JP2017514144A - 遠心型マイクロ流体チップ制御器 - Google Patents

Abstract

遠心マイクロフルイディクスに空気圧制御を組み入れるための技術が提供される。この技術は、コントローラの１つ以上の加圧チャンバをマイクロ流体チップのポートと結合するための加圧流体供給ラインを有するチップコントローラを提供することを伴う。チップコントローラの少なくとも一部は、チップと共に回転できるように遠心分離機に装着される。加圧流体供給を選択的に制御するために流量制御デバイスが各供給ラインに設けられ、流量制御デバイスは電気的に制御される。気泡混合、オンチップ及びオフチップバルブ調整、並びに、切り換えが明らかにされる。【選択図】図１

Description

[0001]本発明は、一般に、遠心型マイクロ流体デバイスに関し、特に、遠心型マイクロ流体チップのためのコントローラであって、チップと共に遠心分離機に装着するためのコントローラに関し、該コントローラはチップのための少なくとも空気圧制御を行なう。

[0002]マイクロ統合分析システム（ＩＪＴＡＳ）を含むラボオンチップ（ＬＯＣ）などのマイクロ流体チップは、医薬、薬学研究、食品及び水の分析、病原体検出などの多種多様な分野において少量サンプル検査のために益々使用されてきている。多数のプロセス（濾過、熱処理、混合、装填及び濯ぎ、反応、ＳＰＲ、ＰＣＲ等）が様々な試験材料のための様々な担体に関して明らかにされてきた。顕著な結果は、たった数マイクロリットルの液体の量の正確な制御及び操作によって得ることができる。

[0003]水溶液／懸濁液（マイクロフルイディクスにおいて使用される最も一般的な液体）又は油の液滴は、ビーディングをもたらす表面張力を有する。本明細書中において、液体とは、液体、或いは、それが懸濁液、溶液、コロイド、分散のように又は例えば流れ中のビーズのように規則性を殆ど伴わずに固体又は気体を懸濁する、含む、又は、取り囲む液体のことである。液体の表面張力は、ビーディングをもたらす傾向があり、それにより、マイクロ流体の動きを制御することを困難にし得る。これは、マイクロ流体がチャンバの一部内にとどまって所望の出口に近づかない場合があるからであり、また、ビーズの分離が流体の非協調的な動きをもたらすからである。一般に、重力は、それ自体、マイクロ流体チャネルを通じて流体を引き出すのに不十分であり、また、空気圧差がかなり大きな影響を及ぼす。

[0004]親水性又は疎水性であるマイクロ流体チャネルの壁を設けることが知られている。これは、これらの壁が例えば毛細管作用によって流体の動きの制御を向上させることができるからである。多くの材料を親水性又は疎水性となるように処理することは難しい。そのような処理の影響を受けやすい材料においては、所定時間にわたってのみ効果が残る場合があり、それにより、マイクロ流体デバイスの寿命が短くなる。また、処理の信頼性を欠いている場合がある。すなわち、一部のチップは、保管状態に直面して親水性又は疎水性の欠如を呈する場合がある。時として、流体との壁結合を形成すると、液体を汚染する、希釈する、或いはその他の方法で、変化させる場合がある流体との相互作用がもたらされる。更に、液体が親水性又は疎水性であることを求めることは、特定の反応物又は試薬において欠点を有する場合がある。

[0005]したがって、マイクロ流体チャンバを通じた流体の動きを制御するために空気力学を使用する多くの用途が存在してきた。これらの用途は、概していうならば、２つのグループ、すなわち、流体を輸送する同じマイクロ流体チャネルが加圧ガスと接触する直接的な空気圧制御（例えば、Ｃｈｏｗ等の国際公開第０１７７６８３号パンフレット）と、マイクロ流体チップ上に横たわって、チャネルを拡張する或いは収縮するべく圧力を印加する空気圧制御層（例えば、出願人の同時係属の米国特許出願第１２／５８８，２３６号明細書、第１３／６４３，４２６号明細書、及び、第１３／９８５，３１７号明細書）とに分けられる場合がある。チップの所定数のポートで圧力を制御するだけで複雑なマイクロ流体チップ内において流体をいかにうまく制御できるのかに関しては限界がある。数少ない液体源及び反応チャンバを伴うやや複雑なプロセスは、一般に、動作のために求められる機器の複雑さを実質的に増大させるかなり多くの数の圧力供給ラインを必要とし、それにより、圧力供給ライン網及び付随する機器が大きくなる。

[0006]この技術の１つの不都合は、マイクロ流体チップを動作させるために必要とされる扱いにくい機器である。国際公開第２０１３／０５３０３９号パンフレットの背景において、Ｇｒａｙ等は、マイクロ流体空気圧バルブ調整がバルブのアレイを駆動させるために多量のサポート機器を必要とし、それにより、自蔵式の「ラボオンチップ」ではなく「チップインラボ」状況がもたらされることを言及する。

[0007]遠心マイクロフルイディクスは、マイクロ流体デバイス内の流体の動きを制御するために遠心力場を使用するマイクロフルイディクスの一分野である。すなわち、マイクロ流体チップが遠心分離機に装着される。遠心分離機は、マイクロ流体チップの全体にわたって連続的に変化するとともに流体が入る任意のチャンバの最下部へ（すなわち、回転中心から離れる）、或いはより一般的にはどのような支持壁が利用できようとも（支持壁がなければ流体が加速する）そこへ流体を引き寄せる求心力場を生み出す。求心力場は、石灰染色分析（Ｃｈｅｎ， Ｌｉ ｅｔ ａｌ． ２０１０ “Ａ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ａｒｒａｙ ｃｈｉｐ ｆｏｒ ｓｔａｉｎｉｎｇ ａｓｓａｙｓ．” Ｔａｌａｎｔａ ８１（４−５）：１２０３−１２０８）、全細胞検出 （Ｄａｔｅ， Ｐａｓｉｎｉ ｅｔ ａｌ． ２０１０ “Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｏｒｅ−ｂａｓｅｄ ｇｅｎｅｔｉｃａｌｌｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ ｗｈｏｌｅ−ｃｅｌｌ ｓｅｎｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎｔｏ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ” Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ａｎｄ ｂｉｏａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ３９８： ３４９−３５６．）、リアルタイムＰＣＲ （Ｊｉａ， Ｍａ ｅｔ ａｌ． ２００４）、及び、単一分子検出 （Ｍｅｌｉｎ， Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ ｅｔ ａｌ． ２００５ “Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ， ｃｅｌｌ ｃｕｌｔｕｒｅ， ａｎｄ ａｃｔｕａｔｉｏｎ” Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ７７（２２）：７１２２−７１３０）を含めて、チップのアレイ、プロトコル、及び、試験を発展させてきた。

[0008]遠心型マイクロ流体デバイス内の液体の空間的及び時間的な制御は、マイクロ流体チャネルの面内構造と、チップを製造するために使用される材料の湿潤特性とを制御することによって達成されてきた （Ｚｏｖａｌ ａｎｄ Ｍａｄｏｕ ２００４ “Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅ−ｂａｓｅｄ ｆｌｕｉｄｉｃ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ．” Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ ９２（１）：１４０−１５３； Ｌｕ， Ｊｕａｎｇ ｅｔ ａｌ． ２００６ Ｓｕｐｅｒｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃ ｖａｌｖｅ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ．Ａｎｎｕａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ −ＡＮＴＥＣ， Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ， Ｃｈａｒｌｏｔｔｅ， ＮＣ； Ｄｕｃｒｅｅ， Ｈａｅｂｒｌｅ ｅｔ ａｌ． ２００７ “Ｔｈｅ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｂｉｏ−Ｄｉｓｋ ｐｌａｔｆｏｒｍ．” Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ １７（７））。バルブ調整は、毛細管バルブ及びサイフォンバルブによって達成される。出願人は、遠心マイクロフルイディクスにおける計量及び時間制御に関する同時係属出願（国際公開第２０１３／００３９３５号パンフレット）を有する。一部の遠心型マイクロ流体デバイスは、遠心分離機の異なる場所で或いは異なる回転周波数で液体の解放を制御するように形成されるバルブを有する。したがって、遠心マイクロフルイディクスを使用して与えられ得る多くの用途が存在する。

[0009]それにもかかわらず、遠心マイクロフルイディクスにおける既存の制御方法に関しては限界がある。前述したように、湿潤を制御するための表面処理の使用は問題を有し、また、（サイフォンバルブ又は毛細管による）液体の制御は湿潤（液体の接触角）の影響を受けやすい。いずれの液体がバルブ調整されるかに関しては重大な制限がある。また、毛細管バルブを配置させることができる場所に関してはそれらの破裂頻度に起因して制限がある。接触角ヒステリシスの不確実性がもう１つの問題である。したがって、非常に少数（例えば３つよりも多くない）の毛細管バルブが、典型的なデバイスフットプリントにおいて動作の重なり合いを避けるべく、典型的な遠心分離機の回転速度にわたって所要の離間状態で動作し得る。タイミングは、一部のサイフォンバルブに関して重要な制約となる場合がある。これは、サイフォンバルブが離散的な停止を伴うことなく流れを遅らせることによって作動するからである。流体の流れを恒久的に停止させることができるこれらのサイフォンバルブでは、遠心場に対するチップの角度の制御が必要とされる。各バルブは、液体及び表面処理に依存する時間制約の独立した組を与える。このことは、他のプロセスを完了しなければならない時間の長さを有効なバルブの持続時間が制限し、それにより、チップを形成するためのマイクロ流体プロセスの形態に制約が加わることを意味する。最後に、幾何学的形態及び表面処理はいずれも重要な特徴であり、また、狭い範囲の液体においても、毛細管バルブを正確に制御することが複雑となり得る。これは、パターン欠陥が更なる変動をもたらし得るからである。

[0010]これらの問題に加えて、遠心マイクロフルイディクスにおける液体の制御に関しては、一方向性流れが一般に問題であり、（良好な解決策が国際公開第２０１３／０１２０１９０号パンフレットにおいて出願人により教示されるとはいえ）混合を達成することが難しく、及び、液体の装填及び取り出しに伴う問題が複雑な補助的機器を必要とし得るという点において、他の問題が存在する。

[0011]Ｄｅｓｍｏｎｄの米国特許第２００７／００５９２０８号明細書は、入力チャンバ内に導入される流体を経路を通じて径方向外側に移動させるための回転流体処理デバイスを教示する。Ｄｅｓｍｏｎｄは流体を様々な方法で導入することを教示するが、これらはチップ回転の前に行なわれなければならない。

[0012]Ｚｕｃｃｈｅｌｌｉ等の米国特許第７，１５２，６１６号明細書は、図６に関して、「リフロー」と称される、液体を径方向外側位置から径方向内側位置へ移動させるためにエアープラグを有する遠心型マイクロ流体チップの使用を教示する。リフローは、遠心分離機が動作していないときに材料層を穿孔することによって制御されるように見える。遠心分離機はチップ全体にわたる流体移動及びリフローの動作を制御するので、（リフロー領域から離れる）流体の移動及びリフローを独立に制御することが不可能である。限られたリフローを可能にするために必要とされるチップ空間、及び、この技術にしたがったチャネルに対する制約は、考慮すべき欠点である。Ｇｏｒｋｉｎ ＩＩＩ， Ｃｌｉｍｅ ｅｔ ａｌ． ２０１０ “Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｐｕｍｐｉｎｇ ｉｎ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ．” Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ ａｎｄ Ｎａｎｏｆｌｕｉｄｉｃｓ ９： ５４１−５４９、及び、非接触加熱リザーバ内のガスの熱膨張 （Ａｂｉ−Ｓａｍｒａ， Ｃｌｉｍｅ ｅｔ ａｌ． ２０１１ “Ｔｈｅｒｍｏ−ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｐｕｍｐｉｎｇ ｉｎ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ．” Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ ａｎｄ Ｎａｎｏｆｌｕｉｄｉｃｓ １１（６４３−６５２））を含めて、他の同様の手法が論じられてきた。

