JP2014510922A

JP2014510922A - 液体のスイッチング、ドーシングおよびポンピング

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Publication number: JP2014510922A
Application number: JP2014501791A
Authority: JP
Inventors: テンレイロ、タニア; レイス、ヌノ; ダフォンセカ、ジョアオガルシア
Original assignee: バイオサーフィット、ソシエダッドアノニマ
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2014-05-01
Anticipated expiration: 2032-03-28
Also published as: EP2691178A1; EP2691178B1; WO2012131598A1; JP6100234B2; US10232105B2; US20140087934A1

Abstract

【解決手段】導管によって上流液体ハンドリング構造が下流液体ハンドリング構造に接続された液体ハンドリングデバイスが提供される。上記導管が、上流液体ハンドリング構造と下流液体ハンドリング構造の間の唯一の流体連通経路を提供するように、上流および下流液体ハンドリング構造が封止されるかまたは封止可能である。駆動力により、上流液体ハンドリング構造内の液体が導管を少なくとも部分的に満たし、下流液体ハンドリング構造内の気体から上流液体ハンドリング構造内の気体を分離するように、デバイスが構成される。二つの気体体積が液体体積によって分離されるようにデバイスを設定することで、駆動力の制御によって、デバイス内の気体圧力と液体の流れとを制御することができる。特定の実施形態では、回転軸の周りに回転して駆動力を提供するようにデバイスが構成される。
【選択図】図３Ｄ

Description

本発明は、特に流体スイッチング（switching）、流体ドーシング（分給、dosing）、流体ポンピング（pumping）および他の流体機能であるがこれらに限定されない液体ハンドリングを行うプロセス、システムおよびデバイスに関する。より詳細には、本発明は遠心力マイクロ流体デバイスなどのマイクロ流体デバイスに関するが、これに限定されない。

様々な分析システムおよび分析プロセスでは、所定の制御された方法で、液体の流れのスイッチオン／オフなどの液体スイッチング機能を実行する必要がある。これらのスイッチング機能は、典型的に、分析システム内の能動バルブによって実行される。ある場合では、可動部と通常はハードウェアおよび制御素子とを使用するが、これは分析システムの複雑度を増加させる。同様に、様々な分析システムは、異なるタスク、すなわちサンプルまたは試薬を分配し、アリコートし、混合したりするために、液体ドーシング機能を使用する。従来の分析システムは、機械的可動部か、または電気素子、コントローラ、ハードウェアまたは他の複雑なサブシステムのいずれかを持つ能動部品を有するドーシング素子を含むが、これはシステムの複雑度とコストを増加させる。さらに、従来のシステム内さらに複雑なプロセスや能動素子を必要とする、他の流体機能（流体ポンピング、混合など）が求められることもある。

したがって、分析タスク、プロセスおよびシステムを簡略化するために、能動素子または外部の制御部品を必要とせずに、強化された流体スイッチング、流体ドーシングおよび／または他の流体機能を有する分析システムおよびデバイスを使用できるようにすることは有益である。

本発明の態様は独立項に規定されている。実施形態のさらなる選択的な特徴は従属項に規定されている。

一部の実施形態では、液体ハンドリングデバイスは、上流液体ハンドリング構造と、下流液体ハンドリング構造と、上流液体ハンドリング構造を下流液体ハンドリング構造に接続する導管と、を備える。導管は、駆動力に応答して、上流液体ハンドリング構造から下流液体ハンドリング構造に液体が流れるようにする。上記導管が、上流液体ハンドリング構造と下流液体ハンドリング構造の間に唯一の流体連通経路を提供するように、上流および下流液体ハンドリング構造が封止されるかまたは封止可能である。駆動力により、上流液体ハンドリング構造内の液体が導管を少なくとも部分的に満たし、下流液体ハンドリング構造内の気体から上流液体ハンドリング構造内の気体を分離するように、デバイスが構成される。

液体体積の媒介によって二つの気体体積を分離可能である液体ハンドリング構造を提供することによって、気体体積間の他の流体連通経路を用いることなく、駆動力を与えて上流液体ハンドリング構造から下流液体ハンドリング構造に向けて液体を流すことによって、気体体積の一方または両方の圧力を制御することができる。これは、液体が流れるときの上流および／または下流液体ハンドリング構造内の気体体積の変化が対応する圧力変化を生じさせるという事実を利用している。同様に、生じる圧力差は駆動力に釣り合う必要があるので、圧力変化を使用して流れ挙動を制御することができる。これについてはより詳細に後述する。

液体ハンドリング構造は、例えば限定でなく、流路、チャンバ、またはこれらの組み合わせのうちの一つまたは複数である、液体のハンドリングに適した任意の構造を備えていてもよい。

一部の実施形態では、回転軸の周りに回転して駆動力を提供するようにデバイスが構成され、上流液体ハンドリング構造は液体保持チャンバを備えている。液体保持チャンバは出口ポートを有し、導管は出口ポートよりも半径方向外側に広がっていてもよい。一部の実施形態では、導管は出口ポートよりも半径方向外側に広がる。

一部の実施形態では、液体保持チャンバは、出口ポートよりも半径方向外側に広がる部分を有している。出口ポートよりも半径方向外側に広がる部分を液体保持チャンバに設けることによって、相分離チャンバが提供される。相分離チャンバでは、液体ハンドリング構造内の液体の重い方の相が半径方向外側に広がる部分に沈殿し、液体の軽い方の相のみを導管を通して流すことができる。上流液体ハンドリング構造と下流液体ハンドリング構造の間の気体圧力差が遠心力に対抗して液体保持チャンバ内に液体を保持し、重い方の相を沈殿させて除くことができる回転数でデバイスを回転させることによって、この構造を用いて材料を分離することができる。

圧力差を克服するために遠心力を続いて増加させると、例えばデバイス内でのさらなる処理のために、下流液体ハンドリング構造に軽い方の相を流すことができる。下流液体ハンドリング構造は、上流液体ハンドリング構造から液体を受け取るための液体受入領域に隣接して出口ポートを有する液体受入チャンバを備えてもよい。液体受入領域は、液体受入チャンバの出口ポートよりも半径方向外側に広がり、上流液体ハンドリング構造から流れてきた液体の重い相の重い成分が、さらに下流に流れることを防止する別のトラップを提供する。

