有し、該バルブ部材は、開位置では、前記第1および第2のチャンネルの間で流体連通することができ、閉位置では、バルブシートを密閉し、
    前記バルブ部材および前記バルブシートの少なくとも一部は、磁性を有することを特徴とする微小流体調節装置。
  2. 前記バルブ部材および前記バルブシートの少なくとも一部は、永久磁性を有することを特徴とする請求項1に記載の微小流体調節装置。
  3. 前記バルブ部材および前記バルブシートの少なくとも一部は、永久磁化率を有する材料で構成されることを特徴とする請求項1または2に記載の微小流体調節装置。
  4. 前記バルブ部材および／または前記バルブシートは、少なくとも一部が、可撓性の高分子シートで構成されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の微小流体調節装置。
  5. 前記流体フロー調節層は、第1のシートおよび第2のシートの組立体と、前記バルブシートとを有し、
    前記第1のシートは、第1の微小流体チャンネル高さの開口を有し、
    前記第2のシートの一部は、前記開口を少なくとも部分的に覆う、前記可動式のバルブ部材を形成するように切除され、前記第1のシート表面の少なくとも一部を密閉することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の微小流体調節装置。
  6. 前記組立体において、前記第1および第2のシートは、前記密閉領域の少なくとも一部において、実質的に結合されていないことを特徴とする請求項5に記載の微小流体調節装置。
  7. 前記第1および／または第2のシートの少なくとも一部には、永久磁性材料のコーティングが設置されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一つに記載の微小流体調節装置。
  8. 前記第1のシートの前記密閉領域には、永久磁性材料のコーティングのみが設置されることを特徴とする請求項7に記載の微小流体調節装置。
  9. 前記第1および／または第2のシートは、永久磁性材料で構成されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一つに記載の微小流体調節装置。
  10. 前記第1および／または第2のシートは、孔の空いたシート材料で構成されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一つに記載の微小流体調節装置。
  11. さらに当該装置は、前記バルブ部材を作動させるアクチュエータを有することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一つに記載の微小流体調節装置。
  12. 前記アクチュエータは、前記可動式バルブ部材および前記バルブシートの少なくとも一部に設置された導電経路を有し、該導電経路は、電荷を供給するドライバと接続されることを特徴とする請求項11に記載の微小流体調節装置。
  13. 前記アクチュエータは、前記可動式バルブ部材から作動可能な距離内に、電磁石を有することを特徴とする請求項11に記載の微小流体調節装置。
  14. 前記電磁石は、前記第1または第2の層の一部であることを特徴とする請求項12に記載の微小流体調節装置。
  15. さらに、前記孔と前記第1の微小流体チャンネルの間の圧力を平衡にする第3のチャンネルを有することを特徴とする請求項1乃至14のいずれか一つに記載の微小流体調節装置。
  16. 前記第1の表面部分は、前記第1のチャンネルおよび第2のチャンネルを囲む縁部を有し、
    前記可動式バルブ部材は、前記孔の周囲の一部に沿ってクランプ締めされた、クランプ端を有するシートであり、
    前記シートは、前記縁部と滑り接触する自由端を有し、
    前記縁部および前記自由端は、滑りの間、前記縁部に対して前記自由端を密閉する磁気特性を有することを特徴とする請求項1乃至15のいずれか一つに記載の微小流体調節装置。
  17. 前記第3のチャンネルは、前記可動式バルブ部材を介して延伸する、少なくとも一つの開口により提供され、
    前記第3のチャンネルは、前記孔内に延伸する第1の排出部と、前記第1の微小流体チャンネル内に延伸する第2の排出部とを有することを特徴とする請求項1乃至16のいずれか一つに記載の微小流体調節装置。
  18. 前記第3のチャンネルは、前記可動式バルブ部材をバイパスする溝であり、
    前記孔内に延伸する第1の排出部と、前記第1の微小流体チャンネル内に延伸する第2の排出部とを有することを特徴とする請求項1乃至17のいずれか一つに記載の微小流体調節装置。
  19. 前記第3のチャンネルは、体積V3を有し、前記体積は、前記孔内での前記可動式バルブ部材の開と閉の位置間の移動により、前記体積V3以下に置換されることを特徴とする請求項1乃至18のいずれか一つに記載の微小流体調節装置。
  20. 前記第3のチャンネルは、体積V3を有し、前記体積は、前記孔内での前記可動式バルブ部材の開と閉の位置間の移動により、前記体積V3以上に置換されることを特徴とする請求項1乃至19のいずれか一つに記載の微小流体調節装置。
  21. 前記第3のチャンネルには、撥水性表面を有するミクロポアバリアまたはナノポアバリアが設置されることを特徴とする請求項1乃至20のいずれか一つに記載の微小流体調節装置。
  22. 前記可動式バルブ部材の少なくとも一部は、磁性材料を有し、
    前記作動手段は、前記可動式バルブ部材から作用可能な距離内に、電磁石を有することを特徴とする請求項1乃至21のいずれか一つに記載の微小流体調節装置。
  23. 前記可動式バルブ部材は、流体不透過性の可動式バルブ部材であることを特徴とする請求項1乃至22のいずれか一つに記載の微小流体調節装置。
  24. 請求項1乃至23のいずれか一つに記載の微小流体調節装置を有するセンサ。
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