[0013]既に言及されたＧｒａｙ等の国際公開第２０１３／０５３０３９号パンフレットは、サンプルウェル間に再構成可能な流体経路付けトラックをもたらすために、チャネル間の交差部で電子的に制御されるいくつかのバルブとウェルとを相互に接続するマイクロ流体チャネルの２Ｄアレイを教示する。Ｇｒａｙ等により言及されるように、「マイクロスケール流体チャネルに合わせてスケーリングされると、表面張力、毛管力、及び、他の流体動態が主要な考慮すべき事柄となる。マイクロフルイディクス用途は、通常、ポンプ又は遠心力を通じて外部圧力源、或いは、流れのための動電学を必要とする」。Ｇｒａｙ等は、流体を押し進めるための駆動源として磁気ポンプを使用することを教示する。

[0014]Ｇｒａｙ等は、マイクロ流体システムの汚染された要素を再使用可能な部分から分離することの重要性に言及し、具体的には、２Ｄアレイを含むマイクロフルイディクスのためのカートリッジを規定する。このシステムにより与えられる再構成可能性の利点は、これらのカートリッジを製造するコストに値しない場合がある。カートリッジは、パターニング及びソフトリソグラフィー、並びに、磁性粒子の含浸を必要とし、また、嵌め込みヒドロゲル系マイクロ作動バルブを必要とする。したがって、これらのカートリッジの製造は、高価であり、また、多くの消耗品及び多くの電気接続部を必要とする。カートリッジは、多くの用途において高価すぎる使い捨て物品である。また、ヒドロゲルマイクロバルブは、分析下の特定のマイクロ流体と反応する場合がある。流体制御のために高い電圧及び磁場が必要とされ、また、マイクロ流体の非常に遅い移動が観察され、それにより、流体が一方のチャンバから他方のチャンバへ移動しなければならない場合又は試薬と混ざり合わなければならない場合などには、プロセスが非常に遅くなる。

[0015]一部の従来技術は、遠心分離の利点と空気力学とを組み合わせるべく努力してきた。例えば、 Ｋｏｎｇ ａｎｄ Ｓａｌｉｎ ２０１１ “Ａ Ｖａｌｖｅｌｅｓｓ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ Ｆｌｕｉｄ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｏ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ａｄｄｉｔｉｏｎｓ ｏｎ ａ Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｐｌａｔｆｏｒｍ．” Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ８３（２３）：９１８６−９１９０ は、チップが遠心分離下にある間に遠心力と協働して流体の流れをチップを通じて方向付ける空気圧力を生み出すために圧縮ガスを使用する空気圧流体移送技術を教示する。Ｋｏｎｇ及びＳａｌｉｎは、圧縮空気を所定の外部リザーバから回転マイクロ流体チップの表面上へ吹きつけることを教示する。チップ内の液体は、表面上のアクセスポートが細いチューブ（ノズル）を通じて外部リザーバにより吹きつけられる流れを横切って通過するたびに力パルスを受ける。論文によれば、圧力をＯＮ及びＯＦＦに切り換えるためにソレノイドバルブが使用される。これが比較的単純な問題に役立つ技術であると明らかにされたが、チップの回転中に加圧流体供給源が通気孔に断続的に接続される場合、低コストな空気圧消耗品に合わせて時間的に正確な流体供給をもたらすことは取るに足りないことではない。

[0016]したがって、遠心分離技術又は空気圧技術が独立に可能にするよりも効率的なマイクロ流体制御を可能にする遠心型マイクロ流体チップ制御、特に、ユーザ介入をあまり伴うことなくプロセスを実行できるようにする或いはプロセスが従来技術に伴う１つ以上の特定の制限を避けることができるようにする制御の必要性がある。

[0017]出願人は、マイクロ流体チップの独立した空気圧制御及び遠心力制御を行なうための技術を見出した。これらの２つの制御の組み合わせは、決して報告されなかったチップに関する動作であって、以前の知識を使用して到達することが難しかった或いは不可能だった多くの可能性を与えるチップに関する動作を可能にする。

[0018]したがって、マイクロ流体チップコントローラが提供され、該チップコントローラは、遠心分離機に装着するためのカップリングであり、遠心分離機に対するマイクロ流体チップの同時装着を可能にするカップリングを有する本体であって、該本体及びチップが遠心分離機により回転できるようになっており、第１の加圧流体供給源への第１の開口を有する本体と、第１の端部及び第２の端部を有し、第１の端部が第１の開口と流体連通するためのものであり、第２の端部がチップのポートと流体連通するように構成されている、加圧流体供給ラインと、第２の端部での加圧流体供給を選択的に制御するための供給ライン内の流量制御デバイスと、流量制御デバイスを制御するための電気回路とを備える。したがって、遠心分離機に対してチップと共に装着されるマイクロ流体チップコントローラは、チップのポートに接続される供給ラインを用いて、遠心分離中にチップ内への加圧流体の制御された供給を可能にする。

[0019]第１の加圧流体供給源は、チップの形成のためのマイクロ流体よりも高い又は低い密度を有するとともに、マイクロ流体との低い混和性又は溶解度を有してもよい。第１の加圧流体供給源が加圧ガスを保持してもよい。ガスは、浄化された或いは殺菌された空気又は窒素など、チップのために意図されるプロセスで使用される物質及び反応物質との非反応性のために選択される不活性ガスであってもよい。ガスは、０．１〜２．５気圧、又は、０．５〜０．９９７又は１．００３〜２気圧、又は、１．００３〜１．８気圧の絶対圧力を有してもよい。ガスは、周囲圧力を有してもよく、又は、周囲圧力を少なくとも０．００３気圧上回る又は下回る圧力を有してもよい。

[0020]マイクロ流体チップコントローラは、少なくとも２個、少なくとも３個、少なくとも４個、又は、少なくとも８個の加圧流体供給ラインを更に備えてもよく、各加圧流体供給ラインは、それぞれの第１の端部で１つ以上の加圧流体供給源と連通するとともに、第２のそれぞれの第２の端部で、チップのポートにシール装着するためのカップリングを備える。加圧流体供給源のそれぞれは、異なる圧力に独立に維持されるようになっていてもよい。

[0021]制御システムを遠心分離機に装着するためのカップリングは、遠心分離機のブレードに対する機械的な取り付けを、ブレード上のチップのための装着位置と干渉しない位置でもたらしてもよく、或いは、遠心分離機のブレードに装着されるチップに対する機械的な取り付けをもたらしてもよい。本体は、チップの少なくとも一部を装着する又は支持するように形成される部分を有してもよい。カップリングは、複数のチップを遠心分離機に同時装着できるようにしてもよい。第１の供給ラインは、複数のチップのそれぞれの第１のポートに対する流体接続のための複数のカップリングをそれぞれ第２の端部でもたらすように分岐してもよい。装着部は、ブレードに対するチップの回動を可能にするジョイントを備えてもよい。

[0022]電気回路は、チップ上の電気部品と結合するための電気リードを更に備えてもよく、電気リードは、電力を電気部品に供給する又は信号を電気部品に与えるようになっている。

[0023]マイクロ流体チップコントローラは、遠心分離機の回転平面内でのチップの運動を制御するための機械的なアクチュエータを備えてもよく、運動は、平面上に投影されるチップの少なくとも５°の回転を含む。

[0024]加圧流体供給源のうちの１つ以上は、囲繞された加圧チャンバ、又は、ポンプなどの負圧源又は陽圧源と連通する加圧チャンバを備えてもよい。ポンプは、ブレードに作用するモーメントを制限するために例えばブレードの回転中心付近でチップコントローラに装着されてもよい。電気回路がポンプを制御するようになっていてもよい。ポンプのための電源が、チップコントローラに装着されてもよく、又は、ブレードから外れて設けられてもよく、又は、スリップリングなどの電気接触回転カップリングによってポンプに接続されてもよい。負圧源又は陽圧源がブレードから外れて設けられてもよく、また、チャンバが空気圧スリップリングを介してポンプに結合されてもよい。

[0025]本体は、遠心分離機と共に回転するように装着されるスリップリングのロータと、スリップリングを画定するためのステータとを備えてもよい。複数の加圧流体供給源が複数のスリップリングを介してそれぞれのチャンバに設けられてもよい。

[0026]マイクロ流体チップコントローラは、制御信号、データ、及び、電力の供給のために電気回路を静止コントローラと結合させる少なくとも１つの電気接触回転カップリングを有してもよい。

[0027]マイクロ流体チップコントローラは、チップ又はチップ内に収容される液体の特性を測定する又は該特性に影響を与えるために、本体及び／又はチップに装着されるセンサ又はアクチュエータを更に備えてもよい。センサ又はアクチュエータは、電気回路に接続されてもよく、また、チップ内の流体の位置に関するフィードバックを与えてもよく、或いは、チップ内の流体の位置を変えてもよい。センサ又はアクチュエータは、温度センサ又は温度調整器、流体力学的センサ又は流体力学的調整器、或いは、光センサ又は光エミッタを含む化学的、物理的、或いは、電子的なセンサ又はアクチュエータであってもよい。

[0028]チャンバのうちの１つは、例えばポンプを選択的に動作させることによりチャンバを負圧源又は陽圧源に選択的に結合するために圧力センサ及びフィードバックを使用して、所定の圧力に維持されるようになっていてもよい。チャンバのうちの２つが異なる圧力に維持されてもよい。

[0029]したがって、マイクロ流体チップ内への加圧流体の供給を制御するための方法も提供される。方法は、マイクロ流体チップ制御システムを遠心分離機に装着するとともに、マイクロ流体チップを遠心分離機に装着して、装着部及びチップが遠心分離機により回転できるようにする、ステップと、制御システムに少なくとも１つの加圧流体供給源を設けるステップと、少なくとも１つのチャンバとチップのポートとの間を連通させる加圧流体供給ラインを結合するステップと、チップに対する加圧流体供給を選択的に制御するように供給ライン内の流量制御デバイスを動作させるステップとを備える。

[0030]加圧チャンバは、液体を泡立てるべく、遠心分離機が動作している間にチャンバ内の液体のメニスカスよりも下側でチャンバに対して周囲環境よりも高い圧力を供給してもよい。

[0031]流量制御デバイスを動作させるステップは、チップ上のリザーバ内の液体を泡立てるためにチップの第１のポートと第２のポートとの間に圧力差を印加する工程を備えてもよく、この場合、第１のポートは、液体のメニスカスよりも下側でリザーバに結合され、第２のポートは、メニスカスよりも上側でリザーバに結合され、第２のポートに印加される圧力は、第１のポートに印加される圧力よりも低い。

[0032]流量制御デバイスを動作させるステップは、チャネルに圧力を印加して、チャネルと接続される第１のリザーバから第２のリザーバへ液体を移動させる工程を備えてもよい。第２のリザーバは、第１のリザーバよりも遠心分離機の回転中心軸線に近くてもよい。第１のリザーバがチップから外れたバイアル瓶内にあってもよく、また、第２のリザーバがチップ上にあってもよい。圧力をチャネルに印加して液体を移動させるステップは、サイフォンバルブをプライミングする工程を備えてもよい。流量制御デバイスを動作させるステップは、２つ以上の方向のうちの１つで液体を選択的に移動させるために複数の供給ライン内の複数の流量制御デバイスを動作させる工程を備えてもよい。

[0033]したがって、キットも提供される。キットは、以下、すなわち、前述の方法を実行するためのユーザ命令、前述のチップコントローラ、及び、前述の方法にしたがってチップコントローラの流量制御デバイスを制御するための持続性コンピュータ可読プログラム命令のうちの少なくとも１つを備える。キットは、マイクロ流体チップのポートと供給ラインとを接続するためのチューブ、マイクロ流体チップ、遠心分離機のブレード、及び、遠心分離機を更に備えてもよい。