一部の実施形態では、液体保持チャンバは、半径方向の広がりよりも大きな円周方向の広がりを有している。これは、液体保持チャンバ内の液体が主に円周方向に供給され、液体保持チャンバの半径方向の広がりが円周方向の広がりより大きい場合よりも、液体保持チャンバから分配される所与の量の液体に対する液体の液頭の変化が小さくなることを意味している。液体が分配されるときの液頭の変化が比較的小さいことは、遠心力の釣り合いの変化と、液体が分配されるときに生じる気体圧力の変化とがより小さくなることを意味する。これは、デバイスの制御を容易にする。同様に、導管は、液体保持チャンバの出口ポートと液体保持チャンバの充填面（fill level）との間の半径方向の距離よりも大きな半径方向の広がりを有してもよい。（ほぼ全ての液体が分配されるまで一杯のままである）導管内に優勢に配置されるべき液体の液頭を配置することによって、液体が分配されるときの液頭の割合の変化が低く保たれる。

一部の実施形態では、液体保持チャンバは、上流液体ハンドリング構造の別の部分に接続されたポートを有し、液体が導管を通って流れるとき、液体保持構造の他の部分における気体圧力を減少させる。代替的にまたは追加的に、一部の実施形態では、下流液体ハンドリング構造は、下流液体ハンドリング構造の別の部分に接続されたポートを有する液体保持チャンバを有し、液体が導管を通って流れるとき、他の部分における気体圧力を増加させる。これらの実施形態では、液体の流れによって生じる気体圧力の変化を圧力源として使用して、例えばデバイスの他の部分における流れ挙動を制御する。例えば、圧力の減少または増加を使用して、デバイスの他の部分で液体のドーシングまたはポンピングを行うことができる。

一部の実施形態では、導管は、液体と接触するとき、その全断面にわたり液体で満たされるように構成される。これによって、二つの気体体積の間が可能な限り効率的に封止される。当然であるが、上述したように、デバイスの操作の一部のステージにおいて液体が二つの気体体積を分離すれば十分であることが理解されよう。

一部の実施形態では、上述のようにデバイス内の液体流れを制御するシステムが提供される。このシステムは、駆動力の振幅を制御するコントローラを備える。コントローラは、上限値と下限値の間で駆動力を変更して、導管を通して下流液体ハンドリング構造に液体を繰り返し分配するように構成される。

コントローラは、駆動力を周期的に変更して、導管を通して液体を繰り返し分配するように構成されてもよい。例えば、コントローラは、駆動力を増加させて導管を通して液体を分配し、その後駆動力を減少させて上流および下流液体ハンドリング構造内の気体圧力を釣り合わせることを繰り返すように構成されてもよい。

一部の実施形態では、システムは、コントローラの制御下で回転軸の周りにデバイスを回転させるモータを備える。

一部の実施形態では、コントローラは、液体を分配する前に、下限値を下回る駆動力を与えて、液体を画分に分離するように構成される。その後、液体が分配されるとき、液体の密度の高い方の画分が上流液体ハンドリング構造内に保持される。例えば、液体は血液サンプルを含み、分離され保持される密度の高い画分は血液サンプルの細胞物質を含み、血漿が下流液体ハンドリング構造に分配されてもよい。

一部の実施形態では、上流液体ハンドリング構造と、上流液体ハンドリング構造に接続された下流液体ハンドリング構造と、を有するデバイス内の液体流れを制御する方法が提供される。この方法は、デバイスに駆動力を与えてデバイス内にある体積の液体を配置し、下流液体ハンドリング構造内の気体体積から上流液体ハンドリング構造内の気体体積を分離することを含む。この方法は、駆動力を増加させ、上流液体ハンドリング構造内の気体圧力を減少させるか、下流液体ハンドリング構造内の気体圧力を増加させるか、またはその両方を行うことをさらに含む。上述しさらに詳細に後述するように、駆動力を増加すると、上流液体ハンドリング構造から下流液体ハンドリング構造へと液体が流れ、これによりこれらの構造の一方または両方の気体体積を変化させる。これらの体積変化の結果、対応する圧力変化が生じ、これを用いて液体自体の流れを制御し、および／またはデバイスの他の部分において圧力と液体の流れとを制御することができる。

一部の実施形態では、上記方法は、駆動力を増加させ、上流液体ハンドリング構造から下流液体ハンドリングに液体を流すことを含む。上記方法は、上流液体ハンドリング構造から下流液体ハンドリング構造に液体を分配した後に、駆動力を減少させ下流液体ハンドリング構造から上流液体ハンドリング構造に気体を流し、上流液体ハンドリング構造と下流液体ハンドリング構造の間の気体圧力差を減じることを含んでもよい。実際に、これはシステム内の圧力条件をリセットする。これにより、ますます大きくなる圧力差を克服する必要なしに、液体を新たな分配することができる。

一部の実施形態では、上記方法は、上流液体ハンドリング構造、下流液体ハンドリング構造、またはその両方における気体圧力の変化を使用して、それぞれのまたは複数の液体ハンドリング構造内の液体の流れを駆動することを含む。

上記方法は、駆動力の増減を繰り返して、上流液体ハンドリング構造から下流液体ハンドリング構造に液体体積を繰り返し分配することを含んでもよい。

一部の実施形態では、上記方法は、駆動力を増加して上流液体ハンドリング構造から下流液体ハンドリング構造に液体を流す前に、駆動力の付与によって液体体積をそれぞれ密度の異なる部分に分離することを含む。この分離の後に、第１画分が上流液体ハンドリング構造内に保持され、第２画分が下流に流れる。一部の特定の実施形態では、出口ポートよりも半径方向外側の部分を持つ液体ハンドリング構造を有する上述のデバイスが使用され、デバイスを回転させることによって、第１液体保持チャンバ内の液体の第１画分を上記部分に集積する。その後、デバイスの回転数を増加させて、液体保持チャンバから液体の第２画分を分配する一方、上記部分に第１画分を保持する。上述したように、液体は血液サンプルを含んでもよい。この場合、第１画分は細胞物質であり、第２画分は血漿であってもよい。