[0034]本発明の更なる特徴について説明する、或いは、以下の詳細な説明の過程で本発明の更なる特徴が明らかになる。

[0035]本発明を更に明確に理解できるように、ここで、添付図面を参照して、本発明の実施形態を一例として詳しく説明する。

本発明の第１の実施形態に係るチップコントローラの概略図である。 オンボードポンプを有する本発明の第２の実施形態に係るチップコントローラの概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る、遠心ブレードと一体化されるチップコントローラの概略図である。 遠心ブレードを伴う２つのチップコントローラを組み込むとともにチップコントローラ上にチップが積み重ねられる本発明の第４の実施形態の概略図である。 ブレードに装着されるチップに対して図２のチップコントローラを結合する可撓性チューブを伴う、本発明の第５の実施形態の概略図である。 ３種類の圧力制御ラインとＹ構成とを示す本発明の第６の実施形態の概略図である。 遠心分離機に対するブレードの装着と電気スリップリングとを示す本発明の第７の実施形態の概略図である。 更なるセンサとアクチュエータとを示す本発明の第８の実施形態の概略図である。 チップコントローラとコンピュータとの間の電磁通信を示す本発明の第９の実施形態の概略図である。 チップコントローラが空気圧電気スリップリングを含む場合の本発明の第１０の実施形態の概略図である。 バルブを周囲圧力に対して選択的に開放することによって遠心力制御及び空気圧制御が適用されるチップの概略図である。 本発明を検査するために使用されるチップコントローラの画像である。 本発明を検査するために使用されるチップコントローラの画像である。 異なる回転速度及び印加圧力における（測定された及び予測された）液体変位のプロットである。 遠心マイクロフルイディクス、すなわち、空気圧バルブ作用のみを使用して効果的に与えられ得るプロセスを受けるチップの画像である。 遠心マイクロフルイディクス、すなわち、逆ポンプ作用のみを使用して効果的に与えられ得るプロセスを受けるチップの画像である。 遠心マイクロフルイディクス、すなわち、空気圧切り換えのみを使用して効果的に与えられ得るプロセスを受けるチップの画像である。 オフチップ装填を受けるチップの４つの画像のパネルである。 気泡混合を受けるチップの３つの画像のパネルである。 混合して等分するように形成されるチップの概略図である。 溶解、ＰＣＲ、及び、ハイブリダイゼーションのために形成されるチップの概略図である。 サンプルが検出布に基づいてシステムに答えるように形成されるチップの概略図である。

[0036]本明細書中には、マイクロ流体チップ内の液体を制御するための技術が記載される。この技術は、流体が遠心力場にも晒されている状態で空気圧の印加を伴う。

[0037]図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロ流体チップコントローラ１０ａの概略図である。本明細書中では、いくつかの実施形態が示されて説明される。同様の参照数字は共通の機能を有する特徴を示し、そのため、それぞれの図面の議論では、そのような要素に関して説明が繰り返されない。実施形態は、様々な代案を例示する。それぞれの代案は、代案のその対を有する特定の実施形態が示されない場合であっても、それぞれの他の代案と容易に組み合わせることができる。

[0038]マイクロ流体チップコントローラ１０ａは、遠心分離機のブレード（図示せず）に対してコントローラ１０ａを装着するのに役立つ一対のクランプ１２ａを有する本体である。本明細書中において、ブレードとは、その形状にかかわらず遠心分離機の回転部分のことである。勿論、装着は、当該技術分野において良く知られる多種多様な形態を成すことができる。クランプ１２ａは、該クランプを適切なブレード上にわたって所定の位置で締結するための万力ドライバ１２ｂを有する。クランプ１２ａは、当然ながら、装着部とチップとを遠心分離機によって回転できるように、遠心分離機に対するマイクロ流体チップの同時装着を可能にする特定の方法で、特定のブレード又は一連のサイズのブレードに装着するように形成され。

[0039]本体は、４つの加圧流体供給ライン１５のそれぞれと流体連通する加圧流体チャンバ１４を有し、加圧流体供給ライン１５は、チャンバ１４から延びるとともに、本体の縁部のそれぞれのポート１６ａで終わる。ポート１６ａは、チップのポートにシール装着するためのカップリングの第１の例であるが、当然ながら、任意の数の他のインタフェースを使用できる。各ポート１６とチャンバ１４との間には、チャンバ１４に対してポート１６を選択的に開放する又は閉じるために、電子的に制御されるバルブ１８が設けられる。バルブは、ポート１６を通じた加圧流体供給の送出を選択的に制御するための流量制御デバイスの第１の例である。バルブは、２状態バルブ、すなわち、開状態及び閉状態のバルブであってもよく、或いは、ある状態でバルブを横切る制御された漏れを可能にするとともに開放状態で圧力の完全な伝達を可能にする可変制御を有してもよい。また、スイッチが、例えば当該技術分野において知られる三方バルブを成して或いは更に複雑なデバイスを成してバルブに組み込まれてもよい。更に、バルブそのものが必要とされないことに留意し得る。チャンバ１４からの接続部をチャンバ１４（或いは他）への第２の接続部又は供給ライン１５のいずれかに選択的に結合するスイッチが、スイッチと正に同じ効果を有することができる。

[0040]電子コントローラ１９には、バルブ１８と電子コントローラ１９との間の電気信号接続部を介してバルブ１８の状態を独立に制御するための回路が設けられる。電子コントローラ１９は、定められたプロトコルにしたがってバルブ１８のプログラミングされた一連の動作を決定するための信号情報又はタイミング情報を更に有してもよく、或いは、遠心分離機の動作を指示してもよい他のコントローラに応答し、及び、チップで、チップコントローラ１０で、又は、ブレードで使用される任意の他のセンサ、アクチュエータ、又は、電子デバイスに応答してもよい。能動空気圧構成要素が所定位置にあるため、例えば圧力センサ、圧力調整器、加熱素子、温度センサ、電気化学センサ、及び、光学検出器又は蛍光検出器を含む様々な他の電気制御要素をチップに組み込むことが容易になる。

[0041]圧力供給源ＰＳがチャンバ１４に結合されるように概略的に示される。これは様々な方法で達成され得る。例えば、ＰＳは、チップコントローラ１０ａがオフラインのときにチャンバ１４を膨張させる或いは加圧するために使用されるタンク又はポンプであってもよく、また、チャンバは、圧力が使用されるまでチャンバ１４内で圧力が適切に保持されるようにするカップリングを有する。別の可能性は、従来技術により説明されたように、ＰＳが静止供給源からガスの噴流を受けるための収集開口を含むことである。或いは、ＰＳは、以下の実施形態に示されるように、スリップリングカプラ又は実装ポンプであってもよい。

[0042]マイクロ流体チップ内の液体に対する多くの作用のために周囲環境間の大きな圧力差は必要とされない。マイクロ流体チップ内の液体をチップ上で有用な距離だけ移動させるためには周囲圧力を約１〜３％上回る又は下回る圧力で足り得る。チャンバ１４は、使用時の供給ライン１５の開閉中にその圧力の変化を最小限に抑えるために大きな容積を有してもよい。容積が弾力的であってもよく或いは不変であってもよい。加圧されたチャンバが周囲圧力に維持されれば、チャンバ１４は、非常に小さくてもよく、例えばバルブストップの規模であってもよい。使用間でチャンバ１４を再加圧するために或いはさもなければチャンバ１４内の圧力を所定の圧力又は望ましくは様々な圧力に維持するためにオンボードポンプ（すなわち、チップコントローラ１０上、ブレード上、チップ上、又は、ブレードと共に回転する任意の他の部分上にある）又はオフボードポンプが使用されてもよい。

[0043]図２は、第２の実施形態のチップコントローラ１０ｂの概略図である。第１の実施形態との２つの主な違いは、第２の実施形態がオンボードポンプ２０と、２つの更なるバルブ１８に配置される第２及び第３のチャンバ１４とを有することである。ポンプ２０は、大きいチャンバ１４を所定の圧力に維持するようになっていてもよく、また、これを達成するためにフィードバックを伴うセンサを有してもよい。２つの更なるバルブはより小さく示されるが、そうである必要はない。これらの更なるバルブは、４つの供給ライン１５のうちの２つ（図示の内側）を周囲圧力に対して選択的に開放する。

[0044]第１及び第２の実施形態は、十分に強固な接続を可能にするとともにブレードにも装着されるチップのそれぞれのポートに対するそれぞれの供給ラインの結合を可能にするほぼ任意の態様で、遠心分離機のブレードに対して装着するように形成され得る。チップコントローラ１０は、例えば、ブレードのエッジに沿って、ブレードの平坦部上に、ブレードの径方向内側（上端）、中央、又は、径方向先端（下端）縁付近に装着されてもよい。一般的には、上端により近い方に装着する利点はある。これは、その位置ではチップコントローラの重量がブレードの遠心荷重にあまり寄与しないからである。また、電気的な加圧流体又は他の供給のためのスリップリングが遠心分離機の中心軸線と同軸に設けられ、それにより、遠心分離機の中心付近の領域が装着にとって良い場所となる。チップコントローラの装着は、必然的に、チップの装着に先行してもよく或いはチップの装着の後に続いてもよく、又は、チップ及びコントローラが独立に装着されてもよい。したがって、チップは、チップコントローラ１０によって保持されてもよく或いはチップコントローラ１０によって重ね合わされてもよく、チップがチップコントローラ１０を保持してもよく或いはチップコントローラ１０上に重なり合ってもよく、或いは、どちらも互いに接触しなくてもよい。

[0045]図３は、一端（左）にチップコントローラ１０ｃが組み込まれた遠心分離機のブレード２２ａ、及び、供給ライン１５と流体連通するマイクロ流体チップ２５を概略的に示す。チップ２５に対する供給ライン１５のシール結合のためのポート１６ｂがチップ２５の上縁に配置される。供給ライン１５がチップ２５にエッジ装着される。ブレード２２を遠心分離機に装着するために貫通孔２４が設けられる。

[0046]図４は、チップ（図示せず）のマイクロ流体チャネルとシール接続するためのポート１６ｃの位置及び方向に４つではなく５つの供給ライン１５が存在するという点において且つ加圧源が貫通孔を覆うとともに遠心分離機に対する装着部としての機能を果たすスリップリング２６であるという事実においてチップコントローラ１０ｃとは異なる２つの組み込みチップコントローラ１０ｄを有するブレード２２ｂを概略的に示す。なお、供給ラインのうちの１つは、更なる供給ライン１５を設けるように分岐する。

[0047]チップコントローラ１０ｄ上に装着されるようになっているフェンス２８がマイクロ流体チップのためのホルダを形成する。この積み重ね配置は空間的に都合が良い。チップは、該チップがチップホルダ内に配置されるときにポート１６ｃとシール結合するように位置合わせされるポートを有する。チップに対する容易な装着のために滑らかな表面がコントローラ１０ｄを覆うように設けられてもよく、或いは、各ポート１６ｃの周囲にシールがもたらされるようにするために各チップポートの周囲にシールリングが設けられてもよい。

[0048]この実施形態は、スリップリングマニホールドを除いて共通の機器を何ら有さない並列のチップコントローラ１０ｄを示す。図６の実施形態は、２つのチップのための単一のチップコントローラを示す。

[0049]図５は、チップ２５を有する遠心分離機のブレード２２ｃに装着されるチップコントローラ１０ｂの概略図である。チップコントローラ１０ｂのポートは、プラスチックチューブ２９を使用してチップ２５のポートに接続される。図示の実施形態は各ポートカップリングごとに１つのチューブ２９を有するが、チューブが２つ以上のポートでチップ２５に結合されるように分岐してもよく、また、チップコントローラ１０の複数のポートをチップ２５のそれぞれのポートに結合するために特殊用途マルチパスコネクタが使用されてもよいことが分かる。

[0050]図５の随意的な特徴はチップ２５を装着する受動スイベルであり、該スイベルは、その内容が参照により本願に組み入れられる未だ譲渡されていない出願人の同時係属特許出願番号の教示内容にしたがって遠心分離速度を変えることによって作動することができる（破線により概略的に示される）。受動スイベルは、遠心分離面内でチップ２５の回転を許容する本質的に自由継手である１自由度ジョイント３１ａと、向心力を釣り合わせるエラストマーライン３１ｂとによって与えられる。多種多様な作動可能装着部を設けることができることが分かり、また、これらの装着部は、もう一つの方法として、チップコントローラの電子機器によって駆動され及び／又はチップコントローラと通信するセンサによって監視されてもよい。更に、スイベル装着部がチップコントローラ及びチップをまとめて移動させてもよく、それにより、本実施形態ではチューブ２９として示されるチップとコントローラとの間のカップリングの可撓性の要件を回避できることが留意され得る。

[0051]図６はチップコントローラ１０ｅを概略的に示し、該チップコントローラ１０ｅは、供給ライン１５の形状が１０ｂとは異なるとともに、チップコントローラ１０ｅをＶ形状ブレード２２ｄに対して保持するためにバンドクランプが使用されるという点において１０ｂとは異なる。また、チップコントローラ１０ｅは、３組の供給ライン１５、すなわち、バルブ１８によってチャンバ１４のみに結合される１つの組と、バルブ１８によって周囲圧力にのみ結合される１つの組と、２つのバルブによって周囲圧力又はチャンバ１４のいずれかに結合される１つの組とを有する。周囲空気が圧力供給源としての機能だけを果たしてもよく、或いは、プラス又はマイナスに加圧されるチャンバを使用できることが分かる。より大きな変形できるチャンバは、より大きな動作のために圧力を保持することに関して特定の利点を有するが、小さいチャンバは、空間を節約できるとともに、所望の圧力を回復させるために圧力供給が迅速であれば有効である。バンドクランプは、バンド１２ｄと、バンド１２ｄを受けるための溝を有する一組の支持ブロック１２ｃとによって与えられる。

[0052]図７は、遠心分離機３０に装着される本発明の一実施形態の概略図である。この実施形態では、２つのチップと３つの独立したバルブの２つの組とがブレード２２の両側に装着される。軽量の携帯可能な電源とは対照的に、電気スリップリング３４が、バス３２を介して独立にアドレス可能なそれぞれのバルブ１８を制御するために静止電子コントローラ１９ａ及び電源１９ｂを使用できるようにする。電源１９ｂが電子コントローラ１９ａとは別個であるように示されるが、１つ以上の部品を成す多種多様な電気制御機器が等価な機能性を与えてもよいことが分かる。チャンバ１４は、システムのための圧力供給源として作用するべく充填手段（図示せず）を有するキャニスタである。

[0053]図８は、２つの随意的な特徴を有する図７の実施形態の概略図である。多くのプロトコルにおいて求められるように、電子コントローラ１９ａとも通信する温度制御パッド３６が、例えばチップ２５を所望の温度に維持するために加熱を施すようになっている（しかしながら、他の実施形態では、温度制御パッドが、要求通りに、冷却を与えてもよく或いは冷却又は加熱のいずれかを与えてもよい）。好ましくは、温度制御パッド３６は、熱出力の調整のために温度センサ３７を有し、また、好ましくは、チップ２５で吸熱反応又は発熱反応が行なわれているかどうかを決定するのに十分に感度が良くてもよい。温度センサ３７は、温度データの記録のためにバス３２を介して電子コントローラ１９ａと通信しており、また、チップ２５で行なわれるプロセスの段階を定めるために更に使用されてもよい。

[0054]センサ３７は、温度センサであるように且つ特定の熱システムのフィードバックで使用されるように例示されたが、圧力、容積、結晶化、質量分布、流量、磁場、光学特性、又は、化学特性を含めて、チップ２５における作用を監視するために多種多様なセンサを使用できることが分かる。センサは、チップ２５の動作の制御のためのフィードバック（回転速度、又は、例えばバルブ１８等による流量制御、又は、チップ２５或いはその中身に影響を及ぼすための温度制御パッド３６などの１つ以上のアクチュエータ或いは同様の熱力学的、化学的、機械的、電気的、磁気的、又は、電磁気的なアクチュエータの動作を含む）を与えてもよい。

[0055]チャンバ１４内の圧力を監視するために圧力センサ３８が設けられ、該圧力センサ３８は、チップ２５の空気圧制御のより良い精度のために、バルブ１８のより正確な制御で使用される。

[0056]図９は、ディスクの形態を成すブレード２２ｅの一実施形態の概略図である。この実施形態における加圧流体供給源は、チャンバ１４を収容するオンボードポンプ２０を含む。ポンプ２０及びオンボード電子コントローラ１９ｄは、簡単なバッテリ−であってもよい電源３９によって給電される。オンボード電子コントローラ１９ｄは、コンピュータ１９ｃと無線通信（３２ａ）するとともに、チップコントローラの電子的に制御される要素とバス３２を介して通信する。

[0057]図１０は、ブレード２２ｅが大きなチップ２５ａを支持する更なる実施形態を概略的に示す。チップ２５ａは、１０個のロータ供給ライン１５ｂに結合される１０個のポート１６を有し、ロータ供給ライン１５ｂのそれぞれは、電子／空気圧スリップリングのロータ２６ｂのそれぞれの出口から延びる。ロータは、それぞれのステータ供給ライン１５ａをロータ供給ライン１５ｂに対して効果的に結合させる。結合は、断続的であってもよく、連続的であってもよく、或いは、ロータ２６ｂ又はステータ２６ａにおける更なる流量制御要素によって選択的に制御されてもよい。そのような流量制御要素は、各ロータ−ステータ供給ライン結合の独立した制御を可能にしてもよく、或いは、１つのカップリングの接続又は切断が１つ以上の他のカップリングを切断する或いは接続するという点において制約されてもよい。本明細書中において、ロータ２６ｂは、それが結合間の切り換えをもたらすようになっている或いはロータ供給ライン１５ｂに作用する圧力を制御するためのバルブを組み込んでしまっている場合には流量制御デバイスであるように解釈される。

[0058]図１１は、本発明の一実施形態に係るバルブ調整方法に役立つ簡略化された形態のチップコントローラ１０の概略図である。バルブ調整方法は、チップコントローラ１０上のバルブ１８などの流量制御デバイスを伴う。流量制御デバイスは、周囲環境に対して開放する通気孔１４間の供給ライン１５である。チップコントローラ１０は遠心分離機と共に回転する。供給ライン１５は、チップ２５のポート１６に接続され、それにより、リザーバ４０ａと流体連通するとともに、接続マイクロ流体チャネルを介してリザーバ４０ｂに接続される。リザーバ４０ｂが最初は液体４２を収容し、液体４２は矢印の方向の遠心力に晒される。リザーバ４０ｂは、周囲環境に対して開放する第２のポート１６によって通気される。２つのリザーバ４０ｂが示されるが、任意の数の適切に通気されるリザーバ内へ液体を蓄積できる。

[0059]当然ながら、エアープラグ４４が液体４２とバルブ１８との間にもたらされる。当業者に明らかなように、遠心分離機の作用下で、流体は、リザーバ４０ｂへ向けてチャネルを降下し始めるが、エアープラグ４４の限られた拡張により引き起こされる圧力と遠心力との釣り合いに達するまで進むにすぎない。バルブ１８を周囲圧力に対して開放することにより、液体４２の制御された開放をそれが望まれるときにはいつでもバルブ１８の制御の制限内まで行なうことができる。バルブ１８の周囲環境に対する開放又はそれ以上の開放は、通気孔１６によりもたらされる周囲環境への適切な通気を伴って、遠心力が液体をリザーバ４０ｂ内へ引き込むことができるようにするエアープラグ４４を除去する。また、適切な遠心分離速度及びチャンバ１４に印加される適切な負圧により、後述するようにチャンバ４０ａ内で気泡混合をもたらすことができる。

[0060]当然ながら、チャンバ４０ｂの通気孔１６及びチャンバ４０ａのポートは二重性を有する。通気孔における陽圧はポートにおける負圧に相当し、したがって、供給ライン及び周囲環境に対する結合を交互に入れ替えて周囲環境に対する加圧を逆にすることによって前述のプロセスの全てを実施することができ、また、ポート及び通気孔の両方をそれぞれの独立に制御される（又は反対に加圧される）チャネルに結合することによって更なる利点が与えられてもよい。

[0061]したがって、２状態電気機械バルブを使用してチップのアクセスポート（通気孔）を直接に遮断する或いは開放することができる。圧力ポンプ又は予加圧チャンバを使用することさえせずに、マイクロ流体デバイスのいずれのチャンバが通気されていずれが遮断されるのかをリアルタイムに切り換えることによって興味深い流体機能をもたらすことができる。バルブ、マイクロコントローラ、及び、任意の通信機能を動作させるために必要とされる電力をポンプよりもかなり少なくすることができ、それにより、装着される電源の費用効率が更に高くなる。図１１に示されるように装着される２状態電気機械バルブの配列は、複数の流体供給チャンバを制御できる。

[0062]空気圧制御システムを伴うマイクロ流体チップコントローラが製造されて検査された。図１１ａは、遠心分離機に装着される２つのマイクロ流体チップを伴う、２つのマイクロ流体チップコントローラの画像である。チップコントローラの一方のみが、使用中であり、両方のチップに対して電子的に且つ空気圧的に結合される。チップコントローラの形態は、地球上の重力加速度の１００倍を容易に超え得る高い遠心加速度の存在にもかかわらず重大な能動構成要素（すなわち、ポンプ及び電気機械バルブ）の信頼できる動作を確保するように最適化された。マイクロ流体デバイスに対する空気圧接続は、回転中心から５ｃｍ離れて配置されるマニホールドを用いて成される。回転中にプラットフォームに給電して外部コンピュータとオンボードＡｒｄｕｉｎｏマイクロコントローラとの間のＵＳＢ通信を転送するために１０個の独立した電気接続部を伴うスリップリング（ＥＣ３８４８； ニューヨーク州のイーストオーロラにあるＭｏｏｇ， Ｉｎｃ．）が使用された。マイクロコントローラは、１６個の超小型ラッチ電磁バルブ（ＬＦＬＸ０５１０２００Ｂ Ｓｅｒｉｅｓ １２０ ｍｉｃｒｏｖａｌｖｅｓ； コネチカット州のウェストブルックにあるＴｈｅ Ｌｅｅ Ｃｏｍｐａｎｙ）、ポンプ（Ｐ２００−ＧＡＳ−５Ｖ； Ｘａｖｉｔｅｃｈ， Ｈａｅｒｎｏｅｓａｎｄ， Ｓｗｅｄｅｎ）、及び、圧力センサ（ＨＤＩＢ００２Ｇ ｆｒｏｍ Ｓｅｎｓｏｒ Ｔｅｃｈｎｉｃｓ）のために使用された。また、マイクロコントローラは、圧力を大気圧よりも０〜５ｐｓｉ上回る圧力間で調整するためにポンプの速度を変えることもできる。能動構成要素の全てが最大で約１２００ｒｐｍの回転速度まで動作できることが見出されたとともに、このポイントで、ポンプが徐々に減速することが分かった。より高い回転速度で動作するプラットフォームを（例えば、空気圧スリップリングと組み合わされる外部送出システムを使用して）容易に形成できるが、出願人は、生物学的分析の開発のために望まれる流体機能の全てを１０００ｒｐｍ以下の回転速度で確実に果たすことができることを見出した。