加えて、以下の実施形態が開示される。

１．流体流れ制御システムであって、
少なくとも一つの液体素子によって分離される、少なくとも第１および第２の気体体積を備え、第１および第２の気体体積のうち少なくとも一つは外部気体圧力から隔離されており、
前記液体素子または前記流体流れ制御システムに力を与える手段を備え、気体体積の圧力は前記力と無関係であり、
前記液体素子の前記力に対する応答が、前記第１および第２の気体体積の間の気体圧力差を変更し、前記流体流れ制御システムの少なくとも一つの液体素子内の流れを変更可能であることを特徴とする、流体流れ制御システム。

２．前記液体または前記システムに前記力が加えられると、少なくとも一つの液体が流れ始め、特定時間後に、前記液体または前記システムに加えられる力を変更することなく、流れを停止することを特徴とする、項目１に記載のシステム。

３．前記液体の流れの変化を使用して、前記システム内の少なくとも一つの液体の所定量をドーシングすることを特徴とする、項目１または２に記載のシステム。

４．前記液体の流れの変化を使用して、前記システム内の少なくとも一つの液体の液体スイッチングを行うことを特徴とする、項目１または２に記載のシステム。

５．前記液体の流れの変化を使用して、前記システム内の少なくとも一つの液体の所定量をドーシングすることを特徴とする、項目１または２に記載のシステム。

６．前記液体の流れの変化を使用して、前記システム内の少なくとも一つの液体の液体ポンピングを行うことを特徴とする、項目１または２に記載のシステム。

７．少なくとも第２液体をシステム内に収容し、前記第１液体の流れが、システム内で第２液体の移動を引き起こすことを特徴とする、項目１ないし６のいずれかに記載のシステム。

８．前記液体の流れの変化を使用して、システム内の少なくとも一つの液体の相分離または粒子分離を行うことを特徴とする、項目１ないし７のいずれかに記載のシステム。

９．前記加えられる力が重力であることを特徴とする、項目１ないし８のいずれかに記載のシステム。

１０．前記加えられる力が遠心力であることを特徴とする、項目１ないし８のいずれかに記載のシステム。

１１．前記加えられる力が電力であることを特徴とする、項目１ないし８のいずれかに記載のシステム。

１２．物質または事象の定性的測定または定量的測定を行う検出素子を備える、項目１ないし１１のいずれかに記載のシステム。

１３．液体のドーシング、スイッチング、ポンピングまたは項目１の実施から得られる任意の他の流体機能の周期的な実施を可能にするように操作される、項目１ないし１２のいずれかに記載のシステム。

１４．血漿分離のために使用される、項目１ないし１３のいずれかに記載のシステム。

一部の実施形態では、回転軸の周り回転しデバイス内の液体流れを駆動する液体ハンドリングデバイスが提供される。デバイスは、入口チャンバの下流に（半径方向外側に）経路を画成する出口導管にそれぞれ接続された入口ポートと出口ポートを有する入口チャンバを備える。出口導管は、例えば受入チャンバなどの他の構造に接続する。動作時、液体体積が入口ポートを経由して入口チャンバに導入され、その後入口ポートが封止される。回転により、液体が遠心力を受け、外側に移動して出口に到達する。この時点で、入口ポートが封止されており出口が液体で塞がれるので、入口チャンバ内に収容されている気体（チャンバの体積から導入された液体の体積を減じたものと等しい体積を持つ）がチャンバ内に閉じ込められる。回転数を増加させることによって、液体はますます大きな圧力差（回転数の二乗に対応する）を受け、所与の回転数になると、液体内のこの圧力差が、気体体積を変化させるのに必要な圧力差よりも大きくなり（入口チャンバ内部の絶対気体圧力の対応する減少を伴う）、所与の量（または１回分）の液体が出口導管を通り受入チャンバに排出される。出口導管を通して排出される液体の量は、回転数の増加、この増加が生じる速度、入口チャンバ内に閉じ込められる空気の初期体積、回転数に対する構造の位置、構造の形状および寸法の関数である。

こうして、所与の体積の液体で満たされた後に封止され、デバイスの回転数の制御によって少量の液体を供給することができる構造が提供される。さらに、回転数を減少させることによって、液体内の圧力差が減少し、入口チャンバ内に閉じ込められた気体とデバイス内の残留気体との間の気体圧力の差が本質的に一定になる。回転数が十分に低くなると、液体圧力の差と比較して気体圧力の差が十分に大きくなり、液体を通して入口チャンバに気泡が取り込まれ、気体圧力差を小さくする（または、入口チャンバ内に閉じ込められた絶対気体圧力を増加させる）。気体圧力差が減少すると、概述したように、回転の増加を用いて所与の量の液体を再び排出することが可能になる。この回転数プロトコルのサイクルを繰り返すことで、サイクル毎に少量の液体を排出でき、また、これを使用して、用途の要件に応じて入口チャンバを部分的にまたは完全に空にすることができる。さらに液体を排出するには閾値回転数が必要であるという事実のため、この回転数より低い回転数でデバイス内で他の操作を実行しつつ、残りの液体を入口チャンバ内に保持することが可能になる。本質的に、回転数が閾値レベルを越えて増加するまで入口チャンバから液体がさらに引き出されることはないという点で、この構造はスイッチとして機能する。

一実施形態では、デバイスの回転、すなわちサイクル数および回転数振動の振幅を制御することによる入口チャンバの部分的な排出を使用して、例えば混合や希釈などの下流での操作のために制御された量の液体を供給する。これは、ユーザの要求によって、またはデバイスからの事前の読み取り（デバイスからの事前の読み取りは、所定のアルゴリズムにしたがって回転制御ユニットにフィードバックされる）に基づき分配される液体の量を調節するソフトウェア制御可能なデバイスを有し、続いて所与の量の液体を供給する機会を提供する。入口チャンバが空になるまでこの手法を用いることができ、必要に応じて液体を再充填し、チャンバを同じく動作させるために封止することができる。