[0063]図１１ｂは、あるチップコントローラの拡大画像である。チップコントローラは、５”×２．５”の寸法を有する特注のプリント回路基板（ＰＣＢ）上に組み付けられる。ＰＣＢは、マイクロコントローラ（特にＡＴｍｅｇａ３２ｕ４マイクロコントローラを備えるＡｒｄｕｉｎｏ Ｍｉｃｒｏボード）と、ポンプと、デコーダ回路と、圧力センサと、８個の圧力ポートとを相互に接続し、これらのそれぞれには一対の供給ラインが取り付けられる。ポンプは、ゲージ大気圧と比べて−３ｐｓｉ〜＋７ｐｓｉのチャンバ内圧力を維持するように構成されている。各ポートは直列に接続される２つのバルブを有し、バルブは、３×１０ｍｍの寸法を有するとともに、１ｍｓ未満の切り換え時間を有し、また、切り換えごとに２ｍＪ未満の電力消費量を有した。図１１ｂは、チップに接続するための対を成す供給ライン（チューブ）を示し、対を成すチューブは、２つの異なるチップを同時に検査する重複を可能にするべく反対方向に配置される同一のチップへ向けて延びるように互いに交差する。

[0064]このコントローラで使用された１６個のバルブはそれぞれ、製造業者によると閉状態において５ｐｓｉの圧力で最大１ｓｃｃｍの空気を漏出させ得る。この漏出は、マイクロ流体デバイス内に配置されるマイクロリットル量の流体の制御にとって問題があることが分かった。それにもかかわらず、これらのバルブは、それらの小さいサイズがコントローラの全体のフットプリントを減少させるのに役立つことから選択された。漏れの影響を最小限に抑えるために、各ポートは以下のように２つのバルブに接続された。すなわち、第１のバルブの入口がポンプに接続され、第２のバルブの入口が大気圧に接続され、また、２つのバルブの出口がＴ接合を使用して供給ラインに一緒に接続される。したがって、各ポートは、（ポンプに接続されるバルブを開放するとともに大気圧に接続されるバルブを閉じることによって）加圧され或いは（ポンプに接続されるバルブを閉じるとともに大気圧に接続されるバルブを開放することによって）大気圧に接続され得る。この構成では、バルブからの漏れは問題ではない。確かに、空気圧ラインが大気圧に接続されるときに、ポンプに接続される閉じられたバルブを通じて漏れる空気は、マイクロ流体デバイスを通じてではなく大気圧に接続される開放されたバルブを通じて逃げることができる。或いは、空気圧ラインが加圧されるときに、ポンプは、大気圧に接続される閉じられたバルブを通じて漏れる空気が僅かであるように開放されたバルブを通じて十分な流量の空気を供給できる。コントローラのこの構成のため、圧力ラインの２つのバルブが同時に開かれる又は閉じられる状態が使用されなかった。

[0065]出願人は、閉状態が用途にとって望ましければコネチカット州のウェストブルックにあるＴｈｅ Ｌｅｅ ＣｏｍｐａｎｙのＬＨＬＡ０５４２３１１Ｈとして知られるバルブを使用して良好なチップコントローラが形成されてきたことに留意する。

[0066]圧力パルスの持続時間は、ＬＦＬＸ０５１０２００Ｂ シリーズ１２０マイクロバルブを使用して±３ｍｓに制御された。供給ラインはプラスチックチューブである。センサ読み取りに応じてポンプにより加圧されるチャンバからのカップリング（ポンプから延びる供給チューブであると解釈され得る）は、それがマイクロ流体チップコントローラの真下に位置するため見えない。リアルタイムの圧力測定及び制御がチャンバにわたって及ぼされる。チャンバは、使用される容積及び圧力のためにかなり硬質の壁を有した。図１１ａにおいて分かるように、ポンプ、マイクロコントローラ、及び、センサに電力を供給するためにマルチチャネル電気スリップリング（高速スリップリング）が使用される。チップは、出願人の同時係属の米国特許出願第１２／５８８，２３６号明細書のとおりに構成された。

[0067]８個のポートのための独立した作動又はパルス生成、±３ｍｓに合わせた圧力パルス持続時間制御、及び、リアルタイムの圧力測定及び制御を可能にする制御ソフトウェアが生み出され、したがって、該ソフトウェアは複雑なシーケンスを実行できるようにされた。

[0068]その後、システムは、単一のマイクロコントローラを使用するポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）モジュールの温度制御のために拡張コネクタを備えるように変更された。具体的には、各領域での温度制御に関与する第２のＡｒｄｕｉｎｏマイクロコントローラにアクセスできる専用のコンピュータソフトウェアにより行なわれるリアルタイム制御を用いて、２つの温度制御領域を両方のチップで独立に制御できた。第２のＡｒｄｕｉｎｏマイクロコントローラは、４つの２×２ｃｍ^２熱電素子を制御するとともに４つの熱電対を使用して温度をリアルタイムで測定するために使用された。この実施形態における１６個のバルブは、同じ供給元からのシリーズ１２０バルブであった。

[0069]その後に開発されたプロトタイプは、接続を円滑に行なって先の実施形態において想定し得たチューブの不正確な接続を伴う任意のエラーを回避するために、標準的なマニホールドを有するチップをチップ保持機構にあるチップコントローラに結合するためのアクセスポートを組み込んだ。

[0070]出願人は、空気圧的に制御される遠心型チップを使用する利点のうちの１つがチップそれら自体の形態及び製造公差に対する制約の緩和であることに留意する。マイクロ流体機能は、チップレベルでの通信チャネルの寸法及び関連する特徴と無関係になる。それらの機能は、マイクロ流体チャネルの２つの端部間の圧力差を変えることにより、流体力学的抵抗及び様々な場所でのチャネルの半径の細かい制御よりも高いロバスト性をもって制御される。その結果、射出成形、熱成形、又は、ロールツーロール熱エンボス加工を含む大規模製造プロセスを使用して、汚染されて使い捨てデバイスとして廃棄されるように効果的に形成され得るチップを製造できる。したがって、製造プロセスに関連する技術的要件及び経済的要件にも適合しつつ特定の分析に最も良く適した材料でマイクロ流体チップを製造できる。

[0071]図１２は、異なる遠心分離機回転速度（ｒｐｍ）及び印加空気圧（周囲よりもｐｓｉ上回る）における（測定された及び予測された）液体変位を示すグラフを表わす。予測変位は以下のモデルによって与えられる。すなわち、液体プラグが圧力ｐ_１，ｐ_２の２つのポートに接続される場合には、遠心力場における定常流のための方程式（毛管力を無視する）を以下のように書き表すことができる。

ここで、ρは液体の密度、ωは、回転するプラットフォームの角速度、ｒ_１及びｒ_２はそれぞれ後退メニスカス及び前進メニスカスの位置、Ｒ_ｈｙｄは流体経路の液圧抵抗であり、また、Ｑは液体の流量である。なお、方程式と観測される変位との間には非常に良好な一致が存在する。図１２ａ〜図１２ｃは、知識を伴って遠心力及び空気圧の制御を使用して行なわれ得る３つの手順を明らかにする３つのマイクロ流体チップの画像を示す。これらは、完成したチップとして意図されておらず、単に適切に形成されたチップの１つの能力を示すにすぎない。なお、画像は、１．５ｐｓｉの印加圧力と１００ｍｓのパルス持続時間とを伴ってチップが（約５０ｇ（約５００ｍ／ｓ^２）の加速度を得るために）６００ｒｐｍの回転速度を有している状態で撮られた。遠心分離によって生じる加速度ベクトルは、図の下端の方を向く。

[0072]図１２ａは、薄い色が付けられた水で満たされるチャンバを示す。チップ上の全体的なパターンは、開始チャンバと、開始チャンバからチャンバよりも高い頂部まで延びる底部供給型蛇行チャネルと、底部リザーバに通じる出口とを伴う標準的なサイフォンバルブである。このチップに関しては２つのことが標準的なサイフォンバルブとは異なる。すなわち、１）毛管現象を促進させるために蛇行チャネルが扱われず、そのため、このチャネル内の流体は決して図１２ａに示される安定状態を超えない、２）開始チャンバの上端に結合される単一の空気圧ラインの存在。このバルブの動作は、サイフォンバルブがプライミングされるまでポートに陽圧を印加することによってもたらされる。プライミングされた時点で、圧力を解放でき、液体が開始チャンバから抜け出る。当然ながら、押圧の代わりに、この空気圧ラインは、底部リザーバに結合される負圧を印加でき、この場合には流体が引かれる。したがって、流体は、遠心分離にかかわらず、圧力が供給されるまで、開始チャンバ内で安定的に保持される。そのため、空気圧作動がもたらされる。

[0073]図１２ａは、（プロセスの全体にわたって接続される）開始チャンバへ向かう別個の装填導管を示す。別の実施形態では、装填用の同じチャンバが空気圧ラインのために使用される。その場合、流体が装填されて、空気圧ラインが結合された時点で、エアープラグが必然的に開始チャンバよりも上側に形成される。エアープラグは、遠心分離圧力下で拡張し、それにより、サイフォンのプライミング（すなわち、蛇行チャネルの充填）をもたらすことができるが、今までのところ薄くされたエアープラグのみが拡張するため、チャンバは流体を解放できない。そのため、空気圧ラインが解放されると直ぐに、エアープラグが止まり、開始チャンバが排出する。当然ながら、この作用を得るためには流体とバルブとの間の空間の容積を制限することが重要である。

[0074]図１２ｂは、我々が逆流送出と呼ぶものを示す。２つのチャンバが示され、一方のチャンバは上側チャンバと称され、他方のチャンバは下側チャンバと称される。流体装填後に塞がれる（右側の）ポートによって薄い色の付いた流体が下側チャンバ内に装填される。空気圧ラインが下側チャンバの上端に結合される。空気圧ラインによる陽圧の印加により、装填経路を通じて引き込むことができない流体は、上側チャンバの上端と連通する下側出口を通じて下方へ押し進められる。図１２ｂは作動中の流れ反転を示す。一般に、２つのチャンバ間のチャネルのプライミング後の送出のためには更に大きな圧力が必要とされる。上側チャンバは、逆流に対するエアープラグ抵抗を防止するために通気される。この場合も先と同様に、上側チャンバ通気孔における負圧を同等に使用できる。加圧され得る或いは周囲圧力に対して開放され得る上側チャンバに空気圧ラインを設けることは有益となり得ることが分かる。これは、上側チャンバを周囲環境に対して開放することが逆送出に役立ち、また、上側チャンバが装填された時点で、その後の空気圧バルブ調整又は他の動作のために上側チャンバを陽圧に切り換えることができるからである。マイクロ流体チャネルを通じた流れを制御された態様で逆にできる（元の回転中心へ向けて液体を送出する）という事実は、デバイスのフットプリントを効率的に管理し、より多くの機能をコンパクトな形態で組み込む機会を与えるとともに、小型化及び分析ごとのかなりのコスト低減の両方をもたらすという利点を与える。

[0075]図１２ｃは、装填開始チャンバ（長方形、中央）と２つの円形の受け入れチャンバとを有する、空気圧切り換え及び計量に適したチップを示す。切り換えは、受け入れチャンバのそれぞれへ向かう２つの空気圧ラインと、開始チャンバにある通気孔とによって、或いは、３つの全てのチャンバへ向かう空気圧ラインを用いてもたらされ得る。開始チャンバ内の容積は正確でなくてもよい。定められた量をチャンバ内へ正確に装填することは一般に難しいため、反応物質の量の正確な制御を必要とするプロトコルは特別な注意を必要とする。なお、２つの受け入れチャンバ間のチャネルは、開始チャンバにおいて異なる位置を有する。具体的には、右側の受け入れチャンバは、開始チャンバの側面に所定の高さで接続され、また、左側の受け入れチャンバは、開始チャンバの底面に接続される。右側の受け入れチャンバにおける圧力よりも大きい等しい圧力を左側の受け入れチャンバ及び開始チャンバに印加することにより、所定の高さよりも上側の開始チャンバ内の流体は、吸い出されて、右側の受け入れチャンバ内に装填される。実際には、頂部のプライミング中に圧力差を印加するだけで済む。頂部がプライミングされた時点で、開始チャンバは、遠心分離圧のみを受けて特定の度合いまで排出される。開始チャンバ内の流体の高さが所定の高さと一致した時点で、所定の高さは自動的に更なる作用をもたらさない。開始チャンバ内の流体の残りの部分は、最初に開始チャンバ内にある流体の量にかかわらず、規定された量である（開始チャンバが所定の高さを超えて充填された限りにおいて）。その後、望まれるときには、計られた量の液体を蛇行経路を通じて左側の受け入れチャンバにプライミングするために、左側の受け入れチャンバと開始チャンバとの間に圧力不均衡が適用される。プライミングされた時点で、圧力差を除去することができ、正確に計られた量が左側の受け入れチャンバへ供給される。