一部の実施形態では、回転軸周りに回転しデバイス内の液体流れを駆動する液体ハンドリングデバイスが提供される。デバイスは上述のように動作するが、液体懸濁液やエマルジョンなどの多相流体を分離する目的を持つ。この場合、出口導管に接続するチャンバ出口よりも回転中心から遠くにある外面を持つように、入口チャンバが設計される。この状況では、出口の半径方向位置よりも半径方向外側の液体体積が入口チャンバ内に保持される。このため、下流に液体を移動させない回転数でデバイスを回転させて、重い方の画分の分離に基づく沈殿をさせることが可能になる。沈殿が達成されると、軽い方の画分が所望の量だけ排出されるまで、デバイスの繰り返しサイクルが再開される。このような実施形態（または本明細書に記載のいずれかの実施形態）の一つの応用は、多くの診断分析の必要に応じた、全血サンプルからの血漿の分離である。

本発明の実施形態はマイクロ流体デバイスを含む。一部の実施形態では、マイクロ流体デバイスは略円盤形状であってもよく、一部の実施形態では、デバイスを回転させる駆動機構と係合するためのデバイス構造によって定義される回転軸を有している。

デバイスの回転によりデバイス内の液体流れを制御する本明細書に記載のデバイスは、一般に遠心力マイクロ流体デバイスと呼ばれる。デバイスの厚さがデバイスの直径よりも実質的に小さい場合、デバイスは通常「ラボオンディスク」デバイスと呼ばれる。これらの概念は、本明細書において置き換え可能に使用される。誤解を避けるために、「ドーシング（dosing）」という用語は、所与の量の液体を供給することを指し、「計量（metering）」という用語は、所定の量の液体を計測することを指し、「アリコーティング（aliquoting）」という用語は、所望の体積に液体を分配または分割し、後の使用のために制御可能に放出できるようにこれらの液体体積を保持することを指す。「チャンバ（chamber）」という用語は、所与の体積容量を持つ液体保持構造を指すために広い意味で使用される。

「液面（level）」という用語は、チャンバまたは他の液体収容構造に関連して使用されるが、重力下において液体で満たされるチャンバ内で観察されるような直線の液面を必ずしも指すものではないことが理解されるだろう。むしろ、この語は、液体収容構造内の明確に定義された量の液体に対応する限り、液体に作用する遠心力に起因してまたは表面張力効果に起因して曲がる曲線の液面を含む。「液面」は液体保持チャンバに限られず、例えば回転中心に対する幾何学的な位置をむしろ定義している。

「通気された（vented）」または「ベント（vent）」という用語を、チャンバまたは他の液体保持構造に関連して使用するが、この用語は、チャンバまたは他の構造がその一部分であるデバイスの外側の大気圧と流体連通しているチャンバまたは他の構造のことを指すか、または、チャンバまたは他の構造内の液体の体積変化が生じるときにチャンバまたは他の構造内の気体圧力が実質的に一定に保持されるようなデバイスの閉鎖空気回路と流体連通しているチャンバまたは他の構造のことを指すことが理解されるだろう。閉鎖空気回路により、空気が配置されている領域から負圧が生じる領域まで空気をデバイスのあちこちに移動させることができる。こうして、大気圧への開放接続の必要なく、デバイス内の圧力を釣り合わせる。

誤解を避けるために、「マイクロ流体」という用語は、少なくとも一つの寸法が１ｍｍ未満である容器または流路などの流体素子を有するデバイスを意味するものとして本明細書で使用される。デバイスはディスク形状である必要はない。実際、回転軸はデバイス自体の中に設けられている必要はなく、デバイス自体の中にはない回転軸の周りでデバイスを回転するためのロータの中にデバイスが配置されるように構成してもよい。

図面を参照して、特定の実施形態について限定でなく例示を目的として以下で説明する。

図１Ａ−１Ｃは、一部の実施形態における気体／液体間の相互作用の基本メカニズムを表す図である。基本メカニズムに基づく追加の流体ハンドリング機能の実装を説明する図である。図３Ａ−３Ｅは、回転デバイスの実施形態とその動作を表す図である。回転デバイスの回転数プロトコルを示す図である。図５Ａ−５Ｄは、回転デバイスにおける相分離構造とその動作の実施形態を表す図である。駆動システムを表す図である。

一般レベルにおいて、（ｉ）システムに加えられ液体に作用するが、気体体積の少なくとも一部の気体圧力には影響を与えず、システムの少なくとも一つの液体素子における流れ挙動を変化させる力と、（ｉｉ）システムの液体素子のうちの少なくとも一つの流れ挙動の変化に起因する気体圧力の変化と、の間の相互作用の釣り合いを利用して、システム内の流れ挙動を制御する。以下で説明するいくつかの液体ハンドリングシステム、プロセスまたはデバイスは、液体の流れの点で初期安定状態を有しており、（ｉ）で述べたような力を加えるとシステムが過渡状態に入り、液体の流れがその前の安定状態から変化し、液体流れの変化の結果、（ｉｉ）で述べたような気体圧力の変化が生じ、液体の流れ挙動の点で新たな安定状態に至る。

図１Ａを参照して、液体ハンドリングシステム１０は、液体体積４１と気体体積５１を収容する第１チャンバ２１と、気体体積５２を収容する第２チャンバ２２に第１チャンバ２１を接続する流路３１と、を備える。第１の簡単な例では、第１チャンバ２１から第２チャンバ２２へと液体４１が流れていないときに、システム１０は静止状態にある。上記の原理は初期気体圧力の特性の構成に限定されないので、気体体積５１と５２の間の圧力差はゼロであってもよいしゼロでなくてもよい。

図１Ｂは、液体４１に力１００が加えられるが気体体積５１、５２に大きな影響を与えない（または、少なくとも非常にわずかな影響を与える）システム１０を表している。力１００の作用により、液体４１は流路３１を通りチャンバ２２内に流れる。気体体積のうち少なくとも一方が固定されている（対応するチャンバが、外部大気と他のチャンバから封止されている）場合、液体の移動により、固定された気体体積、すなわち気体体積５１、気体体積５２またはその両方の圧力変化を生じさせる。一つの構成では、両方の気体体積が固定されており、気体体積５１の圧力がｐ１０からｐ１１（＜ｐ１０）に減少し、気体体積５２の圧力がｐ２０からｐ２１（＞ｐ２０）に増加する。別の構成では、例えば気体体積５１が外部大気に開放されており、したがってその圧力は初期圧力から変化しないが、気体体積５２が固定されており、液体が流れている間その圧力が増加する。代替的な構成では、気体体積５２が外部圧力（例えば大気）に開放されており、その圧力が変化せず、気体体積５１が固定されており、液体が流れている間その圧力が減少する。