[0076]図１３は、オフチップ荷重の実証中に撮られた４つの画像を示すパネルである。回転速度は、約５０ｇ（約５００ｍ／ｓ^２）の加速度に関して６００ｒｐｍであり、圧力は、２ｓのパルス継続時間にわたって２．９ｐｓｉで印加された。

[0077]薄い色が付けられた水を伴うバイアル瓶には流体経路（この実施形態における空気圧経路とは異ならないチューブの形態を成す）が設けられる。流体経路は、図１２ｃに示されるチップのポートに接続するが、該ポートには空気圧ラインが取り付けられない。バイアル瓶及びチップが遠心分離機に装着される。チャネル及びチャンバの視認を容易にするために、幾らかの薄い色が付けられた流体がチップ内に残された。薄い色が付けられた水よりも上側のバイアル瓶に陽圧を印加することにより、薄い色が付けられた水は、流体経路を通じて上昇して、ポートへ注入される。開始チャンバ内に予め収容された空気は、大気圧に対して開放する３つの通気孔のうちの１つを通じてチップから移動されて出される。バイアル瓶内の印加圧力を除去した後、遠心力が流体経路内に収容される液体をバイアル瓶内へ押し戻す。

[0078]したがって、本発明は、手動介入を伴うことなく外部容器からマイクロ流体デバイス内へ所定量の液体を装填するための方法も提供する。そのような外部容器は、一般に、マイクロ流体リザーバの容積と比べて大きい容積を有し、したがって、複数の連続する試験のためにデバイス内に様々な緩衝液を自動充填できるようにし、連続試験を可能にするべく一般に必要とされる手動介入を最小限に抑える。外部リザーバからの充填により、我々は、多すぎるためにマイクロ流体デバイスに直ちに適合しない量を要する分析を行なうことができる。この場合には、外部廃棄物容器を実装することもでき、或いは、有毒でなければ、廃物が排出されてもよい。

[0079]薄い色が付けられた水の移動量は、圧力パルス持続時間、印加圧力、回転速度及び遠心力、液体粘度、液体密度、チューブのサイズ及び長さ、チャネルサイズ及び長さ、並びに、バイアル瓶内の圧縮性流体の量を含む多くのパラメータを変えることによって制御され得る。

[0080]なお、バイアル瓶のメニスカスの高さは、薄い色が付けられた水が内部に装填されるチャンバよりもかなり低い。したがって、この装填プロセスは、前述した遠心作用に抗する逆送出作用に類似している。これは必要ではないが、メニスカスがチャンバよりも上側にある場合には、妨げられなければ、例えば、前述したエアープラグによって、又は、少なくとも一時的にサイフォン作用を妨げる当該技術分野において知られる延在チャンバによって、又は、チップに作用する陽圧により、又は、遠心力下での連続液体チャネル形成を妨げるメニスカスよりも上側の狭窄部によって、メニスカスがチャンバに流れ込む。

[0081]図１４は、気泡混合を受ける図１２ｃに示されるチップの３つの画像を示すパネルである。当該技術分野において良く知られるように、マイクロ流体チップ内の僅かな量の液体を混合することは、手ごわい挑戦である。出願人は、流体をこの環境内で混合するための優れた技術を見出したが、方法は、液滴の２つの流れをチャンバ内へ同時に導入する必要がある（国際公開第２０１３／０１２０１９０号パンフレット）。空気圧の使用は、混合を促進させることができるとともに、混合流体を移動させることなく混合させて別のチャンバへ移動できるようにする。最初のパネルは、開始チャンバ内の２つの異なって薄い色が付けられた水サンプルを示す。サイドチャネルにおける陽圧の印加により、気泡をチャンバ内へ導入して混合を促進させることができる。

[0082]巨視的世界では気泡の形成及び重力に抗する上昇が容易に観察されるが、この現象は、一般に、マイクロ流体デバイス及び毛細管ではそれらの小さい寸法に起因して起こり得ない。確かに、マイクロ流体デバイス又は毛細管では、一般に、重力に抗するガスの導入が、気泡を形成するのではなく、液体がデバイス外へ押し出されるまで液体を上方へ押し進めることが良く知られている（他の動作形態ではチップコントローラを有用にする事実）。したがって、以前のマイクロ流体デバイス又は小さな毛細管では、重力に抗するガスの導入を混合のために使用することができない。これは、それが一般に断片化された気泡の形成及び関連する流体再循環をもたらさないからである。これは、気泡とデバイスの固体壁との相互作用に起因し、それにより、気泡が上昇し得る前に最小気泡サイズが強いられる。この最小気泡サイズがチャンバ又はチャネルのサイズよりも大きければ、ガスがチャンバの底部で導入されるときに液体がデバイスから放出される。逆に、この最小気泡サイズがチャンバ又はチャネルのサイズよりも小さければ、気泡がチャンバサイズに達する前に上昇し、それにより、液体が元のチャンバの底部へ逆流するための経路がもたらされる。言い換えると、マイクロフルイディクスにおいて気泡に基づく混合を達成するためには、浮力と表面張力との相対的重要度は、加速場に抗するガスの導入が液体をデバイスから押し出すことなく液体層を通じたガスの輸送をもたらすようになっていなければならない。

[0083]我々は、マイクロフルイディクスにおいて気泡混合が起こり得る条件を評価するためのモデリングワークを行なった。我々は、浮力が液体とチャネルの側壁との相互作用により引き起こされる接触角摩擦力よりも強い場合に気泡が自発的に上昇すると考えた。また、我々は、気泡サイズがチャネルサイズよりも小さい場合に気泡が液体をマイクロ流体チャネルから引きずり出すことなく上昇し得ると考えた。これらの仮定から、気泡混合が起こり得る加速度、チャネルサイズ、液体密度、表面張力、及び、接触角を予測することができる。正確な値は実験のジオメトリ及び液体の仕様に依存するが、我々は、気泡混合が起こり得る条件を予測するために以下の一般的関係を近似式として使用できることを見出した。我々は、

である場合に、基本混合が起こり得ることを見出した。ここで、Ｆ_Ｂは浮力、Ｆ_Ｓは接触角摩擦力、ａは加速度、ρは液体密度、Ｈはチャネルサイズ、γは液体−ガス表面張力、及び、θ_ａ及びθ_ｒはそれぞれチャネル壁上の液体の前進接触角及び後退接触角である。この条件は、浮力と表面張力との相対的重要度を表わすボンド数（又はＥｏｅｔｖｏｅｓ数）に非常に類似している。ここに示される方程式は、気泡がマイクロ流体チャネルの上端と接触するように十分大きくなる前に浮力によって上昇し始めるような簡略化された条件を表わす。幅広くて浅いリザーバにおいては、この条件はあまり正確ではない。そのような幾何学的形態においては、気泡がチャンバの上端及び下端と接触することを考えることにより、異なる方程式を発見的に使用できる。この場合には、気泡が浮力により上昇するときに気泡がチャンバの幅よりも狭ければ、気泡混合が起こり得る。更に、方程式は、いずれの場合にも、厳密に言えば、ゆっくりと移動する気泡においてのみ有効である。観察されるケースでは、気泡が非常に速く移動しており、我々は多くの他の効果を無視できない。

[0084]例えば、高分子上の水における典型的な接触角ヒステリシス（すなわち、θ_ａ−θ_ｒ）が約３０°であると解釈するとともに、前進接触角が１２０°、水表面張力が０．０７Ｎ／ｍ、及び、水密度が１０００ｋｇ／ｍ^３であるとすると、通常の重力下（すなわち、ａが約９．８ｍ／ｓ^２）では、この方程式を満たすことができる最小チャネルサイズは約２ｍｍである。しかし、１０００ｒｐｍの典型的な速度で回転する遠心分離機では、約１１００ｍ／ｓ^２の加速度が得られ（ａ＝ωＲ^２、ここで、ωは角速度、及び、Ｒ〜０．１ｍ回転中心までの距離）、この方程式を満たすことができる最小チャネルサイズＨは、遠心マイクロフルイディクスにおける典型的なチャンバ高さよりも小さい１８０ミクロンになる。これらの結果は、マイクロ流体の気泡に基づく混合が当該技術分野において知られる以前のマイクロ流体コントローラを使用して起こり得ない理由、及び、遠心力と空気圧力とを組み合わせることによってのみマイクロ流体の気泡に基づく混合が起こり得る理由を説明する。

[0085]先に示された方程式の他のパラメータ（表面張力、接触角、又は、流体密度差など）を制御して遠心分離を伴うことなくマイクロフルイディクスにおいて気泡に基づく混合を達成することが実用的でないことは注目に値する。確かに、殆どの場合、液体パラメータは分析要件（生物学的等）によって設定される。したがって、一般に、加速度が、マイクロフルイディクスにおいて気泡に基づく混合を達成するために変えられ得る唯一のパラメータである。

[0086]気泡を形成するために必要とされる圧力は、最初の液柱を押し進めるために必要とされる圧力と、表面張力に抗する気泡の拡張を可能にするラプラス圧力とによって推定され得る。遠心マイクロフルイディクスの典型的な作用条件下でこれらの２つの条件が相対的に低い圧力を用いて容易に満たされることが容易に確認され得る。これらの圧力は、市販の小型ポンプシステムを用いて容易に得られる。

[0087]実験的に観察されることは、遠心分離の約１８ｓ後に、開始チャンバ内に気泡を形成して２つの液体を混合させるために、受け入れチャンバを介して急速１００ｍｓ空気パルスが空気圧ラインに印加される。チップが回転している間に圧力パルスを印加できる能力は、（強い加速度に起因して）空気が入口１及び入口３から流れているにもかかわらず液体がマイクロ流体チャンバ内に残存するようにする。図１４は、混合を伴わない第１の画像、気泡が導入された第２の画像、及び、気泡が本質的に混合流体から出ている第３の画像を示す。

[0088]更に、２つの液体を混合させないように、また、沈殿する傾向がある相を均質化させない或いは懸濁させないようにするために、しかし、反応物質を供給するために、或いは、反応チャンバ内の温度を制御するために、ほぼ同じバブリング技術を使用できることに留意されたい。

[0089]チップのチャンバ内の液体中に溶解されるガスのタイプ及び量は、本発明に開示されるマイクロ流体コントローラを使用してそのようなリザーバの底部で気泡の形成を強いることによって制御され得る。様々な加圧ガスタイプの流量を制御してマイクロ流体リザーバの底部に気泡を形成するために流量制御デバイスが使用される。液体中への気泡の部分溶解を使用して、液体中に溶解されるガスの量及びタイプを制御することができる。例えば、これは、生きている有機体（細胞、バクテリア、Ｃ．エレガンス虫、組織、チップ上の臓器など）を伴う用途において興味深く、この場合、液体のガス成分（酸素、ＣＯ２、窒素等）が有機体の成長に影響を及ぼし得る。加えて、気泡は、生きている有機体のための均一な流体状態を確保するために流体再循環及び混合をもたらすことができる。