上述した構成のいずれにおいても、液体４１が流れると、気体体積５１、５２のうち少なくとも一方が圧力変化する。この圧力変化は、吸引効果（気体体積５１の圧力の減少）または過圧効果（気体体積５２の圧力の増加）を生じさせ、これは最終的に初期チャンバ２１から流路３１に入りチャンバ２２に流れる液体４１の流速の大きな変化につながり、得られる圧力差と駆動力とが次第に釣り合うようになる。

加えられる力１００の大きさと気体圧力の変化とに関連する液体の閾値量が流れた後、流れは停止する。図１Ｃはこの流れの停止を表している。力１００は依然として加えられており、加えられた力と圧力変化とが釣り合っている。この閾値条件から、加えられている力が変化しない限り、システム１０は安定状態に留まる。流れそのものの効果がシステムに作用する力との釣り合いを生じるまで、力１００を与えると液体の流れが過渡的で不安定な状態になることが理解されるだろう。この安定状態から、システムの設計、構造および操作に応じて、いくつかの異なる効果を実現することができる。

第１の設定では、液体４１が導管３１を離れて第２チャンバ２２内に入る事象を駆動力が引き起こさない場合、力１００を除去または減少すると、圧力がその初期状態に復帰するとき、導管３１内に進んだ液体の第１チャンバ２１への後退を生じさせるに過ぎない。他方、液体４１が導管３１および気体５２を通りチャンバ２２内に流れた第２の設定では、液体がチャンバ２２内に蓄積しておりチャンバ４１に戻ることはできない。この場合、気体体積５２から気泡が流路３１内に取り込まれ、駆動力が減少するか取り除かれたとき、チャンバ４１とチャンバ４２の間で圧力を平衡させる。いずれの場合も、駆動力がその初期状態に戻る（例えば取り除かれる）と、システムは初期状態と同様の圧力状態に戻る。システムは、例えばサイクルの各ステップで特定量の液体をチャンバ２１からチャンバ２２内に移動させてチャンバ２２内の液体４２の量を増やすなどのように、周期的に動作してもよい。

図２を参照して、さらなる液体ハンドリング構造をチャンバ２１、２２の一方または両方に接続することによって、液体４１の流れにより生成される圧力差を使用して、システム１０内で追加の機能を実行することができる。一部のこのような実施形態では、第１チャンバ２１は流路３２にも接続され、流路３２はチャンバ２３に接続されている。チャンバ２３は、流路３３を経由して、液体４３を収容する別のチャンバ２４に接続されている。この場合、気体体積５１はチャンバ２３と流路３２、３３まで広がるが、チャンバ２４には広がらない。気体体積５１が外部圧力から封止されているので、図１Ａ、１Ｂおよび１Ｃに関連して上述したプロセスにより、流路３３内での負の圧力吸い出し効果が生じ、力１００の方向（恐らく外向き）と反対に流路３３内に液体４３を流れ込ませる。これを使用して、液体４３の体積を元のチャンバ２４からチャンバ２３内にくみ上げることができる。

一部の実施形態では、第２チャンバ２２が流路３４に接続され、流路３４は、液体４４を収容するチャンバ２５に接続される。チャンバ２５は、流路３５によってチャンバ２６にさらに接続される。停止時に、液体４４はチャンバ２５の底にある。この場合、気体体積５２が外部圧力から封止されている場合、図１Ａ、１Ｂおよび１Ｃに関連して上述したプロセスにより、気体体積５２の圧力の増加が生じ、これにより流路３５を通してチャンバ２６内に液体４４が移動する。こうして、元のチャンバ２５からチャンバ２６への液体４４のポンピングまたはドーシングをこれらの実施形態で実現することができる。

図２に示したものと同様の実装を、簡単かつ再現可能に液体ハンドリングシステムの複数の領域における液体の動きが望まれるいくつかの用途で使用することができる。例えば、チャンバ２４、２６がそれぞれチャンバ２１、２２に直接接続されている場合、同様の効果が生じるので、チャンバ２３とチャンバ２５は必ずしも必要ではない。上述した効果の任意の組み合わせを実装することができる。したがって、システム１０内で使用されるモジュール（吸い込み、ポンピング、ドーシングなど）に関して制限はない。

上述の実施形態は、重力、遠心力、電力、これらの組み合わせ、またはシステム内の液体体積および気体体積に顕著な差動効果を与える任意の他の力を駆動力として使用して、様々なシステムで実装することができる。

特定の実施形態について、図３Ａを参照して以下で説明する。軸３０４の周りに回転するよう構成された遠心力または「ラボオンディスク」マイクロ流体デバイス３０２は、入口３１１と出口３１２を有するチャンバ３１０を備える。出口３１２は、出口３１２から受入チャンバ３２０まで半径方向外側に延びる出口導管３１４に接続される。入口３１１はデバイスの外側と流通し、液体をチャンバ３１０に供給可能としている。また、入口３１１は、接着フラップを用いて大気から封止することができる。一部の実施形態では、液体を供給し入口３１１を封止する他の手段が使用される。例えば、一部の実施形態では、内部液体供給構造から入口３１１に液体が供給される。一部の実施形態では、相変化材料を用いて入口３１１を封止することができる。他の実施形態は、デバイスに結合されるとともに、例えばブリスターパックなどの液体貯蔵容器の使用時に破られる、外部液体供給構造を利用する。

チャンバ３１０は入口ポート３１１を通してのみ通気される。出口ポート３１２とチャンバ３２０は、通気ポート３２４を通して通気される。

例えばデバイス３０２の外面から入口３１１に液滴を与えることによって、所与の液体３３０が入口３１１を介してチャンバ３１０に導入される。その後、システム内に収容される気体の全てが大気圧ｐ０となる時点で、チャンバ３１０が大気から封止される。

図３Ｂを参照して、軸３０４の周りのデバイス３０２の回転が、液体３３０が出口３１２に到達するまで液体３３０を外側に駆動する。この時点で、入口３１１が封止され、かつ遠心力に起因する液頭を有する液体で出口３１２が塞がれるので、チャンバ３１０内に収容されている気体は逃げることができない。所与の回転数になると、液体は出口３１２を通り出口導管３１４内に漏れる。液体が出口３１２を通って漏れると、閉じ込められた気体の体積が増加し、その結果、チャンバ３１０内に閉じ込められた気体の絶対圧が減少する。チャンバ３１０内での絶対気体圧のこの減少の結果、チャンバ３１０とチャンバ３２０の間に気体圧力差が生じる。対応する量の液体が出口３１２を通過した後で、液体が受ける遠心圧力差と釣り合い、流れが止まり液体３３０の液面が半径方向位置３３２になる。このように、デバイスには上限閾値回転数ω_Ｈがあり、この値で、出口導管３１４を完全に満たす液体３３０に対応する気体体積の変化が、チャンバ３１０とチャンバ３２０の間に圧力差を生じさせる。この圧力差は、遠心力に起因する圧力と釣り合う。

気体圧および遠心圧の点で確立された釣り合いは、回転数の変化によって妨げられる。なぜなら、遠心圧力差は回転数の二乗に対応するのに対し、気体圧力の差はチャンバ３１０内の初期気体体積に対する気体体積の増加（または液体体積の減少）によってほとんど決まり、回転数の変化と無関係であるためである。

図３Ｃを参照すると、回転数が上限閾値回転数ω_Ｈを越えて増加し、液体が受ける遠心圧力差が増加して、液体３３０を下流のチャンバ３２０に十分に押し出す。その結果、チャンバ３１０とチャンバ３２０の間の気体圧力差がさらに増加し、流れが再び止まり、チャンバ３１０内の液体の液面が半径方向位置３３３になる。この時点で、システムは、液体と気体の圧力差の間の新たな釣り合いに至る。押し出される液体３３０の量は、上限回転数閾値ω_Ｈを越える回転数の増加によって決まる。

しかしながら、この段階で、回転数の調整によりさらなる量の液体を押し出す（さらなるドーシング）には、実用的には達成できない回転数の増加が必要となるか、または、安定性、平坦性およびロバスト性の点で駆動ユニットと遠心力デバイスの複雑度を増加させる必要がある。図３Ｄを参照して、有利なことに、図３Ｃを参照して上述した第１のドーシングイベントの後に、回転数を下限閾値ω_Ｌまで低下させることによって、信頼性のあるかたちでさらなるドーシングを行うようにシステムを動作させることができる。下限閾値ω_Ｌでは、気体圧力差が遠心圧力差を越え、出口導管３１４を通して半径方向内側に気体が取り込まれ、チャンバ３１０の半径方向内側部分にある閉じ込められた気体体積に到達するまで半径方向内側に液体を横切る泡を形成する（図３Ｅを参照）。これがチャンバ３１０内の絶対気体圧力を増加させ、チャンバ３１０とチャンバ３２０の間の気体圧力差を減少させる。続いて、上述したように、回転数の別のサイクルを用いてさらなるドーシングを実現することができる。

図４を参照して、上述した制御されたドーシングを行うための典型的な回転数プロトコルは、チャンバ３２０に液体を排出するとともにチャンバ３１０内に泡を取り込むために、十分な振幅を持つサイクルを使用して上限閾値回転数ω_Ｈと下限閾値回転数ω_Ｌの両方をカバーする必要がある。各サイクルは、回転速度の増加、この増加が生じる速度、入口チャンバ内に閉じ込められる空気の初期体積（入口チャンバ３１０の体積から導入される液体の体積を減じたもの）、回転軸に対する構造の位置、構造の形状および寸法の関数である量の液体を放出する。例えば、信頼できる動作を確保するため、液体が最初に出口３１２から漏れ始めるときに、出口導管３１４の全断面積を液体で埋めてチャンバ３１０とチャンバ３２０の間の気体の交換を避けるように、出口導管３１４の形状および寸法が設計される。典型的な実施形態では、（例えば、血液または血漿などの水性液体を扱う用途では）最小の寸法が１ｍｍ未満、好ましくは０．５ｍｍである出口導管３１４を用いて、これを実現する。一部の実施形態では、出口導管が一定の断面積を有していてもよいが、他の実施形態では、出口流路に沿って断面積が変化していてもよい。

図４を参照して上述したさらに継続する周期動作により、サイクル毎に１回分の液体を放出することができる。チャンバ３１０からチャンバ３２０へと液体を移動した結果、チャンバ３１０内の液体の液面が半径方向外側に移動し、それゆえ液頭（すなわち、液柱の半径方向の広がり）が減少し、その結果、所与の回転数において液体が受ける遠心圧力差がサイクル毎に減少する。半径方向の広がりよりも大きな円周方向の広がりを有するように入口チャンバ３１０を配置するか、および／または、チャンバ３１０内の液体の半径方向の広がりに比べてかなり大きな半径方向の広がりを有するように出口導管３１４を配置する設計によって、この効果を最小化することができる。これにより、チャンバ３１０が空になるまで、液頭の変化が比較的わずかな割合になる。加えて、液体がチャンバ３２０に移動するときのチャンバ３１０内に閉じ込められている気体の絶対圧力の減少が、所与の１回分（ドース）の液体に対して減少することにも注目すべきである。この減少は、液体が移動する前の、１回分の液体と気体体積との比に比例するからである。チャンバ３１０内の初期気体体積を、チャンバ３１０内に最初に導入される液体の体積よりも大きくして、チャンバ３１０が空になるときの気体体積変化の割合を減少させることによって、この効果を最小化することができる。液頭を保持するとともに、気体体積変化の割合が複数回のドーシングイベントにわたり低くなるようにデバイスを設計することができるが、図４は理想的な図であり、上限閾値回転数ω_Ｈおよび下限閾値回転数ω_Ｌの大きさが、連続するドーシングイベントの期間にわたり変化することは明らかである。しかしながら、これらの変化は上述したパラメータから予測可能であり、一部の実施形態では、これらの変化を補償するとともにドーシングを一貫性のあるものとするために、連続するドーシングイベントとともに回転プロトコルが変更される（必ずしも各ドーシングイベントの後ではない）。当然であるが、これは、複数サイクルにわたり一貫性のあるドーシング体積が必要とされる場合の選択的な特徴である。

一部の実施形態は、混合や希釈、および／または追加の下流液体処理構造にドーシングされた液体を供給するなどのため、チャンバ３２０内にさらに液体を流せるようにするために、チャンバ３２０と連通するさらなる流体部分および構造を備える。