[0090]また、図１４に示されるものに基づく更に複雑なシステムを実施できることも理解されるべきである。例えば、生きている有機体を異なる流体で補うために他の流体リザーバをマイクロ流体デバイスに或いは外部容器に組み込むことができる。過剰な液体を排出するために廃棄物ポートをリザーバに組み込むこともできる。例えば、より高い回転速度での遠心分離を使用して、リザーバの側部に配置されるチャネルを使用することにより過剰な液体が除去される前に有機体を沈殿させることができる。これは、有機体によって生成される廃棄物を除去して、栄養物を供給するとともに、流体環境を変えるための方法を与える。また、別の流量制御デバイスに接続される負圧を使用して、マイクロ流体チャンバ内の液体を脱気することもできる。

[0091]図１５は、８個の空気圧ラインを有する本発明に係るコントローラを使用することにより任意の量の最大で３つの液体の液体混合物を生成するとともにその後の分析のために最大で１８個の独立した混合物を蓄えるために使用され得るチップを概略的に示す。この例は、同時に、従来技術のマイクロ流体制御を使用して達成することが一般に非常に難しい２つの機能（すなわち、混合物の生成並びに混合物の分離及び等分）を明らかにする。この形態の製造及び検査は間近に迫っている。

[0092]マイクロ流体入力リザーバ（ＩＲａ，ＩＲｂ，ＩＲｃ）には最初に分析のために使用される別個の初期液体が充填される。独立した作動のために空気圧ラインがチップコントローラに結合される。その後、遠心マイクロフルイディクスに特有である、矢印により示される方向で遠心力を与えるためにマイクロ流体ユニットの回転速度が約６００ｒｐｍ以上まで増大される。一般に混合物を生成するために、それぞれの入力リザーバの上端へ向かう空気圧ラインに陽圧が与えられ、それにより、小さいくびれチャネル（ｃｃ）（右上拡大図参照）を通じて液体がその延在チャンバ（ｘｃ）内へ押し込まれる。ｃｃの機能は、加圧液体の流量を制御してＩＲからｘｃへの正確な体積移動を可能にすることである。これは、一滴ずつゆっくりと計量することにより、圧力パルスの持続時間又は周波数を用いてより良い制御を行なえるからである。移動される液体の量は、圧力パルス持続時間、印加圧力、回転速度及び遠心力、液体粘度、液体密度、くびれチャネルサイズ及び長さ、入力リザーバ内の圧縮性流体の量を含む多くのパラメータを変えることによって制御され得る。好ましい方法は、圧力パルス持続時間、印加圧力、及び、遠心力を含む。これは、これらを本発明に開示されるコントローラによりオンザフライで容易に変えることができるからである。ｘｃは、空気圧チャネル（ｐｃ）を介して大気圧に接続される空気圧ラインに接続される。この接続は、ｃｃを通じて注出される液体が遠心力によって混合チャンバ（ＭＣ）に至るまで流下できるようにするために必要とされる空気取り入れ口を与える。この注出ステップは、その後、制御された量の異なる液体をＭＣへ注出するために１つ以上の入力リザーバに関して繰り返され得る。ＭＣへの装填は、連続的であってもよく或いは並行してなされてもよい。並行してなされる場合、混合は、本質的には、出願人の同時係属国際公開第２０１３／０１２０１９０号パンフレットの教示内容とおりに行なわれてもよい。

[0093]これに加えて或いは代えて、混合リザーバの内容物は、ＭＣの底部に気泡を生成することによって混合されてもよい。これは、３つの最も右側の空気圧ライン及び廃棄物リザーバに空気パルスを印加することによって達成される。

[0094]混合後、３つの最も右側のポートのうちの１つを除いて空気圧ラインの全てが加圧される（或いは、その１つのポートに負圧が印加される）。圧力は、混合リザーバ内に収容される液体を収容リザーバに接続される３つの収容チャネルのうちの対応する１つへ押し込む。この方程式、すなわち、

にしたがって液体がｓｃ内で上昇できる高さを制御するために印加圧力及び回転速度が制御される。ここで、ωは角速度、ρは液体密度、ｒ_１，ｒ_２はそれぞれ、リザーバの上端及び下端における回転中心と液面との間の距離である。

[0095]それぞれのｓｒは、チャネルの接続ポイントｓｒｔｏｐ，ｓｒｂｏｔ間でのｓｃ内における液体の上昇によって充填される。所定のｓｒが充填された時点で、圧力が解放されるとともに、ｓｃ内に残存する液体が遠心力によってＭＣへ逆流する。ＭＣ内に残された液体には、その後、例えば特定の反応物質の異なる濃度で同じ反応を分析するために、ＩＲ内の更なる量の１つ以上の液体が供給されてもよい。しかしながら、ＩＲからの液体の付加物は、気泡混合が行なわれなければ、残存する液体と混合されなくてもよい。残存する液体が残存するアリコートにとって望ましくなければ、液体は、適切なアクセスポートに圧力を印加することによって廃棄物リザーバへ移送されてもよい。これは、ＩＲのうちの１つからの液体でＭＣをフラッシングして例えばＭＣを洗浄することによって行なわれてもよい。

[0096]その後、新たなｓｒに異なる液体混合物を充填するためにプロセスの全体を繰り返すことができる。予め充填されたｓｒ内に既に蓄えられる液体と次の空のｓｒを充填するべくｓｃを通じて運ばれる新たな液体混合物との間で非常に僅かな混合が起こることが予期されることに留意することは重要である。確かに、液体が次のｓｒに達するようにｓｃ内で上昇されるにつれて、液体は、充填されたｓｒのｓｒｔｏｐ及びｓｒｂｏｔの両方をｓｃに対して遮断する場合がある。両方の接続ポイントが遮断されるときに空気は逃げることができないため、ｓｃ内の新たな液体混合物は既に充填されたｓｒに入ることができない。それぞれのｓｒのアクセスポート（ＡＰ）は、デバイスの動作中に遮断される。しかしながら、望まれる収容リザーバの全てが充填された時点で、回転が停止されてもよく、また、各収容リザーバ内に蓄えられる液体を独立に回収するためにＡＰを開放して使用できる。

[0097]図１６は、Ｌｙｓｉｓ、ＰＣＲ、及び、ハイブリダイゼーションのためのチップにおける形態を概略的に示す。形態により、サンプル（２００μＬ）が熱的に溶解された後、５μＬがＰＣＲチャンバ内へ移送されてＰＣＲ混合物と「気泡」混合される。ＰＣＲ増幅が次に起こり、その後、５μＬが、ハイブリダイゼーションバッファチャンバ（Ｈ）へ移送されて、緩衝液と「気泡」混合された後、ハイブリダイゼーションのためのアレイへ移送される。その後、実際の最終的な検出ステップの前に２つの洗浄（Ｗ１，Ｗ２）が行なわれる。２つの独立に制御される加熱要素が、溶解チャンバと、ＰＣＲチャンバ、及び、ハイブリダイゼーションアレイと接触した状態で設けられる。これは、マイクロ流体チップコントローラによって制御されることが好ましい。このデバイスの検査は、成し遂げられてしまっており、成功だった。

[0098]図１７は、サンプルが検出布に基づいてシステムに答えるための形態を示す。形態により、抗体、ペルオキシダーゼ、及び、２つの洗浄液がそれらのそれぞれのチャンバ内に装填され、また、検出布アレイがチャンバ内に組み込まれる。サンプルが検出チャンバに装填され、また、チップが１５分間にわたって８０℃で培養される。回転が開始される。検出布がほぼ完全に乾燥されるまでサンプルがチップの底部で廃棄物リザーバへ向けて流れる。洗浄液が検出チャンバ内へ供給されて廃棄物リザーバへフラッシングされる。検出リザーバが空になって布が乾燥されると、抗体溶液が供給されて、培養のために回転が１０分間にわたって停止される。プラットフォームが再び回転され、また、検出リザーバが空になって布が乾燥されると、第２の洗浄液が検出チャンバへ移送される。その後、ペルオキシダーゼが検出チャンバへ移送される。その後、チャンバ１３が光学的に走査され、また、適切なカメラ及びコンピュータソフトウェアを用いて検出スポットが監視される。このデバイスの検査は、成し遂げられてしまっており、成功だった。

[0099]ＤＮＡ注出・凝縮プロトコルなど、他のチップがこのコントローラを念頭に置いて形成された。この形態の製造及び検査は間近に迫っている。このチップには捕捉ビーズが（例えばシール前に）予め装填される。０．５ｍＬのＤＮＡサンプル、洗浄液、及び、緩衝液がそれぞれのポートを介してそれぞれのチャンバへ注入される。サンプルは、遠心分離又は空気圧バルブ作用によって、ビーズをその底部に有する捕捉解放チャンバへ移動された後、ビーズに通され、その後、廃棄物へ至る。ビーズはその後に洗浄され、また、その後、洗浄液が廃棄物へ送られる。緩衝液がビーズ層へ送られ、また、ビーズ層が２分間にわたって８５℃まで加熱される。緩衝液及び内容物が収集チャンバへ移動される。

[00100]最後に、ＲＮＡリアクターマイクロ流体チップが設計され、また、ＲＮＡリアクターマイクロ流体チップは、ウイルス溶解、サンプル浄化、タンパク質除去、ＲＮＡ捕捉・凝縮、再懸濁、同時標識及び非標識逆転写酵素ＰＣＲ増幅、マイクロアレイハイブリダイゼーション、及び、シークエンシングのためのサンプル調製から成るプロトコルを実行するために、来年には製造されて検査されることが予期される。その形態によれば、サンプル浄化、溶解、及び、タンパク質除去は、溶解緩衝液とタンパク質捕捉のための５〜１０μｍ直径の強陽イオン交換体ビーズ（例えばＩｎｖｉｔｒｏｇｅｎ， Ｄｙｎａｂｅａｄｓ（登録商標）ＳＣＸ）とが予め装填されたリザーバ内へ４００μＬサンプルを装填することを伴う。その後、遠心マイクロフルイディクスに特有である遠心力を与えるためにマイクロ流体ユニットの回転速度が約６００ｒｐｍ以上まで増大される。その後、空気圧ラインを使用して、混合のために、気泡がチャンバ内に注入される。混合作用は、標的の化学的溶解と、ＳＣＸビーズの表面に対するタンパク質の非特異的付着とを促進させる。回転速度は、その後、５分間にわたって１０００ｒｐｍまで増大され、これにより、上澄み溶液の浄化、及び、チャンバの底部に対する細胞残屑及びタンパク質装填ＳＣＸビーズの凝縮がもたらされる。

[00101]その後、ＲＮＡが捕捉されて凝縮される。その後、回転速度が約６００ｒｐｍまで減少される。大気圧を約２０ｋＰａを上回る圧力をチャンバに印加することにより、カスタマイズ可能な量の洗浄されたＲＮＡリッチの浮遊物が、ＲＮＡ捕捉ビーズが予め装填された第２のリザーバへ移送される。浮遊物及びＲＮＡ捕捉ビーズは、その後、混合されるとともに、空気圧パルスによりリザーバの底部に注入される気泡を使用して培養される。捕捉ビーズに対するＲＮＡの付着後、第２のリザーバ内の液体がフィルタを介して廃棄物リザーバへフラッシングされる。フィルタ孔径は、ビーズ及び付着されたＲＮＡがリザーバから出るのを防止するように選択される。

[00102]第３のリザーバを加圧することにより、その後、溶出緩衝液が第２のリザーバ内へ注入され、それにより、ビーズに付着されたＲＮＡが混合後に洗浄緩衝液中に解放される。浄化されたＲＮＡは、その後、チャンバが回転している間に動作されて制御される温度サイクル熱電素子によって所定の温度に維持された逆転写酵素リザーバへ移送される 。次に、ＲＮＡ変性緩衝液が、逆転写酵素リザーバへ導入されて、浄化されたＲＮＡと混合される。６５℃での培養及び０℃への急速冷却の後、他のリザーバ内に配置されるＣ−ＤＮＡ合成緩衝液が、逆転写酵素リザーバへ移送されて混合される。５０℃での培養及び８５℃での熱不活性化の後、回転速度を５分間にわたって１０００ｒｐｍ以上まで増大させることによってＣ−ＤＮＡリッチの浮遊物が逆転写酵素リザーバ内で単離される。

[00103]一組の空気圧ラインに圧力を印加することによってＣ−ＤＮＡリッチな浮遊物が回転中心へ向けて送出される。標識ＰＣＲ増幅及び非標識ＰＣＲ増幅をそれぞれ行なうために液体が２つの上側リザーバへ分けられる。標識増幅はマイクロアレイハイブリダイゼーションのために使用され、一方、非標識ＤＮＡは、ＤＮＡシークエンシングを含む多くのタイプの外部分析にとって好ましい。両方の上側リザーバが熱電素子よりも上側に配置され、これにより、マイクロ流体デバイスが回転している間に高速温度サイクルの可能性が与えられる。ＰＣＲ増幅の後、上側リザーバの一方に配置されるＤＮＡが、９５℃で変性させられて、圧力パルスを使用して最終リザーバのハイブリダイゼーション緩衝液中に移送される。増幅されたＤＮＡとハイブリダイゼーション緩衝液とを圧力パルスを使用して混合させた後、サンプルが制御された速度でマイクロアレイよりも上側に流される。マイクロアレイは、リザーバの洗浄緩衝液を移送することによって濯がれる。

[00104]本明細書中に記載されるプロトコルは、ウイルスの検出及び非標識ＰＣＲ増幅に答えるためのオンチップサンプルと、外部ＤＮＡシークエンシングのためのサンプル調製とをいずれも得るための手段を与える。

[00105]構造に固有の他の利点は、当業者に明らかである。本明細書中には実施形態が例示的に記載され、また、これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載される本発明の範囲を制限するように意図されていない。前述の実施形態の変形は、当業者に明らかであるとともに、以下の特許請求の範囲により包含されるように発明者により意図される。

Claims (44)

1. 遠心分離機に装着するためのカップリングであり、前記遠心分離機に対してのマイクロ流体チップの同時装着を可能にするカップリングを有する本体であって、該本体及び前記マイクロ流体チップが前記遠心分離機により回転できるようになっており、第１の加圧流体供給源への第１の開口を有する本体と、
   第１の端部及び第２の端部を有し、前記第１の端部が前記第１の開口と流体連通するためのものであり、前記第２の端部が前記マイクロ流体チップの第１のポートと流体連通するように構成されている、第１の加圧流体供給ラインと、
   前記第１のポートに供給される圧力を選択的に制御するための流量制御デバイスと、
   前記流量制御デバイスを制御するための電気回路と
   を備えるマイクロ流体チップコントローラであって、
   前記遠心分離機に対して前記マイクロ流体チップと共に装着される前記マイクロ流体チップコントローラが、前記マイクロ流体チップの前記第１のポートに接続される前記第１の加圧流体供給ラインを用いて、遠心分離中に前記マイクロ流体チップ内への加圧流体の制御された供給を可能にする、マイクロ流体チップコントローラ。
2. 前記第１の加圧流体供給源がガスを供給する、請求項１に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
3. 前記第１の加圧流体供給源が、前記マイクロ流体チップの形成のためのマイクロ流体よりも高い又は低い密度を有するとともに前記マイクロ流体との低い混和性又は溶解度を有する加圧流体を供給する、請求項１に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
4. 前記ガスが、前記マイクロ流体チップのために意図されるプロセスで使用される物質及び反応物質との非反応性のために選択される不活性ガスである、請求項２に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
5. 前記ガスが、浄化された又は殺菌された空気又は窒素である、請求項２に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
6. 前記ガスが０．１〜２．５気圧の絶対圧力を有する、請求項２に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
7. 前記ガスが、周囲圧力にあり、又は、周囲圧力を少なくとも０．００３気圧上回る又は下回る圧力を有する、請求項２に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
8. 前記ガスが１．００３〜１．８気圧の圧力を有する、請求項２に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
9. 第１の端部で前記本体の第２の開口によって第２の加圧流体供給源と連通する第２の加圧流体供給ラインを更に備え、
   前記第２の加圧流体供給ラインが、第２の端部に、前記マイクロ流体チップの第２のポートにシール装着するためのカップリングをもたらす、請求項１〜８のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
10. 前記第１の加圧流体供給源及び前記第２の加圧流体供給源が、異なる圧力に独立に維持されるようになっている、請求項９に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
11. 制御システムを前記遠心分離機に装着するための前記カップリングが、前記遠心分離機のブレードに対する機械的な取り付けを、前記ブレード上の前記マイクロ流体チップのための装着位置と干渉しない位置で行う、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
12. 制御システムを前記遠心分離機に装着するための前記カップリングが、前記遠心分離機のブレードに装着されるチップに対する機械的な取り付けを行う、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
13. 前記マイクロ流体チップの少なくとも一部を装着する又は支持するように形成される前記本体の部分を更に備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
14. 前記カップリングが、前記遠心分離機に対する複数のチップの同時装着を可能にする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
15. 前記第１の加圧流体供給ラインが、前記複数のチップのそれぞれの第１のポートに対する流体接続のための複数のカップリングをそれぞれ前記第２の端部にもたらすように分岐している、請求項１４に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
16. 前記電気回路が、前記マイクロ流体チップ上の電気部品と結合するための電気リードを更に備え、前記電気リードが、電力を前記電気部品に供給する又は信号を前記電気部品に与えるようになっている、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
17. 前記マイクロ流体チップに装着するためのジョイント又は前記マイクロ流体チップのための支持体を更に備える、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
18. 前記遠心分離機の回転平面内での前記マイクロ流体チップの運動を制御するための機械的なアクチュエータを更に備え、
    前記運動が、前記平面上に投影される前記マイクロ流体チップの少なくとも５°の回転を含む、請求項１７に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
19. 前記第１の加圧流体供給源が囲繞された加圧チャンバを備える、請求項１〜１８のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
20. 前記加圧チャンバが負圧源又は陽圧源と連通する加圧チャンバである、請求項１９に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
21. 前記負圧源又は前記陽圧源がポンプによるものである、請求項２０に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
22. 前記ポンプが当該マイクロ流体チップコントローラに装着されている、請求項２１に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
23. 前記ポンプが、当該マイクロ流体チップコントローラを装着する前記遠心分離機のブレードに作用するモーメントを制限するために前記遠心分離機の回転中心付近で当該マイクロ流体チップコントローラに装着されている、請求項２２に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
24. 前記電気回路が前記ポンプを制御するようになっている、請求項２１〜２３のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
25. 前記ポンプのための電源が当該マイクロ流体チップコントローラに装着されている、請求項２１〜２４のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
26. 前記ポンプのための電源が、前記遠心分離機から外れて設けられるとともに、スリップリングなどの電気接触回転カップリングによって前記ポンプに接続されている、請求項２１〜２４のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
27. 前記負圧源又は前記陽圧源が前記遠心分離機から外れて設けられ、前記チャンバが空気圧スリップリングを介して前記ポンプに結合されている、請求項２０に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
28. 前記本体が、前記遠心分離機と共に回転できるように装着されるスリップリングのロータを備え、当該マイクロ流体チップコントローラが前記スリップリングのためのステータを更に備える、請求項１〜２７のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
29. 前記流量制御要素が前記スリップリングの前記ステータに取り付けられている、請求項２８に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
30. 前記ロータ上の複数の加圧流体供給ラインがマルチチャネルスリップリングを介して前記ステータのそれぞれの加圧流体供給源に結合されている、請求項２８又は２９に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
31. 少なくとも１つの前記電気接触回転カップリングが、制御信号、データ、及び、電力の供給のために、前記電気回路を静止コントローラと結合させる、請求項１〜３０のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
32. 前記マイクロ流体チップ又が該チップ内に収容される液体の特性を測定するために前記本体及び／又は前記マイクロ流体チップに装着されるセンサを更に備え、
    前記センサが前記電気回路と電子的に連通している、請求項１〜３１のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
33. 前記センサが、前記マイクロ流体チップ内の流体の位置に関するフィードバックを与え、又は、温度センサ、流体力学的センサ、又は、光センサを含む化学的、物理的、又は、電子的なセンサである、請求項３２に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
34. 特性を測定するために前記本体及び／又は前記マイクロ流体チップに装着されるアクチュエータを更に備え、
    前記アクチュエータが前記電気回路と電子的に連通している、請求項１〜３３のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
35. 前記アクチュエータが、前記マイクロ流体チップ内の流体の位置に影響を及ぼすか又は、温度調整器、流体力学的調整器、若しくは、光エミッタを含む化学的、物理的、若しくは、電子的なデバイスである、請求項３４に記載のマイクロ流体チップコントローラ。
36. マイクロ流体チップ内への加圧流体の供給を制御するための方法であって、
    マイクロ流体チップ制御システムを遠心分離機に装着するとともに、前記マイクロ流体チップを前記遠心分離機に装着して、前記マイクロ流体チップ及び前記制御システムの少なくとも一部が前記遠心分離機により回転できるようにする、ステップと、
    前記制御システムに少なくとも１つの加圧流体供給源を設けるステップと、
    前記少なくとも１つの加圧流体供給源と前記マイクロ流体チップのポートとの間を連通させる加圧流体供給ラインを結合するステップと、
    前記マイクロ流体チップに供給される圧力を選択的に制御するように流量制御デバイスを動作させるステップと
    を備える方法。
37. 前記流量制御デバイスを動作させる前記ステップが、リザーバ内の液体を泡立てるために前記マイクロ流体チップの第１のポートと第２のポートとの間に圧力差を加える工程を備え、前記第１のポートが、前記液体のメニスカスよりも下側で前記リザーバに結合され、前記第２のポートが、前記メニスカスよりも上側で前記リザーバに結合され、前記第２のポートに印加される圧力が前記第１のポートに印加される圧力よりも低い、請求項３６に記載の方法。
38. 流量制御デバイスを動作させる前記ステップが、チャネルに圧力を印加して、前記チャネルと接続される第１のリザーバから第２のリザーバへ液体を移動させる工程を備える、請求項３６に記載の方法。
39. 前記第２のリザーバが、前記第１のリザーバよりも前記遠心分離機の回転中心軸線に近い、請求項３８に記載の方法。
40. 前記第１のリザーバが前記マイクロ流体チップから外れたバイアル瓶内にあり、前記第２のリザーバが前記マイクロ流体チップ上にある、請求項３８に記載の方法。
41. 前記圧力を前記チャネルに印加して前記液体を移動させる前記ステップが、サイフォンバルブをプライミングする工程を備える、請求項３８に記載の方法。
42. 前記流量制御デバイスを動作させる前記ステップが、２つ以上の方向のうちの１つで前記液体を選択的に移動させるために複数の供給ライン内の複数の流量制御デバイスを動作させる工程を備える、請求項３８に記載の方法。
43. 請求項３６〜４２のいずれか一項に記載の方法を実行するためのユーザ命令、
    請求項１〜３５のいずれか一項に記載のチップコントローラ、及び、
    請求項３６〜４２のいずれか一項に記載のチップコントローラの流量制御デバイスを制御するための持続性コンピュータ可読プログラム命令
    のうちの少なくとも１つを備えるキット。
44. 前記マイクロ流体チップのポートと前記供給ラインとを接続するためのチューブ、
    マイクロ流体チップ、
    遠心分離機のブレード、及び、
    遠心分離機
    のうちの少なくとも１つを更に備える請求項４３に記載のキット。

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