チャンバ３２０内のポート３２４は、チャンバ３２０内の気体圧力を実質的に一定に維持するための通気口として機能する。しかしながら、一部の実施形態は、チャンバ３２０内の閉じ込められた気体体積がドース毎に減少するときに、通気されたチャンバ３２０と比較して所与のドースに対してチャンバ間の気体圧力差が増加するような場合、あらゆる通気ポートが省略される。これは、チャンバ３１０内の絶対気体圧力の減少と、チャンバ３２０内の閉じ込められた気体の絶対圧力の増加とを組み合わせた結果である。これらの実施形態では、圧力平衡の変化を考慮して閾値回転数を調整することができる。

図５Ａを参照して以下で説明する一部の実施形態では、チャンバ３１０の最も外側の面から半径方向内側に出口３１２が配置され、チャンバ内の所定の量の液体（出口３１２よりも半径方向外側の体積）がチャンバ３１０内に保持されるように、チャンバ３１０が構成される。これにより、多相液体を少なくとも二つの画分（fraction）に分離することができる。

動作時、例えば血液である多相液体３３０が入口３１１を介してチャンバ３１０内に導入される。続いて、上述のように入口が封止される。デバイス３０２が回転され、チャンバ３１０内の気体を所与の体積に閉じ込めている出口３１２に多相液体３３０が達するまで、遠心力場の作用によって多相液体３３０が外向きに駆動される。

図５Ｂを参照して、回転を継続すると、上述したように気体圧力差と液体圧力差との釣り合いの結果として流れが停止するまで、液体がチャンバ３２０に向けて導管３１４内を流れる。上限周波数閾値ωＨを下回る周波数で（すなわち、液体を排出せずに）さらに回転すると、遠心力の影響により、液体３３０の密度の高い方の成分３３０ａを、チャンバ３１０の最外面に沈殿させることができる。

図５Ｃを参照して、多相液体３３０の相３３０ａと相３３０ｂの間に界面３３６が形成される。沈殿の終了後、多相液体３３０の所定の初期体積に対して、軽い方の相３３０ｂの体積のみが出口３１２の半径方向内側に配置されるように、チャンバ３１０が構成されている。この時点から、分離された軽い方の相３３０ｂのドースを繰り返し放出するために、図４に示したようにデバイスを繰り返し作動させることができる。受入チャンバ３２０は、チャンバ３２０の最外面よりも半径方向内側に位置する出口３２２を有しており、沈殿段階よりも前のデバイスの最初の回転中に漏れ出た密度の高い相３３０ａを保持する。こうして、密度の高い相３３０ａの漏れ出した体積がチャンバ３２０の最外面に実質的に保持され、図５Ｄに示すように、続いて分離される軽い相３３０ｂのみが、さらなる下流での操作のために出口３２２を通して流れる。

一部の実施形態では、上述のようなマイクロ流体デバイスは、標準的なリソグラフィプロシージャによって製造される。一つの手法は、異なる厚さのフォトレジスト材料を使用して、複数深さの構造を得ることである。これらのフィルムは、透明なポリマー製のディスク形状の基板などの平坦な基板の上に、スピンコーティングまたはドライフィルムの積層によって貼付される。構造の現像とエッチングの後、ディスク基板が整列され、温度および圧力を加えて接着される。基板には、パンチング、ミリングまたはレーザ切断によって、入口ポートや出口ポートなどの流体接続部が設けられる。具体的には、一部の実施形態では、上述したデバイスは、それぞれ１００マイクロメートル、５０マイクロメートルの深さの容器（例えばチャンバ）および導管を有している。一部の実施形態では、直接レーザ切断、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）ミリング、熱エンボス加工、射出成形、またはＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＣＯＰおよびＣＯＣ（シクロオレフィン重合体および共重合体）の射出／圧縮成形を含む、他の製造技術が使用される。

一つの基板上での流体ハンドリング構造の形成後、通常、第２基板またはフィルムを使用して流体ハンドリング構造を閉じ込める次のステップが必要である。ポリマー材料の接着は、接着促進材料（例えば、液体接着剤、固体接着剤、放射線硬化、レーザボンディング、触媒補助ボンディング、溶剤補助ボンディング、または熱活性化接着促進剤）の使用、または、接着面が直に接着している場合、直接の温度付加を含む様々な手段によって実現可能である。特に、マイクロ流体処理に続いて実行される分析および検出用途に応じて、二つの透明な基板、一つが透明で一つが色素の濃い基板、または二つの色素の濃い基板のうち一つまたは全てで、マイクロ流体構造が製造されてもよい。

上述したように、一部の実施形態では、空気（通気）回路などの流体ハンドリング構造が、第２の（カバー）基板またはフィルムに、または中間基板に、またはデバイスの外層の間に接着されたフィルムに形成される。

図６を参照して、上述のデバイスを駆動するための駆動システム６００は、コントローラ６１０を備える。コントローラは、デバイスを駆動するドライブ６２０を制御して、上述のようにシステム１０またはデバイス３０２内に液体の流れを駆動する駆動力を生成するように構成されている。デバイス３０２のように駆動力が遠心力である場合、コントローラ６１０は、デバイスを回転させて遠心力を生成するようにデバイス３０２に取り付けられるスピンドルを駆動する、ドライブ６２０内のモータを制御する。当然であるが、上述したように、他の駆動力も適用可能である。駆動システム６００、コントローラ６１０およびドライブ６２０は、例えば重力駆動力または電気駆動力を提供するように適切に構成される。

本発明の詳細な実施形態についての上記説明は例示を目的としており、限定を目的とするものではない。特に、上述した特徴の多くの変形、修正、組み合わせおよび並置が当業者には想定され、これらは本発明の一部を構成する。

Claims

上流液体ハンドリング構造と、
下流液体ハンドリング構造と、
前記上流液体ハンドリング構造を前記下流液体ハンドリング構造に接続し、駆動力に応答して前記上流液体ハンドリング構造から前記下流液体ハンドリング構造に液体が流れるようにする導管と、を備え、
前記導管が、前記上流液体ハンドリング構造と前記下流液体ハンドリング構造の間に唯一の流体連通経路を提供するように、前記上流および下流液体ハンドリング構造が封止されるかまたは封止可能であり、
前記駆動力により、前記上流液体ハンドリング構造内の液体が前記導管を少なくとも部分的に満たし、前記下流液体ハンドリング構造内の気体から前記上流液体ハンドリング構造内の気体を分離するように構成される
ことを特徴とする液体ハンドリングデバイス。
回転軸の周りに回転して駆動力を提供するように当該デバイスが構成され、前記上流液体ハンドリング構造は液体保持チャンバを備えることを特徴とする請求項１に記載の液体ハンドリングデバイス。
前記液体保持チャンバは出口ポートを有し、前記導管は前記出口ポートよりも半径方向外側に広がることを特徴とする請求項２に記載の液体ハンドリングデバイス。
前記導管は前記出口ポートよりも半径方向外側に広がることを特徴とする請求項３に記載の液体ハンドリングデバイス。
前記液体保持チャンバは、前記出口ポートよりも半径方向外側に広がる部分を有することを特徴とする請求項３または４に記載の液体ハンドリングデバイス。
前記下流液体ハンドリング構造は、前記上流液体ハンドリング構造から液体を受け取るための液体受入領域に隣接して出口ポートを有する液体受入チャンバを備えることを特徴とする請求項５に記載の液体ハンドリングデバイス。
前記液体保持チャンバは、半径方向の広がりよりも大きな円周方向の広がりを有することを特徴とする請求項２ないし６のいずれかに記載の液体ハンドリングデバイス。
前記導管は、前記液体保持チャンバの出口ポートと該液体保持チャンバの充填面との間の半径方向の距離よりも大きな半径方向の広がりを有することを特徴とする請求項２ないし７のいずれかに記載の液体ハンドリングデバイス。
前記上流液体ハンドリング構造は、前記導管に接続された出口ポートと、該上流液体ハンドリング構造の別の部分に接続された少なくとも一つのさらなるポートと、を有する液体保持チャンバを備え、液体が前記導管を通して流れるとき、前記上流液体ハンドリング構造の他の部分における気体圧力を減少させることを特徴とする請求項１に記載の液体ハンドリングデバイス。
前記下流液体ハンドリング構造は、前記導管に接続された入口ポートと、該下流液体ハンドリング構造の別の部分に接続された少なくとも一つのさらなるポートと、を有する液体保持チャンバを備え、液体が前記導管を通して流れるとき、前記下流液体ハンドリング構造の他の部分における気体圧力を増加させることを特徴とする請求項１または８に記載の液体ハンドリングデバイス。
前記導管は、液体と接触するとき、その全断面にわたり液体で満たされるように構成されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の液体ハンドリングデバイス。
請求項１ないし１１のいずれかに記載のデバイス内の液体流れを制御するシステムであって、
前記駆動力の振幅を制御するコントローラを備え、
前記コントローラは、上限値と下限値の間で駆動力を変更して、前記導管を通して前記下流液体ハンドリング構造に液体を繰り返し分配するように構成される
ことを特徴とするシステム。
前記コントローラは、駆動力を周期的に変更して、前記導管を通して液体を繰り返し分配するように構成されることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
前記コントローラは、駆動力を増加させて前記導管を通して液体を分配し、その後駆動力を減少させて前記上流および下流液体ハンドリング構造内の気体圧力を釣り合わせることを繰り返すように構成されることを特徴とする請求項１２または１３に記載のシステム。
前記コントローラの制御下で回転軸の周りに前記デバイスを回転させるモータを備えることを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれかに記載のシステム。
前記コントローラは、液体を分配する前に、前記下限値を下回る駆動力を与えて、液体を画分に分離するように構成されており、液体が分配されるとき、液体の密度の高い方の画分が前記上流液体ハンドリング構造内に保持される
ことを特徴とする請求項１２ないし１５のいずれかに記載のシステム。
上流液体ハンドリング構造と、該上流液体ハンドリング構造に接続された下流液体ハンドリング構造と、を有するデバイス内の液体の流れを制御する方法であって、
前記デバイスに駆動力を与えて該デバイス内にある体積の液体を配置し、前記下流液体ハンドリング構造内の気体体積から前記上流液体ハンドリング構造内の気体体積を分離し、
駆動力を増加させ、前記上流液体ハンドリング構造内の気体圧力を減少させるか、前記下流液体ハンドリング構造内の気体圧力を増加させるか、またはその両方を行う
ことを含む方法。
駆動力を増加させ、前記上流液体ハンドリング構造から前記下流液体ハンドリングに液体を流すことを含む、請求項１７に記載の方法。
前記上流液体ハンドリング構造から前記下流液体ハンドリング構造に液体を分配した後に、
前記駆動力を減少させて前記下流液体ハンドリング構造から前記上流液体ハンドリング構造に気体を流し、前記上流液体ハンドリング構造と前記下流液体ハンドリング構造の間の気体圧力差を減じることを含む、請求項１８に記載の方法。
前記上流液体ハンドリング構造、前記下流液体ハンドリング構造、またはその両方における気体圧力の変化を使用して、それぞれのまたは複数の液体ハンドリング構造内の液体の流れを駆動することを含む、請求項１７ないし１９のいずれかに記載の方法。
駆動力の増減を繰り返して、前記上流液体ハンドリング構造から前記下流液体ハンドリング構造に液体体積を繰り返し分配することを含む、請求項１７ないし２０のいずれかに記載の方法。
駆動力を増加して前記上流液体ハンドリング構造から前記下流液体ハンドリング構造に液体を流す前に、駆動力の付与によって液体体積をそれぞれ密度の異なる画分に分離し、
その後、少なくとも一つの画分を前記上流液体ハンドリング構造内に保持する
ことを含む、請求項１７ないし２１のいずれかに記載の方法。
請求項５または６に記載のデバイスを使用する方法であって、
前記デバイスを回転させて、前記液体保持チャンバ内の液体の第１画分を前記部分に集積し、
その後、デバイスの回転数を増加して、前記液体保持チャンバから液体の第２画分を分配する一方、前記第１画分を前記部分内に保持する
ことを含む方法。
液体が血液サンプルを含むことを特徴とする、請求項１６に記載のシステム、あるいは請求項２２または２３に記載の方法。